JP6618863B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジン負荷を負荷検出器により検出して各種の制御を行うエンジンの構成に関する。

従来から、エンジン負荷を測定するための負荷測定器が設けられたエンジンが知られている。特許文献１は、この種のエンジンを開示する。この特許文献１のエンジンは、エンジンの各部を制御するエンジン制御装置を有し、当該エンジン制御装置は、ワットトランスデューサやトルクセンサ等の負荷測定器による測定信号を受け、エンジン装置の負荷を算出する構成となっている。

特開２０１５−２３００００号公報

ところで、上記特許文献１のようにエンジンに掛かる負荷を測定することは、エンジンの適切な燃焼制御を行うために欠かせないものである。仮に、当該負荷測定器が故障した状態でエンジンを稼働させると、燃焼に必要な空気量の過不足が生じて燃焼の安定性を低下させる原因となる。しかし、上記特許文献１の構成では、当該負荷測定器による負荷検出に異常が発生し得る点について特に言及されておらず、改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、負荷検出器の異常を適切に判定することができるエンジンを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、筒内圧センサと、負荷検出器と、制御装置と、吸気マニホールドと、ガスインジェクタと、燃料噴射弁と、を備える。前記筒内圧センサは、気筒の内部の圧力を検出する。前記負荷検出器は、エンジン負荷を検出する。前記制御装置には、前記筒内圧センサの検出結果及び前記負荷検出器の検出結果が入力される。前記吸気マニホールドは、前記気筒内へ空気を供給する。前記ガスインジェクタは、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噴射して混合させる。前記燃料噴射弁は、前記気筒に液体燃料を噴射する。前記エンジンは、前記ガスインジェクタが噴射した前記気体燃料を空気と混合させてから前記気筒内の燃焼室に流入させる予混合燃焼モードと、前記燃料噴射弁が前記液体燃料を前記燃焼室内に噴射することにより燃焼する拡散燃焼モードと、を切り替えて稼動可能である。前記制御装置は、前記負荷検出器によって検出された負荷がゼロであり、且つ、前記筒内圧センサの検出結果から得られる筒内圧力が閾値以上である場合、前記負荷検出器による検出に異常があると判定する。前記制御装置は、前記予混合燃焼モードでの稼動中に前記負荷検出器による検出に異常があると判定した場合、前記予混合燃焼モードから前記拡散燃焼モードに切り替える。

これにより、筒内圧力とエンジン負荷との間にある程度の相関があることを利用して、負荷検出器の異常の有無を簡素な構成で判定することができる。この結果、例えば、異常への対応をオペレータに早期に促すことができる。また、負荷検出器によるエンジン負荷の検出に異常がある状態で、エンジンが予燃焼モードで稼動するのを回避することができる。この結果、エンジンの稼動の継続性を確保することができる。

前記のエンジンにおいては、前記制御装置は、前記予混合燃焼モードでの稼動中に前記負荷検出器による検出に異常があると判定し、前記予混合燃焼モードから前記拡散燃焼モードに切り替える場合に、前記筒内圧センサの検出値に基づいてエンジン負荷を計算により推定し、推定されたエンジン負荷に基づいて、前記拡散燃焼モードへの切替直後に前記燃料噴射弁が噴射する前記液体燃料の量を算出することが好ましい。

これにより、予混合燃焼モードから拡散燃焼モードに切り替わった初期において、筒内圧センサの検出結果を利用して、燃料噴射弁から適切な量の液体燃料を噴射することができる。この結果、モード切替時のエンジン回転数の低下等を防止して、エンジンを安定して稼動することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及び２系統の燃料供給経路を概略的に示す説明図。 燃焼室の周辺の構成を詳細に示す背面一部断面図。 エンジンの平面図。 液体燃料供給経路を示す模式的な前方斜視図。 エンジンの吸排気系統の構成を示す図。 エンジンを制御するための電気的な構成を示すブロック図。 エンジンをガスモードで稼動したときの、吸気マニホールドにおける吸気流量の調整制御を説明するグラフ。 トルクセンサの異常を検出するためにエンジン制御装置が行う判定処理を示すフローチャート。 トルクセンサの異常が検出された結果としてガスモードからディーゼルモードに切り替わる場合の、燃料ガス及び燃料油の供給制御を説明する図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン２１及び２系統の燃料供給経路３０，３１を概略的に示す説明図である。図２は、燃焼室１１０の周辺の構成を詳細に示す背面一部断面図である。図３は、エンジン２１の平面図である。図４は、液体燃料供給経路を示す模式的な前方斜視図である。

図１に示す本実施形態のエンジン（多気筒エンジン）２１は、気体燃料を空気と混合させてから燃焼室に流入させる予混合燃焼方式と、液体燃料を燃焼室内に噴射して燃焼する拡散燃焼方式と、の何れにも対応可能な、いわゆるデュアルフューエルエンジンである。本実施形態のエンジン２１は、図示しない船舶の推進兼発電機構の駆動源として、船舶の機関室の内底板上に、ベース台を介して据え付けられる。

エンジン２１の後端部からは、エンジン出力軸としてのクランク軸２４が後方に向かって突出している。クランク軸２４の一端には、図示しない減速機が動力伝達可能に連結される。この減速機を間に挟んで、船舶の図示しない推進軸が、クランク軸２４と軸線を一致させるように配置される。推進軸の端部には、船舶の推進力を発生させるプロペラが取り付けられる。前記減速機はＰＴＯ軸を有しており、このＰＴＯ軸に、図示しない軸駆動発電機が動力伝達可能に連結される。

この構成により、エンジン２１の動力が減速機を介して、推進軸と軸駆動発電機とに分岐して伝達される。これにより、船舶の推進力を発生させるとともに、軸駆動発電機の駆動にて生じた電力が船舶内の電気系統に供給される。

