JP5886188B2 - Supercharger surplus power recovery device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、過給機を備えた内燃機関の過給機余剰動力回収装置に関する。 The present invention relates to a supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine equipped with a supercharger.
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、過給機(ターボチャージャ)により、エンジンの排気ガスによってそのタービンを回転駆動し、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。 Conventionally, in an internal combustion engine such as a diesel engine or a gas engine, a turbocharger is used to rotationally drive the turbine by the exhaust gas of the engine, and the supply air density is increased by a compressor rotated by the turbine. The output is improved.
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。 However, even if the turbocharger is attached in this way to effectively use the exhaust energy, the exhaust energy becomes surplus when the engine is under a high load, and it is necessary to use this surplus exhaust energy without waste. There is a strong demand not only for improvement but also for environmental protection.
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、例えば、過給機の圧縮機側にクラッチを介して発電機を連結し、この発電機を過給機によって回転駆動させて発電を行なうものがある(例えば、特許文献1及び2参照)。この場合には、エンジンの余剰排気エネルギを直接電気エネルギに変換し、それを船内設備等に利用している。 In order to effectively use surplus exhaust energy of the engine, for example, a generator is connected to the compressor side of the supercharger via a clutch, and the generator is rotated by the supercharger to generate power. (For example, see Patent Documents 1 and 2). In this case, surplus exhaust energy of the engine is directly converted into electric energy, which is used for inboard equipment or the like.
しかしながら、このように過給機に発電機を連結して電気エネルギとして利用するだけでは、船内消費電力が少ない場合などには、エンジンの排気エネルギを充分に利用しているとは言えず、エンジンの余剰排気エネルギをすべて有効利用することが、燃費向上のみならず環境保護の面からも急務になっている。 However, simply connecting the generator to the turbocharger and using it as electric energy does not mean that the exhaust energy of the engine is fully utilized when the power consumption on the ship is low, etc. It is an urgent task to effectively use all the excess exhaust energy from the viewpoint of environmental protection as well as improving fuel efficiency.
このエンジンの余剰排気エネルギをほぼすべて有効利用することができるものとして、内燃機関の過給機に変速機を介して油圧ポンプを連結し、過給機によって油圧ポンプを回転駆動させて、油圧より余剰排気エネルギを回収するシステムが開示されている(例えば、特許文献3及び4参照)。 Assuming that almost all of the surplus exhaust energy of this engine can be used effectively, a hydraulic pump is connected to the supercharger of the internal combustion engine via a transmission, and the hydraulic pump is driven to rotate by the supercharger. A system for recovering excess exhaust energy has been disclosed (see, for example, Patent Documents 3 and 4).
特に、特許文献3には、内燃機関のクランク軸に油圧ポンプを連結し、この油圧ポンプと過給機に連結された油圧ポンプとを油路より接続し、内燃機関の低負荷時に、クランク軸に連結した油圧ポンプが発生した油圧により過給機側の油圧ポンプを油圧モータとして作動させて回転駆動し、過給機の過給能力を高める発明が記載されている。 In particular, in Patent Document 3, a hydraulic pump is connected to a crankshaft of an internal combustion engine, and the hydraulic pump and a hydraulic pump connected to a supercharger are connected from an oil passage. An invention is described in which the supercharger's supercharging capability is increased by operating the supercharger's hydraulic pump as a hydraulic motor to rotate by the hydraulic pressure generated by the hydraulic pump connected to the turbocharger.
ここで、上述の特許文献3に記載された、内燃機関のクランク軸にさらに油圧ポンプを連結し、この油圧ポンプと過給機に連結された油圧ポンプとを油路より接続し、内燃機関の低負荷時に、クランク軸に連結した油圧ポンプが発生した油圧により過給機側の油圧ポンプを油圧モータとして作動させて回転駆動し、過給機の過給能力を高める発明においては、2つの油圧ポンプによってこの2つの油圧ポンプ間の油圧流量を制御し、それにより過給機側の油圧ポンプの回転数制御を行なうために、クランク軸側又は過給機側の油圧ポ
ンプの少なくとも一方を可変容量型ポンプとする必要がある。
Here, a hydraulic pump is further connected to the crankshaft of the internal combustion engine described in Patent Document 3 described above, and the hydraulic pump and the hydraulic pump connected to the supercharger are connected from an oil passage to In the invention of increasing the supercharging capability of the supercharger by operating the supercharger side hydraulic pump as a hydraulic motor to rotate by the hydraulic pressure generated by the hydraulic pump connected to the crankshaft at low load, In order to control the hydraulic flow rate between the two hydraulic pumps by the pump and thereby control the rotational speed of the hydraulic pump on the supercharger side, at least one of the hydraulic pump on the crankshaft side or the supercharger side has a variable capacity It is necessary to use a mold pump.
しかしながら、この可変容量型油圧ポンプは、油圧を発生させるためのポンプ本体以外に、油圧の吐出量を変化させるための可変機構部が一体に組み込まれている。したがって、可変容量型油圧ポンプは、固定容量型ポンプと比べてその大きさが極めて大きくなり、また重量も極めて重くなる。例えば、その重量が固定容量型ポンプの2.5倍になる場合もある。 However, in this variable displacement hydraulic pump, in addition to the pump body for generating hydraulic pressure, a variable mechanism for changing the discharge amount of hydraulic pressure is integrated. Therefore, the variable displacement hydraulic pump is extremely large and heavy as compared with the fixed displacement pump. For example, the weight may be 2.5 times that of a fixed displacement pump.
