JP2023012999A

JP2023012999A - ガスエンジンシステム

Info

Publication number: JP2023012999A
Application number: JP2021116846A
Authority: JP
Inventors: 雅人仲井; Masato Nakai; 洋輔野中; Yosuke Nonaka; 幹生 ▲高▼橋; Mikio Takahashi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2023-01-26
Also published as: WO2023286453A1

Abstract

【課題】水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができるガスエンジンシステムを提供する。【解決手段】一実施形態に係るガスエンジンシステム１Ａは、クランク室４１およびクランク室４１と連通する動弁室４４を含む水素ガスエンジン４と、動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機７を含む。例えば、水素ガスエンジン４は、クランク室４１と動弁室４４との間に介在するシリンダ４２およびシリンダヘッド４３と、シリンダ４２の脇に位置するカム室４５と、カム室４５と動弁室４４とを接続する接続管４６を含み、動弁室４４は、接続管４６およびカム室４５を介してクランク室４１と連通する。【選択図】図１

Description

本開示は、水素ガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。

４サイクルのレシプロエンジンでは、空気と燃料の混合気が燃焼室内で圧縮される際に、シリンダとピストン（正確には、ピストンに装着されたシール用のピストンリング）との隙間からクランク室へブローバイガスが漏れ出す（例えば、特許文献１参照）。このブローバイガスには燃料が含まれる。

一般的に、４サイクルのレシプロエンジンは、クランクシャフトを収容するクランク室と、クランク室と接続されたシリンダと、シリンダの内部空間であるシリンダボア内に配置されたピストンと、シリンダボアをクランク室と反対側から覆うシリンダヘッドを含む。シリンダヘッドとピストンとの間に燃焼室が形成される。

シリンダヘッドには、燃焼室へ混合気を供給するための給気口と燃焼室から燃焼ガスを排出するための排気口が形成されるとともに、給気口を開閉する給気弁と排気口を開閉する排気弁が設けられる。また、レシプロエンジンでは、シリンダヘッドを挟んで燃焼室と反対側に動弁室が形成され、この動弁室内に給気弁および排気弁を駆動する駆動機構が配置される。

特開２０１７－２７９０号公報

一般的に、上述した動弁室は、駆動機構の潤滑に使用された潤滑油をクランク室に落とすために、クランク室と連通している。

ところで、水素を燃料とする水素ガスエンジンでは、上述したブローバイガスに水素が含まれるため、クランク室が水素雰囲気となる。それ故、クランク室内に配置されるクランクシャフトなどの部品に水素脆化対策が施される。

しかし、動弁室がクランク室と連通する場合、動弁室内に配置される部品にも水素脆化対策を施す必要がある。

そこで、本開示は、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができるガスエンジンシステムを提供することを目的とする。

本開示のガスエンジンシステムは、クランク室および前記クランク室と連通する動弁室を含む水素ガスエンジンと、前記動弁室に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機と、を備える。

本開示によれば、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができる。

第１実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。第２実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。第３実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。その他の実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係るガスエンジンシステム１Ａを示す。ガスエンジンシステム１Ａは、陸上に設置されて発電機の駆動に使用されてもよいし、船舶に搭載されて推進プロペラまたは発電機の駆動に使用されてもよい。

具体的に、ガスエンジンシステム１Ａは、過給機２および水素ガスエンジン４を含む。水素ガスエンジン４は、水素を燃料とする４サイクルのレシプロエンジンである。水素ガスエンジン４は、水素のみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、水素と別燃料（例えば、燃料油や天然ガスなど）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。

水素ガスエンジン４は、クランクシャフト５１と、クランクシャフト５１を収容するクランク室４１と、クランク室４１と接続されたシリンダ４２と、シリンダ４２の内部空間であるシリンダボア４０をクランク室４１と反対側から覆うシリンダヘッド４３を含む。なお、シリンダ４２の数は図１では１つであるが、実際のシリンダ４２の数は複数である。

さらに、水素ガスエンジン４は、シリンダボア４０内に配置されたピストン５３と、ピストン５３をクランクシャフト５１と連結するロッド５２を含む。ピストン５３とシリンダヘッド４３との間に燃焼室が形成される。

シリンダヘッド４３には、燃焼室へ空気と燃料の混合気を供給するための給気口６１と、燃焼室から燃焼ガスを排出するための排気口６２が形成されている。また、シリンダヘッド４３には、給気口６１の下流端を開閉する給気弁６３と、排気口６２の上流端を開閉する排気弁６４が設けられている。

水素ガスエンジン４は、シリンダヘッド４３を挟んで燃焼室と反対側に形成された動弁室４４を含む。すなわち、シリンダ４２およびシリンダヘッド４３は、クランク室４１と動弁室４４の間に介在する。動弁室４４内には、給気弁６３および排気弁６４を駆動する駆動機構が配置されている。

