JP2005127279A - ディーゼルエンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低質油と高質油との混合油を燃料として使用することが可能であり、ディーゼルエンジンの着火遅れが設定範囲から外れた場合には混合油の混合比率を適宜調整し、混合油の粘度が設定範囲から外れた場合には混合油の温度を適宜調整して、燃料の適切な着火時期と粘度とを両立させながら、低質油主体であっても安定したディーゼルエンジンの長期稼動が可能となる燃料供給装置を提供し、合わせてメンテナンス等に掛かるコストを低減すること。
【解決手段】 低質油と高質油とを混合した混合油を燃料とするディーゼルエンジン５０の燃料供給装置１００であって、混合油の混合比率を調整する混合手段１と、混合油の粘度を検出する粘度検出手段２と、混合油の温度を調整する温度調整手段３と、ディーゼルエンジン５０の着火遅れを検出する着火遅れ検出手段４と、混合手段１および温度調整手段３を制御する制御手段５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃料供給装置に関する。より詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンコージェネレーションシステム等に使用可能な、低質油と高質油とを混合した混合油を燃料として使用するディーゼルエンジンの燃料供給装置に関する。

ディーゼルエンジンは、一般に、燃料として軽油等を使用するが、船舶用エンジンなどの大型のディーゼルエンジンでは、重油等の高粘度の燃料が用いられることが多い。船舶用エンジンなどの大型ディーゼルエンジンは、エンジン回転数をあまり高くすることがないため、自動車用の小排気量ディーゼルエンジン等と比較して、燃料の着火性にそれほどシビアな条件が求められず、また、燃料を比較的多く消費する大型ディーゼルエンジンに軽油より安価な重油を使用すれば、大型ディーゼルエンジンのランニングコストを大きく低減することができるからである。ところが、重油は軽油に比べて粘度が大きいため、これらをそのまま燃料として用いて長時間の稼動を行うと、燃料ポンプや燃料噴射装置に負担が掛かり、故障の原因となってしまうことがある。そこで、重油等の高粘度の燃料をディーゼルエンジンの燃料として使用する場合、燃料を予め加温し、燃料の粘度を低下させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の燃料加熱装置では、ディーゼルエンジンからの排気ガスの熱を利用して、ディーゼルエンジンに噴射される前の重油を加熱し、燃料の流動性を向上させている。

一方、ディーゼルエンジンの燃料として、特に重油等の低質油を使用すると、エンジンの着火遅れの長期化が顕著になり、安定したディーゼルエンジンの稼動が困難になることがある。重油等の低質油はセタン価が小さいため、良好な燃焼状態を継続させることが困難だからである。また、セタン価の小さい燃料を使用すると、排ガスの悪化、騒音・振動の増加等の現象が起こりやすくなることも問題となっている。特に、ディーゼルエンジンの燃料として重油を使用した場合、始動運転領域、加速運転領域、低速運転領域等においては着火遅れがさらに長期化し易くなり、ディーゼルエンジンの稼動状態が非常に不安定となる。そして、このことが、ディーゼルノッキング、頻繁な停止、有害な排気ガスの大量放出などの原因となり得る。そこで、このような問題に対処するため、主燃料とともに低沸点燃料である補助燃料を使用し、エンジンの着火遅れの長期化を防止しようとする燃料供給装置があった（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２の燃料供給装置では、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、低沸点燃料である補助燃料（軽油を分留して得られた低沸点成分）が供給され、これにより主燃料への着火を促進しようとしている。

特開平１０−１５３１４９号公報 特開平７−２９３３４６号公報

ところが、特許文献１の燃料加熱装置は、単一の燃料を使用することしか想定しておらず、燃料の性状が変わった場合（特に、燃料として低質油を使用した場合）では、常に一定の燃焼状態でディーゼルエンジンを稼動し続けることは困難である。また、特許文献１の燃料加熱装置は、燃料の着火性を維持するように適切な調節を行うこと等についても全く考慮しておらず、加熱によって燃料の粘度を制御しているのみである。このため、たとえ燃料の粘度を適切に調整できたとしても、低質油を使用した場合では安定した燃焼を継続させることは期待できず、特に、セタン価が低くかつ不安定な粗製油等の低質油を用いてディーゼルエンジンの連続稼動を行うことはほとんど不可能である。

