過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法
【課題】排気エネルギーをより効率的に回収することが可能な過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る過給機システムは、エンジン本体３からの排気ガスによって駆動されるタービン部６ａと、タービン部６ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部６ｂとを有する第１過給機６と、タービン部７ａ及びコンプレッサ部７ｂの回転軸と連結された回転軸７ｃを有する発電機７ｄとを有する第２過給機７と、エンジン本体３から第１過給機６のタービン部６ａへ排気ガスを供給する第１の排気管１２と、第１の排気管１２に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能なカット弁９と、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を取得し、回転数に基づいてカット弁９の開閉を制御する制御部３０とを備える。
【解決手段】本発明に係る過給機システムは、エンジン本体３からの排気ガスによって駆動されるタービン部６ａと、タービン部６ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部６ｂとを有する第１過給機６と、タービン部７ａ及びコンプレッサ部７ｂの回転軸と連結された回転軸７ｃを有する発電機７ｄとを有する第２過給機７と、エンジン本体３から第１過給機６のタービン部６ａへ排気ガスを供給する第１の排気管１２と、第１の排気管１２に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能なカット弁９と、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を取得し、回転数に基づいてカット弁９の開閉を制御する制御部３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン部及びコンプレッサ部を有する一の過給機と、更に発電機を有する別の過給機を備える過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関、例えば舶用２サイクルディーゼル機関に過給機が設けられることによって、エンジン本体から排出された排気ガスの排気エネルギーが動力として回収される。また、過給機には、発電機が連結されて、動力を受けて発電を行うものがある。
【０００３】
特許文献１には、エンジン本体から排気ガスが供給される複数の過給機を備え、かつ発電機を備えたパワータービンを備える場合、又は複数の過給機のうち少なくとも１台に発電機を備える場合に、エンジン負荷が低負荷領域でも排気エネルギーを動力として回収する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５７０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
船舶の航行では、近年の燃料高騰の影響を受けて、長時間の減速航行が一般的になっている。このような条件下では、エンジン負荷が低負荷であるため、排気ガス量が減少し、発電機付過給機（ハイブリッド過給機）の発電出力は限定的である。その結果、発電機付過給機は、十分な性能を発揮できない。
【０００６】
そこで、複数の過給機を備える場合、一部の過給機の排気ガス入口を塞ぐことで、残る過給機に流入する排気ガス量を増加させて、その過給機回転数を上げてエンジンの掃気圧力を上げることができる。その結果、シリンダに流入する空気量が増大し、燃焼状況が改善して、燃料消費率が向上する。また、複数の過給機のうち発電機付過給機以外の排気ガス入口を塞ぐことで、発電機付過給機に流入する排気ガス量を増加させることで、エンジンの掃気圧力を上げつつ、発電出力を得ることができる。
【０００７】
一方、特許文献１などの従来技術では、過給機へ排気ガスを供給する排気ガス入口の開閉制御は、エンジン負荷に応じて行われるのみであった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気エネルギーをより効率的に回収することが可能な過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る過給機システムは、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、第１過給機又は第２過給機の回転数を取得し、回転数に基づいて遮断弁の開閉を制御する制御部とを備える。
【００１０】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機の回転数が取得され、取得された回転数に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００１１】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の回転数が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００１２】
例えば、取得される回転数と所定の閾値を比較して、回転数が閾値以下になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、第２過給機の発電機が有効に発電するときの回転数に基づいて決定される。第１過給機又は第２過給機の回転数は、直接測定することによって取得されてよいし、空気流量、コンプレッサ部入口温度、コンプレッサ部入口圧力、コンプレッサ部出口圧力、コンプレッサ諸元から算出されてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る過給機システムは、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得し、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて遮断弁の開閉を制御する制御部とを備える。
【００１４】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事が取得され、取得された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００１５】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の排気タービン仕事が減少しつつ、エンジン本体の出力に要求される空気量が減少して、コンプレッサ仕事が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の排気タービン仕事が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００１６】
コンプレッサ仕事は、エンジン本体の出力が減少すると、排気タービン仕事に比べて相対的に減少量が大きい。そのため、余剰のエネルギーを第２過給機の発電機による発電に使用できる。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機で回収されて、発電機が有効な発電をするときの差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関は、エンジン本体を備え、上記の過給機システムが設けられる。
【００１８】
この発明によれば、エンジン本体において出力が低下した場合、第１過給機への排気ガスの供給が遮断され、その分の排気ガスが第２過給機に供給されるようになるため、発電量の低下を抑制できる。
