JP2011256794A - Fuel injection device and internal combustion engine for land and marine industrial use capable of accommodating various fuel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置及び陸舶産業用内燃機関に関し、特に多種の燃料に対応可能な燃料噴射装置及びこれを用いた陸舶産業用内燃機関に関する。 The present invention relates to a fuel injection device that injects fuel into a cylinder of an internal combustion engine and an internal combustion engine for land and marine industry, and more particularly to a fuel injection device that can handle various types of fuel and an internal combustion engine for land and marine industry using the same.
石油資源の枯渇、地球温暖化を背景に多種の燃料で運転可能な内燃機関およびこのような内燃機関に用いられる燃料噴射装置が求められている。例えば、より低質の石油系の燃料を用いること、バイオ燃料を用いることなどが提案されている。燃料はその種によって着火性が異なり、多種の燃料で運転可能とするためには、燃料の噴射タイミング等を調整して燃焼性を向上させる必要がある。 There is a need for an internal combustion engine that can be operated with various types of fuel and a fuel injection device used for such an internal combustion engine against the background of depletion of petroleum resources and global warming. For example, it has been proposed to use lower quality petroleum-based fuels and biofuels. Fuels have different ignitability depending on the type, and in order to be able to operate with various types of fuels, it is necessary to improve the combustibility by adjusting the fuel injection timing.
例えば、ディーゼル機関の燃料噴射装置において、燃料噴射時に高圧の主噴射の前に低圧のパイロット噴射を行う構成が開示されている。このような燃料噴射装置において、主噴射用の高圧用コモンレールとパイロット噴射用の低圧用コモンレールとを備えた構成が開示されている(下記、特許文献1参照)。また、燃焼室内へ主噴射を行うための主噴射ノズルとパイロット噴射を行うための副噴射ノズルとを別々に設ける構成が開示されている(下記、特許文献2参照)。また、燃焼室内への主噴射とパイロット噴射とを行うための共通の燃料噴射ノズルを設ける構成が開示されている(下記、特許文献3参照)。
For example, in a fuel injection device for a diesel engine, a configuration is disclosed in which low pressure pilot injection is performed before high pressure main injection at the time of fuel injection. In such a fuel injection device, a configuration including a high-pressure common rail for main injection and a low-pressure common rail for pilot injection is disclosed (see
また、内燃機関の燃料噴射装置において、高圧の燃料を噴射する主噴射と、主燃料より後に主噴射より低圧で燃料を噴射するアフター噴射を行う構成が開示されている(下記、特許文献4参照)。ここでは、内燃機関の気筒に主噴射を行うための噴射弁と、アフター噴射を行うための噴射弁と、が別々に設けられている。
In addition, in a fuel injection device for an internal combustion engine, a configuration is disclosed in which main injection for injecting high-pressure fuel and after-injection for injecting fuel after the main fuel at a lower pressure than the main injection are disclosed (see
また、主噴射とパイロット噴射又はアフター噴射等の副噴射とを組み合わせる際に、燃料噴射量及びエンジン回転数に基づき機関燃焼状態を間接的に把握し、当該燃焼状態に応じて制御モードを変更する技術が開示されている(下記、特許文献5参照)。また、主噴射とパイロット噴射を組み合わせて行う際に、内燃機関の気筒内の圧力Pを検出し、最高圧力Pmax及びdP/dθに基づいて燃焼状態と着火状態を把握し、その結果をパイロット燃料供給装置にフィードバックする構成が開示されている(下記、特許文献6参照)。
Further, when the main injection and the sub-injection such as pilot injection or after injection are combined, the engine combustion state is indirectly grasped based on the fuel injection amount and the engine speed, and the control mode is changed according to the combustion state. A technique is disclosed (see
ところで、従来の船舶用ディーゼル機関の燃料噴射システムは、ディーゼル機関により駆動される機械式ポンプで燃料を加圧し、機械式の燃料噴射弁でディーゼル機関の気筒内に燃料を噴射する構成を有している。 By the way, a conventional fuel injection system for a marine diesel engine has a configuration in which fuel is pressurized by a mechanical pump driven by the diesel engine, and fuel is injected into a cylinder of the diesel engine by a mechanical fuel injection valve. ing.
このため、加圧される燃料の圧力上昇や噴射タイミングは機械式ポンプや機械式燃料噴射弁の特性に左右され、精度の高い制御が困難であった。また、排気ガス特性の改善からも問題があった。 For this reason, the pressure rise and injection timing of the pressurized fuel depend on the characteristics of the mechanical pump and the mechanical fuel injection valve, and it is difficult to control with high accuracy. There was also a problem from the improvement of exhaust gas characteristics.
また、近年、自動車等の分野では、加圧された燃料をコモンレール(蓄圧部)に蓄え、電気制御式の燃料噴射弁により燃料を噴射してディーゼル機関における燃焼を細かく制御する電気制御式の燃料噴射システムが用いられている。そこで、従来の船舶用ディーゼル機関にこのような電気制御式の燃料噴射システムを増設し、ディーゼル機関をより高効率化すると共に排気ガス特性を改善することが考えられている。特に、環境問題対策として注目されているバイオ燃料や廃食油等のマルチ燃料に対応したディーゼル機関の高効率化や排気ガス特性の改善が必要とされている。 In recent years, in the field of automobiles, etc., an electrically controlled fuel that stores pressurized fuel in a common rail (pressure accumulator) and injects the fuel with an electrically controlled fuel injection valve to finely control combustion in a diesel engine. An injection system is used. Therefore, it is considered to increase the efficiency of the diesel engine and improve the exhaust gas characteristics by adding such an electrically controlled fuel injection system to the conventional marine diesel engine. In particular, there is a need for higher efficiency and improved exhaust gas characteristics of diesel engines that are compatible with multi-fuels such as biofuels and waste cooking oil, which are attracting attention as measures against environmental problems.
請求項1に対応した内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置は、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行う。すなわち、主燃料系に設けられた弁と副燃料系に設けられた弁とを異なるタイミングで開閉制御することにより、主燃料と副燃料を異なるタイミングで噴射する。このとき、副燃料系は電気的に高精度に制御される。
A fuel injection device for injecting fuel into a cylinder of an internal combustion engine according to
請求項2に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとする。異なる噴射圧力での燃料噴射を異なるタイミングで行うことによって燃料の燃焼状態を制御する。例えば、燃料の性状、気筒内圧力、機関の負荷条件、地理的条件等の条件に基づき主燃料の噴射圧力を決定し、燃焼室の気筒の振動や排気ガスの性状を抑制するように副燃料を異なる噴射圧力に決定する。
In the fuel injection device corresponding to
請求項3に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとする。具体的には、コモンレール等の蓄圧部を利用して副燃料を予備加圧しておき、副燃料系から主燃料系より高い圧力で噴射する。これにより、副燃料は主燃料より微細な粒子として噴射される。
In the fuel injection device corresponding to
請求項4に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。プレ噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度0°としたときのクランク角度において−15°〜−22.5°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好ましい。また、排気ガスの性状を改善するためには、プレ噴射時の燃料の噴射量を少なくすること、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。 According to a fourth aspect of the present invention, the auxiliary fuel is pre-injected before the main fuel injection and before a time shorter than a half cycle of the main fuel injection. Pre-injection is also called pilot injection. The pre-injection is performed with higher accuracy by controlling the injection timing, the injection time (injection amount), the injection pressure, and the like than the main fuel system by using an electric control sub fuel system independent of the main fuel system. In particular, it is preferable to pre-inject the auxiliary fuel with a phase difference of about −15 ° to −22.5 ° at the crank angle when the piston top dead center timing is 0 °. Further, in order to improve the properties of the exhaust gas, the fuel injection amount at the time of pre-injection is reduced, and at least the injection amount of the auxiliary fuel in the pre-injection is made smaller than the injection amount of the main fuel. It is preferable.
請求項5に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。アフター噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において5°〜10°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好ましい。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。 In the fuel injection device corresponding to claim 5, after the main fuel injection, the after injection of the sub fuel is performed after a time shorter than a half cycle of the main fuel injection. After-injection is also called post-injection. After-injection uses an auxiliary fuel system that is electrically controlled independently of the main fuel system, and controls the injection timing, injection time (injection amount), injection pressure, and the like with higher accuracy than the main fuel system. In particular, after the main injection is completed, it is preferable that the auxiliary fuel be after-injected with a phase difference of about 5 ° to 10 ° at the crank angle. Further, it is preferable to increase the fuel injection amount at the time of after injection, and at least to set a ratio of at least one injection amount of the auxiliary fuel to the injection amount of the main fuel at least in the after injection.
請求項6に対応した燃料噴射装置において、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なるものとする。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の噴射条件下で行う。
In the fuel injection device corresponding to
請求項7に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも1つを含むものとする。 In the fuel injection device corresponding to claim 7, the main fuel includes at least one of waste cooking oil, biofuel, and heavy oil.
