(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、
定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に必要燃料噴射量が上昇した場合には、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ガスエンジンの制御方法。
【請求項２】
圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、
定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に前記ガスエンジンの実回転数が目標回転数から低下した場合には、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ガスエンジンの制御方法。
【請求項３】
圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、
定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に前記圧縮機の吐出圧である実過給圧が目標過給圧から低下した場合には、前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ガスエンジンの制御方法。
【請求項４】
前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも小さいとき、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも小さいとき、または前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも小さいときは、空気過剰率が第１下限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させ、
前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも大きいとき、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも大きいとき、または前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも大きいときは、前記空気過剰率が前記第１下限よりも小さい第２下限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスエンジンの制御方法。
【請求項５】
前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも小さいとき、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも小さいとき、または前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも小さいときは、実燃料噴射量が第１上限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させ、
前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも大きいとき、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも大きいとき、または前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも大きいときは、前記実燃料噴射量が前記第１上限よりも大きい第２上限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスエンジンの制御方法。
【請求項６】
前記ガスエンジンは船舶の主機として用いられるものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスエンジンの制御方法。
【請求項７】
圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンと、
前記ガスエンジンに供給される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射機構と、
前記燃料ガスと前記空気の混合気に点火するための点火装置と、
前記燃料噴射機構および前記点火装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に必要燃料噴射量が上昇した場合には、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ガスエンジン駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機（ターボチャージャー）と接続されたガスエンジンの制御方法に関する。また、本発明は、それらの過給機およびガスエンジンを含むガスエンジン駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、天然ガスや都市ガス等の燃料ガスを燃焼させるガスエンジンは主に発電設備に用いられていた（例えば、特許文献１参照）。近年では、原油資源量の問題や排ガス規制の問題などから、船舶の主機として、重油を燃料とするディーゼルエンジンに代えてガスエンジンを用いることが試みられている。
【０００３】
例えば、特許文献２には、船舶の主機として用いられる４ストロークガスエンジンが開示されている。このガスエンジンは、給気路および排気路を介して過給機の圧縮機およびタービンと接続されている。給気路にはスロットル弁が設けられており、圧縮機の上流側には燃料流量制御弁から供給される燃料ガスと空気とを混合する混合器が設けられている。
【０００４】
特許文献２に開示されたガスエンジンでは、高精度の空燃比（空気過剰率ともいう）制御を維持しながら負荷応答性を向上させるために、エンジン回転速度の目標値である速度指令値信号が変化したときに、燃料流量制御弁による燃料ガス流量およびスロットル弁の開度が変更される。特に、特許文献２には、燃料ガス流量に関し、失火や異常燃焼を防止するために、燃料ガス流量の上限値を空気過剰率の下限値から決めてもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８４６８１号公報
