JP6171232B2 - 気体燃料供給システム、制御装置及びエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、気体燃料供給システム、気体燃料供給システムの制御装置及びエンジンに関するものである。
例えば船舶の動力源として、特許文献1に記載されているような、液体燃料及び気体燃料の両方を使って動力を発生するデュアルフューエルエンジン(二元燃料エンジン)が知られている。
デュアルフューエルエンジンは、液体燃料(燃料油)のみを使う燃料油専用モードと、液体燃料及び気体燃料(燃料ガス)の両方を使う二種燃料モードとのそれぞれで作動可能である。燃料油専用モードは、燃焼室に液体燃料を供給して、その供給された液体燃料を燃焼させる方式である。二種燃料モードは、燃焼室に気体燃料を供給するとともに、燃焼室に少量の液体燃料を供給してパイロット火炎を生成して、パイロット火炎で気体燃料を着火して燃焼させる方式である。
特許第3432098号
二種燃料モードにおいては、高圧の気体燃料を供給するタイミングと、気体燃料を着火させるタイミングとが近く、燃焼形態が拡散燃焼となる。拡散燃焼においては、高温の燃焼領域が形成される場合があり、高温の燃焼領域においては、NOx(窒素酸化物)が発生しやすくなる可能性がある。
そこで、本発明は、NOxの生成を抑制することができる気体燃料供給システム、制御装置及びエンジンを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の気体燃料供給システムは、シリンダとピストンとの間に形成される燃焼室と、前記燃焼室に気体燃料を噴射する第1の弁と、前記気体燃料の供給部と前記第1の弁との間に設けられて、前記第1の弁に前記気体燃料を供給し、かつ前記燃焼室に前記気体燃料を供給する際において、前記第1の弁を開弁した後に開弁する第2の弁と、を含む。
本発明によれば、第1の弁を開き、気体燃料の燃焼室への噴射が始まった際には、第2の弁は閉じている。そのため、第1の弁には、第2の弁からの気体燃料が新たに供給されず、第1の弁に残存していた気体燃料のみを噴射することになる。そして、第2の弁からの気体燃料が新たに供給されないため、第1の弁が噴射する気体燃料の圧力の低減が大きくなる。その後、第2の弁が開くと、第1の弁に新たな気体燃料が供給され、第1の弁が噴射する気体燃料の圧力が上昇する。このように、初期において、燃焼室へ噴射される気体燃料の圧力が小さく、その後、燃焼室へ噴射される気体燃料の圧力が大きくなった場合、初期における燃焼温度の上昇が抑制され、NOxの生成が抑制される。
前記気体燃料供給システムは、前記第1の弁が閉弁した後に、前記第2の弁が閉弁することが好ましい。第1の弁が閉じた後、第2の弁が閉じるまでの間に、第1の弁に対して気体燃料が供給される。そのため、第1の弁に残存している気体燃料が、サイクル毎に少なくなったり、多くなったりすることを抑制し、第1の弁による初期の気体燃料の噴射圧力が、サイクル毎に低くなったり、高くなったりすることを抑制することができる。
前記気体燃料供給システムは、前記第1の弁が開弁する前であって、前記点火装置により前記気体燃料が点火される前に、さらに前記第1の弁が開弁することが好ましい。第1の弁が開弁する前であって、気体燃料が点火される前に、さらに第1の弁を開いて気体燃料を噴射すると、第1の弁に残存している気体燃料の圧力が減少する。そのため、その後に再度第1の弁を開弁した際の、第1の弁が噴射する気体燃料の圧力がより低減する。従って、初期における気体燃料の噴射圧力と、その後の気体燃料の噴射圧力との差を、より好適に大きくすることができるため、NOxの生成の抑制など、気体燃料の噴射制御をより好適に行うことができる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の気体燃料供給システムの制御装置は、シリンダとピストンとの間に形成される燃焼室と、前記燃焼室に気体燃料を噴射する第1の弁と、前記気体燃料の供給部と前記第1の弁との間に設けられて、前記第1の弁に前記気体燃料を供給する第2の弁と、を含む気体燃料システムの制御装置であって、前記燃焼室に前記気体燃料を供給する際において、前記第1の弁を開弁した後に、前記第2の弁を開弁させる。係る気体燃料供給システムの制御装置を有することにより、初期における燃焼温度の上昇が抑制され、NOxの生成が抑制される。
前記気体燃料供給システムの制御装置は、前記第1の弁を閉弁させた後に、前記第2の弁を閉弁させることが好ましい。係る気体燃料供給システムの制御装置を有することにより、第1の弁による初期の気体燃料の噴射圧力が、サイクル毎に低くなったり、高くなったりすることを抑制することができる。
前記気体燃料供給システムの制御装置は、前記第1の弁を開弁させる前であって、前記点火装置により前記気体燃料を点火する前に、さらに前記第1の弁を開弁させることが好ましい。係る気体燃料供給システムの制御装置を有することにより、初期における気体燃料の噴射圧力と、その後の気体燃料の噴射圧力との差を、より好適に大きくすることができるため、NOxの生成の抑制など、気体燃料の噴射制御をより好適に行うことができる。
前記エンジンは、前記気体燃料供給システムを有することが好ましい。係るエンジンにより、NOxの生成を抑制することができる。
前記エンジンは、2ストロークエンジンであることが好ましい。2ストロークエンジンは、船舶等の動力源として好適である。
本発明によれば、気体燃料用エンジンにおいてNOxの生成を抑制することができる。
