JP2017057773A - エンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスモードからディーゼルモードへの切換時において、安定した運転動作を実現できるエンジン装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本願発明のエンジン装置２１は、シリンダ３６内へ空気を供給させる吸気マニホールド６７と、前記シリンダ３６からの排気ガスを排気させる排気マニホールド４４と、吸気マニホールド６７から供給される空気に気体燃料を混合させるガスインジェクタ９８と、シリンダ３６に液体燃料を噴射して燃焼させるメイン燃料噴射弁７９とを備える。シリンダ３６内に気体燃料を投入するガスモードからシリンダ３６内に前記液体燃料を投入するディーゼルモードに切り換える際、液体燃料の投入開始タイミングを、気体燃料の投入停止タイミングに対して遅延させる。
【選択図】図１５

Description

本願発明は、天然ガス等の気体燃料と重油等の液体燃料のいずれにも対応できる多種燃料採用型のエンジン装置に関するものである。

従来より、例えばタンカーや輸送船等の船舶や陸上の発電施設においては、その駆動源としてディーゼルエンジンが利用されている。しかしながら、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、環境保全の妨げになる有害物質となる、窒素酸化物、硫黄酸化物及び粒子状物質等が多く含まれている。そのため、近年では、ディーゼルエンジンの代替となるエンジンとして、有害物質の発生量を低減できるガスエンジンなどが普及されつつある。

天然ガスといった燃料ガスを用いて動力を発生させるいわゆるガスエンジンは、空気に燃料ガスを混合した混合ガスをシリンダに供給して燃焼させる（特許文献１参照）。更には、ディーゼルエンジンの特性とガスエンジンの特性それぞれを組み合わせたエンジン装置として、天然ガス等の気体燃料（燃料ガス）を空気と混合させて燃焼室に供給して燃焼させる予混合燃焼方式と、重油等の液体燃料を燃焼室内に噴射して燃焼させる拡散燃焼方式とを併用できるデュアルフューエルエンジンが提供されている（特許文献２参照）。

また、デュアルフューエルエンジンとして、気体燃料によるガスモードから液体燃料によるディーゼルモードに切り換える際に、気体燃料と液体燃料を調整して切り換えるマルチヒューエルエンジン又はバイフューエルエンジンが提案されている（特許文献３及び４参照）。更に、デュアルフューエルエンジンとして、気体燃料と液体燃料とを運転状態に応じて適宜切り換える際に、切換直後の燃料噴射タイミングを進角させ、気筒（シリンダ）内の燃料不足を抑制するバイフューエル内燃機関が提案されている（特許文献５参照）。

特開２００３−２６２１３９号公報 特開２００２−００４８９９号公報 特開平０８−００４５６２号公報 特開２０１５−０１７５９４号公報 特開２０１４−１３２１７１号公報

ところで、デュアルフューエルエンジンにおいて、ガスモードからディーゼルモードに切り換える場合、引用文献３及び４と異なり、気体燃料の投入を停止する同時に液体燃料の投入を開始させるものがある。気体燃料の投入が吸気工程になされる一方で、液体燃料の投入が圧縮工程になされることから、ガスモードからディーゼルモードに運転を切り換えるタイミングによっては、同一の気筒内に気体燃料と液体燃料とが同時に供給される場合がある。そして、引用文献５における燃料噴射タイミングの進角制御を採用したとしても、気筒内の燃料不足を抑制するにすぎず、ガスモードからディーゼルモードへの切換時における燃料供給過多を防止できるものではない。

特に、船舶用の大型エンジン装置においては、緊急時においてディーゼルモードで運転することで、船舶の航行を維持させることが求められている。それに対して、従来のエンジン装置では、緊急時においてガスモードからディーゼルモードへ切り換えた場合に、気筒内の燃料供給過多に基づく筒内圧の過大や異常燃焼の発生や、気筒内の燃料不足による失火の発生により、運転動作が不安定なものとなり、運転を中断して船舶を停止させてしまう恐れがある。

そこで、本願発明は、上記のような現状を検討して改善を施した多種燃料採用型のエンジン装置を提供することを技術的課題とするものである。

本願発明は、シリンダ内へ空気を供給させる吸気マニホールドと、前記シリンダからの排気ガスを排気させる排気マニホールドと、前記吸気マニホールドから供給される空気に気体燃料を混合させるガスインジェクタと、前記シリンダに液体燃料を噴射して燃焼させるメイン燃料噴射弁とを備え、複数の前記シリンダそれぞれに対して前記ガスインジェクタと前記メイン燃料噴射弁とを設けたエンジン装置において、前記シリンダ内に前記気体燃料を投入するガスモードから前記シリンダ内に前記液体燃料を投入するディーゼルモードに切り換える際、前記液体燃料の投入開始タイミングを、前記気体燃料の投入停止タイミングに対して遅延させるというものである。

このようなエンジン装置において、エンジン回転数を測定するエンジン回転センサを更に備えており、前記液体燃料の投入開始タイミングを前記気体燃料の投入停止タイミングに対して遅延させる遅延時間を、前記エンジン回転センサで計測された前記エンジン回転数に基づいて設定するものとしても構わない。

そして、前記ガスモードにおいて、吸気工程に前記気体燃料を投入する一方、前記ディーゼルモードにおいて、圧縮工程に前記液体燃料を投入するものであって、前記遅延時間を、圧縮行程にかかる時間より長く、吸気行程と圧縮行程にかかる時間より短い時間で設定するものとしても構わない。

また、前記ガスモードにおいて、吸気工程に前記気体燃料を投入する一方、前記ディーゼルモードにおいて、圧縮工程に前記液体燃料を投入するものであって、前記ガスモードから前記ディーゼルモードに切り換えた後、前記圧縮行程となる前記シリンダにおいて、直前の前記吸気行程で前記気体燃料が投入されていないことを確認したときに初めて、前記液体燃料の投入を開始させるものとしても構わない。

上述の各エンジン装置において、前記気体燃料を空気に予混合させた予混合燃料を前記シリンダ内で着火させる着火装置を備えるものであって、前記ガスモード及び前記ディーゼルモードのいずれにおいても前記着火装置を動作させるものとしても構わない。

また、上述の各エンジン装置において、前記気体燃料を空気に予混合させた予混合燃料を前記シリンダ内で着火させる着火装置を備えるものであって、前記ガスモードにおいて前記着火装置を動作させる一方で、前記ディーゼルモードにおいて前記着火装置を停止させるものとしても構わない。

本願発明によると、ガスモードからディーゼルモードに切り替わる際、気体燃料の投入停止（ガスモード運転の停止）に対して、液体燃料の投入開始（ディーゼルモード運転の開始）を遅延させる。従って、エンジン装置は、ガスモードからディーゼルモードに切り替わる際、各シリンダ内には、気体燃料又は液体燃料が択一的に供給されることとなり、気体燃料と液体燃料が重複して供給されることを防止できる。これにより、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、単一のシリンダに対して気体燃料と液体燃料双方が供給されることがなく、シリンダへの燃料給過多を回避でき、筒内圧の過大や異常燃焼の発生を防止でき、安定した運転を実行できる。

本願発明によると、気体燃料の投入停止後、シリンダ内に気体燃料が供給されていない状態で液体燃料の投入タイミングとなったシリンダを初めて確認したときに、液体燃料の投入を許可してディーゼルモードを開始させることとなる。従って、ガスモードからディーゼルモードに切り替わる際、その切換時間を最短としながら、シリンダ内に、燃料ガス又は燃料油を択一的に供給できる。これにより、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、単一のシリンダに対して気体燃料と液体燃料が重複して供給されずに、シリンダへの燃料給過多を回避でき、筒内圧の過大や異常燃焼の発生を防止できる。更には、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、気体燃料及び液体燃料の双方がシリンダに供給されることのない状態を回避できるため、切換時における失火をも防止でき、安定した運転を実行できる。

本発明の実施形態における船舶の全体側面図である。 機関室の側面断面図である。 機関室の平面説明図である。 本発明の実施形態におけるエンジン装置の燃料供給路の構成を示す概略図である。 同エンジン装置における吸排気路の構成を示す概略図である。 同エンジン装置におけるシリンダヘッド内の構成を模式的に表した概略図である。 同エンジン装置の制御ブロック図である。 ガスモード及びディーゼルモードそれぞれにおけるシリンダ内の動作を示す説明図である。 ６気筒で構成するエンジン装置における各シリンダの動作状態を示す状態遷移図である。 本発明の実施形態におけるエンジン装置の排気マニホールド設置側（右側面）を示す斜視図である。 同エンジン装置の燃料噴射ポンプ設置側（左側面）を示す斜視図である。 同エンジン装置の左側面図である。 同エンジン装置をガスモードで運転させたときの負荷に対する空燃比制御を説明するため図である。 エンジン制御装置によるディーゼルモード切換制御の動作を示すフローチャートである。 ディーゼルモード切換制御に基づいて、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の、エンジン装置における各シリンダの動作状態の一例を示すタイミングチャートである。 エンジン制御装置によるディーゼルモード切換制御の動作の別例を示すフローチャートである。 別実施形態となるエンジン制御装置によるディーゼルモード切換制御の動作を示すフローチャートである。 別実施形態におけるディーゼルモード切換制御に基づいて、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の、エンジン装置における各シリンダの動作状態の一例を示すタイミングチャートである。 別実施形態におけるディーゼルモード切換制御に基づいて、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の、エンジン装置における各シリンダの動作状態の別例を示すタイミングチャートである。

