JP5820523B2 - クロスヘッドおよび排気ガス再循環系を有する大型低速ターボ過給式２ストローク内燃機関およびその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス再循環システム及びクロスヘッドを有する大型低速ターボ過給式２ストローク内燃機関に関する。さらに、本発明は、排気ガス再循環システム及びクロスヘッド大型低速ターボ過給式２ストローク内燃機関の動作方法に関する。

クロスヘッド式大型低速２ストローク内燃機関の典型的な使用例は、大型船の推進システムや、発電所の原動機に見られる。この型の機関は、ピストンとクランク軸との間に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、ＷＯ０２０６８８０９の請求項１の序文に記載され、開示されている。

排出要件、特に、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）レベルに関する排出要件を満たすことは、今も昔も困難である。

現在、大型低速ターボ過給式内燃機関において、ＮＯ_ｘ発生を低減させるためのオプションは理論的いくつか存在する。これらのオプションは、エンジンプロセスに適用されるべきものであり、特に以下のようなものが存在する:
・ 排気ガスまたは燃焼ガスの再循環（ＥＧＲ）
・ 水エマルジョン燃料の使用
・ 新気の加湿、すなわち、掃気加湿（Ｓｃａｖｅｎｇｅ Ａｉｒ Ｍｏｉｓｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ＳＡＭ）
・ 選択触媒還元法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｒｅａｃｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄ；ＳＣＲ）

排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、ＮＯ_ｘを含む排気ガスの低減を目的に、小型高速ディーゼル機関を補助するための一つの手段として知られている。しかし、商業ベースで動作している大型２ストロークディーゼル機関で、排気ガス再循環を使用する機関はほとんど存在しない。その理由として、排気ガス再循環を、大型２ストロークディーゼル機関で行うことが困難である判明したことが挙げられる。大型２ストロークディーゼル機関で排気ガス再循環を行うことがそれほど困難である理由の一つには、これらの機関が、高含有量の硫黄を有する重油で動作されているのが一般的であることがある。これらの機関の排気ガスの硫黄含有量は、硫黄を全く含まない、または低含有量の燃料油で動作される小型のディーゼル機関に比べて、はるかに高い。高濃度の硫黄は、洗浄方法および洗浄装置の選択を著しく狭めるが、それは、それら洗浄方法および洗浄装置のほとんどが、高含有量の硫黄を有する重油を燃やす、大型２ストロークディーゼル機関の排気ガスに存在する、硫黄濃度および硫酸濃度に耐えられないためである。

これらの高硫黄濃度に耐えることが可能であった大型２ストロークディーゼル機関において排気ガスを洗浄する一つの技術に、湿式洗浄がある。湿式洗浄とは、洗浄溶液として水を使用するいわゆる湿式スクラバに、排気ガスを通過させる技術をいう。

別の課題は、排気ガス受けから掃気流まで再循環排気ガスを移送するために必要なパワーであった。大型２ストロークディーゼル機関の掃気圧力は、大型２ストロークディーゼル機関の排気ガス受けの圧力よりも、通常、最大約０．３バール高い。したがって、再循環排気ガスを、排気ガス受けから掃気システムまで押し出すには、ブロワの設置または他の手段が必要となる。ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ １２Ｋ９８ＭＣ−Ｃ機関等の大口径１２又は１４気筒２ストロークディーゼル機関において、このようなブロワの駆動に必要な出力は、約０．５ＭＷと予想される。排気ガスシステムで、電動機を使用するためのエネルギー量としては、この数値はかなり大きく、このような大きな出力要件でブロワを駆動するとなると、膨大なコスト増を招く。

したがって、湿式スクラバおよびブロワ等の機械の初期費用は、大型ディーゼル機関の排気ガス再循環システムにおいて、これら部品の大きさにもよるが、かなりの金額となる。

大型低速２ストローク内燃機関は、機関およびターボ過給機の特性に依存するが、機関の最大連続定格の２５〜４５％以下等の低負荷から中負荷の条件で動作するとき、掃気受けで十分に高い掃気圧力を得るために、ターボ過給機の圧縮機を補助する補助ブロワを必要とする。このため既存の大型低速内燃機関には、低負荷から中負荷の条件での動作を保証するための専用の補助ブロワが設けられている。

このような背景から、本発明の目的は、よりシンプルで、信頼性に優れ、かつ安価な構造を備えた、クロスヘッド型でＥＧＲを有する大型低速２ストロークユニフロー内燃機関を提供することである。

