WO2015159542A1 - エンジンシステム及び制御方法 - Google Patents

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egr
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正憲 東田
郁美 大西
克浩 吉澤
隆道 細野
橋本　大
隼太 秋山
哲男 野上
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川崎重工業株式会社
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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
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    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention uses exhaust gas recirculation (EGR) that uses water emulsion fuel or returns part of the exhaust gas to the engine to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions from the engine. It relates to the engine system to perform. The present invention also relates to a method for controlling the engine system.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • One method of reducing NOx emissions from the engine is EGR that returns part of the exhaust gas to the engine.
  • EGR returns part of the exhaust gas to the engine.
  • combustion is performed in a state where the oxygen concentration is low.
  • the combustion temperature is lowered and the generation of NOx is suppressed.
  • EGR rate the ratio of the EGR gas in the scavenging gas
  • the pure fuel in the water emulsion fuel has a large surface area per volume, that is, an area in contact with oxygen, and local incomplete combustion is reduced.
  • the combustion efficiency is increased and the amount of soot generated is suppressed.
  • the amount of soot contained in the exhaust gas is suppressed although the NOx reduction effect is not large.
  • Patent Document 1 is provided with a plurality of fuel systems so that the fuel can be switched (see FIGS. 1 and 2). Therefore, the engine described in Patent Document 1 has a complicated structure.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances.
  • EGR control is performed while using water emulsion fuel
  • NOx generation is stably suppressed while suppressing deterioration of fuel consumption and soot generation in response to changes in the operating conditions of the engine as long as the characteristics do not cancel each other.
  • An object of the present invention is to provide an engine system that can be reduced and that can be realized with a simple structure.
  • An engine system includes an engine body having a cylinder and a fuel injection valve, a fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies the water emulsion fuel to the fuel injection valve, and supplies EGR gas to the engine body.
  • the EGR unit is controlled to use the water emulsion fuel in the entire range of practical engine loads, and the flow rate of the EGR gas is controlled so that the amount of NOx discharged from the engine body becomes a predetermined value or less.
  • a control device configured as described above.
  • “practical engine load” refers to an engine load in a range excluding a low engine load such as when the engine is started, that is, an engine load in a range used in normal operation, and 25 to 100% of the maximum engine load is It corresponds to this.
  • switching between pure fuel and water emulsion fuel is basically not performed in the entire range of practical engine load. Therefore, according to the engine system described above, a mechanism necessary for instantaneously switching the fuel becomes unnecessary, and the structure can be simplified.
  • the use of water emulsion fuel can suppress the deterioration of fuel consumption and the generation of soot, and the amount of NOx produced can be reduced by supplying EGR gas corresponding to the engine load to the engine.
  • control device may be configured to maintain a constant water addition rate of the water emulsion fuel in the entire range of practical engine loads. According to such a configuration, since the water addition rate is kept constant throughout the practical engine load range, the generation of soot can be stably suppressed. Under this condition, it is easy to control the water addition rate.
  • control device may be configured to increase the injection time per cycle as the injection amount of the water emulsion fuel per cycle increases. According to such a configuration, even if the injection amount per cycle fluctuates greatly, the injection amount per unit time does not fluctuate greatly. Therefore, even if the variation in the injection amount per cycle is large to some extent, the water emulsion fuel can be injected with the same fuel injection valve.
  • the injection timing of the water emulsion fuel is within a range in which the maximum pressure in the cylinder does not exceed a predetermined upper limit value. It may be configured to speed up. According to such a configuration, it is possible to suppress a decrease in the maximum in-cylinder pressure resulting from the longer injection time, and the engine can be operated efficiently.
  • control device may be configured to determine the injection start timing according to one or both of the water addition rate and the EGR rate. According to such a configuration, an appropriate injection start timing can be determined according to the water addition rate and the EGR rate, so that it is possible to quickly shift to an efficient operating state of the engine.
  • a control method includes an engine main body having a cylinder and a fuel injection valve, a fuel supply unit that generates water emulsion fuel and supplies the water emulsion fuel to the fuel injection valve, and supplies EGR gas to the engine main body.
  • a control method for an engine system comprising an EGR unit, wherein the water emulsion fuel is used in the entire range of practical engine loads, and the amount of NOx discharged from the engine body is less than a predetermined value. The flow rate of the EGR gas is controlled.
  • the water addition rate of the water emulsion fuel may be kept constant over the entire range of practical engine load.
  • the injection time per cycle may be increased as the injection amount of the water emulsion fuel per cycle increases.
  • the water emulsion fuel injection start timing may be advanced within a range in which the maximum pressure in the cylinder does not exceed a predetermined upper limit value.
  • the injection start timing may be determined according to one or both of the water addition rate and the EGR rate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the entire engine system according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of the engine system according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the engine load, the target water addition rate, and the target EGR rate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the engine load and the target EGR rate when the target water addition rate in FIG. 3 is lowered.
  • FIG. 5 is a flowchart of fuel injection control.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the crank angle and the in-cylinder pressure.
  • FIG. 1 is a block diagram of the engine system 100.
  • the engine system 100 includes an engine body 10, a supercharger 20, an EGR unit 30, and a fuel supply unit 40.
  • the engine body 10 in the present embodiment is a main propulsion unit for a ship, and is a large two-stroke diesel engine.
  • the engine body 10 has a plurality of cylinders 11 (only one is shown in FIG. 1).
  • Each cylinder 11 is formed with a scavenging port 12 in the lower part and an exhaust port 13 in the upper part.
  • Each cylinder 11 is provided with a piston 14, a fuel injection valve 15, and an exhaust valve 16.
  • the piston 14 slides in the cylinder 11 so as to cross the scavenging port 12, and a lower end portion is connected to a crankshaft (not shown).
