JP6090898B2 - 内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば舶用ディーゼル機関等の内燃機関を備えた内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法に関するものである。

例えば舶用主機として用いられる低速２サイクルディーゼル機関（内燃機関）には、性能向上のため過給機が設けられている。このような過給機として、発電機を備えたハイブリッド過給機（下記特許文献１参照）や、排気ガスのタービンノズル通過面積を可変としたVTI（Variable Turbine Inlet）過給機（下記特許文献２参照）が知られている。

特許第４６４８３４７号公報 特開２０１０−２１６４６８号公報

ハイブリット過給機は、主機とされるディーゼル機関の負荷が約５０％負荷以上とされた場合に発電可能とされている。これは、主機負荷が約５０％以下とされた低負荷では過給機の効率が上がらず発電する余裕がないためである。したがって、ハイブリッド過給機のみでは、全負荷域で推進プラント全体での燃料消費量削減に貢献できない。
一方、VTI過給機は、主機負荷約６０〜７５%以下でのみタービンノズル通過面積を減少させた運転が可能である。これは、主機負荷６０〜７５%以上では、掃気圧力が高くなりすぎてディーゼル機関の筒内燃焼圧力の許容範囲を超えるためである。したがって、VTI過給機のみでも、全負荷域でディーゼル機関の燃料消費量削減に貢献できない。
そこで、ハイブリッド過給機とVTI過給機とを組み合わせることで、主機全負荷域で推進プラント全体での燃料消費量を抑えることが考えられる。
ここで、推進プラント全体での燃料消費量削減とは、ディーゼル機関からの排ガスエネルギを有効に活用して発電をすることで、発電用エンジンでの燃料消費量を減らし、主機および発電用エンジンを含む推進プラント全体での燃料消費量削減を意味する。

ところが、ハイブリッド過給機とVTI過給機とを組み合わせて、例えば主機６５%負荷以上ではVTI機能をOFFとしてタービンノズル通過面積を大とし、かつ過給機による発電を行って推進プラント全体での燃料消費量を削減させ、一方、主機６５%負荷以下では過給機の発電を停止し、かつVTI機能をONとしてタービンノズル通過面積を小とし主機の燃料消費量を削減させる運用を行うと、以下の問題が発生する。
（１）過給機の発電停止への切り換えとVTI機能のONへの切り換えを同時または近接したタイミングで行うと、主機の掃気圧力が急激に上がることで筒内燃焼圧力が急激に上がり許容値を超え、主機に甚大な損傷を与えるおそれがある。
（２）主機の負荷上昇時に、過給機の発電開始への切り換えとVTI機能のOFFへの切り換えを同時または近接したタイミングで行うと、急激に排気ガス温度が上昇し、排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザによって発生する蒸気量が急激に増え、汽水分離ドラムの安全弁が吹いたり、過剰発生した蒸気をダンプさせなければならないという問題がある。特に、外気温が高く、排気ガス温度が高い夏場（冬場に比べ排ガス温度が２０〜３０℃上がる）ではこの傾向が顕著である。
（３）主機の負荷減少時に、過給機の発電停止への切り換えとVTI機能のONへの切り換えとを同時または近接したタイミングで行うと、排ガス温度が急に下がり、排ガスエコノマイザによって発生する蒸気量が急激に減り、必要な蒸気が賄えず、最悪の場合、高粘度の重油燃料及び潤滑油を暖められずに供給ポンプがタンクから燃料油や潤滑油を導くことができなくなり、主機トリップに至る可能性がある。特に、外気温が低く、排気ガス温度が低い冬場（夏場に比べ排ガス温度が２０〜３０℃下がる）ではこの傾向が顕著である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過給機の発電機能とVTI機能を切り換えて使用する際に、主機（内燃機関）の筒内燃焼圧力の過上昇を回避することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、過給機の発電機能とVTI機能を切り換えて使用する際に、主機（内燃機関）の負荷上昇時に、排気ガス温度の急上昇を回避することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、過給機の発電機能とVTI機能を切り換えて使用する際に、主機（内燃機関）の負荷下降時に、排気ガス温度の急降下を回避することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、を備えた内燃機関システムであって、前記発電機による発電を停止する発電停止動作、および、前記タービンノズル通過面積可変機構によりタービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われる際に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限する筒内燃焼圧力制限手段を備えていることを特徴とする。

