特許 6793824 エンジンの制御方法及びエンジンシステム

(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】6793824

(24)【登録日】2020年11月12日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】エンジンの制御方法及びエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 13/02 20060101AFI20201130BHJP

   F02D 19/06 20060101ALI20201130BHJP

   F02D 19/08 20060101ALI20201130BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20201130BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20201130BHJP

   F02D 41/14 20060101ALI20201130BHJP

   F02D 41/34 20060101ALI20201130BHJP

   F02P 5/15 20060101ALI20201130BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   F02D13/02 B

   F02D13/02 D

   F02D13/02 J

   F02D19/06 B

   F02D19/08 C

   F02D43/00 301Z

   F02D43/00 301B

   F02D43/00 301J

   F02D45/00 364A

   F02D45/00 362

   F02D41/14

   F02D41/34

   F02P5/15 K

   F02M21/02 301A

【請求項の数】13

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2019-516813(P2019-516813)

(86)(22)【出願日】2017年5月11日

(86)【国際出願番号】JP2017017853

(87)【国際公開番号】WO2018207307

(87)【国際公開日】20181115

【審査請求日】2020年2月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】503116899

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ原動機

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】黒岩 隆典

(72)【発明者】

【氏名】橋本 徹

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 孝一

(72)【発明者】

【氏名】結城 和広

(72)【発明者】

【氏名】山澤 美和子

【審査官】 家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０２１６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２２３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３０４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１２４４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９４０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２１４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８５５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０８５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６０２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１７７５９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １３／００ − ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを燃料とするエンジンの制御方法であって、
該エンジンの出力の増加に伴い、吸気弁が閉じるタイミングを吸入下死点からの進角を調整することで燃焼室内における混合気の圧縮比を下げる制御を行うと共に、
前記進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを、前記吸気弁の開くタイミング及び前記燃料ガス供給弁から前記吸気弁までの距離に応じて設定された角度まで進角させ、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角が進むほど、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングの進角の度合いが、より大きくなり、
前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として開弁期間を設定することで決定されることを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項2】

ガスを燃料とするエンジンの制御方法であって、
該エンジンの出力の増加に伴い、吸気弁が閉じるタイミングを吸入下死点からの進角を調整することで燃焼室内における混合気の圧縮比を下げる制御を行うと共に、
前記進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させ、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角が進むほど、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングの進角の度合いが、より大きくなり、
前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として開弁期間を設定することで決定され、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、前記エンジンの点火タイミングを進角させることを特徴とするエンジンの制御方法。

【請求項3】

燃料ガス供給弁の前記開弁期間は、目標回転速度と実回転速度の偏差に基づいて算出されることを特徴とする請求項１または２に記載されたエンジンの制御方法。

【請求項4】

前記吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、燃料ガスの供給圧力を高くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載されたエンジンの制御方法。

【請求項5】

前記点火タイミングの進角度合いは、予め測定した前記エンジンの出力と回転速度とをパラメータとして設定したトルクリッチ領域とトルクプア領域の境界である舶用三乗特性線をピークとし、
前記トルクリッチ領域においては前記舶用三乗特性線より進角度合いが減じられることを特徴とする請求項２に記載されたエンジンの制御方法。

【請求項6】

前記エンジンの出力は、前記エンジンの出力軸のトルクをトルクセンサで測定したトルク測定値と、前記エンジンの出力軸の回転速度を回転速度センサで測定した回転速度測定値と、から求めた出力軸の出力値であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載されたエンジンの制御方法。

【請求項7】

前記吸気弁が閉じるタイミングの進角は、予め測定した複数の出力軸の出力及び回転速度のデータをパラメータとして設定した進角の値から設定されるようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載されたエンジンの制御方法。

【請求項8】

ガスを燃料とする４ストロークのエンジンを備えたエンジンシステムであって、
前記エンジンの出力軸の出力が増大した場合に前記エンジンの吸気弁が閉じるタイミングを進角させると共に、その進角の変化に対応して、燃料ガス供給弁の開弁タイミングを、吸気弁の開くタイミング及び燃料ガス供給弁から吸気弁までの距離に応じて設定された角度まで進角させる制御部と、
前記制御部で設定された前記吸気弁の閉じるタイミングに応じて前記吸気弁が閉じるタイミングを変更させる可変吸気弁タイミング機構と、
前記制御部で設定された前記吸気弁の進角の変化に対応して前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させる燃料ガス供給弁タイミング機構と、を備え、
前記エンジンの出力軸の出力の増大に伴い、前記可変吸気弁タイミング機構によって前記エンジン内のガスと空気の混合気の圧縮比をより下げる制御を行い、
前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、
前記燃料ガス供給弁の開弁期間を算出するガス供給時間算出部と、
前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として前記開弁期間に基づいて前記燃料ガス供給弁による燃料ガスの閉弁タイミングを指示するガス供給弁制御部と、によって設定されたことを特徴とするエンジンシステム。

【請求項9】

ガスを燃料とする４ストロークのエンジンを備えたエンジンシステムであって、
前記エンジンの出力軸の出力が増大した場合に前記エンジンの吸気弁が閉じるタイミングを進角させると共に、その進角の変化に対応して、燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させる制御部と、
前記制御部で設定された前記吸気弁の閉じるタイミングに応じて前記吸気弁が閉じるタイミングを変更させる可変吸気弁タイミング機構と、
前記制御部で設定された前記吸気弁の進角の変化に対応して前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させる燃料ガス供給弁タイミング機構と、を備え、
前記エンジンの出力軸の出力の増大に伴い、前記可変吸気弁タイミング機構によって前記エンジン内のガスと空気の混合気の圧縮比をより下げる制御を行い、
前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、
前記燃料ガス供給弁の開弁期間を算出するガス供給時間算出部と、
前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として前記開弁期間に基づいて前記燃料ガス供給弁による燃料ガスの閉弁タイミングを指示するガス供給弁制御部と、によって設定され、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、前記エンジンの点火タイミングを進角させることを特徴とするエンジンシステム。

【請求項10】

請求項８または９に記載されたエンジンシステムであって、
前記エンジンの出力軸のトルクを測定するトルクセンサと、
前記エンジンの出力軸の回転速度を測定する回転速度センサとを備え、
前記トルクセンサによるトルク測定値と前記回転速度センサによる回転速度測定値から前記出力軸の出力を求めて、前記制御部における吸気弁の閉じるタイミングの変更を設定するようにしたエンジンシステム。

【請求項11】

請求項８から１０のいずれか１項に記載されたエンジンシステムであって、
前記燃料ガス供給弁の開弁期間は、目標回転速度と実回転速度の偏差に基づいて算出するエンジンシステム。

【請求項12】

請求項８から１１のいずれか１項に記載されたエンジンシステムであって、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、燃料ガスの供給圧力を高くするように設定されたエンジンシステム。

【請求項13】

請求項９に記載されたエンジンシステムであって、
前記吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴う前記エンジンの点火タイミングの進角度合いは、予め測定した前記エンジンの出力値と回転数とをパラメータとして設定したトルクリッチ領域とトルクプア領域の境界である舶用三乗特性線をピークとし、前記トルクリッチ領域においては進角度合いが減じられるエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、天然ガスなどのガス燃料を用いるエンジンの制御方法及びエンジンシステムに係わり、詳しくは可変吸気弁タイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ ｔｉｍｉｎｇ；ＶＩＶＴ）機構を備えたガス燃料を用いるエンジンの制御方法及びエンジンシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

可変バルブタイミング機構の具体的構成の例が下記特許文献１〜３に記載されている。
図２０及び図２１に示すように、特許文献１に記載の可変バルブタイミング機構１００の駆動機構は、リンク機構１０１とアクチュエータ１０２とを備えている。リンク機構１０１では、エンジンの排気バルブのプッシュロッドに連結された排気バルブスイングアーム１０３がリンクシャフト１０４に支持され、吸気バルブのプッシュロッドに連結された吸気バルブスイングアーム１０５がリンクシャフト１０４から偏心した偏心軸部のタペット軸１０６に支持されている。
排気バルブスイングアーム１０３と吸気バルブスイングアーム１０５はそれぞれカム軸１０８の偏心カム１０８ａによって進退可能とされている。また、リンクシャフト１０４はアクチュエータ１０２に設けたピストンロッド１０９に連結されている。
図２１に示す位置をピストンロッド１０９の飛び出し動作前とすると、アクチュエータ１０２によるピストンロッド１０９の飛び出し動作によって、連結された全てのスイングアーム１０５，１０３が一方に回転する。そのため、アクチュエータ１０２によってリンク機構１０１を介して全てのスイングアーム１０５，１０３の回動角度を制御できる。

