多種燃料に対応可能な燃料噴射装置及び陸舶産業用内燃機関
【課題】多種類の燃料に対応できる内燃機関において振動の低減及び排気ガスの性状の改善を行う。
【解決手段】機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、主燃料系及び副燃料系に共通に設けられ、主燃料及び副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁２６とを備え、主燃料の噴射と副燃料の噴射とを異なるタイミングで行う。
【解決手段】機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、主燃料系及び副燃料系に共通に設けられ、主燃料及び副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁２６とを備え、主燃料の噴射と副燃料の噴射とを異なるタイミングで行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置及び陸舶産業用内燃機関に関し、特に多種の燃料に対応可能な燃料噴射装置及びこれを用いた陸舶産業用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の枯渇、地球温暖化を背景に多種の燃料で運転可能な内燃機関およびこのような内燃機関に用いられる燃料噴射装置が求められている。例えば、より低質の石油系の燃料を用いること、バイオ燃料を用いることなどが提案されている。燃料はその種によって着火性が異なり、多種の燃料で運転可能とするためには、燃料の噴射タイミング等を調整して燃焼性を向上させる必要がある。
【０００３】
例えば、ディーゼル機関の燃料噴射装置において、燃料噴射時に高圧の主噴射の前に低圧のパイロット噴射を行う構成が開示されている。このような燃料噴射装置において、主噴射用の高圧用コモンレールとパイロット噴射用の低圧用コモンレールとを備えた構成が開示されている（下記、特許文献１参照）。また、燃焼室内へ主噴射を行うための主噴射ノズルとパイロット噴射を行うための副噴射ノズルとを別々に設ける構成が開示されている（下記、特許文献２参照）。また、燃焼室内への主噴射とパイロット噴射とを行うための共通の燃料噴射ノズルを設ける構成が開示されている（下記、特許文献３参照）。
【０００４】
また、内燃機関の燃料噴射装置において、高圧の燃料を噴射する主噴射と、主燃料より後に主噴射より低圧で燃料を噴射するアフター噴射を行う構成が開示されている（下記、特許文献４参照）。ここでは、内燃機関の気筒に主噴射を行うための噴射弁と、アフター噴射を行うための噴射弁と、が別々に設けられている。
【０００５】
また、主噴射とパイロット噴射又はアフター噴射等の副噴射とを組み合わせる際に、燃料噴射量及びエンジン回転数に基づき機関燃焼状態を間接的に把握し、当該燃焼状態に応じて制御モードを変更する技術が開示されている（下記、特許文献５参照）。また、主噴射とパイロット噴射を組み合わせて行う際に、内燃機関の気筒内の圧力Ｐを検出し、最高圧力Ｐｍａｘ及びｄＰ／ｄθに基づいて燃焼状態と着火状態を把握し、その結果をパイロット燃料供給装置にフィードバックする構成が開示されている（下記、特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１１４０４号公報
【特許文献２】特開平１０−１８４４８７号公報
【特許文献３】特開平５−２６１２７号公報
【特許文献４】特開２００７−７１１８１号公報
【特許文献５】特開２００３−１２０３９２号公報
【特許文献６】特開平６−１５９１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の船舶用ディーゼル機関の燃料噴射システムは、ディーゼル機関により駆動される機械式ポンプで燃料を加圧し、機械式の燃料噴射弁でディーゼル機関の気筒内に燃料を噴射する構成を有している。
【０００８】
このため、加圧される燃料の圧力上昇や噴射タイミングは機械式ポンプや機械式燃料噴射弁の特性に左右され、精度の高い制御が困難であった。また、排気ガス特性の改善からも問題があった。
【０００９】
また、近年、自動車等の分野では、加圧された燃料をコモンレール（蓄圧部）に蓄え、電気制御式の燃料噴射弁により燃料を噴射してディーゼル機関における燃焼を細かく制御する電気制御式の燃料噴射システムが用いられている。そこで、従来の船舶用ディーゼル機関にこのような電気制御式の燃料噴射システムを増設し、ディーゼル機関をより高効率化すると共に排気ガス特性を改善することが考えられている。特に、環境問題対策として注目されているバイオ燃料や廃食油等のマルチ燃料に対応したディーゼル機関の高効率化や排気ガス特性の改善が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に対応した内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置は、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行う。すなわち、主燃料系に設けられた弁と副燃料系に設けられた弁とを異なるタイミングで開閉制御することにより、主燃料と副燃料を異なるタイミングで噴射する。このとき、副燃料系は電気的に高精度に制御される。
【００１１】
請求項２に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとする。異なる噴射圧力での燃料噴射を異なるタイミングで行うことによって燃料の燃焼状態を制御する。例えば、燃料の性状、気筒内圧力、機関の負荷条件、地理的条件等の条件に基づき主燃料の噴射圧力を決定し、燃焼室の気筒の振動や排気ガスの性状を抑制するように副燃料を異なる噴射圧力に決定する。
【００１２】
請求項３に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとする。具体的には、コモンレール等の蓄圧部を利用して副燃料を予備加圧しておき、副燃料系から主燃料系より高い圧力で噴射する。これにより、副燃料は主燃料より微細な粒子として噴射される。
【００１３】
請求項４に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。プレ噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としたときのクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好ましい。また、排気ガスの性状を改善するためには、プレ噴射時の燃料の噴射量を少なくすること、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。
【００１４】
請求項５に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。アフター噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好ましい。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。
【００１５】
請求項６に対応した燃料噴射装置において、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なるものとする。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行う。
【００１６】
請求項７に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むものとする。
【００１７】
請求項８に対応した燃料噴射装置は、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとする。例えば、プレ噴射やアフター噴射等の副噴射は、コモンレールを含む蓄圧部を備えた副燃料系を用いて、主燃料系より高い精度で噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御しつつ行われる。
【００１８】
請求項９に対応した燃料噴射装置は、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられている。主燃料系に逆止弁を設ける際は、主燃料系に含まれる機械式燃料噴射ポンプから主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。副燃料系に逆止弁を設ける際は、副燃料系に含まれる電気式燃料噴射弁から主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。そして、主燃料系又は副燃料系から逆止弁を介して配管に送り込まれた燃料の逆流を防止し、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて燃焼室内に噴射する。
【００１９】
請求項１０に対応した燃料噴射装置は、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御する。
【００２０】
請求項１１に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出する。気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行う。
【００２１】
請求項１２に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行う。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行う。また、熱発生率やｄｐ/ｄθの振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行っても良い。
【００２２】
請求項１３に対応した陸舶産業用内燃機関は、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の燃料噴射装置を備える。陸舶産業用内燃機関は、例えば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関であればよい。また、内燃機関は、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関（直噴式のオットー機関等）であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料噴射装置によれば、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことにより、燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。具体的には、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、副燃料系を電気的に制御することにより、主燃料の噴射タイミングに対する副燃料の噴射タイミングを高精度で制御することができ、気筒の振動や排気ガスの性状の改善において高い効果を得られる。また燃料噴射弁が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられているため、例えば、副燃料系を後付設置する場合に、気筒に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁の交換だけで済む。
【００２４】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとすることによって、主燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。例えば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとすることによって、主燃料の噴射前や噴射後における副燃料の粒子を微細化し、副燃料の燃焼を高めることにより気筒の振動や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。
【００２５】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことによって、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としたときのクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。また、プレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることにより、排気ガスの性状を改善効果が顕著となる。
【００２６】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことによって、排気ガスの性状を改善することができる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることによって、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することにより、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。
【００２７】
なお、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、を異なるものとすることによって、プレ噴射とアフター噴射とにおいてそれぞれ異なる効果を組み合わせて得ることができる。例えば、プレ噴射によって燃焼室の気筒の振動の低減・抑制を図り、アフター噴射によって排気ガスの性状の改善を図ることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むものである場合に、副燃料の副噴射による排気ガスの性状改善の効果が顕著となる。
【００２９】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとし、予備加圧を行った状態で蓄圧部に副燃料を蓄えておくことによって、プレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射圧力、噴射量を高い精度で制御することが可能となる。また、特に大型の内燃機関の場合、自動車に用いられているコモンレール方式の燃料噴射装置を適用することが容易となる。
【００３０】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁を設けることによって、合流部より下流において燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて主燃料又は副燃料の圧力の低下を抑制しつつ燃料を噴射させることができる。
【００３１】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することによって、燃焼室の気筒の振動を副燃料の噴射である副噴射により効果的に低減することができる。
【００３２】
特に、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することによって、気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行うことができる。
【００３３】
さらに、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことが好適である。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行うことによって、気柱振動として検出される燃焼室の気筒の振動をより効果的に低減することができる。
【００３４】
また、本発明の陸舶産業用内燃機関によれば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関において、燃焼室の気筒の振動を低減・抑制したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。また、例えば、大型の陸舶産業用内燃機関を採用した場合、副燃料系に量産効果の高い小型の自動車用コモンレールが採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態のディーゼル機関の概略構成を示す断面図である。
【図２】実施形態のシリンダヘッドの構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】実施形態の燃料供給系の構成図を示す図である。
【図４】プレ噴射と主噴射とのタイミングの関係を示す図である。
【図５】アフター噴射と主噴射とのタイミングの関係を示す図である。
【図６】実施の形態におけるディーゼル機関の制御ブロック図である。
【図７】プレ噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図８】プレ噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図９】プレ噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図１０】プレ噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図１１】プレ噴射無しの場合の噴射圧力、圧力変動、熱発生量及び熱発生率を示す図である。
