柴油发动机的控制装置、柴油发动机及柴油发动机的控制方法

摘要

双燃料柴油发动机所具有的ECU在进行调速控制、负荷上升至切换负荷率的情况下，使油燃料的供给量的上升率比负荷上升至切换负荷率之前减少，且比负荷成为切换负荷率的时刻滞后地开始供给气体燃料。另外，ECU在负荷下降至切换负荷率的情况下，使油燃料的供给量比负荷下降至切换负荷率之前进一步下降，且比负荷成为切换负荷率的时刻滞后地停止供给气体燃料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴油发动机的控制装置、柴油发动机及柴油发动机的控制方法。

背景技术

已知有一种柴油发动机(以下称为“双燃料柴油发动机”)，以天然气等的气体燃料 作为主燃料，将压缩点火性良好的油燃料作为引火燃料，通过在高温下的燃烧室使油燃 料自点火，从而使主燃料即气体燃料燃烧。双燃料柴油发动机由于使用气体燃料，因此， 燃烧时CO₂少，黑烟等的有害物质排出少。

例如，专利文献1公开了一种这样的双燃料柴油发动机：以气体燃料等的压缩点火 性差的低十六辛烷值燃料作为主燃料，以压缩点火性良好的油燃料作为引火燃料。该专 利文献1的发动机具有设于气缸盖的气体燃料喷射阀及引火燃料喷射阀，通过从这些气 体燃料喷射阀及引火燃料喷射阀向燃烧室喷射气体燃料及引火燃料，从而在高温的燃烧 室使引火燃料自点火，由此使主燃料燃烧。

专利文献1：日本实用新型实开昭62-45339号公报

但是，专利文献1未具体公开向柴油发动机供给油燃料和气体燃料的供给方法。在 双燃料柴油发动机中，使用油燃料和气体燃料的稳定的运转成为问题。

发明内容

发明所要解决的课题

本发明是鉴于这种问题而做成的，其目的在于，提供一种柴油发动机的控制装置、 柴油发动机及柴油发动机的控制方法，使油燃料的使用量下降，且让使用油燃料和气体 燃料进行稳定的运转成为可能。

用于解决课题的手段

为实现上述目的，本发明的柴油发动机的控制装置、柴油发动机及柴油发动机的控 制方法采用如下的技术方案。

本发明的第一方式的柴油发动机的控制装置，是一种被供给气体燃料和油燃料而进 行运转的柴油发动机的控制装置，其特征在于，具有：调速控制构件，该调速控制构件 进行调速控制；以及燃料控制构件，在所述柴油发动机的负荷上升至规定值的情况下， 该燃料控制构件使所述油燃料的供给量的上升率比负荷上升至所述规定值之前减少，且 比负荷成为所述规定值的时刻滞后地开始供给所述气体燃料。

采用本结构，柴油发动机的控制装置对气体燃料和油燃料供给到柴油发动机的供给 量进行控制。气体燃料和油燃料的供给，利用调速控制构件进行调速控制。并且，当柴 油发动机的负荷上升至规定值时，从油燃料的单一燃烧状态切换成为油燃料和气体燃料 的混合燃烧状态。

但是，若在柴油发动机的负荷上升达到规定值的同时开始供给气体燃料，则柴油发 动机的负荷(转速)有可能急剧上升。在这种情况下，利用调速控制而减少燃料供给量 以使上升的负荷下降，但其结果，有可能产生负荷过度下降并再次上升的所谓震颤现象。 并且，当负荷过度下降且负荷再次成为规定值以下时，则气体燃料的供给停止。如此， 当产生震颤时，反复进行气体燃料的供给和停止，有可能产生频繁切换单一燃烧状态和 混合燃烧状态的现象。

因此，采用本结构，在柴油发动机的负荷上升至规定值的情况下，与负荷上升至规 定值之前相比，使油燃料的供给量的上升率减少且比负荷成为规定值的时刻滞后地开始 供给气体燃料。

使油燃料的供给量的上升率减少，就是负荷的上升比之前迟缓。并且，推迟气体燃 料的供给的时间，就是在负荷的迟缓上升时开始供给气体燃料，因此，负荷因气体燃料 的供给而急剧上升，产生震颤的现象得到抑制。

