JP2023009686A - デュアルフューエルエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料をスムーズに切り替えること。【解決手段】デュアルフューエルエンジンシステムは、液体燃料および気体燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、デュアルフューエルエンジンの制御装置であって、デュアルフューエルエンジンの燃料を液体燃料と気体燃料との間で切り替える場合に、液体燃料と気体燃料との間の燃料比率、燃料および吸気を含む混合気の圧縮比、ならびに、パイロット燃料の噴射時期を調整する、制御装置と、を備える。【選択図】図５

Description

本開示は、デュアルフューエルエンジンシステムに関する。

デュアルフューエルエンジンは、例えば液体燃料および気体燃料を使用する。例えば、特許文献１は、ディーゼル運転とガス運転とを選択することができるデュアルフューエルエンジンを開示する。このエンジンは、主燃焼室における有効圧縮比を調節可能な圧縮比制御弁を備える。エンジンがディーゼル運転からガス運転に切り替えられるとき、液体燃料の噴射量がパイロット量の設定値まで徐々に減らされると共に、主燃料がガス燃料に切り替えられる。この切替操作と同時に、ガス運転時のエンジンの運転状況に応じた有効圧縮比が得られるように、圧縮比制御弁が制御される。

特開２００２－４８９９号公報

デュアルフューエルエンジンでは、燃料が液体燃料と気体燃料との間で切り替えられるときに、モード移行の遅れまたは失火等の問題が起こる場合があり、燃料をスムーズに切り替えることができない可能性がある。

本開示は、燃料をスムーズに切り替えることができるデュアルフューエルエンジンシステムを開示することを目的とする。

本開示の一態様に係るデュアルフューエルエンジンシステムは、液体燃料および気体燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、デュアルフューエルエンジンの制御装置であって、デュアルフューエルエンジンの燃料を液体燃料と気体燃料との間で切り替える場合に、液体燃料と気体燃料との間の燃料比率、燃料および吸気を含む混合気の圧縮比、ならびに、パイロット燃料の噴射時期を調整する、制御装置と、を備える。

制御装置は、デュアルフューエルエンジンの燃料を液体燃料から気体燃料へ切り替える場合に、燃料比率、圧縮比、および、パイロット燃料の噴射時期を同時期に調整してもよい。

制御装置は、デュアルフューエルエンジンの燃料を液体燃料から気体燃料へ切り替える場合に、燃料比率、および、パイロット燃料の噴射時期の切替が完了する前に圧縮比の切替を完了してもよい。

制御装置は、液体燃料および気体燃料の合計の発熱量が、デュアルフューエルエンジンの運転状態に応じて要求される発熱量に対応するように、燃料比率を調整してもよい。

制御装置は、デュアルフューエルエンジンの燃料を気体燃料から液体燃料へ切り替える場合に、まず、燃料比率を調整し、続いて、圧縮比およびパイロット燃料の噴射時期を調整してもよい。

デュアルフューエルエンジンは、ピストンロッドと、ピストンロッドに接続されるクロスヘッドであって、当該クロスヘッドからのピストンロッドの突出長さを変更させる液圧を生じさせる液体の流路を含む、クロスヘッドと、を含んでもよく、制御装置は、ピストンロッドの突出長さを変更することによって、幾何学的圧縮比を調整してもよい。

デュアルフューエルエンジンは、２ストロークエンジンであってもよく、制御装置は、デュアルフューエルエンジンの排気弁の開弁時期を、幾何学的圧縮比に応じて調整してもよい。

制御装置は、デュアルフューエルエンジンの排気弁の閉弁時期を、幾何学的圧縮比に応じて調整してもよい。

本開示の他の態様に係るデュアルフューエルエンジンシステムは、液体燃料および気体燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、デュアルフューエルエンジンの制御装置であって、デュアルフューエルエンジンの燃料を液体燃料と気体燃料との間で切り替える場合に、液体燃料と気体燃料との間の燃料比率、ならびに、燃料および吸気を含む混合気の圧縮比を調整する、制御装置と、を備える。

本開示によれば、燃料をスムーズに切り替えることができる。

図１は、デュアルフューエルエンジンシステムの概略図である。 図２は、ピストンロッドが第１の位置にあるときの図１中のＸ部の概略的な拡大図である。 図３は、図２中のIII－III線に沿った概略的な断面図である。 図４は、ピストンロッドが第２の位置にあるときの図１中のＸ部の概略的な拡大図である。 図５は、運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行するときのパラメータの変化を説明するグラフを示す。 図６は、運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行するときのパラメータの変化を説明するグラフを示す。 図７は、運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行するときの制御装置の動作を示すフローチャートである。 図８は、運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行するときの制御装置の動作を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、デュアルフューエルエンジンシステム１００の概略図である。本実施形態では、デュアルフューエルエンジンシステム１００は、２サイクルのデュアルフューエルエンジンＥに適用される。他の実施形態では、デュアルフューエルエンジンＥは、４サイクルであってもよい。以下では、デュアルフューエルエンジンシステム１００は、単に「システム」と称され、デュアルフューエルエンジンＥは、単に「エンジン」と称される。システム１００は、エンジンＥと、制御装置５０と、を備える。

