JP2012177330A

JP2012177330A - ハイブリッド過給機

Info

Publication number: JP2012177330A
Application number: JP2011040581A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Ono; 嘉久小野; Keiichi Shiraishi; 啓一白石; Kiyoko Sugishita; 喜代子杉下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13

Abstract

【課題】エンジン上に２台のハイブリッド過給機を並列に搭載する場合、装置全体のコンパクト化や低コスト化を可能にしたハイブリッド過給機を提供する。
【解決手段】内燃機関の排熱で駆動される排気タービン３１とロータ軸３２で連結されたコンプレッサ３３を駆動し、コンプレッサ３３で圧縮された空気を内燃機関に供給するとともに、排気タービン３１が排気系統と並列に接続されている２台の過給機３０と、過給機３０により駆動されて発電する１台の発電機４０とを備え、過給機３０は、互いのロータ軸３２，３２間を連結軸５０により接続して２台が直列に配置され、発電機４０は、連結軸５０に接続されて２台の過給機３０により駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶用ディーゼルエンジン等の過給機に発電機を内蔵させたハイブリッド過給機に関する。

ハイブリッド過給機は、たとえば舶用ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出されるエンジン排熱を過給機のコンプレッサ駆動力として利用するだけでなく、発電機を駆動する動力としても利用して電力を供給する装置である。
図３に示す従来のハイブリッド過給機１０は、排気タービン１１のロータ軸１２がコンプレッサ１３と連結された構成とされ、１台のハイブリッド過給機１０に対して１台の発電機１４を取り付ける必要がある。この場合、発電機１４は、コンプレッサ１３に内蔵されてロータ軸１２と連結されている。
なお、図中の符号１は排気ガスレシーバ、２は掃気トランク、３は排気管、４は電力送電線、５は母線、６は周波数変換装置である。

また、下記の特許文献１には、排気系統に直列に接続された複数段の排気タービンの回転軸にそれぞれ電動発電機を設けた過給機の制御装置が開示されている。この場合の制御装置は、それぞれの電動発電機が電動機駆動されているとき、その電源をバッテリに依存しないようにしたものである。

特開平２−３０９２４号公報

ところで、上述した従来のハイブリッド過給機１０は、エンジン上に２台のハイブリッド過給機１０が並列に搭載された場合、各ハイブリッド過給機１０に発電機１４及びコンバータインバータ等の周波数変換装置６が必要となる。このようなハイブリッド過給機１０は、船内の限られたスペースに設置するため、設置スペース確保やコスト等の問題が予想される。
また、過給機２台の発電出力のバランスをとるために必要となる制御プログラムなど多くの技術課題を解決する必要がある。具体的には、二台の過給機でばらばらに発電した場合、発電出力が異なると過給機回転数つまりコンプレッサ出口圧力が異なることとなる。この状況（過給機回転数のアンバランス）になると、コンプレッサのエンジン作動点が２台の過給機で異なる点となり、過給機がサージングするなどの問題が発生する。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジン上に２台のハイブリッド過給機を並列に搭載する場合、装置全体のコンパクト化や低コスト化を可能にしたハイブリッド過給機を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るハイブリッド過給機は、内燃機関の排熱で駆動される排気タービンとロータ軸で連結されたコンプレッサを駆動し、該コンプレッサで圧縮された空気を前記内燃機関に供給するとともに、前記排気タービンが排気系統と並列に接続されている２台の過給機と、前記過給機により駆動されて発電する１台の発電機とを備え、前記過給機は、互いのロータ軸間を連結軸により接続して２台が直列に配置され、前記発電機は、前記連結軸に接続されて前記２台の過給機により駆動されることを特徴とするものである。

このような本発明のハイブリッド過給機によれば、排気タービンが排気系統と並列に接続された２台の過給機は、互いのロータ軸間を連結軸により接続して２台が直列に配置され、１台の発電機は、連結軸に接続されて２台の過給機により駆動されて発電するので、過給機２台分の出力で発電可能な発電機１台により発電することが可能となり、ハイブリッド過給機全体の小型化が図れる。また、発電機を１台にすることにより、発電した電力の周波数変換装置も１台ですむため、低コスト化も実現できる。

すなわち、２台の過給機及び１台の発電機は、コンプレッサ、排気タービン、発電機、コンプレッサ及び排気タービンの順に配列され、ロータ軸及び連結軸により直列に連結された構成となる。そして、１台の発電機は、２台の過給機が各々発電機を駆動して発電する場合の合計発電量と同等の発電量を１台で発電できる能力を備えたものを使用でき、従って、排気系統に並列に接続された過給機の能力が同じであると、１台の発電機で２台分の発電量を発電することができる。