【0003】

また、他の例として特許文献２，３に記載された可変バルブタイミング機構が図２２、図２３に記載されている。これらを上記図２０，図２１に示す可変バルブタイミング機構１００と同一部分には同一符号を用いて説明する。
図２２に示す可変バルブタイミング機構では、アクチュエータ１０２に連結した扇形ギヤ１２０の歯部の範囲でリンクシャフト１０４の回転範囲が規制され、リンクシャフト１０４に偏心して固定された偏心ディスク１２３(タペット軸に相当する)が排気バルブスイングアーム１０３や吸気バルブスイングアーム１０５の基部に保持されている。
そのため、リンクシャフト１０４の回転位置に対する各偏心ディスク１２３の回転角度位置のずれに対して、排気バルブスイングアーム１０３や吸気バルブスイングアーム１０５にカム軸１０８の偏心カム１０８ａが当接して押し上げる位置が変化する。

【0004】

図２３に示す例では、ロッカアーム１２７にプッシュロッド１２８を介して連結された排気バルブスイングアーム１０３や吸気バルブスイングアーム１０５が、クランク状のリンクシャフト１０４のタペット軸１０６（スイングアームの支点位置）に接続されている。アクチュエータ１０２によってクランク状のリンクシャフト１０４の位相を変更（回動）することによって、吸気バルブスイングアーム１０５や排気バルブスイングアーム１０３の支点位置が変わり、その結果、カム軸１０８への接点位置が変わる。
これにより、カム軸１０８の偏心カム１０８ａがカム軸１０８で排気バルブスイングアーム１０３または吸気バルブスイングアーム１０５を押圧して進退させるタイミングが可変となるようにしている。

【0005】

特許文献４には、各燃焼室に設けられた第１吸気弁及び第２吸気弁と、吸気ポートに設けられ、第１吸気弁及び第２吸気弁それぞれに向けて燃料を噴射する燃料噴射装置と、第１吸気弁のバルブタイミングと第２吸気弁のバルブタイミングとを相互に異なるバルブタイミングに変更可能な可変動弁機構と、を備えた内燃機関に適用される制御装置が開示されている。この内燃機関は、可変動弁機構を制御して、第１吸気弁の開時期を上死点前に設定し、第２吸気弁の開時期を上死点以降に設定し、第１吸気弁の閉時期及び第２吸気弁の閉時期を下死点以降に設定するバルブタイミング設定手段と、バルブタイミング設定手段によるバルブタイミングの設定状態において、燃料噴射装置による第１吸気弁に向けての燃料噴射の開始タイミングを、第１吸気弁を介して吸気ポート側に吹き返すガス量が多いほど上死点からより遅れた時期に設定する噴射タイミング設定手段と、を備えている。

【0006】

特許文献４は、車両用エンジンの内部ＥＧＲにおいて成層燃焼を実現するためのものであり、燃料噴射装置による第１吸気弁に向けて噴射される燃料は、一瞬で噴射を終了できる液体燃料に関するものである。

【0007】

特許文献５には、目標ＥＧＲ率の負の変化率を所定の閾値と比較し、この負の変化率が上記閾値以上である場合に、ＥＧＲ弁の開弁期間中にＥＧＲ弁の閉じ動作に伴うＥＧＲガスの応答遅れがあることを検知するようにし、ＥＧＲガスの応答遅れが検知された場合には、実圧縮比が高くなるように吸気弁の閉じ時期を補正すると共に、圧縮上死点に近づくように燃料噴射時期を補正することが開示されている。

【0008】

特許文献５は、ディーゼル機関の外部ＥＧＲにおいて、ＥＧＲガスの応答遅れに対処するためのものである。インジェクタを介して各気筒内に噴射される燃料は、一瞬で燃焼室に充填できる液体燃料である。

【0009】

特許文献６は、自着火燃焼形式の予混合圧縮着火エンジンであって、エンジンの設定出力を検出し、設定出力の増加に伴って、予混合気の当量比（燃料の供給量により設定）を増加させると共に、実圧縮比を減少させるとしている。エンジンの設定出力、言い換えれば要求されるエンジンの出力は、手動で、若しくはエンジンのクランク軸にかかる負荷を検出して設定される。この「クランク軸にかかる負荷」は、「設定出力、言換えれば要求されるエンジンの出力」であるので、エンジンが実際にアウトプットする出力軸の出力ではなく、エンジンに対して設定、要求される出力である。

【0010】

特許文献７には、副室式ガスエンジンにおいてガス燃料エンジンの出力は回転数及びトルクによって規定される旨が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０６０１１７

【特許文献2】欧州特許公開第２１３６０５４号

【特許文献3】特開昭６２−９９６０６号

【特許文献4】特許第５５０２０３３号

【特許文献5】特許第５３３８９７７号

【特許文献6】特開２００２−２１６０８号

【特許文献7】特開２０１３−１８５５１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

従来のガス燃料エンジンは、急速に出力を上昇させるためにガス燃料の供給量を早い割合で増やしても、過給機が追従できず必要空気量を供給できない。過給機は排気ガスで駆動されるため、ガス燃料エンジンの出力が上がって排気ガスが過給機に充分に供給されないと有効に働かないためである。空気量が足りないと空燃比がガスリッチになってノッキングが発生し、機関の故障につながる。そのノッキング抑制のために、過給機が追従できる速度で出力を上昇させると、出力の上昇（負荷上げ）に１０分程度の時間が必要である。なお、本明細書においては、原則としてエンジンが実際にアウトプットする仕事率については「出力」の語を、エンジンに対して設定、要求される仕事率については「負荷」の語を用いるが、多くの場合「出力」＝「負荷」であり、慣用的に「出力」の替わりに「負荷」の語を用いる（またはその逆の）ことがある。

【0013】

一方で、船舶用機関においても有害排気ガスの排出規制が年々厳しくなっており、燃料由来による有害排気ガスの排出量が少なく排出規制を満足することができるデュアルフューエルエンジンを導入することが要望されている。しかし、このようなデュアルフューエルエンジンの導入のためには、船舶用機関の運転モードを満たすために負荷上げ時間を２０秒程度にまで短縮する必要があった。

【0014】

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ガス燃料エンジンの出力を上昇させる際に発生するノッキングを抑制して負荷上げ時間を短縮できると共に、バルブオーバーラップ中の未燃ガス燃料の吹き抜けによる燃費悪化のないエンジンの制御方法とエンジンシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

すなわち、本発明者らは、各ＶＩＶＴ角度で燃料ガス供給弁の開弁（供給開始）タイミングを変更して、ＴＨＣ濃度、燃焼状態から最適値を決定し、ＶＩＶＴ角度に応じて燃料ガス供給弁の開弁タイミングを設定することにより、ガス燃料エンジンの出力を上昇させる際に発生するノッキングを抑制して負荷上げ時間を短縮することができ、更にはトルクリッチ領域、トルクプア領域において燃料ガス供給弁の開弁タイミングに起因していた燃焼変動、回転速度ハンチングを改善できることを見いだし本発明に至った。

【0016】

本発明によるエンジンの制御方法は、ガスを燃料とするエンジンの制御方法であって、エンジンの出力の増加に伴い、吸気弁が閉じるタイミングを吸入下死点からの進角を調整することで燃焼室内における混合気の圧縮比を下げる制御を行うと共に、進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させ、前記吸気弁が閉じるタイミングの進角が進むほど、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングの進角の度合いが、より大きくなり、前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として開弁期間を設定することで決定されることを特徴とする。

【0017】

エンジンのノッキング抑制技術として、可変吸気弁タイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ；ＶＩＶＴ）機構を用いて有効圧縮比を下げることができる。この点についてノッキング抑制技術を図１９Ａ、１９Ｂより説明する。図１９Ａは通常の４ストロークサイクルの工程を示し、図１９Ｂはミラーサイクルの工程を示している。
例えばガス燃料エンジンにおいて、通常、吸気弁はピストンの下死点に閉まる（図１９Ａ参照）。一方、図１９Ｂに示すように閉まるタイミングを下死点より早くすると、吸気弁の閉弁後にも混合気の膨張が続くため、筒内温度Ｔｓが図１９Ａの場合より下がる（Ｔｓ＊＜Ｔｓ）。その分だけ上死点時の最高圧縮温度も低下することより（Ｔｃ＊＜Ｔｃ）、自着火を防ぐことができてノッキングが抑制される。
ミラーサイクルの欠点として、圧縮温度が下がって低負荷域の着火性が悪化するため、起動時や低負荷時には図１９Ａに示す通常の吸気弁の開弁タイミングに戻し、高負荷時のみ吸気弁の開弁タイミングを早くする必要がある。

