JP2016102495A - 複数の内燃機関から成るシステムを運転するための方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の内燃機関から成るシステムを運転する。【解決手段】複数の内燃機関２、３から成るシステム１を運転するための方法であって、内燃機関２、３は、作動している内燃機関２、３によって提供される部分駆動出力が、少なくとも１つの共通の消費部４によって取り出されるように連結されており、内燃機関２、３は、部分駆動出力の総計に相当する作動している内燃機関２、３によって提供される総駆動出力が、少なくとも共通の消費部４のために要求される出力に相当するように運転され、要求される出力を提供しつつ、作動している各内燃機関２、３のために個別の運転ポイントが算出され、それぞれの内燃機関２、３は、この個別の運転ポイントで運転されて、つまりシステム１にとって、排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の内燃機関から成るシステムを運転するための方法に関する。さらに本発明は、当該方法を実行するための制御装置に関する。

船舶用の使用から、連結された複数の内燃機関であって、当該内燃機関によって提供される部分駆動出力が、少なくとも１つの共通の消費部によって取り出されるように連結されている内燃機関から成るシステムが知られている。その際、システムの内燃機関によって提供される部分駆動出力は総計で、共通の消費部によって取り出される総出力を提供する。それぞれの消費部とは、機械的消費部あるいは電気的消費部あるいは油圧的消費部のことであってよく、共通の機械的消費部の場合には機械的に連結された内燃機関についてであり、共通の電気的消費部の場合には電気的に連結された内燃機関についてであり、共通の油圧的消費部の場合には油圧的に連結された内燃機関についてである。船舶用の使用から知られているのは、機械的に連結された内燃機関から成るシステムは、共通の機械的消費部として船舶プロペラを機械的に駆動するということである。さらに知られているのは、電気的に連結された内燃機関から成るシステムは、電気的消費部として電気エネルギーを生み出すジェネレータを駆動するということであり、生み出されたエネルギーは、たとえば電気モータおよび／あるいはその他の消費部の駆動に利用され得る。内燃機関が、複数の共通の消費部の形態に応じて、機械的におよび／あるいは電気的におよび／あるいは油圧的に連結されているということも可能である。

実践に従えば、連結された複数の内燃機関から成るシステムは、共通の消費部のために要求される出力を総計で提供するために、共通の消費部のために要求される出力に応じて、作動している複数の内燃機関がそれぞれ、同一の部分駆動出力を提供するように運転される。共通の消費部によって要求される出力が比較的大きい場合、典型的にはすべての内燃機関は、同一の部分駆動出力を提供するように駆動される。これに対し、共通の消費部によって要求される出力が比較的小さい場合、システムの１つあるいは複数の内燃機関を停止してよく、他方作動している他の内燃機関は、同一の部分駆動出力を提供するように駆動される。

このことから本願発明の課題は、複数の内燃機関から成るシステムを運転するための新たな方法と、当該方法を実行するための制御装置とを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。

本発明に従えば、要求される出力を提供しつつ、作動している各内燃機関のために個別の運転ポイントが算出され、それぞれの内燃機関は、この個別の運転ポイントで運転されて、つまりシステムにとって、排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になるようになる。

本発明によって、複数の内燃機関から成るシステムを、特に経済的もしくはエコノミーに運転することが可能である。

それで、作動している内燃機関のための運転ポイントは、システム全体にとって、運転コストが最小限になるように選択される。このために、作動している内燃機関がすべて、同じ運転ポイントで運転されるわけではなく、むしろ作動している各内燃機関のために個別の運転ポイントが算出され、内燃機関は、この個別の運転ポイントで運転される。個別の内燃機関に関して最適な運転ポイントが算出されるのではなく、むしろ複数の内燃機関から成るシステムに関して行われる。これは、運転時に必ず守るべき排出量限界値を守りつつ行われる。