  • the fuel injection valve 15 is located in the upper part of the cylinder 11 and is supplied with fuel from the fuel supply unit 40.
  • the cylinder 11 is provided with an in-cylinder pressure sensor 17 for measuring the pressure in the cylinder 11 (in-cylinder pressure), and the engine body 10 has an engine speed for measuring the number of revolutions of the engine body 10 (engine speed). A total of 18 (see FIG. 2) is provided.
  • the engine body 10 may be a 4-stroke engine, a gas engine, or a gasoline engine.
  • the supercharger 20 is a device that boosts air and supplies it to the engine body 10.
  • the exhaust gas generated in each cylinder 11 is supplied to the turbine unit 21 of the supercharger 20 via the exhaust port 13, the exhaust pipe 24, and the exhaust passage 25.
  • the turbine unit 21 is rotated by the energy of the supplied exhaust gas.
  • the turbine part 21 and the compressor part 22 are connected by a connecting shaft 23, and the compressor part 22 also rotates as the turbine part 21 rotates.
  • the compressor unit 22 rotates, the air (fresh air) taken from the outside is increased in pressure, and the increased new air is supplied into each cylinder 11 via the scavenging flow path 26, the scavenging pipe 27, and the scavenging port 12. .
  • the EGR unit 30 is provided in an EGR flow path 28 that connects the exhaust flow path 25 and the scavenging flow path 26, and extracts a part of the exhaust gas in the exhaust flow path 25 (hereinafter referred to as exhaust gas extracted from the exhaust flow path 25).
  • This unit is a unit that supplies the EGR gas to the scavenging flow path 26.
  • the EGR gas supplied to the scavenging passage 26 is mixed with fresh air whose pressure has been increased by the supercharger 20 and supplied as scavenging gas to the engine body 10 (each cylinder 11). As a result, the oxygen concentration of the scavenging gas supplied to each cylinder 11 decreases, and the amount of NOx discharged from the engine body 10 can be reduced.
  • the EGR unit 30 includes a scrubber 31 that cleans the EGR gas, a cooling device 32 that cools the EGR gas, and an EGR blower 33 that boosts the EGR gas and supplies it to the scavenging flow path 26.
  • a scrubber 31 that cleans the EGR gas
  • a cooling device 32 that cools the EGR gas
  • an EGR blower 33 that boosts the EGR gas and supplies it to the scavenging flow path 26.
  • the fuel supply unit 40 is a unit that generates water emulsion fuel and supplies it to the fuel injection valve 15.
  • the fuel supply unit 40 includes a fuel generation unit 41 and a fuel supply unit 42.
  • the fuel generation unit 41 is a part that mixes pure fuel and water charged into the mixing container 43 with a mixer or the like to generate water emulsion fuel having a predetermined water addition rate.
  • the fuel supply unit 42 is a part that supplies the water emulsion fuel generated by the fuel generation unit 41 to the fuel injection valve 15 of the engine body 10.
  • the fuel supply unit 42 can change the injection time and injection start timing of the water emulsion fuel injected from the fuel injection valve 15.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of engine system 100.
  • the engine system 100 includes a control device 50 that controls the entire engine system 100.
  • the control device 50 is configured by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the control device 50 is electrically connected to the in-cylinder pressure sensor 17, the engine tachometer 18, and the input setting unit 51.
  • the control device 50 acquires the in-cylinder pressure, the engine speed, and the set water addition rate based on signals transmitted from these devices.
  • the input setting unit 51 is provided in the cab of the hull in which the engine system 100 is mounted. In addition, the input setting unit 51 is configured so that the driver can input the set water addition rate and can store the input set water addition rate.
  • the control device 50 performs various calculations based on the input signals from each of the above devices, and controls each part of the engine system 100.
  • the control device 50 is electrically connected to the EGR blower 33, the fuel generation unit 41, and the fuel supply unit 42, and sends control signals to these devices based on the results of various calculations. Send.
  • the control device 50 can acquire the actual water addition rate based on the signal transmitted from the fuel generating unit 41 as well as transmitting the control signal to the fuel generating unit 41.
  • the actual water addition rate may be acquired based on a signal transmitted from the sensor provided in the flow path from the mixing container 43 to the injection valve 15 of the fuel generation unit 41 to the water addition rate. Good.
  • the control device 50 includes a water addition rate control unit 52, an EGR rate control unit 53, and a fuel injection control unit 54 as functional configurations.
  • the water addition rate control unit 52 controls the water addition rate of the water emulsion fuel.
  • the water addition rate control unit 52 first sets a target water addition rate based on the set water addition rate input by the driver.
  • the target water addition rate is set as shown by the broken line in FIG. Specifically, when the engine load is 0 to 15%, the target water addition rate is set to 0%, and when the engine load is 15 to 100%, the target water addition rate is set to the above set water addition rate.
  • the water addition rate control part 52 transmits a control signal to the fuel production
  • pure fuel is not used but only water emulsion fuel is used in the entire practical engine load range (engine load is 25 to 100%). Moreover, the water addition rate is constant in the practical engine load region. Therefore, according to this embodiment, a mechanism that instantaneously switches between pure fuel and water emulsion fuel and a mechanism that instantaneously changes the water addition rate are unnecessary. Further, in Patent Document 1 described above, when the pure fuel and the water emulsion fuel are switched, the fuel injection valve to be used is also switched. However, according to the present embodiment, a mechanism for switching the fuel injection valve is unnecessary. Thus, according to the present embodiment, the configuration of the engine system 100 can be simplified.
  • the EGR rate control unit 53 is a portion that controls the EGR rate by adjusting the flow rate of the EGR gas.
  • the EGR rate control unit 53 first sets a target EGR rate.
