(57)【要約】船舶推進用の４ストロークデュアルフューエルのエンジン（１）において、ガス燃料を熱源の大部分としてガス燃料の調速制御を行うガスモードと、ガス燃料及び液体燃料の双方を燃料として液体燃料の調速制御を行うアシストモードと、液体燃料のみを燃料として調速制御を行うディーゼルモードと、のいずれかを択一的に切り換えて運転する。エンジン（１）の制御部（２２）には、エンジンの運転制御を行う運転制御部（４９）と、ガス燃料の供給量の調速制御を行うガスガバナ（４４）と、液体燃料の供給量の調速制御を行うディーゼルガバナ（４８）を有する。アシストモードによる運転中にエンジン１の出力が舶用三乗特性線を含む前後の領域であるアシスト・オフ領域に入るとガスモードに移行する。ガスモードによる運転中にエンジン（１）の出力がアシスト・オフ領域より出力の高いアシスト・オン領域に入るとアシストモードに移行する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デュアルフューエルのエンジンの運転方法であって、
気体燃料を熱源の大部分とする第一の運転中に、前記気体燃料の供給量の調速制御を終了して前記気体燃料の供給量を所定値に下げると共に液体燃料の供給量の調速制御を開始することで、前記気体燃料と前記液体燃料の双方を燃料とする第二の運転に移行するステップと、
前記第二の運転の運転中に、前記液体燃料の供給量の調速制御を終了して前記液体燃料の供給量を下げると共に前記気体燃料の供給量の調速制御を開始することで前記第一の運転に復帰するステップと、
を有することを特徴とするエンジンの運転方法。
【請求項２】
前記第一の運転に復帰するステップは、前記エンジンの出力が下がる過程において実施される、請求項１に記載されたエンジンの運転方法。
【請求項３】
前記第一の運転に復帰するステップにおいて、前記液体燃料の供給量を下げる工程は、比較的高速で液体燃料の供給量を下げる第一段と、比較的低速で前記液体燃料の供給量を下げる第二段とを有している請求項１または２に記載されたエンジンの運転方法。
【請求項４】
前記第一の運転に復帰するステップは、前記エンジンの出力が舶用三乗特性線に対して±１０％の範囲に設定されたアシスト・オフラインの下側領域に入ると実施され、
前記第二の運転に移行するステップは、前記エンジンの出力が前記アシスト・オフラインの上側に設定されたアシスト・オンラインの上側領域に入ると実施されるようにした、
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運転方法。
【請求項５】
前記第二の運転に移行するステップにおける、前記気体燃料の供給量は前記エンジンの出力が大きいほど大きい値とされている請求項１から４のいずれか１項に記載されたエンジンの運転方法。
【請求項６】
デュアルフューエルのエンジンの運転方法であって、
気体燃料と調速制御される液体燃料との双方を燃料として第二の運転を行うステップと、
前記ステップにおける液体燃料の調速制御を終了させて液体燃料の供給量を連続的に低下させると共に、前記気体燃料を熱源の大部分とし且つ調速制御を行う第一の運転を行うステップと、
を有することを特徴とするエンジンの運転方法。
【請求項７】
デュアルフューエルのエンジンの運転方法であって、
気体燃料を熱源の大部分として前記気体燃料の調速制御を行うガスモードと、
前記気体燃料及び液体燃料の双方を燃料として前記液体燃料の調速制御を行うアシストモードと、
前記液体燃料のみを燃料として調速制御を行うディーゼルモードと、のいずれかを択一的に切り換えてエンジンを運転し、
前記アシストモードによる運転中に前記エンジンの出力が舶用三乗特性線に沿って設定されるアシスト・オフ領域に入ると前記ガスモードに移行し、
前記ガスモードによる運転中に前記エンジンの出力が前記アシスト・オフ領域より出力の高いアシスト・オン領域に入ると前記アシストモードに移行する、
ことを特徴とするエンジンの運転方法。
【請求項８】
前記アシストモードによる運転では、エンジンの運転において制御が行われる運転パラメータは前記ガスモードと共通の設定が用いられる、請求項７に記載されたエンジンの運転方法。
【請求項９】
デュアルフューエルのエンジンシステムであって、
エンジンの運転制御を行う運転制御部と、
気体燃料の供給量の調速制御を行うガスガバナと、
液体燃料の供給量の調速制御を行うディーゼルガバナと、を有する制御部を備え、
前記運転制御部による前記気体燃料を熱源の大部分とする第一の運転中に、前記ガスガバナによる気体燃料の調速制御を終了して前記気体燃料の供給量を下げると共に、前記ディーゼルガバナによる液体燃料の調速制御を開始することで、前記気体燃料及び液体燃料の双方を燃料とする第二の運転に移行させ、
前記第二の運転中に、前記ディーゼルガバナによる前記液体燃料の調速制御を終了して前記液体燃料の供給量を下げると共に、前記ガスガバナによる気体燃料の調速制御を開始することで前記第一の運転に復帰させることを特徴とす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、例えば船舶推進用の４ストロークデュアルフューエルのエンジンの運転方法およびエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶推進用のエンジンによる大気汚染物質の排出に対する規制が強化されている。そのため、ガス等の気体燃料を燃料として使用可能で大気汚染物質の排出量が少なく排出ガス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の導入が要望されている。デュアルフューエルエンジンは気体燃料と液体燃料の双方を燃料として使用できるエンジンである。【０００３】
例えば、特許文献１に記載のエンジン装置は、運転状態をガスモードとディーゼルモードとの間で遷移させる際の燃料制御が記載されている。ガスモードからディーゼルモードに運転モードを切り替える場合、燃料ガス供給量について調速制御を行いつつ燃料油を単調増加させ、燃料油供給量が切換閾値以上になると、燃料油供給量について調速制御を行いつつ燃料ガスの供給量を単調減少させている。ディーゼルモードからガスモードに運転モードを切り替える場合には、この逆の手順によって制御されている。また、ガスモードからディーゼルモードへの切り換えに限り、瞬時切り換えを行うことができるとしている。【０００４】
