JP2023023748A - 船舶用内燃機関の冷却水制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 船舶用内燃機関の冷却システムにおけるジャケット冷却水の制御を的確に行うことができる船舶用内燃機関の冷却水制御装置を提供する。
【解決手段】 船舶用内燃機関５１の冷却水循環経路５２に冷却器５３および排熱利用機器５４を備える冷却システム５０のジャケット冷却水を制御する装置であって、船舶用内燃機関５１を通過するジャケット冷却水の温度を検出する温度検出手段２ａ，２ｂと、冷却器５３をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス手段３と、排熱利用機器５４をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス手段４と、温度検出手段２ａ，２ｂの検出に基づき第１バイパス手段３および第２バイパス手段４の作動を制御する制御手段１０とを備える船舶用内燃機関の冷却水制御装置１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、船舶用内燃機関の冷却水制御装置および方法に関する。

船舶用のディーゼルエンジン等の内燃機関を冷却するための冷却水循環経路には、ジャケット冷却水を冷却する冷却器の他に、内燃機関の排熱を利用する造水装置等の排熱利用機器が一般に設けられており、船舶のクルーが、ジャケット冷却水の水温を見ながら造水装置等への流量調整を行う。

ところが、近年においては、機関室の省人化やクルーの技術低下により、造水装置への流量調整が上手くいかない、あるいは必要な造水量が得られない等のミスオペレーションが増加しているため、ジャケット冷却水の制御を自動化することへのニーズが高まっている。

内燃機関の冷却システムにおけるジャケット冷却水の制御を自動化する装置として、例えば、特許文献１に開示された排熱回収利用システムが知られている。図４に示すように、排熱回収利用システム１００は、ディーゼルエンジン１０１のジャケット冷却水を循環させるジャケット冷却水循環経路１０２に対して、ジャケット冷却器１０３の他に、ジャケット冷却水から熱を回収して発電する発電手段１０４、および、ジャケット冷却水から熱を回収して造水する造水手段１０５が設けられている。

この排熱回収利用システム１００において、ディーゼルエンジン１０１に供給前のジャケット冷却水の温度は第１温度計測手段１０６により計測され、この計測温度が設定温度よりも低い場合には、第１三方弁１０７の駆動制御によりジャケット冷却水がバイパス流路１０８を通過する。また、発電手段１０４による熱回収後のジャケット冷却水の温度は第２温度計測手段１０９により計測され、この計測温度に基づいて開閉弁１１０が開閉制御されることにより、発電手段１０４によるジャケット冷却水からの回収熱量が調整される。

特開２０１３－１６０１３２号公報

上記の排熱回収利用システム１００は、ジャケット冷却器１０３および発電手段１０４に対してジャケット冷却水をバイパスさせる制御が、いずれもジャケット冷却水の計測温度に基づいて行われるが、それぞれを計測する第１温度計測手段１０６および第２温度計測手段１０９は、互いに異なる機器（すなわち、ディーゼルエンジン１０１および発電手段１０４）を流れるジャケット冷却水の温度を計測することから、ディーゼルエンジン１０１の負荷変動時などにおいて、ディーゼルエンジン１０１に供給されるジャケット冷却水の温度を所望の範囲に維持することが困難になるおそれがあった。

そこで、本発明は、船舶用内燃機関の冷却システムにおけるジャケット冷却水の制御を的確に行うことができる船舶用内燃機関の冷却水制御装置および方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、船舶用内燃機関の冷却水循環経路に冷却器および排熱利用機器を備える冷却システムのジャケット冷却水を制御する装置であって、前記船舶用内燃機関を通過するジャケット冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス手段と、前記排熱利用機器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス手段と、前記温度検出手段の検出に基づき前記第１バイパス手段および第２バイパス手段の作動を制御する制御手段とを備える船舶用内燃機関の冷却水制御装置により達成される。

この船舶用内燃機関の冷却水制御装置において、前記温度検出手段は、前記船舶用内燃機関に供給前のジャケット冷却水の温度を検出するように配置することが可能であり、前記制御手段は、前記温度検出手段の検出温度が予め設定された温度範囲内となるように、前記第１バイパス手段および第２バイパス手段の作動を制御することができる。

