JP2009002333A - パワータービンを備えるターボエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つのターボチャージャ段（１）と、ターボチャージャ段（１）で分岐された余剰の排気質量流（３）を利用するための少なくとも１つのパワータービン（２）と、少なくとも１つのオイルポンプアセンブリ（７）と、伝動装置（４）を介してパワータービン（２）と機械的に結合され、電力供給部（８）に電気的に接続された電気機械（６）とを備える、同じまたはより低い製造コストでより効率の高いターボエンジン（９）、特に大型ディーゼルエンジン（９）を提供すること。
【解決手段】このターボエンジン（９）は、オイルポンプアセンブリ（７）が電気機械（６）と機械的に結合されており、パワータービン（２）と電気機械（６）とを機械的に結合解除するための結合解除装置（５）が設けられていることを特色とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載のターボエンジン、特に大型ディーゼルエンジンに関する。

大型ディーゼルエンジンは、通常とりわけ例えば船舶上で主エンジンまたは補助エンジンとして用いられる大型のディーゼルエンジンである。ほとんど同じ構造のエンジンが発電所で、特に人里離れた所で、固定されて使用され、また非常用発電設備として、例えば病院、大銀行、計算センタ、原子力発電所で使用される。

大型ディーゼル機関は、ディーゼル燃料、軽油または重油で運転することができる。この呼称は、定義によれば、空気を吸入し、燃料噴射後に自動点火することを特徴とする動作プロセスに関係している。

２サイクルエンジンは、大抵は直列エンジンとして構築されるが、４サイクルエンジンは主として直列およびＶ型エンジン構成として構築される。大型の舶用ディーゼル機関は、通常５〜１４気筒直列エンジンとして構築された２サイクルエンジンであるが、比較的小型の舶用ディーゼル機関は、大抵は４サイクルエンジンである。舶用ディーゼルエンジンは、通常低回転エンジンとして設計される。回転数は、２サイクルエンジンの場合、６０〜１３０ｒｐｍの範囲である。大型ディーゼルは、１８０ｇ／ｋＷｈ未満の燃費を達成する。

大型ディーゼルを運転するには、一連の特殊な追加システムが必要である。これらシステムの１つが機能停止しても、大型ディーゼルの運転も停止しなければならない。したがっていくつかの補機が冗長的に備えられている。発電設備、潤滑油ポンプ、燃料ポンプ、冷却水ポンプ、油圧ポンプなどである。

大型ディーゼルエンジンは、多くの場合、電動機で駆動される別個の潤滑油ポンプを備える。この潤滑油ポンプは、運転中にエンジンのベアリングにオイルを供給する役割をもつ。エンジンが停止しているときも機械の適切な再潤滑を保証するために、この外部ポンプによってオイル圧力を正しく維持しなければならない。潤滑油ラインは、大抵はバイパスラインシステムとして実施され、ポンプが一定に吐き出す潤滑油体積流量がそのときのエンジン運転状態には不要な場合、潤滑油の余剰分がこのバイパスラインシステムを通って排出される。潤滑油ポンプは、例えばピストンポンプまたは歯車ポンプとして実施することができる。

大型ディーゼルエンジンは、効率および比出力を高めるためのターボ過給部を有する。ターボチャージャは、１作動行程当たりの空気量および燃料供給量を高めることにより、ピストンエンジンの出力を上げるのに用いられる。ターボチャージャは、排気流中の排気タービンからなり、この排気タービンは、吸気マニホールドにあるコンプレッサに接続されている。このタービンは、エンジンの排気流エネルギーの一部を回転に変換して、コンプレッサを駆動する。コンプレッサは、エンジンの吸気マニホールド中の圧力を上げるので、吸入行程の間、自然吸気エンジンの場合よりも大量の空気がシリンダ中に入る。これによって、より大量の酸素が、それに対応するより大量の燃料を燃焼させるために供給される。

この場合しばしば、排気中にある程度の残留エネルギー（例えば過圧約３ｂａｒ）が残るが、このエネルギーは利用されずに失われる。今日利用できるターボチャージャは、効率が例えば７０％と非常に高く、かつ高回転数であるため、ターボチャージャによる過給は、特に２サイクルディーゼルエンジンの場合、完全に利用することはできない。したがってしばしば、例えばロスギャップ、不利なブレード形状などのような追加の措置が必要になり、そのため、ターボチャージャをそれぞれのディーゼルエンジンに適合させるために、ターボチャージャの効率、またはターボチャージャの回転数をわざと悪化または低下させなければならなくなる。

また舶用ディーゼルエンジンの場合、ターボエンジンの余剰の排気エネルギーをパワータービンで捕捉し、伝動装置と発電機を介して船舶搭載電源に供給することが公知である。この構成はパワータービン(power turbine)と呼ばれる。

