JP2018040262A - エンジン装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パイロット噴射装置の故障を診断する。
【解決手段】ガス燃料を空気に予め混合させた予混合燃料を気筒３６内に供給して燃焼させる予混合燃焼モード並びに液体燃料を気筒３６内に噴射して燃焼させる拡散燃焼モードの両方に対応可能なエンジン装置２１と、予混合燃焼モードで気筒３６内にガス燃料を供給するガス供給装置９８と、予混合燃焼モードで気筒３６内に液体燃料を噴射するパイロット噴射装置８２と、拡散燃焼モードで気筒３６内に液体燃料を噴射するメイン噴射装置７９とを備え、拡散燃焼モードでは、メイン噴射装置７９から液体燃料を噴射すると共にパイロット噴射装置８２から液体燃料を噴射することによって、パイロット噴射装置８２の故障を診断する。
【選択図】図８

Description

本願発明は、天然ガス等のガス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、天然ガス等のガス燃料（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モードと、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モード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）。
特開２００３−２６２１３９号公報 特開２０１５−１８７４０５号公報
特許文献２に記載のデュアルフューエルエンジンは、予混合燃焼モードで気筒内にガス燃料を供給するガス供給装置と、予混合燃焼モードで気筒内に液体燃料を噴射するパイロット噴射装置と、拡散燃焼モードで気筒内に液体燃料を噴射するメイン噴射装置を備えている。パイロット噴射装置は予混合燃焼モードの際に着火のために液体燃料を噴射する。したがって、予混合燃焼モードの際にパイロット噴射装置が作動しないと燃焼そのものが実施できなくなるため、パイロット噴射装置の故障検知は重要な技術課題である。
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、ガス燃料を空気に予め混合させた予混合燃料を気筒内に供給して燃焼させる予混合燃焼モード並びに液体燃料を前記気筒内に噴射して燃焼させる拡散燃焼モードの両方に対応可能なエンジンと、前記予混合燃焼モードで前記気筒内にガス燃料を供給するガス供給装置と、前記予混合燃焼モードで前記気筒内に液体燃料を噴射するパイロット噴射装置と、前記拡散燃焼モードで前記気筒内に液体燃料を噴射するメイン噴射装置とを備えたエンジン装置であって、前記拡散燃焼モードでは、前記メイン噴射装置から液体燃料を噴射すると共に前記パイロット噴射装置から液体燃料を噴射することによって、前記パイロット噴射装置の故障を診断するものである。
本願発明のエンジン装置は、前記パイロット噴射装置の故障診断時に前記パイロット噴射装置の噴射量を増加させるようにしてもよい。
さらに、本願発明のエンジン装置は、前記故障診断時に前記パイロット噴射装置の噴射タイミングを進角させるようにしてもよい。
また、本願発明のエンジン装置は、前記パイロット噴射装置の故障を検知したときは前記予混合燃焼モードへ移行せずに前記拡散燃焼モードで作動するようにしてもよい。
また、本願発明のエンジン装置は、複数の前記気筒を備え、前記気筒ごとに前記パイロット噴射装置の故障を診断するようにしてもよい。
本願発明のエンジン装置は、拡散燃焼モードでは、メイン噴射装置から液体燃料を噴射すると共にパイロット噴射装置から液体燃料を噴射することによって、パイロット噴射装置の故障を診断するので、パイロット噴射装置の故障診断用の専用部品を別途設けることなく、パイロット噴射装置の故障を検知できる。
また、本願発明のエンジン装置は、パイロット噴射装置の故障診断時にパイロット噴射装置の噴射量を増加させるようにすれば、パイロット噴射装置が正常作動するときには気筒内に噴射される液体燃料量の増加により最高筒内圧が高くなり、パイロット噴射装置の噴射量の増加前後の筒内圧変化によりパイロット噴射装置の故障を検知できる。
さらに、本願発明のエンジン装置は、上記故障診断時にパイロット噴射装置の噴射タイミングを進角させるようにすれば、最高筒内圧が上がりやすくなり、筒内圧変化によりパイロット噴射装置の故障をより確実に診断できる。
また、本願発明のエンジン装置は、パイロット噴射装置の故障を検知したときは予混合燃焼モードへ移行せずに拡散燃焼モードで作動するようにすれば、パイロット噴射装置の故障に起因するエンジン装置の停止や出力低下を防止でき、エンジン装置を安全に作動できる。
また、本願発明のエンジンは、複数の気筒を備え、気筒ごとにパイロット噴射装置の故障を診断するようにすれば、どのパイロット噴射装置が故障しているのかを判別でき、故障しているパイロット噴射装置のみを交換するなど、メンテナンス性が向上する。
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。 同エンジン装置の制御ブロック図である。 同エンジン装置における過給機圧力比と空気流量の関係を示す図である。 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。 パイロット噴射装置チェックモード制御の一実施形態の流れを示すフローチャートである。 パイロット噴射装置チェックモード制御の他の実施形態の流れを示すフローチャートである。 パイロット噴射装置チェックモード制御のさらに他の実施形態の流れを示すフローチャートである。