図1は、実施形態1に係るデュアルフューエルエンジン1の一例を示す模式図である。 図2は、デュアルフューエルエンジン1の動作の一例を示す模式図である。 図3は、二種燃料モードにおいて燃焼室に燃料が噴射されている状態の一例を模式的に示す平面図である。 図4は、二種燃料モードにおいて燃料が燃焼している状態の一例を模式的に示す図である。 図5は、二種燃料モードにおいて燃料が燃焼している状態の一例を模式的に示す平面図である。 図6は、実施形態1に係る気体燃料供給システム15の一例を示す図である。 図7は、制御装置10の構成の一例を示す模式図である。 図8は、比較例に係るクランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力との関係を示す図である。 図9は、実施形態1に係るクランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力との関係を示す図である。 図10は、実施形態2における、気体燃料PGの予混合に係る噴射を行っている状態を模式的に表す平面図である。 図11は、実施形態2における、気体燃料PGが予混合されている状態を示す平面図である。 図12は、実施形態2における、気体燃料PGおよび液体燃料FOの噴射を行っている状態を模式的に示す平面図である。 図13は、液体燃料FO及び気体燃料PGが燃焼している状態の一例を模式的に示す平面図である。 図14は、実施形態2に係るクランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力との関係を示す図である。 図15は、実施形態2に係る気体燃料供給システムの他の一例を示す図である。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1を、図面を参照して詳細に説明する。図1は、実施形態1に係るデュアルフューエルエンジン1の一例を示す模式図である。エンジンとしてのデュアルフューエルエンジン1は、台板50と、台板50に設けられた架構(本体)51と、架構51に設けられたジャケット52とを備えている。また、デュアルフューエルエンジン1は、ジャケット52に設けられたシリンダ2と、シリンダ2の内部で往復移動するピストン3と、ピストン3に接続されたピストン棒41と、連接棒43と、ピストン棒41と連接棒43とを連結するクロスヘッド42と、クランクピン44を介して連接棒43と接続されたクランク軸4を備えている。また、デュアルフューエルエンジン1は、クランク軸4の回転角度(クランク角度)を検出する角度検出装置6と、ピストン3の上面とシリンダ2の内壁と排気弁13との間に形成される燃焼室7に気体燃料PGを供給する、第1の弁としての気体燃料噴射弁8を含む気体燃料供給システム15と、燃焼室7に液体燃料FOを供給する、点火装置としての液体燃料噴射弁9と、排気弁13と、排気弁13を駆動する駆動装置14と、デュアルフューエルエンジン1及び気体燃料供給システム15を制御する制御装置10とを備えている。
シリンダ2は、ジャケット52に設けられたシリンダライナ2Aと、シリンダライナ2A上に設けられたシリンダカバー2Bとを有する。クロスヘッド42は、架構51に設けられた案内部51Gに沿って動き、ピストン棒41からの機械的動力を連接棒43に伝達する。クランク軸4は、台板50に配置され、ピストン3から伝達される機械的動力を出力する。このように、デュアルフューエルエンジン1はいわゆるクロスヘッド式エンジンであるが、クロスヘッド42を有さない、いわゆるトランクピストン式エンジンでもよい。
気体燃料噴射弁8は、燃焼室7に気体燃料PGを噴射可能である。気体燃料PGは、燃料としてのガスである。本実施形態において、気体燃料噴射弁8は、燃焼室7に2つ配置される。なお、気体燃料噴射弁8の数は任意である。
液体燃料噴射弁9は、燃焼室7に液体燃料FOを噴射可能である。液体燃料FOは、例えば、軽油、重油、及び重質油の少なくとも一つを含む。本実施形態において、液体燃料噴射弁9は、燃焼室7に2つ配置される。なお、液体燃料噴射弁9の数は任意である。
角度検出装置6は、例えば、クランク軸4に配置されたエンコーダスケールのようなスケール(格子)と、そのスケールを検出するエンコーダヘッドのような検出器とを有する。検出器は、クランク軸4のスケールを検出して、クランク軸4の回転パルスを検出する。クランク軸4の回転パルスは、例えば、ピストン3の上死点に位置におけるタイミングと関連付けられている。クランク軸4の回転パルスから、クランク軸4の回転速度が求められる。角度検出装置6は、検出器で検出したピストン3の上死点に位置におけるタイミングとクランク軸4の回転速度とに基づいて、クランク軸4の回転角度(クランク角度)を検出する。角度検出装置6の検出結果は制御装置10に出力される。クランク角度とピストン3の位置とは関連付けられている。制御装置10は、角度検出装置6の検出結果に基づいて、上死点及び下死点を含むピストン3の位置を求めることができる。また、制御装置10は、内蔵されているタイマーの出力と、角度検出装置6の検出結果とに基づいて、例えば、ピストン3が上死点に配置された時点、及び下死点に配置された時点を求めることができる。制御装置10は、クランク角度に基づいて、排気弁13の開閉、気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射、及び液体燃料噴射弁9からの液体燃料FOの噴射を制御するための指令信号を出力する。また、詳しくは後述するが、制御装置10は、気体燃料供給システムのゲート弁の開閉を制御するための指令信号も出力する。
図2は、デュアルフューエルエンジン1の動作の一例を示す模式図である。実施形態1において、デュアルフューエルエンジン1は、2ストローク1サイクルのディーゼルエンジンである。図2に示すように、デュアルフューエルエンジン1の動作は、掃気ポート11から取り入れた新しい空気を燃焼室7に送る掃気工程(A)と、燃焼室7の空気をピストン3で圧縮する圧縮工程(B)と、燃焼室7に燃料を噴射してその燃料を燃焼させる燃焼工程(C)と、燃焼工程後の燃焼室7の気体を排気ポート12から排出する排気工程(D)と、を含む。なお、上述のように、実施形態1では、デュアルフューエルエンジン1は2ストロークのエンジンであり、船舶等の動力源として好適である。ただし、2ストローク1サイクルのエンジンに限られず、例えば、4ストローク1サイクルのエンジンでもよい。
デュアルフューエルエンジン1は、液体燃料FOのみを使う燃料油専用モードと、液体燃料FO及び気体燃料PGの両方を使う二種燃料モードとのそれぞれで作動可能である。
燃料油専用モードは、液体燃料噴射弁9から燃焼室7に液体燃料FOを供給し、液体燃料FOを燃焼させる一方、気体燃料噴射弁8から燃焼室7に気体燃料PGが供給されないモードである。燃料油専用モードでは、圧縮工程において、燃焼室7の空気が圧縮された後、燃焼工程において、液体燃料噴射弁9から燃焼室7に液体燃料FOが噴射される。高温高圧の空気に液体燃料FOが噴射されることにより、液体燃料FOは自然発火して燃焼する。
二種燃料モードは、燃焼室7に液体燃料FO及び気体燃料PGの両方が供給されるモードである。二種燃料モードは、気体燃料噴射弁8から燃焼室7に気体燃料PGを噴射するとともに、液体燃料噴射弁9から燃焼室7に少量の液体燃料FOを噴射してパイロット火炎を生成することで、パイロット火炎で気体燃料PGを着火して燃焼させる方式である。なお、気体燃料PGを着火する方法は、液体燃料FOを噴射することに限られない。例えば、点火装置としてスパークプラグを用いて、気体燃料PGを点火することも可能である。
