(57)【要約】【課題】ガス流量が僅かであっても多くても、圧力的に最適な調整が可能であるガスエンジンを従来技術より改善された方法で提供する。【解決手段】少なくとも一つの作業要素および一つの燃料供給システムを備えるガスエンジンにおいて、少なくとも一つの作業要素はガス状燃料の燃焼エネルギーを運動エネルギーに変換するよう構成されており、また燃料供給システムは、少なくとも一つの作業要素に燃料源からガス状燃料を供給するよう構成されていて、燃料供給システムは一つの圧力調整器を有する一つのガス圧調整装置を備えており、該圧力調整器は燃料の圧力を入口圧力から出口圧力に下げるよう構成されている。ガスエンジンは、ガス圧調整装置が、流体的に互いに直列に接続された２つの圧力調整器を有しているために、これら２つの圧力調整器の第１圧力調整器の出口圧力値が、これら２つの圧力調整器の第２圧力調整器の入口圧力値を形成することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの作業要素および一つの燃料供給システムを備えるガスエンジンであって、前記少なくとも一つの作業要素は、ガス状の燃料の燃焼エネルギーを運動エネルギーに変換するように構成されており、また、前記燃料供給システムは、前記少なくとも一つの作業要素に燃料源(Ｑ)からガス状燃料を供給するよう構成されていて、このとき前記燃料供給システムは一つの圧力調整器(１０,２０)を有する一つのガス圧調整装置(１)を備えており、前記圧力調整器(１０,２０)は、前記燃料供給システム内のガス状燃料の圧力を、燃料源側の入口圧力から、作業要素側の、調整された出口圧力に下げるよう構成されているガスエンジンにおいて、
前記ガス圧調整装置(１)が、流体的に互いに直列に取り付けられた２つの圧力調整器(１０,２０)を有しているために、これら２つの圧力調整器(１０,２０)の第１の圧力調整器(１０)の出口圧力値(ｐ１Ist)が、これら２つの圧力調整器(１０,２０)の第２圧力調整器(２０)の入口圧力値を形成するようになっていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項２】
前記第１圧力調整器(１０)が第１燃料入口(１１)および第１燃料出口(１２)を有し、前記第２圧力調整器(２０)が第２燃料入口(２１)および第２燃料出口(２２)を有し、前記第１燃料入口(１１)は前記燃料源(Ｑ)に流体接続されるものであり、前記第１燃料出口(１２)は前記第２燃料入口(２１)に流体接続されており、前記第２燃料出口(２２)は作業要素の燃料入口(ＡＥ)に流体接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン。
【請求項３】
さらに電気的制御装置(３０)を備えた請求項２に記載のガスエンジンであって、前記第１圧力調整器(１０)は、前記第１圧力調整器(１０)の燃料の第１設定圧力値(ｐ１Soll)を設定するための、電気的に制御可能な第１設定装置(１５)を有し、また、前記第２圧力調整器(２０)は、前記第２圧力調整器(２０)の燃料の第２設定圧力値(ｐ２Soll)を設定するための、電気的に制御可能な第２設定装置(２５)を有し、また、これら第１および第２設定装置(１５,２５)は前記制御装置(３０)に電気的に接続されているため、該第１および第２設定装置(１５,２５)は、それぞれの設定圧力値(ｐ１Soll,ｐ２Soll)を設定するために前記制御装置(３０)により電気的に制御可能であることを特徴とする請求項２に記載のガスエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載のガスエンジンであって、さらに第１圧力センサ(Ｓ１)、第２圧力センサ(Ｓ２)、第３圧力センサ(Ｓ３)を備え、これら圧力センサはそれぞれ、圧力値を測定して、対応する圧力信号を発生させるよう構成されており、また、それぞれが前記制御装置(３０)に信号接続されているため、これら圧力センサのそれぞれの圧力信号が前記制御装置(３０)に伝送可能である、請求項３に記載のガスエンジンにおいて、前記第１圧力センサ(Ｓ１)は前記第１燃料入口(１１)に取り付けられていて、前記第１圧力調整器(１０)の入口圧力値(ｐＥ)を測定するように構成されており、前記第２圧力センサ(Ｓ２)は前記第１燃料出口(１２)に取り付けられていて、前記第１圧力調整器(１０)の出口圧力値(ｐ１Ist)を測定するように構成されており、前記第３圧力センサ(Ｓ３)は前記第２燃料出口(２２)に取り付けられていて、前記第２圧力調整器(２０)の出口圧力値(ｐ２Ist)を測定するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン。