本実施形態では、エンジンＥは、シリンダ１の内部を作動気体が一方向に流れるユニフロー掃気式のエンジンである。例えば、エンジンＥは、船舶で使用される。エンジンＥは、シリンダ１と、シリンダヘッド２と、ピストン３と、ピストンロッド４と、クロスヘッド５と、連結棒６と、シリンダジャケット７と、を備える。

シリンダ１は、ピストン３を収容する。ピストン３は、シリンダ１内を往復運動する。シリンダ１の第１の端部１ａは、シリンダヘッド２によって閉じられる。シリンダ１、シリンダヘッド２およびピストン３によって、燃焼室Ｒが画定される。シリンダ１の第２の端部１ｂは、シリンダジャケット７内に配置される。ピストン３は、ピストンロッド４の第１の端部４ａに連結される。ピストンロッド４の第２の端部４ｂは、クロスヘッド５に連結される。

本開示において、クロスヘッド５から突出するピストンロッド４の長さは、「突出長さ」と称される。また、ピストンロッド４が延在する方向、すなわち、ピストン３が往復運動する方向は、「ストローク方向」と称される。詳しくは後述するように、本実施形態では、ピストン３の上死点位置および下死点位置が、圧縮比可変機構Ｍによって変更可能である。

クロスヘッド５は、ピストン３と共に往復運動する。クロスヘッド５は、クロスヘッドピン５ａと、クロスヘッドシュー５ｂと、を含む。クロスヘッドピン５ａは、ピストンロッド４に連結される。クロスヘッドシュー５ｂは、往復運動方向に垂直な方向におけるクロスヘッド５の移動を規制する。クロスヘッドピン５ａは、連結棒６の一端に連結される。連結棒６の他端は、不図示のクランクシャフトに連結される。

上記のようなエンジンＥでは、燃焼室Ｒ内で燃料と吸気との混合気が燃焼される。ピストン３は、燃焼によってシリンダ１内を往復運動する。ピストン３の１往復運動の間に、排気、吸気、圧縮および燃焼膨張が行われる。クロスヘッド５は、ピストン３と共に往復運動する。クロスヘッド５の往復移動は、連結棒６を介してクランクシャフトの回転運動に変換される。

シリンダヘッド２は、排気ポート２１と、排気弁２２と、を含む。排気ポート２１は、燃焼室Ｒで生じた排気ガスを排気管８に導く。排気弁２２は、排気ポート２１を開閉する。排気弁２２の動作は、駆動装置Ａによって制御される。駆動装置Ａは、制御装置５０に通信可能に接続されており、制御装置５０によって制御される。排気管８内の排気ガスは、過給機Ｃのタービンに供給され、そして外部に排気される。

シリンダ１は、複数の掃気ポート１１を含む。シリンダ１において、掃気ポート１１は、シリンダジャケット７内の領域に形成される。掃気ポート１１は、シリンダ１の外周面から内周面まで貫通する貫通孔である。複数の掃気ポート１１は、シリンダ１の周方向に沿って互いに離間する。掃気ポート１１は、ピストン３の摺動動作に応じて、シリンダ１内に活性ガスを吸気する。活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気体を含む。例えば、活性ガスは、空気である。

シリンダジャケット７は、掃気溜９に連通する。掃気溜９は、過給機Ｃのコンプレッサから加圧された活性ガスを受け取る。掃気溜９には、冷却器９１が設けられる。冷却器９１は、掃気溜９内の活性ガスを冷却する。冷却された活性ガスは、シリンダジャケット７の掃気室７１内に流れる。掃気室７１とシリンダ１との差圧によって、掃気ポート１１からシリンダ１に活性ガスが吸気される。

シリンダヘッド２には、第１噴射弁Ｖ１が設けられる。第１噴射弁Ｖ１は、燃焼室Ｒに液体燃料を噴射する。例えば、液体燃料は、 重油や軽油であってもよい。第１噴射弁Ｖ１は、制御装置５０に通信可能に接続されており、液体燃料の噴射量および噴射時期が制御装置５０によって制御される。