【特許文献２】特開２００９−５７８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、負荷が変化する用途に用いられるガスエンジンにおいては、負荷がほとんど変化しない定常運転時には特許文献１に記載されているようなノッキング制御運転が行われることが望ましい。このノッキング制御運転は、ＮＯＸの排出量が少なくかつ高効率が実現可能なリーンバーンのうちでも最も高い効率が得られるように点火タイミングを最適化するものである。具体的には、ガスエンジンの各シリンダにおいて、所定サイクル数ごとに、その間のノッキング出現率と目標出現率との偏差に基づいて点火タイミングがアドバンスされたりリタードされたりする。
【０００７】
一般に、ガスエンジンにおいては、図１３に示すように、空燃比と正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）との関係でノッキング領域および失火領域が存在することが知られている。従って、リーンバーンにおいて高出力を得るには、図中に範囲Ｘで示すように、空燃比をノッキング領域と失火領域の間に制御することが重要である。参考までに、自動車に用いられている現在のガスエンジンでは、効率が重視されておらず理論空燃比近傍での燃焼が行われている。
【０００８】
上述したノッキング制御運転では、リーンバーンのうちでも最も高い効率が得られるように、目標出現率がノッキング限界（図１３中のノッキング領域を規定する線上の点）の直ぐ近くに設定される。そのため、定常運転としてノッキング制御運転を行っている際に、負荷が上昇して燃料ガスを増やす際には、ガスエンジンに供給される空気量も増やさなければ、範囲Ｘ中の作動点が左に移動してノッキング出現率がノッキング限界を超えてしまう。
【０００９】
しかしながら、過給機と接続されたガスエンジンでは、燃料ガスを増やしてもターボラグのために圧縮機から吐出される空気量は直ぐには上昇しない。従って、圧縮機とガスエンジンの間の給気路にスロットル弁が設けられていない場合には、如何にしてノッキングを抑制しながら燃料ガスを迅速に増やすかが問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、給気路にスロットル弁が設けられていなくても、負荷が上昇したときにノッキングを抑制しながら負荷応答性（要求出力に対する実出力の追従性）を向上させることができるガスエンジンの制御方法を提供すること、およびそのガスエンジンを含むガスエンジン駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、負荷がゆっくり上昇する場合には、ノッキング制御運転におけるノッキング出現率からノッキング限界までの余裕代で燃料ガスを増加させても負荷応答性にそれほど問題はなく、負荷が速く上昇する場合に負荷応答性を改善する必要があることを突き止めた。そして、負荷が速く上昇する場合には、点火タイミングをリタードさせることによりノッキング限界までの余裕代が大きくなることを見出した。本発明は、このような観点からなされたものである。
【００１２】
すなわち、本発明のガスエンジンの制御方法は、圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に負荷が上昇した場合には、前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ことを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合には、点火タイミングをリタードさせることで、ノッキング限界までの空気過剰率の余裕が大きくなり、これにより実燃料噴射量を大きな幅で増加させることが可能になる。その結果、ノッキングを抑制しながら、負荷応答性を向上させることができる。
【００１４】
前記負荷が上昇した場合は、必要燃料噴射量が上昇した場合であり、前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも小さいときであり、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは、前記必要燃料噴射量の上昇速度が閾値よりも大きいときであってもよい。この構成によれば、必要燃料噴射量の監視により、負荷が上昇したか否かと負荷の上昇度合いを判定することができる。
【００１５】
前記負荷が上昇した場合は、前記ガスエンジンの実回転数が目標回転数から低下した場合であり、前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも小さいときであり、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは、前記実回転数と前記目標回転数との偏差が閾値よりも大きいときであってもよい。この構成によれば、実回転数の監視により、負荷が上昇したか否かと負荷の上昇度合いを判定することができる。
【００１６】
前記負荷が上昇した場合は、前記圧縮機の吐出圧である実過給圧が目標過給圧から低下した場合であり、前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは、前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも小さいときであり、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは、前記実過給圧と前記目標過給圧との偏差が閾値よりも大きいときであってもよい。この構成によれば、実過給圧の監視により、負荷が上昇したか否かと負荷の上昇度合いを判定することができる。
【００１７】
前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは、空気過剰率が第１下限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは、前記空気過剰率が前記第１下限よりも小さい第２下限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させてもよい。この構成によれば、負荷の上昇度合いが相対的に小さいときも大きいときも、空気過剰率の下限を用いて、実燃料噴射量の増加幅を最大となるように決定することができる。
【００１８】
