JP2020176626A - 大型エンジンの運転方法及び大型エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】すべての負荷領域に亘って、特に低負荷領域において、エネルギー効率が良く、環境に優しく、排出ガスの少ない大型エンジンの運転を可能にする、ガスモードでの大型エンジンの運転方法を提供する。【解決手段】複数のシリンダ（２１）を有する大型エンジンをガスモードで運転するための方法。この方法では、燃料を導入することによって、ある空燃比を有する予混合された混合気を燃焼室に供給し、空燃比又は大型エンジン（２０）が運転される負荷に依存する少なくとも１つの制御パラメータを監視し、制御パラメータが限界値に達した場合に、大型エンジンを低減モードで運転する。低減モードにおいては、少なくとも１つのシリンダがオフにされて、大型エンジンが低減された数のシリンダで運転され、空燃比が低減された数のシリンダに適合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のシリンダを有する大型エンジンを運転する方法、及び各カテゴリの独立特許請求項のプリアンブルに記載の大型エンジンに関する。

２ストローク又は４ストロークエンジン、例えば、縦掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計可能な大型エンジンは、船舶の駆動装置として、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動するために、固定式の運転でしばしば使用される。エンジンは通常、連続運転でかなり長い期間運転されるため、運転の安全性及び可用性が強く要求される。その結果、特に、保守間隔が長く、摩耗が少なく、運転用材料が経済的なことが事業者にとっての最も重要な基準になっている。大型エンジンは通常、内径（ボア）が２００ｍｍ以上のシリンダを有しているが、今日では、９６０ｍｍまで、またはそれ以上のボアをもつ大型エンジンが使用されている。

大型エンジンは様々なタイプが知られているが、それぞれは２ストローク又は４ストロークエンジンとして設計可能である。経済的で効率的な運転、排気ガス排出限界値の遵守、資源の可用性に関して、従来より大型エンジンに燃料として使用されてきた重油に代わるものも求められている。この観点から、液体燃料、すなわち、液体状態で燃焼室に導入される燃料と、気体燃料、すなわち、気体状態で燃焼室に導入される燃料との両方が使用されている。

例えば、重油の代替として知られる液体燃料は、具体的には石油精製の残りである他の重質単価水素、アルコール、特にメタノール又はエタノール、ガソリン、ディーゼル、また、エマルジョンや懸濁液である。例えば、ＭＳＡＲ（Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ Ａｔｏｍｉｚｅｄ Ｒｅｓｉｄｕｅ）として知られるエマルジョンが燃料として使用されることが知られている。よく知られている懸濁液は炭塵と水の懸濁液であり、これも大型エンジンの燃料として使用される。ＬＮＧ（液化天然ガス）等の天然ガスが、気体燃料として知られている。

重油をだけを使用する単純な運転に対するよく知られた他の代替手段は、大型エンジンを２つ又はそれ以上の種類の燃料で運転可能なように設計することであり、運転状況や周囲の状況に応じて、エンジンを一方の燃料又はもう一方の燃料で運転する。多燃料大型エンジンとも呼ばれるこのような大型エンジンは、運転中に、第１燃料を燃焼させる第１モードから、第２燃料を燃焼させる第２モードに、又はその逆方向に切り替えることができる。

２種類の異なる燃料で運転が可能な大型エンジンの設計で知られているのは、今日「デュアルフューエルエンジン」という用語が使われているタイプのエンジンである。これらのエンジンは、一方では、例えば、天然ガス又はメタン等の気体燃料が燃焼のために燃焼室に導入されるガスモードで運転でき、もう一方では、重油又は他の液体燃料等の液体燃料が同じエンジン内で燃焼可能な液体モードで運転可能である。これらの大型エンジンは、２ストローク又は４ストロークエンジンのどちらであってもよく、具体的には、縦掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンであってもよい。

少なくとも２種又はそれ以上の異なる液体又は気体燃料で運転可能な大型エンジンは、その時点で使用されている燃料によって異なるモードで運転される場合が多い。一般に、しばしばディーゼル運転と呼ばれる運転モードでは、燃料の燃焼は燃料の圧縮着火又は自己着火の原理に基づいている。しばしばオットー運転と呼ばれるモードでは、発火性の予混合された混合気の火花点火をとおして燃焼が行われる。この火花点火は、例えば、スパークプラグ等を使用した電気火花によって行われるか、又は少量の噴射燃料が自己着火し、それによって他の燃料の火花点火を引き起こすことによって行うことができる。自己着火のための少量の燃料は、燃焼室に連結された予燃室に噴射される場合が多い。

上記のデュアルフューエルエンジンでは、例えば、発火性の混合物をシリンダの燃焼室に生成するために、気体状のガスを掃気空気と混合するガスモードが知られている。この低圧プロセスにおいて、シリンダ内の混合物の点火は、少量の液体自己着火性燃料を適切な瞬間にシリンダの燃焼室又は予燃室に噴射することによって通常行われ、これによって空気とガスの混合物が点火される。

更に、オットー運転及びディーゼルの運転から知られる混合形態も存在する。

純粋なガスエンジン、すなわち、燃料としてのガスのみで運転されるエンジンとして設計された大型エンジンも知られている。

デュアルフューエルエンジンか又は純粋なガスエンジンかに関わらず、シリンダの燃焼室内に燃料ガスを導入し、空気とガスの混合物を生成するプロセスは、このようなエンジンの高信頼性、低排出ガス、及び安全運転のために極めて重要である。

ガスモードでは、ガスに対する掃気空気の比率、いわゆる空燃比（ラムダ値（λ値）とも呼ぶ）を正確に調整することは極めて重要である。大型ディーゼルエンジンでは、掃気又は給気空気は通常、エンジンの負荷、つまりエンジンのパワー、トルク、又は回転速度に従って掃気圧又は給気圧力を発生させるターボチャージャーによって供給される。所定の給気圧力に対して、シリンダ内の空気の質量を計算し、エンジンが生成するそれぞれに必要な駆動トルク、又は、所望の回転速度に対して、気体燃料の適切な量を決定することができ、これにより燃焼プロセスを運転条件に対して最適にすることができる。

