WO2014132633A1 - エンジンシステム及び船舶 - Google Patents

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WO2014132633A1
WO2014132633A1 PCT/JP2014/001011 JP2014001011W WO2014132633A1 WO 2014132633 A1 WO2014132633 A1 WO 2014132633A1 JP 2014001011 W JP2014001011 W JP 2014001011W WO 2014132633 A1 WO2014132633 A1 WO 2014132633A1
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engine
power turbine
fuel
maximum
engine system
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PCT/JP2014/001011
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重治 藤原
哲男 野上
誠司 西
貴士 久保
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an engine system that recovers waste heat energy.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a diesel engine (engine system) that converts waste heat energy into electric power for recovery.
  • an engine system that converts waste heat energy into electric power requires a generator and its peripheral devices, and electric power may be surplus depending on use conditions.
  • waste heat energy can be used to assist the engine.
  • Such an engine system has an advantage that facilities such as a generator are not required.
  • the total output of the engine system temporarily increases, and an excessive load may be applied to the shaft (propeller shaft in the case of a ship) that receives power from the engine system. In this case, it is necessary to temporarily stop the engine to prevent the shaft receiving the power from being damaged.
  • an engine system that uses waste heat energy to assist the engine may not be able to operate efficiently depending on the operating conditions.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and aims to improve the efficiency of an engine system that uses waste heat energy to assist the engine.
  • An engine system includes an engine, a power turbine that is driven by exhaust gas to assist the engine, a power turbine inflow passage that guides exhaust gas from the engine to the power turbine, and the power turbine.
  • the fuel injection amount is controlled so that when the power turbine assists the engine, the fuel injection amount is controlled so as not to exceed the assist maximum fuel value, and the assist maximum fuel value is the normal maximum fuel value. It is set smaller than the fuel value.
  • the fuel injection amount is controlled so as not to exceed the assist maximum fuel value set relatively low, so that the total output of the engine system is unlikely to be excessive. There is no need to stop assisting the engine. Therefore, the efficiency of the engine system can be improved.
  • the maximum assist fuel value may be set according to the output of the power turbine. According to this configuration, since the maximum assist fuel value is set according to the output of the power turbine, the engine system can be operated more flexibly than when the maximum assist fuel value is constant.
  • the maximum assist fuel value may be set to increase as the output of the power turbine decreases if the total output of the engine system is the same. As the power turbine output decreases, the power to assist the engine decreases, reducing the risk that the total output of the engine system will increase excessively. In such a case, the engine system can be operated more flexibly by increasing the maximum assist fuel value.
  • the maximum assist fuel value may be set to increase as the engine output decreases as long as the power turbine output is the same. If the engine output decreases, the risk that the total output of the engine system will rise excessively decreases.
  • a control valve is provided in the power turbine inflow passage, the coupler is configured to be able to release the connection between the power turbine and the engine, and the fuel control device includes: When the control valve is open and the power turbine and the engine are connected, the power turbine may be configured to determine that the power turbine is assisting the engine. With this configuration, the fuel control device can accurately switch between the normal maximum fuel value and the assist maximum fuel value.
  • a ship according to an embodiment of the present invention includes any one of the above engine systems.
  • the efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is an overall view of an engine system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a fuel control system of the engine system.
  • FIG. 3 is a block diagram of the total output limiter of the fuel control system.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for setting the maximum assistance fuel value.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the engine speed and the total output of the engine system at each fuel injection amount.
  • FIG. 6 is a graph illustrating a method for setting the maximum assistance fuel value.
  • FIG. 1 is an overall view of the engine system 100.
  • the engine system 100 is a so-called main engine for navigating the ship 101, and includes an engine 10, a supercharger 20, a power turbine 30, and a coupler 40.
  • the engine 10 is a so-called center device of the engine system 100, and rotates a propeller shaft 103 having a propeller 102 attached to the tip.
  • a crankshaft 11 connected to the propeller shaft 103 is connected to a plurality of pistons 12.
  • Each piston 12 reciprocates as the fuel injected into the cylinder 13 explodes, and the crankshaft 11 rotates as the piston 12 reciprocates.
  • the air compressed in the supercharger 20 is supplied to each cylinder 13 via the scavenging pipe 14, and the exhaust gas generated in the cylinder 13 is supplied to the supercharger 20 and the power turbine 30 via the exhaust pipe 15. Is done.
  • the amount of fuel injected into the cylinder 13 is determined by the amount of movement of a fuel plunger (not shown), and this fuel plunger is driven by a fuel injection valve actuator (or fuel rack) 16 (see FIG. 2).
  • the engine 10 is provided with an engine tachometer 17 (see FIG. 2) for measuring the rotation speed of the engine 10 and a scavenging pressure gauge 18 (see FIG. 2) for measuring the pressure (scavenging pressure) in the scavenging pipe 14. It has been.
  • the supercharger 20 is a device that compresses air taken in from the outside and supplies the compressed air to the engine 10.
  • the supercharger 20 has a turbine part 21 and a compressor part 22.
  • the exhaust gas discharged from the engine 10 (exhaust pipe 15) is supplied to the turbine unit 21.
  • the turbine unit 21 rotates using the energy of the exhaust gas supplied from the exhaust pipe 15.
  • the compressor unit 22 is connected to the turbine unit 21 via a connecting shaft 23. Therefore, as the turbine unit 21 rotates, the compressor unit 22 also rotates.
  • the compressor unit 22 compresses the air taken from the outside and supplies the compressed air to the scavenging pipe 14.
  • the supercharger 20 is provided with a supercharger tachometer 24 (see FIG. 2) that measures the rotation speed of the supercharger 20.