前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは、実燃料噴射量が第１上限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは、前記実燃料噴射量が前記第１上限よりも大きい第２上限を超えないように実燃料噴射量を徐々に増加させてもよい。この構成によれば、負荷の上昇度合いが相対的に小さいときも大きいときも、実燃料噴射量の上限を用いて、実燃料噴射量の増加幅を最大となるように決定することができる。
【００１９】
例えば、前記ガスエンジンは船舶の主機として用いられるものであってもよい。
【００２０】
また、本発明のガスエンジン駆動システムは、圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンと、前記ガスエンジンに供給される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射機構と、前記燃料ガスと前記空気の混合気に点火するための点火装置と、前記燃料噴射機構および前記点火装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に負荷が上昇した場合には、前記負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、前記負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる、ことを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合には、点火タイミングをリタードさせることで、ノッキング限界までの空気過剰率の余裕が大きくなり、これにより実燃料噴射量を大きな幅で増加させることが可能になる。その結果、ノッキングを抑制しながら、負荷応答性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、負荷が上昇したときにノッキングを抑制しながら負荷応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システムが搭載された船舶の概略構成図、（ｂ）は変形例の船舶の概略構成図である。
【図２】ガスエンジンの１つの燃焼室付近の断面図である。
【図３】第２圧力センサにより計測される圧力波形の一例である。
【図４】（ａ）は必要燃料噴射量Ｑの上昇速度が遅い場合の必要燃料噴射量Ｑおよび実燃料噴射量ｑの経時的変化を示すグラフ、（ｂ）は必要燃料噴射量Ｑの上昇速度が速い場合の必要燃料噴射量Ｑおよび実燃料噴射量ｑの経時的変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態における負荷増加運転のフローチャートである。
【図６】（ａ）は実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じてリタード角度値が定められたリタード角度マップであり、（ｂ）は実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じてリタード角度値が定められたリタード角度マップである。
【図７】（ａ）は実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第１下限値が定められた空気過剰率第１下限マップであり、（ｂ）は実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第２下限値が定められた空気過剰率第２下限マップである。
【図８】特定の回転数および燃料噴射量における空気過剰率ごとの点火タイミングとノッキング出現率の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態における負荷増加運転のフローチャートである。
【図１０】（ａ）は実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じて燃料噴射量の第１上限値が定められた噴射量第１上限マップであり、（ｂ）は実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じて燃料噴射量の第２上限値が定められた噴射量第２上限マップである。
【図１１】特定の回転数および過給圧における燃料噴射量ごとの点火タイミングとノッキング出現率の関係を示すグラフである。
【図１２】エンジンの実回転数Ｎの経時的変化を示すグラフである。
【図１３】ガスエンジンにおけるノッキング領域および失火領域を示す、横軸に空燃比、縦軸に正味平均有効圧をとったグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１実施形態）
図１（ａ）に、本発明の第１実施形態に係るガスエンジン駆動システム１（以下、単に「システム１」という。）が搭載された船舶１１を示す。システム１は、ガスエンジン２、過給機３および制御装置７（図２参照）を備えている。本実施形態では、プロペラ１２が取り付けられた推進軸１３がシステム１のガスエンジン２により直接的に駆動される。ただし、推進軸１３は、図１（ｂ）に示すように、モータ１４および発電機１５を介して間接的にガスエンジン２により駆動されてもよい。ガスエンジン２は、図１（ａ）に示す場合も図１（ｂ）に示す場合も船舶１１の主機として用いられる。
【００２５】
ガスエンジン２は、例えば燃料ガス（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る。ただし、ガスエンジン２は、状況によって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。また、本実施形態では、ガスエンジン２が４ストロークエンジンであるが、ガスエンジン２は２ストロークエンジンであってもよい。
【００２６】
図２は、ガスエンジン２の要部の断面図である。ガスエンジン２は、複数のシリンダ２１を有する（図２では１つのシリンダ２１のみを図示）。各シリンダ２１内にはピストン２２が往復動自在に配設されており、シリンダ２１およびピストン２２によって燃焼室２０が形成されている。ピストン２２は、図略の連結棒により図略のクランク軸と連結されている。
【００２７】