以下に、本願発明を具体化した実施形態を、２基２軸方式の船舶に搭載される一対の推進兼発電機構に適用した場合の図面に基づいて説明する。

まず始めに、船舶の概要について説明する。図１〜図３に示すように、本実施形態の船舶１は、船体２と、船体２の船尾側に設けられたキャビン３（船橋）と、キャビン３の後方に配置されたファンネル４（煙突）と、船体２の後方下部に設けられた一対のプロペラ５及び舵６とを備えている。この場合、船尾側の船底７に一対のスケグ８が一体形成されている。各スケグ８には、プロペラ５を回転駆動させる推進軸９が軸支される。各スケグ８は、船体２の左右幅方向を分割する船体中心線ＣＬ（図３参照）を基準にして左右対称状に形成されている。すなわち、第1実施形態では、船体２の船尾形状としてツインスケグが採用されている。

船体２内の船首側及び中央部には船倉１０が設けられており、船体２内の船尾側には機関室１１が設けられている。機関室１１には、プロペラ５の駆動源と船舶１の電力供給源とを兼ねる推進兼発電機構１２が船体中心線ＣＬを挟んだ左右に振り分けて一対配置されている。各推進兼発電機構１２から推進軸９に伝達された回転動力にて、各プロペラ５は回転駆動する。機関室１１の内部は、上甲板１３、第２甲板１４、第３甲板１５及び内底板１６にて上下に仕切られている。第１実施形態の各推進兼発電機構１２は、機関室１１最下段の内底板１６上に設置されている。なお、詳細は図示していないが、船倉１０は複数の区画に分割されている。

図２及び図３に示すように、各推進兼発電機構１２は、プロペラ５の駆動源である中速エンジン装置２１（実施形態ではデュアルフューエルエンジン）と、エンジン装置２１の動力を推進軸９に伝達する減速機２２と、エンジン装置２１の動力にて発電する軸駆動発電機２３とを組み合わせたものである。ここで、「中速」のエンジンとは、毎分５００〜１０００回転程度の回転速度で駆動するものを意味している。ちなみに、「低速」のエンジンは毎分５００回転以下の回転速度で駆動し、「高速」のエンジンは毎分１０００回転以上の回転速度で駆動する。実施形態のエンジン装置２１は中速の範囲内（毎分７００〜７５０回転程度）で定速駆動するように構成されている。

エンジン装置２１は、エンジン出力軸（クランク軸）２４を有するシリンダブロック２５と、シリンダブロック２５上に搭載されたシリンダヘッド２６とを備えている。機関室１１最下段の内底板１６上に、直付け又は防振体（図示省略）を介してベース台２７が据え付けられている。ベース台２７上にエンジン装置２１のシリンダブロック２５が搭載されている。エンジン出力軸２４は、船体２の前後長さ方向に沿う向きに延びている。すなわち、エンジン装置２１は、エンジン出力軸２４の向きを船体２の前後長さ方向に沿わせた状態で機関室１１内に配置されている。

減速機２２及び軸駆動発電機２３がエンジン装置２１よりも船尾側に配置されている。エンジン装置２１の後面側からエンジン出力軸２４の後端側が突出している。エンジン出力軸の後端側に減速機２２が動力伝達可能に連結されている。減速機２２を挟んでエンジン装置２１と反対側に、軸駆動発電機２３が配置されている。機関室１１内の前方からエンジン装置２１、減速機２２、軸駆動発電機２３の順に並べて配置されている。この場合、船尾側にあるスケグ８内又はその近傍に減速機２２及び軸駆動発電機２３が配置されている。従って、船舶１のバドックラインの制約に拘らず、エンジン装置２１をできるだけ船尾側に寄せて配置することが可能になっていて、機関室１１のコンパクト化に寄与している。

減速機２２の動力伝達下流側に推進軸９が設けられている。減速機２２の外形は、エンジン装置２１及び軸駆動発電機２３よりも下側に張り出している。当該張り出し部分の後面側に、推進軸９の前端側が動力伝達可能に連結されている。エンジン出力軸２４（軸芯線）と推進軸９とは、平面視で同軸状に位置している。推進軸９は、エンジン出力軸２４（軸芯線）に対して鉛直方向に異芯した状態で、船体２の前後長さ方向に延びている。この場合、推進軸９は、側面視で軸駆動発電機２３及びエンジン出力軸２４（軸芯線）よりも低く内底板１６に近い位置に置かれている。すなわち、軸駆動発電機２３と推進軸９とが上下に振り分けられ、互いに干渉しない。従って、各推進兼発電機構１２のコンパクト化が可能になる。

エンジン装置２１の定速動力は、エンジン出力軸２４の後端側から減速機２２を介して、軸駆動発電機２３と推進軸９とに分岐して伝達される。エンジン装置２１の定速動力の一部は、減速機２２によって例えば毎分１００〜１２０回転前後の回転速度に減速されて、推進軸９に伝達される。減速機２２からの減速動力にてプロペラ５が回転駆動する。なお、プロペラ５には、プロペラ羽根の翼角変更によって船速を調節可能な可変ピッチプロペラが採用されている。また、エンジン装置２１の定速動力の一部は、減速機２２によって例えば毎分１２００か１８００回転程度の回転速度に増速されて、減速機２２に回転可能に軸支されたＰＴＯ軸に伝達される。この減速機２２のＰＴＯ軸の後端側が軸駆動発電機２３に動力伝達可能に連結されており、減速機２２からの回転動力に基づいて軸駆動発電機２３が発電駆動する。軸駆動発電機２３の駆動にて生じた発電電力が船体２内の電気系統に供給される。

エンジン装置２１には、空気取り込み用の吸気経路（図示省略）と排気ガス排出用の排気経路２８とが接続されている。吸気経路を通じて取り込まれた空気は、エンジン装置２１の各気筒３６内（吸気行程の気筒内）に送られる。また、エンジン装置２１は２基あるため、排気経路２８は２本存在する。各排気経路２８はそれぞれ延長経路２９に接続されている。延長経路２９はファンネル４まで延びていて、外部に直接連通するように構成されている。各エンジン装置２１からの排気ガスは、各排気経路２８及び延長経路２９を経由して、船舶１外に放出される。

以上の説明から明らかなように、エンジン装置２１と、船舶推進用のプロペラ５を回転駆動させる推進軸９に前記エンジン装置２１の動力を伝達する減速機２２と、前記エンジン装置２１の動力にて発電する軸駆動発電機２３とを組み合わせた推進兼発電機構１２を一対備えており、一対の推進兼発電機構１２は、船体２内の機関室１１に、船体中心線ＣＬを挟んだ左右に振り分けて配置されるから、複数台のエンジン（主機関及び補機関）を機関室内に配置する従来構造に比べて、機関室１１のエンジン設置スペースを縮小できる。このため、機関室１１の前後長を短縮して機関室１１をコンパクトに構成でき、ひいては、船体２における船倉スペース（機関室１１以外のスペース）の確保がし易い。２つのプロペラ５の駆動によって、船舶１の推進効率向上も図れる。

しかも、主機関たるエンジン装置２１が２基備わるため、例えば１基のエンジン装置２１が故障して駆動不能になったとしても、もう１基のエンジン装置２１によって航行可能であり、船舶用原動機装置ひいては船舶１の冗長性を確保できる。その上、前述の通り、エンジン装置２１によってプロペラ５の回転駆動と軸駆動発電機２３の駆動とを行えるから、通常航行時は、いずれか一方の軸駆動発電機２３を予備にできる。従って、例えば１基のエンジン装置２１又は軸駆動発電機２３の故障によって電力供給が停止した場合、もう１基の軸駆動発電機２３を起動させ、周波数及び電圧を確立して給電を復帰させればよい。また、１基のエンジン装置２１だけでの航行時にエンジン装置２１を停止させた場合は、もう１基の停止中のエンジン装置２１、ひいてはこれに対応した軸駆動発電機２３を起動させ、周波数及び電圧を確立して給電を復帰させればよい。

次に、上記船舶１における主機関として用いられるデュアルフューエルエンジン２１の概略構成について、図４〜図７を参照して説明する。デュアルフューエルエンジン２１（以下、単に「エンジン装置２１」と呼ぶ）は、天然ガス等の燃料ガスを空気に混合させて燃焼させる予混合燃焼方式と、重油等の液体燃料（燃料油）を拡散させて燃焼させる拡散燃焼方式とを択一的に選択して駆動する。図４は、エンジン装置２１に対する燃料系統を示す図であり、図５は、エンジン装置２１における吸排気系統を示す図であり、図７は、エンジン装置２１における制御ブロック図である。