請求項8に対応した燃料噴射装置は、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとする。例えば、プレ噴射やアフター噴射等の副噴射は、コモンレールを含む蓄圧部を備えた副燃料系を用いて、主燃料系より高い精度で噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の制御しつつ行われる。
In the fuel injection device corresponding to
請求項9に対応した燃料噴射装置は、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられている。主燃料系に逆止弁を設ける際は、主燃料系に含まれる機械式燃料噴射ポンプから主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。副燃料系に逆止弁を設ける際は、副燃料系に含まれる電気式燃料噴射弁から主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。そして、主燃料系又は副燃料系から逆止弁を介して配管に送り込まれた燃料の逆流を防止し、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて燃焼室内に噴射する。 The fuel injection device corresponding to claim 9 joins the main fuel system and the sub fuel system at a junction immediately before the fuel injection valve, and more than half of the piping of the main fuel system connected to the junction. A check valve is provided at at least one of a position near the merging portion and a position closer to the merging portion than half of the pipe of the auxiliary fuel system connected to the merging portion. When the check valve is provided in the main fuel system, it is closer to the junction than the half of the piping between the mechanical fuel injection pump included in the main fuel system and the junction between the main fuel system and the auxiliary fuel system. It is preferable to arrange in a position. When the check valve is provided in the auxiliary fuel system, it is closer to the junction than the half position of the pipe from the electric fuel injection valve included in the auxiliary fuel system to the junction of the main fuel system and the auxiliary fuel system. It is preferable to arrange in a position. And, the back flow of the fuel sent from the main fuel system or the sub fuel system to the pipe through the check valve is prevented, the volume of the portion pressurized by the fuel injection is reduced, the fuel pressure is increased and the response The fuel is injected into the combustion chamber with improved performance.
請求項10に対応した燃料噴射装置は、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御する。 The fuel injection device corresponding to claim 10 further comprises air column vibration detecting means for detecting air column vibration of a pipe line provided in the cylinder, and according to the air column vibration detected by the air column vibration detecting means. And controlling the injection condition of the auxiliary fuel.
請求項11に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出する。気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行う。 In the fuel injection device corresponding to claim 11, the air column vibration detecting means detects the air column vibration by a pressure sensor provided in a measuring cock constituting the pipe line. A pressure sensor that detects air column vibrations is provided, and sub-injection of auxiliary fuel is performed so that the detected pressure value of the pressure sensor becomes small.
請求項12に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行う。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行う。また、熱発生率やdp/dθの振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行っても良い。 The fuel injection device corresponding to claim 12 injects the auxiliary fuel at a timing to reduce the air column vibration. For example, a detected pressure value of a pressure sensor that detects air column vibration is fed back to the system control unit, and feedback control is performed so that the amplitude of the detected pressure value is reduced. Further, feedback control may be performed so that the heat generation rate and the amplitude of dp / dθ are reduced.
請求項13に対応した陸舶産業用内燃機関は、請求項1〜12のいずれか1つに記載の燃料噴射装置を備える。陸舶産業用内燃機関は、例えば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関であればよい。また、内燃機関は、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関(直噴式のオットー機関等)であってもよい。
An internal combustion engine for land and marine industry corresponding to claim 13 includes the fuel injection device according to any one of
本発明の燃料噴射装置によれば、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことにより、燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。具体的には、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、副燃料系を電気的に制御することにより、主燃料の噴射タイミングに対する副燃料の噴射タイミングを高精度で制御することができ、気筒の振動や排気ガスの性状の改善において高い効果を得られる。また燃料噴射弁が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられているため、例えば、副燃料系を後付設置する場合に、気筒に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁の交換だけで済む。 According to the fuel injection device of the present invention, a main fuel system that is mechanically controlled to supply main fuel, a sub fuel system that is electrically controlled to supply sub fuel, the main fuel system, and the sub fuel A fuel injection valve that is provided in common in the system and injects the main fuel and the sub fuel into the cylinder, and performs fuel injection by performing the main fuel injection and the sub fuel injection at different timings. Problems associated with the combustion of can be reduced and suppressed. Specifically, vibration of the cylinder in the combustion chamber can be reduced, or the properties of the exhaust gas can be improved. In particular, by electrically controlling the auxiliary fuel system, the injection timing of the auxiliary fuel with respect to the injection timing of the main fuel can be controlled with high accuracy, and a high effect is obtained in improving the vibration of the cylinder and the properties of the exhaust gas. It is done. In addition, since the fuel injection valve is provided in common for the main fuel system and the auxiliary fuel system, for example, when the auxiliary fuel system is retrofitted, there is no need to separately provide a mounting port in the cylinder, and only the fuel injection valve is replaced. Just do it.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとすることによって、主燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。例えば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとすることによって、主燃料の噴射前や噴射後における副燃料の粒子を微細化し、副燃料の燃焼を高めることにより気筒の振動や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, since the injection pressure at the time of the injection of the main fuel and the injection pressure at the time of the injection of the sub fuel are different, there is a problem associated with the combustion of the main fuel. It can be reduced / suppressed. For example, by making the injection pressure at the time of the injection of the auxiliary fuel higher than the injection pressure at the time of the injection of the main fuel, the particles of the auxiliary fuel are made finer before and after the injection of the main fuel, and the combustion of the auxiliary fuel is performed. By increasing the value, the effect of improving cylinder vibration and exhaust gas properties can be enhanced.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことによって、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度0°としたときのクランク角度において−15°〜−22.5°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。また、プレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることにより、排気ガスの性状を改善効果が顕著となる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, the pre-injection of the auxiliary fuel is performed before the main fuel is injected and before the main fuel injection is shorter than a half cycle. It is possible to reduce the vibration of the cylinder and improve the properties of the exhaust gas. In particular, the effect of suppressing cylinder vibration can be achieved by pre-injecting auxiliary fuel with a phase difference of about −15 ° to −22.5 ° at the crank angle when the piston top dead center timing is 0 °. Becomes prominent. Moreover, the effect of improving the properties of the exhaust gas becomes significant by making the injection amount of the auxiliary fuel in the pre-injection smaller than the injection amount of the main fuel.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことによって、排気ガスの性状を改善することができる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において5°〜10°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることによって、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することにより、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, after the injection of the main fuel, the after-injection of the auxiliary fuel is performed after a time shorter than a half cycle of the injection of the main fuel, so that the property of the exhaust gas Can be improved. In particular, after the main injection is finished, the effect of improving the properties of the exhaust gas becomes conspicuous by causing the auxiliary fuel to be after-injected with a phase difference of about 5 ° to 10 ° at the crank angle. In addition, by making the injection amount of fuel at the time of after-injection large, and at least setting the ratio of the injection amount of the auxiliary fuel to the injection amount of the main fuel at least in the after-injection, The effect of improving the gas properties becomes remarkable.
なお、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、を異なるものとすることによって、プレ噴射とアフター噴射とにおいてそれぞれ異なる効果を組み合わせて得ることができる。例えば、プレ噴射によって燃焼室の気筒の振動の低減・抑制を図り、アフター噴射によって排気ガスの性状の改善を図ることができる。 Note that, by making the injection pressure in the pre-injection different from the injection pressure in the after-injection, different effects can be obtained in the pre-injection and the after-injection. For example, the pre-injection can reduce and suppress the vibration of the cylinder in the combustion chamber, and the after-injection can improve the properties of the exhaust gas.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも1つを含むものである場合に、副燃料の副噴射による排気ガスの性状改善の効果が顕著となる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, when the main fuel contains at least one of waste cooking oil, biofuel, and heavy oil, the effect of improving the exhaust gas property by the sub-injection of the sub-fuel is remarkable. It becomes.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとし、予備加圧を行った状態で蓄圧部に副燃料を蓄えておくことによって、プレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射圧力、噴射量を高い精度で制御することが可能となる。また、特に大型の内燃機関の場合、自動車に用いられているコモンレール方式の燃料噴射装置を適用することが容易となる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, the internal combustion engine is a diesel engine, and the auxiliary fuel system has a pressure accumulating portion including a common rail that stores the pressurized auxiliary fuel. By storing auxiliary fuel in the pressure accumulating section in the performed state, the injection timing, injection pressure, and injection amount of pre-injection and after-injection can be controlled with high accuracy. In particular, in the case of a large-sized internal combustion engine, it becomes easy to apply a common rail fuel injection device used in an automobile.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁を設けることによって、合流部より下流において燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて主燃料又は副燃料の圧力の低下を抑制しつつ燃料を噴射させることができる。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, the main fuel system and the sub fuel system are merged at the junction just before the fuel injection valve, and half of the main fuel system pipe connected to the junction In addition, by providing a check valve in at least one of the position near the merging section and at a position closer to the merging section than half of the piping of the auxiliary fuel system connected to the merging section, fuel injection is performed downstream from the merging section. Thus, the volume of the pressurized portion can be reduced, the fuel pressure can be increased and the response can be improved, and the fuel can be injected while suppressing the decrease in the pressure of the main fuel or the sub fuel.
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することによって、燃焼室の気筒の振動を副燃料の噴射である副噴射により効果的に低減することができる。 The fuel injection device of the present invention further includes air column vibration detecting means for detecting air column vibration of a pipe line provided in the cylinder, and is adapted to detect air column vibration detected by the air column vibration detecting means. Accordingly, by controlling the injection condition of the auxiliary fuel, the vibration of the cylinder in the combustion chamber can be effectively reduced by the auxiliary injection that is the injection of the auxiliary fuel.
