JP7263811B2

JP7263811B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP7263811B2
Application number: JP2019020861A
Authority: JP
Inventors: 裕増田; 敬之山田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128710A

Description

本発明は、エンジンシステムに関するものである。

例えば特許文献１には、燃焼室の上死点と下死点との間で往復するピストンにより内部のガス燃料を圧縮し、燃焼させる２ストロークエンジンが開示されている。このような２ストロークエンジンにおいては、ガス燃料に着火させるため、パイロット点火予燃焼室が設けられており、該予燃焼室においてパイロット燃料である液体燃料に点火することで、ガス燃料に着火させている。

特表２０１４－５２２９４１号公報

一般的に、ピストンとライナとの摺動性を確保するため、燃焼室の周面に対しては潤滑油が全周に対して供給されている。このような潤滑油は、燃焼室においてピストンに圧縮されることにより高温高圧となり、自着火する場合がある。潤滑油の着火は、制御されておらず、エンジンの各行程において偶発的に発生するため、エンジンのノッキングや早期着火等の異常燃焼の原因となっている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、潤滑油による異常燃焼を抑制することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、気体燃料を燃焼させる燃焼室を有するエンジンと、前記エンジンを制御する制御部とを備えるエンジンシステムであって、前記燃焼室の内周面に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を備え、前記制御部は、前記燃焼室の圧縮端における燃焼室内温度が前記潤滑油の着火温度となるように制御するという手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記制御部は、吸気温度を制御することにより、前記燃焼室の圧縮端における燃焼室内温度が前記潤滑油の着火温度となるように制御するという手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記エンジンに空気を供給する過給機を備え、前記気体燃料は、予混合気として前記燃焼室に供給され、前記制御部は、過給圧を制御することにより、前記予混合気の空気過剰率を１．０～２．５の間の範囲とするという手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記制御部は、前記予混合気の空気過剰率を１．６～１．８の間の範囲とするという手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記制御部は、前記予混合気の空気過剰率を１．８～２．０の間の範囲とするという手段を採用する。

本発明によれば、デュアルフューエルエンジンにおいて、潤滑油の異常燃焼を防止することが可能である。

本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの構成を示す模式図である。本発明の一実施形態におけるエンジンの構成を示す模式図である。本発明の一実施形態におけるシリンダライナの断面を示す模式図である。制御部の動作を示すフローチャートであり、（ａ）が吸気温度の制御を示し、（ｂ）が過給圧の制御を示している。圧縮比とエンジン負荷との相関を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るエンジンシステムの一実施形態について説明する。

まず、本実施形態に係るエンジンシステムＡについて、図１～３を参照して説明する。エンジンシステムＡは、図１に示すように、エンジン１と、過給機１００と、バイパスバルブ２００と、制御部３００とを備えている。

エンジン１は、例えば、船舶に搭載された多気筒のユニフロー掃気ディーゼルエンジン（２ストロークエンジン）とされ、天然ガス等の気体燃料の予混合気を燃焼させることにより動力を発生させている。このようなエンジン１は、図２に示すように、シリンダ部２と、燃料噴射弁３と、ピストン４と、排気弁ユニット５と、ピストンロッド６と、クロスヘッド７と、連接棒８と、クランク軸９と、潤滑油供給装置１０を有している。

シリンダ部２は、燃焼室Ｒ１を有する円筒状のシリンダライナ２ａと、排気ポートＨが形成されると共に不図示の排気溜と接続されるシリンダヘッド２ｂと、シリンダライナ２ａの下部設けられると共にシリンダライナ２ａの下端部が挿入された円筒状のシリンダジャケット２ｃとを有している。また、シリンダジャケット２ｃには、掃気ポートＳ、掃気室Ｒ２が設けられており、掃気溜と接続されている。また、シリンダライナ２ａには、図３に示すように、潤滑油が供給される供給口が周面に等間隔で形成されている。この供給口には、後述する潤滑油供給ノズル１０ａが設けられている。

図２に戻り、燃料噴射弁３は、シリンダヘッド２ｂに設けられた弁装置である。燃料噴射弁３は、液体燃料による運転の際には、燃焼室Ｒ１に向けて液体燃料を噴射する。また、燃料噴射弁３は、気体燃料による運転の際には、始動時のパイロット燃料として少量の液体燃料を燃焼室Ｒ１に向けて噴射する。