エンジン装置２１は、図４に示すように、二系統の燃料供給経路３０，３１から燃料が供給されるものであって、一方の燃料供給経路３０にガス燃料タンク３２が接続されるとともに、他方の燃料供給経路３１に液体燃料タンク３３が接続される。即ち、エンジン装置２１は、燃料供給経路３０から燃料ガスがエンジン装置２１に供給される一方、燃料供給経路３１から燃料油がエンジン装置２１に供給される。燃料供給経路３０は、液化状態の気体燃料を貯蔵するガス燃料タンク３２と、ガス燃料タンク３２の液化燃料（燃料ガス）を気化させる気化装置３４と、気化装置３４からエンジン装置２１への燃料ガスの供給量を調整するガスバルブユニット３５とを備える。即ち、燃料供給経路３０は、ガス燃料タンク３２からエンジン装置２１に向かって、気化装置３４及びガスバルブユニット３５が順番に配置されて構成される。

エンジン装置２１は、図５に示すように、シリンダブロック２５に複数の気筒３６（本実施形態では６気筒）を直列に並べた構成を有している。各気筒３６は、シリンダブロック２５内に構成される吸気マニホールド（吸気流路）６７と吸気ポート３７を介して連通している。各気筒３６は、シリンダヘッド２６上方に配置される排気マニホールド（排気流路）４４と排気ポート３８を介して連通している。各気筒３６における吸気ポート３７に、ガスインジェクタ９８を配置する。従って、吸気マニホールド６７からの空気が、吸気ポート３７を介して各気筒３６に供給される一方、各気筒３６からの排ガスが、排気ポート３８を介して排気マニホールド４４に吐出される。また、エンジン装置２１をガスモードで運転している場合には、ガスインジェクタ９８から燃料ガスを吸気ポート３７に供給し、吸気マニホールド６７からの空気に燃料ガスを混合して、各気筒３５に予混合ガスを供給する。

排気マニホールド４４の排気出口側に、過給機４９のタービン４９ａの排気入口を接続しており、吸気マニホールド６７の空気入口側（新気入口側）に、インタークーラ５１の空気吐出口（新気出口）を接続している。インタークーラ５１の空気吸入口（新気入口）に、過給機４９のコンプレッサ４９ｂの空気吐出口（新気出口）を接続している。コンプレッサ４９ｂ及びインタークーラ５１の間に、メインスロットル弁Ｖ１を配置しており、メインスロットル弁Ｖ１の弁開度を調節して、吸気マニホールド６７に供給する空気流量を調整する。

コンプレッサ４９ｂ出口から排出される空気の一部をコンプレッサ４９ｂ入口に再循環させる給気バイパス流路１７が、コンプレッサ４９ｂの空気吸入口（新気入口）側とインタークーラ５１の空気排出口側とを連結している。すなわち、給気バイパス流路１７は、コンプレッサ４９ｂの空気吸入口よりも上流側で外気に解放される一方で、インタークーラ５１と吸気マニホールド６７との接続部分に接続される。この給気バイパス流路１７上に、給気バイパス弁Ｖ２を配置しており、給気バイパス弁Ｖ２の弁開度を調節して、インタークーラ５１下流側から吸気マニホールド６７へ流れる空気流量を調整する。

タービン４９ａをバイパスさせる排気バイパス流路１８が、タービン４９ａの排気出口側と排気マニホールド４４の排気出口側とを連結している。すなわち、排気バイパス流路１８は、タービン４９ａの排気出口よりも下流側で外気に解放される一方で、タービン４９ａの排気出口とタービン４９ａの排気入口との接続部分に接続される。この排気バイパス流路１８上に、排気バイパス弁Ｖ３を配置しており、排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を調節することで、タービン４９ａに流れる排ガス流量を調整して、コンプレッサ４９ｂにおける空気圧縮量を調整する。

エンジン装置２１は、排気マニホールド４４からの排気ガスにより空気を圧縮する過給機４９と、過給機４９で圧縮された圧縮空気を冷却して吸気マニホールド６７に供給するインタークーラ５１とを有している。エンジン装置２１は、過給機４９出口とインタークーラ５１入口との接続箇所にメインスロットル弁Ｖ１を設けている。エンジン装置２１は、排気マニホールド４４出口と過給機４９の排気出口とを結ぶ排気バイパス流路１８を備えるとともに、排気バイパス流路１８に排気バイパス弁Ｖ３を配置する。過給機４９をディーゼルモード仕様に最適化した場合に、ガスモード時においても、エンジン負荷の変動に合わせて排気バイパス弁Ｖ３の開度を制御することで、エンジン負荷に最適な空燃比を実現できる。そのため、負荷変動時において、燃焼に必要な空気量の過不足を防止でき、エンジン装置２１は、ディーゼルモードで最適化した過給機を使用した状態で、ガスモードでも最適に稼働する。

エンジン装置２１は、過給機４９をバイパスする給気バイパス流路１７を備え、給気バイパス流路１７に給気バイパス弁Ｖ２を配置する。エンジン負荷の変動に合わせて給気バイパス弁Ｖ２の開度を制御することにより、燃料ガスの燃焼に必要な空燃比に合わせた空気をエンジンに供給できる。また、応答性の良い給気バイパス弁Ｖ２による制御動作を併用することで、ガスモードにおける負荷変動への応答速度を速めることができる。

エンジン装置２１は、インタークーラ５１入口とメインスロットル弁Ｖ１との間となる位置に、給気バイパス流路１７を接続し、コンプレッサ４９ｂから吐出された圧縮空気をコンプレッサ４９ｂ入口に帰還させる。これにより、排気バイパス弁Ｖ３による流量制御の応答性を給気バイパス弁Ｖ２により補うと同時に、給気バイパス弁Ｖ２の制御幅を排気バイパス弁Ｖ３により補うことができる。従って、舶用用途での負荷変動や運転モードの切換時において、ガスモードにおける空燃比制御の追従性を良好なものとできる。

エンジン装置２１は、図６に示すように、シリンダブロック２５内に円筒形状のシリンダ７７（気筒３６）が挿入されており、シリンダ７７内を上下方向にピストン７８が往復動することで、シリンダ７７下側のエンジン出力軸２４を回転させる。シリンダブロック２５上のシリンダヘッド２６には、燃料油管４２から燃料油(液体燃焼)が供給されるメイン燃料噴射弁７９が、先端をシリンダ７７に向けて挿入されている。この燃料噴射弁７９は、シリンダ７７の上端面の中心位置に先端を配置しており、ピストン７８上面とシリンダ７７の内壁面とで構成される主燃焼室に燃料油を噴射する。従って、エンジン装置２１が拡散燃焼方式で駆動するとき、燃料噴射弁７９から燃料油がシリンダ７７内の主燃焼室に噴射されることで、主燃焼室では、圧縮空気と反応して拡散燃焼を発生させる。

各シリンダヘッド２６において、メイン燃料噴射弁７９の外周側に吸気弁８０及び排気弁８１を摺動可能に設置している。吸気弁８０が開くことにより、吸気マニホールド６７からの空気をシリンダ７７内の主燃焼室に吸気させる一方で、排気弁８１が開くことにより、シリンダ７７内の主燃焼室での燃焼ガス（排気ガス）を排気マニホールド４４へ排気させる。カムシャフト（図示省略）の回転に応じて、プッシュロッド（図示省略）それぞれが上下動することで、ロッカーアーム（図示省略）が揺動し、吸気弁８０及び排気弁８１それぞれを上下動させる。

主燃焼室に着火火炎を発生させるパイロット燃料噴射弁８２が、その先端がメイン燃料噴射弁７９先端の近傍に配置されるように、各シリンダヘッド２６に対して斜傾させて挿入されている。パイロット燃料噴射弁８２は、マイクロパイロット噴射方式を採用しており、先端にパイロット燃料が噴射される副室を有している。即ち、パイロット燃料噴射弁８２は、コモンレール４７から供給されるパイロット燃料を副室に噴射して燃焼させて、シリンダ７７内の主燃焼室の中心位置に着火火炎を発生させる。従って、エンジン装置２１が予混合燃焼方式で駆動するとき、パイロット燃料噴射弁８２で着火火炎が発生することで、吸気弁８０を介してシリンダ７７内の主燃焼室に供給される予混合ガスが反応し、予混合燃焼を発生させる。

エンジン装置２１は、図７に示すように、エンジン装置２１の各部を制御するエンジン制御装置７３を有している。エンジン装置２１は、気筒３６毎に、パイロット燃料噴射弁８２、燃料噴射ポンプ８９、及びガスインジェクタ９８を設けている。エンジン制御装置７３は、パイロット燃料噴射弁８２、燃料噴射ポンプ８９、及びガスインジェクタ９８それぞれに制御信号を与えて、パイロット燃料噴射弁８２によるパイロット燃料噴射、燃料噴射ポンプ８９による燃料油供給、及びガスインジェクタ９８によるガス燃料供給それぞれを制御する。