発電停止動作および／またはタービンノズル面積減少動作が行われる際に内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することとしたので、掃気圧力が過剰に上昇して筒内燃焼圧力の過上昇を抑えることができる。これにより、内燃機関システムの健全な運転を確保することができる。
なお、発電停止動作とタービンノズル通過面積減少動作のいずれか一方が行われるときに掃気圧力を制限することとしても良いが、特に両者が同時あるいは近接したタイミングで行われるときには掃気圧力の急上昇が予想されるので好ましい。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記過給機によって圧縮された空気を貯留する空気溜め部から空気を抜く掃気抽気手段、および／または、前記内燃機関からの排気ガスの一部を前記過給機へと供給させずにバイパスする排気バイパス手段を備えていることを特徴とする。

掃気抽気手段によって空気溜め部から空気を抜くことにより掃気圧力を低下させて筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。また、排気バイパス手段によって過給機へ供給する排気ガスの一部をバイパスすることにより過給機の能力を下げて掃気圧力を低下させ、筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記内燃機関の燃料噴射装置から燃料を噴射する燃料噴射タイミングを所望タイミングから遅らせる燃料噴射タイミング遅延手段、および／または、前記内燃機関の排気弁を閉める閉タイミングを所望タイミングから遅らせる排気弁閉タイミング遅延手段を備えていることを特徴とする。

燃料噴射タイミングを所望タイミングから遅らせることにより、筒内燃焼圧力を制限することができる。また、排気弁を閉める閉タイミングを所望タイミングから遅らせることにより、筒内燃焼圧力を制限することができる。
ここで、所望タイミングとは、通常運転時に設定される設計上のタイミング（例えば熱効率が良いタイミング）を意味する。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記内燃機関の掃気圧力が所定値を超えた場合、または、前記内燃機関の筒内燃焼圧力が所定値を超えた場合に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする。

掃気圧力または筒内燃焼圧力が所定値を超えた場合に、筒内燃焼圧力制限手段を動作させることで、内燃機関システムの健全な運転を確保することができる。掃気圧力および筒内燃焼圧力は、圧力センサ等の計測手段によって監視しても良い。また、筒内燃焼圧力は、ロードインジケータ（燃料投入量の指標）、回転数、過給機吸込温度、燃料噴射タイミング、排気弁閉タイミングおよび掃気圧力を得て、所定の演算を経て内燃機関システムの電子制御装置のデータベースから得ることとしてもよい。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記発電停止動作および／または前記タービンノズル通過面積減少動作が行われる所定時間前に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする。

発電停止動作やタービンノズル通過面積減少動作が行われるタイミングが予め得られる場合には、これらの動作が行われる所定時間前に筒内燃焼圧力制限手段を動作させることにより、確実に筒内燃焼圧力の過上昇を回避することができる。

本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、を備えた内燃機関システムであって、前記発電機による発電および非発電を切り換える発電切換動作と、前記タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作の開始及び終了とが、非同期とされていることを特徴とする。

発電機の発電切換動作と、タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作とを非同期とすることにより、これらの動作が同期した場合に生じるおそれのある内燃機関の負荷下降時における内燃機関の筒内燃焼圧力の過上昇、内燃機関の負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇、内燃機関の負荷減少時における排気ガス温度の急降下を回避することができる。これにより、内燃機関システムの安定運転を実現することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷とを異ならせることにより、前記非同期を行うことを特徴とする。

