JP4399389B2 - ガス機関を運転する方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の燃料供給システムと、第２の燃料供給システムと、第３の燃料供給システムとを備えたガス機関を運転するための方法であって、第１の運転モードでは、前記第１の燃料供給システムを介して気体燃料を前記機関の燃焼空気中に導入することによって前記機関が作動し、前記第２の燃料供給システムを介して点火燃料を気体燃料と燃焼空気の混合物中に噴射することによって前記気体燃料が点火されるようにする、ガス機関を運転する方法に関する。

船舶機関としてのガス機関（ここでは気体燃料で作動するピストン機関を意味している）の安全で、かつ、信頼性の高い使用は、燃料供給システムに特別な要求事項を規定しているが、最も重要な要求事項は、いかなる状況においても予期せぬ機関の停止が許容されないことである。そのために、船舶機関としてのガス機関は、燃料供給システムにバックアップ・システムを備えている。通常、ガス機関の主燃料として使用される気体燃料は、機関の燃焼室に供給され、空気と混合される。気体燃料は、ごく少量の点火燃料を噴射することによって点火される。この点火燃料は既存の状態で点火し、延いては気体燃料が点火する。この場合、気体燃料に関する限り、機関は、オットー・プロセスに従って作動する。機関の作動に影響する機能不全が上述の運転に存在する場合、液体燃料のみの使用に基づくバックアップ燃料供給システムを使用して機関に燃料を提供することができる。この場合、気体燃料での作動から液体燃料での作動への移行が存在し、機関は、ディーゼル・プロセスに従って作動する。

しかしながら、液体燃料のバックアップ使用は、バックアップ燃料供給システムが一般的に流体力学的に制御される点で問題がある。その理由は、バックアップ燃料供給システムによって運転の信頼性が最大化される傾向があることは確かであるが、流体力学システムの場合、可能な最もクリーンな燃焼プロセスになるよう、その燃焼プロセスを制御することが不可能であり、そのために、たとえば通常のガス運転と比較して明らかに大量の未燃焼炭化水素及び窒素酸化物が燃焼生成物に含有されることによるものである。また、バックアップ運転の場合、液体燃料を使用することによってすべての動力が生成されるため、ガス運転における点火燃料としての液体燃料の消費と比較すると燃料消費が多種多様である。また、液体燃料を貯蔵するためのタンクは、容器の空間要求事項を考慮した寸法にしなければならず、容器の負荷容量に影響している。したがって予備燃料運転における燃料の量が不十分であり、危険の原因になっている。

本発明の目的は、従来技術が抱えている問題を最小化することができる方法を提供することである。本発明の目的は、とりわけ、なかんずくガス機関の運転の信頼性をあらゆる状況において保証し、かつ、液体燃料を使い尽くす危険を最小化することができる方法を提供することであり、また、ガス機関をバックアップで運転している状態であっても排気放出を減少させることができる方法を提供することである。

本発明の目的は、主として、特許請求の範囲の請求項１に開示され、かつ、他の請求項の中でより詳細に説明されているように達成される。

本発明による方法は、様々な運転モードで機関を作動させるべくその使用法を変更することができる第１の燃料供給システムと、第２の燃料供給システムと、第３の燃料供給システムとを備えたガス機関を運転する方法に関している。本発明による方法の場合、機関の第１の運転モードでは、第１の燃料供給システムを介して気体燃料を機関の燃焼空気中に導入することによって機関が作動し、第２の燃料供給システムを介して点火燃料を燃焼空気と気体燃料の混合物中に噴射することによって気体燃料が点火される。本発明に固有の特徴は、依然として気体燃料を機関の燃焼空気中に導入することによって機関が作動し、第３の燃料供給システムを介して点火燃料を燃焼空気と気体燃料の混合物中に噴射することによって気体燃料が点火する第２の運転モードで機関を作動させることができることである。

