阅读说明：本技术 燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统 (Control method of gas engine and gas engine system ) 是由 仲井雅人 野中洋辅 于 2018-09-03 设计创作，主要内容包括：与增压器连接的燃气发动机中,以在燃气发动机的负荷实际上升前预测负荷的上升,若预测的负荷的上升程度超过规定的阈值,则一边抑制增压压力的增加一边增加增压器转速；若检测出燃气发动机的负荷的上升,则增加增压压力及燃料喷射量的形式,控制燃气发动机。(In a gas engine connected to a supercharger, in order to predict a load increase before the load of the gas engine actually increases, and if the degree of the predicted load increase exceeds a predetermined threshold, increase the supercharger speed while suppressing an increase in supercharging pressure; when the increase in the load of the gas engine is detected, the gas engine is controlled so as to increase the supercharging pressure and the fuel injection amount.)

燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统

技术领域

本发明涉及与增压器连接的燃气发动机的控制方法。又，本发明涉及包括该等增压器及燃气发动机的燃气发动机系统。

背景技术

以往，已知用作船舶的主机（推进用内燃机）的燃气发动机。这种燃气发动机，例如，被专利文献1、2所公开。

专利文献1中公开的燃气发动机为带有增压器的燃气发动机。该燃气发动机的主室经由进气路与增压器的压缩机连接，经由排气路与增压器的涡轮机（turbine）连接。进气路中设有向从压缩机吐出的空气喷射燃料气体的燃料喷射阀。燃气发动机的副室中供给有空气和燃料气体组成的可点火的空气过剩率（也称空燃比）的混合气，主室中供给有空气和燃料气体组成的稀薄的混合气。而且，通过点火装置对副室的混合气进行点火，使副室内的混合气燃烧时，伴随燃烧的体积膨胀使得副室的已燃气体向主室喷出，向主室喷出的高温的喷流使主室内的稀薄混合气着火而向主室内进行火焰传播。

一般，燃气发动机中，如图12所示，已知在空气过剩率与净平均有效压力（BMEP）的关系中存在爆震（knocking）区域和失火区域。要使稀薄燃烧（lean burn）中获得高输出，如图中范围X所示，将空气过剩率控制在爆震区域和失火区域之间是重要的。因此，稳定运转时的燃气发动机中，以空气过剩率落入爆震区域和失火区域之间的形式控制燃料喷射量和增压量。

燃气发动机的负荷急速上升，与此对应地增加燃料气体时，若不增加向燃气发动机供给的空气，则范围X中的工作点向左移动，爆震出现率超过爆震极限。也就是说，为了不发生异常燃烧，获得追从急速负荷变动的输出，需要以与燃料气体的增减的速度对应的速度来增减空气。但是，与增压器连接的燃气发动机中，即使增加燃料气体也由于涡轮滞后（turbo lag）无法马上增加空气，从而无法迅速地增加燃料气体。

因此，专利文献1的燃气发动机中，稳定运转中若负荷上升则开始负荷上升运转，负荷上升运转中若负荷的上升程度相对较大，延迟点火正时并慢慢地增加实际燃料喷射量。由此，到爆震极限的空气过剩率的富余量变大，可使实际燃料喷射量大幅上升，从而可迅速地增加燃料气体。

然而，在海洋或河流航行的船舶的主机中，一般以使与推进用螺旋桨（propeller）连接的推进轴或与其直接连接的发动机的转速为给定的目标转速的形式控制向主机的燃料供给量。船舶的推进用螺旋桨的转速容易因潮流、波浪及船舶的舵角等而在短期内变化。

因此，专利文献2中，对应于推进用螺旋桨的转速的短期的变动，提出了能够向发动机供给所要求的量的燃料的技术。更详细地，专利文献2公开的发动机中，基于给船舶的当前的舵角信息、当前的推进轴的转速信息和船舶的当前的船速信息，计算出船舶的将来的预测船速，基于预测船速计算出预测转矩，基于预测转矩求预测燃料供给量，基于预测燃料供给量控制由压缩机向发动机供给的燃料的压力。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特许6049921号公报；

专利文献2：日本特开2016-205270号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

一般，船舶的主机的控制装置，只有发动机输出无法追从负荷的上升、发动机的转速降低才检测到负荷的上升，发出根据该负荷的上升增加燃料气体的指令。但，有在如此检测到实际的负荷的上升之前的正时能够预测将来的负荷的上升的情况。例如，在船舶的舵角操作量变化的情况下，根据变化后的舵角、船速或海流、波浪等诸多条件，从实际舵角操作量变化到负荷变动为止可能会产生时间滞后（time lag）。

专利文献1中，通过延迟点火正时并慢慢地增加实际燃料喷射量，从而能够迅速地增加燃料气体，但在如前所述能够事先预测将来的负荷的上升的情况下，在负荷实际上升前增加增压量可使负荷上升时燃料气体更迅速地增加。

因此本发明中，目的为在与增压器连接的燃气发动机中，当负荷急速上升时，能够迅速与此相应地增加燃料气体的喷射量，由此，改善负荷响应性（相对于要求输出的实际输出的追从性）。

解决问题的手段：

本发明的一形态的燃气发动机的控制方法，其特征在于，是与包括压缩机及涡轮机的增压器连接的燃气发动机的控制方法，

在所述燃气发动机的负荷实际上升前预测负荷的上升，若预测的负荷的上升程度超过规定的阈值，则一边抑制增压压力的增加一边增加增压器转速；若检测出所述燃气发动机的负荷的上升，则增加所述增压压力及燃料喷射量；

另外，作为燃气发动机的负荷的上升程度的指标，可以使用燃气发动机的目标转速与实际转速的差、目标输出与要求输出的差、所需燃料喷射量与实际燃料喷射量的差以及目标增压压力与实际增压压力的差中的至少一个。