特に、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することによって、気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行うことができる。 In particular, the air column vibration detecting means is provided with a pressure sensor for detecting air column vibration by detecting the air column vibration by a pressure sensor provided in a measurement cock constituting the pipe, and the pressure sensor Sub fuel can be sub-injected so that the detected pressure value becomes small.
さらに、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことが好適である。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行うことによって、気柱振動として検出される燃焼室の気筒の振動をより効果的に低減することができる。 Furthermore, it is preferable that the auxiliary fuel is injected at a timing at which the air column vibration is reduced. For example, the detected pressure value of a pressure sensor that detects air column vibration is fed back to the system control unit, and feedback control is performed so that the amplitude of the detected pressure value becomes small, so that the combustion chamber detected as air column vibration is detected. The vibration of the cylinder can be reduced more effectively.
また、本発明の陸舶産業用内燃機関によれば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関において、燃焼室の気筒の振動を低減・抑制したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。また、例えば、大型の陸舶産業用内燃機関を採用した場合、副燃料系に量産効果の高い小型の自動車用コモンレールが採用できる。 Further, according to the internal combustion engine for land and marine industry of the present invention, in the internal combustion engine mounted not only in the ship but also in other moving engines such as railway vehicles and automobiles, power generation systems and industrial equipment, the vibration of the cylinders in the combustion chamber is reduced. It can be reduced / suppressed and the properties of exhaust gas can be improved. For example, when a large-sized internal combustion engine for the land and marine industry is employed, a small automobile common rail having a high mass production effect can be employed for the auxiliary fuel system.
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図1は、内燃機関、特に船舶用ディーゼル機関10の概略の断面図である。ディーゼル機関10は多気筒機関であり、図1の紙面を貫く方向に複数の気筒が直列に配置されている。ピストン12は、シリンダライナ14の円筒内周面に沿って摺動しつつ往復運動し、この往復運動が連接棒16を介してクランク軸18の回転運動に変換される。シリンダライナ14はエンジンフレーム20に支持され、シリンダライナ14とエンジンフレーム20の間には、冷却水の流れる水ジャケットが形成される。このエンジンフレーム20の、シリンダライナを囲みこれを支持する部分と、シリンダライナ14とでシリンダが構成される。エンジンフレーム20には、クランク軸18を支持する軸受が設けられているが、図1においては省略されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an internal combustion engine, particularly a
エンジンフレーム20の上部には、シリンダヘッド22がヘッドボルトにより締結されており、これによりシリンダヘッド22がシリンダライナ14の上部の開口に当接し、密着している。ピストン12の頭頂面と、これに対向するシリンダヘッド22の下面と、シリンダライナ14の内周面により燃焼室が形成される。シリンダヘッド22の燃焼室の中央にあたる部分に燃料噴射弁26が設けられている。燃料噴射弁の配置は、噴射される燃料の噴霧の拡がり方など、燃焼状況により適切に定められればよく、中央以外に部分に設けられてもよい。シリンダヘッド22には、燃焼室に通じる吸気ポートおよび排気ポートが形成されており、さらに、これらのポートの燃焼室に対する開口を開閉するための吸気弁、排気弁が配置される。吸排気弁は、燃料噴射弁26の紙面奥側と手前側に配置されており、図1においては示されていない。吸気ポートは吸気管32に連通しており、排気ポートは排気管34に連通している。
A
また、図2の部分拡大図に示すように、シリンダヘッド22には、インジケータコック(計測用コック)53が設けられる。インジケータコック53は、シリンダライナ14の内部の圧力等を計測するためにシリンダヘッド22に管路53aを形成し、管路53aの端部をシリンダヘッド22の外部まで引き出して構成される。シリンダヘッド22の外部に引き出された管路53aの端部にはバルブ53cが設けられ、このバルブ53cを開けることによって、燃焼室内の燃料や空気等の一部を抜き出してその性状を計測することができる。
Further, as shown in the partially enlarged view of FIG. 2, the
本実施の形態では、管路53a内の気柱振動を計測するために、管路53a内の圧力を計測するための圧力センサ53bが設けられている。圧力センサ53bは、管路53a内の圧力を検出し、後述のシステム制御部114へ出力する。
In the present embodiment, in order to measure air column vibration in the
シリンダの側方には、ギア、チェーンなどの伝達装置を介してクランク軸18に駆動されるカム軸36が配置される。カム軸36は、気筒の配列方向と平行に配置され、各気筒の吸気弁、排気弁に対応したカム38を備えている。カム38のカム面に接するカムフォロワ40が設けられ、さらに、カムフォロワ40に接続され、シリンダヘッド22に向けてプッシュロッド42が延びて配置される。シリンダヘッド22には、ロッカーアーム44が配置され、ロッカーアーム44の一端にはプッシュロッド42が接続し、他端は吸気弁と排気弁のステム端46に接続している。カム軸36の回転により、カム38がカムフォロワ40を揺動させ、この動きがプッシュロッド42を介してロッカーアーム44に伝達される。そして、ロッカーアーム44も揺動して吸気弁および排気弁が駆動され、吸気ポート、排気ポートの開閉が実行される。
A
燃料噴射弁26には、燃料供給系48により燃料が供給される。このディーゼル機関10には、二つの燃料供給系が設けられる。一つの燃料供給系は機械式燃料噴射ポンプ50を備え、このポンプは燃料タンク52内の燃料を加圧して、逆止弁51を備えた燃料供給管54を介して燃料噴射弁26に供給する。この燃料供給系を主燃料供給系と記し、燃料タンク52を主燃料タンク52、燃料供給管54を主燃料供給管54、さらに主燃料供給系で供給される燃料を主燃料として以下説明する。
Fuel is supplied to the
もう一つの燃料供給系を副燃料供給系と記す。副燃料供給系は、燃料噴射弁26に供給される副燃料を蓄える燃料タンク56、副燃料を加圧し送る加圧ポンプ58、加圧ポンプにより送られる加圧された燃料を蓄える蓄圧部としてのコモンレール60を含む。コモンレール60内に蓄えられた加圧燃料が、逆止弁63及び副燃料供給弁64を有する燃料供給管62を介して主燃料供給管54に送出される。主燃料供給管54に送出された燃料は、更に燃料噴射弁26に向かい、ここから燃焼室内に向けて噴射される。この副燃料タンク56から燃料噴射弁26に至る、副燃料を噴射するための系を副燃料系と記し、燃料タンク56を副燃料タンク56、燃料供給管62を副燃料供給管62として以下説明する。
Another fuel supply system is referred to as a secondary fuel supply system. The auxiliary fuel supply system includes a
したがって、この燃料供給系48においては、主、副の燃料供給管54,62の合流部65より下流においては、主、副燃料系が構成要素(例えば燃料噴射弁26)を共有している。
Therefore, in the
コモンレールを含む副燃料系は、自動車用のシステムを転用することができる。自動車用の需要は、船舶用のそれよりも多く、量産効果により副燃料系導入のコストを抑制することができる。また、副燃料系に軽油を用いるのであれば、自動車用のシステムを導入するための改造が少なくなり、更に導入コストの抑制が期待できる。また、自動車用のシステムが、船舶用としては容量が不足する場合には、システムを複数備え、1気筒に複数のコモンレールシステムから燃料を噴射するようにできる。また、燃料噴射量を増加するために、コモンレールの容積を増加して対応してもよい。 The auxiliary fuel system including the common rail can be used for an automobile system. The demand for automobiles is greater than that for ships, and the cost of introducing a secondary fuel system can be suppressed by mass production effects. In addition, if light oil is used for the auxiliary fuel system, the number of modifications for introducing the system for automobiles is reduced, and further reduction of the introduction cost can be expected. Further, when the capacity of an automobile system is insufficient for a ship, a plurality of systems are provided, and fuel can be injected from a plurality of common rail systems into one cylinder. In order to increase the fuel injection amount, the volume of the common rail may be increased.
副燃料系を、既存の内燃機関に後付けする構成とした場合、外洋を航行中に、副燃料系の寿命が来たとしても、容易に取り替えることができる。さらに、副燃料系に自動車用のコモンレールシステムを用いることにより、これが船舶用の内燃機関に比べて寿命が短い場合も、経済的な負担を小さくして容易に取り替えることができる。 When the secondary fuel system is retrofitted to an existing internal combustion engine, even if the secondary fuel system has reached the end of its life while navigating the open ocean, it can be easily replaced. Furthermore, by using a common rail system for automobiles as the auxiliary fuel system, even if it has a shorter life than an internal combustion engine for ships, it can be easily replaced with less economic burden.
