JP7122799B2 - 大型ディーゼル機関を運転する方法、この方法の使用、及び大型ディーゼル機関 - Google Patents

Description

本発明は、大型ディーゼル機関を運転する方法、大型ディーゼル機関、及びそれぞれのカテゴリの独立請求項のプリアンブルによる方法の使用に関する。

２ストローク機械又は４ストローク機械として、例えば縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関として構成することができる大型ディーゼル機関が、船舶のための駆動集合体としてしばしば使用され、又は、例えば大型発電機を駆動して電気エネルギーを生成するために定置運転モードで同じく使用される。これに関して、機関は、一般的に、かなりの期間にわたって連続運転モードで運転され、これは、運転上の安全性及び稼動性に関する高い要求事項を提示する。そのため、保守と保守との間のとりわけ長いインターバル、摩耗が少ないこと、及び運転燃料を経済的に運用することができることは、運転者にとって重要な基準である。

ここ数年、他の本質的な点及びますます重要になりつつある本質的な点は、排気ガスの品質、とりわけ排気ガス中の窒素酸化物濃度である。これに関し、対応する排気ガス値に対する法的規定及び閾値がますます厳しくなっている。これは、排気ガス閾値の維持がますます困難になり、技術的により過酷になり、したがってより高価になり、又は最終的にはそれらの維持が常識的な方法ではもはや不可能でさえあるため、とりわけ２ストローク大型ディーゼル機関について考慮すると、汚染物質を高度に含んだ古典的な重燃料油の燃焼、及び、ディーゼル油又は任意の他の燃料の燃焼がますます問題になるという、必然的な結果につながる。

そのため、実際上、いわゆる「二元燃料機関」に対する要求事項が長い期間にわたって存在しており、これは、２つの異なる種類の燃料を使用して機関を運転することができることを意味する。ガス・モードでは、ガス、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）などの天然ガス、又は液化石油ガスの形態若しくは燃焼機関の駆動に適した異なるガスの形態のガスが燃焼され、一方、液体モードでは、ガソリン、ディーゼル、重燃料油などの適切な液体燃料、又は異なる適切な液体燃料が同じ機関内で燃焼される。機関は、これに関して、２ストローク機関及び４ストローク機関の両方であってもよく、また、これらの機関は、小型機関、中型機関、及び大型機関であってもよく、とりわけ縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関であってもよい。

また、「大型ディーゼル機関」という用語の使用により、燃料の自己点火を特徴とするディーゼル運転モードとは異なる形態で、また、燃料の外部点火を特徴とするガソリン機関運転モード、又はこれらの２つの運転モードを混合した運転形態で、運転することができる大型機関が意図されている。大型ディーゼル機関という用語は、とりわけ、いわゆる二元燃料機関、及び異なる燃料の外部点火のために燃料の自己点火が使用されるこのような大型機関をさらに含む。

液体モードでは、燃料は、通常、シリンダの燃焼空間に直接導入され、そこで自己点火の原理に従って燃焼される。ガス・モードでは、したがってシリンダの燃焼空間に点火可能混合物を生成するために、オットー原理運転モードに従って気体状態のガスと掃気空気（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ ａｉｒ）とを混合することが知られている。この低圧方式を考慮すると、適切な時期に少量の液体燃料がシリンダの燃焼空間又は予燃室に注入され、これが次いで空気ガス混合物の点火をもたらすという点で、混合物の点火はシリンダ内で生じる。二元燃料機関は、ガス・モードの運転中に液体モードに切り換えることができ、また、その逆に液体モードの運転中にガス・モードに切り換えることができる。

しかし、ガスのみを使用して運転することができ、ディーゼル、重燃料油又は異なる燃料では運転することができない機関を意味する純ガス機関（ｐｕｒｅ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ）も、とりわけ、排気ガスに関する高い要求事項が要求される場合に需要があり、その高い要求事項は、許容可能な技術的要求を使用して、また、経済的に実行可能な方法で、ガスの燃焼によってのみ維持することができる。このような純ガス機関は、例えば国際公開第２０１０１４７０７１（Ａ１）号パンフレットに提供されている。他の最新技術は、例えば独国特許出願公開第１０２０１０００５８１４（Ａ１）号明細書に提供されている。

機関が二元燃料機関であるか、純ガス機関であるかどうかとは無関係に、このような機関を高い信頼性で、少ない汚染物質で、且つ、安全に運転するためには、対応する往復ピストン燃焼機関のシリンダの燃焼空間に燃料ガスを導入するプロセスが極めて重要である。

