WO2017081966A1

WO2017081966A1 - ガスエンジン駆動システム

Info

Publication number: WO2017081966A1
Application number: PCT/JP2016/079827
Authority: WO
Inventors: 洋輔野中; 木塚　智昭; 知深尾; 重治藤原; 永遠平山; 宏佳石井
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2017-05-18
Also published as: US10480445B2; JP2017089484A; EP3376012B1; US20180372017A1; EP3376012A1; JP6047217B1; EP3376012A4

Abstract

ガスエンジン駆動システムは、ガスエンジンと、ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、燃料噴射弁へ燃料ガスを導く燃料供給ラインであって、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、圧縮機からガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第１圧力計と、圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第２圧力計と、燃料供給圧と給気圧との差圧が目標値となるように圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときまたは燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、目標値を第１設定値から第１設定値よりも高い第２設定値に変更する。

Description

ガスエンジン駆動システム

　本発明は、ガスエンジンおよび過給機（ターボチャージャ）を含むガスエンジン駆動システムに関する。

　従来から、ガスエンジンおよび過給機を含むガスエンジン駆動システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。過給機は、ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む。ガスエンジンには、燃料噴射弁が設けられており、この燃料噴射弁には、燃料供給ラインを通じて燃料ガスが導かれる。燃料供給ラインには、圧力調整弁が設けられている。一般的に、圧力調整弁は、燃料供給圧と給気圧との差圧が一定となるように制御される。

特開２０１１－１３２８９３号公報

　ところで、ガスエンジンでは、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、多くの燃料ガスが必要となる。しかしながら、燃料噴射弁の燃料噴射期間には上限があるため、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、ガスエンジンで所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射できないことがある。

　そこで、本発明は、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができるガスエンジン駆動システムを提供することを目的とする。

　前記課題を解決するために、本発明のガスエンジン駆動システムは、ガスエンジンと、前記ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、前記ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁へ燃料ガスを導く、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、前記圧縮機から前記ガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第１圧力計と、前記圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第２圧力計と、前記第２圧力計で検出される燃料供給圧と前記第１圧力計で検出される給気圧との差圧が目標値となるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときまたは前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を第１設定値から前記第１設定値よりも高い第２設定値に変更する、ことを特徴とする。

　上記の構成によれば、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧が大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限に達する前に、ガスエンジンで所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができる。

　前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更し、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇してから所定時間経過したときに、前記目標値を前記第１設定値へ戻してもよい。この構成によれば、急激な負荷上昇後の通常運転時は、ガスエンジンの最適な性能が得られる設定値での運転を維持できる。

　前記制御装置は、前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記燃料ガスの発熱量が小さくなるほど前記第２設定値が大きくなるように前記第２設定値を決定し、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更してもよい。この構成によれば、燃料ガスの発熱量が低くなるほど燃料噴射量を増大させることができ、燃料ガスの発熱量が低い場合でもガスエンジンの出力を維持できる。

　上記のガスエンジン駆動システムは、前記燃料ガスの発熱量を検出する発熱量計をさらに備え、前記制御装置は、前記発熱量計で検出される燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更してもよい。この構成によれば、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。

　上記のガスエンジン駆動システムは、前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記発電機により生成された電力を検出する電力計をさらに備え、前記制御装置は、前記電力計で検出される電力および前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更してもよい。この構成によれば、発熱量計を用いることなく、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。

　上記のガスエンジン駆動システムは、前記ガスエンジンの出力トルクを検出するトルク計をさらに備え、前記制御装置は、前記トルク計で検出される前記ガスエンジンの出力トルクおよび前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更してもよい。この構成によれば、発熱量計を用いることなく、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。

　本発明によれば、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システムの概略構成図である。第１実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。図３Ａはガスエンジンの負荷の経時的変化を示すグラフ、図３Ｂは燃料供給圧と給気圧との差圧の目標値の経時的変化を示すグラフ、図３Ｃは差圧の経時的変化を示すグラフ、図３Ｄは燃料噴射期間の経時的変化を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るガスエンジン駆動システムの概略構成図である。第２実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。発熱量と第２設定値との関係を示す図である。図７Ａは発熱量の経時的変化を示すグラフ、図７Ｂは燃料供給圧と給気圧との差圧の目標値の経時的変化を示すグラフである。本発明の第３実施形態に係るガスエンジン駆動システムの概略構成図である。第３実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。第３実施形態の変形例のガスエンジン駆動システムの概略構成図である。

