JP6148601B2

JP6148601B2 - 副室式ガスエンジン

Info

Publication number: JP6148601B2
Application number: JP2013223755A
Authority: JP
Inventors: 良一萩原; 修山岸
Original assignee: Yanmar Co Ltd; Japan Ship Machinery and Equipment Association JSMEA
Current assignee: Yanmar Co Ltd; Japan Ship Machinery and Equipment Association JSMEA
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: JP2015086734A

Description

本発明は、副室式ガスエンジンの技術に関する。

ガスエンジンは、空気と燃料ガスとの混合気を燃料として駆動するエンジンとして公知である。また、ガスエンジンの一形式として副室式ガスエンジンも公知である。副室式ガスエンジンは、シリンダヘッドに設けられた副室内に燃料の噴射を行う形式のガスエンジンである（例えば、特許文献１）

副室式ガスエンジンでは、燃料ガスとして、主に、都市ガス（１３Ａ等）が使用される。しかし、海外で使用される副室式ガスエンジンでは、組成の異なる燃料ガスが供給される場合がある。組成の異なる燃料ガスは、都市ガス（１３Ａ等）と比較して発熱量が低い。そのため、副室式ガスエンジンでは、組成の異なる燃料ガスが供給されると、燃料消費が悪化することになる。

特開２０１３−１８５５１５号公報

本発明の解決しようとする課題は、組成の異なる燃料ガスを供給された場合であっても燃料消費の悪化を防止することができる副室式ガスエンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、エンジン回転数及びエンジン負荷より燃料流量及び空気流量を決定する制御手段を備え、前記制御手段は、決定された燃料流量より燃料流量が多く必要な場合には、決定された空気流量が小さくなるように補正する副室式ガスエンジンであって、前記制御手段は、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して指令燃料噴射量を決定する燃料噴射量マップと、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して目標給気マニホールド圧力を決定する目標給気マニホールド圧力マップと、が設定され、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して決定される指令燃料噴射量と比較して、燃料噴射量が多く必要な場合には、前記目標給気マニホールド圧力マップの目標給気マニホールド圧力が小さくなるように補正するものである。

請求項２においては、請求項１記載の副室式ガスエンジンであって、前記制御手段は、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して目標副室燃料ガス圧力を決定する目標副室燃料ガス圧力マップが設定され、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して決定される指令燃料噴射量と比較して燃料噴射量が多く必要な場合には、前記目標副室燃料ガス圧力マップの目標副室燃料ガス圧力が大きくなるように補正するものである。

請求項３においては、請求項１又は２記載の副室式ガスエンジンであって、前記燃料噴射量マップは、少なくとも、燃料圧力、燃料温度又は潤滑油温度に基づいて指令燃料噴射量を補正するものである。

本発明の副室式ガスエンジンによれば、組成の異なる燃料ガスを供給された場合であっても燃料消費の悪化を防止することができる。

副室式ガスエンジンの構成を示した模式図。同じくシリンダヘッドの構成を示した模式図。燃料噴射量マップ補正制御のイメージを示す模式図。目標給気マニホールド圧力マップ補正制御の流れを示すフロー図。別の目標給気マニホールド圧力マップ補正制御の流れを示すフロー図。目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御の流れを示すフロー図。電気推進船の構成を示す模式図。

図１を用いて、副室式ガスエンジン１００の構成について説明する。なお、図１では、副室式ガスエンジン１００の構成を模式的に表している。

副室式ガスエンジン１００は、本発明の副室式ガスエンジンに係る実施形態である。副室式ガスエンジン１００は、ガスを燃料として駆動するエンジンであって、シリンダヘッド７０に設けられた副室Ｆに燃料の噴射を行う形式のガスエンジンである（図２参照）。

副室式ガスエンジン１００は、エンジン本体１０と、給気系統２０と、排気系統３０と、制御手段としてのＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０と、を具備している。

エンジン本体１０は、６つの気筒１１・・・・１１を具備している。気筒１１・・・・１１は、給気マニホールド２１と給気ポート２２・・・・２２によって連通され、排気マニホールド３１と排気ポート３２・・・・３２によって連通されている。給気ポート２２・・・・２２には、ガスインジェクタ４２・・・・４２が設けられている。

給気系統２０は、給気マニホールド２１と、インタークーラ２３と、メインスロットル２４と、コンプレッサ２５と、バイパススロットル２６と、を具備している。給気系統２０では、給気マニホールド２１から空気の流れの上流側に向かって、インタークーラ２３と、メインスロットル２４と、コンプレッサ２５と、が順に配置されている。バイパススロットル２６は、コンプレッサ２５をバイパスするバイパス経路上に設けられている。

