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課題

一定の回転数発電機を駆動するガスエンジンと、燃焼室給気路を介して接続された圧縮機及び燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し燃焼室へ給気する過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷昇速度を向上させる。

解決手段

ガスエンジンシステム1は、ガスエンジン2、過給機3、及び、過給機3の圧縮機31へ高圧空気を吹き付けて圧縮機31の回転を助勢するジェットアシスト装置30を備える。ガスエンジンシステム1の制御方法は、発電機8の発電電力量の検出と、電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、エンジン負荷(又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷)に対応する給気圧である目標給気圧の算出と、燃焼室への実給気圧の検出と、及び、実給気圧が目標給気圧に満たないときにジェットアシスト装置30を作動させること、を含む。

概要

背景

一般に、ガスエンジンとその排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムでは、ガスエンジンからの排気エネルギで過給機が駆動され、その過給機によって圧縮された空気がガスエンジンへ給気される。ガスエンジンでは、空気及びガス燃料混合気燃焼室吸入して燃焼させ、動力を発生させる。

従来、発電機を駆動するガスエンジンでは、回転数が一定となり、且つ、所望の発電出力(即ち、エンジン負荷)が得られるように燃料供給量が調整され、燃料供給量に対する給気圧の調整によって混合気の空燃比が制御される。混合気の空燃比は、ノッキング失火を回避した範囲内で燃焼特性が最適、即ち、熱効率が高く、NOx排出量が最小となるように制御される。

上記のようなガスエンジンシステムでは、過給機の駆動力がガスエンジンの排気エネルギに依存することから、ガスエンジンの起動時の過給機の過給能力は低い。ガスエンジン起動時は、十分な過給が得られないためにエンジン負荷を徐々に上昇させることしかできず、エンジン負荷が所望の負荷(例えば、定格負荷)に到達するまでに時間を要するという問題があった。

そこで、特許文献1では、ガスエンジンの起動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消するために、起動時若しくはエンジン負荷変動時に、所定の出力変化率に応じて燃料供給量を制御するとともに、現時点tから時間αだけ先行した時間t+αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる目標空気量を算出し、算出した目標空気量と、実給気量との偏差に基づいて給気量を制御することが提案されている。

概要

一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し燃焼室へ給気する過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上させる。ガスエンジンシステム1は、ガスエンジン2、過給機3、及び、過給機3の圧縮機31へ高圧空気を吹き付けて圧縮機31の回転を助勢するジェットアシスト装置30を備える。ガスエンジンシステム1の制御方法は、発電機8の発電電力量の検出と、電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、エンジン負荷(又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷)に対応する給気圧である目標給気圧の算出と、燃焼室への実給気圧の検出と、及び、実給気圧が目標給気圧に満たないときにジェットアシスト装置30を作動させること、を含む。

目的

効果

実績

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請求項1

空気及びガス燃料混合気吸入して燃焼させる燃焼室を有し、一定の回転数発電機を駆動するガスエンジンと、前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置と、前記燃焼室への前記ガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置と、前記燃焼室への実給気圧を検出する給気圧検出器と、前記発電機の電力量を検出する電力計と、前記実給気圧及び前記電力量を取得して、前記電力量を所定の目標電力量に調節するように、前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて前記実給気圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する給気圧を目標給気圧として、前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させる、ガスエンジンシステム

請求項2

前記制御装置は、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させる、請求項1に記載のガスエンジンシステム。

請求項3

前記制御装置は、前記エンジン負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させる、請求項2に記載のガスエンジンシステム。

請求項4

前記制御装置は、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差監視し、前記偏差が所定の第1閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第2閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、請求項2又は3に記載のガスエンジンシステム。

請求項5

前記第1閾値は、前記エンジン負荷の増加に伴って増加する前記エンジン負荷の関数である、請求項4に記載のガスエンジンシステム。

請求項6

前記制御装置は、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第3閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第4閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。

請求項7

空気及びガス燃料の混合気を燃焼室へ吸入して燃焼させることにより一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置とを備えるガスエンジンシステムの制御方法であって、前記発電機の電力量を検出すること、前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と前記燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する前記給気圧である目標給気圧を求めること、前記燃焼室への実給気圧を検出すること、及び、前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させること、を含む、ガスエンジンシステムの制御方法。