【図１２】プレ噴射有りの場合の噴射圧力、圧力変動、熱発生量及び熱発生率を示す図である。
【図１３】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図１４】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図１５】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図１６】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図１７】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図１８】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図１９】アフター噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図２０】アフター噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図２１】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図２２】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＴＨＣ濃度との関係を示す図である。
【図２３】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図２４】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図２５】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と噴射圧力との関係を示す図である。
【図２６】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図２７】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図２８】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＴＨＣ濃度との関係を示す図である。
【図２９】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図３０】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図３１】プレ噴射による排ガス中のＣＯ濃度及びスモーク濃度の低減効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図１は、内燃機関、特に船舶用ディーゼル機関１０の概略の断面図である。ディーゼル機関１０は多気筒機関であり、図１の紙面を貫く方向に複数の気筒が直列に配置されている。ピストン１２は、シリンダライナ１４の円筒内周面に沿って摺動しつつ往復運動し、この往復運動が連接棒１６を介してクランク軸１８の回転運動に変換される。シリンダライナ１４はエンジンフレーム２０に支持され、シリンダライナ１４とエンジンフレーム２０の間には、冷却水の流れる水ジャケットが形成される。このエンジンフレーム２０の、シリンダライナを囲みこれを支持する部分と、シリンダライナ１４とでシリンダが構成される。エンジンフレーム２０には、クランク軸１８を支持する軸受が設けられているが、図１においては省略されている。
【００３７】
エンジンフレーム２０の上部には、シリンダヘッド２２がヘッドボルトにより締結されており、これによりシリンダヘッド２２がシリンダライナ１４の上部の開口に当接し、密着している。ピストン１２の頭頂面と、これに対向するシリンダヘッド２２の下面と、シリンダライナ１４の内周面により燃焼室が形成される。シリンダヘッド２２の燃焼室の中央にあたる部分に燃料噴射弁２６が設けられている。燃料噴射弁の配置は、噴射される燃料の噴霧の拡がり方など、燃焼状況により適切に定められればよく、中央以外に部分に設けられてもよい。シリンダヘッド２２には、燃焼室に通じる吸気ポートおよび排気ポートが形成されており、さらに、これらのポートの燃焼室に対する開口を開閉するための吸気弁、排気弁が配置される。吸排気弁は、燃料噴射弁２６の紙面奥側と手前側に配置されており、図１においては示されていない。吸気ポートは吸気管３２に連通しており、排気ポートは排気管３４に連通している。
【００３８】
また、図２の部分拡大図に示すように、シリンダヘッド２２には、インジケータコック（計測用コック）５３が設けられる。インジケータコック５３は、シリンダライナ１４の内部の圧力等を計測するためにシリンダヘッド２２に管路５３ａを形成し、管路５３ａの端部をシリンダヘッド２２の外部まで引き出して構成される。シリンダヘッド２２の外部に引き出された管路５３ａの端部にはバルブ５３ｃが設けられ、このバルブ５３ｃを開けることによって、燃焼室内の燃料や空気等の一部を抜き出してその性状を計測することができる。
【００３９】
本実施の形態では、管路５３ａ内の気柱振動を計測するために、管路５３ａ内の圧力を計測するための圧力センサ５３ｂが設けられている。圧力センサ５３ｂは、管路５３ａ内の圧力を検出し、後述のシステム制御部１１４へ出力する。
【００４０】
シリンダの側方には、ギア、チェーンなどの伝達装置を介してクランク軸１８に駆動されるカム軸３６が配置される。カム軸３６は、気筒の配列方向と平行に配置され、各気筒の吸気弁、排気弁に対応したカム３８を備えている。カム３８のカム面に接するカムフォロワ４０が設けられ、さらに、カムフォロワ４０に接続され、シリンダヘッド２２に向けてプッシュロッド４２が延びて配置される。シリンダヘッド２２には、ロッカーアーム４４が配置され、ロッカーアーム４４の一端にはプッシュロッド４２が接続し、他端は吸気弁と排気弁のステム端４６に接続している。カム軸３６の回転により、カム３８がカムフォロワ４０を揺動させ、この動きがプッシュロッド４２を介してロッカーアーム４４に伝達される。そして、ロッカーアーム４４も揺動して吸気弁および排気弁が駆動され、吸気ポート、排気ポートの開閉が実行される。
【００４１】
燃料噴射弁２６には、燃料供給系４８により燃料が供給される。このディーゼル機関１０には、二つの燃料供給系が設けられる。一つの燃料供給系は機械式燃料噴射ポンプ５０を備え、このポンプは燃料タンク５２内の燃料を加圧して、逆止弁５１を備えた燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に供給する。この燃料供給系を主燃料供給系と記し、燃料タンク５２を主燃料タンク５２、燃料供給管５４を主燃料供給管５４、さらに主燃料供給系で供給される燃料を主燃料として以下説明する。
【００４２】
もう一つの燃料供給系を副燃料供給系と記す。副燃料供給系は、燃料噴射弁２６に供給される副燃料を蓄える燃料タンク５６、副燃料を加圧し送る加圧ポンプ５８、加圧ポンプにより送られる加圧された燃料を蓄える蓄圧部としてのコモンレール６０を含む。コモンレール６０内に蓄えられた加圧燃料が、逆止弁６３及び副燃料供給弁６４を有する燃料供給管６２を介して主燃料供給管５４に送出される。主燃料供給管５４に送出された燃料は、更に燃料噴射弁２６に向かい、ここから燃焼室内に向けて噴射される。この副燃料タンク５６から燃料噴射弁２６に至る、副燃料を噴射するための系を副燃料系と記し、燃料タンク５６を副燃料タンク５６、燃料供給管６２を副燃料供給管６２として以下説明する。
【００４３】
したがって、この燃料供給系４８においては、主、副の燃料供給管５４，６２の合流部６５より下流においては、主、副燃料系が構成要素（例えば燃料噴射弁２６）を共有している。
【００４４】
コモンレールを含む副燃料系は、自動車用のシステムを転用することができる。自動車用の需要は、船舶用のそれよりも多く、量産効果により副燃料系導入のコストを抑制することができる。また、副燃料系に軽油を用いるのであれば、自動車用のシステムを導入するための改造が少なくなり、更に導入コストの抑制が期待できる。また、自動車用のシステムが、船舶用としては容量が不足する場合には、システムを複数備え、１気筒に複数のコモンレールシステムから燃料を噴射するようにできる。また、燃料噴射量を増加するために、コモンレールの容積を増加して対応してもよい。
【００４５】
副燃料系を、既存の内燃機関に後付けする構成とした場合、外洋を航行中に、副燃料系の寿命が来たとしても、容易に取り替えることができる。さらに、副燃料系に自動車用のコモンレールシステムを用いることにより、これが船舶用の内燃機関に比べて寿命が短い場合も、経済的な負担を小さくして容易に取り替えることができる。
【００４６】
図３は、燃料供給系４８および燃料噴射弁２６を示す図である。主燃料系においては、主燃料タンク５２に蓄えられている主燃料は、機械式燃料噴射ポンプ５０により加圧されて送出され、主燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に送られる。なお、逆止弁５１より下流へ送り出された主燃料は、逆止弁５１によって機械式燃料噴射ポンプ５０側へ逆流することが防がれている。また、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性（加圧速度）を向上させて燃料を噴射させることができる。
【００４７】
副燃料系においては、副燃料タンク５６に蓄えられた副燃料は、加圧ポンプ５８で加圧、送出され、圧力が高い状態でコモンレール６０に蓄えられる。コモンレール６０から主燃料供給管５４に向かう副燃料供給管６２の途中には副燃料供給弁６４が設けられており、この副燃料供給弁６４を開放することによって、合流部６５より下流に副燃料が供給される。副燃料供給弁６４は、電気的に制御される電気制御式とする。
【００４８】
このように、主燃料系においては、燃料の加圧は、燃料噴射のたびにそれぞれ独立して行われるのに対し、副燃料系においては、燃料は予め加圧されて、加圧された状態で蓄えられており、燃料噴射のタイミングで予め加圧されていた燃料が供給される。主燃料系においては、燃料噴射の初期においては、圧力が低く、噴射される燃料の粒子が比較的大きい。一方、副燃料系においては、燃料は予め加圧されているので、噴射期間の初期から高い圧力で噴射することが可能であり、噴射のタイミングを制御し易く、噴射時の燃料の噴射量や噴射圧力も制御が容易となる。また、主燃料より高い噴射圧力で副燃料を噴射することにより、副燃料の粒子は主燃料より微細な状態で噴射される。これにより、副燃料の着火性や燃焼性を高めることができる。また、コモンレール内の圧力は、変更することが容易である。具体的には、例えば、加圧ポンプ５８に電気式のポンプを採用した場合は、ポンプを駆動するモータの回転速度を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。また、加圧ポンプ５８として機械式のポンプを用いる場合には、コモンレール６０から副燃料タンク５６に副燃料を戻すリターン経路に調圧弁を設け、この調圧弁が開放する圧力を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。
【００４９】
なお、合流部６５より下流へ送り出された副燃料は、逆止弁６３によってコモンレール６０へ逆流することが防がれている。また、逆止弁５１によりこれより下流に流出することが防がれている。逆止弁５１あるいは逆止弁６３またはその双方は、吸い戻しストロークを設けたデリバリバルブ型のものを選ぶことができる。これにより、主燃料あるいは副燃料の残圧を低減し、次の噴射への影響を軽減できる。また、コモンレール６０に蓄えられた燃料が、主燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に送られる。加圧ポンプ５８およびコモンレール６０は全気筒または複数の気筒に共通に設けられ、副燃料供給弁６４が各気筒ごとに設けられる。
【００５０】
また、逆止弁６３は副燃料の注入が無いときに、主燃料の逆流を防いでいる。逆止弁５１は副燃料の注入の際にこの燃料が主燃料系の逆止弁５１より下流に流出することを防いでいる。副燃料によって加圧される配管容積を小さくすることによって、燃料圧の高圧化とその応答性（加圧速度）の向上が期待できる。逆止弁５１から噴射弁２６のノズル穴までの管路容積をできるだけ小さくすることが重要であるが、逆止弁５１が機械式燃料噴射ポンプ５０から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも機械式燃料噴射ポンプ５０に近い位置に配置されると、燃料供給管５４，６２において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁２６から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁５１は、主燃料供給管５４の機械式燃料噴射ポンプ５０から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも合流部６５に近い位置に配置することが好適である。また、逆止弁６３が副燃料供給弁６４から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも副燃料供給弁６４に近い位置に配置されると、燃料供給管５４，６２において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁２６から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁６３は、副燃料供給管６２の副燃料供給弁６４から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも合流部６５に近い位置に配置することが好適である。管路の実構成上、逆止弁５１、逆止弁６３および合流部６５の位置は変えられないとしても、合流部６５から燃料噴射弁２６までの管路を、例えば二重管やセパレート管等とすることにより、実質の合流部を限りなく燃料噴射弁２６の近傍に持ってくることも可能である。特に、副燃料はコモンレール６０（蓄圧部）によって予備的に加圧された状態で燃料供給管５４，６２へと導入され、燃料噴射弁２６から気筒内へ主燃料よりも高い圧力で噴射されるので、逆止弁５１，６３の位置による圧力低下の影響を受け易い。したがって、コモンレール６０のような蓄圧部を用いた燃料供給系を有する場合には、逆止弁５１，６３を上記のように配置することによる効果が顕著となる。また、プレ噴射(副燃料)→主噴射(主燃料)→アフター噴射(副燃料)のサイクルとすることにより、特に精密な制御が必要なプレ噴射に対して、管路が副燃料で満たされた状態での噴射制御が可能となる。
【００５１】
また、副燃料供給弁６４として電気的に制御できるものを付加することにより、自動車用のコモンレールシステムの導入が容易となる。また、電気制御式とすることで、燃料噴射タイミングや、燃料噴射期間（噴射量）、燃料噴射パターン等が電気信号で制御可能となり、制御の自由度が拡大する。また、船舶においては、波の影響により、波の周期に関連した負荷変動を生じる場合があるが、制御の自由度が高い電気制御式を採用することで、これに好適に対応できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、主燃料系から供給される主燃料を噴射する主噴射と、主噴射とは異なるタイミングで副燃料系から供給される副燃料を噴射する副噴射を行う。より具体的には、図４の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の前であって、繰り返し行われる主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ前に副燃料を噴射するプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。また、図５の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の後であって、繰り返し行われる主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ後に副燃料を噴射するアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。プレ噴射とアフター噴射とは組み合わせ行ってもよい。
【００５３】
特に、副燃料供給弁６４を電気制御式とすることで、副噴射であるプレ噴射やアフター噴射のように、主噴射のタイミングに合わせて高い精度で噴射条件（燃料噴射タイミング、燃料噴射期間（噴射量）、噴射圧力、噴射パターン等）の制御を行う必要がある場合に有利である。
【００５４】
