JP2013224653A - クロスヘッド及び排気ガス（燃焼ガス）再循環系を有する大型低速ターボ過給式２サイクル内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の排出規制を満たすとともに、製造コストおよび運転コストの双方の観点から経済的に行うことを可能にしうる機関を提供する。
【解決手段】排気ガス再循環系を有する大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関1は所定の最大連続定格を有する。この機関は、排気ガスシステムと、給気システムと、分割点20で排気ガスシステムに接続され、混合点10で給気システムに接続されるEGRシステムとを備える。排気ガスシステムにおいて分割点の下流にある部分における、排気ガスの質量流を処理するための規定の能力は、最大限でも、最大連続定格で全てのシリンダ4から来る排気ガスの質量流よりも少ない。上記機関は、シリンダから実際に来る質量流からEGRシステムを通過する質量流を差し引いた質量流が規定の能力を超えないようにしうる、最低限のEGR率で動作するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、クロスヘッド及び排気ガス（燃焼ガス）再循環系を有する大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関に関連する。さらに、本発明は、クロスヘッド及び排気ガス（燃焼ガス）再循環系を有する大型低速ターボ過給式内燃機関を動作させる方法に関連する。

発明の背景

クロスヘッドを有する大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関は、少なくとも1つのシリンダと、その中で受容される往復運動ピストンとを有する機関（エンジン）である。これらの機関は、ピストンとクランク軸との間に配されるクロスヘッドを有する。燃焼室は、ピストンとシリンダ内壁と、シリンダの一端のシリンダカバーとの間によって画定される。シリンダカバーは排気弁を備える。排気弁は、燃焼室から排気ダクトシステムへ燃焼かすを排出するために、制御可能かつ断続的に開口することができる。これらの機関はまた、内部における燃焼前にシリンダの第2の端部の近くで間欠的に開口部を確立する手段を有する。そして、その開口部を通して、酸素を含む加圧された掃気ガスを導入することによって第1の端部に向かって掃気を行う。これらの機関はまた、燃焼室の中で燃焼を発生させるために、加圧された掃気ガスの中に燃料を噴射する手段も備える。

上記の定義による機関は、しばしば、クロスヘッド式ユニフロー大型ターボ過給式2サイクルディーゼル機関」または単に「大型2サイクル機関」と称される。ただしこれらの語句は完全に正しいとは限らない。またこれらの機関は、しばしば、直列に配される複数の直立したシリンダを有するように実装され、これらのピストンは単一のクランク軸で作動する。これらの機関は、純粋な2サイクルの作動順序を有することができる。またこれらの機関は、通常、シリンダの直径やピストンストロークの物理的なサイズが大きいものであり、しばしば住宅ほどの高さになる。これらの機関は、発電所の発電機を駆動するための、海洋船舶の推進力のための、またはMWを超える範囲の出力要件等を満たすための、数メガワットの出力を比較的低い回転速度で発生する。

現在、大型低速ターボ過給式内燃機関において、NOx発生を減少させるための多くのオプションが存在する。これらのオプションは、エンジンプロセスに適用されるべきものであり、具体的には次のようなものが存在する。
・ 排気ガスまたは燃焼ガス再循環（EGR）
・ 水エマルジョン燃料の使用
・ 新気の加湿、すなわち、掃気加湿（Scavenge Air Moisterization; SAM）

本明細書において、「排気ガス再循環または燃焼ガス再循環」という用語は、EGRという用語で称される。

これまでのところ、NOxの発生を最も効果的に減少させる方法はEGRである。DE19809618は、排気ガス再循環システムを備える大型2サイクルターボ過給式ディーゼル機関を開示する。この文献の機関では、ガスはシリンダから直接取り出されるため、この形式のEGRは、燃焼ガス再循環（Combustion Gas Recirculation; CGR）とも呼ばれる）。この文献において「排気ガス再循環」との用語が用いられる場合、それは、排気ガスから取り出されるガスの再循環と各燃焼シリンダから直接取り出されるガスの再循環との両方を対象としている。

排気ガス再循環では、排気ガスは汚れていない掃気と混合され、その結果、燃焼開始時のガス混合気の酸素含有量は少なくなっている。これによって、燃焼過程中にNO_xが発生する可能性の低下が達成される。

2011年から、新しい船舶に設置される船舶用ディーゼル機関は、IMO Tier II NOx排出要件を満たさなければならない。大型低速ターボ過給式内燃機関の場合、制限は、14.4g/kWhとなる。これは、従来の機関の改良によって達成されることができるが、これらは、燃料消費の増加をもたらす。

特定の排出規制海域（Emission Control Area; ECA）の中へ航海する時に、2016年1月1日以後に建造される船舶に設置される機関は、はるかに低い制限であるTier IIIを満たさなければならず、低速機関の場合、3.4g/kWhである。この制限は、従来の機関の改良によっては達成することができず、EGR等の、排出量を少なくするための別の方法を使用しなければならない。