この目的は、次のような、クロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関を提供することによって達成される。この機関は、それぞれ掃気受けおよび排気ガス受けに接続される複数のシリンダと；前記排気ガス受けから排気ガスを受けるタービンおよび高圧掃気を供給する圧縮機を有するターボ過給機と；前記圧縮機の出口から前記掃気受けまで前記高圧掃気を導く掃気流路と；前記シリンダまたは前記排気ガス受けから前記掃気受けまで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路とを備え；前記掃気流路に、送風路が分岐する分岐点を有し；前記排気ガス再循環流路からの全ての排気ガスを受けると共に、前記送風路からの全ての分岐掃気を受けるブロワを備え；前記ブロワは、受け取った全ての排気ガス及び受け取った全ての掃気を、前記掃気受けへと押し出すように構成される。

分岐送風路からの掃気、および再循環排気ガスの両方を受けるブロワを提供することで、単一のブロワを、低負荷から中負荷の条件でターボ過給機を補助し、ＥＧＲ動作中に再循環排気ガスの流れを提供する、という２つの目的で使用することが可能である。ブロワを複数の目的に使用することで、機関の構造が簡略化し、コストが削減される。異なる機能を有する２台のブロワではなく一台のみ導入することで、材料費や設置スペースを削減することができる。

ある実施形態において、前記掃気流路は、配管と、分岐点の上流に設けられる掃気冷却器と、ブロワ動作中の逆流を防ぐために前記分岐点の下流に設けられる逆止弁と、前記逆止弁の下流に設けられる混合室とを備える。低負荷において、前記ブロワは、ＥＧＲ動作を補助すると共に、前記ターボ過給機の補助ブロワとして機能する。その間、前記逆止弁は逆流を防ぐ。このような二重動作の間、ガスはブロワで効率的に混合される。その後、混合ガスは混合室に入る。

高負荷時には補助ブロワのサポートは必要ない。その場合、通常の流路から逆止弁を通過して混合室に入る掃気の流れと、再循環排気ガスとが、混合室で混合されることが可能である。

ある実施形態において、前記ブロワの出口は、前記混合室の入口に接続され、前記混合室の出口は、逆止弁を経由して前記掃気受けに接続される。

ある実施形態において、前記排気ガス再循環流路は、配管およびＥＧＲ冷却器を備える。

ある実施形態において、前記予備送風路は、前記分岐点から前記ブロワの入口へ達し、前記ＥＧＲ流路内の流量および前記掃気流路内の流量を制御し均衡を保つために、送風コントロールバルブを備える。

ある実施形態において、前記機関は、前記ブロワの動作中に逆流を防ぐために、前記送風路内に逆止弁をさらに備える。

ある実施形態において、前記機関は、ＥＧＲ流路から排気ガスの流れを受ける前記ブロワの入口の上流に逆止弁をさらに備え、前記逆止弁は、ＥＧＲサポートがない状態で、前記機関の通常動作中に逆流を防ぐように構成されている。

ある実施形態において、前記機関は、所定のＥＧＲ率に対し、掃気受け内のガスの所定の掃気圧力および所定の酸素含有量または二酸化炭素含有量を維持するように構成される、電子制御ユニットをさらに備える。

ある実施形態において、前記電子制御ユニットは、酸素含有量または二酸化炭素含有量を表す信号、および掃気圧力を表す信号を受信し、前記電子制御ユニットは、前記送風コントロールバルブの位置およびＥＧＲブロワ流量を制御するように構成される。

ある実施形態において、前記ブロワの入口に再循環排気ガスを導く流路は、ＥＧＲコントロールバルブを備え、前記電子制御ユニットは、前記ＥＧＲコントロールバルブの位置を制御するように構成される。

ある実施形態において、前記ブロワは、必要に応じて、前記圧縮機が所望の掃気圧力を達成する補助をし、また前記ブロワは、必要に応じて、再循環排気ガスの必要流量を得る補助をする。

上記の目的は、クロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関を動作させる、次のような方法を提供することによっても達成される。ここで前記機関は、それぞれ掃気受けおよび排気ガス受けに接続される複数のシリンダと；前記排気ガス受けから排気ガスを受けるタービンおよび高圧掃気を供給する圧縮機を有するターボ過給機と；前記圧縮機の出口から前記掃気受けまで前記高圧掃気を導く掃気流路と；前記シリンダまたは前記排気ガス受けから前記掃気受けまで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路と；前記排気ガス再循環流路からの全ての排気ガスを受けると共に、前記送風路からの全ての分岐掃気を受けるブロワとを備える。そして前記方法は、前記ブロワで受けた全ての排気ガス及び該ブロワで受けた全ての掃気を前記掃気受けへと押し出すために、該ブロワを使用することを含む。

