JP3304090B2 - 大型過給ディーゼルエンジン - Google Patents

大型過給ディーゼルエンジン

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、排ガスにより駆動されるタービンと、該タ
ービンにより駆動され、エンジンのシリンダに給気を供
給するコンプレッサを有する過給機と、排気ガスの一部
をエンジンのシリンダに戻す循環通路とを備えた、船舶
の主機のような大型の過給ディーゼルエンジンに関す
る。
例えば、日本国特許広告第53−5321号には、排ガスの
一部をエンジンの吸気装置に再循環し、エンジンの最高
燃焼温度がより低温となるようにして、排ガスのNOx濃
度が低下するようにしたガソリンエンジンが記載されて
いる。温度が高くなればNOx量が急激に増大するから、
この燃焼により発生するNOx量は、最高燃焼温度に依存
する。従来技術を使用して、排ガスの５乃至20％を再循
環させれば、排ガス中のNOx量を30％まで削減すること
が出来る。
勿論、環境的に有害な化合物がエンジンから放出され
ないように発生源にて制限することが望ましいが、排ガ
スを再循環させる公知の方法は、問題点がない訳ではな
い。例えば、再循環の結果、煙として見える、排ガス中
の微粒子の量が増大する傾向となる。これは、多分、再
循環量が増すに伴い、給気の酸素濃度が低下することに
起因するのと考えられる。
ドイツ国特許出願25 04 308号には、吸気側に再循環
する前に、水浴に通して泡立てることにより、排ガスの
一部を浄化するエンジンが記載されている。この浄化さ
れた気体は、NOx濃度を低下させることには寄与しない
が、燃焼消費量を少なくする働きをする蒸気を含むこと
が述べられている。
ドイツ国特許第41 23 046号には、ポンプ又はコンプ
レッサを使用し、再循環された排気ガスを非常に小さい
孔を有する材料を通して加圧することにより排気ガスを
細かく分配された泡として水浴中にを通過させるエンジ
ンが記載されている。このエンジンにあっては過給され
ない。
ディーゼルエンジンの排ガスを水浴中で浄化し、次
に、その浄化し且つ加湿された気体の一部をエンジンの
吸気側に再循環することは、国際特許出願第88/01016号
から公知である。水浴中で加湿することは、排ガスをあ
る程度、冷却させ、また、最高燃焼温度を低くすること
に役立つ。蒸気の比熱容量が大きいため、排ガスを再循
環する効果は、上述の方法におけるよりも顕著である。
エンジンは過給されず、また、全ての排ガスが加湿され
るため、水の消費量は大である。
大型のディーゼルエンジンは、通常、燃料として重油
を使用し、その結果、排ガスに接するエンジン部品に対
して極めて攻撃的である燃料生成物が多量に発生され
る。著しく汚染された排ガスは、水浴を通して泡立てせ
ることにより十分に浄化し得ない。燃焼中のNOx生成物
を減少させるため、排ガスをディーゼルエンジンの吸気
側に導入することがDT−Ａ−第24 43 897号から公知で
ある。ディーゼルエンジン自体の排ガスからの不純物を
防止するため、ディーゼルエンジンへの再循環気体とし
て、ガソリンエンジンからの排ガスが使用される。この
解決策は、エンジン装置をより著しく複雑化し、また、
通常、ガソリンの形態による燃料が極く少量しか利用し
得ない船舶に適用することは不可能である。
スウェーデン国特許第314 555号及び米国特許第4,44
0,116号には、圧縮中の吸気の温度上昇を制限するた
め、コンプレッサの上流側の吸気に水が噴射される過給
エンジンが記載されている。大型の高馬力ディーゼルエ
ンジンにおいて、微小な水滴が少量でもあれば、コンプ
レッサホイールのブレードが腐食されるから、かかる水
の添加の結果、損傷し易いコンプレッサが急速に腐食す
るという不利益を伴う。
本発明の目的は、エンジンがエンジン構成部品、特
に、過給機のような特に高価な構成部品の高性能及び長
