特許 7486998 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-10

(45)【発行日】2024-05-20

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/10 20160101AFI20240513BHJP

   F02M 26/06 20160101ALI20240513BHJP

   F02M 26/22 20160101ALI20240513BHJP

   F02M 26/52 20160101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

F02M26/10 301

F02M26/06 331

F02M26/22

F02M26/52

【請求項の数】 18

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020070785

(22)【出願日】2020-04-10

(65)【公開番号】P2020172928

(43)【公開日】2020-10-22

【審査請求日】2023-01-24

(31)【優先権主張番号】19168831.6

(32)【優先日】2019-04-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【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】ラース ハンセン

【審査官】小林 勝広

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５３８９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４７０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２６６２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１０８１４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５１１２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５３６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／１４４４１４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ４７／０８－４７／１０

Ｆ０２Ｍ ２５／０６－２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダ壁（２２）を備えた少なくとも１本のシリンダ（２１）を備える内燃機関（２０）であって、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径（２７）を有する少なくとも１本のシリンダ（２１）を備える大型船舶用機関、好ましくは、前記シリンダ壁（２２）を貫いて低圧燃料ガスを直接前記シリンダ（２１）の中に噴射するための少なくとも１つのガス吸気弁（４）を含むシリンダを備える低圧燃料ガス機関であり、
前記内燃機関（２０）が、前記シリンダ内部の燃焼圧力のピーク及びそれに対応するクランク角を検出するための測定ユニット（１２）を備え、
前記内燃機関（２０）が排気出口（２）と空気入口（３）の間に配置された排気ガス再循環のためのシステム（１）を備える、内燃機関（２０）において、
前記排気ガス再循環のための前記システム（１）が、前記シリンダ（２１）の前記排気出口（２）から前記シリンダ（２１）の前記空気入口（３）へ通じているＥＧＲ通路（１３）と排気ガス煙突の間に配置され、排気ガス再循環率を制御するための適合可能な背圧を提供する排気ガス流れ制限装置（１０９）を備え、
前記内燃機関（２０）が制御ユニット（１１ａ）を備え、且つ前記制御ユニット（１１ａ）が、燃焼圧力のピーク（３２、３５、３９）に対するクランク角（３３，３６，４０）によって、前記排気ガス流れ制限装置（１０９）を適合させることにより、ＥＧＲ率を適合させるように構成されており、前記ＥＧＲ率は、前記シリンダ（２１）の前記空気入口（３）へ加えられる排気ガスと大気の混合気中の、排気ガスのパーセンテージであることを特徴とする、内燃機関（２０）。

【請求項2】

前記排気ガス流れ制限装置（１０９）が、排気ガス背圧弁（９）であって、特に、排気ガス再循環率を制御するための好ましくは５から１００ｍｂａｒの範囲の適合可能な背圧を与えるように制御可能な開度を備える排気ガス背圧弁（９）である、請求項１に記載の内燃機関（２０）。

【請求項3】

前記内燃機関（２０）が、ターボチャージャ（５）であって、好ましくは、排気ガスによって少なくとも部分的に前記ターボチャージャ（５）が動力を供給され、且つ／又は排気ガスが大気（６）と混合されて前記ターボチャージャ（５）により前記シリンダの前記空気入口（３）へ導かれることができるように配置されたターボチャージャ（５）を備え、特に前記ターボチャージャ（５）が排気ガス及び大気を吸入できる、
請求項１又は２に記載の内燃機関（２０）。

【請求項4】

排気ガス再循環のための前記システム（１）が、送風機等の昇圧装置を備えない、
請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項5】

排気ガス再循環のための前記システム（１）が、冷却装置（８）であって、前記ＥＧＲ通路（１３）に配置され、好ましくは圧力低下が１５ｍｂａｒよりも小さくなるように設計された冷却装置（８）を備える、
請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項6】

前記システム（１）が、排気ガスの再循環無しで前記内燃機関（２０）を運転するために前記ＥＧＲ通路（１３）に配置された少なくとも１つの締切り弁（７）を備える、
請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項7】

前記内燃機関（２０）が、好ましくは適合可能な空気流れ制限装置（１１５）、特にターボチャージャ（５）の上流、好ましくは外気の入口（１６）内に配置された、制御可能な開度を有する空気入口弁（１５）を備える、
請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項8】

前記内燃機関（２０）が制御ユニット（１１ａ）を備え、且つ前記制御ユニット（１１ａ）が、燃焼圧力のピーク（３２、３５、３９）に対するクランク角（３３，３６，４０）によって、空気流れ制限装置（１１５）を適合させることにより、前記ＥＧＲ率を適合させるように構成された、請求項１に記載の内燃機関（２０）。

【請求項9】

前記シリンダ（２１）がパイロット噴射システム（１０）を備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項10】

前記内燃機関（２０）がパイロット噴射のタイミングを調節するように構成された制御ユニット（１１）を備えることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関（２０）。

【請求項11】

前記内燃機関（２０）が制御ユニット（１１ｂ）を備え、前記制御ユニット（１１ｂ）が燃焼圧力のピークに対するクランク角によってパイロット噴射のタイミングを調節するように構成される、請求項９に記載の内燃機関（２０）。

【請求項12】

制御ユニット（１１）が、
パイロット噴射システム（１０）を備える内燃機関（２０）において、パイロット点火時期のタイミングを適合させることにより、
且つ／又は
加えられる液体燃料の量を適合させることにより、
且つ／又は
掃気空気圧力を適合させることにより、
且つ／又は
不活性添加物の量を適合させることにより、
燃焼圧力のピークに対するクランク角を最適化するように構成される、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の内燃機関（２０）。