ある実施形態において、前記方法は、ＥＧＲ付きで連続的に前記機関を動作させることと；ＥＧＲフローを押し出すために前記ブロワを使用することと；前記圧縮機が掃気圧力を達成することを補助するために、低負荷時に前記ブロワを使用することと；高負荷において燃焼室冷却のためにターボ過給機を補助するべく前記ブロワを使用すること；を含む。

上記の目的はまた、次のようなクロスヘッド式大型低速ストロークユニフロー燃焼機関を提供することによっても達成される。この機関は、それぞれ掃気受けおよび排気ガス受けに接続される複数のシリンダと；前記排気ガス受けから排気ガスを受けるタービンおよび高圧掃気を供給する圧縮機を有するターボ過給機と；前記圧縮機の出口から前記掃気受けまで前記高圧掃気を導く掃気流路と；前記シリンダまたは前記排気ガス受けから前記掃気受けまで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路と；前記掃気受けにＥＧＲフローを押し出すブロワと；前記掃気受け内の酸素濃度または二酸化炭素濃度を表す信号を提供するセンサーと；前記センサーから前記信号を受ける電子制御ユニットと；を備える。前記電子制御ユニットは、前記センサーからの信号に応じて前記ＥＧＲフローを制御するように構成される。

本発明による大型低速ターボ過給式２ストローク燃焼機関およびその動作方法に関するさらなる目的、特徴、利点および特性は、詳細な説明により明らかとなる。

本発明の以下の詳細な部分において、図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する。
例示的な実施形態に従う機関の概略図である。 図１記載の機関の電子制御ユニットおよびコントロールバルブの詳細図である。 別の例示的な実施形態に従う機関の概略図である。

好適な実施形態の詳細な説明

以下において、本発明によるクロスヘッド式大型低速ターボ過給式２ストローク（ディーゼル）燃焼機関に関する詳細説明を、好適な実施形態を用いて行う。

クロスヘッド式大型低速ターボ過給式２ストローク燃焼機関の構造および動作は、それ自体はよく知られており、本発明の背景として更に説明することは不要であろう。排気ガスシステムの動作に関するさらなる詳細について以下に述べる。

図１は、ユニフロー型の大型低速ターボ過給式２ストローク（ディーゼル）内燃機関１の第１の実施形態を示す。機関１は、外航船の主エンジンとして、または発電所の発電機を駆動するための定置エンジンとして使用され得る。機関の全出力は、例えば、２、０００ｋＷから１１０、０００ｋＷの範囲であり得る。

機関１には、直列に配置される複数のシリンダ２が設けられる。各シリンダ２には、そのシリンダカバーに結び付けて排気弁３が設けられる。排気経路は、排気弁３によって開閉可能である。機関１に関して、クロスヘッド４ａ、およびピストンロッドをクランク軸の大端部に接続するコネクティングロッド４ｂも記載する。排気曲がり管５は、排気ガス受け６につながっている。排気ガス受け６は、複数のシリンダ２の列に平行して配置される。排気ガスは、少なくともそのかなりの部分が、排気ガス受け６から排気導管を介してターボ過給機７のタービンＴに向かって誘導される（２台以上のターボ過給機３９が存在してもよい）。排気ガスの別の部分は、再利用され、以下にさらに詳細に記載される、排気ガス再循環流路に入る。排気ガスは、排気ガスバイパス５４を経由して、出口９ａ、９ｂまたは出口９ｃを介して、ターボ過給機７のタービンの下流の大気中に排出される。

また、ターボ過給機７は、新気取り込み口１０ａに接続される圧縮機Ｃも含む。圧縮機Ｃは、掃気流路を介して高圧掃気を掃気受け１１に送る。実施形態によっては、掃気流路は、冷却器１２および水ミスト捕集器１３を有する。水ミスト捕集器１３は、掃気が冷却される時に凝結する水分すべてを除去する。掃気流路は、水ミスト捕集器から逆止弁２４を介して、混合室２５まで続く。また、混合室２５は、以下にさらに詳細に記載する排気ガス再循環流路から再循環排気ガスも受けとる。

掃気流路は、水ミスト捕集器１３の下流および逆止弁２４の上流に、分岐点２３を含む。送風導管２６は、分岐点２３とブロワ３０の入口の間に設けられる。送風導管２６により、掃気の一部または全てが、ブロワ３０の入口まで誘導されることが可能である。送風導管２６は、逆止弁２７および送風コントロールバルブ２８を含む。