その他に、パワータービンで捕捉した余剰の排気エネルギーを、伝動装置を介してエンジンシャフトに伝達することが公知である。しかしこの場合、パワータービンとエンジンシャフトとの間の非常に大きな回転数の差を克服しなければならず、伝動装置が大型となるため、この構成は功を奏していない。

上記を出発点として本発明の課題は、同じまたはより低い製造コストで、すべての補機類を含めた冒頭に挙げた種類の内燃機関の全体的効率を高めることである。

この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。

そのために本発明は、次のようなターボエンジンを提案する。すなわち、オイルポンプアセンブリが電気機械と機械的に結合され、この電気機械がさらにパワータービンと機械的に結合される。このパワータービンは、１つのターボ段で分岐された排気流によって駆動可能である。この電気機械は電力供給部と電気的に結合されており、パワータービンと電気機械とを機械的に結合解除するための結合解除装置が設けられている。

この構成を用いて、排気流中に存在する、従来は利用されていなかった残留エネルギーあるいはパワータービン構成がある場合は電力供給部として機能する搭載電源に戻されていた残留エネルギーを、オイルポンプアセンブリの駆動に利用可能なエネルギーに変換することができる。この場合、電気エネルギーに変換してから機械的エネルギーに戻す際の損失は生じないですむ。さらに、従来パワータービンで使用された電動機と、オイルポンプアセンブリを駆動するための発電機の代わりに、ただ１つの電気機械が必要なだけである。

特に好都合なのは、本構成が、上記に説明した２サイクルディーゼルエンジン、例えば舶用ディーゼルエンジンの場合である。この場合、パワータービンを介して排気流から取り出し可能な余剰出力が、２サイクルエンジンの潤滑油ポンプアセンブリが必要とする出力にほぼ相当する。

４サイクルディーゼルエンジンの場合も、本発明を潤滑油ポンプの運転に有利に使用できる。その際特に、二段式過給部をもちながら１つのターボ段だけにパワータービンが設けられている４サイクルエンジンの場合、取り出される有効出力が、潤滑油ポンプに必要な駆動出力に相当する。しかし本発明は、潤滑油ポンプの駆動に限定されるものではない。例えば、排気弁がカムシャフトの代わりに電子的に油圧系統によって制御される、いわゆるメカトロニクス機械の場合、パワータービンから取り出される出力をアキシャルピストンポンプの駆動に使用し、それを用いて作動油に圧力をかけることができる。パワータービンの出力がそれに十分でなければ、追加的に搭載電源から電力を取ることができる。

結合解除装置として、切り替え可能なクラッチを設けることもできよう。パワータービンから全くまたはわずかしか出力が供給されない運転状態のとき、電気機械とパワータービンの機械的接続を解くことができ、そうすれば、パワータービンに風損が生じることがなくなり、あるいは損失出力となるものを電源システムから引き出すことがなくなって、電源システムから取る電力が、オイルポンプアセンブリの運転だけに使用されるようになる。なぜならば、エンジンが停止し、それに応じてパワータービンが駆動されないときでも、エンジンのスタンバイ潤滑を行わなければならないからである。エンジン始動時も、パワータービンで、潤滑油ポンプ運転に十分な出力が必ずしも得られるとは限らない。

パワータービンの出力がオイルポンプアセンブリの運転に十分でない運転状態のときは、電気機械を介して電力供給部から電力を引き出すことができる。この場合、有利なことに電気機械は、パワータービンから取り出される出力に応じて、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としても、あるいは電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電動機としても動作する。その結果余剰出力を、電気機械から電源に供給することができ、この電源は電力供給部として設けることができる。

この場合、電源は通常、三相交流または二相交流電流を一定の周波数と電圧で、ただし必要に応じて異なる電流の大きさまたは出力で供給し、したがって同時に、電気機械の運転状態、したがってオイルポンプが受ける出力の制御に用いることができる。ある特定のタービン出力に達するまで、タービン出力はポンプアセンブリに導かれ、その際に出力が不足すれば、それを電源から引き出す。タービン出力が上昇して、必要なポンプ出力を超えると、余剰分が電源に供給される。

さらに、１つまたは複数の検出された運転変数、例えばタービンまたはエンジンの回転数、オイルの圧力および温度、または電気機械から電源への回生電流の大きさに応じて、クラッチを切断したりつないだりするように、クラッチを制御するのが有利である。

パワータービンと結合し、それによって連続運転で生じる余剰の排気出力を利用するには、特にオイルポンプアセンブリのような連続回転するアセンブリが、たしかに効果的である。しかしオイルポンプアセンブリの代わりに別の追加アセンブリを、本発明の方法で、パワータービンと結合することも考えられよう。