【請求項13】

請求項１から１０までの一項に記載の内燃機関（２０）を運転する方法であって、
－ 排気ガスの少なくとも一部を再循環させるステップ、
－ 燃焼圧力のピーク及びそれに対応するクランク角を測定するステップ、
－ 燃焼圧力のピーク（３２、３５、３９）に対するクランク角（３３，３６，４０）によって、前記排気ガス流れ制限装置（１０９）を適合させることによって、排気ガス背圧弁（９）の開度を、好ましくは５から１００ｍｂａｒの間、より好ましくは少なくとも２５ｍｂａｒの範囲で適合させることによって、前記ＥＧＲ率を設定するステップ、
を含む内燃機関（２０）を運転する方法。

【請求項14】

前記シリンダ内に低圧燃料ガスを噴射するステップを含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

－ 大気と混合された排気ガスを、ターボチャージャ（５）により前記シリンダ（２１）の空気入口（３）へ導くステップであって、具体的には前記ターボチャージャ（５）が空気及び排気ガスを吸入するステップ、
を含む請求項１３又は１４に記載の方法。

【請求項16】

送風機等の昇圧装置を使用することなくＥＧＲ率を設定するステップ、
を含む請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

パイロット噴射システム（１０）を用いて予燃料混合気を点火するステップ、
を含む請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記方法が更に、
パイロット噴射システム（１０）を用いて予燃料混合気を点火し、且つパイロット点火時期のタイミングを適合させるステップ、
及び／又は
加えられる液体燃料の量を適合させるステップ、
及び／又は
掃気空気の量を適合させるステップ、
及び／又は
不活性マス添加の量を適合させるステップ、
を含む、請求項１３から１７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、排気ガス再循環のためのシステムを含む内燃機関であって、パイロット噴射システムを含む内燃機関、及び内燃機関を運転するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、好ましくは、そのシリンダが少なくとも２００ｍｍの内径を有する大型の舶用若しくは船用機関、又は定置機関のような内燃機関に関する。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。機関はディーゼル又はガス機関、二元燃料又は多元燃料機関とすることができる。この種の機関では、液体及び／又はガス状燃料の燃焼、並びに自己着火又は強制着火が可能である。

【0003】

機関は、ピストンをその中に含む少なくとも１本のシリンダを備える。ピストンは、クランク軸に連結される。ピストンは機関の運転中、上死点（ＴＤＣ：Ｔｏｐ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ）と下死点（ＢＤＣ：Ｂｏｔｔｏｍ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ）の間で往復動する。典型的に、シリンダは、吸気のための少なくとも１つの空気通過開口、具体的にはシリンダのライナーに配置された空気入口、及び排気のための少なくとも１つの空気通過開口、具体的にはシリンダのカバーに配置された排気出口を備える。

【0004】

内燃機関は、縦方向に掃気される２ストローク機関とすることができる。

【0005】

内燃機関の用語はまた、燃料の自己着火を特徴とするディーゼル・モードでのみならず、燃料の積極着火を特徴とするオットー・モードでも、又はそれら２つの混合状態でも運転可能な大型機関を指す。更に、内燃機関の用語は、特に二元燃料機関、及び燃料の自己着火が別の燃料の積極着火に使用される大型機関を含む。

【0006】

機関の回転速度は８００ＲＰＭ未満（４ストローク）が好ましく、低速機関の呼称を表す２００ＲＰＭ未満（２ストローク）がより好ましい。

【0007】

燃料は、ディーゼル若しくは舶用ディーゼル油、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）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等のようなガスとすることができる。

【0008】

要求次第で加えることができるであろう、更なる使用可能な燃料は、液化バイオ・ガス（ＬＢＧ：Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｂｉｏｇａｓ）、バイオ燃料（例えば、藻類燃料又は海草油）、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・リキッドにより作られたもの）である。

【0009】

大型船、特に貨物を輸送するための船舶は、通常、内燃機関、具体的にはディーゼル及び／又はガス機関、ほとんどが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、舶用ディーゼル油、ディーゼル又は他の液体のような液体燃料、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、この燃焼プロセスからの排気はＩＭＯ Ｔｉｅｒ III等の現行の規則に準拠するように浄化される必要がある。

【0010】

Ｔｉｅｒ IからＴｉｅｒ III基準と一般的に呼ばれるＩＭＯ排出基準はとりわけ、既存及び新規の舶用機関に対するＮＯ_Ｘ排出基準を規定している。

【0011】

大型船に対して、排出物への要求が、特に窒素酸化物の排出物に関して増強されてきている。したがって、これらの船用内燃機関から排出される排気ガス内の窒素酸化物の量を低減することが求められている。

【0012】

圧縮開始前にシリンダ内に低圧ガスを供給する機関は、ガス／空気混合気の圧縮行程中に自発着火が起きやすい。自発的に着火すると、シリンダ内の圧力が通常運転中の最大燃焼圧力を大きく超過し、自発着火が頻繁に発生した場合、シリンダ構成部品が過負荷状態となる可能性がある。自然着火は通常、燃料熱量の利用が不十分となることにつながる。

【0013】

ＤＫ１７６１１８によれば、水が、少なくとも５０ｂａｒの圧力で噴射ノズルへ供給される。その結果、シリンダ内の混合がより均質となり、混合気の濃度が高い部分で起きる局所的な自発着火が防止される。