  • the power turbine 30 is a device that assists the engine 10 using the energy of the exhaust gas.
  • the exhaust gas discharged from the engine 10 is guided to the power turbine 30 by the power turbine inflow passage 31.
  • the power turbine 30 is rotated by the energy of the supplied exhaust gas, and assists the engine 10 by transmitting power to the engine 10 via the coupler 40.
  • a control valve 32 is provided in the power turbine inflow passage 31, and the amount of exhaust gas supplied to the power turbine 30, and consequently the output of the power turbine 30, can be changed by changing the opening degree of the control valve 32. Can be adjusted.
  • the power turbine 30 and the control valve 32 may be integrated.
  • the coupler 40 is a device that couples the power turbine 30 and the engine 10. Although the coupler 40 of the present embodiment directly connects the crankshaft 11 of the engine 10 and the power turbine 30, other equipment may be interposed. Further, the coupler 40 also functions as a speed reducer.
  • the coupler 40 has a clutch mechanism 42, and the clutch mechanism 42 can connect and release the crankshaft 11 and the power turbine 30.
  • the coupler 40 is provided with a clutch sensor 41 (see FIG. 2).
  • the clutch sensor 41 detects whether the crankshaft 11 and the power turbine 30 are connected or disconnected. be able to.
  • the engine system 100 drives the power turbine 30 using the energy of exhaust gas, that is, waste heat energy, to assist the engine 10.
  • the assistance of the engine 10 is not always performed, but is performed under certain conditions. For example, when the engine load is small, the amount of exhaust gas decreases, so that all exhaust gas is supplied to the supercharger 20. In this case, by closing the control valve 32 provided in the power turbine inflow passage 31, the supply of exhaust gas to the power turbine 30 is stopped, and the engine 10 is not assisted by the power turbine 30. In the present embodiment, when the control valve 32 is closed, the connection between the power turbine 30 and the engine 10 can be released so that the power turbine 30 does not idle.
  • FIG. 2 is a block diagram of the fuel control system of the engine system 100.
  • the engine system 100 includes a fuel control device 50.
  • the fuel control device 50 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the fuel control device 50 includes, as a functional configuration, a rotation speed control unit 51, a torque limiter 52, a scavenging pressure limiter 53, a total output limiter 54, and a low selector 55. ing.
  • the rotational speed control unit 51 is a part that attempts to control the fuel injection amount so that the actual rotational speed of the engine 10 becomes the designated engine rotational speed.
  • the fuel control device 50 is electrically connected to the operation panel 104 for operating the ship 101 and the engine tachometer 17, and based on input signals from these devices, the designated engine speed and actual Information on the rotational speed of the engine 10 is acquired.
  • the rotational speed control unit 51 obtains a difference value between the designated engine rotational speed and the actual rotational speed of the engine 10, calculates a fuel injection amount that makes the difference value small, and uses this to calculate the first fuel injection. Amount.
  • the torque limiter 52 is a part that suppresses an excessive increase in engine torque due to an excessive fuel injection amount with respect to the rotational speed of the engine 10.
  • the fuel control device 50 can acquire information on the rotational speed of the engine 10.
  • the torque limiter 52 calculates the upper limit value of the fuel injection amount corresponding to the rotational speed based on the information on the rotational speed of the engine 10, or reads the upper limit value from the map and sets the upper limit value as the second fuel injection amount. .
  • the scavenging air pressure limiter 53 is a part for avoiding incomplete combustion due to an excessive fuel injection amount with respect to the scavenging air pressure, that is, the air amount supplied to the cylinder 13.
  • the fuel control device 50 is electrically connected to the scavenging pressure gauge 18 and acquires scavenging pressure information based on an input signal from this device.
  • the scavenging air pressure limiter 53 calculates the upper limit value of the fuel injection amount corresponding to the scavenging air pressure based on the scavenging air pressure information or reads it from the map and sets the upper limit value as the third fuel injection amount.
  • the total output limiter 54 suppresses an excessive increase in the total output of the engine system 100 (the output of the engine 10 plus the output of the power turbine 30) due to an excessive fuel injection amount, thereby causing damage to the propeller shaft 103. It is a part to avoid. For example, when the rudder is turned off, a large resistance is temporarily applied to the propeller 102. At this time, when the fuel injection amount is increased by the above-described rotation speed control unit 51 so that the rotation speed of the engine 10 does not decrease, the propeller shaft 103 may be damaged. The total output limiter 54 avoids damage to the propeller shaft 103 by suppressing the total output even if the rotational speed of the engine 10 is reduced at this time.
  • the fuel control device 50 is electrically connected to the control valve 32, the clutch sensor 41, and the supercharger tachometer 24. Based on the input signals from these devices, the fuel control device 50 opens and closes the control valve 32, the engine 10 and Information on the connection of the power turbine 30 and the rotational speed of the supercharger 20 is acquired.
  • the total output limiter 54 obtains the upper limit value of the fuel injection amount from the viewpoint of the total output of the engine system 100 based on the information of the fuel injection amount selected by the low selector 55 described later in addition to these pieces of information. The value is the fourth fuel injection amount. Details of the total output limiter 54 will be described later.
  • the low selector 55 includes a first fuel injection amount, a second fuel injection amount, a third fuel injection amount, and a fourth fuel from the rotation speed control unit 51, the torque limiter 52, the scavenging pressure limiter 53, and the total output limiter 54, respectively.
  • the injection amount is acquired, and the smallest fuel injection amount is selected.
  • the fuel control device 50 is electrically connected to the fuel injection valve actuator 16 and transmits a control signal corresponding to the fuel injection amount selected by the low selector 55 to the fuel injection valve actuator 16.