排気系統３０は、排気マニホールド３１と、タービン３３と、を具備している。排気系統３０では、排気マニホールド３１から空気の流れの下流側に向かって、タービン３３が配置されている。

ＥＣＵ５０は、メインスロットル２４と、バイパススロットル２６と、に接続されている。ＥＣＵ５０は、空気流量としての給気マニホールド圧力Ｐｉが目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍとなるように、メインスロットル２４又はバイパススロットル２６を制御する機能を有している。

なお、本実施形態では空気流量を給気マニホールド圧力Ｐｉとしたが、これに限定されない。例えば、給気マニホールド２１に供給される空気流量をマスフローメータ又はオリフィス流量計によって検知し、検知した空気流量を本発明の空気量としても良い。

図２を用いて、シリンダヘッド７０の構成について説明する。なお、図２では、シリンダヘッド７０の構成を模式的に表している。

シリンダヘッド７０は、シリンダブロック８０の上部に配置され、主室系統４０と、副室系統６０と、を具備している。

シリンダヘッド７０には、副室Ｓが形成され、給気バルブ７１と、排気バルブ７２と、が設けられている。副室Ｓの上方には、スパークプラグ７５と、副室系統６０と、が設けられている。

シリンダブロック８０には、気筒１１が形成され、ピストンＰが摺動可能に収納されている。気筒１１には、ピストンＰの頂部によって、主室Ｍが形成されている。

主室系統４０は、燃料供給管４１と、ガスインジェクタ４２と、主室燃料ガス温度Ｔｍを検知する主室燃料ガス温度センサ５６と、主室燃料ガス圧力Ｐｍを検知する主室燃料ガス圧力センサ５７と、主室燃料ガス圧力調整器５８と、を具備している。

副室系統６０は、燃料供給管６１と、チェックバルブ６５と、副室燃料流量としての副室燃料ガス圧力Ｐｓを検知する副室燃料ガス圧力センサ５４と、副室燃料ガス圧力調整器５５と、を具備している。

なお、本実施形態では副室燃料流量を副室燃料ガス圧力Ｐｓとしたが、これに限定されない。例えば、副室燃料ガス圧力調整器５５によって供給される副室燃料流量をマスフローメータ又はオリフィス流量計によって検知し、検知した副室燃料流量を本発明の副室燃料流量としても良い。

ＥＣＵ５０は、エンジン回転数Ｎｅを検知するエンジン回転数センサ５１と、エンジン負荷Ａｃを検知するエンジン負荷センサ５２と、潤滑油温度Ｔｊを検知する潤滑油温度センサ５３と、ガスインジェクタ４２と、主室燃料ガス温度センサ５６と、主室燃料ガス圧力センサ５７と、主室燃料ガス圧力調整器５８と、副室燃料ガス圧力センサ５４と、副室燃料ガス圧力調整器５５と、スパークプラグ７５と、に接続されている。

ＥＣＵ５０は、副室燃料ガス圧力Ｐｓが目標副室燃料ガス圧力Ｐｍｓとなるように、副室燃料ガス圧力調整器５５を制御する機能を有している。

ＥＣＵ５０には、燃料噴射量マップが設定されている。燃料噴射量マップは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃと燃料流量としての指令燃料噴射量Ｑとの相関を表すものであって、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ａｃに対して指令燃料噴射量Ｑを決定するものである。

なお、本実施形態では燃料流量を指令燃料噴射量Ｑとしたが、これに限定されない。例えば、ガスインジェクタ４２によって供給される燃料流量をマスフローメータ又はオリフィス流量計によって検知し、検知した燃料流量を本発明の燃料流量としても良い。

ＥＣＵ５０には、目標給気マニホールド圧力マップが設定されている。目標給気マニホールド圧力マップは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃと目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍとの相関を表すものであって、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ａｃに対して目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍを決定するものである。

ＥＣＵ５０には、目標副室燃料ガス圧力マップが設定されている。目標副室燃料ガス圧力マップは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃと目標副室燃料ガス圧力Ｐｓｍとの相関を表すものであって、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ａｃに対して目標副室燃料ガス圧力Ｐｓｍを決定するものである。

このような構成とすることで、ＥＣＵ５０は、副室燃料ガス圧力調整器５５を制御して副室Ｓに燃料ガスを供給し、副室Ｓ内で燃料ガスを着火させる。一方、ＥＣＵ５０は、メインスロットル２４又はバイパススロットル２６を制御して主室Ｍに空気を供給し、主室燃料ガス圧力調整器５８及びガスインジェクタ４２を制御して主室Ｍに燃料ガスを供給する。主室Ｍでは、副室Ｓで着火した燃料ガスが高い流速の火炎となって放出され、混合ガスが発火され爆発する。

