JP5612187B2 - クロスヘッド及び蒸気タービンを有するターボ過給式大型低速２ストロークユニフロー内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、クロスヘッド及び蒸気タービンを有するターボ過給式大型低速２ストロークユニフロー内燃機関に関する。さらに本発明は、クロスヘッド及び蒸気タービンを有するターボ過給式大型低速２ストロークユニフロー内燃機関を動作させる方法に関する。

発明の背景

クロスヘッドを有する大型低速２ストローク内燃機関は、少なくとも一つのシリンダと、そのシリンダに受容される往復ピストンとを有する。この形式のエンジンには、ピストンとクランクシャフトとの間にクロスヘッドが配置される。燃焼室は、ピストン、シリンダ内壁、シリンダの一端のシリンダカバーによって画定される。シリンダカバーは排気弁を有する。排気弁は、燃焼残渣を燃焼室から排気ダクトシステムへと排出しうるように制御され、間欠的に動作しうる。このようなエンジンはまた、燃焼室の他端付近で開口部を間欠的に形成する手段を有する。開口部の形成は、燃焼に先立って行われる。これは、圧縮された掃気を開口部を通じて導入し、もう一方の端部へ向けて掃気を行うためである。掃気は酸素を含む。このようなエンジンはまた、圧縮された掃気中に燃料を噴射するための手段を有する。燃料の噴射によって燃焼室内で燃焼が生じる。

このような形式のエンジンは、しばしば「クロスヘッド式大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関」と呼ばれ、起立して直列に並べられた複数のシリンダを有するこれらのシリンダのピストンは、単一のクランクシャフトによって駆動される。これらの型のエンジンは、純粋に２ストロークの動作手順で動作することができる。これらの型のエンジンは、通常、シリンダの直径やピストンストロークの物理的サイズが大きいため、エンジンの高さは住宅なみとなることが多い。大きな直径のシリンダや長いピストンストロークは、比較的遅い回転速度で数メガワットの出力を発電所の発電機へ届けたり、またＭＷ以上の出力で外洋航行船を推進させるためである。

このようなタイプのエンジンの全体的な燃料効率を向上させることは、なお達成されるべき目標である。全体的な燃料効率を向上させる方法の一つは、エンジンの廃熱を回収し、有用なエネルギーに変換することである。

ＷＯ２００７／１１５５７９は、排気ガス中のエネルギーを回復するために、複数の排気ガスボイラ及び一つのパワータービンを有するターボ過給式大型ディーゼルエンジンを開示している。これらの排気ガスボイラのうちの一つは、排気ガスレシーバに一体化されている。ターボ過給器の上流における排気ガス流の一部はパワータービンへと分岐される。エンジンのターボ過給器のタービンの低圧側には予熱のためのボイラが設けられ、高圧側には過熱ボイラが設けられる。この既知のエンジンのエネルギー回収システムは、エンジンの全体的なエネルギー効率の向上に大きく寄与する。しかし、エネルギー回収システムは比較的複雑であり高価である。これは、システムがボイラ及び関連する蒸気タービンを含むからであり、また、排気ガス流のメインの流れから分岐した排気ガスで駆動されるパワータービンを含むからである。

このような背景の下、本願の目的は、コストや複雑さを抑えたエネルギー回復システムを有する、ターボ過給式大型低速２ストローク内燃機関を提供することである。

上述の目的は、クロスヘッドを備えるターボ過給式大型低速多気筒２ストロークユニフロー内燃機関であって、次のような機関を提供することによって達成される。この機関は、複数のシリンダであって、それぞれ前記シリンダからの排気ガスを受け入れる排気ガス受けと、前記シリンダへ掃気を供給する掃気受けとに接続される複数のシリンダと；排気ガスタービンを備えるターボ過給器であって、掃気を圧縮する圧縮機を駆動するターボ過給器と；前記排気ガス受けを前記タービンに接続する排気経路と；前記圧縮機を前記掃気受けに接続する掃気経路と；エンジン冷却系と；掃気を加熱する熱交換器であって、前記圧縮機の上流に配され、前記エンジン冷却系の冷却媒体により過熱される熱交換器と；前記掃気経路内に設けられ、掃気が通されるように配される、蒸発ボイラまたは過熱・蒸発ボイラと；前記蒸発ボイラまたは過熱・蒸発ボイラから運ばれる蒸気により駆動される排気タービンと；を備える。

