JP6666811B2

JP6666811B2 - 過給機

Info

Publication number: JP6666811B2
Application number: JP2016162731A
Authority: JP
Inventors: 中野　賢治; 賢治中野; 幸弘前田; 孝臣石綿
Original assignee: IHI Rotating Machinery Engineering Co Ltd
Current assignee: IHI Rotating Machinery Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-08-23
Also published as: JP2018031272A

Description

本発明は、過給機に関するものである。

従来、下記特許文献１に記載の過給機付きエンジンが知られている。この装置は、エンジン本体からの排ガス中のＮＯｘを除去するための排気浄化装置を備えている。この装置では、過給機からエンジン本体に供給される給気の一部が給気管の外部に排出され、エンジン本体への給気量が調整されることで、エンジン本体の排ガスの温度が調整される。これにより、排ガスの温度を排気浄化装置が十分に機能する温度に調整することが提案されている。

特開2015-81554号公報

上記の装置では、エンジン本体の出力の情報等に応じてエンジン本体への給気量が調整され、排ガスの温度が調整される。しかしながら、エンジン本体への給気量はエンジン起動時の始動性や、燃費にも関係するので、排ガス温度のみを重視して安易に給気量を調整すれば、起動時の始動性や燃費を損なってしまう場合がある。このように、過給機からのエンジン本体への給気量の調整を実行する場合には、始動性、排ガス浄化性、及び燃費をそれぞれ考慮する必要がある。

本発明は、ディーゼル機関における始動性、排ガス浄化性及び燃費を考慮した過給機を提供することを目的とする。

本発明の過給機は、空気を圧縮しディーゼル機関に供給するコンプレッサと、コンプレッサで圧縮された空気の一部をコンプレッサの吐出口から分岐させディーゼル機関以外の送出先に搬送する分岐流路と、分岐流路を開閉するゲート部と、を備え、ゲート部は、ディーゼル機関の負荷率が、所定の下限閾値から上限閾値までの範囲内であるときには分岐流路を開き、それ以外のときには分岐流路を閉じる。

また、ゲート部は、直列に接続された第１ゲート及び第２ゲートを有し、第１ゲートは、コンプレッサの吐出口の圧力が、上限閾値の負荷率に対応する上限圧力以下のときに分岐流路を開き、それ以外のときには分岐流路を閉じ、第２ゲートは、コンプレッサの吐出口の圧力が、下限閾値の負荷率に対応する下限圧力以上のときに分岐流路を開き、それ以外のときには分岐流路を閉じる、ようにしてもよい。

また、第１ゲート及び第２ゲートは、分岐流路の開閉操作を行う開閉操作レバーと、コンプレッサの吐出口に連通されると共に隔壁の一部としてダイヤフラムを有する圧力室と、ダイヤフラムの変形に伴って軸方向に往復移動し開閉操作レバーを駆動するロッドと、を備えるようにしてもよい。

また、分岐流路による空気の一部の送出先は、コンプレッサの吸入口であるようにしてもよい。

本発明によれば、ディーゼル機関における始動性、排ガス浄化性及び燃費を考慮した過給機を提供することができる。

第１実施形態の過給機を備える発電システムの一例を示す図である。図１の過給機を詳細に示した図である。（ａ），（ｂ）は、アクチュエータを示す断面図である。ディーゼル機関の負荷率と吐出圧力との関係を示すグラフである。ディーゼル機関の負荷率と空気流量比の関係を示すグラフである。第２実施形態の過給機を示す図である。図６の過給機の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る過給機の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照しながら、本実施形態の過給機１を備える発電システム５１について説明する。発電システム５１は、例えば船舶内の発電用として使用される。発電システム５１は、ディーゼル機関５３と、ディーゼル機関５３によって駆動される発電機５５とを備えている。また、発電システム５１は、過給機１とＳＣＲ（selective catalytic reduction；選択触媒還元脱硝装置）５７とを備えている。

