JP2011007094A - エンジン排気エネルギー回収装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの負荷、エンジン回転数に対してエンジン性能（燃料消費率）が最適となる最適掃気圧力になるようにパワータービン側へ抽出される排気ガス量を調整して、エンジンの最適運転状態を常に確保できる排気エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
【解決手段】エンジン負荷検出手段と、エンジン回転数検出手段と、エンジンの掃気（吸気）圧力検出手段とを備え、夫々の検出値をマップに照合わせ、排気エネルギー回収装置側の排気ガス流量を制御して、排気ガスが過給機側へ流れる排気ガス量を調整して、エンジンへの掃気圧力を任意の圧力に維持して、エンジンの燃料消費率が最も少ない最適運転状態になるよう制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、舶用ディーゼル機関、陸上発電機用ディーゼル機関等のエンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収装置に関する。
排気ガス（燃焼ガス）に含まれる排気エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収装置としては、例えば、特許文献に開示された過給機およびパワータービンが知られている。
特開昭６３−１８６９１６号公報
エンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）を過給機のみならず、その一部をパワータービン等に導いて排気エネルギーを回収する装置を備えたディーゼル機関においては、排気ガスの一部の排気エネルギーが過給機の駆動に使用されないため、エンジンの運転状態によっては、過給機効率が低下し過給機からエンジン本体への掃気（吸気）圧力が不足して、エンジンの燃焼効率が低下し、燃料消費率が増加する。
ところが、近年においては、過給機の排気タービン部及びタービン部の回転駆動力によって駆動されるコンプレッサ部の翼の形状、翼を内包するハウジングとの隙間の減少、タービン部及びコンプレッサ部の駆動抵抗減少等の改善により過給機の性能が向上しており、エンジンからの排気ガスを従来以上にパワータービンに導いても、過給機はエンジン本体に十分な掃気圧力（給気圧力）を供給することが可能となった。
その結果、上記特許文献に開示されたディーゼル機関が高負荷運転された状態で、バイパス弁を絞る（すなわち、パワータービンの出力を減少させる）と、パワータービンを駆動させるために利用されていた排気ガスが過給機の排気タービンに供給され、排気タービンの駆動力及び回転数が上昇し、排気タービンによって駆動されるコンプレッサの回転数も上昇する。
その結果、コンプレッサからディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力（掃気圧力：給気圧力）がエンジンの許容運転圧力を超えてしまうため、機関安全上の観点から掃気圧力が許容圧力以下になるように制御されているだけなので、エンジンが最適運転状態で運転されておらず熱効率改善にはつながらない。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、エンジンの負荷、エンジン回転数に対してエンジン性能（燃料消費率）が最適となる掃気圧力（給気圧力）の算出式又は、データベースが組み込まれた制御装置によって、最適掃気圧力になるようにパワータービン及び過給機を通らずにバイパスされる排気ガス量を調整して、エンジンの最適運転状態を常に確保できるようにするエンジン排気エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
また、経年劣化によってシリンダ内の圧縮圧力が低下しても、前記エンジンの最適運転状態を維持することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの排気エネルギー回収装置において、前記エンジンから排出される排気ガスによってタービン部が駆動され、同タービン部の駆動により外気をエンジン本体に圧送するコンプレッサ部を有する排気タービン過給機と、同排気タービン過給機及び前記エンジンの排気マニホールド間を連通した第１排気管と、前記排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記排気マニホールド及び前記パワータービン間を連通した第２排気管と、同第２排気管の途中に配設され前記パワータービンへの排気ガスの流量を制御するガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記第２排気管に接続して前記パワータービンを迂回するバイパス管と、同バイパス管の途中に配設され前記パワータービンを迂回する排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの掃気（給気）圧力を検出する掃気（給気）圧力検出手段と、前記エンジン負荷検出手段及び上記エンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる最適掃気圧力を算出するデータベースを有する制御装置とを備え、
前記制御装置は算出した前記最適掃気（給気）圧力になるように前記排気ガスバイパス制御弁を制御するようにしたことを特徴とするエンジン排気エネルギー回収装置。
本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置によれば、制御装置は検出されたエンジン負荷と、エンジン回転数等の検出値からエンジンを最適な運転状態にするためのエンジンの最適掃気圧力を算出して、その算出した最適掃気圧力になるようにパワータービン手前に設けた上記排気ガスバイパス制御弁の制御によって排ガスバイパス量を制御し、常にエンジンを最適運転状態に維持して、燃料消費率を抑えることによりエンジンのランニングコスト低減及び、それに伴う環境改善等に良い効果をもたらす。
また、前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる燃料噴射装置の最適噴射タイミングを算出するマップを備え、該マップを参照して、前記燃料噴射装置の噴射タイミングを制御することを備えてさらに好適である。
