(57)【要約】      （修正有）【課題】出口弁を有するシリンダ・ライナを備える低速運転大型ディーゼル機関及び運転方法に関する。【解決手段】燃焼空間２は、排ガス・ノズル４１及び排ガス集合管４を備える排ガス集合ユニット４０に流体連通して接続され、燃料Ｆの燃焼時に排ガス５が形成され、充填空気はシリンダ・ライナの燃焼空間２からそれぞれ関連付けられた出口弁３及びそれぞれ関連付けられた排ガス・ノズル４１を介して排ガス集合管４に供給される。充填アセンブリ７１によって圧縮された空気８０を、各シリンダ・ライナにそれぞれ関連付けられた掃気開口部を介してシリンダ・ライナに導入することができる。本発明によれば、排ガス集合ユニット４０は、排ガス・プローブ９を備え、排ガス・プローブ９によって、排ガス５の組成のパラメータを決定することができ、燃料に対する充填空気の量の比がこのパラメータに依拠して燃焼空間において設定されることが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼空間（２）と、前記燃焼空間（２）に関連付けられた出口弁（３）を有するシリンダ・ライナ（Ｚ）を備える低速運転大型ディーゼル機関（１）の運転方法であって、
前記シリンダ・ライナ（Ｚ）の前記燃焼空間（２）は、排ガス・ノズル（４１）及び排ガス集合管（４）を備える排ガス集合ユニット（４０）に流体連通して接続され、
運転状態において、燃料（Ｆ）の燃焼時に排ガス（５）が形成され、充填空気（８１）が、前記シリンダ・ライナ（Ｚ）の前記燃焼空間（２）からそれぞれ関連付けられた出口弁（３）及び前記それぞれ関連付けられた排ガス・ノズル（４１）を介して前記排ガス集合管（４）に供給され、
充填ユニット（７、７１）は、空気（８０）の圧縮が提供される充填アセンブリ（７１）を備え、前記充填アセンブリ（７１）に前記排ガス集合管（４）から前記排ガス（５）が供給され、前記空気（８０）は、前記充填アセンブリ（７１）によって圧縮され、充填空気（８１）として、各シリンダ・ライナ（Ｚ）にそれぞれ関連付けられた掃気開口部を介して前記シリンダ・ライナ（Ｚ）に導入される、方法において、
前記排ガス集合ユニット（４０）は、排ガス・プローブ（９）を備え、前記排ガス・プローブ（９）によって、前記排ガス（５）の組成のパラメータが決定されることを特徴とし、前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の量の比（Ｌ）が前記パラメータに依拠して前記燃焼空間（２）において設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記大型ディーゼル機関（１）は複数のシリンダ・ライナ（Ｚ）を含み、前記複数のシリンダ・ライナの燃焼空間（２）は、それぞれ関連付けられた出口弁（３）を介して前記排ガス集合管（４）に流体連通して接続され、前記運転状態において、前記排ガス（５）が各燃焼空間（２）から前記排ガス集合管（４）に供給されるようになっている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排ガス・プローブ（９）はシリンダ（Ｚ）ごとに前記排ガス（５）の前記組成の前記パラメータを別個に決定する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の前記量の比（Ｌ）は、前記パラメータに依拠して燃焼空間（２）ごとに別個に設定される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記排ガス・プローブ（９）は前記排ガス・ノズル（４１）に設けられ、排ガス・プローブは特に、前記大型ディーゼル機関（１）の複数の排ガス・ノズル（４１）又は全ての排ガス・ノズル（４１）に設けられる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記排ガス・ノズル（９）は前記排ガス集合管（４）に設けられ、特に、複数の排ガスノズル（９）が前記排ガス集合管（４）に設けられる、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
１つ又は複数の排ガス・プローブ（９）から決定された前記パラメータが較正値と比較され、前記較正値との前記比較から、所定のシリンダ・ライナ（Ｚ）について前記排ガス（５）の前記組成が別個に決定され、前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の前記料の比（Ｌ）が、前記所定のシリンダ・ライナ（Ｚ）の前記燃焼空間（２）について別個に設定される、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
１つ又は複数の排気プローブ（９）から決定される前記パラメータは、較正値と比較され、前記較正値との前記比較から、前記大型ディーゼル機関（１）のシリンダ・ライナ（Ｚ）ごとに前記排ガス（５）の前記組成が別個に決定され、前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の前記量の比（Ｌ）が前記大型ディーゼル機関（１）の各シリンダ・ライナ（Ｚ）の前記燃焼空間（２）について別個に設定される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記パラメータは、所定の時間スキームに従って、好ましくは周期的時間間隔で、前記排ガス・プローブ（９）によって繰返し決定され、前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の前記量の比（Ｌ）は、前記パラメータ（Ｋ）に依拠して、特に、ルックアップ・テーブルの更なる使用時に更新する方式で前記燃焼空間（２）において設定される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記パラメータは、前記排ガス（５）における酸素の残量であり、前記排ガス・プローブ（９）は前記排ガスにおける前記酸素の残量を決定する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料（Ｆ）に対する前記充填空気（８１）の前記量の比は、前記燃焼空間（２）に供給される充填空気（８１）の量の調整によって、且つ／又は前記燃焼空間（２）に供給される燃料（Ｆ）の量の調整によって設定される、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記大型ディーゼル機関（１）は、最大３００ｒｐｍ、より詳細には、１０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの最大回転速度で、好ましくは、３０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍの最大回転速度で運転される、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