前記排熱利用機器が複数設けられる場合、前記第２バイパス手段は前記排熱利用機器ごとに設けることが可能であり、前記制御手段は、複数の前記排熱利用機器に対して予め設定された優先順位に基づき、前記第２バイパス手段の作動を個別に制御することができる。この構成において、前記冷却水循環経路を流れるジャケット冷却水を加熱する加熱手段を更に備えてもよく、前記制御手段は、前記温度検出手段の検出に基づき、前記加熱手段の作動を制御することができる。

前記排熱利用機器の少なくともいずれかは、ジャケット冷却水を熱源として海水を蒸発させることにより淡水を製造する造水装置とすることができる。

また、本発明の前記目的は、船舶用内燃機関の冷却水循環経路に冷却器および排熱利用機器を備える冷却システムのジャケット冷却水を制御する方法であって、前記冷却システムに、前記船舶用内燃機関を通過するジャケット冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス手段と、前記排熱利用機器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス手段とを設け、前記温度検出手段の検出に基づき、前記第１バイパス手段および第２バイパス手段を操作してバイパス流量を調整する船舶用内燃機関の冷却水制御方法により達成される。

本発明によれば、船舶用内燃機関の冷却システムにおけるジャケット冷却水の制御を的確に行うことができる船舶用内燃機関の冷却水制御装置および方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る船舶用内燃機関の冷却水制御装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る船舶用内燃機関の冷却水制御装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る船舶用内燃機関の冷却水制御装置の概略構成図である。 従来の排熱回収利用システムの概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る船舶用内燃機関の冷却水制御装置の概略構成図である。図１に示す船舶用内燃機関の冷却水制御装置（以下、単に「冷却水制御装置」という）１は、船舶の主機であるディーゼルエンジン等の船舶用内燃機関５１の冷却水循環経路５２に冷却器５３および排熱利用機器５４を備える冷却システム５０において、冷却水循環経路５２を流れるジャケット冷却水を制御するものである。

排熱利用機器５４は、例えば造水装置であり、ジャケット冷却水を熱源として海水を蒸発させることにより淡水を製造する。排熱利用機器５４は、ジャケット冷却水の排熱を回収して利用する機器であれば特に限定されず、造水装置以外に、暖房装置、発電装置、給湯装置、動力回収装置等を例示することができる。

冷却水制御装置１は、船舶用内燃機関５１を通過するジャケット冷却水の温度を検出する２つの温度検出部２ａ，２ｂと、冷却器５３をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス部３と、排熱利用機器５４をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス部４と、第１バイパス部３および第２バイパス部４の作動を制御する制御部１０とを備えている。

２つの温度検出部２ａ，２ｂは、例えば温度センサであり、一方の温度検出部２ａが、船舶用内燃機関５１に供給前のジャケット冷却水の温度を検出するように配置されており、他方の温度検出部２ｂが、船舶用内燃機関５１に供給後のジャケット冷却水の温度を検出するように配置されている。

第１バイパス部３は、冷却器５３をバイパスするバイパス流路３ａと、冷却水循環経路５２を冷却器５３に向けて流れるジャケット冷却水の流路をバイパス流路３ａに切り替える三方弁３ｂとを備えており、三方弁３ｂの開度調整により、バイパス流路３ａを流れるジャケット冷却水の流量を調整することができる。

第２バイパス部４は、排熱利用機器５４をバイパスするバイパス流路４ａと、冷却水循環経路５２を排熱利用機器５４に向けて流れるジャケット冷却水の流路をバイパス流路４ａに切り替える三方弁４ｂとを備えており、三方弁４ｂの開度調整により、バイパス流路４ａを流れるジャケット冷却水の流量を調整することができる。

また、第２バイパス部４は、排熱利用機器５４のバイパス流量を手動で調整するために、補助バイパス流路４ｃと、補助バイパス流路４ｃの開度を調整する流量調整弁４ｄと、排熱利用機器５４および補助バイパス流路４ｃ間における排熱利用機器５４の入口側および出口側にそれぞれ設けられた流量調整弁４ｅ，４ｆとを備えている。

制御部１０は、温度検出部２ａ，２ｂの検出に基づき、第１バイパス部３の三方弁３ｂおよび第２バイパス部４の三方弁４ｂの開度調整を行い、冷却器５３および排熱利用機器５４のバイパス流量を自動で制御する。

