(57)【要約】【課題】大型ディーゼル機関でも使用可能な、内燃機関からの窒素酸化物を削減する方法を提供する。【解決手段】過給式内燃機関(１０)は、窒素を送り込むための少なくとも１つの窒素供給装置(４４)と、当該窒素供給装置(４４)と接続されている、燃焼空気に窒素質量流量を供給するための少なくとも１つの窒素導入装置(２６ａ〜２６ｄ；４２ａ〜４２ｆ)とによって特徴付けられている。窒素が燃焼空気に供給されることによって、内燃機関(１０)の窒素酸化物の排出量は、効果的に削減され得る。当該システムは、特に有利な方法で、重油で駆動される大型ディーゼル機関において使用可能である。【選択図】図３
2009257317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給式内燃機関(１０)、特に大型ディーゼル機関あるいは船舶用ディーゼル機関において、
窒素を送り込むための少なくとも１つの窒素供給装置、特に窒素を生成するための窒素生成装置(４４)および／または貯蔵された窒素を放出するための窒素貯蔵装置と、
前記窒素供給装置(４４)と接続されている、前記内燃機関のための燃焼空気に窒素を供給するための少なくとも１つの窒素導入装置(２６ａ〜２６ｄ；４２ａ〜４２ｆ)とによって特徴付けられる内燃機関。
【請求項２】
前記内燃機関(１０)が、少なくとも１つのコンプレッサー(２０;３０,３６)を前記内燃機関の吸気システム(１６)に備えており、かつ前記コンプレッサー(２０;３０,３６)の上流に、少なくとも１つの窒素導入装置(２６ａ；４２ａ〜４２ｃ)が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関(１０)が、少なくとも１つのコンプレッサー(２０;３０,３６)を前記内燃機関の吸気システム(１６)に備えており、かつ前記コンプレッサー(２０;３０,３６)の下流に、少なくとも１つの窒素導入装置(２６ｂ〜２６ｄ；４２ｂ〜４２ｆ)が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記内燃機関(１０)が、コンプレッサー(２０;３０,３６)の下流に設けられている少なくとも１つの給気冷却器(２４;３４,４０)を、前記内燃機関の吸気システム(１６)に備えており、かつ前記給気冷却器(２４;３４,４０)の上流に、少なくとも１つの窒素導入装置(２６ａ,２６ｂ；４２ａ〜４２ｄ)が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記内燃機関(１０)が、コンプレッサー(２０;３０,３６)の下流に設けられている少なくとも１つの給気冷却器(２４;３４,４０)を、前記内燃機関の吸気システム(１６)に備えており、かつ前記給気冷却器(２４;３４,４０)の上流に、少なくとも１つの窒素導入装置(２６ｃ,２６ｄ；４２ｃ〜４２ｆ)が設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記内燃機関(１０)が、前記内燃機関の前記吸気システム(１６)にある第１コンプレッサー(３０)と、前記第１コンプレッサー(３０)の下流にある第２コンプレッサー(３６)とを備えており、かつ前記第１コンプレッサー(３０)の上流に、少なくとも１つの窒素導入装置(４２ａ)が設けられており、かつ／または
前記第１コンプレッサー(３０)下流と第２コンプレッサー(３６)の上流とに、少なくとも１つの窒素導入装置(４２ｂ,４２ｃ)が設けられており、かつ／または
前記第２コンプレッサー(３６)の下流に、少なくとも１つの窒素導入装置(４２ｄ〜４２ｆ)が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
少なくとも１つの窒素導入装置(２６ｄ；４２ｆ)が、前記内燃機関(１０)のシリンダー(１２)の上流にある最後のコンプレッサー(２０；３６)に後置されて設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
窒素導入装置が、前記内燃機関(１０)のシリンダー(１２)に接して設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
