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JP6049415B2 - ディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法 - Google Patents

ディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法に関するものである。
天然ガス等のガス燃料を主燃料とし、圧縮着火性の良い油燃料をパイロット燃料とし、高温下の燃焼室で油燃料を自己着火させることで、主燃料であるガス燃料を燃焼させるディーゼルエンジン（以下、「二元燃料ディーゼルエンジン」という。）が知られている。二元燃料ディーゼルエンジンは、ガス燃料を用いるため、燃焼時にＣＯ２が少なく、黒煙などの有害物質の排出が少ない。
例えば、特許文献１には、ガス燃料等の圧縮着火性の悪い低セタン価燃料を主燃料とし、圧縮着火性の良い油燃料をパイロット燃料とした二元燃料ディーゼルエンジンが開示されている。この特許文献１のエンジンは、シリンダヘッドに設けられたガス燃料噴射弁及びパイロット燃料噴射弁を備えており、これらガス燃料噴射弁及びパイロット燃料噴射弁から燃焼室に向けてガス燃料及びパイロット燃料を噴射することで、高温の燃焼室内でパイロット燃料を自己着火させ、これにより主燃料を燃焼させる。
実開昭６２−４５３３９号公報
しかしながら、特許文献１には、油燃料とガス燃料とのディーゼルエンジンへの供給方法が具体的には開示されていない。二元燃料ディーゼルエンジンでは、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転が課題となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、油燃料の使用量を低減させると共に、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転を可能とする、ディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法は以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係るディーゼルエンジンの制御装置は、ガス燃料と油燃料が供給されて運転されるディーゼルエンジンの制御装置であって、ガバナ制御を行うガバナ制御手段と、前記ディーゼルエンジンの負荷が所定値を超えて上昇する場合に、前記油燃料の供給量の上昇率を正の値でかつ前記所定値までの上昇率より緩やかにし、かつ負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を開始する燃料制御手段と、を備える。
本構成によれば、ディーゼルエンジンの制御装置は、ガス燃料と油燃料のディーゼルエンジンへの供給量を制御する。ガス燃料と油燃料の供給は、ガバナ制御手段によるガバナ制御で行われる。そして、ディーゼルエンジンの負荷が所定値まで上昇すると、油燃料の専焼状態から油燃料とガス燃料との混焼状態へ切り替えられる。
しかしながら、ディーゼルエンジンの負荷が上昇して所定値に達すると同時に、ガス燃料の供給を開始するとディーゼルエンジンの負荷（回転数）が急激に上昇する可能性がある。このような場合、ガバナ制御により、上昇した負荷を低下させるために燃料供給量が減少されるが、その結果、負荷が下がり過ぎて再び上昇させることとなる所謂チャタリングが発生する可能性がある。そして、負荷が下がり過ぎて負荷が再び所定値以下となるとガス燃料の供給が停止される。このように、チャタリングが発生すると、ガス燃料の供給と停止が繰り返され、専焼状態と混焼状態とが頻繁に切り替わる事象が発生する可能性がある。
そこで、本構成によれば、ディーゼルエンジンの負荷が所定値を超えて上昇する場合に、前記油燃料の供給量の上昇率を正の値でかつ前記所定値までの上昇率より緩やかにし、かつ負荷が所定値となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を開始する。
油燃料の供給量の上昇率を減少させるということは、負荷の上昇がそれまでに比べて緩やかになる。そして、ガス燃料の供給のタイミングを遅らせることは、緩やかな負荷の上昇時にガス燃料の供給が開始されることとなるので、ガス燃料の供給により負荷が急激に上昇し、チャタリングが発生することが抑制される。
従って、本構成は、油燃料の使用量を低減させると共に、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転が可能となる。
上記第一態様では、前記燃料制御手段が、負荷が前記所定値まで低下した場合に、前記油燃料の供給量を負荷が前記所定値まで低下する前に比べてより低下させ、かつ負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を停止することが好ましい。
