JP6595571B2 - Two-stroke compression ignition engine with large turbocharger with exhaust gas recirculation - Google Patents
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Description
本発明は、排気ガス浄化システムを含むクロスヘッド型の大型ターボチャージャー付き2サイクル圧縮点火内燃エンジンに関する。 The present invention relates to a two-stroke compression ignition internal combustion engine with a crosshead type large turbocharger including an exhaust gas purification system.
クロスヘッド型の大型2サイクル圧縮点火内燃エンジンは、典型的には、大型船の推進システムにおいて、または、発電所におけるエンジンとして使用される。特に、窒素の酸化物(NOx)のレベルに関して排出規制に従うことは、これまでも困難であったが、これから益々困難になる。 Crosshead large two-cycle compression ignition internal combustion engines are typically used in large ship propulsion systems or as engines in power plants. In particular, complying with emission regulations regarding nitrogen oxide (NOx) levels has been difficult, but will become increasingly difficult.
排気ガス再循環は、燃焼エンジンがNOxを減らす際の補助になるとして知られた手段である。 Exhaust gas recirculation is a means known to assist combustion engines in reducing NOx.
国際海事機関(IMO:International Maritime Organization)Tier II、および特にTier III排出規格などのこれらの排出規制は、排気ガス再循環システムを使用せずに従うことは困難である。好ましくは、排気ガス再循環率は可変である。 These emission regulations, such as the International Maritime Organization (IMO) Tier II, and especially the Tier III emission standards, are difficult to follow without the use of an exhaust gas recirculation system. Preferably, the exhaust gas recirculation rate is variable.
デンマーク国特許第177388号は、請求項1のプリアンブルに従った大型2サイクル圧縮点火内燃エンジンを開示する。
Danish Patent No. 177388 discloses a large two-cycle compression ignition internal combustion engine according to the preamble of
エンジン・シリンダとターボチャージャーとからなるエネルギー・システムは、すべての動作条件において慎重に均衡をとられなければならない。均衡がとられない場合、シリンダにおけるサイクル・プロセスのための境界条件が許容できなくなり、および/または、ターボチャージャーの圧縮機がサージ状態またはチョーク状態になる。圧縮機特性が、ターボチャージャーがその最大効率の近くであるが、圧縮機の安定性を確実なものとする十分なサージ余裕をともなって動作しているか否かを決定する。過渡状態、例えば、速いエンジン負荷軽減中、または、異常状況中、ターボチャージャーの動作点が圧縮機マップ内においてサージ・ラインに近づき得るので、サージ余裕が必要である。 Energy systems consisting of engine cylinders and turbochargers must be carefully balanced in all operating conditions. If unbalanced, boundary conditions for the cycle process in the cylinder will be unacceptable and / or the turbocharger compressor will be in a surge or choke condition. The compressor characteristics determine whether the turbocharger is near its maximum efficiency but is operating with sufficient surge margin to ensure the stability of the compressor. A surge margin is required because the operating point of the turbocharger can approach the surge line in the compressor map during transient conditions, such as during fast engine load reduction or abnormal conditions.
エンジンが、高圧排気ガス再循環をともなう場合、および、ともなわない場合と、固定されたターボチャージャー・コンポーネントを含む場合との両方の動作モードを提供しなければならないとき、「均衡をとること」が著しく複雑となる。排気ガス受容器から掃気空気受容器への排気ガス再循環ラインが冷却器を含み、冷却器が、エネルギー・システムから非常に膨大な量のエネルギーを取り除くということが理由である。このエネルギーは、船舶の中央冷却器内で「失われる」。有効な排気ガス再循環なしで稼働するとき、このエネルギー除去は行われない。したがって、排気ガス再循環動作から非排気ガス再循環動作への、および、逆のスイッチング時、エネルギー・システムにおける均衡が著しく異なる。 “Balance” is when an engine must provide modes of operation both with and without high pressure exhaust gas recirculation and with a fixed turbocharger component. Remarkably complicated. This is because the exhaust gas recirculation line from the exhaust gas receiver to the scavenging air receiver includes a cooler, which removes a very large amount of energy from the energy system. This energy is “lost” in the ship's central cooler. This energy removal does not occur when operating without effective exhaust gas recirculation. Thus, the balance in the energy system is significantly different during switching from exhaust gas recirculation operation to non-exhaust gas recirculation operation and vice versa.
現在、圧縮機出口からタービン入口へのシリンダ・バイパス、およびタービン・バイパスを使用することにより、「均衡」が確立される。これらのバイパスの制御技法は、各動作モードにおけるエネルギー除去を補償するように設計される。排気ガス再循環をともなわずに稼働するとき、タービン・バイパスがタービンに伝達される出力を下げ、排気ガス再循環をともなって稼働するとき、シリンダ・バイパスがタービンに伝達される出力を上げる。あわせると、これらの手段が、有効または無効な排気ガス再循環ラインの効果を補償するとともに、シリンダを通る掃気空気の流れを減らす。 Currently, a “balance” is established by using a cylinder bypass from the compressor outlet to the turbine inlet and the turbine bypass. These bypass control techniques are designed to compensate for energy removal in each mode of operation. When operating without exhaust gas recirculation, the turbine bypass reduces the power transmitted to the turbine, and when operating with exhaust gas recirculation, the cylinder bypass increases the power transmitted to the turbine. Together, these means compensate for the effects of an effective or ineffective exhaust gas recirculation line and reduce the flow of scavenging air through the cylinder.
