WO2016114025A1 - 過給システム及び過給システムの運転方法 - Google Patents

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WO2016114025A1
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internal combustion
combustion engine
pipe
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白石　啓一
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三菱重工業株式会社
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a supercharging system including a plurality of superchargers applied to an internal combustion engine and a method for operating the supercharging system.
  • a so-called deceleration operation in which a main engine (for example, a diesel engine) is continuously operated at a low load may be performed.
  • a main engine for example, a diesel engine
  • the supercharger is applied over all the loads of the wide range main engine. It is difficult to make the efficiency appropriate.
  • the turbocharger efficiency can be made appropriate over a wide range of loads on the main engine. ing.
  • This is known as a sequential supercharging system.
  • at least one of a plurality of superchargers is used as a main supercharger, and one is a load of the main engine. It is used as a sub-supercharger that operates or stops depending on
  • the turbine of the primary turbocharger is a variable nozzle type.
  • the variable nozzle of the primary turbocharger is throttled, the exhaust gas flows more to the secondary turbocharger, and eventually the exhaust gas does not flow much to the primary turbocharger and the scavenging pressure can be raised. Can not.
  • An object of the present invention is to provide a supercharging system and a method for operating the supercharging system that can prevent deterioration in fuel consumption of an internal combustion engine while preventing the deterioration.
  • a supercharging system is driven by exhaust gas supplied from an internal combustion engine, and is driven by at least one main turbine section that is always operated during operation of the internal combustion engine, and the main turbine section.
  • a main turbocharger having a main compressor section that sends compressed gas to the internal combustion engine, and at least one sub turbine section that is driven by exhaust gas supplied from the internal combustion engine and that is operated or stopped according to the load of the internal combustion engine
  • a sub-compressor unit that is driven by the sub-turbine unit and sends compressed gas to the internal combustion engine, includes a sub-supercharger different from the main supercharger, and is connected to the sub-turbine unit, and An exhaust pipe through which exhaust gas supplied from an internal combustion engine flows, a gas inlet valve provided in the exhaust pipe for adjusting the flow rate of the exhaust gas, and the sub-compressor And an air supply pipe through which the compressed gas flows, and an air supply pipe through which the compressed gas flows, and the pressure of the outlet gas of the sub-compressor section is
  • the sub-compressor part of the sub-supercharger starts to send compressed air, the compressed gas is returned to the exhaust pipe via the bypass pipe, and the sub-turbine part has the exhaust gas from the exhaust manifold and the compressed gas from the sub-compressor part. Rotate by. Therefore, after opening the gas inlet valve, the rotation speed of the sub-supercharger increases quickly in a short period.
  • the valve is closed when the pressure of the outlet gas of the auxiliary compressor section is less than the pressure of the supply manifold. Thereafter, when the pressure of the outlet gas of the auxiliary compressor section becomes equal to or higher than the pressure of the supply manifold, the valve is opened. As a result, the compressed gas from the sub compressor section is sent to the air supply manifold via the air supply pipe, and the gas is supplied from the main supercharger and the subsupercharger to the internal combustion engine.
  • the bypass valve is first opened and then the gas inlet valve is closed. Thereby, the sub-turbine part of the sub-supercharger starts to stop rotating, and the rotation speed of the sub-supercharger decreases. At this time, the valve is closed when the pressure of the outlet gas of the sub-compressor section becomes lower than the pressure of the supply manifold. Since the compressed gas sent by the sub compressor section is returned to the exhaust pipe via the bypass pipe, surging does not occur in the sub compressor section even after the valve is closed.
  • the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold to the sub supercharger via the exhaust pipe is smaller than that during operation of the sub supercharger. Decrease. Then, the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold to the main supercharger increases, and the rotation speed of the main supercharger increases. Therefore, the air sent from the main supercharger to the air supply manifold increases.
  • the gas inlet valve when starting the sub-supercharger from a stopped state, the gas inlet valve is gradually or partially opened with the bypass valve opened, and the rotation speed of the sub-supercharger After the gas is stabilized, the gas inlet valve may be fully opened and the bypass valve may be fully closed.
  • the sub-turbine section of the sub-supercharger starts to rotate, and the rotation speed of the sub-supercharger increases. Then, the sub-compressor part of the sub-supercharger sends compressed gas, the compressed gas is returned to the exhaust pipe via the bypass pipe, and the sub-turbine part receives the exhaust gas from the exhaust manifold and the sub-compressor part. Rotated by compressed air.
  • the gas inlet valve when the sub-supercharger is stopped from the operating state, the gas inlet valve is gradually or partially closed while the bypass valve is opened, and the rotation speed of the sub-supercharger is After stabilization, the gas inlet valve may be fully closed.