  • the fuel injection valve actuator 16 drives the fuel plunger so that the amount of fuel selected by the low selector 55 is injected into the cylinder 13 based on the control signal received from the fuel control device 50.
  • the first fuel injection amount is often the smallest among the first to fourth fuel injection amounts. Therefore, normally, the fuel injection amount is determined by the rotation speed control unit 51. However, the fuel injection amount obtained by any of the limiters 52 to 54 depending on the situation is larger than the fuel injection amount calculated by the rotation speed control unit 51. When it becomes smaller, the fuel injection amount is suppressed regardless of the rotational speed of the engine 10.
  • FIG. 3 is a block diagram of the total output limiter 54. As shown in FIG. 3, the total output limiter 54 has an assist determination unit 56, a selection switch 57, and an assist maximum fuel value calculation unit 58 as a functional configuration.
  • the assistance determination unit 56 is a part that determines whether or not the engine 10 is assisted by the power turbine 30.
  • the assistance determination unit 56 determines whether or not the engine 10 is assisted by the power turbine 30 based on information on the opening / closing of the control valve 32 and the connection between the engine 10 and the power turbine 30 acquired by the fuel control device 50. Specifically, when the control valve 32 is open and the power turbine 30 and the engine 10 are connected, it is determined that the power turbine 30 is assisting the engine 10. And the assistance determination part 56 switches the selection switch 57 according to the determination result.
  • the selection switch 57 sets either a normal maximum fuel value or an assist maximum fuel value, which will be described later, as the fourth fuel injection amount according to the determination result of the assist determination unit 56. Specifically, when it is determined that the power turbine 30 is not assisting the engine 10, the maximum fuel value is normally set to the fourth fuel injection amount, and it is determined that the power turbine 30 is assisting the engine 10. In this case, the maximum assist fuel value is set as the fourth fuel injection amount.
  • normal maximum fuel value and “assistance maximum fuel value” will be described.
  • the upper limit value of power that can be input to the propeller shaft 103 is determined in order to avoid damage to the propeller shaft 103
  • the total output of the engine system 100 is the upper limit value (hereinafter referred to as “danger output”). It is necessary not to exceed.
  • an upper limit value of the fuel injection amount must be set.
  • the value when the power turbine 30 is not assisting the engine 10 is the “normal maximum fuel value”, and the value when the power turbine 30 is assisting the engine 10. Is the “maximum fuel value”.
  • the upper limit value corresponding to the “subsidy maximum fuel value” is not set, and only the upper limit value corresponding to the “normal maximum fuel value” is set. Therefore, in an engine system in which the engine is assisted by the power turbine, the total output may exceed the dangerous output. When the dangerous output is exceeded, the assistance of the engine must be stopped. Therefore, such an engine system has to be operated inefficiently depending on conditions.
  • the power turbine 30 subsidizes the engine 10
  • the “subsidized maximum fuel value” considering the output of the power turbine 30 is set, and therefore the power turbine 30 subsidizes the engine 10.
  • the total output of the engine system 100 does not exceed the dangerous output.
  • the normal maximum fuel value is set to be constant, while the assisting maximum fuel value is smaller than the normal maximum fuel value and varies depending on the conditions.
  • the maximum assistance fuel value may be constant.
  • a value of 95% of the normal maximum fuel value may be set as the assisting maximum fuel value.
  • the fuel control device can be configured relatively simply.
  • the assist maximum fuel value is set smaller than the normal maximum fuel value, when the engine 10 is assisted by the power turbine 30 by the operation of the selection switch 57, it is not assisted. In comparison, a small value is selected as the fourth fuel injection amount.
  • the assistance maximum fuel value calculation unit 58 is a part that calculates the assistance maximum fuel value.
  • the assisting maximum fuel value is obtained based on the output of the power turbine 30 and the total output of the engine system 100. Specifically, the maximum assisting fuel is obtained by the procedure shown in FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a method for calculating the maximum assistance fuel value by the maximum assistance fuel value calculation unit 58.
  • the assistance maximum fuel value calculation part 58 acquires the rotation speed of the supercharger 20 (step S1), and calculates the output of the engine 10 (step S2).
  • the output of the engine 10 can be obtained from a function having the number of revolutions of the supercharger 20 as a variable, as shown in the following equation.
  • the assistance maximum fuel value calculation unit 58 acquires the rotational speed of the engine 10 and the actual fuel injection amount (step S3), and obtains the total output of the engine system 100 (step S4).
  • the total output of the engine system 100 can be obtained (estimated) using a map prepared in advance based on the rotational speed of the engine 10 and the fuel injection amount.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rotational speed of the engine 10 and the total output of the engine system 100 at each fuel injection amount.
  • the fuel control device 50 stores a map corresponding to FIG. 5, and the assisting maximum fuel value calculation unit 58 can obtain the total output of the engine system 100 using this map.
  • the output of the power turbine 30 is calculated based on the total output of the engine system 100 obtained in step S4 and the output of the engine 10 calculated in step S2 (step S5).
  • the output of the power turbine 30 can be calculated by multiplying the total output of the engine system 100 by the output of the engine 10 and the power turbine efficiency and mechanical efficiency.
  • the output of the power turbine 30 is calculated as described above, but may be obtained by other methods.
  • the amount of air flowing through the power turbine 30 may be calculated or estimated, and may be calculated from a power turbine heat drop, an energy conservation law, or the like based on the amount of air flowing through the power turbine 30.
