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▶ ヴィンタートゥール ガス アンド ディーゼル リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023117385
(43)【公開日】2023-08-23
(54)【発明の名称】内燃機関及び運転方法
(51)【国際特許分類】
F02D 45/00 20060101AFI20230816BHJP
F02D 43/00 20060101ALI20230816BHJP
F02D 41/04 20060101ALI20230816BHJP
F02P 5/145 20060101ALI20230816BHJP
F02D 19/02 20060101ALI20230816BHJP
【ＦＩ】
F02D45/00 368A
F02D43/00 301B
F02D43/00 301H
F02D43/00 301N
F02D43/00 301J
F02D41/04
F02P5/145 G
F02P5/145 D
F02D19/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023010803
(22)【出願日】2023-01-27
(31)【優先権主張番号】22156018
(32)【優先日】2022-02-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】515191442
【氏名又は名称】ヴィンタートゥール ガス アンド ディーゼル リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フリドリン ウンフーク
(72)【発明者】
【氏名】マルティーノ フェレッティ
【テーマコード（参考）】
3G022
3G092
3G301
3G384
【Ｆターム（参考）】
3G022EA02
3G022GA13
3G022GA15
3G092AA01
3G092AA02
3G092AA03
3G092AB01
3G092AB06
3G092AB11
3G092AC10
3G092BA09
3G092BB01
3G092BB11
3G092BB13
3G092EA01
3G092EA02
3G092EA03
3G092EA04
3G092FA16
3G092HC01Z
3G092HC05Z
3G092HC09Z
3G301HA01
3G301HA02
3G301HA22
3G301JA02
3G301JA22
3G301MA11
3G301MA18
3G301MA26
3G301PC08Z
3G384AA01
3G384AA03
3G384AA13
3G384BA13
3G384BA18
3G384BA19
3G384BA24
3G384BA27
3G384DA02
3G384DA55
3G384EB01
3G384EB02
3G384EB03
3G384EB04
3G384EB05
3G384EB07
3G384EB08
3G384FA29Z
(57)【要約】
【課題】内燃機関において、最適の燃料効率を提供しつつノッキングを防止し得ること。
【解決手段】本発明によれば、内燃機関１０が、少なくとも１つのシリンダ１０内の圧力を表す信号を提供するための少なくとも１つのセンサ１７を有する圧力測定ユニット１６を含む。内燃機関１０は制御ユニット１８を有し、この制御ユニットは、圧力測定ユニット１６の信号を受け、この信号に基づいてノック指数を決定し、ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較し、決定されたノック指数がノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、ＥＧＲ率、例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は供給される流体燃料の量を修整するように構成される。
【選択図】図１
【解決手段】本発明によれば、内燃機関１０が、少なくとも１つのシリンダ１０内の圧力を表す信号を提供するための少なくとも１つのセンサ１７を有する圧力測定ユニット１６を含む。内燃機関１０は制御ユニット１８を有し、この制御ユニットは、圧力測定ユニット１６の信号を受け、この信号に基づいてノック指数を決定し、ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較し、決定されたノック指数がノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、ＥＧＲ率、例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は供給される流体燃料の量を修整するように構成される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくともガス・モードで運転可能な内燃機関（１０）、特に大型船舶用機関又は定置式機関であって、
前記内燃機関（１０）は、少なくとも２００ｍｍの内径（１２）を有する少なくとも１つのシリンダ（１１）を有し、
前記シリンダ（１１）は、プレ・チャンバであって、特にパイロット噴射システム（１３）を有するプレ・チャンバを有し、
前記内燃機関（１０）は、前記シリンダ（１１）に流体燃料を供給するための少なくとも１つのガス導入弁（１４）を有し、
前記内燃機関（１０）は、好ましくは低圧の、排気ガス再循環経路（１６）を有し、
前記内燃機関（１０）は、前記少なくとも１つのシリンダ（１０）内の圧力を表す信号を提供するための少なくとも１つのセンサ（１７）を備えた圧力測定ユニット（１６）を有し、
前記内燃機関（１０）は制御ユニット（１８）を有し、前記制御ユニットは、
前記圧力測定ユニット（１６）の前記信号を受け、
前記信号に基づいてノック指数を決定し、
前記ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較し、また
決定された前記ノック指数が前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、（ア）ＥＧＲ率、（イ）例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は（ウ）供給される流体燃料の量を修整する
