(57)【要約】【課題】高圧噴射拡散燃焼方式と予混合希薄燃焼方式を任意に選択して運転できるガスエンジンを提供する。【解決手段】ガスエンジン１に、主燃料ガス噴射ノズル１０、補助燃料噴射ノズル１１及びＥＣＵ１３を備える。ＥＣＵ１３は、ピストン４が上昇行程にある間に、主燃料ガスを燃焼室５内に噴射させ、ピストン４が上死点の近傍に達したら、主燃料ガスの噴射を停止させるとともに、補助燃料を燃焼室５内に噴射させて、燃焼室５内で自己着火させる予混合希薄燃焼モードと、ピストン４が上昇行程にあって、ピストンが上死点の近傍に達したら、主燃料ガスの燃焼室５内への噴射を開始させるとともに、補助燃料を燃焼室５内に噴射させて、燃焼室５内で自己着火させる高圧噴射拡散燃焼モードの、いずれかのモードを選択して、主燃料ガス噴射ノズル１０及び補助燃料噴射ノズル１１を動作させる。【選択図】図１
2017096134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内に摺動自在に取り付けられて前記シリンダ内で往復動作するとともに、前記シリンダ内に燃焼室を画成するピストンと、
コネクティングロッドを介して前記ピストンに連結されて、前記ピストンの前記シリンダ内での往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、
前記燃焼室内に主燃料ガスを噴射するガス噴射手段と、
前記燃焼室内に補助燃料を噴射して、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる点火手段と、
前記クランク軸の回転角度に応じて前記ガス噴射手段と前記点火手段を動作させる燃料噴射タイミング制御手段とを備え、
前記燃料噴射タイミング制御手段は、
前記ピストンが上昇行程にある間に、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスを前記燃焼室内に噴射させ、前記ピストンが上死点の近傍に達したら、前記主燃料ガスの噴射を停止させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる予混合希薄燃焼モードと、  
前記ピストンが上昇行程にあって、前記ピストンが上死点の近傍に達したら、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスの前記燃焼室内への噴射を開始させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる高圧噴射拡散燃焼モードの、
いずれかのモードを選択して、前記ガス噴射手段及び前記点火手段を動作させる
ガスエンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、
前記予混合希薄燃焼モードにおいては、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１００°から上死点の手前１０°の範囲にある間に、前記主燃料ガスを前記燃焼室内に噴射させ、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１０°に到達した時に、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させ、
前記高圧噴射拡散燃焼モードにおいては、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１０°に到達した時に、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスの前記燃焼室内への噴射を開始させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる
請求項１に記載のガスエンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、
低出力運転時には、前記予混合希薄燃焼モードを選択し、高出力運転時には、前記高圧噴射拡散燃焼モードを選択する
請求項１又は請求項２に記載のガスエンジン。
【請求項４】
前記低出力運転は、最大出力の７５％未満の出力がされる状態であり、
前記高出力運転は、最大出力の７５％を超える出力がされる状態である
請求項３に記載のガスエンジン。
【請求項５】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、
前記主燃料ガスのメタン価をＭＮで表示する場合に、
最大出力の（ＭＮ＋５）％未満の出力がされる時に、前記予混合希薄燃焼モードを選択し、
最大出力の（ＭＮ＋５）％を超える出力がされる時に、前記高圧噴射拡散燃焼モードを選択する
請求項１又は請求項２に記載のガスエンジン。
【請求項６】