【0018】

本発明によるエンジンの制御方法では、ガス燃料の供給量を増やして出力を増大させるガス燃料エンジンにおいて、吸気弁が閉じるタイミングを吸入下死点から進める（進角）ことで、エンジンの燃焼室内における混合気の圧縮比を下げる制御を行う。圧縮比を下げることで圧縮時の燃焼室内の温度が低くなるためノッキングを抑制することができる。
なお、燃焼室内で混合気の圧縮比を下げると、起動時や低出力時では着火性が悪化する上に燃焼効率の点で有利な条件から離れてしまい、燃費が悪化するデメリットが生じる。そこで、本発明では、よりノッキングが生じ易い出力がより高い運転領域において吸気弁が閉じるタイミングをより大きく変更させて、より大きい割合で圧縮比を下げる制御を行う。これにより、出力の変化に応じてノッキングを抑制させ、燃費の悪化を防止しつつ負荷上げ時間を短縮させることができる。しかも、吸気弁の進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させることで、吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ時に未燃焼燃料ガスの吹き抜けを少なくすることができる。

【0020】

また、燃料ガス供給弁の前記開弁期間は、目標回転速度と実回転速度の偏差に基づいて算出されることが好ましい。
エンジンの目標回転速度と実回転速度の偏差に基づいて例えばＰＩＤ制御などのフィードバック制御によって燃料ガス供給弁の開弁期間を算出する。燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点としてこの開弁期間を設定することで、燃料ガス供給弁の閉弁タイミングを決定することができる。

【0021】

また、吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、燃料ガスの供給圧力を高くすることが好ましい。
吸気弁の閉弁タイミングの進角に応じて燃料ガスの供給圧力を高くすることで出力を維持するための適正なガス燃料の量を開弁期間内に供給することができる。

【0022】

また、吸気弁が閉じるタイミングの進角に伴って、エンジンの点火タイミングを進角させることが好ましい。
吸気弁の閉弁タイミングの進角に応じ、ＮＯｘが所定値に収まる範囲において点火タイミングを進角することで、熱効率を高くすることができる。

【0023】

また、点火タイミングの進角度合いは、予め測定したエンジンの出力と回転速度とをパラメータとして設定したトルクリッチ領域とトルクプア領域の境界である舶用三乗特性線をピークとし、トルクリッチ領域においては舶用三乗特性線より進角度合いが減じられてもよい。
この場合でも、吸気弁が閉じるタイミングを進角する前よりも舶用三乗特性線をピークとしてトルクリッチ領域とトルクプア領域の前領域内で点火タイミングが進角するため、全体にＮＯｘを規制範囲内に抑えると共に熱効率が高くなるという利点がある。なお、「舶用三乗特性」とは、出力が回転速度の三乗に比例する舶用主機関の特性であるが、実船では正確に三乗に比例するとは限らず、ある程度のずれが生ずる。

【0024】

また、エンジンの出力は、エンジンの出力軸のトルクをトルクセンサで測定したトルク測定値と、エンジンの出力軸の回転速度を回転速度センサで測定した回転速度測定値と、から求めた出力軸の出力値であることが好ましい。
本発明によるエンジンでは、燃料となるガスは弾性体であるため液体燃料に比べて正確な燃料の供給量を得ることが相対的に難しい。そこで、トルクセンサにより実際にトルクの測定を行うことで回転速度との関係で出力を演算するが好ましい。しかも、回転速度センサを備えることで得られる出力軸の回転速度の測定値とトルクセンサによるトルク測定値の積をとることで、エンジンの出力軸の出力（負荷）をリアルタイムに求めることができる。そのため、エンジンの吸気弁の閉じるタイミングの進角と燃料ガス供給弁の開弁タイミングの進角とを精度良く設定できるため、出力が増大しても燃焼効率を向上させて適切にガス燃料エンジンの運転が行える。

【0025】

また、吸気弁が閉じるタイミングの進角は、予め測定した複数の出力軸の出力値及び回転速度のデータをパラメータとして設定した進角の値から設定されることが好ましい。
吸気弁の閉じるタイミングの進角の好適な値は、出力が大きい場合により大きくなるが、これに加えて回転速度にも依存する。そのため、少なくともこれら二種のパラメータを含むマップを予め作成し、エンジンの出力と回転速度の変化に応じて吸気弁の閉じるタイミングの進角を制御することでノッキングをより抑制できる。

【0026】

本発明によるエンジンシステムは、ガスを燃料とする４ストロークのエンジンを備えたエンジンシステムであって、エンジンの出力軸の出力が増大した場合にエンジンの吸気弁が閉じるタイミングを進角させると共に、その進角の変化に対応して、燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させる制御部と、制御部で設定された前記吸気弁の閉じるタイミングに応じて吸気弁が閉じるタイミングを変更させる可変吸気弁タイミング機構と、制御部で設定された吸気弁の進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させる燃料ガス供給弁タイミング機構とを備え、エンジンの出力軸の出力の増大に伴い、可変吸気弁タイミング機構によってエンジン内のガスと空気の混合気の圧縮比をより下げる制御を行い、前記燃料ガス供給弁の閉弁タイミングは、前記燃料ガス供給弁の開弁期間を算出するガス供給時間算出部と、前記燃料ガス供給弁の開弁タイミングを起点として前記開弁期間に基づいて前記燃料ガス供給弁による燃料ガスの閉弁タイミングを指示するガス供給弁制御部と、によって設定されたことを特徴とする。
本発明によるエンジンシステムの制御方法では、ガス燃料の供給量を増やしてエンジンの出力軸の出力が増大した場合に、吸気弁が閉じるタイミングを吸入下死点から進角することで、エンジンの燃焼室内における混合気の圧縮比を下げる制御を行う。圧縮比を下げることで圧縮時の燃焼室内の温度が低くなるためノッキングを抑制することができる。
しかも、本発明では、よりノッキングが生じ易い出力がより高い運転領域において吸気弁が閉じるタイミングをより大きく変更させて、より大きい割合で圧縮比を下げる制御を行う。これにより、出力の変化に応じてノッキングを抑制させ、燃費の悪化を防止しつつ負荷上げ時間を短縮させることができる。しかも、吸気弁の進角の変化に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させることで、吸気弁閉じのクランク角度に対して吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ時に未燃焼燃料ガスの吹き抜けを少なくすることができる。

【0027】

また、エンジンの出力軸のトルクを測定するトルクセンサと、エンジンの出力軸の回転速度を測定する回転速度センサとを備え、トルクセンサによるトルク測定値と回転速度センサによる回転速度測定値から出力軸の出力を求めて、制御部における吸気弁の閉じるタイミングの変更を設定することが好ましい。
本発明によるガス燃料エンジンでは、燃料となるガスは弾性体であるため液体燃料に比べて正確な燃料の供給量を得ることが相対的に難しい。そこで、トルクセンサにより実際にトルクの測定を行うことで回転速度との関係で出力を演算するが好ましい。しかも、回転速度センサを備えることで得られる出力軸の回転速度測定値とトルクセンサによるトルク測定値の積をとることで、エンジンの出力軸の出力をリアルタイムに求めることができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明によるエンジンの制御方法とエンジンシステムによれば、エンジンの出力軸の出力が増大した場合にエンジン内の混合気の圧縮比を下げることができるため、負荷上げ時のノッキングを抑制すると共に負荷上げ時間を短縮できる。
しかも、吸気弁の進角の調整に対応して燃料ガス供給弁の開弁タイミングを進角させるため、燃料ガス供給弁の開弁タイミングに起因していた燃焼変動、回転速度ハンチングを改善し、適切にガス燃料エンジンの運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の実施形態による舶用デュアルフューエルエンジンの要部構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示すデュアルフューエルエンジンにおけるディーゼルモードとガスモードを示す図である。

