CN113309621B - 发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机，具备：气体喷射器，其喷射气体燃料；主燃料喷射阀，其喷射液体燃料；以及控制装置，其进行切换气体模式和柴油模式的控制，其中，在所述气体模式下，使所述气体喷射器喷射的所述气体燃料与空气混合并流入至燃烧室，在所述柴油模式下，所述主燃料喷射阀向所述燃烧室内喷射所述液体燃料并使之燃烧，在判定为发动机内发生异常的情况下，所述控制装置进行在瞬间内切换至所述柴油模式的控制。

Description

发动机
本申请是申请号为201780037074.4(国际申请号为PCT/JP2017/025198)、申请日为2017年7月11日、发明名称为“发动机”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及利用负荷检测器检测发动机负荷并对该发动机负荷进行各种控制的发动机的结构。
背景技术
以往，已知设置有用于测量发动机负荷的负荷测量器的发动机。专利文献1公开了这种发动机。该专利文献1的发动机具有对发动机的各部分进行控制的发动机控制装置，该发动机控制装置形成为如下结构：接收瓦特转换器、扭矩传感器等负荷测量器的测量信号并对发动机装置的负荷进行计算。
专利文献
专利文献1：日本特开2015-230000号公报
发明内容
不过，为了进行发动机的适当的燃烧控制，必须如上述专利文献1那样对施加于发动机的负荷进行测量。假设如果发动机在该负荷测量器发生故障的状态下运行，则会成为产生燃烧所需的空气量的过量或不足而导致燃烧的稳定性降低的原因。但是，在上述专利文献1的结构中，并未特别提及该负荷测量器检测负荷时有可能发生异常这一点，在这方面存有改善的余地。
本发明是鉴于以上情况而完成的，其目的在于提供一种能够恰当地判定负荷检测器的异常的发动机。
本发明所要解决的问题如上，接下来对用于解决该问题的方法及其效果进行说明。
根据本发明的观点，提供以下结构的发动机。即，该发动机具备进气歧管、气体喷射器、燃料喷射阀、缸内压力传感器、负荷检测器以及控制装置。上述进气歧管向上述气缸内供给空气。上述气体喷射器喷射气体燃料并使之与从上述进气歧管供给的空气混合。上述燃料喷射阀向上述气缸喷射液体燃料。上述缸内压力传感器对气缸内部的压力进行检测。上述负荷检测器对发动机负荷进行检测。上述缸内压力传感器的检测结果以及上述负荷检测器的检测结果输入到上述控制装置。上述发动机能够在预混合燃烧模式和扩散燃烧模式之间切换运行，在上述预混合燃烧模式下，使上述气体喷射器喷射的上述气体燃料在与空气混合之后流入到上述气缸内的燃烧室，在上述扩散燃烧模式下，上述燃料喷射阀向上述燃烧室内喷射上述液体燃料并使之燃烧。在由上述负荷检测器检测出的负荷为零、且根据上述缸内压力传感器的检测结果而获得的缸内压力为阈值以上的情况下，上述控制装置判定为利用上述负荷检测器进行的检测发生异常。当在上述预混合燃烧模式下运行的过程中判定为利用上述负荷检测器进行的检测发生异常时，上述控制装置将燃烧模式从上述预混合燃烧模式切换为上述扩散燃烧模式。
由此，利用缸内压力与发动机负荷之间存在某种程度的关联性这一点，能够通过简单的结构判定负荷检测器有无异常。其结果，例如能够在早期督促操作人员采取针对异常的应对措施。
在上述发动机中，优选地，当在上述预混合燃烧模式下运行的过程中判定为利用上述负荷检测器进行的检测发生异常而从上述预混合燃烧模式切换为上述扩散燃烧模式时，上述控制装置基于上述缸内压力传感器的检测值并通过计算而推测发动机负荷，并基于推测出的发动机负荷而对刚刚向上述扩散燃烧模式切换之后由上述燃料喷射阀喷射的上述液体燃料的量进行计算。
由此，在从预混合燃烧模式切换为扩散燃烧模式的初期，能够利用缸内压力传感器的检测结果而从燃料喷射阀喷射适当量的液体燃料。其结果，能够防止模式切换时的发动机转速降低等，从而能够使得发动机稳定地运行。
附图说明
图1是概略地示出本发明的一实施方式所涉及的发动机以及双系统的燃料供给路径的示意图。
图2是详细示出燃烧室周围的结构的背面局部剖视图。
图3是发动机的俯视图。
图4是示出液体燃料供给路径的示意性的前方立体图。
图5是示出发动机的进排气系统的结构的图。
图6是示出用于控制发动机的电气结构的框图。
图7是对发动机以燃气模式运行时的、进气歧管中的进气流量的调整控制进行说明的曲线图。
图8是发动机控制装置为了对扭矩传感器的异常进行检测而进行的判定处理的流程图。
图9是对作为检测出扭矩传感器异常的结果而从燃气模式切换为柴油模式的情况下的、燃料气体以及燃油的供给控制进行说明的图。