【請求項５】
前記第１および第２圧力調整器(１０,２０)が、流体側で同一の公称幅を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスエンジン。
【請求項６】
前記第１および第２圧力調整器(１０,２０)が、互いに異なる容量係数を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスエンジン。
【請求項７】
前記少なくとも一つの作業要素が、一つのピストン・シリンダ装置により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のおいて書きに記載のガスエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述の態様のガスエンジンは、たとえば非特許文献１により知られている。該文献に記載のガスエンジンは、ピストン・シリンダ装置の形で少なくとも一つの作業要素(同文献の図１２および図２０参照)、および、ただ一つの圧力制御装置を備えるガス圧制御装置またはガス圧制御系(同文献の図１５参照)を有する、たとえばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンから構成することができる。
【０００３】
ガスエンジンとは、たとえば天然ガス、バイオガス、処分場ガス、坑内爆発性ガス、水素などのガスを燃料として使用する内燃機関のことである。ガスエンジンは、たとえばコジェネレーションなどのための据置型で運転される設備内、または、船舶などの輸送手段における駆動装置として導入される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Dr. G. Herdin著(Institut fur Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der Technischen Universitat Graz(グラーツ工科大学内燃機関・熱力学研究所))、「Gasmotoren Grundlagen(ガスエンジンの基礎)」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ガス流量が僅かでも多くても、圧力的に最適な調整が可能であるガスエンジンを、従来技術より改善された方法で提供することであり、それにより、いかなる負荷状態においても、該ガスエンジンにとって最適なオペレーティング・ウィンドウが保証される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は、請求項１に記載のガスエンジンにより解決される。本発明の発展形は従属請求項により規定される。
【０００７】
本発明によるガスエンジンは、ガス状燃料の燃焼エネルギーを運動エネルギーに変換するよう設定された少なくとも一つの作業要素、および、該少なくとも一つの作業要素に、燃料源からガス状燃料を供給する燃料供給システムを備えており、該燃料供給システムは、圧力調整器を有するガス圧調整装置を備えており、また、該圧力調整器は、燃料供給システム内のガス状燃料の圧力を、燃料源側の入口圧力から、作業要素側の、調整された出口圧力に下げるように設定されている。本発明のガスエンジンにおいては、ガス圧調整装置が、流体的に互いに直列に連結された２つの圧力調整器を有しているため、該２つの圧力調整器の第１の圧力調整器の出口圧力値が、該２つの圧力調整器の第２の圧力調整器の入口圧力値を構成することを特徴としている。
【０００８】
換言すると、第１圧力調整器により第２圧力調整器の入口圧力が調整されるため、ガスエンジンにおいて上記一つまたは複数の作業要素のための２段階の入口圧力調整が行われる。望ましくはこれら２つの圧力調整器は一つの直接的なアクチュエータを有しており、これら圧力調整器の構成は互いに異なるものにすることができる。
【０００９】
