JP6348640B1 - 内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶 - Google Patents

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。

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

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、
   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。
2. 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。
3. 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２に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
4. 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１〜３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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