JP2022160373A - 機械的エネルギー及び加圧ガスを届けるための大型ターボ過給式２ストローク内燃機関及び方法 - Google Patents

機械的エネルギー及び加圧ガスを届けるための大型ターボ過給式２ストローク内燃機関及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】加圧された掃気及び／又は加圧された排気を加圧ガスの消費機器に供給するように構成される、大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関において、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化を図る。【解決手段】加圧ガスの消費機器にガスを供給するために、機関において利用可能な圧力を増やす多様な調整手法を適用するように構成されるコントローラを提供することにより、機関を準最適な条件で動作させるリスクなしに、機関が加圧ガスの消費機器に提供する加圧ガスの量を最大化することが可能になる。【選択図】図４

Description

本願の開示事項は、推進や発電機駆動等のための機械的エネルギーを生成することに加えて、別の用途に用いられるための加圧ガスを生成する方法及び大型ターボ過給式２ストローク内燃機関や、そのような機関を動作させる方法に関する。
背景
大型ターボ過給式２ストローク自己着火式機関は、大型船舶の推進システムや、発電プラントの原動機としてしばしば用いられる。その大きさや重量、出力は、このタイプの圧縮内燃機関を他の燃焼機関からかけ離れたものとしており、このタイプの圧縮内燃機関を独特の分類に位置づけている。これらの機関は、高さが増すことがあまり問題にならないので、ピストンに側圧がかからないようにクロスヘッドを用いて構成される。通常、このような機関は天然ガスや石油ガス、メタノール、エタン、燃料油で運転される。
船舶推進用の大型ターボ過給式２ストローク自己着火式機関（船舶用機関）は、船舶に取り付けられる高燃料効率のシステム設備をサポートするように調整される。特に、廃熱回収システムは、船舶用機関の全体的な燃料消費を低減し、排出物を低減するために重要である。
用途によっては、機関は、推進等のための機械的エネルギーを生成することに加えて、加圧ガスを生成することを求められる。例えば加圧された空気、加圧された排気、空気と排気の加圧された混合物等である。そのような用途の一つに空気潤滑（ａｉｒ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）がある。大きな平たい底部領域を有する船舶は、空気潤滑によって、航行の際の抵抗の低減という利益を得ることができる。このため、所定の速度で船舶を推進するために必要とされる主機関パワーの低減という利益も得ることができる。空気潤滑システムは、船舶の船体の平たい底部領域を潤滑するために、船舶の下に気泡の定常流を生成する。
船舶推進に必要なパワーの望ましい低減を達成するためには、船舶の設計に従った十分な空気／ガス量を十分な圧力で、専用の気泡生成機インタフェースに送り込むことが必要とされる。普通に調整された大型２ストローク機関は、必要とされる全ての機関負荷において十分に加圧された空気／ガスを提供するには限界がある。
特開２０１０－２２８６７９は、加圧ガスの消費機器で使うために掃気を分岐するように調整された従来の機関を開示している。
摘要
本発明の目的は、上述の問題を解決するか、又は少なくとも緩和する、大型ターボ過給式２ストロークユニフロー式内燃機関を提供することである。
コストが嵩む空気圧縮機ユニットの設置及び運用を避けるか少なくとも低減するために適した２ストローク機関が提案される。
上述の目的やその他の目的が、独立請求項に記載の特徴により達成される。より具体的な実装形態は、従属請求項や発明の詳細な説明、図面から明らかになるだろう。
第１の捉え方によれば、加圧された掃気及び／又は加圧された排気を加圧ガスの消費機器に供給するように構成される、大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関が提供される。この機関は、
それぞれ下端部に掃気ポートを有すると共に上端部に排気弁を有する複数のシリンダと；
前記掃気ポートを通じて前記シリンダに接続される掃気受けを有し、自身を通じて前記シリンダに掃気が導入される吸気系と；
前記排気弁を通じて前記シリンダに接続される排気受けを有し、前記シリンダ内で生成した排気が自身を通じて排出される排気系と；
コンプレッサに協働するように組み合わされる排気駆動型のタービンと、前記タービンの入口であって前記排気系に接続される入口と、前記コンプレッサの出口であって、前記吸気系に加圧された掃気流を届けるために前記吸気系に接続される出口とを有する、少なくとも１つのターボ過給機と；
前記シリンダに燃料を届ける燃料システムと；
前記吸気系から制御された量の掃気を取り出して前記機関をバイパスさせ、及び／又は、前記排気系から制御された量の排気を取り出して前記タービンをバイパスさせ、バイパスした加圧ガスを加圧ガスの消費機器に供給するバイパス系と；
圧力センサ及び／又は温度センサに組み合わされ、検知した掃気圧及び／又は検知した排気温度の関数として、前記消費機器に供給されるバイパス加圧ガスの量を調整するように構成されるコントローラと；
を備え、前記コントローラは、
・ ターボ油圧系装置により提供されるターボ過給機の取り出し出力を増やすこと；
・ 前記機関の前記吸気系の補助ブロワの速度を増すこと；
・ 前記機関のＥＧＲ装置のＥＧＲブロワの速度を増すこと；
・ 前記機関の追加の小さなターボ過給機をアクティブにすること；
・ 前記機関のシリンダバイパス装置のシリンダバイパス弁を開けること；
・ 専用の電気駆動式コンプレッサを駆動するための前記機関のパワータービン装置への排気バイパスを開けること；
・ 前記機関の油圧系装置により動力を受ける油圧駆動式コンプレッサをアクティブにすること；
・ 好ましくはタービンフロー面積を減らすことによって、前記機関の実際の動作条件の下で前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の可変ジオメトリタービンのジオメトリを調節してタービンフロー面積を調節すること；