掃気を圧縮する前に熱することにより、圧縮機の下流側の掃気のエネルギーが著しく増大する。圧縮された掃気中のエネルギーは、蒸気タービンにおいて容易に機械的エネルギーに変換することができる。

ある実施形態では、前記機関はジャケットに受容されるシリンダライナを備える。また前記エンジン冷却系は、前記ジャケットと前記シリンダライナとの間の空間に冷却水を通すジャケット冷却系を有し、ジャケット冷却水は、前記熱交換器に供給されて流入する掃気を熱するための冷却水である。

ある実施形態では、前記機関は、前記タービンの下流の位置から来る排気ガスにより熱せられる蒸発ボイラ及び／又は過熱ヒータを備える。

ある実施形態では、前記蒸発ボイラ又は前記過熱・蒸発ボイラは多段ボイラである。

上述の目的は、クロスヘッドを備えるターボ過給式大型低速多気筒２ストロークユニフロー内燃機関を動作させる、次の方法によっても達成される。ただし前記機関は、複数のシリンダであって、それぞれ前記シリンダからの排気ガスを受け入れる排気ガス受けと、前記シリンダへ掃気を供給する掃気受けとに接続される複数のシリンダと；排気ガスタービンを備えるターボ過給器であって、掃気を圧縮する圧縮機を駆動するターボ過給器と；前記排気ガス受けを前記タービンに接続する排気経路と；前記圧縮機を前記掃気受けに接続する掃気経路と；を備え、前記方法は、前記圧縮機の出口において蒸気を生成するに十分な温度になるように、前記圧縮機に入れる前に掃気を加熱することと；圧縮した掃気中のエネルギーを用いて蒸気を生成することと；を含む。

ある実施形態では、前記方法は、前記タービンの下流の排気ガス中のエネルギーを、圧縮された掃気により生成された蒸気を過熱すること、及び／又は、前記タービンの下流の排気ガス中のエネルギーを、上記を生成するために使用することを含む。

本明細書の開示に従う機関や当該機関を制御する方法の更なる目的や特徴、利点、性質は、以下の詳細説明により明らかになるだろう。

本明細書の以下の詳細説明部分においては、図面に示される例示的な実施形態を参照して発明がより詳細に説明される。
大型低速エンジンの長端部を描いたものである。 図１のエンジンの側面図である。 従来の大型低速エンジンを図によって表したものである。 ある例示的実施形態に従う大型低速エンジンを図によって表したものである。 別の例示的実施形態に従う大型低速エンジンを図によって表したものである。

好適な実施形態の詳細な説明

図１から図４は、エンジンを図によって表したものである。このエンジンは、クロスヘッド式ターボ過給型大型低速２ストローク内燃機関の形式を有している。図３は従来のエンジンを表し、図４は本発明の第１の例示的実施形態に従うエンジンを表す。図１及び図２に描かれるものは、従来のエンジンにも、本発明の様々な実施形態に従う全てのエンジンにも適用されるものである。

図示される例示的実施形態において、エンジンは直列に６本のシリンダを有する。ターボ過給式大型２ストロークディーゼル機関は通常、直列に配される５から１６のシリンダを有する。これらのシリンダはエンジンフレーム４５に担持される。シリンダの中にはピストン５１が配され、これはピストンロッド５４を介してクロスヘッド５３に繋がっている。クロスヘッド５３は、連接棒５５によってクランクシャフト５２に接続されている。またこのようなエンジンは、例えば、外洋航行船の主機関や、発電所において発電機を動かすための固定型のエンジンとして用いられることができる。エンジンの全出力は、例えば、５０００ｋＷから１１００００ｋＷでありうる。

このエンジンは２ストロークユニフロータイプであり、シリンダ１の下部領域に掃気ポートを有し、シリンダ１の頂部には排気弁４を有する。シリンダ１はシリンダライナ２７により形成される。シリンダライナ２７はユニフロー型であり、シリンダフレーム４５によって担持される。ある実施形態において、シリンダライナ２７は合金鋳鉄製である。シリンダライナ２７の最上部は、好ましくは鋳鉄による冷却ジャケット２６により囲まれている。冷却ジャケット２６とシリンダライナ２７との間には、ジャケットの冷却水を循環させるための空間が設けられる。ジャケット冷却システムは、エンジンの冷却システムの一つである。シリンダライナ２７には掃気ポート２４が設けられる。また図示されていないが、シリンダの潤滑のためのドリル穴も設けられている。

