JP5832616B2 - 二元燃料供給システムを有するターボ過給式大型低速２ストローク内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、クロスヘッド式ターボ過給型大型低速ユニフロー２ストローク内燃機関のための二元燃料供給システムに関し、特に、燃料油のための燃料供給システムと、ガスのための燃料供給システムとを有する、ターボ過給型大型低速ユニフロー２ストローク内燃機関に関する。

クロスヘッド式の大型２ストロークエンジンは、典型的には、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用いられる。通常、このようなエンジンは、重油や燃料油で運転される。ＷＯ２０１２／０８０５６８は、請求項１のプリアンブルに記載のエンジンを開示している。

近年、大型２ストロークディーゼルエンジンにおいて、別の種類の燃料を使用できるようにしたいという要望が起こっている。そのような燃料としては、ガスや石炭スラリー、石油コークス等があるが、特にガスを使用できるようにしたいという要望が強い。

様々な燃料供給システムの要求を満たすためには、エンジンの側において、最大限の柔軟性がなければならないことがわかっている。

十分な柔軟性がない場合、サービス環境によっては、代替燃料を使うことはできないであろう。

このような状況は、典型的には、代替燃料の供給部が、エンジンに要求されている燃料の全てを、サービスを制御しているポイント（エンジン負荷；Engine Load）に届けることができない場合に生じる。

このような状況において、現在の理論的オプションは、一時的に一次燃料油に完全に切り替えて、二次燃料システムは閉鎖してしまうか、燃料油と代替燃料等の比を変えるかのいずれかである。

一次燃料に完全に切り替えることは、制御の観点からは課題が残る。というのも、燃焼室の中の運転状況に大きな分断が生じるからである。つまり、燃料の切り替えをスムーズに行うことは困難な課題である。さらに、切り替えの後は代替燃料の消費量はゼロになるため、代替燃料の供給システムは、補助的な機器のいくつかを停止しなければならない。このような停止／再開動作は望ましいものではない。特に、高圧ガスポンプによっては、その寿命が主に始動と停止の回数で計られるものがあり、非常に好ましくない。

２種類の異なる燃料の間の比を変更することにも、大きな課題が残る。これは、異なる２種類の燃料に燃焼プロセスを最適化させることは、極めて複雑になるからである。実際に得られる最終的な効率は時間と共に変動し、出力を調節する制御システムの能力を危険にさらす。

このような背景の下、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、クロスヘッド式ターボ過給型大型低速ユニフロー２ストローク内燃機関を提供することである。

この課題は、次のような、クロスヘッド式ターボ過給型大型低速ユニフロー２ストローク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：複数のシリンダと；第１の種類の燃料で動作する一次燃料供給システムであって、前記第１の種類の燃料のための一次燃料タンクと、前記第１の種類の燃料を前記シリンダの燃焼室に供給する一次燃料とを有する一次燃料供給システムと；前記第１の種類の燃料とは異なる第２の種類の燃料で動作する二次燃料供給システムであって、前記第２の種類の燃料のための二次燃料タンクと、前記第２の種類の燃料を前記シリンダの燃焼室に供給する二次燃料弁とを有する二次燃料供給システムと；前記一次燃料供給システム及び前記二次燃料供給システムを制御し動作させるように構成される電子制御ユニットと；を有し、前記電子制御ユニットは、前記複数のシリンダのうち選択したいくつかのシリンダを、前記二次燃料供給システムを通じて前記第２の種類の燃料で動作させると共に、前記複数のシリンダのうち残りのシリンダを、前記一次燃料供給システムを通じて前記第１の種類の燃料で動作させるように構成される。

前記複数のシリンダのうちいくつかを、選択的に、前記二次燃料供給システムを通じて前記第２の種類の燃料で動作させると共に、残りのシリンダを、前記一次燃料供給システムを通じて前記第１の種類の燃料で動作させることにより、運転の自由度が著しく向上する。特に、上記の特徴によって、二次燃料システムの容量（能力）が足りない時には、二次燃料システムを通じて第２の種類の燃料で動作させるシリンダの数を減らすことができる。二次燃料システムを完全に停止させるとネガティブな影響が生じるのであるが、上記の特徴により、二次燃料システムを完全停止させる必要性は大きく減少する。また、シリンダを２種類の燃料を同時に使用して動作させることも避けられる。このため、２種類の燃料の燃焼プロセスを最適化するという、複雑かつ困難な制御を行う必要性も避けられる。