さらに、水素ガスエンジン４は、シリンダ４２の脇に位置するカム室４５と、カム室４５と動弁室４４とを接続する接続管４６を含む。カム室４５内には、クランクシャフト５１と連動して回転する、給気弁６３および排気弁６４の開閉タイミングを決定するカムシャフト５４が配置されている。接続管４６内には、カムシャフト５４から駆動機構へ動力を伝達するロッドが配置されている。

カム室４５は、クランク室４１の上方に位置する。カム室４５の底には開口４７が設けられている。この開口４７を通じて、カム室４５はクランク室４１と連通している。また、カム室４５は接続管４６を通じて動弁室４４とも連通している。換言すれば、動弁室４４は、接続管４６およびカム室４５を通じてクランク室４１と連通している。

動弁室４４内の駆動機構には潤滑油が供給される。駆動機構の潤滑に使用された潤滑油
は、動弁室４４から接続管４６、カム室４５および開口４７を通じてクランク室４１に落下する。潤滑油はクランク室４１の底に貯留され、ここから動弁室４４内の駆動機構に再度供給されてもよい。

クランク室４１内には、シリンダ４２とピストン５３（正確には、ピストン５３に装着されたシール用のピストンリング）との隙間からクランク室４１へブローバイガスが漏れ出す。クランク室４１内の、ブローバイガスと混合された空気は、当該空気中に含まれる潤滑油を除去するためにミストセパレータを経て大気中に放出される。

過給機２は、給気路３１により水素ガスエンジン４の給気口６１と接続された圧縮機２１と、排気路３２により水素ガスエンジン４の排気口６２と接続されたタービン２２を含む。圧縮機２１で加圧された圧縮空気は給気路３１および給気口６１を流れ、給気路３１および給気口６１を流れる途中で圧縮空気中に燃料噴射弁から燃料である水素が噴射されて混合気が生成される。

さらに、ガスエンジンシステム１Ａは、水素ガスエンジン４の動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機７を含む。本実施形態では、ガス供給機７により動弁室４４に供給されるガスが圧縮機２１で加圧された圧縮空気である。

具体的に、ガス供給機７は、給気路３１から分岐して動弁室４４につながる供給路７１と、供給路７１に設けられた流量制御弁７２を含む。本実施形態では、動弁室４４の圧力が圧力センサにより検出され、検出される動弁室４４の圧力が一定となるように流量制御弁７２が制御される。

以上説明したように、本実施形態のガスエンジンシステム１Ａでは、動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガス（本実施形態では圧縮空気）が供給されるので、クランク室４１内に漏れ出すブローバイガスが動弁室４４へ流入することが抑制される。従って、動弁室４４内に配置される部品には水素脆化対策を施す必要がなく、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができる。

さらに、本実施形態では、ガス供給機７の供給路７１が給気路３１から分岐して動弁室４４につながるので、過給機２の圧縮機２１で加圧された圧縮空気を動弁室４４へ導くことができる。しかも、動弁室４４の圧力が一定となるように流量制御弁７２が制御されるので、動弁室４４へ導かれる圧縮空気の量を最小限に抑えることができる。その結果、水素ガスエンジン４へ供給される圧縮空気の量を多く確保することができる。

（第２実施形態）
図２に、第２実施形態に係るガスエンジンシステム１Ｂを示す。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、水素ガスエンジン４の動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機７が、排気路３２から分岐して動弁室４４につながる供給路７３と、供給路７３に設けられた流量制御弁７４を含む。すなわち、ガス供給機７により動弁室４４に供給されるガスは、燃焼室からの排ガスである。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガス（本実施形態では排ガス）が供給されるので、クランク室４１内に漏れ出すブローバイガスが動弁室４４へ流入することが抑制される。従って、動弁室４４内に配置される部品には水素脆化対策を施す必要がなく、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができる
。

さらに、本実施形態では、過給機２のタービン２２で膨張される前の排ガスを動弁室４４へ導くことができる。

（第３実施形態）
図３に、第３実施形態に係るガスエンジンシステム１Ｃを示す。本実施形態では、水素ガスエンジン４の動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機７が、圧縮空気を貯留するタンク７５と、タンク７５と動弁室４４とを接続する供給路７６と、供給路７６に設けられた流量制御弁７７を含む。タンク７５に貯留された圧縮空気は、例えば、水素ガスエンジン４のエアースタータなどに使用される。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、動弁室４４に大気圧よりも高い圧力のガス（本実施形態では圧縮空気）が供給されるので、クランク室４１内に漏れ出すブローバイガスが動弁室４４へ流入することが抑制される。従って、動弁室４４内に配置される部品には水素脆化対策を施す必要がなく、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができる。

