JP6239033B2 - 燃焼機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼機関、とりわけディーゼル機関、好ましくはターボ充填と排気ガス循環を行う請求項１の上位概念による２サイクル大型ディーゼル機関に関するものであり、この燃焼機関では循環管路がガス処理機器を通して案内されている。

とりわけ大型ディーゼル機関では、機関から到来する排気ガスからエネルギーを取り去り、これにより機関に供給すべき充填空気、または機関に供給すべき充填ガスを圧縮し、燃焼を改善させるためのターボチャージ段が普通である。とりわけ多気筒機関ではそのために複数のターボチャージャが使用され、これらのターボチャージャは全体で１つのターボチャージ段を形成する。

排出された燃焼ガスまたは排気ガスからエネルギーを回収することに該当するターボ充填のような手段の他に、現在ではできるだけクリーンな燃焼が指向されている。このために排気ガスの一部が機関のインレット側に循環され、このようにして燃焼温度および機関のＮＯｘ放出を低減することがしばしばである。

排気ガスまたは燃焼ガスを循環する２サイクル大型ディーゼル機関に対する例が、本出願人の特許文献１に記載されている。ここで循環管路には低圧ターボチャージャの圧縮器が設けられており、排気ガスの循環すべき部分を所望の充填空気圧に圧縮する。この充填空気圧は空気インレット側、すなわち充填空気収集容器内または充填空気分配管路内の圧力である。ここで帰還すべき排気ガス流は、圧縮器の必要能力を低下するために冷却される。このために循環管路には回転熱交換器が設けられており、この回転熱交換器で帰還すべき排気ガス部分流が充填空気流によって冷却される。熱交換器はプレート熱交換器としても構成することができる。ここで機関インレット側に帰還ポンピングすべき排気ガス流を、熱交換器で乾燥させ、したがって回転熱交換器の下流で増湿し、吸収された水蒸気の蒸発冷却によりさらに冷却することができる。帰還すべき排気ガス部分流を冷却するために分岐された充填空気部分流は、一方では増湿により冷却され、そして帰還された排気ガス部分流に対する圧縮器の駆動に使用される。したがって熱交換器、増湿装置および圧縮器はガス処理機器を形成し、これを通して循環管路が案内される。

ここでは、帰還された排気ガス部分流が後から増湿されることにより排気ガス部分流の温度が確かに低下する。しかしそのため、帰還された排気ガス部分流から熱エネルギーをもはや取り去ることができないか、または少なくともわずかしか取り去ることができない。もたらされた湿気は分離されず、蒸気またはエアロゾル粒子として圧縮器を通って連行されるからである。したがって付加的に増湿ステップによっても、帰還される排気ガス部分流の排気ガス洗浄は行われないか、または十分な洗浄が行われない。なぜなら排気ガスに含まれる硫黄粒子およびカーボン粒子が分離可能な凝水に達しないか、または非常にわずかな部分しか凝水に達しないからである。ここで排気ガス帰還は確かにＮＯｘ低減に貢献するが、しかしそのために排出排気ガス中の硫黄汚染が高まる。さらに帰還された排気ガス中に含まれる有害物質は循環管路で使用される機器に対して高侵襲性であり、少なくとも排気ガス増湿部が前置接続された圧縮器に対してだけでなく、とりわけ熱交換器に対しても高侵襲性である。

しばしば重油が燃料として使用される、とりわけ大型船舶機関で燃焼室に帰還される排気ガスは大量に硫黄およびカーボンを含んでおり、これを清浄するために、循環管路にガス洗浄器を設けるか、またはガス洗浄器を通して循環管路を案内することが公知である。

排気ガスまたは燃焼ガスの循環を行い、循環管路中の圧縮器の上流にガス洗浄器が配置された２サイクル大型ディーゼル機関に対する例は、本出願人の特許文献２（国際出願番号第ＰＣＴ／ＤＫ９３／００３９８号）に記載されている。ガス洗浄器は、複数の水噴霧段、すなわち水流洗浄器を有しており、これらの水流洗浄器では帰還すべき排気ガス部分流から硫黄粒子およびカーボン粒子を洗い流すために水が噴射される。ここで帰還された排気ガス部分流は副作用として、圧縮器の必要能力を低減するために同時に冷却もされる。しかし帰還される排気ガス部分流は、噴射される水の大部分を蒸気貨物およびエアロゾル貨物として圧縮器を通して運搬し、そのため圧縮器は、これにより作用する質量流の増大のため、または連行される水の分圧だけ高められた圧力のため、相変わらず大きな定格出力によって設計しなければならない。ここではガス処理機器が圧縮器と多段水流洗浄器とによって形成される。

特許文献３（未審査）および対応する米国特許出願公開第２００９／０１０７１４１号公報は、排ガス再循環システムを有するターボ機械を開示しており、再循環ラインに沿って、上流側クーラー、水蒸気、酸、アルデヒド等を除去するガススクラバ、下流側クーラー、湿式電気集塵器が配置されている。ガススクラバにおいて、アンモニア、石灰石ベース液体試薬、水等が噴射されて、微粒子物質を生成することにより排気ストリームから上記の成分を除去する吸着プロセスが行われる。ガススクラバからの排気ストリームと共にくる微粒子物質を除去する際には、湿式電気集塵器は、静電荷を誘導し、かつ液体を利用して洗浄に似た作用を実行することによって微粒子物質を除去する。

