JP7308326B2 - Ｅｇｒシステムを有する大型ターボ過給式２ストローク内燃機関 - Google Patents

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Description

本明細書の開示事項は、排気再循環（ＥＧＲ）システムを有する大型ターボ過給式２ストローク内燃機関及び方法に関し、より詳細には、ＥＧＲシステムの動作の制御に関する。
背景
大型ターボ過給式２ストローク内燃機関は、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。典型的に、これらの機関は二元機関であり、燃料油とガス（天然ガス、石油ガス、メタノール、エタンのいずれか）で動作するように構成される。
船舶用ディーゼル機関からの排出物は、排出物の環境への影響への意識から、規制の対象となっている。２０１６年に、特定の領域における船舶用ディーゼル機関からのＮＯｘ排出量を制限するティア（Tier）III規制が導入された。これは以前は国際海事機関（International Maritime Organization）によって提示されていたものである。これらの排出規制を達成するには、ＮＯｘ排出量を低減する技術の使用が必要である。このような技術の１つに排気ガス再循環（ＥＧＲ）がある。この技術は、数十年に亘って自動車業界の４ストローク機関に使用されてきた。
ＥＧＲの原理は、排気の一部を機関の掃気マニフォールドに再循環し戻すことである。これは、掃気中の酸素レベルを減らし、従って燃焼中のＮＯｘガスの形成を減らす。しかし残念なことに、掃気中の酸素ガスの減少は、燃焼効率に影響を及ぼす。掃気中の酸素レベルが余りにも低いと、好ましくない可視煙を生成する。
４ストローク自動車用機関においで、排気側と吸気側の間には正の圧力差が存在する。すなわち、正の圧力差が排気を吸気側のフローに再循環させ、再循環のためにブロワ等を必要としない。しかし、大型ターボ過給式２ストローク内燃機関の場合、排気側と吸気側との間には負の圧力差が存在する。このため、（４ストローク自動車用機関のように）排気側と吸気側の間に単に管を設けるだけでは、給気が排気側に流れてしまう。そこで、ターボ過給式２ストローク内燃機関のＥＧＲシステムは、排気の一部を給気に流入させるためのブロワ又はポンプを必要とする。すなわち大型ターボ過給式２ストローク内燃機関において、排気は、排気系と吸気系との間の圧力差に打ち勝つために、ブロワによって再循環させられる。
つまり、大型ターボ過給式２ストローク内燃機関において、ブロワ又はポンプは、排気系から吸気系に排気を再循環させるために必要である。これらの巨大な機関において、このタスクを遂行するには非常に大きなブロワが必要とされる。そしてそのような大きなブロワには、排気系から吸気系に排気を向かわせるタスクを遂行するために、大きな駆動モータを必要とする。
ＮＯｘと煤煙の両方の排出規制を達成するためには、掃気受け内の酸素濃度を正確に制御する必要がある。なぜなら、酸素濃度が低過ぎると煤煙の形成が許容限度を超えてしまい、酸素濃度が高過ぎるとＮＯｘ排出量が許容限度を超えてしまうからである。
既知のＥＧＲ付き大型ターボ過給式２ストローク内燃機関は、ＥＧＲフローを制御して酸素濃度設定値に到達させるために、制御可能な可変速度のＥＧＲブロワを使用してきた。
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。
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、次のような、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；
前記吸気系のコンプレッサを駆動するタービンを前記排気系に有する少なくとも１つのターボ過給機と；
前記シリンダに燃料のフローを届ける燃料システムと；
前記排気系から前記吸気系に排気のフローを送るＥＧＲシステムであって、ＥＧＲブロワと電子制御ＥＧＲスロットルバルブとを有するＥＧＲシステムと；
前記ＥＧＲブロワを駆動するために該ＥＧＲブロワに組み合わされるＡＣ駆動モータであって、電気スイッチによってＡＣグリッドに直接接続され、ＡＣ周波数により決定される一定速度で動作するように構成されるＡＣ駆動モータと；
前記掃気受け内の酸素濃度を表す信号を提供するセンサと；
前記信号を受け取るようにされ、また前記電子制御ＥＧＲブロワに組み合わされるコントローラと；
を備え、前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するための第１の基準として、前記信号の関数として前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブの位置を制御することにより、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するように構成される。
グリッドに直結されるＡＣ駆動モータにより直接駆動され、第１の基準として電子制御ＥＧＲバルブの位置を制御することにより、ＥＧＲブロワの速度を変えることなくＥＧＲフローを制御するように構成されるコントローラを有するＥＧＲブロワを備える大型ターボ過給式２ストローク内燃機関を提供することにより、ＥＧＲブロワを可変速ＥＧＲブロワとするための高価な装置を要せずに、ＥＧＲフローを制御することが可能となる。ここで「高価な装置」とは、例えば、ＡＣ駆動モータとＥＧＲブロワとの間の可変速動力伝達装置や、ＡＣ駆動モータに電力を供給する可変周波数の電気駆動装置のような、可変速の機械的又は電気的な駆動装置である。結果として得られる機関は複雑性が減少し、信頼性が高まり、価格が抑えられる。
