JP2012518748A - 排ガスまたは燃焼ガス再循環を備える大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンならびにＮＯｘ排出およびすす排出を減少させるための方法 - Google Patents

Abstract

排ガス再循環システムと、燃料の流れに水を選択的に加えることによって、特定の動作条件、例えば、排ガス再循環率が高い状態において、噴射ノズルを通る質量流量を増加させることができる燃料噴射システムとが設けられたクロスヘッド式大型２サイクルターボ過給型ディーゼルエンジン。噴射ノズルを通る質量流量の増加によって、高速の燃料噴霧内への新気の取り込みが改善され、これによって、燃料／空気混合が増加し、燃焼が効率的になり、その結果すす発生が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘ発生を減少させるために排ガス再循環を使用する大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンと、排ガスまたは燃焼ガス再循環を使用してＮＯｘ発生を抑えるための大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンの動作方法とに関する。

現在、大型２サイクルディーゼルエンジンのエンジン過程に次のような技術を適用することによる変化によって、数多くのＮＯｘ発生を抑えるためのオプションが存在する：
・ 排ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation; EGR）
・ エマルジョン燃料の使用
・ 新気の加湿、すなわち、掃気加湿（Scavenge Air Moisterization; SAM）．

最も効果的な抑制方法は、ＥＧＲである。文献ＤＥ１９８０９６１８は、排ガス再循環を備える大型２サイクルターボ過給型ディーゼルエンジンを開示する（本エンジンでは、ガスは、シリンダから直接取り出されるため、この形式のＥＧＲは、燃焼ガス再循環（Combustion Gas Recirculation; CGR）とも呼ばれる。）本文献において「排ガス再循環」と言われる場合、これは、排ガスから取り出されるガスとシリンダから直接取り出されるガスとの両方の再循環を対象とすることを意味する。

排ガス再循環では、排ガスは、圧縮開始時に掃気の酸素含有量を減少させるように、汚れていない掃気と混合される。これによって、燃焼過程中のＮＯｘ発生を抑えることが実現できる。

今後の排出要件を満たすのに必要な高いＥＧＲ率（すなわち、掃気流量に対する再循環排ガス流量が比較的高い状態）は、これまで大型２サイクルディーゼルエンジンに適用されたことがない。小型ディーゼルエンジンにおいて、高ＥＧＲ率が多くのすすを発生させることが分かっている。小型ディーゼルエンジンでは、すす排出のこの増加により、エンジン開発者は、より高い燃料噴射圧力を採用することによって、より良好な混合および空気の取り込みを確実にすることを強いられてきた。しかしながら、燃料噴射圧力が高くなると、ＮＯｘ発生にいくらかの増加がもたらされ、ひいては当初得られていたＮＯｘ発生の抑制がある程度きかなくなってしまう。この手段では、小型ディーゼルエンジンの設計者は、燃料噴射圧力の増加に伴ってより高いＥＧＲ率を使用することを強いられてきた。現在では、小型ディーゼルエンジンにおける燃料圧力は、しばしば２０００バールを上回っており、このような燃料圧力レベルにおける燃料の流れの制御は、技術的に極めて厳しく、かつ費用がかかり、しばしば耐久性の問題を生じる。

大型２サイクルディーゼルエンジンが非常に大規模なため、小型ディーゼルエンジンにおけるこのような高圧下で燃料を制御するために開発された技術を、大型２サイクルディーゼルエンジンに直接適用することは不可能である。ゆえに、燃料噴射システムにおいてこのような高圧を使用するのであれば、大型２サイクルディーゼルエンジンがこのような超高圧を処理できるための燃料噴射システムを開発する新しい技術に、莫大な投資が必要になるであろう。
ＤＥ１９８０９６１８

このような背景から、本発明の目的は、過剰に高い燃料圧力でエンジンを動作させることを必要とせずに、高ＥＧＲ率で動作可能である大型２サイクルターボ過給型ディーゼルエンジンを提供することにある。

本目的は、複数のシリンダと、排ガス再循環ガスシステムと、噴射ノズルを通してシリンダ内に噴射される高圧燃料を、複数のシリンダに供給するための燃料噴射システムとを備えるクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンであって、排ガス再循環率が可変であり、燃料噴射システムは、噴射ノズルを通る燃料の流れに水を選択的に加えることができ、燃料噴射システムは、実際の排ガス再循環率に応じて燃料の流れに水を加えることによって、噴射ノズルを通る質量流量を増加させるように構成される、大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンを提供することによって、達成される。

