ターボチャージャー制御システム及び制御方法
【課題】 ターボ前置きの脱硝反応装置を備えたエンジン機関において、バイパス経路を設けずにハンチングを防止する。
【解決手段】 掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出する圧力計７ａと、ターボチャージャー２の駆動をアシスト又は制動可能なモータ８ａと、モータ８ａの回生電力を蓄電装置１１に充電可能な発電機８ｂと、制御装置９とを設ける。制御装置９は、掃気圧データベース９ａ１と、目標掃気圧ｔＰｓを求める目標掃気圧計算手段９ａ２と、掃気圧Ｐｓと目標掃気圧ｔＰｓを比較する圧力比較部９ａ３と、この圧力比較部９ａ３の比較結果に応じてモータ８ａ又は発電機８ｂを制御する主指令部９ａ４と、を少なくとも備えた構成とする。
【効果】 排気ガスは常に全量浄化処理される。排気ガスのエネルギを損失することなくモータの駆動電力として有効に利用できる。
【解決手段】 掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出する圧力計７ａと、ターボチャージャー２の駆動をアシスト又は制動可能なモータ８ａと、モータ８ａの回生電力を蓄電装置１１に充電可能な発電機８ｂと、制御装置９とを設ける。制御装置９は、掃気圧データベース９ａ１と、目標掃気圧ｔＰｓを求める目標掃気圧計算手段９ａ２と、掃気圧Ｐｓと目標掃気圧ｔＰｓを比較する圧力比較部９ａ３と、この圧力比較部９ａ３の比較結果に応じてモータ８ａ又は発電機８ｂを制御する主指令部９ａ４と、を少なくとも備えた構成とする。
【効果】 排気ガスは常に全量浄化処理される。排気ガスのエネルギを損失することなくモータの駆動電力として有効に利用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に、排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯx 」という。）を還元除去する脱硝反応装置を設けたエンジン機関に適用される、ターボチャージャー制御システム及び制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４（ａ）に示すように、一般にターボチャージャー１０１は、回転軸１０１ａの両端にタービン１０１ｂとコンプレッサー１０１ｃを備え、エンジン１０３の排気ポート１０３ｂから排気通路１０４に排出される高温の排気ガスの排気流でタービン１０１ｂを回転させ、その動力でコンプレッサー１０１ｃを駆動する。そして、コンプレッサー１０１ｃにより圧縮された空気は、掃気室１０２を介してエンジン１０３の掃気ポート１０３ａに供給される。
【０００３】
このように、排気ポート１０３ｂとタービン１０１ｂの間が排気通路１０４のみである場合は、ターボチャージャー１０１はエンジン１０３の負荷の増減に対してほぼ同期して作動し、エンジン１０３に適切なタイミングで過給が行われる。
【０００４】
これに対し、例えば舶用ディーゼル機関では、図４（ｂ）に示すように、排気ポート１０３ｂとタービン１０１ｂの間の排気通路１０４に、脱硝反応装置１０６を設ける場合がある（例えば、非特許文献１、ｐ４２の図１）。脱硝反応装置１０６には、排気ガス中のＮＯx をアンモニアガス等の還元剤と選択的に還元反応させて窒素と水に分解して無害化するＳＣＲ触媒等が組み込まれている。なお、ＮＯx を除去した後の排気ガスは煙突１０５から放出される。
【０００５】
ところが、このような、ターボ前置きの脱硝反応装置１０６を備えたエンジン機関の場合、大きな熱容量を有するＳＣＲ触媒が昇温又は冷却されるのにはある程度の時間を要するため、排気ポート１０３ｂから排出される排気ガスの温度（以下、第１排気温度Ｔｅ１という。）はエンジンの負荷に応じて直ぐに変化しても、脱硝反応装置１０６の出口１０６ａから排出される排気ガスの温度（以下、第２排気温度Ｔｅ２という。）が変化するまでには時間の遅れが生じていた。
【０００６】
そのため、脱硝反応装置１０６をタービン１０１ｂの上流側に設ける舶用ディーゼル機関では、エンジン１０３の負荷を下げるときに掃気室１０２の掃気圧Ｐｓが必要以上に高くなって過給過剰となったり（非特許文献１、ｐ４３の図３参照）、エンジン１０３の負荷を上げるときに必要な掃気圧Ｐｓが得られずに過給不足となるハンチング現象が生じていた。以下、このハンチングが生じる原因について、図５を参照して詳細に説明する。
【０００７】
図５（ａ）はオペレータがエンジンの負荷（回転数）を下げた場合の説明図である。エンジンの負荷が下がると、排気ポート１０３ｂにおける第１排気温度Ｔｅ１は、符号Ｘで示すように直ぐに下降するが、脱硝反応装置１０６を通過する間にＳＣＲ触媒に蓄えられていた熱によって排気ガスが再び加熱されるので、脱硝反応装置１０６の出口１０６ａにおける第２排気温度Ｔｅ２は、符合Ｘ１’で示すように下降が遅れる。
【０００８】
ターボチャージャー１０１の回転速度は、基本的にタービン１０１ｂに導入される排気ガスの温度に比例する。よって、第２排気温度Ｔｅ２が下がらない間は、エンジン１０３の負荷が下降しているにも拘わらず、ターボチャージャー１０１の回転速度がエンジン負荷に見合う速度よりも速い状態となり、それに伴いコンプレッサー１０１ｃから送り込まれる空気量も過剰になるので、掃気室１０２の掃気圧Ｐｓは、符合Ｘ１”で示すように高い状態が維持される。よって、必要以上の空気が掃気室１０２を介して掃気ポート１０３ａに導入されるため、エンジン１０３が過給過剰の状態となり、第１排気温度Ｔｅ１がさらに低下する。
【０００９】
このような過給過剰の状態がしばらく続くと、一定の時間遅れの後、第２排気温度Ｔｅ２は符合Ｙ１’で示すように過剰に低下し、それに伴いターボチャージャー１０１の回転速度が低下し、掃気圧Ｐｓも符合Ｙ１”で示すように過剰に低下する。
【００１０】
この結果、コンプレッサー１０１ｃから送られる空気量がエンジンの負荷に見合う量よりも少なくなり、符合Ｙ１で示すように、第１排気温度Ｔｅ１が上昇してしまう。エンジンの負荷を下げるときは、このような現象が起き、しばらく繰り返され、収束するまで時間を要する。
【００１１】
図５（ｂ）はオペレータがエンジンの負荷（回転数）を上げた場合の説明図であり、（ａ）とは逆の現象が生じる。先ず、エンジンの負荷が上がると、第１排気温度Ｔｅ１は、符号Ｘ２で示すように直ぐに上昇するが、脱硝反応装置１０６内のＳＣＲ触媒は大きな熱容量を有し昇温するのに時間がかかるので、第２排気温度Ｔｅ２は、符合Ｘ２’で示すように上昇が遅れる。
【００１２】
よって、第２排気温度Ｔｅ２が上がらない間は、エンジン１０３の負荷が上昇しているにも拘わらず、ターボチャージャー１０１の回転速度がエンジン負荷に見合う速度よりも遅い状態となり、それに伴いコンプレッサー１０１ｃから送り込まれる空気量も不足するので、掃気室１０２の掃気圧Ｐｓは、符合Ｘ２”で示すように低い状態が維持される。よって、必要な空気が掃気ポート１０３ａに導入されず、エンジン１０３が過給不足の状態となり、燃料も多く投入されているため、第１排気温度Ｔｅ１がさらに上昇する。
【００１３】
このような過給不足の状態がしばらく続くと、一定の時間遅れの後、第２排気温度Ｔｅ２は符合Ｙ２’で示すように過剰に上昇し、それに伴いターボチャージャー１０１の回転速度が速くなり、掃気圧Ｐｓも符合Ｙ２”で示すように過剰に上昇する。
【００１４】
この結果、コンプレッサー１０１ｃから送られる空気量がエンジンの負荷に見合う量よりも多くなり、符合Ｙ２で示すように、第１排気温度Ｔｅ１が下降してしまう。エンジンの負荷を上げるときは、このような現象が繰り返される。
【００１５】
このようなハンチング現象が起きている間は、ターボチャージャー１０１の本来の機能が十分に発揮されず、エンジン機関の運転に支障をきたすことになる。
【００１６】
そこで、従来、例えば図６に示すように、バイパス弁１０８ａにより開閉可能なバイパス導管１０８を、脱硝反応装置１０６の上流側の排気通路１０４ａと下流側の排気通路１０４ｂを接続するように設け、エンジンの負荷を上げるときはバイパス弁１０８ａを開いて排気ガスの一部が脱硝反応装置１０６を通過しないように構成したターボチャージャー制御システム１００が提案されている（例えば、非特許文献１、ｐ４６の図８、特許文献１、第２図）。
【００１７】
これは、エンジンの負荷を上げるときは、エンジン１０３が過給不足となるため、脱硝反応装置１０６に導入される排気ガスの一部をタービン１０１ｂの上流へバイパスして、タービン１０１ｂの回転速度を上昇させるものである。
【００１８】
また、従来、タービン１０１ｂの上流側の排気通路１０４ｂと下流側の排気通路１０７を接続するバイパス導管１０９をさらに設け、エンジンの負荷を下げるときはバイパス弁１０９ａを開放して排気ガスの一部をタービン１０１ｂに供給しない構成も提案されている（例えば、非特許文献１、ｐ４４の図４、特許文献１、第１図）。
【００１９】
