特開 2022-80264 内燃機関、排気システム、及び内燃機関を運転する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022080264

(43)【公開日】2022-05-27

(54)【発明の名称】内燃機関、排気システム、及び内燃機関を運転する方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/02 20060101AFI20220520BHJP

【ＦＩ】

F01N3/02 101A

F01N3/02 101H

F01N3/02 101J

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021149021

(22)【出願日】2021-09-14

(31)【優先権主張番号】20207948.9

(32)【優先日】2020-11-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(31)【優先権主張番号】21184689.4

(32)【優先日】2021-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】515191442

【氏名又は名称】ヴィンタートゥール ガス アンド ディーゼル リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アンドレ シュピッヒャー

(72)【発明者】

【氏名】ドミニク シュナイター

【テーマコード（参考）】

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G091AA04

3G091AA18

3G091AA19

3G091AA21

3G091BA36

3G091HB05

3G091HB06

(57)【要約】

【課題】安定した燃焼を提供し且つ省スペースを実現する内燃機関、排気処理ユニット、及び内燃機関を運転する方法を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、内燃機関１００は、掃気ガスをシリンダ１内に導入する吸気システム３と、シリンダ１内で発生した排気ガスを排出する排気システム１０１とを有し、排気システムは、排気ガスを排出するための排気出口２５を介してシリンダ１に接続された排気ガス・レシーバ４と、排気処理ユニット５とを含み、排気処理ユニット５は、少なくとも１つの排気ガス・クーラ６を有し、水などの冷却媒体を導くためのダクト・システム７を有する。排気システムは、少なくとも１つの熱交換器１１ａ、１１ｂを有し、熱交換器は、ダクト・システム７に流体接続された、又は流体接続可能な第１の流体ライン１２ａ、１２ｂを有し、且つ少なくとも１つの排気ガス・クーラ６から冷却媒体を受け取るように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのシリンダ（１）を有する内燃機関（１００）、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダ（１）を備えた大型船舶用機関、好ましくは低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関であって、
シリンダ（１）を有し、前記シリンダ（１）は、シリンダ壁（２）を通して低圧燃料ガスを直接前記シリンダ（１）内に噴射するための少なくとも１つのガス給入弁（２４）を有し、
前記内燃機関（１００）は、吸気システム（３）であって、前記吸気システム（３）から掃気ガスが前記シリンダ（１）内に導入される、吸気システム（３）と、
排気システム（１０１）であって、前記シリンダ（１）内で発生した排気ガスが前記排気システム（１０１）を通して排出される、排気システム（１０１）と
をさらに有し、
前記排気システム（１０１）が、
前記シリンダ（１）から排気ガスを排出するための排気出口（２５）を介して前記シリンダ（１）に接続された排気ガス・レシーバ（４）と、
少なくとも１つの排気ガス・クーラ（６）、好ましくは３つの排気ガス・クーラ（６）を有し、且つ水などの冷却媒体を導くためのダクト・システム（７）を有する排気処理ユニット（５）と
を有している、内燃機関（１００）において、
前記排気システム（１０１）は、少なくとも１つの熱交換器（１１ａ、１１ｂ）を有し、前記熱交換器（１１ａ、１１ｂ）は、前記ダクト・システム（７）に流体接続された、又は接続可能な第１の流体ライン（１２ａ、１２ｂ）を有し、且つ前記少なくとも１つの排気ガス・クーラ（６）から前記冷却媒体を受け取るように構成されていることを特徴とする、内燃機関（１００）。

【請求項2】

前記内燃機関（１００）は、好ましくは前記排気処理ユニット（４）の上流に配置されたタービン（９）を有するターボチャージャ（８）であって、前記吸気システム（３）の上流に配置された圧縮機（１０）を駆動するターボチャージャ（８）をさらに有する、請求項１に記載の内燃機関（１００）。

【請求項3】

前記内燃機関（１００）は、前記ダクト・システム（７）と前記第１の流体ライン（１２ａ、１２ｂ）とを有する冷却媒体回路（１３）を有し、前記冷却媒体回路（１３）は好ましくはポンプ（１４）を有し、前記ポンプ（１４）は、特に前記熱交換器（１１ａ、１１ｂ）の上流且つ前記排気ガス・クーラ（６）の下流に配置される、請求項１又は２に記載の内燃機関（１００）。

【請求項4】

前記少なくとも１つの熱交換器（１１ａ、１１ｂ）のうちの少なくとも１つは、ガス・モード熱交換器（１１ａ）であり、前記ガス・モード熱交換器（１１ａ）は、燃料ガスを加熱するための調温流体、特にグリコールを導くように構成された調温流体ライン（１５ａ）を有する、請求項１、２又は３に記載の内燃機関（１００）。

【請求項5】

前記少なくとも１つの熱交換器（１１ａ、１１ｂ）のうちの少なくとも１つは、ディーゼル・モード熱交換器（１１ｂ）であり、前記ディーゼル・モード熱交換器（１１ｂ）は、前記機関中央冷却回路の水を導くように構成された水流体ライン（１５ｂ）を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項6】

前記内燃機械（１００）は、排気処理ユニット（５）及び吸気システム（３）に流体接続する排気ガス再循環ダクト（１６）を有し、前記排気ガス再循環ダクト（１６）は、好ましくは前記ターボチャージャ（８）の低圧側に配置される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項7】