各シリンダ２１において、ピストン２２が二往復することにより、ガスエンジン２の１サイクル（給気、圧縮、膨張、排気）が行われる。各シリンダ２１における１サイクルの間のガスエンジン２の位相角（０〜７２０度）は、位相角検出器６３により検出される。位相角としては、クランク軸の回転角（クランク角）やピストン２２の位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器６３は、電磁ピックアップ、近接スイッチまたはロータリーエンコーダである。また、位相角検出器６３からは、ガスエンジン２の実回転数Ｎも検出される。
【００２８】
図１（ａ）に戻って、過給機３は、圧縮機３１とタービン３２を含む。ガスエンジン２は、給気路４１を介して圧縮機３１と接続されているとともに、排気路４２を介してタービン３２と接続されている。給気路４１は、圧縮機３１で圧縮された空気を各シリンダ２１に導き、排気路４２は、各シリンダ２１から燃焼後の排ガスをタービン３２に導く。なお、給気路４１の下流側部分および排気路４２の上流側部分は実際はシリンダ２１と同数の分岐路にマニホールドから分岐しているが、図１（ａ）および（ｂ）では図面の簡略化のために給気路４１および排気路４２を１本の流路で描いている。
【００２９】
給気路４１には、圧縮機３１で圧縮された空気を冷却するための放熱器４３が設けられている。また、給気路４１には、圧縮機３１の吐出圧である実過給圧Ｐを検出する第１圧力センサ６１と、当該給気路４１を通じて燃焼室２０に導入される空気の温度である過給温を検出する温度センサ６５が設けられている。第１圧力センサ６１は、給気路４１の下流側の上述した各分岐路に設けられていてもよいし、上述したマニホールドに１つだけ設けられていてもよい。同様に、温度センサ６５は、給気路４１の下流側の上述した各分岐路に設けられていてもよいし、上述したマニホールドに１つだけ設けられていてもよい。さらに、給気路４１には、各シリンダ２１ごとに、圧縮機３１から吐出される空気中に燃料ガスを噴射する主燃料噴射弁５１（本発明の燃料噴射機構に相当）が設けられている。
【００３０】
ただし、本発明の燃料噴射機構は、ガスエンジン２に供給される空気中に燃料ガスを噴射するものであれば、必ずしも燃料噴射弁５１である必要はない。例えば、特許文献２と同様に、燃料噴射機構が、圧縮機３１の吸入口につながれた空気供給路に合流する燃料ガス供給路と、この燃料ガス供給路に設けられた燃料流量制御弁を含み、圧縮機３１に吸入される空気中に燃料ガスを噴射するように構成されていてもよい。
【００３１】
各シリンダ２１には、給気路４１の燃焼室２０に対する開口である給気ポートを開閉する吸気弁２３と、排気路４２の燃焼室２０に対する開口である排気ポートを開閉する排気弁２４が設けられている。また、各シリンダ２１には、燃焼室２０内で燃料ガスと空気の混合気に点火するための点火プラグ（本発明の点火装置に相当）５５が設けられている。
【００３２】
本実施形態では、燃焼室２０が、給気路４１および排気路４２と連通する主燃焼室２０Ａと、連通孔が設けられた隔壁２５により主燃焼室２０Ａと隔てられた副燃焼室２０Ｂとからなる。点火プラグ５５は副燃焼室２０Ｂに配置されており、副燃焼室２０Ｂ内には副燃料噴射弁５２から燃料ガスが噴射される。副燃料噴射弁５２からの燃料ガスの噴射により副燃焼室２０Ｂ内にはリッチな混合気が形成され、この混合気が点火プラグ５５により点火される。これにより副燃焼室２０Ｂ内に火炎が発生し、その火炎が隔壁２５の連通孔を通じて主燃焼室２０Ａ内に伝播することにより主燃焼室２０Ａ内のリーンな混合気にも点火される。主燃焼室２０Ａには、当該主燃焼室２０Ａ内の圧力である筒内圧を検出する第２圧力センサ６２が設けられている。
【００３３】
ただし、本発明の点火装置は、副燃焼室２０Ｂ内の混合気に点火する点火プラグ５５に限られない。例えば、点火装置としては、主燃焼室２０Ａ内に高圧のパイロット燃料（オイルや燃料ガス）を直接的に噴射することにより当該パイロット燃料を自己発火させるパイロット燃料噴射弁を採用することも可能である。
【００３４】
燃焼後の排ガスは、排気路４２を通じて燃焼室２０からタービン３２に送られ、ここで圧縮機３１を駆動する動力として使用される。
【００３５】
制御装置７は、各シリンダ２１ごとに、位相角検出器６３で検出される位相角に基づいて燃料噴射弁５１，５２および点火プラグ５５を制御する。具体的に、制御装置７は、負荷がほとんど変化しない間は定常運転としてノッキング制御運転を行い、定常運転中に負荷が上昇すると負荷増加運転に移行する。ノッキング制御運転および負荷増加運転の双方において、制御装置７は、実回転数Ｎを目標回転数ＮＴに維持するＰＩＤ制御も行う。なお、定常運転とは、ガスエンジン２の負荷の高低に関係なく、燃料噴射量がほぼ一定の運転である。負荷が上昇する要因としては、船舶の操縦者による船速アップの指令、操縦者が舵を取ったときの旋回指令、船体が強い風波を受けたときの船速維持の指令、プロペラ１２が可変ピッチプロペラである場合にはプロペラピッチが大きくされることなどがある。
【００３６】
本実施形態では、制御装置７が、要求出力に応じた必要燃料噴射量Ｑ（要求出力を得るのに必要な燃料ガスの噴射量）を算出する。本実施形態では、燃料ガスが主燃料噴射弁５１から間欠的に噴射されるので、燃料ガスの噴射量は、一回あたりの噴射量（例えば、ｍ3）である。ただし、特許文献２と同様に燃料ガスが連続的に噴射される場合は、燃料ガスの噴射量は流量（例えば、ｍ3／ｓ）であってもよい。そして、制御装置７は、必要燃料噴射量Ｑが上昇したときに、負荷が上昇したと判定する。
【００３７】
以下、ノッキング制御運転および負荷増加運転について詳細に説明する。ただし、以下では１つのシリンダ２１に対する制御を代表して説明するが、全てのシリンダ２１に対しても同様の制御が行われる。
【００３８】
（１）ノッキング制御運転
ノッキング制御運転は、リーンバーンを実現する空気過剰率λを一定に保ったままで点火タイミングを最適化する運転である。ノッキング制御運転では、第２圧力センサ６２で検出される筒内圧に基づく制御が行われる。図３は、第２圧力センサ６２により計測される圧力波形の一例である。
【００３９】
制御装置７は、所定サイクル数Ｃｙ（例えば、５〜２０サイクル）ごとに点火タイミングｉＴを更新する。点火タイミングｉＴは、例えば、ピストン２２が上死点に位置するタイミングを基準（０度）とし、そこからどれだけ早い段階で点火を行うかをガスエンジン２の位相角で示すものである。
【００４０】
