JP5145265B2

JP5145265B2 - 過給機

Info

Publication number: JP5145265B2
Application number: JP2009039690A
Authority: JP
Inventors: 啓一白石
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: JP2010196502A

Description

本発明は、舶用や発電用の大型ディーゼル機関等に適用される過給機に関するものである。

従来、内燃機関の燃焼用空気を圧縮し、密度の高い空気を燃焼室内へ強制的に送り込む過給機が知られており、例えば、舶用や発電用の大型ディーゼル機関においても広く使用されている。このような過給機は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機および圧縮機の駆動源となる過給機タービンが同軸とされ、ハウジング内に収納されて一体に回転する。なお、過給機タービンは、内燃機関の排気ガスが保有するエネルギーにより駆動される（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９−１８０１９８号公報

さて、上記特許文献１に開示された過給機では、ローター軸の両端を回転自在に支持する軸受に、機関の負荷によらず４０℃程度の温度の潤滑油が供給されるようになっている。しかしながら、過給機の回転数（より詳しくは、ローター軸の回転数）が低い低負荷運転領域では（すなわち、圧縮機（コンプレッサー）から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で約０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合には）、潤滑油の温度が４０℃程度では、潤滑油の粘性による影響が大きくなり、ローター軸と軸受との摩擦による機械的動力損失が増大して、機械効率が低下し、延いては内燃機関の燃費が悪くなり、内燃機関の信頼性が低下してしまうおそれがある。一般に、軸受の機械的損失を低減させるには、低粘度の油を供給することが有効であるが、過給機専用に低粘度の油供給系統を備える必要があり、コスト高となる。油の温度を上げると粘度を低下させることができるが、ローター軸が高回転で運転される場合には、軸受の温度が高くなりすぎて軸受の信頼性が低下する恐れがある。さらに、低粘度の油供給は、高回転におけるローター軸の安定した回転を困難にするので、通常は適正な粘度の油が選択される。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、回転数が高い高負荷運転領域の信頼性を確保しながら、回転数が低い低負荷運転領域におけるローター軸と軸受との摩擦による機械的動力損失を低減させることができ、機械効率を増加させることができる過給機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る過給機は、ハウジング内に収納した過給機タービンおよび圧縮機の軸部が連結され、前記ハウジング内の軸受台に設置した軸受が前記軸部を回転自在に支持するとともに、前記過給機タービンにより駆動される前記圧縮機が内燃機関の燃焼用空気を圧縮して燃焼室に供給する過給機であって、主潤滑油ポンプに連結されて前記軸受に潤滑油を供給する主潤滑油系統と、前記軸受台の底部に設けられて前記軸受を潤滑した後に落下する潤滑油を所定量だけ滞留させる油溜まりと、補助潤滑油ポンプに連結されて前記油溜まりに滞留している潤滑油を前記軸受に供給する補助潤滑油系統とを備え、前記軸部の回転数が低い低負荷運転領域で、かつ、前記ハウジング内の温度が所定値以下である場合に前記補助潤滑油ポンプが運転される。

本発明に係る過給機によれば、軸部の回転数が低い低負荷運転領域でも（すなわち、圧縮機から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で、例えば、０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合でも）、潤滑油の温度が所定値（例えば、７０℃程度）になるまで昇温されて、潤滑油の粘度が低下し、潤滑油の粘性による影響が小さくなるので、軸部と軸受との摩擦による機械的動力損失を低減させることができ、機械効率を向上させることができる。
また、潤滑油は軸部と軸受との摩擦によって暖められる（加熱される）ことになるので、潤滑油を暖める（昇温させる）ヒーター等の加熱手段を不要とすることができ、加熱手段で消費されるエネルギー損失をなくすことができる。

さらに、本発明に係る過給機によれば、軸部の回転数が低くなり、圧縮機から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で、例えば、０．２ＭＰａよりも低くなったら、補助潤滑油ポンプが自動起動されるようになっており、主潤滑油ポンプが停止した場合でも、軸受に対して補助潤滑油ポンプによる潤滑油の供給が可能になっている。
この結果、例えば、舶用ディーゼル機関の開放時等において、主潤滑油ポンプを停止してメンテナンス等の作業を実施する必要がある場合に、主潤滑油系統から過給機に対する潤滑油の供給が停止されても補助潤滑油系統から過給機の軸受に潤滑油を供給することができる。すなわち、機関室内の空気流入等に起因して過給機タービンの軸部が低速回転するような場合であっても、軸受に対して補助潤滑油系統から潤滑油を供給することができ、軸受損傷の発生を防止または抑制することができる。換言すれば、ディーゼル機関自体および／または過給機の解放整備を行う際、ハウジング内の軸部が低速回転する過給機において、潤滑油不足により軸受損傷が生じることを確実に防止または抑制することができる。

