JP6297363B2 - 二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法に関するものである。
内燃機関として、従来石油を燃料とするディーゼル機関が用いられてきた。しかし、環境への配慮などから、ガス及び石油を燃料とし、これらを切り替えて用いる二元燃料機関が検討されている。
例えば、特許文献１には、ガス及び石油を燃料とする二元燃料機関において、燃料を切り替えて用いることが開示されている。石油のみを燃料として運転すると、燃焼室内にデポジットが生じ、これがガスを燃料として用いた際に燃焼プロセスの障害となり得ることから、石油からガスに燃料を切り替える途中で一定期間過渡的燃料比（例えばガス５０％、石油５０％）とすることでデポジットを焼き切るとしている。
また、ガスを主燃料として用いる場合は、石油をパイロット噴射し点火させることが開示されている。
例えば、特許文献１には、ガス及び石油を燃料とする二元燃料機関において、燃料を切り替えて用いることが開示されている。石油のみを燃料として運転すると、燃焼室内にデポジットが生じ、これがガスを燃料として用いた際に燃焼プロセスの障害となり得ることから、石油からガスに燃料を切り替える途中で一定期間過渡的燃料比（例えばガス５０％、石油５０％）とすることでデポジットを焼き切るとしている。
また、ガスを主燃料として用いる場合は、石油をパイロット噴射し点火させることが開示されている。
しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、ガスを噴射する噴射弁の制御が例えば電磁弁で行われる場合、電磁弁の最小噴射期間の最小値の制約により最小燃料噴射量を細かく制御することができないということが考慮されておらず、石油からガスへの切替直後に相当量のガスが噴射され一時的に筒内に供給される熱量が過剰になるという問題があった。
図３には、上述のようにガスが過剰に供給された場合の二元燃料機関の回転数と筒内最高圧力の時間経過を示したグラフが示されている。同図において、横軸は時間であり、縦軸は二元燃料機関の回転数および筒内最高圧力である。ここで、筒内最高圧力とは、ある運転状態における筒内の内圧の最高値であり、運転状態によらず設計段階で決まる個々の機関に固有の値である許容圧力（筒内最高圧力の上限値）とは異なる。
時間ｔ＝０において石油のみを主燃料とするディーゼルモードからガスを主燃料とし石油をパイロット燃料とするガスモードへの切替が行われた場合に、一時的にガスが過剰に供給されると、図３に示されるように、二元燃料機関の筒内最高圧力はそれまで安定していた値から急激に高い値を示し、その状態がしばらく継続され、その後徐々に低くなり再度安定する。筒内最高圧力が高くなると、仕事量が増えることから二元燃料機関の回転数も安定状態から高回転となる。また二元燃料機関の回転数が上がると、燃料量を下げる指示が出るため、ガスの噴射量の増加が抑えられるとともに石油の噴射量は大きく減少されることとなる。
このように、燃料の切換時にガスが一時的に過剰に供給されることで、二元燃料機関の筒内圧力、回転数および総熱量（各燃料の噴射量）のそれぞれの変動が大きくなり、安定した燃焼による運転を行うことができない。
時間ｔ＝０において石油のみを主燃料とするディーゼルモードからガスを主燃料とし石油をパイロット燃料とするガスモードへの切替が行われた場合に、一時的にガスが過剰に供給されると、図３に示されるように、二元燃料機関の筒内最高圧力はそれまで安定していた値から急激に高い値を示し、その状態がしばらく継続され、その後徐々に低くなり再度安定する。筒内最高圧力が高くなると、仕事量が増えることから二元燃料機関の回転数も安定状態から高回転となる。また二元燃料機関の回転数が上がると、燃料量を下げる指示が出るため、ガスの噴射量の増加が抑えられるとともに石油の噴射量は大きく減少されることとなる。
このように、燃料の切換時にガスが一時的に過剰に供給されることで、二元燃料機関の筒内圧力、回転数および総熱量（各燃料の噴射量）のそれぞれの変動が大きくなり、安定した燃焼による運転を行うことができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料の切替時における過剰な熱量の供給を抑制可能な二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法は以下の手段を採用する。
石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを切り替えるとともに、前記石油燃料および前記燃料ガスの噴射量を制御する制御部を備えた二元燃料機関において、前記制御部は、前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に、前記燃料ガスの前記所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を減少させた後に、前記燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に減少させるように制御を行うことを特徴とする二元燃料機関を採用する。
石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを切り替えるとともに、前記石油燃料および前記燃料ガスの噴射量を制御する制御部を備えた二元燃料機関において、前記制御部は、前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に、前記燃料ガスの前記所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を減少させた後に、前記燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に減少させるように制御を行うことを特徴とする二元燃料機関を採用する。