排気ガスシステムには、機関の1つ又は複数のターボ過給機のタービンの低圧側に、SOxスクラバまたは他の装置を設けることができる。SOxスクラバは、機関が最大連続定格（MCR）で出力を届ける場合に生成される大量の排気ガスの質量流を処理することが可能でなければならないので、かさばる装置である。

DE19809618

このような背景から、本出願の目的は、種々の排出規制を満たすとともに、それを満たすことが、製造コストおよび運転コストの双方の観点から経済的に行うことを可能にしうる、機関を提供することである。

この目的は、クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関を提供することによって達成される。この機関は、排気ガスシステムと、掃気システムと、掃気システムの中にコンプレッサを有するターボ過給機と、排気ガスシステムの中のタービンと、排気システムおよび掃気システムに接続されるEGRシステムと、コントローラとを備える。このコントローラは、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス質量流量率との間で、分配するように構成される。また前記コントローラは、排気ガスの全質量流量率に対するEGR質量流量率の比である、選択されたEGR率であって、ゼロから所定の最大率までの範囲で選択可能であるEGR率を有する。前記排気ガスシステムは、排気ガス質量流量率を処理する規定の最大連続能力であって、最大連続定格でシリンダから来る全排気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大連続能力を有する。前記コントローラは、選択されたEGR率に関わらず、シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量率が排気ガスシステムの規定の最大能力を超える時に、超過質量流量率をEGRシステムの中へ送給するように構成される。

したがって、ターボ過給機のタービンに向かって排気ガスシステムを通って流れる排気ガスの最大質量流を大幅に低減することができ、機関の運転および構成の双方に関して相当のコスト節減を提供する。

したがって、コントローラは、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス流量率との間で、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を分配するように構成される。ただし、前記全質量流量率に対するEGR質量流量率の選択されたEGR率に基づいて前記分配を行うように構成される。

一実施形態において、前記規定の最大能力は、最大連続定格でシリンダから来る総排気ガス質量流量率の50％〜90％の範囲内である。

一実施形態において、前記排気ガスシステムは、少なくとも排気ガス処理要素を備える。

一実施形態において、前記掃気システムは、掃気質量流量率を扱う規定の最大能力であって、最大連続定格で掃気ガス受けへ流れる全掃気ガスの給気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大能力を有する。したがって、掃気システムの構成要素は、大きさを小さくすることができ、それによって、製造および運転のコストを節約する。

一実施形態において、前記掃気システムは少なくとも掃気冷却機を備える。

一実施形態において、前記コントローラは次の少なくとも2つのモードで動作しうるように構成される。

１つは、前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記選択されたＥＧＲ率は、超過質量流量率がない場合に排気要件をちょうど満たすように選択される、低排出モードである。

もう１つは、前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機の前記タービンへ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力を超えることを避けるためにゼロよりも高いＥＧＲ率が必要とされる時を除いて、前記選択されたＥＧＲ率はゼロになるように選択される、排気低減モードである。

上記の目的はまた、クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関を動作させる方法を提供することによっても達成される。前記機関は、排気ガスシステムと、掃気システムと、掃気システムの中にコンプレッサを有するターボ過給機と、排気ガスシステムの中のタービンと、排気システムおよび掃気システムに接続されるEGRシステムと、コントローラとを備える。前記方法は、シリンダから来る排気ガスの全質量流量率を、EGRシステムに進入するEGR質量流量率と、タービンに向かって排気ガスシステムの中を流れる排気ガス質量流量率との間で分配することと、排気ガスの全質量流量率に対するEGR質量流量率の比である、選択されたEGR率に従って、ゼロから所定の最大率までの範囲でEGR率を選択することとを含む。前記排気ガスシステムは、排気ガス質量流量率を扱うことに関する規定の最大連続能力であって、最大連続定格でシリンダから来る全排気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大連続能力を有し、また、選択されたEGR率に関わらず、シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量率が排気ガスシステムの規定の最大能力を超える時には、超過質量流量率をEGRシステムへと送給する。

したがって、ターボ過給機のタービンに向かって排気ガスシステムを通って流れる排気ガスの最大質量流を大幅に低減することができ、機関の製造および構成の双方において相当のコスト節減を提供する。

ある実施形態において、本方法は、シリンダから来る実際の全質量流量率を決定することと；実際の質量流量率と規定の能力との間の差を決定することと；実際の質量流量率が規定の能力以下である時に、ゼロから所定の最大率の範囲で選択される所望のEGR率を適用することと；実際の質量流量率が規定の能力よりも大きい時に、排気ガスシステムを通ってターボ過給機のタービンへ流れる質量流が、規定の能力を超えないことを確実にするために十分な大きさのEGR率を適用することとをさらに含む。

一実施形態において、本方法は、前記機関が前記機関の負荷に依存し、超過質量流量率がない時に低排出要件を満たすために必要とされるＥＧＲ率で動作する、低排出モードと；前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機の前記タービンへ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力を超えることを避けるために必要とされる最低限のＥＧＲ率で動作する、排気低減モードと；の少なくとも２つのモードのうちの１つで、前記機関を動作させることをさらに含む。

