(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の燃料で運転され、運転中に前記所与の燃料を吸気と共に燃焼することで排気を生成するように構成される内燃機関であって、
・  制御部と；
・  排気中の第１の排気成分の濃度を検出するように構成されるセンサと；
・  前記排気中のリファレンスガスであって酸素又は二酸化炭素であるリファレンスガスの濃度を検出するように構成されるセンサと；
を備え、前記制御部は、
・  吸排気間のリファレンスガスの濃度差を決定し、
・  検出した前記第１の排気成分の濃度の関数及び前記決定した濃度差の関数として、前記第１の排気成分の平均排出量を決定する、
ように構成される、機関。
【請求項２】
前記制御部は、吸気湿度の関数として前記吸気中のリファレンスガス濃度を決定するように構成される、請求項１に記載の機関。
【請求項３】
前記制御部は、前記機関の瞬間燃料効率を決定するように構成され、
更に前記制御部は、決定した瞬間燃料効率を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するための因子として使用するように構成される、
請求項１又は２に記載の機関。
【請求項４】
瞬間的な運転条件に基づいて瞬間燃料効率を決定するために、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズム及び／又は前記機関のコンピュータモデルが前記制御部に提供される、請求項３に記載の機関。
【請求項５】
前記制御部は、前記所与の燃料に関する燃料因子を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するために使用するように構成される、請求項１から４のいずれかに記載の機関。
【請求項６】
前記制御部は、排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、前記決定した濃度差と調整因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定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。
【請求項７】
前記調整因子は、前記制御部によって決定された前記機関の瞬間燃料効率を含む、請求項６に記載の機関。
【請求項８】
前記調整因子は、前記所与の燃料に関連する燃料因子を含む、請求項６又は７に記載の機関。
【請求項９】
前記制御部は、前記排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、前記決定した濃度差と、前記制御部によって決定された前記機関の瞬間燃料効率と、前記所与の燃料に関連する燃料因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定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。
【請求項１０】
前記第１の排気成分は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、メタン、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、粒子状物質（ＰＭ）、粒子数（ＰＮ）、黒色炭素（ＢＣ）のいずれかである、請求項１から９のいずれかに記載の機関。
【請求項１１】
前記第１の排気成分は窒素酸化物（ＮＯｘ）であり、前記機関は前記制御部の制御下で動作するように構成され、前記制御部は、前記機関の動作を、決定した平均ＮＯｘ排出量の関数として制御するように構成される、請求項１から１０のいずれかに記載の機関。
【請求項１２】
前記第１の排気成分は窒素酸化物（ＮＯｘ）であり、前記機関は前記制御部の制御下で動作するように構成されるＮＯｘ処理システムを備え、前記制御部は、前記ＮＯｘ処理システムの動作を、決定した平均ＮＯｘ排出量の関数として制御するように構成される、請求項１から１１のいずれかに記載の機関。
【請求項１３】
前記ＮＯｘ処理システムは排気に還元剤を投入するように構成され、
排気に投入される還元剤の量は、決定した平均ＮＯｘ排出量の関数として前記制御部によって制御される、
請求項１２記載の機関。
【請求項１４】
排気を生成する内燃機関の第１の排気成分の平均排出量を決定する方法であって、
・  前記排気中の第１の排気成分の濃度を検出することと；
・  前記排気中のリファレンスガスであって、酸素又は二酸化炭素であるリファレンスガスの濃度を検出することと；
・  吸排間のリファレンスガスの濃度の差を決定することと；
・  検出した前記第１の排気成分の濃度の関数及び前記決定した濃度差の関数として、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することと；
を含む、方法。
【請求項１５】
吸気の湿度の関数として前記吸気中のリファレンスガス濃度を決定することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記機関の瞬間燃料効率を決定することと、決定した瞬間燃料効率を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するための因子として使用することとを含む、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