本発明によれば、二元燃料機関は、石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、石油燃料と燃料ガスとによって運転される第２の運転モードとを備えている。この第１の運転モードから第２の運転モードへ切り替える時に総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させ、その後燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに石油燃料の噴射量を徐々に減少させるように制御する。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替と同時に燃料ガスを噴射することとすると、切替直後の燃料ガスの噴射量が一時的に大きくなり制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。そこで、本発明では、第１の運転モードから第２の運転モードへの切り替え時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替と同時に燃料ガスを噴射することとすると、切替直後の燃料ガスの噴射量が一時的に大きくなり制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。そこで、本発明では、第１の運転モードから第２の運転モードへの切り替え時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
上記発明において、前記制御部は、前記石油燃料の噴射量をパイロット噴射量まで徐々に減少させるとともに、前記燃料ガスを総熱量から前記パイロット噴射量の熱量を除いた熱量に相当する噴射量まで徐々に増加させることとしてもよい。
本発明によれば、石油燃料の噴射量をパイロット噴射量まで徐々に減少させるとともに、燃料ガスを総熱量からパイロット噴射量の熱量を除いた熱量に相当する噴射量まで徐々に増加させることから、燃料ガスの燃焼に必要なパイロット燃料として石油燃料を使用でき、また全体の総熱量が変わらないため筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
本発明は、石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを切り替えるとともに、前記石油燃料および前記燃料ガスの噴射量を制御する制御部を備えた二元燃料機関において、前記制御部は、前記第２の運転モードから前記第１の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を徐々に減少させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に増加させた後に、切替完了時に前記燃料ガスの噴射量を所定量減少させると同時に、前記燃料ガスの所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を増大させるように制御を行うことを特徴とする二元燃料機関を採用する。
本発明によれば、第２の運転モードから第１の運転モードへ切り替える時に燃料ガスの噴射量の割合を徐々に減少させるとともに石油燃料の噴射量の割合を徐々に増加させ、その後切替完了時に総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量減少させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を増大させるように制御する。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替時に燃料ガスの噴射を徐々に減らすこととすると、切替完了時に燃料ガスの噴射量が一時的に大きく減少され、筒内に供給される熱量は制御指令値よりも大幅に削減されてしまうことになる。
そこで、本発明では、第２の運転モードから第１の運転モードへの切替完了時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量減少させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を増加させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替時に燃料ガスの噴射を徐々に減らすこととすると、切替完了時に燃料ガスの噴射量が一時的に大きく減少され、筒内に供給される熱量は制御指令値よりも大幅に削減されてしまうことになる。
そこで、本発明では、第２の運転モードから第１の運転モードへの切替完了時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量減少させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を増加させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
上記発明において、前記燃料ガスの前記所定量は、燃料ガス噴射弁の最小噴射期間の最小噴射量以上であることとしてもよい。
本発明によれば、燃料ガスの所定量が、燃料ガス噴射弁の最小噴射期間の最小噴射量以上であることから、制御可能な値を設定することができ、燃料ガス噴射弁の仕様の制約によって第１の運転モードと第２の運転モードとの切替時に燃料ガスの熱量が変動するのを抑えるため、筒内の総熱量が変化しないように筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。
