JP2013514489A - ピストン・エンジンを操作する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、低温冷却液に対する低温冷却回路（13）、高温冷却液に対する高温冷却回路（19）、及び前記低温冷却回路（13）に接続されたチャージエア・クーラー（12）を含むターボチャージ付きピストン・エンジンを操作する方法に関する。当該方法において、チャージエアは、少なくとも1段階において加圧され、その加圧されたチャージエアは、低温冷却液が供給されるチャージエア・クーラー（12）によって冷却され、その加圧されたチャージエアの露点がそのチャージエアの下流で定義され、且つそのチャージエア・クーラー（12）を出るチャージエアの温度は、そのチャージエア・クーラー（12）の中に供給される低温冷却液の温度を制御することによってその露点よりも高いように調節される。低温冷却液の温度は、それに高温冷却液を加えることによって制御される。

Description

本発明は、ターボチャージャー付きピストン・エンジンを操作する方法に関する。

ターボチャージャー付きピストン・エンジンにおいて、チャージエア（charge air）の圧力は、コンプレッサによって少なくとも1段階において増加させられる。そのコンプレッサの後、加圧されたチャージエアは、通常、チャージエア・クーラーによって冷却される。チャージエア圧力、温度及び湿度がある一定のレベルにある場合、チャージエアにおける水蒸気は水に凝縮する。凝縮（水滴、霧）は、例えば、ターボチャージャー・コンプレッサ・インペラー（2段階ターボチャージにおける）、チャージエア・レシーバー、吸気チャンネル及び吸入弁などのエンジン部品において、腐食及び浸食を起こす可能性がある。その凝縮の量は、特に、そのチャージエア・システムの高圧側において高くなり得る。

本発明の目的は、ターボチャージ付きピストン・エンジンのチャージエア・システムにおける凝縮の量を減らすことである。

本発明の目的は、請求項1において開示されているように満たされる。そのターボチャージ付きピストン・エンジンは、低温冷却液に対する低温冷却回路、高温冷却液に対する高温冷却回路及びその低温冷却回路に接続されたチャージエア・クーラーを含む。本発明によると、エンジンのチャージエアは、少なくとも1段階において加圧され、加圧されたチャージエアは、冷温冷却液が供給されるチャージエア・クーラーによって冷却され、その加圧されたチャージエアの露点が、そのチャージエア・クーラーの下流で定義され、そのチャージエア・クーラーを出るチャージエアの温度が、その露点よりも高くなるように、そのチャージエア・クーラーに供給される低温冷却液の温度を制御することによって調節される。その低温冷却液の温度は、それに高温冷却液を加えることによって制御される。

本発明の1つの実施形態において、そのチャージエアは、少なくとも2段階において加圧される。1つの段階において、チャージエアは、低圧コンプレッサによって加圧され、最終段階において、高圧コンプレッサによって加圧される。そのチャージエア・クーラーは、高圧コンプレッサの下流に配置された最後の高圧チャージエア・クーラーである。

本発明によってかなりの利益を得ることが出来る。チャージエア・システムにおける凝縮の量を減らすことができ、同様に、そのエンジン部品の腐食及び浸食ダメージを減らすことができる。

以下において、本発明は、2段階においてターボチャージされるピストン・エンジンの概略図である付属の図に関して記載される。

2段階においてターボチャージされるピストン・エンジンの概略図である。

図1は、2段階においてターボチャージされるピストン・エンジン1の概略図である。エンジン1は、例えば、船舶又は発電所において主要及び補助エンジンとして使用される大型ピストン・エンジンである。エンジン1は、流入空気がエンジン・シリンダ3の中へ供給される吸気チャンネル2を含む。そのエンジン1は、排出ガスがそのシリンダ3から排出される排気チャンネル4を含む。さらに、そのエンジン1は、低圧（LP）コンプレッサ6に備わっているターボチャージャー5及び低圧（LP）タービン7を含む。そのエンジン1は、高圧（HP）コンプレッサ9に備わっているターボチャージャー8及び高圧（HP）タービン10を含む。低圧（LP）チャージエア・クーラー11は、そのLPコンプレッサ6とHPコンプレッサ9との間における吸気チャンネル2に接続している。そのLPチャージエア・クーラー11は、LPコンプレッサ6によって加圧されるチャージエアを、HPコンプレッサ9に伝導する前に冷却するようにされている。高圧（HP）チャージエア・クーラー12は、そのHPコンプレッサ9とエンジン・シリンダ3との間における注入チャンネル2に接続している。HPチャージエア・クーラー12は、HPコンプレッサ9によって加圧されるチャージエアを冷却するようになっている。発電機（非表示）がエンジン1に接続されていてよい。