掃気は、逆止弁２４、または送風導管２６およびブロワ３０を介して、分岐点から混合室２５に入る。

逆止弁２４を介して混合室２５に入る掃気は、ＥＧＲ動作による再循環排気ガスと混合する。混合室２５の出口は、逆止弁３１を介して掃気受け１１に繋がっている。掃気流路は掃気ユニット３６の一部をなす。実施形態によっては、掃気ユニット３６は、掃気冷却器１２、水ミスト捕集器１３、分岐点２３、逆止弁２４、混合室２５および逆止弁３１を含む。

掃気、または、再循環排気ガスと混合される掃気は、掃気受け１１から個々のシリンダ２の掃気ポート１４に送られる。

排気ガスバイパス５４は、機関の速度を急速に低下させるために設けられる。また排気ガスバイパス５４は、高負荷運転時にターボ過給機の過負荷を防ぐために、排気ガスバイパスに適合するターボ過給機と併用されるかもしれない。

排気ガス受け６と掃気受け１１間の圧力差を低減させるために、シリンダバイパス４７を追加で設けることが可能である。ターボ過給機７の圧縮機Ｃの出口から排気ガス受け６へと温風がバイパスされると、差圧が低減するため、差圧に打ち勝つためにブロワ３０に要するパワーが少なくて済む。排気ガス受け６に通じるバイパス入口６１は、排気ガス再循環ユニット３７へ誘導される排気ガスの二酸化炭素濃度を低減させないように、排気ガス再循環ユニット３７の入口６２から離して設けられる。

また、排気ガス受け６は、出口６２により排気ガス再循環流路に接続される。この出口は排気ガス再循環ユニット３７の一部を形成する。排気ガス再循環ユニット３７は、機関の上部または機関の近傍に配されることができる。再循環流路は、プレスクラバ１５を含み、その先に続いてＥＧＲ冷却器１６、スクラバ１７、水ミスト捕集器１８、ガス吸引室１９を含む。実施啓太によっては、スクラバ１５及び１７は湿式スクラバであり、洗浄用の液滴および蒸気を、一つ以上のノズルから噴霧して排気ガス中に蒸発させることで、排気ガスと混合させる。洗浄用の液滴および蒸気は、通常、水をベースにしている。洗浄用液滴および蒸気は、触媒細粒、残留燃料およびスス粒子等の粒子、硫黄化合物等のガスを吸収し、それによってガスを洗浄する。湿式洗浄は、排気ガスを洗浄する他に、排気ガスを冷却する作用も有する。ＥＧＲ冷却器１６は排気ガスを冷却するので、ＥＧＲ冷却器１６で水分が凝結する場合がある。水ミスト捕集器（水ミスト分離手段）１８は、凝結した水分や、ガス流によってスクラバから運ばれてくる可能性のある小さい水滴を回収する。水ミスト捕集器１８で回収された水は、出口排水管（図示されていない）を介して排出され、すすぎ洗い段階後に再利用される。

排気ガス再循環ユニット３７は、それぞれ基本的に異なる次の２つの方法で使用され得る。
・ 通常動作
・ ＥＧＲ動作

排気ガス再循環ユニット３７の動作に関するさらなる詳細を、以下に記載する。
［通常動作］

排気ガス再循環ユニット３７は、外気冷却ユニットとして動作することができる。その場合、弁４３は閉じられ、弁４１及び４２は開かれ、ターボ過給機３９も作動している。中負荷から高負荷時において、外気は、スクラバのサポートなしで排気ガス再循環ユニット３７に送られ、最終的には逆止弁２９を経由して掃気受け１１まで誘導される。低負荷時では、外気は、導管２１およびブロワ３０を通過して、混合室２５に入り、逆止弁３１を経て、掃気受け１１に送られる。したがって、排気ガス再循環ユニット３７は、外気冷却用ユニットとして動作する。遮断弁４１および遮断弁４２は、第二ターボ過給機３９を接続および遮断するために使用される。第二ターボ過給機３９が作動中のとき、その圧縮機Ｃは、ＥＧＲ冷却器１６に直接圧縮空気を送り、プレスクラバ１５をバイパスする。このために、排気ガス受け６とプレスクラバ１５と間に設けられる導管６２内の遮断弁４３を閉じる。ＥＧＲなしの運転は、機関がＥＧＲなしでもＴｉｅｒ−ＩＩの排気要件を満たす場合に選択されうる。