具体的には、ガスモードがオットーの原理で運転されているとき、空燃比を正確に調整することは、エンジンを可能な限り少ない排出ガスで、効率的に、且つ経済的に運転するために決定的に重要である。ガス含有量が高すぎる場合、混合気は濃くなりすぎ、混合物の燃焼が速く又は早くなりすぎ、エンジンのノッキングが発生する可能性がある。そして、燃焼プロセスがシリンダ内のピストンの動きと正しく整合しなくなり、その結果、燃焼がピストンの動きに対して部分的に逆に作用するようになる。空気量が多すぎる場合、すなわち、ラムダ値が高すぎる場合、混合気が薄くなりすぎ、失火が発生する。これは、もちろん、エンジンの効率的且つ排出ガスの少ない運転にも悪影響を及ぼす。したがって、特にガスモードの大型エンジンに関し、ラムダ値を一方のノッキング限界ともう一方の失火限界との間の最適な範囲に維持するための取り組みが行われている。

オットー運転において空燃比を正しく調整すると、大型エンジン、特に縦掃気式大型エンジンの、特にエンジンの低負荷領域において問題が発生する。なぜなら、この低負荷領域においては、この負荷に必要な量のガスを供給し、正しいラムダ値を有する混合気にしようとすると、シリンダ内に過剰な掃気空気が流入する可能性があるためである。これは主には、吸気レシーバ内の利用可能な掃気又は給気空気の給気圧力が、通常の周囲空気圧、すなわち、約１バール（１００ｋＰａ）より小さくなることできないためである。したがって、吸気レシーバから各シリンダ内に流れる掃気空気の質量流量は、最小値未満になることはできない。吸気レシーバからシリンダに流入する掃気空気が通る掃気孔はピストンの動きによって開閉するため、特にエンジンの低負荷領域においては、この低負荷に導入される少ない質量のガスを使用して所望のラムダ値を有する混合気を形成するために、できる限りの最小質量流量であっても、過剰な質量の給気空気がシリンダに流入する可能性がある。

この問題を解決するために、低負荷領域に関する技術の現状においてｅＥＶＯ（ｅａｒｌｙ ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ ｏｐｅｎｉｎｇ：排気バルブ早期開放）という方法が知られている。この方法では、低負荷領域でのガスによる運転において、シリンダの出口弁を、燃焼プロセスの後、少なくともシリンダの通常の動作サイクルで開かれるより極端に早いタイミングで開く。その結果、燃焼プロセス中に生成されるエネルギーのかなりの部分が、ピストを駆動するために使用されずに、極端に早いタイミングで開かれた出口弁から流出する。そして、エンジン制御が、エンジンがもはや所望のトルクを生成していないことを記録し、これにより、次の動作サイクル中にシリンダに導入されるガスの量を増加させる。このガスの量の増加によってラムダ値が下がり、これによって所望の値に調整できるようになる。

この方法は、低負荷領域においてもラムダ値を所望の限界値の範囲内に維持できることが実際に証明されているが、燃焼プロセス中に生成されるエネルギーの一部が排気システム内に排出され、ピストンを下降させる膨張作業に利用できなくなるため、エネルギーの観点からはあまり有利ではない。したがって、この方法では、ガスの消費が特に低負荷領域で増加し、大型エンジンのエネルギー効率が低下する。

このような技術の現状から出発し、本発明は、すべての負荷領域に亘って、特に低負荷領域において、エネルギー効率が良く、環境に優しく、排出ガスの少ない大型エンジンの運転を可能にする、ガスモードでの大型エンジンの運転方法を提案することを目的とする。更に、これに対応する大型エンジンを提案することも本発明の目的である。

これらの目的を満たす本発明の主題は、各カテゴリの独立請求項の特徴によって特徴付けられる。

本発明は、複数のシリンダを有する大型エンジンをガスモードで運転するための方法であって、燃料を導入することによって、ある空燃比を有する予混合された混合気を燃焼室に供給し、空燃比又は大型エンジンが運転される負荷に依存する少なくとも１つの制御パラメータを監視し、制御パラメータが限界値に達した場合に、大型エンジンを低減モードで運転する方法において、低減モードにおいて、少なくとも１つのシリンダがオフにされて、大型エンジンが低減された数のシリンダで運転され、空燃比が低減された数のシリンダに適合されている方法を提案する。

大型エンジンが低減モードにおいては低減された数のシリンダで運転されるため、所定の負荷に対し、低減モードにおいて引き続き動作するアクティブシリンダの１つが生成しなければならないパワーは、同じ負荷の下で大型エンジンのすべてのシリンダが動作する場合に、このシリンダが生成しなければならないパワーより大きい。言い換えると、低減モードでは、大型エンジンが提供するパワーがより少ない数のシリンダに分配されるため、アクティブシリンダ１つによって提供すべきパワーが増加する。引き続き動作するアクティブシリンダの各々が、大型エンジンのすべてのシリンダが動作する場合より大きなパワーを生成しなければならないため、低減モードでは、引き続き動作するアクティブシリンダに、より多くの量の燃料（ガス）を噴射しなければならず、これによって、空燃比が低下する。そして、低減モードにおいて引き続き動作するアクティブシリンダに対し、空燃比を最適な値に調整する。

原理上、本発明に係る方法は、大型エンジンのすべての負荷領域で使用可能である。本発明に係る方法は、一部の負荷での、すなわち、低負荷領域での大型エンジンの運転に特に適する。例えば、大型エンジンを最大負荷の最大２５％で運転する場合である。

したがって、本発明に係る方法によって、低負荷又は超低負荷のガスモードの場合でも、空燃比を失火限界未満の値に調整することができ、これにより、エネルギー効率が良く、環境に優しく、排出ガスの少ない大型エンジンの運転が確実に行えるようになる。