上記発明において、前記制御部は、前記燃料ガスの供給圧力とそれに応じた前記燃料ガスの前記所定量及び前記燃料ガスの前記所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量とを関連付けて記憶するテーブルを備え、前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとの切替開始時の前記燃料ガスの前記供給圧力を検知し、検知した該供給圧力に基づき前記テーブルから前記燃料ガスの前記所定量とそれに対応する前記石油燃料の噴射量とを取得することとしてもよい。
本発明によれば、燃料ガスの供給圧力とそれに応じた燃料ガスの噴射量の所定量とその熱量に相当する石油燃料の噴射量とを各々関連付けて予めテーブルに保存しておき、検知した供給圧力に応じた所定量および噴射量を供給することで、燃料ガスの噴射熱量は供給圧力によって変化するが、適切な量の燃料ガスの噴射量および石油燃料の噴射量を決定することができ、筒内の総熱量が変化せず、筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができる。
本発明は、上述のいずれかに記載の二元燃料機関と、前記二元燃料機関を搭載する船体と、を備える船舶を採用する。
本発明によれば、上述したいずれかの二元燃料機関を船舶に搭載したことから、機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができる。これにより、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えて環境に配慮した船舶の運行が行える。
本発明は、石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを備える二元燃料機関の制御方法において、前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に、前記燃料ガスの所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を減少させるステップと、前記燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に減少させるステップとを備えることを特徴とする二元燃料機関の制御方法を採用する。
本発明によれば、二元燃料機関は、石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、石油燃料と燃料ガスとによって運転される第２の運転モードとを備えている。この第１の運転モードから第２の運転モードへ切り替える時に総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させ、その後燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに石油燃料の噴射量を徐々に減少させるように制御する。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替と同時に燃料ガスを噴射することとすると、切替直後の燃料ガスの噴射量が一時的に大きくなり制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。そこで、本発明では、切替時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
燃料ガスの噴射弁が例えば電磁弁のように最小噴射期間の最小値の制約があり、最小燃料噴射量を細かく制御することが困難な場合、切替と同時に燃料ガスを噴射することとすると、切替直後の燃料ガスの噴射量が一時的に大きくなり制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。そこで、本発明では、切替時に筒内の総熱量が変化しないように燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に燃料ガスの所定量の熱量に相当する石油燃料の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
本発明によれば、燃料ガスの熱量の供給の変動を抑えることができるので、筒内への過剰な熱量の供給を抑制することができ、二元燃料機関の筒内圧および回転数の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができる。
以下に、本発明に係る二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法の、概略構成および各燃料の噴射の過程が示されている。
図１に示されるように、二元燃料機関１は、シリンダ部１０、ピストン２０、燃料ガス噴射弁１０１、燃料噴射弁１０３を主な構成として備えている。
二元燃料機関１には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部１０が設けられており、シリンダ部１０内部には、ピストン２０が配置されており、ピストン２０に連結された連接棒やクランク軸等（図示せず）によって、外部に動力が取り出される。
二元燃料機関１には、燃料ガス噴射弁１０１及び燃料噴射弁１０３から各燃料が噴射、供給され、シリンダ部１０内部で燃料が燃焼される。
二元燃料機関１は、例えば船舶に搭載され、外部に取り出された動力がプロペラに伝達され船舶の推進力として出力される。
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法の、概略構成および各燃料の噴射の過程が示されている。
図１に示されるように、二元燃料機関１は、シリンダ部１０、ピストン２０、燃料ガス噴射弁１０１、燃料噴射弁１０３を主な構成として備えている。
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二元燃料機関１には、燃料ガス噴射弁１０１及び燃料噴射弁１０３から各燃料が噴射、供給され、シリンダ部１０内部で燃料が燃焼される。