これは、エンジンの負荷を下げるときは、エンジン１０３が過給過剰となるため、タービン１０１ｂに供給される排気ガスの一部をタービン１０１ｂの下流へバイパスして、タービン１０１ｂの回転速度の上昇を抑制するものである。
【００２０】
しかしながら、従来のターボチャージャー制御システム１００は、バイパス弁１０８ａを開いている間は、排気ガスの一部が脱硝反応装置１０６を通過しないため、ＮＯx が還元浄化されていない未処理のガスが煙突１０５から大気中に放出され、環境を汚染するという問題があった。
【００２１】
また、バイパス弁１０９ａを開いている間は、排気流の一部を利用することなくタービン１０１ｂの下流の排気通路１０７に流すので、排気ガスのエネルギを損失していることになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】本村 収、外５名、「脱硝装置付き低速ディーゼル機関の運転動特性」、日本舶用機関学会誌、１９９９年１月、第３４巻、第１号、ｐ４１−４７
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特表平８−５００１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明が解決しようとする問題点は、従来のターボチャージャー制御システムは、脱硝反応装置をバイパスさせると排気ガス中のＮＯx が還元浄化されない点、及び、タービンをバイパスさせると排気流のエネルギが損失される点である。
【００２５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ハンチングを防止可能なターボチャージャーの制御システム及び制御方法において、エンジンが過給不足のときでも脱硝反応装置をバイパスさせることなく排気ガスは常に全量浄化処理できると共に、エンジンが過給過剰のときでも排気ガスのエネルギを損失することなく有効に活用することができる制御システム及び制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明のターボチャージャー制御システムは、
ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に脱硝反応装置を配置したエンジン機関において、
掃気室内の掃気圧を検出する圧力計と、
前記ターボチャージャーの駆動をアシスト又は制動可能なモータと、
前記モータの回生電力を蓄電装置に充電可能な発電機と、を設けると共に、
掃気圧データベースにアクセスして目標掃気圧を求める目標掃気圧計算手段と、前記圧力計が検出した掃気圧と前記目標掃気圧計算手段が求めた目標掃気圧を比較する圧力比較部と、この圧力比較部の比較結果に応じて前記モータ又は前記発電機を制御する主指令部と、を備えた制御装置を設けたこと、を最も主要な特徴点としている。
【００２７】
上記本発明のターボチャージャー制御システムを使用したターボチャージャーの駆動制御は、
前記圧力比較部は、所定の時間毎に前記掃気圧と前記目標掃気圧の差を比較し、
前記主指令部は、
エンジンを加速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さい間は、前記モータの回転速度を加速するように指令して前記ターボチャージャーの駆動をアシストし、
エンジンを減速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも大きい間は、前記発電機に前記蓄電装置への充電を指令して前記ターボチャージャーの駆動を制動する。これが本発明のターボチャージャー制御方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、オペレータがエンジンの負荷を上げて、エンジンが過給不足となるときは、制御装置の主指令部はモータに駆動電力を供給するように指令し、モータの回転によってターボチャージャーの駆動をアシストする。よって、脱硝反応装置をバイパスさせることなくエンジンの過給不足を解消し、ハンチングを防止することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、オペレータがエンジンの負荷を下げて、エンジンが過給過剰となるときは、制御装置の主指令部は発電機にモータからの回生電力を充電するように指令し、ターボチャージャーの回転トルクを電気エネルギに変換しながらターボチャージャーの駆動を制動する。また、発電機が発電した電力は、蓄電装置に蓄電しておき、エンジンの負荷を上げるときにモータの駆動電力として利用することができる。よって、排気ガスのエネルギを系外に捨てることなく有効利用を図りつつ、ハンチングを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のターボチャージャー制御システムの構成を示した概略図である。
【図２】本発明のターボチャージャー制御システムの制御装置の構成を示したブロック図である。
【図３】（ａ）はエンジンを加速時、掃気圧が目標掃気圧よりも小さい間、モータの回転速度を加速するように指令してターボチャージャーの駆動をアシストする制御を、（ｂ）は、エンジンを減速時、掃気圧が目標掃気圧よりも大きい間、発電機に蓄電装置への充電を指令してターボチャージャーの駆動を制動する制御を説明する図である。
【図４】（ａ）は一般的なターボチャージャーの説明図、（ｂ）はターボ前置きの脱硝反応装置を備えた舶用ディーゼル機関の説明図である。
【図５】ハンチング現象が発生しているときの、排気ポートにおける第１排気温度Ｔｅ１、脱硝反応装置の出口における第２排気温度Ｔｅ２、掃気室の掃気圧Ｐｓの変化を示したグラフで、（ａ）はエンジン負荷を下げたときの、（ｂ）はエンジン負荷を上げたときの説明図である。
【図６】従来のターボチャージャー制御システムの構成を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための種々の形態を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。図１において、１は、ターボチャージャー２のタービン２ａの上流側の排気通路３に脱硝反応装置４を配置した舶用ディーゼルエンジンに適用した本発明のターボチャージャー制御システムであり、エンジン５の掃気ポート５ａと接続される掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出するため掃気室６に設けた圧力計７ａと、ターボチャージャー２の回転軸２ｂに設けられ、ターボチャージャー２の駆動をアシスト又は制動可能なモータ８ａと、このモータ８ａに駆動電力を供給する蓄電装置１１と、前記モータ８ａの回生電力を前記蓄電装置１１に充電可能な発電機８ｂを備えている。なお、本実施例では、モータ８ａの機能と発電機８ｂの機能を兼ね備えたモータ兼発電機８を使用している。また、１０は、エンジン５に供給する燃料Ｆの噴射量を制御すると共にオペレータが設定したエンジン回転数のデータを制御装置９に伝達可能な回転数制御装置を、１２は、ＮＯx を還元浄化した後の排気ガスを放出する煙突を示している。
【００３２】
脱硝反応装置４には、排気ガス中のＮＯx をアンモニアガス等の還元剤と選択的に還元反応させて窒素と水に分解して無害化するＳＣＲ触媒が組み込まれている。脱硝反応装置４の上流側の排気通路３ａには、加水分解されるとアンモニアガスを生成する尿素水等の還元剤前駆体を噴霧するノズル（不図示）が設けられている。
【００３３】
制御装置９は、図２に示すように、掃気圧データベース９ａ１にアクセスし、回転数制御装置１０から取得したエンジン回転数のデータに応じて目標掃気圧ｔＰｓを求める目標掃気圧計算手段９ａ２と、圧力計７ａが検出した掃気室６の掃気圧Ｐｓと目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓを比較する圧力比較部９ａ３と、この圧力比較部９ａ３の比較結果に応じてモータ８ａに供給する駆動電力を制御すると共に発電機８ｂに対してモータ８ａの回生電力を蓄電装置１１に充電することを指令する主指令部９ａ４と、を少なくとも備えている（本発明の第１の実施形態）。
【００３４】
掃気圧データベース９ａ１は、エンジン５の回転数に対応した適切な掃気圧である目標掃気圧ｔＰｓを実験データから求めてテーブルにしたものであり、オペレータが設定したエンジン回転数のデータをキーとして検索可能なデータベースである。掃気圧データベース９ａ１に予め登録しておくデータの内容は、エンジン機関の種類や規模等によって異なるものである。
【００３５】
この本発明の第１の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法を、エンジンの負荷を上げる場合と下げる場合に分けて説明する。
【００３６】
（１）エンジンの負荷を上げる場合の制御方法
オペレータがエンジン５を加速するためエンジン回転数を上げるように設定すると、回転数制御装置１０は設定されたエンジン回転数に対応する噴射量の燃料Ｆをエンジン５に供給する。また、回転数制御装置１０は、エンジン５の回転数の増加を検知し、制御装置９に本発明の制御方法を開始することを指令する。
