(57)【要約】【課題】排気ガス温度の高低により排気ガスを弁別し、排気ガスが保有するエネルギーを回収することは合理的であるが、従来のエンジンでは構造的にも制御的にも難しいので実現していない。また、エネルギー回収率の向上と同時に、排気ガス中の硫酸成分による低温腐食も考慮する必要があるが、従来のエンジンでは対応に限界がある。【解決手段】従来の頂上排気弁方式に代えて、シリンダー上部に給気弁９と、シリンダー１ｂの下部に高温排気孔８ａＨと、低温排気孔８ａＬを設けて高温排気ガスと低温排気ガスを弁別して回収し、高温排気ガスは過給機に供給するが、低温排気ガスは過給機には供給せずに、ボイラの給水加熱に使用して、排気ガスからのエネルギー回収率を高めると同時に、排気ガス中の硫酸成分による低温腐食も防止する排気エネルギー回収システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダー１ｂの上部に給気弁９を設置し、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスの掃気のための空気（以下、これらを総称して給気という）をこの給気弁９から供給し、燃焼後はこの燃焼ガスを、シリンダー１ｂの下部に設けた高温排気孔８ａＨおよび低温排気孔８ａＬから、シリンダー１ｂの外部に排出し、その排気ガスが保有するエネルギーを回収するシステム（以下、排気エネルギー回収システムという）を用いて、相対的に温度の高い排気ガス（以下、高温排気ガスという）と、相対的に温度の低い排気ガス（以下、低温排気ガスという）と、を弁別して、排気ガスの保有するエネルギーを回収することを特徴とする排気エネルギー回収システム。
【請求項２】
前記で弁別した高温排気ガスは、過給機（タービン）１２Ｔに供給してエンジンの給気の製造に使用するが、一方、低温排気ガスは、過給機（タービン）１２Ｔには供給せずに、排気ボイラ８０に使用する給水を加熱する給水加熱器８４に供給して、この給水を加熱することにより、低温排気ガスの保有するエネルギーを回収することを特徴とする請求項１に記載の排気エネルギー回収システム。
【請求項３】
前記の排気ボイラ８０で発生した蒸気を、発電蒸気タービン１０４に供給して電力に変換し、その電力を中間軸駆動電動機１０２に供給してプロペラ７３の駆動力として再利用する機構を用いて、プロペラ７３を駆動する中間軸７２に設置した駆動歯車７５と、これを駆動する中間軸駆動電動機１０２との結合はスリッピングクラッチ７４ｓを介して行い、この中間軸駆動電動機１０２と中間軸７２との相対回転数の差を、このスリッピングクラッチ７４ｓのスリップ機能を使用して吸収し、この中間軸駆動電動機１０２の発生動力を中間軸７２に伝達することを特徴とする請求項１および請求項２に記載の排気エネルギー回収システム。
【請求項４】
前記の排気エネルギー回収システムを構成する過給機（タービン）１２Ｔに供給した高温排気ガスの量が、エンジンが必要とする給気を製造してもなお余りある時は、排気ガス調節弁１２ｄ１および１２ｄ２を調節して、この高温排気ガスを、発電排気ガスタービン１０５に供給して電力として回収する機構を用いて、この発電排気ガスタービン１０５と発電機１０１との結合は、スリッピングクラッチ７４ｔを介して行い、発電排気ガスタービン１０５の発生動力を発電機１０１に伝達することを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３に記載の排気エネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、２ストローク往復動エンジンの排気ガスを、高温排気ガスと低温排気ガスに弁別して、その排気ガスが保有するエネルギーを回収するシステム構成と制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  エンジンから排出される排気ガスは、まだ多くのエネルギーを保有しており、排気ボイラで蒸気として回収したり、排気ガスタービンで直接発電機を駆動して回収したりすることが一般的に行われているが、従来はエンジンから排出される排気ガスを、高温排気ガスと低温排気ガスに弁別して回収できる装置がまだ存在していないので、高温排気ガスも低温排気ガスも全て混合された状態で使用されている。【０００３】  排気ガスの保有するエネルギーは、一旦、蒸気に変換され、その後、蒸気タービンを駆動して直接あるいは電力に変換して、プロペラ駆動用の動力として利用したり、船内電力として利用したりしている。排気ボイラで回収した蒸気量に対して消費する蒸気量が少ない場合は、発生した蒸気を、蒸気コンデンサーに逃がして、海水で冷却し両者を均衡（バランス）させる方法が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ／２０１４／０９７２３  Ａ１