前記内燃機械は、前記排気ガス再循環ダクト（１６）内の排気圧を設定するための排気ガス流量制限デバイス（１７）を有し、好ましくは、前記排気ガス流量制限デバイス（１７）は排気ガス背圧弁であり、前記排気ガス背圧弁は、制御可能な開口部を特に有し、それにより、好ましくは５～１００ミリバールの間の範囲において、排気ガス再循環率を制御するために適合可能な背圧を提供する、請求項６に記載の内燃機関（１００）。

【請求項8】

前記排気処理ユニット（５）は、好ましくは前記排気ガス・クーラ（６）の下流に配置された水分離器（１８）を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項9】

前記排気処理ユニット（５）は、好ましくは前記排気ガス・クーラ（６）の上流に配置された少なくとも１つの排気浄化要素（１９）、例えばスクラバを有する、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項10】

前記排気処理ユニット（５）及び前記排気ガス・レシーバ（４）は隣接して配置され、好ましくは共通のフレーム（２０）及び／又は共通のハウジング（２１）を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項11】

前記排気処理ユニット（５）は制御ユニット（２２）を有し、前記制御ユニット（２２）は、前記少なくとも熱交換器（１１ａ、１１ｂ）を通る冷却水の前記流れを調節するための少なくとも１つの出力ライン（２４ａ、２４ｂ）を有し、前記出力ライン（２４ａ、２４ｂ）は、前記第１の流体ライン（１２ａ、１２ｂ）を開閉するための弁（２３ａ、２３ｂ）に接続されている又は接続可能である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）。

【請求項12】

少なくとも１つのシリンダ（１）を有する内燃機関（１００）、好ましくは請求項１から１１までの一項に記載の内燃機関（１００）、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダ（１）を備えた大型船舶用機関、好ましくは低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関であって、
前記内燃機関（１００）は、吸気システム（３）であって、掃気ガスが前記吸気システム（３）から前記シリンダ（１）内に導入される、吸気システム（３）と、
排気システム（１０１）であって、前記シリンダ（１）内で発生した排気ガスが前記排気システム（１０１）を通して排出される、排気システム（１０１）と
をさらに有し、
前記内燃機関（１００）は、前記吸気システム（３）の上流に配置された圧縮機（１０）を駆動する、タービン（９）を有するターボチャージャ（８）をさらに有し、
前記内燃機械（１００）は、前記排気システム（１０１）及び前記吸気システム（３）に流体接続する排気ガス再循環ダクト（１６）を有し、前記排気ガス再循環ダクト（１６）は、好ましくは前記ターボチャージャ（８）の低圧側に配置されている、内燃機関（１００）において、
水分離器（１８）を有する除水装置（４０．１、４０．２）が、前記ターボチャージャの前記圧縮機（１０）の上流に且つ前記圧縮機（１０）に隣接して前記ガス再循環ダクト（１６）に配置され、それにより排気ガスは、新鮮な空気との混合前に除湿され得ることを特徴とする、内燃機関（１００）。

【請求項13】

前記除水装置（４０、４０．１、４０．２）は、除水装置（４０、４０．１、４０．２）の流出方向が前記圧縮機（１０）の軸方向（３９）又は前記圧縮機（１０）の半径方向（４１）であるように配置される、請求項１２に記載の内燃機関（１００）。

【請求項14】

前記除水装置（４０、４０．１、４０．２）は、加熱要素を有する、請求項１２又は１３に記載の内燃機関（１００）。

【請求項15】

前記除水装置（４０、４０．１、４０．２）は流路（４２、４３）を有し、そこで水が重力及び／又は遠心力によって前記排気ガスから分離される、請求項１２、１３又は１４に記載の内燃機関（１００）。

【請求項16】

内燃機関（１００）のための排気システム（１０１）、好ましくは請求項１から１５までのいずれか一項に記載の内燃機関（１００）のための排気システム（１０１）であって、前記排気システム（１０１）は、少なくとも１つの排気ガス・クーラ（６）を備えた排気処理ユニット（５）と排気ガス・レシーバ（４）とを有し、前記排気処理ユニット（５）及び前記排気ガス・レシーバ（４）は隣接して配置され、好ましくは共通のフレーム（２０）及び／又は共通のハウジング（２１）を有する、排気システム（１０１）。

【請求項17】

少なくとも１つのシリンダ（１）を有する内燃機関（１００）、好ましくは少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダ（１）を備えた大型船舶用機関、好ましくはシリンダ壁（２）を通して低圧燃料ガスを直接前記シリンダ（１）内に噴射するための少なくとも１つのガス給入弁（２４）を有するシリンダを備えた低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関、好ましくは請求項１から１１までの一項に記載の内燃機関を運転する方法であって、
水などの冷却媒体で動作する少なくとも１つの排気ガス・クーラ（６）内で排気ガスを冷却するステップと、
少なくとも１つの熱交換器（１１ａ、１１ｂ）を通して前記冷却媒体を導くステップであって、前記冷却媒体の熱が、燃料ガスを加熱するための調温流体、特にグリコールに、又は前記機関中央冷却回路の水に伝達される、ステップと
を含む、内燃機関（１００）を運転する方法。

