JP5665602B2 - 多段過給機構造 - Google Patents

Description

本発明は、高い供給圧力の圧縮空気を必要とする内燃機関に適用される多段過給機構造に関する。

従来、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過給機が広く用いられている。このような過給機において、内燃機関に供給する圧縮空気に高い圧力が要求される場合には、たとえば低圧段過給機及び高圧段過給機を直列に接続した２段過給機のように、複数段の圧縮を行って高圧を得るように構成された多段過給機を使用している。

上述した従来の２段過給機において、低圧段過給機は、たとえば船舶ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスの排熱で駆動される低圧排気タービンと、外気導入した空気を圧縮する低圧コンプレッサとがロータ軸により連結され、低圧排気タービンが排気ガスの供給を受けて発生させる出力で駆動される低圧コンプレッサにより第１段階の空気圧縮が行われる。
高圧段過給機は、内燃機関から排出される排気ガスの排熱で駆動される高圧排気タービンと、低圧段過給機から導入した圧縮空気（低圧圧縮空気）を加圧して昇圧させる高圧コンプレッサとがロータ軸により連結され、高圧排気タービンが排気ガスの供給を受けて発生させる出力で駆動される高圧コンプレッサにより第２段階の空気圧縮が行われる。

このように、２段過給機は、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとが直列に接続された構成とされ、高圧コンプレッサで昇圧した圧縮空気（高圧圧縮空気）が、内燃機関の燃焼用空気として燃焼室に供給される。
また、低圧段過給気及び高圧段過給機の２段の過給機を有するエンジンにおいては、エンジンが低中速及び高負荷領域の給気圧を上昇させて、燃焼性能を向上させるとともに、エンジン出力を増加させる技術が下記の特許文献１に開示されている。

特開平８−２８２８７号公報

ところで、上述した従来の２段過給機は、低圧段過給機と高圧段過給機とが直列に接続された構成とされるが、高圧段過給機では、羽根車背面の圧力を低下させてスラスト力を調整するため、羽根車背面部から圧縮空気の一部を放風させている。しかし、このような放風は、せっかく圧縮した空気を大気に捨てるものであるから、過給機効率を低下させる原因となり好ましくない。このような過給機高率の低下は、２段以上の多段過給機においても同様である。
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、高圧段過給機で放風される圧縮空気を有効利用することにより、２段以上の多段過給機における過給機効率の低下を防止することにある。

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。
本発明の多段過給機構造は、内燃機関から排出される排熱を利用して駆動される排気タービンと同軸のコンプレッサで空気を圧縮する過給機が、中間冷却器を介して、前記コンプレッサを直列に接続して順次昇圧させるよう複数段設けられ、かつ、高圧段側の前記コンプレッサで圧縮空気の一部を放風してスラスト力の調整を行うように構成された多段過給機構造であって、前記高圧段側のコンプレッサから放風される圧縮空気を低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口に導いて合流させる放風戻し流路を設けたことを特徴とするものである。

このような多段過給機構造によれば、高圧段側のコンプレッサから放風される圧縮空気を低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口に導いて合流させる放風戻し流路を設けたので、大気に捨てられていた圧縮空気の放風分を低圧段側に回収して利用できるようになる。すなわち、高圧段側のコンプレッサで圧縮した圧縮空気を大気に捨てる放風空気がなくなるので、過給機の総合効率向上が可能となる。

この場合、前記高圧段側のコンプレッサから放風される圧縮空気を前記低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口と前記中間冷却器の間に導いて合流させるのが望ましい。

このような多段過給機構造によれば、高圧コンプレッサから放風される圧縮空気は、低圧コンプレッサで圧縮された圧縮空気と同様に温度上昇しているので、中間冷却器の上流側に合流させて冷却後に戻すことができる。よって、過給機効率を向上させることができる。

上述した本発明によれば、高圧段の過給機でスラスト力調整に使用される圧縮空気の放風を放風戻し流路によって回収するので、高圧段側の過給機で放風される圧縮空気を有効利用できるようになり、多段過給機の過給機総合効率を向上させることが可能になる。

本発明に係る多段過給機の一実施形態として、２段過給機の構成例を示す断面図である。

以下、本発明に係る多段過給機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の多段過給機は、たとえば舶用ディーゼルエンジン等の内燃機関に搭載される低圧段過給機１Ｌ及び高圧段圧縮機１Ｈよりなる２段過給機ＴＣである。この２段過給機ＴＣは、低圧段過給機１Ｌ及び高圧段圧縮機１Ｈのコンプレッサが圧縮空気流路４０を介して直列に連結されており、低圧段過給機１Ｌが外気を吸入して第１段圧縮を行った後、高圧段圧縮機１Ｈが低圧段過給機１Ｌから供給される圧縮空気の第２段圧縮を行って昇圧させるように構成されている。
なお、圧縮空気流路４０には、低圧段過給機１Ｌから高圧段過給機１Ｈへ供給する圧縮空気を冷却するため、中間冷却器５０が設けられている。

