JP6270838B2

JP6270838B2 - エンジンシステム及び船舶

Info

Publication number: JP6270838B2
Application number: JP2015522551A
Authority: JP
Inventors: 貴士久保; 誠司西
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: CN105264198B; WO2014199643A1; CN105264198A; KR20160010623A; JPWO2014199643A1; KR101861754B1

Description

本発明は、廃熱エネルギを効率的に回収するエンジンシステムに関する。

排気ガスのエネルギによって駆動される過給機とパワータービンの両方を備えるエンジンシステム（例えば、特許文献１参照）では、過給機側へ必要な量の排気ガスを優先的に供給し、残りの排気ガスをパワータービン側へ供給するという制御が行われる。

また、過給機とパワータービンの両方を備えるエンジンシステムでは、パワータービン側へ供給する排気ガスの流路に開閉弁を設け、運転条件に応じてその開閉弁を閉じてパワータービン側へ排気ガスが流れないように制御する場合がある。

特開平１０−１６９４５５号公報

上記の過給機側へ排気ガスを優先的に供給するような制御が行われるエンジンシステムでは、エンジン本体から排出される排気ガスの量の変動によって最も影響を受けるのはパワータービンであり、パワータービンの設定が問題となる。例えば、パワータービンは、エンジン本体が通常運転のときに高効率となるように設定されるのが合理的であるが、この場合、通常運転時よりも多くの排気ガスが供給されると、パワータービン回転数が許容値を超えないように排気ガスの一部を捨てることになる。このような運用は、廃熱エネルギを十分回収できているとは言えない。また、当然ながら、エンジンシステムにはシステムの簡素化が求められている。

また、パワータービン側へ排気ガスが流れないようにする制御については、上記の開閉弁を閉じて排気ガスがパワータービンに流れないようにしても、パワータービンがエンジン本体に連結されている場合は、パワータービンはエンジン本体によって駆動される。このとき、パワータービンは送風機のように働いて、気体を搬送しようとするが、上記の開閉弁が閉じていることで気体が流れなくなってしまう。そのため、パワータービンを駆動するのに大きな力が必要となり、エンジン本体に大きな負荷となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、廃熱エネルギを効率よく回収することができ、かつ、システムの簡素化を図ることができるエンジンシステムを提供することを目的としている。

また、本発明は、パワータービンが排気ガスによって駆動されないときに、エンジン本体に過度の負荷が生じるのを抑えることを目的としている。

本発明の一の形態に係るエンジンシステムは、エンジン本体と、前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動される過給機と、前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記過給機へ導く過給機入口配管と、排気エンジン本体から排出された排気ガスを前記パワータービンへ導くパワータービン入口配管と、を備え、前記パワータービンは入口側に設けられた可変ノズルを有し、前記エンジン本体から排出される排気ガスの量が減少したとき、前記可変ノズルの開口面積を小さくすることで、前記エンジン本体から排出される排気ガスの量に対する前記過給機に供給される排気ガスの量の割合を大きくするとともに、前記エンジン本体から排出される排気ガスの量が増加したとき、前記可変ノズルの開口面積を大きくすることで、前記エンジン本体から排出される排気ガスの量に対する前記過給機に供給される排気ガスの量の割合を小さくする排気ガス流量制御を行うように構成されている。

通常、可変ノズルはその開口面積を変化させることで排ガス量に応じてタービン（上記の構成ではパワータービン）の効率を向上させるために用いられる。上記の構成によれば、この可変ノズルの開口面積の変化によって過給機に供給する排気ガスの量も同時に調整している。つまり、上記の構成によれば、排ガス量に応じて廃熱エネルギを効率よく回収する制御と、過給機に適切な量の排気ガスを供給する制御の両方の制御を可変ノズルによって行うことができる。よって、上記のエンジンシステムによれば、廃熱エネルギを効率よく回収することができ、かつ、システムの簡素化を図ることができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記パワータービン入口配管は、前記過給機入口配管から分岐しており、前記過給機入口配管内の排気ガスの一部を前記パワータービンへ導くように構成されていてもよい。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記エンジン本体は前記過給機で昇圧した新気を収容する掃気管を有しており、前記排気ガス流量制御は、前記掃気管内の圧力が所定の下限値よりも小さいときには前記可変ノズルの開度を小さくするとともに、前記掃気管内の圧力が所定の上限値よりも大きいときには前記可変ノズルの開度を大きくすることで行われてもよい。かかる構成によれば、掃気管内の圧力に基づいて可変ノズルが開閉されるため、より確実かつ容易に過給機へ適正な量の排気ガスを供給することができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記所定の下限値及び前記所定の上限値は、前記エンジン本体の負荷が大きくなるに従って大きくなるように設定されていてもよい。かかる構成によれば、エンジン負荷に応じて、掃気管内の圧力の上限値及び下限値を適切に設定することができる。

さらに、本発明の他の形態に係るエンジンシステムは、エンジン本体と、前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動される過給機と、前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動され、前記エンジン本体のクランク軸に連結されているパワータービンと、前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記過給機へ導く過給機入口配管と、前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記パワータービンへ導くパワータービン入口配管と、前記パワータービン入口配管に設けられ、前記エンジン本体の運転条件に応じて開閉する開閉弁と、前記パワータービン入口配管のうち前記開閉弁よりも下流側の部分に連結され、前記パワータービン入口配管から気体を抽出する抽気配管と、前記抽気配管に設けられた抽気弁と、を備え、前記エンジン本体が正回転であってかつ前記エンジン本体の負荷が所定の切換負荷よりも大きい第１条件のとき、前記開閉弁を開くとともに前記抽気弁を閉じ、前記エンジン本体が逆回転のとき又は前記エンジン本体の負荷が前記所定の切換負荷よりも小さい第２条件のとき、前記開閉弁を閉じるか又は前記第１条件における前記開閉弁の開度よりも小さい小開度とするとともに前記抽気弁を開くように構成されている。