次に、エンジン２１について、図面を参照して詳細に説明する。エンジン２１は、上述したようにデュアルフューエルエンジンであり、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、の何れかを選択して駆動させることができる。

以下の説明では、予混合燃焼方式による稼動モード（予混合燃焼モード）を「ガスモード」と、拡散燃焼方式による稼動モード（拡散燃焼モード）を「ディーゼルモード」と、それぞれ呼ぶ場合がある。ガスモードでは、天然ガスを利用することによる環境負荷物質（窒素酸化物、硫黄酸化物及び粒子状物質等）の低減を実現して環境規制への適合を容易にする一方、ディーゼルモードでは、高効率での稼動を実現することができる。

また、以下では、減速機と接続される側を後側として、エンジン２１の構成における前後左右の位置関係を説明する。従って、前後方向は、クランク軸２４の軸線に平行な方向と言い換えることができ、左右方向は、クランク軸２４の軸線に垂直な方向と言い換えることができる。ただし、この説明はエンジン２１の向きを限定するものではなく、エンジン２１は用途等に応じて様々な向きで設置することができる。

エンジン２１には、図１に示すように、２系統の燃料供給経路３０，３１が接続されている。一方の燃料供給経路３０には、液化天然ガス（ＬＮＧ）を貯留するガス燃料タンク３２が接続されるとともに、他方の燃料供給経路３１には、船舶用ディーゼルオイル（ＭＤＯ）を貯留する液体燃料タンク３３が接続される。この構成で、一方の燃料供給経路３０はエンジン２１に燃料ガスを供給し、他方の燃料供給経路３１はエンジン２１に燃料油を供給する。

燃料供給経路３０には、上流側から順に、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の液化燃料を気化させる気化装置３４と、気化装置３４からエンジン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、が配置されている。

エンジン２１は、図２及び図４に示すように、シリンダブロック２５の上にシリンダヘッド２６を組み付けて構成される直列多気筒エンジンである。シリンダブロック２５の下部には、前記クランク軸２４が、図４に示すように軸線２４ｃを前後方向に向けた状態で回転可能に支持されている。

シリンダブロック２５には、複数（本実施形態では、６つ）の気筒がクランク軸２４の軸線に沿うように一列（直列）に並べて形成される。各気筒には、図２に示すように、ピストン７８が上下方向にスライド可能に収容される。このピストン７８は、図示しないロッドを介して前記クランク軸２４に連結される。

図３に示すように、それぞれの気筒を上側から覆うように、シリンダブロック２５には６つのシリンダヘッド２６が取り付けられる。シリンダヘッド２６はそれぞれの気筒に対して設けられ、ヘッドボルト９９を用いてシリンダブロック２５に固定される。図２に示すように、それぞれの気筒において、ピストン７８の上面とシリンダヘッド２６で取り囲まれた空間に燃焼室１１０が形成される。

複数のヘッドカバー４０は、図３に示すように、各気筒に対応するように、クランク軸２４の軸線２４ｃの方向（前後方向）に沿って一列に並んでシリンダヘッド２６上に配置されている。図２に示すように、それぞれのヘッドカバー４０の内部には、吸気弁及び排気弁を動作させためのプッシュロッド及びロッカーアーム等からなる動弁機構が収容されている。前記吸気弁を開いた状態では、燃焼室１１０に吸気マニホールド６７からの吸気を取り込むことができる。前記排気弁を開いた状態では、燃焼室１１０からの排気を排気マニホールド４４に排出することができる。

図２に示すように、ヘッドカバー４０の右側の近傍には、後述するパイロット燃料噴射弁８２の上端部が配置されている。このパイロット燃料噴射弁８２は、シリンダヘッド２６の内部に挿入され、燃焼室１１０に向かって斜下方に延びている。

図２に示すように、シリンダヘッド２６の右側には、ガスモード（予混合燃焼モード）での稼動時に各気筒の燃焼室１１０にガス燃料を分配して供給するためのガスマニホールド４１が設けられる。ガスマニホールド４１は、シリンダヘッド２６の右側面に沿って前後方向に延びるように配置される。ガスマニホールド４１には、各気筒の燃焼室１１０に対応する６つのガス枝管４１ａが接続され、当該ガス枝管４１ａの先端部には、図２に示すように、ガス燃料を噴射するためのガスインジェクタ９８が設けられる。ガスインジェクタ９８の先端部は、気筒に対応してシリンダヘッド２６の内部に形成される吸気枝管６７ａに臨んでいる。ガスインジェクタ９８からガス燃料を噴射することにより、吸気マニホールド６７の吸気枝管６７ａにガス燃料を供給することができる。

図２及び図４に示すように、シリンダブロック２５の左側には、ディーゼルモード（拡散燃焼モード）での稼動時に各気筒の燃焼室１１０に液体燃料を分配して供給するための液体燃料供給用レール配管４２が設けられる。液体燃料供給用レール配管４２は、シリンダブロック２５の左側面に沿って前後方向に延びるように配置されている。液体燃料供給用レール配管４２に供給された液体燃料は、各気筒に対応して設けられた燃料供給ポンプ８９に分配して供給される。それぞれの気筒には、図２に示すように、燃料供給ポンプ８９から供給された液体燃料を噴射するメイン燃料噴射弁７９が配置されている。メイン燃料噴射弁７９はシリンダヘッド２６に上方から垂直に差し込まれるように配置され、その上端部はヘッドカバー４０の内部に配置され、下端部は気筒の燃焼室１１０に臨んでいる。燃料供給ポンプ８９とメイン燃料噴射弁７９とは、シリンダヘッド２６に形成された液体燃料供給路１０６を介して接続される。

