(57)【要約】      （修正有）【課題】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、排気ガス再循環を伴う動作と排気ガス再循環を伴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を提供する。【解決手段】エンジンが、少なくとも２つの動作モードをもち、第１の動作モードにおいて、排気ガスの一部をシリンダ１からボイラー３６、排気ガス再循環管３０を経由してシリンダ１に戻し、ターボチャージャー圧縮機９を出た高温掃気空気の一部分を掃気空気管１１からバイパス管４０を経由してタービン６に搬送するように構成され、第２の動作モードにおいて、排気ガス再循環管３０を通る流れを閉じ、バイパス管４０を通る流れを閉じ、排気ガスの一部をボイラー３６を通してタービン６に搬送する。【選択図】図７
2018100669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスヘッド（２３）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（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（１２）の出口を接続する排気ガス管（１８）と、前記タービン（１７）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（２２）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、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、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）を通して搬送される前記ボイラー（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。
【請求項２】
前記エンジンが、前記ボイラー（３６）を通さずに前記シリンダ（１）から前記タービン（６）に前記排気ガスの第２の部分を搬送するように構成された、
請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記掃気空気管（１１）に補助ブロワ（１６）をさらに備え、前記エンジンが、前記ボイラー（３６）の蒸気生成を最大化するために、前記補助ブロワ（１６）を動作させるように構成された、
請求項１または請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記排気ガスの前記第１の部分と前記排気ガスの前記第２の部分とが、一緒に前記シリンダ（１）からの総排気ガスを形成する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記ボイラー（３６）を含むボイラー管（３５）を備え、前記ボイラー管（３５）の入口が、第１の位置において前記排気ガス受容器（３）または前記排気ガス管（１８）に接続された、
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。
【請求項６】
前記ボイラー管（３５）の出口が、第３の位置において前記排気ガス再循環管（３０）に接続され、前記第３の位置が、好ましくは、前記ブロワ（３２）または前記圧縮機の上流にある、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項７】
前記ボイラー管（３５）の出口が、前記第１の位置の下流における第２の位置において前記排気ガス管（１８）に接続された、
請求項５または請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記排気ガス再循環管（３０）に第１の制御弁（３４）を備える、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項９】
前記バイパス管（４０）に第２の制御弁（４１）を備える、
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。
【請求項１０】
前記第３の位置と前記排気ガス再循環管（３０）が前記排気ガス管（１８）に接続する位置との間に第３の制御弁（３７）を備える、
請求項６、請求項８、または請求項９のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記排気ガス再循環管（３０）が、排気ガス再循環冷却器（３９）を備える、
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記ボイラー（３６）と前記排気ガス管（１８）との間における排気ガス流の分割が、前記第２のモードで動作しているとき、所望のターボチャージャー均衡に従って制御される、
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。
【請求項１３】
前記ボイラー（３６）が、前記排気ガス受容器（３）に一体化された、
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。
【請求項１４】
前記ボイラー（３６）の前記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前記補助ブロワ（１６）を動作させるように構成された、
請求項３から請求項１３のいずれか一項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】デンマーク国特許第１７７３８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】例示的な実施形態に従った、大型２サイクル圧縮点火ターボチャージャー付きエンジンの前端部と１つの側部とを示す上から見た図である。
【図２】図１に示すエンジンの後端部と他方の側部とを示す上から見た図である。
【図３】図１に従ったエンジンの吸気および排気システムを含む、図１に従ったエンジンの概略図である。
【図４】従来技術のＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジン、従来技術の吸気および排気システムの概略図である。
【図５】Ｔｉｅｒ  ＩＩＩモードで動作する、すなわち、排気ガス再循環をともなう図４に示す従来技術のＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの概略図である。
【図６】Ｔｉｅｒ  ＩＩモードで動作する、すなわち、排気ガス再循環をともなわない図４に示す従来技術のＴｉｅｒ  ＩＩエンジンの概略図である。
【図７】本発明に従った吸気および排気システムを含むＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの例示的な一実施形態の概略図である。
【図８】Ｔｉｅｒ  ＩＩＩモードで動作する、すなわち排気ガス再循環をともなう図７に示すＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの概略図である。
【図９】Ｔｉｅｒ  ＩＩモードで動作する、すなわち排気ガス再循環をともなわない図７に示すＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの概略図である。
【図１０】本発明に従った吸気および排気システムを含むＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの別の例示的な一実施形態の図である。
【図１１】本発明に従った吸気および排気システムを含むＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの別の例示的な一実施形態の図である。
【図１２】本発明に従った吸気および排気システムを含むＴｉｅｒ  ＩＩＩエンジンの別の例示的な一実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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）。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【図１】
2018100669.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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