【請求項18】

排気ガスが前記シリンダ（１）内に再循環され、特に排気ガス・レシーバ（４）からターボチャージャ（８）のタービン（９）に、及び前記排気ガス・クーラ（６）から前記ターボチャージャ（８）の前記圧縮機（１０）に導かれる、請求項１３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、排気システム、及び内燃機関を運転する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、好ましくは、大型の船舶用機関又は定置式機関のような内燃機関に関し、そのシリンダは、少なくとも２００ｍｍの内径を有する。機関は、好ましくは、２ストローク機関又は２ストローク・クロスヘッド機関である。機関は、ガス機関、デュアル・フューエル機関、又はマルチ・フューエル機関であってもよい。このような機関では、液体燃料及び／又は気体燃料の燃焼が可能であり、自己着火又は強制点火も可能である。

【0003】

内燃機関は、縦型フラッシュ式２ストローク機関であり得る。

【0004】

内燃機関という用語は、燃料の自己着火を特徴とするディーゼル・モードだけでなく、燃料のポジティブ点火を特徴とするオットー・モード、又はその２つの混合モードでも運転可能な大型機関も指す。さらに、内燃機関という用語は、特にデュアル・フューエル機関や、燃料の自己着火を他の燃料のポジティブ点火に利用する大型機関を含む。

【0005】

機関回転数は、特に４ストローク機関では８００ＲＰＭ未満が好ましく、特に２ストローク機関では、低速機関の指定を示す２００ＲＰＭ未満がより好ましい。

【0006】

燃料は、ディーゼル油、船舶用ディーゼル油、重油、エマルション、スラリー、メタノール、エタノールだけでなく、液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ）、液化石油ガス（ＬＰＧ：ｌｉｑｕｉｄ ｐｅｔｒｏｌ ｇａｓ）などのような気体であってもよい。

【0007】

要求に応じて、さらに追加可能な燃料は、液化バイオガス（ＬＢＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｂｉｏｇａｓ）、生物燃料（例えば藻類又は海藻から作られた油）、アンモニア、水素、二酸化炭素から作られる合成燃料（例えばパワー・トゥ・ガス又はパワー・トゥ・リキッドによって作られる）である。

【0008】

大型船、特に商品を輸送する船は、通常、内燃機関によって、特にディーゼル及び／又はガス機関、ほとんどが２ストローク・クロスヘッド機関によって動く。重油、船舶用ディーゼル油、ディーゼル又は他の液体のような液体燃料の場合だけでなく、ＬＮＧ、ＬＰＧ又はその他のような気体燃料の場合も、機関によって燃焼され、この燃焼過程から生じる排気は、国際海事機構第３次規制（ＩＭＯ Ｔｉｅｒ ＩＩＩ）などの現行の規則に適合させるために浄化する必要がある。

【0009】

ガス／空気混合物の反応性及びメタン・スリップを減少させるために、例えば欧州特許出願公開第３７２２５７２（Ａ１）号に示されるように、低圧の排気ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を提供することが知られている。燃焼を安定させるためには、再循環された排気ガスを冷却することが好都合である。

【0010】

ターボチャージャの圧縮機は、排気ガスの水分によって衝撃を与えられたり、腐食したりすることがある。中国特許出願公開第１１２６２８０３３（Ａ）号は、凝縮液分離構成要素及びミキサを備えたＥＧＲシステムを提案している。排気ガスと新鮮なガスとが混合され、水分が除去されるため、システムを配置するための可能性は限られている。

【0011】

米国特許第１０，０５４，０８５（Ｂ２）号は、単段の熱交換器又は２段の熱交換器であるＥＧＲクーラを有する動力系統を示している。動力系統のための燃料を気化させるために使用される熱は、熱交換器によって提供され得る。排気ガスは、熱交換器の中を通って導かれなければならない。

【0012】

通常、低圧ＥＧＲ溶液は、機関・ルーム内に追加的なスペースを必要とする。さらに、低圧ＥＧＲ溶液によって、機関後の排気エンタルピーが低くなり、その結果、蒸気が少なくなる。蒸気量の減少によって、標準的な排気ガス・エコノマイザに問題が生じる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】欧州特許出願公開第３７２２５７２（Ａ１）号

【特許文献2】中国特許出願公開第１１２６２８０３３（Ａ）号

【特許文献3】米国特許第１０，０５４，０８５（Ｂ２）号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明の目的は、従来技術の欠点をなくすことであり、特にエンタルピーを損なうことなく安定した燃焼を提供しながら省スペースを実現し、好ましくは凝縮水の有害な作用を防止する内燃機関と、排気処理ユニットと、内燃機関を運転する方法とを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この目的は、独立請求項に記載の内燃機関及び内燃機関を運転する方法によって達成される。

【0016】

内燃機関は、少なくとも１つのシリンダを有する。特に、内燃機関は、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダを備えた大型船舶用機関であり、好ましくは、低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関である。

【0017】

少なくとも１つのシリンダは、シリンダ壁を介して低圧燃料ガスを直接シリンダ内に噴射するための少なくとも１つのガス給入弁（ガス・アドミッション・バルブ）を有する。

【0018】

少なくとも１つのシリンダは、少なくとも１つの排気出口を有する。排出弁は、排気出口内に配置されていてもよい。

【0019】

内燃機関は、掃気ガスがシリンダ内に導入される吸気システムをさらに有する。

【0020】

吸気システムは、シリンダの吸気口に流体接続されているパイプを有していてもよい。

【0021】

吸気システムは、掃気レシーバを有していてもよい。ガスは、掃気レシーバに入る前に、掃気クーラの中を通って導かれてもよい。掃気は、シリンダ壁内の掃気口を介してシリンダに入ることができる。

