JP2012177330A - Hybrid supercharger - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a hybrid turbocharger in which a generator is incorporated in a turbocharger such as a marine diesel engine.
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。
The hybrid turbocharger not only uses the engine exhaust heat discharged from an internal combustion engine such as a marine diesel engine as a compressor driving force of the turbocharger but also supplies power by driving the generator. It is a device to do.
A
In the figure, reference numeral 1 is an exhaust gas receiver, 2 is a scavenging trunk, 3 is an exhaust pipe, 4 is a power transmission line, 5 is a bus, and 6 is a frequency converter.
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。 Patent Document 1 below discloses a supercharger control device in which a motor generator is provided on each of rotating shafts of a plurality of exhaust turbines connected in series to an exhaust system. The control device in this case is such that when each motor generator is driven by a motor, its power source does not depend on the battery.
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。
By the way, in the
In addition, it is necessary to solve many technical problems such as a control program necessary for balancing the power generation output of the two turbochargers. Specifically, when power is generated separately by two superchargers, the supercharger rotation speed, that is, the compressor outlet pressure, differs if the power generation output is different. In this situation (unbalanced turbocharger speed), the engine operating point of the compressor is different between the two turbochargers, and problems such as surging of the turbocharger occur.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to reduce the size and cost of the entire apparatus when two hybrid turbochargers are mounted in parallel on the engine. The object is to provide a hybrid turbocharger that makes it possible.
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。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
A hybrid turbocharger according to the present invention drives a compressor connected by an exhaust turbine driven by exhaust heat of an internal combustion engine and a rotor shaft, supplies air compressed by the compressor to the internal combustion engine, and The turbocharger includes two turbochargers in which an exhaust turbine is connected in parallel with the exhaust system, and one generator that is driven by the supercharger to generate electric power, and the supercharger is disposed between the rotor shafts of each other. The two generators are connected in series with a connecting shaft, and the generator is connected to the connecting shaft and driven by the two superchargers.
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。 According to such a hybrid turbocharger of the present invention, two turbochargers in which the exhaust turbine is connected in parallel with the exhaust system are connected to each other by connecting shafts between the rotor shafts in series. Since one generator is connected to the connecting shaft and driven by two superchargers to generate electricity, power must be generated by one generator that can generate electricity with the output of two superchargers. Therefore, the overall size of the hybrid turbocharger can be reduced. In addition, by using one generator, the frequency of the generated power can be reduced by one, so that the cost can be reduced.
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。 That is, two superchargers and one generator are arranged in the order of a compressor, an exhaust turbine, a generator, a compressor, and an exhaust turbine, and are connected in series by a rotor shaft and a connecting shaft. And one generator can use what was equipped with the capability to generate the power generation amount equivalent to the total power generation amount when the two superchargers each drive the generator to generate power, Therefore, if the capacity of the supercharger connected in parallel to the exhaust system is the same, it is possible to generate the power generation for two units with one generator.
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。 In this case, it is desirable that the generator is housed in one supercharger and connected to the rotor shaft and the connecting shaft of the one supercharger.
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。 According to such a hybrid supercharger of the present invention, it is possible to reduce the size of the entire apparatus by housing the generator in one of the superchargers.
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。
According to the hybrid turbocharger of the present invention described above, when the hybrid turbocharger is applied to an engine on which two turbochargers are mounted, the installation space for two generators and frequency converters is ensured. In addition, it is necessary to solve many technical problems such as a control program necessary for balancing the power generation output of the two turbochargers. However, in the configuration of the present invention in which one generator is mounted on two turbochargers, the installation space can be made compact and the control can be made the same as the conventional one, so the reliability of the device is improved. A remarkable effect is obtained.
In other words, when two hybrid turbochargers are mounted in parallel on the engine, one generator is used and only one frequency converter is required, which makes it possible to reduce the overall size and cost of the system. Therefore, installation in a limited space of the ship becomes easy.
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。
Hereinafter, an embodiment of a hybrid turbocharger according to the present invention will be described with reference to the drawings.
The
The
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。
In the
The exhaust gas that has worked in the
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。
Further, the two
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。
Thus, the
For this reason, the electric power generated by the
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。
In this way, in the
That is, the two
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。
Therefore, since the same electric power can be generated with one
In addition, the fact that only one
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。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the internal configuration of the
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。
Specifically, a silencer connected to the intake system of the internal combustion engine is disposed adjacent to the upstream side of the
On the other hand, the
In addition, such a
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。
The illustrated
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。
The
The
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。
The
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。
The air flow path 332 is a flow path from the
In this case, the left and
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。
As described above, when the
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
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。 The compressor connected to the exhaust turbine driven by the exhaust heat of the internal combustion engine and the rotor shaft is driven to supply the air compressed by the compressor to the internal combustion engine, and the exhaust turbine is connected in parallel to the exhaust system. Two superchargers, and one generator that is driven by the supercharger to generate electric power,
The supercharger is connected in series between two rotor shafts connected by a connecting shaft,
The hybrid generator is characterized in that the generator is connected to the connecting shaft and driven by the two turbochargers.
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2011
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