窒素導入装置(２６ａ〜２６ｄ；４２ａ〜４２ｆ)が、窒素供給管(５２)を介して前記窒素供給装置(４４)と接続されており、かつ少なくとも１つの前記窒素導入装置(２６ａ〜２６ｄ；４２ａ〜４２ｆ)への窒素質量流量を開ループ制御もしくは閉ループ制御するための開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁(５４)が、前記窒素供給管(５２)に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記内燃機関(１０)の前記吸気システム(１６)が、特に同様に前記窒素供給装置(４４)と接続されている、燃焼空気に酸素が添加された空気を供給するための少なくとも１つの空気導入装置を備えていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記内燃機関(１０)が、排気ガスシステム(１４)と前記吸気システム(１６)との間に排気ガス再循環なしで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記内燃機関(１０)が、排気ガスシステム(１４)と前記吸気システム(１６)との間に排気ガス再循環を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１３】
過給式内燃機関を駆動制御するための方法であって、前記内燃機関(１０)の燃焼空気に、前記窒素供給装置(４４)で生成される窒素質量流量が供給されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記内燃機関(１０)の燃焼空気への窒素質量流量の供給が、開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁(５４)によって開ループ制御もしくは閉ループ制御されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記内燃機関(１０)の燃焼空気に、特に同様に前記窒素供給装置(４４)で生成された、酸素が添加された空気質量流量が供給されることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記内燃機関(１０)の燃焼空気の窒素質量流量が、前記内燃機関の出力、燃料噴射量、回転数、コンプレッサーの給気圧、窒素圧力、窒素量、および／または窒素酸化物の許容量に応じて供給されることを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
供給される窒素質量流量に応じて、噴射圧力が変えられ、後噴射が行われ、給気圧が変えられ、かつ／またはコンプレッサー特性マップにおける前記内燃機関の作業点が変えられることを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関するもので、特に船舶用ディーゼル機関のような重油で運転される大型ディーゼル機関において、有利に利用可能である。
【背景技術】
【０００２】
船舶用ディーゼル機関においても、窒素酸化物(ＮＯＸ)の排出量の許可された上限値が、ますます低くなっている。それゆえ、上記のような大型ディーゼル機関にも採用することのできる、内燃機関からの窒素酸化物の排出量を削減するための解決法が必要である。
【０００３】
自動車産業の分野では既に、内燃機関から出る窒素酸化物の排出量を削減するための様々な解決法の手掛かりが知られているが、しかし当該解決法は、原則として大型ディーゼル機関には容易に転用することができない。
【０００４】
そのため、たとえば特許文献１と特許文献２は、排気ガスの流れから窒素酸化物を除去するために、排気ガスシステムにそれぞれ窒素酸化物貯蔵触媒もしくは窒素酸化物吸着装置を備えた内燃機関を記載している。当該排気ガス浄化装置を再生するために、特許文献１と特許文献２とにおいて、様々な処置が提案されている。
【０００５】
燃焼の際に生じる窒素酸化物を排気ガスの流れの中で削減するのではなく、燃焼プロセスそのものにおいて窒素酸化物の生成を減らすことが、より目的に適っている。燃焼プロセスにおける窒素酸化物生成量の削減は、シリンダー内での酸素の供給を減らすことで可能であると判明している。この関連性は、図１においてグラフを用いて具体的に示されている。すなわち図１においては、シリンダー内の酸素濃度に対する内燃機関の窒素酸化物の排出量が描かれており、大気中の酸素濃度に対して窒素酸化物の排出量１００パーセントを基準値としている。内燃機関の手前での酸素濃度の減少、すなわちシリンダー内の酸素濃度の減少により、排気ガス内の窒素酸化物の濃度が削減されていくことが分かる。
