发动机系统及其控制方法
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN201680082597.6 | 申请日 | 2016-03-14 |
| 公开(公告)号 | CN108699971B | 公开(公告)日 | 2021-10-26 |
| 申请人 | 株式会社IHI原动机; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 渡边孝一; 结城和广; | 第一发明人 | 渡边孝一 |
| 权利人 | 株式会社IHI原动机 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 株式会社IHI原动机 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份： | 城市 | 当前专利权人所在城市： |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：日本东京都 | 邮编 | 当前专利权人邮编： |
| 主IPC国际分类 | F02D13/02 | 所有IPC国际分类 | F02D13/02 ; F02D15/00 ; F02D19/02 ; F02D29/02 ; F02D45/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 4 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 北京安信方达知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 崔丽娟; 郑霞; |
| 摘要 | 在用于 船舶 的双 燃料 发动机 (1)的燃气模式下，使 燃料气体 与空气的混合气体在 燃烧室 燃烧。当该发动机(1)的负荷增大时，根据 曲轴 (2)的转速 传感器 (20)和 扭矩 传感器(21)所测定的转速和扭矩的数据，通过控制部(22)运算出负荷。基于转速和负荷的数据，根据第一图表(24)和第二图表(25)，以提前 角 设置吸气 阀 (8)的 开关 时间。利用电空转换器(27)将开关时间的第二电 信号 转换成压 力 ，操作促动器(28)以调整杆的移动量。根据杆的移动量，操作可变吸气阀正时机构(30)，将吸气阀(8)的开关时间作为提前角进行调整，进行降低混合气体的压缩比的控制。通过预设的第一图表和第二图表来设置吸气阀(8)的开关时间的提前角，由此可以防止 爆震 ，并提高负荷提升速度。 | ||
| 权利要求 | 1.一种发动机系统，包括以燃气为燃料的四冲程发动机，其特征在于，所述发动机系统驱动船舶推进用的螺旋桨并且包括： |
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| 说明书全文 | 发动机系统及其控制方法技术领域背景技术[0002] 目前，作为使用燃气燃料的发动机系统的一个示例，已知有天然气等燃气燃料和重油等液体燃料皆可使用的双燃料发动机。另外，人们知道，在内燃机中，可以使用可变气门正时机构来适当地控制装置性能，该控制也包括通过降低混合气体的有效压缩比而产生的效果。作为具有可变气门正时机构的内燃机，例如已知有下述专利文献1～6记载的内燃机。 [0003] 例如专利文献1记载的改变内燃机中的吸气阀的开阀时间的可变气门正时装置设置于汽油发动机中。该内燃机设置成具有增压器和可变气门正时装置，设置增压器的目标增压，并且当内燃机的负荷在规定的高负荷区域时，目标关阀时间设定为使燃烧循环中的膨胀比高于压缩比，且检测的内燃机的负荷越高，膨胀比越接近压缩比。由此，可以抑制增压的增大，扩大爆震开始发生的极限。而且，利用应用了主吸气凸轮和副吸气凸轮这两个凸轮的机构，改变两个凸轮的相位，以此来改变开阀的时间和关阀的时间。 [0004] 另外，专利文献2记载的双燃料发动机在预混合燃烧方式运行时抑制压缩比以防止爆震发生，并且在扩散燃烧方式运行时以更高的压缩比运行，以提高热效率和燃料点火性。具有吸气阀驱动单元和曲轴转角检测单元，在预混合燃烧模式(燃气发动机模式)运行时，输出使吸气阀的关阀时间比扩散燃烧模式运行时提前的信号。 [0005] 专利文献2的预混合燃烧模式下，将吸气阀的关阀时间设置在下死点前60°～70°的规定位置，在预混合燃烧模式中不改变提前角。 [0006] 另外，专利文献3记载的内燃机通过排气阀的提前角使排气阀的开阀和关阀时间提前，让燃烧室内的废气的一部分向吸气口逆流，以此改善内燃机的燃烧状态。具有检测机器主体输出的输出扭矩的扭矩检测单元，当预测到检测的输出扭矩小于极限扭矩时，禁止执行排气早关控制。