JP2019015211A - 内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶 - Google Patents

内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の過給機余剰動力回収装置の過給機の回転するシャフトを減速機に接続する構造において、シャフトの振動を抑制する。【解決手段】過給機余剰動力回収装置は、内燃機関と、タービンとコンプレッサとを備え、前記コンプレッサの回転により前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する過給機と、前記タービン及び前記コンプレッサの回転を伝達する、前記タービン及び前記コンプレッサから延びるシャフトによって回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、前記シャフトの回転数を減速して前記油圧ポンプに伝える減速機と、前記油圧ポンプにより生成される油圧を用いて駆動する、前記内燃機関を作動させる作動機器と、を備える。前記減速機と前記コンプレッサの間を結ぶ前記シャフトには、過給機側のシャフトと減速機側のシャフトを接続したスプライン継手が設けられ、前記スプライン継手は、前記シャフトの軸受けの位置に設けられている。【選択図】 図4

Description

本発明は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶に関する。
従来、ディーゼルエンジンやガスエンジンなどの内燃機関では、エンジンの排ガスによって過給機(ターボチャージャ)のタービンを回転駆動し、回転駆動したタービンにより回転される圧縮機によって給気密度を高めて、エンジンの出力向上を図っている。
しかしながら、このように過給機を取り付けて排気エネルギの有効利用を図ったとしても、エンジンの高負荷時(高出力時)などには排気エネルギが余剰となり、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、過給機に連結されて過給機により回転駆動される油圧ポンプで油圧を生成させ、この油圧を、内燃機関を駆動させる作動機器の駆動源として油圧機構に供給する過給機余剰動力回収装置が知られている(特許文献1)。
特許第6012810号公報
この過給機余剰動力回収装置の過給機では、コンプレッサとタービンとからなり、コンプレッサとタービンは回転シャフトで連結されている。エンジンの排気ガスによりタービンが回転駆動され、タービンによってコンプレッサが回転する。コンプレッサから延びる回転シャフトには、減速機が連結され、減速機には油圧ポンプが連結される。
このような構成において、回転シャフトは高速に回転するので、回転による回転シャフトの振動は極力抑制しなければならない。一般に、コンプレッサから減速機に延びる回転シャフトは軸受けで支持される。軸受けの近傍では回転シャフトの振動は抑制されるが、それ以外の部分では、抑制され難い。特に、回転シャフトは、タービン側の回転シャフトと減速機側の回転シャフトとの間をダイアフラムカップリングで接続するが、ダイアフラムカップリングでは、回転シャフトの振動を抑制することは難しい。
そこで、本発明は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置の過給機の回転するシャフトを減速機に接続する構造において、ダイアフラムカップリングとは異なる方式で、シャフトの振動を抑制することができる過給機余剰動力回収装置及びこの過給機余剰動力回収装置を用いた船舶を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとを備え、前記タービン及び前記コンプレッサの回転により前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する過給機と、
前記タービン及び前記コンプレッサの回転を伝達する、前記タービン及び前記コンプレッサから延びるシャフトによって回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記シャフトの回転数を減速して前記油圧ポンプに伝える減速機と、
前記油圧ポンプにより生成される油圧を用いて駆動する、前記内燃機関を作動させる作動機器と、を備え、
前記減速機と前記コンプレッサの間を結ぶ前記シャフトには、過給機側のシャフトと減速機側のシャフトを接続したスプライン継手が設けられ、
前記スプライン継手は、前記シャフトの軸受けの位置に設けられている、ことを特徴とする内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。
前記スプライン継手は、前記過給機側のシャフトの、シャフト軸方向への移動を許容するように構成されている、ことが好ましい。
前記スプライン継手に対して前記減速機の側のシャフトは、前記軸受けを支持点とする片持ち張り構造である、ことが好ましい。
前記コンプレッサと前記減速機の間には、前記回転シャフトが通過するサイレンサが設けられ、