瞬間的な運転条件に基づいて瞬間燃料効率を決定するために、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズム及び／又は前記機関のコンピュータモデルを使用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記機関は所与の燃料で運転され、前記所与の燃料に関する燃料因子を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するために使用することを含む、請求項１４から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、前記決定した濃度差と調整因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することを含む、請求項１４から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記調整因子は、前記制御部によって決定された前記機関の瞬間燃料効率を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記調整因子は、所与の燃料に関連する燃料因子を含む、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、前記決定した濃度差と、前記制御部によって決定された前記機関の瞬間燃料効率と、所与の燃料に関連する燃料因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することを含む、請求項１４から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の排気成分は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、メタン、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、粒子状物質（ＰＭ）、粒子数（ＰＮ）、黒色炭素（ＢＣ）のいずれかである、請求項１４から２２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の開示は、所与の燃料を空気と一緒に燃焼して排気を生成するように動作する内燃機関に関し、より詳細には、クロスヘッド式大型２ストロークユニフロー掃気内燃機関に関する。
【背景】
【０００２】
クロスヘッド式大型２ストロークユニフロー掃気内燃機関は、例えば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用いられる。この大型２ストロークエンジンのサイズは巨大である。サイズが巨大であることだけが理由ではないが、この大型２ストロークエンジンは、他の内燃機関とは異なる構造を有する。
【０００３】
ターボ過給式大型２ストロークユニフロー掃気内燃機関は、厳しくなる排出規則に晒されている。これらの排出規則を満たす技術開発は速いペースで行われており、よりクリーンな燃料や、改良された燃料噴射システムを用いるように変えられたり、選択式触媒還元システムのような排気処理システムを追加するなどが行われてきた。上記の機関についての排出規則は、平均排出レベル（specific emission levels）として平均排出量を定義している。すなわち、機関の軸におけるキロワット時単位で、排気中に生成される最大質量によって排出レベルが制限されているこのためこれらの排出制限は、実質制限又は対出力比制限 （brake specific limits）とも呼ばれている。
【０００４】
また実際には、この制限は、Total weighted cycle emission limit (g/kWh)の形で実装されている。この制限は例えば、国際海事機関（International Maritime Organization, IMO）によって課せられている。制限が課せられている排気成分の例は、窒素酸化物（NOx）である。
【０００５】
船舶の主動力源等として動作している大型２ストローク内燃機関の排気中のNOx濃度を（例えばPPM単位で）測定することは、比較的簡単である。しかし、測定した排気中NOx濃度を上記のg/kWhの値に変換することは、機関がテストベッドにないときは、困難な作業である。このため実際には、大型２ストローク内燃機関は、水ブレーキ（water brake）に接続されたテストベッド環境で、排出に関してテストされている。水ブレーキからのトルクやスピードの情報は、機関軸に伝達される出力についての正確な情報である。このような情報は、機関が船舶の主動力源として使われている時には得ることができない。
【０００６】
このため、既存の大型２ストローク機関は工場試験では認証されているものの、NOx規則の準拠については一度しか証明されていない。そして船舶や機関は、NOxに関する部品やNOxに影響する機関チューニングが変更されていないと証明されれば、NOx規則に準拠しているとされる。このモデルは、チューニングが一度だけ行われ、そのチューニングが正しいままで保たれる機関については、適切である。
【０００７】