液体燃料供給用レール配管４２の下方近傍の位置に、それぞれの燃料供給ポンプ８９から戻された余分な燃料を集めるための液体燃料戻し集約管４８が設けられる。液体燃料戻し集約管４８は、液体燃料供給用レール配管４２と平行に配置され、燃料供給ポンプ８９に接続される。液体燃料戻し集約管４８の端部には、液体燃料を液体燃料タンク３３まで戻すための燃料戻し管１１５が接続される。

図２及び図４に示すように、シリンダブロック２５の左側であって、液体燃料供給用レール配管４２よりも上方の位置には、ガスモード（予混合燃焼モード）での燃焼時にガス燃料着火を目的として各気筒の燃焼室１１０にパイロット燃料を分配して供給するためのパイロット燃料供給用レール配管４７が設けられる。パイロット燃料供給用レール配管４７は、シリンダブロック２５の左側面に沿って前後方向に延びるように配置されている。それぞれの気筒には、図２及び図４に示すように、パイロット燃料供給用レール配管４７から供給された液体燃料（パイロット燃料）を噴射するパイロット燃料噴射弁８２が配置されている。パイロット燃料噴射弁８２はシリンダヘッド２６に上方から斜めに差し込まれるように配置され、その上端部はヘッドカバー４０のすぐ右脇の位置に配置され、下端部は気筒の燃焼室１１０に臨んでいる。図４に示すように、それぞれの気筒に対応して、パイロット燃料枝管１０９がパイロット燃料供給用レール配管４７から分岐するように設けられている。パイロット燃料枝管１０９は、並べて配置されたヘッドカバー４０の間を通過するように配置され、パイロット燃料噴射弁８２の上端部に接続される。パイロット燃料枝管１０９は、漏れた燃料の飛散を防止するための枝管カバー１０５によって覆われている。

図２及び図４に示すように、シリンダブロック２５及びシリンダヘッド２６で構成されるエンジン２１の左側面の上部には段差が形成されており、この段差の部分に、パイロット燃料供給用レール配管４７と液体燃料供給用レール配管４２と燃料供給ポンプ８９とが配置されている。シリンダブロック２５及びシリンダヘッド２６には、この段差部分を覆うようにサイドカバー４３が取り付けられている。パイロット燃料供給用レール配管４７、液体燃料供給用レール配管４２、及び燃料供給ポンプ８９は、サイドカバー４３で被覆されている。

図３等に示すように、燃料供給ポンプ８９が並べられる方向の一端部の近傍には、燃料供給ポンプ８９における燃料噴射量を調整するための調速機２０１が配置されている。この調速機２０１は、サイドカバー４３の内部において液体燃料供給用レール配管４２等と平行に配置されるコントロール伝達軸２０２を回転させることができる。このコントロール伝達軸２０２は、気筒の数だけ備えられている燃料供給ポンプ８９が有するコントロールラックに連結されている。調速機２０１は、コントロール伝達軸２０２を回転させることで、燃料供給ポンプ８９の前記コントロールラックを変位させ、これにより燃料供給ポンプ８９の圧送量（メイン燃料噴射弁７９の噴射量）を変更することができる。

図２に示すように、シリンダヘッド２６の右上方であって、ガスマニホールド４１よりも上方の位置には、各気筒の燃焼室１１０での燃焼により発生した排気を集めて外部に排出するための排気マニホールド４４が、ガスマニホールド４１と平行に配置される。排気マニホールド４４の外周は、遮熱カバー４５で覆われている。図２に示すように、排気マニホールド４４には各気筒に対応する排気枝管４４ａが接続されている。この排気枝管４４ａは、各気筒の燃焼室１１０に通じている。

シリンダブロック２５の内部の右側寄りには、外部からの空気（吸気）を各気筒の燃焼室１１０に分配して供給するための吸気マニホールド６７が、ガスマニホールド４１と平行に配置される。図２に示すように、吸気マニホールド６７から分岐するように６つの吸気枝管６７ａがシリンダヘッド２６の内部に形成され、それぞれの吸気枝管６７ａは燃焼室１１０に通じている。

この構成により、ディーゼルモード（拡散燃焼モード）での稼動時には、各気筒に吸気マニホールド６７から供給された空気がピストン７８のスライドにより圧縮された適宜のタイミングで、メイン燃料噴射弁７９から燃焼室１１０内に適宜の量の液体燃料が噴射されるようになっている。液体燃料を燃焼室１１０内に噴射することにより、ピストン７８は、燃焼室１１０で生じる爆発から得られる推進力によって気筒内を往復運動し、ピストン７８の往復運動がロッドを介してクランク軸２４の回転運動に変換されて動力が得られる。

一方、ガスモード（予混合燃焼方式）での稼動時には、ガスマニホールド４１からのガス燃料がガスインジェクタ９８から吸気枝管６７ａ内で噴射されることにより、吸気マニホールド６７から供給された空気と、ガス燃料とが混合される。気筒に導入された空気とガス燃料の混合気がピストン７８のスライドにより圧縮された適宜のタイミングで、パイロット燃料噴射弁８２から燃焼室１１０内に少量のパイロット燃料が噴射されることにより、ガス燃料に着火される。ピストン７８は、燃焼室１１０での爆発により得られる推進力によって気筒内を往復運動し、ピストン７８の往復運動がロッドを介してクランク軸２４の回転運動に変換されて動力が得られる。

ディーゼルモードで稼動した場合にも、ガスモードで稼動した場合にも、燃焼により生じた排気はピストン７８の運動により気筒から押し出され、排気マニホールド４４に集められた後、外部に排出される。