パワータービンに連結されている被駆動装置の負荷変化に伴い、パワータービンに流す排気ガス量が変化するため、排気タービン過給機側に流れる排気ガス量が変化して、掃気圧力が変化する。そのため、掃気圧力に加えて、燃料噴射タイミングを変化させることで
エンジンのシリンダ内での燃焼状態（燃焼タイミング）を制御して、常にエンジンを燃料消費率が最適運転状態に維持できるので、エンジンのランニングコスト低減及び、それに伴う環境改善等に良い効果をもたらす。
また、前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる排気弁の閉タイミングを算出するマップを備え、該マップを参照して、前記排気弁の閉タイミングを制御することを備えてさらに好適である。
エンジンのシリンダ内で圧縮された圧力は掃気（給気）圧力と排気弁閉タイミングによって決まる。掃気圧力を高めつつ排気弁閉タイミングを遅らせることにより、ピストン上昇時の圧縮仕事の低減になり燃費低減効果がえられ、更に、圧縮上死点でのシリンダ内燃焼ガス温度を低下させるため、燃料燃焼時のNOｘ（窒素酸化物）生成を抑制できるので環境負荷の低減が可能である。
また、前記エンジンが燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧室、またはコモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧室を備え、前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料噴射率が最適な運転状態になる作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を算出するマップを備え、該マップを参照して、前記作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することを備えてさらに好適である。
作動油蓄圧圧力または、燃料蓄圧圧力は燃料噴射圧力に直接影響を与える。従って、燃料噴射圧力を高く維持できるようにして、シリンダ内における燃料噴射時の燃料の微細化及び、燃料と空気の混合促進による最適燃焼状態を確保し、熱効率の向上による燃料消費率の低減、燃焼改善により排気ガスの浄化に良い効果をもたらす。
また、前記制御装置は前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する排気ガスバイパス制御弁開度検出手段からの信号に基づいて、燃料消費率が最適な運転状態の掃気圧力にするため前記制御装置が算出した目標バイパス制御弁開度になるように該排気ガスバイパス制御弁の開度をフィードバック制御する。
排気ガスバイパス制御弁の開度を逐次検出して開度を制御することで、排気タービン過給機側への排気ガス量を調整して、エンジン本体への掃気圧力を調整が可能となり、経年劣化などによる指令値と実際の開度とのずれを補正することができ、運転条件が最適運転条件からずれるのを防止することができる。
また、前記制御装置はシリンダ内圧力検出手段によって検出されたシリンダ内圧力からシリンダ内圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力Ｐmaxとを算出し、予めエンジン負荷およびエンジン回転数に対する燃料消費率が最適となる最適圧縮圧力Ｐcomp０および最適最高圧力Ｐmax０がマップとして設定され、前記算出最高圧力Ｐmaxが前記マップ値になるように燃料噴射タイミングを制御し、前記算出圧縮圧力Ｐcompが前記マップ値になるように排気弁閉タイミングを制御する。
エンジンを最適運転状態に維持するための条件の一つに、燃料の燃焼状況が影響する。
燃料の燃焼状況はエンジン回転数、エンジンの掃気（吸気）圧力、燃料の性状（セタン価、粘度、不純物の混合等）等に影響され、燃料の着火時期、燃料の微細化状況等で燃焼状況が変わるので、シリンダ内圧力〔圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力（燃焼圧力）Ｐmax〕を直接検知して、燃料の燃焼状況が判断できる。
従って、エンジン運転状態がエンジン負荷に対するマップの燃料消費率が最適運転状態の値になるよう排気ガスバイパス制御弁を制御することで、掃気圧力を制御して、燃料の性状が変化してもエンジンの燃料消費率が最適な運転状態が維持できる。
また、本発明は、エンジンの排気エネルギー回収装置において、
前記エンジンから排出される排気ガスによってタービン部が駆動され、同タービン部の駆動により外気をエンジン本体に圧送するコンプレッサ部を有する排気タービン過給機と、同排気タービン過給機及び前記エンジンの排気マニホールド間を連通した第１排気管と、前記排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記排気マニホールド及び前記パワータービン間を連通した第２排気管と、同第２排気管の途中に配設され前記パワータービンへの排気ガスの流量を制御するガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記第２排気管に接続して前記パワータービンを迂回するバイパス管と、同バイパス管の途中に配設され前記パワータービンを迂回する排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンのシリンダ内圧力を検出するシリンダ内圧力検出手段と、エンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる最適圧縮圧力および最適シリンダ内最高圧力を算出するデータベースを有する制御装置とを備え、
前記制御装置は、算出した前記最適圧縮圧力になるように排気弁閉タイミングを制御し、算出した前記最適シリンダ内最高圧力になるように燃料噴射タイミングを制御することを特徴とする。
経年劣化などにより排気ガスバイパス制御弁指令値と実際の弁開度とのずれが生じて掃気圧力が低下した場合、あるいは排気弁シート部が摩耗した場合、圧縮圧力が低下するためエンジン性能が低下する。シリンダ内の燃焼圧力を直接検知して、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが所定の値になるよう排気ガスバイパス制御弁を制御することで、掃気圧力を制御して、エンジンの実運転条件が最適運転からずれるのを防止することができる。