かかる構成によれば、パワータービンが排気ガスによって駆動されないときに、パワータービンがエンジン本体のクランク軸によって駆動されたとしても、パワータービンを通過した気体は、抽気配管から抽気されるため、パワータービンを駆動するエンジン本体にとって過度の負荷が生じるのを抑えることができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記パワータービン入口配管は、前記過給機入口配管から分岐しており、前記過給機入口配管内の排気ガスの一部を前記パワータービンへ導くように構成されていてもよい。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記エンジン本体の負荷が上昇しているときの前記切換負荷である上昇切換負荷は、前記エンジン本体の負荷が下降しているときの前記切換負荷である下降切換負荷よりも大きく設定されていてもよい。かかる構成によれば、エンジン本体の負荷が上昇するときと下降するときの異なる特性を考慮した上で、エンジンシステムを運用することができる。よって、より適切なエンジンシステムの運用が可能となる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記エンジン本体の負荷が上昇して前記上昇切換負荷よりも大きくなったとき、前記抽気弁を閉じた後に前記開閉弁を開くように構成されていてもよい。かかる構成によれば、抽気弁を閉じるのと同時に開閉弁を開くのではなく、抽気弁を閉じた後に開閉弁を開くため、一時的にでも抵抗の小さい流路が形成されることはなく、過給機への排気ガスの供給を安定的に行うことができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記エンジン本体の負荷が下降して前記下降切換負荷よりも小さくなったとき、前記開閉弁を閉じた後に前記抽気弁を開くように構成されていてもよい。この場合も、一時的にでも抵抗の小さい流路が形成されることはなく、過給機への排気ガスの供給を安定的に行うことができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記パワータービンを通過した排気ガスを排出するパワータービン出口配管をさらに備え、前記抽気配管は、前記パワータービン出口配管に連結されており、前記パワータービン入口配管から抽出した気体を前記パワータービン出口配管に排出してもよい。かかる構成によれば、パワータービンが排気ガスによって駆動されないときに、パワータービンがエンジン本体のクランク軸によって駆動されたとしても、パワータービンを通過した気体は抽気配管を含む循環流路を循環することになるため、エンジン本体に過度の負荷が生じるのを抑えることができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記パワータービン出口配管のうち、前記抽気配管が連結する部分と前記パワータービンの間に連結されており、外気を前記パワータービン出口配管に取り込むことができる空気取込配管と、該空気取込配管に設けられた空気取込弁と、をさらに備え、前記第１条件のとき前記空気取込弁を閉じ、前記第２条件のとき前記空気取込弁を開くように構成されていてもよい。かかる構成によれば、上記循環流路内の気体が入れ替わるため、当該循環流路内の気体の温度が過上昇するのを抑えることができる。

また、上記のエンジンシステムにおいて、前記過給機を通過した排気ガスを排出する過給機出口配管をさらに備え、前記抽気配管は、前記過給機出口配管に連結されており、前記パワータービン入口配管から抽出した気体を前記過給機出口配管に排出してもよい。かかる構成によれば、そもそも上記のような循環流路が形成されないため、循環流路内の気体の温度が過上昇することはない。

さらに、本発明のある形態に係る船舶は、上記のうちいずれかのエンジンシステムを備えている。

以上のとおり、上記の一の形態に係るエンジンシステムによれば、廃熱エネルギを効率よく回収することができ、かつ、システムの簡素化を図ることができる。

また、他の形態に係るエンジンシステムによれば、パワータービンが排気ガスによって駆動されないときに、エンジン本体に過度の負荷が生じるのを抑えることができる。

図１は、第１実施形態に係るエンジンシステムの全体図である。図２は、上記エンジンシステムの制御系のブロック図である。図３は、上記エンジンシステムの制御内容を示すフローチャートである。図４は、適正な掃気圧の範囲を示すグラフである。図５は、第２実施形態に係るエンジンシステムの全体図である。図６は、第３実施形態に係るエンジンシステムの全体図である。

以下、実施形態に係るエンジンシステムについて図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
＜エンジンシステムの全体構成＞
まず、第１実施形態に係るエンジンシステム１００の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係るエンジンシステム１００の全体図である。図１に示すように、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、船舶１０１を航行させるためのいわゆる主機であって、エンジン本体１０と、過給機２０と、パワータービン３０と、各種配管４１〜４５と、各種弁５１、５２と、を備えている。以下、これらについて順に説明する。

エンジン本体１０は、エンジンシステム１００の中心となる装置である。本実施形態のエンジン本体１０は、いわゆる低速ディーゼルエンジンである。エンジン本体１０は、先端にプロペラ１０２が取り付けられたプロペラ軸１０３を回転させるためのものであり、船舶１０１が前進する方向に推進力を発生する正回転と、船舶１０１が後進する方向に推進力を発生する逆回転を行うことができる。プロペラ軸１０３はクランク軸１１に連結されており、クランク軸１１は複数のピストン１２に連結されている。各ピストン１２はシリンダ１３内での燃料の爆発に伴って往復運動し、各ピストン１２の往復運動によってクランク軸１１は回転する。なお、エンジン本体１０には、クランク軸１１の回転数、すなわちエンジン本体１０の回転数を計測するエンジン回転計１４が設けられている。

また、エンジン本体１０は、各シリンダ１３の上流側に共通の掃気管１５と、各シリンダ１３の下流側に共通の排気管１６を備えている。掃気管１５は、過給機２０で圧縮された空気を一旦溜めて各シリンダ１３へ供給する。掃気管１５には、掃気管１５内の圧力（以下、「掃気圧」と称す）を計測する掃気圧計１７が設けられている。排気管１６は、シリンダ１３から排出された排気ガスを一端溜めて過給機２０及びパワータービン３０へ供給する。エンジン本体１０は、掃気管１５及び排気管１６を備えることで、各シリンダ１３の燃焼サイクルによって生じる脈動を抑えることができる。なお、エンジン本体１０の負荷（以下、「エンジン負荷」と称す）が大きくなると、それに伴ってエンジン本体１０から排出される排気ガスの量も増えることになる。

