(57)【要約】【課題】負荷変動時の応答性を向上させると共に、エネルギー効率を向上させることができるエンジンシステムを提供することを目的の一つとする。【解決手段】エンジンシステムは、内燃機関と、内燃機関から排出される排気ガスにより空気を圧縮する過給機と、過給機により圧縮された空気を内燃機関に供給する第１の主供給路と、排気ガスを過給機に供給する第２の主供給路と、第１の主供給路から内燃機関に供給される給気量を調整する第１の調整部と、排気ガスによって回転する過給機の回転速度を調整する第２の調整部と、稼動中の内燃機関の負荷率に基づく給気圧目標値と、第１の主供給路の給気圧力とに基づいて、第１の調整部による空気の調整量をフィードバック制御する第１の制御部と、稼動中の内燃機関の負荷率に基づいて、第２の調整部によって過給機の回転速度をオープンループ制御する第２の制御部と、を備える。【選択図】図１
2017145730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関から排出される排気ガスにより空気を圧縮する過給機と、
前記過給機により圧縮された空気を前記内燃機関に供給する第１の主供給路と、
前記内燃機関から排出された排気ガスを前記過給機に供給する第２の主供給路と、
前記第１の主供給路から前記内燃機関に供給される給気量を調整する第１の調整部と、
前記第２の主供給路から供給される排気ガスによって回転する前記過給機の回転速度を調整する第２の調整部と
稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づく給気圧目標値と、前記第１の主供給路の給気圧力とに基づいて、前記第１の調整部による空気の調整量をフィードバック制御する第１の制御部と、
稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づいて、前記第２の調整部によって前記過給機の回転速度をオープンループ制御する第２の制御部と、
を備えるエンジンシステム。
【請求項２】
前記第１の調整部は、前記第１の主供給路に供給される空気の一部を、前記過給機に戻す第１のバイパス路に設けられた第１の流量調整弁を含み、
前記第２の調整部は、前記第２の主供給路に供給された排気ガスの一部を、前記過給機を介さずに外部に排出する第２のバイパス路に設けられた第２の流量調整弁を含み、
前記第１の制御部は、稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づく給気圧目標値と、前記第１の主供給路の給気圧力とに基づいて、前記第１の流量調整弁の弁開度をフィードバック制御し、
前記第２の制御部は、稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づいて、前記第２の流量調整弁の弁開度をオープンループ制御する、
請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記第１の制御部は、前記負荷率が上昇している場合、前記負荷率が一定の場合に比して、前記第１の流量調整弁の弁開度を小さくする、
請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記第１の制御部は、前記負荷率が上昇している場合、前記第１の流量調整弁の弁開度を、前記第２の制御部によりオープンループ制御される前記第２の流量調整弁の弁開度に比して小さくする、
請求項２または３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記第２の制御部は、前記負荷率が上昇している場合、前記第２の流量調整弁の弁開度を、前記第１の制御部によりフィードバック制御される前記第１の流量調整弁の弁開度に比して大きくする、
請求項２から４のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記第２の制御部は、負荷操作によって前記負荷率が上昇した後の前記負荷率が一定となった期間において、前記第１の制御部によりフィードバック制御される前記第１の流量調整弁の弁開度に比して、前記第２の流量調整弁の弁開度を大きくする、
請求項２から５のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記第２の制御部は、負荷上昇操作前の前記負荷率が一定である期間において、前記第１の制御部によりフィードバック制御される前記第１の流量調整弁の弁開度に比して、前記第２の流量調整弁の弁開度を小さくする、
請求項２から６のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記第１の調整部は、前記第１の主供給路に供給される空気の一部を、前記過給機に戻すバイパス路に設けられた流量調整弁を含み、
前記第２の調整部は、前記第２の主供給路から供給される排気ガスによって回転する前記過給機の回転速度を調整する前記過給機内の可変静翼を含み、
前記第１の制御部は、前記内燃機関により駆動される負荷の負荷率に基づく給気圧目標値と、前記第１の主供給路に供給される給気圧力とに基づいて、前記流量調整弁の弁開度をフィードバック制御し、
前記第２の制御部は、稼働中の前記内燃機関の負荷率に基づいて、前記可変静翼による排気ガス通路面積をオープンループ制御する、
請求項１に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に対して供給する気体の一部を過給機に戻す給気バイバス路と、内燃機関から排出され、過給機に流入する気体の一部を外部に逃がす排気バイパス路とを設け、各バイパス路を通過する気体の流量を調整することで内燃機関の給気量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２３００００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のような従来の技術では、内燃機関が駆動する負荷が低負荷、または中程度の負荷において、排気バイパス路に設けられた弁を開いて気体の流量を調整することから、過給機の回転速度が低い状態で維持される場合があった。この結果、低負荷からの負荷率が上昇する際に、過給機の回転速度上昇の遅れ等により、内燃機関に対する十分な給気量が得られず、ノッキング等が生じる場合があった。