シリンダ１には、第２噴射弁Ｖ２が設けられる。本実施形態では、第２噴射弁Ｖ２は、ピストン３の上死点から離れた領域に設けられる。具体的には、第２噴射弁Ｖ２は、シリンダ１の中心軸線方向において概ね中間の領域において、シリンダジャケット７の外側に設けられる。他の実施形態では、第２噴射弁Ｖ２は、シリンダジャケット７の内側において掃気ポート１１の近くの領域に設けられてもよい。図１には示されないが、複数の第２噴射弁Ｖ２が、シリンダ１の周方向に互いに離間して配置されてもよい。第２噴射弁Ｖ２は、燃焼室Ｒに気体燃料を噴射する。例えば、気体燃料は、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）、アンモニア，水素，軽油または重油をガス化することによって生成されてもよい。第２噴射弁Ｖ２は、制御装置５０に通信可能に接続されており、気体燃料の噴射量および噴射時期が制御装置５０によって制御される。

エンジンＥは、運転モードとして、第１噴射弁Ｖ１からの液体燃料を使用する液体燃料モードを有する。また、エンジンＥは、他の運転モードとして、第２噴射弁Ｖ２からの気体燃料を主燃料として使用する気体燃料モードを有する。エンジンＥは、液体燃料モードと気体燃料モードとの間で運転モードを移行する。

液体燃料モードでは、第１噴射弁Ｖ１が、液体燃料を主燃料として燃焼室Ｒに噴射する。また、第１噴射弁Ｖ１は、少量の液体燃料を、主燃料よりも先にパイロット燃料として燃焼室Ｒに噴射する。液体燃料モードでは、ピストン３は、液体燃料の燃焼による膨張圧によって往復移動する。

気体燃料モードでは、第２噴射弁Ｖ２が、気体燃料を主燃料として燃焼室Ｒに噴射する。また、第１噴射弁Ｖ１が、少量の液体燃料を、主燃料よりも先にパイロット燃料として燃焼室Ｒに噴射する。気体燃料モードでは、ピストン３は、主に気体燃料の燃焼による膨張圧によって往復移動する。

一般的に、気体燃料は、液体燃料に比して容易に燃焼し、より低い圧縮比で燃焼する。したがって、液体燃料に適した圧縮比と、気体燃料に適した圧縮比とは、互いに異なる。本実施形態では、エンジンＥは、燃料に応じて、圧縮比を幾何学的に変更させるための圧縮比可変機構Ｍを備える。

図２は、ピストンロッド４が第１の位置Ｐ１にあるときの図１中のＸ部の概略的な拡大図である。図２に示される第１の位置Ｐ１では、ピストンロッド４の突出長さは最も長い。また、図３は、図２中のIII－III線に沿った概略的な断面図である。図２および図３は、圧縮比可変機構Ｍを示す。

図２を参照して、ピストンロッド４の第２の端部４ｂは、クロスヘッドピン５ａに摺動可能に連結される。具体的には、ピストンロッド４は、第２の端部４ｂに近い順に、小径部４１と、大径部４２と、中径部４３と、を含む。小径部４１は、ピストンロッド４の第２の端部４ｂを含む。大径部４２は、小径部４１に連続して形成される。大径部４２の直径は、小径部４１の直径よりも大きい。中径部４３は、大径部４２に連続して形成される。中径部４３の直径は、小径部４１の直径よりも大きく、かつ、大径部４２の直径よりも小さい。

クロスヘッドピン５ａは、ストローク方向に延在する連結孔５１を含む。連結孔５１は、後述するように、油圧室を規定する。連結孔５１は、大径孔５１ａと、小径孔５１ｂと、を含む。

大径孔５１ａは、ピストンロッド４の大径部４２を収容するように構成される。大径孔５１ａは、ピストンロッド４の大径部４２の直径と略同じまたは若干大きな直径を有する。大径孔５１ａと大径部４２との間には、Ｏリング等のシール部材が設けられてもよい。このような構成によって、大径部４２は、大径孔５１ａを封止し、かつ、大径孔５１ａ内を摺動する。

小径孔５１ｂは、ピストンロッド４の小径部４１を収容するように構成される。小径孔５１ｂは、ピストンロッド４の小径部４１の直径と略同じまたは若干大きな直径を有する。小径孔５１ｂと小径部４１との間には、Ｏリング等のシール部材が設けられてもよい。このような構成によって、小径部４１は、小径孔５１ｂを封止し、かつ、小径孔５１ｂ内を摺動する。