又，本发明的一形态的燃气发动机系统，其特征在于，

具备：包括压缩机及涡轮机的增压器；

经由进气路与所述压缩机连接并经由排气路与所述涡轮机连接的燃气发动机；

向通过所述进气路供给至所述燃气发动机的空气中喷射燃料气体的燃料喷射机构；以及

控制所述增压器、燃气发动机以及所述燃料喷射机构的控制装置；

所述控制装置在所述燃气发动机的负荷实际上升前预测负荷的上升，若预测的负荷的上升程度超过规定的阈值，则一边抑制增压压力的增加一边进行增加增压器转速的处理，若所述稳定运转中检测出所述燃气发动机的负荷的上升，则进行增加所述增压压力及燃料喷射量的处理。

根据上述燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统，在燃气发动机的负荷实际上升前预测负荷的上升，能够先于负荷的上升地增加增压器转速。因此，燃气发动机的负荷实际上升时，已经是增压器转速增加后的状态，从而能够立刻增加增压压力，能够在合适的空气过剩率的范围内快速地增加燃料喷射量。由此，能够改善燃气发动机的负荷响应性（实际输出相对于要求输出的追从性）。

也可以是，上述燃气发动机系统中，所述进气路设有从该进气路逸出气体的进气泄压阀，所述控制装置在增加所述增压器转速的处理中，以抑制伴随所述增压器转速的增加的所述增压压力的增加的形式增加所述进气泄压阀的开度，在增加所述增压压力的处理中，以减少或关闭所述进气泄压阀的开度的形式控制所述进气泄压阀。

由此，能够一边抑制增压压力的增加一边旋转增加增压器转速，又，能够在一边抑制增压压力的增加一边增加增压器转速后的状态下迅速地提高增压压力。

也可以是，上述燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统中，所述燃气发动机为船舶的主机；预测的所述燃气发动机的负荷的上升是对应于所述船舶的舵角操作量的变化而舵角变化时的所述燃气发动机的负荷的上升。

又，上述燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统中，所述燃气发动机是具备回转式推进器的船舶的主机；预测的所述燃气发动机的负荷的上升是所述回转式推进器对应于所述船舶的舵角操作量的变化而开始回转后的所述燃气发动机的负荷的上升。

如上述在所述船舶的舵角操作量变化的情况下，从舵角操作量变化到燃气发动机的负荷实际上升为止存在时间滞后，能够利用该时间滞后，为负荷的实际上升做准备而增加增压器转速。

也可以是，上述燃气发动机的控制方法中，增加所述增压器转速包括增加输送至所述燃气发动机的燃烧室的燃料气体与空气的混合气的空气过剩率、延迟点火正时、延迟先导燃料喷射正时、对所述压缩机的旋转进行喷射辅助、减小所述涡轮机的喷嘴的开口面积以及减少从所述燃烧室的排气路排出至系统外的气体中的至少一种。

也可以是，上述燃气发动机系统中，所述进气路设有从该进气路逸出气体的进气泄压阀；增加所述增压器转速的处理是以增加输送至所述燃气发动机的燃烧室的燃料气体与空气的混合气的空气过剩率的形式，使所述进气泄压阀进行动作的处理。

或者，上述燃气发动机系统中，所述燃气发动机具有对所述燃料气体与所述空气的混合气点火的点火装置；增加所述增压器转速的处理是以延迟点火正时的形式，或以延迟先导燃料喷射正时的形式，使所述点火装置进行动作的处理。

或者，上述燃气发动机系统中，所述压缩机设有供给从高压空气源供给的高压空气的喷嘴和设于所述高压空气源与所述喷嘴之间的喷射辅助阀；增加所述增压器转速的处理是以所述压缩机的旋转通过从所述喷嘴喷出的高压空气进行喷射辅助的形式，切换所述喷射辅助阀的处理。

或者，上述燃气发动机系统中，所述增压器中向涡轮机叶轮吹出排气气体的喷嘴的开度是可变的；增加所述增压器转速的处理是减小所述喷嘴的开口面积的处理。

或者，上述燃气发动机系统中，所述排气路设有从该排气路逸出气体的排气废气旁通阀；增加所述增压器转速的处理是减少所述排气废气旁通阀的开度的处理。

通过任意的上述的增加增压器转速的处理，能够抑制对燃气发动机2的稳定运转给予的影响，并提高增压器转速。

发明效果：

根据本发明，与增压器连接的燃气发动机中，在负荷急速上升时，能够迅速与此相应地增加燃料气体的喷射量。由此，可期望改善负荷响应性。

附图说明

图1为示出搭载有本实施形态的燃气发动机的船舶的一例的图；

图2为图1所示的船舶的船用推进装置的放大图；

图3为燃气发动机系统的概略结构图；

图4为燃气发动机的主要部分的断面图；

图5为示出燃气发动机系统及船用推进装置的控制系统的结构的图；

图6为示出特定的转速及燃料喷射量下各空气比的点火正时和爆震出现率的关系的图表；

图7为负荷上升运转的流程图；

图8A为示出负荷的上升程度相对较小的情况下的所需燃料喷射量Q及实际燃料喷射量q的随时间变化的图表；

图8B为示出负荷的上升程度相对较大的情况下的所需燃料喷射量Q及实际燃料喷射量q的随时间变化的图表；

图9A为与实际燃料喷射量q及实际转速N相对应地规定空气过剩率的第一下限值的空气过剩率第一下限映射表（map）；

图9B为与实际燃料喷射量q及实际转速N相对应地规定空气过剩率的第二下限值的空气过剩率第二下限映射表；

图10为示出舵角操作量变化时，回转角的变化和燃气发动机的负荷的变动的随时间变化的图表；

图11为负荷上升准备处理的流程图；

图12为示出燃气发动机的爆震领域及失火领域且横轴取空燃比、纵轴取净平均有效压力的图表。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施形态。图1为示出搭载有本实施形态的燃气发动机2的船舶11的一例的图，图2为图1所示的船舶11的船用推进装置8的放大图。图1的船舶11为搭载有燃气发动机2来作为主机、具备回转式推进器（方位推进器）来作为船用推进装置8的拖船（Tugboat）。但，本发明所适用的船舶11并不限定于本实施形态。