本発明に係る排気エネルギー回収装置によれば、エンジンの負荷検出手段、エンジンの回転数検出手段、掃気圧力検出手段等夫々からの検出値からエンジン性能（燃料消費率）が最適となる掃気圧力を決定し、排気ガスバイパス制御弁を制御して、エンジン性能を常に最適な状態に維持できる。
は本発明の第１実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した概略構成図である。 は本発明の最適運転状態を決める制御用データベースの一例である。 は本発明の第１実施形態に係る制御構成図である。 は本発明の第１実施形態に係る制御フローチャートである。 は本発明の第２実施形態に係る制御構成図である。 は本発明の第２実施形態に係る制御フローチャートである。 は本発明の第３実施形態に係る制御構成図である。 は本発明の第３実施形態に係る制御フローチャートである。 は本発明の第４実施形態に係る制御フローチャートである。
以下、本発明に係るエンジン排気エネルギー回収装置の実施形態について説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１に示すように、舶用ディーゼル機関１はディーゼルエンジン本体（例えば、低速２サイクルディーゼルエンジン）２と、ディーゼルエンジン本体２（以下「エンジン本体」と称す）の排気マニールド７と、エンジン本体２内で図示ない燃料噴射装置により噴射された燃料が燃焼するシリンダ６とを備えている（本実施形態の場合はシリンダが６個配置された６気筒エンジンを示す）。３は排気マニールド７から排出された排気ガスによって駆動される排気タービン部３ａと、同排気タービン部３ａと同軸的に結合して回転駆動され外気をエンジン本体２に掃気（給気）として圧力をかけて供給するコンプレッサ部３ｂとを備えた排気タービン過給機、Ｌ１は排気マニールド７と排気タービン部３ａとを連結し、排気ガスが排気タービン部３ａへ送通される第１排気管、１８は外気をコンプレッサ部３ｂで圧縮した掃気（給気）を冷却して空気密度を上げるためのインタークーラ、Ｋ１はコンプレッサ部３ｂとインタークーラ１８とを連結した第１給気管、Ｋ２はインタークーラ１８とエンジン本体２の給気マニホールド８とを連結し、インタークーラ１８で冷却された掃気（給気）をエンジン本体２の給気マニホールド８へ送通させる第２給気管。
４は排気マニールド７から分流された排気ガスによって駆動され後述する発電機の駆動源であるパワータービン、９はパワータービン４及び排気タービン過給機３の排気タービン部３ａ夫々を駆動した排気ガスの熱により水を蒸気に熱交換させる熱交換器、Ｌ１０は熱交換器９へ給水する給水管である。熱交換器９は給水管Ｌ１０によって供給された水を蒸発管内（図示省略）に通水して、排気ガスの熱で水を蒸気に熱変換する装置である。
Ｌ２は排気マニールド７とパワータービン４とを連結し、排気ガスをパワータービン４へ送通させる第２排気管、Ｌ３はパワータービン４と熱交換器９とを連結し、パワータービン４から排出された排気ガスを熱交換器９に送通させる第３排気管、Ｌ４は排気タービン過給機３の排気タービン部３ａと第３排気管Ｌ３に連結して、排気タービン部３ａからの排気ガスを熱交換器９に送通させる第４排気管、Ｌ５は上述のパワータービン４に共働して発電機の駆動源となる蒸気タービン５と熱交換器９とを連結し、熱交換器９で熱交換された蒸気を蒸気タービン５に送通させる第５排気管、Ｌ６は蒸気タービン５を駆動した蒸気をコンデンサ（復水器）（図示省略）に戻す第６排気管、Ｌ７は熱交換器９で水を蒸気に熱交換した排気ガスをファンネル（煙突）（図示省略）に送通して船外に放出させる第７排気管である。
尚、蒸気をコンデンサ（復水器）で凝結させ復水した水は給水管Ｌ１０によって熱交換器９へ給水される。
Ｖ１は第２排気管Ｌ２の途中に介装され、パワータービン４への排気ガス流量をコントロールするために、コントローラ（図示省略）により開度が調整されるガス入口制御弁、Ｖ２は第５排気管Ｌ５の途中に介装され、蒸気タービン５への蒸気流量を前述のコントローラにより開度が調整される蒸気流量調整弁、Ｖ３は第２排気管Ｌ２のガス入口制御弁Ｖ１上流側位置と、第３排気管Ｌ３とを連結する第１バイパス管Ｌ８の途中に介装された排気ガスバイパス制御弁、Ｖ４は第５排気管Ｌ５の流量調整弁Ｖ２上流側位置と、第６排気管Ｌ６とを連結する第２バイパス管Ｌ１１の途中に介装された蒸気バイパス流量制御弁である。
Ｖ５は第２排気管Ｌ２と第１バイパス管Ｌ８との結合部と、ガス入口制御弁Ｖ１の間で第２排気管Ｌ２に介装された緊急用の緊急制御弁で、何等かの事態でパワータービン４への排気ガス流入を停止したい時に作動させる。
また、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３と第３排気管Ｌ３との中途部にオリフィス１９が介装されている。オリフィス１９はエンジン本体２が高負荷運転（通常の航行運転）され、パワータービン４が全負荷運転状態にされているとき（即ち、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３が全閉、ガス入口制御弁Ｖ１が全開とされているとき）に、ガス入口制御弁Ｖ１を流れる排気ガスと同量の排気ガスをガス入口制御弁Ｖ１が全閉の時（パワータービン４が停止状態）に排気ガスバイパス制御弁Ｖ３を流れるように調整されている。
従って、エンジン本体２が高負荷運転されている状態でパワータービン４が停止状態であると、排気タービン過給機３側に供給される排気ガスの流量が増加し、掃気圧力が所定以上に増加するのを防止して、エンジンに悪影響を与えるのを防止するものである。
一方、上述の通り、オリフィス１９はエンジン本体２が高負荷運転（通常の航行運転）され、パワータービン４が全負荷運転状態されている時に、パワータービン４を流れる排気ガスと同量の排気ガスが流れる（ガス入口制御弁Ｖ１を全閉している時）ように調整されていることは、ガス入口制御弁Ｖ１を全閉している時に、オリフィス１９を流れる排気ガスが排気タービン過給機３側に供給される排気ガスの流量が減少するほど流れないので、排気タービン過給機３の掃気圧力が所定値以下になることをも防止し、エンジン本体２の最適運転が確保できる。
パワータービン４の回転軸（図示省略）と、蒸気タービン５の回転軸（図示省略）とは減速機（図示省略）及びカップリング１０を介して連結され、更に、蒸気タービン５の回転軸（図示省略）と発電機１１の回転軸（図示省略）とは減速機（図示省略）及びカップリング１２を介して連結されている。