【００１９】
また、本発明に係る過給機システムの制御方法は、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、を備える過給機システムの制御方法であって、第１過給機又は第２過給機の回転数を取得するステップと、回転数に基づいて遮断弁を開閉するステップとを備える。
【００２０】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機の回転数が取得され、取得された回転数に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００２１】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の回転数が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００２２】
また、本発明に係る過給機システムの制御方法は、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁とを備える過給機システムの制御方法であって、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得するステップと、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて遮断弁を開閉するステップとを備える。
【００２３】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事が取得され、取得された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００２４】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の排気タービン仕事が減少しつつ、エンジン本体の出力に要求される空気量が減少して、コンプレッサ仕事が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の排気タービン仕事が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００２５】
コンプレッサ仕事は、エンジン本体の出力が減少すると、排気タービン仕事に比べて相対的に減少量が大きい。そのため、余剰のエネルギーを第２過給機の発電機による発電に使用できる。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機で回収されて、発電機が有効な発電をするときの差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、排気エネルギーをより効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る舶用ディーゼル機関を示す構成図である。
【図２】過給機回転数とエンジン出力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る過給機システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】排気タービン仕事又はコンプレッサ仕事とエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る過給機システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態に係る過給機システムは、図１に示すように、第１過給機６と、第２過給機７と、第１の排気管１２と、カット弁（遮断弁）９と、制御部３０等を備えている。本実施形態の過給機システムは、例えば、舶用ディーゼル機関１に適用される。舶用ディーゼル機関１は、燃料ポンプ２と、ディーゼルエンジン本体（例えば、２サイクルディーゼル機関）３等を有する。
【００２９】
ディーゼルエンジン本体（以下「エンジン本体」という。）３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３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４が設けられており、各シリンダ部４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。
【００３０】
エンジン本体３には、燃料ポンプ２及び供給管１０を介して、燃料が供給され、各シリンダ部４で燃料が燃焼される。
【００３１】
さらに、各シリンダ部４の排気ポート（図示せず。）は、排気集合管５と接続されている。排気集合管５は、第１の排気管１２を介して第１過給機６のタービン部６ａの入口側と接続され、第２の排気管１９を介して第２過給機７のタービン部７ａの入口側と接続されている。一方、各シリンダ部４の給気ポート（図示せず。）は、掃気室８と接続されており、掃気室８は、給気管１７を介して第１過給機６のコンプレッサ部６ｂと接続され、給気管２４を介して第２過給機７のコンプレッサ部７ｂと接続されている。
【００３２】
第１過給機６は、排気集合管５及び第１の排気管１２を介してエンジン本体３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６ａと、このタービン部６ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部６ｂと、これらタービン部６ａとコンプレッサ部６ｂ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。）とを主たる要素として構成されたものである。
【００３３】
ケーシングには、一端部をタービン部６ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部６ｂに突出させた回転軸６ｃが挿通されている。回転軸６ｃの一端部は、タービン部６ａ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６ｃの他端部は、コンプレッサ部６ｂ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。
【００３４】
また、第１の排気管１２の途中には、制御部３０によって開閉されるカット弁９が接続されている。カット弁９は、開状態で、排気ガスをエンジン本体３から第１過給機に供給し、閉状態で排気ガスの供給を遮断する。
【００３５】
第２過給機７は、排気集合管５及び第２の排気管１９を介してエンジン本体３から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部７ａと、このタービン部７ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部７ｂと、これらタービン部７ａとコンプレッサ部７ｂ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、タービン部７ａにより駆動されて発電する発電機７ｄを主たる要素として構成されたものである。
【００３６】
ケーシングには、一端部をタービン部７ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部７ｂに突出させた回転軸７ｃが挿通されている。回転軸７ｃの一端部は、タービン部７ａ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７ｃの他端部は、コンプレッサ部７ｂ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。
