JP7222203B2 - 制御方法、制御装置及びエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、制御方法、制御装置及びエンジンシステムに関するものである。

例えば、特許文献１には、主燃焼室に連通すると共に、液体燃料が噴射される副室（副燃焼室）を備えるエンジンが開示されている。このような副室を備える構成においては、圧縮行程時に、副室に燃料が噴射され主燃焼室から副室へと流入した空気により着火する。

特開２００６－１３２４７８号公報

ところで、近年では、エンジンにおいて、ＮＯｘの排出量を減少させるため、液体燃料と天然ガス等の気体燃料との双方が利用可能なデュアルフューエルエンジンが考案されている。このようなデュアルフューエルエンジンにおいては、副燃焼室に液体燃料噴射装置を設けることが考えられる。

この場合、主燃焼室において液体燃料が燃焼される度に、微細な固体粒子状の燃料残渣が発生する。そのため、長時間連続的に液体燃料で運転した場合、副燃焼室内に排ガスに流入、流出を繰り返すことになる。副燃焼室と主燃焼室とは連通しているため、燃料残渣が副燃焼室や、副燃焼室と主燃焼室とを連通する開口部に流入し、堆積する。副燃焼室及び上記開口部に燃料残渣が堆積すると、副燃焼室が燃料残渣により閉塞される可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、副燃焼室の燃料残渣による閉塞を防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための制御方法に係る第１の手段として、気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンの制御方法であって、
前記液体燃料の燃焼時において、前記副燃焼室に燃料残渣が堆積した場合に、前記液体燃料を噴射する液体燃料噴射工程を備える、という構成を採用する。

制御方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記副燃焼室における燃料残渣の堆積を予測する予測工程を備える、という構成を採用する。

制御方法に係る第３の手段として、上記第２の手段において、前記予測工程では、前記副燃焼室内の圧力に基づいて燃料残渣の堆積を予測する、という構成を採用する。

制御方法に係る第４の手段として、上記第３の手段において、前記予測工程では、前記副燃焼室内と前記主燃焼室との圧力差に基づいて燃料残渣の堆積を予測する、という構成を採用する。

制御方法に係る第５の手段として、上記第３または第４の手段において、前記副燃焼室内の圧力は、圧力履歴より予測される、という構成を採用する。

制御方法に係る第６の手段として、上記第１の手段において、前記デュアルフューエルエンジンは、船舶に搭載され、前記液体燃料噴射工程は、前記船舶の位置に基づいて、ＮＯｘ規制領域内に移行する際に実施される、という構成を採用する。

制御装置に係る第１の手段として、気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンの制御装置であって、前記液体燃料の燃焼時において、前記副燃焼室に燃料残渣が堆積した場合に、前記副燃焼室に前記液体燃料を噴射する、という構成を採用する。

エンジンシステムに係る第１の手段として、気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンと、請求項８に記載された制御装置とを備える、という構成を採用する。

本発明によれば、副燃焼室に燃料残渣が堆積した際に、副燃焼室に液体燃料を噴射することで、燃料残渣を主燃焼室へと排出することができる。これにより、副燃焼室が燃料残渣により閉塞することを防止できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの一部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る制御部のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る制御部の制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るエンジンシステムについて説明する。

本実施形態のエンジンシステム１００は、例えば大型タンカなど船舶に搭載され、図１に示すように、エンジン１と、過給機２００と、制御部３００（制御装置）と、とを有している。なお、本実施形態においては、過給機２００を補機として捉え、エンジン１（主機）と別体として説明する。但し、過給機２００、液体燃料噴射装置４００をエンジン１の一部として構成することも可能である。

エンジン１は、多気筒のユニフロー掃気ディーゼルエンジン（２ストロークエンジン）とされ、天然ガス等の気体燃料を燃焼させるガス運転モードと、重油等の液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有するデュアルフューエルエンジンである。なお、ガス運転モードでは、気体燃料のみを燃焼させても良い。このようなエンジン１は、架構２と、シリンダ部３と、ピストン４と、排気弁ユニット５と、ピストンロッド６と、クロスヘッド７と、揺動管８と、連接棒９と、クランク角センサ１０と、クランク軸１１と、掃気溜１２と、排気溜１３と、空気冷却器１４とを有している。