由此，可以防止发生引起驾驶性能恶化和发动机停转的扭矩变动。 [0007] 另外，可变气门正时机构的具体构成示例，记载在下述专利文献4～6中。 [0008] 专利文献4记载的可变气门正时机构100的驱动机构如图11A、11B所示，具有连杆机构101和促动器102。连杆机构101中，与发动机排气阀的推杆(プッシュロッド)连结的排气阀摇臂103由连杆轴104支撑，与吸气阀的推杆连结的吸气阀摇臂105由从连杆轴104偏离的偏心轴部的挺杆轴(タペット軸)106支撑。 [0010] 若将图11B所示的位置作为活塞杆109的弹出动作前，则通过促动器102引起的活塞杆109的弹出动作(飛び出し動作)，从而使连结的所有摇臂105、103向一方旋转。因此，可以利用促动器102，通过连杆机构101来控制所有的摇臂105、103的旋转角度。 [0011] 另外，作为其他示例，图12、图13记载了专利文献5、6所述的可变气门正时机构。关于这些机构，在与上述图11所示的可变气门正时机构100相同的部分，使用相同符号进行说明。 [0012] 图12所示的可变气门正时机构，在与促动器102连结的扇形齿轮120的齿部的范围内，连杆轴104的旋转范围受到限制，相对于连杆轴104偏心而固定的偏心盘123(相当于挺杆轴)由排气阀摇臂103和吸气阀摇臂105的基部保持。 [0013] 因此，对于各偏心盘123的旋转角度位置相对于连杆轴104旋转位置的偏移，凸轮轴108的偏心凸轮108a与排气阀摇臂103和吸气阀摇臂105抵接并向上推压的位置会发生变化。 [0014] 图13A、13B所示的示例中，经由推杆128与摇杆127连结的排气阀摇臂103和吸气阀摇臂105，与曲柄状的连杆轴104的挺杆轴106(摇臂的支点位置)连接。通过利用促动器102改变(转动)曲柄状的连杆轴104的相位，使得吸气阀摇臂105和排气阀摇臂103的支点位置发生变化，结果会使向凸轮轴108的切点位置发生变化。由此，使得凸轮轴108的偏心凸轮108a通过凸轮轴108推压排气阀摇臂103或吸气阀摇臂105使其前进后退的时间可变。 [0015] 现有技术文献 [0016] 专利文献 [0017] 专利文献1：(日本)专利第4137704号公报 [0018] 专利文献2：(日本)特开2008‑202545号公报 [0019] 专利文献3：(日本)专利第4367532号公报 [0021] 专利文献5：欧洲专利公开第2136054号说明书 [0022] 专利文献6：(日本)特开昭62‑99606号公报 发明内容[0023] 发明所要解决的课题 [0024] 但是，目前的燃气燃料发动机(ガス燃料エンジン)，即使为了快速提高负荷而较早地增加燃气燃料的供给量，增压器也无法跟进，从而不能供给所需的空气量。这是因为增压器是通过废气驱动，当燃气燃料发动机的负荷提升，废气无法充分向增压器供给时，就无法有效工作。当空气量不足时，空燃比就会燃气过剩，从而发生爆震，导致装置故障。当以增压器能够跟进的速度提升负荷以抑制这种爆震时，负荷提升需要10分钟左右的较长时间。 [0025] 另一方面，在船舶用装置中，由于有害废气的排放限制逐年严格，因此也希望引入能够减少来源于燃料的有害废气的排放量，满足排放限制的双燃料发动机。但是，若要引入这种双燃料发动机，需要将负荷提升时间缩短至20秒左右以满足船舶用装置的运行模式。 [0026] 本发明是鉴于上述课题而完成的发明，目的在于提供一种能够抑制在提升燃气燃料发动机的负荷时产生的爆震并缩短负荷提升时间的发动机系统及其控制方法。 [0027] 解决课题的手段 [0028] 本发明的发动机系统是包括以燃气为燃料的四冲程发动机的发动机系统，其特征在于，包括：扭矩传感器，其测定发动机的输出轴的扭矩；转速传感器，其测定发动机的输出轴的转速；控制部，其根据扭矩传感器测得的扭矩测定值和转速传感器测得的转速测定值求出输出轴的负荷，并且在发动机的输出轴的负荷增大时，设置发动机的吸气阀关闭时间的变更；以及可变吸气阀正时机构(可変吸気弁タイミング機構)，其根据该控制部设置的吸气阀的关闭时间，改变吸气阀关闭的时间，其中，随着发动机的输出轴的负荷的增大，通过可变吸气阀正时机构，进行进一步降低发动机内的燃气与空气的混合气体的压缩比的控制。 [0029] 作为发动机的爆震抑制技术，可以使用可变吸气阀正时(Variable Intake Valve Timing，VIVT)机构来降低有效压缩比。关于这一点，将通过图10A、10B来对爆震抑制技术进行说明。图10A表示普通的四冲程循环的步骤，图10B表示米勒循环(ミラーサイクル)的步骤。 [0030] 例如在燃气发动机中，吸气阀通常在活塞的下死点关闭(参考图10A)。