JP2011163269A - 舶用内燃機関およびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ノズル部の小型化を図るとともに、ノズル部によって消費される燃料を低減させること。
【解決手段】空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記過給機により駆動され、発電を行う発電部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電部における発電量を増減させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に、２サイクル低速ディーゼル機関に適用して好適な舶用内燃機関およびその運転方法に関する。
近年の環境保全に対する関心の高まりに伴い、船舶における主機、例えば、２サイクル低速ディーゼル機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と表記する。）を削減する必要性が生じている。ＮＯｘ削減を図るためには、ディーゼル機関の排気ガスを脱硝触媒に通す方法が一般的に知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
ここで、脱硝触媒としては、アンモニア等を還元剤として窒素に還元する選択的還元法（ＳＣＲ法）に基づく触媒が一般的に用いられている。
特公平０７−００６３８０号公報 特開平０５−２８８０４０号公報
しかしながら、上述のような２サイクル低速ディーゼル機関であって、過給機タービンを備えたものの場合には、過給機タービンから排出された排ガスの温度は３００℃以下となる。
一般に、脱硝触媒におけるＮＯｘの還元反応は、３００℃から３２０℃よりも高い温度で行われることが好ましく、これよりも低温の排ガスを脱硝触媒に通すと、脱硝触媒が短時間で劣化したり、ＮＯｘ低減効果が低くなったりするという問題があった。
上述の問題を解決するために、２サイクル低速ディーゼル機関と過給機タービンとの間に脱硝触媒を配置して、言い換えると、過給機タービンの入口上流側に脱硝触媒を配置して、脱硝触媒に温度が低下する前の高温の排気ガスを導入する方法が知られている。
しかしながら、過給機タービンの入口上流側に脱硝触媒を配置すると、脱硝触媒は熱容量を有し緩衝部として作用することから、ディーゼル機関における起動時や停止時などのように過渡的に負荷が変動した場合に、過給機タービンの回転数が負荷の変動に追従しない、または、遅れるという問題があった。
その一方で、過給機タービンの下流側に脱硝触媒を配置するとともに、過給機タービンと脱硝触媒との間に燃料を燃焼させるバーナーを配置し、脱硝触媒に導入される排気ガスの温度を上げる方法も考えられる。
しかしながら、バーナーにおいて燃焼された燃料のエネルギは、排気ガスの温度上昇のみに用いられ、回収されることなく系外へ放出されるため、有効に利用されていないという問題があった。
そこで、上記問題を解決するため、ディーゼル機関の燃焼室と過給機との間に、排気ガスに燃料を噴射して燃焼させて、排ガスの温度を上昇させるバーナー部を備えた脱硝部付き内燃機関が提案されている。
しかしながら、このような脱硝部付き内燃機関を船舶に搭載し、例えば、主機用の内燃機関として使用して、図８に示すように、当該内燃機関による発電量を、過給機に吸入される（吸い込まれる）空気の温度変化に関係なく一定とした場合、過給機に吸入される空気の温度が高くなると、過給機から燃焼室に供給される過給された空気の圧力（掃気圧力）が減少し、過給機に吸入される空気の温度が低くなると、過給機から燃焼室に供給される過給された空気の圧力が増加する。その結果、過給機に吸入される空気の温度が高くなると、燃焼室において発生する排気ガスおよび（複数の燃焼室から排気管を介して排出された排気ガスが流入する）排気集合部に流入する排気ガスの温度が上昇し、過給機に吸入される空気の温度が低くなると、燃焼室において発生する排気ガスおよび排気集合部に流入する排気ガスの温度が低くなる。そのため、過給機に吸入される空気の温度が高い場合には、バーナー部のノズル部から少量の燃料を噴出させ、バーナー部のノズル部から噴射された少量の燃料を燃焼させることになり、過給機に吸入される空気の温度が低い場合には、バーナー部のノズル部から多量の燃料を噴出させ、バーナー部のノズル部から噴射された多量の燃料を燃焼させることになって、バーナー部のノズル部としては、結局、過給機に吸入される空気の温度が低い場合に多量の燃料を噴出させることのできる大容量（大型）のものが必要になる。また、過給機に吸入される空気の温度が低い場合には、バーナー部のノズル部から多量の燃料が噴出されることになるので、多量の燃料が必要になる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ノズル部の小型化を図ることができるとともに、ノズル部によって消費される燃料を低減させることができる舶用内燃機関およびその運転方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明に係る舶用内燃機関の運転方法は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記過給機により駆動され、発電を行う発電部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電部における発電量を増減させるようにした。
本発明に係る舶用内燃機関は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記過給機により駆動され、発電を行う発電部とを備えた舶用内燃機関であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電部に対して、発電量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えている。