【0014】

ＥＰ３０８１７９０は、不活性ガス又は排気ガスの導入によって、過早着火の発生を制御することが可能な二元燃料燃焼機関を開示している。機関は排気ガス再循環システムを備えることができる。通常、排気ガス再循環システムには、ＥＧＲ通路を通って排気ガスを導くための送風機等の追加の昇圧装置が必要となる。

【0015】

排気ガス再循環システムのＥＧＲ通路は、シリンダの排気出口からシリンダの空気入口へ通じている。

【0016】

シリンダの空気入口は、掃気空気レシーバであって良い。ガスは、掃気空気レシーバに入る前に、掃気空気冷却器を通るように導かれて良い。

【0017】

シリンダの排気出口は排気ガス・レシーバに通じても良く、例えば２本以上のシリンダからの排気ガスがそこで集められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【文献】ＤＫ１７６１１８

【文献】ＥＰ３０８１７９０

【文献】ＥＰ３２６７０１７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

従来技術の欠点を回避し、具体的には従来技術の機関よりも性能が良い内燃機関、及び内燃機関を運転する方法を提供することが、本発明の目的である。

【課題を解決するための手段】

【0020】

この目的は、独立請求項に従った内燃機関、及び内燃機関を運転する方法により達成される。

【0021】

本発明の第１の態様によれば、目的は、排気出口と空気入口の間に配置された排気ガス再循環のためのシステムを備える、少なくとも１本のシリンダを有する内燃機関により達成される。

【0022】

排気ガス再循環のためのシステムは、ＥＧＲ通路と排気ガス煙突の間に配置され、排気ガス再循環率を制御するための好ましくは適合可能な背圧を与える、排気ガス流れ制限装置を備える。

【0023】

排気ガス流れ制限装置は、煙突への流れ通路の開口直径を減らすための、調節可能な遮蔽物（ｂｌｉｎｄ）であって良い。

【0024】

排気ガス流れ制限装置は、ＥＧＲ率を制御するための、好ましくは５から１００ｍｂａｒの範囲の適合可能な背圧を与えるように、制御可能な開度を有する排気ガス背圧弁であることが好ましい。

【0025】

排気ガス再循環率、すなわちＥＧＲ率とは、シリンダの空気入口へ加えられる排気ガスと大気の混合気中の、排気ガスのパーセンテージである。

【0026】

機関は、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１本のシリンダを備える大型船舶用機関、好ましくは、シリンダ壁を貫いて低圧燃料ガスを直接その中に噴射するための、少なくとも１つのガス吸気弁を含むシリンダを備える低圧燃料ガス機関である。好ましくは、ディーゼル等の液体燃料もシリンダの中に導入することができる。

【0027】

特に、２ストローク二元燃料機関用の予混合希薄燃焼方式（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）は、空気体積と燃料体積の比率（「ラムダ」と呼ばれる）及び温度に非常に大きく左右される。ピストン下側の温度が高いと過早着火のリスクが高まり、燃焼圧力が過剰となる恐れがある。圧縮圧力温度が高くても同様の挙動をもたらすことがあるが、圧縮比を減少させることで抑制可能である。一方、圧縮比を減少させると、液体燃料で運転している場合に熱効率の低下をもたらし、したがって燃料消費を増加させる。

【0028】

再循環された排気ガスを導入することにより、空気／燃料充填物の自己着火への耐性が増加する。

【0029】

従来技術によれば、一定の又は少なくとも安定したＥＧＲ率を実現するには、周波数制御された送風機が必要となる。送風機は、排気出口とターボチャージャの間に配置することができる。

【0030】

送風機は、一方ではＥＧＲ通路に配置しなければならず、且つ他方では送風機の安定性を保証するために、振動が低い場所に設置しなければならない。

【0031】

本発明によれば、制御可能な開度を有する排気ガス背圧弁により、ＥＧＲ率が調整可能である。

【0032】

排気ガス背圧弁の開度の度合いを選択することにより、ＥＧＲ通路内の特にターボチャージャ上流での圧力、及び排気ガス再循環率が調整可能である。システムから排気煙突へ出ることを妨げられる排気が増加すると、ＥＧＲ通路を通過できる排気ガスが増加し、ＥＧＲ通路内の排気ガス圧力が高まる。

【0033】

背圧弁には、完全に閉じることを防止するような制限を持たせることが好ましい。

【0034】

送風機が一定量の排気ガスを供給し、したがって送風機設定が固定された状態では、排気ガス再循環率は負荷に左右される。排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁を用いて圧力を設定することで、負荷に対して一定のＥＧＲ率が実現する。

【0035】

排気ガス背圧弁は、手動により作動、動力により作動、電気により作動、又はばねにより作動可能である。弁は空気圧又は油圧で作動することが好ましい。

【0036】

弁はバタフライ弁とすることができる。

【0037】

典型的に、ＥＧＲ通路は、好ましくはターボチャージャのタービン下流に接合点を備え、接合点からシリンダの空気入口、好ましくはターボチャージャの圧縮機へ向かって、又は排気ガス煙突に向かってのいずれかへ排気ガスを導くことができる。

【0038】

排気ガス処理のための装置は、排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁と煙突との間に配置して良い。