エンジン２１の前端面（正面）には、クランク軸２４の前端部分を取り囲むようにして、燃料油ポンプ５６と、図略の冷却水ポンプと、潤滑油ポンプと、がそれぞれ設けられている。クランク軸２４からの回転動力が適宜伝達されることにより、クランク軸２４の外周側に設けられた冷却水ポンプ、潤滑油ポンプ、及び燃料油ポンプ５６がそれぞれ駆動される。

図４に示す燃料油ポンプ５６は、回転駆動されることにより、図１の液体燃料タンク３３から供給される燃料油（液体燃料）を、パイロット燃料供給用主管１０７を経由して、パイロット燃料供給用レール配管４７に送る。液体燃料タンク３３から燃料油ポンプ５６への燃料経路の中途部には、燃料油を濾過するパイロット燃料用フィルタが設けられている。

また、（燃料油ポンプ５６とは別の）図略の燃料油ポンプがクランク軸２４の回転に伴って回転駆動されることにより、当該燃料ポンプは液体燃料タンク３３からの燃料油を吸い込んで、図４等に示す液体燃料供給用主管１０８を経由して液体燃料供給用レール配管４２に送る。液体燃料タンク３３から液体燃料供給用レール配管４２への燃料油の供給経路の中途部には、燃料油を濾過するメイン燃料用フィルタが設けられている。

図４に示すように、パイロット燃料供給用主管１０７、液体燃料供給用主管１０８及び燃料戻し管１１５は、シリンダブロック２５の左側面に沿うように、シリンダブロック２５のすぐ前方に配置されている。パイロット燃料供給用主管１０７、液体燃料供給用主管１０８及び燃料戻し管１１５は、シリンダブロック２５の前端面から左方に突出するように設けられた複数のクランプ部材１１１を介して、シリンダブロック２５の左側面に沿って上下方向に延びるように配置される。

シリンダブロック２５の後方の右側寄りには、エンジン２１の各部の動作を制御するエンジン制御装置（制御装置）７３が図略の支持部材を介して設けられている。このエンジン制御装置７３は、図６に示すように、エンジン２１の各部に設けられたセンサ（圧力センサ、トルクセンサ等）からデータを取得して、エンジン２１の各種動作（燃料の噴射、流量調整弁の開度の変更等）を制御するように構成されている。

次に、エンジン２１における吸気及び排気のための構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、エンジン２１の吸排気系統の構成を示す模式図である。

図５に示すように、エンジン２１において、６つの気筒が一列に並べて配置されている。それぞれの気筒は、吸気枝管６７ａを介して吸気マニホールド６７と接続されるとともに、排気枝管４４ａを介して排気マニホールド４４と接続されている。

吸気マニホールド６７は、エンジン２１の外部に通じる吸気流路１５と接続され、外部の空気をそれぞれの気筒に取り込むことができるようになっている。吸気流路１５の中途には、過給機４９のコンプレッサ４９ｂと、インタークーラ５１と、が配置されている。

コンプレッサ４９ｂとインタークーラ５１の間には、吸気マニホールド６７に供給される空気流量を調整するためのメインスロットルバルブ（メインスロットル弁）Ｖ１が設けられている。メインスロットルバルブＶ１は流量調整弁として構成されており、その開度をエンジン制御装置７３からの電気信号によって制御可能に構成されている。

吸気流路１５には、インタークーラ５１の空気出口側と、コンプレッサ４９ｂの空気入口側と、を接続する吸気バイパス流路１７が設けられている。コンプレッサ４９ｂを通過した空気の一部は、この吸気バイパス流路１７を経由して再循環される。吸気バイパス流路１７には、当該吸気バイパス流路１７を通過する空気の流量を調節するための吸気バイパス弁Ｖ２が設けられている。吸気バイパス弁Ｖ２は、メインスロットルバルブＶ１と同様に流量調整弁として構成されており、その開度をエンジン制御装置７３からの電気信号によって制御可能に構成されている。吸気バイパス弁Ｖ２の弁開度を変更することにより、吸気マニホールド６７に供給される空気流量を調整することができる。

排気マニホールド４４は、エンジン２１の外部に通じる排気流路１６と接続され、各気筒から排気された空気を外部に排出することができる。排気流路１６の中途には、過給機４９のタービン４９ａが配置されている。

排気流路１６には、排気マニホールド４４の排気出口側と、タービン４９ａの排気出口側と、を接続する（タービン４９ａを迂回する）排気バイパス流路１８が設けられている。排気マニホールド４４から排気流路１６に送られた排気の一部は、排気バイパス流路１８を経由してタービン４９ａの排気出口側よりも下流に至った後、外部に排出される。排気バイパス流路１８には、当該排気バイパス流路１８を通過する排気の流量を調節するための排気バイパス弁Ｖ３が設けられている。排気バイパス弁Ｖ３は、メインスロットルバルブＶ１と同様に流量調整弁として構成されており、その開度をエンジン制御装置７３からの電気信号によって制御可能に構成されている。排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を変更することにより、タービン４９ａに流入する排気流量を調整し、コンプレッサ４９ｂにおける空気の圧縮量を調整することができる。即ち、排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を調節することによって、吸気マニホールド６７に供給される空気流量を調整することができる。

次に、流量調整弁の弁開度におけるフィードバック制御について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、エンジン２１を制御するための電気的な構成を示すブロック図である。図７は、エンジン２１をガスモードで稼動したときの、吸気マニホールド６７における吸気流量の調整制御を説明するグラフである。