さらに本出願人の特許文献４も、循環管路内にガス洗浄機器が配置されていて、排気ガス循環を行うディーゼル機関を開示する。ガス洗浄機器は、前段に循環管路への水の噴射部を有し、これによりカーボン粒子および硫黄粒子を堆積させるための凝水核として水粒子を備えたエアロゾルを煤煙によって形成する。その後、循環管路は複数のチャネルに分割され、これらのチャネルでは別の段に、洗浄液としてさらなる水を噴射するための噴射ノズルがそれぞれ１つあり、したがって別の水粒子が煤煙・水・エアロゾル中に形成される。引き続き、噴射された水と排気ガス中に含まれる有害物質粒子が堆積した過飽和の質量流が、下方へ洗浄浴を通して導かれ、この洗浄浴ではエアロゾルに含まれる流水の一部が付着した有害物質粒子とともに吸収され、そして排出される。最後にガス流は、洗浄浴の底部を通って上方に、水滴キャッチャとして用いられる偏向シールドの偏向エッジの周りを案内され、この偏向シールドに残りの水滴が滴り落ちる。しかしガス洗浄機器は大型であり、排気ガス温度が高いため対応して耐熱性でなければならず、したがって高価である。ここでも、洗浄浴の前方に存在するガス洗浄器の管路壁は、排気ガス中の侵襲性有害物質の腐蝕に曝される。ここではガス処理機器がガス洗浄機器により形成される。

前記循環ガス清浄の改善形態において本出願人の特許文献５は、排気ガス循環を行いターボ充填されるディーゼル機関を開示する。このディーゼル機関では、ガス洗浄機器に循環管路でクーラーが後置されており、このクーラーにおいてガス洗浄後に循環ガスに含まれる蒸気が凝縮され、そして排出され、それから循環ガスが吸気管に再び供給される。帰還される排気ガスからの放熱による冷却により、常時含まれている水蒸気と水エアロゾル粒子の大部分が帰還される排気ガスから凝縮され、析出され、次にこれらを、後置された液体放出部で循環回路を通流する質量流から除去することができる。したがって一方では排気ガス温度の低下により、他方では質量の削減または凝縮されエアロゾル粒子として取り出された水の分圧の低下により、容積流が減少する。

二段で充填され、排気ガス循環を行う燃焼機関が特許文献６に開示されている。ここでは循環管路が第１ターボチャージ段の前で排気ガス管路から分岐し、２つの圧縮器の間でインレット空気管路に合流する。循環管路にはガス洗浄機器が配置されており、これにクーラーが組み込まれている。

独国特許発明第１０３ ３１ １８７号明細書 国際公開第９４／２９５８７号パンフレット 特開２００９−１０８８４８号公報 独国特許発明第１０ ２００９ ０１０ ８０８号明細書 特開２０１１−１５７９５９号公報 国際公開第２０１１／１４１６３１号パンフレット

ここから出発して本発明の課題は、冒頭に述べた形式の燃焼機関において、帰還される排気ガスが通流するガス処理機器を、洗浄作用は良好なままにしてスペースを節約し、より安価に構成することである。

本発明によれば、ガス処理機器が、循環管路の区間に湿った環境を創成する装置を有する。この区間は、帰還された排気ガスから熱を除去し、とりわけ冷却液により動作する冷却装置を通して案内される。さらにこの冷却装置に流れ方向で後置された少なくとも１つの液体出口を有し、ガス洗浄器がクーラーに流れ方向で後置されており、すなわちクーラーの下流に存在する。このようにすると、冷却された循環管路区間での熱除去の利点がとくに大きくなるからである。すなわち、ガス洗浄器は、前もって湿式冷却を行わないガス洗浄器よりも格段に小型にしたがって安価に構成することができ、圧力降下は同じままとすることができるのである。とりわけ冷却は、ガス洗浄器におけるプラスチック構成部材またはプラスチックコンポーネントの使用を可能にし、これにより製造コストおよび重量が格段に低下し、ガス洗浄器の表面を非腐食性にまたはほとんど腐食性なしに形成することができる。循環系統にある付加的なガス洗浄機器により、すでにクーラーによって行われた帰還排気ガスからのカーボンおよび硫黄の洗い流しをもちろんさらに改善することができる。

ここでは、とくに効率的なガス洗浄が洗浄浴によって達成される。循環される排気ガスはこの洗浄浴を通して導かれ、有利には前置接続された水流洗浄ノズルを有する。本発明によると、循環管路はさらに、傾斜をもって冷却区間から後置のガス洗浄器に至るので、冷却区間で冷却壁を流れる冷却液が、ガス洗浄器でも同様に湿った環境と腐蝕保護層とを形成することができ、そこにいずれにしろ存在する液体出口で循環系統からこの冷却液を除去することができる。ここで傾斜の最下点に洗浄浴があるので、表面を流れる汚染された冷却液が洗浄浴で吸収され、そこから浴の水交換のときに排出することができる。