エンジン1は、LPコンプレッサ6とLPチャージエア・クーラー11との間の吸気チャンネル2に接続された追加の低圧（LP）チャージエア・クーラー20を備えていてよい。さらに、そのエンジン1は、HPコンプレッサ9とHPチャージエア・クーラー12との間の吸気チャンネル2に接続された追加の高圧（HP）チャージエア・クーラー（非表示）を備えていてもよい。

エンジン1は、例えば水など、そのエンジンの低温（LT）冷却液が循環する低温（LT）冷却回路13を含む。LPチャージエア・クーラー11、HPチャージエア・クーラー12及びそのエンジンの潤滑オイル・クーラー14は、LT冷却回路14に接続している。その潤滑オイル・クーラー14は、LT冷却回路13に、そのHP及びLPチャージエア・クーラー12、11の上流に接続している。LPチャージエア・クーラー11は、LP冷却回路13に、HPチャージエア・クーラー12の上流に接続している。エンジン1は、クーラー15を含み、LT冷却液は、そのクーラー15によって冷却される。HPチャージエア・クーラー12から排出されたLT冷却液は、クーラー15の中へ供給され、そのクーラー15によって冷却される。クーラー15から、LT冷却液は、三方弁16を通ってLT冷却回路13へ返還される。LT冷却液13は、そのクーラーから排出される冷却されたLT冷却液をLP及びHPチャージエア・クーラー11、12によって暖められるLT冷却液と混合するための戻し導管17を含む。その戻し導管17は、三方弁16に接続している。冷却されたLT冷却液と混合された暖かいLT冷却液の量は、その三方弁16によって調節することができる。従って、そのLT冷却回路13に供給されるLT冷却液の温度は、制御することができる。三方弁16は、サーモスタット18を備え、それによって、そのLT冷却回路13に供給されたLT冷却液の温度が望まれるように設定され得る。

さらに、エンジン1は、そのエンジンの、例えば水などの、高温（HT）冷却液が循環させられる高温（HT）冷却回路19を含む。そのHT冷却回路19の冷却液の温度レベルは、LT冷却回路13におけるよりも高い。そのHT冷却回路19は、そのエンジン・ブロックを冷却するようになっている。そのエンジン・ブロックは、HT冷却液に対する冷却チャンネルを含む。その追加のLPチャージエア・クーラー20及び追加のHPチャージエア・クーラーは、HT冷却回路19に接続している。HT冷却液は、クーラー15によって冷却される。その代わりに、そのHT冷却液は、別のクーラーによって冷却することができる。

HT冷却回路19は、クーラー15から排出される冷却されたHT冷却液を暖かいHT冷却液と混合させるためのHT戻し導管33を含む。そのHT戻し導管33は、HT三方弁16に接続されている。冷却されたHT冷却液と混合された暖かいHT冷却液の量は、HT三方弁33によって調節することができる。従って、HT冷却回路19に供給されるHT冷却液の温度は、制御することが出来る。HT三方弁33は、サーモスタット34を備え、そのサーモスタット34によってHT冷却回路19に供給されるHT冷却液の温度を望まれるように設定することができる。

LT冷却回路13は、HT冷却回路19に接続導管21を通して流れにより接続している。その接続導管21は、例えば、制御弁22などの制御手段を備え、そのHT冷却液の接続導管21を通る流れは、その制御手段によって調節することができる。

吸気チャンネル2は、チャージエアの圧力を測定するための圧力センサー23を備えている。その圧力センサー23は、チャージエアの流れ方向においてHPチャージエア・クーラー12の下流に配置されている。さらに、その吸気チャンネル2は、そのチャージエアの圧力を測定するための追加の圧力センサー24を備えることができる。その追加の圧力センサー24は、LPチャージエア・クーラー11の下流であるが、HPコンプレッサ9の上流に配置されている。エンジン1は、周囲空気又はチャージエアの相対湿度を測定するための湿度センサー25を、LPコンプレッサ6の上流に備えている。その湿度センサー25は、そのLPコンプレッサ6の前に、そのチャージエアの流れ方向において備えることができる。吸気チャンネル2は、チャージエアの温度を測定するための温度センサー27を、そのチャージエアの流れ方向において、HPチャージエア・クーラー12の下流に備えることができる。さらに、その吸気チャンネル2は、そのチャージエアの流れ方向において、LPチャージエア・クーラー11の後であるが、HPコンプレッサ9の前に、チャージエアの温度を測定するための追加の温度センサー26を備えることができる。