過給機１のコンプレッサ３は、コンプレッサ翼車の回転により空気を圧縮してディーゼル機関５３に供給する。コンプレッサ３からの給気は、ディーゼル機関５３のインタークーラ６１及び給気マニホールド６３を経由して、燃料と一緒にディーゼル機関５３の各シリンダ６５に供給される。燃料の燃焼により各シリンダ６５で発生する排ガスは、排気マニホールド６７を通じて過給機１のタービン２に導入される。タービン２は導入された排ガスによりタービン翼車を回転させ、当該タービン翼車に連結された前述のコンプレッサ翼車を回転させる。タービン２を通過した排ガスは、更にＳＣＲ５７を経由することでＮＯｘが低減され、外部に排出される。

図２を参照しながら過給機１の詳細について更に説明する。前述の通り、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ａ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排ガス流入口８及び排ガス流出口１０が設けられている。ディーゼル機関５３（図１参照）から排出された排ガスが、排ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、タービン翼車６を回転させ、その後、排ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、圧縮して吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の通りディーゼル機関５３に供給される。

過給機１は、コンプレッサ３の吸入口９に取り付けられたサイレンサ２１を備えている。外部からコンプレッサ３に供給される空気は、サイレンサ２１を経由してコンプレッサ３の吸入口９に吸入される。サイレンサ２１はコンプレッサ翼車７で発生する騒音の外部への放出を低減する。

更に、過給機１は、コンプレッサ３で圧縮された空気の一部を吐出口１１から分岐させサイレンサ２１に搬送する分岐流路７１を備えている。分岐流路７１の一端は、吐出口１１のフランジ１１ａの直ぐ上流側の位置に連結されている。分岐流路７１の他端は、サイレンサ２１の天蓋に連結されている。分岐流路７１上には、当該分岐流路７１を開閉するゲート部７３が設けられている。ゲート部７３が開いた状態では、吐出口１１とサイレンサ２１の内部とが分岐流路７１を介して連通され、両者の圧力差によって、吐出口１１から分岐流路７１及びサイレンサ２１を通じて吸入口９に空気が搬送される。すなわち、吐出口１１からの空気の一部が分岐流路７１を通じて循環する。その一方、ゲート部７３が閉じた状態では、上記のような空気の搬送は発生しない。

次に、ゲート部７３の開閉特性について説明する。ゲート部７３は、第１ゲート７５ａと第２ゲート７５ｂとを備えている。第１ゲート７５ａと第２ゲート７５ｂは分岐流路７１上で直列に接続されており、互いに独立して開閉可能である。第１ゲート７５ａは、吐出口１１の圧力（以下、吐出圧力Ｐと言う）が所定の上限圧力（以下、上限圧力Ｐ１と言う）以下のときに分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じる。第２ゲート７５ｂは、吐出圧力Ｐが所定の下限圧力（以下、下限圧力Ｐ２と言う）以上のときに分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じる。なお、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とは、Ｐ２＜Ｐ１の関係にある。従って、ゲート部７３全体としては、吐出圧力Ｐが下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１の範囲内にあるときには分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じるといった開閉特性を示す。

上記のように、第１ゲート７５ａ及び第２ゲート７５ｂが、吐出圧力Ｐに応じて自動的に動作するための構成について説明する。第１ゲート７５ａ及び第２ゲート７５ｂは、それぞれ、分岐流路７１を開閉する開閉弁７６と、開閉弁７６の開閉操作を行う開閉操作レバー７６ａと、開閉操作レバー７６ａを駆動するアクチュエータ７７と、を備えている。

図３（ａ）に示されるように、アクチュエータ７７は、筐体８１と、筐体８１内部の中央に設けられたダイヤフラム８２と、を備えている。筐体８１にはチューブ８３の一端が接続されており、筐体８１内部には、チューブ８３を通じて吐出口１１と連通する圧力室８４が形成されている。なお、チューブ８３の他端は、吐出口１１のフランジ１１ａの直ぐ上流側の位置に接続されている。ダイヤフラム８２は、圧力室８４を仕切る隔壁の一部を構成している。ダイヤフラム８２の中央には、ロッド８５の基端側が取り付けられている。ロッド８５は、ダイヤフラム８２に直交する方向に延びると共に、ダイヤフラム８２の変形に伴って延在方向に往復移動する。ロッド８５は、筐体８１を貫通して外側まで延びており、ロッド８５の先端は開閉弁７６の開閉操作レバー７６ａに接続されている。また、筐体８１の内部において圧力室８４の外側には、ダイヤフラム８２を圧力室８４の内側に向けて付勢するバネ８６が設けられている。