したがって、バイパスを使用する必要性を最小とし、排気ガス再循環冷却器内におけるエネルギー損を最小としながら、排気ガス再循環をともなう動作と排気ガス再循環をともなわない動作との両方に対してターボチャージャーの均衡がとられるターボチャージャー付き2サイクル圧縮点火内燃エンジンが必要とされる。 Therefore, turbo for both operations with and without exhaust gas recirculation while minimizing the need to use a bypass and minimizing energy loss in the exhaust gas recirculation cooler. What is needed is a turbocharged two-stroke compression ignition internal combustion engine in which the charger is balanced.
上述の観点から、上述の問題を解決する、または少なくとも低減するクロスヘッドを含む大型2サイクル圧縮点火内燃エンジンが本発明の目的である。 In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a large two-cycle compression ignition internal combustion engine that includes a crosshead that solves or at least reduces the above-described problems.
独立請求項の特徴により、上述の目的および他の目的が達成される。従属請求項、明細書、および図面から、さらなる実施態様が明らかとなる。 The above and other objects are achieved by the features of the independent claims. Further embodiments will be apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
第1の態様によると、クロスヘッドを含む大型ターボチャージャー付き2サイクル圧縮点火燃焼エンジンであって、各シリンダが掃気ポートおよび排気弁を備える、複数のシリンダと、シリンダのそれぞれの排気弁を介してシリンダに接続された排気ガス受容器と、ターボチャージャーと、ターボチャージャーのタービンに排気ガス受容器の出口を接続する排気ガス管と、タービンにより駆動されるターボチャージャーのターボチャージャー圧縮機と、掃気空気受容器の入口にターボチャージャー圧縮機の出口を接続する掃気空気管であって、掃気空気管が、掃気空気冷却器を備え、掃気空気受容器が、シリンダのそれぞれの掃気ポートを介してシリンダに接続された、掃気空気管と、排気ガスの一部分を再循環させてシリンダに戻すための排気ガス再循環管であって、排気ガス再循環管が、再循環された排気ガスをシリンダに戻すためのブロワまたは圧縮機を備える、排気ガス再循環管と、掃気空気冷却器の上流における掃気空気管からターボチャージャーのタービンに高温掃気空気の一部分を搬送することによりシリンダをバイパスするためのシリンダ・バイパス管と、ボイラーとを備えたエンジンにおいて、エンジンが、シリンダからボイラー(36)を通して排気ガスの少なくとも第1の部分を搬送するように構成され、エンジンが、少なくとも2つの動作モードをもち、エンジンが、第1の動作モードにおいて、排気ガスの第1の部分をシリンダからボイラー(36)を通して搬送し、ボイラー(36)から排気ガス再循環管を通してシリンダに戻すように搬送するとともに、高温掃気空気の一部分を掃気空気冷却器の上流の掃気空気管からバイパス管を通してタービンに搬送するように構成され、エンジンが、第2の動作モードにおいて、排気ガス再循環管を通る流れを防ぎ、バイパス管を通る流れを防ぐとともに、ボイラーを通して搬送される排気ガスの第1の部分をボイラーからタービンに搬送するように構成されることを特徴とする、エンジンが提供される。 According to a first aspect, a two-stroke compression ignition combustion engine with a large turbocharger including a crosshead, wherein each cylinder comprises a scavenging port and an exhaust valve, via each exhaust valve of the cylinder An exhaust gas receiver connected to the cylinder, a turbocharger, an exhaust gas pipe connecting the outlet of the exhaust gas receiver to a turbine of the turbocharger, a turbocharger compressor of a turbocharger driven by the turbine, and scavenging air A scavenging air pipe connecting the outlet of the turbocharger compressor to the inlet of the receiver, the scavenging air pipe comprising a scavenging air cooler, wherein the scavenging air receiver is connected to the cylinder via a respective scavenging port of the cylinder To connect the scavenging air pipe and recirculate part of the exhaust gas back to the cylinder An exhaust gas recirculation pipe, the exhaust gas recirculation pipe comprising a blower or compressor for returning the recirculated exhaust gas to the cylinder, and scavenging upstream of the scavenging air cooler In an engine with a cylinder bypass pipe and a boiler for bypassing the cylinder by conveying a portion of the hot scavenged air from the air pipe to the turbine of the turbocharger, the engine exhaust gas from the cylinder through the boiler (36). The engine has at least two modes of operation, and the engine, in the first mode of operation, passes the first portion of exhaust gas from the cylinder through the boiler (36). When transported and returned from the boiler (36) to the cylinder through the exhaust gas recirculation pipe And configured to convey a portion of the hot scavenging air from the scavenging air pipe upstream of the scavenging air cooler to the turbine through a bypass pipe, wherein the engine is configured to flow in the second mode of operation through the exhaust gas recirculation pipe. An engine is provided that is configured to prevent and prevent flow through a bypass pipe and to convey a first portion of exhaust gas conveyed through the boiler from the boiler to the turbine.
排気ガス再循環動作と非排気ガス再循環動作との両方において排気ガスからエネルギーを取り除くボイラーを含むことにより、エネルギー・システムは、両方の動作モードにおいて均衡をとられ、非排気ガス再循環動作のためのタービン・バイパスを使用しない。その代わり、エネルギー・システムは、システムからエネルギーを取り除くために、排気ガス受容器と並列にボイラー、すなわち、高圧ボイラーを使用する。ガス温度および密度が高く、その結果、非常に高効率の熱交換器または高圧ボイラーをもたらし、タービン出口後における従来のボイラーより著しくサイズが小さく、著しくコストの低い有用な蒸気を提供するという大きな利点がある。このことは、蒸気が常に必要とされる船舶においてエンジンが使用される場合に特に有用である。 By including a boiler that removes energy from the exhaust gas in both exhaust and non-exhaust gas recirculation operations, the energy system is balanced in both modes of operation, Do not use turbine bypass for Instead, the energy system uses a boiler, i.e. a high pressure boiler, in parallel with the exhaust gas receiver to remove energy from the system. The great advantage of high gas temperature and density, resulting in a very efficient heat exchanger or high pressure boiler, providing useful steam that is significantly smaller in size and significantly less costly than conventional boilers after the turbine exit There is. This is particularly useful when the engine is used in a ship where steam is always needed.
