JP2019167917A - 未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法及び同方法を用いた燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気中に含まれる未燃燃料及び窒素酸化物を低減する。【解決手段】予混合燃焼式の第１内燃機関１２の排気を、拡散燃焼式の第２内燃機関１４の吸気に混合する。さらに、第２内燃機関１４の排気を拡散燃焼式の第３内燃機関１６の吸気に混合する。第１内燃機関１２の排気に含まれる未燃燃料としてのメタンが第２内燃機関１４内で燃焼され、さらに第３内燃機関１６内で燃焼される。メタンが２段階で燃焼されることにより、最終的な排気に含まれるメタンを大幅に低減することができる。また、後段の吸気に前段の排気を混合することにより、排気中の窒素酸化物を低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気に含まれる未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法及び同方法を用いた燃焼システムに関する。

内燃機関は、燃料が酸素とあらかじめ混合されてから燃焼する予混合燃焼式のものと、酸素が炎の外から拡散によって供給される拡散燃焼式のものが知られている。一般的に、予混合燃焼式の内燃機関として、ガス機関、ガソリン機関などが知られ、拡散燃焼式の内燃機関として、ディーゼル機関が知られている。

内燃機関の排気中に含まれる未燃燃料（炭化水素やメタンなど）は、予混合燃焼式の機関では多く、対して拡散燃焼式の機関では少ない傾向がある。また、排気成分の一つである窒素酸化物（ＮＯｘ）は、逆に予混合燃焼式の機関では少なく、拡散燃焼式の機関では多い傾向がある。

排気中の炭化水素を低減させる技術として、排気中に空気を導入する技術が知られている。排気中に導入された空気中の酸素により炭化水素を燃焼させて、炭化水素の低減を図っている。また、排気中の窒素酸化物を低減する技術として、排気の一部を吸気に混合させる技術が知られている。いわゆる排気再循環である。排気を吸気に混合させることで、燃焼温度を抑制し、窒素酸化物の低減を図っている。また、排気を吸気に混合させることで、吸気の酸素濃度を低くすることにより窒素酸化物の生成の抑制を図っている。

ディーゼル機関の排気にはカーボンが多く含まれ、排気再循環を行うと、摺動部分に摩耗が生じる可能性がある。下記特許文献１〜３においては、排気中のカーボンが少ないガス機関又はガソリン機関の排気をディーゼル機関の吸気に混合する排気再循環に係る技術が開示されている。

特開平５−７１４２５号公報 実開平１−１２７９６０号公報 実開平４−１０００５６号公報

近年、内燃機関の排気に関する規制が強化されており、今後も更に強化される傾向にある。予混合燃焼式の機関の排気中に多く含まれる炭化水素についても規制対象であり、これらの削減が求められている。また、拡散燃焼式の機関の排気中に多く含まれる窒素酸化物についても削減が求められている。また、メタンは地球温暖化係数の高い温室効果ガスであり今後規制が予想される。

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる未燃燃料及び窒素酸化物の低減を目的とする。

本発明に係る未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法は、予混合燃焼の気筒からの排気に含まれる未燃燃料と、燃焼過程に拡散燃焼をもつ気筒からの排気に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、予混合燃焼を行う少なくとも１つの気筒から構成された第１段気筒群の排気の少なくとも一部を、燃焼過程に拡散燃焼を持つ少なくとも１つの気筒から構成された第２段気筒群の各気筒に吸気と共に供給し、第２段気筒群の排気の少なくとも一部を、燃焼過程に拡散燃焼を持つ少なくとも１つの気筒から構成された第３段気筒群の各気筒に吸気と共に供給することにより、排気中の未燃燃料と窒素酸化物を低減する未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法である。これにより、第１段気筒群の排気中に含まれる未燃燃料が、第２段気筒群及び第３段気筒群で順次燃焼する。

第１段気筒群の各気筒には、気体燃料を供給し、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒には液体燃料を供給することが好ましい。

第１段気筒群の各気筒、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒には気体燃料を供給することが好ましい。

第１段気筒群の気筒以外の各気筒が、第２段気筒群及び第３段気筒群のいずれに属するかを変更することができることが好ましい。

第１段気筒群の気筒以外の各気筒の第２段気筒群及び第３段気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように各気筒が属する気筒群を切り替えることが好ましい。

第１段気筒群の各気筒、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒は、気体燃料と液体燃料のいずれでも動作可能で、かつ予混合燃焼と拡散燃焼のいずれの燃焼も可能であるデュアルフューエル気筒であることが好ましい。

各気筒が、第１段気筒群、第２段気筒群及び第３段気筒群のいずれに属するかを変更することができることが好ましい。

各気筒の、それぞれの気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように、各気筒が属する気筒群を切り替えることが好ましい。

第１段気筒群の各気筒、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒が、気筒群ごとに異なる内燃機関に関連付けられていることが好ましい。

第１段気筒群の各気筒が第１内燃機関に関連付けられ、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒が第１内燃機関と異なる第２内燃機関に関連付けられていることが好ましい。

第１段気筒群の各気筒、第２段気筒群の各気筒及び第３段気筒群の各気筒が、共通の内燃機関に関連付けられていることが好ましい。

本発明の他の態様である前述の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムは、第１段気筒群からの排気を第２段気筒群に送る第１送気管と、第２段気筒群からの排気を第３段気筒群に送る第２送気管と、第１送気管に設けられ、第１段気筒群からの排気を第２段気筒群に送るか否かを切り替える第１切替手段と、第２送気管に設けられ、第２段気筒群からの排気を第３段気筒群に送るか否かを切り替える第２切替手段とを備えることを特徴とする燃焼システムである。

前述の燃焼システムは、少なくとも第１切替手段及び第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、段切替手段が、第１段気筒群の気筒以外の各気筒の属する段を切り替えて変更することを特徴とする燃焼システムであることが好ましい。

前述の燃焼システムは、少なくとも第１切替手段及び第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、段切替手段が、各気筒の属する段を切り替えて変更することを特徴とする燃焼システムであることが好ましい。

燃焼システムの各気筒の属する段を設定する運転設定手段を備え、運転設定手段において設定された各気筒の属する段に未燃燃料を含んだ排気を供給するように段切替手段を制御することが好ましい。

燃焼システムの各気筒の運転時間を管理する運転時間管理手段を備え、運転時間管理手段による運転時間の管理データに基づいて、運転設定手段による各気筒の属する段の切り替え時間を制御することが好ましい。

船舶に搭載された燃焼システムにおいて、海象の状況を検出する海象状況検出手段を備え、運転設定手段が、海象状況検出手段の検出結果に基づいて設定を変更し、第１切替手段と第２切替手段の少なくとも一方を切り替えることにより、後段の気筒群に排気が送られないようにすることが好ましい。

本発明の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法によれば、第１段気筒群の排気の少なくとも一部が第２段気筒群の吸気に混合され、さらに第２段気筒群の排気の少なくとも一部が第３段気筒群の吸気に混合されることにより、第１段気筒群から排出された未燃燃料が２段階に燃焼され、例えば大気中に排出される炭化水素やメタンの量を低減することができる。また、第２段気筒群及び第３段気筒群においては、前段の気筒群からの排気が吸気に混合されるために、気筒内の燃焼温度の上昇が抑えられ、窒素酸化物を低減することができる。

第１段気筒群に属する各気筒に供給される燃料を気体燃料とすることにより、第２段気筒群に硫黄酸化物及びすすが少ない排気を供給することができ、第２段気筒群及び第３段気筒群に属する各気筒に供給される燃料を液体燃料とすることにより、燃料コストを抑えることができる。

第１段気筒群に属する各気筒、第２段気筒群に属する各気筒及び第３段気筒群に属する各気筒に供給される燃料を気体燃料とすることにより最終的に排出される硫黄酸化物及びすすを低減することができる。