過給機２０は、外部から取り込んだ空気を圧縮してエンジン本体１０に供給する装置である。過給機２０は、タービン部２１と、コンプレッサ部２２とを有している。エンジン本体１０（排気管１６）から排出された排気ガスは、タービン部２１に供給される。タービン部２１は、排気管１６から供給された排気ガスのエネルギを利用して回転する。タービン部２１を通過した排気ガスは過給機出口配管４６を介して煙道へ導かれる。コンプレッサ部２２は、連結軸２３を介してタービン部２１と連結されている。そのため、タービン部２１が回転するのに伴って、コンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２は、外部から取り込んだ空気を圧縮し、掃気管１５に供給する。なお、エンジン負荷が小さいときには、エンジン本体１０から排出される排気ガスの量は過給機２０が必要とする量よりも少ないが、エンジン負荷が大きくなるに従ってエンジン本体１０から排出される排気ガスの量は過給機２０が必要とする量を超えて次第に増加していく。

パワータービン３０は、排気ガスのエネルギを利用してエンジン本体１０を助勢する装置である。パワータービン３０は、タービン部３１と、可変ノズル３２とを有している。パワータービン３０に排気ガスが供給されると、タービン部３１は供給された排気ガスのエネルギによって回転する。タービン部３１はエンジン本体１０のクランク軸１１に減速機３３を介して連結さており、タービン部２１の回転動力が減速機３３を介してクランク軸１１に伝達される。なお、排気ガスによって回転するときのパワータービン３０の回転方向は一定であり、エンジン本体１０が正回転する場合にのみエンジン本体１０を助勢することができる。

可変ノズル３２は、パワータービン３０の入口側に設けられており、環状に配置された複数の可動ベーンによって主に構成されている。この可動ベーンの角度を変えることで、可変ノズル３２の開口面積（開度）を調整することができる。可変ノズル３２は、開度を調整することで、タービン部２１への流入速度を変えてパワータービン３０を効率よく運用することができる。つまり、パワータービン３０に供給される排気ガスの流量が大きい場合には可変ノズル３２の開度を大きくし、パワータービン３０に供給される排気ガスの流量が小さい場合には可変ノズル３２の開度を小さくする。一方、可変ノズル３２は、開口面積が変わるのであるから「絞り」としても機能する。本実施形態において、可変ノズル３２の絞りとしての機能は非常に重要である。すなわち、本実施形態では、可変ノズル３２の開度を調整することで、単にパワータービン３０（タービン部３１）を効率よく回転させるだけでなく、過給機２０に供給される排気ガスの量（エンジン本体１０から排出される排気ガスの量に対する過給機２０に供給される排気ガスの量の割合）を制御している（排気ガス流量制御）。

本実施形態に係るエンジンシステム１００は、過給機入口配管４１、パワータービン入口配管４２、パワータービン出口配管４３、抽気配管４４、及びエンジン入口配管４５を備えている。このうち、過給機入口配管４１は、排気管１６と過給機２０のタービン部２１とをつないでおり、エンジン本体１０から排出された排気ガスを過給機２０へ導く配管である。また、パワータービン入口配管４２は、過給機入口配管４１から分岐してパワータービン３０へと延びており、過給機入口配管４１内の排気ガスの一部をパワータービン３０へ導く配管である。また、パワータービン出口配管４３は、パワータービン３０の下流側に配置されており、パワータービン３０を通過した排気ガスを煙道へ導く配管である。また、抽気配管４４は、パワータービン入口配管４２のうち後述する開閉弁５１よりも下流側の部分とパワータービン出口配管４３とを連結する配管である。また、エンジン入口配管４５は、過給機２０のコンプレッサ部２２と掃気管１５をつないでおり、過給機２０で圧縮した空気を掃気管１５へ導く配管である。

開閉弁５１は、パワータービン入口配管４２に設けられた弁である。開閉弁５１は、エンジン本体１０が逆回転のとき（船舶１０１が後進するとき）、及び、エンジン負荷が小さいときに閉じられる。エンジン本体１０が逆回転しているときには、パワータービン３０とエンジン本体１０（クランク軸１１）とは互いに抵抗となる方向に回転するため、開閉弁５１を閉じてパワータービン３０への排気ガスの流れを止め、パワータービン３０が駆動しないようにしている。また、エンジン負荷が小さいときには、エンジン本体１０から排出される排気ガスの量が少ないため、全ての排気ガスを過給機２０に供給しなければ、エンジン本体１０の燃焼室部材の温度が上昇する。そのため、エンジン負荷が小さいときには、開閉弁５１を閉じることでエンジン本体１０から排出された排気ガスを全て過給機２０に供給している。なお、本実施形態の開閉弁５１は「開」と「閉」の２つの状態を維持できる弁であれば十分であるが、開度を調整できる弁であってもよい。

抽気弁５２は、抽気配管４４に設けられた弁である。前述した開閉弁５１を閉じたときパワータービン３０は排気ガスによって駆動されることはないが、パワータービン３０とクランク軸１１は連結されているため、エンジン本体１０が回転している間は、パワータービン３０はクランク軸１１（エンジン本体１０）によって駆動される。このとき、パワータービン３０は送風機のような働きをする。本実施形態では、開閉弁５１を閉じたときには抽気弁５２を開くことで、パワータービン３０を通過した気体が循環する循環流路を形成している（循環流路形成制御）。つまり、開閉弁５１が閉じたときに抽気弁５２を開くことにより、エンジン本体１０が正回転する場合及び逆回転する場合のいずれも、気体はパワータービン出口配管４３、パワータービン３０、パワータービン入口配管４２、抽気配管４４、パワータービン出口配管４３の順に流れ、図１でいえば反時計回りの循環流路が形成される。