【０００５】
また、従来の技術では、内燃機関が駆動する負荷が高負荷である場合、内燃機関に対する給気量を減らすために、給気バイパスに設けられた弁を開いて調整することから、給気循環によるエネルギーロスによりエンジン効率が低下する場合があった。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、負荷変動時の応答性を向上させると共に、エネルギー効率を向上させることができるエンジンシステムを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、内燃機関と、前記内燃機関から排出される排気ガスにより空気を圧縮する過給機と、前記過給機により圧縮された空気を前記内燃機関に供給する第１の主供給路と、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記過給機に供給する第２の主供給路と、前記第１の主供給路から前記内燃機関に供給される給気量を調整する第１の調整部と、前記第２の主供給路から供給される排気ガスによって回転する前記過給機の回転速度を調整する第２の調整部と、稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づく給気圧目標値と、前記第１の主供給路の給気圧力とに基づいて、前記第１の調整部による空気の調整量をフィードバック制御する第１の制御部と、稼動中の前記内燃機関の負荷率に基づいて、前記第２の調整部によって前記過給機の回転速度をオープンループ制御する第２の制御部と、を備えるエンジンシステムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷変動時の応答性を向上させると共に、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態におけるエンジンシステム１の一例を示す概略図である。
【図２】給気圧目標値導出情報の一例を示す図である。
【図３】弁開度情報の一例を示す図である。
【図４】負荷率の変動の一例を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるエンジンシステム１による制御方法と、他の例による制御方法とを比較するための図である。
【図６】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果の一例を示す図である。
【図７】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果と、他の例による制御結果とを比較するための図である。
【図８】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果と、他の例を示す図である。
【図９】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果と、他の例を示す図である。
【図１０】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１１】第１の実施形態における給排気量制御装置１００の処理の流れの他の例を示すフローチャートである。
【図１２】第２の実施形態におけるエンジンシステム２の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照し、本発明のエンジンシステムの実施形態について説明する。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態におけるエンジンシステム１の一例を示す概略図である。図中に示す破線の矢印は、有線または無線等の通信線を示している。
【００１２】
本実施形態におけるエンジンシステム１は、例えば、天然ガス等の気体を燃料として利用するエンジンを含む。エンジンシステム１は、例えば、タグボート、タンカー船、旅客船、オフショア船等の船舶や、乗用車、バス等の車両、発電機等に搭載される。エンジンシステム１は、圧縮された空気と燃料ガスとの混合気体を燃焼させることで、船舶や車両、発電機等を駆動させる。
【００１３】
エンジンシステム１は、例えば、負荷Ｌと、ガス燃料エンジン部１０と、過給部２０と、空気冷却部３０と、圧力センサ４０と、回転検出センサ５０と、トルク検出センサ５２と、第１の駆動部６０と、第１の流量調整弁６２と、第２の駆動部７０と、第２の流量調整弁７２と、給気供給路ＡＰａと、給気バイパス路ＢＰａと、排気排出路ＡＰｂと、排気バイパス路ＢＰｂと、給排気量制御装置１００とを備える。なお、本実施形態におけるエンジンシステム１は、例えば、液体燃料とガス燃料とのハイブリット機能を有するデュアルフューエルエンジンに適用されてもよいし、ガス燃料のみによって駆動するガス専用エンジンに適用されてもよい。
【００１４】
ガス燃料エンジン部１０は、「内燃機関」の一例であり、過給部２０は、「過給機」の一例である。また、給気供給路ＡＰａは、「第１の主供給路」の一例であり、排気排出路ＡＰｂは、「第２の主供給路」の一例である。また、給気バイパス路ＢＰａは、「第１のバイパス路」の一例であり、排気バイパス路ＢＰｂは、「第２のバイパス路」の一例である。また、第１の駆動部６０および第１の流量調整弁６２は、「第１の調整部」の一例であり、第２の駆動部７０および第２の流量調整弁７２は、「第２の調整部」の一例である。
【００１５】
負荷Ｌとは、エンジンの回転を妨げる負荷である。負荷Ｌは、例えば、エンジンシステム１が船舶に搭載される場合、プロペラ等を駆動させる際の機械的負荷を含む。また、負荷Ｌは、例えば、エンジンシステム１が車両に搭載される場合、クラッチ、ギア、スロットバルブ、車輪等を駆動させる際の機械的負荷を含む。また、負荷Ｌは、例えば、エンジンシステム１が発電用に用いられる場合、発電機等を駆動させる際の電気的および機械的負荷を含む。
【００１６】