  • the target EGR rate is set to 0% when the engine load is 0 to 15%, and the target EGR is increased as the engine load increases when the engine load is 15 to 100%. Set the rate to be small.
  • the target EGR rate is a value derived by a test performed in advance, and is an EGR rate that can clear the NOx emission amount regulation, that is, an EGR rate at which the NOx emission amount becomes a predetermined value or less.
  • the target EGR rate is stored in the EGR rate control unit 53.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the engine load and the target EGR rate when the target water addition rate in FIG. 3 is lowered.
  • the two dotted lines in FIG. 4 correspond to the target water addition rate and the target EGR rate in FIG. 3, respectively.
  • the set water addition rate is lowered and the target water addition rate when the engine load is 15% or more is lowered.
  • the target EGR rate when the engine load is 15% or more is increased. This is because if the water addition rate is reduced, the NOx emission reduction effect due to the use of water emulsion fuel is reduced, so that the EGR rate must be increased in order to satisfy the NOx emission restriction.
  • the EGR rate control unit 53 transmits a control signal to the EGR blower 33, and the actual EGR rate is calculated based on the engine load at that time (in this embodiment, the engine load is calculated based on the engine speed and the fuel injection amount). However, it may be calculated by another method, for example, it may be calculated from the number of revolutions of the supercharger 20, or may be calculated from the illustrated work obtained by the in-cylinder pressure. It is also possible to directly measure the engine load.)
  • the EGR gas flow rate is adjusted so that the target EGR rate corresponding to the engine load is obtained. Thereby, the NOx emission regulation can be cleared. In the present embodiment, the EGR gas flow rate is adjusted by controlling the rotation speed of the EGR blower 33.
  • the EGR gas flow rate may be adjusted by other methods such as a method of controlling by the flow rate control valve. Regardless of which method is used, the adjustment of the EGR gas flow rate is easy, and the responsiveness of the change in the EGR gas flow rate with respect to the situation change is very high.
  • the fuel injection control unit 54 is a part that controls fuel injection (injection amount, injection time, and injection start timing) of water emulsion fuel.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method of fuel injection control of water emulsion fuel. Calculation and control described below are performed by the fuel injection control unit 54.
  • the fuel injection control unit 54 reads signals transmitted from the in-cylinder pressure sensor 17, the engine tachometer 18, the fuel generation unit 41, and the like, and based on these signals, the in-cylinder pressure and the engine Various information such as the rotation speed and the water addition rate is acquired (step S1).
  • the fuel injection control unit 54 determines the amount of water emulsion fuel to be injected per cycle (step S2).
  • the injection amount is determined so that the engine speed can be maintained at a constant speed (100% speed).
  • the heat amount is different if the water addition rate is different, and the combustion efficiency is different if the EGR rate is different. Therefore, for example, when the water addition rate or the EGR rate becomes high, the injection amount is increased.
  • the fuel injection control unit 54 determines the injection time of the water emulsion fuel to be injected per cycle (step S3).
  • the injection time is lengthened as the fuel injection amount per cycle increases. Thereby, even if the injection amount per cycle increases, the injection amount per unit time does not increase. Therefore, even if the injection amount per cycle fluctuates to some extent, normal injection is possible using the same fuel injection valve 15.
  • step S4 determines whether or not the injection time has changed. As will be described later, each step is repeated, but it is determined whether or not the injection time determined in step S3 has changed from the injection time set in the previous cycle. If the fuel injection control unit 54 determines that the injection time has changed (YES in step S4), the process proceeds to step S5. On the other hand, if it is determined that the injection time has not changed (NO in step S4), the process proceeds to step S6.
  • the fuel injection control unit 54 determines an injection start timing (a crank angle at which injection is started). Specifically, based on the water addition rate, EGR rate, and engine load, the value read from the map data stored in advance is used as the injection start timing. In this embodiment, the injection start timing is determined based on the water addition rate, the EGR rate, and the engine load. However, the injection start timing is determined based on the parameters corresponding to the water addition rate, the EGR rate, and the engine load. May be. For example, the value of the oxygen concentration in the scavenging tube 27 may be used instead of the EGR rate.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the crank angle and the in-cylinder pressure.
  • the solid line in the figure shows the case where pure fuel is used, the broken line shows the case where water emulsion fuel is used, and the dotted line shows the case where the injection start timing is advanced using water emulsion.
  • the cylinder pressure at the second peak is the maximum cylinder pressure (Pmax).
  • Pmax the maximum cylinder pressure
  • This maximum in-cylinder pressure can be adjusted by changing the fuel injection start timing. The higher the maximum in-cylinder pressure, the higher the engine efficiency. However, if the in-cylinder pressure becomes too high, the cylinder 11 may be damaged. Therefore, normally, the injection start timing is determined so that the maximum in-cylinder pressure becomes a predetermined target value (a maximum value within a range not exceeding the upper limit value). Note that the fuel injection control unit 54 may perform control to correct the injection start timing when the maximum in-cylinder pressure may exceed the upper limit value.
  • the injection start timing is earlier than in the case of pure fuel. Then, as shown by the dotted line in FIG. 6, the rising of the curve toward the second peak of the in-cylinder pressure starts earlier, and as a result, the maximum in-cylinder pressure can be set to a predetermined target value or a value close thereto. That is, the maximum in-cylinder pressure can be set to a predetermined target value or a value close to this by increasing the injection start timing as the injection time per cycle becomes longer.
  • the injection start timing is calculated based on the water addition rate, the EGR rate, and the maximum in-cylinder pressure at a predetermined target value or a value close to the predetermined value for each engine load by a test performed in advance.
  • the time is stored as map data. Therefore, when the water emulsion fuel injection is started at the injection start timing determined in step S5, the maximum in-cylinder pressure becomes a predetermined target value or a value close thereto.