１０ｍｓ未満の応答時間、より詳細には２ｍｓ〜１０ｍｓの応答時間を有し、特に、約５ｍｓの応答時間を有する排ガス・プローブ（９）が用いられる、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された低速運転大型ディーゼル機関、特に、長手方向に掃気される２サイクル又は４サイクルの大型ディーゼル機関であって、前記大型ディーゼル機関の排ガス集合ユニット（４０）において、より詳細には排ガスノズル（４１）において、且つ／又は排ガス集合管（４）において排ガス・プローブ（９）が設けられ、前記排ガス・プローブ（９）は特に、前記排ガス（５）内の酸素の残量の測定のために提供される、低速運転大型ディーゼル機関。
【請求項１５】
前記大型ディーゼル機関は、最大で３００ｒｐｍ、より詳細には、７０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍ、好ましくは、８０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍの最大回転速度で運転することができ、且つ／又は、前記排ガス・プローブ（９）は、１０ｍｓ未満の応答時間を有し、より詳細には、２ｍｓ〜１０ｍｓの応答時間を有し、特に、約５ｍｓの応答時間を有する、請求項１４に記載の大型ディーゼル機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低速運転大型ディーゼル機関の運転方法及び大型ディーゼル機関、より詳細には、独立請求項の前提部に記載の長手方向に掃気される低速運転２サイクル大型ディーゼル機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
低速運転大型ディーゼル機関、より詳細には、好ましくは船舶又は例えば電気エネルギー生成のための定置設備の構造においてそれ自体が既知の方式で用いられているような、本発明によるクロスヘッド設計の長手方向に掃気される２サイクル大型ディーゼル機関が、数十年にわたって、詳細が多岐にわたる複数の変形形態で用いられており、機関のフレームを形成する３つの大型のハウジングセグメントを備える。基本プレート上にいわゆるスタンドが配置され、このスタンドは、底部プレートによって基本プレートから分離されている。基本プレートは、クランクシャフトを収容するためのクランクシャフト主支承部を有するベアリング・シート及び横方向の支持エレメントも備える。既知のスタンドは、互いに対向配置された複数の支持体を含み、これらの支持体の数は大型ディーゼル機関のシリンダ・ライナ数に対応し、これらの支持体は各々、プッシュロッドを介してクランクシャフトと接続されている２つの隣接するクロスヘッドを案内するために、垂直方向に延在する摺動面を有する。ここで、摺動面を有する、対向して並べられた垂直に延在する２つの支持体は、中間壁によって付加的に支持される。個々の支持体は、通常、１つの共通のカバー板によって互いに接続されている。この場合、スタンドの上方には、しばしばシリンダ・ジャケットとも称されるシリンダ部分が配置されており、カバー板は複数のシリンダ・ライナの収容に適している。ここで基本プレート、スタンド及びシリンダ部分は、スタンドの領域内で、通常は支持体内部に延在する引張ロッドによって互いに接続され、この接続において、引張ロッドが基本プレート内に又は基本プレートに相当な予付勢でねじ留めされる。
【０００３】
往復動するピストン内燃機関の出力向上のために、限定ではないが特に前に述べた形式のものに関しても、燃焼行程の後に、通常は少なくとも１つの排ガス・ターボチャージャを含む充填アセンブリによって、高められた圧力の下で掃気がシリンダ・ライナの燃焼空間に導入される。これによって、燃焼行程後にシリンダ・ライナの燃焼空間から出る排ガスの熱エネルギーの一部を利用することができる。そのために、高温の排ガスは、例えばシリンダ・ライナのシリンダ・カバーに設けられた出口弁を開くことによって、シリンダ・ライナの燃焼空間から充填アセンブリに案内される。ここで充填アセンブリは、本質的に、圧力が印加されて充填アセンブリに進入する加熱された排ガスによって駆動されるタービンからなる。そしてタービンはコンプレッサを駆動し、それによって新気が吸入され、圧縮される。排ガス・ターボチャージャという用語と並んで、しばしば、単にターボチャージャとも称され、限定ではないが特に、大型ディーゼル機関の場合にはしばしばラジアル・コンプレッサとして構成される装置である、タービン付きコンプレッサには、いわゆるディフューザ、充填空気クーラ、水分離器及びインレット・レシーバがその下流で切り換えられ、そこから充填空気又は掃気とも称される圧縮された新気が、最終的に大型ディーゼル機関のシリンダ・ライナの個々の燃焼空間に送り込まれる。こうして、このような充填アセンブリの使用を通じて掃気供給を増大させ、シリンダの燃焼空間内での燃焼プロセスの効率性を高めることができる。
【０００４】
大型ディーゼル機関の場合、形式に応じて、シリンダ・ライナの異なる場所で空気の導入が行われる。こうして例えば、長手方向に掃気する２サイクル機関の場合、シリンダ・ライナ下部の領域の運転面に配置されている掃気スロットを介して、充填空気の形態でシリンダ・ライナのこの燃焼空間に空気が導入される。４サイクル機関の場合、掃気は通常、例えばシリンダ・ヘッド又はシリンダ・カバーに配置されている１つ又は複数の入口弁をそれぞれ介して、シリンダ・ライナのシリンダの燃焼空間に送り込まれる。ここでは、シリンダ・ライナ下部の領域に掃気スロットを有するのではなく、しばしば、シリンダ・ライナの上のシリンダ・カバー内に配置された入口弁が装備されている２サイクル機関がよく知られている。