ように構成されている、内燃機関（１０）。
前記内燃機関（１０）は、少なくとも２００ｍｍの内径（１２）を有する少なくとも１つのシリンダ（１１）を有し、
前記シリンダ（１１）は、プレ・チャンバであって、特にパイロット噴射システム（１３）を有するプレ・チャンバを有し、
前記内燃機関（１０）は、前記シリンダ（１１）に流体燃料を供給するための少なくとも１つのガス導入弁（１４）を有し、
前記内燃機関（１０）は、好ましくは低圧の、排気ガス再循環経路（１６）を有し、
前記内燃機関（１０）は、前記少なくとも１つのシリンダ（１０）内の圧力を表す信号を提供するための少なくとも１つのセンサ（１７）を備えた圧力測定ユニット（１６）を有し、
前記内燃機関（１０）は制御ユニット（１８）を有し、前記制御ユニットは、
前記圧力測定ユニット（１６）の前記信号を受け、
前記信号に基づいてノック指数を決定し、
前記ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較し、また
決定された前記ノック指数が前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、（ア）ＥＧＲ率、（イ）例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は（ウ）供給される流体燃料の量を修整する
ように構成されている、内燃機関（１０）。
【請求項2】
前記制御ユニット（１８）は、ＭＡＰＯ値及び／又はＩＭＰＯ値を決定することにより、前記ノック指数を決定するように構成されている、請求項１に記載の内燃機関（１０）。
【請求項3】
前記内燃機関（１０）は、複数のｎ個のシリンダ（１１）を有し、前記圧力測定ユニット（１６）は、各シリンダ（１１）内の圧力を表す信号を提供し、
前記制御ユニット（１８）は、調整手順を実行するように構成され、前記制御ユニット（１８）は、
第１のＥＧＲ率を設定し、
（ｉ）第１のＥＧＲ率ステップ分だけ前記ＥＧＲ率を減少させ、
（ｉｉ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定し、
（ｉｉｉ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記点火時期を調整し、
（ｉｖ）所定数よりも多数のシリンダが、特にｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合に、減少させた前記ＥＧＲ率を維持し、そうでない場合には、ステップ（ｉ）から再び開始する
ように構成されている、請求項１又は２に記載の内燃機関（１０）。
前記制御ユニット（１８）は、調整手順を実行するように構成され、前記制御ユニット（１８）は、
第１のＥＧＲ率を設定し、
（ｉ）第１のＥＧＲ率ステップ分だけ前記ＥＧＲ率を減少させ、
（ｉｉ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定し、
（ｉｉｉ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記点火時期を調整し、
（ｉｖ）所定数よりも多数のシリンダが、特にｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合に、減少させた前記ＥＧＲ率を維持し、そうでない場合には、ステップ（ｉ）から再び開始する
ように構成されている、請求項１又は２に記載の内燃機関（１０）。
【請求項4】
前記内燃機関（１０）は、複数のｎ個のシリンダ（１１）を有し、前記圧力測定ユニット（１６）は、各シリンダ（１１）内の圧力を表す信号を提供し、
前記制御ユニット（１８）は、調整手順を実行するように構成され、前記制御ユニット（１８）は、
（ｉ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定し、
（ｉｉ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記点火時期を調整し、
（ｉｉｉ）少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ／２個のシリンダが調整された場合に、前記ＥＧＲ率を増加させ、
（ｉｖ）特に、ステップ（ｉ）から再び開始する
ように構成されている、請求項１又は２に記載の内燃機関（１０）。
前記制御ユニット（１８）は、調整手順を実行するように構成され、前記制御ユニット（１８）は、
（ｉ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定し、
（ｉｉ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又は前記ノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記点火時期を調整し、
（ｉｉｉ）少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ／２個のシリンダが調整された場合に、前記ＥＧＲ率を増加させ、
（ｉｖ）特に、ステップ（ｉ）から再び開始する
ように構成されている、請求項１又は２に記載の内燃機関（１０）。
【請求項5】
前記制御ユニット（１６）は、特定の時間間隔の後に連続的に、特に１～５０サイクルごとに、特に５～２０サイクルごと又は５～１０サイクルごとに連続的に、前記調整手順を実行するように構成されている、請求項３又は４に記載の内燃機関（１０）。
【請求項6】
前記制御ユニット（１６）は、点火事象のクランク角（θｉｇｎｉｔｉｏｎ）近傍の第１クランク角範囲（ＣＲＩ）における振動と、１サイクルの圧力経過における最大値（ｐｍａｘ）のクランク角（θｐｍａｘ）近傍の第２クランク角範囲（ＣＲＩＩ）における振動とを確認し比較することによって、例えばパイロット点火又はパイロット燃料噴射である点火事象に基づく振動圧力波と、ノッキング事象に基づく振動圧力波とを、特に前記ノック指数を決定する前に、区別するように構成されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項7】
