WO2017115689A1 - ガスエンジンシステム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas engine system including a gas engine.
- Patent Document 1 discloses a gas engine system 100 including a supercharger 120 and a gas engine 110 as shown in FIG.
- the plurality of cylinders 111 of the gas engine 110 are connected to the compressor 121 of the supercharger 120 through the air supply path 101 and are connected to the turbine 122 of the supercharger 120 through the exhaust path 102.
- a throttle valve 130 is provided in the air supply path 101.
- a circulation path 140 branches off from the air supply path 101 on the downstream side of the throttle valve 130, and the circulation path 140 is connected to a suction path 160 that guides air to the compressor 121.
- a circulation valve 150 is provided in the circulation path 140.
- the opening degree control is executed for the throttle valve 130 when the engine load is in the low load range, and the throttle valve 130 is set to the predetermined opening degree when the engine load is in the middle and high load range.
- the opening degree control is executed for the circulation valve 150.
- the above-mentioned “low load range” and “medium / high load range” are considered to indicate the state when the gas engine is doing some work.
- the gas engine does nothing (for example, when the clutch interposed between the output shaft of the gas engine and the driven body is turned off)
- the supercharger hardly functions
- the supply pressure to the gas engine is almost atmospheric pressure.
- the inventors of the present invention as a result of diligent research, have found that the mixture of fuel gas and air becomes too lean when the supply air pressure becomes approximately atmospheric pressure during idling. If the air-fuel mixture becomes too lean, combustion becomes unstable and unburned fuel gas is discharged.
- an object of the present invention is to provide a gas engine system that can prevent the air-fuel mixture from becoming too lean during idling.
- a gas engine system of the present invention is connected to a plurality of cylinders by a gas engine including a plurality of cylinders, a compressor connected to the plurality of cylinders by an air supply passage, and an exhaust passage.
- a turbocharger including a turbine, a throttle valve provided in the air supply passage, a bleed valve provided in a branch passage branched from the air supply passage, and a control device for controlling the throttle valve and the bleed valve
- the control device determines whether or not an idling condition is satisfied. When the idling condition is satisfied, the bleed valve is fully closed and the pressure of air supplied to the plurality of cylinders is set. The throttle valve is controlled so that a certain supply air pressure becomes negative. When the idling condition is not satisfied, the throttle valve is maintained at a predetermined opening.
- the boost pressure to control the bleed valve so that the target pressure while, characterized in that.
- the supply air pressure can be adjusted using the bleed valve.
- the supply air pressure to the gas engine becomes negative. This reduces the amount of air introduced into each cylinder. Therefore, it is possible to prevent the air-fuel mixture from becoming too lean during idling. Further, since the bleed valve is fully closed during idling, air can be prevented from flowing into the negative pressure air supply path through the branch path.
- the gas engine may include a plurality of fuel injection valves respectively corresponding to the plurality of cylinders, and the branch path may branch from the air supply path upstream of the plurality of fuel injection valves. According to this configuration, when the branch path opens a part of the supply air to the atmosphere, there is no risk of the fuel being released to the outside, which is advantageous in terms of fuel efficiency.
- the gas engine system further includes an air cooler provided in the air supply path, and the branch path is branched from the air supply path on the downstream side of the air cooler, and a part of the air supply flowing into the air supply path May be opened to the atmosphere. According to this configuration, a part of the supply air having a low temperature can be opened to the atmosphere.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas engine system according to an embodiment of the present invention. It is a schematic block diagram of the gas engine system of a modification. It is a schematic block diagram of the conventional gas engine system.
- FIG. 1 shows a gas engine system 1A according to an embodiment of the present invention.
- This system 1A includes an Otto cycle type gas engine 4, a supercharger 2, and a control device 7.
- the gas engine 4 may be a gas-only engine that burns only fuel gas (for example, natural gas), or may be a dual fuel engine that burns one or both of fuel gas and fuel oil. In this case, when burning fuel oil, the gas engine 4 may be a diesel cycle. In this embodiment, the gas engine 4 is a 4-stroke engine, but the gas engine 4 may be a 2-stroke engine.
- the gas engine 4 is used as a main engine of a ship.
- the gas engine 4 may directly drive the screw propeller, or may rotate the screw propeller via a generator and a motor.
- the gas engine 4 may be incorporated in a power generation facility on the ground.
- the gas engine 4 includes a plurality of cylinders 41.
- the number of cylinders 41 is, for example, 5 to 18 (only three are shown in FIG. 1 for simplification of the drawing).
- the gas engine 4 is provided with a plurality of fuel injection valves 42 corresponding to the cylinders 41 respectively.