本発明に係る舶用内燃機関の運転方法は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記燃焼室および前記過給機の間から分岐された前記排気ガスが導かれ、導かれた前記排気ガスに基づいて発電を行う発電タービン部と、該発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を増減させるようにした。
本発明に係る舶用内燃機関は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記燃焼室および前記過給機の間から分岐された前記排気ガスが導かれ、導かれた前記排気ガスに基づいて発電を行う発電タービン部と、前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記調節部に対して、前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えている。
本発明に係る舶用内燃機関の運転方法は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記燃焼室および前記バーナー部の間から前記排気ガスの一部を分岐させ、前記過給機および前記脱硝部の間に流入させるバイパス部と、該バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を増減させるようにした。
本発明に係る舶用内燃機関は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、前記燃焼室および前記バーナー部の間から前記排気ガスの一部を分岐させ、前記過給機および前記脱硝部の間に流入させるバイパス部と、該バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関であって、機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記調節部に対して、前記バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えている。
本発明に係る舶用内燃機関およびその運転方法によれば、燃焼室において発生する排気ガスおよび排気集合部に流入する排気ガスの温度が、例えば、図３に示すように、機関の負荷が同じ場合には、過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく一定に保たれることになるので、バーナー部のノズル部から噴射される燃料の量を、過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく（略）一定に保つことができて、ノズル部によって消費される燃料を低減させることができるとともに、ノズル部の小型化を図ることができる。
本発明に係る舶用内燃機関およびその運転方法によれば、ノズル部の小型化を図ることができるとともに、ノズル部によって消費される燃料を低減させることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図である。 図１の制御部の構成を説明するブロック図である。 本発明に係る舶用内燃機関の運転方法を説明するための図表である。 本発明の第２の実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図である。 図３の制御部の構成を説明するブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図である。 図５の制御部の構成を説明するブロック図である。 従来の脱硝部付き内燃機関の運転方法を説明するための図表である。
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る舶用内燃機関およびその運転方法ついて、図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図、図２は、図１の制御部の構成を説明するブロック図、図３は、本発明に係る舶用内燃機関の運転方法を説明するための図表である。
本実施形態では、主に船舶の主機として用いられる２サイクル低速ディーゼル機関に本発明に係る舶用内燃機関（脱硝部付き舶用内燃機関）１を適用して説明する。
舶用内燃機関１には、図１および図２に示すように、シリンダ部２Ｃと、ピストン部２Ｐと、排気集合部３と、バーナー部４と、過給機５と、発電部６と、脱硝部７と、制御部８と、が主に設けられている。
シリンダ部２Ｃおよびピストン部２Ｐは、燃焼室２を構成するものである。
燃焼室２は、図１に示すように、過給機５により過給された空気が供給する吸気管２１および、燃料の燃焼により発生した排気ガスを排出する排気管２２が接続されている。さらに、シリンダ部２Ｃには、燃焼室２の内部に燃料を噴出する燃料ノズル（図示せず）が設けられている。
排気管２２における燃焼室２に対する開口部には、当該開口部を開閉する排気バルブ２３が配置されている。
なお、シリンダ部２Ｃおよびピストン部２Ｐの構成としては、公知の２サイクル低速ディーゼル機関の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
排気集合部３は、複数の燃焼室２から排気管２２を介して排出された排気ガスが流入する流路であって、これらの排気ガスが合流する部分である。
排気集合部３には、図１に示すように、複数の排気管２２と、一つの第１排気流路３１とが接続されているとともに、バーナー部４が設けられている。