  • the assistance maximum fuel value calculation unit 58 obtains the assistance maximum fuel value based on the total output of the engine system 100 obtained in step S4 and the output of the power turbine 30 obtained in step S5 (step S6). Specifically, the fuel control device 50 stores a map or mathematical expression corresponding to the graph shown in FIG. 6, and the assistance maximum fuel value calculation unit 58 obtains the assistance maximum fuel value using the map or expression. .
  • the horizontal axis represents the total output of the engine system 100
  • the vertical axis represents the maximum assist fuel value.
  • the curve in the figure is a maximum fuel curve showing the relationship between the total output of the engine system 100 and the assisting maximum fuel.
  • a maximum fuel curve is drawn for each output of the power turbine 30.
  • the maximum fuel curve is drawn when the output of the power turbine 30 is 100% (maximum value), 50%, and 10%.
  • 100% of the maximum assist fuel value on the vertical axis corresponds to the normal maximum fuel value.
  • 100% of the total output of the engine system 100 on the horizontal axis is the output of the engine 10 when fuel corresponding to the normal maximum fuel value is supplied to the engine 10 (the total output of the engine system 100 when there is no assistance). It corresponds to.
  • the maximum fuel curve corresponding to the output of the power turbine 30 calculated in step S5 is selected. Then, using the selected maximum fuel curve, the assisting maximum fuel value is read from the total output value of the engine system 100 calculated in step S4. For example, when the output of the power turbine 30 is 50% and the total output of the engine system 100 is P1, the maximum assisting fuel value is F1, as shown in FIG. In this manner, the assistance maximum fuel value calculation unit 58 can calculate the assistance maximum fuel value through steps S1 to S6 shown in FIG.
  • the maximum assist fuel value is set to increase as the output of the power turbine 30 decreases if the total output of the engine system 100 is the same. This is because if the output of the power turbine 30 is reduced, the force for assisting the engine 10 is reduced, and the risk that the total output of the engine system 100 is excessively increased (exceeds the dangerous output) is reduced. That is, when the output of the power turbine 30 is small, the assist maximum fuel value can be increased, so that the engine system 100 can be operated more flexibly than when the assist maximum fuel value is set to a low value.
  • the assisting maximum fuel value is set to increase as the total output of the engine system 100 decreases.
  • the total output of the engine system 100 decreases means that the output of the engine 10 decreases when the output of the power turbine 30 is the same. That is, in this embodiment, if the output of the power turbine 30 is the same, the assist maximum fuel value is set to increase as the output of the engine 10 decreases. This is because even when the output of the engine 10 is reduced, the risk that the total output of the engine system 100 is excessively increased is reduced. That is, even when the output of the engine 10 is small, the maximum assist fuel value can be increased, so that the engine system 100 can be operated more flexibly than when the maximum assist fuel value is set to a low value.
