JP2016191304A

JP2016191304A - 熱機関システム

Info

Publication number: JP2016191304A
Application number: JP2013181572A
Authority: JP
Inventors: 高石　龍夫; Tatsuo Takaishi; 龍夫高石
Original assignee: MARITIME INNOVATION JAPAN CORP
Current assignee: MARITIME INNOVATION JAPAN CORP
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2016-11-10
Also published as: WO2015030006A1

Abstract

【課題】内燃機関に要求される必要強度の軽減をもたらす熱機関システムを提供する。
【解決手段】熱機関システム１は、内燃機関１１と、内燃機関１１から排出される排気のエネルギーを用いて内燃機関１１に送り込まれる給気に加圧を行う過給機１２、その周辺装置としての空気冷却機１８等を備えている。過給機１２およびその周辺装置等により構成される過給ユニットは、内燃機関１１がその上に置かれている台座３１とは異なる台座３２の上に配置された収容体２０に収容され、過給ユニットの荷重が内燃機関１１にかかることはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギーを船舶の推進に用いられる運動エネルギーに変換する熱機関システムに関する。

小型の一部の船舶を除き、多くの船舶は推進力を得るために内燃機関を搭載している。また、それらの船舶の多くは、内燃機関の熱効率向上および出力増大のために過給機を搭載している。図６および図７は、従来技術にかかる船舶に搭載されている内燃機関および過給器を含む熱機関システム９の構成を示した図である。なお、図６は熱機関システム９を側方から見た図であり、図７は熱機関システム９を上方から見た図である。

熱機関システム９は、まず、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する内燃機関９１を備えている。内燃機関９１の方式は過給機を利用可能ないずれの方式であってもよい。なお、図６および図７においては、内燃機関９１が船舶において現在広く採用されている単流掃気方式の２サイクルディーゼル機関である場合を例示している。

熱機関システム９はまた、内燃機関９１に送り込まれる気体（通常は空気）である給気に加圧する過給機９２を備えている。過給機９２は、例えばタービンとコンプレッサを備え、内燃機関９１から排出される気体である排気のエネルギーにより回転駆動されるタービンの回転運動エネルギーにより運転されるコンプレッサにより給気に加圧を行う。

図６および図７において、矢印Ｅは排気の流れを示し、矢印Ｓは給気の流れを示している。内燃機関９１が備える複数のシリンダの各々から排出される排気は、シリンダの各々に連結された複数の排気管９３により排気集合管９４へと導かれる。排気管９３により導かれた排気は排気集合管９４において合流された後、排気連結管９５により過給機９２へと導かれる。過給機９２へと導かれた排気はそのエネルギーにより過給機９２のタービンを回転駆動した後、排気管９６（図６において図示略）を通って船舶外へと排出される。

排気連結管９５により過給機９２へと導かれた排気により回転駆動される過給機９２のタービンは過給機９２のコンプレッサを運転し、コンプレッサは過給機９２に設けられた吸気口から外気を給気として吸い込む。過給機９２のコンプレッサに吸い込まれた給気は加圧された後、給気管９７により空気冷却機９８へと導かれる。空気冷却機９８は、過給機９２における加圧により上昇した給気を冷却してその温度を下げ、温度上昇により低下した空気の密度を高める。空気冷却機９８により冷却された給気は給気管９９により内燃機関９１へと送り込まれ、燃料の燃焼に用いられる。なお、空気冷却機９８は冷却により給気から生じる水を内燃機関９１へと導かれる給気から分離し排出するためのドレインセパレータ（図示略）を備えている。

例えば、非特許文献１には、過給機を伴い、電子制御下で運転する舶用２サイクルディーゼル機関の仕組みが記載されている。

川崎重工株式会社、“イラストぎじゅつ入門新開発の「舶用電子制御ディーゼル機関」とはどのようなエンジンなのか”、［online］、平成18年2月、Kawasaki News 141 Winter、［平成25年8月30日検索］、インターネット〈URL：http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf〉