【０００５】
図１は、後に詳述する本発明をより良く理解するために、異なるコンポーネントの連携を説明するための概略図おいて、従来技術から既知の長手方向に掃気される低速運転大型ディーゼル機関の排ガス・ターボチャージャを有する排ガス・システムの原理的構造を示している。この長手方向に掃気される低速運転大型ディーゼル機関は、以下では全体として参照符号１’で参照される。
【０００６】
図２を参照すると、図１による長手方向に掃気される低速運転ディーゼル機関１’の最新の特定の実施例が概略的に示されている。図２では、排ガスの準備のために、排ガス・システムにおいて、混合管路を有する排ガス・リアクタが追加で設けられている。ここで、図２の特定の例では、排ガス・リアクタは、有害な窒素酸化物の還元のためのいわゆるＳＣＲリアクタ（選択的触媒還元リアクタ（Selective Catalytic Reduction reactor））であり、その原理的機能は、大型ディーゼル機関１’との連携において後に詳細に説明される。これは、本質的に、図２による大型ディーゼル機関１’がＳＣＲ排ガス触媒の形態の排ガス・リアクタを備えるのに対し、図１による、より単純な変形形態の場合は、排ガス・リアクタが設けられていないことによってのみ、図２による既知の大型ディーゼル機関１’が、図１に示す大型ディーゼル機関１’と完全に概要が異なることを意味する。
【０００７】
最新技術に関して本発明をより良好に差別化するために、最新技術から既知の例の特徴に関する参照符号は、それぞれ引用符を設けられるのに対し、本発明による特徴に関する参照符号には、引用符が付されていない。
【０００８】
大型ディーゼル機関１’は、それ自体既知の方式で、通常、シリンダ・カバー内に配置される出口弁３’を有する１つ又は通例は複数のシリンダ・ライナＺ’をしばしば備えるシリンダ・グループを備え、そのシリンダ・ライナＺ’には、ピストンＫ’が下死点位置ＵＴ’と上死点位置ＯＴ’の間で運動面に沿って前後に動けるように配置されている。シリンダ・カバーを備えるシリンダ・ライナＺ’のシリンダ壁及びピストンＫ’は、それ自体既知の方式で、シリンダ・ライナＺ’の燃焼空間２’を画定する。
【０００９】
明確にするために、１つのシリンダ・ライナＺ’のみが図１の例として示されている。実際には、例えば、図２による既知の大型ディーゼル機関１’のように、シリンダ・グループは通例、複数の、通常は多数のシリンダ・ライナＺ’を備えることが理解される。
【００１０】
シリンダ・ライナＺ’の下部の領域には、掃気スリットとして構成されている複数の掃気開口部９’が取り付けられている。ピストンＫ’の位置に応じて、掃気スリットはこのピストンによって覆われるか、又はこのピストンによって解放される。掃気開口部９’を介して、しばしば掃気とも称される充填空気８１’がシリンダ・ライナＺ’の燃焼空間２’に流入することができる。シリンダ・カバー内に配置された出口弁３’を通って、燃焼時に生じた排ガス５’は、開いた状態の出口弁３’を介して排ガス・ノズル４１’によりそれぞれの燃焼空間２’に流体連通して接続されている排ガス集合管４’を通って、排ガス・ターボチャージャとして構成されるアセンブリ・グループ７１’に流入する。本出願の枠組において、排ガス集合管４’及び排ガス・ノズル４１’は、定義上、排ガス集合ユニット４０’を形成する。
【００１１】
充填アセンブリ７１’の排ガス・ターボチャージャは、それ自体既知の方式で、重要な構成部品として、空気８０’の圧縮用のコンプレッサ・ベーン７１１’を有するコンプレッサと、コンプレッサ・ベーン７１１’を駆動するためのタービン・ロータ又はタービン・インペラ７１２’を有するタービンとを備え、コンプレッサ・ベーン７１１’は、シャフトによりそれ自体既知の方式でタービン・インペラ７１２’に作動的に固定して接続されている。タービン及びコンプレッサは、ハウジング内に配置され、こうして、しばしばラジアル・コンプレッサとして構成される排ガス・ターボチャージャを形成する。タービンは、それ自体既知の方式で、シリンダ・ライナＺ’の燃焼空間２’から流入する加熱された排ガス５’によって駆動される。ここで、排ガス５’は、最終的に、ターボチャージャを出た後の排気管（exhaust）として構成される排ガス路５１’を介して環境に放出される。
【００１２】
シリンダ・ライナＺ’の燃焼空間２’に充填空気８１’を送り込むために、コンプレッサ・インペラ７１１’を介して環境から空気８０’が吸入され、排ガス・ターボチャージャ内で圧縮される。排ガス・ターボチャージャから、圧縮された空気８０’が、排ガス・ターボチャージャの下流で切り換えられるディフューザ７２０’及び充填空気クーラ７３０’によって水分分離器７４０’を介してインレット・レシーバ７５０’に到達し、そのインレット・レシーバ７５０’から、圧縮された空気８０’は最終的に、充填空気８１’として、掃気スロットとして構成された掃気開口部９’を介して、高められた圧力でシリンダ・ライナＺ’の燃焼空間２’に到達する。
【００１３】
ますます厳しくなる排ガス規制に起因して、数年前から排ガスの品質に対する要求が絶えずますます厳しくなっており、限定ではないが特に、排ガス中の窒素酸化物の濃度も排ガス規制の焦点となっている。ここでは対応する排ガス限界値に対する法的基準値及び限界値がますます厳しくなっている。このことは、特に、大型ディーゼル機関の場合、有害物質により激しく汚染された従来の重油の燃焼が、そしてディーゼル油又は例えばガス等の他の燃料の燃焼もまた、ますます問題となるという結果をもたらす。なぜなら、排ガス限界値を遵守することがますます困難になり、技術的に面倒になり、ひいては高価になるか、又はそれどころか、その遵守が最終的にもはや合理的には不可能になることが危惧されるからである。
【００１４】