排ガス再循環率が高い場合に噴射ノズルを通る質量流量を増加させることによって、噴射される流体の運動量が増加し、これによって、ともすればすすの発生が過剰となりうる動作条件における、高速の燃料噴霧内への新気の取り込みが改善される。したがって、過剰なすすの発生が回避されるとともに、非常に高い燃料噴射圧力の使用を必要とせずに、ＮＯｘ値を低く抑えられ得る。

燃料に水を混ぜて使用することは、燃焼温度をさらに下げることができるため、ＮＯｘのさらなる発生を抑えられる。

ある実施形態によると、排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合は所定の燃料／水比率が使用される。

ある実施形態によると、複数のシリンダは、各々が少なくとも２つの噴射ノズルを有し、少なくとも１つの噴射ノズルは燃料の流れに水が加えられない場合に使用する小さめの穴を有し、少なくとも１つの噴射ノズルは燃料の流れに水が加えられる場合に使用する大きめの穴を有する。したがって、増加した燃料の流れは、大きめの穴を有する方の噴射ノズルによって対応可能である。

さらなる実施形態によると、水と燃料を乳化し、噴射ノズルを通して燃料／水混合物を噴射する。

別の実施形態によると、燃料噴射流量は、燃料の流れに水が加えられる場合でも一定である。したがって、エンジンは、水／燃料と純粋燃料とが入れ替わる場合でも、一定量の燃料を受け、一定の負荷で動作し続けることができる。

別の実施形態によると、燃料噴射圧力は、燃料の流れに水が加えられる場合でも一定である。したがって、エンジンは、水／燃料動作において、純粋燃料動作と実質的に同一の燃料圧力で動作する。

別の実施形態によると、エンジンは、高負荷時は燃料の流れに水を加えずに、適度な排ガス再循環率で稼働するように構成される。

別の実施形態によると、エンジン負荷にかかわらず、排ガス循環システムを通る質量流量は、実質的に一定に維持される。

別の実施形態によると、排ガス再循環システムにはスクラバが設けられ、スクラバは、排ガス再循環システムを通る上記実質的に一定の質量流量に十分な規模を有する。

ある実施形態によると、燃料噴射システムは、燃料と水を乳化させるシステムを備える。

ある実施形態によると、燃料噴射システムは、選択的に純粋燃料で動作することができ、また選択的に水／燃料の混合物で動作することができる。

ある実施形態によると、エンジンは、燃料噴射システムの動作を制御する電子制御ユニットをさらに備え、電子制御ユニットは、燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を増加させるタイミングを決定するように構成される。

本発明の別の目的は、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンにおける燃料噴射を制御する方法であって、排ガス再循環を有するエンジンにおいて可変の排ガス再循環率で制御を行うことを含み、エンジンには燃料噴射システムが設けられ、燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を選択的に増加させ、噴射される液体の運動量を増加させる、方法を提供することにある。

ある実施形態によると、水と燃料を乳化して燃料に水を加え、噴射ノズルを通る質量流量を増加させる。

別の実施形態によると、所定の排ガス再循環率を上回る場合に、噴射ノズルを通る流量に水が加えられる。

ある実施形態によると、排ガス再循環システムを通る質量流量は、エンジン負荷にかかわらず、実質的に一定に維持される。

ある実施形態によると、燃料の流れに水が加えられる場合には大きめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用され、燃料の流れに水が加えられない場合は小さめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用される。

ある実施形態によると、燃料に加えられる水の量は、排ガス再循環率に関連して制御される。

本発明に従う大型２サイクルディーゼルエンジンおよび方法に関するさらなる目的、特徴、利点および特性は、詳細な説明より明らかになる。

本説明の以下の詳細な部分において、図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する。
本発明のある実施形態に従う、クロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明の別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明の別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンの概略図である。 本発明のさらに別の実施形態に従う、クロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンの概略図である。

望ましい実施形態の詳細な説明

以下において、本発明に従うクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンと、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンを動作する方法とに関する詳細な説明について、好適な実施形態によって記述する。

クロスヘッド式大型ターボ過給型ディーゼルエンジンの構成および動作は、それ自体はよく知られており、本発明の背景においてさらに説明することは不要であろう。燃料噴射システムおよび排ガスシステムの動作に関するさらなる詳細について以下に述べる。

図１は、本発明に従う大型２サイクルディーゼルエンジン１の第１の実施形態を示す。エンジン１は、例えば、外航船の主エンジンとして、または発電所の発電機を動作するための定置エンジンとして使用され得る。エンジンの全出力は、例えば、５，０００ｋＷから１１０，０００ｋＷの範囲であり得る。

