(57)【要約】【課題】  本発明は内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法に関し、内燃機関のガス排出通路に減衰部材を設置し、且つ内燃機関から排出された排ガスを減衰部材に通過させるステップ１）と、排ガスを減衰部材に通過する前に冷却されることにし、または排ガスを減衰部材に通過する際と同時に冷却されることにするステップ２）と、を含む。このような方法は、内燃機関の低負荷時に比較的高いガス排出背圧を有する一方、内燃機関の高負荷時にガス排出背圧の上昇の速すぎることをなくすことを実現できる。さらに内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置及びシステムを提供する。
2014520989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法において、前記方法は、内燃機関のガス排出通路に１つの減衰部材を設置し、且つ内燃機関から排出された排ガスを前記減衰部材に通過させるステップ１）と、排ガスを前記減衰部材に通過する前に冷却されることにし、または排ガスを前記減衰部材に通過すると同時に冷却されることにするステップ２）と、を含む、ことを特徴とする内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法。
【請求項２】
前記減衰部材はガス排出通路の断面を縮小させることができる部材である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス排出通路の断面を縮小させることができる部材は断面が急遽に縮小するガス排出管路である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス排出通路の断面を縮小させることができる部材はガス排出管路に設置されており、小孔を有する部材である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記減衰部材は排ガスを複数の小さい支流に分流できる部材である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記減衰部材は排ガスの流動方向を変更できるガス排出管路である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
排ガスを冷却する方法は、排ガスを複数の小さい支流に分流し、その後分散された小さい支流を冷却媒体と熱交換する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
排ガスを冷却する方法は、排ガスを冷却液体と相互に接触させる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
排ガスを冷却する方法は、排ガスを大量な隙間の有する部材に通過させることによって複数の小さい支流に分流され、前記隙間において前記小さい支流を冷却液体と相互に接触させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記減衰部材は１つのケーシング内部に位置し、且つケーシング内部において内燃機関から排出された排ガスを冷却し、前記方法はさらに、内燃機関から排出された排ガスを前記ケーシングの排ガス進入口によってケーシング内部に進入させ、その後冷却された後の排ガスを前記ケーシングの排ガス排出口によってケーシングから排出させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記排ガス進入口から前記ケーシング内部までは断面の急遽な拡延が形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記排ガス進入口の横断面積が前記ケーシングの横断面積の０．０５〜０．５倍である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
排ガスを冷却する方法は、１つのケーシング内部において排ガスを冷却液体と相互に接触させ、前記方法はさらに、冷却液体を前記ケーシングの冷却水進水口によってケーシング内部に進入させ、且つ排ガスの熱量を吸収した冷却液体を前記ケーシングの冷却水出水口によってケーシングから排出させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却液体が天然水体における冷却水であり、前記方法はさらに、天然水体から冷却水を吸い上げ且つそれを前記ケーシングまで搬送するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却液体が内燃機関冷却水であり、前記方法はさらに、内燃機関冷却水を前記ケーシングまで搬送するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法はさらに、前記排ガスの熱量を吸収した冷却液体を熱量利用装置または熱交換器まで搬送するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法はさらに、内燃機関から排出された排ガスが前記ケーシングに進入する前に、ターボチャージャー羽根車を流経して働きを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置において、１）ケーシングと、２）ケーシングに設置されており、排ガスをケーシング内部に進入させることができる排ガス進入口、排ガスをケーシングから排出させることができる排ガス排出口と、３）ケーシング内部またはケーシングに設置される減衰部材と、４）ケーシングの内部に設置されており、排ガスを冷却できる冷却部材と、を含む、ことを特徴とする内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置。
【請求項１９】
前記排ガス進入口から前記ケーシング内部までは断面の急遽な拡延が形成される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記排ガス進入口の横断面積が前記ケーシングの横断面積の０．０５〜０．５倍である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記減衰部材がフィラー層であり、前記フィラー層が、前記ケーシング内に充填される相互に隙間を形成しえるフィラーによって構成される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置において、１）ケーシングと、２）ケーシングに設置されており、排ガスをケーシング内部に進入させることができる排ガス進入口、排ガスをケーシングから排出させることができる排ガス排出口と、３）ケーシング内部またはケーシングに設置される減衰部材と、４）ケーシングに設置されており、冷却水をケーシングに進入させることができる冷却水進水口、冷却水をケーシングから排出させることができる冷却水出水口と、を含み、前記冷却水進水口、冷却水出水口、排ガス進入口、排ガス排出口が、冷却水と排ガスとをケーシング内部において相互に接触させることができるように配置される、ことを特徴とする内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置。
【請求項２３】
内燃機関ガス排出通路を含む内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムであって、前記システムはさらに、前記内燃機関のガス排出通路内に取り付けられる請求項２２に記載の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を含む、内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステム。
【請求項２４】
前記システムはさらに、前記内燃機関のガス排出通路内に取り付けられ、前記内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の下流に位置され、排ガス排出において圧力降下を発生させることができる装置を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記システムはさらに、天然水体における冷却水を吸い上げ、且つそれを前記ケーシングまで搬送できる装置を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記システムはさらに、内燃機関冷却水を前記ケーシングまで搬送できる装置を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記システムはさらに、熱量利用装置または熱交換器、及び流体を前記ケーシングから前記熱量利用装置または熱交換器まで搬送できる管路を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２８】
前記システムはさらにターボチャージャーを含み、前記内燃機関ガス排出通路が前記ターボチャージャーの廃ガス側のガス排出口と連接される排ガスガス排出通路である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