- Each fuel injection valve 42 injects fuel gas into the air supplied to the corresponding cylinder 41 to generate a mixture of fuel gas and air. This air-fuel mixture is ignited in the cylinder 41 and burned.
- the supercharger 2 includes a compressor 21 and a turbine 22.
- the compressor 21 is connected to the cylinder 41 by the air supply path 3, and the turbine 22 is connected to the cylinder 41 by the exhaust path 5.
- air is guided to the compressor 21 from outside the system through the suction path 11, and exhaust gas is guided from the turbine 22 to the outside of the system through the discharge path 12.
- the air supply path 3 includes an air supply manifold 32, a main flow path 31 that connects the air supply manifold 32 and the compressor 21, and a plurality of branch flow paths 33 that connect the air supply manifold 32 and the cylinder 41.
- the exhaust passage 5 includes an exhaust manifold 52, a plurality of branch passages 51 that connect the cylinder 41 and the exhaust manifold 52, and a main passage 53 that connects the exhaust manifold 52 and the turbine 22.
- the main flow path 31 of the air supply path 3 is provided with a throttle valve 34 and an air cooler 35 in order from the upstream side.
- the main flow path 31 is provided with a pressure sensor 71 that detects the supply air pressure to the gas engine 4 (the pressure of the air supplied to the cylinder 41).
- the pressure sensor 71 is located downstream of a branch point of a branch path 6 described later.
- the branch path 6 branches off from the main flow path 31 of the air supply path 3.
- the branch path 6 plays a role of releasing the air compressed by the compressor 21 from the air supply path 3.
- the branch path 6 branches from the main flow path 31 on the downstream side of the air cooler 35.
- the front end (downstream end) of the branch path 6 is open to the atmosphere. That is, the branch path 6 opens a part of the supply air flowing in the main flow path 31 of the supply air path 3 to the atmosphere.
- a bleed valve 61 is provided in the branch path 6.
- the fuel injection valve 42, the throttle valve 34, and the bleed valve 61 described above are controlled by the control device 7.
- the control device 7 starts and ends the injection of fuel gas from each fuel injection valve 42 at a predetermined timing based on the crank angle of the gas engine 4.
- the control device 7 first determines whether or not an idling condition is satisfied.
- the idling condition is, for example, at least one of the following conditions (A) and (B).
- A) The flow rate of a fuel gas supply path (not shown) for guiding the fuel gas to all the fuel injection valves 42 is smaller than a predetermined flow rate.
- B) Torque detected by a torque meter provided on the output shaft of the gas engine 4 is smaller than a predetermined torque.
- the actual output of the gas engine 4 can be calculated from the electric power generated by the generator. Therefore, in this case, the following condition (C) may be employed instead of the above condition (B). (C) The actual output of the gas engine 4 calculated from the power generated by the generator is smaller than the predetermined output.
- the control device 7 When the idling condition is not satisfied, in other words, during normal operation, the control device 7 maintains the throttle valve 34 at a predetermined opening.
- the predetermined opening is desirably 75% or more, and more desirably 90% or more.
- the predetermined opening may be 100% (the throttle valve 34 is fully opened).
- the control device 7 controls the bleed valve 61 so that the supply air pressure detected by the pressure sensor 71 becomes the required pressure of the gas engine 4. That is, the flow rate of air that escapes from the air supply path 3 through the branch path 6 is adjusted by the opening degree of the bleed valve 61.
- control device 7 when the idling condition is satisfied, in other words, when idling, the control device 7 fully closes the bleed valve 61 and the throttle valve 34 is adjusted so that the supply air pressure to the gas engine 4 becomes negative. Control. For example, the control device 7 changes the opening degree of the throttle valve 34 to a preset opening degree at which the supply air pressure to the gas engine 4 becomes a negative pressure.
- the bleed valve 61 can be used to adjust the supply air pressure. As a result, surging is less likely to occur than when the supply air pressure is adjusted by the throttle valve 34, and the supply air pressure response can be enhanced.
- the idling condition is satisfied (that is, during idling)
- the supply air pressure to the gas engine 4 becomes a negative pressure. Thereby, the amount of air introduced into each cylinder 41 is reduced. Therefore, it is possible to prevent the air-fuel mixture from becoming too lean during idling.
- the bleed valve 61 since the bleed valve 61 is fully closed during idling, air can be prevented from flowing into the negative pressure air supply path 3 through the branch path 6.