具体实施方式
接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是概略地示出本发明的一实施方式所涉及的发动机21以及双系统的燃料供给路径30、31的示意图。图2是详细示出燃烧室周围的结构的背面局部剖视图。图3是发动机21的俯视图。图4是示出液体燃料供给路径的示意性的前方立体图。
图1所示的本实施方式的发动机(多气缸发动机)21是能够应对预混合燃烧方式和扩散燃烧方式中的任意方式的、所谓的双燃料发动机，其中，在预混合燃烧方式中，使气体燃料与空气混合之后流入到燃烧室，在扩散燃烧方式中，向燃烧室内喷射液体燃料并使其燃烧。作为未图示的船舶的推进兼发电机构的驱动源，本实施方式的发动机21借助基座而安装于船舶的燃机室的内底板上。
作为发动机输出轴的曲轴24从发动机21的后端部朝向后方突出。未图示的减速器以能够传递动力的方式与曲轴24的一端连结。船舶的未图示的推进轴配置为：与曲轴24之间隔着该减速器且轴线与曲轴24的轴线一致。在推进轴的端部安装有产生船舶的推进力的螺旋桨。上述减速器具有PTO轴，未图示的轴驱动发电机以能够传递动力的方式连结于该PTO轴。
根据该结构，发动机21的动力经由减速器而分流传递到推进轴和轴驱动发电机。由此，产生船舶的推进力，并且将通过轴驱动发电机的驱动而产生的电力供给到船舶内的电气系统。
接下来，参照附图对发动机21进行详细说明。如上所述，发动机21是双燃料发动机，能够选择预混合燃烧方式和扩散燃烧方式中的任意方式而进行驱动，其中，在预混合燃烧方式中，使天然气等燃料气体与空气混合并使之燃烧，在扩散燃烧方式中，使重油等液体燃料(燃油)扩散并使之燃烧。
在以下说明中，有时将基于预混合燃烧方式的运行模式(预混合燃烧模式)称为“燃气模式”，并将基于扩散燃烧方式的运行模式(扩散燃烧模式)称为“柴油模式”。在燃气模式下，通过利用天然气实现环境负荷物质(氮氧化物、硫氧化物以及粒子状物质等)的减少而容易适应环境方面的制约，另一方面，在柴油模式下，能够实现高效的运行。
另外，以下，以与减速器连接的那侧为后侧而对发动机21的结构的前后左右的位置关系进行说明。因此，前后方向可以改称为与曲轴24的轴线平行的方向，左右方向可以改称为与曲轴24的轴线垂直的方向。其中，本说明并不限定发动机21的朝向，发动机21可以根据用途等而以各种朝向进行设置。
如图1所示，双系统的燃料供给路径30、31与发动机21连接。供液化天然气(LNG)贮存的气体燃料箱32与一方的燃料供给路径30连接，并且，供船舶用柴油(MDO)贮存的液体燃料箱33与另一方的燃料供给路径31连接。在该结构中，一方的燃料供给路径30向发动机21供给燃料气体，另一方的燃料供给路径31向发动机21供给燃油。
在燃料供给路径30从上游侧开始依次配置有：供液化状态的气体燃料储存的气体燃料箱32；使得气体燃料箱32的液化燃料气化的气化装置34；以及对从气化装置34向发动机21的燃料气体的供给量进行调节的气阀单元35。
如图2及图4所示，发动机21是气缸盖26组装于气缸体25的上方而构成的直列多气缸发动机。如图4所示，上述曲轴24以轴线24c朝向前后方向的状态能够旋转地支承于气缸体25的下部。
多个(本实施方式中为6个)气缸在气缸体25以沿着曲轴24的轴线的方式排列形成为一列(直列)。如图2所示，活塞78以能够沿上下方向滑动的方式收纳于各气缸。该活塞78借助未图示的杆而与上述曲轴24连结。
如图3所示，6个气缸盖26以从上侧将各气缸覆盖的方式安装于气缸体25。气缸盖26分别针对各气缸而设置，并利用盖螺栓99而固定于气缸体25。如图2所示，对于各气缸而言，在由活塞78的上表面和气缸盖26包围的空间形成有燃烧室110。
如图3所示，多个盖罩(head cover)40以与各气缸对应的方式沿着曲轴24的轴线24c的方向(前后方向)排成一列地配置于气缸盖26上。如图2所示，在各盖罩40的内部收纳有气门机构，该气门机构包括用于使进气阀以及排气阀执行动作的推杆以及摇臂等。在上述进气阀打开的状态下，能够将来自进气歧管67的气体取入到燃烧室110。在上述排气阀打开的状态下，能够将来自燃烧室110的气体排出到排气歧管44。
如图2所示，后述的引燃燃料喷射阀82的上端部配置于盖罩40的右侧附近。该引燃燃料喷射阀82插入到气缸盖26的内部，并朝向燃烧室110而向斜下方延伸。