特許文献２に記載のディーゼル機関は、縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関が開示されている。この大型ディーゼル機関の運転方法として、ガスモードで運転している間、負荷の強力な変化の状態を検出すると過渡モードで運転される。過渡モードでは、大型ディーゼル機関のワーク・サイクル毎に、燃料のガスの量の上側の閾値を決定するステップと、ガスに加えて燃焼空間に導入される液体燃料の追加量を決定するステップを有している。【０００５】
特許文献３に記載のエンジンの制御装置は、液体燃料およびガス燃料の両方を用いて駆動可能なエンジンを制御するための方法である。この方法では、エンジンから出力すべき全出力の大きさを、あらかじめ決められた比率に応じて液体燃料の負担分とガス燃料の負担分に分けるものが記載されている。【０００６】
気体燃料による運転と液体燃料による運転の双方が可能なデュアルフューエルエンジンにおいて、通常は気体燃料による運転（ガスモード）を行い、緊急時、非定常時には、液体燃料による運転（ディーゼルモード）、あるいは、気体燃料と液体燃料の両方による運転を行うことは公知である。【０００７】
また、液体燃料を用いるディーゼルエンジンにおいて、可変吸気弁タイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｉｎｔａｋｅ  Ｖａｌｖｅ  ｔｉｍｉｎｇ；ＶＩＶＴ）機構を備えたものが知られている。
例えば、図１７に示す可変バルブタイミング機構の駆動機構の例では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１７−５７７７４号公報
【特許文献２】特開２０１６−２１７３４８号公報
【特許文献３】特許４９７５７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、船舶推進用の４ストロークエンジンでは、様々な運転状況に対応するために、ガバナ(調速装置)による燃料供給量の調速制御が行われる。この調速制御では、供給すべき燃料の量は予め定められておらず、一定の目標回転速度を保つように燃料の供給量が随時制御される。調速制御を行うデュアルフューエルエンジンにおいて、例えば、特許文献１に記載のように、ガスモードからディーゼルモードへの切り換えは短時間に行うことが可能である。しかし、ディーゼルモードからガスモードへの切り換えを短時間に行うことは困難が伴う。【００１０】
即ち、ガスモードでは、適正な燃料が得られる運転可能な空燃比範囲が狭い範囲に制限されるため、適正な空燃比を維持したまま気体燃料の供給量を適切に調速制御するには高度な技術が必要であり、困難であった。しかも、ディーゼルモードから急速なガスモードへの切り換えはノッキングや失火を誘う原因となる。特許文献１に記載のようなデュアルフューエルエンジンの場合、実際の運転では、ディーゼルモードからガスモードへの切り換えに数十秒以上の時間を要するという問題があった。
従来の技術では、液体燃料の調速制御による運転モードから、ガス燃料の調速制御による運転モードへの切り換えに時間を要していたため、液体燃料を使用する運転モードへの移行は非常時の手段という位置づけであり、出力変動の激しい条件ではガス燃料の調速制御による運転モードへの復帰は困難であった。【００１１】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ガバナによる燃料供給量の調速制御を行う場合において、気体燃料による運転と液体燃料を使用する運転との間の相互の移行をより短時間でスムーズに行えるようにしたデュアルフューエルエンジンの運転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】
【００１２】
本発明は、デュアルフューエルのエンジンの運転方法であって、気体燃料を熱源の大部分とする第一の運転中に、気体燃料の供給量の調速制御を終了して気体燃料の供給量を所定値に下げると共に液体燃料の供給量の調速制御を開始することで、気体燃料と液体燃料の双方を燃料とする第二の運転に移行するステップと、第二の運転の運転中に、液体燃料の供給量の調速制御を終了して液体燃料の供給量を下げると共に気体燃料の供給量の調速制御を開始することで第一の運転に復帰するステップと、を有することを特徴とする。
本発明では、第一の運転から第二の運転に移行する際、気体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に液体燃料の供給量の調速制御を開始し、かつ、気体燃料の供給量を所定値に下げる。この気体燃料の供給量を所定値に下げる操作は例えば１秒以内程度のごく短時間で行われる。気体燃料の供給量が下がると、液体燃料の調速制御の作用により、エンジンの目標となる回転速度を維持するように液体燃料の供給量が増加する。そのため、エンジンの回転速度に大きな影響を与えずに、第一の運転から第二の運転への移行が実施される。
第二の運転から第一の運転に復帰する際には、液体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に気体燃料の供給量の調速制御を開始し、かつ、液体燃料の供給量を連続的に下げる。液体燃料の供給量が連続的に下げられると、気体燃料の調速制御の作用により、エンジンの目標となる回転速度を維持するように気体燃料の供給量が増加する。そのため、エンジンの回転速度に大きな影響を与えずに、第二の運転から第一の運転への復帰が実施される。【００１３】
また、第一の運転に復帰するステップは、エンジンの出力が下がる過程において実施されることが好ましい。
第一の運転へ復帰するステップをエンジンの出力が下がる過程において実施することで、短時間での第一の運転への復帰が容易となる。第一の運転への復帰時にはノッキングや失火の発生が課題となるが、エンジンの出力が下がる過程においては、十分な空気量が確保された状態であるため適正な空燃比を維持しやすく、調速制御上は燃料の供給を制限する方向であるため、急激な気体燃料の増加を抑制できてノッキングや失火が生じにくい。そこで、このタイミングにあわせて第一の運転への復帰を行うことで、適正な燃焼を維持しつつ短時間での復帰を可能とする。【００１４】