また、燃料噴射弁２６は、燃料の噴射に電気的制御を行う電気制御式燃料噴射弁としてもよい。電気制御式噴射弁は、気筒内に燃料を噴射する噴射弁として機能すると共に、主燃料及び副燃料の供給を制御する燃料制御弁としても機能する。電気制御式燃料噴射弁は、制御信号を受けて、電磁弁を備えた噴射ノズルから制御信号で示される噴射量の燃料を噴射する。噴射された燃料は、細かな粒子（液滴）となってシリンダ内を拡がり、ピストンによる圧縮で気筒内の温度が上昇すると自己着火して燃焼する。主燃料系は、カム９２によるプランジャのストロークのたびに燃料が加圧される。なお、燃料噴射弁２６は、一つの弁体に主燃料系と副燃料系が独立して存在し、各々機械式あるいは電気制御式、あるいはその組み合わせをもって機能する燃料噴射弁であってもよい。また燃料噴射弁２６が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられることにより、例えば、既存船の内燃機関に副燃料系を後付設置する場合に、シリンダヘッド２２に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁２６の交換だけで済む。また、新造船であってもシリンダヘッド２２への穴あけが従来通り各気筒ごとに1か所で済み、加工が容易にできる。
【００５５】
主、副燃料は、同種の燃料を用いることも、異種の燃料の組み合わせとすることもできる。主、副燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むことが好適である。
【００５６】
同種の燃料を用いる場合であっても、後述するように、副燃料系においては、噴射初期から高い圧力で噴射することによって、燃料粒子が微細となって、着火性や燃焼性が改善される。特に、前述の燃料噴射弁による低負荷時の着火性の悪化を改善することができる。
【００５７】
同種の燃料を副燃料系により噴射しても、十分な着火性を得られない場合に、主、副燃料に異種の燃料を使用することもできる。この場合、副燃料に着火性の良い燃料を使用し、副燃料を火種として、着火性の悪い燃料を燃焼させるようにすることができる。ディーゼル機関における着火性は、セタン価で評価され、この場合は、セタン価の高い燃料を副燃料として使用し、低い燃料を主燃料として使用する。主燃料に着火性の悪い燃料を使用する場合、副燃料として軽油、バイオディーゼル油、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）を使用することが好適である。主燃料として重油を使用した場合、相対的に着火性のよい菜種油等を用いてもよい。
【００５８】
図６は、主燃料系および副燃料系の噴射条件の制御に関する制御ブロック図である。この制御ブロック図は、主、副の燃料系において燃料噴射弁、特にそのノズルが共用される構成例を対象とした制御ブロック図である。既出の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。ディーゼル機関１０の運転状態を検出するために、回転センサ１００、圧力センサ１０２および排気ガスセンサ１０４が備えられる。また、燃料噴射弁２６に実際に供給される主燃料および副燃料の量をそれぞれ検出する主燃料流量センサ１０６、副燃料流量センサ１０８を備えてもよい。回転センサ１００は、クランク軸１８の回転速度を検出するセンサである。
【００５９】
圧力センサ１０２は、燃焼室内の圧力を直接検出するセンサを用いることができるが、より簡易な方法として、後付け、または外付けのセンサにより圧力の検出を行うことができる。例えば、圧力センサ１０２は、燃焼室内の燃焼圧がシリンダヘッドボルトに作用する力に基づくセンサとしてもよい。
【００６０】
より具体的には、シリンダヘッド２２をエンジンフレーム２０に対して締結するシリンダヘッドボルトに圧力センサ１０２を設けてもよい。シリンダヘッドボルトのボルトのナットとシリンダヘッドの間に、圧力センサ１０２であるロードワッシャを配置する。ロードワッシャには、シリンダヘッドの締め付け時に加えられる軸力と、気筒内圧を受けて発生する軸力が作用する。このロードワッシャに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有することが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けたロードワッシャにより気筒内圧を測定することが可能である。
【００６１】
また、圧力センサ１０２としての歪みゲージを用いてもよい。圧力センサ１０２として用いる歪みゲージは、シリンダヘッドボルトの軸部に装着することが好適である。歪みゲージは、エンジンフレーム２０と、シリンダヘッド２２の間の隙間に対応して装着される。しかし、シリンダヘッドボルトの延びを適切に検出できる位置であれば、どこに装着されても良く、例えばシリンダヘッド２２内のボルト軸部に装着されてもよい。
【００６２】
シリンダヘッドボルトの伸びに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有していることが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けた歪みゲージより気筒内圧を測定することが可能である。ロードワッシャ型、歪みゲージ型のいずれも、気筒の外部に装着可能であるため、副燃料系としてコモンレールシステムを後付けする場合や、故障時や寿命時の取り替えがボルトの脱着だけで簡単にできる。また、ボルトの緩みや締め付けトルクが不足した場合に、異常が検出可能となる。
【００６３】
圧力センサ１０２は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる１つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。気筒配置がＶ型の機関であれば、左右のバンクにそれぞれ１つの圧力センサを設けることができる。気筒ごとに圧力センサを設けた場合、噴射条件の制御も気筒ごとに行うことができる。また、Ｖ型のバンクごとなど、いくつかの気筒ごとに圧力センサを設けた場合、バンクごと、その気筒群ごとに噴射制御を行うこともできる。圧力センサ１０２により検出された気筒内圧に基づき、エンジン状態推定部１１０において、内燃機関の運転状態を推定する。
【００６４】
排気ガスセンサ１０４は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、粒子状物質（ＰＭ）、全炭化水素(ＴＨＣ)等を検出するセンサである。これらは個別に設けることも組み合わせて設けることもできる。排気ガスセンサ１０４は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる１つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。排気ガスセンサ１０４からの出力信号はエンジン状態推定部１１０へ送られ、エンジン状態推定部１１０において排気ガスの性状に応じて内燃機関の運転状態を推定する。
【００６５】
エンジン状態推定部１１０は、排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧の少なくとも一つの情報に基づき、内燃機関における燃焼状態について推定を行う。例えば、主燃料の燃料噴射時期を変化させたときに圧力センサ１０２によって気筒内圧を検出することで、最高気筒内圧、図示平均有効圧を算出でき、また気筒内圧から求めた熱発生率から、着火時期を推定することができる。熱発生率から着火時期の推定を行うに当たり、あるサイクルの最大値と最低値より定められる閾値を用いて推定を行うことができる。例えば、熱発生率の最大値と最小値の差の１０％を最小値に加算した値を閾値とし、あるサイクルにおいて、この値を超えたときを、そのサイクルの着火時期とすることができる。排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等は、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を変更すると変化し、これらのパラメータが予め定めた値となるように、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御する。
【００６６】
また、エンジン状態推定部１１０は、排気ガスの性状に応じて内燃機関の燃焼状態を推定する。内燃機関の負荷に対して排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の濃度が変化する。スモークは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の量に対応する。すなわち、エンジン状態推定部１１０は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の測定値の少なくとも一つを排気ガスセンサ１０４から受けて、受け取った測定値から内燃機関の燃焼状態を推定する。この推定された内燃機関の燃焼状態又は窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の測定値自体に応じて、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御する。
【００６７】
エンジン状態推定部１１０により推定される燃焼状態は燃料の性状を反映する。例えば、着火性の良い燃料を使用している場合は、噴射時期に対して早期に着火し、逆に着火性の悪い燃料の場合には、着火が遅れる傾向がある。また、着火性の良い燃料を使用している場合は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加し、着火性の悪い燃料の場合には、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）が増加する。
【００６８】
エンジン状態推定部１１０は、このようにして得られた排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等のパラメータ、燃料の性状、圧力センサ１０２の検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値等の運転条件に基づいて主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御するための制御信号をシステム制御部１１４へ出力する。
【００６９】
また、シリンダヘッド２２の管路５３ａに設けられた圧力センサ５３ｂによって検出された管路５３ａの気柱振動を示す圧力測定値もシステム制御部１１４へ入力される。この圧力測定値も主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御するために用いられる。
【００７０】
一方、ディーゼル機関１０の運転条件は、運転操作盤１２０に入力された条件に基づき定められ、これに基づき前述のエンジン状態推定部１１０および各センサによる検出値をフィードバックしてシステム制御部１１４によりディーゼル機関１０が制御される。運転操作盤１２０には、ディーゼル機関１０の始動・停止を行う運転スイッチ１２２、出力レベルを制御するスロットルレバー１２４が備えられ、また燃料の種類や搭載量、排気ガス等に関する規制値、運転モードを入力する条件設定部１２６を備える。燃料の種類としては、重油、軽油、菜種油、廃食油、パーム油やバイオディーゼル油、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等が想定されており、それぞれの代表的な性状が予め記憶されている。また、主燃料と副燃料にそれぞれにどの種類の燃料を使用するか、設定することができる。また、排気ガス規制値（ＮＯｘ規制、ＣＯ規制、スモーク規制、ＳＯｘ規制、ＣＯ2排出量規制）等の設定をすることができる。さらに、環境を重視する設定とするか、燃費を重視する設定とするかの運転モードの選択も行うことができる。操作者によりこれらの操作、入力がなされ、運転条件算出部１２８にて、これらの条件に適した、運転条件が算出される。具体的には、主燃料及び副燃料の比率、燃料の性状（セタン価、発熱量）、排気温度目標値、効率の目標値、負荷条件等の算出を行う。
【００７１】
また、ＧＰＳ１３０を搭載し、ＧＰＳ（全地球測位システム）情報、レーダ情報等に基づき現在の位置を取得し、これも合わせて運転条件を算出してもよい。ＧＰＳまたはレーダにより、陸からの距離、目的地からの方位や距離、航行時の目標物との位置関係を取得することができ、これらに応じた運転条件を算出することができる。例えば、現在位置が港湾内、陸地から近い位置であれば、排気ガス浄化を優先した運転モードとし、外洋であれば、燃費を優先した運転モードとするようにできる。航行時の目標物は、例えば灯台や、追従航行をしている場合であれば追従対象の他の船舶である。世界の国、地域、都市等の地理的位置や沿岸からの距離により排気ガス規制や環境規制等が異なる場合に、地理的条件に従った運転条件の算出ができる。また、ＧＰＳ、レーダは、船舶用として一般に搭載されるものを共用することができる。
【００７２】
運転条件算出部１２８により算出された運転条件に基づき、運転条件設定部１１２において、ディーゼル機関１０の運転条件がシステム制御部１１４に設定される。この設定された条件に基づきシステム制御部１１４によって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件の制御が実行される。
【００７３】
すなわち、システム制御部１１４は、エンジン状態推定部１１０での推定される内燃機関の運転条件、例えば着火時期、内燃機関の燃焼状態、燃料の性状、圧力センサ１０２，５３ｂの検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値等、及び運転条件設定部１１２において設定される内燃機関の運転条件に応じて、機械式燃料噴射ポンプ５０、加圧ポンプ５８、副燃料供給弁６４及び燃料噴射弁２６を制御することによって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等を調整する。なお、副燃料の噴射時期、噴射量及び主燃料との噴射燃料比の制御は、システム制御部１１４により、副燃料供給弁６４を制御することにより行われる。また、副燃料の燃料圧を制御するために、加圧ポンプ５８の制御も行ってよい。機械式燃料噴射ポンプ５０により、主燃料の噴射量及び副燃料との噴射燃料比を制御する場合には、カム９２のクランク軸に対する位相を変更する機構を設ける。また、内燃機関への主燃料及び副燃料の噴射時期（タイミング）は、燃料噴射弁２６を電気制御式燃料噴射弁とした場合、燃料噴射弁２６の開閉制御により行うことができる。
【００７４】
本実施形態の燃料供給系４８においては、主、副の燃料供給管５４，６２が、燃料噴射弁２６の上流側で合流している。したがって、主燃料と副燃料とは別々に噴射することもできるし、同時に噴射することも可能である。いずれの場合にも、内燃機関の運転状態、例えば内燃機関の負荷や排気ガスの性状等に応じて、主燃料と副燃料との噴射タイミング、噴射時間（噴射量）及び噴射圧力等の噴射条件を調整することができる。
【００７５】
特に、本実施の形態では、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料の副噴射を行う制御を行う。すなわち、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料のプレ噴射及びアフター噴射を行う。
【００７６】
まず、システム制御部１１４は、推定された内燃機関の運転条件、圧力センサ１０２，５３ｂの検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値並びに内燃機関の運転条件に応じて、主燃料系を用いた主燃料の噴射条件を設定する。すなわち、運転条件設定部１１２によって設定された内燃機関の運転条件を満たす燃焼条件となるように主燃料系を用いた主燃料の噴射の時期、噴射時間（噴射量）及び噴射圧力等の噴射条件が設定される。
【００７７】
主噴射を行う場合、機械式燃料噴射ポンプ５０のみにより燃料の加圧及び噴射が行われる。プランジャのストロークに従って徐々に燃料圧Ｐｉが上昇し、燃料圧Ｐｉが噴射開始圧Ｐｏに達すると（クランク角α１）燃料噴射弁２６から燃料が噴射される。高負荷時には、プランジャの有効ストロークが長くなるようラックの進退が制御され、全負荷の場合には、噴射最高圧Ｐmaxに達する（クランク角α２）。その後、供給系の配管内等に残る圧力によりわずかに燃料が噴射されるが、基本的にはクランク角α１からα２が燃料噴射期間となる。一方、低負荷時には、プランジャの有効ストロークが短くなり、クランク角α２よりも上死点に近いクランク角α３までが燃料噴射期間となる。クランク角α３では、燃料圧は、最高圧Ｐmaxより低いＰ１にしか達していない。
【００７８】
このため、低負荷時には燃料噴射圧が低く、噴射された燃料粒子は大きなものとなる。燃料の粒子径が大きいと着火性が悪化する。このため、機械式燃料噴射ポンプのみにより燃料供給をする場合には、低負荷時において着火性が悪化し、排気ガスの性状が低下したり、ディーゼル機関１０の燃焼が急激になり振動、騒音が大きくなったりすることがある。
【００７９】
このような主噴射による燃焼の問題を低減・抑制するために副燃料のプレ噴射又はアフター噴射が行われる。
【００８０】
プレ噴射を行う場合、主噴射期間の前であって、主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ前に副燃料を噴射する。副燃料系では、蓄圧部となるコモンレール６０に予備的に加圧された副燃料を蓄えておき、主燃料の主噴射とは異なるタイミングで副燃料供給弁６４を開に制御することによりプレ噴射を行う。