前記ガスエンジンは２ストローク機関である
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のガスエンジン。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のガスエンジンを推進機関として備える船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液化天然ガスを主燃料とするガスエンジン、及び該ガスエンジンを主推進機関として備える船舶に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の船舶の推進機関、特に商船の推進機関は、重油を主燃料とするディーゼル機関が一般的であった。重油は軽油に比べて安価なので、往復動蒸気機関や蒸気タービン機関の時代から舶用機関の燃料として多用されてきた。しかしながら、重油の燃焼によって生じる排ガスには、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の大気汚染物質が含まれているので、近年は、重油の船舶用燃料としての使用が規制されるようになった。また、重油の使用規制は、近い将来において、更に強化されることが予定されている。
【０００３】
一方、重油に代わる船舶の推進機関の燃料として、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas)が注目されている。天然ガスも硫黄分を含有するが、天然ガス中の硫黄分は、液化の過程で除去されるので、ＬＮＧは硫黄分を含有しない。そのため、ＬＮＧの燃焼によってＳＯｘは生成されない。また、ＬＮＧは発生熱量に対する二酸化炭素の発生量が少ない。このように、ＬＮＧは船舶の推進機関の燃料として望ましい性質を備えている。ＬＮＧを燃料とするガスエンジンを推進機関とする船舶に関係する発明も、すでに多数、特許出願されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００４】
ＬＮＧを燃料とするガスエンジンの基本的な動作原理は、重油を燃料とする一般的なディーゼルエンジンと共通する。ガスエンジンにおいても、シリンダ内に取り入れた空気を断熱圧縮して昇温させ、その後でシリンダ内にＬＮＧを噴射して、着火燃焼させている。しかしながら、ＬＮＧは重油に比べて着火性が低いので、ガスエンジンにおいては、着火遅れとそれに起因するノッキングが生じやすいと言う問題がある。その対策として、上死点付近で、ＬＮＧをシリンダ内に噴射するのと同時に、例えばプロパンやブタンのような着火性の高い補助燃料をシリンダ内に噴射して、補助燃料を自己着火させて、それを種火にして、ＬＮＧに点火することが行われている（例えば、特許文献３）。このような燃焼方式は高圧噴射拡散燃焼方式、あるいは単に拡散燃焼方式と呼ばれる。
【０００５】
高圧噴射拡散燃焼方式においては、着火性の高い補助燃料の燃焼炎を種火とするので、着火遅れの発生は抑制される。しかしながら、ＬＮＧがシリンダ内の空気に対して十分に希釈混合される前にＬＮＧに着火されるので、ＬＮＧをシリンダ内で均一に燃焼させるのが難しいという問題がある。均一な燃焼がされないと、高温の燃焼領域において窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生するという問題が生じる。ＮＯｘも排出が規制される大気汚染物質である。
【０００６】
この問題を解決するガスエンジンの燃焼方式として、予混合希薄燃焼方式あるいはリーンバーン方式が知られている。予混合希薄燃焼方式は、ピストンが上死点に達する前に、シリンダ内にＬＮＧを噴射して、シリンダ内に希薄な混合気体を生成することを特徴としている。上死点付近でシリンダ内に噴射される補助燃料の自己着火によって混合気に点火されることは、高圧噴射拡散燃焼方式と共通する。例えば、特許文献４に記載のガスエンジンは、クランク軸が上死点の１００°手前から１０°手前まで回転する間にＬＮＧをシリンダ内に噴射して、ＬＮＧをシリンダ内に拡散させている。ピストンが上死点近傍に到達した時に補助燃料をシリンダ内に噴射している。予混合希薄燃焼方式では、シリンダ内のＬＮＧは、着火前にシリンダ内で希釈混合されているから、均一な燃焼が実現され、その結果、ＮＯｘの発生が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２３７７６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１８８５８号公報
【特許文献３】特開２００５−１７１９７５号公報
【特許文献４】特開２０１３−２１７３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