好適には、システムの、少なくとも１つの作動している内燃機関は、この内燃機関の、触媒浄化前のＮＯｘ排出量および／あるいは触媒浄化前のＣＯ_２排出量および／あるいは過給圧および／あるいは燃料噴射圧および／あるいは圧縮率および／あるいは空燃比および／あるいは排ガス温度が、システムの作動している別の内燃機関の対応する運転パラメータと、特に少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、極めて好ましくは少なくとも５０％相違するように、個別の運転ポイントで運転される。これによって、連結された複数の内燃機関から成るシステムを特に有利に運転することが可能となる。

有利なさらなる一形態に従えば、システムにとって、運転資金コストとメンテナンスコストとから成る運転コストの発生が最小限になるように、作動している各内燃機関のために個別の運転ポイントが算出される。連結された内燃機関から成るシステムの各内燃機関のために個別の運転ポイントを算出するために、運転コストとして、燃料コストのような運転資金コストと、メンテナンスコストもしくはサービスコストが考慮される。これによって、連結された複数の内燃機関から成るシステムを特に経済的に運転することが可能となる。

好適には、個別の運転ポイントを算出する際、さらに、作動している各内燃機関のためのおよび／あるいは設備全体の予備出力の維持および／あるいは負荷投入性能の維持が考慮される。排出量限界値だけでなく、加えてシステムのための予備出力および／あるいは負荷投入性能も考慮されれば、当該システムは特に有利に運転され得る。

好適には、作動している内燃機関のために個別の運転ポイントを算出する際、特に、燃料コストおよび／あるいはメンテナンスコストおよび／あるいは次のサービス時点までに提供可能な余剰駆動出力に左右される優先順位付けも考慮される。優先順位付けすることによって、運転者によって予め決められた優先順位を考慮しつつ、内燃機関のための運転ポイントを算出することが可能になる。

排ガス後処理装置があれば、通常、最低温度を守ることができる。ここでは、本発明に係る方法は、同様に使用される。このために内燃機関は、運転コストが最小限の場合、通常は上昇した望ましい排ガス温度となるように、運転される。空燃比の低下あるいは噴射開始の調節のような、普段は通常の処置によって排ガス温度を上昇させれば、著しい燃料過剰消費が起こるので、本発明に係る方法の使用が、ここでは特に効果的である。このために、負荷が異なる様々なモータが運転されるので、様々な排ガス温度が生じ、もしくは排ガスを加熱するための費用を回避できる。

本発明に係る制御装置は、本発明に係る方法を実行するための手段を含む。

本発明の好ましいさらなる形態は、従属請求項と以下の記述とからもたらされる。本発明の実施例は図に基づいて詳細に説明されるが、これに限定されるものではない。図に示されるのは以下である。

複数の内燃機関から成る第１のシステムのブロック図である。 複数の内燃機関から成る第２のシステムのブロック図である。

本発明は、複数の内燃機関から成るシステムを運転するための方法と、当該方法を実行するための制御装置とに関する。

図１は、大きく概略化されて、複数の内燃機関２、３から成る第１のシステム１を示している。図１において示された内燃機関２、３は、当該内燃機関２、３によって提供される部分駆動出力が、共通の消費部４によって取り出されるように連結されている。この消費部４とは、たとえば油圧的あるいは電気的あるいは機械的あるいはそれ以外の消費部のことであり、その必要な駆動出力は両内燃機関２、３によって総計で提供される。図１に従えば、内燃機関の各々に、一方では燃料５もしくは６と他方では燃焼空気７、８とが供給され、それぞれの内燃機関２、３において燃料５、６が燃焼され、かつそれぞれの内燃機関２、３から排ガス９、１０が排出される。図１のシステム１では、各内燃機関２、３に、個別の排ガス後処理装置１１、１２が配設されており、当該装置１１、１２内で、それぞれの内燃機関２、３のそれぞれの排ガス９、１０が、個別の排ガス後処理を施される。対応して、浄化された排ガス１３、１４が、排ガス後処理装置１１、１２から出てくる。内燃機関２、３および／あるいは排ガス後処理装置１１、１２の運転は、制御装置１５によって開ループ制御および／あるいは閉ループ制御される。