  • the fuel injection control unit 54 corrects the injection start timing. Specifically, the fuel injection control unit 54 corrects the injection start timing so that the difference between the actual maximum in-cylinder pressure and a predetermined target value becomes small.
  • the injection start timing that is the initial value is determined based on the water addition rate and the EGR rate (step S5), and thereafter the actual maximum in-cylinder pressure is set. Based on this, the injection start timing is corrected (step S6). That is, in this embodiment, control combining feedforward control and feedback control is performed.
  • step S5 or S6 the fuel injection control unit 54 transmits a control signal to the fuel supply unit 42 to inject water emulsion fuel at the determined injection amount, injection time, and injection start timing ( Step S7).
  • step S7 ends, the fuel injection control unit 54 returns to step S1 and repeats steps S1 to S7.
  • the fuel injection control as described above is performed, the water emulsion fuel is injected at an appropriate injection start timing, so that the engine body 10 can be operated efficiently.
  • the fuel injection start timing may be determined only by the control corresponding to the feedforward control. . That is, without providing the cylinder pressure sensor 17 in the cylinder 11, the injection start timing may be determined based on the water addition rate, the EGR rate, and the engine load, and the injection start timing may be maintained.
  • the engine system of the present invention by using water emulsion fuel and performing EGR, it is possible to reduce the amount of NOx generated while suppressing the deterioration of fuel consumption and the generation of soot. Can be realized with a structure.
  • the EGR rate that facilitates follow-up control with respect to load fluctuations is used as a main control variable, control can be performed reliably with no control delay for NOx reduction. Since it can be realized with a simple structure, it is useful as a widely versatile NOx reduction system.

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Abstract

　本発明に係るエンジンシステムは、エンジン本体と、水エマルジョン燃料を生成して燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、ＥＧＲガスをエンジン本体に供給するＥＧＲユニットと、実用エンジン負荷の全領域において水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、エンジン本体から排出されるＮＯｘの排出量が所定値以下となるようにＥＧＲガスの流量を制御する制御装置と、を備えている。

Description

エンジンシステム及び制御方法
　本発明は、エンジンからの窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるために、水エマルジョン燃料を使用したり、排気ガスの一部をエンジンに戻す排気再循環（ＥＧＲ；Exhaust Gas Recirculation）を行うエンジンシステムに関する。また、このエンジンシステムの制御方法に関する。
　エンジンからのＮＯｘの排出量を低減させる方法の１つとして、排気ガスの一部をエンジンに戻すＥＧＲがある。排気ガスの一部をエンジンに戻すことにより、酸素濃度が低い状態で燃焼が行われ、その結果、燃焼温度が低下してＮＯｘの生成が抑制される。ただし、ＥＧＲを行う場合、ＥＧＲ率（掃気ガスにおけるＥＧＲガスの割合）を大きくすることで十分なＮＯｘ低減効果を得ることができるものの、条件によっては燃費が悪化したり、排気ガスに含まれるすすの量が増加したりするなどの問題がある。
　一方、エンジンから排出されるＮＯｘの量を低減させる他の方法として、純燃料（水が添加されていない燃料）に水を添加した水エマルジョン燃料を使用する方法がある。水エマルジョン燃料を使用することにより、水の気化熱によって燃焼温度が低下し、ＮＯｘの生成を抑制することができる。また、水エマルジョン燃料内の水が気化・蒸発すると、水粒子を取り囲んでいた純燃料が飛散し、飛散した純燃料は径の小さい粒子となる。これにより、水エマルジョン燃料内の純燃料は体積あたりの表面積、すなわち酸素と接する面積が大きくなり、局部的な不完全燃焼が少なくなる。その結果、燃焼効率が高まって、すすの発生量が抑えられる。このように、水エマルジョン燃料を使用する場合、ＮＯｘ低減効果は大きくはないものの排気ガスに含まれるすすの量が抑えられる。また、ある程度の水添加率までは燃費がほとんど悪化しないという利点もある。