船舶用の熱機関システムにおいては、従来、過給機およびその周辺装置である空気冷却機等（以下、これらを「過給ユニット」という）が内燃機関上に設置されている（図６参照）。このように、従来技術にかかる熱機関システムにおいては、過給ユニットが内燃機関と一体に構成されているため、熱機関システムの占有スペースが低減される、熱機関システムの製造メーカから造船会社への引き渡しがスムーズである、等の利点がある。

上記のような利点を備える一方で、従来技術にかかる熱機関システムにおいては、運転時に振動を生じる重量物である過給ユニットの荷重が内燃機関にかかるため、その荷重に耐え得るように、内燃機関の強度を高める必要がある。

本発明は上述の背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関と一体に構成される過給ユニットを備える船舶用の熱機関システムと比較し、内燃機関に要求される必要強度の低減をもたらす熱機関システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、船体の内部に配置された内燃機関と、前記船体の内部に配置され、前記内燃機関とは異なる構造物により支持され、前記内燃機関から排出される気体である排気が持つエネルギーを用いて前記内燃機関に送り込まれる気体である給気に加圧する過給機とを備える熱機関システムを第１の態様として提案する。

また、本発明は、上記の第１の態様において、前記過給機は前記内燃機関から排出される排気が持つエネルギーを用いて給気に加圧する第１の過給機と、前記第１の過給機から排出される排気が持つエネルギーを用いて前記第１の過給機により加圧された給気に加圧する第１の過給機を備える、という構成を第２の態様として提案する。

また、本発明は、上記の第１または第２の態様において、前記船体の外部から前記過給機へ給気を導く経路を形成する構造物を備える、という構成を第３の態様として提案する。

また、本発明は、上記の第１乃至第３のいずれかの態様において、前記内燃機関を支持する構造物とは異なる構造物により支持され、前記過給機を収容する収容体を備える、という構成を第４の態様として提案する。

また、本発明は、上記の第１乃至第４のいずれかの態様において、前記内燃機関を支持する構造物とは異なる構造物により支持され、前記過給機から前記内燃機関へ送り込まれる給気を冷却する冷却機を備える、という構成を第５の態様として提案する。

また、本発明は、上記の第１乃至第５のいずれかの態様において、前記内燃機関は２サイクルディーゼル機関である、という構成を第６の態様として提案する。

本発明の第１の態様にかかる熱機関システムによれば、過給機の荷重が内燃機関にかからないため、内燃機関に要求される必要強度の低減がもたらされる。

本発明の第２の態様にかかる熱機関システムによれば、給気を１回のみ加圧する過給機を備える熱機関システムと比較し、高い熱効率および出力が得られる。なお、給気を複数回加圧する過給機は、給気を一回のみ加圧する過給機と比較し、一般的にその重量は重くなる。ただし、過給機の荷重は内燃機関にかからないため、過給機の重量増加により内燃機関の必要強度が増大することはない。

本発明の第３の態様にかかる熱機関システムによれば、一般的に船内の空気よりも低温の空気が給気として過給機に供給されるため、内燃機関に送り込まれる空気の密度が高まり、内燃機関の熱効率向上および出力増大がもたらされる。その際、船内における過給機の配置位置が内燃機関の配置位置により大きく制限されることはないため、船外から過給機へ給気を導く経路の形成が容易である。

本発明の第４の態様にかかる熱機関システムによれば、内燃機関が配置される空間の温度とは個別に、過給機の周囲の温度が管理可能となる。従って、例えば収容体内の空気を冷却することで過給機へ送り込まれる給気の温度を低下させる等により、内燃機関の熱効率向上および出力増大が可能となる。

本発明の第５の態様にかかる熱機関システムによれば、冷却機の荷重が内燃機関にかからないため、内燃機関に要求される必要強度の低減がもたらされる。

本発明の第６の態様にかかる熱機関システムによれば、船舶用の熱機関システムに広く採用されている２サイクルディーゼル機関において、上述した効果が得られる。船舶用に用いられる２サイクルディーゼル機関は一般的に他の方式の内燃機関よりもサイズが大きくなり、そのための過給機の重量も重くなる。従って、過給機の荷重が内燃機関にかからないことによりもたらされる効果が大きい。