仮に、抽気配管４４及び抽気弁５２がなく、開閉弁５１を閉じたときに循環流路が形成されない場合には、次のような問題が生じる。エンジン本体１０が正回転する場合及び逆方回転する場合のいずれであっても、パワータービン３０はパワータービン出口配管４３内の気体をパワータービン入口配管４２へ送ろうとする。しかしながら、開閉弁５１が閉まっている場合には、パワータービン入口配管４２内の圧力が次第に上がり、パワータービン３０の前後差圧が大きくなる結果、パワータービン３０を駆動することがエンジン本体１０にとって大きな負荷となる。そこで、本実施形態では開閉弁５１を閉じたときに循環流路を形成し、上記の問題を回避している。なお、本実施形態の場合、抽気弁５２は「開」と「閉」の２つの状態を維持できる弁であれば十分であるが、開度を調整できる弁であってもよい。

続いて、エンジンシステム１００の設定について説明する。上述したように、開閉弁５１が開いているときにおいては、過給機２０への排気ガスの供給量は、可変ノズル３２の開度によって調整される。ここで、過給機２０に適正な量の排気ガスを供給するための可変ノズル３２の開度を「適正量供給開度」と呼ぶこととする。また、このとき所定量の排気ガスがパワータービン３０に供給されるが、その排気ガスの量がパワータービン３０に流れたときに最も効率よくパワータービン３０が回転できる可変ノズル３２の開度を「最高効率開度」と呼ぶこととする。そうすると、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、この「適正量供給開度」と「最高効率開度」とが、いずれのエンジン負荷においてもほぼ一致するように（例えば、誤差が５％以内となるように）設定されている。つまり、いずれのエンジン負荷においても、可変ノズル３２の開度を調整して過給機２０に適切な量の排気ガスを供給すれば、必然的にパワータービン３０が効率よく回転するようにエンジンシステム１００が設定されている。なお、この設定は、パワータービン３０のタービン部３１のタービン翼と可変ノズル３２の組合せを変えたり、過給機２０のタービンノズル、タービン翼、コンプレッサホイール、コンプレッサディフューザなどの要目を変更することで行うことができる。

＜制御系の構成＞
次に、エンジンシステム１００のうち制御系の構成について説明する。エンジンシステム１００は、エンジンシステム１００全体を制御する制御装置６０を備えている。制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。図２は、エンジンシステム１００の制御系のブロック図である。図２に示すように、制御装置６０は、船舶１０１を操作する運転操作盤１０４、エンジン本体１０の回転数を測定するエンジン回転計１４、シリンダ１３内への燃料の投入量を測定する燃料投入量指示計１８、及び掃気圧を測定する掃気圧計１７と電気的に接続されている。制御装置６０は、これら各機器からの入力信号に基づいて、エンジン本体１０の回転方向、エンジン回転数、燃料投入量、掃気圧といった種々の情報を取得する。

また、制御装置６０は、上記の各機器から入力信号に基づいて種々の演算等を行い、エンジンシステム１００の各部を制御する。本実施形態では、制御装置６０は、開閉弁５１、抽気弁５２、及び可変ノズル３２と電気的に接続されており、各入力信号に基づいて行った演算等の結果に基づいて、開閉弁５１、抽気弁５２、及び可変ノズル３２へ制御信号を送信する。

さらに、制御装置６０は、機能的な構成として、弁制御部６１と、可変ノズル制御部６２とを有している。このうち、弁制御部６１は、開閉弁５１及び抽気弁５２の開閉を制御する部分であり、後述する循環流路形成制御を行う。一方、可変ノズル制御部６２は、可変ノズル３２の開度を決定する部分であり、後述する排気ガス流量制御を行う。以下、制御装置６０によって行われる循環流路形成制御、及び排気ガス流量制御について順に説明する。

＜循環流路形成制御＞
まず、図３を参照して循環流路形成制御について説明する。図３は、エンジンシステム１００の制御内容を示すフローチャートである。エンジンシステム１００が運転される間、制御装置６０は図３のステップＳ１〜Ｓ１６のサイクルを繰り返す。図３のうちステップＳ１〜Ｓ１０が、循環流路形成制御に関する部分である。循環流路形成制御は、既に概要を説明したとおり、開閉弁５１を閉じたときに抽気弁５２を開くことでパワータービン３０を通過した気体の循環流路を形成する制御である。

まず、制御装置６０は、各種情報を取得する（ステップＳ１）。具体的には、制御装置６０は、各機器からの入力信号に基づいて、エンジン本体の回転方向、エンジン回転数、燃料投入量、掃気圧を取得する。

続いて、制御装置６０は、エンジン本体１０が正回転であるか否かを判定する（ステップＳ２）。エンジン本体１０が正回転の場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、ステップＳ３へ進み、エンジン本体１０が逆回転の場合（ステップＳ２でＮＯ）、ステップＳ４へ進む。このうちステップＳ４では、開閉弁５１を閉じると同時に抽気弁５２を開き、その後ステップＳ１へ戻る。このように、エンジン本体１０が逆回転のときに開閉弁５１を閉じるのは、パワータービン３０とクランク軸１１が互いに動力を打ち消し合うのを避けるためである。また、開閉弁５１を閉じたときに抽気弁５２を開くのは、上述したように、パワータービン３０を通過した気体が循環する循環流路を形成してエンジン負荷を軽減するためである。

