JP6104964B2 - エンジンの起動装置、起動方法、起動装置を備えた船舶 - Google Patents

Description

本発明は、舶用大型２サイクルディーゼルエンジン等に好適な、エンジンの起動装置、起動方法、起動装置を備えた船舶に関するものである。

特許文献１に開示されているように、舶用大型２サイクルディーゼルエンジン等に装備される過給機において、発電機を兼ねた電動機を過給機のローター軸に直結して設けた電動排気過給機（ハイブリッド過給機）が実用化されている。

これは、エンジンの低負荷運転時や出力上昇時に、ローター軸の回転をエンジン本体の機関出力に追従させて加勢し、エンジン本体の一時的な給気不足を防止するものである。

特開２０１０−１２７２３９号公報

このような電動排気過給機を装備した舶用大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては、エンジンの起動前に予め電動機で過給機のローター軸の回転数を高めておくことにより、過給器のコンプレッサを駆動して圧縮空気を生成し、この圧縮空気を掃気室に送って掃気室の圧力を高めることができる。また、エンジンの起動とともにコンプレッサの回転速度を素早く上昇させて、一時的な空気量不足による排気煙の発生を抑制することができる。

これにより、過給機による掃気圧向上が望めない領域（エンジン起動時から低負荷域等）において掃気室に空気を送り込むべく従来から掃気室に設置されていた電動補助ブロワ（送風機）を用いることなくエンジンを起動可能にするとともに、エンジン起動時における空気供給量を増大させて燃焼状態を改善し、起動時における排気煙の量を減少することが期待されている。

しかしながら、油圧で開閉駆動される排気弁を備えたユニフロー形式の舶用大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては、エンジンの起動前において各気筒の排気弁が駆動油圧喪失により全て閉じていることから、前述のようにエンジン起動前に過給機を回転させると、過給機のコンプレッサから吐出された圧縮空気は掃気室に留まり、定常的に流れることができないので、コンプレッサがサージングを起こして振動や異音等が発生するという問題があった。

また、エンジンの起動前には過給機の排気タービンに排ガスが流入せず、排ガスのエネルギーによる回転駆動力が得られないため、電動機の出力のみで過給機のローター軸を回転させなければならないことにより、電動機の所要電力が大きくなるという問題があった。

さらに、従来では電動補助ブロワによりエンジン起動時における掃気室の圧力を高めていたが、電動補助ブロワの設置によってエンジン始動装置の構成が複雑になり、その消費電力も無視できなかった。

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、コンプレッサのサージングを防止しつつ、電動機でコンプレッサを回転駆動しながら少ない消費電力でエンジン起動を可能にするとともに、エンジン起動時における排気煙の量を減少させることができるエンジンの起動装置、起動方法、起動装置を備えた船舶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。

即ち、本発明の第１態様に係るエンジンの起動装置は、電動機でコンプレッサの回転を加勢する電動排気過給機を備えたエンジンの起動装置であって、前記コンプレッサの圧縮空気出口と排気タービンの排気入口とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記エンジンを起動させる前に、前記バイパス弁を開くとともに、前記電動機により前記コンプレッサを回転させ、少なくとも前記エンジンの起動時には前記電動機により前記コンプレッサを回転させておき、前記エンジンの起動に応じたタイミングで前記バイパス弁を閉じる起動制御部と、を備えることを特徴とする。

上記構成のエンジンの起動装置によれば、エンジンの起動前において、起動制御部はバイパス弁を開くとともに、電動排気過給機のコンプレッサを電動機で回転させる。コンプレッサで圧縮された空気は、コンプレッサの圧縮空気出口からバイパス通路を経て排気タービンの排気入口に流れる。

このため、ユニフロー形式の２サイクルエンジンにおいては、エンジン起動前につき排気弁が閉じていて、コンプレッサからの圧縮空気が掃気室に流れることができなくても、この圧縮空気が行場を失ってコンプレッサにサージングを起こさせることが無い。そして、エンジン起動時に煙発生を抑制するのに十分な掃気圧を確保する為に必要なコンプレッサの回転速度を保っておくことができる。