図６に示すように、エンジン制御装置７３は、パイロット燃料噴射弁８２と、燃料供給ポンプ８９と、ガスインジェクタ９８と、を制御可能に構成されている。エンジン制御装置７３は、パイロット燃料噴射弁８２を開閉制御することで、燃焼室１１０に液体燃料（パイロット燃料）を供給することができる。エンジン制御装置７３は、燃料供給ポンプ８９の制御弁を開閉制御することで、燃料供給ポンプ８９からメイン燃料噴射弁７９を介して燃焼室１１０に液体燃料（メイン燃料）を供給することができる。エンジン制御装置７３は、調速機２０１を制御することで、メイン燃料噴射弁７９からの液体燃料の噴射量を調節することができる。エンジン制御装置７３は、ガスインジェクタ９８を制御することで、吸気マニホールド６７の吸気枝管６７ａにガス燃料を供給することができる。

また、エンジン制御装置７３は、メインスロットルバルブＶ１と、吸気バイパス弁Ｖ２と、排気バイパス弁Ｖ３と、を制御可能に構成されている。前述したように、エンジン制御装置７３は、メインスロットルバルブＶ１、吸気バイパス弁Ｖ２、及び排気バイパス弁Ｖ３それぞれの弁開度を制御することで、吸気マニホールド６７に流入する空気流量を調整することができる。

図６に示すように、エンジン制御装置７３は、エンジン２１の各部に備えられた各種センサからの信号を入力可能に構成されている。また、エンジン制御装置７３は、機側操作用制御装置７１と相互に通信可能に構成されている。

エンジン２１が備える６つの気筒のうち一部又は全部には、筒内圧センサ６３が配置されている。この筒内圧センサ６３は、圧電素子又は歪ゲージ等を備えて構成されており、気筒の内部の圧力（図示平均有効圧、ＩＭＥＰ）を検出することができる。筒内圧センサ６３が検出した筒内圧は、エンジン制御装置７３に出力される。

エンジン２１の吸気マニホールド６７には、当該吸気マニホールド６７における空気圧力を測定する吸気圧センサ３９が設けられている。この吸気圧センサ３９は、例えば半導体歪ゲージを用いた構成とすることができる。吸気圧センサ３９が検出した吸気圧力は、エンジン制御装置７３に出力される。

エンジン２１の適宜の位置（例えば、クランク軸２４の近傍）には、トルクセンサ（負荷検出器）６４が取り付けられている。トルクセンサ６４としては、例えば、歪ゲージを用いてトルクを検出するフランジ型のものを用いることができる。トルクセンサ６４が検出したエンジン負荷（エンジントルク）は、エンジン制御装置７３に出力される。

エンジン２１の適宜の位置（例えば、シリンダブロック２５）には、エンジン回転数センサ６５が取り付けられている。エンジン回転数センサ６５は、例えばセンサとパルス発生器により構成され、クランク軸２４の回転に応じてパルス信号を発生するように構成することができる。エンジン回転数センサ６５が検出したエンジン回転数は、エンジン制御装置７３に出力される。

ディーゼルモードでエンジン２１を稼動させる場合、エンジン制御装置７３は、燃料供給ポンプ８９における制御弁を開閉制御して、各気筒における燃焼を所定のタイミングで発生させる。即ち、各気筒の噴射タイミングに合わせて燃料供給ポンプ８９の制御弁を開くことで、メイン燃料噴射弁７９を通じて各気筒内に燃料油を噴射させ、気筒内で発火させる。一方、ガスインジェクタ９８からの燃料ガスの噴射、及び、パイロット燃料噴射弁８２からのパイロット燃料の噴射は、ディーゼルモードにおいては停止されている。

ディーゼルモードにおいては、エンジン制御装置７３は、トルクセンサ６４が検出したエンジン負荷と、エンジン回転数センサ６５が検出したエンジン回転数と、に基づいて、各気筒におけるメイン燃料噴射弁７９から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のクランク軸２４は、船舶の推進兼発電機構で必要とされるトルクが得られるように、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、吸気圧センサ３９で検出された吸気マニホールド６７内の空気圧力に基づいて、メインスロットルバルブＶ１の弁開度を制御する。これにより、エンジン出力に必要とされる空気流量となるようにコンプレッサ４９ｂから圧縮空気を吸気マニホールド６７に供給する。

ガスモードでエンジン２１を稼動させる場合、エンジン制御装置７３は、ガスインジェクタ９８における弁を開閉制御して、吸気枝管６７ａに燃料ガスを供給することで、当該燃料ガスを吸気マニホールド６７からの空気に混合し、各気筒内に予混合燃料を供給させる。また、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、所定のタイミングでパイロット燃料を各気筒に噴射することで着火源を発生させ、予混合ガスが供給された各気筒内で燃焼を行わせる。一方、メイン燃料噴射弁７９からのメイン燃料の噴射は、ガスモードにおいては停止されている。

ガスモードにおいては、エンジン制御装置７３は、トルクセンサ６４が検出したエンジン負荷と、エンジン回転数センサ６５が検出したエンジン回転数と、に基づいて、ガスインジェクタ９８による燃料ガスの噴射流量と、各気筒におけるパイロット燃料噴射弁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、トルクセンサ６４により検出されるエンジン負荷、及び、吸気圧センサ３９により検出される吸気マニホールド６７内の空気圧力等に基づいて、メインスロットルバルブＶ１、吸気バイパス弁Ｖ２、及び排気バイパス弁Ｖ３それぞれの弁開度を例えば図７のように制御する。

まず、メインスロットルバルブＶ１の制御について、図７（ａ）を参照して説明する。なお、図７のグラフに示すＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は予め定められたエンジン負荷の所定値（ただし、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４）であって、そのうち所定値Ｌ４は低負荷領域と中高負荷領域との境界に相当するエンジン負荷である。

エンジン負荷が所定値Ｌ１未満である場合は、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に応じて吸気マニホールド６７の目標圧力を図７（ｄ）に示す関係に基づいて設定した上で、吸気圧センサ３９により検出された実際の圧力が上記の目標圧力に近づくように、メインスロットルバルブＶ１の弁開度をＰＩＤ制御（フィードバック制御）する。