本方法の一実施形態において、前記動作モードは、オペレータによって手動で選択されるか、または電子コントローラユニットによって自動で選択される。

本方法の一実施形態において、前記コントローラは、機関の地理的位置に関する情報に基づいて、動作モードを決定する。

本願の開示に従う機関および機関を動作させるための方法のさらなる目的、特徴、利点、および特性は、以下の詳細説明より明らかになる。

本明細書の以下の詳細説明部分では、図面に示される例示的実施形態を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。
例示的な実施形態に従う機関の概略図である。 別の例示的な実施形態に従う機関の概略図である。 機関を動作させる方法の例示的な実施形態を示す、フローチャートである。

好適な実施形態の詳細な説明

図1は、クロスヘッド式大型低速ターボ過給式2サイクル内燃機関1の形式を有する機関の概略図を示す。例示的な実施形態において、機関1は、直列に並んだ6本のシリンダ4（破線の円で示される）を有する。大型ターボ過給式2サイクルディーゼル機関は、典型的に、5〜16本のシリンダを直列に有し、これらは機関フレーム2によって支持される。

機関1は、シリンダ4の下部領域に掃気ポートを有し、シリンダ4の頂部に排気弁を有する2サイクルユニフロー型である。そのような機関の一般的な動作原理はよく知られており、ここでは詳細に説明されない。

機関1は給気システムを有する。給気システムは入口5を有し、この入口にはサイレンサまたはフィルタユニットが備えられることがあり、これらはターボ過給機6のコンプレッサ7の上流に設けられる。ターボ過給機6には、後に詳細に説明される排気ガスシステムの一部であるタービン8も設けられる。図にはターボ過給機6が1つしか示されていないが、複数のターボ過給機を機関に備え付けて動作させることも可能である。圧縮された高温の掃気は、掃気ガス受け16へと通じるパイプ9を通ってコンプレッサ7から退出する。掃気ガス受け16に到着する前に、掃気ガスは、最初に第1の冷却機11を通過し、その後第2の空気冷却機12を通過し、次いで、反転室/水ミスト捕集器14を通過する。

第1の冷却機11において、掃気は加湿され、若干冷却される。空気冷却機12において、掃気は、典型的に、摂氏190度程度の範囲から摂氏約40度まで冷却される。

混合点10で、再循環排気ガスの流れが掃気流に加えられる。掃気流に加えられる再循環排気ガスの量は、動作モードおよび機関負荷/動作条件に応じて、ゼロから所定の最大質量流量比との間で可変的である。

図1において、混合点10の上流にある給気システムの構成要素は、破線42の中に含められて示されている。

反転室/水ミスト捕集器14は、ガス状の掃気媒体の中のあらゆる水滴が、最終的に燃焼室に進むことを回避するために捕集され、除去されることを確実にする。

低機関負荷（典型的には、MCRの約40％未満）時を除いて、掃気ガスは、反転室/水ミスト捕集器14から直接に掃気ガス受け16へ進む。機関負荷が低い時においては、タービン7によって生成される掃気圧は通常不十分であるため、低機関負荷条件で機能するように切り替えられた場合は補助ブロワ15によって掃気圧を増加させてもよい。

掃気ガスは、シリンダ4の定められた動作順序に従って、上述の掃気ポートを通って掃気ガス受け16からシリンダ4内の燃焼室に進入する。

燃焼後、排気ガスは、排気弁を通ってシリンダ4内の燃焼室から退出し、排気ガス受け17に到達する。排気ガス受け17は、しばしば、機関1の長手方向に沿って延在する大型円筒容器である。排気ガス受け17は、各シリンダ4から来る排気ガスの圧力変動を十分に弱めるために、大きな容積を有する。排気ガス受け17は、別々の部分に区切られてもよく、それぞれの部分には機関の総合的な機能を補助するための様々な要素が含まれてもよい。それらは例えば、排気ガスから有用な熱を集めるためのものであったり、機関の総合的な機能を改善するための様々な物質を加えるためのものであったりしてもよい。

機関1には、その最大連続定格においてシリンダ4から退出して排気ガス受け17に進入する排気ガスの質量流量率が存在する。

排気ガスは、パイプ18を通って排気ガス受け17から退出する。分割点20では、シリンダ4から来る排気ガスの全質量流の一部（割合）がEGRシステムに導かれる一方で、シリンダから来る排気ガスの全質量流の残りの部分は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分へと導かれる。