  • the fuel injection amount is controlled so as not to exceed the normal maximum fuel value.
  • the fuel injection amount is controlled so as not to exceed the assist maximum fuel value.
  • the assist maximum fuel value is set to be smaller than the normal maximum fuel value. Therefore, even when the power turbine 30 assists the engine 10, the fuel injection amount decreases before the total output of the engine system 100 exceeds the dangerous output, so that it is necessary to stop assisting the engine 10 by the power turbine 30. There is no. Therefore, according to the present embodiment, the efficiency of the engine system 100 can be improved.
  • the efficiency of an engine system that uses waste heat energy to assist the engine can be improved, which is beneficial in the technical field of engine systems.

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Abstract

　エンジンシステム（１００）の燃料制御装置（５０）は、パワータービン（３０）がエンジン（１０）を助勢しないときには通常最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するとともに、パワータービン（３０）がエンジン（１０）を助勢するときには助勢最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するように構成されており、助勢最大燃料値は通常最大燃料値よりも小さく設定される。

Description

エンジンシステム及び船舶
　本発明は、廃熱エネルギを回収するエンジンシステムに関する。
　昨今、廃熱エネルギの有効活用が注目されており、特許文献１及び２では、廃熱エネルギを電力に変換して回収するディーゼル機関（エンジンシステム）が提案されている。
特開２０１１－１２２５９７号公報 特開２０１０－１３８８７５号公報
　ただし、廃熱エネルギを電力に変換するエンジンシステムでは、発電機及びその周辺機器が必要となり、また、使用条件によっては電力が余剰する場合もある。一方、廃熱エネルギをエンジンの助勢に利用することもできる。このようなエンジンシステムは、発電機等の設備が不要となる利点がある。ただし、エンジンを助勢することで、一時的にエンジンシステムの総出力が増大し、エンジンシステムから動力を受ける軸（船舶であればプロペラ軸）に過度の負荷がかかる場合がある。この場合は、動力を受ける軸が破損するのを避けるため、一時的にエンジンの助勢を止める必要がある。このように、廃熱エネルギをエンジンの助勢に利用したエンジンシステムでは、運転状況によっては効率の良い運転ができない場合がある。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、廃熱エネルギをエンジンの助勢に利用するエンジンシステムの効率を向上させることを目的としている。
　本発明のある形態に係るエンジンシステムは、エンジンと、排気ガスによって駆動し、前記エンジンを助勢するパワータービンと、前記エンジンから前記パワータービンへ排気ガスを導くパワータービン流入通路と、前記パワータービンと前記エンジンを連結する連結器と、前記エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料制御装置と、を備え、前記燃料制御装置は、前記パワータービンが前記エンジンを助勢しないときには通常最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するとともに、前記パワータービンが前記エンジンを助勢するときには助勢最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するように構成されており、前記助勢最大燃料値は前記通常最大燃料値よりも小さく設定される。
　かかる構成によれば、パワータービンがエンジンを助勢するときには、比較的低く設定された助勢最大燃料値を超えないように燃料噴射量が制御されるため、エンジンシステムの総出力が過大になりにくく、エンジンの助勢を停止する必要がない。そのため、エンジンシステムの効率を向上させることができる。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記助勢最大燃料値は前記パワータービンの出力に応じて設定されてもよい。かかる構成によれば、パワータービンの出力に応じて助勢最大燃料値が設定されるため、助勢最大燃料値が一定の場合に比べて、エンジンシステムのより柔軟な運用が可能となる。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記助勢最大燃料値は、エンジンシステムの総出力が同じであれば前記パワータービンの出力が小さくなるに従って大きくなるように設定されてもよい。パワータービンの出力が小さくなれば、エンジンを助勢するする力は小さくなるため、エンジンシステムの総出力が過上昇するリスクは減少する。このような場合には助勢最大燃料値を大きくすることで、エンジンシステムのより柔軟な運用が可能となる。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記助勢最大燃料値は、前記パワータービンの出力が同じであればエンジンの出力が小さくなるに従って大きくなるように設定されてもよい。エンジンの出力が小さくなれば、エンジンシステムの総出力が過上昇するリスクは減少する。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記パワータービン流入通路には制御弁が設けられており、前記連結器は前記パワータービンと前記エンジンの連結を解除可能に構成されており、前記燃料制御装置は、前記制御弁が開いており、かつ、前記パワータービンと前記エンジンとが連結されているとき、前記パワータービンが前記エンジンを助勢していると判断するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、燃料制御装置は、通常最大燃料値と助勢最大燃料値との切り換えを正確に行うことができる。