内燃機関排ガスの消音用方法において、前記方法は、内燃機関から排出された高温排ガスをケーシングにおける１つの排ガス進入口からケーシング内部に進入させるステップを含み、前記方法はさらに、ケーシング内部に進入した高温排ガスを冷却液体と相互に接触させるステップを含む、ことを特徴とする内燃機関排ガスの消音用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の効率向上技術分野に属し、内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法に関する。本発明はさらに内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本世紀から、世界の石油資源不足や環境汚染問題が日増しに激しくなっているため、内燃機関の経済性及びガス排出清浄性を改善しなければならない。内燃機関のエネルギー効率、即ち燃料利用率をさらに向上する必要があることは、内燃機関を動力とする全ての施設及び設備のエネルギー効率を向上することの基礎及び前提である。
【０００３】
現在、内燃機関のエネルギー効率を向上する主な手段は内燃機関の換気効果即ちガス進入、ガス排出の過程を改善することにある。ガス進入を改善する手段は「増圧」、即ちガス進入の圧力を増加することで、ガス排出を改善する手段は「減圧」、即ちガス排出背圧を降下し、ガス排出の抵抗力を減少することにある。「増圧」と「減圧」とは、相互補完の関係である。
【０００４】
前世紀初期に提出された増圧技術によって、内燃機関の動力、経済及び排出性能が大幅に向上させ、増圧技術の応用は内燃機関の発展の重要なシンプルになった。増圧装置型がすでに内燃機関の基本機種になり、特に内燃機関の排出された廃棄ガスによってターボ機械を駆動し、さらにターボ機械によって気体圧縮機を連動させて内燃機関におけるガス進入に対して「増圧」するターボ機械の増圧技術、及びガス進入における増圧と伴う中間冷却の技術と相まって、現在に至ってすでに完璧になって且つ汎用されている。但し、内燃機関がガス排出背圧に対して敏感であるため、内燃機関の加速性能が制限されていた。
【０００５】
所謂「減圧」がガス排出背圧を降下することを指すが、ガス排出背圧が内燃機関ガス排出の抵抗力と繋がっている。内燃機関が運転する時に負荷の増加に伴い、ガス排出の品質及びガス排出温度もそれに伴って上げる。品質及び温度の二重影響に受け、ガス排出の体積流量及び流速上昇の幅がより大きいため、ガス排出通路の抵抗力、ガス排出通路におけるその他の装置（例えば消音器）の抵抗力が、正圧力が流速の平方と正比例を成す規律に従って非常に速く上昇される。そのため、内燃機関背圧が内燃機関負荷の上昇に伴って非常に速く上昇される。一方、高背圧はガス排出気流が非常に大きい抵抗力を受けていることを意味するため、シリンダ内の廃ガスを十分に排除することができない故に、その後の燃焼品質に影響を与える。そのため、ガス排出背圧が内燃機関の性能に影響を与える。背圧の上昇が内燃機関燃料の燃焼効率の降下に至り、経済性及び排出性能が悪くなり、同時に、動力性能も下げ、オイル消耗量が上がる。資料によると、これは内燃機関の少なくとも１０％以上のエネルギー効率の損失に至る。特にガス排出によってターボ機械を高速に回転させるターボ増圧内燃機関は、ガス排出背圧の上昇はターボを駆動する廃ガスの差圧の減少に至り、ターボ増圧の効果が下げられ、それもさらにガス進入圧力を減少させ、故に、内燃機関のエネルギー効率の更なる降下に至る。より注目すべきなのは、各国及び国際的な環境保全法規の日増しに厳しくなることに伴って、内燃機関の排ガスに対する処理要求も益々高くなる。
【０００６】
システムの背圧は気流が順次にシステムにおける各の部材を流経することによって形成された圧力降下値の和であり、且つ各の部材に通過することによって形成された圧力降下が通過した気流の流速の平方と正比例に成す。そのため、消音、浄化ひいては廃熱回収等の内燃機関ガス排出処理装置及び設備を取り付けた後、内燃機関ガス排出の背圧が大幅に増加され、内燃機関のエネルギー効率が下げられ、エネルギー消耗が増加される。一方、内燃機関のエネルギー消耗の上昇はよい多くの化石燃料を消耗する必要であることを意味するため、より多くの汚染が発生され、前記採用された環境保全及び省エネーの措置の効果を大幅に下げさせた。
【０００７】
そのため、人々は様々な「増圧」技術を開発すると同時に、「減圧」技術も絶えずに探求した。例えば、マルチバルブ技術は複数のガス排出弁によってガス排出流通面積を増大し、それによってガス排出背圧を減少することができる。一部の特別な競技場合、例えば自動車レースは、内燃機関のパワーをなるべく発揮させ、ひいては消音器が取り付けられていない手段が採用されており、その目的は背圧をなるべく減少することにある。
【０００８】
然し、内燃機関の低負荷の状況下で、ガス排出背圧が非常に低ければ、ガス排出弁の事前開放によって、ピストンが下死点に到達する前に、依然に一定の圧力を有する燃焼ガスが滞りの無いガス排出弁から排出されるため、一部の能率が損失され、トルクが減少される。故に内燃機関の低負荷時に所定のガス排出背圧を維持することは逆にトルクを向上できる。
【０００９】
まとめに言うと、内燃機関のガス排出背圧にとって、内燃機関の低負荷時に、ガス排出背圧の低過ぎることが望ましくないが、内燃機関の中、高負荷時に、内燃機関のガス排出背圧の上昇の速過ぎることをなるべく抑えることが望ましい。このように、内燃機関のフル稼働条件下で、内燃機関の効率増加を実現できる。
【発明の概要】
【００１０】
従来の内燃機関ガス排出背圧に対する所望に鑑み、本発明は内燃機関ガス排出背圧を最適化する新しい方法、装置及びシステムを提供する。本発明の基づく原理は、内燃機関から排出された排ガスを迅速に冷却させることができれば、ガス排出背圧を極大に下げることができる。このように、内燃機関の低負荷時に、所定のガス排出抵抗力を設置することによって背圧の低過ぎることをなくすことができ、内燃機関の高負荷時に、排ガスを迅速に冷却することによってガス排出背圧の上昇の速過ぎることをなくすことができる。
【００１１】
本発明の第１の目的は、内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法を提供することにある。前記方法は、
【００１２】
内燃機関のガス排出通路に１つの減衰部材を設置し、且つ内燃機関から排出された排ガスを前記減衰部材に通過させるステップ１）と、
【００１３】
排ガスを前記減衰部材に通過する前に冷却されることにし、または排ガスを前記減衰部材に通過する際と同時に冷却されることにするステップ２）と、を含む。
【００１４】
本発明が提供した方法を使用することによって、内燃機関の低負荷時に比較的高いガス排出背圧を有し、内燃機関の高負荷時にガス排出背圧の上昇の速過ぎることをなくすことを実現できる。具体的に言うと、内燃機関から排出された排ガスを１つの減衰部材に通過させ、該減衰部材が一定のガス排出抵抗力を提供できることによって、内燃機関の低負荷時に比較的高い所望のガス排出背圧を有させ、それによって内燃機関の低負荷時に内燃機関のトルクを向上する。排ガスが前記減衰部材に通過する前にまたは排ガスが前記減衰部材に通過すると同時に迅速に冷却されることによって排ガスの密度を増大し、排ガスの流速を下げる目的を実現でき、内燃機関において、高負荷段階で背圧の上昇し速すぎることを抑制することによって、内燃機関のエネルギー効率を向上した。
【００１５】
本発明はさらに１つの内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を提供し、前記装置は、
【００１６】
１）ケーシングと、
【００１７】
２）ケーシングに設置されており、排ガスをケーシング内部に進入させることができる排ガス進入口、排ガスをケーシングから排出させることができる排ガス排出口と、
【００１８】
３）ケーシング内部またはケーシングに設置される減衰部材と、
【００１９】
４）ケーシングの内部に設置されており、排ガスを冷却できる冷却部材と、を含む。
【００２０】
前記原理によって、本発明が提供した装置をガス排出通路に取り付け、内燃機関の低負荷時に所定のガス排出抵抗力を提供できるのみでなく、内燃機関の高負荷時にガス排出背圧の上昇し速過ぎることをなくすことができる。特に本発明の装置によってガス排出通路における従来の消音器等の抵抗力を有する部材を取り代わる時に、ガス排出システムの全体性能をよりよく改善できる。
【００２１】
本発明はさらにもう１つの内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を提供し、前記装置は、
【００２２】
１）ケーシングと、
【００２３】
２）ケーシングに設置されており、排ガスをケーシング内部に進入させることができる排ガス進入口、排ガスをケーシングから排出させることができる排ガス排出口と、
【００２４】
３）ケーシング内部またはケーシングに設置される減衰部材と、
【００２５】
４）ケーシングに設置されており、冷却水をケーシングに進入させることができる冷却水進水口、冷却水をケーシングから排出させることができる冷却水出水口と、を含み、
【００２６】
前記冷却水進水口、冷却水出水口、排ガス進入口、排ガス排出口が、冷却水と排ガスとをケーシング内部において相互に接触させることができるように配置される。
【００２７】