図３（ｂ）に示されるように、吐出口１１の圧力が高くなると、吐出口１１に連通された圧力室８４の圧力が高くなる。これに伴い、ダイヤフラム８２がバネ８６の付勢力に抵抗しながら圧力室８４の外側に膨らむように変形する。これにより、ロッド８５は、筐体８１から伸び出すように軸方向に移動し、開閉操作レバー７６ａを押す方向に駆動する。また、上記の逆の動作により、吐出口１１の圧力が低くなると、バネ８６がダイヤフラム８２を押し戻し、ロッド８５が開閉操作レバー７６ａを引き込む方向に駆動する。

ここで、第１ゲート７５ａにおいては、開閉操作レバー７６ａがロッド８５から押されたときに開閉弁７６が閉じ、開閉操作レバー７６ａがロッド８５から引き込まれたときに開閉弁７６が開くような機構が構築されている。第２ゲート７５ｂにおいては、開閉操作レバー７６ａがロッド８５から押されたときに開閉弁７６が開き、開閉操作レバー７６ａがロッド８５から引き込まれたときに開閉弁７６が閉じるような機構が構築されている。上記のような機構及び開閉操作レバー７６ａとしては、公知の機構を適宜採用することができる。

第１ゲート７５ａにおいては、アクチュエータ７７のバネ８６のバネ定数が調整され、前述の上限圧力Ｐ１を開閉閾値とする特性が第１ゲート７５ａに付与されている。同様に、第２ゲート７５ｂにおいても、アクチュエータ７７のバネ８６のバネ定数が調整され、前述の下限圧力Ｐ２を開閉閾値とする特性が第２ゲート７５ｂに付与されている。ここで、吐出圧力Ｐとディーゼル機関５３の負荷率との間には相関関係が存在する。この相関関係に基づき、例えばここでは、上限圧力Ｐ１は、ディーゼル機関５３の負荷率５０％のときの吐出圧力Ｐに設定されており、下限圧力Ｐ２は、ディーゼル機関５３の負荷率１０％のときの吐出圧力Ｐに設定されている。

以上のような設定によって、ゲート部７３は、ディーゼル機関５３の負荷率が、所定の下限閾値（例えば１０％）から上限閾値（例えば５０％）までの範囲内であるときには分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じるように、自動的に動作する。なお、以下の説明では、上記の上限閾値を５０％、下限閾値を１０％とする例で説明するが、これらの値に限定されるものではなく、上限閾値及び下限閾値はディーゼル機関５３の特性等に応じて適切な値に設定することができる。

続いて、上述のような過給機１及び発電システム５１の作用効果について説明する。図４は、ディーゼル機関５３の負荷率とタービン２の排ガス流出口１０の排ガス温度との関係について、シミュレーションで得た結果を示すグラフである。図４中、実線は、過給機１が分岐流路７１を備えていない場合を示すグラフであり、破線は、過給機１が分岐流路７１を備える場合を示すグラフである。図５は、ディーゼル機関５３の負荷率と過給機１からシリンダ６５への給気量（流量）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図５のグラフでは、ディーゼル機関５３が負荷率１００％であるときの給気量を１としたときの給気量（空気流量比という）を縦軸としている。また、図５中、実線は、過給機１が分岐流路７１を備えていない場合を示すグラフであり、破線は、過給機１が分岐流路７１を備える場合を示すグラフである。

一般的に、ＳＣＲ５７が十分に機能するためには、ＳＣＲ５７に供給される排ガス温度が３００℃以上であることが好ましい。しかしながら、ディーゼル機関５３の負荷率と排ガス温度との間には、図４の実線のグラフで例示されるような関係があり、ディーゼル機関の負荷率が低い場合には、排ガス温度が低下する場合がある。当該グラフによれば、ディーゼル機関５３の負荷率が５０％以下になると、排ガス温度の低下が顕著になることが判る。

