JP2016128657A - エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の気筒群から排出される排気ガスの排気エネルギーが異なる場合においても、気筒群間の吸気流量及び圧力比を均等に近づける。【解決手段】混合ガスを燃焼させて排気ガスを排出する複数の気筒群１０，２０と、対応する気筒群の排気ガスによって駆動される高圧段タービン１３，２３、及び高圧段タービンの駆動によって回転され、対応する気筒群に供給されるガスを圧縮する高圧段コンプレッサ１４，２４をそれぞれ有する複数の高圧段過給機１１，２１と、複数の高圧段過給機のいずれか一の高圧段過給機１１の高圧段タービン１３から排出される排気ガスによって駆動される低圧段タービン１５、及び、低圧段タービン１５の駆動によって回転され、一の高圧段過給機１１以外の他の高圧段過給機２１の高圧段コンプレッサ２４に供給するガスを圧縮する低圧段コンプレッサ１６を有する複数の低圧段過給機１２，２２とを備えるエンジンシステム１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の気筒群と、気筒群に供給されるガスを圧縮する過給機と、を有するエンジンシステムに関する。
従来、多数の気筒を備えるガスエンジンなどの内燃機関においては、高出力低燃費化を図る目的で、二段（多段式）過給方式などの複数の排気タービン式過給機を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第４２９５９０４号公報
ところで、多数の気筒を備えるエンジンにおいては、各気筒に供給される混合ガスの質量や流速を同じにし、同じ様に燃焼させることは難しい。これにより、各気筒から排出される排気ガスの温度と流量は異なるものとなっている。
特許文献１に記載されているエンジンは、二つの気筒群（バンク）を有するＶ型エンジンであり、各気筒群からから排出される排気ガスはそれぞれ異なる過給機に接続されている。各気筒群から排出される排気ガスの温度と流量が異なる場合、各過給機のタービンに流入するガス温度と流量が異なるため、タービン出力がそれぞれ異なる。このため、過給機のコンプレッサが混合ガスを圧縮する仕事もそれぞれ異なるものとなる。
このように、各過給機に流入する排気ガスの温度と流量が異なる場合、過給機は計画された作動点から外れて作動することになり、効率の低下が生じたり、過給機のサージラインを超えて作動する可能性がある。
この発明は、複数の気筒群から排出される排気ガスの排気エネルギーが異なる場合においても、気筒群間の吸気流量及び圧力比を均等に近づけることができるエンジンシステムを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、エンジンシステムは、供給された混合ガスを燃焼させて排気ガスとして排出する複数の気筒群と、対応する前記気筒群の前記排気ガスによって駆動される高圧段タービン、及び前記高圧段タービンの駆動によって回転され、対応する前記気筒群に供給されるガスを圧縮する高圧段コンプレッサをそれぞれ有する複数の高圧段過給機と、前記複数の高圧段過給機のいずれか一の高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される低圧段タービン、及び、前記低圧段タービンの駆動によって回転され、前記一の高圧段過給機以外の他の高圧段過給機の高圧段コンプレッサに供給するガスを圧縮する低圧段コンプレッサをそれぞれ有する複数の低圧段過給機と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、複数の気筒群から排出される排気ガスの排気エネルギーが異なる場合においても、気筒群間の給気流量及び圧力比を均等に近づけることができる。
