JP3115894B2 - 大型２ストロークターボチャージエンジンの制御方法及びこの方法に使用するエンジン - Google Patents

大型２ストロークターボチャージエンジンの制御方法及びこの方法に使用するエンジン

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JP3115894B2 JP06505784A JP50578494A JP3115894B2 JP 3115894 B2 JP3115894 B2 JP 3115894B2 JP 06505784 A JP06505784 A JP 06505784A JP 50578494 A JP50578494 A JP 50578494A JP 3115894 B2 JP3115894 B2 JP 3115894B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ターボチャージャの上流側に接続され排気
ガスのNOx（窒素酸化物）成分を減少させるための反応
装置と、この反応装置が排気ガスを冷却しているか否か
を決定するために少なくとも１つのエンジンパラメータ
を測定する手段とを有する大型２ストロークターボチャ
ージエンジンを制御する方法に関する。
環境保護を考慮して、NOx流出のしきい値を一層低い
値に決めた法律を採用する国が年々増加している。それ
故、大型船舶用エンジンに排気ガス純化装置を設けて連
続的に運転させるようにすることが望ましい。自動車産
業において既知の触媒は船舶用エンジンに使用できな
い。その理由は、船舶用エンジンが大量の空気を用いて
作動し、かなりの量の重金属及び硫黄を含む燃料重油を
燃焼させるからである。ターボチャージャを有する自動
車においては、タービンの上流側に触媒装置を設けて、
排気ガス中のCO（一酸化炭素）及びHC（炭化水素）をO2
（酸素）と反応させ、それと同時に熱を発生させ、反応
装置を通過中の排気ガスを加熱することができる。従っ
て、このようなエンジンの作動条件は排気ガスのNOx成
分を減少させるための反応装置を有するエンジンの作動
条件とは異なる。
排気ガスが反応装置へ供給されるときの排気ガスの温
度を最低300℃にする必要があるので、エンジンが船舶
推進用エンジンとして使用される大型２ストロークエン
ジンである場合は、反応装置をターボチャージャの前に
排気装置に接続しなければならない。反応装置は、排気
ガスをアンモニウムと混合させ、この混合物を300℃な
いし400℃の温度で特殊な触媒中を通過させる所謂「選
択的触媒還元方法」（SCR）を利用する。触媒はNOxをN2
（窒素）と水とに還元する。アンモニウムを完全に消費
させ排気ガス中のNOx成分を十分な程度まで減少させる
のを保証するために、触媒の体積を十分大きくしなけれ
ばならない。
船舶からのNOxの流出に関するしきい値は数種の近海
水域にのみ適用している。既知のエンジン装置は、カッ
トオフ手段を備えたバイパス導管により、船舶の主要航
行中は反応装置が完全に切り離され、そして、エンジン
作動条件が許す限り、船舶が近海水域を蛇行していると
きには反応装置が完全に接続されて、NOxの流出に関す
る上限しきい値が適用されるように設計されている。従
って、バイパス導管のカットオフ手段は通常完全に開い
ているか完全に閉じている。
上述のエンジンについての本出願人による試験の結
果、エンジン負荷が急激に増大した場合（例えば船舶の
加速時又は緊急停船（制動）時）に、ターボチャージャ
が増大した瞬間的なエンジン負荷に対応するパワーを受
けることができないので、反応装置を完全に切り離す必
要があることが判明した。
本発明の目的は、エンジンの通常の連続作動状態を保
証しながら排気ガスの純化をも行うように大型２ストロ
ークターボチャージエンジンを制御する方法を提供する
ことである。
上記目的を達成するため、本発明に係る方法の特徴と
するところは、測定されたエンジンパラメータが所定の
しきい値以下になったときに、反応装置の下流側の排気
ガスの一部をターボチャージャに対してバイパスさせ、
エンジンパラメータが反応装置によって排気ガスを冷却
している状態を示すしきい値を越えたときには、一層多
量の空気又はガスをタービンの上流側へ供給するように
上記一部の排気ガスをターボチャージャのタービンへ全
体的又は部分的に送るようにしたことである。
これは、エンジン負荷が増大した場合でさえも、すべ
ての排気ガスが反応装置を通るという点で環境上最適な
構成である。
エンジン負荷が増大したとき、排気ガスの温度が増大
し、反応装置を加熱する。反応装置は大きな熱容量を有
