1. はじめに
当社がライセンスを取得しているWinterthur Gas & Diesel（WinGD）社は，その前身の Wärtsilä Switzerland 時代の 1981 年から燃料噴射システムの 電子制御を含んだ，エンジン全体を電子制御するシス テムの開発を進め，RT-flex 機関としてリリースした． 当社としてこのRT-flex システムを搭載した初めての 機関はDU-6RT-flex58T-B 型機関であり，2003 年 3 月に陸上運転を終え，同年8 月に就航した．2019 年 9 月現在で，アップデートされた同社の電子制御システ ムUNICを搭載したものを含め185台の出荷を数えて いる．WinGD 社としての実績は約 1500 台に達しよう としている． 2. RT-flex システム 商用の初代電子制御システムRT-flex は，コモンレ ール技術を採用し，シンプルで信頼性が高く，柔軟性 の高い燃料噴射及び排気弁開閉コントロールを有しつ つ，従来の機械駆動式の燃料噴射・排気弁駆動 RTA 機関との間では各種部品に互換性を有するよう開発さ 表1 RT-flex 機関主要目 機関型式 - RT-flex58T-B シリンダ径 mm 580 行程 mm 2416 出力(R1) kW/cyl. 2125 定格回転速度(R1) min-1 105 シリンダ内最高圧 MPa 15.0 正味平均圧力 MPa 1.95(R1) 燃料レール内圧 MPa 100 サーボレール内圧 MPa 20 れ，低負荷における燃料消費率やエミッション及び燃 焼改善を実現した．自動車エンジンでは採用が進んで いたが，船舶用の大型2 ストローク低速エンジンに対 しては世界で初めて搭載された画期的なシステムであ った．表1 に RT-flex58T-B 型機関の主要目を示す． RT-flex システムは，燃料及びサーボ油供給ポンプ （サプライユニット），コモンレール，起動用電磁弁及 びWECS-9500と呼ばれる電子制御システムで構成さ れた．またコモンレールシステムは図1 に示すように， 燃料用コモンレール，サーボ油用コモンレール及び起 動空気の3 系統からなる． 図1 flex システム概要図 2.1 燃料供給系 燃料は機関駆動のサプライユニット（図2）内の燃 料加圧ポンプにより約100MPa に昇圧され，燃料用の コモンレールに供給された後，高速電磁弁（レールバ ルブ，後述）で制御される容積型噴射コントロールユ ニットを通して燃料噴射弁に供給される．コントロー ルユニットは各シリンダに一つあり，WECS9500 制 御システムで制御され，燃料噴射タイミング，燃料噴 射量及び燃料噴射パターンを各燃料弁に対して個別に 調整している．
電子制御機関における燃料噴射システム
＊- WinGD 電子制御コモンレール式低速機関
野村 守＊＊ ＊原稿受付 令和 元年 10月 27日． ＊＊正会員 IHI原動機（兵庫県相生市5292）．- WinGD 電子制御コモンレール式低速機関
野 村 守＊＊図2 サプライユニット断面 2.2 燃料噴射制御 レールバルブはRT-flex システムの最も重要な部品 で，燃料噴射および排気弁をコントロールするために 開発された（図3）．非常に短い弁切換時間(1ms)の実 現により最適な燃料噴射および排気弁タイミングを実 現している． 図3 レールバルブ また，大型舶用機関では一回当たり一つの燃料弁か ら噴射される燃料の量も多く，また使用される燃料が 低質の残渣油であり高温であることから電磁弁のみで 直接燃料噴射を制御することは困難であったため，コ ントロールオイルを容積型燃料噴射装置（ICU）の作 動油として用い，その作動タイミングをレールバルブ で制御する方式を採用している（図4）． 2.3 制御システム WECS-9500 制御システムは，機能の点から見れば， 機械駆動機関のガバナー，ガバナーアクチュエータ， 燃料連桿及び起動空気管制弁と置き換わることになる． クランク軸端部に取付けられたセンサーの回転角度信 号を検出し噴射タイミング，排気弁開閉，起動空気の 図4 ICU 投入順序など全ての制御を司っている． WECS9500 システムのインターフェースがパソコ ンを内蔵したWECS アシスタントと呼ばれるもので， 機関のリモートコントロールシステムとは独立してお り，コモンレールに装備されたWECS-9500 のメイン コントロールモジュールに接続され，CAN-BUS によ りデータ通信が行われている．WECS アシスタントは 機関の各種パラメーターの設定，変更時に使用される． 3. UNIC システム WinGD 社から，4st エンジンで採用されていたシス テムを展開する形で，新たに適用が始まった新型の電 子制御システムである．当社では2015 年に DF エン ジン試験機に搭載される形で採用が始まっている．現 在はX 型のディーゼルエンジンにも搭載されている． UNICの基本コンセプトはRT-flexと同じだが，ICU のレールバルブに相当する電磁弁を各燃料弁に装備し， 燃料弁個別に噴射時期及び噴射量を制御している．こ のためRT-flexにあった独立したICUは廃止されてい る．またRT-flex では燃料の噴射量制御が容積制御だ ったのに対し，UNIC からは電磁弁の ON・OFF で制 御する時間制御になり，シンプル化された．電磁弁の ON 時間で燃料流量を，ON を行うタイミングで燃料 図5 燃料弁動作の模式図 電磁弁 オリフィス 燃料入 針弁