第１排気流路３１は、排気集合部３と過給機５とを繋ぐ流路であって、排気ガスを排気集合部３から過給機５に導くものである。
バーナー部４は、排気集合部３の内部に燃料を噴出して燃焼させ、排気ガスの温度を高めるものである。
バーナー部４には、図１に示すように、ノズル部４１と、燃料調節弁４２と、が設けられている。
ノズル部４１は、供給された燃料を排気集合部３の内部に向けて噴出されるものである。
燃料調節弁４２は、ノズル部４１に供給される燃料の流量を調節する流量調節弁であり、図１および図２に示すように、制御部８から入力される制御信号に基づいて、燃料の流量を調節するものである。
なお、ノズル部４１および燃料調節弁４２の構成としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
過給機５は、排気ガスが有する熱エネルギなどのエネルギを用いて回転駆動力を発生させ、当該回転駆動力の少なくとも一部を用いて燃焼室２に供給される空気の過給を行うものである。
過給機５には、図１に示すように、排気ガスが流れる第１排気流路３１、および、第２排気流路５１と、過給された空気が流れる吸気管２１と、が接続され、さらに、過給機５により回転駆動される発電部６が設けられている。
なお、過給機５としては、公知の過給機を用いることができ特に限定するものではない。
第２排気流路５１は、過給機５と脱硝部７とを接続する流路であり、排気ガスを過給機５から脱硝部７に導くものである。
発電部６は、過給機５により回転駆動され発電を行うものであり、図２に示すように、制御部８から入力される制御信号に基づいて、発電量が制御されるものである。
なお、発電部６の構成としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
脱硝部７は、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元するものであり、内部にＮＯｘを還元する触媒を有するものである。
なお、ＮＯｘを還元する触媒としては、公知の触媒を用いることができ、特に限定するものではない。
脱硝部７には、図１に示すように、排気ガスが流れる第２排気流路５１と、第３排気流路７１とが接続されている。第３排気流路７１は、脱硝部７から流出した排気ガスを外部に導く流路である。
制御部８は、図１および図２に示すように、燃料調節弁４２および発電部６を制御するものである。
制御部８には、排気ガス温度センサ５２により測定された排気ガス温度と、空気圧力センサ２５により測定された空気の圧力と、が入力されている。その一方で、制御部８からは、燃料調節弁４２の開度を制御する制御信号と、発電部６における発電量を制御する制御信号が出力されている。
排気ガス温度センサ５２は、第２排気流路５１に配置された温度センサであり、過給機５から流出し、脱硝部７に流入する排気ガスの温度を測定するセンサである。
空気圧力センサ２５は、吸気管２１に配置された圧力センサであり、過給機５により過給された空気であって、燃焼室２に供給される空気の圧力を測定するセンサである。
次に、上記の構成からなる舶用内燃機関１における運転の概略について説明する。
舶用内燃機関１が運転されると、図１に示すように、燃焼室２において排気ガスが発生し、燃焼室２から排気管２２を介して排気集合部３に排気ガスが排出される。
排気集合部３の内部には、バーナー部４のノズル部４１から燃料が噴出され、燃料が燃焼される。排気集合部３の内部の排気ガスは、燃料が燃焼する際に発生した熱により、加熱され温度が上昇する。
加熱された排気ガスは第１排気流路３１を介して過給機５に供給され、過給機５の排気タービン（図示せず）を回転駆動する。排気タービンと同軸に配置された圧縮機（図示せず）は、排気タービンとともに回転駆動されることにより、外部から空気を吸入し昇圧する。言い換えると空気を過給する。過給された空気は、吸気管２１を介して燃焼室２に供給される。
その一方で、過給機５の排気タービンを回転駆動した排気ガスは、排気タービンを回転駆動することにより失ったエネルギに対応して温度が低下し、温度が低下した状態で過給機５から第２排気流路５１に流出する。
第２排気流路５１に流入した排気ガスは、脱硝部７に流入して触媒と接触することにより、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元される。その後、排気ガスは、脱硝部７から第３排気流路７１を介して外部に排出される。
次に、制御部８による燃料調節弁４２および発電部６の制御について説明する。
制御部８には、排気ガス温度センサ５２によって測定された脱硝部７に流入する排気ガス温度の測定信号が入力される。制御部８は、入力された測定信号に基づいて、脱硝部７に流入する排気ガス温度が所定の温度範囲、例えば、少なくとも脱硝部７の触媒が有効に働く温度以上の温度であるか否かを判定する。
脱硝部７に流入する排気ガス温度が、所定の温度範囲よりも低い温度であると判定された場合には、制御部８は、当該排気ガス温度を上げるために燃料調節弁４２に対して弁の開度を開く制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された燃料調節弁４２は弁開度を大きくし、ノズル部４１に供給される燃料の流量を増やす。すると、ノズル部４１から噴射される燃料の量が増加し、排気集合部３の内部で発生する熱量が増加する。これにより、排気集合部３の内部の排気ガスの温度が上昇し、そこから脱硝部７に流入する排気ガスの温度も上昇する。
その一方で、脱硝部７に流入する排気ガス温度が、所定の温度範囲よりも高い温度であると判定された場合には、制御部８は、当該排気ガス温度を下げるために燃料調節弁４２に対して弁開度を閉じる制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された燃料調節弁４２は弁開度を小さくし、ノズル部４１に供給される燃料の流量を減らす。すると、ノズル部４１から噴射される燃料の量が減少し、排気集合部３の内部で発生する熱量が減少する。これにより、排気集合部３の内部の排気ガスの温度が低下し、そこから脱硝部７に流入する排気ガスの温度も低下する。