したがって実際にはしばらく前から、排ガス浄化、「排ガス触媒」というキー・ワード及び代替燃料に関して多大な努力が払われている。したがって、これは、付加的に又は代替的に、同じ理由から既に比較的長い間、いわゆる「二元燃料機関」、すなわち２つの異なる燃料により運転可能な機関に対する必要性が存在することを意味する。ガスモードでは、ガス、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ：liquefied natural gas）のような天然ガス、又は自動車ガスの形態のガス若しくは内燃機関を駆動するのに適切な異なるガスが燃焼されるのに対し、液体モードでは、適切な液体燃料、例えばガソリン、ディーゼル、重油又は異なる適切な液体燃料を同じ機関で燃焼することができる。この点に関して、この機関は２サイクル機関であっても４サイクル機関であってもよく、ここでこれらは、小型機関、中型機関及び大型機関であってもよく、特に、長手方向に掃気される２サイクル大型ディーゼル機関であってもよい。
【００１５】
こうして、本出願の枠組において、重油又はディーゼル燃料で運転可能な従来の２サイクル大型ディーゼル機関及び４サイクル大型ディーゼル機関に加えて、「大型ディーゼル機関」という用語は、燃料の自己着火によって特徴付けられるディーゼル運転モードの他に、燃料の外部点火によって特徴付けられるオットー運転モードでも運転可能であり、又はこれらの２つのモードの混合モードで運転可能である大型機関も指す。更に、大型ディーゼル機関という用語は、特に、いわゆる二元燃料機関も含み、且つ／又は異なる燃料による外部点火によって燃料の着火が開始されるような大型機関も含む。
【００１６】
液体モードでは、通常、燃料が噴射ノズルによってシリンダ・ライナの燃焼空間に直接送り込まれて、自己着火の原理によりそこで燃焼される。ガス運転モードでは、オットー原理に従って、ガス状態のガスが充填空気と混合され、これによりシリンダ・ライナの燃焼空間内に点火可能な混合気が生成されることが既知である。しばしば低圧方法とも称されるこのような動作モードの場合、シリンダ・ライナ内の混合気の点火は、通常、小量の液体燃料がシリンダ・ライナの燃焼空間又は予燃室内に正しい時点に導入され、これによりその後、空気とガスとの混合気の点火が引き起こされることによって行われる。二元燃料機関は、しばしば、運転中でもガス運転モードから液体運転モードへ、そしてその逆に切り替えることができる。
【００１７】
しかし、純粋なガス機関、すなわちガスでのみ運転可能であり、代替的に更にディーゼル、重油又は異なる燃料で運転可能でない機関にも需要がある。これは特に、労力及びコストにおける是認できる技術的要求では、ガスの燃焼によってのみ合理的に遵守することができるような高い排ガス基準が要求される場合であり、したがってこれは同様に、後で以下に述べる本発明の主題とすることができる。
【００１８】
二元燃料機関であるか、純粋なガス機関であるか、又はガソリン、ディーゼル、若しくは重油のような液体燃料により運転される機関であるか、又は上述した機関形式の混合形式であるかに関係なく、将来的には排ガスが環境に放出される前に排ガスを適切な設備及び方法によって浄化し、又はそれぞれ処理することが必須となる。
【００１９】
特に、排ガス中の窒素酸化物を還元するために、排ガス・リアクタ、特にいわゆる「ＳＣＲリアクタ」を使用することが既知である。
【００２０】
ここで、ＳＣＲという用語は、「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（選択的触媒還元）」という英語の略語であり、口語的には触媒と称されることができ、排ガス中の窒素酸化物を還元するものである。これは、例えば、プラチナ触媒の材料を備えた自動車の場合のようには機能せず、ＳＣＲリアクタの場合、触媒要素が例えばセラミック又は金属からなり、特殊な反応性被膜を備えている。ただし、還元反応は、あらかじめ排ガスが例えば、尿素又はアンモニアのような適切な化学物質と混合された場合にのみ、被膜と化合して発生し、尿素は排ガスの中で気化してアンモニアにならなければならない。
【００２１】
この混合及び気化に関しては、ＳＣＲリアクタへの進入前に、排ガス集合管とＳＣＲリアクタとの間に、排ガスとの反応材、例えば尿素の混合及び気化のための特定の最小長を有する混合管路の形態の混合経路を設けることが最新技術から既知である。この混合経路は特定の長さを有し、混合及び気化用の管として構成される。
【００２２】
例として、図２を参照して、ＳＣＲ排ガス・リアクタを有する最新の大型ディーゼル機関の特定の実施例が示される。図２は、単一のターボチャージャのみが設けられる場合の、最新技術から既知の、排ガス集合管、混合管路、ＳＣＲリアクタ及び充填アセンブリを有する大型ディーゼル機関を示している。ここで通常、特に、例えば、６個、８個、１０個、１２個又は更には１４個のシリンダ・ライナ等の非常に多くのシリンダ・ライナを有する大型ディーゼル機関の場合、複数の充填アセンブリ及び／又は複数の排ガス・リアクタが、関連するコンポーネント・アセンブリを設けられることが一般的である。
【００２３】
図２は、図１と対照的に、シリンダ・ライナＺ’ごとの排ガス・ノズル４１’及び共通の排ガス集合管４’及び排ガス・リアクタ６’、並びに、排ガス５’が、例えば尿素と混合され、尿素が排ガス５’中でアンモニアに気化される混合管路１２１’の形態の関連する混合経路１２’を備える排ガス集合ユニット４０’を有する既知の大型ディーゼル機関１を示す。複数の充填ユニット７’、７１’が設けられるとき、図２に示されていない排ガス分配管も更に設置することができ、これによって、排ガス・リアクタ６’から出る排ガス５’を、複数の充填ユニット７’、７１’に分配することができ、それによって別個の排ガス・リアクタ６’が充填ユニット７’、７１’ごとに個々に設けられる必要がなくなる。より最新の大型ディーゼル機関１’の場合、これらは最近、本出願人によって複数の特許出願において提案されているように、排ガス集合管４’及び／又は混合経路１２’及び／又は排ガス・リアクタ６’及び／又は排ガス分配管が１つ又は複数のコンポーネント・アセンブリにおいて組み合わされていることが更に可能であり、それによって、価値のある構築空間を節減することができ、振動荷重、及び全ての種類の振動に対する、より高い機械的安定性を達成することができるのみでなく、排気経路の長さの低減によって排ガス・システムにおいて不要な圧力損失も回避することができ、これによって、充填ユニット７’、７１’の効率性、及び最終的に、このようにして、大型ディーゼル機関１’の効率性も全体として増大させることができる。