実施形態によっては、前記一次燃料供給システムは、どのような運転状況においても、前記複数のシリンダの全てに対して燃料供給を行うことができるぐらい十分に大きな容量を有するが、前記二次燃料供給システムの容量は、時には、どのような運転状況においても前記複数のシリンダ１の全てに対して燃料供給を行うことができるほど十分に大きくはない。

実施形態によっては、前記エンジン制御ユニットは、瞬時機関出力のどれくらいの割合が、前記二次燃料システムの瞬時利用可能容量によって生成されうるかを決定するように構成され；前記エンジン制御ユニットは更に、前記二次燃料システムの前記瞬時利用可能容量に基づいて、前記複数のシリンダのうち前記第２の種類の燃料だけで動作させられうるシリンダの最大数を決定するように構成され；前記エンジン制御ユニットは更に、前記決定した最大数のシリンダを、前記第２の種類の燃料で動作させるように構成される。

実施形態によっては、前記エンジン制御ユニットは、前記二次燃料システムの前記瞬時利用可能容量が、前記機関の現在の運転状況における全ての燃料供給要求を満たすほどに十分大きい場合、前記複数のシリンダの全てを前記第２の種類の燃料で動作させるように構成される。

実施形態によっては、前記一次燃料システムは、前記二次燃料システムにより供給される前記第２の種類の燃料のための、パイロット噴射の燃料を供給するために使用される。パイロット噴射は決まった小さな量で行われる。実際の出力の制御は第２の種類の燃料を通じて行われる。

実施形態によっては、電子制御ユニットは、前記複数のシリンダのうちいくつかを第２の種類の燃料で動作させ、残りのシリンダを第１の燃料で動作させるように構成される。

本明細書の開示に従う機関の目的や特徴、利点、性質は、以下の詳細説明により明らかになるだろう。

本明細書の以下の詳細説明部分においては、図面に示される例示的な実施形態を参照して発明がより詳細に説明される。
ある例示的実施形態に従う大型２ストロークディーゼルエンジンの正面図である。 図１の大型２ストロークエンジンの側面図である。 図１の大型２ストロークエンジンの略図表現である。 図１のエンジンのための二元燃料システムの例示的実施形態の略図表現である。

好適な実施形態の詳細な説明

以下の詳細説明では、実施例を用いて、ターボ過給式大型低速（ディーゼル）内燃機関が説明される。図１及び図２は、ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼルエンジンを描いている。このエンジンは、クランクシャフト４２及びクロスヘッド４３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エンジンを、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。実施例において、エンジンは直列に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エンジンフレーム１３に担持される。またこのようなエンジンは、例えば、外洋航行船の主機関や、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。エンジンの全出力は、例えば、５，０００ｋＷから１１０，０００ｋＷでありうる。

この実施例におけるエンジンは、２ストロークユニフロー型のディーゼルエンジンであり、シリンダ１の下部領域に掃気ポートを有し、シリンダ１の頂部には排気弁４を有する。掃気は、掃気受け２を通じて、各シリンダ１の掃気ポート（図示されていない）へと案内される。シリンダ１内のピストン４１が掃気を圧縮すると、シリンダカバーの燃料噴射弁から燃料が噴射されて燃焼が発生し、排気ガスが生成される。排気弁４が開くと、排気ガスは、シリンダ１に設けられる排気ダクトを通って排気ガス受け３へと流れ、さらに第１の排気管１８を通ってターボ過給器５のタービン６へと進む。そこから排気ガスは、第２の排気管２５を通ってエコノマイザ２８へ流れ、さらに出口２９から大気中へと放出される。タービン６は、シャフトを介してコンプレッサ９を駆動する。コンプレッサ９には、空気取り入れ口１０を通じて外気が供給される。コンプレッサ９は、圧縮された掃気を、掃気受け２に繋がっている掃気管１１へと送り込む。

掃気管１１内の掃気は、掃気を冷却するインタークーラー１２を通過する。コンプレッサを出た掃気の温度はおよそ２００℃であるが、インタークーラー１２は、これを３６℃から８０℃程度に冷却する。

冷却された掃気は、電気モーター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、機関が低負荷又は部分負荷である場合に、掃気受け２へ向かう掃気の流れを圧縮する。機関の負荷が高い場合は、ターボ過給器のコンプレッサ９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、逆止め弁１５によってバイパスされる。

図４は、二元燃料システムと、関連する複数のシリンダとを描いている。また、エンジン制御ユニットＥＣＵや、シリンダ１のいずれかに個別に関連するシリンダ制御ユニットＣＣＵも描かれている。二元燃料システムは、２つの異なる二つの燃料システムを備える。一次燃料システム２４と二次燃料システム３４である。