期の寿命を保ち、再循環装置の構成部品が、エンジンと
一体化するのに有利な小さな寸法であるような方法に
て、大型の過給ディーゼルエンジンにおいて排ガスの再
循環を可能にすることである。
この目的に鑑み、本発明による上流の大型のディーゼ
ルエンジンは、再循環通路が、排ガスを水で加湿する装
置を備え、該加湿装置が多数の水噴霧段を有するスクラ
バー（scrubber）であり、再循環通路が、タービンの上
流にて排気導管から分岐する導管を備え、また、コンプ
レッサの下流にて給気導管に接続され、該導管が、再循
環した排ガスの圧力を増圧すべく、スクラバーに、及び
該スクラバーの下流に配置されることが好ましいブロア
ーに接続される。
排ガスを浄化する少なくとも一つの水噴霧段を有する
スクラバーを使用することにより、エンジンが重油で運
転されているときでも、ディーゼルエンジン自体の排ガ
スを再循環させることが可能であるために、極めて効率
的な浄化となる。スクラバーは、広いスペースを必要と
せず、また、スクラバーの噴霧ノズルを排ガスの流路内
に配置する結果、スクラバーにおける圧力低下は、有利
な程度に極く僅かであるという効果が得られ、このこと
は、エンジンを高効率に保つ上で重要なことである。極
めて短い長さの気体流路に亙って、スクラバーは、極め
て大量の水を再循環気体内に噴霧することが出来、この
ことは、所望通りの十分な浄化、効率のよい冷却及び略
100％の相対湿度とする加湿を行う上で、重要なことで
ある。スクラバーは、公知の加湿器よりも再循環した気
体を効率良く冷却し、このことは、NOx発生量の減少を
促進することになる。
再循環通路内に設けられたブロアーは、エンジンの吸
気側と排気側との間の圧力比に関係なく、再循環を可能
とし、このことは、任意の所望のエンジン負荷にて再循
環が実施可能であることを意味する。
排ガスは、過給機のタービンの上流側で方向を変え、
水の添加により冷却及び浄化が為される。ブロアーは、
過給機のコンプレッサの下流にて再循環した気体を排出
する。再循環された気体は、コンプレッサ内で圧縮する
必要がなくなるために、過給機のタービン及びコンプレ
ッサの寸法は小さくて済む。冷却されない排ガスをブロ
アーが圧縮しなければならない場合と比較すれば、ブロ
アーの上流にて気体を冷却するこの好適な方法は、ブロ
アーのエネルギ消費量を略半減する。更に、損傷し易い
ブロアーが排ガス中の腐食性生成物の作用を受けること
がない。
各段にて噴霧水を添加した後に排ガス中から水滴を除
去することにより、再循環した気体の浄化程度を向上さ
せることが可能となる。第二の段にて、水を添加する結
果、気体の温度が低下し、このため、100％の湿度に飽
和した気体から水分が凝縮される。この凝縮は、気体中
に存在する微粒子の不純物にて最初に生じる。次に、気
体が段から去る前に、気体から水滴が除去されるとき、
望ましくない不純物も水滴と共に除去される。このよう
にして浄化させた気体の温度が、後続の段にて水を添加
することにより、更に低下すると、この温度低下によ
り、その直前に添加した水量よりも多量の気体が凝縮さ
れ、この水は、略純水となる。このことは、水を格別に
消費せずに、スクラバー内で水を浄化することが可能で
あることを意味する。
特に、好適な実施例において、スクラバーは、給気導
管に接続されており、該スクラバーは、コンプレッサに
より圧縮された空気及び再循環した排ガスの双方を冷却
する。このため、給気を冷却する周知の管型式の冷却器
は不要となる。その結果、エンジンの吸気装置が簡略化
される点で有利であるが、給気及びその給気に含まれる
再循環した排ガスを直接、水で冷却して、燃焼室への吸
気側における気体温度をパイプ式冷却器で得られる温度
よりも10℃乃至12℃低い温度とすることも可能となる。
その他の条件が等しいならば、このような給気温度の
低下の結果、比燃料消費量（SEOC）が改善されて約1g/h
