JP2017015071A - 給気装置、内燃エンジン、内燃エンジンの追加給気方法、及び内燃エンジンを改装するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンの効率を向上可能な給気装置、内燃エンジン、追加給気方法、及び内燃エンジンの改装方法を提供すること。【解決手段】本発明によれば、少なくともメイン・ターボチャージャ１２を具備する内燃エンジン１０のための、特に２ストローク・エンジンのための給気装置１が、内燃エンジン１０から給気デバイス１へと排気を導入するための排気入口２であって、少なくとも１つの補助ターボチャージャ４、４’のタービン３、３’に流体接続される排気入口２と、少なくとも１つの補助ターボチャージャ４、４’のタービン３、３’からの排気を方向転換するための排気出口５とを有する。外気入口６が、少なくとも１つの補助ターボチャージャ４、４’のコンプレッサ７、７’に流体接続される。少なくとも１つの補助ターボチャージャ４、４’のコンプレッサ７、７’は、補助モータ８、８’、特に補助電気モータによって駆動可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項の前提部分による、内燃エンジンのための給気装置（ａｉｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と、内燃エンジンと、内燃エンジンの追加給気方法と、内燃エンジンを改装（ｒｅｆｉｔ；再装備）するための方法とに関する。

特に大型船のための内燃エンジンは、通常、吸入空気を加圧するための１つ又は複数のターボチャージャを有する。

欧州特許出願公開第２６３９４４０号が、ガス浄化デバイスを有する内燃エンジンを示しており、このエンジンでは、排気がターボチャージャのタービンを通るように、また同じターボチャージャのコンプレッサを通ってエンジン内へ戻るように誘導される。ターボチャージャは、過分の排気エネルギーから電気エネルギーを発生させるために、発電機をさらに装備する。

ターボチャージャを駆動するのに十分な排気が利用可能ではないような、特に低負荷の状況では、燃焼エンジンの掃気レシーバ（ｓｃａｖｅｎｇｅ ａｉｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）内で十分に高い圧力レベルに達するために追加のブロワが導入される。これらの補助ブロワは外部の電気エネルギーを必要とする。

欧州特許出願公開第２６３９４４０号

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を取り除き、特に内燃エンジンの効率を向上可能にするような給気装置と、内燃エンジンと、追加給気の方法と、内燃エンジンを改装するための方法とを創出することである。

この目的は、独立請求項の特徴部分による、給気装置と、内燃エンジンと、追加給気の方法と、内燃エンジンを改装するための方法とよって達成される。

特に、本目的は、少なくともメイン・ターボチャージャを具備する内燃エンジンのための、特に内燃エンジンから給気デバイスへと排気を導入するための排気入口を有する２ストローク・エンジンのための給気装置によって達成される。排気入口は少なくとも１つの補助ターボチャージャのタービンに流体接続される。この装置は、少なくとも１つの補助ターボチャージャのタービンからの排気を方向転換するための排気出口をさらに有する。この装置は、少なくとも１つの補助ターボチャージャのコンプレッサに流体接続される外気入口を有する。少なくとも１つの補助ターボチャージャのコンプレッサは、補助モータによって、特に補助電気モータによって駆動可能である。

このような装置により、補助ターボチャージャを駆動するのに排気又は別の外部エネルギーのいずれかを使用することが可能となることを理由として、空気が内燃エンジンへとより効率的に供給されるようになる。追加のブロワがさらに必要となることはない。

給気デバイスは、２つの補助ターボチャージャを有することができる。

２つの補助ターボチャージャを適用することによって効率が最適化され、特にＥＥＤＩ（ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｄｅｘ：エネルギー効率設計指標）のバランスが最適化される。

少なくとも１つの補助ターボチャージャのコンプレッサは、外気（ｆｒｅｓｈ ａｉｒ）出口を有することができ、この外気出口は、好適には、内燃エンジンの掃気レシーバに流体接続可能である。

外気出口により、ターボチャージャのコンプレッサから掃気レシーバまで外気を導くことが可能となり、それにより、十分な圧力レベルで外気が提供される。

補助モータは、特に補助ターボチャージャのタービンを駆動するために内燃エンジンから十分な排気が利用可能であるときに、補助ターボチャージャから分離可能となり得る。好適には、補助モータは流体トルク・コンバータによって分離される。

このように、補助モータは必要なときに、ただ機能的にターボチャージャに接続され、したがって内燃エンジン低負荷時にターボチャージャに機能的に接続される。補助モータがもはや必要ではない場合、補助モータは分離され得、エンジンの効率に影響することがない。