また、発電機１１は制御用抵抗器１３を介して船内（本実施形態では機関室内）に別途設置された配電盤１４と電気的に接続されており、発電機１１が発電した電力を船内電源として利用することができるようになっている。
次に、本発明の実施形態における燃料消費率が最適運転状態を決める制御用データベースであるマップについて、図２を参照して説明する。
図２の制御用データベースは舶用２サイクルエンジンで、あるエンジン回転数、負荷の時における関係を示している。従って、エンジン回転数、負荷それぞれに対して同様の関係のマップを持つこととなる。
横軸に圧縮圧力Ｐcompを示し、図２の右方向が大となる。縦軸に燃料噴射タイミングを示し、上方がタイミング遅角方向、下方が進角方向を示す。
圧縮圧力Ｐcompに代えて、掃気（給気）圧力（掃気圧力が大きいときに、圧縮圧力が大になる関係）、エンジン本体の排気弁閉タイミング（早閉じして圧縮圧力が大になる関係）として、制御因子を代えても同様の関係が得られる。
図中、間隔を有した複数の曲線は燃料消費率の等高線で、エンジンの回転数、負荷によって曲線の位置及び曲線の形状が異なる。図中燃料消費率の等高線は曲線の右下（曲線の中心方向）方向に移るに従い燃料消費率が良いことを示す。
また、太い直線は筒内最高圧力Ｐmax上限値を示し、筒内最高圧力Ｐmax上限値の右側エリアはエンジン本体の許容圧力を超えるため使用できない範囲となる。
従って、エンジンの燃料消費率を最もよい最適運転状態に制御する目標位置（最適運転ポイント）は筒内最高圧力Ｐmax上限値の左側エリアで且つ、燃料消費率の等高線の筒内最高圧力Ｐmax上限値に近接した部分となる。
この目標位置に基づいて掃気圧力、排気弁閉タイミング、燃料噴射タイミングを制御して、エンジンの最適運転状態を維持する。
また、負荷が低くなるにつれて、掃気圧力が低下し、それに伴い圧縮圧力が低下するため、燃料噴射タイミングを進角することができるようになる。このため、負荷が低いほど図２のマップにおいて最適運転ポイントは太い直線の筒内最高圧力Ｐmax上限値に沿って左下方向に移動する。
その際、燃料消費率の等高線も曲線の中心も太い直線の筒内最高圧力Ｐmax上限値に沿って左下方向に移動する。
（第１実施形態）
本発明によるエンジンの最適運転（燃料消費率が最も少ない）制御方法の第１実施形態を図３及び図４に基づいて説明する。図３は本発明の第１実施形態に係る制御構成図で、図４は本発明の第１実施形態に係る制御フローチャートである。
図３において、エンジン負荷検出手段２０からの信号と、エンジン回転数検出手段２１からの信号と、エンジンの掃気（給気）圧力を検出する掃気圧力検出手段２２からの信号が、制御装置であるコントローラ２３に入力され排気ガスバイパス制御弁Ｖ３への排気ガスバイパス制御弁制御指令信号Ａを出力する。
図４のとおり、ステップＳ１において、コントローラ２３にはエンジン本体１からエン
ジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ及び掃気圧力Ｐｓが夫々の検出手段によって検出され、
信号として入力される。ステップＳ２において、コントローラ２３はエンジン負荷Ｌ及び
エンジン回転数Ｎｅを予めコントローラ２３内に用意されたデータベースに照合し最適掃
気圧力Ｐｓ０を算出する（図２において横軸に掃気圧力を示したマップに基づいて算出）。
次に、ステップＳ３において、コントローラ２３は掃気圧力ＰｓとステップＳ２におい
て算出された最適掃気圧力Ｐｓ０との差ΔＰｓを求め、該差ΔＰｓに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度修正量ΔＡを決定する。
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３にて決定した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度修正量ΔＡと現在の開度指令値Ａ’から排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の新しい制御弁開度指令値Ａを決定する。ステップＳ５において、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３へ新しい制御弁開度指令値Ａに制御する指令をコントローラ２３によって出力する。その後ステップＳ５からステップＳ１に戻って繰返す。この動作を繰返すことにより掃気圧力Ｐｓが最適運転状態を維持するための状態になっているかをチェックし、最適運転状態（燃料消費率が最も少ない）を維持するための最適掃気圧力Ｐｓ０からずれている場合には修正する。
第１実施形態によれば、制御装置２３は検出されたエンジン負荷と、エンジン回転数等の検出値からエンジンの最適な運転状態にするためのエンジンの最適掃気圧力Ｐｓ０を算出して、その算出した掃気圧力になるようにパワータービン側に分流させる排気ガス量を上記排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の制御によって、最適掃気圧力になるように制御して、常にエンジンを最適運転状態に維持して、燃料消費率を抑えることによりエンジンのランニングコスト低減及び、それに伴う環境負荷低減等に良い効果が得られる。
（第２実施形態）
次に、本発明によるエンジン最適運転制御方法の第２実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。なお、第１、第２実施形態は、シリンダ内圧力を計測せずに、掃気圧力（給気圧力）の検出値に基づく制御の場合であり、後述する実施形態３、４はシリンダ内圧力を測定して制御する場合である。
図５は第２実施形態に係る制御構成図で、図６は第２実施形態に係る制御フローチャートである。
図５において、第１実施形態と同一構成は同一符号を付す。第１実施形態と異なる構成は、排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６から開度信号が入力され、さらに、エンジンコンローラ２５へ燃料噴射タイミング信号、排気弁閉タイミング信号、作動油蓄圧圧力信号（電子制御エンジンにおける燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧圧力）、または、燃料油蓄圧圧力信号（コモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧圧力）が出力される点である。