前記制御ユニット（１６）は、１０００～２５００Ｈｚのサンプリング速度での前記信号に基づいてノック指数を決定するように構成されている、請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項8】
前記ＥＧＲ率は、ＥＲＧ弁（１９）を設定することによって、及び／又は背圧弁（２０）を設定することによって、及び／又はＥＧＲブロワを設定することによって、設定される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項9】
請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関を運転するための方法であって、
－ 前記少なくとも１つのシリンダ（１０）内の圧力を表す信号を提供するステップと、
－ 前記信号に基づいてノック指数を決定するステップであって、特にＭＡＰＯ値又はＩＭＰＯ値を決定するステップと、
－ 前記ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較するステップと、
－ 決定された前記ノック指数が、前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、（ア）ＥＧＲ率、（イ）例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は（ウ）供給される流体燃料の量を修整するステップと
を含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関を運転するための方法。
－ 前記少なくとも１つのシリンダ（１０）内の圧力を表す信号を提供するステップと、
－ 前記信号に基づいてノック指数を決定するステップであって、特にＭＡＰＯ値又はＩＭＰＯ値を決定するステップと、
－ 前記ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較するステップと、
－ 決定された前記ノック指数が、前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、（ア）ＥＧＲ率、（イ）例えばパイロット点火時期又はパイロット燃料噴射時期である点火事象時期、及び／又は（ウ）供給される流体燃料の量を修整するステップと
を含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関を運転するための方法。
【請求項10】
前記ノック指数は、１０００～２５００Ｈｚのサンプリング速度での前記信号に基づいて決定される、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
第１のＥＧＲ率を設定するステップと、
（ａ）第１のＥＧＲ率ステップ分だけ前記ＥＧＲ率を減少させるステップと、
（ｂ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定するステップと、
（ｃ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記パイロット点火時期を調整するステップと、
（ｄ）ｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合に、減少させた前記ＥＧＲ率を維持するステップであって、そうでない場合には、ステップ（ａ）から再び開始するステップと
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
（ａ）第１のＥＧＲ率ステップ分だけ前記ＥＧＲ率を減少させるステップと、
（ｂ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定するステップと、
（ｃ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記パイロット点火時期を調整するステップと、
（ｄ）ｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合に、減少させた前記ＥＧＲ率を維持するステップであって、そうでない場合には、ステップ（ａ）から再び開始するステップと
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項12】
（ａ）各シリンダに関して前記ノック指数を決定するステップと、
（ｂ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記パイロット点火時期を調整するステップと、
（ｃ）少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ／２個のシリンダが調整された場合に、前記ＥＧＲ率を増加させるステップと、
（ｄ）特に、ステップ（ａ）から再び開始するステップと
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
（ｂ）決定された前記ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関して前記ノック指数値又はノック指数間隔を下回っている又は上回っている場合に、それぞれのシリンダに関して前記パイロット点火時期を調整するステップと、
（ｃ）少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ／２個のシリンダが調整された場合に、前記ＥＧＲ率を増加させるステップと、
（ｄ）特に、ステップ（ａ）から再び開始するステップと
を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項13】
特に、点火事象のクランク角（θｉｇｎｉｔｉｏｎ）近傍の第１クランク角範囲（ＣＲＩ）における振動と、１サイクルの圧力経過における最大値（ｐｍａｘ）のクランク角（θｐｍａｘ）近傍の第２クランク角範囲（ＣＲＩＩ）における振動と確認し比較することによって、ノッキング事象に基づく振動圧力波を、例えばパイロット点火又はパイロット燃料噴射である前記点火事象に基づく振動圧力波から、特に前記ノック指数を決定する前に、識別するステップを含む、請求項９から１１までのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関、及び内燃機関の運転方法、に関する。