また、電動機でコンプレッサを回転させて圧縮空気を生成するのには動力を要するが、生成された圧縮空気はバイパス通路を経て排気タービンに供給され、排気タービンを回転駆動するとともに、排気タービンと同軸上にあるコンプレッサも回転駆動する。このため、少ない力でコンプレッサを駆動することができ、バイパス通路を設けない場合に比べて電動機の所要電力を大幅に低減させることができる。

次に、電動機によりコンプレッサを回転させながらエンジンの起動が行われる。舶用大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては、ピストンが膨張行程の位置にある燃焼シリンダに起動用の圧縮空気を投入し、ピストンを押し下げてエンジンを起動させることができる。

このエンジン起動前に予め電動機で電動過給機のコンプレッサを回転させているため、エンジン起動と同時にコンプレッサの回転速度を素早く立ち上げて、エンジン起動時における空気量を十分に賄うことができる。

このため、少ない消費電力で掃気室の圧力を高めて２サイクルエンジンを起動させることができる。それにより、従来のように電動補助ブロワを用いて掃気室の圧力を高める必要がなくなり、電動補助ブロワを不要とすることができる。しかも、エンジン起動時における燃焼空気量を増加させて燃焼状態を向上させ、排気煙の量を減少させることができる。

起動制御部は、エンジンの起動に応じたタイミングでバイパス弁を閉じる。これにより、コンプレッサで生成された圧縮空気が排気タービンに供給されなくなり、圧縮空気の全量がエンジン（掃気室）に送られて通常運転に移行する。
ところで、前記コンプレッサから前記エンジンに繋がる通路は常時導通していることが好ましい。これにより、特に２サイクルエンジンにおいては、掃気室の圧力を大気圧よりも上昇させてエンジン起動性を高めることができる。

前記エンジンが２サイクルエンジンである場合には、前記エンジンの起動前において、前記電動機により駆動される前記コンプレッサの圧縮空気が、前記バイパス通路と前記エンジンの掃気室とに供給されるのが好ましい。

上記構成により、エンジン起動前に電動機によりコンプレッサが駆動されると、コンプレッサから吐出される圧縮空気の圧力が掃気室に加わり、掃気室がコンプレッサの圧縮空気出口の圧力に加圧される。このため、掃気室の圧力を大気圧よりも高めてエンジン起動に必要な空気量を十分に確保するとともに、一時的な空気量不足による排気煙の発生を抑制することができる。

前記エンジンが２サイクルエンジンである場合には、前記バイパス弁を閉じるタイミングは、前記２サイクルエンジンを起動させた直後とするのがよい。
これにより、エンジンの起動前に掃気室に流入できない圧縮空気の影響でコンプレッサがサージングを起こすことを確実に防止することができる。

また、本発明の第２態様に係る船舶は、上記のいずれかのエンジンの起動装置を備えたことを特徴とする。
この船舶によれば、そのエンジンがユニフロー形式の２サイクルエンジンである場合には、エンジン起動前のために排気弁が閉じたままであっても、コンプレッサにサージングを起こさせることなく、少ない消費電力によってエンジンを起動させることができる。
しかも、エンジン起動時に掃気室の圧力を高めておくことができるため、エンジン起動時における燃焼状態を向上させて排気煙の量を減少させることができる。

また、本発明の第３態様に係るエンジンの起動方法は、電動機でコンプレッサの回転を加勢する電動排気過給機を備えたエンジンの起動方法であって、前記エンジンを起動させる前に、前記電動機により前記電動排気過給機のコンプレッサを回転させ、該コンプレッサから吐出される圧縮空気を排気タービンに供給する過給準備ステップと、前記電動機により前記コンプレッサを回転させながら前記エンジンを起動させるエンジン起動ステップと、前記エンジンの起動に応じたタイミングで前記圧縮空気を前記エンジン側に供給する過給開始ステップと、を備えることを特徴とする。