第1の態様の第1の可能な実施態様において、エンジンは、ボイラーを通さずにシリンダからタービンに排気ガスの第2の部分を搬送するように構成される。 In a first possible embodiment of the first aspect, the engine is configured to convey a second portion of exhaust gas from the cylinder to the turbine without passing through the boiler.
第1の態様の第2の可能な実施態様において、エンジンは、掃気空気管に補助ブロワを備え、エンジンは、ボイラーの蒸気生成を最大化するために、補助ブロワを動作させるように構成される。 In a second possible embodiment of the first aspect, the engine comprises an auxiliary blower in the scavenging air tube and the engine is configured to operate the auxiliary blower to maximize boiler steam production. .
第1の態様の第3の可能な実施態様において、排気ガスの第1の部分と排気ガスの第2の部分とが一緒にシリンダからの総排気ガスを形成する。 In a third possible embodiment of the first aspect, the first portion of exhaust gas and the second portion of exhaust gas together form a total exhaust gas from the cylinder.
第1の態様の第4の可能な実施態様において、エンジンは、ボイラーを含むボイラー管を備え、ボイラー管の入口が、第1の位置において排気ガス受容器または排気ガス管に接続される。 In a fourth possible embodiment of the first aspect, the engine comprises a boiler tube including a boiler, the boiler tube inlet being connected to the exhaust gas receiver or the exhaust gas tube in a first position.
第1の態様の第5の可能な実施態様において、ボイラー管の出口は、第3の位置において排気ガス再循環管に接続され、第3の位置が、好ましくは、ブロワまたは圧縮機の上流にある。 In a fifth possible embodiment of the first aspect, the outlet of the boiler pipe is connected to the exhaust gas recirculation pipe in a third position, which is preferably upstream of the blower or compressor. is there.
第1の態様の第6の可能な実施態様において、ボイラー管の出口が、第1の位置の下流の第2の位置において排気ガス管に接続される。 In a sixth possible embodiment of the first aspect, the outlet of the boiler pipe is connected to the exhaust gas pipe at a second position downstream of the first position.
第1の態様の第7の可能な実施態様において、エンジンは、排気ガス再循環管に第1の制御弁を備える。 In a seventh possible embodiment of the first aspect, the engine comprises a first control valve in the exhaust gas recirculation pipe.
第1の態様の第8の可能な実施態様において、エンジンは、バイパス管に第2の制御弁を備える。 In an eighth possible embodiment of the first aspect, the engine comprises a second control valve in the bypass pipe.
第1の態様の第9の可能な実施態様において、エンジンは、第3の位置と排気ガス再循環管が排気ガス管に接続する位置との間に第3の制御弁を備える。 In a ninth possible embodiment of the first aspect, the engine comprises a third control valve between the third position and the position where the exhaust gas recirculation pipe connects to the exhaust gas pipe.
第1の態様の第10の可能な実施態様において、排気ガス再循環管は、排気ガス再循環冷却器を備える。 In a tenth possible embodiment of the first aspect, the exhaust gas recirculation tube comprises an exhaust gas recirculation cooler.
第1の態様の第11の可能な実施態様において、ボイラーと排気ガス管との間における排気ガス流の分割は、所望のターボチャージャー均衡に従って制御される。 In an eleven possible embodiment of the first aspect, the splitting of the exhaust gas flow between the boiler and the exhaust gas pipe is controlled according to the desired turbocharger balance.
第1の態様の第12の可能な実施態様において、ボイラーは、排気ガス受容器に一体化される。 In a twelfth possible embodiment of the first aspect, the boiler is integrated into the exhaust gas receiver.
第1の態様の第13の可能な実施態様において、排気ガス受容器の出口において実質的に一定の圧力を提供するために、個々のシリンダの排気からの圧力パルスを等化するために、排気ガス受容器は大容量である。 In a thirteenth possible embodiment of the first aspect, the exhaust gas is used to equalize pressure pulses from the exhausts of the individual cylinders in order to provide a substantially constant pressure at the outlet of the exhaust gas receiver. The gas receiver has a large capacity.
第1の態様の第14の可能な実施態様において、エンジンは、関連する負荷条件においてターボチャージャーを支援するために掃気空気管に関係する補助ブロワをさらに備える。 In a fourteenth possible embodiment of the first aspect, the engine further comprises an auxiliary blower associated with the scavenging air tube to assist the turbocharger at the associated load conditions.
第1の態様の第15の可能な実施態様において、個々のシリンダに対して入口流によりもたらされる圧力サージを減らすために、掃気空気受容器は大容量である。 In a fifteenth possible embodiment of the first aspect, the scavenging air receiver is of high capacity to reduce the pressure surge caused by the inlet flow for the individual cylinders.
第1の態様の第16の可能な実施態様においてエンジンは、ボイラーの蒸気生成を最大化することを目的として、すべてのエンジン負荷レベルにおいて補助ブロワを動作させるように構成される。したがって、主エンジンの低負荷エリア内における蒸気生成を増やすためのオイル・バーナーなどの使用が減らされ得るか、または避けられ得る。 In a sixteenth possible embodiment of the first aspect, the engine is configured to operate the auxiliary blower at all engine load levels with the goal of maximizing boiler steam production. Thus, the use of oil burners or the like to increase steam generation in the low load area of the main engine can be reduced or avoided.