ステップＳ３では、現状において、開閉弁５１が閉じており、かつ、抽気弁５２が開いているか否かを判定する。つまり、ステップＳ３では、１つ前のサイクルで開閉弁５１及び抽気弁５２の開閉がどう決定されたかを判定（確認）している。なお、少なくともステップＳ３の判定時においては、開閉弁５１が開いているときは必ず抽気弁５２は閉じており、開閉弁５１が閉じているときは必ず抽気弁５２は開いている。制御装置６０は、開閉弁５１が閉じており、かつ、抽気弁５２が開いていると判定した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、ステップＳ５へ進む。また、開閉弁５１が開いており、かつ、抽気弁５２が閉じていると判定した場合は（ステップＳ３でＮＯ）、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ５では、エンジン本体１０の回転数と燃料投入量に基づいてエンジン負荷を算出し、そのエンジン負荷が上昇切換負荷以上か否かを判定する。ステップＳ３において開閉弁５１が閉じていると判断した結果ステップＳ５に進んだのであるから、少なくとも１つ前のサイクルでは開閉弁５１を閉じる制御がなされたといえる。開閉弁５１を閉じたのは、エンジン負荷が小さく、パワータービン３０に排気ガスを供給できなかったためである。そこで、ステップＳ５では、エンジン負荷がパワータービン３０に排気ガスを供給できないほど小さい状態のままなのか、あるいはパワータービン３０に排気ガスを供給できる程度にまで上昇しているかを判定している。すなわち、ステップＳ５における「上昇切換負荷」は、エンジン負荷が上昇して排気ガスをパワータービン３０に供給できるようになるときのエンジン負荷であり、本実施形態では例えば５０％負荷（エンジン本体１０の最大負荷を１００％としたときの５０％の負荷）に設定されている。

ステップＳ５において、エンジン負荷が上昇切換負荷以上であるときは（ステップＳ５でＹＥＳ）、排気ガスをパワータービン３０に供給できるようになったときであるから、開閉弁５１を開き、抽気弁５２を閉じる（ステップＳ７）。ただし、本実施形態では、開閉弁５１を閉じるのと抽気弁５２を開くのを同時に行うのではなく、抽気弁５２を閉じた後、一定の時間をおいてから開閉弁５１を開く。仮に開閉弁５１を開くのと同時に抽気弁５２を閉じると、開閉弁５１と抽気弁５２の両方が開いた状態が一時的に発生し、パワータービン入口配管４２内の気体がパワータービン３０を経由せずに抽気配管４４を通ってパワータービン出口配管４３へ抜けるバイパス流路が形成される。この流路は抵抗が少ないため、多くの排気ガスがこの流路に流れ込む結果、過給機入口配管４１を通過する排気ガスの量が低下する。これにより、過給機２０から供給される空気の圧力が変動し、エンジン本体１０が不安定になるおそれがある。これに対し、本実施形態では、抽気弁５２を閉じた後に開閉弁５１を開くことで、過給機２０に流れる排気ガスの量が一気に減るのを抑えている。ステップＳ７を経た後は、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ５において、エンジン負荷が上昇切換負荷よりも小さいときは（ステップＳ５でＮＯ）、引き続き排気ガスをパワータービン３０へ供給できない状態のままであるから、開閉弁５１が閉じて抽気弁５２が開いている状態を維持する（ステップＳ８）。ステップＳ８を経た後は、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ６では、ステップＳ１で取得したエンジン回転数と燃料投入量に基づいてエンジン負荷を算出し、そのエンジン負荷が下降切換負荷以上か否かを判定する。ステップＳ３において開閉弁５１が開いていると判断した結果ステップＳ６に進んだのであるから、少なくとも１つ前のサイクルでは開閉弁５１を開く制御がなされたといえる。開閉弁５１を開いたのは、エンジン負荷が大きく、パワータービン３０に排気ガスを供給することができたからである。これを踏まえ、ステップＳ６では、エンジン負荷がパワータービン３０に排気ガスを供給できるほど大きい状態を維持しているのか、あるいはパワータービン３０に排気ガスを供給できなくなる程度にまで低下したのかを判定している。すなわち、ステップＳ６における「下降切換負荷」は、エンジン負荷が下降して排気ガスをパワータービン３０に供給できなくなったときのエンジン負荷であり、本実施形態では例えば４５％負荷（エンジン本体の最大負荷を１００％としたときの４５％の負荷）に設定されている。なお、下降切換負荷と上昇切換負荷の値が異なるのは、いわゆるヒステリシスによるためである。

ステップＳ６において、エンジン負荷が下降切換負荷以上であるときは（ステップＳ６でＹＥＳ）、引き続き排気ガスをエンジン本体１０へ供給できる状態を維持しているのであるから、開閉弁５１が開いて抽気弁５２が閉じている状態を維持する（ステップＳ９）。ステップＳ９を経た後は、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ６において、エンジン負荷が下降切換負荷よりも小さいときは（ステップＳ６でＹＥＳ）、排気ガスをパワータービン３０に供給できなくなったときであるから、開閉弁５１を閉じ、抽気弁５２を開く（ステップＳ１０）。ただし、本実施形態では、開閉弁５１を閉じるのと抽気弁５２を開くのを同時に行うのではなく、開閉弁５１を閉じた後、一定の時間をおいてから抽気弁５２を開く。このように、開閉弁５１を閉じた後に抽気弁５２を開くのは、ステップＳ７のところで説明した理由と同じであって、過給機２０に流れる排気ガスの量が一気に減るのを抑えるためである。ステップＳ１０を経た後は、ステップＳ１へ戻る。

＜排気ガス流量制御＞
続いて、排気ガス流量制御について説明する。図３のステップＳ１１〜Ｓ１６が、排ガス流量制御に関する部分である。排ガス流量調整制御は、パワータービン３０に設けられた可変ノズル３２の開度を調整することで、過給機２０に適切な量の排気ガスを供給するとともに、パワータービン３０を効率的に運用する制御である。排気ガス流量制御は、ステップＳ７又はステップＳ９を経た後に行われる。すなわち、排気ガス流量制御は、開閉弁５１が開いている状態のときにのみ行われる。なお、過給機２０に適切な排気ガスを供給できているか否かは、掃気圧によって判断することができる。すなわち、掃気圧が所定の値よりも高いときには過給機２０に供給する排気ガスの量が過剰であり、掃気圧が所定の値よりも低いときには過給機２０に供給する排気ガスの量が不足していると判断することができる。