ガス燃料エンジン部１０は、例えば、複数の燃焼室（シリンダー）１２を備える。過給部２０によって圧縮されて供給される空気は、給気供給路ＡＰａを介して空気冷却部３０に送られ、その後ガス燃料エンジン部１０に送られる。
【００１７】
ガス燃料エンジン部１０は、過給部２０によって圧縮されて供給された空気を、各燃焼室１２で燃焼（酸化）させて、内部のピストンを往復運動させる。ガス燃料エンジン部１０は、燃焼室１２内部のピストンの往復運動を、図示しないコネクティングロッド（コンロッド）およびクランクシャフトにより回転運動に変える。これによって、ガス燃料エンジン部１０は、この回転運動に基づくエネルギーを負荷Ｌに与え、負荷Ｌを駆動させる。
【００１８】
過給部２０は、例えば、コンプレッサー２１と、タービン２２とを備える。コンプレッサー２１は、タービン２２の回転に応じて、外部から空気を取り込み、取り込んだ空気の圧力を大気圧以上に圧縮する。そして、コンプレッサー２１は、圧縮した空気を、給気供給路ＡＰａを介してガス燃料エンジン部１０に供給する。タービン２２は、ガス燃料エンジン部１０内にて燃焼した排気ガスを取り込み、取り込んだ排気ガスの量に応じて回転する。そして、タービン２２は、回転の駆動源として利用した排気ガスを外部に排気する。
【００１９】
空気冷却部３０は、例えば、過給部２０からガス燃料エンジン部１０に空気を供給するための給気供給路ＡＰａの一部に設けられる。空気冷却部３０は、図示しない供給路を介して外部から所定の圧力で供給される冷却水によって、給気供給路ＡＰａ内部を通過する空気を冷却させる。冷却水は、例えば、工業用水、海水、循環冷却水である。
【００２０】
圧力センサ４０は、例えば、空気冷却部３０の下流側の給気供給路ＡＰａに設けられ、空気冷却部３０によって冷却された空気の圧力（例えば単位［Ｐａ］）を測定する。
【００２１】
回転検出センサ５０は、例えば、クランクシャフト等の回転軸の回転速度を検出する。なお、回転検出センサ５０は、回転軸の回転数や回転角速度を検出してもよい。
【００２２】
トルク検出センサ５２は、例えば、クランクシャフト等の回転軸のねじれ量（例えば変位量）を検出し、このねじれ量と回転軸の半径とに基づいて、トルクを導出する。なお、回転検出センサ５０およびトルク検出センサ５２の一方または双方は、軸馬力計等のねじれ検出センサであってもよいし、渦電流式の電気動力計であってもよい。
【００２３】
第１の駆動部６０および第２の駆動部７０は、例えば、電磁式や、油圧式、空気圧式等のアクチュエータである。第１の駆動部６０および第２の駆動部７０のそれぞれは、給排気量制御装置１００による制御を受けて駆動する。第１の駆動部６０は、第１の流量調整弁６２を駆動し、第１の流量調整弁６２の弁開度を調整する。第２の駆動部７０は、第２の流量調整弁７２を駆動し、第２の流量調整弁７２の弁開度を調整する。
【００２４】
給気バイパス路ＢＰａは、給気供給路ＡＰａの一部に設けられ、給気供給路ＡＰａ内部を通過する空気の一部を、過給部２０のコンプレッサー２１に供給して循環させる。図１に示すように、例えば、給気バイパス路ＢＰａは、空気冷却部３０の上流側の給気供給路ＡＰａに設けられる。なお、給気バイパス路ＢＰａは、空気冷却部３０の下流側の給気供給路ＡＰａに設けられてもよい。この場合、給気バイパス路ＢＰａは、空気冷却部３０により冷却された空気の一部を、過給部２０のコンプレッサー２１に供給して循環させる。
【００２５】
排気バイパス路ＢＰｂは、排気排出路ＡＰａの一部に設けられ、排気排出路ＡＰａ内部を通過する排気ガスの一部を、過給部２０のタービン２２を介さずに外部に排気する。
【００２６】
第１の流量調整弁６２は、給気バイパス路ＢＰａに設けられ、給気バイパス路ＢＰａを介してコンプレッサー２１に循環する空気の流量を調整する。第１の流量調整弁６２は、例えば、コンプレッサー２１から供給される空気を、弁開度に応じた分量で、空気冷却部３０側へ向けた給気供給路ＡＰａと、給気バイパス路ＢＰａとに分流する。第１の流量調整弁６２が全開の場合（弁開度が“１”の場合）、コンプレッサー２１から供給された空気は、例えば、１対１の比率で、空気冷却部３０側へ向けた給気供給路ＡＰａと、給気バイパス路ＢＰａとに分流される。また、第１の流量調整弁６２が閉じている場合（弁開度が“０”の場合）、コンプレッサー２１から供給される空気は、空気冷却部３０側へ向けた給気供給路ＡＰａのみに全量流れる。
【００２７】
第２の流量調整弁７２は、排気バイパス路ＢＰｂに設けられ、排気バイパス路ＢＰｂを介して外部に排気する排気ガスの流量を調整する。第２の流量調整弁７２は、例えば、ガス燃料エンジン部１０から排出される排気ガスを、弁開度に応じた分量で、過給部２０側へ向けた排気排出路ＡＰｂと、排気バイパス路ＢＰｂとに分流する。例えば、弁が全開の場合（弁開度が“１”の場合）、ガス燃料エンジン部１０から排出される排気ガスは、例えば、１対１の比率で、過給部２０側へ向けた排気排出路ＡＰｂと、排気バイパス路ＢＰｂとに分流される。また、弁が閉じている場合（弁開度が“０”の場合）、ガス燃料エンジン部１０から排出される排気ガスは、過給部２０側へ向けた排気排出路ＡＰｂのみに全量流れる。
【００２８】
給排気量制御装置１００は、例えば、第１の制御部１１０と、第２の制御部１２０と、その共通部と、記憶部（不図示）とを備える。共通部とは、第１の制御部１１０および第２の制御部１２０と異なる第３の制御部であり、自身が行う処理の一部または全部は、第１の制御部１１０または第２の制御部１２０により行われてもよい。上述した第１の制御部１１０、第２の制御部１２０及び共通部（第３の制御部）のいずれか又は全部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。また、第１の制御部１１０および第２の制御部１２０の一方または双方は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよい。
【００２９】
記憶部は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、またはＲＡＭ（Random Access Memory）などにより実現される。記憶部には、ファームウェアやプロセッサが実行するプログラムなどが記憶される。