次に、上記の構成を備える冷却水制御装置１の作動を説明する。冷却システム５０の作動中において、制御部１０は、温度検出部２ｂにより検出された船舶用内燃機関５１の出口温度が、予め設定された出口用設定温度Ｔoutになるように、第１バイパス部３の三方弁３ｂの開度を制御する。また、制御部１０は、温度検出部２ａにより検出された船舶用内燃機関５１の入口温度Ｔinを、予め設定された入口用設定温度の下限値ＴinL（例：７２℃）および上限値ＴinH（例：７８℃）と比較して、下記の制御を行う。なお、初期状態において、流量調整弁４ｄは全閉であり、流量調整弁４ｅ，４ｆは全開である。

入口温度Ｔinが入口用設定温度の下限値ＴinLよりも低い場合（ケース１：ＴinL＞Ｔin)、制御部１０は、排熱利用機器５４に対してジャケット冷却水の全量をバイパスさせるように（すなわち、ジャケット冷却水が排熱利用機器５４には流れないように）、第２バイパス部４の三方弁４ｂを制御する。

入口温度Ｔinが入口用設定温度の下限値ＴinL以上で上限値ＴinHよりも低い場合（ケース２：ＴinL≦Ｔin＜ＴinH)、制御部１０は、ジャケット冷却水の全量が排熱利用機器５４に供給されるように（すなわち、ジャケット冷却水がバイパス流路４ａを流れないように）、第２バイパス部４の三方弁４ｂを制御する。これにより、排熱利用機器５４に供給されるジャケット冷却水の流量調整を、流量調整弁４ｄ，４ｅ，４ｆの手動での開度調整により行うことができる。

上記のケース２において、制御部１０は、排熱利用機器５４に供給されるジャケット冷却水の流量調整を、三方弁４の開度調整により自動で行うこともできる。この場合は、入口温度Ｔinが入口用設定温度の下限値ＴinLよりも低くならないことを条件とする。

通常の運転時においては、入口温度Ｔinは、入口用設定温度の上限値ＴinHよりも低いが、例えば、ジャケット冷却水を、排熱利用機器５４に供給して熱回収を行っている状態から第２バイパス部４の制御によりバイパスさせた場合、冷却器５３によるジャケット冷却水の冷却が追い付かずに、入口温度Ｔinが入口用設定温度の上限値ＴinH以上になることがある（ケース３：Ｔin≧ＴinH）。この場合、制御部１０は、第２バイパス部４の制御により、バイパス状態のジャケット冷却水を、再び排熱利用機器５４に供給する。なお、排熱利用機器５４へのジャケット冷却水の供給をバイパスに切り替えたときに、入口温度Ｔinの時間変化が設定値を超えて急激に上昇する場合には、制御部１０は、入口温度Ｔinが上限値ＴinHに達していなくても、ジャケット冷却水を再び排熱利用機器５４に供給するように制御してもよい。

このように、本実施形態の冷却水制御装置１は、船舶用内燃機関５１を通過するジャケット冷却水の温度検出に基づいて第１バイパス部３および第２バイパス部４の作動を制御することにより、冷却器５３および排熱利用機器５４をバイパスさせるバイパス流量を自動で制御するように構成されており、これによって、船舶用内燃機関５１の温度を適正に維持することを優先しつつ、ジャケット冷却水の排熱を排熱利用機器５４において効率よく利用することができる。

図１に示す冷却水制御装置１は、船舶用内燃機関５１を通過するジャケット冷却水の温度を、船舶用内燃機関５１の入口および出口にそれぞれ配置された２つの温度検出部２ａ，２ｂにより検出しており、これによって、船舶用内燃機関５１の出力変動を温度検出部２ｂによりリアルタイムに計測して、負荷追従制御を容易に行うことができる。但し、図２に示すように、船舶用内燃機関５１の入口に配置された温度検出部２ａの検出のみによって、第１バイパス部３および第２バイパス部４の作動を制御することも可能であり、これによって、低コストで制御が容易であると共に、故障率が低いシンプルな構成にすることができる。なお、図２において、図１と同様の構成部分には同一の符号を付している。

図２に示す冷却水制御装置１’は、図１に示す冷却水制御装置１と同様に、制御部１０が、温度検出部２ａにより検出された船舶用内燃機関５１の入口温度Ｔinを、予め設定された入口用設定温度の下限値ＴinL（例：７２℃）および上限値ＴinH（例：７８℃）と比較して、上記と同様の制御を行う。

