JP2014058962A - 可変燃料噴射プロファイルを有する内燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの発熱量の変化に対応して最適な燃焼条件で運転する。
【解決手段】内燃エンジンは、燃料ガス供給システムと、燃料ガス運転モードにおいてシリンダの燃焼室に直に燃料ガスを噴射するための燃料ガス噴射器が設けられたシリンダと、燃料オイル供給システムと、燃料噴射の継続時間を調整することでシリンダ内への燃料噴射を制御するエンジン制御部とを備え、燃料ガス運転モードにおける燃料噴射は、燃料噴射のない滞留期間５３によって分けられたパイロット燃料オイル噴射期間５１と主燃料噴射期間５２とを備えている。燃料ガス運転モードにおいてシリンダに提供される燃料ガスの発熱量の変化に応じて、エンジン制御部は、パイロット燃料オイル噴射期間５１と滞留期間５３とのタイミングを調整し、それによって燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間５２の継続時間を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料ガス供給システムと、燃料ガス運転モードにおいてシリンダの燃焼室に直に燃料ガスを噴射するための燃料ガス噴射器が設けられたシリンダと、燃料オイル運転モードにおいてシリンダの燃焼室に直に噴射するために、シリンダにある燃料オイル噴射器に燃料オイルを提供する燃料オイル供給システムと、燃料噴射の継続時間を調整することでシリンダ内への燃料噴射を制御するエンジン制御部とを備え、燃料ガス運転モードにおける燃料噴射が、燃料噴射のない滞留期間によって分けられたパイロット燃料オイル噴射期間と主燃料噴射期間とを備えている、２サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンなどの内燃エンジンに関する。

内燃エンジンの運転による二酸化炭素と、酸化窒素と、硫黄との排出を低下することへの関心が高まっており、そのため、従来の燃料オイルの代替物が研究されてきた。ＭＡＮディーゼル１２Ｋ８０ＭＣ−ＧＩ−Ｓなど、大型の２サイクルディーゼルエンジンの運転は、一次燃料としての燃料ガスを用いた運転が、従来の燃料オイルと比較して、排出に関して安全で信頼でき環境的に望ましい可能性があることを示してきた。船舶市場向けの大型の２サイクルディーゼルエンジンに関しては、特に、ガスタンクからのボイルオフガスを輸送中に処理しなければならない液化天然ガス輸送船（ＬＮＧ輸送船）にとっては、燃料ガスを用いるエンジンに対する関心が益々高くなっている。

したがって、このようなエンジンの運転には、ＬＮＧ輸送船のガスタンクからの天然ガスおよび／またはボイルオフガスを用いることが望ましい。しかしながら、ＬＮＧ輸送船のガスタンクからの燃料ガスの熱量値は、例えば、時間とともに変化することがあり、これは、ボイルオフガスが、シリンダに提供される燃料ガスのエネルギー密度を低下させる、例えば窒素なども備えているためである。同様に、シリンダに提供される燃料ガスの温度の変化は、シリンダの燃焼室に噴射される燃料ガスのエネルギー密度を変化させることになる。

シリンダに噴射される燃料ガスのエネルギー密度が、エンジンの試験とエンジンの燃料指数の決定とに使われる基準燃料ガスのエネルギー密度、すなわち、所望のエンジン速度を得るために所与の負荷でシリンダに噴射される燃料の量と異なるときは、エンジン速度とエンジンの出力とを維持するために、燃料指数を調整する必要がある。したがって、燃料ガスのエネルギー密度が変化すると、エンジンに噴射される燃料ガスをより多く必要とし、これは燃料ガスの噴射時間を調整することで行われる。

さらに、エンジンの全体の運転を損なうことなく、上記の種類の二元燃料供給エンジンの運転モードを、燃料ガス運転モードから燃料オイル運転モードへと、および、燃料オイル運転モードから燃料ガス運転モードへと切り替える必要がある。

ＷＯ２０１０／１３９５７２から、二元燃料供給システムを備えたディーゼルエンジンを運転するための方法およびデバイスが知られており、燃料噴射は、燃料オイルの少なくとも１つのパイロット噴射と、燃料オイルの主噴射とを備え、主噴射の一部が燃料ガスによって取って代わられる。

米国特許第５７１１２７０９号には、二元燃料で動作し、燃料ガス供給システムを備える燃焼エンジンが記載されており、そのエンジンでは、燃料ガスの量は、燃料ガスの噴射の継続時間を変えることによって変更され、また、噴射のタイミングは、最大シリンダ圧力をエンジンの作動サイクルに対して正しいタイミングで確実に発生させるために変更される。