また、第一の運転に復帰するステップにおいて、液体燃料の供給量を下げる工程は、比較的高速で液体燃料の供給量を下げる第一段と、比較的低速で液体燃料の供給量を下げる第二段とを有していることが好ましい。
液体燃料の供給に機械式燃料噴射ポンプを用いた場合、第二段は機械式燃料噴射ポンプの無噴射領域に相当し、実質的に液体燃料の噴射がされない状態となる。【００１５】
また、第一の運転に復帰するステップは、エンジンの出力が舶用三乗特性線に対して±１０％の範囲に設定されたアシスト・オフラインの下側領域に入ると実施され、第二の運転に移行するステップは、エンジンの出力がアシスト・オフラインの上側に設定されたアシスト・オンラインの上側の領域に入ると実施されるようにしてもよい。
ここでは、舶用三乗特性線に対して±１０％の出力範囲にアシスト・オフラインを設定し、エンジンの出力がアシスト・オフラインの下側の領域（アシスト・オフ領域）に入ると第一の運転への復帰を行う。また、アシスト・オフラインの上側にアシスト・オンラインを設定し、エンジンの出力がアシスト・オンラインの上側の領域（アシスト・オン領域）に入ると第二の運転に移行する。【００１６】
また、第二の運転に移行するステップにおける、気体燃料の供給量はエンジンの出力が大きいほど大きい値とされている。
エンジンの出力が大きい領域においても、第二の運転から第一の運転への復帰を迅速に行うことができる。【００１７】
本発明は、エンジンの運転方法であって、気体燃料と調速制御される液体燃料との双方を燃料として第二の運転を行うステップと、このステップにおける液体燃料の調速制御を終了させて液体燃料の供給量を連続的に低下させると共に、気体燃料を熱源の大部分とし且つ調速制御を行う第一の運転を行うステップと、を有することを特徴とする。
本発明のエンジンの運転方法は、第二の運転から第一の運転への移行を迅速に行える。【００１８】
本発明は、エンジンの運転方法であって、気体燃料を熱源の大部分として気体燃料の調速制御を行うガスモードと、気体燃料及び液体燃料の双方を燃料として液体燃料の調速制御を行うアシストモードと、液体燃料のみを燃料として調速制御を行うディーゼルモードと、のいずれかを択一的に切り換えてエンジンを運転し、アシストモードによる運転中にエンジンの出力が舶用三乗特性線に沿って設定されるアシスト・オフ領域に入るとガスモードに移行し、ガスモードによる運転中にエンジンの出力がアシスト・オフ領域より出力の高いアシスト・オン領域に入るとアシストモードに移行する、ことを特徴とする。
本発明によれば、アシストモードからガスモードへの復帰が素早く行えることから、エンジンの出力に応じた条件で、ガスモードとアシストモードとの間で定常的に随時、しかも迅速に運転モードの移行と復帰を行う。これにより、ガスモードにおける、ノッキングや失火の発生を未然に回避できるとともに、アシストモードでの運転は出力が大幅に増加した非常時に運用されるトルクリッチ領域に限られ、排ガス規制による環境対策の側面からも好適である。  
また、アシストモードによる運転では、エンジンの運転において制御が行われる運転パラメータはガスモードと共通の設定が用いられることが好ましい。【００１９】
本発明は、エンジンシステムであって、エンジンの運転制御を行う運転制御部と、気体燃料の供給量の調速制御を行うガスガバナと、液体燃料の供給量の調速制御を行うディーゼルガバナと、を有する制御部を備え、運転制御部による気体燃料を熱源の大部分とする第一の運転中に、ガスガバナによる気体燃料の調速制御を終了して気体燃料の供給量を下げると共に、ディーゼルガバナによる液体燃料の調速制御を開始することで、気体燃料及び液体燃料の双方を燃料とする第二の運転に移行させ、第二の運転中に、ディーゼルガバナによる液体燃料の調速制御を終了して液体燃料の供給量を下げると共に、ガスガバナによる気体燃料の調速制御を開始することで第一の運転に復帰させることを特徴とする。
本発明では、運転制御部による第一の運転から第二の運転に移行する際、ガスガバナによる気体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に気体燃料の供給量を所定値に下げ、ディーゼルガバナによる液体燃料の供給量の調速制御を開始する。気体燃料の供給量を所定値に下げる操作は例えば１秒以内程度のごく短時間で行われる。気体燃料の供給量が下がると、液体燃料の調速制御の作用により、エンジンの目標となる回転速度を維持するように液体燃料の供給量が増加する。
第二の運転から第一の運転に復帰する際には、ディーゼルガバナによる液体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に液体燃料の供給量を連続的に下げ、ガスガバナによる気体燃料の供給量の調速制御を開始する。液体燃料の供給量が下げられると、気体燃料の調速制御の作用により、エンジンの目標となる回転速度を維持するように気体燃料の供給量が増加する。そのため、エンジンの回転速度に大きな影響を与えずに、第一の運転と第二の運転との間の移行と復帰を実施できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によるエンジンの運転方法とエンジンシステムによれば、第一の運転と第二の運転とを相互に切り換えることができ、しかも第一の運転から第二の運転に移行する際と第二の運転から第一の運転に復帰する際に、それぞれの移行をごく短時間でスムーズに行うことができ、エンジンの回転速度に大きな影響を与えることがない。
また、第一の運転ではノッキングや失火の発生を未然に回避できるとともに、第二の運転は非定常時に運用されるトルクリッチ領域に限られるので排ガス規制による環境対策側面からも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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２Ａ】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を示す図である。
【図２Ｂ】デュアルフューエルエンジンにおけるガスモードを示す図である。
