JP2007154877A - 内燃機関におけるｎｏｘ排出低減方法およびそれに適する内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関でのNOX排出低減方法およびそれに適する内燃機関を提供する。
【解決手段】好ましくはピストン(3)によって制御可能な少なくとも1つの吸気口(4)と、互いに独立して動作可能なバルブ(9,10)によって制御可能で、少なくとも1つが、直接または間接的に作動室(2)に戻る再循環管(18)に接続される、作動室での燃焼の際に生じる燃焼生成物用の複数の排気口とを有するクランク軸と協同で作用するピストン(3)で区切られた、燃料および空気が供給される少なくとも1つの作動室(2)を有する内燃機関において、再循環管(18)に接続される排気口(再循環ガス出口8)に割り当てられたバルブ(10)の開口時期を、それぞれ設けられた吸気口(4)が機能する前に開始および終了するクランク角領域に存在させたことで特に少ないNOX排出が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発明の第1概念によって、各動作サイクルで燃料および空気が供給されて燃焼生成物を放出する、ピストンで区切られた作動室を有する少なくとも1つの内燃機関、特に2サイクル大形ディーゼル機関で、各動作サイクルで発生する燃焼生成物の一部を再循環して、その後の燃焼工程のために作動室に再度供給することでNOX排出を低減させる方法に関し、そしてその他の発明の概念によって、好ましくはピストンによって制御可能な少なくとも1つの吸気口と、互いに独立して操作可能なバルブによって制御可能で、少なくとも1つが再循環管に接続される、作動室での燃焼の際に生じる燃焼生成物用の複数の排気口とを有するクランク軸と協同で作用するピストンに区切られた、燃料および空気が供給される少なくとも1つの作動室を有する内燃機関、特に2サイクル大形ディーゼル機関に関する。
冒頭に記述された方式の方法は、特許文献1からよく知られている。その場合に、燃焼終了後に排気口を介して放出された排気ガスの一部が再循環させられる。しかしながら動作サイクルの一部の区間では吸気スリットと排気口とが同時に開けられて、新しいガスも排気口に到達するために、排気口を介して放出された排気ガスは空気で希釈される。排気ガスが新しいガスで希釈された結果、再循環させるべきガスの量が増えるので、比較的容積の大きな再循環装置が必要となる。さらにそれによって排気ガス中のO2濃度も増加するので、このことは所望のNOX減少の侵害を招く。
特許文献2から上述の方式の2サイクル大形ディーゼル機関がよく知られていて、その場合に1つが再循環ガス用の排気口である複数の排気口には、互いに独立して操作可能なバルブが設けられる。しかしながらこの排気口の開口時期は、少なくとも一部または完全に吸気スリット閉鎖後で、それによって作動室にちょうど新しいガスが充填される時期となる。したがって、その場合に再循環ガスは新しいガスで特に激しく希釈されるので、上述の短所が非常に強く表れる。
独国特許第10116643号明細書 独国特許第19809618号明細書
したがって、このことから出発して本発明の課題は、冒頭で記述された方式の方法を、容易で安価な手段を用いて、NOX低減に関する再循環ガスの効果を最大にして、再循環に必要なガスの量が最小となるように改良することである。本発明のその他の課題は、それに適する内燃機関を提供することにある。
属概念による方法の改良に関連付けられる課題は、請求項1の上位概念に関連して、再循環に使用される燃焼生成物を、次の燃焼工程でこれに新ガスが供給される前にサイクル毎に作動室から取り出すことによって解決される。
内燃機関に関連付けられるその他の課題は、請求項7の上位概念に関連して、再循環管に接続される排気口に割り当てられた各バルブの開口時期が、それぞれ予定されている吸気始動(吸入動作開始)前に開始および終了するクランク角領域内にあることによって解決される。
前述の措置によって、空気で希釈された排気ガスではなく、燃焼ガスのみが再循環されることが確実となる。新しいガスでの希釈は排除される。したがって再循環されたガスのO2量は比較的少ない。それゆえNOX低減を確実に達成するためには比較的少量のガスのみ再循環すればよい。少量の再循環ガスは、好ましい方法で、比較的低い燃焼温度の保持にもプラスに作用し、このことは同様にNOX低減に有利である。