前記スプライン継手は、前記サイレンサの領域あるいは前記サイレンサに対して前記減速機の側に位置している、ことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、前記内燃機関の過給機余剰動力回収装置が搭載され、
前記内燃機関は、船舶の推進用エンジンである船舶である。
上記過給機余剰動力回収装置及びこの装置を搭載した船舶によれば、内燃機関の過給機余剰動力回収装置の過給機の回転するシャフトを減速機に接続する構造において、ダイアフラムカップリングとは異なる方式で、シャフトの振動を抑制することができる。
本実施形態の過給機余剰動力回収装置の主な構成を示す図である。 本実施形態で用いる過給機の一例の外観斜視図である。 本実施形態で用いる過給機のシャフトの構造の一例を説明する図である。 本実施形態で用いる中間シャフトとピニオンシャフトの接続部分の例を説明する図である。 本実施形態のシャフトの接続部分におけるピニオンシャフトと中間シャフトの接続形態の例を示す図である。
本発明に係る内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶の一実施形態を詳細に説明する。
図1は、本実施形態の過給機余剰動力回収装置(以降、回収装置という)200の主な構成を示す図である。
回収装置200は、内燃機関1に付随して設けられる装置である。回収装置200は、過給機に連結されて過給機により回転駆動される油圧ポンプに油圧を生成させ、この油圧を、内燃機関を駆動させる作動機器(例えば排気弁や燃料噴射弁)の駆動源となる油圧として供給する。このような回収装置200の処理を排気エネルギ回収処理という。以下、回収装置200及び排気エネルギ回収処理を説明する。
(回収装置及び排気エネルギ回収処理)
回収装置200は、内燃機関1と、過給機5と、油圧ポンプ10と、油圧機構20と、コントローラ50と、油圧制御ユニット51と、を主に備える。
内燃機関1は、特に制限されないが、一例として、船舶に搭載される推進用の低速ディーゼルエンジン(動力源、内燃機関)が挙げられる。内燃機関1は、内燃機関1を駆動させるために必要な、例えば排気弁、燃料噴射弁等の作動機器が油圧を介して電子制御される電子制御機関である。内燃機関1には過給機5が設けられている。
過給機5は、内燃機関1の排ガスにより回転駆動されて内燃機関1の吸気管に過給された給気を内燃機関1に供給する。過給機5は、具体的には、コンプレッサ6とタービン7とを備える。コンプレッサ6とタービン7は、回転軸8で連結される。内燃機関1の排ガスによりタービン7が回転駆動され、タービン7によってコンプレッサ6が回転する。これにより内燃機関1の給気密度が高められ、エンジンの出力が向上する。
なお、過給機5は、必ずしもその段数が単段のものに限定されるものではない。また、内燃機関1は船舶用エンジンに限定されず、形式も低速ディーゼルエンジンに限定されるものではない。天然ガス、都市ガス等を燃料とするガスエンジン、他のすべての形式の電子制御機関が含まれる。
図1に示すように、過給機5の回転軸8に減速機9が連結され、減速機9に可変容量型の油圧ポンプ10が連結される。内燃機関1のクランク軸2の一端に減速機3が連結され、減速機3に可変容量型の機関駆動油圧ポンプ11が連結されている。
減速機3を設けずに機関駆動油圧ポンプ11を内燃機関1のクランク軸2に直結することもできる。また、上述の油圧ポンプ10及び機関駆動油圧ポンプ11は、図1においてはそれぞれ1台であるが、あくまでも一例であり、複数台としてもよい。
油圧ポンプ10と機関駆動油圧ポンプ11は、油圧機構20の中に組み込まれる。
油圧機構20は、内燃機関1の作動機器を含む油圧制御ユニット51に油圧を供給して作動機器を作動させて内燃機関1を駆動させる機構である。油圧機構20は、油路21,22,23,24,26,27と、第1逆止弁機構30と、第2逆止弁機構35と、電磁開閉弁機構44と、スタートアップ用油圧ポンプ53と、切換弁55と、を備える。
油圧機構20において、機関駆動油圧ポンプ11の一方の吐出口11aは油路21に接続され、第1逆止弁機構30、油路23を介して、内燃機関1の作動機器の油圧制御ユニット51に接続されて、機関駆動油圧ポンプ11は油圧を供給する。油路21,22,23により第1油路が形成される。機関駆動油圧ポンプ11の他方の吐出口11bは、油路24を介して油圧ポンプ10の一方の吐出口10bに接続される。
油圧ポンプ10は、過給機5に連結されて過給機5により回転駆動されて油圧を発生させる。油圧ポンプ10の他方の吐出口10aは油路26に接続され、第2逆止弁機構35、油路27、油路23をこの順に介して、内燃機関1の作動機器の油圧制御ユニット51に接続される。油圧ポンプ10は、油圧制御ユニット51に油圧を供給する。また、油路27から分岐する形で油路22、第1逆止弁機構30、油路21をこの順に介して、機関駆動油圧ポンプ11の一方の吐出口11aにも接続される。