・ 好ましくは機関負荷の関数として、前記機関の部分負荷において前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の１つ又は複数を切り離すこと；
・ 第１の切り離しエンジン負荷閾値未満において１つのターボ過給機をアクティブにし、前記第１の切り離し機関負荷閾値と第２の切り離しエンジン負荷閾値の間では２つのターボ過給機をアクティブにし、前記第２の切り離し機関負荷閾値より高い機関負荷においては３つのターボ過給機をアクティブにすること；
の１つ又は複数により、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
加圧ガスの消費機器にガスを供給するために、機関において利用可能な圧力を増やす多様な調整手法を適用するように構成されるコントローラを提供することにより、機関を準最適な条件で動作させるリスクなしに、機関が加圧ガスの消費機器に提供する加圧ガスの量を最大化することが可能になる。
機関サイクルから取り出されるバイパスガスが、本質的に機関の燃料消費の増加に繋がることを考慮すると、第１の捉え方に従う機関によれば、空気潤滑を使う船舶の投資対効果ポテンシャルが著しく向上する。更に、可能な最も高い掃気圧又は可能な最も高い排気圧を提供するために、上に羅列した手法の１つ又は複数によって機関をチューニングすることにより、機関は、加圧ガスの外部消費機器（例えば船舶の空気潤滑システム）へ加圧ガスを送達する供給装置へと変化しうる。これは、例えば電気駆動モータにより駆動される空気コンプレッサを使うよりも、ずっと効率的である。更に、可能な最も高い掃気圧又は可能な最も高い排気圧を提供するように機関をチューニングすることにより、機関は、加圧ガスの外部消費機器（例えば船舶の空気潤滑システム）へ加圧ガスを送達する供給装置へと変化しうる。これは、例えば電気駆動モータにより駆動される空気コンプレッサを使うよりも、ずっと効率的である。
前記第１の捉え方の第１の可能な実装形態において、前記コントローラは、検知した又は観察された掃気圧が掃気圧閾値未満であるか、検知した又は観察された排気温度が排気温度閾値より高い場合、前記消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、検知された若しくは観察された掃気圧、及び／又は、検知された若しくは観察された排気温度の関数として、実際の機関ターボ過給効率を決定するように構成される。こｋで、「機関ターボ過給効率」との用語は、周囲条件に関わらず、機関により経験された又は感じられたターボ過給効率を表す。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、決定した実際の機関ターボ過給効率の関数として、前記消費機器に供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、既定の最小機関ターボ過給効率閾値と比較して、前記１つ又は複数のターボ過給機の、実際に利用可能な効率の超過分を決定するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、前記決定した超過分の関数として、前記消費機器に供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントロールユニットは、前記加圧ガス消費機器による加圧ガスのニーズに応じて、加圧ガス消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を調節するように構成される。好ましくは加圧ガス消費機器からの信号に応じて、好ましくは閾値を超えない範囲で、調節するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記１つ又は複数のターボ過給機は、少なくともある機関負荷範囲において、最低限必要な既定の機関ターボ過給効率を超えるターボ過給効率を有する。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記１つ又は複数のターボ過給機は、タービンフロー面積を調節することを可能とする可変ジオメトリタービンを有し、前記コントロールユニットは、前記タービンの可変ジオメトリを制御するために、前記１つ又は複数のターボ過給機に接続され、また前記コントロールユニットは、好ましくはタービンフロー面積を減らすことによって、前記機関の実際の動作条件の下で前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記ジオメトリタービンのジオメトリを調節するように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記機関は２つ以上のターボ過給機を備え、前記コントロールユニットは、機関の部分負荷において前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数を切り離すように構成され、また前記コントロールユニットは、前記機関の負荷の関数として、前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数を切り離すように構成される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数の切り離しのための切替点は、機関負荷の６０～８０％の範囲に設けられ、前記コントローラは、機関負荷が当該切替点を下回った時に、前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数を切り離すように構成される。追加のターボ過給機も同様に追加されうる。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、前記吸気系から取り入れる掃気量を制御すべく、第１の電子制御弁に接続されて該電子制御弁を制御することができ、及び／又は、前記コントローラは、前記排気系から取り入れる排気量を制御すべく、第２の電子制御弁に接続されて該電子制御弁を制御することができる。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、機関の部分負荷は、前記機関の最大連続定格（ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒａｔｉｎｇ）の２０％から８０％の範囲をカバーする。