予混合希薄燃焼方式を採用すれば、均一な燃焼が実現され、その結果、ＮＯｘの発生が抑制される。しかしながら、高出力運転時には濃度の高い混合気が生成されるので、ピストンが上死点に到達する前に、混合気が自己着火することがある。つまり過早着火が発生することがある。過早着火もノッキングの原因となる。したがって、高出力運転時には、高圧噴射拡散燃焼方式を選択することがむしろ望ましい。
【０００９】
また、予混合希薄燃焼方式のガスエンジンにおいて、過早着火の発生確率が急激に変化する出力は、ＬＮＧの性状や品質によって変動する。つまり、同一のガスエンジンを同一の出力で運転しても、ＬＮＧの性状や品質によっては、過早着火が生じる場合と過早着火が生じない場合がある。
【００１０】
ＬＮＧの性状や品質は、原料である天然ガスの採取地によって異なる。寄港地において、船舶に供給されるＬＮＧの採取地は、寄港地によって異なるのが普通である。そのため、全ての寄港地において、常に同一の性状や品質を備えるＬＮＧを入手することは事実上不可能である。
【００１１】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、高圧噴射拡散燃焼方式と予混合希薄燃焼方式を任意に選択して運転できるガスエンジンを提供することを目的とする。また、全ての出力範囲で硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出を防止するとともに、比較的低出力での運転において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制できるガスエンジンを提供することを目的とする。また、硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出規制に抵触しない船舶であって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が小さい船舶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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスエンジンは、シリンダと、前記シリンダ内に摺動自在に取り付けられて前記シリンダ内で往復動作するとともに、前記シリンダ内に燃焼室を画成するピストンと、コネクティングロッドを介して前記ピストンに連結されて、前記ピストンの前記シリンダ内での往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、前記燃焼室内に主燃料ガスを噴射するガス噴射手段と、前記燃焼室内に補助燃料を噴射して、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる点火手段と、前記クランク軸の回転角度に応じて前記ガス噴射手段と前記点火手段を動作させる燃料噴射タイミング制御手段とを備え、前記燃料噴射タイミング制御手段は、前記ピストンが上昇行程にある間に、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスを前記燃焼室内に噴射させ、前記ピストンが上死点の近傍に達したら、前記主燃料ガスの噴射を停止させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる予混合希薄燃焼モードと、前記ピストンが上昇行程にあって、前記ピストンが上死点の近傍に達したら、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスの前記燃焼室内への噴射を開始させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させる高圧噴射拡散燃焼モードの、いずれかのモードを選択して、前記ガス噴射手段及び前記点火手段を動作させるものである。
【００１３】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、前記予混合希薄燃焼モードにおいては、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１００°から上死点の手前１０°の範囲にある間に、前記主燃料ガスを前記燃焼室内に噴射させ、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１０°に到達した時に、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させ、前記高圧噴射拡散燃焼モードにおいては、前記クランク軸の回転角度が前記ピストンの上死点の手前１０°に到達した時に、前記ガス噴射手段を動作させて、前記主燃料ガスの前記燃焼室内への噴射を開始させるとともに、前記点火手段を動作させて、前記補助燃料を前記燃焼室内に噴射させて、前記補助燃料を前記燃焼室内で自己着火させるものであっても良い。
