KR20180030215A - 엔진 장치 - Google Patents

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KR20180030215A
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료이치 하기와라
마사요시 도이
타이시 무라카미
타츠로 오사라
오사무 야마기시
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얀마 가부시키가이샤
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Abstract

운전 모드의 스위칭 시에 있어서, 안정한 운전 동작을 실현할 수 있는 엔진 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본원발명의 엔진 장치(21)는 실린더(77) 내로 공기를 공급시키는 흡기 매니폴드(67)와, 상기 실린더(77)로부터의 배기가스를 배기시키는 배기 매니폴드(44)와, 흡기 매니폴드로부터 공급되는 공기에 기체 연료를 혼합시키는 가스 인젝터(98)와, 상기 실린더(77)에 액체 연료를 분사해서 연소시키는 메인 연료 분사 밸브(79)를 구비한다. 가스 모드 및 디젤 모드 중 일방으로부터 타방으로 운전 모드를 스위칭할 때에 스위칭 후의 운전 모드에서 투입시키는 제 1 연료의 공급량을 단조 증가시키는 증량 제어에 의해 스위칭 역치까지 증량시킨 후, 엔진 회전수에 근거한 조속 제어에 의해 제어한다. 이 때, 역치값을 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 근거하여 설정하고 있다.

Description

엔진 장치
본원발명은 천연 가스 등의 기체 연료와 중유 등의 액체 연료 중 어느 것에도 대응할 수 있는 다종 연료 채용형의 엔진 장치에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들면 탱커나 수송선 등의 선박이나 육상의 발전 시설에 있어서는 그 구동원으로서 디젤 엔진이 이용되고 있다. 그러나 디젤 엔진의 배기 가스 중에는 환경 보전에 방해가 되는 유해 물질이 되는 질소 산화물, 황 산화물, 및 입자상 물질 등이 많이 포함되어 있다. 그 때문에 최근에는 디젤 엔진의 대체가 되는 엔진으로서 유해 물질의 발생량을 저감할 수 있는 가스 엔진 등이 보급되고 있다.
천연 가스라는 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는, 소위 가스 엔진은 공기에 연료 가스를 혼합한 혼합 가스를 실린더에 공급하여 연소시킨다(특허문헌 1 참조). 또한, 디젤 엔진의 특성과 가스 엔진의 특성 각각을 조합시킨 엔진 장치로서 천연 가스 등의 기체 연료(연료 가스)를 공기와 혼합시켜서 연소실에 공급하여 연소시키는 예혼합 연소 방식과, 중유 등의 액체 연료를 연소실 내에 분사하여 연소시키는 확산 연소 방식을 병용할 수 있는 듀얼 퓨얼 엔진이 제공되어 있다(특허문헌 2 참조).
또한, 듀얼 퓨얼 엔진으로서 기체 연료에 의한 가스 모드로부터 액체 연료에 의한 디젤 모드로 스위칭할 때에 기체 연료와 액체 연료를 조정해서 스위칭하는 멀티 퓨얼 엔진 또는 바이 퓨얼 엔진이 제안되어 있다(특허문헌 3).
일본 특허공개 2003-262139호 공보 일본 특허공개 2002-004899호 공보 일본 특허공개 평 08-004562호 공보
그런데 듀얼 퓨얼 엔진에 있어서 운전 모드를 스위칭할 때에 인용문헌 3과 같이, 기체 연료 및 액체 연료를 중복시켜서 투입함과 동시에, 기체 연료 및 액체 연료를 조정시키고 있다. 이 때, 기체 연료 및 액체 연료 중 일방의 공급량에 대해서 조속 제어함과 아울러, 타방의 공급량을 램프 함수적(비례 함수적)으로 증감량 제어시킴으로써 엔진 회전수를 목표 회전수에 따르도록 조정하고 있다.
그러나, 종래에 있어서는 조속 제어와 증감량 제어의 스위칭 타이밍이 되는 역치를 기체 연료 및 액체 연료 중 일방의 공급량에 근거하여 일정값으로 설정하고 있는 경우가 많다. 그 때문에, 고회전수로 엔진 장치가 구동하고 있을 때에는 스위칭 후의 운전 모드의 연료를 조정 제어로 변경한 경우, 그 공급량이 적다는 점으로부터 부하 변동의 영향을 받아서 연료 공급량이 크게 변동하고, 엔진 장치의 엔진 회전수가 급변동하고, 경우에 따라서는 급정지해버리는 경우가 있다. 또한, 저회전수로 엔진 장치가 구동하고 있을 때에는 스위칭 후의 운전 모드의 연료를 조정 제어로 변경한 경우, 그 공급량이 많아지고 있는 점으로부터, 엔진 장치의 엔진 회전수가 과회전(오버스피드)으로 되어버릴 경우가 있다.
특히, 선박용의 대형 엔진 장치에 있어서는 긴급 시에 있어서 디젤 모드로 운전함으로써 선박의 항행을 유지시키는 것이 요구되고 있다. 그것에 대해서 종래의 엔진 장치에서는 긴급 시에 있어서 가스 모드로부터 디젤 모드로 스위칭한 경우에 기통 내의 연료 공급 과다에 근거하는 통 내압의 과대나 이상 연소의 발생이나 기통 내의 연료 부족에 의한 실화(失火)의 발생에 의해 운전 동작이 불안정하게 되어 운전을 중단해서 선박을 정지시켜버릴 우려가 있다.
그래서, 본원발명은 상기와 같은 현상황을 검토하여 개선을 실시한 엔진 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 하는 것이다.
본원발명은 실린더내로 공기를 공급시키는 흡기 매니폴드와, 상기 실린더로부터의 배기 가스를 배기시키는 배기 매니폴드와, 상기 흡기 매니폴드로부터 공급되는 공기에 기체 연료를 혼합시키는 가스 인젝터와, 상기 실린더에 액체 연료를 분사해서 연소시키는 메인 연료 분사 밸브를 구비하고, 복수의 상기 실린더 각각에 대하여 상기 가스 인젝터와 상기 메인 연료 분사 밸브를 설치하고 있고, 상기 실린더 내에 상기 기체 연료를 투입하는 가스 모드와 상기 실린더 내에 상기 액체 연료를 투입하는 디젤 모드 중 어느 하나로 구동하는 엔진 장치에 있어서, 상기 가스 모드 및 상기 디젤 모드의 일방으로부터 타방으로 운전 모드를 스위칭할 때에, 스위칭 후의 운전 모드에서 투입시키는 제 1 연료의 공급량을 단조 증가시키는 증량 제어에 의해 스위칭 역치까지 증량시킨 후, 엔진 회전수에 근거하는 조속 제어에 의해 제어하고 있고, 상기 스위칭 역치를 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 기초하여 설정하고 있다고 하는 것이다.
이러한 엔진 장치에 있어서, 상기 가스 모드 및 상기 디젤 모드의 일방으로부터 타방으로 운전 모드를 스위칭할 때에, 스위칭 전의 운전 모드에서 투입시키고 있는 제 2 연료의 공급량을 엔진 회전수에 근거하는 조속 제어에 의해 제어하고 있고, 상기 증량 제어에 의해 상기 제 1 연료의 공급량이 상기 스위칭 역치에 달한 후는 제 2 연료의 공급량을 단조 감소시키는 감량 제어에 의해 감소시키는 것으로 해도 상관없다. 이 때, 상기 감량 제어에 의해 상기 제 2 연료의 공급량이 하한값에 달하면, 상기 제 2 연료의 공급을 정지시킨다.
그리고, 엔진 회전수 또는 엔진 부하가 낮으면 상기 스위칭 역치를 소량으로 설정하는 것으로 하여도 상관없다.
상술의 각 엔진 장치에 있어서, 상기 가스 모드로부터 상기 디젤 모드로 순시에 스위칭할 때에는 상기 디젤 모드로 스위칭한 후의 액체 연료의 공급량을 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 근거하여 설정해서 상기 액체 연료의 공급을 개시함과 아울러, 상기 기체 연료의 공급을 정지시킨 후, 상기 액체 연료의 공급량을 조속 제어하는 것으로 하여도 상관없다. 이 때, 엔진 회전수 또는 엔진 부하가 낮으면 순시 스위칭 후의 상기 액체 연료의 공급량을 소량으로 설정한다.
본원발명에 의하면, 운전 모드의 스위칭 시에 있어서, 스위칭 역치를 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 근거하여 설정하는 것이기 때문에, 저부하 또는 저회전으로의 운전 시에는 엔진 회전수가 상한값을 초과하는 회전수(오버스피드)까지 상승하는 경우가 없고, 고부하 또는 고회전으로의 운전 시에는 부하 변동에 대한 대응성을 양호하게 유지할 수 있다. 즉, 엔진 장치가 저부하 또는 저회전으로 운전하고 있을 때에는 스위칭 역치를 작은 값으로 함으로써, 목표 회전수가 되는 엔진 회전수까지 상승시키지 않고, 모드 스위칭 후의 연료의 공급을 조속 제어로 스위칭함과 동시에, 모드 스위칭 전의 연료의 공급을 정지시킬 수 있다. 또한, 엔진 장치가 고부하 또는 고회전으로 운전하고 있을 때에는 스위칭 역치를 큰 값으로 함으로써 엔진 회전수로의 영향력이 큰 연료의 공급량을 조속 제어하는 것이 된다. 따라서, 예를 들면 급격하게 부하가 작아지는 것 같은 경우라도 엔진 회전수를 목표 회전수 부근에 유지할 수 있어 긴급 정지로 이어지는 엔진 회전수까지 상승하는 것을 회피할 수 있다.
본원발명에 의하면, 액체 연료의 공급량을 엔진 장치의 부하 또는 회전수에 따라 설정하기 때문에, 저부하 또는 저회전으로의 운전 시에는 엔진 회전수가 상한값을 초과하는 회전수(오버스피드)까지 상승하는 경우가 없고, 고부하 또는 고회전으로의 운전 시에는 부하 변동에 대한 대응성을 양호하게 유지할 수 있다. 즉, 엔진 장치가 저부하 또는 저회전으로 운전하고 있을 때에는 액체 연료를 작은 값으로 함으로써 목표 회전수가 되는 엔진 회전수까지 상승시킴 없이, 액체 연료의 공급을 순시에 조속 제어시킴과 동시에, 기체 연료의 공급을 정지할 수 있다. 또한, 엔진 장치가 고부하 또는 고회전으로 운전하고 있는 때에는 액체 연료의 공급량을 큰 값으로 함으로써 연료 부족에 의한 엔진 회전수의 저하를 회피할 수 있고, 순시 스위칭 후도 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 선박의 전체 측면도이다.
도 2는 기관실의 측면 단면도이다.
도 3은 기관실의 평면 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 엔진 장치의 연료 공급로의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 동 엔진 장치에 있어서의 급배기로의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 동 엔진 장치에 있어서의 실린더 헤드내의 구성을 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 7은 동 엔진 장치의 제어 블럭도이다.
도 8은 가스 모드 및 디젤 모드 각각에 있어서의 실린더내의 동작을 나타내는 설명도이다.
도 9는 6기통으로 구성하는 엔진 장치에 있어서의 각 실린더의 동작 상태를 나타내는 상태 천이도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 있어서의 엔진 장치의 배기 매니폴드 설치측 (우측면)을 나타내는 사시도이다.
도 11은 동 엔진 장치의 연료 분사 펌프 설치측(좌측면)을 나타내는 사시도이다.
도 12는 동 엔진 장치의 좌측면도이다.
