JP2009013807A - 加湿式ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】重油で運転される加湿式ターボ過給型大型ディーゼルエンジンの燃料油消費率を削減する方法を提供する。
【解決手段】排ガス駆動式面積可変型タービン７とタービンによって駆動されるコンプレッサ９とを有するターボ過給機６を備え、エンジンシリンダに給気を供給する、重油で運転される大型ディーゼルエンジン１に関する。エンジンは、給気／掃気加湿ユニット１２および制御可能なウェイストゲート１９も装備している。排ガス駆動式面積可変型タービン７および制御可能なウェイストゲート１９は、実質的に燃料油消費率の相殺なく、全負荷および部分負荷の両方でNOx排出レベル低下を実現するために、制御装置５０によって制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外洋航行船の主エンジン等、重油で運転される、掃気加湿機付きの大型ディーゼルエンジンに関する。

環境問題に関する一般的認識が急速に高まっている。IMO（International Maritime Organization; 国際海事機関）内においては、海上における大気汚染の形での排出制限について継続的に論じられている。世界各地の当局が同様のステップを踏んでいる。例としては、現在協議中のEPA（US-Environmental Protection Agency; 米国環境保護庁）規則案がある。

排ガス中のNOxは、第一および／または第二の削減方法によって削減することができる。第一の方法は、エンジン燃焼プロセスに直接作用させる方法である。実際の削減度はエンジンタイプおよび削減方法によるが、一般に、10%から50%超で変化する。

第二の方法は、エンジン自体の一部を構成しない装置を使用して、エンジン性能をその燃料最適設定から変化させることなく排出レベルを削減する手段である。これまでに最も成功した第二の方法は、NOxを除去するSCR法（Selective Catalytic Reduction Method; 選択接触還元法）である。この方法は、排ガスが触媒コンバータに入る前にアンモニアまたは尿素を加えることにより、NOxレベルを95%超削減することを可能にするものである。この第二の方法は、排気レベルを削減する第一の方法に関する本発明と組み合わせて使用することができる。

既知である第一の方法の一つは、掃気の加湿によるものである。結果として生じる高絶対含水量は、最高燃焼温度を低下させ、排ガス中のNOxレベル低下を引き起こす。掃気加湿を使用することの不利点は、ターボ過給機の適切な全負荷整合が適用される場合、部分負荷時の掃気圧が低すぎることである。掃気圧が低いことにより圧縮が低くなり、同様に部分負荷時の燃料効率の悪化を招く。さらに、高含水量は排ガス流中に過剰エネルギーをもたらし、許容可能な排ガス温度レベルが得られるのであれば、この過剰エネルギーはターボ過給機タービンをバイパスすることができる／するはずである。一般に、過剰エネルギーは、ウェイストゲート（バイパス）によって除去され、この過剰エネルギーが出力タービンまたは同様の機器において再生されなければ、加湿式エアモーターのエネルギー効率は、無加湿式エアモーターと比較してさらに低下する。

この背景において、本発明は、上述の欠点を克服する、または少なくとも軽減する、重油で運転される掃気加湿式大型ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。特に、燃料消費率における不利益は最小に、低NOx排出レベルを提供することができる、重油で運転される大型ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

この目的は、重油で運転される大型ディーゼルエンジンであって、エンジンシリンダに掃気を供給するための、排ガス駆動式面積可変型タービン及び面積可変型タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、コンプレッサ下流の掃気加湿ユニットと、排ガスをシリンダから面積可変型タービンに導く排気導管と、排気導管内の制御可能なウェイストゲートと、を備えるエンジンを提供することによって実現される。

大型2ストロークディーゼルエンジンにおいて、加湿ユニット、制御されたウェイストゲート、および面積可変型タービンターボ過給機を組み合わせることにより、燃料油消費率にマイナス影響を与えることなく、実質的なNOx排出レベル削減を実現することが可能である。

前記エンジンは、前記制御可能なウェイストゲート及び面積可変型タービンに連結された制御装置を備えてよく、制御装置は、面積可変型タービンの面積と、ウェイストゲートの開口部とを制御するように構成されていてよい。

前記制御装置においては、所定の掃気圧をエンジン負荷曲線に従わせることを目的として、面積可変型タービンと制御可能なウェイストゲートとを制御するように構成されていてよい。