ブロワ３０は、低負荷時において補助ブロワとして使用可能である。すなわち、ターボ過給機７および３９両方により与えられる掃気圧が適切な燃焼を保証するのに不十分である場合、補助ブロワとして使用可能である。このような場合、外気は、ＥＧＲ冷却器１６から、動作停止中のスクラバ１７、水ミスト捕集器１８、ガス吸引室１９、導管２１を経由し、ブロワ３０を通過して混合室２５に入り、さらに逆止弁３１経由で、掃気受け１１に送られる。
［ＥＧＲ動作］

排気ガス再循環ユニット３７は、排気ガス洗浄装置として動作することができる。この場合、弁４３は開かれており、弁４１及び４２は閉じられており、ターボ過給機３９は作動していない。排気ガスは、排気ガス受け６から開口部６２を通り、プレスクラバ１５へと送られる。ガスはプレスクラバ１５において冷却・洗浄され、そして水分とガスをさらに冷却するためにＥＧＲ冷却器１６へと誘導される。ガス流は、スクラバ１７を通ってさらに洗浄される。スクラバ水の大部分は排気ガスから捕集される。洗浄および冷却後の排気ガスは、追加の水ミスト捕集器１８を通って吸引室１９に入る。吸引室１９の圧力は掃気受け１１の圧力より低いので、逆止弁２９は閉じられる。ガス吸引室１９の出口は、ブロワ３０の入口に通じる導管２１に接続する。導管２１は、逆止弁２０およびＥＧＲコントロールバルブ２２を含む。逆止弁２０は、ブロワ動作中の逆流を防ぐ。

ブロワ３０は、ＥＧＲ流路からは排気ガスを、送風路（導管）２６からは分岐掃気を受ける。ブロワ３０は、電気駆動モーター、油圧駆動モーター、蒸気タービンまたは排気ガスエキスパンダーにより駆動し、ブロワが受ける排気ガスおよび／または掃気の圧力を増加させ、逆止弁３１を経由して掃気受け１１にガスを押し出すように作動する。ブロワの動作（ブロワの速度および／またはディフューザの位置）は、図２に示す電子制御ユニット（ＥＣＵ）により制御される。

電子制御ユニットは、センサー５１から、掃気受け１１内のガスの酸素濃度（含有量）または二酸化炭素濃度（含有量）を表す信号を受ける。また電子制御ユニットは、圧力センサー５２から、掃気受け１１内の圧力を表す信号を受ける。図２に示すように、電子制御ユニットは、導管２６内の送風コントロールバルブ２８および／または導管２１内のＥＧＲコントロールバルブ２２に、制御信号を発する。電子制御ユニットは、機関が、（ＥＧＲ率により、）掃気に所定の酸素または二酸化炭素が含まれるように動作することを保証するように構成されている。また電子制御ユニットは、機関が、十分な掃気圧力により動作することを保証するように構成されている。機関１は、電子制御ユニットの制御により、様々なＥＧＲ率により動作するように、その動作を自由に変更可能である。機関が船舶エンジンの場合、この条件は、ＮＯ_ｘの発生量への制限等、地理的に異なる排気ガス要件に見合うために有利となるであろう。このような要件の例は、ＩＭＯ ＮＯ_ｘ Ｔｉｅｒ−ＩＩおよびＴｉｅｒ−ＩＩＩの規制に基づく。

ターボ過給機の圧縮機Ｃからブロワ３０の入口までの圧力降下が、排気ガス受け６からＥＧＲモジュール３７を通ってブロワ３０の入口までの圧力降下より低い場合（これはよく見られる現象である）、送風コントロールバルブ２８は、分岐点から入る掃気の量を絞ってもよい。送風コントロールバルブ２８を開度を調節することは、掃気モジュール３６からの流量とＥＧＲモジュール３７からの流量とをバランスさせ、それによってＥＧＲ率を制御する。

混合ガスの全流量は、電子制御ユニットからの命令により、ブロワ３０の速度および／またはブロワ３０のディフューザの位置により制御される。

送風コントロールバルブ２８が全開の状態において、通常の補助ブロワの設定値直前の負荷で、高ＥＧＲフローに対応して必要なＥＧＲ率が与えられるように、導管２６を通る流れが適合される（約２５〜３０％負荷のＴｉｅｒ−ＩＩＩモード）。

厳しいＮＯ_ｘ排出制限値を有するＴｉｅｒ−ＩＩＩモードでは、掃気受け１１内で望ましい酸素含有量を達成するために、ブロワ流によりＥＧＲ率を増加させるべきである。導管２６はまた、低負荷において、ターボ過給機７をサポートするために使われる。掃気受け１１内で適切な掃気圧力および適切な酸素含有量得るため、送風コントロールバルブ２８を調節してもよい。
［簡略化した構成］

