JP6090898B2 - 内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法 - Google Patents
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Description
一方、VTI過給機は、主機負荷約60〜75%以下でのみタービンノズル通過面積を減少させた運転が可能である。これは、主機負荷60〜75%以上では、掃気圧力が高くなりすぎてディーゼル機関の筒内燃焼圧力の許容範囲を超えるためである。したがって、VTI過給機のみでも、全負荷域でディーゼル機関の燃料消費量削減に貢献できない。
そこで、ハイブリッド過給機とVTI過給機とを組み合わせることで、主機全負荷域で推進プラント全体での燃料消費量を抑えることが考えられる。
ここで、推進プラント全体での燃料消費量削減とは、ディーゼル機関からの排ガスエネルギを有効に活用して発電をすることで、発電用エンジンでの燃料消費量を減らし、主機および発電用エンジンを含む推進プラント全体での燃料消費量削減を意味する。
(1)過給機の発電停止への切り換えとVTI機能のONへの切り換えを同時または近接したタイミングで行うと、主機の掃気圧力が急激に上がることで筒内燃焼圧力が急激に上がり許容値を超え、主機に甚大な損傷を与えるおそれがある。
(2)主機の負荷上昇時に、過給機の発電開始への切り換えとVTI機能のOFFへの切り換えを同時または近接したタイミングで行うと、急激に排気ガス温度が上昇し、排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザによって発生する蒸気量が急激に増え、汽水分離ドラムの安全弁が吹いたり、過剰発生した蒸気をダンプさせなければならないという問題がある。特に、外気温が高く、排気ガス温度が高い夏場(冬場に比べ排ガス温度が20〜30℃上がる)ではこの傾向が顕著である。
(3)主機の負荷減少時に、過給機の発電停止への切り換えとVTI機能のONへの切り換えとを同時または近接したタイミングで行うと、排ガス温度が急に下がり、排ガスエコノマイザによって発生する蒸気量が急激に減り、必要な蒸気が賄えず、最悪の場合、高粘度の重油燃料及び潤滑油を暖められずに供給ポンプがタンクから燃料油や潤滑油を導くことができなくなり、主機トリップに至る可能性がある。特に、外気温が低く、排気ガス温度が低い冬場(夏場に比べ排ガス温度が20〜30℃下がる)ではこの傾向が顕著である。
また、本発明は、過給機の発電機能とVTI機能を切り換えて使用する際に、主機(内燃機関)の負荷上昇時に、排気ガス温度の急上昇を回避することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、過給機の発電機能とVTI機能を切り換えて使用する際に、主機(内燃機関)の負荷下降時に、排気ガス温度の急降下を回避することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、を備えた内燃機関システムであって、前記発電機による発電を停止する発電停止動作、および、前記タービンノズル通過面積可変機構によりタービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われる際に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限する筒内燃焼圧力制限手段を備えていることを特徴とする。
なお、発電停止動作とタービンノズル通過面積減少動作のいずれか一方が行われるときに掃気圧力を制限することとしても良いが、特に両者が同時あるいは近接したタイミングで行われるときには掃気圧力の急上昇が予想されるので好ましい。
ここで、所望タイミングとは、通常運転時に設定される設計上のタイミング(例えば熱効率が良いタイミング)を意味する。
温度パラメータとしては、入口温度のみ、または出口温度のみでもよく、あるいは、入口温度と出口温度の平均値といった所定の演算式を用いても良い。
発電機の発電切換動作と、タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作とを非同期とすることにより、これらの動作が同期した場合に生じるおそれのある内燃機関の筒内燃焼圧力の過上昇、内燃機関の負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇、内燃機関の負荷減少時における排気ガス温度の急降下を回避することができる。これにより、内燃機関システムの安定運転を実現することができる。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1乃至図3を用いて説明する。
図1には、船舶に用いられる舶用ディーゼル機関システム(内燃機関システム)1が示されている。同図に示すように、舶用ディーゼル機関システム1は、例えば低速2サイクルディーゼル機関とされた主機(内燃機関)2と、主機2に圧縮空気を供給する過給機3と、主機2からの排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザ4とを備えている。
排気マニホールド7には、排気バイパス弁(排気バイパス手段)11が設けられており、この排気バイパス弁11を開とすることにより、排気マニホールド7からの排気ガスの一部を過給機3へと供給させずに排ガスエコノマイザ4側へとバイパスするようになっている。排気バイパス弁11は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
吸気マニホールド8には、掃気バイパス弁(掃気抽気手段)9が設けられており、この掃気バイパス弁9を開とすることにより、吸気マニホールド8内の空気を放出することができるようになっている。掃気バイパス弁9は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
PMS28は、船内需要電力に応じて発電電力を制御するものであり、図示しないディーゼルエンジン発電機の制御も行うようになっている。
開閉弁3eを閉じると排気ガスは分岐配管3dを流れずにタービンノズルの隔壁3fの外周側のみを流れるようになり、タービンノズル通過面積が狭められることでVTI機能がONとなる。一方、開閉弁3eを開けると排気ガスは分岐配管3dを流れてタービンノズルの隔壁3fの内周側にも流れるようになり、タービンノズル通過面積が拡大されてVTI機能がOFFとなる。
汽水分離器12の上部には、安全弁24が設けられており、汽水分離器12内の圧力が所定値以上になると安全弁が開き内部の蒸気を外部へと放出するようになっている。