二元燃料機関１は、例えば船舶に搭載され、外部に取り出された動力がプロペラに伝達され船舶の推進力として出力される。
燃料ガス噴射弁１０１は、その制御が電磁弁によって行われ、電磁弁が開とされた期間に応じて例えば１５０〜２５０ｂａｒ程度まで昇圧されたガス（燃料ガス）が筒内に噴射される。また、燃料噴射弁１０３は、例えば低速２ストロークサイクルディーゼル機関に用いられる燃料噴射弁が用いられ、燃料噴射弁の開度に応じて燃料噴射ポンプによって昇圧された石油（石油燃料）が筒内に噴射される。燃料ガス噴射弁１０１及び燃料噴射弁１０３は、図示しない制御部によって制御される。また、各燃料ガス噴射弁１０１及び各燃料噴射弁１０３は、シリンダ部１０上方のシリンダ部１０の中心軸を中心として対称となる位置にそれぞれ配置されている。
ここで、ガスは、液化天然ガス（ＬＮＧ）をガス化して昇圧した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化プロパンガス（ＬＰＧ）など、いずれを用いてもよい。また、石油は、重油、軽油など、いずれを用いてもよい。
ここで、ガスは、液化天然ガス（ＬＮＧ）をガス化して昇圧した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化プロパンガス（ＬＰＧ）など、いずれを用いてもよい。また、石油は、重油、軽油など、いずれを用いてもよい。
二元燃料機関１は、制御部によって、石油のみを主燃料とするディーゼルモード（第１の運転モード）とガスを主燃料とするガスモード（第２の運転モード）とが切り替えられ、いずれかのモードによって運転が行われる。ガスモードで運転される場合、パイロット着火のパイロット噴射用燃料が必要であるが、本実施形態では石油をパイロット噴射用燃料として用いる。また、以下では、ディーゼルモードとガスモードとを切り替える期間を切替期間とする。
図１の（ａ）乃至（ｃ）には、ガスを主燃料とするとともに石油をパイロット燃料とするガスモードの場合の各燃料の噴射の過程が示されている。
図１の（ａ）は圧縮行程を示し、燃料ガス噴射弁１０１及び燃料噴射弁１０３からの燃料噴射は行われず、シリンダ部１０内部でピストン２０の上方には空気のみが供給されている。ピストン２０が上方へ移動するにしたがい、シリンダ部１０内部の空気が圧縮される。
次の行程の図１の（ｂ）は着火行程を示し、ピストン２０は上死点付近へ移動している。この時、燃料噴射弁１０３からはガスの点火に必要なパイロット油が噴射され、燃料ガス噴射弁１０１からはガスが噴射される。この時、燃料噴射弁１０３は、ガスに着火させるためのパイロット弁として用いられていることになる。
次の行程の図１の（ｃ）は燃焼・膨張行程を示し、図１（ｂ）で噴射されたガス及びパイロット油が拡散燃焼している。燃焼したガスは膨張し、ピストン２０を下方へ押し戻す。
これらの行程を繰り返すことにより、ピストン２０が上下動し、連結されたクランク軸（図示せず）などにより外部へ動力が取り出される。
図１の（ａ）は圧縮行程を示し、燃料ガス噴射弁１０１及び燃料噴射弁１０３からの燃料噴射は行われず、シリンダ部１０内部でピストン２０の上方には空気のみが供給されている。ピストン２０が上方へ移動するにしたがい、シリンダ部１０内部の空気が圧縮される。
次の行程の図１の（ｂ）は着火行程を示し、ピストン２０は上死点付近へ移動している。この時、燃料噴射弁１０３からはガスの点火に必要なパイロット油が噴射され、燃料ガス噴射弁１０１からはガスが噴射される。この時、燃料噴射弁１０３は、ガスに着火させるためのパイロット弁として用いられていることになる。
次の行程の図１の（ｃ）は燃焼・膨張行程を示し、図１（ｂ）で噴射されたガス及びパイロット油が拡散燃焼している。燃焼したガスは膨張し、ピストン２０を下方へ押し戻す。
これらの行程を繰り返すことにより、ピストン２０が上下動し、連結されたクランク軸（図示せず）などにより外部へ動力が取り出される。
図２には、燃料噴射弁１０３から筒内に噴射される石油の熱量と、燃料ガス噴射弁１０１から筒内に噴射されるガスの熱量との時間経過を示したグラフが示されている。
図２において、横軸は時間であり、縦軸は石油およびガスの熱量に相当する係数である。縦軸の係数は、燃料切替前後の運転における筒内総熱量の所望値が１とされる。また、太線および太破線はガスの制御部により制御される制御値（総熱量に対する制御熱量の割合）および従来制御値（従来例の制御値であり、総熱量に対する従来の制御熱量の割合）、細線および細破線は石油の制御値および従来制御値である。
図２では、ディーゼルモードでの運転から切替期間を経てガスモードに切り替える場合の石油およびガスの制御値、また石油およびガスの従来制御値が時間の経過とともに示されている。ここで、切替期間の開始時点の時間ｔを０としている。
図２において、横軸は時間であり、縦軸は石油およびガスの熱量に相当する係数である。縦軸の係数は、燃料切替前後の運転における筒内総熱量の所望値が１とされる。また、太線および太破線はガスの制御部により制御される制御値（総熱量に対する制御熱量の割合）および従来制御値（従来例の制御値であり、総熱量に対する従来の制御熱量の割合）、細線および細破線は石油の制御値および従来制御値である。
図２では、ディーゼルモードでの運転から切替期間を経てガスモードに切り替える場合の石油およびガスの制御値、また石油およびガスの従来制御値が時間の経過とともに示されている。ここで、切替期間の開始時点の時間ｔを０としている。
ディーゼルモードからガスモードへ切替を行う場合、制御部は燃料ガス噴射弁１０１へ開制御を行うが、供給されるガスは高圧ガスであることから燃料ガス噴射弁１０１の制御が電磁弁によって行われており、最小噴射期間の最小値（例えば３〜４ｍｓ）の制約があることがわかっている。よって、燃料ガス噴射弁１０１は、最小噴射期間以下の細かい制御を行うことができず、制御指令値に従って徐々に噴射量を増加させることができないため、制御指令値よりも大きな最小噴射量を噴射することになる。