図３は、上記の実施形態に近いが、構成がより簡略化された別の実施形態を示す。本実施形態において、ＥＧＲシステムは常に動作する。本実施形態は、構造を簡略化し、常時湿った動作条件で、ＥＧＲ冷却器等の二重構造での構成要素を使用する。湿った冷却器表面は、スクラバとしても機能するため、スクラバ１７の設置は必要ない。ブロワが常に動作し、モードおよび負荷範囲に関わらず流れがＥＧＲブロワ３０で完全に制御されるので、本実施形態は、ＥＧＲ弁４３および２２を備えない。低負荷動作またはブロワ故障に関連して起きる現象である、ＥＧＲユニット３７への逆流を防ぐために、逆止弁２０が一つ備えられる。しかし、第２ターボ過給機や、遮断弁４１及び４２、ＥＧＲユニット３７を直接掃気受け１１に接続する逆止弁２９は、必要ないため搭載しない。ターボ過給機７はいくつかの適合戦略によって適合されることができ。適合戦略は導管５４の利用方法に依存しうる。最も簡単な構成では、ターボ過給機は、導管５４なしに適切に搭載されることが可能である。また、排気ガスバイパス５４を備えない実施形態においては、機関制御システムが、ターボ過給機７の過速度運転を防ぐほど十分に速く減速動作を行うことができることが想定されている。この実施形態は、補助送風およびＥＧＲ送風のために、単一ブロワを使用するか、または複数のブロワ３０を並列に使用する。ＥＧＲブロワ３０の設定によっては、導管４７は使われない場合がある。本実施形態において、ＥＧＲ冷却器１６は、湿った動作条件で連続動作する。湿式冷却器表面は、スクラバとしても機能し、従って別個のスクラバ１７は必要ない。ブロワ３０が常に動作し、ブロワ３０およびコントロールバルブ２８によって、モードおよび負荷範囲に関わらず流れが完全に制御されるため、ＥＧＲ導管２１にはスロットル／コントロールバルブ２２は必要ない。

以下の表は、図３の実施形態の動作の可能モードの例を示す。

モード２はフェイルセーフモードであり、ブロワが故障し、モード３や４が使用できない場合モードである。モード２では、負荷が、ターボ過給機７の最大能力によって制限される。

モード３は、ＩＭＯ 例えばＴｉｅｒ−ＩＩの排気要件等を満たすための、低ＥＧＲモードである。機関は、０〜１１０％の負荷範囲で動作可能である。Ｔｉｅｒ−ＩＩの閾値未満のＮＯ_ｘ排気のサイクル値をもたらすＥＧＲ率に到達させるため、低流量の再循環排気ガス、ただし十分な流量の再循環排気ガスを与えるために、ブロワ３０を使用する。ＥＧＲ率は、例えば、０〜１５％間の範囲にある。このモードにおいて、機関が中負荷から高負荷（例：２５％を越える場合）で運転され、ターボ過給機７の圧縮機Ｃが必要掃気圧力に到達するよう補助する必要がない場合、送風コントロールバルブ２８は閉じられる。負荷が低い場合、例えば０〜２５％付加の場合、送風コントロールバルブ２８は開かれ又は調節される。このときブロワ３０は二重の役割を果たす。というのも、ブロワ３０は、ターボ過給機７の圧縮機Ｃが、必要掃気圧力に到達するよう補助するからである。

モード４は、ＩＭＯ Ｔｉｅｒ−ＩＩＩの排気要件等を満たすための、高ＥＧＲモードである。機関１は、０〜１１０％の負荷範囲で動作可能である。ブロワ３０は、かなり多くの再循環排気ガスをもたらすように使用される。すなわち、厳格なＴｉｅｒ−ＩＩＩの閾値未満のＮＯ_ｘ排気のサイクル値をもたらすＥＧＲ率に到達させるため、かなり多くの再循環排気ガスをもたらすように使用される。ＥＧＲ率は、例えば、３０〜４０％の範囲にある。このモードにおいても、機関が中負荷から高負荷（例：２５％を越える場合）で運転され、ターボ過給機７の圧縮機Ｃが必要掃気圧力に到達するよう補助する必要がない場合、送風コントロールバルブ２８は閉じられる。負荷が低い場合、例えば０〜２５％付加の場合、送風コントロールバルブ２８は開かれ又は調節される。このときブロワ３０は二重の役割を果たす。というのも、ブロワ３０は、ターボ過給機７の圧縮機Ｃが、必要掃気圧力に到達するよう補助するからである。

