JP6944545B2 - 船舶用エンジンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のエンジンを搭載した船舶のエンジン運転方法に関するものである。

船舶で使用されるエンジンの中で天然ガスを燃料として使用することができるＤＦ（Ｄｕａｌ Ｆｕｅｌ）エンジンがある。ＤＦエンジンは、天然ガスと燃料油の両方を使用するエンジンであり、４ストローク発電用エンジンと２ストローク主推進用エンジンに分けられる。

４ストローク発電用ＤＦエンジンは一般的にＤＦエンジンといわれ、発電機に接続されて、エンジンの負荷は接続された発電機によって決定される。発電機に接続された機器からより多くの電力が要求されると、発電機を回転させるトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）が増加することになり、トルクが増加すると発電機の回転数が減少し、減少した回転数を補償するためエンジンのガバナー（Ｇｏｖｅｒｎｏｒ）がより多くの燃料を注入し、エンジンにより多くの燃料が注入されるとエンジンの回転数が増加して既存の回転速度を維持することになる。すなわち、エンジンの負荷はエンジンの回転速度とトルクによって決定されるが、エンジンの回転速度は一定に維持され、トルクが調節されながらエンジンの負荷も調節される。４ストロークＤＦエンジンはピストンが上昇しながら燃料と燃焼空気を圧縮するオットーサイクル（Ｏｔｔｏ Ｃｙｃｌｅ）を採用している。

２ストローク主推進用ＤＦエンジンには、Ｘ−ＤＦエンジン、ＭＥ−ＧＩエンジンなどがあるが、船舶を推進するためのエンジンであるため、発電機ではなくプロペラと接続される。２ストロークＤＦエンジンは、ピストンの上死点付近で燃料を燃焼室に直接噴射するディーゼルサイクル（Ｄｉｅｓｅｌ Ｃｙｃｌｅ）を採用している。高圧２ストロークＤＦエンジンであるＭＥ−ＧＩエンジンは、約３００ｂａｒ〜３５０ｂａｒ程度の圧力の天然ガスを燃料として使用する。

一方、３４ＤＦエンジンは、複数のシリンダーのうち特定のシリンダーを継続的に点火させるのではなく、複数のシリンダーを均等に点火させる方式の運転が可能であるという特徴がある。

天然ガスと燃料油の両方を使用できるエンジンを複数搭載した船舶において、複数のエンジンの負荷をいかに調整するか、天然ガスと燃料油はいかなる割合で供給するかなど、エンジンの燃料費を最小限に抑えるための努力が続けられている。

最近、エンジンの燃料費を低減する方法として、エンジンが低負荷で運転する場合、エンジンにある複数のシリンダーのうち一部のシリンダーを非活性化して、運転するシリンダーの負荷を高める方法（断続燃焼、Ｓｋｉｐ Ｆｉｒｉｎｇ）が開発された。

本発明は、複数のエンジンを運転する方法に断続燃焼を組み合わせて、燃料費を削減しながらもエンジンの効率的運転が可能である、船舶用エンジンの運転方法を提供する。

前記目的を達成するために、本発明の一実施形態では、複数のエンジンを搭載した船舶のエンジン運転方法において、１）前記船舶で要求される負荷がエンジン１台の最大負荷の９０％以上１２５％以下である場合、前記複数のエンジンのうち１台は断続燃焼モード(Skip Firing Mode)で運転し、他の１台は通常モードで運転し、その他のエンジンは運転させず、前記断続燃焼モードで運転するエンジンは２５％以下の所定負荷を負担し、前記通常モードで運転するエンジンは前記船舶で要求される残りの負荷と前記船舶の要求負荷変動を負担し、２）前記船舶で要求される負荷が１２５％以下の状態から１２５％を超えると、前記断続燃焼モードで運転したエンジン（以下、「第１エンジン」という。）が、前記船舶で要求される負荷の１２５％を超える負荷を一時的に負担した後、前記運転しなかったエンジン（以下、「第３エンジン」という。）を始動し、３）前記第１エンジンは再び２５％以下の負荷で断続燃焼モードで運転し、前記通常モードで運転したエンジン（以下、「第２エンジン」という。）と前記第３エンジンが、前記船舶で要求される負荷の残りの部分を負担することを特徴とする、船舶用エンジンの運転方法が提供される。

前記２）ステップにおいて、前記第１エンジンは、前記船舶で要求される負荷の１２５％を超える負荷を一時的に負担する時には一時的に通常モードで運転し、前記３）ステップにおいて前記第２エンジンと前記第３エンジンは通常モードで運転する。

前記３）ステップにおいて、前記第２エンジンと前記第３エンジンは前記船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担することができる。

