JP4309446B2 - ピストン内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも一つのシリンダを有し、該シリンダの下流側には、排気ガス収集部が設けられるとともに、上流側には給気蓄積部が設けられ、さらに少なくとも一つの排気ターボ過給機を有し、該排気ターボ過給機のタービンには、上記排気ガス収集部からの排気ガスが供給可能とされ、排気ターボ過給機の圧縮機は、上流側に給気冷却器が設けられた給気蓄積部に給気を供給するよう構成され、このとき、排気ガスを再利用するための装置が設けられていて、排気ガスが圧縮機の圧縮側において給気に混合可能とされているピストン内燃機関、特に２サイクル大形ディーゼルエンジンに関する。
排気ガスの一部を再利用することによってNOXの排出量を低減することができるが、これは望ましいことである。排気ターボ過給機の圧縮機の圧縮側で、給気に排気ガスを混合させる場合、圧縮機、ならびに、この圧縮機を有する排気ターボ過給機全体を小形化することができるという長所がある。しかも、これにより、確実に、傷み易い圧縮機の羽根車が排気ガスに接触しないようになる。
米国特許第5,611,204号明細書に見られるような冒頭に述べた類の構成においては、給気に排気ガスを混合させるために、給気冷却器の下流側に配置される入射装置が設けられている。しかしながら、給気冷却器の下流側に設けられた部分では、給気は、比較的小さな動圧しか有していない。したがって、上記の入射装置は、排気ガスを給気に混合させるために、給気を強く加速するように働かなければならず、これによりエネルギー損失を招いてしまっている。このため、達成可能な混合比は、その上限が著しく制限されている。
米国特許第5,611,204号明細書
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、簡易でコストのかからない手段によって、冒頭に述べた類の構成を改善し、高い混合比を得ることができるばかりでなく、エネルギー損失を全く、ないしは殆ど起こさせないようにすることを目的としている。
この課題は、前提部分おいて書き部に記載された類の構成に関して、本発明により、給気への排気ガスの混合が、給気冷却器の上流側で行なわれるように構成されることで解決される。
給気冷却器の上流側では、給気は、螺旋状の動きをしながら比較的速い速度で動いている。これは、給気が比較的高い動圧を有していることによる。これに反して、静圧は比較的小さい。その一方で、排気ガス収集部内には静圧だけが存在している。このため、わずかではあっても追加的な補助を一切用いることなく、排気ガスを比較的多く混合可能にするに足る十分大きな圧力勾配が得られ、これにより、最初に述べた基本的な長所を特に力強く活かすことができるようになり、それでも、組み立ての手間が比較的かからないままとなる。したがって、本発明に係る解決手段を用いることにより、上述したような従来の構成の欠点が解消され、しかも、その長所がそのまま維持される。こうして、優れた経済性が得られることになる。
上位の解決手段の好ましい実施形態、ならびに、好適な発展態様は、下位請求項に記載されている。かくして、給気への排気ガスの混合が、好適には少なくとも一部、圧縮機の送出気流ケーシングの部分において行なわれるように構成されている。この部分においては、給気の動圧が最も高い。この場合、周回するリブによって、排気ターボ過給機の圧縮機の送出気流ケーシングと吸気用接続ソケット部とを連結することができる。このように構成とすることにより、周回する空間が形成されることになり、この空間が、排気ガスの供給可能な、送出気流ケーシングの内側の空間と連通する予備貯蔵室としての働きを担うことができるようになる。このとき、予備貯蔵室と送出気流ケーシングとの間は、単に共通の壁を貫く穴を設けることによって連通させることができる。このように、本解決手段により、圧縮機のケーシング内に、混合するための構成を組み込むことが可能となる。こうして、付加的な部材を事実上用いることなく実現可能な、最も簡易にしてコストのかからない小形の構成が得られる。