するので、反応装置を高い温度まで加熱するのに長い時
間を要し、この加熱時間中、反応装置の後方の排気ガス
温度は反応装置の前方の温度より幾分低くなり、このこ
とは、反応装置の後方の排気ガスのエネルギがターボチ
ャージャのコンプレッサにとって瞬間的なエンジン負荷
に対応するパワーを受け取るのに十分なほど大きくない
ことを意味する。換言すれば、反応装置の大なる熱容量
及びターボチャージャの上流側への反応装置の接続は、
ターボチャージャに対する増大するエンジン負荷の影響
にある時間遅れを生じさせ、この遅れはエンジン負荷の
変化に従って増大する。
反応装置が冷却されこれと同時に排気ガスが冷却され
る時間を本発明に従って決定し、この時間中に一層多量
の空気又はガスをターボチャージャへ供給することによ
り、エンジン負荷のチャージの直後の期間においても、
エンジンがエンジン負荷に正確に適応した掃気用及びチ
ャージ用空気を受け取ることを保証できる。
補充空気は、55％及びそれ以上のエンジン負荷で空気
を送給する補助ブロワにより、チャージ用空気として適
当に供給できる。既知の補助ブロワは約50％のエンジン
負荷で作動停止されていた。一層大きな負荷用にブロワ
を寸法決めすることにより、補助ブロワがエンジン始動
時に反応装置の加熱を補償するのに十分な容量を有し、
加速中にエンジン負荷が50％を越えた場合に、補助ブロ
ワが作動状態となるような効果を得ることができる。
一層多量の空気／ガスを供給すべき作動点の決定は、
エンジンの瞬間的な負荷の記憶、及び一層多量の空気／
ガスを供給しない場合の負荷の変化の早さに関して経験
的に知られた値との比較に基づいて行われる。
代わりに、作動点は、反応装置の両側の温度差が所定
のしきい値を越えた時点としてもよい。
本発明は更に、上述の方法に使用されるエンジンに関
し、このエンジンは、排気ガスのNOx成分を減少させる
ための反応装置に出力側で接続された排気ガスレシーバ
と、タービンを備え、反応装置のガス出口に接続された
ガス入口を有するターボチャージャと、エンジンパラメ
ータを測定するための少なくとも１つのセンサと、掃気
用及びチャージ用空気を供給するための補助ブロワとか
ら成る。本発明によれば、このエンジンの特徴とすると
ころは、反応装置とターボチャージャのタービンとの間
の排気通路をタービンの下流側の排気通路に接続できる
バイパス導管と、バイパス導管を全体的又は部分的にカ
ットオフできる制御手段と、センサから受け取った信号
に基づき、反応装置が排気ガスを冷却したか否かを決定
し、排気ガスが反応装置により冷却されたときに、閉位
置の方へ制御手段を調整する制御ユニットから成ること
である。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して更に詳細
に説明する。図は、本発明の一実施例に係るエンジンの
概略構成図である。
図は、例えば40MWのパワーを生じさせることのできる
大型２ストロークエンジンを示す。ターボチャージャの
コンプレッサＣ及び、エンジンへ空気を流入させる空気
クーラー（図示せず）へ空気を送給する補助ブロワABを
介して、空気がエンジンに供給され、排気ガスは排気弁
を通って排気ガスレシーバERへ排出され、レシーバは排
気通路１を介して反応装置Ｒに接続され、反応装置は排
気ガスのNOx成分の90％以上を除去できる。反応装置の
出口から延びた排気通路２はターボチャージャのタービ
ン部分Ｔの入口に通じ、タービン部分の出口は排気通路
３を介して外部に通じている。
バイパス導管４はタービンＴの上流側の排気通路２か
らタービンの下流側の排気通路へ延びている。バイパス
導管は全開位置から全閉位置まで連続的に調整できる制
御手段Ｖを有する。
エンジンの静止作動の場合は、ターボチャージャT/C
は過剰のパワーを供給できるような高い効率を有する。
従って、必要量の掃気用及びチャージ用空気をエンジン
Ｅへ送給するためにターボチャージャはすべての排気ガ
スを必要としないので、制御手段Ｖは部分的に開いた位
置へ調整されて、ターボチャージャのコンプレッサＣが
所望量の空気を正確に送給する。バイパス導管４を通っ
て流れる排気ガスは例えばパワータービン（図示せず）
に利用することができるが、排気通路３内へ排気ガスを
直接送ることも、もちろん、可能である。ターボチャー
ジャの効率に関しては、反応装置を伴わないエンジンの
作動に対して、約64％の効率ηが必要とされるようなも
のである。今日、73％の効率ηを有するターボチャージ
ャを得ることが可能である。
反応装置はダニッシュ・カンパニー・ハンドル・トプ