【0022】

内燃機関は、シリンダ内で発生した排気ガスが排出される排気システムをさらに有する。排気システムは、シリンダから排気ガスを排出するための排気出口を介してシリンダに接続された排気ガス・レシーバを含む。

【0023】

シリンダの排気出口は、例えば、複数のシリンダの排気ガスを収集する排気ガス・レシーバにつながる排気導管に接続されていてもよい。

【0024】

排気ガス・レシーバは、好ましくは、例えば、金属薄板で構成される細長い中空の円筒状の本体を有している。金属薄板は、熱損失を避けるために断熱材の層によって覆われていてもよい。

【0025】

排気ガス・レシーバは、好ましくは、機関の全長に沿って（シリンダの軸線に垂直方向に）延在し、好ましくは、排気ガス・レシーバ内に延在する独立排気導管を経由して、すべてのシリンダから排気ガスを受容する。

【0026】

排気システムは、少なくとも１つの排気ガス・クーラ、好ましくは３つの排気ガス・クーラを有した排気処理ユニットをさらに含む。

【0027】

複数の排気ガス・クーラは、凝縮水が重力によって排気ガス・クーラ同士の間に流れ出る場合があるため、単一の排気ガス・クーラよりも効果的である。
排気ガス・クーラは、チューブ式及びフィン式であってもよい。排気ガスは、フィンに接触し、排気ガスからの熱は、チューブに導かれることがある冷却媒体に伝達され得る。

【0028】

クーラは、機関のサイズに応じて、好ましくは、全体的に５００～５０００ｍ^２の大きな断面を有し、その結果、圧力損失を最小限に抑えることができる。

【0029】

排気処理ユニットは、水などの冷却媒体を導くためのダクト・システムを有する。ダクト・システムは、排気ガス・クーラのチューブを有していてもよい。

【0030】

排気ガスからの熱は、排気ガス・クーラに送られてもよく、ダクト・システムに導かれた冷却媒体によってクーラの外に伝達されてもよい。

【0031】

排気システムは、ダクト・システムに流体接続された、又は接続可能な第１の流体ラインを有する少なくとも１つの熱交換器を有する。少なくとも１つの熱交換器は、少なくとも１つの排気ガス・クーラから冷却媒体を受け取るように構成されている。

【0032】

冷却媒体によって排気ガス・クーラから伝達された熱は、熱交換器内に放出されてもよい。

【0033】

内燃機関は、吸気システムの上流側に配置された圧縮機を駆動するタービンを有するターボチャージャをさらに有してよい。

【0034】

タービンは、好ましくは、排気処理ユニットの上流側に配置される。排気ガスは、排気処理ユニット内で処理されずに、排気ガス・レシーバからタービンへ直接導かれることがある。

【0035】

したがって、好ましくは、排気ガス・レシーバ及び排気処理ユニットは、圧力及び温度に関しては、互いに分離されている。

【0036】

内燃機関は、冷却媒体回路を有していてもよく、冷却媒体回路は、ダクト・システム及び第１の流体ラインを有する。

【0037】

冷却媒体は、閉鎖回路を通って導かれてもよい。

【0038】

冷却媒体回路は、好ましくは、ポンプを有する。ポンプは、熱交換器の上流側に配置され、排気ガス・クーラの下流側に配置されてもよい。ポンプは、ダクト・システムから冷却媒体を引き入れてよく、熱交換器の第１の流体ラインの中にそれを押し込んでよい。

【0039】

有益な実施例では、少なくとも１つの熱交換器のうちの少なくとも１つは、ガス・モード熱交換器である。ガス・モード熱交換器は、燃料ガスを加熱するための調温流体（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）、特にグリコールを導くように構成された調温流体ラインを有する。

【0040】

調温流体は、冷却媒体によってガス・モード熱交換器内に伝達された熱を吸収することができる。

【0041】

ガス・モード熱交換器又は調温流体ラインは、燃料ガス供給システムのＬＮＧ気化回路の一部であってもよい。調温流体、例えばグリコールは、燃料ガスが加熱される際に、エコノマイザによって提供される蒸気の代わりになったり、蒸気をサポートしたりしてもよい。

【0042】

少なくとも１つの熱交換器のうちの少なくとも１つは、ディーゼル・モード熱交換器であってもよい。ディーゼル・モード熱交換器は、機関中央冷却回路の水を受け取るように構成された水流体ラインを有することがある。

【0043】

好ましくは、内燃機関は、ガス・モード熱交換器及びディーゼル・モード熱交換器を有する。機関がガスによって駆動されている限り、ガス・モード熱交換器が使用され得る。機関がディーゼルによって駆動される場合は、ディーゼル・モード熱交換器が使用され得る。

【0044】

有利な実施例では、内燃機械は、排気ガス再循環ダクトを有しており、その排気ガス再循環ダクトは、排気処理ユニット及び吸気システムに流体接続していて、好ましくはターボチャージャの低圧側に配置されている。

