JP3225780U - 低速大型エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】有害なノッキングが避けられ、高いエネルギー効率の最適な燃焼プロセスを確実にし、燃料消費および排気ガス量が最適化され、同時に、窒素酸化物の生成が法令によって要求される制限値より低減される低速大型エンジンを提供する。【解決手段】低速大型エンジン１は、燃焼室３を有するシリンダ・ライナ２と、燃焼室３から燃焼ガスを排出するために燃焼室３に与えられた出口弁６とを備え、運転状態では、圧縮された空気７が、充填装置によって掃気開口８を通して給気としてシリンダ・ライナ２内に導入されることができ、点火流体を導入するための点火ノズル９が、燃焼室３内で圧縮されたガス−空気混合気の火花点火のために設けられ、低圧でガスを燃焼室３に導入するためのガス入口開口１０が、シリンダ・ライナ２の下部領域に設けられ、さらに、水を燃焼室３に導入するための水入口開口１１が、シリンダ・ライナ２の下部領域に設けられる。【選択図】図１

Description

本考案は、低速大型エンジンを運転するための方法、詳細には、長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンを運転するための方法に関し、また大型エンジン、特に、独立請求項の前提部による長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンに関する。

低速大型エンジン、特に、本考案によるクロスヘッド設計の長手方向掃気大型エンジンは、何十年もの間、詳細が異なる多くの変形形態で、造船、又は、例えば、電気エネルギーを発生させるための定置プラントにおいて好ましく使用されてきた。

多くの場合、このような大型エンジンは、エンジンのフレームを形成する３つの大きなハウジング・セグメントを備えている。クランク軸を受け入れるためのクランク軸主軸受を有する軸受サドルに加えて横方向支持要素を有する台板上には、いわゆるスタンドが底板によって分離されて配置されている。知られているスタンドは、大型エンジンのシリンダ・ライナの数に対応した、互いに向かい合って配置された複数の支持体を備え、各支持体は、押し棒によってクランク軸に接続された２つの隣接するクロスヘッドを案内するための鉛直方向に延在する滑り面を有する。次いで、しばしばシリンダ・シェルと称されるシリンダ部分はスタンドの上方に配置され、シリンダ・ライナのうちの１つ又は複数を受け入れるのに適している。台板、スタンド、及びシリンダ部分は、通常、スタンドの領域で支持体内を延在するタイ・ロッドによって互いに接続されるが、それらは、かなりの力を予めかけてタイ・ロッドを台板にねじ込むことによって接続される。往復動内燃エンジンの動力を増大させるために、特に、上記のタイプのエンジンだけでなく、通常、少なくとも１つの排気ガス・ターボ過給機を備える充填グループによって、圧力を増大させた新気が燃焼サイクル後にシリンダ・ライナの燃焼室内に導入される。このようにして、排気ガスの熱エネルギーの一部は、当業者にはよく知られた方法で利用することができる。このために、高温の排気ガスは、シリンダ・ライナのシリンダ・カバーに設けられた出口弁を開くことによって、シリンダ・ライナの燃焼室から充填グループに供給される。充填グループは本質的に、加圧された状態で充填グループに入る加熱された排気ガスによって駆動されるタービンよりなる。次いで、タービンは圧縮機を駆動し、それによって新気が吸い込まれて圧縮される。最後に、給気又は掃気とも称される圧縮された新気が、シリンダ・ライナの下部領域にある、いわゆる掃気口を通って大型エンジンのシリンダ・ライナの個々の燃焼室内に送られる。このような充填グループを用いることによって、新気供給量を増大させ、シリンダの燃焼室内の燃焼プロセスの効率を向上させることができる。

今日では、上記のタイプの大型エンジンを運転することができる多くの様々な方法が現況技術で知られている。運転方法のタイプに応じて、対応するエンジンは特別の機能を備えることができる。

数十年にわたって、低速２ストローク大型ディーゼル・エンジンは広く普及し、それらは通常、自己着火機として、すなわち、ディーゼル・プロセスにしたがって、重質燃料油又はディーゼル油で運転されていた。このようなエンジン又は運転方法は、排気ガスによって大量の汚染物質を環境内に放出するという欠点を有している。特に、主に高い燃焼温度で生成される窒素酸化物は、厳しくなる排気排出制限により、ますます問題になってきている。