具体的には、燃焼プロセスの後に出口弁を著しく早く開くことに基づく方法と比べると、本発明に係る方法は、燃焼プロセスで生成されたエネルギーが、使用されない状態で排気システムへと排出されることが実質的になく、本質的に、燃焼によって生成されたエネルギー全体が、膨張作業のために、又はピストンの動作のために使用されるという利点を有する。したがって、本発明に係る方法は、エネルギーの観点からエネルギー効率が大幅に高く、特に、超低負荷時にガス消費が劇的に低くなる。他の方法と比較して、本発明に係る方法は、例えば、最大負荷の２５％以下の、又は最大負荷の１５％又は１０％以下の超低負荷で、ガス消費を少なくとも２分の１、又は３分の２以上低減することができる。これも、もちろん、経済的観点から大きな利点である。ガス消費量、又はガス消費率も、例えば、１キロワット・時に必要なガスの質量、すなわち、ｇ／ｋＷｈで表され、ｇは、燃焼に導入されるガスのグラム単位の質量である。

好ましくは、現在のアクティブシリンダの数で、失火限界より低く、ノッキング限界を超える空燃比を実現することが現在の大型エンジンの運転状態でそもそも可能であるかどうかが制御パラメータによって、チェックする。制御パラメータによって、空燃比が失火限界に近づいている（すなわち、制御パラメータが限界値に到達している）と判断した場合、まず、１つのシリンダをオフにする。そして、依然として空燃比を失火限界未満の値に調整できないと認識すると、別のシリンダをオフにする。アクティブシリンダの数で空燃比が失火限界未満の混合気を生成できるまでこの方法を続ける。

この方法は、縦掃気式２ストローク大型エンジンでは、給気圧力を必要な程度に低減できないということを特に考慮している。

４ストローク大型エンジンでは、掃気プロセスは主に、ピストンの動きによって発生するポンプ効果によって決まる。ピストンの膨張行程の後、排気ガスは、ピストンの上昇によって、シリンダから押し出される。これに続くピストンの下向きの動きの間に、新しい給気空気が、容積の増加によってシリンダ内に吸い込まれる。このときシリンダ内に閉じ込められた給気空気は、入口が閉じたときの燃焼室内に存在する吸引圧力によって主に決まり、吸引圧力は、スロットルバルブを介して、又は入口弁の動作タイミングを調整することによって、又は入口弁のストロークによって調整することができる。これによって、シリンダ内に閉じ込められた給気空気の量を極めて精密に調整できる。具体的には、この場合、吸引又は給気圧力を周囲空気圧より低い値に調整することももちろん可能である。

これとは対照的に、２ストローク大型エンジンでは、掃気プロセスは、ピストンが下死点近くにあるときのみに行われる。つまり、ピストンが掃気孔より低い位置にあるとき、すなわち、ピストンが掃気孔を開放するときに、掃気プロセスが行われる。もちろん、これと同時に出口弁も開いていなければならない。ガス交換、又は新しい給気空気の供給は、出口弁の下流の圧力と、給気空気が掃気孔に供給されるときの給気圧力との圧力差のみによって決定される。したがって、掃気空気がシリンダに流入する給気圧力を、周囲空気圧より大幅に低くすることはできない。

本発明に係る方法によって、具体的には、給気圧力を必要な量だけ下げることができない場合にも、１つ又は複数のシリンダをオフにすることによって、アクティブシリンダ内の空燃比を失火限界より低くすることが可能になる。

しかし、本発明に係る方法は、これらの低負荷領域だけに限られず、大型エンジンの負荷領域全体に亘って有利に使用可能である。制御パラメータを使用することよって、各負荷領域に対し、対応する所望の負荷又は対応する所望の回転速度を実現するために、低減された数のアクティブシリンダで大型エンジンが運転できるかどうか確認することが一般的に可能である。用語「アクティブシリンダ」は、燃焼プロセスが行われる、すなわち、クランクシャフトのトルク生成に寄与するシリンダを指す。したがって、例えば、空気温度又は湿度等の周囲の状況によっては、低減された数のシリンダで大型エンジンに要求されるパワーを実現できることがあるかもしれない。例えば、このような大型エンジンによって駆動される船が、例えば、北極海において、北極の環境条件で航行している場合、１つ又は複数のターボチャージャーによって吸入される周囲の空気は、極めて低温で、極めて乾燥している。空気の密度が高いため、ターボチャージャーは、給気空気を供給するために、同じだけのパワーを生成する必要がなくなる。したがって、ターボチャージャーに供給される燃焼ガスの量を調整するウェイストゲートバルブを、更に大きく開くことができ、その結果、多量の燃焼ガスがターボチャージャーをバイパスする。例えば、ウェイストゲートバルブを、非常に大きく、又は完全に開いた場合、本発明に係る方法の一実施例においては、少なくとも１つのシリンダをオフにし、ウェイストゲートバルブを更に、又は完全に閉じ、これによって、低減された数のシリンダで大型エンジンの同じパワーを供給するために必要な給気圧力及び増加した給気空気を供給することを可能にする。

低減モードでは、それぞれの場合において、引き続き動作する低減された数のアクティブシリンダの平均有効圧力を増加して運転することによって、ガス消費率も低減できる。これにより、ガス消費率を数ｇ／ｋＷｈ削減することができる。

大型エンジンを低減モードで運転するかどうかを決めるための制御パラメータとして複数のパラメータが適しており、具体的には、いずれにせよ分かっているパラメータか、又は大型エンジンの運転中に求められるパラメータが適する。

好ましい一実施例によれば、制御パラメータは、大型エンジンが運転される負荷又は回転速度である。負荷は、通常最大負荷の百分率で表される。

制御パラメータが空燃比、すなわち、ラムダ値である場合も好ましい実施例の１つである。

更なる好ましい一実施例によると、制御パラメータは、大型エンジンの過渡的な挙動に依存する。この目的のため、例えば、エンジンのトルク又は回転数の過渡的な挙動が求められる。そして、トルク又は回転速度の変化を、例えば、制御パラメータとして使用するか、又は制御パラメータと統合することができる。

