排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置
【課題】電力需要が減少した場合に、排気タービン過給機からディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止すること。
【解決手段】エンジン本体２が高負荷運転されているときに、コンプレッサ部３ｂから前記エンジン本体２に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、パワータービン４に流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービン４へ流入する排気ガス量および前記パワータービン４を迂回する排気ガス量を制御する。
【解決手段】エンジン本体２が高負荷運転されているときに、コンプレッサ部３ｂから前記エンジン本体２に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、パワータービン４に流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービン４へ流入する排気ガス量および前記パワータービン４を迂回する排気ガス量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用ディーゼル機関や陸上発電機用ディーゼル機関等を構成するエンジン本体から排出された排気ガス（燃焼ガス）の排熱エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス（燃焼ガス）の排熱エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収装置としては、例えば、特許文献１に開示された過給機およびパワータービンが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１８６９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排ガスの一部を過給機に送らず、パワータービン等に導いて排気エネルギーを回収する装置を備えたディーゼル機関においては、排ガスの一部のエネルギーを過給機は利用できないので、過給効率が低下し、機関の熱効率が低下して、燃料消費率が増加する。
【０００５】
近年においては、過給機の性能が向上しており、より多くの排ガスをパワータービンに導いても過給機はディーゼル機関に十分な空気を送ることが可能になった。その結果、上記特許文献１に開示されたディーゼル機関が高負荷運転された状態で、バイパス弁を絞る（すなわち、パワータービンの出力を減少させる）と、パワータービンを回転させるのに利用（使用）されていた排気ガスが過給機のタービンに供給されて、タービンとともに回転するコンプレッサの回転数が上昇し、コンプレッサからディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が所定圧力（計画圧力）を超えてしまうおそれがある。
【０００６】
したがって、従来の蒸気タービンとパワータービンで発電機を駆動する排熱回収システムにおいては、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合、蒸気タービンへ入る蒸気を外部へダンプして、蒸気タービンの出力を下げていたので、ディーゼル機関の熱効率改善にはつながらない。
また、従来の前記排熱回収システムにおいては、回転数の制御を蒸気タービンへ送る蒸気流量の調整によって実施している。従って、急に電力需要が大幅に低下した場合、蒸気タービンは蒸気流量を制御代が取れない程小さくする必要が生じ、その結果、過剰なパワータービン出力により、その回転数制御が出来なくなり、電力系統の周波数が不安定になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電力需要が減少した場合に、発電機の回転数制御性を維持しながら、パワータービンに送る排ガス量を減らして、排気タービン過給機に送られるガス量を増やし、ディーゼル機関へ供給する圧縮空気の量を高めることで主機関をより熱効率が良い運転状態で稼動させ、かつ、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機に供給されて、排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量および前記パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えている。
【０００９】
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より大きい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を増やすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を減らす工程と、を備えている。
【００１０】
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を減らすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を増やす工程と、を備えている。
【００１１】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の運転方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、前記排気管の途中に接続されたガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備え、前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記ガス入口制御弁を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記排ガスバイパス制御弁を流れるようにするオリフィスを備えてなる排気エネルギー回収装置の運転方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、前記排気管に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように前記ガス入口制御弁および前記排ガスバイパス制御弁の開度を調整する。
【００１２】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の運転方法によれば、パワータービンの出力を減少させた場合には、パワータービンを回転させるのにエンジン本体から抽出されていた排気ガス量が減少するので、エンジン本体にはより高い圧力の圧縮空気が供給されるから、エンジン本体の熱効率が改善されるとともに、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００１３】
本発明に係る排気エネルギー回収装置は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備えてなるとともに、前記パワータービンは、前記エンジン本体から前記排気管を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズルを備えており、前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記可変ノズルを流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記可変ノズルを流れるようにするオリフィスが設けられている。
【００１４】
本発明に係る排気エネルギー回収装置によれば、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合において、ディーゼル機関から過給機に送られず、排気エネルギー回収装置に導かれる排ガス量を減らして、過給効率を向上させ、機関の熱効率を改善できる。
【００１５】
しかしながら、排気エネルギー回収装置に導かれる排ガス量を減らすと、過給機がディーゼル機関に送る圧縮空気の圧力が上昇する。ディーゼル機関にとってこの圧縮空気の圧力には上限がある。そこで、パワータービンの出力を大幅に低減する必要がある場合には、排ガスバイパス制御弁も同時に開き、その結果、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスは、バイパス管および排ガスバイパス制御弁を通って系外に排出されることとなるので、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機に供給されて、排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００１６】