まず、制御装置７は、第２圧力センサ６２で検出される筒内圧に基づいて、１サイクルごとに、燃焼状態が、大ノック、小ノック、通常、失火のいずれであったかを判定する。そして、制御装置７は、所定サイクル数Ｃｙに対する小ノックが出現したサイクル数ＣｙＬの比率であるノッキング出現率Ｒ（Ｒ＝ＣｙＬ／Ｃｙ）を算出する。
【００４１】
燃焼状態の判定の仕方としては、例えば次のような方法がある。制御装置７は、図３に示す波形をフィルタに通して、ピストン２２が上死点に達してから所定時間ΔＴ内の高周波成分を抽出する。さらに、制御装置７は、抽出した高周波成分のうちから複数個の高周波成分をサンプリングし、サンプリングされた高周波成分の平均値ＰＡを算出する。平均値ＰＡが第１閾値γ１以上の場合（γ１≦ＰＡ）は燃焼状態が大ノックであったと判定され、平均値ＰＡが第１閾値γ１未満かつ第２閾値γ２以上の場合（γ２≦ＰＡ＜γ１）は燃焼状態が小ノックであったと判定される。また、制御装置７は、上死点前後の筒内圧の偏差ΔＰを算出する。偏差ΔＰが第３閾値γ３未満の場合（ΔＰ＜γ３）には燃焼状態が失火であったと判定される。偏差ΔＰが第３閾値γ３以上であって上述した平均値ＰＡが第２閾値γ２未満の場合（γ３≦ΔＰ、ＰＡ＜γ２）には燃焼状態が通常であったと判定される。
【００４２】
ノッキング出現率Ｒを算出した後は、制御装置７は、ノッキング出現率Ｒと目標出現率ＲＴとの偏差ΔＲ（ΔＲ＝ＲＴ−Ｒ）を算出する。目標出現率ＲＴは、ガスエンジン２に大きな損傷を与えることなく高い効率が得られる比率であり、実験または数値シミュレーションにより予め決定される。また、目標出現率ＲＴは、図８に示すように、ノッキング限界ＲＬよりも少し低い値に設定される。そして、制御装置７は、算出した偏差ΔＲにゲインＫを積算した値を点火タイミングの補正値βとし（β＝ΔＲ×Ｋ）、現在の点火タイミングｉＴ’に補正値βを加えた値を新たな点火タイミングｉＴとする（ｉＴ＝ｉＴ’＋β）。補正値βが正の場合、すなわちノッキング出現率Ｒが目標出現率ＲＴよりも小さな場合は点火タイミングが補正値βだけアドバンスされ、補正値βが負の場合、すなわちノッキング出現率Ｒが目標出現率ＲＴよりも大きな場合は点火タイミングが補正値βだけリタードされる。このようにして、点火タイミングｉＴは最適なタイミングに調整される。
【００４３】
換言すれば、ノッキング制御運転は、例えば空気過剰率γが２．０である場合、ノッキング出現率を図８の実線に沿って目標出現率ＲＴに近づける運転である。
【００４４】
（２）負荷増加運転
上述したように、定常運転中に負荷が上昇（すなわち、必要燃料噴射量Ｑが上昇）すると、制御装置７は負荷増加運転に移行する。負荷増加運転では、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐ、温度センサ６５で検出される過給温および位相角検出器６３で検出されるガスエンジン２の実回転数Ｎに基づく制御が行われる。図５は負荷増加運転のフローチャートである。
【００４５】
まず、制御装置７は、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖ（Ｖ＝ｄＱ／ｄｔ）を算出する（ステップＳ１）。図４（ａ）に負荷の上昇度合いが相対的に小さい場合、すなわち必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが遅い場合を示し、図４（ｂ）に負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合、すなわち必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが速い場合を示す。例えば、負荷の上昇度合いが相対的に小さい場合とは、操船レバー等がゆっくり操作される場合であり、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合とは、操船レバー等が速く操作される場合である。
【００４６】
ついで、制御装置７は、算出した上昇速度Ｖを閾値αと比較する（ステップＳ２）。図８に示すように、ノッキング制御運転においてはノッキング出現率が目標出現率ＲＴ近くに調整されるため、ノッキング限界ＲＬまでにはまだ少し余裕がある。そのため、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴでのノッキング限界ＲＬを通る線である空気過剰率の第１下限λ１まで燃料ガスを増やすことができる。
【００４７】
このようにして燃料ガスを増やした場合には、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが遅いときは、図４（ａ）に示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｂが必要燃料噴射量Ｑの上昇指示終了点Ａからそれほど遅れることはない。しかし、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが速いときは、図４（ｂ）中に二点鎖線で示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｂが必要燃料噴射量Ｑの上昇指示終了点Ａから大きく遅れることになる。閾値αは、第１下限λ１に基づいて制御したときに上昇指示終了点Ａから時期Ｂまでの遅れが許容できない場合の上昇速度である。このような閾値αは、実験または数値シミュレーションにより予め決定される。なお、閾値αは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎごとに定められていてもよい。
【００４８】
必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが閾値αよりも小さい場合はステップＳ３に進み、上昇速度Ｖが閾値αよりも大きい場合はステップＳ８に進む。なお、本実施形態では、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ３に進みようになっているが、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ８に進んでもよい。
【００４９】
ステップＳ３以降では、制御装置７は、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴを維持したままで、空気過剰率λが第１下限λ１を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。空気過剰率λは、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐおよび温度センサ６５で検出される過給温から求められる。