本発明に係る内燃機関は、軸部と軸受との摩擦による機械的動力損失を低減させることができ、機械効率を向上させることができる過給機を搭載している。

本発明に係る内燃機関によれば、燃焼室に供給される給気量が増大することとなるので、燃費および信頼性を向上させることができる。

本発明に係る過給機によれば、回転数が低い低負荷運転領域における軸部と軸受との摩擦による機械的動力損失を低減させることができ、機械効率を向上させることができるという効果を奏する。
また、本発明に係る過給機を搭載した内燃機関によれば、燃費および信頼性を向上させることができるという効果を奏する。

過給機の概要を示す構成図である。本発明に係る過給機の一実施形態を示す要部の断面図（図１の軸部断面）である。

以下、本発明に係る過給機の一実施形態について、図１および図２を参照しながら説明する。
図１に示す過給機１は、内燃機関の吸気系に設置されて燃焼用空気を圧縮し、内燃機関本来の吸気量を超える混合気を吸入・爆発させることにより、見かけの排気量を超える出力を得るための装置である。
過給機１は、過給機タービン２および圧縮機３の軸部（ローター軸）４が連結され、後述するハウジング５内に収納された過給機ローター（同軸に連結された過給機タービン２および圧縮機３の回転体）が一体に回転する。過給機タービン２は、内燃機関から排出される排気ガスを導入し、排気ガスのエネルギー（温度および圧力）を利用して高速回転する。この過給機タービン２は、同軸の圧縮機３を回転させる駆動源となる。

圧縮機３は、過給機タービン２を駆動源として回転し、内燃機関の燃焼用空気を吸引して圧縮する。この圧縮機３が圧縮した燃焼用空気は、内燃機関の吸気系を通って燃焼室に供給される。

図１は過給機１の概要を示す構成図であり、図２において過給機タービン２および圧縮機３を連結する軸部４の断面を示している。
図示の過給機１は、ハウジング５に設けた軸受台６の内部に軸部４が収納され、水平に配置されている。この軸部４は、ハウジング５の軸受台６に設置した軸受７によって回転自在に支持されている。すなわち、過給機タービン２と圧縮機３との中間部には軸受台６が設けられ、この軸受台６に設置した軸受７が軸部４を回転自在に支持している。

軸受台６の上方には、軸受７に供給するための潤滑油を溜めておく空間として、ヘッドタンク８が設けられている。このヘッドタンク８には、図示しない主潤滑油ポンプに連結されて主潤滑油系統を形成する主潤滑油配管９が接続されている。そして、ヘッドタンク８内には、ヘッドタンク８内の潤滑油を軸受７に導く潤滑油流路１０，１１が形成されている。すなわち、過給機１の運転時には主潤滑油ポンプも運転されるので、ヘッドタンク８内には潤滑油が満たされており、この潤滑油は、開口位置の高さが異なる潤滑油流路１０，１１を通って軸受７まで確実に供給されるようになっている。
ところで、過給機１の運転を停止した場合、主潤滑油ポンプの運転も停止される。しかし、過給機ローターはしばらくの間惰性で回転するため、主潤滑油ポンプの停止後においても、ヘッドタンク８内に溜まった潤滑油を有効に利用して軸受７を潤滑することが必要となる。したがって、高さが異なる潤滑油流路１０，１１を設けておき、ヘッドタンク８内の潤滑油残量が多い状態では、入口高さの高い潤滑油流路１０から全ての軸受７に潤滑油を供給し、ヘッドタンク８内の潤滑油残量が少ない状態では、入口高さの低い潤滑油流路１１から温度の高い過給機タービン２側の軸受７にのみ潤滑油を供給する。