【００３７】
タービン部７ａの回転軸と、発電機７ｂの回転軸とは、カップリングを介して連結されている。すなわち、発電機７ｄの回転軸は、タービン部７ａの回転軸とともに回転する。
【００３８】
また、発電機７ｄは、船内（例えば機関室内）に別途設置された配電盤等と電気的に接続されており、発電機７ｄ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。
【００３９】
タービン部６ａ，７ａを通過した排気ガスは、それぞれタービン部６ａ，７ａの出口側に接続された排気管１４，２１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。
【００４０】
コンプレッサ部６ｂ，７ｂのそれぞれの入口側に接続された給気管１５，２２には、消音器（図示せず。）が配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ部６ｂ，７ｂにそれぞれ導かれる。また、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口側に接続された給気管１７，２４の途中には、空気冷却器（図示せず。）及びサージタンク（図示せず。）が接続されており、コンプレッサ部６ｂ，７ｂを通過した外気は、空気冷却器及びサージタンクを通過した後、エンジン本体３に接続された掃気室８に供給される。
【００４１】
供給管１０、第１の排気管１２、第２の排気管１９、給気管１５，１７，２２，２４には、それぞれ検出部１１，１３，２０，１６，１８，２３，２５が設けられる。検出部１１は、例えば流量センサーを有し、エンジン本体３に供給される燃料の流量を検出する。検出部１６，２３は、流量センサー、温度センサーや圧力センサーを有し、コンプレッサ部６ｂ，７ｂに供給される空気の流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入力温度や入口圧力を測定する。検出部１８，２５は、例えば圧力センサーを有し、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力を測定する。検出部１３，２０は、流量センサー、温度センサーや圧力センサーを有し、タービン部６ａ，７ａに供給される排気ガスの流量、タービン部６ａ，７ａの入力温度や入口圧力を測定する。
【００４２】
また、第１過給機６、第２過給機７には、回転数測定センサー（図示せず。）が設けられ、回転数測定センサーが回転軸の回転数を測定してもよい。
【００４３】
制御部３０は、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を取得し、取得した回転数に基づいて、第１の排気管１２に設けられたカット弁９を開閉する。例えば、取得される回転数と所定の閾値を比較して、回転数が閾値以下になったときに、制御部３０がカット弁９を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、第２過給機７の発電機７ｄが有効に発電するときの回転数に基づいて決定される。第１過給機６又は第２過給機７の回転数は、直接測定することによって取得されてよいし、空気流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの諸元などから算出されてもよい。
【００４４】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る過給機システムの動作について説明する。
【００４５】
まず、空気流量、燃料流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力を取得する（ステップＳ１）。そして、空気流量、燃料流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、及びコンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力と、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの諸元などに基づいて、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を算出する（ステップＳ２）。なお、ここでは、ステップＳ１及びステップＳ２を実施して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が取得されるとしたが、第１過給機６又は第２過給機７の回転数は、回転数測定センサーによって、直接測定された値でもよい。
【００４６】
次に、算出された回転数と、所定の閾値を比較する（ステップＳ３）。図２に示すように、エンジン出力が高く、エンジン本体３から第１過給機６又は第２過給機７に排気ガスが十分供給されるときは、第１過給機６又は第２過給機７の回転数は多い。一方、エンジン出力が低下し、排気ガス量が減少するにつれて、第１過給機６又は第２過給機７の回転数も少なくなる。
【００４７】
第１過給機６又は第２過給機７の回転数が、所定の閾値以上であれば、カット弁９を開状態にしたまま、第１過給機６及び第２過給機７のいずれにも排気ガスが供給される。一方、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が、所定の閾値よりも小さくなった場合、カット弁９を閉状態にする（ステップＳ４）。このとき、第１過給機６への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機７のタービン部７ａのみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機６へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機７へ供給されることになる。そのため、エンジン本体３からの排気ガス量が減少して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が減少した場合に、第２過給機７の発電機７ｃによる発電量が低下するところ、カット弁９を閉にすることによって、図２に示すように、第２過給機７の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００４８】
したがって、エンジン出力が低負荷であっても、第２過給機７にて、所定の閾値以上の回転数を得ることができ、第２過給機７によって電力を得ることができるエンジン出力範囲を広げることができる。また、エンジン負荷が低負荷であるときは、排気エネルギーによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事を上回る。そのため、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【００４９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る過給機システムについて、図４及び図５を用いて説明する。
【００５０】
上述の第１実施形態では、第１過給機６又は第２過給機７の回転数に応じて、カット弁９の開閉を制御する場合について説明したが、第２実施形態では、排気タービン仕事に基づいて、カット弁９の開閉を制御する。以下では、第１実施形態と重複する構成要素については、説明を省略する。
【００５１】