IMO Tier IIIのNOx規則では、NOx低減技術が、機関のチューニングだけで可能となるよりも、実質的に低いNOx排出量を実現することを要求している。NOx低減システムが工場試験で規則の準拠を一度だけ証明すればよいのか、NOx排出量の連続測定に基づいてNOx量を連続的にモニターしたり閉ループ制御したりするかどうかはまだ決まっていない。
【０００８】
しかし、機関の使用中に、平均NOx排出量（specific NOx emissions）を測定する簡単な公定法（official method）は存在しない。機関の運転中に平均排出量（specific emissions）の法定要件を満たしているかどうかを決定することができないことは問題である。というのも、機関の製造業者は、法定制限を満たすように機関の運転状態を最適化したいと考えるだろうし、排気処理システムを最適化したいと考えるだろうからである。しかし、法定制限が平均排出量で定義されていて、運転中の測定からは排気中の濃度しか判らないことから、これは不可能である。
【０００９】
規則の準拠に関して他に考えなければいけないことは、（例えば選択式触媒還元処理中のNOxを低減するための）排気処理システムは、尿素のような還元剤を排気中に混合する必要があることである。現在ではこれはフィードフォワード式で行われているが、この方式では還元剤の投与量の最適レベルからの著しい逸脱が生じることがある。これは例えば、還元剤ポンプの設置位置が様々であったり、配管によって還元剤の流量が異なってしまったりすることによる。このため、機関の運転中に選択式還元処理の効率を監視することができれば有益である。
【００１０】
特開平１０−１３１７８９号公報は、空燃比を制御するために酸素センサとNOxセンサを使用するオットーサイクル機関を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１３１７８９号公報
【摘要】
【００１２】
本発明の目的の一つは、上述の課題を解決するか少なくとも緩和するシステムを提供することである。
【００１３】
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。更なる実装形態は、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。
【００１４】
第１の側面によれば、内燃機関が提供される。この機関は所与の燃料で運転され、運転中に前記所与の燃料を吸気と共に燃焼することで排気を生成するように構成される。この機関は、
・  制御部と；
・  排気中の第１の排気成分の濃度を検出するように構成されるセンサと；
・  排気中のリファレンスガスであって酸素又は二酸化炭素であるリファレンスガスの濃度を検出するように構成されるセンサと；
を備え、前記制御部は、
・  吸排気間のリファレンスガスの濃度の差を決定し、
・  検出した前記第１の排気成分の濃度の関数及び決定した吸排気間リファレンスガス濃度差の関数として、前記第１の排気成分の平均排出量を決定する、
ように構成される。
【００１５】
排気中の第１の排気成分の濃度を測定し、吸排気間のリファレンスガスの濃度の差を決定し、この情報を、機関で使用される燃料のタイプ及び機関の（瞬間）燃料効率と関係させることで、機関で生成される第１の排気成分の排出量の正確な推定をキロワット時単位で得ることができる。このため、排気流量を知らなくとも、又は排気成分を完全に知らなくとも、第１の排気成分の平均排出量を計算することが可能となる。
【００１６】
これは、酸素減少量（又は二酸化炭素増加量）がエネルギー消費に直接比例するという洞察によって可能となった。  燃料熱量単位あたりの酸素消費量は、多くの燃料でほぼ同一である。しかし好ましくは、機関は、機関で実際に使用されている燃料の特性を考慮に入れるように構成されることが好ましい。二酸化炭素の増加に関して、計算は、使用される燃料のタイプに敏感である。リファレンスガスとして二酸化炭素が使用される場合、燃料のタイプに応じた補償因子が決定される必要がある。
【００１７】
従って、燃料の性質を知ること、及び酸素減少量（又は二酸化炭素増加量）を知ることによって、エネルギー消費量の正確な推定を計算することが可能になる。前記制御部は、生成されるエネルギーを正確に計算するために、機関の燃料効率を計算因子として使用する。実施形態によっては、瞬間的な運転条件の下で機関の燃料効率を決定するために、前記制御部にルックアップテーブル、アルゴリズム、機関のコンピュータモデルのいずれかが提供される。
【００１８】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記制御部は、吸気の湿度の関数として吸気中のリファレンスガス濃度を決定するように構成される。
【００１９】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記制御部は、機関の瞬間燃料効率を決定するように構成され、
【００２０】
更に前記制御部は、決定した瞬間燃料効率を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するための因子として使用するように構成される。
【００２１】
前記第１の側面の実装形態の一例において、瞬間的な運転条件に基づいて瞬間燃料効率を決定するために、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズム及び／又は機関のコンピュータモデルが前記制御部に提供される。
