(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の混合気を圧縮して燃焼させることで回転動力を発生させるエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動されるように前記タービンと機械的に接続され、前記エンジン本体の吸気路に設けられたコンプレッサと、
上流端が前記吸気路の前記コンプレッサの吐出側に接続され、下流端が前記排気路の前記タービンの出口側に接続されているか又は外気に開放されている吸気分岐路と、
上流端が前記排気路の前記タービンの入口側に接続され、下流端が前記排気路の前記タービンの出口側に接続された排気バイパス路と、
前記吸気分岐路の開度を調整するための吸気分岐弁と、
前記排気バイパス路の開度を調整するための排気バイパス弁と、
前記エンジン本体と前記吸気分岐弁と前記排気バイパス弁とを制御する制御装置と、
前記吸気路において前記コンプレッサと前記エンジン本体との間に設けられ、前記コンプレッサにより圧縮された空気を冷却するインタークーラと
を備え、
前記制御装置は、前記エンジン本体の負荷が低下した直後、前記エンジン本体の負荷の低下前よりも前記排気バイパス弁および前記吸気分岐弁の開度を一時的に大きくするガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンにおいて、エンジン本体における燃焼効率向上および燃焼安定性のためには、エンジン本体に供給される圧縮空気の温度は低い方が好ましい。そのため、インタークーラによりエンジン本体に供給される圧縮空気を冷却する構成が知られている。また、エンジン本体の負荷変動時の応答性を改善し、エンジン本体を安定運転するために、吸気路においてコンプレッサ下流の圧縮空気をコンプレッサ上流に戻す流路である吸気分岐路（吸気バイパス路）および排気路においてタービンをバイパスする流路である排気バイパス路を設け、吸気分岐路および排気バイパス路の開度を調整することでエンジン本体に供給する空気量を調整する構成が知られている。このような構成を含むガスエンジンが特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−９７３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載のガスエンジンのように、コンプレッサ下流の高温の圧縮空気が吸気分岐路を通じてコンプレッサ上流に戻されると、コンプレッサで再度圧縮されるため、さらに高温の圧縮空気となる。従って、エンジン本体に供給する圧縮空気をより冷却するため、インタークーラを大型化することが必要となる。
【０００５】
本発明は、吸気分岐路による空気供給量の制御を可能にしつつ、インタークーラの大型化を防止できるガスエンジンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料と空気の混合気を圧縮して燃焼させることで回転動力を発生させるエンジン本体と、前記エンジン本体の排気路に設けられたタービンと、前記タービンにより駆動されるように前記タービンと機械的に接続され、前記エンジン本体の吸気路に設けられたコンプレッサと、上流端が前記吸気路の前記コンプレッサの吐出側に接続され、下流端が前記排気路の前記タービンの出口側に接続されているか又は外気に開放されている吸気分岐路と、上流端が前記排気路の前記タービンの入口側に接続され、下流端が前記排気路の前記タービンの出口側に接続された排気バイパス路と、前記吸気分岐路の開度を調整するための吸気分岐弁と、前記排気バイパス路の開度を調整するための排気バイパス弁と、前記エンジン本体と前記吸気分岐弁と前記排気バイパス弁とを制御する制御装置と、前記吸気路において前記コンプレッサと前記エンジン本体との間に設けられ、前記コンプレッサにより圧縮された空気を冷却するインタークーラとを備え、前記制御装置は、前記エンジン本体の負荷が低下した直後、前記エンジン本体の負荷の低下前よりも前記排気バイパス弁および前記吸気分岐弁の開度を一時的に大きくするガスエンジンを提供する。
【０００７】