上記のエンジンの起動方法においては、まず過給準備ステップにおいて電動機によりコンプレッサを回転させ、コンプレッサから吐出される圧縮空気を排気タービンに供給する。これにより、コンプレッサで圧縮された空気が排気タービンの排気入口に供給されると共に、掃気室がコンプレッサの圧縮空気出口の圧力に加圧される。

このため、ユニフロー形式の２サイクルエンジンにおいては、エンジン起動前につき排気弁が閉じていて、コンプレッサからの圧縮空気が掃気室に流れることができなくても、この圧縮空気が行場を失ってコンプレッサにサージングを起こさせることが無い。そして、エンジン起動時に煙発生を抑制するのに十分な掃気圧を確保する為に必要なコンプレッサの回転速度を保っておくことができる。

また、電動機でコンプレッサを回転させて圧縮空気を生成するのには動力を要するが、生成された圧縮空気は排気タービンに供給され、排気タービンを回転駆動するとともに、排気タービンと同軸上にあるコンプレッサも回転駆動する。このため、少ない力でコンプレッサを駆動することができ、圧縮空気を排気タービンに供給しない場合に比べて電動機の所要電力を大幅に低減させることができる。

次に、エンジン起動ステップにおいて電動機によりコンプレッサを回転させながらエンジンの起動が行われるが、予め過給準備ステップにおいてコンプレッサの回転速度が高められているため、２サイクルエンジンにおいては、エンジンの起動と同時に掃気室の圧力を素早く高めることができ、掃気室からエンジンに十分な燃焼空気を供給して良好に起動させることができる。

したがって、少ない消費電力で掃気室の圧力を高めて２サイクルエンジンを起動させることができる。それにより、従来のように電動補助ブロワを用いて掃気室の圧力を高める必要がなくなり、電動補助ブロワを不要とすることができる。しかも、エンジン起動時における燃焼空気量を増加させて燃焼状態を向上させ、排気煙の量を減少させることができる。

次に、過給開始ステップにおいて、エンジンの起動に応じたタイミングで、コンプレッサにより生成された圧縮空気をエンジン側に供給する。これにより、圧縮空気がエンジン（掃気室）に送られて通常運転に移行する。

以上のように、本発明に係るエンジンの起動装置、起動方法、起動装置を備えた船舶によれば、コンプレッサのサージングを防止しつつ、電動機でコンプレッサを回転駆動しながら少ない消費電力でエンジン起動を可能にするとともに、エンジン起動時における排気煙の量を減少させることができる。

本発明の実施形態を示す舶用大型ディーゼルエンジンおよび起動装置の概略構成図である。 起動装置の制御の流れをフローチャートで示す図である。 バイパス弁の開閉時期と、コンプレッサの回転速度と、掃気室の圧力と、エンジンに流れる空気量との関係を示す線図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態を示す舶用大型ディーゼルエンジン１および起動装置２の概略構成図である。
舶用大型ディーゼルエンジン１（エンジン）は、例えばユニフロー形式の２サイクルエンジンであり、複数の燃焼シリンダ４と、排気静圧管５と、掃気室６とを備えている。各燃焼シリンダ４の下方にはクランク軸８が軸支され、燃焼シリンダ４内に挿入されたピストン９がコンロッド１０でクランク軸８に連結され、燃焼シリンダ４内におけるピストン９の往復運動がクランク軸８の回転運動に変換されて舶用大型ディーゼルエンジン１の出力となる。

各燃焼シリンダ４の下部付近には掃気室６の内部に連通する掃気ポート１２が設けられ、各燃焼シリンダ４の上部には排気静圧管５に繋がる排気ポート１３と、これを開閉する排気弁１４とが設けられている。各排気弁１４は、それぞれバルブスプリング１５（一般にはエアスプリング）により常に閉弁方向に付勢されており、油圧によって開弁する。