前記制御装置は、第一の方策として、所定の曲線に従わせるために面積可変型タービンの面積を制御し、第一の方策が所定の曲線に従わせるために不十分である場合のみ、第二の方策としてウェイストゲートを開くように構成されていてもよい。

前記制御装置は、NOx排出量またはその加重平均を規定の閾値より下に維持しつつ、エンジンの燃料消費率を最小化することを目的として、面積可変型タービンと制御可能なウェイストゲートとを制御するように構成されていてもよい。

前記制御装置は加湿ユニットに連結されることができ、制御装置は、NOx排出量を規定の閾値より下に維持することを目的として、掃気の絶対含水量を制御するように構成されることができる。

前記制御可能なウェイストゲートは、出力タービン等の出力消費器に接続されることができる。

本発明の別の目的は、重油で運転される加湿式ターボ過給型大型ディーゼルエンジンの燃料油消費率を削減する方法を提供することである。この目的は、低または中エンジン負荷状態においてタービンの面積を減少せしめることによって、部分負荷時の掃気圧を増加させるステップと、中から高エンジン負荷状態のみにおいてターボ過給機タービン周囲の排ガスの一部をバイパスさせるステップと、によって実現される。

本発明による大型2ストロークエンジンのさらなる目的、特徴、利点、および特性は、詳細な説明により明らかとなるであろう。

好適な実施形態の詳細な説明

本明細書の以下の詳細な部分において、図面に示す典型的な実施形態を参照し、本発明をさらに詳細に説明する。

以下の詳細な説明において、好適な実施形態により本発明を説明する。図1は、呼気および排気システムを持つクロスヘッド1型の大型ターボ過給型2ストロークディーゼルエンジンを表す図を示す。エンジン1は、給気溜め2および排ガス溜め3を有する。燃焼室に属する排気弁を4で示す。エンジン1は、例えば外洋航行船において主エンジンとして使用されてもよいし、発電所において発電機を運転するための定置エンジンとして使用されてもよい。エンジンの総出力は、例えば、5,000から110,000kWの範囲であってよい。エンジン1は重油燃料で運転されるため、加熱重油燃料タンクおよび加熱重油燃料管（図示せず）を含む重油燃料システムが設けられている。重油燃料は周囲温度では極めて粘性が高いため、燃料噴射システムのこれらの加熱素子はエンジン停止中にも加熱される。さらに、重油燃料システム（図示せず）には、エンジン停止中に重油燃料が重油燃料システムの構成部品を貫流するのを維持する再循環システムが設けられている。再循環により、自己の専用加熱手段を有さない重油燃料システムの構成部品が、エンジン停止中に確実に保温され、再循環により重油燃料システムの脱気が促進される。

給気は、給気溜め2から個々のシリンダの掃気ポート（図示せず）に渡される。排気弁4が開かれると、排ガスは第一の排気導管を通って排溜め3へ、前方の第一の排気導管5を通ってターボ過給機6の面積可変型タービン7へ流れ、排ガスはそこから第二の排気導管20を通って流れ去る。シャフト8を通り、面積可変型タービン7は吸気口10を介して供給されるコンプレッサ9を駆動する。コンプレッサ9は、給気溜め2に通じている給気導管11に、加圧された給気を供給する。

導管11内の吸気は、給気／掃気を加湿―コンプレッサを約200℃で放置―し、掃気の温度を36℃から80℃のレベルに低下させるための、加湿ユニット12を通過する。加湿ユニット12は、本実施形態においては、大量の水が注入および蒸発されるスクラバーである。注入される水は、好ましくは、例えば、海水（エンジンが外洋船に設置されている場合）または河川水（エンジンが河川付近の固定発電所に設置されている場合）を、エンジン1の（水）冷却システム（図示せず）からの廃熱で加熱することにより、比較的温かいものである。あるいは、あらかじめ温められていない水を使用することもできる。結果として生じる絶対含水量レベルは、加湿ユニット12に温水が供給される場合よりも幾分低くなるであろう。

好適な実施形態において、加湿ユニットは、実質的に100 %の相対湿度および約70℃の温度を有する加湿ユニット出口から空気を出すように動作される、スクラバー12である。この給気／掃気の絶対湿度は、従来のエンジンの中間冷却器から出る掃気の約5倍高い。したがって、掃気および排ガスにも含有されるエネルギーの量は、従来のエンジン（加湿式エンジンでない）におけるものよりも著しく大きい。そのため、高負荷レベルにおいては、排ガスからの抽出に使用可能なより多くのエネルギーがある。掃気中の高絶対含水量によって低いピークおよび平均燃焼温度が確実なものとなり、それによって燃焼中のNOx産生が削減される。