ソー・エイ／エス（Danish company Hardor Topse A/
S）により製造された所謂SCR（選択的触媒還元）反応装
置である。それ自体既知のこの反応装置に関しては、40
MWのパワーを有するエンジンは約13.5トンの触媒材料を
含んだ反応装置を必要とする。一層少量の触媒材料を使
用することも可能であるが、この場合は、純化された排
気ガスと一緒に一層多量のアンモニアが流出することと
なる。
反応装置Ｒは大きな熱容量を有するので、エンジン負
荷が増大すると、上述のように、反応装置を通過中にガ
スが冷却され、ある時間が経過しなければ、増大した負
荷がターボチャージャのタービンＴへ増大したエネルギ
を供給できない。
制御ユニットCUはそれぞれのワイヤ（電線）５、６、
７を介して３つのセンサS1、S2、S3に接続される。これ
らのセンサはエンジンパラメータ（作動即ち性能パラメ
ータ）を測定し、これらのエンジンパラメータに基づ
き、制御ユニットは、所望量の空気を送給できるように
補充エネルギをターボチャージャに供給する程度まで排
気ガスにより反応装置が加熱されたか否かを判断する。
適当なエンジンパラメータについては、センサS1は動
作中のシリンダに供給された燃料量に基づき瞬間的なエ
ンジン負荷を測定できる。センサS2は反応装置Ｒの上流
側の排気通路内の排気ガスの温度を測定でき、センサS3
はタービンＴへの入口のすぐ上流側の排気ガスの温度を
測定できる。代わりに、センサにより測定されるエンジ
ンパラメータはコンプレッサＣの下流側及びタービンＴ
の上流側に位置した測定地点におけるエンジンの空気／
ガス装置内の圧力でよい。
制御ユニットCUは時間の関数として測定された１つの
みの測定エンジンパラメータに基づき補充空気の必要性
を判定でき、次いで、時間の関数としてのエンジンパラ
メータの変化をパラメータの時間変化毎の所定のしきい
値と比較して、反応装置が補充空気／ガスを供給すべき
量だけ排気ガスからエネルギを吸収したか否かを決定で
きる。時間の関数としてのエンジン負荷の変化は、制御
ユニットにおいて、例えば、負荷の変化のための所定の
しきい値と比較される。これに相当する比較は、センサ
S2により測定された反応装置Ｒの上流側の排気ガスの温
度T1に基づき行ってもよい。代わりに、制御ユニットが
両方のセンサS2及びセンサS3から温度信号を受け取り、
これに基づき、反応装置の上流側の温度T1と下流側の温
度T2との間の温度差を計算してもよい。
測定したエンジンパラメータが所定のしきい値を越え
た場合、制御ユニットCUは一層多量の空気／ガスを供給
するための信号をエンジンＥへ伝達する。この信号はワ
イヤ９を介して補助ブロワABのモータ制御子へ伝達さ
れ、補助ブロワを始動させるか、補助ブロワの出力を増
大させる。代わりに、制御ユニットはワイヤ８を介して
制御手段へ信号を伝達してこの制御手段を閉位置の方へ
調整し、バイパス導管へ少量の排気ガスを流入させ、タ
ービンＴへ多量の排気ガスを流入させるようにしてもよ
い。
制御ユニットはまた、第１のしきい値を越えたときに
補助ブロワを始動させ、第２のしきい値を越えたときに
バイパス導管４を通るガス流を減少させるように構成す
ることもできる。第１図の実施例において、好ましく
は、第２のしきい値は第１のしきい値より小さく、補助
ブロワの始動前に、制御ユニットがバイパス導管４を閉
じる。しかし、パワータービンを導管４に接続した場合
は、補助ブロワを先に始動させるのが望ましい。例え
ば、第１のしきい値はT2/T1＝0.5に設定し、第２のしき
い値はT2/T1＝0.25に設定する。
反応装置Ｒの加熱が終了に近づいたとき、そのエネル
ギ吸収量が減少する。それ故、制御ユニットはエンジン
がその安定作動状態に戻ったときに補充空気／ガスの供
給量を減少させることができる。
また、バイパス導管を例えばターボチャージャのコン
プレッサの下流側に接続して過剰な空気を排出するため
に大気に連通させ、又はターボチャージャのタービンの
入口に接続することもできる。これらの場合、ターボチ
ャージャの過剰な空気はエンジンを通らず、それ故、バ
イパス導管を通る空気流を減少させることにより、エン
ジンへ一層多量の空気を供給することが可能となる。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 37/02 F02B 37/12 F02B 37/04

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターボチャージャ（T/C）の上流側に接続
    され、排気ガスのNOx成分を減少させる反応装置（Ｒ）