【０００６】
このような酸素供給の減少と、それによる窒素酸化物の排出量の削減はたとえば、排気ガスシステムから、通常は排気ガス再循環冷却装置が備わっている内燃機関の吸気システムへの排気ガス再循環(ＡＧＲ)を介して達成され得る。冷却された排気ガス再循環は、自動車のディーゼル機関において窒素酸化物を削減するための非常に効果的な方法である。
【０００７】
原則的には、重油で運転される大型ディーゼル機関も、冷却された排気ガス再循環で駆動可能であり、これによってたとえば、排気ガス再循環率がおよそ１０パーセントの場合には、窒素酸化物をおよそ３５から４０パーセント削減できる。しかしながら排気ガス再循環で駆動した場合、再循環された排気ガスが多くの硫黄や粒子や灰を含有しているため、極めて短期間のうちに著しい汚染および腐食や浸食による破損を招く。再循環された排気ガスを、シリンダーに供給される前に、粒子フィルターや排気ガス洗浄などによって浄化するという試みも、これまで成功しなかった。
【０００８】
高速で作動する乗用車用機関においては、排気ガス再循環は、主として内燃機関の出力が小さい場合に運転サイクルに応じて取り入れられ、負の掃気勾配で働く。すなわち、排気ガスターボチャージャーのタービン手前の排気ガス圧は、内燃機関の給気圧よりも高い。しかしながら大型機関の場合には、サイクルの高い出力が非常に重要視される。しかし出力が高い場合には、重油機関において要求される低い部材温度と正の掃気勾配によって、排気ガス再循環は困難なものとなる。
【０００９】
窒素酸化物の排出量削減のために、排気ガス再循環の代わりに空気分離装置を、内燃機関の吸気システムに備えることが、従来技術からさらに知られている。特許文献３、特許文献４および特許文献５において実施されているように、空気分離装置は、給気冷却器の下流に、場合によっては空気清浄機の下流において給気システムに設置される。当該空気分離装置は吸引した外気を、酸素含有量が低下した分流もしくは窒素含有量が増加した分流と、酸素含有量が増加した分流とに分離する。窒素含有量が増加した分流は、燃焼空気として内燃機関のシリンダーに供給されるが、一方で酸素含有量が増加した別の分流は、再び外界へと放出される。窒素含有量が増加した燃焼空気は、シリンダーにおいてより低い燃焼温度を用いることを可能にし、それゆえ燃焼の際に窒素酸化物の生成が少なくなる結果となる。特許文献６においては、上記のような空気分離装置の設置が排気ガス再循環と組み合わされ、互いに独立して制御可能である。
【００１０】
しかしながら、内燃機関の吸気システムに空気分離装置を設置すると、燃焼空気の流れが比較的大きな抵抗を受けることになり、それゆえ排気ガスターボチャージャーのコンプレッサーは、比較的高い出力を出さなくてはならない。これは、特に大型ディーゼル機関には不利となる。しかも、内燃機関の吸気システムに備えられているこのような空気分離装置においては、燃焼空気中の窒素含有量は容易に制御できず、たとえば弱負荷の場合のような内燃機関のいくつかの駆動状況においては、このような窒素含有量の制御の困難性はむしろ不利となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許第43 19 294号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第10 2004 054 449号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第102 33 182号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第10 2004 041 263号明細書
【特許文献５】米国特許第6,173,567号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第10 2004 049 218号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、大型ディーゼル機関でも使用可能な、内燃機関からの窒素酸化物を削減する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本課題は、請求項１の特徴を有する内燃機関と、請求項１３の特徴を有する内燃機関の駆動方法とによって解決される。本発明の有利な形態とさらなる形態とは、従属請求項の対象である。