燃焼システムの第１段気筒群の気筒以外の各気筒を、第２段気筒群及び第３段気筒群のいずれに属する気筒としても動作可能とすることにより、システムの運用上の柔軟性が高まる。
例えば、第１段気筒群の気筒以外の各気筒の、各気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように、第１段気筒群の気筒以外の各気筒が属する気筒群を変更することで、第１段気筒群の気筒以外の各気筒の劣化の進行の程度をそろえることができる。

燃焼システムの各気筒を、デュアルフューエル気筒とすることにより、より多種の燃料に対応可能となる。

燃焼システムの各気筒を、いずれの気筒群に属する気筒としても動作可能とすることにより、システムの運用上の柔軟性が高まる。
例えば、各気筒の、各気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように、各気筒が属する気筒群を変更することで、各気筒の劣化の進行の程度をそろえることができる。

燃焼システムの各気筒を、属する気筒群ごとに異なる内燃機関に関連付けることにより、例えば３機の内燃機関として運用することができる。

第１段気筒群に属する各気筒を第１内燃機関に関連付け、第２段気筒群に属する各気筒及び第３段気筒群に属する各気筒を第２内燃機関に関連付けることにより、例えば２機の内燃機関として運用することができる。

第１段気筒群に属する各気筒、第２段気筒群に属する各気筒及び第３段気筒群に属する各気筒を、共通の内燃機関に関連付けることにより、例えば１機の内燃機関で排気中の未燃燃料及び窒素酸化物の低減ができる。

燃焼システムの第１段気筒群からの排気を第２段気筒群に送る第１送気管と、第２段気筒群からの排気を第３段気筒群に送る第２送気管と、第１送気管に設けられ、第１段気筒群からの排気を第２段気筒群に送るか否かを切り替える第１切替手段と、第２送気管に設けられ、第２段気筒群からの排気を第３段気筒群に送るか否かを切り替える第２切替手段とを備えることにより、第１段気筒群から排出された未燃燃料が２段階に燃焼され、第１段気筒群から大気中に排出される、例えば炭化水素やメタンの量を低減することができる。また、第２段気筒群及び第３段気筒群においては、前段の気筒群からの排気が吸気に混合されるために、気筒内の燃焼温度の上昇が抑えられ、窒素酸化物を低減することができる。

燃焼システムの少なくとも第１切替手段及び第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、段切替手段が、第１段気筒群の気筒以外の各気筒の属する段を切り替えて変更することにより、システムの運用上の柔軟性が高まる。

燃焼システムの少なくとも第１切替手段及び第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、段切替手段が、各気筒の属する段を切り替えて変更することにより、第１段気筒群の気筒以外の各気筒の劣化の進行の程度をそろえることができる。

燃焼システムの各気筒の属する段を設定する運転設定手段を備え、運転設定手段において設定された各気筒の属する段に未燃燃料を含んだ排気を供給するように段切替手段を制御することにより、各気筒の劣化の進行の程度をそろえることができる。

燃焼システムの各気筒の運転時間を管理する運転時間管理手段を備え、運転時間管理手段による運転時間の管理データに基づいて、運転設定手段による各気筒の属する段の切り替え時間を制御することにより、各気筒の劣化の進行の程度をそろえることができる。

船舶用の燃焼システムにおいて、運転設定手段が海象状況検出手段の検出結果に基づいて設定を変更し、例えば荒天時に後段の気筒群に排気を供給しないようにすることで、後段の機関の運転を安定させることができる。

本発明に係る燃焼システム１０の概略を示す模式図である。 燃焼システム４０の配管の構成例を示す模式図１である。 燃焼システム４０の配管の構成例を示す模式図２である。 燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図１である。 燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図２である。 燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図３である。 本発明に係る燃焼システム５０の概略を示す模式図である。 燃焼システム５０の配管の構成例を示す模式図である。 燃焼システム８０の配管の構成例を示す模式図である。 本発明に係る燃焼システム１００の概略を示す模式図である。 燃焼システム１００の配管の構成例を示す模式図である。 燃焼システム１３０の配管の構成例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態の燃焼システムは、予混合燃焼を行う内燃機関（ガス機関、ガソリン機関など）の排気に含まれるメタンなどと、拡散燃焼を行う内燃機関（ディーゼル機関など）の排気に含まれる窒素酸化物の両者の低減を目指すものである。特に、多くの船舶では、推進力を得るための主機と、船内に供給する電力を発電するための補機を備えた燃焼システムが採用される。主機をディーゼル機関とし、補機をガス機関とした場合、補機から排出されるメタンと、主機から排出される窒素酸化物の両者を低減することが望まれている。

図１は、本発明に係る燃焼システム１０の概略を示す模式図である。燃焼システム１０は、３機の内燃機関、つまり第１内燃機関１２、第２内燃機関１４及び第３内燃機関１６を含む。各内燃機関１２，１４，１６は、シリンダと、シリンダ内を往復動するピストンを有する。シリンダとピストンは燃焼室を画定し、燃焼室内での燃料の燃焼によるシリンダ内の気体の膨張がピストンの運動に変換される。ピストンは、コネクティングロッドを介してクランク軸に接続され、ピストンの運動は、コネクティングロッドを介してクランク軸に伝達される。クランク軸が内燃機関１２，１４，１６の出力軸となる。３機の内燃機関１２，１４，１６のクランク軸はそれぞれ独立している。シリンダとピストンは、燃料の燃焼により得られた熱エネルギを運動エネルギに変換する作動要素であり、この明細書ではこのような要素を気筒と記す。そして、気筒は、そのピストンに接続するコネクティングロッドによってクランク軸に関連付けられる。

第１、第２及び第３内燃機関１２，１４，１６のそれぞれに吸気管１８，２０，２２と排気管２４，２６，２８が設けられている。さらに、第１内燃機関１２の排気管２４から分岐し、第２内燃機関１４の吸気管２０に達する第１送気管３０、及び第２内燃機関１４の排気管２６から分岐し、第３内燃機関１６の吸気管２２に達する第２送気管３２が設けられている。排気管２４と第１送気管３０の分岐点には、第１切替手段である第１制御弁３３が設けられている。第１制御弁３３は、第２内燃機関１４の吸気管２０に送られる排気の量を調整する。余剰の排気は、排気管２４を通して排出される。また、余剰の排気の少なくとも一部を第１内燃機関１２の吸気管１８に戻す配管を追加してもよい。第１制御弁３３は、排気を排気管２４を介して排出するか、第１送気管３０を介して第２内燃機関１４に送るかを切り替える弁であってもよい。排気管２６と第２送気管３２の分岐点には、第２切替手段である第２制御弁３５が設けられている。第２制御弁３５は、第３内燃機関１６の吸気管２２に送られる排気の量を調整する。余剰の排気は、排気管２６を通して排出される。第２制御弁３５は、排気を排気管２６を介して排出するか、第２送気管３２を介して第３内燃機関１６に送るかを切り替える弁であってもよい。

第１内燃機関１２は、予混合燃焼式の内燃機関であり、第２及び第３内燃機関１４、１６は、拡散燃焼式の内燃機関である。よって、第１内燃機関１２の各気筒は予混合燃焼を行う１段目の気筒群（第１段気筒群）を構成し、第２内燃機関１４の各気筒は１段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う２段目の気筒群（第２段気筒群）を構成し、第３内燃機関１６の各気筒は２段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う３段目の気筒群（第３段気筒群）を構成する。予混合燃焼式の内燃機関は、例えば気体燃料を用いるガス機関、ガソリンやメタノールなど気化しやすい液体燃料を用いる機関である。ガス機関の燃料としては、例えばメタンガス（メタンとも言う）やメタンを主成分とする炭化水素ガスが挙げられる。また、ＣＯを含んでいてもよい。拡散燃焼式の内燃機関は、例えば軽油、重油などの液体燃料を用いるディーゼル機関である。第１内燃機関１２の燃料を気体燃料とし、第２及び第３内燃機関１４，１６の燃料を液体燃料とすることができる。また、第３内燃機関１６の燃料を第２内燃機関１４の燃料よりも重質な液体燃料とすることができ、例えば第３内燃機関１６の燃料を重油、第２内燃機関１４の燃料を軽油とすることができる。また、第１〜第３内燃機関１２，１４，１６の燃料を全て気体燃料とし、第１内燃機関１２の各気筒は予混合燃焼、第２及び第３内燃機関１４，１６は拡散燃焼を行うものとすることができる。