特に、上述の特許文献3に記載された発明においては、一方の油圧ポンプは内燃機関のクランク軸に機械的に連結され、他方の油圧ポンプは内燃機関の過給機に変速機を介して機械的に連結されているから、どちらの油圧ポンプを可変容量型油圧ポンプにするにしても、多数の補機類などが錯綜する内燃機関の周りにおいてその配置が極めて困難になり、かつ上記のように総重量が極めて重くなるという問題がある。また、油圧ポンプを可変容量型とする場合、その可変機構部も吐出量に見合った大きさとなり、油圧ポンプは極めて高価なものとなる。 In particular, in the invention described in Patent Document 3 described above, one hydraulic pump is mechanically connected to the crankshaft of the internal combustion engine, and the other hydraulic pump is mechanically connected to the supercharger of the internal combustion engine via a transmission. Therefore, no matter which hydraulic pump is used as a variable displacement hydraulic pump, it is extremely difficult to arrange it around an internal combustion engine in which a large number of auxiliary machines are complicated, and as described above. There is a problem that the total weight becomes extremely heavy. Further, when the hydraulic pump is of a variable displacement type, the variable mechanism portion also has a size corresponding to the discharge amount, and the hydraulic pump becomes extremely expensive.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、内燃機関周りにおいて油圧ポンプの配置が極めて容易になり、しかも大幅な重量軽減を図ることができ、さらに装置の製造コスト低減を図ることができる、内燃機関の過給機余剰動力回収装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and it is very easy to dispose the hydraulic pump around the internal combustion engine. In addition, the weight can be greatly reduced, and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced. An object is to provide a supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine.
上述の課題を解決するために、本発明の内燃機関の過給機余剰動力回収装置は、内燃機関の排気ガスにより回転駆動されて内燃機関の給気を過給する過給機と、過給機の回転軸に連結されて過給機と共に回転する固定容量型の第1の油圧ポンプと、内燃機関のクランク軸に連結されてクランク軸と共に回転する固定容量型の第2の油圧ポンプと、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとを繋ぐ油圧回路と、この油圧回路に配設されて第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとの間の相互の油圧の流量調整を行なう可変容量型の第3の油圧ポンプと、第3の油圧ポンプの回転軸に連結されて第3の油圧ポンプと共に回転する電動モータとを備えたことにある。 In order to solve the above-described problem, a supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine according to the present invention is provided with a supercharger that is rotationally driven by the exhaust gas of the internal combustion engine and supercharges the supply air of the internal combustion engine, A fixed displacement first hydraulic pump connected to the rotating shaft of the engine and rotating together with the supercharger; a fixed displacement second hydraulic pump connected to the crankshaft of the internal combustion engine and rotating together with the crankshaft; A hydraulic circuit that connects the first hydraulic pump and the second hydraulic pump, and a variable that is disposed in the hydraulic circuit and adjusts the flow rate of the hydraulic pressure between the first hydraulic pump and the second hydraulic pump. A displacement-type third hydraulic pump and an electric motor connected to the rotation shaft of the third hydraulic pump and rotating together with the third hydraulic pump are provided.
このように、過給機の回転軸に連結された第1の油圧ポンプと、内燃機関のクランク軸に連結された第2の油圧ポンプとを固定容量型とすることにより、第1の油圧ポンプ及び第2の油圧ポンプを小型化することができ、内燃機関周りにおいて油圧ポンプの配置が極めて容易になり、しかも大幅な重量軽減が図れる。第1の油圧ポンプ及び第2の油圧ポンプを固定容量型としたことにより、第1の油圧ポンプ及び第2の油圧ポンプが安価なものとなり、装置の製造コスト低減を図ることができる。 In this way, the first hydraulic pump connected to the rotating shaft of the supercharger and the second hydraulic pump connected to the crankshaft of the internal combustion engine are fixed displacement type, so that the first hydraulic pump In addition, the second hydraulic pump can be reduced in size, and the arrangement of the hydraulic pump around the internal combustion engine becomes extremely easy, and the weight can be significantly reduced. Since the first hydraulic pump and the second hydraulic pump are fixed capacity type, the first hydraulic pump and the second hydraulic pump are inexpensive, and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced.
また、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとの間の相互の油圧の流量調整は、第1の油圧ポンプ及び第2の油圧ポンプとは別の、可変容量型からなる第3の油圧ポンプにより行なわれる。この第3の油圧ポンプの役割は、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとの間の相互の油圧の流量調整であるから、小型の可変容量型油圧ポンプでよい。したがって、コスト的にも極めて有利になる。さらに、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとは油圧回路、つまり油圧配管のみにより接続されているから、第3の油圧ポンプについては配置の自由度が極めて高く、内燃機関周りにおいて補機類などの取りまわしが容易になる。 In addition, the flow rate adjustment of the mutual hydraulic pressure between the first hydraulic pump and the second hydraulic pump is a third hydraulic pressure variable type that is different from the first hydraulic pump and the second hydraulic pump. Performed by a pump. Since the role of the third hydraulic pump is to adjust the flow rate of the hydraulic pressure between the first hydraulic pump and the second hydraulic pump, a small variable displacement hydraulic pump may be used. Therefore, it is very advantageous in terms of cost. Furthermore, since the first hydraulic pump and the second hydraulic pump are connected only by a hydraulic circuit, that is, hydraulic piping, the third hydraulic pump has a very high degree of freedom in arrangement, and the auxiliary machine around the internal combustion engine. This makes it easier to handle such items.