舶用大型ディーゼルエンジン１には電動排気過給機２４が付設されている。この電動排気過給機２４は、排気タービン２５とコンプレッサ２６とがローター軸２７を介して一体回転するように構成されており、ローター軸２７の一端に設けられた電動機２８でコンプレッサ２６（ローター軸２７）の回転を加勢するようになっている。

排気静圧管５から延びる排ガス供給管３１が排気タービン２５の排気入口に接続され、排気タービン２５の排気出口から排ガス排出管３２が延びている。また、コンプレッサ２６の圧縮空気出口から延びる圧縮空気管３５が掃気室６に付設された空気冷却器３７に接続されている。

さらに、コンプレッサ２６の圧縮空気出口と排気タービン２５の排気入口とを接続するバイパス通路４４が配設され、このバイパス通路４４にバイパス弁４５が接続されている。バイパス弁４５はバイパス通路４４を開閉する開閉弁である。このバイパス通路４４は、圧縮空気管３５を経て掃気室６にも連通している。なお、バイパス通路４４を圧縮空気管３５から分岐させて排気タービン２５の排気入口に接続するレイアウトとしてもよい。

舶用大型ディーゼルエンジン１の作動時に排出される排ガスは、排気静圧管５と排ガス供給管３１とを経て排気タービン２５に供給され、排気タービン２５が高速で回転駆動される。排気タービン２５を駆動し終えた排ガスは排ガス排出管３２から外部に排出される。

排気タービン２５が回転することでコンプレッサ２６も回転し、大気がコンプレッサ２６で圧縮され、この圧縮空気が圧縮空気管３５から空気冷却器３７を経て掃気室６に供給され、掃気ポート１２から各燃焼シリンダ４に供給される。このように排ガスのエネルギーを利用して吸入空気を圧縮することにより、各燃焼シリンダ４への空気充填率を高めてエンジン効率を向上させることができる。

舶用大型ディーゼルエンジン１が、概ね３０％以上の負荷状態で運転されている時には、上記のように排ガスのエネルギーによって排気タービン２５を回転駆動し、コンプレッサ２６を稼働させることができる。
しかし、エンジン起動時や、３０％以下の負荷状態で運転されている時には、排ガスの排出量が少ないためにコンプレッサ２６を十分に稼働させることができない。このため、電動機２８でコンプレッサ２６の回転を加勢することにより、空気充填率の低下を防止するようになっている。

舶用大型ディーゼルエンジン１に備えられている起動装置２は、起動制御部４８と、バイパス通路４４と、バイパス弁４５とを備えて構成されている。起動制御部４８は、例えば制御ユニット（ＣＰＵ）であり、電動排気過給機２４の電動機２８と、バイパス弁４５とに、それぞれ作動信号Ａ１，Ａ２を送る。

次に、起動装置２における起動方法、ならびに起動制御部４８による制御の流れを、図２および図３を参照しながら説明する。
図２は起動装置２の制御の流れを示すフローチャートであり、図３はバイパス弁４５の開閉時期と、コンプレッサ２６の回転速度と、掃気室６の圧力と、舶用大型ディーゼルエンジン１に流れる空気量との関係を示す線図である。

この起動方法には、「過給準備ステップ」と、「エンジン起動ステップ」と、「過給開始ステップ」とが含まれている。
まず、制御の開始後、エンジンの起動指令が出され（図２のステップＳ１，図３のＡ点）、これに応じて起動制御部４８はバイパス弁４５を開き（ステップＳ２）、電動機２８を作動させる（ステップＳ３）。ステップＳ２とＳ３とが「過給準備ステップ」となる。これにより、コンプレッサ２６が一定の回転速度Ｎ１で回転を始める。