- branch path 6 branches from the air supply path 3 on the upstream side of the fuel injection valve 42. Therefore, when the branch path 6 opens a part of the supply air to the atmosphere as in the present embodiment, there is no risk of the fuel being released to the outside, which is advantageous in terms of fuel efficiency.
- the tip (downstream end) of the branch path 6 may be connected to the suction path 11 as in the gas engine system 1B of the modification shown in FIG.
- the branch path 6 may be branched from the main flow path 31 of the air supply path 3 on the upstream side of the air cooler 35.
- the bleed valve 61 can withstand the high discharge temperature (for example, 200 ° C.) of the compressor 21. Although it is necessary to use a valve, an inexpensive valve can be used as the bleed valve 61 if the branch path 6 is branched from the main flow path 31 of the air supply path 3 on the downstream side of the air cooler 35.
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Abstract
ガスエンジンシステムは、複数のシリンダを含むガスエンジンと、給気路により複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、給気路に設けられたスロットル弁と、給気路から分岐する分岐路に設けられたブリード弁と、スロットル弁およびブリード弁を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、アイドリング条件を満たすときは、ブリード弁を全閉とするとともに複数のシリンダへ供給される空気の圧力である給気圧が負圧となるようにスロットル弁を制御し、アイドリング条件を満たさないときは、スロットル弁を所定開度に維持するとともに給気圧が目標圧力となるようにブリード弁を制御する。
Description
本発明は、ガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。
一般的に、オットーサイクル方式のガスエンジンはリーンバーンで運転される。また、ガスエンジンは、過給機と共に用いられることがある。例えば、特許文献1には、図3に示すような過給機120およびガスエンジン110を含むガスエンジンシステム100が開示されている。
具体的に、ガスエンジン110の複数のシリンダ111は、給気路101により過給機120の圧縮機121と接続されているとともに、排気路102により過給機120のタービン122と接続されている。また、給気路101には、スロットル弁130が設けられている。給気路101からは、スロットル弁130の下流側で循環路140が分岐しており、この循環路140は、圧縮機121へ空気を導く吸入路160につながっている。循環路140には、循環弁150が設けられている。
ガスエンジンシステム100では、エンジン負荷が低負荷域にあるときにスロットル弁130に対して開度制御が実行され、エンジン負荷が中高負荷域にあるときにスロットル弁130が所定開度とされるとともに循環弁150に対して開度制御が実行される。
上述した「低負荷域」および「中高負荷域」は、ガスエンジンが何らかの仕事をしている際の状態を指すものと考えられる。ところで、ガスエンジンが何も仕事をしないアイドリング時(例えば、ガスエンジンの出力軸と被駆動体との間に介在するクラッチがオフとされるとき)には、過給機が殆ど機能せず、ガスエンジンへの給気圧がほぼ大気圧となる。しかしながら、本発明の発明者は、鋭意研究の結果、アイドリング時に給気圧がほぼ大気圧となると、燃料ガスと空気との混合気がリーンになり過ぎることを発見した。混合気がリーンになりすぎると、燃焼が不安定となり、未燃の燃料ガスが排出されることになる。
そこで、本発明は、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止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。