（船用推进装置8的结构）

船用推进装置8具备：在设置于船体底部的平台80的上部固设的上部齿轮箱81、可回转地支持于平台80的下部的回转筒82、设于回转筒82的端部的推进翼（螺旋桨）83、构成于上部齿轮箱81及回转筒82内的推进翼83的驱动机构以及回转驱动回转筒82的回转驱动装置84。

上部齿轮箱81的内部设有切换动力的传递与切断的离合器（clutch）85和转换动力的传递方向的齿轮组。作为主机的燃气发动机2的驱动力经由中间轴或接头等传递至向上部齿轮箱81的输入轴86。

上部齿轮箱81内配置有以使轴心与输入轴86为同一直线的形式、与输入轴86直列地排列的水平轴87。水平轴87与输入轴86之间设有在水平轴87与输入轴86之间切换动力的传递和切断的离合器85。

上部齿轮箱81内设有与水平轴87一体地旋转的上部锥齿轮（bevel pinion gear）88。该上部锥齿轮88与上部伞齿轮（bevel wheel gear）89啮合。上部伞齿轮89设于与水平轴87大致正交且相对于平台80大致垂直地配置的垂直轴90的上端部。

垂直轴90插于回转筒82内、可转动地支持于回转筒82。回转筒82内在垂直轴90的下端部设有下部锥齿轮91。另外，在回转筒82的下部插入有设有与下部锥齿轮91啮合的下部伞齿轮92的推进轴93。推进轴93以与垂直轴90大致正交的形式配置，在从回转筒82突出的端部设有推进翼83。推进翼83的周围设有断面为翼型的圆筒形导管（duct）94。

回转筒82的上端部通过回转轮轴承（图略）可回转地悬吊于平台80。回转筒82的上端部的内周缘形成有回转齿轮95。该回转齿轮95与通过固定于平台80的回转马达96的旋转输出而旋转的驱动齿轮97啮合。回转马达96可以是油压或电动马达。回转筒82的回转角（回转位置）由回转角传感器66检测。

上述结构的船用推进装置8中，燃气发动机2的驱动力从输入轴86经由离合器85传递至水平轴87时，水平轴87旋转。水平轴87的旋转经由上部锥形齿轮机构88、89传递至垂直轴90，进一步地，从垂直轴90经由下部锥形齿轮机构91、92传递至推进轴93，推进翼83与推进轴93一体地旋转。推进翼83旋转时，吸入于导管94内的海水喷出，由该喷出流使船体推进。

又，上述结构的船用推进装置8中，由回转马达96使驱动齿轮97旋转，从而能够使回转筒82在水平方向回转360°。而且，使回转筒82向任意位置回转，从而能够将船体向任意方向操舵。

（燃气发动机系统1的结构）

图3为燃气发动机系统1的概略结构图。图3所示的燃气发动机系统1具备燃气发动机2、增压器3及控制装置7（参照图4）。本实施形态中，安装有推进翼83的推进轴93由燃气发动机直接驱动。但，推进轴93也可以通过马达及发电机（均图略）间接地由燃气发动机2驱动。

燃气发动机2可以是仅燃烧燃料气体（例如天然气）的气体专烧发动机。但，根据情况燃气发动机2也可以是燃烧燃料气体及燃料油的一方或双方的双燃料发动机。又，本实施形态中，燃气发动机2为四冲程发电机（4-stroke engine），但燃气发动机2也可以是二冲程发电机（2-stroke engine）。

图4为燃气发动机2的主要部分的断面图。燃气发动机2具有多个缸（cylinder）21（图4中仅图示一个缸21）。各缸21内往复运动自如地配置有活塞（piston）22，由缸21及活塞22形成燃烧室20。活塞22通过图略的连接棒与图略的曲柄轴（crankshaft）连结。

各缸21通过活塞22往复两次而进行燃气发动机2的一个循环（进气、压缩、膨胀、排气）。各缸21在一个循环期间的燃气发动机2的相位角（0~720度）由相位角检测器63检测。作为相位角，能够使用曲柄轴的旋转角（曲柄角）或活塞22的位置等。例如，相位角检测器63为电磁传感器（pick-up）、接近开关或旋转编码器（rotary encoder）。又，还由相位角检测器63检测燃气发动机2的实际转速N。

回到图3，增压器3包括压缩机31和涡轮机32。燃气发动机2通过进气路41与压缩机31连接，并且通过排气路42与涡轮机32连接。进气路41将在压缩机31压缩的空气导至各缸21，排气路42从各缸21将燃烧后的排气气体导至涡轮机32。进气路41中设有从进气路41逸出气体而释放进气路41的压力的进气泄压阀（blow-off valve）48。又，排气路42中设有从排气路42分流出气体的一部分从而调节向涡轮机32的流入量的排气废气旁通阀（wastegate valve）49。另外，进气路41的下游侧部分及排气路42的上流侧部分实际上是从歧管（manifold）分叉至与缸21相同数量的分叉路，但为了图3的图面简化，将进气路41及排气路42绘制在一条流路中。

进气路41中设有用于冷却压缩机31内压缩的空气的散热器43。又，进气路41的较散热器43下游侧设有检测作为压缩机31的吐出压的实际增压压力P的第一压力传感器61和检测作为通过进气路41导入至燃烧室20的空气的温度的增压温的温度传感器65。第一压力传感器61可以设于进气路41的下游侧的上述各分叉路，也可以仅设一个于上述歧管。同样地，温度传感器65可以设于进气路41的下游侧的上述各分叉路，也可以仅设一个于上述歧管。

进一步地，进气路41中，每个缸21设有将燃料气体喷射至从压缩机31吐出的空气中的主燃料喷射阀51（相当于本发明的燃料喷射机构）。但，本发明的燃料喷射机构只要是将燃料气体喷射至供给的空气中，则可以不必是燃料喷射阀51。例如，燃料喷射机构也可以以包括与连接于压缩机31的吸入口的空气供给路汇合的燃料气体供给路和设于该燃料气体供给路的燃料流量控制阀、将燃料气体喷射至吸入到压缩机31的空气中的形式构成。