噴射時期の制御を行う（図5）． ノズルにはサックボリュームを減らしたFASTタイ プを採用し，サック内の燃料残油がなくなることで， 噴射後の後だれ減少による燃費率の改善及び汚れの少 ない燃焼室の実現を狙っている．（図6） 図6 燃料弁とノズル（FAST タイプ） 制御装置の構成は，CCM-20 制御装置によるシリン ダ毎の分散制御である等はRT-flex と同じであるが， 制御装置のパラメーターをモニターするための flexView のパソコンが不要となり，専用のモニター （LDU-20）が装備された．（図 7） ま た ガ バ ナ ー 機 能 が UNIC 内に取り込まれ MCM-11 となるとともに，前出の通り燃料弁に噴射制 御機能が装備された． 図7 UNIC 制御装置の構成 各 CCM-20 が，各シリンダの燃料噴射・排気弁開 閉・始動弁・シリンダ注油の制御を行うと共にフィー ドバック信号を監視し，経年劣化などによるタイミン グのずれなど検知すれば，自動的に補正して性能低下 を最小限に抑えている（図8）．ディーゼルエンジンで はオプションではあるが，燃焼監視装置（ICC）を装 備することにより，燃焼最高圧力（Pmax）を自動で 調整することで大気条件による燃料消費の悪化を防止 することが可能である． 図8 CCM-20 のシリンダ制御 UNIC の基本コンセプトは従来型の電子制御システ ムRT-flex と同じくコモンレール方式であり，油圧生 成部（サプライユニット）が同じく装備される．サプ ライユニットの燃料ポンプは，インライン型を採用し， 構成部品を簡素化している（図9）． 図9 サプライポンプ 4. 電子制御機関の性能 機械駆動式燃料ポンプを装備するディーゼル機関に はクランク軸の回転に同期して歯車を介し駆動される 燃料ポンプがシリンダ毎に装備されていたため，機関 回転速度や機関負荷が下がれば燃料噴射圧は下がる特 性を持っていた．flex や UNIC のようなコモンレール システムを持った電子制御機関は，全シリンダに共通 な高圧一定のコモンレールから負荷に応じた燃料を各 シリンダに噴射するので，低負荷でも噴射圧力を高く 保持することができる． 同時に図 10 に示すように，従来機関では低負荷で UNIC 用燃料弁 LDU-20 MCM-11 CCM-20 CCM-20 サーボオイルポンプ 燃料ポンプ Cylinder Lubrication unit Cylinder Press. Sensor
Power supply (2x24VDC)
3 Fuel Injectors Start Pilot Valve
VCU Exhaust Valve
のスモークが著しく増加するのに対し，本機関では全 負荷域において非常に低いスモークレベルとなってい る．今後規制が強化されていくと予想される，微粒子 （PM）やブラックスモークには優位点となるだろう． 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Engine Load (%) Fi lter S m ok e N um ber [ FS N ] 6RT-flex58T-B 6RTA58T Conventional
Smoke Visibility Limit = 0.15 Diesel Oil operation
図10 スモークレベル 従来の燃料噴射システムは燃料の昇圧と燃料の噴射 量及びタイミング制御の3 つの機能を一つの燃料ポン プにより行っていたが，これらの機能を分離し，コモ ンレールと電子制御を組合せることにより，噴射量及 び噴射率パターンの制御に対してより自由度が広がり， 各シリンダにある3 つの燃料噴射弁はプログラムによ り必要に応じて任意の噴射モード（シーケンシャルイ ンジェクション）で作動をさせることができる． 7RT-flex84TD (R1) 100%L [ 0°/6°/2°(#1 / #2 / #3) ] 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 P c yl . ( b ar ) Tier 1 spec Tier 2 Pre-test 0 50 100 150 200 250 300 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Crank Angle (deg.)
