(57)【要約】【課題】エンジンシステム全体の熱効率を向上させる。特に、液化ガスを燃料とする過給式ガス燃料エンジンにおいて、液化ガスの気化熱を有効に利用して熱効率を高める。【解決手段】エンジンシステム１は、ガス燃料エンジン２と、ガス燃料エンジン２の排気エネルギーにより駆動され、燃焼用空気を圧縮してガス燃料エンジン２に供給する過給機３と、過給機３に吸入される前の燃焼用空気を冷却する液化ガス気化器５（空気冷却手段）と、燃焼用空気を冷却されてコンプレッサ駆動エネルギーが低下が低下した分だけ余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収する補助発電機７（余剰エネルギー回収手段）と、を具備してなることを特徴とする。【選択図】図１
2013194633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンの排気エネルギーにより駆動され、燃焼用空気を圧縮して前記エンジンに供給する過給機と、
前記過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却する空気冷却手段と、
燃焼用空気を冷却されてコンプレッサ駆動エネルギーが低下した分だけ余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収する余剰エネルギー回収手段と、
を具備してなることを特徴とする過給機付エンジンシステム。
【請求項２】
前記余剰エネルギー回収手段は、前記過給機に供給される排気エネルギーの余剰分を電気的もしくは機械的に取り出すものであることを特徴とする請求項１に記載の過給機付エンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却してコンプレッサ駆動エネルギーを低下させ、余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを取り出してこれを有効活用するようにした過給機付エンジンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過給機付エンジンにおいて、過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却して空気密度を高くし、エンジン効率を高めるようにしたエンジンシステムが特許文献１に開示されている。このエンジンシステムでは、エンジンが液化ガスを燃料とするガス燃料エンジンであり、燃料となる液化ガスを気化させる際に発生する気化熱を利用して過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７７２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多くのエンジンシステムでは、エンジンに過給機を設置し、エンジンの排気エネルギーにより過給機を駆動して燃焼用空気をエンジンに過給することにより、エンジンから排出される排気エネルギーを回収して有効利用し、エンジンの熱効率の向上に努めている。しかしながら、現状では、上記のような燃焼システムの改良だけでは熱効率をせいぜい５０％程度まで向上させるのが限界であり、年間を通して莫大な量の燃料を消費する発電業界や海運業界等においては、近頃の世界的な経済不況の影響もあり、さらなる効率向上が望まれている。
【０００５】
特許文献１に開示されているエンジンシステムは、過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却することによりエンジンの熱効率を高めているが、これによる効率向上分は一次エネルギー使用量に換算して１〜２％程度と僅かなものであり、十分に効率が向上したとは言い難い状況であった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、エンジンシステム全体の効率を向上させることのできる過給機付エンジンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係る過給機付エンジンシステムの第１の態様は、エンジンと、前記エンジンの排気エネルギーにより駆動され、燃焼用空気を圧縮して前記エンジンに供給する過給機と、前記過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却する空気冷却手段と、燃焼用空気を冷却されてコンプレッサ駆動エネルギーが低下した分だけ余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収する余剰エネルギー回収手段と、を具備してなることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、過給機に吸入される前の燃焼用空気が空気冷却手段に冷却されることにより、過給機のコンプレッサ駆動力が小さくて済む。そして、これにより余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーが余剰エネルギー回収手段によって回収される。
【０００９】
このため、余剰なコンプレッサ駆動エネルギーを、他の負荷部分に供給することができ、この負荷部分のために従来ではエンジン出力から差し引かれていたエネルギーを本来の用途に向けることができる。したがって、エンジンシステム全体の効率をより向上させることができる。
【００１０】