発電切換動作とタービンノズル通過面積可変動作を行う内燃機関の負荷を異ならせることにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷との間に設けた負荷差分が、前記内燃機関の負荷上昇時よりも、前記内燃機関の負荷減少時の方が大きいことを特徴とする。

一般に、内燃機関の負荷上昇時よりも負荷減少時の方が短時間で行われる。そこで、発電切換動作とタービンノズル通過面積可変動作の負荷差分を、内燃機関の負荷上昇時よりも負荷減少時の方を大きくした。これにより、一層の安定化を図ることができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記発電切換動作を行うタイミングと、前記タービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングとの間に所定時間間隔を設けることにより、前記非同期を行うことを特徴とする。

発電切換動作とタービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングに所定時間間隔を設けることにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザを備え、該排ガスエコノマイザの入口温度および／または出口温度を得て、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記入口温度および／または前記出口温度を用いた温度パラメータが変化し、該温度パラメータの時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする。

排ガスエコノマイザの入口温度および／または出口温度を得ることにより、内燃機関から排気された排気ガスの温度変化を監視する。発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うと、内燃機関の排気ガス温度が変化し、排ガスエコノマイザの入口温度および／または出口温度も変化する。そして、この入口温度および／または出口温度を用いた温度パラメータの時間変化率が所定値以下となると、既に動作させた発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方による排気ガス温度の変化の影響が小さくなったと判断して、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うこととした。これにより、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作の非同期が行われ、排気ガス温度の急激な変化を回避することができる。また、蒸気発生源である排ガスエコノマイザの直接監視ができるので、排ガスエコノマイザによる蒸気量増減予測をすることができる。
温度パラメータとしては、入口温度のみ、または出口温度のみでもよく、あるいは、入口温度と出口温度の平均値といった所定の演算式を用いても良い。

さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザによって生成された蒸気が導かれる汽水分離器を備え、該汽水分離器の内部圧力を得て、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記内部圧力が変化し、該内部圧力の時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする。

排ガスエコノマイザによって生成された蒸気が導かれる汽水分離器の内部圧力を得ることにより、内燃機関から排気された排気ガスの温度変化の影響を監視する。発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うと、内燃機関の排気ガス温度が変化し、内部圧力も変化する。そして、この内部圧力の時間変化率が所定値以下となると、既に動作させた発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方による排気ガス温度の変化の影響が小さくなったと判断して、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うこととした。これにより、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作の非同期が行われ、排気ガス温度の急激な変化を回避することができる。また、蒸気供給元である排ガスエコノマイザの監視ができるので、確実な系統の安定化を図ることができる。

本発明の船舶は、上記のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする。

上記のいずれかの内燃機関システムを備えることにより、高効率で信頼性の高い内燃機関システムを備えた船舶を提供することができる。

本発明の内燃機関システムの制御方法は、内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、を備えた内燃機関システムの制御方法であって、発電を停止させ、かつ、前記タービンノズル通過面積を減少させる所定時間前に、発電を停止した際、および、前記タービンノズル通過面積を減少させた際に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限するように、前記内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することを特徴とする。

発電停止動作および／またはタービンのズル通貨面積減少動作が行われる際に内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することとしたので、掃気圧力が過剰に上昇して筒内燃焼圧力の過上昇を抑えることができる。これにより、内燃機関の損傷を回避することができる。

本発明の内燃機関システムの制御方法は、内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、を備えた内燃機関システムの制御方法であって、発電／非発電切換工程と、タービンノズル通過面積を変更する工程を開始及び終了する工程とを、非同期とすることを特徴とする。

発電機の発電切換動作と、タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作とを非同期とすることにより、これらの動作が同期した場合に生じるおそれのある内燃機関の負荷下降時における内燃機関の筒内燃焼圧力の過上昇、内燃機関の負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇、内燃機関の負荷減少時における排気ガス温度の急降下を回避することができる。これにより、内燃機関システムの安定運転を実現することができる。