【００８１】
プレ噴射を行うことによって、内燃機関に発生する振動を低減又は抑制することができる。図７及び図８は、プレ噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における主燃料及び副燃料の噴射圧力の時間的変化を示す図である。図７は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−１０°，−１２．５°，−１５°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示し、図８は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−１５°，−１７．５°，−２０°，−２２．５°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示している。
【００８２】
なお、タイミングを示す角度は、ピストンが上死点からクランクの一回転を３６０°とした場合のクランク角度における位相を示している。すなわち、主噴射においてピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としてときのプレ噴射のタイミングの位相差を示している。なお、図中において「カム」と示すのはプレ噴射を行わない主噴射のみの運転を示している。
【００８３】
図９及び図１０は、図７及び図８に示す各タイミングでプレ噴射を行った場合における圧力センサ５３ｂの検出圧力値の時間的変動及び気筒内における熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を示す。図９及び図１０に示されているように、プレ噴射のタイミングが早くなるほど（主噴射とのタイミング差が大きくなるほど）、圧力センサ５３ｂの検出圧力値及び熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の時間的変化の振幅は小さくなり、シリンダヘッド２２に設けられている管路５３ａ内の気柱振動が小さくなることが分かる。ただし、プレ噴射をクランク角度の位相差にして−２２．５°以上前に行うと内燃機関におけるプレ噴射による燃焼がピストンリングとシリンダダライナの摺動面に不具合をおこすおそれがある。したがって、主噴射の周期に対してクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。
【００８４】
また、圧力センサ５３ｂの圧力を検出してシステム制御部１１４にフィードバックすることにより、圧力センサ５３ｂの検出圧力値の時間的変動の振幅に応じてプレ噴射のタイミングを変更するフィードバック制御を行ってもよい。この場合、システム制御部１１４は、圧力センサ５３ｂからの検出圧力値を受けて、図１１に示すように、燃焼室の気筒内の圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を把握する。そして、プレ噴射のタイミングをずらしつつ、これらの値の変動幅がより小さくなるタイミングに設定する処理を繰り返すことによって、最終的に気柱振動の振幅が最も小さくなるプレ噴射のタイミングに設定することができる。また、プレ噴射の位置を固定しておき、噴射量を徐々に増やしていき、圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の変動幅が小さくなるタイミングに設定してもよい。これにより、図１２に示すように、燃焼室の気筒内の圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の振動幅を低減することができる。なお、熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の代りに圧力変動率（ｄＰ／ｄθ）をパラメータとして用いてもよい。
【００８５】
このように、インジケータコック５３の管路５３ａに圧力センサ５３ｂを設け、その圧力センサ５３ｂによって得られる検出圧力値を用いることによって、燃焼室の気筒の振動を効果的に低減・抑制することができる。なお、燃焼室の気筒に圧力センサ１０２が設けられていない構成であってもインジケータコック５３を利用することによって圧力センサ５３ｂは容易に付設することができる。
【００８６】
図１３〜図１５は、プレ噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図１３に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて増加した。これは、プレ噴射のタイミングが進むほど主燃料の着火性及び燃焼性が高められたためと考えられる。また、図１４及び図１５に示すように、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、プレ噴射を行わない場合（カム）に比べてプレ噴射を行うことによって減少し、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて低減した。したがって、排ガスの性状の改善においても、主噴射の周期に対してクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、排ガスの性状の改善効果が顕著となる。
【００８７】
また、図１６〜図１８は、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に対する排気ガスの性状の関係を示す。図１６に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度は、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に依らず略一定となった。一方、図１７及び図１８に示すように、プレ噴射における副燃料の噴射量が少なくなる（噴射時間が短くなる）につれて、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は低下した。すなわち、プレ噴射を行わない場合に比べてプレ噴射を行うことによって排ガスの性状は改善されるが、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）は少ない（短い）ほど排ガスの性状の改善効果は顕著となる。このとき、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。
【００８８】
このように、プレ噴射を行うことによって、主燃料の着火性や燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。
【００８９】
図１９及び図２０は、アフター噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す図である。図１９及び図２０は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してアフター噴射をクランク角度において５°、１０°，１５°，２０°で行ったときの燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。
【００９０】
図２１〜図２４は、アフター噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図２１に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、アフター噴射のタイミングが主噴射のタイミングに対して遅れるにつれて低減した。また、図２２〜図２４に示すように、排気ガス中の全炭化水素（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射が主噴射に対して５°〜１０°の範囲で顕著に低減された。すなわち、排ガスの性状の改善においては、主噴射の周期に対してクランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好適である。但し、現実にはアフター噴射の場合、内燃機関の出力(負荷)が異なると主噴射の終わりのクランク角度が変わってくるため、主噴射の終わりのクランク角度を基準にした方がより好適である。一方、プレ噴射の場合は、ピストンの上死点を基準にすることが好ましい。
【００９１】
図２５及び図２６は、アフター噴射において副燃料の噴射量（噴射時間）を変えた場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す。アフター噴射の噴射時間を１．５ｍｓ，２．０ｍｓ，２．５ｍｓで行った場合及びアフター噴射を行わなかった場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。
【００９２】
また、図２７〜図３０は、アフター噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に対する排気ガスの性状の関係を示す。図２７に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射の噴射時間を１．５ｍｓとした場合で増加し、噴射時間を２．０ｍｓ及び２．５ｍｓとした場合に減少した。また、図２８〜図３０に示すように、排気ガス中の全炭化水素（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射における噴射時間が長くなる（噴射量が多くなる）につれて減少が大きくなった。少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。
【００９３】
このように、アフター噴射を行うことによって、主燃料の燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。
【００９４】
なお、プレ噴射とアフター噴射とを組み合わせ適用してもよい。プレ噴射とアフター噴射とでは、その条件によって得られる効果が異なる。したがって、プレ噴射とアフター噴射とでは噴射条件（噴射圧力、噴射時間等）を変えて行ってもよい。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行うことが好適である。
【００９５】
さらに、コモンレール６０には、燃料が微細な粒子となる圧力で噴射ができるよう十分な圧力で燃料が蓄えることが好適である。すなわち、副燃料系においては、コモンレール６０を用いることによって、燃料の噴射期間の最初から噴射圧力が高くなるようにすることができる。このように、コモンレール６０を用いることによって、短時間である副燃料のプレ噴射やアフター噴射を噴射初期から高い圧力で行うことが可能となる。
【００９６】
このとき、主燃料の主噴射より副燃料の副噴射を高い圧力で行うことによって、副燃料をより微細な粒子とすることができる。燃料は粒子が細かくなるにつれて着火性が良くなるので、副燃料の噴射圧力を主燃料の噴射圧力よりも高くすることによって、副燃料の着火性をより高めることができ、燃焼室の気筒の振動の抑制や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。
【００９７】
なお、副燃料の噴射時間を短く（噴射量を少なく）することによって、コモンレール６０に蓄えられている燃料の消費を抑えることができ、コモンレール内の圧力が低下してしまうことを防ぐことができる。必要な燃料圧を確保するためには、コモンレール６０の容量を増やす、また加圧ポンプ５８の流量を増やす等の対策をしてもよい。多気筒機関においては、機関全体の噴射間隔は短くなるので、低下したコモンレール内の圧力をより早く回復させる必要性、またはコモンレール内の圧力を低下させないように、その容量を増やす必要性が、より高まる。
【００９８】
また、船舶用等の大型の内燃機関では、燃焼室も大きく、１回当たりに噴射される燃料量が、自動車等の小型の機関のそれよりも多くなる。このため、コモンレール等の蓄圧部に蓄えられた燃料で全噴射量を賄おうとすると、蓄圧部の容積を大きくするか、ポンプ流量を増加させる必要がある。この理由からも、主燃料系と副燃料系を別々に備え、副燃料系による噴射量が少ない構成を採ることが望ましい。
【００９９】
図３１は、主燃料としてバイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）及びＡ重油を用いてプレ噴射を行った場合と行わなかった場合の排気ガスの性状について示す。なお、図中では、プレ噴射を行った場合について「アシスト」と示している。
【０１００】
バイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合においてプレ噴射を行ったときに窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が低下しなかった（図示しない）。一方、バイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度はプレ噴射を適用することによって大幅に低減された。このように、プレ噴射による排気ガスの性状の改善効果は、主燃料としてバイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合に顕著となった。
【０１０１】
なお、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモークの測定値に応じてプレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等を直接制御してもよい。例えば、内燃機関の負荷に対する窒素酸化物（ＮＯｘ）の目標値を運転条件算出部１２８で算出し、運転条件設定部１１２によってシステム制御部１１４に設定する。システム制御部１１４は、エンジン状態推定部１１０から受けた窒素酸化物（ＮＯｘ）の測定値と、設定された内燃機関の負荷に応じた目標値との関係に応じて、主燃料の主噴射の条件を設定すると共に、副燃料の副噴射の噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等を調整すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
以上の実施形態においては、船舶用のディーゼル機関に関連して説明したが、他の移動体、例えば鉄道車両、自動車等についても本発明を適用することができる。また、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関（直噴式のオットー機関等）についても適用することができる。さらに、陸上に設置される発電システムにおいても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ ディーゼル機関、２６ 燃料噴射弁、４８ 燃料供給系、５０ 機械式燃料噴射ポンプ、５１ 逆止弁、５３ インジケータコック、５３ａ 管路、５３ｂ 圧力センサ、６０ コモンレール、６３ 逆止弁、６４ 副燃料供給弁、６５ 合流部、１０４ 排気ガスセンサ、１１０ エンジン状態推定部、１１２ 運転条件設定部、１１４ システム制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置及び陸舶産業用内燃機関に関し、特に多種の燃料に対応可能な燃料噴射装置及びこれを用いた陸舶産業用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の枯渇、地球温暖化を背景に多種の燃料で運転可能な内燃機関およびこのような内燃機関に用いられる燃料噴射装置が求められている。例えば、より低質の石油系の燃料を用いること、バイオ燃料を用いることなどが提案されている。燃料はその種によって着火性が異なり、多種の燃料で運転可能とするためには、燃料の噴射タイミング等を調整して燃焼性を向上させる必要がある。
【０００３】
例えば、ディーゼル機関の燃料噴射装置において、燃料噴射時に高圧の主噴射の前に低圧のパイロット噴射を行う構成が開示されている。このような燃料噴射装置において、主噴射用の高圧用コモンレールとパイロット噴射用の低圧用コモンレールとを備えた構成が開示されている（下記、特許文献１参照）。また、燃焼室内へ主噴射を行うための主噴射ノズルとパイロット噴射を行うための副噴射ノズルとを別々に設ける構成が開示されている（下記、特許文献２参照）。また、燃焼室内への主噴射とパイロット噴射とを行うための共通の燃料噴射ノズルを設ける構成が開示されている（下記、特許文献３参照）。
【０００４】
また、内燃機関の燃料噴射装置において、高圧の燃料を噴射する主噴射と、主燃料より後に主噴射より低圧で燃料を噴射するアフター噴射を行う構成が開示されている（下記、特許文献４参照）。ここでは、内燃機関の気筒に主噴射を行うための噴射弁と、アフター噴射を行うための噴射弁と、が別々に設けられている。
【０００５】
また、主噴射とパイロット噴射又はアフター噴射等の副噴射とを組み合わせる際に、燃料噴射量及びエンジン回転数に基づき機関燃焼状態を間接的に把握し、当該燃焼状態に応じて制御モードを変更する技術が開示されている（下記、特許文献５参照）。また、主噴射とパイロット噴射を組み合わせて行う際に、内燃機関の気筒内の圧力Ｐを検出し、最高圧力Ｐｍａｘ及びｄＰ／ｄθに基づいて燃焼状態と着火状態を把握し、その結果をパイロット燃料供給装置にフィードバックする構成が開示されている（下記、特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１１４０４号公報