この構成によると、吸気分岐路の下流端が吸気路のコンプレッサの吸気側に接続されていないため、コンプレッサ下流の高温の圧縮空気がコンプレッサ上流に戻されることがない。そのため、吸気分岐路を設けたことで圧縮空気が高温となることはなく、インタークーラにおける冷却量は増大せず、インタークーラを大型化する必要がない。従って、制御装置によって、吸気分岐路および排気バイパス路の開度制御による空気供給量の制御を可能にしつつ、インタークーラの大型化を防止できる。特に吸気分岐路および排気バイパス路の開度制御による空気供給量の制御によって、負荷応答性を改善でき、回転変動幅を縮小し、安定運転できる。さらに、エンジン本体に供給する圧縮空気の流量を高精度に制御できるため、空燃比を高精度に制御でき、エンジン本体における燃焼効率および燃焼安定性を向上できる。また、このように制御することで、コンプレッサによるエンジン本体への圧縮空気の過供給を防止できる。具体的には、エンジン本体における負荷が低下した直後、必要以上の圧縮空気がエンジン本体に供給されることとなり、所望の空燃比が得られない。空気割合が著しく多い場合、燃焼が起こらず、空気と燃料の混合気がそのまま排気されることがある。これを防止するため、排気バイパス弁および吸気分岐弁の開度を一時的に大きくし、タービンの回転数とコンプレッサの回転数を減少させることで、エンジン本体に供給される圧縮空気量を減少させて調整し、所望の空燃比を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、吸気分岐路の下流端が吸気路のコンプレッサの吸気側に接続されていないため、コンプレッサ下流の高温の圧縮空気がコンプレッサ上流に戻されることがない。そのため、吸気分岐路を設けたことで圧縮空気が高温となることはなく、インタークーラにおける冷却量は増大せず、インタークーラを大型化する必要がない。従って、制御装置によって、吸気分岐路および排気バイパス路の開度制御による空気供給量の制御を可能にしつつ、インタークーラの大型化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスエンジンのシステム図。
【図２】図１のガスエンジンの構造を示す側面図。
【図３】図１のガスエンジンの構造を示す正面図。
【図４】ガスエンジンの制御に関するグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態に係るガスエンジンのシステム図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るガスエンジン２のシステム図である。第１実施形態のガスエンジン２は、コンプレッサ４と、タービン６と、エンジン本体８と、インタークーラ１０とを備え、これらが吸気配管１２ａおよび排気配管１４ａ〜１４ｃにより流体的に接続されている。
【００２０】
コンプレッサ４は、吸気口４ａから周囲の空気を吸気し、圧縮し、吐出口４ｂから圧縮空気を吐出する。吐出口４ｂには吸気配管１２ａが接続されており、吸気配管１２ａはエンジン本体８に接続されている。コンプレッサ４により圧縮された空気は、吸気配管１２ａを通じてエンジン本体８に供給される。本実施形態では、吸気配管１２ａが本発明の吸気路１２を構成する。また、コンプレッサ４は、タービン６により駆動されるようにタービン６と回転軸１６を介して機械的に接続されている。
【００２１】
インタークーラ１０は、吸気路１２においてコンプレッサ４とエンジン本体８との間に設けられ、吸気配管１２ａ内の圧縮空気を冷却する。本実施形態のインタークーラ１０は、熱交換器であり、吸気配管１２ａ中の空気と冷却水配管１８中の冷却水とで熱交換し、空気を冷却する。インタークーラ１０に冷却水を供給する冷却水配管１８には、三方弁１８ａおよび分岐配管１８ｂが設けられており、三方弁１８ａおよび分岐配管１８ｂによりインタークーラ１０への冷却水の供給量を調整することで空気の冷却量を調整できる。
【００２２】
また、吸気配管１２ａからは吸気分岐配管２０ａが分岐している。本実施形態の吸気分岐配管２０ａは、上流端が吸気路１２のコンプレッサ４の吐出側（下流側）に接続されており、下流端が排気路１４のタービン６の出口側の排気配管１４ｃに接続されている。吸気分岐配管２０ａの下流端が排気配管１４ｃに接続されていることで、外気への排出口１４ｄが一つとなり、構成を簡易化できる。本実施形態では、吸気分岐配管２０ａが本発明の吸気分岐路２０を構成する。
【００２３】