本発明の目的は、内燃エンジンに、順応性のある燃料噴射プロファイルを有する二元燃料供給を提供することである。

これを目的として、本発明は、燃料ガス運転モードにおいてシリンダに提供される燃料ガスの発熱量の変化に応じて、エンジン制御部が、パイロット燃料オイル噴射期間と滞留期間とのタイミングを調整し、それによって燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間の継続時間を調整することを特徴とする。

パイロット燃料オイル噴射期間およびそれに続く滞留期間のタイミングと、燃料ガスが燃料ガス運転モードで噴射される主燃料噴射期間の継続時間とを調整することで、エンジンは、燃料ガスの発熱量に拘わらず、最大燃焼圧力を伴った最適な条件で運転される。

燃料ガス運転モードでは、噴射プロファイルは、燃料の噴射が全くない滞留時間によって分けられたパイロット燃料オイル噴射と主燃料噴射とを備えており、この主燃料噴射は燃料ガスの噴射である。パイロット燃料オイル噴射の継続時間は、燃焼の間に燃焼室で達成される最大燃焼圧力に影響を与えることがない程度に短く、この最大燃焼圧力は、燃料ガスが燃焼室に噴射される主燃料噴射の継続時間とタイミングとによって制御される。したがって、燃料オイル運転モードにおける燃料オイルの主燃料噴射期間に影響を与えることなく、燃料ガス運転モードにおいて用いられるパイロット燃料オイル噴射期間と滞留期間とのタイミングを調整することができる。これにより、燃料ガス供給システムが安全上突然停止した場合でも、最大燃焼圧力が変わらない状態において運転モードを切り替えることができ、これは、燃料ガス運転モードと燃料オイル運転モードとの両方において、最大燃焼圧力が、主燃料噴射期間によって制御される、すなわち、同じ燃料噴射プロファイルが燃焼圧を支配するためである。

パイロット燃料オイル噴射は、主燃料噴射期間において噴射される燃料ガスを点火させるように機能する。燃焼室における高い圧力のため、パイロット燃料オイル噴射期間に噴射される燃料オイルが点火し、そのため、主燃料噴射期間において燃焼室に噴射される燃料ガスが、進行中の燃焼過程へと、または、燃料ガスの点火特性が不十分であっても確実に点火させることになる十分に予熱された環境へと噴射される。

燃料オイル運転モードでは、噴射プロファイルは、燃料の噴射が全くない滞留時間によって分けられたパイロット燃料オイル噴射と主燃料噴射とを備えており、この主燃料噴射は燃料オイルの噴射である。主燃料噴射期間において燃焼室に噴射される燃料オイルは、燃焼室内の圧力のために点火し、パイロット燃料オイル噴射は、燃料オイル運転モードにおいてはなくてもよい。

好ましい実施形態では、燃料ガス運転モードにおいてシリンダに提供される燃料ガスの発熱量の低下に応じて、エンジン制御部は、パイロット燃料オイル噴射期間と滞留期間とのタイミングを早め、燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間のタイミングおよび継続時間を早める。燃料ガスの発熱量がエンジンの試験に使われた基準ガスの発熱量より低いときは、より小さいエネルギーが単位時間ごとに燃焼室に投入されることになる。そのため、パイロット燃料オイル噴射期間と滞留期間とのタイミングを早めることで、所望のエネルギー量が燃焼室に投入されるように、主燃料噴射期間の継続時間を長くすることができる。それにより、燃料ガスが燃焼室により早くに噴射され、燃焼圧は、燃料ガスの発熱量が低下している場合でも維持される。

本発明のさらに発展された実施形態では、燃料ガス運転モードにおいてシリンダに提供される燃料ガスの発熱量の低下に応じて、エンジン制御部は、燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間の継続時間が長くなるように、滞留期間の継続時間を短くする。パイロット燃料オイル噴射のタイミングと燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間のタイミングとが同じになるまで、滞留期間の継続時間を短くすることができる。その時点を超えて、燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間のタイミングをさらに早めることはできず、これは、燃料ガスがパイロット燃料オイル噴射によって点火される必要があるためである。