冷却が湿った環境で行われることにより、すなわちクーラーまたは冷却装置により冷却された表面を、例えばあらかじめ増湿装置によって水または他の適切な液体により湿らせることによって、熱交換器またはクーラーを清潔に保つことができ、腐蝕から保護される。なぜなら熱交換器またはクーラーが排気ガス中の侵襲性カーボン粒子または硫黄粒子に直接曝されないからである。これらの粒子は、表面が熱く乾燥している場合には付着する傾向がある。なぜなら排気ガスに向いた側の表面は、腐蝕保護層として作用する液体膜により常に覆われるからである。ここで付着した液体は、帰還された排気ガスから冷却により凝縮された水と常時、交換される。したがってクーラーは、ある程度セルフクリーニングする。このことは適切なクーラー、すなわち例えば熱交換器または流動ベッドクーラーの場合にとくに重要である。なぜならそこには、管路断面が小さいときに大きな表面が存在しなければならないからである。これによりとくに微細な管毛細管を有するクーラーを使用することができ、このクーラーは循環される排気ガスからの大きな熱除去を約束する。水膜それ自体により、冷却された表面への改善された熱伝達がすでに可能であるから、ここでの効率はさらに高まる。

ここでは循環管路内の冷却された管路区間から液体出口への通流経路が、液体を搬送する傾斜をもって経過すると有利である。さらに有利なことに、ガス洗浄器は、すでにクーラーまたは循環系統の冷却区間で粗大粒子の予洗浄が行われているから、微細粒子の洗い流しに最適化することができる。

さらに循環管路または通流する排気ガス流が、帰還される排気ガス中に含まれる水の露点以下に冷却されるようにガス処理機器が設計されていると有利である。したがって吸気管への合流部では、吸気管に存在する圧力レベルに少しだけ持ち上げられ、したがって帰還すべき排気ガスのためにそこに設けられる圧縮器、すなわち循環ガス圧縮器は能力的に比較的慎ましく設計することができる。しかしこれによってクーラーに後置接続された他の機器も、排気ガス流で熱除去が行われない場合よりも小さく寸法設定することができる。

ここでとくに有利には温度低下によって、プラスチックコンポーネントを、クーラーに後置された区間および循環系統または循環管路の機器に組み込むことができ、これにより製造コストを格段に低減できるだけでなく、構成部材の重量を低減することができ、さらに付着および腐蝕の傾向の少ない表面を得ることができる。動作確実性の観点からも、クーラーに後置された管路区間の温度が、例えば５０℃−６０℃の温度まで低下すると有利である。循環された排気ガスから取り出された熱はそれに加えて他の目的のためにも、例えば発電所での温水準備のために、または燃焼機関が使用される船舶のためにも利用することができる。凝水された水とともに、さらに水滴に付着したカーボン粒子および硫黄粒子が排出され、したがって湿った環境での冷却だけである程度のガス洗浄がすでに行われる。このガス洗浄は、後置の装置、例えば吸気管への合流部にある循環ガス圧縮器を腐蝕から保護する。ここでは、洗浄すべき硫黄またはカーボンがより良好に水滴に堆積すれば、水滴がより大きく成長することを考慮すべきである。しかし温度の低下とともに、エアロゾル中の水粒子または水滴の大きさは大きくなる。

有利には、湿った環境を創成するための装置は、クーラーにより冷却される循環管路の区間に流れ方向で前置されていて、排気ガス循環管路に冷却液を噴射する予注入部または予噴射装置を有する。帰還された排気ガス流をあらかじめ増湿することにより、帰還された排気ガスでの温度低下が達成される。なぜなら十分な液体が噴射され、噴射された水により管路壁が湿り、排気ガスからの凝水が達成されるからである。もちろん複数の予噴射段を設けることもできる。さらに予噴射部または前置されたノズル装置の他に、クーラー自体でまたは循環管路の冷却区間で、通流するガス流へ水噴射することもできる。

これとは択一的にまたは補充的に、冷却装置またはクーラーに導かれる冷水供給部を設けることもできる。この冷水供給部は適切な水分配装置を介して、循環管路の冷却区間で排気ガスに向いた側の表面を湿らせ、または濡らす。

循環管路の冷却区間に前置された領域でも、循環管路の冷却区間自体でも、流水または他の水性液体（例えば塩水等）を微細霧化してガス流に噴射する代わりに、またはそれに補充的に、排気ガスに曝される循環管路の表面に水流を向け、これにより生じる腐蝕保護層によって濡れて湿った環境を創成することも有利である。このような水の噴射が、冷却区間に前置された循環管路の領域で行われる場合、そこの循環管路が冷却区間への傾斜を有すると有利であり、これにより噴射された水は管路壁に沿って冷却すべき区間に流れる。