【0002】
本発明は、好ましくは、シリンダが少なくとも２００ｍｍの内径を有しているような、大型船舶用機関若しくは船舶用機関又は定置式機関などの内燃機関に関する。機関は、２ストローク機関又は２ストローク・クロス・ヘッド機関であることが好ましい。
【背景技術】
【0003】
機関は、ディーゼル機関若しくはガス機関、２元燃料機関、又は多元燃料機関とすることができる。このような機関では、ガス状燃料の燃焼が、或いは、液体燃料及び／又はガス状燃料の燃焼が、可能であり、また、自己着火又は強制点火が可能である。
【0004】
内燃機関という用語は、燃料の自己着火を特徴とするディーゼル・モードだけでなく、燃料のポジティブ点火を特徴とするオットー・モードでも、又は例えば火花点火によってなど両者の組合せでも運転可能であるような、大型機関を指す。更に、内燃機関という用語は、特に、燃料の自己着火が別の燃料のポジティブ点火用に使用されるような、２元燃料機関及び大型機関を含む。
【0005】
機関は、内部にピストンを有した少なくとも１つのシリンダを含む。ピストンは、クランクシャフトに対して接続されている。ピストンは、機関の運転時には、上死点（ＴＤＣ：ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）と下死点（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）との間を、往復移動する。シリンダは、典型的には、吸気のための少なくとも１つの空気流通開口であり、特にシリンダのライナに配置された空気導入口と、排気のための少なくとも１つの空気流通開口であり、特にシリンダのカバーに配置された排気導出口と、を有している。空気導入口は、掃気受領器と流体連通していることが好ましい。
【0006】
内燃機関は、長手方向掃気式の２ストローク機関とすることができる。
【0007】
機関回転速度は、８００ＲＰＭ未満であることが好ましく（４ストローク）、低速機関の称号を示す２００ＲＰＭ未満であることがより好ましい（２ストローク）。
【0008】
燃料は、軽油若しくは船舶用軽油、又は重質燃料油、又はエマルジョン、又はスラリー、又はメタノール、又はエタノール、並びに、液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ）、液化石油ガス（ＬＰＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｐｅｔｒｏｌ ｇａｓ）等のようなガス、とすることができる。
【0009】
要望に応じて追加され得る更なる可能な燃料は、ＬＢＧ（液化バイオガス：Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｂｉｏｇａｓ）、バイオ燃料（例えば、藻類燃料、又は海藻油）、水素、ＣＯ２からの合成燃料（例えば、パワー・トゥ・ガス、又はパワー・トゥ・リキッドにより製造されたもの）、である。
【0010】
大型船舶は、特に貨物輸送のための船舶は、通常、内燃機関、特にディーゼル機関及び／又はガス機関、大部分が２ストロークのクロス・ヘッド機関を動力とする。重質燃料油、船舶用１５軽油、軽油、又は他の液体のような液体燃料を、並びに、ＬＮＧ、ＬＰＧ、又はその他のようなガス状燃料を、機関で燃焼させる場合には、この燃焼プロセスからの排気は、ＩＭＯ Ｔｉｅｒ ＩＩＩなどの現行規則に準拠するように清浄化される必要がある。
【0011】
この用途では、内燃機関は、ガス・モードで運転され得ることが好ましい。ガス燃料などの、又はシリンダ内で気化する液体をなす加圧ガスなどの、流体燃料が、ガス導入弁を介して供給され、トルク生成のために使用される。ガス・モードでは、追加的に、時にパイロット噴射と称されるような少量の流体燃料の噴射によって、誘導点火を実行してもよい。
【0012】
内燃機関は、典型的には、シリンダから排出された排気ガスを使用することでシリンダに対して供給される空気量を増加させる過給器を含む。過給器によって圧縮された空気は、吸気のための空気流通開口と流体連通している掃気受領器に対して供給することができる。
【0013】
シリンダ内には、新鮮な空気及び流体燃料に加えて、排気ガスなどの不活性ガスが導入されてもよい。機関は、高圧又は低圧の、排気ガス再循環経路を含んでもよい。低圧での排気ガス再循環の場合、排気ガスは、過給器のタービンを通過した後に新鮮な空気と混合されてから、及び／又は過給器のコンプレッサを通過してから、掃気用空気の一部としてシリンダ内へと導入される。
【0014】
過早着火、ノッキング、又は失火などの異常燃焼は、特に、新鮮な空気とガスとの比率が、すなわちラムダとも称される空燃比若しくは空燃当量比が、特定の範囲内にない時に、発生する。
【0015】
ガス含有量が多すぎると、空気燃料混合気の濃度が、大きくなりすぎる。混合気の燃焼は、例えば自己着火によって、速すぎたり又は早すぎたりすることとなり、これにより、過早着火又は機関のノッキングにつながり得る。空気含有量が多すぎる場合には、空気燃料混合気が、希薄となりすぎてしまい、望ましくない遅発燃焼又は失火さえもが起こる可能性があり、当然のことながら、機関の効率的且つ低公害での運転に対しても、悪影響を及ぼし得る。特に、ガス含有量が多すぎる状態と空気含有量が多すぎる状態との、２つの状態は、異常燃焼プロセスとして指定されている。よって、ガス・モードでは、空気ガス混合気が自己着火しない燃焼プロセスが、目指すところである。燃焼プロセスは、空気ガス混合気が濃すぎることもなく薄すぎることもない範囲内で行われるものとする。
【0016】
ノッキングなどの異常燃焼プロセスを低減又は回避するために、排気ガスなどの不活性ガスをシリンダ内へと導入し得ることが、知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
本発明の目的は、従来技術の欠点を回避することであり、特に、最適の燃料効率を提供しつつもノッキングを防止し得るような、内燃機関、及び内燃機関の運転方法、を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明によれば、内燃機関は、少なくともガス・モードで運転可能な、大型船舶用機関又は定置式機関である。