本発明の実施形態では、エンジン制御部は、燃料オイル運転モードの主燃料噴射期間における燃料オイル噴射の継続時間を徐々に短くし、それに対応して燃料ガス噴射を伴う期間を長くすることで、燃料オイル運転モードと燃料ガス運転モードとを切り替える。燃料ガス運転モードが命令されたとき、燃料ガスの供給圧力は、エンジン制御部によって燃料ガス供給システムから命令される。燃料ガス供給システムの安定した運転を得るために、要求された圧力で送られる燃料ガスの量を徐々に増加させる。

燃料ガス供給システムの安定した運転に関して同じ有利性を提供するさらに別の実施形態では、エンジン制御部は、燃料ガス運転モードの主燃料噴射期間における燃料ガス噴射の継続時間を徐々に短くし、それに対応して燃料オイル噴射を伴う期間を長くすることで、燃料ガス運転モードと燃料オイル運転モードとを切り替える。

実用的な好ましい実施形態では、エンジン制御部は、燃料オイル運転モードの主燃料噴射期間における燃料オイル噴射の継続時間を、エンジンの１回転あたりにおいて１シリンダごとに主燃料噴射期間の約０．１％で徐々に短くし、それに対応して燃料ガスを伴う期間を長くすることで、燃料オイル運転モードと燃料ガス運転モードとを切り替える。これにより、エンジン速度に依存して、燃料ガス運転モードから燃料オイル運転モードへの切り替え、および、燃料オイル運転モードから燃料ガス運転モードへの切り替えは、２分間から１０分間以内で可能となる。

好ましい実施形態では、燃料ガス噴射圧力は、１５０ｂａｒから３００ｂａｒまでの範囲にある。したがって、燃料ガス供給システムは、高圧燃料ガス供給システムであり、燃料噴射圧力の調整は、エンジン制御部によってその高圧燃料ガス供給システムから命令されてもよい。

さらに別の実施形態では、１００％のエンジン負荷において、エンジン速度は、４５ｒｐｍから１７５ｒｐｍまでの範囲にある。

実用的な好ましい実施形態では、燃料ガスをシリンダに提供する燃料ガス供給システムは、液化天然ガス輸送船の液化天然ガスタンクに連結されている。これにより、例えば、発熱量の異なるボイルオフガスを利用することができる。燃料ガス供給システムが、専用の燃料ガスタンクに連結されてもよいことは明らかである。すなわち、積荷と燃料ガスとは分けられている。

本発明の例と実施形態とを、非常に概略化された図面を参照しつつ、以下でより詳細に説明する。

本発明によるエンジンの全体図。 本発明の好ましい実施形態による燃料オイル／燃料ガス複合運転モードのエンジンの例の図。 本発明による燃料噴射プロファイルの概略図。 本発明による燃料噴射プロファイルの概略図。 本発明による燃料噴射プロファイルの概略図。 本発明による燃料噴射プロファイルの概略図。 本発明による燃料噴射プロファイルの概略図。

本発明の好ましい実施形態による内燃エンジン１は、図１に示されるように、２サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンであってもよい。このようなエンジン１は、例えば、ＭＡＮ Ｄｉｅｓｅｌ製造の型式ＭＣもしくはＭＥ、Ｗａｒｔｓｉｌａ製造の型式Ｓｕｌｚｅｒ ＲＴ−ｆｌｅｘもしくはＳｕｌｚｅｒ ＲＴＡ、または三菱重工業製造のものとすることができる。この型式のエンジンは、船舶の主エンジンとして、または、発電所の定置エンジンとして典型的に用いられる大型エンジンである。シリンダは、例えば、２５ｃｍから１２０ｃｍまでの範囲のボアを有することができ、エンジンは、例えば、３０００ｋＷから１２０，０００ｋＷまでの範囲の出力を有することができる。エンジン速度は、典型的には、４０ｒｐｍから２５０ｒｐｍまでの範囲にある。本発明による圧縮点火内燃エンジンは、典型的には、一次燃料として重油燃料を用いることができる。

図１のエンジン１は、エンジンフレーム４のシリンダ部３に取り付けられたシリンダライナ２を備えた複数のシリンダを有する。排気弁ハウジング５はシリンダカバー６に取り付けられており、排気管７は、個々のシリンダから、複数またはすべてのシリンダに共通の排気だめ８へと延びている。排気だめでは、排気管から排出される排気パルスによって引き起こされる圧力変動が、より一様な圧力に均一化され、１つまたは複数のターボチャージャ９は、排気だめ８からの排気を受け、排気だめと同様に、長尺の圧力容器である掃気受け１０を備える掃気システムに圧縮された空気を送る。