  • the operation method of the supercharging system according to the second aspect of the present invention is driven by the exhaust gas supplied from the internal combustion engine, and at least one main turbine section that is always operated during the operation of the internal combustion engine, and the main turbine A main turbocharger comprising a main compressor section that is driven by a section and sends compressed air to the internal combustion engine; and at least one that is driven by exhaust gas supplied from the internal combustion engine and that is operated or stopped according to a load of the internal combustion engine A sub-turbine unit, and a sub-compressor unit that is driven by the sub-turbine unit and sends compressed gas to the internal combustion engine, and includes a sub-supercharger different from the main supercharger, and is connected to the sub-turbine unit And an exhaust pipe through which exhaust gas supplied from the internal combustion engine flows, the sub-compressor section, and an air supply manifold of the internal combustion engine And a method of operating a supercharging system comprising a supply pipe through which the compressed gas flows, the step of starting the flow of the exhaust gas to the
  • the auxiliary compressor in the supply pipe And the step of stopping the supply of compressed gas from the outlet of the section to the supply manifold and sending the compressed gas from the outlet of the sub compressor section to the inlet of the sub turbine section.
  • compressed air is supplied to the outside of the supercharging system while preventing the sub-supercharger from surging.
  • the reduction of the amount of air sent to the internal combustion engine is suppressed, and the increase in the exhaust gas temperature generated in the internal combustion engine is suppressed. It is possible to suppress the deterioration of the fuel consumption of the internal combustion engine and the increase of the heat load accompanying the start or stop of the supercharger.
  • the supercharging system 1 which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
  • the supercharging system 1 is applied to an internal combustion engine (not shown; hereinafter referred to as “engine”) such as a marine diesel engine, for example, a low-speed two-cycle diesel engine.
  • engine such as a marine diesel engine, for example, a low-speed two-cycle diesel engine.
  • the internal combustion engine is not limited to the example described above.
  • the supercharging system 1 includes at least one main supercharger 2 and one subsupercharger 3.
  • the main supercharger 2 is assumed to always operate while the engine is in operation, and depending on the engine load, the subsupercharger 3 is started to start operation or the subsupercharger 3 is started. Or stop.
  • the supercharger efficiency is appropriate over a wide range of engine loads. For example, the supercharger efficiency can be optimized both when the deceleration operation is continuously performed in the operation of the ship and when the rated operation is performed.
  • the engine is provided with a crankshaft, and in the case of a ship, a screw propeller is directly or indirectly attached to the crankshaft via the propeller shaft. Further, the engine is provided with a cylinder portion (not shown) including a cylinder liner, a cylinder cover, and the like, and a piston connected to a crankshaft via a crosshead (not shown) is disposed in each cylinder portion. Is done.
  • each cylinder part is connected to the exhaust manifold 11 shown in FIG. 1, and the exhaust manifold 11 is connected to the turbine 2a of the main supercharger 2 via the first exhaust pipe L1. Is connected to the inlet side of the turbine 3a of the sub-supercharger 3 via the second exhaust pipe L5.
  • An air supply port (not shown) of each cylinder portion is connected to an air supply manifold 12, and the air supply manifold 12 is connected to the compressor 2b of the main supercharger 2 via a first air supply pipe L4. Then, it is connected to the compressor 3b of the auxiliary supercharger 3 through the second air supply pipe L8.
  • the main supercharger 2 includes a turbine 2a, a compressor 2b, and a rotating shaft 2c.
  • the turbine 2a is driven by exhaust gas that is combustion gas supplied from the engine via the first exhaust pipe L1.
  • the compressor 2b is driven by the turbine 2a to compress outside air (including not only air outside the engine but also EGR (Exhaust Gas Recirculation) gas or a mixed gas of EGR gas and air. The same applies hereinafter) to the engine. send.
  • the rotary shaft 2c has one end projecting toward the turbine 2a and the other end projecting toward the compressor 2b.
  • the main supercharger 2 is a supercharger that is always operated during the operation of the engine. In the present embodiment, only one main supercharger 2 is provided, but a plurality of main superchargers may be provided according to the scale of the supercharging system.
  • the sub-supercharger 3 is provided separately from the main supercharger 2, and includes a turbine 3a, a compressor 3b, and a rotating shaft 3c.
  • the turbine 3a is driven by exhaust gas that is combustion gas supplied from the engine via the second exhaust pipe L5.
  • the compressor 3b is driven by the turbine 3a to compress and send outside air to the engine.
  • the rotary shaft 3c has one end protruding toward the turbine 3a and the other end protruding toward the compressor 3b.
  • One end of the rotating shaft 3c is attached to a turbine disk of a turbine rotor that constitutes the turbine 3a, and the other end of the rotating shaft 3c is attached to a hub of a compressor impeller that constitutes the compressor 3b.
  • the sub-supercharger 3 is a supercharger that operates or stops according to the engine load. In the present embodiment, only one sub-supercharger 3 is provided, but a plurality of sub-superchargers may be provided according to the scale of the supercharging system.
  • the exhaust gas that has passed through the turbines 2a and 3a is led to the funnel via the exhaust pipes L2 and L6 connected to the outlet sides of the turbines 2a and 3a, respectively, and then discharged out of the ship.
  • Silencers are disposed in the supply pipes L3 and L7 connected to the inlet sides of the compressors 2b and 3b, respectively, and outside air that has passed through the silencers is guided to the compressors 2b and 3b, respectively. It is burned.
  • An air cooler 13, a surge tank (not shown), and the like are provided in the middle of the first air supply pipe L4 and the second air supply pipe L8 respectively connected to the outlet sides of the compressors 2b and 3b.
  • the outside air that has passed through the compressors 2b and 3b passes through the air cooler 13, the surge tank, and the like, and is then supplied to the air supply manifold 12 of the engine.