도 13은 동 엔진 장치를 가스 모드로 운전시켰을 때의 부하에 대한 공연비율 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 엔진 제어 장치에 의한 가스 모드에 있어서의 연료 공급 제어의 기본 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 15는 저부하 또한 저회전수에 있어서의 엔진 장치를 가스 모드로부터 디젤 모드로 스위칭했을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 16은 고부하 또한 고회전수에 있어서의 엔진 장치를 가스 모드로부터 디젤 모드로 스위칭했을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 17은 엔진 제어 장치에 의한 디젤 모드에 있어서의 연료 공급 제어의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 18은 저부 또한 저회전수에 있어서의 엔진 장치를 디젤 모드로부터 가스 모드로 스위칭했을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 19는 고부하 또한 고회전수에 있어서의 엔진 장치를 디젤 모드로부터 가스 모드로 스위칭했을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 20은 엔진 제어 장치에 의한 가스 모드에 있어서의 연료 공급 제어의 제 1 실시예에 있어서의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 21은 저부하 또한 저회전수에 있어서의 엔진 장치에 대하여 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행시켰을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 22는 고부하 또한 고회전수에 있어서의 엔진 장치에 대하여 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행시켰을 때의 연료 가스 및 연료유의 공급량의 천이와 엔진 회전수의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 23은 엔진 제어 장치에 의한 가스 모드에 있어서의 연료 공급 제어의 제 2 실시예에 있어서의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 24는 엔진 제어 장치에 의한 디젤 모드에 있어서의 연료 공급 제어의 제 1 실시예에 있어서의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
이하에 본원발명을 구체화한 실시형태를 2기 2축 방식의 선박에 탑재되는 한 쌍의 추진 겸 발전 기구에 적용했을 경우의 도면에 근거하여 설명한다.
우선, 처음에 선박의 개요에 대해서 설명한다. 도 1~도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 선박(1)은 선체(2)와, 선체(2)의 선미측에 설치된 캐빈(3)(선교)과, 캐빈(3)의 후방에 배치된 펀넬(4)(연돌)과, 선체(2)의 후방 하부에 설치된 한 쌍의 프로펠러(5) 및 키(6)를 구비하고 있다. 이 경우 선미측의 선저(7)에 한 쌍의 스케그(8)가 일체 형성되어 있다. 각 스케그(8)에는 프로펠러(5)를 회전 구동시키는 추진축(9)이 축지지된다. 각 스케그(8)는 선체(2)의 좌우 폭 방향을 분할하는 선체 중심선(CL)(도 3 참조)을 기준으로 해서 좌우 대칭 형상으로 형성되어 있다. 즉, 제 1 실시형태에서는 선체(2)의 선미 형상으로서 트윈 스케그가 채용되어 있다.
선체(2) 내의 선수측 및 중앙부에는 선창(10)이 형성되어 있으며, 선체(2) 내의 선미측에는 기관실(11)이 형성되어 있다. 기관실(11)에는 프로펠러(5)의 구동원과 선박(1)의 전력 공급원을 겸하는 추진 겸 발전 기구(12)가 선체 중심선(CL)을 사이에 두고 좌우로 나누어서 한 쌍 배치되어 있다. 각 추진 겸 발전 기구(12)로부터 추진축(9)에 전달된 회전 동력으로 각 프로펠러(5)는 회전 구동한다. 기관실(11)의 내부는 상갑판(13), 제 2 갑판(14), 제 3 갑판(15), 및 내저판(16)으로 상하로 구획되어 있다. 제 1 실시형태의 각 추진 겸 발전 기구(12)는 기관실(11) 최하단의 내저판(16) 상에 설치되어 있다. 또한, 상세한 것은 도시하고 있지 않지만 선창(10)은 복수의 구획으로 분할되어 있다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 각 추진 겸 발전 기구(12)는 프로펠러(5)의 구동원인 중속 엔진 장치(21)(실시형태에서는 듀얼 퓨얼 엔진)와, 엔진 장치(21)의 동력을 추진축(9)에 전달하는 감속기(22)와, 엔진 장치(21)의 동력으로 발전하는 축 구동 발전기(23)를 조합한 것이다. 여기에서 「중속」의 엔진이란 매분 500~1000회전 정도의 회전 속도로 구동하는 것을 의미하고 있다. 참고로 「저속」의 엔진은 매분 500회전 이하의 회전 속도로 구동하고, 「고속」의 엔진은 매분 1000회전 이상의 회전 속도로 구동한다. 실시형태의 엔진 장치(21)는 중속의 범위 내(매분 700~750회전 정도)에서 정속 구동하도록 구성되어 있다.
엔진 장치(21)는 엔진 출력축(크랭크축)(24)을 갖는 실린더 블록(25)과, 실린더 블록(25) 상에 탑재된 실린더 헤드(26)를 구비하고 있다. 기관실(11) 최하단의 내저판(16) 상에 직부착 또는 방진체(도시 생략)를 통해 베이스대(27)가 설치되어 있다. 베이스대(27) 상에 엔진 장치(21)의 실린더 블록(25)이 탑재되어 있다. 엔진 출력축(24)은 선체(2)의 전후 길이 방향을 따르는 방향으로 연장되어 있다. 즉, 엔진 장치(21)는 엔진 출력축(24)의 방향을 선체(2)의 전후 길이 방향을 따르게 한 상태로 기관실(11) 내에 배치되어 있다.
감속기(22) 및 축 구동 발전기(23)가 엔진 장치(21)보다 선미측에 배치되어 있다. 엔진 장치(21)의 후면측으로부터 엔진 출력축(24)의 후단측이 돌출되어 있다. 엔진 출력축의 후단측에 감속기(22)가 동력 전달 가능하게 연결되어 있다. 감속기(22)를 사이에 두고 엔진 장치(21)와 반대측에 축 구동 발전기(23)가 배치되어 있다. 기관실(11) 내의 전방으로부터 엔진 장치(21), 감속기(22), 축 구동 발전기(23)의 순서로 나란히 배치되어 있다. 이 경우 선미측에 있는 스케그(8) 내 또는 그 근방에 감속기(22) 및 축 구동 발전기(23)가 배치되어 있다. 따라서, 선박(1)의 버턱 라인의 제약에 상관없이 엔진 장치(21)를 가능한 한 선미측에 붙여서 배치하는 것이 가능하게 되어 있어서 기관실(11)의 콤팩트화에 기여하고 있다.
감속기(22)의 동력 전달 하류측에 추진축(9)이 설치되어 있다. 감속기(22)의 외형은 엔진 장치(21) 및 축 구동 발전기(23)보다 하측으로 돌출되어 있다. 상기 돌출 부분의 후면측에 추진축(9)의 전단측이 동력 전달 가능하게 연결되어 있다. 엔진 출력축(24)(축심선)과 추진축(9)은 평면으로부터 볼 때 동축상으로 위치하고 있다. 추진축(9)은 엔진 출력축(24)(축심선)에 대하여 연직 방향으로 이심한 상태에서 선체(2)의 전후 길이 방향으로 연장되어 있다. 이 경우 추진축(9)은 측면으로부터 볼 때 축 구동 발전기(23) 및 엔진 출력축(24)(축심선)보다 낮고, 내저판(16)에 가까운 위치에 놓여 있다. 즉, 축 구동 발전기(23)와 추진축(9)이 상하로 나누어져서 서로 간섭하지 않는다. 따라서, 각 추진 겸 발전 기구(12)의 콤팩트화가 가능해진다.
엔진 장치(21)의 정속 동력은 엔진 출력축(24)의 후단측으로부터 감속기(22)를 통해 축 구동 발전기(23)와 추진축(9)으로 분기되어서 전달된다. 엔진 장치(21)의 정속 동력의 일부는 감속기(22)에 의해, 예를 들면 매분 100~120회전 전후의 회전 속도로 감속되어서 추진축(9)에 전달된다. 감속기(22)로부터의 감속 동력으로 프로펠러(5)가 회전 구동한다. 또한, 프로펠러(5)에는 프로펠러 날개의 날개각 변경에 의해 선속을 조절 가능한 가변 피치 프로펠러가 채용되어 있다. 또한, 엔진 장치(21)의 정속 동력의 일부는 감속기(22)에 의해, 예를 들면 매분 1200이나 1800회전 정도의 회전 속도로 증속되어서 감속기(22)에 회전 가능하게 축지지된 PTO축에 전달된다. 이 감속기(22)의 PTO축의 후단측이 축 구동 발전기(23)에 동력 전달 가능하게 연결되어 있어 감속기(22)로부터의 회전 동력에 근거하여 축 구동 발전기(23)가 발전 구동한다. 축 구동 발전기(23)의 구동으로 발생한 발전 전력이 선체(2) 내의 전기 계통에 공급된다.
엔진 장치(21)에는 공기 도입용의 흡기 경로(도시 생략)와 배기 가스 배출용의 배기 경로(28)가 접속되어 있다. 흡기 경로를 통해 도입된 공기는 엔진 장치(21)의 각 기통(36) 내(흡기 행정의 기통 내)로 이송된다. 또한, 엔진 장치(21)는 2기 있기 때문에 배기 경로(28)는 2개 존재한다. 각 배기 경로(28)는 각각 연장 경로(29)에 접속되어 있다. 연장 경로(29)는 펀넬(4)까지 연장되어 있어서 외부에 직접 연통하도록 구성되어 있다. 각 엔진 장치(21)로부터의 배기 가스는 각 배기 경로(28) 및 연장 경로(29)를 경유하여 선박(1) 밖으로 방출된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이 엔진 장치(21)와, 선박 추진용의 프로펠러(5)를 회전 구동시키는 추진축(9)에 상기 엔진 장치(21)의 동력을 전달하는 감속기(22)와, 상기 엔진 장치(21)의 동력으로 발전하는 축 구동 발전기(23)를 조합한 추진 겸 발전 기구(12)를 한 쌍 구비하고 있으며, 한 쌍의 추진 겸 발전 기구(12)는 선체(2) 내의 기관실(11)에 선체 중심선(CL)을 사이에 두고 좌우로 나누어서 배치되기 때문에 복수대의 엔진(주기관 및 보조 기관)을 기관실 내에 배치하는 종래 구조에 비해 기관실(11)의 엔진 설치 스페이스를 축소할 수 있다. 이 때문에 기관실(11)의 전후 길이를 단축해서 기관실(11)을 콤팩트하게 구성할 수 있고, 나아가서는 선체(2)에 있어서의 선창 스페이스(기관실(11) 이외의 스페이스)의 확보가 쉽다. 2개의 프로펠러(5)의 구동에 의해 선박(1)의 추진 효율 향상도 도모된다.
또한, 주기관인 엔진 장치(21)가 2기 구비되기 때문에, 예를 들면 1기의 엔진 장치(21)가 고장나서 구동 불능이 되었다고 해도 다른 1기의 엔진 장치(21)에 의해 항행 가능하며, 선박용 원동기 장치, 나아가서는 선박(1)의 용장성(冗長性)을 확보할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 엔진 장치(21)에 의해 프로펠러(5)의 회전 구동과 축 구동 발전기(23)의 구동을 행할 수 있기 때문에 통상 항행 시에는 어느 한쪽의 축 구동 발전기(23)를 예비로 할 수 있다. 따라서, 예를 들면 1기의 엔진 장치(21) 또는 축 구동 발전기(23)의 고장에 의해 전력 공급이 정지되었을 경우, 다른 1기의 축 구동 발전기(23)를 기동시켜 주파수 및 전압을 확립하여 급전을 복귀시키면 좋다. 또한, 1기의 엔진 장치(21)만으로의 항행 시에 엔진 장치(21)를 정지시킨 경우에는 다른 1기의 정지 중인 엔진 장치(21), 나아가서는 이것에 대응한 축 구동 발전기(23)를 기동시켜 주파수 및 전압을 확립하여 급전을 복귀시키면 좋다.