【特許文献２】特開平１０−１８４４８７号公報
【特許文献３】特開平５−２６１２７号公報
【特許文献４】特開２００７−７１１８１号公報
【特許文献５】特開２００３−１２０３９２号公報
【特許文献６】特開平６−１５９１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の船舶用ディーゼル機関の燃料噴射システムは、ディーゼル機関により駆動される機械式ポンプで燃料を加圧し、機械式の燃料噴射弁でディーゼル機関の気筒内に燃料を噴射する構成を有している。
【０００８】
このため、加圧される燃料の圧力上昇や噴射タイミングは機械式ポンプや機械式燃料噴射弁の特性に左右され、精度の高い制御が困難であった。また、排気ガス特性の改善からも問題があった。
【０００９】
また、近年、自動車等の分野では、加圧された燃料をコモンレール（蓄圧部）に蓄え、電気制御式の燃料噴射弁により燃料を噴射してディーゼル機関における燃焼を細かく制御する電気制御式の燃料噴射システムが用いられている。そこで、従来の船舶用ディーゼル機関にこのような電気制御式の燃料噴射システムを増設し、ディーゼル機関をより高効率化すると共に排気ガス特性を改善することが考えられている。特に、環境問題対策として注目されているバイオ燃料や廃食油等のマルチ燃料に対応したディーゼル機関の高効率化や排気ガス特性の改善が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に対応した内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置は、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行う。すなわち、主燃料系に設けられた弁と副燃料系に設けられた弁とを異なるタイミングで開閉制御することにより、主燃料と副燃料を異なるタイミングで噴射する。このとき、副燃料系は電気的に高精度に制御される。
【００１１】
請求項２に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとする。異なる噴射圧力での燃料噴射を異なるタイミングで行うことによって燃料の燃焼状態を制御する。例えば、燃料の性状、気筒内圧力、機関の負荷条件、地理的条件等の条件に基づき主燃料の噴射圧力を決定し、燃焼室の気筒の振動や排気ガスの性状を抑制するように副燃料を異なる噴射圧力に決定する。
【００１２】
請求項３に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとする。具体的には、コモンレール等の蓄圧部を利用して副燃料を予備加圧しておき、副燃料系から主燃料系より高い圧力で噴射する。これにより、副燃料は主燃料より微細な粒子として噴射される。
【００１３】
請求項４に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。プレ噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としたときのクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好ましい。また、排気ガスの性状を改善するためには、プレ噴射時の燃料の噴射量を少なくすること、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。
【００１４】
請求項５に対応した燃料噴射装置では、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。アフター噴射は、主燃料系とは独立した電気式制御の副燃料系を用いて、主燃料系より噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御が高い精度で行われる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好ましい。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。
【００１５】
請求項６に対応した燃料噴射装置において、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なるものとする。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行う。
【００１６】
請求項７に対応した燃料噴射装置は、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むものとする。
【００１７】
請求項８に対応した燃料噴射装置は、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとする。例えば、プレ噴射やアフター噴射等の副噴射は、コモンレールを含む蓄圧部を備えた副燃料系を用いて、主燃料系より高い精度で噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の制御しつつ行われる。
【００１８】
請求項９に対応した燃料噴射装置は、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられている。主燃料系に逆止弁を設ける際は、主燃料系に含まれる機械式燃料噴射ポンプから主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。副燃料系に逆止弁を設ける際は、副燃料系に含まれる電気式燃料噴射弁から主燃料系と副燃料系との合流部までの間の配管の半分の位置よりも合流部に近い位置に配置することが好ましい。そして、主燃料系又は副燃料系から逆止弁を介して配管に送り込まれた燃料の逆流を防止し、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて燃焼室内に噴射する。
【００１９】
請求項１０に対応した燃料噴射装置は、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御する。
【００２０】
請求項１１に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出する。気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行う。
【００２１】
請求項１２に対応した燃料噴射装置は、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行う。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行う。また、熱発生率やｄｐ/ｄθの振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行っても良い。
【００２２】
請求項１３に対応した陸舶産業用内燃機関は、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の燃料噴射装置を備える。陸舶産業用内燃機関は、例えば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関であればよい。また、内燃機関は、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関（直噴式のオットー機関等）であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料噴射装置によれば、機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことにより、燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。具体的には、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、副燃料系を電気的に制御することにより、主燃料の噴射タイミングに対する副燃料の噴射タイミングを高精度で制御することができ、気筒の振動や排気ガスの性状の改善において高い効果を得られる。また燃料噴射弁が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられているため、例えば、副燃料系を後付設置する場合に、気筒に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁の交換だけで済む。
【００２４】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なるものとすることによって、主燃料の燃焼に伴う問題を低減・抑制することができる。例えば、前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いものとすることによって、主燃料の噴射前や噴射後における副燃料の粒子を微細化し、副燃料の燃焼を高めることにより気筒の振動や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。
【００２５】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことによって、燃焼室の気筒の振動を低減したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。特に、ピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としたときのクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。また、プレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることにより、排気ガスの性状を改善効果が顕著となる。
【００２６】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことによって、排気ガスの性状を改善することができる。特に、主噴射の終わった後、クランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることによって、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。また、アフター噴射時の燃料の噴射量を多目にすること、少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することにより、排気ガスの性状の改善効果が顕著となる。
【００２７】
なお、前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、を異なるものとすることによって、プレ噴射とアフター噴射とにおいてそれぞれ異なる効果を組み合わせて得ることができる。例えば、プレ噴射によって燃焼室の気筒の振動の低減・抑制を図り、アフター噴射によって排気ガスの性状の改善を図ることができる。
【００２８】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むものである場合に、副燃料の副噴射による排気ガスの性状改善の効果が顕著となる。
【００２９】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記内燃機関はディーゼル機関であり、前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有するものとし、予備加圧を行った状態で蓄圧部に副燃料を蓄えておくことによって、プレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射圧力、噴射量を高い精度で制御することが可能となる。また、特に大型の内燃機関の場合、自動車に用いられているコモンレール方式の燃料噴射装置を適用することが容易となる。
【００３０】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁を設けることによって、合流部より下流において燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性を向上させて主燃料又は副燃料の圧力の低下を抑制しつつ燃料を噴射させることができる。
【００３１】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することによって、燃焼室の気筒の振動を副燃料の噴射である副噴射により効果的に低減することができる。
【００３２】
特に、前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することによって、気柱振動を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出圧力値が小さくなるように副燃料の副噴射を行うことができる。
【００３３】
さらに、前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことが好適である。例えば、気柱振動を検出する圧力センサの検出圧力値をシステム制御部にフィードバック入力し、検出圧力値の振幅が小さくなるようにフィードバック制御を行うことによって、気柱振動として検出される燃焼室の気筒の振動をより効果的に低減することができる。
【００３４】
また、本発明の陸舶産業用内燃機関によれば、船舶のみならず鉄道車両、自動車等の他の移動機関、発電システムや産業機器に搭載される内燃機関において、燃焼室の気筒の振動を低減・抑制したり、排気ガスの性状を改善したりすることができる。また、例えば、大型の陸舶産業用内燃機関を採用した場合、副燃料系に量産効果の高い小型の自動車用コモンレールが採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態のディーゼル機関の概略構成を示す断面図である。
【図２】実施形態のシリンダヘッドの構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】実施形態の燃料供給系の構成図を示す図である。
【図４】プレ噴射と主噴射とのタイミングの関係を示す図である。
【図５】アフター噴射と主噴射とのタイミングの関係を示す図である。
【図６】実施の形態におけるディーゼル機関の制御ブロック図である。
【図７】プレ噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図８】プレ噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図９】プレ噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図１０】プレ噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図１１】プレ噴射無しの場合の噴射圧力、圧力変動、熱発生量及び熱発生率を示す図である。
【図１２】プレ噴射有りの場合の噴射圧力、圧力変動、熱発生量及び熱発生率を示す図である。
【図１３】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図１４】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図１５】プレ噴射のタイミングと排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図１６】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図１７】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図１８】プレ噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図１９】アフター噴射のタイミングと噴射圧力との関係を示す図である。
【図２０】アフター噴射のタイミングと圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図２１】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図２２】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＴＨＣ濃度との関係を示す図である。
【図２３】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図２４】アフター噴射のタイミングと排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図２５】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と噴射圧力との関係を示す図である。
【図２６】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と圧力変動及び熱発生率との関係を示す図である。