【００３０】
給排気量制御装置１００の共通部においては、例えば、回転検出センサ５０により検出された回転速度と、トルク検出センサ５２により検出されたトルクとに基づいて、現時点での負荷に対する出力（仕事量［ｋＷ］）を導出し、この現時点での出力と、予め記憶部に記憶させておいた定格出力とに基づいて、負荷率を導出する。負荷率は、例えば、現時点での出力を定格出力で除算することで導出される。なお、負荷率を導出する処理については、第１の制御部１１０または第２の制御部１２０が行ってもよい。
【００３１】
第１の制御部１１０は、共通部により算出されたガス燃料エンジン部１０の負荷率に基づく給気圧目標値と、圧力センサ４０により測定された給気圧力とに基づいて、第１の流量調整弁６２の弁開度を調整する第１の駆動部６０をフィードバック制御する。フィードバック制御とは、フィードバックによって制御量を目標値と比較し、それらを一致させるように操作量を生成する制御のことを指す。ここで、制御量は、給気供給路ＡＰａ内の圧力、すなわち圧力センサ４０による測定値である。また、目標値は、後述する給気圧目標値である。また、操作量は、第１の駆動部６０を駆動させるための操作量である。
【００３２】
第１の制御部１１０は、導出した負荷率と、予め記憶部に記憶させておいた給気圧目標値導出情報とを用いて、フィードバック制御時に目標とする給気供給路ＡＰａ内の圧力（以下、給気圧目標値と称する）を導出する。給気圧目標値導出情報とは、予め定められた負荷率および給気圧目標値の関係を示した情報である。この情報は、例えば、マップや関数として予め記憶部に記憶されている。
【００３３】
図２は、給気圧目標値導出情報の一例を示す図である。図中の横軸は、負荷率を表し、縦軸は、給気圧目標値を表している。また、図中に示すＬＮ１は、負荷率に対する給気目標値の変動の特性を示すラインである。ラインＬＮ１の特性が示す給気圧目標値は、予め工場運転にて、負荷率ごとにエンジンの性能が最適になるように設定された値である。エンジンの性能が「最適になる」とは、例えば、ガス燃料エンジン部１０において、空気と燃料ガスとの混合気体の空燃比が、失火やノッキング等の燃焼異常の発生が抑制される適正な範囲内（理想空燃比と同程度の範囲内）に収まり、効率、有害ガス排出量がエンジン仕様を満足するような状態のことである。また、効率とは、本システムのエネルギー効率を表しており、例えば、クランクシャフト等の回転軸端の負荷に基づく効率であり、供給した燃料のエネルギー量に対する、負荷のエネルギー量の割合である。
【００３４】
第１の制御部１１０は、ラインＬＮ１において、導出した負荷率に対応した値を給気圧目標値として得る。なお、給気圧目標値導出情報は、ラインＬＮ１を多項式等に近似させた関数であってもよい。この場合、給気圧目標値導出情報は、関数を示す数式と、この数式に含まれる係数や定数項等のパラメータとを含む。これによって、第１の制御部１１０は、フィードバック制御時において、共通部が回転検出センサ５０およびトルク検出センサ５２から検出値を取得して導出した負荷率の情報を得るとともに、これらパラメータを記憶部から読み出して、給気圧目標値を導出する。
【００３５】
第１の制御部１１０は、例えば、導出した給気圧目標値と、圧力センサ４０によって測定された給気圧力値とに基づいて、第１の流量調整弁６２の弁開度を調整する第１の駆動部６０を制御対象としてＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative Controller；PID）を行う。ＰＩＤ制御とは、入力に比例する大きさの出力を出す比例動作、入力の時間積分値に比例する大きさの出力を出す積分動作、および入力の時間微分値に比例する大きさの出力を出す微分動作の三つの動作を含む制御方式である。第１の制御部１１０は、ＰＩＤ制御により第１の駆動部６０の操作量を決定する。
【００３６】
なお、第１の制御部１１０は、ＰＩＤ制御を行う際に、例えば、ガス燃料エンジン部１０に供給すべき空気の圧力が給気圧目標値から大きく逸脱しないように、第１の流量調整弁６２の弁開度に対して、上限値と下限値とを設定し、これら値の範囲内でＰＩＤ制御を行ってよい。
【００３７】
第２の制御部１２０は、記憶部に予め記憶させておいた弁開度情報と、第１の制御部１１０により導出された負荷率とに基づいて、第２の流量調整弁７２の弁開度を調整する第２の駆動部７０をオープンループ制御する。これにより、第２の制御部１２０は、稼動中の内燃機関の負荷率に基づいて、過給機２０の回転速度をオープンループ制御していることになる。オープンループ制御とは、フィードバックループがなく、制御量（例えば、圧力センサ４０による測定値）を考慮せずに操作量を決定する制御のことを指す。ここでの操作量は、第２の駆動部７０を駆動させるための操作量である。
【００３８】
弁開度情報とは、予め定められた負荷率と、排気排出路ＡＰｂ内の圧力が理想値となるように設定された第２の流量調整弁７２の弁開度との関係を示した情報である。排気排出路ＡＰｂ内の圧力の理想値は、例えば、各負荷率における第１の流量調整弁６２の弁開度が所定値を維持した状態、または所定値を超えない状態で、給気供給路ＡＰａ内の圧力を給気圧目標値に保つことができるように調整された排気排出路ＡＰｂ内の圧力である。この弁開度情報は、例えば、マップや関数として予め記憶部に記憶される。
【００３９】
図３は、弁開度情報の一例を示す図である。図中の横軸は、負荷率を表し、縦軸は、第１の流量調整弁６２および第２の流量調整弁７２の弁開度を表している。また、図中に示すＬＮ２は、第１の流量調整弁６２の弁開度を示すラインであり、ＬＮ３は、第２の流量調整弁７２の弁開度を示すラインである。図の例では、ラインＬＮ３に示される第２の流量調整弁７２の弁開度は、第１の流量調整弁６２の弁開度を１０％程度の理想値に維持した状態で、給気供給路ＡＰａ内の圧力を給気圧目標値に保つことができるように調整した場合の結果を示している。このような調整は、例えば、予め工場運転等においてなされる。
【００４０】