【0045】

排気ガスは、ターボチャージャのタービンの下流側で排気ラインから分岐されることがあり、その結果、排気ガスの一部が排気処理ユニットに導かれ、そこからターボチャージャの圧縮機を経由して吸気システムに導かれ得る。

【0046】

排気ガス再循環ダクトは、排気ガス・レシーバと吸気システムとの間に延在するＥＧＲシステムの一部であってもよく、ＥＧＲシステムは、排気処理ユニットを有する。ＥＧＲシステムは、排気ガスの一部をタービンから排気処理ユニットに向け、そこから排気ガス再循環ダクトを経由して吸気システムに向けるＥＧＲ導管を有する。

【0047】

内燃機械は、ＥＧＲシステム内に、特に排気ガス再循環ダクト内に送風機を有していてもよい。

【0048】

或いは又はそれに加えて、内燃機械は、排気ガス再循環ダクト内の排気圧を設定するための排気ガス流量制限デバイスを有していてもよい。

【0049】

好ましくは、前記排気ガス流量制限デバイスは、排気ガス背圧弁であり、排気ガス再循環率を制御するための適合可能な背圧を提供するために、特に、制御可能な開口部を有している。好ましくは、排気ガス再循環ダクト内の排気圧は、５～１００ミリバールの範囲に設定されてもよい。

【0050】

排気ガス流量制限デバイスは、分岐点に、又は分岐点の近くに配置されてもよく、排気ガスの第１の部分は、ターボチャージャのタービンの下流側の排気ラインから分岐し、第２の部分は、エコノマイザに、及び／又はファンネルに導かれる。

【0051】

排気処理ユニットは、水分離器を有していてもよく、好ましくは、排気ガス・クーラの下流側に配置されていてもよい。水分離器は、例えば、お互いから一定距離、好ましくは１～３ｍの距離を有し得る排気ガス・クーラ同士の間に流れ出る凝縮水を収集する。

【0052】

水分離器は、水ミスト・キャッチャであってもよい。

【0053】

収集された水は、排出前に水処理デバイスで浄化されてもよい。

【0054】

水分離器は、わずかな圧力損失のみが、好ましくは５０ｍｍＷＧよりも小さい（０．０９８ミリバールに相当する）圧力損失が生じるように設計される。流れ偏光板は、慣性によって、水滴の分離を引き起こすことがある。

【0055】

排気処理ユニットは、好ましくは、排気ガス・クーラの上流側に配置された少なくとも１つの排気浄化要素、例えば、スクラバを有していてもよい。

【0056】

有益な実施例では、排気処理ユニット及び排気ガス・レシーバは、隣接して配置され、好ましくは、共通のフレーム及び／又は共通のハウジングを有する。

【0057】

排気ガス・レシーバ・ユニット及び排気ガス・レシーバは、両方とも、細長い中空の本体を有することができ、同じ方向に延在し、及び／又は１つの共通の壁を共有することができる。

【0058】

このように、排気システムは、シリンダ上に直接取り付けることができるコンパクトな要素及び省スペース型要素である。

【0059】

排気処理ユニットは、制御ユニットを有していてもよい。

【0060】

制御ユニットは、少なくとも１つの熱交換器を通る冷却水の流れを調節するための少なくとも１つの出力ラインを有していてもよく、この出力ラインは、第１の流体ラインを開閉するための弁に接続されているか、又は接続可能である。したがって、制御ユニットは、少なくとも１つの熱交換器での熱交換を可能にするか、又は防止することができる。

【0061】

好ましくは、排気処理ユニットは、熱交換器のそれぞれのための弁を有し、制御ユニットは、弁のそれぞれを制御するための出力ラインを有する。

【0062】

したがって、排気処理ユニットは、例えば、ガス・モード熱交換器の第１の流体ラインを通る冷却媒体の流れを可能にする弁を閉じることによって、且つ、ディーゼル・モード熱交器の第１の流体ラインを通る冷却媒体の流れを可能にする弁を開くことによって、ガス・モードからディーゼル・モードに切り替えられてもよい。

【0063】

制御ユニットは、排気ガス再循環ダクト内の背圧を設定するための出力ラインをさらに有していてもよく、出力ラインは、排気ガス流量制限デバイスに接続されているか、又は接続可能である。制御ユニットは、排気ガス背圧弁の開口部を配置することによって、ＥＧＲ率を制御することができる。

【0064】

好ましくは上述のように、水分離器を有する除水装置を備えた内燃機関によって、目的が達成される。

【0065】

内燃機関は、少なくとも１つのシリンダを有し、好ましくは、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダを備えた大型船舶用機関である。内燃機関は、好ましくは、低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関である。

【0066】

内燃機関は、掃気ガスがシリンダ内に導入される吸気システムと、シリンダ内で発生した排気ガスが排出される排気システムとをさらに有する。

【0067】

排気システムは、シリンダから排気ガスを排出するための排気出口を介してシリンダに接続された排気ガス・レシーバを含んでいてもよい。排気システムは、好ましくは、除水装置の上流側に、クーラをさらに含んでもよい。

【0068】

内燃機関は、吸気システムの上流側に配置された圧縮機を駆動するタービンを有するターボチャージャを有する。

【0069】

内燃機械は、排気システム及び吸気システムに流体接続している排気ガス再循環ダクトを有する。

【0070】

好ましくは、排気ガス再循環ダクトは、ターボチャージャの低圧側に配置されており、その結果、排気ガスは最初にターボチャージャのタービンを通って、次に圧縮機を通って導かれる。

