JP2006242051A

JP2006242051A - エンジンの余剰排気エネルギ回収システム

Info

Publication number: JP2006242051A
Application number: JP2005056859A
Authority: JP
Inventors: Masaki Otsu; 正樹大津; Makoto Hanabusa; 眞花房; Kazutaka Shimada; 一孝島田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】エンジンの燃費を著しく向上させるのみならず、環境保護の面でも大きく寄与することができるようにする。
【解決手段】過給機（１０）を備えたエンジン（１）の過給機に第１の油圧ポンプ（２１）を連結し、この過給機により第１の油圧ポンプを回転駆動可能とする。例えば、エンジンのクランク軸（４）に第２の油圧ポンプ（２２）を連結し、上記第１の油圧ポンプが発生した油圧により第２の油圧ポンプを回転駆動させる。又は、第１の油圧ポンプが発生した油圧によって回転駆動される第３の油圧ポンプと、第３の油圧ポンプに連結されて第３の油圧ポンプにより回転駆動される発電機とを備える。又は、第１の油圧モータにより発生した油圧をエンジンの作動制御用サーボ油として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機を備えたエンジンの余剰排気エネルギ回収システムに関する。

従来、例えば、ディーゼルエンジン等により駆動される過給機は、エンジンの排気ガスが有する排気エネルギによりタービンが回転駆動され、タービンによって回転する圧縮機によりエンジンの給気密度を高め、エンジンの燃費効率を向上させる目的で使用される。しかしながら、このように過給機を取り付けたとしても、エンジンの負荷状態によっては排気エネルギに充分な余剰があり、この余剰排気エネルギを無駄なく利用することが、燃費向上のみならず、環境保護の面からも強く要請されている。

このエンジンの余剰排気エネルギを有効利用するものとして、図６に示すように、過給機１０１の圧縮機１０２側にクラッチ１０３を介して発電機１０４を連結し、この発電機１０４を過給機１００によって回転駆動させるものがある（例えば、特許文献１及び２参照）。この場合には、図６に示すエンジン１００の余剰排気エネルギを電気エネルギに変換して、それを船内設備１０５等に利用している。
実開昭６１−２００４２３号公報（第１−２図）特開２００４−３４６８０３号公報（第１図）

しかしながら、このように過給機に発電機を連結して電気エネルギとして利用するだけでは、エンジンの排気エネルギを充分に利用しているとは言えず、エンジンの余剰排気エネルギを一段高いレベルで有効利用することが、燃費向上のみならず、環境保護の面からも急務になっている。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、過給機を備えたエンジンの余剰排気エネルギを一段高いレベルで有効利用することができ、エンジンの燃費を著しく向上させることができるのみならず、環境保護の面でも大きく寄与することができる、エンジンの余剰排気エネルギ回収システムを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、過給機を備えたエンジンの過給機に第１の油圧ポンプを連結し、過給機により第１の油圧ポンプを回転駆動可能としたことにある。これにより、エンジンの余剰排気エネルギを油圧として回収することが可能となる。

過給機は、単段の過給機からなることが望ましい。過給機が複数段からなり２段目以降の低圧過給機に第１の油圧ポンプを連結することもできる。しかしながら、過給機を単段とし、この単段の過給機によって第１の油圧ポンプを回転駆動させることにより、熱容量の大きい排気エネルギによって第１の油圧ポンプを回転駆動させることができる。

例えば、エンジンのクランク軸に第２の油圧ポンプを連結し、第１の油圧ポンプが発生した油圧により第２の油圧ポンプを回転駆動させる。これにより、エンジンの５０％以上の高負荷時に、エンジンの排気エネルギをエンジンの回転補助に利用することが可能となる。

第２の油圧ポンプは、可変容量形からなることが望ましい。このように、第２の油圧ポンプを可変容量形とすることにより、エンジンの負荷に対して過給機が設定の回転数になるように、油圧回収量を適切に制御できるようになる。

エンジンの低負荷時にエンジンのクランク軸により第２の油圧ポンプを回転駆動させ、第２の油圧ポンプが発生した油圧により第１の油圧ポンプを回転駆動させることが望ましい。エンジンの低負荷時には、過給機が過給に必要な排気エネルギを得ることができない。したがって、エンジンのクランク軸で第２の油圧ポンプを回転駆動し、この第２の油圧ポンプにより発生した油圧で第１の油圧ポンプを回転駆動させることにより、過給機はエンジンの負荷に見合った給気加圧ができるようになり、エンジンの加速が促進される。