【００１４】
本発明による過給式内燃機関は、窒素を送り込むための少なくとも１つの窒素供給装置と、当該窒素供給装置と接続されている、燃焼空気に窒素を供給するための少なくとも１つの窒素導入装置とを備えている。
【００１５】
本発明に係る内燃機関においては、窒素供給装置によって運ばれ、特に窒素生成装置内で生成された窒素質量流量が燃焼空気に供給され得る。窒素供給装置は、たとえば冒頭で説明された、従来技術における空気分離装置のように、内燃機関の吸気システムに組み込まれていないため、燃焼空気の流れの抵抗は大きくならず、燃焼空気中の窒素含有量を柔軟に調節することができる。後により詳細に説明される図２において具体的に示されているように、燃料空気中の窒素の割合が高いこと、もしくは酸素の割合が低いことにより、内燃機関の窒素酸化物の排出量を削減することができる。図２においては、燃料質量に相関して加えられる窒素に対する窒素酸化物の排出量が描かれている。
【００１６】
窒素供給装置によって、純粋かつ清浄なガスが燃焼空気に供給される場合、重油で運転される大型ディーゼル機関において排気ガス再循環が原因で生じかねない汚染や腐食・浸食による破損が、有利なことに減少する。排気ガス再循環とは対照的に、窒素供給の開ループ制御もしくは閉ループ制御は容易にかつ素早く正確に実行され得る。しかも本発明に係る窒素供給は、排気ガス再循環を有する現存の内燃機関にも排気ガス再循環を有さない既存の内燃機関にも、問題なく後付け可能である。
【００１７】
この場合、「窒素供給装置」という概念には、たとえば外気から窒素を生成するための窒素供給装置だけでなく、外気を窒素が添加された空気と窒素の希薄な空気とに分離するための装置であり、特に窒素貯蔵装置すなわち、あらかじめ生成された窒素、たとえば気体窒素用の貯蔵部から直接的に、あるいは貯蔵されている液体窒素を気化させることで間接的に生成された窒素を利用することのできる窒素貯蔵部もまた含まれる。
【００１８】
一段式給気装置を備えた内燃機関の実施の際には、コンプレッサーの上流および／あるいは下流に窒素導入装置を設けることができる。
【００１９】
二段式給気装置を備えた内燃機関には、さらなる自由度がある。そのため窒素導入装置は、第１のコンプレッサーの上流、第１のコンプレッサーと第２のコンプレッサーとの間および／あるいは第２のコンプレッサーの下流に設けることができる。
【００２０】
選択的にあるいは付加的に、窒素導入装置を内燃機関のシリンダーの上流に直接、特に内燃機関のシリンダーに直接接して設けることも可能である。
【００２１】
発明の１つの形態においては、少なくとも１つの窒素導入装置が、窒素供給管を介して窒素供給装置と接続されており、当該窒素供給装置には、燃焼空気への窒素質量流量を開ループ制御もしくは閉ループ制御するための開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁が設けられている。
【００２２】
本発明のさらなる形態においては、有利なことに、酸素が添加された窒素生成装置の「廃棄ガス」も利用され得る。「廃棄ガス」利用のために、内燃機関の吸気システムは、酸素が添加された空気を燃焼空気に供給するための、少なくとも１つの空気導入装置をさらに備えており、当該空気導入装置は同様に窒素生成装置と接続されている。
【００２３】
本発明に係る内燃機関は、排気ガスシステムと吸気システムとの間に、排気ガス再循環を有するかあるいは有しないかを選択可能に形成され得る。
【００２４】
たとえば内燃機関の機関制御装置の構成部材として、また別個の制御装置としても形成され得る電子工学上の制御装置によって、窒素質量流量は開ループ制御もしくは閉ループ制御可能である。当該電子工学上の制御装置には、内燃機関の出力、燃料噴射量および／あるいは回転数、１つあるいは複数のコンプレッサーの給気圧、窒素供給装置の窒素圧力および／あるいは窒素量、および／あるいは窒素酸化物の許容量が測定変数として送られ、当該測定変数に基づいて制御装置は、内燃機関の燃焼空気に供給される窒素質量流量を、たとえば特性マップを用いて開ループ制御もしくは閉ループ制御する。そうしてたとえば船舶用のディーゼル機関においては、外海上では供給される窒素質量流量は削減されるか、あるいは遮断され、他方で沿岸では窒素酸化物の上限値が低いため、供給される窒素質量流量は増加される。そのためには、たとえば、相応の開ループ制御弁もしくは閉ループ制御弁が窒素供給管内で位置調節されるか、あるいは窒素生成装置において生成の割合が変化させられる。