　さらに、本発明のある形態に係る船舶は、上記のうちいずれかのエンジンシステムを備えている。
　以上のとおり、上記のエンジンシステムによれば、効率の向上が可能である。
図１は、実施形態に係るエンジンシステムの全体図である。 図２は、上記エンジンシステムの燃料制御系のブロック図である。 図３は、上記燃料制御系の総出力リミッタのブロック図である。 図４は、助勢最大燃料値の設定方法を示すフローチャートである。 図５は、各燃料噴射量におけるエンジンの回転数とエンジンシステムの総出力との関係を示すグラフである。 図６は、助勢最大燃料値の設定方法を説明するグラフである。
　以下、図を参照しながら実施形態に係るエンジンシステムついて説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
　＜エンジンシステムの全体構成＞
　まず、エンジンシステム１００の全体構成について説明する。図１は、エンジンシステム１００の全体図である。図１に示すように、エンジンシステム１００は、船舶１０１を航行させるためのいわゆる主機であって、エンジン１０と、過給機２０と、パワータービン３０と、連結器４０と、を備えている。
　エンジン１０は、エンジンシステム１００のいわば中心となる装置であって、先端にプロペラ１０２が取り付けられたプロペラ軸１０３を回転させる。プロペラ軸１０３に連結されるクランク軸１１は、複数のピストン１２に連結されている。各ピストン１２はシリンダ１３内に噴射された燃料の爆発に伴って往復運動し、各ピストン１２の往復運動によってクランク軸１１は回転する。各シリンダ１３には過給機２０で圧縮された空気が掃気管１４を介して供給され、シリンダ１３内で生成された排気ガスは排気管１５を介して過給機２０及びパワータービン３０へ供給される。シリンダ１３内に噴射される燃料の噴射量は燃料プランジャ（不図示）の移動量によって決定され、この燃料プランジャは燃料噴射弁用アクチュエータ（又は燃料ラック）１６（図２参照）によって駆動される。なお、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を計測するエンジン回転計１７（図２参照）、及び掃気管１４内の圧力（掃気圧）を計量する掃気圧計１８（図２参照）が設けられている。
　過給機２０は、外部から取り込んだ空気を圧縮してエンジン１０に供給する装置である。過給機２０は、タービン部２１と、コンプレッサ部２２とを有している。エンジン１０（排気管１５）から排出された排気ガスは、タービン部２１に供給される。タービン部２１は、排気管１５から供給された排気ガスのエネルギを利用して回転する。コンプレッサ部２２は、連結軸２３を介してタービン部２１と連結されている。そのため、タービン部２１が回転するのに伴って、コンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２は、外部から取り込んだ空気を圧縮し、掃気管１４に供給する。なお、過給機２０には、過給機２０の回転数を測定する過給機回転計２４（図２参照）が設けられている。
　パワータービン３０は、排気ガスのエネルギを利用してエンジン１０を助勢する装置である。エンジン１０から排出された排気ガスは、パワータービン流入通路３１によってパワータービン３０に導かれる。パワータービン３０は、供給された排気ガスのエネルギによって回転し、連結器４０を介してエンジン１０に動力を伝えることでエンジン１０を助勢する。また、パワータービン流入通路３１には、制御弁３２が設けられており、この制御弁３２の開度を変えることで、パワータービン３０に供給される排気ガスの量、ひいてはパワータービン３０の出力を調整することができる。なお、パワータービン３０と制御弁３２が一体構成となる場合もある。
　連結器４０は、パワータービン３０とエンジン１０とを連結する装置である。本実施形態の連結器４０は、エンジン１０のクランク軸１１とパワータービン３０を直接連結しているが、他の機器が介在していてもよい。また、連結器４０は減速機としても機能している。連結器４０はクラッチ機構４２を有しており、クラッチ機構４２はクランク軸１１とパワータービン３０を連結したり連結を解除したりすることができる。連結器４０にはクラッチセンサ４１（図２参照）が設けられており、クラッチセンサ４１はクランク軸１１とパワータービン３０が連結されている状態か、あるいは連結が解除されている状態かを検知することができる。
　以上のように、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、排気ガスのエネルギ、すなわち廃熱エネルギを利用してパワータービン３０を駆動し、エンジン１０を助勢するものである。ただし、エンジン１０の助勢は、常に行われているわけではなく、一定の条件下で行われる。例えば、エンジン負荷が小さい場合には、排気ガスの量が少なくなるため、全ての排気ガスが過給機２０に供給される。この場合、パワータービン流入通路３１に設けられた制御弁３２を閉じることで、パワータービン３０への排気ガスの供給が止められ、パワータービン３０によるエンジン１０の助勢は行われなくなる。なお、本実施形態では、制御弁３２を閉じたときは、パワータービン３０が空回りをしないようにパワータービン３０とエンジン１０の連結を解除することができる。
　＜燃料制御系の構成＞
　次に、エンジンシステム１００の燃料制御系の構成について説明する。図２は、エンジンシステム１００の燃料制御系のブロック図である。エンジンシステム１００は、燃料制御装置５０を備えている。燃料制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。図２に示すように、燃料制御装置５０は、機能的な構成として、回転数制御部５１と、トルクリミッタ５２と、掃気圧リミッタ５３と、総出力リミッタ５４と、ローセレクタ５５と、を備えている。
　回転数制御部５１は、実際のエンジン１０の回転数が、指定されたエンジン回転数となるように燃料噴射量を制御しようとする部分である。燃料制御装置５０は、船舶１０１を操作する運転操作盤１０４、及びエンジン回転計１７と電気的に接続されており、これらの機器からの入力信号に基づいて、指定されたエンジン回転数、及び実際のエンジン１０の回転数の情報を取得する。回転数制御部５１では、指定されたエンジン回転数と実際のエンジン１０の回転数との差分値を取得し、その差分値が小さくなるような燃料噴射量を算出し、これを第１燃料噴射量とする。
　トルクリミッタ５２は、エンジン１０の回転数に対して燃料噴射量が過剰になることによるエンジントルクの過上昇を抑える部分である。上述したように、燃料制御装置５０はエンジン１０の回転数の情報を取得することができる。トルクリミッタ５２は、このエンジン１０の回転数の情報に基づいて、その回転数に対応する燃料噴射量の上限値を算出し、又は、マップから読取り、その上限値を第２燃料噴射量とする。
　掃気圧リミッタ５３は、掃気圧に対して、すなわちシリンダ１３へ供給する空気量に対して燃料噴射量が過剰になることによる不完全燃焼を回避する部分である。燃料制御装置５０は、掃気圧計１８と電気的に接続されており、この機器からの入力信号に基づいて、掃気圧の情報を取得する。掃気圧リミッタ５３では、この掃気圧の情報に基づいて、その掃気圧に対応する燃料噴射量の上限値を算出し、又は、マップから読取り、その上限値を第３燃料噴射量とする。