まず、制御装置６０は、適正な掃気圧の範囲を設定する（ステップＳ１１）。ここで、図４は、適正な掃気圧の範囲を示すグラフである。図４の横軸はエンジン負荷であり、縦軸は掃気圧である。図中の２本の直線のうち、上の直線が上限掃気圧を示しており、下の線が下限掃気圧を示している。この２本の直線に挟まれた部分が適正な掃気圧の範囲である。例えば、図４に示すように、エンジン負荷がＬ_１であったときには、下限掃気圧はＰ_Ｌとなり、上限掃気圧はＰ_Ｈとなる。下限掃気圧及び上限掃気圧は、エンジン負荷によって異なり、エンジン負荷が大きくなるに従って大きく設定される。実際のステップＳ１１では、図４の直線を表す数式を用いて、適正な掃気圧の範囲を算出する。

続いて、制御装置６０は、ステップＳ１で取得した実際の掃気圧が適正範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１２）。すなわち、実際の掃気圧がステップＳ１１で設定した下限掃気圧よりも大きく、かつ、上限掃気圧よりも小さいか否かを判定する。掃気圧が適正範囲内にあれば（ステップＳ１２でＹＥＳ）、可変ノズル３２の開度を維持し（ステップＳ１３）、ステップＳ１へ戻る。可変ノズル３２の開度を変更しなくとも、過給機２０には適正な量の排気ガスが供給されているからである。また、上述したように、可変ノズル３２の開度を調整して過給機２０に適切な量の排気ガスが供給されているときには、必然的にパワータービン３０が効率よく駆動される。

一方、掃気圧が適正範囲内になければ（ステップＳ１２でＮＯ）、実際の掃気圧が適正範囲よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。すなわち、実際の掃気圧が上限掃気圧よりも大きいか否かを判定する。掃気圧が適正範囲よりも大きい場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）、可変ノズル３２の開度を大きくし（ステップＳ１５）、ステップＳ１へ戻る。この場合、過給機２０には必要以上の排気ガスが流れているのであるから、可変ノズル３２の開度を大きくして過給機２０側に流れる排気ガスの量を減らす制御を行う。つまり、エンジン本体１０から排出される排気ガスの量に対する過給機２０に供給される排気ガスの量の割合を小さくする。また、このように制御すると、過給機２０に適切な量の排気ガスを供給することになるから、必然的にパワータービン３０も効率よく駆動される。

ステップＳ１４において、実際の掃気圧が適正範囲よりも大きくないと判定した場合（ステップＳ１４でＮＯ）、可変ノズル３２の開度を小さくし（ステップＳ１６）、ステップＳ１へ戻る。この場合、実際の掃気圧が適正範囲よりも大きくないのであるから、実際の掃気圧は適正範囲よりも小さい（下限掃気圧よりも小さい）ことになる。そうすると、過給機２０には排気ガスの量が不足しているのであるから、可変ノズル３２の開度を小さくして過給機２０側に流れる排気ガスの量を増やす制御を行う。つまり、エンジン本体１０から排出される排気ガスの量に対する過給機２０に供給される排気ガスの量の割合を大きくする。また、このように制御すると、過給機２０に適切な量の排気ガスを供給することになるから、必然的にパワータービン３０も効率よく駆動される。

以上のとおり、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、抽気配管４４と抽気弁５２を備えており、開閉弁５１が閉じたときに抽気弁５２を開いてパワータービン３０を通過する気体の循環流路を形成するように構成されている。そのため、開閉弁５１が閉じたときに、パワータービン３０がクランク軸１１によって駆動されたとしても、パワータービン３０の前後差圧が大きくなりすぎず、エンジン本体１０に過度の負荷が生じるのを抑えることができる。

また、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、パワータービン３０が有する可変ノズル３２によって、パワータービン３０の効率を向上させるだけでなく、過給機２０へ供給する排気ガスの量を調整することができる。そのため、エンジンシステム１００全体の制御及び構成の簡略化を図ることができる。

（第１実施形態の変形例）
以上では、エンジン本体１０が正回転であってかつエンジン本体１０の負荷が所定の切換負荷よりも大きい（以下、「第１条件」と称す）とき開閉弁５１を開き、エンジン本体１０が逆回転のとき又はエンジン本体１０の負荷が切換負荷よりも小さい（以下、「第２条件」と称す）とき開閉弁５１を閉じる（全閉する）場合について説明した。ただし、第２条件のときには、開閉弁５１を閉じるのではなく小開度としてもよい。すなわち、図３のフローチャートのステップＳ３、Ｓ８の「開閉弁が閉」を「開閉弁が小開度」と読み替え、ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１０の「開閉弁を閉じ」を「開閉弁を小開度とし」と読み替えた制御を行ってもよい。

ここでいう「小開度」は、第１条件時における開閉弁５１の開度よりも小さい開度であって、第１小開度と第２小開度が含まれる。第１小開度は、開閉弁５１を通過した排気ガスが、パワータービン３０によって搬送される状態とパワータービン３０を駆動する状態の境界にあるときの開閉弁５１の開度である。また、第２小開度は、第１小開度よりも小さく、循環流路にわずかに排気ガスが流入する状態のときの開閉弁５１の開度である。