負荷に依存する掃気酸素濃度目標値は予め定められる。実際の酸素濃度は測定又は推定され、この測定のフィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御により、電子制御ＥＧＲスロットルバルブを調節することにより、目標値に到達される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御ＥＧＲバルブを閉鎖方向に動かすように、また、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために電子制御ＥＧＲバルブを解放方向に動かすように、構成される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを調節する第１又は第２の基準として、バイパス管に配される電子制御シリンダバイパススロットルバルブ又はオリフィスの開度を調節することにより、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを調節するように構成される。ここで前記バイパス管は、前記コンプレッサの下流で前記吸気系に接続されると共に、前記タービンの上流で前記排気系に接続される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために、前記電子制御シリンダバイパススロットルバルブ又はオリフィスを閉鎖方向に動かすように、また、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御シリンダバイパススロットバルブ又はオリフィスを解放方向に動かすように、構成される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記掃気受け内の酸素濃度が酸素濃度目標値に近い状態を維持するように、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するように構成される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記掃気受け内の酸素濃度が酸素濃度目標値に近い状態を維持するために、前記第１のセンサからの信号を、フィードバック及び／又はフィードフォワード制御に使用するように構成される。ここで前記酸素濃度目標値は好ましくは機関負荷に応じて調節される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＡＣ駆動モータは非同期電気モータである。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＡＣ駆動モータはシンクロナス電気モータである。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＡＣ駆動モータは前記ＥＧＲブロワのドライブシャフトに直接結合している。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブは前記ＥＧＲブロワの下流に配される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブは前記ＥＧＲブロワの上流に配される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は、前記ＥＧＲブロワの下流に電子制御ＥＧＲスロットルバルブを備えると共に、前記ＥＧＲブロワの上流にも電子制御ＥＧＲスロットルバルブを備える。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＡＣ駆動モータは、周波数及び／又は電圧を変化させるための装置なしに前記ＡＣグリッドに接続される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＥＧＲブロワのレイアウトは既定の排気バイパス弁位置及びシリンダバイパス弁位置において、前記掃気受け内で関連する酸素目標値を達成するために必要で、前記排気再循環ブロワの固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従う。前記コントローラは、制御された排気バイパス弁を開けることにより、全ての他の動作ポイントにおいて、酸素目標値の関数として前記ＥＧＲフローを制御するように構成される。
前記第１の捉え方の実装形態の一例において、前記ＥＧＲブロワのレイアウトは、補助ブロワが通常動作する範囲内にあり、１つ又は複数の補助ブロワがオフにされた状態で、前記掃気受け内で関連する酸素目標値を達成するために必要な、前記排気再循環ブロワの固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従う。
前記コントローラは、１つ又は複数の補助ブロワをオフにすることにより、及び／又は、１つ又は複数の補助ブロワのフローを絞ることにより、上記の動作ポイント及び他の動作ポイントのために、ＥＧＲフローを酸素目標値の関数として制御するように構成される。