架構２は、エンジン１の全体を支持する強度部材であり、クロスヘッド７及び連接棒９が収容されている。また、架構２は、内部において、クロスヘッド７の後述するクロスヘッドピン７ａが往復動可能とされている。

シリンダ部３は、シリンダライナ３ａと、シリンダヘッド３ｂとシリンダジャケット３ｃと、副室部材３ｄとを有している。シリンダライナ３ａは、円筒状の部材であり、ピストン４との摺動面が内側に形成されている。このようなシリンダライナ３ａの内周面とピストン４とにより囲まれた空間が燃焼室Ｒ１（主燃焼室）とされている。燃焼室Ｒ１内は、略円柱状の空間であり、内部のガスが燃焼室Ｒ１の中心の周りを一定の方向に旋回する流れが形成されている。なお、以下の説明においては、燃焼室Ｒ１におけるガスの旋回方向をスワール方向として説明している。また、シリンダライナ３ａの下部には、複数の掃気ポートＳが形成されている。掃気ポートＳは、シリンダライナ３ａの周面に沿って配列された開口であり、シリンダジャケット３ｃ内部の掃気室Ｒ２とシリンダライナ３ａの内側とを連通している。また、シリンダライナ３ａには、気体燃料が噴射される複数の不図示の気体燃料噴射弁が設けられている。シリンダヘッド３ｂは、シリンダライナ３ａの上端部に設けられた蓋部材である。シリンダヘッド３ｂは、平面視において中央部に排気ポートＨが形成され、排気溜１３と接続されている。また、シリンダヘッド３ｂには、液体燃料が噴射される複数の不図示の液体燃料噴射弁が設けられている。シリンダジャケット３ｃは、架構２とシリンダライナ３ａとの間に設けられ、シリンダライナ３ａの下端部が挿入された円筒状の部材であり、内部に掃気室Ｒ２が形成されている。また、シリンダジャケット３ｃの掃気室Ｒ２は、掃気溜１２と接続されている。

副室部材３ｄは、図２に示すように、シリンダヘッド３ｂに差し込まれて固定され、副燃焼室ＲＸを形成する部材である。また、副室部材３ｄ及びシリンダヘッド３ｂには、副室部材３ｄ及びシリンダヘッド３ｂを連通する連絡孔ＲＹが形成されている。連絡孔ＲＹは、副燃焼室ＲＸと燃焼室Ｒ１との間に設けられており、副燃焼室ＲＸ及び燃焼室Ｒ１の内径よりも小さく設定されている。副燃焼室ＲＸには、燃焼室Ｒ１において発生した燃焼ガスの一部が連絡孔ＲＹを介して流入する。この燃焼ガスには、液体燃料が燃焼される際に発生する粉塵状の燃料残渣が含まれている。また、副燃焼室ＲＸ内には、液体燃料噴射装置４００の噴射口が設けられている。

ピストン４は、略円柱状とされ、後述するピストンロッド６と接続されてシリンダライナ３ａの内側に配置されている。また、ピストン４の外周面には不図示のピストンリングが設けられ、ピストンリングにより、ピストン４とシリンダライナ３ａとの間隙を封止している。ピストン４は、燃焼室Ｒ１における圧力の変動により、ピストンロッド６を伴ってシリンダライナ３ａ内を摺動する。

排気弁ユニット５は、排気弁５ａと、排気弁筐５ｂと、排気弁駆動部５ｃとを有している。排気弁５ａは、シリンダヘッド３ｂの内側に設けられ、排気弁駆動部５ｃにより、シリンダ部３内の排気ポートＨを閉塞する。排気弁筐５ｂは、排気弁５ａの端部を収容する円筒形の筐体である。排気弁駆動部５ｃは、排気弁５ａをピストン４のストローク方向に沿う方向に移動させるアクチュエータである。

ピストンロッド６は、一端がピストン４と接続され、他端がクロスヘッドピン７ａと連結された長尺状部材である。ピストンロッド６の端部は、クロスヘッドピン７ａに固定され、連接棒９が搖動可能となるように連結されている。

クロスヘッド７は、クロスヘッドピン７ａと、ガイドシュー７ｂと、を有している。クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６と連接棒９とを移動可能に連結する円柱状部材である。