【0039】

排気ガス背圧弁を開けると、ガスが排気ガス煙突の方向へ流れるようになる確率が高まる。排気ガス背圧弁を閉じると、ＥＧＲ通路の中への流量が高まる。

【0040】

好ましい実施例では、内燃機関はターボチャージャを備える。

【0041】

ターボチャージャは、排気ガスによって少なくとも部分的にターボチャージャが動力を供給されるように、ＥＧＲ通路内に配置されることが好ましい。

【0042】

シリンダの排気出口からシリンダの空気入口へ通じるＥＧＲ通路は、ターボチャージャのタービン及びターボチャージャの圧縮機を含むことができる。

【0043】

ＥＧＲ通路は、冷却装置も含むことができる。

【0044】

ターボチャージャは、排気ガスが大気と混合されてターボチャージャによりシリンダの空気入口へ導かれ得るように、ＥＧＲ通路に配置可能である。したがって、具体的には、ターボチャージャの圧縮機は排気ガス及び大気を吸入することができる。

【0045】

ターボチャージャの圧縮機は、外気及び排気ガスを吸い込み、それがシリンダの空気入口、例えば吸気多岐管の中に入る前に、それをより高い圧力に圧縮する。これによって、より多くの量の空気が各吸気行程でシリンダに入ることになる。

【0046】

遠心圧縮機を回転させるために必要な動力は、機関の排気ガスの運動エネルギーから得られる。

【0047】

２台以上のターボチャージャがある場合、空気入口は、複数のターボチャージャにより供給されるガスの混合体を受ける。

【0048】

この場合、それぞれのターボチャージャは、個々の排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁を備えた、別々の排気ガス再循環のためのシステム内に配置されて良い。

【0049】

別法では、全てのターボチャージャが、共通のＥＧＲ通路の中に排気ガスを導く。単一の排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁が、ＥＧＲ通路と煙突の間に配置される。

【0050】

１台のターボチャージャのみが、排気ガス再循環のためのシステム内に配置されても良い。それ以外の少なくとも１台のターボチャージャは、大気の供給のみを行い、そのそれぞれの圧縮機は排気ガスを吸入しない。

【0051】

排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁により与えられた背圧及びターボチャージャの吸入圧力によって、ＥＧＲ率が制御された安定した排気ガス流れが供給可能となる。

【0052】

このように、排気ガス再循環のためのシステムは、大気を供給するためのターボチャージャは別として、送風機等の昇圧装置を含まない点で有利である。

【0053】

排気ガス再循環のためのシステムは、ＥＧＲ通路、好ましくはターボチャージャの圧縮機上流に配置された冷却装置を含むことができる。排気は、外気と混合されてターボチャージャの圧縮機に吸入される前に、好適な温度となることができる。

【0054】

冷却装置は、圧力低下が１５ｍｂａｒ未満となるように設計され、ターボチャージャの圧縮機上流のＥＧＲ通路内の圧力が十分に高くなり、圧縮機に吸入される混合気内に十分なパーセンテージの排気ガスが供給されるようにすることが好ましい。

【0055】

冷却装置は、例えば循環水冷却器を含む水循環プラントを備えた、カスケード排気冷却器であって良い。カスケード排気ガス冷却器は、冷却水の汚染をごくわずかとすることができる。

【0056】

システムは、内燃機関を排気ガスの再循環無しで運転するために、ＥＧＲ通路に配置される少なくとも１つの締切り弁を備えることが好ましい。締切り弁は、ＥＧＲ通路内への流れを防止するために、確実な閉止用に、且つ確実な閉止が可能に設計される。典型的な締切り弁には、それだけに限らないが、手動により作動、動力により作動、又はばねにより作動するフェイル・セーフ締切り弁が含まれる。締切り弁は、２つの状態、すなわち閉又は開のみを有することが好ましい。

【0057】

内燃機関は、二元燃料機関であることが好ましい。ディーゼル・モードでは、排気ガス再循環ができないように、締切り弁は閉とする。ガス・モードでは、排気ガス再循環率が排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁を用いて調整可能なように、締切り弁は開とする。

【0058】

本発明の有益な実施例では、内燃機関は、好ましくは適合可能な空気流れ制限装置（１１５）、具体的には制御可能な開度を有する空気入口弁を備える。空気入口弁は、ターボチャージャ圧縮機上流の外気の入口に配置されることが好ましい。空気入口弁は、絞り弁とすることができる。

【0059】

更に、ＥＧＲ率を、排気ガス流れ制限装置の流れ直径を制限することにより、又は排気ガス背圧弁を閉じることによって増加する代わりに、空気流れ制限装置を設けること、具体的には空気入口弁を閉じることで外気の量を減少させることによってもＥＧＲ率を増加させることができる。

【0060】

ＥＧＲ通路にわたっての圧力低下を更に克服するために、追加として、圧縮機の上流に配置された空気入口弁で大気通路の吸気口を絞ることができる。このことはＥＧＲ通路の吸入力を増加するのに役立つ。

【0061】

空気入口弁は、ＥＧＲ率の微調整にも使用可能である。

【0062】

本発明の有益な実施例では、シリンダがパイロット点火システムを備える。好ましくは、パイロット点火システムは、自動着火しない燃料に点火するために作動させる。

【0063】

内燃機関は、シリンダ内部の燃焼圧力のピーク及びそれに対応するクランク角、つまり燃焼位相整合を検出するための測定ユニットを備えることが好都合である。

【0064】

測定ユニットは、クランク角に対するシリンダ内の圧力曲線を測定するための圧力センサを備えることができる。

【0065】

２本以上のシリンダを備える機関では、全てのシリンダで圧力が測定されて良い。全シリンダの平均圧力曲線の最大値、及びそれに対応する平均クランク角が検出されて良い。

【0066】

クランク角に対する圧力曲線の最大値の位置がＥＧＲ率により左右されるので、測定ユニットはＥＧＲ率に対応する測定値を提供する。

【0067】

内燃機関が制御ユニットを備え、制御ユニットが、燃焼圧力のピークに対するクランク角によって、排気ガス流れ制限装置を適合させることにより、及び／又は空気流れ制限装置を適合させることにより、ＥＧＲ率を適合させるように構成される点で有利である。