【図２Ｃ】デュアルフューエルエンジンにおけるアシスト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】ガスガバナにおいて、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】ディーゼルガバナにおいて、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１２】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１３】舶用三乗特性線とアシスト・オン領域とアシスト・オフ領域の関係を示すグラフである。
【図１４】ガスモードからアシストモードへの移行時の出力とガバナ指令値を示すグラフである。
【図１５】アシストモードからガスモードへの復帰時の出力とガバナ指令値を示すグラフである。
【図１６Ａ】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１６Ｂ】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１７】従来の可変吸気弁タイミング機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明のデュアルフューエルエンジンとして、まず最初に可変吸気弁タイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｉｎｔａｋｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ；ＶＩＶＴ）機構について説明する。
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た。
【００２３】
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（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１６Ａ、１６Ｂにより説明する。図１６Ａは通常の４ストロークサイクルの工程を示し、図１６Ｂはミラーサイクルの工程を示している。
【００２４】
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１６Ａ参照）。一方、図１６Ｂ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１６Ａ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１６Ａ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。
【００２５】
以下、本発明の実施形態によるエンジンとして、舶用エンジンに用いる例えば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、運転中にディーゼルモードＤとガスモードＧとアシストモードＡｓのいずれかに切り換え可能である。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。
【００２６】
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。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。燃料噴射弁１０には燃料噴射ポンプ１２が接続されている。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。
【００２７】
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２Ａ、２Ｂ，２Ｃに示すように、ディーゼルモードＤとガスモードＧとアシストモードＡｓのいずれかに切り換えて運転できる。図２Ａに示すディーゼルモードＤでは、例えばＡ重油等を燃料油として図示しない燃料タンクから燃料噴射ポンプに供給し、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。
【００２８】
図２Ｂに示すガスモード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点火装置により点火を行い、この例では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すことができる電磁弁である。
図２Ｃに示すアシストモードＡｓでは、燃料噴射弁１０から燃料油を調速制御によって燃焼室６内に噴射すると共に、燃料ガス供給弁１５から燃料ガスを吸気管１３内に供給する。
【００２９】
ガスモードＧは、ガス燃料(気体燃料)のみを燃料として用いて点火プラグで点火を行う運転様式、及び、熱源の大部分を占めるガス燃料の点火に少量の液体燃料（パイロット油）の噴射を用いる運転様式、の双方を含むものである。後者の運転様式における全燃料中の液体燃料の割合は、通常の場合、定格出力の熱量対比で全熱量の１％〜１０％程度である。排出ガスに対する環境規制を達成する観点からは３％以下であることが望ましい。
アシストモードＡｓは、ガス燃料と液体燃料の双方を燃料とし、しかも液体燃料の供給量の調速制御を行う運転様式である。液体燃料を用いるアシストモードＡｓは、環境対策の側面から運転時間を必要最小限とし、アシストモードが必要でなくなった場合にはすぐにガスモードに復帰させることが好ましい。アシストモードＡｓでは、燃料噴射弁１０から燃焼室６内に燃料油を噴射して燃焼させると共に、マイクロパイロット油噴射弁１１からも燃焼室６内にパイロット燃料を噴射して燃焼させる。
ディーゼルモードＤは、主にエンジンの始動時及び停止時に用いられ、液体燃料のみを燃料として運転を行う運転様式である。
【００３０】
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。
【００３１】