これに加えて、第3の油圧ポンプの回転軸に連結されて第3の油圧ポンプと共に回転する電動モータを備えるから、第3の油圧ポンプにより油路の油圧の流量を増加させる必要があるときは、この電動モータにより第3の油圧ポンプを回転駆動させて油圧の流量を増加させることができる。また、油圧の流量を減少させる必要があるときは、この電動モー
タを発電機として作動させて、過給機の余剰動力を電力として回収することができる。
In addition to this, since an electric motor connected to the rotation shaft of the third hydraulic pump and rotating together with the third hydraulic pump is provided, it is necessary to increase the hydraulic flow rate of the oil passage by the third hydraulic pump. Can increase the flow rate of hydraulic pressure by rotating the third hydraulic pump by this electric motor. Further, when it is necessary to reduce the flow rate of the hydraulic pressure, the electric motor can be operated as a generator, and surplus power of the supercharger can be recovered as electric power.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、第3の油圧ポンプの容量可変部に接続されて第3の油圧ポンプの容量を変化させるコントローラをさらに備え、コントローラは、内燃機関の各負荷に応じて第3の油圧ポンプの容量を変化させることが望ましい。 The supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine further includes a controller that is connected to a capacity variable portion of the third hydraulic pump and changes the capacity of the third hydraulic pump, and the controller is provided for each load of the internal combustion engine. Accordingly, it is desirable to change the capacity of the third hydraulic pump.
このように、第3の油圧ポンプの容量可変部に接続されるコントローラが、内燃機関の負荷に応じて第3の油圧ポンプの容量を変化させることにより、常に変化する内燃機関の負荷に応じて、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとの間の相互の油圧の流量調整を最適に行なうことができる。 In this way, the controller connected to the displacement variable section of the third hydraulic pump changes the displacement of the third hydraulic pump in accordance with the load of the internal combustion engine, so that it constantly changes according to the load of the internal combustion engine. The mutual hydraulic flow rate adjustment between the first hydraulic pump and the second hydraulic pump can be optimally performed.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、コントローラは、内燃機関の低負荷時には第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプが共働して第1の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることが望ましい。 In the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the controller is configured to rotate the first hydraulic pump so that the second hydraulic pump and the third hydraulic pump work together when the internal combustion engine has a low load. It is desirable to change the capacity of the hydraulic pump 3.
このように、内燃機関の低負荷時には第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプが共働して第1の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることにより、排気ガスエネルギが不足する低負荷時においては、この第1の油圧ポンプと連結された過給機の回転力が加勢され、内燃機関に対して最適な過給を行なうことができるようになる。このとき、第1の油圧ポンプは油圧モータとして作動し、第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプは油圧ポンプとして作動している。 In this way, by changing the capacity of the third hydraulic pump so that the second hydraulic pump and the third hydraulic pump work together to rotate the first hydraulic pump when the internal combustion engine is under a low load, When the exhaust gas energy is insufficient and the load is low, the rotational force of the supercharger connected to the first hydraulic pump is applied, and the internal combustion engine can be optimally supercharged. At this time, the first hydraulic pump operates as a hydraulic motor, and the second hydraulic pump and the third hydraulic pump operate as a hydraulic pump.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、コントローラは、内燃機関の中負荷時から常用負荷運転近傍までは第1の油圧ポンプと第3の油圧ポンプが共働して第2の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることが望ましい。 In the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the controller is configured such that the first hydraulic pump and the third hydraulic pump work together from the middle load of the internal combustion engine to the vicinity of the normal load operation. It is desirable to change the capacity of the third hydraulic pump so as to rotate.
このように、コントローラが、内燃機関の中負荷時から常用負荷運転近傍までは第1の油圧ポンプと第3の油圧ポンプが共働して、第2の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることにより、排気ガスエネルギに余剰が生じ始める中負荷時以上の負荷において、第2の油圧ポンプの回転力を上昇させて、内燃機関のクランク軸に対して加勢を行なうことができ、燃費を向上させることができる。このとき、第1の油圧ポンプと第3の油圧ポンプは油圧ポンプとして作動し、第2の油圧ポンプは油圧モータとして作動している。 In this way, the third hydraulic pump is driven so that the first hydraulic pump and the third hydraulic pump work together to rotate the second hydraulic pump from the middle load of the internal combustion engine to the vicinity of the normal load operation. By changing the capacity of the hydraulic pump, the rotational force of the second hydraulic pump is increased to increase the rotational force of the second hydraulic pump at a load higher than the middle load when surplus exhaust gas energy starts to be generated. This can be done and fuel consumption can be improved. At this time, the first hydraulic pump and the third hydraulic pump operate as a hydraulic pump, and the second hydraulic pump operates as a hydraulic motor.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、コントローラは、内燃機関の常用負荷運転近傍から定格負荷運転までは第1の油圧ポンプが第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることが望ましい。 In the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the controller causes the first hydraulic pump to rotationally drive the second hydraulic pump and the third hydraulic pump from near the normal load operation to the rated load operation of the internal combustion engine. Thus, it is desirable to change the capacity of the third hydraulic pump.