上位の措置の好ましい形態および合目的的な発展は従属請求項に挙げられている。
再循環の結果生じる作動室内の圧力損失をできるだけ低く抑えるために、再循環ガスを、排気ガス放出開始前で、排気ガス放出開始と新しいガスの供給開始の間に終わらせることが考えられる。その場合に再循環ガスを燃焼空気と共に作動室に再び供給することができる。しかしながら、いわゆるブースタ効果が完遂されるように再循環ガスを追加で圧縮することも考えられる。このようにして温度をさらに上げることなくシリンダ内の圧力を増大させることができ、このことはNOX低減に有利である。この場合には再循環ガスを作動室に直接供給することができる。
別の好ましい形態は、排気ガス放出が始まる前に再循環ガスを完全に作動室から取り出すことにある。その場合に再循環ガスの圧力が非常に高くなるので、排気ガス放出終了後に追加で圧力を増大させることなく、これを直接再び作動室に導入することができる。
好ましくは、全シリンダ上を通過する再循環ガス収集室を設けることができ、連絡ラインを介して各シリンダの、再循環管が続く再循環ガス排出口が該収集室に接続される。このことによって再循環管に再循環ガスを確実に供給できるようになる。
再循環ガスを作動室に直接供給する構造の場合には、この目的によってバルブを用いて制御可能な再循環ガス入口が備えられる。このようにして各作動室には、再循環のために設けられた2つのバルブが存在する。したがって好ましい方法で、両バルブを排気弁または吸気弁として交替で動作させることが可能となり、そのことによってバルブの温度負荷を抑えることができる。
前述の方式の場合に合目的的に再循環ガス入口の開口時期を、排気ガス放出の開口時期の終了後に開始する。そのことによって、開いている排出ガス口を介して再循環ガスが漏れることが避けられる。
その他の合目的的な措置は、各シリンダの再循環ガス入口が連絡ラインを用いて、再循環管がつながる、全シリンダ上を通過する再循環ガス分配室に接続されることにある。このことによって全作動室への再循環ガスの一様な供給が保証される。
上位の措置のその他の好ましい形態および合目的的な発展は、残りの従属請求項に挙げられていて、下記の図に基づく実施例の説明からより詳しく読み取ることができる。
本発明の主適用分野は、船舶用エンジンなどとして使用することができる2サイクル大形ディーゼルエンジンである。その基本構造およびそのような構造体の作用はよく知られている。
図1、図3および図5には、その種のエンジンのシリンダ1が示され、これは一列に配された複数のシリンダを有することができる。各シリンダ1は作動室2を含み、該作動室は、詳しくは示されていない方法でピストン棒、クロスヘッドおよび連接棒を介してクランク軸と協同作用する上下動可能なピストン3によって下方への範囲が画定される。シリンダ1の下方領域には吸気スリット4が設けられ、該スリットをピストン3が通過し、この方法で該スリットは上下に制御される。各シリンダ1の吸気スリット4は、組み込まれた供給管5に連通され、該供給管は、全シリンダ上を通過して充填空気が供給される分配管6に接続される。吸気スリット4は、それに応じて吸気口として機能し、該スリットを介して作動室2に燃焼空気が供給可能である。
上方への作動室2の範囲を規定するシリンダ蓋部の領域には、詳しく示されていない燃料噴射装置ならびに排気口7および再循環ガス出口8が設けられ、それぞれに1つのバルブ9または10が上下に制御するために組み込まれている。このバルブ9または10は互いに独立しており、すなわち異なる時刻に動作可能である。再循環ガス出口8の内のりの断面積は排気口7の内のりの断面積より小さい。それに応じてバルブ10もバルブ9より小さい。
排気口7は排気管11に接続される。全シリンダの排気管11は、全シリンダ上を通過する排気収集管12に接続される。この収集管から排気管13が延び、これは排気ガスタービン式過給装置のタービン14に排気を供給する。タービン14は圧縮機15を作動させ、該圧縮機は充填空気ライン16を介して圧縮された充填空気を充填空気分配管6に供給する。充填空気ライン16内には充填空気冷却器17を配設することができる。