各缸21中设有进气阀23和排气阀24，进气阀23开闭进气路41的相对于燃烧室20的开口即进气端口，排气阀24开闭排气路42的相对于燃烧室20的开口即排气端口。又，各缸21中设有用于在燃烧室20内对燃料气体和空气的混合气点火的点火装置55。

本实施形态中，燃烧室20由连通进气路41和排气路42的主室20A及通过设有连通孔的分隔壁25与主室20A分隔的副室20B构成。点火装置55配置于副室20B，燃料气体从副燃料喷射阀52向副室20B喷射。通过从副燃料喷射阀52的燃料气体的喷射使副室20B内形成较浓的混合气，该混合气由点火装置55点火。由此副室20内产生火焰，该火焰通过分隔壁25的连通孔传播至主室20A从而主室20A内的较稀的混合气也被点火。主室20A设有检测作为该主室20A内的压力的筒内压的第二从压力传感器62。燃烧后的排气气体通过排气路42从燃烧室20导入至涡轮机32，在此压缩机31作为驱动的动力而使用。

（燃气发动机系统1的控制系统的结构）

以下，对于燃气发动机系统1的控制系统的结构进行说明。图5为示出燃气发动机系统1及船用推进装置8的控制系统的结构的图。控制装置7包括控制船用推进装置8的动作推进装置控制部71和控制燃气发动机系统1的动作的发动机控制部72。控制装置7为所谓的计算机，具有CPU等的运算处理部、ROM、RAM等的存储部（均未图示）。存储部存储有运算处理部执行的程序、各种固定数据等。运算处理部进行与外部装置的数据发送接收。又，运算处理部进行从各种传感器的检测信号的输入或向各控制对象的控制信号的输出。控制装置7通过运算处理部读取执行存储于存储部的程序等软件，进行用于控制燃气发动机系统1或船用推进装置8的动作的处理。另外，控制装置7可以通过一台计算机的集中控制执行各处理，也可以通过多台计算机的协同合作的分散控制执行各处理。又，控制装置7可以由微控制器（microcontroller）、可编程逻辑控制器（PLC）等构成。

设于船体的未图示的操纵室设有用于操作输入舵角的舵角操作具73和操作输入燃气发动机2的转速或前进/后退的操船操作具74。通过舵角操作具73，操纵者输入的舵角操作信息输入至控制装置7。通过操船操作具74，操纵者输入的操船操作信息输入至控制装置7。这些操作具73、74例如可以是手柄或杆。

控制装置7与舵角操作具73、操船操作具74、船速计67、回转驱动装置84及回转角传感器66通过有线或无线的信息通信手段而可通信地连接。

控制装置7基于通过舵角操作具73输入的舵角操作信息和回转角传感器66中检测出的实际回转角等，控制船用推进装置8的回转驱动装置84的动作。具体地，控制装置7取得舵角操作信息和实际回转角，基于舵角操作信息求目标回转角，以实际回转角成为目标回转角的形式生成回转角指示值，并向回转驱动装置84输出回转角指示值。回转驱动装置84中，回转马达96基于取得的回转角指示值而进行动作，其结果，推进翼83的实际回转角成为与舵角操作信息对应的目标回转角。

又，控制装置7与燃气发动机系统1的主燃料喷射阀51、副燃料喷射阀52、点火装置55、第一压力传感器61、第二压力传感器62、相位角检测器63、温度传感器65、喷射辅助阀（jet assist valve）37、进气泄压阀48及排气废气旁通阀49通过有线或无线的信息通信手段而可通信地连接。

控制装置7对于每个缸21，基于相位角检测器63中检测出的相位角控制燃料喷射阀51、52及点火装置55。具体地，控制装置7在负荷几乎不变化的期间进行稳定运转，若稳定运转中负荷上升则转移至负荷上升运转。在稳定运转及负荷上升运转的双方，控制装置7进行基于操船操作具74的操作量的将实际转速N维持于目标转速NT的PID控制。另外，稳定运转是指，无关于燃气发动机2的负荷的高低，燃料喷射量为大致一定的运转。作为负荷上升的要因，有根据船舶11的操纵者的提升船速的指令、在船体受到强烈风波时维持船速的指令、推进翼83为可变螺距（pitch）螺旋桨的情况下螺旋桨螺距变大等。

本实施形态中，控制装置7计算出对应于要求输出的所需燃料喷射量Q（获得要求输出所需的燃料气体的喷射量）。具体地，控制装置7以基于操船操作具74的操作量的目标转速NT、相位角检测器63中检测出的实际转速N、船速计67中检测出的作为当前的船速的实际船速、预先存储于存储部的船体性能模型等为基础，求燃气发动机2的要求输出，求要求输出与实际输出的差，由要求输出与实际输出的差算出所需燃料喷射量Q。本实施形态中，燃料气体从主燃料喷射阀51间歇地喷射，因而燃料喷射量为每次的燃料气体的喷射量。但，在与专利文献1相同地使燃料气体连续地喷射的情况下，燃料喷射量也可以是燃料气体的流量。

（燃气发动机系统1的控制方法）

如前所述，控制装置7在负荷几乎不变化的器件进行稳定运转，若在稳定运转中负荷上升则转移至负荷上升运转。进一步地，控制装置7在稳定运转中，预测负荷的上升，先于实际的负荷的上升而抑制增压压力的增加并进行使增压器转速增加的负荷上升准备处理。以下详细对燃气发动机2的（1）稳定运转、（2）负荷上升运转和（3）负荷上升准备处理进行说明。另外，以下将对燃气发动机2的一个缸21的控制作为代表而说明，但对全部的缸21均进行相同的控制。

（1）稳定运转

本实施形态的燃气发动机2中，作为稳定运转，进行爆震控制运转。但，稳定运转只要是以空气过剩率落入爆震区域和失火区域之间的形式调节燃料喷射量和增压量的控制，则不限定于本实施形态。