ディーゼルエンジンの負荷が低下して所定値に達すると同時に、油燃料の供給量をより低下させると共にガス燃料の供給を停止させると、ディーゼルエンジンの負荷（回転数）が急激に低下する可能性がある。このような場合にもチャタリングが発生し、負荷が再び所定値を超えるとガス燃料の供給と停止が繰り返され、専焼状態と混焼状態とが頻繁に切り替わる事象が発生する可能性がある。
そこで、本構成によれば、負荷が所定値まで低下した場合に、油燃料の供給量のより低下させ、かつ負荷が所定値となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を停止する。
これにより、油燃料の供給量の低下とガス燃料の停止が同時とはならないので、本構成は、負荷が急激に減少し、チャタリングが発生することが抑制される。
本発明の第二態様に係るディーゼルエンジンは、燃焼室にガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁と、前記燃焼室に油燃料を噴射する油燃料噴射弁と、上記記載の制御装置と、を備える。
本発明の第三態様に係るディーゼルエンジンの制御方法は、ガス燃料と油燃料が供給されて運転されるディーゼルエンジンの制御方法であって、前記ディーゼルエンジンの負荷が所定値を超えて上昇する場合に、前記油燃料の供給量の上昇率を正の値でかつ前記所定値までの上昇率より緩やかにする第１工程と、負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を開始する第２工程と、を含む。
本発明によれば、油燃料の使用量を低減させると共に、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転を可能とする、という優れた効果を有する。
本発明の第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジンの構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る油燃料とガス燃料との燃料制御指令の和と負荷率との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジンの負荷が増加する場合における油燃料制御指令の変化とガス燃料制御指令の変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジンの負荷が増加する場合の時間変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジンの負荷が低下する場合の時間変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジンの負荷が低下する場合におけるガス燃料制御指令の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るガス燃料制御指令の出力の開始及び停止のタイミングを示す模式図である。
以下に、本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置、ディーゼルエンジン、及びディーゼルエンジンの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
本第１実施形態に係るディーゼルエンジンは、主燃料としてガス燃料を用い、パイロット燃料として油燃料を用いて運転される二元燃料ディーゼルエンジンであり、例えば船舶の主機として用いられる。
図１は、本第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１の構成図である。
二元燃料ディーゼルエンジン１は、円筒状のシリンダ２と、該シリンダ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の内部に進退自在に収容されたピストン４と、を備えている。そして、これらシリンダ２の周壁２ａと、シリンダヘッド３と、ピストン４の頂面４ａとで燃焼室ｃが形成されている。
なお、図中の符号５は、ピストンリングを示している。
シリンダ２の下方側の周壁２ａには掃気ポート６が開口している。この掃気ポート６は、下死点近傍に位置するピストン４の頂面４ａ（図中に二点鎖線で表示）よりも上方の位置に形成されており、ピストン４が下死点近傍に位置する時に、掃気ポート６から燃焼室ｃに空気が供給されるようになっている。また、シリンダヘッド３の頂部には排気ポートが開口すると共に、該排気ポートを開閉する排気バルブ７が設けられている。この排気バルブ７は、ピストン４が上昇行程にある掃気行程時において、ピストン４が上死点の手前約１００°の位置に到達するまで開放される。そして、掃気ポート６から燃焼室ｃに供給される空気によって、燃焼室ｃに残留する前行程の排ガスが掃気されるようになっている。