その結果、本発明のガスエンジンにおいてはガス流量が僅かであっても多くても、圧力的に最適な調整が可能であるため、いかなる負荷状態においてもガスエンジンにとって最適のオペレーティング・ウィンドウを保証することができる。換言すると、本発明のガスエンジンは、従来技術と比較してパラメータ化可能性が改善され、さまざまな流量に最適に適合することができる。
【００１０】
本発明の一つの実施形態によると、第１圧力調整器は、第１の燃料入口および第１の燃料出口を有しており、第２圧力調整器は第２の燃料入口および第２の燃料出口を有しており、第１燃料入口は燃料源に流体接続されるものであり、第１燃料出口は第２燃料入口に流体接続されており、第２燃料出口は作業要素の燃料入口に流体接続されている。
【００１１】
本発明のさらなる一つの実施形態によると、ガスエンジンはさらに一つの電気的制御装置を有しており、第１圧力調整器は、第１圧力調整器における燃料の第１設定圧力値を設定するための、電気的に制御可能な第１設定装置を有しており、また、第２圧力調整器は、第２圧力調整器における燃料の第２設定圧力値を設定するための、電気的に制御可能な第２設定装置を有しており、また、該第１および第２の設定装置は上記制御装置に電気的に接続されているため、該第１および第２設定装置は、それぞれの設定圧力値を設定するために上記制御装置により電気的に制御可能である。
【００１２】
本発明において設けられている上記の電気的、望ましくは電子的な制御装置は、相応のハードウェア的および／またはソフトウェア的構成またはプログラムにより、非常にさまざまで非常に複雑な圧力制御の要求に、高度に可変に適合できるため、ガスエンジンのいかなる負荷状況においても上記２つの圧力調整器を介して最適なガス圧調整を行うことができる。２つの設定装置が、一つの同じ制御装置を介して制御されることにより、第１および第２の設定圧力値の特性曲線を常に最適に互いに調整することができる。
【００１３】
本発明のさらなる一つの実施形態によるガスエンジンはさらに第１圧力センサ、第２圧力センサ、第３圧力センサを有していて、これらはそれぞれが圧力値測定およびそれに対応する圧力信号発生を行うように設定されており、また、それぞれが上記制御装置に信号連結されているため、これら圧力センサのそれぞれの圧力信号が上記制御装置に伝送され、その際、第１圧力センサは第１燃料入口に配置されていて、第１圧力調整器の入口圧力値を測定するよう設定されており、第２圧力センサは第１燃料出口に配置されていて、第１圧力調整器の出口圧力値を測定するよう設定されており、第３圧力センサは第２燃料出口に配置されていて、第２圧力調整器の出口圧力値を測定するよう設定されている。
【００１４】
上記それぞれの圧力センサを用いて電気的または電子的に圧力を直接的に測定してフィードバックすることにより、上記制御装置は、それぞれの設定圧力値にとって最適の特性曲線を達成することができ、また、たとえば変化した負荷状態など、変化したガスエンジンの運転条件に迅速に対応することができる。
【００１５】
本発明のさらなる一つの実施例によると上記第１および第２圧力調整器は流体側で同じ公称幅を有する。本発明のさらなる一つの実施例によると上記第１および第２圧力調整器の容量係数またはＫＶ値は互いに異なる。
【００１６】
それにより好適に、本発明による構成のガス圧調整装置の圧力調整特性は、高度に可変な適応が可能となっている。
【００１７】
本発明の一つの実施例によると、上記少なくとも一つの作業要素は一つのピストン・シリンダ装置で構成されている。また代替的に、上記少なくとも一つの作業要素は、たとえば、燃焼室とタービン・ロータディスクとの組み合わせで構成することもできる。
【００１８】
本発明の発展形では、複数のピストン・シリンダ装置、または、たとえば、一つの燃焼室と複数のタービン・ロータディスクとの組み合わせを設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一つの実施例のガスエンジンのガス圧調整装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、望ましい実施例および付属の図面を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一つの実施例のガスエンジンの一部を示した図である(全体が図示されているものではない)。
【００２２】