予混合燃焼式の内燃機関は、排気に未燃燃料である炭化水素が含まれる。メタン又はメタンを含むガスを燃料とするガス機関では、未燃のメタンが多く含まれる。メタンは、温室効果が高い気体であり、現在、排出規制が強化されつつある。これに対して、拡散燃焼式の内燃機関では、排気中の未燃燃料が少なく、炭化水素、メタンの排出も少ない。

拡散燃焼式の内燃機関は燃焼温度が高くなるため、窒素酸化物が生成され、排気中の窒素酸化物が多くなる。これに対して、予混合燃焼式の内燃機関では、燃焼温度が比較的低いために、窒素酸化物の発生は抑えられる。

燃焼システム１０においては、予混合燃焼式の内燃機関である第１内燃機関１２の排気を拡散燃焼式の内燃機関である第２内燃機関１４の吸気に混合し、第１内燃機関１２の排気中の未燃燃料を第２内燃機関１４内で燃焼させ、メタンや炭化水素を減少させる。また、排気は、含有する酸素が少ないため燃焼速度が抑えられて第２内燃機関１４の気筒内の温度の上昇が抑えられる。これにより、窒素酸化物の発生が抑えられる。

第１内燃機関１２の排気を第２内燃機関１４に通すことで、排気中のメタン等を７５〜９５％減少させることができる。しかし、第２内燃機関１４内でメタン等を完全に燃焼させることはできず、第２内燃機関１４の排気中にメタン等が残存する。この残存するメタン等を更に燃焼させるため、第２内燃機関１４の排気を第３内燃機関１６の吸気に混合する。第３内燃機関１６でもメタン等を７５〜９５％減少させることができる。このように、２段階でメタン等を燃焼させることで、メタン等の排出を大幅に削減することができる。１機の内燃機関でメタンが９０％燃焼するとした場合、燃料中のメタンを１００とすれば、第１内燃機関１２の排気中のメタンは１０、第２の内燃機関１４の排気中のメタンは１、第３の内燃機関１６の排気中のメタンは０．１となる。言い換えれば、第１内燃機関１２の排気中のメタンを２機の内燃機関１４，１６を通すことで、百分の１に低減することができる。また、第３内燃機関１６に排気を導入することにより、第３内燃機関１６の各気筒内の温度上昇が抑えられ、窒素酸化物の発生が抑制される。また、排気を吸気に混合させることで、吸気の酸素濃度を低くすることにより窒素酸化物の生成の抑制を図っている。これは第２内燃機関１４に排気を導入することにもあてはまり、窒素酸化物の発生が抑制される。

排気を吸気に混合する際の割合は、例えば１０〜５０％、好ましくは２０〜４０％、更に好ましくは２５〜３５％とすることができる。上流側の内燃機関の排気を全て下流側の内燃機関に送るためには、排気の混合率が適切な値となるように、各内燃機関を通過する気体の流量を定めることが必要になる。例えば、隣接する内燃機関の後段の機関の排気量を前段の機関の３倍とすれば、両者の内燃機関の回転速度を同一としたとき、排気の混合率を約３０％とすることができる。また、同一排気量の内燃機関の場合であれば、後段の機関の回転速度を前段の機関の３倍とすることで排気の混合率を約３０％とすることができる。

第１、第２及び第３内燃機関１２，１４，１６は、気体燃料と液体燃料の双方を選択的に用いることができるデュアルフューエル機関であってよい。また、さらに気体燃料と液体燃料を同時に混合燃焼させることもできるデュアルフューエル機関であってもよい。また、燃焼状態が不安定になる条件においては、第１及び第２制御弁３３，３５の一方、又は双方を制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。

図２は、燃焼システム４０の配管の構成例を示す模式図１である。燃焼システム４０においては、３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの吸排気系をつなぐことにより、内燃機関４２Ｂと内燃機関４２Ｃが２段目、３段目のいずれの機関となることができるシステムである。３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃのそれぞれのクランク軸は独立している。内燃機関４２Ａの各気筒は、第１の出力軸に関連付けられた第１の気筒組を構成し、内燃機関４２Ｂの各気筒は、第２の出力軸に関連付けられた第２の気筒組を構成し、内燃機関４２Ｃの各気筒は、第３の出力軸に関連付けられた第３の気筒組を構成する。内燃機関４２Ａは予混合燃焼で、４２Ｂ，４２Ｃは拡散燃焼に対応した機関である。内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの吸排気管には、それぞれ制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃが設けられている。これらの制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃは、前述の第１及び第２制御弁３３，３５と同様の機能を有する。制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃと送気管３０ＢＣは段切替手段を構成し、内燃機関４２Ａの排気の少なくとも一部が内燃機関４２Ｂや４２Ｃに送られるように動作でき、制御弁３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃと送気管３２−ＢＣ−１，３２−ＢＣ−２は段切替手段を構成し、内燃機関４２Ｂや４２Ｃの排気の少なくとも一部が内燃機関４２Ｂや４２Ｃに送られるように動作することができる。制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃの動作を制御する運転設定手段４６が設けられる。

１段目となる内燃機関では予混合燃焼を行い、２段目及び３段目の内燃機関では拡散燃焼を行う。また、１段目の内燃機関には気体燃料を供給し、２段目及び３段目となる内燃機関には液体燃料を供給することができ、また３段目の内燃機関に供給する燃料を２段目の内燃機関に供給する燃料よりも重質なものとすることができる。また、全ての内燃機関に気体燃料を供給するようにしてもよい。

図２に示す状態では、内燃機関４２Ａが１段目の機関となり、内燃機関４２Ｂが２段目の機関となり、内燃機関４２Ｃが３段目の機関となる。また、内燃機関４２Ａが予混合燃焼による運転を行い、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃが拡散燃焼による運転を行う。したがって、内燃機関４２Ａの各気筒が予混合燃焼を行う１段目の気筒群（第１段気筒群）となり、内燃機関４２Ｂの各気筒が１段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う２段目の気筒群（第２段気筒群）となり、内燃機関４２Ｃの各気筒が２段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う３段目の気筒群（第３段気筒群）となる。

図３は、燃焼システム４０の配管の構成例を示す模式図２である。図３に示す状態では、内燃機関４２Ａが１段目の機関となり、内燃機関４２Ｃが２段目の機関となり、内燃機関４２Ｂが３段目の機関となる。制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃの動作を変更することで、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変えることができる。制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃを、内燃機関４２Ａの排気が内燃機関４２Ｃに、内燃機関４２Ｃの排気が内燃機関４２Ｂに送られるように動作させることで、内燃機関４２Ａが１段目の機関、内燃機関４２Ｃが２段目の機関、内燃機関４２Ｂが３段目の機関となる。

このように内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変えることで、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの第２段気筒群として運転される時間及び第３段気筒群として運転される時間を、気筒ごとに均等化し、各内燃機関の劣化の進行をそろえることができる。具体的には、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの気筒が第２段気筒群として運転された時間、又は第３段気筒群として運転された時間を積算して記憶し、この時間が所定の時間に達したら、制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃを制御して、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変える運転時間管理手段４８を設ける。

燃焼システム４０においては、３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃは、同一諸元の機関であり、排気量は同一となる。したがって、吸気に対する排気の混合率は、機関の回転速度により調整するか、又は余剰の排気は排出するか、又はこれらを組み合わせて調整する。

また、燃焼状態が不安定になる条件においては、制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ｂ，３６−Ｃのいくつかを制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。