　総出力リミッタ５４は、燃料噴射量が過剰になることによるエンジンシステム１００の総出力（エンジン１０の出力にパワータービン３０の出力を加えたもの）の過上昇を抑え、これによりプロペラ軸１０３の破損を回避する部分である。例えば舵を切ったときなど一時的にプロペラ１０２に大きな抵抗が加わるが、このとき上記の回転数制御部５１によってエンジン１０の回転数が落ちないように燃料噴射量が増加されると、プロペラ軸１０３が破損するおそれがある。総出力リミッタ５４は、このときエンジン１０の回転数を落としてでも総出力を抑えることで、プロペラ軸１０３の破損を回避する。燃料制御装置５０は、制御弁３２、クラッチセンサ４１、及び過給機回転計２４と電気的に接続されており、これらの機器からの入力信号に基づいて、制御弁３２の開閉、エンジン１０とパワータービン３０の連結、及び過給機２０の回転数の情報を取得する。総出力リミッタ５４は、これらの情報に加え、後述するローセレクタ５５で選択した燃料噴射量の情報に基づいて、エンジンシステム１００の総出力の観点からの燃料噴射量の上限値を求め、その上限値を第４燃料噴射量とする。なお、総出力リミッタ５４の詳細については、後述する。
　ローセレクタ５５は、回転数制御部５１、トルクリミッタ５２、掃気圧リミッタ５３、及び総出力リミッタ５４から、それぞれ第１燃料噴射量、第２燃料噴射量、第３燃料噴射量、及び第４燃料噴射量を取得し、このうち最も少ない燃料噴射量を選択する。燃料制御装置５０は、燃料噴射弁用アクチュエータ１６と電気的に接続されており、ローセレクタ５５で選択した燃料噴射量に対応する制御信号を燃料噴射弁用アクチュエータ１６に送信する。燃料噴射弁用アクチュエータ１６は、燃料制御装置５０から受信した制御信号に基づいて、ローセレクタ５５で選択された量の燃料がシリンダ１３内に噴射されるように、燃料プランジャを駆動する。
　実際のエンジンシステム１００の運用においては、第１～第４燃料噴射量のうち、第１燃料噴射量が最も小さいことが多い。そのため、通常は、回転数制御部５１によって燃料噴射量が決定されるが、状況によりいずれかのリミッタ５２～５４で求められた燃料噴射量が回転数制御部５１で算出した燃料噴射量よりも小さくなった場合には、エンジン１０の回転数に関係なく燃料噴射量が抑えられることになる。
　＜総出力リミッタの構成＞
　次に、総出力リミッタ５４の詳細構成について説明する。図３は、総出力リミッタ５４のブロック図である。図３に示すように、総出力リミッタ５４は、機能的な構成として、助勢判定部５６と、選択スイッチ５７と、助勢最大燃料値算出部５８と、を有している。
　助勢判定部５６は、エンジン１０がパワータービン３０に助勢されているか否かを判定する部分である。助勢判定部５６は、燃料制御装置５０が取得した制御弁３２の開閉及びエンジン１０とパワータービン３０の連結の情報に基づいて、エンジン１０がパワータービン３０に助勢されているか否かを判断する。具体的には、制御弁３２が開いており、かつ、パワータービン３０とエンジン１０とが連結されているとき、パワータービン３０がエンジン１０を助勢していると判断する。そして、助勢判定部５６は、その判断結果に応じて選択スイッチ５７を切り換える。
　選択スイッチ５７は、助勢判定部５６の判断結果に応じて、後述する通常最大燃料値又は助勢最大燃料値のいずれかを第４燃料噴射量とする。具体的には、パワータービン３０がエンジン１０を助勢していないと判断された場合には通常最大燃料値を第４燃料噴射量とし、パワータービン３０がエンジン１０を助勢していると判断された場合には助勢最大燃料値を第４燃料噴射量とする。
　ここで、「通常最大燃料値」と「助勢最大燃料値」について説明する。例えば、プロペラ軸１０３の破損を回避するために、プロペラ軸１０３に入力可能な動力の上限値が決まっているとき、エンジンシステム１００の総出力がこの上限値（以下、「危険出力」と称す）を超えないようにする必要がある。エンジンシステム１００の総出力がこの危険出力を超えないようにするには、燃料噴射量の上限値を設定しなければならない。そして、この燃料噴射量の上限値のうち、パワータービン３０がエンジン１０を助勢していないときのものが「通常最大燃料値」であり、パワータービン３０がエンジン１０を助勢しているときのものが「助勢最大燃料値」である。
　従来のエンジンシステムでは「助成最大燃料値」に相当する上限値は設定されておらず、「通常最大燃料値」に相当する上限値のみが設定されていた。そのため、パワータービンによってエンジンが助勢されるエンジンシステムでは、総出力が危険出力を超えるおそれがあり、危険出力を超えるような場合にはエンジンの助勢を停止しなければならなかった。そのため、そのようなエンジンシステムは、条件によっては効率の悪い運用を行わざるを得なかった。一方、本実施形態では、パワータービン３０がエンジン１０を助成する場合には、パワータービン３０の出力を考慮した「助成最大燃料値」が設定されるため、パワータービン３０がエンジン１０を助成する場合にも、エンジンシステム１００の総出力が危険出力を超えることはない。
　本実施形態では、通常最大燃料値は一定に設定されている一方、助勢最大燃料値は通常最大燃料値よりも小さい値であって、条件に応じて変動する。ただし、助勢最大燃料値は一定であってもよい。例えば、通常最大燃料値の９５％の値を助勢最大燃料値としてもよい。この場合、燃料制御装置を比較的単純に構成できるという利点がある。上記のように、通常最大燃料値に比べ、助勢最大燃料値は小さく設定されるため、選択スイッチ５７の作動により、エンジン１０がパワータービン３０に助勢されているときは、助勢されていないときに比べて、第４燃料噴射量としては小さい値が選定される。
　助勢最大燃料値算出部５８は、助勢最大燃料値を算出する部分である。本実施形態では、パワータービン３０の出力、及びエンジンシステム１００の総出力に基づいて、助勢最大燃料値が求められる。具体的には、図４に示すような手順で助勢最大燃料が求められる。図４は、助勢最大燃料値算出部５８による助勢最大燃料値の算出方法を示したフローチャートである。
　まず、助勢最大燃料値算出部５８は、過給機２０の回転数を取得し（ステップＳ１）、エンジン１０の出力を算出する（ステップＳ２）。エンジン１０の出力は、以下の数式に示すように、過給機２０の回転数を変数とする関数から求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　続いて、助勢最大燃料値算出部５８は、エンジン１０の回転数、及び実際の燃料噴射量を取得し（ステップＳ３）、エンジンシステム１００の総出力を求める（ステップＳ４）。エンジンシステム１００の総出力は、エンジン１０の回転数と燃料噴射量に基づいて予め用意したマップを用いれば求める（推定する）ことができる。図５は、各燃料噴射量におけるエンジン１０の回転数とエンジンシステム１００の総出力との関係を示したグラフである。燃料制御装置５０は、図５に対応するマップを記憶しており、助勢最大燃料値算出部５８は、このマップを利用してエンジンシステム１００の総出力を求めることができる。
　続いて、ステップＳ４で求めたエンジンシステム１００の総出力と、ステップＳ２で算出したエンジン１０の出力に基づいて、パワータービン３０の出力を算出する（ステップＳ５）。パワータービン３０の出力は、下記の式に示すように、エンジンシステム１００の総出力からエンジン１０の出力を差し引いたものにパワータービン効率と機械効率を乗じることで算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　