【0019】
ガス・モードで運転可能であるとは、燃料ガスがシリンダ内へと導入されること、或いは、高圧の燃料液体がシリンダ内に導入され、その導入の直後に気化すること、のいずれかを意味する。内燃機関は、シリンダに対して燃料を供給するための少なくとも１つのガス導入弁を含む。各シリンダは、燃料流体導入弁を有してもよい。燃料流体は、例えばＬＮＧタンクから、燃料流体導入弁に対して、供給されてもよい。
【0020】
内燃機関は、少なくとも２００ｍｍの内径を有した少なくとも１つのシリンダを含む。シリンダは、例えばパイロット点火システム又は火花点火システムを有したプレ・チャンバを備えている。
【0021】
内燃機関は、排気ガス再循環経路を更に含む。排気再循環経路は、低圧の排気再循環経路であることが好ましい。特に、内燃機関は、過給器を含み、この過給器は、排気ガスの少なくとも一部が過給器のタービンを通過して過給器のコンプレッサへと再循環されるように、更に、再循環された排気ガスが新鮮な空気と一緒にシリンダに対して供給されるように、構成されている。
【0022】
特に、内燃機関は、掃気受領器を含み、掃気受領器からは、新鮮な空気と、再循環された排気ガスとを、シリンダの底部に配置された開口へと、案内することができる。
【0023】
内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ内の圧力を表す信号を提供するための少なくとも１つのセンサを有した圧力測定ユニットを、更に含む。圧力測定ユニットは、各シリンダに関して少なくとも１つのセンサを有していることが好ましい。センサは、圧力センサであってもよい。
【0024】
内燃機関は、圧力測定ユニットの信号を受領するように構成された制御ユニットを、特にすべてのシリンダに関するすべての信号を受領するように構成された制御ユニットを、更に含む。制御ユニットは、信号に基づいてノック指数を決定するように、特に各シリンダに関してノック指数を決定するように、更に構成されている。
【0025】
制御ユニットは、ノック指数を所定のノック指数値（ｋｎｏｃｋ ｉｎｄｅｘ ｖａｌｕｅ）又はノック指数間隔（ｋｎｏｃｋ ｉｎｄｅｘ ｉｎｔｅｒｖａｌ）と比較するように、更に構成されている。ノック指数値及び／又はノック指数間隔は、例えば、シリンダの寸法に基づいて、シリンダの固有振動数に基づいて、及び／又は工場テスト（ｓｈｏｐ ｔｅｓｔ）で指定された経験値に基づいて、事前に規定することができる。
【0026】
制御ユニットは、決定されたノック指数が、ノック指数値又はノック指数間隔を下回っているか又は上回っている場合には、排気ガス再循環率（ＥＧＲ（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率）、例えばパイロット点火時期若しくはパイロット燃料噴射時期などの点火事象時期、及び／又は供給される流体燃料の量、を修整する（ａｄａｐｔ）ように、更に構成されている。
【0027】
制御ユニットは、ＭＡＰＯ値及び／又はＩＭＰＯ値を決定することにより、ノック指数を決定するように構成されてもよい。
【0028】
典型的には、生の圧力信号が、例えば０．２～２０ｋＨｚのバンド・パス内で、バンド・パス・フィルタ処理済み圧力信号へと、変換される。０．５ｋＨｚ～１０ｋＨｚのバンド・パス・フィルタ処理ウィンドウを適用し得ることが好ましい。
【0029】
バンド・パス・フィルタは、圧力測定ユニットの一部であってもよく、又は、制御ユニットの一部であってもよい。
【0030】
バンド・パス・フィルタ処理済み信号から、絶対値が決定されてもよい。
【0031】
ＭＡＰＯ（ｍａｘｉｍｕｍ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ）値は、圧力振動の最大振幅であって、次式によって決定される。
【数1】
【0032】
ＩＭＰＯ（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）値は、圧力振動のモジュールの積分値であって、次式によって決定される。
ここで、
は、フィルタ処理済みシリンダ内圧力であり、
Ｎは、計算したサイクル数であり、
θ０は、計算ウィンドウの開始に対応したクランク角であり、
ζは、計算ウィンドウの値である。
【数2】
ここで、
【数3】
は、フィルタ処理済みシリンダ内圧力であり、
Ｎは、計算したサイクル数であり、
θ０は、計算ウィンドウの開始に対応したクランク角であり、
ζは、計算ウィンドウの値である。
【0033】
ノック指数は、また、圧力振動係数の積分値（ＩＭＰＧ：ｉｎｔｅｇｒａｌ ｏｆ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ）、熱放出率（ＲＯＨＲ：ｒａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｅ）、又は正味の累積熱放出量（ＣＨＲＮＥＴ：ｎｅｔ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｅ）、を計算することにより、決定することもできる。
【0034】
排気ガスの再循環がノッキングを低減させることは、知られている。しかしながら、排気ガスが多いと、燃焼効率が悪くなり得る。よって、ノッキングが防止されるよう、最小限の排気ガス量が使用されるべきである。
【0035】
内燃機関は、ｎを１よりも大きいものとした時に、複数のｎ個のシリンダを含むことが好ましく、圧力測定ユニットは、各シリンダ内の圧力を表す信号を提供する。
【0036】
制御ユニットは、調整手順を実行するように構成されてもよく、制御ユニットは、第１ＥＧＲ率を設定するように構成されている。ＥＧＲ率は、典型的には１つの共通の過給器によって供給されるすべてのシリンダに関して共通のパラメータである。
【0037】
第１設定は、例えば工場テストで事前に規定されたマップから取得されてもよい。
【0038】
ＥＧＲ率は、第１ＥＧＲ率のステップの分だけ減少されてもよく、各シリンダに関してノック指数が決定されてもよい。
【0039】