ターボチャージャーに供給される燃焼ガスの量を調整するウェイストゲートバルブの位置も、制御パラメータとして使用するか、又は制御パラメータと統合することができる。

更なる好ましい一実施例では、制御パラメータが、シリンダ内の最大圧力とシリンダの圧縮圧力との比率である点火率に依存する。

大型エンジンを低減モードで運転すべきかを決定するために、２つ以上の制御パラメータを使用してもよいのは当然であると理解される。

一好ましい実施例によれば、低減モードにおいて、低減モードに必要な最小数のシリンダを決定する。また、低減モードにおいて引き続き動作させるアクティブシリンダの数を最小化することは、それぞれの場合においてアクティブシリンダに導入されるガスの質量が最大化し、これによって、一定な掃気空気条件の下でラムダ値を低減することができるという利点がある。

特に好ましい一実施例によれば、低減モードにおいて、大型エンジンの少なくとも１つ、好ましくは複数の動作パラメータが調整される。これは、少なくとも１つの動作パラメータが、低減モードにおいて引き続き動作する低減された数のシリンダのために調整されるということを意味する。動作パラメータは、例えば、掃気空気が吸気レシーバに供給されるときの給気圧力、噴射圧力、すなわち、燃料として使用されるガスがシリンダ内に導入されるときの圧力、圧媒体、例えば、エンジンの構成部品、例えば、出口弁、が操作されるオイルの圧力、シリンダ潤滑の時間と程度、又は潤滑剤の圧力であってもよい。

低減モード中に少なくとも引き続き動作するアクティブシリンダに対して調整可能な更なる動作パラメータは、シリンダの出口弁の閉タイミング、出口弁の開タイミング、燃料の導入のための噴射開始時期、燃料が導入されるときの噴射圧力、混合気の点火タイミング、及びシリンダの最大圧力の内の、１つ又は複数の動作パラメータである。ただし、これらの項目には限定されない。

更に、低減モードにおける空燃比を調整するいくつかの選択肢があり、以下にいくつかの好ましいものを挙げる。もちろん、複数の可能な項目を互いに組み合わせてもよい。

低減モードにおいて、空燃比を、給気圧力を介して、又は給気空気の温度を介して調整してもよい。給気圧力及び給気空気温度は、吸気レシーバに供給される掃気空気又は給気空気の圧力及び温度を示す。

低減モードにおいて、空燃比を、出口弁の開タイミングを介して、又は出口弁の閉タイミングを介して調整してもよい。

低減モードにおいて、空燃比を、燃料の噴射開始時期又は噴射圧力を介して調整してもよい。

低減モードにおいて、制御パラメータを監視し、制御パラメータが低減モードの条件を満たさなくなった場合、低減モードを終了することが、更なる好ましい一つの方法である。この目的のため、例えば、継続的又は定期的な間隔で制御パラメータを判定し、制御パラメータが、再度限界値を超えた場合、又は（選択した制御パラメータによっては）限界値より下になった場合、低減モードを終了し、大型エンジンを、例えば、通常のガスモード又は液体モードで再度運転する。これは、大型エンジンが低減された数のシリンダで、空燃比が事前決定可能な許容範囲からはずれることなく依然として運転可能であるかを連続的、又は一定の間隔で確認すること意味する。

低減モードにおいて制御パラメータを監視し、低減されたシリンダの数を調整することが、更なる好ましい一つの方法である。この方法によれば、低減モードの間、大型エンジンを現在運転している、引き続き動作中のアクティブシリンダの数を変更すべきかそうでないか、すなわち、更なるシリンダをオフにできるか、又はアクティブシリンダの数を増加させる必要があるかを、継続的に、又は事前決定可能な時間間隔で確認する。

更に、本発明は、本発明に係る方法で運転される大型エンジンを提案する。

この大型エンジンは、縦掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計されることが好ましい。

この大型エンジンは、液体燃料が燃焼のために燃焼室に導入される液体モードで運転可能で、且つ、ガスが燃料として燃焼室に導入されるガスモードでも運転可能なデュアルフューエル式大型ディーゼルエンジンとして設計するのが特に好ましい。

本発明の更に有利な方法及び実施例は、従属請求項から生じる。

以下、装置及びプロセスエンジニアリングの両方の観点で、実施例に基づき且つ以下に示す図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明に係る大型エンジンの実施例の概略断面図である。 図２は、大型エンジンの実施例において、トルクが空気とガスの比率に依存することを示す概略図である。 図３は、シリンダ内の圧力を示す概略図である。

用語「大型エンジン」は、通常、船舶の主駆動装置として、又は、例えば、電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動する固定運転において使用されるようなエンジンを指す。典型的には、大型エンジンの各シリンダは少なくとも約２００ｍｍの内径（ボア）を有する。用語「縦掃気式」とは、掃気又は給気空気が、シリンダの下端領域に導入されることを意味する。

実施例に基づく以下の発明の説明においては、例示的に、デュアルフューエルエンジン、すなわち、２種の異なる燃料で運転可能なエンジンとして設計された、特に実践に重要な大型エンジンの場合について説明する。特に、大型エンジンの本実施例は、液体燃料のみがシリンダの燃焼室内に噴射される液体モードで運転可能である。通常、液体燃料、例えば、重油又はディーゼル油は、適切なタイミングで燃焼室に直接噴射され、自己着火のディーゼル原理に従ってそこで着火する。本大型エンジンは、燃料としてのガス、例えば、天然ガスが、予混合された混合気の形態で燃焼室において点火されるガスモードでも運転可能である。具体的には、ガスモードでは、大型エンジンは、低圧法で運転される。すなわち、ガスがシリンダ内に気体の状態で導入され、ガスの噴射圧力は、５０バール以下、好ましくは２０バール以下である。空気とガスの混合物は、オットーの原理に従い燃焼室で火花点火される。この火花点火は、通常、少量の自己着火性液体燃料（例えば、ディーゼル油又は重油）を燃焼室又は予燃室に適切な瞬間に導入し、それが自己着火して燃焼室内の混合気を火花点火することによって行われる。

ここで説明する実施例では、大型エンジンは、縦掃気式デュアルフューエル２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計されている。

本発明は、このタイプの大型エンジン、又はこの使用方法に限定されるものではなく、一般的な大型エンジンを指すものと理解される。よって、本大型エンジンは、天然ガス等の単一の気体燃料のみを燃焼させるように設計することも可能である。つまり、本大型エンジンをガスエンジンとして設計することも可能である。本大型エンジンを、３種類以上の燃料を燃焼するように設計された多燃料エンジンとして設計することも可能である。

