特許 5886356 エンジンシステム及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5886356

(24)【登録日】2016年2月19日

(45)【発行日】2016年3月16日

(54)【発明の名称】エンジンシステム及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/12 20060101AFI20160303BHJP

   F02D 21/08 20060101ALI20160303BHJP

   F02D 41/04 20060101ALI20160303BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20160303BHJP

   F02D 41/40 20060101ALI20160303BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20160303BHJP

【ＦＩ】

   F02D19/12 A

   F02D21/08 301C

   F02D41/04 385C

   F02D41/02 380B

   F02D41/40 C

   F02D43/00 301J

   F02D43/00 301N

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-83670(P2014-83670)

(22)【出願日】2014年4月15日

(65)【公開番号】特開2015-203371(P2015-203371A)

(43)【公開日】2015年11月16日

【審査請求日】2015年4月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】東田 正憲

(72)【発明者】

【氏名】大西 郁美

(72)【発明者】

【氏名】吉澤 克浩

(72)【発明者】

【氏名】細野 隆道

(72)【発明者】

【氏名】橋本 大

(72)【発明者】

【氏名】秋山 隼太

(72)【発明者】

【氏名】野上 哲男

【審査官】 藤村 泰智

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１５６３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２３１２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１７３８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６０５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１８７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６８６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０９２８８７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １９／１２

Ｆ０２Ｄ ２１／０８

Ｆ０２Ｄ ４１／００ 〜 ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
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、エンジンシステム。

【請求項2】

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、
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とともに、前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量にかかわらず前記気筒内の最大圧力が所定の目標値を維持できるよう前記水エマルジョン燃料の噴射時期を早めるように構成されている、エンジンシステム。

【請求項3】

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２に記載のエンジンシステム。

【請求項4】

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２又は３に記載のエンジンシステム。

【請求項5】

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ガスの流量を制御し、
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、制御方法。

【請求項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ガスの流量を制御し、
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とともに、前記水エマルジョン燃料の１サイクルあたりの噴射量にかかわらず前記気筒内の最大圧力が所定の目標値を維持できるよう前記水エマルジョン燃料の噴射開始時期を早める、制御方法。

【請求項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に記載の方法。

【請求項8】

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６又は７に記載の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１２−５１８７４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【発明の効果】

【0020】

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。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】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】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】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】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】図５は、燃料噴射制御のフローチャートである。

【図6】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。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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。

【0023】

＜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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

＜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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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）。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【産業上の利用可能性】

【0052】

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。

【符号の説明】

【0053】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】