本発明により設けられた冷却装置に適したクーラーはウェットベッドクーラーとすることができ、このクーラーは例えば固有の冷水供給部と、これに接続された噴射装置またはスプリンクラー装置とを有し、循環管路の冷却区間にある循環すべき排気ガスに向いた側の表面に、湿った表面膜を形成し、またはこの表面を濡らす。有利にはそのためにウェットベッドクーラーは大きな表面または単純なパイプ管路に対して拡大された表面を有し、この表面は、例えば格子、篩、通流するプレートまたはリブ、または通流する中実体であって、スプリンクラー装置を介して常時、液体で湿らされる中実体の形で、そこの循環管路に取り付けられる。このようにしてガス流を冷却し、湿らせる流動ベッドが、表面を流れる冷却液から得られる。したがって帰還された排気ガスからの熱除去は、流れる湿った流動ベッドを介して行われる。クーラーの固有の冷水供給部とは択一的にまたはこれに補充的に、クーラーの表面が常に濡れていることが保証される場合には、クーラーに前置された循環管路の領域に予噴射装置を設けることができる。

前記のウェットベッドクーラーとは択一的にまたはこれに補充的に、ガス処理装置は、好ましくは水または他の適切な水性流体、例えば海水を冷却液として動作する再生熱交換器をも有することができ、これにより帰還された排気ガスまたは循環管路の管路壁を冷却することができる。ここで再生熱交換器は、帰還される排気ガスが流れる循環管路の表面を冷却区間で直接冷却することも、または一次冷却液として例えば海水を使用して間接的に冷却することもでき、二次冷却液、例えば純粋水により、再び排気ガスの通流する循環管路が冷却区間で冷却される。

冷却媒体としての水により動作する再生熱交換器による冷却によって、帰還される排気ガスから最高の効率で熱が取り出される。再生熱交換器内にあって排気ガスに向いた側の拡大された表面（例えば循環管路の冷却区間にあって冷却液の流れるパイプ束の周囲の冷却リブの形態）に散水するための付加的なスプリンクラー装置によって、冷却能力をさらに改善することができる。

しかし同様に、間接的なクーラー、例えば断熱クーラーを使用することも考えられる。断熱クーラーは、冷却剤としての水により、他方のガス流で発生した蒸発冷却を、循環管路側の再生熱交換器または流動ベッドクーラーに放出する。このために他のガス流、例えば環境から到来する空気流、排気管の端部で環境に出る帰還されない排気ガス、または燃焼機関のインレットに供給される充填空気を用いることができ、利用すべき蒸発冷却を形成するために、このガス流に水を噴射することができる。さらに排気ガスに向かない側では循環管路の壁に冷却液流を通流させず、そこで冷却液が蒸発し、対応の蒸発冷却を生じる程度の量の冷却液を単に散水することも考えられる。

湿った環境での冷却によりパラドックス的に達成される排気ガス乾燥作用をさらに高めるために、流れの方向で冷却区間に後置された水滴除去器を設けることができる。有利には、存在する場合にはガス洗浄機器にも水滴除去器が後置される。ガス洗浄機器内のガス洗浄には帰還された排気ガス流と洗浄液（水）との接触が必要であるにもかかわらず、排気ガス流は、冷却された排気ガスの温度が低い場合には飽和限界が小さいため水蒸気を吸収できないか、または多量の水蒸気を吸収できないが、しかし場合により過飽和状態ではより多数のエアロゾル粒子を連行することができるからである。次にこれらの水滴は、出口側の水滴除去器で、循環回路を通流する容積流から除去され、適切な凝水出口から排出することができる。これにより、吸気管への合流部で吸気管内の圧力レベルに持ち上げるべき質量流がさらに減少する。水滴除去器として偏向板、中実体、篩、多孔板を使用することが有効であると実証されており、これらは排気ガス冷却が行われるのでプラスチック製とすることができる。

所望の乾燥作用および清浄作用をさらに向上するため、ガス処理機器は多段に構成することもできる。

冷却によって達成されたスペースの節約をガス洗浄機器の寸法設定の際にさらに改善するために、少なくともガス洗浄機器とクーラーを、好ましくはガス処理機器の他のエレメントも、または他のすべてのエレメントを、共通のハウジングを有する１つの全体機器に組み込むことができる。

以下、概略図面に基づいて、本発明の好ましい実施形態を焼成に説明する。

本発明の第１実施形態による燃焼機関の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である 。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。 本発明の別の実施形態による燃焼機関のためのガス処理機器の概略図である。

本発明の主たる適用分野は、大型機関、とりわけ船舶駆動部としてまたは発電所で使用することのできる２サイクル大型ディーゼル機関である。この種の機関の構造および作用自体は公知である。