次に、図3、図4、及び図5を参照して二種燃料モードについて説明する。図3は、二種燃料モードにおいて、気体燃料噴射弁8から燃焼室7に気体燃料PGが噴射され、液体燃料噴射弁9から燃焼室7に液体燃料FOが噴射されている状態の一例を模式的に示す平面図である。図4は、二種燃料モードにおいて、液体燃料FO及び気体燃料PGのそれぞれが燃焼している状態の一例を模式的に示す図である。図5は、二種燃料モードにおいて、液体燃料FO及び気体燃料PGが燃焼している状態の一例を模式的に示す平面図である。
圧縮工程において、燃焼室7の空気が圧縮される。図3に示すように、燃焼工程において、気体燃料噴射弁8から燃焼室7に気体燃料PGが噴射される。また、液体燃料噴射弁9から燃焼室7に少量の液体燃料FOが噴射される。ピストン3が上死点近傍に配置される時点において、液体燃料FOと気体燃料PGとが燃焼室7に近いタイミングで噴射される。二種燃料モードにおいて、主燃料は、気体燃料PGである。
図3に示すように、気体燃料噴射弁8は、気体燃料PGを噴射する噴口8Sを複数有する。液体燃料噴射弁9は、液体燃料FOを噴射する噴口9Sを複数有する。気体燃料噴射弁8は、その気体燃料噴射弁8の噴口8Sの軸8Aに対する放射方向に関して外側に向かって気体燃料PGを噴射する。液体燃料噴射弁9は、その液体燃料噴射弁9の噴口9Sの軸9Aに対する放射方向に関して外側に向かって液体燃料FOを噴射する。噴口9Sの軸9Aは、噴口8Sの軸8Aに交差するように設けられているため、噴口9Sから噴射された液体燃料FOは、噴口8Sから噴射された気体燃料PGと交差する。
液体燃料噴射弁9から噴射された少量の液体燃料FOは自然発火して、パイロット火炎を生成する。気体燃料噴射弁8は、高圧の気体燃料PGを噴射する。高温高圧の空気が満たされ、パイロット火炎が生成されている燃焼室7に、高圧の気体燃料PGが供給されることにより、図4及び図5に示すように、燃焼室7において拡散燃焼が生じる。本実施形態において、二種燃料モードは、拡散燃焼方式で気体燃料PGを燃焼させる。
次に、実施形態1に係る気体燃料供給システム15の一例について説明する。図6は、実施形態1に係る気体燃料供給システム15の一例を示す図である。
気体燃料供給システム15は、デュアルフューエルエンジン1の燃焼室7に気体燃料PGを供給する。気体燃料供給システム15は、制御装置10により制御される。気体燃料供給システム15は、燃焼室7に気体燃料PGを噴射する気体燃料噴射弁8と、気体燃料噴射弁8に供給される気体燃料PGが流れる供給流路21と、供給流路21を開閉可能な第2の弁としてのゲート弁22と、気体燃料PGを供給する気体燃料供給源23とを備えている。気体燃料噴射弁8及びゲート弁22は、制御装置10に制御される。ゲート弁22は、気体燃料PGを送出可能なポンプを含む気体燃料の供給部としての気体燃料供給源23と、気体燃料噴射弁8との間に設けられている。ゲート弁22は気体燃料供給源23と接続されているため、気体燃料供給源23は、ゲート弁22に気体燃料PGを供給する。ゲート弁22は供給流路21にも接続されているため、ゲート弁22は、開弁により、気体燃料PGを供給流路21に供給する。気体燃料噴射弁8は、開弁により、供給流路21から燃焼室7に気体燃料PGを供給する。気体燃料供給源23は、高圧の気体燃料PGを供給する。
図7は、制御装置10の構成の一例を示す模式図である。制御装置10は、例えば、コンピュータとして、気体燃料供給システム15を制御する。図7に示すように、コンピュータとしての制御装置10は、処理部61と、記憶部62とを含む。処理部61は、例えば、CPU(Central Processing Unit)である。記憶部62には、例えば、主としてRAM(Random Access Memory)が用いられる。記憶部62には、例えば、気体燃料供給システム15を制御するための命令が記述されたコンピュータプログラムPRが記憶される。
処理部61は、図1に示すように、角度検出装置6から、クランク角度の情報を収集する。処理部61は、収集したクランク角度の情報を記憶部62に記憶する。また、処理部61は、記憶部62から、気体燃料供給システム15を制御するための命令が記述されたコンピュータプログラムPRを読み出す。具体的には、コンピュータプログラムPRには、クランク角度に応じて、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の開閉を制御する命令が記述されている。処理部61は、角度検出装置6から収集したクランク角度の情報と、コンピュータプログラムPRとの命令に基づき、気体燃料供給システム15を制御し、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の開閉を制御する。ただし、気体燃料噴射弁8とゲート弁22とは、例えば、デュアルフューエルエンジン1のクランク軸4の回転に連動するカム及びタイミングベルト等により、機械的に制御されていてもよい。
気体燃料PGは、液体燃料FOと比べて粘度が低いため、例えばバルブのシート部などから漏れやすい。そのため、ゲート弁22は、安全弁(インターロック機構)として機能するよう設けられている。例えば、気体燃料噴射弁8から、燃焼室7の気体燃料PGが漏れてきても、ゲート弁22は、気体燃料PGの逆流を防ぐことができる。
次に、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングを、比較例と比較しながら説明する。図8は、比較例に係る、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の開閉と、クランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力(気体燃料噴射弁8の入口の圧力)との関係を示す図である。なお、比較例においても、実施形態1と同様に、図6に示す気体燃料供給システム15を有している。
図8において、クランク角度が0度のとき、ピストン3は上死点に配置される。クランク角度が180度(又は−180度)のとき、ピストン3は下死点に配置される。なお、図8は、クランク角度が−90度から90度の範囲における、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との間の供給流路21の圧力と、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングとを示す。