【図3】出力と回転速度とＶＩＶＴ指令値との関係を示す３次元マップである。

【図4】出力と回転速度と吸気弁の閉弁タイミングとの関係を示す３次元マップである。

【図5】出力軸の回転速度が一定の場合と変化する場合において、出力と最適なＶＩＶＴ指令値との関係を示すグラフである。

【図6】ＶＩＶＴ指令値が種々異なる場合における燃料ガス供給弁の開弁タイミングとＴＨＣ濃度との関係を示すグラフである。

【図7】出力軸の回転速度が一定の場合と変化する場合において、出力と燃料ガス供給弁の開弁タイミングとの関係を示すグラフである。

【図8】ＶＩＶＴ指令値に対応する燃料ガス供給開始時期を示すグラフである。

【図9】舶用デュアルフューエルエンジンのＰＩＤ制御を行う制御装置の構成を示す図である。

【図10】実回転速度を目標回転速度になるようＰＩＤ制御する工程を示す図である。

【図11】通常時と進角時における吸気弁と燃料ガス供給弁の開閉動作のタイミングチャートである。

【図12】出力と燃料ガス供給弁の開弁期間と燃料ガスの圧力ΔＰとの関係を示す図である。

【図13】出力と回転速度と燃料ガスの圧力ΔＰとの関係を示す３次元マップである。

【図14】空燃比に対応するＮＯｘの変化と使用可能範囲を示すグラフである。

【図15】回転速度と出力と給気圧力との関係を示す３次元マップである。

【図16】吸気弁閉じタイミングが一定の場合と進角の場合とにおける出力と給気圧力との関係を示すグラフである。

【図17】回転速度と出力と点火タイミングとの関係を示す３次元マップである。

【図18】点火タイミング変更時のＮＯｘと熱効率との関係を示すグラフである。

【図19A】エンジンの燃焼サイクルの通常のサイクルの工程図である。

【図19B】エンジンの燃焼サイクルのミラーサイクルの工程図である。

【図20】従来の可変吸気弁タイミング機構の一例を示す斜視図である。

【図21】従来の可変吸気弁タイミング機構の一例を示す正面図である。

【図22】従来の可変吸気弁タイミング機構の他の例を示す斜視図である。

【図23】従来の可変吸気弁タイミング機構の更に他の例を示す図である。

【図24】図２２に示す従来の可変吸気弁タイミング機構におけるアクチュエータとリンクシャフトの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の実施形態によるエンジンとして、舶用エンジンとして用いる例えば４ストロークのデュアルフューエルエンジン１について添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す舶用のデュアルフューエルエンジン１(以下、単にエンジン１ということがある)はディーゼルモードＤとガスモードＧの各機関を備えており、運転中にディーゼルモードＤとガスモードＧとに切り換え可能な機関である。図１に示すデュアルフューエルエンジン１は、プロペラ等に連結された出力軸としてクランク軸２の機構を備えており、クランク軸２はシリンダーブロック３内に設置されたピストン４に連結されている。シリンダーブロック３内に設けたピストン４とエンジンヘッド５によって燃焼室６が形成されている。

【0031】

燃焼室６はエンジンヘッド５に装着されている吸気弁８及び排気弁９と、ディーゼルモードＤで使用する燃料噴射弁１０とによって密閉されている。また、エンジンヘッド５にはガスモードで使用するマイクロパイロット油噴射弁１１が設置されている。エンジンヘッド５の吸気弁８を設置した吸気口には吸気管１３が接続され、排気弁９を設置した排気口には排気管１４が設置されている。吸気管１３にはガス噴射を制御する電磁弁からなる燃料ガス供給弁１５が設置され、その上流側にはエアクーラ１６、排気管１４に連通する過給機１７が設置されている。

【0032】

ここで、本実施形態によるデュアルフューエルエンジン１は、図２に示すように、ディーゼルモードＤとガスモードＧとに切り換えて運転できる。ディーゼルモードＤでは、例えばＡ重油等を燃料油として燃料噴射弁１０から燃焼室６内の圧縮空気に機械的に噴射して着火し燃焼させることができる。ガスモードＧでは、天然ガス等の燃料ガスを燃料ガス供給弁１５で吸気管１３に供給して空気流と予混合して混合気を燃焼室６内に供給し、混合気の圧縮状態でマイクロパイロット油噴射弁１１からパイロット燃料を噴射して着火し燃焼させる。マイクロパイロット油噴射弁１１は例えば電子制御されていて強力な点火源としてパイロット燃料を少量噴射する。燃料ガス供給弁１５は、わずかなストロークで大きな開口を形成して短時間で大量のガスを流せる電磁弁である。

【0033】

エンジン１は、燃料噴射弁１０より液体燃料を燃焼室６内に噴射するディーゼルモードＤで始動を行う。エンジン１に基準値以上のガス圧力が供給されていることが確認された後、燃料ガス供給弁１５でガス燃料を吸気管１３に供給して空気と混合してから燃焼室６内に流入させ、ガス燃料を燃焼させるガスモードＧで運転を行う。
停止の際には再びディーゼルモードＤに変更してから停止を行う。始動時と停止時以外はディーゼルモードＤとガスモードＧを変更可能である。

【0034】

本実施形態によるデュアルフューエルエンジン１はガスモードＧにおいて負荷上昇時の出力制御を行うガスエンジンシステムを備えている。このガスエンジンシステムの構造について更に説明する。
図１において、クランク軸２には回転速度センサ２０とトルクセンサ２１とが取付けられており、回転速度センサ２０ではクランク軸２の 回転速度（回転数)を計測し、トルクセンサ２１ではエンジントルクを計測する。トルクセンサ２１として、例えば軸にかかるトルクを歪によって検出するセンサが使用可能である。回転速度センサ２０とトルクセンサ２１で計測した測定データはエンジン１を制御する制御部２２にそれぞれ信号出力する。
制御部２２では、回転速度センサ２０とトルクセンサ２１などからの信号に基づいてエンジン１の運転状態を検出する。即ち、回転速度センサ２０で計測したクランク軸２の回転速度（回転数）をｎとし、トルクセンサ２１で計測したトルクをＴとして、下記の式（１）と式（２）でエンジン１の出力（負荷）Ａを演算する。但し、Ｌｔはエンジン１の定格出力とする。
出力Ｌｏ＝２πＴｎ／６０ （１）
出力（負荷）Ａ＝Ｌｏ／Ｌｔ×１００ （２）

【0035】

なお、エンジン１の出力（負荷）を求める方法として、燃料の供給量その他のエンジン１の運転状態に関する情報から推測する方法と、エンジン１の出力軸の動力伝達系統にトルクセンサ２１を備えて、実際にトルクの測定を行って出力を求める方法がある。ガス燃料エンジンでは、燃料となるガスは弾性体であるため液体燃料に比べて正確な燃料の供給量を得ることが相対的に難しい。そこで、トルクセンサ２１によって実際にトルクの測定を行うことで出力を演算することが好ましい。
また、回転速度ｎを一定にした場合には、出力Ａとトルク測定値Ｔは正比例の関係になる。回転速度ｎが一定の条件においては、出力Ａが大きいほど、すなわちトルクデータＴが大きいほど、より大きい割合で吸気弁８の閉じるタイミングの進角を設定することが望ましい。

【0036】

制御部２２では、予め作成された吸気弁開閉タイミングの第一電気信号を決定する第一マップ２４と第一電気信号に対応する開閉タイミングを決定する第二マップ２５とが記憶されている。制御部２２では、回転速度センサ２０とトルクセンサ２１によって測定されたエンジン１の出力Ａに対応する回転速度データｎとトルクデータＴに基づいて、上記（１）及び（２）式によりエンジン１の出力Ａを演算する。そして、回転速度ｎと出力Ａにより第一マップ２４で吸気弁８の開閉タイミングに対応する第一電気信号を選択する。この第一電気信号に基づいて第二マップ２５で第一電気信号に対応する吸気弁８の開閉タイミングが決定される。なお、第一マップ２４と第二マップ２５の作成方法は後述する。
制御部２２で設定された開閉タイミングの第二電気信号は電空変換器２７に送信され、電空変換器２７で開閉タイミングの信号が空気圧力に変換される。この空気圧力はアクチュエータ２８に送られて可変吸気弁タイミング機構３０の駆動を制御する。アクチュエータ２８には第一減圧レギュレータ３４と電空変換器２７から駆動用と制御用の空気圧力Ｐ１，Ｐ２が供給される。

【0037】

なお、アクチュエータ２８に供給する空気圧力は空気圧縮機３２で圧縮されてエアタンク３３に貯められる。エアタンク３３内の空気圧力は第一減圧レギュレータ３４により必要な圧力に減圧される。この際の圧力は第一減圧レギュレータ３４のバルブ開度を変更することより調整し、駆動用の空気圧力Ｐ１としてアクチュエータ２８に供給される。圧力計３６で計測された圧力Ｐ１が規定値以下の場合には、エンジン１は始動できない。
電空変換器２７を駆動するための空気圧力は、第一減圧レギュレータ３４から第二減圧レギュレータ３７でさらに減圧されて供給される。電空変換器２７は入力される開閉タイミングの第二電気信号に対応する空気圧力を、アクチュエータ２８の動作を調整するための空気圧力Ｐ２としてアクチュエータ２８に供給する。これらの空気圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいてアクチュエータ２８のロッド２８ａを動作して可変吸気弁タイミング機構３０を作動させる。