【００３７】
制御装置９の目標掃気圧計算手段９ａ２は、回転数制御装置１０からオペレータが設定したエンジン回転数のデータを取得し、それをキーとして掃気圧データベース９ａ１を参照し、掃気圧データベース９ａ１のテーブルから設定回転数のデータに対応する目標掃気圧ｔＰｓのデータを取得する。
【００３８】
なお、本実施例の目標掃気圧計算手段９ａ２は、掃気圧データベース９ａ１に登録されているデータをそのまま使用するが、目標掃気圧ｔＰｓは、掃気圧データベース９ａ１に登録されているデータを基礎データとして必要な補正を加えた値を使用しても良い。
【００３９】
空気Ａは、コンプレッサー２ｃにより圧縮され、掃気室６に送り込まれる。掃気室６に設けた圧力計７ａは、掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出する。
【００４０】
制御装置９の圧力比較部９ａ３は、所定の時間毎に圧力計７ａが検出した掃気圧Ｐｓのデータを取得し、目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓの値との差を求める。
【００４１】
主指令部９ａ４は、図３（ａ）に示すように、エンジンを加速時、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さい間（図の例では、時間０から時間Ｔまでの間）は、モータ８ａの制御回路にモータ８ａの回転速度を加速するように指令し、蓄電装置１１から供給するモータ８ａの駆動電力を大きくして、ターボチャージャー２の駆動をアシストする。このような制御は、所定の時間毎に掃気圧Ｐｓのデータを取得し、圧力比較部９ａ３において掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さいと判定されている間、繰り返される（図の例では、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３…のタイミングで繰り返している）。
【００４２】
そして、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓに達すると、主指令部９ａ４は、モータ８ａの制御回路に対し、それ以上モータ８ａの回転速度を上げないように指令する。
【００４３】
（２）エンジンの負荷を下げる場合の制御方法
オペレータがエンジン５を減速するためエンジン回転数を下げるように設定した場合、回転数制御装置１０は設定されたエンジン回転数に対応してエンジン５に供給する燃料Ｆの噴射量を減少させる。また、回転数制御装置１０は、エンジン５の回転数の減少を検知し、制御装置９に本発明の制御方法を開始することを指令する。
【００４４】
制御装置９の目標掃気圧計算手段９ａ２は、回転数制御装置１０からオペレータが設定したエンジン回転数のデータを取得し、それをキーとして掃気圧データベース９ａ１を参照し、掃気圧データベース９ａ１のテーブルから設定回転数のデータに対応する目標掃気圧ｔＰｓのデータを取得する。
【００４５】
圧力比較部９ａ３は、所定の時間毎に圧力計７ａが検出した掃気圧Ｐｓのデータを取得し、目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓの値との差を求める。
【００４６】
主指令部９ａ４は、図３（ｂ）に示すように、エンジンを減速時、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも大きい間（図の例では、時間０から時間Ｔまでの間）は、発電機８ｂの制御回路にモータ８ａの回生電力を蓄電装置１１へ充電するように指令し、それによってターボチャージャー２の駆動を制動する。このような制御は、所定の時間毎に掃気圧Ｐｓのデータを取得し、圧力比較部９ａ３において掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも大きいと判定されている間、繰り返される（図の例では、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３…のタイミングで繰り返している）。
【００４７】
そして、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓに達すると、主指令部９ａ４は、発電機８ｂの制御回路に対しそれ以上発電を行わないように指令し、モータ８ａの回転速度を下げないようにする。
【００４８】
なお、エンジン５の回転数が一定のときは、回転数制御装置１０は、エンジン回転数の増加や減少を検知しないので、制御装置９に本発明の制御方法の開始を指令することはない。
【００４９】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、図１に示すように、エンジン５の排気ポート５ｂと脱硝反応装置４の間の排気通路３ａに、圧縮、燃焼、膨張、給排気（掃気）のサイクルを経て排気ポート５ｂから排出された排気ガスＧの温度である第１排気温度Ｔｅ１を検出する第１温度計７ｂを設けている。
【００５０】
そして、制御装置９は、図２に示すように、脱硝反応装置４内の触媒の劣化を防止するための上限温度ｕＴｅ１と第１排気温度Ｔｅ１の差を求める第１温度比較部９ｂ１と、この第１温度比較部９ｂ１で求めた温度差が所定の範囲内となったときにモータ８ａ回転速度を加速するように指令する副指令部９ｂ２と、をさらに備えるように構成している。
【００５１】
上限温度ｕＴｅ１は、排気ガスＧが脱硝反応装置４を通過する際、触媒を劣化させない上限の温度であり、制御装置９に予めデータを設定している。また、この上限温度ｕＴｅ１を基準として監視すべき温度の範囲も、エンジンの種類や規模に応じて、制御装置９に予めデータを設定している。更に、荒天時などの海象によって、第１排気温度Ｔｅ１が上限温度ｕＴｅ１を超えることが想定される場合も、制御装置９に予めデータを設定している。
【００５２】
このように構成する場合は、脱硝反応装置４に導入される排気ガスＧの第１排気温度Ｔｅ１を監視し、これが予め設定した上限温度ｕＴｅ１を越える危険性が高い範囲に入ったときは、副指令部９ｂ２がモータ８ａ回転速度を加速するように補正することができる。よって、ターボチャージャー２の回転数が上昇し、掃気ポート５ａに供給する掃気量を上げることで第１排気温度Ｔｅ１を下げることができるので、触媒の劣化を防止できて、好適である。
【００５３】
この本発明の第２の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法について説明する。
【００５４】
第１温度比較部９ｂ１は、所定の時間毎に、第１温度計７ｂが検出した第１排気温度Ｔｅ１のデータを取得し、上限温度ｕＴｅ１との差を比較する。
【００５５】
制御装置９は、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の差が所定の範囲内であるときは、副指令部９ｂ２から指令する加速度分だけモータ８ａの回転速度を加速する。
【００５６】
また、制御装置９は、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の差が所定の範囲内であり、かつ、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さいときは、主指令部９ａ４から指令する加速度分と副指令部９ｂ２から指令する加速度分を足し合わせてモータ８ａの回転速度を加速する。
【００５７】
よって、エンジン５を加速中に第１排気温度Ｔｅ１が上限温度ｕＴｅ１を超える危険性が高い状況が発生した場合でも、主指令部９ａ４及び副指令部９ｂ２から同時にモータ８ａの回転数を上げるように指令し、両方を考慮した加速度分だけターボチャージャー２の回転軸２ｂの回転を加速するので、ハンチングの防止と触媒の劣化防止を共に図れて、好適である。
【００５８】
上記のような制御を所定の時間毎に繰り返し、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の温度差が所定の範囲外になると、副指令部９ｂ２は、モータ８ａの制御回路に対する指令を停止する。
【００５９】
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。この第３の実施形態は、図１に示すように、脱硝反応装置４の出口４ａとタービン２ａの間の排気通路３ｂに、出口４ａから排出されたＮＯx 浄化処理後の排気ガスの温度である第２排気温度Ｔｅ２を検出する第２温度計７ｃを設けている。
【００６０】