本発明の一実施形態にかかる熱機関システムを側方から見た図である。本発明の一実施形態にかかる熱機関システムを上方から見た図である。本発明の一変形例にかかる熱機関システムを側方から見た図である。本発明の一変形例にかかる熱機関システムを上方から見た図である。本発明の一変形例にかかる熱機関システムを側方から見た図である。従来技術にかかる熱機関システムを側方から見た図である。従来技術にかかる熱機関システムを側方から見た図である。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態にかかる熱機関システム１を説明する。図１は熱機関システム１を側方から見た図であり、図２は熱機関システム１を上方から見た図である。

熱機関システム１は、まず、図６および図７に示した従来技術にかかる熱機関システム９が備える内燃機関９１、過給機９２、排気管９３、排気集合管９４、排気連結管９５、排気管９６、給気管９７、空気冷却機９８、給気管９９に対応する構成部として、内燃機関１１、過給機１２、排気管１３、排気集合管１４、排気連結管１５、排気管１６、給気管１７、空気冷却機１８、給気管１９を備えている。熱機関システム１が備えるこれらの構成部の役割は、熱機関システム９が備える対応する構成部の役割と同じである。

熱機関システム１は、熱機関システム９が備えない構成部として、まず、過給機１２、給気管１７および空気冷却機１８と、排気連結管１５、排気管１６および給気管１９の一部を収容する収容体２０を備えている。収容体２０は熱機関システム１が備える過給ユニットの周囲の空間を、内燃機関１１の周囲の空間から隔離する役割を果たし、その内側に過給ユニット室を形成する。過給ユニット室内の気温は、例えば空調設備（図示略）により過給ユニット室外の気温よりも低く保たれている。

収容体２０は、台座３２（図２において図示略）の上に載置されており、収容体２０およびその収容物の荷重は台座３２にかかっている。台座３２は、内燃機関１１を下方から支持する台座３１（図２において図示略）とは異なる構造物であり、従って台座３１には収容体２０およびその収容物の荷重はかからない。

過給機１２は収容体２０に取り付けられた台座２１により支持されており、空気冷却機１８は収容体２０に取り付けられた台座２２により支持されている。また、排気連結管１５および給気管１７の荷重の一部は過給機１２を介して台座２１にかかっている。また、給気管１７および給気管１９の荷重の一部は空気冷却機１８を介して台座２２にかかっている。従って、収容体２０が収容する過給機１２、給気管１７および空気冷却機１８と、排気連結管１５、排気管１６および給気管１９の一部の荷重は、台座２１または台座２２と収容体２０を介して台座３２にかかることになる。

上記のように、熱機関システム１によれば、従来技術にかかる熱機関システム９と比較して、次の効果が得られる。

まず、熱機関システム１においては、過給機１２および空気冷却機１８と、その周辺の構成部（給気管１７等）の荷重が内燃機関１１にかからないため、内燃機関１１や内燃機関１１を支持する台座３１に求められる必要強度が低減される。そのため、内燃機関１１や台座３１のコスト低減や軽量化が可能となる。

また、熱機関システム１においては、内燃機関１１が生じる振動と過給ユニットが生じる振動は、排気連結管１５や給気管１９を介して相互に伝達されるものの、その伝達の程度は過給ユニットが内燃機関９１の上に設置されている熱機関システム９における場合と比較すると著しく小さい。従って、内燃機関１１と過給ユニットの振動の制御が容易となる。

また、熱機関システム１においては、過給ユニットの配置位置が内燃機関１１の配置位置により制限されないため、熱機関システム９における場合と比較し、排気連結管１５、給気管１７、給気管１９等の配管の位置、長さ、形状等の設計の自由度が高い。図６および図７において矢印Ｅおよび矢印Ｓで示される排気および給気の経路と、図１および図２において矢印Ｅおよび矢印Ｓで示される排気および給気の経路とを比較すると明かであるように、熱機関システム１においては過給ユニットの配置位置を選択することにより、排気および給気の経路における屈曲率や屈曲の頻度を低減することができる。従って、排気や給気の経路移動中のエネルギー損失を低減することができる。その結果、例えば従来技術にかかる熱機関システム９における場合と比較し、過給機１２における給気への加圧が高まり、内燃機関１１における、より高い熱効率の向上や出力の増大がもたらされる。