加湿された空気は、低または部分負荷状態において給気流を加圧する電動機17によって駆動される補助ブロワ16を介して給気溜め2へ渡る。高負荷において、ターボ過給機コンプレッサ9は十分な圧縮掃気を供給し、次いで補助ブロワ16は逆止め弁15を介してバイパスされる。

制御可能なウェイストゲート19は、タービン7の上流の排気導管5内に取り付けられる。この制御可能なウェイストゲートを通って、排ガスの一部（約10 %）が面積可変型タービン7をバイパスする。

制御可能なウェイストゲート19および面積可変型タービン7は、制御装置50に連結されている。制御装置50は、制御可能なウェイストゲート19および面積可変型タービン7の運転を制御し、また当該制御装置は、実際のエンジン負荷等、エンジン運転状態に関する情報を受け取った。制御装置は、掃気の温度、圧力、および湿度、排ガスの温度および圧力、冷却水圧力、エンジンスピード等、その他様々なエンジンパラメータを受け取ることもできる。ある実施形態において、制御装置50は、加湿ユニット12にも連結されており、例えば加湿ユニット12に注入される水の量および温度を制御することによって、その運転を制御する。

面積可変型ターボ過給機およびウェイストゲートのない従来の加湿式大型2ストロークディーゼルエンジン（"無制御"曲線）は、図2に示すように、従来の無加湿式大型2ストロークディーゼルエンジン（"基準"曲線）と比較した場合、部分負荷において比較的低い掃気圧を有するであろう。加湿式大型2ストロークディーゼルエンジンにおける比較的低い掃気圧は、比較的低い圧縮と、したがって比較的低い最大シリンダ圧をもたらし、これが同様に部分負荷時の比較的高い燃料消費率をもたらす。

図3は、制御可能なウェイストゲートの使用による（"WG制御"曲線）部分負荷時の掃気圧への影響を示す。50%部分負荷において、制御されたウェイストゲート付きの加湿式エアモーターは、従来の無加湿式エアモーターとほぼ同じ掃気圧を実現し、"無制御"加湿式エアモーターにおいて著しい改良を表す。

図4は、面積可変型タービンと組み合わせた制御可能なウェイストゲートの使用による（曲線"WG+VTA制御"）部分負荷時の掃気圧への影響を示す。両方の方策を適用することにより、部分負荷時の掃気圧を従来の無加湿式エアモーターの掃気圧よりも著しく高くすることができ、これらの方策を設けていない加湿式エアモーターと比べてさらに改良される。

面積可変型タービン7および制御可能なウェイストゲート19は、制御装置50に接続されている。制御装置は、エンジン負荷に関連する情報を受け取り、掃気圧対エンジン負荷を表すもう一つの望ましい統計データを提供している。該当する曲線／統計データの例は、図4の上側曲線である。図4の上側曲線は、制御装置50に格納された望ましい曲線を示す。

制御装置50は、図4の上側曲線に従うように構成されている。本書において、制御装置50は、面積可変型タービン7の制御を第一の方策として使用するように構成されている。部分負荷時のタービン7の（有効）面積を削減することにより、そのような削減をしない場合よりも掃気圧を高く維持できる。掃気圧がその最大に到達するレベル（本実施形態においては、約75%のエンジン負荷に到達する3.5バール）をエンジン負荷が上回る場合、制御装置は過度な掃気圧を回避するためにウェイストゲート19を開く（この方策は、高エンジン負荷状態において最大燃焼圧を超えるのを回避するために必要である）。

結果として生じる最大燃焼圧を、図5に示す。確かに、面積可変型ターボ過給機および制御されたウェイストゲート付きのエンジンは、様々なレベルの部分負荷において、これらの方策のない加湿式エアモーターよりも著しく高い最大燃焼圧を有し、このことが、これらの部分負荷レベルにおける燃料消費率に良い影響を及ぼす。

図6に示すように、これらの方策は、様々な部分負荷レベルにおける絶対含水量レベルの増加ももたらし、本実施形態では燃焼圧の増加によって相殺されているが、これらの部分負荷レベルにおけるNOx排出量を削減する。掃気中の高含水量は、コンプレッサ9を出る空気の出口温度が高くなることによって引き起こされる。図7に示すように、気温が高くなると水を蒸発させる可能性が大きくなる。