上記排気エネルギー回収装置において、前記エンジン本体から導かれた排気ガスが内部を通過して蒸気を発生させる熱交換器と、前記熱交換器から導かれた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備えているとさらに好適である。
【００１７】
このような排気エネルギー回収装置によれば、熱交換器から蒸気タービンに供給される蒸気を最大限利用することができて、燃料消費率を向上させることができる。
また、蒸気タービンの負荷が過度に小さくなって、負荷制御ができなくなることを防止することができる。
【００１８】
上記排気エネルギー回収装置において、前記蒸気タービンの負荷および／または前記蒸気タービンを迂回する蒸気の量を監視するとともに、前記蒸気タービンの負荷が低いと判断した場合に、前記可変ノズルに対して、開度を絞る信号を出力する制御器と、を備えているとさらに好適である。
【００１９】
このような排気エネルギー回収装置によれば、パワータービンが全負荷運転状態とされる必要がないとき、エンジン本体から抽出される排ガス量を減少させてエンジン本体の熱効率を改善でき、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機からエンジン本体に供給される外気の圧力を許容限度以下に保つことができて、エンジン本体の性能を最大限に引きだすことができる。
【００２０】
本発明に係る舶用ディーゼル機関は、パワータービンの出力を減少させた場合に、排ガスをエンジンから抜き出す量を減少させることによって、エンジンが許容する範囲内で、エンジン本体に供給される圧縮空気の圧力を上昇させ、エンジン本体の機関性能を最大限引き出すことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置によれば、パワータービンの出力を減少させた場合には、パワータービンを回転させるのにエンジン本体から抽出されていた排気ガス量が減少するので、エンジン本体にはより高い圧力の圧縮空気が供給されるから、エンジン本体の熱効率が改善されるとともに、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る排気エネルギー回収装置の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関１の概略構成図である。
【００２４】
図１に示すように、舶用ディーゼル機関１は、ディーゼルエンジン本体（例えば、低速２サイクルディーゼル機関）２と、排気タービン過給機３、パワータービン４および蒸気タービン５を備えた排気エネルギー回収装置（図示せず）とを具備している。
ディーゼルエンジン本体（以下「エンジン本体」という。）２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、エンジン本体２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部６が設けられており、各シリンダ部６内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。さらに、各シリンダ部６の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド７と接続されている。排気マニホールド７は、第１の排気管Ｌ１を介して排気タービン過給機３のタービン部３ａの入口側と接続され、第２の排気管Ｌ２を介してパワータービン４の入口側と接続されている。一方、各シリンダ部６の給気ポート（図示せず）は、給気マニホールド８と接続されており、給気マニホールド８は、給気管Ｌ３を介して排気タービン過給機３のコンプレッサ部３ｂと接続されている。
【００２５】
排気タービン過給機３は、第１の排気管Ｌ１を介してエンジン本体２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部３ａと、このタービン部３ａにより駆動されてエンジン本体２に外気を圧送するコンプレッサ部３ｂと、これらタービン部３ａとコンプレッサ部３ｂとの間に設けられてこれらを支持するケーシング（図示せず）とを備えている。
ケーシングには、一端部をタービン部３ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部３ｂに突出させた回転軸３ｃが挿通されている。回転軸３ｃの一端部は、タービン部３ａを構成するタービン・ロータ（図示せず）のタービン・ディスク（図示せず）に取り付けられており、回転軸３ｃの他端部は、コンプレッサ部３ｂを構成するコンプレッサ羽根車（図示せず）のハブ（図示せず）に取り付けられている。
【００２６】
パワータービン４は、第２の排気管Ｌ２を介してエンジン本体２から導かれた排気ガスによって駆動される。
蒸気タービン５は、第１の蒸気管Ｌ４を介して熱交換器（例えば、排ガスボイラ）９から導かれた蒸気によって駆動される。また、第１の蒸気管Ｌ４の途中には、図示しないコントローラ（制御器）によってその開度が調整される第１のバルブ（流量調整弁）Ｖ１が接続されている。そして、蒸気タービン５で仕事を終えた蒸気は、第２の蒸気管Ｌ５を介して図示しないコンデンサ（復水器）に導かれる（戻される）ようになっている。
なお、コントローラには、エンジン本体２の負荷と、エンジン本体２が最大許容できる排気タービン過給機３からの圧縮空気の圧力との関係がデータベースとして記憶（保存）されている。すなわち、コントローラは、エンジン本体２の負荷に応じて、パワータービン４の出力を低減させるときにエンジン本体２の性能を最大限引き出すのに最適な、第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３の開度および第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５の開度を出力する機能を備えている。
【００２７】
パワータービン４の回転軸（図示せず）と、蒸気タービン５の回転軸（図示せず）とは、減速機（図示せず）およびカップリング１０を介して連結され、蒸気タービン５の回転軸（図示せず）と、発電機１１の回転軸（図示せず）とは、減速機（図示せず）およびカップリング１２を介して連結されている。
また、発電機１１は、制御用抵抗器１３を介して船内（本実施形態では機関室内）に別途設置された配電盤１４等と電気的に接続されており、発電機１１が発電機として発生した電力を船内電源として使用（利用）することができるようになっている。
【００２８】
第２の排気管Ｌ２には、パワータービン４を迂回（バイパス）する第１のバイパス管１５および第２のバイパス管１６が接続されており、第１のバイパス管１５の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第２のバルブ（非常停止用緊急バイパス弁）Ｖ２が接続され、第２のバイパス管１６の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３が接続されている。また、第２の排気管Ｌ２と第１のバイパス管１５との分岐点よりも下流側で、第２の排気管Ｌ２と第２のバイパス管１６との分岐点よりも上流側に位置する第２の排気管Ｌ２の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第４のバルブ（非常停止用緊急遮断弁）Ｖ４が接続され、第２の排気管Ｌ２と第２のバイパス管１６との分岐点よりも下流側に位置する第２の排気管Ｌ２の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５が接続されている。
【００２９】
そして、第１の排気管Ｌ１、第２の排気管Ｌ２、第１のバイパス管１５、第２のバイパス管１６を通過した排気ガスは、集合管Ｌ６を介してファンネル（図示せず）に導かれた後、船外に排出されるようになっている。また、集合管Ｌ６の途中には、給水管１７を介して内部に設けられた蒸発管（図示せず）内に供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる熱交換器９が接続されている。
【００３０】