【００２４】
排ガスの純粋性に密に関係する問題は、最終的に、当然ながら燃料の理想的な燃焼でもあり、これはひいては、燃焼空間における燃焼プロセスのために利用可能にされる燃料の量に対する、シリンダ・ライナの燃焼空間において燃焼のために利用可能にされる充填空気の量の比に連結される。
【００２５】
最新技術から既知の低速運転大型ディーゼル機関の場合、シリンダ・ライナにおける燃料に対する掃気の量の比を、適切なルックアップ・テーブルを粗い方式で活用して、充填空気の圧力、及び燃料噴射ノズルの開放持続時間から決定することができる。ここで、充填空気の単位圧力（specific pressure）は、大型ディーゼル機関の平均有効圧と回転速度との関数である。ルックアップ・テーブルは、実験室条件下で得られた測定データから、且つ／又は異なる回転速度及び／若しくは異なる運転状態における負荷等の異なる運転状態を考慮に入れ、且つ／又は充填空気の圧力を検討し、且つ／又は、例えば、ガソリン、ディーゼル若しくは重油のような異なる燃料品質及び／若しくは燃料種類を検討して、本質的に手作業で生成される。
【００２６】
大型ディーゼル機関の運転状態において、充填空気に対する燃料の量の比は、通常、全てのシリンダについて同じ時点で決定され、次に、ルックアップ・テーブルにおいて検討されている現在のパラメータの検討時に設定され、運転状態において適切なセンサを用いて少なくとも部分的に測定することができ、これにより、行程ごとにシリンダ・ライナの燃焼区間に利用可能にされる燃料の量が、相応して適応される。例えば大型ディーゼル機関の回転速度のような特定の動作条件について充填空気の量が本質的に決定されるとき、最新技術における充填空気に対する燃料の量の比の設定は、しばしば、より長い噴射時間の場合、相応して燃焼行程あたりより多くの燃料が注入され、且つ／又はより短い噴射時間の場合、相応してより少ない燃料が注入されるように、燃料噴射ノズルの開放時間が相応して制御されることによって行われる。
【００２７】
大型ディーゼル機関の場合の、燃料に対する充填空気の量の比を設定するためのこの既知の制御方法の不利な点は、完全に明白である。この制御方法は、基礎をなす調整プロセスに関して閉ループ制御ではなく、開ループ制御であるため、この制御による、量の比の新たな設定に対するフィードバックを検討することができない。これは、量の比の上述した設定の前に多かれ少なかれ自発的に生じ、様々な理由から、ルックアップ・テーブルにおいて検討されておらず、且つ／又は更にはルックアップ・テーブルにおいて事前に検討することができない運転パラメータ又は状態パラメータの変化、例えば、充填空気の圧力又は温度の自発的な変化、又は燃焼中のパラメータの変化、充填空気の湿度の変化、又は品質、例えば、運転材料燃料、潤滑剤等の化学的又は物理的特性の偏りによりもたらされる変化によってもたらされる調整と対照的である。
【００２８】
ここで、燃焼挙動に影響を有する可能性があり、このため、燃料に対する充填空気の量の比に影響を及ぼす可能性がある、複数の更なる要因が当業者に既知である。
【００２９】
高速運転の小型機関の場合、すなわち、例えば、自動車、オートバイ又はスピードボートのためのレース用機関に関して、１０００ｒｐｍ（回転／分）から最大で６０００ｒｐｍ、又は更には最大で１２０００ｒｐｍの回転速度を有し、通常、数百立方センチメートル（ｃｃｍ）の比較的小さな機関サイズを有する２サイクル又は４サイクルのオットー機関又はディーゼル機関の場合、問題は通常、いわゆるラムダ・プローブの使用を通じて、本質的に既に解決されている。
【００３０】
上述した、小型の高速実行機関の場合、ラムダ・プローブは通常、大型ディーゼル機関の場合の排ガス集合管に対応する排ガス・マニフォールド内に配置されるか、又は排ガス・マニフォールドの下流に配置され、排気管に導く、集合管内に配置される。ここで、ラムダ・プローブは、排ガス・マニフォールドに接続された全てのシリンダについて、機関の複数の回転にわたって平均化された方式で排ガス内の酸素の残量を測定し、これを、機関内の燃料の燃焼のために用いられる大気の現在の酸素量と比較する。ここから、燃料に対する燃焼空気の理想的な比が決定され、相応して、燃焼空気の供給及び／又は燃料の量を恒久的に同時に全てのシリンダについて同じ値に調整することによって、この比が調整される。
【００３１】
高速運転小型機関の場合、全ての関連プロセスが高速であり、大型ディーゼル機関における比較的小さな寸法に起因して、狭い限られた空間に対し影響を有するため、全てのシリンダにわたって、且つ更に機関の複数の速度回転にわたって排ガス内の酸素量の一部分の平均をとることで完全に十分である。更に、小型の高速運転機関の場合、燃料は通常、燃焼空気内の中心に、典型的には、全てのシリンダについて同じ時点で導入され、このため、燃料に対する充填空気の量の比の調整は、ラムダ・プローブの評価時に、全てのシリンダについて同時に行われる。個々のシリンダの燃焼挙動及び／又は全てのシリンダの平均燃焼挙動が、高速運転機関の少ない数の回転について決定され、技術的観点から組成全体が決定され、このようにして排ガスにおける酸素の残量も決定される。特定の燃焼行程中の個々のシリンダにおけるプロセスは、別個に測定することもできず、これらが独自に検討されるとき、技術的な意味で機関の理想的な動作に関連してもいない。
【００３２】
大型ディーゼル機関の場合、これらの機関の巨大な構築サイズに起因して、比は通常、既に異なっている。
【００３３】