ガス・モードでは、とりわけ、ガスに対する掃気空気の適切な比率、いわゆる空気－燃料比の設定が非常に重要である。掃気空気又は給気空気（ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｉｒ）は、通常、大型ディーゼル機関内のターボチャージャによって利用することができ、ターボチャージャは、機関の負荷によって決まり、したがって機関の出力及び／又はトルク及び／又は回転速度によって決まる掃気空気圧即ち充填空気圧（ｌｏａｄｉｎｇ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を生成する。所与の掃気空気圧に対して、シリンダ内の空気の量を計算することができ、次に、機関によって生成されるそれぞれに必要な駆動トルクを決定することができ、並びに／又は、この運転状態に対する理想的な燃焼プロセスをもたらす所望の回転速度、トルク、及び／若しくは回転速度の量のための適切な気体状燃料の量を決定することができる。

とりわけオットー原理に従ってガス・モードで運転される場合、汚染の観点、及び有効且つ経済的に実行することができることからすると、可能な限り小さい空気－ガス比の適切な設定が機関の運転のためには非常に重要である。ガスの比率が大き過ぎると、空気－ガス混合物がリッチになり過ぎることになる。混合物の燃焼が、過剰に速く又は極めて早期に生じ、そのために機関のノッキングが生じることになる。燃焼プロセスは、もはやシリンダ内のピストンの運動に適切に一致しないため、とりわけ、これも、ピストンの運動に対して部分的に作用する燃焼をもたらすことになる。

また、空気－ガス比の適切な設定が、もはや、通常の運転状態下の近代の大型ディーゼル機関における大きな問題を何ら示さない場合、問題は、極めて突然に、頻繁に、且つ、強力に機関の負荷が変化する運転状態の下で起こることが多い。

これに関して言及しておくべき実例は、荒波中を航海する、大型ディーゼル機関によって駆動される船舶である。これは、機関によって直接駆動される船舶プロペラが、高い波のために多少なりとも周期的に部分的に、又はさらには完全に海面上に出現し、引き続いて再度海中に完全に水没するという必然的な結果をもたらし得る。これは、当然、機関の負荷及び／又は機関によって必然的な結果として海中に伝達される駆動トルクの極めて大きく且つ突然の変化を有している。掃気空気を利用するためのターボチャージャ・システムは、機関の負荷の変化に対して位相シフト方式で反応するため、このような運転モードでは、掃気空気圧が低過ぎるためにシリンダ内の空気－ガス混合物がリッチになり過ぎ、そのため、当然欠点である速い燃焼又はノッキング燃焼が非常に生じやすい可能性がある。ガス・モードにおけるこのような速く且つ突然の負荷の変化は、その調整が極めて困難であるか、さらには全く実際的ではなく、したがって例えば機関性能の下方調整又は連続変化、及び／又は機関速度の適合が必要であり、さもなければガス・モードから液体モードへの変更が必要である。しかし、例えば重燃料油を使用して液体モードで運転される大型ディーゼル機関を考慮すると、液体モードでは排気ガス値をもはや維持することができないため、既存の排気ガス要求のために海岸の近傍での液体モードでの運転はもはや許容されない。

機関の負荷が極めて突然に、頻繁に、又は強力に変化し得る異なる実例は、船舶の演習の実施である。

国際公開第２０１０１４７０７１（Ａ１）号パンフレット 独国特許出願公開第１０２０１０００５８１４（Ａ１）号明細書

したがって最新技術から始まる本発明の目的は、大型ディーゼル機関を運転する方法であって、例えば激しいうねりの中の船舶、又は演習を実施している船舶で生じるような負荷の突然の、頻繁な、又は強力な変化に対して、同じく高い信頼性で、効果的に、且つ、環境に優しい様式で、大型ディーゼル機関を依然として運転することができる方法を提案することである。さらに、本発明の目的は、対応する大型ディーゼル機関を提案することである。

この目的を満足する本発明の主題は、それぞれのカテゴリの独立請求項の特徴により特徴付けられる。

したがって本発明によれば、ガスが燃料としてシリンダ内に導入される、少なくとも１つのガス・モードで運転することができる大型ディーゼル機関を運転する方法であって、ガス・モードで運転している間、負荷の強力な変化の状態が検出され、次いで、過渡モード（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍｏｄｅ）で大型ディーゼル機関が運転され、過渡モードは、
－ 機関の回転速度に関する所望の値、又は、機関のトルクの所望の値を特定するステップと、
－ 大型ディーゼル機関のワーク・サイクル毎に燃料として利用することができるガスの量に関する上側の閾値を決定するステップと、
－ ガスに加えて燃焼空間に導入される液体燃料の追加量を決定するステップであって、回転速度に関する所望の値が実現されるように、追加量が測られる、ステップと
を含む、方法が提案される。