本件発明の主旨において、連結された内燃機関２、３から成るシステム１は、共通の消費部４によって要求される出力を提供しつつ、システム１の作動している各内燃機関２、３のために個別の運転ポイントが算出され、それぞれの内燃機関２、３は、算出されたこの個別の運転ポイントで運転されて、つまりシステム１にとって、予め決められた排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になるように運転される。

運転コストでは、運転資金コストとメンテナンスコストとが考慮され得る。運転資金コストには、特に、内燃機関２、３内で燃焼される燃料５、６の燃料コストが数えられ、さらに運転資金コストには、内燃機関２、３から出る排ガス９、１０を排ガス後処理するために排ガス後処理装置１１、１２の領域において必要とされる還元剤および／あるいは吸収剤のためのコストも数えられる。

排ガス後処理装置１１、１２がたとえばＳＣＲ触媒コンバータであるなら、当該ＳＣＲ触媒コンバータにおいて、還元剤としてアンモニアもしくは、尿素、ギ酸グアニジン、カルバミン酸アンモニウム、ギ酸アンモニウムなどのようなアンモニア前駆体物質が、排ガス後処理に必要とされる。

尿素は、高温で以下の方程式に従って、イソシアン酸とアンモニアとに分解する。

イソシアン酸は、排ガスに含まれる水分によって、以下の方程式に従って、さらに分解する。

１モルの尿素が完全に加水分解すると、２モルのアンモニアと１モルの二酸化炭素とが、以下の方程式に従って、発生する。

これにより、尿素の加水分解によって、ＳＣＲ触媒コンバータでの排ガス後処理に、還元剤としてアンモニアを利用できる。

１モルの一酸化窒素を変換するために、以下の方程式に従って、１モルのアンモニアが必要である。

その際アンモニアと窒素酸化物の比率は、仕込み比率α＝ＮＨ_３／ＮＯｘとして表わされ、理想的な触媒コンバータでの仕込み比率α＝１は、ＮＯｘ変換が１００％達成されるとすべての窒素酸化物が還元されることを意味する。その際ＮＯｘ変換Ｘ_ＮＯｘに適用されるのは、以下である。

たとえば還元剤が燃料コストと比べて上昇すれば、触媒浄化前の排出量が減ることにより、排ガス後処理装置１１、１２内において、必要な還元剤がより少なくなるように、作動している内燃機関の運転ポイントをずらしてよい。

同様に、ＣＨ_２Ｏ酸化触媒コンバータ、ＮＯ酸化触媒コンバータ、ＮＯｘ吸蔵触媒コンバータ、ＣＨ_４酸化触媒コンバータ、脱硫設備などにおいて、運転資金コストを決定する還元剤あるいは吸収剤が、排ガス後処理に必要とされる。上で説明されたように、システム１全体にとって、運転コスト特に運転資金コストの発生が最小限になるように、システム１の作動している内燃機関２、３のための個別の運転ポイントが算出される。

運転資金コストに加えて、好適にはメンテナンスコストが同様に、システム１の内燃機関２、３のための個別の運転ポイントを算出する際に、考慮される。

それで内燃機関２、３および排ガス後処理装置１１、１２で、同様にシステム１の運転コストに影響を及ぼすメンテナンス作業もしくはサービス作業が、規定の間隔をおいて生じる。その際メンテナンスの間隔もしくはサービスの間隔は、とりわけ、内燃機関２、３がどの運転ポイントで運転されるか、以前にはどの運転ポイントで運転されたかに、左右される。それゆえ、好適にはメンテナンスコストもしくはサービスコストが、システム１の作動している内燃機関２、３のための個別の運転ポイントを算出する際に、考慮される。