請求項8

負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させる、請求項7に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

請求項9

前記エンジン負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させる、請求項8に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

請求項10

前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第1閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第2閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、請求項8又は9に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

請求項11

前記第1閾値は、前記エンジン負荷の増加に伴って増加する前記エンジン負荷の関数である、請求項10に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

請求項12

定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第3閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第4閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、請求項7〜11のいずれか一項に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

技術分野

0001

本発明は、ガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステム制御方法に関する。

背景技術

0002

一般に、ガスエンジンとその排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムでは、ガスエンジンからの排気エネルギで過給機が駆動され、その過給機によって圧縮された空気がガスエンジンへ給気される。ガスエンジンでは、空気及びガス燃料混合気燃焼室吸入して燃焼させ、動力を発生させる。

0003

従来、発電機を駆動するガスエンジンでは、回転数が一定となり、且つ、所望の発電出力(即ち、エンジン負荷)が得られるように燃料供給量が調整され、燃料供給量に対する給気圧の調整によって混合気の空燃比が制御される。混合気の空燃比は、ノッキング失火を回避した範囲内で燃焼特性が最適、即ち、熱効率が高く、NOx排出量が最小となるように制御される。

0004

上記のようなガスエンジンシステムでは、過給機の駆動力がガスエンジンの排気エネルギに依存することから、ガスエンジンの起動時の過給機の過給能力は低い。ガスエンジン起動時は、十分な過給が得られないためにエンジン負荷を徐々に上昇させることしかできず、エンジン負荷が所望の負荷(例えば、定格負荷)に到達するまでに時間を要するという問題があった。

0005

そこで、特許文献1では、ガスエンジンの起動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消するために、起動時若しくはエンジン負荷変動時に、所定の出力変化率に応じて燃料供給量を制御するとともに、現時点tから時間αだけ先行した時間t+αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる目標空気量を算出し、算出した目標空気量と、実給気量との偏差に基づいて給気量を制御することが提案されている。

先行技術

0006

特開2009−185718公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1では、ガスエンジンの起動時や負荷変動時における過給機の応答遅れを緩和することができる。それであっても、所望の給気圧が得られるまでにガスエンジンの排気エネルギが上昇するまでには時間を要し、負荷上昇速度を向上させるために改良の余地が残されている。

0008

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、出力回転数が一定であるガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上する技術を提案する。

課題を解決するための手段

0009

本発明の一態様に係るガスエンジンシステムは、
空気及びガス燃料の混合気を吸入して燃焼させる燃焼室を有し、一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、
前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、
前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置と、
前記燃焼室への前記ガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置と、
前記燃焼室への実給気圧を検出する給気圧検出器と、
前記発電機の電力量を検出する電力計と、
前記実給気圧及び前記電力量を取得して、前記電力量を所定の目標電力量に調節するように、前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて前記実給気圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷又は目標エンジン負荷に対応する給気圧を目標給気圧として、前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させるものである。

0010

また、本発明の別の一態様に係るガスエンジンシステムの制御方法は、
空気及びガス燃料の混合気を燃焼室へ吸入して燃焼させることにより一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置とを備えるガスエンジンシステムの制御方法であって、
前記発電機の発電量検出値から前記ガスエンジンのエンジン負荷を求めること、
前記エンジン負荷と前記燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する前記給気圧である目標給気圧を求めること、
前記燃焼室への実給気圧を検出すること、及び、
前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させること、を含むものである。

0011

上記ガスエンジンシステム及びその制御方法によれば、給気圧が不足する場合に、ジェットアシスト装置によって過給機の回転が助勢され、その結果、給気圧を急速に上昇させることができる。このように十分な給気圧に対応して、燃料供給量を速やかに増加させることができるので、エンジン負荷を迅速に上昇させることが可能となる。

0012

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。

0013

エンジン負荷を強制的に上昇させる負荷上昇運転中では、目標給気圧と実給気圧との偏差が大きくなる。そこで、負荷運転上昇中に積極的にジェットアシスト装置で過給機を助勢することで、速やかにエンジン負荷を上昇させることができる。