発電停止動作および／またはタービンノズル面積減少動作が行われる際に内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することとしたので、掃気圧力が過剰に上昇して筒内燃焼圧力の過上昇を抑えることができる。これにより、内燃機関システムの健全な運転を確保することができる。
発電機の発電切換動作と、タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作とを非同期とすることにより、これらの動作が同期した場合に生じるおそれのある内燃機関の筒内燃焼圧力の過上昇、内燃機関の負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇、内燃機関の負荷減少時における排気ガス温度の急降下を回避することができる。これにより、内燃機関システムの安定運転を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示した概略構成図である。 図１の過給機を示した縦断面図である。 過給機の発電機能およびVTI機能の切換時の挙動を示したグラフである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。
図１には、船舶に用いられる舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）１が示されている。同図に示すように、舶用ディーゼル機関システム１は、例えば低速２サイクルディーゼル機関とされた主機（内燃機関）２と、主機２に圧縮空気を供給する過給機３と、主機２からの排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザ４とを備えている。

主機２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、主機２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部６が設けられており、各シリンダ部６内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。

各シリンダ部６の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド７と接続されている。排気マニホールド７は、排気管Ｌ１を介して過給機３のタービン部３ａの入口側と接続されている。
排気マニホールド７には、排気バイパス弁（排気バイパス手段）１１が設けられており、この排気バイパス弁１１を開とすることにより、排気マニホールド７からの排気ガスの一部を過給機３へと供給させずに排ガスエコノマイザ４側へとバイパスするようになっている。排気バイパス弁１１は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。

各シリンダ部６の吸気ポート（図示せず）は、吸気マニホールド（空気溜め部）８と接続されており、吸気マニホールド８は、吸気管Ｌ２を介して過給機３のコンプレッサ部３ｂと接続されている。吸気管Ｌ２には、空気冷却器１３が設けられており、図示しない冷却水によって、コンプレッサ部３ｂにより圧縮された空気が冷却されるようになっている。
吸気マニホールド８には、掃気バイパス弁（掃気抽気手段）９が設けられており、この掃気バイパス弁９を開とすることにより、吸気マニホールド８内の空気を放出することができるようになっている。掃気バイパス弁９は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。

過給機３は、図１及び図２に示されているように、排気管Ｌ１を介して主機２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部３ａと、このタービン部３ａにより駆動されて主機２に外気（空気）を圧送するコンプレッサ部３ｂとを主たる要素として構成されたものである。

過給機３は、タービン部３ａの回転力を得て発電する発電機３ｃを備えている。発電機３ｃは、ＭＳＢ（主機電盤）２６に設けられたＰＭＳ（パワー・マネジメント・システム）２８からの制御信号によって制御されるようになっている。すなわち、ＰＭＳ２８と発電機３ｃのインバータ３０との間で制御信号がやりとりされている。インバータ３０と発電機３ｃとの間にはコンバータ３２が設けられており、インバータ３０との間で制御信号がやりとりされるようになっている。発電機３ｃにて発電された交流電力は、コンバータ３２で交直変換された後にインバータ３０で所望の周波数に直交変換され、コンタクタ３５を介して船内母船３３へと送られる。
ＰＭＳ２８は、船内需要電力に応じて発電電力を制御するものであり、図示しないディーゼルエンジン発電機の制御も行うようになっている。