図3は、燃料供給系48および燃料噴射弁26を示す図である。主燃料系においては、主燃料タンク52に蓄えられている主燃料は、機械式燃料噴射ポンプ50により加圧されて送出され、主燃料供給管54を介して燃料噴射弁26に送られる。なお、逆止弁51より下流へ送り出された主燃料は、逆止弁51によって機械式燃料噴射ポンプ50側へ逆流することが防がれている。また、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性(加圧速度)を向上させて燃料を噴射させることができる。
FIG. 3 is a diagram showing the
副燃料系においては、副燃料タンク56に蓄えられた副燃料は、加圧ポンプ58で加圧、送出され、圧力が高い状態でコモンレール60に蓄えられる。コモンレール60から主燃料供給管54に向かう副燃料供給管62の途中には副燃料供給弁64が設けられており、この副燃料供給弁64を開放することによって、合流部65より下流に副燃料が供給される。副燃料供給弁64は、電気的に制御される電気制御式とする。
In the auxiliary fuel system, the auxiliary fuel stored in the
このように、主燃料系においては、燃料の加圧は、燃料噴射のたびにそれぞれ独立して行われるのに対し、副燃料系においては、燃料は予め加圧されて、加圧された状態で蓄えられており、燃料噴射のタイミングで予め加圧されていた燃料が供給される。主燃料系においては、燃料噴射の初期においては、圧力が低く、噴射される燃料の粒子が比較的大きい。一方、副燃料系においては、燃料は予め加圧されているので、噴射期間の初期から高い圧力で噴射することが可能であり、噴射のタイミングを制御し易く、噴射時の燃料の噴射量や噴射圧力も制御が容易となる。また、主燃料より高い噴射圧力で副燃料を噴射することにより、副燃料の粒子は主燃料より微細な状態で噴射される。これにより、副燃料の着火性や燃焼性を高めることができる。また、コモンレール内の圧力は、変更することが容易である。具体的には、例えば、加圧ポンプ58に電気式のポンプを採用した場合は、ポンプを駆動するモータの回転速度を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。また、加圧ポンプ58として機械式のポンプを用いる場合には、コモンレール60から副燃料タンク56に副燃料を戻すリターン経路に調圧弁を設け、この調圧弁が開放する圧力を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。
Thus, in the main fuel system, fuel pressurization is performed independently for each fuel injection, whereas in the sub fuel system, the fuel is pre-pressurized and pressurized. The fuel that has been previously stored and pressurized in advance at the fuel injection timing is supplied. In the main fuel system, at the initial stage of fuel injection, the pressure is low and the injected fuel particles are relatively large. On the other hand, in the auxiliary fuel system, since the fuel is pressurized in advance, it can be injected at a high pressure from the beginning of the injection period, the injection timing can be easily controlled, and the amount of fuel injected at the time of injection The injection pressure can also be easily controlled. Further, by injecting the auxiliary fuel at an injection pressure higher than that of the main fuel, the particles of the auxiliary fuel are injected in a finer state than the main fuel. Thereby, the ignitability and combustibility of the auxiliary fuel can be improved. Further, the pressure in the common rail can be easily changed. Specifically, for example, when an electric pump is adopted as the pressurizing
なお、合流部65より下流へ送り出された副燃料は、逆止弁63によってコモンレール60へ逆流することが防がれている。また、逆止弁51によりこれより下流に流出することが防がれている。逆止弁51あるいは逆止弁63またはその双方は、吸い戻しストロークを設けたデリバリバルブ型のものを選ぶことができる。これにより、主燃料あるいは副燃料の残圧を低減し、次の噴射への影響を軽減できる。また、コモンレール60に蓄えられた燃料が、主燃料供給管54を介して燃料噴射弁26に送られる。加圧ポンプ58およびコモンレール60は全気筒または複数の気筒に共通に設けられ、副燃料供給弁64が各気筒ごとに設けられる。
The auxiliary fuel sent downstream from the
また、逆止弁63は副燃料の注入が無いときに、主燃料の逆流を防いでいる。逆止弁51は副燃料の注入の際にこの燃料が主燃料系の逆止弁51より下流に流出することを防いでいる。副燃料によって加圧される配管容積を小さくすることによって、燃料圧の高圧化とその応答性(加圧速度)の向上が期待できる。逆止弁51から噴射弁26のノズル穴までの管路容積をできるだけ小さくすることが重要であるが、逆止弁51が機械式燃料噴射ポンプ50から合流部65までの間の配管の半分の位置よりも機械式燃料噴射ポンプ50に近い位置に配置されると、燃料供給管54,62において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁26から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁51は、主燃料供給管54の機械式燃料噴射ポンプ50から合流部65までの間の配管の半分の位置よりも合流部65に近い位置に配置することが好適である。また、逆止弁63が副燃料供給弁64から合流部65までの間の配管の半分の位置よりも副燃料供給弁64に近い位置に配置されると、燃料供給管54,62において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁26から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁63は、副燃料供給管62の副燃料供給弁64から合流部65までの間の配管の半分の位置よりも合流部65に近い位置に配置することが好適である。管路の実構成上、逆止弁51、逆止弁63および合流部65の位置は変えられないとしても、合流部65から燃料噴射弁26までの管路を、例えば二重管やセパレート管等とすることにより、実質の合流部を限りなく燃料噴射弁26の近傍に持ってくることも可能である。特に、副燃料はコモンレール60(蓄圧部)によって予備的に加圧された状態で燃料供給管54,62へと導入され、燃料噴射弁26から気筒内へ主燃料よりも高い圧力で噴射されるので、逆止弁51,63の位置による圧力低下の影響を受け易い。したがって、コモンレール60のような蓄圧部を用いた燃料供給系を有する場合には、逆止弁51,63を上記のように配置することによる効果が顕著となる。また、プレ噴射(副燃料)→主噴射(主燃料)→アフター噴射(副燃料)のサイクルとすることにより、特に精密な制御が必要なプレ噴射に対して、管路が副燃料で満たされた状態での噴射制御が可能となる。
Further, the
また、副燃料供給弁64として電気的に制御できるものを付加することにより、自動車用のコモンレールシステムの導入が容易となる。また、電気制御式とすることで、燃料噴射タイミングや、燃料噴射期間(噴射量)、燃料噴射パターン等が電気信号で制御可能となり、制御の自由度が拡大する。また、船舶においては、波の影響により、波の周期に関連した負荷変動を生じる場合があるが、制御の自由度が高い電気制御式を採用することで、これに好適に対応できる。
Further, by adding an auxiliary controllable
さらに、本実施の形態では、主燃料系から供給される主燃料を噴射する主噴射と、主噴射とは異なるタイミングで副燃料系から供給される副燃料を噴射する副噴射を行う。より具体的には、図4の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の前であって、繰り返し行われる主噴射の半周期(T/2)より短い時間だけ前に副燃料を噴射するプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。また、図5の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の後であって、繰り返し行われる主噴射の半周期(T/2)より短い時間だけ後に副燃料を噴射するアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。プレ噴射とアフター噴射とは組み合わせ行ってもよい。 Further, in the present embodiment, main injection for injecting main fuel supplied from the main fuel system and sub-injection for injecting sub-fuel supplied from the auxiliary fuel system at timings different from the main injection are performed. More specifically, as shown in the fuel injection timing chart of FIG. 4, the auxiliary fuel is injected before the main injection and before the half cycle (T / 2) of the main injection that is repeatedly performed. Perform pre-injection. Pre-injection is also called pilot injection. Further, as shown in the fuel injection timing chart of FIG. 5, after the main injection, after-injection is performed in which the auxiliary fuel is injected after a time shorter than the half cycle (T / 2) of the main injection that is repeatedly performed. . After-injection is also called post-injection. Pre-injection and after-injection may be performed in combination.
特に、副燃料供給弁64を電気制御式とすることで、副噴射であるプレ噴射やアフター噴射のように、主噴射のタイミングに合わせて高い精度で噴射条件(燃料噴射タイミング、燃料噴射期間(噴射量)、噴射圧力、噴射パターン等)の制御を行う必要がある場合に有利である。
In particular, by making the auxiliary
また、燃料噴射弁26は、燃料の噴射に電気的制御を行う電気制御式燃料噴射弁としてもよい。電気制御式噴射弁は、気筒内に燃料を噴射する噴射弁として機能すると共に、主燃料及び副燃料の供給を制御する燃料制御弁としても機能する。電気制御式燃料噴射弁は、制御信号を受けて、電磁弁を備えた噴射ノズルから制御信号で示される噴射量の燃料を噴射する。噴射された燃料は、細かな粒子(液滴)となってシリンダ内を拡がり、ピストンによる圧縮で気筒内の温度が上昇すると自己着火して燃焼する。主燃料系は、カム92によるプランジャのストロークのたびに燃料が加圧される。なお、燃料噴射弁26は、一つの弁体に主燃料系と副燃料系が独立して存在し、各々機械式あるいは電気制御式、あるいはその組み合わせをもって機能する燃料噴射弁であってもよい。また燃料噴射弁26が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられることにより、例えば、既存船の内燃機関に副燃料系を後付設置する場合に、シリンダヘッド22に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁26の交換だけで済む。また、新造船であってもシリンダヘッド22への穴あけが従来通り各気筒ごとに1か所で済み、加工が容易にできる。
The
主、副燃料は、同種の燃料を用いることも、異種の燃料の組み合わせとすることもできる。主、副燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも1つを含むことが好適である。 The main and sub fuels may be the same type of fuel or a combination of different types of fuel. The main and auxiliary fuels preferably include at least one of waste cooking oil, biofuel, and heavy oil.
同種の燃料を用いる場合であっても、後述するように、副燃料系においては、噴射初期から高い圧力で噴射することによって、燃料粒子が微細となって、着火性や燃焼性が改善される。特に、前述の燃料噴射弁による低負荷時の着火性の悪化を改善することができる。 Even in the case of using the same type of fuel, as will be described later, in the auxiliary fuel system, the fuel particles become fine by injecting at a high pressure from the initial stage of injection, and the ignitability and combustibility are improved. . In particular, the deterioration of ignitability at the time of low load due to the fuel injection valve described above can be improved.
