JP7309111B2

JP7309111B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP7309111B2
Application number: JP2018234847A
Authority: JP
Inventors: 裕増田; 敬之山田; 孝行廣瀬
Original assignee: E&s Du
Current assignee: E&s Du
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2020094576A

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、内燃機関の運転中に少なくとも燃料ガス拡散燃焼方式と燃料ガス予混合燃焼方式を選択可能な燃焼方式選択手段と、選択された燃焼方式に応じた燃料噴射態様となるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、選択された燃焼方式に基づいて実圧縮比を変更する実圧縮比変更手段と、を備え、実圧縮比変更手段は、内燃機関の運転中に、燃料ガス予混合燃焼方式に切り替わったら実圧縮比を低圧縮比に変更し、燃料ガス拡散燃焼方式に切り替わったら前記実圧縮比を高圧縮比に変更することが開示されている。

国際公開第２０１６／１３６００１号

現在、ガス燃料を予混合気として供給することが検討されている。しかしながら、過給機を用いる際に、エンジン低負荷状態においては予混合気中の酸素濃度が必要以上に高くなる可能性がある。したがって、ガス燃料を予混合気として供給するためには、過給圧の適切な制御が必要となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、デュアルフューエルエンジンにおいて、過給圧を適切に制御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、液体燃料と気体燃料とを切り替えて燃焼させるデュアルフューエルエンジンと、前記デュアルフューエルエンジンに空気を供給する過給機とを備えるエンジンシステムであって、気体燃料による運転時において、運転負荷によらず空気過剰率が一定となるように、デュアルフューエルエンジンの過給圧を調節する過給圧調整部を備え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、過給機は、デュアルフューエルエンジンの排気ポートから排出された排気ガスにより回転されるタービンと、タービンの回転動力により空気を圧縮すると共に、デュアルフューエルエンジンに空気を供給する圧縮機とを備え、過給圧調整部は、タービンを介さずにデュアルフューエルエンジンから排気ガスを排出させるバイパス流路上に設けられると共に、バイパス流路の流量を調節するバイパスバルブを備えるという手段を採用する。

第３の解決手段として、過給機は、デュアルフューエルエンジンの排気ポートから排出された排気ガスにより回転されるタービンと、タービンの回転動力により空気を圧縮すると共に、デュアルフューエルエンジンに空気を供給する圧縮機とを備え、過給圧調整部は、圧縮機からエンジンへと供給される空気の一部を外部へと排出するバイパス流路上に設けられると共に、バイパス流路の流量を調節するバイパスバルブを備える、という手段を採用する。

第４の解決手段として、バイパスバルブは、気体燃料による運転時において、運転負荷が比較的小さい場合に開度が大きく、運転負荷が比較的大きい場合に開度が小さくなる、という手段を採用する。

第５の解決手段として、デュアルフューエルエンジンは、ユニフロー掃気式２ストロークエンジンことを特徴とする請求項１～４に記載のエンジンシステム。

本発明によれば、デュアルフューエルエンジンにおいて、過給圧を適切に制御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。過給圧とエンジン出力との相関を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの変形例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの変形例を示す模式図である。

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。

［第１実施形態］
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及び図２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、過給圧調整部２００と、制御部３００とを備えている。

エンジン１は、多気筒のユニフロー掃気式２ストロークエンジンとされ、天然ガス等の気体燃料を重油などの液体燃料と共に燃焼させるガス運転モードと、重油などの液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有している、所謂デュアルフューエルエンジンである。なお、ガス運転モードでは、気体燃料のみを燃焼させても良い。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とを有している。なお、本実施形態では、ユニフロー掃気式２ストロークエンジンを例に説明するが、ガス燃料を予混合気として供給する方式であれば適用可能であり、４ストロークエンジンであってもよい。

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。

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。また、クロスヘッド７は、ピストンロッド６の下端部において油圧室が形成されており、油圧室内の作動油の量が制御部３００により制御されている。この油圧室の油量が変化することで、ピストンロッド６の位置が変化し、燃焼室Ｒ１の圧縮比を変更することができる。

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。

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。

過給圧調整部２００は、バイパスバルブ２１０と、バルブ制御部２２０とを備えている。バイパスバルブ２１０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２１０は、バルブ制御部２２０からの指示に基づいて弁開度が制御される。
バルブ制御部２２０は、予め記憶された制御マップに基づいてバイパスバルブ２１０の開度を調整することによりバイパス流路Ｒ６へと流れる排気の流量を制御する。この制御マップは、縦軸が回転数、横軸がエンジン出力とされ、各回転数及びエンジン出力に応じた掃気圧が記憶されている。

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。このような制御部３００は、クロスヘッド７の油圧室の油量を制御する。

このようなエンジンシステムＡにおけるバイパスバルブ２１０の動作について説明する。
まず、液体燃料による運転の際には、エンジン１において拡散燃焼を行うため、図３に示すように常に過給圧を最大とすることが求められる。したがって、バルブ制御部２２０によりバイパスバルブ２１０が常に全閉状態に設定される。これにより、エンジン１から排出される排気ガスは、全てタービン流路Ｒ３を介してタービン１１０へと供給される。これにより、タービン１１０の回転数は最大となり、したがって、過給機１００の圧縮機１２０により供給される過給圧は最大となる。

そして、気体燃料による運転の際には、エンジン１において予混合燃焼を行うため、予混合気中の空気過剰率λが一定となるようにエンジン１の出力に応じて過給圧を制御する必要がある。例えば、図３に示すように、バイパスバルブ２１０を全閉状態とすると、エンジン出力（運転負荷）が小さい場合に、目標値に対して過給圧が大きくなる傾向がある。バルブ制御部２２０は、制御マップに基づいて、エンジン出力及びエンジン回転数を取得し、目標となる過給圧を算出する。バルブ制御部２２０は、この必要となる過給圧から、バイパスバルブ２１０の開度を算出し、制御を行う。