因此，本结构可降低油燃料的使用量，且让使用油燃料和气体燃料进行稳定的运转 成为可能。

在上述第一方式中，所述燃料控制构件较好的是，在负荷下降至所述规定值的情况 下，所述燃料控制构件使所述油燃料的供给量比负荷下降至所述规定值之前进一步下降， 且比负荷成为所述规定值的时刻滞后地停止供给所述气体燃料。

若在柴油发动机的负荷下降而达到规定值的同时使油燃料的供给量进一步下降且停 止气体燃料的供给，则柴油发动机的负荷(转速)有可能急剧下降。在这种情况下也产 生震颤，若负荷再次超过规定值，则有可能反复进行气体燃料的供给和停止，产生频繁 切换成单一燃烧状态和混合燃烧状态的现象。

因此，采用本结构，在负荷下降至规定值的情况下，使油燃料的供给量进一步下降 且比负荷成为规定值的时刻滞后地停止供给所述气体燃料。

由此，由于油燃料的供给量的下降和气体燃料的停止不是同时进行，因此，本结构 可抑制负荷急剧减少，可抑制产生震颤的现象。

本发明的第二方式的柴油发动机的控制装置，是一种被供给气体燃料和油燃料而进 行运转的柴油发动机的控制装置，其特征在于，具有：调速控制构件，该调速控制构件 进行调速控制；以及燃料控制构件，在所述柴油发动机的负荷上升至第1规定值的情况 下，该燃料控制构件从所述油燃料的单一燃烧状态切换到所述油燃料和所述气体燃料的 混合燃烧状态，在所述柴油发动机的负荷下降至比所述第1负荷小的第2规定值的情况 下，该燃料控制构件从所述混合燃烧状态切换到所述单一燃烧状态。

采用本结构，在柴油发动机的负荷上升至第1规定值的情况下，从油燃料的单一燃 烧状态切换到油燃料和气体燃料的混合燃烧状态。并且，在柴油发动机的负荷下降至比 第1负荷小的第2规定值的情况下，从混合燃烧状态切换到单一燃烧状态。由此，当从 单一燃烧状态切换到混合燃烧状态时，即使产生震颤而负荷下降，再次切换到单一燃烧 状态的现象也得到抑制。另外，当从混合燃烧状态切换到单一燃烧状态时，即使产生震 颤而负荷上升，再次切换到混合燃烧状态的现象也得到抑制。

因此，本结构可降低油燃料的使用量，且让使用油燃料和气体燃料进行稳定的运转 成为可能。

本发明的第三方式的柴油发动机，具有：将气体燃料喷射到燃烧室的气体燃料喷射 阀；将油燃料喷射到所述燃烧室的油燃料喷射阀；以及上述记载的控制装置。

本发明的第四方式的柴油发动机的控制方法，是一种被供给气体燃料和油燃料而进 行运转的柴油发动机的控制方法，其特征在于，包含：第1步骤，该第1步骤是在所述 柴油发动机的负荷上升至规定值的情况下，相比于负荷上升至所述规定值之前，使所述 油燃料的供给量的上升率减少的步骤；以及第2步骤，该第2步骤是比负荷成为所述规 定值的时刻滞后地开始供给所述气体燃料的步骤。

本发明的第五方式的柴油发动机的控制方法，是被供给气体燃料和油燃料而进行运 转的柴油发动机的控制方法，其特征在于，包含：第1步骤，该第1步骤是在所述柴油 发动机的负荷上升至第1规定值的情况下，从所述油燃料的单一燃烧状态切换到所述油 燃料和所述气体燃料的混合燃烧状态的步骤；以及第2步骤，该第2步骤是在所述柴油 发动机的负荷下降至比所述第1负荷小的第2规定值的情况下，从所述混合燃烧状态切 换到所述单一燃烧状态的步骤。