前述したように、開閉弁５１を閉じて抽気弁５２を開けると、パワータービン３０を通過した気体は循環流路を通って再度パワータービン３０を通過するが、場合によっては循環流路内の気体の温度がパワータービン３０からエネルギを受けて過上昇するおそれがある。一方、第２条件のときに、開閉弁５１を第１小開度又はこれに近い開度にすると、循環流路内の気体がパワータービン３０から受けるエネルギは減少し、環流路内の気体の温度が過上昇するのを抑えることができる。また、第２条件のときに、開閉弁５１を第２小開度としたときには、排気ガスがわずかに循環流路に流れ込んで、循環流路の気体が入れ替わるため、環流路内の気体の温度が過上昇するのを抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係るエンジンシステム２００の全体図である。図５に示すように、本実施形態に係るエンジンシステム２００は、空気取込配管４７と、空気取込弁５３と、パワータービン出口弁５４とを備えている点で、第１実施形態に係るエンジンシステム１００と構成が異なる。それ以外の点は、第１実施形態に係るエンジンシステム１００と基本的に同じ構成である。

空気取込配管４７は、パワータービン出口配管４３のうち、抽気配管４４が連結している部分とパワータービン３０の間に連結されており、外気をパワータービン出口配管４３に取り込めるように構成されている。また、空気取込弁５３は、空気取込配管４７に設けられており、その開閉は制御装置６０によって制御される。さらに、パワータービン出口弁５４は、パワータービン出口配管４３のうち、抽気配管４４が連結している部分と空気取込配管４７が連結されている部分の間に設けられており、その開閉は制御装置６０によって制御される。

そして、本実施形態の循環流路形成制御では、開閉弁５１を開けて抽気弁５２を閉じたとき（第１条件のとき）空気取込弁５３を閉じるとともに、開閉弁５１を閉じて抽気弁５２を開けたとき（第２条件のとき）空気取込弁５３を開くように構成されている。

本実施形態に係るエンジンシステム２００は上記のように構成されているため、開閉弁５１が閉じて抽気弁５２が開くことで、気体がパワータービン３０を通過する循環流路を循環する場合にも、外気が空気取込配管４７を介してパワータービン出口配管４３に取り込まれるため、循環流路の気体（空気及び排気ガス）が入れ替わり、環流路内の気体の温度が過上昇するのを抑えることができる。

なお、パワータービン出口弁５４は、開閉弁５１を開けて抽気弁５２を閉じたとき（第１条件のとき）には開けられ、開閉弁５１を閉じて抽気弁５２を開けたとき（第２条件のとき）には閉じられる。このように制御することで、空気取込配管４７を介してパワータービン出口配管４３に外気を取り込む際、これに伴って煙道から排気ガスが取り込まれてしまうのを防ぐことができる。これにより、環流路内の気体の温度が過上昇するのをより一層抑えることができる。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係るエンジンシステム３００の全体図である。図６に示すように、本実施形態に係るエンジンシステム３００は、抽気配管４４及びパワータービン出口配管４３の連結位置が、第１実施形態に係るエンジンシステム１００の場合と異なる。それ以外の点は、第１実施形態に係るエンジンシステム１００と基本的に同じ構成である。

本実施形態では、パワータービン出口配管４３は、過給機出口配管４６に連結されている。そのため、パワータービン３０を通過した排気ガスは、パワータービン出口配管４３及び過給機出口配管４６を介して、煙道に導かれる。また、抽気配管４４は、パワータービン入口配管４２のうち開閉弁５１よりも下流側の部分と、過給器出口配管４６のうちパワータービン出口配管が連結されている部分よりも下流側の部分とを連結している。

本実施形態に係るエンジンシステム３００は、以上のように構成されているため、開閉弁５１が閉じて抽気弁５２を開いたとき、第１実施形態のような循環流路は形成されず、パワータービン入口配管４２から抽出した気体は過給機出口配管４６に排出される。そのため、パワータービン３０を通過した気体が再度パワータービン３０を通過することはなく、パワータービン３０のエネルギによって気体の温度が徐々に上昇して過上昇となるようなことはない。

以上、実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

なお、エンジンシステムの一部の部品が破損するなどして過給機やパワータービンが危険回転数に達したり、掃気圧が危険掃気圧に達したりするような異常な場合には、以上で説明したエンジンシステムの動作が行われない場合もある。しかしながら、正常時において本発明に係る制御が行われるのであれば、そのエンジンシステムは本発明に含まれることは言うまでもない。

実施形態に係るエンジンシステムは、パワータービンが減速機を介してクランク軸に常に連結されているが、例えば、減速機とクランク軸の間にクラッチを設け、パワータービンとクランク軸の連結を解除できるように構成されていたとしても、パワータービンとクランク軸が連結されたままであれば、開閉弁が閉じられたときには同じようにエンジン本体に過剰な負荷がかかるという問題が発生する。

また、以上では、パワータービン入口配管が、過給機入口配管から分岐している場合について説明したが、パワータービン入口配管と過給機入口配管は独立して形成されており、それぞれが排気管から過給機へ又は排気管からパワータービンへ排気ガスを搬送するように構成されていてもよい。

さらに、上記の実施形態では、エンジンシステムが船舶に搭載されている場合について説明したが、発電設備に用いるエンジンシステムであっても、本発明の構成を備えるのであれば当然ながら本発明に含まれる。

本発明の一形態に係るエンジンシステムは、廃熱エネルギを効率よく回収することができ、かつ、システムの簡素化を図ることができる。また、本発明の他の形態に係るエンジンシステムは、パワータービンが排気ガスによって駆動されないときに、エンジン本体に過度の負荷が生じるのを抑えることができる。そのため、本発明のエンジンシステムは、エンジンシステムの技術分野において有益である。

１０エンジン本体
１１クランク軸
１５掃気管
２０過給機
３０パワータービン
３２可変ノズル
４１過給機入口配管
４２パワータービン入口配管
４３パワータービン出口配管
４４抽気配管
４７空気取込配管
５１開閉弁
５２抽気弁
５３空気取込弁
１００、２００、３００エンジンシステム
１０１船舶