爆震控制运转以NOX的排出量少且能实现高效率的稀薄燃烧中也能获得最高效率的形式将点火正时最优化。具体地，燃气发动机2的各缸21中，在将实现稀薄燃烧的空气过剩率λ保持于一定的状态下，对于每规定循环数，基于该期间的爆震出现率与目标出现率的差来提前或延迟点火正时。点火正时为例如将活塞22位于上死点的正时作为基准（0度），从此在多早的阶段进行点火由燃气发动机2的相位角表示。

爆震控制运转中，基于第二压力传感器62中检测出的筒内压进行控制。首先，控制装置7基于第二压力传感器62中检测出的筒内压，对于每1个循环，判断燃烧状态为大爆震、小爆震、通常、失火中的哪个。然后，控制装置7计算出作为相对于规定循环次数Cy出现小爆震的循环次数CyL的比例的爆震出现率R（R=CyL/Cy）。

计算出爆震出现率R后，控制装置7计算出爆震出现率R与目标出现率RT的差ΔR（ΔR=RT-R）。目标出现率RT为在不对燃气发动机2给予较大损伤的情况下获得高效率的比率，通过实验或数值模拟而预先决定。又，如图6所示，目标出现率RT设定为比爆震极限RL稍低的值。而且，控制装置7将计算出的差ΔR乘以增益（gain）K的值作为点火正时的补正值β（β=ΔR×K），将当前的点火正时iT’加上补正值β的值作为新的点火正时iT（iT=iT’+β）。补正值β为正的情况下，即爆震出现率R比目标出现率RT小的情况下，点火正时以补正值β的程度提前，补正值β为负的情况下，即爆震出现率R比目标出现率RT大的情况下，点火正时以补正值β的程度延迟。如此，点火正时iT调节至最优正时。

（2）负荷上升运转

若稳定运转中负荷上升（即、所需燃料喷射量Q增加），则控制装置7转移至负荷上升运转。负荷上升运转中，进行基于第一压力传感器61中检测出的实际增压压力P、温度传感器65中检测出的增压温及相位角检测器63检测出的燃气发动机2的实际转速N的控制。图7为负荷上升运转的流程图。

首先，控制装置7计算出所需燃料喷射量Q的上升速度V（V=dQ/dt）（步骤S1）。图8A示出了负荷的上升程度相对较小的情况，即所需燃料喷射量Q的上升速度V较慢的情况，图8B示出了负荷的上升程度相对较大的情况，即所需燃料喷射量Q的上升速度V较快的情况。

接着，控制装置7将计算出的上升速度V与阈值α比较（步骤S2）。如图6所示，能够将燃料气体增加至爆震控制运转中调节的点火正时iT下的通过爆震极限RL的线即空气过剩率的第一下限λ1。

在增加燃料气体的情况下，所需燃料喷射量Q的上升速度V较慢时，如图8A所示，实际燃料喷射量q成为所需燃料喷射量Q的时刻B不会从所需燃料喷射量Q的上升指令终点A延后太多。但，所需燃料喷射量Q的上升速度V较快时，如图8B中两点划线所示，实际燃料喷射量q成为所需燃料喷射量Q的时刻B会从所需燃料喷射量Q的上升指令终点A大幅延后。阈值α为基于第一下限λ1控制时，从上升指令终点A到时刻B的延后无法被容许的情况的上升速度。如此的阈值α通过实验或数值模拟而预先决定。另外，阈值α也可以按每个实际燃料喷射量q及实际转速N决定。

所需燃料喷射量Q的上升速度V为阈值α以下的情况则进入步骤S3，上升速度V为比阈值α大的情况则进入步骤S8。另外，本实施形态中，上升速度V等于阈值α的情况进入步骤S3，但上升速度V等于阈值α的情况也可进入步骤S8。

步骤S3之后，控制装置7在维持爆震控制运转中调节的点火正时iT的状态下，以空气过剩率λ不超过第一下限λ1的形式慢慢地增加实际燃料喷射量q。空气过剩率λ从实际燃料喷射量q、第一压力传感器61中检测出的实际增压压力P及温度传感器65中检测出的增压温求得。

首先，控制装置7选择图9A所示的空气过剩率第一下限λ1映射表（步骤S3）。空气过剩率第一下限λ1映射表中，根据实际燃料喷射量q及实际转速N决定空气过剩率的第一下限值λ1_l，k（１≦l≦i；１≦k≦J）。控制装置7利用空气过剩率第一下限λ1映射表，由实际燃料喷射量q和实际转速N决定第一下限λ1（步骤S4）。另外，空气过剩率第一下限λ1映射表也可以是除了实际燃料喷射量q及实际转速N之外还将增压温作为变量的三维映射表。

之后，控制装置7由实际燃料喷射量q、第一压力传感器61中检测出的实际增压压力P及温度传感器65中检测出的增压温来计算出当前的空气过剩率λ，计算出使计算出的空气过剩率λ成为步骤S4中决定的第一下限λ1所需的燃料喷射量的增幅Δq（步骤S5）。空气过剩率λ为由实际增压压力P及增压温求得的实际向燃烧室20供给的空气量除以实际燃料喷射量q的燃料气体完全燃烧所需的理论空气量的值。

计算出增幅Δq后，控制装置7使实际燃料喷射量q仅增加Δq（步骤S6），判断实际燃料喷射量q是否为所需燃料喷射量Q以上（步骤S7）。若实际燃料喷射量q未达到所需燃料喷射量Q则返回步骤S1，若实际燃料喷射量q为所需燃料喷射量Q以上则结束负荷上升运转返回稳定运转。

另一方面，步骤S8以后，控制装置7在使点火正时iT延迟角度ε的程度的基础上，以使空气过剩率λ不超过比第一下限λ1小的第二下限λ2的形式慢慢地增加实际燃料喷射量q。如图6所示，第二下限λ2为使点火正时iT延迟角度ε的程度时的通过爆震极限RL的线。由此，如图8B所示，实际燃料喷射量q成为所需燃料喷射量Q的时刻C比时刻B大幅提前。