【0068】

最適な圧力ピーク・クランク角は、最適なＥＧＲ率と関係する。

【0069】

周囲の状態、例えば周囲温度の変化に起因して、且つ固有の運転状態に起因して、燃焼位相整合の変化が発生し得る。一般的に、このことは機関効率の低下をもたらす可能性がある。燃焼圧力の過度の上昇、燃焼安定性の低下、又はメタン・スリップが発生する恐れがある。

【0070】

燃焼圧力のピークの最適値は、５度ＣＡと８度ＣＡの間（０度ＣＡに相当するクランクの上死点の、５から８度後）となる可能性がある。この領域では、機関の効率、排出物及び信頼性がその最適レベルとなる。

【0071】

燃焼圧力のピークの最適なクランク角は、機関の負荷に左右される。制御ユニットは、負荷と最適クランク角の間の関係が保管された、典型的にセットポイント用ベクトルと呼ばれる表を、使用するように適合でき、又は備えることができる。

【0072】

ＥＧＲ率は、
－ 排気ガス背圧弁の開度を設定することにより、
－ 固定の排気ガス流れ制限装置を設け、且つ空気入口弁の開度を設定することにより、
－ 固定の空気流れ制限装置を設けることにより、且つ排気ガス背圧弁の開度を設定することにより、
－ 又は排気ガス背圧弁の開度を設定することにより、且つ空気入口弁の開度を設定することにより、
調整可能である。

【0073】

本発明の第２の態様によれば、目的は、パイロット点火システムを備えた少なくとも１本のシリンダを有する、好ましくは上述した内燃機関により達成される。

【0074】

内燃機関は、好ましくは燃焼圧力のピークに対するクランク角によって、パイロット点火のタイミングを調節するように構成された制御ユニットを備える。

【0075】

内燃機関は、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１本のシリンダを備える大型船舶用機関であることが好ましい。

【0076】

内燃機関は、シリンダ壁を貫いて低圧燃料ガスを直接その中に噴射するための、少なくとも１つのガス吸気弁を含むシリンダを備える、低圧燃料ガス機関であることが好ましい。

【0077】

内燃機関は、好ましくは排気出口と空気入口の間に配置された排気ガス再循環のためのシステムを備える。

【0078】

パイロット点火のタイミングは、燃焼ピーク圧力のタイミングに影響を与える。したがって、最適な所で燃焼ピーク圧力を得るために、パイロット点火のタイミング、つまりパイロット燃料噴射のタイミングを調整することができる。

【0079】

パイロット燃料噴射のタイミングの最大範囲は、典型的に－１７度ＣＡと－５度ＣＡの間である。

【0080】

或いは、燃焼ピーク圧力のタイミング、つまり燃焼圧力ピーク・クランク角は、ＥＧＲ率の影響を受ける可能性がある。

【0081】

内燃機関は、シリンダ内部の燃焼ピーク圧力及びそれに対応するクランク角を検出するための測定ユニットを備えることができる。測定ユニットは、シリンダ内の圧力曲線を測定するための圧力センサを備えることができる。測定値は、圧力曲線の最大値が、所望の時、つまり最適なクランク角で発生するかどうかを示す。

【0082】

内燃機関は、燃焼圧力のピークに対するクランク角によって、パイロット噴射のタイミングを調節するように構成された制御ユニットも備えることができる。

【0083】

燃焼ピーク圧力が、セット・ポイント・ベクトルにより与えられた所定のクランク角の範囲内に無い場合、パイロット点火のタイミングが移動されて良い。測定された燃焼ピーク圧力でのクランク角、及び所定の最適な燃焼ピーク圧力クランク角によって、制御ユニットが自動的にパイロット点火時期を移動することが好ましい。

【0084】

有益な実施例では、内燃機関は、シリンダの排気出口とシリンダの空気入口の間に配置された排気ガス再循環のためのシステムを備える。好ましくは上述した、排気ガス再循環のためのシステムは、排気ガス流れ制限装置、例えば好ましくは制御可能な開度を備える排気ガス背圧弁、及び／又は空気入口制限装置を備えることができる。制御ユニットは、例えば排気ガス背圧弁を開く又は閉じることにより、且つ／又は空気入口弁を開く又は閉じることにより、ＥＧＲ率を適合させるように構成される。

【0085】

排気ガス背圧を、したがって排気ガス再循環率を適合させることにより、燃焼圧力のピークに対するクランク角により決まるパイロット点火のタイミングを最適化することができる。

【0086】

パイロット燃料噴射タイミングがその限界にあるため、燃焼圧力ピーク角度をそれ以上調整できない場合は、ＥＧＲ率を調整しなければならない。

【0087】

パイロット燃料噴射がある最大限度（例えば－５度ＣＡ）に達し、それ以上上げるべきではない場合、ＥＧＲ率を増加させることができる。ＥＧＲ率は、背圧弁を例えば５％だけ閉じることにより増加させることができる。

【0088】

パイロット燃料噴射タイミングが最小限度（例えば－１７度ＣＡ）に達し、それ以上下げるべきではない場合、背圧弁を例えば５％だけ開くことにより、ＥＧＲ率を減少させることができる。