図１は、大型エンジンの本実施例の複数のシリンダの内、１つのシリンダ２１を非常に模式的に示した図であり、その全体を参照符号２０で示している。シリンダ２１の内部には、ピストン２３が上死点と下死点の間で往復運動可能なように、本質的に既知の方法で配置されている。

大型エンジン２０の構造、及び液体モード用噴射システム、ガスモード用ガス供給システム、ガス交換システム、掃気空気又は給気空気を供給するための排気システム又はターボジャージャーシステム、及び大型エンジンの確認及び制御システム等の大型エンジン２０の個々の構成部品は、２ストロークエンジンとしての設計及び４ストロークエンジンとしての設計の両方が当業者によく知られているため、更なる説明はここでは不要である。図１には、これらの構成部品の内、出口弁２４の１つのみしか示していないが、本発明を理解するにはそれで十分である。現代の大型エンジンでは、確認及び制御システムは電子システムであり、これによって、エンジン又はシリンダのすべての機能、具体的には、噴射（噴射の開始と終了）及び出口弁の作動が、調整、制御、又は規制することができる。

ここで説明する縦掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジン２０の実施例では、掃気スロット２２は通常、各シリンダ２１又はシリンダライナーの下部領域に設けられ、シリンダ２１内のピストン２３の動きによって定期的に開閉される。これにより、掃気スロット２２が開いている間、吸気レシーバ２６内の給気圧力下でターボチャージャーによって供給される掃気空気が、掃気スロット２２を通りシリンダ２１へと流入することができる。この流れを、図１中に、参照符号Ｌを付した２つの矢印によって示す。シリンダヘッド、すなわちシリンダカバーのほぼ中央には、出口弁２４が配置されており、燃焼プロセス後に、燃焼ガスをシリンダ２１からこの出口弁２４を通して排気システム２５へ排気することができる。排気システム２５は、燃焼ガスの少なくとも一部をターボチャージャーのタービン（図示せず）へと導き、ターボチャージャーのコンプレッサは、給気圧力下で給気空気を吸気レシーバ２６内に供給する。給気圧力は通常、ターボチャージャーに供給される燃焼ガスの量を調整する、いわゆるウェイストゲートバルブを介して調整される。

液体燃料をシリンダ２１の燃焼室内に導入するための１つ又は複数の燃料噴射ノズル（図示せず）が、例えば、シリンダヘッド内の出口弁２４近くに設けられている。ガス注入ノズルを有する少なくとも１つのガス入口弁を備えるガス供給システム（図示せず）が、ガスモードでのガス供給のために設けられている。ガス注入ノズルは通常、シリンダの壁に設けられ、例えば、その高さはピストン２３の上下死点の間のほぼ中央である。

図１では、様々なクランク角度を左側に追加して示している。クランク角度は、クランクシャフトの位置を示しており、大型ディーゼルエンジン２０の動作サイクルを本質的に既知の方法でマーキングしたものである。クランク角度１８０°のとき、ピストン２３は下死点、つまり反転ポイントに位置し、クランク角度３６０°のとき、ピストン２３は上死点、つまり反転ポイントに位置する。２ストロークエンジンの設計の場合、動作の１サイクルは３６０°である。ピストン２３の動作は、クランク角度０°（ピストン２３が３６０°のときと同じ位置）、すなわち上死点から開始され、膨張行程中に下降し、１８０°で下死点に到達する。その後、ピストン２３は、圧縮行程中に再度上昇し、３６０°で上死点に到達する。図１では、ピストン２３の現在位置がクランク角度２７０°に対応する位置である場合を示している。

以下では、例として、大型ディーゼルエンジンが船の駆動装置である場合の適用例を更に説明する。

今日、排気ガス値に関する法的規制により、沿岸近くの大型ディーゼルエンジンは、しばしばガスモードによって運転する必要がある。なぜなら、そうしなければ、排気ガス排出量、特に窒素酸化物ＮＯｘ及び硫黄酸化物に関する規定限界値を満たすことができなくなったからである。

本発明は、詳細には大型エンジン２０のガスモードでの運転に関するものである。

ガスモードでは、排出ガス量が可能な限り少ない混合気の効率及び燃焼は、空気の量と燃料として使用するガスの量の比率に影響される。この比率は通常、化学量論的燃焼に必要な空気の質量に対する、シリンダに閉じ込められた空気の質量の比率を示すラムダ値（λ値）によって表される。

図２は、空燃比１と船舶を駆動するエンジンによって発生するトルク２との例示的な関係を示す概略図である。この図は、船が本質的に穏やかな海域を移動している場合の、船の特定の速度、又はエンジンの特定の回転速度に対応する特定のトルクに適用される。具体的には、図２に示すトルク２は、基本的に、動作サイクル全体で平均したトルクであるＢＭＥＰ（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：正味平均有効圧）トルクである。

図２の図示には、ガスモードの２つの限界曲線、すなわち、ノッキング限界（ノッキング曲線）３及び失火限界（失火曲線）４が表されている。図示のノッキング限界３の左側の運転状態において、例えば、Ｂ点では、混合気は濃すぎる、すなわち、混合気中の空気が少なすぎる。混合気が濃すぎる場合、様々な問題を引き起こす可能性がある。詳細には、燃焼が速すぎるという問題（高速燃焼）、エンジンがノッキングを始めるという問題、（動作サイクルに関して）ガス含有量が多いために、通常、シリンダ２１中の混合気が燃焼を開始するのが早すぎるという問題（過早点火）である。図示の失火限界４の右側の運転状態において、例えば、Ｃ点においては、混合気は薄すぎる、すなわち、燃焼室内の最適な燃焼に対して十分な量のガスがない、又は空気が多すぎる。

このため、特にガスモードにおいて、大型ディーゼルエンジンを常に空燃比の最適点５、すなわち、図２において、例えば、動作点Ａで運転するように努力が行われる。実際には、一定の回転速度であっても、又は船が一定速度であっても、トルク又は空燃比１の自然変動を回避や規制することはできない。従って、図２中で、２つの直線７及び８によって制限された許容範囲６が設けられており、この範囲内では空燃比１の最適点５からの偏差が許容される。