好適には、補助モータは、ターボチャージャのコンプレッサ及びタービンと同じシャフト上に配置される。補助モータを結合及び／又は分離することは制御ユニットによって制御され得、好適には、エンジンの負荷、ひいては排気の利用可能な量及びエネルギーに基づいて制御され得る。

排気出口は、内燃エンジンのメイン・ターボチャージャに流体接続可能であってよい。

この装置により、給気装置のレイアウトをより単純にすることでき、また補助ターボチャージャの下流において排気の残りのエネルギーを内燃エンジンの主要なターボ過給のために使用することが可能となる。これは船舶の効率に対してプラスの効果がある。

給気装置は、メイン・ターボチャージャのコンプレッサの下流において入ってくる外気を処理するための、１つ又は複数のクーラ、ウォーター・ミスト・キャッチャ及び／又はフラップなどの、ガス処理デバイスをさらに有することができる。好適には、これらのすべてのデバイスは、外気流における補助ターボチャージャの上流に設置される。加えて給気装置は、排気を再循環させる場合の１つ又は複数のスクラバ（ｓｃｒｕｂｂｅｒ）を有することができる。

補助ターボチャージャを駆動するのに十分な排気が存在する場合、１つ又は複数の補助モータが発電機としてもさらに使用され得る。

排気入口は、好適にはバタフライ・バルブであるバルブを有することができる。バルブは、あるいは制御可能なバルブであってもよい。排気入口内にバルブを適用することにより、内燃エンジンの高負荷の場合に補助ターボチャージャを保護することが可能となる。

本目的は、少なくとも１つのメイン・ターボチャージャと、エンジン排気出口と、掃気レシーバとを有する内燃エンジン、好適には大型船のための２ストローク・エンジンによって達成される。エンジン排気出口はメイン・ターボチャージャのメイン・タービンに流体接続され、メイン・ターボチャージャのメイン・コンプレッサは掃気レシーバに流体接続される。これにより、外気が掃気レシーバに導入可能となる。内燃エンジンは、上述した給気装置を有する。

このような内燃エンジンにより、特に大型船のために使用される場合に、高効率のエンジンが得られる。

内燃エンジンは、メイン・ターボチャージャのコンプレッサの下流において入ってくる外気を処理するための１つ又は複数のクーラ、ウォーター・ミスト・キャッチャ及び／又はフラップなどのガス処理デバイスをさらに有することができる。好適には、これらのすべてのデバイスは外気流において補助ターボチャージャの上流に設置される。加えて、排気の一部をエンジンに戻すように再循環させるための排出ガス再循環を設置することが可能である。排出ガス再循環は、高圧又は低圧の排出ガス再循環システムであってよい。排出ガス再循環システムが設置される場合、給気デバイスに入る外気がいくらかの排気を一定程度まで有することができ、これは５０％を超えず、好適には４０％を超えない。

本目的は、少なくとも１つのメイン・ターボチャージャ及び上述した給気装置を有する内燃エンジン、好適には大型船のための２ストローク・エンジンの追加給気方法によってさらに達成される。この方法は、低負荷モードにおいて掃気レシーバに外気を導入するために、好適には電気モータである補助モータを用いて少なくとも１つの補助ターボチャージャのコンプレッサを駆動するステップを有する。

好適には、この方法は、低負荷モード及び高負荷モードの少なくとも２つのモードを有する。低負荷モードでは、１つ又は複数の補助ターボチャージャは補助モータによって駆動され、高負荷モードでは、１つ又は複数の補助ターボチャージャは内燃エンジンからの排気によって駆動される。

このような方法により、あらゆる負荷の状況において内燃エンジンの給気が効率的となる。

低負荷モードから高負荷モードへの移行は、補助ターボチャージャのコンプレッサから補助モータを分離するステップを少なくとも有する。

補助モータは補助ターボチャージャから分離され得、内燃エンジンにより十分な排気が作られるとき、補助ターボチャージャは排気を用いて駆動され得る。

補助モータを分離することにより、たとえ補助モータが単にアイドリング状態で動作しても、ターボチャージャは、必要でないときに補助モータを駆動するためのいかなるエネルギーも失わない。