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。 ＥＧＲシステムを備える２ストローク内燃機関の実施形態の略図表現である。 ＥＧＲシステムを備える別の２ストローク内燃機関の実施形態の略図表現である。 ＥＧＲシステムを備える更に別の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。実施例において、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。またこのような機関は、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据え付け型のエンジンとして用いられることができる。機関の全出力は、例えば、１０００ｋＷから１１００００ｋＷ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、この機関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５５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。好ましくは、各シリンダ毎に、または使用される燃料のタイプ毎に、２つ又は３つの燃料弁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。実施形態によっては、コントローラ５０は電子コントロールユニットであってもよく、例えば、１つ又は複数のマイクロプロセッサと、メモリと、コントロールユニットの動作に必要な他のハードウェアとを備える電子コンピュータであってもよい。コントローラ５０は、様々なセンサに接続されると共に、機関の動作に影響を与える様々なデバイスに接続される。これらのセンサやデバイスとコントローラ５０との接続は、信号線や無線接続の形でなされることができる。図を単純化するため、これらの接続形態は図示されていない。コントローラ５０は、様々なコントロールユニットの組み合わせで形成されることがある。又は、単一の信号制御ユニットである場合がある。
燃料弁５５は燃料供給システムの一部である。機関が二元又は多元燃料機関である場合は、複数の燃料供給システムが存在するだろう。実施形態によっては、コントローラ５０は燃料弁５５の動作も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システム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、ターボ過給システム５は複数のターボ過給機を備える。
ターボ過給システム５のタービン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。
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。
図４の実施形態を参照すると、機関は排気再循環システムを装備する。排気再循環システムは、ターボ過給機５のタービン８の上流の位置からターボ過給機５のコンプレッサ７の下流の位置へと、排気システムから吸気システムへと接続される排気再循環路６０を備える。このため、再循環される必要のある排気は、排気システムから吸気システムへと流れることができる。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。
排気再循環システムは、再循環した排気を処理するように構成される廃棄再循環ユニット６１を備える。機関１００へのダメージを防ぐため、再循環に用いられる排気は通常、吸気系に入ることを許される前にクリーンにされる必要がある。このため排気再循環ユニット６１は、通常、水を用いるウェットスクラバーを備える。図４において、水の流入及び流出が水平方向の矢印で描かれている。ウォーターミストキャッチャー６３は、ウェットスクラバーで用いられた水を除去する。このため、排気再循環ユニット６１には比較的きれいな水が供給され、比較的汚れた水が排気再循環ユニット６１から排出される。
排気系から吸気系に再循環ガスが流れるように強制するために、排気再循環ブロワ２９が設けられる。排気再循環ブロワ２９が必要な理由は、大型２ストローク内燃機関の排気系は通常吸気系の給気圧より低いためである。
排気再循環ブロア２９はＡＣ駆動モータ３３によって駆動される。実施形態によっては、ＡＣ駆動モータ３３はＥＧＲブロワ２９に直接接続され、ＥＧＲブロワ２９を駆動する。ＡＣ駆動モータ３３は、電気スイッチ３５によってＡＣグリッドに直接接続される。ここでＡＣグリッドは、例えば、大型２ストローク内燃機関１００が搭載される外洋船舶のＡＣ電気グリッドや、大型２ストローク内燃機関１００が装備されるビルや他の施設のＡＣ電気グリッドであることができる。
ＡＣ駆動モータ３３は、電気グリッドからのＡＣ電力が供給されると、ＡＣ周波数で定められる一定の速度で動作するように構成される。ＥＧＲブロワ２９はＡＣ駆動モータ３３に機械的に直接接続されているので、ＥＧＲブロワ２９もまた、所定の一定速度で動作するように構成される。
実施形態によっては、ＡＣ駆動モータ３３のドライブシャフトはＥＧＲブロワ２９のドライブシャフトに直接結合している。ＡＣ駆動モータ３３は、一定の周波数のＡＣ電力が供給されるとき、所定の一定速度で動作するように構成される。