ガイドシュー７ｂは、クロスヘッドピン７ａを回動可能に支持する部材であり、クロスヘッドピン７ａに伴ってピストン４のストローク方向に沿って不図示のガイドレール上を移動する。ガイドシュー７ｂがガイドレールに沿って移動することにより、クロスヘッドピン７ａは、回転運動と、ピストン４のストローク方向に沿う直線方向以外への移動が規制される。このようなクロスヘッド７は、ピストン４の直線運動を連接棒９へと伝達している。

図１に戻り、揺動管８は、クロスヘッドピン７ａと不図示の潤滑油供給ポンプとを接続する配管である。この揺動管８は、揺動可能とされ、一端がクロスヘッドピン７ａと共に上下方向に移動すると共に、他端が潤滑油供給ポンプと共に固定された状態で設置されている。

図１に示すように、連接棒９は、クロスヘッドピン７ａと連結されると共にクランク軸１１と連結されている長尺状部材である。連接棒９は、クロスヘッドピン７ａに伝えられたピストン４の直線運動を回転運動に変換している。クランク角センサ１０は、クランク軸１１のクランク角を計測するためのセンサであり、制御部３００へとクランク角を算出するためのクランクパルス信号を送信している。

クランク軸１１は、気筒に設けられる連接棒９に接続された長尺状の部材であり、それぞれの連接棒９により伝えられる回転運動により回転されることで、例えばプロペラに動力を伝える。掃気溜１２は、シリンダジャケット３ｃと過給機２００との間に設けられ、過給機２００により加圧された空気が流入する。また、掃気溜１２には、空気冷却器１４が内部に設けられている。排気溜１３は、各気筒の排気ポートＨと接続されると共に過給機２００と接続される管状部材である。排気ポートＨより排出されるガスは、排気溜１３に一時的に貯留されることにより、脈動を抑制した状態で過給機２００へと供給される。空気冷却器１４は、掃気溜１２内部の空気を冷却する装置である。

過給機２００は、排気ポートＨより排出されたガスにより回転されるタービンにより、不図示のコンプレッサ吸い込み口から吸入した空気を加圧して燃焼室Ｒ１に供給する装置である。

制御部３００は、船舶の操縦者による操作等に基づいて、燃料の供給量等を制御するコンピュータである。制御部３００は、図３に示すように、圧力履歴算出部３０１と、連絡孔閉塞判定部３０２と、圧力差算出部３０３と、副燃焼室堆積判定部３０４と、パイロット噴射部３０５とを備えている。圧力履歴算出部３０１は、筒内圧センサより取得した圧力データより、副燃焼室ＲＸ内の圧力を算出する。連絡孔閉塞判定部３０２は、副燃焼室ＲＸの圧力と予め定められた圧力閾値とを比較し、連絡孔ＲＹの一部または全体が燃料残渣により閉塞したか否かを判定する。圧力差算出部３０３は、筒内圧センサより取得した燃焼室Ｒ１と算出した副燃焼室ＲＸとの圧力差を算出する。副燃焼室堆積判定部３０４は、燃焼室Ｒ１と副燃焼室ＲＸとの圧力差と、予め定められた圧力差閾値とを比較し、副燃焼室ＲＸに燃料残渣が堆積しているか否かを判定する。

液体燃料噴射装置４００は、液体燃料が貯留されるタンクと接続され、制御部３００からの指示に基づいて配管の出口端部に設けられる噴射弁とを備えた装置である。液体燃料噴射装置４００は、副燃焼室ＲＸへと液体燃料を噴射する。

このようなエンジンシステム１００は、不図示の燃料噴射弁より燃焼室Ｒ１に噴射された燃料を着火、爆発させることによりピストン４をシリンダライナ３ａ内で摺動させ、クランク軸１１を回転させる装置である。詳述すると、燃焼室Ｒ１に供給された燃料は、掃気ポートＳより流入した空気と混合された後、ピストン４が上死点方向に向けて移動する。これにより、液体燃料の場合には、燃焼室Ｒ１において温度上昇することにより気化し、自然着火する。また、気体燃料の場合には、副燃焼室ＲＸへと噴射され、ピストン４が上司点近傍へと到達した際に燃焼室Ｒ１内に噴射される少量のパイロット液体燃料と共にピストン４により副燃焼室ＲＸ内の液体燃料と気体燃料との混合気が圧縮され、着火する。そして、副燃焼室ＲＸ内において発生した火炎が燃焼室Ｒ１内に伝播する。