このように、コントローラが、内燃機関の常用負荷運転近傍から定格負荷運転までは、第1の油圧ポンプが第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプを回転駆動させるように第3の油圧ポンプの容量を変化させることにより、過給機に対する排気ガスエネルギがさらに余剰となる常用負荷運転近傍から定格負荷運転までについて、第3の油圧ポンプにより電動モータを回転駆動させて電動モータによる発電を行なうことができると共に、内燃機関のクランク軸に対して加勢を行なうことができ、燃費を向上させることができる。このように、過給機の余剰動力を最適に回収することができる。このとき、第1の油圧ポンプは油圧ポンプとして作動し、第2の油圧ポンプと第3の油圧ポンプは油圧モータとして作動している。 In this way, from the vicinity of the normal load operation of the internal combustion engine to the rated load operation, the controller causes the first hydraulic pump to rotate the second hydraulic pump and the third hydraulic pump. By changing the capacity, the electric motor is rotated by the third hydraulic pump to generate power by the electric motor from the vicinity of the normal load operation where the exhaust gas energy to the turbocharger becomes surplus to the rated load operation. In addition, it is possible to urge the crankshaft of the internal combustion engine and improve fuel efficiency. Thus, the surplus power of the supercharger can be recovered optimally. At this time, the first hydraulic pump operates as a hydraulic pump, and the second hydraulic pump and the third hydraulic pump operate as a hydraulic motor.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、コントローラは、内燃機関の燃料噴射を制御することが望ましい。すなわち、上述の第3の油圧ポンプに対するコントローラ
の制御機能を内燃機関の燃料噴射を制御するコントローラに組み込むことにより、内燃機関の燃料噴射量に基づいて第3の油圧ポンプの容量を最適に制御することができるようになる。また、2つのコントローラを一体にすることにより、システムの簡素化が図れる。
In the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, it is desirable that the controller controls fuel injection of the internal combustion engine. That is, the capacity of the third hydraulic pump is optimally controlled based on the fuel injection amount of the internal combustion engine by incorporating the control function of the controller for the third hydraulic pump described above into the controller that controls the fuel injection of the internal combustion engine. Will be able to. Moreover, the system can be simplified by integrating the two controllers.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、油圧回路へタンクから作動油を供給する第4の油圧ポンプをさらに備え、第4の油圧ポンプは、第3の油圧ポンプの回転軸に取り付けられて第3の油圧ポンプにより回転駆動されることが望ましい。 The supercharger surplus power recovery apparatus for an internal combustion engine further includes a fourth hydraulic pump that supplies hydraulic oil from a tank to a hydraulic circuit, and the fourth hydraulic pump is attached to a rotation shaft of the third hydraulic pump. The third hydraulic pump is preferably driven to rotate.
このように、油圧回路へタンクから作動油を供給する第4の油圧ポンプを、第3の油圧ポンプにより回転駆動させることにより、第4の油圧ポンプの動力源を新たに設ける必要がなくなり、かつ、過給機の余剰動力を一段高いレベルで回収することができるようになる。 Thus, by rotating the fourth hydraulic pump that supplies hydraulic oil from the tank to the hydraulic circuit by the third hydraulic pump, it is not necessary to newly provide a power source for the fourth hydraulic pump, and The surplus power of the supercharger can be recovered at a higher level.
上記内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、電動モータは、内燃機関が装備されている被装備体の中央配電装置に接続されて電力を受け又は電力を供給されることが望ましい。 In the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, it is desirable that the electric motor is connected to a central power distribution device of a body to be equipped with the internal combustion engine to receive or be supplied with power.
このように、電動モータの入出力が、内燃機関が装備されている被装備体、例えば船舶や車両などの中央配電装置に接続されていることにより、電動モータがモータとして作動するときは中央配電装置から電力を得ると共に、電動モータが発電機として作動するときは過給機の余剰動力を被装備体の電力として利用することができる。 As described above, when the electric motor operates as a motor by connecting the input / output of the electric motor to a central power distribution device such as a ship or a vehicle equipped with an internal combustion engine, the central power distribution While obtaining electric power from the apparatus, when the electric motor operates as a generator, surplus power of the supercharger can be used as electric power for the equipment.
本発明の内燃機関の過給機余剰動力回収装置は、内燃機関の排気ガスにより回転駆動されて内燃機関の給気を過給する過給機と、過給機の回転軸に連結されて過給機と共に回転する固定容量型の第1の油圧ポンプと、内燃機関のクランク軸に連結されてクランク軸と共に回転する固定容量型の第2の油圧ポンプと、第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとを繋ぐ油圧回路と、この油圧回路に配設されて第1の油圧ポンプと第2の油圧ポンプとの間の相互の油圧の流量調整を行なう可変容量型の第3の油圧ポンプと、第3の油圧ポンプの回転軸に連結されて第3の油圧ポンプと共に回転する電動モータとを備える。 The supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine of the present invention is connected to a supercharger that is rotationally driven by exhaust gas of the internal combustion engine and supercharges the supply air of the internal combustion engine, and a rotary shaft of the supercharger. A fixed displacement first hydraulic pump that rotates with the feeder, a fixed displacement second hydraulic pump that is connected to the crankshaft of the internal combustion engine and rotates with the crankshaft, a first hydraulic pump, and a second A hydraulic circuit that connects the hydraulic pump, and a variable displacement third hydraulic pump that is disposed in the hydraulic circuit and adjusts the flow rate of the hydraulic pressure between the first hydraulic pump and the second hydraulic pump. And an electric motor connected to the rotation shaft of the third hydraulic pump and rotating together with the third hydraulic pump.