図3に示すように、主機負荷上昇時(増速時)では、発電機能については所定の負荷(図3では65%)にて非発電動作から発電動作へと切り換える。これは、図3の「ハイブリッド過給機発電電力」のグラフの実線が負荷65%で立ち上がっていることから分かる。一方、VTI機能については、所定の負荷(図3では65%)にてONからOFFへと切り換える。これは、図3の「主機掃気圧力」のグラフの細実線が一点鎖線よりも高い圧力から負荷65%で降下していることから分かる。
主機負荷減少時(減速時)は、上記とは逆に、発電機能については所定の負荷(図3では65%)にて発電動作から非発電動作へと切り換える。一方、VTI機能については、所定の負荷(図3では65%)にてOFFからONへと切り換える。この場合、図3の「主機掃気圧力」のグラフから分かるように、掃気圧力が急上昇する。この掃気圧力の急上昇に伴い、図3の「主機筒内燃焼圧力」から分かるように、筒内燃焼圧力が急上昇する。筒内燃焼圧力が急上昇すると、許容範囲を超えて主機2に損傷を及ぼすおそれがある。
吸気マニホールド8内に設けた圧力センサによって掃気圧力を監視しておき、主機負荷減少時に発電機能が発電動作から非発電動作へと切り換わり、かつVTI機能がOFFからONへと切り換わる際に、計測された掃気圧力が所定値を超えた場合には、図示しない制御部からの指令によって、掃気バイパス弁9を開とする。これにより、吸気マニホールド8から空気を抜くことにより掃気圧力を低下させて筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。または、図示しない制御部からの指令によって、排気バイパス弁11を開とする。これにより、過給機3へ供給する排気ガスの一部をバイパスすることにより過給機3の能力を下げて掃気圧力を低下させ、筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。なお、掃気バイパス弁9及び排気バイパス弁11の両者を用いてもよい。
このように、本実施形態では、発電停止動作およびタービンノズル面積減少動作(VTI機能ON)が行われる際に掃気圧力を所定値以下に制限することとしたので、掃気圧力が過剰に上昇して筒内燃焼圧力の過上昇を抑えることができる。これにより、システムの健全な運転を確保することができる。
次に、第2実施形態について説明する。第1実施形態と基本的構成は同様であるのでその説明は省略する。
上記実施形態では筒内燃焼圧力を制限する際に掃気バイパス弁9および/または排気バイパス弁11を用いることとしたが、主機2が自動燃料噴射タイミング調整装置または自動排気弁開閉タイミング調整装置を備えている場合には、掃気バイパス弁9や排気バイパス弁11を用いることなく筒内燃焼圧力を制限することができる。
このように、本実施形態によれば、第1実施形態のように掃気バイパス弁9や排気バイパス弁11を用いると主機2の燃料消費率が悪化するというデメリットを回避した上で、筒内燃焼圧力を制限することができる。
次に、第3実施形態について説明する。第1実施形態と基本的構成は同様であるのでその説明は省略する。
本実施形態は、主機2から排出される排気ガス温度の急上昇および急降下を抑制するものである。具体的には、主機負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇を抑え、また主機負荷減少時における排ガス温度の急降下を抑えるものである。
また、主機負荷減少時(減速時)では、発電機能については所定の負荷(図3では65%)にて発電動作から非発電動作へと切り換えて、VTI機能についても同様の負荷(図3では65%)にてOFFからONへと切り換えると、「主機掃気圧力」が上昇することに伴い、「主機排気ガス温度」が急降下する。
具体的には、発電切換動作を行う主機2の負荷と、タービンノズル通過面積可変動作を行う主機2の負荷とを異ならせることで非同期を実現させる。例えば、主機負荷上昇時には、一方の機能を切り換えた後、設定した主機負荷上昇後(例えば+5%)もう一方の機能を切り換える。主機負荷減少時には、一方の機能を切り換えた後、設定した主機負荷減少後(例えば−5%)もう一方の機能を切り換える。これにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。
なぜなら、一般に、主機負荷上昇時よりも主機負荷減少時の方が短時間で行われるからである。そこで、発電切換動作とタービンノズル通過面積可変動作の負荷差分を、内燃機関の負荷上昇時よりも負荷減少時の方を大きくすることがこのましい。これにより、一層の安定化を図ることができる。
また、主機負荷減少時に排ガス温度が下がった場合には、必要に応じて、汽水分離器12内の圧力を監視し、汽水分離器12内の圧力が閾値を下回る場合(排ガスエコノマイザ4からの蒸気発生量が低下した場合)には、補助ボイラ14を起動させ、船内に必要な蒸気量確保を行う。
上記第3実施形態では、主機2の負荷に基づいて非同期を行うこととしたが、これに代えて、発電切換動作を行うタイミングと、タービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングとの間に所定時間間隔を設けることにより非同期を行うことする。
これにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。また、タイマーに基づいて制御すれば足り、極めて簡便な制御とすることができる。
上記第3実施形態または上記第4実施形態に加えて、あるいは単独で、以下の制御を行うようにしてもよい。
本実施形態では、排ガスエコノマイザ4の入口温度および/または出口温度を監視する。
発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行った後に、入口温度および/または出口温度を用いた温度パラメータの変化を計測する。
計測した温度パラメータの時間変化率が所定値以下となった後に、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行う。
なお、温度パラメータとしては、入口温度のみ、または出口温度のみでもよく、あるいは、入口温度と出口温度の平均値といった所定の演算式を用いても良い。
上記第3実施形態乃至上記第5実施形態に加えて、あるいは単独で、以下の制御を行うようにしてもよい。
本実施形態は、汽水分離器12の内部圧力を監視する。
発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行った後に、汽水分離器12の内部圧力の変化を計測する。
計測した内部圧力の時間変化率が所定値以下となった後に、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行う。
2 主機(内燃機関)
3 過給機
3a タービン部
3b コンプレッサ部
3c 発電機
3d 分岐管(タービンノズル通過面積可変機構)
3e 開閉弁(タービンノズル通過面積可変機構)
3f 隔壁(タービンノズル通過面積可変機構)