図8に示されるように、クランク角度A1度以前の期間T0においては、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22は閉じている。そのため、期間T0において、供給流路21の圧力は一定となる。
クランク角度がA1度において、制御装置10は、ゲート弁22を開ける指令信号をゲート弁22に出力する。クランク角度がA1度よりも大きいA2度になったとき、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を開ける指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。すなわち、比較例においては、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、ゲート弁22が先に開き、気体燃料噴射弁8が後に開く。
クランク角度がA1度になったときからA2度になるまでの期間T1においては、ゲート弁22が開いており、気体燃料噴射弁8は閉じている。ゲート弁22には、気体燃料供給源23から高圧(P1bar)の気体燃料PGが供給される。気体燃料噴射弁8が閉じた状態でゲート弁22が開くことにより、期間T1において、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との間の供給流路21の圧力は、気体燃料供給源23と同じP1barとなる。
クランク角度がA2度において、ゲート弁22が開いている状態で気体燃料噴射弁8が開くことにより、気体燃料噴射弁8から気体燃料PGが燃焼室7に噴射される。このように、比較例は、クランク角度がA2度になったときからA3度になるまでの期間T2において、ゲート弁22が開いたまま気体燃料PGが燃焼室7へ噴射されている。つまり、気体燃料供給源23から供給された高圧の気体燃料PGが、ゲート弁22、供給流路21及び気体燃料噴射弁8を通じて、燃焼室7に噴射されている。そして、気体燃料噴射弁8が開くタイミングと近いタイミングで、液体燃料噴射弁9から液体燃料FOがパイロット燃料として噴射され、気体燃料PGが点火され、気体燃料PGが燃焼する。このように、比較例の燃焼形態は拡散燃焼である。なお、比較例において、クランク角度A2度は、0度である。すなわち、ピストン3が上死点に配置されたときに、気体燃料噴射弁8から気体燃料PGが噴射される。また、期間T2においては、ゲート弁22が開いたまま気体燃料噴射弁8が開いて気体燃料PGが噴射されることにより、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との間の供給流路21の圧力は徐々に低下する。
クランク角度A3度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を閉じる指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。そのため、クランク角度がA3度になったときからA4度になるまでの期間T3において、ゲート弁22が開いた状態で、気体燃料噴射弁8が閉じている。期間T3において、ゲート弁22を通じて気体燃料供給源23から気体燃料PGが供給流路21に供給され、気体燃料PGは噴射されないため、供給流路21の圧力は徐々に増大する。
クランク角度A4度において、制御装置10は、ゲート弁22を閉じる指令信号をゲート弁22に出力する。クランク角度A4度以降の期間である期間T4においては、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の両方が閉じられているため、供給流路21の圧力は、一定となる。
次に、実施形態1における、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングを説明する。図9は、実施形態1に係る、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の開閉と、クランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力(気体燃料噴射弁8の入口の圧力)との関係を示す図である。図9に示すように、実施形態1においては、ゲート弁22より先に、気体燃料噴射弁8が開く。係る点で、比較例と実施形態1とは異なる。
図9において、クランク角度が0度のとき、ピストン3は上死点に配置される。クランク角度が180度(又は−180度)のとき、ピストン3は下死点に配置される。なお、図9は、クランク角度が−90度から90度の範囲における、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との間の供給流路21の圧力と、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングとを示す。
図9に示されるように、クランク角度B1度以前の期間U0において、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22は閉じている。そのため、期間U0において、供給流路21の圧力は一定となる。
制御装置10は、角度検出装置6によるクランク角度の検出結果に基づいて、指令信号を出力するタイミングを決定する。すなわち、クランク角度がB1度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を開ける指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。そして、クランク角度がB1度よりも角度が大きいB2度になったとき、制御装置10は、ゲート弁22を開ける指令信号をゲート弁22に出力する。すなわち、実施形態1においては、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、気体燃料噴射弁8が先に開き、ゲート弁22が後に開く。なお、実施形態1において、クランク角度B1度は、0度である。すなわち、ピストン3が上死点に配置されたときに、気体燃料噴射弁8から気体燃料PGが噴射される。ただし、クランク角度B1は0度に限られず、0度より小さくてもよいし、大きくてもよい。