【0071】

或いは、高圧排気ガスは、圧縮機を通って導かれてもよい。

【0072】

除水装置は、ターボチャージャの圧縮機の上流側且つ圧縮機の隣のガス再循環ダクトに配置されている。

【0073】

したがって、少なくとも凝縮水によるインペラへの衝突のリスクを低減するために、水は、圧縮機に入る前に排気ガスから除去される。

【0074】

好ましくは、除水装置は、圧縮機に隣接して配置され、その結果、除水装置と圧縮機との間の流路は短く、排気は湿気を再び吸収することはできない。

【0075】

除水装置は、排気ガスを新鮮な空気と混合する前に除湿できるように配置されてもよい。

【0076】

排気ガスは、最初に、圧縮機で新鮮な空気と接触することができ、排気ガス及び新鮮な空気は、圧縮機内で混合される。或いは、除水装置は、圧縮機の上流側に配置されてもよく、その結果、除湿された排気ガスは、新鮮な空気と合流して、新鮮な空気とともに圧縮機に導かれる。

【0077】

内燃機械はまた、新鮮な空気のために別の除水装置を有していてもよい。

【0078】

除水装置は、ミストを捕集及び／又は水を収集するための水分離器を有する。除水装置は、水及び粒子状物質を除去する効率を向上させるためのさらなる構成要素を有していてもよい。

【0079】

除水装置は、除水装置の流出方向が、圧縮機の軸方向又は圧縮機の半径方向であるように配置されてもよい。

【0080】

流出部が軸方向に配置されることで、コンパクトなデザインが可能になる。

【0081】

除水装置は、加熱及び／又は冷却要素を有していてもよい。
好ましくは、水分離器は、特定の体積流量に対応する効率性を有している。水分離器で収集されない残留水滴を除去する必要性がある場合がある。

【0082】

水ミスト除去は、残留水滴を気化させることによって改善することができる。これは、水分離器の上流側の排気を冷却すること、及び／又は水分離器の下流側の排気を加熱することによって達成することができる。

【0083】

したがって、排気ガスが圧縮機に入る前に、水全体を確実に除去することができる。

【0084】

加熱要素は、電気加熱要素であってもよい。

【0085】

加熱要素は、水又はガスなどの調温流体を導くための導管を有していてもよい。

【0086】

加熱及び／又は冷却要素は、水分離器の上流側の熱を吸収して水分離器の下流側の熱を放出する調温流体を導くための、好ましくは、閉鎖された導管システムを有していてもよい。

【0087】

導管システムは、排気ガス・クーラの冷却媒体を導くためのダクト・システムに接続されるか、又は上述のような熱交換器に接続されてもよい。熱交換器は、水分離器の下流側の排気ガスを加熱するための調温流体を導くように構成された調温流体ラインを有していてもよい。

【0088】

加熱要素は、マイクロ波、赤外線波、及び／又はヒート・ポンプを使用することもできる。

【0089】

除水装置は、重力及び／又は遠心力によって水を排気ガスから分離する流路を有していてもよい。

【0090】

流路は、重力方向に垂直に配置することができ、その結果、排気ガスは水平方向に導かれ、除去された水は垂直方向に流れ出る。

【0091】

流路は湾曲していてもよく、その結果、排気ガスは湾曲路に沿って導かれる。同伴水は、遠心力によって半径方向外側に吹き飛ばされ、排気ガスから分離されてもよい。

【0092】

好ましくは上述のように、内燃機関のための排気システムによっても、目的が達成される。排気システムは、少なくとも１つの排気ガス・クーラを備えた排気処理ユニットと、排気ガス・レシーバとを有する。排気処理ユニット及び排気ガス・レシーバは隣接して配置され、好ましくは、共通のフレーム及び／又は共通のハウジングを有する。

【0093】

排気処理ユニットは、少なくとも１つの熱交換器に接続可能であり得る、冷却媒体を導くためのダクト・システムを有していてもよい。

【0094】

排気システムは、複数のシリンダに１つの部品として直接取り付けることができる省スペース型ユニットを形成してもよい。

【0095】

少なくとも１つのシリンダを有する内燃機関を運転する方法によっても、目的が達成される。好ましくは、内燃機関は、少なくとも２００ｍｍの内径を有する少なくとも１つのシリンダを備えた大型船舶用機関であり、好ましくは、シリンダ壁を介して低圧燃料ガスを直接シリンダ内に噴射するための少なくとも１つのガス給入弁を有するシリンダと、排気ガスを排出する排気出口とを備えた、低圧燃料ガス機関又はデュアル・フューエル機関であり、好ましくは、上述のような内燃機関である。

【0096】

この方法は、以下のステップを含む。

【0097】

排気ガスは、水などの冷却媒体で動作する少なくとも１つの排気ガス・クーラ内で冷却される。

【0098】

冷却媒体は、少なくとも１つの熱交換器を通って導かれ、熱交換器では、冷却媒体の熱が、燃料ガスを加熱するための調温流体、特にグリコールに、又は機関中央冷却回路の水に伝達される。