過給機３は、排気管Ｌ１からタービン部３ａへ供給される排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構３ｇが設けられている。具体的には、タービンノズル通過面積可変機構３ｇは、タービンノズルを内周側および外周側に分ける隔壁３ｆ（図２参照）と、排気管Ｌ１から導かれた排気ガスの一部を分岐する分岐配管３ｄと、この分岐配管３ｄの開閉を行う開閉弁３ｅとを備えている。分岐配管３ｄを流れた排気ガスは、図２に示すように、タービンノズルの隔壁３ｆの内周側を流れるようになっている。なお、開閉弁３ｅは、図示しない制御部によって制御される。
開閉弁３ｅを閉じると排気ガスは分岐配管３ｄを流れずにタービンノズルの隔壁３ｆの外周側のみを流れるようになり、タービンノズル通過面積が狭められることでVTI機能がONとなる。一方、開閉弁３ｅを開けると排気ガスは分岐配管３ｄを流れてタービンノズルの隔壁３ｆの内周側にも流れるようになり、タービンノズル通過面積が拡大されてVTI機能がOFFとなる。

図１に示されているように、排ガスエコノマイザ４は、その煙道内に熱交換器１０を有している。熱交換器１０は、複数の伝熱管１０ａを備え、排ガスエコノマイザ４の煙道内を流れる高温の排気ガスによって伝熱管１０ａ内を流れる水が加熱されるようになっている。汽水分離器１２から導かれた水は、伝熱管１０ａを通過する際に加熱されて蒸気となり、汽水分離器１２へと導かれる。汽水分離器１２は、補助ボイラ１４の汽水分離器とされている。

汽水分離器１２内には、水と蒸気が上下にそれぞれ分離して収容されている。汽水分離器１２には、ドレンクーラ１５によって凝縮されたドレン水が貯留させるドレン溜まり１６から給水ポンプ１８を介して水が供給される。汽水分離器１２の上部に分離された蒸気は、船内補機２０へと導かれ、または分岐バルブ２２を介してドレンクーラ１５へ直接導かれるようになっている。船内補機２０における蒸気の主な用途は、主機２の燃料として用いられる重油燃料および潤滑油の加熱に用いられる。
汽水分離器１２の上部には、安全弁２４が設けられており、汽水分離器１２内の圧力が所定値以上になると安全弁が開き内部の蒸気を外部へと放出するようになっている。

上記構成の過給機３の発電機３ｃと、タービンノズル通過面積可変機構３ｇとは、以下のように切り換えて用いられる。
図３に示すように、主機負荷上昇時（増速時）では、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて非発電動作から発電動作へと切り換える。これは、図３の「ハイブリッド過給機発電電力」のグラフの実線が負荷６５％で立ち上がっていることから分かる。一方、VTI機能については、所定の負荷（図３では６５％）にてONからOFFへと切り換える。これは、図３の「主機掃気圧力」のグラフの細実線が一点鎖線よりも高い圧力から負荷６５％で降下していることから分かる。
主機負荷減少時（減速時）は、上記とは逆に、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて発電動作から非発電動作へと切り換える。一方、VTI機能については、所定の負荷（図３では６５％）にてOFFからONへと切り換える。この場合、図３の「主機掃気圧力」のグラフから分かるように、掃気圧力が急上昇する。この掃気圧力の急上昇に伴い、図３の「主機筒内燃焼圧力」から分かるように、筒内燃焼圧力が急上昇する。筒内燃焼圧力が急上昇すると、許容範囲を超えて主機２に損傷を及ぼすおそれがある。

そこで、本実施形態では、主機負荷減少時に、以下の制御を行う。
吸気マニホールド８内に設けた圧力センサによって掃気圧力を監視しておき、主機負荷減少時に発電機能が発電動作から非発電動作へと切り換わり、かつVTI機能がOFFからONへと切り換わる際に、計測された掃気圧力が所定値を超えた場合には、図示しない制御部からの指令によって、掃気バイパス弁９を開とする。これにより、吸気マニホールド８から空気を抜くことにより掃気圧力を低下させて筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。または、図示しない制御部からの指令によって、排気バイパス弁１１を開とする。これにより、過給機３へ供給する排気ガスの一部をバイパスすることにより過給機３の能力を下げて掃気圧力を低下させ、筒内燃焼圧力を所定値以下に制限することができる。なお、掃気バイパス弁９及び排気バイパス弁１１の両者を用いてもよい。
このように、本実施形態では、発電停止動作およびタービンノズル面積減少動作（VTI機能ON）が行われる際に掃気圧力を所定値以下に制限することとしたので、掃気圧力が過剰に上昇して筒内燃焼圧力の過上昇を抑えることができる。これにより、システムの健全な運転を確保することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と基本的構成は同様であるのでその説明は省略する。
上記実施形態では筒内燃焼圧力を制限する際に掃気バイパス弁９および／または排気バイパス弁１１を用いることとしたが、主機２が自動燃料噴射タイミング調整装置または自動排気弁開閉タイミング調整装置を備えている場合には、掃気バイパス弁９や排気バイパス弁１１を用いることなく筒内燃焼圧力を制限することができる。