なお、バイパス弁４５を開くタイミングと電動機２８を作動させるタイミングは、図３のＡ点より前の段階としてもよいが、バイパス弁４５を開くよりも先に電動機２８を作動させてしまうのは、コンプレッサ２６で圧縮された空気が掃気室６に送られてしまい、前述のようにコンプレッサ２６がサージングを起こしてしまうので好ましくない。

電動機２８に駆動されるコンプレッサ２６で圧縮された空気は、コンプレッサ２６の圧縮空気出口からバイパス通路４４を経て排気タービン２５の排気入口に流れる。また、コンプレッサ２６の圧縮空気出口は掃気室６に連通しているので、コンプレッサ２６から吐出される圧縮空気の圧力が掃気室６にも加わり、掃気室６の圧力が大気圧から図３中に示すＰ１に上昇する。

この舶用大型ディーゼルエンジン１のようなユニフロー形式の２サイクルエンジンにおいては、エンジン起動前につき排気弁１４が閉じていて、コンプレッサ２６からの圧縮空気が掃気室６に流れることができなくても、圧縮空気は全て排気タービン２５に流れるため、コンプレッサ２６はサージングを起こすことが無い。しかも、コンプレッサ２６の回転速度を高く保っておくことができる。

また、電動機２８でコンプレッサ２６を回転させて圧縮空気を生成するのには動力を要するが、生成された圧縮空気はバイパス通路４４を経て排気タービン２５に供給され、排気タービン２５を回転駆動するとともに、排気タービン２５と同軸上にあるコンプレッサ２６も回転駆動する。このため、少ない力でコンプレッサ２６を駆動することができ、バイパス通路４４を設けない場合に比べて電動機２８の所要電力を低減させることができる。

次に、電動機２８によりコンプレッサ２６を回転させながら舶用大型ディーゼルエンジン１の起動が行われる（図２のステップＳ４，図３のＢ点）。この舶用大型ディーゼルエンジン１においては、燃焼シリンダ４に起動用の圧縮空気を投入し、ピストン９を押し下げることによってエンジンを起動させる。このステップＳ４がエンジン起動ステップとなる。

このエンジン起動ステップの前に予め電動機２８で電動排気過給機２４のコンプレッサ２６を回転させているため、エンジン１の起動と同時にコンプレッサ２６の回転速度を素早く立ち上げて、エンジン起動時における空気量を十分に賄うことができる。

したがって、少ない消費電力で掃気室６の圧力を高めて舶用大型ディーゼルエンジン１を起動させることができる。それにより、従来のように電動補助ブロワを用いて掃気室６の圧力を高めておく必要がなく、電動補助ブロワを不要とする事ができる。しかも、エンジン起動時における燃焼空気量を増加させて燃焼状態を向上させ、エンジン起動時に排出される排気煙の量を減少させることができる。

舶用大型ディーゼルエンジン１が起動することにより、各燃焼シリンダ４から排出される排ガスのエネルギーと、電動機２８の駆動力との両方によって排気タービン２５が回転駆動されるため、コンプレッサ２６の回転速度がＮ１からＮ２に上昇し、これに伴って掃気室６により多くの空気が過給され、掃気室圧力がＰ１からＰ２に上昇する。また、舶用大型ディーゼルエンジン１の吸入空気量は０からＶ１に上昇する。

バイパス弁４５は、舶用大型ディーゼルエンジン１の起動に応じたタイミングで閉じられる（図２のステップＳ５，図３のＣ点）。バイパス弁４５が閉じられることにより、コンプレッサ２６で生成された圧縮空気が排気タービン２５に供給されなくなり、圧縮空気の全量が掃気室６に送られて電動排気過給機２４による通常運転に移行する。このため、このステップＳ５が過給開始ステップとなる。