タービン14から出た排気は大気中へ放出される。この排気のNOX量をできるだけ少なく抑えるために、燃焼の際、作動室2内で生じるガスの一部を直接または間接的に再び作動室2に戻す(再循環させる)。そのために設けられる再循環装置は再循環管18を含み、該管は全シリンダ1上を通過する再循環ガス収集室19から出発して、全シリンダ1の再循環ガス出口8が、それぞれ1つの連絡ライン20を介して該収集室に接続される。再循環管18は、作動室2から取り出された再循環ガスを冷却および/または洗浄および/またはフィルタリングするために、処理連結装置21を介して運ばれる。
図1に基づく構造では、再循環ガスが充填空気に混合され、該空気と共に、すなわち間接的に作動室2に供給される。そのために充填空気ライン16には、ここでは充填空気冷却器17に後置される再循環ガス管18用の導入口22が備わる。この導入口22は、図1に破線によって示したように充填空気冷却器17に前置されている。そのような場合には再循環ガスの単独冷却を省略することができる。
作動室2から取り出され充填空気ライン16へ供給された再循環ガスの圧力は充填空気圧より高いので、自発的に流れが生じ、再循環ライン10内の圧力を増大する追加の連結装置は必要なくなる。短時間の圧力噴射の場合に充填空気の再循環管18への戻りを確実に阻止するために、導入口22に前置された再循環管18領域に逆止め弁23が設けられ、該弁は導入口22方向に開口およびその逆を行う。
図3および図5の装置の基本構造は、前述の図1の装置の構造に相当する。その違いは、図3および図5の装置では再循環ガスが直接作動室2に戻ることである。そのために各シリンダ1の作動室2には、組み込まれたバルブ24を用いて制御可能な再循環ガス入口25が設けられ、該入口を介して再循環ガスを作動室2に導入することができる。ここでは再循環管18は、全シリンダ上を通過する再循環ガス分配室26へつながり、それぞれ組み込まれた連絡ライン27を介して全シリンダ1の再循環ガス入口25が該分配室に接続される。
図5の装置では、その他の特色として再循環管18に割り当てられた圧力増大連結装置が設けられる。その場合には、再循環管18へ統合された圧縮機28が重要であり、これはここでは排気ガスタービン29を用いて始動される。この圧力増大連結装置は、排気ガスタービン式過給装置の種類に応じて構成される。排気ガスタービン29の供給に必要な排気は、排気ライン13から分けられる。図3には、そのような圧力増大連結装置は設けられていない。
図2、図4および図6から、各作動室2に割り当てられた入口および出口の開口行程の開始および終了が分かる。その場合に図2は図1に、図4は図3に、図6は図5に帰属する。前述の図2、図4および図6には、生じる吸気断面積および排気断面積が、ここでは「度」でのクランク角で表される時間に関してプロットされ、その場合に曲線30は吸気スリット4に、曲線31は排気口7に、曲線32は再循環ガス出口8に、曲線33は再循環ガス入口25に帰属している。吸気スリット4は全ての場合にUT(下死点)前約40°のクランク角からUT後40°のクランク角まで開いている。それに対して排気口7は、曲線31が示しているように前回りで開き、後回りで閉じる。それに応じて排気口7および吸気スリット4が同時に開いている長い時間が生じる。その場合に吸気スリット4を介して供給された空気の一部も確実に排気口7に到達し、そのことから排気が空気で希釈される。再循環ガスの場合にこのことを回避するために、曲線32が示しているように全ての場合に、吸気スリット4が開く前に再循環ガス出口8は既に再び閉じている。曲線32は完全または部分的にも曲線30と重なることは決してなく、常に曲線30の前に完全な形で、すなわち図示した実施例ではUT前40°に存在する。
図1および図2の形態では、排気口8は曲線31にしたがってUT前約70°からUT後55°まで開いている。再循環ガス出口8はここでは曲線32にしたがってUT前約95°からUT前約45°まで開いている。それに応じて排気口7の開口時期との重なりが生じるが、吸気スリット4の開口時期とは重ならない。前述の重なりは、作動室2から取り出された再循環ガスの圧力が比較的小さくなることにつながる。しかしながらこれはまだ常に、ここでは充填空気ライン16に供給された再循環ガスの自発的な流れが生じるほど高い。他方、再循環ガス出口8の比較的遅い開口は、比較的小さい圧力と、それによる作動室2内のエネルギー損失を招く。