さらに、例えばクラッチを手動で切るためのシステムのような安全措置、あるいは電力供給部の機能停止に応答してエンジンを停止するエンジン制御部も有利である。不要な潤滑油を排出できる潤滑油ライン中のバイパスの他に、パワータービンの故障または保守の際に排気を排出できるバイパスも、排気ライン中のパワータービンの前に設けることができる。

本発明の有利な変形形態は、さらなる従属請求項の対象である。

各請求項に記載の実施形態の個々の諸特徴は、意味がある限り、任意に組み合わせることができる。この場合、上記のおよび下記でさらに説明する諸特徴を、本願に記載する組合せだけでなく、別の組合せでも、あるいはそれぞれ単独で、本発明の範囲から逸脱することなく使用できることも、自明のことである。

下記では模式的な図面を参照して、本発明の好ましい実施形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、内燃機関９の排気ライン１０中に配置されたターボチャージャ１を示す。このターボチャージャは、内燃機関９の比出力を過給によって高めるために用いられる。パワータービン２は、排気分岐ライン３中に設置され、従来は利用されなかった排気エネルギーによって駆動される。パワータービン２の回転運動は、適切な伝動装置４による機械的結合を介してクラッチ５に伝達される。

他面において、クラッチ５は、電気機械６と機械的に結合されている。クラッチ５が運転位置にあるとき、クラッチ５から電気機械６への機械的な力の伝達が行われる。電気機械６は、この場合さらに船舶の搭載電源８につながり、この搭載電源は、例えば複数の冗長的な発電機セットによってフェールセーフに運転され、電流を一定の周波数で、かつ任意の出力の関連出力範囲で、電気機械６に供給することができる。

電気機械６は、その出力シャフトを介して潤滑油ポンプ７と機械的に接続され、このポンプを駆動する。オイルポンプ７によって吐き出されるオイル体積流は、潤滑油ライン１１によって内燃機関９に必要な潤滑油を供給する。

内燃機関９したがってパワータービン２の運転状態と、オイルポンプ７への力の伝達のいかんとによっては、電気機械６は、この場合、オイルポンプ７を駆動するためにパワータービンの機械的エネルギーを変換し、この場合は発電機として動作することができる。その際、余剰の機械的エネルギーは、電気エネルギーに変換され、電源部８に供給される。パワータービン２から来る機械的エネルギーがオイルポンプ７の需要を満たすに足りない場合、電気機械６は、同様に電動機として動作し、オイルポンプ７のエネルギー需要を満たすために、電源システム８から電気エネルギーを引き出すことができる。

図２は、全体システムの原理的に考えられる２つの運転状態を示す。運転状態Ｉは、クラッチ締結時における発電機としての電気機械６を示す。この場合電気機械６は、パワータービン２によって駆動される。オイルポンプ７が必要とする出力に加えて余剰の出力が生じる場合、その出力は、電源システム８に供給される。

状態ＩＩは、クラッチ開放時の運転状態であり、このとき電気機械６は、電動機として動作し、例えばパワータービン２が故障しているあるいはエンジン９が始動段階にあってパワータービンが全くまたはわずかしか出力を供給しないため、オイルポンプ７が必要な仕事を行うに必要なエネルギーが機械的に供給されない。電気機械６は、この場合、不足エネルギーを電源８から、したがって船舶に搭載されている発電設備から引き出す。

典型的なパワータービンは、例えば出力が６００〜１３００ｋＷ、熱効率が９０％である（パワータービンの熱効率η≒９０％、ターボチャージャの熱効率η≒７０％）。この場合、パワータービンは約３００００ｒｐｍで回転し、電気機械は電源のいかんによって（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）１８００ｒｐｍまたは１５００ｒｐｍで回転し、エンジンのクランクシャフトは９０ｒｐｍで回転する。伝動装置４は、それに対応する設計としなければならない。

搭載電源８としては、この場合例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで動作する電源を設けることができ、この電源は、電気機械の出力範囲内で中断することなく任意の大きさの出力を供給することができる。運転状態ＩＩでエンジン９の作動圧力が上がっても、オイルポンプは、作動圧力がそれより低いときと同じオイル体積流量を吸い込む。なぜならば電気機械６は、電源８から必要な大きさの出力を引き出すことができ、電源の周波数でサイクル動作するからである。オイルポンプ７として例えばピストンポンプまたは歯車ポンプを使用する場合、そのオイルポンプは、一定のオイル体積流量を供給する。エンジンが必要とするオイル体積流量が降下する場合には、バイパスラインをエンジン中に追加して設け、このバイパスラインを介してエンジン中の潤滑油流の一部が排出される。