  • the gas inlet valve 5 is connected to the second exhaust pipe L5.
  • the gas inlet valve 5 can adjust the opening, and can adjust the flow rate of exhaust gas.
  • exhaust gas is supplied from the exhaust manifold 11 to the turbine 3a of the sub-supercharger 3, and when the gas inlet valve 5 is closed, supply of the exhaust gas is stopped.
  • a check valve 6 is provided in the second air supply pipe L8.
  • the check valve 6 is opened when the pressure of the outlet air of the compressor 3 b of the sub-supercharger 3 is equal to or higher than the pressure of the air supply manifold 12, and is closed when the pressure is lower than the pressure of the air supply manifold 12.
  • the check valve 6 is provided in the second air supply pipe L8 has been described, but the present invention is not limited to this example. For example, if there is a valve that opens only with a pressure difference in one direction, a control valve that operates with a pressure sensor may be used.
  • the bypass pipe L9 includes an upstream portion of the check valve 6 in the second air supply pipe L8 (more specifically, a portion from the outlet of the compressor 3b to the inlet of the check valve 6), and a second exhaust pipe L5. Is connected to a downstream portion of the gas inlet valve 5 (more specifically, a portion from the outlet of the gas inlet valve 5 to the inlet of the turbine 3a).
  • the bypass pipe L9 is provided with a bypass valve 7. When the bypass valve 7 is opened, the compressed air flows from the second air supply pipe L8 to the second exhaust pipe L5. When the bypass valve 7 is closed, the compressed air flows. Stops.
  • the bypass valve 7 is opened beforehand. As a result, as soon as the compressed air is sent from the compressor 3b of the sub-supercharger 3, the compressed air can be returned to the exhaust pipe L5 to which the bypass pipe L9 is connected.
  • the gas inlet valve 5 of the sub-supercharger 3 is gradually opened.
  • the amount of exhaust gas flowing through the second exhaust pipe L5 gradually increases, the turbine 3a of the subsupercharger 3 begins to rotate, and the rotational speed of the subsupercharger 3 increases.
  • the rotation speed of the sub-supercharger 3 rises sufficiently high, for example, the rotation speed of the sub-supercharger 3 assumed while both the main supercharger 2 and the sub-supercharger 3 are operating.
  • the rotational speed becomes 5 to 10% higher (not shown in FIG. 2), the opening operation of the gas inlet valve 5 is temporarily interrupted.
  • the gas inlet valve 5 is not fully opened in a short time, but is partially opened.
  • the compressor 3b of the sub-supercharger 3 sends compressed air, and the compressed air is returned to the exhaust pipe L5 via the bypass pipe L9.
  • the turbine 3a receives the exhaust gas from the exhaust manifold 11 and the compressor 3b. Rotated by compressed air from. Therefore, the rotation speed of the sub supercharger 3 increases quickly in a short period.
  • the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold 11 to the main supercharger 2 can be reduced as compared with the prior art, and the reduction in the rotational speed of the main supercharger 2 can be suppressed. Therefore, a large amount of air sent from the main supercharger 2 to the air supply manifold 12 can be maintained.
  • the bypass valve 7 is gradually fully closed while the gas inlet valve 5 is gradually fully opened. .
  • the pressure P1 of the outlet air of the compressor 3b of the sub supercharger 3 further increases.
  • the check valve 6 is opened. Thereby, the compressed air from the compressor 3b is sent to the air supply manifold 12 through the air supply pipe L8, and air is supplied from the main supercharger 2 and the sub supercharger 3 to the main engine.
  • the check valve 6 since the check valve 6 is in a closed state from when the gas inlet valve 5 of the auxiliary supercharger 3 starts to open until the check valve 6 is opened, the auxiliary supercharger 3 to the compressor 3b is closed. The backflow of air can be prevented, and the occurrence of surging in the sub-supercharger 3 can be prevented. Moreover, in the process of starting the subsupercharger 3, the period during which the compressed air is bypassed is short. Then, the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold 11 to the sub-supercharger 3 is reduced by using the compressed air to boost the operation of the sub-supercharger 3 without releasing the compressed air to the outside of the supercharging system 1.
  • the bypass valve 7 is opened. Further, after the opening of the bypass valve 7 is started, the gas inlet valve 5 of the auxiliary supercharger 3 is started to close as shown in FIG. Then, the gas inlet valve 5 is gradually closed while the bypass valve 7 is gradually opened. As a result, the amount of exhaust gas flowing through the second exhaust pipe L5 gradually decreases, the turbine 3a of the sub-supercharger 3 starts to stop rotating, and the rotation speed of the sub-supercharger 3 decreases.
  • the gas inlet valve 5 is gradually fully closed. Since the compressed air is not released to the outside, even if the check valve 6 is closed, the rotation speed of the sub-supercharger 3 does not increase. Further, since the compressed air is returned, the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold 11 to the sub-supercharger 3 via the exhaust pipe L5 is reduced as compared with the operation of the sub-supercharger 3. And the amount of exhaust gas sent from the exhaust manifold 11 to the main supercharger 2 increases, and the rotation speed of the main supercharger 2 increases. Therefore, the air sent from the main supercharger 2 to the air supply manifold 12 increases.