　（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システム１Ａを示す。このシステム１Ａは、ガスエンジン３、過給機２および制御装置６を含む。

　ガスエンジン３は、燃料ガス（例えば、天然ガス）のみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。本実施形態では、ガスエンジン３が４ストロークエンジンであるが、ガスエンジン３は２ストロークエンジンであってもよい。また、ガスエンジン３は、例えば、陸上での発電に用いられてもよいし、船舶の主機（電気推進でも機械推進でも可）に用いられてもよい。

　ガスエンジン３は、複数のシリンダ（図示せず）を有する。ガスエンジン３には、各シリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁４が設けられている。燃料噴射弁４へは、燃料供給ライン５を通じて燃料ガスが導かれる。

　各シリンダ内では、ピストンが二往復することにより、ガスエンジン３の１サイクル（給気、圧縮、膨張、排気）が行われる。シリンダにおける１サイクルの間のガスエンジン３の位相角（０～７２０度）は、位相角検出器３５により検出される。位相角としては、クランク軸の回転角（クランク角）やピストンの位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器３５は、電磁ピックアップ、近接スイッチまたはロータリーエンコーダである。また、位相角検出器３５からは、ガスエンジン３の実回転数も検出される。

　過給機２は、給気路３１によりガスエンジン３と接続された圧縮機２１と、排気路３２によりガスエンジン３と接続されたタービン２２を含む。給気路３１は、圧縮機２１からガスエンジン３の全てのシリンダへ給気を導き、排気路３２は、ガスエンジン３の全てのシリンダからタービン２２へ排気を導く。給気路３１には、ガスエンジン３へ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第１圧力計７１が設けられている。

　上述した燃料供給ライン５には、圧力調整弁５１が設けられている。また、燃料供給ライン５には、圧力調整弁５１の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第２圧力計７２が設けられている。

　制御装置６は、位相角検出器３５で検出される位相角に基づいて各燃料噴射弁４を制御する。また、制御装置６は、燃料噴射弁４に対し、ガスエンジン３の実回転数を目標回転数に調整するＰＩＤ制御を行う。さらに、制御装置６は、第２圧力計７２で検出される燃料供給圧と第１圧力計７１で検出される給気圧との差圧ΔＰが目標値ＰＴとなるように圧力調整弁５１を制御する。

　次に、図２を参照して、圧力調整弁５１の制御を詳しく説明する。

　制御装置６は、負荷が急激に上昇したか否かを判定する（ステップＳ１）。負荷が急激に上昇していない場合（ステップＳ１でＮＯ）、制御装置６は、上述した目標値ＰＴとして第１設定値Ｐ１を採用し、第１設定値Ｐ１に基づいて圧力調整弁５１を制御する（ステップＳ２）。換言すれば、制御装置６は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが第１設定値Ｐ１となるように圧力調整弁５１を制御する。

　負荷が急激に上昇したか否かは、種々の方法によって判定することができる。その方法は、例えば以下のとおりである。
（１）必要燃料噴射量の上昇速度を算出し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
（２）実回転数と目標回転数との偏差を算出し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
（３）ガスエンジン３の出力トルクをトルク計で検出するとともに出力トルクの上昇速度を算出し、出力トルクの上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、出力トルクの上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。

　一方、負荷が急激に上昇した場合には（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御装置６は、上述した目標値ＰＴとして第１設定値Ｐ１よりも高い第２設定値Ｐ２を採用し、第２設定値Ｐ２に基づいて圧力調整弁５１を制御する（ステップＳ３）。換言すれば、制御装置６は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが第２設定値Ｐ２となるように圧力調整弁５１を制御する。つまり、制御装置６は、負荷が急激に上昇したときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰの目標値ＰＴを第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に変更する。

　例えば、第１設定値Ｐ１は０．０５～０．０８ＭＰａであり、第２設定値Ｐ２は０．１～０．２ＭＰａであり、第１設定値Ｐ１と第２設定値Ｐ２との差は０．０５～０．１５ＭＰａである。