同様に、該装置をガス排出通路内に取り付けても、内燃機関ガス排出背圧を最適化する目的を実現できる。
【００２８】
本発明はさらに内燃機関ガス排出通路を含む内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムを提供し、前記システムはさらに内燃機関のガス排出通路内に取り付けられる本発明が提供した内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を含む。同様な原理によって、本発明が提供したシステムは内燃機関ガス排出背圧を最適化する目的を実現できる。
【００２９】
本発明が提供した方法、装置及びシステムを使用することによって、内燃機関の動力を向上し、オイル消耗を下げ、且つ内燃機関の比出力の向上を簡単有効に実現でき、各種類の内燃機関を動力とする設備に応用されることができる。
【００３０】
本発明の第１の原理は、所定のガス排出抵抗力を設置することによって、内燃機関が低負荷時に比較的高い所望のガス排出背圧を有する。
【００３１】
前記目的を実現する技術的な解決手段は、内燃機関のガス排出通路に１つの減衰部材を設置し、且つ内燃機関から排出された排ガスを前記減衰部材に通過させる。
【００３２】
ここで説明する減衰部材は所定のガス排出抵抗力を提供できる部材であり、即ち、内燃機関の低負荷時に、排ガスが該減衰部材に通過する前後に形成された圧力降下を所望の圧力降下にする。減衰部材の形は（１）内燃機関のガス排出通路の断面を縮小させ、または排ガスを小さい支流に分流し、または（３）排ガスの流行方向を変更し、または（４）所定のガス排出抵抗力を提供できるその他の形、または（５）以上の形の組合せであること含むことが可能である。
【００３３】
減衰部材はガス排出通路の断面を縮小させることができる部材例えば断面が急遽に縮小するガス排出管路、またはガス排出管路内に設置される小孔を有する部材であってもよい。内燃機関のガス排出通路の断面を急遽に縮小させ、それによって所定のガス排出抵抗力を提供するように設置されてもよい。例えば、内燃機関のガス排出管路内に小孔を有する被水ガードを設置することによって、排ガスを小孔に通過させるしかできない。内燃機関のガス排出管路を急遽に細かくするように設置されてもよい。また、断面の縮小される程度が大きいほど、ガス排出抵抗力が大きい。
【００３４】
減衰部材は排ガスを複数の小さい支流に分流できる部材であってもよい。ここで説明した「排ガスを複数の小さい支流に分流する」ことに使用される手段は、排ガスを複数の小孔が分布されている構造に通過させ、排ガスがそれによって小孔に分散されることであってもよい。使用される手段は、排ガスを複数の隙間を有する構造に通過させ、排ガスがそれによって隙間に分散されることであってもよい。排ガスを小さい支流に分流する方法によって、所定のガス排出抵抗力を提供することもできる。該方法において、所望のガス排出背圧によって排ガスの分流される程度を調節でき、排ガスの分流される小さい支流が多いほど、分流される小さい支流が細かいほど、ガス排出抵抗力が大きく、逆も同様である。
【００３５】
減衰部材は排ガスの流動方向を変更できるガス排出管路であってもよい。排ガスの流動方向を変更すれば、所定のガス排出抵抗力も提供でき、例えば複数の湾曲を有するガス排出管路であってもよい。
【００３６】
本発明により説明された減衰部材は１つのケーシングの内部に設置され、且つケーシングの内部において内燃機関から排出された排ガスを冷却してもよい。このように、本発明が提供した方法はさらに、内燃機関から排出された排ガスをケーシングの排ガス進入口によってケーシング内部に進入させ、その後冷却された後の排ガスをケーシングの排ガス排出口によってケーシングから排出させるステップを含む。減衰部材はケーシングの内部に位置してもよく、例えばケーシング内部に多孔板または大量な隙間の有するフィラーを設置してもよい。また、減衰部材はケーシングに位置してもよく、例えばケーシングの内部からケーシングにおける排ガス排出口まで断面の急遽な縮小が存在する。
【００３７】
本発明のもう１つの原理は、内燃機関の高温排ガスが迅速に冷却することは排ガスの流速を大幅に降下できることによって、内燃機関の高負荷時にガス排出背圧が上昇し速過ぎることをなくすことができる。
【００３８】
従来の技術において周知なのは、内燃機関ガス排出通路の所定のガス排出抵抗力を有する従来構造（例えばガス排出パイプ、消音器等）は、内燃機関の負荷の増加に伴って、ガス排出量及びガス排出温度も上昇し、それによって流速を上昇させ、正圧力即ち抵抗力が流速の平方と正比例に成すため、ガス排出背圧を迅速に上昇させることができる。
【００３９】
出願者は、排ガスが所定のガス排出抵抗力に遭う前または排ガスが所定のガス排出抵抗力に遭うと同時に、排ガスの温度を迅速に降下できれば、ガス排出背圧を減少でき、それによって、内燃機関のエネルギー効率を向上できることを発見した。
【００４０】
排ガスの温度を迅速に降下できる技術的解決手段は、（１）排ガスを冷却液体と相互に接触し、または（２）排ガスを複数の小さい支流に分流し、その後分散された小さい支流を冷却媒体と熱交換させ、または（３）２種の手段の組合せであってもよい。
【００４１】
高温排ガスをケーシング内において冷却液体例えば冷却水と直接接触すれば、快速に温度を降下する目的を実現できる。より好ましくは、冷却水を流動に維持させ、例えば噴水の手段を使用し、熱量を吸収した冷却水を排出し、排ガスを新しい冷却水と絶えずに接触させることにすれば、温度を降下する効果がよりよくなる。
【００４２】
ここで、使用される冷却水の由来が具体的な状況によって定められる。
【００４３】
冷却流体とする冷却水は、所在する自然環境の外部の独立な水系例えば海水または内陸の淡水等の自然に存在する自然水体から由来してもよい。海洋または淡水において内燃機関を動力とする設備（例えば船舶）に対し、冷却水は直接所在する自然環境の海水または淡水から取られてもよく、または、まず海水または淡水を水タンク、水塔等の水貯蔵装置内に貯蔵し、冷却水は水貯蔵装置から得てもよい。熱量を吸収した冷却水は所在する自然環境に直接排出してもよく、熱量を吸収した冷却水を処理した後さらに所在する自然環境に排出してもよい。このように、本発明が提供した方法はさらに、自然水体から冷却水を吸い上げ、且つそれをケーシングに搬送するステップを含む。本発明が提供したシステムはさらに、自然水体における冷却水を吸い上げ且つそれをケーシングに搬送する装置例えばポンプが取り付けられ、ケーシングの冷却水進水口と連通される冷却水吸い上げパイプを含んでもよい。
【００４４】
冷却流体の冷却水として、内燃機関の冷却水を再利用してもよい。内燃機関を動力とする多くの設備例えば自動車、船舶等は、共に１つのセットの内燃機関冷却水システムを有する。このような状況下で、冷却水は動力設備の本体の冷却水システムから取ることもできる。そのため、本発明が提供した方法はさらに、内燃機関冷却水をケーシングに搬送するステップを含む。本発明が提供したシステムはさらに内燃機関冷却水をケーシングに搬送できる装置を含んでもよい。
【００４５】
冷却流体の冷却水として、前記２種の手段を組み合わせて使用してもよく、自然水体における冷却水も使用し、内燃機関冷却水も使用する。
【００４６】
冷却流体とする冷却水はリサイクルされてもよい。ケーシングから排出された、高温排ガスの熱量を吸収した冷却水が直接または処理された後排出されてもよく、リサイクルされてもよい。例えば、高温排ガスを冷却した後熱量を吸収した冷却水が熱交換器を流れ過ぎ、冷却された後冷却水として改めてケーシングに進入してもよい。
【００４７】
冷却液体と内燃機関排ガスとを１つのケーシング内部において相互に接触させることによって排ガスの温度を迅速に降下する目的を実現できる。そのため、本発明が提供した方法はさらに、冷却液体をケーシングの冷却水進水口によってケーシング内部に進入させ、且つ排ガスの熱量を吸収した冷却液体をケーシングの冷却水出水口によってケーシングから排出させるステップを含む。
【００４８】
内燃機関の排ガスを１つのケーシングにおける排ガス進入口から進入させ、排ガス排出口から排出させ、排ガス流動回路を形成してもよい。また、冷却水を該ケーシングの冷却水進水口から進入させ、冷却水出水口から排出させ、冷却水流動回路を形成してもよい。前記排ガス進入口は流体をケーシング内部に進入させることができるいずれかの開口を指し、排ガス進入口がケーシング壁における直接開口であってもよく、その後連接部材を介して流体を搬送するための管路と連通する。ケーシングは搬送管路と一体に成形されてもよい。搬送管路はケーシング内部に伸び入れてもよく、このように、排ガス進入口はケーシング内部に伸び入れる管路口を指す。冷却水進水口、冷却水出水口、排ガス排出口も前記各種の形を使用してもよい。
【００４９】
本発明が採用したケーシングは密閉のケーシングであってもよく、即ち、前記排ガス進入口、排ガス排出口、冷却水進水口、冷却水出水口の位置以外に、その他の部分は全部密閉されており、ケーシングに進入する気体または液体が前記出入口を介して出入するしかできない。
【００５０】
排ガスを快速に冷却する目的を実現するため、本発明が提供した方法及び装置において、内燃機関排ガスと冷却水との相互接触することが必要であり、即ち内燃機関排ガスの流動回路と冷却水の流動回路とを相互に重ね合わせる。
【００５１】