本発明の第二の態様によれば、エンジンシステムは、供給された混合ガスを燃焼させて排気ガスとして排出する第一気筒群及び第二気筒群と、対応する前記気筒群の前記排気ガスによって駆動される高圧段タービン、及び前記高圧段タービンの駆動によって回転され、対応する前記気筒群に供給されるガスを圧縮する高圧段コンプレッサをそれぞれ有する第一高圧段過給機及び第二高圧段過給機と、前記第一高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される第一低圧段タービン、及び、前記第一低圧段タービンの駆動によって回転され、前記第二高圧段過給機の前記高圧段コンプレッサに供給されるガスを圧縮する第一低圧段コンプレッサを有する第一低圧段過給機と、前記第二高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される第二低圧段タービン、及び前記第二低圧段タービンの駆動によって回転され、前記第一高圧段過給機の前記高圧段コンプレッサに供給されるガスを圧縮する第二低圧段コンプレッサを有する第二低圧段過給機と、を備えることを特徴とする。
上記エンジンシステムにおいて、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとを接続する配管は、前記高圧段コンプレッサに導入されるガスが前記高圧段コンプレッサの回転方向に旋回するように形成されてよい。
このような構成によれば、コンプレッサの回転方向とガスの流れ方向が一致するため、圧力損失を増加させることなくコンプレッサに流入するガス流れを形成することができる。これにより、コンプレッサを作動効率が高い状態で作動させることができる。
本発明によれば、複数の気筒群から排出される排気ガスの排気エネルギーが異なる場合においても、気筒群間の給気流量及び圧力比を均等に近づけることができる。
本発明の実施形態のエンジンシステムの構成例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態のエンジンシステムの交差配管の斜視図である。 本発明の実施形態のエンジンシステムの交差配管の正面図である。 本発明の実施形態の高圧段過給機の過給効率マップを示す図である。 従来のエンジンシステムの構成例を概略的に示す図である。
以下、本発明の実施形態のエンジンシステム１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のエンジンシステム１は、第一気筒群１０（右バンク）と第二気筒群２０（左バンク）とからなる二つの気筒群１０，２０を有するエンジン本体２と、第一高圧段過給機１１と第二高圧段過給機２１とからなる二つの高圧段過給機１１，２１と、第一低圧段過給機１２と第二低圧段過給機２２とからなる二つの低圧段過給機１２，２２と、を有する二段（多段式）過給システムを備えたシステムである。即ち、本実施形態のエンジンシステム１は、４つの過給機１１，１２，２１，２２を備えており、導入される空気Ａは、低圧段過給機１２，２２及び高圧段過給機１１，２１により圧力が高められる。
エンジン本体２は、例えば、天然ガス、都市ガス等の主燃料ガス（燃料ガス）と空気Ａとの混合ガスを燃焼させることによって駆動力を取得するエンジンを採用することができる。エンジン本体２は、例えば、それぞれの気筒群１０，２０が６気筒で合計１２気筒を備えたＶ型１２気筒エンジンである。
第一高圧段過給機１１は、第一高圧段タービン１３及び第一高圧段タービン１３と一軸で接続された第一高圧段コンプレッサ１４を有している。即ち、第一高圧段コンプレッサ１４と第一高圧段タービン１３とは軸部材で連結されており、第一高圧段コンプレッサ１４は第一高圧段タービン１３の駆動により回転する。
第二高圧段過給機２１は、第二高圧段タービン２３及び第二高圧段タービン２３と一軸で接続された第二高圧段コンプレッサ２４を有している。
第一低圧段過給機１２は、第一低圧段タービン１５、及び第一低圧段タービン１５と一軸で接続された第一低圧段コンプレッサ１６を有している。
第二低圧段過給機２２は、第二低圧段タービン２５、及び第二低圧段タービン２５と一軸で接続された第二低圧段コンプレッサ２６を有している。