図４は、燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図１である。燃焼システム４５においては、３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの吸排気系をつなぐことにより、どの内燃機関も１段目、２段目、３段目のいずれの機関となることができるシステムである。３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃのそれぞれのクランク軸は独立している。内燃機関４２Ａの各気筒は、第１の出力軸に関連付けられた第１の気筒組を構成し、内燃機関４２Ｂの各気筒は、第２の出力軸に関連付けられた第２の気筒組を構成し、内燃機関４２Ｃの各気筒は、第３の出力軸に関連付けられた第３の気筒組を構成する。３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃは、いずれも予混合燃焼と拡散燃焼に対応し、かつ液体燃料、気体燃料に対応したデュアルフューエル機関である。各内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの吸排気管には、それぞれ制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃが設けられている。これらの制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃは、前述の第１及び第２制御弁３３，３５と同様の機能を有する。制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃと送気管３０−ＡＢ−１，３０−ＢＣ−１，３０−ＡＢ−２，３０−ＢＣ−２は段切替手段を構成し、内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの内で第１段目に割り当てられた内燃機関の排気の少なくとも一部が第２段目に割り当てられた内燃機関に送られるように動作でき、制御弁３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃと送気管３２−ＡＢ−１，３２−ＢＣ−１，３２−ＡＢ−２，３２−ＢＣ−２は段切替手段を構成し、第２段目に割り当てられた内燃機関の排気の少なくとも一部が第３段目に割り当てられた内燃機関に送られるように動作することができる。制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃの動作を制御する運転設定手段４６が設けられる。

１段目となる内燃機関では予混合燃焼を行い、２段目及び３段目の内燃機関では拡散燃焼を行う。また、１段目の内燃機関には気体燃料を供給し、２段目及び３段目となる内燃機関には液体燃料を供給することができ、また３段目の内燃機関に供給する燃料を２段目の内燃機関に供給する燃料よりも重質なものとすることができる。また、全ての内燃機関に気体燃料を供給するようにしてもよい。

図４に示す状態では、制御弁３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｃが後段の内燃機関に排気が送られないように動作し、制御弁３３−Ａ，３４−Ｂが内燃機関４２Ａの排気を内燃機関４２Ｂに送るように動作し、制御弁３５−Ａ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂが後段の内燃機関に排気が送られないように動作し、制御弁３５−Ｂ，３６−Ｃが内燃機関４２Ｂの排気を内燃機関４２Ｃに送るように動作している。この場合、内燃機関４２Ａが１段目の機関となり、内燃機関４２Ｂが２段目の機関となり、内燃機関４２Ｃが３段目の機関となる。また、内燃機関４２Ａが予混合燃焼による運転を行い、内燃機関４２Ｂ，４２Ｃが拡散燃焼による運転を行う。したがって、内燃機関４２Ａの各気筒が予混合燃焼を行う１段目の気筒群（第１段気筒群）となり、内燃機関４２Ｂの各気筒が１段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う２段目の気筒群（第２段気筒群）となり、内燃機関４２Ｃの各気筒が２段目の気筒群の排気の少なくとも一部が供給され拡散燃焼を行う３段目の気筒群（第３段気筒群）となる。

図５は、燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図２である。図５に示す状態では、内燃機関４２Ｂが１段目の機関となり、内燃機関４２Ｃが２段目の機関となり、内燃機関４２Ａが３段目の機関となる。制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃの動作を変更することで、内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変えることができる。制御弁３３−Ａ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂが後段の内燃機関に排気が送られないように動作させ、制御弁３３−Ｂ，３４−Ｃが内燃機関４２Ｂの排気を内燃機関４２Ｃに送るように動作させ、制御弁３５−Ａ，３５−Ｂ，３６−Ｂ，３６−Ｃが後段の内燃機関に排気が送られないように動作させ、制御弁３５−Ｃ，３６−Ａが内燃機関４２Ｃの排気を内燃機関４２Ａに送るように動作させることで内燃機関４２Ｂが１段目の機関、内燃機関４２Ｃが２段目の機関、内燃機関４２Ａが３段目の機関となる。

図６は、燃焼システム４５の配管の構成例を示す模式図３である。図６に示す状態では、内燃機関４２Ｃが１段目の機関となり、内燃機関４２Ａが２段目の機関となり、内燃機関４２Ｂが３段目の機関となる。制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３４−Ｂ，３４−Ｃが後段の内燃機関に排気が送られないように動作させ、制御弁３３−Ｃ，３４−Ａが内燃機関４２Ｃの排気を内燃機関４２Ａに送るように動作させ、制御弁３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｃが後段の内燃機関に排気が送られないように動作させ、制御弁３５−Ａ，３６−Ｂが内燃機関４２Ａの排気を内燃機関４２Ｂに送るように動作させることで内燃機関４２Ｃが１段目の機関、内燃機関４２Ａが２段目の機関、内燃機関４２Ｂが３段目の機関となる。

このように内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変えることで、各内燃機関の各気筒が第１段気筒群として運転される時間、第２段気筒群として運転される時間及び第３段気筒群として運転される時間を、気筒ごとに均等化し、各内燃機関の劣化の進行をそろえることができる。具体的には、各内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの気筒が第１段気筒群として運転された時間、又は第２段気筒群として運転された時間、又は第３段気筒群として運転された時間を積算して記憶し、この時間が所定の時間に達したら、制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃを制御して、内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの属する気筒群を変える運転時間管理手段４８を設ける。

燃焼システム４５においては、３機の内燃機関４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃは、同一諸元の機関であり、排気量は同一となる。したがって、吸気に対する排気の混合率は、機関の回転速度により調整するか、又は余剰の排気は排出するか、又はこれらを組み合わせて調整する。

また、燃焼状態が不安定になる条件においては、制御弁３３−Ａ，３３−Ｂ，３３−Ｃ，３４−Ａ，３４−Ｂ，３４−Ｃ，３５−Ａ，３５−Ｂ，３５−Ｃ，３６−Ａ，３６−Ｂ，３６−Ｃのいくつかを制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。

図７は、本発明に係る燃焼システム５０の概略を示す模式図である。燃焼システム５０は、例えば船舶用の燃焼システムであり、プロペラを駆動する内燃機関（以下、主機と記す。）５４と発電機を駆動する内燃機関（以下、補機と記す。）５２を備える。補機５２は、予混合燃焼式の内燃機関であり、燃料は気体燃料とすることができる。気体燃料は、メタン又はメタンを主成分としたガスとすることができる。図７において、補機５２は６気筒機関であるが、気筒数はこれに限るものではない。補機５２の各気筒のピストンは１つの出力軸に接続され、よってこれらの気筒は補機５２の１つの出力軸に関連付けられ、第１の気筒組を構成している。

主機５４は、拡散燃焼式の内燃機関であり、燃料は液体燃料とすることができ、より具体的には、軽油又は重油を燃料とするディーゼル機関とすることができる。また、軽油、重油のいずれにも対応できるディーゼル機関であってもよい。また、気体燃料を拡散燃焼にて燃焼させる内燃機関であってもよい。図７において、主機５４は、６気筒機関として示しているが、４気筒、８気筒、１２気筒、２４気筒等、他の多気筒機関であってもよい。主機５４の各気筒のピストンは、１つの出力軸に接続され、よってこれらの気筒は主機５４の１つの出力軸に関連付けられ、第２の気筒組を構成している。主機５４は６つの気筒５６を有し、これらの気筒を区別するために、−１〜−６の枝番号を付ける。主機５４の６つの気筒は、１番及び２番気筒５６−１，５６−２が第１主機気筒群を構成し、３番〜６番気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６が第２主機気筒群を構成している。

燃焼システム５０においては、補機５２の排気の少なくとも一部が主機５４の１番気筒５６−１と２番気筒５６−２で構成される第１主機気筒群の吸気に混合され、第１主機気筒群の排気の少なくとも一部が３番〜６番気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６で構成される第２主機気筒群の吸気に混合されるように構成されている。したがって、補機５２の各気筒が１段目の気筒群（第１段気筒群）を構成し、第１主機気筒群が２段目の気筒群（第２段気筒群）を構成し、第２主機気筒群が３段目の気筒群（第３段気筒群）を構成する。

