(57)【要約】【課題】通常運転時の効率を低下させずに、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる舶用推進システムを提供する。【解決手段】舶用推進システムは、ピッチ変更機構を含む可変ピッチプロペラと、プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、ガスエンジンに設けられた、複数のシリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁と、プロペラのピッチ変更機構および複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、プロペラのピッチを小さくする。【選択図】図１
2017082655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ変更機構を含む可変ピッチプロペラと、
前記プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、
前記ガスエンジンに設けられた、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と、
前記プロペラのピッチ変更機構および前記複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、前記プロペラのピッチを小さくする、舶用推進システム。
【請求項２】
前記限界値は第１限界値であり、
前記制御装置は、前記ガスエンジンに供給される空気の温度および圧力ならびに前記ガスエンジンの実回転数に基づいて前記複数の燃料噴射弁の燃料噴射量第２限界値を決定し、前記第１限界値と前記第２限界値のうちの小さい方を採用する、請求項１に記載の舶用推進システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記複数の燃料噴射弁に対し、前記ガスエンジンの実回転数を目標回転数に調整するＰＩＤ制御を行うものであり、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、前記目標回転数を定格回転数を上限として大きくする、請求項１または２に記載の舶用推進システム。
【請求項４】
前記複数のシリンダ内の圧力をそれぞれ計測する複数の圧力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記複数のシリンダのそれぞれにおいて、前記圧力計の測定結果から１サイクルごとに失火が発生した否かを判定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の舶用推進システム。
【請求項５】
各燃料噴射弁の最大燃料噴射量に対する引き下げられた前記燃料噴射量限界値の割合は、シリンダの総数をＴ、連続失火が発生したシリンダの数をＭとしたとき、（Ｔ−Ｍ）／Ｔよりも１０％以上小さな値である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の舶用推進システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンを含む舶用推進システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原油資源量の問題や排ガス規制の問題などから、ガスエンジンを含む舶用推進システムが開発されつつある（例えば、特許文献１参照）。ガスエンジンには、過給機（ターボチャージャ）が搭載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７７９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスエンジンには、図５に示すように、空燃比（空気過剰率）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（Misfire）領域が存在する。従って、高負荷時の運転可能範囲は、ノッキング領域と失火領域の間の狭い範囲となる。
【０００５】
ところで、ガスエンジンでは、空燃比以外の理由でも、失火が発生することがある（例えば、点火プラグ損耗や点火コイル異常など）。このような場合には、失火が複数のサイクル間で連続して発生する。従って、ガスエンジンのいずれかのシリンダで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止することが望ましい（いわゆる、シリンダカット）。燃料ガスが燃焼されずに排出されることを防止するためである。
【０００６】
一方で、シリンダカットによるガスエンジンの出力の低下を抑制するためには、他のシリンダにおいて燃料ガスの噴射量を増大させることが望ましい。しかしながら、過給機の圧縮機から各シリンダに供給される空気量を増加させることができない場合に、燃料ガスの噴射量を増大させると、図５中に矢印Ｘで示すように運転点がノッキング領域内にシフトすることがある。しかも、連続失火が発生したシリンダでは燃料ガスが燃焼されないために、ガスエンジンから排出されて過給機のタービンに送られる排気エネルギーが減少する。このため、過給機の圧縮機からガスエンジンに供給される空気が少なくなる。従って、他のシリンダにおいては、燃料ガスの噴射量を増大させることができないだけでなく、逆に燃料ガスの噴射量を減少させる必要がある。このため、シリンダカット後には、ガスエンジンの出力が大きく落ち込むことがあり、運転継続を可能とするためには、過給機の仕様をシリンダカット時を考慮して決定する必要がある。例えば、過給機の圧縮機が通常運転時に必要な空気量よりも十分に多くの量の空気を吐出するように過給機の仕様を決定し、通常運転時は圧縮機から吐出される余分な空気を大気中に逃すことが考えられる。その場合、通常運転時の効率が低下する。
