JP2013234663A - ディーゼルエンジン、およびそのディーゼルエンジンの出力向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ安価な仕方により、ディーゼルエンジンの出力を高める。
【解決手段】ディーゼルエンジンのターボ過給機段２，３にかかわりなく駆動される少なくとも1つの支援送風機６が設けられている。支援送風機が、ターボ過給機段から複数の燃焼室１に至る掃気ガス高圧側管路経路中でターボ過給機段の下流側に配置されており、かつターボ過給機段を支援するためにディーゼルエンジンの負荷領域全体で連続運転するように設計されており、ターボ過給機段の掃気ガス高圧側でターボ過給機段用に利用可能な圧力差の排気ガス後処理に伴う低下が複数の燃焼室の過給時にターボ過給機段を支援することによって補償される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項1の前文に記載したディーゼルエンジン、そして請求項11の前文に記載した既存ディーゼルエンジンの出力を高める方法に関する。本発明は特に、例えば船舶の駆動または発電所での発電に利用されるような大型ディーゼルエンジンに関し、殊に2サイクル大型ディーゼルエンジン用に適している。

このようなディーゼルエンジンでは燃焼室（単・複）に掃気ガスを過給するために単数または複数のターボ過給機からなるターボ過給機段が設けられており、このターボ過給機段は単数もしくは複数の燃焼室から到来する大抵は排気ガス集合容器内に集められた排気ガスをエネルギー源として利用している。その際、単数もしくは複数の燃焼室もしくは排気ガス集合容器から到来する排気ガスと排気ガスが排出される環境との間の圧力勾配が利用される。掃気ガスは新気、または例えば新気と還流排気ガスとから成る混合ガスとすることができる。

吸入経路中でターボ過給機の高圧側にしばしば大抵は電動駆動式の補助送風機が設けられており、この補助送風機は始動補助手段として役立ち、また低い回転数領域および負荷領域においてターボラグを補償するのに役立つ。始動補助手段として役立ちかつターボラグを補償するのに役立つこのような補助送風機を備えて乗用車用に予定されたターボ過給2サイクル小型ディーゼルエンジンを特許文献1が開示している。そこで明らかとなるようにターボラグの問題は2サイクルエンジンにおいて一層厳しくなる。なぜならば、そもそも新気が燃焼室に流入するとき、吸入空気の圧力はエンジン始動時と低回転数での低負荷領域とにおいても排気ガス圧力よりも上でなければならないからである。

前文によればこのようなディーゼルエンジンにおいてターボ過給機の排気ガス低圧側に、つまり排気ガスを流通させる排気ガス管路系統の、流れの点でターボ過給機下流側に設けられた領域に、排気ガス後処理システムが設けられている。このような2サイクル大型ディーゼルエンジンは例えば特許文献2から読み取ることができる。そこでは排気ガス後処理システムがSCR（selective catalytic reduction：選択接触還元）反応器を有し、この反応器は環境中に排出される排気ガス中のNOxを還元するのに役立つ。SCR反応器は排気ガス高圧側でターボ過給機タービン上流側の排気ガス加熱器によって生成される高い排気ガス温度を必要とする。排気ガスの加熱から帰結する損失、従って最終的に排気ガス後処理から帰結する損失を補償するためにそこではターボ過給機タービンと並列に付加的タービンが排気経路中に配置されている。補助送風機はエンジン始動中および低負荷領域のとき、これらの運転領域において機能しないかまたは低い排気ガス圧力で作動されるターボ過給機を過給時に支援するために投入される。

自動車分野からも補助送風機と排気ガス後処理システムとを備えたターボ過給小型ディーゼルエンジンが公知である（特許文献３参照）。そこでは低負荷領域で負荷上昇時に補助送風機はターボラグ自体を補償するためだけでなく、この運転状況のときそこに示されたエンジンで予定されている排気ガス還流とこれに伴うNOx還元とを維持するためにも投入される。そこで選択的に設けられた排気ガス後処理システムは触媒と微粒子フィルタとを有することができる。