このように、より低負荷領域、例えば、最大負荷の２５％未満の負荷におけるガスモードでは、適切な対策を講じなければ、この負荷に必要な気体燃料の量を含み、許容範囲６内の、又は図示による少なくとも失火限界４の左側のラムダ値を有する混合気を供給すると、過剰な掃気空気がシリンダ内に存在してしまう可能性がある。これは、主に、吸気レシーバ２６内の給気圧力を周囲圧力、すなわち、通常は常圧、より下げることができないためである。したがって、大型エンジン２０は、ガスの量に対しシリンダ２１内の空気の量が過剰な、すなわち、混合気が薄すぎる、失火限界４の右側の運転状態になるであろう。ラムダ値が高すぎる運転状態は、図２中、例えば、Ｃ点において発生する。

このような運転状態を避けるために、本発明は、ガスモードにおいて、空燃比又は大型エンジン２０が運転される負荷に依存する制御パラメータを監視することを提案する。制御パラメータが事前決定可能な限界値を超えた場合、大型エンジン２０は、複数のシリンダ２１の少なくとも１つをオフにした低減モードで運転される。これにより、大型エンジン２０は、低減した数のシリンダ２１で、低減モードで運転される。空燃比、すなわち、ラムダ値は、低減モード中に動作する低減した数のシリンダ２１に合わせて調整され、これらのアクティブシリンダは、好ましくは、許容範囲６（図２）内で運転される。

尚、本発明に係る方法が、上記のような最大負荷の多くて２５％の低負荷領域に限定されず、他の負荷領域でも有利に使用できることはもちろんである。次に、制御パラメータに基づき、低減された数のアクティブシリンダで大型エンジンに必要な負荷を実現できるかどうか、及び好ましくはすべてのアクティブシリンダが許容範囲６内で運転されるように空燃比を調整することができるかどうかを判定する。

低減モードでは、低減された数のシリンダ２１のみが動作する、つまり、トルク生成に寄与することから、アクティブシリンダ２１の１つが供給すべきパワーは、大型エンジン２０のすべてのシリンダ２１がトルク生成に寄与する場合より大きくなる。その結果、動作サイクル毎にアクティブシリンダ２１の１つに導入しなければならない気体燃料の質量は、大型エンジン２０のすべてのシリンダ２１が共同して同じパワーを生成しなければならない場合に各シリンダに導入されなければならない燃料の量より大きくなる。したがって、アクティブシリンダ内に存在することができる掃気空気の質量は、空燃比が高くなりすぎるリスクなしに、例えば、失火限界４を超えるというリスクなしに、大きくすることができる。

好ましくは、大型エンジン２０の現在の運転状態が、現在のアクティブシリンダ２１の数で、許容範囲６の、具体的には、図示（図２）の失火限界４の左側のラムダ値を有する空燃比を実現することがそもそも可能であるかどうかを、制御パラメータによって確認する。ラムダ値が失火限界４に近づいている（すなわち、制御パラメータが限界値に近づく）と制御パラメータによって判定されると、まず、シリンダ２１の１つをオフにする。そして、それでも空燃比を失火限界４の左側のラムダ値に調整できないと認識すると、別のシリンダ２１をオフにする。この方法は、許容範囲６内の、具体的には、図２の図示による失火限界４の左側ラムダ値の空燃比を、アクティブシリンダ２１の数で実現できるようになるまで続けられる。

特に好ましいのは、アクティブシリンダ２１の数を最小にすることであり、すなわち、現在の運転状況、又は負荷状況に対し、ラムダ値が許容範囲６内になる混合気が実現できるアクティブシリンダ２１の最小数を決定することである。アクティブシリンダの必要な最小数を決定した後、これに対応し、アクティブシリンダの数を一度に必要最小数まで減らすことができる。

低減モードに切り替えるかどうかを決定するために使用する制御パラメータとしては、以下の非網羅的なリスト中で説明するいくつかのパラメータが好ましい。

例えば、大型エンジンが運転されている負荷を最大負荷の百分率で示したものを制御パラメータとして使用することができる。制御パラメータとしての負荷が事前決定可能な限界負荷２５％未満になった場合、例えば、大型エンジン２０は、低減した数のシリンダ２１の低減モードで運転される。

エンジン２０が運転される回転速度も制御パラメータとして使用可能である。回転速度が、事前決定可能な限界回転速度未満になった場合、大型エンジン２０を低減モードで運転する。

その他の方法として、空燃比、すなわち、λ値も制御パラメータとして使用可能である。λ値が、事前決定可能な値を超えた場合、大型エンジン２０を低減モードで運転する。

他の方法として、大型エンジン２０の過渡的な挙動、すなわち、エンジン２０の動作変数の一時的な変化に依存する制御パラメータを選択することもできる。例えば、トルクの変化を制御パラメータとして使用することができる。

他の方法として、シリンダ２１内のシリンダ圧力を使用して制御パラメータを決定することも可能である。この例を、図３を参照して説明する。図３は、クランク角度ＫＷに依存する、シリンダ２１の１つの内部のシリンダ圧力ｐを示す概略図である。クランク角度ＫＷ１において、出口弁２４が閉じ、圧縮が始まる。クランク角度ＫＷ＝３６０°のとき（これは、クランク角度ＫＷ＝０°と同じである）、ピストン２３が上死点にあり、すなわち、燃焼室が最小容積（最大圧縮）になる。出口弁２４は、クランク角度ＫＷ２で開く。曲線１０は、シリンダ２１内で燃焼がない場合のシリンダ２１内の圧力推移を示す。すなわち、シリンダ２１内のピストンの動きのみによって生じる「幾何学的」な圧縮を表している。曲線１１は、シリンダ２１内で燃焼プロセスが行われる場合のシリンダ２１内の圧力を示す。したがって、曲線１０と曲線１１の差は、燃焼プロセスによって生じる圧力差を表す。