図３を参照して、クロスヘッドピン５ａは、ストローク方向に延在する溝５１ｃを含む。溝５１ｃは、連結孔５１に連続して形成される。溝５１ｃは、固定蓋５２を収容する。連結孔５１は、固定蓋５２によって液密に閉じられる。固定蓋５２は、貫通孔５２ａを含む。貫通孔５２ａは、ピストンロッド４の中径部４３の直径と略同じまたは若干大きな直径を有する。貫通孔５２ａと中径部４３との間には、Ｏリング等のシール部材が設けられてもよい。このような構成によって、中径部４３は、貫通孔５２ａを封止し、かつ、貫通孔５２ａ内を摺動する。以上のような構成によって、ピストンロッド４の第２の端部４ｂが、クロスヘッドピン５ａに摺動可能に連結される。

クロスヘッドピン５ａは、第１油圧室５３ａおよび第２油圧室５３ｂを含む。具体的には、大径孔５１ａが、ピストンロッド４の大径部４２によって、小径部４１を部分的に収容する第１油圧室５３ａと、中径部４３を部分的に収容する第２油圧室５３ｂと、に仕切られる。

図２を参照して、第１油圧室５３ａは、第１油路５４ａおよび第２油路５４ｂに接続される。第１油路５４ａは、不図示のポンプに連通する。第２油路５４ｂは、不図示のスピル弁に連通する。第２油圧室５３ｂは、補助油路５４ｃに接続される。補助油路５４ｃは、不図示のポンプに連通する。

第１油路５４ａから第１油圧室５３ａに作動油が供給され、かつ、第２油路５４ｂに接続されるスピル弁が閉じられる場合、ピストンロッド４は、図２に示される第１の位置Ｐ１を維持する。

図４は、ピストンロッド４が第２の位置Ｐ２にあるときの図１中のＸ部の概略的な拡大図である。図４に示される第２の位置Ｐ２では、ピストンロッド４の突出長さは、最も短い。第１の位置Ｐ１において、第２油路５４ｂに接続されるスピル弁が開かれると、第１油圧室５３ａ内の作動油は、第２油路５４ｂを介して第１油圧室５３ａから排出される。作動油が第１油圧室５３ａから排出されると、ピストンロッド４の第２の端部４ｂは、第１の位置Ｐ１から、図４に示される第２の位置Ｐ２に移動する。

図４に示す状態においてピストン３が上死点に到達したとき、ピストンロッド４は、第２油圧室５３ｂの幅の分だけ遊びを有する。したがって、ピストンロッド４の慣性力が大きい場合には、ピストンロッド４が第２油圧室５３ｂ内の作動油を圧縮して、クロスヘッドピン５ａに対して第１の位置Ｐ１に移動してしまう可能性がある。ピストンロッド４が移動すると、ピストン３の上死点の位置がずれる。このようなずれを低減するために、第２油圧室５３ｂには、補助油路５４ｃを介して油圧ポンプから油圧が供給される。したがって、ピストンロッド４は、図４に示される第２の位置Ｐ２を維持する。

上記のように、ピストンロッド４とクロスヘッドピン５ａとの間の相対的な位置、すなわち、ピストンロッド４の突出長さを変化させることによって、ピストン３の上死点および下死点の位置が変化する。圧縮比可変機構Ｍは、ピストン３の上死点および下死点の位置を変化させることで、エンジンＥの幾何学的圧縮比を調整する。本開示において、「幾何学的圧縮比」とは、下死点における燃焼室Ｒの容量を、上死点における燃焼室Ｒの容量によって割った値を意味する。

上記の圧縮比可変機構Ｍのポンプおよびスピル弁等の構成要素は、制御装置５０と通信可能に接続されており、ピストンロッド４の突出長さ、すなわち、ピストン３の上死点および下死点の位置が、制御装置５０によって制御される。すなわち、制御装置５０は、幾何学的圧縮比を制御する。なお、圧縮比可変機構Ｍは、上記の構成に限定されず、液圧によってピストンロッド４とクロスヘッドピン５ａとの相対的な位置を変更することができる限りにおいて、様々な構成であることができる。

図１を参照して、制御装置５０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）を含む。制御装置５０は、例えば、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ）５０ａ、記憶装置（例えば、ハードディスク、プログラム等が格納されたＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ）５０ｂ、および、コネクタ５０ｃ等の構成要素を含み、システム１００を制御する。制御装置５０は、他の構成要素を更に含んでもよい（例えば、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置）。例えば、以下に示される制御装置５０の動作は、記憶装置５０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ５０ａに実行することによって、実現されてもよい。

