JP2002349272A - ピストン内燃機関 - Google Patents

ピストン内燃機関

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JP2002349272A JP2002101861A JP2002101861A JP2002349272A JP 2002349272 A JP2002349272 A JP 2002349272A JP 2002101861 A JP2002101861 A JP 2002101861A JP 2002101861 A JP2002101861 A JP 2002101861A JP 2002349272 A JP2002349272 A JP 2002349272A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い混合比を得ることができ、出力損失を大
幅に抑えることができるピストン内燃機関を提供する。 【解決手段】 少なくとも一つのシリンダ１を有し、該
シリンダ１の下流側には、排気ガス収集部７が設けられ
るとともに、上流側には給気蓄積部１０が設けられ、さ
らに少なくとも一つの排気ターボ過給機１３を有し、該
排気ターボ過給機１３のタービン１４には、排気ガスが
供給可能とされ、排気ターボ過給機１３の圧縮機１２
は、上流側にインター・クーラ１６が設けられた給気蓄
積部１０に給気を供給するよう構成され、排気ガスを再
利用するための装置が設けられていて、排気ガスが前記
圧縮機１２の圧縮側において給気に混合可能とされてい
るピストン内燃機関、特に２サイクル大形ディーゼルエ
ンジンにおいて、給気への排気ガスの混合が、給気冷却
器１６の上流側で行なわれるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一つの
シリンダを有し、該シリンダの下流側には、排気ガス収
集部が設けられるとともに、上流側には給気蓄積部が設
けられ、さらに少なくとも一つの排気ターボ過給機を有
し、該排気ターボ過給機のタービンには、上記排気ガス
収集部からの排気ガスが供給可能とされ、排気ターボ過
給機の圧縮機は、上流側に給気冷却器が設けられた給気
蓄積部に給気を供給するよう構成され、このとき、排気
ガスを再利用するための装置が設けられていて、排気ガ
スが圧縮機の圧縮側において給気に混合可能とされてい
るピストン内燃機関、特に２サイクル大形ディーゼルエ
ンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】排気ガスの一部を再利用することによっ
てNOXの排出量を低減することができるが、これは望ま
しいことである。排気ターボ過給機の圧縮機の圧縮側
で、給気に排気ガスを混合させる場合、圧縮機、ならび
に、この圧縮機を有する排気ターボ過給機全体を小形化
することができるという長所がある。しかも、これによ
り、確実に、傷み易い圧縮機の羽根車が排気ガスに接触
しないようになる。
【０００３】米国特許第 5 611 204 号明細書に見られ
るような冒頭に述べた類の構成においては、給気に排気
ガスを混合させるために、給気冷却器の下流側に配置さ
れる入射装置が設けられている。しかしながら、給気冷
却器の下流側に設けられた部分では、給気は、比較的小
さな動圧しか有していない。したがって、上記の入射装
置は、排気ガスを給気に混合させるために、給気を強く
加速するように働かなければならず、これによりエネル
ギー損失を招いてしまっている。このため、達成可能な
混合比は、その上限が著しく制限されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであって、簡易でコストのかから
ない手段によって、冒頭に述べた類の構成を改善し、高
い混合比を得ることができるばかりでなく、エネルギー
損失を全く、ないしは殆ど起こさせないようにすること
を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は、前提部分お
いて書き部に記載された類の構成に関して、本発明によ
り、給気への排気ガスの混合が、給気冷却器の上流側で
行なわれるように構成されることで解決される。
【０００６】給気冷却器の上流側では、給気は、螺旋状
の動きをしながら比較的速い速度で動いている。これ
は、給気が比較的高い動圧を有していることによる。こ
れに反して、静圧は比較的小さい。その一方で、排気ガ
ス収集部内には静圧だけが存在している。このため、わ
ずかではあっても追加的な補助を一切用いることなく、
排気ガスを比較的多く混合可能にするに足る十分大きな
圧力勾配が得られ、これにより、最初に述べた基本的な
長所を特に力強く活かすことができるようになり、それ