これにより、内燃エンジンの給気の効率が高まる。

少なくとも１つの補助ターボチャージャからの排気がメイン・ターボチャージャに誘導され得る。

このように、補助ターボチャージャの下流の排気の残りのエネルギーは、メイン・ターボチャージャで依然として使用される。これによりプロセス全体の効率がより高まる。

本目的は、大型船の内燃エンジン内に上述した給気装置を設置することにより、内燃エンジンを改装するための方法によってさらに達成される。

内燃エンジンを改装することにより、エンジンの効率が向上する。

本発明は、図を用いて実施例により説明される、以下のものである。

内燃エンジンを示す概略図である。 給気装置を示す概略図である。

図１は、給気装置１を有する内燃エンジン１０の概略図を示す。内燃エンジン１０はエンジン排気出口１３を有し、燃焼プロセスからの排気はこのエンジン排気出口１３からメイン・ターボチャージャ１２まで誘導される。メイン・ターボチャージャ１２はメイン・タービン１４及びメイン・コンプレッサ１５を有する。燃焼プロセスからの排気がメイン・タービン１４を駆動する。コンプレッサ１５は外気を圧縮し、この外気は給気装置１の外気入口６まで誘導される。給気装置１は、排気入口２、２’及び２つの補助ターボチャージャ４、４’を有する。補助ターボチャージャ４、４’は、内燃エンジン１０からの排気によって駆動されるタービン３、３’をそれぞれ有する。各補助ターボチャージャ４、４’は、外気を圧縮するコンプレッサ７、７’を有する。コンプレッサ７、７’からの圧縮された外気は、外気出口９、９’を通して掃気レシーバ１１内まで誘導される。コンプレッサ７、７’に入る外気は、コンプレッサ７、７’に入る前にガス処理デバイス１６によって処理される。ガス処理デバイス１６は、ウォーター・ミスト・キャッチャ及び掃気クーラ（ｓｃａｖｅｎｇｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ）を有する。好適には、ガス処理デバイス１６は、外気を方向転換するためのフラップを加えて有する。各補助ターボチャージャ４、４’は、各補助ターボチャージャ４、４’のターボチャージャ・シャフト上に配置される補助モータ８、８’を有する。補助モータ８、８’は電気モータであり、コンプレッサ７、７’を駆動することができる。補助モータ８、８’はコンプレッサ７、７’から分離可能である。低負荷の条件下では、補助ターボチャージャ４、４’のコンプレッサ７、７’は、掃気の質量流量を十分に高く維持するために電気モータ８、８’によって駆動される。十分な排気が利用可能になるとすぐに、補助電気モータ８、８’はターボチャージャ４、４’から分離され、ターボチャージャ４、４’は高負荷モード下でタービン３、３’によって駆動される。補助モータ８、８’を結合及び／又は分離させることは制御ユニットによって制御され得る。この組み合わせにより、給気デバイス及び内燃エンジンが非常に効率的となり、また特に、船舶のＥＥＤＩのバランスが最適化される。任意選択で、内燃エンジン１０の高負荷の場合に補助ターボチャージャ４、４’を保護するために、バルブ１７が排気入口２、２’のところに設置される。バルブ１７は制御可能なバルブであってよく、好適にはバルブ１７はバタフライ・バルブである。

図２は、給気装置１の概略図を示す。給気装置１は、内燃エンジン１０内に設置又は再装備され得る。給気装置１は、内燃エンジンの排気出口からの排気を２つの補助ターボチャージャ４、４’のタービン３、３’へと方向転換するための排気入口２、２’を有する。各補助ターボチャージャ４、４’は、タービン３、３’及びコンプレッサ７、７’を有する。加えて、各補助ターボチャージャ４、４’は、補助モータ８、８’を有する。補助モータ８、８’は電気モータであり、コンプレッサ７、７’を駆動することができる。コンプレッサ７、７’は、低負荷の条件下で電気モータ８、８’によって駆動される。排気によりターボチャージャ４、４’を駆動するための十分な排気が利用可能になるとすぐに、補助モータ８、８’がコンプレッサ７、７’から分離される。給気装置１は外気入口６を有し、外気はこの外気入口６を通して給気装置内へと導入され、特にコンプレッサ７、７’内へと導入される。また、外気はコンプレッサ７、７’に入る前にガス処理デバイス１６を通して誘導される。ガス処理デバイスは、コンプレッサ７、７’に入る空気を最適な状態にするためにウォーター・ミスト・キャッチャ及び掃気クーラを有する。高負荷モード下で、排気が排気入口２、２’を通ってタービン３、３’に入り、排気出口５を通ってタービン３、３’から方向転換される。外気は外気入口６を通って給気デバイス１に入り、外気出口９、９’を通ってコンプレッサ７、７’から方向転換される。このような給気装置により、すべての負荷条件下で、燃焼エンジンへの外気の供給の効率が高まる。

