JP4458966B2 - 往復動内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、給気分配管および排気ガス収集管に接続可能な少なくとも一つのシリンダと、排気ガス収集管からの排気ガスにより駆動可能な、給気分配管に供給可能な給気を圧縮する少なくとも一つの排気タービン過給機と、排気ガス収集管を離れる排気ガスから分岐可能な排気ガス部分量が排気タービン過給機の下流で給気に混合可能であり、給気に混合可能な排気ガス部分量を圧送する圧縮機を設けている、少なくとも一つの排気ガス再循環装置とを備えた、往復動内燃機関、特に2サイクル大型ディーゼルエンジンに関する。

給気への排気ガス部分量の混合によって、排出ガス中のNOx含量を低減することができ、これが度々望まれている。冒頭に述べた形式の公知の構造において、給気に混合可能な排気ガス部分量を圧送する圧縮機が追加のエネルギーを消費する駆動装置を用いて駆動可能である。2サイクル大型ディーゼルエンジンにおいて、この追加のエネルギー消費量は発生可能なエネルギーの1.5%以上になりうる。給気に混合される排気ガス部分量が冷却される場合、それとエネルギー消滅が結びついている。したがって前記欠点により、全効率は劣悪なものとなる。公知の構造のもう一つの欠点は、排気ガス再循環装置の離断時にエンジンを貫流する流量の変化ならびに補償されない諸条件が排気タービン過給機で生じうることに見られる。

したがって、そこから出発して、本発明の課題は、良好な全効率ならびに安定した運転条件が達成されるように、冒頭に述べた形式の構造を簡単かつコスト的に有利な手段で改善することである。

本発明によれば、この課題は、排気ガス再循環装置の圧縮機が、空気部分量として排気タービン過給機によって圧縮された給気から分岐され、再循環可能な排気ガス部分量の同時冷却下に該排気ガス部分量によって加熱される駆動空気によって付勢可能であるタービンによって駆動可能であることによって解決される。

好ましい方法で、この場合、再循環可能な排気ガス部分量の冷却によってエンジンの作動に好適な温度で得たエネルギーが排気ガス再循環装置の圧縮機の駆動と共に排気ガス再循環装置の駆動のために使用される。そのため外部エネルギーの使用は大幅に低減され、これが好ましくは良好な全効率の達成に影響を及ぼす。同時に、再循環可能な排気ガス部分量の比較的低い温度と共に好適な充填比が達成される。本発明に基づく措置のもう一つの長所は、再循環装置の接続もしくは離断が排気タービン過給機でエンジンによる流量およびバランスの変化を生じないことに見られる。したがって、本発明に基づく措置によって、上記課題が非常に簡単かつコスト的に有利な方法で解決される。

上記の措置の好ましい実施形態および合目的な発展形態は、従属請求項に記載されている。つまり、排気ガス再循環装置は、合目的的に、空気部分量から貫流可能な少なくとも一つのタービンと、排気ガス部分量から貫流可能な少なくとも一つの圧縮機とを備えた低圧タービン圧縮機を含むことができる。低圧排気ガスタービン圧縮機を使用することで、提供される流動エネルギーおよび熱エネルギーを効率的に利用したコンパクトな構造が得られる。

好ましくは、排気ガス再循環装置は、一方で再循環可能な排気ガス部分量と、他方で圧縮機の駆動空気を形成する空気部分量とによって貫流可能である合目的的に回転式熱交換器として形成された熱交換器を含むことができる。回転式熱交換器はコスト的に有利な構成品であり、好ましい方法でわずかな圧力差で良好な効率を生じる。

回転式熱交換器は、合目的的に低圧タービン圧縮機と動作的に連結することができ、合目的的に低圧タービン圧縮機と回転式熱交換器との間に減速歯車装置が配置されている。この措置は、排気ガス再循環装置の動作上の自給自足の形成を提供する。

上記の措置の別の発展形態において、低圧タービン圧縮機と回転式熱交換器との間の駆動系内に電気式補助モータを設けることができる。この措置は、好ましい方法で簡単な回転数制御を可能にし、同時に充分な駆動空気が提供されない場合のために補助駆動装置が提供される。さらに、この措置は低圧タービン圧縮機のシャフトの支承の簡素化も可能にする。