ピストン４は、略円柱状とされ、後述するピストンロッド６と接続されてシリンダライナ２ａの内側に配置されている。ピストン４は、燃焼室Ｒ１における圧力の変動により、ピストンロッド６を伴ってシリンダライナ２ａ内を摺動する。

排気弁ユニット５は、排気弁５ａと、排気弁筐５ｂと、排気弁駆動部５ｃとを有している。排気弁５ａは、シリンダヘッド２ｂの内側に設けられ、排気弁駆動部５ｃにより、シリンダ部２内の排気ポートＨを閉塞する。排気弁筐５ｂは、排気弁５ａの端部を収容する円筒形の筐体である。排気弁駆動部５ｃは、排気弁５ａをピストン４のストローク方向に沿う方向に移動させるアクチュエータである。

ピストンロッド６は、一端がピストン４と接続され、他端がクロスヘッド７と連結された長尺状部材である。
クロスヘッド７は、不図示のクロスヘッドピンを有している。クロスヘッド７は、ピストンロッド６の端部及び連接棒８の端部と連結され、ピストン４の直線運動を連接棒８へと伝達している。

連接棒８は、クロスヘッドピンと連結されると共にクランク軸９と連結されている長尺状部材である。連接棒８は、クロスヘッドピンに伝えられたピストン４の直線運動を回転運動に変換している。

クランク軸９は、ピストンロッド６及び連接棒８を介してピストン４と接続され、ピストン４に連動する部材である。

潤滑油供給装置１０は、例えば、制御部３００からの指示に基づいて、ピストン４が潤滑油供給ノズル１０ａを通過するより前と、ピストン４のピストンリングが潤滑油供給ノズル１０ａを通過する際と、ピストン４のピストンリング４ａが通過した後との３回に分けて、シリンダライナ２ａの内側に潤滑油を供給している。潤滑油供給ノズル１０ａは、外部の油送ポンプにより圧送された潤滑油が吐出されるノズルである。これにより、ピストン４のピストンリングに潤滑油が全て掻き出されることなく、シリンダライナ２ａの内周壁全周に潤滑油が行き渡るようになっている。

なお、潤滑油供給については、ピストン４のピストンリング４ａの上端が潤滑油供給ノズル１０ａを通過する前と、ピストン４のピストンリング４ａの上端が潤滑油供給ノズル１０ａを通過した後であってピストンのピストンスカート（図示しない）が通過する前と、ピストン４のピストンスカートが通過した後、の３つの供給タイミングが考えられる。潤滑油供給方式については、サイクル毎に１又は複数のいずれかのタイミングを適宜選択する方式であってもよい。潤滑油の供給量を抑えつつ、シリンダライナ２ａの内周壁全周に潤滑油が行き渡る点を鑑みると、サイクル毎にいずれか１つのタイミングを選択する方式が好ましい。

図１に戻り、過給機１００は、タービン１１０と圧縮機１２０とを備えている。
タービン１１０は、エンジン１の排気ポートＨとタービン流路Ｒ３を介して接続されている。このようなタービン１１０は、エンジン１から供給される燃焼ガスを駆動流体として回転動力を発生する回転機械である。タービン１１０は、エンジン１から供給される燃焼ガスの供給量に基づいて回転数が決定される。また、タービン１１０の下流側には、排気流路Ｒ４が接続されている。

圧縮機１２０は、エンジン１の掃気溜と吸気流路Ｒ５を介して接続されている。このような圧縮機１２０は、タービン１１０において発生した回転動力により、取り込んだ外気（空気）を圧縮し、エンジン１の掃気溜へと供給する。

バイパスバルブ２００は、エンジン１と排気流路Ｒ４とを接続するバイパス流路Ｒ６に設けられるバルブである。このバイパスバルブ２００は、制御部３００からの指示に基づいて弁開度が制御される。