したがって、シリンダの燃焼室内で燃料−空気混合物に水を加えて排気ガス中の窒素酸化物を低減することは長い間知られていた。このような自己着火大型エンジン及び対応する運転方法は、例えば、大型エンジンが、水と燃料からなるエマルジョンで運転される特許文献１に示されている。

燃料と水のエマルジョンを燃焼室に供給する代わりに、特別な水ノズルによって水を燃焼室内に噴射することも特許文献２から知られている。特許文献２では、水噴射ノズルはシリンダ・カバーに配置されている。同じことが、特許文献３の４ストローク・ディーゼル・エンジンにも適用され、ここでは、燃料噴射ノズルはタンデム・ノズルとして設計され、したがって、燃料と水を燃焼室に同時に噴射するように働く。

有害な排気ガスを避けるための別の有利な方策は、代替燃料を使用することである。この場合、ガス運転エンジン、又はガスと、重質燃料油又はディーゼル油などの従来燃料との両方で運転することができる、いわゆる二元燃料エンジンがますます受け入れられてきている。

燃料ガスが、非常に高圧で、例えば、４００バールより高い、５００バールより高い、又はさらにそれより高い圧力で燃焼室内に導入されるエンジンが知られている。このようなエンジン、又はこのようなエンジンを運転するための方法は、例えば、高圧のガスで運転される長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンに関する特許文献４に開示されている。特許文献４によるエンジンのガス運転では、望ましくない窒素酸化物が生成されることもあり、又は、しばしば、いわゆる「ノッキング」を起こしがちなので、この場合、シリンダ内に水も導入される。その結果、高温の圧縮されたガス−空気混合気の温度はわずかに下がり、その結果、混合気の早期着火が防止される。同時に、生成される有害の窒素酸化物はより少なくなる。しかしながら、特許文献４によるエンジンの重大な欠点は、ガスを４００バールの非常に高圧、さらにそれよりかなり高い圧力にしなければならず、その結果、追加の適切な増圧器を設けなければならないことである。

ディーゼル・プロセス、すなわち、自己着火か、又は、適切な点火源を使って適切なクランク角度を狙って混合気を火花点火することができるオットー・プロセスのどちらかによってエンジンを運転することが知られている。特に、大型エンジンでは、ピストンが上死点に達するわずかな前に、点火源として、しばしば、たいていはディーゼル油などの液体燃料のジェットを非常に高圧で、燃焼室内の非常に圧縮されたガス−空気混合気内に短期間噴射させ、次いで、混合気の着火を起こさせる。

火花点火によって運転されるこのようなエンジンは、例えば、特許文献５又は６に記載されている。ここで記載されているエンジンはガスで運転され、ガスは、通常、約３〜４バールの吸気の圧力と同じかわずかに高い、比較的低い圧力で燃焼室内に導入される。低圧プロセスにおいて、燃焼室内にガスを導入するための典型的な圧力範囲は、例えば、３バールから５０バールの間であり、５バールから３０バールの間、又は１０バールから２０バールの間が好ましい。

特許文献５又は６によるエンジンは、オットー・プロセスによる火花点火運転であり、その結果、点火タイミングは自己着火よりもずっと正確に調節することができるという利点を有している。しかしながら、燃料−空気混合物の圧縮プロセスが、特に局所的に、点火を局所的に早期に起こすほどの高温をもたらすことがあるので、これらのエンジンはノッキングを起こしがちであり、これは、勿論、動力の損失、エンジンの不安定な運転、及び当業者であれば本来知っている運転中の他の不利なことにつながることがある。さらに、燃焼室内の高い燃焼温度は、有害な窒素酸化物の形成につながることがある。

欧州特許出願公開第０７８１９０７号明細書 欧州特許出願公開第０９６７３７１号明細書 欧州特許出願公開第１０９９８４６号明細書 デンマーク国特許出願公開第２０１６７０２８７号明細書 独国特許第１０２０１１００３９０９号明細書 米国特許第５０３５２０１６号明細書

したがって、有害なノッキングが避けられ、高いエネルギー効率の最適な燃焼プロセスを確実にし、燃料消費、したがって排気ガス量が最適化され、同時に、窒素酸化物の生成が法令によって要求される制限値より低く低減されるように、大型設計の低圧ガス・エンジン、及びこのようなエンジンを運転するための対応する方法を提供することが本考案の目的である。