図３を用いて、燃料噴射量マップ補正制御について説明する。なお、図３では、燃料噴射量マップ補正制御のイメージを模式的に表している。

燃料噴射量マップ補正制御は、燃料噴射量マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される指令燃料噴射量Ｑを、少なくとも第一補正量ΔＱｐ、第二補正量ΔＱｔ又は第三補正量ΔＱｔｊによって補正して補正噴射量Ｑ´とする制御である。

副室式ガスエンジン１００では、主室燃料ガス圧力Ｐｍが上昇すると、燃料ガスの密度が上昇し、所定エンジン回転数Ｎｅで同じエンジン負荷Ａｃに対応するための必要な燃料噴射量が減少する。そのため、指令燃料噴射量Ｑは、主室燃料ガス圧力Ｐｍの上昇に比例して、第一補正量ΔＱｐによって減少するように補正される。つまり、第一補正量ΔＱｐは、主室燃料ガス圧力Ｐｍの上昇に比例して減少するものである。

副室式ガスエンジン１００では、主室燃料ガス温度Ｔｍが上昇すると、燃料ガスの密度が低下し、所定エンジン回転数Ｎｅで同じエンジン負荷Ａｃに対応するための必要な燃料噴射量が増加する。そのため、指令燃料噴射量Ｑは、主室燃料ガス温度Ｐｔの上昇に比例して、第二補正量ΔＱｔによって増加するように補正される。つまり、第二補正量ΔＱｔは、主室燃料ガス温度Ｐｔの上昇に比例して増加するものである。

副室式ガスエンジン１００では、潤滑油温度Ｔｊが上昇すると、潤滑油の粘度が低下して、所定エンジン回転数Ｎｅで同じエンジン負荷Ａｃに対応するための必要な燃料噴射量が減少する。そのため、指令燃料噴射量Ｑは、潤滑油温度Ｔｊの上昇に比例して、第三補正量ΔＱｔｊによって減少するように補正される。つまり、第三補正量ΔＱｔｊは、潤滑油温度Ｔｊの上昇に比例して減少するものである。

燃料噴射量マップ補正制御の効果について説明する。燃料噴射量マップ補正制御によれば、主室燃料ガス又は潤滑油の状態に応じた適正な燃料ガスを噴射できる。

図４を用いて、目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００の流れについて説明する。なお、図４では、目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００の流れをフローチャートによって表している。

目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００は、目標給気マニホールド圧力マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍを補正する制御である。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、燃料噴射量マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される指令燃料噴射量Ｑに対して、燃料噴射量が多く必要かどうかを確認する。燃料噴射量が多く必要な場合は、ステップＳ１２０に移行し、それ以外では目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００を終了する。

指令燃料噴射量Ｑに対して燃料噴射量が多く必要な場合とは、例えば、指令燃料噴射量Ｑではエンジン負荷Ａｃに対して目標エンジン回転数Ｎｅｍに到達しない、或いは、所定のエンジン回転数Ｎｅと所定のエンジン負荷Ａｃにおいて、燃料噴射量マップによって算出される指令燃料噴射量Ｑよりも多くの燃料噴射量が必要とされる等の場合が考えられる。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、目標給気マニホールド圧力マップを目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍが小さくなるように補正する（書き換える）。

目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００の効果について説明する。目標給気マニホールド圧力マップ補正制御Ｓ１００によれば、組成の異なる燃料ガスを供給された場合であっても燃料消費の悪化を防止することができる。

すなわち、副室式ガスエンジン１００では、組成の異なる燃料ガスが供給されると、組成の異なる燃料ガスの発熱量が低いため、通常よりも燃料噴射量が多く必要となる。このとき、目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍが小さくなるように補正することによって、適正な空気過剰率を実現し、燃料消費の悪化を防止することができる。

図５を用いて、別の目標給気マニホールドマップ補正制御について説明する。なお、図５では、別の目標給気マニホールドマップ補正制御のイメージを模式的に表している。

目標給気マニホールドマップ補正制御は、目標給気マニホールド圧力マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍを補正量ΔＰｔｊによって補正する制御である。

副室式ガスエンジン１００では、冷態（潤滑油温度Ｔｊが低下している状態）では、空気過剰率がリッチ側にシフトするため、燃焼が不安定となって、調速制御ができなくなってエンジンストールに至るおそれがある。そのため、目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍは、潤滑油温度Ｔｊの下降に比例して、補正量ΔＰｔｊによって増加するように補正される。