制御装置５０は、液体燃料モードおよび気体燃料モードに応じて、液体燃料と気体燃料との間の噴射比率、および、混合気の圧縮比を調整する。また、本実施形態では、制御装置５０は、液体燃料モードおよび気体燃料モードに応じて、パイロット燃料の噴射時期をさらに調整する。また、本実施形態では、制御装置５０は、液体燃料モードおよび気体燃料モードに応じて、排気弁２２の閉弁時期および開弁時期をさらに調整する。

図５は、運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行するときのパラメータの変化を説明するグラフを示す。図５は、上から順番に、燃料比率、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期、および、排気弁動作時期のグラフを示す。各グラフにおいて、横軸は時刻を示す。燃料比率のグラフにおいて、実線は液体燃料の比率を示し、破線は気体燃料の比率を示す。パイロット燃料としての液体燃料の比率は、図５には示されない。排気弁動作時期のグラフにおいて、実線は排気弁２２の開弁時期を示し、破線は排気弁２２の閉弁時期を示す。

図５において、エンジンＥは、時刻ｔ１より前は液体燃料モードで運転する。したがって、気体燃料の比率は０である。圧縮比、液体燃料の噴射時期および排気弁の動作時期の各々は、液体燃料モードに適した値に設定される。

制御装置５０は、時刻ｔ１において、エンジンＥの運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行させる。図５では、移行は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に実行される。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の期間は、ピストン３の数往復分を含んでもよい。

制御装置５０は、液体燃料の比率を減少させると共に、気体燃料の比率を増加させるように、第１噴射弁Ｖ１および第２噴射弁Ｖ２を制御する。液体燃料および気体燃料の比率は、液体燃料および気体燃料の合計の発熱量が、エンジンＥの運転状態に応じて要求される発熱量に対応するように、調整される。このような構成によって、エンジンＥの燃料が液体燃料から気体燃料に切り替えられる。

気体燃料の比率が増加するのに伴って、制御装置５０は、ピストンロッド４の突出長さを短くするように、すなわち、幾何学的圧縮比を低下させるように、圧縮比可変機構Ｍを制御する。このような構成によって、ノッキング等の異常燃焼が防止される。

また、制御装置５０は、パイロット燃料の噴射時期を早めるように、第１噴射弁Ｖ１を制御する。気体燃料モードでは、液体燃料モードに比べて、ノッキングもしくは過早着火のような異常燃焼または失火が生じやすい。したがって、気体燃料モードでは、パイロット燃料の噴射時期を早めて燃焼を制御することが有効となる。図５では、制御装置５０は、パイロット燃料の噴射時期を時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に徐々に早める。他の実施形態では、制御装置５０は、噴射時期を時刻ｔ１において瞬時に早めてもよい。

また、制御装置５０は、排気弁２２の閉弁時期および開弁時期の各々を遅らせるように、排気弁２２を制御する。

排気弁２２の閉弁時期を遅らせることによって、混合気の有効圧縮比をさらに低減させることが可能である。このような構成によって、ノッキング等の異常燃焼がさらに防止される。本開示において、「有効圧縮比」とは、混合気が実際に圧縮され始めるとき、すなわち排気弁２２が閉じるときの燃焼室Ｒの容量を、上死点における燃焼室Ｒの容積によって割った値を意味する。例えば、制御装置５０の記憶装置５０ｂは、幾何学的圧縮比と排気弁２２の閉弁時期との間の関係を示すテーブルを記憶してもよく、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の閉弁時期をテーブルから読み出してもよい。

排気弁２２の開弁時期を遅らせることによって、混合気の有効膨張比を増加させることができる。本開示において、「有効膨張比」とは、混合気が実際に膨張し終わるとき、すなわち排気弁２２を開けるときの燃焼室Ｒの容量を、上死点における燃焼室Ｒの容積によって割った値を意味する。例えば、制御装置５０の記憶装置５０ｂは、幾何学的圧縮比と排気弁２２の開弁時期との間の関係を示すテーブルを記憶してもよく、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の開弁時期をテーブルから読み出してもよい。

図５に示されるように、運転モードが液体燃料モードから気体燃料モードへ移行されるときには、燃料比率、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期、および、排気弁動作時期は、同時期にかつ徐々に切り替えられる。このような構成によれば、エンジンＥの出力の変動を抑制することができる。

運転モードが液体燃料モードから気体燃料モード移行されるときには、燃料比率、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期、および、排気弁動作時期のうち、幾何学的圧縮比の切替を時刻ｔ２よりも早く完了させてもよい。エンジンＥの運転状況によっては、圧縮比の変化が図５のように比例関係にならないことがあり、全てのパラメータを同じ時間軸で制御することが難しくなる場合がある。よって、幾何学的圧縮比の切替を早く完了することにより、エンジンＥのロバスト性を向上させることができる。また、幾何学的圧縮比のほか、パイロット燃料噴射時期の切替についても時刻ｔ２より早く完了させてもよい。