本発明の技術思想には、多くの利点がある。実施形態または実装形態によって、以下の利点のうち一つまたは複数を提供する。これは包括的なリストではなく、本明細書記載以外の利点が他にも存在する可能性があることに留意されたい。

本発明の技術思想の利点は、排気ガス再循環を有する大型低速２ストローク燃焼機関のガス交換システムを、よりシンプルな構造で提供することにある。別の利点は、排気ガス再循環を備えた大型低速２ストローク燃焼機関の動作の自由度を高め、部分負荷における、ＩＭＯ Ｔｉｅｒ−ＩＩの排気モードでの燃料最適化動作を可能にすることにある。しかし、明らかな利点は、最終費用の低減のために、多くの部品を削減することができることである。

本発明について例示の目的のために詳細に説明してきたが、このような詳細説明が単にその目的のためのものであること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく、当業者が変形を加えてもよいことを理解されたい。例えば、発明の原理をより大型の機関に適合させることが可能であって、その場合、流量要件を満たすために、より多くのターボ過給機や排気ガスシステムが並行して必要となるだろう。ブロワを導入することについても、同様に考慮することが可能である。つまり、必要な流量の要請や、補助ブロワ動作の冗長性のためというシンプルな要請のために、複数台のブロワを設置することが普通となるだろう。

本発明の技術思想を実装する代替方法が多く存在することに留意されたい。例えば、再循環排気ガスおよび掃気の両方の圧力を増大させるブロワを、既存の機関を改造して搭載してもよい。ブロワを統合した機関システムとしてもよい。また、ブロワを含む単独の排気ガスユニットとし、機関近傍に配置し、導管で機関に接続してもよい。

別の実施形態において、クロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関１は、それぞれ掃気受け１１および排気ガス受け６に接続される複数のシリンダ２と；前記排気ガス受け６から排気ガスを受けるタービンＴおよび高圧掃気を供給する圧縮機Ｃを有するターボ過給機７と；前記圧縮機Ｃの出口から前記掃気受け１１まで前記高圧掃気を導く掃気流路と；前記シリンダ２または前記排気ガス受け６から前記掃気受け１１まで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路と；前記掃気受け１１にＥＧＲフローを押し出すブロワ３０と；前記掃気受け１１内の酸素濃度または二酸化炭素濃度を表す信号を提供するセンサー５１と；前記センサー５１から前記信号を受ける電子制御ユニットＥＣＵと；を備える。前記電子制御ユニットＥＣＵは、前記センサー５１からの信号に応じて前記ＥＧＲフローを制御するように構成される。

酸素濃度が測定されるとき、実施形態によっては、電子制御ユニットＥＣＵは、掃気受け１１の酸素濃度が閾値を越えるとＥＧＲ率を増大させるように構成される。さらに場合によっては、掃気受け１１の酸素濃度が特定の閾値未満になるとＥＧＲ率を減少させるように構成される。

二酸化炭素濃度が測定されるとき、実施啓太によっては、電子制御ユニットＥＣＵは、掃気受け１１の二酸化炭素濃度が閾値を越えるとＥＧＲ率を減少させるように構成される。さらに場合によっては、掃気受け１１の二酸化炭素濃度が特定の閾値未満になるとＥＧＲ率を増大させるように構成される。

本実施形態の変形例として、電子制御ユニットＥＣＵは、ブロワ３０の速度を制御することで、ＥＧＲ率を操作するように構成される。

請求項で使用する「〜を備える」は、他の要素や段階を排除するものではない。請求項で使用する各要素の数は、複数の場合を排除しない。

電子制御ユニットは、請求項記載の手段のいくつかとなりうる。

請求項記載の参照符号は、範囲を限定するように解釈してはならない。

本発明について例示の目的のために詳細に説明してきたが、このような詳細説明が単に例示目的のためのものであること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく、当業者が変形を加えてもよいことを理解されたい。

Claims (13)