定常的な運転の際には、回転速度と出力との関係で理論的には舶用三乗特性線に沿ってガスモードでエンジン１の運転が行われる。舶用三乗特性とは、固定ピッチプロペラを用いた船舶において出力が回転速度の３乗に比例する舶用主機関（エンジン１）の特性をいう。定常運転以外で、荒天時の船舶の運航や急速な進路変更などの操船がなされた場合には、舶用三乗特性を大きく超えて常用的な運転領域以上の出力が要求され、ガスモードＧでの運転は出力が不足して運転が困難な場合があるため、一時的に液体燃料を燃焼室６内に供給して気体燃料と共にアシストモードＡｓで運転を行う。アシストモードＡｓでの運転は、調速制御で液体燃料を使用するため環境への影響を考慮して必要最小限の時間内で処理し、アシストモードＡｓが必要でなくなった場合には迅速にガスモードＧに復帰することが望ましい。
【００３２】
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。
【００３３】
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）
【００３４】
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。
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。
【００３５】
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と第一電気信号及び開閉タイミングから第二電気信号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。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）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、本実施形態ではエンジン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。
【００３８】
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１７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吸気弁８が接続され、排気用スイングアームには排気弁９が接続されている。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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とは別にガスガバナ４４を介して燃料ガス供給弁１５に送信される。ガスガバナ４４は、ガスモードにおけるガス燃料の供給量の調速制御（ガバナ制御）を行う。しかも、ガスガバナ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且つ調速制御を行うガスガバナ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、ガスガバナ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。
【００４３】
更に、制御部２２には、アシストモードＡｓの際に液体燃料の調速制御を行うディーゼルガバナ４８が設置されている。ディーゼルガバナ４８は、開閉タイミングの第二電気信号を受信して燃料噴射ポンプ１２に供給し、燃料噴射弁１０から燃焼室６内に噴射する燃料油の供給量を制御する。ディーゼルガバナ４８は制御部２２の外部に設置されていてもよい。
ディーゼルガバナ４８は、アシストモードＡｓにおいて液体燃料の調速制御を行い、目標となるエンジン１の回転速度に合致するように液体燃料の供給量を調速制御する。アシストモードＡｓからガスモードＧに戻る際には液体燃料の調速制御を終了する。
なお、制御部２２において、第一マップ２４と第二マップ２５を含む構成を運転制御部４９として、運転制御部４９とは別個にガスガバナ４４とディーゼルガバナ４８とを有している。
【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。
【００４５】
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。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。
【００４６】
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）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。
【００４７】
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。
【００４８】
（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。
【００４９】
（８）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）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。
【００５０】
（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／Ｎｍ３) 
Ｌｏ：現時点の出力
Ｌ：燃料流量
【００５１】
（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。
【００５２】
（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）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。
【００５３】
（１５）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）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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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ガスガバナ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、ガスガバナ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。