コンプレッサ部３ｂの入口側に接続された給気管Ｌ３の途中には、消音器（図示せず）がそれぞれ配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ部３ｂに導かれるようになっている。また、コンプレッサ部３ｂの出口側に接続された給気管Ｌ３の途中には、空気冷却器（インタークーラ）１８や図示しないサージタンク等が接続されており、コンプレッサ部３ｂを通過した外気は、これら空気冷却器１８やサージタンク等を通過した後、エンジン本体２の給気マニホールド８に供給されるようになっている。
【００３１】
なお、図１中の符号１９は、第３のバルブＶ３の下流側に位置する第２のバイパス管１６の途中に接続されたオリフィスである。このオリフィス１９は、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転（通常（航行）運転）され、パワータービン４が全負荷運転状態とされているとき（すなわち、第２のバルブＶ２が全閉、第３のバルブＶ３が全閉、第４のバルブＶ４が全開、第５のバルブＶ５が全開とされているとき）に、第５のバルブＶ５を流れる（通過する）排気ガスと同量の排気ガスが、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が停止状態とされているとき（すなわち、第２のバルブＶ２が全閉、第３のバルブＶ３が全開、第４のバルブＶ４が全開、第５のバルブＶ５が全閉とされているとき）に、第３のバルブＶ３を流れるようにするためのものである。
また、第１の蒸気管Ｌ４の途中には、蒸気タービン５を迂回（バイパス）する第３のバイパス管２０が接続されており、第３のバイパス管２０の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第６のバルブ（流量制御弁）Ｖ６が接続されている。
【００３２】
さて、排気タービン過給機３と、パワータービン４と、蒸気タービン５とを備えてなる本実施形態に係る排気エネルギー回収装置は、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転されているときに、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が許容圧力以下となり、かつ、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が、電力需要に応じて最小となるように、すなわち、第３のバルブＶ３を流れる排ガス量と、第５のバルブＶ５を流れる排ガス量との合計が最小となるように、コントローラにより第３のバルブＶ３および第５のバルブＶ５の開度が調整されるようになっている。
【００３３】
また、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が停止状態とされている場合に、パワータービン４の運転を開始するには、第３のバルブＶ３を徐々に閉じるとともに、第５のバルブＶ５を徐々に開くようにすればよい。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が運転状態とされている場合に、パワータービン４の運転を停止するには、第３のバルブＶ３を徐々に開くとともに、第５のバルブＶ５を徐々に閉じるようにすればよい。
いずれの場合も、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は一定に保たれている。
【００３４】
さらに、ディーゼルエンジン本体２が低負荷運転から高負荷運転に移行される運転中で、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力が所定圧力を超えてしまう場合には、第３のバルブＶ３および／または第５のバルブＶ５を徐々に開くようにすればよい。この場合、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は徐々に増加することになる。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転から低負荷運転に移行される運転中で、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力が所定圧力以下になってしまう場合には、第３のバルブＶ３および／または第５のバルブＶ５を徐々に閉じるようにすればよい。この場合、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は徐々に減少することになる。
【００３５】
なお、パワータービン４を非常停止（緊急停止：危急停止）させる場合には、第２のバルブＶ２が全開とされ、同時に、第４のバルブＶ４が全閉とされる。
【００３６】
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、パワータービン４の出力を減少させた場合でも、パワータービン４を回転させるのに利用されていた排気ガスは、第２のバイパス管１６および第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３を通って系外に排出されることとなるので、パワータービン４を回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機３に供給されて、排気タービン過給機３の回転数が上昇し、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、コントローラは、蒸気タービン５の負荷および／または蒸気のダンプ量（すなわち、第３のバイパス管２０および第６のバルブＶ６を通過する蒸気量）を監視するとともに、蒸気タービン５の負荷が低いと判断した場合に、第５のバルブＶ５に対して、開度を絞る信号が出力されるように構成されているので、熱交換器９から蒸気タービン５に供給される蒸気を最大限利用することができて、燃料消費率を向上させることができる。
【００３８】
さらに、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される外気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が許容圧力内で出来るだけ高くなり、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように、コントローラによって第３のバルブＶ３および第５のバルブＶ５の開度が調整されるようになっているので、ディーゼルエンジン本体２の機関性能を最大限引き出すことができる。
【００３９】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が停止状態とされている場合でも、第３のバルブＶ３を徐々に閉じるとともに、第５のバルブＶ５を徐々に開くことにより、パワータービン４の運転を開始することができる。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が運転状態とされている場合に、第３のバルブＶ３を徐々に開くとともに、第５のバルブＶ５を徐々に閉じることにより、パワータービン４の運転を停止することができる。
【００４０】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、第２のバイパス管１６の途中に、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が全負荷運転状態とされているときに、第５のバルブＶ５を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が停止状態とされているときに、第３のバルブＶ３を流れるようにするオリフィス１９が設けられている。すなわち、パワータービン４が全負荷運転状態とされているとき（第３のバルブＶ３が全閉、第５のバルブＶ５が全開とされているとき）でも、パワータービン４が停止状態とされているとき（第３のバルブＶ３が全開、第５のバルブＶ５が全閉とされているとき）でも第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が一定に維持されることとなる。
これにより、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転された状態で、パワータービン４の運転を開始または停止したとしても、第１の排気管Ｌ１を介して排気タービン過給機３に供給される排気ガスの量が変化（変動）することがないため、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される外気の圧力を一定に保つことができて、ディーゼルエンジン本体２の出力を一定に保つことができる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、電力需要に応じてパワータービン４の出力を自由に無段階で調整することができるので、制御用抵抗器１３として容量が小さく小型で安価なものを採用することができる。