供給されるガスの量が上側の閾値（上側の閾値は、シリンダ内の空気ガス混合物の燃焼が、速過ぎる燃焼の範囲又はノッキング燃焼の範囲で生じないように測られる）に制限されるため、非能率的で、汚染物質が多く、また、環境に優しくない運転モード結果の危険を伴うことなく、同じく負荷の突然の、頻繁な、若しくは周期的な変化又は負荷のシフトに対してもガス・モードを使用することが可能である。次に、ガス供給の制限又は低減により、必要な所望の回転速度を達成するために不足する出力が、過渡運転モードの場合、ガスに加えて特定の量の液体燃料をシリンダ内に導入することによって生成され、その燃焼によって不足エネルギー及び／又は出力が供給される。

このように、本発明による方法により、液体モードでのみ運転される大型ディーゼル機関で可能であるのと同様、少なくとも１つのガス・モードで運転される大型ディーゼル機関における負荷に対する同様の応答を実現することが可能である。これは、シリンダ内の空気ガス混合物がリッチになり過ぎることがあり得ないようにし、且つ、概してディーゼル原理に従って生じる液体燃料の追加燃焼が掃気空気圧の変化に対してそれほどには敏感に反応しないようにすることによって、可能になる。

好ましいことには、大型ディーゼル機関は、ガスの燃焼のため、及び液体燃料、とりわけディーゼル又は重燃料油の燃焼のための二元燃料機関として構成される。このように、本発明による方法によれば、突然で、且つ、頻繁な負荷の変化を考慮しても、ガス運転モードで有効に二元燃料機関を依然として運転することが可能である。船舶の駆動集合体としての大型ディーゼル機関の用途の重要な事例の場合、これは、同じく激しいうねりを考慮しても依然としてガス・モードを有効に使用することができることを意味している。本発明による方法によれば、機関の円滑性が強化され、速度の変動が著しく低減される。

利用可能な掃気空気のそれぞれの実際の圧力は、ガスの量に関する上側の閾値を決定するために引き出されることが有利である。この方法によれば、ガスの燃焼に基づく部分を最適化することができる。

第１の実施例によれば、過渡モードは手動で開始される。したがって例えば船舶上の運転作業者は、激しいうねりが出現する際に、機関の過渡モードを起動することができる。

別法又は追加として、過渡モードは、掃気空気の実際の圧力、シリンダ圧力、計算された空気－ガス比、ノッキング検出器の信号、機関の負荷に対する回転速度の比率、機関の負荷に対する回転速度の比率に対する変化、機関のトルク、トルクの変化、注入のために必要な燃料の量、及び、注入のために必要な燃料の量の変化のうちの少なくとも１つのパラメータに応じて開始することができることが好ましい。また、これらのパラメータのうちの少なくとも１つを連続的に又は調整されて決定することにより、過渡モードを自動的に起動することも可能である。

過渡モードで燃焼空間に液体燃料の追加量を導入するためのいくつかの好ましい変形態様が存在している。

液体燃料の追加量は、大型ディーゼル機関の液体モードで使用される注入装置によって、燃焼空間に導入することができる。

液体燃料の追加量は、ガスに点火するためにガス・モードで使用されるパイロット注入装置によって、燃焼空間に導入することができる。

液体燃料の追加量は、過渡運転モードのために提供される個別の注入装置によって、燃焼空間に導入することができる。

また、燃焼空間へのガスの供給を考慮すると、複数の好ましい変形態様が存在している。

シリンダ内へのガスの供給は、シリンダ・ライナを介して生じさせることができる。そのために、一般に知られているガス供給システムは、シリンダの壁に提供されること、また、シリンダ・ライナを介してシリンダの内部空間にガスを導入することが知られている。このようなガス供給システムは、それらがシリンダ内のピストンの上死中心位置又は下死中心位置からある間隔を隔てた位置でシリンダ内にガスを導入するように配置されることが好ましく、とりわけこのような間隔は、上死中心位置と下死中心位置との間の間隔の４０％～６０％、好ましくは５０％に及ぶ。

また、シリンダ内へのガスの供給は、シリンダ・ヘッドで生じさせることも可能である。また、ガス供給システムは、この目的のためにも知られている。

また、掃気空気がシリンダ内に導入される前に掃気空気にガスを供給することも、又は掃気空気がシリンダ内に導入される際にガスを供給することも可能である。また、最後に言及した変形態様は、とりわけ、１つ又は複数のガス入口ノズルが、隣接する掃気空気開口又は掃気空気スリットを互いに分離する１つ又は複数のウェブに提供されるように実現され得る。

本発明によれば、少なくとも１つのガス・モードで運転することができ、且つ、本発明による方法に従って運転される大型ディーゼル機関がさらに提案される。これによって得られる利点は、上で提供され、且つ、本発明による方法を参照してなされた説明と同じ説明に対応する。

好ましいことには、大型ディーゼル機関は、ガスの燃焼のため、及び液体燃料、とりわけディーゼル又は重燃料油の燃焼のための二元燃料機関として構成される。

好ましい実施例では、過渡運転モードを開始し、且つ、実施するための制御装置を有する機関制御が提供される。

さらに、本発明によれば、大型ディーゼル機関、とりわけ二元燃料機関をレトロフィットするための本発明による方法の使用が提案される。本発明による方法は、装置の観点から、より大きい追加要求を伴うことなく、多くの用途の事例で実現することができるため、とりわけ既存の大型ディーゼル機関の修正及び／又はレトロフィットに同じく適しており、この方法において、とりわけ頻繁に、且つ、突然に生じる負荷の変化を考慮し、例えば激しいうねりを考慮すると、より効果的で、安全で、且つ、経済的に実行可能な態様でこれらを運転することができる。

本発明の他の有利な手段及び設計は、従属請求項によって得られる。

以下、本発明について、装置の観点及びプロセス工学の観点の両方から、実施例によって、また、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施例の大型ディーゼル機関の実施例における、空気－ガス比に対するトルクの依存性を視覚化するための略図である。 本発明による方法の実施例を示す略図である。 時間によるトルクの進行を示す例示的略図である。

一実施例を参照して本発明についての以下の説明を考慮すると、２つの異なるタイプの燃料を使用して運転することができる機関を意味する二元燃料機関として構成される大型ディーゼル機関の実践用途のとりわけ重要な事例に対する例示的特徴が参照されている。大型ディーゼル機関のとりわけこの実施例は、液体燃料のみがシリンダの燃焼空間に注入される液体モードで運転することができる。通常、液体燃料、例えば重燃料油又はディーゼル油は、適切な時期に燃焼空間に直接注入され、そこで自己点火のディーゼル原理に従って点火する。しかし、大型ディーゼル機関は、ガスが燃料の役割を果たすガス運転モードで運転することも同じく可能であり、例えば天然ガスが空気－ガス混合物の形態で燃焼空間に導入され、点火される。とりわけ大型ディーゼル機関は、低圧方式に従ってガス運転モードで動作し、これは、ガスが気体状態でシリンダ内に導入されることを意味している。これに関して、空気との混合は、シリンダ自体の中で生じさせることができ、又はシリンダの前段で生じさせることも同じく可能である。空気－ガス混合物は、オットー原理に従って外部で点火される。この外部点火は、通常、適切な時期に少量の液体燃料を燃焼空間に導入し、次に自己点火させ、それにより空気－ガス混合物を外部点火させることによって生じる。

大型ディーゼル機関は、４ストローク機関及び２ストローク機関の両方として構成することができる。この実例で説明されている実施例を考慮すると、大型ディーゼル機関は、コモンレール・システムを有する液体モードで動作する、縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関として構成される。

例えば、液体モードのための注入システム、ガス・モードのためのガス供給システム、ガス交換システム、掃気空気（掃気）及び／又は給気空気（給気）を準備するための排気ガス・システム又はターボチャージャ・システム、並びに、大型ディーゼル機関のための制御及び調整システムなどの、大型ディーゼル機関のアセンブリ及び個々の構成要素は、当業者によく知られており、したがって、２ストローク機関としての設計及び４ストローク機関としての設計の両方を考慮すると、さらなる説明はここでは不要である。

縦方向に掃気される２ストローク大型ディーゼル機関のこの実例で説明されている実施例を考慮すると、掃気空気スリットは、通常、各シリンダ及び／又はシリンダ・ライナの下部領域に提供され、掃気空気スリットが開くと、ターボチャージャによって提供される掃気空気がこれらの掃気スリットを通ってチャージ圧でシリンダ内に流入することができるよう、掃気空気スリットは、シリンダ内のピストンの運動によって周期的に開閉される。通常、中央に配置される出口弁は、シリンダ・ヘッド及び／又はシリンダ・カバーの中に提供され、この出口弁を通って、燃焼プロセスを経た後の燃焼ガスが、もう一度シリンダから排気ガス・システムへ出て行くことができる。液体燃料を導入するために、例えば出口弁の近傍のシリンダ・ヘッドの中に配置される１つ又は複数の燃料注入ノズルが提供される。ガス供給システムは、ガス・モードでガスを供給するために提供され、ガス入口ノズルを有する少なくとも１つのガス入口弁を有している。ガス入口ノズルは、通常、例えばピストンの上死中心位置と下死中心位置との間のほぼ中間に位置する高さでシリンダの壁に提供される。

さらに、以下では、一例として大型ディーゼル機関が船舶の駆動集合体である用途の事例を参照する。

排気ガス値に関する法的規定に起因して、大型ディーゼル機関は、今日、海岸の近傍ではしばしばガス運転モードで運転される。その理由は、そうでなければ、排気ガス・エミッション、とりわけ窒素酸化物ＮＯ_ｘ及び二酸化硫黄の放出（エミッション）に関して規定された閾値をもはや維持することができないからである。

ガス運転モードでは、効率、及び、可能な限り汚染物質が少ない空気ガス混合物の燃焼は、空気の量とガスの量の比率に極めて敏感である。この比率は、通常、λ値によって表され、λ値は、燃焼のために利用することができる空気の質量と、燃料として使用されるガスの質量の比率に関して使用される。

理想的な空気－ガス比は、機関によって生成される駆動トルクに依存し、この方法においては船舶の所望の速度に依存する。大型ディーゼル機関は、通常、船舶のプロペラに直接接続されるため、速度は、機関の回転速度に対応する。

極めて概略的に示されている図１は、空気－ガス比１と、船舶を駆動する機関によって生成されるトルク２との間の例示的関係を示したものである。この図解は、船舶が本質的に穏やかな水中を移動している場合の船舶の規定速度（即ち機関の特定の回転速度）に対応する特定のトルクに対して真である。とりわけ図１に示されているトルク２は、本質的に１ワーク・サイクル（２ストローク機械の場合はピストン運動の１周期であり、４ストローク機械の場合はピストン運動の２周期である）にわたって平均されたトルクであるＢＭＥＰトルク（正味平均有効圧トルク（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏｒｑｕｅ））である。

図１の図解には、２つの境界曲線、即ち第１のノッキング曲線３及び不着火曲線４が示されている。図解に従ってノッキング曲線３より上に出現する運転状態を考慮すると、空気－ガス比がリッチなものとなり、これは、混合物に存在する空気が少な過ぎることを意味している。ガス分がリッチになり過ぎると、混合物は異なる問題、即ち燃焼が生じるのが速過ぎる問題（速い燃焼）、又は機関がノッキングを開始する問題、又は典型的にはシリンダ内のガスの含有量が多過ぎることによる自己点火によって混合物が早過ぎる燃焼（過早点火としても知られているワーク・サイクルに関する）を開始する問題をもたらすことがある。図解に従って不着火曲線４より上で生じる運転状態を考慮すると、空気－ガス比がガス分に乏し過ぎ、これは、燃焼空間における理想的な燃焼のためには、存在するガスが不十分であることを意味している。

そのため、常にその空気－ガス比に対する理想点５で大型ディーゼル機関を運転するための努力がなされる。実際には、トルク及び／又は空気－ガス比１の自然な逸脱を回避し、又は調整して、同じく一定の回転速度及び／又は船舶の一定の速度を維持することは不可能であり、そのために、図１には２本の直線７及び８によって限定されている許容範囲６が存在しており、この許容範囲内では、理想点５からの空気－ガス比１の逸脱が許容される。ガス・モードにおける理想的な運転は、Ａで参照されている運転点によって図１に示されている。

船舶が穏やかな水中（図１参照）から離れ、激しいうねりに遭遇すると、負荷の極めて突然で、且つ、強力な変化が機関に生じることがあり、これは、機関によって船舶プロペラを介して水中に加えられるトルクが急速に且つ大きく変化し得ることを意味している（負荷の変化）。したがって、例えば荒海では、船舶プロペラが、短い期間にわたって部分的に又は完全に海面上に出現し、そのために機関の実際の負荷が著しく小さくなることが起こり得る。船舶プロペラが引き続いて再度海中に完全に水没すると、そのために負荷が著しく大きくなり、したがってトルクが大きくなる。図１では、これは、実際には、例えば点Ａから、ノッキング曲線３より上に存在し、したがって「速い燃焼」及び／又はノッキングの範囲に存在するＢで参照されている点まで移動することを意味している。ターボチャージャ・システムの位相シフト応答に起因して、必要なチャージ圧で掃気空気を利用することはもはや不可能であり、空気－ガス混合物がリッチになり過ぎるようになっている。