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及び図２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２参照）を基準にして左右対称状に形成されている。すなわち、この実施形態では、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。この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。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、「中速」のエンジンは毎分５００〜１０００回転程度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２４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（図示省略）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（図４参照）内に送られる。また、エンジン装置２１は２基あるため、排気経路は２本存在する。各排気経路はそれぞれ延長経路（図示省略）に接続されている。延長経路はファンネル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、各排気経路及び延長経路を経由して、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にエンジン装置２１の動力を伝達する減速機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３〜図５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３は、エンジン装置２１に対する燃料系統を示す図であり、図４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５は、エンジン装置２１における制御ブロック図である。
図３に示すように、エンジン装置２１は、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、液化状態のガス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。
図４に示すように、エンジン装置２１は、シリンダブロックに複数の気筒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、ガス供給装置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からの排気ガスが、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を予混合燃焼モードで運転している場合には、ガス供給装置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３６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に流れる排気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を拡散燃焼モード仕様に最適化した場合に、予混合燃焼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、拡散燃焼モードで最適化した過給機４９を使用した状態で、予混合燃焼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、予混合燃焼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、予混合燃焼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５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、パイロット噴射装置８２、燃料噴射ポンプ８９及びガス供給装置９８を設けている。エンジン制御装置７３は、パイロット噴射装置８２、燃料噴射ポンプ８９及びガス供給装置９８それぞれに制御信号を与えて、パイロット噴射装置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、及びガス供給装置９８によるガス燃料供給それぞれを制御する。エンジン制御装置７３は、各種演算処理や制御を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、制御プログラムやデータを記憶させる記憶装置としてのＲＯＭ（Read Only Memory）、制御プログラムやデータを一時的に記憶させるためのＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイス等を備えている。