phとなる。また、この低い給気温度は、最高燃焼温度を
低下させ、従って、排ガス中のNOx濃度を低下させる。
燃焼室に供給された全ての空気は、エンジンの全ての運
転状態にて加湿されるから、本発明の上記の利点は、更
に完全に達成される。このため、NOx量は略半減する。
このエンジンを船舶で使用した場合、吸気中に存在する
ことが多い給気の塩分が除去され、このため、エンジン
が塩分による腐食作用を受けないという更なる効果が得
られる。
船舶において特に有用である好適な実施例において、
スクラバーは、貫流する気体中に噴霧ノズルから海水を
噴霧する第一の加湿段と、気体中に浮遊した液滴が気体
から分離される中間の浄化段と、噴霧ノズルが貫流する
気体中に淡水を噴霧し、凝縮した淡水が除去される、少
なくとも一つの最終の冷却段とを備えている。
排ガスの加湿及び浄化のためには極めて多量の水を使
用しなければならない。典型的に、水の消費量は、エン
ジンの燃焼消費量よりも３乃至４倍も多い。その結果、
出力35,000馬力である、中程度の大型のディーゼルエン
ジンにおいて、水の消費量は12トン乃至17トン／時にも
なる。船舶において、低圧にて蒸発させることにより海
水を淡水に変換する特殊な淡水発生器にて行われる、淡
水の製造にとって、この量は、比較的エネルギを多く消
費することになる量である。
好適な実施例において、幾つかの段にて加湿及び浄化
を行うことにより、また第一の段にて海水を使用し、少
なくとも最後の水添加段にて淡水を使用することによ
り、淡水を消費するという問題点は解決される。海水
は、無限の量にて利用可能であり、上述のように、塩分
はその他の汚染物と共に気体から除去される。また、第
三の段及び選択随意により、第四の段にても水を添加す
るならば、これに起因する気体の温度低下の結果、添加
した淡水の量を遥かに上廻る量の淡水が分離される。浄
化に必要とされる水量を賄うことに加えて、船舶内の何
れかにて使用することの出来る淡水を実際に製造し得る
という更なる利点を得ることが可能となる。
本発明による実施例について、極く概略図的な添付図
面を参照しつつ、以下に更に詳細に説明する。添付図面
において、 図１及び図２は、本発明による内燃機関の吸気装置及
び排気装置の二つの異なる実施例の線図、 図３は、スクラバー内の一つの段の外形図である。
これら三つの実施例において、内燃機関は、全体とし
て参照符号１で示してある。該内燃機関は、給気室２
と、排気室３とを備えており、また、燃焼室に属する排
気弁が符号４で示してある。この内燃機関は、船舶の主
機として、又は、発電所の発電機を運転する固定エンジ
ンとして使用することの出来る、大型の２ストローク定
圧充填によるディーゼルエンジンでよい。この内燃機関
の全出力は、例えば、5,000乃至70,000kWの範囲でよい
が、本発明は、例えば、出力1,000kWの４ストロークエ
ンジンにも使用可能である。
給気は、給気室から個々のシリンダに及び掃気ポート
に流れる。排気弁４が開くと、排ガスは、排気導管を通
って排気室３に入り、通常の排気導管５を通って外方に
流れて過給機のタービン６に入り、ここから、排ガス
は、排気導管７を通って流れる。タービン６は、シャフ
ト８を介して、コンプレッサ９を駆動し、このコンプレ
ッサには、吸気管10を介して空気が供給される。該コン
プレッサは、給気室２に達する給気導管11に加圧した給
気を供給する。
図１に示した実施例は、給気を冷却する既存の管型冷
却器12を交換せずに、本発明に従って作動可能であるよ
う既存のエンジンを改造する場合に、特に適用されるも
のである。該管型冷却器は、冷却水入口13と、冷却水出
口14とを備えている。通常、かかる管型冷却器は、給気
を冷却水の温度よりも約15℃高い温度までしか冷却する
ことが出来ない。
再循環用導管15は、排気導管５から分岐し、また、該
導管は、給気導管11に接続されており、このため、該再
循環用導管は、該導管15と導管11との接続部の下流にあ