  • the air sent from the main supercharger 2 to the air supply manifold 12 increases in the process of stopping the sub-supercharger 3, the scavenging air pressure P2 is lowered and sent to the main engine as in the prior art.
  • the amount of air does not decrease. As a result, it becomes difficult for the temperature of the exhaust gas generated in the main engine to rise, and the increase in the heat load of the main engine and the deterioration of fuel consumption can be suppressed.

Abstract

主過給機が運転している状態で、副過給機を起動又は停止するとき、副過給機のサージングを防止しつつ、内燃機関の燃費悪化を抑制することが可能な過給システム及び過給システムの運転方法を提供することを目的とする。過給システム（１）は、主過給機（２）と、副過給機（３）と、タービン（３ａ）へ排ガスが流れる排気管（Ｌ５）と、排気管（Ｌ５）に設けられ排ガスの流量を調整するガス入口弁（５）と、コンプレッサ（３ｂ）から給気マニホールド（１２）に圧縮空気が流れる給気管（Ｌ８）と、給気管（Ｌ８）に設けられ、コンプレッサ（３ｂ）の出口空気の圧力が給気マニホールド（１２）の圧力以上のときに開状態となる逆止弁（６）と、給気管（Ｌ８）と排気管（Ｌ５）に接続されるバイパス管（Ｌ９）と、バイパス管（Ｌ９）に設けられ、給気管（Ｌ８）から排気管（Ｌ５）へバイパス管（Ｌ９）を流れる圧縮空気の流量を調整するバイパス弁（７）とを備える。

Description

過給システム及び過給システムの運転方法
　本発明は、内燃機関に適用される複数の過給機を備える過給システム及び過給システムの運転方法に関するものである。
　船舶の運航では、燃料消費量を低減するため、主機関（例えばディーゼル機関）を連続的に低負荷で運転させる、いわゆる減速運転が行われる場合がある。この場合、主機関の負荷範囲が広くなるため、１台又は複数台の過給機（主過給機）を常時運転させるという制御では、この広範囲の主機関の負荷の全てにわたって、過給機効率を適切にすることは困難である。
　そこで、複数台の過給機を備え、主機関の負荷に応じて、過給機の運転台数を制御することによって、主機関の負荷の広い範囲で、過給機効率が適切になるようにしている。これは、シーケンシャル過給システムとして知られており、主機関の運転の間、複数台の過給機のうち少なくとも１台が常時運転する主過給機として用いられ、１台が主機関の負荷に応じて運転又は停止する副過給機として用いられる。
特許第４９５００８２号公報 特開２００５－１５５３５６号公報
　主機関の運転中、１台の副過給機を運転開始（起動）、又は、停止するとき、主機関には、別の主過給機から圧縮空気が送られているため、機関掃気室は加圧された状態にある。そのため、特許文献１に記載のように副過給機を起動する際には、副過給機におけるサージングの発生を防ぐために、副過給機のコンプレッサ出口空気の圧力が、掃気室内の圧力（掃気圧）に到達するまで、副過給機のコンプレッサから送られる圧縮空気を外部に放出する必要がある。また、副過給機を停止する際にも同様に、副過給機におけるサージングの発生を防ぐために、副過給機のコンプレッサから送られる圧縮空気を外部に放出する必要がある。
　しかし、空気放出弁から圧縮空気を外部へ放出する場合、排ガスによって得たエネルギーを利用することなく放出することになるため、エネルギー損失が発生してしまう。また、主機関へ送られる空気の量も一時的に減少することになるため、主機関で発生する排ガスの温度が上昇し、主機関の熱負荷上昇を招く問題があった。
　上記の特許文献２の機関過給装置では、プライマリターボ過給機のタービンが可変ノズル型とされている。しかし、プライマリターボ過給機の可変ノズルを絞っても、排ガスは、セカンダリターボ過給機のほうに多く流れてしまい、結局プライマリターボ過給機に排ガスが多く流れず、掃気圧を上げることができない。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、主過給機が運転している状態で、別の副過給機を起動又は停止するとき、副過給機のサージングを防止しつつ、内燃機関の燃費悪化を抑制することが可能な過給システム及び過給システムの運転方法を提供することを目的とする。