一方、特許文献２の燃料供給装置は、通常は主燃料（軽油）を使用し、ディーゼルエンジンに負荷が掛かる状況において低沸点燃料である補助燃料を適宜供給するものである。ところが、この補助燃料は主燃料とは別個にディーゼルエンジンに供給されているので、ディーゼルエンジン内における２種類の燃料の均一な混合が難しく、特に、多気筒エンジンの場合、気筒毎に燃焼状態のバラツキが発生するおそれがある。また、特許文献２の燃料供給装置は、燃料の粘度を適切に調整し、さらに燃料の着火性を安定させること等については全く考慮していないので、使用する燃料の性状が変化したり燃料の種類を変更したりすると、燃料ポンプや燃料噴射装置に負担が掛かったり、例えば、ピストンとシリンダブロックとの間に油膜切れを起こして金属接触等が発生したりするおそれもある。

従って、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コストの低い低質油を主として使用しながら、安定したディーゼルエンジンの稼動を行うことが可能なディーゼルエンジンの燃料供給装置を提供することにある。さらに、このようなディーゼルエンジンの燃料供給装置を使用することにより、ディーゼルエンジンのメンテナンス等に掛かるコストを低減することも目的とする。

本発明に係る燃料供給装置は、低質油と高質油とを混合した混合油を燃料とするディーゼルエンジンの燃料供給装置であって、その第１の特徴構成は、前記混合油の混合比率を調整する混合手段と、前記混合油の粘度を検出する粘度検出手段と、前記混合油の温度を調整する温度調整手段と、前記ディーゼルエンジンの着火遅れを検出する着火遅れ検出手段と、前記混合手段および前記温度調整手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記着火遅れ検出手段から前記着火遅れに関する情報と、前記粘度検出手段から前記粘度に関する情報とを取得し、前記着火遅れに関する情報に基づいて、前記着火遅れが設定範囲内に収まるように前記混合手段を制御するとともに、前記粘度に関する情報に基づいて、前記混合油の粘度が設定範囲内に収まるように前記温度調整手段を制御する点にある。

この第１の特徴構成の燃料供給装置であれば、制御手段が、着火遅れ検出手段から着火遅れに関する情報を取得し、この情報に基づいて、着火遅れが設定範囲内に収まるように混合手段を制御するので、セタン価が低くかつ一定でない低質油を主成分とした混合油を使用した場合であっても、混合油に対する高質油の混合比率を適宜変更することでディーゼルエンジンの着火遅れの長期化を回避することが可能となる。また、本構成の燃料供給装置は、上記のような制御を行っているので、例えば、よりシビアな燃焼条件が求められる高性能ディーゼルエンジン等であっても、安価な低質油を用いて安定した稼動を行うことができる。
さらに、本構成の燃料供給装置では、制御手段が、粘度検出手段から粘度に関する情報を取得し、この情報に基づいて、混合油の粘度が設定範囲内に収まるように混合手段を制御するので、混合油の粘度が常に適正に保たれ、燃料ポンプや燃料噴射装置に負担を掛けたり、油膜切れによる金属接触を発生させたりすることなく、安定した長時間のディーゼルエンジンの稼動を実現することが可能となる。そして、このようなディーゼルエンジンの安定性の向上は、メンテナンス等に掛かる費用を抑えることができるという利点もある。

本発明に係る燃料供給装置の第２の特徴構成は、前記低質油は粗製油であることも可能である。

この第２特徴構成の燃料供給装置であれば、低質油として、非常に安価であるが、高粘度であり、セタン価が低くかつ不安定な粗製油を用いることができる。これにより、ディーゼルエンジンのランニングコストを低減することができる。

本発明に係る燃料供給装置の第３の特徴構成は、前記粘度検出手段はインライン式の粘度計であることも可能である。

この第３特徴構成の燃料供給装置であれば、インライン式の粘度計によってリアルタイムで混合油の粘度を検出することができるので、制御手段から温度調整手段への制御を迅速かつ連続的に行うことできるようになり、これにより、混合油のより精密な粘度管理が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施の形態および図面に記載される構成に限定されるものではなく、当業者が実施し得る範囲において、あらゆる変更が可能である。

図１は、本発明の燃料供給装置１００を概略的に示したブロック図である。

燃料供給装置１００は、ディーゼルエンジン５０に、低質油と高質油とを混合した混合油を燃料として供給するものである。燃料供給装置１００は、混合油の混合比率を調整する混合手段１と、混合油の粘度を検出する粘度検出手段２と、混合油の温度を調整する温度調整手段３と、ディーゼルエンジン５０の着火遅れを検出する着火遅れ検出手段４と、混合手段１および温度調整手段３を制御する制御手段５とを備えて構成される。低質油は低質油タンク６に蓄えられている。高質油は高質油タンク７に蓄えられている。そして、各タンクから混合手段１に低質油および高質油が供給されるようになっている。