る吸気装置の一部と共に、再循環通路を形成する。
排ガスを水で加湿し且つ浄化するため、導管15内に
は、スクラバー16が挿入されている。スクラバー16から
の気体出口はエンジン18により駆動されるブロアー17に
達している。排ガスがタービン６の高圧側で方向変更さ
れても、ブロアー17は、排ガスの圧力を上昇させなけれ
ばならず、その結果、再循環された排ガスの圧力は導管
11内の給気の圧力よりも高くなる。スクラバー16は排ガ
スの浄化及び冷却程度により、一又は複数の段を有する
ことが出来る。
図２に示した第二の実施例は、管型冷却器12に代え
て、四つの段を有する水スクラバー19が使用される点
で、第一の実施例と異なる。第一の段20において、パイ
プ21からの加圧された海水は、噴霧ノズルに進み、この
ノズルが適度に余剰な量の水で気体を加湿し且つ冷却
し、気体中に塩分が析出されないようにする。第一の段
の端部は、気体中に浮遊し且つ望ましくない汚染物質を
含む液滴を気体から分離する液滴捕集器を有する。第二
の段29において、圧力パイプ22を通じて供給された淡水
は、気体中に噴霧され、このため、その後に、その内部
に残る粒子に水が凝縮することにより、更に冷却され
る。第三の段23は、気体中に浮遊した液滴を除去する液
滴捕集器を有している。分離された水は、パイプ24を通
って船外に進み、又は、後で浄化し得るようにタンクに
流れる。水が船外に流れた場合でも、排ガス中の望まし
くない物質は、大気を介して放出する必要なく、海に直
接、投棄し得るという環境的に有利が点がある。所望で
あれば、水は、焼石灰で浄化し、また、選択随意的に、
投棄する前にろ過することが出来る。第四の段25におい
て、パイプ26を通じて供給された淡水は、気体中に噴霧
され、これにより、上述のように、パイプ27を通じてス
クラバーから除去された多量の淡水さえも凝縮され、気
体の温度は、水の供給温度に極く近い温度となる。該ス
クラバーの段数は、より少なくてもよいが、その場合に
は、気体の冷却効果は低下する。
図３には、再循環通路内に配置されるスクラバー内の
段33の実施例が示してある。スクラバーのハウジング34
は、フランジ35、又は更なるスクラバー段により気体輸
送導管に接続することが可能である。気体の流動方向
は、矢印36で示してある。淡水又は海水の供給パイプ37
は、各々が水を気体中に噴霧する多数のノズル39を有す
る分配管38に水を供給する。図示した実施例において、
これらのノズルは、気体の流動方向と反対方向に水を噴
霧し、これは、十分な蒸発及び浄化効果が得られるが、
勿論、気体の流動方向に噴霧するノズルを使用すること
も可能である。ノズルを通った後に、気体は、気体の流
動方向に関して角度を付けた大きい表面を有する液滴発
生器40を通って流れる。この液滴発生器の材料は、例え
ば、非常に多孔質の発泡材、金網又は鋼ウールにて形成
してよい。該液滴発生器において、気体中の小さい液滴
は、相互に結合してより大きい液滴となり、このこと
は、その後に、液滴捕集領域41内にて液滴を気体から除
去することを容易にし、該液滴捕集領域41は、図示する
ように、気体の流動方向に関して傾斜させた細長の板領
域42を含むことが出来、気体は、この領域42を通った直
後に、強制的にその方向を変更される。これらの液滴の
慣性力の結果、液滴は気体自体よりもその方向を変更さ
せる速度が遅く、このため、液滴は、板42上に溜まり、
その板42に沿って折り重ねた端部分43内に流れ、この端
部分43に液滴は集められ且つ捕集通路に進み、ここで、
凝縮液及び除去された液体が排出パイプ44に排出され
る。一定の流動抵抗を生じさせる液滴発生器40は省略可
能であることが多い。スクラバーが連続する幾つかの噴
霧段を有するならば、その段の各々は、一つの液滴捕集
領域を有し、後続の段が液滴捕集領域にて除去された量
の液体を冷却する必要がないようにすることが好まし