【００５０】
まず、制御装置７は、図７（ａ）に示す空気過剰率第１下限λ１マップを選択する（ステップＳ３）。空気過剰率第１下限λ１マップでは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第１下限値λ１ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。制御装置７は、空気過剰率第１下限λ１マップを使用して、実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから第１下限λ１を決定する（ステップＳ４）。なお、空気過剰率第１下限λ１マップは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。
【００５１】
その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐおよび温度センサ６５で検出される過給温から現在の空気過剰率λを算出し、算出した空気過剰率λをステップＳ４で決定した第１下限λ１にするのに必要な燃料噴射量の増加幅Δｑを算出する（ステップＳ５）。空気過剰率λは、実過給圧Ｐおよび過給温から求められる実際に燃焼室２０に供給される空気量を、実燃料噴射量ｑの燃料ガスを完全に燃焼させるのに必要な理論空気量で割った値である。
【００５２】
増加幅Δｑを算出した後は、制御装置７は、実燃料噴射量ｑをΔｑだけ増加させ（ステップＳ６）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ７）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷増加運転を終了して定常運転に戻る。
【００５３】
一方、ステップＳ８以降では、制御装置７は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせた上で、空気過剰率λが第１下限λ１よりも小さな第２下限λ２を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。図８に示すように、第２下限λ２は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせたときのノッキング限界ＲＬを通る線である。これにより、図４（ｂ）に示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｃは、時期Ｂよりも大幅に早められる。
【００５４】
まず、制御装置７は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせる（ステップＳ８）。リタードさせる角度εは、図６（ａ）に示すリタード角度εマップを使用して実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから決定してもよいし、図６（ｂ）に示すリタード角度マップを使用して第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐと実回転数Ｎから決定してもよい。図６（ａ）に示すリタード角度εマップでは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じてリタード角度値εｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｎ、１≦ｋ≦ｍ）が定められ、図６（ｂ）に示すリタード角度εマップでは、実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じてリタード角度値εｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｎ、１≦ｋ≦ｍ）が定められている。
【００５５】
点火タイミングｉＴをリタードさせた後は、制御装置７は、図７（ｂ）に示す空気過剰率第２下限λ２マップを選択する（ステップＳ９）。空気過剰率第２下限λ２マップでは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第２下限値λ２ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。全ての第２下限値λ２ｌ，ｋは、対応する、すなわち実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎが同一の第１下限値λ１ｌ，ｋよりも小さい。制御装置７は、空気過剰率第２下限λ２マップを使用して、実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから第２下限λ２を決定する（ステップＳ１０）。なお、空気過剰率第２下限λ２マップは、実燃料噴射量ｑおよび実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。
【００５６】
その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される過給圧Ｐおよび温度センサ６５で検出される過給温から現在の空気過剰率λを算出し、算出した空気過剰率λをステップＳ１０で決定した第２下限λ２にするのに必要な燃料噴射量増加幅Δｑを算出する（ステップＳ１１）。
【００５７】
増加幅Δｑを算出した後は、制御装置７は、実燃料噴射量ｑをΔｑだけ増加させ（ステップＳ１２）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ１３）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷増加運転を終了して定常運転に戻る。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム１では、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合には、点火タイミングｉＴをリタードさせることで、ノッキング限界ＲＬまでの空気過剰率λの余裕が大きくなり、これにより実燃料噴射量ｑを大きな幅で増加させることが可能になる。その結果、ノッキングを抑制しながら、負荷応答性を向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、負荷の上昇度合いが相対的に小さいときも大きいときも、空気過剰率λの下限λ１，λ２を用いて、実燃料噴射量ｑの増加幅Δｑを最大となるように決定することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、図９〜１１を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスエンジン駆動システムを説明する。ただし、本実施形態のガスエンジン駆動システムは、第１実施形態のガスエンジン駆動システム１に比べて、負荷増加運転におけるフローチャートの一部が異なるだけであるので、以下ではその点についてのみ説明する。