個々のシリンダでは、ピストンがピストンロッドに取り付けられており、そのピストンロッドは、クロスヘッドおよび連結ロッド（図示せず）を介してクランクシャフト上のクランクピンと連結されている。燃料噴射器は、燃料を燃焼室に噴射する。噴射された燃料が燃料オイルであるとき、その燃料オイルは、ピストン上方の空気が高温であるため、自動点火する。ピストンが、上向きの圧縮ストロークの間に入口空気を圧縮したため、高温となっている。

本発明は、二元燃料供給システムを備えた船舶用ディーゼルエンジンにおいて実施されるのが好ましく、以下においては、本発明をこのような例によって説明するが、当然ながら、本発明は一元燃料システムとして実施されてもよい。エンジンは、オイルとガスとの噴射を電子制御する電子制御エンジンであり、燃料噴射と燃焼との最適化を確実に行う。さらに、これは、燃料ガスの燃焼を点火するためのパイロット燃料オイル噴射を伴う高圧ガス噴射原理に基づいて行われる。この原理があることで、ディーゼル燃焼過程を十分に利用することができ、それによって燃料オイル燃焼の場合と同じ高い熱効率を得ることができる。図２には、シリンダ部３が、単一のシリンダ１１で示されているが、エンジンは、４個から１５個のシリンダなど、複数のシリンダを有する。図２に概略的に示されるように、内燃エンジン１は、シリンダ１１の燃焼室に提供されるべき燃料オイルと燃料ガスとを、燃料オイル噴射システム２０と燃料ガス噴射システム３０とにそれぞれ提供する燃料オイル供給システム２３と燃料ガス供給システム１９とを備えている。この例において、燃料オイル噴射システム２０と燃料ガス噴射システム３０とは、シリンダ１１の燃焼室への燃料オイルと燃料ガスとの噴射をそれぞれ制御する。燃料噴射システム２０、３０の一般的な原理は、各シリンダ１１が、シリンダカバー６の燃料噴射器１３、１４に連結された燃料ポンプや弁などの１つまたは複数の燃料注入デバイス１５、１６を制御するシリンダ制御部１２と関連付けられていることである。シリンダあたりの噴射器１３、１４の数は、シリンダ１１の出力に依存する。好ましい実施形態では、各シリンダは、少なくとも燃料オイル噴射器１３と燃料ガス噴射器１４とを備える。より小型のエンジンでは、燃料のタイプごとに一つの噴射器で、１回の燃焼過程に必要な燃料の量を噴射するには十分な場合があるが、より大型の、より出力の大きいエンジンでは、燃料のタイプごとに２つまたは３つの噴射器が必要となる可能性がある。いくつかの噴射器がシリンダ１１ごとに設けられているときは、噴射器１３あたりに一つの燃料注入デバイス１５、噴射器１４あたりに一つの燃料注入デバイス１６があってもよい。燃料噴射システム２０、３０のエンジン制御部１２は、さらに、船舶の艦橋と通信するエンジン制御部１７によって制御される。