ターボ過給エンジンにおいて補助送風機を低負荷領域で圧縮機として使用しかつエンジンのさらなる増速時に遮断するだけでなく、その逆に増速領域や全負荷領域において吸入空気中の圧力を低減する減圧器としてさえ利用するとの改良提案は、特許文献4、特許文献5、特許文献6から読み取ることができる。補助圧縮機が変速機を介してエンジンクランク軸によって駆動され、さらにエンジン冷却液と吸入空気との間で熱を伝達する熱交換器が設けられている特許文献4によれば、通常のコールドスタート補助機能の他にエンジンの全負荷領域において他の機能を果たさねばならず、つまり供給された新気の膨張によってターボ過給機圧縮機の冷却を達成し、これにより高圧力比のターボ過給機の使用を可能としなければならない。同様に特許文献5によるエンジンでは、変速機を介してエンジンのクランク軸によって駆動される補助圧縮機と、排気ガスと吸入空気との間で熱を伝達する迂回可能な熱交換器がターボ過給機圧縮機の上流側に設けられており、補助圧縮機用に使用されたが（もはや）必要とされない出力を高エンジン負荷時に下げるために、燃焼室壁の温度上昇に伴って低下する変速機変速比、つまりエンジン負荷に伴って低下する変速機変速比が選択される。特許文献6によれば補助圧縮機は始動段階中にターボラグを克服するために投入され、通常運転時には吸入空気管路中に設けられたバイパス管路を通して迂回され、エンジンの全負荷領域では弛緩器として作動され、こうして吸入領域内の圧力はそこに注ぐ排気ガス再循環管路から排気ガスの再循環がそもそも可能である程度に下げられ、補助送風機に接続されたエンジン‐発電機によって付加的に発電される。

一般的に述べるなら、排気ガス後処理システムは排気ガスを後処理する組立体を含み、排気ガスはこの組立体に通される。その際に発生する背圧はターボ過給機もしくはターボ過給機段用に利用可能な圧力を低下させる。

例えば排気ガス後処理システムは排気ガスに含まれた硫黄を洗浄するために単数または複数の排気ガス洗浄器を含むことができる。排気ガス洗浄器を備えたこのような排気ガス後処理システムは例えば特許文献7から読み取ることができる。特許文献8も、排気ガスの流れの点でターボ過給機下流側に設けられた排気ガス浄化システムもしくは排気ガス後処理システムを備えたエンジンを示している。

選択的にまたは補足的に排気ガス後処理システムは有害物質を接触転化させる触媒も有することができる。

しかし排気ガス後処理システムは選択的にまたは補足的に、プロセス熱または蒸気を獲得して発電するために単数または複数の蒸気発生器を含むこともできる。選択的にまたは補足的に、温水発生に役立つ熱交換器を設けておくこともできよう。

排気ガス後処理システムは、排気ガスを圧力損失下に通す別の組立体、例えば消音器または排気ガス浄化触媒等を当然に含むこともできる。

排気ガス後処理システムによって引き起こされる圧力損失を補償するために、従来は、排気ガス後処理システムを通して排気ガスを吸引する吸引圧縮機もしくは吸引送風機が利用されている。これにより、排気ガスが排気ガス後処理システム内に達することは確かに保証することができる。しかしこれによっては、排気ガス後処理システムもしくはそこで発生する背圧によって引き起こされるターボ過給機の出力損失を完全に補償することはできない。

特許文献9が開示するトラック用小型ディーゼルエンジンは2段ターボ過給部と、給気冷却部と、ターボ過給機圧縮機と並列に接続された補助圧縮機と、排気ガス再循環部と、特に微粒子分離器の態様の排気ガス後処理部とを備えている。通常の如くに補助圧縮機はエンジン始動段階中、圧縮された付加的新気をエンジンに供給するのに利用される。このため、補助圧縮機を吸気マニホルドと結合する管路が制御弁によって解放される。約1〜2秒続く始動段階後に制御弁が切り換えられ、支援圧縮機で圧縮された部分空気流が熱交換器に通され、そこで再循環排気ガスによって加温され、その際に排気ガスが同時に冷やされる。圧縮され加温された部分空気流は次に排気ガス後処理部に供給され、そこで温度が約600℃の高レベルに保たれ、排気ガスシステム内で経過する微粒子分離器の熱回生に基づいて起きる圧力損失はこうして補償することができる。つまり補助圧縮機もしくは支援送風機は始動補助機能の他に、排気ガス後処理システムによって排気ガス中に引き起こされる圧力損失もしくは背圧を補償するという他の機能を有する。