前記課題を解決するために、本発明のガスエンジンシステムは、複数のシリンダを含むガスエンジンと、給気路により前記複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により前記複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、前記給気路に設けられたスロットル弁と、前記給気路から分岐する分岐路に設けられたブリード弁と、前記スロットル弁および前記ブリード弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、前記アイドリング条件を満たすときは、前記ブリード弁を全閉とするとともに前記複数のシリンダへ供給される空気の圧力である給気圧が負圧となるように前記スロットル弁を制御し、前記アイドリング条件を満たさないときは、前記スロットル弁を所定開度に維持するとともに前記給気圧が目標圧力となるように前記ブリード弁を制御する、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、アイドリング条件を満たさないときは(つまり、通常運転時)、ブリード弁を使用して給気圧を調整することができる。これにより、スロットル弁で給気圧を調整する場合に比べてサージングが発生し難くなり、給気圧応答性を高くすることができる。一方、アイドリング条件を満たすときは(つまり、アイドリング時)、ガスエンジンへの給気圧が負圧となる。これにより、各シリンダ内に導入される空気の量が少なくなる。従って、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。また、アイドリング時にはブリード弁が全閉とされるので、分岐路を通じて負圧の給気路に空気が流入することを防止することができる。
前記ガスエンジンは、前記複数のシリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁を含み、前記分岐路は、前記複数の燃料噴射弁よりも上流側で前記給気路から分岐してもよい。この構成によれば、分岐路が給気の一部を大気中に開放する場合に、燃料が外部に放出されるおそれがなく、燃費性能の面で有利である。
上記のガスエンジンシステムは、前記給気路に設けられたエアクーラをさらに備え、前記分岐路は、前記エアクーラの下流側で前記給気路から分岐し、前記給気路に流れる給気の一部を大気中に開放してもよい。この構成によれば、低温となった給気の一部を大気中に開放することができる。
本発明によれば、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。
図1に、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステム1Aを示す。このシステム1Aは、オットーサイクル方式のガスエンジン4、過給機2および制御装置7を含む。
ガスエンジン4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。この場合、燃料油を燃焼させるときは、ガスエンジン4がディーゼルサイクルであってもよい。本実施形態では、ガスエンジン4が4ストロークエンジンであるが、ガスエンジン4は2ストロークエンジンであってもよい。
例えば、ガスエンジン4は、船舶の主機として用いられる。この場合、ガスエンジン4が直接的にスクリュープロペラを回転駆動してもよいし、発電機およびモータを介してスクリュープロペラを回転駆動してもよい。あるいは、ガスエンジン4は、地上の発電設備に組み込まれてもよい。
ガスエンジン4は、複数のシリンダ41を含む。シリンダ41の数は、例えば5~18である(図1では、図面の簡略化のために3つのみを図示)。ガスエンジン4には、シリンダ41にそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁42が設けられている。各燃料噴射弁42は、対応するシリンダ41へ供給される空気中に燃料ガスを噴射し、燃料ガスと空気の混合気を生成する。この混合気がシリンダ41内で点火されて燃焼される。
過給機2は、圧縮機21とタービン22を含む。圧縮機21は、給気路3によりシリンダ41と接続されており、タービン22は、排気路5によりシリンダ41と接続されている。また、圧縮機21へは吸入路11を通じてシステム外から空気が導かれ、タービン22からは排出路12を通じて排気がシステム外へ導かれる。
より詳しくは、給気路3は、給気マニホールド32と、給気マニホールド32と圧縮機21とを接続する主流路31と、給気マニホールド32とシリンダ41とを接続する複数の支流路33を含む。排気路5は、排気マニホールド52と、シリンダ41と排気マニホールド52とを接続する複数の支流路51と、排気マニホールド52とタービン22とを接続する主流路53を含む。
給気路3の主流路31には、上流側から順に、スロットル弁34およびエアクーラ35が設けられている。また、主流路31には、ガスエンジン4への給気圧(シリンダ41へ供給される空気の圧力)を検出する圧力センサ71が設けられている。圧力センサ71は、後述する分岐路6の分岐点よりも下流側に位置している。
さらに、給気路3の主流路31からは、分岐路6が分岐している。分岐路6は、圧縮機21によって圧縮された空気を給気路3から逃す役割を果たす。本実施形態では、分岐路6が、エアクーラ35の下流側で主流路31から分岐している。分岐路6の先端(下流端)は、大気中に開口している。つまり、分岐路6は、給気路3の主流路31に流れる給気の一部を大気中に開放する。分岐路6には、ブリード弁61が設けられている。
上述した燃料噴射弁42、スロットル弁34およびブリード弁61は、制御装置7により制御される。燃料噴射弁42の制御に関し、制御装置7は、ガスエンジン4のクランク角に基づいて、所定のタイミングで各燃料噴射弁42からの燃料ガスの噴射を開始したり終了したりする。
スロットル弁34およびブリード弁61の制御に関し、制御装置7は、まず、アイドリング条件を満たすか否かを判断する。アイドリング条件は、例えば、以下の条件(A)および(B)の少なくとも1つである。
(A)全ての燃料噴射弁42へ燃料ガスを導く燃料ガス供給路(図示せず)の流量が所定流量よりも小さい。
(B)ガスエンジン4の出力軸に設けられたトルク計で検出されるトルクが所定トルクよりも小さい。
(A)全ての燃料噴射弁42へ燃料ガスを導く燃料ガス供給路(図示せず)の流量が所定流量よりも小さい。
(B)ガスエンジン4の出力軸に設けられたトルク計で検出されるトルクが所定トルクよりも小さい。
もしガスエンジン4が発電機と連結される場合は、発電機で生成される電力からガスエンジン4の実出力を算出することが可能である。従って、この場合は、上記の条件(B)に代えて、以下の条件(C)が採用されてもよい。
(C)発電機で生成される電力から算出されるガスエンジン4の実出力が所定出力よりも小さい。