燃料ガス供給システム１９は、海上で運行されるＬＮＧ輸送船の液化天然ガス（ＬＮＧ）タンク１８に連結されていることが好ましい。ＬＮＧ輸送船のＬＮＧタンクは、低温に保たれているが、海水と大気とからの外部の熱がタンクの断熱材を通って伝達されるため、不可避的に熱せされる。外部の熱が侵入することで、ＬＮＧの一部が気化、つまり、ボイルオフし、タンクの圧力は徐々に高くなる。タンクの圧力を許容可能なレベルに保つために、再液化システム（図示せず）が、ボイルオフガスを再液化するために使用されてもよい。代わりに、または、再液化システムと組み合わせて、ボイルオフガス圧縮機は、燃料ガス噴射システム３０にそのように命令されたときに、高圧のボイルオフガスを提供することができる。シリンダでは、シリンダ制御部１２によって制御された燃料注入デバイス１６は、燃料ガス噴射器１４のタイミングと開きとをもたらす。燃料ガスは、好ましくは、コモンレール設計の二重壁ガス供給配管２６によって燃料ガス噴射システムに提供される。コモンレール設計では、燃料ガス噴射器１４の弁は、補助制御オイルシステムによって制御される。この補助制御オイルシステムは、原則として、油圧制御オイルシステムおよび電子ガス噴射弁から成り、高圧の制御されたオイルをガス噴射器１４に供給し、それによってガス噴射器１４のガス弁のタイミングと開きとを制御する。燃料ガス供給システムは、高圧燃料ガス供給システムである。効率的なガス噴射は、ガスの送出圧力が、エンジンの負荷に依存して、１５０ｂａｒと３００ｂａｒとの間にあり、燃料ガスが約４５℃であるときに得られる。バッファタンク２２は、燃料ガス供給システム１９によって燃料ガス噴射システム３０に提供される前にボイルオフガスを貯蔵するために使用される。ＬＮＧ輸送船のＬＮＧタンク内の不可避的なボイルオフガスの量は、通常、ＬＮＧ輸送船の内燃エンジンの運転に対する唯一の燃料としては不十分であるが、本発明によれば、このボイルオフガスの量を、内燃エンジンの燃料オイルと組み合わせて有利に使用することができる。燃料ガス噴射システム３０の運転は、ガス組成、ならびにガス組成における変化に対して鈍感である。そして、専用のガスタンクは、甲板上部にある追加的な燃料ガス圧力タンクであってもよく、そのタンクは積荷とは完全に分けられている。したがって、プロパンやブタンなどの、より高級な炭化水素から通常成る液化石油ガス（ＬＰＧ）も、燃料オイルと同じ定格を維持しつつ、速度、熱効率、および出力の観点においてエンジンの性能を変えることなく、ＬＮＧのように、燃料ガスとして適用することができる。そして、燃料ガスを十分に噴霧化するために必要な圧力は約５５０ｂａｒであり、また、約３５℃の温度が好ましい。

燃料ガス供給システムは、船の積荷から、または、船の甲板上にある可能性のある専用の燃料タンクから、直に燃料ガスを受け取ることができる。また、燃料ガス供給システムは、例えば、製造会社であるＨａｍｗｏｒｔｈｙが提供するボイルオフガス再液化システムから、または、積荷もしくは専用の燃料ガスタンクから直に、燃料ガスを受け入れることができる。また、燃料ガス供給システムは、製造会社であるＨａｍｗｏｒｔｈｙが提供するものであってもよく、概して、増圧ポンプと、高圧ポンプと、加熱器とを備えている。増圧ポンプによって燃料ガスを必要な圧力にまで高めた後、燃料ガスは、必要な温度にまで加熱され、次いで二重壁ガス供給配管２６を介してエンジンシリンダに供給される。燃料ガス圧力を所望のレベルへと調整するため、追加の増圧ポンプが、燃料ガスの加熱の後に燃料に提供されてもよい。

燃料オイル噴射システム２０では、燃料オイル投入装置１５は燃料ポンプであってもよく、その場合、燃料オイル供給システム２３は、２ｂａｒから１５ｂａｒまでの範囲など、供給管２４において比較的低い供給圧力で燃料オイルタンク２１から燃料注入デバイスに燃料オイルを送出することだけが必要である。あるいは、燃料オイル注入デバイス１５は、弁、すなわち、計量デバイスに連結された弁であってもよく、その場合、燃料供給管は、５００ｂａｒから１５００ｂａｒまでの範囲の供給圧力など、燃料が噴射圧力より高い圧力となっている高圧管である。このような燃料オイル供給システム２３は、コモンレールシステムと呼ばれる。いずれの場合でも、燃料オイル注入デバイス１５は、通常のエンジンの運転中に開位置に維持される弁を備えた分岐管によって燃料供給管２４に連結されている。燃料オイル注入デバイス１５は、高圧燃料オイル管を介して燃料オイル噴射器１３に連結されている。再帰管は、燃料オイル噴射器から燃料オイル戻り配管（図示せず）に通じている。シリンダへと提供される燃料オイルは、典型的には、重油または船舶用ディーゼルオイルである。