そして、燃焼室Ｒ１内の燃料が着火することで急激に膨張し、ピストン４には下死点方向に向けた圧力がかかる。これにより、ピストン４が下死点方向に移動し、ピストン４に伴ってピストンロッド６が移動され、連接棒９を介してクランク軸１１が回転される。さらに、ピストン４が下死点に移動されることで、掃気ポートＳより燃焼室Ｒ１へと加圧空気が流入する。排気弁ユニット５が駆動することで排気ポートＨが開き、燃焼室Ｒ１内の排気ガスが、加圧空気により排気溜１３へと押し出される。

次に、燃料残渣が副燃焼室ＲＸ及び連絡孔ＲＹに堆積する状況と、制御部３００の制御方法とについて、図３及び４を参照して説明する。
エンジン１が液体燃料により駆動している際には、図３に示す連絡孔ＲＹにより燃焼室Ｒ１と連通している副燃焼室ＲＸにも燃焼ガスが流入する。連絡孔ＲＹが絞りとして機能するため、平常時において、副燃焼室ＲＸ内の圧力は、燃焼室Ｒ１よりも低くなる。
燃焼ガスに含まれる燃料残渣が副燃焼室ＲＸ及び連絡孔ＲＹへと堆積することで、連絡孔ＲＹが一部閉塞すると、副燃焼室ＲＸに流入する燃焼ガスの量が減少するため、平常時よりも副燃焼室ＲＸ内の圧力が小さくなる。
また、副燃焼室ＲＸ内に燃料残渣が堆積すると、副燃焼室ＲＸの体積が小さくなるため、副燃焼室ＲＸ内の圧力が上昇し、燃焼室Ｒ１内の圧力との差が小さくなる。

図４に示すように、制御部３００は、圧力履歴算出部３０１により、筒内圧センサより燃焼室Ｒ１の圧力を取得する（ステップＳ１）。そして、制御部３００は、圧力履歴算出部３０１により、予測工程として、燃焼室Ｒ１の圧力から、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を算出する（ステップＳ２）。次に、制御部３００は、予測工程として、連絡孔閉塞判定部３０２により、副燃焼室のＲＸの圧力が圧力閾値以上であるかを比較する（ステップＳ３）。ステップＳ３がＮＯの場合には、制御部３００は、連絡孔閉塞判定部３０２により、連絡孔が閉塞したと判定する。そして、制御部３００は、パイロット噴射部３０５により、液体燃料噴射工程として、液体燃料を副燃焼室ＲＸ内に噴射する（ステップＳ４）。これにより、副燃焼室ＲＸ内の圧力が上昇し、液体燃料が連絡孔ＲＹを介して燃焼室Ｒ１へと移動することに伴って、連絡孔ＲＹに堆積した燃料残渣が燃焼室Ｒ１へと排出される。

そして、ステップＳ３がＹＥＳの場合には、制御部３００は、圧力差算出部３０３により、予測工程として、燃焼室Ｒ１と副燃焼室ＲＸとの圧力差を算出する（ステップＳ５）。次に、制御部３００は、副燃焼室堆積判定部３０４として、予測工程として、算出された圧力差が圧力差閾値以上であるか否かを比較する（ステップＳ６）。ステップＳ６がＮＯの場合には、制御部３００は、副燃焼室堆積判定部３０４により、副燃焼室ＲＸに燃料残渣が堆積したものと判定し、ステップＳ４を実施する。これにより、副燃焼室ＲＸ内に堆積した燃料残渣が連絡孔ＲＹを介して燃焼室Ｒ１へと排出される。

このような本実施形態によれば、圧力履歴算出部３０１によって算出された副燃焼室ＲＸの圧力履歴に基づいて、副燃焼室ＲＸおよび連絡孔ＲＹへの燃料残渣の堆積を検出し、液体燃料噴射工程を行う。これにより、副燃焼室ＲＸ及び連絡孔ＲＹへの燃料残渣の堆積により、気体燃料の噴射が阻害されることを防止できる。

また、このような本実施形態によれば、予測工程として、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を算出している。これにより、副燃焼室ＲＸに圧力センサを設けることなく、燃料残渣の堆積を予測することが可能である。