【００１４】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、低出力運転時には、前記予混合希薄燃焼モードを選択し、高出力運転時には、前記高圧噴射拡散燃焼モードを選択するようにしても良い。前記低出力運転は、最大出力の７５％未満の出力がされる状態であり、前記高出力運転は、最大出力の７５％を超える出力がされる状態であるようにしても良い。
【００１５】
前記燃料噴射タイミング制御手段は、前記主燃料ガスのメタン価をＭＮで表示する場合に、最大出力の（ＭＮ＋５）％未満の出力がされる時に、前記予混合希薄燃焼モードを選択し、最大出力の（ＭＮ＋５）％を超える出力がされる時に、前記高圧噴射拡散燃焼モードを選択するようにしても良い。
【００１６】
前記ガスエンジンは２ストローク機関であっても良い。
【００１７】
本発明に係る船舶は、上記のいずれかのガスエンジンを推進機関として備える船舶である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガスエンジンにおいて、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを任意に選択して運転できるので、窒素酸化物の排出量の最小化と安定的な運転を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るガスエンジンの概念的な断面図である。
【図２】図１に示したガスエンジンの動作の説明図であって、（ａ）〜（ｄ）は、予混合希薄燃焼モードを選択した場合の燃料噴射スケジュールを時系列に示す。
【図３】図１に示したガスエンジンの動作の説明図であって、（ａ）〜（ｂ）は、高圧噴射拡散燃焼モードを選択した場合の燃料噴射スケジュールを時系列に示す。
【図４】燃焼モード切替えプログラムによる処理を示すフローチャートである。
【図５】ＬＮＧのメタン価とガスエンジンを予混合希薄燃焼モードで運転できる出力率の範囲の関係を示す図表である。
【図６】図１に示したガスエンジンを、推進機関として備える船舶の概念的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明に係るガスエンジンと船舶の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。
【００２１】
図１は、この発明の実施形態に係るガスエンジン１の概念的な断面図である。図１に示すように、ガスエンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２の上端側に結合されたシリンダヘッド３と、シリンダ２の内部に収容されたピストン４とを備えている。ピストン４はシリンダ２に対して、図１において上下方向に往復動作する。そして、シリンダヘッド３とピストン４の間に燃焼室５が形成されている。また、ピストン４にはピストンリング６が取り付けられている。ピストンリング６はシリンダ２の内面に密着して、燃焼室５からのガスの漏洩を防ぐ封止部材である。
【００２２】
また、シリンダ２の下部の周壁には掃気ポート７が開口している。ピストン４が下死点近傍に位置する時に、掃気ポート７から燃焼室５に空気が供給される。また、シリンダヘッド３の頂部には排気ポート８が開口している。排気ポート８には、排気ポート８を開閉する排気バルブ９が設けられている。排気バルブ９は、図示しないカムとカムフォロアによって操作されて、ピストン４が下死点近傍に位置する時に、排気ポート８を開放する。
【００２３】
シリンダヘッド３には、燃焼室５に主燃料ガスを噴射する主燃料ガス噴射ノズル１０と、燃焼室５に補助燃料を噴射する補助燃料噴射ノズル１１（補助燃料噴射手段）が設けられている。なお、主燃料ガス噴射ノズル１０は、本発明のガス噴射手段の例示である。また、後述するように、燃焼室５内に補助燃料が噴射される時、燃焼室５内の気体は断熱圧縮されて高温になっているので、燃焼室５内に噴射された補助燃料は、燃焼室５内で自己着火する。このように、補助燃料噴射ノズル１１は本発明の点火手段として機能する。
【００２４】
主燃料ガス噴射ノズル１０と補助燃料噴射ノズル１１は、ケーブル１２を介してエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３に接続されている。またＥＣＵ１３はケーブル１４を介してクランク軸１５の回転角を検出するクランク軸角度センサ１６に接続されている。なお、クランク軸１５はコネクティングロッド１７を介してピストン４に連結されている。また、ピストン４のシリンダ２に対する上下方向の往復運動は、クランク軸１５とコネクティングロッド１７によって、クランク軸１５を回転運動に変換される。