ＡＣ駆動モータ３３の回転速度は、ＡＣ駆動モータ３３に供給されるＡＣ電力の周波数で決まる。実施形態によっては、グリッドのＡＣ電力は一定の周波数を有し、従ってＡＣ駆動モータ３３の回転速度は一定になる。
実施形態によっては、ＡＣ駆動モータ３３は非同期モータである。すなわち定常状態において、出力軸の回転は、供給された電流の交流サイクルの整数より少し下である。
実施形態によっては、ＡＣ駆動モータ３３はシンクロナスモータ（同期モータ）である。すなわち定常状態において、出力軸の回転は、供給された電流の周波数に同期している。回転周期は交流サイクルの整数に完全に等しい。
このため、可変メカニカルドライブや電気的可変ドライブは存在しない。例えば、ＡＣ駆動モータ３３とＥＧＲブロワ２９の間の可変速メカニカルトランスミッションや、ＡＣ駆動モータ３３のための電源供給システム内の可変周波数電気ドライブ（Variable Frequency electric Drive，ＶＦＤ）は存在しない。グリッドからＡＣ駆動モータ３３に供給される電流の周波数及び／又は電圧を変化させるための装置は不要である。
実施形態によっては、ＡＣ駆動モータ３３のためのＡＣ電力は、グリッドに電源供給する発電機を有する機関１００によって駆動される発電機によって生成される。実施形態によっては、このＡＣ電力は、（図示されない）グリッドに電源供給する補助エンジンにより生成される。例えば発電機のセットにより生成される。実施形態によっては、このＡＣ電力は、グリッドに接続された他のソースによって供給される。
図４の実施形態においては、ＥＧＲブロワ２９はＥＧＲユニット６１の下流に描かれている。しかし実施形態によっては、ＥＧＲブロワ２９はＥＧＲユニット６１の上流に配されてもよい。
電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２はＥＧＲブロワ２９の下流においてＥＧＲ経路６０に配される。調節可能なＥＧＲスロットルバルブ３２は好ましくはバルブを開放するために電動化される。またＥＧＲスロットルバルブ３２はコントローラ５０に接続され、それによってコントローラ５０はＥＧＲスロットルバルブ３２の位置を命令信号を通じて制御し、それによって、ＥＧＲ経路６０を流れる再循環排ガスに適用するＥＧＲスロットルバルブ３２開度の制御を命令することができる。従ってコントローラ５０は、命令信号を通じて、ＥＧＲスロットルバルブ３２のスロットル効果を増加させたり減少させたりすることができる。
コントローラ５０は、機関１００の動作状況（例えば機関負荷、機関速度、周囲温度、掃気圧等）に関して知らせを受けるべく、様々なセンサに接続されるコントローラ５０は、掃気受け２内の酸素濃度を表す信号を提供するセンサから信号を受けるようにされている。
コントローラ５０は、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するための第１の基準として、前記信号の関数として電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２の位置を制御することにより、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するように構成される。
コントローラ５０は好ましくは、掃気受け２内の酸素濃度が所定の酸素濃度目標値に近い状態を維持することを目的として、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するように構成される。実施形態によっては、酸素濃度目標値は機関負荷の関数である。または、温度や湿度、掃気受け内の掃気圧、シリンダ圧力、平均有効圧力（mean effective pressure）、機関が運転されている地理的位置に適用される排出規制のような他の運転条件の関数である。
コントローラ５０は、掃気受け２内の酸素濃度が所定の酸素濃度目標値に近い状態を維持するように、センサ２７からの信号をフィードバック制御に使用し、実施形態によってはフィードフォワード制御と組み合わせて使用するように構成される。
コントローラ５０は、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御ＥＧＲバルブ３２を閉鎖方向に動かすように（絞り効果を増すように）、また、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために電子制御ＥＧＲバルブ３２を解放方向に動かすように（絞り効果を減少させるように）、構成される。
実施形態によっては、機関１００はシリンダバイパス４７を備える。シリンダバイパス４７は、吸気系におけるコンプレッサ７の下流と排気系におけるタービン８の上流とを接続する。シリンダバイパス管４７は、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２及び／又は電子制御オリフィス４９を備える。 コントローラ５０は、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するための第１の基準として、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２又はオリフィス４９の開度を制御することにより、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するように構成される。