図６は、運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行するときのパラメータの変化を説明するグラフを示す。図６は、図５と同様に、上から順番に、燃料比率、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期、および、排気弁動作時期のグラフを示す。各グラフにおいて、横軸は時刻を示す。燃料比率のグラフにおいて、実線は液体燃料の比率を示し、破線は気体燃料の比率を示す。パイロット燃料としての液体燃料の比率は、図６には示されない。排気弁動作時期のグラフにおいて、実線は排気弁２２の開弁時期を示し、破線は排気弁２２の閉弁時期を示す。

図６において、エンジンＥは、時刻ｔ３より前は気体燃料モードで運転する。したがって、液体燃料の比率は０である。圧縮比、液体燃料の噴射時期および排気弁の動作時期の各々は、気体燃料モードに適した値に設定される。

制御装置５０は、時刻ｔ３において、エンジンＥの運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行させる。図５では、移行は、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの間に実行される。例えば、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの間の期間は、ピストン３の数往復分を含んでもよい。

制御装置５０は、気体燃料の比率を減少させると共に、液体燃料の比率を増加させるように、第１噴射弁Ｖ１および第２噴射弁Ｖ２を制御する。このような構成によって、エンジンＥの燃料が気体燃料から液体燃料に切り替えられる。図６では、燃料の切り替えは、時刻ｔ５よりも前の時刻ｔ４までに素早く完了される。例えば、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間の期間は、ピストン３の１往復分であってもよい。

燃料が切り替えられた後に、制御装置５０は、ピストンロッド４の突出長さを長くするように、すなわち、幾何学的な圧縮比を増加させるように、圧縮比可変機構Ｍを制御する。このような構成によって、失火等の異常燃焼が防止される。

また、制御装置５０は、パイロット燃料の噴射時期を遅くするように、第１噴射弁Ｖ１を制御する。

また、制御装置５０は、排気弁２２の閉弁時期および開弁時期の各々を早めるように、排気弁２２を制御する。上記のように、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の開弁時期および閉弁時期を各テーブルから読み出してもよい。

図６に示されるように、運転モードが液体燃料モードから気体燃料モードへ移行されるときには、まず、燃料比率が、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に素早く調整され、その後、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期および排気弁動作時期が、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間に徐々に調整される。気体燃料の燃焼は、液体燃料の燃焼よりも不安定な場合があり、失火等の燃焼異常に繋がり得る。上記の構成によれば、気体燃料モードにおいて燃焼異常が起きた場合に、燃料を気体燃料から液体燃料に素早く切り替えることができる。他の実施形態では、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期および排気弁動作時期は、それぞれ別々の期間に調整されてもよい。さらに他の実施形態では、燃料比率は、幾何学的圧縮比、パイロット燃料噴射時期および排気弁動作時期と同時期に、徐々に調整されてもよい。

続いて、システム１００の動作について説明する。

図７は、運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行するときの制御装置５０の動作を示すフローチャートである。図７に示される動作は、例えば、運転モードを液体燃料モードから気体燃料モードへ移行するよう、オペレータから指示が入力されたら開始されてもよい。

プロセッサ５０ａは、第１噴射弁Ｖ１および第２噴射弁Ｖ２を制御して、液体燃料および気体燃料の比率を調整する（ステップＳ１００）。具体的には、プロセッサ５０ａは、液体燃料の比率を減少させるように第１噴射弁Ｖ１を制御し、かつ、気体燃料の比率を増加させるように第２噴射弁Ｖ２を制御する。

ステップＳ１００と並行して、プロセッサ５０ａは、圧縮比可変機構Ｍを制御して、幾何学的圧縮比を調整する（ステップＳ１０２）。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比を低下させるように、圧縮比可変機構Ｍを制御する。

ステップＳ１００，Ｓ１０２と並行して、プロセッサ５０ａは、第１噴射弁Ｖ１を制御して、パイロット燃料の噴射時期を調整する（ステップＳ１０４）。具体的には、プロセッサ５０ａは、パイロット燃料の噴射時期を早めるように、第１噴射弁Ｖ１を制御する。

ステップＳ１００～Ｓ１０４と並行して、プロセッサ５０ａは、駆動装置Ａを制御して、排気弁２２の閉弁時期を調整する（ステップＳ１０６）。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の閉弁時期をテーブルから読み出して、読み出した時期に基づいて、排気弁２２の閉弁時期を遅らせるように、駆動装置Ａを制御する。

