JP2010014112A - 切り替え可能な多種燃料機関及び当該多種燃料機関における燃料切り替え方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、多種燃料機関において、第１の燃料から第２の燃料へ、第１の燃料比を出発点として切り替える方法に関する。
【解決手段】本発明は、過渡的燃料比になるまで、前記第２の燃料の割合を増大させるとともに、前記第１の燃料の割合を減少させるステップと、前記過渡的燃料比で、前記エンジンを一定時間運転するステップと、第２の燃料比になるまで、前記第２の燃料の割合をさらに増大させるとともに、前記第１の燃料の割合をさらに減少させるステップと、を有する方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、第１の燃料から第２の燃料へと切り替え可能な多種燃料機関と、当該多種燃料機関における、第１の燃料比から開始される、第１の燃料から第２の燃料への燃料切り替え方法と、に関する。

多種燃料機関は、任意の燃料で運転できるという点で優れている。例えば特許文献１には、ガスを主燃料とするとともに液体着火燃料によって自己着火を行う二元燃料機関が開示されている。排気物質を削減するために、燃焼室は、シリンダヘッドから分離した単独の部品として設けられている。

特許文献２からは、ディーゼル‐ガスエンジンが知られている。当該エンジンでは、空気‐ガス混合気はパイロット噴射によって点火される。ガスの燃焼に際して起動可能な制御装置が、ＮＯｘの排出を削減するために設けられている。当該制御装置は制御器を具備し、燃焼室温度の値とエンジン出力の値とが当該制御器に取り込まれる。その値に応じて、制御器は、コンプレッサを経由する空気流量に影響を与えるアクチュエータを制御する。

例えば重油のような特定の燃料を燃焼させると、燃焼室内にデポジットが生じる可能性がある。当該デポジットは、例えばガスのような他の燃料を用いる際、付加的点火源として不利に作用し、燃焼プロセスの障害となりうる。特に異なる燃料に切り替えた後、デポジットは付加的点火源として作用するので、ますます部品破損の原因となる、望ましくないノッキングが生じる。

この現象に対処するためには、燃料を切り替える前に、燃焼室からデポジットを除去しなければならない。これまで社内では、デポジットの生成が比較的少ない第３の燃料を暫定的に使用してエンジンを運転することによって、デポジットの除去を実現してきた。また、燃料の切り替えに関連してノッキングを回避する方法として、エンジン負荷が例えば定格出力の７５％に減少したときに、燃料の切り替えを行うことが考えられる。どちらの方法も不利である。なぜなら、第３の燃料に切り替えることは、設備技術的にも制御技術的にも負担が大きく、もしくは、切り替え時に出力を低下させることによって、切り替えの頻度が高くなり、非効率になるからである。

独国特許発明第４０３３８４３号明細書 独国特許発明第１９７５４３５４号明細書

本発明の課題は、多種燃料機関における、第１の燃料から第２の燃料への切り替えを改善することにある。

本課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。請求項９は、本発明に係る方法を実施するための制御装置を保護するものであり、請求項１０は、当該制御装置を有する多種燃料機関を保護するものである。従属請求項は、さらなる有利な構成に関する。

多種燃料機関において第１の燃料から第２の燃料へ切り替えるための、本発明に係る方法は、特に、
‐第１の燃料比から開始され過渡的燃料比に至るまで、第２の燃料の割合を増大させるとともに、第１の燃料の割合を減少させるステップと、
‐前記過渡的燃料比でエンジンを一定時間運転するステップと、
‐その後に、第２の燃料比に至るまで、第２の燃料の割合をさらに増大させ、第１の燃料の割合をさらに減少させるステップと、
を有している。

過渡的燃料比でエンジンを一定時間運転することによって、デポジットは制御下で焼き払われる。その後、エンジンは第２の燃料比で運転可能となる。過渡的燃料比になるように燃料が混合された状態で運転する混合モードでは、新しく生成されるデポジットが減少するとともに、燃焼室にすでに存在していたデポジットが除去される。さらに、混合モードにおいては、ノッキングも減少する。本発明に係る方法の利点は、燃料を切り替えるときにも、出力を大きく損なうことなく、好適には全負荷でエンジンの運転を継続できる点にある。このとき、第１の燃料比から第２の燃料比に、直接切り替えられるので、第３の燃料を使用する必要はない。

このとき、表に示された値から前記一定時間を求めても良いが、それらの値は、燃料の品質やその瞬間のエンジンの運転状態といった、さらなるパラメータに従属し得るものである。別の選択肢としては、ノッキングセンサを用いて前記一定時間を定めても良い。この場合、好適には、ノッキングセンサによって検知されるノッキングが明らかに減少したとき、特に好適には、ノッキングが全く検知されなくなったときに、前記一定時間は終了する。