【００６３】
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から図１１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。
制御部２２内には、目標回転速度指令部５０で設定された目標回転速度により図示しないコントロールラックの目標位置を設定するラック目標値設定手段５７が配設されている。ラック目標値設定手段５７により設定されたラック位置の目標値により、燃料噴射弁１０のラック位置をフィードバック制御する。
【００６４】
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、ガスガバナ４４によって、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。
【００６５】
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。
液体燃料の燃料噴射ポンプ１２及び燃料噴射弁１０の制御は次のように行われる。即ち、図１１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、燃料噴射ポンプ１２のラック位置を直接的に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、ディーゼルガバナ４８によって、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燃料噴射ポンプ１２のラック位置が変更されることにより、燃料噴射弁１０から噴射される液体燃料の噴射量が増加、減少し、これによってエンジン１の回転速度が増加、減少する。
【００６６】
上述した結果を表示した可変吸気弁タイミング機構３０の進角とガスガバナ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１２のようになる。
図１２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。
【００６７】
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。
【００６８】
次に制御部２２で制御されるエンジン１の運転における舶用三乗特性線とアシスト・オン（ＯＮ）領域とアシスト・オフ（ＯＦＦ）領域との関係について説明する。図１３のグラフにおいて、横軸がエンジン１の回転速度を示すものであり、縦軸は出力（ｋｗ）である。
舶用三乗特性線は、固定ピッチプロペラを用いた船舶において、出力が回転速度の３乗に比例する舶用主機関の特性であり、エンジン１の基本的制御出力レベルである。しかし、出力と回転速度との関係が正確に３乗に比例するとは限らず、ある程度のずれを有する場合もある。図において、舶用三乗特性線に対してプラスマイナス１０％の範囲を破線で示す。このプラスマイナス１０％の範囲で、アシスト・オフラインが設定される。好ましくはアシスト・オフラインは舶用三乗特性線に沿って設定され、本実施形態では図中、長破線で示すように、舶用三乗特性線のやや上方に舶用三乗特性線に沿った線として設定される。このアシスト・オフラインの下側の領域がアシスト・オフ領域とされる。また、アシスト・オフラインの上側にアシスト・オンラインが設定される。好ましくは、アシスト・オンラインは舶用三乗特性線のある程度上方の常用的には運転されない出力においてエンジン１の特性に応じて設定される。本実施形態では、図中一点鎖線で示すように、アイドル回転速度から中間回転速度までは舶用三乗特性線を一定割合で上回り、中間回転速度から定格回転速度に達するにつれて舶用三乗特性線に近づく線として設定される。このアシスト・オンラインの上側の領域がアシスト・オン領域とされる。なお、これらアシスト・オンライン、アシスト・オフライン等は、制御における考え方を示すもので物理的な線を意味せず、好ましくはコンピュータのプログラムにおける機能として実装される。
【００６９】
ガスモードＧでの運転は定常的には舶用三乗特性線の付近でなされるが、矢印（Ａ）で示すように、一時的に回転速度に対して出力が上がる場合がある。ガスモードＧによる運転中に出力が上がりアシスト・オン領域に入るとアシストモードＡｓによる運転に移行する。その後、回転速度に対して出力が上がった状態が解消すると、矢印（Ｂ）で示すように出力が舶用三乗特性線付近まで下がる。出力が下がり、アシスト・オフ領域に入るとガスモードＧでの運転に復帰する。
アシストモードＡｓでの運転は出力が増大したトルクリッチ領域に限られるため、環境対策の側面からも好適となる。また、アシストモードＡｓにおいては、図中、ガスガバナの指令イメージの破線で示されるように、回転速度に応じた所定値の気体燃料の供給を行うガスガバナの制御がなされる。
【００７０】
次にガスモードＧとアシストモードＡｓとの間の移行時の動作について図１４及び図１５に示すタイミングチャートで説明する。
図１４は、ガスモードＧからアシストモードＡｓに移行する際の動作を示すタイミングチャートである。荒天時の船舶の運航や急速な進路変更などの操船がなされた場合に、回転速度に対する出力(負荷)が上昇する。出力(負荷)が予め設定されたアシスト・オンラインを超えるとアシストモードＡｓに移行する。この場合、ガスガバナ４４はガス燃料の供給量の調速制御を終了する。これとほぼ同時に、ディーゼルガバナ４８で液体燃料の供給量の調速制御を開始し、且つガスガバナ４４によるガス燃料の供給量を図１３で説明した回転速度に応じた所定値に急速に下げて、低い出力で安定させる。この低い出力のガスガバナ指令値は回転速度に応じて変化する。
【００７１】
ガス燃料の供給量を所定値に下げる操作はごく短時間（例えば１秒以内）で行われる。ガス燃料の供給量が所定値に下がると、液体燃料の調速制御の作用により、目標となるエンジン１の回転速度を維持するように液体燃料の供給量が増加する。その結果として、エンジン１の回転速度に大きな影響を与えずに、ガスモードＧからアシストモードＡｓへの移行が実施される。ガスモードＧからアシストモードＡｓへの移行は、ガスガバナ４４とディーゼルガバナ４８により、ディーゼルモードＤへの移行と同様にごく短時間（例えば１秒以内）で行うことが可能である。
