JP2004525292A - 水回路により行われる予熱を含むターボチャージャーを備えた内燃機関の吸入空気を給湿するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入空気が給湿されるにあたり特に有効で実際的な方法によって予熱され得る本書で示した類の装置を提供する。
【解決手段】吸入空気と給湿液とが流れ、これらが互いに接触する給湿ユニット（１４、１６）を有する。給湿ユニットは、吸入空気の流れ方向におけるターボチャージャーのコンプレッサー（６）の上流に配置される。吸入空気を予熱する役目を果たし、且つ、大気にもとづく吸入空気が流れる熱交換器（１３、１５）が、吸入空気の流路における給湿ユニットの上流に配置される。前記熱交換器は、液回路（１１、２１）に接続される。これにより、コンプレッサーで圧縮され内燃機関へ送られる給湿される吸入空気が、もうひとつの熱交換器（９）により冷却される。
【選択図】 図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャーを備えた内燃機関の吸入空気を給湿（加湿）するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーを備えたディーゼルエンジンの吸入空気を給湿することによって、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）部分を減少させることが知られている。斯かる方法並びにその為の装置は、ＷＯ９５／２３ ２８６号公報に記載されている。この公報によれば、吸入空気と水が「通過する」給湿手段を利用するものにおいて、吸入空気は、給湿に先立ち、ターボチャージャーのコンプレッサーで圧縮され、水は、給湿手段への導入以前に、内燃機関の冷却水もしくは排気ガスに存在するエネルギーを用いて予熱される。これにより、圧縮空気が給湿される。
【０００３】
非特許文献に示されたターボチャージャーを備えた内燃機関の吸入空気給湿装置は、給湿手段を備えており、この給湿手段に吸入空気と給湿液とが流れ、且つ、給湿手段を介して互いに接触し合う。給湿手段は吸入空気の流れ方向においてターボチャージャーのコンプレッサーに対し上流に配置する。この吸入空気給湿装置は、更に、吸入空気の前記流れ経路において給湿手段に対し上流に配置され、吸入空気を予熱する役目を果たす空気対空気熱交換器を備える。前記空気対空気熱交換器には、大気にもとづく吸入空気と、コンプレッサーからの給湿、圧縮された吸入空気とが通過する。従って、この解決法では、吸入空気は、非圧縮状態で給湿され、吸入空気の予熱は、圧縮された吸入空気が通過する空気対空気熱交換器によって行われている。
【非特許文献１】
ＥＰ１０７６１６９Ａ２の公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、吸入空気が給湿されるにあたり特に有効で実際的な方法によって予熱され得る本書で示した類の装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば本発明の前記した目的は、ここに挙げた類の装置により、
「この装置が、大気にもとづく吸入空気が流れ、吸入空気を予熱する役割を果たす熱交換器を含み、この熱交換器が、液回路（水回路）に配置され、これにより、内燃機関へ供給されるコンプレッサーにより圧縮された給湿された吸入空気が、更なる熱交換器によって冷却される」という構成に基づいて得られる。
【０００６】
従って、本発明によれば、前述の先行技術のように空気対空気熱交換器を用いる代わりに、更なる熱交換器を含んだ液回路（水回路）に配置される空気対液熱交換器を用いる。今述べた「更なる熱交換器」も、コンプレッサーから来る圧縮、給湿された吸入空気が流通する空気対液熱交換器である。この更なる熱交換器において、内燃機関のための圧縮、給湿された吸入空気が冷却され、すなわち、この圧縮、給湿された吸入空気が自らの熱エネルギーの一部を液回路へ配送する。これにより、前記熱エネルギーが、つづく給湿のためにここに述べた様に予熱される吸入空気を予熱する役割を果たす熱交換器の吸入空気へ供給される。
【０００７】
前記した液回路は、水回路であることが望ましい。