【００２５】
ＥＣＵ１３はクランク軸角度センサ１６からクランク軸１５の回転角を示す信号を受信することで、ピストン４の位置を検知する。そして、主燃料ガス噴射ノズル１０と補助燃料噴射ノズル１１は、ＥＣＵ１３から送信される信号に従って、燃焼室５に主燃料ガスと補助燃料を噴射する。なお、主燃料ガスと補助燃料は図示しない主燃料ガスタンクと補助燃料タンクから供給される。
【００２６】
ＥＣＵ１３は、コンピュータを備える制御装置である。ＥＣＵ１３はコンピュータに事前にインストールされたプログラムと、クランク軸角度センサ１６から入力されるクランク軸の回転角に応じて、主燃料ガス噴射ノズル１０と補助燃料噴射ノズル１１を制御する。また、ＥＣＵ１３は、制御盤１８に制御されて、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを選択実行する。操縦者は制御盤１８を介して操作入力を行う。つまり、操縦者は、制御盤１８を介して、ガスエンジン１に対して、出力や回転数を指令する。
【００２７】
なお、本明細書では、シリンダ２内で上下動するピストン４の位置をクランク軸１５の回転角度で表示する。また、クランク軸１５の角度は、ピストン４が上死点にある時を基準に表示する。例えば、上死点の手前１００°とは、クランク軸１５があと１００°回転すると、ピストン４が上死点に到達する位置に、ピストン４があることを示す。
【００２８】
（予混合希薄燃焼モード）
予混合希薄燃焼モードが選択された場合、ＥＣＵ１３は、次のようなタイミングで主燃料ガス噴射ノズル１０と補助燃料噴射ノズル１１を開閉する。すなわち、図１に示すようにピストン４が下死点に有る状態からクランク軸１５が時計回りに回って、図２（ａ）に示すようにピストン４が上死点の１００°手前の位置に来たら、ＥＣＵ１３は主燃料ガス噴射ノズル１０を開く、その結果、主燃料である天然ガス（ＬＮＧ）燃料の燃焼室５への噴射が開始される。そして、図２（ｂ）に示すようにピストン４が、上死点の１０°手前の位置に来たら、ＥＣＵ１３は主燃料ガス噴射ノズル１０を閉じて、天然ガス（ＬＮＧ）燃料の噴射を停止する。つまり天然ガス（ＬＮＧ）燃料の噴射はピストン４が上死点の１００°手前に来たタイミングで開始され、ピストン４が上死点の１０°手前に来たタイミングで停止される。
【００２９】
このように、予混合希薄燃焼モードが選択された場合、天然ガス（ＬＮＧ）燃料はクランク軸１５が上死点に到達する前に、燃焼室５に噴射されるので、天然ガス（ＬＮＧ）燃料はクランク軸１５が上死点に到達する前に、燃焼室５内で混合される。その結果、燃焼室５内には均一で希薄な混合気が生成される。
【００３０】
ピストン４が上死点の１０°手前に来て、主燃料ガス噴射ノズル１０を閉じたら、それと同時に、ＥＣＵ１３は補助燃料噴射ノズル１１を開く。つまり、図２（ｃ）に示すように、補助燃料である重油の燃焼室５への噴射を開始する。この時、ピストン４は上死点近くにあるから、燃焼室５内の混合気は断熱圧縮されて高温になっていている。そのため、燃焼室５内に噴射された重油は、すぐに自己着火する。重油が自己着火したら、重油の燃焼炎を種火にして、先に燃焼室５内に生成された天然ガス（ＬＮＧ）燃料を含む混合気が着火する。つまり主燃料の燃焼が始まる。そして、図２（ｄ）に示すように、ピストン４が上死点の４°手前の位置に来たら、ＥＣＵ１３は、補助燃料噴射ノズル１１を閉鎖する。つまり、補助燃料である重油の噴射を停止する。その後も、主燃料の燃焼は続き、混合気の膨張が始まる。混合気が膨張すると、ピストン４は下死点に下がる。ピストン４は下死点に下がると、掃気ポート７と排気ポート８が開き、掃気と排気がされる。なお、補助燃料である重油は、使用量が少ないので、ガスエンジン１における硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量（総量）に与える影響は小さい。
【００３１】
（高圧噴射拡散燃焼モード）
高圧噴射拡散燃焼モードが選択された場合、ＥＣＵ１３は、次のようなタイミングで主燃料ガス噴射ノズル１０と補助燃料噴射ノズル１１を開閉する。すなわち、図１に示すようなピストン４が下死点に有る状態からクランク軸１５が時計回りに回って、図３（ａ）に示すようにピストン４が上死点の１０°手前の位置に来たら、ＥＣＵ１３は補助燃料噴射ノズル１１を開放する。つまり、補助燃料である重油の燃焼室５への噴射を開始する。燃焼室５内の混合気は圧縮されて高温になっているので、燃焼室５内に噴射された重油は、すぐに自己着火する。そして、クランク軸１５がさらに時計回りに回転して、ピストン４が上死点の７°手前の位置に来たら、ＥＣＵ１３は主燃料ガス噴射ノズル１０を開放する。つまり、主燃料である天然ガス（ＬＮＧ）燃料の燃焼室５への噴射を開始する。燃焼室５内に噴射された天然ガス（ＬＮＧ）燃料は、先に噴射されて自己着火した重油の燃焼炎を種火にして着火する。そして、ピストン４が上死点の４°手前の位置に来たら、その後、ＥＣＵ１３は、補助燃料噴射ノズル１１を閉鎖する。つまり、補助燃料である重油の燃焼室５への噴射を停止する。主燃料である天然ガス（ＬＮＧ）燃料の噴射はその後も続けられ、図３（ｂ）に示すように、ピストン４が上死点を超えて、クランク軸１５が更に２０°回転したら、ＥＣＵ１３は、主燃料ガス噴射ノズル１０を閉鎖する。つまり、主燃料である天然ガス（ＬＮＧ）燃料の噴射を停止する。