目標給気マニホールドマップ補正制御の効果について説明する。目標給気マニホールドマップ補正制御によれば、冷態時であっても適正な空気過剰率を維持できる。

図６を用いて、目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００の流れについて説明する。なお、図６では、目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００の流れをフローチャートによって表している。

目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００は、目標副室燃料ガス圧力マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される目標副室燃料ガス圧力Ｐｓｍを補正する制御である。

ステップＳ２１０において、ＥＣＵ５０は、燃料噴射量マップによってエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ａｃとから算出される指令燃料噴射量Ｑに対して、燃料噴射量が多く必要かどうかを確認する。燃料噴射量が多く必要な場合は、ステップＳ２２０に移行し、それ以外では目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００を終了する。

ステップＳ２２０において、ＥＣＵ５０は、目標副室燃料ガス圧力マップを目標副室燃料ガス圧力Ｐｓｍが大きくなるように補正する（書き換える）。

目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００の効果について説明する。目標副室燃料ガス圧力マップ補正制御Ｓ２００によれば、組成の異なる燃料ガスを供給された場合であっても燃料消費の悪化を防止することができる。

すなわち、副室式ガスエンジン１００では、組成の異なる燃料ガスが供給されると、組成の異なる燃料ガスの発熱量が低いため、通常よりも燃料噴射量が多く必要となる。このとき、目標副室燃料ガス圧力Ｐｓｍが大きくなるように補正することによって、適正な空燃比を実現し、燃料消費の悪化を防止することができる。

図７を用いて、電気推進船２００の構成について説明する。なお、図７では、電気推進船２００の構成を模式的に表している。

電気推進船２００は、本実施形態のガスエンジン１００を搭載している。電気推進船２００は、ＬＮＧタンク２０１と、気化器２０２と、ガスエンジン１００と、発電機２０３と、電力コントロール盤２０４と、推進モータ２０５と、減速機２０６と、可変ピッチプロペラ２０７と、を備えている。

電気推進船２００では、ＬＮＧタンク２０１・２０１に貯溜された燃料ガスが気化器２０２・２０２によって空気と混合され、ガスエンジン１００・１００・１００に供給される。そして、ガスエンジン１００・１００・１００によって発電機２０３・２０３・２０３が駆動され、電力コントロール盤２０４によって、推進モータ２０５・２０５及び船内負荷に電力が供給される。推進モータ２０５・２０５の駆動は減速機２０６・２０６を介して可変ピッチプロペラ２０７・２０７に伝達される。

１１気筒
２１給気マニホールド
４２ガスインジェクタ
５０ＥＣＵ
５１エンジン回転数センサ
５２エンジン負荷センサ
５３潤滑油温度センサ
５４副室燃料ガス圧力センサ
５５副室燃料ガス圧力調整器
５６主室燃料ガス温度センサ
５７主室燃料ガス圧力センサ
５８主室燃料ガス圧力調整器
１００副室式ガスエンジン
Ｎｅエンジン回転数
Ａｃエンジン負荷
Ｔｊ潤滑油温度
Ｐｉ給気マニホールド圧力
Ｐｉｍ目標給気マニホールド圧力
Ｐｓ副室燃料ガス圧力
Ｐｓｍ目標副室燃料ガス圧力

Claims

エンジン回転数及びエンジン負荷より燃料流量及び空気流量を決定する制御手段を備え、前記制御手段は、決定された燃料流量より燃料流量が多く必要な場合には、決定された空気流量が小さくなるように補正する副室式ガスエンジンであって、
前記制御手段は、
エンジン回転数及びエンジン負荷に対して指令燃料噴射量を決定する燃料噴射量マップと、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して目標給気マニホールド圧力を決定する目標給気マニホールド圧力マップと、が設定され、
エンジン回転数及びエンジン負荷に対して決定される指令燃料噴射量と比較して、燃料噴射量が多く必要な場合には、前記目標給気マニホールド圧力マップの目標給気マニホールド圧力が小さくなるように補正する
副室式ガスエンジン。
請求項１記載の副室式ガスエンジンであって、
前記制御手段は、
エンジン回転数及びエンジン負荷に対して目標副室燃料ガス圧力を決定する目標副室燃料ガス圧力マップが設定され、
エンジン回転数及びエンジン負荷に対して決定される指令燃料噴射量と比較して燃料噴射量が多く必要な場合には、前記目標副室燃料ガス圧力マップの目標副室燃料ガス圧力が大きくなるように補正する
副室式ガスエンジン。
請求項１又は２記載の副室式ガスエンジンであって、
前記燃料噴射量マップは、少なくとも、燃料圧力、燃料温度又は潤滑油温度に基づいて指令燃料噴射量を補正する
副室式ガスエンジン。