軸受台６の下方には油溜まり１２となる空間が形成されており、軸受７を潤滑した後の潤滑油が自然落下することにより、常に所定量だけ滞留させておくことができるようになっている。この油溜まり１２には、図示しない主潤滑油ポンプに潤滑油を供給する潤滑油タンク（不図示）まで潤滑油を戻して回収する潤滑油回収配管１３が接続されている。この潤滑油回収配管１３は、油溜まり１２内に所定量の潤滑油を常に滞留させておくため、油溜まり底面１２ａから所定の油面高さを形成する位置に接続されている。すなわち、油溜まり１２は、底面１２ａから所定の高さを有する壁部１２ｂを有しているので、潤滑油回収配管１３は、壁部１２ｂの上端部に接続されている。
なお、図中の符号１４は、潤滑油を軸受７から油溜まり１２へ落下させる出口開口、符号１５は油溜まり１２の空気抜きである。

油溜まり１２には、主潤滑油ポンプの停止時に運転される補助潤滑油ポンプ２０が設けられている。この補助潤滑油ポンプ２０は、油溜まり１２の底面１２ａと略一致するように取り付けられている。そして、補助潤滑油ポンプ２０に連結され、油溜まり１２内の潤滑油をヘッドタンク８まで導く補助潤滑油配管２１が設けられている。この補助潤滑油配管２１の適所には、主潤滑油ポンプの運転時にヘッドタンク８から補助潤滑油ポンプ２０へ潤滑油が逆流することを防止する逆止弁２２が設けられている。

また、逆止弁２２の下流側に位置する補助潤滑油配管２１には、三方弁２３が設けられている。この三方弁２３は、例えば、制御装置２４によってその流路が切り換えられる電動式の三方弁であり、補助潤滑油ポンプ２０から送出（吐出）されてきた潤滑油は、補助潤滑油配管２１を介してヘッドタンク８に導かれるか、あるいは潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３の途中に導かれるようになっている。

ハウジング５の適所（本実施形態では頂部）には、ハウジング５内の温度を検出する温度センサ２６が設けられている。この温度センサ２６で検出した検出信号は、三方弁２３の流路を制御する制御装置２４に入力される。すなわち、ハウジング５内の温度が７０℃以下である場合には、補助潤滑油ポンプ２０から送出されてきた潤滑油を、補助潤滑油配管２１を介してヘッドタンク８に導く流路が開かれ、潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３に導く流路が閉じられる。また、ハウジング５内の温度が７０℃を超える場合には、補助潤滑油ポンプ２０から送出されてきた潤滑油を、潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３に導く流路が開かれ、補助潤滑油配管２１を介してヘッドタンク８に導く流路が閉じられる。

そして、過給機１の回転数（より詳しくは、軸部４の回転数）が高くなり（増加し）、圧縮機３から送出（吐出）される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）になったら、補助潤滑油ポンプ２０が自動停止される。
一方、過給機１の回転数が低くなり（低下し）、圧縮機３から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａよりも低くなったら、補助潤滑油ポンプ２０が自動起動される。このとき、ハウジング５内の温度が、例えば、７０℃以下である場合には、補助潤滑油ポンプ２０から送出されてきた潤滑油を、補助潤滑油配管２１を介してヘッドタンク８に導く流路が開かれ、潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３に導く流路が閉じられることになる。また、ハウジング５内の温度が、例えば、７０℃を超える場合には、補助潤滑油ポンプ２０から送出されてきた潤滑油を、潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３に導く流路が開かれ、補助潤滑油配管２１を介してヘッドタンク８に導く流路が閉じられることになる。

なお、圧縮機３から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力は、圧力スイッチ等の圧力センサ（図示せず）によって検出され、圧力センサで検出された圧力値等の検出信号は、補助潤滑油ポンプ２０のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御装置（図示せず）に入力される。
また、主潤滑油配管９の適所には、必要に応じて圧力計３２や温度計３３が設けられ、主潤滑油配管９内を流れる潤滑油の状況を目視で判断できるようになっている。

このように、上述した過給機１は、ハウジング５内に収納した過給機タービン２および圧縮機３の軸部４が連結され、ハウジング５内の軸受台６に設置した軸受７が軸部４を回転自在に支持するとともに、過給機タービン２により駆動される圧縮機３が内燃機関の燃焼用空気を圧縮して燃焼室に供給する装置である。そして、本発明に係る過給機１は、主潤滑油ポンプに連結されて軸受７に潤滑油を供給する主潤滑油系統と、軸受台６の底部に設けられて軸受７を潤滑した後に落下する潤滑油を所定量だけ滞留させる油溜まり１２と、補助潤滑油ポンプ２０に連結されて油溜まり１２に滞留している潤滑油を軸受７に供給する、または潤滑油配管２５を介して潤滑油回収配管１３に逃がす補助潤滑油系統とを備えている。