また、エンジン装置２１は、図５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、エンジン出力軸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、吸気弁及び排気弁（図示省略）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。
各パイロット噴射装置８２は円筒状のコモンレール４７を介してパイロット用燃料供給ポンプ５４に接続されている。コモンレール４７には、コモンレール４７内の燃料圧力を検知する燃料圧力センサ２０５が設けられている。エンジン制御装置７３の制御により、燃料圧力センサ２０５の出力からコモンレール４７内の燃料圧力が監視されつつ、パイロット用燃料供給ポンプ５４の燃料吐出量が調整されながら、液体燃料タンク３３（図３参照）内の燃料がパイロット用燃料供給ポンプ５４によってコモンレール４７に圧送され、高圧の燃料がコモンレール４７に蓄えられる。各パイロット噴射装置８２の制御弁をそれぞれ開閉制御することによって、コモンレール４７内の高圧の燃料が各パイロット噴射装置８２から各気筒３６に噴射される。
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６７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、エンジン出力軸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。
図４及び図５に示すように、エンジン装置２１には各気筒３６の内圧を検知する筒内圧センサ２０６が気筒３６ごとに設けられている。また、排気ポート３８内の排気ガス温度を検知する排気温度センサ２０７が排気ポート３８ごとに設けられている。各筒内圧センサ２０６及び各排気温度センサ２０７の出力はエンジン制御装置７３に入力される。
拡散燃焼モード（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、メイン噴射装置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、拡散燃焼モードにおいて、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。なお、拡散燃焼モードにおいて、パイロット噴射装置８２から燃料油が噴射されてもよい。
拡散燃焼モードにおいて、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におけるメイン噴射装置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、エンジン装置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。
予混合燃焼モード（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、ガス供給装置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、パイロット噴射装置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、ガス供給装置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、パイロット噴射装置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、予混合燃焼モードにおいて、エンジン制御装置７３は、メイン噴射装置７９による燃料油の供給を停止させている。
予混合燃焼モードにおいて、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、ガス供給装置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装置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、ガス供給装置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。
過給機４９は、拡散燃焼モード運転時におけるエンジン装置２１に対応させた容量を備えている。そのため、エンジン装置２１を予混合燃焼モードで運転する場合、過給機４９の容量を擬似的に予混合燃焼モード運転時におけるエンジン装置２１に対応させる必要がある。図６に、過給機４９における圧力比（コンプレッサ４９ｂの吐出圧力と吸入圧力の比）と空気流量（コンプレッサ４９ｂの吐出流量又は吸気マニホールド６７への給気流量）の関係を示す。図６に示すように、エンジン負荷を同一とした場合、予混合燃焼モードでの運転ポイントＰ２における圧縮比及び空気流量のそれぞれが、拡散燃焼モードでの運転ポイントＰ１よりも低くなる。
エンジン装置２１が拡散燃焼モードから予混合燃焼モードに運転を切り換えたとき、排気バイパス弁Ｖ３のみを制御して運転ポイントを変更する場合、排気バイパス弁Ｖ３を開くことで、タービン４９ａの回転数を低くして、コンプレッサ４９ｂの圧縮比及び空気流量を下げる。この場合、図６に示すように、拡散燃焼モード及び予混合燃焼モードそれぞれにおける運転ポイントＰ１，Ｐ２のベクトル量が大きく、予混合燃焼モードへの運転ポイントへの切換に時間を要する。