図に示すように、例えば、第２の流量調整弁７２の弁開度は、低負荷時において、ゼロまたは第１の流量調整弁６２の弁開度の理想値（図３の場合１０％程度）以下に設定され、中高負荷時において、第１の流量調整弁６２の弁開度の理想値を超えるように設定される。例えば、低負荷は、負荷率が５０％以下の範囲であり、高負荷は、負荷率が１００％以上の範囲であり、中負荷は、低負荷と高負荷との間の範囲である。なお、上述した負荷の範囲を決める数値は一例であり、他の値であってもよい。例えば、低負荷は、負荷率が２５％以下の範囲であってもよいし、高負荷は、負荷率が５０％を超える範囲であってもよいし、負荷率が７５％を超える範囲であってもよい。
【００４１】
図に示すように、排気排出路ＡＰｂ内の圧力の理想値は、例えば、各負荷率における第１の流量調整弁６２の弁開度が１０％程度を維持した状態、または１０％を超えない状態で給気供給路ＡＰａ内の圧力を給気圧目標値に保つように調整されていることから、過給部２０のコンプレッサー２１が給気供給路ＡＰａ内に供給すべき空気の流量を少なくすることができる。
【００４２】
図４は、負荷率の変動の一例を示す図である。図中の横軸は、時間を表し、縦軸は、負荷率を表し、ＬＮ４は、時間に対する負荷率の変動の特性を示すラインである。図示の例では、負荷率は急激に変化している。急激とは、時間に対する負荷率の変化の度合（図中ＬＮ４の傾き）が大きく、短時間（例えば数秒）で負荷が変化している状態を指す。以下、図４に示すように、負荷率が短時間で急激に変動する場合を前提に説明する。
【００４３】
図５は、第１の実施形態におけるエンジンシステム１による制御方法と、他の例による制御方法とを比較するための図である。図中において、横軸は、時間［秒］を表し、縦軸は、給気供給路ＡＰａ内の圧力（図中、給気圧）を表している。図中のラインＬＮ５は、給気供給路ＡＰａ内の圧力の目標値、すなわち給気圧目標値の変動を表している。また、ラインＬＮ６は、第１の駆動部６０または第２の駆動部７０をオープンループ制御（図中ＯＬ制御）した場合の給気供給路ＡＰａ内の圧力の変動を表している。また、ラインＬＮ７は、第１の駆動部６０または第２の駆動部７０をフィードバック制御（図中ＦＢ制御）した場合の給気供給路ＡＰａ内の圧力の変動を表している。また、ラインＬＮ８は、本実施形態における制御として、第１の駆動部６０をフィードバック制御し、第２の駆動部７０をオープンループ制御した場合（図中ＦＢ＋ＯＬ制御）の給気供給路ＡＰａ内の圧力の変動を表している。
【００４４】
例えば、ラインＬＮ７は、ラインＬＮ５に急激な変化が生じた時刻ｔ１からしばらく時間が経過してから変化し始める。すなわち、従来技術のフィードバック制御では、負荷率の急激な変化に対して、時間の遅延が生じる場合があった。これに対し、ラインＬＮ８は、ラインＬＮ５に急激な変化が生じた時刻とほぼ同じ時刻に変化し始める。すなわち、本実施形態の給排気量制御装置１００は、フィードバック制御およびオープンループ制御の両制御を行うことにより、急激に負荷率が変化した場合であっても、応答性よく給気供給路ＡＰａ内の圧力を制御可能である。
【００４５】
また、ラインＬＮ７は、ラインＬＮ５の変動が収束した時刻ｔ２の近辺において、目標値から大きく逸れるようなオーバーシュートまたはアンダーシュートが発生する場合があった。これに対して、ラインＬＮ８は、目標値から大きく逸れずに、一定の範囲内に収まる。すなわち、本実施形態の給排気量制御装置１００は、フィードバック制御およびオープンループ制御の両制御を行うことにより、オーバーシュートおよびアンダーシュートの発生を抑制することができる。
【００４６】
また、ラインＬＮ６は、ラインＬＮ５の変動が収束した時刻ｔ２以降において、ラインＬＮ５と平行した状態になる。すなわち、従来技術のオープンループ制御では、実測値が目標値と乖離する場合があった。これに対し、ラインＬＮ８は、ラインＬＮ５の変動が収束した時刻ｔ２以降において、ラインＬＮ５と一致するように近づく。すなわち、本実施形態におけるフィードバック制御およびオープンループ制御の両制御を行うことにより、給気供給路ＡＰａ内の圧力を給気圧目標値に精度良く近づけることができる。
【００４７】
図６は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果の一例を示す図である。図中において、横軸は、時間［秒］を表し、左側の縦軸は、第１の流量調整弁６２および第２の流量調整弁７２のそれぞれの弁開度を表し、右側の縦軸は、負荷率を表している。また、ラインＬＮ９は、負荷率の変化を表し、ガス燃料エンジン部１０がアイドリング状態から負荷操作（負荷投入）によって負荷率が急激に上昇し、その後負荷率が一定の定格運転に移行した状態を示している。ラインＬＮ１０は、第１の流量調整弁６２の弁開度の変化を表し、ラインＬＮ１１は、第２の流量調整弁７２の弁開度の変化を表している。
【００４８】
本実施形態において第１の制御部１１０は、負荷率が急激な上昇を開始した時刻ｔ１から終了した時刻ｔ２までの期間において、負荷率が一定の場合（時刻ｔ１以前、または時刻ｔ２以降）の第１の流量調整弁６２の弁開度に比べて、第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくするように第１の駆動部６０をフィードバック制御する。例えば、第１の制御部１１０は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、第１の流量調整弁６２の弁開度をゼロにするように第１の駆動部６０を制御する。
【００４９】
また、第１の制御部１１０は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの負荷率が上昇している期間において、第２の制御部１２０によりオープンループ制御される第２の流量調整弁７２の弁開度に比べて、第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくするように第１の駆動部６０をフィードバック制御してもよい。この結果、給排気量制御装置１００は、負荷率が急激に上昇するような場合に第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくすることにより、給気側の圧力を速やかに上昇させることができる。また、給排気量制御装置１００は、負荷率が急激に上昇するような場合に、第２の流量調整弁７２の弁開度に比べて第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくすることにより、給気供給路ＡＰａ内の圧力に比べて排気排出路ＡＰｂ内の圧力を下げておくことができる。