이어서, 상기 선박(1)에 있어서의 주기관으로서 사용되는 듀얼 퓨얼 엔진(21)의 개략적 구성에 대하여 도 4~도 7을 참조해서 설명한다. 듀얼 퓨얼 엔진(21)(이하, 간단히 「엔진 장치(21)」라고 부른다)은 천연 가스 등의 연료 가스를 공기에 혼합시켜서 연소시키는 예혼합 연소 방식과, 중유 등의 액체 연료(연료유)를 확산시켜서 연소시키는 확산 연소 방식을 택일적으로 선택하여 구동한다. 도 4는 엔진 장치(21)에 대한 연료 계통을 나타내는 도면이며, 도 5는 엔진 장치(21)에 있어서의 흡배기 계통을 나타내는 도면이며, 도 7은 엔진 장치(21)에 있어서의 제어 블록도이다.
엔진 장치(21)는 도 4에 나타내는 바와 같이 2계통의 연료 공급 경로(30, 31)로부터 연료가 공급되는 것이며, 일방의 연료 공급 경로(30)에 가스 연료 탱크(32)가 접속됨과 아울러, 타방의 연료 공급 경로(31)에 액체 연료 탱크(33)가 접속된다. 즉, 엔진 장치(21)는 연료 공급 경로(30)로부터 연료 가스가 엔진 장치(21)에 공급되는 한편, 연료 공급 경로(31)로부터 연료유가 엔진 장치(21)에 공급된다. 연료 공급 경로(30)는 액화 상태의 기체 연료를 저장하는 가스 연료 탱크(32)와, 가스 연료 탱크(32)의 액화 연료(연료 가스)를 기화시키는 기화 장치(34)와, 기화 장치(34)로부터 엔진 장치(21)로의 연료 가스의 공급량을 조정하는 가스 밸브 유닛(35)을 구비한다. 즉, 연료 공급 경로(30)는 가스 연료 탱크(32)로부터 엔진 장치(21)를 향해 기화 장치(34) 및 가스 밸브 유닛(35)이 순서대로 배치되어 구성된다.
엔진 장치(21)는 도 5에 나타내는 바와 같이 실린더 블록(25)에 복수의 기통(36)(본 실시형태에서는 6기통)을 직렬로 배열한 구성을 갖고 있다. 각 기통(36)은 실린더 블록(25) 내에 구성되는 흡기 매니폴드(흡기 유로)(67)와 흡기 포트(37)를 통해 연통되어 있다. 각 기통(36)은 실린더 헤드(26) 상방에 배치되는 배기 매니폴드(배기 유로)(44)와 배기 포트(38)를 통해 연통되어 있다. 각 기통(36)에 있어서의 흡기 포트(37)에 가스 인젝터(98)를 배치한다. 따라서, 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기가 흡기 포트(37)를 통해 각 기통(36)에 공급되는 한편, 각 기통(36)으로부터의 배기 가스가 배기 포트(38)를 통해 배기 매니폴드(44)로 토출된다. 또한, 엔진 장치(21)를 가스 모드로 운전하고 있을 경우에는 가스 인젝터(98)로부터 연료 가스를 흡기 포트(37)로 공급하고, 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기에 연료 가스를 혼합하여 각 기통(36)에 예혼합 가스를 공급한다.
배기 매니폴드(44)의 배기 출구측에 과급기(49)의 터빈(49a)의 배기 입구를 접속하고 있으며, 흡기 매니폴드(67)의 공기 입구측(신공기 입구측)에 인터쿨러(51)의 공기 토출구(신공기 출구)가 접속되어 있다. 인터쿨러(51)의 공기 흡입구(신공기 입구)에 과급기(49)의 컴프레서(49b)의 공기 토출구(신공기 출구)를 접속하고 있다. 컴프레서(49b) 및 인터쿨러(51) 사이에 메인 스로틀 밸브(V1)를 배치하고 있으며, 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도를 조절하여 흡기 매니폴드(67)에 공급하는 공기 유량을 조정한다.
컴프레서(49b) 출구로부터 배출되는 공기의 일부를 컴프레서(49b) 입구로 재순환시키는 급기 바이패스 유로(17)가 컴프레서(49b)의 공기 흡입구(신공기 입구)측과 인터쿨러(51)의 공기 배출구측을 연결하고 있다. 즉, 급기 바이패스 유로(17)는 컴프레서(49b)의 공기 흡입구보다 상류측에서 외기로 해방되는 한편, 인터쿨러(51)와 흡기 매니폴드(67)의 접속 부분에 접속된다. 이 급기 바이패스 유로(17) 상에 급기 바이패스 밸브(V2)를 배치하고 있으며, 급기 바이패스 밸브(V2)의 밸브 개도를 조절하고, 인터쿨러(51) 하류측으로부터 흡기 매니폴드(67)로 흐르는 공기 유량을 조정한다.
터빈(49a)을 바이패스시키는 배기 바이패스 유로(18)가 터빈(49a)의 배기 출구측과 배기 매니폴드(44)의 배기 출구측을 연결하고 있다. 즉, 배기 바이패스 유로(18)는 터빈(49a)의 배기 출구보다 하류측에서 외기로 해방되는 한편, 터빈(49a)의 배기 출구와 터빈(49a)의 배기 입구의 접속 부분에 접속된다. 이 배기 바이패스 유로(18) 상에 배기 바이패스 밸브(V3)를 배치하고 있으며, 배기 바이패스 밸브(V3)의 밸브 개도를 조절함으로써 터빈(49a)에 흐르는 배기 가스 유량을 조정하여 컴프레서(49b)에 있어서의 공기 압축량을 조정한다.
엔진 장치(21)는 배기 매니폴드(44)로부터의 배기 가스에 의해 공기를 압축하는 과급기(49)와 과급기(49)로 압축된 압축 공기를 냉각해서 흡기 매니폴드(67)에 공급하는 인터쿨러(51)를 갖고 있다. 엔진 장치(21)는 과급기(49) 출구와 인터쿨러(51) 입구의 접속 개소에 메인 스로틀 밸브(V1)를 설치하고 있다. 엔진 장치(21)는 배기 매니폴드(44) 출구와 과급기(49)의 배기 출구를 연결하는 배기 바이패스 유로(18)를 구비함과 아울러, 배기 바이패스 유로(18)에 배기 바이패스 밸브(V3)를 배치한다. 과급기(49)를 디젤 모드 사양에 최적화했을 경우에 가스 모드 시에 있어서도 엔진 부하의 변동에 맞추어 배기 바이패스 밸브(V3)의 개도를 제어함으로써 엔진 부하에 최적인 공연비를 실현할 수 있다. 그 때문에 부하 변동 시에 있어서 연소에 필요한 공기량의 과부족을 방지할 수 있고, 엔진 장치(21)는 디젤 모드에서 최적화한 과급기를 사용한 상태에서 가스 모드에서도 최적으로 가동한다.
엔진 장치(21)는 과급기(49)를 바이패스하는 급기 바이패스 유로(17)를 구비하고, 급기 바이패스 유로(17)에 급기 바이패스 밸브(V2)를 배치한다. 엔진 부하의 변동에 맞추어 급기 바이패스 밸브(V2)의 개도를 제어함으로써 연료 가스의 연소에 필요한 공연비에 맞춘 공기를 엔진에 공급할 수 있다. 또한, 응답성이 좋은 급기 바이패스 밸브(V2)에 의한 제어 동작을 병용함으로써 가스 모드에 있어서의 부하 변동으로의 응답 속도를 빠르게 할 수 있다.
엔진 장치(21)는 인터쿨러(51) 입구와 메인 스로틀 밸브(V1) 사이가 되는 위치에 급기 바이패스 유로(17)를 접속하고, 컴프레서(49b)로부터 토출된 압축 공기를 컴프레서(49b) 입구로 귀환시킨다. 이에 따라 배기 바이패스 밸브(V3)에 의한 유량 제어의 응답성을 급기 바이패스 밸브(V2)에 의해 보충함과 동시에, 급기 바이패스 밸브(V2)의 제어 폭을 배기 바이패스 밸브(V3)에 의해 보충할 수 있다. 따라서, 선박용 용도에서의 부하 변동이나 운전 모드의 스위칭 시에 있어서, 가스 모드에 있어서의 공연비 제어의 추종성을 양호하게 할 수 있다.
엔진 장치(21)는 도 6에 나타내는 바와 같이 실린더 블록(25) 내에 원통형상의 실린더(77)(기통(36))가 삽입되어 있으며, 실린더(77) 내를 상하 방향으로 피스톤(78)이 왕복 이동함으로써 실린더(77) 하측의 엔진 출력축(24)을 회전시킨다. 실린더 블록(25) 상의 실린더 헤드(26)에는 연료유관(42)으로부터 연료유(액체 연소)가 공급되는 메인 연료 분사 밸브(79)가 선단을 실린더(77)를 향해서 삽입되어 있다. 이 연료 분사 밸브(79)는 실린더(77)의 상단면의 중심 위치에 선단을 배치하고 있으며, 피스톤(78) 상면과 실린더(77)의 내벽면으로 구성되는 메인 연소실에 연료유를 분사한다. 따라서, 엔진 장치(21)가 확산 연소 방식으로 구동할 때 연료 분사 밸브(79)로부터 연료유가 실린더(77) 내의 메인 연소실로 분사됨으로써 메인 연소실에서는 압축 공기와 반응하여 확산 연소를 발생시킨다.
각 실린더 헤드(26)에 있어서 메인 연료 분사 밸브(79)의 바깥 둘레측에 흡기 밸브(80) 및 배기 밸브(81)를 슬라이딩 가능하게 설치하고 있다. 흡기 밸브(80)가 개방됨으로써 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기를 실린더(77) 내의 메인 연소실에 흡기시키는 한편, 배기 밸브(81)가 개방됨으로써 실린더(77) 내의 메인 연소실에서의 연소 가스(배기 가스)를 배기 매니폴드(44)에 배기시킨다. 캠샤프트(도시 생략)의 회전에 따라 푸시로드(도시 생략) 각각이 상하 이동함으로써 로커 암(도시 생략)이 요동하여 흡기 밸브(80) 및 배기 밸브(81) 각각을 상하 이동시킨다.
메인 연소실에 착화 화염을 발생시키는 파일럿 연료 분사 밸브(82)가 그 선단이 메인 연료 분사 밸브(79) 선단의 근방에 배치되도록 각 실린더 헤드(26)에 대하여 경사시켜서 삽입되어 있다. 파일럿 연료 분사 밸브(82)는 마이크로 파일럿 분사 방식을 채용하고 있으며, 선단에 파일럿 연료가 분사되는 부실을 갖고 있다. 즉, 파일럿 연료 분사 밸브(82)는 커먼 레일(47)로부터 공급되는 파일럿 연료를 부실에 분사해서 연소시켜서 실린더(77) 내의 메인 연소실의 중심 위치에 착화 화염을 발생시킨다. 따라서, 엔진 장치(21)가 예혼합 연소 방식으로 구동할 때 파일럿 연료 분사 밸브(82)에서 착화 화염이 발생함으로써 흡기 밸브(80)를 통해 실린더(77) 내의 메인 연소실에 공급되는 예혼합 가스가 반응하여 예혼합 연소를 발생시킨다.
엔진 장치(21)는 도 7에 나타내는 바와 같이 엔진 장치(21)의 각 부를 제어하는 엔진 제어 장치(73)를 갖고 있다. 엔진 장치(21)는 기통(36)마다 파일럿 연료 분사 밸브(82), 연료 분사 펌프(89), 및 가스 인젝터(98)를 설치하고 있다. 엔진 제어 장치(73)는 파일럿 연료 분사 밸브(82), 연료 분사 펌프(89), 및 가스 인젝터(98) 각각에 제어 신호를 부여하여 파일럿 연료 분사 밸브(82)에 의한 파일럿 연료 분사, 연료 분사 펌프(89)에 의한 연료유 공급, 및 가스 인젝터(98)에 의한 가스 연료 공급 각각을 제어한다.