【００２２】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記制御部は、前記所与の燃料に関する燃料因子を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するために使用するように構成される。
【００２３】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記制御部は、排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、決定した吸排気間リファレンスガス濃度差と調整因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するように構成される。
【００２４】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記調整因子は、前記制御部によって決定された機関の瞬間燃料効率を含む。
【００２５】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記調整因子は、前記所与の燃料に関連する燃料因子を含む。
【００２６】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記制御部は、排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、決定した吸排気間リファレンスガス濃度差と、前記制御部によって決定された機関の瞬間燃料効率と、前記所与の燃料に関連する燃料因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するように構成される。
【００２７】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記第１の排気成分は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、メタン、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、粒子状物質（PM）、粒子数（PN）、黒色炭素（BC）のいずれかである。
【００２８】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記第１の排気成分は窒素酸化物（NOx）であり、前記機関は前記制御部の制御下で動作するように構成され、前記制御部は、前記機関の動作を、決定した平均NOx排出量の関数として制御するように構成される。
【００２９】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記第１の排気成分は窒素酸化物（NOx）であり、前記機関は前記制御部の制御下で動作するように構成されるNOx処理システムを備え、前記制御部は、前記NOx処理システムの動作を、決定した平均NOx排出量の関数として制御するように構成される。
【００３０】
前記第１の側面の実装形態の一例において、前記NOx処理システムは排気に還元剤を投入するように構成され、
【００３１】
排気に投入される還元剤の量は、決定した平均NOx排出量の関数として前記制御部によって制御される。
【００３２】
第２の側面によれば、内燃機関の第１の排気成分の平均排出量を決定する方法が提供される。この方法は、
・  排気中の第１の排気成分の濃度を検出することと；
・  排気中のリファレンスガスであって、酸素又は二酸化炭素であるリファレンスガスの濃度を検出することと；
・  吸排気間のリファレンスガスの濃度の差を決定することと；
・  検出した前記第１の排気成分の濃度の関数及び決定した吸排気間リファレンスガス濃度差の関数として、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することと；
を含む。
【００３３】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、吸気の湿度の関数として吸気中のリファレンスガス濃度を決定することを含む。
【００３４】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、機関の瞬間燃料効率を決定することと、決定した瞬間燃料効率を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するための因子として使用することとを含む。
【００３５】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、瞬間的な運転条件に基づいて瞬間燃料効率を決定するために、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズム及び／又は機関のコンピュータモデルを使用することを含む。
【００３６】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、前記所与の燃料に関する燃料因子を、前記第１の排気成分の平均排出量を決定するために使用することを含む。