これらの目的に合致する本考案の主題は、独立請求項の特徴部によって特徴付けられる。

従属請求項は、本考案の特に有利な実施形態について言及する。

したがって、本考案は、低速大型エンジンを運転するための方法に関し、特に、シリンダ・カバーと、シリンダ・ライナと、下死点と上死点との間でシリンダ・ライナ内を往復運動するピストンとを境界とする燃焼室を有するシリンダ・ライナを備えた、長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンを運転するための方法に関する。さらに、出口弁が設けられ、これは、燃焼室から燃焼ガスを排出するために燃焼室に与えられており、圧縮された空気は、充填装置によって掃気開口を通して給気としてシリンダ・ライナ内に導入される。燃焼室内で圧縮されたガス−空気混合気は、点火ノズルによってガス−空気混合気内に噴射された点火流体によって点火される。本考案によれば、ガスは、シリンダ・ライナの下部領域にあるガス入口開口を通って低圧で燃焼室内に導入され、水は、シリンダ・ライナの下部領域にある水入口開口を通って低圧で燃焼室内にさらに導入される。

したがって、ガスが、シリンダ・ライナの下部領域にあるガス入口開口を通って低圧で燃焼室内に導入され、水が、これもシリンダ・ライナの下部領域にある水入口開口を通って低圧又は中圧で燃焼室内にさらに導入されることが本考案の本質である。

したがって、本考案によれば、ガス−空気混合気は、２ストローク低圧ガス・プロセスにおいて、掃気サイクル中の圧縮行程で圧縮される。ガスは、低圧でシリンダ・ライナの燃焼室内に導入され、それは、掃気口のすぐ上方が好ましい。水は、低圧又は中圧で燃焼室内に導入され、それは、ガスと同時が好ましく、ノズルとして設計されることが好ましい水入口開口は、ガス入口開口と同じ高さに設けられることが特に好都合であり、ノズルとして設計される、又はシリンダ・ライナのガス入口開口のすぐ上方に設けられることも好ましい。水入口開口及び／又はガス入口開口は、シリンダ・カバーの方向を向くことが特に好ましく、その結果、シリンダ内にすでに存在している上向きに回転する方向のガスの渦又はそれに相当する乱流の特性を利用して、燃焼室内にさらに導入される水との混合を最適にすることができる。ガス−空気混合気を水と混合することによって、圧縮されたガス−空気混合気内の熱の一部分は水の蒸発によって吸収され、ガス−空気混合気はそれに応じてよりゆっくりと燃焼する。点火流体による混合気の実際の点火の前に制御されない燃焼があるが、このようにすると、このような燃焼が、実際、完全に防止され、燃焼圧力が下げられる。したがって、有害なノッキングは最終的に防止され、窒素酸化物の形成はかなり最小限に抑えられ、大型エンジンの効率はさらに向上し、したがって、燃料消費もまた低減される。

本考案によれば、ガスは、２バールから２００バールの間の圧力、好ましくは３バールから１００バールの間の圧力、特に好ましくは５バールから５０バールの間の圧力、特に、約１０バールから２０バールの間の圧力でガス入口開口を通ってシリンダ・ライナの燃焼室内に導入される。したがって、この圧力は、充填グループが、掃気口を通してシリンダ・ライナ内に新気を送る圧力範囲、又はそれよりわずかに高いことが好ましい。

したがって、水もまた、２バールから２００バールの間の圧力、好ましくは３バールから１００バールの間の圧力、特に好ましくは５バールから５０バールの間の圧力、特に、約１０バールから２０バールの間の圧力で水入口開口を通ってシリンダ・ライナの燃焼室内に導入される。ここで、ガス入口開口及び／又は水入口開口は、掃気開口の領域に設けられることが好都合である。

本考案による大型エンジンの場合、定義により、ピストンの下死点ＵＴは１８０°のクランク角度にあり、ピストンの上死点ＯＴは３６０°のクランク角度にあり、ガス入口開口及び／又は水入口開口は、ガス及び／又は水が、１９０°から３３０°の間のクランク角度範囲、特に２００°から３００°の間のクランク角度範囲、好ましくは２１０°から２６０°の間のクランク角度範囲、特に好ましくは約２３０°のクランク角度で導入されるようにシリンダ・ライナに配置されている。