第一気筒群１０の排気ガスＥが導入される配管である第一高圧段排気配管１７は、第一高圧段過給機１１の第一高圧段タービン１３に接続されている。第一高圧段タービン１３と第一低圧段タービン１５とは、第一低圧段排気配管１８によって接続されている。即ち、第一気筒群１０から排出される排気ガスＥの排気エネルギーによって第一高圧段タービン１３と第一低圧段タービン１５が回転し、第一高圧段タービン１３と接続された第一高圧段コンプレッサ１４と、第一低圧段タービン１５と接続された第一低圧段コンプレッサ１６とが回転する。
第二気筒群２０の排気ガスＥが導入される配管である第二高圧段排気配管２７は、第二高圧段過給機２１の第二高圧段タービン２３に接続されている。第二高圧段タービン２３と第二低圧段タービン２５とは、第二低圧段排気配管２８によって接続されている。即ち、第二気筒群２０から排出される排気ガスＥの排気エネルギーによって第二高圧段タービン２３と第二低圧段タービン２５が回転し、第二高圧段コンプレッサ２４と、第二低圧段コンプレッサ２６とが回転する。
第一低圧段過給機１２の第一低圧段コンプレッサ１６の空気吐出口は、第一交差配管３を介して第二高圧段過給機２１の第二高圧段コンプレッサ２４の空気導入口と接続されている。第一低圧段コンプレッサ１６から吐出される圧縮空気Ａは、第一高圧段コンプレッサ１４には導入されず、第一交差配管３を介して第二高圧段コンプレッサ２４に導入される。
即ち、右バンク（第一気筒群１０）の低圧段コンプレッサ１６で圧縮された圧縮空気Ａを反対側の左バンク（第二気筒群２０）の高圧段コンプレッサ２４で圧縮する。
第二高圧段コンプレッサ２４から吐出される圧縮空気Ａは、第二高圧段空気配管２９を介して第二気筒群２０に供給される。
第二低圧段過給機２２の第二低圧段コンプレッサ２６の空気吐出口は、第二交差配管４を介して第一高圧段過給機１１の第一高圧段コンプレッサ１４の空気導入口と接続されている。即ち、第二低圧段コンプレッサ２６から吐出される圧縮空気Ａは、第一高圧段コンプレッサ１４に導入され、次いで、第一高圧段空気配管１９を介して第一気筒群１０に供給される。
即ち、本実施形態のエンジンシステム１は、複数の高圧段過給機１１，２１のいずれか一の高圧段過給機１１の高圧段タービン１３から排出される排気ガスＥによって駆動される低圧段タービン１５、及び、低圧段タービン１５の駆動によって回転され、一の高圧段過給機１１以外の他の高圧段過給機２１の高圧段コンプレッサ２４に供給する圧縮空気Ａを圧縮する低圧段コンプレッサ１６をそれぞれ有する複数の低圧段過給機１２，２２と、を備えている。
上述したように、第一交差配管３及び第二交差配管４を配置する場合、第一交差配管３及び第二交差配管４は、曲り部が必要となる。図２に示すように、例えば、第一交差配管３は、複数の曲り部５を有している。
図２及び図３に示すように、第一交差配管３の第二高圧段コンプレッサ２４との接続部６は、第二高圧段コンプレッサ２４に導入される圧縮空気Ａが第二高圧段コンプレッサ２４のインペラの回転方向Ｒに旋回するように形成されている。
具体的には、第一交差配管３は、接続部６における配管の軸方向が第二高圧段コンプレッサ２４内を流れる圧縮空気Ａの流れに沿うように、湾曲して形成されている。これにより、第一交差配管３内を流れる圧縮空気Ａが第一高圧段コンプレッサ１４を構成するインペラの回転方向Ｒに対して順方向の旋回運動するような力が与えられる。
なお、第一交差配管３と同様に、第二交差配管４との第一高圧段コンプレッサ１４との接続部は、第一高圧段コンプレッサ１４に導入される圧縮空気Ａが第一高圧段コンプレッサ１４のインペラの回転方向に旋回するように形成されている。
次に、本実施形態のエンジンシステム１の動作フローについて説明する。
第一気筒群１０から排出される排気ガスＥと第二気筒群２０から排出される排気ガスＥの温度及び流量が同程度の場合、第一高圧段コンプレッサ１４及び第一低圧段コンプレッサ１６の圧力比（圧縮比）と、第二高圧段コンプレッサ２４及び第二低圧段コンプレッサ２６の圧力比とが同程度となり、第一高圧段コンプサッサの出口と第二高圧段コンプレッサ２４の出口の圧力が同程度となる。即ち、エンジン本体２の第一気筒群１０と第二気筒群２０とに供給される圧縮空気Ａの圧力は、同程度まで高められる。