これに対して、燃料噴射弁１０３から噴射される石油は徐々に噴射量が減少されるため、石油の噴射量の減少量よりもガスの噴射量の増加量が上回り、シリンダ部１０の筒内には所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されることになる。
これに対して、燃料噴射弁１０３から噴射される石油は徐々に噴射量が減少されるため、石油の噴射量の減少量よりもガスの噴射量の増加量が上回り、シリンダ部１０の筒内には所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されることになる。
そこで、図２のガス及び石油の制御値のグラフに示されるように、ディーゼルモードからガスモードへ切替を行う場合、制御部は切替時に、燃料ガス噴射弁１０１に対して第１所定量（熱量Ｆｓに相当する）を増加させる指示と、燃料噴射弁１０３に対してガスの第１所定量の熱量Ｆｓに相当する噴射量を減少させる指示とを同時に行う。ここで、第１所定量は、燃料ガス噴射弁１０１の最小噴射期間の最小噴射量以上の噴射量であるとする。この指示により、図２の時間ｔ＝０において、ガスの噴射量は０から第１所定量へ不連続に急激に立ち上がる。また石油は、図２の時間ｔ＝０において、総熱量に相当する噴射量からガスの第１所定量の熱量Ｆｓに相当する噴射量分だけ不連続に急激に減少する。
第１所定量のガスを噴射し、総熱量からガスの第１所定量の熱量Ｆｓを除いた熱量（１−Ｆｓ）に相当する噴射量の石油を噴射した後、制御部は、石油が時間ｔ２にパイロット噴射量に相当する熱量であるＦ１になるように噴射量を連続的に徐々に減少させる指示と、ガスが時間ｔ２に総熱量からパイロット噴射量に相当する熱量を除いた熱量Ｆ２＝１−Ｆ１になるように噴射量を連続的に徐々に増加させる指示とを行う。石油の噴射量の減少指示およびガスの噴射量の増加指示は、総熱量の変動を抑えるようにそれぞれ一次関数的に減少および増加の指示を行っている。ただし、その減少および増加の傾向については図２に示した例に限定されず、総熱量の変動を抑える制御であれば、例えば二次関数的に曲線状に変化させた減少指示および増加指示であってもよい。
第１所定量のガスを噴射し、総熱量からガスの第１所定量の熱量Ｆｓを除いた熱量（１−Ｆｓ）に相当する噴射量の石油を噴射した後、制御部は、石油が時間ｔ２にパイロット噴射量に相当する熱量であるＦ１になるように噴射量を連続的に徐々に減少させる指示と、ガスが時間ｔ２に総熱量からパイロット噴射量に相当する熱量を除いた熱量Ｆ２＝１−Ｆ１になるように噴射量を連続的に徐々に増加させる指示とを行う。石油の噴射量の減少指示およびガスの噴射量の増加指示は、総熱量の変動を抑えるようにそれぞれ一次関数的に減少および増加の指示を行っている。ただし、その減少および増加の傾向については図２に示した例に限定されず、総熱量の変動を抑える制御であれば、例えば二次関数的に曲線状に変化させた減少指示および増加指示であってもよい。
時間ｔ２において、ガスの熱量はＦ２、石油の熱量はＦ１となり、時間ｔ２以降、二元燃料機関１はガスモードで運転される。ここで、ｔ２は、ｔ３と同一の値であってもよく、適宜設定可能な値である。
以上のように制御されることで、時間ｔ＝０からｔ２の間の切替期間においても筒内に供給される総熱量の変動が抑えられる。
以上のように制御されることで、時間ｔ＝０からｔ２の間の切替期間においても筒内に供給される総熱量の変動が抑えられる。
また、ガスモードからディーゼルモードへ切替を行う場合は、同様に燃料ガス噴射弁１０１の最小噴射期間の最小値の制約により、最小噴射量を細かく制御することが困難であり、制御指令値に従って徐々に噴射量を減少させることができないため、切替完了時にガスの噴射量が一時的に大きく減少され、筒内に供給される総熱量が制御指令値よりも大幅に削減されてしまう。
そこで、制御部は、まず石油の熱量が総熱量になるように噴射量を徐々に増加させる指示と、ガスの熱量が０になるように噴射量を徐々に減少させる指示とを行う。そして、切替完了時に、燃料ガス噴射弁１０１に対し第２所定量を減少させる指示と、燃料噴射弁１０３に対し第２所定量の熱量に相当する噴射量を増加させる指示とを行う。ここで、第２所定量は、燃料ガス噴射弁１０１の最小噴射期間の最小噴射量以上の噴射量であるとする。この指示により、切替完了時において、石油の噴射量は、パイロット噴射量から第２所定量の熱量に相当する噴射量分だけ不連続に急激に立ち上がり、同時にガスは、第２所定量分だけ不連続に急激に減少する。
そこで、制御部は、まず石油の熱量が総熱量になるように噴射量を徐々に増加させる指示と、ガスの熱量が０になるように噴射量を徐々に減少させる指示とを行う。そして、切替完了時に、燃料ガス噴射弁１０１に対し第２所定量を減少させる指示と、燃料噴射弁１０３に対し第２所定量の熱量に相当する噴射量を増加させる指示とを行う。ここで、第２所定量は、燃料ガス噴射弁１０１の最小噴射期間の最小噴射量以上の噴射量であるとする。この指示により、切替完了時において、石油の噴射量は、パイロット噴射量から第２所定量の熱量に相当する噴射量分だけ不連続に急激に立ち上がり、同時にガスは、第２所定量分だけ不連続に急激に減少する。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
二元燃料機関１は、石油のみによって運転されるディーゼルモードと、石油とガスとによって運転されるガスモードとを備えている。このディーゼルモードからガスモードへ切り替える時に筒内の総熱量が変化しないようにガスの噴射量を第１所定量増大させると同時にガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量を減少させ、その後ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに石油の噴射量を徐々に減少させるように制御する。