また、船舶用の内燃機関はその高さが１０メートルを超えるものも珍しくない。このように内燃機関の高さが作業員の身長等と比較して高いと、過給ユニットのメインテナンス等を行う際、作業員の足場を設ける必要がある。例えば、図６に示される熱機関システム９の過給ユニットをメインテナンスするためには大掛かりな足場を設ける必要がある。一方、熱機関システム１においては、台座３２から過給機１２や空気冷却機１８等までの高さが熱機関システム９における場合と比較して低いので、足場の設置が不要または容易である。さらに、熱機関システム１における過給ユニットのメインテナンス作業は低所作業となるため、熱機関システム９における過給ユニットのメインテナンス作業と比較し安全性の確保も容易である。

また、例えば、図６に示される熱機関システム９の過給ユニットは内燃機関９１の上の限られたスペースに設置されているため、過給ユニットのメインテナンス等のために必要な十分な作業スペースの確保が困難な場合がある。一方、熱機関システム１においては過給ユニットのメインテナンス等のための十分な作業スペースの確保が容易である。

また、熱機関システム１においては過給ユニットが過給ユニット室内に配置されているため、過給ユニット内を空調設備等により冷却すれば、作業員にとって望ましい作業環境が確保される。また、過給機１２が過給ユニット室内の空気を給気として吸い込む場合、過給ユニット室内の気温を空調設備等により下げることで、内燃機関１１に送り込まれる給気における空気の密度を高めることができ、結果として内燃機関１１における、より高い熱効率の向上や出力の増大がもたらされる。

［変形例］
上述した実施形態は本発明の技術的思想の範囲内において様々に変形可能である。以下にそれらの変形の例を示す。なお、これらの変形例は適宜組み合わせられてもよい。

［第１変形例］
上述した実施形態において、熱機関システム１が備える過給機１２が給気に加圧を行う回数は１回である。これに代えて、給気に複数回の加圧を行う過給機が採用されてもよい。以下に、給気に２回の加圧を行う過給機を備える熱機関システム２を第１変形例として示す。

図３は熱機関システム２を側方から見た図であり、図４は熱機関システム２を上方から見た図である。熱機関システム２が備える構成部の多くは熱機関システム１が備える構成部と共通している。従って、以下に熱機関システム２が熱機関システム１と相違する点を中心に説明する。なお、図３および図４において、熱機関システム２が熱機関システム１と共通して備える構成部に関しては、図１および図２において用いたものと同じ符号を付している。

熱機関システム２は、熱機関システム１が備える過給機１２に代えて、高圧段の過給機１２１と低圧段の過給機１２２を有する２段構成の過給機を備えている。また、熱機関システム２は、熱機関システム１が備える空気冷却機１８に代えて、低圧段の過給機１２２により加圧された給気を冷却するための空気冷却機１８１と、高圧段の過給機１２２によりさらに加圧された給気を冷却するための空気冷却機１８２とを備える。

熱機関システム２において、内燃機関１１から排出された排気は、排気管１３、排気集合管１４を通過した後、排気集合管１４と高圧段の過給機１２１を連結するように配置された排気連結管１５１により過給機１２１へと導かれる。高圧段の過給機１２１へ導かれた排気は、過給機１２１が備えるタービンの回転駆動に用いられた後、過給機１２１と低圧段の過給機１２２を連結するように配置された排気連結管１５２により過給機１２２へと導かれる。低圧段の過給機１２２へ導かれた排気は、過給機１２２が備えるタービンの回転駆動に用いられた後、排気管１６に導かれて、例えば船外へと排出される。

低圧段の過給機１２２が備えるコンプレッサは、過給ユニット室内の空気（概ね１気圧）を給気として吸い込み、吸い込んだ給気に加圧して、給気の圧力をＰ₁気圧（ただし、Ｐ₁＞１）に上昇させる。低圧段の過給機１２２により加圧された給気は、過給機１２２と空気冷却機１８１を連結するように配置された給気管１７１により空気冷却機１８１へと導かれる。空気冷却機１８１に導かれた給気は冷却されて、その圧力がＰ２気圧（ただし、１＜Ｐ₂＜Ｐ₁）へと低下する。