一方、第一気筒群１０から排出される排気ガスＥが高温・高流量となり、第一高圧段タービン１３及び第一低圧段タービン１５の出力が増加する一方で、第二気筒群２０から排出される排気ガスＥが低温・低流量となり、第二高圧段タービン２３及び第二低圧段タービン２５の出力が減少する場合がある。このような場合の効率低下について過給効率マップ（タービンの回転エネルギーをどれだけコンプレッサによる圧力上昇に変換できるかを示すマップ）を用いて説明する。
図４は、高圧段過給機の過給効率マップを示す図である。図４における横軸は空気流量であり、縦軸は圧力比、即ち、コンプレッサへの流入直前の空気圧力に対するコンプレッサからの流出直後の空気圧力の比である。複数の環状の線が、空気流量と圧力比との関係から求まる効率であり、中心側の線ほど効率が高くなる。線Ｓはサージラインであり、線Ｃはチョークラインである。サージラインＳとチョークラインＣにて囲まれた領域Ｔがコンプレッサの動作領域である。複数の環状の線の中心点Ｐが最も効率のよい作動点である。
ここで、図５に示す従来のエンジンシステム１０１のように、第一低圧段コンプレッサ１６から吐出される圧縮空気Ａが第一低圧段空気配管１０３を介して第一高圧段コンプレッサ１４に導入され、第二低圧段コンプレッサ２６から吐出される圧縮空気Ａが第二低圧段空気配管１０４を介して第二高圧段コンプレッサ２４に導入されると、第一気筒群１０と第二気筒群２０とに供給される圧縮空気Ａの圧縮率に大きな差が生じる場合がある。
例えば、第一気筒群１０に対応する排気配管１７，１８に高温・高流量の排気ガスＥが導入される（タービンに過剰な排気エネルギーが供給される）と、第一低圧段コンプレッサ１６の作動点がＰ１側に移動する。即ち、過給機は、最も効率のよい作動点Ｐから外れて作動する。圧縮空気Ａは第一低圧段空気配管１０３を介して第一高圧段コンプレッサ１４に導入されて圧縮されるが、第一高圧段コンプレッサ１４を駆動する第一高圧段タービン１３に導入される排気ガスＥも高温・高流量であるため、効率は悪化することが考えられる。
一方、第二気筒群２０に対応する排気配管２７，２８に低温・低流量の排気ガスＥが導入されると、第二低圧段コンプレッサ２６の作動点がＰ２側に移動する。即ち、最も効率のよい作動点から外れて作動する。圧縮空気Ａは第二低圧段空気配管１０４を介して第二高圧段コンプレッサ２４に導入されて圧縮されるが、第二高圧段コンプレッサ２４を駆動する第二高圧段タービン２３に導入される排気ガスＥも低温・低流量であるため、効率は悪化することが考えられる。
即ち、図５に示すような配管構成では、各々の気筒群１０，２０から排出される排気ガスＥの排気エネルギーが異なる場合、効率の低下が生じたり、過給機のサージラインを超えて作動する可能性がある。
本実施形態のエンジンシステム１においても、第一気筒群１０に対応する排気配管１７，１８に高温・高流量の排気ガスが導入されると、第一低圧段コンプレッサ１６によって圧縮される圧縮空気Ａの圧力が上がり、コンプレッサの作動点がＰ１側に移動する。即ち、最も効率のよい作動点から外れて作動する。
一方、第二気筒群２０に対応する排気配管２７，２８に低温・低流量の排気ガスが導入されると、第二低圧段コンプレッサ２６の作動点がＰ２側に移動する。即ち、最も効率のよい作動点から外れて作動する。
ここで、第一低圧段コンプレッサ１６から吐出された圧縮空気Ａは、第一交差配管３を介して第二高圧段コンプレッサ２４に導入される。また、第二低圧段コンプレッサ２６から吐出された圧縮空気Ａは、第二交差配管４を介して第一高圧段コンプレッサ１４に導入される。
換言すれば、右バンクの低圧段コンプレッサ１６で圧縮された圧縮空気Ａは左バンクの高圧段コンプレッサ２４で圧縮されてエンジンに給気され、左バンクの低圧段コンプレッサ２６で圧縮された圧縮空気Ａは右バンクの高圧段コンプレッサ１４で圧縮されてエンジンに給気される。
出力の高い低圧段コンプレッサ１６にて圧縮された圧縮空気Ａが出力の低い高圧段コンプレッサ２４に供給され、出力の低い低圧段コンプレッサ２６にて圧縮された圧縮空気Ａが出力の高い高圧段コンプレッサ１４に供給されることで、左右の気筒群間のバランスが向上する。