分割点20の下流で、排気ガスは、パイプ31の中をターボ過給機6のタービン8へ進む。この実施例において、排気ガスは、タービン8の下流で、排熱回収ユニット33を介してパイプ32を通り、次いで、SOxスクラバ34を通って進む。その後に、排気ガスは、環境、すなわち周囲の空気に導かれる。排熱回収ユニット33や特にSOxスクラバ34は、体積が非常に大きな装置であり、例えば機関が推進ユニットとして使用される船舶においては、搭載するための空間を見つけることが困難である。分割点20の下流にある排気ダクト31および32の途中に、追加的または代替的な種々の回収または処理装置が設けられてもよい。排気ガスの質量流量が大きくなるにつれて、関連する装置の物理的体積も大きくなるという傾向は共通であり、上記回収・処理装置の全てについても一般的に当てはまる。

理解を容易にするために、分割点20の下流にある排気ガスシステムの構成要素は、図1において、破線44で囲まれて示されている。

分割点20から、再循環排気ガスは、電子制御弁21、プレスクラバ22、混合気冷却機23、湿式スクラバ24、水ミスト捕集器25、およびEGRブロワ26を介して、パイプ28を通過して混合点10へ進み、再循環排気ガスはそこで掃気流に加えられる。

電子制御ユニット50の形態を有するコントローラは、電子制御弁21やEGRブロワ26、補助ブロワ15に制御信号を送信し、また、冷却ユニット11、12、23に関連する水ポンプ（符号なし）にも制御信号を送信する。この電子制御ユニットはまた、例えば燃料噴射システムや機関冷却システム、機関潤滑システム、排気弁作動システム等の、機関の他の機能を制御するためにも使用され得る。

電子制御ユニット50は、電子弁21およびEGRブロワ26に対する信号を通して、再循環排気ガスの比率を決定する。

電子制御ユニット50は、選択された動作モードや機関負荷等の機関運転条件に基づいて、必要とされるEGR率を判断する。機関1および電子制御ユニット50は、少なくとも2つの異なるモードで動作することが可能であるように構成されている。1つのモードは、低NOx排出値を提供する低排出モード（Low Emission Mode; LEM）である。もう1つのモードは排気低減モード（Reduced Exhaust Mode; REM）である。このモードは、最大連続定格未満の機関負荷でより良好な燃料効率を提供するが、最大連続定格未満の機関負荷においてNOx排出レベルが高くなるというトレードオフを有する。

これらの動作モードは、機関1の地理的位置に基づいて自動的に選択されることができ、または機関1のオペレータによる入力を通して選択されることができる。あるいは、制御にGPSユニットを組み合わせることによって自動的に選択されることができる。

本例示的実施形態に従う機関1によれば、LEMにおいて、特に支障なくNOx排出値をECA Tier IIIの厳しい上限値未満に抑えることができる。また、REMでは燃料効率が良好であり、かつNOx排出レベルも非ECA海域における要請よりも大幅に低い。

Tier IIIの下でECAに適用される最も厳しい排出規制を満たすためには、機関を、低排出モード（LEM）で、比較的高いEGR率で動作させる。この比較的高いEGR率は、しばしば、機関負荷に関わらず一定に保たれる。典型的に、低排出モードにおけるEGR率は、約32％〜約44％の間である。下の表1で与えられる例において、低排出モード（LEM）のEGR率は38％である。また、排出低減モード（REM）において、ＥＧＲ率は、特定の部分負荷状態における機関の特定の振る舞いの効果を補償するために、機関負荷と関連して変動してもよい。

下の表1は、最大連続定格の割合としての機関負荷と、異なる機関負荷での、すなわち、25％MCR、50％MCR、75％MCR、および100％MCRでの、EGR率と、NO_x排出レベル（g/kWh）とを列記している。IMO NO_xサイクルで使用するためのNO_x値、ならびにIMOサイクルに従って組み合わせるNO_x値も示されている。表1はまた、機関が100％の最大連続定格で運転している時の、機関の全シリンダから来る排気ガスの質量流量の割合として、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分を通る排気ガスの質量流量を列記している。

排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分（破線44によって囲まれている）の大きさは排気ガスの処理量によって定められるが、その処理量は、最大で、機関1を最大連続定格で動作している時にシリンダ4から来る排気ガスの全質量流量に対応する質量流量から、（問題となる機関に対するIMO Tier III ECAの制限を守るために）最大連続定格においてEGRシステムを通過しなければならない排気ガスの質量流量率の値を引いた量としてよい。

分割点20の下流の排気ガスシステムの質量流量率のためのこの規定の能力Cは、排気ガスシステムにおいて破線44によって囲まれる領域内の部分の構成要素の「大きさ」又は能力によって決定（すなわち制限）される。

本明細書において、「大きさが定められる」との語句は、分割点20の下流にある排気ガスシステムおよびその構成要素が、実質的に能力過剰にならずに求められる能力（質量流量率）に対処できるように、すなわち必要以上に大きくならずに設計および構成されることを意味する。

シリンダ4からの排気ガス流量率のうち、この規定の能力Cを超える分であって、EGRシステムへ通されることが必要な分は、本明細書において、"超過質量流量率（Excess Mass Flow Rate）"と称される場合がある。