【００４２】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の第２実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２は本実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関２１の概略構成図である。
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置は、第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５およびパワータービン４の代わりに、パワータービン２２を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
【００４３】
パワータービン２２は、ディーゼルエンジン本体２から第２の排気管Ｌ２を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズル（図示せず）を備えている。
【００４４】
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、第５のバルブＶ５を省略して（なくして）、構成要素の個数を減少させることができるので、構成の簡略化を図ることができる。
その他の作用効果は、第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施および変更実施することができる。
また、上述した実施形態では、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２、蒸気タービン５をそれぞれ１台ずつ備えた排気エネルギー回収装置を一具体例として説明したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、例えば、排気タービン過給機３を２台、パワータービン４，２２を１台、蒸気タービン５を１台備えたものや、排気タービン過給機３を１台、パワータービン４，２２を１台、蒸気タービン５を２台備えたものにも適用可能である。
【００４６】
さらに、上述した実施形態では、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２、蒸気タービン５をそれぞれ１台ずつ備えた排気エネルギー回収装置を一具体例として説明したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、例えば、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２をそれぞれ１台ずつ備えたものにも適用可能である。
そして、発電機１１がパワータービン４，２２のみで駆動される場合、すなわち、排気エネルギー回収装置が排気タービン過給機３とパワータービン４，２２とで構成されている場合、コントローラは、制御用抵抗器１３による電力の吸収量を監視するとともに、制御用抵抗器１３による電力の吸収量が大きいと判断した場合に、第５のバルブＶ５または可変ノズルに対して、開度を絞る信号が出力されるように構成されている。
【符号の説明】
【００４７】
１ 舶用ディーゼル機関
２ ディーゼルエンジン本体（エンジン本体）
３ 排気タービン過給機
３ａ タービン部
３ｂ コンプレッサ部
４ パワータービン
５ 蒸気タービン
７ 排気マニホールド
９ 熱交換器
１１ 発電機
１６ 第２のバイパス管（バイパス管）
１９ オリフィス
２１ 舶用ディーゼル機関
２２ パワータービン
Ｌ２ 第２の排気管（排気管）
Ｖ３ 第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）
Ｖ５ 第５のバルブ（ガス入口制御弁）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用ディーゼル機関や陸上発電機用ディーゼル機関等を構成するエンジン本体から排出された排気ガス（燃焼ガス）の排熱エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス（燃焼ガス）の排熱エネルギーを動力として回収する排気エネルギー回収装置としては、例えば、特許文献１に開示された過給機およびパワータービンが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１８６９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排ガスの一部を過給機に送らず、パワータービン等に導いて排気エネルギーを回収する装置を備えたディーゼル機関においては、排ガスの一部のエネルギーを過給機は利用できないので、過給効率が低下し、機関の熱効率が低下して、燃料消費率が増加する。
【０００５】
近年においては、過給機の性能が向上しており、より多くの排ガスをパワータービンに導いても過給機はディーゼル機関に十分な空気を送ることが可能になった。その結果、上記特許文献１に開示されたディーゼル機関が高負荷運転された状態で、バイパス弁を絞る（すなわち、パワータービンの出力を減少させる）と、パワータービンを回転させるのに利用（使用）されていた排気ガスが過給機のタービンに供給されて、タービンとともに回転するコンプレッサの回転数が上昇し、コンプレッサからディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が所定圧力（計画圧力）を超えてしまうおそれがある。
【０００６】
したがって、従来の蒸気タービンとパワータービンで発電機を駆動する排熱回収システムにおいては、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合、蒸気タービンへ入る蒸気を外部へダンプして、蒸気タービンの出力を下げていたので、ディーゼル機関の熱効率改善にはつながらない。
また、従来の前記排熱回収システムにおいては、回転数の制御を蒸気タービンへ送る蒸気流量の調整によって実施している。従って、急に電力需要が大幅に低下した場合、蒸気タービンは蒸気流量を制御代が取れない程小さくする必要が生じ、その結果、過剰なパワータービン出力により、その回転数制御が出来なくなり、電力系統の周波数が不安定になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、電力需要が減少した場合に、発電機の回転数制御性を維持しながら、パワータービンに送る排ガス量を減らして、排気タービン過給機に送られるガス量を増やし、ディーゼル機関へ供給する圧縮空気の量を高めることで主機関をより熱効率が良い運転状態で稼動させ、かつ、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機に供給されて、排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からディーゼル機関に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量および前記パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えている。
【０００９】
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より大きい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を増やすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を減らす工程と、を備えている。
【００１０】
本発明に係る排気エネルギー回収方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を減らすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を増やす工程と、を備えている。