空気冷却機１８１により冷却された給気は、空気冷却機１８１と高圧段の過給機１２１を連結するように配置された給気管１７２により過給機１２１へと導かれる。高圧段の過給機１２１が備えるコンプレッサは、空気冷却機１８１から送られてくる給気に加圧して、給気の圧力をＰ₃気圧（ただし、Ｐ₁＜Ｐ₃）に上昇させる。高圧段の過給機１２１により加圧された給気は、過給機１２１と空気冷却機１８２を連結するように配置された給気管１７３により空気冷却機１８２へと導かれる。空気冷却機１８２に導かれた給気は冷却されて、その圧力がＰ４気圧（ただし、Ｐ₂＜Ｐ₄＜Ｐ₃）へと低下する。

空気冷却機１８２により冷却された給気は、給気管１９を通って内燃機関１１へと送り込まれ、燃料と混合されて燃料の燃焼に用いられる。

熱機関システム２が備える過給機は上述したように２段構成の過給機であるため、過給ユニットの重量が熱機関システム１における場合と比較して重くなる。しかしながら、過給ユニットの荷重が内燃機関１１にかかることはないので、過給ユニットの重量の増加が内燃機関１１に対し悪影響（必要強度の増加や振動制御の困難性の増大等）を与えることはない。

また、熱機関システム２が備える過給ユニットは２段構成の過給機を備えるため、１段構成の過給機を備える過給ユニットと比較し、多くの構成部（配管等を含む）を伴う。従って、仮に内燃機関１１の上に過給ユニットを配置すると、過給ユニットをメインテナンス等する際の作業スペースを確保することがさらに困難であったり、排気および給気の経路の屈曲がさらに大きくなりエネルギー損失が増加したりする。しかしながら、熱機関システム２においては過給ユニットの構成部の配置を自由に設計できるため、これらの問題を回避することができる。

［第２変形例］
上述した実施形態において、熱機関システム１が備える過給機１２は過給ユニット室内の空気を給気として吸い込む。これに代えて、過給機が過給ユニット室外の空気を給気として吸い込む構成が採用されてもよい。以下に、船外の空気を給気として吸い込む過給機を備える熱機関システム３を第２変形例として示す。

図５は熱機関システム３を側方から見た図である。熱機関システム３が備える構成部の多くは熱機関システム１が備える構成部と共通している。従って、以下に熱機関システム３が熱機関システム１と相違する点を中心に説明する。なお、図５において、熱機関システム３が熱機関システム１と共通して備える構成部に関しては、図１および図２において用いたものと同じ符号を付している。

熱機関システム３は、船体５０の外部と過給機１２の吸気口を連結するように配置された船外給気管４１を備えている。船外給気管４１は、船外の空気を過給機１２へと導く経路を形成する。

熱機関システム３において、過給機１２は船外給気管４１により船体５０の外部から導かれる空気を給気として吸い込み、加圧した後、空気冷却機１８を介して内燃機関１１へと供給する。

一般的に、船外の気温は、内燃機関１１が配置されている船内の空間内の気温よりも低い。従って、例えば過給ユニット室において空調設備が稼働しておらず、過給ユニット内の気温が内燃機関１１の周囲の気温と同程度である場合、過給ユニット室内の空気よりも低温な船外の空気を給気として用いる熱機関システム３の給気ユニットは、より空気密度の高い給気を内燃機関１１へと送り込むことができる。その結果、内燃機関１１における、より高い熱効率の向上および出力の増大がもたらされる。

熱機関システム３が備える船外給気管４１は船体５０の外部へと連通する必要があるため、その配置が制限される場合がある。しかしながら、熱機関システム３においては過給ユニットの配置を自由に設計できるため、特段の問題を生じない。例えば、船外給気管４１の配置が船体５０の内側近辺に制限される場合は、図５に例示のように過給ユニットを船体５０の内側近辺に配置することで、熱機関システム３を実現することができる。

なお、船外給気管４１に関し上述した点は、同じく過給機１２から船外へと連通するように設けられる排気管１６に関しても同様である。すなわち、排気管１６の配置が制限される場合であっても、熱機関システム３（熱機関システム１および熱機関システム２においても同様）によれば、過給ユニットの配置を自由に設計できるため、特段の問題を生じない。