　本発明の第１態様に係る過給システムは、内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の運転の間、常時運転する少なくとも一つの主タービン部、及び、前記主タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る主コンプレッサ部を備える主過給機と、前記内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の負荷に応じて運転又は停止する少なくとも一つの副タービン部、及び、前記副タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る副コンプレッサ部を備え、前記主過給機と異なる副過給機とを備え、前記副タービン部に接続されるとともに、前記内燃機関から供給される排ガスが流れる排気管と、前記排気管に設けられ、前記排ガスの流量を調整するガス入口弁と、前記副コンプレッサ部、及び、前記内燃機関の給気マニホールドに接続されるとともに、前記圧縮気体が流れる給気管と、前記給気管に設けられ、前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力以上のときに開状態となる弁と、前記給気管における前記弁の上流側部分と、前記排気管における前記ガス入口弁の下流側部分に接続されるバイパス管と、前記バイパス管に設けられ、前記給気管から前記排気管へ前記バイパス管を流れる前記圧縮気体の流量を調整するバイパス弁とを備える。
　この構成によれば、主過給機が運転しているとき、副過給機が停止しており、バイパス弁が開いている状態から、ガス入口弁を開くことにより、副過給機の副タービン部が回転を始め、副過給機の回転数が上昇する。
　副過給機の副コンプレッサ部が圧縮空気を送るようになり、パイパス管を介して、排気管へ圧縮気体が戻され、副タービン部は、排気マニホールドからの排ガスと副コンプレッサ部からの圧縮気体によって回転する。したがって、ガス入口弁を開いた後、副過給機の回転数は、短期間で早く上昇する。副コンプレッサ部の出口気体の圧力が、給気マニホールドの圧力未満であるとき、弁は閉状態である。
　その後、副コンプレッサ部の出口気体の圧力が、給気マニホールドの圧力以上となったとき、弁が開状態となる。これにより、給気管を介して、副コンプレッサ部からの圧縮気体が給気マニホールドへ送られ、主過給機と副過給機から内燃機関へ気体が供給されるようになる。
　また、副過給機が運転している状態から、副過給機を停止するとき、まずバイパス弁を開いた後、ガス入口弁を閉じる。これにより、副過給機の副タービン部が回転を停止し始め、副過給機の回転数が下降していく。このとき、副コンプレッサ部の出口気体の圧力が、給気マニホールドの圧力未満になったとき、弁が閉状態となる。副コンプレッサ部が送る圧縮気体は、バイパス管を介して排気管へ戻されるので、副コンプレッサ部では、弁が閉じた後でもサージングが発生しない。
　さらに、圧縮空気が、パイパス管を介して、排気管へ圧縮空気が戻されるため、排気マニホールドから排気管を介して副過給機へ送られる排ガス量は、副過給機の運転時に比べて減少する。そして、排気マニホールドから主過給機へ送られる排ガス量が増加し、主過給機の回転数が増加する。そのため、主過給機から給気マニホールドへ送られる空気が増加する。
　上記第１態様において、前記副過給機を停止状態から起動するとき、前記バイパス弁が開いた状態で前記ガス入口弁が徐々に又は部分的に開かれて、前記副過給機の回転数が安定した後、前記ガス入口弁を全開し、かつ、前記バイパス弁を全閉してもよい。
　この構成によれば、ガス入口弁が徐々に又は部分的に開かれた場合でも、副過給機の副タービン部が回転を始め、副過給機の回転数が上昇する。そして、副過給機の副コンプレッサ部が圧縮気体を送るようになり、パイパス管を介して、排気管へ圧縮気体が戻され、副タービン部は、排気マニホールドからの排ガスと副コンプレッサ部からの圧縮空気によって回転する。
　上記第１態様において、前記副過給機を運転状態から停止するとき、前記バイパス弁を開きつつ、前記ガス入口弁が徐々に又は部分的に閉められて、前記副過給機の回転数が安定した後、前記ガス入口弁を全閉してもよい。
　この構成によれば、ガス入口弁が部分的に閉められた場合でも、副過給機の副タービン部が回転を停止し始め、副過給機の回転数が下降していく。このとき、副過給機の副コンプレッサ部が送る圧縮気体は、パイパス管を介して、排気管へ圧縮気体が戻される。副コンプレッサ部の出口気体の圧力が、給気マニホールドの圧力未満になったとき、弁が閉状態となる。
　本発明の第２態様に係る過給システムの運転方法は、内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の運転の間、常時運転する少なくとも一つの主タービン部、及び、前記主タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮空気を送る主コンプレッサ部を備える主過給機と、前記内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の負荷に応じて運転又は停止する少なくとも一つの副タービン部、及び、前記副タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る副コンプレッサ部を備え、前記主過給機と異なる副過給機とを備え、前記副タービン部に接続されるとともに、前記内燃機関から供給される排ガスが流れる排気管と、前記副コンプレッサ部、及び、前記内燃機関の給気マニホールドに接続されるとともに、前記圧縮気体が流れる給気管とを備える過給システムの運転方法であって、前記排気管への前記排ガスの流通を開始するステップと、前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力未満の間、前記副コンプレッサ部の出口から前記副タービン部の入口へ圧縮空気を送るステップと、前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力以上となったとき、前記給気管を介して、前記副コンプレッサ部の出口から前記給気マニホールドへ圧縮気体を送るステップとを備える。