図６に示すフローチャートにおいて、まずステップＳ１１で、コントローラ２４には排気ガスバイパス制御弁開度検出手段２６から排気ガスバイパス制御弁開度信号Bと、エンジン本体１からのエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、及び掃気圧力Ｐｓが夫々の検出手段によって検出され、信号として入力される。
次にステップＳ１２において、予めコントローラ２４内に用意されたマップ（エンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅに対する、最適掃気圧力Ｐｓ０、燃料噴射タイミングθinj、排気弁閉タイミングθevc、作動油／燃料油蓄圧圧力マップ）に照らして、各パラメータの最適値を算出する。
すなわち、予めコントローラ２４内に用意されたマップは、図２で示すように、エンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ毎それぞれに、圧縮圧力Ｐcompと燃料噴射タイミングとの座標内に燃料消費率の等高線および筒内最高圧力Ｐmax上限値を示して、最適運転ポイントとしてＰ点が設定されるマップをいう。
そして、横軸の圧縮圧力Ｐcompに代えて、掃気圧力、排気弁閉タイミング、作動油蓄圧圧力（電子制御エンジンにおける燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧圧力）、または、燃料油蓄圧圧力（コモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧圧力）としてもよい。これらマップに基づいて、各パラメータの最適値が算出される。
ステップＳ１３において、コントローラ２４は掃気圧力検出手段２２で検出した掃気圧力ＰｓとステップＳ１２において算出された最適掃気圧力Ｐｓ０との差ΔＰｓを求め、該ΔＰｓに基づいて開度修正量ΔＡを決定する。ステップＳ１４において、ステップＳ１３にて決定した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度修正量ΔＡと現在の開度指令値Ａ’から排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の新しい制御弁開度Ａを決定する。ステップＳ１５において、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３へ新しい制御弁開度Ａに制御する指令をコントローラ２４によって出力する。ステップＳ１６において、新しく検出した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の検出値Bと、指令値Aとの誤差を算出する。ステップＳ１７において誤差があればステップＳ１４に戻り、誤差に基づいて修正量を算出し、修正を繰返す。
検出した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の制御弁開度Bが指令値Aの指示通りになると、ステップＳ１１に戻り、掃気圧力Ｐｓが最適掃気圧力Ｐｓ０を維持するように制御を繰返す。
一方、ステップＳ１８においては、燃料噴射タイミングθinj、排気弁閉タイミングθevc、作動油／燃料油蓄圧圧力マップ夫々からエンジン最適運転維持のための値を信号としてエンジンコントローラ２５へ送信して、エンジン本体２の制御を併せて実施する。
すなわち、前記したように図２の横軸の圧縮圧力ＰＣに代えて、掃気圧力、排気弁閉タイミング、作動油蓄圧圧力（電子制御エンジンにおける燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧圧力）、または、燃料油蓄圧圧力（コモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧圧力）としたマップによって、最も燃料消費率の少ない最適運転ポイントＰが設定された位置に対する、座標縦軸の燃料噴射タイミング、座標横軸の排気弁閉タイミング、作動油蓄圧圧力、燃料油蓄圧圧力の最適値を算出して出力する。
電子制御エンジンにおける燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧圧力や、コモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧圧力、さらに、排気弁の閉タイミングは燃料噴射圧力に直接影響を与える。従って、作動油蓄圧圧力や燃料噴射圧力を高く維持できるようにして、シリンダ内における燃料の微細化及び、燃料と空気の混合促進による最適燃焼状態を確保し、熱効率の向上による燃料消費率の低減、燃焼改善による排気ガスの浄化に伴う環境負荷の低減等に良い効果が得られる。
また、図６のステップＳ１４〜Ｓ１７に示すように排ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度を検出して、フィードバック制御を行うことで、経年劣化などによる指定値と実際の開度のずれを補正することができ、運転条件が最適運転条件からはずれるのを防止できる。
（第３実施形態）
次に、本発明によるエンジン最適運転制御方法の第３実施形態を図７、図８に基づいて説明する。図７は制御構成図、図８は制御フローチャートを示す。
図７に示す制御構成において、前記第２実施形態と同一構成は同一符号を付す。第２実施形態と異なる構成は、シリンダ内圧力検出手段２７によるシリンダ内圧力信号がコントローラ２８に入力される点である。
図８に示すフローチャートにおいて、まずステップＳ２１において、コントローラ２８には排気ガスバイパス制御弁Ｖ３から検出した排気ガスバイパス制御弁開度信号Bと、エンジン本体１からのエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、掃気圧力Ｐｓに加え、シリンダ内圧力Ｐcylを夫々の検出手段によって検出され、信号として入力される。ステップＳ２２において、検出したシリンダ内圧力Ｐcylのクランク角度履歴より、シリンダ内圧縮圧力（着火前圧力）Ｐcomp、シリンダ内最高圧力Ｐmaxを算出する。