より好適な冷却効果を実現するため、１つの比較的好適な実施形態は内燃機関排ガスと冷却水とを逆方向または／横方向接触させ、即ち、排ガスの流動方向と冷却水の流動方向とを相反または対向させる。冷却水進水口を排ガス気流の下流に位置させ、冷却水の出水口を排ガス気流の上流に位置させれば、冷却水と排ガスとが逆方向に接触することができるため、より十分に接触できる。そのため、１つの好適な具体的な実施形態において、内燃機関排ガスが冷却水と逆方向に接触される。１つのより好適な具体的な実施形態において、内燃機関排ガスが下から上までケーシングの内部に通過し、冷却水が上から下までケーシングの内部に通過し、それらを逆方向に接触させる。このようなやり方の利点は、内燃機関排ガスがより十分にケーシング内部に拡散でき、冷却水が重力によって十分に流動でき、その流動を維持することに余計な圧力を付加する必要が無い。このように、冷却水進水口に通過してケーシングに進入する冷却水を上から下までケーシング内部に通過させるように、冷却水進水口を重力方向において冷却水出水口より高いように設置し、排ガス進入口を介してケーシングに進入する排ガスを下から上までケーシング内部に通過させるように、排ガス進入口が重力方向において排ガス排出口より低いように設置する。このように、冷却水と排ガスとが逆方向に接触できるため、より十分に接触できる。
【００５２】
冷却水と排ガスとの十分な接触をさらに増強するため、ケーシングに進入する冷却水のケーシング内における分散程度を方法によって改善できる。例えば、１つまたは複数の多孔質のスプレー部材によって構成された噴水器を設置し、ケーシング内部の上面に均一に配置し、冷却水をなるべく全体のケーシング内部にスプレーし、ケーシングの横断面に均一に水を分布させる。そのため、本発明が提供した方法はさらに、ケーシング内部に進入した冷却水を分散させるステップを含む。本発明が提供したケーシング内にはさらにケーシング内部に進入した冷却水を分散させる部材例えば噴水器が設置される。
【００５３】
１つのさらにより好適な具体的な実施形態において、冷却水を排ガス進入口から内燃機関ガス排出パイプに流入させないため、冷却水の出水口を重力方向において排ガス進入口より低いように設置してもよい。このように、ケーシング底部に流れたまたは落下した冷却水の液面が排ガス進入口の位置に到達する前に、冷却水がすでに冷却水出水口から排出される。
【００５４】
また、ケーシング底部にはさらに水シールを設置してもよく、即ち冷却水の液面を冷却水出水口より高くし、且つ排ガス進入口より低くする。このように、排ガスの冷却水出水口から流れ出すことをなくすことができる。さらに、水シールを設置することは水シール液面の各方向に向いて傾斜する角度が２２．５°まで達しても、冷却水が排ガス進入口に進入することをなくす。
【００５５】
１つのより好適な具体的な実施形態において、排ガス進入口がケーシングの側面下部に位置し、排ガス排出口がケーシングの頂部に位置し、排ガス排出口が煙突と連接されて排ガスを直接大気に排出することができる。冷却水進水口がケーシング側面の上部に位置し、冷却水出水口が側面下部に位置する。且つ、重力方向において、冷却水出水口が排ガス進入口より低い。１つの最も好適な具体的な実施形態において、排ガス進入口がケーシングの底部に位置し、排ガス排出口がケーシングの頂部に位置し、このように、排ガス進入口が内燃機関ガス排出パイプと直接連接でき、排ガス排出口が煙突と連接されて排ガスを直接大気に排出する。
【００５６】
排ガスを小さい支流に分流し、その後分散された小さい支流を冷却媒体と熱交換させれば、排ガスと冷却媒体との間の熱交換効率を大幅に向上でき、それによってガス排出温度を迅速に降下する目的を実現でき、内燃機関の高負荷時のガス排出背圧の上昇し速過ぎることをなくすことができる。このような手段で排ガスを冷却するもう１つの役割は、内燃機関の低負荷時のガス排出背圧の低過ぎることをなくすことができ、それによって、諸条件下でガス排出背圧を最適化する効果を実現する。
【００５７】
ここに説明した「排ガスを小さい支流に分流する」ことに使用される手段は排ガスを小孔が分布されている構造に通過させてもよく、排ガスが小孔によって分散される。使用される手段は排ガスを隙間の有する構造例えば放熱シート等に通過させてもよく、排ガスが隙間によって分散される。
【００５８】
ここに説明した冷却媒体が吸熱性の有するガス例えば空気、窒素ガス等であってもよい。この時冷却媒体を、冷却部材を介して小さい支流に分流された排ガスと接触させ、それによって排ガスを冷却されることができる。冷却部材は良好な伝熱性の有する材料例えば金属材料によって製作された様々な形状の放熱シートまたは放熱装置であってもよい。該冷却部材の一部がケーシング内に位置し、他一部がケーシング外に位置し、ケーシング内の排ガスの熱量を迅速にケーシング外に伝達し、且つリリースすることができる。このような状況下で、排ガスと冷却部材との熱交換を発生する過程は同時に排ガスを小さい支流に分流する過程である。ここで説明した冷却媒体は冷却部材と流体とが結合する手段であってもよく、例えば金属管路内に流動の冷却水を封装することも、快速な温度降下の目的も実現できる。このようなやり方の利点は、管路における冷却水が蒸気に形成される可能で、蒸気の熱量が簡単に直接利用されることができる。例えば、ケーシング内のパイプ式、板式、管壁式またはフィン式等の熱交換器を介して排ガスと熱交換する。同様に、高温排ガスが該熱交換器に通過する時に、同様に小さい支流に分流された後それと熱交換を発生する。
【００５９】
前記のように、内燃機関の高負荷時に背圧が低いければ低いほどよい。一方、従来の技術において、内燃機関ガス排出通路に設置されている従来の構造（例えば消音器）のガス排出抵抗力が比較的小さいため、内燃機関の低負荷の状況下で、所望のガス排出背圧が実現されない。該手段において、排ガスを小さい支流に分流する過程は即ち所定のガス排出抵抗力を提供する過程である。所望のガス排出背圧によって排ガスの分流される程度を調節できる。排ガスの分流された小さい支流が多いほど、分流された小さい支流がより細かくなり、ガス排出抵抗力が大きくなる。その逆にも同様である。
【００６０】
故に、前記手段を使用すれば、内燃機関の諸条件下におけるガス排出背圧を最適化する目的を実現できる。
【００６１】
排ガスの冷却に対し、最も好適な手段は排ガスを小さい支流に分流し、同時に冷却液体（例えば冷却水）と相互接触する手段で冷却する。例えば、排ガスを大量な隙間の有する部材に通過させることによって複数の小さい支流に分流し、前記隙間において小さい支流と冷却液体と相互に接触させる。本発明の１つの好適な実施形態において、ケーシング内に相互の間に隙間を形成できるフィラーが充填され、それによって大量な隙間の有するフィラー層を形成し、該フィラー層が排ガスを複数の小さい支流に分流できる部材で、即ち減衰部材である。ケーシング内に隙間を含むことによって大きい比表面積の有するフィラーを含んでもよく、その目的は少なくともケーシング内の一部のスペースに液体及び気体の通過できる大量な隙間を形成することにある。このように、冷却流体がフィラー間の隙間を分散に通過しなければならず、これらの隙間において、冷却流体と排ガスとが十分に接触できる。冷却流体が冷却水である時に、フィラーの形が普通のポールリング、ラシヒリングまたはサドルリング等各種のバルクフィラーであってもよく、通常規格のフィラーであってもよい。フィラーの材質としては金属、セラミック等の耐候材料が好ましく、高分子材料例えばポリプロピレン、ポリエチレンまたはＡＢＳ工程プラスチック等であってもよく、または前記複数種の材料を混合して使用してもよい。高温排ガスが該大きな比表面積の有するフィラーに通過する時に、小さい支流に分流され、好ましくは冷却流体例えば冷却水を使用して前記フィラー内において高温排ガスと直接接触させ、高温排ガスを迅速に冷却させる。そのため、本発明が提供した方法及び装置において、ケーシング内に相互の間に隙間を形成し得るフィラーが充填され、大量な隙間の有するフィラー層が形成される。本発明が提供した方法はさらに、排ガスを大量な隙間の有するフィラー層に通過させるステップを含む。
【００６２】
また、冷却流体が冷却気体例えば空気を使用する時も、快速に温度降下する目的を実現できる。この時、フィラーとしてはセラミック、エナメル及び金属材料が好ましく、前記複数種の材料を混合して使用してもよい。
【００６３】
本発明が提供した方法または装置は特にターボチャージャー内燃機関に適し、内燃機関から排出された排ガスがターボチャージャー羽根車を流経して働きを生成した後さらにケーシングの進入口からケーシングに進入する。そのため、本発明が提供した方法はさらに、内燃機関から排出された排ガスがケーシングに進入する前にターボチャージャー羽根車を流経して働きを生成するステップを含む。本発明が提供したシステムの内燃機関ガス排出通路は、ターボチャージャー廃ガス側のガス排出開口と連接する高温排ガスガス排出通路であってもよい。
【００６４】
また、従来の内燃機関のガス排出通路には通常消音器、排ガス浄化及び廃熱回収等の装置または設備のうちの１種または複数種が設置される。内燃機関ガス排出通路において前記装置を設置すれば、所定のガス排出抵抗力が形成され、排ガス排出回路には圧力降下を発生させ、前記装置は排ガス排出に圧力降下を発生させる装置である。圧力降下が大きいほど、ガス排出抵抗力が大きくなると分かり、故にガス排出背圧もさらにより高いことに至る。
【００６５】