4 排ガスエコノマイザ
7 排気マニホールド
8 吸気マニホールド(空気溜め部)
9 掃気バイパス弁(掃気抽気手段)
11 排気バイパス弁(排気バイパス手段)
12 汽水分離器
14 補助ボイラ
Claims (13)
- 内燃機関と、
該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
を備えた内燃機関システムであって、
前記発電機による発電を停止する発電停止動作、および、前記タービンノズル通過面積可変機構により前記タービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われる際に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限する筒内燃焼圧力制限手段を備え、
前記発電停止動作および前記タービンノズル面積減少動作が行われる所定時間前に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする内燃機関システム。 - 前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記過給機によって圧縮された空気を貯留する空気溜め部から該空気を抜く掃気抽気手段、および/または、前記内燃機関からの排気ガスの一部を前記過給機へと供給させずにバイパスする排気バイパス手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関システム。
- 前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記内燃機関の燃料噴射装置から燃料を噴射する燃料噴射タイミングを所望タイミングから遅らせる燃料噴射タイミング遅延手段、および/または、前記内燃機関の排気弁を閉める閉タイミングを所望タイミングから遅らせる排気弁閉タイミング遅延手段を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関システム。
- 前記内燃機関の掃気圧力が所定値を超えた場合、または、前記内燃機関の筒内燃焼圧力が所定値を超えた場合に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の内燃機関システム。
- 内燃機関と、
該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
を備えた内燃機関システムであって、
前記発電機による発電および非発電を切り換える発電切換動作と、前記タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作の開始及び終了とが、非同期とされていることを特徴とする内燃機関システム。 - 前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷とを異ならせることにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関システム。
- 前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷との間に設けた負荷差分が、前記内燃機関の負荷上昇時よりも、前記内燃機関の負荷減少時の方が大きいことを特徴とする請求項6に記載の内燃機関システム。
- 前記発電切換動作を行うタイミングと、前記タービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングとの間に所定時間間隔を設けることにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関システム。
- 前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザを備え、
該排ガスエコノマイザの入口温度および/または出口温度を得て、
前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記入口温度および/または前記出口温度を用いた温度パラメータが変化し、該温度パラメータの時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載の内燃機関システム。 - 前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザによって生成された蒸気が導かれる汽水分離器を備え、
該汽水分離器の内部圧力を得て、
前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記内部圧力が変化し、該内部圧力の時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載の内燃機関システム。 - 請求項1から請求項10のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする船舶。
- 内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、
前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、
前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、
前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、
を備えた内燃機関システムの制御方法であって、
発電を停止させ、かつ、前記タービンノズル通過面積を減少させる所定時間前に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限するように、前記内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することを特徴とする内燃機関システムの制御方法。 - 内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、
前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、
前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、
前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、
を備えた内燃機関システムの制御方法であって、
発電/非発電切換工程と、前記タービンノズル通過面積を変更する工程を開始及び終了する工程とを、非同期とすることを特徴とする内燃機関システムの制御方法。
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