第1の態様の第17の可能な実施態様において、エンジンは、タービンの低圧側に蒸気ボイラーを備えない。 In a seventeenth possible embodiment of the first aspect, the engine does not comprise a steam boiler on the low pressure side of the turbine.
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかとなる。 These and other aspects of the invention will be apparent from the embodiments described below.
本開示の以下の詳細部分において、本発明は、図面に示される例示的な実施形態を参照しながらさらに詳細に説明される。 In the following detailed portion of the disclosure, the present invention will be described in further detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawings.
以下の詳細な説明において、大型2サイクル圧縮点火内燃エンジンが例示的な実施形態により説明される。図1および図2は、上から見た図において、クランクシャフト22とクロスヘッド23とを含む大型低速ターボチャージャー付き2サイクル圧縮点火内燃エンジンを示す。図3は、吸気および排気システムを含む概略図としてのエンジンを示す。この例示的な実施形態において、エンジンは、一列に並んだ6つのシリンダ1を含む。大型ターボチャージャー付き2サイクル・ディーゼル・エンジンは、典型的には、エンジン・フレーム24により支えられたシリンダ・フレーム25により支持された、一列に並んだ5個から16個の間のシリンダを含む。エンジンは、例えば、外洋航行船舶内の主エンジンとして、または、発電所内において発電機を動作させる定置エンジンとして使用され得る。エンジンの総出力は、例えば、5,000から110,000kWの範囲であり得る。
In the following detailed description, a large two-cycle compression ignition internal combustion engine will be described by way of an exemplary embodiment. 1 and 2 show a two-cycle compression ignition internal combustion engine with a large, low speed turbocharger that includes a
エンジンは、シリンダ1の下領域におけるピストン制御式ポートのリングの形態の掃気ポート19とシリンダ1の上部における排気弁4とを含む2サイクル・ユニフロー型のディーゼル(圧縮点火)エンジンである。したがって、燃焼チャンバ内における流れは常に下から上に向かうので、エンジンはいわゆるユニフロー型である。掃気空気は、掃気空気受容器2から個々のシリンダ1の掃気空気ポート19に渡される。シリンダ1内の往復ピストン21が掃気空気を圧縮し、シリンダ・カバー26内に配置された2つまたは3つの燃料弁27を介して燃料が注入される。燃焼が続き、排気ガスが生成される。排気弁4が開いたとき、排気ガスが、排気ガス受容器3に関係するシリンダ1に関係する排気導管20を通り、排気ガス管18を通ってターボチャージャー5のタービン6に進むように流れ、排気ガスは、排気管7を通ってタービン6から離れるように流れる。タービン6は、シャフト8を通して、空気入口10を介して供給される圧縮機9を駆動する。
The engine is a two-cycle uniflow diesel (compression ignition) engine that includes a scavenging
圧縮機9は、加圧された掃気空気を掃気空気受容器2につながる掃気空気管11に送達する。管11内の掃気空気は、掃気空気を冷却するための中間冷却器12を通る。冷却された掃気空気は、低いまたは部分的な負荷条件において給気流を加圧する電動モーター17により駆動される補助ブロワ16を介して、給気受容器2に伝わる。より大きな負荷において、ターボチャージャー圧縮機9が十分な圧縮された掃気空気を送達し、続いて、補助ブロワ16が逆止め弁15を介してバイパスされ得る。
The
排気ガス受容器3は、並列に、シリンダ1の列の上部に非常に近く配置された大きな長尺円筒コンテナである。排気ガス受容器3は、排気弁4の開口における個々のシリンダ1からの排気ガスの周期的な流入によりもたらされる圧力パルスを排気ガス受容器が等化することを可能にするほど大容量である。排気ガス受容器3の等化効果は、排気ガス受容器3の出口において実質的に一定の圧力を提供する。排気ガス駆動式ターボチャージャー5または大型2サイクル・ディーゼル・エンジンにおいて使用されるターボチャージャー5が一定の供給圧による恩恵を受けるので、排気ガス受容器3の出口における一定の圧力は有益である。
The
排気ガス受容器3から、排気ガスが、排気管18を介してターボチャージャー5のタービン6に向けて導かれる(複数のターボチャージャー5が存在し得、さらに、複数の排気ガス受容器3が存在し得る)。排気ガスは、タービン6の下流の雰囲気内に廃棄される。ターボチャージャー5は定圧ターボチャージャーであり、すなわち、ターボチャージャー5は、排気ガス内に圧力パルスをともなう動作のために構成されるのではない。ターボチャージャー5は、軸流または半径流タービンを含み、最大約500から550℃の排気ガス温度のために構成される。
From the
ターボチャージャー5は、シャフト8を介してタービン6により駆動される圧縮機9をさらに含む。圧縮機9は、空気吸気部10に接続される。圧縮機9は、掃気空気冷却器12を含む掃気空気管11を介して掃気空気受容器2に高圧掃気空気を送達する。
The