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、検知した掃気圧が掃気圧閾値未満である場合に、前記消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成される。前記掃気圧閾値は、好ましくは周囲条件に従って調節される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記コントローラは、検知された排気温度が排気温度閾値を超える場合に、前記消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成される。前記排気温度閾値は、好ましくは周囲条件に従って調節される。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、機関の部分負荷は、前記機関の最大連続定格（Maximum Continuous Rating）の２０％から８００％の範囲をカバーする。
前記第１の捉え方の更なる実装形態の一例において、前記機関は、前記吸気系内の掃気圧を検知するための圧力センサを、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流に有し、及び／又は、前記排気系の排気温度を検知するための温度センサを、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流に有し、及び／又は、前記吸気系内の掃気圧を推定するためのオブザーバを、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流に有し、及び／又は、前記排気系の温度を推定するためのオブザーバを、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流に有する。
第２の捉え方によれば、大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関を動作させる方法であって、加圧された掃気及び／又は加圧された排気を前記機関から加圧ガスの消費機器に供給するための方法が提供される。ここで前記機関は、
それぞれ下端部に掃気ポートを有すると共に上端部に排気弁を有する複数のシリンダと；
前記掃気ポートを通じて前記シリンダに接続される掃気受けを有し、自身を通じて前記シリンダに掃気が導入される吸気系と；
前記排気弁を通じて前記シリンダに接続される排気受けを有し、前記シリンダ内で生成した排気が自身を通じて排出される排気系と；
コンプレッサに協働するように組み合わされる排気駆動型のタービンと、前記タービンの入口であって前記排気系に接続される入口と、前記コンプレッサの出口であって、前記吸気系に加圧された掃気流を届けるために前記吸気系に接続される出口とを有する、１つ又は複数のターボ過給機と；
前記加圧ガスの消費機器にバイパスした加圧ガスを供給するバイパス系と；
を備える。そして前記方法は、
制御された量の掃気を吸気系からバイパスさせること又は制御された量の排気を排気系からバイパスさせることと；
次の１つ又は複数：
・ ターボ油圧系により提供されるターボ過給機の取り出し出力を増やすこと、
・ 前記機関の前記吸気系の補助ブロワの速度を増すこと、
・ 前記機関のＥＧＲ装置のＥＧＲブロワの速度を増すこと、
・ 前記機関の追加の小さなターボ過給機をアクティブにすること、
・ 前記機関のシリンダバイパス装置のシリンダバイパス弁を開けること、
・ 専用の電気駆動式コンプレッサを駆動するための前記機関のパワータービン装置への排気バイパスを開けること、
・ 前記機関の油圧系により動力を受ける油圧駆動式コンプレッサをアクティブにすること、
・ 好ましくはタービンフロー面積を減らすことによって、前記機関の実際の動作条件の下で前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、可変ジオメトリタービンのジオメトリを調節してタービンフロー面積を調節すること、
・ 好ましくは機関負荷の関数として、前記機関の部分負荷において前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の１つ又は複数を切り離すこと、
・ 第１の切り離しエンジン負荷閾値未満において１つのターボ過給機をアクティブにし、前記第１の切り離し機関負荷閾値と第２の切り離しエンジン負荷閾値の間では２つのターボ過給機をアクティブにし、前記第２の切り離し機関負荷閾値より高い機関負荷においては３つのターボ過給機をアクティブにすること、
により、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化することと；
を含む。
前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、
前記吸気系内の掃気圧、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流の圧力を検知すること、及び／又は、前記排気系の排気温度を、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流で検知することと；
前記消費機器に供給される、バイパスされる加圧ガスの量を、検知した掃気圧及び／又は排気温度の関数として調節することと；
を含む。
前記第２の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、
前記吸気系内の掃気圧、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流の圧力を推定すること、及び／又は、前記排気系の排気温度を、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流で推定することと；
前記消費機器に供給される、バイパスされる加圧ガスの量を、検知した掃気圧及び／又は排気温度の関数として調節することと；
を含む。
本発明の上述の態様及び他の態様は、以下に説明される実施形態により更に明らかになるであろう。