【図２７】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図２８】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＴＨＣ濃度との関係を示す図である。
【図２９】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示す図である。
【図３０】アフター噴射の噴射時間（噴射量）と排気ガス中のスモーク濃度との関係を示す図である。
【図３１】プレ噴射による排ガス中のＣＯ濃度及びスモーク濃度の低減効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図１は、内燃機関、特に船舶用ディーゼル機関１０の概略の断面図である。ディーゼル機関１０は多気筒機関であり、図１の紙面を貫く方向に複数の気筒が直列に配置されている。ピストン１２は、シリンダライナ１４の円筒内周面に沿って摺動しつつ往復運動し、この往復運動が連接棒１６を介してクランク軸１８の回転運動に変換される。シリンダライナ１４はエンジンフレーム２０に支持され、シリンダライナ１４とエンジンフレーム２０の間には、冷却水の流れる水ジャケットが形成される。このエンジンフレーム２０の、シリンダライナを囲みこれを支持する部分と、シリンダライナ１４とでシリンダが構成される。エンジンフレーム２０には、クランク軸１８を支持する軸受が設けられているが、図１においては省略されている。
【００３７】
エンジンフレーム２０の上部には、シリンダヘッド２２がヘッドボルトにより締結されており、これによりシリンダヘッド２２がシリンダライナ１４の上部の開口に当接し、密着している。ピストン１２の頭頂面と、これに対向するシリンダヘッド２２の下面と、シリンダライナ１４の内周面により燃焼室が形成される。シリンダヘッド２２の燃焼室の中央にあたる部分に燃料噴射弁２６が設けられている。燃料噴射弁の配置は、噴射される燃料の噴霧の拡がり方など、燃焼状況により適切に定められればよく、中央以外に部分に設けられてもよい。シリンダヘッド２２には、燃焼室に通じる吸気ポートおよび排気ポートが形成されており、さらに、これらのポートの燃焼室に対する開口を開閉するための吸気弁、排気弁が配置される。吸排気弁は、燃料噴射弁２６の紙面奥側と手前側に配置されており、図１においては示されていない。吸気ポートは吸気管３２に連通しており、排気ポートは排気管３４に連通している。
【００３８】
また、図２の部分拡大図に示すように、シリンダヘッド２２には、インジケータコック（計測用コック）５３が設けられる。インジケータコック５３は、シリンダライナ１４の内部の圧力等を計測するためにシリンダヘッド２２に管路５３ａを形成し、管路５３ａの端部をシリンダヘッド２２の外部まで引き出して構成される。シリンダヘッド２２の外部に引き出された管路５３ａの端部にはバルブ５３ｃが設けられ、このバルブ５３ｃを開けることによって、燃焼室内の燃料や空気等の一部を抜き出してその性状を計測することができる。
【００３９】
本実施の形態では、管路５３ａ内の気柱振動を計測するために、管路５３ａ内の圧力を計測するための圧力センサ５３ｂが設けられている。圧力センサ５３ｂは、管路５３ａ内の圧力を検出し、後述のシステム制御部１１４へ出力する。
【００４０】
シリンダの側方には、ギア、チェーンなどの伝達装置を介してクランク軸１８に駆動されるカム軸３６が配置される。カム軸３６は、気筒の配列方向と平行に配置され、各気筒の吸気弁、排気弁に対応したカム３８を備えている。カム３８のカム面に接するカムフォロワ４０が設けられ、さらに、カムフォロワ４０に接続され、シリンダヘッド２２に向けてプッシュロッド４２が延びて配置される。シリンダヘッド２２には、ロッカーアーム４４が配置され、ロッカーアーム４４の一端にはプッシュロッド４２が接続し、他端は吸気弁と排気弁のステム端４６に接続している。カム軸３６の回転により、カム３８がカムフォロワ４０を揺動させ、この動きがプッシュロッド４２を介してロッカーアーム４４に伝達される。そして、ロッカーアーム４４も揺動して吸気弁および排気弁が駆動され、吸気ポート、排気ポートの開閉が実行される。
【００４１】
燃料噴射弁２６には、燃料供給系４８により燃料が供給される。このディーゼル機関１０には、二つの燃料供給系が設けられる。一つの燃料供給系は機械式燃料噴射ポンプ５０を備え、このポンプは燃料タンク５２内の燃料を加圧して、逆止弁５１を備えた燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に供給する。この燃料供給系を主燃料供給系と記し、燃料タンク５２を主燃料タンク５２、燃料供給管５４を主燃料供給管５４、さらに主燃料供給系で供給される燃料を主燃料として以下説明する。
【００４２】
もう一つの燃料供給系を副燃料供給系と記す。副燃料供給系は、燃料噴射弁２６に供給される副燃料を蓄える燃料タンク５６、副燃料を加圧し送る加圧ポンプ５８、加圧ポンプにより送られる加圧された燃料を蓄える蓄圧部としてのコモンレール６０を含む。コモンレール６０内に蓄えられた加圧燃料が、逆止弁６３及び副燃料供給弁６４を有する燃料供給管６２を介して主燃料供給管５４に送出される。主燃料供給管５４に送出された燃料は、更に燃料噴射弁２６に向かい、ここから燃焼室内に向けて噴射される。この副燃料タンク５６から燃料噴射弁２６に至る、副燃料を噴射するための系を副燃料系と記し、燃料タンク５６を副燃料タンク５６、燃料供給管６２を副燃料供給管６２として以下説明する。
【００４３】
したがって、この燃料供給系４８においては、主、副の燃料供給管５４，６２の合流部６５より下流においては、主、副燃料系が構成要素（例えば燃料噴射弁２６）を共有している。
【００４４】
コモンレールを含む副燃料系は、自動車用のシステムを転用することができる。自動車用の需要は、船舶用のそれよりも多く、量産効果により副燃料系導入のコストを抑制することができる。また、副燃料系に軽油を用いるのであれば、自動車用のシステムを導入するための改造が少なくなり、更に導入コストの抑制が期待できる。また、自動車用のシステムが、船舶用としては容量が不足する場合には、システムを複数備え、１気筒に複数のコモンレールシステムから燃料を噴射するようにできる。また、燃料噴射量を増加するために、コモンレールの容積を増加して対応してもよい。
【００４５】
副燃料系を、既存の内燃機関に後付けする構成とした場合、外洋を航行中に、副燃料系の寿命が来たとしても、容易に取り替えることができる。さらに、副燃料系に自動車用のコモンレールシステムを用いることにより、これが船舶用の内燃機関に比べて寿命が短い場合も、経済的な負担を小さくして容易に取り替えることができる。
【００４６】
図３は、燃料供給系４８および燃料噴射弁２６を示す図である。主燃料系においては、主燃料タンク５２に蓄えられている主燃料は、機械式燃料噴射ポンプ５０により加圧されて送出され、主燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に送られる。なお、逆止弁５１より下流へ送り出された主燃料は、逆止弁５１によって機械式燃料噴射ポンプ５０側へ逆流することが防がれている。また、燃料注入により加圧される部分の容積を小さくし、燃料圧の高圧化とその応答性（加圧速度）を向上させて燃料を噴射させることができる。
【００４７】
副燃料系においては、副燃料タンク５６に蓄えられた副燃料は、加圧ポンプ５８で加圧、送出され、圧力が高い状態でコモンレール６０に蓄えられる。コモンレール６０から主燃料供給管５４に向かう副燃料供給管６２の途中には副燃料供給弁６４が設けられており、この副燃料供給弁６４を開放することによって、合流部６５より下流に副燃料が供給される。副燃料供給弁６４は、電気的に制御される電気制御式とする。
【００４８】
このように、主燃料系においては、燃料の加圧は、燃料噴射のたびにそれぞれ独立して行われるのに対し、副燃料系においては、燃料は予め加圧されて、加圧された状態で蓄えられており、燃料噴射のタイミングで予め加圧されていた燃料が供給される。主燃料系においては、燃料噴射の初期においては、圧力が低く、噴射される燃料の粒子が比較的大きい。一方、副燃料系においては、燃料は予め加圧されているので、噴射期間の初期から高い圧力で噴射することが可能であり、噴射のタイミングを制御し易く、噴射時の燃料の噴射量や噴射圧力も制御が容易となる。また、主燃料より高い噴射圧力で副燃料を噴射することにより、副燃料の粒子は主燃料より微細な状態で噴射される。これにより、副燃料の着火性や燃焼性を高めることができる。また、コモンレール内の圧力は、変更することが容易である。具体的には、例えば、加圧ポンプ５８に電気式のポンプを採用した場合は、ポンプを駆動するモータの回転速度を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。また、加圧ポンプ５８として機械式のポンプを用いる場合には、コモンレール６０から副燃料タンク５６に副燃料を戻すリターン経路に調圧弁を設け、この調圧弁が開放する圧力を変更して、コモンレール内圧力を調整することができる。
【００４９】
なお、合流部６５より下流へ送り出された副燃料は、逆止弁６３によってコモンレール６０へ逆流することが防がれている。また、逆止弁５１によりこれより下流に流出することが防がれている。逆止弁５１あるいは逆止弁６３またはその双方は、吸い戻しストロークを設けたデリバリバルブ型のものを選ぶことができる。これにより、主燃料あるいは副燃料の残圧を低減し、次の噴射への影響を軽減できる。また、コモンレール６０に蓄えられた燃料が、主燃料供給管５４を介して燃料噴射弁２６に送られる。加圧ポンプ５８およびコモンレール６０は全気筒または複数の気筒に共通に設けられ、副燃料供給弁６４が各気筒ごとに設けられる。
【００５０】
また、逆止弁６３は副燃料の注入が無いときに、主燃料の逆流を防いでいる。逆止弁５１は副燃料の注入の際にこの燃料が主燃料系の逆止弁５１より下流に流出することを防いでいる。副燃料によって加圧される配管容積を小さくすることによって、燃料圧の高圧化とその応答性（加圧速度）の向上が期待できる。逆止弁５１から噴射弁２６のノズル穴までの管路容積をできるだけ小さくすることが重要であるが、逆止弁５１が機械式燃料噴射ポンプ５０から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも機械式燃料噴射ポンプ５０に近い位置に配置されると、燃料供給管５４，６２において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁２６から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁５１は、主燃料供給管５４の機械式燃料噴射ポンプ５０から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも合流部６５に近い位置に配置することが好適である。また、逆止弁６３が副燃料供給弁６４から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも副燃料供給弁６４に近い位置に配置されると、燃料供給管５４，６２において主燃料系から供給された主燃料又は副燃料系から供給された副燃料の圧力の低下が大きくなり、燃料噴射弁２６から気筒内へ燃料を噴射させる際の噴射圧力が低下してしまう。そこで、逆止弁６３は、副燃料供給管６２の副燃料供給弁６４から合流部６５までの間の配管の半分の位置よりも合流部６５に近い位置に配置することが好適である。管路の実構成上、逆止弁５１、逆止弁６３および合流部６５の位置は変えられないとしても、合流部６５から燃料噴射弁２６までの管路を、例えば二重管やセパレート管等とすることにより、実質の合流部を限りなく燃料噴射弁２６の近傍に持ってくることも可能である。特に、副燃料はコモンレール６０（蓄圧部）によって予備的に加圧された状態で燃料供給管５４，６２へと導入され、燃料噴射弁２６から気筒内へ主燃料よりも高い圧力で噴射されるので、逆止弁５１，６３の位置による圧力低下の影響を受け易い。したがって、コモンレール６０のような蓄圧部を用いた燃料供給系を有する場合には、逆止弁５１，６３を上記のように配置することによる効果が顕著となる。また、プレ噴射(副燃料)→主噴射(主燃料)→アフター噴射(副燃料)のサイクルとすることにより、特に精密な制御が必要なプレ噴射に対して、管路が副燃料で満たされた状態での噴射制御が可能となる。
【００５１】
また、副燃料供給弁６４として電気的に制御できるものを付加することにより、自動車用のコモンレールシステムの導入が容易となる。また、電気制御式とすることで、燃料噴射タイミングや、燃料噴射期間（噴射量）、燃料噴射パターン等が電気信号で制御可能となり、制御の自由度が拡大する。また、船舶においては、波の影響により、波の周期に関連した負荷変動を生じる場合があるが、制御の自由度が高い電気制御式を採用することで、これに好適に対応できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、主燃料系から供給される主燃料を噴射する主噴射と、主噴射とは異なるタイミングで副燃料系から供給される副燃料を噴射する副噴射を行う。より具体的には、図４の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の前であって、繰り返し行われる主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ前に副燃料を噴射するプレ噴射を行う。プレ噴射は、パイロット噴射とも呼ばれる。また、図５の燃料噴射のタイミングチャートを示すように、主噴射の後であって、繰り返し行われる主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ後に副燃料を噴射するアフター噴射を行う。アフター噴射は、ポスト噴射とも呼ばれる。プレ噴射とアフター噴射とは組み合わせ行ってもよい。
【００５３】
特に、副燃料供給弁６４を電気制御式とすることで、副噴射であるプレ噴射やアフター噴射のように、主噴射のタイミングに合わせて高い精度で噴射条件（燃料噴射タイミング、燃料噴射期間（噴射量）、噴射圧力、噴射パターン等）の制御を行う必要がある場合に有利である。
【００５４】
また、燃料噴射弁２６は、燃料の噴射に電気的制御を行う電気制御式燃料噴射弁としてもよい。電気制御式噴射弁は、気筒内に燃料を噴射する噴射弁として機能すると共に、主燃料及び副燃料の供給を制御する燃料制御弁としても機能する。電気制御式燃料噴射弁は、制御信号を受けて、電磁弁を備えた噴射ノズルから制御信号で示される噴射量の燃料を噴射する。噴射された燃料は、細かな粒子（液滴）となってシリンダ内を拡がり、ピストンによる圧縮で気筒内の温度が上昇すると自己着火して燃焼する。主燃料系は、カム９２によるプランジャのストロークのたびに燃料が加圧される。なお、燃料噴射弁２６は、一つの弁体に主燃料系と副燃料系が独立して存在し、各々機械式あるいは電気制御式、あるいはその組み合わせをもって機能する燃料噴射弁であってもよい。また燃料噴射弁２６が主燃料系及び副燃料系に共通に設けられることにより、例えば、既存船の内燃機関に副燃料系を後付設置する場合に、シリンダヘッド２２に取付口を別途設ける必要が無く燃料噴射弁２６の交換だけで済む。また、新造船であってもシリンダヘッド２２への穴あけが従来通り各気筒ごとに1か所で済み、加工が容易にできる。
【００５５】
主、副燃料は、同種の燃料を用いることも、異種の燃料の組み合わせとすることもできる。主、副燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むことが好適である。
【００５６】
同種の燃料を用いる場合であっても、後述するように、副燃料系においては、噴射初期から高い圧力で噴射することによって、燃料粒子が微細となって、着火性や燃焼性が改善される。特に、前述の燃料噴射弁による低負荷時の着火性の悪化を改善することができる。
【００５７】
同種の燃料を副燃料系により噴射しても、十分な着火性を得られない場合に、主、副燃料に異種の燃料を使用することもできる。この場合、副燃料に着火性の良い燃料を使用し、副燃料を火種として、着火性の悪い燃料を燃焼させるようにすることができる。ディーゼル機関における着火性は、セタン価で評価され、この場合は、セタン価の高い燃料を副燃料として使用し、低い燃料を主燃料として使用する。主燃料に着火性の悪い燃料を使用する場合、副燃料として軽油、バイオディーゼル油、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）を使用することが好適である。主燃料として重油を使用した場合、相対的に着火性のよい菜種油等を用いてもよい。
【００５８】
図６は、主燃料系および副燃料系の噴射条件の制御に関する制御ブロック図である。この制御ブロック図は、主、副の燃料系において燃料噴射弁、特にそのノズルが共用される構成例を対象とした制御ブロック図である。既出の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。ディーゼル機関１０の運転状態を検出するために、回転センサ１００、圧力センサ１０２および排気ガスセンサ１０４が備えられる。また、燃料噴射弁２６に実際に供給される主燃料および副燃料の量をそれぞれ検出する主燃料流量センサ１０６、副燃料流量センサ１０８を備えてもよい。回転センサ１００は、クランク軸１８の回転速度を検出するセンサである。