もう一つの好ましい措置は、熱交換器の空気側に空気湿潤装置が前置されており、合目的的に排気側にも排気ガス湿潤装置が後置されていることにある、とすることができる。熱交換器を通過する前に空気を湿潤化すると、エンタルピー損失なしに空気が冷却され、それによって排気ガスとの温度差が増大し、熱伝達が改善される。排気ガスの湿潤化は、好ましくは、圧縮機を通過する際の特に低い排気ガス温度を生じ、したがって出力需要は特に少なくなる。圧縮機を通過する際に強制的に行われる排気ガスの加熱によって、場合により生じる水滴は確実に蒸発する。

好ましくは、再循環可能な排気ガス部分量が、駆動空気として作用する空気部分量に実質的に相当するように、排気ガス再循環装置が設計されている。それによってエンジン内の充填比が再循環装置の接続もしくは離断によって変化しないことが保証されている。

上記の措置の別の好ましい実施形態および合目的的な発展形態は、残りの従属請求項に記載されており、以下の例の説明から図面を利用して、より詳しく読み取ることができる。

本発明の主要な適用分野は、船舶駆動装置等として使用することができるような大型エンジン、特に2サイクル大型ディーゼルエンジンである。この種のエンジンの構造および作用それ自体は公知である。

図１に、2サイクル大型ディーゼルエンジン1を示しており、これは直列に前後に配置した複数のシリンダ2を含み、これらはそれぞれ充填接続管3を介して給気分配管4に、吐出接続管5を介して排気ガス収集管6に接続されている。給気分配管4および排気ガス収集管6はエンジン全長にわたって貫通する大径の管によって形成される。

給気は、排気タービン過給機7によって供給され、そのタービン8は排気ガス収集管6から出る排気ガス管9を介して排気ガスによって付勢可能であり、そのコンプレッサ10は供給管11を介して給気分配管4により圧縮給気で付勢する。タービン8の吐出開口部は周囲に流入する排出管12に接続されている。コンプレッサ10の流入開口部に、周囲で終了する吸気管13が接続されている。供給管11は、水分離機15を介して給気分配管4と接続される給気冷却器14につながる。

良好なNOx値を達成するために、給気分配管4に供給される給気に、それに応じて再度燃焼過程に加わる一定量の排気ガスが混合される。そのために排気ガス再循環装置16を設けており、それによって、排気ガス収集管6を離れ排気タービン過給機7のタービン8に供給される排気ガスから排気ガス部分量が分岐可能であり、排気タービン過給機7の下流で給気に混合可能である。

排気ガス再循環装置16は、排気ガス収集管6から排気タービン過給機7のタービン8へ通じる排気ガス管9から分岐し、その反対端で排気タービン過給機7のコンプレッサ10から給気分配管4へ通じる流路につながる再循環管17を含む。排気ガス再循環装置16は、さらにタービン19と、再循環管17が通じる駆動側で該タービンと連結される圧縮機20とを備えた低圧タービン圧縮機18を含む。したがって、圧縮機20によって、排気ガス管9から分岐した排気ガス部分量が給気への供給に適した圧力で圧縮され、すなわちエンジンの排気ガス側からエンジンの給気側へポンプ輸送される。

低圧タービン圧縮機18のタービン19は、駆動空気としての圧縮空気で付勢される。この空気は空気部分量として排気タービン過給機7のコンプレッサ10から出る供給管11から分岐される。そのために、供給管11から分岐する駆動空気管21が設けられ、これは低圧タービン圧縮機18のタービン19を通過し、その反対端で排気ガス収集管6に流入することができる。

再循環する排気ガス部分量は、排気ガス管9から分岐後にエンジン1の作動に適した温度に冷却される。しかしながら、その際に排気ガス部分量から奪われたエネルギーは消滅せず、タービン19の駆動空気として作用する給気部分量に供給され、それによって給気部分量が加熱される。そのために、排気ガス再循環装置16は、その一方の側で再循環装置17中に、その他方の側で駆動空気管21中に組み込まれた熱交換器22を含む。熱交換器22は、定置型プレート式熱交換器として形成することができる。熱交換器22は、低速で駆動可能な回転式熱交換器として形成することが合目的的であり、これに関して以下でさらに詳述する。

熱交換器22の領域で高い熱伝達を達成するため、放熱する排気ガスと吸熱する空気との間の大きい温度差が考慮される。そのために熱交換器22を貫流する駆動空気は、熱交換器22を通過する前に冷却される。そのために熱交換器22の上流に駆動空気管21の中に組み込まれた、水接続管23を備えた湿潤装置24を設けており、それによって該湿潤装置を通して導かれる空気部分量を水で湿潤することができ、これがエンタルピー損失なしの冷却をもたらす。