制御部３００は、船舶の操縦者による操作等に基づいて、燃料の供給量等を制御するコンピュータである。また、制御部３００は、潤滑油の供給量及び供給タイミングを空気過剰率に基づいて変更可能としている。また、制御部３００には、圧縮端温度（燃焼室内温度）の目標値である目標圧縮端温度範囲と、空気過剰率の目標値である目標空気過剰率範囲とが予め記憶されている。目標圧縮端温度範囲及び目標空気過剰率範囲は、予混合気が供給されるタイミングで潤滑油に着火させるための条件の範囲を示している。目標空気過剰率範囲は、１．０～２．５の間の範囲に設定されうる。空気過剰率がそれより大きい場合には、燃料が着火しない可能性があり、それ以下である場合にはノッキング等の異常燃焼が生じる可能性がある。国際海事機関の定めるＮＯｘ規制における３次規制に基づいて下限が決定され、空気過剰率１．８～２．０の範囲とされていてもよい。このような目標空気過剰率範囲は、従来のエンジンにおいて用いられる空気過剰率よりも低く設定されている。すなわち、本実施形態におけるエンジン１に供給される予混合気は、従来のエンジンよりも燃料濃度が高く設定されている。

このような本実施形態に係るエンジンシステムＡの動作を、図４を参照して説明する。
このようなエンジンシステムＡにおいては、燃焼室Ｒ１の内周面に対して、ピストン４が潤滑油供給ノズル１０ａを通過するより前と、ピストン４のピストンリングが潤滑油供給ノズル１０ａを通過する際と、ピストン４のピストンリング４ａが通過した後との３回に分けて、ピストン４が潤滑油供給ノズル１０ａより潤滑油が噴射することができる。これにより、燃焼室Ｒ１は、内周面に潤滑油の膜が形成されると共に、ピストン４の圧縮により気化した潤滑油の雰囲気に満たされた状態となる。このように潤滑油の雰囲気を、さらにピストン４で圧縮することにより、高温高圧となった潤滑油が着火し、燃焼室Ｒ１内において火炎が形成される。このような燃焼室Ｒ１において、気体燃料と空気とを予混合させ、予混合気を供給している。

このようなエンジンシステムＡにおいて、潤滑油を着火源とするための、圧縮端温度の制御について説明する。
制御部３００は、まず、不図示の温度センサより吸気温度を取得する（ステップＳ１）。

そして、制御部３００は、取得した吸気温度が目標圧縮端温度範囲に入っているか否かを判断する（ステップＳ２）。吸気温度が目標圧縮端温度範囲内の場合、すなわち、判定がＹＥＳの場合には、制御部３００は、吸気温度を維持する（ステップＳ３）。

これに対して、吸気温度が目標圧縮端温度範囲から外れている場合、すなわち、判定がＮＯの場合には、制御部３００は、エアクーラに流れる冷却水の流量または温度を制御し、吸気温度を上昇または低下させる（ステップＳ４）。具体的には、吸気温度が目標圧縮端温度範囲よりも高い場合には、制御部３００は、吸気温度を低下させるため、冷却水の流量の増加または温度の低下の制御を行う。また、吸気温度が目標圧縮端温度範囲よりも低い場合には、制御部３００は、吸気温度を上昇させるため、冷却水の流量の減少または温度の上昇の制御を行う。

これにより、圧縮端温度（圧縮端における燃焼室Ｒ１の温度）を潤滑油の着火に適した温度とすることができ、圧縮端で潤滑油を着火させることが可能となる。なお、このような圧縮端温度は、従来のエンジンにおける圧縮端温度よりも高い温度とされている。したがって、潤滑油の着火のタイミングを制御可能となり、潤滑油をパイロット燃料として利用することが可能となる。

また、潤滑油は、シリンダライナ２ａの周面に等間隔で複数設けられた潤滑油供給ノズル１０ａより供給されており、燃焼室Ｒ１内において偏りなく供給されている。したがって、このような潤滑油を着火源とすることで、多点から着火させることができ、燃焼室Ｒ１内において火炎伝播による燃焼が減少するため、燃焼室Ｒ１内において未燃焼の燃料が発生しづらい。すなわち、燃焼室Ｒ１内における予定外の自着火を抑制することにより、ノッキング等の異常燃焼の発生を抑制することができる。

続いて、空気過剰率の制御について説明する。
制御部３００は、燃焼室Ｒ１における空気過剰率を算出する（ステップＳ１１）。空気過剰率は、例えば、エンジン１の運転負荷や、回転数等から算出される。

そして、取得した空気過剰率が目標空気過剰率範囲に入っているか否かを判断する（ステップＳ１２）。取得した空気過剰率が目標空気過剰率範囲内である場合、すなわち、判定がＹＥＳの場合には、制御部３００は、空気過剰率を維持する（ステップＳ１３）。