エンジン1は、チャージエア湿度センサー25、圧力センサー23、24及び温度センサー26、27からの測定信号が送信される制御ユニット28を含む。その制御ユニット28は、その測定信号に基づいてチャージエアの露点を定義する。その露点は、その空気における水蒸気が、支配的な条件（圧力、湿度）下で凝縮を開始する温度である。そのチャージエアの露点は、最後のチャージエア・クーラー、すなわち、そのチャージエアの流れ方向におけるHPチャージエア・クーラー12の下流のある位置で定義される。さらに、そのチャージエアの露点は、そのチャージエアの流れ方向において、LPチャージエア・クーラー11の下流であるが、HPコンプレッサ9の上流におけるある位置で定義される。制御ユニット28は、そのHPチャージエア・クーラー12を出るチャージエアの温度が、HPチャージエア・クーラー12の下流であるがHPコンプレッサ9の上流において、そのチャージエアの露点よりも高いように、三方弁16を操作するようにされている。これは、LPチャージエア・クーラー11に供給されるLT冷却液の温度を制御することによって成し遂げられる。

エンジン1が動作しているとき、チャージエアは、LPコンプレッサ6へ伝導し、そのLPコンプレッサ6によってその圧力が上昇する。そのチャージエアの湿度は、そのチャージエアの流れ方向においてLPコンプレッサ6の前で測定25される。そのLPコンプレッサ6から、LPチャージエアが、追加のLPチャージエア・クーラー20へ伝導し、そのクーラー20によって冷却される。HT冷却液は、その追加のLPチャージエア・クーラー20に供給される。その後、そのチャージエアは、LPチャージエア・クーラー11へと伝導し、クーラー11によって冷却される。LT冷却液は、LPチャージエア・クーラー11へと供給される。

そのチャージエアは、LPチャージエア・クーラー11からHPコンプレッサ9へと伝導し、そのHPコンプレッサ9によってそのチャージエアの圧力がさらに上昇する。その後、そのHPチャージエアは、HPチャージエア・クーラー12へ伝導し、クーラー12によって冷却される。LT冷却液は、HPチャージエア・クーラー12へ供給される。そのHPチャージエア・クーラー12から、チャージエアは、燃焼用空気として使用されるようにシリンダ3へ伝導する。排出ガスは、そのシリンダ3から排出され、HPタービン10へと導かれ、そしてLPタービン7へと導かれる。そのHPタービン10は、HPコンプレッサ9を駆動し、LPタービン7は、LPコンプレッサ6を駆動する。

LT冷却液は、LT冷却回路13において循環する。そのLT冷却液の温度は、冷却されたLT冷却液を暖かいLT冷却液と混合させることによって調節される。その後、LT冷却液は、そのLT冷却液の温度が増加する潤滑オイル・クーラー14へ供給される。その潤滑オイル・クーラー14から、LT冷却液は、LPチャージエア・クーラー11の中へと供給される。そのLPチャージエア・クーラー11から、冷却液は、HPチャージエア・クーラー12の中へ供給される。そのLT冷却液の温度は、HT冷却液をHPチャージエア・クーラー12の前でLT冷却液に加えることによって調節される。そのHPチャージエア・クーラー12から、LT冷却液のある部分は、そのクーラー15へ供給され、ある部分は、HT戻り導管33の中を通ってHT三方弁31へ供給され、クーラー15から排出される冷却されたHT冷却液と混合する。

チャージエアにおける水蒸気が水へと凝縮することを防ぐために、チャージエアの流れ方向において最後のチャージエア・クーラーを出るチャージエアの温度は、前記チャージエア・クーラー12の下流においてチャージエアの露点よりも高いように調節される。第1に、そのHPチャージエア・クーラー12の下流のチャージエアの露点が、チャージエア湿度25及び圧力23の測定に基づいて定義される。そのHPチャージエア・クーラー12を出るチャージエアの温度は、そのHPチャージエア・クーラー12の中へ供給されるLT冷却液の温度を制御することによって調節される。