　下記の特許文献１に記載のエンジンでは、ＥＧＲガスの流量を一定とする制御を行っており、掃気ガスの流量の減少に伴ってＥＧＲ率が増加すると、純燃料から水エマルジョン燃料へと燃料を切り替えている（図１及び図２参照）。これにより、特許文献１に記載のエンジンは、ＥＧＲ率が高いとき、具体的にはエンジン負荷が７５％よりも低いときにおける、すすの過剰な発生を回避しようとしている。
特表２０１２－５１８７４８号公報
　ただし、特許文献１に記載のエンジンは、燃料を切り替えることができるように、複数の燃料系統を設けている（図１及び図２参照）。そのため、特許文献１に記載のエンジンは、複雑な構造となっている。
　なお、特許文献１では、エンジンに供給する純燃料と水の割合を変更して、水エマルジョン燃料の水添加率を瞬時に変更する構成も提案されているが（図３及び図４参照）、このような構成は、純燃料と水を均一に混合することは難しく、実用上問題がある。
　本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものである。水エマルジョン燃料を使いつつ、ＥＧＲ制御を行うに当たり、それぞれの特性が相殺しない範囲でエンジンの運転状況の変化に対して、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらＮＯｘの生成量を安定的に低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現できるエンジンシステムを提供することを目的としている。
　本発明のある形態に係るエンジンシステムは、気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、ＥＧＲガスを前記エンジン本体に供給するＥＧＲユニットと、実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、前記エンジン本体から排出されるＮＯｘの排出量が所定値以下となるように前記ＥＧＲガスの流量を制御するよう構成されている制御装置と、を備えている。
　ここで、「実用エンジン負荷」とは、エンジン始動時などの低いエンジン負荷を除いた範囲のエンジン負荷、すなわち通常の運用で使用する範囲のエンジン負荷をいい、最大エンジン負荷の２５～１００％がこれに相当する。上記の構成によれば、実用エンジン負荷の全領域において純燃料と水エマルジョン燃料の切り換えが行われることは基本的にない。そのため、上記のエンジンシステムによれば、燃料を瞬時に切り換えるために必要な機構が不要となり、構造を簡略化することができる。しかも、水エマルジョン燃料を使用することで燃費の悪化とすすの発生を抑えることができるとともに、エンジン負荷に応じたＥＧＲガスをエンジンに供給することでＮＯｘの生成量を低減することができる。なお、水エマルジョン燃料の水添加率を変更することによりＮＯｘの生成量を調整することも可能であるが、純燃料と水を均一に混合させつつ水添加率を瞬時に変更することは非常に難しい。一方、ＥＧＲガスの流量はＥＧＲブロワの回転数制御によって速やかに変更することができる。よって、上記の構成によれば、状況が急激に変化したとしても、ＥＧＲガスの流量を制御することでＮＯｘ生成量の抑制を維持することができる。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、実用エンジン負荷の全領域において、水添加率が一定に維持されるため、すすの発生を安定して抑えることができる。この条件とすれば、水添加率の制御も容易である。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量が増えるに従って１サイクルあたりの噴射時間を長くするように構成されていてもよい。かかる構成によれば、１サイクルあたりの噴射量が大きく変動したとしても、単位時間あたりの噴射量は大きく変動しない。そのため、１サイクルあたりの噴射量の変動がある程度大きくとも、同じ燃料噴射弁で水エマルジョン燃料の噴射が可能である。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記１サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早めるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、噴射時間が長くなることに起因する最大筒内圧の低下を抑えることができ、エンジンを効率よく運転することができる。
　また、上記のエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記水添加率及び前記ＥＧＲ率のうちの一方又は両方に応じて、前記噴射開始時期を決定するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、水添加率及びＥＧＲ率に応じて適切な噴射開始時期を決定できるため、エンジンの効率のよい運転状態に素早く移行することができる。
　本発明のある形態に係る制御方法は、気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、ＥＧＲガスを前記エンジン本体に供給するＥＧＲユニットと、を備えたエンジンシステムの制御方法であって、実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するとともに、前記エンジン本体から排出されるＮＯｘの排出量が所定値以下となるように前記ＥＧＲガスの流量を制御する。
　また、上記の制御方法において、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持してもよい。
　また、上記の制御方法において、前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量が増えるに従って１サイクルあたりの噴射時間を長くしてもよい。
　また、上記の制御方法において、前記１サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早めてもよい。
　また、上記の制御方法において、前記水添加率及び前記ＥＧＲ率のうちの一方又は両方に応じて、前記噴射開始時期を決定してもよい。
　以上のとおり、上記のエンジンシステムによれば、水エマルジョン燃料を使用するとともにＥＧＲを行うことにより、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらＮＯｘの生成量を低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現することができる。