ここで、第１の燃料比は、第１の燃料と第２の燃料との混合比であり、第１の燃料の割合の方が圧倒的である混合比を意味する。第１の燃料の割合としては、特に９０％から１００％までが想定されている。このとき、燃料の割合は、燃焼室内に供給されるエネルギー全体に対して当該燃料が占める割合であると常に理解される。したがって、第２の燃料比は、第１の燃料と第２の燃料との混合比で、第２の燃料の割合の方が圧倒的である混合比を意味する。第２の燃料の割合としては、特に９０％から１００％までが想定されている。

特に、第２の燃料比では、第１の燃料の割合を専らパイロット噴射に必要な程度とすることが一般的である。過渡的燃料比は、第１の燃料の割合及び第２の燃料の割合それぞれが、第１の燃料比における割合と第２の燃料比における割合との間にある燃料比を意味する。

好適には、少なくとも１つの燃料の点火はパイロット噴射によって行われる。パイロット噴射の噴射量は、少なくとも燃料を切り替える間に一時的に、第１の燃料比もしくは第２の燃料比で運転されているときのパイロット噴射の噴射量から、好適には明らかに増加する。パイロット噴射の噴射量が増加することによって、燃焼室内に存在する混合物は比較的速やかに焼き尽くされる。それによって、ノッキングを伴う燃焼に対処できる。ここで、第１の燃料比での運転とは、切り替えプロセスがまだ始まっていない状態を指し、第２の燃料比での運転とは、切り替えプロセスがすでに完了した状態を指す。

前記方法は、第１の燃料が石油燃料、特に軽油、バイオディーゼル、又は重油である場合に、特に考えられ得る。このとき、石油燃料には、燃焼時に、例えば煤などのデポジット及び残留物を生成し得る全ての燃料がさらに含まれる。さらに、前記方法は、第２の燃料がガスである場合に特に考えられ得る。このとき、ガスには、天然ガス、水素、液化ガス、及びこれらに類するガスなど、全ての可燃ガスだけではなく、ガソリン燃料やメタノールといった、その他の気化可能又は噴射可能な液体燃料も含まれる。

好適な構成では、パイロット噴射の侵入深さは、少なくとも燃料を切り替える間に一時的に高められる。特にパイロット噴射の噴射圧力を高めることによって、侵入深さを大きくすることができる。パイロット噴射の侵入深さがこのように高められることによって、混合物は比較的速やかに焼き尽くされる。それによって、ノッキングを伴う燃焼に対処できる。パイロット噴射に用いられる空気‐ガス混合気の量が、少なくとも燃料を切り替える間に一時的に増加する場合であっても、混合物は好適に比較的速やかに燃え尽くされる。

本発明の好適な構成では、許容限界を超えるノッキングを伴う燃焼が検知されたとき、すなわち、ノッキングインジケータが所定のしきい値を超過したときに、第１の燃料の割合が少なくとも一時的に引き上げられ、パイロット噴射の噴射量が少なくとも一時的に増加するので、パイロット噴射の侵入深さは少なくとも一時的に高められ、パイロット噴射に用いられる空気‐ガス混合気の量は増加させられ、及び／又は、新たに過渡的燃料比率が設定される。これらの措置を単独で、あるいは任意に組み合わせて行うことによって、ノッキングを伴う燃焼を制御することができる。このとき、ノッキングを伴う燃焼は、一般的なノッキングセンサによって検知される。前記措置を単独で、あるいは任意に組み合わせることによって、デポジットが燃焼室から完全又は十分に除去され、第２の燃料比における正常運転に移行できるようになるまで、繰り返し行うことができる。

燃料比の変化は、好適には第２の燃料比に至るまで連続的に行なわれるが、特に好適には時間区分によっては直線的に行われる。連続的に変化させることによって、ノッキングを伴う燃焼が増大する臨界燃料比を探ることが可能となる。ノッキングの増大が検知された場合に、即座に上記措置のうち少なくとも１つの措置を講じることによって、ノッキングに対処することができる。連続的な変化は、強いノッキングが突発的に発生する危険を減少させる。突発的な強いノッキングは、急に燃料比を変更したときに発生し得るものだからである。しかしながら、それとは別に、許容限界を超えるノッキングを伴う燃焼が検知された場合に、燃料比は、第１の燃料の割合の方が大きい燃料比に急変する場合がある。

多種燃料機関における燃料切り替え方法は、好適には、当該方法を実施するために設置された制御装置によって制御される。当該制御装置は、燃料比を制御し、ノッキングインジケータなどのデータを評価することができる。そのために、制御装置は、プログラムとして、多種燃料機関のエンジン制御部に実装されるか、あるいは、独立した切り替え制御装置として構成され得る。特に、当該制御装置はエンジンの制御器に組み込むことができる。

［実施例１］
以下に、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。以下の説明及び従属請求項からは、本発明のさらなる利点と特徴とが明らかになる。

重油‐天然ガス‐多種燃料機関は、重油と天然ガスとを交互に使用して運転することができる。天然ガスで運転しているときにも、点火は、少量の重油を用いて行われる。少量の重油とは、天然ガスで運転しているときに、供給されたエネルギーの約２％に相当する。