　その後、制御装置６は、負荷が急激に上昇してから所定時間ΔＴ経過するまで（ステップＳ４でＮＯ）第２設定値Ｐ２に基づいて圧力調整弁５１を制御し、負荷が急激に上昇してから所定時間ΔＴ経過したときに（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰの目標値ＰＴを第１設定値Ｐ１に戻す（ステップＳ５）。その後、ステップＳ１に戻る。

　なお、制御装置６は、負荷が急激に増加しないとき（すなわち、ステップＳ２）には圧力調整弁５１の開度をゆっくり変化させ、負荷が急激に増加するとき（すなわち、ステップＳ３）は圧力調整弁５１の開度を速く変化させることが望ましい。

　一例として、図３Ａに示すように、ガスエンジン３の負荷が約０％から１００％に急激に上昇したと仮定する。このとき、目標値ＰＴ、差圧ΔＰおよび燃料噴射期間は、図３Ｂ～３Ｄに示すように推移する。

　以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム１Ａでは、負荷が急激に上昇した場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限θｍ（例えば、１５０度）に達する前に、ガスエンジン３で所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、負荷が急激に上昇した場合に、ガスエンジン３で所望の出力を得ることができる。仮に、図３Ｄに示すようにたとえ燃料噴射期間が上限θｍに達した場合でも、差圧ΔＰを大きくした分、より多くの燃料ガスを噴射することができる。従って、負荷が急激に上昇した場合に、ガスエンジン３で所望の出力を得やすくなる。

　しかも、目標値ＰＴは、ガスエンジン３の負荷が急激に上昇してから所定時間ΔＴ経過したときに、第２設定値Ｐ２から第１設定値Ｐ１へ戻されるので、急激な負荷上昇後の通常運転時は、ガスエンジン３の最適な性能が得られる設定値での運転を維持できる。

　（第２実施形態）
　次に、図４および図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスエンジン駆動システム１Ｂを説明する。なお、本実施形態および後述する第３実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

　本実施形態では、燃料供給ライン５に、燃料ガスの発熱量Ｑ（例えば、単位：Ｊ／Ｎｍ³）を検出する発熱量計８が設けられている。発熱量計８は、サンプリング式であってもよいしオンライン式であってもよい。

　制御装置６は、図５に示すように、まず、発熱量計８で検出される燃料ガスの発熱量Ｑを閾値αと比較する（ステップＳ１１）。発熱量Ｑが閾値αを上回っている場合（ステップＳ１１でＮＯ）、制御装置６は、上述した目標値ＰＴとして第１設定値Ｐ１を採用し、第１設定値Ｐ１に基づいて圧力調整弁５１を制御する（ステップＳ１２）。換言すれば、制御装置６は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが第１設定値Ｐ１となるように圧力調整弁５１を制御する。

　一方、発熱量Ｑが閾値αを下回っている場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）、制御装置６は、上述した目標値ＰＴとして第１設定値Ｐ１よりも高い第２設定値Ｐ２を採用し、第２設定値Ｐ２に基づいて圧力調整弁５１を制御する（ステップＳ１３）。換言すれば、制御装置６は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが第２設定値Ｐ２となるように圧力調整弁５１を制御する。つまり、制御装置６は、発熱量Ｑが閾値αを下回ったときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰの目標値ＰＴを第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に変更する。

　例えば、第１設定値Ｐ１は０．０５～０．０７ＭＰａである。制御装置６には、発熱量Ｑに対して第２設定値Ｐ２が定められたマップが予め格納されている。本実施形態では、図６に示すように、燃料ガスの発熱量Ｑが小さくなるほど第２設定値Ｐ２が大きくなるマップが採用されている。従って、制御装置６は、ステップＳ１３で第２設定値Ｐ２を採用する際に、燃料ガスの発熱量Ｑが小さくなるほど第２設定値Ｐ２が大きくなるように第２設定値Ｐ２を決定する。例えば、第２設定値Ｐ２は、発熱量Ｑの特定範囲内で、最大値（例えば、０．１～０．２ＭＰａ）から第１設定値Ｐ１まで、直線的に低下する。

　一例として、図７Ａに示すように、燃料ガスの発熱量Ｑが閾値αよりも大きな値から閾値αよりも小さな値まで低下したと仮定する。このとき、目標値ＰＴは、図７Ｂに示すように推移する。