図１に示す制御部３０は、エンジン本体３から第１過給機６又は第２過給機７へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体３の出力に要求される空気量を第１過給機６又は第２過給機７がエンジン本体３へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得する。そして、制御部３０は、取得した排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、第１の排気管１２に設けられたカット弁９を開閉する。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部３０がカット弁９を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機７ｄで回収されて、発電機７ｄが有効な発電をするときの排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【００５２】
排気タービン仕事及びコンプレッサ仕事と、エンジン出力との関係は、図４に示すような関係がある。図４中の実線は、排気タービン仕事とエンジン出力の関係を示し、図４中の破線は、コンプレッサ仕事とエンジン出力の関係を示す。エンジン出力の大小にかかわらず、排気タービン仕事のほうが、コンプレッサ仕事よりも大きい。
【００５３】
そして、エンジン負荷が低負荷であるほど、エンジン本体３からの排気ガスによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事よりも相対的に大きい。そのため、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【００５４】
次に、図５を参照して、本実施形態に係る過給機システムの動作について説明する。
【００５５】
まず、空気流量、燃料流量、タービン部６ａ，７ａの入口温度、タービン部６ａ，７ａの入口圧力を取得する（ステップＳ１１）。そして、空気流量、燃料流量、タービン部６ａ，７ａの入口温度、タービン部６ａ，７ａの入口圧力に基づいて、排気タービン仕事を算出する。また、第１過給機６の効率、第２過給機７の効率を考慮して、あるエンジン出力に対して要求される空気量を第１過給機６、第２過給機７がエンジン本体３へ圧送するときのコンプレッサ仕事を算出する（ステップＳ１２）。
【００５６】
次に、算出された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と、所定の閾値を比較する（ステップＳ１３）。第１過給機６又は第２過給機７の排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、所定の閾値以上であれば、カット弁９を開状態にしたまま、第１過給機６及び第２過給機７のいずれにも排気ガスが供給される。一方、第１過給機６又は第２過給機７の排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、所定の閾値よりも小さくなった場合、カット弁９を閉状態にする（ステップＳ１４）。このとき、第１過給機６への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機７のタービン部７ａのみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機６へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機７へ供給されることになる。そのため、エンジン本体３からの排気ガス量が減少して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が減少した場合に、第２過給機７の発電機７ｃによる発電量が低下するところ、カット弁９を閉にすることによって、第２過給機７の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００５７】
したがって、エンジン負荷が低負荷であるときは、排気エネルギーによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事よりも相対的に高い。そのため、エンジン負荷が低負荷であるとき、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 舶用ディーゼル機関
２ 燃料ポンプ
３ エンジン本体
４ シリンダ部
５ 排気集合管
６ 第１過給機
６ａ，７ａ タービン部
６ｂ，７ｂ コンプレッサ部
６ｃ，７ｃ 回転軸
７ 第２過給機
７ｄ 発電機
８ 掃気室
９ カット弁（遮断弁）
１１，１３，１６，１８，２０，２３，２５ 検出部
１２ 第１の排気管（排気管）
１５，１７，２２，２４ 給気管
１９ 第２の排気管
３０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン部及びコンプレッサ部を有する一の過給機と、更に発電機を有する別の過給機を備える過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関、例えば舶用２サイクルディーゼル機関に過給機が設けられることによって、エンジン本体から排出された排気ガスの排気エネルギーが動力として回収される。また、過給機には、発電機が連結されて、動力を受けて発電を行うものがある。
【０００３】
特許文献１には、エンジン本体から排気ガスが供給される複数の過給機を備え、かつ発電機を備えたパワータービンを備える場合、又は複数の過給機のうち少なくとも１台に発電機を備える場合に、エンジン負荷が低負荷領域でも排気エネルギーを動力として回収する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５７０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
船舶の航行では、近年の燃料高騰の影響を受けて、長時間の減速航行が一般的になっている。このような条件下では、エンジン負荷が低負荷であるため、排気ガス量が減少し、発電機付過給機（ハイブリッド過給機）の発電出力は限定的である。その結果、発電機付過給機は、十分な性能を発揮できない。
【０００６】
そこで、複数の過給機を備える場合、一部の過給機の排気ガス入口を塞ぐことで、残る過給機に流入する排気ガス量を増加させて、その過給機回転数を上げてエンジンの掃気圧力を上げることができる。その結果、シリンダに流入する空気量が増大し、燃焼状況が改善して、燃料消費率が向上する。また、複数の過給機のうち発電機付過給機以外の排気ガス入口を塞ぐことで、発電機付過給機に流入する排気ガス量を増加させることで、エンジンの掃気圧力を上げつつ、発電出力を得ることができる。
【０００７】
一方、特許文献１などの従来技術では、過給機へ排気ガスを供給する排気ガス入口の開閉制御は、エンジン負荷に応じて行われるのみであった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気エネルギーをより効率的に回収することが可能な過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の過給機システム、内燃機関及び過給機システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る過給機システムは、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、第１過給機又は第２過給機の回転数を取得し、回転数に基づいて遮断弁の開閉を制御する制御部とを備える。