図１には、直列のシリンダＺを有することのできる２サイクル大型ディーゼル機関が概略的に図示されている。各シリンダＺは、共同作用するピストンＫにより燃焼室Ｂを制限する。燃焼室Ｂの上端にはそれぞれ１つの排気弁Ａが設けられており、燃焼時に発生した排気ガスがこの排気弁を通って排気ガス収集容器１５に放出される。そこから排気ガスは、１つ（または複数）の排気管路２３を通ってターボチャージャ１のタービン１８に達する。しかし排気ガスの一部は、排気管路１２から分岐する循環管路３から燃焼機関のインレット側または吸気管に帰還供給される。循環管路は排気ガス収集容器１５のすでに上流で排気管から分岐することも、またはすでに燃焼室Ｂにある固有の出口により分岐することもできる。吸気管は入口側にターボチャージャ１の圧縮器１９を有し、この圧縮器はタービン１８を通して導かれる排気ガスにより駆動され、供給された充填空気を高い圧力レベルに持ち上げる。圧縮器１９からは充填空気管路１１が、オプションとしての充填空気クーラー１３を介して充填空気収集容器１４または充填空気収集管路１４に至っており、この充填空気収集管路から個々の燃焼室Ｂに新鮮空気が送られる。充填空気蓄積器１４の前方で排気ガス循環管路３が充填空気管路１１に合流する。すなわち充填空気クーラー１３の前方または後方で合流する。ここで循環管路３は、全体が破線で示され２が付されたガス処理機器に供給される。

ガス処理機器２は入口側に予噴射装置５を有する。すなわち循環管路３内に設けられた１つまたは複数のノズルを有し、ノズルには液体供給部４から到来する冷水が送られ、この冷水を循環管路３に噴射し、これにより循環管路３に、とりわけ予噴射装置５に後置された循環管路３の領域に湿った環境を創成する。この領域は再生熱交換器６を通して導かれ、これにより冷却される。

したがって再生熱交換器６の排気ガス側には湿った環境が存在し、この湿った環境は熱交換器６の外壁に、カーボンの付着や排気ガスに含まれる硫黄粒子の化学的侵襲に対する液状の防蝕保護層を形成する。冷却剤側では再生熱交換器に冷えた流水が通流し、この冷水は大抵の場合、有利に準備することができ、高い伝熱能力を有する。燃焼機関を船舶に使用する場合、熱交換器６に海水を送ることも考えられる。予噴射装置５で循環管路３に噴射された液体は、管路壁に沿って、熱交換器６により冷却される循環管路３の領域に流れる。なぜなら熱交換器６は、重力ラインで予噴射装置５の下方に存在しているからである。言い替えると循環管路３は、予噴射装置５から熱交換器６を通る傾斜を有するからである。

流れ方向で再生熱交換器６に後置された循環管路３の領域にはガス洗浄機器７があり、このガス洗浄機器を通って循環管路３が導かれる。ガス洗浄機器７は再生熱交換器６の下方にあり、したがって予噴射装置５で循環管路３に噴射され熱交換器６を通流した冷却液と、熱交換器６での冷却により排気ガス流から凝縮した液体とが、ガス洗浄器７に流れる。ここでは熱交換器６での冷却と、これに結び付いた排気ガスに常に含まれる水蒸気（排気ガスは大型ディーゼル機関の場合、２５質量％の水を含む）の凝縮により、排気ガスの最初の予洗浄が行われる。排気ガスに含まれるカーボン粒子および硫黄粒子は、形成された凝縮核に水滴が大きければ大きいほど良く付着し、したがって液相で吸収されるからである。ここでガス洗浄機器７には、洗浄液としての水が連続的に送られるオーバーフロー浴を設けることができ、クーラー６で前もって乾燥され予洗浄されたガス流はこのオーバーフロー浴を通して案内される。洗浄浴では、排気ガスにまだ含まれる微細塵芥粒子が吸収され、汚染された洗浄液とともにオーバーフローで分離される。ここでガス洗浄機器７は、破線で示すように固有の洗浄液供給部を有することができる。しかし予噴射装置５で噴射された洗浄液は洗浄浴に流れるから、この予噴射された洗浄液を送るだけでも十分である。さらに洗浄浴には１つまたは複数の水流洗浄段を前置接続することができ、これらの水流洗浄段ではさらなる洗浄液、すなわち純粋水または塩水等が循環管路３に噴射される。

循環管路３のさらに下流にはオプションとして、水滴分離装置を設けることができる。すなわち例えば種々の偏向板を排気ガス流の経路に設けるか、または対応する中実体を設けることができ、これにより、冷えた排気ガス流にまだ含まれる水滴を分離し、これにより排気ガス流をさらに乾燥させ、最終洗浄を施すことができる。

そこには液体出口または液体アウトレット管路８も配置され、この管路には、これが同様に傾斜をもって案内されていない場合、オプションとして排出ポンプを配置することができる。