一次燃料システム２４は、一次燃料タンク２０及び一次燃料ポンプ２２を有する。一次燃料ポンプ２２は、一次燃料タンク２０から第１の種類の燃料を受け取り、加圧した（第１の種類の）燃料をコモンレールに配送する。なお、個別の燃料ポンプ及び個別の高圧燃料パイプを使用する燃料システムを採用することもできる。一次燃料システム２４はさらに、一次燃料ポンプ２２の出口を、各シリンダ１の一次燃料弁７に接続する配管（コモンレール）を備えている。なお燃料弁７はシリンダカバーの中に配される。一次燃料弁７は、各シリンダに対して少なくとも一つ、しかし好ましくは二つ又は三つ、設けられる。これは、燃焼室の規模が大きいためであり、従って、霧化された燃料が燃焼室に行き渡るには長い距離を進まなければならないからである。

この例では、一次燃料の種類は重油である。しかし、別の種類の燃料、例えば船舶用ディーゼル油（Marine Diesel Oil）のような燃料を、一次燃料とする場合もある。一次燃料タンク２０，一次燃料ポンプ２２，一次燃料弁７，及びこれらをつなぐ配管は、重油が固化することを防ぐために、（例えば蒸気トレースによって）加熱される。（重油は常温では容易に流動しない。）

二次燃料システム３４は、二次燃料タンク３０及び二次燃料ポンプ３２を有する。二次燃料ポンプ３２は、二次燃料タンクからの第２の種類の燃料を受け取り、それに圧力をかけてコモンレールへと配送する。二次燃料システム３４はさらに、一次燃料ポンプ３２の出口を、各シリンダ１の二次燃料弁８に接続する配管（コモンレール）を備えている。燃料弁８もシリンダカバーの中に配されている。二次燃料弁８も、各シリンダに対して少なくとも一つ、しかし好ましくは二つ又は三つ、設けられる。これは、燃焼室の規模が大きいためであり、従って、燃料が燃焼室に行き渡るには長い距離を進まなければならないからである。実施形態によっては、二次燃料弁の各々にパイロット燃料弁が設けられる（図示されていない）。

本実施例では、二次燃料の種類はガスであり、例えば天然ガスや石油ガスである。しかし、他の種類の燃料が、二次燃料として用いられる場合もある。高圧のガスを配送する二次燃料ポンプ３２は、始動及び停止に影響を受けやすく、その寿命は主に始動及び停止の回数で決まる。従って、不必要に始動・停止させることなく、連続して動作させ続けることが好ましい。ポンプの始動や停止は、二次燃料システムの問題によって生じる可能性がある。例として、貨物船が、ボイルオフガスを使用している場合がある。ボイルオフガスの量は、貨物船に関する問題のために、機関の運転士の制御が利かずに低下してしまうことがある。別の例は、ガス供給システムが、非常に大きな時定数を含みうる場合である。そのような場合は、ガス供給システムが、利用可能な燃料の量を素早く増やすことができない。本明細書で説明するように、電子制御システムを構成することにより、二次燃料システムが完全に停止してしまうような事態を避けることが可能になる。

エンジン制御ユニットＥＣＵは、一次燃料システム２４の動作を、特に一次燃料ポンプ２２の動作を制御する。またエンジン制御ユニットＥＣＵは、一次燃料システムから、その動作状況に関する情報（例えば現時点のキャパシティ、燃料の温度、燃料噴射圧など）を受信する。

エンジン制御ユニットＥＣＵはまた、二次燃料システム３４の動作を、特に二次燃料ポンプ３２の動作を制御する。またエンジン制御ユニットＥＣＵは、二次燃料システム３４から、その動作状況に関する情報（例えば瞬時容量（momentary capacity）、燃料温度、燃料噴射圧など）を受信する。代替的に、二次燃料システムの瞬時容量情報は、手動でＥＣＵに入力される。

電子制御ユニットＥＣＵは、シリンダ制御ユニットＣＣＵの助けを借りて、一次燃料システム２４及び二次燃料システム３４を制御し動作させる。シリンダ制御ユニットＣＣＵは、エンジンの複数のシリンダ１の各々に対して個別に用意され、それに関連付けられる。なお、紹介する実施形態ではシリンダ１の本数は６であるが、実施形態によってはそれより多くても少なくとも構わない。ただし、大型低速２ストロークディーゼル機関では、シリンダの数が５本より少ないというケースはほとんどない。