【0038】

アクチュエータ２８は例えば公知のＰシリンダ（ポジショナリ付きシリンダ）であり、第一減圧レギュレータ３４と電空変換器２７から入力される圧力Ｐ１、Ｐ２に基づいてロッド２８ａの進退を制御する。アクチュエータ２８のロッド２８ａの移動長さを変化させることで、可変吸気弁タイミング機構３０の駆動を制御して吸気弁８の閉じるタイミングを吸入下死点から進める（進角）か、または遅らせる（遅角）させることで、圧縮比を下げて制御を行う。
吸気弁８の開弁タイミングと閉弁タイミングの間の時間は変わらないので開弁のタイミングが吸入下死点から進むと閉弁のタイミングも吸入上死点から同一時間進む。しかも、本発明ではエンジン１の出力に応じて開弁と閉弁のタイミングを変更することでノッキングを抑制して負荷上げ時間を短縮させるようにした。エンジン１の出力Ａと回転速度ｎに基づいて制御部２２内の第一マップ２４と第二マップ２５により吸気弁８の開閉タイミングを設定し、アクチュエータ２８と可変吸気弁タイミング機構３０によって吸気弁８の開弁と閉弁のタイミングを、ノッキングを抑制できるように調整している。

【0039】

可変吸気弁タイミング機構３０の構成は従来公知のものであり、図２０乃至図２４に示すものと同様な構造を備えている。即ち、可変吸気弁タイミング機構３０は例えばアクチュエータ２８のロッド２８ａの移動長さによって扇形ギヤを介して回転角度範囲が設定されるリンクシャフトと偏心カムを備えたカム軸とが平行に配設されている。リンクシャフトには排気用スイングアームが接続され、リンクシャフトの偏心した位置に設けたタペット軸に吸気用スイングアームが接続されている。吸気用スイングアームにはプッシュロッドとロッカアームを介して吸気弁８が接続され、排気用スイングアームにはプッシュロッドとロッカアームを介して排気弁９が接続されている。

【0040】

リンクシャフトの回転に応じたタペット軸の回転角度によってカム軸と吸気用スイングアームとの距離が変化し、カム軸の偏心カムが当たり始めるタイミングが変化する。これによって閉弁タイミングを進角（または遅角）に変更できる。タペット軸からカム軸中心までの距離が離れるほど吸気弁８の閉弁タイミングが早くなる。タペット軸の回転角度は、アクチュエータ２８のロッド２８ａの移動長さによって変更される。ロッド２８ａの移動長さは、アクチュエータ２８に供給される制御用空気の圧力Ｐ１，Ｐ２によって任意に変更される。
吸気弁８の閉開タイミングである進角の大きさは、リンクシャフトのタペット軸に連結された吸気用スイングアームにカム軸の偏心カムが当たり始めるタイミングで決まる。

【0041】

なお、可変吸気弁タイミング機構３０におけるタペット軸の回転装置は、アクチュエータ２８に代えて、図示しないサーボモータを使用してもよい。この場合、制御部２２の第二マップ２５から発信された開閉タイミングの信号をサーボモータに入力させる。サーボモータは受けた信号に対応する量だけリンクシャフトを回転させてタペット軸を旋回させることでカム軸に対して接近離間させ、吸気弁８の開閉タイミングを変更することができる。なお、サーボモータを用いた場合、アクチュエータ２８と空気圧縮機３２〜圧力計３８までの構成は不要である。また、電空変換器２７に代えてコントローラでサーボモータを駆動させることになる。

【0042】

また、吸気管１３にガス噴射を制御する燃料ガス供給弁１５へのガス燃料の供給機構について説明する。図１において、天然ガス等のガス燃料が貯蔵されたＬＮＧガスタンク４０からガス燃料がガス気化器４１に供給され、更にガス圧力はガスレギュレータ４２により必要なガス圧に減圧される。
この際のガス圧は燃料ガス圧力計４３に表示され、ガスレギュレータ４２のバルブ開度を変更することによって調整し、燃焼用のガス燃料として燃料ガス供給弁１５から吸気管１３内に供給される。吸気管１３内ではガス燃料とエアクーラ１６で冷却された過給の空気とが混合されて燃焼室６に供給される。負荷上げの際は、燃料ガス供給弁１５の動作によりガス燃料の供給量を増加させる。

【0043】

しかも、制御部２２で設定された開閉タイミングの第二電気信号は電空変換器２７とは別に燃料ガス供給タイミング手段４４を介して燃料ガス供給弁１５に送信される。燃料ガス供給タイミング手段４４は、燃料ガス供給弁１５を開弁してガス燃料を吸気管１３内に供給する開弁タイミングを吸気弁８の閉じるタイミングの進角に応じて進角させるように制御する。ガス圧を調整するガスレギュレータ４２と燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを進角させる燃料ガス供給タイミング手段４４とは燃料ガス供給弁タイミング機構４５に含まれる。
なお、燃料ガス供給タイミング手段４４は制御部２２の外部に設置されていてもよい。燃料ガス供給弁タイミング機構４５は第二マップ２５からの第二電気信号を受信して吸気弁８の閉じるタイミングの進角に応じて燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを進角させることができればよい。

【0044】

次に制御部２２内に記憶する第一マップ２４と第二マップ２５の作成方法について説明する。図３はクランク軸２の回転速度とエンジン１の出力（負荷率）により、ＶＩＶＴ指令値（吸気弁閉じクランク角度，Intake Valve Closed timing，IVC）である吸気弁８の閉弁時のクランク角度を決定する第一マップ２４の詳細を示す３次元マップである。
図３において、常用的（実用的）に運転される領域Ｂを破線で示している。これに対して、発電で行われる回転速度を一定にした場合の出力の変化に対するＶＩＶＴ指令値の変化（進角）を矢印線Ｃで示し、舶用で行われる回転速度と出力（負荷率）が同時に変化する場合のＶＩＶＴ指令値の変化（進角）を矢印線Ｄで示す。矢印線Ｄは舶用三乗特性を示している。舶用三乗特性は出力が回転速度の３乗に比例する舶用主機関の代表的な特性を示すものであり、機関の定格回転速度、定格出力によって決定する回転速度と出力の特性曲線である。そして、常用的な運転領域Ｂの領域内で舶用三乗特性線Ｄよりも出力（負荷率）が高い領域はトルクリッチ領域を示し、出力（負荷率）が低い領域はトルクプア領域を示す。

【0045】

第一マップ２４は次の実験手順（１）〜（１８）の行程に基づいて作成した。
実験には、実際に使用する同一機種のデュアルフューエルエンジン１を用いた。
（１）エンジン１を始動し、回転速度（回転数）ｎを４００ｍｉｎ^-１、出力（負荷）Ａを１０％、吸気弁８の閉弁タイミングを５４５ｄｅｇ（構造上、最も遅い閉弁タイミング）に設定する。
（２）そして、エンジン１の駆動時に発生したノッキングと呼ばれる異常燃焼とそのときの排気温度を計測する。
ノッキングは、各エンジンヘッド５に取付けた不図示のノックセンサにより発生を検出する。ノッキング現象発生時は，通常の燃焼波形に高周波の圧力変動が重なった波形となる。

【0046】

また、排気管１４に取付けた温度センサによりノッキング測定時の排気温度を測定する。
（３）上記のノッキング測定時の排気温度の測定終了後、吸気弁８の閉弁タイミングを５ｄｅｇ減少させ、再度（２）の計測を行う。閉弁タイミングを５００ｄｅｇ（構造上、最も早い閉弁タイミング）まで変更して計測を行う。
（４）上記（３）の計測が終了したら、出力Ａを１０％ずつ１１０％になるまで段階的に増加させて、再度（２）と（３）の計測を繰り返して行う。

【0047】

（５）上記（１）〜（４）の計測により、ノッキング強さが基準値以下であり、排気温度が５００℃以下である場合を、ノッキングが抑制されてエンジン１が安全に運転可能であると判断する。
（６）上記（５）の計測結果から、Ｘ軸が出力Ａ、Ｙ軸が回転速度ｎ、Ｚ軸が開閉タイミングに設定された図４の３次元グラフにおいて、安全に運転可能な計測点に●(黒丸)、安全ではない計測点に×をプロットする。これによって、出力Ａと回転数ｎと閉弁タイミングとの関係におけるノッキング抑制範囲を選定できる。
（７）上記（１）〜（６）の計測工程を、回転速度ｎを１００ｍｉｎ^-１ずつ９００ｍｉｎ^-１まで上昇して行い、回転速度ｎ毎の安全に運転できる範囲を計測する。

【0048】

（８）そして、上記（７）の計測結果を回転速度ｎ、出力Ａ、閉弁タイミングの３軸で表したグラフが図４である。図４で、直線で囲われた範囲はノッキングが抑制されてエンジン１が安全に運転可能な範囲である。
（９）次に上記（１）〜（８）の実験により計測した図４に示す安全にエンジンを運転できる直線で囲った３次元領域の範囲内で、窒素酸化物(以下、ＮＯｘという)が基準値以下であり、熱効率が一番高い設定を探すことを目的に更に実験を行う。
エンジン回転速度ｎを４００ｍｉｎ^-１、出力Ａを１０％、吸気弁８の閉弁タイミングを５４５ｄｅｇに設定する。