【００５０】
一般的に、排気排出路ＡＰｂ内の圧力と、給気供給路ＡＰａ内の圧力との間に圧力差が生じる場合、ベルヌーイの法則により圧力が低い方への空気の流量が増加する。これにより、給排気量制御装置１００は、給気供給路ＡＰａ内の圧力を上昇させる割合や頻度を小さくすることができる。この結果、エンジンシステム１は、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００５１】
なお、排気排出路ＡＰｂ内の圧力と給気供給路ＡＰａ内の圧力との間に圧力差を生じさせるために、第２の制御部１２０が、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの負荷率が上昇している期間において、第１の制御部１１０によりフィードバック制御される第１の流量調整弁６２の弁開度に比べて、第２の流量調整弁７２の弁開度を大きくするように第２の駆動部７０をオープンループ制御してもよい。
【００５２】
また、第２の制御部１２０は、負荷操作によって負荷率が上昇した後の負荷率が一定となった期間（時刻ｔ２以降）において、第１の制御部１１０によりフィードバック制御される第１の流量調整弁６２の弁開度に比べて、第２の流量調整弁７２の弁開度を大きくするように第２の駆動部７０をオープンループ制御してよい。
【００５３】
また、第２の制御部１２０は、負荷上昇操作前の負荷率が一定である期間（時刻ｔ１以前）において、第１の制御部１１０によりフィードバック制御される第１の流量調整弁６２の弁開度に比べて、第２の流量調整弁７２の弁開度を小さくするように第２の駆動部７０をオープンループ制御してよい。この際、第２の制御部１２０は、例えば、第２の流量調整弁７２の弁開度をゼロにするように第２の駆動部７０を制御する。これによって、低負荷の場合に過給部２０のタービン２２に流入する排気ガス量が増加し、タービン２２の回転速度が高くなる。この結果、エンジンシステム１は、負荷率が急激に上昇した場合であっても、すなわち、タービン２２の回転速度がより必要な場合であっても、低負荷時にタービン２２が回転していることから、必要な回転速度に到達するまでの時間が短くなる。従って、エンジンシステム１は、応答遅れを少なくすることができ、速やかに負荷率の上昇に対応することができる。
【００５４】
以上説明した種々の制御によって、給排気量制御装置１００は、負荷率の変動に応じて各供給路内の圧力を適正に保つことができる。
【００５５】
図７は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果と、他の例による制御結果とを比較するための図である。図中において左側の縦軸は、例えば、空燃比を示し、右側の縦軸は、例えば、負荷率［％］を示し、横軸は、例えば、時間［秒］を示している。ここで空燃比とは、空気の量を燃料の量で除した値である。また、Ｒｔは、ガス燃料エンジン部１０における最適な空燃比を表し、Ｒ１は、空燃比の下限値を表し、Ｒ２は、空燃比の上限値を表している。本実施形態では、空燃比が最適値よりも高い混合気の状態を燃料がリッチであると称し、低い状態をリーンであると称して説明する。
【００５６】
ラインＬＮ１２は、上述した図４に示した負荷率の変化の様子を表している。また、ラインＬＮ１４は、オープンループ制御で第１の流量調整弁６２または第２の流量調整弁７２の弁開度を制御した際の空燃比の変化の様子を表している。また、ラインＬＮ１５は、第１の流量調整弁６２の弁開度をフィードバック制御すると共に、第２の流量調整弁７２の弁開度をオープンループ制御した際の空燃比の変化の様子を表している。また、ラインＬＮ１３は、フィードバック制御で第１の流量調整弁６２または第２の流量調整弁７２の弁開度を制御した際の空燃比の変化の様子を表している。
【００５７】
例えば、空燃比に対して、下限値Ｒ１と上限値Ｒ２と想定した場合、ラインＬＮ１３は、この適正な範囲を超える場合があった。すなわち、従来技術のフィードバック制御のみの場合では、空燃比が上限値Ｒ２を越えることにより失火する場合があり、空燃比が下限値Ｒ１未満になることによりノッキングが発生する場合があった。特に、図中に示す領域Ｂのように、空燃比が適正な範囲から大きく逸脱する場合、より顕著に失火する傾向があった。また、図中に示す領域Ａのように、空燃比が適正な範囲から大きく逸脱する場合、より顕著にノッキングが発生する傾向があった。この結果、ガス燃料エンジン部１０の運転が継続して行えない場合があった。
【００５８】
また、ラインＬＮ１４は、適正な範囲に収まるものの、時間が経過した場合でも最適な空燃比Ｒｔに近づかない場合があった。すなわち、従来技術のオープンループ制御のみの場合では、最適な空燃比Ｒｔから離れた状態でガス燃料エンジン部１０が運転されてしまい、エネルギー効率が低下する場合があった。また、空燃比が適正値から離れることにより、失火やノッキングが生じやすくなり、燃焼が不安定となる場合があった。
【００５９】
これに対し、ラインＬＮ１５は、空燃比が適正な範囲内に収まる。すなわち、本実施形態における給排気量制御装置１００は、オープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせによって弁開度を制御することにより、失火やノッキング等の燃焼異常の発生を抑制することができると共に、最適な空燃比Ｒｔに近い状態でガス燃料エンジン部１０を運転することにより、エンジン性能を最適な状態にすることができる。なお、図示の例では、説明の簡略化のため、フィードバック制御時の時間の遅延について考慮していない。
【００６０】
図８は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果と他の例を示す図である。図中において縦軸は、負荷率［％］を表し、横軸は、経過時間［秒］を表している。