補機５２の排気管６０から、第１主機気筒群の吸気管６２に排気を送るための第１送気管６４が分岐しており、補機５２の排気管６０と第１送気管６４の分岐点には、第１切替手段である第１制御弁６６が設けられている。第１制御弁６６は、第１主機気筒群の吸気管６２に送られる排気の量を調整する。余剰の排気は、排気管６０を通して排出される。また、余剰の排気の少なくとも一部を補機５２の吸気管（不図示）に戻すために配管及び弁を設けてもよい。第１制御弁６６は、排気を排気管６０を介して排出するか、第１送気管６４を介して第１主機気筒群に送るかを切り替える弁であってもよい。

第１主機気筒群の排気管６８から、第２主機気筒群の吸気管７０に排気を送るための第２送気管７２が分岐しており、第１主機気筒群の排気管６８と第２送気管７２の分岐点には、第２切替手段である第２制御弁７４が設けられている。第２制御弁７４は、第２主機気筒群の吸気管７０に送られる排気の量を調整する。余剰の排気は、第１主機気筒群の排気管６８を通して排出される。第２制御弁７４は、排気を第１主機気筒群の排気管６８を介して排出するか、第２送気管７２を介して主機５４の第２主機気筒群に送るかを切り替える弁であってもよい。

図８は、燃焼システム５０の配管の構成例を示す模式図である。補機５２の排気管６０には、前述の第１制御弁６６に相当する２つの第１制御弁６６Ａ，６６Ｂが設けられている。第１制御弁６６Ａは、主機５４の１番気筒５６−１の吸気管６２Ａに接続される第１送気管６４Ａに排気を送ることができる。第１制御弁６６Ｂは、主機５４の２番気筒５６−２の吸気管６２Ｂに接続される第１送気管６４Ｂに排気を送ることができる。

主機５４の１番気筒５６−１の排気管６８Ａ及び２番気筒５６−２の排気管６８Ｂには、前述の第２制御弁７４に相当する第２制御弁７４Ａ，７４Ｂが設けられている。第２制御弁７４Ａ，７４Ｂは、３番〜６番気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６に接続されている第２送気管７２に排気を送ることができる。

燃焼システム５０においては、予混合燃焼式の内燃機関である補機５２の排気を拡散燃焼式の内燃機関である第１主機気筒群（気筒５６−１，５６−２）の吸気に混合し、補機５２の排気中の未燃燃料を第１主機気筒群の気筒５６−１，５６−２内で燃焼させ、メタンや炭化水素を減少させる。したがって、補機５２の各気筒が１段目の気筒群（第１段気筒群）を構成し、第１主機気筒群が２段目の気筒群（第２段気筒群）を構成する。また、排気は、含有する酸素が少ないため、燃焼速度が抑えられ、気筒内の温度上昇が抑えられる。また、排気を吸気に混合させることで、吸気の酸素濃度を低くすることにより窒素酸化物の生成が抑制される。これにより、第１主機気筒群における窒素酸化物の発生が抑えられる。

補機５２の排気を第１主機気筒群（気筒５６−１，５６−２）に通すことで、排気中のメタン等を７５〜９５％減少させることができる。しかし、第１主機気筒群の気筒５６−１，５６−２内でメタン等を完全に燃焼させることはできず、第１主機気筒群の排気中にメタン等が残存する。この残存するメタン等を更に燃焼させるため、第１主機気筒群の排気を第２主機気筒群の吸気に混合する。したがって、第１主機気筒群が２段目の気筒群（第２段気筒群）を構成し、第２主機気筒群が３段目の気筒群（第３段気筒群）を構成する。第２主機気筒群でもメタン等を７５〜９５％減少させることができる。このように、２段階でメタン等を燃焼させることで、メタン等の排出を大幅に削減することができる。１段でメタンが９０％燃焼するとした場合、燃料中のメタンを１００とすれば、補機５２の排気中のメタンは１０、主機５４の第１主機気筒群の排気中のメタンは１、第２主機気筒群の排気中のメタンは０．１となる。言い換えれば、補機５２の排気中のメタンを、主機５４内で２段階で燃焼させることで、百分の１に低減することができる。また、第２主機気筒群に排気を導入することにより、第２主機気筒群の各気筒内の温度上昇が抑えられ、窒素酸化物の発生が抑制される。

排気を吸気に混合する際の割合は、例えば１０〜５０％、好ましくは２０〜４０％、更に好ましくは２５〜３５％とすることができる。通常の船舶の補機と主機の出力の比は１：１０であり、排気流量の比も１：１０となる。補機の排気を全て主機の吸気に混合しても混合割合はせいぜい１０％にしかならないが、前述のように補機５２の排気を主機５４の第１主機気筒群（気筒５６−１，５６−２）に混合して、第１主機気筒群（気筒５６−１，５６−２）の排気を第２主機気筒群（気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６）の吸気に混合する場合、約３０％の混合割合を達成することが可能となる。燃焼システム５０において、主機５４を通過する気体の流量を補機５２の流量の１２倍とすることで、主機５４の第１主機気筒群の流量が補機５２の３倍となり、第１主機気筒群における排気の混合率を約３０％とすることができる。機関を通過する気体の流量は、排気量と回転速度により定まるので、常用回転速度における補機５２と主機５４の排気流量の比を１：１２とし、細かな調整は、回転速度により行うようにすることができる。

これに対し、主機５４の第１主機気筒群と第２主機気筒群のそれぞれを通過する気体の流量比は、それぞれの排気量の比で定まる。主機５４の各気筒は共通の出力軸に接続されているため、回転速度は同一であり、機関を通過する気体の流量比は排気量の比で定まり、固定値となる。したがって、排気の混合率を排気量の比からずらすように調整をするためには、余剰の排気を第１段気筒群の排気管６８（６８Ａ，６８Ｂ）から排出することが必要になる。燃焼システム５０において、第１主機気筒群には２つの気筒が属し、第２主機気筒群には４つの気筒が属するから、第２主機気筒群の排気量は第１主機気筒群の２倍である。第１主機気筒群の排気の全量を第２主機気筒群の吸気に混合すれば、排気の混合率は約５０％となる。混合率をより小さくするためには、第１主機気筒群の排気の一部を第２主機気筒群に供給せずに排気するようにする。主機に８気筒機関を採用した場合には、第１主機気筒群の気筒数を２、第２主機気筒群の気筒数を６とすることができる。この場合、第２主機気筒群の排気量は第１主機気筒群の３倍となり、排気の全量を第２主機気筒群の吸気に混合すれば、混合率は約３０％となる。主機５４の気筒数は、６気筒、８気筒に限らず、他の気筒数とすることもできる。

主機５４に供給される燃料は、第２主機気筒群の気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６に、第１主機気筒群の気筒５６−１，５６−２よりも重質な燃料を供給するようにできる。例えば、１番及び２番気筒５６−１，５６−２には軽油を供給し、３番〜６番気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６には価格が安い重油を供給することができる。

また、燃焼状態が不安定になる条件、例えば舶用機関の場合、荒天時においては、第１制御弁６６Ａ，６６Ｂと、第２制御弁７４Ａ，７４Ｂの一方、又は双方を制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。例えば、荒天情報を受信する海象状況検出手段７６を設け、荒天情報を受信したら第１制御弁６６、第２制御弁７４の一方又は双方を制御する。荒天情報は、例えば船舶の揺れに基づく信号を受信してもよく、船員などの操作者の操作による信号を受信してもよい。

図９は、燃焼システム８０の配管の構成例を示す模式図である。燃焼システム８０は、前述の燃焼システム５０と同様、船舶用の燃焼システムを想定している。燃焼システム８０の補機５２は、燃焼システム５０の補機と同一である。燃焼システム８０の主機５４は、液体燃料、気体燃料の双方に対応可能で、また予混合燃焼、拡散燃焼の双方に対応可能な、いわゆるデュアルフューエル機関である。特に、気筒ごとに燃料、燃焼方式を選択することができる。６つの気筒５６のそれぞれに対応して、補機５２の排気を第１送気管８２を介して吸気管８４に送るための第１切替手段である第１制御弁８６が設けられ、各気筒５６の排気を第２送気管８８に送るための第２制御弁９０が設けられ、さらに、第２送気管８８から排気を吸気管８４に送るための第３制御弁９２が設けられている。第２制御弁９０及び第３制御弁９２は前述の第２切替手段と同様の機能を有する。また、第１〜第３制御弁の動作を制御する運転設定手段４６が設けられている。第１送気管８２、吸気管８４、第１、第２及び第３制御弁８６，９０，９２については、必要に応じて、６つの気筒５６に対応して枝番号−１〜−６を付して説明する（図９においては、全て枝番を付している）。また、第１及び第２制御弁８６，９０は、流量が調整可能な弁であっても、オンオフを切り替える弁であってもよい。