以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、本願発明をより詳細に説明する。
ある例示的実施形態に従う大型２ストローク内燃機関を正面方向から見た概観を示す図である。 図１の大型２ストローク内燃機関を側面方向から見た概観を示す図である。 図１の大型２ストローク内燃機関の略図表現である。 ターボカットが実装された複数のターボ過給機を備える２ストローク内燃機関の実施形態の略図表現である。 可変ジオメトリターボ過給機を備える２ストローク内燃機関の実施形態の略図表現である。
詳細説明
図１－図３は、ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼル機関１００を描いている。このエンジンは、クランクシャフト８及びクロスヘッド９を有する。図３は、ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼル機関を、その吸気システム及び排気システムと共に略図により表現したものである。この実施形態１００において、機関は直列に６本のシリンダ１を有する。ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼル機関は通常、直列に配される４から１４のシリンダを有する。これらのシリンダはシリンダフレーム２３に担持される。シリンダフレーム２３はエンジンフレーム１１に担持される。機関１００は、例えば、船舶の主機関や、発電所において発電機を動かすための固定型のエンジンとして用いられることができる。機関１００の全出力は、例えば、１０００ｋＷから１１００００ｋＷでありうる。
この実施形態における機関１００は、２ストロークユニフロー式圧縮着火型機関であり、各シリンダライナ１には、その下部領域に掃気ポート１８が設けられ、その頂部中央には排気弁が配される。しかし、機関１００は必ずしも圧縮着火式である必要はなく、実施形態によっては火花点火式であってもよい。ここで紹介する実施形態において、機関１００の圧縮圧力は圧縮着火を行うために十分高い。しかし機関１００は、それより低い圧縮圧力で動作し、火花又は同様の手段で点火されてもよい。
機関１００の吸気系は掃気受け２を備える。掃気は、掃気受け２を通じて、各シリンダ１の掃気ポート１８へと導かれる。ピストン１０は、シリンダライナ１中で下死点（ＢＤＣ）と上死点（ＴＤＣ）の間を往復し、掃気を圧縮する。燃料は、シリンダカバー２２に配される燃料弁５０から噴射される。燃料の噴射に続いて燃焼が生じ、排気が生成される。
排気弁４はシリンダカバー２２の中央部に配置される。中央部の排気弁の周囲には、複数の燃料弁５５が配される。排気弁４は、コントローラ５０によって制御される電気油圧式排気弁作動システム（図示されていない）によって作動する。燃料弁５５は燃料供給システムの一部である。コントローラ５０はまた、燃料弁５５の動作を制御するように構成される。
排気弁４が開くと、排気は、シリンダ１に設けられる排気ダクトを備える排気系を通って排気受け３へと流れ、さらに第１の排気管１９を通ってターボ過給機５のタービン８へと進む。そこから排気は、第２の排気管２５を通ってエコノマイザ２０へ流れ、さらに出口２１から大気中へと放出される。なお実施形態によっては、機関１００は複数のターボ過給機５を備える。
タービン８は、シャフトを介してコンプレッサ７を駆動する。コンプレッサ９には、空気取り入れ口１２を通じて外気が供給される。コンプレッサ７は、圧縮された掃気を、掃気受け２に繋がっている掃気管１３へと送り込む。掃気管１３の掃気は、掃気を冷却するためのインタークーラー１４を通過する。
冷却された掃気は、電気モータ１７により駆動される補助ブロワ１６を通る。補助ブロワ１６は、ターボ過給器５のコンプレッサ７が掃気受け２のために十分な圧力を提供できない場合、すなわち機関１００が低負荷又は部分負荷である場合に、掃気流を圧縮する。機関の負荷が高い場合は、ターボ過給器のコンプレッサ７が、十分に圧縮された掃気を供給することができるので、補助ブロワ１６は停止され、逆止め弁１５によってバイパスされる。
図４，５の実施形態を参照すると、大型船舶用機関１００（すなわち大型ターボ過給式２ストロークユニフロー式内燃機関１００）は、掃気及び／又は排気を、加圧ガス消費機器２００に供給するように構成される。この実施形態において、既に説明した又は図示した構成や特徴と同様の構成及び特徴については、前と同じ符号を付している。加圧ガス消費機器２００は、例えば、大型船舶用機関１００が搭載された船舶の空気潤滑システムであって、航行中の船舶の抵抗を低減するための空気潤滑システムであることができる。
掃気は吸気系を通じてシリンダ１に導入される。吸気系は、掃気ポート１８を介してシリンダ１に接続される掃気受け２を備える。
シリンダで生成された排気は排気系を通じて排気される。排気系は、排気弁４を介してシリンダ１に接続される排気受け３を備える。
バイパス系は、分岐した加圧ガスを、加圧ガス消費機器２００に供給する。これは、制御された量の掃気を吸気系から取り出すこと（すなわち機関１００をバイパスさせること）によって、行われる。このため、コンプレッサ７の出口の下流（例えば図示されるように掃気受け２）の位置において、第１バイパス管４３が吸気系に接続されている。本実施形態において、第１バイパス管４３は第１バイパス制御弁４１を備えると共に、加圧ガス消費機器２００に接続している。実施形態によっては、第１バイパス管４３は第１バイパスブロワ（コンプレッサ）４７を備える。機関１００によって供給される加圧ガスの量が、第１バイパスブロワ４７の助けなしでは加圧ガス消費機器２００の需要を満たすに十分でない場合、第１バイパスブロワ４７がアクティブにされる。好ましくは、第１バイパス制御弁４１及び第１バイパスブロワ４７の一方又は両方が、コントローラ５０によって制御される。バイパス管は、第１バイパスブロワ４７の助けが不要な場合に第１バイパスブロワ４７をバイパスすることを可能とする第１逆止弁４５を備える。吸気系には、コンプレッサ７の下流における吸気系の圧力を検知するための圧力センサ３４が設けられる。圧力センサ３４からの信号は、例えば信号線によってコントローラ５０に通信される。圧力センサ３４は、掃気受け２内又は掃気受け２のすぐ上流に配されてもよい。実施形態によっては、コントローラ５０の一部でありうる（図示されない）オブザーバが、吸気系内の圧力（例えば掃気受け内の圧力）を推定し、コントローラ５０は、使用する圧力を決定するために、推定した圧力を用いてもよい。