図3および図4の形態では、既に記述されているように再循環ガスは直接作動室2に供給される。圧力増大連結装置を追加しなくて済むように、ここでは再循環ガスの比較的高い圧力が必要である。したがって再循環ガス出口8の開口時期は、図4の曲線32が示すように、ここでは完全に曲線31で表された排気口7の開口時期の前にある。これはここではUT前約70°で開き、UT後約85°で閉じる。再循環ガス出口はここではUT前約102°で開き、UT後約70°、すなわち排気口7が開き始める時には既に閉じている。したがって再循環ガス入口25の開口時期は完全に再循環ガス出口8の開口時期とは重なっていない。排気口7は図3、図4の形態ではUT後約85°で閉じる。その後、初めて、再循環ガス入口25が開く。ここでは再循環ガス入口25の開口時期は、図4の曲線33の位置に基づいて認識されるようにUT後約85°からUT後約115°まで広がる。
図4から分かる排気口7、再循環ガス出口8および再循環ガス入口25のバルブ9,10および25は、再循環ガス出口8および再循環ガス入口25の開口時期が、排気口8の開口時期および当然入口スリット4の開口時期と重ならないようにする。したがってこのことから再循環ガスの空気での希釈が避けられるだけでなく、排気口7を介した再循環ガスの損失も避けられる。さらに再循環ガス出口8の早期の開口は、再循環管18内に自発的な流れが生じるだけの十分に高い再循環ガスの圧力が達成されることを保証する。
図5および図6に基づく装置では、再循環管18内に圧縮機28の形の追加の圧力増大連結装置が設けられる。その結果、ここでは、図6の曲線30,31および32の位置から明らかなように、排気出口8の開口時期を遅くして、図1および図2の装置の場合のように入口スリット4の開口の直前に排気口7の開口時期との重なりを生じさせることが可能である。その場合に排気口7の開口はUT前約70°で始まりUT後約85°で終わる。入口スリット4はほぼ全ての形態のようにUT前約40°からUT後約40°まで開いている。したがって再循環ガス出口8は、ここではUT前約40°直前まで開いていると言える。開口時期は、ここではUT前約85°からUT前約40°直前、たとえばUT前42°まで広がる。
圧縮機28を用いて行った再循環ガスの圧力増大は、好ましい方法で温度を上げずに作動室2内の圧力を高め、このことはNOX排出の低減に有利に作用する。合目的的にこの圧縮機28に冷却器21aを後置することができる。多くの動作段階で圧縮機28を用いた圧力増大が必要とされない限りにおいては、これは切り離すことができる。この方式の場合には、図5で破線によって示された短絡ライン18aが設けられ、これは通常操作の際には圧縮機28と切り離すことができる。
再循環ガス出口8および再循環ガス入口25を備えた図3および図5に基づく形態では、付属弁10を備えた再循環ガス出口および付属弁24を備えた再循環ガス入口25を同一に形成することができる。したがって排気動作から吸気動作へおよびその逆へサイクル毎に交替させるように制御装置を設けることも可能である。この方法でバルブ10および24の温度負荷がさらに一様に下げられる。前述の逆転制御を可能にするために、それぞれ1つの再循環ガス入口25に割り当てられた連絡ライン27が、それぞれ1つのバイパスライン34によって、付属シリンダ1の再循環ガス出口8から出ている割り当てられた連絡ライン20に接続される。連絡ライン27または20へのバイパスライン34の接続部には、二方弁として形成されたそれぞれ1つのパイロット弁35が配設される。このパイロット弁35は、吸気動作と排気動作を交替させるために、再循環ガス収集室19および再循環ガス分配室26が交替で出口8または入口25に接続されるように制御される。図3および図5に示したバルブ35の位置では、再循環ガス出口8から再循環ガス入口25への再循環ガスの流れが生じる。
バルブ10および24は、すでに先に述べたように等しい。そのようなバルブの合目的的な構成は図7から分かる。これは、中央に配設された排気口7とその隣に配設された再循環ガス出口8とを備えたシリンダ蓋部36を示す。排気口7の反対側には、図3および図5の場合には再循環ガス入口25が設けられる。再循環ガス出口8に割り当てられたバルブ10は、周知の始動空気入口弁の構造に相当する。同じことが当然再循環ガス入口弁24に関しても適用される。前述の構造は、好ましい方法で信頼できる部品の使用を可能にする。