低質油としては、例えば、非常に安価であるが、高粘度であり、セタン価が低くかつ不安定な粗製油等を用いることができる。ここで、粗製油とは、分留、調整、濾別などの処理を一切行っていない燃料のことであり、原油等が粗製油に含まれる。本発明の燃料供給装置１００では、低質油として粗製油を用いることができるので、ディーゼルエンジン５０のランニングコストを低減することができるという利点がある。

高質油としては、例えば、軽油や重油等を用いることができる。重油には、Ａ重由、Ｂ重油、Ｃ重油等が含まれる。

なお、本発明において留意すべきこととして、上記の低質油および高質油は、両者のセタン価の相対的な大小関係によって決められるものであり、特定の燃料を低質油または高質油として規定するものではない。例えば、原油を低質油として使用する場合には、重油を高質油として使用することができるが、高質油が軽油である場合には、重油は低質油として使用することができる。

混合手段１によって低質油と高質油とが混合されて生成した混合油は、ディーゼルエンジン５０に供給され、例えば、通常のディーゼルサイクルの工程によって燃焼される。ディーゼルエンジン５０には着火遅れ検出手段（例えば、筒内圧センサ）４が設けられており、着火遅れをモニタリングしている。制御手段５は、着火遅れ検出手段４が検出した着火遅れに関する情報を取得し、この情報に基づいて、着火遅れが設定範囲内に収まるように混合手段４を制御している。この制御中では着火遅れは設定範囲内で安定し、上記制御が行われている限りは大きく乱れることはない。具体的には、制御手段５は、着火遅れが所定範囲から早着側に外れると低質油の混合比率が上がるように混合手段４を制御し、逆に、着火遅れが所定範囲から遅延側に外れると高質油の混合比率が上がるように混合手段４を制御している。

さらに、混合手段１とディーゼルエンジン５０との間の燃料供給路８には、粘度検出手段（例えば、動粘度計）２が設けられており、混合手段１によって調整された混合油の粘度をモニタリングしている。制御手段５は、粘度検出手段２が検出した混合油の粘度に関する情報を取得し、この情報に基づいて、混合油の粘度が設定範囲内に収まるように温度調整手段３を制御している。この制御中では粘度は設定範囲内で安定し、上記制御が行われている限りは大きく乱れることはない。具体的には、制御手段５は、混合油の粘度が所定範囲から粘度が大きくなる側に外れると温度調整手段３の温度が上がるように温度調整手段３を制御し、逆に、混合油の粘度が所定範囲から粘度が小さくなる側に外れると温度調整手段３の温度が下がるように温度調整手段３を制御している。

なお、図１では、粘度検出手段２は、温度調整手段３の後段に配置されて温度調整後の混合油の粘度を検出し、その検出結果に基づいて、目標とする混合油の粘度を制御手段５が算出し、この算出結果に基づいて、制御手段５が温度調整手段３を制御するいわゆるフィードバック制御を行うように構成されている。しかし、本発明はこのような構成には限定されず、例えば、粘度検出手段２を温度調整手段３の前段に配置して温度調整前の混合油の粘度を検出し、その検出結果に基づいて、目標とする混合油の粘度を制御手段５が算出し、この算出結果に基づいて、制御手段５が温度調整手段３を制御するいわゆるフィードフォワード制御を行うような構成も含まれる。フィードフォワード制御を行う場合、制御手段５に予め混合油の温度と粘度との関係に関するデータを格納しておき、このデータに基づいて、制御手段５が温度調整手段３を制御するようにしておけば、混合油の粘度をより精密に調整することが可能となる。

また、図１では、温度調整手段３は、混合手段１とディーゼルエンジン５０との間の燃料供給路８に設けられて示されているが、温度調整手段３は混合油の粘度を調整するものであるから、例えば、低質油タンク６と混合手段１との間に温度調整手段３を設け、混合手段１が温度調整手段３を通った低質油と高質油とを混合し、得られた混合油が設定粘度となるように、制御手段５が温度調整手段３を制御する構成も当然本発明に含まれる。