一方、冷却水制御装置１’の制御部１０は、図１に示す冷却水制御装置１とは異なり、入口温度Ｔinが、入口用設定温度の下限値ＴinLと上限値ＴinHとの間で予め設定された温度Ｔinset（例：７５℃）となるように、第１バイパス部３の三方弁３ｂの開度を制御する。船舶用内燃機関５１を通過するジャケット冷却水の温度検出は、船舶用内燃機関５１の出口に配置された温度検出部２ｂのみで行うことも可能であり、制御部１０は、温度検出部２ｂの検出温度に基づき、第１バイパス部３および第２バイパス部４の作動を制御することができる。

図１および図２に示す冷却システム５０は、冷却水循環経路５２に排熱利機器５４が１つ設けられた構成であるが、図３に示すように、冷却水循環経路５２に複数の排熱利用機器５４，５５を備える冷却システム５０に対しても、排熱利用機器５４，５５ごとに第２バイパス部４，５をそれぞれ設けて、本発明を適用することができる。

図３に示す冷却水制御装置１’’の制御部１０は、図２に示す冷却水制御装置１’と同様に、温度検出部２ａにより検出された船舶用内燃機関５１の入口温度が予め設定された温度になるように、第１バイパス部３の三方弁３ｂの開度を制御する。第１バイパス部３の制御は、図１に示す冷却水制御装置１と同様に、温度検出部２ｂにより検出された船舶用内燃機関５１の出口温度に基づき行ってもよい。このように、複数の排熱利用機器５４，５５を備える場合においても、冷却器５３による船舶用内燃機関５１は最優先であり、排熱利用機器５４，５５のバイパス制御とは独立して第１バイパス部３の制御が行われる。

各排熱利用機器５４，５５に対する第２バイパス部４，５のバイパス制御は、基本的には図１に示す冷却水制御装置１と同様の制御により行われるが、船舶用内燃機関５１に供給されるジャケット冷却水の温度が設定下限値よりも高く、排熱利用機器５４，５５に対してジャケット冷却水を供給できる状況においては、各排熱利用機器５４，５５に対して予め設定された優先順位に基づき、第２バイパス部４，５が個別にバイパス制御される。例えば、造水装置からなる排熱利用機器５４の優先順位が、暖房装置からなる排熱利用機器５５の優先順位よりも高い場合、排熱利用機器５４に対するジャケット冷却水の供給が優先的に行われ、ジャケット冷却水の熱量に余裕がある場合には、排熱利用機器５４と共に排熱利用機器５５にもジャケット冷却水が供給される。こうして、ジャケット冷却水の排熱を、各排熱利用機器５４，５５の優先順位に応じて効率よく分配することができる。

排熱利用機器５４，５５を複数設けることで、ジャケット冷却水の熱量が一時的に不足するおそれがある場合には、図３に示すように、冷却水循環経路５２を流れるジャケット冷却水を加熱する加熱部２０を設けてもよい。加熱部２０は、蒸気とジャケット冷却水との熱交換によりジャケット冷却水が加熱される構成であり、蒸気弁２１の開閉は制御部１０によって制御される。制御部１０は、排熱利用機器５４，５５の双方に対するジャケット冷却水の供給中に、ジャケット冷却水の熱量が不足した場合、一方の排熱利用機器５５に対してバイパス制御を行う代わりに加熱部２０を作動させることで、排熱利用機器５４，５５のへのジャケット冷却水の供給を継続することができる。

このように、ジャケット冷却水を加熱する加熱部２０を備えることにより、制御部１０は、ジャケット冷却水の入熱と出熱とのバランスをみながら、各排熱利用機器５４，５５の優先順位も考慮して、第２バイパス部４，５の作動制御をより柔軟に行うことができる。

排熱利用機器５４の入口および出口には、温度検出部４ｇ，４ｈがそれぞれ配置されており、排熱利用機器５５の入口および出口には、温度検出部５ｃ，５ｄがそれぞれ配置されている。冷却器５３および加熱器２０についても、冷却器５３の入口および出口に温度検出部３ｃ，３ｄがそれぞれ配置され、加熱器２０の入口および出口に温度検出部６ａ，６ｂがそれぞれ配置されている。各温度検出部３ｃ，３ｄ，４ｇ，４ｈ，５ｃ，５ｄ，６ａ，６ｂの検出信号は、船舶用内燃機関５１に対応する温度検出部２ａ，２ｂの検出信号と同様に、制御部１０に入力される。