決定されたノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関してノック指数値又はノック指数間隔を下回っているか又は上回っている場合には、制御ユニットは、それぞれ対応するシリンダに関して、例えばパイロット燃料噴射時期若しくは火花点火時期などの点火時期を調整するように、構成されている。
【0040】
ｎ－２個よりも多数の又はｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合には、ＥＧＲ率は、一定に維持されなければならない。
【0041】
そうでない場合には、ＥＧＲ率を、再び減少させてもよく、各シリンダに関してノック指数を再び決定して、点火時期を調整することにより、個々のシリンダが調整されてもよい。
【0042】
この手順は、ＥＧＲ率を一定に維持しなければならなくなるまで、繰り返すことができる。
【0043】
代替的には、ＥＧＲ率は、事前に規定された設定ポイントに従って設定されてもよい。制御ユニットは、各シリンダに関してノック指数を決定するように、構成されてもよい。ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関してノック指数値又はノック指数間隔を上回っている場合には、制御ユニットは、それぞれ対応するシリンダに関して点火時期を調整するように、構成されてもよい。制御ユニットは、ｎ個すべてのシリンダのうち、少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ－２個の又は少なくともｎ／２個のシリンダが、ノック指数値又はノック指数間隔を上回る信号を提供している場合には、ＥＧＲ率を増加させるように、構成されている。
【0044】
その後、各シリンダに関して、ノック指数が計算されてもよい。制御ユニットは、各修整ラウンドの後には、ノック指数の監視を再開してもよい。
【0045】
ノック指数の監視は、点火タイミング及びＥＧＲ率が上述した手順に従って修整されるように、継続的に実行されてもよい。
【0046】
このようにして、少数のユニットだけに、例えばｎ－２個以下の又はｎ／２個以下のシリンダだけに、定義した基準に従ったノッキングが発生している場合に、全体的なＥＧＲ率の変更を回避することができる。
【0047】
点火時期は、遅らせた時期で点火を引き起こすことにより、例えば直前の点火事象のクランク角から１～２度遅らせて点火を引き起こすことにより、調整することができる。
【0048】
制御ユニットは、特定の時間間隔の後には、特に１～１０サイクルの後には、より詳細には、機関運転の５～１０サイクルごとに、上述した調整手順を継続的に実行するように構成されてもよい。
【0049】
本出願では、「サイクル」という用語は、クランク軸が１回転する持続時間であって、シリンダ掃気と、圧縮と、熱放出／燃焼と、膨張／動作ストロークと、が行われる持続時間を指す。
【0050】
本発明の好ましい実施例では、内燃機関は、点火事象に基づく振動圧力波と、ノッキング事象に基づく振動圧力波とを、特にノック指数を決定する前に、区別するように構成された制御ユニットを含む。
【0051】
制御ユニットは、点火事象のクランク角近傍での第１クランク角範囲（ＣＲＩ）における振動と、１サイクルの圧力経過における最大値のクランク角近傍での第２クランク角範囲（ＣＲＩＩ）における振動と、を確定させて比較するように、構成されてもよい。
【0052】
点火プロセスによって引き起こされる燃焼チャンバ内の圧力振動は、通常、例えばパイロット点火又はパイロット燃料噴射によって引き起こされる点火事象の後に既に短時間存在している。
【0053】
この振動は、点火事象近傍での第１クランク角範囲内において、検出することができる。第１クランク角範囲は、点火事象のクランク角から第１クランク角距離のところで開始し且つ点火事象のクランク角から第２クランク角距離のところで終了するクランク角間隔をカバーしてもよく、ここで、第２クランク角距離は、第１クランク角距離よりも大きい。
【0054】
第１クランク角距離は、２°であってもよく、第２クランク角距離は、４°であってもよい。
【0055】
第１クランク角範囲ＣＲＩは、次式によって定義されてもよい。
ＣＲＩ＝｛θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ１；θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ２｝
ここで、θｉｇｎｉｔｉｏｎは、例えばパイロット燃料の噴射によって引き起こされる点火事象のクランク角であり、θ１は、第１クランク角距離であり、θ２は、第１角距離よりも大きな第２クランク角距離である。第１クランク角距離θ１と第２クランク角距離θ２とは、制御システム内で設定する必要のある変数である。θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ１は、典型的には、パイロット燃料噴射時のクランク角θＰＩＴよりも、およそ１°～２°ＣＡの分だけ、後であってもよい。θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ２は、典型的には、パイロット燃料噴射時のクランク角θＰＩＴよりも、およそ４°～６°ＣＡの分だけ、後であってもよい。
ＣＲＩ＝｛θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ１；θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ２｝
ここで、θｉｇｎｉｔｉｏｎは、例えばパイロット燃料の噴射によって引き起こされる点火事象のクランク角であり、θ１は、第１クランク角距離であり、θ２は、第１角距離よりも大きな第２クランク角距離である。第１クランク角距離θ１と第２クランク角距離θ２とは、制御システム内で設定する必要のある変数である。θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ１は、典型的には、パイロット燃料噴射時のクランク角θＰＩＴよりも、およそ１°～２°ＣＡの分だけ、後であってもよい。θｉｇｎｉｔｉｏｎ＋θ２は、典型的には、パイロット燃料噴射時のクランク角θＰＩＴよりも、およそ４°～６°ＣＡの分だけ、後であってもよい。
【0056】