吸気分岐配管２０ａには、流量調整用の吸気分岐弁２２が設けられており、吸気分岐弁２２の開度を調整することで吸気配管１２ａから吸気分岐配管２０ａに流れる空気量を調整できる。即ち、吸気分岐弁２２の開度を調整することでエンジン本体８に供給される空気量を調整できる。吸気分岐弁２２は、後述のように制御装置２４によって制御されている。
【００２４】
エンジン本体８は、燃料と空気の混合気を圧縮して燃焼させることで回転動力を発生させる。本実施形態のエンジン本体８は、６つの燃焼室８ａが設けられており、個々の燃焼室８ａ内で燃料と空気の混合気を圧縮して燃焼させる。混合気は、燃焼室８ａの上流で吸気配管１２ａから供給される空気と燃料供給装置８ｂにより供給される燃料とが混合されて生成される。
【００２５】
燃焼室８ａの上流であってインタークーラ１０の下流の吸気配管１２ａには、圧力センサ８ｃおよび温度センサ８ｅが設けられている。圧力センサ８ｃが検出するのは、燃焼室８ａに供給される圧縮空気の圧力である。温度センサ８ｅが検出するのは、燃焼室８ａに供給される圧縮空気の温度である。圧力センサ８ｃおよび温度センサ８ｅで検出した値は、制御装置２４に出力される。また、エンジン本体８に接続される図示しない発電機から検出される出力値は制御装置２４に入力される。なお、この出力値の検出は、図示しない出力軸に取り付けられる軸出力センサによって行われてもよい。エンジン本体８は排気配管１４ａ，１４ｂを通じてタービン６と接続されており、エンジン本体８で燃焼された排出ガスは排気配管１４ａ，１４ｂを通じてタービン６に導入される。
【００２６】
また、吸気配管１２ａには、フレームアレスタのような逆火を防止する安全装置を有する圧力逃し弁８ｆが設けられている。同様に、排気配管１４ａ，１４ｂには、アフターファイヤ（アフターバーン）を防止する安全装置を有する圧力逃し弁８ｆが設けられている。吸気配管１２ａおよび排気配管１４ａ，１４ｂ内の供給圧力を必要に応じて低下させて安全を確保することができる。
【００２７】
タービン６は、エンジン本体８の排気路１４に設けられ、入口６ａから排気配管１４ａ，１４ｂを通じて導入された排出ガスにより駆動される。得られた駆動力は回転軸１６を介してコンプレッサ４に伝達され、伝達された駆動力によりコンプレッサ４が駆動される。タービン６に導入された排出ガスは、タービン６を駆動させた後、出口６ｂから排気配管１４ｃを通じてガスエンジン２の外部に排気される。本実施形態では、排気配管１４ａ〜１４ｃが本発明の排気路１４を構成する。
【００２８】
また、排気配管１４ａ，１４ｂからは排気バイパス配管２６ａが分岐している。本実施形態の排気バイパス配管２６ａは、上流端が排気路１４のタービン６の入口側（上流側）に接続され、下流端が排気路１４のタービン６の出口側（下流側）に接続されている。本実施形態では、排気バイパス配管２６ａが本発明の排気バイパス路２６を構成する。
【００２９】
排気バイパス配管２６ａには、流量調整用の排気バイパス弁２８が設けられており、排気バイパス弁２８の開度を調整することで排気配管１４ａ，１４ｂから排気バイパス配管２６ａに流れる排出ガス量を調整できる。即ち、吸気分岐弁２２の開度を調整することでタービン６に導入される排出ガス量を調整できる。排気バイパス弁２８は、後述のように制御装置２４によって制御されている。
【００３０】
この構成によると、吸気分岐路２０の下流端が吸気路１２のコンプレッサ４の吸気側に接続されていないため、コンプレッサ４下流の高温の圧縮空気がコンプレッサ４上流に戻されることがない。そのため、吸気分岐路２０を設けたことで圧縮空気が高温となることはなく、インタークーラ１０における冷却量は増大せず、インタークーラ１０を大型化する必要がない。従って、制御装置２４によって、吸気分岐路２０および排気バイパス路２６の開度制御による空気供給量の制御を可能にしつつ、インタークーラ１０の大型化を防止できる。特に吸気分岐路２０および排気バイパス路２６の開度制御による空気供給量の制御によって、負荷応答性を改善でき、回転変動幅を縮小し、安定運転できる。さらに、エンジン本体８に供給する圧縮空気の流量を高精度に制御できるため、空燃比を高精度に制御でき、エンジン本体８における燃焼効率および燃焼安定性を向上できる。
【００３１】
また、本実施形態では、排気バイパス配管２６ａと吸気分岐配管２０ａは、排気配管１４ｃにおいて同じ位置で接続されている。従って、吸気分岐配管２０ａの下流端と排気バイパス配管２６ａの下流端が排気配管１４ｃの同じ位置で接続されることで、接続部が一つとなり、小型化および構成を簡易化できる。