コントローラ５０は、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２又はオリフィス４９を閉鎖方向に動かすように、また、ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御シリンダバイパススロットバルブ４２又はオリフィス４９を解放方向に動かすように、構成される。
この実施形態の実装形態の一例では、機関は、コントローラ５０により制御される電子制御排気バイパススロットルバルブ４１を有する排気バイパスを備える。
機関１００及びコントローラ５０は、次のシナリオに従ってＥＧＲフローを制御するように構成される。
・ ＥＧＲブロワのレイアウトは、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２が開いた状態において、掃気受け２における関連する酸素（Ｏ２）目標値を達成するために必要であり、ＥＧＲブロワ２９の所定の動作速度においてＥＧＲブロワ２９によりカバーされる、最も高い圧力比及び体積流量となる動作ポイントに従う。その他の機関動作ポイントにおいて、ＥＧＲフローは、酸素（Ｏ２）目標値の関数としてコントローラ５０により制御される。この制御は、ＥＧＲ経路６０において適切なフローを達成するために、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２を閉じ、適切な圧力比でＥＧＲブロワ２９を動作させることにより行われる。
このシナリオにおいて、コントローラ５０は次の最適化ストラテジに従って動作するように構成される。機関の性能に従って、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２またはオリフィス４９を、許容される程度に開ける。これは、最も高い圧力比及び体積流量における動作ポイントを下げ、ＥＧＲ変動を減少させ、従ってスロットルロスを低減するためである。
・ ＥＧＲブロワのレイアウトは、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２が開いた状態において、掃気受け２における関連する酸素（Ｏ２）目標値を達成するために必要であり、ＥＧＲブロワ２９の所定の動作速度においてＥＧＲブロワ２９によりカバーされ、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２またはオリフィス４９が閉じた状態で、最も低い圧力比及び体積流量となる動作ポイントに従う。その他の機関動作ポイントにおいて、ＥＧＲフローは、酸素（Ｏ２）目標値の関数としてコントローラ５０により制御される。この制御は、ＥＧＲ経路６０において適切なフローを達成するために、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ４２又はオリフィス４９を開け、適切な圧力比でＥＧＲブロワ２９を動作させることにより行われる。このシナリオにおいて、コントローラ５０は次の最適化ストラテジに従って動作するように構成される。
機関の性能に従って、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２またはオリフィス４９を、許容可能な程度に開ける。そして、許容可能な程度を超えてしまった場合、ＥＧＲスロットルバルブ３２を用いる。
図５は、図４の実施形態に似た機関の実施形態を示す。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。しかし、この実施形態において、ＥＧＲ流路６０内でＥＧＲフローを絞るバルブはＥＧＲブロワ２９の上流に配される。またセンサ２７は、掃気受け２の上流であるが、吸気系において再循環排ガスがタービン７から届く空気とミックスされる位置の下流に配される。
この実施形態において、機関１００及びコントローラ５０は、次のシナリオに従ってＥＧＲフローを制御するように構成される。
ＥＧＲブロワのレイアウトは、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ４３が開いた状態において、掃気受け２における関連する酸素（Ｏ２）目標値を達成するために必要であり、ＥＧＲブロワ２９の所定の動作速度においてＥＧＲブロワ２９によりカバーされる、最も高い圧力比及び体積流量となる動作ポイントに従う。その他の機関動作ポイントにおいて、ＥＧＲフローは、酸素（Ｏ２）目標値の関数としてコントローラ５０により制御される。この制御は、ＥＧＲ経路６０において適切なフローを達成するために、電子制御ＥＧＲスロットルバルブ４３を閉じ、適切な圧力比でＥＧＲブロワ２９を動作させることにより行われる。
このシナリオにおいて、コントローラ５０は次の最適化ストラテジに従って動作するように構成される。機関の性能に従って、電子制御シリンダバイパススロットルバルブ４２またはオリフィス４９を、許容される程度に開ける。これは、最も高い圧力比及び体積流量における動作ポイントを下げ、ＥＧＲ変動を減少させ、従ってスロットルロスを低減するためである。