掃気空気受容器2は、並列に、シリンダ1の列の底部の非常に近くに位置する大きな長尺円筒コンテナである。掃気空気受容器2は、掃気ポート19の開口における個々のシリンダ1への掃気空気の周期的な流出によりもたらされる圧力降下を、掃気空気受容器2が補償することを可能にするほど大容量である。掃気空気受容器2の補償効果は、実質的に同じ掃気空気圧が各シリンダ1のために利用可能となるように、掃気空気受容器2内に実質的に一定の圧力を提供する。大型2サイクル・ディーゼル・エンジンにおいて使用されるターボチャージャーまたはターボチャージャー5が一定の供給圧を使用して動作され、一定の供給圧を送達するので、すなわち、個々のシリンダ1を掃気するために利用可能な圧力パルスが存在しないので、掃気空気受容器2内における定圧が必要とされる。
The scavenging
従来技術のエンジンは、図4に示される排気ガス再循環システムを備える。排気ガス再循環システムは、例えば、燃焼温度を下げるために、および、それによりNOx排出を減らすために、掃気空気内にシリンダ1から来る排気ガスの一部分を搬送するように構成される。排気ガス再循環システムは、有効または無効であり得るか、または、排気ガス再循環率を変化させながら動作する種類のものである。排気ガス再循環システムは、排気ガス受容器3からまたは排気ガス管18から、掃気空気管11にまたは掃気空気受容器2に延びた管30を含む。代替的に、排気ガスは、シリンダ1から弁またはポート(図示せず)を介して直接取得され得る。
The prior art engine comprises the exhaust gas recirculation system shown in FIG. Exhaust gas recirculation system, for example, in order to lower the combustion temperature, and, in order to reduce it by NO x emissions, configured to carry a portion of the exhaust gas coming from the
図4に示される従来技術において、排気ガス再循環管30は、排気ガス管18を掃気空気管11に接続する。排気ガス再循環管30は、排気ガス受容器3の下流の位置において排気ガス管18から分岐し、掃気空気冷却器12の下流または上流の位置において掃気空気管11に接続する。
In the prior art shown in FIG. 4, the exhaust
排気ガス再循環管30は、様々なコンポーネントを含む。これらのコンポーネントは、スクラバーまたはフィルタなどの洗浄機器、(電動モーターにより、または液圧モーターにより駆動される)吸引ブロワ32、および第1の制御弁34を含む。
The exhaust
ブロワ32および第1の制御弁34、すなわち、排気ガス再循環管30のコンポーネントは、電子制御ユニット(図示せず)に接続される。電子制御ユニットは、動作状態に基づいて、および/または、人間の操作者からの入力に基づいて、排気ガス再循環システムの活動を制御する。電子制御ユニットは、排気ガス再循環システムを有効化および無効化すること、および、必要な場合、排気ガス再循環率、すなわち空気と排気ガスとの間の比を可変的に制御することが可能であるように構成される。
The
従来技術のエンジンは、排気ガス管18に掃気空気管11を接続するシリンダ・バイパス管40を備える。シリンダ・バイパス管40の一端部が、圧縮機9の下流および掃気空気冷却器12の上流の位置において掃気空気管11に接続される。シリンダ・バイパス管40の他端部は、排気ガス再循環管30が排気ガス管18に接続する位置の下流の、および、タービン6の入口の上流の位置において排気ガス管18に接続される。排気ガス管18に沿った他の接続位置も可能である。
The prior art engine includes a
シリンダ・バイパス管40は、掃気空気流路11から排気管18への掃気空気の流れを、例えば、電子制御ユニットまたは人間の操作者の指示に基づいて調節する第2の制御弁41を含む。第2の制御弁41は、弁を通る流れに対して可変および制御可能な程度の絞りをもつ。
The
代替的に、第2の制御弁4は、電子制御ユニットにより、または人間の操作者により制御されるオン/オフ型である。本実施形態において、電子制御ユニットは、排気ガス再循環システムが有効であるときに、第2の制御弁41を開くように構成され、排気ガス再循環システムが無効であるときに、第2の制御弁41を閉じるように構成される。
Alternatively, the second control valve 4 is an on / off type that is controlled by an electronic control unit or by a human operator. In this embodiment, the electronic control unit is configured to open the
排気ガス再循環システムは、様々な理由により無効にされ得る。理由のうちの1つは、排気ガス再循環システムの欠陥または異常であり得る。排気ガス再循環システムの無効の別の理由は、Tier II NOx排出レベルに関連したエンジンの燃料消費を最適化する機会であり得る。排気ガス再循環率は、例えば、0%から約45%の間で変化し得る。 The exhaust gas recirculation system can be disabled for various reasons. One of the reasons may be an exhaust gas recirculation system defect or anomaly. Another reason for the ineffectiveness of the exhaust gas recirculation system may be the opportunity to optimize engine fuel consumption in relation to Tier II NOx emission levels. The exhaust gas recirculation rate can vary, for example, between 0% and about 45%.