本発明の実施例のガスエンジンはガソリンエンジンとして、特にＰＧＩ(Performance Gas Injection)ガスエンジンとして構成されている。
【００２３】
ガスエンジンは、複数のピストン・シリンダ装置(図示されず)の形で複数の作業要素を有しており、これら複数のピストン・シリンダ装置は、ガス状燃料の燃焼エネルギーを、該ガスエンジンのクランクシャフトで引き出し可能な運動エネルギーに変換するように設定されている。
【００２４】
ガスエンジンはさらに燃料供給システム(全体が図示されているものではない)を有しており、該燃料供給システムは、本明細書ではガスタンクとして構成されている燃料源Ｑ(記号でのみ表現)から、本明細書では、たとえば天然ガスまたはメタンなどであるガス状燃料を、上記複数の作業要素に供給するように設定されている。
【００２５】
燃料供給システムは、ガス圧調整装置１を有しており、ガス圧調整装置１は、流れの方向Ｓにおいて上流にある第１圧力調整器１０、および、流れの方向Ｓにおいて下流にあって第１圧力調整器１０に流体的に直列に接続されている第２圧力調整器２０を備えている。
【００２６】
第１圧力調整器１０および第２圧力調整器２０のそれぞれは、燃料供給装置内のガス状燃料の圧力を、燃料源側の入口圧力から、作業要素側の、調節された出口圧力に下げるよう設定されている。
【００２７】
ガスエンジンまたはガス圧調整装置１はさらに、電気的制御装置３０を有しており、該電気的制御装置３０は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアの形で、および／または、これらのうちの一つ、または、複数、または全てを組み合わせた形で実現することができる。
【００２８】
第１圧力調整器１０は、電気的に制御可能な第１設定装置１５を有しており、この第１設定装置１５を用いて、第１圧力調整器１０における燃料の第１の設定圧力値ｐ１Sollを設定することができる。
【００２９】
第２圧力調整器２０は、電気的に制御可能な第２設定装置２５を有しており、この第２設定装置２５を用いて、第２圧力調整器２０における燃料の第２の設定圧力値ｐ２Sollを設定することができる。
【００３０】
設定圧力値ｐ１Soll,ｐ２Sollのそれぞれの調整は、たとえばバネ予圧により得られた、それぞれの圧力調整器１０,２０の制御力(たとえば開力)を変更することにより行える。
【００３１】
図１に示したように、第１設定装置１５および第２設定装置２５は、電線３１〜３４を介して制御装置３０に電気的に接続されているため、第１および第２設定装置１５,２５はそれぞれの設定圧力値ｐ１Soll,ｐ２Sollを設定するために制御装置３０により電気的に制御可能である。
【００３２】
図１からわかるように制御装置３０はさらに、データと制御とを接続する一つのユニットＡ(図１では図式的にのみ表示)を有しており、このとき、制御装置３０から、第１設定装置１５の制御弁１６の制御ソレノイド１７へと向かう電線３２内に設けられたスイッチ３２ａは、制御装置３０の上記データ・制御・接続ユニットＡに電気的に接続されている。また、制御装置３０から、第２設定装置２５の制御弁２６の制御ソレノイド２７に向かう電線３４内に設けられたスイッチ３４ａも、制御装置３０の上記データ・制御・接続ユニットＡに電気的に接続されている。
【００３３】
第１圧力調整器１０には第１燃料入口１１および第１燃料出口１２が設けられている。第２圧力調整器２０には、第２燃料入口２１および第２燃料出口２２が設けられている。
【００３４】
図１からわかるように、第１燃料入口１１は、燃料源Ｑに流体接続されており、このとき第１燃料出口１２は燃料パイプ１３を介して第２燃料入口２１に流体接続されており、また、第２燃料出口２２は燃料パイプ２３を介して作業要素の燃料入口ＡＥ(記号のみ表示)に流体接続されている。このように第１および第２圧力調整器１０,２０が直列に接続されていることにより、圧力調整器１０の実際の圧力値または出口圧力Ｐ１Istが、第２圧力調整器２０の入口圧力値となる。
【００３５】
燃料源Ｑから第１圧力調整器１０の第１燃料入口１１へのガス供給路には、主遮断弁４０および燃料フィルタ５０が直列に配置されている。
【００３６】
図１において点線で表現されているように、本発明の実施例では主遮断弁４０は手動で、または、制御装置３０の上記データ・制御・接続ユニットＡとの電気的接続により、電気制御が可能である。
