JP2019052640A - 内燃機関、内燃機関のためのターボチャージャ及び内燃機関の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新式の内燃機関、当該内燃機関のためのターボチャージャ、及び、当該内燃機関の運転方法を創出すること。【解決手段】内燃機関、特にガスエンジン（１０）であって、複数のシリンダ（１１）を有しており、前記シリンダ（１１）内で、給気及びガス燃料から成る混合物が燃焼可能であり、その内部で専ら前記給気（１４）が圧縮可能である第１のターボチャージャ（１２）と、その内部で専ら前記ガス燃料（２０）が圧縮可能である第２のターボチャージャ（１３）と、を有している内燃機関。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。本発明はさらに、内燃機関のためのターボチャージャ及び内燃機関の運転方法に関する。

ガスエンジン又は二元燃料エンジンとして構成された内燃機関は、複数のシリンダを有しており、これらのシリンダ内では、給気及びガス燃料から成る混合物が燃焼する。実践から知られたガスエンジン又は二元燃料エンジンでは、給気及びガス燃料から成る混合物は、内燃機関のシリンダの上流において混合され、共に、排ガスターボチャージャを通じて圧縮される。従って、給気及びガス燃料の圧縮のために、共通のターボチャージャが存在している。

ここから出発して、本発明の課題は、新式の内燃機関、当該内燃機関のためのターボチャージャ、及び、当該内燃機関の運転方法を創出することにある。

本課題は、請求項１に記載の内燃機関によって解決される。

本発明に係る内燃機関は、第１のターボチャージャを有しており、第１のターボチャージャ内では、専ら給気が圧縮され得る。

本発明に係る内燃機関は、さらに第２のターボチャージャを有しており、第２のターボチャージャ内では、専らガス燃料が圧縮され得る。

本発明に係る内燃機関では、給気は、第１のターボチャージャ内で圧縮され、それとは無関係に、ガス燃料は、第２のターボチャージャ内で圧縮される。それによって、給気とガス燃料とを、個別の圧力に圧縮し、給気とガス燃料との混合を、内燃機関のシリンダヘッドの領域で行うことが可能である。

有利なさらなる発展形態によると、第１のターボチャージャは、単一の圧縮機段を含んでおり、第２のターボチャージャは、少なくとも２つの圧縮機段を含んでいる。それによって、ガス燃料を給気よりも高い圧力に圧縮することが、特に有利な方法で可能である。

専らガス燃料の圧縮に用いられる、このような内燃機関のための本発明に係るターボチャージャは、請求項４に規定されている。このようなターボチャージャは、特にコンパクトな設計を有している。当該ターボチャージャは、給気の圧縮とは無関係に、ガス燃料の圧縮に用いられる。

有利なさらなる発展形態によると、圧縮機の圧縮機段の間には、第１の圧縮機段から径方向に延びている第１の流路部分と、第２の圧縮機段に径方向において通じている第２の流路部分と、これらの間に延在する湾曲した第３の流路部分とを有する、湾曲した流路が延在しており、第２の圧縮機段に径方向において通じる第２の流路部分には、ガイドベーンが配置されている。それによって、第１の圧縮機段において前もって圧縮されたガス燃料は、有利に、さらなる圧縮のために第２の圧縮機段に供給され得る。

有利なさらなる発展形態によると、圧縮機のハウジング内には、冷却路が導入されており、当該冷却路を通じて、圧縮機の圧縮機段が冷却され得る。好ましくは、軸受ハウジングに、さらなる冷却路が導入されている。圧縮機の冷却と、それに伴う圧縮機によって圧縮されたガス燃料の冷却とは、内燃機関の特に有利な運転を可能にする。

本発明に係る内燃機関の運転方法は、請求項９に規定されている。ガス燃料が、給気とは無関係に、給気よりも高い圧力に圧縮されることによって、内燃機関の有利な運転が可能である。

本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例は、図面を用いて詳細に説明されるが、それに限定されるものではない。示されているのは以下の図である。

ガスエンジンとして構成された内燃機関のブロック図である。 内燃機関のターボチャージャの軸方向断面図である。

本発明は、ガスエンジン又は二元燃料エンジンとして構成された内燃機関、当該内燃機関のためのターボチャージャ及び当該内燃機関の運転方法に関する。

図１は、本発明に係るガスエンジン１０のブロック図を、極めて概略的に示している。ガスエンジン１０は、複数のシリンダ１１を有しており、シリンダ１１内では、給気とガス燃料との混合物が燃焼する。

ガスエンジン１０は、複数のターボチャージャ１２、１３を有している。

第１のターボチャージャ１２は、専ら、給気１４の圧縮に用いられる。このために、第１のターボチャージャ１２は、給気を圧縮するための圧縮機１５と、内燃機関から放出された排ガス１７を膨張させるためのタービン１６とを含んでいる。排ガス１７は、排ガスマニホールド１８から取り出され、第１のターボチャージャ１２のタービン１６に供給され、第１のターボチャージャ１２のタービン１６内で膨張し、その際に得られるエネルギーは、給気１４を、ターボチャージャ１２の圧縮機１５内で圧縮し、シリンダヘッド１９に供給するために用いられる。