前記船舶用エンジンの運転方法は、４）前記船舶で要求される負荷が１２５％を超えている状態から減少すると、前記第２エンジンと前記第３エンジンの負荷を徐々に下げ、５）前記船舶で要求される負荷が１２５％以下になると、前記第３エンジンの運転を停止させる。

前記４）ステップにおいて、前記第１エンジンは断続燃焼モードで運転することができる。

前記４）ステップにおいて、前記第２エンジンと前記第３エンジンは前記船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担することができる。

前記５）ステップにおいて、前記第１エンジンは断続燃焼モードで２５％以下の所定負荷を負担し、前記第２エンジンは前記船舶で要求される残りの負荷と前記船舶の要求負荷変動を負担する。

前記５）ステップにおいて、前記第２エンジンは通常モードで運転することができる。

前記船舶は、断続燃焼モードで運転することができる４台のエンジンを備え、前記４台のエンジンのうち１台は予備品（Ｓｔａｎｄｂｙ）であり、平常時には３台のエンジンを運転することができる。

前記複数のエンジンは３４ＤＦエンジンであり得る。

本発明は、エンジンの寿命やエンジンの整備周期にも全く影響を与えることなくエンジンの燃料効率を高めることができ、温室効果ガス、ＣＯ、ＮＯ_Ｘなどの有害排出物の量を大幅に減らすことができる。

２台のエンジンが運転する場合において、本発明の実施形態を示したグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の構成と作用を詳細に説明する。本発明の船舶用エンジンの運転方法を適用する船舶は、液化天然ガス運搬船、液化天然ガス燃料船、ボーリング船、海上構造物など、様々な用途の船舶であり得る。また、本発明の船舶用エンジンの運転方法が適用されるエンジンは、３４ＤＦエンジンであることが好ましいが、これに限定されることなく、燃料油と天然ガスを二重に使用できるすべてのエンジンに応用することができる。下記の実施形態は他の形態に変更することができ、本発明の範囲は下記の実施形態によって限定されない。

本実施形態の船舶用エンジンの運転方法は、１）船舶で要求される負荷が９０％以上１２５％以下である場合、複数のエンジンのうち１台は断続燃焼モード（Ｓｋｉｐ Ｆｉｒｉｎｇ Ｍｏｄｅ）で運転し、他の１台は通常モードで運転して、その他のエンジンは運転しないステップを備える。

船舶で要求される負荷が２５％以下である場合には、１台のエンジンだけ駆動して断続燃焼モードで運転することが好ましい。また、船舶で要求される負荷が２５％を超えて９０％未満の場合には、１台のエンジンだけ駆動して１台のエンジンが通常モードで船舶で要求される負荷をすべて負担することも、２台のエンジンを駆動し、１台は断続燃焼モードで２５％以下の負荷で運転し、もう１台は通常モードで残りの負荷を負担することもできる。

本実施形態の船舶用エンジンの運転方法において、断続燃焼モードで運転するエンジンは２５％以下の負荷であり、通常モードで運転するエンジンは２５％を超える負荷である。通常モードで運転するエンジンは、船舶で要求される負荷の断続燃焼モードで運転するエンジンが負担する負荷を除いた負荷を負担し、船舶要求負荷変動も通常モードで運転する負荷で負担することが好ましい。船舶の要求負荷変動とは、船舶の運航条件に応じて要求される負荷が継続的に変動することを意味する。

船舶で要求される負荷は、エンジン１台が最大に負担できる負荷を１００％である場合を基準として示した。一例において、船舶で要求される負荷が２００％である場合、２台のエンジンが最大負荷で運転した場合と同じである。

また、船舶に搭載されるエンジンの台数は限定されないが、一般的に船舶には断続燃焼モードで運転することができる４台のエンジンが搭載され、そのうちの１台は予備品（Ｓｔａｎｄｂｙ）であり、平常時には３台のエンジンが運転する。以下、本実施形態の船舶用エンジンの運転方法が３台のエンジンに適用される場合を例にして説明する。第１エンジン、第２エンジン、及び第３エンジンは、ただ３つのエンジンのうち互いに異なるいずれかのエンジンという意味であり、設置手順や各ステップにおける特定のエンジンを表現するものではない。

一例において、１）ステップで第１エンジンが１００％、第２エンジンが２５％、第３エンジンが１００％であり、２）ステップで第１エンジンが１００％、第２エンジンが６０％、第３エンジンこの１００％であると説明した場合、１）ステップで３台のエンジンのうちいずれか１台が２５％であり、２）ステップで３台のエンジンのうちいずれか１台が６０％という意味であって、必ずしも１）ステップで２５％であったエンジンが２）ステップで６０％に変更されている場合だけを意味することではない。