如图2所示，在气缸盖26的右侧设置有气体歧管41，该气体歧管41用于在燃气模式(预混合燃烧模式)下运行时向各气缸的燃烧室110分配供给气体燃料。气体歧管41配置为沿着气缸盖26的右侧面在前后方向上延伸。与各气缸的燃烧室110对应的6个气体支管41a与气体歧管41连接，如图2所示，用于喷射气体燃料的气体喷射器98设置于该气体支管41a的前端部。气体喷射器98的前端部面对进气支管67a，该进气支管67a与气缸对应地形成于气缸盖26的内部。通过从气体喷射器98喷射气体燃料而能够向进气歧管67的进气支管67a供给气体燃料。
如图2及图4所示，在气缸体25的左侧设置有液体燃料供给用轨道管42，该液体燃料供给用轨道管42用于在柴油模式(扩散燃烧模式)下运行时向各气缸的燃烧室110分配供给液体燃料。液体燃料供给用轨道管42配置为沿着气缸体25的左侧面在前后方向上延伸。供给到液体燃料供给用轨道管42的液体燃料被分配供给到与各气缸对应设置的燃料供给泵89。如图2所示，喷射从燃料供给泵89供给的液体燃料的主燃料喷射阀79配置于各气缸。主燃料喷射阀79配置为从上方垂直插入于气缸盖26，其上端部配置于盖罩40的内部，下端部面对气缸的燃烧室110。燃料供给泵89和主燃料喷射阀79经由形成于气缸盖26的液体燃料供给路106而连接。
在液体燃料供给用轨道管42的下方附近的位置设置有液体燃料返回收集管48，该液体燃料返回收集管48用于收集从各燃料供给泵89返回的多余的燃料。液体燃料返回收集管48与液体燃料供给用轨道管42平行配置、且与燃料供给泵89连接。在液体燃料返回收集管48的端部连接有用于使液体燃料返回到液体燃料箱33的燃料返回管115。
如图2及图4所示，在气缸体25的左侧、且在比液体燃料供给用轨道管42更靠上方的位置设置有引燃燃料供给用轨道管47，该引燃燃料供给用轨道管47用于在燃气模式(预混合燃烧模式)下运行时出于将气体燃料点燃的目的而向各气缸的燃烧室110分配供给引燃燃料。引燃燃料供给用轨道管47配置为沿着气缸体25的左侧面在前后方向上延伸。如图2及图4所示，在各气缸分别配置有引燃燃料喷射阀82，该引燃燃料喷射阀82喷射从引燃燃料供给用轨道管47供给的液体燃料(引燃燃料)。引燃燃料喷射阀82配置为从上方倾斜插入于气缸盖26，其上端部配置于紧邻盖罩40的右侧位置，下端部面对气缸的燃烧室110。如图4所示，引燃燃料支管109以与各气缸对应的方式设置为从引燃燃料供给用轨道管47分支。引燃燃料支管109配置为从排列配置的盖罩40之间通过，并与引燃燃料喷射阀82的上端部连接。引燃燃料支管109由支管盖105覆盖，该支管盖105用于防止泄漏的燃料飞散。
如图2及图4所示，在构成为包括气缸体25以及气缸盖26的发动机21的左侧面的上部形成有台阶，在该台阶部分配置有引燃燃料供给用轨道管47、液体燃料供给用轨道管42以及燃料供给泵89。侧盖43以将上述台阶部分覆盖的方式安装于气缸体25以及气缸盖26。引燃燃料供给用轨道管47、液体燃料供给用轨道管42以及燃料供给泵89由侧盖43覆盖。
如图3等所示，在燃料供给泵89排列的方向的一端部附近配置有调速机201，该调速机201用于调整燃料供给泵89中的燃料喷射量。该调速机201能够使控制传递轴202旋转，该控制传递轴202在侧盖43的内部以与液体燃料供给用轨道管42等平行的方式而配置。该控制传递轴202与燃料供给泵89所具有的控制支架(control rack)连结，其中，该燃料供给泵89的设置数量与气缸数相同。调速机201使控制传递轴202旋转而使得燃料供给泵89的上述控制支架移位，由此能够对燃料供给泵89的压送量(主燃料喷射阀79的喷射量)进行变更。
如图2所示，在气缸盖26的右上方、且在比气体歧管41更靠上方的位置，与气体歧管41平行地配置有排气歧管44，该排气歧管44用于收集因各气缸的燃烧室110中的燃烧而产生的气体并将其排出到外部。排气歧管44的外周由隔热盖45覆盖。如图2所示，在排气歧管44连接有与各气缸对应的排气支管44a。该排气支管44a通向各气缸的燃烧室110。
在气缸体25的内部的右侧附近，与气体歧管41平行地配置有进气歧管67，该进气歧管67用于将来自外部的空气(吸入气体)分配供给到各气缸的燃烧室110。如图2所示，在气缸盖26的内部以从进气歧管67分支的方式形成有6个进气支管67a，各进气支管67a分别通向燃烧室110。
根据该结构，在柴油模式(扩散燃烧模式)下运行时，在通过活塞78的滑动而对从进气歧管67供给到各气缸的空气进行压缩的适当的定时，从主燃料喷射阀79向燃烧室110内喷射适当量的液体燃料。通过向燃烧室110内喷射液体燃料，活塞78借助因燃烧室110中发生的爆炸所得到的推进力而在气缸内进行往复运动，活塞78的往复运动经由杆转换为曲轴24的旋转运动而得到动力。