他の実施形態によれば、リサイクル導管に接続可能な、圧縮機の吸気用接続ソケット部を包囲する環状導管が設けられ、該環状導管には、自身から分かれ出る突出導管を介して、送出気流ケーシングの壁の部分に設けられた混合開口部が取り付けられるようにしてもよい。この実施形態によれば、送出気流ケーシングと吸気用接続ソケット部との間のリブを省くことができるが、これはさらに望ましいことである。
付加的な、あるいは替わりに用いることができる他の手段として、給気への排気ガスの混合が、少なくとも一部、圧縮機の送出気流ケーシングから給気冷却器へと続く給気導管の一部の領域において行なわれるように構成することができる。給気導管がディフューザを有する場合においては、このディフューザの上流側で混合が行なわれることが好ましい。斯かる解決手段により、混合装置にアクセスしやすくなり、これによって、好ましいことに、機能拡張のための簡単な後付けが可能になる。
さらなる好適な解決手段として、排気ガスを供給できるリサイクル導管の部分には、調節装置が設けられていてもよい。斯かる構成により、所望の混合比を設定することができる。
他の好適な解決手段として、給気冷却器は、冷却水を噴射して入れるための噴射ノズルが設けられた直接型冷却器として構成することができる。この構成は、好ましいことに、とりわけ、内部の汚染に対して強く、排気ガスを供給して、これにより給気冷却器の上流側で給気に排気ガスを混合させても、全く問題が生じない。
上位の解決手段のさらなる好ましい実施形態、ならびに好適な発展態様は、その他の下位請求項に記載されており、図を参照しながら以下に述べる実施の形態の記載から、より詳細に理解することができる。
本発明の主たる応用分野は、ディーゼルエンジン、特に船舶用エンジンといった２サイクル大形ディーゼルエンジンである。この種のエンジンの基本的な構造や仕組みは、良く知られており、したがって本明細書においてこれ以上詳しく説明する必要はない。
図１及び図４には、この種の２サイクル大形ディーゼルエンジンのシリンダ１が示されている。このシリンダ１内には、燃焼室３を画成するピストン２が収納されている。シリンダヘッドの部分には、バルブ４によって制御可能な排気ガス出口７が設けられており、この排気ガス出口７は、排出用接続パイプ６を介してエキゾースト・マニホールドといった排気収集部７に接続されている。この排気収集部７に、本実施形態におけるエンジンの全てのシリンダ１、あるいはさもなければ、少なくとも複数のシリンダ１の組が対応させられるようにして設けられている。
シリンダライナの部分に設けられた、ピストン２によって制御可能な掃気ポート８を介して、燃焼室３に給気が供給されるようになっている。掃気ポート８は、供給用接続パイプ９を介してインテーク・マニホールドといった給気蓄積部１０に接続されたリング室に連通している。給気蓄積部１０は、排気収集部７のように、本実施形態におけるエンジンの全てのシリンダ１、あるいはさもなければ、少なくとも一組の複数シリンダ１にわたって設けられている。給気蓄積部１０は、給気導管１１を介して、排気ターボ過給機１３の圧縮機１２の出口に接続されている。ここで、排気ターボ過給機１３のタービン１４には、排気ガスを供給することができ、したがって、タービン１４は、排気導管１５によって排気収集部７に接続されている。
給気導管１１には、圧縮機１２によって圧縮された給気を冷却するインター・クーラ１６(給気冷却器)が設けられている。インター・クーラ１６は、空冷式ないしは水冷式の熱交換器として構成することができる。本実施形態において、このインター・クーラ１６は、直接型冷却器とされていることが好ましい。この直接型冷却器は、冷却水を噴射して入れるための、水を供給できる複数の噴射ノズル１７を備えている。この噴射ノズル１７の水供給部は、詳細には示されていない。
NOXの排出を抑えるために、排気ガスの一部が再利用される。すなわち、排気ガスの一部は、掃気ポート８へと導かれる給気に混ぜられる。このため、排気ガス収集部７から、あるいは本実施形態のように排気導管１５から分岐したリサイクル導管１８が設けられる。このリサイクル導管１８には、調整可能な遮断弁として形成された調節装置１９が設けられている。この調整装置１９を操作することによって、リサイクル導管１８を通る体積流量、したがって、混合比率を調整することができ、これにより、常に理想的な状態を得ることができる。この給気への排気ガスの混合は、本発明に係る全ての実施形態において、圧縮機１２に対して圧縮側、つまり、圧縮機１２の羽根車の下流側で、しかもインター・クーラ１６の上流側で行なわれる。