最終大気に排出する前に内燃機関排ガスが流れ過ぎる装置または設備、及びこれらの装置または設備を流れ過ぎる順番の異なることによって、本発明の方法は少なくとも以下の複数種の応用可能性を有し、即ち排ガスの前記装置または設備を流経する前にまたは後に本方法を応用し、または本発明の背圧最適化装置によって背圧を最適化すると同時に前記装置または設備の機能を実現し、それによって、前記装置または設備を取り替えることができる。
【００６６】
このように、本発明が提供したシステムは以下のような説明された複数種の方式を有する可能性がある。そのうち、説明しやすいため、以下の内容において、Ｐ０を外部の大気圧にする。且つ、ここではガス排出管路の抵抗力による圧力降下を無視し、且つ１つまたは複数のその他の排ガス処理装置及び設備の部分圧力降下を１つの圧力降下ΔＰで表す。気流が本発明の装置において減衰部材に通過するため、冷却装置自体は１つの圧力降下ΔＰｉを有する。ここで説明すべきなのは、内燃機関の負荷が上昇する時に、流速を迅速に上昇させるはずであるが、高温排ガスが迅速に冷却され、密度が増加され、体積が降下されたことによって、流速を迅速に降下させる。そのため、高温ガス排出の状況に対し、ΔＰｉは内燃機関負荷の増加する時に上昇の幅が非常に小さい。この時例え排ガスの密度上昇による正圧力の増加に対する要因を考慮しても、流速と正圧力との指数関係によって、流速降下による正圧力または抵抗力は依然に降下する。
【００６７】
ガス排出管路においてその他の排ガス処理装置及び設備が無い時に、内燃機関のガス排出背圧Ｐが外部大気圧Ｐ０と該冷却装置自体の圧力降下値ΔＰｉとの和に接近し、即ち、
【００６８】
Ｐ＝ Ｐ０＋ Δ Ｐｉである。
【００６９】
このように、内燃機関が低負荷する時に、ΔＰｉの存在によって、内燃機関のトルクを向上できる。内燃機関の負荷が上昇する時に、前記のように、ΔＰｉの上昇幅が大きくないため、背圧Ｐに対する影響には限度がある。
【００７０】
ガス排出通路においてさらにガス排出背圧を上昇させるその他の装置例えば消音器が取り付けられ、且つ本発明により提供された装置の下流に位置する場合、内燃機関から排出された排ガスがまず本発明により提供された装置に通過し、さらにその他の排ガス処理装置または設備に通過し、その後管路によって大気に排出され、ガス排出背圧Ｐが外部大気圧Ｐ０と、本発明の装置自体の圧力降下値ΔＰｉと、その他の排ガス処理装置または設備の圧力降下値ΔＰと、３つの和に接近し、即ち、
【００７１】
Ｐ＝ Ｐ０ ＋ Δ Ｐ＋ Δ Ｐｉである。
【００７２】
本発明の装置を使用しない状況に比べ、本発明の装置により発生された圧力降下ΔＰｉが新しく導入されたが、この時内燃機関の中、高負荷下の高温排ガスが本発明の装置に通過する時に迅速に冷却されたため、流速を大幅に降下させた。圧力降下と流速の平方とが正比例を成すため、冷却された後排ガス気流の前記その他の排ガス処理装置または設備に通過する時の圧力降下値ΔＰが従来の高温排ガスの通過する時と比べて大幅に降下され、且つ降下された幅が該冷却装置による発生したΔＰｉより大幅に大きく、最終に総体のガス排出背圧を比較的大幅に降下させ、それによって、該内燃機関のエネルギー効率を増加した。また、このような状況下で、前記のように、内燃機関の低負荷下で、内燃機関のトルクを向上する役割を同様に有する。
【００７３】
前記のように、ガス排出通路においてその他の排ガス処理装置が取り付けられた場合、ガス排出背圧に対して不利の影響を与えるが、一部の場合、環境保全またはその他の目的のため、ガス排出通路にその他の排ガス処理装置例えば消音器を取り付けることは不可欠であるため、本発明により提供された装置に複数の機能を集成させることができれば、例えば該装置に同時に消音の機能を具備させ、ガス排出背圧を最適化することができる。
【００７４】
その他の排ガス処理装置または設備の機能が本発明の装置と集成されることによって取り消されてもよい時に、この状況は本発明の装置が単独に取り付けられた状況と類似である。この時、内燃機関のガス排出背圧が外部大気圧Ｐ０と本発明装置自体の圧力降下値ΔＰｉとの和に接近し、即ち、
【００７５】
Ｐ＝ Ｐ０＋ Δ Ｐｉである。
【００７６】
これはその他の排ガス処理装置または設備によって発生された圧力降下値ΔＰを除けることを意味し、ガス排出背圧が従来に比べ大幅に降下されるため、内燃機関のエネルギー効率を増加する。同様に、ΔＰｉの存在によって、内燃機関の低負荷条件下のトルクが向上された。これから分かるように、１つのより好ましい技術的な解決手段は本発明の装置がその他の排ガス処理装置または設備の機能に対して集成でき、それによって、これらの排ガス処理装置または設備を取り代わることができる。このような取りかえはスペース資源に対して非常に大切で、例えば消音器及び廃熱ボイラーの備えた船舶等の水上プラットホームは非常に重要になっている。
【００７７】
指摘すべきなのは、以上の説明から分かるように、冷却装置に廃熱ボイラーの廃熱回収を集成する原理は、冷却流体と高温排ガスとの熱交換した後吸収した熱量に対する回収である。集成消音器の消音機能の原理は、冷却によって、本発明の装置に通過した排ガスに断面拡延及び気流によって変動分流された効果をより強化させ、両者が原理及び実現においては矛盾していないため、本発明の冷却装置は同時に廃熱回収及び消音の機能を集成することもできる。
【００７８】
騒音汚染を防止するため、現在内燃機関ガス排出通路には一般的に消音器が取り付けられており、消音器も内燃機関ガス排出背圧を上昇させる主な部材である。出願者は、ケーシングに進入した排ガスを迅速に冷却することができれば、消音効果を増強する役割を果たすことができることを発見した。
【００７９】
消音原理によって、消音器は吸収消音器、リアクタンス消音器及び吸収・リアクタンス複合式消音器等の異なる類型を有してもよい。吸収消音器は主に多孔吸音材料によって騒音を降下する。音波が吸収消音器に入る時に、一部の音響エネルギーが多孔質材料の隙間において摩擦されることによって熱エネルギーに転換されて消耗され、消音器に通過した音波を衰弱させる。吸収消音器は中高周波数に対して消音効果がよく、低周波数に対して消音性能が比較的悪い。リアクタンス消音器が界面の急遽変更した管とチャンバとの組合せによって構成され、管路断面の急遽な拡延または収縮によって、管路に沿って伝播する一部の周波数の音波を急遽変更する処において音源方向に向いて反射させ、それによって消音の目的を達する。リアクタンス消音器は低中周波数の騒音の消去に比較的適するが、高周波数の騒音に対する消音効果が比較的悪い。吸収式構造とリアクタンス式構造とを所定の手段によって組み合わせれば、吸収・リアクタンス複合式消音器が構成され、両者の消音特性を両立する。
【００８０】
良好な消音効果を実現するため、以下の手段は消音効果の増強に役立つことがすでに発見された。１）気流方向を多数に変更する；２）繰り返して気流をまず収縮させその後拡大させる断面；３）気流を多数の小さい支流に分流し且つ多くの非円滑平面に沿って流動させる；４）気流を冷却する。
【００８１】
内燃機関にとって、一方、環境保全の要求によって、消音器が不可欠であるが、もう一方、消音効果が背圧上昇の結果に制限される。そのため、従来の内燃機関の消音器の技術は前記所望に応えることができない。吸収式消音に対し、消音器内に複数の隙間を設置することによって気流を変更、分流することが必要で、隙間が多いほど、長いほど、不規則ほど、吸収式消音の効果がより良いが、消音器によるガス排出背圧も大きく、内燃機関の荷重できる動力損失には限度がある。リアクタンス式消音に対し、ガス排出通路の断面拡延の倍率が大きいほど、即ち消音器の容積が大きいほど、消音に有利である。多くの場合にとって、特に船舶等は収納できるスペースには限度があるため、断面拡延の手段が応用されにくい。気流を「冷却する」ことについて、従来の消音技術には実現できず、特に船舶等の緻密なスペースにおける消音器は、冷却できないのみでなく、何百℃高温の周囲施設及び人員に対する火傷を防止するため、断熱材料を使用して密に被覆することによって「保温」をしなければいけない。
【００８２】
本発明が提供した方法または装置はリアクタンス消音の原理を使用して消音の役割を果たすことができる。そのため、本発明が提供した方法または装置において、排ガス進入口からケーシング内部までには断面の急遽な拡延が形成された。ここで、本発明が提供した方法及び装置は少なくともリアクタンス消音原理を使用する。リアクタンス消音器が界面の急遽変更する管とチャンバとの組合せによって構成され、管路断面の急遽な拡延または収縮によって、管路に沿って伝播する一部の周波数の音波を急遽変更する処において音源方向に向いて反射させ、それによって消音の目的を達する。本発明が提供した方法及び装置において、排ガス進入口からケーシング内部まで断面の急遽な拡延が形成される。ここで説明する断面の急遽な拡延はリアクタンス消音の原理を使用して排ガス騒音を減少させることを指す。
【００８３】
ケーシングを規則の形状例えば円筒状またはその他の規則の形状に製作すれば、出願者のテストは、排ガス進入口の横断面積がケーシングの横断面積の０．０５〜０．５倍である時に、消音効果が非常に顕著であることを発見した。そのため、１つの好ましい実施形態において、排ガス進入口の横断面積がケーシングの横断面積の０．０５〜０．５倍である。出願者はさらに、ケーシングの容積が内燃機関の排出量の３〜３０倍である時に、該装置の消音効果がより顕著であることを証明したため、１つのより好ましい実施形態において、ケーシングの容積が内燃機関の排出量の３〜３０倍である。