そこで、過給機１では、ディーゼル機関５３の負荷率が５０％以下の場合には、ゲート部７３が分岐流路７１を開き、吐出口１１からの空気の一部が吸入口９に搬送される。これにより、図５の破線で示されるように、過給機１からシリンダ６５への給気量が低下する。そうすると、ディーゼル機関５３は適正な給気量が得られなくなり、ディーゼル機関５３の燃費が低下する。そして、ディーゼル機関５３による発電機５５側への供給エネルギーを維持するために、ディーゼル機関５３で消費される燃料が増加し、その結果、シリンダ６５からＳＣＲ５７に排出される排ガスの温度が上昇する。このように過給機１が分岐流路７１を備える場合の排ガスの温度は、例えば図４の破線のグラフで示される。よって、ディーゼル機関５３が５０％以下の低負荷率で運転される場合にも、排ガス温度の低下が抑制され、ＳＣＲ５７の機能低下が抑制され、排ガス浄化性の低下が抑制される。

その一方、ディーゼル機関５３の起動時（負荷率がゼロ付近のとき）には、始動性の悪化を回避するために、過給機１からディーゼル機関５３への給気量は低下させないことが好ましい。そこで、発電システム５１では、ディーゼル機関５３の負荷率が１０％未満の場合には、ゲート部７３が分岐流路７１を閉じ、吐出口１１から吸入口９への空気の搬送を止める。これにより、ディーゼル機関５３の起動時においては過給機１からシリンダ６５への給気量が適切に確保され始動性が確保される。なお、前述したとおり、上記の負荷率１０％との閾値はこれに限定されるものではなく、この閾値の負荷率は更に小さい値であってもよい。また例えば、ディーゼル機関５３の起動時のみ過給機１からの給気量を低下させないように分岐流路７１を閉じるようにしてもよい。

また、ディーゼル機関５３の負荷率が５０％より大きい場合には、図４に示されるように、排ガス温度も十分であるので、ＳＣＲ５７は良好に機能する。そしてこの場合、分岐流路７１が閉じられることで、過給機１からディーゼル機関５３への給気量が確保され、ディーゼル機関５３は適正な給気量により良好な燃費で運転される。

以上説明したように、上述のような過給機１によれば、ディーゼル機関５３の各負荷率に対応して、ディーゼル機関５３の始動性、排ガス浄化性及び燃費が適切に確保される。なお、ディーゼル機関５３の負荷率１０〜５０％の範囲においては、ディーゼル機関５３の燃費性能が若干低下するが、これと引き替えに排ガスの浄化性が確保されるといった有利な効果が得られるものである。また、この作用効果を得るためには、従来の過給機に対して、吐出口１１のフランジ１１ａの直ぐ上流側とサイレンサ２１とを繋ぐ分岐流路７１等を追加すればよい。従って、過給機１単独の改造により完結され、過給機１以外の構成要素（例えばディーゼル機関５３等）の改造を行う必要がない。また、過給機１では、ディーゼル機関５３の負荷率に応じて分岐流路７１の開閉を自動的に行う仕組みを、ダイヤフラム８２とロッド８５とを有するシンプルなアクチュエータ７７を用いて構築することができ、分岐流路７１の開閉を電子制御する必要がない。

また、分岐流路７１からの空気の送出先が仮に過給機１の外部である場合、分岐流路７１から外部に排出される高温の空気がユーザに危険を及ぼさないように、邪魔板を設置するなどの安全対策措置が必要である。これに対し、過給機１では、分岐流路７１からの空気が吸入口９に返送されるので、上記のような安全対策措置を省略することができる点で好ましい。なお、分岐流路７１からの空気が吸入口９に返送されることは必須ではなく、分岐流路７１からの空気が過給機１の外部に排出されてもよい。

（第２実施形態）
図６を参照しながら本発明の第２実施形態に係る過給機１Ａについて説明する。過給機１Ａにおいて、前述の過給機１と同一又は同等の構成要素には図面に同一の符号を付して重複する説明を省略する。過給機１Ａは、ゲート部７３に代えてゲート部１７３を備えており、更に、ゲート部１７３を電子制御する制御装置９１を備えている。ゲート部１７３は、制御装置９１からの駆動信号に対応してロッド８５を往復移動させる電子制御アクチュエータ１７７を備えている。制御装置９１は、チューブ８３を通じて吐出圧力Ｐを検知し、検知した吐出圧力Ｐに応じて電子制御アクチュエータ１７７へ駆動信号を送信する。