それに対して、給気バイパス弁Ｖ２と排気バイパス弁Ｖ３を共に制御して運転ポイントを変更する場合、給気バイパス弁Ｖ２を開いて、コンプレッサ４９ｂから吐出される圧縮空気を給気バイパス流路１７を介してコンプレッサ４９ｂの吸入口にバイパスさせると同時に、排気バイパス弁Ｖ３を開いて、タービン４９ａの回転数を低くする。即ち、給気バイパス流路１７によりコンプレッサ４９ｂの吐出口から吸入口へ圧縮空気を期間させることにより、図６に示すように、コンプレッサ４９ｂの圧縮比を下げる。従って、排気バイパス弁Ｖ３の制御によるコンプレッサ４９ｂの圧縮比の低下量を少なくすることができ、予混合燃焼モードへの運手ポイントへの切換時間を短縮できる。
図４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７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７に示すように、＃１→＃２→＃４→＃６→＃５→＃３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。エンジン装置２１が予混合燃焼モード（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供給装置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噴射装置８２による着火をそれぞれ、＃１→＃２→＃４→＃６→＃５→＃３の順に実行する。同様に、エンジン装置２１が拡散燃焼モード（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噴射装置７９からの燃料油噴射を、＃１→＃２→＃４→＃６→＃５→＃３の順に実行する。
次に、拡散燃焼モードで運転中のエンジン装置２１を予混合燃焼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８を参照して説明する。図８は、パイロット噴射装置チェックモード制御の一実施形態の流れを示すフローチャートである。
エンジン制御装置７３は、エンジン装置２１が拡散燃焼モードで運転中であって、エンジン装置２１の動力を伝達するメインクラッチが脱状態であるか否か、すなわちチェックモード前提条件が成立していることを確認する（ステップＳ１）。当該前提条件が成立していれば（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、エンジン装置２１のエンジン回転数がアイドリング正常範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２）。当該アイドリング正常範囲は、例えば、下限が毎分３５０回転程度、上限が４５０回転程度である。
エンジン装置２１のエンジン回転数がアイドリング正常範囲内であれば（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、例えば数秒程度の設定遅延時間が経過した後（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、６つのパイロット噴射装置８２についてパイロット噴射装置８２ごとに故障の診断を行う。まず、いずれかのパイロット噴射装置８２を故障診断対象とし、そのパイロット噴射装置８２が配置されている気筒３６の筒内圧を筒内圧センサ２０６により検知し、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）０を求める（ステップＳ４）。このとき、エンジン装置２１は拡散燃焼モードでアイドリング運転状態である。なお、この実施形態では、拡散燃焼モードにおいてパイロット噴射装置８２は所定噴射タイミングで少量の燃料を噴射している。
故障診断対象のパイロット噴射装置８２の燃料噴射量を増加させ、かつ噴射タイミングを進角させる（ステップＳ５）。ここで、パイロット噴射装置８２の噴射増加量は、噴射量増加による最高筒内圧の上昇を検知可能な程度、例えば最高筒内圧が５ｂａｒ（バール）以上高くなる増加量である。なお、この実施形態では、例えばパイロット噴射装置８２の噴射時間を長くすると共に、パイロット噴射装置８２を連続的に噴射させることにより、パイロット噴射装置８２の噴射量を増加させる。また、パイロット噴射装置８２の噴射タイミングを例えば５度程度進角させることにより、気筒３６の最高筒内圧が上昇しやすくなる。
エンジン制御装置７３は、パイロット噴射装置８２の噴射量が増加されている気筒３６の筒内圧を筒内圧センサ２０６により検知し、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）ｎを求める（ステップＳ６）。このとき、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動しているならば、噴射量の増加及び噴射タイミングの進角により、気筒３６内の最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）ｎは、アイドリング運転時の最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）０よりも高くなる。