【0049】

（１０）次にＮＯｘと熱効率を計測する。ＮＯｘは排気管１４に取付けた排ガス分析器で計測を行う。熱効率は、燃料配管に取付けた燃料流量計から計測される燃料流量Ｌとトルクセンサ２１の計測結果より計算される出力Ａにより下記の（３）式で計算する。
熱効率η＝３６０Ｌｏ/Ｈ/Ｌ （３）
但し、Ｈ：燃料ガスの低位発熱量(Ｊ／Ｎｍ^３)
Ｌｏ：現時点の出力
Ｌ：燃料流量

【0050】

（１１）上記（１０）の測定終了後、吸気弁８の閉弁タイミングを５ｄｅｇずつ減少させ、再度（１０）の計測を行う。閉弁タイミングは５０５ｄｅｇまで変更して計測を行う（図９参照）。
（１２）上記（１０）と（１１）の計測が終了したら出力を１０％ずつ１１０％まで段階的に増加させ、再び（１０）及び（１１）の計測を繰り返して行う。閉弁タイミングは図４で示す安全に運転できる範囲内で変更する。

【0051】

（１３）上記（９）〜（１２）の計測を、回転速度ｎを１００ｍｉｎ^-１ずつ段階的に９００ｍｉｎ^-１まで上昇して行い、各回転速度毎の最も性能の良い計測点を決定する。
（１４）そして、ＮＯｘが所定値以下であり、熱効率が一番高い、吸気弁８の閉弁タイミングを各回転速度ｎと出力Ａ毎に設定する。この結果により、図３に示す第一マップの原案が作成される。

【0052】

（１５）さらに、任意の負荷上げパターンで回転速度ｎと出力Ａを上昇させてノッキングを検出する。負荷上げパターンとは出力Ａ（負荷率）と回転速度ｎの時間あたりの変化状態であり、舶用推進装置のプロペラ仕様(形状、回転数)によって変化する。
（１６）上記（１５）で検出されたノッキング強さが基準値以上であった計測点の閉弁タイミングを３ｄｅｇ減少させる。
（１７）つぎに、ノッキング強さが基準値以下になるまで、（１５）（１６）の工程を繰り返し、ノッキングが抑制された閉弁タイミングを決定する。閉弁タイミングを減少させると熱効率は悪化する。ＮＯｘ、ノッキング強さが基準値以下で熱効率が一番高い結果が得られた閉弁タイミングの設定を回転速度ｎ、出力Ａの設定値とする。
（１８）上記（１７）よりノッキングが抑制された閉弁タイミングを各回転速度ｎ、出力Ａでそれぞれ計測し、その結果により図３に示す最終的な第一マップ２４を作成した。

【0053】

図３には、回転速度と出力に応じたＶＩＶＴ指令値が、３次元平面のグラフで示されており、図中上側がより閉弁タイミングが進角する方向である。３次元平面上で、破線で示された領域が実際の船舶推進装置の運転で使用される実用的な運転領域であり、良好な負荷上げパターンの１例を舶用三乗特性線Ｄで示す。実用的な運転領域における負荷上げでは、機関の出力が大きくなるほど閉弁タイミングの進角を大きくする制御を行う。
舶用三乗特性線Ｄで示した良好な負荷上げパターンの１例では、回転速度と出力の小さい図中右下の位置では進角は最少とされ、回転速度と出力が増すに従って進角を大きくする。進角を大きくする比率は一定ではないが、全体として出力が増すほど進角は大きくされる。なお、出力（負荷率）はトルクと回転速度の積で求められるため、出力軸のトルクが増すほど進角を大きくすると表現することもできる。

【0054】

次に、第二マップ２５を下記の実験で作成した。
可変吸気弁タイミング機構３０がアクチュエータ２８によって回転制御されるとき、次の手順で第二マップ２５を作成する。
（１）アクチュエータ２８により閉弁タイミングを変更し、各閉弁タイミングに変更する際の圧力を計測する。
（２）電空変換器２７の仕様より上記（１）の圧力を供給する為に必要な第二電気信号を調査する。
（３）上記（１）及び（２）の結果から、横軸に上記第一マップ２４で選択した第一電気信号、縦軸に閉弁タイミング（第二電気信号）を示す第二マップ２５を作成する。

【0055】

なお、上記の説明はアクチュエータ２８を用いた場合であり、アクチュエータ２８に代えてサーボモータによって可変吸気弁タイミング機構３０を回転制御する場合には次のように行う。
（１）サーボモータに基づいて閉弁タイミングを変更し、各閉弁タイミングに変更する際の第二電気信号を計測する。
（２）上記（１）の結果により横軸に第一電気信号、縦軸に閉弁タイミング（第二電気信号）を示す第二マップ２５を作成する。
第二マップ２５は閉弁タイミング（第二電気信号）と第一電気信号との関係を表すマップである。

【0056】

図３に示す三次元マップにおいて、実線Ｃで示す発電用の特性線と舶用三乗特性線Ｄとで、出力によって最適なＶＩＶＴ指令値が異なる。即ち、図５に一例として示すように、出力が同一の場合でも回転速度が異なる場合には最適なＶＩＶＴ指令値の吸気弁閉じクランク角度が異なる。
本実施形態において、ＶＩＶＴ指令値の変化に対応して、即ち、各種の吸気弁閉じクランク角度に対して、吸気弁８と排気弁９のバルブオーバーラップ時による未燃焼燃料ガスの排気管１４への吹き抜けが少なくなるように燃料ガスを吸気管１３に供給する燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを設定する。そのために、先ず回転速度と出力に応じたＶＩＶＴ指令値を設定する。厳密に言えば、空燃比や点火時期も熱効率やＮＯｘを目安として最適な値に設定しておいた方が好ましいが、ここではエンジン１が安定して運転できているとしてこれらの条件は設定しない。

【0057】

燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを設定する一例として、舶用三乗特性線Ｄにおける最適ＶＩＶＴ指令値に合わせたエンジン運転条件での燃料ガス供給タイミング手段４４による燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングの決め方を以下に説明する。
まず、エンジンの出力（負荷率）を２５％、５０％、７５％、１００％とした各運転条件において、吸気弁８の開くタイミングを目安として燃料ガス供給弁１５から燃料ガスを供給するが、吸気管１３内に燃料ガスを供給することから、燃料ガスは瞬時に吸気弁８に到達しない。そのため、燃料ガス供給弁１５から吸気弁８までの距離を考慮した燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度位置を想定する。そして、燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングにおけるクランク角度位置をその前後で５ｄｅｇ刻みに変更して、その時の過給機１７のガスタービン出口の排ガス中の未燃焼ガスであるトータルハイドロカーボン濃度（ＴＨＣ濃度）を測定する。それぞれの運転条件においてＴＨＣ濃度の計測を繰り返して実施する。ＴＨＣ濃度は水素炎イオン化法（ＪＩＳ Ｂ ７９５６）で測定するのが好ましい。

【0058】

それぞれの条件に応じて燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを変更し、各ＶＩＶＴ指令値（吸気弁閉じクランク角度）を例えば４０％、６５％、８５％、１００％に設定して、各ＶＩＶＴ指令値における燃料ガス開弁タイミングと測定したＴＨＣ濃度との関係を示すと図６のようなる。
図６に示すように、燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングは、バルブオーバーラップ時に未燃焼燃料ガスの吹き抜けが少なく、ＴＨＣ濃度が最低になるクランク角度を基準とする。一方、出力変化によって急激に燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングが変化すると前述した燃焼変動や回転速度変動に繋がる。このため、出力に応じた燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングの変化量が極力小さい傾きになるように、選定した基準から±５ｄｅｇ．Ｃ．Ａの範囲内で最適な燃料ガス供給弁１５の燃料ガス開弁タイミングとなるクランク角度を選定し、それぞれの条件で最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングに対応するクランク角度を決定する。

【0059】

このようにして決定した、舶用三乗特性線Ｄの最適ＶＩＶＴ指令値における最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度と、出力（負荷率）の関係を、図７の「回転速度変化」の折れ線で示す。
同様に、図３の発電用特性線Ｃで行われる回転速度一定とした出力における最適ＶＩＶＴ指令値における最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度と、出力（負荷率）との関係を、図７の「回転速度一定」の折れ線で示す。
図７に示すように、最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングは、出力が同一であっても回転速度が変化する条件と回転速度一定の条件とでは異なった結果となる。