　なお、本実施形態では、パワータービン３０の出力は上記のようにして算出しているが、他の方法で求めてもよい。例えば、パワータービン３０に流れる風量を算出又は推定し、パワータービン３０に流れる風量に基づいて、パワータービン熱落差、エネルギ保存則等から算出してもよい。
　続いて、助勢最大燃料値算出部５８は、ステップＳ４で求めたエンジンシステム１００の総出力と、ステップＳ５で求めたパワータービン３０の出力に基づいて、助勢最大燃料値を求める（ステップＳ６）。具体的には、燃料制御装置５０は、図６に示すグラフに対応するマップ又は数式を記憶しており、助勢最大燃料値算出部５８はそのマップ又は数式を利用して助勢最大燃料値を求める。
　図６において、横軸はエンジンシステム１００の総出力であり、縦軸は助勢最大燃料値である。また、図中の曲線はエンジンシステム１００の総出力と助勢最大燃料の関係を示す最大燃料曲線である。最大燃料曲線は、パワータービン３０の出力ごとに描かれる。図６では、一例として、パワータービン３０の出力が１００％（最大値）のとき、５０％のとき、１０％のときの最大燃料曲線が描かれている。縦軸の助勢最大燃料値における１００％は、通常最大燃料値に相当する。また、横軸のエンジンシステム１００の総出力の１００％は、通常最大燃料値に相当する燃料がエンジン１０に供給されたときのエンジン１０の出力（助勢がないときのエンジンシステム１００の総出力）に相当する。
　助勢最大燃料値を求めるにあたっては、まず、ステップＳ５で算出したパワータービン３０の出力に対応する最大燃料曲線を選択する。そして、選択した最大燃料曲線を用いて、ステップＳ４で算出したエンジンシステム１００の総出力の値から助勢最大燃料値を読み取る。例えば、パワータービン３０の出力が５０％、エンジンシステム１００の総出力がＰ１である場合は、図６に示すように助勢最大燃料値はＦ１となる。このように、図４に示すステップＳ１～Ｓ６を経ることにより、助勢最大燃料値算出部５８は、助勢最大燃料値を算出することができる。
　なお、図６から理解できるように、本実施形態では、エンジンシステム１００の総出力が同じであればパワータービン３０の出力が小さくなるに従って助勢最大燃料値が大きくなるように設定されている。これは、パワータービン３０の出力が小さくなれば、エンジン１０を助勢するする力は小さくなるため、エンジンシステム１００の総出力が過上昇する（危険出力を超える）リスクが減少するからである。すなわち、パワータービン３０の出力が小さい場合には、助勢最大燃料値を大きくできるので、助勢最大燃料値を低い値に設定する場合に比べて、エンジンシステム１００のより柔軟な運用が可能となる。
　また、図６から理解できるように、パワータービン３０の出力が同じであればエンジンシステム１００の総出力が小さくなるに従って助勢最大燃料値が大きくなるように設定されている。ここで、「エンジンシステム１００の総出力が小さくなる」とは、パワータービン３０の出力が同じであれば、エンジン１０の出力が小さくなることを意味する。つまり、本実施形態では、パワータービン３０の出力が同じであればエンジン１０の出力が小さくなるに従って助勢最大燃料値が大きくなるように設定されている。これは、エンジン１０の出力が小さくなった場合も、エンジンシステム１００の総出力が過上昇するリスクが減少するからである。すなわち、エンジン１０の出力が小さい場合も、助勢最大燃料値を大きくできるので、助勢最大燃料値を低い値に設定する場合に比べて、エンジンシステム１００のより柔軟な運転が可能となる。
　以上で説明したとおり、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、パワータービン３０がエンジン１０を助勢しないときには通常最大燃料値を超えないように燃料噴射量が制御されるとともに、パワータービン３０がエンジン１０を助勢するときには助勢最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するように構成されている。そして、この助勢最大燃料値は通常最大燃料値よりも小さくなるように設定される。そのため、パワータービン３０がエンジン１０を助勢する場合であっても、エンジンシステム１００の総出力が危険出力を超える前に燃料噴射量が減少するため、パワータービン３０によるエンジン１０の助勢を停止する必要がない。よって、本実施形態によれば、エンジンシステム１００の効率を向上させることができる。
　以上、本発明に係る実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
　なお、上記の実施形態では、エンジンシステム１００が船舶１０１に搭載されている場合について説明したが、エンジンシステムが発電設備に用いられるものであっても、本発明の構成を備える限り本発明に含まれる。
　本発明によれば、廃熱エネルギをエンジンの助勢に利用するエンジンシステムの効率を向上させることができるため、エンジンシステムの技術分野において有益である。
１０　エンジン
３０　パワータービン
３１　パワータービン流入通路
３２　制御弁
４０　連結器
５０　燃料制御装置
１００　エンジンシステム
１０１　船舶

Claims (6)

  1. 　エンジンと、
    　排気ガスによって駆動し、前記エンジンを助勢するパワータービンと、
    　前記エンジンから前記パワータービンへ排気ガスを導くパワータービン流入通路と、
    　前記パワータービンと前記エンジンを連結する連結器と、
    　前記エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料制御装置と、を備え、
    　前記燃料制御装置は、前記パワータービンが前記エンジンを助勢しないときには通常最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するとともに、前記パワータービンが前記エンジンを助勢するときには助勢最大燃料値を超えないように燃料噴射量を制御するように構成されており、前記助勢最大燃料値は前記通常最大燃料値よりも小さく設定される、エンジンシステム。
  2. 　前記助勢最大燃料値は前記パワータービンの出力に応じて設定される、請求項１に記載のエンジンシステム。
  3. 　前記助勢最大燃料値は、エンジンシステムの総出力が同じであれば前記パワータービンの出力が小さくなるに従って大きくなるように設定される、請求項２に記載のエンジンシステム。
  4. 　前記助勢最大燃料値は、前記パワータービンの出力が同じであればエンジンの出力が小さくなるに従って大きくなるように設定される、請求項３に記載のエンジンシステム。
  5. 　前記パワータービン流入通路には制御弁が設けられており、
    　前記連結器は前記パワータービンと前記エンジンの連結を解除可能に構成されており、
    　前記燃料制御装置は、前記制御弁が開いており、かつ、前記パワータービンと前記エンジンとが連結されているとき、前記パワータービンが前記エンジンを助勢していると判断する、請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載のエンジンシステム。
  6. 　請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載のエンジンシステムを備えた船舶。
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