ロードインジケータ（燃料投入量の指標）、主機２の回転数、過給機３の空気吸込温度、掃気圧力を監視する。そしてロードインジケータと主機２の回転数から現在の主機負荷を算出し、監視した空気吸込み温度によって補正された掃気圧力を演算する。そして演算した掃気圧力が、主機電子制御装置のデータベースに保存されている主機負荷と掃気圧力との関係よりも高くなる場合には、燃料噴射タイミングおよび／または排気弁閉タイミングを遅らせる。すなわち、燃料噴射タイミングを所望タイミングから遅らせることにより、筒内燃焼圧力を制限する。あるいは、排気弁を閉める閉タイミングを所望タイミングから遅らせることにより、筒内燃焼圧力を制限する。ここで、所望タイミングとは、通常運転時に設定される設計上のタイミング（例えば熱効率が良いタイミング）を意味する。
このように、本実施形態によれば、第１実施形態のように掃気バイパス弁９や排気バイパス弁１１を用いると主機２の燃料消費率が悪化するというデメリットを回避した上で、筒内燃焼圧力を制限することができる。

なお、非発電動作への切り換わりやVTI機能のONへの切り換わりのタイミングを予め得ておき、これら切り換わりのタイミングの所定時間前に燃料噴射タイミングの遅延や排気弁閉タイミングの遅延を行ってもよい。このようにフィードフォワード的に制御することで、確実に筒内燃焼圧力の過上昇を回避することができる。これら切り換わりのタイミングは、主機負荷減少レートを制御部で把握していれば容易に予測することが可能である。

また、筒内燃焼圧力を圧力センサによって監視することとしても良い。具体的には、計測された筒内燃焼圧力が、主機電子制御装置のデータベースに保存された主機負荷と筒内燃焼圧力との関係から得られる筒内燃焼圧力よりも高い場合に本制御を用いても良い。これにより、確実に筒内燃焼圧力の過上昇を回避することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第１実施形態と基本的構成は同様であるのでその説明は省略する。
本実施形態は、主機２から排出される排気ガス温度の急上昇および急降下を抑制するものである。具体的には、主機負荷上昇時における排気ガス温度の急上昇を抑え、また主機負荷減少時における排ガス温度の急降下を抑えるものである。

図３を再び参照すると、主機負荷上昇時（増速時）では、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて非発電動作から発電動作へと切り換えて、VTI機能についても同様の負荷（図３では６５％）にてONからOFFへと切り換えると、「主機掃気圧力」が減少することに伴い、「主機排気ガス温度」が急上昇する。
また、主機負荷減少時（減速時）では、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて発電動作から非発電動作へと切り換えて、VTI機能についても同様の負荷（図３では６５％）にてOFFからONへと切り換えると、「主機掃気圧力」が上昇することに伴い、「主機排気ガス温度」が急降下する。