ジャケット冷却水の熱バランスは、船舶用内燃機関５１および加熱部２０での入熱量をＱme，Ｑd、冷却器５３および排熱利用機器５４，５５での出熱量をＱa、Ｑb、Ｑc、熱ロスをＱlossとすると、Ｑme＋Ｑd＝Ｑa＋Ｑb＋Ｑc＋Ｑlossとして表される。入熱量Ｑme，Ｑdおよび出熱量Ｑa，Ｑb，Ｑcは、それぞれを通過するジャケット冷却水の入口温度および出口温度の温度差に比例するため、制御部１０は、温度検出部２ａ，２ｂ，３ｃ，３ｄ，４ｇ，４ｈ，５ｃ，５ｄ，６ａ，６ｂの検出温度に基づき、ジャケット冷却水の熱バランスを制御することができる。

具体例として、排熱利用機器５４の出熱量を、ＱbH，ＱbM，ＱbLの３段階で制御可能とし、排熱利用機器５５の出熱量を、ＱcH，ＱcM，ＱcLの３段階で制御可能として、排熱利用機器５５は、排熱利用機器５４よりも優先度は低いが、少なくともＱcMの出熱量は確保したい場合を想定する。制御部１０は、排熱利用機器５４の２つの温度検出部４ｇ，４ｈにより検出された温度差と、排熱利用機器５５の２つの温度検出部５ｃ，５ｄにより検出された温度差により、排熱利用機器５４，５５の出熱量Ｑb，Ｑcの比を演算して、第２バイパス部４，５のバイパス制御を行うことにより、排熱利用機器５４，５５の出熱量Ｑb，Ｑcを制御する。各排熱利用機器５４，５５の出熱量［Ｑb，Ｑc］は、ジャケット冷却水の熱量に余裕がある状態では、［ＱbH，ＱcH］に制御され、冷却水の熱量が減少するにつれて、［ＱbH，ＱcM］→［ＱbM，ＱcM］→［ＱbL，ＱcM］→［ＱbL，ＱcL］と順次変化するように制御される。

１ 船舶用内燃機関の冷却水制御装置
２ａ，２ｂ 温度検出部
３ 第１バイパス部
４，５ 第２バイパス部
１０ 制御部
２０ 加熱部
５０ 冷却システム
５１ 船舶用内燃機関
５２ 冷却水循環経路
５３ 冷却器
５４，５５ 排熱利用機器

Claims (6)

1. 船舶用内燃機関の冷却水循環経路に冷却器および排熱利用機器を備える冷却システムのジャケット冷却水を制御する装置であって、
   前記船舶用内燃機関を通過するジャケット冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記冷却器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス手段と、
   前記排熱利用機器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス手段と、
   前記温度検出手段の検出に基づき前記第１バイパス手段および第２バイパス手段の作動を制御する制御手段とを備える船舶用内燃機関の冷却水制御装置。
2. 前記温度検出手段は、前記船舶用内燃機関に供給前のジャケット冷却水の温度を検出するように配置されており、
   前記制御手段は、前記温度検出手段の検出温度が予め設定された温度範囲内となるように、前記第１バイパス手段および第２バイパス手段の作動を制御する請求項１に記載の船舶用内燃機関の冷却水制御装置。
3. 前記排熱利用機器は複数設けられ、前記第２バイパス手段は前記排熱利用機器ごとに設けられており、
   前記制御手段は、複数の前記排熱利用機器に対して予め設定された優先順位に基づき、前記第２バイパス手段の作動を個別に制御する請求項１または２に記載の船舶用内燃機関の冷却水制御装置。
4. 前記冷却水循環経路を流れるジャケット冷却水を加熱する加熱手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段の検出に基づき、前記加熱手段の作動を制御する請求項３に記載の船舶用内燃機関の冷却水制御装置。
5. 前記排熱利用機器の少なくともいずれかは、ジャケット冷却水を熱源として海水を蒸発させることにより淡水を製造する造水装置である請求項１から４のいずれかに記載の船舶用内燃機関の冷却水制御装置。
6. 船舶用内燃機関の冷却水循環経路に冷却器および排熱利用機器を備える冷却システムのジャケット冷却水を制御する方法であって、
   前記冷却システムに、前記船舶用内燃機関を通過するジャケット冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第１バイパス手段と、前記排熱利用機器をバイパスさせるバイパス流量を調整する第２バイパス手段とを設け、
   前記温度検出手段の検出に基づき、前記第１バイパス手段および第２バイパス手段を操作してバイパス流量を調整する船舶用内燃機関の冷却水制御方法。

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