엔진 장치(21)는 도 7에 나타내는 바와 같이 배기 캠, 흡기 캠, 및 연료 캠(도시 생략)을 기통(36)마다 구비한 캠축(200)을 구비하고 있다. 캠축(200)은 기어 기구(도시 생략)를 통해 크랭크축(24)으로부터의 회전 동력이 전달됨으로써 배기 캠, 흡기 캠, 및 연료 캠을 회전시켜서 기통(36)마다 흡기 밸브(80) 및 배기 밸브(81)를 개폐시킴과 아울러, 연료 분사 펌프(89)를 구동시킨다. 또한, 엔진 장치(21)는 연료 분사 펌프(89)에 있어서의 컨트롤 랙(202)의 랙 위치를 조정하는 조속기(201)를 구비하고 있다. 조속기(201)는 캠축(200) 선단의 회전수로부터 엔진 장치(21)의 엔진 회전수를 측정하고, 연료 분사 펌프(89)에 있어서의 컨트롤 랙(202)의 랙 위치를 설정하여 연료 분사량을 조정한다.
엔진 제어 장치(73)는 메인 스로틀 밸브(V1), 급기 바이패스 밸브(V2), 및 배기 바이패스 밸브(V3) 각각에 제어 신호를 부여하여 각각 밸브 개도를 조절하고, 흡기 매니폴드(67)에 있어서의 공기 압력(흡기 매니폴드 압력)을 조정한다. 엔진 제어 장치(73)는 흡기 매니폴드(67)에 있어서의 공기 압력을 측정하는 압력 센서(39)로부터 측정 신호를 받아 흡기 매니폴드 압력을 검지한다. 엔진 제어 장치(73)는 와트 트랜스듀서나 토크 센서 등의 부하 측정기(19)에 의한 측정 신호를 받아 엔진 장치(21)에 걸리는 부하를 산출한다. 엔진 제어 장치(73)는 크랭크축(24)의 회전수를 측정하는 펄스 센서 등의 엔진 회전 센서(20)에 의한 측정 신호를 받아 엔진 장치(21)의 엔진 회전수를 검지한다.
디젤 모드로 엔진 장치(21)를 운전할 경우 엔진 제어 장치(73)는 연료 분사 펌프(89)에 있어서의 제어 밸브를 개폐 제어하고, 각 기통(36)에 있어서의 연소를 소정 타이밍으로 발생시킨다. 즉, 각 기통(36)의 분사 타이밍에 맞춰서 연료 분사 펌프(89)의 제어 밸브를 개방함으로써 메인 연료 분사 밸브(79)를 통과하여 각 기통(36) 내에 연료유를 분사시켜 기통(36) 내에서 발화시킨다. 또한, 디젤 모드에 있어서 엔진 제어 장치(73)는 파일럿 연료 및 연료 가스의 공급을 정지시키고 있다.
디젤 모드에 있어서 엔진 제어 장치(73)는 부하 측정기(19)로 측정된 엔진 부하(엔진 출력)와 엔진 회전 센서(20)로 측정된 엔진 회전수에 근거하여 각 기통(36)에 있어서의 메인 연료 분사 밸브(79)의 분사 타이밍을 피드백 제어한다. 이에 따라 엔진(21)은 추진 겸 발전 기구(12)에서 필요하게 되는 엔진 부하를 출력함과 동시에, 선박의 추진 속도에 따른 엔진 회전수로 회전한다. 또한, 엔진 제어 장치(73)는 압력 센서(39)로 측정된 흡기 매니폴드 압력에 근거하여 메인 스로틀 밸브(V1)의 개도를 제어함으로써 필요한 엔진 출력에 따른 공기 유량이 되는 압축 공기를 과급기(49)로부터 흡기 매니폴드(67)에 공급시킨다.
가스 모드로 엔진 장치(21)를 운전할 경우에는 엔진 제어 장치(73)는 가스 인젝터(98)에 있어서의 밸브 개도를 조절하여 각 기통(36) 내에 공급하는 연료 가스 유량을 설정한다. 그리고 엔진 제어 장치(73)는 파일럿 연료 분사 밸브(82)를 개폐 제어하여 각 기통(36)에 있어서의 연소를 소정 타이밍으로 발생시킨다. 즉, 가스 인젝터(98)가 밸브 개도에 따른 유량의 연료 가스를 흡기 포트(37)에 공급하고, 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기에 혼합하여 예혼합 연료를 기통(36)에 공급시킨다. 그리고 각 기통(36)의 분사 타이밍에 맞추어 파일럿 연료 분사 밸브(82)의 제어 밸브를 개방함으로써 파일럿 연료의 분사에 의한 점화원을 발생시켜 예혼합 가스를 공급한 기통(36) 내에서 발화시킨다. 또한, 가스 모드에 있어서 엔진 제어 장치(73)는 연료유의 공급을 정지시키고 있다.
가스 모드에 있어서 엔진 제어 장치(73)는 부하 측정기(19)로 측정된 엔진 부하와, 엔진 회전 센서(20)로 측정된 엔진 회전수에 근거하여 가스 인젝터(98)에 의한 연료 가스 유량과, 각 기통(36)에 있어서의 파일럿 연료 분사 밸브(82)에 의한 분사 타이밍을 피드백 제어한다. 또한, 엔진 제어 장치(73)는 압력 센서(39)로 측정된 흡기 매니폴드 압력에 근거하여 메인 스로틀 밸브(V1), 급기 바이패스 밸브(V2), 및 배기 바이패스 밸브(V3) 각각의 개도를 조절한다. 이에 따라 흡기 매니폴드 압력을 필요한 엔진 출력에 따른 압력으로 조절하고, 가스 인젝터(98)로부터 공급되는 연료 가스와의 공연비를 엔진 출력에 따른 값으로 조정할 수 있다.
엔진 장치(21)는 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이 실린더(77) 내를 피스톤(78)이 하강함과 아울러, 흡기 밸브(80)가 개방되어 흡기 포트(37)를 통해 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기를 실린더(77) 내로 유입시킨다(흡기 행정). 이때 가스 모드에서는 가스 인젝터(98)로부터 연료 가스를 흡기 포트(37)에 공급시켜서 흡기 매니폴드(67)로부터의 공기에 연료 가스를 혼합하여 실린더(77) 내에 예혼합 가스를 공급시킨다.
이어서, 엔진 장치(21)는 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이 피스톤(78)의 상승과 함께 흡기 밸브(80)를 폐쇄함으로써 실린더(77) 내의 공기를 압축한다(압축 행정). 이때 가스 모드에서는 피스톤(78)이 상사점 근방까지 상승했을 때에 파일럿 연료 분사 밸브(82)에서 착화 화염을 발생시켜 실린더(77) 내의 예혼합 가스를 연소시킨다. 한편, 디젤 모드에서는 연료 분사 펌프(89)의 제어 밸브를 개방함으로써 메인 연료 분사 밸브(79)를 통과하여 실린더(77) 내에 연료유를 분사시켜서 실린더(77) 내에서 발화시킨다.
이어서, 엔진 장치(21)는 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이 연소에 의해 실린더(77) 내의 연소 가스(연소 반응에 의한 배기 가스)가 팽창하여 피스톤(78)을 하강시킨다(팽창 행정). 그 후 피스톤(78)이 상승함과 동시에 배기 밸브(81)를 개방함으로써 배기 포트(38)를 통해 실린더(77) 내의 연소 가스(배기 가스)를 배기 매니폴드(44)에 배기시킨다(배기 행정).
도 5에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 엔진 장치(21)는 6기통의 기통(36)(실린더(77))을 구비하고 있으며, 각 기통(36)에 있어서 기통(36)마다 정해진 타이밍으로 도 8에 나타내는 흡기 행정, 압축 행정, 팽창 행정, 배기 행정의 순서로 상태가 천이한다. 즉, 6기통의 기통(36)(#1~#6)은 각각 도 9에 나타내는 바와 같이 #1→#5→#3→#6→#2→#4의 순서로 흡기 행정, 압축 행정, 팽창 행정, 배기 행정 각각의 상태로 천이한다. 따라서, 엔진 장치(21)가 가스 모드로 동작하고 있을 때에는 흡기 행정에 있어서의 가스 인젝터(98)로부터의 연료 가스 분사, 및 압축 행정에 있어서의 파일럿 연료 분사 밸브(82)에 의한 착화를 각각 #1→#5→#3→#6→#2→#4의 순서로 실행한다. 마찬가지로 엔진 장치(21)가 디젤 모드로 동작하고 있을 때에는 압축 행정에 있어서의 메인 연료 분사 밸브(79)로부터의 연료유 분사를 #1→#5→#3→#6→#2→#4의 순서로 실행한다.
이어서, 상기 개략적인 구성을 갖는 듀얼 퓨얼 엔진(21)(엔진 장치(21))의 상세 구성에 대해서 도 10~도 12를 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서 감속기(22)와의 접속측을 후측으로 해서 엔진 장치(21)의 구성에 있어서의 전후 좌우의 위치 관계를 지정하는 것으로 한다.
엔진 장치(21)는 도 10~도 12에 나타내는 바와 같이 베이스대(27)(도 2 참조) 상에 거치되는 실린더 블록(25)에 복수의 헤드 커버(40)가 전후 일렬로 배열된 실린더 헤드(26)를 탑재하고 있다. 엔진 장치(21)는 실린더 헤드(26)의 우측면에 헤드 커버(40)열과 평행하게 가스 매니폴드(기체 연료 배관)(41)를 연장하여 설치하는 한편, 실린더 블록(25)의 좌측면에 헤드 커버(40)열과 평행하게 연료유관(액체 연료 배관)(42)을 연장하여 설치하고 있다. 또한, 가스 매니폴드(41)의 상측에 있어서 후술의 배기 매니폴드(배기 유로)(44)가 헤드 커버(40)열과 평행하게 연장하여 설치되어 있다.
헤드 커버(40)열과 배기 매니폴드(44) 사이에는 실린더 헤드(26) 내의 냉각 수로와 연결하는 실린더 헤드 상 냉각수 배관(46)이 헤드 커버(40)열과 평행하게 연장하여 설치되어 있다. 냉각수 배관(46)의 상측에는 경유 등에 의한 파일럿 연료를 공급하는 커먼 레일(파일럿 연료 배관)(47)이 냉각수 배관(46)과 마찬가지로 헤드 커버(40)열과 평행하게 연장하여 설치되어 있다. 이때 냉각수 배관(46)이 실린더 헤드(26)와 연결해서 지지됨과 아울러, 커먼 레일(47)이 냉각수 배관(46)과 연결해서 지지된다.
배기 매니폴드(44)의 전단(배기 출구측)은 배기 중계관(48)을 통해 과급기(49)와 접속되어 있다. 따라서, 배기 매니폴드(44)를 통과해서 배기되는 배기 가스가 배기 중계관(48)을 통해 과급기(49)의 터빈(49a)에 유입함으로써 터빈(49a)이 회전하고, 터빈(49a)과 동축이 되는 컴프레서(49b)를 회전시킨다. 과급기(49)는 엔진 장치(21)의 전단 상측에 배치되어 있으며, 그 우측에 터빈(49a)을, 그 좌측에 컴프레서(49b)를 각각 갖는다. 그리고 배기 출구관(50)이 과급기(49)의 우측에 배치됨과 아울러, 터빈(49a)의 배기 출구와 연결되어 터빈(49a)으로부터의 배기 가스를 배기 경로(28)(도 2 참조)로 배기시킨다.
과급기(49)의 하측에는 과급기(49)의 컴프레서(49b)로부터의 압축 공기를 냉각시키는 인터쿨러(51)가 배치되어 있다. 즉, 실린더 블록(25)의 전단측에 인터쿨러(51)가 설치됨과 아울러, 이 인터쿨러(51)의 상부에 과급기(49)가 재치된다. 과급기(49)의 좌우 중간층 위치에는 컴프레서(49b)의 공기 토출구가 후방(실린더 블록(25)측)을 향해서 개구하도록 하여 설치되어 있다. 한편, 인터쿨러(51) 상면에는 상방을 향해서 개구한 공기 흡입구가 설치되어 있으며, 이 공기 흡입구를 통과하여 컴프레서(49b)로부터 토출되는 압축 공기가 인터쿨러(51) 내부에 유입한다. 그리고 컴프레서(49b)의 공기 토출구와 인터쿨러(51)의 공기 흡입구는 일단이 접속되어 있는 흡기 중계관(52)에 의해 연통된다. 이 흡기 중계관(52)은 상술한 메인 스로틀 밸브(V1)(도 5 참조)를 갖고 있다.