制御装置９は、図２に示すように、出口温度データベース９ｃ１にアクセスし、回転数制御装置１０から取得したエンジン回転数のデータに応じて目標第１排気温度ｔＴｅ１と目標第２排気温度ｔＴｅ２を夫々求める目標排気温度計算手段９ｃ２と、第１排気温度Ｔｅ１と目標第１排気温度ｔＴｅ１の差及び第２排気温度Ｔｅ２と目標第２排気温度ｔＴｅ２の差を夫々求める第２温度比較部９ｃ３と、この第２温度比較部９ｃ３で求めた温度差が共に所定の範囲内となったときは、モータ８ａ又は発電機８ｂの駆動を停止するように指令する停止指令部９ｃ４と、をさらに備えるように構成している。
【００６１】
出口温度データベース９ｃ１は、エンジン５の回転数に対応した排気ポート５ｂにおける理想の出口温度である目標第１排気温度ｔＴｅ１と、脱硝反応装置４の出口４ａにおける目標第２排気温度ｔＴｅ２を、夫々実験データから求めてテーブルにしたものであり、オペレータが設定したエンジン回転数のデータをキーとして検索可能なデータベースである。出口温度データベース９ｃ１に予め登録しておくデータの内容は、エンジン機関の種類や規模等によって異なるものである。
【００６２】
上記のように構成する場合は、第１排気温度Ｔｅ１と第２排気温度Ｔｅ２を監視し、これらの温度の差が予め設定した範囲内に収まるときは、停止指令部９ｃ４がモータ８ａ及び発電機８ｂに対し、制御停止を指令することができる。よって、脱硝反応装置４のＳＣＲ触媒の熱容量の影響による温度差（第１排気温度Ｔｅ１と第２排気温度Ｔｅ２の差）がなくなったタイミングで、ターボチャージャー２に対するアシスト又は制動を中止して通常の運転に戻ることができるので、好適である。
【００６３】
この本発明の第３の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法について説明する。
【００６４】
第２温度比較部９ｃ３は、所定の時間毎に、第１温度計７ｂが検出した第１排気温度Ｔｅ１のデータと第２温度計７ｃが検出した第２排気温度Ｔｅ２のデータを取得し、目標第１排気温度ｔＴｅ１との差及び目標第２排気温度ｔＴｅ２との差を夫々比較する。
【００６５】
停止指令部９ｃ４は、第２温度比較部９ｃ３で求めた温度差が共に所定の範囲内となっている状態が一定の時間継続したときは、モータ８ａ又は発電機８ｂの駆動を停止するように指令する。
【００６６】
よって、脱硝反応装置４のＳＣＲ触媒の熱容量の影響による温度差を所定の時間間隔でリアルタイムに検知しながら、その温度差が許容範囲となり、かつ、その状態が所定の時間維持されている最も適切なタイミングで、ターボチャージャー２のアシスト又は制動を行わない通常運転へ戻すことができるので、モータ８ａ及び発電機８ｂの駆動を必要な範囲に限定できて、好適である。
【００６７】
上記第３の実施形態による制御方法は、回転数制御装置１０がエンジン５の回転数の増加又は減少を検知したときに開始され、制御装置９の停止指令部９ｃ４が停止指令を行ったときに終了する。
【００６８】
以上説明したように、本発明では、オペレータがエンジンの負荷を上げるときは、制御装置の主指令部がモータに駆動電力を供給するように指令し、モータの回転によってターボチャージャーの駆動をアシストするので、脱硝反応装置をバイパスすることなくエンジンの過給不足を解消できる。よって、未処理のガスはなく、排気ガスは常に全量浄化処理できる。
【００６９】
また、本発明では、オペレータがエンジンの負荷を下げるときは、制御装置の主指令部が発電機にモータからの回生電力を充電するように指令し、ターボチャージャーの駆動を制動する。発電機が発電した電力は蓄電装置に蓄電し、モータの駆動電力として利用することができる。よって、排気ガスのエネルギを系外に捨てることなく、有効に利用することができる。
【００７０】
このように、本発明は、ターボチャージャーの回転軸にモータ兼発電機を接続することでエネルギの供給と回収を行うことで、ハンチングを防止し、ターボ前置きの脱硝反応装置を備えたエンジン機関の運転を安定させることができる。
【００７１】
本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００７２】
例えば、前記の実施例では、目標排気温度計算手段９ｃ２は、出口温度データベース９ｃ１に登録されているデータを使用する例を開示したが、目標第１排気温度ｔＴｅ１と目標第２排気温度ｔＴｅ２は、出口温度データベース９ｃ１に登録されているデータを基礎データとして必要な補正を加えた値を使用しても良い。
【００７３】
また、オペレータはエンジンの負荷を変えるように指令していないが、荒天時など海象によってエンジンの負荷が変動する場合についても、前記各実施例において制御装置９に予め設定する閾値を越えるか否かによって、本発明のシステムの作動または不作動を適宜制御すれば良い。海象によるハンチングも、一定の閾値以上に大きくなる場合は、オペレータがエンジンの負荷を大きく変えた状況と同じになると考えられるからである。
【符号の説明】
【００７４】
１ ターボチャージャー制御システム
２ ターボチャージャー
２ａ タービン
３，３ａ，３ｂ 排気通路
４ 脱硝反応装置
４ａ 出口
５ エンジン
５ｂ 排気ポート
６ 掃気室
７ａ 圧力計
７ｂ 第１温度計
７ｃ 第２温度計
８ａ モータ
８ｂ 発電機
９ 制御装置
９ａ１ 掃気圧データベース
９ａ２ 目標掃気圧計算手段
９ａ３ 圧力比較部
９ａ４ 主指令部
９ｂ１ 第１温度比較部
９ｂ２ 副指令部
９ｃ１ 出口温度データベース
９ｃ２ 目標排気温度計算手段
９ｃ３ 第２温度比較部
９ｃ４ 停止指令部
１１ 蓄電装置
Ｐｓ 掃気圧
ｔＰｓ 目標掃気圧
Ｔｅ１ 第１排気温度
Ｔｅ２ 第２排気温度
ｕＴｅ１ 上限温度
ｔＴｅ１ 目標第１排気温度
ｔＴｅ２ 目標第２排気温度
Ｇ 排気ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に、排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯx 」という。）を還元除去する脱硝反応装置を設けたエンジン機関に適用される、ターボチャージャー制御システム及び制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４（ａ）に示すように、一般にターボチャージャー１０１は、回転軸１０１ａの両端にタービン１０１ｂとコンプレッサー１０１ｃを備え、エンジン１０３の排気ポート１０３ｂから排気通路１０４に排出される高温の排気ガスの排気流でタービン１０１ｂを回転させ、その動力でコンプレッサー１０１ｃを駆動する。そして、コンプレッサー１０１ｃにより圧縮された空気は、掃気室１０２を介してエンジン１０３の掃気ポート１０３ａに供給される。
【０００３】
このように、排気ポート１０３ｂとタービン１０１ｂの間が排気通路１０４のみである場合は、ターボチャージャー１０１はエンジン１０３の負荷の増減に対してほぼ同期して作動し、エンジン１０３に適切なタイミングで過給が行われる。
【０００４】
これに対し、例えば舶用ディーゼル機関では、図４（ｂ）に示すように、排気ポート１０３ｂとタービン１０１ｂの間の排気通路１０４に、脱硝反応装置１０６を設ける場合がある（例えば、非特許文献１、ｐ４２の図１）。脱硝反応装置１０６には、排気ガス中のＮＯx をアンモニアガス等の還元剤と選択的に還元反応させて窒素と水に分解して無害化するＳＣＲ触媒等が組み込まれている。なお、ＮＯx を除去した後の排気ガスは煙突１０５から放出される。
【０００５】
ところが、このような、ターボ前置きの脱硝反応装置１０６を備えたエンジン機関の場合、大きな熱容量を有するＳＣＲ触媒が昇温又は冷却されるのにはある程度の時間を要するため、排気ポート１０３ｂから排出される排気ガスの温度（以下、第１排気温度Ｔｅ１という。）はエンジンの負荷に応じて直ぐに変化しても、脱硝反応装置１０６の出口１０６ａから排出される排気ガスの温度（以下、第２排気温度Ｔｅ２という。）が変化するまでには時間の遅れが生じていた。
【０００６】
そのため、脱硝反応装置１０６をタービン１０１ｂの上流側に設ける舶用ディーゼル機関では、エンジン１０３の負荷を下げるときに掃気室１０２の掃気圧Ｐｓが必要以上に高くなって過給過剰となったり（非特許文献１、ｐ４３の図３参照）、エンジン１０３の負荷を上げるときに必要な掃気圧Ｐｓが得られずに過給不足となるハンチング現象が生じていた。以下、このハンチングが生じる原因について、図５を参照して詳細に説明する。
【０００７】
図５（ａ）はオペレータがエンジンの負荷（回転数）を下げた場合の説明図である。エンジンの負荷が下がると、排気ポート１０３ｂにおける第１排気温度Ｔｅ１は、符号Ｘで示すように直ぐに下降するが、脱硝反応装置１０６を通過する間にＳＣＲ触媒に蓄えられていた熱によって排気ガスが再び加熱されるので、脱硝反応装置１０６の出口１０６ａにおける第２排気温度Ｔｅ２は、符合Ｘ１’で示すように下降が遅れる。
【０００８】