エンジンには、一列に並んで配置される複数のシリンダ２が設けられる。各シリンダ２には、そのシリンダカバーに関連する排気弁３が設けられる。排気路は、排気弁３によって開閉可能である。排気曲がり管４は、排ガス受け５に接続する。排ガス受け５は、複数のシリンダ２の列に平行して配置される。排ガスは、排ガス受け５から排気導管８を介してターボ過給機７のタービンに向かって誘導される。排ガスは、タービンの下流の大気中に排出される。

また、前記ターボ過給機７は、新気取り込み口に連結される圧縮機も含む。圧縮機は、高圧掃気を掃気冷却機１０および掃気導管１１を介して、掃気受け９に送る。掃気は、給気受け９から、個々のシリンダ２の掃気ポート１２に送られる。

排ガス再循環ポート１３を介して、燃焼ガスの一部分は、排ガス受け１４に送られる。排ガス受け１４は、排ガス再循環システムを通る質量流量を調節する制御弁１５と、再循環排ガスを浄化するスクラバ１６と、冷却機１７と、ミスト捕集器１８（例えば、スクラバ１６中のガス流に追加される水滴を除去する）とを介して、掃気導管１１に連結する。

排ガス再循環システムを通る質量流量は、エンジン負荷にかかわらず、実質的に一定に維持される。したがって、エンジン負荷が低い状態（例えば、最大連続定格の約７５％以下）では、排ガス再循環率は比較的高く、エンジン負荷が高い状態（例えば、最大連続定格の７５％を上回る）では、排ガス再循環率は、比較的抑えられる。前記排ガススクラバ１６は、このような負荷の高い動作条件で再循環排ガス流を処理するのに十分であるように正確な規模を有する。対策を取らなければ、エンジン負荷が低い状態におけるすすの発生と、それに応じて高くなる排ガス再循環率とは、許容範囲を超えてしまうだろう。

しかしながら、エンジンには、本発明に従う、燃料タンク２０および水燃料エマルジョンタンク２１を備えた燃料噴射システムが設置されている。また、エンジンは、燃料／水乳化システム（図示せず）も備えてもよい。燃料タンク２０は、高圧燃料をコモンレール２３に送る高圧燃料ポンプ２２に連結される。コモンレール２３は燃料弁２４を通して、シリンダ２内に噴射される高圧燃料を、複数のシリンダ２に供給する。燃料弁２４の噴射ノズルには、比較的小さな開口部が設けられ、燃料はその開口部からシリンダ２内部の燃料室内に噴霧される。燃料弁２４の動作は、電子制御ユニット（図示せず）によって制御される。各シリンダ２毎に、１つ以上の、例えば、２つまたは３つの燃料弁２４が存在してもよく、これらの燃料弁２４は、全てコモンレール２３に連結される。

また、燃料噴射システムは、タンク２１から高圧でコモンレール２６内に燃料／水エマルジョンを送り込む高圧燃料ポンプ２５も含む。コモンレール２６は燃料弁２７を通して、シリンダ２内に噴射される高圧燃料／水エマルジョンを、複数のシリンダ２に供給する。燃料弁２７の噴射ノズルには、比較的大きな開口部が設けられ、燃料／水エマルジョンはその開口部からシリンダ２内部の燃料室内に噴霧される。燃料弁２７の動作は、電子制御ユニットによって制御される。各シリンダ２毎に、１つ以上の、例えば、２つまたは３つの燃料弁２７が存在してもよく、これらの燃料弁２７は、全てコモンレール２６に連結される。

電子制御ユニットは、エンジン負荷にかかわらず、動作中に制御弁１５を介して排ガス再循環システムを通る質量流量を実質的に一定に維持する。エンジン負荷が高い状態では、空気吸気システムを通る質量流量は、負荷が中〜低程度の状態（例えば、最大連続定格の７５％未満）よりも実質的に大きくなる。これは、排ガス再循環率が、負荷が高い場合よりも中〜低程度の場合（例えば、最大連続定格の７５％を上回る）に実質的に高くなることを意味する。

高負荷時における動作中、エンジン制御ユニットは、高圧燃料ポンプ２２および燃料噴射弁２４を動作して、燃料噴射弁２４を通して、シリンダ内の燃焼室内に純粋燃料を噴射する。ＥＧＲ率が比較的低くなるため、このような動作条件ではすすの発生は、あまり多くならない。