1. それぞれ掃気受け（１１）および排気ガス受け（６）に接続される複数のシリンダ（２）と；
   前記排気ガス受け（６）から排気ガスを受けるタービン（Ｔ）および高圧掃気を供給する圧縮機（Ｃ）を有するターボ過給機（７）と；
   前記圧縮機（Ｃ）の出口から前記掃気受け（１１）まで前記高圧掃気を導く掃気流路と；
   前記シリンダ（２）または前記排気ガス受け（６）から前記掃気受け（１１）まで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路と；
   を備えるクロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関（１）であって、
   前記掃気流路に、送風路（２６）が分岐する分岐点（２３）を有し；
   前記排気ガス再循環流路からの全ての排気ガスを受けると共に、前記送風路（２６）からの全ての分岐掃気を受けるブロワ（３０）を備え；
   前記ブロワ（３０）は、受け取った全ての排気ガス及び受け取った全ての掃気を、前記掃気受け（１１）へと押し出す；
   ことを特徴とする、クロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関（１）。
2. 前記掃気流路は、配管と、分岐点（２３）の上流に設けられる掃気冷却器（１２）と、前記ブロワ（３０）動作中の逆流を防ぐために前記分岐点（２３）の下流に設けられる逆止弁（２４）と、前記逆止弁の下流に設けられる混合室（２５）と、を備える、請求項１に記載の機関（１）。
3. 前記ブロワ（３０）の出口は、前記混合室（２５）の入口に接続され、前記混合室（２５）の出口は、逆止弁（３１）を介して前記掃気受けに接続される、請求項２に記載の機関（１）。
4. 前記排気ガス再循環流路は、配管およびＥＧＲ冷却器（１６）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の機関（１）。
5. 前記送風路（２６）は、前記分岐点（２３）から前記ブロワ（３０）の入口へ達し、前記送風路内の流量を制御するために送風コントロールバルブ（２８）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の機関（１）。
6. 前記排気ガス再循環流路から排気ガスの流れを受ける前記ブロワ（３０）の入口の上流に逆止弁（２０）をさらに備え、前記逆止弁（２０）は、前記ブロワ（３０）の動作または故障中に逆流を防ぐように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の機関（１）。
7. 所定のＥＧＲ率に対し、前記掃気受け（１１）内のガスの所定の掃気圧力および所定の酸素含有量濃度または二酸化炭素含有量濃度を維持するように構成される、電子制御ユニット（ＥＣＵ）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の機関（１）。
8. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、酸素含有量または二酸化炭素含有量を表す信号、および掃気圧力を表す信号を受信し、前記電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、前記送風コントロールバルブ（２８）の位置を制御するように構成される、請求項７に記載の機関（１）。
9. 前記電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、
   機関が低負荷で動作しており、前記圧縮機により送られる掃気の圧力が不十分であるとき、前記ブロワ３０の速度を制御し、前記送風コントロールバルブ（２８）を開に保つことと；
   機関が中負荷から高負荷で動作しており、前記圧縮機により送られる掃気の圧力が十分であるとき、前記送風コントロールバルブ（２８）を閉めることと；
   により、前記掃気受け内の掃気圧力と、前記掃気受け内の酸素含有量または二酸化炭素含有量とを制御するように構成される、請求項８に記載の機関（１）。
10. 再循環排気ガスを前記ブロワ（３０）の入口に導く流路は、ＥＧＲコントロールバルブ（２２）を備え、前記電子制御ユニット（ＥＣＵ）が、前記ＥＧＲコントロールバルブ（２２）の位置を制御するように構成される、請求項８に記載の機関（１）。
11. 前記ブロワ（３０）は、必要に応じて、前記圧縮機が所望の掃気圧力を達成する補助をし、
    また前記ブロワ（３０）は、必要に応じて、再循環排気ガスの必要流量を得る補助をする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の機関（１）。
12. クロスヘッド式大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関を動作させる方法であって、
    前記機関（１）が、
    それぞれ掃気受け（１１）および排気ガス受け（６）に接続される複数のシリンダ（２）と；
    前記排気ガス受け（６）から排気ガスを受けるタービン（Ｔ）および高圧掃気を供給する圧縮機（Ｃ）を有するターボ過給機（７）と；
    前記圧縮機（Ｃ）の出口から前記掃気受け（１１）まで前記高圧掃気を導く掃気流路と；
    前記シリンダ（２）または前記排気ガス受け（６）から前記掃気受け（１１）まで排気ガスの少なくとも一部分を再循環する排気ガス再循環流路と；
    前記排気ガス再循環流路からの全ての排気ガスを受けると共に、前記送風路（２６）からの全ての分岐掃気を受けるブロワ（３０）と；
    を備え、
    前記方法は、前記ブロワで受けた全ての排気ガス及び該ブロワで受けた全ての掃気を前記掃気受け（１１）へと押し出すために、該ブロワ（３０）を使用することを含む、方法。
13. ＥＧＲ付きで連続的に前記機関（１）を動作させることと；
    ＥＧＲフローを押し出すために前記ブロワ（３０）を使用することと；
    前記圧縮機が掃気圧力を達成することを補助するために、低負荷時のみ前記ブロワを使用することと；
    を含む、請求項１２に記載の方法。

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