发明的效果

采用本发明，具有这样的优异效果：可减少油燃料的使用量，且让使用油燃料和气 体燃料进行稳定的运转成为可能。

附图说明

图1是本发明第1实施方式的双燃料柴油发动机的结构图。

图2是表示本发明第1实施方式的ECU的电气结构的方框图。

图3是表示本发明第1实施方式的油燃料和气体燃料的燃料控制指令之和与负荷率 之间关系的曲线图。

图4是表示在本发明第1实施方式的双燃料柴油发动机的负荷增加时的油燃料控制 指令的变化和气体燃料控制指令的变化的曲线图。

图5是表示本发明第1实施方式的双燃料柴油发动机的负荷增加时的时间变化的曲 线图。

图6是表示本发明第1实施方式的双燃料柴油发动机的负荷下降时的时间变化的曲 线图。

图7是表示本发明第1实施方式的双燃料柴油发动机的负荷下降时的气体燃料控制 指令的变化的曲线图。

图8是表示本发明第2实施方式的气体燃料控制指令的输出的开始和停止时刻的模 式图。

符号说明

1   双燃料柴油发动机

12  ECU

30  调速控制部

32  燃料控制部

具体实施方式

下面，参照说明书附图来说明本发明的柴油发动机的控制装置、柴油发动机及柴油 发动机的控制方法的一个实施方式。

[第1实施方式]

下面，说明本发明的第1实施方式。

本第1实施方式的柴油发动机，是一种使用气体燃料作为主燃料、使用油燃料作为 引火燃料进行运转的双燃料柴油发动机，用作为例如船舶的主机。

图1是本第1实施方式的双燃料柴油发动机1的结构图。

双燃料柴油发动机1具有：圆筒状的气缸2；与该气缸2的上端侧结合的气缸盖3； 以及进退自如地收容于气缸2内部的活塞4。并且，由这些气缸2的周壁2a、气缸盖3， 和活塞4的顶面4a形成燃烧室c。

另外，图中的符号5表示活塞环。

在气缸2的下方侧的周壁2a开口有扫气口6。该扫气口6，相比于位于下止点近旁 的活塞4的顶面4a(图中用双点划线所示)而形成在上方的位置，当活塞4位于下止点 近旁时，空气就从扫气口6被供给到燃烧室c。另外，排气口开口在气缸盖3的顶部，且 气缸盖3的顶部设有对该排气口进行开闭的排气阀7。在活塞4处于上升行程的扫气行程 时，活塞4到达上止点前约100°的位置为止，该排气阀7被打开。并且，利用从扫气口 6供给到燃烧室c的空气对残留于燃烧室c的前一行程的废气进行扫气。

在气缸盖3上设有将气体燃料喷射到燃烧室c的气体燃料喷射阀8，且同样设有将压 缩点火性良好的油燃料喷射到燃烧室c的油燃料喷射阀10。该气体燃料喷射阀8及油燃 料喷射阀10分别在以气缸中心o为旋转中心而沿圆周方向离开180°的位置各设有一个。

另外，在本第1实施方式中，气体燃料喷射阀8及油燃料喷射阀10分别设有四个喷 孔，但不限定气体燃料喷射阀8及油燃料喷射阀10的设置数量，例如也可是一个。但是， 对于在气缸盖3的顶部设置有排气阀7的本第1实施方式，较好的是沿圆周方向等间隔 地分别配置多个气体燃料喷射阀8及油燃料喷射阀10。

此外，气体燃料喷射阀8及油燃料喷射阀10，通过电缆14而与发动机控制单元(以 下称为“ECU”)12连接。

ECU12通过电缆16而与对曲柄轴17的旋转角进行检测的曲柄轴转角传感器15连接。 并且，通过从曲柄轴转角传感器15接受曲柄轴17的旋转角的信号，从而检测活塞4的 相位。另外，根据由ECU12发送的信号，气体燃料喷射阀8及油燃料喷射阀10在规定 的时刻将气体燃料及油燃料喷射到燃烧室c。

图2是表示第1实施方式的ECU12的电气结构的方框图。

ECU12具有调速控制部30及燃料控制部32。

调速控制部30被输入双燃料柴油发动机1的设定转速和实际转速，根据设定转速和 实际转速的差分而进行调速控制以使实际转速成为设定转速。另外，调速控制部30也可 根据设定负荷与实际负荷的差分而进行调速控制。另外，本第1实施方式的负荷特别规 定为如下的负荷率(负荷指标值)：将对双燃料柴油发动机1的最大负荷设为100％，该 负荷率从0至100之间进行变化。