【００３２】
このように、天然ガス（ＬＮＧ）燃料が燃焼すると混合気が膨張する。混合気が膨張すると、ピストン４は下死点に下がる。ピストン４は下死点に下がると、掃気ポート７と排気ポート８が開き、掃気と排気がされる。
【００３３】
（燃焼モードの切り替え）
制御盤１８には、図４に示すような燃焼モード切り替えプログラムがインストールされている。燃焼モード切り替えプログラムは、操縦者が制御盤１８を操作して、ガスエンジン１の出力を増減する度に実行される。操縦者が低出力運転を要求した場合には（Ｓ１，Ｙｅｓ）は、制御盤１８はＥＣＵ１３に対して、予混合希薄燃焼モードでの運転を指令する（Ｓ２）。操縦者が高出力運転を要求した場合には（Ｓ１，Ｎｏ）は、制御盤１８はＥＣＵ１３に対して、高圧噴射拡散燃焼モードでの運転を指令する（Ｓ３）。
【００３４】
低出力運転と高出力運転の区分は、任意に設定できる。例えば、予混合希薄燃焼方式による運転中に、異常燃焼の発生確率が急激に増大する出力レベルを、計算又は実験によって求め、その出力レベルを閾値にして、低出力運転と高出力運転を区分する。例えば、ガスエンジン１において最大出力の７５％を超えると異常燃焼の発生確率が急激に増大する場合には、最大出力の７５％未満の出力がされる状態を、低出力運転として、予混合希薄燃焼方式が選択されるようにする。そして、最大出力の７５％を超える出力がされる状態を、高出力運転として、高圧噴射拡散燃焼モードが選択されるようにする。
【００３５】
予混合希薄燃焼モードにおいて過早着火が発生する出力レベル、つまり予混合希薄燃焼モードでの運転が可能な出力レベルの限界は、主燃料である天然ガス（ＬＮＧ）燃料の品質によって変動する。特に天然ガス（ＬＮＧ）燃料のメタン価によって変動する。メタン価が低いと着火性が高いので、過早着火が発生しやすい。一方、メタン価が高いと着火性が低いので、過早着火は発生しにくい。例えば、「低圧ガス噴射式２ストローク・ガスエンジンの研究開発」（株式会社ディーゼルユナイテッド  技術部開発グループ、環境セミナー[天然ガス燃料船特集]、一般財団法人日本海事協会、２０１４年９月）によると、次のように説明されている。すなわち、図５に示すような、横軸に天然ガス（ＬＮＧ）燃料のメタン価ＭＮを、縦軸に出力率Ｐ（＝エンジン出力／エンジン最大出力（％））に取った図の、式Ｐ＝ＭＮ＋１０で表される直線Ａの右下の領域においては、予混合希薄燃焼モードで運転しても、ノッキングが生じないとされている。
【００３６】
図５において、線Ｂは式Ｐ＝ＭＮ＋５で表される直線であり、直線Ａを図５の右下方向にシフトした線である。この線Ｂを予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを切り替える境界線とするようにしても良い。つまり、燃焼モード切り替えプログラムを、図５において、ハッチングを施した領域では予混合希薄燃焼モードを選択し、それ以外の領域では高圧噴射拡散燃焼モードを選択するように、プログラムしても良い。
【００３７】
このように、燃焼モード切り替えプログラムにおいて、低出力運転と高出力運転を切り分ける閾値を、機関の出力と天然ガス（ＬＮＧ）燃料のメタン価ＭＮに応じて、変更すれば、ＬＮＧ燃料のメタン価ＭＮが変動しても、最適な燃焼モードを自動的に選択できる。また、直線Ｂは、直線Ａに対して安全側にマージンがあるので、上記の燃焼モード切り替えプログラムによれば、より安定した運転がなされる。
【００３８】
（ガスエンジンを推進機関として備える船舶）
ガスエンジン１は、主として舶用機関として使用される。例えば、ガスエンジン１は、図６に示すように、船舶１９に搭載されて、船舶１９のプロペラ２０を回転駆動する。ガスエンジン１を船舶１９の推進機関として使用する場合、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードの切り替えを、船舶１９の航行水域に応じて行うようにしても良い。例えば、船舶１９がＮＯｘの排出制限が厳しい陸岸近くを航行している場合には、予混合希薄燃焼モードを選択し、船舶１９が、ＮＯｘの排出制限が緩やかな水域を航行している場合には、高圧噴射拡散燃焼モードを選択するようにしても良い。