【００３７】
燃料フィルタ５０には、差圧センサＤ１が接続されており、該差圧センサＤ１は、燃料フィルタ５０を介して圧力降下Δｐを測定するように、また、差圧センサＤ１と制御装置３０のデータ・制御・接続ユニットＡとの電気的接続を介して圧力降下Δｐを電気信号として制御装置３０に伝達するように設定されている。
【００３８】
燃料フィルタ５０の出口または第１圧力調整器１０の第１燃料入口１１には、第１圧力センサＳ１および温度センサＴ１が接続されている。第１圧力調整器１０の第１燃料出口１２には第２圧力センサＳ２が接続されており、第２圧力調整器２０の第２燃料出口２２には第３圧力センサＳ３が接続されている。
【００３９】
上記第１、第２、第３圧力センサＳ１,Ｓ２,Ｓ３はそれぞれ、圧力値を測定するように、および、対応する圧力信号を生成するように設定されている。図１からわかるように、第１、第２、第３圧力センサＳ１,Ｓ２,Ｓ３のそれぞれは、上記制御装置３０のデータ・制御・接続ユニットＡに信号的に接続されているため、第１、第２、第３圧力センサＳ１,Ｓ２,Ｓ３のそれぞれの圧力信号は、制御装置３０に伝達可能である。燃料の流入温度ＴＥを測定するために設けられている温度センサＴ１は、対応する温度信号を伝達するために、やはり制御装置３０のデータ・制御・接続ユニットＡに信号的に接続されている。
【００４０】
ガスエンジン運転中に、第１圧力センサＳ１は、第１圧力調整器１０の第１燃料入口１１における燃料の入口圧力値ｐＥを測定し、第２圧力センサＳ２は、第１圧力調整器１０の第１燃料出口１２における燃料の出口圧力値ｐ１Istを測定し、第３圧力センサＳ３は、第２圧力調整器２０の第２燃料出口２２における燃料の実際の圧力値または出口圧力値ｐ２Istを測定する。
【００４１】
第１燃料入口１１における燃料の入口圧力値ｐＥ、第１燃料出口１２における燃料の出口圧力値ｐ１Ist、第２燃料出口２２における燃料の出口圧力値ｐ２Istは、ガスエンジン運転中に望ましくはリアルタイムで制御装置３０に伝達される。
【００４２】
本発明の一つの実施例によると、ガスエンジンの少なくとも一つの負荷状態を特徴づける、ガスエンジンの運転パラメータを測定するために、たとえば、ガスエンジンのクランクシャフトの回転数センサ、作業要素の燃料入口ＡＥの流量メータ、ガス操作センサなど、制御装置３０に信号接続される少なくとも一つのさらなるセンサ(図示されず)を設けることができる。
【００４３】
図１に図示されたガス圧調整装置１においてはさらに、圧力調整器１０は燃料パイプ排気弁１４を、圧力調整器２０は燃料パイプ排気弁２４を有しており、燃料パイプ排気弁１４は、第１燃料出口１２を第２燃料入口２１に接続する燃料パイプ１３に取り付けられ、燃料パイプ排気弁２４は、第２燃料出口２２を作業要素の燃料入口ＡＥに接続する燃料パイプ２３に取り付けられている。
【００４４】
本発明の一つの実施例によると第１および第２圧力調整器１０,２０の流体側の公称幅は同じであるが、容量係数またはＫＶ値は互いに異なる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ガス圧調整装置
１０  第１圧力調整器
１１  第１燃料入口
１２  第１燃料出口
１３  燃料パイプ
１４  燃料パイプ排気弁
１５  第１設定装置
１６  制御弁
１７  制御ソレノイド
２０  第２圧力調整器
２１  第２燃料入口
２２  第２燃料出口
２３  燃料パイプ
２４  燃料パイプ排気弁
２５  第２設定装置
２６  制御弁
２７  制御ソレノイド
３０  制御装置
３１  電線
３２  電線
３２ａ  スイッチ
３３  電線
３４  電線
３４ａ  スイッチ
Ａ  データ・制御・接続ユニット
４０  主遮断弁
５０  燃料フィルタ
Ｑ  燃料源
ＡＥ  作業要素の燃料入口
Ｔ１  温度センサ
Ｄ１  差圧センサ
Ｓ１  第１圧力センサ
Ｓ２  第２圧力センサ
Ｓ３  第３圧力センサ
ＴＥ  流入温度
ΔＰ  圧力降下
ｐＥ  入口圧力値
ｐ１Ist  出口圧力値
ｐ２Ist  出口圧力値
ｐ１Soll  第１設定圧力値
ｐ２Soll  第２設定圧力値
Ｓ  流れの方向
【図１】
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