【０００７】
そこで、本発明は、通常運転時の効率を低下させずに、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる舶用推進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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の舶用推進システムは、ピッチ変更機構を含む可変ピッチプロペラと、前記プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、前記ガスエンジンに設けられた、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と、前記プロペラのピッチ変更機構および前記複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、前記プロペラのピッチを小さくする、ことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、高負荷時には、燃料ガスの噴射量が高い状態となっているために、燃料噴射量限界値の引き下げにより、燃料ガスの噴射量が減少される。これにより、ガスエンジンの回転数は一旦落ち込むものの、可変ピッチプロペラのピッチが小さくされるので、その分だけガスエンジンの回転数が上昇する。これにより、ガスエンジンから排出される単位時間あたりの排気エネルギーが増大するため、過給機の圧縮機からガスエンジンに供給される空気を増大させることが可能である。その結果、燃料ガスの噴射量を増大させることができる。従って、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる。しかも、過給機の仕様はシリンダカット時を考慮せずに決定することができるため、通常運転時の効率を低下させることがない。
【００１０】
前記限界値は第１限界値であり、前記制御装置は、前記ガスエンジンに供給される空気の温度および圧力ならびに前記ガスエンジンの実回転数に基づいて前記複数の燃料噴射弁の燃料噴射量第２限界値を決定し、前記第１限界値と前記第２限界値のうちの小さい方を採用してもよい。この構成によれば、運転点がノッキング領域にシフトすることを確実に防止することができる。
【００１１】
前記制御装置は、前記複数の燃料噴射弁に対し、前記ガスエンジンの実回転数を目標回転数に調整するＰＩＤ制御を行うものであり、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、前記目標回転数を定格回転数を上限として大きくしてもよい。この構成によれば、ガスエンジンの出力をさらに高く維持することができる。
【００１２】
例えば、上記の舶用推進システムは、前記複数のシリンダ内の圧力をそれぞれ計測する複数の圧力計をさらに備え、前記制御装置は、前記複数のシリンダのそれぞれにおいて、前記圧力計の測定結果から１サイクルごとに失火が発生した否かを判定してもよい。
【００１３】
各燃料噴射弁の最大燃料噴射量に対する引き下げられた前記燃料噴射量限界値の割合は、シリンダの総数をＴ、連続失火が発生したシリンダの数をＭとしたとき、（Ｔ−Ｍ）／Ｔよりも１０％以上小さな値であってもよい。この構成によれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、通常運転時の効率を低下させずに、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る舶用推進システムの概略構成図である。
【図２】ガスエンジンの回転数と出力との関係を示すグラフである。
【図３】空気量と燃料噴射量第２限界値との関係を示すグラフである。
【図４】燃料ガスの噴射量の経時的変化を示すグラフである。
【図５】ガスエンジンのリーンバーンでの運転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】
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る舶用推進システム１を示す。このシステム１は、可変ピッチプロペラ１５と、このプロペラ１５を回転駆動するガスエンジン２を含む。ガスエンジン２には、過給機１１が搭載されている（図１では、図面を分かり易くするために、それらを離間して作図）。
【００１７】
プロペラ１５は、当該プロペラ１５のピッチＰ（すなわち、各羽根の角度）を変更するピッチ変更機構１６を含む。本実施形態では、ガスエンジン２が減速機１４を介してプロペラ１５と連結されており、プロペラ１５を直接的に回転駆動する。ただし、図示は省略するが、プロペラ１５が減速機１４を介して電動機と連結されるとともに、ガスエンジン２が発電機と連結されており、ガスエンジン２が、発電機および電動機を介してプロペラ１５を間接的に回転駆動してもよい。
【００１８】
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。ただし、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。また、ガスエンジン２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。
【００１９】
具体的に、ガスエンジン２は、図略のクランク軸の軸方向に並ぶ複数のシリンダ２１を含む。シリンダ２１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）。
【００２０】