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果が生じる。第１に、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを任意に選択して、ガスエンジンを運転できるので、ＳＯｘの発生を防止し、ＮＯｘの発生を抑制し、かつ異常燃焼の発生を抑制できる。第２に、エンジン出力に応じて、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを自動的に選択できるようにすれば、ＮＯｘの発生量を最小化することができる。第３に、主燃料ガスのメタン価（ＭＮ）とエンジン出力に応じて、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを自動的に選択できるようにすれば、主燃料ガスの異常燃焼に起因する不具合の発生を最小化できる。第４に、本発明に係る船舶は、ＳＯｘの発生がなく、ＮＯｘの発生が最小化されるので、ＳＯｘあるいはＮＯｘの排出量規制への抵触を回避することができる。そのため、航行海域の制限を受けることがない。
【００４０】
なお、上記実施形態は、本発明の具体的な実施形態の例示であって、本発明の技術的範囲は、上記実施形態によっては限定されない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の限りにおいて、自由に、変形または改良して実施することができる。
【００４１】
例えば、上記実施形態は、ガスエンジン１に指令される出力の大小に応じて、制御盤１８が、予混合希薄燃焼モードと高圧噴射拡散燃焼モードを自動的に選択する例を例示したが、本発明の技術的範囲は、制御盤１８が燃焼モードを自動的に選択するものには限定されない。操縦者自身が予混合希薄燃焼モードあるいは高圧噴射拡散燃焼モードを選択して、制御盤１８に対して操作入力を行うようにしても良い。例えば、制御盤１８に予混合希薄燃焼モードあるいは高圧噴射拡散燃焼モードを選択する操作スィッチを備えるようにしても良い。
【００４２】
また、図１ないし図３において、ガスエンジン１を単筒機関として図示したが、本発明に係るガスエンジンは単筒機関には限定されない。本発明に係るガスエンジンは複筒機関であっても良い。また、本発明に係るガスエンジンを複筒機関とする場合、シリンダ配置は限定されない。シリンダは、例えば、直列に配置されていても良いし、Ｖ形に配置されていても良い。あるいは水平対向形に配置されていても良い。また、図１ないし図３に図示したガスエンジン１は、発明の説明に必要な範囲で概念化したものであり、発明の説明に不要な構成要素は図示を省略している。また、図示した構成要素の形状も、発明の説明に必要な範囲で概念化している。つまり、本発明の技術的範囲は、図１ないし図３において図示されたガスエンジン１の構成要素の細部の形状によっては限定されない。
【００４３】
上記実施形態においては、重油を補助燃料として例示したが、補助燃料は重油には限定されない。例えば、灯油や軽油を補助燃料として使用しても良い。あるいは、液化石油ガス、例えばプロパンガスを補助燃料として使用しても良い。
【００４４】
上記実施形態に示したガスエンジン１は２サイクル機関であるが、本発明の技術的範囲は２サイクル機関には限定されない。４サイクル機関に本発明を適用することもできる。
【００４５】
上記実施形態においては、ガスエンジン１を船舶１９の推進機関とする例を例示したが、本発明に係るガスエンジンの用途は船舶の推進機関には限定されない。本発明に係るガスエンジンは、例えば、船舶に搭載されて発電機を駆動しても良いし、陸上に固定されて使用されても良い。
【００４６】
例えば、図６に図示された船舶１９の構造や配置は例示であって、本発明に係る船舶の技術的範囲は図６によっては限定されない。また本発明に係る船舶は商船には限定されない。本発明に係る船舶は、例えば、旅客船であっても良いし、漁船、あるいはその他の特殊船であっても良い。あるいは、本発明を、艦艇及びその他の公船に適用することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１  ガスエンジン
２  シリンダ
３  シリンダヘッド
４  ピストン
５  燃焼室
６  ピストンリング
７  掃気ポート
８  排気ポート
９  排気バルブ
１０  主燃料ガス噴射ノズル
１１  補助燃料噴射ノズル
１２  ケーブル
１３  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１４  ケーブル
１５  クランク軸
１６  クランク軸角度センサ
１７  コネクティングロッド
１８  制御盤
１９  船舶
２０  プロペラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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