実施形態1においては、ゲート弁22より先に、気体燃料噴射弁8が開く。比較例においては、気体燃料噴射弁8より先に、ゲート弁22が開く。従って、比較例における期間T1のように、気体燃料噴射弁8が閉じた状態でゲート弁22が開いて、供給流路21の圧力を上昇させるという期間が、実施形態1にはない。そのため、実施形態1における気体燃料噴射弁8を開くクランク角度であるクランク角度B1度における供給流路21の圧力は、比較例における気体燃料噴射弁8を開くクランク角度であるクランク角度A2度における供給流路21の圧力よりも小さい。
クランク角度がB1度になったときからB2度になるまでの期間U1においては、気体燃料噴射弁8が開いており、ゲート弁22は閉じている。そのため、期間U1においては、ゲート弁22を通じて供給流路21に高圧の気体燃料PGが新たに供給されることなく、気体燃料噴射弁8から、供給流路21に残存している気体燃料PGのみが燃焼室7に噴射されている。一方、比較例においては、期間T2において、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22が開いているため、ゲート弁22を通じて供給流路21に高圧の気体燃料PGが供給されながら、気体燃料噴射弁8から、気体燃料PGが燃焼室7に噴射されている。従って、実施形態1に係る期間U1では、比較例に係る期間T2よりも、供給流路21の圧力が大きく低下する。比較例においては、期間T2の終期であるクランク角度がA3度になったタイミングにおいては、供給流路21の圧力はP2barより大きくなっている。一方、実施形態1においては、期間U1の終期であるクランク角度がB2度のタイミングにおいては、供給流路21の圧力はP2barより小さくなっている。また、気体燃料噴射弁8が開くタイミングであるクランク角度B1度と近いタイミングで、液体燃料噴射弁9が開いて液体燃料FOがパイロット燃料として噴射される。そして、気体燃料PGが点火され、気体燃料PGが燃焼する。実施形態1における燃焼形態は拡散燃焼である。
クランク角度がB2度において、制御装置10は、ゲート弁22を開ける指令信号をゲート弁22に出力する。供給流路21には、気体燃料噴射弁8により気体燃料PGが流出されているが、ゲート弁22が開くことにより、気体燃料供給源23から高圧(P1bar)の気体燃料PGが供給流路21へ供給される。そのため、クランク角度がB2度になったときからB3度になるまでの期間U2においては、供給流路21の圧力が上昇する。供給流路21の圧力上昇は、気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射による圧力減少と、ゲート弁22からの気体燃料PGの供給による圧力上昇がバランスされるまで続く。
クランク角度B3度において、気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射による圧力減少と、ゲート弁22からの気体燃料PGの供給による圧力上昇とがバランスされる。クランク角度がB3度になったときからB4度になるまでの期間U3においては、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22が開いており、供給流路21の圧力は徐々に減少する。期間U3においては、ゲート弁22が開いたまま気体燃料PGが燃焼室7へ噴射されている。つまり、気体燃料供給源23から供給された高圧の気体燃料PGが、ゲート弁22、供給流路21及び気体燃料噴射弁8を通じて、燃焼室7に噴射されている。そのため、ゲート弁22が開いている期間U3よりも、ゲート弁22が開いていない期間U1のほうが、供給流路21の圧力減少量が大きくなっている。
クランク角度B4度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を閉じる指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。そして、クランク角度B5度において、制御装置10は、ゲート弁22を閉じる指令信号をゲート弁22に出力する。すなわち、実施形態1においては、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、気体燃料噴射弁8を閉じた後に、ゲート弁22を閉じる。そのため、クランク角度がB4度になったときからB5度になるまでの期間U4において、ゲート弁22が開いた状態で、気体燃料噴射弁8が閉じている。期間U4において、ゲート弁22を通じて気体燃料供給源23から気体燃料PGが供給流路21に供給され、気体燃料PGは噴射されないため、供給流路21の圧力は徐々に増大する。
上述のように、クランク角度B5度において、制御装置10は、ゲート弁22を閉じる指令信号をゲート弁22に出力する。このように、クランク角度B5度以降の期間である期間U5においては、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の両方が閉じられているため、供給流路21の圧力は、一定となる。
上述のように、実施形態1における燃焼形態は拡散燃焼であり、クランク角度B1度における気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射は、拡散燃焼に係る噴射ということができる。拡散燃焼において、燃焼初期の燃料の噴射圧力が高いと、高温の燃焼領域が発生しやすくなり、燃焼によるNOxの発生が大きくなる。しかし、実施形態1においては、例えば期間U1において、比較例における期間T2と比較して、供給流路21の圧力が低くなっているため、燃焼初期における気体燃料PGの噴射圧力及び燃焼室7内の圧力も低くなる。このように、実施形態1においては、気体燃料噴射弁8が先に開き、ゲート弁22が後に開くため、燃焼初期において燃焼室7内の気体燃料PGの圧力を低くすることができ、NOxの生成を抑制することができる。さらに、一般的には、NOxの低減と熱効率とはトレードオフの関係にあり、NOxの生成を抑制すると、熱効率が低下する。しかし、実施形態1によると、熱効率の低下も抑制することができる。すなわち、実施形態1による燃焼は、NOxと熱効率とのトレードオフを改善することができる。また、液体燃料FOの噴射タイミングは、クランク角度がB1度になるタイミングと近くであれば、特に限定されず、クランク角度がB1度になるよりも前のタイミングでもよく、クランク角度がB1度になるよりも後のタイミングでもよい。