一例ではあるが、約100回転で約36MWのトルクを提供するMAN B&W 6K98ME-C7のような、ボア98cmおよびストローク約2.4mの６気筒機関において、最大連続定格でシリンダ4から来る排気ガスの全質量流量率は、約300,000kg/hとなる。この機関の場合、下の表1にあるEGR率を採用すると、排気ガスシステムにおいて分割点20の下流部分の大きさは、その62％、すなわち、186,000kg/hだけを処理しうるように定められる。従って、EGRシステムに通される、最大連続定格時の超過質量流量率は、114メートルトン/hとなる。

機関1を排気低減モード（REM）で動作させる場合、EGR率は、機関負荷の変動に対して一定に保たれない。代わりにEGR率は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分の規定能力は超えないようにしながら、できるだけ低く抑えられる。表1で示されるように、電子制御ユニット50は、機関負荷が最大連続定格の62％以下である全ての領域において、EGR率をゼロに保つ。機関負荷が最大連続定格の62％を超える場合、電子制御ユニット50は、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分を通る質量流量率が、規定の能力に対応する率となるようなEGR率を適用する。すなわち、当該質量流量率が、最大連続定格の100％時にシリンダから送られる排気ガスの質量流量率の62％となるようなEGR率を適用する。従って、排出低減モードにおいては、機関1は、EGRシステムを通して一部の排気ガスをさらに再循環させることが望ましい別の理由がある場合を除いて、機関負荷が62％〜100％である場合はゼロ〜38％の間で変動するEGR率で運転され、62％未満の機関負荷においてはEGR率ゼロで運転される。

100％の最大連続定格時にシリンダ4からやってくる排気ガスの全質量流量率より低い質量流量率の排気ガスに対応できるように大きさが決定された（すなわちそのような処理能力を有する）、排気システムにおける分割点20の下流部分と、機関負荷に応じて最低限のEGR率を適用するREM運転モードとの組み合わせは、製造および運転の両方の観点において、総合的に経済的な機関のコンセプトを提供する。

上記の表1の中の数字は、例示的なものである。TIRE IIIモードで適用されうる、EGR率の他の値も可能である。シリンダから来る排気ガスの全質量流量率のうち、EGR流に使用される質量流量率の割合は、10％〜50％の範囲内、好ましくは20％〜45％の範囲内、さらに好ましくは36％〜40％の間であり得る。

故に、排気ガスシステムにおける分割点20の下流部分が処理することが可能なように決定される、排気ガスの質量流量率の大きさは、最大連続定格時にシリンダから来る全排気ガス流の質量流量率の50％〜90％の範囲内、好ましくは55％〜80％の範囲内、さらに好ましくは60％〜64％の間とすることができる。

図2は、機関1の別の例示的な実施形態を示している。この実施形態は、図1で示される実施形態と基本的に同じであるが、EGRシステムが排気ガス受け17で排気システムに接続され、このため排気ガス受け17が明確な分割点または分割位置を有する点と、EGRシステムが掃気ガス受け16で掃気システムに接続され、このため混合点が形成されることが異なっている。また、この実施形態では、水ミスト捕集器14および補助ブロワ15が、掃気システムの中で当該混合点の上流に設けられる。従って、これらの構成要素はサイズが小さく設計されることが可能となる。そのほか、図2に従う機関の動作および制御は、図1に従う機関のものと同じである。

混合「点」の別の位置、すなわち、10のような場所も可能である。請求項で定義される一群の実施形態は、コンプレッサ7の上流の位置で再循環排気ガスを加えることを含む。これによって、例えばEGR系からの出力が加圧されていることという要請は、実質的に低減される。しかし、最大連続定格時に供給ガスの全質量流量を処理するために、掃気ガス吸入システム42の中の構成要素のいくつかについて、能力を増強しなければならない。さらに、掃気のためのシリンダ開口部を閉鎖する前または閉鎖した後に、再循環のために排気ガスをそれぞれのシリンダの中に直接的に導入する実施形態も、請求項の範囲に含まれる。そのような実施形態の場合、EGR系は、特にシリンダへの分配のための弁や、所要の圧力レベルに関して、適合されなければならない。

図3は、簡単なフローチャートで、機関の動作方法の一例を示したものである。この方法は、電子制御ユニット50へのGPS等のナビゲーション信号を通じて、船舶/機関1の地理的位置を判断することを含む。電子制御ユニット50は、判断された地理的位置がECA領域の中にあるかどうかを、その中に記憶される情報に基づいて判断する。判断された地理的位置がECA内であった場合、電子制御ユニット50は、固定された所定のEGR率を有する、低排出モード（LEM）による運転方法を選択する。判断された地理的位置がECAの外側にあった場合、電子制御ユニット50は、排気低減モード（REM）を選択し、最低限のEGR率で運転する。電子制御ユニット50は、特定の間隔で地理的位置を確認し、ECAの内側または外側に位置しているという結論に依存して、運転モードを自動的に選択する。基本的に、例えば緊急事態がそうすべきであることを必要とする場合、機関のオペレータは、常に、手動で動作モードの選択を破棄することが可能である。