0014

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、前記負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。

0015

発明者らは、ガスエンジンの起動時などのエンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の20%以上の範囲で目標給気圧と実給気圧との偏差が顕著となるという知見を得ている。また、エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の65%を超える範囲では、目標給気圧と実給気圧との偏差は十分に小さく、過給機を助勢する必要性が低下する。そこで、エンジン負荷が上記範囲にあるときにジェットアシスト装置を作動させることで、効率的に過給機を助勢することができる。

0016

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第1閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第2閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第1閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第2閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。

0017

ジェットアシスト装置が作動すると給気圧が一気に高まることから、目標給気圧と実給気圧との偏差がさほど大きくない状況でジェットアシスト装置を作動させると、給気圧が目標給気圧を超えて、余剰となるおそれがある。そこで、ガスエンジンシステムごとに適切な第1閾値を設定することにより、不要なジェットアシスト装置の作動を抑制し、効率的に助勢を行うことができる。

0018

上記において、前記第1閾値は、前記負荷の増加に伴って増加する前記負荷の関数であってよい。

0019

エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が低いときには給気圧は上昇しにくいが、エンジン負荷がある程度まで大きくなると給気圧は速やかに上昇する。そこで、第1閾値を上記のような関数とすることで、エンジン負荷が低いときは比較的小さな偏差でもジェットアシスト装置が作動し、エンジン負荷が定格負荷に近づくほどジェットアシスト装置が作動する偏差が大きくなる。このようにして、助勢の必要度に応じてジェットアシスト装置を作動させることができる。

0020

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第3閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第4閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第3閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第4閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。

0021

大気温度の低下や過給機の経年劣化等により、定常運転中に給気圧が低下することがある。このような場合に、ジェットアシスト装置を一時的に作動させて給気圧を高めることで、給気圧を迅速に回復させて、安定した運転を維持することができる。

発明の効果

0022

本発明によれば、回転数が一定であるガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上する技術を提案することができる。

図面の簡単な説明

0023

図1は、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。
図2は、ガスエンジンの要部の断面図である。
図3は、ガスエンジンシステムの制御系統の構成を示す図である。
図4は、発電機出力(エンジン負荷)と給気圧の関係を示すグラフである。
図5は、負荷上昇時計画出力計画給気圧とを示すグラフである。
図6は、ガスエンジンにおけるノッキング領域及び失火領域を示す、横軸に空燃比、縦軸正味平均有効圧をとったグラフである。
図7は、第1閾値とエンジン負荷との関係を示すグラフである。

実施例

0024

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

0025

〔ガスエンジンシステム1の構成〕
図1は、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステム1の概略構成図である。図1に示すガスエンジンシステム1は、ガスエンジン2、過給機3、及び、制御装置7(図2、参照)を備える。本実施形態では、発電機8がガスエンジン2により直接的に駆動される。

0026

ガスエンジン2は、ガス燃料(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よい。但し、ガスエンジン2は、状況によってガス燃料と燃料油の一方又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は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。

0027

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及びピストン22によって燃焼室20が形成されている。ピストン22は、図略の連接棒により図略のクランク軸と連結されている。

0028

各シリンダ21において、ピストン22が2往復することにより、ガスエンジン2の1サイクル吸気、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(本発明の回転数検出器)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の位置などが用いられてよく、位相角検出器63は、例えば、電磁ピックアップ近接スイッチ、又はロータリーエンコーダであってよい。また、位相角検出器63からは、ガスエンジン2の実回転数も検出される。

0029

図1に戻って、過給機3は、圧縮機31とタービン32とを含み、これらが軸で接続されてなる。過給機3には、ジェットアシスト装置30が付帯している。ジェットアシスト装置30は、高圧空気源35と、圧縮機31の入口側へ高圧空気源35から供給される高圧空気を供給するノズル36と、高圧空気源35とノズル36との間に設けられたジェットアシスト弁37とを備える。ジェットアシスト装置30の作動時には、ジェットアシスト弁37が開放されて、ノズル36から高圧空気が噴出し、この高圧空気によって圧縮機31の回転がアシストされる。また、ジェットアシスト装置30の停止時には、ジェットアシスト弁37は閉止され、高圧空気の圧縮機31への流入が阻止される。