バルブ10は、再循環ガス出口または入口に割り当てられたシリンダ蓋部36の穿孔内に挿入可能な筒状の弁箱37を含み、該弁箱は、該弁箱37内に運ばれ、その後方末端に圧力媒体が供給可能な圧力室40を閉鎖する軸部39に受け入れられる弁頭38を用いて閉鎖可能である。圧力室40の、液圧媒体または空気圧媒体での圧力供給によって、弁頭38は弁箱37の割り当てられた弁座から持ち上げられ、そして逆のことが行われる。軸部39により押し抜かれた弁箱37の内部は、軸ガイドの下側に側面開口部41を備え、該側面開口部に、その都度所望の連絡ライン20または27が接続可能である。弁頭38が弁座から持ち上げられると、図7から分かるように作動室2と開口部41との間で流れがつながるので、再循環ガスを作動室2から取り出すことができ、もしくはこの中に供給することができる。
本発明の再循環装置を備えた2サイクル大形ディーゼルエンジンを示す図である。 図1の装置に帰属する、吸気および排気の開口時期を示す図である。 本発明の再循環装置のその他の形態を備えた2サイクル大形ディーゼルエンジンを示す図である。 図3の装置に帰属する、吸気および排気の開口時期を示す図である。 本発明の再循環装置のその他の形態を備えた2サイクル大形ディーゼルエンジンを示す図である。 図5の装置に帰属する、吸気および排気の開口時期を示す図である。 本発明の再循環装置を備えた2サイクル大形ディーゼルエンジンのシリンダのシリンダ蓋部を通る断面図である。
符号の説明
1 シリンダ
2 作動室
3 ピストン
4 吸気口
7 排気口
8 再循環ガス出口
9,10 バルブ
18 再循環管
19 再循環ガス収集室
20 連絡ライン
21 処理連結装置
22 導入口
23 逆止め弁
24 バルブ
25 入口
26 再循環ガス分配室
27 連絡ライン
28 圧力増大連結装置
29 排気ガスタービン
34 バイパスライン
35 パイロット弁
36 シリンダ蓋部
37 弁箱
41 側面開口部

Claims (23)

  1. 各動作サイクルで燃料および空気を供給して燃焼生成物を放出する、ピストン(3)で区切られた作動室(2)を有する少なくとも1つの内燃機関、特に2サイクル大形ディーゼル機関において、各動作サイクルで発生する前記燃焼生成物の一部を再循環して、その後の燃焼工程のために前記作動室(2)に再度供給することでNOX排出を低減させる方法であって、再循環に使用される前記燃焼生成物を、次の燃焼工程で新しいガスが供給される前に作動室(2)からサイクル毎に取り出すことを特徴とする方法。
  2. 再循環される前記燃焼生成物の少なくとも一部を、次の燃焼のために用意された充填空気と共に前記作動室(2)に供給することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 再循環される前記燃焼生成物の少なくとも一部を、排気放出終了後にサイクル毎に直接前記作動室(2)に供給することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. 再循環される前記燃焼生成物を、前記作動室(2)から取り出した後に冷却および/または洗浄および/またはフィルタリングすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 再循環される前記燃焼生成物の取り出しを、排気放出開始前で排気放出開始と新たな空気の供給開始との間に終了させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 再循環される前記燃焼生成物を、排気放出開始前に前記作動室から取り出すことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の方法。
  7. 好ましくはピストン(3)によって制御可能な少なくとも1つの吸気口(4)と、互いに独立して操作可能なバルブ(9,10)によって制御可能で、少なくとも1つが前記作動室(2)に戻る再循環管(18)に接続される、前記作動室での燃焼の際に生じる前記燃焼生成物用の複数の排気口とを有するクランク軸と協同で作用する前記ピストン(3)で区切られた、燃料および空気が供給される少なくとも1つの前記作動室(2)を有し、再循環管(18)と接続される排気口(再循環ガス出口8)に割り当てられたバルブ(10)の開口時期が、それぞれ設けられた吸気口(4)の始動前に開始および終了するクランク角領域に存在することを特徴とする内燃機関、特に2サイクル大ディーゼル機関。