シリンダヘッド３には、燃焼室ｃにガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁８が設けられると共に、同じく燃焼室ｃに圧縮着火性の良い油燃料を噴射する油燃料噴射弁１０が設けられている。このガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０は、シリンダ中心ｏを回転中心として円周方向に１８０°離れた位置にそれぞれ１つずつ設けられている。
なお、本第１実施形態では、ガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０には、それぞれ４つの噴孔が設けられているが、ガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０の設置数は限定されず、例えば、１つであっても構わない。しかしながら、シリンダヘッド３の頂部に排気バルブ７が設けられる本第１実施形態にあっては、複数個のガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０が、それぞれ円周方向に等間隔で配置されるのが好ましい。
さらに、ガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０は、ケーブル１４を介してエンジンコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）１２に接続されている。
ＥＣＵ１２は、ケーブル１６を介してクランク軸１７の回転角を検出するクランク角センサ１５に接続されている。そして、クランク角センサ１５からクランク軸１７の回転角にかかる信号を受信することで、ピストン４の位相を検知する。また、ガス燃料噴射弁８及び油燃料噴射弁１０は、ＥＣＵ１２から送信される信号に基づいて、所定のタイミングで燃焼室ｃにガス燃料及び油燃料を噴射する。
図２は、第１実施形態に係るＥＣＵ１２の電気的構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ１２は、ガバニング制御部３０及び燃料制御部３２を備える。
ガバニング制御部３０は、二元燃料ディーゼルエンジン１の設定回転数と実回転数とが入力され、設定回転数と実回転数との差分に基づいて実回転数が設定回転数となるようにガバニング制御を行う。なお、ガバニング制御部３０は、設定負荷と実負荷との差分に基づいて、ガバニング制御を行ってもよい。なお、本第１実施形態に係る負荷は、二元燃料ディーゼルエンジン１に対する最大負荷を１００％とし、０から１００の間で変化する負荷率（ロードインジケータ値）で特定される。
燃料制御部３２は、ガバニング制御部３０から出力された指令に基づいて、燃料制御指令を出力する。
本第１実施形態に係る燃料制御部３２は、油燃料制御部３４及びガス燃料制御部３６を備える。
油燃料制御部３４は、ガバニング制御部３０から出力された指令に基づいて、所定の関数によって油燃料制御指令を算出し、油燃料噴射弁１０へ出力する。
ガス燃料制御部３６は、ガバニング制御部３０から出力された指令に基づいて、所定の関数によってガス燃料制御指令を算出し、ガス燃料噴射弁８へ出力する。
図３は、負荷率と燃料制御指令との関係を示すグラフである。
図３に示される燃料制御指令は、油燃料制御指令とガス燃料制御指令との和である。すなわち、負荷率の上昇に応じてガス燃料と油燃料の合計供給熱量が上昇する。一例として、燃料制御指令は負荷率に比例して上昇する。
燃料制御部３２は、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が所定値を超えた後にガス燃料の供給を開始する。そして、燃料制御部３２は、ガス燃料と油燃料を異なる制御量で制御し、かつ図３に示されるように負荷の上昇に応じてガス燃料と油燃料の合計供給熱量を上昇させる。これにより、ＥＣＵ１２は、二元燃料ディーゼルエンジン１の油燃料の使用量を低減させることができる。また、ＥＣＵ１２は、ガス燃料と油燃料を異なる制御量で制御するので、目的に応じて異なるガス燃料と油燃料の制御を行うことができる。
なお、上記所定値を以下の説明において、切替負荷率という。本第１実施形態では、切替負荷率を一例として２０％とするが、これに限られず任意に設定される。切替負荷率以下は、低負荷運転とされる負荷率である。
すなわち、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷率が上昇し、切替負荷率を超えると、油燃料の専焼状態から油燃料とガス燃料との混焼状態へ切り替えられる。
一方、切替負荷率以上となっている二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷率が低下し、切替負荷率以下となった場合、ガス燃料の供給は停止され、混焼状態から専焼状態へ切り替えられる。
図４は、本第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が増加する場合における油燃料制御指令の変化とガス燃料制御指令の変化を示すグラフである。