本発明によれば、この第２の運転モードは、少なくとも第２の燃料供給システムに機能不全が存在する状況で使用される。機能不全を検出するために、運転データに関する測定値が機関の制御システムに収集され、測定値とプリセット値が比較される。測定値とプリセット値の変分（即ち差）がプリセット・レベルを超えている場合、システムは第２の運転モードへ移行する。運転データとして少なくとも第２の燃料供給システムの燃料圧力が使用されることが好ましい。第２の燃料供給システムでは、個々のインジェクタ・ノズルと共に配置された電気制御装置を使用して共通のレールから燃料が定量供給される。一方、第３の燃料供給システムでは、個々のインジェクタ・ノズルと共に配置された噴射ポンプによる流体力学的制御によって燃料が定量供給される。

第２の運転モードでは、第３の燃料供給システムの噴射量が第２の運転モードで噴射される総燃料量の２０％未満になるように第３の燃料供給システムが制御され、第２の燃料供給システムはクローズされる。しかしながら、第２の運転モードではノック検出の信頼性が必ずしも高い必要はないため、この場合、実用上、第１の運転モードで利用することができる出力の約８０％に機関の最大出力を小さくすることが可能である。第２の運転モードでは、主として第１の燃料の量を調整することによって機関の出力が調整される。

本発明により、知られている技術に関連して明らかな利点が提供される。本発明による方法を使用することにより、点火燃料供給システムに機能不全が存在している場合にガス機関を使用することができるため、知られている技術による予備燃料の使用と比較した場合より明らかに排気ガスの放出が低減される。また、本発明による方法を使用することにより、知られている技術によるバックアップ燃料運転と比較して、液体予備燃料による走行距離を著しく延長することができる。

以下、本発明について、添付の略図を参照して例示的な方法で説明する。

図１は、ガス機関に燃料を導入するべく提供される、ガス機関のための噴射システム１を略図で示したものである。燃料供給システムは、主燃料源として第１の燃料供給システム２を備えており、この第１の燃料供給システム２を介して機関に気体燃料を導入することができる。以下、気体燃料は、単にガスと呼ぶこともある。第１の燃料供給システムは、ガス源２．３と機関の供給弁２．２を接続している入口配管２．１を備えている。ガスは、供給弁２．２を使用して入口配管２．１を介して燃焼空気中に定量供給される。ここでは、ガス供給弁は、機関の燃焼空気供給チャネルと共に配置されている。ガス供給弁２．２を制御するために、機関制御ユニット１１は機関と共に配置されており、機関を運転している間、機関制御ユニット１１は、供給弁を開閉する時期を制御し、また、たとえば機関の負荷に応じてガスの定量供給を制御している。第１の燃料供給システムは、ここでは極めて簡単に示されており、また、本発明を理解するために必ずしも必要のない部品は示されていない。

また、機関は、第２の燃料供給システム３を備えている。この第２の燃料供給システム３は、ノズル８によって燃料タンク１２から機関に点火燃料を供給するようになされており、液体燃料のための噴射システムである。第２の燃料供給システム３は、燃料の圧力を適切なレベルに昇圧し、燃料ライン３．２を介して共通レール６に燃料を供給する高圧ポンプ３．１を備えている。過剰の燃料は、ライン３．３を介して燃料タンクに戻る。共通レール６は、さらに、燃料インジェクタ・ノズル８の各々に接続されている。第２の燃料供給システムのインジェクタ弁は電気制御装置５を備えており、この電気制御装置５によって一定量の燃料が供給され、噴射のタイミングが適切に制御される。電気制御装置５の各々は、同じく他の燃料供給システム３の動作を制御している機関制御ユニット１１に接続されている。