当关闭时间早于下死点时(参考图10B)，在吸气阀关阀后混合气体也会继续膨胀，因此缸内温度Ts相比图10A有所下降(Ts* [0031] 米勒循环的缺点在于压缩温度会下降，从而导致低负荷区的点火性恶化，因此在启动时和低负荷时需要恢复到图10A所示的通常的吸气阀的开阀时间，只在高负荷时将吸气阀的开阀时间提前。 [0032] 本发明的燃气发动机，当燃气燃料的供给量增加且燃气发动机的输出轴的负荷增大时，通过使吸气阀关闭的时间从吸入下死点提前(提前角)或延迟(延迟角)，进行在发动机的燃烧室内降低混合气体的压缩比的控制。通过降低压缩比，使得压缩时的燃烧室内的温度降低，因此可以抑制爆震。 [0033] 另外，当在燃烧室内降低混合气体的压缩比时，在启动时和低负荷时点火性会恶化，而且在燃料效率方面会偏离有利条件，产生燃料消耗恶化的缺点。因此，本发明在更易产生爆震的负荷进一步增大的运行区域中进行将吸气阀关闭的时间更大幅地改变，以更大的比例降低压缩比的控制。由此，可以根据负荷的变化来抑制爆震，防止燃料消耗恶化并缩短负荷提升时间。 [0034] 另外，优选地，包括：扭矩传感器，其测定输出轴的扭矩；以及转速传感器，其测定输出轴的转速，其中，根据扭矩传感器测得的扭矩测定值和转速传感器测得的转速测定值，求出输出轴的负荷，并设置控制部中吸气阀关闭的时间的变更。 [0035] 本发明的燃气发动机中，由于作为燃料的燃气为弹性体，因此与液体燃料相比，相对难以得到准确的燃料供给量。因此，优选通过利用扭矩传感器实际进行扭矩测定，根据与转速的关系来运算负荷。而且，通过利用所具有的转速传感器而得到的输出轴的转速测定值和扭矩传感器测得的扭矩测定值的积，可以实时求出发动机输出轴的负荷。 [0036] 另外，可变吸气阀正时机构也可以调整吸气阀的关闭时间从下死点提前的提前角。 [0037] 吸气阀的关闭时间的提前角、延迟角中的任何动作都可以获得降低压缩比的效果，可以应用于本发明。但是，吸气阀的关闭时间的延迟角有可能会因为将混合气体吹回吸气系统而产生弊害，因此更优选设置吸气阀的关闭时间的提前角。 [0038] 另外，可变吸气阀正时机构中的吸气阀的关闭时间的提前角的调整也可以是连续或多步进行的。 [0039] 为了抑制爆震和缩短负荷提升时间，优选将吸气阀的关闭时间的提前角作为设置成根据负荷的变化而连续可变的动作，或者设置成阶段性可变的动作。 [0040] 另外，在控制部中确定的提前角也可以根据将预先测定的多个输出轴的负荷和转速的数据作为参数而设置的提前角的值来设置。 [0041] 吸气阀的关闭时间的提前角的优选值在负荷大时会变得更大，但除此以外也取决于转速。因此，预先制作至少包括这两种参数的图表(マップ)，根据发动机的负荷和转速的变化来控制吸气阀的关闭时间的提前角，由此可以进一步抑制爆震。 [0042] 另外，优选地，在发动机的吸气管设置有进行增压的增压器，以及将来自增压器的空气在向吸气管供给之前进行冷却的空气冷却器。 [0043] 当负荷大时，通过增大吸气阀的关阀的提前角或延迟角并降低压缩比，可以抑制爆震发生，但可以进入燃烧室的混合气体的量会减少，因此对发动机的负荷提升不利。因此，通过在发动机的吸气管设置增压器，可以弥补混合气体的减少，并且通过利用空气冷却器冷却空气，来抑制增压所导致的空气温度上升，能够增大混合气体的量并有助于发动机的负荷提升，同时通过空气温度的降低来抑制爆震，故可加速负荷提升时间的缩短。 [0044] 本发明的发动机系统的控制方法，是包括以燃气为燃料的发动机的发动机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据扭矩传感器测定的输出轴的扭矩测定值和转速传感器测定的输出轴的转速测定值求出输出轴的负荷，并且当发动机的输出轴的负荷增大时，设置发动机的吸气阀关闭时间的变更；以及根据设置的吸气阀的关闭时间，机械性地改变吸气阀关闭的时间，其中，随着发动机的输出轴的负荷增大，通过机械性地改变吸气阀关闭的时间，进一步降低发动机内的燃气与空气的混合气体的压缩比。 [0045] 本发明的发动机系统的控制方法中，当燃气发动机的输出轴的负荷增大时，通过使吸气阀关闭的时间从吸入下死点提前(提前角)或延迟(延迟角)，进行在发动机的燃烧室内降低混合气体的压缩比的控制。通过降低压缩比，使得压缩时的燃烧室内的温度降低，因此可以抑制爆震。 [0046] 发明效果 [0048] 图1是表示本发明实施方式的船舶用双燃料发动机的主要部分构成的方框图。 [0049] 图2是表示图1所示的双燃料发动机中的柴油模式和燃气模式的图。 [0050] 图3是表示负荷、转速和吸气阀的关阀时间的关系的立体图表。 [0051] 图4是利用负荷、转速和吸气阀的关阀时间的关系来表示爆震抑制范围的曲线图。 [0052] 图5是表示通过第一图表所得到的关阀时间和第一电信号的关系的第二图表。 [0054] 图7是表示使用伺服电机来代替实施方式的双燃料发动机的促动器时的吸气阀开关时间的改变步骤的流程图。 [0055] 图8是表示实施方式的双燃料发动机的负荷提升时间和负荷的关系的实验结果的曲线图。 [0056] 图9是表示双燃料发动机中的曲轴的角度变化和吸气阀的开关控制的关系的图。 [0057] 图10A是发动机的燃烧循环的普通循环的步骤图。 [0058] 图10B是发动机的燃烧循环的米勒循环的步骤图。 [0059] 图11A是表示现有的可变吸气阀正时机构的一例的立体图。 [0060] 图11B是表示现有的可变吸气阀正时机构的一例的正视图。 [0061] 图12是表示现有的可变吸气阀正时机构的另一例的立体图。 [0062] 图13A是表示现有的可变吸气阀正时机构的再一例的图。 [0063] 图13B是表示图13A所示的现有的可变吸气阀正时机构中的促动器和连杆轴的关系的图。 [0064] 发明实施方式 [0065] 下面，作为本发明的实施方式的发动机系统，基于附图对用作船舶用内燃机的双燃料发动机1进行说明。通过图9，与上述米勒循环相关地对双燃料发动机中的曲轴的角度变化和吸气阀的开关控制的关系进行说明。 [0066] 图9表示发动机的曲轴角度和吸气阀以及排气阀的升程量(リフト量)的关系。横轴所示的曲轴转角的原点0为压缩上死点，0～180度为膨胀冲程，180度～360度为排气冲程，360度～540度为吸气冲程，540度～720度为压缩冲程。图中，排气冲程中的较大的山峰(山)为排气阀的升程量，宽度较小的山峰分别表示高负荷时和低负荷时的吸气阀的升程量。 [0067] 低负荷下，吸气阀的开关时间与吸气冲程大致相同，在340度附近开始打开，在540度附近关闭。另外，高负荷下，吸气阀的开关时间通过VIVT机构进行按提前角提前的控制，在后述的实施方式中，从最初的545度起，根据负荷对吸气阀的关阀时间进行无级的提前角控制，在高负荷下将关阀时间控制为505度。 [0068] 下面，作为本发明的实施方式的发动机系统，基于附图对用作船舶用内燃机的双燃料发动机进行说明。 [0069] 图1和图2所示的船舶用双燃料发动机1(以下有时简称为发动机1)具有柴油模式D和燃气模式G的各机器，在运行中可以切换为柴油模式D和燃气模式G。图1所示的双燃料发动机1具有曲轴2机构作为与螺旋桨(プロペラ)等连结的输出轴，曲轴2与设置在气缸体3内的活塞4连结。设置在气缸体3内的活塞4和发动机盖体5形成燃烧室6。 [0070] 燃烧室6由安装在发动机盖体5中的吸气阀8和排气阀9、在柴油模式D下使用的燃料喷射阀10密封。另外，在发动机盖体5，设置有在燃气模式下使用的微引燃油喷射阀(マイクロパイロット油噴射弁)11。在设置有发动机盖体5的吸气阀8的吸气口，连接有吸气管13，在设置有排气阀9的排气口设置有排气管14。在吸气管13设置有控制燃气喷射的电磁阀15，在其上游侧设置有空气冷却器16、与排气管14连通的增压器17。 [0071] 在此，本实施方式的双燃料发动机1如图2所示，可以切换到柴油模式D和燃气模式G运行。在柴油模式D下，例如可以将A重油等作为燃料油从燃料喷射阀10向燃烧室6内的压缩空气机械性地喷射并点火燃烧。另外，在燃气模式G下，将天然气等燃料气体用电磁阀15向吸气管13喷射，与空气流预混合，将混合气体向燃烧室6内供给，在混合气体的压缩状态下从微引燃油喷射阀11喷射引燃燃料，点火燃烧。微引燃油喷射阀11例如由电子控制，少量喷射引燃燃料，作为强力的点火源。 [0072] 发动机1在从燃料喷射阀10向燃烧室6内喷射液体燃料的柴油模式D下启动。在确认向发动机1供给标准值以上的燃气压力后，在利用电磁阀15将燃气燃料向吸气管13喷射，与空气混合后流入燃烧室6内，使燃气燃料燃烧的燃气模式G下运行。 [0073] 在停止时，重新变更到柴油模式D后停止。启动时和停止时以外的时候，可以变更柴油模式D和燃气模式G。 [0074] 本实施方式的双燃料发动机1具有在燃气模式G下会进行负荷上升时的负荷控制的燃气发动机系统。下面就该燃气发动机系统的结构进行进一步的说明。 [0075] 图1中，在曲轴2安装有转速传感器20和扭矩传感器21，转速传感器20计测曲轴2的转速(旋转速度)，扭矩传感器21通过曲轴2计测发动机扭矩。作为扭矩传感器21，例如可以使用根据变形来检测施加在轴上的扭矩的传感器。转速传感器20和扭矩传感器21所计测的测定数据分别以信号形式输出到控制发动机1的控制部22。 [0076] 控制部22基于转速传感器20和扭矩传感器21等发来的信号，检测发动机1的运行状态。即，将转速传感器20所计测的曲轴2的转速设为n，扭矩传感器21所计测的扭矩设为T，通过下述公式(1)和公式(2)运算发动机1的负荷A。