Claims

エンジン本体と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動される過給機と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動され、前記エンジン本体のクランク軸に連結されているパワータービンと、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記過給機へ導く過給機入口配管と、
排気エンジン本体から排出された排気ガスを前記パワータービンへ導くパワータービン入口配管と、
前記パワータービン入口配管に設けられ、前記エンジン本体の運転条件に応じて開閉する開閉弁と、
前記パワータービン入口配管のうち前記開閉弁よりも下流側の部分に連結され、前記パワータービン入口配管内の気体を抽出する抽気配管と、
前記抽気配管に設けられた抽気弁と、を備え、
前記エンジン本体が正回転であってかつ前記エンジン本体の負荷が所定の切換負荷よりも大きい第１条件のとき、前記開閉弁を開くとともに前記抽気弁を閉じ、
前記エンジン本体が逆回転のとき又は前記エンジン本体の負荷が前記所定の切換負荷よりも小さい第２条件のとき、前記第１条件における前記開閉弁の開度よりも小さい小開度とするとともに前記抽気弁を開くように構成されており、
前記小開度には、第１小開度と第２小開度が含まれ、
前記第１小開度は、前記開閉弁を通過した排気ガスが、前記パワータービンによって搬送される状態と前記パワータービンを駆動する状態の境界にあるときの前記開閉弁の開度であり、
前記第２小開度は、前記第１小開度よりも小さく、前記開閉弁よりも前記パワータービン側に排気ガスが流入する状態のときの前記開閉弁の開度である、エンジンシステム。
エンジン本体と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動される過給機と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動され、前記エンジン本体のクランク軸に連結されているパワータービンと、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記過給機へ導く過給機入口配管と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記パワータービンへ導くパワータービン入口配管と、
前記パワータービン入口配管に設けられ、前記エンジン本体の運転条件に応じて開閉する開閉弁と、
前記パワータービン入口配管のうち前記開閉弁よりも下流側の部分に連結され、前記パワータービン入口配管内の気体を抽出する抽気配管と、
前記抽気配管に設けられた抽気弁と、を備え、
前記エンジン本体が正回転であってかつ前記エンジン本体の負荷が所定の切換負荷よりも大きい第１条件のとき、前記開閉弁を開くとともに前記抽気弁を閉じ、
前記エンジン本体が逆回転のとき又は前記エンジン本体の負荷が前記所定の切換負荷よりも小さい第２条件のとき、前記開閉弁を閉じるか又は前記第１条件における前記開閉弁の開度よりも小さい小開度とするとともに前記抽気弁を開くように構成されており、
前記パワータービンを通過した排気ガスを排出するパワータービン出口配管をさらに備え、
前記抽気配管は、前記パワータービン出口配管に連結されており、前記パワータービン入口配管から抽出した気体を前記パワータービン出口配管に排出し、
前記パワータービン出口配管のうち、前記抽気配管が連結する部分と前記パワータービンの間に連結されており、外気を前記パワータービン出口配管に取り込むことができる空気取込配管と、該空気取込配管に設けられた空気取込弁と、をさらに備え、
前記第１条件のとき前記空気取込弁を閉じ、前記第２条件のとき前記空気取込弁を開くように構成されている、エンジンシステム。
前記パワータービン入口配管は、前記過給機入口配管から分岐しており、前記過給機入口配管内の排気ガスの一部を前記パワータービンへ導くように構成されている、請求項２に記載のエンジンシステム。
前記エンジン本体の負荷が上昇しているときの前記切換負荷である上昇切換負荷は、前記エンジン本体の負荷が下降しているときの前記切換負荷である下降切換負荷よりも大きく設定されている、請求項２又は３に記載のエンジンシステム。
前記エンジン本体の負荷が上昇して前記上昇切換負荷よりも大きくなったとき、前記抽気弁を閉じた後に前記開閉弁を開くように構成されている、請求項４に記載のエンジンシステム。
前記エンジン本体の負荷が下降して前記下降切換負荷よりも小さくなったとき、前記開閉弁を閉じた後に前記抽気弁を開くように構成されている、請求項４又は５に記載のエンジンシステム。
エンジン本体と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動される過給機と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスによって駆動され、前記エンジン本体のクランク軸に連結されているパワータービンと、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記過給機へ導く過給機入口配管と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを前記パワータービンへ導くパワータービン入口配管と、
前記パワータービン入口配管に設けられ、前記エンジン本体の運転条件に応じて開閉する開閉弁と、
前記パワータービン入口配管のうち前記開閉弁よりも下流側の部分に連結され、前記パワータービン入口配管内の気体を抽出する抽気配管と、
前記抽気配管に設けられた抽気弁と、
前記過給機を通過した排気ガスを排出する過給機出口配管と、を備え、
前記過給機と前記パワータービンが並列に配置されており、
前記エンジン本体が正回転であってかつ前記エンジン本体の負荷が所定の切換負荷よりも大きい第１条件のとき、前記開閉弁を開くとともに前記抽気弁を閉じ、
前記エンジン本体が逆回転のとき又は前記エンジン本体の負荷が前記所定の切換負荷よりも小さい第２条件のとき、前記開閉弁を閉じるか又は前記第１条件における前記開閉弁の開度よりも小さい小開度とするとともに前記抽気弁を開くように構成されており、
前記抽気配管は、前記過給機出口配管に連結されており、前記パワータービン入口配管から抽出した気体を前記過給機出口配管に排出する、エンジンシステム。
前記パワータービンを通過した排気ガスを排出するパワータービン出口配管をさらに備え、前記パワータービン出口配管は、前記過給機出口配管に連結されている、請求項７に記載のエンジンシステム。
前記抽気配管は、前記過給機出口配管の前記パワータービン出口配管が連結されている部分よりも下流側の部分に連結されている、請求項８に記載のエンジンシステム。
請求項１乃至９のうちいずれか一の項に記載のエンジンシステムを備えた船舶。