でも、組み立ての手間が比較的かからないままとなる。
したがって、本発明に係る解決手段を用いることによ
り、上述したような従来の構成の欠点が解消され、しか
も、その長所がそのまま維持される。こうして、優れた
経済性が得られることになる。
【０００７】上位の解決手段の好ましい実施形態、なら
びに、好適な発展態様は、下位請求項に記載されてい
る。かくして、給気への排気ガスの混合が、好適には少
なくとも一部、圧縮機の送出気流ケーシングの部分にお
いて行なわれるように構成されている。この部分におい
ては、給気の動圧が最も高い。この場合、周回するリブ
によって、排気ターボ過給機の圧縮機の送出気流ケーシ
ングと吸気用接続ソケット部とを連結することができ
る。このように構成とすることにより、周回する空間が
形成されることになり、この空間が、排気ガスの供給可
能な、送出気流ケーシングの内側の空間と連通する予備
貯蔵室としての働きを担うことができるようになる。こ
のとき、予備貯蔵室と送出気流ケーシングとの間は、単
に共通の壁を貫く穴を設けることによって連通させるこ
とができる。このように、本解決手段により、圧縮機の
ケーシング内に、混合するのための構成を組み込むこと
が可能となる。こうして、付加的な部材を事実上用いる
ことなく実現可能な、最も簡易にしてコストのかからな
い小形の構成が得られる。
【０００８】他の実施形態によれば、リサイクル導管に
接続可能な、圧縮機の吸気用接続ソケット部を包囲する
環状導管が設けられ、該環状導管には、自身から分かれ
出る突出導管を介して、送出気流ケーシングの壁の部分
に設けられた混合開口部が取り付けられるようにしても
よい。この実施形態によれば、送出気流ケーシングと吸
気用接続ソケット部との間のリブを省くことができる
が、これはさらに望ましいことである。
【０００９】付加的な、あるいは替わりに用いることが
できる他の手段として、給気への排気ガスの混合が、少
なくとも一部、圧縮機の送出気流ケーシングから給気冷
却器へと続く給気導管の一部の領域において行なわれる
ように構成することができる。給気導管がディフューザ
を有する場合においては、このディフューザの上流側で
混合が行なわれることが好ましい。斯かる解決手段によ
り、混合装置にアクセスしやすくなり、これによって、
好ましいことに、機能拡張のための簡単な後付けが可能
になる。
【００１０】さらなる好適な解決手段として、排気ガス
を供給できるリサイクル導管の部分には、調節装置が設
けられていてもよい。斯かる構成により、所望の混合比
を設定することができる。
【００１１】他の好適な解決手段として、給気冷却器
は、冷却水を噴射して入れるための噴射ノズルが設けら
れた直接型冷却器として構成することができる。この構
成は、好ましいことに、とりわけ、内部の汚染に対して
強く、排気ガスを供給して、これにより給気冷却器の上
流側で給気に排気ガスを混合させても、全く問題が生じ
ない。
【００１２】上位の解決手段のさらなる好ましい実施形
態、ならびに好適な発展態様は、その他の下位請求項に
記載されており、図を参照しながら以下に述べる実施の
形態の記載から、より詳細に理解することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の主たる応用分野は、ディ
ーゼルエンジン、特に船舶用エンジンといった２サイク
ル大形ディーゼルエンジンである。この種のエンジンの
基本的な構造や仕組みは、良く知られており、したがっ
て本明細書においてこれ以上詳しく説明する必要はな
い。
【００１４】図１及び図４には、この種の２サイクル大
形ディーゼルエンジンのシリンダ１が示されている。こ
のシリンダ１内には、燃焼室３を画成するピストン２が
収納されている。シリンダヘッドの部分には、バルブ４
によって制御可能な排気ガス出口７が設けられており、
この排気ガス出口７は、排出用接続パイプ６を介してエ
キゾースト・マニホールドといった排気収集部７に接続
されている。この排気収集部７に、本実施形態における
エンジンの全てのシリンダ１、あるいはさもなければ、
少なくとも複数のシリンダ１の組が対応させられるよう
にして設けられている。
【００１５】シリンダライナの部分に設けられた、ピス
トン２によって制御可能な掃気ポート８を介して、燃焼
室３に給気が供給されるようになっている。掃気ポート
８は、供給用接続パイプ９を介してインテーク・マニホ
ールドといった給気蓄積部１０に接続されたリング室に
連通している。給気蓄積部１０は、排気収集部７のよう
に、本実施形態におけるエンジンの全てのシリンダ１、
あるいはさもなければ、少なくとも一組の複数シリンダ
１にわたって設けられている。給気蓄積部１０は、給気