엔진 장치(21)의 전단면(정면)에는 엔진 출력축(24)의 바깥 둘레측에 냉각수 펌프(53), 파일럿 연료 펌프(54), 윤활유 펌프(프라이밍 펌프)(55), 및 연료유 펌프(56) 각각이 설치되어 있다. 이때 냉각수 펌프(53) 및 연료유 펌프(56) 각각이 좌측면 부근의 상하에 배치되고, 파일럿 연료 펌프(54) 및 윤활유 펌프(55) 각각이 우측면 부근의 상하에 배치된다. 또한, 엔진 장치(21)의 전단 부분에는 엔진 출력축(24)의 회전 동력을 전달하는 회전 전달 기구(도시 생략)가 설치되어 있다. 이에 따라 엔진 출력축(24)으로부터의 회전 동력이 상기 회전 전달 기구를 통해 전달됨으로써 엔진 출력축(24) 바깥 둘레에 설치된 냉각수 펌프(53), 파일럿 연료 펌프(54), 윤활유 펌프(55), 및 연료유 펌프(56) 각각도 회전한다. 또한, 실린더 블록(25) 내에 있어서 냉각수 펌프(53)의 상측에 전후를 축방향으로 하는 캠샤프트(도시 생략)가 축지지되어 있으며, 상기 캠샤프트도 상기 회전 전달 기구를 통과하여 엔진 출력축(24)의 회전 동력이 전달되어서 회전한다.
실린더 블록(25)의 하측에는 오일 팬(57)이 설치되어 있으며, 이 오일 팬(57)에 실린더 블록(25)을 흐르는 윤활유가 모인다. 윤활유 펌프(55)는 윤활유 배관을 통해 오일 팬(57)과 하측의 흡인구에서 접속되어 있으며, 오일 팬(57)에 모여 있는 윤활유를 흡인한다. 또한, 윤활유 펌프(55)는 상측의 토출구가 윤활유 배관을 통해 윤활유 쿨러(58)의 윤활유 입구와 접속함으로써 오일 팬(57)으로부터 흡인한 윤활유를 윤활유 쿨러(58)에 공급한다. 윤활유 쿨러(58)는 그 전방을 윤활유 입구로 하는 한편, 후방을 윤활유 출구로 하고, 윤활유 출구를 윤활유 스트레이너(59)와 윤활유 배관을 통해 연결시킨다. 윤활유 스트레이너(59)는 그 전방을 윤활유 입구로 하는 한편, 후방을 윤활유 출구로 하여 윤활유 출구를 실린더 블록(25)과 접속하고 있다. 따라서, 윤활유 펌프(55)로부터 이송되어 오는 윤활유는 윤활유 쿨러(58)로 냉각된 후에 윤활유 스트레이너(59)로 정화된다.
과급기(49)는 좌우 각각 나누어서 배치된 컴프레서(49b) 및 터빈(49a)을 동축으로 축지지하고, 배기 중계관(48)을 통해 배기 매니폴드(44)로부터 도입되는 터빈(49a)의 회전에 근거하여 컴프레서(49b)가 회전한다. 또한, 과급기(49)는 신공기 취입측이 되는 컴프레서(49b)의 좌측에 도입하는 외기를 제진하는 흡기 필터(63)와, 흡기 필터(63)와 컴프레서(49b)를 접속하는 신공기 통로관(64)을 구비한다. 이에 따라 터빈(49a)과 동기하여 컴프레서(49b)가 회전함으로써 흡기 필터(63)에 의해 흡인된 외기(공기)는 과급기(49)를 통해서 컴프레서(49b)에 도입된다. 그리고 컴프레서(49b)는 좌측으로부터 흡인한 공기를 압축하고, 후측에 설치되어 있는 흡기 중계관(52)에 압축 공기를 토출한다.
흡기 중계관(52)은 그 상부 전방을 개구시켜서 컴프레서(49b) 후방의 토출구와 접속하고 있는 한편, 그 하측을 개구시켜서 인터쿨러(51) 상면의 흡기구와 접속하고 있다. 또한, 인터쿨러(51)는 전방면의 통기로에 설치한 분기구에 있어서 급기 바이패스관(66)(급기 바이패스 유로(17))의 일단과 접속하고 있으며, 인터쿨러(51)로 냉각한 압축 공기의 일부를 급기 바이패스관(66)에 토출한다. 급기 바이패스관(66)의 타단이 신공기 통로관(64)의 전방면에 설치한 분기구에 접속하고, 인터쿨러(51)로 냉각된 압축 공기의 일부가 급기 바이패스관(66)을 통과해서 신공기 통로관(64)에 환류하여 흡기 필터(63)로부터의 외기와 합류한다. 또한, 급기 바이패스관(66)은 그 중도부에 급기 바이패스 밸브(V2)가 배치되어 있다.
인터쿨러(51)는 흡기 중계관(52)을 통과해서 컴프레서(49b)로부터의 압축 공기를 좌측 후방으로부터 유입시키면 급수 배관으로부터 급수되는 냉각수와의 열교환 작용에 근거하여 압축 공기를 냉각시킨다. 인터쿨러(51) 내부에 있어서 좌실에서 냉각된 압축 공기는 전방의 통기로를 흘러서 우실에 도입된 후 우실 후방에 설치된 토출구를 통과해서 흡기 매니폴드(67)에 토출된다. 흡기 매니폴드(67)는 실린더 블록(25)의 우측면에 설치되어 있으며, 가스 매니폴드(41)의 하측에 있어서 헤드 커버(40)열과 평행하게 전후로 연장하여 설치되어 있다. 또한, 급기 바이패스 밸브(V2)의 개도에 따라 인터쿨러(51)로부터 컴프레서(49b)로 환류시키는 압축 공기의 유량이 결정됨으로써 흡기 매니폴드(67)에 공급하는 압축 공기의 유량이 설정된다.
또한, 과급기(49)의 터빈(49a)은 후방의 흡입구를 배기 중계관(48)과 접속시키고 있으며, 우측의 토출구를 배기 출구관(50)과 접속시키고 있다. 이에 따라 과급기(49)는 배기 중계관(48)을 통해 배기 매니폴드(44)로부터 배기 가스를 터빈(49a) 내부에 도입시켜서 터빈(49a)을 회전시킴과 동시에 컴프레서(49b)를 회전시켜 배기 가스를 배기 출구관(50)으로부터 배기 경로(28)(도 2 참조)로 배기한다. 배기 중계관(48)은 그 후방을 개구시켜서 배기 매니폴드(44)의 토출구와 사복(蛇腹)관을 통해 접속하고 있는 한편, 그 전방을 개구시켜서 터빈(49a) 후방의 흡입구와 접속하고 있다.
또한, 배기 중계관(48)의 중도 위치에 있어서 우측면측에 분기구가 설치되어 있으며, 이 배기 중계관(48)의 분기구에 배기 바이패스관(69)(배기 바이패스 유로(18))의 일단이 접속되어 있다. 배기 바이패스관(69)은 그 타단이 배기 출구관(50)의 후방에 설치된 합류구와 접속되어 배기 매니폴드(44)로부터 토출되는 배기 가스의 일부를 과급기(49)를 통하지 않고 배기 출구관(50)으로 바이패스시킨다. 또한, 배기 바이패스관(69)은 그 중도부에 배기 바이패스 밸브(V3)가 배치되어 있으며, 배기 바이패스 밸브(V3)의 개도에 따라 배기 매니폴드(44)로부터 배기 출구관(50)에 바이패스시키는 배기 가스의 유량을 설정하여 터빈(49a)에 공급하는 배기 가스 유량을 조절한다.
엔진 장치(21)의 시동·정지 등의 제어를 행하는 기측 조작용 제어 장치(71)가 지지 스테이(지지 부재)(72)를 통해 인터쿨러(51)의 좌측면에 고정되어 있다. 기측 조작용 제어 장치(71)는 작업자에 의한 엔진 장치(21)의 시동·정지를 접수하는 스위치와 함께 엔진 장치(21) 각 부의 상태를 표시하는 디스플레이를 구비한다. 조속기(201)가 실린더 헤드(26)의 좌측면 전단에 고정되어 있다. 실린더 블록(25)의 좌측면 후단측에는 엔진 장치(21)를 시동시키는 엔진 시동 장치(75)가 고정되어 있다.
또한, 엔진 장치(21) 각 부의 동작을 제어하는 엔진 제어 장치(73)가 지지 스테이(지지 부재)(74)를 통해 실린더 블록(25)의 후단면에 고정된다. 실린더 블록(25)의 후단측에는 감속기(22)와 연결해서 회전시키는 플라이휠(76)이 설치되어 있으며, 플라이휠(76)의 상부에 엔진 제어 장치(73)가 배치되어 있다. 이 엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21) 각 부에 있어서의 센서(압력 센서나 온도 센서)와 전기적으로 접속하여 엔진 장치(21) 각 부의 온도 데이터나 압력 데이터 등을 수집함과 아울러, 엔진 장치(21) 각 부에 있어서의 전자 밸브 등에 신호를 부여하여 엔진 장치(21)의 각종 동작(연료유 분사, 파일럿 연료 분사, 가스 분사, 냉각수 온도 조정 등)을 제어한다.
실린더 블록(25)은 그 좌측면 상측에 단차부가 형성되어 있으며, 이 실린더 블록(25)의 단차부 상면에 헤드 커버(40) 및 실린더 헤드(26)와 같은 수의 연료 분사 펌프(89)가 설치되어 있다. 연료 분사 펌프(89)는 실린더 블록(25)의 좌측면을 따라 일렬로 배열되어 있으며, 그 좌측면이 연료유관(액체 연료 배관)(42)과 연결되어 있음과 아울러, 그 상단이 연료 토출관(90)을 통해 우전방의 실린더 헤드(26)의 좌측면과 연결되어 있다. 상하 2개의 연료유관(42)은 일방이 연료 분사 펌프(89)에 연료유를 공급하는 급유관이며, 타방이 연료 분사 펌프(89)로부터 연료유를 되돌리는 오일 리턴관이다. 또한, 연료 토출관(90)은 실린더 헤드(26) 내의 연료 유로를 통해 메인 연료 분사 밸브(79)(도 6 참조)와 접속함으로써 연료 분사 펌프(89)로부터의 연료유를 메인 연료 분사 밸브(79)에 공급한다.
연료 분사 펌프(89)는 실린더 블록(25)의 단차부 상에 있어서 연료 토출관(90)에서 접속되는 실린더 헤드(26)의 좌측 후방이 되는 위치에 헤드 커버(40)열에 대하여 좌측으로 병설되어 있다. 또한, 연료 분사 펌프(89)는 실린더 헤드(26)와 연료유관(42)에 끼워진 위치에서 일렬로 배열되어 있다. 연료 분사 펌프(89)는 실린더 블록(25) 내의 캠샤프트(도시 생략)에 있어서의 펌프용 캠의 회전에 의해 플런저의 밀어 올리기 동작을 행한다. 그리고 연료 분사 펌프(89)는 플런저의 밀어 올리기에 의해 연료유관(42)으로부터 공급되는 연료유를 고압으로 상승시키고, 연료 토출관(90)을 통해 실린더 헤드(26) 내의 연료 분사 펌프(89)에 고압의 연료유를 공급한다.