また、本発明に係る過給機付エンジンシステムの第２の態様は、前記第１の態様において、前記余剰エネルギー回収手段は、前記過給機に供給される排気エネルギーの余剰分を電気的もしくは機械的に取り出すものであることを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、燃焼用空気が冷却されてコンプレッサ駆動力が小さくなった分だけ余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを、余剰エネルギー回収手段によって電気的もしくは機械的に取り出し、エネルギーが必要な個所に無駄なく供給することができる。例えば船舶においては、余剰エネルギーを電力として取り出して、船内電力や電気推進力用の電力等を賄うことができる。このため、エンジンシステム全体の効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係る過給機付エンジンシステムによれば、エンジンの過給機に吸入される前の空気を冷却することにより過給機のコンプレッサ駆動エネルギーが低下させ、これにより余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを余剰エネルギー回収手段によって取り出し、この余剰エネルギーを他の負荷部分に供給してエンジンシステム全体の効率を向上させ、経済的な運行を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却したことにより余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収して活用した場合における、過給機吸い込み温度と、中間熱交換量と、発電効率の関係を示した線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図１、図２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エンジンシステムの概略構成図である。このエンジンシステム１は、例えばＬＮＧ等の液化ガスを運搬する液化ガス運搬船の機関に適用されているものであり、液化ガス運搬船の推進力を発生させる主機であるガス燃料エンジン２と、このガス燃料エンジン２の排気エネルギーにより駆動され、燃焼用空気を圧縮してガス燃料エンジン２に過給する過給機３と、燃料である液化ガスを貯留する液化ガスタンク４と、液化ガスを気化させるとともに、過給機３に吸入される前の燃焼用空気を冷却する液化ガス気化器５（空気冷却手段）と、ガス燃料エンジン２に駆動される主発電機６と、過給機３に駆動される補助発電機７（余剰エネルギー回収手段）と、吸気冷却器（インタークーラ）８とを具備して構成されている。
【００１５】
ガス燃料エンジン２は、船体に積載されている液化ガス、およびその蒸発ガス（ボイルオフガス）を燃料として作動する。過給機３は、タービン軸３ａの両端に排気タービン３ｂとコンプレッサ３ｃが設けられており、排気タービン３ｂとガス燃料エンジン２の排気口との間が排気管１１により接続され、コンプレッサ３ｃとガス燃料エンジン２の吸気口との間が吸気管１２により接続されている。また、排気タービン３ｂからは排気放出管１３が延び、コンプレッサ３ｃからは吸気吸入管１４が延びている。
【００１６】
液化ガスタンク４と液化ガス気化器５との間が液体ガス供給管１５により接続され、液化ガス気化器５と吸気管１２との間が気体ガス供給管１６により接続されている。また、吸気冷却器８は吸気管１２の途中に介装され、吸気管１２の内部を流れる空気を、例えば海水と熱交換させて冷却するように構成されている。
【００１７】
液化ガス気化器５は、熱交換コア５ａを有し、吸気吸入管１４を流れる空気、即ち過給機３に吸入される前の燃焼用空気と熱交換できるように構成され、液化ガスを気化させる際の気化熱により、燃焼用空気を冷却する空気冷却手段として機能する。例えば、液化ガスがＬＮＧである場合、その大気圧中における沸点は−１６８℃であるため、その冷熱を、吸気吸入管１４の内部を通る燃焼用空気と熱交換させることにより、燃焼用空気を概ね−１６８〜＋２０℃（１０５〜２９３Ｋ）程度に冷却することができる。
【００１８】
液化ガス気化器５で気化した液化ガスは、気体ガス供給管１６と吸気管１２を経てガス燃料エンジン２に供給される。このように、過給機３に吸入される前の燃焼用空気が冷却されることにより、過給機３におけるコンプレッサ３ｃの駆動に必要なエネルギーが低減し、これにより発生する余剰なコンプレッサ駆動エネルギーを他の用途に転用することができる。
【００１９】
主発電機６は、ガス燃料エンジン２に連動して発電し、船内電力や電気推進力用の電力を賄う。また、補助発電機７は、過給機３のタービン軸３ａと同軸に設けられた、所謂ターボ発電機であり、過給機３に連動して発電する。補助発電機７の駆動に必要なエネルギーは、電気的負荷の大きさに応じて変化する。即ち、電気的負荷が加わっていない場合の補助発電機７の駆動エネルギーはほぼゼロであり、電気的負荷が増加するにつれて補助発電機７の駆動エネルギーが増大する。
【００２０】
以上のように構成されたエンジンシステム１において、ガス燃料エンジン２が作動すると、ガス燃料エンジン２から排出される排気が排気管１１を経て過給機３に供給され、排気エネルギーにより排気タービン３ｂとコンプレッサ３ｃが回転し、吸気吸入管１４から吸入された燃焼用空気がコンプレッサ３ｃにより圧縮され、その圧縮熱を吸気冷却器８により冷却されてから吸気管１２に流れ、ここで気体ガス供給管１６から供給される気化した液化ガスと混合して燃料混合気となり、ガス燃料エンジン２に過給される。そして、ガス燃料エンジン２の動力により船舶が推進し、同時に主発電機６が駆動されて発電が行われる。過給機３に供給された排気は排気放出管１３から外部に排出される。
【００２１】
ガス燃料エンジン２の作動時において、液化ガスタンク４内の液化ガスは、液体ガス供給管１５から液化ガス気化器５に流れ、ここで気化してから気体ガス供給管１６を経て吸気管１２に流れ、過給機３から流れて来る過給された燃焼用空気に混合され、燃料混合気となってガス燃料エンジン２に供給される。
【００２２】