【００７２】
次に、図１５により、アシストモードＡｓからガスモードＧへ復帰する際の動作を示すタイミングチャートについて説明する。
アシストモードＡｓで運転中、回転速度に対する出力(負荷)が低下し、出力(負荷)が予め設定されたアシスト・オフラインより低下するとガスモードＧに復帰する。アシストモードＡｓからガスモードＧに復帰する際、ディーゼルガバナ４８で液体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に、これとほぼ同時にガスガバナ４４でガス燃料の供給量の調速制御を開始する。しかも、ディーゼルガバナ４８は、液体燃料の供給量を連続的に例えば２段階に下げて、最終的にゼロまたは極めて小さい量とする。
【００７３】
ディーゼルガバナ４８による液体燃料の供給量を連続的に下げるパターンは、直線的、曲線的、あるいは、これらと実質的に同様の作用をもつ多段の階段状とすることができるが、本実施形態では２段階に分けて直線的に下げるようにした。図１５に示すように、機械式の燃料噴射ポンプ１２の第一段ｆ１では液体燃料の供給量を相対的に急速に低下させて出力を下げ、第二段ｆ２の領域では出力の低下を低速で行う。第二段ｆ２は実質的に液体燃料を噴射しない無噴射領域とされ、しかもその出力低下の移行期間はゆっくり下げるのが望ましい。第一段ｆ１と第二段ｆ２の境目では、ディーゼルガバナ４８の指令はアイドル運転程度のガバナ指令とされている。
【００７４】
ディーゼルガバナ４８によって液体燃料の供給量を連続的に下げる操作は、前述のガス燃料の供給量を下げる操作と比較して、長い時間で行うことが望ましい。ディーゼルガバナ４８による液体燃料の供給終了までの時間は出力に応じて異なるが、実質的には数秒程度とされる。液体燃料の供給量が連続的に下げられると、ガスガバナ４４によるガス燃料の調速制御の作用により、エンジン１の目標となる回転速度を維持するようにガス燃料の供給量が増加する。結果的に、エンジン１の回転速度に大きな影響を与えずに、アシストモードＡｓからガスモードＧへの復帰が実施される。
【００７５】
ここで、ガスモードＧへ復帰する前のアシストモードＡｓでは、ガス燃料が所定量供給されているため、ガスモードＧへ復帰するステップを開始する時点で即座にガス燃料の供給量の調速制御を開始することができる。一般に、ガス燃料の供給をゼロから開始する場合には立ち上りが不安定で安定した制御を行うのに時間を要する。しかし、このアシストモードＡｓでは、すでに所定値の供給量でガス燃料が継続して供給されているため、速やかにガス燃料の調速制御を開始することができ、開始後の調速制御の追従性も高くなる。
よって、出力に応じて異なるものの、アシストモードＡｓからガスモードＧへの移行において、実質的な液体燃料の供給停止を数秒で行うことが可能である。
【００７６】
次に本実施形態による船舶推進用の４ストロークデュアルフューエルのエンジン１の運転方法を説明する。
エンジン１の始動時に、ディーゼルモードＤで起動してガスモードＧに移行させる。ガスモードＧでは、定常的には舶用三乗特性線上で運転される。制御部２２において、ガスガバナ４４でガス燃料の供給量の調速制御を行い、図１３において、舶用三乗特性線に対してある程度出力のずれがあっても、アシスト・オンラインに到達しない場合には、ガスモードＧにおいて回転速度と出力の制御が行われて定常運転される。ガスモードＧでは、ガス燃料のみを燃料として用いて点火プラグで点火を行う運転様式、または、熱源の大部分を占めるガス燃料の点火に少量の液体燃料（パイロット油）の噴射を用いる運転様式のいずれかで運転される。少量の液体燃料を含む運転様式の場合、液体燃料の割合は、通常、定格出力の熱量対比で全熱量の１％〜１０％程度であるが、排出ガスに対する環境規制を達成する観点から３％以下であることが望ましい。
【００７７】
ガスモードＧの運転において、エンジンの出力(負荷)をクランク軸２に設けた回転速度センサ２０とトルクセンサ２１によって検知する。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。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の制御部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等からの信号に基づいてエンジン１の運転状態の出力を検出する。エンジン１の加減速や海の荒れ等で出力(負荷)が上昇して、出力(負荷)が予め設定されたアシスト・オンラインを超えた場合、ガスモードＧからアシストモードＡｓに移行する(図１４参照)。
【００７８】
ガスモードＧからアシストモードＡｓへの移行時において、ガスガバナ４４によるガス燃料の調速制御が終了してガバナ指令値が急速に降下してガス燃料の供給量が所定値に低下すると同時に、ディーゼルガバナ４８で液体燃料の供給量の調速制御が開始される。ガス燃料の供給量の低下は例えば１秒以内とごく短時間で行われる。同時にディーゼルガバナＤによる調速制御により、目標となるエンジンの回転速度を維持するように液体燃料の供給量が増加する。その結果、エンジンの回転速度に大きな影響を与えないでガスモードＧからアシストモードＡｓに短時間で移行する。これにより、ガスモードＧにおけるノッキングや失火を未然に回避できる。
なお、アシストモードＡｓでの運転は一定割合の液体燃料を使用するため環境対策の側面から必要最小限の時間だけ運転するものとし、アシストモードＡｓが必要でなくなった時点で迅速にガスモードに復帰させる。
【００７９】
アシストモードＡｓにおけるエンジン１の出力（負荷）が低下して、アシスト・オフライン以下になった場合、アシストモードＡｓを終了してガスモードＧに移行させる(図１５参照)。
アシストモードＡｓからガスモードＧに復帰する際、ディーゼルガバナ４８で液体燃料の供給量の調速制御を終了すると共に、ほぼ同時にガスガバナ４４によってガス燃料の供給量の調速制御を開始する。しかも、ディーゼルガバナ４８は、液体燃料の供給量を例えば２段階に亘って連続的に下げ、最終的にゼロまたは極めて小さい量とする。
【００８０】