エンジン装置２１は、図７に示すように、排気カム、吸気カム、及び燃料カム（図示省略）を気筒３６毎に備えたカム軸２００を備えている。カム軸２００は、ギア機構（図示省略）を介して、クランク軸２４からの回転動力が伝達されることで、排気カム、吸気カム、及び燃料カムを回転させて、気筒３６毎に、吸気弁８０及び排気弁８１を開閉させるとともに、燃料噴射ポンプ８９を駆動させる。また、エンジン装置２１は、燃料噴射ポンプ８９におけるコントロールラック２０２のラック位置を調整する調速機２０１を備えている。調速機２０１は、カム軸２００先端の回転数からエンジン装置２１のエンジン回転数を測定し、燃料噴射ポンプ８９におけるコントロールラック２０２のラック位置を設定し、燃料噴射量を調整する。

エンジン制御装置７３は、メインスロットル弁Ｖ１、給気バイパス弁Ｖ２、及び排気バイパス弁Ｖ３それぞれに制御信号を与えて、それぞれ弁開度を調節し、吸気マニホールド６７における空気圧力（吸気マニホールド圧力）を調整する。エンジン制御装置７３は、吸気マニホールド６５における空気圧力を測定する圧力センサ３９より測定信号を受け、吸気マニホールド圧力を検知する。エンジン制御装置７３は、ワットトランスデューサやトルクセンサなどの負荷測定器１９による測定信号を受け、エンジン装置２１にかかる負荷を算出する。エンジン制御装置７３は、クランク軸２４の回転数を測定するパルスセンサなどのエンジン回転センサ２０による測定信号を受け、エンジン装置２１のエンジン回転数を検知する。

ディーゼルモードでエンジン装置２１を運転する場合、エンジン制御装置７３は、燃料噴射ポンプ８９における制御弁を開閉制御して、各気筒３６における燃焼を所定タイミングで発生させる。すなわち、各気筒３６の噴射タイミングに合わせて、燃料噴射ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じて各気筒３６内に燃料油を噴射させ、気筒３６内で発火させる。また、ディーゼルモードにおいて、エンジン制御装置７３は、パイロット燃料及び燃料ガスの供給を停止させている。

ディーゼルモードにおいて、エンジン制御装置７３は、負荷測定器１９で測定されたエンジン負荷（エンジン出力）と、エンジン回転センサ２０で測定されたエンジン回転数とに基づいて、各気筒３６におけるメイン燃料噴射弁７９の噴射タイミングをフィードバック制御する。これにより、エンジン２１は、推進兼発電機構１２で必要とされるエンジン負荷を出力すると同時に、船舶の推進速度に応じたエンジン回転数で回転する。また、エンジン制御装置７３は、圧力センサ３９で測定された吸気マニホールド圧力に基づいて、メインスロットル弁Ｖ１の開度を制御することで、必要なエンジン出力に応じた空気流量となる圧縮空気を過給機４９から吸気マニホールド６７に供給させる。

ガスモードでエンジン装置２１を運転する場合は、エンジン制御装置７３は、ガスインジェクタ９８における弁開度を調節して、各気筒３６内に供給する燃料ガス流量を設定する。そして、エンジン制御装置７３は、パイロット燃料噴射弁８２を開閉制御して、各気筒３６における燃焼を所定タイミングで発生させる。すなわち、ガスインジェクタ９８が、弁開度に応じた流量の燃料ガスを吸気ポート３７に供給して、吸気マニホールド６７からの空気に混合して、予混合燃料を気筒３６に供給させる。そして、各気筒３６の噴射タイミングに合わせて、パイロット燃料噴射弁８２の制御弁を開くことで、パイロット燃料の噴射による点火源を発生させ、予混合ガスを供給した気筒３６内で発火させる。また、ガスモードにおいて、エンジン制御装置７３は、燃料油の供給を停止させている。

ガスモードにおいて、エンジン制御装置７３は、負荷測定器１９で測定されたエンジン負荷と、エンジン回転センサ２０で測定されたエンジン回転数とに基づいて、ガスインジェクタ９８による燃料ガス流量と、各気筒３６におけるパイロット噴射弁８２による噴射タイミングとをフィードバック制御する。また、エンジン制御装置７３は、圧力センサ３９で測定された吸気マニホールド圧力に基づいて、メインスロットル弁Ｖ１、給気バイパス弁Ｖ２、及び排気バイパス弁Ｖ３それぞれの開度を調節する。これにより、吸気マニホールド圧力を必要なエンジン出力に応じた圧力に調節し、ガスインジェクタ９８から供給される燃料ガスとの空燃比をエンジン出力に応じた値に調整できる。

エンジン装置２１は、図８及び図９に示すように、シリンダ７７内をピストン７８が下降するとともに吸気弁８０が開いて、吸気ポート３７を介して、吸気マニホールド６７からの空気をシリンダ７８内に流入させる（吸気行程）。このとき、ガスモードでは、ガスインジェクタ９８から燃料ガスを吸気ポート３７に供給させて、吸気マニホールド６７からの空気に燃料ガスを混合して、シリンダ７７内に予混合ガスを供給させる。

次いで、エンジン装置２１は、図８及び図９に示すように、ピストン７８の上昇とともに吸気弁８０を閉じることで、シリンダ７７内の空気を圧縮する（圧縮行程）。このとき、ガスモードでは、ピストン７８が上死点近傍まで上昇した際に、パイロット燃料噴射弁８２で着火火炎を発生させて、シリンダ７７内の予混合ガスを燃焼させる。一方、ディーゼルモードでは、燃料噴射ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じてシリンダ７７内に燃料油を噴射させて、シリンダ７７内で発火させる。

次いで、エンジン装置２１は、図８及び図９に示すように、燃焼によりシリンダ７７内の燃焼ガス（燃焼反応による排気ガス）が膨張してピストン７８を下降させる（膨張行程）。その後、ピストン７８が上昇すると同時に排気弁８１を開くことで、排気ポート３８を介して、シリンダ７７内の燃焼ガス（排気ガス）を排気マニホールド４４へ排気させる（排気行程）。

図５に示すように、本実施形態のエンジン装置２１は、６気筒の気筒３６（シリンダ７７）を備えており、各気筒３６において、気筒３６毎に決められたタイミングで、図８に示す吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の順で状態が遷移する。すなわち、６気筒の気筒３６（＃１〜＃６）はそれぞれ、図９に示すように、＃１→＃５→＃３→＃６→＃２→＃４の順に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程それぞれの状態に遷移する。従って、エンジン装置２１がガスモードで動作している際には、吸気行程におけるガスインジェクタ９８からの燃料ガス噴射、及び圧縮行程におけるパイロット燃料噴射弁８２による着火をそれぞれ、＃１→＃５→＃３→＃６→＃２→＃４の順に実行する。同様に、エンジン装置２１がディーゼルモードで動作している際には、圧縮行程におけるメイン燃料噴射弁７９からの燃料油噴射を、＃１→＃５→＃３→＃６→＃２→＃４の順に実行する。

次に、上記概略構成を有するデュアルフューエルエンジン２１（エンジン装置２１）の詳細構成について、図１０〜図１２を参照して説明する。以下の説明において、減速機２２との接続側を後側として、エンジン装置２１の構成における前後左右の位置関係を指定するものとする。

エンジン装置２１は、図１０〜図１２に示すように、ベース台２７（図２参照）上に据置されるシリンダブロック２５に、複数のヘッドカバー４０が前後一列に配列されたシリンダヘッド２６を搭載している。エンジン装置２１は、シリンダヘッド２６の右側面に、ヘッドカバー４０列と平行にガスマニホールド（気体燃料配管）４１を延設する一方、シリンダブロック２５の左側面に、ヘッドカバー４０列と平行に燃料油管（液体燃料配管）４２を延設している。また、ガスマニホールド４１の上側において、後述の排気マニホールド（排気流路）４４がヘッドカバー４０列と平行に延設されている。

ヘッドカバー４０列と排気マニホールド４４との間には、シリンダヘッド２６内の冷却水路と連結するシリンダヘッド上冷却水配管４６が、ヘッドカバー４０列と平行に延設されている。冷却水配管４６の上側には、軽油等によるパイロット燃料を供給するコモンレール（パイロット燃料配管）４７が、冷却水配管４６と同様、ヘッドカバー４０列と平行に延設されている。このとき、冷却水配管４６が、シリンダヘッド２６と連結して支持されるとともに、コモンレール４７が、冷却水配管４６と連結して支持される。