実施形態1においては、気体燃料噴射弁8を閉じた後に、ゲート弁22を閉じるため、期間U4に示すように、気体燃料PGの噴射後に、供給流路21の圧力を上昇させることができる。そのため、サイクル毎に供給流路21の圧力が低下し、1サイクル毎に気体燃料噴射弁8から燃焼室7へ噴射する気体燃料PGの圧力が下がることを抑制することができる。また、実施形態1においては、次のサイクルにおける燃焼初期の供給流路21の圧力が、その前のサイクルにおける燃焼初期の供給流路21の圧力よりも大きくなることを抑制することができる。従って、1サイクル毎に燃焼初期の供給流路21の圧力が大きることを抑制することができる。例えば、実施形態1において、供給流路21に圧力センサを設けて供給流路21の圧力を確認し、1サイクル毎に供給流路21の圧力が低下したり、上昇したりしないように、制御装置10はゲート弁22を閉じるタイミングを制御することができる。例えば、期間U5における供給流路21の圧力を、期間U0における供給流路21の圧力P3にする。
このように、実施形態1においては、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、気体燃料噴射弁8が開いた後に、ゲート弁22が開く。そのため、燃焼初期において燃焼室7内の気体燃料PGの圧力を低くして、NOxの生成を抑制することができる。また、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、気体燃料噴射弁8を閉じた後に、ゲート弁22を閉じる。そのため、サイクル毎に気体燃料噴射弁8から燃焼室7へ噴射する気体燃料PGの圧力が低下したり、上昇したりすることを抑制することができる。
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2を、図面を参照して詳細に説明する。実施形態2においては、実施形態1で説明した、クランク角度B1度における拡散燃焼に係る噴射の前に、ゲート弁22を閉じたまま、さらに燃焼室7へ気体燃料PGの噴射を行う。すなわち、気体燃料PGの予混合を行う。クランク角度B1度における拡散燃焼に係る噴射の前の、燃焼室7へ気体燃料PGの噴射を、以下、適宜予混合に係る噴射と記載する。実施形態2のその他の構成は、実施形態1と共通しており、実施形態1と共通している部分の説明は省略する。
図10、図11、図12及び図13を参照して、実施形態2における、二種燃料モードでの燃焼について説明する。図10は、実施形態2における、燃焼室7で気体燃料PGを予混合に係る噴射を行っている状態を模式的に表す平面図である。図11は、実施形態2における、燃焼室7での気体燃料PGが予混合されている状態を平面図である。図12は、実施形態2における、気体燃料PGおよび液体燃料FOの噴射を行っている状態を模式的に示す平面図である。図13は、液体燃料FO及び気体燃料PGが燃焼している状態の一例を模式的に示す平面図である。
クランク角度が−180度であるタイミングよりも後であって、クランク角度が0度であるタイミングよりも前のタイミングにおいて(圧縮行程)、図10に示すように、気体燃料噴射弁8から燃焼室7に気体燃料PGが、予混合に係る噴射として噴射される。この場合、圧縮行程であるため、ピストン3が上昇する過程において、噴射された気体燃料PGと燃焼室7内の空気とが混じり合って、図11に示すように、混合気MGが生成される。予混合に係る噴射は、クランク角度が−100度以上、−10度以下に行われることが好ましい。
そして、実施形態1と同様に、ピストン3が上死点近傍に配置される時点において、図12に示すように、気体燃料PGと液体燃料FOとが燃焼室7に近いタイミングで噴射される。二種燃料モードにおいて、主燃料は、気体燃料PGである。
液体燃料噴射弁9から噴射された少量の液体燃料FOは自然発火(自己着火)して、パイロット火炎を生成する。パイロット火炎により、燃焼室7に噴射された気体燃料PGも燃焼し、拡散燃焼が生じる。そして、図13に示すように、気体燃料PGの燃焼が、混合気MGに伝播して、混合気MGが燃焼することにより、一部に予混合燃焼が生じる。
このように、実施形態2においては、一部が予混合燃焼となり、燃焼形態の全部が拡散燃焼である場合と比べて、NOxの発生を抑制することができる。
次に、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングを説明する。図14は、実施形態2に係る、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の開閉と、クランク角度と、供給流路21における気体燃料PGの圧力(気体燃料噴射弁8の入口の圧力)との関係を示す図である。図14に示すように、実施形態2においては、気体燃料噴射弁8が2回開く。係る点で、図9に示す実施形態1とは異なる。
図14において、クランク角度が0度のとき、ピストン3は上死点に配置される。クランク角度が180度(又は−180度)のとき、ピストン3は下死点に配置される。なお、図14は、クランク角度が−90度から90度の範囲における、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との間の供給流路21の圧力と、気体燃料噴射弁8とゲート弁22との開閉のタイミングとを示す。
図14に示されるように、クランク角度C1度以前の期間V0においては、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22は閉じている。そのため、期間V0において、実施形態1に係る期間U0と同様に、供給流路21の圧力は一定となる。
制御装置10は、角度検出装置6によるクランク角度の検出結果に基づいて、指令信号を出力するタイミングを決定する。すなわち、クランク角度がC1度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を開ける指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。クランク角度C1度での気体燃料噴射弁8の開弁は、後述するクランク角度C3度での気体燃料噴射弁8の開弁及び液体燃料FOの噴射よりも先になされる。つまり、クランク角度C1度での気体燃料噴射弁8の開弁は、予混合に係る噴射である。なお、クランク角度C1は、圧縮行程である−180度以上0度以下の範囲であるが、−100度以上、−10度以下であることが好ましい。