第１のターボチャージャ１２が、専ら給気の圧縮に用いられる一方で、第２のターボチャージャ１３は、専らガス燃料２０の圧縮に用いられる。このために、第２のターボチャージャ１３は、複数の圧縮機段２２、２３を備えた圧縮機２１を含んでいる。図示された実施例では、第２のターボチャージャ１３の圧縮機２１は、ガス燃料２０を圧縮するための２つの圧縮機段２２、２３を含んでおり、当該ガス燃料は、圧縮されたガス燃料２０として、同様にシリンダヘッド１９に供給可能であり、それによって、圧縮された給気１４と、圧縮されたガス燃料２０とが、シリンダヘッド１９の領域において混合される。

第２のターボチャージャ１３は、タービン２４を有しており、タービン２４内では同様に、シリンダ１１の排ガス１７が膨張可能であり、その際にエネルギーが得られ、第２のターボチャージャ１３のタービン２４内での排ガス１７の膨張の際に得られたエネルギーを用いて、圧縮機２１の両方の圧縮機段２２、２３が、ガス燃料２０の圧縮のために駆動される。

従って、本発明に係るガスエンジン１０は、ターボチャージャ１２、１３を有しており、ターボチャージャ１２、１３内では、互いに無関係に、一方では給気１４が、他方ではガス燃料２０が圧縮され得る。

圧縮されたガス燃料２０と、圧縮された給気１４とは、シリンダヘッド１９の領域において初めて混合される。ガス燃料２０の圧縮に用いられる第２のターボチャージャ１３が、給気１４の圧縮に用いられる第１のターボチャージャ１２よりも多くの圧縮機段を有することによって、ガス燃料２０は、給気１４よりも高い圧力に圧縮される。それによって、ガスエンジン１０に関して、特に有利な、特に制御された運転が保証され得る。

図２は、ガス燃料の圧縮に用いられる第２のターボチャージャ１３の横断面を示している。従って、図２は、タービンロータ２５とタービンハウジング２６とを含むタービン２４を示している。

タービン２４は、好ましくは半径流タービンとして構成されており、タービン２４には、好ましくは径方向において、膨張すべき排ガスが流入し、膨張した排ガスは、タービンロータ２５から、好ましくは軸方向において流出する。

圧縮機２１は、圧縮機ハウジング部分２７ａ、２７ｂを有する圧縮機ハウジング２７及び圧縮機ロータを含んでおり、当該圧縮機ロータは、両方の圧縮機段２２、２３を供給している。従って、第１の圧縮機段２２は、第１の圧縮機ロータ２８を、圧縮機段２３は、第２の圧縮機ロータ２９を含んでおり、これらの圧縮機ロータは、共通のシャフト３０上に配置されている。タービンロータ２５は、当該シャフト３０を介して、両方の圧縮機ロータ２８、２９に連結されている。シャフト３０は、軸受ハウジング３１内に取り付けられており、軸受ハウジング３１及び軸受３５は、一方ではタービンハウジング２６に、他方では圧縮機ハウジング２７に、特に圧縮機ハウジング部分２７ｂに接続されている。

専らガス燃料の圧縮に用いられるターボチャージャ１３の圧縮機２１の両方の圧縮機段２２、２３は、両方とも遠心式圧縮機段として構成されており、従って、これらの圧縮機段には、圧縮されるべきガス燃料が軸方向において流入し、圧縮されたガス燃料は、径方向において流出する。

第１の圧縮機段２２の領域において圧縮されたガス燃料は、流路３２を通じて、さらなる圧縮のために、第２の圧縮機段２９に供給され得る。

流路３２は、複数の流路部分３２ａ、３２ｂ、３２ｃを有している。第１の流路部分３２ａは、径方向に延在しており、第１の圧縮機段２２の領域で圧縮されたガス燃料を、第１の圧縮機段２２から運び去る。第２の流路部分３２ｂは、同様に径方向に延在しており、第１の圧縮機段２２の領域で圧縮されたガス燃料を、第２の圧縮機段２３の方向へ誘導する。これらの、径方向に延在した２つの流路部分３２ａ、３２ｂの間には、湾曲した第３の流路部分３２ｃが形成されており、第３の流路部分３２ｃは、圧縮されたガス燃料の方向を約１８０°転換させる。

第３の流路部分３２ｃの領域における流れの方向転換の後の第２の流路部分３２ｂには、ガイドベーン３３が配置されている。ガイドベーン３３は、前もって圧縮されたガス燃料の、第２の圧縮機段２３の方向への最適な供給に用いられる。

圧縮機２１のハウジング２７内、又は、圧縮機ハウジング部分２７ａ、２７ｂ内、及び、軸受ハウジング３１内には、冷却路３４が導入されている。当該冷却路３４を通じて、圧縮機２１及び軸受ハウジング３１は冷却され得る。さらに、ガス燃料の冷却が可能である。