本考案はさらに、本考案による方法を実行するための低速大型エンジンに関し、特に、オットー・プロセス、すなわち、火花点火によって運転することができる長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンに関する。本考案による大型エンジンは、シリンダ・カバーと、シリンダ・ライナと、下死点と上死点との間でシリンダ・ライナ内を往復運動することができるピストンとを境界とする燃焼室を有するシリンダ・ライナを備える。さらに、出口弁が設けられ、これは、燃焼室から燃焼ガスを排出するために燃焼室に与えられており、運転状態では、圧縮された空気を、充填装置によって掃気開口を通して給気としてシリンダ・ライナ内に導入することができる。点火流体を導入するための点火ノズルは、燃焼室内で圧縮されたガス−空気混合気の火花点火のために、シリンダ・カバーに設けられることが特に好ましい。任意選択的に、点火副室もガス−空気混合気を点火させるためにシリンダ・ライナに、好ましくはシリンダ・ライナの上部領域に設けることができ、その副室内で、ガス−空気混合気の点火のための点火流体が導入され、特に噴射される。本考案によれば、低圧でガスを燃焼室に導入するためのガス入口開口は、シリンダ・ライナの下部領域に設けられ、さらに、水を燃焼室に導入するための水入口開口は、シリンダ・ライナの下部領域に設けられる。

ガス入口開口及び／又は水入口開口は、掃気開口の領域に設けられることが好ましい。より正確には、ガス入口開口及び／又は水入口開口は、１９０°から３３０°の間のクランク角度範囲、特に２００°から３００°の間のクランク角度範囲、好ましくは２１０°から２６０°の間のクランク角度範囲、特に好ましくは約２３０°のクランク角度に設けられる。ここで、定義により、ピストンの下死点ＵＴは１８０°のクランク角度にあり、ピストンの上死点ＯＴは３６０°のクランク角度にある。

したがって、水入口開口は、特に、上死点とガス入口開口との間に設けられ、水入口開口は、ガス入口開口と上死点ＯＴとの間で、ガス入口開口から５°から３０°のクランク角度範囲、好ましくは１０°から２０°の間のクランク角度範囲離されて設けられ、水入口開口及び／又はガス入口開口は、ノズルの形態で設計されることが好ましい。

本考案による低速大型エンジンは、純粋なガス・エンジン、又は二元燃料エンジン、又はこれらに相当する大型エンジンの別の変形形態とすることができる。

以下に、図面を参照してより詳細に本考案を説明する。概略図が示されている。

運転状態の、本考案の低速大型エンジンの概略図である。

図１を参照すると、運転状態の、本考案による低速大型エンジン１が概略的に示されており、これは、この特別な実施形態の長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンとして設計されている。図１によるエンジンは、燃焼室３を有するシリンダ・ライナ２を備え、燃焼室３は、シリンダ・カバー４と、シリンダ・ライナ２と、下死点ＵＴと上死点ＯＴとの間でシリンダ・ライナ２内を往復運動することができるピストン５とを境界とする。出口弁６は、燃焼室３から燃焼ガスを排出するために、本来知られている態様で燃焼室３に与えられている。運転状態では、圧縮された空気７は、図１には明示的に示されていない充填装置によって掃気開口８を通って給気としてシリンダ・ライナ２内に導入される。点火流体を導入するための点火ノズル９は、燃焼室３内で圧縮されたガス−空気混合気の火花点火のために、さらに設けられ、その結果、本考案による大型エンジンはオットー・プロセスにしたがって運転することができる。本考案によれば、低圧でガス１０１を燃焼室３に導入するためのガス入口開口１０は、シリンダ・ライナ２の下部領域に設けられ、さらに、水１１１を燃焼室３に導入するための水入口開口１１は、シリンダ・ライナ２の下部領域に設けられる。

定義により、ピストン５の下死点ＵＴは１８０°のクランク角度にあり、ピストン５の上死点ＯＴは３６０°のクランク角度にある。この特別の実施形態の場合、ガス入口開口１０及び水入口開口１１は、２１０°から２６０°の間のクランク角度範囲、ここでは、概ね約２３０°のクランク角度が好ましい。

水入口開口１１は上死点とガス入口開口との間に設けられ、図１のこの特別な実施形態では、水入口開口１１は、ガス入口開口１０と上死点ＯＴとの間で、ガス入口開口１０から約１０°から２０°の間のクランク角度範囲離されて設けられる。水入口開口１１及びガス入口開口１０はノズルの形態で設計される。