次に、ステップＳ２３において、予めコントローラ２８内に用意されたマップ（エンジン負荷L、エンジン回転数Ｎｅに対する最適掃気圧力Ｐｓ０、最適圧縮圧力Ｐcomp０、最適最高圧力Ｐmax０のマップ）に照らして、パラメータ最適値を算出する。
ステップＳ２４において、掃気圧力Ｐｓと、ステップＳ２３において算出された最適掃気圧力Ｐｓ０との差ΔＰｓを求め、ΔＰｓに基づいて開度修正量ΔＡを決定する。ステップＳ２５において、ステップＳ２４にて決定した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度修正量ΔＡと現状の開度指令値Ａ’から排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の新しい制御弁開度Ａを決定する。
ステップＳ２６において、ステップＳ２５にて決定した、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３への新しい制御弁開度指令値Ａに制御する指令をコントローラ２８によって出力する。ステップＳ２７において、新しく検出した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の値と、指令値の誤差を算出する。ステップＳ２８において、誤差の有無を判定し、誤差があればステップＳ３０において、誤差に基づいて補正量を算出し、ステップＳ２５に戻り、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度の補正を繰返す。
検出した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の制御弁開度Ａが指令値の指示通りになると、その後ステップＳ２１に戻り、掃気圧力Ｐｓが最適掃気圧力Ｐｓ０を維持するように制御を繰返す。
一方、ステップＳ３１において、ステップＳ２３で算出したシリンダ内圧縮圧力Ｐcompと最適圧縮圧力Ｐcomp０との差ΔＰcompに基づいて排気弁閉タイミングの変更量Δθevcを決定する。
同じく、ステップＳ３２で排気弁閉タイミングの変更量Δθevcの決定と並行して、ステップＳ２３で算出した最適最高圧力Ｐmax０とステップＳ２２で算出したシリンダ内最高圧力Ｐmaxに基づいて燃料噴射タイミングの変更量Δθinjを決める。
ステップＳ３３において、ステップＳ３１で決定した排気弁閉タイミングの変更量Δθevcに基づいて排気弁閉タイミングを決定、ステップＳ３４において、燃料噴射タイミングθinjを決定する。ステップＳ３５において、コントローラ２８はエンジンコントローラ２５に対して排気弁閉タイミングθevc及び燃料噴射タイミングθinjの修正指令を出す。ステップＳ３６において、狙いの最適最高圧力Ｐmax０、最適圧縮圧力Ｐcomp０と、検出したシリンダ内最高圧力Ｐmax、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompの誤差を算出する。ステップＳ３７において、夫々に誤差があれば、誤差に基づいて修正量を算出して夫々ステップＳ３３と、ステップＳ３４にフィードバックして制御を繰返す。
これにより、エンジンは更にきめ細かい最適運転（燃料消費率が最も少ない）を維持でき、更なる燃料消費率の向上と環境負荷低減が可能となる。
また、エンジンのシリンダ内で圧縮される圧縮圧力は掃気圧力と排気弁閉タイミングの２つの因子によって決まる。従って、掃気（給気）圧力を高めつつ排気弁閉タイミングを遅らせる関係を設定することにより、ピストン上昇時の圧縮仕事の低減になり燃費低減効果がえられ、更に、圧縮上死点でのシリンダ内燃焼ガス温度を低下させるため、燃料燃焼時のNOｘ（窒素酸化物）生成を抑制できるので環境負荷の低減が可能である。
また、ステップＳ２４〜Ｓ２７に示すように掃気圧力が最適圧力となるように、掃気圧力の変化を逐次検出して排気ガスバイパス制御弁の開度を制御することで、排気タービン過給機側への排気ガス量を調整して、エンジン本体への掃気圧力を調整が可能となり、経年劣化などによる指令値と実際の開度とのずれを補正することができ、運転条件が最適運転条件からずれるのを防止することができる。
また、エンジンを最適運転状態に維持するための条件の一つに、燃料の燃焼状況が影響する。燃料の燃焼状況はエンジン回転数、エンジンの掃気（吸気）圧力、燃料の性状（セタン価、粘度、不純物の混合等）等に影響され燃料の着火時期、燃料の微細化状況等で燃焼速度が変わるので、ステップＳ３１〜Ｓ３７に示すように、シリンダ内圧力〔圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力（燃焼圧力）Ｐmax〕を直接検知して、検出した圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力（燃焼圧力）Ｐmaxとがそれぞれ、エンジン運転状態がエンジン負荷に対するマップの最適運転状態の値になるよう排気ガスバイパス制御弁開度及び燃料噴射タイミング、排気弁閉タイミングを制御することで、燃料の性状の変化や経年変化によるシリンダ内圧力の低下に対してもエンジンの最適運転（燃料消費率が最も少ない運転）が維持できる。
尚、圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力Ｐmaxとをそれぞれ最適値に制御するのでなく、Ｐmax／Ｐcompの比をとり、エンジン負荷に対して与えられる最適マップ比となるように排気ガスバイパス制御弁を制御することも可能である。
（第４実施形態）
次に、本発明によるエンジン最適運転制御方法の第４実施形態を図７、図９に基づいて説明する。図７は制御構成図であり、第３実施形態と同様である。図９は制御フローチャートを示す。
図９において、まず、ステップＳ４１において、コントローラ２９にはエンジン本体１からのエンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、掃気圧力Ｐｓ、シリンダ内圧力Ｐcylに加え、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の検出値を夫々の検出手段によって検出され、信号として入力される。ステップＳ４２において、検出したシリンダ内圧力Ｐcylのクランク角度履歴より、シリンダ内圧縮圧力Ｐcomp、シリンダ内最高圧力Ｐmaxを算出する。
ステップＳ４３において、予めコントローラ２９内に用意されたマップ（エンジン負荷Ｌ、エンジン回転数Ｎｅに対する最適圧縮圧力Ｐcomp０、最適最高圧力Ｐmax０のマップ）に照らして、パラメータ最適値を算出する。