英国特許出願公開第2 410 060号明細書 国際公開第2008/135059号パンフレット 英国特許出願公開第2 480 240号明細書 独国特許出願公開第1 903 261号明細書 独国特許発明第41 28 642号明細書 独国特許出願公開第10 2004 001 371号明細書 独国特許発明第10 2009 010 808号明細書 国際公開第2007/045 721号パンフレット 独国特許出願公開第10 2007 054 227号明細書

そのことを前提に本発明の課題は、前文に係るディーゼルエンジンにおいて簡単かつ安価な仕方で出力を高めることである。

この課題が、ディーゼルエンジンに関しては請求項1の特徴で解決され、既存ディーゼルエンジンの出力を高める方法に関しては請求項11の特徴で解決される。

本発明に係るディーゼルエンジンはこのためにターボ過給機段の掃気ガス高圧側に、つまりそれぞれ圧縮機の出口と燃焼室入口との間に、排気ガス後処理システムによって引き起こされる背圧を複数の燃焼室の過給時にターボ過給機段を支援することによって補償するがターボ過給機段を介して駆動されるのでない補償機構を有し、つまり少なくとも1つの支援送風機を有する。この支援送風機は、ターボ過給機もしくはターボ過給機段の排気ガス低圧側で排気ガス後処理システムによって引き起こされる排気ガス背圧と、これによって低下するターボ過給機段用に利用可能な圧力差とを補償し、しかも掃気ガス高圧側で複数の燃焼室の過給時にターボ過給機段を支援することによって補償するように構成されている。

これにより排気ガス後処理システムはこのような補償装置が設けられていない場合よりも体積の点で小さく設計することができ、エンジンの構造寸法が全体として小さくなり、排気ガス後処理システム用に生じる費用が少なくなる。構造寸法を小さくする意味で特に電動駆動式の補償機構が望ましい。しかし、補償機構の駆動部が本発明に係るディーゼルエンジンのターボ過給機に連結されておらず、つまり外部でそれとは独自に働く限り、別の駆動部、例えば一層小さな個別のディーゼルエンジンも考えられよう。しかしこのためにはエネルギー蓄積部から取り出されるエネルギー態様も当然に使用することができ、ターボ過給機段がそのことで負担を受けない限り、例えば排気ガス後処理システム内の蒸気発生器を介して最終的に本発明に係るディーゼルエンジンによって生成される例えば電気エネルギーまたは蒸気も使用することができる。

ターボ過給機段の掃気ガス高圧側の補償機構としてさまざまな機構が考えられる。例えば、個々のターボ過給機のタービン軸に作用する単数または複数の電動機を設けておくことができよう。さらに、ターボ過給機段の掃気ガス高圧側に配置される高圧容器、もしくはターボ過給機段から到来して燃焼室の入口に至る複数の掃気ガス管路に供給する高圧容器を設けることが考えられよう。この高圧容器はターボ過給機段を介して駆動されるのでない圧縮機配置を介して掃気ガスの供給を受け、エンジンの負荷領域全体で複数の燃焼室に供給し、こうして掃気ガス体積流を高める。

しかし好ましくは、ターボ過給機段にかかわりなく駆動される支援送風機、もしくはエンジン負荷領域全体での連続運転用に設計され複数の燃焼室の過給時にターボ過給機段を支援するがターボ過給機段によって駆動されるのでない単数または複数の支援圧縮機が、ターボ過給機段の掃気ガス高圧側に設けられている。すなわち、支援送風機は始動時とディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいてだけでなく、ディーゼルエンジンの負荷領域全体においても利用可能である。支援送風機はターボ過給機から到来して燃焼室に至る各掃気ガス高圧管路用に個別の支援ファンもしくは支援圧縮機を有することができ、または単に1つのターボ過給機を有するエンジンの場合単一の支援圧縮機として形成しておくことができる。支援送風機の駆動部はさまざまに形成しておくことができ、例えば蒸気タービンで駆動することができる。しかし電動駆動部が好ましい。