エンジン負荷が所定値Ｌ１以上かつ所定値Ｌ２未満である場合は、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バルブＶ１の弁開度を記憶した第１データテーブルＤ１を参照し、エンジン負荷に対応したメインスロットルバルブＶ１の弁開度となるようにマップ制御する。第１データテーブルＤ１は、エンジン負荷が増大するのに従ってメインスロットルバルブＶ１の弁開度を徐々に増大させるように定められる。

エンジン負荷が所定値Ｌ２以上である場合は、エンジン制御装置７３は、メインスロットルバルブＶ１が全開となるように制御する。なお、エンジン負荷の所定値Ｌ２は、吸気マニホールド６７の空気圧力が大気圧となる値Ｌｔよりも低く設定されている。

次に、吸気バイパス弁Ｖ２の制御について、図７（ｂ）を参照して説明する。

エンジン負荷が所定値Ｌ３未満である場合は、エンジン制御装置７３は、吸気バイパス弁Ｖ２が全閉となるように制御する。

エンジン負荷が所定値Ｌ３以上である場合は、エンジン制御装置７３は、エンジン負荷に応じて吸気マニホールド６７の目標圧力を図７（ｄ）に示す関係に基づいて設定した上で、吸気圧センサ３９により検出された実際の圧力が上記の目標圧力に近づくように、吸気バイパス弁Ｖ２の弁開度をＰＩＤ制御（フィードバック制御）する。

次に、排気バイパス弁Ｖ３の制御について、図７（ｃ）を参照して説明する。

エンジン負荷が所定値Ｌ１未満である場合は、エンジン制御装置７３は、排気バイパス弁Ｖ３が全開となるように制御する。

エンジン負荷が所定値Ｌ１以上である場合は、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の弁開度を記憶した第２データテーブルＤ２を参照し、エンジン負荷に対応した排気バイパス弁Ｖ３の弁開度となるようにマップ制御する。第２データテーブルＤ２は、エンジン負荷が所定値Ｌ１から所定値Ｌ２に増大するのに従って排気バイパス弁Ｖ３の弁開度を徐々に減少させ、所定値Ｌ２から所定値Ｌ３までは排気バイパス弁Ｖ３を全閉とし、所定値Ｌ３から増大するのに従って排気バイパス弁Ｖ３の開度を徐々に増大させるように定められる。

以上のように、エンジン制御装置７３は、メインスロットルバルブＶ１と、吸気バイパス弁Ｖ２と、排気バイパス弁Ｖ３と、を制御することで、吸気マニホールド６７の空気圧力を調整する。これにより、エンジン出力に必要とされる空気流量となるようにコンプレッサ４９ｂから圧縮空気を吸気マニホールド６７に供給するとともに、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することができる。

ところで、本実施形態のようなデュアルフューエルエンジンにおいては、ディーゼルモードとガスモードとで空燃比が異なり、同一の大きさの負荷に対して、ガスモードではディーゼルモードと比較して必要な空気流量が少ない。従って、過給機４９についてはディーゼルモードで使用することを基本に設計する必要がある一方で、ガスモードにおいても、当該ガスモードの空燃比に適した流量の空気を供給する必要がある。

この点、本実施形態では、上記の構成とすることで、過給機４９の構成をディーゼルモードでの稼動に対して最適化した場合でも、ガスモードでの稼動時に、エンジン負荷の変動に応じて吸気バイパス弁Ｖ２の弁開度を制御することにより、吸気マニホールド６７の圧力制御の応答性を高めることができる。従って、負荷変動時においても、燃焼に必要な空気量の過不足を防止できるので、ディーゼルモードでの稼動に最適化した構成の過給機４９を用いた場合でも、ガスモードで良好に稼動することができる。

また、エンジン負荷の変動に応じて排気バイパス弁Ｖ３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２１に供給することができる。また、応答性の良い吸気バイパス弁Ｖ２の制御を併せて行うことで、ガスモードにおいて負荷変動に対する応答速度を増大させることができるので、負荷が変動した場合でも、燃焼に必要な空気量の不足を原因とするノッキング等を回避することができる。

ところで、エンジン負荷を適切に検出することはエンジン２１の適切な燃焼制御のために重要であり、トルクセンサ６４によるエンジン負荷の検出が何らかの理由でできなくなると、出力低下、燃料消費量の悪化等の原因となる。特に、本実施形態のようなデュアルフューエルエンジンをガスモードで稼動する場合において、上述のように負荷変動が生じた場合でもノッキング及び失火を回避するためには、エンジン負荷を正確に検出して空気流量を制御することが必要になる。

本実施形態においてエンジン負荷は、図６のトルクセンサ６４により、例えば４ｍＡ〜２０ｍＡの範囲で、負荷が増大するに従って電流値が増大する信号として検出される。従って、トルクセンサ６４の電流値が４ｍＡである場合はエンジン負荷が実質的にゼロであることを意味するが、トルクセンサ６４の断線等の理由によってエンジン負荷をゼロと誤検出している可能性も否定できない。

この点、本実施形態では、エンジン制御装置７３が、筒内圧センサ６３が筒内圧を検出することにより得られたデータ列により図示平均有効圧を計算し、得られた図示平均有効圧が所定の閾値以上であるにもかかわらずトルクセンサ６４のエンジン負荷検出値が無負荷を示している場合、トルクセンサ６４によるエンジン負荷の検出に異常が発生したと判定する。