其中，Lt为发动机1的额定功率。 [0077] 功率Lo＝2πTn/60(1) [0078] 负荷A＝Lo/Lt×100(2) [0079] 另外，作为发动机1负荷的求法，有根据燃料供给量等与发动机1的运行状态相关的信息来进行推测的方法，以及在发动机1输出轴的动力传递系统中具有扭矩传感器并实际进行扭矩测定来求出负荷的方法。燃气发动机中，由于作为燃料的燃气为弹性体，因此与液体燃料相比，相对难以得到准确的燃料供给量。因此，优选通过利用扭矩传感器21实际进行扭矩测定来运算负荷。 [0080] 另外，当转速n一定时，负荷A和扭矩测定值T成正比关系。在转速n一定的条件下，负荷A越大，即扭矩数据T越大，越希望以更大的比例设置吸气阀8的关闭时间的提前角。 [0081] 控制部22中存储有预先创建的确定吸气阀开关时间的第一电信号的第一图表24，以及确定与第一电信号对应的开关时间的第二图表25。控制部22基于转速传感器20和扭矩传感器21所测定的与发动机1的负荷A对应的转速数据n和扭矩数据T，通过上述公式(1)和公式(2)运算发动机1的负荷A。并且通过转速n和负荷A，在第一图表24中选择吸气阀8的开关时间所对应的第一电信号。然后，根据该第一电信号，在第二图表25中确定与第一电信号相对应的吸气阀8的开关时间。另外，关于第一图表24和第二图表25的创建方法，将在后文进行说明。 [0082] 控制部22所设置的开关时间的第二电信号被发送到电空转换器27，电空转换器27将开关时间的信号转换为空气压力。该空气压力被送到促动器28，控制可变吸气阀正时机构30的驱动。从第一减压调节器34和电空转换器27向促动器28供给用于驱动和控制的空气压力P1、P2。 [0083] 另外，供给到促动器28的空气压力由空气压缩机32压缩，存储到空气罐33。空气罐33内的空气压力由第一减压调节器34减压至所需的压力。此时的压力通过改变第一减压调节器34的阀开度来调整，作为用于驱动的空气压力P1供给到促动器28。当压力计36计测的压力P1在规定值以下时，发动机1无法启动。 [0084] 用于驱动电空转换器27的空气压力从第一减压调节器34之后，由第二减压调节器37进一步减压后进行供给。电空转换器27将与输入的开关时间的第二电信号相对应的空气压力作为用于调整促动器28工作的空气压力P2，向促动器28供给。根据该空气压力P1、P2，使促动器28的杆28a运动，从而使可变吸气阀正时机构30工作。 [0085] 促动器28例如为公知的P气缸(附带位点的气缸(ポジショナリ付きシリンダ))，基于从第一减压调节器34和电空转换器27输入的压力P1、P2来控制杆28a的前进后退。通过改变促动器28的杆28a的移动长度，控制可变吸气阀正时机构30的驱动，使吸气阀8的关闭时间从吸入下死点提前(提前角)或延迟(延迟角)，从而进行降低压缩比的控制。 [0086] 吸气阀8的开阀时间和关阀时间之间的时间不变，因此如果开阀的时间从吸入下死点提前，则关阀的时间也会从吸入上死点提前相同时间。而且，本发明通过根据发动机1的负荷改变开阀和关阀的时间，来抑制爆震并缩短负荷提升时间。基于发动机1的负荷A和转速n，通过控制部22内的第一图表24和第二图表25来设置吸气阀8的开关时间，通过促动器28和可变吸气阀正时机构30将吸气阀8的开阀和关阀的时间调整为能够抑制爆震。 [0087] 可变吸气阀正时机构30的构成为目前的公知构成，具有与图11至图13所示的构成相同的构成。即，对于可变吸气阀正时机构30，例如连杆轴与具有偏心凸轮的凸轮轴平行配设，所述连杆轴通过促动器28的杆28a的移动长度经由扇形齿轮设置旋转角度范围。在连杆轴连接有排气用摇臂，在设置于连杆轴的偏离位置的挺杆轴连接有吸气用摇臂。在吸气用摇臂，经由推杆和摇杆连接有吸气阀8；在排气用摇臂，经由推杆和摇杆连接有排气阀9。 [0088] 根据与连杆轴的旋转相对应的挺杆轴的旋转角度，凸轮轴和吸气用摇臂的距离会发生变化，凸轮轴的偏心凸轮开始触碰的时间会发生变化。由此，可以将关阀时间变更为提前角(或延迟角)。从挺杆轴到凸轮轴中心的距离越远，吸气阀8的关阀时间越早。挺杆轴的旋转角度根据促动器28的杆28a的移动长度而变化。杆28a的移动长度根据供给到促动器28的控制用空气压力P1、P2而任意变化。 [0089] 作为吸气阀8开关时间的提前角的大小根据与连杆轴的挺杆轴连结的吸气用摇臂与凸轮轴的偏心凸轮开始触碰的时间而决定。 [0090] 另外，可变吸气阀正时机构30中的挺杆轴的旋转装置也可以使用未图示的伺服电机来替代促动器28。此时，从控制部22的第二图表25发出的开关时间的信号会输入到伺服电机。伺服电机使连杆轴只旋转与收到的信号相对应的量并使挺杆轴旋转，由此相对于凸轮轴接近远离，能够改变吸气阀8的开关时间。