曲線１０の最大値は、当然クランク角度ＫＷ＝３６０°のときであり、これを圧縮圧力ＰＣと呼ぶ。曲線１１の最大値は、通常、クランク角度ＫＷ＝３６０°に対してずれており、これを最大圧力ＰＭと呼ぶ。そして、最大圧力ＰＭと圧縮圧力ＰＣの比率、すなわち、ＰＭ／ＰＣを点火率とする。点火率は、ラムダ値、すなわち、空燃比の関数である。通常、ラムダ値が大きいほど、点火率は小さくなる。したがって、点火率も、制御パラメータとして使用可能である。

更に、ＰＣより上の、すなわち、燃焼が行われる圧力領域における曲線１１の増加も空燃比に依存する。したがって曲線１１の傾き、すなわち、クランク角度ＫＷの変化に依存する圧力の変化も、制御パラメータとして使用可能である。

その他の方法として、燃焼ガスの量を調整するウェイストゲートバルブの位置も、制御パラメータとして使用可能であり、また、制御パラメータとして、測定によって燃焼ガス流を求めることも可能である。例えば、大型エンジンが一定負荷ですべてのシリンダ２１を使用して運転される場合、ウェイストゲートバルブは部分的に開いた位置にあり、燃焼ガスの一部は、ターボチャージャーのタービンの先に導かれる。周囲の状況の変化によって、例えば、周囲の空気の温度が下がると、ウェイストゲートバルブはますます開き、その結果、より多くの燃焼ガスが、ターボチャージャーの先に導かれる。そして、制御装置が、制御パラメータに基づき、十分に過剰な燃焼ガスが存在しターボチャージャーの先に導かれている、と判定すると、低減モードに切り替え、１つ又は複数のシリンダ２１をオフにする。その結果、アクティブシリンダ２１の１つあたりが生成すべきパワーが、大型エンジンの定常パワーに増加する。結果として、シリンダ２１の１つあたりに必要な燃料が増加し、すなわち、空燃比が一定に保たれる場合、必要な給気空気も増加する。これは、ターボチャージャーが供給する給気圧力を増加しなければならないこと意味する。このため、ウェイストゲートバルブは更に、部分的に又は完全に閉じられ、これによってより多くの燃焼ガスがターボチャージャーに入り、その結果、給気圧力（したがって利用可能な給気空気体積）が増加する。

尚、大型エンジン２０を低減モードで運転するかどうか、いつするかを決定するのに、２つ以上の制御パラメータを使用してもよいと理解されるのは当然である。

本発明の本質的な態様は、低減モードにおいて、１つ又は複数のシリンダ２１を非動作にするだけでなく、すなわち、大型エンジン２０を低減された数のシリンダ２１で運転するだけでなく、この低減された数のシリンダ２１について、空燃比を調整することである。

好ましくは、空燃比は、アクティブシリンダ２１内の空燃比が、所望の負荷に対して、いずれの場合も許容範囲６（図２）内になるように調整される。

他にも、低減モードの空燃比を調整するためのいくつかの好ましい可能な方法があり、これらは、個別にも使用可能であるが、任意の所望の組合せで使用してもよい。

例えば、低減モードで動作する低減された数のシリンダ２１の吸気レシーバ２６に掃気空気を供給する給気圧力を変化させてもよい。他の方法として、ラムダ値を上記のように調整するために、給気空気の温度を変化させてもよい。通常、ターボチャージャーによって供給される給気空気は、吸気レシーバ２６に導入される前に、給気クーラーを通過する。給気クーラー内の冷却媒体の質量流量を変化させることによって、給気空気の温度を調整できる。ラムダ値を調整する別の可能な方法は、出口弁２４の開タイミング及び／又は閉タイミングを変更することである。出口弁２４の開タイミング又は閉タイミングは、クランク角度ＫＷ１又はＫＷ２（図３）を指しており、このタイミングで出口弁２４が開く、又は閉じる。気体燃料がシリンダ２１に導入される噴射の開始時期及び／又は噴射圧力によってラムダ値を変更することも可能である。噴射の開始時期は、気体燃料のシリンダ２１への噴射が開始されるクランク角度を指す。気体燃料の噴射開始時期又は噴射圧力を変更することでは、通常は、シリンダ２１の全体に亘る平均のラムダ値に変化をもたらさないが、ラムダ値の局所的な変化をもたらし、その結果、動作点Ａ（図２参照）がノッキング限界３と失火限界４の間へ移動することができる。

一般に、現在のラムダ値は、それぞれのシリンダ２１内で求めることができる。これは、それぞれの出口弁２４が閉じた後、どれだけの質量の空気がシリンダ内部に閉じ込められているかが、既知のパラメータから知ることができる、又は計算可能なためである。噴射された燃料（ガス）の質量も既知であるため、ラムダ値は、化学量論的な燃焼に必要な空気の質量に対するシリンダ内に閉じ込められた空気の質量の比率として求めることができる。

別の好ましい方法は、低減モードにおいて、大型エンジン２０の少なくとも１つの動作パラメータ（好ましくは大型エンジン２０の複数の動作パラメータ）を、低減された数のアクティブシリンダ２１に対して調整することである。

以下の動作パラメータを調整することが好ましいが、すべての動作パラメータを調整する必要はなく、一部の動作パラメータのみを調整することも可能である。その動作パラメータは、出口弁２４の開タイミング及び閉タイミング、すなわち、出口弁２４が開閉するクランク角度ＫＷ１及びＫＷ２、燃料を導入する噴射開始時期、すなわち、気体燃料の各シリンダ２１への噴射が始まるクランク角度、燃料がシリンダ２１へ導入されるときの噴射圧力、混合気の点火タイミング、給気空気が吸気レシーバ２６に供給されるときの給気圧力、例えば、出口弁２４等のエンジン構成部品が動作する、例えば、油などの圧媒体の圧力、シリンダ潤滑のタイミングと程度、及び潤滑剤の圧力である。

他の好ましい方法は、低減モードにおいても制御パラメータを監視し、制御パラメータが低減モードの条件を満たさなくなった場合に低減モードを終了することである。そして、通常のガスモード又は液体モードへと切り替えることができる。