【００１０】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機の回転数が取得され、取得された回転数に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００１１】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の回転数が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００１２】
例えば、取得される回転数と所定の閾値を比較して、回転数が閾値以下になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、第２過給機の発電機が有効に発電するときの回転数に基づいて決定される。第１過給機又は第２過給機の回転数は、直接測定することによって取得されてよいし、空気流量、コンプレッサ部入口温度、コンプレッサ部入口圧力、コンプレッサ部出口圧力、コンプレッサ諸元から算出されてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る過給機システムは、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得し、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて遮断弁の開閉を制御する制御部とを備える。
【００１４】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事が取得され、取得された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００１５】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の排気タービン仕事が減少しつつ、エンジン本体の出力に要求される空気量が減少して、コンプレッサ仕事が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の排気タービン仕事が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００１６】
コンプレッサ仕事は、エンジン本体の出力が減少すると、排気タービン仕事に比べて相対的に減少量が大きい。そのため、余剰のエネルギーを第２過給機の発電機による発電に使用できる。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機で回収されて、発電機が有効な発電をするときの差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【００１７】
また、本発明に係る内燃機関は、エンジン本体を備え、上記の過給機システムが設けられる。
【００１８】
この発明によれば、エンジン本体において出力が低下した場合、第１過給機への排気ガスの供給が遮断され、その分の排気ガスが第２過給機に供給されるようになるため、発電量の低下を抑制できる。
【００１９】
また、本発明に係る過給機システムの制御方法は、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、を備える過給機システムの制御方法であって、第１過給機又は第２過給機の回転数を取得するステップと、回転数に基づいて遮断弁を開閉するステップとを備える。
【００２０】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機の回転数が取得され、取得された回転数に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００２１】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の回転数が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００２２】
また、本発明に係る過給機システムの制御方法は、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、タービン部によって駆動されて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第１過給機と、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、タービン部によって駆動されてエンジン本体に外気を圧送するコンプレッサ部と、タービン部及びコンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、エンジン本体から第１過給機のタービン部へ排気ガスを供給する排気管と、排気管に設けられ、排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁とを備える過給機システムの制御方法であって、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得するステップと、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて遮断弁を開閉するステップとを備える。
【００２３】
この発明によれば、第１過給機又は第２過給機へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体の出力に要求される空気量を第１過給機又は第２過給機がエンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事が取得され、取得された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、排気管に設けられた遮断弁が開閉される。したがって、遮断弁が開状態であるときは、排気管を通じて排気ガスが第１過給機のタービン部へ排気ガスが供給される。このとき、第２過給機のタービン部にも排気ガスが供給されており、発電機によって発電が行われる。
【００２４】
一方、遮断弁が閉状態であるときは、第１過給機への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機のタービン部のみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機へ供給されることになる。そのため、例えば、エンジン本体からの排気ガス量が減少して、第１過給機又は第２過給機の排気タービン仕事が減少しつつ、エンジン本体の出力に要求される空気量が減少して、コンプレッサ仕事が減少した場合に、第２過給機の発電機による発電量が低下するところ、遮断弁を閉にすることによって、第２過給機の排気タービン仕事が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００２５】
コンプレッサ仕事は、エンジン本体の出力が減少すると、排気タービン仕事に比べて相対的に減少量が大きい。そのため、余剰のエネルギーを第２過給機の発電機による発電に使用できる。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部が遮断弁を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機で回収されて、発電機が有効な発電をするときの差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、排気エネルギーをより効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る舶用ディーゼル機関を示す構成図である。