此外，当使用伺服电机时，不需要促动器28和空气压缩机32～压力计38的构成。另外，作为电空转换器27的替代，使用控制器驱动伺服电机。 [0091] 另外，就向对吸气管13控制燃气喷射的电磁阀15供给燃气燃料的供给机构进行说明。图1中，从储存有天然气等燃气燃料的LNG气体罐40向气体气化器41供给燃气燃料，再由气体调节器42将燃气压力减压到所需的气压。 [0092] 此时的压力显示在压力计43上，通过改变气体调节器42的阀开度进行调整，从电磁阀15向吸气管13内喷射，作为用于燃烧的燃气燃料。在吸气管13内，燃气燃料和由空气冷却器16冷却的增压空气被混合以供给到燃烧室6。在负荷提升时，通过电磁阀15的动作增加燃气燃料的供给量。 [0093] 下面就控制部22内存储的第一图表24和第二图表25的创建方法进行说明。图3是详细表示第一图表24的立体图表，该第一图表24通过曲轴2的转速n和发动机1的负荷A确定吸气阀8的关阀时间。 [0094] 第一图表24基于下面的实验步骤(1)～(18)的流程而创建。 [0095] 实验中使用在实际中所使用的同一类型的双燃料发动机1。 [0096] (1)启动发动机1，将转速n设为400min‑1，负荷A设为10％，吸气阀8的关阀时间设为545deg(结构上最晚的关阀时间)。 [0097] (2)然后，计测发动机1驱动时产生的被称作爆震的异常燃烧和那时的排气温度。 [0099] 另外，通过安装于排气管14的温度传感器来测定爆震测定时的排气温度。 [0100] (3)测定完上述爆震测定时的排气温度后，将吸气阀8的关阀时间减少5deg，再次进行(2)的计测。将关阀时间变更到500deg(结构上最早的关阀时间)进行计测。 [0101] (4)上述(3)的计测结束后，将负荷每10％地逐步增加到110％，再次重复进行(2)和(3)的计测。 [0102] (5)通过上述(1)～(4)的计测，将爆震强度为标准值以下且排气温度为500℃以下的情况判断为爆震得到抑制且发动机1可以安全运行。 [0103] (6)根据上述(5)的计测结果，在将X轴设为负荷A，Y轴设为转速n，Z轴设为开关时间的图4的立体曲线图中，在可以安全运行的计测点上画●(黑圈)，在不安全的计测点上画×。由此，可以选定负荷A、转速n和开关时间的关系中的爆震抑制范围。 [0104] (7)将转速n每100min‑1地提升至900min‑1，进行上述(1)～(6)的计测步骤，计测每个转速n的可安全运行的范围。 [0105] (8)图4是用转速n、负荷A、开关时间这三个轴表示上述(7)的计测结果的曲线图。图4中，用直线围成的范围是爆震得到抑制，发动机1可以安全运行的范围。 [0106] (9)其次在通过上述(1)～(8)的实验而计测的图4所示的可使发动机安全运行的直线所围成的立体区域的范围内，以追求氮氧化物(以下称NOx)为标准值以下，热效率最高的设定为目的，进一步进行实验。 [0107] 将发动机转速n设为400min‑1，负荷A设为10％，吸气阀8的关阀时间设为545deg。 [0108] (10)接着计测NOx和热效率。NOx通过安装于排气管14的废气分析器来计测。热效率则根据(安装于燃料配管的燃料流量计所计测的)燃料流量L和(通过扭矩传感器21的计测结果而计算的)功率，按照下述公式(3)来计算。 [0109] 热效率η＝360Lo/H/L (3) [0110] 其中，H：燃料气体的低位发热量(J/Nm3) [0111] Lo：当前功率 [0112] L：燃料流量 [0113] (11)上述(10)的测定结束后，将吸气阀8的关阀时间每5deg地减少，再次进行(10)的计测。将关阀时间变更到505deg进行计测(参考图9)。 [0114] (12)上述(10)和(11)的计测结束后，将负荷每10％地逐步增加到110％，再次重复进行(10)和(11)的计测。关阀时间在图4所示的可安全运行的范围内变更。 [0115] (13)将转速n每100min‑1地逐步提升至900min‑1，进行上述(9)～(12)的计测，确定每个转速的性能最佳的计测点。 [0116] (14)之后，按照每个转速n和负荷A，设定NOx为规定值以下，热效率最高的吸气阀8的关阀时间。根据该结果，创建图3所示的第一图表的原案。 [0117] (15)然后，按照任意的负荷提升模式提升转速n和负荷A，检测爆震。负荷提升模式是指负荷A与转速n的单位时间的变化状态，根据船舶用推进装置的螺旋桨规格(形状、转速)而变化。 [0118] (16)将上述(15)检测到的爆震强度为标准值以上的计测点的关阀时间减少3deg。 [0119] (17)之后，重复(15)和(16)的步骤，直到爆震强度变为标准值以下，确定爆震得到抑制的关阀时间。