ステップＳ４４において、コントローラ２９はシリンダ内圧縮圧力Ｐcompと最適圧縮圧力Ｐcomp０、との差ΔＰcompに基づいて排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度の変更量ΔＡを決定する。ステップＳ４５において、ステップＳ４４にて決定した排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度修正量ΔＡと現在の開度指令値Ａ’から排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の新しい制御弁開度指令値Ａを決定する。ステップＳ４６において、ステップＳ４５にて、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３へ新しい制御弁開度Ａに制御する指令をコントローラ２９によって出力する。
ステップＳ４７において、最適圧縮圧力Ｐcomp０、と新しく検出したシリンダ内圧縮圧力Ｐcompとを比較して、その誤差を算出する。そして、ステップＳ４８で、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度が０又は開かを判断する。排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度Ａ≠０ 即ち開いている場合は、ステップＳ４９において、誤差に基づいた排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度補正量を算出する。その結果をステップＳ４５に反映させて排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度制御を実施する。一方、ステップＳ４８において、開度Ａ＝０即ち閉じている場合は、ステップＳ５０において、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompの誤差に基づいて排気弁閉タイミング補正量Δθevcを算出する。ステップＳ５１において、排気弁閉タイミングθevcを決定する。
ステップＳ５２において、ステップＳ４３で算出したシリンダ内最高圧力Ｐmaxと最適最高圧力Ｐmax０の差に基づいて燃料噴射タイミングの変更量Δθinjを決定する。ステップＳ５３において、燃料噴射タイミングθinjを決定する。ステップＳ５４において、コントローラ２９はエンジンコントローラ２５へステップＳ５１で決定した排気弁閉タイミングθevcと、ステップＳ５３で決定した燃料噴射タイミングθinjの制御指令を出す。
ステップＳ５５において、目標の最適最高圧力Ｐmax０、最適圧縮圧力Ｐcomp０と、検出したシリンダ内最高圧力Ｐmax、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompの差を算出する。
その結果シリンダ内最高圧力Ｐmaxが目標の最適最高圧力Ｐmax0との誤差がある場合は
ステップＳ５６において、シリンダ内最高圧力Ｐmaxの誤差に基づいて燃料噴射タイミングの変更量Δθinjを算出し、ステップＳ５３に戻って、上記Ｐmaxの誤差に基づいてあらためて燃料噴射タイミングθinjを決定し、エンジンコントローラ２５へ信号を出力する。
一方、シリンダ内圧縮圧力Ｐcomp目標の最適圧縮圧力Ｐcomp０との誤差がある場合はステップＳ５０に戻って、最適圧縮圧力Ｐcomp０との誤差に基づいて排気弁閉タイミングθevcの補正量を算出しなおす。
経年劣化などにより排気ガスバイパス制御弁指令値と実際の弁開度とのずれが生じて掃気圧力が低下した場合、あるいは排気弁シート部が摩耗した場合、圧縮圧力が低下するためエンジン性能が低下する。ステップＳ４４〜Ｓ４８に示すように、シリンダ内の燃焼圧力を直接検知して、シリンダ内圧縮圧力Ｐcompが所定の値になるよう排気ガスバイパス制御弁を制御することで、エンジンの実運転条件が経年変化によって最適運転からずれるのを防止することができる。
これにより、エンジンは更にきめ細かい最適運転（燃料消費率が最も少ない）を維持でき、更なる燃料消費率の向上と環境負荷低減が可能となる。
また、シリンダ内圧力〔圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力（燃焼圧力）Ｐmax〕を直接検知して、検出した圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力（燃焼圧力）Ｐmaxとがそれぞれ、エンジン運転状態がエンジン負荷に対するマップの最適運転状態の値になるよう排気ガスバイパス制御弁開度、燃料噴射タイミング、排気弁閉タイミングを制御することで、燃料の性状が変化してもエンジンの最適運転（燃料消費率が最も少ない運転）が維持できる。
また、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３の開度が全閉状態の場合においても、排気弁閉タイミングを制御することでシリンダ内圧縮圧力Ｐcompを最適圧縮圧力Ｐcomp０に制御できるので、パラメータ最適値への制御を確実に行うことができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施及び変更実施することができる。
また上述した実施形態では排気タービン過給機３、パワータービン４、蒸気タービン５を夫々１台ずつ備えた排気エネルギー回収装置を一具体例として説明したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、例えば排気タービン過給機３を２台、パワータービン４と、パワータービンの入力側に排気ガスの流入量を調整する可変ノズルを備えて回転数を制御するパワータービン等を適用することも可能である。
また、本発明の実施形態によると、ガス入口制御弁Ｖ１、蒸気流量調整弁Ｖ２、排気ガスバイパス制御弁Ｖ３及び、蒸気バイパス流量制御弁Ｖ４きめ細かく調整することにより、
パワータービン４及び蒸気タービン５の運転夫々を無段階に調整できるので、発電機１１の発電量の調整幅が大きくなるため、船内での電力消費量が大きく変化しても、制御用抵抗器１３の容量が小さく、小型化したものを採用できるのでコスト的にも有利である。