排気マニホールド４４の前端（排気出口側）は、排気中継管４８を介して、過給機４９と接続されている。従って、排気マニホールド４４を通じて排気される排気ガスが、排気中継管４８を介して、過給機４９のタービン４９ａに流入することで、タービン４９ａが回転して、タービン４９ａと同軸となるコンプレッサ４９ｂを回転させる。過給機４９は、エンジン装置２１の前端上側に配置されており、その右側にタービン４９ａを、その左側にコンプレッサ４９ｂをそれぞれ有する。そして、排気出口管５０が、過給機４９の右側に配置されるとともに、タービン４９ａの排気出口と連結し、タービン４９ａからの排気ガスを排気経路２８（図２参照）に排気させる。

過給機４９の下側には、過給機４９のコンプレッサ４９ｂからの圧縮空気を冷却させるインタークーラ５１が配置されている。即ち、シリンダブロック２５の前端側に、インタークーラ５１が設置されるとともに、このインタークーラ５１の上部に過給機４９が載置される。過給機４９の左右中層位置には、コンプレッサ４９ｂの空気吐出口が、後方（シリンダブロック２５側）に向かって開口するようにして設けられている。一方、インタークーラ５１上面には、上方に向かって開口した空気吸入口が設けられており、この空気吸入口を通じて、コンプレッサ４９ｂから吐出される圧縮空気が、インタークーラ５１内部に流入する。そして、コンプレッサ４９ｂの空気吐出口とインタークーラ５１の空気吸入口とは、一端が接続されている吸気中継管５２により連通される。この吸気中継管５２は、上述のメインスロットル弁Ｖ１（図５参照）を有している。

エンジン装置２１の前端面（正面）には、エンジン出力軸２４の外周側に、冷却水ポンプ５３、パイロット燃料ポンプ５４、潤滑油ポンプ（プライミングポンプ）５５、及び燃料油ポンプ５６それぞれが設置されている。このとき、冷却水ポンプ５３及び燃料油ポンプ５６それぞれが左側面寄りの上下に配置され、パイロット燃料ポンプ５４及び潤滑油ポンプ５５それぞれが右側面寄りの上下に配置される。また、エンジン装置２１の前端部分には、エンジン出力軸２４の回転動力を伝達する回転伝達機構（図示省略）が設けられている。これにより、エンジン出力軸２４からの回転動力が前記回転伝達機構を介して伝達されることで、エンジン出力軸２４外周に設けられた冷却水ポンプ５３、パイロット燃料ポンプ５４、潤滑油ポンプ５５、及び燃料油ポンプ５６それぞれも回転する。更に、シリンダブロック２５内において、冷却水ポンプ５３の上側に、前後を軸方向とするカムシャフト（図示省略）が軸支されており、該カムシャフトも前記回転伝達機構を通じてエンジン出力軸２４の回転動力が伝達されて回転する。

シリンダブロック２５の下側には、オイルパン５７が設けられており、このオイルパン５７に、シリンダブロック２５を流れる潤滑油が溜まる。潤滑油ポンプ５５は、潤滑油配管を介してオイルパン５７と下側の吸引口で接続されており、オイルパン５７に溜まっている潤滑油を吸引する。また、潤滑油ポンプ５５は、上側の吐出口が潤滑油配管を介して潤滑油クーラ５８の潤滑油入口と接続することで、オイルパン５７から吸引した潤滑油を潤滑油クーラ５８に供給する。潤滑油クーラ５８は、その前方を潤滑油入口とする一方で後方を潤滑油出口とし、潤滑油出口を潤滑油コシキ５９と潤滑油配管を介して連結させる。潤滑油コシキ５９は、その前方を潤滑油入口とする一方で後方を潤滑油出口とし、潤滑油出口をシリンダブロック２５と接続している。従って、潤滑油ポンプ５５から送られてくる潤滑油は、潤滑油クーラ５８で冷却された後に、潤滑油コシキ５９で浄化される。

過給機４９は、左右それぞれに振り分けて配置されたコンプレッサ４９ｂ及びタービン４９ａを同軸で軸支し、排気中継管４８を通じて排気マニホールド４４から導入されるタービン４９ａの回転に基づき、コンプレッサ４９ｂが回転する。また、過給機４９は、新気取り入れ側となるコンプレッサ４９ｂの左側に、導入する外気を除塵する吸気フィルタ６３と、吸気フィルタ６３とコンプレッサ４９ｂとを接続する新気通路管６４とを備える。これにより、タービン４９ａと同期してコンプレッサ４９ｂが回転することにより、吸気フィルタ６３により吸引された外気（空気）は、過給機４９を通じてコンプレッサ４９ｂに導入される。そして、コンプレッサ４９ｂは、左側から吸引した空気を圧縮して、後側に設置されている吸気中継管５２に圧縮空気を吐出する。

吸気中継管５２は、その上部前方を開口させて、コンプレッサ４９ｂ後方の吐出口と接続している一方で、その下側を開口させて、インタークーラ５１上面の吸気口と接続している。また、インタークーラ５１は、前面の通気路に設けた分岐口において、給気バイパス管６６（給気バイパス流路１７）の一端と接続しており、インタークーラ５１で冷却した圧縮空気の一部を給気バイパス管６６に吐出する。給気バイパス管６６の他端が、新気通路管６４の前面に設けた分岐口に接続して、インタークーラ５１で冷却された圧縮空気の一部が、給気バイパス管６６を通じて新気通路管６４に環流し、給気フィルタ６３からの外気と合流する。また、給気バイパス管６６は、その中途部に、給気バイパス弁Ｖ２が配置されている。

インタークーラ５１は、吸気中継管５２を通じてコンプレッサ４９ｂからの圧縮空気を左側後方から流入させると、給水配管６２から給水される冷却水との熱交換作用に基づいて、圧縮空気を冷却させる。インタークーラ５１内部において、左室で冷却された圧縮空気は、前方の通気路を流れて右室に導入された後、右室後方に設けられた吐出口を通じて、吸気マニホールド６７に吐出される。吸気マニホールド６７は、シリンダブロック２５の右側面に設けられており、ガスマニホールド４１の下側において、ヘッドカバー４０列と平行に前後に延設されている。なお、給気バイパス弁Ｖ２の開度に応じて、インタークーラ５１からコンプレッサ４９ｂに環流させる圧縮空気の流量が決定されることで、吸気マニホールド６７へ供給する圧縮空気の流量が設定される。

また、過給機４９のタービン４９ａは、後方の吸込口を排気中継管４８と接続させており、右側の吐出口を排気出口管５０と接続させている。これにより、過給機４９は、排気中継管４８を介して排気マニホールド４４から排気ガスをタービン４９ａ内部に導入させて、タービン４９ａを回転させると同時にコンプレッサ４９ｂを回転させ、排気ガスを排気出口管５０から排気経路２８（図２参照）に排気する。排気中継管４８は、その後方を開口させて、排気マニホールド４４の吐出口と蛇腹管６８を介して接続している一方で、その前方を開口させて、タービン４９ａ後方の吸込口と接続している。

また、排気中継管４８の中途位置において、右側面側に分岐口が設けられており、この排気中継管４８の分岐口に排気バイパス管６９（排気バイパス流路１８）の一端が接続されている。排気バイパス管６９は、その他端が排気出口管５０の後方に設けられた合流口と接続され、排気マニホールド４４から吐出される排気ガスの一部を、過給機４９を介さずに排気出口管５０にバイパスさせる。また、排気バイパス管６９は、その中途部に、排気バイパス弁Ｖ３が配置されており、排気バイパス弁Ｖ３の開度に応じて、排気マニホールド４４から排気出口管５０にバイパスさせる排気ガスの流量を設定し、タービン４９ａに供給する排ガス流量を調節する。

エンジン装置２１の始動・停止等の制御を行う機側操作用制御装置７１が、支持ステー（支持部材）７２を介してインタークーラ５１の左側面に固定されている。機側操作用制御装置７１は、作業者によるエンジン装置２１の始動・停止を受け付けるスイッチとともに、エンジン装置２１各部の状態を表示するディスプレイを具備する。調速機２０１が、シリンダヘッド２６の左側面前端に固定されている。シリンダブロック２５の左側面後端側には、エンジン装置２１を始動させるエンジン始動装置７５が固定されている。

また、エンジン装置２１各部の動作を制御するエンジン制御装置７３が、支持ステー（支持部材）７４を介して、シリンダブロック２５の後端面に固定される。シリンダブロック２５の後端側には、減速機２２と連結して回転させるフライホイール７６が設置されており、フライホイール７６の上部に、エンジン制御装置７３が配置されている。このエンジン制御装置７３は、エンジン装置２１各部におけるセンサ（圧力センサや温度センサ）と電気的に接続して、エンジン装置２１各部の温度データや圧力データ等を収集するとともに、エンジン装置２１各部における電磁弁等に信号を与え、エンジン装置２１の各種動作（燃料油噴射、パイロット燃料噴射、ガス噴射、冷却水温度調整など）を制御する。