図１は、実施形態に係るエンジンシステム全体の概略図である。 図２は、実施形態に係るエンジンシステムの制御系のブロック図である 図３は、エンジン負荷と目標水添加率及び目標ＥＧＲ率との関係を示した図である。 図４は、図３における目標水添加率を下げた場合のエンジン負荷と目標ＥＧＲ率との関係を示した図である。 図５は、燃料噴射制御のフローチャートである。 図６は、クランク角度と筒内圧との関係を示した概念図である。
　以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
　＜エンジンシステムの全体構成＞
　まず、本実施形態に係るエンジンシステム１００の全体構成について説明する。図１は、エンジンシステム１００のブロック図である。図１に示すように、エンジンシステム１００は、エンジン本体１０と、過給機２０と、ＥＧＲユニット３０と、燃料供給ユニット４０と、を備えている。
　本実施形態におけるエンジン本体１０は、船舶の推進用主機であり、大型の２ストロークディーゼルエンジンである。エンジン本体１０は、複数の気筒１１（図１では１つのみ図示）を有している。各気筒１１には、下方部分に掃気口１２が形成され、上方部分には排気口１３が形成されている。また、各気筒１１には、ピストン１４、燃料噴射弁１５、及び排気弁１６が設けられている。ピストン１４は、掃気口１２を横切るようにして気筒１１内を摺動し、下端部分がクランク軸（図示せず）に連結されている。燃料噴射弁１５は、気筒１１の上方部分に位置しており、燃料供給ユニット４０から燃料が供給される。また、気筒１１には気筒１１内の圧力（筒内圧）を測定する筒内圧センサ１７が設けられており、エンジン本体１０には、エンジン本体１０の回転数（エンジン回転数）を測定するエンジン回転計１８（図２参照）が設けられている。なお、エンジン本体１０は、４ストロークエンジンであってもよく、ガスエンジンやガソリンエンジンであってもよい。
　過給機２０は、空気を昇圧してエンジン本体１０に供給する装置である。各気筒１１で生成された排気ガスは排気口１３、排気管２４、及び排気流路２５を介して過給機２０のタービン部２１に供給される。タービン部２１は供給された排気ガスのエネルギにより回転する。タービン部２１とコンプレッサ部２２は連結シャフト２３により連結されており、タービン部２１の回転に伴ってコンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２が回転すると、外部から取り込んだ空気（新気）が昇圧され、昇圧された新気は掃気流路２６、掃気管２７、及び掃気口１２を介して各気筒１１内に供給される。
　ＥＧＲユニット３０は、排気流路２５と掃気流路２６をつなぐＥＧＲ流路２８に設けられており、排気流路２５の排気ガスの一部を抽出し（以下、排気流路２５から抽出した排気ガスを「ＥＧＲガス」と称す）、そのＥＧＲガスを掃気流路２６へ供給するユニットである。掃気流路２６へ供給されたＥＧＲガスは、過給機２０で昇圧された新気と混合され、掃気ガスとしてエンジン本体１０（各気筒１１）へ供給される。これにより、各気筒１１に供給される掃気ガスの酸素濃度が低下し、エンジン本体１０から排出されるＮＯｘの排出量を低減することができる。ＥＧＲユニット３０は、ＥＧＲガスを洗浄するスクラバ３１、ＥＧＲガスを冷却する冷却装置３２、ＥＧＲガスを昇圧し掃気流路２６へ供給するＥＧＲブロワ３３を備えている。ＥＧＲブロワ３３の回転数を調整することにより、ＥＧＲガスの流量、ひいてはＥＧＲ率を変更することができる。ただし、ＥＧＲガスの流量（ひいてはＥＧＲ率）の変更は、ＥＧＲ流路２８内に設けられた流量調整弁（不図示）で行っても良い。
　燃料供給ユニット４０は、水エマルジョン燃料を生成して燃料噴射弁１５へ供給するユニットである。燃料供給ユニット４０は、燃料生成部４１と、燃料供給部４２とを有している。燃料生成部４１は、混合容器４３に投入した純燃料と水をミキサー等で混合し、所定の水添加率の水エマルジョン燃料を生成する部分である。純燃料と水を同時に燃料噴射弁１５に供給するような構造では（特許文献１の図３及び図４参照）、純燃料と水を均一に混合するのは困難であるが、本実施形態では純燃料と水を均一に混合することができる。なお、実際の水添加率は、投入された純燃料と水の割合に基づいて算出することができる。燃料供給部４２は、燃料生成部４１で生成した水エマルジョン燃料をエンジン本体１０の燃料噴射弁１５に供給する部分である。燃料供給部４２は、燃料噴射弁１５から噴射する水エマルジョン燃料の噴射時間及び噴射開始時期を変更することができる。
　＜制御系の構成＞
　次に、エンジンシステム１００の制御系の構成について説明する。図２は、エンジンシステム１００の制御系のブロック図である。図２に示すように、エンジンシステム１００は、エンジンシステム１００全体を制御する制御装置５０を備えている。制御装置５０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。
　制御装置５０は、筒内圧センサ１７、エンジン回転計１８、及び入力設定部５１と電気的に接続されている。制御装置５０は、これらの機器から送信される信号に基づいて筒内圧、エンジン回転数、及び設定水添加率を取得する。なお、入力設定部５１は、エンジンシステム１００が搭載されている船体の運転室に設けられている。また、入力設定部５１は、運転者によって設定水添加率を入力することができ、入力された設定水添加率を保存することができるように構成されている。
　制御装置５０は、上記の各機器からの入力信号に基づいて種々の演算を行い、エンジンシステム１００の各部を制御する。本実施形態では、制御装置５０は、ＥＧＲブロワ３３、燃料生成部４１、及び燃料供給部４２と電気的に接続されており、各種の演算等の結果に基づいて、これらの機器へ制御信号を送信する。なお、制御装置５０は、燃料生成部４１に制御信号を送信するだけでなく、燃料生成部４１から送信される信号に基づいて実際の水添加率を取得することができる。ただし、実際の水添加率は、燃料生成部４１の混合容器４３から噴射弁１５までの流路に水添加率を測定するセンサを設け、そのセンサから送信される信号に基づいて取得してもよい。
　制御装置５０は、機能的な構成として、水添加率制御部５２と、ＥＧＲ率制御部５３と、燃料噴射制御部５４とを有している。
　水添加率制御部５２は、水エマルジョン燃料の水添加率を制御する部分である。水添加率制御部５２は、まず、運転者に入力された設定水添加率に基づいて目標水添加率を設定する。本実施形態では、図３の破線で示すように目標水添加率を設定する。具体的には、エンジン負荷が０～１５％のとき目標水添加率を０％とし、エンジン負荷が１５～１００％のとき目標水添加率を上記の設定水添加率とする。そして、水添加率制御部５２は、燃料生成部４１に制御信号を送信し、実際の水添加率が目標添加率となるように制御する。