　上記第２態様において、前記排気管への前記排ガスの流通を停止するステップと、前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力未満となったとき、前記給気管において前記副コンプレッサ部の出口から前記給気マニホールドへ圧縮気体の供給を停止し、前記副コンプレッサ部の出口から前記副タービン部の入口へ圧縮気体を送るステップとを備えてもよい。
　本発明によれば、主過給機が運転している状態で、別の副過給機を起動又は停止するとき、副過給機のサージングを防止しつつ、過給システム外部に圧縮空気を放出させず、その圧縮空気を副過給機の運転の加勢に使用することで、内燃機関へ送られる空気量の低減を抑制し、内燃機関で発生する排ガス温度の上昇を抑えることで、副過給機の起動又は停止に伴う内燃機関の燃費悪化と熱負荷の上昇を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る過給システムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る過給システムの動作を示す、横軸を時間で表したグラフである。
　以下、本発明の一実施形態に係る過給システム１について説明する。
　過給システム１は、舶用ディーゼル機関、例えば低速２サイクルディーゼル機関等の内燃機関（図示せず。以下「機関」という。）に適用される。なお、内燃機関は、上述した例に限定されない。
　過給システム１は、少なくとも１台の主過給機２と、１台の副過給機３を備える。主過給機２は、機関が運転している間、常時運転することを前提とし、機関の負荷に応じて、副過給機３を起動して運転を開始したり、副過給機３を停止したりする。これにより、機関の負荷の広い範囲で、過給機効率が適切になる。たとえば、船舶の運航で減速運転を連続的に行う場合、及び、定格運転を行う場合のいずれにも、過給機効率を最適にすることができる。
　機関はクランク軸を備え、船舶の場合、クランク軸には、プロペラ軸を介してスクリュープロペラが直接的又は間接的に取り付けられる。また、機関には、シリンダライナ、シリンダカバー等からなるシリンダ部（図示せず。）が設けられており、各シリンダ部内には、図示しないクロスヘッドを介してクランク軸と連結されたピストンが配置される。
　各シリンダ部の排気ポート（図示せず。）は、図１に示す、排気マニホールド１１と接続されており、排気マニホールド１１は、第１の排気管Ｌ１を介して主過給機２のタービン２ａの入口側と接続され、第２の排気管Ｌ５を介して副過給機３のタービン３ａの入口側と接続される。各シリンダ部の給気ポート（図示せず。）は、給気マニホールド１２と接続されており、給気マニホールド１２は、第１の給気管Ｌ４を介して主過給機２のコンプレッサ２ｂと接続され、第２の給気管Ｌ８を介して副過給機３のコンプレッサ３ｂと接続される。
　主過給機２は、タービン２ａと、コンプレッサ２ｂと、回転軸２ｃを備える。タービン２ａは、第１の排気管Ｌ１を介して機関から供給される燃焼ガスである排ガスによって駆動される。コンプレッサ２ｂは、タービン２ａにより駆動されて、機関に外気（機関外部の空気のみならず、ＥＧＲ（Exhaust　Gas　Recirculation）ガスやＥＧＲガスと空気の混合気体を含む。以下、同じ。）を圧縮して送る。回転軸２ｃは、一端部をタービン２ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ２ｂに突出させる。回転軸２ｃの一端部は、タービン２ａを構成するタービン・ロータのタービン・ディスクに取り付けられ、回転軸２ｃの他端部は、コンプレッサ２ｂを構成するコンプレッサ羽根車のハブに取り付けられる。主過給機２は、機関の運転の間、常時運転する過給機である。本実施形態では、主過給機２は１台のみであるが、過給システムの規模に応じて、主過給機を複数台設けてもよい。
　副過給機３は、主過給機２と別に設けられ、タービン３ａと、コンプレッサ３ｂと、回転軸３ｃを備える。タービン３ａは、第２の排気管Ｌ５を介して機関から供給される燃焼ガスである排ガスによって駆動される。コンプレッサ３ｂは、タービン３ａにより駆動されて、機関に外気を圧縮して送る。回転軸３ｃは、一端部をタービン３ａ側に突出させ、他端部をコンプレッサ３ｂに突出させる。回転軸３ｃの一端部は、タービン３ａを構成するタービン・ロータのタービン・ディスクに取り付けられ、回転軸３ｃの他端部は、コンプレッサ３ｂを構成するコンプレッサ羽根車のハブに取り付けられる。副過給機３は、機関の負荷に応じて運転又は停止する過給機である。本実施形態では、副過給機３は１台のみであるが、過給システムの規模に応じて、副過給機を複数台設けてもよい。
　タービン２ａ，３ａを通過した排ガスは、それぞれ、タービン２ａ，３ａの出口側に接続された排気管Ｌ２，Ｌ６を介してファンネルに導かれた後、船外に排出される。
　コンプレッサ２ｂ，３ｂの入口側に接続された給気管Ｌ３，Ｌ７には、それぞれ消音器（図示せず。）が配置されており、この消音器を通過した外気が、コンプレッサ２ｂ，３ｂにそれぞれ導かれる。また、コンプレッサ２ｂ，３ｂの出口側にそれぞれ接続された第１の給気管Ｌ４、第２の給気管Ｌ８の途中には、空気冷却器１３やサージタンク（図示せず。）等が設けられる。コンプレッサ２ｂ，３ｂを通過した外気は、空気冷却器１３やサージタンク等を通過した後、機関の給気マニホールド１２に供給される。
　第２の排気管Ｌ５には、ガス入口弁５が接続される。ガス入口弁５は、開度の調整が可能であり、排ガスの流量を調整できる。ガス入口弁５が開くと、排気マニホールド１１から副過給機３のタービン３ａに排ガスが供給され、ガス入口弁５が閉じると、排ガスの供給が停止する。