ターボチャージャー5がサージまたはチョークに起因してエンジンと適切に整合しないとき、ターボチャージャー5は、適切に動作しないか、または、まったく動作しない。典型的な圧縮機特性において、圧力比が質量流量の関数としてプロットされ、回転の速度および効率の等高線が重ね合わされる。ターボチャージャー5をエンジンと整合させるとき、目的は、最高効率の等高線付近または最高効率の等高線内であるが、サージ・ラインに対する安全余裕をともなってエンジンの動作点を配置することである。
When the
排気ガス再循環システムが有効状態から無効状態に変化するとき、ターボチャージャーに対する動作状態が実質的に変化する。すなわちターボチャージャー5は、排気ガス再循環システムが有効な状態における動作(すなわち、排気ガス再循環率が、例えば、約20から45%の間であり、ターボチャージャー5と良好に整合した動作)のためにエンジンに整合される。対策をしなければ、掃気空気圧および流量が約25%上昇し、このことは高エンジン負荷において許容できず、ターボチャージャーのチョークおよび超過速度、ならびに、低効率をもたらし得るので、排気ガス再循環システムが無効化されたとき、ターボチャージャー5が適切に整合されない。
When the exhaust gas recirculation system changes from the enabled state to the disabled state, the operating state for the turbocharger substantially changes. That is, the
IMO Tier III排出関連法令に従った排気ガス再循環エンジン、または、排気ガス再循環(または、小量の排気ガス再循環)をともなわずに稼働するTier IIエンジンのためにターボチャージャー5を整合させることは、エンジン1の圧縮機の安定性(サージ余裕)と圧縮機/ターボチャージャーの効率/燃料消費との間の折衷となる。排気ガス再循環をともなわずに稼働するときにターボチャージャーの圧縮機が最適なレイアウトと整合される場合、排気ガス再循環が圧縮機9を通る流量を減らす(エンジン動作点がサージ・ラインに向けて動く)ので、不必要に大きなサージ余裕が存在する。従来のターボチャージャーまたは可変タービンエリアターボチャージャーは、掃気空気圧(ブースト圧力)とエンジン効率とを折衷せず、これらの2つのモード間でスイッチングするときに流量変化に対応するために必要とされる流量範囲をもたない。
一実施形態において、ターボチャージャー5の圧縮機9は、排気ガス再循環動作のために整合され、シリンダ・バイパス流路40を開く。非排気ガス再循環モードにスイッチングするとき、ターボチャージャー5の圧縮機9がチョーク状態となることを避けるために、シリンダ・バイパス流路40が閉じて、流量および掃気空気圧の上昇が減らされ、圧縮機特性(マップ)内において最適な稼働状態が達成されることを確実にする。別の効果は、シリンダ・バイパス流路40が開いたとき、シリンダ1を通る空気流が減らされるので、想定されるNOx低減を達成するために、必要とされる絶対排気ガス再循環質量流量が小さくなることである。さらに別の効果は、必要とされる吸引ブロワ出力と循環される排気ガスの量とがより少なくなるので、排気ガス再循環システム自体の能力が低減され得ることである。したがって、エンジンが動作されるときに使用するすべての排気ガス再循環比においてターボチャージャー5がエンジンと最適に整合されるように、電子制御ユニットは、排気ガス再循環比を高めることにより第2の制御弁41を開くことを増やすように、および、その逆となるように構成され得る。
In one embodiment, the
バイパス管40を通るシリンダ・バイパス流の悪影響は、シリンダ1を通る掃気ガスの量の低減によりもたらされるエンジンに対する熱負荷の上昇である。
The adverse effect of the cylinder bypass flow through the
タービン・バイパス管50は、排気ガス再循環をともなわずに、動作中に排気ガス管18から過剰な排気ガスを吹き出させるために提供される。タービン・バイパス管50を通る流れは、第5の制御弁51により制御される。排気管7における蒸気ボイラー52は、タービンの出口からの、および、タービン・バイパス50からの排気ガス内の熱を蒸気に変換する。
A
図5は、排気ガス再循環をともなう動作中の図4に示すエンジンの動作モードを示し、第1の制御弁34と第2の制御弁41との両方が開く。説明を目的として、制御弁は図5に示されない。
FIG. 5 shows the operating mode of the engine shown in FIG. 4 during operation with exhaust gas recirculation, where both the
排気ガス再循環をともなわない動作中、第1の制御弁34と第2の制御弁41との両方が閉じる。この動作モードは、図6に示される。説明を目的として、制御弁は図6に示されない。排気ガス再循環をともなわない動作モードにおいて、ターボチャージャー5の均衡をとるために、シリンダ1から来る排気ガスのうちの一部がタービン6をバイパスする必要がある。ここで、シリンダ1から来る排気ガスの一部分がタービン・バイパス管50を介してタービン6をバイパスするように、第5の制御弁51が開く。
During operation without exhaust gas recirculation, both the
図7は、エンジンの第1の例示的な実施形態を示す。本実施形態に従ったエンジンは、タービン・バイパス管50、第5の制御弁51、および再循環される排気ガスの冷却器31を除いて、従来技術のエンジンのすべての特徴を含む。一実施形態において、エンジンは、タービン6の低圧側に蒸気ボイラー52を含まないか、または、少なくとも必要としないと同時に、依然として、十分な蒸気を生成することができ、依然として、燃焼した燃料から最大エネルギーを十分に抽出することができる。
FIG. 7 shows a first exemplary embodiment of the engine. The engine according to this embodiment includes all the features of the prior art engine except for the
その代わり、本実施形態に従ったエンジンは、高圧ボイラー36を備える。高圧ボイラー36は、例えば、エンジンが中に設置される船舶などの、エンジンまたはエンジンの環境に関係する様々な消費者により使用され得る蒸気を生成する。高圧ボイラー36は、ボイラー管35を通してシリンダ1からの排気ガスの総流量の第1の部分を受容する。ボイラー管35は、第4の制御弁38を含む。
Instead, the engine according to the present embodiment includes a high-
本実施形態においてボイラー管35の入口が排気ガス受容器3に接続され、ボイラー管35の出口が排気ガス再循環管30に接続される。排気ガス循環管30は、第3の制御弁37を備える。
In this embodiment, the inlet of the
制御弁は、手動で操作され得るか、または、電子制御ユニット(図示せず)に接続され得る。 The control valve can be operated manually or can be connected to an electronic control unit (not shown).