本発明による解決方法には多数の利点がある。まず第１に、多くの場合において、特に、充填空気冷却器を既に有している内燃機関の場合に、吸入空気を給湿操作のために予熱するために、もとからそこにある手段を利用することができる。この場合、もとからそこにある充填空気冷却器の設計を、本発明のための液回路における更なる熱交換器として役目を果たすように変えても良い。この充填空気冷却器を使わない場合でも、その代わりに、前記の更なる熱交換器を配置することにより、本発明による解決方法のために必要なスペースを小さくすることができる。第２に、内燃機関の操作条件からみて望ましい場合は、例えば排気ガス熱交換器や、オイル式熱交換器（オイルクーラー）などの更なる手段を液回路へ組み込んでも良い。
【０００８】
つまり、液回路における更なる熱交換器は、充填空気冷却器（インタークーラー）、特に、もとからそこに在る充填空気冷却器であって、設計を然るべく変えたものである。したがって、望ましいのは、船舶の内燃機関における現行の充填空気冷却器を、更なる熱交換器として用い、充填空気冷却器の海水回路を液回路として用い、そこに前記の熱交換器を（然るべく修正した海水回路とともに）組み込みことである。
【０００９】
本発明によれば、コンプレッサーからの圧縮され給湿された吸入空気が、前記の更なる熱交換器（充填空気冷却器）において冷却される。この冷却作用は、望ましいが、この場合、圧縮され給湿された空気の凝縮は避けねばならない。この点は、本発明によれば、「液回路が、熱交換器から来る液を『更なる熱交換器』へ流れる事無しに熱交換器へ再度循環させ得るバイパス弁とバイパスラインを含む」というかたちで、望ましく達成できる。センサーが例えば、圧縮され給湿された吸入空気の更なる冷却の結果、凝縮が生じたと判断した場合は、バイパス弁が開かれ、熱交換器から来る液が一部、更なる熱交換器を通ること無く、熱交換器へ再度循環させられる。従って、液回路は部分的に短絡させられ、その結果、更なる熱交換器（充填空気冷却器）においては、圧縮され給湿される吸入空気があまり冷却されない。バイパス弁を閉じることにより、液回路をふたたび通常の操作サイクルで操作できる。従って、給湿され圧縮される吸入空気の冷却は、バイパス弁によって調節が可能である。
【００１０】
本発明による解決方法は、二つの異なるただし原理上は同一の熱交換器を間隔を空けて取り付け、これらを、液回路（水回路）によりつなぐことがたいして複雑ではない、特にシンプルな設計を特徴としている。このために必要なものは、ポンプをともなう液体チューブシステムのみである。
【００１１】
滴分離器（気液分離器）は、前記の更なる熱交換器のうしろに配置されることが望ましい。
内燃機関の吸入空気を給湿するための前記装置におけるのこりのコンポーネントについては実質的に、前述のＥＰ１０７６１６９Ａ２号公報に開示された様に設計しても良い。即ち、特に、液回路に配置する前記熱交換器の上流に、上流に取り付ける空気加熱手段を備えた更なる給湿ステージを設けても良い。この空気加熱手段は、例えば、内燃機関の冷却水が流れる熱交換器でも良い。これら更なるコンポーネントについては詳細はここではこれ以上触れないが、ＥＰ１０７６１６９Ａ２号公報の開示を参照されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して二つの実施例により本発明を詳述する。
【実施例】
【００１３】
図１のディーゼルエンジン（１）は、シリンダー（２）を４本備えた船舶用エンジンである。ディーゼルエンジン（１）の排気ガスは、（４）から排出され、ターボチャージャーの一部を構成するタービン（３）を駆動する。ターボチャージャーは、軸（５）を介してタービン（３）に駆動されるコンプレッサー（６）を有する。コンプレッサー（６）は、符号（１７）で示した流路を通って各シリンダーへ送られるディーゼルエンジンの吸入空気を圧縮する役割を果たす。
【００１４】
大気にもとづく吸入空気が、エアフィルター（１２）を通って流路（１７）をコンプレッサー（６）まで流れる。吸入空気の前記流通路には、エアフィルター（１２）からコンプレッサー（６）までの間に、下記の各コンポーネント、即ち、空気対水熱交換器（１３）、第２給湿手段（１４）、空気対水熱交換器（１５）、第１給湿手段（１６）、滴分離器（３０）がこの順に配置されている。吸入空気は、空気対水熱交換器（１３）を流れ、この交換器内で予熱される。予熱された吸入空気は、つづく給湿手段（１４）において給湿され、それによって、冷却される。つづく空気対水熱交換器（１５）において吸入空気は再び加熱され、更に、つづく給湿手段（１６）において更に給湿され、その後に、滴分離器（３０）を通ったのち、コンプレッサー（６）に入る。
【００１５】