【００８４】
本発明が提供した消音方法はさらに吸収式消音の原理によって消音効果を増強することができる。排ガスを小さい支流に分流できる。消音原理によって、排ガスを小さい支流に分流することは消音効果を増強できる。
【００８５】
ケーシング内に相互の間に隙間を形成できるフィラーを充填すれば、さらに消音の効果を強化できる。フィラーの存在は該装置を１つの吸収消音器に形成させる。排ガスがフィラーに進入する時に、一部の音響エネルギーが多孔質材料の隙間において摩擦されて熱エネルギーに転換されることによって消耗され、消音器に通過した音波を衰弱させる。出願者はさらに、液体と排ガス気流との大面積接触することの元々は音波の音響エネルギーを吸収できることによって消音に役立つことを発見した。
【００８６】
このように、本発明は吸収・リアクタンス複合式消音に属し、吸収式及びリアクタンス式両者の消音特性を持っている。さらに、本発明は何百℃の高温排ガスを何十℃に冷却して消音器を流れ過ぎ、吸収式及びリアクタンス式消音効果を同時に増強する冷却膨張効果を形成する。本発明の吸収式消音は主にフィラーなどのような材料により形成された大量な隙間を利用し、排ガスが冷却され、体積が収縮され、流速が降下され、大量な隙間を流れ過ぎることによって発生された抵抗力の降下幅がより大きい。そのため、より多くのフィラーを使用してより多く、より長く、より不規則な隙間を構成することによって、本発明の気流方向を変更する回数、気流が断面を縮小しまた拡大することにより繰り返す回数、気流を小さい支流に分流する数量、及び非円滑通路を形成する面積などが、共に従来の消音器の技術より複数の等級を高めた。もう一方、本発明のリアクタンス消音は排ガス進入口からケーシング内部まで断面拡延が形成されることによって実現され、本発明の技術的解決手段は排ガスの体積を大幅に縮小し、ガス排出通路断面の拡延倍率を拡大することと等価であるため、リアクタンス消音効果をより増強した。１つの角度を変わって見れば、非常に大きな拡延倍率が必要であるが従来の技術にスペースが制限されて実現しにくい場合に、本発明が提供した方法及び装置が非常によく実現できる。
【００８７】
本発明が提供した内燃機関排ガスの消音方法は同時に前記内燃機関ガス排出背圧を最適化する効果を有することができる。このように、本発明が提供した方法によって、同一の装置を使用すれば消音の役割を実現すると同時に、内燃機関のガス排出背圧も実現できる。このように、本発明が提供した装置を内燃機関ガス排出通路内に取り付ければ、その他の消音器を取り付ける必要が無く、従来の船舶における応用に対して特に有利である。現在の法規の消音及び省エネーに対する関連規定によって、従来の船舶構造において、内燃機関ガス排出通路には廃熱ボイラー及び消音器が取り付けられている。且つ、内燃機関排ガスの排出通路が所在する位置には、内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を取り付ける余計なスペースはすでに無くなった。本発明が提供した方法を使用すればこの課題をうまく解決でき、即ち本発明が提供した装置を従来の消音器の位置に取り付け、且つ従来の消音器を取り替える。
【００８８】
また、排ガスを冷却することの自体が消音の効果を実現でき、本発明はさらに内燃機関排ガスの消音するための方法を提供し、内燃機関から排出された排ガスを１つのケーシング進入口からケーシング内部に進入させるステップを含み、また、前記方法はさらにケーシング内部に進入した排ガスを冷却液体と直接接触させるステップを含む。
【００８９】
本発明はさらに内燃機関排ガスの消音用装置を提供し、ケーシングを含み、ケーシングには排ガスをケーシング内部に進入させることができる排ガス進入口、排ガスをケーシングから排出させることができる排ガス排出口、冷却液体をケーシング内部に進入させることができる冷却水進水口、冷却液体をケーシングから排出させることができる冷却水出水口が設置され、前記冷却水進水口、冷却水出水口、排ガス進入口、排ガス排出口が、冷却液体と排ガスとをケーシング内部において相互に接触させることができるように配置される。
【００９０】
本発明はさらに内燃機関排ガスの消音用システムを提供し、前記システムは内燃機関ガス排出通路を含み、前記システムはさらに本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用装置を含み、該装置が内燃機関ガス排出通路内に取り付けられる。
【００９１】
本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用方法、装置及びシステムを使用すれば、従来の消音器を取り替えることができ、その他の消音装置を取り付ける必要が無い。冷却水を簡単に使用できる設備例えば自然水体に運航する船舶に対し、本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用方法、装置及びシステムによって消音を行うことができる。陸上における内燃機関を動力とする設備例えば自動車に対し、内燃機関冷却水を使用して冷却液体とすることができることによって、本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用方法、装置及びシステムによって消音を行うことができる。
【００９２】
本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用方法、装置及びシステムはさらに現有の消音器と機能上の組合せを行うことができる。例えば、排ガス進入口からケーシング内部まで断面の急遽な拡延を形成し、それによって、高温排ガスを迅速に冷却させることはリアクタンス消音効果をより増強できる。
【００９３】
本発明が提供した内燃機関排ガスの消音用方法、装置及びシステムにおいて、使用された冷却水、冷却水と高温排ガスとの接触する手段及び出入口の配置は前記内燃機関ガス排出背圧を最適化する方法、装置及びシステムと同様または類似であってもよい。
【００９４】
資料によると、ディーゼル機の廃ガス及び冷却媒体が燃料総発熱量のうちの約５０％の熱量を持ち出し、そのうち多くの部分は高温排ガスの形で大気に排出された。現在の船舶製造の法規は消音に対して環境保全が規定された以外に、さらに内燃機関ガス排出通路内に廃熱ボイラーの取り付けが要求されている。廃熱ボイラーが廃ガスボイラーとも呼ばれ、その役割がエンジン排ガスにおける熱量を回収利用することによって省エネーの目的を達することにある。従来の廃熱ボイラーの構造が冷却水を封装する管路であり、内燃機関ガス排出通路内に位置する。このように１つの矛盾が存在しており、廃熱を十分に回収しようとすれば、冷却水が封装された管路を内燃機関排ガスと十分に接触させることが必要であり、これは冷却水が封装された管路をより密に内燃機関ガス排出管路内に分布させることが必要であるため、ガス排出抵抗力及びガス排出背圧を増加しなければならなくなり、内燃機関の効率に不利な影響を与える。故にこそ、従来の船舶における廃熱ボイラーの熱量回収率があまり高くない。
【００９５】
本発明が提供した方法及び装置の様々な実施形態において、冷却液体（例えば冷却水）と排ガスとを直接接触させる手段によって排ガスを冷却すれば、高温排ガスの熱量を吸収した冷却水（即ち熱水）が排出され且つ且つそのうちの熱量を使用できることになる。このように、本発明が提供した方法及び装置は廃熱回収の役割を同時に果たすことができる。そのため、本発明が提供した方法はさらに、高温排ガスの熱量を吸収した冷却液体を熱量利用装置または熱交換器に搬送するステップを含む。本発明が提供したシステムはさらに熱量利用装置または熱交換器、及び流体を熱量利用装置または熱交換器に搬送できる管路を含む。
【００９６】
一部の品物の運送例えば重油、アスファルト等の運送する時に熱源によって保温することが要求され、熱水を直接応用することができ、熱水で保温を行う装置は熱量利用装置である。他一部の品物の運送例えば冷凍冷蔵運送船舶も熱源によって冷凍する（具体的な手段はルーチン設計の範囲に属する）が必要である時に、本発明の手段により回収された廃熱はその全部または部分的な熱量ニーズに応えられる。
【００９７】
本発明の方法及び装置が内燃機関の排ガスに対して温度降下することによってガス排出背圧を降下し、それによって内燃機関のエネルギー効率を向上すると同時に、元々大気に排出する高温排ガスに持ち出された大量な熱エネルギーを冷却流体例えば冷却水によって吸収する。排ガスの熱量を吸収した冷却水が中間熱水になり、直接利用してもよく、さらに液体と液体の熱交換手段で非常に高い熱交換効率によって清浄熱水に転換させた後再利用することもできる。例えば万トンクラスの船の排ガス排出量が約１２２０ｋｇ/ｈで、ＭＣＲ条件（定格パワーの８０％）下で大気に排出された排ガス温度が３００℃も超え、その熱量が全部に廃棄された。本発明の装置によって該船舶のＭＣＲ条件下の大気に排出される排ガス温度を５０℃ひいては３０℃に安定させることができ、元々廃棄された百万キロカロリーの熱量を回収されることにする。そのため、従来の内燃機関排ガス管路における廃熱ボイラーが完全に本装置によって取り代わられることができる。同時に、ニーズに応じて、回収した廃熱を熱水及び／または蒸気の発生に使用することができる。
【００９８】