ターボチャージャー１０１の回転速度は、基本的にタービン１０１ｂに導入される排気ガスの温度に比例する。よって、第２排気温度Ｔｅ２が下がらない間は、エンジン１０３の負荷が下降しているにも拘わらず、ターボチャージャー１０１の回転速度がエンジン負荷に見合う速度よりも速い状態となり、それに伴いコンプレッサー１０１ｃから送り込まれる空気量も過剰になるので、掃気室１０２の掃気圧Ｐｓは、符合Ｘ１”で示すように高い状態が維持される。よって、必要以上の空気が掃気室１０２を介して掃気ポート１０３ａに導入されるため、エンジン１０３が過給過剰の状態となり、第１排気温度Ｔｅ１がさらに低下する。
【０００９】
このような過給過剰の状態がしばらく続くと、一定の時間遅れの後、第２排気温度Ｔｅ２は符合Ｙ１’で示すように過剰に低下し、それに伴いターボチャージャー１０１の回転速度が低下し、掃気圧Ｐｓも符合Ｙ１”で示すように過剰に低下する。
【００１０】
この結果、コンプレッサー１０１ｃから送られる空気量がエンジンの負荷に見合う量よりも少なくなり、符合Ｙ１で示すように、第１排気温度Ｔｅ１が上昇してしまう。エンジンの負荷を下げるときは、このような現象が起き、しばらく繰り返され、収束するまで時間を要する。
【００１１】
図５（ｂ）はオペレータがエンジンの負荷（回転数）を上げた場合の説明図であり、（ａ）とは逆の現象が生じる。先ず、エンジンの負荷が上がると、第１排気温度Ｔｅ１は、符号Ｘ２で示すように直ぐに上昇するが、脱硝反応装置１０６内のＳＣＲ触媒は大きな熱容量を有し昇温するのに時間がかかるので、第２排気温度Ｔｅ２は、符合Ｘ２’で示すように上昇が遅れる。
【００１２】
よって、第２排気温度Ｔｅ２が上がらない間は、エンジン１０３の負荷が上昇しているにも拘わらず、ターボチャージャー１０１の回転速度がエンジン負荷に見合う速度よりも遅い状態となり、それに伴いコンプレッサー１０１ｃから送り込まれる空気量も不足するので、掃気室１０２の掃気圧Ｐｓは、符合Ｘ２”で示すように低い状態が維持される。よって、必要な空気が掃気ポート１０３ａに導入されず、エンジン１０３が過給不足の状態となり、燃料も多く投入されているため、第１排気温度Ｔｅ１がさらに上昇する。
【００１３】
このような過給不足の状態がしばらく続くと、一定の時間遅れの後、第２排気温度Ｔｅ２は符合Ｙ２’で示すように過剰に上昇し、それに伴いターボチャージャー１０１の回転速度が速くなり、掃気圧Ｐｓも符合Ｙ２”で示すように過剰に上昇する。
【００１４】
この結果、コンプレッサー１０１ｃから送られる空気量がエンジンの負荷に見合う量よりも多くなり、符合Ｙ２で示すように、第１排気温度Ｔｅ１が下降してしまう。エンジンの負荷を上げるときは、このような現象が繰り返される。
【００１５】
このようなハンチング現象が起きている間は、ターボチャージャー１０１の本来の機能が十分に発揮されず、エンジン機関の運転に支障をきたすことになる。
【００１６】
そこで、従来、例えば図６に示すように、バイパス弁１０８ａにより開閉可能なバイパス導管１０８を、脱硝反応装置１０６の上流側の排気通路１０４ａと下流側の排気通路１０４ｂを接続するように設け、エンジンの負荷を上げるときはバイパス弁１０８ａを開いて排気ガスの一部が脱硝反応装置１０６を通過しないように構成したターボチャージャー制御システム１００が提案されている（例えば、非特許文献１、ｐ４６の図８、特許文献１、第２図）。
【００１７】
これは、エンジンの負荷を上げるときは、エンジン１０３が過給不足となるため、脱硝反応装置１０６に導入される排気ガスの一部をタービン１０１ｂの上流へバイパスして、タービン１０１ｂの回転速度を上昇させるものである。
【００１８】
また、従来、タービン１０１ｂの上流側の排気通路１０４ｂと下流側の排気通路１０７を接続するバイパス導管１０９をさらに設け、エンジンの負荷を下げるときはバイパス弁１０９ａを開放して排気ガスの一部をタービン１０１ｂに供給しない構成も提案されている（例えば、非特許文献１、ｐ４４の図４、特許文献１、第１図）。
【００１９】
これは、エンジンの負荷を下げるときは、エンジン１０３が過給過剰となるため、タービン１０１ｂに供給される排気ガスの一部をタービン１０１ｂの下流へバイパスして、タービン１０１ｂの回転速度の上昇を抑制するものである。
【００２０】
しかしながら、従来のターボチャージャー制御システム１００は、バイパス弁１０８ａを開いている間は、排気ガスの一部が脱硝反応装置１０６を通過しないため、ＮＯx が還元浄化されていない未処理のガスが煙突１０５から大気中に放出され、環境を汚染するという問題があった。
【００２１】
また、バイパス弁１０９ａを開いている間は、排気流の一部を利用することなくタービン１０１ｂの下流の排気通路１０７に流すので、排気ガスのエネルギを損失していることになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】本村 収、外５名、「脱硝装置付き低速ディーゼル機関の運転動特性」、日本舶用機関学会誌、１９９９年１月、第３４巻、第１号、ｐ４１−４７
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特表平８−５００１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明が解決しようとする問題点は、従来のターボチャージャー制御システムは、脱硝反応装置をバイパスさせると排気ガス中のＮＯx が還元浄化されない点、及び、タービンをバイパスさせると排気流のエネルギが損失される点である。
【００２５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ハンチングを防止可能なターボチャージャーの制御システム及び制御方法において、エンジンが過給不足のときでも脱硝反応装置をバイパスさせることなく排気ガスは常に全量浄化処理できると共に、エンジンが過給過剰のときでも排気ガスのエネルギを損失することなく有効に活用することができる制御システム及び制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明のターボチャージャー制御システムは、
ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に脱硝反応装置を配置したエンジン機関において、
掃気室内の掃気圧を検出する圧力計と、
前記ターボチャージャーの駆動をアシスト又は制動可能なモータと、
前記モータの回生電力を蓄電装置に充電可能な発電機と、を設けると共に、
掃気圧データベースにアクセスして目標掃気圧を求める目標掃気圧計算手段と、前記圧力計が検出した掃気圧と前記目標掃気圧計算手段が求めた目標掃気圧を比較する圧力比較部と、この圧力比較部の比較結果に応じて前記モータ又は前記発電機を制御する主指令部と、を備えた制御装置を設けたこと、を最も主要な特徴点としている。
【００２７】
上記本発明のターボチャージャー制御システムを使用したターボチャージャーの駆動制御は、
前記圧力比較部は、所定の時間毎に前記掃気圧と前記目標掃気圧の差を比較し、
前記主指令部は、
エンジンを加速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さい間は、前記モータの回転速度を加速するように指令して前記ターボチャージャーの駆動をアシストし、
エンジンを減速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも大きい間は、前記発電機に前記蓄電装置への充電を指令して前記ターボチャージャーの駆動を制動する。これが本発明のターボチャージャー制御方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、オペレータがエンジンの負荷を上げて、エンジンが過給不足となるときは、制御装置の主指令部はモータに駆動電力を供給するように指令し、モータの回転によってターボチャージャーの駆動をアシストする。よって、脱硝反応装置をバイパスさせることなくエンジンの過給不足を解消し、ハンチングを防止することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、オペレータがエンジンの負荷を下げて、エンジンが過給過剰となるときは、制御装置の主指令部は発電機にモータからの回生電力を充電するように指令し、ターボチャージャーの回転トルクを電気エネルギに変換しながらターボチャージャーの駆動を制動する。また、発電機が発電した電力は、蓄電装置に蓄電しておき、エンジンの負荷を上げるときにモータの駆動電力として利用することができる。よって、排気ガスのエネルギを系外に捨てることなく有効利用を図りつつ、ハンチングを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のターボチャージャー制御システムの構成を示した概略図である。
【図２】本発明のターボチャージャー制御システムの制御装置の構成を示したブロック図である。
【図３】（ａ）はエンジンを加速時、掃気圧が目標掃気圧よりも小さい間、モータの回転速度を加速するように指令してターボチャージャーの駆動をアシストする制御を、（ｂ）は、エンジンを減速時、掃気圧が目標掃気圧よりも大きい間、発電機に蓄電装置への充電を指令してターボチャージャーの駆動を制動する制御を説明する図である。