　以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム１Ｂでは、燃料ガスの発熱量Ｑが低い場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰが大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁４からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限に達する前に、ガスエンジン３で所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、燃料ガスの発熱量Ｑが低い場合に、ガスエンジン３で所望の出力を得ることができる。仮に、燃料噴射期間が上限に達した場合でも、差圧ΔＰを大きくした分、より多くの燃料ガスを噴射することができる。従って、燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジン３で所望の出力を得やすくなる。

　しかも、第２設定値Ｐ２は、燃料ガスの発熱量Ｑが小さくなるほど大きくなるように決定されるので、燃料ガスの発熱量Ｑが低くなるほど燃料噴射量を増大させることができ、燃料ガスの発熱量Ｑが低い場合でもガスエンジン３の出力を維持できる。

　さらに、本実施形態では、発熱量計８で検出される燃料ガスの発熱量Ｑが閾値αを下回ったときに、目標値ＰＴが第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に変更されるので、燃料ガスの発熱量Ｑが急激に変化した直後でもガスエンジン３の出力を維持できる。

　（第３実施形態）
　次に、図８および図９を参照して、本発明の第３実施形態に係るガスエンジン駆動システム１Ｃを説明する。

　本実施形態では、第２実施形態と同様に、燃料ガスの発熱量Ｑが閾値αを下回ったときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔＰの目標値ＰＴが第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に変更される。ただし、本実施形態では、発熱量計８が設けられておらず、代わりに、ガスエンジン３により発電機９が駆動され、発電機９により生成された電力が電力計９１により検出される。

　図９に示すように、本実施形態では、第２実施形態で説明したステップＳ１１の前に、制御装置６が、電力計９１で検出される電力および燃料噴射弁４の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量Ｑを算出する（ステップＳ２１）。その後は、第２実施形態と同様の処理が行われる。

　本実施形態でも、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、発電機９および電力計９１の代わりに、図１０に示すように、ガスエンジン３の出力トルクを検出するトルク計９２が設けられ、トルク計９２で検出されるガスエンジン３の出力トルクと燃料噴射量から燃料ガスの発熱量Ｑを算出することも可能である。

　（その他の実施形態）
　本発明は上述した第１～第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

　例えば、第１実施形態と第２または第３実施形態が組み合わされてもよい。すなわち、制御装置６は、図２に示すステップＳ１の判定と図５および図９に示すステップＳ１１の判定の双方を行ってもよい。

　１Ａ～１Ｃ　ガスエンジン駆動システム
　３　　ガスエンジン
　４　　燃料噴射弁
　５　　燃料供給ライン
　５１　圧力調整弁
　６　　制御装置
　７１　第１圧力計
　７２　第２圧力計
　８　　発熱量計
　９　　発電機
　９１　電力計
　９２　トルク計

Claims

　ガスエンジンと、
　前記ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、
　前記ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、
　前記燃料噴射弁へ燃料ガスを導く、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、
　前記圧縮機から前記ガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第１圧力計と、
　前記圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第２圧力計と、
　前記第２圧力計で検出される燃料供給圧と前記第１圧力計で検出される給気圧との差圧が目標値となるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときまたは前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を第１設定値から前記第１設定値よりも高い第２設定値に変更する、ガスエンジン駆動システム。
　前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更し、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇してから所定時間経過したときに、前記目標値を前記第１設定値へ戻す、請求項１に記載のガスエンジン駆動システム。
　前記制御装置は、前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記燃料ガスの発熱量が小さくなるほど前記第２設定値が大きくなるように前記第２設定値を決定し、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更する、請求項１に記載のガスエンジン駆動システム。
　前記燃料ガスの発熱量を検出する発熱量計をさらに備え、
　前記制御装置は、前記発熱量計で検出される燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更する、請求項１または３に記載のガスエンジン駆動システム。
　前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記発電機により生成された電力を検出する電力計をさらに備え、
　前記制御装置は、前記電力計で検出される電力および前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更する、請求項１または３に記載のガスエンジン駆動システム。
　前記ガスエンジンの出力トルクを検出するトルク計をさらに備え、
　前記制御装置は、前記トルク計で検出される前記ガスエンジンの出力トルクおよび前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第１設定値から前記第２設定値に変更する、請求項１または３に記載のガスエンジン駆動システム。