第1の動作モードにおいて、エンジンは、排気ガス再循環をともなって動作する。このモードにおいて、第3の制御弁37が閉じ、第1の制御弁34が開くおよび第2の制御弁41が開く。第1のモードが図8に示され、より理解しやすく図を描くために、有効な管のみが示され、制御弁は示さない。第1のモードにおいて、シリンダ1から来る排気ガスの第1の部分が、ボイラー管35を通して、高圧ボイラー36を通して、排気ガス再循環管30を通して、および、ブロワ32を通して、好ましくは、掃気空気冷却器12の上流の位置において掃気空気管11に搬送される(代替的に、再循環された排気ガスは、掃気空気受容器2に直接送達され得る)。
In the first mode of operation, the engine operates with exhaust gas recirculation. In this mode, the
高温掃気空気は、掃気空気管11からバイパス管40を介して排気ガス管18に搬送されることにより、シリンダ1をバイパスする。
The high temperature scavenging air is conveyed from the scavenging
第2の動作モードにおいて、エンジンは、排気再循環をともなわずに動作する。このモードにおいて、第3の制御弁37が開き、第1の制御弁34が閉じ、第2の制御弁41が閉じる。第2のモードが図9に示され、図をより理解しやすく描くために、有効な管のみが示され、制御弁は示されない。第2のモードにおいて、シリンダ1から来る排気ガスの第1の部分は、ボイラー管35を通して、高圧ボイラー36を通して、開いた第3の制御弁37を通して、排気ガス管18に搬送されて、シリンダ1から来る排気流の第2の(残りの)一部分に合流する。したがって、シリンダ1から来る排気ガスのすべてが、タービン6に搬送される。しかし、従来技術と比較されたとき、高圧ボイラー36がエネルギーの一部分を取り除いて、エネルギーのうちの取り除かれた一部分を蒸気に変換したので、圧縮機6に向かう排気ガス搬送体の総流量内におけるエネルギー量は、より低い。したがって、タービン6がシリンダ1からの排気ガスの完全な流れを受容するという事実にもかかわらず、ターボチャージャー5は、完璧にエンジンの均衡をとられる。
In the second mode of operation, the engine operates without exhaust recirculation. In this mode, the
好ましくは、排気ガス再循環をともなう動作と、排気ガス再循環をともなわない動作との両方において、シリンダからの排気ガスの総流量の一部分がタービン6の入口に搬送される。
Preferably, a portion of the total flow rate of the exhaust gas from the cylinder is conveyed to the inlet of the
図10は、排気ガス再循環管30が再循環される排気ガスの冷却器(スクラバー)39を備えることを除いて、第1の実施形態と実質的に同一の第2の実施形態を示す。
FIG. 10 shows a second embodiment which is substantially identical to the first embodiment except that the exhaust
図11は、ボイラー管35の入口がシリンダに直接接続され、ボイラー管の出口が排気ガス管18に接続されることを除いて、第1の実施形態と実質的に同一の第3の実施形態を示す。
FIG. 11 shows a third embodiment which is substantially the same as the first embodiment except that the inlet of the
図12は、ボイラー管35の入口が排気ガス管18に接続されることを除いて、第1の実施形態と実質的に同一の第4の実施形態を示す。
FIG. 12 shows a fourth embodiment that is substantially the same as the first embodiment except that the inlet of the
一実施形態において、エンジンは、ボイラー36の蒸気生成を最大化することを目的として、すべてのエンジン負荷レベル(低い、中程度の、および高いエンジン・レベル)において補助ブロワ16を動作させるように構成される。したがって、主エンジンの低負荷エリア内における蒸気生成を増やすためのオイル・バーナーなどの使用が減らされ得るか、または、避けられ得る。
In one embodiment, the engine is configured to operate the
一実施形態(図示せず)において、高圧ボイラー36が排気ガス受容器3の内部に配置される。これは、排気ガスの圧力によりボイラー・コンポーネントに加えられる力を著しく下げる。高圧ボイラー36を排気ガス受容器に一体化することにより、より少ないスペースが使用され、エンジンがより小型になる。
In one embodiment (not shown), a
本発明は、本明細書において様々な実施形態に関連して説明される。しかし、開示される実施形態に対する他の変形例が、図面、本開示、および付属の特許請求の範囲の考察により、特許請求の範囲に記載された発明を実施する当業者により理解および実現され得る。特許請求の範囲において、「備える(comprising)」という用語は、他の要素もステップも排除せず、複数であり得ることが明記されていない構成が複数であり得ることを排除しない。単に、相互に異なる従属請求項に特定の手段が記載されているという事実は、利点を得るためにこれらの手段の組合せが使用され得ないということを示すわけではない。 The invention is described herein with reference to various embodiments. However, other variations to the disclosed embodiments can be understood and realized by those skilled in the art in practicing the claimed invention, upon consideration of the drawings, the present disclosure, and the appended claims. . In the claims, the term “comprising” does not exclude other elements or steps, and does not exclude a plurality of configurations that are not expressly stated as being plural. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measured cannot be used to obtain an advantage.
特許請求の範囲において使用される参照符号は、範囲を限定すると解釈されない。
Any reference signs used in the claims shall not be construed as limiting the scope.