そのため、本発明装置の冷却水ポンプが流量の大きさを調節できるように設計されてもよく、冷却水の水量を変更することによって生成された熱水の温度に対して調節を行い、このように廃熱利用のニーズにより適応でき、廃熱の利用率をより向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】図１は本発明の実施例１における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の説明図である。
【０１００】
【図２】図２は本発明の実施例１における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムの説明図である。
【０１０１】
【図３】図３は本発明の実施例１におけるガス排出背圧とエンジン負荷率との関係説明図である。
【０１０２】
【図４】図４は本発明の実施例１におけるガス排出温度とエンジン負荷率との関係説明図である。
【０１０３】
【図５】図５は本発明の実施例２における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の説明図である。
【０１０４】
【図６】図６は本発明の実施例３における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムの説明図である。
【０１０５】
【図７】図７は本発明の実施例４における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムの説明図である。
【０１０６】
【図８】図８は本発明の実施例５における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の説明図である。
【０１０７】
【図９】図９は本発明の実施例６における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の説明図である。
【０１０８】
【図１０】図１０は本発明の実施例７における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０９】
図１〜図４は本発明の実施例１の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置及びシステムを示す。
【０１１０】
図１に示すように、この実施例において、内燃機関ガス排出を最適化する装置はケーシング６を含み、ケーシング６には冷却水進水口１０及び冷却水出水口１１が設置される。そのうち、冷却水進水口１０がケーシングの側面上部に位置し、冷却水出水口１１がケーシングの側面下部に位置する。重力によって、冷却水進水口１０からケーシングに進入する冷却水が上から下まで通過し、且つ冷却水出水口１１から排出される。
【０１１１】
ケーシング６にはさらに排ガス進入口８及び排ガス排出口９が設置される。そのうち、排ガス進入口８がケーシングの内部に伸び入れ、ケーシング内部に伸び入れるパイプが即ち排ガス進入口７である。排ガス進入口７がケーシングの底部に位置し、排ガス排出口９がケーシングの頂部に位置する。排ガス進入口７からケーシング６に進入する排ガスがケーシング内部において下から上まで通過し、且つ排ガス排出口９から排出される。
【０１１２】
そのうち、ケーシング底部に流れ着きまたは落下する冷却水が重力の作用下で排ガス進入口７に通過して排ガス進入パイプ８に進入しないよう、冷却水出水口１１が重力方向において排ガス進入口７の下方に位置する。
【０１１３】
ケーシング６内には相互の間に隙間を形成できるフィラーが充填され、フィラー層１２を形成する。フィラー層１２の上方には噴水器１４が設置される。
【０１１４】
また、冷却水が排ガス進入口７から排ガス進入パイプ８に進入することを防止するため、排ガス進入口７とフィラー層１２との間に止水板１３が設置される。止水板１３が排ガス進入口７の正上方に位置し、縦方向において上から下までの液体を完全に阻止することによって液体を排ガス進入口７に進入させない。止水板１３に流れ着きまたは落下する洗浄水がさらにケーシングの底部まで流れ着きまたは落下するように、止水板１３の上表面の辺縁部分が中央部分より低く、これもさらに洗浄水が排ガス進入口７に進入することを防止できる。
【０１１５】
内燃機関から排出された高温高速な排ガスが排ガス進入口７に到達する前に止水板１３の阻害によって急遽に方向変更して比較的ガス排出抵抗力を引き起こすことを発生させないため、ここでは排ガス進入パイプ８及び排ガス進入口７が配置されることによって、排ガスを進入口７処に円滑に到達させ、且つ止水板１３を避け、その後ケーシング内に進入する。
【０１１６】
図１及び図２に示すように、使用する時に、内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置５を船舶内燃機関のガス排出通路内に取り付け、該装置は内燃機関のガス排出通路と一緒に内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムを構成する。該船舶内燃機関にはターボチャージャー２が取り付けられる。現在の法規の消音及び省エネーに対する関連規定によって、従来の船舶構造には、内燃機関ガス排出通路には廃熱ボイラー及び消音器が取り付けられ、且つ、内燃機関排ガス排出通路の所在する位置には、比較的大きなサイズの設備をさらに取り付ける余計なスペースがすでにない。本実施例において、内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置５を従来の船舶の消音器の位置に取り付け、且つ従来の消音器及び廃熱ボイラーを取り替える。排ガス進入パイプ８が内燃機関ガス排出パイプ３と連通され、煙突４が排ガス排出口９と連通される。また、本実施例における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムはさらに冷却水進水パイプ１６、冷却水出水パイプ１７、水ポンプ１８、調節弁１９、熱交換器２０、熱量利用装置２１を含む。そのうち、冷却水進水パイプ１６、内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置５、冷却水出水パイプ１７が冷却水の流動回路を構成する。熱交換器２０冷却水出水パイプ１７内に取り付け、熱量を吸収した冷却水における熱量を他種の流体に伝達し、さらに熱量利用装置２１に伝達した後利用することに用いられる。
【０１１７】
以下の方法によって本実施例の装置及びシステムを使用する：船舶が海洋に運航する時に、内燃機関が働きを生成して高温排ガス（約５００℃）を発生し、内燃機関排出パイプによって排出され、その後排ガス進入パイプによって内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置のケーシングに進入し、冷却水進水パイプが所在する自然環境において直接海水を吸い込み、水ポンプによって内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置のケーシングに搬送する。排ガスが排出圧力及び自然拡散の作用下で、ケーシングの内部において下から上まで流経し、海水の重力の作用下で、ケーシングの内部において上から下まで流経する。高温排ガスがフィラー層において小さい支流に分流され、且つ海水と相互に接触して迅速に冷却される。冷却された後の排ガス（フィラー層に通過した後約３０℃〜８０℃である）が煙突から大気に排出される。熱量を吸収した海水が冷却水出水口から排出され、その後冷却水出水パイプから熱交換器を流れ過ぎて熱量を他１種の流体に伝達し、その後海洋に排出される。熱交換器において熱量を吸収した他１種の液体が熱量利用装置に搬送されて再利用される。
【０１１８】
前記実施例は大量な隙間を有するフィラー層によって高温排ガスを複数の小さい支流に分流し、それによって、所定のガス排出抵抗力を提供し、且つフィラー層において高温排ガスを迅速に冷却する。冷却された高温排ガスは体積が急に収縮され、その流量及び流速が下げられ、それによる抵抗力がより大きな幅で減少され、内燃機関ガス排出背圧が相対に降下され、それによって内燃機関の換気条件を改善だけでなく、ターボチャージャーの増圧効果の上昇にも役立つ。本実施例のガス排出背圧が負荷の上昇に伴って相対に降下されるため、ガス排出背圧に対する敏感要因が完全に消去される。また、内燃機関の低負荷時に、本実施例はさらに所定の背圧を提供することによって、内燃機関のトルクを向上する。
【０１１９】
本実施例における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置５はさらに消音の役割を果たす。消音の原理は吸収・リアクタンス複合式の消音に属し、吸収式及びリアクタンス式の２つの消音特性を両立する。本実施例は何百℃の高温排ガスを何十℃に冷却し、吸収式及びリアクタンス消音効果を同時に増強する冷却膨張効果を発生するため、従来の技術の消音器に比べよりよい消音効果を有する。
【０１２０】