なお、油圧ポンプ10の吐出口10a,10b、及び機関駆動油圧ポンプ11の吐出口11a,11bはいずれも吐出口としている。しかしながら、実際は、後述するように、作動状態によってその一方が油圧の吐出口となり、他方が油圧の取入口となるものであるが、本実施形態では、便宜上いずれも吐出口と呼ぶことにする。
第1逆止弁機構30は、コントローラ50の制御により第1逆止弁機構30内の図示されない電磁切替弁が切り替えられて、油路22から油路21、つまり油路22から機関駆動油圧ポンプ11への油圧の逆流を許容させる逆止解除機能を有する。
この逆止解除機能がOFFの場合には、第1逆止弁機構30は、機関駆動油圧ポンプ11から油路21を介して油圧制御ユニット51への油圧の供給を許容すると共に、油路22から機関駆動油圧ポンプ11への油圧の逆流を防止する通常の逆止機能が働く。
他方、この逆止解除機能がONの場合には、上述のように、第1逆止弁機構30は、油路22から機関駆動油圧ポンプ11への油圧の逆流を許容する。また、機関駆動油圧ポンプ11と第1逆止弁機構30との間にはアキュームレータが配設されてもよい。このアキュームレータは、海洋波、排気弁駆動、燃料噴射等に伴って発生する油圧変動を吸収する。
第2逆止弁機構35は、コントローラ50の制御により、油路27から油路26、つまり油路27から油圧ポンプ10への油圧の逆流を許容させる逆止解除機能を有する。
この逆止解除機能がOFFの場合には、第2逆止弁機構35は油圧ポンプ10から油路26を介して油圧制御ユニット51と第1逆止弁機構30への油圧の供給を許容すると共に、油路27から油路26、つまり油路27から油圧ポンプ10への油圧の逆流を防止する通常の逆止機能が働く。他方、この逆止解除機能がONの場合には、上述のように、第2逆止弁機構35は、油路27から油路26、つまり油路27から油圧ポンプ10への油圧の逆流を許容する。
油路26と油路24との間に電磁開閉弁機構44が配設され、電磁開閉弁機構44が開弁することにより、油路26の油圧を油路24へドレインさせて油路26の油圧を開放することができる。油路26、電磁開閉弁機構44、油路24によりドレイン機構が構成される。
スタートアップ用油圧ポンプ53は、電動機52に接続されている。スタートアップ用油圧ポンプ53は、内燃機関1のスタートアップ時に回転駆動されて、油圧を油圧制御ユニット51に供給する。
切換弁55は、油路23の作動油を作動油源へ戻すための弁である。なお、作動油源から油圧機構20への作動油の供給は、油路24から行われる。
コントローラ50は、作動機器を含む油圧制御ユニット51を電子制御し、内燃機関1の駆動を制御する部分である。コントトーラ50は、内燃機関1の負荷率の情報を取得し、センサにより例えば給気の吸い込み温度、過給機5の下流側の掃気圧等を検出し、後述するように、この検出した掃気圧及び吸い込み温度等と、内燃機関1の負荷率に応じて、油圧ポンプ10、機関駆動油圧ポンプ11、第1逆止弁機構30、第2逆止弁機構35、電磁切替弁機構44、さらには、後述する過給機5のタービン7へ送る排ガス流量を制御する制御弁等の作動を電気的に制御する。なお、コントローラ50が上述の負荷率、掃気圧及び吸い込み温度以外のパラメータを用いて油圧ポンプ10、機関駆動油圧ポンプ11、第1逆止弁機構30、第2逆止弁機構35、電磁切替弁機構44、制御弁等の作動を制御する場合もある。
油圧制御ユニット51は、内燃機関1の駆動のための排気弁、燃料噴射弁等の、油圧で作動する作動機器で構成され、これらの作動機器は、コントローラ50によって電子制御される。
(過給機)
図2は、過給機5の一例の外観斜視図である。過給機5は、コンプレッサ6、タービン7、減速機9、及び、サイレンサ60、を備える。タービン7には、排気管7aから排気ガスが入り、タービン7を回転させて、管7bから外気へ排気される。一方、コンプレッサ6では、外気からの吸気ガスを円環の外周部分6aから取り込み、コンプレッサ6で圧縮されたガスが、図示されない管から給気マニホールドへ供給される。サイレンサ60は、コンプレッサ6の発する音を抑制する。サイレンサ60に対してコンプレッサ6の反対側には、減速機9が設けられている。減速機9は、過給機5から延びる高速回転するシャフトの回転数を減速して油圧ポンプ10に伝える。
このような過給機5において、タービン7の回転翼とコンプレッサ6の回転翼を接続する1つの回転シャフトが設けられ、さらに、回転シャフトに、ダイアフラムカップリング等によって接続された中間シャフトが延びる。中間シャフトは、減速機9側のピニオンシャフトと接続される。
図3は、本実施形態で用いる過給機のシャフトの構造の一例を説明する図である。具体的には、図3は、本実施形態における中間シャフト100と減速機9及び油圧ポンプ10(油圧ポンプ10−1,10−2)の間の装置構成を説明する図である。図示されない回転シャフトと接続した中間シャフト100は、過給機5の内部を横切って、サイレンサ60の側壁においてピニオンシャフトと接続される。図3に示す例では、1つのピニオンシャフトに対して、減速機9のギアを介して2つの油圧ポンプ10−1,10−2が設けられている。