さらに、粘度検出手段２は、リアルタイムで混合油の粘度を検出できるように、燃料供給路８に埋め込まれたインライン式の粘度計とすることが好ましい。このような構成であれば、混合油の粘度に関する情報が常時、制御手段５に提供され、これにより、制御手段５から温度調整手段３への制御（フィードバック制御、またはフィードフォワード制御）を迅速かつ連続的に行うことができるので、混合油のより精密な粘度管理が可能となる。

本発明の燃料供給装置１００は、以上のような構成であるので、セタン価が低くかつ一定でない低質油を主成分とする混合油を使用した場合であっても、混合油に対する高質油の混合比率を適宜変更することでディーゼルエンジン５０の着火遅れの長期化を回避することが可能となる。本発明の燃料供給装置１００は、上記のような制御を行っているので、例えば、よりシビアな燃焼条件が求められる高性能ディーゼルエンジン等であっても、安価な低質油を用いて安定した稼動を行うことができる。

また、本発明の燃料供給装置１００では、混合油の粘度が常に適正に保つことができるので、燃料ポンプや燃料噴射装置に負担を掛けたり、油膜切れによる金属接触を発生させたりすることなく、安定した長時間のディーゼルエンジンの稼動を実現することが可能となる。このようなディーゼルエンジンの安定性の向上により、メンテナンス等に掛かる費用を抑えることができる。

次に、本発明の燃料供給装置を用いてディーゼルエンジンの稼動を行った実施例について説明する。

本実施例では、ディーゼルエンジンとして、軽油用の単気筒水冷ディーゼルエンジンを使用した。この単気筒水冷ディーゼルエンジンの主要緒元は、
（１）ボア径 １１０ｍｍ
（２）ストローク長 １０６ｍｍ
（３）排気量 １００７ｃｃ
（４）出力 １１．８ｋＷ
（５）回転数 ２２００ｒｐｍ
であった。

燃料は、高質油として軽油（ＪＩＳ２号）、低質油として原油を使用した。また、温度調整手段として、燃料供給路の周囲に温水を流通させる温水循環ラインを使用した。制御手段としては、コントロールユニットを使用し、燃料の筒内噴射開始時期および筒内圧力の上昇率から着火遅れを計算するようにした。なお、このコントロールユニットには、着火遅れの設定範囲に関するデータが予め格納されており、この範囲内に収まるように、混合手段がコントロールユニットによって制御されるようになっている。さらに、このコントロールユニットには、混合油の粘度の設定範囲に関するデータが予め格納されており、この範囲内に収まるように、温度循環ラインの温水温度がコントロールユニットによって制御されるようになっている。

上記の燃料供給装置を用いてディーゼルエンジンを稼動した結果の一例を以下に記載する。

ディーゼルエンジン稼動中に着火遅れを連続的に計測し、２００サイクル平均の着火遅れが０．３ｓ以下になった場合には軽油の混合比率を１％減少させ、０．６ｓ以上になった場合には軽油の混合比率を１％増加させた。また、混合油の粘度が２．３ｍｍ^２／ｓ以下になった場合には温水循環ラインに流通させる温水の温度を２℃低下させ、２．６ｍｍ^２／ｓ以上になった場合には２℃上昇させた。

このような着火遅れおよび混合油の粘度の制御を行った結果、原油の混合比率９０％であってもディーゼルエンジンを安定して稼動させることが可能であった。

本発明の燃料供給装置を概略的に示したブロック図

符号の説明

１ 混合手段
２ 粘度検出手段
３ 温度調整手段
４ 着火遅れ検出手段
５ 制御手段
６ 低質油タンク
７ 高質油タンク
８ 燃料供給路
５０ ディーゼルエンジン
１００ 燃料供給装置

Claims (3)

1. 低質油と高質油とを混合した混合油を燃料とするディーゼルエンジンの燃料供給装置であって、
   前記混合油の混合比率を調整する混合手段と、
   前記混合油の粘度を検出する粘度検出手段と、
   前記混合油の温度を調整する温度調整手段と、
   前記ディーゼルエンジンの着火遅れを検出する着火遅れ検出手段と、
   前記混合手段および前記温度調整手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記着火遅れ検出手段から前記着火遅れに関する情報と、前記粘度検出手段から前記粘度に関する情報とを取得し、前記着火遅れに関する情報に基づいて、前記着火遅れが設定範囲内に収まるように前記混合手段を制御するとともに、前記粘度に関する情報に基づいて、前記混合油の粘度が設定範囲内に収まるように前記温度調整手段を制御する燃料供給装置。
2. 前記低質油は粗製油である請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記粘度検出手段はインライン式の粘度計である請求項１または２に記載の燃料供給装置。

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