さらに、制御部８には、空気圧力センサ２５によって測定された燃焼室２に供給される過給された空気の圧力の測定信号が入力される。制御部８は、入力されたこの測定信号に基づいて、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が所定の範囲内にあるか否かを判定する。
ここで、過給された空気の圧力における所定の範囲としては、機関の負荷と空気の圧力の関係を例示することができ、機関の信頼性と燃費が許すかぎりできるだけ低い圧力を設定することで、バーナー部４の燃料消費量とノズル部４１の大きさを小さくできる。
燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも下回ると判定された場合には、制御部８は、当該空気の圧力を増加させるために、発電部６に対して発電量を減らす制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された発電部６は発電量を減らし、過給機５の排気タービンにおいて発生した回転駆動力のうち、発電部６において消費される回転駆動力の割合が減らされる。それに対して、過給機５の圧縮機において消費される回転駆動力の割合が増やされる。そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が増加する。
その一方で、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも上回ると判定された場合には、制御部８は、当該空気の圧力を減少させるために、発電部６に対して発電量を増加させる制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された発電部６は発電量を増やし、過給機５の排気タービンにおいて発生した回転駆動力うち、発電部６において消費される回転駆動力の割合が増やされる。それに対して、過給機５の圧縮機において消費される回転駆動力の割合が減らされる。そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が減少する。
また、制御部８は、図３に示すように、過給機５に吸入される（吸い込まれる）空気の温度に基づいて、発電部６に対して発電量を増減させる制御信号を出力する。すなわち、制御部８は、過給機５に吸入される空気の温度が高くなると、発電部６に対して発電量を減少させる制御信号を出力し、過給機５に吸入される空気の温度が低くなると、発電部６に対して発電量を増加させる制御信号を出力する。言い換えれば、制御部８は、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力（掃気圧力）が一定（本実施形態では、熱帯地方を航行しているときの機関室内の温度（例えば、５０℃）に対応する掃気圧力）となるように、発電部６に対して発電量を増減させる制御信号を出力する。
本実施形態に係る舶用内燃機関１およびその運転方法によれば、燃焼室２において発生する排気ガスおよび排気集合部３に流入する排気ガスの温度が、図３に示すように、機関の負荷が同じ場合には、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく一定に保たれることになるので、バーナー部４のノズル部４１から噴射される燃料の量を、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく（略）一定に保つことができて、ノズル部４１によって消費される燃料を低減させることができるとともに、ノズル部４１の小型化を図ることができる。
また、バーナー部４において燃料を燃焼させることにより、過給機５に流入する前の排気ガスにおける温度が高くなる。これにより、バーナー部４が設けられていない場合と比較して、排気ガスが過給機５を駆動した後に流出する排気ガスの温度が高くなる。そのため、排気ガスが流入する脱硝部７における触媒の温度も高くなり、触媒の劣化を防止することができ、舶用内燃機関１から排出されるＮＯｘの削減を図ることができる。
さらに、過給機５と脱硝部７との間にバーナー部４を配置して、過給機５から流出した排気ガスの温度を高めて当該加熱された排気ガスを脱硝部７に流入させる方法と比較して、加熱された排気ガスが過給機５に流入し、当該排気ガスが有するエネルギの一部を、過給機５による空気の過給に用いるため、消費される燃料のエネルギを有効に利用することができる。
さらにまた、脱硝部７に流入する排気ガスの温度に基づいてバーナー部４に供給される燃料の流量を制御することにより、脱硝部７における触媒の温度を所定の範囲内に調節することができる。そのため、舶用内燃機関１から排出されるＮＯｘの削減をより確実に図ることができる。
さらにまた、過給機５により発電部６を駆動して発電を行うことにより、加熱された排気ガスが有するエネルギの一部は、過給機５による空気の過給に用いられるとともに、電気エネルギとして回収される。言い換えると、排気ガスが流入した過給機５において発生した回転駆動力の一部は発電に用いられ、残りは空気の過給に用いられる。そのため、消費される燃料のエネルギを、さらに有効に利用することができる。
さらにまた、燃焼室２に供給される空気の圧力に基づいて、発電部６における発電量を制御することにより、過給機５において発生した回転駆動力のうち、発電、および、空気の過給に用いられる割合が制御される。そのため、燃焼室２に供給される空気の圧力を、所定の圧力範囲内に制御することができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図４および図５を参照して説明する。