【００６１】
本実施形態では、図９に示すように、図５に示すフローチャートにおけるステップＳ３〜Ｓ６の代わりにステップＳ２１〜Ｓ２３が採用され、図５に示すフローチャートにおけるステップＳ９〜Ｓ１２の代わりにステップＳ２４〜Ｓ２６が採用されている。すなわち、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが閾値αよりも小さい場合はステップＳ２１に進み、上昇速度Ｖが閾値αよりも大きい場合はステップＳ８の後にステップＳ２４に進む。なお、本実施形態では、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ２１に進みようになっているが、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ８に進んでもよい。
【００６２】
ステップＳ２１以降では、制御装置７は、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴを維持したままで、実燃料噴射量ｑが第１上限ｑ１を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。図１１に示すように、第１上限ｑ１は、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴでのノッキング限界ＲＬを通る線である。
【００６３】
まず、制御装置７は、図１０（ａ）に示す噴射量第１上限ｑ１マップを選択する（ステップＳ３）。噴射量第１上限ｑ１マップでは、実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じて燃料噴射量の第１上限値ｑ１ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。制御装置７は、噴射量第１上限ｑ１マップを使用して、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐと実回転数Ｎから第１上限ｑ１を決定する（ステップＳ２２）。なお、噴射量第１上限ｑ１マップは、実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。
【００６４】
その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑを第１上限ｑ１まで増加させ（ステップＳ２２）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ７）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷増加運転を終了して定常運転に戻る。
【００６５】
一方、ステップＳ８以降では、制御装置７は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせた上で、実燃料噴射量ｑが第２上限ｑ２であって第１上限ｑ１よりも大きな第２上限ｑ２を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。図１１に示すように、第２下限λ２は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせたときのノッキング限界ＲＬを通る線である。
【００６６】
制御装置７は、ステップＳ８で点火タイミングｉＴをリタードさせた後は、図１０（ｂ）に示す噴射量第２上限ｑ２マップを選択する（ステップＳ２４）。噴射量第２上限ｑ２マップでは、実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに応じて燃料噴射量の第２上限値ｑ２ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。全ての第２上限値ｑ２ｌ，ｋは、対応する、すなわち実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎが同一の第１上限値ｑ１ｌ，ｋよりも大きい。制御装置７は、噴射量第２上限ｑ２マップを使用して、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐと実回転数Ｎから第２上限ｑ２を決定する（ステップＳ２５）。なお、噴射量第２上限ｑ２マップは、実過給圧Ｐおよび実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。
【００６７】
その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑを第２上限ｑ２まで増加させ（ステップＳ２６）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ１３）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷増加運転を終了して定常運転に戻る。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム１では、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合には、点火タイミングｉＴをリタードさせることで、ノッキング限界ＲＬまでの空気過剰率λの余裕が大きくなり、これにより実燃料噴射量ｑを大きな幅で増加させることが可能になる。その結果、ノッキングを抑制しながら、負荷応答性を向上させることができる。
【００６９】