　第２の給気管Ｌ８には、逆止弁６が設けられる。逆止弁６は、副過給機３のコンプレッサ３ｂの出口空気の圧力が給気マニホールド１２の圧力以上のときに開状態となり、給気マニホールド１２の圧力未満のときに閉状態となる。なお、本実施形態では、第２の給気管Ｌ８に逆止弁６を設ける場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、一方向の圧力差でのみ開く弁があれば、圧力センサで作動する制御弁でもよい。
　バイパス管Ｌ９は、第２の給気管Ｌ８における逆止弁６の上流側部分（より具体的には、コンプレッサ３ｂの出口から逆止弁６の入口までの部分）と、第２の排気管Ｌ５におけるガス入口弁５の下流側部分（より具体的には、ガス入口弁５の出口からタービン３ａの入口までの部分）に接続される。バイパス管Ｌ９には、バイパス弁７が設けられ、バイパス弁７が開くと、第２の給気管Ｌ８から第２の排気管Ｌ５へ圧縮空気が流れ、バイパス弁７が閉じると、圧縮空気の流れが停止する。
　以下、本実施形態に係る過給システム１の動作について説明する。下記の説明では、主過給機２は、常時、運転状態にあることを前提とする。
　初めに、副過給機３を起動する場合について説明する。
　まず、副過給機３を起動する前に、バイパス弁７を予め開放しておく。これにより、副過給機３のコンプレッサ３ｂから圧縮空気が送られるとすぐに、パイパス管Ｌ９の接続先である排気管Ｌ５へ圧縮空気が戻すことが可能になる。
　そして、副過給機３を起動するため、図２に示すように、副過給機３のガス入口弁５を徐々に開き始める。これにより、第２の排気管Ｌ５を流れる排ガスの量が徐々に増加し、副過給機３のタービン３ａが回転を始めて、副過給機３の回転数が上昇していく。そして、副過給機３の回転数が十分高く上昇したとき、例えば、主過給機２及び副過給機３共に運転している間に想定される副過給機３の回転数よりも５～１０％高い回転数になった時（図２では不図示）、ガス入口弁５の開動作を一旦中断する。ガス入口弁５は、短時間に全開とされるのではなく、部分的に開かれた状態である。このとき、副過給機３のコンプレッサ３ｂが圧縮空気を送るようになり、パイパス管Ｌ９を介して、排気管Ｌ５へ圧縮空気が戻され、タービン３ａは、排気マニホールド１１からの排ガスとコンプレッサ３ｂからの圧縮空気によって回転する。したがって、副過給機３の回転数は、短期間で早く上昇する。
　圧縮空気をバイパスさせている期間、排気マニホールド１１から副過給機３へ排ガスが送られるが、パイパス管Ｌ９を介して圧縮空気が戻されるため、バイパス管Ｌ９を設けない場合と比較して、排気マニホールド１１から副過給機３へ送られる排ガス量を少なくすることができる。
　そのため、排気マニホールド１１から主過給機２へ送られる排ガス量の減少が、従来よりも少なくて済み、主過給機２の回転数の低減を抑制できる。そのため、主過給機２から給気マニホールド１２へ送られる空気を多く維持できる。
　その後、図２に示すように、副過給機３の回転数が上述の回転数まで上昇し安定した後、ガス入口弁５を徐々に全開にしながら、バイパス弁７を徐々に全閉にする。その結果、副過給機３のコンプレッサ３ｂの出口空気の圧力Ｐ１が更に上昇する。そして、出口空気の圧力Ｐ１が、給気マニホールド１２の圧力Ｐ２（＝主機関の掃気圧Ｐ２）以上となったとき、逆止弁６が開状態となる。これにより、給気管Ｌ８を介して、コンプレッサ３ｂからの圧縮空気が給気マニホールド１２へ送られ、主過給機２と副過給機３から主機関へ空気が供給されるようになる。
　すなわち、副過給機３のガス入口弁５を開き始めてから逆止弁６が開状態となるまでの間、逆止弁６は閉状態であるため、副過給機３のコンプレッサ３ｂへの空気の逆流を防止でき、副過給機３におけるサージングの発生を防ぐことができる。
　また、副過給機３を起動する過程において、圧縮空気をバイパスさせている期間が短い。そして、過給システム１の外部に圧縮空気を放出させず、その圧縮空気を副過給機３の運転の加勢に使用することで、排気マニホールド１１から副過給機３へ送られる排ガス量を少なくできることから、排気マニホールド１１から主過給機２へ送られる排ガス量の減少量を抑えられる。その結果、主機関で発生する排ガスの温度が上昇しにくくなり、主機関の熱負荷上昇や、燃料消費の悪化を抑制できる。
　次に、副過給機３を停止する場合について説明する。
　まず、コンプレッサ３ｂからの出口空気を減らすため、バイパス弁７を開放する。また、パイパス弁７の開放を開始した後に、図２に示すように、副過給機３のガス入口弁５を閉じ始める。そして、バイパス弁７を徐々に開放しながら、ガス入口弁５を徐々に閉じる。これにより、第２の排気管Ｌ５を流れる排ガスの量が徐々に減少し、副過給機３のタービン３ａが回転を停止し始め、副過給機３の回転数が下降していく。
　そして、コンプレッサ３ｂの出口空気の圧力Ｐ１が、給気マニホールド１２の圧力Ｐ２（＝主機関の掃気圧Ｐ２）未満になったとき、逆止弁６が閉状態となる。副過給機３のコンプレッサ３ｂが送る圧縮空気は、パイパス管Ｌ９を介して、排気管Ｌ５へ圧縮空気が戻される。これにより、副過給機３のコンプレッサ３ｂへの空気の逆流を防止でき、副過給機３におけるサージングの発生を防ぐことができる。
　そして、副過給機３の回転数が安定した後、ガス入口弁５を徐々に全閉にする。圧縮空気が外部へ放出されないため、逆止弁６が閉ざされても、副過給機３の回転数が上昇しない。また、圧縮空気が戻されるため、排気マニホールド１１から排気管Ｌ５を介して副過給機３へ送られる排ガス量が、副過給機３の運転時に比べて減少する。そして、排気マニホールド１１から主過給機２へ送られる排ガス量が増加し、主過給機２の回転数が増加する。そのため、主過給機２から給気マニホールド１２へ送られる空気が増加する。
　すなわち、副過給機３を停止する過程において、主過給機２から給気マニホールド１２へ送られる空気が増加することから、従来のように、掃気圧Ｐ２が低下して主機関へ送られる空気の量が減少することがない。その結果、主機関で発生する排ガスの温度が上昇しにくくなり、主機関の熱負荷上昇や、燃料消費の悪化を抑制できる。
１　過給システム
２　主過給機
２ａ　タービン（主タービン部）
２ｂ　コンプレッサ（主コンプレッサ部）
３　副過給機
３ａ　タービン（副タービン部）
３ｂ　コンプレッサ（副コンプレッサ部）
５　ガス入口弁
６　逆止弁（弁）
７　バイパス弁
１１　排気マニホールド
１２　給気マニホールド
１３　空気冷却器
Ｌ１　第１の排気管
Ｌ２，Ｌ６　排気管
Ｌ３，Ｌ７　給気管
Ｌ４　第１の給気管
Ｌ５　第２の排気管（排気管）
Ｌ８　第２の給気管（給気管）
Ｌ９　バイパス管

Claims (5)

  1. 　内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の運転の間、常時運転する少なくとも一つの主タービン部、及び、前記主タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る主コンプレッサ部を備える主過給機と、
    　前記内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の負荷に応じて運転又は停止する少なくとも一つの副タービン部、及び、前記副タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る副コンプレッサ部を備え、前記主過給機と異なる副過給機と、
    を備え、
    　前記副タービン部に接続されるとともに、前記内燃機関から供給される排ガスが流れる排気管と、
    　前記排気管に設けられ、前記排ガスの流量を調整するガス入口弁と、
    　前記副コンプレッサ部、及び、前記内燃機関の給気マニホールドに接続されるとともに、前記圧縮気体が流れる給気管と、
    　前記給気管に設けられ、前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力以上のときに開状態となる弁と、
    　前記給気管における前記弁の上流側部分と、前記排気管における前記ガス入口弁の下流側部分に接続されるバイパス管と、
    　前記バイパス管に設けられ、前記給気管から前記排気管へ前記バイパス管を流れる前記圧縮気体の流量を調整するバイパス弁と、
    を備える過給システム。
  2. 　前記副過給機を停止状態から起動するとき、前記バイパス弁が開いた状態で前記ガス入口弁が徐々に又は部分的に開かれて、前記副過給機の回転数が安定した後、前記ガス入口弁を全開し、かつ、前記バイパス弁を全閉する請求項１に記載の過給システム。
  3. 　前記副過給機を運転状態から停止するとき、前記バイパス弁を開きつつ、前記ガス入口弁が徐々に又は部分的に閉められて、前記副過給機の回転数が安定した後、前記ガス入口弁を全閉する請求項１又は２に記載の過給システム。
  4. 　内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の運転の間、常時運転する少なくとも一つの主タービン部、及び、前記主タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮空気を送る主コンプレッサ部を備える主過給機と、前記内燃機関から供給される排ガスによって駆動され、前記内燃機関の負荷に応じて運転又は停止する少なくとも一つの副タービン部、及び、前記副タービン部によって駆動され前記内燃機関に圧縮気体を送る副コンプレッサ部を備え、前記主過給機と異なる副過給機とを備え、前記副タービン部に接続されるとともに、前記内燃機関から供給される排ガスが流れる排気管と、前記副コンプレッサ部、及び、前記内燃機関の給気マニホールドに接続されるとともに、前記圧縮気体が流れる給気管とを備える過給システムの運転方法であって、
    　前記排気管への前記排ガスの流通を開始するステップと、
    　前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力未満の間、前記副コンプレッサ部の出口から前記副タービン部の入口へ圧縮空気を送るステップと、
    　前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力以上となったとき、前記給気管を介して、前記副コンプレッサ部の出口から前記給気マニホールドへ圧縮気体を送るステップと、
    を備える過給システムの運転方法。
  5. 　前記排気管への前記排ガスの流通を停止するステップと、
    　前記副コンプレッサ部の出口気体の圧力が前記給気マニホールドの圧力未満となったとき、前記給気管において前記副コンプレッサ部の出口から前記給気マニホールドへ圧縮気体の供給を停止し、前記副コンプレッサ部の出口から前記副タービン部の入口へ圧縮気体を送るステップと、
    を備える請求項４に記載の過給システムの運転方法。
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