【００６１】
ラインＬＮ１６は、本実施形態における制御であるオープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせで、第１の流量調整弁６２および第２の流量調整弁７２の弁開度を制御した際の負荷率の変化の様子を表している。また、ラインＬＮ１７は、従来技術のフィードバック制御で第１の流量調整弁６２または第２の流量調整弁７２の弁開度のみを制御した際の負荷率の変化の様子を表している。
【００６２】
例えば、負荷率が１５％から１００％に上昇した場合、従来技術のフィードバック制御（ラインＬＮ１７）では、制御を開始した時刻ｔ０から、負荷率が一定値に収束するまでの時刻ｔ３の期間として、４分以上の時間を要する場合があった。これに対し、本実施形態における給排気量制御装置１００は、オープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせによって弁開度を制御することにより、制御を開始した時刻ｔ０から負荷率が一定値に収束するまでの時刻ｔ４の期間が２０数秒程度で済み、ガス燃料エンジン部１０の運転を速やかに行うことができる。
【００６３】
図９は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の制御結果の他の例を示す図である。図中において縦軸は、効率を表し、横軸は、給気供給路ＡＰａ内の圧力（図中、給気圧）を表している。効率とは、本システムのエネルギー効率を表しており、例えば、クランクシャフト等の回転軸端の負荷に基づく効率であり、供給した燃料のエネルギー量に対する、負荷のエネルギー量の割合である。ラインＬＮ１８は、本実施形態との比較例として、第１の流量調整弁６２の弁開度をオープンループ制御すると共に、第２の流量調整弁７２の弁開度をフィードバック制御した際の効率の変化の様子を表している。また、ラインＬＮ１９は、本実施形態の制御として、第１の流量調整弁６２の弁開度をフィードバック制御すると共に、第２の流量調整弁７２の弁開度をオープンループ制御した際の効率の変化の様子を表している。
【００６４】
例えば、比較例においてオープンループ制御の間接的な対象である第１の流量調整弁６２の弁開度が“０”である場合と、本実施形態においてオープンループ制御の間接的な対象である第２の流量調整弁７２の弁開度が“０”である場合とを比較すると、給気供給路ＡＰａを通過する空気の量は、共に図中Ｐ２に示す給気量になる。従って、両場合において、効率は同程度になる。
【００６５】
一方、比較例においてオープンループ制御の間接的な対象である第１の流量調整弁６２の弁開度が“１”である場合と、本実施形態においてフィードバック制御の間接的な対象である第２の流量調整弁７２の弁開度が“１”である場合とを比較すると、給気供給路ＡＰａを通過する空気の量は、共に図中Ｐ１に示す給気量になる。この場合の効率は、比較例では、例えばｅ２になり、本実施形態では、例えばｅ２よりも大きいｅ１になる。すなわち、高負荷にて、流量調整弁を開き、給気量を減らす場合、比較例の制御方式と比べて本実施形態の制御方式の方が効率を向上させることができる。この結果、エンジンシステム１は、燃料の消費量を削減することができる。
【００６６】
図１０は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートは、例えば、所定の周期で繰り返し行われる。
【００６７】
まず、給排気量制御装置１００の共通部は、回転検出センサ５０、トルク検出センサ５２、圧力センサ４０による検出値を検出する（ステップＳ１００）。
【００６８】
次に、共通部は、検出された回転速度と、検出されたトルクとに基づいて、現時点での負荷に対する出力を導出し、この現時点での出力と、予め記憶部に記憶させておいた定格出力とに基づいて、負荷率を導出する（ステップＳ１０２）。
【００６９】
次に、第１の制御部１１０は、共通部が導出した負荷率と、予め記憶部に記憶させておいた給気圧目標値導出情報とを用いて、給気圧目標値を導出する（ステップＳ１０４）。
【００７０】
次に、第１の制御部１１０は、検出された空気の圧力値と、導出した給気圧目標値との差分の比例成分、積分成分、微分成分から第１の駆動部６０の操作量を決定し（ステップＳ１０６）、決定した操作量に応じて第１の駆動部６０を制御し（ステップＳ１０８）、第１の制御部１１０は、本フローチャートの処理を終了する。これを所定の周期で繰り返す。
【００７１】
図１１は、第１の実施形態における給排気量制御装置１００の処理の流れの他の例を示すフローチャートである。本フローチャートは、例えば所定の周期で繰り返し行われる。
【００７２】
まず、第２の制御部１２０は、給排気量制御装置１００の共通部により導出された負荷率を示す情報を取得し（ステップＳ２００）、この負荷率と、記憶部に予め記憶させておいた弁開度情報とに基づいて、第２の駆動部７０の操作量を決定する（ステップＳ２０２）。
【００７３】
次に、第２の制御部１２０は、決定した操作量に応じて第２の駆動部７０を制御する（ステップＳ２０４）。これによって、本フローチャートの処理が終了する。
【００７４】
以上説明した第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、ガス燃料エンジン部１０により駆動される負荷Ｌの負荷率に基づく給気圧目標値と、圧力センサ４０によって測定された空気の圧力値とに基づいて、第１の流量調整弁６２の弁開度をフィードバック制御すると共に、負荷率に基づいて第２の流量調整弁７２の弁開度をオープンループ制御することにより、負荷変動時の応答性を向上させると共に、エネルギー効率を向上させることができる。
【００７５】
また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、オープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせによって弁開度を制御することにより、制御目標値に対するオーバーシュートおよびアンダーシュートの発生を抑制することができる。