燃料控制部32根据由调速控制部30输出的指令而输出燃料控制指令。

本第1实施方式的燃料控制部32具有油燃料控制部34及气体燃料控制部36。

油燃料控制部34根据由调速控制部30输出的指令，而利用规定的函数算出油燃料 控制指令，且将其输出到油燃料喷射阀10。

气体燃料控制部36根据由调速控制部30输出的指令，而利用规定的函数而算出气 体燃料控制指令，且将其输出到气体燃料喷射阀8。

图3是表示负荷率和燃料控制指令之间关系的曲线图。

图3所示的燃料控制指令，是油燃料控制指令和气体燃料控制指令之和。即，气体 燃料和油燃料的合计供给热量随负荷率的上升而上升。作为一例子，燃料控制指令与负 荷率成比例地上升。

燃料控制部32，在双燃料柴油发动机1的负荷超过规定值后开始气体燃料的供给。 并且，燃料控制部32用不同的控制量来控制气体燃料和油燃料，且如图3所示，根据负 荷的上升而使气体燃料和油燃料的合计供给热量上升。由此，ECU12可使双燃料柴油发 动机1的油燃料的使用量降低。另外，由于ECU12以不同的控制量来控制气体燃料和油 燃料，因此，可根据目的来控制不同的气体燃料和油燃料。

另外，在下面的说明，将上述规定值称为切换负荷率。在本第1实施方式中，作为 一例子而将切换负荷率设为20％，但切换负荷率不限于此，可任意设定。在切换负荷率 以下是低负荷运转的负荷率。

即，当双燃料柴油发动机1的负荷率上升，超过切换负荷率时，可从油燃料的单一 燃烧状态切换到油燃料和气体燃料的混合燃烧状态。

另一方面，在成为切换负荷率以上的双燃料柴油发动机1的负荷下降，且成为切换 负荷率以下的情况下，停止供给气体燃料，从混合燃烧状态切换到单一燃烧状态。

图4是表示本第1实施方式的双燃料柴油发动机1的负荷增加时的油燃料控制指令 的变化和气体燃料控制指令的变化的曲线图。

如图4所示，当负荷率超过切换负荷率时，与小于切换负荷率时相比，油燃料控制 指令的上升率减少。换言之，油燃料控制指令是从图3所示的燃料控制指令减去气体燃 料控制指令后的数值。通过该油燃料控制指令的减少，从而如图3所示，可保持燃料控 制指令与负荷率之间的关系。

另一方面，气体燃料控制指令比负荷成为切换负荷率的时刻更滞后地进行上升，开 始供给气体燃料。

该理由是因为，当在双燃料柴油发动机1的负荷上升且达到切换负荷率的同时开始 供给气体燃料，则双燃料柴油发动机1的负荷(转速)有可能急剧上升。在这样的情况 下，利用调速控制来减少燃料供给量，以使上升的负荷下降，但其结果，如图5所示， 有可能产生负荷过度下降并再次上升的所谓震颤现象。另外，图5中的实线表示即使是 混合燃烧状态也不产生震颤的负荷率与时间一起上升的情况。另一方面，图5中的虚线 表示为混合燃烧状态且产生震颤的情况。

并且，当负荷过度下降，负荷再次成为切换负荷率以下即产生负荷回动时，停止气 体燃料的供给。如此，当产生震颤现象时，反复进行气体燃料的供给和停止，有可能产 生频繁切换成单一燃烧状态和混合燃烧状态的现象。

因此，如上所述，在双燃料柴油发动机1的负荷上升至切换负荷率的情况下，相比 于负荷上升至切换负荷率前，燃料控制部32使油燃料的供给量的上升率减少，且比负荷 成为切换负荷率的时刻滞后地开始气体燃料的供给。另外，所谓的比负荷成为切换负荷 率的时刻滞后地开始气体燃料的供给，是例如当负荷指令在规定时间(图5中的滞后时 间ε1)中为设定值以上时，开始供给气体燃料。

使油燃料的供给量的上升率减少，就是负荷的上升比之前迟缓。并且，推迟气体燃 料的供给的时刻，就是在负荷缓慢上升时开始供给气体燃料，因而，负荷因气体燃料的 供给而急剧上升，产生震颤的现象得到抑制。

另外，使气体燃料控制指令上升的时刻的滞后时间ε1，设为即使因气体燃料的供给 开始而产生负荷回动(下降)，负荷率也不成为切换负荷率以下的时间。该滞后时间ε1例 如根据双燃料柴油发动机1的运转而利用经验或模拟实验来求出。