【００２５】
特に、より大きい窒素質量流量においては、噴射圧力特にレール圧力を上げることが有利となり得る。同様に、この場合には後噴射を行うことが可能である。たとえばタービンの可変幾何学形状および／またはウェイストゲートを有する、１つあるいは複数のコンプレッサーを備えた適応性を有する過給器群によって実現され得る、給気圧の適合も有利となり得る。過給空気と排気ガス側との間のたとえばバイパス弁を開けたりもしくは閉じたりすることによって、付加的にあるいは選択的に、供給される窒素質量流量もしくはそれと関連した窒素酸化物の削減に応じて、内燃機関のコンプレッサー特性マップにおける作業点が変化され得る。
【００２６】
本発明のさらなる特徴と利点とは、従属請求項と、好ましい実施例の以下の記述とから明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】外気で駆動した場合に、本発明の実施に基づく内燃機関が燃焼空気の酸素含有量に対して排出する窒素酸化物の排出量を示す図である。
【図２】外気での駆動を基準とした場合に、本発明の実施に基づく内燃機関が燃焼空気に追加して供給される窒素の量に対して排出する窒素酸化物の排出量を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例に基づく、一段式給気装置を有する内燃機関の概略図である。
【図４】本発明の内燃機関用に使用可能な窒素生成装置の概略図である。
【図５】本発明の第２の実施例に基づく、二段式給気装置を有する内燃機関の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、内燃機関の窒素酸化物の排出量は、燃焼空気内の酸素含有量を少なくすることで削減可能であるという認識に基づいている。
【００２９】
図１においては、横軸に燃焼空気の酸素含有量が質量パーセントで描かれ、縦軸に内燃機関の窒素酸化物の排出量がパーセントで描かれている。この図では、酸素含有量が約２３.３パーセント(外気)のときの窒素酸化物の排出量が１００パーセントと規定されている。
【００３０】
通常の排気ガス再循環によって、たとえば燃焼空気内の酸素含有量を約２２.５パーセントにまで低下させることができ、これにより窒素酸化物の排出量を約７０パーセントにまで削減することができる。
【００３１】
始めに記述されたように、重油で運転される大型ディーゼル機関の場合には排気ガス再循環は問題がないというわけではないため、本発明の実施においては内燃機関のシリンダーに、窒素が添加された過給空気が供給される。
【００３２】
図２においては、横軸に燃料質量に相関して加えられる燃料空気の窒素の割合がパーセントで描かれている。窒素の割合は、窒素の供給によって調節される。縦軸には内燃機関の窒素酸化物の排出量が描かれている。図２では、追加された窒素の割合がない(０パーセント)の燃焼空気に対する窒素酸化物の排出量を１.０と規定している。図２で明らかなように、燃料消費量にほぼ相当する(すなわち１００パーセント)窒素質量流量を追加すると、窒素酸化物の排出量はおよそ２５パーセント減少可能、すなわち約０.７５にまで減少可能である。
【００３３】
機関内部の処置、たとえばミラーサイクル方式や、圧縮を高めることなどとともに、以下に記述されているように、内燃機関の燃焼空気へ窒素を供給することによって、今日の内燃機関に対し５０パーセント以上まで、燃料消費とは関わりのない窒素酸化物の削減が可能となる。二段式給気装置を有する内燃機関では、窒素酸化物の排出量の削減において６５パーセント以上の値が達成可能である。
【００３４】
図３と図４を引き合いに出して、次に、内燃機関の第１の実施例を詳述する。
【００３５】