0030

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に導く。給気路41には、給気路41から気体を逃がして給気路41の圧力を開放する給気ブローオフ弁48が設けられている。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。排気路42には、排気路42から気体の一部を分流させることによりタービン32への流入量を調節する排気バイパス弁49が設けられている。なお、給気路41の下流側部分及び排気路42の上流側部分はシリンダ21と同数分岐路マニホールドから分岐しているが、図1では図面の簡略化のために給気路41及び排気路42が1本の流路で描かれている。

0031

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の放熱器43より下流側には、圧縮機31の吐出圧である実給気圧Pを検出する給気圧検出器61と、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給気温度検出器65とが設けられている。給気圧検出器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、給気温度検出器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。

0032

更に、給気路41には、シリンダ21ごとに、圧縮機31から吐出される空気中にガス燃料を噴射する主燃料噴射弁51(本発明の燃料供給装置に相当)が設けられている。但し、本発明の燃料供給装置は、ガスエンジン2に供給される空気中にガス燃料を噴射するものであれば、必ずしも燃料噴射弁51でなくてよい。例えば、燃料噴射装置が、圧縮機31の吸入口に接続された空気供給路合流するガス燃料供給路と、このガス燃料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ガス燃料を噴射するように構成されていてもよい。

0033

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吸気ポート開閉する給気弁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とが設けられている。また、各シリンダ21には、燃焼室20内でガス燃料と空気の混合気に点火するための点火装置55が設けられている。

0034

本実施形態では、燃焼室20が、給気路41及び排気路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。点火装置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からガス燃料が噴射される。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筒内圧検出器62が設けられている。

0035

上記構成のガスエンジン2では、過給機3からの給気と主燃料噴射弁51が噴射したガス燃料とを含む混合気が吸気ポートより主燃焼室20Aへ供給され、当該混合気に更に副燃料噴射弁52が噴射したガス燃料を含んだ混合気が供給される(吸気工程)。主燃焼室20Aのリーンな混合気及び副燃焼室20B内のリッチな混合気が圧縮された(圧縮工程)後に、点火装置55が適宜タイミングで作動して副燃焼室20B内の混合気が着火される。副燃焼室20B内で発生した火炎は隔壁25の連通孔を通じて主燃焼室20A内に伝播し、この火炎により主燃焼室20A内の圧縮混合気が燃焼する。これによりピストン22が下動し(膨張行程)、その後に主燃焼室20A内のガスが排気ポートを通じて排気路42へと排出される(排気工程)。燃焼後の排ガスは、排気路42を通じてタービン32に導入されて、圧縮機31を駆動する動力として使用される。

0036

〔ガスエンジンシステム1の制御系統の構成〕
以下、ガスエンジンシステム1の制御系統の構成について説明する。図3は、ガスエンジンシステム1の制御系統の構成を示す図である。制御装置7は、ガスエンジンシステム1の動作を制御するエンジン制御部71と、エンジン負荷に応じた目標給気圧Pbを設定する給気圧設定部72との機能部を有する。制御装置7は、いわゆるコンピュータであって、CPU等の演算処理部7a、ROM、RAM等の記憶部7bを有している。記憶部7bには、演算処理部7aが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。演算処理部7aは、外部装置とのデータ送受信を行う。また、演算処理部7aは、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。制御装置7は、記憶部7bに記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理部7aが読み出して実行することにより、各機能部としての処理を行う。なお、制御装置7は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、制御装置7は、マイクロコントローラプログラマブルロジックコントローラPLC)等から構成されていてもよい。

0037

制御装置7は、ガスエンジンシステム1の主燃料噴射弁51、副燃料噴射弁52、点火装置55、給気圧検出器61、筒内圧検出器62、位相角検出器63、給気温度検出器65、負荷検出器としての電力計66、ジェットアシスト弁37、給気ブローオフ弁48、及び、排気バイパス弁49と有線又は無線情報通信手段を介して通信可能に接続されている。電力計66は、発電機8で発電された電力量(発電機出力W)を検出する。電力量はガスエンジン2の負荷と相関しており、制御装置7は検出された電力量からエンジン負荷を求めることができる。