液化ガスが液化ガス気化器５において気化する際には、多大な気化熱（冷熱）が発生するため、ここで吸気吸入管１４を流れる燃焼用空気が熱交換されて概ね−１６８〜＋２０℃程度に冷却される。これにより、過給機３のコンプレッサ３ｃの駆動に必要なエネルギーが低減し、同じ過給量であれば過給機３の駆動力が小さくて済む。また、燃焼用空気が冷却されて空気密度が高くなるため、ガス燃料エンジン２の熱効率が高められる。
【００２３】
補助発電機７は、上記のように吸気吸入管１４を流れる燃焼用空気が冷却されてコンプレッサ３ｃの駆動に必要なエネルギーが低減した分、余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収する余剰エネルギー回収手段として機能する。つまり、燃焼用空気が冷却されて過給機３の駆動に必要な力が小さくなった場合には、そのままでは排気エネルギーが大き過ぎて過給機３の回転速度が過大になってしまうため、図示しない制御手段によって過給機３のタービン軸３ａと同軸に設けられた補助発電機７の電気的負荷が増大される。これにより、タービン軸３ａの回転にブレーキを掛けて適正な回転速度にすることができる。そして、この時に補助発電機７によって発電された電力が、余剰なタービン駆動エネルギー（排気エネルギー）として取り出されたことになる。
【００２４】
このため、余剰なタービン駆動エネルギーを電力に変換して他の負荷部分に供給することができ、この負荷部分のために従来ではガス燃料エンジン２の出力から差し引かれていたエネルギーを本来の用途に向けることができる。したがって、従来のようにエンジンの燃焼系の改良により熱効率を高めただけの場合と比較して、エンジンシステム１全体の効率をより向上させることができる。
【００２５】
図２は、仕様の異なる２種類のガス燃料エンジンＡ，Ｂについて、過給機に吸入される前の燃焼用空気を、液化ガス（ここではＬＮＧ）が気化する際に発生する冷熱を利用して冷却し、これにより余剰になったタービン駆動エネルギーを回収して活用した場合における、過給機吸い込み温度［Ｋ］と、中間熱交換量［ＫＷ］と、発電効率［％］の関係を示した線図である。
【００２６】
実験の結果、どちらのガス燃料エンジンＡ，Ｂも、過給機吸い込み温度を常温（２９５Ｋ付近）よりも低下させることにより、低下させた温度にほぼ比例して発電効率が向上することが判明した。そして、過給機吸い込み温度をＬＮＧの沸点付近である−１６０℃まで低下させた場合における発電効率の向上分は７ポイント以上と良好な数値を示した。この効率向上分をエンジンシステム全体の効率に当てはめると、５０％を確実に超える良好な結果となった。なお、過給機吸い込み温度を２００Ｋ以下に設定する場合には、過給機の下流側に吸気冷却器を設ける代わりに吸気加熱器を設けるのが好ましい。
【００２７】
本実施形態では、余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを回収する余剰エネルギー回収手段として、排気エネルギーの余剰分により駆動される補助発電機７を設けたため、余剰になったタービン駆動エネルギーを電力として無駄なく取り出し、船内電力や、電気推進力用の電力として、必要個所に供給することができる。このため、エンジンシステム１全体の効率を高めることができる。
【００２８】
また、補助発電機７は、過給機３のタービン軸３ａと同軸に設けられて、過給機３に連動して発電するものであるため、余剰になったタービン駆動エネルギーを、過給機３のタービン軸３ａから直接取り出して効率良く電力に変換することができる。しかも、余剰エネルギーの量に応じて発電量（電気的負荷）を変化させ、過給率を一定に保つといった制御を行ない易くすることができる。
【００２９】
一方、過給機に吸入される前の燃焼用空気を冷却する空気冷却手段として液化ガス気化器５を利用し、液化ガスを気化させる際の気化熱によって過給機３に吸入される前の燃焼用空気を冷却するようにしたため、液化ガスの気化熱を有効に活用し、簡素な構成によって過給機３のコンプレッサ駆動エネルギーを低下させ、余剰なコンプレッサ駆動エネルギーを取り出して、エンジンシステム１全体の効率を高めることができる。
なお、ガス燃料エンジン２に限らず、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等、他の種類のエンジンを備えたエンジンシステムであっても、その燃焼用空気を冷却することにより、同様に余剰なコンプレッサ駆動エネルギーを取り出してエンジンシステム全体の効率を高めることができる。
【００３０】
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、余剰なコンプレッサ駆動エネルギーによって余剰エネルギー回収手段である補助発電機７を駆動し、余剰エネルギーを電力として取り出しているが、電力に限らず、機械的なエネルギーや熱エネルギー等として取り出すようにしてもよい。機械的エネルギーとして取り出す一例としては、余剰エネルギーにより油圧モーターを駆動し、油圧を畜圧させることが考えられる。
要するに、過給機に吸入される前の燃焼用空気を空気冷却手段により冷却して過給機のコンプレッサ駆動エネルギーを低減させ、その分だけ余剰になったコンプレッサ駆動エネルギーを、余剰エネルギー回収手段によって何らかのエネルギー形態として回収し、これをエンジンシステムで有効に利用してエンジンシステム全体の効率を向上させるように構成されていればよい。
【符号の説明】
【００３１】
１  エンジンシステム
２  ガス燃料エンジン（エンジン）
３  過給機
３ｃ  コンプレッサ
５  液化ガス気化器（空気冷却手段）
６  主発電機
７  補助発電機（余剰エネルギー回収手段）
【図１】
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【図２】
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