同種の燃料を副燃料系により噴射しても、十分な着火性を得られない場合に、主、副燃料に異種の燃料を使用することもできる。この場合、副燃料に着火性の良い燃料を使用し、副燃料を火種として、着火性の悪い燃料を燃焼させるようにすることができる。ディーゼル機関における着火性は、セタン価で評価され、この場合は、セタン価の高い燃料を副燃料として使用し、低い燃料を主燃料として使用する。主燃料に着火性の悪い燃料を使用する場合、副燃料として軽油、バイオディーゼル油、GTL(Gas To Liquid)、DME(ジメチルエーテル)を使用することが好適である。主燃料として重油を使用した場合、相対的に着火性のよい菜種油等を用いてもよい。 If sufficient ignitability cannot be obtained even if the same type of fuel is injected by the auxiliary fuel system, different types of fuel can be used as the main and auxiliary fuels. In this case, a fuel with good ignitability can be used as the auxiliary fuel, and the fuel with poor ignitability can be burned by using the auxiliary fuel as a fire type. The ignitability in a diesel engine is evaluated by a cetane number. In this case, a fuel having a high cetane number is used as a secondary fuel, and a fuel having a low cetane number is used as a main fuel. When a fuel with poor ignitability is used as the main fuel, it is preferable to use light oil, biodiesel oil, GTL (Gas To Liquid), or DME (dimethyl ether) as the auxiliary fuel. When heavy oil is used as the main fuel, rapeseed oil or the like having relatively good ignitability may be used.
図6は、主燃料系および副燃料系の噴射条件の制御に関する制御ブロック図である。この制御ブロック図は、主、副の燃料系において燃料噴射弁、特にそのノズルが共用される構成例を対象とした制御ブロック図である。既出の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。ディーゼル機関10の運転状態を検出するために、回転センサ100、圧力センサ102および排気ガスセンサ104が備えられる。また、燃料噴射弁26に実際に供給される主燃料および副燃料の量をそれぞれ検出する主燃料流量センサ106、副燃料流量センサ108を備えてもよい。回転センサ100は、クランク軸18の回転速度を検出するセンサである。
FIG. 6 is a control block diagram regarding control of injection conditions of the main fuel system and the sub fuel system. This control block diagram is a control block diagram for a configuration example in which the fuel injection valve, particularly the nozzle, is shared in the main and sub fuel systems. The components already described are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In order to detect the operating state of the
圧力センサ102は、燃焼室内の圧力を直接検出するセンサを用いることができるが、より簡易な方法として、後付け、または外付けのセンサにより圧力の検出を行うことができる。例えば、圧力センサ102は、燃焼室内の燃焼圧がシリンダヘッドボルトに作用する力に基づくセンサとしてもよい。
As the
より具体的には、シリンダヘッド22をエンジンフレーム20に対して締結するシリンダヘッドボルトに圧力センサ102を設けてもよい。シリンダヘッドボルトのボルトのナットとシリンダヘッドの間に、圧力センサ102であるロードワッシャを配置する。ロードワッシャには、シリンダヘッドの締め付け時に加えられる軸力と、気筒内圧を受けて発生する軸力が作用する。このロードワッシャに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有することが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けたロードワッシャにより気筒内圧を測定することが可能である。
More specifically, the
また、圧力センサ102としての歪みゲージを用いてもよい。圧力センサ102として用いる歪みゲージは、シリンダヘッドボルトの軸部に装着することが好適である。歪みゲージは、エンジンフレーム20と、シリンダヘッド22の間の隙間に対応して装着される。しかし、シリンダヘッドボルトの延びを適切に検出できる位置であれば、どこに装着されても良く、例えばシリンダヘッド22内のボルト軸部に装着されてもよい。
Further, a strain gauge as the
シリンダヘッドボルトの伸びに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有していることが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けた歪みゲージより気筒内圧を測定することが可能である。ロードワッシャ型、歪みゲージ型のいずれも、気筒の外部に装着可能であるため、副燃料系としてコモンレールシステムを後付けする場合や、故障時や寿命時の取り替えがボルトの脱着だけで簡単にできる。また、ボルトの緩みや締め付けトルクが不足した場合に、異常が検出可能となる。 It has been found that the force acting on the elongation of the cylinder head bolt has a good correlation with the cylinder internal pressure, and instead of directly measuring the cylinder internal pressure, the cylinder internal pressure is determined by a strain gauge provided outside the cylinder. It is possible to measure. Since both the load washer type and the strain gauge type can be installed outside the cylinder, it is easy to install a common rail system as an auxiliary fuel system later, or to replace it at the time of failure or at the end of its life by simply removing and attaching bolts. Further, when the bolt is loose or the tightening torque is insufficient, an abnormality can be detected.
圧力センサ102は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる1つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。気筒配置がV型の機関であれば、左右のバンクにそれぞれ1つの圧力センサを設けることができる。気筒ごとに圧力センサを設けた場合、噴射条件の制御も気筒ごとに行うことができる。また、V型のバンクごとなど、いくつかの気筒ごとに圧力センサを設けた場合、バンクごと、その気筒群ごとに噴射制御を行うこともできる。圧力センサ102により検出された気筒内圧に基づき、エンジン状態推定部110において、内燃機関の運転状態を推定する。
The
排気ガスセンサ104は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、粒子状物質(PM)、全炭化水素(THC)等を検出するセンサである。これらは個別に設けることも組み合わせて設けることもできる。排気ガスセンサ104は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる1つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。排気ガスセンサ104からの出力信号はエンジン状態推定部110へ送られ、エンジン状態推定部110において排気ガスの性状に応じて内燃機関の運転状態を推定する。
The
エンジン状態推定部110は、排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧の少なくとも一つの情報に基づき、内燃機関における燃焼状態について推定を行う。例えば、主燃料の燃料噴射時期を変化させたときに圧力センサ102によって気筒内圧を検出することで、最高気筒内圧、図示平均有効圧を算出でき、また気筒内圧から求めた熱発生率から、着火時期を推定することができる。熱発生率から着火時期の推定を行うに当たり、あるサイクルの最大値と最低値より定められる閾値を用いて推定を行うことができる。例えば、熱発生率の最大値と最小値の差の10%を最小値に加算した値を閾値とし、あるサイクルにおいて、この値を超えたときを、そのサイクルの着火時期とすることができる。排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等は、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件を変更すると変化し、これらのパラメータが予め定めた値となるように、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件を制御する。
The engine
また、エンジン状態推定部110は、排気ガスの性状に応じて内燃機関の燃焼状態を推定する。内燃機関の負荷に対して排気ガス中の窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、スモーク及び全炭化水素(THC)の濃度が変化する。スモークは、排気ガス中の粒子状物質(PM)の量に対応する。すなわち、エンジン状態推定部110は、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、スモーク及び全炭化水素(THC)の測定値の少なくとも一つを排気ガスセンサ104から受けて、受け取った測定値から内燃機関の燃焼状態を推定する。この推定された内燃機関の燃焼状態又は窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、スモーク及び全炭化水素(THC)の測定値自体に応じて、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件を制御する。
Moreover, the engine
エンジン状態推定部110により推定される燃焼状態は燃料の性状を反映する。例えば、着火性の良い燃料を使用している場合は、噴射時期に対して早期に着火し、逆に着火性の悪い燃料の場合には、着火が遅れる傾向がある。また、着火性の良い燃料を使用している場合は、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)が増加し、着火性の悪い燃料の場合には、一酸化炭素(CO)、スモーク及び全炭化水素(THC)が増加する。
The combustion state estimated by the engine
エンジン状態推定部110は、このようにして得られた排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等のパラメータ、燃料の性状、圧力センサ102の検出値及び排気ガスセンサ104の検出値等の運転条件に基づいて主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件を制御するための制御信号をシステム制御部114へ出力する。
The
また、シリンダヘッド22の管路53aに設けられた圧力センサ53bによって検出された管路53aの気柱振動を示す圧力測定値もシステム制御部114へ入力される。この圧力測定値も主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件を制御するために用いられる。