另一方面，在燃气模式(预混合燃烧方式)下运行时，从气体喷射器98将来自气体歧管41的气体燃料喷射至进气支管67a内，由此使得从进气歧管67供给的空气与气体燃料混合。在导入到气缸的空气与气体燃料的混合气体因活塞78的滑动而被压缩的适当的定时，从引燃燃料喷射阀82向燃烧室110内喷射少量的引燃燃料，由此将气体燃料点燃。活塞78借助因燃烧室110中的爆炸所得到的推进力而在气缸内进行往复运动，活塞78的往复运动经由杆转换为曲轴24的旋转运动而得到动力。
不论在以柴油模式运行的情况下、还是在以燃气模式运行的情况下，通过燃烧而产生的排出气体都因活塞78的运动而被从气缸挤出，并在收集到排气歧管44之后排出到外部。
燃油泵56、图略的冷却水泵以及润滑油泵分别以围绕曲轴24的前端部分的方式而设置于发动机21的前端面(正面)。通过适当地传递来自曲轴24的旋转动力而对设置于曲轴24的外周侧的冷却水泵、润滑油泵以及燃油泵56分别进行驱动。
图4所示的燃油泵56被驱动旋转，从而经由引燃燃料供给用主管107而将从图1的液体燃料箱33供给的燃油(液体燃料)输送到引燃燃料供给用轨道管47。在从液体燃料箱33向燃油泵56的燃料路径的中途部设置有对燃油进行过滤的引燃燃料用过滤器。
另外，(与燃油泵56不同的)图略的燃油泵随着曲轴24的旋转而被驱动旋转，从而该燃料泵将来自液体燃料箱33的燃油吸入，并经由图4等所示的液体燃料供给用主管108而输送到液体燃料供给用轨道管42。在从液体燃料箱33向液体燃料供给用轨道管42的燃油的供给路径的中途部设置有对燃油进行过滤的主燃料用过滤器。
如图4所示，引燃燃料供给用主管107、液体燃料供给用主管108以及燃料返回管115以沿着气缸体25的左侧面的方式配置于紧邻气缸体25的前方位置。引燃燃料供给用主管107、液体燃料供给用主管108以及燃料返回管115借助多个夹紧构件111而配置为沿着气缸体25的左侧面在上下方向上延伸，其中，多个夹紧构件111设置为从气缸体25的前端面向左侧突出。
在气缸体25的后方的右侧附近，借助图略的支承构件而设置有对发动机21各部分的动作进行控制的发动机控制装置(控制装置)73。如图6所示，该发动机控制装置73构成为从设置于发动机21各部分的传感器(压力传感器、扭矩传感器等)获取数据，由此对发动机21的各种动作(燃料的喷射、流量调整阀的开度变更等)进行控制。
接下来，参照图5对发动机21中的用于进气以及排气的结构进行说明。图5是示出发动机21的进排气系统的结构的示意图。
如图5所示，在发动机21中，6个气缸排列配置成一列。各气缸经由进气支管67a而与进气歧管67连接，并且经由排气支管44a而与排气歧管44连接。
进气歧管67与通向发动机21的外部的进气流路15连接，能够将外部的空气取入到各气缸。增压器49的压缩机49b、以及中间冷却器51配置于进气流路15的中途。
在压缩机49b与中间冷却器51之间设置有用于对供给到进气歧管67的空气流量进行调节的主节流阀(主节流阀)V1。主节流阀V1构成为流量调整阀，并构成为能够根据来自发动机控制装置73的电信号而控制其开度。
在进气流路15设置有进气旁通流路17，该进气旁通流路17将中间冷却器51的空气出口侧和压缩机49b的空气入口侧连接。从压缩机49b通过的空气的一部分经由该进气旁通流路17而实现再循环。在进气旁通流路17设置有进气旁通阀V2，该进气旁通阀V2用于对从该进气旁通流路17通过的空气的流量进行调节。进气旁通阀V2与主节流阀V1同样地构成为流量调整阀，并构成为能够根据来自发动机控制装置73的电信号而控制其开度。通过对进气旁通阀V2的阀开度进行变更而能够对供给到进气歧管67的空气流量进行调整。
排气歧管44与通向发动机21的外部的排气流路16连接，能够将从各气缸排放的空气排出到外部。增压器49的涡轮49a配置于排气流路16的中途。
在排气流路16设置有(相对于涡轮49a而迂回的)排气旁通流路18，该排气旁通流路18将排气歧管44的排气出口侧和涡轮49a的排气出口侧连接。从排气歧管44输送到排气流路16的气体的一部分在经由排气旁通流路18而到达比涡轮49a的排气出口侧更靠下游的位置之后被排出到外部。在排气旁通流路18设置有用于对从该排气旁通流路18通过的排放气体的流量进行调节的排气旁通阀V3。排气旁通阀V3与主节流阀V1同样地构成为流量调整阀，并构成为能够根据来自发动机控制装置73的电信号而控制其开度。通过对排气旁通阀V3的阀开度进行变更而能够对流入到涡轮49a的排气流量进行调整，从而能够对压缩机49b中的空气的压缩量进行调整。即，通过对排气旁通阀V3的阀开度进行调节而能够对供给到进气歧管67的空气流量进行调整。