給気は、給気受け２を通じて、各シリンダ１の掃気ポート２４へと案内される。掃気受け２は、円筒形の大きな筒であり、エンジンの全長にわたって存在している。各シリンダ１に入る掃気の圧力上昇を十分に補償できるように、掃気受け２は大きな容積を有している。掃気受け２は複数の部分に分割されている場合もある。

シリンダ１内のピストンが給気を圧縮すると、燃料が噴射されて燃焼が発生し、排気ガスが生成される。排気弁４が開くと、排気ガスは、シリンダ１に設けられる排気ダクト３５を通って排気ガス受け３へと流れ、さらに排気コンジット１８を通ってターボ過給器５のタービン６へと進む。そこから排気ガスは、低圧の排気管７を通って排気される。タービン６は、シャフト８を介して圧縮機９を駆動する。圧縮機９には、空気取り入れ口１０を通じて掃気が供給される。圧縮機９は、圧縮された掃気を、掃気受け２に繋がっている掃気コンジット１１へと送り込む。図にはターボ過給機５が一つしか描かれていないが、複数のターボ過給機５によってエンジンを動作させることも可能であることは注意されたい。伝統的に、大型低速２ストロークディーゼルエンジンのターボ過給機５のコンプレッサーホイール（圧縮機ホイール）は、アルミニウム加工により製造される。本発明に従うエンジンにおいては、コンプレッサーホイールが曝される高温の掃気に対処することを可能にするため、コンプレッサーホイールは、ステンレス鋼加工やチタニウム加工によって製造されてもよい。

コンジット１１に取り入れられた空気は蒸発ボイラ（evaporating boiler）１３を通過し、その後掃気を冷却するためのインタークーラー１２を通過する。ある実施形態において、蒸発ボイラ１３は蒸発及び過熱のためのボイラである。全負荷状態において、圧縮機を出た掃気は、約２８０℃で蒸発ボイラ１３へと入る。ボイラの段数やボイラの圧力に依存するが、ボイラ１３を出る掃気は１３５℃から１８０℃の範囲の温度になる。凝縮ボイラ（condensing boiler）を用いる場合、８０℃程度まで低下することもある。インタークーラー１２は、インタークーラー１２を出る掃気の温度を３６℃から８０℃程度に低下させる。通常、この範囲においても低い領域の温度へと低下させる。

低負荷時（通常ＭＣＲの４０％以下）を除いて、掃気は、インタークーラー１２から逆止め弁１５を通じて掃気受け２に流れる。そのような低いエンジン負荷では、タービン９により生成される掃気圧は十分ではないことが多い。そこで、低エンジン負荷状態において動作状態に切り替えることができるのであれば、補助ブロア１６によって掃気圧を上げてもよい。補助ブロア１６は電気モータによって駆動される。

掃気は、あらかじめ定められたシリンダの動作シーケンスに従って、掃気受け２から前述の掃気ポートを通ってシリンダ１内の燃焼室に入る。

燃焼後、排気弁４が開き、排気ガスはシリンダ１の燃焼室を出て、そのシリンダ１の排気ダクト３５を通り、排気ガス受け３へと流れ込む。排気受け３は、円筒形の大きな筒であり、エンジンの全長にわたって存在している。各シリンダ１から流入する排気ガスの圧力変動を十分に緩和できるように、排気受け３は大きな容積を有している。排気受け３は個々の部分に区分されていてもよく、その内部には、エンジンの全体的な機能を補助するための様々な機能要素を備えていてもよい。そのような機能要素は、例えば、排気ガスから有用な熱を集めるためのものであったり、エンジンの全体的な性能を改善するための様々な物質を追加するものであったりしてもよい。