い。スクラバーが再循環された量の気体を浄化だけすれ
ばよいならば、スクラバーの単一の段にて、十分に浄化
することが可能であることが多い。このスクラバーは、
流動抵抗が小さく、保守が実質的に不要であり、しかも
低廉に製造することが出来る。
以下の実験例は、再循環された気体がスクラバー内で
浄化され、全ての吸気が二段スクラバー内で冷却され
る、エンジンプラントにおけるスクラバーの運転モード
を示すものである。簡略化のため、計算は、全負荷時の
エンジン出力10,000kW及び公称給気圧力3.55バールのエ
ンジンとして行った。
実験例１ エンジンは、100％の負荷で運転され、大気温度25
℃、相対湿度30％であり、このことは、吸気は、空気1k
g当り約6gの水分を含むことを意味する。エンジンの空
気消費量は、約22kg/秒である。コンプレッサ９を通っ
た後の空気温度は、T1＝185℃である。
スクラバーの第一の段において、噴霧ノズルには、2.
6／秒の量の塩水が供給され、このため、空気は蒸発
により約T1＝70℃の温度まで冷却され、これと同時に、
空気は、100％の相対湿度に加湿され、その結果、空気1
kg当り約60gの水分を含む。液滴捕集器において、約1.3
／秒の量の水が除去される。スクラバーの第一の段か
ら排出されるとき、空気からは、全ての塩分が実質的に
除去される。
スクラバーの第二の段において、水温約TV＝25℃の淡
水が35／秒の量にて噴霧ノズルから噴霧される。これ
は、空気を約T1＝35℃の温度まで冷却し、この場合、10
0％の湿度に飽和された空気は空気1kg当り約9gの水分を
含む。液滴捕集器において、約36.1／秒の水分が分離
され、このため、スクラバーの第二の段は、1.1／秒
の量にて淡水を製造し、これは、１日当り約95トンに相
当する。噴霧して吸気を冷却するとき、極めて大きい熱
伝達率が計測され、この熱伝達係数（率）は、従来の管
型冷却器の約50乃至100倍であると評価される。所望で
あれば、スクラバーの第三の段内の空気は、水温よりも
数度高い温度まで冷却することが出来、その結果、淡水
が更に製造される。
導管15内にて再循環された排ガスを浄化するために別
個のスクラバー16を使用する場合、その浄化と同時に、
排ガスは、コンプレッサ弁を通った後に、約375℃の供
給温度からT1＝185℃の吸気温度まで冷却することが適
当である。スクラバー16における水の消費量は、0.07
／秒であり、これは１日当り5.7トンの量に相当する。
この消費量は、何ら問題を生ぜずに、第二のスクラバー
からの淡水で賄い得る。上述のスクラバーの代わりに、
管型冷却器を使用するならば、そのスクラバー16は、海
水で運転することが可能である。
実施例２ 上記と同一の大気条件であり、エンジンの負荷は75％
とし、第一のスクラバー段にて噴霧ノズルは、少なくと
も1.8／秒の量の海水を供給することを要し、このた
め、空気は、約T1＝60℃まで冷却され且つ100％の相対
湿度まで加湿され、この場合、空気1kg当り約45gの水分
を含む。
スクラバーの第二の段において、35／秒の量の水が
温度約TV＝25℃にて供給され、これにより、気体は、約
T1＝30℃まで冷却され、この場合、100％に飽和させた
気体中の水分量は、空気1kg当り約12gである。該第二の
段は、約0.5／秒の量にて淡水を発生し、これは、１
日当り43トンに相当する。
再循環させた排ガスの浄化に、約0.10／秒の量の水
が消費され、これは、１日当り8.6トンに相当する。
上述のスクラバーの代わりに、日本のガデリウス・マ
リーン株式会社（Gadelius Marine K.K.）のイナート・
ガス装置から公知のスクラバー及びサイクロン原理で作
動する同会社の液滴捕集器を使用することが可能であ
る。しかしながら、こうした公知の装置は、寸法が過大