電子制御ユニットＥＣＵは、複数のシリンダ１のうち選択した数のシリンダを、二次燃料システム３４を使って第２の種類の燃料で動作させるように構成される。この制御はシリンダ制御ユニットＣＣＵを通じて行われ、関連するシリンダ制御ユニットＣＣＵに対して、二次燃料弁８のみを動作させるように命令することにより、行われる。また電子制御ユニットＥＣＵは、前記複数のシリンダ１のうち残りのシリンダを、一次燃料システム２４を使って第１の種類の燃料で動作させるように構成される。この制御は、関連するシリンダ制御ユニットＣＣＵに対して、一次燃料弁７のみを動作させるように命令することにより、行われる。

実施形態によっては、一次燃料供給システム２４は、機関の運転状況に関わらず（すなわち機関の最大負荷時においても）、複数のシリンダ１の全てに対して燃料の供給を行うことができるぐらい十分に大きな容量を有する。

二次燃料供給システム３４は、機関の運転状況に関わらずにシリンダ１の全てに対して燃料の供給を行うことができるほどには十分に大きな容量は有しておらず、すなわち、機関の負荷レベルが高くなると、二次燃料供給システム３４は、全てのシリンダ１の燃料要求を満たすだけの十分な容量を有していない。

エンジン制御ユニットＥＣＵは、瞬時機関出力のどれくらいの割合が、二次燃料システム３４の瞬時利用可能容量（momentarily available capacityまたはmomentary available capacity）によって生成されうるかを決定するように構成される。また電子制御ユニットＥＣＵは更に、二次燃料システム３４の瞬時利用可能容量に基づいて、複数のシリンダ１のうち第２の種類の燃料だけで動作させられうるシリンダの最大数を決定するように構成される。また電子制御ユニットＥＣＵは更に、決定した最大本数のシリンダ１を、二次燃料システム３４を用いて第２の種類の燃料で動作させるように構成される。

二次燃料システム３４の瞬時容量が、機関の現在の運転状況における全ての燃料供給要求を満たすのに十分大きい場合、電子制御ユニットＥＣＵは、上記複数のシリンダ１の全てを第２の種類の燃料で動作させるように構成されてもよい。この制御は、全てのシリンダ制御ユニットＣＣＵに、二次燃料バルブ８のみを動作させるように命令することにより行われる。

実施形態によっては、一次燃料システム２４は、パイロット噴射の燃料を供給するために使用される。パイロット噴射は、二次燃料システム３４から供給される第２の種類の燃料による点火をアシストするためのものである。パイロット噴射のために、電子制御ユニットＥＣＵは、噴射イベントにおいて噴射される第２の種類の燃料の量に対して所定の決まった割合の量の第１の種類の燃料を、関連するパイロット噴射イベントにおける噴射に使用するように構成される。

実施形態によっては、電子制御ユニットＥＣＵは、上記複数のシリンダ１のうちいくつかを第２の種類の燃料で動作させ、残りのシリンダを第１の燃料で動作させるように構成される。

燃料供給がエンジンの全出力に対して不十分である場合、レンジの全てのシリンダ制御ユニットＣＣＵのうちいくつかだけに、代替燃料（第２の種類の燃料）を最大に利用することに対応する"燃焼プロセス選択"命令が与えられ、残りのシリンダ制御ユニットＣＣＵに対しては、代替燃料（第２の種類の燃料）を全く使用しないことに対応する"燃焼プロセス選択"命令が与えられる。

その結果、代替燃料（第２の種類の燃料）の消費量は、供給可能な最大量に近くなるように調整されることができ、代替燃料（第２の種類の燃料）の供給が完全にストップしてしまうことが避けられる。また、２つの個々の燃焼プロセスの最適化する可能性が良好に保たれる。

実施形態によっては、上記の電子制御ユニットＥＣＵやＣＣＵは、第２の種類の燃料で動作させるべく、以前に選択されたシリンダ１の一つ又は複数の燃料弁８がうまく動作しなかった場合、第２の種類の燃料で動作させるためのシリンダとして、それとは異なるシリンダを選択するように命令するように構成される。シリンダの一つ又は複数の燃料弁８の動作不良の情報は、自動的に検出されてもよく、または機関士によって手動で入力されてもよい。

実施形態によっては、上記の電子制御ユニットＥＣＵやＣＣＵは、第２の種類の燃料で動作させるべく、以前に選択されたシリンダ１の一つ又は複数の燃料弁８がうまく動作しなかった場合、一次燃料供給システム２４及び一次燃料弁７を通じて第１の種類の燃料で動作するように、その動作を変更するように命令するように構成される。