(C)発電機で生成される電力から算出されるガスエンジン4の実出力が所定出力よりも小さい。
アイドリング条件を満たさないとき、換言すれば通常運転時、制御装置7は、スロットル弁34を所定開度に維持する。所定開度は、75%以上であることが望ましく、90%以上であることがより望ましい。例えば、所定開度は、100%であってもよい(スロットル弁34が全開)。一方、制御装置7は、圧力センサ71で検出される給気圧がガスエンジン4の要求圧力となるように、ブリード弁61を制御する。つまり、ブリード弁61の開度によって、給気路3から分岐路6を通じて逃される空気の流量が調整される。
逆に、アイドリング条件を満たしたとき、換言すればアイドリング時、制御装置7は、ブリード弁61を全閉とした上で、ガスエンジン4への給気圧が負圧となるようにスロットル弁34を制御する。例えば、制御装置7は、スロットル弁34の開度を、予め設定した、ガスエンジン4への給気圧が負圧となる開度に変更する。
上述したような制御では、アイドリング条件を満たさないときは(つまり、通常運転時)、ブリード弁61を使用して給気圧を調整することができる。これにより、スロットル弁34で給気圧を調整する場合に比べてサージングが発生し難くなり、給気圧応答性を高くすることができる。一方、アイドリング条件を満たすときは(つまり、アイドリング時)、ガスエンジン4への給気圧が負圧となる。これにより、各シリンダ41内に導入される空気の量が少なくなる。従って、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。また、アイドリング時にはブリード弁61が全閉とされるので、分岐路6を通じて負圧の給気路3に空気が流入することを防止することができる。
さらに、分岐路6は、燃料噴射弁42よりも上流側で給気路3から分岐している。従って、本実施形態のように分岐路6が給気の一部を大気中に開放する場合には、燃料が外部に放出されるおそれがなく、燃費性能の面で有利である。
(変形例)
本発明は上述した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。
本発明は上述した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、図2に示す変形例のガスエンジンシステム1Bのように、分岐路6の先端(下流端)は、吸入路11につながっていてもよい。この場合、分岐路6は、エアクーラ35の上流側で給気路3の主流路31から分岐していてもよい。ただし、前記実施形態のように、分岐路6がエアクーラ35の下流側で給気路3の主流路31から分岐するとともに分岐路6の先端が大気中に開口していれば、低温となった給気の一部を大気中に開放することができる。しかも、分岐路6がエアクーラ35の上流側で給気路3の主流路31から分岐している場合には、ブリード弁61として圧縮機21の高温の吐出温度(例えば、200℃)に耐え得る弁を用いる必要があるが、分岐路6がエアクーラ35の下流側で給気路3の主流路31から分岐していれば、ブリード弁61として安価な弁を用いることができる。
1A,1B ガスエンジンシステム
2 過給機
21 圧縮機
22 タービン
3 給気路
34 スロットル弁
35 エアクーラ
4 ガスエンジン
41 シリンダ
42 燃料噴射弁
5 排気路
6 分岐路
61 ブリード弁
7 制御装置
2 過給機
21 圧縮機
22 タービン
3 給気路
34 スロットル弁
35 エアクーラ
4 ガスエンジン
41 シリンダ
42 燃料噴射弁
5 排気路
6 分岐路
61 ブリード弁
7 制御装置
Claims (3)
- 複数のシリンダを含むガスエンジンと、
給気路により前記複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により前記複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、
前記給気路に設けられたスロットル弁と、
前記給気路から分岐する分岐路に設けられたブリード弁と、
前記スロットル弁および前記ブリード弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、前記アイドリング条件を満たすときは、前記ブリード弁を全閉とするとともに前記複数のシリンダへ供給される空気の圧力である給気圧が負圧となるように前記スロットル弁を制御し、前記アイドリング条件を満たさないときは、前記スロットル弁を所定開度に維持するとともに前記給気圧が目標圧力となるように前記ブリード弁を制御する、ガスエンジンシステム。 - 前記ガスエンジンは、前記複数のシリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁を含み、
前記分岐路は、前記複数の燃料噴射弁よりも上流側で前記給気路から分岐する、請求項1に記載のガスエンジンシステム。 - 前記給気路に設けられたエアクーラをさらに備え、
前記分岐路は、前記エアクーラの下流側で前記給気路から分岐し、前記給気路に流れる給気の一部を大気中に開放する、請求項1または2に記載のガスエンジンシステム。
Priority Applications (1)
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2015
- 2015-12-28 JP JP2015256000A patent/JP6130901B1/ja active Active
-
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- 2016-12-20 EP EP16881664.3A patent/EP3399172A4/en active Pending
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JP2017120037A (ja) | 2017-07-06 |
EP3399172A1 (en) | 2018-11-07 |
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