各シリンダ２１内には、ピストン（図示せず）が配置されている。４ストロークエンジンの場合、各シリンダ２１において、ピストン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７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）やピストンの位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器７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７からは、ガスエンジン２の実回転数Ｎも検出される。
【００２１】
シリンダ２１は、過給機１１の圧縮機１２およびタービン１３と給気路３および排気路４を介して接続されている。給気路３は、圧縮機１２から吐出される空気をシリンダ２１へ導き、排気路４は、シリンダ２１から排出される排気をタービン１３へ導く。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１２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２１とを接続する複数の支流路３３を含む。排気路４は、排気マニホールド４２と、シリンダ２１と排気マニホールド４２とを接続する複数の支流路４１と、排気マニホールド４２とタービン１３とを接続する主流路４３を含む。
【００２２】
さらに、給気路３１には、給気ブローオフ路１７が接続されており、この給気ブローオフ路１７には流量制御弁１８が設けられている。この流量制御弁１８を操作することによって、各シリンダ２１内へ導入される空気量を制御することができる。なお、図示は省略するが、排気路４３に排気ブローオフ路を接続し、この排気ブローオフ路に設けられた流量制御弁を操作することで、各シリンダ２１内へ導入される空気量を制御することも可能である。
【００２３】
ガスエンジン２には、シリンダ２１にそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁５が設けられている。各燃料噴射弁５は、対応するシリンダ２１に供給される空気中に燃料ガスを噴射する。
【００２４】
上述したプロペラ１５のピッチ変更機構１６および燃料噴射弁５は、例えば船速レバー（図示せず）の操作量に基づいて、制御装置６により制御される。図２に示すように、プロペラ１５のピッチＰが特定の値θ１のとき、ガスエンジン２の回転数と出力の関係は曲線Ｃ１を描く。各燃料噴射弁５から燃料ガスが最大噴射量Ｑｍで噴射されたとき、ガスエンジン２のトルクが１００％（出力が１００％）、回転数が最大回転数Ｎｍとなる。
【００２５】
制御装置６は、燃料噴射弁５に対し、ガスエンジン２の実回転数Ｎを目標回転数ＮＴに調整するＰＩＤ制御を行う。目標回転数ＮＴは、例えば船速レバーの操作量に応じて決定される。
【００２６】
各シリンダ２１には、当該シリンダ２１内の圧力を計測する圧力計８３が設けられている。制御装置６は、各シリンダ２１において、圧力計８３の測定結果から、１サイクルごとに失火が発生したか否かを判定する。例えば、制御装置６は、上死点の前後におけるシリンダ２１内の圧力の偏差を算出し、この偏差が閾値未満の場合に失火が発生したと判定する。
【００２７】
本実施形態では、上述した給気路３の主流路３１に温度計８１および圧力計８２が設けられている。温度計８１および各圧力計８２は、シリンダ２１に供給される空気の温度および圧力を計測する。温度計８１および各圧力計８２で計測された温度および圧力は、制御装置６に入力される。
【００２８】
各燃料噴射弁５には、上述した最大噴射量Ｑｍおよび失火が連続して発生したシリンダ２１の数に応じた燃料噴射量第１限界値Ｌ１と、各シリンダ２１に供給される空気量に応じた燃料噴射量第２限界値Ｌ２が定められる。制御装置６は、第１限界値Ｌ１と第２限界値Ｌ２のうちの小さい方を採用する。
【００２９】
本実施形態では、通常時（非シリンダカット時：失火が連続して発生したシリンダ２１の数がゼロのとき）の第１限界値Ｌ１は、過出力を防止できるような最大噴射量Ｑｍよりも大きな値α１に設定されている。例えば、制御装置６には、エンジン回転数に応じて限界値Ｌ１が定められたマップが予め格納される。ただし、通常時の第１限界値Ｌ１は最大噴射量Ｑｍと等しくてもよい。
【００３０】
シリンダカット時（失火が連続して発生したシリンダ２１の数が１以上のとき）の第１限界値Ｌ１は、値α１よりも十分に小さな値α２に設定されている。例えば、最大噴射量Ｑｍに対するα２の割合（α２／Ｑｍ）は、シリンダ２１の総数をＴ、連続失火が発生したシリンダ２１の数をＭとしたとき、（Ｔ−Ｍ）／Ｔよりも１０％以上小さな値である。α２／Ｑｍを（Ｔ−Ｍ）／Ｔと近い値とするとノッキングが起きやすくなるが、α２／Ｑｍを（Ｔ−Ｍ）／Ｔよりも１０％以上小さな値とするとノッキングを効果的に抑制できることが実験により確認された。例えば、Ｔ＝６、Ｍ＝１のとき、（Ｔ−Ｍ）／Ｔは約８３％であるが、α２／Ｑｍは約６０％である。
【００３１】
第２限界値Ｌ２の根拠となる各シリンダ２１に供給される空気量は、ガスエンジン２に供給される空気の温度および圧力ならびにガスエンジン２の実回転数Ｎから求められる。従って、制御装置６は、温度計８１および圧力計８２で計測される温度および圧力ならびに位相角検出器７で検出される実回転数Ｎに基づいて燃料噴射弁５の第２限界値Ｌ２を決定する。
【００３２】
制御装置６は、シリンダ２１のいずれかで失火が複数のサイクル（例えば、４サイクル）間で連続して発生した場合には、そのシリンダ２１に対応する燃料噴射弁５からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁５の燃料噴射量第１限界値Ｌ１を引き下げる。
【００３３】
例えば、失火が連続して発生する前は、運転状態が図２中の点Ａで示すような高負荷時であり、各燃料噴射弁５から噴射量Ｑｃで燃料ガスが噴射されていると仮定する。このとき、図４に示すように、第１限界値Ｌ１は最大噴射量Ｑｍよりも大きなα１である。制御装置６は、シリンダ２１のいずれかで失火が連続して発生したときに、第１限界値Ｌ１をα１からα２に引き下げる。
【００３４】