燃料ガス噴射弁１０１に最小噴射期間の最小値の制約があり、最小噴射量を細かく制御することが困難である場合、図２のガス及び石油の噴射量を従来制御値のように連続的に切り替える制御を行い切替開始指令と同時にガスを噴射することとすると、最小噴射期間以下の細かい制御が行えず切替開始直後のガスの噴射量が一時的に大きくなり、ガスに対する制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。この時、石油の噴射量は制御指令値に応じて徐々に減少されているため、石油の噴射量の減少量よりもガスの噴射量の増加量が上回り、シリンダ部１０の筒内には所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されることになる。筒内に所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されると、図３に示されるように、二元燃料機関の筒内最高圧力はそれまで安定していた値から急激に高い値を示し、その状態がしばらく継続される。筒内最高圧力が高くなると、仕事量が増えることから二元燃料機関の回転数も安定状態から高回転となる。また二元燃料機関の回転数が上がると、燃料量を下げる指示が出るため、ガスの噴射量の増加が抑えられるとともに石油の噴射量は大きく減少されることとなる。
このように、ガスが一時的に過剰に供給されることで、二元燃料機関の筒内圧力、回転数および総熱量（各燃料の噴射量）のそれぞれの変動が大きくなり、安定した燃焼による運転を行うことができない。
本発明によれば、ディーゼルモードからガスモードへの切替時に筒内の総熱量が変化しないようにガスの噴射量を第１所定量増大させると同時にガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関１の筒内圧および回転数の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
二元燃料機関１は、石油のみによって運転されるディーゼルモードと、石油とガスとによって運転されるガスモードとを備えている。このディーゼルモードからガスモードへ切り替える時に筒内の総熱量が変化しないようにガスの噴射量を第１所定量増大させると同時にガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量を減少させ、その後ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに石油の噴射量を徐々に減少させるように制御する。
燃料ガス噴射弁１０１に最小噴射期間の最小値の制約があり、最小噴射量を細かく制御することが困難である場合、図２のガス及び石油の噴射量を従来制御値のように連続的に切り替える制御を行い切替開始指令と同時にガスを噴射することとすると、最小噴射期間以下の細かい制御が行えず切替開始直後のガスの噴射量が一時的に大きくなり、ガスに対する制御指令値よりも過剰な熱量を筒内に供給してしまうことになる。この時、石油の噴射量は制御指令値に応じて徐々に減少されているため、石油の噴射量の減少量よりもガスの噴射量の増加量が上回り、シリンダ部１０の筒内には所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されることになる。筒内に所望の総熱量よりも過剰な熱量が供給されると、図３に示されるように、二元燃料機関の筒内最高圧力はそれまで安定していた値から急激に高い値を示し、その状態がしばらく継続される。筒内最高圧力が高くなると、仕事量が増えることから二元燃料機関の回転数も安定状態から高回転となる。また二元燃料機関の回転数が上がると、燃料量を下げる指示が出るため、ガスの噴射量の増加が抑えられるとともに石油の噴射量は大きく減少されることとなる。
このように、ガスが一時的に過剰に供給されることで、二元燃料機関の筒内圧力、回転数および総熱量（各燃料の噴射量）のそれぞれの変動が大きくなり、安定した燃焼による運転を行うことができない。
本発明によれば、ディーゼルモードからガスモードへの切替時に筒内の総熱量が変化しないようにガスの噴射量を第１所定量増大させると同時にガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量を減少させることで、筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関１の筒内圧および回転数の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
また、石油の噴射量をパイロット噴射量まで徐々に減少させるとともに、ガスを総熱量からパイロット噴射量の熱量を除いた熱量に相当する噴射量まで徐々に増加させることから、ガスの燃焼に必要なパイロット燃料として石油を使用でき、また全体の総熱量が変わらないため筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関１の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
また、ガスモードからディーゼルモードへの切替完了時に筒内の総熱量が変化しないようにガスの噴射量を第２所定量減少させると同時にガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量を増加させることで、ガスモードからディーゼルモードへの切替において筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。これにより、二元燃料機関１の筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができ、NOxや燃費の変動を可能な限り最小限に抑えることができる。