【００３２】
制御装置２４は、プロセッシングユニット、ＲＡＭ、ＲＯＭのような記憶装置を含むハードウェアと、それに実装されたソフトウェアとにより構築されている。制御装置２４は、圧力センサ８ｃおよび温度センサ８ｅからの検出値並びに図示しない発電機で検出される出力値を受け、吸気分岐弁２２および排気バイパス弁２８を制御する。制御方法の詳細については後述する。
【００３３】
図２は図１のガスエンジン２の構造を示す側面図であり、図３は図１のガスエンジン２の構造を示す正面図である。図２および図３を参照して、本実施形態のガスエンジン２内の空気の流れについて説明する。
【００３４】
コンプレッサ４により吸気された空気は、圧縮された後、吐出口４ｂから吐出され、吸気配管１２ａを通ってインタークーラ１０に向かって流れる（矢印Ａ参照）。なお、図２では吸気配管１２ａおよびインタークーラ１０の一部は省略されている。このとき一部の空気は、吸気配管１２ａから分岐した吸気分岐配管２０ａを通って排気配管１４ｃに流れる（矢印Ｂ参照）。吸気分岐配管２０ａを流れる空気の量は吸気分岐弁２２の開度により調整される。開度調整は、リンク３０により機械的に接続されたアクチュエータ３２によって行われる。
【００３５】
インタークーラ１０に流入した空気は、冷却された後、エンジン本体８に供給される（矢印Ｃ参照）。エンジン本体８に供給された圧縮空気は、燃料と共に燃焼され、排気配管１４ａ，１４ｂを通じてタービン６に導入される（矢印Ｄ参照）。このとき一部の排出ガスは、排気配管１４ａ，１４ｂから分岐した排気バイパス配管２６ａを通ってタービン６をバイパスして排気配管１４ｃを通り排出口１４ｄに向かって流れる（矢印Ｅ参照）。
【００３６】
排気バイパス配管２６ａと吸気分岐配管２０ａは、排気配管１４ｃにおいて同じ位置（ポイントＦ参照）で合流している。排気バイパス弁２８を流れる排出ガスの量は排気バイパス弁２８の開度により調整される。開度調整は、吸気分岐弁２２と同様にリンク（図示せず）により機械的に接続されたアクチュエータ（図示せず）によって行われる。タービン６に導入された排出ガスは、タービン６を駆動した後、排気配管１４ｃを通じて外部に排気される（矢印Ｇ参照）。
【００３７】
図４は、ガスエンジン２の制御に関するグラフである。グラフの縦軸は燃焼室８ａに供給される圧縮空気の圧力を示し、横軸はエンジン本体８の出力を示している。制御装置２４は、図４に示すように、出力および温度に対する最適圧力を記憶しており、温度センサ８ｅで検出した温度および図示しない発電機で検出される出力値に基づいて排気バイパス弁２８および吸気分岐弁２２を制御して圧力を調整し、圧力センサ８ｃで検出した圧力が最適圧力となるようにする。例えば、最適圧力は、出力Ｘ（％）および温度Ｔ（℃）のとき最適圧力Ｙ（ＭＰａ）のように最適圧力の値が制御装置２４内に記憶されている。このような最適圧力を算出するデータを全ての出力および温度に対して予め設定しておくことで、即時に目標となる最適圧力を算出できる。また、全ての出力および温度に対するデータを記憶せずとも、図４のようにある一つの温度（例えばＴ℃）のときの出力に対する最適圧力のデータを記憶し、それ以外の温度については補正をかけて最適圧力を算出してもよい。
【００３８】
制御に際しては、吸気分岐弁２２と排気バイパス弁２８を、エンジン本体８の負荷変動に応じて協調動作させることが好ましい。吸気分岐弁２２と排気バイパス弁２８が協調動作することで、単独で動作する場合よりも負荷応答性をより改善でき、回転変動幅を縮小し、安定運転できる。さらに、エンジン本体８に供給する圧縮空気の流量をより高精度に制御できるため、空燃比を高精度に制御でき、エンジン本体８における燃焼効率および燃焼安定性を向上できる。
【００３９】
協調動作の例として、エンジン本体８における負荷を低下させるとき、排気バイパス弁２８および吸気分岐弁２２の開度を大きくしてもよい。このように制御することで、コンプレッサ４によるエンジン本体８への圧縮空気の過供給を防止できる。
【００４０】