当然のことながら、本発明の基本的考えを逸脱することなく、上記の変形形態とは異なるものも考えられる。

したがって例えば次のようなことが考えられよう。クラッチの代わりまたはクラッチを補完するものとして、ワンウェイクラッチを設け、運転状態ＩＩではパワータービンが、電気機械から結合解除され、パワータービンが運転されているときだけ、電気機械に機械的出力が伝達されるようにする。このようにして、機械的出力だけでなく電気的出力も、オイルポンプの駆動に使用することができる、もう１つの運転状態を実現することができる。そのために、パワータービンと、電気機械と、オイルポンプアセンブリとを、遊星歯車装置を介して結合することも考えられよう。

同様に、運転状態を２つだけ有するクラッチの代わりに、運転状態Ｉから運転状態ＩＩに連続的に切り替え可能なクラッチを設けることも考えられよう。

本発明によるターボエンジンの一実施形態のブロック図である。 ターボエンジンの２つの運転状態を説明するために、エネルギーの流れを附記した、本発明によるターボエンジンの図１に示した実施形態のエネルギーフローチャートである。

符号の説明

１ ターボチャージャ
２ パワータービン
３ 排気分岐ライン
４ 伝動装置
５ クラッチ
６ 電気機械
７ オイルポンプ
８ 搭載電源
９ 内燃機関
１０ 排気ライン
１１ 潤滑油ライン

Claims (15)

1. 少なくとも１つのターボチャージャ段（１）と、
   前記ターボチャージャ段（１）で分岐された余剰の排気質量流（３）を利用するための少なくとも１つのパワータービン（２）と、
   少なくとも１つのオイルポンプアセンブリ（７）と、
   伝動装置（４）を介して前記パワータービン（２）と機械的に結合され、電力供給部（８）に電気的に接続された電気機械（６）とを備える、ターボエンジン（９）特に大型ディーゼルエンジン（９）において、
   前記オイルポンプアセンブリ（７）が前記電気機械（６）と機械的に結合されていること、ならびに前記パワータービン（２）と前記電気機械（６）とを機械的に結合解除するための結合解除装置（５）が設けられていることを特徴とする、ターボエンジン。
2. 前記結合解除装置（５）が、前記パワータービン（２）と前記電気機械（６）との間に設けられたクラッチ（５）であることを特徴とする、請求項１に記載のターボエンジン（９）。
3. 前記オイルポンプアセンブリ（７）が、前記ターボエンジン（９）に潤滑油を供給するための１つまたは複数の潤滑油ポンプ（７）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボエンジン（９）。
4. 前記オイルポンプアセンブリが、エンジンの電子的に調整可能な少なくとも１つの排気弁を作動させるために当該エンジンに作動油を供給する１つまたは複数の作動油ポンプを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボエンジン。
5. 前記オイルポンプアセンブリ（７）の駆動ラインが、前記パワータービン（２）、前記伝動装置（４）、クラッチ（５）、前記電気機械（６）、オイルポンプアセンブリ（７）を、ここに記した順序で備え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ターボエンジン（９）。
6. 前記電気機械（６）が、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としても、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電動機としても機能す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ターボエンジン（９）。
7. 電力供給部（８）の機能停止に応答してエンジンを停止させるエンジン制御部を備え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ターボエンジン（９）。
8. 前記電力供給部（８）が、電源システム（８）特に冗長的発電機セットによって駆動される船舶搭載電源（８）であ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ターボエンジン（９）。
9. オイルポンプ追加アセンブリの代わりに、連続運転のために設けられた別の追加アセンブリが、パワータービンと結合されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボエンジン。
10. 前記ターボエンジン（９）が、２サイクル大型ディーゼルエンジンであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボエンジン（９）。
11. 前記ターボエンジンが、二段式ターボ過給部を有する４サイクルエンジンであり、
    少なくともターボ段に、パワータービンが設けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボエンジン。
12. 前記オイルポンプアセンブリが、複数のオイルポンプを備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のターボエンジン。
13. パワータービンの運転状態を検出するセンサ、またはパワータービンの運転状態を決定するパラメータを検出するセンサと、
    パワータービンがアイドル状態にあるとき、またはある特定の閾値未満の運転状態にあるとき、前記センサが生成した信号に応答して、前記パワータービンを前記電気機械から機械的に分離し、前記パワータービンが所定の境界値より上の運転状態にあるとき、前記パワータービンと前記電気機械を機械的に結合するクラッチのための制御部と、が設けられてい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ターボエンジン。
14. パワータービンと当該パワータービンに結合されたアセンブリとの機械的結合解除をいつでも手動で行えるようにするための機械的または電気的システムが存在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ターボエンジン。
15. 分岐された排気流をパワータービンに供給するためにパワータービンを迂回させることのできる偏向装置が設けられていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のターボエンジン（９）。

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