内燃機関１０は複数のシリンダー１２を備えており、当該シリンダー１２は、対応する燃焼室と、燃焼空気をシリンダー１２に供給するための吸気システム１６と、燃焼時に生じる排気ガスをシリンダーから排気するための排気ガスシステム１４とを有している。当該実施例の内燃機関１０は、一段式過給器群を形成している。
【００３６】
排気ガスターボチャージャー１８は、既知のように、吸気システム１６に設けられている、シリンダーに供給されるべき燃焼空気を圧縮するためのコンプレッサー２０と、排気ガスシステム１４に設けられているタービン２２とを備えており、当該タービン２２は、シリンダー１２からの排気ガスの流れによって駆動され、コンプレッサー２０と連結されている。コンプレッサー２０の下流(図３の左)には、吸気システムに給気冷却器２４が設けられている。
【００３７】
内燃機関１０の燃焼空気には、窒素質量流量が供給される。その際、窒素質量流量は、対応する窒素導入装置６を介し、様々な位置でもたらされる。
【００３８】
たとえば窒素導入装置２６ａは、内燃機関の吸気システム１６における排気ガスターボチャージャー１８のコンプレッサー２０の上流に備えられ得る。付加的にあるいは選択的に、窒素導入装置２６ｂはコンプレッサー２０の下流かつ給気冷却器２４の上流に備えることができ、かつ／または窒素導入装置２６ｃは吸気システム１６の給気冷却器の下流に備えることができる。特に、負荷投入に関してより高い要求が内燃機関１０になされる場合、付加的あるいは選択的に、シリンダー１２のすぐ上流で窒素導入装置２６ｄを介しての窒素供給あるいは直接シリンダー１２への窒素供給(図示されず)が有利である。
【００３９】
窒素質量流量を内燃機関１０の燃焼空気もしくは過給空気に供給するための、上記の窒素導入装置２６は、単独でも、任意の複数個の組み合わせでも形成可能である。
【００４０】
それぞれの窒素導入装置２６は、窒素供給管５２を介して、窒素生成装置４４の形態をした窒素供給装置と接続されている。図４に示されているように、窒素生成装置４４に外気４６が供給され、外気４６は窒素生成装置４４において、窒素が添加された第１の分流４８と、酸素が添加された第２の分流５０とに分離される。本発明は特殊な窒素生成装置に限定されるものではないが、当該分離プロセスは、たとえば膜テクノロジーあるいは圧力交換吸着技術によって行なうことができる。窒素生成装置４４の実施に応じて、圧力は、５００バール以上まで、かつほぼ任意の給送体積流量を達成することが可能である。特に、生産施設あるいは船舶においては、既に窒素生成装置もしくは窒素貯蔵装置が頻繁に使用可能となっている。
【００４１】
上述のように、窒素が添加された第１の分流(窒素質量流量)４８が窒素供給管５２を介して、内燃機関１０の１つもしくは複数の窒素導入装置２６に供給される一方で、第２の分流５０はたとえば再び外気に排出される。しかし本発明に係る内燃機関の実施形態においては、酸素の割合の高い当該分流５０は捕捉され、場合によっては圧縮されて、必要の際には、吸気システム１６内あるいはシリンダー１２に直接接する１つあるいは複数の相応の酸素導入装置(図示されず)を介して、内燃機関の過給空気に供給され得る。必要の際には、酸素が添加された分流はまた、コンプレッサー２０のコンプレッサーホイールに直接ガイドされ得る。コンプレッサーは、分流によって加速される(ジェットアシスト)。過給空気の酸素割合がより高くなると、負荷投入の間の内燃機関１０の排煙が減少することになるか、あるいはより急激な負荷投入が可能となる。酸素が添加された気体５０はさらに、弱負荷の場合、あるいは加速プロセスの場合にもたらされ得る。
【００４２】
図４で表されているように、窒素導入装置２６を窒素生成装置４４と接続している窒素供給管５２には好適には、内燃機関１０の燃焼空気への窒素質量流量を開ループ制御もしくは閉ループ制御するための開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁５４が備えられている。このようにして、燃焼空気中の窒素含有量は、簡単に素早くかつ正確に調節され得る。それぞれが窒素供給管５２を介して窒素生成装置４４と連結されている窒素導入装置２６が複数備えられている場合、それぞれの窒素供給管５２は１つの開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁５４を有して形成され得るか、あるいは複数あるいはすべての窒素供給管５２は中央の１つの開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁によって制御され得る。
【００４３】
内燃機関の燃焼空気への窒素質量流量の開ループ制御もしくは閉ループ制御は、電子工学上の制御装置(図示されず)によって行われる。当該電子工学上の制御装置は、機関制御装置(図示されず)の構成部材であるか、あるいは別個の制御装置として実施され得る。このような制御にとって重要な測定変数はとりわけ、機関の出力、燃料噴射量、回転数、給気圧、窒素質量流量の給送圧力と給送量などである。
【００４４】
供給される窒素の量は、機関特性マップにおいて制御され、その結果供給される窒素の量が、窒素酸化物の排出量を所望に減少させる。高い窒素質量流量と、窒素酸化物の排出量の高い削減率とは、場合によっては付加的処置を必要とする。たとえば上昇する排煙値を克服するために、より高いレール圧力あるいは後噴射が必要とされるかもしれない。給気圧を適合させるために場合によっては、タービンの可変幾何学形状あるいはウェイストゲートを有する、適応性を有する過給器群が必要かもしれない。さらに、コンプレッサー特性マップにおける内燃機関の作業点を変化させることができるようにするため、吸気システムと排気ガスシステムとの間にバイパス弁を設けることができる(図示せず)。
【００４５】
排気ガス再循環による酸素含有量の削減とは違い、上記の構造を有する内燃機関１０において、燃焼空気への窒素質量流量を開ループ制御もしくは閉ループ制御することは、非常に容易である。さらに負荷投入の際には、窒素供給を非常に素早く中断もしくは減少させることができる。窒素生成装置４４は、純粋な窒素ガスの非常に高い体積流量と圧力とを利用できるため、給気圧を上げるためにあるいは過給空気を浄化するために特別な装置は必要ない。
【００４６】
しかも本発明に係る内燃機関によって、窒素酸化物の排出量の「多段式上限値」も問題なく守ることができる。たとえば沿岸にある船舶の大型ディーゼル機関において応用する場合には、窒素酸化物の上限値が低く維持され、他方外海では守るべき上限値はより高くなる。
【００４７】
図５を引き合いに出して、以下に本発明に係る内燃機関の第２の実施例を詳述する。図５においては、同じ構成要素は同じ符号で表されている。
【００４８】
当該実施例の内燃機関は二段式給気装置を備えており、図５で示されているように、当該二段式給気装置は第１排気ガスターボチャージャー２８と第２排気ガスターボチャージャー２９とを備えている。第１排気ガスターボチャージャー(低圧ターボチャージャー)２８は、内燃機関１０の吸気システム１６に第１コンプレッサー３０を備え、内燃機関１０の排気ガスシステム１４に第１タービン３２を備えており、第１コンプレッサー３０と第１タービン３２とは既知の通り互いに連結されている。第１排気ガスターボチャージャー２８の第１コンプレッサー３０の下流には、吸気システム１６に第１給気冷却器３４が設けられている。第２排気ガスターボチャージャー(高圧ターボチャージャー)２９は同様に、内燃機関１０の吸気システム１６にある第１給気冷却器３４の下流に第２コンプレッサー３６を有し、内燃機関１０の排気ガスシステム１４に第２タービン３８を有しており、同様に第２コンプレッサー３６と第２タービン３８とは互いに連結されている。第２排気ガスターボチャージャー２９の第２コンプレッサー３６の下流には、吸気システムに第２給気冷却器４０が備えられている。第１排気ガスターボチャージャー２８の第１コンプレッサー３０の下流にある第１給気冷却器３４および／または、第２排気ガスターボチャージャー２９の第２コンプレッサー３６の下流にある第２給気冷却器４０は、なくてもよい。
【００４９】
上記の第１の実施例のように、１つあるいは複数の窒素導入装置４２を介して当該内燃機関１０の燃焼空気に窒素質量流量が供給され、窒素酸化物の排出量が削減される。
【００５０】
窒素導入装置４２ａはたとえば、内燃機関１０の吸気システム１６にある第１排気ガスターボチャージャー２８の第１コンプレッサー３０の上流に備えることができる。付加的あるいは選択的に、窒素導入装置４２ｂを第１コンプレッサー３０と第１給気冷却器３４との間に、窒素導入装置４２ｃを第１給気冷却器３４と第２排気ガスターボチャージャー２９の第２コンプレッサー３６との間に、窒素導入装置４２ｄを第２コンプレッサー３６と第２給気冷却器４０との間に、かつ／または窒素導入装置４２ｅを吸気システム１６の第２給気冷却器４０の下流に、備えることができる。特に、負荷投入に関して特別な要求が内燃機関１０になされる場合、付加的あるいは選択的に、シリンダー１２のすぐ上流で窒素導入装置４２ｆを介しての窒素供給あるいは直接シリンダー１２への窒素供給(図示されず)が考えられ、かつ有利である。