また、副燃焼室ＲＸの圧力に基づいて連絡孔ＲＹへの燃料残渣の堆積を判定し、燃焼室Ｒ１と副燃焼室ＲＸとの圧力差に基づいて副燃焼室ＲＸへの燃料残渣の堆積を判定している。つまり、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を算出することで、燃料残渣が連絡孔ＲＹと副燃焼室ＲＸのいずれに堆積しているかを判別することが可能である。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を推定するものとしたが、本発明はこれに限定されない。副燃焼室ＲＸに圧力センサを設けることにより、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を直接取得するものとしてもよい。この場合、副燃焼室ＲＸの正確な圧力値を取得することが可能であり、副燃焼室ＲＸ及び連絡孔ＲＹにおける燃料残渣の堆積状況をより正確に推定することができる。

また、上記実施形態においては、副燃焼室ＲＸの圧力履歴を取得し、燃料残渣の堆積を予測する予測工程を実施するものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、船舶は、条約等により、ＮＯｘ排出制限が課されている領域へと進入する際に、液体燃料から気体燃料への切り替えを実施する。したがって、船舶の航行予定または船舶の位置情報に基づいて、ＮＯｘ排出制限が課されている規制領域に移行する直前、すなわち、液体燃料から気体燃料へと切り替える直前（例えば、数分前程度）に液体燃料噴射工程を実施するものとしてもよい。

また、制御部３００は、予測工程を行わず、液体燃料による長時間航行時において、液体燃料噴射工程を例えば５００時間に１度、定期的に実施するものとしてもよい。なお、液体噴射工程を行う間隔は、定期的であれば、上記時間よりも長い、あるいは短い間隔であってもよい。さらに、制御部３００は、エンジンのピストン回数等の運転状況を取得し、所定のピストン回数ごとに液体燃料噴射工程を実施するものとしてもよい。

なお、本発明においては、気体燃料の噴射方法として低圧噴射方式を前提としている。低圧噴射方式として「ライナ噴射方式（シリンダライナ３ａの側壁に気体燃料噴射弁を設ける）」と「掃気ポート噴射方式（掃気ポートＳ近傍に気体燃料噴射弁を設ける））」があり、本発明はいずれの方式にも適用可能である。

１ エンジン
２ 架構
３ シリンダ部
３ａ シリンダライナ
３ｂ シリンダヘッド
３ｃ シリンダジャケット
４ ピストン
５ 排気弁ユニット
５ａ 排気弁
５ｂ 排気弁筐
５ｃ 排気弁駆動部
６ ピストンロッド
７ クロスヘッド
７ａ クロスヘッドピン
７ｂ ガイドシュー
８ 揺動管
９ 連接棒
１０ クランク角センサ
１１ クランク軸
１２ 掃気溜
１３ 排気溜
１４ 空気冷却器
１００ エンジンシステム
２００ 過給機
３００ 制御部
４００ 液体燃料噴射装置
Ｈ 排気ポート
Ｏ 出口孔
Ｒ１ 燃焼室
Ｒ２ 掃気室
Ｓ 掃気ポート

Claims (5)

1. 気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンについて、当該デュアルフューエルエンジンに設けられた制御装置によって実行される制御方法であって、
   前記副燃焼室内の圧力に基づいて前記副燃焼室における燃料残渣の堆積を予測する予測工程と、
   前記液体燃料の燃焼時において、前記副燃焼室に燃料残渣が堆積したと予測した場合に、前記液体燃料を噴射する液体燃料噴射工程と
   を備えることを特徴とする制御方法。
2. 前記予測工程では、前記副燃焼室内と前記主燃焼室との圧力差に基づいて燃料残渣の堆積を予測することを特徴とする請求項１記載の制御方法。
3. 前記副燃焼室内の圧力は、前記副燃焼室の圧力履歴より予測されることを特徴とする請求項１または２記載の制御方法。
4. 気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンの制御装置であって、
   前記副燃焼室内の圧力に基づいて前記副燃焼室における燃料残渣の堆積を予測し、前記液体燃料の燃焼時において、前記副燃焼室に燃料残渣が堆積したと予測した場合に、前記液体燃料を噴射することを特徴とする制御装置。
5. 気体燃料及び液体燃料が燃焼される主燃焼室と、前記主燃焼室に接続されると共に前記液体燃料の噴射装置が設けられる副燃焼室とを備えるデュアルフューエルエンジンと、 請求項４に記載された制御装置と
   を備えることを特徴とするエンジンシステム。

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