H . R . [ dQ / dθ ] （ k J / C .A ） 図11 シーケンシャルインジェクション による熱発生率の抑制例 例えば，シーケンシャルインジェクションにより高 圧噴射による良好な燃焼を維持したまま，熱発生率を 抑制することができる．低 NOx 排出率はもとより， シリンダ内燃焼最高圧力が維持できることから低燃費 ともに両立する．（図11）． 高圧噴射は，燃料噴霧を微細化し，噴射後の燃焼期 間が短縮され，燃料消費率の低減に寄与する．一方で NOx 排出率の増加も考えられる．このような状況に於 いて上述のシーケンシャルインジェクションは有効で あると言える． 噴射圧力を低く設定し，燃料噴射率を低下させ，熱 発生率を抑制する方法でも同様の効果が期待できるが， 粗悪燃料使用時などは，後燃え期間がより長くなるな どによる燃焼室の損傷リスクが増加すると考えられる． その他に，低負荷時には作動する燃料弁数を減じて， 1 本の燃料弁からのみ噴射し，1 シリンダ分の全量を 1 つの燃料弁から噴射することで1 弁あたりの燃料の量 を増加させる，スモークレスオペレーションも行って いる． 1 弁当たりの噴射レートを一定以上に維持できるこ とから，燃料噴霧を良好に保つことができる．低負荷 でも安定した運転が可能であると共に，ブラックスモ ークや微粒子（PM）の抑制に寄与している（図 12）． 図12 スモークレスオペレーション 電子制御システムを採用した場，上述の高圧燃料噴 射や燃料噴射時期コントロールだけでなく，燃料レー ル圧力・排気弁開閉タイミングといったパラメーター も運転中に変えることができる．このため燃焼改善以 外に，部分負荷燃費を重視するもの，常用負荷全体を 改善するものなど，機械駆動式の場合にはできなかっ たようなエンジンのチューニングパターンをフレキシ ブルに設定でき，お客様のニーズにきめ細かく対応す ることが可能になった．（図13） 熱 熱発発生生率率 シ シリリンンダダ燃燃焼焼圧圧力 力 従 従来来型型噴噴射射 シ シーーケケンンシシャャルル な なだだららかかなな 燃 燃焼焼圧圧力力上上昇昇 熱 熱発発生生率率ピピーーククのの低低下 下
Standard Tuning
Normal（90％負荷以上）を重視した運航
Delta Tuning
Normal（90％より低い負荷）を重視した運航
Delta Bypass Tuning
50％以上では Delta Tuning の燃費率を維持しつつ，高 い排気温度で排熱回収を行う運航 Low-Load Tuning 低速運転重視で場合により増速が可能な運航 図13 様々なチューニングのパターン 5．状態診断 RT-flex や UNIC と言った電子制御システムは，多 くのセンサーが装備され，制御パラメーターがほぼす べて電子化されていることから，エンジンの各種情報 を細かく把握することができる．従って当社で進めて いる機関の状態診断を行う上で親和性が高い（図14）． 今後予想される船舶主機を取り巻く環境の変化を考 えると，親和性の高さは重要度を増していくものと思 われる． 図14 状態診断装置（LC-A）とのデータやり取り 6．終わりに 初めて当社としてRT-flex 機関を製造して17 年近く が過ぎ，今では当たり前となってしまっているが，今 後増えていくであろうデュアルフューエル機関に於い て，電子制御技術は更に重要さを増しており，エンジ ンの性能改善のみならず信頼性の維持，更には状態診 断に基づいたCBM へと広がって行くものと考えられ る． 著者紹介 野村 守 日本マリンエンジニアリング学会 正会員 1967 年生． 株式会社 IHI 原動機 九州大学工学部 WECS Alarm Monitoring System LC-A flexView Et