また、コンプレッサ２６の回転速度は、バイパス弁４５が閉じてコンプレッサ２６の圧縮空気が排気タービン２５に供給されなくなることによってＮ２とＮ１の中間に低下する。一方、掃気室６の圧力は、上記のようにコンプレッサ２６で生成された圧縮空気の全量が掃気室６に送られることによってＰ２からＰ３に上昇し、舶用大型ディーゼルエンジン１の吸入空気量はＶ１からＶ２に上昇して通常運転となる。

図３では、バイパス弁４５を閉じるタイミング（Ｃ点）を、舶用大型ディーゼルエンジン１の起動タイミング（Ｂ点）の直後としている。例えば、エンジン起動のために起動用空気投入装置から燃焼シリンダ４に起動用の圧縮空気を投入してから数秒後にバイパス弁４５を閉じる。これにより、エンジン起動前に掃気室６に流入できない圧縮空気の影響でコンプレッサ２６がサージングを起こすことを確実に防止することができる。

以上説明したように、本発明に係るエンジンの起動装置２、起動方法、起動装置２を備えた船舶によれば、電動排気過給機２４におけるコンプレッサ２６のサージングを防止しつつ、電動機２８でコンプレッサ２６を回転駆動しながら、少ない消費電力でエンジン起動を可能にするとともに、エンジン起動時における排気煙の量を減少させることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

例えば、上記実施形態では船舶の主機として搭載される大型舶用ディーゼルエンジンに本発明を適用した例について説明したが、舶用エンジンに限らず、他の用途のエンジンにも本発明を適用することができる。また、２サイクルエンジンに限らず、４サイクルエンジンにも本発明を適用することができる。

１ 舶用大型ディーゼルエンジン（エンジン）
２ 起動装置
４ 燃焼シリンダ
５ 排気静圧管
６ 掃気室
１２ 掃気ポート
１３ 排気ポート
１４ 排気弁
２４ 電動排気過給機
２５ 排気タービン
２６ コンプレッサ
２７ ローター軸
２８ 電動機
３５ 圧縮空気管（コンプレッサからエンジンに繋がる通路）
４４ バイパス通路
４５ バイパス弁
４８ 起動制御部
Ｓ２，Ｓ３ 過給準備ステップ
Ｓ４ エンジン起動ステップ
Ｓ５ 過給開始ステップ

Claims (6)

1. 電動機でコンプレッサの回転を加勢する電動排気過給機を備えたエンジンの起動装置であって、
   前記コンプレッサの圧縮空気出口と排気タービンの排気入口とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
   前記エンジンを起動させる前に、前記バイパス弁を開くとともに、前記電動機により前記コンプレッサを回転させ、少なくとも前記エンジンの起動時には前記電動機により前記コンプレッサを回転させておき、前記エンジンの起動に応じたタイミングで前記バイパス弁を閉じる起動制御部と、
   を備えることを特徴とするエンジンの起動装置。
2. 前記コンプレッサから前記エンジンに繋がる通路が常時導通している請求項１に記載のエンジンの起動装置。
3. 前記エンジンは２サイクルエンジンであり、前記エンジンの起動前において、前記電動機により駆動される前記コンプレッサの圧縮空気が、前記バイパス通路と前記エンジンの掃気室とに供給される請求項１に記載のエンジンの起動装置。
4. 前記エンジンは２サイクルエンジンであり、前記バイパス弁を閉じるタイミングは、前記２サイクルエンジンを起動させた直後である請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの起動装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のエンジンの起動装置を備えたことを特徴とする船舶。
6. 電動機でコンプレッサの回転を加勢する電動排気過給機を備えたエンジンの起動方法であって、
   前記エンジンを起動させる前に、前記電動機により前記電動排気過給機のコンプレッサを回転させ、該コンプレッサから吐出される圧縮空気を排気タービン側に流す過給準備ステップと、
   前記電動機により前記コンプレッサを回転させながら前記エンジンを起動させるエンジン起動ステップと、
   前記エンジンの起動に応じたタイミングで前記圧縮空気を前記エンジン側に流す過給開始ステップと、
   を備えることを特徴とするエンジンの起動方法。

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