また、この場合、前記発電機は、一方の過給機内に収容され、前記一方の過給機のロータ軸と前記連結軸とに接続していることが望ましい。

このような本発明のハイブリッド過給機によれば、発電機を一方の過給機内に収容することで、装置全体の小型化を図ることができる。

上述した本発明のハイブリッド過給機によれば、２台の過給機が搭載されるエンジンにハイブリッド過給機を適用した場合には、２台分の発電機及び周波数変換装置の設置スペース確保や、過給機２台の発電出力のバランスをとるために必要となる制御プログラムなど多くの技術課題を解決する必要がある。しかし、２台の過給機に１台の発電機を搭載する本願発明の構成では、設置スペースをコンパクトにでき、かつ、制御を従来と同様とすることができるため、装置の信頼性が向上するという顕著な効果が得られる。
すなわち、エンジン上に２台のハイブリッド過給機を並列に搭載する場合、発電機を１台にすることにより周波数変換装置も１台ですむため、装置全体のコンパクト化や低コスト化が可能になり、船舶の限られたスペースへの設置が容易になる。

本発明に係るハイブリッド過給機の一実施形態を示す概略構成図である。本発明に係るハイブリッド過給機の内部構成例を示す断面図である。ハイブリッド過給機の従来例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係るハイブリッド過給機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態のハイブリッド過給機２０は、２台の過給機３０と１台の発電機４０とを備えており、内燃機関から排出される排熱を利用することにより、内燃機関の燃焼用空気として圧縮空気を供給するとともに、発電機を駆動して電力を得る装置である。
過給機３０は、内燃機関である船舶のディーゼルエンジン（不図示）から排出される排気ガスの排熱で駆動される排気タービン３１がロータ軸３２で連結されたコンプレッサ３３を駆動し、コンプレッサ３３に外気を吸入して圧縮した空気（圧縮空気）を燃焼用空気として内燃機関に供給する装置である。

本実施形態のハイブリッド過給機２０では、２台の過給機３０を構成する排気タービン３１が各々排気系統の排気ガスレシーバ１と並列に接続されている。
排気タービン３１で仕事をした排気ガスは、排気管３を通って集められ、必要な処理を施した後に煙突から大気へ放出される。一方、過給機３０で圧縮された空気は、一般的に舶用内燃機関が２サイクルのディーゼルエンジンであるため掃気として使用されることとなり、従って、掃気トランク２を通って内燃機関の燃焼室内に供給される。

また、２台の過給機３０及び１台の発電機４０は、一対のロータ軸３２間が連結軸５０を介して連結され、過給機３０、発電機４０及び過給機３０の順に、直列に連結されている。具体的には、図１の紙面右側から順に、排気タービン３１、ロータ軸３２、コンプレッサ３３、発電機４０、連結軸５０、排気タービン３１、ロータ軸３２及びコンプレッサ３３が直列に配置され、ロータ軸３２及び連結軸５０を介して一体に連結されている。

このように、ハイブリッド過給機２０は、２台の過給機３０により駆動されて発電する１台の発電機４０を備えている。そして、２台の過給機３０は、互いのロータ軸３２，３２間を連結軸５０により接続することで２台が直列に配置され、一端がロータ軸３２に接続され、かつ、他端が連結軸５０に接続された発電機４０は、２台の過給機３０により駆動されて発電する。
このため、発電機４０で発電した電力は、電力送電線４を通って電源供給系統の母線５に供給されるが、発電機４０が１台であるため、周波数変換装置６も１台ですむ。この周波数変換装置６は、高速回転の過給機３０により駆動される発電機４０が周波数の高い電力を発電するので、船内常用電力の電圧及び周波数（たとえば４８０Ｖ／６０Ｈｚ）を有する交流電源に変換するためのコンバータインバータ等により構成される。

このように、２台の過給機３０が直列に接続されて１台の発電機４０を駆動するハイブリッド過給機２０は、１台の発電機４０がロータ軸３２及び連結軸５０に接続され、２台の過給機３０により駆動されて発電する。このため、本実施形態のハイブリッド過給機２０は、２台の過給機３０より得られる合計出力分で発電可能な発電機４０を１台設置して発電することが可能になる。
すなわち、排気タービン３１が排気ガスレシーバ１と並列に接続された２台の過給機３０は、互いのロータ軸３２，３２間を連結軸５０により接続して２台が直列に配置されており、そして、１台の発電機４０は、連結軸５０に接続されて２台の過給機３０により駆動されて発電するので、２台の過給機３０より得られる合計出力分で発電可能な発電機４０を１台設置して発電することが可能になる。

従って、１台の発電機４０で従来と同様の電力を発電できるため、ハイブリッド過給機２０の全体を小型化でき、しかも、発電した電力の周波数変換装置６も１台だけ設置すればよいため、限られた船内に設置スペースを確保することが容易になる。さらに、発電機４０や周波数変換装置６の台数低減は、ハイブリッド過給機２０の製造コスト低減にも有利である。
また、発電機４０及び周波数変換装置６が１台ですむことは、従来のハイブリッド過給機１０を２台設置する場合に必要なバランスをとるための制御プログラム等も不要になるため、実績があるため高い信頼性を有する発電機１台の従来制御を使用可能となる。