接下来，参照图6及图7对流量调整阀的阀开度的反馈控制进行说明。图6是示出用于控制发动机21的电气结构的框图。图7是用于对发动机21以燃气模式运行时的、进气歧管67中的进气流量的调整控制进行说明的曲线图。
如图6所示，发动机控制装置73构成为：能够对引燃燃料喷射阀82、燃料供给泵89以及气体喷射器98进行控制。发动机控制装置73通过对引燃燃料喷射阀82进行开闭控制而能够向燃烧室110供给液体燃料(引燃燃料)。发动机控制装置73通过对燃料供给泵89的控制阀进行开闭控制而能够从燃料供给泵89经由主燃料喷射阀79向燃烧室110供给液体燃料(主燃料)。发动机控制装置73通过对调速机201进行控制而能够调节来自主燃料喷射阀79的液体燃料的喷射量。发动机控制装置73通过对气体喷射器98进行控制而能够向进气歧管67的进气支管67a供给气体燃料。
另外，发动机控制装置73构成为：能够对主节流阀V1、进气旁通阀V2以及排气旁通阀V3进行控制。如上所述，发动机控制装置73通过分别对主节流阀V1、进气旁通阀V2以及排气旁通阀V3各自的阀开度进行控制而能够对流入到进气歧管67的空气流量进行调整。
如图6所示，发动机控制装置73构成为能够输入来自设置于发动机21各部分的各种传感器的信号。另外，发动机控制装置73构成为能够与发动机侧操作用控制装置71相互通信。
在发动机21具备的六个气缸中的一部分气缸或全部气缸配置有缸内压力传感器63。该缸内压力传感器63构成为具备压电元件或应变仪等，能够检测气缸内部的压力(图示平均有效压力，IMEP)。缸内压力传感器63检测出的缸内压力被输出到发动机控制装置73。
在发动机21的进气歧管67设置有对该进气歧管67中的空气压力进行测量的进气压力传感器39。该进气压力传感器39例如可以使用半导体应变仪而构成。进气压力传感器39检测出的进气压力被输出到发动机控制装置73。
在发动机21的适当位置(例如曲轴24的附近)安装有扭矩传感器(负荷检测器)64。作为扭矩传感器64，例如可以使用利用应变仪对扭矩进行检测的凸缘型的传感器。扭矩传感器64检测出的发动机负荷(发动机扭矩)被输出到发动机控制装置73。
在发动机21的适当位置(例如气缸体25)安装有发动机转速传感器65。发动机转速传感器65例如构成为包括传感器和脉冲发生器，并能够构成为与曲轴24的旋转相应地产生脉冲信号。发动机转速传感器65检测出的发动机转速被输出到发动机控制装置73。
在使发动机21以柴油模式而运行的情况下，发动机控制装置73对燃料供给泵89的控制阀进行开闭控制，在规定的定时产生各气缸中的燃烧。即，与各气缸的喷射定时相应地将燃料供给泵89的控制阀打开，从而通过主燃料喷射阀79而向各气缸内喷射燃油并在气缸内将其点燃。另一方面，在柴油模式下使得燃料气体从气体喷射器98的喷射、以及引燃燃料从引燃燃料喷射阀82的喷射停止。
在柴油模式下，发动机控制装置73基于扭矩传感器64检测出的发动机负荷、以及发动机转速传感器65检测出的发动机转速而对从各气缸的主燃料喷射阀79喷射的定时进行反馈控制。由此，发动机21的曲轴24以与船舶的推进速度相应的发动机转速而旋转，以便获得船舶的推进兼发电机构中所需的扭矩。另外，发动机控制装置73基于由进气压力传感器39检测出的进气歧管67内的空气压力而对主节流阀V1的阀开度进行控制。由此，从压缩机49b向进气歧管67供给压缩空气，以便达到发动机的输出所需的空气流量。
在使发动机21以燃气模式而运行的情况下，发动机控制装置73通过对气体喷射器98的阀进行开闭控制而向进气支管67a供给燃料气体，由此使得该燃料气体与来自进气歧管67的空气混合，并向各气缸内供给预混合燃料。另外，发动机控制装置73通过对引燃燃料喷射阀82进行开闭控制而在规定的定时向各气缸喷射引燃燃料，从而产生点火源，并在供给有预混合气体的各气缸内进行燃烧。另一方面，在燃气模式下使得主燃料从主燃料喷射阀79的喷射停止。
在燃气模式下，发动机控制装置73基于扭矩传感器64检测出的发动机负荷、以及发动机转速传感器65检测出的发动机转速而对气体喷射器98的燃料气体的喷射流量、各气缸中的引燃燃料喷射阀82的喷射定时进行反馈控制。
另外，发动机控制装置73基于由扭矩传感器64检测出的发动机负荷、以及由进气压力传感器39检测出的进气歧管67内的空气压力等，例如如图7那样对主节流阀V1、进气旁通阀V2以及排气旁通阀V3各自的阀开度进行控制。
首先，参照图7(a)对主节流阀V1的控制进行说明。另外，图7的曲线图所示的L1、L2、L3、L4是预先规定的发动机负荷的规定值(其中，L1＜L2＜L3＜L4)，其中，规定值L4相当于低负荷区域与中高负荷区域的边界处的发动机负荷。