これに対して、本実施形態では、発電機３ｃによる発電および非発電を切り換える発電切換動作と、タービンノズル通過面積可変機構３ｇのタービンノズル通過面積可変動作とを非同期とした。これにより、発電機能およびVTI機能の切換動作が重畳することによって排気ガス温度が急上昇したり急降下したりすることを避けることができる。
具体的には、発電切換動作を行う主機２の負荷と、タービンノズル通過面積可変動作を行う主機２の負荷とを異ならせることで非同期を実現させる。例えば、主機負荷上昇時には、一方の機能を切り換えた後、設定した主機負荷上昇後（例えば＋５％）もう一方の機能を切り換える。主機負荷減少時には、一方の機能を切り換えた後、設定した主機負荷減少後（例えば−５％）もう一方の機能を切り換える。これにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。

なお、発電切換動作を行う主機２の負荷と、タービンノズル通過面積可変動作を行う主機２の負荷との間に設けた負荷差分は、上述の例では例えば５％としたが、主機負荷上昇時よりも、主機負荷減少時の方が大きくなるように設定してもよい。
なぜなら、一般に、主機負荷上昇時よりも主機負荷減少時の方が短時間で行われるからである。そこで、発電切換動作とタービンノズル通過面積可変動作の負荷差分を、内燃機関の負荷上昇時よりも負荷減少時の方を大きくすることがこのましい。これにより、一層の安定化を図ることができる。
また、主機負荷減少時に排ガス温度が下がった場合には、必要に応じて、汽水分離器１２内の圧力を監視し、汽水分離器１２内の圧力が閾値を下回る場合（排ガスエコノマイザ４からの蒸気発生量が低下した場合）には、補助ボイラ１４を起動させ、船内に必要な蒸気量確保を行う。

［第４実施形態］
上記第３実施形態では、主機２の負荷に基づいて非同期を行うこととしたが、これに代えて、発電切換動作を行うタイミングと、タービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングとの間に所定時間間隔を設けることにより非同期を行うことする。
これにより、特別な装置を追加することなくソフトウェア的に非同期を実現することができる。また、タイマーに基づいて制御すれば足り、極めて簡便な制御とすることができる。

［第５実施形態］
上記第３実施形態または上記第４実施形態に加えて、あるいは単独で、以下の制御を行うようにしてもよい。
本実施形態では、排ガスエコノマイザ４の入口温度および／または出口温度を監視する。
発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行った後に、入口温度および／または出口温度を用いた温度パラメータの変化を計測する。
計測した温度パラメータの時間変化率が所定値以下となった後に、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行う。

このように、入口温度および／または出口温度を用いた温度パラメータの時間変化率が所定値以下となると、既に動作させた発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方による排気ガス温度の変化の影響が小さくなったと判断して、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うこととした。これにより、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作の非同期が行われ、排気ガス温度の急激な変化を回避することができる。また、蒸気発生源である排ガスエコノマイザの直接監視ができるので、排ガスエコノマイザによる蒸気量増減予測をすることができる。
なお、温度パラメータとしては、入口温度のみ、または出口温度のみでもよく、あるいは、入口温度と出口温度の平均値といった所定の演算式を用いても良い。

［第６実施形態］
上記第３実施形態乃至上記第５実施形態に加えて、あるいは単独で、以下の制御を行うようにしてもよい。
本実施形態は、汽水分離器１２の内部圧力を監視する。
発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行った後に、汽水分離器１２の内部圧力の変化を計測する。
計測した内部圧力の時間変化率が所定値以下となった後に、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行う。

このように、内部圧力の時間変化率が所定値以下となると、既に動作させた発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方による排気ガス温度の変化の影響が小さくなったと判断して、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うこととした。これにより、発電切換動作およびタービンノズル通過面積可変動作の非同期が行われ、排気ガス温度の急激な変化を回避することができる。また、蒸気供給元である排ガスエコノマイザの監視ができるので、確実な系統の安定化を図ることができる。