図２は、上述したハイブリッド過給機２０の内部構成例を示す断面図であり、左右一対の過給機３０が発電機４０及び連結軸５０を介して直列に連結されている。図示の構成例では、紙面右側の過給機３０に、発電機４０が収容されている。

具体的には、コンプレッサ３３の上流側には、内燃機関の吸気系統に接続された消音器（サイレンサ）が隣接配置されており、この消音器の中央部に、その内部に凹所を有するシェルハウジングが設けられており、その凹所内に、発電機４０が収容されている。よって、発電機４０は紙面右側の過給機３０のロータ軸３２と、紙面左側の過給機３０に接続された連結軸５０とに接続されている。
一方、紙面左側の過給機３０は、コンプレッサ３３に外気を導入する吸入経路３４内が空間となり、発電機４０の設置はない。
なお、このような発電機４０は、軸方向長さや径を適宜調整することにより、その発電能力を変更することが可能である。

図示の排気タービン３１は、コンプレッサ３３を回転させて外気を高密度に圧縮するため、導入した内燃機関の排気ガスが膨張して得られる軸出力により、ロータ軸３２を介して同軸に連結されたコンプレッサ３３を駆動する軸流式のタービンである。この排気タービン３１は、ロータディスク３１１を収納するとともに、排気ガス流路３１２を形成するように構成されたケーシング３１３を備えている。なお、ケーシング３１３の外周面は、必要に応じて断熱材３１４により被覆されている。

ロータディスク３１１はロータ軸３２に固定され、その周縁部には周方向に配列した多数のタービン動翼３１５が取り付けられている。
排気ガス流路３１２は、排気ガス入口３１６からタービンノズル３１７を経由して排ガス出口３１８に至る流路である。従って、排気ガス入口３１６から排気ガス流路３１２内に導入された高温の排気ガスは、タービンノズル３１７から噴出してタービン動翼３１５を通過する際に膨張し、ロータディスク３１１及びロータ軸３２を回転させた後に排気ガス出口３１８から流出する。なお、排気ガス出口３１８から流出した排気ガスは、必要な排ガス処理を施した後、煙突から大気に放出される。

コンプレッサ３３は、ロータ軸３２を介して同軸に連結された排気タービン３１を駆動源とし、吸入した外気を圧縮して内燃機関に供給する遠心圧縮機である。このコンプレッサ３３は、羽根車３３１を収納するとともに空気流路３３２を形成するケーシング３３３を備えている。なお、ケーシング３３３の外周面は、必要に応じて断熱材３３４により被覆されている。

空気流路３３２は、空気入口３３５から羽根車３３１を経由して空気出口３３６に至る流路である。従って、羽根車３３１の回転により外気が空気入口３３５から空気流路３３２内に導入され、大気圧の外気は、羽根車３３１を通過する際に圧縮されて圧縮空気となり、空気出口３３６から掃気トランク２へ流出する。
この場合、左右の過給機３０は、発電機４０の有無以外は実質的に同じ構造となり、従って、図中に同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

このように、上述した本実施形態のハイブリッド過給機２０は、２台の過給機３０が搭載される内燃機関に適用した場合、２台分の発電機４０及び周波数変換装置６の設置スペース確保や、従来構造のハイブリッド過給機１０を２台バランスさせて運転するために必要となる複雑な制御プログラムも不要となる。従って、２台の過給機３０に１台の発電機４０を搭載する本実施形態の構成は、装置の設置スペースをコンパクトにすることが可能になり、しかも、従来構造のハイブリッド過給機１０に適用されて実績のある従来制御をそのまま利用できるため、信頼性の高い装置となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１排気ガスレシーバ
２掃気トランク
３排気管
４電力送電線
５母線
６周波数変換装置
２０ハイブリッド過給機
３０過給機
３１排気タービン
３２ロータ軸
３３コンプレッサ
４０発電機
５０連結軸

Claims

内燃機関の排熱で駆動される排気タービンとロータ軸で連結されたコンプレッサを駆動し、該コンプレッサで圧縮された空気を前記内燃機関に供給するとともに、前記排気タービンが排気系統と並列に接続されている２台の過給機と、前記過給機により駆動されて発電する１台の発電機とを備え、
前記過給機は、互いのロータ軸間を連結軸により接続して２台が直列に配置され、
前記発電機は、前記連結軸に接続されて前記２台の過給機により駆動されることを特徴とするハイブリッド過給機。
前記発電機は、一方の過給機内に収容され、前記一方の過給機のロータ軸と前記連結軸とに接続していることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド過給機。