　このように、本実施形態では、実用エンジン負荷の全量領域（エンジン負荷が２５～１００％）において純燃料は使用せず、水エマルジョン燃料のみを使用している。しかも、実用エンジン負荷領域では、水添加率は一定である。よって、本実施形態によれば、純燃料と水エマルジョン燃料を瞬時に切り替える機構、及び水添加率を瞬時に変えるような機構は不要である。また、前述した特許文献１では、純燃料用と水エマルジョン燃料を切り替えるときは使用する燃料噴射弁も切り替わるが、本実施形態によれば、燃料噴射弁を切り替えるような機構も不要である。このように本実施形態によれば、エンジンシステム１００の構成を簡略化することができる。
　ＥＧＲ率制御部５３は、ＥＧＲガスの流量を調整してＥＧＲ率を制御する部分である。ＥＧＲ率制御部５３は、まず、目標ＥＧＲ率を設定する。本実施形態では、図３の実線で示すように、エンジン負荷が０～１５％のとき目標ＥＧＲ率を０％に設定し、エンジン負荷が１５～１００％のときエンジン負荷が大きくなるに従って目標ＥＧＲ率を小さくなるように設定する。目標ＥＧＲ率は、予め行った試験により導き出された値であって、ＮＯｘ排出量規制をクリアできるＥＧＲ率、つまりＮＯｘの排出量が所定値以下となるＥＧＲ率である。この目標ＥＧＲ率は、ＥＧＲ率制御部５３に記憶されている。
　図４は、図３における目標水添加率を下げた場合のエンジン負荷と目標ＥＧＲ率との関係を示した図である。図４における２つの点線は、それぞれ図３における目標水添加率と目標ＥＧＲ率に相当するものである。図４に示すように、設定水添加率が下げられて、エンジン負荷が１５％以上のときの目標水添加率を下げたとする。そうすると、エンジン負荷が１５％以上のときの目標ＥＧＲ率を高くする。これは、水添加率が小さくなると、水エマルジョン燃料の使用によるＮＯｘの排出低減効果が低下することから、ＮＯｘ排出量規制をクリアするためにＥＧＲ率を増加させる必要があるからである。
　続いて、ＥＧＲ率制御部５３は、ＥＧＲブロワ３３に制御信号を送信し、実際のＥＧＲ率がそのときのエンジン負荷（本実施形態では、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいてエンジン負荷を算出するが別の方法で算出してもよい。例えば、過給機２０の回転数から算出してもよく、筒内圧によって求められる図示仕事から算出してもよい。また、軸馬力計を用いてエンジン負荷を直接計測することも可能である。）に応じた目標ＥＧＲ率となるように、ＥＧＲガス流量を調整する。これにより、ＮＯｘの排出規制をクリアすることができる。本実施形態では、ＥＧＲガス流量の調整は、ＥＧＲブロワ３３の回転数を制御することで行っている。ただし、ＥＧＲガス流量の調整は、流量制御弁で制御する方式など他の方式で行ってもよい。いずれの方式であっても、ＥＧＲガス流量の調整は容易であり、状況変化に対するＥＧＲガス流量の変化の応答性は非常に高い。
　燃料噴射制御部５４は、水エマルジョン燃料の燃料噴射（噴射量、噴射時間、及び噴射開始時期）を制御する部分である。図５は、水エマルジョン燃料の燃料噴射制御の方法を示したフローチャートである。以下で説明する演算及び制御は、燃料噴射制御部５４によって遂行される。
　まず、処理が開始されると、燃料噴射制御部５４は、筒内圧センサ１７、エンジン回転計１８、及び燃料生成部４１などから送信される信号を読み込み、これらの信号に基づいて筒内圧、エンジン回転数、及び水添加率などの各種情報を取得する（ステップＳ１）。
　続いて、燃料噴射制御部５４は、１サイクルあたりに噴射する水エマルジョン燃料の噴射量を決定する（ステップＳ２）。本実施形態では、エンジン回転数が一定の回転数（１００％回転数）を維持できるように噴射量を決定する。ただし、噴射量が同じであっても、水添加率が異なれば熱量が異なり、ＥＧＲ率が異なれば燃焼効率が異なる。そのため、例えば、水添加率やＥＧＲ率が高くなったときには噴射量を増加する。
　続いて、燃料噴射制御部５４は、１サイクルあたりに噴射する水エマルジョン燃料の噴射時間を決定する（ステップＳ３）。本実施形態では、１サイクルあたりの燃料噴射量が大きくなるに従って、噴射時間を長くする。これにより、１サイクルあたりの噴射量が増えたとしても、単位時間当たりの噴射量は増加しない。よって、１サイクルあたりの噴射量がある程度大きく変動しても、同じ燃料噴射弁１５を用いて正常な噴射が可能である。
　続いて、燃料噴射制御部５４は、噴射時間に変更があったか否かを判定する（ステップＳ４）。後述するように、各ステップは繰り返して行われるが、ステップＳ３で決定した噴射時間が、１つ前のサイクル時において設定した噴射時間から変更があったか否かを判定する。燃料噴射制御部５４は、噴射時間に変更があったと判定した場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、ステップＳ５へ進む。一方、噴射時間に変更がなかったと判定した場合には（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ６へ進む。
　続いて、ステップＳ５へ進んだ場合、燃料噴射制御部５４は噴射開始時期（噴射を開始するクランク角度）を決定する。具体的には、水添加率、ＥＧＲ率、及びエンジン負荷に基づいて、予め記憶しているマップデータから読み取った値を噴射開始時期とする。なお、本実施形態では、水添加率、ＥＧＲ率、及びエンジン負荷に基づいて噴射開始時期を決定しているが、水添加率、ＥＧＲ率、及びエンジン負荷に対応するパラメータによって噴射開始時期を決定してもよい。例えば、ＥＧＲ率に代えて、掃気管２７内の酸素濃度の値を用いてもよい。
　図６は、クランク角度と筒内圧の関係を示した概念図である。図中の実線は純燃料を使用した場合を示しており、破線は水エマルジョン燃料を使用した場合を示しており、点線は水エマルジョンを使用して噴射開始時期を早めた場合を示している。
　燃料として純燃料を使用した場合、図６の実線で示すように、ピストン１４が上昇して上死点（クランク角度＝０°）に達したときに筒内圧が１つ目のピークを迎える。このとき燃料の噴射を開始すると、筒内圧は一旦下降した後、燃焼により再び上昇して２つ目のピークを迎える。この２つ目のピークにおける筒内圧が最大筒内圧（Ｐmax）である。この最大筒内圧は、燃料の噴射開始時期を変動させることで調整が可能である。最大筒内圧が高いほどエンジンの効率は高くなるが、筒内圧が高くなりすぎると気筒１１が破損するおそれがある。そのため、通常は、最大筒内圧が所定の目標値となるように（上限値を越えない範囲での最大値となるように）噴射開始時期が決定される。なお、燃料噴射制御部５４は、最大筒内圧が上限値を越えるおそれがある場合に噴射開始時期を修正する制御を行ってもよい。