排気ガスはコンジット１８を通って排気受けを出て、（一つ又は複数の）ターボ過給機５の（一つ又は複数の）タービン６へと流れていく。タービン６の下流において、排気ガスは管７を通り、廃熱回収ユニット２８へと流れ込む。その後排気ガスは、環境中へ導かれる。すなわち大気中へ導かれる。廃熱回収ユニット２８は、比較的かさばるユニットである。これはタービン６の低圧側に設けられるものであるが、廃熱回収ユニットを設置するスペースを見つけることが難しい場合がある。例えば上記のエンジンが推進ユニットとして用いられるような船舶に搭載するためのスペースを見つけることが難しい場合がある。

ジャケット冷却水の一部又は全部は、管２５の形状の管路によって、熱交換器１４へと運ばれる。ジャケット冷却水の水温は、一般的に、ジャケット２６を出た時点で、８５℃から９０℃である。ジャケット冷却系からの廃熱は、入ってくる掃気を温めるために使用される。

圧縮機９を通過すると、系のエクセルギー（利用可能なエネルギー）は増加し、それは蒸発ボイラ１３で使用されることができる。

蒸発ボイラ１３は単段の場合も複数の段を有する場合もある。蒸発ボイラ１３には水が供給される。ボイラ１３の中を流れる掃気中のエネルギーは、供給された水を蒸気に変える。ボイラ１３は生成された蒸気を過熱する過熱部分を有してもよい。ボイラ１３によって生成された蒸気は、管路３３を介して蒸気タービン３７へと運ばれる。蒸気タービン３７は、蒸気タービン３７に供給される上記のエネルギーの多くの部分を機械的な回転エネルギーに変換する。上の例示的実施形態において、蒸気タービン３７の出力軸は、発電機３８に組み合わされている。しかしながら、蒸気タービンの機械的回転エネルギーは、その他の目的にも使用することができる。たとえばエンジンのポンプやブロアを駆動するために使用してもよく、また、機械的エネルギーをクランクシャフト５２に運んでもよい。

蒸気タービン３７から出る蒸気は凝縮器（図示されていない）に運ばれ、それによって凝縮した水は蒸気ボイラ１３へと戻される。

図示されないある実施形態において、タービン６の下流の排気ガスは蒸気ボイラ１３を通過させられる。

以下の表１は、エンジンの様々な場所における温度、出力、質量流、圧力を、いくつかのエンジン負荷（最大連続定格に対して５０％，７５％，１００％）に対してまとめたものである。

圧縮機９に入る前に掃気の温度をエンジンの廃熱を用いて上げることにより、圧縮機９の出口における圧縮掃気の温度は、ボイラ１３内で蒸気を生成するために十分に高くなる。すなわちボイラ１３は圧縮された掃気で温められる。液体の水から蒸気への相変化により、このエネルギーは容易且つ効率的に機械的回転力に変換され、エンジンの全体的な燃料効率を向上させる。蒸気タービン３７の回転力は、電気を生成したり他の負荷を直接駆動したりするために使用されうる。

図５は本発明の別の例示的実施形態を描いている。この実施形態も、本質的に図１や２、４に描かれた実施形態と同じである。従って、上の実施形態に関する殆どの説明も、この実施形態に適用可能である。しかし本実施形態では、ボイラ１３は３段のボイラである。それによって、圧縮された掃気からより多くのエネルギーをとることができ、ボイラを凝縮ボイラと考えることができるぐらいに、ボイラから出る掃気の温度を下げることができる。このため、インタークーラー１２の冷却能力を下げることができる。

ボイラ１３は、過熱段を備えてもよい。ボイラ１３により生成された蒸気は、管３３の形態の導管を通じて収集ポイント３２へと運ばれる。

本実施形態では、廃熱回収ユニット２８は、蒸発ボイラ段２８ａと過熱段２８ｂとを含む。水は蒸発ボイラ段２８ａへ供給され、生成された蒸気は、管３１の形態の導管を通じて収集ポイント３２へと運ばれる。

ボイラ１３からの蒸気とボイラ２８ａからの蒸気は、収集ポイント３２から一緒に過熱段２８ｂへと通される。過熱蒸気は蒸気タービン３７へと運ばれる。ここで過熱蒸気中のエネルギーの多くの部分は機械的な回転エネルギーに変換される。