具体的には、バルブ制御部２２０は、エンジン出力が高負荷状態では、バイパスバルブ２１０の開度が、エンジン出力が中～低負荷状態の時よりも相対的に小さくなるように設定する。これにより、バイパス流路Ｒ６に流れる排気ガス流量を小さく、タービン流路Ｒ３に流れる排気ガス流量を大きくすることができ、過給機１００より供給される過給圧をエンジン出力が中～低負荷状態の時よりも相対的に大きくすることができる。

また、バルブ制御部２２０は、エンジン出力が中～低負荷状態では、バイパスバルブ２１０の開度が、エンジン出力が高負荷状態の時よりも相対的に大きくなるように設定する。これにより、バイパス流路Ｒ６に流れる排気ガス流量を大きく、タービン流路Ｒ３に流れる排気ガス流量を小さくすることができ、過給機１００より供給される過給圧をエンジン出力が高負荷状態の時よりも相対的に小さくすることができる。

このような本実施形態によれば、エンジン１が中～低負荷状態において、バイパスバルブ２１０の開度を大きく設定する。これにより、エンジン１の過給圧をエンジンの高負荷状態の時よりも小さくすることで、空気過剰率λを一定とすることが可能である。

また、本実施形態によれば、エンジン出力及びエンジン回転数の制御マップに基づいて、バイパスバルブ２１０を制御する。したがって、エンジン１に対して新たな構成部材を設けることなく、制御を行うことが可能である。

［第２実施形態］
上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として、図４を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。本実施形態においては、エンジンシステムＡにおいて、バイパス流路Ｒ６の代わりに、吸気流路Ｒ５と排気流路Ｒ４とを接続する空気バイパス流路Ｒ７が設けられている。そして、バイパスバルブ２１０は、空気バイパス流路Ｒ７上に設けられている。

バルブ制御部２２０は、空気バイパス流路Ｒ７上のバイパスバルブ２１０についても、上記と同様の制御により、エンジン１が高負荷状態のときには、バイパスバルブ２１０の開度を小さくし、エンジン１が中～低負荷状態のときには、バイパスバルブ２１０の開度を大きくする。これにより、空気バイパス流路Ｒ７に流れる空気の流量が変化し、これに伴ってエンジン１に供給される空気の流量の調節が可能である。

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、エンジン出力とエンジン回転数に基づくマップ制御によりバイパスバルブ２１０の開度を制御するものとしたが、本発明はこれに限定されない。エンジン１の排気ポートＨの下流側に酸素センサを設け、排気ガスが含有する酸素量に基づいてバイパスバルブ２１０の開度を制御するものとしてもよい。

（２）上記実施形態においては、バイパスバルブにより過給圧を制御するものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＶＧ（Variable Geometry）を用いて過給圧の制御を行うものとしてもよい。この場合、ＶＧの制御部は、例えばタービン１１０の羽根角度を変更することにより、タービン１１０を通過する排気ガスの流量を調節する。これにより、タービン１１０の回転数を変更し、エンジン出力が小さい場合に過給圧を小さくし、エンジン出力が大きい場合に過給圧を大きくすることが可能である。

（３）また、バイパスバルブ２１０による過給圧の制御と、ＶＧによる過給圧の制御とを組み合わせることも可能である。この場合、例えば故障等により、いずれかの手法が用いることができない場合でも、過給圧の制御を行うことが可能である。

（４）また、図５に示すように、バイパス流路Ｒ６の代わりに、吸気流路Ｒ５と、圧縮機１２０の上流側とを接続する空気バイパス流路Ｒ８を設け、空気バイパス流路Ｒ８上にバイパスバルブ２１０が設けられる構成としてもよい。この場合についても、バイパスバルブ２１０の開度を調節することにより、空気バイパス流路Ｒ８に流れる空気の流量が変化し、これに伴ってエンジン１に供給される空気の流量の調節が可能である。

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
１００過給機
１１０タービン
１２０圧縮機
２００過給圧調整部
２１０バイパスバルブ
２２０バルブ制御部
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

液体燃料と気体燃料とを切り替えて燃焼させるデュアルフューエルエンジンと、前記デュアルフューエルエンジンに空気を供給する過給機とを備えるエンジンシステムであって、
気体燃料による運転時において、運転負荷によらず空気過剰率が一定となるように、前記デュアルフューエルエンジンの過給圧を調節する過給圧調整部を備え、
前記過給機は、前記デュアルフューエルエンジンの排気ポートから排出された排気ガスにより回転されるタービンと、前記タービンの回転動力により空気を圧縮すると共に、前記デュアルフューエルエンジンに空気を供給する圧縮機とを備え、
前記過給圧調整部は、前記圧縮機からエンジンへと供給される空気の一部を前記排気ガスの排気流路に排出するバイパス流路上に設けられると共に、前記バイパス流路の流量を調節するバイパスバルブと、前記排気ガスの含有酸素量を検出する酸素センサとを備え、前記含有酸素量に基づいて前記バイパスバルブの開度を制御することを特徴とするエンジンシステム。
前記バイパスバルブは、気体燃料による運転時において、運転負荷が比較的小さい場合に開度が大きく、運転負荷が比較的大きい場合に開度が小さくなることを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。
前記デュアルフューエルエンジンは、ユニフロー掃気式２ストロークエンジンであることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンシステム。