JP5801808B2 - 内燃エンジン装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文でより詳細に定めるように、エンジンルームとエンジンルームに直接的に接続されるエンジンケーシングとを備える船舶で採用される内燃エンジン装置に関する。

船舶では、例えばディーゼルエンジンである内燃エンジンが、通常、推進力及びホテル客のための電気エネルギを供給するために採用される。特にディーゼルエンジンであるそのようなエンジンからの排気ガスは、排エネルギとして分類され得る余剰エネルギを含む。

従来の装置では、排エネルギは、燃焼用空気をエンジンに供給するターボチャージャーで回収される。そのような装置は、ターボチャージャー及び選択接触還元（ＳＣＲ）ユニットを備えた大きいスーパーチャージャー付きディーゼルエンジンを開示する国際公開第２００８／１３５０５９号から公知である。一般的に、一方では、高負荷で必要以上に多いエネルギが利用可能であり、他方では、低負荷でターボチャージャーは必要な空気を供給できない。

環境規制のために、より厳しい排出規制が現に適用され或いは将来適用されるであろう。典型的には、選択接触還元（ＳＣＲ）がＮＯｘの排出を低減するために使用されている。適度の効率に達するために、選択接触還元は、かなりの高温を必要とする。ターボチャージャーを採用する場合、その温度は、一般的に、十分でないレベルにまで低下し、特に２ストロークエンジンに関しては、４ストロークエンジンにおけるよりもその温度レベルが低下する。結果として、ＳＣＲユニットは、温度が十分に高いところの排気ガス流の場所に配置される必要がある。これは、特に船舶において、空間問題をもたらす。

上述のように、２ストロークの船舶エンジン設備では、４ストロークエンジンと比べ、ターボチャージャーの後の低い排気ガス温度のため、ＳＣＲユニットの位置が特に厄介なものとなる。既知の解決策では、ＳＣＲユニットは、通常、ターボチャージャーの前に置かれる。ＳＣＲリアクタは、空間が限られる船舶のエンジンルームに置かれる場合に設計問題を引き起こす大きな容器及びパイプを含む。

国際公開第２００８／１３５０５９号パンフレット

本発明の目的は、排ガス制御を提供しながらも、上述の問題を回避し且つ作業効率の増大を可能にする内燃エンジン装置を実現することである。この目的は、請求項１に記載される内燃エンジン装置によって達成される。

本発明の基本的な考えは、効率的な排ガス制御のための構成を可能にしながら、エンジン効率を高めるために従来のターボチャージャーの代わりとなるシステムを備えた内燃エンジン装置を提供することである。これは、エンジンケーシング内において、排気ガス流の方向における、発電機を含むタービンユニットの直前に配置される選択接触還元ユニットをさらに含む内燃エンジン装置を有することによって提供され得る。

エンジンケーシングは、エンジンルームから船舶の外部まで延びる、船舶のエンジンルームの上に置かれる構造である。エンジンケーシングは、内燃エンジンの排気管のためのハウジングを提供する。

有利的に、且つ、排気ガス流の更なる制御のために、排ガスエコノマイザーが、排気ガス流の方向における、発電機を含むタービンユニットの直後に配置される。排気ガス流の方向における、排ガスエコノマイザーの直後に、サイレンサが配置されてもよい。

また、望ましくは、エンジンケーシング内に排ガスエコノマイザーが配置される。

また、望ましくは、エンジンケーシング内にサイレンサが配置される。

本発明は、内燃エンジンが、船舶で通常用いられる２ストローク低速エンジンである場合に特に有利である。従来のターボチャージャー無しで、排気ガスがタービンユニットに導かれる前に、排気ガスが選択接触還元ユニットに直接的に導かれ得る。その結果、還元プロセスのために十分に高い温度をもたらす。

本発明は、内燃エンジンが、船舶で通常用いられる４ストローク中速エンジンである場合に特に有利である。従来のターボチャージャー無しで、比較的高い排気ガス温度が、エンジン始動の際により早期に選択接触還元プロセスが開始し、また、極めて低い負荷でも選択接触還元プロセスが動作するのを可能にする。

本発明は、内燃エンジンが、船舶で通常用いられる二元燃料エンジンである場合に特に有利である。これは、電動モータによって駆動されるコンプレッサユニットによって可能となる、空気流の独立制御の可能性によるものである。

望ましくは、タービンユニットの発電機は、船舶における電気スイッチボードを用いて、電動モータに接続される。それによって、発電機によって生成される電気エネルギは、電気スイッチボードを介して、船舶上の他の消費主体によっても使用され得る。

望ましくは、第一コントロール手段は、船舶における電気ネットワークに適合するように電力を調節するための電気スイッチボードとタービンユニットの発電機との間に配置される。

望ましくは、第二コントロール手段は、電動モータの速度を調節するために、電気スイッチボードと電動モータとの間に配置される。

有利的には、内燃エンジン装置は、スイッチボードに接続される１つ以上の補助的な発電ユニットを備える。これは、冗長性をもたらし、且つ、船舶の全ての動作モードにおけるコンプレッサの動作を確保する。

本発明の有利な特徴は、請求項２〜１２に定められる。

以下では、説明のみを目的として、本発明の実施例を示す添付の概略図を参照しながら、本発明を説明する。

本発明の実施例を示す図である。

図に示す本発明の実施例において、本発明を実施する船舶は、概して参照番号１で示される。船舶１は、船舶１のエンジンルーム２に置かれる少なくとも１つの内燃エンジン３を備える。内燃エンジン３は、メインシャフトＳに接続される。メインシャフトＳは、船舶１における例えば推進ユニット又は発電機（図示せず。）に接続される。

内燃エンジン３は、内燃エンジン３からの排気ガス流を受け入れる排気管４を備える。本実施例では、排気管４は、選択接触還元ユニット５に通じるように配置される。選択接触還元ユニット５の後、排気ガス流の流れ方向には、いわゆる排気ガスタービンである、発電機７を含むタービンユニット６が備えられている。発電機７を含むタービンユニット６の後、排気ガス流は、排ガスエコノマイザー８に、さらには、サイレンサ９を通じて大気中に導かれるように構成される。したがって、本装置は、従来使用されていたターボチャージャーを含まない。

内燃エンジン３は、さらに、燃焼用空気を内燃エンジン３に供給するためのコンプレッサユニット１０を備える。コンプレッサユニット１０のためのエアサプライは、ブロック矢印１１で示される。コンプレッサユニット１０は、電動モータ１２の形を取る駆動手段を備える。タービンユニット６の発電機７は、電動モータ１２を駆動するための電気エネルギを供給するために、電動モータ１２に接続される。

図示される実施例では、エンジンルーム２と関連して、エンジンケーシング２１が配置される。このように、エンジンケーシング２１は、エンジンルーム２に直接的に接続される。エンジンケーシング２１は、エンジンルーム２から船舶１の外部まで延びる、船舶１のエンジンルーム２の上に置かれる構造である。エンジンケーシング２１は、内燃エンジンの排気管４のためのハウジングを提供する。

排気管４（図示されるように実施例中に少なくとも部分的に示される。）、選択接触還元ユニット５、発電機７を含むタービンユニット６、排ガスエコノマイザー８、サイレンサ９、及び電動モータ１２は、全て、船舶１のエンジンケーシング２１内に配置され得る。しかしながら、以下でより詳細に説明されるように、本発明の有利点は、別の配置によっても実現され得る。排ガスエコノマイザー８及びサイレンサ９は、支配的な要件次第の、本発明にとってオプション的な特徴である。また、本装置は、発電機７を含むタービンユニット６の後の排気ガス流にスクラバーユニット（図示せず。後述。）を備え得る。

タービンユニットの発電機７は、望ましくは第一コントロール手段１３を通じて船舶１の電気スイッチボード１４に電気エネルギを供給するために配置される。電気エネルギは、電気スイッチボード１４を経由して、望ましくは第二コントロール手段１５を通じて、エアコンプレッサユニット１０を駆動するためのエアコンプレッサユニット１０の電動モータ１２に供給されるように準備される。 第二コントロール手段１５及び内燃エンジン３に接続される自動化システムは、参照符号Ａで概略的に示される。

また、本発明に係る図示される実施例は、参照番号１６で示される３つの追加的な、いわゆる補助発電ユニット（genset）を示す。それらは、電気スイッチボード１４に電気エネルギを供給するために電気スイッチボード１４に接続される。補助発電ユニット１６からの電気エネルギは、コンプレッサユニット１０の電動モータ１２にも導かれ得る。補助発電ユニット１６は、数が１つ以上であってもよい。