荒海では、機関負荷のこれらの強力な変動が、次々にほぼ周期的に頻繁に生じるため、ガス・モードにおける大型ディーゼル機関の有効で、経済的で、且つ、低エミッションの運転モードはもはや不可能である。

改善アクションが、本発明による方法によって提供される。極めて概略的に示されている図２は、本発明による方法の実施例を示したものである。ステップ１０の開始点で大型ディーゼル機関がガス・モードで運転される。船舶が荒海に遭遇している場合、この状態は、運転作業者の観察１１によって、及び／又は、ステップ１２において機関制御装置又は異なる制御装置によって検出される運転パラメータを評価することによって検出することができる。生じた負荷の強力な変化が大き過ぎることが決定されると、ステップ１３において過渡モードへの大型ディーゼル機関の切換えが決定される。この過渡モードでは、機関によって生成される機関の回転速度又はトルクの所望の値が最初に決定される。これは、例えば穏やかな水中における船舶の運動に対応する値であってもよい。制御装置は、次に、ステップ１４において、大型ディーゼル機関のワーク・サイクル毎に燃料として利用することができるガスの量に関する上側の閾値を決定する。これに関して、この上側の閾値は、この上側の閾値によって決定されるガスの最大量を燃焼させるためにシリンダ２１内で利用することができる掃気空気が十分になるように決定され、それにより「速い燃焼」及び／又はノッキング燃焼の範囲が回避され、したがって、空気－ガス比がリッチになり過ぎない。ノッキング閾値３（図１）を超えることを回避するための最大許容ガス量に関する上側の閾値は、シリンダ内に存在する空気の量に依存する。既知のシリンダ体積を考慮すると、空気のこの量は、利用可能な掃気空気のチャージ圧を使用して決定することができる。これに関して、当然チャージ圧の逸脱が考慮され、これは、あらゆる場合に利用することができる最小チャージ圧を有利に仮定することを意味している。また、当然、ガスの量に関する適切な上側の境界を決定する際、実験値又は大型ディーゼル機関の異なる既知の運転パラメータを引き出すことも可能である。

とりわけ好ましいことには、ガスの量の上側の閾値を決定するために、掃気空気の現在利用可能なチャージ圧が引き出される。このチャージ圧は、通常、大型ディーゼル機関における測定によって検出され、この方法においては制御装置で利用することができ、及び／又は、制御装置に送信することができる。とりわけ、これに関して、ガスの量に関する上側の閾値の決定は、現在利用可能な掃気空気の現在の値と掃気空気の必要なチャージ圧との差を使用して決定することができる。実際の運転パラメータのために必要なチャージ圧は、例えばルックアップ・テーブル又はルックアップ行列に記憶される。

この場合、制御装置は、燃焼ガスとしてシリンダに供給することができるガスの量のためのチャージ圧によって決まる上側の閾値を有しており、ガスの量はこの上側の閾値に制限される。したがって機関によって生成される回転速度又はトルクを所望の値に維持することができ、ステップ１４において、制御装置によって、液体燃料の追加量がさらに規定され、それは、回転速度又はトルクの所望の値と、最大のガス量を使用して達成される値との差を補償するように測られる。

これは、制御装置が、上側の閾値によって決定される最大量のガスを使用して達成することができるトルク又は回転速度に関する値を決定することを意味している。次に、所望の値とこの値の差が決定される。引き続いて、この差を補償するために必要な液体燃料の量が決定される。

次に、ステップ１５において、決定された量のガスがシリンダ内に導入され、ガス・モードと同様に燃焼させられる。それと同時に、これは、同じワーク・サイクルにおいて、既に決定済みの量の液体燃料がステップ１６においてシリンダ内に導入され、そこで自ら点火することを意味している。この方法によれば、ガス及び追加導入される液体燃料の共通燃焼により、所望の値の回転速度又はトルクを生成することができる。これに関して、液体燃料の自己点火を空気－ガス混合物の外部点火のために使用することができる。

ステップ１７において、運転作業者の観察によって、及び／又は、運転パラメータの決定によって、過渡モードを起動するための条件が依然として満たされているかどうかが継続的に又は定期的間隔でチェックされる。イエスの場合、図２に矢印１８で示されているように過渡モードが維持され、好ましいことには、ガスの量の上側の閾値に関する値及び液体燃料の追加量に関する値がチェックされ、及び／又は更新される。