シリンダブロック２５は、その左側面上側に段差部が設けてあり、このシリンダブロック２５の段差部上面に、ヘッドカバー４０及びシリンダヘッド２６と同数の燃料噴射ポンプ８９が設置されている。燃料噴射ポンプ８９は、シリンダブロック２５の左側面に沿って一列に配列されており、その左側面が燃料油管（液体燃料配管）４２と連結しているとともに、その上端が燃料吐出管９０を介して右前方のシリンダヘッド２６の左側面と連結している。上下２本の燃料油管４２は、一方が燃料噴射ポンプ８９へ燃料油を供給する給油管であり、他方が燃料噴射ポンプ８９から燃料油を戻す油戻り管である。また、燃料吐出管９０は、シリンダヘッド２６内の燃料流路を介してメイン燃料噴射弁７９（図６参照）と接続することで、燃料噴射ポンプ８９からの燃料油をメイン燃料噴射弁７９に供給する。

燃料噴射ポンプ８９は、シリンダブロック２５の段差部上において、燃料吐出管９０で接続されるシリンダヘッド２６の左側後方となる位置に、ヘッドカバー４０列に対して左側に並設されている。また、燃料噴射ポンプ８９は、シリンダヘッド２６と燃料油管４２に挟まれた位置で一列に配列されている。燃料噴射ポンプ８９は、シリンダブロック２５内のカムシャフト（図示省略）におけるポンプ用カムの回転によりプランジャの押し上げ動作を行う。そして、燃料噴射ポンプ８９は、プランジャの押し上げにより燃料油管４２から供給される燃料油を高圧に上昇させ、燃料吐出管９０を介して、シリンダヘッド２６内の燃料噴射ポンプ８９に高圧の燃料油を供給する。

コモンレール４７の前端が、パイロット燃料ポンプ５４の吐出側と接続されており、パイロット燃料ポンプ５４から吐出されるパイロット燃料がコモンレール４７に供給される。また、ガスマニホールド４１は、排気マニホールド４４と吸気マニホールド６７の間となる高さ位置で、ヘッドカバー４０列に沿って延設されている。ガスマニホールド４１は、ガス入口管９７と前端が接続して前後に延びているガス主管４１ａと、ガス主管４１ａの上面からシリンダヘッド２６に向けて分岐させた複数のガス枝管４１ｂとを備える。ガス主管４１ａは、その上面に等間隔で接続用フランジを備えており、ガス枝管４１ｂの入口側フランジと締結されている。ガス枝管４１ｂは、ガス主管４１ａとの連結部分と逆側の端部を、ガスインジェクタ９８が上側から挿入されたスリーブの右側面と連結している。

次に、上記構成を有するデュアルフューエルエンジン２１（エンジン装置２１）をガスモードで運転したときの空気流量制御について、主に図１３などを参照して説明する。

エンジン制御装置７３は、図１３に示すように、エンジン負荷が低負荷域（負荷Ｌ４以下の負荷域）であって所定負荷Ｌ１より低い場合には、メインスロットル弁Ｖ１の弁開度に対してフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。このとき、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に応じた吸気マニホールド圧力の目標値（目標圧力）を設定する。そして、エンジン制御装置７３は、圧力センサ３９からの測定信号を受け、吸気マニホールド圧力の測定値（測定圧力）を確認し、目標圧力との差分を求める。これにより、エンジン制御装置７３は、目標圧力と測定圧力の差分値に基づき、メインスロットル弁Ｖ１の弁開度のＰＩＤ制御を実行し、吸気マニホールド６７の空気圧力を目標圧力に近づける。

エンジン制御装置７３は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ１以上となる場合には、メインスロットル弁Ｖ１の弁開度に対してマップ制御を行う。このとき、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に対するメインスロットル弁Ｖ１の弁開度を記憶するデータテーブルＤＴ１を参照し、エンジン負荷に対応したメインスロットル弁Ｖ１の弁開度を設定する。そして、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷が負荷Ｌ２（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌｔｈ＜Ｌ４）以上となる場合には、メインスロットル弁Ｖ１を全開となるよう制御する。なお、負荷Ｌ２は、低負荷域であって、吸気マニホールド圧力が大気圧となる負荷Ｌｔｈよりも低負荷に設定している。

エンジン制御装置７３は、エンジン負荷が低負荷域であって所定負荷Ｌ３（Ｌｔｈ＜Ｌ３＜Ｌ４）より低い場合には、給気バイパス弁Ｖ２を全閉となるよう制御する。エンジン制御装置７３は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ３以上となる場合には、給気バイパス弁Ｖ２の弁開度に対してフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。このとき、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に応じた目標圧力と圧力センサ３９による測定圧力との差分値に基づき、給気バイパス弁Ｖ２の弁開度のＰＩＤ制御を実行し、吸気マニホールド６７の空気圧力を目標圧力に近づける。

エンジン制御装置７３は、エンジン負荷全域で、排気バイパス弁Ｖ３の弁開度に対してマップ制御を行う。このとき、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に対する排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を記憶するデータテーブルＤＴ２を参照し、エンジン負荷に対応した排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を設定する。すなわち、エンジン負荷が所定負荷Ｌ１より低い場合には、排気バイパス弁Ｖ３を全開としており、所定負荷Ｌ１より高くなると、エンジン負荷に対して排気バイパス弁Ｖ３の開度を単調減少させて、所定負荷Ｌ２で、排気バイパス弁Ｖ３を全開とする。そして、エンジン負荷が所定負荷Ｌ２より高く所定負荷Ｌ３以下となる場合、排気バイパス弁Ｖ３を全閉としており、エンジン負荷が低負荷域の所定負荷Ｌ３より高くなると、エンジン負荷に対して排気バイパス弁Ｖ３の開度を単調増加させる。すなわち、排気バイパス弁Ｖ３を徐々に開ける。

図１３に示すように、エンジン制御装置７３は、エンジンにかかる負荷（エンジン負荷）が低負荷域であって第１所定負荷Ｌ３より高い場合に、メインスロットル弁Ｖ１の開度を全開とする。また、エンジン制御装置７３は、給気バイパス弁Ｖ２に対してフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行うと同時に、排気バイパス弁Ｖ３に対してマップ制御を行うことで、吸気マニホールド６７の圧力を負荷に応じた目標値に調整する。そして、エンジンに負荷が第１所定負荷Ｌ３となっているとき、給気バイパス弁Ｖ２及び排気バイパス弁Ｖ３それぞれを全閉としている。

過給機４９をディーゼルモード仕様に最適化した場合に、ガスモード運転時においても、エンジン負荷の変動に合わせて給気バイパス弁Ｖ２の開度を制御することにより、吸気マニホールド６７の圧力制御を応答性の良好なものとできる。そのため、負荷変動時において、燃焼に必要な空気量の過不足を防止でき、ディーゼルモードで最適化した過給機４９を使用したエンジン装置２１であっても、ガスモードで最適に稼働できる。

また、エンジン負荷の変動に合わせて排気バイパス弁Ｖ３の開度を制御することにより、気体燃料の燃焼に必要な空燃比に合わせた空気をエンジン装置２１に供給できる。また、応答性の良い給気バイパス弁Ｖ２による制御動作を併用することで、ガスモードにおける負荷変動への応答速度を速めることができるため、負荷変動時において、燃焼に必要な空気量の不足に基づくノッキングを防止できる。

また、低負荷域において、第１所定負荷Ｌ３より低い値となる第２所定負荷Ｌ１よりエンジン負荷が低い場合に、メインスロットル弁Ｖ１に対してフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。一方、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷が第２所定負荷Ｌ１より高い場合に、メインスロットル弁Ｖ１に対してデータテーブルＤＴ１に基づくマップ制御を行う。更に、エンジン負荷が所定負荷Ｌ１より低い場合には、給気バイパス弁Ｖ２を全閉とするとともに、排気バイパス弁Ｖ３を全開とする。すなわち、排気マニホールド４４圧力が大気圧より低い負圧となる場合、排気バス弁Ｖ３を全開として、タービン４９ａの駆動を停止させることで、過給機４９におけるサージングなどを防止できる。また、給気バイパス弁Ｖ２を全閉とすることで、低負荷時において、メインスロットル弁Ｖ１による吸気マニホールド圧力の制御を応答性の高いものとできる。

また、エンジン負荷が第２所定負荷Ｌ１以上であって、第１及び第２所定負荷Ｌ３，Ｌ１の間との値となる第３所定負荷Ｌ２よりも低い場合、メインスロットル弁Ｖ１に対してデータテーブルＤＴ１に基づくマップ制御を行う。また、給気バイパス弁Ｖ２を全閉とするとともに、排気バイパス弁Ｖ３をデータテーブルＤＴ２に基づくマップ制御を行う。そして、エンジン負荷が第１所定負荷Ｌ３となるとき、メインスロットル弁Ｖ１を全開とする一方、給気バイパス弁Ｖ２及び排気バイパス弁Ｖ３を全閉として、ディーゼルモードからガスモード切換可能な状態とする。