本実施形態の舶用内燃機関の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、発電部の周辺構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４および図５を用いて発電部の周辺構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図である。図５は、図４の制御部の構成を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
舶用内燃機関（脱硝部付き舶用内燃機関）１０１には、図４および図５に示すように、シリンダ部２Ｃと、ピストン部２Ｐと、排気集合部３と、バーナー部４と、過給機５と、発電タービン部１６０と、脱硝部７と、制御部１８０と、が主に設けられている。
なお、本実施形態では、バーナー部４のノズル部４１が、第１排気流路３１に配置されている例に適用して説明するが、第１の実施形態と同様に、排気集合部３にノズル部４１が設けられていてもよく、特に限定するものではない。
発電タービン部１６０は、図４に示すように、排気集合部３から分岐された排気ガスの供給を受けて発電を行うものである。
発電タービン部１６０には、バイパス流路１６１と、流量調節弁（調節部）１６２と、排気タービン１６３と、発電部６と、が設けられている。
バイパス流路１６１は、排気集合部３と排気タービン１６３とを繋ぐ流路であり、排気ガスを排気集合部３から排気タービン１６３に導くものである。バイパス流路１６１には、流量調節弁１６２が配置されている。
流量調節弁１６２は、バイパス流路１６１を流れる排気ガスの流量を調節するものである。流量調節弁１６２には、制御部１８０から弁の開度を制御する制御信号が入力されるように構成されている。
なお、流量調節弁１６２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
排気タービン１６３は、バイパス流路１６１を介して供給された排気ガスにより回転駆動されるものであり、発電部６を回転駆動させるものである。
なお、排気タービン１６３としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
制御部１８０は、図４および図５に示すように、燃料調節弁４２および流量調節弁１６２を制御するものである。
制御部１８０には、排気ガス温度センサ５２により測定された排気ガス温度と、空気圧力センサ２５により測定された空気の圧力と、が入力されている。その一方で、制御部１８０からは、燃料調節弁４２の開度を制御する制御信号と、流量調節弁１６２における排気ガスの流量を制御する制御信号が出力されている。
次に、上記の構成からなる舶用内燃機関１０１における運転の概略について説明する。
舶用内燃機関１０１が運転されると、図４に示すように、燃焼室２において排気ガスが発生し、燃焼室２から排気管２２を介して排気集合部３に排気ガスが排出される。
排気集合部３における排気ガスの一部はバイパス流路１６１に流入し、排気タービン１６３に導かれる。排気タービン１６３は供給された排気ガスにより回転駆動され、発電部６に回転駆動力を伝達する。発電部６は回転駆動されることにより発電を行う。
その一方で、第１排気流路３１の内部には、バーナー部４のノズル部４１から燃料が噴出され、燃料が燃焼される。排気集合部３から第１排気流路３１に流入した排気ガスは、燃料が燃焼する際に発生した熱により、加熱され温度が上昇する。
加熱された排気ガスは第１排気流路３１から過給機５に供給され、過給機５の排気タービン（図示せず）を回転駆動する。排気タービンと同軸に配置された圧縮機（図示せず）は、排気タービンとともに回転駆動されることにより空気を過給する。
過給機５の排気タービンを回転駆動した排気ガスは、排気タービンを回転駆動することにより失ったエネルギに対応して温度が低下し、温度が低下した状態で過給機５から第２排気流路５１に流出する。
第２排気流路５１に流入した排気ガスは、脱硝部７に流入して触媒と接触することにより、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元される。その後、排気ガスは、脱硝部７から第３排気流路７１を介して外部に排出される。
次に、制御部１８０による燃料調節弁４２および流量調節弁１６２の制御について説明する。なお、制御部１８０による燃料調節弁４２の制御に付いては、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
制御部１８０には、空気圧力センサ２５によって測定された燃焼室２に供給される過給された空気の圧力の測定信号が入力される。制御部１８０は、入力されたこれらの測定信号に基づいて、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が所定の範囲内にあるか否かを判定する。
燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも下回ると判定された場合には、制御部１８０は、当該空気の圧力を増加させるために、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量を減らす制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された流量調節弁１６２は弁開度を閉じて、排気ガスの流量を減らし、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、排気タービン１６３に供給される排気ガスの割合が減らされる。それに対して、過給機５に供給される排気ガスの割合が増やされる。
そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が増加する。
その一方で、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも上回ると判定された場合には、制御部１８０は、当該空気の圧力を減少させるために、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量を増加させる制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された流量調節弁１６２は排気ガスの流量を増やし、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、排気タービン１６３に供給される排気ガスの割合が増やされる。それに対して、過給機５に供給される排気ガスの割合が減らされる。
そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が減らされる。
また、制御部１８０は、図３に示すように、過給機５に吸入される（吸い込まれる）空気の温度に基づいて、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量（発電量）を増減させる制御信号を出力する。すなわち、制御部１８０は、過給機５に吸入される空気の温度が高くなると、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量（発電量）を減少させる制御信号を出力し、過給機５に吸入される空気の温度が低くなると、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量（発電量）を増加させる制御信号を出力する。言い換えれば、制御部１８０は、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力（掃気圧力）が一定（本実施形態では、熱帯地方を航行しているときの機関室内の温度（例えば、５０℃）に対応する掃気圧力）となるように、流量調節弁１６２に対して排気ガスの流量（発電量）を増減させる制御信号を出力する。
本実施形態に係る舶用内燃機関１０１およびその運転方法によれば、燃焼室２において発生する排気ガスおよび排気集合部３に流入する排気ガスの温度が、図３に示すように、機関の負荷が同じ場合には、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく一定に保たれることになるので、バーナー部４のノズル部４１から噴射される燃料の量を、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく（略）一定に保つことができて、ノズル部４１によって消費される燃料を低減させることができるとともに、ノズル部４１の小型化を図ることができる。
また、発電タービン部１６０に排気ガスの一部を導き、発電を行うことにより、排気ガスが有するエネルギの一部を、過給機５による空気の過給に用いるとともに、電気エネルギとして回収することができる。
さらに、燃焼室２に供給される空気の圧力に基づいて、発電タービン部１６０に導かれる排気ガスの流量を調節することにより、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、空気の過給に用いられる排気ガスと、発電に用いられる排気ガスとの割合が調節され、過給機５から燃焼室２に供給される空気の圧力が、所定の圧力範囲内に制御される。
さらにまた、バーナー部４によって排気ガスが加熱される前に排気ガスの分岐を行うことにより、加熱後に分岐する場合と比較して、発電タービン部１６０に導かれる排気ガスの温度と、バイパス流路１６１の周囲の雰囲気温度との間の温度差を小さくすることができる。そのため、排気集合部３と発電タービン部１６０との間における排気ガスの熱損失を抑制することができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図６および図７を参照して説明する。
本実施形態の舶用内燃機関の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、過給機の周辺構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図６および図７を用いて過給機の周辺構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る舶用内燃機関の構成を説明する模式図である。図７は、図６の制御部の構成を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
舶用内燃機関（脱硝部付き舶用内燃機関）２０１には、図６および図７に示すように、シリンダ部２Ｃと、ピストン部２Ｐと、排気集合部３と、バーナー部４と、過給機５と、バイパス部２６０と、脱硝部７と、制御部２８０と、が主に設けられている。
バイパス部２６０は、図６に示すように、排気ガスの一部を、過給機５を迂回して脱硝部７に供給するものである。
バイパス部２６０には、バイパス流路２６１と、流量調節弁（調節部）２６２と、が設けられている。
バイパス流路２６１は、排気集合部３と第２排気流路５１とを繋ぐ流路であり、排気ガスを排気集合部３から脱硝部７に導くものである。バイパス流路２６１には、流量調節弁２６２が配置されている。
流量調節弁２６２は、バイパス流路２６１を流れる排気ガスの流量を調節するものである。流量調節弁２６２には、制御部２８０から弁の開度を制御する制御信号が入力されるように構成されている。