即ち、筒内圧センサ６３が検出する筒内圧が所定の大きさ以上であれば、少なくともある程度の大きさの負荷がエンジン２１に対して投入されているはずであるが、それにもかかわらずトルクセンサ６４のエンジン負荷の検出結果がゼロを示しているなら、トルクセンサ６４でのエンジン負荷の検出に何らかの異常が発生している可能性が高い。このことを利用して、エンジン制御装置７３は、上記の状況が生じればトルクセンサ６４が異常であると判定し、その旨を、機側操作用制御装置７１が備えるディスプレイ７２に表示するように構成されている。これにより、エンジン負荷の検出に関する異常を適切に発見して、早期の対応を促すことができる。

次に、上述したトルクセンサ６４の異常を検出するための具体的な制御について、図８を主に参照しながら詳細に説明する。図８は、トルクセンサ６４の異常を検出するためにエンジン制御装置７３が行う判定処理を示すフローチャートである。図９は、トルクセンサ６４の異常が検出された結果としてガスモードからディーゼルモードに切り替わる場合の、燃料ガス及び燃料油の供給制御を説明する図である。

図８に示すように、ガスモードで稼動するエンジン２１においてエンジン制御装置７３は、エンジン回転数センサ６５が検出するエンジン回転数を目標値に近づけるように、ガスインジェクタ９８が噴射する燃料ガスの量を調整する制御を行う（調速制御、ステップＳ１０１）。

次に、エンジン制御装置７３は、トルクセンサ６４により検出したエンジン負荷に応じて、メインスロットルバルブＶ１、吸気バイパス弁Ｖ２及び排気バイパス弁Ｖ３の開度を制御する（ステップＳ１０２）。制御の方法としては、図７を参照して説明したように、エンジン負荷の大きさに応じて、全開で固定する制御、全閉で固定する制御、マップ制御、ＰＩＤ制御（フィードバック制御）の何れかが選択される。

その後、エンジン制御装置７３は、ステップＳ１０２において得られたエンジン負荷が実質的に無負荷であったか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０３の判断で、検出されたエンジン負荷が実質的にゼロでなかった場合は、ステップＳ１０１に戻り、処理を繰り返す。

ステップＳ１０３の判断で、検出されたエンジン負荷が実質的にゼロであった場合は、筒内圧センサ６３の検出圧力から図示平均有効圧を計算し、この図示平均有効圧が所定の閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０４の判断で、図示平均有効圧が閾値未満である場合、ステップＳ１０１に戻り、処理を繰り返す。

ステップＳ１０４の判断で、図示平均有効圧が閾値以上である場合、エンジン制御装置７３は、トルクセンサ６４に何らかの異常が発生していると判断し、その旨を示すメッセージを、機側操作用制御装置７１のディスプレイ７２に表示させる（ステップＳ１０５）。これにより、エンジン負荷の検出に異常が生じていることをエンジン２１のオペレータが早期に気付いて適切な処置を行うことができる。

その後、エンジン制御装置７３は、エンジン制御装置７３は、燃焼モードをディーゼルモードに切り替えて（ステップＳ１０６）、ガスモードでの処理を終了する。このように、エンジン負荷の検出に異常が発生するとガスモードからディーゼルモードに切り替えることで、船舶用の大型エンジンに求められる運転継続性を確保することができる。

なお、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への切替えは、直ちに切り替える場合と、徐々に切り替える場合と、が考えられる。

例えば、エンジン２１がガスモードで稼動していたが、船舶の航行の結果、窒素酸化物等の排出量が制限されている規制海域から外に出た場合は、ガスモードからディーゼルモードへ徐々に切り替えることが好ましい。この場合、ガスインジェクタ９８から噴射される燃料ガスの量を徐々に減少させ、また、メイン燃料噴射弁７９から噴射される液体燃料の量を徐々に増大させる制御が行われる。

一方で、ガスモードでの稼動中に異常が発生した場合は、ガスモードからディーゼルモードに直ちに切り替えることが好ましい。考えられる異常としては、例えば、燃料ガスの圧力の低下、吸気マニホールド６７の圧力の低下、ガス温度の上昇、空気温度の上昇、又は各種センサの異常（上記のトルクセンサ６４の異常を含む）を挙げることができる。この場合、ガスインジェクタ９８から噴射される燃料ガスの量は急激にゼロとされ、それとほぼ同時に、メイン燃料噴射弁７９から噴射される液体燃料の量をゼロから急激に増大させる制御が行われる。

本実施形態においても、トルクセンサ６４に異常が発生したのを検知した後のガスモードからディーゼルモードへの切替え（ステップＳ１０６）は、図９に示すように、徐々にではなく瞬時に行われる。

一般的に、ディーゼルモードにおいてメイン燃料噴射弁７９から噴射される液体燃料（メイン燃料）の量は、エンジン回転数とエンジン負荷からマップにより求められる。しかしながら、トルクセンサ６４には上記のとおり異常があるので、ステップＳ１０６においてガスモードからディーゼルモードへ遷移した後の初期のメイン燃料の噴射量（図９の燃料油供給量ＦＯ１）を求めるにあたって、トルクセンサ６４が検出したエンジン負荷は信頼することができない。そこで、エンジン制御装置７３は、筒内圧センサ６３が検出した気筒の内部の圧力から図示平均有効圧を求め、これから更に正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を計算して、当該正味平均有効圧からエンジン負荷を推定するように構成されている。なお、図示平均有効圧と正味平均有効圧の関係、及び正味平均有効圧とエンジン負荷の関係は良く知られているので、具体的な計算については説明を省略する。

その後、エンジン制御装置７３は、初期のメイン燃料の噴射量（図９に示す燃料油供給量ＦＯ１）を、エンジン回転数と、推定したエンジン負荷と、を用いて上記のマップにより求め、当該量の液体燃料をメイン燃料噴射弁７９から噴射するように調速機２０１を制御する。このように構成することで、エンジン負荷をトルクセンサ６４で正常に検出できない状況においても、ディーゼルモードへの切替直後に適切な量の液体燃料をメイン燃料噴射弁７９から噴射することができ、エンジン回転数を良好に維持することができる。