在发动机负荷小于规定值L1的情况下，发动机控制装置73基于图7(d)所示的关系而与发动机负荷相应地设定进气歧管67的目标压力，在此基础上，对主节流阀V1的阀开度进行PID控制(反馈控制)，以使得由进气压力传感器39检测出的实际的压力接近上述目标压力。
在发动机负荷为规定值L1以上且小于规定值L2的情况下，发动机控制装置73参照第1数据表D1而进行映射控制，以便达到与发动机负荷对应的主节流阀V1的阀开度，其中，第1数据表D1中存储有主节流阀V1针对发动机负荷的阀开度。以如下方式规定第1数据表D1：随着发动机负荷的增大而使得主节流阀V1的阀开度逐渐增大。
在发动机负荷为规定值L2以上的情况下，发动机控制装置73将主节流阀V1控制为完全打开。另外，发动机负荷的规定值L2设定为低于值Lt，该值Lt是使得进气歧管67的空气压力达到大气压时的值。
接下来，参照图7(b)对进气旁通阀V2的控制进行说明。
在发动机负荷小于规定值L3的情况下，发动机控制装置73将进气旁通阀V2控制为完全关闭。
在发动机负荷为规定值L3以上的情况下，发动机控制装置73基于图7(d)所示的关系而与发动机负荷相应地设定进气歧管67的目标压力，在此基础上，对进气旁通阀V2的阀开度进行PID控制(反馈控制)，以使得由进气压力传感器39检测出的实际压力接近上述目标压力。
接下来，参照图7(c)对排气旁通阀V3的控制进行说明。
在发动机负荷小于规定值L1的情况下，发动机控制装置73将排气旁通阀V3控制为完全打开。
在发动机负荷为规定值L1以上的情况下，发动机控制装置73参照第2数据表D2进行映射控制，以便达到与发动机负荷对应的排气旁通阀V3的阀开度，其中，该第2数据表D2中存储有排气旁通阀V3针对发动机负荷的阀开度。以如下方式规定第2数据表D2：随着发动机负荷从规定值L1增大到规定值L2而使得排气旁通阀V3的阀开度逐渐减小，从规定值L2至规定值L3而将排气旁通阀V3完全关闭，随着从规定值L3增大而使得排气旁通阀V3的开度逐渐增大。
如上，发动机控制装置73通过对主节流阀V1、进气旁通阀V2以及排气旁通阀V3进行控制而调整进气歧管67的空气压力。由此，从压缩机49b向进气歧管67供给压缩空气，以便达到发动机的输出所需的空气流量，并且能够将相对于从气体喷射器98供给的燃料气体的空燃比调整为与发动机的输出相应的值。
不过，在如本实施方式这样的双燃料发动机中，空燃比在柴油模式和燃气模式下有所不同，针对相同大小的负荷，与柴油模式相比，燃气模式下所需的空气流量更少。因此，对于增压器49，需要以在柴油模式下使用为基本前提而设计该增压器49，另一方面，在燃气模式下也需要供给适合于该燃气模式下的空燃比的流量的空气。
关于这一点，在本实施方式中，通过设为上述结构，即使在针对柴油模式下的运行而使得增压器49的结构实现了最优化的情况下，在以燃气模式而运行时，通过与发动机负荷的波动相应地控制进气旁通阀V2的阀开度，也能够提高进气歧管67的压力控制的响应性。因此，即使在负荷波动时也能够防止燃烧所需的空气量的过量或不足，所以，即使在使用针对柴油模式下的运行而实现了最优化的结构的增压器49的情况下，也能够在燃气模式下良好地运行。
另外，通过与发动机负荷的波动相应地控制排气旁通阀V3的开度，能够向发动机21供给与燃料气体的燃烧所需的空燃比匹配的空气。另外，通过一并进行响应性良好的进气旁通阀V2的控制，能够在燃气模式下提高针对负荷波动的响应速度，所以，即使在负荷发生波动的情况下，也能够避免因燃烧所需的空气量不足而造成的爆震等。
另外，为了发动机21的适当的燃烧控制，精准地检测出发动机负荷非常重要，若因为某种理由而无法利用转矩传感器64对发动机负荷进行检测，则会成为输出降低、燃料消耗量变差等的原因。特别是在本实施方式这样的双燃料发动机以燃气模式而运行的情况下，为了在如上述那样产生负荷波动的情况下也能避免爆震以及失火，需要精准地检测出发动机负荷并控制空气流量。
在本实施方式中，利用图6的扭矩传感器64，作为在例如4mA～20mA的范围随着负荷的增大而使得电流值增大的信号对发动机负荷进行检测。因此，在扭矩传感器64的电流值为4mA的情况下，意味着发动机负荷实质上为零，但也不能否定因扭矩传感器64断线等理由而将发动机负荷误检测为零的可能性。
关于这一点，在本实施方式中，发动机控制装置73根据由缸内压力传感器63对缸内压力进行检测而得到的数据列来计算图示平均有效压力，尽管得到的图示平均有效压力为规定的阈值以上，但在扭矩传感器64的发动机负荷检测值显示为无负荷的情况下，也判定为利用扭矩传感器64对发动机负荷的检测发生异常。