特許請求の範囲において使用される「備える」「有する」「含む」との語句は、その他の要素やステップが含まれることを除外しない。特許請求の範囲において単数で記載されている要素であっても、それが複数供えられ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手段の機能は、電子制御ユニットによって遂行されてもよい。

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。

例示のために本発明を詳細に説明してきたが、これらの詳細説明は例示の目的のためだけに提供されたものであって、本発明の範囲を逸脱せずに当業者により様々な変形がなされうる。

Claims (9)

1. クロスヘッド（４３）を有するターボ過給式大型低速２ストロークユニフローディーゼル内燃機関であって：
   各々シリンダカバーを有する複数のシリンダ（１）と；
   第１の種類の燃料のために動作する一次燃料供給システム（２４）であって、前記第１の種類の燃料のための一次燃料タンク（２０）と、前記複数のシリンダ（１）の各々に対して対応するシリンダカバーに設けられ、前記第１の種類の燃料を対応する前記シリンダ（１）の燃焼室内に噴射する、二つ又は三つの一次燃料弁（７）とを有する一次燃料供給システム（２４）と；
   前記第１の種類の燃料とは異なる第２の種類の燃料のために動作する二次燃料供給システム（３４）であって、前記第２の種類の燃料のための二次燃料タンク（３０）と、前記複数のシリンダ（１）の各々に対して対応するシリンダカバーに設けられ、前記第２の種類の燃料を対応する前記シリンダ（１）の燃焼室内に噴射する、二つ又は三つの二次燃料弁（８）とを有する二次燃料供給システム（３４）と；
   前記一次燃料供給システム（２４）及び前記二次燃料供給システム（３４）を制御し動作させるように構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）と；
   を備え、前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）が、前記複数のシリンダ（１）のうち選択したいくつかのシリンダを、前記二次燃料供給システム（３４）を通じて前記第２の種類の燃料で動作させると共に、前記複数のシリンダ（１）のうち残りのシリンダを、前記一次燃料供給システム（２４）を通じて前記第１の種類の燃料で動作させるように構成されることを特徴とする、機関。
2. 前記一次燃料供給システム（２４）は、どのような運転状況においても、前記複数のシリンダ１の全てに対して燃料供給を行うことができるぐらい十分に大きな容量を有するが、前記二次燃料供給システム（３４）の容量は、どのような運転状況においても前記複数のシリンダ１の全てに対して燃料供給を行うことができるほど十分に大きくはない、請求項１に記載の機関。
3. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、瞬時機関出力のどれくらいの割合が、前記二次燃料供給システム（３４）の瞬時利用可能容量によって生成されうるかを決定するように構成され；
   前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は更に、前記二次燃料供給システム（３４）の前記瞬時利用可能容量に基づいて、前記複数のシリンダ（１）のうち前記第２の種類の燃料で動作させられうるシリンダの最大数を決定するように構成され、
   前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は更に、前記決定した最大数のシリンダ（１）を、前記二次燃料供給システム（３４）を通じて前記第２の種類の燃料で動作させるように構成される、
   請求項１又は２に記載の機関。
4. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、前記二次燃料供給システム（３４）の前記瞬時利用可能容量が、前記機関の現在の運転状況における全ての燃料供給要求を満たすほどに十分大きい場合、前記複数のシリンダ（１）の全てを前記第２の種類の燃料で動作させるように構成される、請求項３に記載の機関。
5. 前記シリンダ（１）が前記二次燃料供給システム（３４）から供給される前記第２の種類の燃料で動作している時に、前記一次燃料供給システム（２４）は、パイロット噴射の燃料を供給するために使用される、請求項４に記載の機関。
6. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、決まった量の、前記第１の種類の燃料を、パイロット噴射イベントに使用するように構成される、請求項５に記載の機関。
7. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、前記複数のシリンダ（１）のうちいくつかを前記第２の種類の燃料で動作させ、残りを前記第１の燃料で動作させるように構成される、請求項３から６のいずれかに記載の機関。
8. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、前記第２の種類の燃料で動作させるべく、以前に選択されたシリンダ（１）の一つ又は複数の前記二次燃料弁（８）が正しく動作しなかった場合、前記第２の種類の燃料で動作させるためのシリンダとして、別のシリンダを選択するように命令するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載の機関。
9. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ，ＣＣＵ）は、前記第２の種類の燃料で動作させるべく、以前に選択されたシリンダ（１）の一つ又は複数の前記二次燃料弁（８）が正しく動作しなかった場合、前記一次燃料供給システム（２４）及び前記一次燃料弁（７）を通じて前記第１の種類の燃料で動作するように、その動作を変更するように命令するように構成される、請求項１から８のいずれかに記載の機関。

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