【図４】（ａ）は一般的なターボチャージャーの説明図、（ｂ）はターボ前置きの脱硝反応装置を備えた舶用ディーゼル機関の説明図である。
【図５】ハンチング現象が発生しているときの、排気ポートにおける第１排気温度Ｔｅ１、脱硝反応装置の出口における第２排気温度Ｔｅ２、掃気室の掃気圧Ｐｓの変化を示したグラフで、（ａ）はエンジン負荷を下げたときの、（ｂ）はエンジン負荷を上げたときの説明図である。
【図６】従来のターボチャージャー制御システムの構成を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための種々の形態を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。図１において、１は、ターボチャージャー２のタービン２ａの上流側の排気通路３に脱硝反応装置４を配置した舶用ディーゼルエンジンに適用した本発明のターボチャージャー制御システムであり、エンジン５の掃気ポート５ａと接続される掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出するため掃気室６に設けた圧力計７ａと、ターボチャージャー２の回転軸２ｂに設けられ、ターボチャージャー２の駆動をアシスト又は制動可能なモータ８ａと、このモータ８ａに駆動電力を供給する蓄電装置１１と、前記モータ８ａの回生電力を前記蓄電装置１１に充電可能な発電機８ｂを備えている。なお、本実施例では、モータ８ａの機能と発電機８ｂの機能を兼ね備えたモータ兼発電機８を使用している。また、１０は、エンジン５に供給する燃料Ｆの噴射量を制御すると共にオペレータが設定したエンジン回転数のデータを制御装置９に伝達可能な回転数制御装置を、１２は、ＮＯx を還元浄化した後の排気ガスを放出する煙突を示している。
【００３２】
脱硝反応装置４には、排気ガス中のＮＯx をアンモニアガス等の還元剤と選択的に還元反応させて窒素と水に分解して無害化するＳＣＲ触媒が組み込まれている。脱硝反応装置４の上流側の排気通路３ａには、加水分解されるとアンモニアガスを生成する尿素水等の還元剤前駆体を噴霧するノズル（不図示）が設けられている。
【００３３】
制御装置９は、図２に示すように、掃気圧データベース９ａ１にアクセスし、回転数制御装置１０から取得したエンジン回転数のデータに応じて目標掃気圧ｔＰｓを求める目標掃気圧計算手段９ａ２と、圧力計７ａが検出した掃気室６の掃気圧Ｐｓと目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓを比較する圧力比較部９ａ３と、この圧力比較部９ａ３の比較結果に応じてモータ８ａに供給する駆動電力を制御すると共に発電機８ｂに対してモータ８ａの回生電力を蓄電装置１１に充電することを指令する主指令部９ａ４と、を少なくとも備えている（本発明の第１の実施形態）。
【００３４】
掃気圧データベース９ａ１は、エンジン５の回転数に対応した適切な掃気圧である目標掃気圧ｔＰｓを実験データから求めてテーブルにしたものであり、オペレータが設定したエンジン回転数のデータをキーとして検索可能なデータベースである。掃気圧データベース９ａ１に予め登録しておくデータの内容は、エンジン機関の種類や規模等によって異なるものである。
【００３５】
この本発明の第１の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法を、エンジンの負荷を上げる場合と下げる場合に分けて説明する。
【００３６】
（１）エンジンの負荷を上げる場合の制御方法
オペレータがエンジン５を加速するためエンジン回転数を上げるように設定すると、回転数制御装置１０は設定されたエンジン回転数に対応する噴射量の燃料Ｆをエンジン５に供給する。また、回転数制御装置１０は、エンジン５の回転数の増加を検知し、制御装置９に本発明の制御方法を開始することを指令する。
【００３７】
制御装置９の目標掃気圧計算手段９ａ２は、回転数制御装置１０からオペレータが設定したエンジン回転数のデータを取得し、それをキーとして掃気圧データベース９ａ１を参照し、掃気圧データベース９ａ１のテーブルから設定回転数のデータに対応する目標掃気圧ｔＰｓのデータを取得する。
【００３８】
なお、本実施例の目標掃気圧計算手段９ａ２は、掃気圧データベース９ａ１に登録されているデータをそのまま使用するが、目標掃気圧ｔＰｓは、掃気圧データベース９ａ１に登録されているデータを基礎データとして必要な補正を加えた値を使用しても良い。
【００３９】
空気Ａは、コンプレッサー２ｃにより圧縮され、掃気室６に送り込まれる。掃気室６に設けた圧力計７ａは、掃気室６内の掃気圧Ｐｓを検出する。
【００４０】
制御装置９の圧力比較部９ａ３は、所定の時間毎に圧力計７ａが検出した掃気圧Ｐｓのデータを取得し、目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓの値との差を求める。
【００４１】
主指令部９ａ４は、図３（ａ）に示すように、エンジンを加速時、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さい間（図の例では、時間０から時間Ｔまでの間）は、モータ８ａの制御回路にモータ８ａの回転速度を加速するように指令し、蓄電装置１１から供給するモータ８ａの駆動電力を大きくして、ターボチャージャー２の駆動をアシストする。このような制御は、所定の時間毎に掃気圧Ｐｓのデータを取得し、圧力比較部９ａ３において掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さいと判定されている間、繰り返される（図の例では、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３…のタイミングで繰り返している）。
【００４２】
そして、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓに達すると、主指令部９ａ４は、モータ８ａの制御回路に対し、それ以上モータ８ａの回転速度を上げないように指令する。
【００４３】
（２）エンジンの負荷を下げる場合の制御方法
オペレータがエンジン５を減速するためエンジン回転数を下げるように設定した場合、回転数制御装置１０は設定されたエンジン回転数に対応してエンジン５に供給する燃料Ｆの噴射量を減少させる。また、回転数制御装置１０は、エンジン５の回転数の減少を検知し、制御装置９に本発明の制御方法を開始することを指令する。
【００４４】
制御装置９の目標掃気圧計算手段９ａ２は、回転数制御装置１０からオペレータが設定したエンジン回転数のデータを取得し、それをキーとして掃気圧データベース９ａ１を参照し、掃気圧データベース９ａ１のテーブルから設定回転数のデータに対応する目標掃気圧ｔＰｓのデータを取得する。
【００４５】
圧力比較部９ａ３は、所定の時間毎に圧力計７ａが検出した掃気圧Ｐｓのデータを取得し、目標掃気圧計算手段９ａ２が求めた目標掃気圧ｔＰｓの値との差を求める。
【００４６】
主指令部９ａ４は、図３（ｂ）に示すように、エンジンを減速時、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも大きい間（図の例では、時間０から時間Ｔまでの間）は、発電機８ｂの制御回路にモータ８ａの回生電力を蓄電装置１１へ充電するように指令し、それによってターボチャージャー２の駆動を制動する。このような制御は、所定の時間毎に掃気圧Ｐｓのデータを取得し、圧力比較部９ａ３において掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも大きいと判定されている間、繰り返される（図の例では、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３…のタイミングで繰り返している）。
【００４７】
そして、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓに達すると、主指令部９ａ４は、発電機８ｂの制御回路に対しそれ以上発電を行わないように指令し、モータ８ａの回転速度を下げないようにする。
【００４８】
なお、エンジン５の回転数が一定のときは、回転数制御装置１０は、エンジン回転数の増加や減少を検知しないので、制御装置９に本発明の制御方法の開始を指令することはない。
【００４９】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、図１に示すように、エンジン５の排気ポート５ｂと脱硝反応装置４の間の排気通路３ａに、圧縮、燃焼、膨張、給排気（掃気）のサイクルを経て排気ポート５ｂから排出された排気ガスＧの温度である第１排気温度Ｔｅ１を検出する第１温度計７ｂを設けている。
【００５０】