また、ガスの第１所定量および第２所定量が、燃料ガス噴射弁１０１の最小噴射期間の最小噴射量以上であることから、予め最小噴射量以上の制御可能な値を設定し、これに相当する熱量の石油の噴射量を設定することで熱量を相殺することで、燃料ガス噴射弁１０１の仕様の制約によってディーゼルモードとガスモードとの切替時にガスの熱量が変動するのを抑えるため、筒内の総熱量が変化しないように筒内に供給する熱量の変動を抑制することができる。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、各燃料の切替時に増減させる各燃料の噴射量を一つの値に決定したが、本実施形態では、ガスの圧力に応じて各燃料の噴射量を設定するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、各燃料の切替時に増減させる各燃料の噴射量を一つの値に決定したが、本実施形態では、ガスの圧力に応じて各燃料の噴射量を設定するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。
図４には、本実施形態に係る燃料ガス噴射弁噴射期間と燃料ガス噴射弁噴射量を示したグラフが示されている。同図において横軸は燃料ガス噴射弁１０１の噴射期間であり、縦軸は１サイクルごとの燃料ガス噴射弁１０１の噴射量である。ｔｎは最小噴射期間を示し、電磁弁によって決まる噴射期間の下限界となる。
図４に示されるように、噴射期間が長くなると、噴射量も増えている。また、ガス圧力が例えば２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａと大きくなると、最小噴射期間ｔｎにおける最小噴射量だけでなく、同一の噴射期間における噴射量は増加する。また最小噴射期間ｔｎは、燃料ガス噴射弁１０１に用いられる電磁弁によって決まるので、ガス圧力にかかわらず同一の値を示す。
このように、ガス圧力に応じて最小噴射期間ｔｎにおける最小噴射量が変化することから、本実施形態では、ガスの供給圧力とそれに応じたガスの第１所定量およびガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを関連付けて記憶するテーブルを制御部に備えている。
ガスの供給圧力と、それに応じたガスの第１所定量は、以下の式（１）で表される。
［数１］
Ｑ´∝Ｈｕ１×ρｆ 1/2×ΔＰ1/2×ｄｏ2・・・（１）
図４に示されるように、噴射期間が長くなると、噴射量も増えている。また、ガス圧力が例えば２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａと大きくなると、最小噴射期間ｔｎにおける最小噴射量だけでなく、同一の噴射期間における噴射量は増加する。また最小噴射期間ｔｎは、燃料ガス噴射弁１０１に用いられる電磁弁によって決まるので、ガス圧力にかかわらず同一の値を示す。
このように、ガス圧力に応じて最小噴射期間ｔｎにおける最小噴射量が変化することから、本実施形態では、ガスの供給圧力とそれに応じたガスの第１所定量およびガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを関連付けて記憶するテーブルを制御部に備えている。
ガスの供給圧力と、それに応じたガスの第１所定量は、以下の式（１）で表される。
［数１］
Ｑ´∝Ｈｕ１×ρｆ 1/2×ΔＰ1/2×ｄｏ2・・・（１）
（１）式において、Ｑ´は、単位時間当たりの投入ガス発熱量［ｋＪ／ｓ］、Ｈｕは、ガスの低位発熱量［ｋＪ／ｋｇ］、ρｆは、燃料ガス噴射弁１０１の噴孔出口のガス密度［ｋｇ／ｍ３］、ΔＰは、燃料ガス噴射弁１０１の有効噴射圧［Ｐａ］、ｄｏは、燃料ガス噴射弁１０１の噴孔径［ｍ］である。
ΔＰは、（燃料ガス噴射弁１０１の噴射圧）−（シリンダ部１０内圧）である。
なお、チョーク条件では、ΔＰは（燃料ガス噴射弁１０１の噴射圧）−（チョーク圧）、ρｆはチョーク時の密度とする。
ΔＰは、（燃料ガス噴射弁１０１の噴射圧）−（シリンダ部１０内圧）である。
なお、チョーク条件では、ΔＰは（燃料ガス噴射弁１０１の噴射圧）−（チョーク圧）、ρｆはチョーク時の密度とする。
制御部は、ディーゼルモードからガスモードへの切替開始時に、ガス圧力を検知するセンサ（図示せず）が検知したガス圧力に基づきテーブルを参照し、テーブルからガス圧力に応じたガスの第１所定量およびガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを取得する。制御部は、燃料ガス噴射弁１０１に対してテーブルから取得したガスの第１所定量を増加させる指示と、燃料噴射弁１０３に対してテーブルから取得したガスの第１所定量の熱量に相当する石油の噴射量を減少させる指示とを同時に行う。
また、制御部は、ガスの供給圧力とそれに応じたガスの第２所定量およびガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを関連付けて記憶するテーブルを備えている。
制御部は、ガスモードからディーゼルモードへの切替開始時に、ガス圧力を検知するセンサ（図示せず）が検知したガス圧力に基づきテーブルを参照し、テーブルからガス圧力に応じたガスの第２所定量およびガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを取得する。制御部は、切替完了時に、燃料ガス噴射弁１０１に対してテーブルから取得したガスの第２所定量を減少させる指示と、燃料噴射弁１０３に対してテーブルから取得したガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量を増加させる指示とを同時に行う。