【図２】過給機回転数とエンジン出力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る過給機システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】排気タービン仕事又はコンプレッサ仕事とエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る過給機システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態に係る過給機システムは、図１に示すように、第１過給機６と、第２過給機７と、第１の排気管１２と、カット弁（遮断弁）９と、制御部３０等を備えている。本実施形態の過給機システムは、例えば、舶用ディーゼル機関１に適用される。舶用ディーゼル機関１は、燃料ポンプ２と、ディーゼルエンジン本体（例えば、２サイクルディーゼル機関）３等を有する。
【００２９】
ディーゼルエンジン本体（以下「エンジン本体」という。）３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３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４が設けられており、各シリンダ部４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。
【００３０】
エンジン本体３には、燃料ポンプ２及び供給管１０を介して、燃料が供給され、各シリンダ部４で燃料が燃焼される。
【００３１】
さらに、各シリンダ部４の排気ポート（図示せず。）は、排気集合管５と接続されている。排気集合管５は、第１の排気管１２を介して第１過給機６のタービン部６ａの入口側と接続され、第２の排気管１９を介して第２過給機７のタービン部７ａの入口側と接続されている。一方、各シリンダ部４の給気ポート（図示せず。）は、掃気室８と接続されており、掃気室８は、給気管１７を介して第１過給機６のコンプレッサ部６ｂと接続され、給気管２４を介して第２過給機７のコンプレッサ部７ｂと接続されている。
【００３２】
第１過給機６は、排気集合管５及び第１の排気管１２を介してエンジン本体３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６ａと、このタービン部６ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部６ｂと、これらタービン部６ａとコンプレッサ部６ｂ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。）とを主たる要素として構成されたものである。
【００３３】
ケーシングには、一端部をタービン部６ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部６ｂに突出させた回転軸６ｃが挿通されている。回転軸６ｃの一端部は、タービン部６ａ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６ｃの他端部は、コンプレッサ部６ｂ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。
【００３４】
また、第１の排気管１２の途中には、制御部３０によって開閉されるカット弁９が接続されている。カット弁９は、開状態で、排気ガスをエンジン本体３から第１過給機に供給し、閉状態で排気ガスの供給を遮断する。
【００３５】
第２過給機７は、排気集合管５及び第２の排気管１９を介してエンジン本体３から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部７ａと、このタービン部７ａによって駆動されてエンジン本体３に外気を圧送するコンプレッサ部７ｂと、これらタービン部７ａとコンプレッサ部７ｂ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、タービン部７ａにより駆動されて発電する発電機７ｄを主たる要素として構成されたものである。
【００３６】
ケーシングには、一端部をタービン部７ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部７ｂに突出させた回転軸７ｃが挿通されている。回転軸７ｃの一端部は、タービン部７ａ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７ｃの他端部は、コンプレッサ部７ｂ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。
【００３７】
タービン部７ａの回転軸と、発電機７ｂの回転軸とは、カップリングを介して連結されている。すなわち、発電機７ｄの回転軸は、タービン部７ａの回転軸とともに回転する。
【００３８】
また、発電機７ｄは、船内（例えば機関室内）に別途設置された配電盤等と電気的に接続されており、発電機７ｄ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。
【００３９】
タービン部６ａ，７ａを通過した排気ガスは、それぞれタービン部６ａ，７ａの出口側に接続された排気管１４，２１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。
【００４０】
コンプレッサ部６ｂ，７ｂのそれぞれの入口側に接続された給気管１５，２２には、消音器（図示せず。）が配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ部６ｂ，７ｂにそれぞれ導かれる。また、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口側に接続された給気管１７，２４の途中には、空気冷却器（図示せず。）及びサージタンク（図示せず。）が接続されており、コンプレッサ部６ｂ，７ｂを通過した外気は、空気冷却器及びサージタンクを通過した後、エンジン本体３に接続された掃気室８に供給される。
【００４１】
供給管１０、第１の排気管１２、第２の排気管１９、給気管１５，１７，２２，２４には、それぞれ検出部１１，１３，２０，１６，１８，２３，２５が設けられる。検出部１１は、例えば流量センサーを有し、エンジン本体３に供給される燃料の流量を検出する。検出部１６，２３は、流量センサー、温度センサーや圧力センサーを有し、コンプレッサ部６ｂ，７ｂに供給される空気の流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入力温度や入口圧力を測定する。検出部１８，２５は、例えば圧力センサーを有し、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力を測定する。検出部１３，２０は、流量センサー、温度センサーや圧力センサーを有し、タービン部６ａ，７ａに供給される排気ガスの流量、タービン部６ａ，７ａの入力温度や入口圧力を測定する。
【００４２】
また、第１過給機６、第２過給機７には、回転数測定センサー（図示せず。）が設けられ、回転数測定センサーが回転軸の回転数を測定してもよい。
【００４３】
制御部３０は、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を取得し、取得した回転数に基づいて、第１の排気管１２に設けられたカット弁９を開閉する。例えば、取得される回転数と所定の閾値を比較して、回転数が閾値以下になったときに、制御部３０がカット弁９を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、第２過給機７の発電機７ｄが有効に発電するときの回転数に基づいて決定される。第１過給機６又は第２過給機７の回転数は、直接測定することによって取得されてよいし、空気流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの諸元などから算出されてもよい。