エンジン負荷がそれほど高くない状態で動作し、かつ排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合、電子制御ユニットは、燃料噴射弁２４および高圧燃料ポンプ２２の動作を中断し、代わりに、高圧ポンプ２５および燃料噴射弁２７を動作して、シリンダ２内の燃焼室内に燃料／水混合またはエマルジョンを噴射する。噴射される燃料の量は、純粋燃料から燃料／水混合またはエマルジョンへの切り替え時、または燃料／水混合またはエマルジョンから純粋燃料への切り替え時も、同様に実質的に一定である。燃料および燃料／水エマルジョンが噴射される圧力は一定である。すなわち、高圧燃料ポンプ２２および高圧燃料ポンプ２５は、実質的に一定の圧力で動作する。この圧力は、大型２サイクルディーゼルエンジンの従来のコモンレール燃料噴射システムに使用される圧力と同じ範囲にあり得、通常は８００バールから１２００バールの範囲にある。

水が燃料に加えられる場合の燃料噴射ノズルを通る質量流量の増加によって、高速の燃料噴霧内への新気の取り込みが向上し、これによって、燃料／空気混合が増加し、燃焼効率が上がり、すすの発生が抑えられる。

排ガス再循環率が所定の閾値を下回る場合、エンジン制御ユニットは、高圧燃料ポンプ２２および燃料弁２４の動作を再開し、高圧燃料ポンプ２５および燃料弁２７の動作を中断する。

図２は、本発明の第２の実施形態を図示し、これは、排ガス再循環システムが、再循環排ガスを掃気システム内に混合せずに、直接シリンダに戻すこと以外は、第１の実施形態に本質的に同一である。

図３は、本発明の第３の実施形態を図示し、これは、水および燃料が燃料ポンプ２２内部で混合されること以外は、第１の実施形態に本質的に同一である。本実施形態では、燃料ポンプは、燃料に混合する水の量をコントロールできるものである。燃料と混合される水の量は、電子制御ユニットによって決定され、ポンプ２２は、電子制御ユニットの信号に従って、決定された量の水を混合する。また、電子制御ユニットは、ノズルに小さい開口部を有する燃料弁２４とノズルに大きい開口部を有する燃料弁２７とのどちらを使用するかも判断する。本実施形態では、燃料と混合される水の量は、ゼロから所定の最大値の間で（段階的および連続的に）可変であってもよく、もしくは一定量の水をオン／オフ方式で燃料に混合してもよい。

また、図３は、燃料と混合される水の量を調節するためのフィードバック制御システムを備えてもよい。本図面では、エンジン１には、排気導管８内に、または図示されるようにターボ過給機７の下流に、排ガスのＮＯｘ含有量を測定するＮＯｘセンサ２８が設けられる。ＮＯｘセンサ２８からの信号は、制御ボックス２９（電子制御ユニット）に送られる。制御ボックス２９は、エンジン負荷および排ガス再循環率等の他のエンジン動作パラメータに関するデータを受信し、制御器は、これらのデータに基づいて燃料の流れに加えるべき水の量（水を加える必要がある場合）を決定し、燃料ポンプ２２にそれに応じてコマンドを送る。またある実施形態では、制御器２９は、フィードバック制御ループにおいて排ガス再循環率を調節するように構成されてもよい。

図４は、本発明の第４の実施形態を図示し、これは、水および燃料が高圧燃料ポンプ２２および送水ポンプ２５の下流で混合されること以外は、第１の実施形態に本質的に同一である。これらのポンプ２２、２５の出口は統合され、そして燃料／水混合物を噴射弁２４に送る導管２３に接続される。本実施形態では、水および燃料ポンプは、容量を変えることができるが、実施形態は、その代わりに速度を変えられるポンプを使用することで実現してもよい。

上述の実施形態は、シリンダ２底部のポートから再循環するために排ガスを取り出す、排ガス再循環システムとして説明されている。しかしながら、本発明は、シリンダの上部から、例えば、シリンダカバーに配置される排ガス再循環弁を通して、排ガスを取り出す排ガス再循環システムに対して使用されてもよい。また、再循環排ガスの再循環も、シリンダの上部であってもよい。