【0089】

背圧弁が、ある最大閉角度に達し、且つ燃焼圧力ピーク角度が早すぎる角度（例えば２度ＣＡ）の場合、制御ユニットは不具合を表示することができる。機関は、低圧燃料ガス運転からディーゼル・モードへ変更／トリップして良い。

【0090】

本発明の更なる態様によれば、目的は、シリンダ内部の燃焼圧力のピーク及びそれに対応するクランク角を検出するための測定ユニットを備え、且つ制御ユニットを備える、好ましくは上述した内燃機関により達成される。

【0091】

制御ユニットは、燃焼圧力のピークに対するクランク角を、
－ 排気出口と空気入口の間に配置された排気ガス再循環のためのシステムを備えた内燃機関において、ＥＧＲ率を適合させることにより、且つ／又は、
－ パイロット噴射システムを備えた内燃機関において、パイロット点火時期のタイミングを適合させることにより、且つ／又は
－ 加えられる液体燃料の量を適合させることにより、且つ／又は
－ 掃気空気圧力を適合させることにより、且つ／又は
－ 不活性添加物の量を適合させることにより、
最適化するように構成される。

【0092】

燃焼圧力のピークに対するクランク角を制御することにより、つまり燃焼の位相整合を制御することにより、燃焼圧力が過剰となることを最小化できる。

【0093】

ＥＰ３２６７０１７は、液体燃料が燃焼のためにシリンダ内に導入される液体モードで運転可能であり、且つ、更に、ガスが燃料としてシリンダ内に導入されるガス・モードで運転可能な二元燃料大型ディーゼル機関、特に縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関を運転するための方法を教示している。ガスはパージ空気と混合され、ある空気－ガス比率で燃やされる。ガス・モードでの運転中、空気－ガス比率の変化がそれに基づいて認識可能な制御パラメータが監視される。大型ディーゼル機関は、制御パラメータが限界値に達した場合、パワー・バランシング・モードで運転可能であり、パワー・バランシング・モードでは、ガスの燃焼における空気－ガス比率が増加される。制御パラメータは、圧力ピークとすることができる。

【0094】

圧力測定が、圧力に対する正確な又は再現性のある値を提供しないというリスクがある。例えば、圧力センサが汚染されることがある。圧力曲線の絶対値は周囲温度にも左右される。

【0095】

しかし、一般的に、正常に機能しない圧力センサでさえ、信頼できる定性的な測定曲線は提供する。

【0096】

したがって、圧力ピークでのクランク角を最適化する制御ユニットは、絶対圧力値に基づいて作動する制御ユニットよりも、信頼性が高い。

【0097】

本発明によれば、圧力ピークでのクランク角が、監視され且つ最適化される制御パラメータとなる。

【0098】

パイロット点火のタイミングは、特に排気ガス再循環無しで運転される機関にとって、導入する燃料の量を適合させることにより調節可能である。低圧燃料ガスに加えて、少量のディーゼル油が噴射されて良い。

【0099】

例えば、噴射されるディーゼル燃料の量も、測定された燃焼圧力ピークでのクランク角によって決定可能である。量は、最適な燃焼圧力ピーク・クランク角が達成されるように設定可能である。

【0100】

ディーゼル燃料噴射は、燃焼圧力の位相整合が常に監視されていることから、少量の燃料で開始することができる。燃焼圧力ピーク角度は、早い時点、例えば２度ＣＡ（０度ＣＡに相当するクランクの上死点の、２度後）に位置する可能性がある。

【0101】

ディーゼル燃料噴射は、所定の燃焼圧力ピークでのクランク角、例えば４度ＣＡに到達するまで増加させて良い。

【0102】

燃焼圧力ピークでのクランク角が、上の最大値、例えば７度ＣＡまで遅れた場合、ディーゼル燃料噴射を再び減少させて良い。燃焼圧力ピーク角度が所定の最小値、例えば２度ＣＡよりも連続的に大きいままである場合、ディーゼル燃料噴射は、ゼロまででも減少させて良い。

【0103】

加えて、クランク角がたとえ所定の最小値と所定の最大値の間に入っていても、シリンダ圧力が所定の下限より低い場合、ディーゼル燃料噴射を開始又は増加させて良い。シリンダ圧力が所定の上限に達した場合、ディーゼル燃料噴射は減少させて良い。

【0104】

特に排気ガス再循環無しのシステムでは、燃焼位相整合は掃気空気圧力により制御可能である。掃気空気圧力は、排気ウェイスト・ゲートにより制御できる。ウェイスト・ゲートの設定は、排気ガスのどれだけ多くがターボチャージャを駆動するために使用されるかを決定する。排気出口とターボチャージャの間に、一方がターボチャージャへ、他方がウェイスト・ゲートへ通じる接合点を配置することが好ましい。

【0105】

例えば、排気ガスの全量がターボチャージャの駆動に使用され、したがって掃気空気圧力を更に増やせないために、掃気空気圧力がそれ以上制御できない場合、燃焼位相整合は別の手段により制御可能である。例えば、追加の量のディーゼル燃料を噴射させて良い。

【0106】

燃焼位相整合は、不活性添加物の量を適合させること、つまりより多く又はより少ない不活性マス、例えば不活性ガス又は水を加えることによっても制御可能である。

【0107】

目的は、好ましくは上述した内燃機関を運転するための方法によっても達成される。機関は、少なくとも１本のシリンダを備え、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１本のシリンダを備える大型船舶用機関である。方法は、排気ガスの少なくとも一部を再循環するステップを含む。ＥＧＲ率又は排気ガス背圧は、排気ガス流れ制限装置、例えば排気ガス背圧弁の開度を、好ましくは５から１００ｍｂａｒの間、より好ましくは少なくとも２５ｍｂａｒの範囲で適合させることにより設定される。排気ガス流れ制限装置は、ＥＧＲ通路と排気ガス煙突の間に配置される。