本発明による内燃エンジン１は、前述のような燃料オイル供給システムを備えた既存のエンジンに、燃料ガス供給システム１９と燃料ガス制御システム３０とを設置することで提供されてもよい。設置を簡素化するため、および、全体的に燃焼過程の制御方針が複雑になるのを最小限にするために、個別のシリンダ制御部１２ａ、１２ｂが、シリンダ１１の燃焼室に提供される燃料オイルの量と燃料ガスの量とをそれぞれ制御することが概して好ましい。同様に、燃料オイル制御システム２０と燃料ガス制御システム３０とは、独自のエンジン制御部１７ａ、１７ｂを備えている。船舶用ディーゼルエンジンの技術においては知られているように、少なくとも燃料オイル制御システム２０は、重複性、すなわち、シリンダ制御部への重複した配線のあるさらなるエンジン制御部のあるのが好ましいことは、明らかである。本発明による内燃エンジンを運転するときには、燃料噴射のエンジン調整は、燃料オイル噴射システム２０または燃料ガス噴射システム３０のいずれかによって行われる。概して、エンジン制御部１７は、センサ装置４０からエンジン速度信号と他のエンジン運転パラメータとを受信し、シリンダ１１の燃焼室に提供されるべき燃料の量および速さを制御し、このことは、エンジンの調速機制御としても知られている。本発明による内燃エンジンは、燃料オイル運転モードと、燃料ガス運転モードと、燃料オイル／燃料ガス複合運転モードとで運転することができる。運転モードは、船の艦橋から命令されてもよい。運転モードの切り替えは、燃料オイル噴射システム２０と燃料ガス制御システム３０とに連結されたエンジンスイッチ部２５によって行うことができ、好ましくは、エンジンスイッチ部は、燃料ガス供給システム１９の一部である。燃料オイル／燃料ガス複合運転モードでは、エンジンスイッチ制御部２５は、内燃エンジンにおける燃焼過程の臨界タイミングと臨界調整とが、燃料オイル噴射システム２０または燃料ガス噴射システム３０とによるかを、すなわち、エンジンスイッチ部２５は、燃料オイル制御システム２０と燃料ガス制御システム３０との間で調速機制御を切り替えるかを判断する。したがって、燃料オイル／燃料ガス複合運転モードでは、運転が、燃料オイル運転モードと燃料ガス運転モードとの間で自動的に交互に切り替えられる。運転モード間の切り替えは、艦橋から命令されてでもよいし、もしくは、ガス漏れの場合における安全上の理由のために命令されてでもよく、ガス漏れの場合は、エンジンを直ちに燃料オイル運転モードに切り替えることになる。

燃料ガス運転モードでは、燃焼過程の燃料ガス噴射とタイミングとは、燃料ガス噴射システム３０によって制御される。これは、エンジンを所与のエンジン負荷で最適に運転するために必要とされる燃料噴射時間と燃料噴射圧力とを規定する所定のエンジン負荷指数に従って行われる。運転が行われる前に、エンジンは、様々な負荷での最適な燃料噴射時間と燃料噴射圧力とを決定するために、プロペラ曲線に沿って様々な負荷で試験される。したがって、エンジン制御部が、例えば、燃料ガス噴射の正確なタイミングと、排気弁を開閉する正確なタイミングと、油圧とを見いだすためにエンジンマップを検索するとき、それは、エンジンを所望のエンジン負荷で運転するために必要とされる、命令された燃料噴射時間と命令された燃料噴射圧力との両方に依存している。

図３は、本発明による燃料噴射プロファイル５０を示す。ｘ軸はクランクシャフトの位置を表しており、ここで、０は、個々のシリンダにおけるピストンの上死点に相当している。したがって、ｘ軸は、０が燃料噴射プロファイルの開始を表す燃料の噴射のタイミングを概略的に表してもいる。ｙ軸は、エネルギーの噴射の速さ、すなわち、単位時間ごとのエネルギーを表している。噴射プロファイル５０は、主燃料噴射期間５２前の燃料オイルの事前噴射であるパイロット燃料オイル噴射期間５１から成る。典型的には、パイロット燃料オイル噴射期間５１は、エンジンが１００％のエンジン負荷で運転されるときの主燃料噴射期間５２の約５％であり、したがって燃焼の間に達成される最大シリンダ圧力に影響を与えない。燃焼の間に実現される最大シリンダ圧力は、主燃料噴射期間５２のタイミングおよび継続時間によって主に制御される。パイロット燃料オイル噴射期間５１および主燃料噴射期間５２は、滞留期間５３によって分けられる。図３では、パイロットオイル噴射期間５１の噴射の開始は、ｔ_SOI,pre＝０で、すなわち、上死点で開始され、主燃料噴射期間での噴射の開始は、ｔ_SOI,main＝３で開始される。これらの値は、本発明による燃料噴射プロファイルの調整を単に説明する目的で、任意に選択されている。燃料ガスだけが主燃料噴射期間５２においてシリンダに噴射される燃料ガス運転モードでは、パイロット燃料オイル噴射期間５１が噴射された燃料ガスを点火するために必要とされる。このようにして、燃料ガスは、進行中の燃焼過程中に噴射される。