上述の実施形態は、燃料タンクおよび燃料／水エマルジョンタンクを使用する燃料噴射システムに関して説明された。しかしながら、本発明は、別の方法で所要の量の水を取り入れるシステムを使用することも可能である。システムが水タンクおよび燃料タンクのみを備えればよいように、注水口および燃料注入口を備える高圧燃料ポンプであって、ポンプ内部で２つの流体を混合する前記高圧燃料ポンプを使用してもよい。このような燃料噴射システムは、燃料噴射システム内への水の流量を変えることで動作してもよく、水の流量は、排ガス再循環率に関連して決定されてもよい。すなわち、このようなシステムは、可変の燃料対水の比率で動作してもよいく、燃料対水比率は、実際のＥＧＲ率に関連して決定してもよい。

用語の「備える」は、請求項において使用する際、他の要素またはステップを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数形を除外しない。

請求項で使用する参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されない。

本発明について例示目的のために詳細に説明したが、このような詳細が単にその目的のためのものであること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によりそこに変更を加えてもよいことを理解されたい。

Claims (19)

1. 複数のシリンダ（２）と、排ガス再循環ガスシステムと、噴射ノズルを通して前記シリンダ内に噴射される高圧燃料を、前記複数のシリンダに供給するための燃料噴射システムとを備えるクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン（１）であって、
   排ガス再循環率が可変であり、
   前記燃料噴射システムは、前記噴射ノズルを通る燃料の流れに水を選択的に加えることができ、
   前記燃料噴射システムは、実際の排ガス再循環率に応じて前記燃料の流れに水を加えることによって、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させるように構成される、
   ことを特徴とする、大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
2. 前記排ガス再循環率が所定の閾値を上回る場合は所定の燃料／水比率が使用される、請求項１に記載の大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
3. 前記複数のシリンダ（２）は、各々が少なくとも２つの噴射ノズルを有し、少なくとも１つの噴射ノズルは前記燃料の流れに水が加えられない場合に使用する小さめの穴を有し、少なくとも１つの噴射ノズルは前記燃料の流れに水が加えられる場合に使用する大きめの穴を有する、請求項１に記載の大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
4. 水と燃料を乳化し、前記噴射ノズルを通して燃料／水混合物を噴射する、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
5. 前記燃料の流れに水が加えられる場合でも燃料噴射流速が一定である、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
6. 前記燃料の流れに水が加えられる場合でも燃料噴射圧力が一定である、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
7. 前記エンジン（１）は、高負荷時には前記燃料の流れに水を加えずに、適度な排ガス再循環率で稼働するように構成される、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
8. 前記排ガス循環システムを通る質量流量が、エンジン負荷にかかわらず実質的に一定に維持される、請求項７に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
9. 前記排ガス再循環システムにはスクラバ（１６）が設けられ、前記スクラバ（１６）は、前記排ガス再循環システムを通る前記実質的に一定の質量流量に対して十分な規模を有する、請求項７に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
10. 前記燃料噴射システムは、燃料／水乳化システムを備える、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
11. 前記燃料噴射システムは、選択的に純粋燃料で動作することができ、また選択的に水／燃料の混合物で動作することができる、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
12. 前記燃料噴射システムの動作を制御する電子制御ユニットをさらに備え、前記電子制御ユニットは、前記燃料に水を加えることによって、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させる場合に、前記排ガス再循環率に関連して決定を行うように構成される、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
13. 前記燃料に加えられる水の量を調節するため、および／または排ガス中の測定されたＮＯｘ値を使用して前記排ガス再循環率を調節するための、フィードバック制御システム（２８、２９）をさらに備える、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン（１）。
14. クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン（１）における燃料噴射を制御する方法であって、排ガス再循環を有する前記エンジンにおいて可変の排ガス再循環率で制御を行うことを含み、前記エンジンには燃料噴射システムが設けられ、前記燃料に水を加えることによって噴射ノズルを通る質量流量を選択的に増加させ、噴射される液体の運動量を増加させる、方法。
15. 水と燃料を乳化して燃料に水を加え、前記噴射ノズルを通る質量流量を増加させる、請求項１４に記載の方法。
16. 所定の排ガス再循環率を上回る場合に、前記噴射ノズルを通る前記流量に水が加えられる、請求項１４に記載の方法。
17. 前記排ガス再循環システムを前記質量流量は、前記エンジン負荷にかかわらず実質的に一定に維持される、請求項１４に記載の方法。
18. 前記燃料の流れに水が加えられる場合には大きめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用され、前記燃料の流れに水が加えられない場合は小さめの開口部を有する噴射ノズルが燃料噴射に使用される、請求項１４に記載の方法。
19. 前記燃料の流れに加えられる水の量は、前記排ガス再循環率に関連して決定される、請求項１４に記載の方法。

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