ノック事象によって引き起こされる振動は、典型的には、燃焼プロセスの後期段階において、典型的には最大シリンダ圧力のクランク角周辺での第２クランク角範囲内に、存在する。第２クランク角範囲は、例えば、最大シリンダ圧力のクランク角から５°を引いたクランク角あたりから開始し且つ最大シリンダ圧力のクランク角に対して１０°を加えたクランク角まで続くクランク角間隔をカバーしてもよい。
【0057】
第２クランク角範囲ＣＲＩＩは、次式によって定義されてもよい。
ＣＲＩＩ＝｛θｐｍａｘ＋θ３；θｐｍａｘ＋θ４｝
ここで、θｐｍａｘは、最大シリンダ圧力のクランク角であり、θ３は、第３クランク角距離であり、θ４は、第４クランク角距離である。第３クランク角距離θ３と第４クランク角距離θ４とは、制御システム内で設定する必要のある変数である。θ３は、典型的には、およそ、－１０°ＣＡ～－５°ＣＡである。θ４は、典型的には、およそ、＋５°ＣＡ～＋１０°ＣＡである。
ＣＲＩＩ＝｛θｐｍａｘ＋θ３；θｐｍａｘ＋θ４｝
ここで、θｐｍａｘは、最大シリンダ圧力のクランク角であり、θ３は、第３クランク角距離であり、θ４は、第４クランク角距離である。第３クランク角距離θ３と第４クランク角距離θ４とは、制御システム内で設定する必要のある変数である。θ３は、典型的には、およそ、－１０°ＣＡ～－５°ＣＡである。θ４は、典型的には、およそ、＋５°ＣＡ～＋１０°ＣＡである。
【0058】
可能な規則によれば、第２クランク角範囲ＣＲＩＩにおける圧力振動が、第１間隔ＣＲＩにおける圧力振動の係数ｘ倍を超えない場合には、その圧力振動は、ノッキングとしてカウントされない。
【0059】
係数ｘは、制御システム内で設定する必要のある変数である。典型的には、ｘは、およそ１．５～２．５である。
【0060】
圧力振動は、それぞれ対応する区間内での、バンド・パス・フィルタ処理済み圧力信号の圧力振動振幅の最大値によって、与えられることができる。
【0061】
代替的には、圧力振動は、それぞれ対応する区間内でのＭＡＰＯ値若しくはＩＭＰＯ値などによって、又は任意の他の適切な手法によって、定量化することができる。
【0062】
フィルタ処理済み圧力信号の生成の前には、又はそのような生成の後には、制御ユニットは、圧力信号がノッキング事象として評価されるかどうかを、チェックしてもよい。制御ユニットは、ノック指数を決定するために、圧力経過の第２クランク角範囲ＣＲＩＩだけを考慮してもよい。
【0063】
大型機関の場合には、振動の周波数が小型機関と比較して、より小さいことのために、計算負荷が大きくなりすぎないように、サンプリング速度を選択することができる。典型的には、１０００Ｈｚ～５０００Ｈｚのサンプリング速度を、特に１０００～２５００Ｈｚのサンプリング速度を、選択することができる。
【0064】
圧力振動の振幅に対して典型的に最も寄与するノック周波数は、第１接線方向モード、第２接線方向モード、及び第１径方向モードである。２ストローク大口径機関におけるこれらモードに関する典型的なノック周波数ｆｋｎｏｃｋは、５００Ｈｚ～２５００Ｈｚの範囲にある。よって、サンプリング速度が振動周波数の少なくとも２倍である必要があることにより、５０００Ｈｚのサンプリング速度は、第１接線方向モード、第２接線方向モード、及び第１径方向モードを測定することができる。
【0065】
ノッキングに基づく燃焼チャンバ内の圧力振動には、第１接線方向モードが最も寄与していることから、例えば直径が０．９２ｍの大型口径の場合には１２５０Ｈｚのサンプリング速度で、例えば直径が０．５ｍの中型口径の場合には２５００Ｈｚのサンプリング速度で、ノッキングを検出するには、充分である。
【0066】
制御ユニットは、ＥＲＧ弁を設定することにより、及び／又は背圧弁を設定することにより、及び／又はＥＧＲブロワを設定することにより、ＥＧＲ率を設定するように構成されてもよい。
【0067】
問題点は、また、以下のステップを含む上述したような内燃機関の運転方法によって解決される。少なくとも１つのシリンダ内の圧力を表す信号を、提供する。その信号に基づいて、ノック指数を決定する、特に、ＭＡＰＯ値又はＩＭＰＯ値を決定することによってノック指数を決定する。
【0068】
ノック指数を、所定のノック指数値又はノック指数間隔と比較する。決定されたノック指数が、ノック指数値又はノック指数間隔を下回っているか又は上回っている場合には、ＥＧＲ率、例えばパイロット点火時期若しくはパイロット燃料噴射時期などの点火事象時期、及び／又は供給される流体燃料の量、を修整する。
【0069】
ノッキングプロセスの低減は、閉ループ制御手順で実行されてもよい。
【0070】
ＥＧＲ率は、各シリンダに関してノッキング指数を決定した後に、第１ＥＧＲ率から開始して、減少又は増加させてもよい。決定されたノッキング指数が、少なくとも１つのシリンダに関してノッキング指数値若しくはノッキング指数間隔を下回っているか又は上回っている場合には、それぞれ対応するシリンダに関して点火時期が調整される。
【0071】
ｎ－２個よりも多数の又はｎ／２個よりも多数のシリンダが調整された場合には、ＥＧＲ率は、変更すべきではない。
【0072】
そうでない場合には、ＥＧＲ率を、再び変更してもよく、すべてのシリンダに関してノック指数を決定して、点火時期を調整してもよい。
【0073】
所定数のシリンダが、例えばｎ－２個の又はｎ／２個のシリンダが、調整されるとすぐに、この手順は、停止される。
【0074】
代替的には、ＥＧＲ率は、事前に規定された設定ポイントに従って設定されてもよい。各シリンダに関して、ノック指数が決定されてもよい。ノック指数が、少なくとも１つのシリンダに関してノック指数値又はノック指数間隔を上回っている場合には、それぞれ対応するシリンダに関して、点火時期が調整されてもよい。制御ユニットは、ｎ個すべてのシリンダのうち、少なくとも所定数のシリンダが、例えば少なくともｎ－２個の又は少なくともｎ／２個のシリンダが、ノック指数値又はノック指数間隔を上回る信号を提供している場合には、ＥＧＲ率は、増加させてもよい。
【0075】
その後、各シリンダに関して、ノック指数が計算されてもよい。制御ユニットは、各修整ラウンドの後には、ノック指数の監視を再開してもよい。
【0076】
この方法は、ノッキング事象に基づく振動圧力波を、例えばパイロット点火又はパイロット燃料噴射などの点火事象に基づく振動圧力波から、識別するステップを含むことが好ましい。