１ 舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）
２ 主機（内燃機関）
３ 過給機
３ａ タービン部
３ｂ コンプレッサ部
３ｃ 発電機
３ｄ 分岐管（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｅ 開閉弁（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｆ 隔壁（タービンノズル通過面積可変機構）
４ 排ガスエコノマイザ
７ 排気マニホールド
８ 吸気マニホールド（空気溜め部）
９ 掃気バイパス弁（掃気抽気手段）
１１ 排気バイパス弁（排気バイパス手段）
１２ 汽水分離器
１４ 補助ボイラ

Claims (13)

1. 内燃機関と、
   該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
   を備えた内燃機関システムであって、
   前記発電機による発電を停止する発電停止動作、および、前記タービンノズル通過面積可変機構により前記タービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われる際に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限する筒内燃焼圧力制限手段を備え、
   前記発電停止動作および前記タービンノズル面積減少動作が行われる所定時間前に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする内燃機関システム。
2. 前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記過給機によって圧縮された空気を貯留する空気溜め部から該空気を抜く掃気抽気手段、および／または、前記内燃機関からの排気ガスの一部を前記過給機へと供給させずにバイパスする排気バイパス手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記筒内燃焼圧力制限手段は、前記内燃機関の燃料噴射装置から燃料を噴射する燃料噴射タイミングを所望タイミングから遅らせる燃料噴射タイミング遅延手段、および／または、前記内燃機関の排気弁を閉める閉タイミングを所望タイミングから遅らせる排気弁閉タイミング遅延手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
4. 前記内燃機関の掃気圧力が所定値を超えた場合、または、前記内燃機関の筒内燃焼圧力が所定値を超えた場合に、前記筒内燃焼圧力制限手段を動作させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関システム。
5. 内燃機関と、
   該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、前記タービン部の回転力を得て発電する発電機、および前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を有する過給機と、
   を備えた内燃機関システムであって、
   前記発電機による発電および非発電を切り換える発電切換動作と、前記タービンノズル通過面積可変機構のタービンノズル通過面積可変動作の開始及び終了とが、非同期とされていることを特徴とする内燃機関システム。
6. 前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷とを異ならせることにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関システム。
7. 前記発電切換動作を行う前記内燃機関の負荷と、前記タービンノズル通過面積可変動作を行う前記内燃機関の負荷との間に設けた負荷差分が、前記内燃機関の負荷上昇時よりも、前記内燃機関の負荷減少時の方が大きいことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関システム。
8. 前記発電切換動作を行うタイミングと、前記タービンノズル通過面積可変動作を行うタイミングとの間に所定時間間隔を設けることにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関システム。
9. 前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザを備え、
   該排ガスエコノマイザの入口温度および／または出口温度を得て、
   前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記入口温度および／または前記出口温度を用いた温度パラメータが変化し、該温度パラメータの時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の内燃機関システム。
10. 前記過給機から導かれた前記排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザによって生成された蒸気が導かれる汽水分離器を備え、
    該汽水分離器の内部圧力を得て、
    前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか一方を行うことにより、前記内部圧力が変化し、該内部圧力の時間変化率が所定値以下となった後に、前記発電切換動作および前記タービンノズル通過面積可変動作のいずれか他方を行うことにより、前記非同期を行うことを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の内燃機関システム。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする船舶。
12. 内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、
    前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、
    前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、
    前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、
    を備えた内燃機関システムの制御方法であって、
    発電を停止させ、かつ、前記タービンノズル通過面積を減少させる所定時間前に、前記内燃機関の筒内燃焼圧力の許容値以下に制限するように、前記内燃機関の掃気圧力を所定値以下に制限することを特徴とする内燃機関システムの制御方法。
13. 内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動する工程と、
    前記タービン部の駆動により前記内燃機関に空気を圧送する工程と、
    前記タービン部の駆動により発電を行う工程と、
    前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を変更する工程と、
    を備えた内燃機関システムの制御方法であって、
    発電／非発電切換工程と、前記タービンノズル通過面積を変更する工程を開始及び終了する工程とを、非同期とすることを特徴とする内燃機関システムの制御方法。

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