機関を燃焼ガスで作動させる場合、点火燃料を使用してガスが点火される。ガスは、ガス供給弁２．２を開閉することによって第１の燃料供給システム２によって機関燃焼空気中に導入される。弁が開くと、ガスが燃焼空気中に流入し、続いて機関の燃焼室で空気と混合されて点火される。点火は、第２の燃料供給システム３によって比較的少量の点火燃料を噴射することによって実行される。燃焼室或いは燃焼室に接続された予備室（使用されている場合）の状態は、圧縮ストロークの最終段階におけるピストンの上死点付近で点火燃料を点火する状態になる。この状態により、燃焼空気と混合されたガスが同じく点火される。点火燃料の量は、主燃料の量と比較すると極めて少量である。

ガス機関には、第２の燃料供給システム３のバックアップ・システムとして作用する第３の燃料供給システム４が追加で設けられている。第３の燃料供給システム４は、図に示す解決法では、機関のシリンダ毎に噴射ポンプ９を備えている。インジェクタ・ポンプ９の各々は、それぞれ自身の燃料ライン７．１でインジェクタ・ノズル７に接続されている。第３の燃料供給システム４のインジェクタ・ノズル７の制御は、流体力学的に実行される。これは、インジェクタ・ノズルの各々がばね荷重ノズル・ニードル（図示せず）を備えており、ばねの力によってノズル・ニードルが閉じていることを意味している。ばねの力に対する燃料圧力の力によってノズル・ニードルが開き、ノズル・ニードルが開くと、噴射ポンプによって燃料噴射量が調節される。燃料噴射量の調節方法については知られている通りであるが、燃料噴射量は、調節ロッド９．１を移動させることによって噴射ポンプのピストンを所望の位置へ回転させることによって調節される。噴射ポンプの動作を制御し、同時に第３の燃料供給システム４の動作を制御するために、燃料の噴射を調節することができるアクチュエータ９．２が調節ロッド９．１と共に配置されている。アクチュエータ９．２は、機関制御ユニット１１に接続されており、その位置データを機関制御ユニット１１に送信している。また、機関制御ユニットは、アクチュエータの動作を規定している。噴射ポンプ９は、供給ライン９．３及び戻りライン９．４を介して燃料タンク１２に接続されている。

図１に示す実施例では、第２及び第３の燃料供給システム３、４の燃料は、いずれも共通のタンク１２からの燃料である。燃料は、移送ポンプ１２．１によって前方へ移送され、続いて、弁１２．２によって供給システムの供給ライン３．２及び９．３に流れが分割される。燃料供給システムの各々は、独自の個別燃料タンクを備えることも可能であり、たとえば第２及び第３の燃料供給システムに異なる燃料を使用する場合がそうである。

機関の運転及び主燃料及び点火燃料の噴射動作は、機関制御ユニット１１によって制御される。また、機関の様々な運転データに関するデータも機関制御ユニットに転送される。本発明の本質は、とりわけ第２の燃料供給システムの様々な運転データとプリセット値が機関制御ユニット１１内で比較されることであり、そのために少なくとも圧力測定装置１３が第２の燃料供給システム３と共に配置されており、特定のインターバルで機関制御ユニットに圧力測定値がもたらされている。この圧力測定値と場合によっては他の測定値が機関制御ユニットに記憶されているプリセット値と比較され、測定値とプリセット値の差が所定の差より大きい場合、システムは、本発明による方法の第２の動作へ移行する。以下、このモードについて説明する。

第２の運転モードにおける機関の運転は、第１の運転モードの場合と同様、依然として機関燃焼空気中への第１の燃料供給システム２を介したガスの導入による運転であるが、第２の運転モードでは、機関の制御システムは、第３の燃料供給システムのインジェクタ・ノズル７を介して燃料の噴射を開始し、かつ、燃料の噴射を維持するべく、第３の燃料供給システムのアクチュエータ９．２を制御する。第３の燃料供給システムのインジェクタ・ノズル７を介した燃料の噴射の開始と同時に、或いは開始直後に、機関制御ユニット１１は、第２の燃料供給システムのインジェクタ・ノズル８を介した機関燃焼室への燃料の噴射を停止するべく、第２の燃料供給システムの電気制御装置５を制御する。したがって、本質的に変調をもたらすことなく機関の運転を継続することができるため、燃焼空気と気体燃料の混合物中への第３の燃料供給システム３を介した点火燃料の噴射によって気体燃料が点火される。この第２の運転モードでは、第３の燃料供給システムは、典型的には総燃料量の２０％未満の量であるほぼ一定の量の燃料で作動する。したがって機関の出力は、供給すべきガスの量を調節することによって調節される。