【００７６】
また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、オープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせによって弁開度を制御することにより、失火やノッキング等の燃焼異常の発生を抑制することができる。
【００７７】
また、また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、オープンループ制御およびフィードバック制御の組み合わせによって弁開度を制御することにより、制御目標値に達するまでに要する時間をより短くすることができる。
【００７８】
また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、負荷率が急激に上昇するような場合に第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくすることにより、給気側の圧力を速やかに上昇させることができ、応答性良くガス燃料エンジン部１０を運転することができる。
【００７９】
また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、負荷率が急激に上昇するような場合に、第２の流量調整弁７２の弁開度に比べて第１の流量調整弁６２の弁開度を小さくすることにより、給気供給路ＡＰａ内の圧力に比べて排気排出路ＡＰｂ内の圧力を下げておくことができる。この結果、エンジンシステム１は、給気供給路ＡＰａ内の圧力を上昇させる割合や頻度を小さくすることができ、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００８０】
また、第１の実施形態のエンジンシステム１によれば、負荷上昇操作前の負荷率が一定である期間（時刻ｔ１以前）において、フィードバック制御される第１の流量調整弁６２の弁開度に比べて、第２の流量調整弁７２の弁開度を小さくするように第２の駆動部７０をオープンループ制御することにより、低負荷の場合に過給部２０のタービン２２に流入する排気ガス量が増加し、タービン２２の回転速度が高くなる。この結果、エンジンシステム１は、負荷率が急激に上昇した場合であっても、タービン２２の回転速度が高いことから、応答遅れを少なくすることができ、速やかに負荷率の上昇に対応することができる。
【００８１】
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のエンジンシステム２では、排気バイパス路ＢＰｂと第２の流量調整弁７２とを備えない点で、第１の実施形態と相違する。従って、この相違点を中心に説明し、第１の実施形態と共通する点については説明を省略する。
【００８２】
図１２は、第２の実施形態におけるエンジンシステム２の一例を示す概略図である。第２の実施形態における過給部２０Ａは、例えば、コンプレッサー２１と、タービン２２と、タービン２２のハウジング内の排気ガス通路面積を変化させることで排気タービンブレードへの排気ガスの流速を制御する可変静翼２３とを備える。可変静翼２３は、タービン２２の特性を変化させるために、運転中に取付角を変化させることが出来る構造の静翼であり、可変ノズルともいう。したがって、この可変静翼２３を備えたタービン２２は、可変ノズルターボとも称される。
【００８３】
第２の駆動部７０は、可変静翼２３を回動させる。これによって、タービン２２のハウジング内の排気ガス通路面積を変化させ、排気排出路ＡＰｂからの排気ガスの排気タービンブレードへの流速を制御する。第２の実施形態における過給部２０Ａおよび第２の駆動部７０は、「第２の調整部」の一例である。
【００８４】
第２の制御部１２０は、記憶部に予め記憶させておいた、可変静翼２３による回動の度合と負荷率との関係を示す情報と、給排気量制御装置１００の共通部により導出された負荷率とに基づいて、可変静翼２３の角度を調整する第２の駆動部７０をオープンループ制御する。言い換えると、第２の制御部１２０は、稼働中の内燃機関の負荷率に基づいて、可変静翼による排気ガス通路面積をオープンループ制御する。これにより、第２の制御部１２０は、稼動中の内燃機関の負荷率に基づいて、過給機２０の回転速度をオープンループ制御していることになる。可変静翼２３による回動の度合と負荷率との関係を示す情報は、例えば、上述した弁開度情報に相当し、予め定められた負荷率と、排気排出路ＡＰｂ内の圧力が理想値となるように設定された可変静翼２３による回動の度合との関係を示した情報である。
【００８５】
以上説明した第２の実施形態のエンジンシステム２によれば、上述した第１の実施形態と同様に、負荷変動時の応答性を向上させると共に、エネルギー効率を向上させることができる。
【００８６】
以上、本発明を実施するための形態についてガス燃料エンジンに係わる実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、他のディーゼルエンジン等の内燃機関に適用でき、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１、２‥エンジンシステム、１０…ガス燃料エンジン部、２０、２０Ａ…過給部、３０…空気冷却部、４０…圧力センサ、５０…回転検出センサ、５２…トルク検出センサ、６０…第１の駆動部、６２…第１の流量調整弁、７０…第２の駆動部、７２…第２の流量調整弁、１００…給排気量制御装置、１１０…第１の制御部、１２０…第２の制御部、Ｌ…負荷、ＡＰａ…給気供給路、ＡＰｂ…排気排出路、ＢＰａ…給気バイパス路、ＢＰｂ…排気バイパス路
【図１】
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【図２】
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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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