図４は、エンジン制御部１７が燃料オイル運転モードから燃料ガス運転モードへと切り替わる状況を示す。これは、主燃料噴射期間においてシリンダに噴射される燃料オイルの一部を燃料ガスで徐々に取って代えることで行われる。したがって、主燃料噴射期間は、燃料オイル噴射期間５２ａと燃料ガス噴射期間５２ｂとを備える。エンジン制御部１７は、燃料ガスを時刻ｔ_EOI,fuelで噴射されるように命令する。その時刻は、燃料オイル噴射期間５２ａの終了時点、すなわち、燃料オイル噴射弁が閉じられる時刻である。燃料オイル噴射の終了と燃料ガス噴射の開始とが若干重なることもあることは明らかである。したがって、燃料ガス運転モードにおける燃料噴射プロファイル５０を示す図５に示されるように、点線で表された燃料ガス噴射期間５２ｂは、主燃料噴射期間５２が燃料ガス噴射だけを備えるまで徐々に増加する。燃料ガス噴射の噴射タイミング、すなわち、燃料ガスの噴射の開始ｔ_SOI,gasは、エンジン制御部によって調整可能であり、所望の最大シリンダ圧力を達成するように用いられる。燃料ガス運転モードから燃料オイル運転モードへと切り替わるときには、上記の反対の手順が行われる。

特に燃料ガス運転モードでは、主燃料噴射期間５２での燃料ガスの噴射のタイミングを調整することが有利であり、すなわち、主燃料噴射期間５２の継続時間を調整することによるのが有利である。これは、燃料ガス供給システムによってシリンダに提供される燃料ガスの発熱量が、エンジンの試験と、所与のエンジン負荷での主燃料噴射期間の継続時間の決定とに用いられた基準燃料ガスの発熱量よりも小さい場合が多いという事実から得られる。燃料ガスの発熱量が、基準燃料ガスと比較して低下すると、主燃料噴射期間５２の継続時間を、エンジン負荷を一定に保つために長くする。しかしながら、単位時間当たりより小さいエネルギーが噴射されると、シリンダにおける最大燃焼圧力が低下し、エンジン効率を低下させることになる。燃料ガス運転モードにおいては主燃料噴射期間での噴射の開始を早めることによって、最大燃焼圧力とエンジン効率とは、燃料ガスの発熱量が低下している状態であっても維持される。

前述のように、燃料ガスの発熱量がより小さい状態では、所望の最大シリンダ圧力を一定の主燃料噴射期間５２で達成することはできない。その場合は、主燃料噴射期間５２の開始ｔ_SOI,gasを、主燃料噴射期間５２の継続時間が長くなるように早めることができる。この状況が図６に示されており、単位時間当たりシリンダに噴射されるエネルギー量は基準ガスの８０％だけであるため、主燃料噴射期間５２の開始がｔ_SOI,gas＝１の時刻に早められている。しかしながら、パイロット燃料オイル噴射期間５１と主燃料噴射期間５２との間の重なりを回避するため、パイロット燃料オイル噴射期間５１の開始は時刻ｔ_SOI,pre＝−２に早められている。燃料ガスは、燃焼圧力における圧力下では自ら点火することはできないため、燃料ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間の開始は、図５と図６とに点線で表される主燃料噴射期間５２においてシリンダ内に噴射される燃料ガスを起爆させるために設けられるパイロット燃料オイル噴射期間５１の前に始まるように早められることはない。したがって、主燃料噴射期間５２を、滞留期間５３の継続時間またはｔ_SOI,preからｔ_SOI,gasまでの継続時間より長くする必要がある状況では、パイロット燃料オイル噴射期間５１の開始、すなわち、ｔ_SOI,preの時刻を早めることが有利である。したがって、主燃料オイル噴射期間５２を長くするために、滞留期間の継続時間を短くすることと、パイロット燃料オイル噴射期間の開始を早めることとの両方が可能である。

パイロット燃料オイル噴射は、最大燃焼圧力に影響を与えないため、燃料ガス運転モードから燃料オイル運転モードへと切り替わることと、燃料ガス運転モードにおける主燃料噴射期間を大幅に早めるにも拘らず、望むように、かつ、安全限界内に最大燃焼圧力を保つこととが可能である。このことが、燃料オイル運転モードにおける燃料オイルの噴射に関する主燃料噴射期間の開始が変更されていないことを示している図７に描かれている。