エンジン制御装置７３は、最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）ｎと最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）０の圧力差を求め、その圧力差が予め設定された正常判定値（例えば５ｂａｒ）以上であるか否かを判断する（ステップＳ７）。当該圧力差が正常判定値以上であるとき（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、当該圧力差が正常判定値以上である状態が予め設定された時間以上、例えば５〜２０秒間程度継続したか否かを判断する（ステップＳ８）。当該設定時間が経過していないとき（ステップＳ８：Ｎｏ）、エンジン制御装置７３は最高筒内圧Ｐｍａｘ（ｉ）ｎの算出と、上記圧力差と正常判定値の比較を行う（ステップＳ６，Ｓ７）。上記圧力差が正常判定値以上である状態が継続したとき（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動していると判定し、パイロット噴射装置８２の噴射量及び噴射タイミングを戻す（ステップＳ９）。
エンジン制御装置７３は、すべての気筒３６についてパイロット噴射装置８２の故障チェックを行ったか否かを判断する（ステップＳ１０）。未チェックの気筒３６があるとき（ステップＳ１０：Ｎｏ）、次の気筒３６の故障チェックへ移行し（ステップＳ１１）、次の気筒３６についてパイロット噴射装置８２の故障診断処理が実行される（ステップＳ４〜Ｓ９）。すべての気筒３６についてパイロット噴射装置８２の故障チェックが実行され、かつ正常作動すると判定されたとき（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３はエンジン装置２１を予混合燃焼モードへ移行させる（ステップＳ１２）。
なお、いずれかのパイロット噴射装置８２について最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）ｎと最高筒内圧値Ｐｍａｘ（ｉ）０の圧力差が正常判定値未満であるとき（ステップＳ７：Ｎｏ）、エンジン制御装置７３はパイロット噴射装置８２が正常作動していないと判定する。そして、エンジン制御装置７３は、例えば警報ブザーを鳴動させるなど、パイロット噴射装置８２の作動が正常でない旨の警報を報知し（ステップＳ１３）、パイロット噴射装置８２の故障チェックを終了する。この場合、エンジン装置２１は予混合燃焼モードへ移行されずに、拡散燃焼モードでの作動が維持される。
このように、この実施形態は、ガス燃料を空気に予め混合させた予混合燃料を気筒３６内に供給して燃焼させる予混合燃焼モード並びに液体燃料を気筒３６内に噴射して燃焼させる拡散燃焼モードの両方に対応可能なエンジン装置２１と、予混合燃焼モードで気筒３６内にガス燃料を供給するガス供給装置９８と、予混合燃焼モードで気筒３６内に液体燃料を噴射するパイロット噴射装置８２と、拡散燃焼モードで気筒３６内に液体燃料を噴射するメイン噴射装置７９とを備え、拡散燃焼モードでは、メイン噴射装置７９から液体燃料を噴射すると共にパイロット噴射装置８２から液体燃料を噴射することによって、パイロット噴射装置８２の故障を診断するので、パイロット噴射装置８２の故障診断用の専用部品を別途設けることなく、パイロット噴射装置８２の故障を検知できる。
また、この実施形態は、気筒３６の内圧を検知する筒内圧センサ２０６を備え、パイロット噴射装置８２の故障診断時にパイロット噴射装置８２の噴射量を増加させるので、パイロット噴射装置８２が正常作動するときには気筒３６内に噴射される液体燃料量の増加により最高筒内圧が高くなり、パイロット噴射装置８２の噴射量の増加前後の筒内圧変化によりパイロット噴射装置８２の故障を検知できる。
さらに、この実施形態は、パイロット噴射装置８２の故障診断時にパイロット噴射装置８２の噴射タイミングを進角させるので、最高筒内圧が上がりやすくなり、筒内圧変化によりパイロット噴射装置８２の故障をより確実に診断できる。
また、この実施形態は、パイロット噴射装置８２の故障を検知したときは予混合燃焼モードへ移行せずに拡散燃焼モードで作動するので、パイロット噴射装置８２の故障に起因するエンジン装置２１の停止や出力低下を防止でき、エンジン装置２１を安全に作動できる。
また、この実施形態は、複数の気筒３６を備え、気筒３６ごとにパイロット噴射装置８２の故障を診断するので、どのパイロット噴射装置８２が故障しているのかを判別でき、故障しているパイロット噴射装置８２のみを交換するなど、メンテナンス性が向上する。
次に、図９を参照しながら、パイロット噴射装置チェックモード制御の他の実施形態の流れを説明する。この実施形態は、気筒３６ごとに排気ポート３８内の排気温度を測定してパイロット噴射装置８２の故障を診断する。