各シリンダ・ライナは、数立方メートルのシリンダ空間を有することができ、例えば、１ｍの直径及び２．５ｍのストロークのシリンダ・ボアの場合、最大８立方メートルの巨大なシリンダ空間を有することができる。このため、これらの機関はまた、相応して低速に運転する。このため、例えば、典型的には、２５０ｒｐｍ又は３００ｒｐｍの回転の最大速度が一般的である。更に、シリンダ・ライナは通常、最初に説明したように、熱の観点から互いに分離されており、各シリンダ・ライナは、最新の大型ディーゼル機関の場合、他のシリンダ・ライナから独立して制御することができる燃料噴射、バルブ制御及びシリンダ潤滑を有する。更に、異なる機関について異なるシリンダ・ライナがしばしば用いられ、それによって、通常、異なるシリンダ・ライナのピストン、ピストン・リング、シリンダ運転面等の関連部分が、実際に異なる摩耗状態を呈し、それによって、概ね同じ条件であっても、例えば、２つのシリンダ・ライナ間で異なる燃焼圧力又は燃焼温度を設定することができ、こうして全体として異なる燃焼挙動を有する。
【００３４】
このようにして、高速運転小型機関において長期間にわたって確立されたような、ラムダ・プローブを用いた調整の上記で説明した概念は、通常、大型ディーゼル機関の場合、燃料に対する充填空気の量の比の調整のための選択肢ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
このため、この最新技術から開始して、本発明の目的は、低速運転大型ディーゼル機関及び／又はそのような大型ディーゼル機関、特に、低速運転の長手方向に掃気される２サイクル大型ディーゼル機関又は４サイクルディーゼル機関の運転のための改善された方法を利用可能にすることである。この方法において、各シリンダ・ライナにおいて別個に、燃料に対する充填空気の量の理想的な比を信頼性のある方式で設定することが可能であるべきである。本発明の更なる目的は、往復動ピストン内燃機関、特に２サイクル大型ディーゼル機関を利用可能にすることであり、これによって、相当する負荷に対し燃料を節減することができ、これによって、排ガス放出を全体として低減することができる。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
これらの目的を満たす本発明の主題は、独立請求項の特徴によって特徴付けられる。
【００３７】
従属請求項は、本発明の特に有利な実施例に関する。
【００３８】
このため、本発明は、燃焼空間と、この燃焼空間に関連付けられた出口弁とを有するシリンダ・ライナを備える低速運転大型ディーゼル機関の運転方法に関する。シリンダ・ライナの燃焼空間は、排ガス・ノズル及び排ガス集合管を備える排ガス集合ユニットに流体連通して接続され、運転状態において、燃料及び充填空気の燃焼時に形成される排ガスが、それぞれに関連付けられた出口弁及びそれぞれに関連付けられた排ガス・ノズルを介して排ガス集合管に供給される。更に、空気の圧縮のための充填アセンブリを備える充填ユニットが設けられ、この充填ユニットに、排ガス集合管からの排ガスが供給され、充填アセンブリによって圧縮された空気が、充填空気として各シリンダにそれぞれ関連付けられた掃気開口部を介してシリンダ・ライナに導入される。本発明によれば、排ガス集合ユニットは排ガス・プローブを備え、この排ガス・プローブによって、排ガスの組成のパラメータが決定され、燃料に対する充填空気の量の比がこのパラメータに応じて設定される。
【００３９】
このため、排ガス集合ユニットが排ガス・プローブを備え、この排ガス・プローブを用いて排ガスの組成のパラメータが決定され、燃焼空間内のパラメータに依拠して、燃料の量に対する充填空気の量の、量の比が設定されることが本発明にとって重要である。
【００４０】
最新技術からこれまで既知であるような、低速運転大型ディーゼル機関の場合の、純粋に統計的ルックアップ・テーブルによる、シリンダ・ライナの燃焼空間における燃料に対する充填空気の量の比を設定する柔軟性のない統計的概念を、本発明によって、新規の革新的な概念と置き換えることができることが初めて可能となる。この新規の革新的な概念は、シリンダ・ライナ内の燃料に対する充填空気の量の比を、シリンダ・ライナの燃焼空間内に実際に存在する条件に適合させ、且つ／又はこれを実際の現在存在する運転条件に適合させ、且つ／又はこれを、特定の燃焼に対して決定的な実際のパラメータに適合させることを初めて可能にする。本発明によれば、これは、所定の時間スキームに従って、例えば連続して又は所定の測定間隔で、排ガス・プローブによって排ガスの現在の組成がそれぞれ繰返し新たに決定されることによって行われ、それによって、排ガス・プローブの測定結果の連続評価によって、燃料に対する充填空気の量の比を、燃焼空間内の燃焼条件の各変化に対して理想的には動的に設定することができる。
【００４１】
本発明は、上記で説明された小型の高速運転機関と対照的に、低速運転大型ディーゼル機関の個々のシリンダ・ライナが、数百回転／分（ｒｐｍ）の非常に低い回転速度で運転され、連続運転モードでは、通常、更に、僅か約１００ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍで運転され、更に、フル負荷の運転モードでは、２５０ｒｐｍ以下で運転され、またこれらは、通常、より高い回転速度では動作可能でなく、また、個々のシリンダ・ライナの排ガス放出は、比較的低速に測定する、例えば、５ｍｓ以上の範囲の応答時間を有する排ガス・プローブを用いて、例えば、広スペクトルのラムダ・プローブの形態の既知の排ガス・フレームを用いて別個に決定することができるという認識に最終的に基づく。
【００４２】
大型ディーゼル機関の個々のシリンダ・ライナが、当然ながらクランクシャフトにより互いに実際に機械的に結合され、他方で、多かれ少なかれ熱的に切り離され、個々のシリンダ・ライナ、及びシリンダ運転面、ピストン、ピストン・リング等のそれらのコンポーネントも、例えば、異なる時点で交換又はメンテナンスされなくてはならないために、しばしば異なる摩耗状態を呈し、それによって、別様では熱力学的に比較可能な条件の場合であっても、燃焼プロセスが、全く同じ大型ディーゼル機関における２つの異なるシリンダ・ライナについて大幅に異なるコースを辿り得ることが本質的な更なる基準であると認識された。これは、中でも上述したことから、一般的な適用事例でさえある。これによって、全てのシリンダ・ライナにわたって平均化された排ガス量の共通評価は、これが通常、専ら小型の高速運転機関についてのみ実行可能であり、少なくとも、小型機関のシリンダの完全な熱結合に起因するのではなく、小型の高速運転機関の場合に一般的に常に比較可能な摩耗状態に起因して、小型機関の場合にのみ意味を成し、大型ディーゼル機関の場合には、厳密に意味を成さず、上述した理由から、使用不可能な測定結果をもたらす。