【特許文献２】特許第６００８３１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来は、高温排気ガスと低温排気ガスは全て混合されているので、エンジンの給気を製造する過給機（タービン）１２Ｔは大型になり、過給機自体の効率も高くできないという問題がある。【０００６】  また、従来の排気ボイラでは、低温排気ガスも高温排気ガスと混合されて排気ボイラに供給されるので、当然排気ガス温度が低くなるので、所用蒸発量を得るには排気ボイラの寸法が大きくなるという問題がある。また、排気ガス温度が低くなるので、排気ガスが保有しているエネルギーを十分に回収できないという問題がある。【０００７】  また、排気ガスに含まれている硫黄酸化物が、排気ガス中の水分や給気中の水分と結合して硫酸成分を生成して、排気ガスボイラを構成する鉄製品を腐食させるため、排気ボイラから大気に排出する排気ガスの温度低下には制限があるので、低温排気ガスを高温排気ガスと混合して、排気ボイラに供給するのは、この低温腐食を悪化させるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  そこで、本発明は、従来の頂部排気弁方式をシリンダー頂部に給気弁９を設置する方式（以下、頂部給気弁方式という）に変更して、これらの問題を解決するものである。即ち、本発明では、シリンダーの頂部に設けた給気弁９により、シリンダー１ｂの上部から下部の方向、即ち、従来とは逆の方向に燃焼ガスや給気を流し、燃焼ガスはシリンダー１ｂの下部に設置した高温排気孔８ａＨと、低温排気孔８ａＬから、排気ガスを弁別して回収できるエンジン構造とし、これらの問題を解決する。【０００９】  また、本発明では、弁別した排気ガスのうち、高温排気ガスのみを過給機（タービン）１２Ｔに供給してエンジンの給気の製造に使用した後、排気ボイラで蒸気回収するが、低温排気ガスは、過給機（タービン）１２Ｔには供給しないで、排気ボイラの給水の加熱に使用することで、これらの問題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】  本発明は、エンジン上部に給気弁９を装置する頂部給気弁方式にすることにより、排気ガス弁別のための排気孔８ａＨと、排気孔８ａＬをシリンダー１ｂの下部に設置できるので、排気ガスの温度による弁別が実現可能となる。また、排気ガスの弁別には従来の排気弁のように可動部分がないので、エンジンの構造を簡素化でき、耐久性も高められる。【００１１】  大型船舶は一般に燃料に低質重油を使用しているので、排気ガス中に硫黄酸化物が多く含まれているが、低温排気ガスは高温排気ガスに比べて、この硫黄酸化物の含有率が少なく、当然この硫黄酸化物が原因で発生する低温腐食の発生も少ないので、熱回収による排気ガス温度の低下を大きくできるので、低温排気ガスの熱回収率を向上できる。【００１２】  また、本発明は、高温排気ガスのみ過給機に供給するので、過給機を小型化でき、また、高効率化も可能となる。また、従来に比べて排気ボイラ入口の排気ガス温度を高く維持できるので、従来に比べて排気ボイラを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】  図１は本発明のシステム構成を示す。なお、このシステムの作動理解等のため、図中に温度、圧力などを記入してあるが、飽くまで参考値である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１５】  図１に、このシステム構成を示す。従来の頂部排気弁方式における排気弁を給気弁９に変更し、排気ガスや掃気や給気のための空気を、シリンダー１ｂの上部から下部の方向に流し、排気ガスは、高温排気孔８ａＨおよび低温排気孔８ａＬからシリンダー１ｂの外部に排出して、過給機（タービン）１２Ｔ、発電排気ガスタービン１０５、排気ボイラ８０並びに発電蒸気タービン１０４などを使用してエネルギーを回収するシステム構成である。
【００１６】  エンジンから排出される排気ガスは、その温度により高温排気ガスと低温排気ガスに弁別され、高温排気ガスは高温排気集合管８ｍＨに、低温排気ガスは低温排気集合管８ｍＬにそれぞれ回収される。