実施形態によっては、バイパス系は、排気系から制御された量の加圧排気を取り出し、タービンをバイパスさせる。この構成は、前述の実施形態と組み合わせて実施しうる。このため、タービン８の入口の上流（例えば図示されるように排気受け３）の位置において、第２バイパス管４９が排気系に接続されている。本実施形態において、第２バイパス管４９は第２バイパス制御弁４２を備えると共に、加圧ガス消費機器２００に接続している。実施形態によっては、第２バイパス管４９は第２バイパスブロワ（コンプレッサ）４６を備える。機関１００によって供給される加圧ガスの量が、第２バイパスブロワ４６の助けなしでは加圧ガス消費機器２００の需要を満たすに十分でない場合、第２バイパスブロワ４６がアクティブにされる。バイパス管は、第２バイパスブロワ４６の助けが不要な場合に第２バイパスブロワ４６をバイパスすることを可能とする第２逆止弁４４を備える。好ましくは、第２バイパス制御弁４２及び第２バイパスブロワ４６の一方又は両方が、コントローラ５０によって制御される。排気系には、タービン８の上流における排気系の温度を検知するための温度センサ３３が設けられる。温度センサ３３からの信号は、例えば信号線によってコントローラ５０に通信される。温度センサ３３は、排気受け３内の温度か、排気受け３のすぐ下流の温度を検知するように配されてもよい。実施形態によっては、コントローラ５０の一部でありうる（図示されない）オブザーバが、排気系内の温度を推定し、コントローラ５０は、使用する排気温度を決定するために、推定した温度を用いてもよい。
コントローラ５０は、ターボ過給系５の１つ又は複数のタービン７により供給される掃気圧を最大化するために、監視された調整値を適用するように構成される。
コントローラ５０は、消費機器２００に供給するためにバイパスされる加圧ガスの量を、センサにより検知した又はオブザーバにより推定された掃気圧及び／又は排気温度の関数として調整するように構成される。特に、上記調整値が適用されて、掃気圧が閾値未満に低下したり排気温度が閾値を超えたりするような場合に、バイパスされる加圧ガスの量を制限するために、上記の調整を行うように構成される。
従ってコントローラ５０は、検知した掃気圧が掃気圧閾値未満であるか、検知した排気温度が排気温度閾値より高い場合、加圧ガス消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
実施形態によっては、コントローラ５０は、機関ターボ過給実効率を、検知した掃気圧及び／又は検知した排気温度の関数として決定し、加圧ガス消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を、決定した機関ターボ過給実効率の関数として制限するように構成される。コントローラ５０は好ましくは、決定した機関ターボ過給実効率が、機関ターボ過給実効率閾値より低い場合に、加圧ガス消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
コントローラ５０は好ましくは、１つ又は複数のターボ過給機５について、既定の最小機関ターボ過給効率閾値と比較した、実際に利用可能な効率の超過分を決定し、決定した超過分の関数として、加圧ガス消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される。
実施形態によっては、コントローラ５０は、加圧ガス消費機器２００による加圧ガスのニーズに応じて、加圧ガス消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を調節するように構成される。好ましくは、加圧ガス消費機器２００からの信号に応じて、上記決定した超過分を超えない範囲で、調節するように構成される。
好ましくは、１つ又は複数のターボ過給機５は、少なくともある機関負荷範囲において、最低限必要な既定の機関ターボ過給効率を超えるターボ過給効率を有する。
図５に描かれる実施例において、１つ又は複数のターボ過給機５は、タービンフロー面積の調節を可能とする、可変ジオメトリタービン８を有する。コントローラ５０は１つ又は複数のターボ過給機５に接続され、可変ジオメトリタービン８を制御する。制御ユニット５０はまた、（コントローラ５０によって検知された）機関１００の実際の動作条件の下で、（好ましくはタービンフロー面積を減少させることにより）コンプレッサ７により伝達される圧力を最大化すべく、可変ジオメトリタービン８を制御するように構成される。
図４の実施例において、機関１００は２つ以上のターボ過給機５を備える。そしてコントローラ５０は、機関１００の部分負荷条件においてコンプレッサ７により伝達される圧力を最大化すべく、これら２つ以上のターボ過給機５の１つ又は複数を切り離すように構成される。制御ユニット５０は好ましくは、機関負荷の関数として１つ又は複数のターボ過給機５を切り離すように構成される。
前記２つ以上のターボ過給機５のうちの１つ又は複数の切り離しのための切替点は、機関負荷の６０～８０％の範囲に設けられる。コントローラ５０は、機関負荷が当該切替点を下回った時に、前記２つ以上のターボ過給機５のうちの１つ又は複数を切り離すように構成される。ターボ過給機切り離しのための切替点は、ターボ過給機５の装備やフレームサイズの違いによって最適化されうる（高い機関負荷の方へシフトされうる）。