そして、制御装置９は、図２に示すように、脱硝反応装置４内の触媒の劣化を防止するための上限温度ｕＴｅ１と第１排気温度Ｔｅ１の差を求める第１温度比較部９ｂ１と、この第１温度比較部９ｂ１で求めた温度差が所定の範囲内となったときにモータ８ａ回転速度を加速するように指令する副指令部９ｂ２と、をさらに備えるように構成している。
【００５１】
上限温度ｕＴｅ１は、排気ガスＧが脱硝反応装置４を通過する際、触媒を劣化させない上限の温度であり、制御装置９に予めデータを設定している。また、この上限温度ｕＴｅ１を基準として監視すべき温度の範囲も、エンジンの種類や規模に応じて、制御装置９に予めデータを設定している。更に、荒天時などの海象によって、第１排気温度Ｔｅ１が上限温度ｕＴｅ１を超えることが想定される場合も、制御装置９に予めデータを設定している。
【００５２】
このように構成する場合は、脱硝反応装置４に導入される排気ガスＧの第１排気温度Ｔｅ１を監視し、これが予め設定した上限温度ｕＴｅ１を越える危険性が高い範囲に入ったときは、副指令部９ｂ２がモータ８ａ回転速度を加速するように補正することができる。よって、ターボチャージャー２の回転数が上昇し、掃気ポート５ａに供給する掃気量を上げることで第１排気温度Ｔｅ１を下げることができるので、触媒の劣化を防止できて、好適である。
【００５３】
この本発明の第２の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法について説明する。
【００５４】
第１温度比較部９ｂ１は、所定の時間毎に、第１温度計７ｂが検出した第１排気温度Ｔｅ１のデータを取得し、上限温度ｕＴｅ１との差を比較する。
【００５５】
制御装置９は、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の差が所定の範囲内であるときは、副指令部９ｂ２から指令する加速度分だけモータ８ａの回転速度を加速する。
【００５６】
また、制御装置９は、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の差が所定の範囲内であり、かつ、掃気圧Ｐｓが目標掃気圧ｔＰｓよりも小さいときは、主指令部９ａ４から指令する加速度分と副指令部９ｂ２から指令する加速度分を足し合わせてモータ８ａの回転速度を加速する。
【００５７】
よって、エンジン５を加速中に第１排気温度Ｔｅ１が上限温度ｕＴｅ１を超える危険性が高い状況が発生した場合でも、主指令部９ａ４及び副指令部９ｂ２から同時にモータ８ａの回転数を上げるように指令し、両方を考慮した加速度分だけターボチャージャー２の回転軸２ｂの回転を加速するので、ハンチングの防止と触媒の劣化防止を共に図れて、好適である。
【００５８】
上記のような制御を所定の時間毎に繰り返し、第１排気温度Ｔｅ１と上限温度ｕＴｅ１の温度差が所定の範囲外になると、副指令部９ｂ２は、モータ８ａの制御回路に対する指令を停止する。
【００５９】
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。この第３の実施形態は、図１に示すように、脱硝反応装置４の出口４ａとタービン２ａの間の排気通路３ｂに、出口４ａから排出されたＮＯx 浄化処理後の排気ガスの温度である第２排気温度Ｔｅ２を検出する第２温度計７ｃを設けている。
【００６０】
制御装置９は、図２に示すように、出口温度データベース９ｃ１にアクセスし、回転数制御装置１０から取得したエンジン回転数のデータに応じて目標第１排気温度ｔＴｅ１と目標第２排気温度ｔＴｅ２を夫々求める目標排気温度計算手段９ｃ２と、第１排気温度Ｔｅ１と目標第１排気温度ｔＴｅ１の差及び第２排気温度Ｔｅ２と目標第２排気温度ｔＴｅ２の差を夫々求める第２温度比較部９ｃ３と、この第２温度比較部９ｃ３で求めた温度差が共に所定の範囲内となったときは、モータ８ａ又は発電機８ｂの駆動を停止するように指令する停止指令部９ｃ４と、をさらに備えるように構成している。
【００６１】
出口温度データベース９ｃ１は、エンジン５の回転数に対応した排気ポート５ｂにおける理想の出口温度である目標第１排気温度ｔＴｅ１と、脱硝反応装置４の出口４ａにおける目標第２排気温度ｔＴｅ２を、夫々実験データから求めてテーブルにしたものであり、オペレータが設定したエンジン回転数のデータをキーとして検索可能なデータベースである。出口温度データベース９ｃ１に予め登録しておくデータの内容は、エンジン機関の種類や規模等によって異なるものである。
【００６２】
上記のように構成する場合は、第１排気温度Ｔｅ１と第２排気温度Ｔｅ２を監視し、これらの温度の差が予め設定した範囲内に収まるときは、停止指令部９ｃ４がモータ８ａ及び発電機８ｂに対し、制御停止を指令することができる。よって、脱硝反応装置４のＳＣＲ触媒の熱容量の影響による温度差（第１排気温度Ｔｅ１と第２排気温度Ｔｅ２の差）がなくなったタイミングで、ターボチャージャー２に対するアシスト又は制動を中止して通常の運転に戻ることができるので、好適である。
【００６３】
この本発明の第３の実施形態を用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法について説明する。
【００６４】
第２温度比較部９ｃ３は、所定の時間毎に、第１温度計７ｂが検出した第１排気温度Ｔｅ１のデータと第２温度計７ｃが検出した第２排気温度Ｔｅ２のデータを取得し、目標第１排気温度ｔＴｅ１との差及び目標第２排気温度ｔＴｅ２との差を夫々比較する。
【００６５】
停止指令部９ｃ４は、第２温度比較部９ｃ３で求めた温度差が共に所定の範囲内となっている状態が一定の時間継続したときは、モータ８ａ又は発電機８ｂの駆動を停止するように指令する。
【００６６】
よって、脱硝反応装置４のＳＣＲ触媒の熱容量の影響による温度差を所定の時間間隔でリアルタイムに検知しながら、その温度差が許容範囲となり、かつ、その状態が所定の時間維持されている最も適切なタイミングで、ターボチャージャー２のアシスト又は制動を行わない通常運転へ戻すことができるので、モータ８ａ及び発電機８ｂの駆動を必要な範囲に限定できて、好適である。
【００６７】
上記第３の実施形態による制御方法は、回転数制御装置１０がエンジン５の回転数の増加又は減少を検知したときに開始され、制御装置９の停止指令部９ｃ４が停止指令を行ったときに終了する。
【００６８】
以上説明したように、本発明では、オペレータがエンジンの負荷を上げるときは、制御装置の主指令部がモータに駆動電力を供給するように指令し、モータの回転によってターボチャージャーの駆動をアシストするので、脱硝反応装置をバイパスすることなくエンジンの過給不足を解消できる。よって、未処理のガスはなく、排気ガスは常に全量浄化処理できる。
【００６９】
また、本発明では、オペレータがエンジンの負荷を下げるときは、制御装置の主指令部が発電機にモータからの回生電力を充電するように指令し、ターボチャージャーの駆動を制動する。発電機が発電した電力は蓄電装置に蓄電し、モータの駆動電力として利用することができる。よって、排気ガスのエネルギを系外に捨てることなく、有効に利用することができる。
【００７０】
このように、本発明は、ターボチャージャーの回転軸にモータ兼発電機を接続することでエネルギの供給と回収を行うことで、ハンチングを防止し、ターボ前置きの脱硝反応装置を備えたエンジン機関の運転を安定させることができる。
【００７１】
本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００７２】
例えば、前記の実施例では、目標排気温度計算手段９ｃ２は、出口温度データベース９ｃ１に登録されているデータを使用する例を開示したが、目標第１排気温度ｔＴｅ１と目標第２排気温度ｔＴｅ２は、出口温度データベース９ｃ１に登録されているデータを基礎データとして必要な補正を加えた値を使用しても良い。
【００７３】
また、オペレータはエンジンの負荷を変えるように指令していないが、荒天時など海象によってエンジンの負荷が変動する場合についても、前記各実施例において制御装置９に予め設定する閾値を越えるか否かによって、本発明のシステムの作動または不作動を適宜制御すれば良い。海象によるハンチングも、一定の閾値以上に大きくなる場合は、オペレータがエンジンの負荷を大きく変えた状況と同じになると考えられるからである。
【符号の説明】
【００７４】
１ ターボチャージャー制御システム
２ ターボチャージャー
２ａ タービン
３，３ａ，３ｂ 排気通路
４ 脱硝反応装置
４ａ 出口
５ エンジン
５ｂ 排気ポート
６ 掃気室
７ａ 圧力計
７ｂ 第１温度計
７ｃ 第２温度計
８ａ モータ
８ｂ 発電機
９ 制御装置
９ａ１ 掃気圧データベース
９ａ２ 目標掃気圧計算手段
９ａ３ 圧力比較部
９ａ４ 主指令部
９ｂ１ 第１温度比較部
９ｂ２ 副指令部
９ｃ１ 出口温度データベース
９ｃ２ 目標排気温度計算手段
９ｃ３ 第２温度比較部
９ｃ４ 停止指令部
１１ 蓄電装置
Ｐｓ 掃気圧
ｔＰｓ 目標掃気圧
Ｔｅ１ 第１排気温度
Ｔｅ２ 第２排気温度
ｕＴｅ１ 上限温度
ｔＴｅ１ 目標第１排気温度
ｔＴｅ２ 目標第２排気温度