【００４３】
これは、有利には、異なる測定プロセスのみが用いられるとき、例えば、既知のラムダ・プローブ等の、自動車の分野又は小型船舶機関の分野からそれ自体既知の排ガス・プローブも、低速運転大型ディーゼル機関のために利用することができることが、本発明の本質的な認識であることを意味する。これは、小型の高速運転機関の場合に用いられるものと大幅に異なる測定プロセスが用いられることを意味する。
【００４４】
このため、燃料に対する充填空気の量の比の調整が、例えば既知のラムダ・等の排ガスセンサによって合理的な方式で可能でないという広く流布した技術的偏見は、本発明によって遂に初めて反証された。
【００４５】
実際には、本発明による方法は、低速運転大型ディーゼル機関によって実行され、ここで、大型ディーゼル機関は、運転状態において、排ガスを各燃焼機関から排ガス集合管に供給することができるように、燃焼空間が、それぞれ関連付けられた出口弁を介して排ガス集合管にそれぞれ流体連通して接続された複数のシリンダ・ライナを備える。
【００４６】
特に好ましくは、排ガス・プローブは、本発明による方法に関して別個に、シリンダ・ライナごとに排ガスの組成のパラメータを決定し、且つ／又は、排ガスの組成のパラメータは、排ガス・プローブの測定データからシリンダ・ライナごとに別個に決定することができ、それによって、燃焼に対する充填空気の量の理想的な比を、パラメータと独立して個々のシリンダ・ライナについて別個に且つ個々に設定することができる。
【００４７】
ここで、排ガス・プローブは、実際に特に有利な方式において、シリンダ・ライナに直接配置され、且つ／又はシリンダ・ライナの排ガス・ノズル内に配置され、特に、大型ディーゼル機関の複数の排ガス・ノズル又は全ての排ガス・ノズルに設けられ、それによって、排ガス・プローブは、本質的に、この排ガス・プローブが配置された、対応する排ガス・ノズルが関連付けられるシリンダ・ライナの燃焼空間からの排ガス放出のみを測定する。一方、ここで、排ガス・プローブが排ガス集合管に設けられることも可能であり、特に、複数の排ガス・ノズルが排ガス集合管に設けられることも可能である。
【００４８】
ここで、排ガスのパラメータは、１つ又は複数の排ガス・プローブによって決定され、これは、例えば、排気集合管及び／又は排ガス・ノズル内に設けることができ、パラメータは、例えばデータ処理設備においてプログラム及び／又は格納された較正値と比較され、較正値との比較から、所定のシリンダ・ライナについて排ガスの組成が、好ましくは特に全てのシリンダ・ライナについて又は複数のシリンダ・ライナについて個々に且つ別個に求められ、燃料に対する充填空気の量の比を、所定のシリンダの燃焼空間について別個に設定することができる。
【００４９】
ここで、所定の時間スキームに従って、例えばほぼ連続して若しくは概ね周期的に生じる時間間隔で、又は異なる適切な時間スキームに従って排ガス・プローブによって、パラメータを繰返し新たに決定することができ、このパラメータに依拠して、より詳細には、ルックアップ・テーブルを更に用いることに依拠して、燃焼空間において、燃料に対する充填空気の量の比が設定され、且つ／又は更新方式で調整される。
【００５０】
詳細は抜きにして、当業者は、ルックアップ・テーブルが、例えば、用いられる燃料若しくは用いられる潤滑剤に関する情報、若しくは例えば、電力、シリンダ・ライナ数等の大型ディーゼル機関に関する情報等の更なる必要なデータを含むことができるか、又は燃料に対する充填空気の量の理想的な比の決定に有利な任意の他の適切な情報を含むことができることを理解する。更に、また充填空気の温度、圧力若しくは湿度等の更なる関連測定データ、大型ディーゼル機関の回転速度若しくは現在の負荷、又は任意の他の適切な動作パラメータを、燃料に対する充填空気の量の理想的な比を決定するために引き出すことができ、ここで、上記で述べた追加の関連パラメータの決定のために、これらのパラメータの検出に適したセンサも、それ自体が既知の方式で大型ディーゼル機関の適切な点において提供することもできる。
【００５１】
実際に、排ガス・プローブによって決定されるパラメータは、特に有利には、排ガスの酸素の残量であり、排ガス・プローブは、これに応じて、排ガス内の酸素の残量を決定する。ここで、排ガス・プローブは、特に好ましくは、それ自体が既知のラムダ・プローブであり、特に、広スペクトルのラムダ・プローブである。
【００５２】
ここで、燃料に対する充填空気の量の比は、例えば、燃焼空間に供給される充填空気の量の調整によって調整することができる。シリンダ・ライナに導入される充填空気の量の調整のための方策は、当業者に既知である。このため、掃気スリットにおいて、又はターボチャージャからの若しくはターボチャージャへの供給路若しくは燃焼空間に供給される充填空気の量を調整するための他の一般的に知られた構築方策において、例えば、適切な調整可能なバルブ又はフラップを設けることができる。
【００５３】
また、燃焼空間に供給される燃料の量を調整することによって、燃料に対する充填空気の量の比を設定することも当然可能である。この調整において、導入、例えば噴射ノズルによる燃焼空間への燃料の噴射の持続時間が、相応して調整されるか、又はガス機関の場合、燃焼空間内に流れ込む燃焼ガスの圧力が相応して調整されるか、若しくは燃焼空間に導入される燃料の量を調整するための異なる適切な方策が決定される。これらは当業者に既知であるため、この事例において詳細に検討される必要がない。
【００５４】
当然ながら、燃料の量、及び燃焼空間に導入される燃料の量の双方を、同時に適切な方式で設定及び／又は調整することも可能である。
【００５５】
ここで、大型ディーゼル機関は、最大３００ｒｐｍ、より詳細には、１０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの最大回転速度で、好ましくは、３０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍの最大回転速度で運転され、且つ／又は、１０ｍｓ未満の応答時間、より詳細には２ｍｓ〜１０ｍｓの応答時間を有する排ガス・プローブ、特に、約５ｍｓの応答時間を有する排ガス・プローブが用いられる。大型ディーゼル機関の回転が低速であるほど、且つ／又は排ガス・プローブの応答時間、すなわち、排ガス・プローブが信頼性のある測定を実行するために必要な時間が短いほど、燃料に対する充填空気の量の理想的な比の設定及び／又は調整は、それぞれより良好に／より精密に行うことができることが理解される。