低圧タービン圧縮機18の圧縮機20の領域で可能な限り低い排気ガス温度を生じさせるために、圧縮機20に供給される排気ガス部分量は、最初の冷却を行う熱交換器22を通過した後、さらに冷却される。そのために再循環管17中で熱交換器22の下流で、および圧縮機20の上流で同様に水接続管23を備えた湿潤装置24aが配置され、それによって該湿潤装置を通して導かれる排気ガスが湿潤可能である。

上述の駆動空気管21もしくは再循環管17中に内蔵された湿潤装置24,24aは合目的的であるが、必ずしも必要ではない。また、湿潤装置に遮断可能なバイパス管を組み込み、それによって湿潤装置を選択的に接続もしくは離断できるようにすることも考えられる。同様に、簡単に湿潤装置24,24aへの水供給を選択的に接続もしくは遮断することも考えられる。

圧縮機20を通して導かれる排気ガス部分量が圧縮され、その際に同時に加熱される。この加熱により、排気ガス中にまだ存在する水滴が蒸発する。凝縮物分離が回避されるべきである場合、再循環管17は、図面に実線で示した流入接続管17aによって明らかなように、給気冷却器14の下流で給気分配管4に通じる流路中で給気に流入することができる。図示した例において、再循環管17は給気冷却器14の下流で水分離器15につながる。

凝縮物分離が給気冷却器14の中で望まれている場合、再循環管17は、図面に破線で示した流入接続管17bによって明らかなように、給気冷却器14の上流で供給管11の中に流入する。その場合、冷却器14の中への供給管11の入口に、流入接続管17bが接続されたエジェクタ25を設けることができる。このエジェクタ25は排気ガスを吸気することを可能にする。

低圧タービン圧縮機18のタービン19から出る駆動空気管21の分岐が、すでに上に述べたように、図面に実線で示したように、排気ガス収集管6の中に流入することができる。しかしまた、タービン19を離れる駆動空気を、図面に破線で示したように、さらに利用するために、もう一つのユニット、たとえばタービン26に供給し、それによってたとえば詳しく図示しない圧縮機を駆動することができ、その出口を排気タービン過給機7のコンプレッサ10の入口と連結することができ、それによって二段階の配列を生じさせることも考えられる。補助駆動装置の回転数制御および保証のために、タービン26に、電源に接続した電気モータ27を組み込むことができる。

熱交換器22は、合目的的に、すでに上で述べたように、低回転数で駆動可能な回転式熱交換器として形成されている。熱交換器22の駆動力は、合目的的に、図面に示したように、低圧タービン圧縮機18から導入することができる。回転数減速のために、減速歯車装置28を設けており、その入力部は低圧タービン圧縮機18に、その出力部は熱交換器22に動作可能に連結されている。

図示した例において、低圧タービン圧縮機18と熱交換器22との間の駆動系に電気式補助モータ29を設けてあり、これは回転数制御を可能にし、そのために第一に考慮した空気部分量がたとえば始動時に発生しうるように充分でない場合、低圧タービン圧縮機18の駆動を支援することができる。補助モータ29は、図示した例において低圧タービン圧縮機18と減速歯車装置28との間の領域に配置されている。補助モータ29のハウジングは、定置型の構成部品に固定することができる。補助モータ29の回転子は二つの側面の軸受30によって、側面の、減速歯車装置28の入力部に通じる低圧タービン圧縮機18のシャフト31の伸長部上に軸支されている。したがって、シャフト31は、低圧タービン圧縮機18の領域で、ここでは合目的的にタービン19と低圧タービン圧縮機18の圧縮機20との間の領域に配置されたもう一つの軸受32によってのみ軸支されていれば充分である。

圧縮機20の上流にある再循環管17の分岐に、ここでは熱交換器22に後置した逆止弁33が配置されており、これは圧縮機20が充分な吸引通気を生じると直ちに自動的に開く。合目的的に逆止弁33は、開放圧力が調整可能であるように形成することができる。再循環装置16の接続および離断のために、駆動空気管21中に、ここでは供給管11からの分岐に隣接する駆動空気管21の領域に配置された遮断弁34を設けている。再循環管17を通る排気ガス流量および駆動空気管21を通る空気流量は、ほぼ等しくなければならない。空気流量は適当な遮断弁34の調整によって調整することができる。排気ガス流量は、必要に応じて、調整可能な逆止弁33によって制御することができる。また制御弁の追加も考えられる。