冷え、乾燥し、浄化された排気ガス流は圧縮器１０に供給される。この圧縮器は循環管路３の端部にあり、循環された排気ガスを、インレット管路１１内の圧力レベルに持ち上げ、これにより排気ガスは新鮮充填空気とともに燃焼室Ｂへ循環することができる。循環された排気ガスに始めに含まれた水蒸気を除去することにより、搬送すべきガス容積流が比較的に小さくなり、したがって圧縮器１０も比較的に小型に設計することができる。とりわけ根本的に排気ガス洗浄することにより、圧縮器１０はさらにこの形式の公知の装置の場合よりも格段にわずかな侵蝕にしか曝されなくなり、したがってより長寿命になる。このことは燃焼機関の運転コストに格段に有利に作用する。なぜなら圧縮器１０は比較的高価だからである。帰還された排気ガス流が冷えていることにより（湿式冷却により例えば４００℃で存在する排気ガスを、１００℃以下、部分的には５０℃以下の値に冷却することができる）、排気ガス洗浄機器７内に多数のプラスチック製のハウジング部材および管路部材を使用することができ、これは圧縮器１０でも同様である。ここではガス洗浄機器７も、循環される排気ガスの冷却を行わない燃焼機関と比較して格段に小型に寸法設定することができ、これにより排気ガス洗浄機器７での圧力損失が増大することがない。スペースの節約と簡単な取り付けの理由から、ガス処理機器２の個々の機器を、有利には１つの共通のハウジングで１つの共通のガス処理機器に組み込むことができる。

図２は、循環管路１０３がターボチャージャ１の低圧側に存在する点で図１に示した燃焼機関とは実質的に異なる燃焼機関を示す。したがって同じ構成部材または機能的に同じ構成部材には、図１と同じ参照符号が付してあり、循環系統にあるガス処理機器１０２の機器にだけ別の参照符号が使用されている。

しかし排気ガス流を乾燥させ、カーボン粒子および硫黄粒子を洗浄するために、帰還された排気ガスを湿式冷却する原理は同じである。予噴射装置１０５では供給部１０４からの水が循環管路１０３に噴射され、落下線で管路壁に沿って再生熱交換器１０６に流れる。再生熱交換器は冷却液としての水により動作し、排気ガスに向いた側では湿った環境で動作する。すなわち予噴射装置１０５で噴射された水によって湿らされている。引き続きガス洗浄機器１０７では、クーラー１０６で凝縮によりすでに予洗浄された排気ガスが仕上げ洗浄され、これに続いて水滴除去器１０９で排気ガスの最終乾燥が行われ、洗浄液および冷却液が排気ガス循環管路３から出口１０８を通って放出される。次に帰還された排気ガス流は圧縮器１０４に達し、帰還された排気ガス流はこの圧縮器によって排気管の低圧側から吸気管の低圧側に吸引される。

図３から図９は、本発明の別の実施形態による択一的なガス処理機器２および１０２を示す。

図３に示したガス処理機器の、図１に示したガス処理機器２とのただ１つの相違点は、ここでは付加的なガス洗浄機器７が省略されていることである。なぜなら湿った環境での十分な冷却だけによってすでに、多数の適用事例に対して十分な排気ガス洗浄を達成することができるからである。予噴射装置５、ここでもクーラー６として用いられる再生熱交換器６、およびこの再生熱交換器に流れ方向で後置されており、液体出口８を備える水滴除去器９には、ここでも圧縮器１０と同じように図１と同じ符号が付されている。

これに対して図４は、流動ベッドクーラー１６が設けられたガス処理機器の実施形態を示す。この流動ベッドクーラーでは排気ガスに向いた側に、例えば冷却リブ等の形で大きな表面が設けられており、この表面は冷却液供給部１７を介してクーラー１６に直接導かれる冷却液により湿らされる。次に冷却液は落下線または傾斜に沿って流動ベッドクーラー１６から液体出口８の方向に流れ落ちる。この液体出口にはさらに水滴除去器９を前置接続することができる。したがって帰還された排気ガスはまず流動ベッドクーラー１６に達し、そこで湿った冷たい大きな表面と接触する。これにより冷却され、熱除去の下で、カーボン粒子およびガス粒子の付着した凝水が沈殿する。カーボン粒子とガス粒子は、液相とともに液体出口８で循環管路から排出される。次に乾燥し、冷却され、清浄された排気ガスは水滴除去器９を通過した後、さらに循環管路を通って圧縮器１０に流れ、そこで燃焼機関の吸気管にポンピングされる。オプションとして入口１７にはフロークーラー１９が配置されており、このフロークーラーはここでは、水を冷却液として動作する再生熱交換器１９として構成されている。したがって流動ベッドクーラーまたはウェットベッドクーラー１６に供給される冷却液は二次冷却液である。ここでは例えば淡水を使用することができ、一次冷却液としてフロークーラー１９では海水を使用することができる。したがって含まれる塩分が排気ガス循環管路に達することはない。ここでフロークーラー１９は断熱冷却システムの一部とすることができる。この断熱冷却システムは、ここで準備された冷却を蒸発冷却として、排気ガス流としての別の空気流またはガス流から取り去り、充填空気クーラー１３に蒸発する液体が噴射される場合には、例えば充填空気流から充填空気クーラー１３で取り去る。

ガス処理機器２または１０２に対する代用として適する別の変形形態が図５に示されている。図５に示された変形形態は、図４に示されたガス処理機器の変形形態に対応しており、ここではウェットベッドクーラー１６にさらに予噴射装置５が流れの方向で前置接続されている。この予噴射装置では追加の水が循環管路に噴射され、それから排気ガスがクーラー１６に達する。