当减少关阀时间时，热效率会恶化。将得到NOx、爆震强度为标准值以下且热效率最高的结果的关阀时间的设置，作为转速n、负荷A的设定值。 [0120] (18)通过以各转速n、负荷A分别计测通过上述(17)抑制爆震的关阀时间，根据该结果，创建图3所示的最终的第一图表24。 [0121] 图3中，与转速n和负荷A相对应的关阀时间用立体平面的曲线图(3次元平面のグラフ)来表示，图中上侧为关阀时间进一步减少的方向(提前角大)。在立体平面上，双点划线所表示的区域为实际船舶推进装置的运行所使用的实用的运行区域，良好的负荷提升模式的一例用单点划线表示。实用的运行区域中的负荷提升中，进行机器的负荷越大，越增大关阀时间的提前角的控制。 [0122] 在用单点划线表示的良好的负荷提升模式的一例中，转速n和负荷A小的图中右下的位置中，提前角设为最小，随着转速n和负荷A的增加，提前角变大。中途也存在提前角一定的区域，但作为整体，负荷越大，提前角设置得越大。另外，为了通过扭矩和转速的积求出负荷，也可以表现为输出轴的扭矩越大，提前角越大。 [0123] 之后，通过下述实验创建第二图表25。 [0124] 当通过促动器28对可变吸气阀正时机构30进行旋转控制时，按照以下步骤创建第二图表25。 [0125] (1)通过促动器28改变关阀时间，计测变更为各关阀时间时的压力。 [0126] (2)根据电空转换器27的说明书，调查供给上述(1)的压力所需的第二电信号。 [0127] (3)根据上述(1)和(2)的结果，创建第二图表25，其中，横轴表示通过上述第一图表24选择的第一电信号，纵轴表示关阀时间(第二电信号)。 [0128] 另外，上述说明的是使用促动器28的情况，当使用伺服电机代替促动器28对可变吸气阀正时机构30进行旋转控制时，如下进行。 [0129] (1)基于伺服电机改变关阀时间，计测变更为各关阀时间时的第二电信号。 [0130] (2)根据上述(1)的结果，创建第二图表25，其中，横轴表示第一电信号，纵轴表示关阀时间(第二电信号)。 [0131] 另外，图5表示第二图表25的详细图。第二图表25是表示关阀时间(第二电信号)和第一电信号的关系的图表。 [0132] 本实施方式的双燃料发动机1的负荷提升装置具有上述构成，下面针对负荷提升方法进行说明。 [0133] 在燃气模式G下，从增压器17供给的空气在通过空气冷却器16冷却的状态下，与从电磁阀15喷射的燃气燃料预混合，供给到气缸体3内的燃烧室6内。吸气步骤中，在活塞4到达下死点之前吸气阀8关阀，之后活塞4下降，使得燃烧室6内的混合气体变成负压，混合气体的温度和压缩比下降。由此，可以抑制爆震。 [0134] 压缩步骤中，活塞4将燃烧室6内的混合气体压缩，在膨胀冲程中燃料从微引燃油喷射阀11喷射并点火，燃烧气体膨胀将活塞4下压至下死点，在排气步骤中活塞4上升到上死点，将燃烧气体排出。 [0135] 下面按照图6所示的吸气阀8的开关时间变更方法的流程图，对该燃气模式G的控制方法进行说明。 [0136] 用压力计36计测在发动机1启动时是否向促动器28供给了所需的压力P1，当该值为规定值以下时，发动机1无法启动。另外，当发动机工作时该压力P1变为规定值以下时，发动机1将会停止。吸气阀8的开关时间的控制与发动机1的运行模式无关，在启动时便会开始。启动时期判断为来自转速传感器20的转速n的测定值信号被输入到控制部22时启动。 [0137] 通过以每隔规定间隔利用转速传感器20和扭矩传感器21计测转速n和扭矩T，来以规定间隔检测发动机1的状态。检测的转速n和扭矩T输入到控制部22内，通过上述公式(1)、(2)计算负荷A。控制部22将转速n和负荷A的计测值输入到确定吸气阀开关时间的第一图表24。第一图表24确定与输入的负荷A和转速n相对应的吸气阀开关时间，作为第一电信号输出。 [0138] 第一电信号输入到第二图表25，设置与第一电信号相对应的开关时间，通过第二图表25确定与开关时间相对应的第二电信号，输入到电空转换器27。开关时间设置为吸气阀8的开阀时间和关阀时间从活塞4的吸气下死点和吸气上死点提前的提前角。 [0139] 可变吸气阀正时机构30中的吸气阀8的关阀和开阀的时间提前角的调整，以根据发动机1的转速n和负荷A而连续或多步变化的方式来进行。另外，吸气阀8的关阀和开阀的时间提前角也可以为有提前角“1”和无提前角“0”这两个阶段，但是通过采用将转速n和负荷A作为参数，通过第一图表24和第二图表25连续可变地设置或多步可变地设置的动作，可以持续抑制爆震。由此，可以根据负荷的增大而促进负荷提升速度，故可以缩短负荷提升时间。 [0140] 电空转换器27将与输入的第二电信号相对应的用于控制的空气压力P2供给到促动器28。