コンプレッサー（６）から出る圧縮され、給湿された圧縮給湿空気は、流路（１７）を通って、修正した充填空気冷却器として形成される更なる空気対水熱交換器（９）へ流入する。圧縮給湿空気は、熱交換器（９）内を流れて熱交換器（９）によって（凝縮無く）冷却される。圧縮給湿空気は、別の滴分離器（２０）を通った後、ディーゼルエンジン（１）の各シリンダー（２）へ送られる。
【００１６】
ここに示した船舶用モーターには、エンジンを冷却する役目をする海水回路（塩水回路）（７）を有している。この海水回路（７）から塩水は枝管（8）を介して分岐し、２基の給湿手段（１４）（１６）へ送られる。この給湿手段は、塩水が上方から下方まで流される表面灌注式給湿器（滴下式給湿器）として形成され、塩水は、適当な表面灌注式給湿手段の充填層へ噴霧される。表面灌注給湿器には、吸入空気が、十字方向へ流れ、吸入空気が断熱的に水分を吸収する。
【００１７】
給湿手段の下流には、混入する塩粒を分離する為の装置を配置して、この内燃機関の各シリンダーへの塩粒の混入を防止するようにしても良い。
このディーゼルエンジンにおける冷却水回路に、水対水熱交換器（１０）を配置している。熱交換器（１０）は、冷却水に存在する熱エネルギーを水回路（１１）へ移送する役目を果たす。この水回路（１１）には、吸入空気を予熱するための、前記空気対水熱交換器（１３）を含む。回路（１１）を流れる加熱された水は、熱交換器（１３）のチューブコイルを流れて、このチューブコイルを流れる吸入空気を加熱する。
【００１８】
ディーゼルエンジンの排気ガスも、吸入空気を予熱する役目を果たし得る。また、熱交換器（１３）も、空気対空気熱交換器でも良い。
熱交換器（１３）と、これにつづく給湿手段（１４）は、選択自由である。本装置における実質的なコンポーネントは、熱交換器（１５）と、給湿手段（１６）である。熱交換器（１５）は、水が流れるチューブコイルを有する空気対水熱交換器である。この水は、前述の熱交換器（９）（修正した充填空気冷却器）が配置される水回路（２１）のポンプ（２２）により循環させる。この熱交換器（９）は、水回路（２１）の水が流れるチューブコイルを有する。このチューブコイルには、圧縮給湿吸入空気が循環する。
【００１９】
バイパス弁（図示せず）を備えたバイパスライン（２３）が、供給ラインと、排出ラインをつなぐ。バイパス弁を開くと、熱交換器（１５）から来る水が、バイパスライン（２３）を水回路の排出ラインまで流れ、そこから熱交換器（１５）へ戻る。従って、この水は熱交換器（９）へは流れない。この方法によれば、熱交換器（９）を流れる空気が（凝縮を避けて）更に冷却されることが、避けられる。バイパス弁を閉じることにより、水回路は再び、通常運転を開始できる。
【００２０】
ここに示した実施例において、熱交換器（９）は、その後ろに滴分離器（２０）を配置した修正した充填空気冷却器（インタークーラー）である。この充填空気冷却器の本来の海水冷却を閉じ、（おそらく、別の内部回路コンポーネントを備えている）取り付けてある水回路を水回路（２１）の一部としてここで用いる。この方法によれば、現行の手段を、少ない経費で本発明の目的の為に利用することができる。
【００２１】
図２は、ディーゼルエンジンを備えた給湿装置の別の実施例を示している。図１の実施例との違いは実質的に、「給湿手段（１４）と、予め配置された熱交換器（１３）を含んだ二つのステージが、給湿装置（１５）の上流に配置されている」という点だけである。図１で用いた符号と同じ符号は、同じパーツを示している。ディーゼルエンジン（１）のための吸入空気は、エアフィルター（１２）、空気対水熱交換器（１３）、それにつづいて配置される給湿装置（１４）を通って、流路（１７）を流れる。更に、吸入空気は、さらにひとつの空気対水熱交換器（１３）と、給湿手段（１４）を通って、（図１の実施例と同様の修正した充填空気冷却器（インタークーラー）であるもうひとつの熱交換器（９）を有する）水回路（２１）に配置された空気対水熱交換器（１５）まで流れる。熱交換器（１５）を通った後、吸入空気は、給湿手段（１６）まで流れる。それから、予熱され、給湿されて、コンプレッサー（６）で圧縮される。そこから、更なる熱交換器（９）へ送られ、そこで冷却される。それから、冷却された状態で、内燃機関（１）まで流れる。
【００２２】
水回路（２１）において、水は、ポンプ（図示せず）によって循環させる。この水は、熱交換器（９）において、内燃機関へ供給された空気から熱を吸収し、その熱を、熱交換器（１５）へ移送し、予熱されるべき吸入空気へ加える。
【００２３】