図１は、２台のエンジンが運転する場合における本発明の実施形態を示したグラフである。図１のＸは、低負荷最適化分配モード（Ｌｏｗ Ｌｏａｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｓｈａｒｉｎｇ Ｍｏｄｅ）が活性化（Ｏｎ）した時点を示し、図１のＹは、低負荷最適化分配モードが非活性化（Ｏｆｆ）した時点を示す。低負荷最適化分配モードとは、複数のエンジンのうち１台を２５％以下で運転するモードを意味する。

図１を参照すると、一例として、船舶で要求される負荷が約１２０％である場合、２台のエンジンがそれぞれ約６０％の負荷で運転することも（Ｘ時点より前およびＹ時点以降）、低負荷最適化分配モードを活性化させて、図１のグラフｂのように、１台のエンジンは２５％以下の負荷で運転して、図１のグラフａのように、船舶で要求される負荷の残りの部分を他の１台のエンジンが負担することもできる（Ｘ時点とＹ時点との間）。

また、本実施形態の船舶の運転方法では、図１のグラフｂのように、２５％以下の負荷で運転するエンジンは断続燃焼モードで運転し、図１のグラフａのように、船舶で要求される負荷の残りの部分を負担するエンジンは通常モードで運転し、船舶の要求負荷変動にも対応することができる。

本実施形態の船舶の運転方法は、２）船舶で要求される負荷が１２５％以下であった状態から１２５％を超えると、断続燃焼モードで運転したエンジン（以下、「第１エンジン」という。）が、船舶で要求される負荷の１２５％を超える負荷を一時的に負担した後、運転しなかったエンジン（以下、「第３エンジン」という。）を始動するステップ；と、３）第１エンジンは再び２５％以下の負荷で断続燃焼モードで運転し、通常モードで運転したエンジン（以下、「第２エンジン」という。）と第３エンジンが船舶で要求される負荷の残りの部分を負担するステップを備えることができる。

船舶で要求される負荷が約１２０％であり、第２エンジンが約９８％の負荷を負担して通常モードで運転し、第１エンジンが約２２％の負荷で断続燃焼モードで運転した後、船舶で要求される負荷が約１５０％に変更された場合を例にして、前記２）ステップと３）ステップを下記で説明する。

前記２）ステップにおいて、第２エンジンはそのまま約９８％の負荷が維持されて通常モードで運転する。第１エンジンは、船舶で要求される負荷の増加分である約３０％をさらに負担して約５２％の負荷で運転し、断続燃焼モードから通常モードに転換され、第３エンジンは始動される。しかし、第１エンジンが船舶で要求される負荷の増加分を負担して通常モードで運転するのは一時的であり、直ちに前記３）ステップに転換して、第１エンジンは２５％以下の負荷で断続燃焼モードで運転し、第２エンジンと第３エンジンは船舶で要求される負荷の残りの部分を負担する。

前記３）ステップにおいて、第２エンジンと第３エンジンは通常モードで運転することが好ましく、第２エンジンと第３エンジンは船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担する。一例として、船舶で要求される負荷が約１５０％であり、第１エンジンが約２２％の負荷で運転する場合、第２エンジン及び第３エンジンはそれぞれ約６４％の負荷で運転することになる。

船舶で要求される負荷が２２５％を超えると、３台のエンジンはすべて通常モードで駆動されることが好ましい。３台のエンジンは船舶で要求される負荷を均等に負担することもできるが、３台のエンジンの一部を最大負荷で駆動させ、他のエンジンが残りの負荷を負担して運転することが燃料費低減の観点で好ましい。一例として、船舶で要求される負荷が２６０％であれば、第１エンジンの負荷は１００％、第２エンジンの負荷は６０％、第３エンジンの負荷は１００％で運転することが好ましい。

船舶で要求される負荷が２２５％以下になると、第１エンジンは２５％以下の負荷で断続燃焼モードで運転し、第２エンジンと第３エンジンは船舶で要求される負荷の残りの部分を負担することが好ましい。船舶で要求される負荷が２２５％を超えたときに最少の負荷を負担したエンジンが、船舶で要求される負荷が２２５％以下まで下がったときに断続燃焼モードで運転することが好ましいが、これに限定されることではない。また、第２エンジンおよび第３エンジンは、通常モードで船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担して運転することが好ましく、エンジンの負荷は一遍に減少するのではなく、３台のエンジンが交互に目標負荷に向かって徐々に減少することが好ましい。