【0108】

或いは、又は加えて、ターボチャージャに吸入されるガス全量に対する排気ガスの割合は、ターボチャージャの圧縮機の上流の空気入口内に配置された空気流れ制限装置を適合させることにより、好ましくは空気入口弁の開度を調整することにより設定される。

【0109】

方法は、シリンダ内に低圧燃料ガスを噴射するステップを含むことが好ましい。過早着火の発生は、排気ガスを導入することにより減少又は防止可能である。

【0110】

好ましい実施例では、大気と混合された排気ガスは、ターボチャージャによりシリンダの空気入口へ導かれる。具体的には、ターボチャージャは空気及び排気ガスを吸入する。

【0111】

ＥＧＲ率が、送風機等の昇圧装置を使用することなく設定される点で有利である。排気ガス圧力流が、ただ単に、排気ガス流れ制限装置及び／又は空気流れ制限装置の設定、並びにターボチャージャの吸入圧力によって決まることが好ましい。

【0112】

予燃料混合気は、パイロット点火システムを用いて点火可能である。

【0113】

燃焼圧力のピーク及びそれに対応するクランク角が測定されて良い。

【0114】

ターボチャージャにより吸入されるガス全量に対する排気ガスの割合は、好ましくはターボチャージャの圧縮機上流の空気入口に配置された空気入口弁の開度を適合させることにより調整可能である。

【0115】

目的は、好ましくは上述した、少なくとも１本のシリンダを備える内燃機関を運転するための方法によっても達成される。内燃機関は、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１本のシリンダを備える大型船舶用機関である。方法は、好ましくはシリンダ内に低圧燃料ガスを噴射するステップを含む。

【0116】

方法は、好ましくは上述した、排気ガスを排気出口と空気入口の間で再循環させ、且つＥＧＲ率を適合させるステップを含む。

【0117】

加えて、又は或いは、方法は、パイロット噴射システムを用いて予燃料混合物を点火し、且つパイロット点火のタイミングを適合させるステップを含む。

【0118】

加えて、又は或いは、方法は、加えられる液体燃料の量を適合させるステップを含む。

【0119】

加えて、又は或いは、方法は、掃気空気圧力を適合させるステップを含む。

【0120】

加えて、又は或いは、方法は、不活性マス添加の量を適合させるステップを含む。

【0121】

燃焼圧力ピーク・クランク角が最適化されることが好ましい。燃焼圧力ピーク・クランク角を最適化することは、最適な、燃焼圧力のピークに対するクランク角が達成されるまで、内燃機関の運転を変更することを意味する。最適な、燃焼圧力のピークに対するクランク角は予め決定されて良い。それぞれの負荷に対する最適なクランク角は、セットポイント用ベクトルとして保管されることが好ましい。燃焼圧力ピーク・クランク角は、予点火時期を設定することにより最適化可能である。

【0122】

予点火時期は、最適な燃焼圧力ピーク・クランク角に対して調節可能である。

【0123】

圧力曲線が測定され、その最大の、つまり燃焼圧力のピークでのクランク角が検出されることが好ましい。

【0124】

そのクランク角が所定の最適クランク角に一致しない場合、予点火時期すなわちパイロット噴射のタイミングを調整可能である。パイロット噴射のタイミングは閉ループ制御で調整されることが好ましい。

【0125】

測定された燃焼圧力のピークでのクランク角が所定の角度より大きい場合、点火時期はより早い時期へ、つまり、より小さいクランク角へ移動されて良い。

【0126】

測定された燃焼圧力のピークでのクランク角が所定の角度より低い場合、点火時期はより遅い時期へ、つまり、より大きいクランク角へ移動されて良い。

【0127】

パイロット燃料噴射時期又はパイロット燃料噴射クランク角は、予め定義された最小及び最大レベルの中にとどまっていなければならない。

【0128】

最小レベルに達した場合、排気ガス背圧弁を閉じることにより、排気ガス背圧を増加させて、排気ガス再循環率を上げることができる。

【0129】

最大レベルに達した場合、排気ガス背圧弁を開くことにより、排気ガス背圧を減少させて、排気ガス再循環率を上げることができる。

【0130】

燃焼圧力ピーク・クランク角は、例えば排気ガス背圧弁の開度を適合させることにより、排気ガス再循環システム内の排気ガス背圧を設定することによっても、最適化可能である。

【0131】

燃焼圧力ピーク・クランク角はまた、噴射されるディーゼル燃料の量を設定することにより、又は掃気空気圧力を適合させることにより、又は不活性マス添加の量を適合させることにより、最適化可能である。

【0132】

次に本発明を、図面を用いて実施例で更に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0133】

【図1】燃焼機関の第１の実例の概略図である。

【図2】燃焼機関の第２の実例の概略図である。

【図3】ターボチャージャの概略図である。

【図4】異なるＥＧＲ率に対するシリンダ内圧力の概略図である。

【図5】燃焼機関の第３の実例の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0134】

図１は内燃機関２０の第１の実例の概略図を示す。

【0135】

内燃機関２０は、少なくとも１本のシリンダ２１を備える。

【0136】

内燃機関は少なくとも２００ｍｍの内径２７を有する少なくとも１本のシリンダ２１を備える大型船舶用機関であることが好ましい。

【0137】

内燃機関は、シリンダ壁２２を貫いて低圧燃料ガスを直接その中に噴射するための、少なくとも１つのガス吸気弁４を含むシリンダ２１を備える、低圧燃料ガス機関であることが好ましい。