連結された複数の内燃機関２、３から成るシステム１の運転時に、システム１の、少なくとも１つの作動している内燃機関は、この内燃機関の、触媒浄化前のＮＯｘ排出量および／あるいは触媒浄化前のＣＯ_２排出量および／あるいは過給圧および／あるいは燃料噴射圧および／あるいは圧縮率および／あるいは空燃比および／あるいは排ガス温度が、システム１の作動している別の内燃機関２、３の対応する運転パラメータと相違するように、個別の運転ポイントで運転される。すでに説明されたように、その際運転コストを最小限にしつつ、排出量限界値が考慮される。

少なくとも１つの作動している内燃機関のこれらの運転パラメータの少なくとも１つが、作動している別の内燃機関の対応する運転パラメータと、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、極めて好ましくは少なくとも５０％異なる形態が、特に有利である。

それゆえ、本発明の好ましい形態において、連結された内燃機関から成るシステム１の各内燃機関２、３のために、内燃機関２、３の運転資金コストと、排ガス後処理装置１１、１２の運転資金コストと、内燃機関２、３のメンテナンスコストと、排ガス後処理装置１１、１２のメンテナンスコストとに左右されて、各内燃機関２、３のために個別の運転ポイントが算出され、しかも、総出力として総計で内燃機関２、３によって提供され得る、共通の消費部４によって要求される出力を提供しつつ、かつシステム１にとっての義務的な排出量限界値を守りつつ、運転時に運転コストが最小限になるように、算出される。これによって、連結された複数の内燃機関から成るシステムを、特にエコノミーもしくは経済的に運転することが可能である。

本発明の有利なさらなる一形態に従えば、システム１の作動している内燃機関２、３の各々のための個別の運転ポイントの算出は、さらに、システム１の、維持するべき予備出力および維持するべき負荷投入性能を考慮しつつ、行われる。

それで、共通の電気的消費部４によって要求される出力に加えて、システム１の内燃機関２、３によって提供されるべき予備出力を考慮することが可能である。さらに、最終的にシステム１が良好な負荷投入性能を備えるよう、内燃機関２、３の個別の運転ポイントを選択するために、動的に変化する負荷を考慮してよい。それゆえ、このさらなる形態に従えば、システム１の内燃機関２、３の個別の運転ポイントの算出は、要求される出力と、予備出力と、望ましい負荷投入性能と、守るべき排出量限界値とを考慮しつつ、システム１全体の運転コストを最小限にして行われる。

作動している内燃機関２、３のための個別の運転ポイントを算出する際、たとえば運転者側で決められてよい優先順位が考慮される、本発明の形態が、特に有利である。それで、たとえば燃料コストはメンテナンスコストよりも優先順位が高くてよいので、燃料コストはメンテナンスコストよりも、内燃機関２、３のための個別の運転ポイントの算出に大きな影響を及ぼす。さらに、つまり次のサービス時点までに内燃機関によって提供可能な余剰駆動出力を考慮しつつ、システム１の運転のために、個々の内燃機関２、３が優先順位付けされてよい。

たとえばシステム１の内燃機関にとって、当該内燃機関の以前の負荷の結果、提供可能な余剰駆動出力が小さく、これに対してシステム１の別の内燃機関にとって、以前の負荷がより小さかった結果、当該内燃機関によって提供可能な余剰駆動出力がより大きければ、次の必要なサービスまでシステム１の可能な使用期間を延ばすために、さらなる運転のために、より大きな余剰駆動出力を利用可能な内燃機関の優先順位をより高くしてよい。

上記の方法は、内燃機関２、３の運転および／あるいは排ガス後処理装置１１、１２の運転を開ループ制御もしくは閉ループ制御する制御装置１５によって全自動で実行される。このために、制御装置１５は、破線の矢印に従って、内燃機関２、３および排ガス後処理装置１１、１２とデータを交換する。さらに制御装置１５は、たとえば共通の消費部４によって要求される出力を算出もしくは決定するために、共通の消費部４とデータを交換する。