この２段過給機ＴＣにおいて、低圧段過給機１Ｌは、内燃機関から排出される排気ガスの排熱で駆動される低圧排気タービン１０Ｌと、外気導入した空気を圧縮する低圧コンプレッサ２０Ｌとがロータ軸３０Ｌにより連結されている。
図示の低圧排気タービン１０Ｌは、低圧コンプレッサ２０Ｌ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３０Ｌを介して同軸に連結された低圧コンプレッサ２０Ｌを駆動する軸流式のタービンである。この低圧排気タービン１０Ｌは、ロータディスク１１を収納するとともに、排気ガス流路１２を形成するように構成されたケーシング１３を備えている。なお、ケーシング１３の外周面は、必要に応じて断熱材１４により被覆されている。

ロータディスク１１はロータ軸３０Ｌ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１１ａが取り付けられている。
排気ガス流路１２は、排気ガス入口１２ａからタービンノズル１２ｂを経由して排ガス出口１２ｃに至る流路である。従って、排気ガス入口１２ａから排気ガス流路１２内に導入された高温の排気ガスは、タービンノズル１２ｂから噴出してタービン動翼１１aを通過する際に膨張し、ロータディスク１１及びロータ軸３０Ｌを回転させた後に排気ガス出口１２ｃから流出する。なお、排気ガス出口１２ｃ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。

低圧コンプレッサ２０Ｌは、ロータ軸３０Ｌを介して同軸に連結された排気タービン１０Ｌを駆動源とし、吸入した外気を圧縮して高圧段過給機１Ｈに供給する遠心圧縮機である。この低圧コンプレッサ２０Ｌは、羽根車２１を収納するとともに空気流路２２を形成するケーシング２３を備えている。なお、ケーシング２３の外周面は、必要に応じて断熱材２４により被覆されている。

空気流路２２は、空気入口２２ａから羽根車２１を経由して空気出口２２ｂに至る流路である。従って、羽根車２１の回転により外気が空気入口２２ａから空気流路２２内に導入され、大気圧の外気は、羽根車２１を通過する際に圧縮されて圧縮空気となり、空気出口２２ｂから圧縮空気流路４０へ流出する。

高圧段過給機１Ｈは、内燃機関から排出される排気ガスの排熱で駆動される高圧排気タービン１０Ｈと、低圧段過給機１Ｌから導入した圧縮空気を再度圧縮して昇圧させる低圧コンプレッサ２０Ｈとがロータ軸３０Ｈにより連結されている。
図示の高圧排気タービン１０Ｈは、高圧コンプレッサ２０Ｈを回転させて外気を高密度に圧縮して昇圧させるため、排気ガスが膨張して得られる軸出力により、ロータ軸３０Ｈを介して連結された高圧コンプレッサ２０Ｈを駆動するラジアルタービンである。この高圧排気タービン１０Ｈは、羽根車１１Ｈを収納するとともに、排気ガス流路１２Ｈを形成するように構成されたケーシング１３Ｈを備えている。なお、ケーシング１３Ｈの外周面は、必要に応じて断熱材１４により被覆されている。

羽根車１１Ｈは、ロータ軸３０Ｈに固定されている。
排気ガス流路１２Ｈは、排気ガス入口（不図示）から羽根車１１Ｈを経由して排ガス出口（不図示）に至る流路であり、排気ガス入口から排気ガス流路１２内に導入された高温の排気ガスは、羽根車１１Ｈを通過する際に膨張してロータ軸３０Ｈを回転させた後、排気ガス出口から流出する。なお、排気ガス出口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。

高圧コンプレッサ２０Ｈは、ロータ軸３０Ｈを介して同軸に連結された排気タービン１０Ｈを駆動源とし、吸入した圧縮空気を圧縮して昇圧させて内燃機関に供給する遠心圧縮機である。この高圧コンプレッサ２０Ｈは、羽根車２１を収納するとともに空気流路２２を形成するケーシング２３を備えている。

空気流路２２は、空気入口２２ａから羽根車２１を経由して空気出口２２ｂに至る流路である。従って、羽根車２１の回転により空気入口２２ａから空気流路２２内に導入された圧縮空気は、羽根車２１を通過する際に再度圧縮されて昇圧した圧縮空気となり、空気出口２２ｂから内燃機関へ流出する。

すなわち、本実施形態の多段過給機は、内燃機関から排出される排気ガスの排熱を利用して駆動される排気タービン（低圧排気タービン１０Ｌ，高圧排気タービン１０Ｈ）と同軸（ロータ軸３０Ｌ，３０Ｈ）のコンプレッサ（低圧コンプレッサ２０Ｌ，高圧コンプレッサ２０Ｈ）で空気を圧縮する２段過給機ＴＣであり、低圧コンプレッサ２０Ｌ及び高圧コンプレッサ２０Ｈを直列に接続して順次昇圧させるように構成されている。