供给到促动器28的用于控制的空气压力P2使得促动器28的杆28a的移动长度发生变化，可变吸气阀正时机构30的挺杆轴只旋转所需角度。杆28a的移动长度根据供给到促动器28的用于控制的空气压力P2的量而变化。 [0141] 可变吸气阀正时机构30中，挺杆轴的旋转使得与挺杆轴连结的吸气阀摇臂与凸轮轴的距离发生变化，设置于凸轮轴的偏心凸轮开始触碰的时间发生变化。该变化使得负荷提升时的吸气阀8的开关时间发生变化。通过吸气阀8的开关时间的变化，可以抑制爆震。 [0142] 本实施方式中，根据负荷A和转速n以每隔规定间隔检测负荷提升时的发动机1的状态，通过控制部22的第一图表24和第二图表25来选定可以抑制爆震的吸气阀8的开关时间，通过促动器28和可变吸气阀正时机构30来使吸气阀8的开关时间提前，可以抑制爆震并缩短负荷提升时间。 [0143] 图7表示使用伺服电机代替电空转换器27和促动器28来控制挺杆轴的旋转时的流程图。这种情况下，与图6所示的情况相同，将以每隔规定间隔检测的转速n和扭矩T的计测值输入到控制部22，从第一图表24和第二图表25中依次选定与发动机1的负荷提升状态相对应的吸气阀8的开关时间。 [0144] 经由控制器，将从第二图表25发送的第二电信号输入到伺服电机。伺服电机计算与输入的第二电信号相对应的旋转位置，使连杆轴只旋转所需角度，由此使挺杆轴旋转，从下死点和上死点改变吸气阀8的开关时间。 [0145] 下面，关于本发明的实施方式的双燃料发动机1，进行燃气模式G下的负荷提升响应性的试验。 [0146] 在负荷提升试验时，将气温设置为18℃、25℃、36℃、37℃。然后在发动机1的燃气模式G下，以规定间隔测定从怠速旋转状态的负荷提升开始至达到额定负荷(额定旋转)的发动机1的转速n、扭矩T和经过时间。 [0147] 其结果如图8所示。现有的双燃料发动机从负荷提升开始时至达到额定负荷的负荷提升需要大约10分钟，而本实施方式的试验例中，气温设为18℃、25℃、36℃、37℃中的任一种情况下，仅需大约20秒便达到了额定负荷。因此，负荷提升速度得到了显著提高。 [0148] 如上所述，通过本实施方式的双燃料发动机1，在负荷提升时从柴油模式D切换到燃气模式G，根据以规定间隔测定的发动机1的转速n和扭矩T，利用第一图表24和第二图表25依次将吸气阀8的开关时间提前以抑制爆震，由此可以缩短负荷提升时间。 [0149] 另外，本实施方式由于是在图4所示的立体图表的范围内选定开关时间，因此可以降低NOx的产生。 [0150] 而且，通过优化吸气阀8的开关时间，可以提高低负荷下的效率。 [0151] 需要说明的是，本发明的发动机系统并不限于上述实施方式的双燃料发动机1，可以在不脱离本发明要旨的范围内进行适当的变更和替换等。下面就本发明的变形例等进行说明，与上述实施方式中说明的部件和材料等相同或同样的部分使用同一符号，省略其说明。 [0152] 本发明的发动机系统不限于可切换以液体燃料为主要燃料的柴油模式D和以燃气为主要燃料的燃气模式D的双燃料发动机1，也可以应用于将燃气用作燃料的燃气发动机。这种情况下，也可以应用于以燃气为主要燃料的发电机。此时，在输出轴可以连接有发电机来代替扭矩传感器，利用该发电机发出的电力来测定输出轴的负荷。 [0153] 而且，不限于船舶用发动机的负荷提升模式，也可适用于车辆用发电机和非常用发电机等中运用的负荷提升模式。 [0154] 另外，上述实施方式中，负荷提升时的吸气阀8的开阀时间和关阀时间的变更是通过从活塞4的吸气下死点和吸气上死点提前的提前角来设置的，但本发明并不限于提前角，也可通过延迟角来设置。提前角和延迟角中的任何动作都可以获得降低混合气体的压缩比的效果。但是，关闭吸气阀8的时间的延迟角有可能会因为将混合气体吹回吸气系统而产生弊害，因此更优选采用吸气阀8的开关时间的提前角实际应用于发动机1。 [0155] 另外，上述实施方式中，可变吸气阀正时机构30改变开阀时间和关阀时间这两个时间，吸气阀打开的时间不改变，但也可以选择吸气阀8的关阀时间和开阀时间中的任一方或两方进行变更控制。 [0156] 工业实用性 [0157] 本发明提供一种能够使用燃气燃料和空气的预混合气体在负荷提升时抑制爆震并缩短负荷提升时间的发动机系统及其控制方法。 [0158] 符号说明 [0159] 1 双燃料发动机 8 吸气阀 9 排气阀 [0160] 15 电磁阀 20 转速传感器 21 扭矩传感器 [0161] 22 控制部 24 第一图表 25 第二图表 [0162] 27 电空转换器 28 促动器 [0163] 30 可变吸气阀正时机构 |
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