図１に示される構成の場合、実線によって示されたリサイクル導管１８は、直に圧縮機１２に導かれている。圧縮機１２は、図２、図３から明らかなように、タービン１４に駆動させるようにして接続された羽根車２０と、この羽根車２０の上流側に設けられ、かつ、詳細には示されていない消音器に取り付けられた吸気用接続ソケット部２１と、羽根車２０の下流側に設けられ、かつ、吸気用接続ソケット部２１を取り囲む螺旋形状のボリュート２２(送出気流ケーシング)とを有している。
図２に示される実施形態において、排気ガスを圧縮機１２に混合させるための装置は、圧縮機１２の中に組み込まれている。この場合、ボリュート２２は、周回するリブ２３によって、中央の吸気用接続ソケット部２１上に支えられている。このようにして、密閉された環状室２４が形成される。この環状室は、リサイクル導管１８に接続され、さらに、環状室自身を仕切っているボリュート２２の壁の部分に好ましくは複数の穴として形成された混合開口部２５を介して、上記ボリュートの内部に延びている気流径路に接続されている。環状室２４は、排気ガスを供給することができ、ボリュート２２に対して設けられた周回する予備貯蔵室としての働きを担っている。リサイクル導管１８の接続部は、リブ２３の部分に設けられることが好ましい。本実施形態において、リブ２３は、リサイクル導管１８がフランジ接続される接続部ソケット２６(排気ガス入り口)を備えている。
図３に示される実施形態の場合、吸気用接続ソケット部２１を取り囲み、ボリュート２２に隣接する環状導管３３が設けられている。この環状導管３３は、リサイクル導管１８に接続されている。この実施形態において、環状導管３３は、接続部ソケット３４を備え、この接続部ソケット３４にリサイクル導管１８がフランジ接続されている。さらに、この実施形態においても、ボリュート２２に複数の混合開口部２５が設けられている。これらの混合開口部２５は、環状導管３３に隣接する、ボリュート２２の壁の部分に設けられている。混合開口部２５は、好適には、やはり穴として形成することができ、環状導管３３から分かれ出る複数の突出導管３５を介して環状導管３３に接続されている。この実施形態においては、吸気用接続ソケット部２１とボリュート２２との間のリブを全て、ないしは一部を省くことができる。図３に示す実施形態において、リブ２３は、外周の一部のみに設けられている。
図４に示す実施形態において、給気への排気ガスの混合は、圧縮機１２の部分ではなく、圧縮機１２のボリュート２２につながる給気導管１１の領域において行なわれる。給気導管１１には、通常、図５に示されるような、インター・クーラ１６に至るディフューザ１１ａが設けられている。給気への排気ガスの混合は、好適には、給気が圧縮機１２のボリュート２２を離れる際と実質上同じ動圧を有しているようなディフューザ１１ａの上流側の位置で行なわれる。
図５に示される実施形態の場合、給気導管１１には、圧縮機１２のボリュート２２とディフューザ１１ａとの間の部分に、ボリュート２２の終端部とディフューザ１１ａの入り口とにフランジ接続された挿入部２７が設けられ、この挿入部２７は、ボリュート２２とディフューザ１１ａとの間の距離を橋渡しする導管部１１ｂを備え、この導管部１１ｂは、混合開口部２８を形成するよう半径方向の穴が複数設けられて成るとともに、概ね環状室として形成された予備貯蔵室を有したケース３０を貫いて構成されている。このケース３０は、接続部ソケット３１が設けられ、混合導管１８にフランジ接続されている。無論、この実施形態においても、環状の予備貯蔵室２９の替わりに、図３に似た環状の導管を設けて、この環状導管が、複数の突出導管を介して混合開口部２８に接続されるようにすることもできよう。給気の動圧は、普通、排気ガスを十分混合するのに十分である。このような場合、導管部１１ｂは、その全長にわたって等しく保たれた直径を有するパイプの一部分として形成することができる。図示された実施形態において、導管部１１ｂには、混合開口部が配設された狭窄部３２が設けられている。この狭窄部３２によって、給気が加速され、つまりは、動圧が増すとともに、それに対応して静圧が低下することになる。