なお、流量調節弁２６２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
制御部２８０は、図６および図７に示すように、燃料調節弁４２および流量調節弁２６２を制御するものである。
制御部２８０には、排気ガス温度センサ５２により測定された排気ガス温度と、空気圧力センサ２５により測定された空気の圧力と、が入力されている。その一方で、制御部２８０からは、燃料調節弁４２の開度を制御する制御信号と、流量調節弁２６２における排気ガスの流量を制御する制御信号が出力されている。
次に、上記の構成からなる舶用内燃機関２０１における運転の概略について説明する。
舶用内燃機関２０１が運転されると、図６に示すように、燃焼室２において排気ガスが発生し、燃焼室２から排気管２２を介して排気集合部３に排気ガスが排出される。
排気集合部３における排気ガスの一部はバイパス流路２６１に流入し、第２排気流路５１に導かれる。
その一方で、第１排気流路３１の内部には、バーナー部４のノズル部４１から燃料が噴出され、燃料が燃焼される。排気集合部３から第１排気流路３１に流入した排気ガスは、燃料が燃焼する際に発生した熱により、加熱され温度が上昇する。
加熱された排気ガスは第１排気流路３１から過給機５に供給され、過給機５の排気タービン（図示せず）を回転駆動する。排気タービンと同軸に配置された圧縮機（図示せず）は、排気タービンとともに回転駆動されることにより空気を過給する。
過給機５の排気タービンを回転駆動した排気ガスは、排気タービンを回転駆動することにより失ったエネルギに対応して温度が低下し、温度が低下した状態で過給機５から第２排気流路５１に流出する。
第２排気流路５１に流入した排気ガスは、バイパス流路２６１を流れてきた排気ガスと合流した後、脱硝部７に流入して触媒と接触することにより、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元される。その後、排気ガスは、脱硝部７から第３排気流路７１を介して外部に排出される。
次に、制御部２８０による燃料調節弁４２および流量調節弁２６２の制御について説明する。なお、制御部２８０による燃料調節弁４２の制御に付いては、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
制御部２８０には、空気圧力センサ２５によって測定された燃焼室２に供給される過給された空気の圧力の測定信号が入力される。制御部２８０は、入力されたこれらの測定信号に基づいて、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が所定の範囲内にあるか否かを判定する。
燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも下回ると判定された場合には、制御部２８０は、当該空気の圧力を増加させるために、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量を減らす制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された流量調節弁２６２は弁開度を閉じて、排気ガスの流量を減らし、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、バイパス流路２６１に流入する排気ガスの割合が減らされる。それに対して、過給機５に供給される排気ガスの割合が増やされる。
そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が増加する。
その一方で、燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が、所定の範囲よりも上回ると判定された場合には、制御部２８０は、当該空気の圧力を減少させるために、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量を増加させる制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された流量調節弁２６２は排気ガスの流量を増やし、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、バイパス流路２６１に流入する排気ガスの割合が増やされる。それに対して、過給機５に供給される排気ガスの割合が減らされる。
そのため、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力が減らされる。
また、制御部２８０は、図３に示すように、過給機５に吸入される（吸い込まれる）空気の温度に基づいて、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量（掃気圧力）を増減させる制御信号を出力する。すなわち、過給機５に吸入される空気の温度が高くなると、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量（掃気圧力）を増加させる制御信号を出力し、過給機５に吸入される空気の温度が低くなると、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量（掃気圧力）を減少させる制御信号を出力する。言い換えれば、制御部２８０は、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく、過給機５から燃焼室２に供給される過給された空気の圧力（掃気圧力）が一定（本実施形態では、熱帯地方を航行しているときの機関室内の温度（例えば、５０℃）に対応する掃気圧力）となるように、流量調節弁２６２に対して排気ガスの流量（掃気圧力）を増減させる制御信号を出力する。