尚、熱交換器（１５）と、給湿手段（１６）は、いづれも、複数の独立したステージに分割することが、概ね可能である旨、述べておかなければならない。この点は、選択的に配置される熱交換器、給湿手段についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ディーゼルエンジンにおける給湿装置の第１実施例の概略図である。
【図２】ディーゼルエンジンにおける給湿装置の別の実施例の概略図である。

Claims (15)

1. ターボチャージャーを備えた内燃機関の吸入空気に給湿するための装置であって、
   吸入空気と給湿液が流れ、互いに接触する給湿手段（１６）であって、吸入空気の流れ方向におけるターボチャージャーのコンプレッサー（６）より上流に配置されるものと、
   吸入空気を予熱する役目を果たし、吸入空気の流れ方向における給湿手段（１６）より上流に配置される熱交換器（１５）であって、前記熱交換器（１５）には大気にもとづく吸入空気が流れ、且つ、前記熱交換器（１５）は液回路（２１）に配置され、前記液回路（２１）を介して、コンプレッサー（６）により圧縮され内燃機関（１）へ送られる給湿吸入空気が更なる熱交換器（９）により冷却されるものとから成るもの。
2. 請求項１に記載の装置であって、更なる熱交換器（９）が、充填空気冷却器（インタークーラー）であることを特徴とするもの。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、滴分離器（２０）が、更なる熱交換器（９）の下流に配置されることを特徴とするもの。
4. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、熱交換器（９）が船舶の内燃機関における現行の充填空気冷却器（インタークーラー）であり、その船舶内燃機関の海水回路を水回路（２１）として用い、そこに熱交換器（１５）を配置することを特徴とするもの。
5. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、水回路（２１）が、熱交換器（１５）から来る水の、更なる熱交換器（９）の通過無しでの熱交換器（１５）への再循環を可能にするバイパス弁とバイパスライン（２３）とを含むことを特徴とするもの。
6. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、もうひとつの給湿手段（１４）を、吸入空気の流れ方向における熱交換器（１５）の上流に配置し、この給湿手段（１４）が吸入空気のための加熱装置を予め配置していることを特徴とするもの。
7. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、もうひとつの加熱手段を、吸入空気の流れ方向における給湿手段（１６）の下流でコンプレッサー（６）の上流に配置し、前記もうひとつの給湿手段が吸入空気のための加熱装置を予め配置していることを特徴とするもの。
8. 請求項６または７に記載の装置であって、加熱装置が、内燃機関（１）の冷却水の熱エネルギーを排出するための空気対水熱交換器（１３）であることを特徴とするもの。
9. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、第３の給湿手段を、熱交換器（１５）と内燃機関（１）の間の圧縮給湿吸入空気の流路に配置することを特徴とするもの。
10. 請求項９に記載の装置であって、第３の給湿手段が、給湿剤を加熱するための熱交換器と協働することを特徴とするもの。
11. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、空気フィルターを、吸入空気の流路における給湿手段の下流に配置することを特徴とするもの。
12. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、内燃機関（１）が、冷却水を冷却するための熱交換器（１０）を有していることを特徴とするもの。
13. 請求項１２に記載の装置であって、前記熱交換器が、海水回路（塩水回路）の一部であることを特徴とするもの。
14. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、前記更なる熱交換器（９）が、ターボチャージャーの圧力に反応して制御されることを特徴とするもの。
15. 先行する各請求項のうちひとつに記載の装置であって、粒子分離器を含むことを特徴とするもの。