  8. 2つの異なる大きさの排気口が設けられ、そのうち大きい方が排気管に接続される排気口(7)として形成され、小さい方が前記再循環管(18)に接続される前記再循環ガス出口(8)として形成されることを特徴とする請求項7に記載の装置。
  9. 前記再循環ガス出口(8)の開口時期の開始が、前記排気口(7)の開口時期の開始前にあることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の内燃機関。
  10. 前記再循環ガス出口(8)の開口時期の終了が、前記排気口(7)の開口時期の開始と前記各吸気口(4)の開口時期の開始の間の領域にあることを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の内燃機関。
  11. 前記再循環ガス出口(8)の開口時期の開始および終了が、前記排気口(7)の開口時期の開始前にあることを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の内燃機関。
  12. 全シリンダ(1)上を通過する再循環ガス収集室(19)が設けられ、前記収集室に連絡ライン(20)を介して各シリンダ(1)の前記再循環ガス出口(8)が接続され、ここから前記再循環管(18)が延びることを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか一項に記載の内燃機関。
  13. 前記再循環管(18)内に、前記再循環ガスを冷却および/または洗浄および/またはフィルタリングする少なくとも1つの処理連結装置(21)が配設されることを特徴とする請求項7から請求項12のいずれか一項に記載の内燃機関。
  14. 前記再循環管(18)が、前記吸気口(4)に割り当てられた充填空気供給装置へつながることを特徴とする請求項7から請求項13のいずれか一項に記載の内燃機関。
  15. 導入口(22)に逆止め弁(23)が前置されることを特徴とする請求項14に記載の内燃機関。
  16. 各シリンダ(1)の前記作動室(2)に、バルブ(24)によって制御可能な再循環ガス入口(25)が備わることを特徴とする請求項7から請求項13のいずれか一項に記載の内燃機関。
  17. 前記再循環ガス入口(25)の開口時期の開始が、前記排気口(7)の開口時期の終了後にあることを特徴とする請求項16に記載の内燃機関。
  18. 前記再循環管(18)が、少なくとも1つの駆動可能な圧力増大連結装置(28)を介して延びることを特徴とする請求項16または請求項17に記載の内燃機関。
  19. 前記圧力増大連結装置(28)が、排気ガスタービン(29)を用いて駆動可能であることを特徴とする請求項18に記載の内燃機関。
  20. 各シリンダ(1)の前記再循環ガス入口(25)が、連絡ライン(27)を用いて、全シリンダ(1)上を通過し、前記再循環管(18)が注ぎ込む再循環ガス分配室(26)に接続されることを特徴とする請求項16から請求項19のいずれか一項に記載の内燃機関。
  21. 前記再循環ガス出口(8)および入口(25)を、サイクル毎にその都度もう1つの機能に切り換える装置が設けられることを特徴とする請求項16から請求項20のいずれか一項に記載の内燃機関。
  22. 前記切換装置が、前記再循環ガス出口(8)および入口(25)の間のバイパスライン(34)に割り当てられた前記連絡ライン(20,27)を有し、前記バイパスライン(34)の連結部にパイロット弁(35)が設けられることを特徴とする請求項21に記載の内燃機関。
  23. 前記再循環ガス出口(8)および入口(25)に割り当てられた前記バルブ(10,24)が、シリンダ蓋部(36)の穿孔内に挿入可能な弁箱(37)を有し、前記弁箱は側面開口部(41)を含み、前記開口部に、割り当てられた前記連絡ライン(20または27)が接続可能であることを特徴とする請求項7から請求項22のいずれか一項に記載の内燃機関。
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