エンジン制御装置７３は、上記ステップＳ１〜Ｓ３と同様にして、チェックモード前提条件が成立していることを確認し（ステップＳ２１）、エンジン装置２１のエンジン回転数がアイドリング正常範囲内であるか否かを判定し（ステップＳ２２）、設定遅延時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２３）。設定遅延時間が経過した後（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、いずれかのパイロット噴射装置８２を故障診断対象とし、そのパイロット噴射装置８２が配置されている気筒３６につながる排気ポート３８内の排気ガス温度を排気温度センサ２０７により検知する。そして、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）０を求める（ステップＳ２４）。
上記ステップＳ５と同様にして故障診断対象のパイロット噴射装置８２の燃料噴射量を増加させ、かつ噴射タイミングを進角させる（ステップＳ２５）。その後、エンジン制御装置７３は、パイロット噴射装置８２の噴射量が増加されている気筒３６につながる排気ポート３８内の排気ガス温度を排気温度センサ２０７により検知し、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）ｎを求める（ステップＳ２６）。このとき、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動しているならば、噴射量の増加及び噴射タイミングの進角により、排気ポート３８内の最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）ｎはアイドリング運転時の最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）０よりも高くなる。
エンジン制御装置７３は、最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）ｎと最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）０の温度差を求め、その温度差が予め設定された正常判定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２７）。当該温度差が正常判定値以上であるとき（ステップＳ２７：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、上記ステップＳ８と同様に、当該温度差が正常判定値以上である状態が継続したか否かを判断する（ステップＳ２８）。当該温度差が正常判定値以上である状態が設定時間以上継続したとき（ステップＳ２８：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動していると判定し、パイロット噴射装置８２の噴射量及び噴射タイミングを戻す（ステップＳ２９）。
エンジン制御装置７３は、上記ステップＳ１０，Ｓ１１と同様に、未チェックの気筒３６があるときは（ステップＳ３０：Ｎｏ）、次の気筒３６の故障チェックへ移行し（ステップＳ１１）、６つの気筒３６についてパイロット噴射装置８２の故障診断処理を順に実行する（ステップＳ２４〜Ｓ２９）。すべてのパイロット噴射装置８２の正常作動を検知したとき（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３はエンジン装置２１を予混合燃焼モードへ移行させる（ステップＳ３２）。いずれかのパイロット噴射装置８２について最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）ｎと最高排気温度値Ｔｍａｘ（ｉ）０の温度差が正常判定値未満であるとき（ステップＳ２７：Ｎｏ）、エンジン制御装置７３はパイロット噴射装置８２の作動が正常でない旨の警報を報知し（ステップＳ３３）、パイロット噴射装置８２の故障チェックを終了する。
このように、この実施形態は、気筒３６につながる排気ポート３８内の排気ガス温度を検知する排気温度センサ２０７を備え、パイロット噴射装置８２の故障診断時にパイロット噴射装置８２の噴射量を増加させるので、パイロット噴射装置８２が正常作動するときには気筒３６内に噴射される液体燃料量の増加により排気ポート３８内の最高排気ガス温度が高くなり、パイロット噴射装置８２の噴射量の増加前後の排気ガス温度変化によりパイロット噴射装置８２の故障を検知できる。
次に、図１０を参照しながら、パイロット噴射装置チェックモード制御のさらに他の実施形態の流れを説明する。この実施形態は、６つのパイロット噴射装置８２について噴射量を順に増加させ、コモンレール４７内のレール内圧力の変化を検知して各パイロット噴射装置８２の故障を診断する。
この実施形態において、ステップＳ４１〜ステップＳ４３は、上記ステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ２１〜Ｓ２３と同様である。設定遅延時間の経過後（ステップＳ４３：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、いずれかのパイロット噴射装置８２を故障診断対象とすると共に、コモンレール４７内のレール内圧力を燃料圧力センサ２０５により検知する。そして、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）０を求める（ステップＳ４４）。