上記実施形態によれば、左バンクと右バンクから排出される排気ガスの排気エネルギーが異なる場合においても、気筒群間の吸気流量及び圧力比を均等に近づけることができる。
また、交差配管３，４の高圧段コンプレッサ１４，２４との接続部は、高圧段コンプレッサ１４，２４に導入される圧縮空気Ａが高圧段コンプレッサ１４，２４の回転方向Ｒに旋回するように形成されている。これにより、コンプレッサの回転方向と圧縮空気Ａの流れ方向が一致するため、圧力損失を増加させることなくコンプレッサに流入するガス流れを形成することができる。これにより、コンプレッサを作動効率が高い状態で作動させることができる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、気筒群の数は二つに限ることはなく、エンジンシステム１に三組以上の気筒群を設ける構成としてもよい。
１ エンジンシステム
２ エンジン本体
３ 第一交差配管
４ 第二交差配管
５ 曲り部
６ 接続部
１０ 第一気筒群
１１ 第一高圧段過給機
１２ 第一低圧段過給機
１３ 第一高圧段タービン
１４ 第一高圧段コンプレッサ
１５ 第一低圧段タービン
１６ 第一低圧段コンプレッサ
１７ 第一高圧段排気配管
１８ 第一低圧段排気配管
１９ 第一高圧段空気配管
２０ 第二気筒群
２１ 第二高圧段過給機
２２ 第二低圧段過給機
２３ 第二高圧段タービン
２４ 第二高圧段コンプレッサ
２５ 第二低圧段タービン
２６ 第二低圧段コンプレッサ
２７ 第二高圧段排気配管
２８ 第二低圧段排気配管
２９ 第二高圧段空気配管
Ａ 圧縮空気
Ｅ 排気ガス

Claims (3)

  1. 供給された混合ガスを燃焼させて排気ガスとして排出する複数の気筒群と、
    対応する前記気筒群の前記排気ガスによって駆動される高圧段タービン、及び前記高圧段タービンの駆動によって回転され、対応する前記気筒群に供給されるガスを圧縮する高圧段コンプレッサをそれぞれ有する複数の高圧段過給機と、
    前記複数の高圧段過給機のいずれか一の高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される低圧段タービン、及び、前記低圧段タービンの駆動によって回転され、前記一の高圧段過給機以外の他の高圧段過給機の高圧段コンプレッサに供給するガスを圧縮する低圧段コンプレッサをそれぞれ有する複数の低圧段過給機と、を備えるエンジンシステム。
  2. 供給された混合ガスを燃焼させて排気ガスとして排出する第一気筒群及び第二気筒群と、
    対応する前記気筒群の前記排気ガスによって駆動される高圧段タービン、及び前記高圧段タービンの駆動によって回転され、対応する前記気筒群に供給されるガスを圧縮する高圧段コンプレッサをそれぞれ有する第一高圧段過給機及び第二高圧段過給機と、
    前記第一高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される第一低圧段タービン、及び、前記第一低圧段タービンの駆動によって回転され、前記第二高圧段過給機の前記高圧段コンプレッサに供給されるガスを圧縮する第一低圧段コンプレッサを有する第一低圧段過給機と、
    前記第二高圧段過給機の前記高圧段タービンから排出される排気ガスによって駆動される第二低圧段タービン、及び前記第二低圧段タービンの駆動によって回転され、前記第一高圧段過給機の前記高圧段コンプレッサに供給されるガスを圧縮する第二低圧段コンプレッサを有する第二低圧段過給機と、を備えるエンジンシステム。
  3. 前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとを接続する配管は、前記高圧段コンプレッサに導入されるガスが前記高圧段コンプレッサの回転方向に旋回するように形成されている請求項１又は請求項２に記載のエンジンシステム。
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