【００１１】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の運転方法は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、前記排気管の途中に接続されたガス入口制御弁と、前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備え、前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記ガス入口制御弁を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記排ガスバイパス制御弁を流れるようにするオリフィスを備えてなる排気エネルギー回収装置の運転方法であって、前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、前記排気管に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように前記ガス入口制御弁および前記排ガスバイパス制御弁の開度を調整する。
【００１２】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の運転方法によれば、パワータービンの出力を減少させた場合には、パワータービンを回転させるのにエンジン本体から抽出されていた排気ガス量が減少するので、エンジン本体にはより高い圧力の圧縮空気が供給されるから、エンジン本体の熱効率が改善されるとともに、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００１３】
本発明に係る排気エネルギー回収装置は、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備えてなるとともに、前記パワータービンは、前記エンジン本体から前記排気管を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズルを備えており、前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記可変ノズルを流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記可変ノズルを流れるようにするオリフィスが設けられている。
【００１４】
本発明に係る排気エネルギー回収装置によれば、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合において、ディーゼル機関から過給機に送られず、排気エネルギー回収装置に導かれる排ガス量を減らして、過給効率を向上させ、機関の熱効率を改善できる。
【００１５】
しかしながら、排気エネルギー回収装置に導かれる排ガス量を減らすと、過給機がディーゼル機関に送る圧縮空気の圧力が上昇する。ディーゼル機関にとってこの圧縮空気の圧力には上限がある。そこで、パワータービンの出力を大幅に低減する必要がある場合には、排ガスバイパス制御弁も同時に開き、その結果、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスは、バイパス管および排ガスバイパス制御弁を通って系外に排出されることとなるので、パワータービンを回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機に供給されて、排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００１６】
上記排気エネルギー回収装置において、前記エンジン本体から導かれた排気ガスが内部を通過して蒸気を発生させる熱交換器と、前記熱交換器から導かれた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備えているとさらに好適である。
【００１７】
このような排気エネルギー回収装置によれば、熱交換器から蒸気タービンに供給される蒸気を最大限利用することができて、燃料消費率を向上させることができる。
また、蒸気タービンの負荷が過度に小さくなって、負荷制御ができなくなることを防止することができる。
【００１８】
上記排気エネルギー回収装置において、前記蒸気タービンの負荷および／または前記蒸気タービンを迂回する蒸気の量を監視するとともに、前記蒸気タービンの負荷が低いと判断した場合に、前記可変ノズルに対して、開度を絞る信号を出力する制御器と、を備えているとさらに好適である。
【００１９】
このような排気エネルギー回収装置によれば、パワータービンが全負荷運転状態とされる必要がないとき、エンジン本体から抽出される排ガス量を減少させてエンジン本体の熱効率を改善でき、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機からエンジン本体に供給される外気の圧力を許容限度以下に保つことができて、エンジン本体の性能を最大限に引きだすことができる。
【００２０】
本発明に係る舶用ディーゼル機関は、パワータービンの出力を減少させた場合に、排ガスをエンジンから抜き出す量を減少させることによって、エンジンが許容する範囲内で、エンジン本体に供給される圧縮空気の圧力を上昇させ、エンジン本体の機関性能を最大限引き出すことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置によれば、パワータービンの出力を減少させた場合には、パワータービンを回転させるのにエンジン本体から抽出されていた排気ガス量が減少するので、エンジン本体にはより高い圧力の圧縮空気が供給されるから、エンジン本体の熱効率が改善されるとともに、必要に応じて排ガスバイパス制御弁を開くことで排気タービン過給機の回転数が上昇し、排気タービン過給機からエンジン本体に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る排気エネルギー回収装置の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関１の概略構成図である。
【００２４】
図１に示すように、舶用ディーゼル機関１は、ディーゼルエンジン本体（例えば、低速２サイクルディーゼル機関）２と、排気タービン過給機３、パワータービン４および蒸気タービン５を備えた排気エネルギー回収装置（図示せず）とを具備している。
ディーゼルエンジン本体（以下「エンジン本体」という。）２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、エンジン本体２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部６が設けられており、各シリンダ部６内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。さらに、各シリンダ部６の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド７と接続されている。排気マニホールド７は、第１の排気管Ｌ１を介して排気タービン過給機３のタービン部３ａの入口側と接続され、第２の排気管Ｌ２を介してパワータービン４の入口側と接続されている。一方、各シリンダ部６の給気ポート（図示せず）は、給気マニホールド８と接続されており、給気マニホールド８は、給気管Ｌ３を介して排気タービン過給機３のコンプレッサ部３ｂと接続されている。
【００２５】
排気タービン過給機３は、第１の排気管Ｌ１を介してエンジン本体２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部３ａと、このタービン部３ａにより駆動されてエンジン本体２に外気を圧送するコンプレッサ部３ｂと、これらタービン部３ａとコンプレッサ部３ｂとの間に設けられてこれらを支持するケーシング（図示せず）とを備えている。
ケーシングには、一端部をタービン部３ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部３ｂに突出させた回転軸３ｃが挿通されている。回転軸３ｃの一端部は、タービン部３ａを構成するタービン・ロータ（図示せず）のタービン・ディスク（図示せず）に取り付けられており、回転軸３ｃの他端部は、コンプレッサ部３ｂを構成するコンプレッサ羽根車（図示せず）のハブ（図示せず）に取り付けられている。
【００２６】
パワータービン４は、第２の排気管Ｌ２を介してエンジン本体２から導かれた排気ガスによって駆動される。