Further, a pressure measurement value indicating air column vibration of the
一方、ディーゼル機関10の運転条件は、運転操作盤120に入力された条件に基づき定められ、これに基づき前述のエンジン状態推定部110および各センサによる検出値をフィードバックしてシステム制御部114によりディーゼル機関10が制御される。運転操作盤120には、ディーゼル機関10の始動・停止を行う運転スイッチ122、出力レベルを制御するスロットルレバー124が備えられ、また燃料の種類や搭載量、排気ガス等に関する規制値、運転モードを入力する条件設定部126を備える。燃料の種類としては、重油、軽油、菜種油、廃食油、パーム油やバイオディーゼル油、GTL(Gas To Liquid)、DME(ジメチルエーテル)等が想定されており、それぞれの代表的な性状が予め記憶されている。また、主燃料と副燃料にそれぞれにどの種類の燃料を使用するか、設定することができる。また、排気ガス規制値(NOx規制、CO規制、スモーク規制、SOx規制、CO2排出量規制)等の設定をすることができる。さらに、環境を重視する設定とするか、燃費を重視する設定とするかの運転モードの選択も行うことができる。操作者によりこれらの操作、入力がなされ、運転条件算出部128にて、これらの条件に適した、運転条件が算出される。具体的には、主燃料及び副燃料の比率、燃料の性状(セタン価、発熱量)、排気温度目標値、効率の目標値、負荷条件等の算出を行う。
On the other hand, the operating conditions of the
また、GPS130を搭載し、GPS(全地球測位システム)情報、レーダ情報等に基づき現在の位置を取得し、これも合わせて運転条件を算出してもよい。GPSまたはレーダにより、陸からの距離、目的地からの方位や距離、航行時の目標物との位置関係を取得することができ、これらに応じた運転条件を算出することができる。例えば、現在位置が港湾内、陸地から近い位置であれば、排気ガス浄化を優先した運転モードとし、外洋であれば、燃費を優先した運転モードとするようにできる。航行時の目標物は、例えば灯台や、追従航行をしている場合であれば追従対象の他の船舶である。世界の国、地域、都市等の地理的位置や沿岸からの距離により排気ガス規制や環境規制等が異なる場合に、地理的条件に従った運転条件の算出ができる。また、GPS、レーダは、船舶用として一般に搭載されるものを共用することができる。
In addition, the
運転条件算出部128により算出された運転条件に基づき、運転条件設定部112において、ディーゼル機関10の運転条件がシステム制御部114に設定される。この設定された条件に基づきシステム制御部114によって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等の噴射条件の制御が実行される。
Based on the operation condition calculated by the operation
すなわち、システム制御部114は、エンジン状態推定部110での推定される内燃機関の運転条件、例えば着火時期、内燃機関の燃焼状態、燃料の性状、圧力センサ102,53bの検出値及び排気ガスセンサ104の検出値等、及び運転条件設定部112において設定される内燃機関の運転条件に応じて、機械式燃料噴射ポンプ50、加圧ポンプ58、副燃料供給弁64及び燃料噴射弁26を制御することによって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量(噴射燃料比)等を調整する。なお、副燃料の噴射時期、噴射量及び主燃料との噴射燃料比の制御は、システム制御部114により、副燃料供給弁64を制御することにより行われる。また、副燃料の燃料圧を制御するために、加圧ポンプ58の制御も行ってよい。機械式燃料噴射ポンプ50により、主燃料の噴射量及び副燃料との噴射燃料比を制御する場合には、カム92のクランク軸に対する位相を変更する機構を設ける。また、内燃機関への主燃料及び副燃料の噴射時期(タイミング)は、燃料噴射弁26を電気制御式燃料噴射弁とした場合、燃料噴射弁26の開閉制御により行うことができる。
That is, the
本実施形態の燃料供給系48においては、主、副の燃料供給管54,62が、燃料噴射弁26の上流側で合流している。したがって、主燃料と副燃料とは別々に噴射することもできるし、同時に噴射することも可能である。いずれの場合にも、内燃機関の運転状態、例えば内燃機関の負荷や排気ガスの性状等に応じて、主燃料と副燃料との噴射タイミング、噴射時間(噴射量)及び噴射圧力等の噴射条件を調整することができる。
In the
特に、本実施の形態では、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料の副噴射を行う制御を行う。すなわち、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料のプレ噴射及びアフター噴射を行う。 In particular, in the present embodiment, control for performing sub-injection of sub fuel at a timing different from that of main injection of main fuel is performed. That is, the pre-injection and after-injection of the auxiliary fuel are performed at different timing from the main injection of the main fuel.
まず、システム制御部114は、推定された内燃機関の運転条件、圧力センサ102,53bの検出値及び排気ガスセンサ104の検出値並びに内燃機関の運転条件に応じて、主燃料系を用いた主燃料の噴射条件を設定する。すなわち、運転条件設定部112によって設定された内燃機関の運転条件を満たす燃焼条件となるように主燃料系を用いた主燃料の噴射の時期、噴射時間(噴射量)及び噴射圧力等の噴射条件が設定される。
First, the
主噴射を行う場合、機械式燃料噴射ポンプ50のみにより燃料の加圧及び噴射が行われる。プランジャのストロークに従って徐々に燃料圧Piが上昇し、燃料圧Piが噴射開始圧Poに達すると(クランク角α1)燃料噴射弁26から燃料が噴射される。高負荷時には、プランジャの有効ストロークが長くなるようラックの進退が制御され、全負荷の場合には、噴射最高圧Pmaxに達する(クランク角α2)。その後、供給系の配管内等に残る圧力によりわずかに燃料が噴射されるが、基本的にはクランク角α1からα2が燃料噴射期間となる。一方、低負荷時には、プランジャの有効ストロークが短くなり、クランク角α2よりも上死点に近いクランク角α3までが燃料噴射期間となる。クランク角α3では、燃料圧は、最高圧Pmaxより低いP1にしか達していない。
When performing the main injection, the fuel is pressurized and injected only by the mechanical
このため、低負荷時には燃料噴射圧が低く、噴射された燃料粒子は大きなものとなる。燃料の粒子径が大きいと着火性が悪化する。このため、機械式燃料噴射ポンプのみにより燃料供給をする場合には、低負荷時において着火性が悪化し、排気ガスの性状が低下したり、ディーゼル機関10の燃焼が急激になり振動、騒音が大きくなったりすることがある。
For this reason, the fuel injection pressure is low when the load is low, and the injected fuel particles are large. When the particle size of the fuel is large, the ignitability deteriorates. For this reason, when fuel is supplied only by a mechanical fuel injection pump, the ignitability deteriorates at low loads, the exhaust gas properties deteriorate, the combustion of the
このような主噴射による燃焼の問題を低減・抑制するために副燃料のプレ噴射又はアフター噴射が行われる。 In order to reduce or suppress such combustion problems caused by main injection, pre-injection or after-injection of auxiliary fuel is performed.
プレ噴射を行う場合、主噴射期間の前であって、主噴射の半周期(T/2)より短い時間だけ前に副燃料を噴射する。副燃料系では、蓄圧部となるコモンレール60に予備的に加圧された副燃料を蓄えておき、主燃料の主噴射とは異なるタイミングで副燃料供給弁64を開に制御することによりプレ噴射を行う。
In the case of performing the pre-injection, the auxiliary fuel is injected before the main injection period and before the half period (T / 2) of the main injection. In the auxiliary fuel system, pre-injection is performed by storing auxiliary fuel that has been preliminarily pressurized in the
プレ噴射を行うことによって、内燃機関に発生する振動を低減又は抑制することができる。図7及び図8は、プレ噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における主燃料及び副燃料の噴射圧力の時間的変化を示す図である。図7は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−10°,−12.5°,−15°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示し、図8は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−15°,−17.5°,−20°,−22.5°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示している。 By performing the pre-injection, vibration generated in the internal combustion engine can be reduced or suppressed. 7 and 8 are diagrams illustrating temporal changes in the injection pressures of the main fuel and the auxiliary fuel when the pre-injection is performed at a timing different from that of the main injection. FIG. 7 shows temporal changes in injection pressure when pre-injection is performed at −10 °, −12.5 °, and −15 ° with respect to the crank top dead center crank angle in main injection. In the main injection, the temporal change of the injection pressure when the pre-injection is performed at -15 °, -17.5 °, -20 °, and -22.5 ° with respect to the crank angle at the top dead center of the piston is shown. Yes.
なお、タイミングを示す角度は、ピストンが上死点からクランクの一回転を360°とした場合のクランク角度における位相を示している。すなわち、主噴射においてピストン上死点となるタイミングをクランク角度0°としてときのプレ噴射のタイミングの位相差を示している。なお、図中において「カム」と示すのはプレ噴射を行わない主噴射のみの運転を示している。 Note that the angle indicating the timing indicates the phase at the crank angle in the case where the rotation of the piston is 360 ° from the top dead center. That is, it shows the phase difference of the pre-injection timing when the piston top dead center timing in the main injection is set at a crank angle of 0 °. In the figure, “cam” indicates an operation of only main injection without pre-injection.