例えば、第１の油圧ポンプが発生した油圧によって回転駆動される第３の油圧ポンプと、第３の油圧ポンプに連結されてこの第３の油圧ポンプにより回転駆動可能な発電機とを備える。これにより、エンジンの５０％以上の高負荷時に、エンジンの排気エネルギを電気エネルギとして利用することが可能となる。

第３の油圧ポンプは、可変容量形からなることが望ましい。このように、第３の油圧ポンプを可変容量形とすることにより、エンジンの負荷に対して過給機が設定の回転数になるように、油圧回収量を適切に制御できるようになる。

エンジンの低負荷時に発電機により第３の油圧ポンプを回転駆動させ、第３の油圧ポンプが発生した油圧により第１の油圧ポンプを回転駆動させることが望ましい。エンジンの低負荷時には、過給機が過給に必要な充分な排気エネルギを得ることができない。したがって、発電機で第３の油圧ポンプを回転駆動し、この第３の油圧ポンプにより発生した油圧で第１の油圧ポンプを回転駆動させることにより、過給機はエンジンの負荷に見合った給気加圧ができるようになり、エンジンの加速が促進される。

例えば、第１の油圧ポンプにより発生した油圧をエンジンの作動制御用サーボ油として用いる。これにより、エンジンの排気エネルギをエンジンの作動制御用サーボ油として利用することが可能となる。

この場合、第１の油圧ポンプは、可変容量形からなることが望ましい。これにより、エンジンの負荷に対して過給機が設定の回転数になるように、油圧回収量を適切に制御できるようになる。

本発明のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムは、過給機を備えたエンジンの過給機に第１の油圧ポンプを連結し、過給機により第１の油圧ポンプを回転駆動可能としたから、過給機を備えたエンジンの余剰排気エネルギを一段高いレベルで有効利用することが可能となり、エンジンの燃費を著しく向上させることができるのみならず、環境保護の面でも大きく寄与することができるという優れた効果を奏する。

本発明に係るエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを実施するための最良の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、エンジン１に、例えば単段の過給機１０を配設する。過給機１０の圧縮機１１とタービン１２は回転軸１３で連結される。過給機１０の圧縮機１１は、インタークーラ１５を介してエンジン１の給気管２に接続される。過給機１０のタービン１２は、エンジン１の排気レシーバ３に接続される。エンジン１の排気ガスによりタービン１２が回転駆動され、タービン１２によって圧縮機１１が回転される。これにより、エンジンの給気密度が高められ、エンジン効率が向上する。圧縮機１１によって温度上昇した給気をインタークーラ１５によって冷却し、給気密度をさらに高める。

過給機１０の回転軸１３に、変速機１６を介して固定容量形の油圧ポンプ（第１の油圧ポンプ）２１を連結する。また、エンジン１のクランク軸４に、変速機１７を介して可変容量形の油圧ポンプ（第２の油圧ポンプ）２２を連結する。

図２に示すように、上述の２つの油圧ポンプ２１，２２は、油圧回路２０の中に組み込まれる。エンジン１の５０％以上の高負荷時には、油圧ポンプ２１が過給機１０の回転軸１３により回転駆動されて、図示実線で示す方向の油圧を発生させる。このとき、変速機１６は減速機として働く。油圧ポンプ２１から吐出された作動油は主油路２３を通って油圧ポンプ２２を回転駆動させ、再び主油路２３を通って油圧ポンプ２１に戻る。油圧ポンプ２２は変速機１７を介してエンジン１のクランク軸４を回転駆動させる。油圧ポンプ２２は油圧モータとして、また、変速機１７は減速機として働く。このように、エンジン１の５０％以上の高負荷時にはエンジン１の排気エネルギをエンジン１の回転補助に利用する。

油圧ポンプ２２が油圧ポンプ２４を回転し、図示鎖線で示すように、タンク２５内の作動油をチェック弁２６，２７を介して主油路２３へ供給する。油圧ポンプ２１の吐出圧が高すぎた場合には、リリーフ弁２８を介して作動油を油圧ポンプ２１の入口側へ逃がす。主油路２３の作動油の一部は、分岐路３１、切替弁３３を通ってタンク２５へ戻る。２つのアキュムレータ３４，３５が主油路２３の油圧の平滑化を行う。