首先，控制装置7使点火正时iT延迟角度ε（步骤S8）。延迟的角度ε可以由实际燃料喷射量q和实际转速N来决定，也可以由第一压力传感器61中检测出的实际增压压力P与实际转速N来决定。表示角度ε与实际燃料喷射量q及实际转速N的关系的信息，或表示角度ε与实际增压压力P及实际转速N的关系的信息预先存储在存储部内，控制装置7利用其求得角度ε。

使点火正时延迟后，控制装置7选择图9B所示的空气过剩率第二下限λ2映射表（步骤S9）。空气过剩率第二下限λ2映射表中，根据实际燃料喷射量q及实际转速N决定空气过剩率的第二下限值λ2_l，k（１≦l≦i、１≦k≦J）。全部的第二下限值λ2_l，k比相对应的、即实际燃料喷射量q及实际转速N相同的第一下限值λ1_l，k小。控制装置7利用空气过剩率第二下限λ2映射表，由实际燃料喷射量q和实际转速N决定第二下限λ2（步骤S10）。另外，空气过剩率第二下限λ2映射表也可以是除了实际燃料喷射量q及实际转速N以外还将增压温作为变量的三维映射表。

之后，控制装置7由实际燃料喷射量q、第一压力传感器61中检测出的实际增压压力P及温度传感器65中检测出的增压温来计算出当前的空气过剩率λ，计算出使计算出的空气过剩率λ成为步骤S10中决定的第二下限λ2所需的燃料喷射量的增幅Δq（步骤S11）。

计算出增幅Δq后，控制装置7使实际燃料喷射量q仅增加Δq（步骤S12），判断实际燃料喷射量q是否为所需燃料喷射量Q以上（步骤S13）。若实际燃料喷射量q未达到所需燃料喷射量Q则返回步骤S1，若实际燃料喷射量q为所需燃料喷射量Q以上则结束负荷上升运转返回稳定运转。

（3）负荷上升准备处理

回转式推进器中，通过推进翼83（回转筒82）的回转，能够使推进翼83的划水方向变化。但，如此的推进翼83的回转根据与船速、海流、波向等的关系，可能使燃气发动机2的负荷大幅上升。

图10为示出推进翼83的实际回转角及燃气发动机2的负荷的随时间变化的图表。图10的上下的图表的时间轴相对应。图10的下图表中示出了时间T1时向控制装置7输入舵角操作信息，基于该舵角操作量的变化，回转角从θ1向θ2变化时的实际回转角的随时间变化。图10的上图表中显示了如上述实际回转角变化时的燃气发动机2的负荷的变化。在舵角操作量变化的时刻T1进行稳定运转，实际回转角从θ1向θ2变化的途中，燃气发动机2的负荷开始上升。也就是说，从舵角操作量变化的时刻T1到与此对应地燃气发动机2的负荷实际开始上升为止存在时间滞后。又，从舵角操作量变化的时刻T1到与此对应地燃气发动机2的负荷实际上升、负荷上升运转开始为止存在更大的时间滞后。

在舵角操作量变化的时刻T1之时，控制装置7能够预测回转角的变化带来的燃气发动机2的将来的负荷的变动。也就是说，控制装置7能够在推进翼83的回转角的变化使得燃气发动机2的负荷变动前，预测燃气发动机2的负荷的变动。因此，本实施形态的燃气发动机系统1中，以基于舵角操作量的变化预测推进翼83的回转角的变化带来的负荷的变化，利用前述的时间滞后，在负荷实际上升前迅速增加进气路41空气量（即、能够向燃烧室20供给的空气量）的形式准备，使得能够在负荷实际上升时迅速地增加增压量及燃料气体。以下，参照图11的流程图，对控制装置7的负荷上升准备处理进行说明。

控制装置7在稳定运转中监视包括舵角操作信息的舵角操作量的变化。舵角操作量通过前述的舵角操作具73的操作来输入，此外也可在自动操纵时从未图示的自动操纵装置输入。如图11所示，若稳定运转中舵角操作量变化（步骤S31中为是），则控制装置7开始负荷上升准备处理（步骤S32）。

开始负荷上升准备处理的控制装置7首先计算出预测所需燃料喷射量Qp（步骤S33）。预测所需燃料喷射量Qp为负荷上升程度指标的一例。具体地，例如，控制装置7取得基于操船操作具74的操作量的目标转速NT、作为当前的燃气发动机2的转速的实际转速N、基于舵角操作具73的操作量的目标回转角、作为当前的推进翼83的回转角的实际回转角以及作为当前的船速的实际船速等信息，根据这些信息利用预先存储在存储部里的船体性能模型，求燃气发动机2的预测要求输出，求预测要求输出与实际输出的差，由预测要求输出与实际输出的差计算出预测所需燃料喷射量Qp。

预测所需燃料喷射量Qp可以是从推进翼83对应于舵角操作信息开始回转动作到结束回转动作为止的所需燃料喷射量Q的随时间变化。或者，预测所需燃料喷射量Qp可以是从推进翼83对应于舵角操作信息开始回转动作到结束回转动作后经过规定时间为止的所需燃料喷射量Q的随时间变化。

其次，控制装置7计算出预测所需燃料喷射量Qp的上升速度Vp（Vp=dQp/dt）（步骤S34）。

接着，控制装置7将计算出的上升速度Vp与规定的阈值α比较（步骤S35）。阈值α可以是与前述的负荷上升运转中使用的阈值α相同的值。或者，阈值α可以是比负荷上升运转中使用的阈值α小或大的值。

在预测所需燃料喷射量Qp的上升速度Vp为阈值α以下的情况下（步骤S35中为否），结束负荷上升准备处理。另一方面，在预测所需燃料喷射量Qp的上升速度Vp比阈值α大的情况下（步骤S35中为是），进入步骤S36再结束负荷上升准备处理。另外，本实施形态中，在上升速度Vp与阈值α相等的情况下结束负荷上升准备处理，但在上升速度Vp与阈值α相等的情况下也可以进入步骤S36。