0038

制御装置7のエンジン制御部71は、実給気圧P、筒内圧、位相角(出力回転数)、給気温度、及び、電力量を取得して、発電機8の発電電力量を所定の目標電力量に調節するように、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及び点火装置55を制御する。目標回転数は、発電機8で発電される電力の周波数に対応した回転数である。発電機8は、ガスエンジン2の発生出力に応じた電力を発電する。

0039

また、制御装置7のエンジン制御部71は、負荷に応じてガス燃料の供給量及び混合気の空燃比を制御する。制御装置7には、エンジン負荷と給気圧との関係を表す「エンジン負荷−給気圧情報」が記憶されている。図4に示す発電機出力W(エンジン負荷)と給気圧との関係を示すグラフは、エンジン負荷−給気圧情報の一例である。このグラフでは縦軸が給気圧を表し、横軸が発電機出力W(エンジン負荷)を表す。エンジン負荷−給気圧情報において、給気圧は、エンジン負荷の増加に伴って増加する。制御装置7の給気圧設定部72は、記憶部7bからエンジン負荷−給気圧情報を読み出して、エンジン負荷の値と対応する給気圧の値を求め、これを目標給気圧Pbとして設定する。但し、エンジン負荷に対する目標エンジン負荷が定められ、その目標エンジン負荷と対応する給気圧の値が目標給気圧Pbとして設定されてもよい。

0040

制御装置7は、起動時にエンジン負荷を定格出力まで上昇させる起動運転を行い、エンジン負荷が定格出力となれば定常運転に移行する。

0041

起動運転において、制御装置7には、計画された負荷上昇率でエンジン負荷を所望の負荷(例えば、定格負荷)まで上昇させる。制御装置7には、起動運転時の計画出力が予め記憶されている。計画出力は、目標出力を時系列に並べたものである。図5は、起動運転時の計画出力L1と計画給気圧L2とを示すグラフである。このグラフの縦軸はエンジン負荷及び給気圧を表し、横軸は起動運転を開始してからの時間を表す。計画出力L1の傾きは、負荷上昇率を表す。負荷上昇率は過給機3の能力等に応じた値に設定される。

0042

計画出力L1から、前述のエンジン負荷−給気圧情報を利用して求めた給気圧(目標給気圧Pb)を時系列に並べたものが計画給気圧L2である。計画給気圧L2は、予め制御装置7に記憶されていてもよい。

0043

計画給気圧L2から、エンジン負荷に応じた最適な空燃比となるような計画燃料供給量が定まる。一般に、ガスエンジンにおいては、図6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及び失火領域が存在することが知られている。上記の最適な空燃比は、最適なリーンバーンにおいて高出力が得られ、且つ、空気量不足によるノッキング或いは燃焼希薄による失火が発生しない範囲(図中に示された範囲X)とされてよい。なお、空気量は給気圧及び給気温度から求まるが、給気温度は略一定であることから、空気量は主に給気圧によって調整される。

0044

制御装置7は、計画燃料供給量及び計画給気圧L2を利用して、エンジン負荷に応じて燃料供給量と、ガス燃料と空気の混合気の空燃比とを制御する。制御装置7は、主燃料噴射弁51を制御し、取得したエンジン負荷に対応した計画燃料供給量が得られるように、燃料供給量を調整する。また、制御装置7は、エンジン負荷に対応した目標給気圧Pbと、給気圧検出器61で検出される実給気圧Pとの偏差ΔPを監視し、この偏差ΔPと所定の第1閾値α1とを比較する。図7に示すように、第1閾値α1は、エンジン負荷が大きくなるに連れて大きくなる、エンジン負荷の関数である。

0045

制御装置7は、偏差ΔPが第1閾値α1を超えると、過給機3の回転を助勢するようにジェットアシスト装置30を作動させる。制御装置7は、ジェットアシスト装置30を作動させてから所定時間経過後、又は、偏差ΔPが第2閾値α2以下となれば、ジェットアシスト装置30を停止させる。第2閾値α2は、0より大きく第1閾値α1以下の数であってよい。