【００５９】
圧力センサ１０２は、燃焼室内の圧力を直接検出するセンサを用いることができるが、より簡易な方法として、後付け、または外付けのセンサにより圧力の検出を行うことができる。例えば、圧力センサ１０２は、燃焼室内の燃焼圧がシリンダヘッドボルトに作用する力に基づくセンサとしてもよい。
【００６０】
より具体的には、シリンダヘッド２２をエンジンフレーム２０に対して締結するシリンダヘッドボルトに圧力センサ１０２を設けてもよい。シリンダヘッドボルトのボルトのナットとシリンダヘッドの間に、圧力センサ１０２であるロードワッシャを配置する。ロードワッシャには、シリンダヘッドの締め付け時に加えられる軸力と、気筒内圧を受けて発生する軸力が作用する。このロードワッシャに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有することが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けたロードワッシャにより気筒内圧を測定することが可能である。
【００６１】
また、圧力センサ１０２としての歪みゲージを用いてもよい。圧力センサ１０２として用いる歪みゲージは、シリンダヘッドボルトの軸部に装着することが好適である。歪みゲージは、エンジンフレーム２０と、シリンダヘッド２２の間の隙間に対応して装着される。しかし、シリンダヘッドボルトの延びを適切に検出できる位置であれば、どこに装着されても良く、例えばシリンダヘッド２２内のボルト軸部に装着されてもよい。
【００６２】
シリンダヘッドボルトの伸びに作用する力は、気筒内圧と良好な相関を有していることが分かっており、気筒内圧を直接測定するのではなく、気筒の外部に設けた歪みゲージより気筒内圧を測定することが可能である。ロードワッシャ型、歪みゲージ型のいずれも、気筒の外部に装着可能であるため、副燃料系としてコモンレールシステムを後付けする場合や、故障時や寿命時の取り替えがボルトの脱着だけで簡単にできる。また、ボルトの緩みや締め付けトルクが不足した場合に、異常が検出可能となる。
【００６３】
圧力センサ１０２は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる１つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。気筒配置がＶ型の機関であれば、左右のバンクにそれぞれ１つの圧力センサを設けることができる。気筒ごとに圧力センサを設けた場合、噴射条件の制御も気筒ごとに行うことができる。また、Ｖ型のバンクごとなど、いくつかの気筒ごとに圧力センサを設けた場合、バンクごと、その気筒群ごとに噴射制御を行うこともできる。圧力センサ１０２により検出された気筒内圧に基づき、エンジン状態推定部１１０において、内燃機関の運転状態を推定する。
【００６４】
排気ガスセンサ１０４は、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、粒子状物質（ＰＭ）、全炭化水素(ＴＨＣ)等を検出するセンサである。これらは個別に設けることも組み合わせて設けることもできる。排気ガスセンサ１０４は、各気筒ごとに設けることができ、また代表となる１つまたは複数の気筒に対応して設けることもできる。排気ガスセンサ１０４からの出力信号はエンジン状態推定部１１０へ送られ、エンジン状態推定部１１０において排気ガスの性状に応じて内燃機関の運転状態を推定する。
【００６５】
エンジン状態推定部１１０は、排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧の少なくとも一つの情報に基づき、内燃機関における燃焼状態について推定を行う。例えば、主燃料の燃料噴射時期を変化させたときに圧力センサ１０２によって気筒内圧を検出することで、最高気筒内圧、図示平均有効圧を算出でき、また気筒内圧から求めた熱発生率から、着火時期を推定することができる。熱発生率から着火時期の推定を行うに当たり、あるサイクルの最大値と最低値より定められる閾値を用いて推定を行うことができる。例えば、熱発生率の最大値と最小値の差の１０％を最小値に加算した値を閾値とし、あるサイクルにおいて、この値を超えたときを、そのサイクルの着火時期とすることができる。排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等は、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を変更すると変化し、これらのパラメータが予め定めた値となるように、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御する。
【００６６】
また、エンジン状態推定部１１０は、排気ガスの性状に応じて内燃機関の燃焼状態を推定する。内燃機関の負荷に対して排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の濃度が変化する。スモークは、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の量に対応する。すなわち、エンジン状態推定部１１０は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の測定値の少なくとも一つを排気ガスセンサ１０４から受けて、受け取った測定値から内燃機関の燃焼状態を推定する。この推定された内燃機関の燃焼状態又は窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）の測定値自体に応じて、主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御する。
【００６７】
エンジン状態推定部１１０により推定される燃焼状態は燃料の性状を反映する。例えば、着火性の良い燃料を使用している場合は、噴射時期に対して早期に着火し、逆に着火性の悪い燃料の場合には、着火が遅れる傾向がある。また、着火性の良い燃料を使用している場合は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加し、着火性の悪い燃料の場合には、一酸化炭素（ＣＯ）、スモーク及び全炭化水素（ＴＨＣ）が増加する。
【００６８】
エンジン状態推定部１１０は、このようにして得られた排気ガスの性状、着火時期、図示平均有効圧、最高気筒内圧等のパラメータ、燃料の性状、圧力センサ１０２の検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値等の運転条件に基づいて主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御するための制御信号をシステム制御部１１４へ出力する。
【００６９】
また、シリンダヘッド２２の管路５３ａに設けられた圧力センサ５３ｂによって検出された管路５３ａの気柱振動を示す圧力測定値もシステム制御部１１４へ入力される。この圧力測定値も主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件を制御するために用いられる。
【００７０】
一方、ディーゼル機関１０の運転条件は、運転操作盤１２０に入力された条件に基づき定められ、これに基づき前述のエンジン状態推定部１１０および各センサによる検出値をフィードバックしてシステム制御部１１４によりディーゼル機関１０が制御される。運転操作盤１２０には、ディーゼル機関１０の始動・停止を行う運転スイッチ１２２、出力レベルを制御するスロットルレバー１２４が備えられ、また燃料の種類や搭載量、排気ガス等に関する規制値、運転モードを入力する条件設定部１２６を備える。燃料の種類としては、重油、軽油、菜種油、廃食油、パーム油やバイオディーゼル油、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等が想定されており、それぞれの代表的な性状が予め記憶されている。また、主燃料と副燃料にそれぞれにどの種類の燃料を使用するか、設定することができる。また、排気ガス規制値（ＮＯｘ規制、ＣＯ規制、スモーク規制、ＳＯｘ規制、ＣＯ2排出量規制）等の設定をすることができる。さらに、環境を重視する設定とするか、燃費を重視する設定とするかの運転モードの選択も行うことができる。操作者によりこれらの操作、入力がなされ、運転条件算出部１２８にて、これらの条件に適した、運転条件が算出される。具体的には、主燃料及び副燃料の比率、燃料の性状（セタン価、発熱量）、排気温度目標値、効率の目標値、負荷条件等の算出を行う。
【００７１】
また、ＧＰＳ１３０を搭載し、ＧＰＳ（全地球測位システム）情報、レーダ情報等に基づき現在の位置を取得し、これも合わせて運転条件を算出してもよい。ＧＰＳまたはレーダにより、陸からの距離、目的地からの方位や距離、航行時の目標物との位置関係を取得することができ、これらに応じた運転条件を算出することができる。例えば、現在位置が港湾内、陸地から近い位置であれば、排気ガス浄化を優先した運転モードとし、外洋であれば、燃費を優先した運転モードとするようにできる。航行時の目標物は、例えば灯台や、追従航行をしている場合であれば追従対象の他の船舶である。世界の国、地域、都市等の地理的位置や沿岸からの距離により排気ガス規制や環境規制等が異なる場合に、地理的条件に従った運転条件の算出ができる。また、ＧＰＳ、レーダは、船舶用として一般に搭載されるものを共用することができる。
【００７２】
運転条件算出部１２８により算出された運転条件に基づき、運転条件設定部１１２において、ディーゼル機関１０の運転条件がシステム制御部１１４に設定される。この設定された条件に基づきシステム制御部１１４によって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等の噴射条件の制御が実行される。
【００７３】
すなわち、システム制御部１１４は、エンジン状態推定部１１０での推定される内燃機関の運転条件、例えば着火時期、内燃機関の燃焼状態、燃料の性状、圧力センサ１０２，５３ｂの検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値等、及び運転条件設定部１１２において設定される内燃機関の運転条件に応じて、機械式燃料噴射ポンプ５０、加圧ポンプ５８、副燃料供給弁６４及び燃料噴射弁２６を制御することによって主燃料及び副燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量（噴射燃料比）等を調整する。なお、副燃料の噴射時期、噴射量及び主燃料との噴射燃料比の制御は、システム制御部１１４により、副燃料供給弁６４を制御することにより行われる。また、副燃料の燃料圧を制御するために、加圧ポンプ５８の制御も行ってよい。機械式燃料噴射ポンプ５０により、主燃料の噴射量及び副燃料との噴射燃料比を制御する場合には、カム９２のクランク軸に対する位相を変更する機構を設ける。また、内燃機関への主燃料及び副燃料の噴射時期（タイミング）は、燃料噴射弁２６を電気制御式燃料噴射弁とした場合、燃料噴射弁２６の開閉制御により行うことができる。
【００７４】
本実施形態の燃料供給系４８においては、主、副の燃料供給管５４，６２が、燃料噴射弁２６の上流側で合流している。したがって、主燃料と副燃料とは別々に噴射することもできるし、同時に噴射することも可能である。いずれの場合にも、内燃機関の運転状態、例えば内燃機関の負荷や排気ガスの性状等に応じて、主燃料と副燃料との噴射タイミング、噴射時間（噴射量）及び噴射圧力等の噴射条件を調整することができる。
【００７５】
特に、本実施の形態では、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料の副噴射を行う制御を行う。すなわち、主燃料の主噴射と異なるタイミングで副燃料のプレ噴射及びアフター噴射を行う。
【００７６】
まず、システム制御部１１４は、推定された内燃機関の運転条件、圧力センサ１０２，５３ｂの検出値及び排気ガスセンサ１０４の検出値並びに内燃機関の運転条件に応じて、主燃料系を用いた主燃料の噴射条件を設定する。すなわち、運転条件設定部１１２によって設定された内燃機関の運転条件を満たす燃焼条件となるように主燃料系を用いた主燃料の噴射の時期、噴射時間（噴射量）及び噴射圧力等の噴射条件が設定される。
【００７７】
主噴射を行う場合、機械式燃料噴射ポンプ５０のみにより燃料の加圧及び噴射が行われる。プランジャのストロークに従って徐々に燃料圧Ｐｉが上昇し、燃料圧Ｐｉが噴射開始圧Ｐｏに達すると（クランク角α１）燃料噴射弁２６から燃料が噴射される。高負荷時には、プランジャの有効ストロークが長くなるようラックの進退が制御され、全負荷の場合には、噴射最高圧Ｐmaxに達する（クランク角α２）。その後、供給系の配管内等に残る圧力によりわずかに燃料が噴射されるが、基本的にはクランク角α１からα２が燃料噴射期間となる。一方、低負荷時には、プランジャの有効ストロークが短くなり、クランク角α２よりも上死点に近いクランク角α３までが燃料噴射期間となる。クランク角α３では、燃料圧は、最高圧Ｐmaxより低いＰ１にしか達していない。
【００７８】
このため、低負荷時には燃料噴射圧が低く、噴射された燃料粒子は大きなものとなる。燃料の粒子径が大きいと着火性が悪化する。このため、機械式燃料噴射ポンプのみにより燃料供給をする場合には、低負荷時において着火性が悪化し、排気ガスの性状が低下したり、ディーゼル機関１０の燃焼が急激になり振動、騒音が大きくなったりすることがある。
【００７９】
このような主噴射による燃焼の問題を低減・抑制するために副燃料のプレ噴射又はアフター噴射が行われる。
【００８０】
プレ噴射を行う場合、主噴射期間の前であって、主噴射の半周期（Ｔ／２）より短い時間だけ前に副燃料を噴射する。副燃料系では、蓄圧部となるコモンレール６０に予備的に加圧された副燃料を蓄えておき、主燃料の主噴射とは異なるタイミングで副燃料供給弁６４を開に制御することによりプレ噴射を行う。
【００８１】
プレ噴射を行うことによって、内燃機関に発生する振動を低減又は抑制することができる。図７及び図８は、プレ噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における主燃料及び副燃料の噴射圧力の時間的変化を示す図である。図７は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−１０°，−１２．５°，−１５°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示し、図８は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してプレ噴射を−１５°，−１７．５°，−２０°，−２２．５°で行ったときの噴射圧力の時間的変化を示している。
【００８２】
なお、タイミングを示す角度は、ピストンが上死点からクランクの一回転を３６０°とした場合のクランク角度における位相を示している。すなわち、主噴射においてピストン上死点となるタイミングをクランク角度０°としてときのプレ噴射のタイミングの位相差を示している。なお、図中において「カム」と示すのはプレ噴射を行わない主噴射のみの運転を示している。
【００８３】
図９及び図１０は、図７及び図８に示す各タイミングでプレ噴射を行った場合における圧力センサ５３ｂの検出圧力値の時間的変動及び気筒内における熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を示す。図９及び図１０に示されているように、プレ噴射のタイミングが早くなるほど（主噴射とのタイミング差が大きくなるほど）、圧力センサ５３ｂの検出圧力値及び熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の時間的変化の振幅は小さくなり、シリンダヘッド２２に設けられている管路５３ａ内の気柱振動が小さくなることが分かる。ただし、プレ噴射をクランク角度の位相差にして−２２．５°以上前に行うと内燃機関におけるプレ噴射による燃焼がピストンリングとシリンダダライナの摺動面に不具合をおこすおそれがある。したがって、主噴射の周期に対してクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、気筒の振動の抑制効果が顕著となる。
【００８４】
また、圧力センサ５３ｂの圧力を検出してシステム制御部１１４にフィードバックすることにより、圧力センサ５３ｂの検出圧力値の時間的変動の振幅に応じてプレ噴射のタイミングを変更するフィードバック制御を行ってもよい。この場合、システム制御部１１４は、圧力センサ５３ｂからの検出圧力値を受けて、図１１に示すように、燃焼室の気筒内の圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を把握する。そして、プレ噴射のタイミングをずらしつつ、これらの値の変動幅がより小さくなるタイミングに設定する処理を繰り返すことによって、最終的に気柱振動の振幅が最も小さくなるプレ噴射のタイミングに設定することができる。また、プレ噴射の位置を固定しておき、噴射量を徐々に増やしていき、圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の変動幅が小さくなるタイミングに設定してもよい。これにより、図１２に示すように、燃焼室の気筒内の圧力（Ｐ）や熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の振動幅を低減することができる。なお、熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の代りに圧力変動率（ｄＰ／ｄθ）をパラメータとして用いてもよい。