蒸気タービン５は、第１の蒸気管Ｌ４を介して熱交換器（例えば、排ガスボイラ）９から導かれた蒸気によって駆動される。また、第１の蒸気管Ｌ４の途中には、図示しないコントローラ（制御器）によってその開度が調整される第１のバルブ（流量調整弁）Ｖ１が接続されている。そして、蒸気タービン５で仕事を終えた蒸気は、第２の蒸気管Ｌ５を介して図示しないコンデンサ（復水器）に導かれる（戻される）ようになっている。
なお、コントローラには、エンジン本体２の負荷と、エンジン本体２が最大許容できる排気タービン過給機３からの圧縮空気の圧力との関係がデータベースとして記憶（保存）されている。すなわち、コントローラは、エンジン本体２の負荷に応じて、パワータービン４の出力を低減させるときにエンジン本体２の性能を最大限引き出すのに最適な、第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３の開度および第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５の開度を出力する機能を備えている。
【００２７】
パワータービン４の回転軸（図示せず）と、蒸気タービン５の回転軸（図示せず）とは、減速機（図示せず）およびカップリング１０を介して連結され、蒸気タービン５の回転軸（図示せず）と、発電機１１の回転軸（図示せず）とは、減速機（図示せず）およびカップリング１２を介して連結されている。
また、発電機１１は、制御用抵抗器１３を介して船内（本実施形態では機関室内）に別途設置された配電盤１４等と電気的に接続されており、発電機１１が発電機として発生した電力を船内電源として使用（利用）することができるようになっている。
【００２８】
第２の排気管Ｌ２には、パワータービン４を迂回（バイパス）する第１のバイパス管１５および第２のバイパス管１６が接続されており、第１のバイパス管１５の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第２のバルブ（非常停止用緊急バイパス弁）Ｖ２が接続され、第２のバイパス管１６の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３が接続されている。また、第２の排気管Ｌ２と第１のバイパス管１５との分岐点よりも下流側で、第２の排気管Ｌ２と第２のバイパス管１６との分岐点よりも上流側に位置する第２の排気管Ｌ２の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第４のバルブ（非常停止用緊急遮断弁）Ｖ４が接続され、第２の排気管Ｌ２と第２のバイパス管１６との分岐点よりも下流側に位置する第２の排気管Ｌ２の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５が接続されている。
【００２９】
そして、第１の排気管Ｌ１、第２の排気管Ｌ２、第１のバイパス管１５、第２のバイパス管１６を通過した排気ガスは、集合管Ｌ６を介してファンネル（図示せず）に導かれた後、船外に排出されるようになっている。また、集合管Ｌ６の途中には、給水管１７を介して内部に設けられた蒸発管（図示せず）内に供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる熱交換器９が接続されている。
【００３０】
コンプレッサ部３ｂの入口側に接続された給気管Ｌ３の途中には、消音器（図示せず）がそれぞれ配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ部３ｂに導かれるようになっている。また、コンプレッサ部３ｂの出口側に接続された給気管Ｌ３の途中には、空気冷却器（インタークーラ）１８や図示しないサージタンク等が接続されており、コンプレッサ部３ｂを通過した外気は、これら空気冷却器１８やサージタンク等を通過した後、エンジン本体２の給気マニホールド８に供給されるようになっている。
【００３１】
なお、図１中の符号１９は、第３のバルブＶ３の下流側に位置する第２のバイパス管１６の途中に接続されたオリフィスである。このオリフィス１９は、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転（通常（航行）運転）され、パワータービン４が全負荷運転状態とされているとき（すなわち、第２のバルブＶ２が全閉、第３のバルブＶ３が全閉、第４のバルブＶ４が全開、第５のバルブＶ５が全開とされているとき）に、第５のバルブＶ５を流れる（通過する）排気ガスと同量の排気ガスが、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が停止状態とされているとき（すなわち、第２のバルブＶ２が全閉、第３のバルブＶ３が全開、第４のバルブＶ４が全開、第５のバルブＶ５が全閉とされているとき）に、第３のバルブＶ３を流れるようにするためのものである。
また、第１の蒸気管Ｌ４の途中には、蒸気タービン５を迂回（バイパス）する第３のバイパス管２０が接続されており、第３のバイパス管２０の途中には、図示しないコントローラによって開閉される第６のバルブ（流量制御弁）Ｖ６が接続されている。
【００３２】
さて、排気タービン過給機３と、パワータービン４と、蒸気タービン５とを備えてなる本実施形態に係る排気エネルギー回収装置は、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転されているときに、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が許容圧力以下となり、かつ、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が、電力需要に応じて最小となるように、すなわち、第３のバルブＶ３を流れる排ガス量と、第５のバルブＶ５を流れる排ガス量との合計が最小となるように、コントローラにより第３のバルブＶ３および第５のバルブＶ５の開度が調整されるようになっている。
【００３３】
また、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が停止状態とされている場合に、パワータービン４の運転を開始するには、第３のバルブＶ３を徐々に閉じるとともに、第５のバルブＶ５を徐々に開くようにすればよい。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が運転状態とされている場合に、パワータービン４の運転を停止するには、第３のバルブＶ３を徐々に開くとともに、第５のバルブＶ５を徐々に閉じるようにすればよい。
いずれの場合も、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は一定に保たれている。
【００３４】
さらに、ディーゼルエンジン本体２が低負荷運転から高負荷運転に移行される運転中で、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力が所定圧力を超えてしまう場合には、第３のバルブＶ３および／または第５のバルブＶ５を徐々に開くようにすればよい。この場合、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は徐々に増加することになる。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転から低負荷運転に移行される運転中で、給気管Ｌ３を介して給気マニホールド８に供給される外気の圧力が所定圧力以下になってしまう場合には、第３のバルブＶ３および／または第５のバルブＶ５を徐々に閉じるようにすればよい。この場合、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量は徐々に減少することになる。
【００３５】
なお、パワータービン４を非常停止（緊急停止：危急停止）させる場合には、第２のバルブＶ２が全開とされ、同時に、第４のバルブＶ４が全閉とされる。
【００３６】
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、パワータービン４の出力を減少させた場合でも、パワータービン４を回転させるのに利用されていた排気ガスは、第２のバイパス管１６および第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）Ｖ３を通って系外に排出されることとなるので、パワータービン４を回転させるのに利用されていた排気ガスが排気タービン過給機３に供給されて、排気タービン過給機３の回転数が上昇し、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される圧縮空気の圧力が所定圧力を超えてしまうことを防止することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、コントローラは、蒸気タービン５の負荷および／または蒸気のダンプ量（すなわち、第３のバイパス管２０および第６のバルブＶ６を通過する蒸気量）を監視するとともに、蒸気タービン５の負荷が低いと判断した場合に、第５のバルブＶ５に対して、開度を絞る信号が出力されるように構成されているので、熱交換器９から蒸気タービン５に供給される蒸気を最大限利用することができて、燃料消費率を向上させることができる。