これに対して、空気過剰率が目標空気過剰率範囲から外れている場合、すなわち、判定がＮＯの場合には、制御部３００は、過給圧を増減させることにより、空気過剰率を増加または減少させる（ステップＳ１４）。具体的には、空気過剰率が大きい場合には、制御部３００は、バイパスバルブを開弁し、過給圧を小さくすることで、空気過剰率を低下させる。また、空気過剰率が小さい場合には、制御部３００は、バイパスバルブを閉弁し、過給圧を大きくすることで、空気過剰率を上昇させる。
これにより、潤滑油の着火による火炎の形成に適した空気過剰率とすることができ、潤滑油の自着火により形成された火炎が燃焼室Ｒ１内において拡散されやすくなる。

このような空気過剰率の制御を、圧縮端温度の制御と組み合わせることにより、燃焼室Ｒ１内において、圧縮端で潤滑油を着火し、燃料ガスを燃焼させやすくなる。

また、本実施形態においては、空気過剰率を１．８～２．０の範囲としていることにより、国際海事機関の定める３次規制に則ってエンジン１を稼働させることが可能である。

なお、潤滑油を着火源とする場合、異常燃焼が生じることなく燃焼させるには、図５に示すエンジン負荷と有効圧縮比との関係に基づいて、下表１のような制御を行う。
具体的には、エンジン負荷が低い運転を行う場合、有効圧縮比は高く設定する。また、高負荷運転の場合と比較して、有効圧縮比は高く、過給圧は低く設定される。エンジン負荷が高い運転に変化させる場合には、有効圧縮比は低く、過給圧は高く設定される。
有効圧縮比は、圧縮端温度と空気過剰率との相関がある。圧縮端温度は、運転条件により定められる。空気過剰率は、過給器の過給圧で制御することが可能であり、有効圧縮比は、排気弁５ａの閉タイミングで制御することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態においては、目標空気過剰率範囲を１．８～２．０としたが、本発明はこれに限定されない。目標空気過剰率範囲は、国際海事機関の２次規制に則って、１．６～１．８としてもよい。

（２）上記実施形態においては、エンジン１は、２ストロークエンジンとしたが、本発明はこれに限定されない。エンジン１は、４ストロークエンジンとしてもよい。

（３）エンジン１は、気体燃料を燃焼させるガス運転モードと、液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有するデュアルフューエルエンジンとしてもよい。

（４）また、バイパスバルブ２００は、タービン流路Ｒ３と空気バイパス流路Ｒ７とを接続する流路に対して設けられるものとしてもよい。

Ａエンジンシステム
１エンジン
２シリンダ部
２ａシリンダライナ
２ｂシリンダヘッド
２ｃシリンダジャケット
３燃料噴射弁
４ピストン
５排気弁ユニット
５ａ排気弁
５ｂ排気弁筐
５ｃ排気弁駆動部
６ピストンロッド
７クロスヘッド
８連接棒
９クランク軸
１０潤滑油供給装置
１０ａ潤滑油供給ノズル
１００過給機
１１０タービン
１２０圧縮機
２００バイパスバルブ
３００制御部
Ｈ排気ポート
Ｒ１燃焼室
Ｒ２掃気室
Ｒ３タービン流路
Ｒ４排気流路
Ｒ５吸気流路
Ｒ６バイパス流路
Ｒ７空気バイパス流路
Ｓ掃気ポート

Claims

気体燃料を燃焼させる燃焼室を有するエンジンと、前記エンジンを制御する制御部とを備えるエンジンシステムであって、
前記燃焼室を有する円筒状のシリンダライナの内側に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を備え、
前記制御部は、前記燃焼室の圧縮端における燃焼室内温度が前記潤滑油の着火温度となるように制御する
ことを特徴とするエンジンシステム。
前記制御部は、吸気温度を制御することにより、前記燃焼室の圧縮端における燃焼室内温度が前記潤滑油の着火温度となるように制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
前記エンジンに空気を供給する過給機を備え、
前記気体燃料は、予混合気として前記燃焼室に供給され、
前記制御部は、過給圧を制御することにより、前記予混合気の空気過剰率を１．０～２．５の間の範囲とすることを特徴とする請求項１または２記載のエンジンシステム。
前記制御部は、前記予混合気の空気過剰率を１．６～１．８の間の範囲とすることを特徴とする請求項３記載のエンジンシステム。
前記制御部は、前記予混合気の空気過剰率を１．８～２．０の間の範囲とすることを特徴とする請求項３記載のエンジンシステム。