それぞれ６個の第１、第２及び第３制御弁８６，９０，９２を制御することにより６つの気筒５６のいずれもが、補機５２の排気が供給される第１主機気筒群の気筒として動作することができ、また主機５４の排気が供給される第２主機気筒群の気筒として機能することができる。したがって、補機５２の各気筒が１段目の気筒群（第１段気筒群）を構成し、第１主機気筒群が２段目の気筒群（第２段気筒群）を構成し、第２主機気筒群が３段目の気筒群（第３段気筒群）を構成する。各気筒が、第１主機気筒群と第２主機気筒群のいずれで動作するかは、運転設定手段４６による第１〜第３制御弁８６，９０，９２の制御、及び各気筒への燃料供給制御、燃焼制御により定まる。補機５２の排気が、１番及び２番気筒５６−１，５６−２に導入されるように第１制御弁８６−１，８６−２を制御し、これらの気筒の排気が第２送気管８８に送られるように第２制御弁９０−１，９０−２を制御し、さらに第３制御弁９２−１，９２−２を閉じる。これにより、１番及び２番気筒５６−１，５６−２が第１主機気筒群の気筒として動作する。このとき、３番〜６番気筒５６−３，５６−４，５６−５，５６−６には補機５２からの排気が導入されないように第１制御弁８６−３〜８６−６を制御し、これらの気筒からの排気が第２送気管８８に送られないように第２制御弁９０−３〜９０−６を制御し、さらに第３制御弁９２−３〜９２−６を開く。これにより、残余の３番〜６番気筒５６−３〜５６−６が第２主機気筒群の気筒として動作する。この状態は、吸排気の流れに関して、図８に示した燃焼システム５０と同じになる。

第１、第２及び第３制御弁８６，９０，９２の状態を変えれば、第１主機気筒群に属する気筒と、第２主機気筒群に属する気筒を自由に選択することができる。例えば、３番及び４番気筒５６−３，５６−４を第１主機気筒群の気筒とし、残りの気筒５６−１，５６−２，５６−５，５６−６を第２主機気筒群の気筒とすることができる。また、隣接しない気筒、例えば１番と６番気筒５６−１，５６−６を第１主機気筒群の気筒とし、残りの気筒５６−２〜５６−５を第２主機気筒群の気筒とすることができる。排気管６０、第１制御弁８６及び第１送気管８２が、補機５２の気筒から主機５４の一部の気筒に切り替え可能に選択的に送る選択送気手段として機能する。また、第２制御弁９０、第２送気管８８及び第３制御弁９２が、主機５４の選択された気筒の排気を主機５４の残余の気筒に送る第２選択送気手段として機能する。

第２主機気筒群の気筒には、第１主機気筒群の気筒より重質の液体燃料を供給することができる。例えば、第１主機気筒群の気筒に軽油を、第２主機気筒群の気筒に重油を供給するようにできる。他の気筒に排気を供給する第１主機気筒群において、比較的排気が清浄になる軽質な燃料を用いることで、第２主機気筒群のカーボンなどによる汚れを抑制することができる。また、第１主機気筒群を低硫黄燃料とし、第２主機気筒群を価格の安い高硫黄燃料とすることができる。この例としても、例えば第１主機気筒群の気筒に軽油を、第２主機気筒群の気筒に重油を供給するようにできる。他の気筒に排気を供給する第１主機気筒群において、低硫黄燃料である軽質な燃料を用いることで、第２主機気筒群の硫酸腐食を抑制することができる。

軽質燃料と、重質燃料では、カーボンなどの付着による汚れの進行の程度が異なる。燃焼システム８０では、各気筒が第１主機気筒群として動作する時間、第２主機気筒群として動作する時間を、各気筒間で均等となるように制御して、劣化の進行をそろえるようにすることができる。具体的には、主機５４の各気筒５６について第１主機気筒群の気筒として運転された時間、又は第２主機気筒群の気筒として運転された時間を積算して記憶し、この時間が所定の時間に達したら、各第１、第２及び第３制御弁８６，９０，９２を制御して、各気筒５６が属する主機気筒群の変更を行う運転時間管理手段４８を設ける。

燃焼システム８０の主機５４の気筒数は、６気筒に限らず、他の気筒数とすることができる。

また、燃焼状態が不安定になる条件、例えば荒天時においては、第１制御弁８６及び第２制御弁９０の一方、又は双方を制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。例えば、前述の海象状況検出手段７６を設け、受信した荒天情報に基づき第１制御弁８６及び第２制御弁９０の一方、又は双方を制御する。

図１０は、本発明に係る燃焼システム１００の概略を示す模式図である。燃焼システム１００は、１機の内燃機関１０２を有し、内燃機関１０２の作動要素、つまり気筒が、その機能により３つの群に分けられている。１段目の気筒群（第１段気筒群）の排気の少なくとも一部が２段目の気筒群（第２段気筒群）に供給され、２段目の気筒群の排気の少なくとも一部が３段目の気筒群（第３段気筒群）に供給される。また、内燃機関１０２の各気筒のピストンが１つのクランク軸に接続され、よって各気筒が１つの出力軸に関連付けられている。複数の内燃機関でなく、１つの内燃機関で構成することが可能で、この場合排気を吸気に混合する割合の変動を小さくすることが可能で制御が簡単にできる。

燃焼システム１００において、第１段気筒群は予混合燃焼を行う気筒により構成され、第２段及び第３段気筒群は拡散燃焼を行う気筒により構成される。また、第１段気筒群の気筒に供給される燃料は、気体燃料とすることができ、第２段及び第３段気筒群の気筒に供給される燃料は液体燃料とすることができる。また、第３段気筒群の気筒に供給される液体燃料を、第２段気筒群の気筒に供給される液体燃料よりも重質な液体燃料とすることができる。例えば、第２段気筒群の気筒に供給される液体燃料を軽油とし、第３段気筒群に供給される燃料を価格の安い重油とすることができる。さらに、全ての気筒に気体燃料を供給するようにしてもよい。

内燃機関１０２は、６つの気筒１０４を有する。これらの気筒を区別するために、−１〜−６の枝番号を付ける。内燃機関１０２の６つの気筒は、１番気筒１０４−１が第１段気筒群を構成し、２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３が第２段気筒群を構成し、４番〜６番気筒１０４−４，１０４−５，１０４−６が第３段気筒群を構成している。

第１段気筒群（気筒１０４−１）の排気管１０６から、第２段気筒群（気筒１０４−２，１０４−３）の吸気管１０８に排気を送るための第１送気管１１０が分岐しており、排気管１０６と吸気管１０８の分岐点には、第１切替手段である第１制御弁１１２が設けられている。第１制御弁１１２は、第２段気筒群に送られる排気の量を調節する。余剰の排気は、排気管１０６を通して排出される。また、余剰の排気の少なくとも一部を第１段気筒群の吸気管に戻してもよい。第１制御弁１１２は、排気を、排気管１０６を介して排出するか、第１送気管１１０を介して第２段気筒群に送るかを切り替える弁であってもよい。

内燃機関１０２の第２段気筒群（気筒１０４−２，１０４−３）の排気管１１４から、第３段気筒群（気筒１０４−４，１０４−５，１０４−６）の吸気管１１６に排気を送るための第２送気管１１８が分岐しており、第２段気筒群の排気管１１４と第２送気管１１８の分岐点には、第２切替手段である第２制御弁１２０が設けられている。第２制御弁１２０は、第３段気筒群の吸気管１１６に送られる排気の量を調整する。余剰の排気は、第２段気筒群の排気管１１４を通して排出される。第２制御弁１２０は、排気を第２段気筒群の排気管１１４を介して排出するか、第２送気管１１８を介して第３段気筒群に送るかを切り替える弁であってもよい。