本発明では、エンジンの排気エネルギーをパワータービン及び蒸気タービンを減速機とカップリングで直列に連結して、発電機を駆動して船内へ電力として供給したが、エアーアクチュエータの動力源として圧縮空気をエアタンクに蓄えることもできる。
１ 舶用ディーゼル機関
２ ディーゼルエンジン本体（エンジン本体）
３ 排気タービン過給機
３ａ タービン部
３ｂ コンプレッサ部
４ パワータービン
５ 蒸気タービン
７ 排気マニホールド
８ 給気マニホールド
９ 熱交換器
１１ 発電機
１３ 制御用抵抗器
１８ インタークーラ
Ｌ１ 第１排気管
Ｌ２ 第２排気管
Ｌ３ 第３排気管
Ｌ５ 第５排気管
Ｋ１ 第１給気管
Ｋ２ 第２給気管
Ｖ１ ガス入口制御弁
Ｖ２ 蒸気流量調整弁
Ｖ３ 排気ガスバイパス制御弁
Ｖ４ 蒸気バイパス流量制御弁

Claims (7)

  1. エンジンの排気エネルギー回収装置において、前記エンジンから排出される排気ガスによってタービン部が駆動され、同タービン部の駆動により外気をエンジン本体に圧送するコンプレッサ部を有する排気タービン過給機と、同排気タービン過給機及び前記エンジンの排気マニホールド間を連通した第１排気管と、前記排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記排気マニホールド及び前記パワータービン間を連通した第２排気管と、同第２排気管の途中に配設され前記パワータービンへの排気ガスの流量を制御するガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記第２排気管に接続して前記パワータービンを迂回するバイパス管と、同バイパス管の途中に配設され前記パワータービンを迂回する排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの掃気（給気）圧力を検出する掃気（給気）圧力検出手段と、エンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる最適掃気圧力を算出するデータベースを有する制御装置とを備え、
    前記制御装置は算出した前記最適掃気（給気）圧力になるように前記排気ガスバイパス制御弁を制御するようにしたことを特徴とするエンジン排気エネルギー回収装置。
  2. 前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる燃料噴射装置の最適噴射タイミングを算出するマップを備え、該マップを参照して、前記燃料噴射装置の噴射タイミングを制御することを特徴とする請求項１記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
  3. 前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる排気弁の閉タイミングを算出するマップを備え、該マップを参照して、前記排気弁の閉タイミングを制御することを特徴とする請求項１記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
  4. 前記エンジンが燃料ポンプ駆動油の作動油蓄圧室、またはコモンレール式燃料ポンプの燃料蓄圧室を備え、前記制御装置には、さらにエンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を算出するマップを備え、該マップを参照して、前記作動油蓄圧圧力または燃料蓄圧圧力を制御することを特徴とする請求項１記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
  5. 前記制御装置は前記排気ガスバイパス制御弁の開度を検出する排気ガスバイパス制御弁開度検出手段からの信号に基づいて、燃料消費率が最適な運転状態の掃気圧力にするため前記制御装置が算出した目標バイパス制御弁開度になるように該排気ガスバイパス制御弁の開度をフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
  6. 前記制御装置はシリンダ内圧力検出手段によって検出されたシリンダ内圧力からシリンダ内圧縮圧力Ｐcompと、最高圧力Ｐmaxとを算出し、予めエンジン負荷およびエンジン回転数に対する燃料消費率が最適となる最適圧縮圧力Ｐcomp０および最適最高圧力Ｐmax０がマップとして設定され、前記算出最高圧力Ｐmaxが前記マップ値になるように燃料噴射タイミングを制御し、前記算出圧縮圧力Ｐcompが前記マップ値になるように排気弁閉タイミングを制御することを特徴とする請求項1記載のエンジン排気エネルギー回収装置。
  7. エンジンの排気エネルギー回収装置において、
    前記エンジンから排出される排気ガスによってタービン部が駆動され、同タービン部の駆動により外気をエンジン本体に圧送するコンプレッサ部を有する排気タービン過給機と、
    同排気タービン過給機及び前記エンジンの排気マニホールド間を連通した第１排気管と、
    前記排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記排気マニホールド及び前記パワータービン間を連通した第２排気管と、同第２排気管の途中に配設され前記パワータービンへの排気ガスの流量を制御するガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記第２排気管に接続して前記パワータービンを迂回するバイパス管と、同バイパス管の途中に配設され前記パワータービンを迂回する排気ガスの流量を制御する排気ガスバイパス制御弁と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンのシリンダ内圧力を検出するシリンダ内圧力検出手段と、エンジン負荷検出手段及びエンジン回転数検出手段から検出された夫々の検出値からエンジンの燃料消費率が最適な運転状態になる最適圧縮圧力および最適シリンダ内最高圧力を算出するデータベースを有する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、算出した前記最適圧縮圧力になるように排気弁閉タイミングを制御し、算出した前記最適シリンダ内最高圧力になるように燃料噴射タイミングを制御することを特徴とするエンジン排気エネルギー回収装置。
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