燃料ガスの発熱量の低下は、例えば、平均指示圧力といった、エンジンシリンダ圧力を測定するセンサ装置４０によって検出されてもよい。エンジン負荷と平均指示圧力との間の既知の関係によって、一定の負荷を維持するために、ガスをより長く噴射する必要があるかどうかを検出することができる。エンジンの試験における基準ガスの噴射を伴う主燃料噴射期間と比較して、燃料ガスの噴射を伴う実際の主燃料噴射期間によって、実際の発熱量をおおよそ推定することができる。測定されたシリンダ圧力に代わって、エンジン負荷は、クランクシャフトに配置されたトルク計と、エンジン速度の測定とによって推定することができる。

Claims (9)

1. 燃料ガス供給システムと、
   シリンダであって、燃料ガス運転モードにおいて前記シリンダの燃焼室に直に燃料ガスを噴射するための燃料ガス噴射器が設けられたシリンダと、
   燃料オイル運転モードにおいて前記シリンダの前記燃焼室に直に噴射するために、前記シリンダにある燃料オイル噴射器に燃料オイルを提供する燃料オイル供給システムと、
   燃料噴射の継続時間を調整することで前記シリンダ内への燃料噴射を制御するエンジン制御部とを備え、前記燃料ガス運転モードにおける前記燃料噴射が、燃料噴射のない滞留期間によって分けられたパイロット燃料オイル噴射期間と主燃料噴射期間とを備える、２サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンなどの内燃エンジンであって、
   前記燃料ガス運転モードにおいて前記シリンダに提供される前記燃料ガスの発熱量の変化に応じて、前記エンジン制御部が、前記パイロット燃料オイル噴射期間と前記滞留期間とのタイミングを調整し、それによって燃料ガスの噴射を伴う前記主燃料噴射期間の前記継続時間を調整することを特徴とする内燃エンジン。
2. 前記燃料ガス運転モードにおいて前記シリンダに提供される前記燃料ガスの前記発熱量の低下に応じて、前記エンジン制御部が、前記パイロット燃料オイル噴射期間と前記滞留期間との前記タイミングを早め、燃料ガスの噴射を伴う前記主燃料噴射期間の前記タイミングおよび前記継続時間を早めることを特徴とする、請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記燃料ガス運転モードにおいて前記シリンダに提供される前記燃料ガスの前記発熱量の低下に応じて、前記エンジン制御部が、燃料ガスの噴射を伴う前記主燃料噴射期間の前記継続時間が長くなるように、前記滞留期間の継続時間を短くすることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃エンジン。
4. 前記エンジン制御部が、前記燃料オイル運転モードの主燃料噴射期間における燃料オイル噴射の前記継続時間を徐々に短くし、それに対応して燃料ガス噴射を伴う期間を長くすることで、前記燃料オイル運転モードと前記燃料ガス運転モードとを切り替えることを特徴とする、請求項１から３に記載の内燃エンジン。
5. 前記エンジン制御部が、前記燃料ガス運転モードの前記主燃料噴射期間における燃料ガス噴射の前記継続時間を徐々に短くし、それに対応して燃料オイル噴射を伴う期間を長くすることで、前記燃料ガス運転モードと前記燃料オイル運転モードとを切り替えることを特徴とする、請求項１から４に記載の内燃エンジン。
6. 前記エンジン制御部が、前記燃料オイル運転モードの前記主燃料噴射期間における燃料オイル噴射の前記継続時間を、エンジンの１回転あたりにおいて１シリンダごとに前記主燃料噴射期間の約０．１％で徐々に短くし、それに対応して燃料ガスを伴う期間を長くすることで、前記燃料オイル運転モードと前記燃料ガス運転モードとを切り替えることを特徴とする、請求項４に記載の内燃エンジン。
7. 前記燃料ガス噴射の圧力が、１５０ｂａｒから３００ｂａｒまでの範囲にあることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃エンジン。
8. １００％のエンジン負荷において、エンジン速度が４５ｒｐｍから１７５ｒｐｍまでの範囲にあることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃エンジン。
9. 燃料ガスを前記シリンダに提供する前記燃料ガス供給システムが、液化天然ガス輸送船の液化天然ガスタンクに連結されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃エンジン。

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