場合によっては、もちろん、図４に破線で示すように、図５に示されるようなものを順々に並べて構成することもできる。一つ、ないしは複数のこの種の構成に対して、排気ガスを圧縮機１２のボリュートに直に混合するという、大体図２もしくは図３に示されるようなものを組み合わせることも同じ様に考えられよう。斯かる構成は、図１に破線を用いて示されている。こういったことからも、本発明が図示された実施形態に限定されないことは明らかである。
排気ターボ過給機の圧縮機へと導かれるリサイクル導管を有する２サイクル大形ディーゼルエンジンの概略構成図である。 圧縮機のケーシングの中に、混合のための構成が組み込まれた実施形態を示す断面図である。 図２の変形例を示す図である。 給気導管に合流するリサイクル導管を有する２サイクル大形ディーゼルエンジンの概略構成図である。 図４に示す構成の給入のための装置を示す断面図である。
符号の説明
１ シリンダ
７ 排気ガス収集部
１０ 給気蓄積部
１１ａ ディフューザ
１１ｂ 導管部
１２ 圧縮機
１３ 排気ターボ過給機
１４ タービン
１６ インター・クーラ(給気冷却器)
１７ 噴射ノズル
１８ リサイクル導管
１９ 調節装置
２２ ボリュート(送出気流ケーシング)
２４ 予備貯蔵室
２３ リブ
２５ 混合開口部
３２ 狭窄部

Claims (4)

  1. 少なくとも一つのシリンダ(１)を有し、該シリンダ(１)の下流側には、排気ガス収集部(７)が設けられるとともに、上流側には給気蓄積部(１０)が設けられ、さらに少なくとも一つの排気ターボ過給機(１３)を有し、該排気ターボ過給機(１３)のタービン(１４)には、排気ガスが供給可能とされ、前記排気ターボ過給機(１３)の圧縮機(１２)は、上流側に給気冷却器(１６)が設けられた前記給気蓄積部(１０)に給気を供給するよう構成され、排気ガスを再利用するための装置が設けられていて、排気ガスが前記圧縮機(１２)の圧縮側において前記給気に混合可能とされている２サイクル大形ディーゼルエンジンであるピストン内燃機関において、
    給気への排気ガスの混合が、前記給気冷却器(１６)の上流側で行なわれるように構成されているとともに、この給気への排気ガスの混合が、少なくとも一部、前記給気導管(１１)の、前記圧縮機(１２)の前記送出気流ケーシング(２２)から前記給気冷却器(１６)へと続く導管部の領域において行なわれるよう構成されており、
    前記給気導管(１１)の導管部(１１ｂ)が、排気ガスを供給できるリサイクル導管(１８)に接続可能とされるとともに、導管部(１１ｂ)とは別体のケース(３０)によって形成されかつ概ね環状室の構成とされた予備貯蔵室(２９)によって包囲され、前記導管部(１１ｂ)には、概ね穴の形態とされた混合開口部(２８)が設けられており、
    前記導管部(１１ｂ)は、前記混合開口部(２８)の部分に狭窄部(３２)を備えており、前記予備貯蔵室(２９)は、少なくとも前記狭窄部(３２)の領域に対応して存在していることを特徴とするピストン内燃機関。
  2. 請求項１に記載のピストン内燃機関において、
    前記給気導管(１１)には、前記給気冷却器(１６)の上流側に設けられるディフューザ(１１ａ)が取り付けられ、
    かつ、給気への排気ガスの混合が、前記ディフューザ(１１ａ)の上流側で行なわれるよう構成されていることを特徴とするピストン内燃機関。
  3. 請求項１または請求項２に記載のピストン内燃機関において、
    排気ガスを供給できるリサイクル導管(１８)の部分には、調節装置(１９)が設けられていることを特徴とするピストン内燃機関。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のピストン内燃機関において、
    前記給気冷却器(１６)は、冷却剤を噴射して入れるための噴射ノズル(１７)が設けられた直接型冷却器として構成されていることを特徴とするピストン内燃機関。
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