本実施形態の船舶の運転方法は、４）船舶で要求される負荷が１２５％を超える状態から減少すると、第２エンジンと第３エンジンの負荷を徐々に下げるステップ；および５）船舶で要求される負荷が１２５％以下になると、第３エンジンの運転を停止させるステップ；を備えることができる。

船舶で要求される負荷が１２５％を超える状態から減少し始めると、第２エンジンの負荷と第３エンジンの負荷を下げながら、船舶で要求される負荷が１２５％以下となり、１台を断続燃焼モードで運転して他の１台の運転を停止させても船舶で要求される負荷の残りの部分を残りの１台のエンジンが負担できるようになると、第３エンジンの運転を停止させる。

前記４）ステップにおいて第１エンジンは断続燃焼モードで運転することができる。また、第２エンジンおよび第３エンジンは、通常モードで船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担することが好ましい。

前記５）ステップにおいて、第２エンジンは通常モードで運転することができる。また、断続燃焼モードで運転する第１エンジンは２５％以下の所定負荷を負担し、第２エンジンは船舶で要求される残りの負荷と前記船舶の要求負荷変動を負担する。

前記４）ステップと５）ステップの場合にも、エンジンの負荷は一遍に減少するのではなく、３台のエンジンが交互に目標負荷に向かって徐々に減少しながら第３エンジンを停止させることが好ましい。

本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で様々な形態で修正または変更できることは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。

Claims (10)

1. 複数のエンジンを搭載した船舶のエンジン運転方法において、
   １）前記船舶で要求される負荷がエンジン１台の最大負荷の９０％以上１２５％以下である場合、前記複数のエンジンのうち１台は断続燃焼モード(Skip Firing Mode)で運転し、他の１台は通常モードで運転し、その他のエンジンは運転させず、
   前記断続燃焼モードで運転するエンジンは２５％以下の所定負荷を負担し、
   前記通常モードで運転するエンジンは前記船舶で要求される残りの負荷と前記船舶の要求負荷変動を負担し、
   ２）前記船舶で要求される負荷が１２５％以下の状態から１２５％を超えると、前記断続燃焼モードで運転したエンジン（以下、「第１エンジン」という。）が、前記船舶で要求される負荷の１２５％を超える負荷を一時的に負担した後、前記運転しなかったエンジン（以下、「第３エンジン」という。）を始動し、
   ３）前記第１エンジンは再び２５％以下の負荷で断続燃焼モードで運転し、前記通常モードで運転したエンジン（以下、「第２エンジン」という。）と前記第３エンジンが、前記船舶で要求される負荷の残りの部分を負担することを特徴とする、船舶用エンジンの運転方法。
2. 前記２）ステップで、前記第１エンジンは、前記船舶で要求される負荷の１２５％を超える負荷を一時的に負担する時に一時的に通常モードで運転し、
   前記３）ステップで、前記第２エンジンと前記第３エンジンは通常モードで運転することを特徴とする、請求項１に記載の船舶用エンジンの運転方法。
3. 前記３）ステップで、前記第２エンジンと前記第３エンジンは前記船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担することを特徴とする、請求項２に記載の船舶用エンジンの運転方法。
4. ４）前記船舶で要求される負荷が１２５％を超える状態から減少すると、前記第２エンジンと前記第３エンジンの負荷を徐々に下げ、
   ５）前記船舶で要求される負荷が１２５％以下になると、前記第３エンジンの運転を停止させることを特徴とする、請求項１に記載の船舶用エンジンの運転方法。
5. 前記４）ステップで、前記第１エンジンは断続燃焼モードで運転することを特徴とする、請求項４に記載の船舶用エンジンの運転方法。
6. 前記４）ステップで、前記第２エンジンと前記第３エンジンは前記船舶で要求される負荷の残りの部分を均等に負担することを特徴とする、請求項４に記載の船舶用エンジンの運転方法。
7. 前記５）ステップで、前記第１エンジンは断続燃焼モードで２５％以下の所定負荷を負担し、前記第２エンジンは前記船舶で要求される残りの負荷と前記船舶の要求負荷変動を負担することを特徴とする、請求項４に記載の船舶用エンジン運転方法。
8. 前記５）ステップで、前記第２エンジンは通常モードで運転することを特徴とする、請求項７に記載の船舶用エンジンの運転方法。
9. 前記船舶は断続燃焼モードで運転することができる４台のエンジンを備え、
   前記４台のエンジンのうちの１台は予備品(Standby)であり、平常時は３台のエンジンが運転することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の船舶用エンジンの運転方法。
10. 前記複数のエンジンは３４ＤＦエンジンであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の船舶用エンジンの運転方法。

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