ステップ１７のチェックにおいて過渡モードのための条件がもはや満たされていない場合、ステップ１９で再び通常のガス・モードに変更することができる。

過渡モードを開始し且つ実施するための制御装置は、機関制御に統合されることが好ましい。

この方法によれば、ガスの燃焼と液体燃料の燃焼を組み合わせることにより、「速い燃焼」範囲及び／又はノッキングの範囲及び／又は「過早点火」の範囲でガスの燃焼が生じることなく、回転速度を意味する機関速度に関する所望の値、又はトルクに関する所望の値を過渡モードで維持することができることが保証される。ガスの量に関する上側の閾値により、燃焼空間における空気－ガス混合物がリッチになり過ぎないことが保証される。

したがって、例えばこの方法により、ガス運転モードでオットー原理に従って動作する二元燃料大型ディーゼル機関は、液体燃料を使用して排他的に運転される、ディーゼル原理に従ってのみ動作する大型ディーゼル機関が有する負荷の変化に対する応答と少なくともほぼ同様の負荷の変化に対する応答を達成することができる。一方では、本発明による方法に関して、及び／又は、本発明による大型ディーゼル機関に関して、空気－ガス混合物がリッチになり過ぎないことが保証されるため、他方では液体燃料に関連する燃焼部分は、掃気空気の低過ぎるチャージ圧に対して著しく鈍感に反応する。この方法によれば、とりわけ荒海で、同じくガス運転モードの間、大型ディーゼル機関の運転安定性を改善することができ、また、速度の変動を小さくすることができる。

図３の略図は、同じく一実例による、過渡モードにおけるガスの燃焼と液体燃料の燃焼の協働を強調したものである。大型ディーゼル機関のトルクＴは、荒海を考慮すると起こり得るように時間ｔに依存して印加される。船舶が遭遇する高い波の運動は、（ほぼ）周期的なタイムリーなトルクＴの変化を引き起こす。曲線Ｇは、ガスの燃焼によって生じるトルクの部分を示したもので、最大のガス量は、利用することができる掃気空気が十分であるように制限され、それにより、空気－ガス混合物がリッチになり過ぎないようになっている。参照記号Ｆを有する、ハッチングによって示されている領域を制限している２つの曲線は、液体燃料の燃焼を追加することによって生成されるトルクＴに対する追加量を示している。

過渡モードの間、液体燃料の追加量をシリンダの燃焼空間に導入するための異なる可能性が存在している。大型ディーゼル機関が二元燃料機関として構成される場合、液体モードで燃料を注入するために同じく使用される注入装置と同じ注入装置を使用して、液体燃料を注入することができる。

過渡モードで液体燃料を導入するための他の可能性は、空気－ガス混合物に点火するためにガス・モードで使用されるパイロット注入装置によって、液体燃料を燃焼空間に導入することができることにある。

当然、過渡モードの間、液体燃料を導入するための個別の注入装置を提供することも同じく可能である。これは、大型ディーゼル機関が液体モードのために構成されず、対応する注入装置を有していない場合にとりわけ好ましい。

シリンダの燃焼空間へのガスの導入を考慮すると、過渡モード及び同じくガス・モードの両方の間、いくつかの好ましい変形態様が存在している。上で既に言及したように、少なくとも１つのガス入口ノズルを有するガス供給システムを提供することができ、少なくとも１つのガス入口ノズルは、ガスをシリンダ内に導入することができ、且つ、そこで掃気空気と混合して点火可能な空気－ガス混合物にすることができるようにシリンダ・ライナの中に配置されている。

しかし、シリンダ内へのガスの供給がシリンダ・ヘッドから生じ、次にガスが掃気空気と混ざるように、シリンダ・ヘッド及び／又はシリンダ・カバーに１つ又は複数のガス入口ノズルを設けることも同じく可能である。

掃気空気がシリンダ内に導入される前に掃気空気にガスを供給する他の可能性が存在している。この場合、ガスは、掃気空気を使用して、シリンダ内部空間の外側で既に空気－ガス混合物に混ざっており、次にこの空気－ガス混合物が例えば掃気空気スリット又は掃気空気開口によってシリンダ内に導入される。それにより、ターボチャージャ・システムの出口と、シリンダの内部空間への入口開口、例えば掃気空気スリットとの間の一点で掃気空気へのガスの供給を生じさせることができる。

とりわけ、掃気空気がシリンダ内に導入される際に、掃気空気にガスを供給することも同じく可能である。そのために、この場合、例えば、掃気空気が掃気空気スリットを通過している間にガスと混じるように、隣接する掃気空気スリットを分離する１つ又は複数のウェブに１つ又は複数のガス入口ノズルをそれぞれ設けることができる。