次いで、ガスモードで運転中のエンジン装置２１をディーゼルモードによる運転に切り換える際の制御動作について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は、ディーゼルモード運転への切換制御における動作を示すフローチャートであり、図１５は、図１４のフローチャートによる切換動作の一例を示すタイミングチャートである。

エンジン制御装置７３は、図１４に示すように、エンジン装置２１がガスモードで運転中であることを確認すると（ＳＴＥＰ１でＹｅｓ）、エンジン装置２１によるガスモード運転における異常（例えば、燃料ガス圧力低下、吸気マニホールド圧力低下、ガス温度の上昇、空気温度の上昇、又は各センサの断線など）が発生したか否かを確認する（ＳＴＥＰ２）。ガスモード運転での異常がない場合は（ＳＴＥＰ２でＮｏ）、ＮＯｘ（窒素酸化物）やＳＯｘ（硫黄酸化物）の排出量を規制する規制海域外であるか否かを確認する（ＳＴＥＰ３）。

エンジン制御装置７３は、ガスモード運転において異常発生を確認したとき（ＳＴＥＰ２でＹｅｓ）、又は、規制海域情報のマップデータに基づき船舶１が規制海域外に移動したことを確認したとき（ＳＴＥＰ３でＹｅｓ）、ガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射動作を停止させる（ＳＴＥＰ４）。すなわち、エンジン制御装置７３は、ガスモード運転での異常発生又は規制海域外での航行を検知することで、ガスモードからディーゼルモードへ運転切換を実行するものと判定し、気筒３６（シリンダ７７）への燃料ガスの供給を停止させる。このとき、各気筒３６のガスインジェクタ９８を全閉とし、吸気行程での開動作を停止させる。また、ガスバルブユニット３５により燃料供給経路３０への燃料ガスの供給を停止させる。

次いで、エンジン制御装置７３は、エンジン回転センサ２０からの検出信号に基づいて、エンジン装置２１のエンジン回転数を確認し、ガスモードによる運転を停止させた後にディーゼルモードによる運転を開始させるまでの遅延時間Ｔｄを算出する（ＳＴＥＰ５）。遅延時間Ｔｄは、エンジン回転センサ２０から確認されたエンジン回転に基づいて、圧縮行程にかかる時間より長く、吸気行程と圧縮行程にかかる時間より短い時間で設定される。また、遅延時間Ｔｄを、エンジン回転数に基づいて設定される、ガスモードにおける吸気行程の燃料ガス噴射タイミング（ガスモード）からディーゼルモードにおける圧縮行程の燃料油噴射タイミングまでの時間と同等に設定するものとしてもよい。

エンジン制御装置７３は、遅延時間Ｔｄの設定後、遅延時間Ｔｄの経過を確認した後（ＳＴＥＰ６でＹｅｓ）、パイロット燃料噴射弁８２による着火動作を停止させる（ＳＴＥＰ７）。このとき、エンジン制御装置７３は、各気筒３６におけるパイロット燃料噴射弁８２へのパイロット燃料の供給を停止させて、ガスモードでの運転を停止させる。次いで、エンジン制御装置７３は、燃料噴射ポンプ８９によるメイン燃料噴射弁７９への燃料油の供給を開始させる（ＳＴＥＰ８）。このとき、エンジン制御装置７３が調速機２０１を駆動して、燃料噴射ポンプ８９におけるコントロールラック２０２のラック位置を設定させることで、メイン燃料噴射弁７９への燃料噴射量を調整する。

図１５に示すように、エンジン制御装置７３は、ガスモード運転中にディーゼルモード運転へ切り換えるものと判定したとき、燃料ガスの供給を停止させてから、エンジン回転数に基づく遅延時間Ｔｄの経過後に、燃料油の供給を開始させる。すなわち、エンジン装置２１は、ガスモード運転からディーゼルモード運転に切り替わる際、燃料ガスの供給の停止（ガスモード運転の停止）に対して、燃料油の供給の開始（ディーゼルモード運転の開始）を遅延時間Ｔｄだけ遅延させる。

従って、エンジン装置２１は、ガスモード運転からディーゼルモード運転に切り替わる際、各気筒３６のシリンダ７７内には、燃料ガス又は燃料油が択一的に供給されることとなり、燃料ガスと燃料油が重複して供給されることを防止できる。これにより、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、単一の気筒３６に対して燃料ガスと燃料油双方が供給されることがなく、シリンダ７７への燃料給過多を回避でき、筒内圧の過大や異常燃焼の発生を防止できる。

図１５の例では、気筒３６（＃６）の吸気行程であってガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射後に、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の各気筒３６（＃１〜＃６）の状態遷移を示す。気筒３６（＃６）での燃料ガス噴射後に、燃料ガスの供給を停止させると（ガスモードの停止）、エンジン制御装置７３は遅延時間Ｔｄを計時し、遅延時間Ｔｄの間、パイロット燃料噴射弁８２へパイロット燃料が供給される。従って、燃料ガスの供給停止前に燃料ガスがシリンダ７７内に噴射された気筒３６（＃２，＃４，＃６）は、圧縮行程において、パイロット燃料噴射弁８２の着火によりシリンダ７７内の燃料ガスを発火させる。

また、遅延時間Ｔｄが経過する間に気筒３６（＃５）が吸気行程となっているが、燃料ガスの供給が停止しているため、ガスインジェクタ９８からシリンダ７７内に燃料ガスが噴射されることがない。その後、遅延時間Ｔｄが経過すると、パイロット燃料の供給を停止するとともに、燃料油の供給を開始させる（ディーゼルモードの開始）。これにより、気筒３６（＃５）から順に、圧縮行程中に燃料噴射ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じてシリンダ７７内に燃料油を噴射して発火させる。

なお、本実施形態では、ディーゼルモードで運転する際には、パイロット燃料噴射弁８２へのパイロット燃料の供給を停止させるものとしたが、ガスモード及びディーゼルモードのいずれにおいても、パイロット燃料噴射弁８２に対してパイロット燃料を常時供給させるものとしてもよい。この場合、図１６のフローチャートに示すように、エンジン制御装置７３は、遅延時間Ｔｄの経過を確認した後（ＳＴＥＰ６でＹｅｓ）、パイロット燃料噴射弁８２による着火動作を継続させたままとした上で、燃料噴射ポンプ８９からの燃料油の供給動作を開始させる（ＳＴＥＰ８）。

また、以下では、上述の実施形態（第１実施形態）とは異なる別実施形態（第２実施形態）となるエンジン装置におけるガスモード運転からディーゼルモード運転への切換制御動作を、図１７〜図１９を参照して説明する。図１７は、ディーゼルモード運転への切換制御における動作を示すフローチャートであり、図１８及び図１９は、図１７のフローチャートによる切換動作の一例を示すタイミングチャートである。尚、本実施形態においても、第１実施形態と同様、ディーゼルモードにおいてパイロット燃料噴射弁８２へのパイロット燃料の供給を停止させるものとして説明するが、ガスモード及びディーゼルモードのいずれにおいても、パイロット燃料噴射弁８２に対してパイロット燃料を常時供給させるものとしてもよい。

第２実施形態におけるエンジン装置２１では、図１７に示すように、ガスモード運転中に（ＳＴＥＰ１でＹｅｓ）、エンジン制御装置７３が、エンジン運転における異常発生又は規制海域外の航行を確認したとき（ＳＴＥＰ２又はＳＴＥＰ３でＹｅｓ）、ガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射動作を停止させる（ＳＴＥＰ４）。すなわち、エンジン制御装置７３は、ガスモードからディーゼルモードへ運転切換を実行するものと判定し、気筒３６（シリンダ７７）への燃料ガスの供給を停止させる。

次いで、エンジン制御装置７３は、圧縮行程における燃料油の噴射タイミング直前となる気筒３６を確認した後（ＳＴＥＰ１０５）、当該気筒３６において直前の吸気行程で燃料ガスの噴射動作を実行したか否かを確認する（ＳＴＥＰ１０６）。このとき、燃料油の噴射タイミング直前となる気筒３６において、その直前の吸気行程で燃料ガスが噴射されている場合は（ＳＴＥＰ１０６でＹｅｓ）、エンジン制御装置７３は、ガスモード停止前に燃料ガスがシリンダ７７内に供給された状態であるものと判断する。従って、エンジン制御装置７３は、ディーゼルモード運転への移行を許可せず、パイロット燃料噴射弁８２による着火動作を実行させて、シリンダ７７内の燃料ガスを発火させる。

上述のように、エンジン制御装置７３は、圧縮行程における燃料油の噴射タイミング直前となる気筒３６について、順番に、直前の吸気行程で燃料ガスの噴射動作を実行したか否かを確認する（ＳＴＥＰ１０５〜ＳＴＥＰ１０６）。そして、圧縮行程における燃料油の噴射タイミング直前となる気筒３６において、直前の吸気行程で燃料ガスの噴射が実行されていないことを確認すると（ＳＴＥＰ１０６でＮｏ）、パイロット燃料噴射弁８２による着火動作を停止させた後（ＳＴＥＰ７）、燃料噴射ポンプ８９によるメイン燃料噴射弁７９への燃料油の供給を開始させる（ＳＴＥＰ８）。