【００３８】
さらに、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される外気の圧力（掃気圧力：給気圧力）が許容圧力内で出来るだけ高くなり、第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように、コントローラによって第３のバルブＶ３および第５のバルブＶ５の開度が調整されるようになっているので、ディーゼルエンジン本体２の機関性能を最大限引き出すことができる。
【００３９】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が停止状態とされている場合でも、第３のバルブＶ３を徐々に閉じるとともに、第５のバルブＶ５を徐々に開くことにより、パワータービン４の運転を開始することができる。
一方、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転中で、パワータービン４が運転状態とされている場合に、第３のバルブＶ３を徐々に開くとともに、第５のバルブＶ５を徐々に閉じることにより、パワータービン４の運転を停止することができる。
【００４０】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、第２のバイパス管１６の途中に、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が全負荷運転状態とされているときに、第５のバルブＶ５を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転され、パワータービン４が停止状態とされているときに、第３のバルブＶ３を流れるようにするオリフィス１９が設けられている。すなわち、パワータービン４が全負荷運転状態とされているとき（第３のバルブＶ３が全閉、第５のバルブＶ５が全開とされているとき）でも、パワータービン４が停止状態とされているとき（第３のバルブＶ３が全開、第５のバルブＶ５が全閉とされているとき）でも第２の排気管Ｌ２に流入する排ガス量が一定に維持されることとなる。
これにより、ディーゼルエンジン本体２が高負荷運転された状態で、パワータービン４の運転を開始または停止したとしても、第１の排気管Ｌ１を介して排気タービン過給機３に供給される排気ガスの量が変化（変動）することがないため、排気タービン過給機３からディーゼルエンジン本体２に供給される外気の圧力を一定に保つことができて、ディーゼルエンジン本体２の出力を一定に保つことができる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、電力需要に応じてパワータービン４の出力を自由に無段階で調整することができるので、制御用抵抗器１３として容量が小さく小型で安価なものを採用することができる。
【００４２】
本発明に係る排気エネルギー回収装置の第２実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２は本実施形態に係る排気エネルギー回収装置を具備した舶用ディーゼル機関２１の概略構成図である。
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置は、第５のバルブ（ガス入口制御弁）Ｖ５およびパワータービン４の代わりに、パワータービン２２を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
【００４３】
パワータービン２２は、ディーゼルエンジン本体２から第２の排気管Ｌ２を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズル（図示せず）を備えている。
【００４４】
本実施形態に係る排気エネルギー回収装置によれば、第５のバルブＶ５を省略して（なくして）、構成要素の個数を減少させることができるので、構成の簡略化を図ることができる。
その他の作用効果は、第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施および変更実施することができる。
また、上述した実施形態では、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２、蒸気タービン５をそれぞれ１台ずつ備えた排気エネルギー回収装置を一具体例として説明したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、例えば、排気タービン過給機３を２台、パワータービン４，２２を１台、蒸気タービン５を１台備えたものや、排気タービン過給機３を１台、パワータービン４，２２を１台、蒸気タービン５を２台備えたものにも適用可能である。
【００４６】
さらに、上述した実施形態では、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２、蒸気タービン５をそれぞれ１台ずつ備えた排気エネルギー回収装置を一具体例として説明したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、例えば、排気タービン過給機３、パワータービン４，２２をそれぞれ１台ずつ備えたものにも適用可能である。
そして、発電機１１がパワータービン４，２２のみで駆動される場合、すなわち、排気エネルギー回収装置が排気タービン過給機３とパワータービン４，２２とで構成されている場合、コントローラは、制御用抵抗器１３による電力の吸収量を監視するとともに、制御用抵抗器１３による電力の吸収量が大きいと判断した場合に、第５のバルブＶ５または可変ノズルに対して、開度を絞る信号が出力されるように構成されている。
【符号の説明】
【００４７】
１ 舶用ディーゼル機関
２ ディーゼルエンジン本体（エンジン本体）
３ 排気タービン過給機
３ａ タービン部
３ｂ コンプレッサ部
４ パワータービン
５ 蒸気タービン
７ 排気マニホールド
９ 熱交換器
１１ 発電機
１６ 第２のバイパス管（バイパス管）
１９ オリフィス
２１ 舶用ディーゼル機関
２２ パワータービン
Ｌ２ 第２の排気管（排気管）
Ｖ３ 第３のバルブ（排ガスバイパス制御弁）
Ｖ５ 第５のバルブ（ガス入口制御弁）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量および前記パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項２】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より大きい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を増やすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を減らす工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項３】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を減らすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を増やす工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項４】
エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、
前記排気管の途中に接続されたガス入口制御弁と、
前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、
前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備え、