　一方、燃料として水エマルジョン燃料を使用し、純燃料の場合と同じようにクランク角が０°のときに燃料の噴射を開始したとする。そうすると、水エマルジョン燃料は体積あたりの熱量が純燃料より小さく、比較的長い期間噴射することになるため、図６の破線で示すように、筒内圧の２つ目のピークに向うカーブが緩やかになる。その結果、最大筒内圧は所定の目標値よりも低くなる。
　これに対し、燃料として水エマルジョン燃料を使用するが、純燃料の場合よりも噴射開始時期を早めたとする。そうすると、図６の点線で示すように、筒内圧の２つ目のピークに向かうカーブの立ち上がりが早く始まり、その結果、最大筒内圧を所定の目標値又はこれに近い値とすることができる。つまり、１サイクルあたりの噴射時間が長くなるに従って噴射開始時期を早くすることで、最大筒内圧を所定の目標値又はこれに近い値とすることができる。
　本実施形態では、予め行った試験により、水添加率、ＥＧＲ率、及びエンジン負荷毎に最大筒内圧が所定の目標値又はこれに近い値になるような噴射開始時期を算出し、その噴射開始時期をマップデータとして記憶している。よって、ステップＳ５で決定した噴射開始時期で水エマルジョン燃料の噴射を開始すると、最大筒内圧が所定の目標値又はこれに近い値となる。
　一方、ステップＳ６へ進んだ場合、燃料噴射制御部５４は噴射開始時期を補正する。具体的には、燃料噴射制御部５４は、実際の最大筒内圧と所定の目標値との差が小さくなるように、噴射開始時期を補正する。このように、本実施形態では、噴射時間が変更になった直後は初期値となる噴射開始時期を水添加率及びＥＧＲ率に基づいて決定し（ステップＳ５）、その後は実際の最大筒内圧に基づいて噴射開始時期を補正している（ステップＳ６）。つまり、本実施形態では、フィードフォワード制御と、フィードバック制御を組み合わせた制御を行っている。
　続いて、ステップＳ５又はＳ６を経た後は、燃料噴射制御部５４は、燃料供給部４２に制御信号を送信し、決定した噴射量、噴射時間、及び噴射開始時期で水エマルジョン燃料を噴射させる（ステップＳ７）。燃料噴射制御部５４は、ステップＳ７が終わると、ステップＳ１に戻ってステップＳ１～Ｓ７を繰り返し行う。本実施形態では、以上のような燃料噴射制御を行うため、適正な噴射開始時期に水エマルジョン燃料が噴射されるため、エンジン本体１０を効率よく運転することができる。
　以上が、本発明に係る実施形態の説明である。以上では、燃料の噴射開始時期を決定する際に、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせる場合について説明したが、フィードフォワード制御に相当する部分の制御のみで燃料の噴射開始時期を決定してもよい。つまり、筒内圧センサ１７を気筒１１に設けずに、水添加率、ＥＧＲ率、及びエンジン負荷に基づいて噴射開始時期を決定し、その噴射開始時期を維持するようにしてもよい。
　また、以上では、実用エンジン負荷の全領域において水エマルジョン燃料の水添加率が一定である場合について説明したが、水添加率は緩やかに変化してもよい。そのようなエンジンシステムであっても、簡易な構造で燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらＮＯｘの生成量を低減することができるという作用効果を奏することができる。
　本発明に係るエンジンシステムによれば、水エマルジョン燃料を使用するとともにＥＧＲを行うことにより、燃費の悪化とすすの発生を抑制しながらＮＯｘの生成量を低減することができ、しかもこれを簡易な構造で実現できる。また、負荷の変動に対して追従制御しやすいＥＧＲ率を主な制御変数としているため、ＮＯｘ低減に対して制御遅れがなく確実に制御が行える。簡単な構造により実現できるので、広く汎用性のあるＮＯｘ低減システムとして有益である。
１０　エンジン本体
１１　気筒
１５　燃料噴射弁
３０　ＥＧＲユニット
４０　燃料供給ユニット
５０　制御装置
１００　エンジンシステム

Claims (10)

  1. 　気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、
    　水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、
    　ＥＧＲガスを前記エンジン本体に供給するＥＧＲユニットと、
    　実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するよう制御するとともに、前記エンジン本体から排出されるＮＯｘの排出量が所定値以下となるように前記ＥＧＲガスの流量を制御するよう構成されている制御装置と、を備えたエンジンシステム。
  2. 　前記制御装置は、実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持するように構成されている、請求項１に記載のエンジンシステム。
  3. 　前記制御装置は、前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量が増えるに従って１サイクルあたりの噴射時間を長くするように構成されている、請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
  4. 　前記制御装置は、前記１サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早めるように構成されている、請求項３に記載のエンジンシステム。
  5. 　前記制御装置は、前記水添加率及び前記ＥＧＲ率のうちの一方又は両方に応じて、前記噴射開始時期を決定するように構成されている、請求項４に記載のエンジンシステム。
  6. 　気筒及び燃料噴射弁を有するエンジン本体と、
    　水エマルジョン燃料を生成して前記燃料噴射弁に供給する燃料供給ユニットと、
    　ＥＧＲガスを前記エンジン本体に供給するＥＧＲユニットと、を備えたエンジンシステムの制御方法であって、
    　実用エンジン負荷の全領域において前記水エマルジョン燃料を使用するとともに、前記エンジン本体から排出されるＮＯｘの排出量が所定値以下となるように前記ＥＧＲガスの流量を制御する、制御方法。
  7. 　実用エンジン負荷の全領域において、前記水エマルジョン燃料の水添加率を一定に維持する、請求項６に記載の制御方法。
  8. 　前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量が増えるに従って１サイクルあたりの噴射時間を長くする、請求項６又は７に記載の制御方法
  9. 　前記１サイクルあたりの噴射時間を長くするとき、前記気筒内の最大圧力が所定の上限値を越えない範囲において、前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早める、請求項８に記載の制御方法。
  10. 　前記水添加率及び前記ＥＧＲ率のうちの一方又は両方に基づいて、前記噴射開始時期を決定する、請求項９に記載の制御方法。
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