図示されない実施例において、機関１００は２つより多いターボ過給機５を備え、コントローラ５０は、第１の切り離しエンジン負荷閾値未満において１つのターボ過給機５をアクティブにするように構成される。これは、低機関負荷において、適切なフロー面積を有する１つのターボ過給機５のみが動作するようにするためである。またコントローラ５０は、第１の切り離し機関負荷閾値と第２の切り離しエンジン負荷閾値の間では、２つのターボ過給機５をアクティブにするように構成される。これは、これら２つのターボ過給機５のフロー面積の組み合わせが、中機関負荷において適切であるからである。更にコントローラ５０は、第２の切り離し機関負荷閾値より高い機関負荷においては、３つのターボ過給機５をアクティブにするように構成される。これは、アクティブにされたターボ過給機５のフロー面積の組み合わせが、動作条件に適合するからである。アクティブ化シーケンスは、ターボ過給機５のフロー面積によって最適化されることができ、ターボ過給機５の数も３つに限定されず、４つや５つ以上であってもよい。機関の動作は、特定のシーケンスによってターボ過給機５のオンオフを切り替えることにより最適化することができる。負荷に応じて１つのみのターボ過給機５を動作させたり、最も適切なフロー面積となる複数のターボ過給機５の組み合わせを動作させたりすることにより、最適化することができる。例えば負荷が上昇しているとき、複数のターボ過給機５は、全フロー面積を増やすために段階的に個別にオンにされる。機関の最大負荷に近づくと、全てのターボ過給機５がアクティブにされる。
コントローラ５０は、吸気系から取り入れる掃気量を制御すべく、第１の電子制御弁４１に接続されて該電子制御弁４１を制御しうる。及び／又は、コントローラ５０は、排気系から取り入れる排気量を制御すべく、第２の電子制御弁４２に接続されて該電子制御弁４２を制御しうる。
実施形態によっては、コントローラ５０は、検知した掃気圧が掃気圧閾値未満である場合に、消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成される。掃気圧閾値は、好ましくは周囲条件に応じて調節される。最も低い閾値は北極域という条件で適用され、最も高い閾値は熱帯という条件で適用される。実施形態によっては、掃気圧閾値の適切なレベルと掃気圧閾値の調節は、機関１００のテスト又はシミュレーションに基づく。
実施形態によっては、コントローラ５０は、検知された排気温度が排気温度閾値を超える場合に、消費機器２００へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成される。排気温度閾値は、好ましくは周囲条件に応じて調節される。最も低い排気温度閾値は北極域という条件で適用され、最も高い排気温度閾値は熱帯という条件で適用される。実施形態によっては、排気温度閾値の適切なレベルと排気温度閾値の調節は、機関１００のテスト又はシミュレーションに基づく。
図５に描かれる実施例において、機関１００は、タービンフロー面積の調節を可能とする可変ジオメトリタービン８を有するターボ過給機５を備える。コントローラ５０は、コンプレッサ７により伝達される圧力を最大化するためにタービンフロー面積を調節するように構成される。これは好ましくは、機関１００の部分負荷条件においてコンプレッサ７により伝達される圧力を最大化するために、全てのターボ過給機５のタービンフロー面積を減少させることにより行われる。この実施例において、機関１００にはオプションの排気再循環（ＥＧＲ）システムが設けられる。ＥＧＲシステムはＥＧＲユニット６０と、ＥＧＲブロワ２９と、ＥＧＲ弁３２とを有する。ＥＧＲブロワ２９及びＥＧＲ弁３２は、コントローラ５０の命令により電子的に制御される。ＥＧＲユニット６０は、再循環された排気を処理するための要素、例えばＥＧＲクーラー６２やＥＧＲスクラバー、ウォーターミスとキャッチャー６３を備える。
実施例によっては、コントローラ５０は、掃気圧を最大化するような方式で、及び／又は、バイパスされる掃気の質量流を最大化するような方式で、機関１００を制御するように構成される。これは、１つ又は複数のターボ過給機５において、ターボ油圧系（Ｔｕｒｂｏ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ，ＴＨＳ）装置のパワーテイクイン（ＰＴＩ）機能を制御することにより行われる。
実施例によっては、コントローラ５０は、通常より高い負荷において圧力を追加すべく補助ブロワ装置１６を制御することにより、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、２ステージターボ過給機の高いターボ過給効率を用いて、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、加圧のためにシリンダバイパス弁装置を制御することにより掃気圧を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、ティア２（Ｔｉｅｒ２）モードにおける追加の加圧のために、ティア３（Ｔｉｅｒ３）ＥＧＲ機関１００のＥＧＲ装置のＥＧＲブロワ２９の機能を制御することにより排気バイパス圧を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、追加の外気又はバイパスされた掃気を加圧するための追加の小さなターボ過給機を制御することにより、伝達されるガス圧力を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、専用の追加の電気コンプレッサを駆動するためのパワータービン装置へバイパスされる排気を制御することにより、伝達されるガス圧力を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
実施例によっては、コントローラ５０は、機関の油圧系装置により動作する油圧式コンプレッサを制御することにより、伝達されるガス圧力及び／又は質量流を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される。
機関１００は、制御された量の掃気を吸気系からバイパスさせること又は制御された量の排気を排気系からバイパスさせることを含む方法に従って動作される。吸気系内の掃気圧及び／又は排気系内の排気温度が検知される。消費機器２００に供給される、バイパスされる加圧ガスの量は、検知した掃気圧及び／又は排気温度の関数として調節される。
上に紹介した、実施形態の機関の性能を最適化するための様々な手法は、組み合わせることが可能である。例えば、逐次的なターボ過給（ターボ過給のオンオフ）を、１つ又は複数の可変ジオメトリタービンのタービンフロー面積の調節と組み合わせることができる。