そのLT冷却液の温度は、HT冷却液をそれに加えることによって制御される。

LPチャージエア・クーラー11とHPターボチャージャー9との間のチャージエアの露点は、湿度25及び圧力24の測定に基づいて定義することができる。そのLPチャージエア・クーラー11を出るチャージエアの温度は、そのLPチャージエア・クーラー11とHPコンプレッサ9との間のチャージエアの露点よりも高いように調節される。LT冷却液の温度は、冷却されたLT冷却液をLPチャージエア・クーラー11及びHPチャージエア・クーラー12によって暖められたLT冷却液と混合することによって制御される。

本発明は、上記に記載されたものとは異なる実施形態を有してもよい。

そのエンジンには、2つの平行なLPターボチャージャー5及び2つの平行なHPターボチャージャー8が備わっていてよい。その場合、そのエンジン1は、各LPコンプレッサ6に対して個別のLPチャージエア・クーラー11及び各HPコンプレッサ9に対して個別のHPチャージエア・クーラー12を含む。それに応じて、追加のLPチャージエア・クーラー12が、お互いに平行に配置される。その他の場合において、この実施形態は、図のそれらに対応する。

そのチャージエアは、1段階だけにおいて加圧されてよい。その場合、エンジン1は、1つだけ又は2つの平行なターボチャージャーを備え、それに応じてその（それらの）ターボチャージャーの下流に配置された1つ又は2つの平行なチャージエア・クーラーを備える。

そのチャージエアは、3つ以上の段階において加圧することができる。

全ての実施形態において、チャージエアの流れ方向において最後のチャージエア・クーラーを出るチャージエアの温度は、前記チャージエア・クーラーの中へ供給される低温冷却液の温度を制御することによって、前記チャージエア・クーラーの後のチャージエア露点よりも高いように調節される。その低温冷却液の温度は、それに高温冷却液を加えることによって制御される。

Claims (11)

1. 低温冷却液に対する低温冷却回路、高温冷却液に対する高温冷却回路、及び前記低温冷却回路に接続されたチャージエア・クーラーを含むターボチャージ付きピストン・エンジンを操作する方法であり、
   ‐チャージエアは少なくとも1段階で加圧され、
   ‐前記の加圧されたチャージエアは、低温冷却液が供給される前記チャージエア・クーラーによって冷却され、
   ‐前記加圧されたチャージエアの前記チャージエア・クーラーの下流における露点が定義され、且つ
   ‐前記チャージエア・クーラーを出るチャージエアの温度は、前記チャージエア・クーラーの中へ供給される前記低温冷却液の温度を制御することによって、前記露点よりも高いように調節される、方法であり、
   前記低温冷却液の温度は、高温冷却液を該低温冷却液に加えることによって制御されることを特徴とする、方法。
2. 前記チャージエア・クーラーは、前記チャージエアの流れ方向における最後のチャージエア・クーラーであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
3. 前記チャージエアは、少なくとも2段階で加圧され、1つの段階において、低圧コンプレッサによって、及び最後の段階において高圧コンプレッサによって加圧され、前記チャージエア・クーラーは、前記高圧コンプレッサの下流に配置された最後の高圧チャージエア・クーラーであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
4. 前記低圧コンプレッサによって加圧される前記チャージエアは、低温冷却液が供給される低圧チャージエア・クーラーによって冷却されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
5. 前記チャージエアの露点は前記低圧チャージエア・クーラーの下流の位置で定義され、該低圧チャージエア・クーラーを出るチャージエアの温度は、該低圧チャージエア・クーラーの中に供給される前記低温冷却液の温度を制御することによって、前記露点よりも高いように調節されることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
6. 前記低圧チャージエア・クーラーの中に供給される前記低温冷却液の温度は、冷却された低温冷却液を前記低圧チャージエア・クーラー及び前記高圧チャージエア・クーラーによって暖められた低温冷却液と混合することによって制御されることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
7. 潤滑オイル・クーラーは、前記低圧チャージエア・クーラーの上流において前記低温冷却回路に接続されていることを特徴とする、請求項5又は6に記載の方法。
8. 前記低圧チャージエア・クーラーは、前記高圧チャージエア・クーラーの上流において前記低温冷却回路に接続されていることを特徴とする、請求項4乃至7のいずれか1項に記載の方法。
9. 前記チャージエア・クーラーの下流の前記チャージエアの圧力及び前記チャージエアの湿度が測定され、該チャージエアの露点は前記測定に基づいて定義されることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
10. 前記ピストン・エンジンのエンジン・ブロックは、前記高温冷却液によって冷却されることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
11. 前記エンジンは、前記エンジン・ブロックの下流において前記高温冷却回路に接続された追加の低圧チャージエア・クーラーを含む、請求項10に記載の方法。

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