図4は、中間シャフト100とピニオンシャフト102の接続部分の例を説明する図である。ピニオンシャフト102は、減速機9の図示されないギアに接続されたシャフトであって、タービン7及びコンプレッサ6の回転によって回転駆動される。すなわち、中間シャフト100は、タービン7及びコンプレッサ6の回転を伝達する、タービン7及びコンプレッサ6の側から延びるシャフトである。油圧ポンプ10−1,10−2は、中間シャフト100の回転によって回転駆動されて油圧を発生する。
ここで、ピニオンシャフト102と中間シャフト100の接続部分106に、ベアリングを用いた軸受け104が設けられている。軸受け104は、ピニオンシャフト102の外周と接している。ピニオンスシャフト102は、中空シャフトであり、中空シャフトの空洞部分に中間シャフト100が挿入される構造になっている。したがって、ピニオンシャフト102と中間シャフト100が接する部分が、接続部分106であり、この接続部分106の軸方向の位置に軸受け104が設けられる。
図5は、接続部分106におけるピニオンシャフト102と中間シャフト100の接続形態の例を示す図である。中間シャフト100は、複数の歯がシャフトの外周に設けられたスプラインシャフトとなっており、ピニオンシャフト102の中空シャフトの内壁にはスプラインシャフトに対応する形状のスプライン穴が設けられ、スプラインシャフトとスプライン穴が回転方向においてかみ合うように構成されている。この接続部分106の回転方向では、回転トルクが減速機9の側に伝達されるが、シャフト軸方向では、中間シャフト100がピニオンシャフト102に対してすべり機能を有するようになっている。
すなわち、減速機9とコンプレッサ6の間を結ぶシャフトには、過給機5側の中間シャフト100と減速機9側のピニオンシャフト102を接続したスプライン継手の接続部分106が設けられ、スプライン継手の接続部分106は、シャフトの軸受け104の位置に設けられている。
このような構成を接続部分106は有するので、タービン7から延びる回転シャフトと接続された中間シャフト100が高速回転(例えば、10000rpm程度)による振動が生じても、ピニオンシャフト102と中間シャフト100の接続部分106に軸受け104が設けられているので、接続部分106の振動を抑えることができる。特に、中間シャフト100は、図示されない過給機軸側受けを支持点とし、減速機9のギアの側に向けて延びる片持ち梁構造であるので、振動が生じ易い構造であるが、接続部分106において、軸受け104で、中間シャフト100が支持されるので、中間シャフト100の側の振動を効率よく抑えることができる。ピニオンシャフト102と中間シャフト100とを安定して噛合させることができる。
特に、ピニオンシャフト102の中空シャフト内に中間シャフト100が挿入されることが、軸受け104とピニオンシャフト102が接してピニオンシャフト102を軸受け104が支持し、減速機9のギアと噛合するピニオンシャフト102がシャフト軸方向に移動しないように位置を固定することができる点から、好ましい。
また、スプライン継手の接続部分106では、中間シャフト100がすべり機能を有するように構成されている、すなわち過給機5側の中間シャフト100の、シャフト軸方向への移動を許容するように構成されているので、中間シャフト100がシャフト軸方向に変位する振動等が生じても、接続部分106でこの変位を吸収することができるので、ピニオンシャフト102に振動が伝達することは抑制される。また、設計寸法に対してシャフト寸法等に誤差があって、接続部分106における中間シャフト100の端の位置が目標とする設計位置に対してずれていても、ピニオンシャフト102の位置の精度はこの設計位置に対する位置ずれの影響を受けない。
スプライン継手である接続部分106は、サイレンサ60の領域に位置させることにより、ピニオンシャフト102を長くすることなく、減速機9のギアと噛合させることができるので、噛合位置における振動を抑制することができる。
このような過給機5を備えた、内燃機関の過給機余剰動力回収装置は、好適には船舶に搭載されることができる。この場合、内燃機関は、船舶の推進用エンジンであることが好ましい。過給機5の回転を伝達するシャフトの振動が上述したように抑制できるので、シャフト及び減速機9を介してタービン7から油圧ポンプ10に回転を安定して伝達することができるので、過給機余剰動力回収装置を安定して作動させることができる。
上述の過給機余剰動力回収装置及び船舶は一例にすぎず、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。
1 内燃機関
2 クランク軸
3 減速機
4 排ガス路
5 過給機
6 圧縮機
6a,7b 管
7 タービン
7a 排気管
8 回転軸
9 減速機
10 油圧ポンプ
10a,10b,11a,11b 吐出口
11 機関駆動油圧ポンプ
20 油圧機構
21,22,23,24,26,27 油路
30 第1逆止弁機構
44 電磁開閉弁機構
35 第2逆止弁機構
50 コントローラ
51 油圧制御ユニット
52 電動機
53 スタートアップ用油圧ポンプ
60 サイレンサ