いくつかの実施形態と共に方法及び機関を説明してきた。しかし、本願の明細書や図面、特許請求の範囲を検討すれば、当業者は、特許請求の範囲に記載される発明を実施するにおいて、説明された実施形態に加えて多くのバリエーションが存在することを理解し、また具現化することができるであろう。特許請求の範囲に記載される「備える」「有する」「含む」との語句は、記載されていない要素やステップが存在することを排除しない。特許請求の範囲において記載される要素の数が複数であると明示されていなくとも、当該要素が複数存在することを除外しない。特許請求の範囲に記載されるいくつかの要素の機能は、単一のコントローラやその他のユニットによって遂行されてもよい。いくつかの事項が別々の従属請求項に記載されていても、これらを組み合わせて実施することを排除するものではなく、組み合わせて実施して利益を得ることができる。特許請求の範囲で使用されている符号は発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

Claims (16)

  1. 加圧された掃気及び／又は加圧された排気を加圧ガスの消費機器に供給するように構成される、大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関であって、前記機関は、
    それぞれ下端部に掃気ポートを有すると共に上端部に排気弁を有する複数のシリンダと；
    前記掃気ポートを通じて前記シリンダに接続される掃気受けを有し、自身を通じて前記シリンダに掃気が導入される吸気系と；
    前記排気弁を通じて前記シリンダに接続される排気受けを有し、前記シリンダ内で生成した排気が自身を通じて排出される排気系と；
    コンプレッサに協働するように組み合わされる排気駆動型のタービンと、前記タービンの入口であって前記排気系に接続される入口と、前記コンプレッサの出口であって、前記吸気系に加圧された掃気流を届けるために前記吸気系に接続される出口とをそれぞれ有する、１つ又は複数のターボ過給機と；
    前記シリンダに燃料を届ける燃料システムと；
    前記吸気系から制御された量の掃気を取り出して前記機関をバイパスさせ、及び／又は、前記排気系から制御された量の排気を取り出して前記タービンをバイパスさせ、バイパスした加圧ガスを加圧ガスの消費機器に供給するバイパス系と；
    圧力センサ及び／又は温度センサに組み合わされ、検知した掃気圧及び／又は検知した排気温度の関数として、前記消費機器に供給されるバイパス加圧ガスの量を調整するように構成されるコントローラと；
    を備え、前記コントローラは、
    ・ ターボ油圧系により提供される、ターボ過給機の取り出し出力を増やすこと；
    ・ 前記機関の前記吸気系の補助ブロワの速度を増すこと；
    ・ 前記機関のＥＧＲ装置のＥＧＲブロワの速度を増すこと；
    ・ 前記機関の追加の小さなターボ過給機をアクティブにすること；
    ・ 前記機関のシリンダバイパス装置のシリンダバイパス弁を開けること；
    ・ 専用の電気駆動式コンプレッサを駆動するための前記機関のパワータービン装置への排気バイパスを開けること；
    ・ 前記機関の油圧系により動力を受ける油圧駆動式コンプレッサをアクティブにすること；
    ・ 好ましくはタービンフロー面積を減らすことによって、前記機関の実際の動作条件の下で前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の可変ジオメトリタービンのジオメトリを調節してタービンフロー面積を調節すること；
    ・ 好ましくは機関負荷の関数として、前記機関の部分負荷において前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の１つ又は複数を切り離すこと；
    ・ 第１の切り離しエンジン負荷閾値未満において１つのターボ過給機をアクティブにし、前記第１の切り離し機関負荷閾値と第２の切り離しエンジン負荷閾値の間では２つのターボ過給機をアクティブにし、前記第２の切り離し機関負荷閾値より高い機関負荷においては３つのターボ過給機をアクティブにすること；
    の１つ又は複数により、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化する方式で、機関１００を制御するように構成される、機関。
  2. 前記コントローラは、検知した又は観察された掃気圧が掃気圧閾値未満であるか、及び／又は検知した排気温度が排気温度閾値より高い場合、前記加圧ガスの消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される、請求項１に記載の機関。
  3. 前記コントローラは、検知された若しくは観察された掃気圧、及び／又は、検知された若しくは観察された排気温度の関数として、実際の機関ターボ過給効率を決定するように構成される、請求項１又は２に記載の機関。
  4. 前記コントローラは、前記決定した実際の機関ターボ過給効率の関数として、前記加圧ガスの消費機器に供給するバイパス加圧ガスの量を制限するように構成され、
    前記コントローラは好ましくは、前記決定した実際の機関ターボ過給効率が、機関ターボ過給実効率閾値より低い場合に、前記加圧ガス消費機器に供給するバイパス加圧ガスの量を減少又は制限するように構成される、
    請求項３に記載の装置。
  5. 前記コントローラは、既定の最小機関ターボ過給効率閾値と比較して、前記１つ又は複数のターボ過給機の、実際に利用可能な効率の超過分を決定するように構成される、請求項１からの４のいずれかに記載の機関。
  6. 前記コントローラは、前記決定した超過分の関数として、前記加圧ガスの消費機器に供給するバイパス加圧ガスの量を制限するように構成される、請求項５に記載の機関。
  7. 前記コントローラは、前記加圧ガス消費機器による加圧ガスのニーズに応じて、前記加圧ガス消費機器に供給するバイパス加圧ガスの量を調節するように構成され、好ましくは加圧ガス消費機器からの信号に応じて調節するように構成される、請求項１から６のいずれかに記載の機関。
  8. 前記１つ又は複数のターボ過給機は、少なくともある機関負荷範囲において、最低限必要な既定の機関ターボ過給効率を超えるターボ過給効率を有する、請求項１から７のいずれかに記載の機関。