制御装置１５は本方法を実行するための手段を備え、その手段とはハードウェア側の手段とソフトウェア側の手段のことである。ハードウェア側の手段とは、本発明に係る方法の実行に関与する構成要素とデータを交換するためのインターフェースのことである。しかもこれらのハードウェア側の手段とは、データを記憶するための記憶装置とデータを処理するためのプロセッサのことである。ソフトウェア側の手段とは、本発明に係る方法を実行するためのプログラムモジュールのことである。

システム１の内燃機関２、３が部分駆動出力を提供し、この部分駆動出力を直流網に供給し、共通の消費部４に利用させる、本発明の形態が、特に好ましい。この場合、内燃機関２、３のための運転ポイントは、交流ジェネレータでは通常である車載電気システムの周波数に関係なく、自由に選択されてよく、それによって内燃機関とひいてはシステム１全体は、特に経済的もしくはエコノミーに運転され得る。

内燃機関とは、ディーゼル機関、オットー機関あるいは流体機械のことであってよい。

特に好ましくは本発明は、内燃機関２、３が典型的には、重油で運転される船舶用ディーゼル内燃機関として実施されている船舶用の駆動システムで用いられる。

内燃機関２、３の下流特に排ガス触媒コンバータ１１、１２の下流には、流体を加熱するための排ガス熱を利用するために、熱交換器が設けられていてよい。これによって、内燃機関２、３から成るシステム１の経済性をさらに高めることができる。

内燃機関２、３から成る図１のシステム１では、各内燃機関２、３に個別の排ガス後処理装置１１、１２が後置されている。これに対して図２は、共通の消費部２４のためにそれぞれ部分駆動出力を提供する複数の内燃機関２２、２３から成るシステム２１を示しており、燃焼空気２７、２８があって燃料２５もしくは２６が燃焼される際に内燃機関２２、２３内で発生する内燃機関２２、２３の排ガス２９、３０は、共通の排ガス後処理装置３１を介してガイドされ、当該排ガス後処理装置３１から浄化された排ガス３２が流出する。その際制御装置３３は、図１の実施例に関連して記述されるように、両内燃機関２２、２３および共通の排ガス後処理装置３１の運転を制御し、共通の消費部２４によって要求される出力を提供しつつ、内燃機関２２、２３のためにそれぞれ１つの個別の運転ポイントが算出され、それぞれの作動している内燃機関２２、２３は、この個別の運転ポイントで運転されて、つまりシステム２１にとって、好適には予備出力および／あるいは望ましい負荷投入性能を維持しつつ同様に、排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になるようになる。

それゆえ、連結された複数の内燃機関から成るシステムの内燃機関のために、最適な個別の運転ポイントを算出することが本発明の主旨であり、しかもそれぞれの内燃機関自体の最適状態に関してではなく、システム全体の最適状態に関して算出するので、運転資金コストとメンテナンスコストについて運転コストの発生が最小限になり、個々の要因と内燃機関とが利用者に依存して優先順位付けされ得る。その際、守るべき排出量限界値と維持するべき予備出力とシステム全体の負荷投入性能の望ましい動力学とが、考慮される。特に内燃機関とひいてはシステム全体の負荷投入性能のための動力学的な予備を考慮することによって、複数の内燃機関から成るシステムの特に有利な運転が可能になる。

１ システム
２ 内燃機関
３ 内燃機関
４ 消費部
５ 燃料
６ 燃料
７ 過給空気
８ 過給空気
９ 排ガス
１０ 排ガス
１１ 排ガス後処理装置
１２ 排ガス後処理装置
１３ 排ガス
１４ 排ガス
１５ 制御装置
２１ システム
２２ 内燃機関
２３ 内燃機関
２４ 消費部
２５ 燃料
２６ 燃料
２７ 過給空気
２８ 過給空気
２９ 排ガス
３０ 排ガス
３１ 排ガス後処理装置
３２ 排ガス
３３ 制御装置