【００１７】  高温排気集合管８ｍＨ内の高温排気ガスは、排気ガス調節弁１２ｄ１を経て、過給機（タービン）１２Ｔに供給され、過給機（ブロワー）１２Ｂで給気を製造した後、排気ボイラ８０に供給される。過給機でエンジンの給気を製造してもまだ余剰な高温排気ガス量がある場合は、その余剰排気ガス量に応じて、排気ガス調節弁１２ｄ１と１２ｄ２を調節して、高温排気ガスを、発電排気ガスタービン１０５に供給して、発電機１０１の駆動動力として使用する。発電排気ガスタービン１０５を駆動した後の高温排気ガスは、排気ボイラ８０に供給され、排気ガスの保有するエネルギーは蒸気として回収される。
【００１８】  低温排気集合管８ｍＬ内の低温排気ガスは、過給機（タービン）１２Ｔに供給されることはなく、直接、排気ボイラ８０の給水を加熱する給水加熱器８４に供給され、その後、大気に放出される。給水加熱器８４において低温排気ガスで加熱されたボイラ給水は、空気冷却器１２ｃＨに送られて、過給機（ブロワー）１２Ｂで圧縮加熱した給気と熱交換を行って、排気ボイラ８０に送られる。このボイラ給水は、排気ボイラ８０で発生した蒸気が各所で使用された後に、低圧蒸気やドレンとなったものを、蒸気コンデンサー９１で海水により冷却し、復水として回収した水が大部分である。
【００１９】  排気ボイラ８０で、前記のボイラ給水はエコノマイザー８２により更に加熱され、蒸発管８１に送られて排気ガスで加熱され蒸気を発生する。この蒸気は、汽水分離機８３を経て、発電蒸気タービン１０４に送られて発電機１０１を駆動して電力を発生する。発電蒸気タービン１０４と発電機１０１は増減速装置により機械的に結合されている。蒸気タービンを駆動する蒸気は、発電機１０１の負荷量に応じて、蒸気調節弁９４により自動的に供給される。
【００２０】  発電排気ガスタービン１０５は、既に発電蒸気タービンで駆動されている発電機１０１の駆動動力系に、スリッピングクラッチ７４ｔを介して接続され、その負荷の一部を分担する。
【００２１】  排気ボイラで発生した蒸気量に対応する発電量の全てを、船内一般電力で消費できない場合は、回収した電力を中間軸駆動電動機１０２に供給して、プロペラ７３の駆動力として使用する。この中間軸駆動電動機１０２の負荷は、スリッピングクラッチ７４ｓのスリップ機能を用いて、所用の値に調節される。
【００２２】  中間軸の回転数がエンジン常用回転数の時に、この電動機１０２の中間軸に対する相対回転数が、電動機の同期回転数とほぼ同じ程度になるよう中間軸駆動歯車７５を含む関連装置の増減速比率が設計されるので、常用回転数付近でのスリッピングクラッチ７４ｓのスリップ量は僅かなので、この部分での動力損失やクラッチの過熱などの問題は発生しない。主機が減速運転を行い、排気ガスから必要な電力を回収できない時は、このスリッピングクラッチ７４ｓにより、中間軸駆動電動機  １０２を中間軸から切り離して、休止状態とする。
【符号の説明】
【００２３】    １ｂ        シリンダー
２ａ        ピストンクラウン
７ｍ        給気集合管
８          排気管
８ｍＨ      高温排気集合管
８ｍＬ      低温排気集合管
８ａＨ      高温排気孔
８ａＬ      低温排気孔
９          給気弁
１２Ｔ        過給機（タービン）
１２Ｂ        過給機（ブロワー）
１２ｃＨ      空気冷却器（高温側）
１２ｃＬ      空気冷却器（低温側）
１２ｄ１      排気ガス調節弁（過給機入口）
１２ｄ２      排気ガス調節弁（発電排気ガスタービン入口）
１２ｄ３      排気ガス調節弁（バイパス）
７０          エンジン本体
７１          増減速装置
７２          中間軸
７３          プロペラ
７４ｓ        スリッピングクラッチ（中間軸駆動用）
７４ｔ        スリッピングクラッチ（発電排気ガスタービン用）
７５          中間軸駆動歯車
８０          排気ボイラ
８１          蒸発管
８２          エコノマイザー
８３          汽水分離器
８４          ボイラ給水加熱器
９１          蒸気コンデンサー
９２          復水タンク
９３          ボイラ給水ポンプ
９４          蒸気調節弁
９５          蒸気管
９６          給水管
１０１          発電機
１０２          中間軸駆動電動機
１０３          主配電盤
１０４          発電蒸気タービン
１０５          発電排気ガスタービン
【図１】
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