１つの万トンクラスの船には該実施例により提供される内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムが取り付けられる。その本推進ディーゼル機の吐出量がＰ＝３３６Ｌで、燃焼は硫黄含有量２ 〜 ３％ｍｍの重油を使用する。内燃機関ガス排出通路に沿うスペース条件によって、内燃機関の吐出量の３〜３０倍の範囲内に内燃機関排ガス浄化装置のケーシングの容積を選択する。排ガス進入パイプ３のサイズによって、排ガス進入パイプの横断面積が０．３ｍ２で、０．０５〜０．５倍によってケーシング横断面積を選択すれば、ケーシングの容積は５．３ｍ３が選択され、横断面積は１．８ｍ２ が選択される。内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置が本推進ディーゼル機のガス排出通路に取り付けられ、該船の本推進ディーゼル機には消音器及び廃熱ボイラーが再び配置されない。
【０１２１】
内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置に対して搬送された冷却水が水ポンプによって海水から吸い上げられ、冷却水量が２０ 〜 １００ｍ３／ｈに制御される。
【０１２２】
出願者のテストによると、前記船に該実施例を実施した後、船舶から排出された騒音が２３ｄｂも減少した。
【０１２３】
図３は実施例１における出願者により実際に測定された船舶のガス排出背圧と内燃機関負荷率との間の関係説明図である。そのうち、従来の技術的データが従来の消音器及び廃熱ボイラーが取り付けられている船舶（その他の配置は本実施例の船舶の配置と同様である）を測定することによって得られた。ガス排出背圧のデータが排ガス進入口から採集され、単位がＰａである。図に示された結果から分かるように、本実施例における装置を取り付けた後、内燃機関の低負荷時に、本実施例におけるガス排出背圧が従来の装置（消音器）のガス排出背圧よりやや大きい。内燃機関の負荷の上昇に伴って、従来の装置のガス排出背圧が迅速に上昇するが、本実施例におけるガス排出背圧の上昇速度及び幅が従来のガス排出背圧より大幅に小さい。
【０１２４】
図４は実施例１における出願者により実際に測定された船舶のガス排出温度と内燃機関負荷率との間の関係説明図である。そのうち、従来の技術的データが従来の消音器及び廃熱ボイラーが取り付けられている船舶（その他の配置は本実施例の船舶の配置と同様である）を測定することによって得られた。温度のデータが煙突の排出口から採集された。図に示された結果から分かるように、従来の船舶において、内燃機関負荷の上昇に伴って、排出された排ガス温度もそれに伴って上昇し、最も高い時は約３５０℃までも達することができ、明らかに、排ガスにはまだ大量な廃熱が利用されていなかった。本実施例における装置を取り付けた後、ガス排出温度がずっと約３０℃に安定していた。
【０１２５】
図５は本発明の実施例２の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を示す。
【０１２６】
実施例１における内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置と異なるのは、該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置の排ガス進入口７がケーシング６の側面下部に位置し、重力方向において、排ガス進入口７の位置が洗濯水出水口１１の位置より高い。このような状況下で、内燃機関ガス排出通路が排ガス進入パイプ８を介してケーシングの側面と連通される。排ガスがケーシングの側面から進入するため、止水板の必要が無い。
【０１２７】
内燃機関のガス排出通路が内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置のケーシングの側面と連通される。本実施例において、内燃機関の吐出量がＰ＝３３Ｌで、ケーシング容積が０．２ｍ３ で、横断面積が０．３ｍ２ で、排ガス進入パイプの横断面積が０．０６ｍ２ である。
【０１２８】
図６は本発明の実施例３の内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムを示す。
【０１２９】
実施例１における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムと異なるのは、該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムにおける冷却水が内燃機関の冷却水から吸い込まれ、熱量を吸収した冷却水が内燃機関冷却水と同様に直接排出されることができる。
【０１３０】
図７は本発明の実施例４の内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムを示す。
【０１３１】
実施例１における内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムと異なるのは、該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムはケーシングの流体を熱交換器２０に搬送する管路を含む以外に、さらに熱交換器２０の流体をケーシングに搬送する管路を含む。
【０１３２】
このような内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムにおいて、高温排ガスの熱量を吸収した冷却水が熱交換器２０を流れ過ぎた後、またケーシングに搬送されて再び冷却水とし、それによって、リサイクルを実現する。
【０１３３】
また、該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化するシステムはさらに不純物分離装置２２を含み、冷却水排水パイプ内に取り付けられ、冷却水における不純物をろ過することに用いられ、不純物を不純物排出パイプ２４から排出することによって、冷却水に持ち入れた顆粒物の蓄積し過ぎることを防止する。不純物分離装置２２は同時に冷却水を添加する機能を有し、冷却水補充パイプ２３を介して、蒸発による減少された冷却水を補充する。
【０１３４】
図８は本発明の実施例５の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を示す。
【０１３５】
該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置のケーシング内に放熱部材２５即ち冷却部材が設置される。放熱部材２５がホットパイプ２６、吸熱シート２７及び放熱シート２８によって構成される。吸熱シート２７がケーシングの内部に位置し、熱良導体によって製作され、排ガスを小さい支流に分流し、且つ排ガスにおける熱量を吸収することに用いられる。放熱シート２８がケーシングの外部に位置し、熱良導体によって製作され、熱量を環境に放出することに用いられる。ホットパイプ２６が吸熱シート２７及び放熱シート２８を連接し、熱良導体によって製作され、吸熱シートの吸収した熱量を放熱シートに伝達することに用いられる。
【０１３６】
内燃機関から排出された高温排ガスが該実施例における装置に通過する時に、吸熱シート２７によって小さい支流に分流され、同時に放熱部材２５と熱交換を発生することによって冷却される。
【０１３７】
該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置は陸上における内燃機関を動力とする設備例えば自動車に直接取り付けられてもよい。
【０１３８】
図９は本発明の実施例６の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を示す。
【０１３９】
該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置のケーシング内に冷却水をその中に流動させることができる冷却パイプ２９即ち冷却部材が設置される。冷却パイプ２９がケーシング内に密に分布されるため、排ガスを小さい支流に分流する役割を果たすことができる。
【０１４０】
使用する時に、冷却水を冷却パイプにおいて流動するように維持させ、排ガスが小さい支流に分流される過程において同時に迅速に冷却される。冷却水が高温排ガスにおける熱量を吸収した後蒸気に形成され、形成された蒸気が熱量利用装置に搬送されて直接利用されることができる。
【０１４１】
該実施例の装置は船舶に取り付けることができ、冷却水が自然水体の海水、川水または湖水から吸い込まれ、冷却水は内燃機関の冷却水を使用してもよい。該装置は自動車に取り付けてもよく、冷却水が内燃機関の冷却水を使用してもよい。
【０１４２】
図１０は本発明の実施例７の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置を示す。
【０１４３】
該実施例の内燃機関ガス排出背圧を最適化する装置はケーシング６を含み、ケーシング６には排ガス進入口７及び排ガス排出口９が設置される。前記と異なるのは、排ガス進入口７からケーシング内部まで断面の急遽な拡延が形成されていない。そのうち、排ガス排出口９の存在がガス排出通路の断面を縮小させ、それによってある適度のガス排出抵抗力を提供する。
【０１４４】
該実施例の装置はさらにスプレー装置１５を含み、ケーシング内部に対して冷却水をスプレーし、それによって高温排ガスの温度を迅速に降下することに用いられる。熱量を吸収した冷却水が冷却水出水口１１から排出される。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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