커먼 레일(47)의 전단이 파일럿 연료 펌프(54)의 토출측과 접속되어 있으며, 파일럿 연료 펌프(54)로부터 토출되는 파일럿 연료가 커먼 레일(47)에 공급된다. 또한, 가스 매니폴드(41)는 배기 매니폴드(44)와 흡기 매니폴드(67) 사이가 되는 높이 위치에서 헤드 커버(40)열에 따라 연장하여 설치되어 있다. 가스 매니폴드(41)는 가스 입구관(97)과 전단이 접속해서 전후로 연장되어 있는 가스 메인관(41a)과, 가스 메인관(41a)의 상면으로부터 실린더 헤드(26)를 향해서 분기시킨 복수의 가스 지관(41b)을 구비한다. 가스 메인관(41a)은 그 상면에 등간격으로 접속용 플랜지를 구비하고 있으며, 가스 지관(41b)의 입구측 플랜지와 체결되어 있다. 가스 지관(41b)은 가스 메인관(41a)의 연결 부분과 반대측의 단부를 가스 인젝터(98)가 상측으로부터 삽입된 슬리브의 우측면과 연결되어 있다.
이어서, 상기 구성을 갖는 듀얼 퓨얼 엔진(21)(엔진 장치(21))을 가스 모드로 운전했을 때의 공기 유량 제어에 대해서 주로 도 13 등을 참조하여 설명한다.
엔진 제어 장치(73)는 도 13에 나타내는 바와 같이 엔진 부하가 저부하역(부하(L4) 이하의 부하역)이며, 소정 부하(L1)보다 낮을 경우에는 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도에 대하여 피드백 제어(PID 제어)를 행한다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하에 따른 흡기 매니폴드 압력의 목표값(목표 압력)을 설정한다. 그리고 엔진 제어 장치(73)는 압력 센서(39)로부터의 측정 신호를 받아 흡기 매니폴드 압력의 측정값(측정 압력)을 확인하여 목표 압력과의 차분을 구한다. 이에 따라 엔진 제어 장치(73)는 목표 압력과 측정 압력의 차분값에 근거하여 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도의 PID 제어를 실행하고, 흡기 매니폴드(67)의 공기 압력을 목표 압력에 가깝게 한다.
엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하가 소정 부하(L1) 이상이 될 경우에는 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도에 대하여 맵 제어를 행한다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하에 대한 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도를 기억하는 데이터 테이블(DT1)을 참조하여 엔진 부하에 대응한 메인 스로틀 밸브(V1)의 밸브 개도를 설정한다. 그리고 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하가 부하(L2)(L1<L2<Lth<L4) 이상이 될 경우에는 메인 스로틀 밸브(V1)를 전체 개방이 되도록 제어한다. 또한, 부하(L2)는 저부하역으로서, 흡기 매니폴드 압력이 대기압이 되는 부하(Lth)보다 저부하로 설정되어 있다.
엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하가 저부하역이며, 소정 부하(L3)(Lth<L3<L4)보다 낮을 경우에는 급기 바이패스 밸브(V2)를 전체 폐쇄가 되도록 제어한다. 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하가 소정 부하(L3) 이상이 될 경우에는 급기 바이패스 밸브(V2)의 밸브 개도에 대하여 피드백 제어(PID 제어)를 행한다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하에 따른 목표 압력과 압력 센서(39)에 의한 측정 압력의 차분값에 근거하여 급기 바이패스 밸브(V2)의 밸브 개도의 PID 제어를 실행하여 흡기 매니폴드(67)의 공기 압력을 목표 압력에 가깝게 한다.
엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하 전역에서 배기 바이패스 밸브(V3)의 밸브 개도에 대하여 맵 제어를 행한다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하에 대한 배기 바이패스 밸브(V3)의 밸브 개도를 기억하는 데이터 테이블(DT2)을 참조하여 엔진 부하에 대응한 배기 바이패스 밸브(V3)의 밸브 개도를 설정한다. 즉, 엔진 부하가 소정 부하(L1)보다 낮을 경우에는 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 개방으로 하고 있으며, 소정 부하(L1)보다 높아지면 엔진 부하에 대하여 배기 바이패스 밸브(V3)의 개도를 단조 감소시켜서 소정 부하(L2)에서 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 개방으로 한다. 그리고 엔진 부하가 소정 부하(L2)보다 높아 소정 부하(L3) 이하가 될 경우 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 폐쇄로 하고 있으며, 엔진 부하가 저부하역의 소정 부하(L3)보다 높아지면 엔진 부하에 대하여 배기 바이패스 밸브(V3)의 개도를 단조 증가시킨다. 즉, 배기 바이패스 밸브(V3)를 서서히 개방한다.
도 13에 나타내는 바와 같이 엔진 제어 장치(73)는 엔진에 걸리는 부하(엔진 부하)가 저부하역이며, 제 1 소정 부하(L3)보다 높을 경우에 메인 스로틀 밸브(V1)의 개도를 전체 개방으로 한다. 또한, 엔진 제어 장치(73)는 급기 바이패스 밸브(V2)에 대하여 피드백 제어(PID 제어)를 행함과 동시에, 배기 바이패스 밸브(V3)에 대하여 맵 제어를 행함으로써 흡기 매니폴드(67)의 압력을 부하에 따른 목표값으로 조정한다. 그리고 엔진에 부하가 제 1 소정 부하(L3)로 되어 있을 때 급기 바이패스 밸브(V2) 및 배기 바이패스 밸브(V3) 각각을 전체 폐쇄로 하고 있다.
과급기(49)를 디젤 모드 사양으로 최적화했을 경우에 가스 모드 운전 시에 있어서도 엔진 부하의 변동에 맞추어 급기 바이패스 밸브(V2)의 개도를 제어함으로써 흡기 매니폴드(67)의 압력 제어를 응답성이 양호한 것으로 할 수 있다. 그 때문에 부하 변동 시에 있어서 연소에 필요한 공기량의 과부족을 방지할 수 있고, 디젤 모드에서 최적화한 과급기(49)를 사용한 엔진 장치(21)이어도 가스 모드에서 최적으로 가동할 수 있다.
또한, 엔진 부하의 변동에 맞추어 배기 바이패스 밸브(V3)의 개도를 제어함으로써 기체 연료의 연소에 필요한 공연비에 맞춘 공기를 엔진 장치(21)에 공급할 수 있다. 또한, 응답성이 좋은 급기 바이패스 밸브(V2)에 의한 제어 동작을 병용함으로써 가스 모드에 있어서의 부하 변동으로의 응답 속도를 빠르게 할 수 있기 때문에 부하 변동 시에 있어서 연소에 필요한 공기량의 부족에 근거하는 노킹을 방지할 수 있다.
또한, 저부하역에 있어서 제 1 소정 부하(L3)보다 낮은 값이 되는 제 2 소정 부하(L1)보다 엔진 부하가 낮을 경우에 메인 스로틀 밸브(V1)에 대하여 피드백 제어(PID 제어)를 행한다. 한편, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 부하가 제 2 소정 부하(L1)보다 높을 경우에 메인 스로틀 밸브(V1)에 대하여 데이터 테이블(DT1)에 근거하는 맵 제어를 행한다. 또한, 엔진 부하가 소정 부하(L1)보다 낮을 경우에는 급기 바이패스 밸브(V2)를 전체 폐쇄로 함과 아울러, 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 개방으로 한다. 즉, 배기 매니폴드(44)의 압력이 대기압보다 낮은 부압이 될 경우 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 개방으로 해서 터빈(49a)의 구동을 정지시킴으로써 과급기(49)에 있어서의 서징 등을 방지할 수 있다. 또한, 급기 바이패스 밸브(V2)를 전체 폐쇄로 함으로써 저부하 시에 있어서 메인 스로틀 밸브(V1)에 의한 흡기 매니폴드 압력의 제어를 응답성이 높은 것으로 할 수 있다.
또한, 엔진 부하가 제 2 소정 부하(L1) 이상이며, 제 1 및 제 2 소정 부하(L3, L1) 사이의 값이 되는 제 3 소정 부하(L2)보다 낮을 경우 메인 스로틀 밸브(V1)에 대하여 데이터 테이블(DT1)에 근거하는 맵 제어를 행한다. 또한, 급기 바이패스 밸브(V2)를 전체 폐쇄로 함과 아울러, 배기 바이패스 밸브(V3)를 데이터 테이블(DT2)에 근거하여 맵 제어를 행한다. 그리고 엔진 부하가 제 1 소정 부하(L3)가 될 때, 메인 스로틀 밸브(V1)를 전체 개방으로 하는 한편, 급기 바이패스 밸브(V2) 및 배기 바이패스 밸브(V3)를 전체 폐쇄로 하여 디젤 모드로부터 가스 모드 스위칭 가능한 상태로 한다.
이어서, 엔진 장치(21)의 운전 상태를 가스 모드와 디젤 모드 사이에서 천이시킬 때의 연료 제어에 대해서, 이하에 설명한다. 우선, 모드 스위칭 시에 있어서의 연료 제어에 대해서 그 기본이 되는 제어 동작을 도 14∼도 19를 참조해서 설명한다. 도 14는 가스 모드로 운전 중의 엔진 장치(21)에 있어서의 연료 제어의 기본 동작을 나타내는 플로우 차트이고, 도 17은 디젤 모드로 운전 중의 엔진 장치(21)에 있어서의 연료 제어의 기본 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 도 15 및 도 18이 엔진 장치(21)를 저회전수이고 또한 저부하로 운전시켰을 때의 스위칭 시에 있어서의 타이밍 차트이고, 도 16 및 도 19가 엔진 장치(21)를 고회전수이고 또한 고부하로 운전시켰을 때의 스위칭 시에 있어서의 타이밍 차트이다.
엔진 장치(21)가 가스 모드로 운전하고 있을 때, 엔진 제어 장치(73)는 도 14에 나타내는 바와 같이 실린더(77)(기통(36))내에 공급하는 연료 가스 공급량(연료 가스 분사량)을 엔진 회전수를 목표값에 가깝게 하기 위해, 엔진 회전 센서(20)로부터의 신호에 근거하는 조속 제어를 행한다(STEP 501). 즉, 엔진 제어 장치(73)는 가스 인젝터(98)의 개도에 대한 피드백 제어(PID 제어)를 행함으로써 가스 인젝터(98)로부터의 연료 가스 분사량을 조정하고, 연료 가스 공급량의 조속 제어를 실행한다.
엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전을 디젤 모드로 스위칭할지의 여부의 판정을 행한다(STEP 502). 엔진 제어 장치(73)는 예를 들면, 엔진 장치(21)에 의한 가스 모드 운전에 있어서의 이상(예를 들면, 연료 가스 압력 저하, 흡기 매니폴드 압력 저하, 가스 온도의 상승, 공기 온도의 상승 또는 각 센서의 단선 등)이 발생한 경우나, NOx(질소 산화물)나 SOx(황 산화물)의 배출량을 규제하는 규제 해역 외를 항행 중인 경우에, 엔진 장치(21)의 운전을 디젤 모드로 스위칭하는 것이라 판정한다.
엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전을 디젤 모드로 스위칭하는 것으로 판정하면(STEP 502로 Yes), 연료유 공급량의 제어 동작을 램프 함수적(비례 함수적)인 증량 제어로부터 조속 제어로 스위칭하기 위한 기준이 되는 스위칭 역치(Foth)를 설정한다(STEP 503). 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 회전수 및 엔진 부하에 의해 스위칭 역치(Foth)를 결정시키는 역치 설정 테이블을 참조하고, 부하 측정기(19) 및 엔진 회전 센서(20) 각각으로부터 송신되는 측정 신호(엔진 부하 및 엔진 회전수)에 의해 스위칭 역치(Foth)를 설정한다.
또한, 역치 설정 테이블에 있어서, 엔진 회전수가 저회전수이면 스위칭 역치(Foth)를 소량으로 함과 아울러, 엔진 부하가 저부하이면 스위칭 역치(Foth)를 소량으로 한다. 즉, 엔진 회전수가 저회전수임과 아울러, 엔진 부하가 저부하이면, 스위칭 역치(Foth)를 소량(예를 들면, 도 15의 역치(Foth 1))으로 설정하는 한편, 엔진 회전수가 고회전수임과 아울러, 엔진 부하가 고부하이면, 스위칭 역치(Foth)를 다량(예를 들면, 도 16의 역치(Foth 2))으로 설정한다.