であるという不利益を伴う。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５８０Ｅ ５８０ ５８０Ｚ 25/02 Ｆ (73)特許権者 594140904 Ｃｅｎｔｅｒ Ｓｙｄ，161 Ｓｔａｍ ｈｏｌｍｅｎ，ＤＫ−2650 ＨＶＩＤＯ ＶＲＥ，Ｄｅｎｍａｒｋ (72)発明者 キェムトルプ，ニールス デンマーク王国デーコー―2100 コペン ハーゲン・ウー，ヴィレムースガーデ 23 (72)発明者 ベル−ソンネ，ペーター デンマーク王国デーコー―1818 フレズ レグスベル・セー，キンゴスガーデ 17 (56)参考文献 特開 平３−70850（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−89968（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−76525（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−97534（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】排気ガス駆動によるタービン（６）と、該
    タービンにより駆動され且つエンジンシリンダに給気を
    供給するコンプレッサ（９）とを有する過給機を備え、
    前記エンジンシリンダに戻す排気ガスの戻し部分のため
    の再循環通路は、排気導管（５）から給気導管（11）に
    至る再循環導管（15）を備え、該再循環導管が再循環さ
    れた排気ガスの圧力を増圧するブロアー（17）を含む、
    船舶の主機のような過給ディーゼルエンジン（１）にし
    て、 前記再循環通路は、再循環された排ガスを浄化するため
    の、少なくとも第１の水噴霧段と第２の水噴霧段（20、
    29）とを有する、少なくとも１つのスクラバー（16、1
    9）を含み、 前記再循環導管（15）は、前記タービン（６）の上流側
    にて排気導管（５）から分岐し、前記コンプレッサ
    （９）の下流にて給気導管（11）に接続されることを特
    徴とする過給ディーゼルエンジン。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のディーゼルエンジンにし
    て、前記スクラバー（19）が、前記コンプレッサにより
    圧縮された気体及び再循環された前記排気ガスの双方を
    冷却し得るように、前記給気導管（11）に接続されるこ
    とを特徴とする過給ディーゼルエンジン。
  3. 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のディーゼル
    エンジンにして、前記ブロアー（17）は前記スクラバー
    の下流に配置されることを特徴とする過給ディーゼルエ
    ンジン。
  4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載
    のディーゼルエンジンにして、前記ディーゼルエンジン
    は、出力が少なくとも1,000KWの大型エンジンであるこ
    とを特徴とする過給ディーゼルエンジン。
  5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載
    のディーゼルエンジンにして、前記スクラバーが、 噴霧ノズルが貫流する気体中に海水を噴霧する第一の加
    湿段（20）と、 気体中に浮遊する液滴が該気体から分離される中間の浄
    化段（23）と、 前記噴霧ノズルが貫流する気体中に淡水を噴霧し、凝縮
    した淡水が該貫流する気体から除去されるようにした、
    少なくとも一つの最終の冷却段（25）とを備えることを
    特徴とするディーゼルエンジン。
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