ステップ１２（図２）で決定され、又は過渡モードに変更すべきかどうかを判定するためにステップ１３で解析される運転パラメータは、機関制御に既に存在しているパラメータであることが好ましく、これは、大型ディーゼル機関の運転のために、若しくは大型ディーゼル機関を運転している間に何らかの方法で検出されるか、又はこのようなパラメータから引き出すことができる値であることを意味している。

しかし、過渡モードへの変更の決定が単純に運転作業者による観察によって生じ、次に過渡モードを手動で開始することも可能であり、又は、過渡モードへの変更を決定するために１つの運転パラメータのみを引き出すことも同じく可能である。

例えば、以下のパラメータのうちの１つ又は複数は、ステップ１２のため及び／又はステップ１３における決定のための運転パラメータとして適切である。それは、ターボチャージャ・システムによって利用することができる掃気空気の実際の圧力、及び／又はこの圧力の変化、シリンダ圧力、計算された空気－ガス比、シリンダ内で燃焼が生じたことをノッキング方式で認識することができるノッキング検出器の信号であって、空気－ガス混合物がリッチになり過ぎることを意味する信号、機関の負荷に対するトルクの比率若しくはこの比率の変化、又は測定されたトルク若しくは時間によるその変化である。

本発明による方法は、とりわけ、既存の大型ディーゼル機関、とりわけ二元燃料機関のレトロフィッティングのために使用することも可能である。このような大型ディーゼル機関では、本発明による方法を実施するための装置の観点からの前提条件は、既に満たされていることがしばしばであるか、又は少ない努力若しくはコストで、及び／若しくは変換によって実現することができるため、対応する適合又は機関制御の補充によって大型ディーゼル機関に過渡モードの準備をさせることはしばしば可能である。とりわけエミッションの値の維持を同じく考慮すると、レトロフィッティングのこの可能性は、極めて有利である。

Claims (12)

1. 大型ディーゼル機関を運転する方法であって、前記大型ディーゼル機関は、ガス・モードまたは過渡モードで運転することができ、前記ガス・モードでは、ガスが燃料としてシリンダ内に導入され、前記過渡モードでは、前記ガスに加えて、液体燃料がシリンダ内に導入され、前記方法は、
   － 前記大型ディーゼル機関を前記ガス・モードから前記過渡モードに変更するステップ（１３）と、
   － 前記機関の回転速度又はトルクの所望の値を特定するステップと、
   － 前記大型ディーゼル機関のワーク・サイクル毎に燃料として利用することができるガスの最大量を決定するステップ（１４）と、
   － 回転速度又はトルクの所望の値と前記最大量の前記ガスを使用して達成される値との差を補償するために、前記ガスに加えてシリンダ内に導入される液体燃料の追加量を決定するステップ（１４）と、
   － 前記ガスを点火するためにパイロット注入装置を使用するステップと、
   － 前記大型ディーゼル機関の液体モードで使用される注入装置によって、前記液体燃料の前記追加量を前記シリンダ内に導入するステップと
   を含む、方法。
2. 前記大型ディーゼル機関が、前記ガス及び前記液体燃料の燃焼のための二元燃料機関として構成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体燃料は、ディーゼル又は重燃料油である、請求項２に記載の方法。
4. 前記ガスの最大量を決定する（１４）ために、現在利用可能な掃気空気の圧力が利用される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 前記過渡モードが手動で開始される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 前記過渡モードが、掃気空気の実際の圧力、シリンダ圧力、計算された空気－ガス比、ノッキング検出器の信号、前記機関の負荷に対する回転速度の比率、前記機関の負荷に対する回転速度の前記比率の変化、前記機関のトルク、前記トルクの変化、必要な前記ガスの量、及び、前記ガスの量の変化のうちの少なくとも１つのパラメータが所定の条件を満たさないときに開始される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 前記シリンダ内への前記ガスの導入が、シリンダ・ライナを介して生じる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記シリンダ内への前記ガスの導入が、シリンダ・ヘッドで生じる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 掃気空気が前記シリンダ内に導入される前、又は前記掃気空気が前記シリンダ内に導入される際に、前記ガスが前記掃気空気に導入される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか一項による方法に従って運転される大型ディーゼル機関。
11. ガス及び液体燃料の燃焼のための二元燃料機関として構成される、請求項１０に記載の大型ディーゼル機関。
12. 前記過渡モードを開始及び実施するための制御装置（１４）を有する、請求項１０又は１１の一項に記載の大型ディーゼル機関。

Images