１ 給気装置、給気デバイス
２ 排気入口
２’ 排気入口
３ タービン
３’ タービン
４ 補助ターボチャージャ
４’ 補助ターボチャージャ
５ 排気出口
６ 外気入口
７ コンプレッサ
７’ コンプレッサ
８ 補助モータ
８’ 補助モータ
９ 外気出口
９’ 外気出口
１０ 内燃エンジン
１１ 掃気レシーバ
１２ メイン・ターボチャージャ
１３ 排気出口
１４ メイン・タービン
１５ メイン・コンプレッサ
１６ ガス処理デバイス
１７ バルブ

Claims (11)

1. 少なくともメイン・ターボチャージャ（１２）を具備する内燃エンジン（１０）のための、特に２ストローク・エンジンのための給気装置（１）であって、
   前記内燃エンジン（１０）から前記給気デバイス（１）へと排気を導入するための排気入口（２）であって、少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）のタービン（３、３’）に流体接続される排気入口（２）と、
   前記少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）の前記タービン（３、３’）からの前記排気を方向転換するための排気出口（５）と、
   前記少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）のコンプレッサ（７、７’）に流体接続される外気入口（６）と
   を有する給気装置（１）において、
   前記少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）の前記コンプレッサ（７、７’）が、補助モータ（８、８’）、特に補助電気モータによって駆動可能であることを特徴とする、給気装置（１）。
2. 前記給気デバイス（１）が２つの補助ターボチャージャ（４、４’）を有することを特徴とする、請求項１に記載の給気装置（１）。
3. 前記少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）の前記コンプレッサ（７、７’）が外気出口（９、９’）を有し、前記外気出口（９、９’）が、好適には、前記内燃エンジン（１０）の掃気レシーバ（１１）に流体接続可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の給気装置（１）。
4. 特に前記補助ターボチャージャ（４、４’）の前記タービン（３、３’）を駆動するために前記内燃エンジン（１０）からの十分な排気が利用可能であるときに、前記補助モータ（８、８’）が前記補助ターボチャージャ（４、４’）から分離可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の給気装置（１）。
5. 前記排気出口（５）が内燃エンジン（１０）のメイン・ターボチャージャ（１２）に流体接続可能であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の給気装置（１）。
6. 前記排気入口（２、２’）が、バルブ（１７）、好適にはバタフライ・バルブを有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の給気装置（１）。
7. 少なくとも１つのメイン・ターボチャージャ（１２）と、エンジン排気出口（１３）と、掃気レシーバ（１１）とを有する内燃エンジン（１０）のための、好適には大型船のための２ストローク・エンジンであって、
   前記エンジン排気出口（１３）が前記メイン・ターボチャージャ（１２）のメイン・タービン（１４）に流体接続され、また前記メイン・ターボチャージャ（１２）のメイン・コンプレッサ（１５）が前記掃気レシーバ（１１）に流体接続され、それにより外気が前記掃気レシーバ（１１）に導入可能である内燃エンジン（１０）において、
   前記内燃エンジン（１０）が請求項１から６までのいずれか一項に記載の給気装置（１）を有することを特徴とする、内燃エンジン（１０）。
8. 少なくとも１つのメイン・ターボチャージャ（１２）と、請求項１から６までのいずれか一項に記載の給気装置（１）とを有する内燃エンジン（１０）の、好適には大型船のための２ストローク・エンジンの追加給気方法であって、
   低負荷モードにおいて掃気レシーバ（１１）に外気を導入するために、補助モータ（８、８’）を用いて、好適には電気モータを用いて、少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）のコンプレッサ（７、７’）を駆動するステップを含む、追加給気方法。
9. 前記内燃エンジン（１０）により十分な排気が作られるときに、前記補助モータ（８、８’）が前記補助ターボチャージャ（４、４’）から分離され、また前記補助ターボチャージャ（４、４’）が排気を用いて駆動されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの補助ターボチャージャ（４、４’）からの排気が、前記メイン・ターボチャージャ（１２）まで導かれることを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
11. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の給気装置（１）を大型船の内燃エンジン（１０）内に設置することによって、内燃エンジン（１０）を改装する方法。