【0099】

排気ガスは、シリンダ内に再循環されてもよい。

【0100】

特に、排気ガスは、排気ガス・レシーバからターボチャージャのタービンに、及び、排気ガス・クーラからターボチャージャの圧縮機に導かれる。より好ましくは、排気ガスは、ターボチャージャのタービンから排気ガス・クーラに導かれる。

【0101】

以下、本発明を、実施例で図面を用いてさらに説明する。

【図面の簡単な説明】

【0102】

【図1】内燃機関を示す側面図である。

【図2】シリンダの概略図である。

【図3】本発明による内燃機関の第１の実例の概略図である。

【図4】本発明による内燃機関の第２の実例の概略図である。

【図5】本発明による内燃機関の第３の実例の概略図である。

【図6a】除水装置の第１の配置の概略図である。

【図6b】除水装置の第２の配置の概略図である。

【図7a】除水装置の第１の実例の概略図である。

【図7b】除水装置の第２の実例の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0103】

図１は、内燃機関１００を側面図で示す。内燃機関１００は、少なくとも２００ｍｍの内径を有する４つのシリンダ１を備えた大型船舶用のデュアル・フューエル機関である。

【0104】

内燃機関１００は、シリンダ１内で発生した排気ガスが排出される排気システム１０１を有する。

【0105】

排気システム１０１は、シリンダ１から排気ガスを排出するための排気出口２５を介してシリンダ１に接続された排気ガス・レシーバ４と、排気処理ユニット５を含む。

【0106】

図２は、シリンダ１の概略図である。シリンダ１は、シリンダ壁２を介して低圧燃料ガスを直接シリンダ１内に噴射するための２つのガス給入弁２４を有する。

【0107】

掃気は、シリンダ壁２内の掃気口２７を介して吸気システム３からシリンダ１に入ることができる。排気ガスは、排気出口２５を通ってシリンダ１から排出され得る。排出弁２６は、排気出口２５内に配置されている。

【0108】

ピストン３２は、シリンダ１内に往復動自在に取り付けられる。

【0109】

図３は、内燃機関１００の第１の実例の概略図である。

【0110】

内燃機関１００は、シリンダ１（図１及び図２参照）内で発生した排気ガスが導かれる排気システム１０１を有している。排気ガス・レシーバ４は、排気出口２５を介してシリンダ１に接続されている（図１及び図２参照）。

【0111】

排気処理ユニット５は、共通のフレーム２０上で、及び共通のハウジング２１内で、排気ガス・レシーバ４に対して隣接して配置される。

【0112】

排気処理ユニット５は、連続して配置された３つの排気ガス・クーラ６を有している。排気処理ユニット５はまた、排気処理ユニット５内の排気ガスの流れ方向Ｆに対して、排気ガス・クーラ６から上流側に配置された排気浄化要素１９を有している。

【0113】

排気処理ユニット５は、クーラ６の下流側に水分離器１８をさらに有している。水分離器１８内で分離された水は、水処理デバイス３０内で浄化することができる。

【0114】

排気ガスは、排気ガス・レシーバ４から排気ライン２８を通って、ターボチャージャ８の圧縮機１０を駆動するターボチャージャ８のタービン９に導かれる。
排気ガスの一部は分岐して排気処理ユニット５を通って導かれ、シリンダ１内に再循環される。排気処理ユニット５では、排気ガスは、排気浄化要素１９内で、例えば水スプレーを配置することによって浄化される。排気ガスは、その後、排気ガス・クーラ６内で冷却され、排気ガス再循環ダクト１６を通ってターボチャージャ８の圧縮機１０及び吸気システム３に導かれる。圧縮機１０の上流側で、排気ガスは新鮮な空気と混合される。

【0115】

排気ガス再循環ダクト１６内の圧力は、排気ガス背圧弁１７によって設定されてもよい。排気ガス再循環は、ＥＧＲ経路３３内の排気処理ユニット５の上流側及び下流側に配置された弁２９を閉じることによって防止され得る。

【0116】

排気システム１０１は、冷却回路１３を通って冷却水を導くためのダクト・システム７を有する。ダクト・システム７は、クーラ６に配置されたチューブ（明示的には図示せず）を有する。

【0117】

ダクト・システムは、ガス・モード熱交換器１１ａの第１の流体ライン１２ａに接続され、且つ、ディーゼル・モード熱交換器１１ｂの第１の流体ライン１２ｂに接続され、その結果、冷却水は、ガス・モード熱交換器１１ａ及び／又はディーゼル・モード熱交換器１１ｂを通って導かれることができる。

【0118】

ガス・モード熱交換器１１ａは、グリコールを導くように構成された調温流体ライン１５ａを有する。グリコールは、燃料ガスを加熱するために使用される。

【0119】

ディーゼル・モード熱交換器１１ｂは、機関中央冷却回路の水を導くように構成された水流体ライン１５ｂを有する。
弁２３ａは、排気処理ユニット５からの冷却媒体の流れがガス・モード熱交換器１１ａの第１の流体ライン１２ａを通るのを可能にする、又は防止することができる。

【0120】

弁２３ｂは、排気処理ユニット５からの冷却媒体の流れがディーゼル・モード熱交換器１１ｂの第１の流体ライン１２ｂを通るのを可能にする、又は防止することができる。

【0121】

冷却回路１３は、冷却媒体の流れ方向を決定するポンプ１４を有する。排気処理ユニット５では、冷却媒体は、排気ガスの流れ方向Ｆの反対方向に流れる。ポンプ１４は、排気処理ユニット５の下流側、及び、熱交換器１１ａ、１１ｂの上流側に配置される。