重油は燃焼時に煤を発生させ、煤は燃焼室に付着する。煤は、燃料を天然ガスに切り替えた後も燃焼室に残存し、天然ガスの付加的点火源として作用する。それによって、天然ガスのノッキングを伴う燃焼が助長される。以下に説明する重油から天然ガスへの切り替え方法では、煤が焼き尽くされるので、天然ガスへの切り替えが完了したとき、燃焼室には少量の煤が存在するのみであるか、好適には煤はもはや存在しない。

切り替え方法を制御するために、当該重油‐ガスエンジンは、エンジン制御器に組み込まれた制御装置を具備する。

最初に、パイロット噴射の燃料として用いられる重油の量を約５０％増加させる。つまり、パイロット噴射の噴射量を増加させる。次に、天然ガスの割合を約０％から約５０％まで連続的に増大させる。これと同時に、重油の割合を約１００％から約５０％まで連続的に減少させる。それによって、重油の割合と天然ガスの割合とがそれぞれ約５０％である、過渡的燃料比が設定される。さらに、パイロット噴射の侵入深さが少なくとも一時的に高められるとともに、パイロット噴射に用いられる空気‐ガス混合気の量が増加する。

エンジンは、燃焼室から煤が完全に除去されるまで、当該過渡的燃料比で一定時間運転される。当該一定時間は、実験から得られた値の一覧から求められる。次に、天然ガスの割合を約５０％から約９８％まで増大させる。これと同時に、重油の割合を約５０％から約２％まで連続的に減少させる。このとき、パイロット噴射の燃料として用いられる重油の量を初期値まで削減する。天然ガスでの運転においても、引き続き燃焼室に供給される重油の割合は２％である。当該割合は、主に、天然ガスによる運転時であっても、引き続きパイロット噴射に必要となる量から割り出された値である。

燃料比の変更は、つねに連続的な経過をたどる。このとき、燃料比の変更が直線的な経過をたどる時間区分が設けられている。

切り替えプロセス全体を通じて、エンジンは、ノッキングセンサによって監視されている。ノッキングセンサがノッキングの増大を検知すると、運転状態に応じて、第１の燃料の割合は、少なくとも一時的に引き上げられる。さらに、運転状態に応じて、パイロット噴射の噴射量は、少なくとも一時的に増加させられる。また、運転状態に応じて、パイロット噴射の侵入深さは、少なくとも一時的に高められるか、又は、パイロット噴射に使用される空気‐ガス混合気の量が増加させられる。第１の燃料及び第２の燃料が、それぞれ５０％である過渡的燃料比で、デポジットの除去がすでに行われており、天然ガスの割合が５０％を超過している場合、上述した措置とは別の選択肢として、あるいは補足として、新たに過渡的燃料比を設定し、当該過渡的燃料比で、燃焼室からのデポジットの除去を継続することも可能である。

エンジンによって供給される駆動力は、切り替えプロセス全体を通じて、ほぼ一定である。

Claims (10)

1. 多種燃料機関において、第１の燃料比から開始して、前記第１の燃料から第２の燃料に切り替える方法であって、
   過渡的燃料比に至るまで前記第２の燃料の割合を増大させるとともに、前記第１の燃料の割合を減少させるステップと、
   前記過渡的燃料比で前記エンジンを一定時間運転するステップと、
   第２の燃料比に至るまで前記第２の燃料の割合をさらに増大させるとともに、前記第１の燃料の割合をさらに減少させるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記燃料のうち少なくとも１つの燃料の点火が、パイロット噴射によって行われ、
   前記パイロット噴射の噴射量が、少なくとも燃料を切り替える間一時的に、前記第１の燃料比又は前記第２の燃料比で運転されているときの前記パイロット噴射の噴射量から増加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の燃料は、石油燃料、特に軽油又は重油であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２の燃料は、ガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記パイロット噴射の侵入深さが、少なくとも燃料が切り替えられている間一時的に変更されること、特に引き上げられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記パイロット噴射に使用される空気‐ガス混合気の量が、少なくとも燃料が切り替えられている間一時的に変更されること、特に増加させられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 許容限界を超えるノッキングを伴う燃焼が検知されたとき、
   ‐前記第１の燃料の割合が、少なくとも一時的に引き上げられ、
   ‐前記パイロット噴射の噴射量が、少なくとも一時的に増加させられ、
   ‐前記パイロット噴射の侵入深さは、少なくとも一時的に高められ、
   ‐前記パイロット噴射に用いられる前記空気‐ガス混合気の量は増加させられ、及び／又は、
   ‐新たに前記過渡的燃料比率が設定される
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記燃料比の変更は連続的に、特に時間区分によっては直線的に行われることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実施するために設置される制御装置。
10. 請求項９に記載の制御装置を具備する多種燃料機関。