即，如果缸内压力传感器63检测出的缸内压力为规定大小以上，则应该对发动机21至少输入某种程度大小的负荷，但若尽管如此扭矩传感器64的发动机负荷的检测结果也显示为零，则利用扭矩传感器64对发动机负荷的检测发生某种异常的可能性较大。利用这一点，发动机控制装置73构成为：若产生上述状况则判定为扭矩传感器64异常，并使发动机侧操作用控制装置71所具备的显示器72对该主旨进行显示。由此，能够精准地发现与发动机负荷的检测相关的异常并督促提前采取应对措施。
接下来，主要参照图8对用于检测上述扭矩传感器64的异常的具体控制进行详细说明。图8是表示发动机控制装置73为了检测扭矩传感器64的异常而进行的判定处理的流程图。图9是对作为检测出扭矩传感器64的异常的结果而从燃气模式切换为柴油模式的情况下的、燃料气体以及燃油的供给控制进行说明的图。
如图8所示，在以燃气模式运行的发动机21中，发动机控制装置73进行对气体喷射器98喷射的燃料气体的量进行调整的控制，以使得发动机转速传感器65检测出的发动机转速接近目标值(调速控制，步骤S101)。
接下来，发动机控制装置73根据由扭矩传感器64检测出的发动机负荷而对主节流阀V1、进气旁通阀V2以及排气旁通阀V3的开度进行控制(步骤S102)。作为控制的方法，如参照图7说明的那样，根据发动机负荷的大小而选择固定设置为完全打开的控制、固定设置为完全关闭的控制、映射控制、PID控制(反馈控制)中的任意控制。
此后，发动机控制装置73判定步骤S102中得到的发动机负荷实质上是否为无负荷(步骤S103)。
当在步骤S103中判断为检测出的发动机负荷实质上并非为零时，返回至步骤S101而反复执行上述处理。
当在步骤S103中判断为检测出的发动机负荷实质上为零时，根据缸内压力传感器63的检测压力而计算图示平均有效压力，并判断该图示平均有效压力是否为规定的阈值以上(步骤S104)。
当在步骤S104中判断为图示平均有效压力低于阈值时，返回至步骤S101而反复执行上述处理。
当在步骤S104中判断为图示平均有效压力为阈值以上时，发动机控制装置73判断为扭矩传感器64发生了某种异常，并使发动机侧操作用控制装置71的显示器72对表示该主旨的消息进行显示(步骤S105)。由此，发动机21的操作人员能够在早期注意到发动机负荷的检测发生异常的情况而执行适当的处置。
此后，发动机控制装置73将燃烧模式切换为柴油模式(步骤S106)，并使得燃气模式下的处理结束。这样，若对发动机负荷的检测发生异常则从燃气模式切换为柴油模式，从而能够确保船舶用的大型发动机所要求的运行持续性。
另外，在双燃料发动机中，关于从燃气模式向柴油模式的切换，能够想到立即切换的情况以及逐渐切换的情况。
例如，虽然发动机21以燃气模式运行但船舶航行的结果是从限制氮氧化物等的排出量的限制海域驶出，在该情况下，优选从燃气模式向柴油模式逐渐切换。在该情况下进行如下控制：逐渐减少从气体喷射器98喷射的燃料气体的量，另外，逐渐增大从主燃料喷射阀79喷射的液体燃料的量。
另一方面，在燃气模式下运行的过程中发生异常的情况下，优选立即从燃气模式切换为柴油模式。作为能想到的异常，例如，能够举出燃料气体的压力降低、进气歧管67的压力降低、气体温度的上升、空气温度的上升、或者各种传感器的异常(包括上述扭矩传感器64的异常)。在该情况下，进行如下控制：使从气体喷射器98喷射的燃料气体的量急速变为零，大致与此同时，使从主燃料喷射阀79喷射的液体燃料的量从零开始急速增大。
在本实施方式中，也如图9所示，对于检测出扭矩传感器64发生异常之后的从燃气模式向柴油模式的切换(步骤S106)，并非逐渐进行切换而是在瞬间内进行切换。
一般情况下，在柴油模式下，根据发动机转速和发动机负荷并利用映射而求出从主燃料喷射阀79喷射的液体燃料(主燃料)的量。然而，如上所述，由于扭矩传感器64发生异常，所以，当对步骤S106中从燃气模式向柴油模式迁移之后的初期的主燃料喷射量(图9的燃油供给量FO1)进行求解时，无法信赖扭矩传感器64检测出的发动机负荷。因此，发动机控制装置73构成为：根据缸内压力传感器63检测出的气缸的内部压力而求出图示平均有效压力，根据图示平均有效压力进一步计算净值平均有效压力(BMEP)，并根据该净值平均有效压力而推测发动机负荷。另外，因为图示平均有效压力与净值平均有效压力的关系、以及净值平均有效压力与发动机负荷的关系众所周知，所以省略关于具体计算的说明。