一方、エンジン１の低負荷時には、油圧ポンプ２２がエンジン１のクランク軸４によって回転駆動されて、図示１点鎖線で示す方向の油圧を発生させる。油圧ポンプ２２から吐出された作動油は主油路２３を通って油圧ポンプ２１を回転駆動させ、再び主油路２３を通って油圧ポンプ２２に戻る。このとき、変速機１７は増速機として働く。油圧ポンプ２１は上述の変速機１６により加速されて過給機１０の回転軸１３を回転駆動する。油圧ポンプ２１は油圧モータとして、また、変速機１６は減速機として働く。油圧ポンプ２２の吐出圧が高すぎた場合には、リリーフ弁２９を介して作動油を油圧ポンプ２２の入口側へ逃がす。主油路２３の作動油の一部は、分岐路３２、切替弁３３を通ってタンク２５へ戻る。

エンジン１の低負荷時には、過給機１０が過給に必要な排気エネルギを得ることができない。しかし、上述のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムでは、過給機１０がエンジン１の負荷に見合った給気加圧ができるようになり、エンジン１の加速が促進される。また、油圧ポンプ２２を可変容量形としたから、エンジン１の負荷に応じて過給機１０が設定した回転数になるように、油圧回収量が適切に制御される。図示しないコントローラによって切替弁３３が制御されて、上述のエンジン１の５０％以上の高負荷時の制御と低負荷時の制御との切替えが適切に行われる。

また、上述のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムにおいては、過給機１０が単段の過給機からなる。油圧ポンプ２１を単段の過給機１０に連結することにより、熱容量の大きい排気エネルギによって油圧ポンプ２１を回転駆動させることができる。なお、過給機１０を複数段とし、２段目以降の過給機に上述の油圧ポンプ２１を連結することもできる。

図３に、別のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す。エンジン４１の過給機４２の回転軸４３に変速機４４を介して、固定容量形の油圧ポンプ（第１の油圧ポンプ）４５を連結する。また、油圧ポンプ４５が発生した油圧によって回転駆動される可変容量形の油圧ポンプ（第３の油圧ポンプ）４６を配設し、この油圧ポンプ４６に発電機４７を連結する。これにより、油圧ポンプ４６によって発電機４７を回転駆動できるようにする。

この場合、２つの油圧ポンプ４５，４６は、図２に示した上述の油圧回路２０と同様の油圧回路中に組み込まれる。そして、エンジン４１の５０％以上の高負荷時には、過給機４２により油圧ポンプ４５を回転駆動させ、この油圧ポンプ４５が発生した油圧によって油圧ポンプ４６を回転駆動させ、油圧ポンプ４６よって発電機４７を回転駆動させる。このとき、油圧ポンプ４６は油圧モータとして、また、変速機４４は減速機として働く。これにより、エンジン４１の排気エネルギを電気エネルギとして利用することができる。また、油圧ポンプ２２は可変容量形であるから、エンジン４１の負荷に応じて過給機４２が設定した回転数になるように、油圧回収量が適切に制御される。

一方、エンジン４１の低負荷時には、発電機４７が電動モータとして油圧ポンプ４６を回転駆動する。そして、油圧ポンプ４６により発生した油圧によって油圧ポンプ４５が回転駆動される。油圧ポンプ４５が変速機４４を介して過給機４２を回転駆動し、過給機４２がエンジン４１の負荷に見合った給気加圧ができるようにする。これにより、エンジン４１の加速が促進される。このとき、油圧ポンプ４５は油圧モータとして、また、変速機４４は増速機として働く。

図４にさらに別のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す。このエンジンの余剰排気エネルギ回収システムおいては、図２で示した油圧回路２０に対し、図２の油圧ポンプ２２がサーボ油供給口５３に変更され、油圧ポンプ２４が電動ポンプ５４に変更される。また、油圧ポンプ５２は可変容量形とする。これにより、油圧ポンプ５２により発生した油圧を、例えば、エンジン５１の作動制御用サーボ油や、他のシステムのサーボ油として用いることができる。