さらに、電動駆動部を備えた支援送風機において本発明に係るディーゼルエンジンの特別有利な改良を行うことができる。というのもその場合支援送風機は同時に始動補助送風機として利用することができ、ディーゼルエンジンの始動時と下部部分負荷領域とにおいて燃焼室への掃気ガスの過給時に各ターボ過給機を支援するためにこの支援送風機は前文に係る大型ディーゼルエンジンにおいてターボ過給機段から複数の燃焼室に至る単数もしくは複数の掃気ガス高圧管路中に元々設けられているからである。こうして、補償機構として役立つ支援送風機が始動補助送風機の役目を一緒に引き受けることができるので、個別の始動補助送風機はもはや設けておく必要がない。エンジン負荷領域全体、つまりディーゼルエンジンの全負荷領域や上部部分負荷領域でも始動時や下部部分負荷領域と同様に支援送風機が作動されるように支援送風機の駆動部の制御は設計しておくことができ、下部部分負荷領域は一般にエンジン全負荷の20〜40％以下、例えばエンジン全負荷の25％以下の負荷領域である。

こうして個別の始動補助送風機は省くことができる。支援送風機をディーゼルエンジンの負荷領域全体で利用可能となるように設計するために支援送風機は、ディーゼルエンジンの運転時間全体の間支援送風機の連続運転にとって十分に強力な駆動部を有していなければならない。そしてディーゼルエンジンの負荷領域全体、つまり下部部分負荷領域を上まわる負荷領域でも支援送風機を作動させる駆動部制御部が設けられていなければならない。一般的始動補助送風機の電動機はこのためには弱すぎ、連続運転時に断線するであろう。好適であると実証されたのは概ね2倍の高出力電動機、つまり定評ある始動補助送風機において使用される電動機である。

ディーゼルエンジンの排気ガスによって駆動されて複数の燃焼室に掃気ガスを過給する少なくとも1つのターボ過給機段と、排気ガスを通す例えば蒸気発生器または排気ガス洗浄器等の組立体を有しターボ過給機段の排気ガス低圧側に配置されて消音、排気ガスの浄化および／または洗浄および／または排気ガスに含まれた熱による蒸気発生または熱発生を行う少なくとも1つの排気ガス後処理システムと、ターボ段の掃気ガス高圧側に配置されてエンジン始動時とディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいて複数の燃焼室の過給を支援する始動補助送風機とを備え、下部部分負荷領域が特にエンジン全負荷の20〜40％以下、例えばエンジン全負荷の25％以下に達する前文に係る種類の既存ディーゼルエンジンにおいて、本発明によれば、従来一般的であったように始動補助送風機がエンジン始動時とディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいてのみ作動されて電動機の断線を防止する代わりに、排気ガス後処理システムによって引き起こされる排気ガス背圧を補償しまたそのことによって低下されるがターボ過給機段用には利用可能なターボ過給機段掃気ガス高圧側の圧力差を補償する補償機構は、始動補助ファンの電動機を、もしくは複数の始動補助ファンの場合複数の電動機を、単数もしくは複数の一層高出力の電動機、特に概ね2倍の高出力電動機と交換し、ディーゼルエンジンの負荷領域全体で始動補助送風機の連続運転を予定したエンジン制御部を単数もしくは複数の前記電動機用に設けることによって、特別簡単かつ安価に追加装備することができる。場合によっては、例えば回転数が高いだけでなくファンランナ直径も大きいとき、圧縮機組立体全体を始動補助ファンもしくは始動補助圧縮機の電動機と交換することもできる。

本発明に係るディーゼルエンジンもしくは本発明方法により装備変更されたディーゼルエンジンではターボ過給機段の排気ガス低圧側にもはや吸引送風機を設ける必要がなく、こうして一方で始動補助送風機の一層大きな駆動部での投資が相殺され、他方でエンジン全体の構造寸法のさらなる低減を達成することができる。

本発明は、排気ガスを還流させるエンジンでも排気ガスを還流させないエンジンでも利用することができる。しかしエンジン入口側に至る排気ガス還流路中に装着されたファンもしくはそこに装着された送風機は本発明の意味で補償機構として利用することができず、もしくは補償機構へと改造することができない。というのもさもないと複数の燃焼室に供給される掃気ガス中に過度に多くの再循環排気ガスが存在することになろう。