Ｇ 排気ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に脱硝反応装置を配置したエンジン機関において、
掃気室内の掃気圧を検出する圧力計と、
前記ターボチャージャーの駆動をアシスト又は制動可能なモータと、
前記モータの回生電力を蓄電装置に充電可能な発電機と、を設けると共に、
掃気圧データベースにアクセスして目標掃気圧を求める目標掃気圧計算手段と、前記圧力計が検出した掃気圧と前記目標掃気圧計算手段が求めた目標掃気圧を比較する圧力比較部と、この圧力比較部の比較結果に応じて前記モータ又は前記発電機を制御する主指令部と、を備えた制御装置を設けたこと、
を特徴とするターボチャージャー制御システム。
【請求項２】
エンジンの排気ポートと前記脱硝反応装置の間の排気通路に、前記排気ポートから排出された排気ガスの温度である第１排気温度を検出する第１温度計を設けると共に、
前記制御装置は、
前記脱硝反応装置内の触媒の劣化を防止するための上限温度と前記第１排気温度の差を求める第１温度比較部と、この第１温度比較部で求めた温度差が所定の範囲内となったときに前記モータの回転速度を加速するように指令する副指令部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー制御システム。
【請求項３】
前記脱硝反応装置と前記タービンの間の排気通路に、前記脱硝反応装置の出口から排出された排気ガスの温度である第２排気温度を検出する第２温度計を設けると共に、
前記制御装置は、
出口温度データベースにアクセスして目標第１排気温度と目標第２排気温度を夫々求める目標排気温度計算手段と、前記第１排気温度と前記目標第１排気温度の差及び前記第２排気温度と前記目標第２排気温度の差を夫々求める第２温度比較部と、前記第２温度比較部で求めた温度差が共に所定の範囲内となったときは、前記モータ又は前記発電機の駆動を停止するように指令する停止指令部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャー制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記圧力比較部は、所定の時間毎に前記掃気圧と前記目標掃気圧の差を比較し、
前記主指令部は、
エンジンを加速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さい間は、前記モータの回転速度を加速するように指令して前記ターボチャージャーの駆動をアシストし、
エンジンを減速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも大きい間は、前記発電機に前記蓄電装置への充電を指令して前記ターボチャージャーの駆動を制動すること、
を特徴とするターボチャージャー制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記第１温度比較部は、所定の時間毎に前記第１排気温度と前記上限温度を比較し、
前記第１排気温度と前記上限温度の差が所定の範囲内であるときは、前記副司令部から指令する加速度分だけ前記モータの回転速度を加速し、
前記第１排気温度と前記上限温度の差が所定の範囲内であり、かつ、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さいときは、前記主指令部から指令する加速度分と前記副指令部から指令する加速度分を足し合わせて前記モータの回転速度を加速すること、
を特徴とするターボチャージャー制御方法。
【請求項６】
請求項３に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記第２温度比較部は、所定の時間毎に前記第１排気温度と前記目標第１排気温度の差及び前記第２排気温度と前記目標第２排気温度の差を夫々比較し、
前記停止指令部は、前記第２温度比較部で求めた温度差が共に所定の範囲内となっている状態が一定の時間継続したときは、前記モータ又は前記発電機の駆動を停止するように指令すること、
を特徴とするエンジンの過給機制御方法。
【請求項１】
ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に脱硝反応装置を配置したエンジン機関において、
掃気室内の掃気圧を検出する圧力計と、
前記ターボチャージャーの駆動をアシスト又は制動可能なモータと、
前記モータの回生電力を蓄電装置に充電可能な発電機と、を設けると共に、
掃気圧データベースにアクセスして目標掃気圧を求める目標掃気圧計算手段と、前記圧力計が検出した掃気圧と前記目標掃気圧計算手段が求めた目標掃気圧を比較する圧力比較部と、この圧力比較部の比較結果に応じて前記モータ又は前記発電機を制御する主指令部と、を備えた制御装置を設けたこと、
を特徴とするターボチャージャー制御システム。
【請求項２】
エンジンの排気ポートと前記脱硝反応装置の間の排気通路に、前記排気ポートから排出された排気ガスの温度である第１排気温度を検出する第１温度計を設けると共に、
前記制御装置は、
前記脱硝反応装置内の触媒の劣化を防止するための上限温度と前記第１排気温度の差を求める第１温度比較部と、この第１温度比較部で求めた温度差が所定の範囲内となったときに前記モータの回転速度を加速するように指令する副指令部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー制御システム。
【請求項３】
前記脱硝反応装置と前記タービンの間の排気通路に、前記脱硝反応装置の出口から排出された排気ガスの温度である第２排気温度を検出する第２温度計を設けると共に、
前記制御装置は、
出口温度データベースにアクセスして目標第１排気温度と目標第２排気温度を夫々求める目標排気温度計算手段と、前記第１排気温度と前記目標第１排気温度の差及び前記第２排気温度と前記目標第２排気温度の差を夫々求める第２温度比較部と、前記第２温度比較部で求めた温度差が共に所定の範囲内となったときは、前記モータ又は前記発電機の駆動を停止するように指令する停止指令部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャー制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記圧力比較部は、所定の時間毎に前記掃気圧と前記目標掃気圧の差を比較し、
前記主指令部は、
エンジンを加速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さい間は、前記モータの回転速度を加速するように指令して前記ターボチャージャーの駆動をアシストし、
エンジンを減速時、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも大きい間は、前記発電機に前記蓄電装置への充電を指令して前記ターボチャージャーの駆動を制動すること、
を特徴とするターボチャージャー制御方法。
【請求項５】
請求項２に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記第１温度比較部は、所定の時間毎に前記第１排気温度と前記上限温度を比較し、
前記第１排気温度と前記上限温度の差が所定の範囲内であるときは、前記副司令部から指令する加速度分だけ前記モータの回転速度を加速し、
前記第１排気温度と前記上限温度の差が所定の範囲内であり、かつ、前記掃気圧が前記目標掃気圧よりも小さいときは、前記主指令部から指令する加速度分と前記副指令部から指令する加速度分を足し合わせて前記モータの回転速度を加速すること、
を特徴とするターボチャージャー制御方法。
【請求項６】
請求項３に記載のターボチャージャー制御システムを用いてターボチャージャーの駆動を制御する方法であって、
前記第２温度比較部は、所定の時間毎に前記第１排気温度と前記目標第１排気温度の差及び前記第２排気温度と前記目標第２排気温度の差を夫々比較し、
前記停止指令部は、前記第２温度比較部で求めた温度差が共に所定の範囲内となっている状態が一定の時間継続したときは、前記モータ又は前記発電機の駆動を停止するように指令すること、
を特徴とするエンジンの過給機制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１４３８（Ｐ２０１２−２１４３８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５８９５０（Ｐ２０１０−１５８９５０）
【出願日】平成２２年７月１３日（２０１０．７．１３）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１３日（２０１０．７．１３）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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