此后，发动机控制装置73利用发动机转速以及推测出的发动机负荷并根据上述映射而对初期的主燃料的喷射量(图9所示的燃油供给量FO1)进行求解，并对调速机201进行控制，以使得从主燃料喷射阀79喷射出该量的液体燃料。通过以该方式构成，即使在无法利用扭矩传感器64正常检测发动机负荷的状况下，也能够在刚刚向柴油模式切换之后从主燃料喷射阀79喷射适当量的液体燃料，能够良好地维持发动机转速。
如以上说明的那样，本实施方式的发动机21具备缸内压力传感器63、扭矩传感器64以及发动机控制装置73。缸内压力传感器63对气缸内部的压力进行检测。扭矩传感器64对发动机负荷进行检测。缸内压力传感器63的检测结果以及扭矩传感器64的检测结果输入到发动机控制装置73。在由扭矩传感器64检测出的负荷为零(无负荷)、且根据缸内压力传感器63的检测结果而获得的缸内压力(具体而言，为图示平均有效压力)为阈值以上的情况下，发动机控制装置73判定为利用扭矩传感器64进行的检测发生异常。
由此，利用缸内压力与发动机负荷之间存在某种程度的关联性这一点，能够通过简单的结构而判定扭矩传感器64有无异常。其结果，例如，能够在早期督促操作人员采取针对异常的对策。
另外，本实施方式的发动机21具备进气歧管67、气体喷射器98以及主燃料喷射阀7。进气歧管67向气缸内供给空气。气体喷射器98喷射燃料气体并使之与从进气歧管67供给的空气混合。主燃料喷射阀79向气缸喷射液体燃料。发动机21能够在燃气模式(预混合燃烧模式)与柴油模式(扩散燃烧模式)之间切换运行，在该燃气模式下，使气体喷射器98喷射的气体燃料在与空气混合之后流入到气缸内的燃烧室110，在该柴油模式下，主燃料喷射阀79向燃烧室110内喷射液体燃料并使之燃烧。当在燃气模式下运行的过程中判定为利用扭矩传感器64进行的检测发生异常时，发动机控制装置73将燃烧方式从燃气模式切换为柴油模式。
由此，能够避免发动机21在利用扭矩传感器64进行的发动机负荷的检测发生异常的状态下以燃气模式而运行。其结果，能够确保发动机21的运行的持续性。
另外，在本实施方式的发动机21中，当在燃气模式下运行的过程中判定为利用扭矩传感器64进行的检测发生异常而从燃气模式切换为柴油模式时，发动机控制装置73基于缸内压力传感器63的检测值并通过计算而推测发动机负荷，并基于推测出的发动机负荷而对刚刚向柴油模式切换之后由主燃料喷射阀79喷射的液体燃料的量进行计算。
由此，在从燃气模式切换为柴油模式的初期，能够从主燃料喷射阀79喷射适当量的液体燃料。其结果，能够防止模式切换时的发动机转速降低等，从而能够使发动机21稳定地运行。
以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但例如能够以如下方式对上述结构进行变更。
扭矩传感器64可以构成为：取代输出与发动机负荷相应的电流值的信号而例如输出与发动机负荷相应的电压值的信号。
在图8的流程所示的S104中，也可以不对图示平均有效压力(IMEP)和阈值进行比较，而是例如对净值平均有效压力(BMEP)与阈值进行比较。
作为负荷检测器，并不局限于上述扭矩传感器64，也可以使用例如瓦特转换器。
在上述实施方式中，通过从引燃燃料喷射阀82喷射少量液体燃料而进行燃气模式下的预混合气体的点火(微引燃点火)。然而，也可以取而代之地例如利用火花进行点火。
在上述实施方式中，发动机21被用作船舶的推进兼发电机构的驱动源，但并不局限于此，也可以用于其他用途。
附图标记说明
21 发动机
24 曲轴
63 缸内压力传感器
64 扭矩传感器(负荷检测器)
73 发动机控制装置(控制装置)
78 活塞
79 主燃料喷射阀(燃料喷射阀)
98 气体喷射器
110 燃烧室

Claims (2)

1.一种发动机，其特征在于，具备：
缸内压力传感器，其对气缸的内部压力进行检测；
负荷检测器，其对发动机负荷进行检测；
气体喷射器，其喷射气体燃料；
主燃料喷射阀，其喷射液体燃料；以及
控制装置，其进行切换气体模式和柴油模式的控制，其中，在所述气体模式下，使所述气体喷射器喷射的所述气体燃料与空气混合并流入至燃烧室，在所述柴油模式下，所述主燃料喷射阀向所述燃烧室内喷射所述液体燃料并使之燃烧，
在判定为燃料气体的压力降低、进气歧管的压力降低、气体温度上升、空气温度上升、或者各种传感器异常的情况下，判定为发动机内发生异常，所述控制装置进行在瞬间内切换至所述柴油模式的控制。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
所述控制装置基于发动机转速及发动机负荷而求出在瞬间内切换至所述柴油模式之后的所述液体燃料的供给量。
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