上述のように、本発明は、エンジンルーム２と、それに接続されるエンジンケーシング２１とを備える船舶１において有利的に実施される。従来使用されていたターボチャージャーは、（後述されるように）、発電機７を含むいわゆる排気ガスタービンである、タービンユニット６で置き換えられる。タービンユニット６の発電機７によって生成される電気エネルギは、船舶１の電気スイッチボード１４に供給される。発電機７は、船舶上の電気ネットワークに適合するように、例えば周波数、電圧等に関して電力を調節するために配置される第一コントロール手段１３を通じて電気スイッチボード１４に接続される。コンプレッサユニット１０は、電動モータ１２によって駆動される。電動モータ１２は、内燃エンジンの制御入力にしたがって電動モータの速度を調節するために、第二コントロール手段１５を通じて電気スイッチボード１４に接続される。コンプレッサユニット１０は、燃焼用空気を内燃エンジン３に供給する。タービンユニット６の発電機７は、電気スイッチボード１４を経由する代わりに、電気エネルギを直接的に電動モータ１２（図示せず。）に供給するようにも構成され得る。

通常、電気エネルギを供給するために、船舶１における電気スイッチボード１４に接続される上述の補助発電ユニット１６のような、１つ以上の他の発電手段がある。

高負荷時には、コンプレッサユニット１０によって消費されるよりも多くのエネルギが回収される。タービンユニット６の発電機７を用いて、これは、船舶１における他の消費のために電気スイッチボード１４に供給され得る。

また、タービンユニット６の発電機７からの電気エネルギは、船舶上の他の消費主体に供給されてもよい。

さらに、上述の装置は、タービンユニット６の発電機７の出力とは無関係に、コンプレッサユニット１０の出力を制御することを可能にする。これは、独立して動作するコンプレッサユニット１０によって、どのような負荷においても、内燃エンジン３のための十分な燃焼用空気が供給され得ることを意味する。従来のターボチャージャーと比べ、コンプレッサユニット１０が電動モータ１２によって駆動されるので、コンプレッサユニット１０が出力を迅速に増大させることができるため、いわゆるターボラグが小さい。これは、エンジン負荷の増大がより速くなり得ることを意味する。供給される空気量の正確な制御が実現可能となる。

ＳＣＲユニット及び例えば（上述の）スクラバーのような構成要素の付加は、排気背圧を増大させる場合があり、そのことは、より高い吸気圧による補償を要求し得る。しかしながら、この点に関する本発明の追加的な有利点は、内燃エンジンの周りの排気管が、（上述の）従来のターボチャージャーが使用される場合に比べ、より単純である点にある。この有利な構成は、背圧の低下をもたらす。

コンプレッサユニット１０によって供給される空気の量は、空気の温度、湿度等を考慮に入れることによって、且つ、内燃エンジン３が適切な温度の空気を受け入れることを確保することによって、制御され得る。従来のターボチャージャーと比べ、ウェイストゲート又はバイパス装置の必要がない。内燃エンジン負荷及び排気ガス流とは無関係にコンプレッサユニット１０が制御され得るためである。さらに、空気流は、より低温において、低減可能であり、より低い入口温度での動作を可能にし、且つ、流入空気を加熱する必要性を低下させる。結果として、自動化システムＡに接続される本装置に温度コントロールＴを加えることが有利である。

コンプレッサユニット１０によって実現され得る空気流の独立した制御は、二元燃料エンジンにとって特に有利である。ディーゼル燃料運転に比べ、空気需要は、ガス燃料運転では全く異なる。

本発明に係る内燃エンジン装置において、発電機７を含むタービンユニット６及びコンプレッサユニット１０は、互いに独立して配置され得る。それ故に、それらは、内燃エンジン３上に直接的に配置される必要がない。したがって、発電機７を含むタービンユニット６は、エンジンケーシング２１内に配置され得る。

内燃エンジン３が、従来のターボチャージャーを備えた２ストローク低速エンジンである場合、排気ガス流は、通常、還元プロセスにとって十分高い温度の排気ガスを供給するために、そのエンジンから選択接触還元ユニットに、そして、ターボチャージャーに（さらには排ガスエコノマイザーに）至る。ターボチャージャーは通常、エンジン上に形成されるので、選択接触還元ユニットもエンジンの近くにある必要があり、それは、エンジンルームに十分な空間を必要とする。選択接触還元ユニットが大きい構成要素であるため、このことは、船舶において困難をもたらす。