排出低減モード（REM）で動作する時の最低限のEGR率を判断するために、電子制御ユニット50は、シリンダから流れてきている実際の質量流量率を判断する。ある実施形態において、これは、電子制御ユニット50に記憶されるルックアップテーブルを使用することによって可能にされる。このテーブルは、最大連続定格の割合として、機関負荷に関してシリンダから来る質量流量率を含んでいる。次に電子制御ユニット50は、判断した実際の質量流量率と、排気ガスシステムにおける分割「点」20の下流部分の規定能力との間の差を決定する。判断した実際の質量流量率が規定能力以下である時に、電子制御ユニット50は、EGR率としてゼロを適用する。判断した実際の質量流量率が、分割点から下流側にある排気システム経路31、32の規定能力よりも大きい場合、電子制御ユニット50は、EGR弁21を開き、判断された差の分の質量流量率を分離してEGR弁21の下流に導く。それによって、分離された上記差の分の質量流量率をシリンダからの実際の質量流量率によって除算した値に等しいEGR率を確立する。一例として、シリンダから来る質量流量率が100 kg/sであり、規定の能力が80 kg/sである時、EGR弁21を通して20 kg/sが導かれるので、確立されたEGR率は、(100-80)/100＝0.2、すなわち、20％である。

また、排気システムを通る最大質量流量率の限度を低く抑えたことは、本発明に従って排気系の許容限度より多くの燃焼ガスを生成するように機関が運転されるとき、必然的に、EGR系へ導かれる分離ガスが、シリンダに供給する掃気ガスの全質量流量率に対して正の貢献をもたらすことに注意されたい。また、掃気システムの入口/上流（5-7-9-11-14）において要求される、質量流量率の容量も小さくなる。

したがって、本発明はまた、EGR率によって許容される範囲まで、吸気系要素と排気系要素の両方の大きさを小さくするという、有用な組み合わせの可能性も提供する。ここで上記の要素には、例えばターボ過給機、掃気「処理装置」、機関室の通気、SOxスクラバシステム、廃熱回収（Waste Heat Recovery； WHR）システム、および他のアプリケーションのようなものが含まれる。サイズの低減は、これらの要素のハードウェアコストおよび設置コストを大幅に下げ、SOxスクラバおよびWHRを設置する場合、機関室の空間の大幅な獲得を期待することができる。

廃熱回収ユニット33も、低減された最大質量流量率からの恩恵を受ける。その理由は、機関の動作範囲および動作時間のかなり広い範囲にわたって、比較的多くの（〜最大量の）高温の排気ガス流量率が存在し、安定的に飽和状態となるため、熱伝達効率が良好になるからである。これに対して従来の機関では、まれにしか最大連続定格に到達せず、そのWHRユニットをまれにしか有益に「飽和」させることができない。

さらに、機関の最大吸気量を抑えることで、機関室の通気も少なくなるため、さらなる節約がもたらされる。特に、サイレンサおよび機関室ブロワのためのコストを低減することができる。

排気低減モード（REM）は、EGRが適用される船舶用ディーゼル機関の専用の運転モードである。REMは、（環境に）排出するガスの分割点または分割位置の下流において、永続的に低い又は低減された最大質量流量率を保つ目的で、EGR率が制御されることを含み、またそれによって、排気システム中の構成要素のサイズおよびコストを低減する機会を提供することを意味する。

排出規制海域（Emission Control Areas； ECA）の外側を航海する時に、EGR率は、ECAの外側でNOx基準を順守するために必要な比率よりもかなり高くなる。100％MCR時に、EGR率は、ECA内のNOx基準を順守するために必要とされる比率に等しい。負荷が低い時には、NOxレベルを現場のNOx基準未満に保ちながら、EGR率を低減することができる。

特に、SOxスクラバのサイズを小さくすることは、いくつかの理由によりかなりの経済的影響を有する。ターボ過給機の低圧側に設けられるSOxスクラバは、非常に体積が大きく、コストがかかり、場所を取る装置の一部であるしたがって、どのようなサイズ低減もコストを削減し、他の装置のための空間を提供する。さらに通常、SOxスクラバは、洗浄の媒体として大量の海水を使って運転され、この海水をポンプで送ることはエネルギーを消費する。加えて、例えばNaOHのような化学物質を海水に加えなければならず、それによって、処置すべき排気ガスの量（質量流量率）が増加することがあり、さらにコストを増加させる。したがって、排気システムにおいて分割点の下流にある部分を通す必要のある排気ガスの最大質量流量率を削減し、それによってSOxスクラバを通す必要のある排気ガスの最大質量流量率も削減することは、かなりの経済的利点をもたらす。