さらに、本実施形態では、タンク７５に貯留された圧縮空気を利用して動弁室４４へのブローバイガスの流入を抑制することができる。

（その他の実施形態）
本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示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、水素ガスエンジン４がカム室４５を有さずに、カムシャフト５４が動弁室４４内に配置されてもよい。この場合、動弁室４４は、シリンダヘッド４３に設けられる貫通穴およびシリンダ４２に沿って形成される連通路を介してクランク室４１と連通してもよい。

また、クランク室４１内に漏れ出すブローバイガスが動弁室４４へ流入することを抑制するための手段としては、ガス供給機７を用いる代わりに、図４に示す変形例のガスエンジンシステム１Ｄのような構成を採用してもよい。

具体的に、ガスエンジンシステム１Ｄでは、カム室４５の底に、開口４７（図１参照）の代わりにＪ字状の管８が設けられている。管８の形状は、横向きのＳ字状であってもよい。

この構成では、管８の向きが下向きから上向きに変わる折れ曲がり部に潤滑油が溜まることによってカム室４５とクランク室４１との連通が遮断される。従って、この構成でもクランク室４１内に漏れ出すブローバイガスが動弁室４４へ流入することを抑制することができる。

（まとめ）
本開示のガスエンジンシステムは、クランク室および前記クランク室と連通する動弁室を含む水素ガスエンジンと、前記動弁室に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機と、を備える。

上記の構成によれば、動弁室に大気圧よりも高い圧力のガスが供給されるので、クランク室内に漏れ出すブローバイガスが動弁室へ流入することが抑制される。従って、動弁室
内に配置される部品には水素脆化対策を施す必要がなく、水素脆化対策が必要な部品点数を低減することができる。

例えば、前記水素ガスエンジンは、前記クランク室と前記動弁室との間に介在するシリンダおよびシリンダヘッドと、前記シリンダの脇に位置するカム室と、前記カム室と前記動弁室とを接続する接続管を含み、前記動弁室は、前記接続管および前記カム室を介して前記クランク室と連通してもよい。

上記のガスエンジンシステムは、給気路により前記水素ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記水素ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機をさらに備え、前記ガス供給機は、前記給気路から分岐して前記動弁室につながる供給路を含んでもよい。この構成によれば、過給機の圧縮機で加圧された圧縮空気を動弁室へ導くことができる。

前記供給路には流量制御弁が設けられており、前記流量制御弁は、前記動弁室の圧力が一定となるように制御されてもよい。この構成によれば、動弁室へ導かれる圧縮空気の量を最小限に抑えることができ、水素ガスエンジンへ供給される圧縮空気の量を多く確保することができる。

上記のガスエンジンシステムは、給気路により前記水素ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記水素ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機をさらに備え、前記ガス供給機は、前記排気路から分岐して前記動弁室につながる供給路を含んでもよい。この構成によれば、過給機のタービンで膨張される前の排ガスを動弁室へ導くことができる。

前記ガス供給機は、圧縮空気を貯留するタンクと、前記タンクと前記動弁室とを接続する供給路を含んでもよい。この構成によれば、タンクに貯留された圧縮空気を利用して動弁室へのブローバイガスの流入を抑制することができる。

１Ａ～１Ｄガスエンジンシステム
４水素ガスエンジン
４１クランク室
４２シリンダ
４３シリンダヘッド
４４動弁室
４５カム室
４６接続管
７ガス供給機
７１，７３，７６供給路
７２流量制御弁
７５タンク

Claims

クランク室および前記クランク室と連通する動弁室を含む水素ガスエンジンと、
前記動弁室に大気圧よりも高い圧力のガスを供給するガス供給機と、
を備える、ガスエンジンシステム。
前記水素ガスエンジンは、前記クランク室と前記動弁室との間に介在するシリンダおよびシリンダヘッドと、前記シリンダの脇に位置するカム室と、前記カム室と前記動弁室とを接続する接続管を含み、
前記動弁室は、前記接続管および前記カム室を介して前記クランク室と連通する、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
給気路により前記水素ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記水素ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機をさらに備え、
前記ガス供給機は、前記給気路から分岐して前記動弁室につながる供給路を含む、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。
前記供給路には流量制御弁が設けられており、
前記流量制御弁は、前記動弁室の圧力が一定となるように制御される、請求項３に記載のガスエンジンシステム。
給気路により前記水素ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記水素ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機をさらに備え、
前記ガス供給機は、前記排気路から分岐して前記動弁室につながる供給路を含む、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。
前記ガス供給機は、圧縮空気を貯留するタンクと、前記タンクと前記動弁室とを接続する供給路を含む、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。