［その他の変形例］
（１）上述した実施形態および変形例においては、過給ユニットは収容体２０により内燃機関１１が配置されている空間から隔離された空間である過給ユニット室内に配置されている。これに代えて、収容体２０を備えない構成が、本発明にかかる熱機関システムの構成として採用されてもよい。

（２）上述した第１変形例において採用されている２段構成の過給機は、多段構成の過給機の一例である。従って、３段以上の過給機を備える過給ユニットが、本発明にかかる熱機関システムの構成として採用されてもよい。

（３）上述した実施形態および変形例においては、排気集合管１４は内燃機関１１の上に配置されている。これに代えて、排気集合管１４を台座３２の上（例えば、収容体２０内）に配置する構成が、本発明にかかる熱機関システムの構成として採用されてもよい。また、排気集合管１４に限られず、過給機に伴う周辺の構成部のいずれが台座３２の上に配置されてもよい。

（４）上述した実施形態および変形例においては、内燃機関１１が備える複数のシリンダから各々排出される排気を排気集合管１４において集合させた後に過給機１２に導くことで、排気の圧力変動を平滑化して過給に利用する静圧過給方式が採用されている。これに代えて、例えば、排気集合管１４および排気連結管１５を設けず、複数のシリンダから各々排出される排気を排気管１３により過給機１２へ直接導く動圧過給方式等の他の過給方式が、本発明にかかる熱機関システムの構成として採用されてもよい。

（５）上述した第２変形例において、船外給気管４１は過給機１２の吸気口に接続されている。これに代えて、船外給気管４１を収容体２０に接続し、船外の空気を収容体２０内、すなわち過給ユニット室内に導き、過給機１２が収容体２０内の空気を吸い込んで用いる構成が、本発明にかかる熱機関システムの構成として採用されてもよい。

（６）上述した実施形態および変形例の説明に用いた図に示される熱機関システムの構成部の配置や形状、サイズ等はあくまで例示であって、過給機が内燃機関１１とは異なる構造物により支持される限り、本発明にかかる熱機関システムの構成部の配置や形状、サイズ等は様々に変更可能である。

１…熱機関システム、２…熱機関システム、３…熱機関システム、９…熱機関システム、１１…内燃機関、１２…過給機、１３…排気管、１４…排気集合管、１５…排気連結管、１６…排気管、１７…給気管、１８…空気冷却機、１９…給気管、２０…収容体、２１…台座、２２…台座、３１…台座、３２…台座、４１…船外給気管、５０…船体、９１…内燃機関、９２…過給機、９３…排気管、９４…排気集合管、９５…排気連結管、９６…排気管、９７…給気管、９８…空気冷却機、９９…給気管、１２１…過給機、１２２…過給機、１５１…排気連結管、１５２…排気連結管、１７１…給気管、１７２…給気管、１７３…給気管、１８１…空気冷却機、１８２…空気冷却機

Claims

船体の内部に配置された内燃機関と、
前記船体の内部に配置され、前記内燃機関とは異なる構造物により支持され、前記内燃機関から排出される気体である排気が持つエネルギーを用いて前記内燃機関に送り込まれる気体である給気に加圧する過給機と
を備える熱機関システム。
前記過給機は前記内燃機関から排出される排気が持つエネルギーを用いて給気に加圧する第１の過給機と、前記第１の過給機から排出される排気が持つエネルギーを用いて前記第１の過給機により加圧された給気に加圧する第１の過給機を備える
請求項１に記載の熱機関システム。
前記船体の外部から前記過給機へ給気を導く経路を形成する構造物を備える
請求項１または２に記載の熱機関システム。
前記内燃機関を支持する構造物とは異なる構造物により支持され、前記過給機を収容する収容体を備える
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱機関システム。
前記内燃機関を支持する構造物とは異なる構造物により支持され、前記過給機から前記内燃機関へ送り込まれる給気を冷却する冷却機を備える
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱機関システム。
前記内燃機関は２サイクルディーゼル機関である
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱機関システム。