    と、この反応装置（Ｒ）が排気ガスを冷却しているか否
    かを決定するために少なくとも１つのエンジンパラメー
    タを測定するための手段とを有する大型２ストロークタ
    ーボチャージエンジン（Ｅ）を制御する方法において、 測定したエンジンパラメータが所定のしきい値より小さ
    くなったときに、上記反応装置（Ｒ）の下流側の排気ガ
    スの一部を上記ターボチャージャ（T/C）に対してバイ
    パスさせ、 測定したエンジンパラメータが当該反応装置により排気
    ガスを冷却していることを示すしきい値を越えたとき
    に、上記一部の排気ガスを全体的又は部分的に当該ター
    ボチャージャ（T/C）のタービン（Ｔ）へ流入させて、
    一層多量の空気又はガスを上記タービンの上流側へ供給
    することを特徴とするエンジン制御方法。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載の方法において、
    55％及びそれ以上のエンジン負荷において空気を送給す
    る補助ブロワ（AB）により、補助空気をチャージ用空気
    として供給することを特徴とするエンジン制御方法。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法
    において、制御ユニット（CU）により上記エンジンの瞬
    間的な負荷を測定し、記憶し、時間の関数としてのエン
    ジン負荷の変化を負荷変化用の所定のしきい値と比較
    し、この比較の結果に基づき、一層多量の空気／ガスの
    供給を上記制御ユニットにより制御することを特徴とす
    るエンジン制御方法。
  4. 【請求項４】請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
    に記載の方法において、制御ユニット（CU）により、排
    気レシーバにおける排気ガスの温度（T1）及び上記ター
    ボチャージャ（T/C）の入口における排気ガスの温度（T
    2）を測定、記憶し、これら２つの温度の温度差を上記
    制御ユニットにより決定し、この温度差が所定のしきい
    値を越えた場合に、当該制御ユニットにより、一層多量
    の空気／ガスの供給を開始させることを特徴とするエン
    ジン制御方法。
  5. 【請求項５】請求の範囲第４項及び第２項に記載の方法
    において、上記温度差が第１のしきい値を越えたとき
    に、上記制御ユニット（CU）により上記補助ブロワ（A
    B）を作動させ、当該温度差が上記第１のしきい値より
    大きい第２のしきい値を越えたときには、当該制御ユニ
    ットにより更なる排気ガスを上記ターボチャージャ（T/
    C）へ流入させることを特徴とするエンジン制御方法。
  6. 【請求項６】請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか
    に記載の方法に使用する大型２ストロークターボチャー
    ジエンジンであって、排気ガスのNOx成分を減少させる
    ための反応装置（Ｒ）に出力側で接続された排気ガスレ
    シーバ（ER）と、タービン（Ｔ）を備え、上記反応装置
    のガス出口に接続されたガス入口を有するターボチャー
    ジャ（T/C）と、エンジンパラメータを測定するための
    少なくとも１つのセンサ（S1;S2;S3）と、掃気用及びチ
    ャージ用空気を供給するための補助ブロワ（AB）とから
    成るエンジンにおいて、 上記反応装置と上記ターボチャージャのタービン（Ｔ）
    との間の排気通路（２）を当該タービンの下流側の排気
    通路（３）に接続できるバイパス導管（４）と、 このバイパス導管を全体的又は部分的にカットオフでき
    る制御手段（Ｖ）と、 上記センサから受け取った信号に基づき、上記反応装置
    （Ｒ）が排気ガスを冷却したか否かを決定し、排気ガス
    が当該反応装置により冷却されたときに、閉位置の方へ
    上記制御手段を調整する制御ユニット（CU）と、 から成ることを特徴とするエンジン。
JP06505784A 1992-08-13 1993-08-12 大型２ストロークターボチャージエンジンの制御方法及びこの方法に使用するエンジン Expired - Lifetime JP3115894B2 (ja)

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