前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記ガス入口制御弁を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記排ガスバイパス制御弁を流れるようにするオリフィスを備えてなる排気エネルギー回収装置の運転方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、前記排気管に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように前記ガス入口制御弁および前記排ガスバイパス制御弁の開度を調整することを特徴とする排気エネルギー回収装置の運転方法。
【請求項５】
エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、
前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、
前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備えてなるとともに、
前記パワータービンは、前記エンジン本体から前記排気管を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズルを備えており、
前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記可変ノズルを流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記可変ノズルを流れるようにするオリフィスが設けられていることを特徴とする排気エネルギー回収装置。
【請求項６】
前記エンジン本体から導かれた排気ガスが内部を通過して蒸気を発生させる熱交換器と、
前記熱交換器から導かれた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備えてなることを特徴とする請求項５に記載の排気エネルギー回収装置。
【請求項７】
前記蒸気タービンの負荷および／または前記蒸気タービンを迂回する蒸気の量を監視するとともに、前記蒸気タービンの負荷が低いと判断した場合に、前記可変ノズルに対して、開度を絞る信号を出力する制御器と、を備えていることを特徴とする請求項６に記載の排気エネルギー回収装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の排気エネルギー回収装置を備えてなることを特徴とする舶用ディーゼル機関。
【請求項１】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量および前記パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項２】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より大きい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を増やすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を減らす工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項３】
エンジン本体から導かれた排気ガスによってタービン部を駆動することでコンプレッサ部を駆動させ、前記エンジン本体に外気を圧送する工程と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
パワータービンへ流入する排気ガス量を制御する工程と、
パワータービンを迂回する排気ガス量を制御する工程と、を備えた排気エネルギー回収方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されており、かつ、電力需要が発電可能な電力量より小さい場合には、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、かつ、前記パワータービンに流入する排ガス量が電力需要に応じて出来るだけ少なくなるように前記パワータービンへ流入する排気ガス量を減らすとともに前記パワータービンを迂回する排気ガス量を増やす工程と、を備えていることを特徴とする排気エネルギー回収方法。
【請求項４】
エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、
前記排気管の途中に接続されたガス入口制御弁と、
前記ガス入口制御弁の上流側に位置する前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、
前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備え、
前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記ガス入口制御弁を流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記排ガスバイパス制御弁を流れるようにするオリフィスを備えてなる排気エネルギー回収装置の運転方法であって、
前記エンジン本体が高負荷運転されているときに、前記コンプレッサ部から前記エンジン本体に供給される外気の圧力が許容圧力内で出来るだけ高くなり、前記排気管に流入する排ガス量が出来るだけ少なくなるように前記ガス入口制御弁および前記排ガスバイパス制御弁の開度を調整することを特徴とする排気エネルギー回収装置の運転方法。
【請求項５】
エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部と、このタービン部により駆動されて前記エンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部とを有する排気タービン過給機と、
前記エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記エンジン本体に搭載された排気マニホールドと、前記パワータービンとを連通する排気管と、
前記排気管に接続されて、前記パワータービンを迂回するバイパス管と、
前記バイパス管の途中に接続された排ガスバイパス制御弁と、を備えてなるとともに、
前記パワータービンは、前記エンジン本体から前記排気管を介して導かれた排気ガスの流入量を調整する可変ノズルを備えており、
前記バイパス管の途中に、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが全負荷運転状態とされているときに、前記可変ノズルを流れる排気ガスと同量の排気ガスが、前記エンジン本体が高負荷運転され、前記パワータービンが停止状態とされているときに、前記可変ノズルを流れるようにするオリフィスが設けられていることを特徴とする排気エネルギー回収装置。
【請求項６】
前記エンジン本体から導かれた排気ガスが内部を通過して蒸気を発生させる熱交換器と、
前記熱交換器から導かれた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備えてなることを特徴とする請求項５に記載の排気エネルギー回収装置。
【請求項７】
前記蒸気タービンの負荷および／または前記蒸気タービンを迂回する蒸気の量を監視するとともに、前記蒸気タービンの負荷が低いと判断した場合に、前記可変ノズルに対して、開度を絞る信号を出力する制御器と、を備えていることを特徴とする請求項６に記載の排気エネルギー回収装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の排気エネルギー回収装置を備えてなることを特徴とする舶用ディーゼル機関。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６０９５１（Ｐ２０１３−６０９５１Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４８３８８（Ｐ２０１２−２４８３８８）
【出願日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【分割の表示】特願２００８−３１８３１８（Ｐ２００８−３１８３１８）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【分割の表示】特願２００８−３１８３１８（Ｐ２００８−３１８３１８）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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