当然、機関はまた、ECA内で動作するためのLEMモードと、REMモードとの間に該当するモードで運転されることもあるだろう。すなわち、EGR率が、分割点の下流における排気システムの質量流量率を損なわないために必要とされる比率よりも大きい場合もあるだろう、EGR率が、分割点の下流における排気システムの質量流量率を損なわないために必要とされる比率よりも大きいことを意味する。しかしながら、燃料経済的な理由のために、最低限のEGR率で動作する場合があるだろう。

上の説明から、本発明に従う機関において、サイズ、空間的要件、およびコストのいずれにも関する利点は、掃気取入口の要素から、また、「処理又は調節」に関わるグループの要素から、また、再循環排気ガスを掃気/給気ガスへ取り入れる口の上流にある要素から、得ることができることも、明らかに理解できるだろう。

あまり厳しくないNOx排出基準でこれまで運転されてきている多くの海洋船舶については、より厳しい将来のNOx排出基準を満足するために、既存の機関を交換したり船舶を解体したりするのではなく、既存の機関を新しい基準に適応させることについて関心がもたれる場合もあるだろう。あり得る。本発明の概念に従って改修される既存の機関も、添付の特許請求の範囲に含まれる。

そのような改修に使用される機関構成要素の数や型は、元の状態で機関に使用される部品とは大幅に異なり、さらに機関毎に、さらには新しい機関についても異なり得る。新しい機関または発明となるように改修された機関を迅速に識別するために、およびその修正履歴等を通知するために、電子的に読み出し可能/書き込み可能なタグ、好ましくは、遠隔で読み出し可能なRFID型のものを、本発明の機関に組み込むことが有益であろう。

用語の「備える」は、請求項において使用する際、他の要素またはステップを含むことを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数であることを除外しない。単一のプロセッサ、装置、または他のユニットが、請求項に列挙するいくつかの手段の機能を実行してもよい。

請求項で使用する参照符号は、範囲を限定するものと解釈してはならない。

本発明について例示の目的のために詳細に説明してきたが、このような詳細説明が単にその目的のためのものであること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく、当業者が変更を加えてもよいことを理解されたい。

Claims (17)

1. クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関（１）であって、
   排気ガスシステム（４４）と、掃気システム（４２）と、前記掃気システム（４２）の中にコンプレッサ（７）を有するターボ過給機（６）と、前記排気ガスシステム（４４）の中のタービン（８）と、
   前記排気システム（４４）および前記掃気システム（４２）に接続されるＥＧＲシステムと、
   コントローラ（５０）と、
   を備え、該コントローラ（５０）は、前記シリンダ（４）から来る排気ガスの全質量流量率を、前記ＥＧＲシステムに進入するＥＧＲ質量流量率と、前記タービン（８）に向かって前記排気ガスシステム（４４）の中を流れる排気ガス質量流量率との間で分配するように構成され、また該コントローラは、前記全質量流量率に対する前記ＥＧＲ質量流量率の比である、選択されたＥＧＲ率であって、ゼロから所定の最大値までの範囲で選択可能であるＥＧＲ率を有し、前記機関はさらに：
   前記排気ガスシステム（４４）が、排気ガス質量流量率を扱うことに関する規定の最大連続能力（Ｃ）を有すること、ただし前記規定の最大連続能力（Ｃ）は、前記最大連続定格において前記シリンダから来る排気ガスの前記全質量流量率よりも少ないことと、
   前記コントローラ（５０）が、前記選択されたＥＧＲ率に関わらず、前記シリンダから来る排気ガスの実際の全排気ガス質量流量率が前記排気ガスシステム（４４）の前記規定の最大能力（Ｃ）を超える時に、超過質量流量率を前記ＥＧＲシステムの中へ送給するように構成されることと、
   を特徴とする、機関（１）。
2. 分割の下流にある前記排気ガスシステム（４４）の前記規定の最大能力（Ｃ）は、前記最大連続定格で前記シリンダから来る前記全排気ガス質量流量率の５０％〜９０％の範囲内、好ましくは、５５％〜８０％の範囲内、さらに好ましくは、６０％〜６４％の間ある、請求項１に記載の機関（１）。
3. 前記コントローラは、ＥＧＲシステムに進入するＥＧＲ質量流量率と、前記タービンに向かって前記排気ガスシステムの中を流れる排気ガス流量との間で、前記シリンダから来る排気ガスの前記全質量流量率を分配するように構成され、ただし前記全質量流量率に対する前記ＥＧＲ質量流量率の選択されたＥＧＲ率に基づいて前記分配を行うように構成される、請求項１に記載の機関。
4. 前記排気ガスシステム（４４）は、少なくとも排気ガス処理要素（３３、３４）を備える、請求項１に記載の機関（１）。
5. 前記掃気システム（２）は、掃気質量流量率（Ａ）を扱う規定の最大能力であって、前記最大連続定格で前記掃気ガス受け（１４）へ流れる全掃気ガス（Ｂ）の給気ガス質量流量率よりも少ない、規定の最大能力を有する、請求項１に記載の機関（１）。
6. 前記掃気システム（４２）は、少なくとも掃気冷却機（１２）を備える、前記請求項に記載の機関（１）。
7. 前記コントローラ（５０）は、少なくとも２つのモード、すなわち、
   前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記選択されたＥＧＲ率は、超過質量流量率がない場合に排気要件をちょうど満たすように選択される、低排出モードと、
   前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機（６）の前記タービン（８）へ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力（Ｃ）を超えることを避けるためにゼロよりも高いＥＧＲ率が必要とされる時を除いて、前記選択されたＥＧＲ率はゼロになるように選択される、排気低減モードと、
   で動作しうるように構成される、請求項１に記載の機関（１）。
8. クロスヘッドを有し、かつ定められた最大連続定格を有する、大型低速多気筒ターボ過給式内燃機関（１）を動作させる方法であって、前記機関は、排気ガスシステム（４４）と；掃気システム（４２）と；前記掃気システム（４２）の中にコンプレッサ（７）を有するターボ過給機（６）と；前記排気ガスシステム（４４）の中のタービン（８）と；前記排気システム（４４）および前記掃気システム（４２）に接続されるＥＧＲシステムと；コントローラ（５０）とを備え、前記方法は、
   前記シリンダ（４）から来る排気ガスの全質量流量率を、前記ＥＧＲシステムに進入するＥＧＲ質量流量率と、前記タービン（８）に向かって前記排気ガスシステム（４４）の中を流れる排気ガス質量流量率との間で分配することと；
   前記全質量流量率に対する前記ＥＧＲ質量流量率の比である、選択されたＥＧＲ率に従って、ゼロから所定の最大率までの範囲でＥＧＲ率を選択することと；
   を含み、
   前記排気ガスシステム（４４）が、排気ガス質量流量率を扱うことに関する規定の最大連続能力（Ｃ）を有すること、ただし前記規定の最大連続能力（Ｃ）は、前記最大連続定格において前記シリンダから来る排気ガスの前記全質量流量率よりも少ないことと、
   前記選択されたＥＧＲ率に関わらず、前記シリンダから来る実際の全排気ガス質量流量率が前記排気ガスシステム（４４）の前記規定の最大能力（Ｃ）を超える時に、超過質量流量率を前記ＥＧＲシステムへと送給することと、
   を特徴とする、方法。
9. 前記シリンダ（４）から来る前記実際の全質量流量率を決定することと、
   前記実際の質量流量率と前記規定の最大能力（Ｃ）との間の差を決定することと、
   前記実際の質量流量率が、前記規定の最大能力以下である時に、ゼロから所定の最大率の範囲で選択される所望のＥＧＲ率を適用することと、
   前記実際の質量流量率が、前記規定の能力よりも大きい時に、前記排気ガスシステム（４４）を通って前記ターボ過給機（６）の前記タービン（８）へ流れる質量流が、前記規定の最大能力（Ｃ）を超えないことを確実にするために十分な大きさのＥＧＲ率を適用することと、
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記機関が前記機関の負荷に依存し、超過質量流量率がない時に低排出要件を満たすために必要とされるＥＧＲ率で動作する、低排出モードと
    前記機関が前記機関の負荷に依存し、前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機（６）の前記タービン（８）へ流れる質量流量率が前記規定の最大連続能力（Ｃ）を超えることを避けるために必要とされる最低限のＥＧＲ率で動作する、排気低減モードと、
    の少なくとも２つのモードのうちの１つで、前記機関（１）を動作させることをさらに含む、
    請求項８に記載の方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記機関（１）を動作させることは、前記操作モードをオペレータが手動で選択することか、前記操作モードを電子コントローラユニットが自動的に選択することを含む、方法。
12. 前記コントローラは、前記機関の地理的位置に関する情報に基づいて、前記操作モードを決定する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記排気ガスシステムを通って前記ターボ過給機（６）の前記タービン（８）へ流れる排気ガスの質量流が、前記規定の能力を超えることのないようにしうる最低のＥＧＲ率を、いずれかの動作モードで適用することをさらに含む、請求項８に記載の機関を操作する方法。
14. シリンダ（４）から来る実際の質量流量を判断することと、
    前記実際の質量流量と前記規定の能力との間の差を決定することと、
    前記実際の質量流量率が前記規定の能力以下である場合、ＥＧＲ率ゼロを適用することと、
    前記実際の質量流量率が前記規定の能力よりも大きい場合、前記実際の質量流量率から前記規定の能力を差し引いた差を、前記実際の質量流量率で除算したものに等しいＥＧＲ率を適用することと、
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
15. 全ての機関負荷において同じＥＧＲ率で動作させることを含む別のモードで、前記機関を動作させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
16. 前記ＥＧＲ率が前記実際の機関負荷に応じて調節される状態で動作させることを含む別のモードで、前記機関（１）を動作させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
17. ＥＣＡ内をＬＥＭモードで航海している間に、前記ＥＧＲ率を調節することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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