低減モードを開始又は解除し、低減モードにおいて必要な変更を行う制御装置（図示せず）は、例えば、大型エンジン２０の確認及び制御システムに統合されていてもよい。

更に、好ましくは、制御装置は、低減モードにおいて引き続き動作させるシリンダ２１を事前決定可能な基準に基づいて決定する。具体的には、制御装置は、低減モードにおいて大型エンジン２０を運転する低減された数のシリンダ２１を決定することができる。制御装置は、所定の数のシリンダ２１について、低減モードにおいて動作させる特定のシリンダ２１を低減モードのために選択してもよい。アクティブシリンダ２１は、例えば、振動、例えば、クランクシャフトのねじり振動が、最小となるように選択してもよい。

好ましくは、低減モードのために最小数のアクティブシリンダ２１が決定される。この目的のために、低減モードに必要なシリンダ２１の最小数がいくつであるかを例えば、必要なトルク、所望の負荷、又は必要なパワーによって決定してもよい。

尚、例えば、低減モード中に負荷が変化した場合、当然、アクティブシリンダ２１の数を変更してもよい。更に、一定の数のシリンダ２１を動作させる場合でも、動作させる特定のシリンダ２１を変更してもよい。

また、好ましくは、低減モード中に制御パラメータを連続的に、又は事前決定可能な間隔で監視し、低減されたシリンダ２１の数を調整する。したがって、低減モード中、アクティブシリンダ２１の現在の数を減らすことが可能か、又は増やす必要があるかを確認する。

以下に、本発明に係る方法の好ましい実施例を説明する。開始点は、大型エンジン２０のガスモードにおける運転である。制御装置は、制御パラメータ、例えば、大型エンジン２０が運転される負荷を、連続的に、又は定期的な間隔で、又は別の予定に従って監視する。制御パラメータが、事前決定可能な限界値に達すると、制御装置は、低減モードに切り替える。制御装置は、低減モードに必要な、低減されたシリンダ２１の数を決定する。好ましくは、制御装置は、低減モードに必要なシリンダ２１の最小数を決定する。制御装置は、低減モードにおいて、どのシリンダ２１を動作させるかを決定する。残りのシリンダ２１は非作動にする。すなわち、これらのシリンダ２１内では燃焼は行われない。これは、例えば、非作動シリンダ２１に燃料を供給しないことによって実現することができる。その結果、これらのシリンダ２１は、「空」動作し、すなわち、トルク生成に寄与しない。

更に、大型エンジン２０の動作パラメータを低減された数のアクティブシリンダ２１に適合させる。出口弁２４の開タイミング及び閉タイミング等のシリンダ固有の動作パラメータも、低減モードに適合させる。

具体的には、制御装置が、アクティブシリンダ２１の空燃比を、空燃比がノッキング限界３と失火限界４の間になるように、具体的には、許容範囲６内になるように、特に許容範囲６の中央になるように、調整する。

連続的に、又は事前決定可能な間隔で、アクティブシリンダの数を減らすことができるか、又は増やす必要があるかを確認する。

制御パラメータは連続的に、又は事前決定可能な間隔で再決定される。低減モードの条件が満たされなくなると、すなわち、制御パラメータが、低減モードを開始するときとは反対方向に事前決定可能な限界値を超えると、低減モードは終了し、大型エンジン２０は通常のガスモード又は液体モードで再度すべてのシリンダ２１で運転される。

Claims (15)

1. 複数のシリンダ（２１）を有する大型エンジンをガスモードで運転するための方法であって、燃料を導入することによって、ある空燃比を有する予混合された混合気を燃焼室に供給し、前記空燃比又は前記大型エンジン（２０）が運転される負荷に依存する少なくとも１つの制御パラメータを監視し、前記制御パラメータが限界値に達した場合に、前記大型エンジン（２０）を低減モードで運転する方法において、
   前記低減モードにおいて、少なくとも１つのシリンダ（２１）がオフにされて、前記大型エンジン（２０）が低減された数のシリンダ（２１）で運転され、前記空燃比が前記低減された数のシリンダ（２１）に適合されていることを特徴とする
   方法。
2. 前記制御パラメータが、前記大型エンジン（２０）が運転される前記負荷又は回転速度である、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御パラメータが前記空燃比である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記制御パラメータが、前記大型エンジン（２０）の過渡的な挙動に依存する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記制御パラメータが、前記シリンダ（２１）内の最大圧力（ＰＭ）と前記シリンダ（２１）の圧縮圧力（ＰＣ）との比率である点火率に依存する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記低減モードにおいて、前記低減モードに必要な最小数のシリンダ（２１）が決定される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記低減モードにおいて、前記大型エンジン（２０）の少なくとも１つ、好ましくは複数の動作パラメータが調整される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記動作パラメータとして、前記シリンダの出口弁の閉タイミング、前記出口弁の開タイミング、前記燃料の導入のための噴射開始時期、前記燃料が導入されるときの噴射圧力、前記混合気の点火タイミング、及び前記シリンダ（２１）内の最大圧力の内、少なくとも１つが選択されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記低減モードにおいて、前記空燃比が、給気圧力を介して、又は給気空気温度を介して調整される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記低減モードにおいて、前記空燃比が、出口弁（２４）の開タイミングを介して、又は出口弁（２４）の閉タイミングを介して調整される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記低減モードにおいて、前記空燃比が、前記燃料の噴射開始時期又は噴射圧力を介して調整される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記低減モードにおいて前記制御パラメータが監視され、前記制御パラメータが前記低減モードの条件を満たさなくなった場合、前記低減モードが終了される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記低減モードにおいて、前記制御パラメータが監視され、前記低減されたシリンダ（２１）の数が調整される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法で運転されることを特徴とする大型エンジン。
15. 液体燃料が燃焼のために燃焼室に導入される液体モードで運転可能で、且つ、ガスが燃料として前記燃焼室に導入されるガスモードでも運転可能な縦掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジン（２０）として、好ましくは、デュアルフューエル式大型ディーゼルエンジン（２０）として設計された、請求項１４に記載の大型エンジン。