また、本実施形態では、負荷の上昇度合いが相対的に小さいときも大きいときも、実燃料噴射量ｑの上限ｑ１，ｑ２を用いて、実燃料噴射量ｑの増加幅Δｑを最大となるように決定することができる。
【００７０】
さらに、本実施形態では、空気過剰率λを算出する必要がないので、過給温を検出する温度センサ６５（図２参照）を省略することができる。
【００７１】
（その他の実施形態）
第１および第２実施形態において、タービン３２は、タービンインペラに排ガスを吹き付けるノズルの開度が変更可能な可変ジオメトリターボであり、制御装置７によって制御されることが望ましい。この場合、制御装置７は、負荷の上昇度合いが相対的に大きいとき（必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが閾値αよりも大きいとき）は、タービン３２をノズルの開度が小さくなるように制御してもよい。このようにすれば、実過給圧Ｐが迅速に立ち上がるため、負荷応答性をさらに向上させることができる。
【００７２】
このような過給機３を速やかに働かせるという観点からは、負荷の上昇度合いが相対的に大きいときには、図略の蓄圧タンクに蓄圧された圧縮空気を過給機３の圧縮機３１に供給してもよい（いわゆる、ジェットアシスト）。
【００７３】
前記第１および第２実施形態では、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いを必要燃料噴射量Ｑの監視により判定していた。しかしながら、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いは、ガスエンジン２の実回転数Ｎまたは実過給圧Ｐの監視により判定することも可能である。
【００７４】
例えば、図１２に示すように、負荷が上昇した場合には、ガスエンジン２の実回転数Ｎが目標回転数ＮＴから低下する。しかも、実回転数Ｎがどれだけ低下するかは負荷の度合いに依存する。図１２中の実線は負荷の上昇度合いが相対的に大きいときを示し、図１２中の一点鎖線は負荷の上昇度合いが相対的に小さいときを示す。従って、実回転数Ｎと目標回転数ＮＴとの偏差が閾値β１よりも小さければ、負荷の上昇度合いが相対的に小さいと判定することができ、実回転数Ｎと目標回転数ＮＴとの偏差が閾値β１よりも大きければ、負荷の上昇度合いが相対的に大きいと判定することができる。
【００７５】
あるいは、推進軸１３にトルク計が設けられている場合、トルク計で計測されるトルクにより、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いを判定してもよい。
【００７６】
図示は省略するが、負荷が上昇した場合には、通常、負荷に応じて目標過給圧ＰＴが上昇し、その目標過給圧ＰＴの上昇に対し実過給圧Ｐの上昇が遅れるため（いわゆる、ターボラグ）、実過給圧Ｐと目標過給圧ＰＴとの偏差が増大する。しかも、その偏差の増大の大きさは負荷の度合いに依存する。従って、実過給圧Ｐと目標過給圧ＰＴとの偏差が閾値β２よりも小さければ、負荷の上昇度合いが相対的に小さいと判定することができ、実過給圧Ｐと目標過給圧ＰＴとの偏差が閾値β２よりも大きければ、負荷の上昇度合いが相対的に大きいと判定することができる。
【００７７】
あるいは、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いは、主燃料噴射弁５１の燃料噴射期間により判定してもよい。また、プロペラ１２が可変ピッチプロペラである場合、プロペラピッチにより、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いを判定してもよい。さらには、船舶の操縦者によって操作される操船レバー等の操作量により、負荷が上昇したか否かおよび負荷の上昇度合いを判定してもよい。
【００７８】
また、前記第１および第２実施形態では、負荷の急上昇に対応するための技術が提案されているが、ノッキングを抑制するためには、負荷の急上昇そのものを抑制してもよい。例えば、船舶の操縦者によって急激な船速アップの操作がなされても、実燃料噴射量ｑの増加速度に上限を設け、ガスエンジン２の実出力をゆっくりと上昇させてもよい。あるいは、プロペラ１２が可変ピッチプロペラである場合、プロペラピッチをゆっくりと大きくしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明のガスエンジン駆動システムは、必ずしも船舶に用いられる必要はなく、例えば、発電設備、建設機械、鉄道などに用いられてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１    ガスエンジン駆動システム
２    ガスエンジン
３    過給機
３１  圧縮機
３２  タービン
５１  主燃料噴射弁（燃料噴射機構）
５５  点火プラグ（点火装置）
７    制御装置
【要約】
【課題】負荷が上昇したときにノッキングを抑制しながら負荷応答性を向上させることができるガスエンジン駆動システムを提供する。
【解決手段】圧縮機およびタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、定常運転として点火タイミングを最適化するノッキング制御運転を行い、定常運転中に負荷が上昇した場合には、負荷の上昇度合いが相対的に小さいときは点火タイミングを維持したままで実燃料噴射量を徐々に増加させ、負荷の上昇度合いが相対的に大きいときは点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させる。
【選択図】図１【図１】
0006049921.tif 000002
【図２】
0006049921.tif 000003
【図３】
0006049921.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006049921.tif 000006
【図６】
0006049921.tif 000007
【図７】
0006049921.tif 000008
【図８】
0006049921.tif 000009
【図９】
0006049921.tif 000010
【図１０】
0006049921.tif 000011
【図１１】
0006049921.tif 000012
【図１２】
0006049921.tif 000013
【図１３】
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