本実施形態では、水入口開口１１及びガス入口開口１０は、シリンダ・カバー４の方向に向けられており、その結果、シリンダ・ライナ２内にすでに存在している上向きに回転する方向のガスの渦１２又はそれに相当する乱流の特性を利用して、燃焼室３内にさらに導入される水１１１との混合を最適にすることができる。ガス−空気混合気を水１１１と混合することによって、圧縮されたガス−空気混合気内の熱の一部分は水１１１の蒸発によって吸収され、ガス−空気混合気はそれに応じてよりゆっくりと燃焼する。点火流体による混合気の実際の点火の前に制御されない燃焼があるが、このようにすると、このような燃焼が、実際、完全に防止され、燃焼圧力が下げられる。したがって、有害なノッキングは最終的に防止され、窒素酸化物の形成はかなり最小限に抑えられ、大型エンジンの効率はさらに向上し、したがって、燃料消費もまた低減される。

この特別な実施形態では、大型エンジン１は純粋なガス・エンジンであり、それは、特に、ディーゼル油又は重質燃料油などの液体燃料用のさらなる噴射ノズルがシリンダ・カバーに設けられていないという事実によって理解することができる。別の実施形態では、本考案による大型エンジンは、ガスと、ディーゼル油又は重質燃料油などの別の燃料との両方で運転することができる二元燃料エンジンとすることは勿論可能である。

当業者であれば、本考案は、明示的に論じた実施形態に限定されるものではなく、相当するさらなる設計も本考案によって包含されることを理解する。特に、本考案は、当然、論じた特別な実施形態の適切な組合せすべてに関する。

Claims (5)

1. 低速大型エンジン（１）、特に長手方向掃気低速クロスヘッド大型エンジンであって、
   燃焼室（３）を有するシリンダ・ライナ（２）であって、前記燃焼室（３）は、シリンダ・カバー（４）、前記シリンダ・ライナ（２）、及び下死点（ＵＴ）と上死点（ＯＴ）との間で前記シリンダ・ライナ（２）内を往復運動することができるピストン（５）を境界とする、シリンダ・ライナ（２）と、前記燃焼室（３）から燃焼ガスを排出するために前記燃焼室（３）に与えられた出口弁（６）とを備え、
   運転状態では、圧縮された空気（７）が、充填装置によって掃気開口（８）を通して給気として前記シリンダ・ライナ（２）内に導入されることができ、点火流体を導入するための点火ノズル（９）が、前記燃焼室（３）内で圧縮されたガス−空気混合気の火花点火のために設けられ、
   低圧でガス（１０１）を前記燃焼室（３）に導入するためのガス入口開口（１０）が、前記シリンダ・ライナ（２）の下部領域に設けられ、さらに、水（１１１）を前記燃焼室（３）に導入するための水入口開口（１１）が、前記シリンダ・ライナ（２）の前記下部領域に設けられることを特徴とする、低速大型エンジン（１）。
2. 前記ガス入口開口（１０）及び／又は前記水入口開口（１１）は、前記掃気開口（８）の領域に設けられる、請求項１に記載の低速大型エンジン（１）。
3. 前記ピストン（５）の前記下死点（ＵＴ）は１８０°のクランク角度にあり、前記ピストン（５）の前記上死点（ＯＴ）が３６０°のクランク角度にあり、前記ガス入口開口（１０）及び／又は前記水入口開口（１１）は、１９０°から３３０°の間のクランク角度範囲、特に２００°から３００°の間のクランク角度範囲、好ましくは２１０°から２６０°の間のクランク角度範囲、特に好ましくは約２３０°のクランク角度に設けられる、請求項１又は２に記載の低速大型エンジン（１）。
4. 前記水入口開口（１１）は、前記上死点と前記ガス入口開口（１０）との間に設けられ、前記水入口開口（１１）は、特に、前記ガス入口開口（１０）と前記上死点（ＯＴ）との間で、前記ガス入口開口（１０）から離間して５°から３０°のクランク角度範囲、好ましくは１０°から２０°の間のクランク角度範囲に設けられ、前記水入口開口（１１）及び／又は前記ガス入口開口（１０）は、ノズルの形態で好ましくは設計されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の低速大型エンジン（１）。
5. 前記大型エンジン（１）は、純粋なガス・エンジン又は二元燃料エンジンであり、及び／又は、点火副室が、前記ガス−空気混合気を点火させるために、前記シリンダ・ライナ（２）に設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の低速大型エンジン（１）。