【００３７】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、決定した吸排気間リファレンスガス濃度差と調整因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することを含む。
【００３８】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記調整因子は、前記制御部によって決定された機関の瞬間燃料効率を含む。
【００３９】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記調整因子は、前記所与の燃料に関連する燃料因子を含む。
【００４０】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記方法は、排気中に検出した前記第１の排気成分濃度を、決定した吸排気間リファレンスガス濃度差と、前記制御部によって決定された機関の瞬間燃料効率と、前記所与の燃料に関連する燃料因子との積で割ることにより、前記第１の排気成分の平均排出量を決定することを含む。
【００４１】
前記第２の側面の実装形態の一例において、前記第１の排気成分は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、メタン、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、粒子状物質（PM）、粒子数（PN）、黒色炭素（BC）のいずれかである。
【００４２】
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例により更に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
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。
【図１】ある例示的実施形態に従う大型２ストロークディーゼル機関の正面斜視図である。
【図２】図１の大型２ストローク機関の側面斜視図である。
【図３】図１の大型２ストローク機関の略図表現であり、機関の平均排出量を決定するシステムを表している。
【図４】機関の平均排出量を決定するシステムで用いられる制御部及びアルゴリズムを描いたブロック図である。
【詳細説明】
【００４４】
以下の詳細説明では、実施例のクロスヘッド式大型低速２ストロークターボ過給式内燃機関を参照して、内燃機関が説明される。
【００４５】
図１及び図２は、ターボ過給式大型低速２ストローク内燃機関の斜視図である。このエンジンは、クランク軸8及びクロスヘッド9を有する。この機関はディーゼル原理（圧縮着火）で動作し、またはオットーサイクル（タイミング点火）で動作する。
【００４６】
図３は、図１，２のターボ過給式大型低速２ストローク内燃機関を、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、エンジンは直列に６本のシリンダを有する。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。またこのようなエンジンは、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固定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。
【００４７】
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、シリンダライナ１の下部領域に掃気ポート１８が設けられ、シリンダライナ１の頂部中央には排気弁が配される。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。シリンダライナ１内のピストン10が掃気を圧縮すると、シリンダカバー２２内の燃料噴射弁31を通じて燃料が噴射されて燃焼が発生し、排気が生成される。
【００４８】
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器５のタービン６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。タービン６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。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。
【００４９】
冷却された掃気は、電気モーター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、逆止め弁１５によってバイパスされる。
【００５０】
機関は所与の燃料で運転される。例えば、非限定的な例であるが、船舶用ディーゼル燃料、重油、（液化）天然ガス、石炭ガス、バイオガス、メタノール、エタノール、エタン、埋立地ガス、メタン、エチレン、（液化）石油ガス等で運転される。燃料は燃料供給システム30によって供給される。
【００５１】
燃料供給系35は、必要なポンプ又はブロワや、燃料弁31を有する。また燃料供給系35は、例えば信号線を通じて、電子制御ユニット50によって制御される。電子制御ユニット50は機関運転パラメータを受け取る。このパラメータには、クランク位置センサ39を通じて得られるクランク軸の速度や位置、湿度センサ33を通じて得られる機関室内の空気の湿度などがある。これらのセンサは信号線を通じて電子制御ユニット50に接続されていてもよい。これらの例は機関運転パラメータの非限定的な例である。電子制御ユニット50は、その他の既知の機関運転パラメータ、例えば掃気温度、掃気圧力、排気温度、排気圧力、圧縮圧力等を受け取ってもよい。