【００８５】
このように、インジケータコック５３の管路５３ａに圧力センサ５３ｂを設け、その圧力センサ５３ｂによって得られる検出圧力値を用いることによって、燃焼室の気筒の振動を効果的に低減・抑制することができる。なお、燃焼室の気筒に圧力センサ１０２が設けられていない構成であってもインジケータコック５３を利用することによって圧力センサ５３ｂは容易に付設することができる。
【００８６】
図１３〜図１５は、プレ噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図１３に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて増加した。これは、プレ噴射のタイミングが進むほど主燃料の着火性及び燃焼性が高められたためと考えられる。また、図１４及び図１５に示すように、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、プレ噴射を行わない場合（カム）に比べてプレ噴射を行うことによって減少し、プレ噴射のタイミングの位相が主噴射のタイミングに対して進むにつれて低減した。したがって、排ガスの性状の改善においても、主噴射の周期に対してクランク角度において−１５°〜−２２．５°程度の位相差をもって副燃料をプレ噴射させることが好適である。このようなタイミングおいてプレ噴射を行うことによって、排ガスの性状の改善効果が顕著となる。
【００８７】
また、図１６〜図１８は、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に対する排気ガスの性状の関係を示す。図１６に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度は、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に依らず略一定となった。一方、図１７及び図１８に示すように、プレ噴射における副燃料の噴射量が少なくなる（噴射時間が短くなる）につれて、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は低下した。すなわち、プレ噴射を行わない場合に比べてプレ噴射を行うことによって排ガスの性状は改善されるが、プレ噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）は少ない（短い）ほど排ガスの性状の改善効果は顕著となる。このとき、少なくともプレ噴射における副燃料の一回の噴射量を主燃料の一回の噴射量より少なくすることが好ましい。
【００８８】
このように、プレ噴射を行うことによって、主燃料の着火性や燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。
【００８９】
図１９及び図２０は、アフター噴射を主噴射とは異なるタイミングで行った場合における燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す図である。図１９及び図２０は、主噴射においてピストン上死点のクランク角度に対してアフター噴射をクランク角度において５°、１０°，１５°，２０°で行ったときの燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。
【００９０】
図２１〜図２４は、アフター噴射における副燃料の噴射タイミングに対する排気ガスの性状の関係を示す。図２１に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、アフター噴射のタイミングが主噴射のタイミングに対して遅れるにつれて低減した。また、図２２〜図２４に示すように、排気ガス中の全炭化水素（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射が主噴射に対して５°〜１０°の範囲で顕著に低減された。すなわち、排ガスの性状の改善においては、主噴射の周期に対してクランク角度において５°〜１０°程度の位相差をもって副燃料をアフター噴射させることが好適である。但し、現実にはアフター噴射の場合、内燃機関の出力(負荷)が異なると主噴射の終わりのクランク角度が変わってくるため、主噴射の終わりのクランク角度を基準にした方がより好適である。一方、プレ噴射の場合は、ピストンの上死点を基準にすることが好ましい。
【００９１】
図２５及び図２６は、アフター噴射において副燃料の噴射量（噴射時間）を変えた場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示す。アフター噴射の噴射時間を１．５ｍｓ，２．０ｍｓ，２．５ｍｓで行った場合及びアフター噴射を行わなかった場合の燃料噴射圧及び燃焼室の気筒内圧力の時間的変化を示している。
【００９２】
また、図２７〜図３０は、アフター噴射における副燃料の噴射量（噴射時間）に対する排気ガスの性状の関係を示す。図２７に示すように、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射の噴射時間を１．５ｍｓとした場合で増加し、噴射時間を２．０ｍｓ及び２．５ｍｓとした場合に減少した。また、図２８〜図３０に示すように、排気ガス中の全炭化水素（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度は、アフター噴射を行わない場合に比べてアフター噴射を行うことによって減少し、特にアフター噴射における噴射時間が長くなる（噴射量が多くなる）につれて減少が大きくなった。少なくともアフター噴射における副燃料の一回の噴射量の主燃料の一回の噴射量に対する比率を多目に設定することが好ましい。
【００９３】
このように、アフター噴射を行うことによって、主燃料の燃焼性を高めることができ、排気ガスの性状を改善することができる。また、これに伴って、内燃機関の燃費を向上させることができる。
【００９４】
なお、プレ噴射とアフター噴射とを組み合わせ適用してもよい。プレ噴射とアフター噴射とでは、その条件によって得られる効果が異なる。したがって、プレ噴射とアフター噴射とでは噴射条件（噴射圧力、噴射時間等）を変えて行ってもよい。例えば、プレ噴射は燃焼室の気筒の振動の低減・抑制に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行い、アフター噴射は、排気ガスの性状の改善に適した噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等の噴射条件下で行うことが好適である。
【００９５】
さらに、コモンレール６０には、燃料が微細な粒子となる圧力で噴射ができるよう十分な圧力で燃料が蓄えることが好適である。すなわち、副燃料系においては、コモンレール６０を用いることによって、燃料の噴射期間の最初から噴射圧力が高くなるようにすることができる。このように、コモンレール６０を用いることによって、短時間である副燃料のプレ噴射やアフター噴射を噴射初期から高い圧力で行うことが可能となる。
【００９６】
このとき、主燃料の主噴射より副燃料の副噴射を高い圧力で行うことによって、副燃料をより微細な粒子とすることができる。燃料は粒子が細かくなるにつれて着火性が良くなるので、副燃料の噴射圧力を主燃料の噴射圧力よりも高くすることによって、副燃料の着火性をより高めることができ、燃焼室の気筒の振動の抑制や排気ガスの性状の改善の効果を高めることができる。
【００９７】
なお、副燃料の噴射時間を短く（噴射量を少なく）することによって、コモンレール６０に蓄えられている燃料の消費を抑えることができ、コモンレール内の圧力が低下してしまうことを防ぐことができる。必要な燃料圧を確保するためには、コモンレール６０の容量を増やす、また加圧ポンプ５８の流量を増やす等の対策をしてもよい。多気筒機関においては、機関全体の噴射間隔は短くなるので、低下したコモンレール内の圧力をより早く回復させる必要性、またはコモンレール内の圧力を低下させないように、その容量を増やす必要性が、より高まる。
【００９８】
また、船舶用等の大型の内燃機関では、燃焼室も大きく、１回当たりに噴射される燃料量が、自動車等の小型の機関のそれよりも多くなる。このため、コモンレール等の蓄圧部に蓄えられた燃料で全噴射量を賄おうとすると、蓄圧部の容積を大きくするか、ポンプ流量を増加させる必要がある。この理由からも、主燃料系と副燃料系を別々に備え、副燃料系による噴射量が少ない構成を採ることが望ましい。
【００９９】
図３１は、主燃料としてバイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）及びＡ重油を用いてプレ噴射を行った場合と行わなかった場合の排気ガスの性状について示す。なお、図中では、プレ噴射を行った場合について「アシスト」と示している。
【０１００】
バイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合においてプレ噴射を行ったときに窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が低下しなかった（図示しない）。一方、バイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合の一酸化炭素（ＣＯ）及びスモークの濃度はプレ噴射を適用することによって大幅に低減された。このように、プレ噴射による排気ガスの性状の改善効果は、主燃料としてバイオ燃料（菜種油５０％とＡ重油５０％の混合油）を用いた場合に顕著となった。
【０１０１】
なお、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、スモークの測定値に応じてプレ噴射やアフター噴射の噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等を直接制御してもよい。例えば、内燃機関の負荷に対する窒素酸化物（ＮＯｘ）の目標値を運転条件算出部１２８で算出し、運転条件設定部１１２によってシステム制御部１１４に設定する。システム制御部１１４は、エンジン状態推定部１１０から受けた窒素酸化物（ＮＯｘ）の測定値と、設定された内燃機関の負荷に応じた目標値との関係に応じて、主燃料の主噴射の条件を設定すると共に、副燃料の副噴射の噴射タイミング、噴射時間（噴射量）、噴射圧力等を調整すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
以上の実施形態においては、船舶用のディーゼル機関に関連して説明したが、他の移動体、例えば鉄道車両、自動車等についても本発明を適用することができる。また、ディーゼル機関以外の間欠燃焼を行う機関（直噴式のオットー機関等）についても適用することができる。さらに、陸上に設置される発電システムにおいても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ ディーゼル機関、２６ 燃料噴射弁、４８ 燃料供給系、５０ 機械式燃料噴射ポンプ、５１ 逆止弁、５３ インジケータコック、５３ａ 管路、５３ｂ 圧力センサ、６０ コモンレール、６３ 逆止弁、６４ 副燃料供給弁、６５ 合流部、１０４ 排気ガスセンサ、１１０ エンジン状態推定部、１１２ 運転条件設定部、１１４ システム制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、
電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、
前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、
を備え、
前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射装置であって、
前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記内燃機関はディーゼル機関であり、
前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、
前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、
前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料噴射装置であって、
前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の燃料噴射装置であって、
前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の燃料噴射装置を搭載した陸舶産業用内燃機関。
【請求項１】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
機械的に制御されて主燃料を供給する主燃料系と、
電気的に制御されて副燃料を供給する副燃料系と、
前記主燃料系及び前記副燃料系に共通に設けられ、前記主燃料及び前記副燃料を前記気筒内に噴射する燃料噴射弁と、
を備え、
前記主燃料の噴射と前記副燃料の噴射とを異なるタイミングで行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射時における噴射圧力と、前記副燃料の噴射時における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射時における噴射圧力より前記副燃料の噴射時における噴射圧力が高いことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射の前であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間前に前記副燃料のプレ噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料の噴射の後であって、前記主燃料の噴射の半周期より短い時間後に前記副燃料のアフター噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射装置であって、
前記プレ噴射における噴射圧力と、前記アフター噴射における噴射圧力と、が異なることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記主燃料は、廃食油、バイオ燃料、重油のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記内燃機関はディーゼル機関であり、
前記副燃料系は、加圧された前記副燃料を蓄えるコモンレールを含む蓄圧部を有することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記燃料噴射弁の直前の合流部で前記主燃料系と前記副燃料系とを合流させ、
前記合流部に繋がる前記主燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置、及び、前記合流部に繋がる前記副燃料系の配管の半分よりも前記合流部に近い位置の少なくとも一方に逆止弁が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料噴射装置であって、
前記気筒に設けられた管路の気柱振動を検出する気柱振動検出手段をさらに備え、
前記気柱振動検出手段で検出された気柱振動に応じて前記副燃料の噴射条件を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料噴射装置であって、
前記気柱振動検出手段は、前記管路を構成する計測用コックに設けられた圧力センサにより前記気柱振動を検出することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の燃料噴射装置であって、
前記気柱振動を小さくするタイミングで前記副燃料の噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の燃料噴射装置を搭載した陸舶産業用内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１１−２５６７９４（Ｐ２０１１−２５６７９４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３２３０８（Ｐ２０１０−１３２３０８）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人鉄道建設・運輸施設整備支援機構 委託研究：「マルチ燃料対応舶用機関制御に関する研究」 産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人鉄道建設・運輸施設整備支援機構 委託研究：「マルチ燃料対応舶用機関制御に関する研究」 産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
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