上記ステップＳ５と同様にして故障診断対象のパイロット噴射装置８２の燃料噴射量を増加させ、かつ噴射タイミングを進角させる（ステップＳ４５）。その後、エンジン制御装置７３は、燃料圧力センサ２０５の出力により、エンジン出力軸２４が少なくとも１回転したときの最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）ｎを求める（ステップＳ４６）。このとき、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動しているならば、パイロット噴射装置８２の噴射量の増加により、最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）ｎはアイドリング運転時の最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）０よりも低くなる。
エンジン制御装置７３は、最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）０と最低レール内圧力値Ｐｍｉｎ（ｉ）ｎの圧力差を求め、その圧力差が予め設定された正常判定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ４７）。当該圧力差が正常判定値以上である状態が設定時間以上継続したとき（ステップＳ４８：Ｙｅｓ）、エンジン制御装置７３は、故障診断対象のパイロット噴射装置８２が正常に作動していると判定し、パイロット噴射装置８２の噴射量及び噴射タイミングを戻す（ステップＳ４９）。
エンジン制御装置７３は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３と同様に、未チェックの気筒３６の有無の判定（ステップＳ５０）、次の気筒３６の故障チェックへの移行（ステップＳ５１）、エンジン装置２１の予混合燃焼モードへの移行（ステップＳ５２）、パイロット噴射装置８２の作動が正常でない旨の警報の報知（ステップＳ３３）を適宜行う。
このように、この実施形態は、コモンレール４７内の燃料圧力を検知する燃料圧力センサ２０５を備え、パイロット噴射装置８２の故障診断時にパイロット噴射装置８２の噴射量を増加させるので、パイロット噴射装置８２が正常作動するときには気筒３６内に噴射される液体燃料量の増加によりコモンレール４７内の最低レール内圧力が低くなり、パイロット噴射装置８２の噴射量の増加前後のレール内圧力変化によりパイロット噴射装置８２の故障を検知できる。
なお、図８〜図１０を参照して説明した各実施形態では、ステップＳ５，Ｓ２５，Ｓ４５において、故障診断対象のパイロット噴射装置８２の燃料噴射量が増加され、かつ噴射タイミングが進角されているが、アイドリング運転状態と比較して噴射タイミングは進角されずに噴射量が増加されてもよい。
また、ステップＳ１，Ｓ２１，Ｓ４１におけるチェックモード前提条件として、（Ａ）拡散燃焼モードで運転中であること、及び（Ｂ）メインクラッチ脱であることの他に、別の条件が課されてもよい。例えば、（Ｃ）エンジン装置２１の始動開始後から所定時間が経過していること、（Ｄ）パイロット噴射装置８２の故障診断で全てのパイロット噴射装置８２が正常であると判定されていないこと、（Ｅ）パイロット噴射装置８２が遮断されていないこと、（Ｆ）コモンレール４７のレール圧がフィードバック制御（ＰＩＤ制御）されていること、（Ｇ）エンジン装置２１のウォータージャケット水温が所定値以上であること、（Ｈ）筒内圧センサ２０６に異常がないこと、（Ｉ）緊急状態などの拡散燃焼モードで運転すべき状態でないことなどの条件が課されてもよい。
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。
２１ エンジン装置
３６ 気筒
７９ メイン噴射装置
８２ パイロット噴射装置
９８ ガス供給装置
２０６ 筒内圧センサ

Claims (5)

  1. ガス燃料を空気に予め混合させた予混合燃料を気筒内に供給して燃焼させる予混合燃焼モード並びに液体燃料を前記気筒内に噴射して燃焼させる拡散燃焼モードの両方に対応可能なエンジンと、前記予混合燃焼モードで前記気筒内にガス燃料を供給するガス供給装置と、前記予混合燃焼モードで前記気筒内に液体燃料を噴射するパイロット噴射装置と、前記拡散燃焼モードで前記気筒内に液体燃料を噴射するメイン噴射装置とを備えたエンジン装置において、
    前記拡散燃焼モードでは、前記メイン噴射装置から液体燃料を噴射すると共に前記パイロット噴射装置から液体燃料を噴射することによって、前記パイロット噴射装置の故障を診断する、
    エンジン装置。
  2. 前記パイロット噴射装置の故障診断時に前記パイロット噴射装置の噴射量を増加させる、
    請求項１に記載のエンジン装置。
  3. 前記故障診断時に前記パイロット噴射装置の噴射タイミングを進角させる、
    請求項２に記載のエンジン装置。
  4. 前記パイロット噴射装置の故障を検知したときは前記予混合燃焼モードへ移行せずに前記拡散燃焼モードで作動する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン装置。
  5. 複数の前記気筒を備え、前記気筒ごとに前記パイロット噴射装置の故障を診断する、
    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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