導管１１を介して、排気ターボ過給機１３の圧縮機１２
の出口に接続されている。ここで、排気ターボ過給機１
３のタービン１４には、排気ガスを供給することがで
き、したがって、タービン１４は、排気導管１５によっ
て排気収集部７に接続されている。
【００１６】給気導管１１には、圧縮機１２によって圧
縮された給気を冷却するインター・クーラ１６（給気冷
却器）が設けられている。インター・クーラ１６は、空
冷式ないしは水冷式の熱交換器として構成することがで
きる。本実施形態において、このインター・クーラ１６
は、直接型冷却器とされていることが好ましい。この直
接型冷却器は、冷却水を噴射して入れるための、水を供
給できる複数の噴射ノズル１７を備えている。この噴射
ノズル１７の水供給部は、詳細には示されていない。
【００１７】NOXの排出を抑えるために、排気ガスの一
部が再利用される。すなわち、排気ガスの一部は、掃気
ポート８へと導かれる給気に混ぜられる。このため、排
気ガス収集部７から、あるいは本実施形態のように排気
導管１５から分岐したリサイクル導管１８が設けられ
る。このリサイクル導管１８には、調整可能な遮断弁と
して形成された調節装置１９が設けられている。この調
整装置１９を操作することによって、リサイクル導管１
８を通る体積流量、したがって、混合比率を調整するこ
とができ、これにより、常に理想的な状態を得ることが
できる。この給気への排気ガスの混合は、本発明に係る
全ての実施形態において、圧縮機１２に対して圧縮側、
つまり、圧縮機１２の羽根車の下流側で、しかもインタ
ー・クーラ１６の上流側で行なわれる。
【００１８】図１に示される構成の場合、実線によって
示されたリサイクル導管１８は、直に圧縮機１２に導か
れている。圧縮機１２は、図２、図３から明らかなよう
に、タービン１４に駆動させるようにして接続された羽
根車２０と、この羽根車２０の上流側に設けられ、か
つ、詳細には示されていない消音器に取り付けられた吸
気用接続ソケット部２１と、羽根車２０の下流側に設け
られ、かつ、吸気用接続ソケット部２１を取り囲む螺旋
形状のボリュート２２（送出気流ケーシング）とを有し
ている。
【００１９】図２に示される実施形態において、排気ガ
スを圧縮機１２に混合させるための装置は、圧縮機１２
の中に組み込まれている。この場合、ボリュート２２
は、周回するリブ２３によって、中央の吸気用接続ソケ
ット部２１上に支えられている。このようにして、密閉
された環状室２４が形成される。この環状室は、リサイ
クル導管１８に接続され、さらに、環状室自身を仕切っ
ているボリュート２２の壁の部分に好ましくは複数の穴
として形成された混合開口部２５を介して、上記ボリュ
ートの内部に延びている気流径路に接続されている。環
状室２４は、排気ガスを供給することができ、ボリュー
ト２２に対して設けられた周回する予備貯蔵室としての
働きを担っている。リサイクル導管１８の接続部は、リ
ブ２３の部分に設けられることが好ましい。本実施形態
において、リブ２３は、リサイクル導管１８がフランジ
接続される接続部ソケット２６（排気ガス入り口）を備
えている。
【００２０】図３に示される実施形態の場合、吸気用接
続ソケット部２１を取り囲み、ボリュート２２に隣接す
る環状導管３３が設けられている。この環状導管３３
は、リサイクル導管１８に接続されている。この実施形
態において、環状導管３３は、接続部ソケット３４を備
え、この接続部ソケット３４にリサイクル導管１８がフ
ランジ接続されている。さらに、この実施形態において
も、ボリュート２２に複数の混合開口部２５が設けられ
ている。これらの混合開口部２５は、環状導管３３に隣
接する、ボリュート２２の壁の部分に設けられている。
混合開口部２５は、好適には、やはり穴として形成する
ことができ、環状導管３３から分かれ出る複数の突出導
管３５を介して環状導管３３に接続されている。この実
施形態においては、吸気用接続ソケット部２１とボリュ
ート２２との間のリブを全て、ないしは一部を省くこと
ができる。図３に示す実施形態において、リブ２３は、
外周の一部のみに設けられている。
【００２１】図４に示す実施形態において、給気への排
気ガスの混合は、圧縮機１２の部分ではなく、圧縮機１
２のボリュート２２につながる給気導管１１の領域にお
いて行なわれる。給気導管１１には、通常、図５に示さ
れるような、インター・クーラ１６に至るディフューザ
１１ａが設けられている。給気への排気ガスの混合は、
好適には、給気が圧縮機１２のボリュート２２を離れる
際と実質上同じ動圧を有しているようなディフューザ１
１ａの上流側の位置で行なわれる。
【００２２】図５に示される実施形態の場合、給気導管
１１には、圧縮機１２のボリュート２２とディフューザ
１１ａとの間の部分に、ボリュート２２の終端部とディ