制御部は、ガスモードからディーゼルモードへの切替開始時に、ガス圧力を検知するセンサ（図示せず）が検知したガス圧力に基づきテーブルを参照し、テーブルからガス圧力に応じたガスの第２所定量およびガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量とを取得する。制御部は、切替完了時に、燃料ガス噴射弁１０１に対してテーブルから取得したガスの第２所定量を減少させる指示と、燃料噴射弁１０３に対してテーブルから取得したガスの第２所定量の熱量に相当する石油の噴射量を増加させる指示とを同時に行う。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る二元燃料機関およびこれを備えた船舶、ならびに二元燃料機関の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
ガスの供給圧力とそれに応じたガスの噴射量の第１または第２所定量とその熱量に相当する石油の噴射量とを各々関連付けて予めテーブルに保存しておき、検知した供給圧力に応じたガス及び石油の噴射量を取得しシリンダ部１０の筒内に供給することで、ガスの噴射熱量は供給圧力によって変化するが、適切な量のガスの噴射量および石油の噴射量を決定することができ、筒内の総熱量が変化せず、筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができる。
ガスの供給圧力とそれに応じたガスの噴射量の第１または第２所定量とその熱量に相当する石油の噴射量とを各々関連付けて予めテーブルに保存しておき、検知した供給圧力に応じたガス及び石油の噴射量を取得しシリンダ部１０の筒内に供給することで、ガスの噴射熱量は供給圧力によって変化するが、適切な量のガスの噴射量および石油の噴射量を決定することができ、筒内の総熱量が変化せず、筒内圧の変動を抑えて安定した切替制御を実施することができる。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
たとえば、上述した実施形態においてはガス圧力とそれに応じたガスの第１または第２所定量とその熱量に相当する石油の噴射量とを各々関連付けてテーブルに記憶するとしたが、検知したガス圧力を上述の（１）式に設定し算出した熱量（に相当する噴射量）を設定するとしてもよい。
１ 二元燃料機関
１０ シリンダ部
２０ ピストン
１０１ 燃料ガス噴射弁
１０３ 燃料噴射弁
１０ シリンダ部
２０ ピストン
１０１ 燃料ガス噴射弁
１０３ 燃料噴射弁
Claims (7)
- 石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを切り替えるとともに、前記石油燃料および前記燃料ガスの噴射量を制御する制御部を備えた二元燃料機関において、
前記制御部は、前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に、前記燃料ガスの前記所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を減少させた後に、
前記燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に減少させるように制御を行うことを特徴とする二元燃料機関。 - 前記制御部は、前記石油燃料の噴射量をパイロット噴射量まで徐々に減少させるとともに、前記燃料ガスを総熱量から前記パイロット噴射量の熱量を除いた熱量に相当する噴射量まで徐々に増加させることを特徴とする請求項１に記載の二元燃料機関。
- 石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを切り替えるとともに、前記石油燃料および前記燃料ガスの噴射量を制御する制御部を備えた二元燃料機関において、
前記制御部は、前記第２の運転モードから前記第１の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を徐々に減少させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に増加させた後に、切替完了時に前記燃料ガスの噴射量を所定量減少させると同時に、前記燃料ガスの所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を増大させるように制御を行うことを特徴とする二元燃料機関。 - 前記燃料ガスの前記所定量は、燃料ガス噴射弁の最小噴射期間の最小噴射量以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の二元燃料機関。
- 前記制御部は、前記燃料ガスの供給圧力とそれに応じた前記燃料ガスの前記所定量及び前記燃料ガスの前記所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量とを関連付けて記憶するテーブルを備え、前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとの切替開始時の前記燃料ガスの前記供給圧力を検知し、検知した該供給圧力に基づき前記テーブルから前記燃料ガスの前記所定量とそれに対応する前記石油燃料の噴射量とを取得することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の二元燃料機関。
- 請求項１から５のいずれかに記載の二元燃料機関と、
前記二元燃料機関を搭載する船体と、を備える船舶。 - 石油燃料のみによって運転される第１の運転モードと、前記石油燃料および燃料ガスによって運転される第２の運転モードとを備える二元燃料機関の制御方法において、
前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへ切り替える時に前記燃料ガスの噴射量を所定量増大させると同時に、前記燃料ガスの所定量の熱量に相当する前記石油燃料の噴射量を減少させるステップと、
前記燃料ガスの噴射量を徐々に増加させるとともに、前記石油燃料の噴射量を徐々に減少させるステップと
を備えることを特徴とする二元燃料機関の制御方法。
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