그 후, 엔진 제어 장치(73)는 메인 연료 분사 밸브(79)로부터의 연료 분사량을 제어하기 위해, 연료 분사 펌프(89)로부터 메인 연료 분사 밸브(79)로의 연료유 공급량을, 시간에 대하여 램프 함수적으로 단조 증가시킨다(STEP 504). 즉, 엔진 제어 장치(73)는 조속기(201)를 동작함으로써 연료 분사 펌프(89)에 있어서의 컨트롤 랙(202)의 랙 위치를 변경시켜 연료유 공급량을 증량 제어한다.
엔진 제어 장치(73)는 조속기(201)를 통해서 컨트롤 랙(202)의 랙 위치를 확인하는 등하고, 연료유 공급량으로부터의 연료유 공급량을 확인하고, 연료유 공급량이 스위칭 역치(Foth) 이상이 된 경우(STEP 505로 Yes), 연료유 공급량의 제어 동작을 엔진 회전 센서(20)로부터의 신호에 근거하는 조속 제어로 스위칭한다(STEP 506). 즉, 엔진 제어 장치(73)는 연료 분사 펌프(89)에 있어서의 컨트롤 랙(202)의 랙 위치에 대한 피드백 제어(PID 제어)를 행함으로써 메인 연료 분사 밸브(79)로부터의 연료유 분사량을 조정하고, 연료유 공급량의 조속 제어를 실행한다.
이어서, 엔진 제어 장치(73)는 연료 가스 공급량의 제어 동작을 조속 제어로부터 램프 함수적(비례 함수적)인 감량 제어로 스위칭한다(STEP 507). 즉, 가스 인젝터(98)로부터의 연료 가스 분사량을 시간에 대하여 램프 함수적으로 단조 감소시킨다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 가스 인젝터(98)의 밸브의 개방 기간을 단계적으로 짧게 함으로써 연료 가스 공급량을 감량 제어한다. 엔진 제어 장치(73)는 가스 인젝터(98)의 밸브의 개방 기간을 확인하는 등하고, 연료 가스 공급량이 최소값(하한값)(Fgmin)을 하회한 경우(STEP 508로 No), 가스 밸브 유닛(35)으로부터의 공급을 정지시킨다(STEP 509).
도 14의 플로우 차트를 따라서 동작함으로써 엔진 장치(21)는 가스 모드로부터 디젤 모드로 운전을 스위칭할 때, 도 15 및 도 16에 나타내는 바와 같이 연료유 공급량을 증량 제어함과 아울러, 연료 가스 공급량을 조속 제어함으로써 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지할 수 있다. 그 후, 연료유 공급량이 스위칭 역치(Foth)에 달하면, 연료유 공급량을 조속 제어함과 아울러, 연료 가스 공급량을 감량 제어하고, 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지한다. 이 때, 스위칭 역치(Foth)를 엔진 장치(21)의 부하 및 회전수에 따라 설정하기 위해서, 저부하 및 저회전에서의 운전 시에는 엔진 회전수가 상한값을 초과하는 회전수(오버스피드)까지 상승하는 경우가 없고, 고부하 및 고회전에서의 운전 시에는 부하 변동에 대한 대응성을 양호하게 유지할 수 있다.
엔진 장치(21)가 저부하이며 또한 저회전으로 운전하고 있을 때에는 도 15에 나타내는 바와 같이 스위칭 역치(Foth)를 작은 값(Foth 1)으로 함으로써 목표 회전수가 되는 엔진 회전수까지 상승시키는 일이 없이 연료유의 공급을 조속 제어로 스위칭함과 동시에, 연료 가스의 공급을 정지시킬 수 있다. 또한, 엔진 장치(21)가 고부하이며 또한 고회전으로 운전하고 있을 때에는 도 16에 나타내는 바와 같이 스위칭 역치(Foth)를 큰 값(Foth 2)으로 함으로써 엔진 회전수로의 영향력이 큰 연료의 공급량을 조속 제어하는 것이 된다. 따라서, 예를 들면 급격하게 부하가 작아지는 경우에도 엔진 회전수를 목표 회전수 부근에 유지할 수 있어 긴급 정지로 이어지는 엔진 회전수까지 상승하는 것을 회피할 수 있다.
한편, 엔진 장치(21)가 디젤 모드로 운전하고 있을 때, 엔진 제어 장치(73)는 도 17에 나타내는 바와 같이 실린더(77)(기통(36))내에 공급하는 연료유 공급량 (연료유 분사량)을 엔진 회전수를 목표값에 가까이하기 위해, 엔진 회전 센서(20)로부터의 신호에 근거하는 조속 제어를 행한다(STEP 601). 엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전을 가스 모드로 스위칭하는 판정을 행하면(STEP 602로 Yes), 연료 가스 공급량의 제어 동작을 조속 제어로부터 램프 함수적인 증량 제어로 스위칭하기 위한 기준이 되는 스위칭 역치(Fgth)를 설정한다(STEP 603).
또한, 엔진 제어 장치(73)는 예를 들면 NOx나 SOx의 배출량을 규제하는 규제해역 부근으로부터 규제 해역내를 향해서 항행하고 있을 경우 등에, 엔진 장치(21)의 운전을 가스 모드로 스위칭하는 것으로 판정한다. 또한, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 회전수 및 엔진 부하에 의해 스위칭 역치(Fgth)를 결정시키는 역치 설정 테이블을 참조해서 스위칭 역치(Fgth)를 설정한다. 역치 설정 테이블에 있어서, 엔진 회전수가 저회전수이면 스위칭 역치(Fgth)를 소량으로 함과 아울러, 엔진 부하가 저부하이면 스위칭 역치(Fgth)를 소량으로 한다. 즉, 엔진 회전수가 저회전수임과 아울러 엔진 부하가 저부하이면, 스위칭 역치(Fgth)를 소량(예를 들면 도 18의 역치(Fgth 1)으로 설정하는 한편, 엔진 회전수가 고회전수임과 아울러 엔진 부하가 고부하이면, 스위칭 역치(Fgth)를 다량(예를 들면 도 19의 역치(Fgth 2)으로 설정한다.
그 후, 엔진 제어 장치(73)는 가스 밸브 유닛(35)으로부터의 공급시킴과 아울러, 가스 인젝터(98)의 밸브의 개방 기간을 단계적으로 길게 함으로써 연료 가스 공급량을 시간에 대하여 램프 함수적으로 단조 증가시킨다(STEP 604). 엔진 제어 장치(73)는 연료 가스 공급량이 스위칭 역치(Fgth) 이상이 된 경우(STEP 605로 Yes), 연료 가스 공급량의 제어 동작을 엔진 회전 센서(20)로부터의 신호에 근거하여 조속 제어로 스위칭함과 아울러(STEP 606), 연료유 공급량의 제어 동작을 램프 함수적인 감량 제어로 스위칭한다(STEP 607). 그리고, 엔진 제어 장치(73)는 연료유 공급량이 최소값(하한값)(Fogmin)을 하회한 경우(STEP 608로 No), 액체 연료 탱크(33)로부터의 공급을 정지시킨다(STEP 609).
도 17의 플로우 차트를 따라서 동작함으로써 엔진 장치(21)는 디젤 모드로부터 가스 모드로 운전을 스위칭할 때, 도 18 및 도 19에 나타내는 바와 같이 연료 가스 공급량을 증량 제어함과 아울러, 연료유 공급량을 조속 제어함으로써 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지할 수 있다. 그 후, 연료 가스 공급량이 스위칭 역치(Fgth)에 달하면, 연료 가스 공급량을 조속 제어함과 아울러, 연료유 공급량을 감량 제어하고, 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지한다. 이 때, 스위칭 역치(Fgth)를 엔진 장치(21)의 부하 및 회전수를 따라 설정하기 때문에, 가스 모드로부터 디젤 모드로 스위칭하는 경우와 같이, 저부하 및 저회전에서의 운전 시에는 엔진 회전수가 상한값을 초과하는 회전수(오버스피드)까지 상승하는 경우가 없고, 고부하 및 고회전에서의 운전 시에는 부하 변동에 대한 대응성을 양호하게 유지할 수 있다.
가스 모드에 있어서의 연료 제어의 제 1 실시예에 대해서, 도 20∼도 22를 참조하여 이하에 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 연료 제어는 도 14∼도 16에 나타내는 제어 동작을 기본으로 하는 것이다. 따라서, 이하에서는 상술의 기본이 되는 제어 동작(도 14∼도 16 참조)에 있어서 동일이 되는 제어 스텝에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것으로 해서 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 도 20의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이, 상술의 기본이 되는 제어 동작과 달리, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전 모드를 디젤 모드로 스위칭하는 것이라 판단했을 때(STEP 502로 Yes), 순시에 운전 모드를 스위칭할지의 여부를 판정한다(STEP 701). 가스 모드로부터 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행하지 않는 경우에는(STEP 701로 No), 기본이 되는 제어 동작(도 14 참조)과 같이 스위칭 역치(Foth)를 설정한 후, 연료유 공급량이 스위칭 역치(Foth)에 달했을 때에, 연료유의 공급을 증량 제어로부터 조속 제어로 변경하는 한편, 연료 가스의 공급을 조속 제어로부터 감량 제어로 변경하고, 최종적으로 연료 가스의 공급을 정지시킨다(STEP 503∼STEP 509).
가스 모드로부터 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행하는 경우에는(STEP 701로 Yes), 엔진 제어 장치(73)는 연료유 공급량(Fo)을 설정하고, 연료 가스의 공급을 정지함과 아울러 연료유의 공급을 개시한 후(STEP 702∼STEP 704), 연료유 공급량을 조속 제어한다(STEP 705). 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 회전수 및 엔진 부하에 의해 순시 스위칭 시에 있어서의 연료유 공급량(Fo)을 결정시키는 순시 스위칭용 설정 테이블을 참조하고, 부하 측정기(19) 및 엔진 회전 센서(20) 각각으로부터 송신되는 측정 신호(엔진 부하 및 엔진 회전수)에 의해 연료유 공급량(Fo)을 설정한다. 또한, STEP 702에서는 엔진 장치(21)에 의한 가스 모드 운전에 있어서의 이상(예를 들면, 연료 가스 압력 저하, 흡기 매니폴드 압력 저하, 가스 온도의 상승, 공기 온도의 상승 또는 각 센서의 단선 등)이 발생한 경우 등에 있어서, 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행시킨다.
또한, 순시 스위칭용 설정 테이블에 있어서, 엔진 회전수가 저회전수이면 연료유 공급량(Fo)을 소량으로 함과 아울러, 엔진 부하가 저부하이면 연료유 공급량(Fo)을 소량으로 한다. 즉, 엔진 회전수가 저회전수임과 아울러 엔진 부하가 저부하이면, 연료유 공급량(Fo)을 소량(예를 들면 도 21의 공급량(Fo1))으로 설정하는 한편, 엔진 회전수가 고회전수임과 아울러 엔진 부하가 고부하이면, 연료유 공급량(Fo)를 다량(예를 들면, 도 22의 공급량(Fo2))으로 설정한다.
도 20의 플로우 차트를 따라서 동작함으로써 엔진 장치(21)는 가스 모드로부터 디젤 모드로 운전을 스위칭할 때에 순시 스위칭을 실행하는 경우, 도 21 및 도 22에 나타내는 바와 같이, 연료 가스의 공급을 정지함과 동시에, 설정한 연료유 공급량(Fo)에 의한 연료유의 공급을 개시한다. 이 때, 연료유 공급량(Fo)를 엔진 장치(21)의 부하 및 회전수에 따라 설정하기 때문에, 저부하 및 저회전에서의 운전 시에는 엔진 회전수가 상한값을 초과하는 회전수(오버스피드)까지 상승하는 경우가 없이 고부하 및 고회전에서의 운전 시에는 부하 변동에 대한 대응성을 양호하게 유지할 수 있다.