【0122】

排気処理ユニット５は、制御ユニット２２を有する。制御ユニット２２は、ガス・モード熱交換器１１ａを通る冷却水の流れを調節するための出力ライン２４ａを有する。出力ライン２４ａは、ガス・モード熱交換器１１ａの第１の流体ライン１２ａを開閉するための弁２３ａに接続されている。

【0123】

制御ユニット２２は、ディーゼル・モード熱交換器１１ｂを通る冷却水の流れを調節するための出力ライン２４ｂをさらに有する。出力ライン２４ｂは、ディーゼル・モード熱交換器１１ｂの第１の流体ライン１２ｂを開閉するための弁２３ｂに接続されている。

【0124】

制御ユニット２２は、ガス・モードとディーゼル・モードとの間で切り替わるように適合されており、冷却媒体は、ガスを加熱するためのガス・モード熱交換器１１ａに導かれるか、冷却水が機関中央冷却回路の水によって冷却されるディーゼル・モード熱交換器１１ｂに導かれる。
制御ユニットは、背圧弁１７を設定するための出力ライン３１をさらに有していてもよい。背圧弁１７を開閉することによって、多かれ少なかれ、排気ガスはシリンダ１内に再循環される。

【0125】

ガス・モード熱交換器１１ａに入るときのグリコールの温度は、およそ２０℃であってもよい。グリコールは、ガス・モード熱交換器１１ａ内で３０～３５℃に加熱してもよい。

【0126】

ディーゼル・モード熱交換器１１ｂに入るときの機関中央冷却回路の水の温度は、およそ３６℃であってもよい。機関中央冷却回路の水は、ディーゼル・モード熱交換器１１ｂ内で約５℃以上加熱されてもよい。

【0127】

冷却水は、排気処理ユニットに入るときに３８～４０℃の温度を有していてもよい。
排気ガスは、２００～２８０℃の温度から４０～５０℃の温度まで冷却される。

【0128】

排気ガス再循環により、メタン・スリップのリスクが低くなる。内燃機関がガス・モードで運転されるとき、すなわち、燃料ガスがシリンダ１内に直接噴射されるとき、排気ガスの約５０％が再循環される。

【0129】

燃焼を安定させるために、排気ガスは冷却されなければならない。シリンダ内への高温ガスの給入によって、過早着火、不安定な着火（ｅｒｒａｔｉｃ ｉｇｎｉｔｉｏｎｓ）、及び不要な圧力変動のリスクが生じることがある。

【0130】

図４は、内燃機関１００の第２の実例の概略図である。

【0131】

内燃機関１００は、水分離器１８を有する除水装置４０をさらに有する。除水装置４０は、圧縮機１０の上流側且つ圧縮機１０の隣に配置されており、排気ガスに同伴される可能性のある水を圧縮機内に導入することを防止する。凝縮液は、コンペラに腐食又は衝撃を与える可能性があるため、避けなければならない。

【0132】

図５は、シリンダ１を備えた内燃機関１００の第３の実例の概略図である。

【0133】

内燃機関１００は、掃気ガスがシリンダ１内に導入される吸気システム３を有する。
内燃機関１００は、シリンダ１内で発生した排気ガスが排出される、排気ガス・レシーバ４を含む排気システム１０１を有する。

【0134】

弁３４、３５の設定に応じて、排気ガスは、ターボチャージャ８のタービン９を通って、及び／又はバイパス管３６を通って導かれてもよい。

【0135】

弁３７が開いているとき、排気ガス再循環ダクト１６は、排気システム１０１及び吸気システム３に流体接続している。

【0136】

再循環された排気ガスは、ターボチャージャ８の圧縮機１０に入る前に、除水装置４０を通って導かれる。

【0137】

図６ａ及び図６ｂは、ターボチャージャ８に対する除水装置４０の２つの可能な配置を示す図である。

【0138】

図６ａに示す第１の配置では、除水装置４０は、流出方向３８がターボチャージャ８の軸方向３９になるように配置される。

【0139】

図６ｂに示す第２の配置では、除水装置４０は、流出方向３８がターボチャージャ８の半径方向４１になるように配置される。除水装置４０は、流出方向３８がターボチャージャ８の接線方向になるように配置されてもよい（図示せず）。

【0140】

図７ａは、除水装置４０．１の第１の実例の概略図であり、除水装置４０．１は、水平に、重力の方向４３に対して垂直に配置された流路４２を有する。

【0141】

水滴及び粒子状物質を含む排気ガスは、除水装置４０．１に入る。付着粒子を有する凝縮水は、水ミスト・キャッチャ１８内に収集され、除水装置４０．１から流れ出ることができる。

【0142】

図７ｂは、除水装置４０．２の第２の実例の概略図である。除水装置４０．２は、水滴及び粒子状物質の収集を改善する湾曲流路４３を有する。

【0143】

同伴水は、半径方向４４への遠心力によって、排気ガスから分離される。粒子状物質が付着した残りの水滴は、水ミスト・キャッチャ１８によって収集され、除水装置４０．２から流れ出ることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【外国語明細書】