図１８及び図１９に示すように、エンジン制御装置７３は、ガスモード運転中にディーゼルモード運転へ切り換えるものと判定したとき、圧縮行程における所定タイミング（燃料油噴射タイミング以前となるタイミング）となる気筒３６において、直前の吸気行程で燃料ガスの噴射が無いことを確認したときに初めて、燃料油の供給を開始させる。すなわち、エンジン装置２１は、ガスモード運転からディーゼルモード運転に切り替わる際、ガスモード運転を停止させた後に、吸気行程で燃料ガスの供給が停止された気筒３６が燃料油噴射タイミングに近づいたときに、ディーゼルモード運転を開始させる。

エンジン装置２１は、燃料ガスの供給停止後、シリンダ７７内に燃料ガスが供給されていない状態で燃料油噴射タイミングとなった気筒３６を初めて確認したときに、燃料油の噴射を許可してディーゼルモード運転を開始させることとなる。従って、ガスモード運転からディーゼルモード運転に切り替わる際、その切換時間を最短としながら、各気筒３６のシリンダ７７内に、燃料ガス又は燃料油を択一的に供給できる。これにより、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、単一の気筒３６に対して燃料ガスと燃料油が重複して供給されずに、シリンダ７７への燃料給過多を回避でき、筒内圧の過大や異常燃焼の発生を防止できる。更には、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際に、燃料ガス及び燃料油の双方がシリンダ７７に供給されていない状態を回避できるため、切換時における失火をも防止できる。

図１８の例では、気筒３６（＃３）の吸気行程であってガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射後に、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の各気筒３６（＃１〜＃６）の状態遷移を示す。気筒３６（＃３）での燃料ガス噴射後に、燃料ガスの供給を停止させると（ガスモードの停止）、エンジン制御装置７３は、圧縮行程にある気筒３６（＃５）を認識し、気筒３６（＃５）について、直前の吸気行程でガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射の有無を確認する。このとき、気筒３６（＃５）に対して吸気行程で燃料ガスが噴射されているため、エンジン制御装置７３は、燃料油の噴射を許可することなく、パイロット燃料噴射弁８２の着火によりシリンダ７７内の燃料ガスを発火させる。次いで、エンジン制御装置７３は、気筒３６（＃５）の次に圧縮行程に移行する気筒３６（＃３）についても、直前に燃料ガスが噴射されているため、燃料油の噴射を禁止した状態を維持する。

その後、エンジン制御装置７３は、気筒３６（＃３）の次に圧縮行程に移行する気筒３６（＃６）について、直前の吸気行程でガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射の有無を確認する。このとき、気筒３６（＃６）に対して吸気行程で燃料ガスが噴射されていないため、エンジン制御装置７３は、パイロット燃料の供給を停止するとともに、燃料油の供給を開始させる（ディーゼルモードの開始）。これにより、気筒３６（＃６）から順に、圧縮行程中に燃料噴射ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じてシリンダ７７内に燃料油を噴射して発火させる。

一方、図１９の例では、気筒３６（＃３）の吸気行程であってガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射前に、ガスモードからディーゼルモードに切り換えた際の各気筒３６（＃１〜＃６）の状態遷移を示す。気筒３６（＃３）が吸気行程に移行した後に燃料ガス噴射前に、燃料ガスの供給を停止させると（ガスモードの停止）、エンジン制御装置７３は、圧縮行程にある気筒３６（＃１）を認識し、気筒３６（＃１）について、直前の吸気行程でガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射の有無を確認する。このとき、気筒３６（＃１）に対して吸気行程で燃料ガスが噴射されているため、エンジン制御装置７３は、燃料油の噴射を許可することなく、パイロット燃料噴射弁８２の着火によりシリンダ７７内の燃料ガスを発火させる。次いで、エンジン制御装置７３は、気筒３６（＃１）の次に圧縮行程に移行する気筒３６（＃５）についても、直前に燃料ガスが噴射されているため、燃料油の噴射を禁止した状態を維持する。

その後、エンジン制御装置７３は、気筒３６（＃５）の次に圧縮行程に移行する気筒３６（＃３）について、直前の吸気行程でガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射の有無を確認する。このとき、気筒３６（＃３）に対して吸気行程で燃料ガスが噴射されていないため、エンジン制御装置７３は、パイロット燃料の供給を停止するとともに、燃料油の供給を開始させる（ディーゼルモードの開始）。これにより、気筒３６（＃３）から順に、圧縮行程中に燃料噴射ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じてシリンダ７７内に燃料油を噴射して発火させる。

その他、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。また、本実施形態のエンジン装置は、船体内の電気系統に電力を供給するための発電装置や陸上の発電施設における駆動源として構成するなど、上述の推進兼発電機構以外の構成においても適用可能である。更に、本願発明のエンジン装置において、着火方式をマイクロパイロット噴射方式によるものとしたが、副室で火花点火させる構成としても構わない。

１ 船舶
２ 船体
４ ファンネル
５ プロペラ
９ 推進軸
１１ 機関室
１２ 推進兼発電機構
１７ 給気バイパス流路
１８ 排気バイパス流路
１９ 負荷測定器
２０ エンジン回転センサ
２１ エンジン装置（デュアルフューエルエンジン）
２２ 減速機
２３ 軸駆動発電機
２４ 出力軸（クランク軸）
２５ シリンダブロック
２６ シリンダヘッド
３６ 気筒
３７ 吸気ポート
３８ 排気ポート
３９ 圧力センサ
４０ ヘッドカバー
４１ ガスマニホールド（気体燃料配管）
４２ 燃料油管（液体燃料配管）
４３ サイドカバー
４４ 排気マニホールド
４５ 遮熱カバー
４６ 冷却水配管
４７ コモンレール（パイロット燃料配管）
４８ 排気中継管
４９ 過給機
５１ インタークーラ
５３ 冷却水ポンプ
５４ パイロット燃料ポンプ
５５ 潤滑油ポンプ
５６ 燃料油ポンプ
５７ オイルパン
５８ 潤滑油クーラ
５９ 潤滑油コシキ
６７ 吸気マニホールド
７９ メイン燃料噴射弁
８０ 吸気弁
８１ 排気弁
８２ パイロット燃料噴射弁
８９ 燃料噴射ポンプ
９８ ガスインジェクタ

Claims (6)

1. シリンダ内へ空気を供給させる吸気マニホールドと、前記シリンダからの排気ガスを排気させる排気マニホールドと、前記吸気マニホールドから供給される空気に気体燃料を混合させるガスインジェクタと、前記シリンダに液体燃料を噴射して燃焼させるメイン燃料噴射弁とを備え、複数の前記シリンダそれぞれに対して前記ガスインジェクタと前記メイン燃料噴射弁とを設けたエンジン装置において、
   前記シリンダ内に前記気体燃料を投入するガスモードから前記シリンダ内に前記液体燃料を投入するディーゼルモードに切り換える際、前記液体燃料の投入開始タイミングを、前記気体燃料の投入停止タイミングに対して遅延させることを特徴とするエンジン装置。
2. エンジン回転数を測定するエンジン回転センサを更に備えており、
   前記液体燃料の投入開始タイミングを前記気体燃料の投入停止タイミングに対して遅延させる遅延時間を、前記エンジン回転センサで計測された前記エンジン回転数に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載のエンジン装置。
3. 前記ガスモードにおいて、吸気工程に前記気体燃料を投入する一方、前記ディーゼルモードにおいて、圧縮工程に前記液体燃料を投入するものであって、
   前記遅延時間を、圧縮行程にかかる時間より長く、吸気行程と圧縮行程にかかる時間より短い時間で設定することを特徴とする請求項２に記載のエンジン装置。
4. 前記ガスモードにおいて、吸気工程に前記気体燃料を投入する一方、前記ディーゼルモードにおいて、圧縮工程に前記液体燃料を投入するものであって、
   前記ガスモードから前記ディーゼルモードに切り換えた後、前記圧縮行程となる前記シリンダにおいて、直前の前記吸気行程で前記気体燃料が投入されていないことを確認したときに初めて、前記液体燃料の投入を開始させることを特徴とする請求項１に記載のエンジン装置。
5. 前記気体燃料を空気に予混合させた予混合燃料を前記シリンダ内で着火させる着火装置を備えるものであって、前記ガスモード及び前記ディーゼルモードのいずれにおいても前記着火装置を動作させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンジン装置。
6. 前記気体燃料を空気に予混合させた予混合燃料を前記シリンダ内で着火させる着火装置を備えるものであって、前記ガスモードにおいて前記着火装置を動作させる一方で、前記ディーゼルモードにおいて前記着火装置を停止させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンジン装置。

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