0046

このように、起動運転時にジェットアシスト装置30が作動して過給機3の回転を助勢することにより、図5鎖線で示すように、実給気圧Pを一気に上昇させることができる。その結果、実給気圧Pが計画給気圧L2に近づき、給気量不足によるノッキングや燃料希薄による失火等の不具合が生じない最適な空燃比を維持しながら、エンジン負荷を速やかに上昇させることができる。

0047

定常運転時においては、制御装置7は、実回転数が目標回転数に維持され、且つ、エンジン負荷が所定負荷(定格負荷)を維持するように、燃料供給量を制御するとともに、給気圧を制御する。制御装置7は、給気圧検出器61で検出された実給気圧Pと目標給気圧Pbとを比較する。制御装置7は、実給気圧Pと目標給気圧Pbとの偏差ΔPが小さくなるように排気バイパス弁49の開度を調整する。このような排気バイパス弁49の開度調整による実給気圧Pの微細な調整によって、過給機3の経年劣化や排気温大気温の違いによる過給機3の性能の微細な変動を吸収することができる。

0048

定常運転中に大気温の上昇により給気圧が上がらず、給気圧が大幅に不足することがある。制御装置7は、定常運転中に目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPが所定の第3閾値α3を超えると過給機3の回転を助勢するようにジェットアシスト装置30を作動させる。これにより、過給機3の回転が助勢されて、実給気圧Pが目標給気圧Pbに近づき、安定した運転を維持することができる。ジェットアシスト装置30を作動させてから所定時間経過後、又は、偏差ΔPが第4閾値α4以下となれば、ジェットアシスト装置30を停止させる。第3閾値α3及び第4閾値α4は任意の値であって、予め制御装置7に記憶されている。第4閾値α4は、0より大きく第3閾値α3以下の数であってよい。

0049

以上に説明したように、本実施形態に係るガスエンジンシステム1は、空気及びガス燃料の混合気を吸入して燃焼させる燃焼室20を有し、一定の回転数で発電機8を駆動するガスエンジン2と、燃焼室20と給気路41を介して接続された圧縮機31及び燃焼室20と排気路42を介して接続されたタービン32を有し燃焼室20へ給気する過給機3と、圧縮機31へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機31の回転を助勢するジェットアシスト装置30と、燃焼室20へのガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置51と、燃焼室20への実給気圧Pを検出する給気圧検出器61と、前記発電機8の電力量を検出する電力計66と、実給気圧P及び電力量を取得して、電力量を所定の目標電力量に調節するように、検出された電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて実給気圧Pを制御する制御装置7とを備える。制御装置7は、エンジン負荷(又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷)に対応する給気圧を目標給気圧Pbとして、実給気圧Pが目標給気圧Pbに満たないときにジェットアシスト装置30を作動させる。

0050

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム1の制御方法は、発電機8の電力量を検出すること、電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と燃焼室20への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、エンジン負荷(又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷)に対応する給気圧である目標給気圧Pbを求めること、燃焼室20への実給気圧Pを検出すること、及び、実給気圧Pが目標給気圧Pbに満たないときにジェットアシスト装置30を作動させること、を含む。

0051

上記ガスエンジンシステム1及びその制御方法によれば、給気圧が不足する場合に、ジェットアシスト装置30によって過給機3の回転が助勢され、その結果、給気圧を急速に上昇させることができる。このように十分な給気圧に対応して、燃料供給量を速やかに増加させることができるので、エンジン負荷を迅速に上昇させることが可能となる。

0052

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム1において、制御装置7は、起動運転などの負荷上昇運転中に、目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPを監視し、偏差ΔPが所定の第1閾値α1を超えればジェットアシスト装置30を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔPが所定の第2閾値α2以下となればジェットアシスト装置30を停止させる。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム1の制御方法において、起動運転などの負荷上昇運転中に、目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPを監視し、偏差ΔPが所定の第1閾値α1を超えればジェットアシスト装置30を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔPが所定の第2閾値α2以下となればジェットアシスト装置30を停止させる。