【００５１】
窒素質量流量を内燃機関１０の燃焼空気もしくは過給空気に供給するための窒素導入装置４２は、当該実施例においても、単独でも、任意の複数個の組み合わせでも形成可能である。
【００５２】
それぞれの窒素導入装置４２は、上記の実施例のように、窒素供給管５２を介して、窒素生成装置４４と接続されている。当該窒素供給管５２には、好適には開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁５４が設けられている。窒素生成装置４４は第１の実施例の窒素生成装置４４に相当するため、当該装置の説明はここでは繰り返さない。
【００５３】
もちろん当該実施例においても、窒素生成装置４４の、酸素含有量が増加した第２の分流５０は付加的に、上述の実施例と同じ方法で利用可能である。
【００５４】
図５に基づいて説明された、内燃機関１０の構造により、上述の第１の実施例と同じ効果と利点が達成され得る。それゆえ、繰り返して説明することはしない。しかしながら多段式給気装置によって、有利なことに適応性が高まり、特にどこに窒素導入装置を備えるかという選択肢が増え、もしくは給気圧の制御性と窒素質量流量の供給の制御性とが高まる。
【００５５】
本発明について、好適な実施例に基づき、添付図を引き合いに出して説明した。しかし本発明はもちろん、示された実施形態にのみ限定されるものではなく、当業者にとっては、従属請求項で規定されているような本発明の権利範囲内にある数多くの変形例や改良は明らかであろう。
【００５６】
たとえば、上で提案した、内燃機関における窒素酸化物の排出量を削減するための解決法は、既に存在する設備でも問題なく応用可能である。すなわち、既存の内燃機関は、特定の適合条件下で、容易に追加装備され得る。
【００５７】
上記の第１の実施例は一段式給気装置を有する内燃機関を示し、上記の第２の実施例は二段式給気装置を有する内燃機関を示した。原則的に本発明は、２つ以上のコンプレッサー／給気段を有する内燃機関にも、相応の方法で応用可能である。
【００５８】
上記の実施例においては、内燃機関１０の過給器群はそれぞれコンプレッサー２０もしくは３０,３６を備えており、当該コンプレッサーは排気ガスターボチャージャー１８もしくは２８,２９の構成要素である。選択的には、過給式内燃機関１０のために別種のコンプレッサーを使用することも、もちろん可能である。
【００５９】
上述の実施例における内燃機関１０はそれぞれ、排気ガスシステム１４と吸気システム１６との間に排気ガス再循環なしで形成されてはいるが、本発明はもちろん、排気ガス再循環を有する内燃機関においても同様の方法で応用可能である。
【００６０】
本発明は好適には、大型ディーゼル機関、特にたとえば船舶で用いられるような重油で運転される大型ディーゼル機関に利用される。しかし本発明は、もちろん他の内燃機関においても利用が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  内燃機関
１２  シリンダー
１４  排気ガスシステム
１６  吸気システム
１８  排気ガスターボチャージャー
２０  コンプレッサー
２２  タービン
２４  給気冷却器
２６  窒素導入装置
２８  第１排気ガスターボチャージャー
２９  第２排気ガスターボチャージャー
３０  第１コンプレッサー
３２  第１タービン
３４  第１給気冷却器
３６  第２コンプレッサー
３８  第２タービン
４０  第２給気冷却器
４２  窒素導入装置
４４  窒素生成装置
４６  外気
４８  窒素が添加された第１の分流
５０  酸素が添加された第２の分流
５２  窒素供給管
５４  開ループ制御弁あるいは閉ループ制御弁
【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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