ステップＳ１００～Ｓ１０６と並行して、プロセッサ５０ａは、駆動装置Ａを制御して、排気弁２２の開弁時期を調整し（ステップＳ１０８）、一連の動作を終了する。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の開弁時期をテーブルから読み出して、読み出した時期に基づいて、排気弁２２の開弁時期を遅らせるように、駆動装置Ａを制御する。

図８は、運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行するときの制御装置５０の動作を示すフローチャートである。図８に示される動作は、図７に示される動作と同様、例えば、運転モードを気体燃料モードから液体燃料モードへ移行するよう、オペレータから指示が入力されたら開始されてもよい。

プロセッサ５０ａは、第１噴射弁Ｖ１および第２噴射弁Ｖ２を制御して、液体燃料および気体燃料の比率を調整する（ステップＳ２００）。具体的には、プロセッサ５０ａは、液体燃料の比率を増加させるように第１噴射弁Ｖ１を制御し、かつ、気体燃料の比率を減少させるように第２噴射弁Ｖ２を制御する。

ステップＳ２００の後に、プロセッサ５０ａは、圧縮比可変機構Ｍを制御して、幾何学的圧縮比を調整する（ステップＳ２０２）。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比を増加させるように、圧縮比可変機構Ｍを制御する。

ステップＳ２０２と並行して、プロセッサ５０ａは、第１噴射弁Ｖ１を制御して、パイロット燃料の噴射時期を調整する（ステップＳ２０４）。具体的には、プロセッサ５０ａは、パイロット燃料の噴射時期を遅らせるように、第１噴射弁Ｖ１を制御する。

ステップＳ２０２，Ｓ２０４と並行して、プロセッサ５０ａは、駆動装置Ａを制御して、排気弁２２の閉弁時期を調整する（ステップＳ２０６）。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の閉弁時期をテーブルから読み出して、読み出した時期に基づいて、排気弁２２の閉弁時期を早めるように、駆動装置Ａを制御する。

ステップＳ２０２～Ｓ２０６と並行して、プロセッサ５０ａは、駆動装置Ａを制御して、排気弁２２の開弁時期を調整し（ステップＳ２０８）、一連の動作を終了する。具体的には、プロセッサ５０ａは、幾何学的圧縮比に応じて、排気弁２２の開弁時期をテーブルから読み出して、読み出した時期に基づいて、排気弁２２の開弁時期を早めるように、駆動装置Ａを制御する。

以上のようなシステム１００は、液体燃料および気体燃料を使用するエンジンＥと、エンジンＥの制御装置５０であって、エンジンＥの燃料を液体燃料と気体燃料との間で切り替える場合に、液体燃料と気体燃料との間の燃料比率、ならびに、燃料および吸気を含む混合気の圧縮比、例えば、幾何学的圧縮比および有効圧縮比を調整する、制御装置５０と、を備える。上記のように、気体燃料は、液体燃料に比して容易に燃焼し、より低い圧縮比で燃焼する。したがって、液体燃料に適した圧縮比と、気体燃料に適した圧縮比とは、互いに異なる。システム１００の構成によれば、燃料を切り替えるときに、燃料の比率に加えて、圧縮比が調整される。したがって、燃料を切り替えるときに、燃料比率に応じた圧縮比が使用される。よって、ノッキングまたは失火等の燃焼異常を抑制して、燃料をスムーズに切り替えることができる。

また、システム１００では、制御装置５０は、パイロット燃料の噴射時期をさらに調整する。したがって、使用される燃料比率に応じて、混合気を最適な時期に着火することができる。

また、システム１００では、制御装置５０は、エンジンＥの燃料を液体燃料から気体燃料へ切り替える場合に、燃料比率、圧縮比、および、パイロット燃料の噴射時期を同時期に調整する。このような構成によれば、エンジンＥの出力の変動を抑制することができる。

また、システム１００では、制御装置５０は、エンジンＥの燃料を液体燃料から気体燃料へ切り替える場合に、液体燃料および気体燃料の合計の発熱量が、エンジンＥの運転状態に応じて要求される発熱量に対応するように、燃料比率を調整する。このような構成によれば、エンジンＥの出力の変動を抑制することができる。

また、システム１００では、制御装置５０は、エンジンＥの燃料を気体燃料から液体燃料へ切り替える場合に、まず燃料比率を調整し、続いて、圧縮比およびパイロット燃料の噴射時期を調整する。このような構成によれば、気体燃料モードにおいて燃焼異常が起きた場合に、燃料を、気体燃料からより安定した液体燃料に素早く切り替えることができる。