図１１は、燃焼システム１００の配管の構成例を示す模式図である。６つの気筒１０４のそれぞれに対応して、吸気管１２２及び排気管１２４が設けられている。吸気管１２２及び排気管１２４について、必要に応じて、６つの気筒１０４に対応して枝番号−１〜−６を付して説明する（図１１においては、全て枝番を付している）。第２段気筒群に属する２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３に対応する吸気管１２２−２，１２２−３は、図１０に示した吸気管１０８に相当し、第３段気筒群に属する４番〜６番気筒１０４−４〜１０４−６の吸気管１２２−４〜１２２−６は、図１０に示した吸気管１１６に相当する。また、第１段気筒群に属する１番気筒１０４−１に対応する排気管１２４−１は、図１０に示した排気管１０６に相当し、第２段気筒群に属する２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３に対応する排気管１２４−２，１２４−３は、図１０に示した排気管１１４に相当する。

１番気筒１０４−１の排気管１２４−１には、この気筒の排気を第１送気管１１０を介して２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３の吸気管１２２−２，１２２−３に送るための第１制御弁１１２が設けられている。また、２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３の排気管１２４−２，１２４−３には、これらの気筒の排気を第２送気管１１８を介して４番〜６番気筒１０４−４〜１０４−６の吸気管１２２−４〜１２２−６に送るための第２制御弁１２０Ａ，１２０Ｂが設けられている。図１１に示す第１制御弁１１２は図１０に示す第１制御弁１１２に、図１１に示す第２制御弁１２０Ａ，１２０Ｂは図１０に示す第２制御弁１２０に相当する。

燃焼システム１００においては、予混合燃焼式の第１段気筒群（気筒１０４−１）の排気の少なくとも一部を拡散燃焼式の第２段気筒群（気筒１０４−２，１０４−３）の吸気に混合し、第１段気筒群の排気中の未燃燃料を第２段気筒群の気筒内で燃焼させ、メタンや炭化水素を減少させる。また、排気は、含有する酸素が少ないため、燃焼速度が抑えられ、気筒内の温度上昇が抑えられる。また、排気を吸気に混合させることで、吸気の酸素濃度を低くすることにより窒素酸化物の生成が抑制される。これにより、窒素酸化物の発生が抑えられる。

第１段気筒群の排気を第２段気筒群に通すことで、排気中のメタン等を７５〜９５％減少させることができる。しかし、第２段気筒群の気筒１０４−２，１０４−３内でメタン等を完全に燃焼させることはできず、第２段気筒群の排気中にメタン等が残存する。この残存するメタン等を更に燃焼させるため、第２段気筒群の排気の少なくとも一部を第３段気筒群の吸気に混合する。第３段気筒群でもメタン等を７５〜９５％減少させることができる。このように、２段階でメタン等を燃焼させることで、メタン等の排出を大幅に削減することができる。１段でメタンが９０％燃焼するとした場合、燃料中のメタンを１００とすれば、第１段気筒群の排気中のメタンは１０、第２段気筒群の排気中のメタンは１、第３段気筒群の排気中のメタンは０．１となる。言い換えれば、第１段気筒群の排気中のメタンを、２段階で燃焼させることで、百分の１に低減することができる。また、第３段気筒群の吸気に排気を導入することにより、第３段気筒群の各気筒内の温度上昇が抑えられ、窒素酸化物の発生が抑制される。また、排気を吸気に混合させることで、吸気の酸素濃度を低くすることにより窒素酸化物の生成が抑制される。

燃焼システム１００の第１段、第２段及び第３段気筒群にそれぞれ属する各気筒１０４、特にそのピストンは、共通の出力軸、つまりクランク軸に接続されている。したがって、各気筒１０４の回転速度は同じになる。このため、第１段気筒群の排気の全量を第２段気筒群の吸気に混合する排気の混合率は約５０％となる。同様に、第３段気筒群の排気の混合率は約６６％となる。混合率を下げる場合には、排気の一部を次段の気筒群に送らず、排出するようにする。内燃機関１０２の気筒数は、６気筒に限らず、他の気筒数とすることができる。

燃焼状態が不安定になる条件においては、第１制御弁１１２及び第２制御弁１２０，１２０Ａ，１２０Ｂの一方、又は双方を制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。

図１２は、燃焼システム１３０の配管の構成例を示す模式図である。燃焼システム１３０の内燃機関１０２は、液体燃料、気体燃料の双方に対応可能で、また予混合燃焼、拡散燃焼の双方に対応可能ないわゆるデュアルフューエル機関である。特に、気筒ごとに燃料、燃焼方式を選択することができる。６つの気筒１０４のそれぞれに対応して、当該気筒の排気を第１送気管１１０を介して吸気管１２２に送るための第１制御弁１１２が設けられ、各気筒１０４の排気を第２送気管１１８に送るための第２制御弁１２０が設けられている。さらに、第１送気管１１０から排気を吸気管１２２に送るための第３制御弁１３２が設けられ、第２送気管１１８から排気を吸気管１２２に送るための第４制御弁１３４が設けられている。また、第１〜第４制御弁の動作を制御する運転設定手段４６が設けられている。吸気管１２２、排気管１２４、第１、第２、第３及び第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４については、必要に応じて、６つの気筒１０４に対応して枝番号−１〜−６を付して説明する（図１２においては、全て枝番を付している）。また、第１及び第２制御弁１１２，１２０は、流量が調整可能な弁であっても、開、閉を切り替える弁であってもよい。第３及び第４制御弁１３２，１３４は、開、閉を切り替える弁であっても、流量が調整可能な弁であってもよい。

第１〜第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４の制御により６つの気筒１０４のいずれもが、第１段気筒群の気筒として動作することができ、また第１段気筒群の排気が供給される第２段気筒群の気筒として動作することができ、さらに第２段気筒群の排気が供給される第３段気筒群として動作することができる。各気筒が、第１段気筒群、第２段気筒群及び第３段気筒群のいずれの気筒群として動作するかは、運転設定手段４６による第１〜第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４の制御、及び各気筒への燃料供給制御、燃焼制御により定まる。なおここでは、第１制御弁１１２と第３制御弁１３２は前述の第１切替手段と同様の機能を有する。また、第２制御弁１２０と第４制御弁１３４は前述の第２切替手段と同様の機能を有する。

１番気筒１０４−１の排気が、第１送気管１１０に送られるように第１制御弁１１２−１を制御し、第２送気管１１８に送られないように第２制御弁１２０−１を制御する。排気が、第１送気管１１０から吸気管１２２−２，１２２−３に送られるように第３制御弁１３２−２，１３２−３を開き、残りの吸気管１２２−１，１２２−４，１２２−５，１２２−６に送られないように残りの第３制御弁１３２−１，１３２−４，１３２−５，１３２−６を閉じる。これにより、１番気筒１０４−１の排気が２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３に供給される。

２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３の排気が、第２送気管１１８に送られ、第１送気管１１０には送られないように第１制御弁１１２−２，１１２−３及び第２制御弁１２０−２，１２０−３を制御する。排気が、第２送気管１１８から吸気管１２２−４，１２２−５，１２２−６に送られるように第４制御弁１３４−４，１３４−５，１３４−６を開き、残りの吸気管１２２−１，１２２−２，１２２−３に送られないように第４制御弁１３４−１，１３４−２，１３４−３を閉じる。これにより、２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３の排気が４番〜６番気筒１０４−４，１０４−５，１０４−６に供給される。

これにより、１番気筒１０４−１が第１段気筒群、２番及び３番気筒１０４−２，１０４−３が第２段気筒群、４番、５番及び６番気筒１０４−４，１０４−５，１０４−６が第３段気筒群として動作する。この状態は、吸排気の流れに関して図１１に示した燃焼システム１００と同じになる。