図４に示されるように、油燃料制御指令は、負荷率が切替負荷率を超えるとその上昇率が切替負荷率未満に比べて小さくなる。換言すると、油燃料制御指令は、図３に示される燃料制御指令からガス燃料制御指令を減算した値となる。この油燃料制御指令の減少によって、図３に示されるように燃料制御指令と負荷率との関係が保たれる。
一方、ガス燃料制御指令は、負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅れて上昇し、ガス燃料の供給を開始する。
この理由は、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が上昇して切替負荷率に達すると同時に、ガス燃料の供給を開始すると二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷（回転数）が急激に上昇する可能性があるためである。このような場合、ガバナ制御により、上昇した負荷を低下させるために燃料供給量が減少されるが、その結果、図５に示されるように負荷が下がり過ぎて再び上昇させることとなる所謂チャタリングが発生する可能性がある。なお、図５の実線は、混焼状態となってもチャタリングが発生せずに時間と共に負荷率が上昇する場合を示している。一方、図５の破線は、混焼状態となってもチャタリングが発生した場合を示している。
そして、負荷が下がり過ぎ、負荷が再び切替負荷率以下となる負荷の引き戻しが発生すると、ガス燃料の供給が停止される。このように、チャタリングが発生すると、ガス燃料の供給と停止が繰り返され、専焼状態と混焼状態とが頻繁に切り替わる事象が発生する可能性がある。
そこで、上述のように、燃料制御部３２は、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が切替負荷率まで上昇した場合に、油燃料の供給量の上昇率を負荷が切替負荷率まで上昇する前に比べて減少させ、かつ負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を開始する。なお、負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を開始するとは、例えば、負荷指令が所定時間（図５の遅れ時間ε１）において設定値以上となった際に、ガス燃料の供給を開始することである。
油燃料の供給量の上昇率を減少させるということは、負荷の上昇がそれまでに比べて緩やかになる。そして、ガス燃料の供給のタイミングを遅らせることは、緩やかな負荷の上昇時にガス燃料の供給が開始されることとなるので、ガス燃料の供給により負荷が急激に上昇し、チャタリングが発生することが抑制される。
なお、ガス燃料制御指令を上昇させるタイミングの遅れ時間ε１は、ガス燃料の供給開始によって負荷の引き戻し（低下）が生じても、負荷率が切替負荷率以下とならない時間とする。この遅れ時間ε１は、例えば、二元燃料ディーゼルエンジン１の運転によって経験的、又はシミュレーションによって求められる。
また、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が低下して切替負荷率（２０％）に達すると、図４に示されるように、油燃料の供給量は、負荷が切替負荷率まで低下する前に比べてより低下される。換言すると、油燃料の供給量の低下率がより大きくなる。
このため、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が低下して切替負荷率に達すると同時に、油燃料の供給量をより低下させると共にガス燃料の供給を停止させると、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷（回転数）が急激に低下する可能性がある（図６の破線）。
このような場合にもチャタリングが発生し、負荷が再び切替負荷率を超えるとガス燃料の供給と停止が繰り返され、専焼状態と混焼状態とが頻繁に切り替わる事象が発生する可能性がある。
そこで、燃料制御部３２は、負荷が切替負荷率まで低下した場合に、図４に示されるように油燃料の供給量を負荷が切替負荷率まで低下する前に比べてより低下させ、かつ図７に示されるように負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を停止する。なお、負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を停止するとは、例えば、負荷指令が所定時間（図６の遅れ時間ε２）において設定値以下となった際に、ガス燃料の供給を停止することである。
これにより、油燃料の供給量の低下とガス燃料の停止が同時とはならないので、負荷が急激に減少し、チャタリングが発生することが抑制される。
なお、ガス燃料制御指令の出力を停止させるタイミングの遅れ時間ε２は、ガス燃料の供給停止によって負荷の引き戻し（上昇）が生じても、負荷率が切替負荷率を超えない時間とする。この遅れ時間ε２は、例えば、二元燃料ディーゼルエンジン１の運転によって経験的、又はシミュレーションによって求められる。