具体的には、エンジン本体８における負荷が低下した直後、必要以上の圧縮空気がエンジン本体８に供給されることとなり、所望の空燃比が得られない。空気割合が著しく多い場合、燃焼が起こらず、空気と燃料の混合気がそのまま排気されることがある。これを防止するため、排気バイパス弁２８および吸気分岐弁２２の開度を一時的に大きくし、タービン６の回転数とコンプレッサ４の回転数を減少させることで、エンジン本体８に供給される圧縮空気量を減少させて調整し、所望の空燃比を得ることができる。これに対し、エンジン本体８における負荷が増大した直後、排気バイパス弁２８および吸気分岐弁２２の開度を一時的に小さくしてもよい。このようにして、排気バイパス弁２８および吸気分岐弁２２の開度を調整することで、応答性良く安定運転可能である。
【００４１】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係るガスエンジン２のシステム図である。本実施形態では、第１実施形態の図１の構成部と同一構成部に、図１の構成部の参照番号と同一参照番号を付して説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態では、吸気分岐配管２０ａは、上流端が吸気路１２においてコンプレッサ４の吐出側（下流側）に接続され、下流端が排気路１４に接続されておらず外気に開放されている。そのため、本実施形態では、外気への排出口１４ｄが２つ設けられている。このように、吸気分岐配管２０ａの下流端は、必ずしもいずれかに接続されていなくてもよい。さらに言えば、吸気分岐弁２２を放気弁としてコンプレッサ４からエンジン本体８に延びる吸気配管１２ａに直接設け、放気弁で放気することでエンジン本体８に供給する空気の圧力を調整してもよい。
【００４３】
上記各実施形態のガスエンジン２は、ディーゼルエンジンであってもよく、その場合、燃焼室８ａに直接燃料が供給される。また、単一燃料の使用に限定されず、デュアルフューエル型であってもよく、ガスエンジン２の種類は特に限定されない。
【００４４】
ガスエンジン２は、例えば船舶の推進力および電力を得るために使用され、小型でありながら応答性良く安定した運転が可能である。船舶におけるエンジン本体８の負荷変動要因としては、波の影響によるスクリュ負荷変動や、貨物船等であれば船舶上で使用するクレーンの電力負荷変動などが考えられ、これらの変動に対しても本発明は応答性良く安定運転可能である。また、使用用途は、船舶に限定されず、車両、鉄道等の様々な運送機械に使用でき、その用途も特に限定されない。
【符号の説明】
【００４５】
２  ガスエンジン
４  コンプレッサ
４ａ  吸気口
４ｂ  吐出口
６  タービン
６ａ  入口
６ｂ  出口
８  エンジン本体
８ａ  燃焼室
８ｂ  燃料供給装置
８ｃ  圧力センサ
８ｅ  温度センサ
８ｆ  圧力逃し弁
１０  インタークーラ
１２  吸気路
１２ａ  吸気配管
１４  排気路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  排気配管
１４ｄ  排出口
１６  回転軸
１８  冷却水配管
１８ａ  三方弁
１８ｂ  分岐配管
２０  吸気分岐路
２０ａ  吸気分岐配管
２２  吸気分岐弁
２４  制御装置
２６  排気バイパス路
２６ａ  排気バイパス配管
２８  排気バイパス弁
３０  リンク
３２  アクチュエータ
【要約】
【課題】吸気分岐路による空気供給量の制御を可能にしつつ、インタークーラの大型化を防止できるガスエンジンを提供する。
【解決手段】タービン６は、エンジン本体８の排気路１４に設けられている。コンプレッサ４は、タービン６により駆動されるようにタービン６と機械的に接続され、エンジン本体８の吸気路１２に設けられている。吸気分岐路２０は、上流端が吸気路１２のコンプレッサ４の吐出側に接続され、下流端が排気路１４のタービン６の出口側に接続されている。排気バイパス路２６は、上流端が排気路１４のタービン６の入口側に接続され、下流端が排気路１４のタービン６の出口側に接続されている。制御装置２４は、吸気分岐弁２２と排気バイパス弁２８の開度を調整する。インタークーラ１０は、吸気路１２においてコンプレッサ４とエンジン本体８との間に設けられ、吸気路１２内の圧縮空気を冷却する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
0006035413.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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