Claims (10)

1. 複数の内燃機関（２、３；２２、２３）から成るシステム（１；２１）を運転するための方法であって、前記内燃機関（２、３；２２、２３）は、作動している内燃機関（２、３；２２、２３）によって提供される部分駆動出力が、少なくとも１つの共通の消費部（４；２４）によって取り出されるように連結されており、前記内燃機関（２、３；２２、２３）は、前記部分駆動出力の総計に相当する、作動している前記内燃機関（２、３；２２、２３）によって提供される総駆動出力が、少なくとも、共通の前記あるいは各消費部（４；２４）のために要求される出力に相当するように運転される方法において、
   要求される出力を提供しつつ、作動している各内燃機関（２、３；２２、２３）のために個別の運転ポイントが算出され、それぞれの前記内燃機関（２、３；２２、２３）は、この個別の運転ポイントで運転されて、つまり前記システム（１：２１）にとって、排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になるようになることを特徴とする方法。
2. 前記システム（１；２１）の少なくとも１つの作動している内燃機関（２、３；２２、２３）は、この内燃機関の、触媒浄化前のＮＯｘ排出量および／あるいは触媒浄化前のＣＯ_２排出量および／あるいは過給圧および／あるいは燃料噴射圧および／あるいは圧縮率および／あるいは空燃比および／あるいは排ガス温度が、前記システム（１；２１）の作動している別の前記あるいは各内燃機関（２、３；２２、２３）の対応する運転パラメータと相違するように、個別の運転ポイントで運転されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. これらの運転パラメータの少なくとも１つが、作動している別の前記あるいは各内燃機関の対応する運転パラメータと、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、極めて好ましくは少なくとも５０％異なることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記システム（１；２１）にとって、運転資金コストとメンテナンスコストとから成る運転コストの発生が最小限になるように、各内燃機関（２、３；２２、２３）のために個別の運転ポイントが算出されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記システム（１）の各内燃機関（２、３）に個別の排ガス後処理装置（１１、１２）が後置されており、該装置（１１、１２）内で、それぞれの前記内燃機関の排ガスが個別の排ガス後処理を施されるか、あるいは前記システム（２１）の複数の内燃機関（２２、２３）に共通の排ガス後処理装置（３１）が後置されており、該装置（３１）内で、それぞれの前記内燃機関の排ガスが共通の排ガス後処理を施され、
   前記内燃機関（２、３；２２、２３）内で燃焼されるべき燃料のコストと、前記あるいは各排ガス後処理システム（１１、１２；３１）内で排ガス後処理のために用いられるべき還元剤および／あるいは吸収剤のコストとに応じて、前記システム（１；２１）にとって、排出量限界値を守りつつ、かつ要求される出力を提供しつつ、燃料と還元剤および／あるいは吸収剤の運転資金コストの発生が最小限になるように、作動している各内燃機関（２、３；２２、２３）のために個別の運転ポイントが算出されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 要求される出力を提供しつつ、かつ各内燃機関（２、３；２２、２３）のための予備出力および／あるいは負荷投入性能を維持しつつ、個別の運転ポイントが算出され、それぞれの前記内燃機関（２、３；２２、２３）は、この個別の運転ポイントで運転されて、つまり前記システム（１；２１）にとって、排出量限界値を守りつつ運転コストの発生が最小限になるようになることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記内燃機関（２、３；２２、２３）のための個別の運転ポイントを算出する際に、優先順位付けが考慮されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記内燃機関（２、３；２２、２３）の優先順位付けは、燃料コストおよび／あるいはメンテナンスコストおよび／あるいは次のサービス時点までに提供可能な前記内燃機関の余剰駆動出力に依存することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記システム（１；２１）の前記内燃機関（２、３；２２、２３）によって提供される部分駆動出力が直流網に供給され、かつ消費部（４；２４）に利用させられることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の方法を実行するための手段によって特徴づけられる制御装置。

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