このようなゲート部１７３によっても、ゲート部７３と同じように、吐出圧力Ｐが下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１の範囲内にあるときには分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じるといった開閉特性を実現することができる。よって、ゲート部１７３によって、ディーゼル機関５３の負荷率が、所定の下限閾値（例えば１０％）から上限閾値（例えば５０％）までの範囲内であるときには分岐流路７１を開き、それ以外のときには分岐流路７１を閉じるように構成することができる。

また、図７に示されるように、制御装置９１は、回転センサ９２で検知される回転軸１４の回転数に応じて電子制御アクチュエータ１７７へ駆動信号を送信するようにしてもよい。回転センサ９２は、例えば、軸受ハウジング１３に取り付けられており、回転軸１４の回転数を非接触で検知する。ここで、ディーゼル機関５３の負荷率は、過給機１Ａの回転軸１４の回転数との間にも相関関係を有しているので、この相関関係に基づいて、制御装置９１は、ディーゼル機関５３の負荷率に応じてゲート部１７３を開閉させることができる。以上のように、図６及び図７の過給機１Ａによっても、過給機１と同様の作用効果が奏される。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。実施形態では、発電用のディーゼル機関５３に使用する過給機１を例として説明したが、本発明の過給機が使用されるディーゼル機関は発電用には限定されない。また、実施形態の過給機では、分岐流路７１の空気がサイレンサ２１を介して吸入口９に搬送されるが、空気がサイレンサを介さずに吸入口９に直接搬送されてもよい。また、分岐流路７１から噴出する空気を、人に直接かからないように措置を施した上で大気に開放してもよい。

１、１Ａ過給機
３コンプレッサ
９吸入口
１１吐出口
５３ディーゼル機関
７１分岐流路
７３、１７３ゲート部
７５ａ第１ゲート
７５ｂ第２ゲート
７６ａ開閉操作レバー
８２ダイヤフラム
８４圧力室
８５ロッド

Claims

空気を圧縮しディーゼル機関に供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサで圧縮された空気の一部を前記コンプレッサの吐出口から分岐させ前記ディーゼル機関以外の送出先に搬送する分岐流路と、
前記分岐流路を開閉するゲート部と、を備え、
前記ディーゼル機関の排ガスはＳＣＲに送られて浄化され、
前記ゲート部は、
前記ディーゼル機関の負荷率が、所定の下限閾値から上限閾値までの範囲内であるときには前記分岐流路を開いて、前記ディーゼル機関の前記排ガスの温度を上昇させ、それ以外のときとして、前記負荷率が前記下限閾値未満又は前記上限閾値より大のときには、前記分岐流路を閉じる、過給機。
空気を圧縮しディーゼル機関に供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサで圧縮された空気の一部を前記コンプレッサの吐出口から分岐させ前記ディーゼル機関以外の送出先に搬送する分岐流路と、
前記分岐流路を開閉するゲート部と、を備え、
前記ゲート部は、
前記ディーゼル機関の負荷率が、所定の下限閾値から上限閾値までの範囲内であるときには前記分岐流路を開き、それ以外のときには前記分岐流路を閉じ、
前記ゲート部は、直列に接続された第１ゲート及び第２ゲートを有し、
前記第１ゲートは、
前記コンプレッサの吐出口の圧力が、前記上限閾値の負荷率に対応する上限圧力以下のときに前記分岐流路を開き、それ以外のときには前記分岐流路を閉じ、
前記第２ゲートは、
前記コンプレッサの吐出口の圧力が、前記下限閾値の負荷率に対応する下限圧力以上のときに前記分岐流路を開き、それ以外のときには前記分岐流路を閉じる、過給機。
前記第１ゲート及び前記第２ゲートは、
前記分岐流路の開閉操作を行う開閉操作レバーと、
前記コンプレッサの吐出口に連通されると共に隔壁の一部としてダイヤフラムを有する圧力室と、
前記ダイヤフラムの変形に伴って軸方向に往復移動し前記開閉操作レバーを駆動するロッドと、を備える、請求項２に記載の過給機。
前記分岐流路による前記空気の一部の前記送出先は、前記コンプレッサの吸入口である、請求項１〜３の何れか１項に記載の過給機。