以上に説明したように、本実施形態のエンジン２１は、筒内圧センサ６３と、トルクセンサ６４と、エンジン制御装置７３と、を備える。筒内圧センサ６３は、気筒の内部の圧力を検出する。トルクセンサ６４は、エンジン負荷を検出する。エンジン制御装置７３には、筒内圧センサ６３の検出結果及びトルクセンサ６４の検出結果が入力される。エンジン制御装置７３は、トルクセンサ６４によって検出された負荷がゼロ（無負荷）であり、且つ、筒内圧センサ６３の検出結果から得られる筒内圧力（具体的には、図示平均有効圧）が閾値以上である場合、トルクセンサ６４による検出に異常があると判定する。

これにより、筒内圧力とエンジン負荷との間にある程度の相関があることを利用して、トルクセンサ６４の異常の有無を簡素な構成で判定することができる。この結果、例えば、異常への対応をオペレータに早期に促すことができる。

また、本実施形態のエンジン２１は、吸気マニホールド６７と、ガスインジェクタ９８と、メイン燃料噴射弁７９と、を備える。吸気マニホールド６７は、気筒内へ空気を供給する。ガスインジェクタ９８は、吸気マニホールド６７から供給される空気に燃料ガスを噴射して混合させる。メイン燃料噴射弁７９は、気筒に液体燃料を噴射する。エンジン２１は、ガスインジェクタ９８が噴射した気体燃料を空気と混合させてから気筒内の燃焼室１１０に流入させるガスモード（予混合燃焼モード）と、メイン燃料噴射弁７９が液体燃料を燃焼室１１０内に噴射することにより燃焼するディーゼルモード（拡散燃焼モード）と、を切り替えて稼動可能である。エンジン制御装置７３は、ガスモードでの稼動中にトルクセンサ６４による検出に異常があると判定した場合、ガスモードからディーゼルモードに切り替える。

これにより、トルクセンサ６４によるエンジン負荷の検出に異常がある状態で、エンジン２１がガスモードで稼動するのを回避することができる。この結果、エンジン２１の稼動の継続性を確保することができる。

また、本実施形態のエンジン２１において、エンジン制御装置７３は、ガスモードでの稼動中にトルクセンサ６４による検出に異常があると判定し、ガスモードからディーゼルモードに切り替える場合に、筒内圧センサ６３の検出値に基づいてエンジン負荷を計算により推定し、推定されたエンジン負荷に基づいて、ディーゼルモードへの切替直後にメイン燃料噴射弁７９が噴射する液体燃料の量を算出する。

これにより、ガスモードからディーゼルモードに切り替わった初期において、メイン燃料噴射弁７９から適切な量の液体燃料を噴射することができる。この結果、モード切替時のエンジン回転数の低下等を防止して、エンジン２１を安定して稼動することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

トルクセンサ６４は、エンジン負荷に応じた電流値の信号を出力することに代えて、例えばエンジン負荷に応じた電圧値の信号を出力するように構成することができる。

図８のフローに示すＳ１０４において、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）ではなく、例えば正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）を閾値と比較するようにしても良い。

負荷検出器としては、上記のトルクセンサ６４に限定されず、例えばワットトランスデューサを用いることができる。

上記の実施形態では、ガスモードにおける予混合気の着火は、パイロット燃料噴射弁８２から液体燃料を少量噴射することによって行われる（マイクロパイロット着火）。しかしながらこれに代えて、例えば火花による点火が行われても良い。

上記の実施形態では、エンジン２１は、船舶の推進兼発電機構の駆動源として用いられているが、これに限るものではなく、他の用途に用いられてもよい。

２１ エンジン
２４ クランク軸
６３ 筒内圧センサ
６４ トルクセンサ（負荷検出器）
７３ エンジン制御装置（制御装置）
７８ ピストン
７９ メイン燃料噴射弁（燃料噴射弁）
９８ ガスインジェクタ
１１０ 燃焼室

Claims (2)

1. 気筒の内部の圧力を検出する筒内圧センサと、
   エンジン負荷を検出する負荷検出器と、
   前記筒内圧センサの検出結果及び前記負荷検出器の検出結果が入力される制御装置と、
   前記気筒内へ空気を供給する吸気マニホールドと、
   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噴射して混合させるガスインジェクタと、
   前記気筒に液体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   を備え、
   前記ガスインジェクタが噴射した前記気体燃料を空気と混合させてから前記気筒内の燃焼室に流入させる予混合燃焼モードと、前記燃料噴射弁が前記液体燃料を前記燃焼室内に噴射することにより燃焼する拡散燃焼モードと、を切り替えて稼動可能であり、
   前記制御装置は、前記負荷検出器によって検出された負荷がゼロであり、且つ、前記筒内圧センサの検出結果から得られる筒内圧力が閾値以上である場合、前記負荷検出器による検出に異常があると判定し、
   前記制御装置は、前記予混合燃焼モードでの稼動中に前記負荷検出器による検出に異常があると判定した場合、前記予混合燃焼モードから前記拡散燃焼モードに切り替えることを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記制御装置は、前記予混合燃焼モードでの稼動中に前記負荷検出器による検出に異常があると判定し、前記予混合燃焼モードから前記拡散燃焼モードに切り替える場合に、前記筒内圧センサの検出値に基づいてエンジン負荷を計算により推定し、推定されたエンジン負荷に基づいて、前記拡散燃焼モードへの切替直後に前記燃料噴射弁が噴射する前記液体燃料の量を算出することを特徴とするエンジン。

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