したがって、内燃機関周りにおいて油圧ポンプの配置が極めて容易になり、しかも大幅な重量軽減を図ることができ、さらに装置の製造コスト低減を図ることができるという優れた効果を奏する。 Therefore, the arrangement of the hydraulic pump around the internal combustion engine becomes extremely easy, and the weight can be greatly reduced, and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced.
本発明に係る内燃機関の過給機余剰動力回収装置を実施するための形態を、図1ないし図6を参照して詳細に説明する。 An embodiment for implementing a supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6.
図1の符号1は、一例としての、船舶(被装備体)に搭載される推進用の2サイクルディーゼルエンジン(内燃機関)を示し、このエンジン1は、その排気ガスにより回転駆動されて給気をエンジン1へ過給する過給機5を備えている。 Reference numeral 1 in FIG. 1 shows, as an example, a propulsion two-cycle diesel engine (internal combustion engine) mounted on a ship (equipped body). The engine 1 is rotationally driven by the exhaust gas and supplied with air. Is provided with a supercharger 5 for supercharging the engine 1 to the engine 1.
過給機5は圧縮機6とタービン7とからなり、圧縮機6とタービン7は回転軸8で連結されている。エンジン1の排気ガスによりタービン7が回転駆動され、タービン7によって圧縮機6が回転する。これによりエンジンの給気密度が高められ、エンジン出力が向上する。 The supercharger 5 includes a compressor 6 and a turbine 7, and the compressor 6 and the turbine 7 are connected by a rotating shaft 8. The turbine 7 is rotationally driven by the exhaust gas of the engine 1, and the compressor 6 is rotated by the turbine 7. This increases the air supply density of the engine and improves the engine output.
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、エンジン1は船舶用エンジンに限定されず、また、形式も2サイクルディーゼルエンジンに限定されるものではなく、4サイクルディーゼルエンジンや、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内燃機関が含まれる。 The supercharger 5 is not necessarily limited to a single stage. Further, the engine 1 is not limited to a marine engine, and the type is not limited to a two-cycle diesel engine. A four-cycle diesel engine, a gas engine using natural gas, city gas, or the like as a fuel, All types of internal combustion engines are included.
図1に示すように、過給機5の回転軸8に変速機9が連結され、変速機9に固定容量型の油圧ポンプ(第1の油圧ポンプ)10が連結されている。エンジン1のクランク軸2に変速機3が連結され、変速機3に固定容量型の油圧ポンプ(第2の油圧ポンプ)11が連結されている。勿論、変速機3を設けずに油圧ポンプ11をエンジン1のクランク軸2に直結することもできる。
As shown in FIG. 1, a transmission 9 is connected to the rotating shaft 8 of the supercharger 5, and a fixed displacement hydraulic pump (first hydraulic pump) 10 is connected to the transmission 9. A transmission 3 is connected to the
上述の2つの油圧ポンプ10,11は、油圧回路20の中に組み込まれる。油圧ポンプ10の出力側と油圧ポンプ11は油路21により、油圧ポンプ10の入力側と油圧ポンプ11は油路22によりそれぞれ接続されている。
The two
2つの油路21,22の間に、小型の可変容量型の油圧ポンプ(第3の油圧ポンプ)12が油路23,24により接続されている。油路23は油圧ポンプ12と油路21とを接続し、油路24は油圧ポンプ12と油路22とを接続する。このように、油圧ポンプ12は、油圧ポンプ10と油圧ポンプ11とにそれぞれ並列に接続されている。
A small variable displacement hydraulic pump (third hydraulic pump) 12 is connected between two
これらの油圧ポンプ10,11,12は、ポンプ軸より回転駆動されればそれぞれ油圧ポンプとして作動し、油圧により回転駆動されればそれぞれ油圧モータとして作動するもので、名称の簡略化のため本発明では単に油圧ポンプとしている。
These
可変容量型の油圧ポンプ12には、電動モータ13が連結される。電動モータ13は油圧ポンプ12を電動モータとして回転駆動するほか、油圧ポンプ12により回転駆動されて発電機として作動するもので、名称の簡略化のため本発明では単に電動モータとしている。
An
電動モータ13は、船舶の中央配電装置14と電気的に接続されて、後述のように、電動モータ13がモータとして作動するときは中央配電装置14から電力を得ると共に、電動モータ13が発電機として作動するときは、過給機5の余剰動力を船舶の電力として利用することができる。なお、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を車両用内燃機関に対して実施すれば、車両(被装備体)の電力として利用することができる。
The
上述の油圧ポンプ12の容量可変部の可変機構としては、例えば、斜板式や斜軸式など様々なものがある。エンジン1の燃料噴射量を制御するコントローラ15が配設され、コントローラ15は、油圧ポンプ12の可変機構部と電気的に接続されてこれを制御し、油
圧ポンプ12の容量を変化させる。
As the variable mechanism of the capacity variable portion of the
図2に示すように、2つの油路21,22の間に、かつ、油圧ポンプ11と12とそれぞれ並列に、油圧操作式切替弁25、上述のコントローラ15に制御される比例電磁式安全弁26、安全弁27、上述のコントローラ15に制御される電磁式開閉弁28、対向するように相互に直列に接続された2つの逆止弁29,30が、油圧ポンプ12の側からこの順に接続されている。
As shown in FIG. 2, between the two
上述の油圧ポンプ12には冷却ポンプ35が連結され、この油圧ポンプ12又は油圧ポンプ12に連結されている電動モータ13により回転駆動される。冷却ポンプ35は、フィルタ36を介して2つの逆止弁29,30の間に接続される。
A cooling
また、2つの逆止弁29,30とタンク34との間には、油路37を介して冷却ポンプ用安全弁32及び熱交換器33が配設される。油圧操作式切替弁25の出口は、安全弁31、油路37、熱交換器33を介してタンク34に接続されている。
A cooling
次に、本発明の内燃機関の過給機余剰動力回収装置の作動について説明する。図2に示すように、エンジン1の通常運転時において、図1に示すコントローラ15は、上述の電磁式開閉弁28を閉弁させている。したがって、油圧回路20においては、2つの油圧ポンプ11,12と、2つの油路21,22とによる一方向の油圧の循環路が形成されている。
Next, the operation of the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, during the normal operation of the engine 1, the
ところで、エンジン1の始動を含む低負荷時から機関負荷が40〜50%の中負荷時までは、エンジン1の排気ガス量が不足して、過給機5だけではエンジン1の負荷に対して充分な過給を行なうことができない。このため、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置においては、低負荷時から中負荷時まで、エンジン1のクランク軸2に連結された油圧ポンプ11が発生させた油圧により、過給機5に連結された油圧ポンプ10を回転駆動して、過給機5に対して回転力の加勢を行わせる。これにより、過給機5は排気ガスだけによる回転力からさらに増速され、エンジン1に対してより多くの過給を行なうことができる。
By the way, the exhaust gas amount of the engine 1 is insufficient from the low load including the start of the engine 1 to the middle load of the engine load of 40 to 50%. Sufficient supercharging cannot be performed. For this reason, in the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the supercharger 5 is driven by the hydraulic pressure generated by the
一方、図3は、エンジン1と過給機5の回転数の関係を示し、実線は、油圧ポンプ12が装備されていない場合の油圧ポンプ10と油圧ポンプ11の仮想作動線を示している。油圧ポンプ10と油圧ポンプ11はともに固定容量型であるため、作動線はぼほ直線である。また、破線は、油圧ポンプ12を装備した場合の、エンジン1のそれぞれの機関回転速度数における実働の過給機5の回転数を示している。
On the other hand, FIG. 3 shows the relationship between the rotational speeds of the engine 1 and the supercharger 5, and the solid line shows virtual operating lines of the
図3のA点は、実働状態で油圧ポンプ12による調整流量がされていない状態を表しており、A点では、実働状態で2つの固定容量型の油圧ポンプ10,11の流量が等しい。図3に示すように、始動を含む低負荷からA点までは、油圧ポンプ12は電動モータ13により電動駆動され、A点から定格負荷運転までは、油圧ポンプ12は電動モータ13を油圧駆動する。このエンジン1においては、A点は機関負荷が75〜85%の常用負荷運転近傍に設定される。なお、A点を必ずしもこの常用負荷運転近傍に設定する必要がないことは勿論である。
A point A in FIG. 3 represents a state in which the adjustment flow rate by the
ここで、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置においては、図1に示したエンジン1の燃料噴射量を制御するコントローラ15が、可変容量型の油圧ポンプ12の容量を変化させて、電動モータ13により油圧ポンプ12を回転駆動できるようにし、始動を含む低負荷時には、過給機5に対して2つの油圧ポンプ11,12によって必要な回転力の加勢を行わせる。すなわち、図4に示すように、油圧ポンプ10は、低負荷時には油圧モータとして作動する。また、電動モータ13に対しては、図1に示した船舶の中央配電装置14
から電力が供給される。
Here, in the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the
Is supplied with power.
図2の油圧回路20において、冷却ポンプ35は、電動モータ13により回転駆動されて、タンク34内の作動油を吸い上げて、冷却された作動油をフィルタ36、2つの逆止弁29,30を介して油路21,22へ供給する。2つの逆止弁29,30から供給された作動油の油圧が過大のときは、作動油は冷却ポンプ用安全弁32、熱交換器33を介して再びタンク34に戻される。比例電磁式安全弁26と安全弁27は、油路21,22の一方の圧力が高まったときに開弁し、回路全体の過負荷を防止する。また、油圧操作式切替弁25と安全弁31は、作動油を油路37、熱交換器33を介して冷却した後にタンク34へ戻す。
In the
また、エンジン1の中負荷領域を過ぎると、エンジン1の排気ガスについて過給機5に必要とされる排気ガス量に対して余剰が生じ始める。このとき、図1に示したコントローラ15は、可変容量型の油圧ポンプ12の容量を変化させて、過給機5の回転力で油圧ポンプ10が吐出した油圧により、クランク軸2に連結された油圧ポンプ11を回転駆動させる。
Further, when the engine 1 passes the medium load region, an excess of the exhaust gas required for the supercharger 5 starts to occur in the exhaust gas of the engine 1. At this time, the
すなわち、図4に示すように、油圧ポンプ10は、40〜50%負荷以上になると油圧ポンプとして作動し、その作動モードが切り替わる。この一方、図3に示すように、油圧ポンプ12は、常用負荷運転近傍までは電動モータ13により回転駆動されつづけ、その吐出油圧によりクランク軸2に連結された油圧ポンプ11を回転をさらに加勢する。なお、油圧ポンプ10のモータモードからポンプモードへの切替時期は、必ずしも本エンジン1のような40〜50%負荷に限定されるものではない。
That is, as shown in FIG. 4, the
図3に示すように、エンジン1の常用負荷運転近傍(図3のA点)から高負荷の定格負荷運転までは、エンジン1の排気ガスが過給機5に必要とされる排気ガス量に対してさらに余剰となる。このとき、図1に示したコントローラ15は、可変容量型の油圧ポンプ12の容量を変化させて、過給機5の回転力で油圧ポンプ10が吐出した油圧により、2つの油圧ポンプ11,12を回転駆動させる。
As shown in FIG. 3, from the vicinity of the normal load operation of the engine 1 (point A in FIG. 3) to the rated load operation of the high load, the exhaust gas of the engine 1 becomes the exhaust gas amount required for the supercharger 5. On the other hand, there is a surplus. At this time, the
すなわち、油圧ポンプ11はクランク軸2を介してエンジン1を補助駆動する一方、油圧ポンプ12は油圧モータとして作動して、電動モータ13を発電機として回転駆動させる。電動モータ13が発生した電力は、図1に示す船舶の中央配電装置14へ供給される。これにより、過給機5の余剰動力をエンジン1の動力として,また、船舶用電力として回収することができる。
That is, the
次に、船舶のクラッシュアスターン時、つまりエンジン1が逆回転した時の、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置の作動について説明する。 Next, the operation of the supercharger surplus power recovery device of the internal combustion engine at the time of a crash astern of the ship, that is, when the engine 1 rotates in the reverse direction will be described.