液体燃料の供給量を下げる際、ディーゼルガバナ４８の指令値は、第一段ｆ１では急速に供給量を下げ、第二段ｆ２では実質的に液体燃料を無噴射状態として比較的緩やかにガバナ指令値を下げる。液体燃料の供給量を連続的に下げる操作は、前述のアシストモード移行時にガス燃料の供給量を下げる操作と比較して長い時間、例えば数秒かけて行われる。
液体燃料の供給量が連続的に下げられると、ガスガバナ４４によるガス燃料の調速制御により、エンジン１の目標となる回転速度を維持するようにガス燃料の供給量が急速に増加する。こうして、エンジン１の回転速度に大きな影響を与えずに、アシストモードＡｓからガスモードＧへの復帰が実施される。
【００８１】
しかも、アシストモードＡｓの段階でガス燃料が継続して所定量供給されているため、ガスモードＧへ復帰する時点で即座にガス燃料の調速制御を開始できる。そのため、速やかにガス燃料の供給量の調速制御を開始でき、開始後の調速制御の追従性と安定性が高くなる。従って、アシストモードＡｓからガスモードＧへの移行に際し、実質的なガス燃料の調速制御と液体燃料の供給停止または規制を数秒で行うことができる。
【００８２】
また、ガスモードＧへ復帰するステップをエンジン１の出力が下がる過程において実施することで、短時間でのガスモードへの復帰が容易となる。ガスモードへの復帰の際は、ノッキングや失火の発生が起こり得るが、エンジン１の出力が下がる過程においては、十分な空気量が確保された状態であるため適正な空燃比を維持しやすい。
しかも、エンジン１の出力が下がる過程では、調速制御上は燃料の供給を制限する方向であるため、急激なガス燃料の増加を抑制できてノッキングや失火が生じにくい。そこで、エンジン出力低下のタイミングにあわせてガスモードＧへの復帰を行うことで、適正な燃焼を維持しつつ短時間でのガスモードＧへの復帰を可能とする。アシストモードＡｓでのガス燃料の供給量は、エンジン１の出力が大きいほど大きい値となる。これにより、エンジン１の出力が大きい領域においても、アシストモードＡｓからガスモードＧへの復帰を迅速に行うことができる。
【００８３】
なお、ガスモードＧによる運転では、負荷が増大してノッキングや失火の発生が予想される状況においても、ガスモードＧからアシストモードＡｓに移行することで、エンジン１の運転を継続することができる。一方、アシストモードＡｓにおいては一定割合の液体燃料を使用するため、環境対策の側面からアシストモードＡｓでの運転は必要最小限とした。そして、アシストモードＡｓが必要でない状態に至ると、即座にガスモードＧによる運転に復帰するようにした。
【００８４】
舶用三乗特性線は、エンジン１の出力と回転速度との関係を示すものであるため、アシストモードＡｓへの移行、ガスモードＧへの復帰の制御において、エンジン１の出力と回転速度の相互関係と連続性を踏まえた切り換えが迅速に行われることになり、出力と回転速度が複雑に変化する現実の操船状態においても適切な移行と復帰が行われる。しかも、アシストモードＡｓは、舶用三乗特性線よりも出力が高いトルクリッチ領域で行われるため、環境対策の面からも好適である。
【００８５】
また、船舶推進用のエンジン１は定常的には概ね舶用三乗特性線上で運転されることから、アシストモードＡｓへの移行は必要な場合にのみ行われ、アシストモードＡｓの必要がなくなれば即座にガスモードＧへ復帰する。そのため、本実施形態によるエンジン１及びその運転方法は、出力変動の激しいタグボートや作業船用のエンジンにおいて、より好適に使用できる。
本実施形態において、ガスモードＧとディーゼルモードＤでは、エンジン１の運転において制御が行われる運転パラメータ、例えば給気圧力に関する設定値、吸気弁の閉弁タイミングを変更する場合における可変吸気弁タイミング機構３０の制御（ＶＩＶＴ指令値）の設定値、点火条件に関する設定値は、それぞれの運転モードに最適化された設定値とされる。一方、アシストモードＡｓでは、これら運転パラメータ、すなわち給気圧力に関する設定値、吸気弁の閉弁タイミングを変更する場合における可変吸気弁タイミング機構３０の制御（ＶＩＶＴ指令値）の設定値、マイクロパイロット噴射弁１１や点火プラグなどの点火装置の設定値、のうち少なくとも一つ以上についてガスモードＧと共通の設定値が用いられる。
【００８６】
上述したように本実施形態によるデュアルフューエルエンジン１とその運転方法によれば、ガスモードＧからアシストモードＡｓへの移行が例えば１秒、アシストモードＡｓからガスモードＧへの復帰が数秒という極めて短時間で迅速に移行制御できる。そのため、ガスモードＧにおける、ノッキングや失火の発生を未然に回避できる。アシストモードＡｓでの運転は出力(負荷)が大幅に増加したトルクリッチ領域に限られ、液体燃料を用いるアシストモードＡｓの必要がなくなった場合では、迅速にガスモードＧに復帰するため、環境対策の面からも優れた効果を得られる。
【００８７】
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とその運転方法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。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、気体燃料を熱源の大部分とする第一の運転と、当該運転時に出力(負荷)が増大した際に気体燃料と液体燃料の双方を燃料とする第二の運転との、二つの運転状態の間を出力(負荷)の変化に応じて相互に且つ迅速に移行することができるエンジン運転方法とエンジンシステムを提供する。
【符号の説明】
【００８９】
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
１０  燃料噴射弁
１１  マイクロパイロット油噴射弁
１２  燃料噴射ポンプ
１３  吸気管
１４  排気管
１５  燃料ガス供給弁
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
３０  可変吸気弁タイミング機構
４４  ガスガバナ
４５  燃料ガス供給弁タイミング機構
４８  ディーゼルガバナ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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