0053

ジェットアシスト装置30が作動すると給気圧が一気に高まることから、目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPがさほど大きくない状況でジェットアシスト装置30を作動させると、実給気圧Pが目標給気圧Pbを超えて、余剰となるおそれがある。そこで、ガスエンジンシステム1ごとに適切な第1閾値α1を設定することにより、不要なジェットアシスト装置30の作動を抑制し、効率的に助勢を行うことができる。

0054

上記において、第1閾値α1は、負荷の増加に伴って増加する負荷の関数であってよい。

0055

エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が低いときには給気圧は上昇しにくいが、エンジン負荷がある程度まで大きくなると給気圧は速やかに上昇する。そこで、第1閾値α1を上記のような関数とすることで、エンジン負荷が低いときは比較的小さな偏差ΔPでもジェットアシスト装置30が作動し、エンジン負荷が定格負荷に近づくほどジェットアシスト装置30が作動する偏差ΔPが大きくなる。このようにして、助勢の必要度に応じてジェットアシスト装置30を作動させることができる。

0056

発明者らは、起動時などのエンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の20%以上の範囲で偏差ΔPが顕著となるという知見を得ている。また、エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の65%を超える範囲では、偏差ΔPは十分に小さく、過給機3を助勢する必要性が低下する。そこで、エンジン負荷上昇運転中のエンジン負荷が定格出力の20%以上65%以下の範囲にあるときに、偏差ΔPの値にかかわらず、ジェットアシスト装置30による過給機3の助勢が行われてもよい。

0057

つまり、本実施形態に係るガスエンジンシステム1において、制御装置7は、エンジン負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、ジェットアシスト装置30を作動させてよい。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム1の制御方法において、負荷が定格負荷の20%以上65%以下の範囲にあるときに、ジェットアシスト装置30を作動させてよい。

0058

上記のように、エンジン負荷が所定の範囲にあるときにジェットアシスト装置30を作動させることで、効率的に過給機3を助勢することができる。

0059

また、起動運転などのエンジン負荷を強制的に上昇させる負荷上昇運転中では、目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPが大きくなって、ターボラグが生じることが初めからわかっている。このような場合には、負荷上昇中の所定のタイミングで、偏差ΔPの値にかかわらず、ジェットアシスト装置30による過給機3の助勢が行われてもよい。

0060

つまり、本実施形態に係るガスエンジンシステム1において、制御装置7は、例えば起動運転などの負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置30を作動させてよい。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム1の制御方法において、負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置30を作動させてよい。

0061

上記のように、負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置30を作動させることで、効率的に過給機3を助勢することができる。

0062

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム1において、制御装置7は、定常運転中に目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPを監視し、偏差ΔPが所定の第3閾値α3を超えればジェットアシスト装置30を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔPが第4閾値α4以下となればジェットアシスト装置30を停止させる。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム1の制御方法において、定常運転中に目標給気圧Pbと実給気圧Pとの偏差ΔPを監視し、偏差ΔPが所定の第3閾値α3を超えればジェットアシスト装置30を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差が第4閾値α4以下となればジェットアシスト装置30を停止させる。

0063

大気温度の低下や過給機3の経年劣化等により、定常運転中に給気圧が低下することがある。このような場合に、ジェットアシスト装置30を一時的に作動させて給気圧を高めることで、給気圧を迅速に回復させて、安定した運転を維持することができる。

0064

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び/又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

0065

1 :ガスエンジンシステム
2 :ガスエンジン
3 :過給機
7 :制御装置
7a :演算処理部
7b :記憶部
8 :発電機
20 :燃焼室
21 :シリンダ
22 :ピストン
23 :給気弁
24 :排気弁
25 :隔壁
30 :ジェットアシスト装置
31 :圧縮機
32 :タービン
35 :高圧空気源
36 :ノズル
37 :ジェットアシスト弁
41 :給気路
42 :排気路
43 :放熱器
48 :給気ブローオフ弁
49 :排気バイパス弁
51 :主燃料噴射弁(燃料供給装置の一例)
52 :副燃料噴射弁
55 :点火装置
61 :給気圧検出器
62 :筒内圧検出器
63 :位相角検出器(回転数検出器の一例)
65 :給気温度検出器
66 :電力計(負荷検出器の一例)

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