【００５６】
本発明は、低速運転大型ディーゼル機関、特に、本発明の方法を実行するための、長手方向に掃気される２サイクル又は４サイクルの大型ディーゼル機関に関し、排ガス・プローブ、特に、排ガスの酸素の残量の測定のための排ガス・プローブが排ガス集合ユニットに設けられ、より詳細には、大型ディーゼル機関の排ガス・ノズル及び／又は排ガス集合管に設けられる。
【００５７】
ここで、大型ディーゼル機関は、実際には、好ましくは最大で３００ｒｐｍ、より詳細には、７０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの最大回転速度で運転され、好ましくは、８０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍの最大回転速度で運転することができ、且つ／又は排ガス・プローブは、１０ｍｓ未満の応答時間を有し、より詳細には、２ｍｓ〜１０ｍｓの応答時間を有し、特に、約５ｍｓの応答時間を有する。
【００５８】
本発明は、図面を参照して以下で詳細に説明される。概略的な図が示される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】最新技術から既知の長手方向に掃気される２サイクル大型ディーゼル機関を概略的に示す。
【図２】排ガスの準備のためのＳＣＲリアクタを有する更なる既知の大型ディーゼル機関である。
【図３】本発明による、排ガスの準備のためのＳＣＲリアクタを有する２サイクル大型ディーゼル機関の一実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１及び図２は、導入部において既に詳細に説明された最新技術からの実例に関するものであるため、この箇所で再び論考する必要はない。
【００６１】
以下で全体が参照される、本発明による往復動ピストン内燃機関は、特に、例えば、広く普及した方式での船舶の構築において用いられるような長手方向の掃気を有する低速運転の２サイクル又は４サイクル大型ディーゼル機関として構成される。
【００６２】
図３は、重油を燃料として運転される低速運転の長手方向に掃気する２サイクル大型ディーゼル機関１の形態の、本発明による大型ディーゼル機関１の特定の実施例を示す。ここで、図３による大型ディーゼル機関１は、窒素酸化物の還元のためにＳＣＲリアクタ６を既に装備している特に最新の例である。
【００６３】
本発明による低速運転大型ディーゼル機関は、必ずしも、排ガス触媒を装備している必要はないことが理解される。本発明は当然ながら、全ての形式の低速運転大型ディーゼル機関にも関する。これは、２サイクル大型ディーゼル機関及び４サイクル大型ディーゼル機関の双方、並びに、代替的に又は同時に、２つの異なる種類の燃料で、例えば重油又はディーゼル油で、及びガスで運転することができるいわゆる二元燃料機関のような、重油、ディーゼル、ガス、又は異なる適切な燃料で運転される大型ディーゼル機関、並びに、当業者に既知の全ての他の形式の低速運転大型ディーゼル機関を意味する。
【００６４】
図３の低速運転の長手方向に掃気される２サイクル大型ディーゼル機関１は、それ自体が既知の方式で、燃焼空間２と、燃焼空間２に関連付けられた出口弁３を有するシリンダ・ライナＺを備え、シリンダ・ライナＺの燃焼空間２は、排ガス集合ユニット４０に接続され、排ガス集合ユニット４０は、運転状態において燃料Ｆ及び充填空気８１の燃焼時に形成される排ガス５がシリンダ・ライナＺの燃焼空間２からそれぞれ関連付けられた出口弁３及びそれぞれ関連付けられた排ガス・ノズル４１を介して排ガス集合管４に供給され得るように流体連通された排ガス・ノズル４１及び排ガス集合管４を備える。ここで、図３のかなり最新の特定の大型ディーゼル機関は、排ガス５における有毒な窒素酸化物の還元のために、それ自体が既知のＳＣＲリアクタである排ガス・リアクタ６の形態の排ガス準備ユニットを有する。排ガス５は、排ガス集合管４から、混合経路１２として構成された混合管１２１を介して排ガス・リアクタ６に到達し、そこから排ガス分配器１０の２つの充填アセンブリ７１の２つのターボチャージャに分配される。充填ユニット７は、充填アセンブリ７１のターボチャージャによって運転状態の環境から吸引される空気８０の圧縮のための充填アセンブリ７１を備える。ここで、充填アセンブリ７１によって圧縮される空気８０は、それぞれ各シリンダ・ライナＺに関連付けられた図３の不可視の掃気開口部を介してシリンダ・ライナＺに導入される。本発明によれば、排ガス集合ユニット４０は、排ガス・ノズル４１内及び排ガス集合管４内の双方に配置された排ガス・プローブ９を含み、この排ガス・プローブによって、排ガス５の組成のパラメータ、この実例では、排ガス５内の酸素の残量が決定され、それによって、パラメータに依拠して、燃料Ｆに対する充填空気８１の量の比Ｌを、運転状態の燃焼空間２において理想的に設定することができる。
【００６５】
当業者は、本発明が明示的に検討された実施例に限定されるのではなく、対応する更なる展開も同様に本発明によってカバーされることを理解する。特に、本発明は、当然ながら、論考される特定の実施例の全ての適切な組み合わせに関係する。
【符号の説明】
【００６６】
１  大型ディーゼル機関
２  燃焼空間
３  出口弁
４  排ガス集合管
５  排ガス
６  ＳＣＲリアクタ／排ガス・リアクタ
７  充填ユニット
９  排ガス・プローブ
４０  排ガス集合ユニット
４１  排ガス・ノズル
７１  充填ユニット／充填アセンブリ
８０  空気
８１  充填空気
Ｆ  燃料
Ｌ  量の比
Ｚ  シリンダ・ライナ／シリンダ
【図１】
2017075599.tif 000003
【図２】
2017075599.tif 000004
【図３】
2017075599.tif 000005