步骤S36中，控制装置7一边抑制增压压力的增加一边进行增加增压器3的转速的增压器转速增加操作。如此在负荷实际上升前增加增压器转速，从而能够增加进气路41的空气量（即、能够向燃烧室20供给的空气量）。因此，可在负荷实际上升而从稳定运转转移至负荷上升运转时，以空气过剩率λ成为合适的范围的形式，迅速地提高增压压力，更迅速地增加实际燃料喷射量q。换言之，能够改善燃气发动机2的负荷响应性（相对于要求输出的实际输出的追从性）。

上述的增压器转速增加操作可以是如下的（a）~（e）中任意一个或两个以上的组合。

（a）增加空气过剩率λ

具体地，控制装置7以使向燃烧室20输送的燃料气体与空气的混合气的空气过剩率λ在不超过第一下限λ1的范围内增加的形式使进气泄压阀48进行动作。由此，以缸21内的空气更浓的状态燃烧燃料从而燃烧温度上升，从燃气发动机2的排气温度上升，也就是说，排气能量增加，从而能够增加增压器3的涡轮机32的转速。

（b）延迟点火正时

具体地，控制装置7以点火或着火正时延迟的形式使点火装置55进行动作。由此，来自燃气发动机2的排气温度上升，也就是说，排气能量增加，从而能够增加增压器3的涡轮机32的转速。作为燃气发动机2的点火方式，有用火花塞（spark plug）产生的火花来对混合气点火的火花点火方式，和用喷射至燃烧室20的自燃的先导燃料油来对混合气点火（使其着火）的先导油着火方式。火花点火方式的点火装置55包括火花塞，点火装置55以延迟火花塞的火花的产生正时的形式进行动作，从而能够延迟点火正时。又，先导油着火方式的点火装置55包括先导燃料喷射阀，点火装置55以延迟从先导燃料喷射阀的先导燃料喷射正时的形式进行动作，从而能延迟点火正时。

（c）对增压器3的压缩机31的旋转进行喷射辅助

在该情况下，设有将从高压空气源35供给的高压空气供给至压缩机31的入口侧的喷嘴（nozzle）36和设于高压空气源35与喷嘴36之间的喷射辅助阀37（参照图3）。而且，控制装置7以压缩机31的旋转通过从喷嘴36喷出的高压空气进行喷射辅助的形式来切换喷射辅助阀37。由此，由吹出的高压空气的流动，辅助压缩机31的旋转，其结果，能够增加增压器3的压缩机31的转速。

（d）减少从排气路42排出至系统外的气体

具体地，控制装置7以使排气废气旁通阀49的开度变小或关闭的形式使排气废气旁通阀49进行动作。若排气废气旁通阀49的开度变小，则从排气路42排出的排气气体量减少，从而能增加增压器3的涡轮机32的旋转速度。

（e）增压器3为可变几何涡轮（geometry turbo）的情况下，缩小涡轮机32的喷嘴的开口面积；

在增压器3为向涡轮机叶轮吹出排气气体的喷嘴的开度可改变的可变几何涡轮的情况下，控制装置7以使涡轮机32的喷嘴的开口面积变小的形式使涡轮机32进行动作。如此，通过缩小涡轮机32的喷嘴的开口面积，能够提升排气的流速、提高增压效率。

控制装置7在增压器转速增加操作中，进行如上述的增加增压器3的转速的操作，并且进行抑制伴随增压器转速增加的增压压力上升的操作。具体地，控制装置7以抑制伴随增压器转速增加的增压压力增加的形式，增加进气泄压阀48的开度。若进气泄压阀48的开度增加，从进气路41排出的空气量增加，从而即使增压器转速增加也能够抑制增压压力的增加。因此，控制装置7例如以第一压力传感器61中检测出的压力的变动抑制于规定幅度的形式，调节进气泄压阀48的开度。

另外，从负荷上升准备处理转移至负荷上升运转时，控制装置7以成为满足与所需燃料喷射量Q对应的空气过剩率λ的实际增压压力P的形式，基于实际增压压力P及增压温，减少或关闭进气泄压阀48的开度。藉由负荷上升准备处理，增压器3的增压器转速已经增加，从而通过减少或关闭进气泄压阀48的开度，与开始负荷上升运转后使增压压力上升的情况相比较，能够迅速地使增压压力上升。

如以上的说明，本实施形态中燃气发动机的控制方法为与包括压缩机31及涡轮机32的增压器3连接的燃气发动机2的控制方法，在燃气发动机2的负荷实际上升前对负荷的上升进行预测，若预测的负荷的上升程度超过规定的阈值α，则一边抑制增压压力的增加一边增加增压器转速，若检测出燃气发动机2的负荷的上升则转移至负荷上升运转，使增压压力及燃料喷射量增加。另外负荷的上升的预测、增压压力的增加以及燃气发动机2的负荷的上升的检测均在稳定运转中进行。

同样地，本实施形态的燃气发动机系统1具备包括压缩机31及涡轮机32的增压器3、经由进气路41与压缩机31连接并经由排气路42与涡轮机32连接的燃气发动机2、向通过所述进气路供给至燃气发动机2的空气中喷射燃料气体的燃料喷射机构（主燃料喷射阀51）以及控制增压器3、燃气发动机2及燃料喷射机构的控制装置7。而且，控制装置7在燃气发动机2的负荷实际上升前预测负荷的上升，若预测的负荷上升程度超过规定的阈值α，则一边抑制增压压力的增加一边进行增加增压器转速的处理，若检测出燃气发动机的负荷的上升（从稳定运转转移至负荷上升运转），则进行增加增压压力及燃料喷射量的处理。

根据上述燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统1，在燃气发动机2的负荷实际上升前预测负荷的上升，能够先于负荷的上升增加增压器转速而进行增加增压压力的准备。因此，燃气发动机2的负荷实际上升时，能够迅速地增加增压压力及燃气喷射量以成为合适的空气过剩率的范围。由此，能够改善燃气发动机2的负荷响应性。