図６は、図５に示したガス処理機器の変形形態に対して、ウェットベッドクーラー１６にガス洗浄機器７が後置されている点で拡張されたガス処理機器の変形形態を示す。したがって図６に示したガス処理機器は図１に示したガス処理機器に対応するが、ここでは再生熱交換器の代わりにウェットベッドクーラー１６が冷却装置として使用される。ウェットベッドクーラー１６は、破線で示すように単なるオプションとしての固有の液体供給部１７を有する。この液体供給部は、予噴射装置５を介してもたらされる湿気が十分でない場合には予噴射装置５に補充的に設けることができ、これにより循環管路の冷却区間の表面を液体により十分に湿らせることができる。その他にこのことは、図６に示したガス洗浄器７への液体供給部と同じように、ウェットベッドクーラーの液体供給部１７が同様にオプションである図５と図７の実施形態にも当てはまる。ガス洗浄器７は、ガス洗浄器７内に流れる凝水と、４および１７で供給される冷却および洗浄液とだけによって駆動することもできる。

図７は図６に対して、ウェットベッドクーラー１６と後置されたガス洗浄器７との間に水滴除去器９ａの分だけ拡張されたガス処理機器の変形形態を示す。追加の水滴除去器９ａではガス質量流またはエアロゾル質量流が乾燥され、連行された粒子が除去され、それから質量流がガス洗浄器７に導かれる。水滴除去器９ａには液体出口８ａが設けられており、そこで、予噴射装置５での予噴射中の予洗浄と、熱除去ならびにこれと結び付いたクーラー１６での凝縮と、その後の水滴除去器９ａでの水滴の除去とによって、汚染された洗浄液または冷却液が循環管路から排出され、それからガス流はガス洗浄器７に達する。ガス洗浄機器７にはその後新鮮水を洗浄液として供給することができ、したがって非汚染水の洗浄力を、改善された排気ガス除染で発揮することができる。公知のようにガス洗浄器７にはさらに、液体出口８ｂを備える水滴除去器９ｂを後置することができ、それから帰還された排気ガス流は圧縮器１０に達する。ガス洗浄機器７内の流速が十分に緩慢であれば、後置された水滴除去器９ｂを省略することもできる。

図８は、図７に対応するガス処理機器の変形形態を示す。ここでは図７から公知のガス処理機器に、さらに付加的な予処理段が前置接続されている。

予処理段には入口側の水噴射装置２５が、予加熱されたガス流に水を微細に細分化して注入するために設けられており、これによりガス流中に初めて凝水核が形成され、この凝水核にカーボン粒子および他の有害物質粒子が堆積することができる。後続の水滴除去器１９ではこの汚染された水滴がガス流から除去される。したがってすでに予清浄されたガス流が、前に図７を参照して説明したガス処理装置のメイン部分に達する。

図９も多段ガス処理機器を示す。このガス処理機器は、図７に示したガス処理機器に対応するメイン段３２を有し、メイン処理段３２には予処理段２２が前置接続されている。この予処理段は図５のガス処理機器の構造に対応するが、予処理段２２とメイン処理段３２との間に圧縮器１０は中間接続されない。

図示の実施形態の変更および修正も、本発明の枠を逸脱することなく可能である。

ガス処理段の別の機器に前置された蒸気発生器を例えば循環管路に取り付け、循環される排気ガスに含まれる熱を、蒸気発生のために利用することも考えられる。そしてこの蒸気により、例えば船舶等の搭載電源のために電流を形成する蒸気タービンを駆動することができる。

１ ターボチャージャ
２ ガス処理機器
３ 循環管路
４ 液体供給部
５ 予噴射装置
６ 熱交換器
７ ガス洗浄機器
８ 液体出口
９ 水滴除去器
１０ 圧縮器
１１ 充填空気管路
１２ 排気管路
１３ 充填空気クーラー
１４ 充填空気収集容器
１５ 排気ガス収集容器
１６ クーラー
１７ 液体供給部
１８ タービン
１９ 圧縮器
２３ 排気管路
２５ 水噴射装置
１０２ ガス処理機器
１０３ 循環管路
１０４ 供給部
１０５ 予噴射装置
１０６ 再生熱交換器
１０７ ガス洗浄機器
１０８ 出口
１０９ 水滴除去器

Claims (15)