高負荷時には、燃料ガスの噴射量が高い状態となっているために、図４に示すように、第１限界値Ｌ１の引き下げにより、燃料ガスの噴射量が減少される。これにより、図２に示すように、運転状態が曲線Ｃ１に沿って点Ａから点Ｂに推移し、ガスエンジン２の回転数が一旦落ち込む。また、失火が連続して発生した場合には、ガスエンジン２から排出される排気エネルギーが減少し、シリンダ２１に供給される空気量が減少する。その結果、図４に示すように、燃料ガスの噴射量は、第２限界値Ｌ２により規制されて、第１限界値Ｌ１よりも大幅に少なくなる。
【００３５】
これに対し、制御装置６は、失火が連続して発生したときには、プロペラ１５のピッチＰを小さくする（θ１→θ２）。例えば、θ２は、θ１の６０〜８０％である。これにより、運転状態は、図２に示すように、曲線Ｃ１よりも下の曲線Ｃ２上の点Ｃにシフトし、プロペラ１５のピッチＰが小さくされた分だけガスエンジン２の回転数が上昇する。これにより、ガスエンジン２から排出される単位時間あたりの排気エネルギーが増大するため、過給機１１の圧縮機１２からガスエンジン２に供給される空気を増大させることが可能である。その結果、図４に示すように、燃料ガスの噴射量を増大させることができ、第１限界値Ｌ１（α２）に近づけることができる。その後は、第１限界値Ｌ１（α２）により定まるトルク線に沿って、運転状態が点Ｄまで推移し、実回転数Ｎが目標回転数ＮＴとなる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の舶用推進システム１では、図２中に点Ｄで示すように、シリンダカット後にガスエンジン２の出力をできるだけ高く維持することができる。しかも、過給機１１の仕様はシリンダカット時を考慮せずに決定することができるため、通常運転時の効率を低下させることがない。
【００３７】
ところで、シリンダ２１のいずれかで失火が連続して発生した場合に、第１限界値Ｌ１が瞬時に引き下げられずに、第２限界値Ｌ２のみに基づいて制御が行われると、シリンダ２１へ供給される空気量の低下の検知はタイムラグによって遅れるので、ノッキングが発生してしまう。これに対し、本実施形態では、第１限界値Ｌ１が瞬時に引き下げられるので、ノッキングを防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、第１限界値Ｌ１と第２限界値Ｌ２の小さい方が採用されるので、運転点がノッキング領域にシフトすることを確実に防止することができる。
【００３９】
ところで、制御装置６は、シリンダ２１のいずれかで失火が連続して発生した場合には、目標回転数ＮＴを定格回転数を上限として大きくすることが望ましい。この構成によれば、ガスエンジン２の出力をさらに高く維持することができる。
【００４０】
（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。
【符号の説明】
【００４１】
１    舶用推進システム
１５  可変ピッチプロペラ
１６  ピッチ変更機構
２    ガスエンジン
２１  シリンダ
５    燃料噴射弁
６    制御装置
８２，８３  圧力計
【図１】
2017082655.tif 000003
【図２】
2017082655.tif 000004
【図３】
2017082655.tif 000005
【図４】
2017082655.tif 000006
【図５】
2017082655.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月2日(2016.9.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ変更機構を含む可変ピッチプロペラと、
前記プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、
前記ガスエンジンに設けられた、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と、
前記プロペラのピッチ変更機構および前記複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、前記プロペラのピッチを小さくする、舶用推進システム。
【請求項２】
前記制御装置は、失火が連続して発生したシリンダの数に応じて前記燃料噴射量限界値である燃料噴射量第１限界値を決定するとともに、前記ガスエンジンに供給される空気の温度および圧力ならびに前記ガスエンジンの実回転数に基づいて前記複数の燃料噴射弁の燃料噴射量第２限界値を決定し、前記第１限界値と前記第２限界値のうちの小さい方を採用する、請求項１に記載の舶用推進システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記複数の燃料噴射弁に対し、前記ガスエンジンの実回転数を目標回転数に調整するＰＩＤ制御を行うものであり、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、前記目標回転数を定格回転数を上限として大きくする、請求項１または２に記載の舶用推進システム。
【請求項４】
前記複数のシリンダ内の圧力をそれぞれ計測する複数の圧力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記複数のシリンダのそれぞれにおいて、前記圧力計の測定結果から１サイクルごとに失火が発生した否かを判定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の舶用推進システム。
【請求項５】
各燃料噴射弁の最大燃料噴射量に対する引き下げられた前記燃料噴射量限界値の割合は、シリンダの総数をＴ、連続失火が発生したシリンダの数をＭとしたとき、（Ｔ−Ｍ）／Ｔよりも１０％以上小さな値である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の舶用推進システム。