また、システム１００では、エンジンＥは、ピストンロッド４と、ピストンロッド４に接続されるクロスヘッド５であって、当該クロスヘッド５からのピストンロッド４の突出長さを変更させる油圧を生じさせる作動油の流路５３ａ，５３ｂ，５４ａ、５４ｂ、５４ｃを含む、クロスヘッド５と、を含み、制御装置５０は、ピストンロッド４の突出長さを変更することによって、幾何学的圧縮比を調整する。このような構成によれば、圧縮比をよりフレキシブルに調整することができる。

また、システム１００では、エンジンＥは、２ストロークエンジンであり、制御装置５０は、エンジンＥの排気弁２２の開弁時期を、幾何学的圧縮比に応じて調整する。このような構成によれば、エンジンＥの運転状況に応じて、有効膨張比を調整することができる。

また、システム１００では制御装置５０は、エンジンＥの排気弁２２の閉弁時期を、幾何学的圧縮比に応じて調整する。このような構成によれば、エンジンＥの運転状況に応じて、有効圧縮比を調整することができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、上記に示される制御装置５０の動作は、上記の順番で実施されなくてもよく、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、異なる順番で実施されてもよい。

本開示は、複数種類の燃料の使用を促進するので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」および目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することができる。

４ ピストンロッド
５ クロスヘッド
２２ 排気弁
５０ 制御装置
５３ａ 第１油圧室（液体の流路）
５３ｂ 第２油圧室（液体の流路）
５４ａ 第１油路（液体の流路）
５４ｂ 第２油路（液体の流路）
５４ｃ 補助油路（液体の流路）
１００ デュアルフューエルエンジンシステム
Ｅ デュアルフューエルエンジン

Claims (9)

1. 液体燃料および気体燃料を使用するデュアルフューエルエンジンと、
   前記デュアルフューエルエンジンの制御装置であって、前記デュアルフューエルエンジンの燃料を前記液体燃料と前記気体燃料との間で切り替える場合に、前記液体燃料と前記気体燃料との間の燃料比率、前記燃料および吸気を含む混合気の圧縮比、ならびに、パイロット燃料の噴射時期を調整する、制御装置と、
   を備える、デュアルフューエルエンジンシステム。
2. 前記制御装置は、前記デュアルフューエルエンジンの前記燃料を前記液体燃料から前記気体燃料へ切り替える場合に、前記燃料比率、前記圧縮比、および、前記パイロット燃料の噴射時期を同時期に調整する、請求項１に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
3. 前記制御装置は、前記デュアルフューエルエンジンの前記燃料を前記液体燃料から前記気体燃料へ切り替える場合に、前記燃料比率、および、前記パイロット燃料の噴射時期の切替が完了する前に前記圧縮比の切替を完了する、請求項１に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
4. 前記制御装置は、前記液体燃料および前記気体燃料の合計の発熱量が、前記デュアルフューエルエンジンの運転状態に応じて要求される発熱量に対応するように、前記燃料比率を調整する、請求項２または３に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
5. 前記制御装置は、前記デュアルフューエルエンジンの前記燃料を前記気体燃料から前記液体燃料へ切り替える場合に、まず、前記燃料比率を調整し、続いて、前記圧縮比および前記パイロット燃料の噴射時期を調整する、請求項１から４のいずれか一項に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
6. 前記デュアルフューエルエンジンは、
   ピストンロッドと、
   前記ピストンロッドに接続されるクロスヘッドであって、当該クロスヘッドからの前記ピストンロッドの突出長さを変更させる液圧を生じさせる液体の流路を含む、クロスヘッドと、
   を含み、
   前記制御装置は、前記ピストンロッドの前記突出長さを変更することによって、幾何学的圧縮比を調整する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
7. 前記デュアルフューエルエンジンは、２ストロークエンジンであり、
   前記制御装置は、前記デュアルフューエルエンジンの排気弁の開弁時期を、前記幾何学的圧縮比に応じて、調整する、
   請求項６に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
8. 前記制御装置は、前記デュアルフューエルエンジンの前記排気弁の閉弁時期を、前記幾何学的圧縮比に応じて、調整する、
   請求項７に記載のデュアルフューエルエンジンシステム。
9. 液体燃料または気体燃料の少なくとも一方を使用するデュアルフューエルエンジンと、
   前記デュアルフューエルエンジンの制御装置であって、前記デュアルフューエルエンジンの燃料を前記液体燃料と前記気体燃料との間で切り替える場合に、前記液体燃料と前記気体燃料との間の燃料比率、ならびに、前記燃料および吸気を含む混合気の圧縮比を調整する、制御装置と、
   を備える、デュアルフューエルエンジンシステム。

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