1. 燃焼機関であって、前記燃焼機関は、
   シリンダと、クランクシャフトと共同作用するピストンとによって制限された燃焼室（Ｂ）であって、排気弁（Ａ）の弁体と割り当てられた弁座との間に形成されていて排気管（１２、１５）に排気ガスを放出するための少なくとも１つの出口と、前記ピストン（Ｋ）により制御可能な、吸気管（１１、１３、１４）から洗浄ガスを供給するための少なくとも１つの入口とを備える少なくとも１つの燃焼室（Ｂ）と、
   前記吸気管（１１、１３、１４）にある圧縮器と前記排気管（１２、１５）にあるタービンとを備える少なくとも１つのターボチャージャ（１）と、
   前記排気管（１２、１５）からまたは前記燃焼室（Ｂ）から分岐して前記吸気管（１１、１３、１４）に至り、排気ガス部分流を前記吸気管（１１、１３、１４）に循環するためのものであって、ガス処理機器（２；１０２）を通って導かれる循環管路（３；１０３）と、を有し、
   前記ガス処理機器（２；１０２）は、
   前記循環管路（３；１０３）の冷却区間に湿った環境を創成するための装置（５；１０５；１７；５、１７）と、
   少なくとも１つのガス洗浄機器（７；１０７）と、
   冷却装置（６；１０６；１６、２６）に流れ方向で後置された少なくとも１つの液体出口（８；１０８；８ａ、８ｂ）と、を有し、
   前記冷却区間は、帰還された排気ガスから熱を取り去り、冷却液により動作する冷却装置（６；１０６；１６、２６）を通って案内される、燃焼機関において、
   前記ガス洗浄機器（７；１０７）は、循環排気ガスが通流する少なくとも１つの洗浄浴を有し、前記循環管路（３；１０３）の前記冷却区間の下流に配置されており、前記循環管路（３；１０３）は、その冷却区間から後置されたガス洗浄機器（７；１０７）まで傾斜をもって案内されることを特徴とする燃焼機関。
2. 前記ガス洗浄機器（７；１０７）は、前置接続された少なくとも１つの水流洗浄段を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
3. 前記湿った環境を創成するための装置（５；１０５；５、１７）は、前記循環管路（３；１０３）の前記冷却区間に流れの方向で前置されていて前記循環管路（３；１０３）を湿らせる予噴射装置（５；１０５）を、前記冷却区間の帰還される排気ガスに向いた側の表面を冷却液により湿らせるために有し、前記循環管路（３；１０３）は、前記予噴射装置（５；１０５）から前記冷却区間に至る区間に傾斜を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼機関。
4. 前記湿った環境を創成するための装置（１７；５、１７）は、前記冷却装置（１６）に合流する冷却液供給部（１７）を有し、前記冷却液供給部は、前記冷却区間の帰還される排気ガスに向いた側の表面を冷却液により湿らせるための冷却液分配器を備える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼機関。
5. 前記冷却装置（６；１０６；１６、２６）は、少なくとも１つの再生熱交換器（６；１０６；２６）を有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼機関。
6. 前記冷却装置（１６、２６）は少なくとも１つのウェットベッドクーラー（１６）を有し、前記ウェットベッドクーラーは、帰還すべき排気ガスに向いた側に冷却液により湿らされ、したがって冷えた大きな表面を、例えば循環管路（３；１０３）内に配置された格子、篩、プレート、リブ、中実体および／または直径変化部の形で有し、
   冷却液分配器を介して前記ウェットベッドクーラー（１６）に合流する液体供給部（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼機関。
7. 前記ガス処理機器（２；１０２）は、前記冷却区間の下流に少なくとも１つの水滴除去器（９；１０９；９ａ、９ｂ）を有し、少なくとも１つの水滴除去器（９；１０９；９ｂ）が前記ガス洗浄機器（７；１０７）の下流に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼機関。
8. 前記ガス処理機器は複数のガス処理段（２２、３２）を有し、前記ガス処理段はそれぞれ、帰還された排気ガスに向いた側の表面を湿らせるための少なくとも１つの入口側予噴射装置（５）と、帰還された排気ガスから熱を取り去るための少なくとも１つの冷却装置（１６、２６）とを有し、
   前記ガス処理段の少なくとも１つは、請求項２に記載の少なくとも１つのガス洗浄機器および／または請求項７に記載の水滴除去器を有することができることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼機関。
9. 前記少なくとも１つのガス洗浄機器（７；１０７）および冷却装置（６；１０６）も共通のハウジングを有する１つの全体機器（２；１０２）に組み込まれていることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の燃焼機関。
10. 前記冷却装置は、前記ガス洗浄機器の管路壁を冷却することを特徴とする請求項９に記載の燃焼機関。
11. 前記ガス洗浄機器（７；１０７）は帰還される排気ガスの通流経路で前記冷却装置（６；１０６；１６）に直接続くか、または中間接続された水滴除去器を介して前記冷却装置に続いており、前記ガス洗浄機器（７；１０７）には別の水滴除去器（９ｂ）が流れ方向で後置されている、ことを特徴とする請求項２から１０のいずれか一項に記載の燃焼機関。
12. 前記ガス洗浄機器（７；１０７）の少なくとも一部が、プラスチックコンポーネントからなることを特徴とする請求項５から１１のいずれか一項に記載の燃焼機関。
13. 前記循環管路（３）の排気管側の分岐路と吸気管側の合流部とは、前記ターボチャージャ（１）の高圧側にあり、さらに前記ガス処理機器（２）は、循環ガス圧縮器（１０）を前記循環管路（３）の端部に有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃焼機関。
14. 前記排気ガス循環管路（３）は、前記ガス処理機器（２）の領域に少なくとも液体出口（８）まで傾斜を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃焼機関。
15. 前記ガス処理機器は、蒸気発生器を前記冷却装置の上流に、前記予噴射装置の上流に有する、ことを特徴とする請求項３を引用する場合の請求項４から１４のいずれか一項、または請求項３に記載の燃焼機関。

Images