第１〜第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４の状態を変えれば、第１段、第２段及び第３段気筒群に属する気筒を自由に選択することができる。例えば、２番気筒１０４−２を第１段気筒群の気筒とし、３番及び４番気筒１０４−３，１０４−４を第２段気筒群の気筒とし、５番、６番及び１番気筒１０４−５，１０４−６，１０４−１を第３段気筒群とすることができる。ある気筒について、その気筒に対応する第１制御弁１１２を排気が第１送気管１１０に流れるように制御し、第３制御弁１３２及び第４制御弁１３４を閉じれば、この気筒が第１段気筒群の気筒となる。つまり、第１、第３及び第４制御弁１１２，１３２，１３４が、第１段気筒群として運転される気筒を選択する気筒選択手段として機能する。また、第１制御弁１１２、第１送気管１１０及び第３制御弁１３２が第１段気筒群からの排気を第２段気筒群の気筒に切り替え可能に選択的に送る選択送気手段として機能する。さらに、第２制御弁１２０、第２送気管１１８及び第４制御弁１３４が第２段気筒群からの排気を第３段気筒群の気筒に切り替え可能に選択的に送る選択送気手段として機能する。

第１段気筒群の気筒には気体燃料を、第２段気筒群には液体燃料を、そして第３段気筒群の気筒には、第２段気筒群の気筒より重質の液体燃料を供給することができる。例えば、第１段気筒群の気筒には気体燃料を、第２段気筒群の気筒に軽油を、第３段気筒群の気筒に重油を供給するようにできる。他の気筒に排気を供給する第２段気筒群において、比較的排気が清浄になる軽質な燃料を用いることで、第３段気筒群のカーボンなどによる汚れを抑制することができる。また、第２段気筒群を低硫黄燃料とし、第３段気筒群を価格の安い高硫黄燃料とすることができる。この例としても、例えば第２段気筒群の気筒に軽油を、第３段気筒群の気筒に重油を供給するようにできる。他の気筒に排気を供給する第２段気筒群において、低硫黄燃料である軽質な燃料を用いることで、第３段気筒群の硫酸腐食を抑制することができる。

軽質燃料と、重質燃料では、カーボンなどの付着による汚れの進行の程度が異なる。燃焼システム１３０では、各気筒が第１段気筒群として動作する時間、第２段気筒群として動作する時間、第３段気筒群として動作する時間を、各気筒間で均等となるように制御して、劣化の進行をそろえるようにすることができる。こうすることにより各気筒の整備期間を等しくできる。具体的には、内燃機関１０２の各気筒１０４について第１段気筒群の気筒として運転された時間、第２段気筒群の気筒として運転された時間、及び第３段気筒群として運転された時間を積算して記憶し、この時間が所定の時間に達したら、各第１、第２、第３及び第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４を制御して、各気筒１０４が属する気筒群の変更を行う運転時間管理手段４８を設ける。

燃焼状態が不安定になる条件においては、第１〜第４制御弁１１２，１２０，１３２，１３４のいくつかを制御して、後段の内燃機関に排気が送られないようにすることができる。こうすることにより内燃機関の安全運転が可能となる。

本発明は、船舶用をはじめとした排気に含まれる未燃燃料と窒素酸化物を低減する必要のある内燃機関に適用することができる。特に、メタン燃焼を伴う内燃機関に好適に適用できる。

１０，４０，４５，５０，８０，１００，１３０ 燃焼システム、１２ 内燃機関（第１段気筒群）、１４ 内燃機関（第２段気筒群）、１６ 内燃機関（第３段気筒群）、３０，６４，８２，１１０ 第１送気管、３２，７２，８８，１１８ 第２送気管、３３，６６，８６，１１２ 第１制御弁、３５，７４，９０，１２０ 第２制御弁、４２ 内燃機関（第１段気筒群、第２段気筒群又は第３段気筒群）、４６ 運転設定手段、４８ 運転時間管理手段、５２ 補機（第１段気筒群）、５４ 主機（第２段気筒群と第３段気筒群）、５６，１０４ 気筒、７６ 海象状況検出手段、１０２ 内燃機関（第１段気筒群、第２段気筒群及び第３段気筒群）。

Claims (17)

1. 予混合燃焼の気筒からの排気に含まれる未燃燃料と、燃焼過程に拡散燃焼をもつ気筒からの排気に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、予混合燃焼を行う少なくとも１つの気筒から構成された第１段気筒群の排気の少なくとも一部を、燃焼過程に拡散燃焼を持つ少なくとも１つの気筒から構成された第２段気筒群の各気筒に吸気と共に供給し、前記第２段気筒群の排気の少なくとも一部を、燃焼過程に拡散燃焼を持つ少なくとも１つの気筒から構成された第３段気筒群の各気筒に吸気と共に供給することにより、前記排気中の前記未燃燃料と前記窒素酸化物を低減することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
2. 請求項１に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒には、気体燃料を供給し、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒には液体燃料を供給することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
3. 請求項１に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒には気体燃料を供給することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の気筒以外の各気筒が、前記第２段気筒群及び前記第３段気筒群のいずれに属するかを変更することができることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
5. 請求項４に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の気筒以外の前記各気筒の前記第２段気筒群及び前記第３段気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように各気筒が属する気筒群を切り替えることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
6. 請求項１又は請求項２に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒は、気体燃料と液体燃料のいずれでも動作可能で、かつ予混合燃焼と拡散燃焼のいずれの燃焼も可能であるデュアルフューエル気筒であることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
7. 請求項６に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、各気筒が、前記第１段気筒群、前記第２段気筒群及び前記第３段気筒群のいずれに属するかを変更することができることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
8. 請求項７に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、各気筒の、それぞれの気筒群に属して運転される時間が、各気筒間で均等化するように、各気筒が属する気筒群を切り替えることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒が、気筒群ごとに異なる内燃機関に関連付けられていることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒が第１内燃機関に関連付けられ、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒が前記第１内燃機関と異なる第２内燃機関に関連付けられていることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
11. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法であって、前記第１段気筒群の各気筒、前記第２段気筒群の各気筒及び前記第３段気筒群の各気筒が、共通の内燃機関に関連付けられていることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法。
12. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、前記第１段気筒群からの排気を前記第２段気筒群に送る第１送気管と、前記第２段気筒群からの排気を前記第３段気筒群に送る第２送気管と、前記第１送気管に設けられ、前記第１段気筒群からの排気を前記第２段気筒群に送るか否かを切り替える第１切替手段と、前記第２送気管に設けられ、前記第２段気筒群からの排気を前記第３段気筒群に送るか否かを切り替える第２切替手段とを備えることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。
13. 請求項１２に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、少なくとも前記第１切替手段及び前記第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、前記段切替手段が、前記第１段気筒群の気筒以外の前記各気筒の属する段を切り替えて変更することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。
14. 請求項１２に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、少なくとも前記第１切替手段及び前記第２切替手段を用いて各気筒の属する段を切り替える段切替手段を備え、前記段切替手段が、各気筒の属する段を切り替えて変更することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。
15. 請求項１３又は請求項１４に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、前記燃焼システムの各気筒の属する段を設定する運転設定手段を備え、前記運転設定手段において設定された各気筒の属する段に前記未燃燃料を含んだ排気を供給するように前記段切替手段を制御することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。
16. 請求項１５に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、前記燃焼システムの各気筒の運転時間を管理する運転時間管理手段を備え、前記運転時間管理手段による運転時間の管理データに基づいて、前記運転設定手段による各気筒の属する段の切り替え時間を制御することを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。
17. 船舶に搭載された請求項１５又は請求項１６に記載の未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システムであって、海象の状況を検出する海象状況検出手段を備え、前記運転設定手段が、前記海象状況検出手段の検出結果に基づいて設定を変更し、前記第１切替手段と前記第２切替手段の少なくとも一方を切り替えることにより、後段の気筒群に排気が送られないようにすることを特徴とする未燃燃料と窒素酸化物の低減燃焼方法を用いた燃焼システム。