【0060】

しかしながら、舶用三乗特性線Ｄの最適ＶＩＶＴ指令値における最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度と、発電用特性線Ｃ（回転速度一定）の最適ＶＩＶＴ指令値における最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度とは、図８に示すように、出力に代えて、ＶＩＶＴ指令値を横軸にとって整理すると、一致した一つの線図特性を呈する。すなわち、最適燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングは出力に依存するものではなく、ＶＩＶＴ指定値（吸気弁閉じクランク角度）に依存することが判る。

【0061】

図８から明らかなように、可変吸気弁タイミング機構３０によって吸気弁８の閉弁時期を変更すると、吸気弁８の閉じるタイミングの進角が進むほど、燃料ガス供給弁１５の供給開始タイミングの進角の度合いがより大きくなる。
そのため燃料ガス供給タイミング手段４４により、各条件において決定した最適な燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングのクランク角度を、ＶＩＶＴ指令値を基準として設定することで、ＶＩＶＴ指令値による燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングの最適化を図ることができる。なお、図８において、計測していないＶＩＶＴ指令値や燃料ガス供給開始時期等については、測定点前後のデータを結ぶ近似線により決定すればよい。

【0062】

次に、燃料ガス供給弁１５による燃料ガス供給終了のタイミング制御について図９及び図１０により説明する。
図９は図１に示すエンジン１の要部構成を示すものである。図９において、制御部２２には外部に目標回転速度指令部５０が設置され、予め設定された目標回転速度が制御部２２に入力される。制御部２２のガス供給時間算出部５１では回転速度センサ２０の測定値により演算された実回転速度と目標回転速度との偏差に基づいて燃料ガス供給弁１５の開弁期間を直接的にＰＩＤ制御する。
ガス供給時間算出部５１に接続されたガス供給弁制御部５２では、燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを起点として開弁すべき時間を演算して燃料ガス供給弁１５に出力し、開弁すべき時間だけ燃料ガス供給弁１５を開弁させるようにフィードバック制御する。

【0063】

燃料ガス供給弁１５の閉弁タイミング制御は次のように行われる。即ち、図１０に示すように、制御部２２では目標回転速度指令部５０で設定された目標回転速度と実回転速度の偏差に基づいて、燃料ガス供給弁１５の開弁期間を直接的にＰＩＤ制御する。具体的には、目標回転速度と実回転速度の偏差に基づき、フィードバック制御により実回転速度が目標回転速度に追従するように各燃料ガス供給弁１５が開弁している時間を制御する。
ガス供給弁制御部５２では、燃料ガス供給弁１５の開弁タイミングを起点として算出された開弁期間に基づいて各燃料ガス供給弁１５の閉弁タイミングの制御を行う。制御部２２は、供給する燃料ガス量をあらかじめ演算せずに実回転速度が目標回転速度に一致するように、燃料ガス供給弁１５の開弁期間を直接的にＰＩＤ制御している。

【0064】

後述する燃料ガスの供給圧力制御は、エンジン１の出力と回転速度のデータをパラメータとして設定した圧力ΔＰ値に、吸気管１３内に設けた給気圧力計５４により検出した給気圧力を加えた値と、燃料ガス圧力計４３の値との偏差がなくなるように燃料ガスの圧力調整器５５をフィードバック制御する。

【0065】

上述した結果を表示した可変吸気弁タイミング機構３０の進角と燃料ガス供給タイミング手段４４による燃料ガス供給弁１５の供給開始及び終了のタイミングの関係を示すと図１１のようになる。
図１１において、エンジン１のクランク角度と吸気弁８及び排気弁９のバルブリフトとの関係を示している。吸気弁８の開閉作動を示す曲線において、実線で示すのはＶＩＶＴ（可変吸気バルブタイミング）指令値が０％の場合であり、一点鎖線で示すのは進角時（ＶＩＶＴ指令値が１００％）の場合の開閉作動イメージを示している。そして、ＶＩＶＴ指令値が０％の場合の燃料ガス供給弁１５の開弁期間に対して、進角時（ＶＩＶＴ指令値が１００％）の燃料ガス供給弁１５の開弁期間がより長くなる。

【0066】

また、吸気弁８の閉弁タイミングが進角するに従って燃料ガスの供給圧力を高くして燃料供給量を増大することが好ましい。そのため、図９において、吸気管１３内への燃料ガスの供給圧力は、吸気管１３内に設けた給気圧力計５４により検出した給気圧力に圧力ΔＰ値を加えた大きさに設定する。圧力ΔＰは後述のように予め測定した複数のエンジン１の出力と回転速度のデータをパラメータとして設定する。その結果、燃料ガス供給弁１５から供給する燃料ガスの供給圧力は、吸気弁８が閉じるタイミングの進角に伴って高くすることになる。

【0067】

燃料ガスの圧力ΔＰの設定の仕方について説明する。
図１２は出力と燃料ガス供給弁１５の開弁期間と圧力ΔＰとの関係を示す図である。エンジン１の運転条件を出力（負荷率）と回転速度をパラメータとして変化させて、各条件において圧力ΔPを変更し、各出力における圧力ΔＰと燃料ガス供給弁１５の開弁期間を得る。出力と回転速度に基づいて圧力ΔPを低く設定すると燃料ガス供給弁１５の開弁期間は長くなり、開弁期間が長すぎると吸気弁８が開いている間に適正なガス燃料を供給できなくなる。逆に、圧力ΔPを高く設定すると燃料ガス供給弁１５の開弁期間は短くなり、供給量の制御性が悪化してしまう。したがって、圧力ΔＰはエンジン１の運転状態に対して悪影響を与えない圧力ΔＰに設定する。

【0068】

回転速度をパラメータ化した際も同様の手順を繰り返して、圧力ΔPを決定する。図１２において、燃料ガス供給弁１５に関し、圧力ΔＰの上限を設定したことで開弁時間の下限値を設定し、圧力ΔＰの下限を設定したことで開弁期間の上限値を設定する。これら開弁期間の上限値と下限値の範囲内を変更可能幅として圧力ΔＰの設定値を適宜設定するものとし、好ましくは上限値と下限値の中央値を設定値とする。
なお、燃料ガスの供給圧力により混合気の分布は変化するため、燃焼状態にも注意を払う必要がある。図１２において、計測していない条件については計測点前後のデータを結ぶ近似線により決定すればよい。

【0069】

このようにして、出力（負荷率）と回転速度をパラメータとして、設定したΔPをプロットすると図１３のようになる。図１３に示す出力と回転速度と圧力ΔＰをパラメータとする三次元マップにおいて、破線で示す範囲が常用的（実用的）な運転領域であり、実線が舶用三乗特性を示している。
なお、燃料ガス供給圧力は圧力ΔPにより決定されるため、給気圧力が変化した場合は燃料ガスの供給圧力も変化する。すなわち、燃料ガス供給弁１５の上流と下流の差圧を設定していることを示し、燃料ガスの量は燃料ガス供給弁１５の前後の差圧と開弁期間により定まるため、給気圧力が変化した場合であっても、ここで決定した燃料ガス供給圧力と燃料ガス供給弁１５の開弁期間の関係に大きな影響はない。
図１３から明らかなように、エンジン１の出力（負荷率）が大きくなれば、すなわち吸気弁８が閉じるタイミングの進角に伴って、圧力ΔＰを含む燃料ガスの供給圧力も高くなる。

【0070】

次にエンジン１における給気圧力（空燃比）の決定の仕方について説明する。
上述した本実施形態によるＶＩＶＴ指令値（吸気弁閉じクランク角度）の変化に対応して、吸気管１３から吸気弁８に供給される給気圧力は、予め測定したエンジン１の出力と回転速度をパラメータとして設定した目標給気圧力によって、図９に示す過給機１７の例えばコンプレッサ側及びタービン側それぞれにバイパスラインを設けた流量調整弁を制御して、給気圧力を制御するようにした（例えば特願２０１６−０２７３５９号出願に示すもの参照）。なお、給気圧力の制御はこの制御方式に限定されない。従来公知の給気圧力制御方式でもよい。

【0071】

上述した給気圧力（空燃比）の決定方法について以下に説明する。
空燃比のベースとなる燃料の量は、上述した図１２、図１３に示す燃料ガスの供給圧力と燃料ガス供給弁１５の開弁期間との関係で決定されるものであり、エンジン１の所定の出力（負荷率）と回転速度で好適な燃料の量が定まる。空燃比は空気量と燃料ガス量の比で決定される。そのため、給気圧力を変更することで、燃焼室６に供給する空気量を変化させる。すなわち、空燃比は給気圧力によって調整する。
空燃比の設定の仕方は、エンジン１の運転条件を出力（負荷率）と回転速度をパラメータとして変化させて、例えば出力（負荷率）を２５％、５０％、７５％、１００％などに設定し、各種の空燃比（給気圧力）における熱効率とＮＯｘデータを測定して得る。そして、任意の出力及び回転速度において、空燃比を変更した場合におけるＮＯｘのデータ例を図１４に示す。