엔진 장치(21)가 저부하이면서 저회전으로 운전하고 있을 때에는 도 21에 나타내는 바와 같이, 연료유 공급량(Fo)을 작은 값(Fo1)으로 함으로써 목표 회전수가 되는 엔진 회전수까지 상승시키지 않고 연료유의 공급을 순시에 조속 제어시킴과 동시에, 연료 가스의 공급을 정지할 수 있다. 또한, 엔진 장치(21)가 고부하이면서 또한 고회전으로 운전하고 있을 때에는 도 22에 나타내는 바와 같이, 연료유 공급량(Fo)을 큰 값(Fo2)으로 함으로써 연료 부족에 의한 엔진 회전수의 저하를 회피할 수 있고, 순시 스위칭 후도 엔진 회전수를 목표 회전수로 유지시킬 수 있다.
또한, 연료유 공급량(Fo)에 대해서, 예를 들면, 흡기 매니폴드(67)를 흐르는 공기의 온도, 윤활유 스트레이너(59)로부터의 윤활유의 온도, 연료유관(42)을 흐르는 연료의 온도에 근거하여 그 값을 보정한다. 이 때, 엔진 제어 장치(73)는 우선, 순시 스위칭용 설정 테이블을 참조하고, 엔진 회전수 및 엔진 부하에서 연료유 공급량(Fo)의 초기값을 설정한 후, 공기 온도, 윤활유 온도 및 연료유 온도 각각으로부터 산출되는 계수를 초기값에 승산함으로써 연료유 공급량(Fo)의 보정값을 취득한다. 순시 스위칭의 실행 시에 있어서는 이 연료유 공급량(Fo)의 보정값에 근거하여 연료유의 공급을 개시한다. 이것에 의해 엔진 장치(21)의 운전 환경에 따라서 연료유 공급량(Fo)을 설정할 수 있기 때문에, 순시 스위칭 후의 디젤 모드에 있어서, 엔진 장치(21)를 안정하게 운전할 수 있다.
가스 모드에 있어서의 연료 제어의 제 2 실시예에 대해서, 도 23을 참조해서 이하에 설명한다. 상술의 제 1 실시예와 같이, 본 실시예에 있어서의 연료 제어에 관해서도, 도 14∼도 16에 나타내는 제어 동작을 기본으로 하는 것이다. 따라서, 이하에서는 상술의 기본이 되는 제어 동작(도 14∼도 16 참조)에 있어서 동일이 되는 제어 스텝에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것으로 해서 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 도 23의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이, 상술의 제 1 실시예가 되는 제어 동작과 달리, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전 모드를 디젤 모드로 스위칭하는 것이라 판단하면(STEP 502로 Yes), 스위칭 역치(Foth)를 설정한 후에, 연료유 공급량의 증량 제어를 개시한다(STEP 503∼STEP 504). 그 후, 엔진 제어 장치(73)는 순시에 운전 모드를 스위칭할지의 여부를 판정한다 (STEP 801). 이 때, 순시 스위칭을 실행하는 경우(STEP 801로 Yes), 연료유 공급량(Fo)을 설정해서 연료유 공급량을 조속 제어함과 아울러, 연료 가스의 공급을 정지시킨다(STEP 802∼STEP 804).
또한, 연료유 공급량의 증량 제어를 개시한 후에, 연료유 공급량이 스위칭 역치(Foth) 이상이 되고(STEP 505로 Yes), 연료유의 공급을 조속 제어로 스위칭함과 아울러, 연료 가스의 공급을 감량 제어로 스위칭한 후도(STEP 506∼STEP 507), 엔진 제어 장치(73)는 순시에 운전 모드를 스위칭할지의 여부를 판정한다(STEP 805). 그리고, 순시 스위칭을 실행할 경우(STEP 805로 Yes), 연료유 공급량(Fo)을 설정해서 연료유 공급량을 조속 제어함과 아울러, 연료 가스의 공급을 정지시킨다(STEP 802∼STEP 804).
도 23의 플로우 차트를 따라서 동작함으로써 엔진 장치(21)는 가스 모드로부터 디젤 모드로 운전을 스위칭하기 위해, 연료 가스와 연료유의 교체를 단계적으로 실행시키고 있는 경우에도, 디젤 모드로의 순시 스위칭에 대응할 수 있다. 따라서, 가스 모드로부터 디젤 모드로의 스위칭을 실행시키고 있을 때에도, 긴급 피난적으로 디젤 모드로 스위칭할 필요가 있는 경우 등에 대응할 수 있어 선박을 긴급 정지시키지 않고, 안정한 항행을 계속시킬 수 있다.
디젤 모드에 있어서의 연료 제어의 제 1 실시예에 대해서, 도 24를 참조해서 이하에 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 연료 제어는 도 17∼도 19에 나타내는 제어 동작을 기본으로 하는 것이다. 따라서, 이하에서는 상술의 기본이 되는 제어 동작(도 17∼도 19 참조)에 있어서 동일하게 되는 제어 스텝에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것으로 해서 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 도 24의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이, 상술의 기본이 되는 제어 동작과 달리, 엔진 제어 장치(73)는 엔진 제어 장치(73)는 엔진 장치(21)의 운전 모드를 가스 모드로 스위칭하는 것으로 판단하면(STEP 602로 Yes), 스위칭 역치(Fgth)를 설정한 후에, 연료 가스 공급량의 증량 제어를 개시한다(STEP 603∼STEP 604). 그 후, 엔진 제어 장치(73)는 순시에 디젤 모드를 스위칭할지의 여부를 판정한다(STEP 901). 이 때, 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행하는 경우(STEP 901로 Yes), 연료유 공급량(Fo)을 설정함과 아울러 연료 가스의 공급을 정지시킨 후(STEP 902∼STEP 903), 연료유 공급량을 조속 제어한다(STEP 601).
또한, 연료 가스 공급량의 증량 제어를 개시한 후에, 연료 가스 공급량이 스위칭 역치(Fgth) 이상이 되고(STEP 605로 Yes), 연료 가스의 공급을 조속 제어로 스위칭함과 아울러 연료유의 공급을 감량 제어로 스위칭 한 후도(STEP 606∼STEP 607), 엔진 제어 장치(73)는 순시에 디젤 모드를 스위칭할지의 여부를 판정한다(STEP 904). 그리고, 디젤 모드로의 순시 스위칭을 실행하는 경우(STEP 904로 Yes), 연료유 공급량(Fo)을 설정함과 아울러 연료 가스의 공급을 정지시킨 후(STEP 902∼STEP 903), 연료유 공급량을 조속 제어한다(STEP 601).
도 24의 플로우차트를 따라서 동작함으로써 엔진 장치(21)는 디젤 모드로부터 가스 모드로 운전을 스위칭하는 경우에도, 디젤 모드로의 순시 스위칭에 대응할 수 있다. 따라서, 디젤 모드로부터 가스 모드로의 스위칭을 실행시키고 있을 때에도, 긴급 피난적으로 디젤 모드로 스위칭할 필요가 있을 경우 등에 대응할 수 있어 선박을 긴급 정지시키지 않고, 안정한 항행을 계속시킬 수 있다.
그 외 각 부의 구성은 도시의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본원발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다. 또한, 본 실시형태의 엔진 장치는 선체 내의 전기 계통에 전력을 공급하기 위한 발전 장치나 육상의 발전 시설에 있어서의 구동원으로서 구성하는 등 상술한 추진 겸 발전 기구 이외의 구성에 있어서도 적용 가능하다. 또한, 본원발명의 엔진 장치에 있어서 착화 방식을 마이크로 파일럿 분사 방식에 의한 것으로 했지만, 부실에서 불꽃 점화시키는 구성으로 해도 상관없다.
1 : 선박 2 : 선체
4 : 펀넬 5 : 프로펠러
9 : 추진축 11 : 기관실
12 : 추진 겸 발전 기구 17 : 급기 바이패스 유로
18 : 배기 바이패스 유로 19 : 부하 측정기
20 : 엔진 회전 센서 21 : 엔진 장치(듀얼 퓨얼 엔진)
22 : 감속기 23 : 축 구동 발전기
24 : 출력축(크랭크축) 25 : 실린더 블록
26 : 실린더 헤드 36 : 기통
37 : 흡기 포토 38 : 배기 포트
39 : 압력 센서 40 : 헤드 커버
41 : 가스 매니폴드(기체 연료 배관) 42 : 연료유관(액체 연료 배관)
43 : 사이드 커버 44 : 배기 매니폴드
45 : 차열 커버 46 : 냉각수 배관
47 : 커먼 레일(파일롯 연료 배관) 48 : 배기 중계관
49 : 과급기 51 : 인터쿨러
53 : 냉각수 펌프 54 : 파일롯 연료 펌프
55 : 윤활유 펌프 56 : 연료유 펌프
57 : 오일팬 58 : 윤활유 쿨러
59 : 윤활유 스트레이너 67 : 흡기 매니폴드
79 : 메인 연료 분사 밸브 80 : 흡기 밸브
81 : 배기 밸브 82 : 파일롯 연료 분사 밸브
89 : 연료 분사 펌프 98 : 가스 인젝터

Claims (6)

  1. 실린더 내로 공기를 공급시키는 흡기 매니폴드와, 상기 실린더로부터의 배기가스를 배기시키는 배기 매니폴드와, 상기 흡기 매니폴드로부터 공급되는 공기에 기체 연료를 혼합시키는 가스 인젝터와, 상기 실린더에 액체 연료를 분사해서 연소시키는 메인 연료 분사 밸브를 구비하고, 복수의 상기 실린더 각각에 대하여 상기 가스 인젝터와 상기 메인 연료 분사 밸브를 설치하고 있고, 상기 실린더 내에 상기 기체 연료를 투입하는 가스 모드와 상기 실린더 내에 상기 액체 연료를 투입하는 디젤 모드 중 어느 하나에 의해 구동하는 엔진 장치에 있어서,
    상기 가스 모드 및 상기 디젤 모드의 일방으로부터 타방으로 운전 모드를 스위칭할 때에 스위칭 후의 운전 모드에서 투입시키는 제 1 연료의 공급량을 단조 증가시키는 증량 제어에 의해 스위칭 역치까지 증량시킨 후, 엔진 회전수에 근거한 조속 제어에 의해 제어하고 있고,
    상기 스위칭 역치를 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 근거하여 설정하고 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 모드 및 상기 디젤 모드의 일방으로부터 타방으로 운전 모드를 스위칭할 때에, 스위칭 전의 운전 모드에서 투입시키고 있는 제 2 연료의 공급량을 엔진 회전수에 근거한 조속 제어에 의해 제어하고 있고, 상기 증량 제어에 의해 상기 제 1 연료의 공급량이 상기 스위칭 역치에 달한 후는 제 2 연료의 공급량을 단조 감소시키는 감량 제어에 의해 감소시키는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 감량 제어에 의해 상기 제 2 연료의 공급량이 하한값에 달하면, 상기 제 2 연료의 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진 회전수 또는 엔진 부하가 낮으면 상기 스위칭 역치를 소량으로 설정하는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 모드로부터 상기 디젤 모드로 순시에 스위칭할 때에는 상기 디젤 모드로 스위칭한 후의 액체 연료의 공급량을 엔진 회전수 또는 엔진 부하에 근거하여 설정해서 상기 액체 연료의 공급을 개시함과 아울러 상기 기체 연료의 공급을 정지시킨 후, 상기 액체 연료의 공급량을 조속 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    엔진 회전수 또는 엔진 부하가 낮으면 순시 스위칭 후의 상기 액체 연료의 공급량을 소량으로 설정하는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
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