図5に示すように、エンジン1の逆回転時において、図1に示すコントローラ15は、電磁式開閉弁28を開弁させる。したがって、油圧回路20においては、油圧ポンプ10と電磁式開閉弁28との間を循環する油圧回路と、油圧ポンプ11と電磁式開閉弁28との間を循環する油圧回路が形成される。この場合、油圧ポンプ10と電磁式開閉弁28との間を循環する油圧回路において、油圧ポンプ11は無負荷運転状態となる一方、油圧ポンプ10は油圧ポンプ11の作動から切り離される。
As shown in FIG. 5, the
ここで、エンジン1の排気ガスが過給機5に必要とされる排気ガスエネルギに対して余剰となるときは、上述の通常運転時と同様に、コントローラ15は、可変容量型の油圧ポンプ12の容量を変化させて、過給機5の回転力で油圧ポンプ10が吐出した油圧により2つの油圧ポンプ11,12を回転駆動させる。油圧ポンプ11はクランク軸2を介して
エンジン1を補助駆動する一方、油圧ポンプ12は電動モータ13を回転駆動して、発生させた電力を図1に示す船舶の中央配電装置14へ供給する。
Here, when the exhaust gas of the engine 1 becomes surplus with respect to the exhaust gas energy required for the supercharger 5, the
図6において、実線は、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を装備した場合のエンジン1の機関負荷と掃気圧力との関係を示し、破線は、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を装備していない場合のエンジン1の機関負荷と掃気圧力との関係を仮想曲線で示す。 In FIG. 6, the solid line indicates the relationship between the engine load of the engine 1 and the scavenging pressure when the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine is installed, and the broken line indicates the supercharger surplus power recovery of the internal combustion engine. The relationship between the engine load of the engine 1 and the scavenging pressure when no device is installed is shown by a virtual curve.
図6から明らかなように、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を装備したエンジン1においては、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を装備していないエンジン1に比べて、すべての機関負荷領域において掃気圧力が低減されている。 As can be seen from FIG. 6, the engine 1 equipped with the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine is more than the engine 1 equipped with the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine. The scavenging pressure is reduced in the engine load region.
この一方、このような過給機余剰動力回収装置を装備していないエンジンでは、過給機で消費しきれなかった余剰排気ガスを、そのままバイパス弁等を通して大気に排出し廃棄している。しかしながら、本内燃機関の過給機余剰動力回収装置を装備したエンジン1の場合には、その低減された掃気圧力の分だけ油圧ポンプ10が油圧を発生させたものであり、余剰排気ガスエネルギが有効に利用されたことを示す。
On the other hand, in an engine that is not equipped with such a supercharger surplus power recovery device, surplus exhaust gas that could not be consumed by the supercharger is directly discharged to the atmosphere through a bypass valve and discarded. However, in the case of the engine 1 equipped with the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the
本内燃機関の過給機余剰動力回収装置によれば、過給機5の回転軸8に連結された油圧ポンプ10と、エンジン1のクランク軸2に連結された油圧ポンプ11とを固定容量型とすることにより、油圧ポンプ10及び油圧ポンプ11を小型化することができ、エンジン1の周りにおいて他の補機類等の配置が極めて容易になり、しかも大幅な重量軽減が図れる。また、安価な固定容量型ポンプの導入により、装置の製造コスト低減を図ることができる。
According to the supercharger surplus power recovery device for the internal combustion engine, the
また、油圧ポンプ10と油圧ポンプ11との間の相互の油圧の流量調整は、油圧ポンプ10,11とは別の可変容量型からなる油圧ポンプ12により行なわれる。この油圧ポンプ12は、2つの固定容量型の油圧ポンプ10,11の間の相互の油圧の流量調整だけを行なうから、小型の可変容量型油圧ポンプで済み、従来の大型の可変容量型油圧ポンプに比べて、コスト的にも極めて有利である。
Further, the flow rate adjustment of the mutual hydraulic pressure between the
さらに、2つの固定容量型油圧ポンプ10,11は油圧配管のみにより接続されているから、可変容量型ポンプ12については配置の自由度が極めて高く、エンジン1の周りの補機類などの取りまわしが容易になる。
Furthermore, since the two fixed displacement
また、油圧ポンプ12の回転軸に連結されて油圧ポンプ12と共に回転する電動モータ13を備えたから、油圧ポンプ12により油路の油圧の流量を増加させる必要があるときは、この電動モータ13により油圧ポンプ12を回転駆動させて油圧の流量を増加させることができ、また、油圧の流量を減少させる必要があるときは、この電動モータ13を発電機として作動させて、過給機5の余剰動力を電力として回収することができる。