另外，当双燃料柴油发动机1的负荷下降而达到切换负荷率(20％)时，则如图4 所示，与负荷下降至切换负荷率之前相比，油燃料的供给量进一步下降。换言之，油燃 料的供给量的下降率变大。

因此，在双燃料柴油发动机1的负荷下降而达到切换负荷率的同时，若使油燃料的 供给量进一步下降并停止供给气体燃料，则双燃料柴油发动机1的负荷(转速)有可能 急剧下降(图6中的虚线)。在这种情况下也产生震颤，若负荷再次超过切换负荷率，则 有可能反复进行气体燃料的供给和停止，产生频繁切换成单一燃烧状态和混合燃烧状态 的现象。

因此，在负荷下降至切换负荷率的情况下，与负荷下降至切换负荷率之前相比，如 图4所示，燃料控制部32使油燃料的供给量进一步下降，且如图7所示比负荷成为切换 负荷率的时刻滞后地停止供给气体燃料。另外，所谓的比负荷成为切换负荷率的时刻滞 后地停止供给气体燃料，是例如当负荷指令在规定时间(图6中的滞后时间ε2)中成为 设定值以下时停止供给气体燃料。

由此，由于油燃料的供给量的下降和气体燃料的停止不是同时进行，因此，可抑制 负荷急剧减少而产生震颤的现象。

另外，停止输出气体燃料控制指令的时刻的滞后时间ε2，设为即使因气体燃料的供 给停止而产生负荷的回动(上升)，负荷率也不超过切换负荷率的时间。该滞后时间ε2例 如根据双燃料柴油发动机1的运转而利用经验或模拟实验来求出。

如此，本第1实施方式的ECU12对于气体燃料的供给开始(接通)和供给停止(断 开)的设定具有滞后性。

如以上说明那样，具有本第1实施方式的双燃料柴油发动机1的ECU12，在进行调 速控制、负荷上升至切换负荷率的情况下，相比于负荷上升至切换负荷率之前，使油燃 料的供给量的上升率减少，且比负荷成为切换负荷率的时刻滞后地开始供给气体燃料。 另外，在负荷下降至切换负荷率的情况下，相比于负荷下降至切换负荷率之前，ECU12 使油燃料的供给量进一步下降，且比负荷成为切换负荷率的时刻滞后地停止供给气体燃 料。

由此，ECU12可使油燃料的使用量减少，且让使用油燃料和气体燃料进行稳定的运 转成为可能。

[第2实施方式]

下面，说明本发明的第2实施方式。

本第2实施方式的双燃料柴油发动机1及ECU12的结构，由于与图1、图2所示的 第1实施方式的双燃料柴油发动机1及ECU12的结构相同，因此省略说明。

另外，本第2实施方式的ECU12在双燃料柴油发动机1的负荷上升至第1切换负荷 率的情况下，从油燃料的单一燃烧状态切换到油燃料和气体燃料的混合燃烧状态。另外， ECU12在双燃料柴油发动机1的负荷下降到比第1切换负荷率小的第2切换负荷率的情 况下，从混合燃烧状态切换到单一燃烧状态。

图8是表示第2实施方式的气体燃料控制指令的输出的开始及停止时刻的模式图。

如图8所示，在双燃料柴油发动机1的负荷上升到第1切换负荷率L1的情况下，从 气体燃料控制部36开始输出气体燃料控制指令。另一方面，在双燃料柴油发动机1的负 荷下降到第2切换负荷率L2的情况下，停止从气体燃料控制部36输出气体燃料控制指 令。

由此，当从单一燃烧状态切换到混合燃烧状态时，即使产生震颤而负荷下降，也可 抑制再次切换到单一燃烧状态。另外，当从混合燃烧状态切换到单一燃烧状态时，即使 产生震颤而负荷上升，也可抑制再次切换到混合燃烧状态。

因此，具有本第2实施方式的双燃料柴油发动机1的ECU12，可使油燃料的使用量 减少，且让使用油燃料和气体燃料而进行稳定的运转成为可能。

以上，用上述各实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式 所记载的范围。在不脱离本发明宗旨的范围内，可对上述各实施方式实施多种多样的变 更或改进，该变更或改进后的方式也包含在本发明的技术范围内。