特に、エンジン５１の作動制御用サーボ油は、エンジン５１によって回転駆動される油圧ポンプによって発生させるのが一般的である。しかしながら、このエンジンの余剰排気エネルギ回収システムにおいては、エンジン５１の排気エネルギをエンジン５１の作動制御用サーボ油等として利用することができる。また、油圧ポンプ５２を可変容量形としたから、エンジン５１の負荷に応じて過給機５５が設定した回転数になるように、油圧回収量が適切に制御される。

図５に示すように、上述のサーボ油をエンジン６１の燃料ブースタ６２及び排気弁アクチュエータ６３の制御に用いることができる。この場合、油圧回路６５の作動油はエンジン６１から供給され、その圧力もエンジン６１の油圧制御装置６４によって制御される。このため、油圧回路６５を簡略化することができる。

このように、本エンジンの余剰排気エネルギ回収システムによれば、過給機を備えたエンジンにおいて、過給機に油圧ポンプを連結し、過給機によって油圧ポンプを回転駆動できるようにした。したがって、エンジンの余剰排気エネルギを油圧として回収することが可能となり、しかも様々な形態において幅広く利用することができる。このため、過給機を備えたエンジンの余剰排気エネルギを一段高いレベルで有効利用することが可能となり、エンジンの燃費を著しく向上させることができるのみならず、環境保護の面でも大きく寄与することができる。

なお、上述のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムは一例にすぎず、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す模試図である。図１の油圧回路を示す回路図である。別のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す模試図である。さらに別のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す模試図である。図４の一実施例を示す模試図である。従来のエンジンの余剰排気エネルギ回収システムを示す模試図である。

符号の説明

１エンジン
２給気管
３排気レシーバ
４クランク軸
１０過給機
１１圧縮機
１２タービン
１３回転軸
１５インタークーラ
１６変速機
１７変速機
２０油圧回路
２１，２２油圧ポンプ
２３主油路
２４油圧ポンプ
２５タンク
２６，２７チェック弁
２８，２９リリーフ弁
３１，３２分岐路
３３切替弁
３４，３５アキュムレータ
４１エンジン
４２過給機
４３回転軸
４４変速機
４５，４６油圧ポンプ
４７発電機
５１エンジン
５２油圧ポンプ
５３サーボ油供給口
５４電動モータ
５５過給機
６１エンジン
６２燃料ブースタ
６３排気弁アクチュエータ
６４油圧制御装置
６５油圧回路
６６油圧ポンプ

Claims

過給機（１０，４２）を備えたエンジン（１，４１，５１，６１）の前記過給機に第１の油圧ポンプ（２１，４５，５２，６５）を連結し、前記過給機により前記第１の油圧ポンプを回転駆動可能としたことを特徴とするエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記過給機（１０，４２）は、単段の過給機からなることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記エンジン（１）のクランク軸（４）に第２の油圧ポンプ（２２）を連結し、前記第１の油圧ポンプが発生した前記油圧により前記第２の油圧ポンプを回転駆動させることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記第２の油圧ポンプ（２２）は、可変容量形からなることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記エンジン（１）の低負荷時に前記エンジンの前記クランク軸（４）により前記第２の油圧ポンプ（２２）を回転駆動させ、前記第２の油圧ポンプが発生した油圧により前記第１の油圧ポンプ（２１）を回転駆動させることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記第１の油圧ポンプ（４５）が発生した油圧によって回転駆動可能な第３の油圧ポンプ（４６）と、前記第３の油圧ポンプに連結されて前記第３の油圧ポンプにより回転駆動可能な発電機（４７）とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記第３の油圧ポンプ（４６）は、可変容量形からなることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記エンジン（４１）の低負荷時に前記発電機（４７）により前記第３の油圧ポンプ（４６）を回転駆動させ、前記第３の油圧ポンプが発生した油圧により前記第１の油圧ポンプ（４５）を回転駆動させることを特徴とする請求項６又は７に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記第１の油圧ポンプ（５２，６６）により発生した油圧を前記エンジン（５１，６１）の作動制御用サーボ油として用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記第１の油圧ポンプ（５２，６６）は、可変容量形からなることを特徴とする請求項９に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。
前記サーボ油は、前記エンジン（６１）の燃料ブースタ（６２）及び又は排気弁アクチュエータ（６３）の制御に用いられることを特徴とする請求項９又は１０に記載のエンジンの余剰排気エネルギ回収システム。