【0072】

図１４において、空燃比の変化に対応したＮＯｘデータの測定値を「計測データ」として曲線で示す。計測データにおいて、空燃比を小さく（給気圧力を低く）調整することでＮＯｘが増加することを認識できる。
ここで、ＮＯｘの値は用途により基準値が異なる。基準値は、例えば舶用では改正ＭＡＲＰＯＬ条約附属書ＶＩ規則１３に基づくＩＭＯ ＮＯｘ規制に基づき、陸用は大気汚染防止法などにより示されるＮＯｘ排出量により上限値と下限値が規制される。
空燃比の下限値は上述したＮＯｘ排出量の法規制に基づく上限値により制限される。ただし、ＮＯｘデータが上限の規制値に達する前にノッキングなどの異常燃焼が起こる場合には、異常燃焼が起こる直前の空燃比を下限値に設定する。
他方、空燃比を大きくしていくとＮＯｘは低下するものの、失火などによりエンジン１が安定運転できなくなる。そのため、安定運転を継続できる空燃比の上限を上限値に設定する。これらにより設定可能な空燃比の範囲が定まる。

【0073】

ここで、設定可能な空燃比の範囲を決定し、設定可能範囲の中間の空燃比を好適値として、その時の給気圧力を設定する。常用的に運用される範囲内の任意の出力と回転速度で同計測を繰り返す。言い換えると、各出力と回転速度の運転条件において、給気圧力（空燃比）を変更して目標となる性能を満足する好適な給気圧力（空燃比）を得る。
図１５は出力と回転速度に対応して設定した吸気圧力をプロットした三次元マップである。図中、破線で示す領域が常用的（実用的）な運転領域のイメージであり、その範囲内に実線で示す舶用三乗特性が設定されている。なお、計測していない条件については、計測点前後のデータを結ぶ近似線により決定すればよい。
図１５から明らかなように、エンジン１の出力が大きくなれば、すなわち吸気弁８が閉じるタイミングの進角に伴って、必要な給気圧力も高くなる。
以上述べたように、燃料ガス供給弁１５の供給開始及び終了のタイミング制御と燃料ガスの供給圧力制御と給気圧力制御によって、空燃比制御がなされる。

【0074】

なお、吸気弁８が閉じるタイミングを進角した場合、同一給気圧力では空燃比は小さくなる。このため、図１６に示す出力と吸気圧力との関係において、吸気弁８の閉じタイミングが一定である場合と比較すると、吸気弁８が閉じるタイミングの進角に伴って、出力増加に伴う最適な給気圧力の増加割合（増加の勾配）が、大きくなる。

【0075】

次にＶＩＶＴ指定値（吸気弁閉じタイミングのクランク角）の変化に対応して燃料の点火タイミングを変化させることが必要である。エンジン１の点火タイミングとは例えばマイクロパイロット油噴射弁１１による点火用の燃料油噴射タイミングであり、この点火タイミングは予め測定したエンジン１の出力値と回転数とのデータをパラメータとして設定した図１７に示す点火タイミングの値から設定される。

【0076】

この点火タイミングの決定方法について説明する。
エンジン１の運転条件を出力（負荷率）と回転数をパラメータとして変化させて、例えば負荷率２５％、５０％、７５％、１００％等の各種の点火タイミングの熱効率、ＮＯｘデータを得る。任意の出力、回転速度において、点火タイミングを変更した時の熱効率とＮＯｘのデータ例を示すと図１８のようになる。図１８に実線で示すように、点火タイミングを進角させていくとＮＯｘは増加し、熱効率は向上する関係にある。そのため、熱効率とＮＯｘとはトレードオフの関係にある。
上述したようにＮＯｘは所定の基準値があるため、給気圧力と同様の基準となるＮＯｘを満たす設定範囲内において、熱効率が最も高くなるように進角した点火タイミングを好適なタイミングとして設定する。

【0077】

ただし、ＮＯｘデータが所定の基準値に達する前にノッキング等の異常燃焼が始まる場合には、異常燃焼が始まる前の点火タイミングを好適な点火タイミングとする。マイクロパイロット油噴射弁１１の点火タイミングについて常用的に運用される範囲内において任意の出力と回転速度で計測を繰り返す。言い換えると、各「出力（負荷率）と回転速度」の運転条件において、点火タイミングを変更して目標となる性能を満足する点火タイミングを得るようにした。常用的に運用される範囲内における任意の回転速度及び出力で同じ調整を繰り返すことで点火タイミングを決定した。なお、計測していない条件については、計測点前後のデータを結ぶ近似線により決定すればよい。

【0078】

図１７から明らかなように、破線で示す常用的な運転領域の範囲内において舶用三乗特性のイメージを示す実線よりも出力が低い領域はトルクプア領域を示す。トルクプア領域においては、エンジン１の出力が大きくなれば、すなわち吸気弁８が閉じるタイミングの進角に伴って、エンジン１のマイクロパイロット油噴射弁１１の点火タイミングも進角する。

【0079】

他方、実線で示す舶用三乗特性線よりも出力が高い領域はトルクリッチ領域を示す。トルクリッチ領域内では、点火タイミングは常用的な運転領域の破線上をピークとし、その点火タイミングがピーク値に対して最大で３０〜５０％の範囲で進角度合いが減じられ得る。ただし、トルクプア領域及びトルクリッチ領域内であれば、同一回転速度においてはＶＩＶＴ指令値を進角していない場合よりも点火タイミングは進角した状態を維持できる。すなわち、ＶＩＶＴ指令値の吸気弁閉じクランク角の進角に伴って、点火タイミングも、舶用三乗特性を示す実線のライン上をピークとして進角される。トルクリッチ領域内で進角の度合いは減じられているものの、ＶＩＶＴ指令値を進角していない場合よりは、全体的にはエンジン１のマイクロパイロット油噴射弁１１の燃料噴射タイミング（点火タイミング）も進角する。

【0080】

上述したように、本発明の実施形態によるエンジン１の制御方法及びエンジン１によれば、常用的な運転領域において、排出される未燃ガス燃料を削減できるため、熱効率の向上とともに、温室効果ガスの削減など環境に対しても優位性を得られる。
また、エンジン１は出力が高くなるほど、空燃比に対する運転可能範囲が狭くなるため、安定した運転状態の維持は、特に舶用三乗特性よりも出力が高いトルクリッチ領域の運転範囲拡大に対して効果を得られる。
また、エンジン１の出力軸の出力が増大した場合にエンジン１内の混合気の圧縮比を下げることができるため、負荷上げ時のノッキングを抑制すると共に負荷上げ時間の短縮もできる。

【0081】

なお、本発明によるエンジンは、上述した実施形態によるデュアルフューエルエンジン１に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能である。以下に、本発明の変形例等について説明するが、上述した実施形態で説明した部品や部材等と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を省略する。

【0082】

本発明によるエンジンは、液体燃料を主な燃料とするディーゼルモードＤとガスを主な燃料とするガスモードＧの切換が可能なデュアルフューエルエンジン１に限定されることなく、ガスを燃料として使用するガス燃料エンジンにも適用できる。
しかも、舶用エンジンの負荷上げパターンに限定されることなく、車両用や非常用発電機などで活用できる負荷上げパターンにも適用できる。

【0083】

なお、上述した実施形態では、可変吸気弁タイミング機構３０は開弁タイミング及び閉弁タイミングの両方を変更し、吸気弁８が開いている時間は変更しなかったが、吸気弁８の閉弁タイミングと開弁タイミングのいずれか一方または両方を選択して変更制御してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0084】

本発明は、ガス燃料と空気の予混合気を用いて負荷上げ時にノッキングを抑制して負荷上げ時間を短縮できるようにしたエンジンの制御方法とエンジンシステムを提供する。

【符号の説明】

【0085】

１ デュアルフューエルエンジン
２ クランク軸
８ 吸気弁
９ 排気弁
１３ 吸気管
１４ 排気管
１５ 燃料ガス供給弁
１７ 過給機
２０ 回転速度センサ
２１ トルクセンサ
２２ 制御部
２４ 第一マップ
２５ 第二マップ
２７ 電空変換器
２８ アクチュエータ
３０ 可変吸気弁タイミング機構
４２ ガスレギュレータ
４４ 燃料ガス供給タイミング手段
４５ 燃料ガス供給弁タイミング機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】