100 中間シャフト
102 ピニオンシャフト
104 軸受け
106 接続部分200 過給機余剰動力回収装置

本発明の一態様は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとを備え、前記タービン及び前記コンプレッサの回転により過給された給気を前記内燃機関の吸気管に供給する過給機と、
前記タービン及び前記コンプレッサの回転を伝達する、前記タービン及び前記コンプレッサから延びるシャフトによって回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記シャフトの回転数を減速して前記油圧ポンプに伝える減速機と、
前記油圧ポンプにより生成される油圧を用いて駆動する、前記内燃機関を作動させる作動機器と、を備え、
前記減速機と前記コンプレッサの間を結ぶ前記シャフトには、過給機側のシャフトと減速機側のシャフトを接続したスプライン継手が設けられ、
前記スプライン継手は、前記シャフトの軸受けの位置に設けられ
前記スプライン継手は、前記過給機側のシャフトの、シャフト軸方向への移動を許容するように構成されている、ことを特徴とする内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。
本発明の他の一態様は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとを備え、前記タービン及び前記コンプレッサの回転により過給された給気を前記内燃機関の吸気管に供給する過給機と、
前記タービン及び前記コンプレッサの回転を伝達する、前記タービン及び前記コンプレッサから延びるシャフトによって回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記シャフトの回転数を減速して前記油圧ポンプに伝える減速機と、
前記油圧ポンプにより生成される油圧を用いて駆動する、前記内燃機関を作動させる作動機器と、を備え、
前記減速機と前記コンプレッサの間を結ぶ前記シャフトには、過給機側のシャフトと減速機側のシャフトを接続したスプライン継手が設けられ、
前記スプライン継手は、前記シャフトの軸受けの位置に設けられ、
前記コンプレッサと前記減速機の間には、前記回転シャフトが通過するサイレンサが設けられ、
前記スプライン継手は、前記サイレンサの領域に位置している、ことを特徴とする内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。
前記スプライン継手は、前記過給機側のシャフトの、シャフト軸方向への移動を許容するように構成されている、ことが好ましい。
前記スプライン継手に対して前記過給機側のシャフトは、片持ち張り構造である、ことが好ましい。

Claims (5)

  1. 油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
    前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとを備え、前記タービン及び前記コンプレッサの回転により過給された給気を前記内燃機関の吸気管に供給する過給機と、
    前記タービン及び前記コンプレッサの回転を伝達する、前記タービン及び前記コンプレッサから延びるシャフトによって回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
    前記シャフトの回転数を減速して前記油圧ポンプに伝える減速機と、
    前記油圧ポンプにより生成される油圧を用いて駆動する、前記内燃機関を作動させる作動機器と、を備え、
    前記減速機と前記コンプレッサの間を結ぶ前記シャフトには、過給機側のシャフトと減速機側のシャフトを接続したスプライン継手が設けられ、
    前記スプライン継手は、前記シャフトの軸受けの位置に設けられている、ことを特徴とする内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
  2. 前記スプライン継手は、前記過給機側のシャフトの、シャフト軸方向への移動を許容するように構成されている、請求項1に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
  3. 前記スプライン継手に対して前記過給機側のシャフトは、片持ち張り構造である、請求項1又は2に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
  4. 前記コンプレッサと前記減速機の間には、前記回転シャフトが通過するサイレンサが設けられ、
    前記スプライン継手は、前記サイレンサの領域に位置している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置が搭載され、
    前記内燃機関は、船舶の推進用エンジンである、ことを特徴とする船舶。

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