フューザ１１ａの入り口とにフランジ接続された挿入部
２７が設けられ、この挿入部２７は、ボリュート２２と
ディフューザ１１ａとの間の距離を橋渡しする導管部１
１ｂを備え、この導管部１１ｂは、混合開口部２８を形
成するよう半径方向の穴が複数設けられて成るととも
に、概ね環状室として形成された予備貯蔵室を有したケ
ース３０を貫いて構成されている。このケース３０は、
接続部ソケット３１が設けられ、混合導管１８にフラン
ジ接続されている。無論、この実施形態においても、環
状の予備貯蔵室２９の替わりに、図３に似た環状の導管
を設けて、この環状導管が、複数の突出導管を介して混
合開口部２８に接続されるようにすることもできよう。
給気の動圧は、普通、排気ガスを十分混合するのに十分
である。このような場合、導管部１１ｂは、その全長に
わたって等しく保たれた直径を有するパイプの一部分と
して形成することができる。図示された実施形態におい
て、導管部１１ｂには、混合開口部が配設された狭窄部
３２が設けられている。この狭窄部３２によって、給気
が加速され、つまりは、動圧が増すとともに、それに対
応して静圧が低下することになる。
【００２３】場合によっては、もちろん、図４に破線で
示すように、図５に示されるようなものを順々に並べて
構成することもできる。一つ、ないしは複数のこの種の
構成に対して、排気ガスを圧縮機１２のボリュートに直
に混合するという、大体図２もしくは図３に示されるよ
うなものを組み合わせることも同じ様に考えられよう。
斯かる構成は、図１に破線を用いて示されている。こう
いったことからも、本発明が図示された実施形態に限定
されないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排気ターボ過給機の圧縮機へと導かれるリサ
イクル導管を有する２サイクル大形ディーゼルエンジン
の概略構成図である。
【図２】 圧縮機のケーシングの中に、混合のための構
成が組み込まれた実施形態を示す断面図である。
【図３】 図２の変形例を示す図である。
【図４】 給気導管に合流するリサイクル導管を有する
２サイクル大形ディーゼルエンジンの概略構成図であ
る。
【図５】 図４に示す構成の給入のための装置を示す断
面図である。
【符号の説明】
１・・・シリンダ ７・・・排気ガス収集部 １０・・・給気蓄積部 １１ａ・・・ディフューザ １１ｂ・・・導管部 １２・・・圧縮機 １３・・・排気ターボ過給機 １４・・・タービン １６・・・インター・クーラ（給気冷却器） １７・・・噴射ノズル １８・・・リサイクル導管 １９・・・調節装置 ２２・・・ボリュート（送出気流ケーシング） ２４・・・予備貯蔵室 ２３・・・リブ ２５・・・混合開口部 ３２・・・狭窄部
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Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つのシリンダ（１）を有
    し、該シリンダ（１）の下流側には、排気ガス収集部
    （７）が設けられるとともに、上流側には給気蓄積部
    （１０）が設けられ、さらに少なくとも一つの排気ター
    ボ過給機（１３）を有し、該排気ターボ過給機（１３）
    のタービン（１４）には、排気ガスが供給可能とされ、
    前記排気ターボ過給機（１３）の圧縮機（１２）は、上
    流側に給気冷却器（１６）が設けられた前記給気蓄積部
    （１０）に給気を供給するよう構成され、排気ガスを再
    利用するための装置が設けられていて、排気ガスが前記
    圧縮機（１２）の圧縮側において前記給気に混合可能と
    されているピストン内燃機関、特に２サイクル大形ディ
    ーゼルエンジンにおいて、 給気への排気ガスの混合が、前記給気冷却器（１６）の
    上流側で行なわれるように構成されていることを特徴と
    するピストン内燃機関。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のピストン内燃機関にお
    いて、 給気への排気ガスの混合が、少なくとも一部、前記圧縮
    機（１２）の送出気流ケーシング（２２）の部分におい
    て行なわれるように構成されていることを特徴とするピ
    ストン内燃機関。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のピストン内燃機関にお
    いて、 前記送出気流ケーシング（２２）と、該送出気流ケーシ
    ング（２２）によって取り囲まれた、前記圧縮機（１
    ２）の吸気用接続ソケット部（２１）との間の部分に
    は、環状の予備貯蔵室（２４）が設けられ、該予備貯蔵