本発明によると、発電機７を含むタービンユニット６とコンプレッサユニット１０との独立した配置のため、選択接触還元ユニット５は、内燃エンジン３の排気管４から直接的に排気ガス流を受け入れるエンジンケーシング２１内に配置され得る。また、低エンジン負荷のための補助的なブロワを提供する必要もない。結果として、エンジンルーム自体でより小さい空間が必要とされるのみであり、そのことはまた、より柔軟性のある配置を可能とする。

本装置の別の重要な有利点は、ターボチャージャーのような中間の構成要素がないため、内燃エンジン３を出て選択接触還元ユニット５に入る排気ガス流が、船舶で通常採用される２ストローク低速エンジンに対しても効率的な選択接触還元プロセスを提供するのに十分に高い温度を有するという点にある。

内燃エンジン３が、従来のターボチャージャーを備えた４ストローク中速エンジンである場合、排気ガス流は、通常、エンジンからターボチャージャーに、そして、選択接触還元ユニットに（さらに排ガスエコノマイザーに）至る。しかしながら、本発明によると、ターボチャージャーのような中間の構成要素がないため、選択接触還元ユニット５は、エンジン始動の際により早期に、そしてまた、選択接触還元ユニット５の前のより高い排気ガス流温度のおかげで、極めて低い負荷でも作動を開始する。このことは、排ガス制御を高める。

本記載及びそれに関連する図は、本発明の基本的な考えを明確にすることのみを目的とする。本発明は、特許請求の範囲内で変更可能である。

Claims (11)

1. 船舶で採用される内燃エンジン装置であって、
   前記船舶は、エンジンルームとエンジンケーシングを備え、
   前記内燃エンジン装置は、前記エンジンルーム内に配置される内燃エンジンと、前記内燃エンジンからの排気ガス流を受けるために前記内燃エンジンに接続される排気管と、前記排気ガス流の方向において前記排気管の下流に配置される、発電機を含むタービンユニットとを備え、
   前記タービンユニット及び前記発電機は、前記エンジンケーシングに配置され、
   前記内燃エンジン装置はさらに、電動モータを備え且つ前記内燃エンジンに直接的に接続されるコンプレッサユニットを備え、
   前記コンプレッサユニットは、前記内燃エンジンに燃焼用空気を供給するよう配置され、且つ、前記タービンユニットの前記発電機は、電気スイッチボードを用いて、前記コンプレッサユニットの前記電動モータに接続され、
   前記コンプレッサユニットは、前記タービンユニットの前記発電機とは独立して動作するように配置され、
   前記エンジンケーシングは、前記エンジンルームに直接的に接続され、且つ、前記船舶の前記エンジンルームの上に配置され、且つ、前記エンジンルームから前記船舶の外部まで延び、
   選択接触還元ユニットは、前記エンジンケーシングにおいて、前記排気ガス流の方向における、前記発電機を含む前記タービンユニットの上流直前に配置される、
   内燃エンジン装置。
2. 排ガスエコノマイザーは、前記排気ガス流の方向において、前記発電機を含む前記タービンユニットの下流直後に配置される、
   請求項１に記載の内燃エンジン装置。
3. サイレンサは、前記排気ガス流の方向において、前記排ガスエコノマイザーの下流直後に配置される、
   請求項２に記載の内燃エンジン装置。
4. 前記排ガスエコノマイザーは、前記エンジンケーシングに配置される、
   請求項２に記載の内燃エンジン装置。
5. 前記サイレンサは、前記エンジンケーシングに配置される、
   請求項３に記載の内燃エンジン装置。
6. 前記内燃エンジンは、２ストローク低速エンジンである、
   請求項１に記載の内燃エンジン装置。
7. 前記内燃エンジンは、４ストローク中速エンジンである、
   請求項１に記載の内燃エンジン装置。
8. 前記内燃エンジンは、二元燃料エンジンである、
   請求項１に記載の内燃エンジン装置。
9. 第一コントロール手段は、前記タービンユニットの前記発電機と前記電気スイッチボードとの間に配置される、
   請求項１に記載の内燃エンジン装置。
10. 第二コントロール手段は、前記電気スイッチボードと前記電動モータとの間に配置される、
    請求項１に記載の内燃エンジン装置。
11. 前記内燃エンジン装置は、前記電気スイッチボードに接続される１つ以上の補助発電ユニットを備える、
    請求項１に記載の内燃エンジン装置。

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