Claims (13)
各シリンダ(1)が掃気ポート(19)および排気弁(4)を備える、複数のシリンダ(1)と、前記シリンダ(1)のそれぞれの前記排気弁(4)を介して前記シリンダ(1)に接続された排気ガス受容器(3)と、ターボチャージャー(5)と、前記ターボチャージャー(5)のタービン(6)に前記排気ガス受容器(3)の出口を接続する排気ガス管(18)と、前記タービン(6)により駆動される前記ターボチャージャー(5)のターボチャージャー圧縮機(9)と、掃気空気受容器(2)の入口に前記ターボチャージャー圧縮機(9)の出口を接続する掃気空気管(11)であって、前記掃気空気管(11)が、掃気空気冷却器(12)を備え、前記掃気空気受容器(2)が、前記シリンダ(1)のそれぞれの前記掃気ポート(19)を介して前記シリンダ(1)に接続された、掃気空気管(11)と、排気ガスの一部分を再循環させて前記シリンダ(1)に戻すための排気ガス再循環管(30)であって、前記排気ガス再循環管(30)が、再循環された排気ガスを前記シリンダ(1)に戻すためのブロワ(32)または圧縮機を備える、排気ガス再循環管(30)と、前記掃気空気冷却器(12)の上流における前記掃気空気管(11)から前記ターボチャージャー(5)の前記タービン(6)に高温掃気空気の一部分を搬送することにより前記シリンダ(1)をバイパスするためのシリンダ・バイパス管(40)と、ボイラー(36)とを備えたエンジンにおいて、前記エンジンが、前記シリンダ(1)から前記ボイラーを通して前記排気ガスの少なくとも第1の部分を搬送するように構成され、前記エンジンが、少なくとも2つの動作モードをもち、前記エンジンが、前記少なくとも2つの動作モードの第1の動作モードにおいて、前記排気ガスの前記第1の部分を前記シリンダ(1)から前記ボイラー(36)を通して搬送し、前記ボイラー(36)から前記排気ガス再循環管(30)を通して前記シリンダ(1)に戻すように搬送するとともに、前記高温掃気空気の一部分を前記掃気空気冷却器(12)の上流の前記掃気空気管(11)から前記シリンダ・バイパス管(40)を通して前記タービン(6)に搬送するように構成され、前記エンジンが、前記少なくとも2つの動作モードの第2の動作モードにおいて、前記排気ガス再循環管(30)を通る流れを防ぎ、前記シリンダ・バイパス管(40)を通る流れを防ぐとともに、前記排気ガスの前記第1の部分を前記ボイラー(36)を通して搬送し、前記ボイラー(36)から前記タービン(6)に搬送するように構成されることを特徴とする、エンジン。 A two-stroke compression ignition combustion engine with a large turbocharger including a crosshead (23),
Each cylinder (1) includes a scavenging port (19) and an exhaust valve (4), a plurality of cylinders (1), and the cylinder (1) via each exhaust valve (4) of the cylinder (1) An exhaust gas receiver (3), a turbocharger (5), and an exhaust gas pipe (18) connecting an outlet of the exhaust gas receiver (3) to a turbine (6) of the turbocharger (5) ), The turbocharger compressor (9) of the turbocharger (5) driven by the turbine (6), and the outlet of the turbocharger compressor (9) connected to the inlet of the scavenging air receiver (2) A scavenging air pipe (11), the scavenging air pipe (11) comprising a scavenging air cooler (12), wherein the scavenging air receiver (2) is the scavenging air of each of the cylinders (1). port( 9) with a scavenging air pipe (11) connected to the cylinder (1) through 9) and an exhaust gas recirculation pipe (30) for recirculating a part of the exhaust gas and returning it to the cylinder (1). An exhaust gas recirculation pipe (30), wherein the exhaust gas recirculation pipe (30) comprises a blower (32) or a compressor for returning the recirculated exhaust gas to the cylinder (1); Bypassing the cylinder (1) by conveying a portion of the hot scavenging air from the scavenging air pipe (11) upstream of the scavenging air cooler (12) to the turbine (6) of the turbocharger (5). An engine comprising a cylinder bypass pipe (40) and a boiler (36) for the exhaust gas from the cylinder (1) through the boiler at least a first of the exhaust gas. Configured to convey a portion, wherein the engine has at least two modes of operation, and wherein the engine is configured to transfer the first portion of the exhaust gas in the first mode of operation of the at least two modes of operation. The cylinder (1) is transported through the boiler (36), is transported from the boiler (36) through the exhaust gas recirculation pipe (30) and returned to the cylinder (1), and a part of the high-temperature scavenging air is transported. The scavenging air cooler (12) is configured to convey from the scavenging air pipe (11) upstream of the scavenging air cooler (12) through the cylinder bypass pipe (40) to the turbine (6). In the second mode of operation, the flow through the exhaust gas recirculation pipe (30) is prevented and the cylinder bypass pipe ( 40) is configured to prevent flow through 40 and to convey the first portion of the exhaust gas through the boiler (36) and from the boiler (36) to the turbine (6). And the engine.
請求項1に記載のエンジン。 The engine is configured to convey a second portion of the exhaust gas from the cylinder (1) to the turbine (6) without passing through the boiler (36);
The engine according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載のエンジン。 The scavenging air pipe (11) further comprises an auxiliary blower (16), and the engine is configured to operate the auxiliary blower (16) to maximize steam generation of the boiler (36). ,
The engine according to claim 1 or 2.
請求項2に記載のエンジン。 The first part of the exhaust gas and the second part of the exhaust gas together form a total exhaust gas from the cylinder (1);
The engine according to claim 2.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のエンジン。 A boiler pipe (35) connected to the boiler (36), the inlet of the boiler pipe (35) being connected to the exhaust gas receiver (3) or the exhaust gas pipe (18) in a first position; Was
The engine according to any one of claims 1 to 4.
請求項5に記載のエンジン。 The outlet of the boiler pipe (35) was connected to the exhaust gas recirculation pipe (30) at a third position;
The engine according to claim 5.
請求項6に記載のエンジン。 The third position is upstream of the blower (32) or the compressor;
The engine according to claim 6.
請求項5から請求項7のいずれか一項に記載のエンジン。 An outlet of the boiler pipe (35) is connected to the exhaust gas pipe (18) at a second position downstream of the first position;
The engine according to any one of claims 5 to 7.
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のエンジン。 The exhaust gas recirculation pipe (30) includes a first control valve (34).
The engine according to any one of claims 1 to 8.
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のエンジン。 The cylinder bypass pipe (40) includes a second control valve (41).
The engine according to any one of claims 1 to 9.
請求項6または請求項7に記載のエンジン。 A third control valve (37) is provided between the third position and a position where the exhaust gas recirculation pipe (30) connects to the exhaust gas pipe (18);
The engine according to claim 6 or 7.
請求項1から請求項11のいずれか一項に記載のエンジン。 The exhaust gas recirculation pipe (30) comprises an exhaust gas recirculation cooler (39);
The engine according to any one of claims 1 to 11.
請求項1から請求項12のいずれか一項に記載のエンジン。 The boiler (36) is integrated into the exhaust gas receiver (3);
The engine according to any one of claims 1 to 12 .
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