クランク角度がC1度になったときからC2度になるまでの期間V1においては、気体燃料噴射弁8が開いており、ゲート弁22は閉じている。そのため、期間V1においては、ゲート弁22を通じて供給流路21に高圧の気体燃料PGが新たに供給されることなく、気体燃料噴射弁8から、供給流路21に残存している気体燃料PGのみが燃焼室7に噴射されている。従って、期間V1において、供給流路21の圧力が大きく低下する。また、期間V1は圧縮行程であり、燃焼室7内で、気体燃料PGの燃焼が開始されない。
次に、クランク角度がC2度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を閉じる指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。クランク角度がC2度になったときからC3度になるまでの期間V2においては、気体燃料噴射弁8とゲート弁22とは閉じている。そのため、期間V2において、供給流路21の圧力は一定となっている。なお、期間V1及び期間V2においては、期間V1で燃焼室7に噴射された気体燃料PGが、燃焼室内の空気と混じり合って、混合気MGが生成される。また、図14によると、クランク角度がC2度における供給流路21の圧力はP2barよりも小さい。ただし、気体燃料噴射弁8が開くタイミングであるクランク角度C1度での供給流路21の圧力よりも、クランク角度C2度における供給流路21の圧力が低下していれば、これに限られない。また、実施形態2によれば、液体燃料FOの噴射前、かつ後述するクランク角度C3度の前において気体燃料噴射弁8の開弁は、期間V1においての1回のみであったが、複数回であってもよい。
クランク角度がC3度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を開く指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。クランク角度C3度は、実施形態1に係るクランク角度B1度と同じタイミングである。クランク角度がC3度になったときからC4度になるまでの期間V3においては、気体燃料噴射弁8が開いており、ゲート弁22は閉じている。そのため、実施形態1の期間U1と同様に、ゲート弁22を通じて供給流路21に高圧の気体燃料PGが新たに供給されることなく、気体燃料噴射弁8から、供給流路21に残存している気体燃料PGのみが燃焼室7に噴射されている。従って、期間V3において、供給流路21の圧力が大きく低下する。
実施形態2では、期間V1においてすでに気体燃料噴射弁8を開いて、気体燃料PGを噴射しているため、期間V3における供給流路21の圧力は、実施形態1のクランク角度B1度における供給流路21の圧力よりもさらに小さくなっている。また、実施形態1に係るクランク角度B1度と同様に、クランク角度がC3度になるタイミングと近いタイミングで、液体燃料噴射弁9が開いて液体燃料FOがパイロット燃料として噴射され、気体燃料PGが点火され、気体燃料PGが拡散燃焼を開始する。
クランク角度がC4度において、制御装置10は、ゲート弁22を開く指令信号をゲート弁22に出力する。供給流路21では、気体燃料噴射弁8により気体燃料PGは噴射されているが、ゲート弁22が開くことにより、気体燃料供給源23から高圧(P1bar)の気体燃料PGが供給される。そのため、クランク角度がC4度になったときからC5度になるまでの期間V4においては、実施形態1の期間U2と同様に、供給流路21の圧力が上昇する。供給流路21の圧力上昇は、気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射による圧力減少と、ゲート弁22からの気体燃料PGの供給による圧力上昇がバランスされるまで続く。
クランク角度C5度において、気体燃料噴射弁8からの気体燃料PGの噴射による圧力減少と、ゲート弁22からの気体燃料PGの供給による圧力上昇がバランスされる。そのため、クランク角度がC5度になったときからC6度になるまでの期間V5においては、実施形態1に係る期間U3と同様に、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22が開いており、供給流路21の圧力は徐々に減少する。
クランク角度C6度において、制御装置10は、気体燃料噴射弁8を閉じる指令信号を気体燃料噴射弁8に出力する。そのため、クランク角度がC6度になったときからC7度になるまでの期間V6においては、実施形態1に係る期間U4と同様に、ゲート弁22が開いた状態で、気体燃料噴射弁8が閉じる。供給流路21においては、ゲート弁22を通じて気体燃料供給源23から気体燃料PGが供給され、気体燃料PGは噴射されないため、供給流路21の圧力は徐々に増大する。
クランク角度C7度において、制御装置10は、ゲート弁22を閉じる指令信号をゲート弁22に出力する。このように、クランク角度C7度以降の期間である期間V7においては、実施形態1に係る期間U5と同様に、気体燃料噴射弁8及びゲート弁22の両方が閉じられているため、供給流路21の圧力は一定となる。
実施形態2においては、期間V1において予混合に係る噴射を行っているため、燃焼が開始する前に、供給流路21の圧力を下げることができる。そのため、燃焼初期における供給流路21及び燃焼室7の圧力をより好適に低下させることができる。従って、実施形態2においては、さらに好適にNOxの生成を抑制することができ、熱効率の低下も抑制することができる。また、クランク角度C1度での噴射の噴射時期や噴射期間を調整することによって、燃焼初期における供給流路21の圧力や気体燃料PGの噴射量を調整することができるため、気体燃料PGの噴射制御をより好適に行うことができる。さらに、燃焼室7には混合気MGが存在するため、一部が予混合燃焼となり、NOxの生成をさらに好適に抑制することができる。
図15は、実施形態2に係る気体燃料供給システムの他の一例を示す図である。実施形態2において、第1の弁としての、気体燃料PGを燃焼室7に噴射する弁は、気体燃料噴射弁8の単数であったが、第1の弁としての、気体燃料PGを燃焼室7に噴射する弁は、複数であってもよい。例えば、図15に示すように、気体燃料噴射弁8と別の噴射弁によって、予混合に係る噴射を行ってもよい。図15に示すように、気体燃料供給システム15aは、予混合噴射弁8aを更に有する。予混合噴射弁8aは、気体燃料噴射弁8と同様に、制御装置10に制御される。予混合噴射弁8aは、図14に示す期間V1において、燃焼室7に気体燃料PGを噴射する。言い換えれば、予混合噴射弁8aは、予混合に係る噴射を行う。気体燃料噴射弁8は、図14に示す期間V3から期間V5において、燃焼室7に気体燃料PGを噴射する。なお、図15においては、予混合噴射弁8aは、気体燃料噴射弁8と、ゲート弁22との間に設けられているが、これに限られない。予混合噴射弁8aは、供給流路21に接続され、ゲート弁22よりも、気体燃料供給源23の反対側である、気体燃料PGの流れ方向の下流側にあればよい。