In addition, since the
さらに、油圧ポンプ12の容量可変部に接続されて油圧ポンプ12の容量を変化させるコントローラ15を備え、このコントローラ15は、エンジン1の負荷に応じて油圧ポンプ12の容量を変化させるから、常に変化するエンジン1の負荷に応じて、2つの固定容量型油圧ポンプ10,11の間の相互の油圧の流量調整を最適に行なうことができる。
Furthermore, the
また、コントローラ15は、エンジン1の始動を含む低負荷時から中負荷時までは、エンジン1のクランク軸2により回転駆動される油圧ポンプ11と電動モータ13により回転駆動される可変容量型ポンプ12とが共働して、過給機5側の油圧ポンプ10を回転駆動させるように油圧ポンプ12の容量を変化させる。
The
このため、排気ガスエネルギが不足する始動を含む低負荷時から中負荷時までについて、2つの油圧ポンプ11,12により過給機5側の油圧ポンプ10の回転力が加勢されるから、エンジン1に対して最適な過給を行なうことができる。
Therefore, the rotational force of the
また、コントローラ15は、エンジン1の中負荷時から常用負荷運転近傍までは2つの油圧ポンプ10,12が共働してクランク軸2に連結された油圧ポンプ11を回転駆動させるように、油圧ポンプ12の容量を変化させるから、排気ガスエネルギに余剰が生じ始める中負荷領域以上の負荷において、油圧ポンプ11の回転力を上昇させて、エンジン1のクランク軸2に対して加勢を行なうことができ、燃費を向上させることができる。
In addition, the
さらに、コントローラ15は、エンジン1の常用負荷運転近傍から定格負荷運転までは、過給機5側の油圧ポンプ10がエンジン1のクランク軸2に連結された油圧ポンプ11と可変容量型油圧ポンプ12とを回転駆動するように、可変容量型ポンプ12の容量を変化させる。
Further, the
したがって、排気ガスエネルギがさらに余剰となる常用負荷運転近傍から定格負荷運転までについて、油圧ポンプ12により電動モータ13を回転駆動させて、電動モータ13による発電を行なうことができる。これにより、過給機5の余剰動力を最適に回収することができる。
Therefore, the
また、コントローラ15は、エンジン1の燃料噴射を制御するものであるから、エンジン1の燃料噴射量に基づいて可変容量型の油圧ポンプ12の容量を最適に制御することができる。さらに、一つのコントローラ15でエンジン1の燃料噴射と油圧ポンプ12の制御を行うことにより、システムの簡素化が図れる。
Further, since the
また、油圧回路20へタンク34から作動油を供給する冷却用油圧ポンプ35が、可変容量型の油圧ポンプ12の回転軸に取り付けられて、油圧ポンプ12により回転駆動されるから、油圧ポンプ35の動力源を新たに配ける必要がなくなり、かつ、過給機5の余剰動力を一段高いレベルで回収することができる。
In addition, a cooling
なお、上述の内燃機関の過給機余剰動力回収装置は一例にすぎず、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。 The above-described supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine is merely an example, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
本発明の内燃機関の過給機余剰動力回収装置は、過給機を有する内燃機関であれば必ずしも上述の船舶に搭載される推進用の2サイクルディーゼルエンジンに限定して利用されるものではなく、あらゆる種類の内燃機関に、そしてあらゆる形式の内燃機関にも広く利用することができる。 The supercharger surplus power recovery device for an internal combustion engine of the present invention is not necessarily limited to the propulsion two-cycle diesel engine mounted on the above-described ship as long as the internal combustion engine has a supercharger. It can be widely used for all kinds of internal combustion engines and for all types of internal combustion engines.
1 エンジン
2 クランク軸
3 変速機
5 過給機
6 圧縮機
7 タービン
8 回転軸
9 変速機
10 油圧ポンプ(第1の油圧ポンプ)
11 油圧ポンプ(第2の油圧ポンプ)
12 油圧ポンプ(第3の油圧ポンプ)
13 電動モータ
14 中央配電装置
15 コントローラ
20 油圧回路
21,22,23,24 油路
25 切替弁
26,27 安全弁
28 電磁式開閉弁
29,30 逆止弁
31 安全弁
32 安全弁
33 熱交換器
34 タンク
35 冷却用油圧ポンプ(第4のポンプ)
36 フィルタ
37 油路
1
11 Hydraulic pump (second hydraulic pump)
12 Hydraulic pump (third hydraulic pump)
DESCRIPTION OF
36
Claims (4)
The controller (15) controls the second hydraulic pump (11) and the third hydraulic pump (10) by the first hydraulic pump (10) from near the normal load operation to the rated load of the internal combustion engine (1). 12) and by the third hydraulic pump with rotationally drive the internal combustion engine according to any of claims 1 to 3, characterized in that to perform power generation by driving rotating said electric motor (13) Supercharger surplus power recovery device.
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