【００５２】
センサ40は、排気中の第１の成分としてNOx濃度を、（例えばPPM単位で）検出するように構成される。センサ40は排気筒に配備される。実施例によっては、センサ40は、市場で入手可能なNOxセンサである。
【００５３】
リファレンスガスの濃度をPPM単位で検出するように構成される別のセンサ41も排気筒に配備される。リファレンスガスは酸素又は二酸化炭素でありうる。本実施例では、リファレンスガスの主要な例として酸素を用いる。
【００５４】
本実施例では、センサ40及び41は、排気管19に配されているように描かれている。すなわち、ターボ過給機の低圧側（タービン6の下流側）に配されている。しかし実施例によっては、センサ40及び41はターボ過給機の高圧側（タービン6の上流側）に配されてもよい。
【００５５】
また、センサによる検出はその場で行われなくてもよい。排気からサンプルが抽出され、別の場所で解析されてもよい。
【００５６】
単一のセンサが、大気中の酸素濃度とNOx濃度の両方を感知することができてもよい。この場合、センサ40とセンサ41とは物理的に単一のセンサであることができる。
【００５７】
図示されていないが、実施形態によっては、排気の第２の成分の存在を検出するように構成される別のセンサが設けられる。なお、上記第１の成分及び上記第２の成分はいずれも酸素ではない。酸素は、平均排出量が決定されるべき排気成分であるとは考えられないからである。
【００５８】
排気中のNOx濃度を検出するセンサ40からの信号及び排気中のリファレンスガス（酸素又は二酸化炭素）の濃度を検出するセンサ41からの信号は、例えば信号線を通じて電子制御ユニット50に送信される。
【００５９】
排気処理システム３０、例えばSCRリアクターが、ターボ過給機５の高圧側か低圧側に配される。本実施例では、排気処理システムはターボ過給機の高圧側に示されている。しかしSCRリアクターは、ターボ過給機の低圧側に配されてもよい。SCRリアクターには尿素のような還元剤のストリームが供給される。SCRリアクターで排気に投入される還元剤の量は、電子制御ユニット50により制御される。
【００６０】
また実施例によっては、機関制御システム（電子制御ユニット50）は、EGR、燃料内水分（Water in fuel）、ダイレクトウォーターインジェクション（direct water injection）、低NOx燃料、湿度の高い空気、機関性能調節の一つ又は複数に関して、特定のNOxフィードバック制御を行う。
【００６１】
図４は、機関の排気成分の平均排出量を決定するために電子制御ユニット50に用いられるアルゴリズムを示している。
【００６２】
電子制御ユニット50は、吸気と排気の間の酸素濃度の違いを決定するように構成される。湿度センサ33からの信号は、電子制御ユニット50が機関室の空気の湿度を決定することを可能にし、またアルゴリズムを通じて、機関室の空気の濃度（すなわち吸気中の酸素濃度）を推定することを可能にする。このアルゴリズムでは大気中の酸素含有量と湿度との間の相関関係が反映される。乾燥している空気の酸素含有量は20.95%である。実施形態によっては、アルゴリズムは、吸気の酸素濃度(mol%）を次の式で決定する。
【００６３】
20.95×(100/(100 + 吸気モル湿度 [mol%]))
【００６４】
電子制御ユニット50は更に、検出した排気中NOx濃度の関数及び決定した吸排気間酸素濃度差の関数として、平均排出量を決定するように構成される。
【００６５】
実施形態によっては、電子制御ユニット50は、機関の瞬間燃料効率を決定するように構成される。また、決定した燃料効率を、NOx等の排気成分の平均排出量を決定するための因子として使用するように構成される。瞬間燃料効率を決定するために、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズム及び／又は機関のコンピュータモデルが電子制御ユニット50に提供され、電子制御ユニット50は、瞬間的な運転条件の関数として、瞬間燃料効率を決定又はシミュレートする。
【００６６】
実施形態によっては、電子制御ユニット５０は、平均NOx排出量を決定するために、燃料に関係する燃料因子を適用するように構成される。
【００６７】
この燃料因子は、特定の燃料について使用された燃料の各質量単位についての放熱を反映する。この因子はまた、ソーントン因子（Thornton factor）として本願の技術分野で知られている。大型２ストローク内燃機関で使用される多くの燃料（ディーゼル油、重油、メタン、メタノール、エタン、エタノール、プロパン、ブタン等）において、この燃料因子はおよそ、酸素消費量1kgあたり12.8 MJである。このため、上述の燃料のいずれが機関で使用されるかに関わらず、この値を燃料因子として使用することができる。
【００６８】
二酸化炭素がリファレンスガスとして使用される場合、それは燃料因子中で反映されねばならない。吸排気間の二酸化炭素の増加に基づいて放熱を決定する場合、燃料因子は異なる。二酸化炭素に関係する燃料因子は、使用される燃料のタイプに影響を受けやすいので、使用される燃料に応じて調整される必要があるだろう。