この実施形態において、ＥＧＲブロワのレイアウトは、既定の排気バイパス弁４１の位置及びシリンダバイパス弁４２の位置において、掃気受け内で関連するＯ２目標値を達成するために必要で、排気再循環ブロワ２９の固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従う。コントローラ５０は、全ての他の動作ポイントにおいて、制御された排気バイパス弁４１を開け、正しいＥＧＲフローを達成するための正しい圧力比でＥＧＲブロワ２９を動作させることにより、ＥＧＲフローをＯ２目標値の関数として制御するように構成される。緊急時にＥＧＲ流路６０を閉鎖するための逆止弁がＥＧＲ流路６０内に設けられる（図示されていない）。コントローラ５０はシリンダバイパス弁４２をエンジン性能の関数として制御するように構成される。また、ＩＭＯのＮｏｘサイクル許容限度内で適用可能なＥＧＲ変動を低減するために、他の基準を用いるように構成される。
この実施形態において、ＥＧＲブロワのレイアウトは、１つ又は複数の補助ブロワが着られた状態で、掃気受け内で関連するＯ２目標値を達成するために必要であり、排気再循環ブロワ２９の固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従う。コントローラ５０は、他の動作ポイントにおいて、１つ又は複数の補助ブロワを霧、１つ又は複数の補助ブロワを通るフローを絞り、ＥＧＲブロワ２９を、ＥＧＲ流路６０内で適切なフローを達成するための適切な圧縮比に近い値でＥＧＲブロワ２９を動作させることにより、ＥＧＲフローをＯ２目標値の関数として制御するように構成される。コントローラ５０は、掃気圧を維持するために補助ブロワ１６を１つも要しない負荷範囲において特に、ＥＧＲブロワ２９を適切な圧縮比で正しく動作させるための追加の基準を用いるように構成されてもよい。
（図示しない）この実施形態において、機関１００は、ＥＧＲブロワ２９の下流に電子制御ＥＧＲスロットルバルブ３２を備えると共に、ＥＧＲブロワ２９の上流にも電子制御ＥＧＲスロットルバルブ４３を備える。
図６は、図４の実施形態に似た機関の別の実施形態を示す。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。しかし、この実施形態において、再循環される排気はターボ過給システム５のタービン８の低圧側から採取され、ターボ過給システム５のコンプレッサ７の低圧側で吸気系に加えられる。従ってこの実施形態は、ターボ過給システム５の低圧側の排気再循環と共に動作する。一方、図４，５の実施形態は、ターボ過給システム５の高圧側の排気再循環と共に動作する。
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プロセッサ、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 (15)

  1. 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、
    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；
    前記吸気系のコンプレッサを駆動するタービンを前記排気系に有する少なくとも１つのターボ過給機と；
    前記シリンダに燃料のフローを届ける燃料システムと；
    前記排気系から前記吸気系に排気のフローを送るＥＧＲシステムであって、ＥＧＲブロワと電子制御ＥＧＲスロットルバルブとを有するＥＧＲシステムと；
    前記ＥＧＲブロワを駆動するために該ＥＧＲブロワに組み合わされるＡＣ駆動モータであって、電気スイッチによってＡＣグリッドに直接接続され、ＡＣ周波数により決定される既定の一定速度で動作するように構成されるＡＣ駆動モータと；
    前記掃気受け内の酸素濃度を表す信号を提供するセンサと；
    前記信号を受け取るようにされ、また前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブに組み合わされるコントローラと；
    を備え、
    前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するための第１の基準として、前記信号の関数として前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブの位置を制御することにより、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するように構成され、
    前記ＥＧＲブロワのレイアウトは、既定の排気バイパス弁位置及びシリンダバイパス弁位置において、前記掃気受け内で関連する酸素目標値を達成するために必要で、前記ＥＧＲブロワの固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従い、前記コントローラは、制御された排気バイパス弁を開けることにより、全ての他の動作ポイントにおいて、酸素目標値の関数としてＥＧＲフローを制御するように構成される、
    機関。
  2. 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、
    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；
    前記吸気系のコンプレッサを駆動するタービンを前記排気系に有する少なくとも１つのターボ過給機と；
    前記シリンダに燃料のフローを届ける燃料システムと；
    前記排気系から前記吸気系に排気のフローを送るＥＧＲシステムであって、ＥＧＲブロワと電子制御ＥＧＲスロットルバルブとを有するＥＧＲシステムと；