    室（２４）には、排気ガスを供給できるリサイクル導管
    （１８）に接続可能な排気ガス入り口と、前記送出気流
    ケーシング（２２）の内側の空間に至る混合開口部（２
    ５）とが設けられていることを特徴とするピストン内燃
    機関。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のピストン内燃機関にお
    いて、 前記予備貯蔵室（２４）は、前記送出気流ケーシング
    （２２）と、前記圧縮機（１２）の前記吸気用接続ソケ
    ット部（２１）とを互いに連結するリブ（２３）によっ
    て形成され、前記リブ（２３）は、前記排気ガス入り口
    を備え、 かつ、前記混合開口部（２５）は、前記予備貯蔵室（２
    ４）を仕切っている、前記送出気流ケーシング（２２）
    の壁の部分に設けられた穴の形態とされていることを特
    徴とするピストン内燃機関。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載のピストン内燃機関にお
    いて、 前記圧縮機（１２）の前記送出気流ケーシング（２２）
    に隣接するとともに、概ね圧縮機側の吸気用接続ソケッ
    ト部（２１）を取り囲む環状導管（３３）が設けられ、
    該環状導管（３３）は、排気ガスを供給できるリサイク
    ル導管（１８）に接続可能とされるとともに、自身から
    分かれ出る突出導管（３５）によって、前記送出気流ケ
    ーシング（２２）の壁の部分に設けられた、該送出気流
    ケーシング（２２）の内側の空間に至る混合開口部（２
    ５）に取り付けられていることを特徴とするピストン内
    燃機関。
  6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項に記載の
    内燃機関において、 給気への排気ガスの混合が、少なくとも一部、前記給気
    導管（１１）の、前記圧縮機（１２）の前記送出気流ケ
    ーシング（２２）から前記給気冷却器（１６）へと続く
    導管部の領域において行なわれるよう構成されているこ
    とを特徴とするピストン内燃機関。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のピストン内燃機関にお
    いて、 前記給気導管（１１）には、前記給気冷却器（１６）の
    上流側に設けられるディフューザ（１１ａ）が取り付け
    られ、 かつ、給気への排気ガスの混合が、前記ディフューザ
    （１１ａ）の上流側で行なわれるよう構成されているこ
    とを特徴とするピストン内燃機関。
  8. 【請求項８】 請求項６または７に記載のピストン内燃
    機関において、 前記給気導管（１１）の導管部（１１ｂ）が、排気ガス
    を供給できるリサイクル導管（１８）に接続可能とされ
    るとともに、概ね環状室の構成とされた予備貯蔵室（２
    ９）によって包囲され、前記導管部（１１ｂ）には、概
    ね穴の形態とされた混合開口部（２８）が設けられてい
    ることを特徴とするピストン内燃機関。
  9. 【請求項９】 請求項６または７に記載のピストン内燃
    機関において、 前記給気導管（１１）の、混合開口部（２８）が設けら
    れた導管部（１１ｂ）が、排気ガスを供給できるリサイ
    クル導管（１８）に接続可能な環状導管によって包囲さ
    れ、該環状導管は、突出導管を介して前記混合開口部
    （２８）に連結されていることを特徴とするピストン内
    燃機関。
  10. 【請求項１０】 請求項８または９に記載のピストン内
    燃機関において、 前記導管部（１１ｂ）は、前記混合開口部（２８）の部
    分に狭窄部（３２）を備えていることを特徴とするピス
    トン内燃機関。
  11. 【請求項１１】 請求項１から１０のいずれか１項に記
    載のピストン内燃機関において、 排気ガスを供給できるリサイクル導管（１８）の部分に
    は、調節装置（１９）が設けられていることを特徴とす
    るピストン内燃機関。
  12. 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれか１項に記
    載のピストン内燃機関において、 前記給気冷却器（１６）は、冷却剤を噴射して入れるた
    めの噴射ノズル（１７）が設けられた直接型冷却器とし
    て構成されていることを特徴とするピストン内燃機関。
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