大型エンジンに組み込まれた再循環装置の模式図である。

符号の説明

2 シリンダ
4 給気分配管
6 排気ガス収集管
7 排気タービン過給機
11 供給管
14 給気冷却器
15 水分離器
16 排気ガス再循環装置
17 再循環管
17a,17b 流入接続管
18 低圧タービン圧縮機
19 タービン
20 圧縮機
21 駆動空気管
22 熱交換器
24 空気湿潤装置
24a 排気ガス湿潤装置
25 エジェクタ
26 流量ユニット
28 減速歯車装置
29 電気式補助モータ
33 逆止弁
34 制御弁

Claims (22)

1. 給気分配管(4)および排気ガス収集管(6)に接続可能な少なくとも一つのシリンダ(2)と、排気ガス収集管(6)からの排気ガスにより駆動可能な、給気分配管(4)に供給可能な給気を圧縮する少なくとも一つの排気タービン過給機(7)と、排気ガス収集管(6)を離れる排気ガスから分岐可能な排気ガス部分量を排気タービン過給機(7)の下流で前記給気に混合可能であり、前記給気に混合可能な排気ガス部分量を圧送する圧縮機(20)を設けている、少なくとも一つの排気ガス再循環装置(16)とを備えた、往復動内燃機関であって、
   排気ガス再循環装置(16)の圧縮機(20)が、空気部分量として排気タービン過給機(7)によって圧縮された給気から分岐され、再循環可能な排気ガス部分量の同時冷却下に該排気ガス部分量によって加熱される駆動空気によって付勢可能であるタービン(19)によって駆動可能であることを特徴とする往復動内燃機関。
2. 排気ガス再循環装置(16)が、駆動空気によって付勢可能であるタービン(19)と、給気に混合可能な排気ガス部分量を圧送する圧縮機(20)とを含む低圧タービン圧縮機(18)を有することを特徴とする請求項１記載の往復動内燃機関。
3. 排気ガス再循環装置(16)が、一方で再循環可能な排気ガス部分量と、他方でタービン(19)の駆動空気を形成する空気部分量とによって貫流可能である熱交換器(22)を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の往復動内燃機関。
4. 熱交換器(22)が回転式熱交換器として形成されていることを特徴とする請求項３に記載の往復動内燃機関。
5. 回転式熱交換器が駆動によって低圧タービン圧縮機(18)と連結することを特徴とする請求項４に記載の往復動内燃機関。
6. 減速歯車装置(28)を設けており、その入力部は低圧タービン圧縮機(18)に、その出力部は回転式熱交換器に連結されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の往復動内燃機関。
7. 低圧タービン圧縮機(18)に電気式補助モータ(29)が割り当てられていることを特徴とする請求項２に記載の往復動内燃機関。
8. 電気式補助モータ(29)が低圧タービン圧縮機(18)と減速歯車装置(28)との間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の往復動内燃機関。
9. 熱交換器(22)の空気側に空気湿潤装置(24)が前置されていることを特徴とする請求項３に記載の往復動内燃機関。
10. 熱交換器(22)の排気側に排気ガス湿潤装置(24a)が後置されていることを特徴とする請求項３に記載の往復動内燃機関。
11. 再循環可能な排気ガス部分量に割り当てられた再循環管(17)中に逆止弁(33)が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
12. 駆動空気として作用する空気部分量に割り当てられた駆動空気管(21)中に遮断弁および／または制御弁(34)を配置したことを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
13. 排気ガス再循環装置(16)が、給気に混合可能な排気ガス部分量が、駆動空気として作用する、給気から分岐可能な空気部分量に相当するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
14. 再循環可能な排気ガス部分量が給気冷却器(14)の下流側で給気に供給可能であることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
15. 再循環管(17)が、給気冷却器(14)に後置された水分離器(15)に流入する流入接続管(17a)を有することを特徴とする請求項１４に記載の往復動内燃機関。
16. 再循環管(17)が、給気冷却器(14)の上流側で給気に割り当てられた流路に流入する流入接続管(17b)を有することを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
17. 給気に組み込まれた供給管(11)の入口で給気に割り当てられた流路中にエジェクタ(25)を設けていることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
18. 給気冷却器(14)の上流側で流入する流入接続管(17b)が給気冷却器(14)の入口に配置されたエジェクタ(25)に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
19. 低圧タービン圧縮機(18)のタービン(19)を離れる空気部分量が排気ガス収集管(6)に供給可能であることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
20. 低圧タービン圧縮機(18)のタービン(19)を離れる空気部分量が別の使用のために別の流量ユニット(26)に供給可能であることを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関。
21. 2サイクル大型ディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１ないし請求項２０のいずれか１項に記載の往復動内燃機関。
22. 逆止弁(33)が調整可能であることを特徴とする請求項１１に記載の往復動内燃機関。

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