    前記ＥＧＲブロワを駆動するために該ＥＧＲブロワに組み合わされるＡＣ駆動モータであって、電気スイッチによってＡＣグリッドに直接接続され、ＡＣ周波数により決定される既定の一定速度で動作するように構成されるＡＣ駆動モータと；
    前記掃気受け内の酸素濃度を表す信号を提供するセンサと；
    前記信号を受け取るようにされ、また前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブに組み合わされるコントローラと；
    を備え、
    前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するための第１の基準として、前記信号の関数として前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブの位置を制御することにより、前記ＥＧＲシステムを通る前記排気のフローを制御するように構成され、
    前記ＥＧＲブロワのレイアウトは、補助ブロワが通常動作する範囲内にあり、１つ又は複数の補助ブロワがオフにされた状態で、前記掃気受け内で関連する酸素目標値を達成するために必要で、前記ＥＧＲブロワの固定速度によりカバーされる、最も低い圧縮比及び体積流量となる動作ポイントに従い、前記コントローラは、１つ又は複数の補助ブロワをオフにすることにより、及び／又は、１つ又は複数の補助ブロワのフローを絞ることにより、上記の動作ポイント及び他の動作ポイントのために、ＥＧＲフローを酸素目標値の関数として制御するように構成される、
    機関。
  3. 前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御ＥＧＲバルブを閉鎖方向に動かすように、また、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために電子制御ＥＧＲバルブを解放方向に動かすように、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ＥＧＲシステムを通る排気のフローを調節する第１又は第２の基準として、バイパス管に配される電子制御シリンダバイパススロットルバルブ又はオリフィスの開度を調節することにより、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを調節するように構成され、ここで前記バイパス管は、前記コンプレッサの下流で前記吸気系に接続されると共に、前記タービンの上流で前記排気系に接続される、請求項１から３のいずれかに記載の機関。
  5. 前記コントローラは、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを増加させるために、前記電子制御シリンダバイパススロットルバルブ又はオリフィスを閉鎖方向に動かすように、また、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを減少させるために電子制御シリンダバイパススロットバルブ又はオリフィスを解放方向に動かすように、構成される、請求項４に記載の機関。
  6. 前記コントローラは、前記掃気受け内の酸素濃度が酸素濃度目標値に近い状態を維持するように、前記ＥＧＲシステムを通る排気のフローを制御するように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の機関。
  7. 前記酸素濃度目標値は機関負荷に応じて調整される、請求項６に記載の機関。
  8. 前記コントローラは、前記掃気受け内の酸素濃度が酸素濃度目標値に近い状態を維持するために、前記センサからの信号を、フィードバック及び／又はフィードフォワード制御に使用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. 前記酸素濃度目標値は機関負荷に応じて調整される、請求項８に記載の機関。
  10. 前記ＡＣ駆動モータはシンクロナス電気駆動モータ又は非同期電気駆動モータである、請求項１から９のいずれかに記載の機関。
  11. 前記ＡＣ駆動モータのドライブシャフトは前記ＥＧＲブロワのドライブシャフトに直接結合している、請求項１０に記載の機関。
  12. 前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブは前記ＥＧＲブロワの下流に配される、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
  13. 前記電子制御ＥＧＲスロットルバルブは前記ＥＧＲブロワの上流に配される、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
  14. 前記ＥＧＲブロワの下流に電子制御ＥＧＲスロットルバルブを備えると共に、前記ＥＧＲブロワの上流にも電子制御ＥＧＲスロットルバルブを備える、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
  15. 前記ＡＣ駆動モータは、周波数及び／又は電圧を変化させるための装置なしに前記ＡＣグリッドに接続される、請求項１から１４のいずれかに記載の機関。
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