【0077】
内燃機関は、タービンとコンプレッサとを有した過給器を含んでもよい。
【0078】
以下においては、本発明について、図面を使用して、実施例によって更に説明する。同じ参照符号は、機能的に対応した特徴点を示している。
【図面の簡単な説明】
【0079】
【図1】内燃機関の概略図を示している。
【図2】ノック指数の決定を概略的に示している。
【図3】パイロット燃焼に基づく圧力曲線の振動を概略的に示している。
【図4】ノッキング現象に基づく圧力曲線の振動を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【0080】
図１は、少なくとも２００ｍｍの内径１２を有したシリンダ１１を含む大型船舶用機関をなす内燃機関１０を示している。
【0081】
シリンダは、パイロット噴射システム１３を有しており、シリンダは、ガス導入弁１４を有している。
【0082】
内燃機関１０は、低圧排気ガス再循環経路１６を含み、この低圧排気ガス再循環経路１６は、排気が、過給機２２のタービンを通過するように、更に、新鮮な空気と一緒に過給機２２のコンプレッサ２３を通して掃気受領器２４へと案内されるように、構成されている。
【0083】
再循環される排気ガスの割合（ＥＧＲ率）は、ＥＧＲ弁１９を設定することにより、及び／又は背圧弁２０を設定することにより、設定することができる。
【0084】
内燃機関１０は、シリンダ１０内の圧力を表す信号を提供するための例えば圧力センサなどのセンサ１７を有した圧力測定ユニット１６を含む。
【0085】
内燃機関１０は、圧力測定ユニット１６の信号を受領するように構成された制御ユニット１８を更に含み、この制御ユニット１８は、圧力信号に基づいてノック指数を決定するように更に構成されている。制御ユニット１８は、ノック指数を、所定のノック指数値と比較するように、及び／又はノック指数間隔と比較するように、構成されている。制御ユニット１８は、ＥＧＲ率、過早点火時期、及び／又は供給される流体燃料の量、を修整するように構成されている。
【0086】
図２は、ノック指数の決定を概略的に示している。θをクランク角とした場合の圧力信号ｐ（θ）を、バンド・パス・フィルタ２５に通すことで、圧力信号の下降部分に関する振動成分ｐｆ（θ）を受領する。次に、絶対値を決定し、この絶対値から、ＭＡＰＯ値及び／又はＩＭＰＯ値を計算することができる。
【0087】
【0088】
各図は、１サイクルをなすクランク角θにわたっての、それぞれ対応した圧力経過ｐ（θ）（最大値ｐｍａｘを有するとともに、上昇部分と下降部分とが存在する）と、バンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力ｐｆ（θ）と、を示している。
【0089】
バンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力ｐｆ（θ）は、両方の場合において、振動している。しかしながら、クランク角制御範囲ＣＲＩ及びＣＲＩＩが相違しているために、各バンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力は、振動の程度が相違している。
【0090】
第１制御範囲ＣＲＩは、パイロット点火の、この実例ではパイロット噴射のクランク角θＰＩＴ近傍の角度とされたクランク角θｉｇｎｉｔｉｏｎから開始されるクランク角区間を対象としている。
【0091】
第１制御範囲ＣＲＩは、８°ＣＡの範囲を有してもよい。
【0092】
第２制御範囲ＣＲＩＩは、シリンダ内の圧力経過における最大圧力値ｐｍａｘのクランク角θｐｍａｘ周辺でのクランク角区間を対象としている。第２制御範囲ＣＲＩＩは、１２°ＣＡの範囲を有し得るものであって、θｐｍａｘ－４°ＣＡから開始されてもよく、θｐｍａｘ＋８°ＣＡで終了してもよい。
【0093】
典型的には、図３に示すように、
－ 第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、０．５ｂａｒよりも大きい場合であり、且つ、
－ 第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅に対してｘ＝２．５とされ得る係数ｘを掛け算した値と比較して、より小さい場合には、
振動は、ノッキングとは見なされない。
－ 第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、０．５ｂａｒよりも大きい場合であり、且つ、
－ 第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅に対してｘ＝２．５とされ得る係数ｘを掛け算した値と比較して、より小さい場合には、
振動は、ノッキングとは見なされない。
【0094】
典型的には、図４に示すように、
－ 第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、２．５ｂａｒよりも大きい場合であり、且つ、
－ 第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅をｘ＝２．５とされ得る係数ｘによって割り算した値と比較して、より小さい場合には、
振動は、ノッキング事象に基づいて発生したものである。
－ 第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、２．５ｂａｒよりも大きい場合であり、且つ、
－ 第１制御範囲ＣＲＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅が、第２制御範囲ＣＲＩＩ内におけるバンド・パス・フィルタ処理済みシリンダ圧力の最大振幅をｘ＝２．５とされ得る係数ｘによって割り算した値と比較して、より小さい場合には、
振動は、ノッキング事象に基づいて発生したものである。
【0095】
よって、各制御範囲ＣＲＩ及びＣＲＩＩにおける振動を確定させて比較することにより、ノッキング事象を、点火事象に基づく振動圧力波と識別することができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【外国語明細書】