このように、実施形態2においては、デュアルフューエルエンジン1の1サイクルにおいて、気体燃料噴射弁8が開く前であって、液体燃料FOが噴射される前に、さらに気体燃料噴射弁8を開く。または、気体燃料噴射弁8が開く前であって、液体燃料FOが噴射される前に、さらに予混合噴射弁8aを開く。そのため、燃焼初期において燃焼室7内の気体燃料PGの圧力をさらに好適に低減させ、NOxの生成を抑制することができる。また、気体燃料PGの噴射制御をより好適に行うことができる。
以上、実施形態1及び実施形態2を説明したが、これらの実施形態等の内容によりこれらの実施形態等が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態等の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
1 デュアルフューエルエンジン
7 燃焼室
8 気体燃料噴射弁
8a 予混合噴射弁
10 制御装置
15 気体燃料供給システム
21 供給流路
22 ゲート弁
23 気体燃料供給源
PG 気体燃料
FO 液体燃料

Claims (10)

  1. シリンダとピストンとの間に形成される燃焼室と、
    前記燃焼室に気体燃料を噴射する気体燃料噴射弁であって、前記燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料噴射弁と別に設けられた第1の弁と、
    前記気体燃料の供給部と前記第1の弁との間に設けられて、前記第1の弁に前記気体燃料を供給し、かつ前記燃焼室に前記気体燃料を供給して前記気体燃料で運転を行う場合に、前記第1の弁を開弁した後に開弁する第2の弁と、
    を含み、
    前記第1の弁及び前記第2の弁の開閉を制御する制御部を更に有し、
    前記制御部は、前記燃焼室に前記気体燃料を供給する場合に、第1の弁を開弁させた後に、前記第1の弁を開弁させた状態で前記第2の弁を開弁させ、
    前記制御部は、前記第1の弁による気体燃料の噴射をサイクル毎に繰り返し、各サイクルにおいて、
    前記第1の弁と前記第2の弁とを閉弁させる第1期間と、
    前記第1期間の後に、前記第1の弁を開弁させ、かつ、前記第2の弁を閉弁させたままとする第2期間と、
    前記第2期間の後に、前記第1の弁を開弁させたまま、前記第2の弁を開弁させる第3期間と、
    を有するように、前記第1の弁及び前記第2の弁を制御する、気体燃料供給システム。
  2. 前記制御部は、各サイクルにおいて、
    前記第3期間の後に、前記第1の弁を閉弁させ、かつ、前記第2の弁を開弁させたままとする第4期間と、
    前記第4期間の後に、前記第1の弁を閉弁させたまま、前記第2の弁を閉弁する第5期間と、を有するように、前記第1の弁及び前記第2の弁を制御する、請求項に記載の気体燃料供給システム。
  3. 前記第1の弁が閉弁した後に、前記第2の弁が閉弁する
    請求項1又は請求項2に記載の気体燃料供給システム。
  4. 前記第1の弁が開弁する前であって、前記点火装置により前記気体燃料が点火される前に、さらに前記第1の弁が開弁する
    請求項1から請求項のいずれか1項に記載の気体燃料供給システム。
  5. シリンダとピストンとの間に形成される燃焼室と、
    前記燃焼室に気体燃料を噴射する気体燃料噴射弁であって、前記燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料噴射弁と別に設けられた第1の弁と、
    前記気体燃料の供給部と前記第1の弁との間に設けられて、前記第1の弁に前記気体燃料を供給する第2の弁と、を含む気体燃料システムの制御装置であって、
    前記燃焼室に前記気体燃料を供給して前記気体燃料で運転を行う場合に、前記第1の弁を開弁した後に、前記第2の弁を開弁させ、
    前記燃焼室に前記気体燃料を供給する場合に、第1の弁を開弁させた後に、前記第1の弁を開弁させた状態で前記第2の弁を開弁させ、
    前記第1の弁による気体燃料の噴射をサイクル毎に繰り返し、各サイクルにおいて、
    前記第1の弁と前記第2の弁とを閉弁させる第1期間と、
    前記第1期間の後に、前記第1の弁を開弁させ、かつ、前記第2の弁を閉弁させたままとする第2期間と、
    前記第2期間の後に、前記第1の弁を開弁させたまま、前記第2の弁を開弁させる第3期間と、
    を有するように、前記第1の弁及び前記第2の弁を制御する、気体燃料供給システムの制御装置。
  6. 各サイクルにおいて、
    前記第3期間の後に、前記第1の弁を閉弁させ、かつ、前記第2の弁を開弁させたままとする第4期間と、
    前記第4期間の後に、前記第1の弁を閉弁させたまま、前記第2の弁を閉弁する第5期間と、を有するように、前記第1の弁及び前記第2の弁を制御する、請求項に記載の気体燃料供給システムの制御装置。
  7. 前記制御装置は、
    前記第1の弁を閉弁させた後に、前記第2の弁を閉弁させる
    請求項5又は請求項6に記載の気体燃料供給システムの制御装置。
  8. 前記制御装置は、
    前記第1の弁を開弁させる前であって、前記点火装置により前記気体燃料を点火する前に、さらに前記第1の弁を開弁させる
    請求項から請求項のいずれか1項に記載の気体燃料供給システムの制御装置。
  9. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載の気体燃料供給システムを有する、
    エンジン。
  10. 前記エンジンは2ストロークエンジンである、請求項に記載のエンジン。
JP2013273577A 2013-12-27 2013-12-27 気体燃料供給システム、制御装置及びエンジン Active JP6171232B2 (ja)

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