【００６９】
電子制御ユニット50は、検出した排気中NOx濃度を、決定した吸排気間酸素濃度差と調整した因子の積で割ることにより、平均NOx排出量を決定するように構成される。機関のクランク軸で伝達されるエネルギーの正確な推定を得ることができるように、燃料因子の調整には、機関で使用された燃料及び機関の燃料効率が考慮される。従って、燃料因子の調整には、電子制御ユニット50で決定された瞬間燃料効率と、エンジンを動作させるために使用された燃料に関係する燃料因子が使われる。
【００７０】
特に、図４に示されるように、アルゴリズムは、検出した排気中NOx濃度を、決定した吸排気間酸素濃度差と調整した因子の積と、アルゴリズムにより決定された瞬間燃料効率と、エンジンを動作させるために使用された燃料に関係する燃料因子とで割ることにより、平均NOx排出量を決定するように構成される。アルゴリズムは、平均NOx排出量をg/kWhで返す。
【００７１】
実施形態によっては、アルゴリズムは、補正された酸素濃度（吸排気間のモル数の差に関して吸気中酸素含有量が補正される）を使用する。これは、実施形態によっては、吸排気間の化学量論的モル比（stoichiometric molar ratio）を反映する第２の燃料係数を導入することによって行われる。実際に測定された排気中酸素濃度に従って、化学量論的比と高純度空気（pure air）との間を線形補間することにより、アルゴリズムによって実際の補正が刻々と計算される。なお、補正酸素濃度は当業者に知られる別の方法によっても決定されうる。
【００７２】
実施形態によっては、アルゴリズムは次の式を使用する。
【００７３】
平均NOx排出量 [g/kWh] = 測定されたNOx濃度[ppm]／(燃料因子・燃料効率・補正された酸素濃度差[%])
【００７４】
別の実施形態では、アルゴリズムは次の式を使用する。
【００７５】
平均NOx排出量 [g/kWh] = 測定されたNOx濃度[ppm] ／(燃料因子・燃料効率・酸素消費率[%])
【００７６】
酸素消費率 [%]は、酸素濃度の減少率である。酸素消費率として、パーセントポイント（% point）で表した酸素濃度減少量を用いてもよいし、酸素濃度減少率（％）を用いてもよい。酸素濃度差を用いてもよい。酸素濃度差の最大値は、酸素が全て消費された場合に相当する20.95%である。
【００７７】
実施形態によっては、燃料因子又は別の補正因子において、排気質量流からモル濃度への変換を考慮してもよい。
【００７８】
上述の実施形態は、リファレンスガスとして酸素を使用して説明された。しかし、二酸化炭素も同様にリファレンスガスとして使用することができる。リファレンスカウンタ（reference counter）として二酸化炭素を使用する場合、吸排気間の酸素含有量の減少の代わりに、吸排気間の二酸化炭素の増加が決定される。
【００７９】
実施形態によっては、電子制御ユニット５０は、平均NOx排出量の関数として機関の動作を制御するように構成される。この制御は例えば、決定した平均NOx排出量の関数として、燃料噴射タイミングや排気弁タイミング、排気処理システム30の動作を制御することを含んでもよい。そしてその制御の目的は、法定制限内に留まるように機関を動作させることであってもよい。NOx処理システムについて、上記制御は、選択的触媒還元のために排気に投与される還元剤の量を、決定した平均NOx排出量の関数として制御することを含む。
【００８０】
上記の実施例は、第１の排気成分がNOxであるという形態に関連して説明された。しかし実施例によって、この排気成分は、排気に存在する如何なる成分であってもよい。例えば一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、炭化水素(HC)、メタン(CH4)、硫黄酸化物(SOx) (SO2 + SO3)、アンモニア(NH3)、粒子状物質（PM）、粒子数（particle number, PN）、黒色炭素（black carbon, BC）等であってもよい。またこれは限定的なリストではない。
【００８１】
更に前述のように、第２の排気成分も特定されてもよい。そして、第１の排気成分の平均排出量と共に、第２の排気成分の平均排出量が決定されてもよい。この第２の排気成分は、上に挙げた如何なる排気成分であってもよい。
【００８２】
多くの側面及び実装形態が、いくつかの実施例と共に説明されてきた。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、説明された実施例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、単一のプロセッサや制御ユニット、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。
【００８３】
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。特に言及されない限り、図面は明細書と共に読まれることが意図されており、本願による開示の全体の一部である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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