本発明に係るディーゼルエンジンの構造の略図である。

符号1はエンジンの燃焼室であり、掃気ガス集合容器9を介して詳しくは図示しない入口溝で掃気ガスが燃焼室に供給され、やはり詳しくは図示しないその出口弁を介して排気ガスが燃焼室から排気ガス集合容器8へと排出される。排気ガスはターボ過給機段2、3のタービン側に供給される。符号3はここで純例示的に単一とされたターボ過給機2、3のタービン、符号2は圧縮機である。流れの点でタービン3の下流側に設けられた排気ガス低圧側に排気ガス後処理システム4、5が設けられており、この排気ガス後処理システムが蒸気発生器4を有し、この蒸気発生器に排気ガスが通され、排気ガス中に存在する残留熱が蒸気発生に利用される。蒸気は次に例えば、エンジンを組み込んだ船舶の発電機ブロック内で発電するのに利用される。さらに、排気ガスに含まれた硫黄を除去するために排気ガス洗浄器5が蒸気発生器の下流側に接続されている。

吸入新気、つまり掃気空気、または新気と還流排気ガスとから成る別の掃気ガスが、掃気空気供給側でターボ過給機2、3の圧縮機2を介して圧縮され、その後に冷却器10内に達する。この冷却器内で掃気ガスは冷却され、水と混合される。

流れの点で冷却器10の下流側に設けられた支援送風機6はエンジン運転の総時間の間、つまりエンジン負荷領域全体で電動機7を介して作動され、排気ガス低圧側の圧力損失が補償され、こうして掃気空気、もしくは別の混合ガスから成る掃気ガスが高い圧力レベルへと高められ、および／または掃気ガス集合容器に供給される掃気ガス体積流が増大され、掃気ガス集合容器から燃焼室1にやはり掃気ガスもしくは掃気空気が装入される。

図示実施形態の変更および修正は、本発明の枠から逸脱することなく可能である。

例えば、特定の時間窓または負荷領域部分において補償機構が必要とされない場合のため、ディーゼルエンジン運転の総時間の間またはディーゼルエンジンの負荷領域全体で補償機構を利用するのでなくまたは少なくとも遮断の可能性を設けておくことも考えられよう。

さらに、ターボ過給ガソリンエンジンまたは別のターボ過給内燃エンジンで本発明を利用することも考えられよう。

Claims (11)