このように、本第１実施形態に係るＥＣＵ１２は、ガス燃料の供給開始（オン）と供給停止（オフ）の設定にヒステリシスを持たせる。
以上説明したように、本第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１が備えるＥＣＵ１２は、ガバナ制御を行い、負荷が切替負荷率まで上昇した場合に、油燃料の供給量の上昇率を負荷が切替負荷率まで上昇する前に比べて減少させ、かつ負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を開始する。また、ＥＣＵ１２は、負荷が切替負荷率まで低下した場合に、油燃料の供給量を負荷が切替負荷率まで低下する前に比べてより低下させ、かつ負荷が切替負荷率となったタイミングよりも遅らせてガス燃料の供給を停止する。
これにより、ＥＣＵ１２は、油燃料の使用量を低減させると共に、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転を可能とする。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
本第２実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１及びＥＣＵ１２の構成は、図１，２に示す第１実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１及びＥＣＵ１２の構成と同様であるので説明を省略する。
なお、本第２実施形態に係るＥＣＵ１２は、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が第１切替負荷率に上昇した場合に、油燃料の専焼状態から油燃料とガス燃料との混焼状態へ切り替える。また、ＥＣＵ１２は、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が第１切替負荷率よりも小さい第２切替負荷率に低下した場合に、混焼状態から専焼状態へ切り替える。
図８は、第２実施形態に係るガス燃料制御指令の出力の開始及び停止のタイミングを示す模式図である。
図８に示されるように、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が第１切替負荷率Ｌ１に上昇した場合、ガス燃料制御部３６からガス燃料制御指令の出力が開始される。一方、二元燃料ディーゼルエンジン１の負荷が第２切替負荷率Ｌ２に低下した場合に、ガス燃料制御部３６からのガス燃料制御指令の出力が停止される。
これにより、専焼状態から混焼状態へ切り替えた際に、チャタリングが生じて負荷が低下しても、再び専焼状態へ切り替わることが抑制される。また、混焼状態から専焼状態へ切り替えた際に、チャタリングが生じて負荷が上昇しても、再び混焼状態へ切り替わることが抑制される。
従って、本第２実施形態に係る二元燃料ディーゼルエンジン１が備えるＥＣＵ１２は、油燃料の使用量を低減させると共に、油燃料とガス燃料とを用いた安定した運転が可能となる。
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１ 二元燃料ディーゼルエンジン
１２ ＥＣＵ
３０ ガバニング制御部
３２ 燃料制御部

Claims (4)

  1. ガス燃料と油燃料が供給されて運転されるディーゼルエンジンの制御装置であって、
    ガバナ制御を行うガバナ制御手段と、
    前記ディーゼルエンジンの負荷が所定値を超えて上昇する場合に、前記油燃料の供給量の上昇率を正の値でかつ前記所定値までの上昇率より緩やかにし、かつ負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を開始する燃料制御手段と、
    を備えるディーゼルエンジンの制御装置。
  2. 前記燃料制御手段は、負荷が前記所定値まで低下した場合に、前記油燃料の供給量を負荷が前記所定値まで低下する前に比べてより低下させ、かつ負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を停止する請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。
  3. 燃焼室にガス燃料を噴射するガス燃料噴射弁と、
    前記燃焼室に油燃料を噴射する油燃料噴射弁と、
    請求項１または請求項２に記載の制御装置と、
    を備えるディーゼルエンジン。
  4. ガス燃料と油燃料が供給されて運転されるディーゼルエンジンの制御方法であって、
    前記ディーゼルエンジンの負荷が所定値を超えて上昇する場合に、前記油燃料の供給量の上昇率を正の値でかつ前記所定値までの上昇率より緩やかにする第１工程と、
    負荷が前記所定値となったタイミングよりも遅らせて前記ガス燃料の供給を開始する第２工程と、
    を含むディーゼルエンジンの制御方法。
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