本発明によれば、第３の燃料供給システムの供給容量は、ガスを使用した機関の運転で得られる最大出力に概ね対応する機関出力が得られる容量であり、そのため、必要に応じて、第３の燃料供給システム４を介してのみ燃料の噴射が実行される第３の運転モードで依然として機関を使用することができる。したがって機関制御ユニット１１は、燃料の供給を停止するべく第１及び第２の燃料供給システム２、３の両方を制御し、また、機関の出力は、第３の燃料供給システムのアクチュエータ９．２を調節することによってのみ調節される。

本発明は、上で説明した実施例に何ら制限されず、特許請求の範囲の各請求項の範囲内で、それらに対する多くの改変が意図されている。

本発明による方法を適用した一実施例を示す図である。

符号の説明

１ 噴射システム
２ 第１の燃料供給システム
２．１ 入口配管
２．２ ガス供給弁
２．３ ガス源
３ 第２の燃料供給システム
３．１ 高圧ポンプ
３．２、７．１、９．３ 燃料ライン（供給ライン）
３．３ ライン
４ 第３の燃料供給システム
５ 電気制御装置
６ 共通レール
７、８ インジェクタ・ノズル（ノズル）
９ 噴射ポンプ（インジェクタ・ポンプ）
９．１ 調節ロッド
９．２ アクチュエータ
９．４ 戻りライン
１１ 機関制御ユニット
１２ 燃料タンク
１２．１ 移送ポンプ
１２．２ 弁
１３ 圧力測定装置

Claims (6)

1. 気体燃料をガス機関の燃焼空気中に導入する第１の燃料供給システム（２）と、気体燃料と燃焼空気との混合物中に点火燃料を噴射する第２の燃料供給システム（３）と、液体燃料の使用に基づくバックアップ燃料供給システムになっていてガス機関の燃焼室に点火燃料を噴射する第３の燃料供給システム（４）とを備え、第１の運転モードでは、前記第１の燃料供給システム（２）を介して気体燃料を前記ガス機関の燃焼空気中に導入し、前記第２の燃料供給システム（３）を介して点火燃料を気体燃料と燃焼空気との混合物中に噴射することによって前記気体燃料を点火するようにしたガス機関を運転するための方法であって、
   第２の運転モードでは、依然として前記第１の燃料供給システム（２）を介して気体燃料を前記ガス機関の燃焼空気中に導入し、前記第３の燃料供給システム（４）を介して点火燃料を気体燃料と前記燃焼空気との混合物中に噴射することによって前記気体燃料を点火し、前記第３の燃料供給システム（４）の噴射量を前記ガス機関に供給される総燃料量の２０％未満に制御することを特徴とする方法。
2. 前記第２の燃料供給システム（３）では、インジェクタ・ノズル（８）の各々と共に配置された電気制御装置（５）を使用して、前記第２の燃料供給システム（３）に包含されている共通レール（６）から燃料が定量供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第３の燃料供給システム（４）では、インジェクタ・ノズル（７）の各々と共に配置されたインジェクタ・ポンプ（９）によって燃料が定量供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の運転モードでは、前記第１の燃料供給システム（２）によって供給される気体燃料の量を調整することによって前記ガス機関の出力が調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の燃料供給システムの運転データに関する測定値が前記ガス機関の制御システムに収集され、かつ、測定データとプリセット値が比較され、前記測定値と前記プリセット値の間の差が所定のレベルを超えている場合、前記第２の運転モードへシステムが移行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 少なくとも燃料圧力が運転データとして使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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