【００４４】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る過給機システムの動作について説明する。
【００４５】
まず、空気流量、燃料流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力を取得する（ステップＳ１）。そして、空気流量、燃料流量、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口温度、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの入口圧力、及びコンプレッサ部６ｂ，７ｂの出口圧力と、コンプレッサ部６ｂ，７ｂの諸元などに基づいて、第１過給機６又は第２過給機７の回転数を算出する（ステップＳ２）。なお、ここでは、ステップＳ１及びステップＳ２を実施して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が取得されるとしたが、第１過給機６又は第２過給機７の回転数は、回転数測定センサーによって、直接測定された値でもよい。
【００４６】
次に、算出された回転数と、所定の閾値を比較する（ステップＳ３）。図２に示すように、エンジン出力が高く、エンジン本体３から第１過給機６又は第２過給機７に排気ガスが十分供給されるときは、第１過給機６又は第２過給機７の回転数は多い。一方、エンジン出力が低下し、排気ガス量が減少するにつれて、第１過給機６又は第２過給機７の回転数も少なくなる。
【００４７】
第１過給機６又は第２過給機７の回転数が、所定の閾値以上であれば、カット弁９を開状態にしたまま、第１過給機６及び第２過給機７のいずれにも排気ガスが供給される。一方、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が、所定の閾値よりも小さくなった場合、カット弁９を閉状態にする（ステップＳ４）。このとき、第１過給機６への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機７のタービン部７ａのみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機６へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機７へ供給されることになる。そのため、エンジン本体３からの排気ガス量が減少して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が減少した場合に、第２過給機７の発電機７ｃによる発電量が低下するところ、カット弁９を閉にすることによって、図２に示すように、第２過給機７の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００４８】
したがって、エンジン出力が低負荷であっても、第２過給機７にて、所定の閾値以上の回転数を得ることができ、第２過給機７によって電力を得ることができるエンジン出力範囲を広げることができる。また、エンジン負荷が低負荷であるときは、排気エネルギーによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事を上回る。そのため、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【００４９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る過給機システムについて、図４及び図５を用いて説明する。
【００５０】
上述の第１実施形態では、第１過給機６又は第２過給機７の回転数に応じて、カット弁９の開閉を制御する場合について説明したが、第２実施形態では、排気タービン仕事に基づいて、カット弁９の開閉を制御する。以下では、第１実施形態と重複する構成要素については、説明を省略する。
【００５１】
図１に示す制御部３０は、エンジン本体３から第１過給機６又は第２過給機７へ供給される排気ガスによる排気タービン仕事と、エンジン本体３の出力に要求される空気量を第１過給機６又は第２過給機７がエンジン本体３へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得する。そして、制御部３０は、取得した排気タービン仕事とコンプレッサ仕事に基づいて、第１の排気管１２に設けられたカット弁９を開閉する。例えば、取得される排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と所定の閾値を比較して、差分が閾値以上になったときに、制御部３０がカット弁９を閉状態に制御するようにする。この閾値は、例えば、排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、発電機７ｄで回収されて、発電機７ｄが有効な発電をするときの排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分に基づいて決定される。排気タービン仕事は、例えば、空気流量、燃料流量、タービン部入口温度、タービン部入口圧力から算出される。
【００５２】
排気タービン仕事及びコンプレッサ仕事と、エンジン出力との関係は、図４に示すような関係がある。図４中の実線は、排気タービン仕事とエンジン出力の関係を示し、図４中の破線は、コンプレッサ仕事とエンジン出力の関係を示す。エンジン出力の大小にかかわらず、排気タービン仕事のほうが、コンプレッサ仕事よりも大きい。
【００５３】
そして、エンジン負荷が低負荷であるほど、エンジン本体３からの排気ガスによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事よりも相対的に大きい。そのため、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【００５４】
次に、図５を参照して、本実施形態に係る過給機システムの動作について説明する。
【００５５】
まず、空気流量、燃料流量、タービン部６ａ，７ａの入口温度、タービン部６ａ，７ａの入口圧力を取得する（ステップＳ１１）。そして、空気流量、燃料流量、タービン部６ａ，７ａの入口温度、タービン部６ａ，７ａの入口圧力に基づいて、排気タービン仕事を算出する。また、第１過給機６の効率、第２過給機７の効率を考慮して、あるエンジン出力に対して要求される空気量を第１過給機６、第２過給機７がエンジン本体３へ圧送するときのコンプレッサ仕事を算出する（ステップＳ１２）。
【００５６】
次に、算出された排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分と、所定の閾値を比較する（ステップＳ１３）。第１過給機６又は第２過給機７の排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、所定の閾値以上であれば、カット弁９を開状態にしたまま、第１過給機６及び第２過給機７のいずれにも排気ガスが供給される。一方、第１過給機６又は第２過給機７の排気タービン仕事とコンプレッサ仕事の差分が、所定の閾値よりも小さくなった場合、カット弁９を閉状態にする（ステップＳ１４）。このとき、第１過給機６への排気ガスの供給は遮断され、第２過給機７のタービン部７ａのみへ排気ガスが供給される。その結果、第１過給機６へ供給されていた分の排気ガスが、第２過給機７へ供給されることになる。そのため、エンジン本体３からの排気ガス量が減少して、第１過給機６又は第２過給機７の回転数が減少した場合に、第２過給機７の発電機７ｃによる発電量が低下するところ、カット弁９を閉にすることによって、第２過給機７の回転数が増加し、発電量の低下を抑制できる。