図9及び図10は、図7及び図8に示す各タイミングでプレ噴射を行った場合における圧力センサ53bの検出圧力値の時間的変動及び気筒内における熱発生率(dQ/dθ)を示す。図9及び図10に示されているように、プレ噴射のタイミングが早くなるほど(主噴射とのタイミング差が大きくなるほど)、圧力センサ53bの検出圧力値及び熱発生率(dQ/dθ)の時間的変化の振幅は小さくなり、シリンダヘッド22に設けられている管路53a内の気柱振動が小さくなることが分かる。ただし、プレ噴射をクランク角度の位相差にして−22.5°以上前に行うと内燃機関におけるプレ噴射による燃焼がピストンリングとシリンダダライナの摺動面に不具合をおこすおそれがある。したがって、主噴射の周期に対してクランク角度において−15°〜−22.5°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。
FIGS. 9 and 10 show the temporal variation of the pressure value detected by the
また、圧力センサ53bの圧力を検出してシステム制御部114にフィードバックすることにより、圧力センサ53bの検出圧力値の時間的変動の振幅に応じてプレ噴射のタイミングを変更するフィードバック制御を行ってもよい。この場合、システム制御部114は、圧力センサ53bからの検出圧力値を受けて、図11に示すように、燃焼室の気筒内の圧力(P)や熱発生率(dQ/dθ)を把握する。そして、プレ噴射のタイミングをずらしつつ、これらの値の変動幅がより小さくなるタイミングに設定する処理を繰り返すことによって、最終的に気柱振動の振幅が最も小さくなるプレ噴射のタイミングに設定することができる。また、プレ噴射の位置を固定しておき、噴射量を徐々に増やしていき、圧力(P)や熱発生率(dQ/dθ)の変動幅が小さくなるタイミングに設定してもよい。これにより、図12に示すように、燃焼室の気筒内の圧力(P)や熱発生率(dQ/dθ)の振動幅を低減することができる。なお、熱発生率(dQ/dθ)の代りに圧力変動率(dP/dθ)をパラメータとして用いてもよい。
Further, even if feedback control is performed in which the pressure of the
このように、インジケータコック53の管路53aに圧力センサ53bを設け、その圧力センサ53bによって得られる検出圧力値を用いることによって、燃焼室の気筒の振動を効果的に低減・抑制することができる。なお、燃焼室の気筒に圧力センサ102が設けられていない構成であってもインジケータコック53を利用することによって圧力センサ53bは容易に付設することができる。
Thus, by providing the
図13〜図15は、プレ噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図13に示すように、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の量は、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて増加した。これは、プレ噴射のタイミングが進むほど主燃料の着火性及び燃焼性が高められたためと考えられる。また、図14及び図15に示すように、排気ガス中の一酸化炭素(CO)及びスモークの濃度は、プレ噴射を行わない場合(カム)に比べてプレ噴射を行うことによって減少し、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて低減した。したがって、排ガスの性状の改善においても、主噴射の周期に対してクランク角度において−15°〜−22.5°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、排ガスの性状の改善効果が顕著となる。 FIGS. 13-15 shows the relationship of the property of exhaust gas with respect to the injection timing of the auxiliary fuel in pre-injection. As shown in FIG. 13, the amount of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas increased as the phase of the pre-injection timing progressed with respect to the main injection timing. This is presumably because the ignitability and combustibility of the main fuel were enhanced as the pre-injection timing progressed. Further, as shown in FIGS. 14 and 15, the concentrations of carbon monoxide (CO) and smoke in the exhaust gas are reduced by performing the pre-injection as compared with the case of not performing the pre-injection (cam). The phase of the injection timing decreased as it proceeded with respect to the main injection timing. Therefore, also in improving the properties of the exhaust gas, it is preferable to pre-inject the auxiliary fuel with a phase difference of about −15 ° to −22.5 ° in the crank angle with respect to the main injection cycle. By performing the pre-injection at such timing, the effect of improving the properties of the exhaust gas becomes remarkable.
また、図16〜図18は、プレ噴射における副燃料の噴射量(噴射時間)に対する排気ガスの性状の関係を示す。図16に示すように、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の濃度は、プレ噴射における副燃料の噴射量(噴射時間)に依らず略一定となった。一方、図17及び図18に示すように、プレ噴射における副燃料の噴射量が少なくなる(噴射時間が短くなる)につれて、排気ガス中の一酸化炭素(CO)及びスモークの濃度は低下した。すなわち、プレ噴射を行わない場合に比べてプレ噴射を行うことによって排ガスの性状は改善されるが、プレ噴射における副燃料の噴射量(噴射時間)は少ない(短い)ほど排ガスの性状の改善効果は顕著となる。このとき、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。 FIGS. 16 to 18 show the relationship of the exhaust gas properties with respect to the injection amount (injection time) of the auxiliary fuel in the pre-injection. As shown in FIG. 16, the concentration of nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas became substantially constant regardless of the injection amount (injection time) of the auxiliary fuel in the pre-injection. On the other hand, as shown in FIGS. 17 and 18, the concentrations of carbon monoxide (CO) and smoke in the exhaust gas decreased as the injection amount of the auxiliary fuel in the pre-injection decreased (injection time decreased). That is, the quality of the exhaust gas is improved by performing the pre-injection compared with the case where the pre-injection is not performed, but the effect of improving the properties of the exhaust gas as the injection amount (injection time) of the auxiliary fuel in the pre-injection is smaller (shorter) Becomes prominent. At this time, it is preferable that at least one injection amount of the auxiliary fuel in the pre-injection is smaller than one injection amount of the main fuel.
このように、プレ噴射を行うことによって、主燃料の着火性や燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。 Thus, by performing pre-injection, the ignitability and combustibility of the main fuel can be improved, and the properties of the exhaust gas can be improved. Along with this, the fuel consumption of the internal combustion engine can be improved.
図19及び図20は、アフター噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す図である。図19及び図20は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してアフター噴射をクランク角度において5°、10°,15°,20°で行ったときの燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。 19 and 20 are diagrams showing temporal changes in the fuel injection pressure and the pressure in the cylinder of the combustion chamber when the after injection is performed at a timing different from that of the main injection. 19 and 20 show the fuel injection pressure and the cylinder of the combustion chamber when after injection is performed at 5 °, 10 °, 15 °, and 20 ° in the crank angle with respect to the crank angle of the piston top dead center in the main injection. It shows the time change of internal pressure.
図21〜図24は、アフター噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図21に示すように、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、アフター噴射のタイミングが主噴射のタイミングに対して遅れるにつれて低減した。また、図22〜図24に示すように、排気ガス中の全炭化水素(THC)、一酸化炭素(CO)及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射が主噴射に対して5°〜10°の範囲で顕著に低減された。すなわち、排ガスの性状の改善においては、主噴射の周期に対してクランク角度において5°〜10°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好適である。但し、現実にはアフター噴射の場合、内燃機関の出力(負荷)が異なると主噴射の終わりのクランク角度が変わってくるため、主噴射の終わりのクランク角度を基準にした方がより好適である。一方、プレ噴射の場合は、ピストンの上死点を基準にすることが好ましい。 FIGS. 21 to 24 show the relationship of the exhaust gas properties with respect to the sub fuel injection timing in the after injection. As shown in FIG. 21, the amount of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas is reduced by performing the after injection as compared with the case where the after injection is not performed, and the timing of the after injection is smaller than the timing of the main injection. It decreased as it was late. Also, as shown in FIGS. 22 to 24, the concentration of total hydrocarbons (THC), carbon monoxide (CO) and smoke in the exhaust gas can be obtained by performing after injection as compared with the case of not performing after injection. In particular, the after injection was remarkably reduced in the range of 5 ° to 10 ° with respect to the main injection. That is, in order to improve the properties of the exhaust gas, it is preferable to after-inject the auxiliary fuel with a phase difference of about 5 ° to 10 ° in the crank angle with respect to the cycle of the main injection. However, in reality, in the case of after injection, if the output (load) of the internal combustion engine is different, the crank angle at the end of the main injection changes, so it is more preferable to use the crank angle at the end of the main injection as a reference. . On the other hand, in the case of pre-injection, it is preferable to use the top dead center of the piston as a reference.
図25及び図26は、アフター噴射において副燃料の噴射量(噴射時間)を変えた場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す。アフター噴射の噴射時間を1.5ms,2.0ms,2.5msで行った場合及びアフター噴射を行わなかった場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。 25 and 26 show temporal changes in the fuel injection pressure and the pressure in the cylinder of the combustion chamber when the injection amount (injection time) of the auxiliary fuel is changed in the after injection. The figure shows temporal changes in the fuel injection pressure and the pressure in the cylinder in the combustion chamber when the injection time of the after injection is 1.5 ms, 2.0 ms, and 2.5 ms and when the after injection is not performed.
また、図27〜図30は、アフター噴射における副燃料の噴射量(噴射時間)に対する排気ガスの性状の関係を示す。図27に示すように、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射の噴射時間を1.5msとした場合で増加し、噴射時間を2.0ms及び2.5msとした場合に減少した。また、図28〜図30に示すように、排気ガス中の全炭化水素(THC)、一酸化炭素(CO)及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射における噴射時間が長くなる(噴射量が多くなる)につれて減少が大きくなった。少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。 27 to 30 show the relationship of the exhaust gas properties with respect to the injection amount (injection time) of the auxiliary fuel in the after injection. As shown in FIG. 27, the amount of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas increases when the after-injection injection time is 1.5 ms, compared with the case where after-injection is not performed, and the injection time is 2 Reduced to 0.0 ms and 2.5 ms. Further, as shown in FIGS. 28 to 30, the concentration of total hydrocarbons (THC), carbon monoxide (CO) and smoke in the exhaust gas is increased by performing the after injection as compared with the case where the after injection is not performed. In particular, the decrease became larger as the injection time in the after injection became longer (the injection amount increased). It is preferable to set a ratio of at least one injection quantity of the auxiliary fuel to one injection quantity of the main fuel at least in the after injection.
このように、アフター噴射を行うことによって、主燃料の燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。 Thus, by performing after injection, the combustibility of the main fuel can be enhanced, and the properties of the exhaust gas can be improved. Along with this, the fuel consumption of the internal combustion engine can be improved.