1. ディーゼルエンジンであって、
   前記ディーゼルエンジンの排気ガスによって駆動されて複数の燃焼室（1）に掃気ガスを過給する少なくとも1つのターボ過給機段（2、3）と、
   排気ガスを通す複数の組立体（4、5）、つまり蒸気発生器（4）、排気ガス洗浄器（5）、触媒および／または消音器を有し前記ターボ過給機段（2、3）の排気ガス低圧側に配置されて消音、排気ガスの浄化および／または洗浄および／または排気ガスに含まれた熱による蒸気発生および／または熱発生を行う少なくとも1つの排気ガス後処理システム（4、5）と、
   前記排気ガス後処理システム（4、5）によって引き起こされる排気ガス背圧を補償するが前記ターボ過給機段を介して駆動されるのでない補償機構（6）、つまり前記ターボ過給機段（2、3）にかかわりなく駆動される少なくとも1つの支援送風機（6）とを備えたものにおいて、
   前記支援送風機（6）が、前記ターボ過給機段（2、3）から前記複数の燃焼室（1）に至る掃気ガス高圧側管路経路中で前記ターボ過給機段（2、3）の下流側に配置されており、かつ前記複数の燃焼室の過給時に前記ターボ過給機段（2、3）を支援するためにディーゼルエンジンの負荷領域全体で連続運転するように設計されており、こうして前記ターボ過給機段（2、3）の掃気ガス高圧側で前記ターボ過給機段（2、3）用に利用可能な圧力差の排気ガス後処理に伴う低下が前記複数の燃焼室の過給時に前記ターボ過給機段（2、3）を支援することによって補償されることを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記ターボ過給機段（2、3）の1つのターボ過給機（2、3）から前記燃焼室（1）に至る掃気ガス高圧管路中に配置される支援送風機（6）が前記各燃焼室（1）に付設されていることを特徴とする請求項1記載のディーゼルエンジン。
3. 前記支援送風機（6）は、エンジン始動時と前記ディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいて前記複数の燃焼室（1）の過給を支援する始動補助送風機（6）としても働くように設計されかつ制御されており、前記下部部分負荷領域は特にエンジン全負荷の20〜40％以下、例えばエンジン全負荷の25％以下に達することを特徴とする請求項2記載のディーゼルエンジン。
4. 前記ターボ過給機段（2、3）から前記複数の燃焼室（1）の1つに至る掃気ガス高圧側管路中に前記支援送風機（6）と並んで他の始動補助送風機が設けられていないことを特徴とする請求項3記載のディーゼルエンジン。
5. 前記支援送風機（6）は前記支援送風機（6）の連続運転にとって十分に強力な駆動部と、前記ディーゼルエンジンの前記下部部分負荷領域を上まわる負荷領域、特にエンジン負荷領域全体、つまり全負荷領域や上部部分負荷領域でも下部部分負荷領域や始動時と同様に前記支援送風機（6）を作動させる駆動部制御部とを有することを特徴とする請求項3または4記載のディーゼルエンジン。
6. 前記ターボ過給機段（2、3）の前記排気ガス低圧側に吸引送風機が設けられていないことを特徴とする先行請求項１〜５のいずれか1項記載のディーゼルエンジン。
7. 前記補償機構は前記ターボ過給機段の前記掃気ガス高圧側に配置される少なくとも1つの高圧容器と前記ターボ過給機段を介して駆動されないで前記高圧容器に掃気ガスを供給する圧縮機配置とを有し、前記高圧容器は、特にエンジン全負荷の20〜40％以下、例えばエンジン全負荷の25％以下に達する下部部分負荷領域を越えるエンジン負荷領域でも前記複数の燃焼室に掃気ガス高圧体積流を供給することを特徴とする先行請求項のいずれか1項記載１〜６のディーゼルエンジン。
8. 前記補償機構は、前記ターボ過給機段の少なくとも1つのタービン軸に作用する特に電動式の複数の補助駆動部を含むことを特徴とする先行請求項１〜７のいずれか1項記載のディーゼルエンジン。
9. 前記ディーゼルエンジンが大型ディーゼルエンジンであることを特徴とする先行請求項１〜８のいずれか1項記載のディーゼルエンジン。
10. 前記支援送風機（6）が電動駆動されることを特徴とする先行請求項１〜９のいずれか1項記載のディーゼルエンジン。
11. 既存大型ディーゼルエンジンの出力を高める方法であって、
    前記ディーゼルエンジンが、前記ディーゼルエンジンの排気ガスによって駆動されて複数の燃焼室（1）に掃気ガスを過給する少なくとも1つのターボ過給機（2、3）と、
    排気ガスを通す組立体（4、5）、つまり蒸気発生器（4）、排気ガス洗浄器（5）、触媒および／または消音器を有し前記ターボ過給機（2、3）の排気ガス低圧側に配置されて消音、排気ガスの浄化および／または洗浄および／または排気ガスに含まれた熱による蒸気発生および／または熱発生を行う少なくとも1つの排気ガス後処理システム（4、5）と、
    前記ターボ過給機（2、3）の掃気ガス高圧側に配置されてエンジン始動時と前記ディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいて前記複数の燃焼室の過給を支援する始動補助送風機（6）とを備えており、前記下部部分負荷領域が特にエンジン全負荷の20〜40％以下、例えばエンジン全負荷の25％以下に達するものにおいて、
    前記始動補助送風機（6）の電動機が高出力電動機、特に概ね2倍の高出力電動機と交換され、
    前記始動補助送風機（6）の前記電動機の電動機制御部が、エンジン始動時と前記ディーゼルエンジンの下部部分負荷領域とにおいてのみ前記電動機を作動させる電動機制御部から、前記ディーゼルエンジンの始動時と前記ディーゼルエンジンの負荷領域全体とにおいて前記電動機の連続運転を予定する電動機制御部へと装備変更もしくは再プログラミングされることを特徴とする方法。