本実施形態に係る舶用内燃機関２０１およびその運転方法によれば、燃焼室２において発生する排気ガスおよび排気集合部３に流入する排気ガスの温度が、図３に示すように、機関の負荷が同じ場合には、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく一定に保たれることになるので、バーナー部４のノズル部４１から噴射される燃料の量を、過給機５に吸入される空気の温度変化に関係なく（略）一定に保つことができて、ノズル部４１によって消費される燃料を低減させることができるとともに、ノズル部４１の小型化を図ることができる。
また、燃焼室２から排出された排気ガスの一部はバイパス流路２６１に流入し、残りの排気ガスは、バーナー部４における燃料の燃焼により加熱された後、過給機５に流入する。バイパス流路２６１に流入した一部の排気ガスは、過給機５から流出した排気ガスとともに脱硝部７に流入する。そのため、排気ガスの一部をバイパスさせない方法と比較して、排気ガスを所定の温度に加熱する際に、バーナー部４で燃焼させる燃料の量が少なくなる。さらに、過給機５に流入する排気ガスの流量を調節することにより、過給機５の回転数が調節される。
さらに、燃焼室２に供給される空気の圧力に基づいて、流量調節弁２６２における排気ガスの流量を制御することにより、燃焼室２から排出された排気ガスのうち、空気の過給に用いられる排気ガスと、バイパス流路２６１に流入する排気ガスとの割合が調節され、過給機５から燃焼室２に供給される空気の圧力が、所定の圧力範囲内に制御される。
１，１０１，２０１ 舶用内燃機関（脱硝部付き舶用内燃機関）
２ 燃焼室
４ バーナー部
５ 過給機
６ 発電部
７ 脱硝部
８，１８０，２８０ 制御部
１６０ 発電タービン部
１６２ 流量調節弁（調節部）
２６０ バイパス部
２６２ 流量調節弁（調節部）

Claims (6)

  1. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記過給機により駆動され、発電を行う発電部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電部における発電量を増減させるようにしたことを特徴とする舶用内燃機関の運転方法。
  2. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間から分岐された前記排気ガスが導かれ、導かれた前記排気ガスに基づいて発電を行う発電タービン部と、
    該発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を増減させるようにしたことを特徴とする舶用内燃機関の運転方法。
  3. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記燃焼室および前記バーナー部の間から前記排気ガスの一部を分岐させ、前記過給機および前記脱硝部の間に流入させるバイパス部と、
    該バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関の運転方法であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を増減させるようにしたことを特徴とする舶用内燃機関の運転方法。
  4. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記過給機により駆動され、発電を行う発電部とを備えた舶用内燃機関であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記発電部に対して、発電量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えていることを特徴とする舶用内燃機関。
  5. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間から分岐された前記排気ガスが導かれ、導かれた前記排気ガスに基づいて発電を行う発電タービン部と、
    前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記調節部に対して、前記発電タービン部に供給される前記排気ガスの流量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えていることを特徴とする舶用内燃機関。
  6. 空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
    該燃焼室から排出された前記排気ガスに駆動され、前記燃焼室に供給する空気の過給を行う過給機と、
    該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
    前記燃焼室および前記過給機の間において、前記排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、
    前記燃焼室および前記バーナー部の間から前記排気ガスの一部を分岐させ、前記過給機および前記脱硝部の間に流入させるバイパス部と、
    該バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を調節する調節部とを備えた舶用内燃機関であって、
    機関の負荷が同じ場合には、前記過給機に吸入される空気の温度変化に関係なく、前記過給機から前記燃焼室に供給される過給された空気の圧力が一定となるように、前記調節部に対して、前記バイパス部を流れる前記排気ガスの流量を増減させる制御信号を出力する制御部を備えていることを特徴とする舶用内燃機関。
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