  9. 前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数の切り離しのための切替点は、機関負荷の６０～８０％の範囲に設けられ、前記コントローラは、機関負荷が当該切替点を下回った時に、前記２つ以上のターボ過給機のうちの１つ又は複数を切り離すように構成される、請求項１から８のいずれかに記載の機関。
  10. 前記コントローラは、前記吸気系から取り入れる掃気量を制御すべく、第１の電子制御弁に接続されて該電子制御弁を制御することができ、及び／又は、前記コントローラは、前記排気系から取り入れる排気量を制御すべく、第２の電子制御弁に接続されて該電子制御弁を制御することができる、請求項１から９のいずれかに記載の機関。
  11. 前記コントローラは、前記検知した掃気圧が掃気圧閾値未満である場合に、前記消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成され、前記掃気圧閾値は、好ましくは周囲条件に従って調節される、請求項１から１０のいずれかに記載の機関。
  12. 前記コントローラは、前記検知した排気温度が排気温度閾値より高い場合に、前記消費機器へ供給されるバイパス加圧ガスの量を減少させるように構成され、前記排気温度閾値は、好ましくは周囲条件に従って調節される、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
  13. 前記機関は、前記吸気系内の掃気圧を検知するための圧力センサを、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流に有し、及び／又は、前記排気系の排気温度を検知するための温度センサを、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流に有し、及び／又は、前記吸気系内の掃気圧を推定するためのオブザーバを、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流に有し、及び／又は、前記排気系の温度を推定するためのオブザーバを、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流に有する、請求項１から１２のいずれかに記載の機関。
  14. 大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関を動作させる方法において、加圧された掃気及び／又は加圧された排気を前記機関から加圧ガスの消費機器に供給するための方法であって、前記機関が、
    それぞれ下端部に掃気ポートを有すると共に上端部に排気弁を有する複数のシリンダと；
    前記掃気ポートを通じて前記シリンダに接続される掃気受けを有し、自身を通じて前記シリンダに掃気が導入される吸気系と；
    前記排気弁を通じて前記シリンダに接続される排気受けを有し、前記シリンダ内で生成した排気が自身を通じて排出される排気系と；
    コンプレッサに協働するように組み合わされる排気駆動型のタービンと、前記タービンの入口であって前記排気系に接続される入口と、前記コンプレッサの出口であって、前記吸気系に加圧された掃気流を届けるために前記吸気系に接続される出口とを有する、１つ又は複数のターボ過給機と；
    前記加圧ガスの消費機器にバイパスした加圧ガスを供給するバイパス系と；
    を備え、前記方法は、
    制御された量の掃気を前記吸気系からバイパスさせること又は制御された量の排気を前記排気系からバイパスさせることと；
    次の１つ又は複数：
    ・ ターボ油圧系により提供されるターボ過給機の取り出し出力を増やすこと、
    ・ 前記機関の前記吸気系の補助ブロワの速度を増すこと、
    ・ 前記機関のＥＧＲ装置のＥＧＲブロワの速度を増すこと、
    ・ 前記機関の追加の小さなターボ過給機をアクティブにすること、
    ・ 前記機関のシリンダバイパス装置のシリンダバイパス弁を開けること、
    ・ 専用の電気駆動式コンプレッサを駆動するための前記機関のパワータービン装置への排気バイパスを開けること、
    ・ 前記機関の油圧系により動力を受ける油圧駆動式コンプレッサをアクティブにすること、
    ・ 好ましくはタービンフロー面積を減らすことによって、前記機関の実際の動作条件の下で前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、可変ジオメトリタービンのジオメトリを調節してタービンフロー面積を調節すること、
    ・ 好ましくは機関負荷の関数として、前記機関の部分負荷において前記コンプレッサにより伝達される圧力を最大化するために、前記１つ又は複数のターボ過給機の１つ又は複数を切り離すこと、
    ・ 第１の切り離しエンジン負荷閾値未満において１つのターボ過給機をアクティブにし、前記第１の切り離し機関負荷閾値と第２の切り離しエンジン負荷閾値の間では２つのターボ過給機をアクティブにし、前記第２の切り離し機関負荷閾値より高い機関負荷においては３つのターボ過給機をアクティブにすること、
    により、掃気圧及び／又はバイパスされる掃気の質量流を最大化することと；
    を含む、方法。
  15. 前記吸気系内の掃気圧、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流の圧力を検知すること、及び／又は、前記排気系の排気温度を、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流で検知することと；
    前記消費機器に供給される、バイパスされる加圧ガスの量を、検知した掃気圧及び／又は排気温度の関数として調節することと；
    を含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記吸気系内の掃気圧、好ましくは前記掃気受けの内部又はすぐ上流の圧力を推定すること、及び／又は、前記排気系の排気温度を、好ましくは前記排気受けの内部又はすぐ下流で推定することと；
    前記消費機器に供給される、バイパスされる加圧ガスの量を、検知した掃気圧及び／又は排気温度の関数として調節することと；
    を含む、請求項１５に記載の方法。
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