另外，本实施形态的燃气发动机系统1中，进气路41设有从该进气路41逸出气体的进气泄压阀48，控制装置7在增加增压器转速的处理中，以抑制伴随增压器转速的增加的增压压力的增加的形式增加进气泄压阀48的开度，在进行增加增压压力的处理时，以减少或关闭进气泄压阀48的开度的形式控制进气泄压阀48。

由此，能够一边抑制增压压力的增加一边增加增压器转速，又，能够在抑制增压压力的增加的同时增加增压器转速后的状态（即、结束负荷上升准备处理的状态）下迅速地提高增压压力。

又，上述实施形态的燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统1中，燃气发动机2为船舶11的主机，预测的燃气发动机的负荷的上升是对应于船舶11的舵角操作量的变化而舵角变化时的燃气发动机2的负荷的上升。

更详细地，上述实施形态的燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统1中，燃气发动机2为具备回转式推进器（船用推进装置8）的船舶11的主机，预测的燃气发动机的负荷的上升是回转式推进器对应于船舶11的舵角操作量的变化开始回转后的燃气发动机2的负荷的上升。

一般地，船舶11中，从舵角操作量变化到负荷实际变化为止存在时间滞后，而负荷容易在短期变化。对如此的情况，即使负荷急速上升，由于预先提高了增压器转速，由发动机转速的降低等检测出负荷的上升后能够马上增加增压压力及燃气喷射量，从而能够响应于负荷的急速上升，立刻获得充分的发动机输出。另外，本实施形态中，作为船用推进装置8采用回转式推进器，但决定船舶11的行进方向的机构也可以是由油压或电动执行器驱动的舵板。在该情况下，从舵角操作量变化到油压或电动执行器进行动作使舵角变化，负荷实际上升为止可能会产生时间滞后，能够利用该时间滞后预先提高增压器转速。

又，上述实施形态中燃气发动机的控制方法及燃气发动机系统1中，通过增加输送至燃烧室20的燃料气体与空气的混合气的空气过剩率、在点火装置55为火花点火方式的情况下延迟火花塞的点火正时、在点火装置55为先导油着火方式的情况下延迟先导燃料喷射正时、对压缩机31的旋转进行喷射辅助、在增压器3为可变几何涡轮的情况下减小涡轮机32的喷嘴的开口面积以及减少从燃烧室20的排气路42排出至系统外的气体中的至少一种，来增加增压器的转速。

例如，控制装置7为了增加增压器转速，以增加输送至燃烧室20的燃料气体与空气的混合气的空气过剩率的形式，进行减小进气泄压阀48的开度的处理。又，例如，控制装置7为了增加增压器转速，以延迟点火正时的形式，或以延迟先导燃料喷射正时的形式进行使点火装置55动作的处理。又，例如，控制装置7为了增加增压器转速，以压缩机31的旋转通过从喷嘴36喷出高压空气进行喷射辅助的形式，进行切换喷射辅助阀37的处理。又，例如，控制装置7为了增加增压器转速，进行减小涡轮机32的开口面积的处理。又，例如，控制装置7为了增加增压器转速，进行减少排气废气旁通阀49的开度的处理。

通过任意的上述的增加增压器转速的处理，能够抑制对燃气发动机2的稳定运转给予的影响，并提高增压器转速。

以上说明了本发明的较佳实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围，对上述实施形态的具体结构及/或功能的详细进行改变的情况也包括于本发明。

例如，上述实施形态的负荷上升运转中，负荷的上升程度相对较大时（所需燃料喷射量Q的上升速度V比阈值α大时），延迟点火正时且慢慢地增加燃料喷射量，但通过前述的负荷上升准备处理而在检测出负荷上升的正时已经准备好充足的量的空气的情况下，也可以仅进行燃料喷射量的增加。

又，例如，上述实施形态中，利用所需燃料喷射量Q（预测所需燃料喷射量Qp）作为燃气发动机2的负荷上升程度的指标，但作为燃气发动机2的负荷的指标，也可以使用燃气发动机2的要求输出（预测要求转矩）与实际输出的差、目标转速与实际转速的差以及目标增压压力与实际增压压力的差中的至少一个。

在负荷上升的情况下，燃气发动机2的实际转速会低于目标转速。而且，实际转速会低多少依赖于负荷的程度。因此，目标转速与实际转速的差能够作为负荷上升程度的指标。

又，在负荷上升的情况下，根据负荷增加目标增压压力，由于实际增压压力的增加相对于该目标增压压力的增加较慢（所谓的涡轮滞后），实际增压压力与目标增压压力的差增大。而且，该差的增大的大小依赖于负荷的程度。因此，目标增压压力与实际增压压力的差能够作为负荷上升程度的指标。

工业应用性：

本发明的燃气发动机系统并非必须用于船舶，例如，也可以用于发电设备、工程机械、铁路等。

符号说明：

1　　 ：燃气发动机系统

2　　 ：燃气发动机

3　 　：增压器

7　　 ：控制装置

71　　：推进装置控制部

72　　：发动机控制部

8　　 ：船用推进装置

11　　：船舶

20　　：燃烧室

21　　：缸

22　　：活塞

23　　：进气阀

24　　：排气阀

25　　：分隔壁

31　　：压缩机

32　　：涡轮机

35　　：高压空气源

36　　：喷嘴

37　　：喷射辅助阀

41　　：进气路

42　　：排气路

43　　：散热器

48　　：进气泄压阀

49　　：排气废气旁通阀

51　　：主燃料喷射阀

52　　：副燃料喷射阀

55　　：点火装置

61　　：第一压力传感器

62　　：第二压力传感器

63　　：相位角检测器

65　　：温度传感器

66　　：回转角传感器

67　　：船速计

73、74 ：操作具

80　　：平台

81　　：上部齿轮箱

82　　：回转筒

83　　：推进翼

84　　：回转驱动装置

85　　：离合器

86　　：输入轴

87　　：水平轴

88、89 ：上部锥形齿轮机构

90　　：垂直轴

91、92 ：下部锥形齿轮机构

93　　：推进轴

94　　：导管

95　　：回转齿轮

96　　：回转马达

97　　：驱动齿轮。