なお、プレ噴射とアフター噴射とを組み合わせ適用してもよい。プレ噴射とアフター噴射とでは、その条件によって得られる効果が異なる。したがって、プレ噴射とアフター噴射とでは噴射条件(噴射圧力、噴射時間等)を変えて行ってもよい。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等の噴射条件下で行うことが好適である。 A combination of pre-injection and after-injection may be applied. The pre-injection and after-injection have different effects depending on the conditions. Therefore, the pre-injection and after-injection may be performed by changing the injection conditions (injection pressure, injection time, etc.). For example, pre-injection is performed under injection conditions such as injection timing, injection time (injection amount), injection pressure, etc. suitable for reducing / suppressing cylinder vibration in the combustion chamber, and after-injection is suitable for improving exhaust gas properties It is preferable to carry out under injection conditions such as injection timing, injection time (injection amount), injection pressure and the like.
さらに、コモンレール60には、燃料が微細な粒子となる圧力で噴射ができるよう十分な圧力で燃料が蓄えることが好適である。すなわち、副燃料系においては、コモンレール60を用いることによって、燃料の噴射期間の最初から噴射圧力が高くなるようにすることができる。このように、コモンレール60を用いることによって、短時間である副燃料のプレ噴射やアフター噴射を噴射初期から高い圧力で行うことが可能となる。
Further, it is preferable that the
このとき、主燃料の主噴射より副燃料の副噴射を高い圧力で行うことによって、副燃料をより微細な粒子とすることができる。燃料は粒子が細かくなるにつれて着火性が良くなるので、副燃料の噴射圧力を主燃料の噴射圧力よりも高くすることによって、副燃料の着火性をより高めることができ、燃焼室の気筒の振動の抑制や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。 At this time, by performing sub-injection of sub fuel at a pressure higher than that of main injection of main fuel, the sub-fuel can be made finer particles. Since the fuel becomes more ignitable as the particles become finer, by making the injection pressure of the auxiliary fuel higher than the injection pressure of the main fuel, the ignitability of the auxiliary fuel can be further increased, and the vibration of the cylinder in the combustion chamber It is possible to enhance the effect of suppressing the exhaust gas and improving the properties of the exhaust gas.
なお、副燃料の噴射時間を短く(噴射量を少なく)することによって、コモンレール60に蓄えられている燃料の消費を抑えることができ、コモンレール内の圧力が低下してしまうことを防ぐことができる。必要な燃料圧を確保するためには、コモンレール60の容量を増やす、また加圧ポンプ58の流量を増やす等の対策をしてもよい。多気筒機関においては、機関全体の噴射間隔は短くなるので、低下したコモンレール内の圧力をより早く回復させる必要性、またはコモンレール内の圧力を低下させないように、その容量を増やす必要性が、より高まる。
In addition, by shortening the injection time of the auxiliary fuel (decreasing the injection amount), it is possible to suppress the consumption of the fuel stored in the
また、船舶用等の大型の内燃機関では、燃焼室も大きく、1回当たりに噴射される燃料量が、自動車等の小型の機関のそれよりも多くなる。このため、コモンレール等の蓄圧部に蓄えられた燃料で全噴射量を賄おうとすると、蓄圧部の容積を大きくするか、ポンプ流量を増加させる必要がある。この理由からも、主燃料系と副燃料系を別々に備え、副燃料系による噴射量が少ない構成を採ることが望ましい。 Further, a large internal combustion engine for ships and the like has a large combustion chamber, and the amount of fuel injected per time is larger than that of a small engine such as an automobile. For this reason, in order to cover the total injection amount with the fuel stored in the pressure accumulating portion such as the common rail, it is necessary to increase the volume of the pressure accumulating portion or increase the pump flow rate. For this reason as well, it is desirable to employ a configuration in which a main fuel system and a sub fuel system are separately provided and an injection amount by the sub fuel system is small.
図31は、主燃料としてバイオ燃料(菜種油50%とA重油50%の混合油)及びA重油を用いてプレ噴射を行った場合と行わなかった場合の排気ガスの性状について示す。なお、図中では、プレ噴射を行った場合について「アシスト」と示している。
FIG. 31 shows the properties of exhaust gas with and without pre-injection using biofuel (mixed oil of
バイオ燃料(菜種油50%とA重油50%の混合油)を用いた場合においてプレ噴射を行ったときに窒素酸化物(NOx)の濃度が低下しなかった(図示しない)。一方、バイオ燃料(菜種油50%とA重油50%の混合油)を用いた場合の一酸化炭素(CO)及びスモークの濃度はプレ噴射を適用することによって大幅に低減された。このように、プレ噴射による排気ガスの性状の改善効果は、主燃料としてバイオ燃料(菜種油50%とA重油50%の混合油)を用いた場合に顕著となった。
In the case of using biofuel (mixed oil of
なお、排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、スモークの測定値に応じてプレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等を直接制御してもよい。例えば、内燃機関の負荷に対する窒素酸化物(NOx)の目標値を運転条件算出部128で算出し、運転条件設定部112によってシステム制御部114に設定する。システム制御部114は、エンジン状態推定部110から受けた窒素酸化物(NOx)の測定値と、設定された内燃機関の負荷に応じた目標値との関係に応じて、主燃料の主噴射の条件を設定すると共に、副燃料の副噴射の噴射タイミング、噴射時間(噴射量)、噴射圧力等を調整すればよい。
In addition, pre-injection and after-injection injection timing, injection time (injection amount), injection pressure, etc. are directly controlled according to the measured values of nitrogen oxide (NOx), carbon monoxide (CO), and smoke contained in the exhaust gas. May be. For example, a target value of nitrogen oxide (NOx) with respect to the load of the internal combustion engine is calculated by the operating
以上の実施形態においては、船舶用のディーゼル機関に関連して説明したが、他の移動体、例えば鉄道車両、自動車等についても本発明を適用することができる。また、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関(直噴式のオットー機関等)についても適用することができる。さらに、陸上に設置される発電システムにおいても本発明を適用することができる。 In the above embodiment, although it demonstrated in relation to the diesel engine for ships, this invention is applicable also to another moving body, for example, a rail vehicle, a motor vehicle, etc. The present invention can also be applied to an engine (such as a direct injection type Otto engine) that performs intermittent combustion other than a diesel engine. Furthermore, the present invention can be applied to a power generation system installed on land.
10 ディーゼル機関、26 燃料噴射弁、48 燃料供給系、50 機械式燃料噴射ポンプ、51 逆止弁、53 インジケータコック、53a 管路、53b 圧力センサ、60 コモンレール、63 逆止弁、64 副燃料供給弁、65 合流部、104 排気ガスセンサ、110 エンジン状態推定部、112 運転条件設定部、114 システム制御部。 10 Diesel Engine, 26 Fuel Injection Valve, 48 Fuel Supply System, 50 Mechanical Fuel Injection Pump, 51 Check Valve, 53 Indicator Cock, 53a Pipeline, 53b Pressure Sensor, 60 Common Rail, 63 Check Valve, 64 Secondary Fuel Supply Valve, 65 Junction unit, 104 Exhaust gas sensor, 110 Engine state estimation unit, 112 Operating condition setting unit, 114 System control unit.
Claims (13)
機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、
電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、
前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、
を備え、
前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことを特徴とする燃料噴射装置。 A fuel injection device for injecting fuel into a cylinder of an internal combustion engine,
A main fuel system that is mechanically controlled to supply main fuel;
A secondary fuel system that is electrically controlled to supply secondary fuel;
A fuel injection valve that is provided in common to the main fuel system and the sub fuel system, and injects the main fuel and the sub fuel into the cylinder;
With
The fuel injection device, wherein the main fuel injection and the sub fuel injection are performed at different timings.
前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 1,
The fuel injection device, wherein an injection pressure at the time of injection of the main fuel is different from an injection pressure at the time of injection of the sub fuel.
前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 2,
A fuel injection device, wherein an injection pressure at the time of injection of the sub fuel is higher than an injection pressure at the time of injection of the main fuel.
前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 3,
The fuel injection device according to claim 1, wherein the auxiliary fuel is pre-injected before the main fuel injection and before a time shorter than a half cycle of the main fuel injection.
前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 4,
A fuel injection device that performs after-injection of the auxiliary fuel after the main fuel injection and after a time shorter than a half cycle of the main fuel injection.
前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 5,
The fuel injection device, wherein an injection pressure in the pre-injection is different from an injection pressure in the after-injection.
前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 6,
The main fuel includes at least one of waste cooking oil, biofuel, and heavy oil.
前記内燃機関はディーゼル機関であり、
前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有することを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 7,
The internal combustion engine is a diesel engine;
The fuel injection device, wherein the auxiliary fuel system includes a pressure accumulating portion including a common rail for storing the pressurized auxiliary fuel.
前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、
前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 8,
Merging the main fuel system and the sub fuel system at the junction just before the fuel injection valve,
Reverse to at least one of a position closer to the merge portion than half of the main fuel system pipe connected to the merge portion and a position closer to the merge portion than half of the sub fuel system pipe connected to the merge portion. A fuel injection device provided with a stop valve.
前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、
前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 9,
Further comprising air column vibration detecting means for detecting air column vibration of a pipe line provided in the cylinder,
A fuel injection device that controls injection conditions of the auxiliary fuel in accordance with air column vibration detected by the air column vibration detecting means.
前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 10,
The air column vibration detecting means detects the air column vibration by a pressure sensor provided in a measurement cock constituting the pipe.
前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 10 or 11,
The fuel injection device, wherein the auxiliary fuel is injected at a timing to reduce the air column vibration.
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