【0138】

内燃機関２０は、シリンダの排気出口２とシリンダの空気入口３の間に配置された排気ガス再循環のためのシステム１を備える。

【0139】

排気ガス再循環のためのシステム１は、排気ガス流れ制限装置１０９、この特定の実施例ではＥＧＲ通路１３と排気ガス煙突１４の間に配置された排気ガス背圧弁９を備える。

【0140】

内燃機関２０はターボチャージャ５を備え、ターボチャージャ５は、排気ガスによって少なくとも部分的にターボチャージャ５が動力を供給されるように配置される。大気６と混合された排気ガスは、ターボチャージャ５によりシリンダの空気入口３に導かれる。

【0141】

ターボチャージャ５は、排気ガスと大気６を吸入することができる。

【0142】

ターボチャージャ５は別として、ＥＧＲ通路１３に昇圧装置は無い。

【0143】

排気ガス再循環のためのシステム１は、好ましくは圧力低下が１５ｍｂａｒよりも小さくなるように設計された、ＥＧＲ通路１３に配置される冷却装置８を備える。

【0144】

システム１は、ＥＧＲ通路１３に配置され、それが閉じられた場合に排気ガスの再循環無しで内燃機関２０を運転するための締切り弁７を備える。その時、排気ガスは、ＥＧＲ通路１３から完全に別れることになり、排気ガス煙突１４へ導かれる。

【0145】

シリンダ２１は、パイロット燃料を噴射するための、パイロット点火システム１０を備える。

【0146】

内燃機関２０は更に、燃焼圧力のピークに対するクランク角を最適化するために、燃焼圧力のピークに対するクランク角によってパイロット噴射のタイミングを調節するように構成された制御ユニット１１ｂ、及びＥＧＲ率を適合させるための制御ユニット１１ａを含む制御ユニット１１を備える。

【0147】

内燃機関２０は、シリンダ内部の燃焼ピーク圧力及びそれに対応するクランク角を検出するための測定ユニット１２を備える。

【0148】

制御ユニット１１は、測定装置１２の測定データを受けることができ、制御ユニット１１ｂが、パイロット点火システム１０をそれぞれ作動させることにより、パイロット噴射のタイミングを設定することができる。

【0149】

制御ユニット１１は更に、測定装置１２の測定データを受けることができ、制御ユニット１１ａが、排気ガス背圧弁９の開度を設定することができる。

【0150】

図２は、内燃機関２０の第２の実例の概略図を示す。

【0151】

内燃機関２０は、シリンダの排気ガス・レシーバ１７と掃気空気レシーバ１８の間に配置された排気ガス再循環のためのシステム１を備える。

【0152】

排気ガス再循環のためのシステム１は、ＥＧＲ通路１３と排気ガス煙突１４の間に配置された排気ガス背圧弁９を備える。

【0153】

内燃機関２０はターボチャージャ５を備え、ターボチャージャ５は、排気ガスによって少なくとも部分的にターボチャージャ５が動力を供給されるように配置される。

【0154】

ターボチャージャ５を出たガスは、掃気空気レシーバ１８に入る前に、掃気空気冷却器１９を通るように導かれる。

【0155】

排気ガス再循環のためのシステム１は、ＥＧＲ通路１３に配置された冷却装置８を備える。

【0156】

システム１は、ＥＧＲ通路１３に配置された締切り弁７を備える。

【0157】

内燃機関２０は、適合可能な空気流れ制限装置１１５、この特定の実施例では、ターボチャージャ５上流の外気入口１６内に配置された、制御可能な開度を有する空気入口弁１５を備える。

【0158】

図３はターボチャージャ５の概略図を示す。ターボチャージャは、排気ガス吸気口２２及び外気の吸気口２３を備える。空気入口弁１５が外気の吸気口２３内に配置され、排気ガスのパーセンテージを増加させるように、大気の吸気口を絞る。

【0159】

図４は、異なるＥＧＲ率における、クランク角（度ＣＡ）に対するシリンダ内の圧力ｐの概略図を示す。

【0160】

第１の圧力曲線３１は高ＥＧＲ率に関係し、クランク角３３の所にその燃焼圧力のピーク３２がある。

【0161】

第２の圧力曲線３４は最適なＥＧＲ率に関係し、クランク角３６の所にその燃焼圧力のピーク３５がある。

【0162】

第３の圧力曲線３８は低ＥＧＲ率に関係し、クランク角４０の所にその燃焼圧力のピーク３９がある。

【0163】

パイロット燃料噴射はクランク角３７の所で発生し得る。

【0164】

図５は、燃焼機関２０の第３の実例の概略図を示す。ピストン２４は、シリンダ２１の内部に移動可能に配置される。

【0165】

、
ピストン２４は、ピストン・ロッド２６を介してクロスヘッド２５に連結され、且つクロスヘッド２５は連接棒２９を介してクランク軸２８に連結され、クランク軸２８を駆動する。

【0166】

縦軸３０に対するクランク軸２８の位置が、クランク角ＣＡを規定する。図は、クランク角ＣＡが－９０度の位置にある機関２０を示す。したがって、ピストン２４がその最高位置にある場合は、クランク角は０度である。ピストン２４がその最低位置にある場合は、クランク角は１８０度又は－１８０度である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】