軸受ハウジング３１の領域における冷却路は、高温のタービン側からの断熱をもたらす。それによって、ターボチャージャと、ターボチャージャを含むガスエンジンとの、特に有利な運転が可能である。

ガスエンジン１０は、ガス燃料２０が、給気１４とは無関係に圧縮されるように運転される。その際、ガス燃料２０は、給気１４よりも高い圧力に圧縮される。

これらの異なる圧力レベルに圧縮される媒体、すなわちガス燃料２０及び給気１４は、好ましくはシリンダヘッド１９の領域、又は、シリンダヘッド１９の上流の領域において混合され、その結果、給気１４及びガス燃料２０から成る混合物が、燃焼のためにシリンダ１１に供給される。

本発明は、ガスエンジンに関して記載されたものではあるが、二元燃料エンジンでも用いることが可能である。

１０ ガスエンジン
１１ シリンダ
１２ ターボチャージャ
１３ ターボチャージャ
１４ 給気
１５ 圧縮機
１６ タービン
１７ 排ガス
１８ 排ガスマニホールド
１９ シリンダヘッド
２０ ガス燃料
２１ 圧縮機
２２ 圧縮機段
２３ 圧縮機段
２４ タービン
２５ タービンロータ
２６ タービンハウジング
２７ 圧縮機ハウジング
２７ａ、２７ｂ 圧縮機ハウジング部分
２８ 圧縮機ロータ
２９ 圧縮機ロータ
３０ シャフト
３１ 軸受ハウジング
３２ 流路
３２ａ 流路部分
３２ｂ 流路部分
３２ｃ 流路部分
３２ｄ 流路部分
３３ ガイドベーン
３４ 冷却路
３５ 軸受

Claims (10)

1. 内燃機関（１０）であって、
   複数のシリンダ（１１）を有しており、前記シリンダ（１１）内で、給気及びガス燃料から成る混合物が燃焼可能である内燃機関において、
   その内部で、専ら前記給気（１４）が圧縮可能である第１のターボチャージャ（１２）と、
   その内部で、専ら前記ガス燃料（２０）が圧縮可能である第２のターボチャージャ（１３）と、
   を備えること特徴とする内燃機関。
2. 前記第１のターボチャージャ（１２）が、単一の圧縮機段を含んでおり、前記第２のターボチャージャ（１３）が、少なくとも２つの圧縮機段（２２、２３）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 専ら前記ガス燃料の圧縮に用いられる、請求項１又は２に記載の内燃機関のためのターボチャージャ（１３）において、
   前記ターボチャージャが、第１の圧縮機段（２２）及び第１の圧縮機ロータ（２８）と、第２の圧縮機段（２３）及び第２の圧縮機ロータ（２９）と、を備えた圧縮機（２１）を有しており、
   前記ターボチャージャが、タービンロータ（２５）を備えたタービン（２４）を有しており、
   前記タービンロータ（２５）、前記第１の圧縮機ロータ（２８）及び前記第２の圧縮機ロータ（２９）は全て、共通のシャフト（３０）を通じて連結されていることを特徴とするターボチャージャ。
4. 前記圧縮機（２１）の前記圧縮機段（２２、２３）が、遠心式圧縮機段であり、前記タービン（２４）が、半径流タービンであることを特徴とする、請求項３に記載のターボチャージャ。
5. 前記圧縮機（２１）の前記圧縮機段（２２、２３）の間には、前記第１の圧縮機段（２２）から径方向に延びている第１の流路部分（３２ａ）と、前記第２の圧縮機段（２３）に径方向において通じている第２の流路部分（３２ｂ）と、これらの間に延在する湾曲した第３の流路部分（３２ｃ）とを有する、湾曲した流路（３２）が延在しており、前記第２の圧縮機段（２３）に径方向において通じている、前記第２の流路部分（３２ｂ）には、ガイドベーン（３３）が配置されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載のターボチャージャ。
6. 前記圧縮機（２１）の前記ハウジング（２７）には、冷却路（３４）が導入されており、前記冷却路を通じて、前記圧縮機の前記圧縮機段（２２、２３）が冷却可能であることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
7. 軸受ハウジング（３１）に、さらなる冷却路（３４）が導入されていることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
8. 前記第２のターボチャージャ（１３）が、請求項３から７のいずれか一項に従って構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関。
9. 第２のターボチャージャ（１３）によって、ガス燃料（２０）が、第１のターボチャージャ（１２）によって給気（１４）が圧縮されるよりも高い圧力に圧縮されることを特徴とする、請求項１、２又は８に記載の内燃機関（１０）を運転するための方法。
10. 圧縮された前記給気（１４）と、無関係に圧縮された前記ガス燃料（２０）とが、シリンダヘッド（１９）内で、又は、前記シリンダヘッド（１９）の上流において混合されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。