図8は、従来技術エンジンおよび本発明によるエンジンの、様々な負荷状態における燃料油消費率を示す。ウェイストゲート制御および面積可変型タービン付きでない加湿式エアモーター（曲線"基準"）は、明らかに最も高い燃料油消費率を有する。しかしながら、該当するタイプのエンジンにおいて使用されるような制御不可能なウェイストゲートを通って漏れるエネルギーは、出力タービン等の出力消費器を駆動するために使用することができ、それによって全体的な燃料油消費率を削減できることに留意しなくてはならない。

従来の無加湿式エアモーターは、50%エンジン負荷および75%エンジン負荷において、ウェイストゲート制御付きの実施形態と実質的に同一の燃料油消費率を有する。100%エンジン負荷において、従来の無加湿式エアモーターの燃料油消費率は、ウェイストゲート制御付きの実施形態よりもわずかに良い。ウェイストゲート制御および面積可変型タービンの両方を持つ実施形態は、50%エンジン負荷において最も良い燃料油消費率を有し、75%エンジン負荷において従来の無加湿式エアモーターと同一の燃料油消費率を有する。100%エンジン負荷において、ウェイストゲート制御および面積可変型タービン付きのエンジンは、従来の無加湿式エアモーターよりもわずかに劣る。概して、ウェイストゲート制御および面積可変型タービンの両方を持つ加湿式エアモーターは、平均すると、従来の無加湿式エアモーターと実質的に等しい燃料油消費率を有することになるであろう。

図9は、従来技術エンジンおよび本発明によるエンジンの、NOx排出量を示す。グラフは、加湿を使用するエンジンのすべてについて、従来の無加湿式エアモーターよりもNOx排出量が実質的に低いことを明らかに示している。ウェイストゲート制御および面積可変型タービン付きの実施形態は、原則として、従来の無加湿式エアモーターと実質的に同一の燃料油消費率を有する。したがって、NOx活性化の実質的な削減は、燃料油消費率を悪化させることなく実現される。

上記グラフの元となる計算は、すべて特定のエンジンモデルに基づくものである。しかしながら、これらの結果は、その他任意の大型2ストロークディーゼルエンジンに置き換えることができる。

図10は、本発明によるエンジンの別の実施形態を示す。本実施形態によるエンジンは、ウェイストゲート19の出口が出力タービン31に接続されている点を除き、図1を参照して説明したエンジンと本質的に同一である。ウェイストゲート19を通って漏れるエネルギーは、出力タービン31において比較的効率良く回復され、したがって、上記の例および実施形態に示したよりもさらに高い全体的な燃料効率が得られる。面積可変型タービン付きの出力タービン（図示せず）を使用した場合、出力タービンが制御可能なウェイストゲートのように作用するため、結果はさらに良くなるであろう（面積可変型タービンは、閉じたウェイストゲートに対応するエリアを通る流量をゼロにすることはできないが、面積可変型タービン出力タービンは、40〜50%閉じたウェイストゲートに対応するレベルに制御することができる）。

出力タービン31は、発電機32を駆動する。排ガス流におけるエネルギーの余剰は、このようにして電力、すなわち高エクセルギーを持つエネルギーに変換される。本実施形態の全体的な燃料油消費率は、図1に示した実施形態よりもさらに低い。

本発明の実施形態において、制御装置50は、第一の方策として、所定の掃気圧曲線に従わせるために面積可変型タービン7の面積を制御し、第一の方策が所定の曲線に従わせるために不十分である場合のみ、第二の方策としてウェイストゲート19を開くように構成されている。

本発明の実施形態において、制御装置50は、NOx排出量またはその加重平均を規定の閾値より下に維持しつつ、エンジン1の燃料消費率を最小化することを目的として、面積可変型タービン7と制御可能なウェイストゲート19とを制御するように構成されている。

本発明の実施形態（図示せず）において、制御装置50は、加湿ユニット12に連結され、NOx排出量を規定の閾値より下に維持することを目的として、掃気の絶対含水量を制御するように構成されている。

本発明の利点は、低燃料油消費率を保持しながら、低NOx排出レベルの大型2ストロークディーゼルエンジンを可能にすることである。

"を備える（含む）"という用語は、特許請求の範囲において使用する場合、その他の要素またはステップを除外するものではない。単数形での記載は、特許請求の範囲において使用される場合、複数形を除外するものではない。

特許請求の範囲において使用される参照符号は、範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

前述の明細書においては、本発明のとりわけ重要だと思われるそれらの特徴に注目するよう努めたが、出願人は、それらに特に重点を置いたか否かにかかわらず、言及した、および／または図面に示したあらゆる特許性のある特徴または特徴の組み合わせに関して、保護を請求するものであることを理解すべきである。さらに、当業者であれば、本開示の考察に基づいて本発明の装置に修正および／または改良を行うことができ、それらもやはり以下の特許請求の範囲に説明する本発明の範囲および精神の範囲内にとどまり得ることを十分に理解する必要がある。

本発明の第一の実施形態による、内燃エンジンの呼気および排気システムの図である。 二つの従来技術エンジンの掃気圧対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジンおよび本発明によるエンジンの、掃気圧対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジンおよび本発明による二つのエンジンの、掃気圧対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジン、および、本発明により修正された二つのエンジンの、最大燃焼圧対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジン、および、本発明により修正された二つのエンジンの、掃気中の水の絶対量対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジン、および、本発明により修正された二つのエンジンの、コンプレッサ出口温度対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジン、および、本発明により修正された二つのエンジンの、相対燃料消費率対エンジン負荷を示すグラフである。 二つの従来技術エンジン、および、本発明により修正された二つのエンジンの、相対NOx排出率対エンジン負荷を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態による、内燃エンジンの呼気および排気システムの図を示す。

Claims (9)

1. 重油で運転される大型ディーゼルエンジン（1）であって、
   エンジンシリンダに給気を供給するための、排ガス駆動式面積可変型タービン（7）及び前記面積可変型タービン（7）によって駆動されるコンプレッサ（9）を有するターボ過給機（6）と、
   コンプレッサ（9）の下流に配される給気加湿ユニット（12）と、
   排ガスを前記シリンダから前記面積可変型タービン（7）へ導く排気導管（5）と、
   前記排気導管内に配される制御可能なウェイストゲート（19）と、
   を備えるエンジン。
2. 制御装置（50）をさらに備え、前記制御装置（50）は前記制御可能なウェイストゲート（19）及び前記面積可変型タービン（7）に連結され、前記制御装置は、前記面積可変型タービン（7）の面積と、前記ウェイストゲート（19）の開口部とを制御するように構成される、請求項1に記載の大型ディーゼルエンジン。
3. 前記制御装置（50）は、所定の給気圧をエンジン負荷曲線に従わせることを目的として、前記面積可変型タービン（7）と前記制御可能なウェイストゲート（19）とを制御するように構成される、請求項2に記載の大型ディーゼルエンジン。
4. 前記制御装置（50）は、第一の方策として、前記曲線に従わせるために前記面積可変型タービン（7）の前記面積を制御し、前記第一の方策が前記所定の曲線に従わせるために不十分である場合のみ、第二の方策として前記ウェイストゲート（19）を開くように構成される、請求項1から3のいずれかに記載の大型ディーゼルエンジン。
5. 前記制御装置（50）は、NOx排出量またはその加重平均を規定の閾値より下に維持しつつ、前記エンジン（1）の前記燃料消費率を最小化することを目的として、前記面積可変型タービン（7）と前記制御可能なウェイストゲート（19）とを制御するように構成される、請求項1から4のいずれかに記載の大型ディーゼルエンジン。
6. 前記制御装置（50）は、前記加湿ユニット（12）に連結され、NOx排出量を規定の閾値より下に維持することを目的として、前記給気の前記絶対含水量を制御するように構成される、請求項1から5のいずれかに記載の大型ディーゼルエンジン。
7. 前記制御可能なウェイストゲート（19）は出力消費器（31）に接続される、請求項1から6のいずれかに記載の大型ディーゼルエンジン。
8. 前記出力消費器は出力タービン（31）である、請求項7に記載の大型ディーゼルエンジン。
9. 重油で運転される加湿式ターボ過給型大型ディーゼルエンジンの燃料油消費率を削減する方法であって、
   低または中エンジン負荷状態において、タービンの面積を減少せしめることによって、部分負荷時の給気圧を増加させるステップと、
   中から高エンジン負荷状態のみにおいて前記ターボ過給機タービン周囲の排ガスの一部をバイパスさせるステップと、
   を含む方法。

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