水を冷却媒体として用いるジャケット冷却系から廃熱を利用する実施形態を紹介してきたが、別の冷却媒体を用いるかもしれない他の形態のエンジン廃熱も、圧縮機９の上流で掃気を加熱するために使用されうる。たとえば潤滑油系から廃熱を利用してもよい。

特許請求の範囲において使用される「備える」「有する」「含む」との語句は、その他の要素やステップが含まれることを除外しない。特許請求の範囲において単数で記載されている要素であっても、それが複数供えられることを除外しない。特許請求の範囲に記載されるいくつかの手段の機能は、単一のプロセッサやデバイス、その他のユニットによって遂行されてもよい。

特許請求の範囲で使用されている符号は発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

例示のために本発明を詳細に説明してきたが、これらの詳細説明は例示の目的のためだけに提供されたものであって、本発明の範囲を逸脱せずに当業者により様々な変形がなされうる。

Claims (6)

1. クロスヘッド（５３）を備えるターボ過給式大型低速多気筒２ストロークユニフロー内燃機関であって、
   複数のシリンダ（１）であって、それぞれ前記シリンダ（１）からの排気ガスを受け入れる排気ガス受け（３）と、前記シリンダ（１）へ掃気を供給する掃気受け（２）とに接続される複数のシリンダ（１）と；
   排気ガスタービン（６）を備えるターボ過給器（５）であって、掃気を圧縮する圧縮機（９）を駆動するターボ過給器（５）と；
   前記排気ガス受け（３）を前記タービン（６）に接続する排気経路（１８）と；
   前記圧縮機（９）を前記掃気受け（２）に接続する掃気経路（１１）と；
   エンジン冷却系と；
   を備え、さらに、
   掃気を加熱する熱交換器（１４）であって、前記圧縮機（９）の上流に配され、前記エンジン冷却系の冷却媒体により加熱される熱交換器（１４）と；
   前記掃気経路（１１）内に設けられ、掃気が通されるように配される、第１の蒸発ボイラ（１３）または過熱・蒸発ボイラ（１３）と；
   前記第１の蒸発ボイラ（１３）または過熱・蒸発ボイラ（１３）から運ばれる蒸気により駆動される排気タービン（３７）と；
   を特徴とする、機関。
2. ジャケット（２６）に受容されるシリンダライナ（２７）を備え、
   前記エンジン冷却系は、前記ジャケット（２６）と前記シリンダライナ（２７）との間の空間に冷却水を通すジャケット冷却系を有し、ジャケット冷却水は、前記熱交換器（１４）に供給されて流入する掃気を熱するための冷却水である、請求項１に記載の機関。
3. 前記タービン（６）の下流の位置から来る排気ガスにより熱せられる第２の蒸発ボイラ及び／又は過熱ヒータ（２８）を備える、請求項１又は２に記載の機関。
4. 前記第１の蒸発ボイラ（１３）または過熱・蒸発ボイラ（１３）は多段ボイラである、請求項１から３のいずれかに記載の機関。
5. クロスヘッド（５３）を備えるターボ過給式大型低速多気筒２ストロークユニフロー内燃機関を動作させる方法であって、前記機関が、
   複数のシリンダ（１）であって、それぞれ前記シリンダ（１）からの排気ガスを受け入れる排気ガス受け（３）と、前記シリンダ（１）へ掃気を供給する掃気受け（２）とに接続される複数のシリンダ（１）と；
   排気ガスタービン（６）を備えるターボ過給器（５）であって、掃気を圧縮する圧縮機（９）を駆動するターボ過給器（５）と；
   前記排気ガス受け（３）を前記タービン（６）に接続する排気経路（１８）と；
   前記圧縮機（９）を前記掃気受け（２）に接続する掃気経路（１１）と；
   を備え、前記方法は：
   前記圧縮機（９）の出口において蒸気を生成するに十分な温度になるように、前記圧縮機（９）に入れる前に掃気を加熱することと；
   圧縮した掃気中のエネルギーを用いて蒸気を生成することと；
   を含む、方法。
6. 前記タービン（６）の下流の排気ガス中のエネルギーを、圧縮された掃気により生成された蒸気を加熱すること、及び／又は、前記タービン（６）の下流の排気ガス中のエネルギーを、蒸気を生成するために使用すること、を含む、請求項５に記載の方法。

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