そして、２段過給機ＴＣの高圧コンプレッサ２０Ｈにおいては、圧縮空気の一部を放風してスラスト力の調整を行うように構成されている。
この放風は、高圧コンプレッサ２０Ｈで圧縮した圧縮空気の一部をケーシング２３の外部、すなわち、空気流路２２の外部へ流出させることにより、羽根車２１の背面圧力を低下させてロータ軸３０Ｈに作用するスラスト力を調整するものである。なお、スラスト力の調整は、羽根車２１の背面側（高圧排気タービン１０Ｈ側）の適所に設けた放風出口径（オリフィス径）を適宜設定し、圧縮空気の放風量を最適化することにより行われる。

さて、本実施形態の２段過給機ＴＣには、上述した高圧コンプレッサ２０Ｈの放風を有効利用するため、高圧コンプレッサ２０Ｈから放風される圧縮空気を低圧コンプレッサ２０Ｌの出口圧縮空気出口に導いて合流させる放風戻し流路６０が設けられている。この放風戻し流路６０は、ケーシング２３に設けた放風出口２５と圧縮空気流路４０との間を連結した圧縮空気流路である。なお、高圧コンプレッサ２０Ｈから放風される圧縮空気は、低圧コンプレッサ２０Ｌで圧縮された圧縮空気と同様に温度上昇しているので、低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口と前記中間冷却器の間に導いて合流させて冷却後に戻すことが望ましい。よって、過給機効率を向上させることができる。

このように、スラスト力調整に使用した放風を高圧コンプレッサ２０Ｈの上流側へ戻すことにより、放風した圧縮空気を再度高圧段過給機１Ｈに導入して昇圧させることができるので、高圧段過給機１Ｈから大気への放風量をなくすことができる。すなわち、高圧コンプレッサ２０Ｈで昇圧された圧縮空気は、その一部が放風されてスラスト力の調整に使用されるものの、この放風の全量を回収することにより、２段過給機ＴＣの過給機総合効率が低下することを防止できる。特に、高圧段から回収される放風は圧力が高いため、回収するエネルギー量も大きくなる。
なお、低圧段過給機１Ｌにおいても、放風によるスラスト力の調整を行うが、この場合の放風は大気に放出される。

換言すれば、放風戻し流路６０を設けることにより、高圧段過給機１Ｈのロータ軸３０Ｈに取り付けられた羽根車２１の背面放風空気を、低圧段過給機１Ｌの空気出口２２ｂから圧縮空気流路４０に流入する圧縮空気と合流させるようにしたので、高圧段過給機１Ｈから大気に捨てられていた圧縮空気の放風分を低圧段過給機１Ｌ側に回収して有効利用できるようになる。この結果、高圧段過給機１Ｈ側の高圧コンプレッサ２０Ｈで圧縮した圧縮空気を大気に捨てる放風空気がなくなるので、２段過給機ＴＣ全体としての過給機総合効率を向上させることができる。

ところで、上述した実施形態では、低圧段過給機１Ｌ及び高圧段圧縮機１Ｈよりなる２段過給機ＴＣについて説明したが、３段圧縮以上の複数段（多段）圧縮を行う多段過給機においても、高圧段側から低圧段側へ放風を戻して合流させる放風戻し流路を設けることで、多段過給機の過給機総合効率を向上させることができる。
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。

１Ｌ 低圧段過給機
１Ｈ 高圧段過給機
１０Ｌ 低圧排気タービン
１０Ｈ 高圧排気タービン
１１ ロータディスク
１１Ｈ，２１ 羽根車
１２，１２Ｈ 排気ガス流路
１３，１３Ｈ，２３ ケーシング
２０Ｌ 低圧コンプレッサ
２０Ｈ 高圧コンプレッサ
２２ 空気流路
２５ 放風出口
３０Ｌ，３０Ｈ ロータ軸
４０ 圧縮空気流路
５０ 中間冷却器
６０ 放風戻し流路
ＴＣ ２段過給機

Claims (2)

1. 内燃機関から排出される排熱を利用して駆動される排気タービンと同軸のコンプレッサで空気を圧縮する過給機が、中間冷却器を介して、前記コンプレッサを直列に接続して順次昇圧させるよう複数段設けられ、かつ、高圧段側の前記コンプレッサで圧縮空気の一部を放風してスラスト力の調整を行うように構成された多段過給機構造であって、
   前記高圧段側のコンプレッサから放風される圧縮空気を低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口に導いて合流させる放風戻し流路を設けたことを特徴とする多段過給機構造。
2. 前記高圧段側のコンプレッサから放風される圧縮空気を前記低圧段側のコンプレッサ圧縮空気出口と前記中間冷却器の間に導いて合流させることを特徴とする請求項１に記載の多段過給機構造。
   

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