【００５７】
したがって、エンジン負荷が低負荷であるときは、排気エネルギーによってタービン部７ａで発生する排気タービン仕事のほうが、エンジン本体３において要求される空気圧縮に必要なコンプレッサ仕事よりも相対的に高い。そのため、エンジン負荷が低負荷であるとき、余剰のエネルギーを発電機７ｄで回収することができ、舶用ディーゼル機関１における燃料消費率を改善できる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 舶用ディーゼル機関
２ 燃料ポンプ
３ エンジン本体
４ シリンダ部
５ 排気集合管
６ 第１過給機
６ａ，７ａ タービン部
６ｂ，７ｂ コンプレッサ部
６ｃ，７ｃ 回転軸
７ 第２過給機
７ｄ 発電機
８ 掃気室
９ カット弁（遮断弁）
１１，１３，１６，１８，２０，２３，２５ 検出部
１２ 第１の排気管（排気管）
１５，１７，２２，２４ 給気管
１９ 第２の排気管
３０ 制御部
【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駆動されるタービン部と、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
前記第１過給機又は前記第２過給機の回転数を取得し、該回転数に基づいて前記遮断弁の開閉を制御する制御部と、
を備える過給機システム。
【請求項２】
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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
前記第１過給機又は前記第２過給機へ供給される前記排気ガスによる排気タービン仕事と、前記エンジン本体の出力に要求される空気量を前記第１過給機又は前記第２過給機が前記エンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得し、前記排気タービン仕事と前記コンプレッサ仕事に基づいて前記遮断弁の開閉を制御する制御部と、
を備える過給機システム。
【請求項３】
エンジン本体を備え、
請求項１又は２に記載の過給機システムが設けられた内燃機関。
【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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
を備える過給機システムの制御方法であって、
前記第１過給機又は前記第２過給機の回転数を取得するステップと、
該回転数に基づいて前記遮断弁を開閉するステップと、
を備える過給機システムの制御方法。
【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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
を備える過給機システムの制御方法であって、
前記第１過給機又は前記第２過給機へ供給される前記排気ガスによる排気タービン仕事と、前記エンジン本体の出力に要求される空気量を前記第１過給機又は前記第２過給機が前記エンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得するステップと、
前記排気タービン仕事と前記コンプレッサ仕事に基づいて前記遮断弁を開閉するステップと、
を備える過給機システムの制御方法。
【請求項１】
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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
前記第１過給機又は前記第２過給機の回転数を取得し、該回転数に基づいて前記遮断弁の開閉を制御する制御部と、
を備える過給機システム。
【請求項２】
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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
前記第１過給機又は前記第２過給機へ供給される前記排気ガスによる排気タービン仕事と、前記エンジン本体の出力に要求される空気量を前記第１過給機又は前記第２過給機が前記エンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得し、前記排気タービン仕事と前記コンプレッサ仕事に基づいて前記遮断弁の開閉を制御する制御部と、
を備える過給機システム。
【請求項３】
エンジン本体を備え、
請求項１又は２に記載の過給機システムが設けられた内燃機関。
【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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
を備える過給機システムの制御方法であって、
前記第１過給機又は前記第２過給機の回転数を取得するステップと、
該回転数に基づいて前記遮断弁を開閉するステップと、
を備える過給機システムの制御方法。
【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、該タービン部によって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第１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タービン部と、該タービン部によって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、前記タービン部及び前記コンプレッサ部の回転軸と連結された回転軸を有する発電機とを有する第２過給機と、
前記エンジン本体から前記第１過給機の前記タービン部へ前記排気ガスを供給する排気管と、
該排気管に設けられ、前記排気ガスの流れを遮断することが可能な遮断弁と、
を備える過給機システムの制御方法であって、
前記第１過給機又は前記第２過給機へ供給される前記排気ガスによる排気タービン仕事と、前記エンジン本体の出力に要求される空気量を前記第１過給機又は前記第２過給機が前記エンジン本体へ圧送するときのコンプレッサ仕事を取得するステップと、
前記排気タービン仕事と前記コンプレッサ仕事に基づいて前記遮断弁を開閉するステップと、
を備える過給機システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２５１７９（Ｐ２０１２−２２５１７９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０９５４（Ｐ２０１１−９０９５４）
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【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２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【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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