図示の過給機１における主潤滑油系統は、主潤滑油ポンプに連結された主潤滑油配管９と、ヘッドタンク８と、潤滑油流路１０，１１と、軸受７と、出口開口１４と、油溜まり１２と、潤滑油回収配管１３と、潤滑油タンクとにより形成される閉回路の潤滑油循環経路である。
また、図示の過給機１における補助潤滑油系統は、補助潤滑油ポンプ２０と、補助潤滑油配管２１、逆止弁２２と、三方弁２３と、潤滑油配管２５と、ヘッドタンク８と、潤滑油流路１１と、軸受７と、出口開口１４と、油溜まり１２とにより形成される閉回路の潤滑油循環経路である。

本実施形態に係る過給機１によれば、過給機１の回転数（より詳しくは、軸部４の回転数）が低い低負荷運転領域でも（すなわち、圧縮機３から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）よりも低い場合でも）、潤滑油の温度が例えば、７０℃になるまで昇温されて、潤滑油の粘度が低下し、潤滑油の粘性による影響が小さくなるので、軸部４と軸受７との摩擦による機械的動力損失を低減させることができ、機械効率を向上させることができる。
また、潤滑油は軸部４と軸受７との摩擦によって暖められる（加熱される）ことになるので、潤滑油を暖める（昇温させる）ヒーター等の加熱手段を不要とすることができ、加熱手段で消費されるエネルギー損失をなくすことができる。

さらに、本実施形態に係る過給機１によれば、過給機１の回転数が低くなり、圧縮機３から送出される空気の圧力、または内燃機関の燃焼室に供給される空気の圧力が絶対圧力で０．２ＭＰａよりも低くなったら、補助潤滑油ポンプ２０が自動起動されるようになっており、主潤滑油ポンプが停止した場合でも、軸受７に対して補助潤滑油ポンプ２０による潤滑油の供給が可能になっている。

この結果、例えば、舶用ディーゼル機関の開放時等において、主潤滑油ポンプを停止してメンテナンス等の作業を実施する必要がある場合に、主潤滑油系統から過給機１に対する潤滑油の供給が停止されても補助潤滑油系統から過給機１の軸受７に潤滑油を供給することができる。すなわち、機関室内の空気流入等に起因して過給機タービン２のローターが低速回転するような場合であっても、軸受７に対して補助潤滑油系統から潤滑油を供給することができ、軸受損傷の発生を防止または抑制することができる。換言すれば、ディーゼル機関自体および／または過給機１の解放整備を行う際、ハウジング５内の過給機ローターが低速回転する過給機１において、潤滑油不足により軸受損傷が生じることを確実に防止または抑制することができる。

そして、本実施形態に係る過給機１を搭載した内燃機関によれば、燃焼室に供給される給気量が増大することとなるので、燃費および信頼性を向上させることができる。

なお、上述した過給機１は、舶用の大型ディーゼル機関に限定されることはなく、発電用のディーゼル機関等を含む各種の内燃機関に適用可能である。
また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。

１過給機
２過給機タービン
３圧縮機
４軸部
５ハウジング
６軸受台
７軸受
１２油溜まり
２０補助潤滑油ポンプ

Claims

ハウジング内に収納した過給機タービンおよび圧縮機の軸部が連結され、前記ハウジング内の軸受台に設置した軸受が前記軸部を回転自在に支持するとともに、前記過給機タービンにより駆動される前記圧縮機が内燃機関の燃焼用空気を圧縮して燃焼室に供給する過給機であって、
主潤滑油ポンプに連結されて前記軸受に潤滑油を供給する主潤滑油系統と、
前記軸受台の底部に設けられて前記軸受を潤滑した後に落下する潤滑油を所定量だけ滞留させる油溜まりと、
補助潤滑油ポンプに連結されて前記油溜まりに滞留している潤滑油を前記軸受に供給する補助潤滑油系統とを備え、
前記軸部の回転数が低い低負荷運転領域で、かつ、前記ハウジング内の温度が所定値以下である場合に前記補助潤滑油ポンプが運転されることを特徴とする過給機。
請求項１に記載の過給機を備えていることを特徴とする内燃機関。