三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015) 新製品・新技術特集

技 術 論 文43

舶用ディーゼル機関用ターボチャージャーの電動アシストによる省エネ効果
Energy Savings by Electric Power Assisted Turbocharger for Marine Diesel Engines

白 石 啓 一 *1

小 野 嘉 久 *2

Keiichi Shiraishi

Yoshihisa Ono

山 下 幸 生 *3

坂 本 武 蔵 *3

Yukio Yamashita

Musashi Sakamoto

最近の省エネ志向の高まりから，船舶は極めて低い速度で運航されることが一般的となっている。通常，舶用ディーゼル機関用ターボチャージャー（過給機）は，排ガスのエネルギーのみで駆動されるが，三菱重工舶用機械エンジン(株)では世界に先駆けて，舶用大型過給機ロータを電力で加勢するシステムを開発し，エンジンが低負荷で運転される領域では高い省エネ効果が得られることを確認した。本稿では，２ストローク，４ストロークディーゼル機関において，過給機ロータを電力で加勢する電動アシストによる効果について，試験結果を交えながら解説する。

|1. はじめに最近の燃料油の高騰と，船舶運航の合理化が進んだ結果，運航コストに占める燃料費の割合は 50％近くに及ぶようになったことから，船会社においては船全体の燃料消費の削減が重要な課題となっている。(1)このため，高効率のプロペラや推進用ディーゼル機関（主機関）の排熱回収システム，船底から気泡を出して抵抗を減らすシステム等を採用する船が増えている。最も手軽に燃料消費を削減する方法は，減速運転である。一般に船の速度は主機関出力の 1/3 乗に比例するので，主機関の比燃料消費率が一定ならば，運航距離当たりにしても，速度低下割合の２乗で燃料消費が低減する。このため，現在では機関負荷 30％以下で運航されることも珍しくない。
このような低い負荷においては，前述の主機関からの排熱回収による省エネは困難であり，むしろ少ない排ガスエネルギーで作動する過給機の能力不足が顕著になる。このため，２ストローク機関では，低負荷運転時に過給機と電動補助ブロワを併用する必要がある。また，４ストローク機
関においても，低負荷では空気量の不足から，排ガス温度は高めになりがちであり，燃焼が悪化して信頼性の低下，燃料消費率の増加，スモークの発生を招く傾向にある。
筆者らは，低負荷運転時の機関性能を改善するため，過給機のロータを電力で加勢し空気量を増加させた場合の効果について機関運転試験で検証した。その結果，燃料の消費量低減による大きな省エネ効果が期待できることが分かった。

|2. ハイブリッド過給機の概要
舶用ディーゼル機関の省エネシステムとして，過給機を出て膨張した後の排ガスをボイラに導いて蒸気を発生させ蒸気タービンを駆動して発電する技術が普及している。この省エネシステムは船外に排出する熱を利用するものであって，ディーゼル機関の性能に殆ど影響を及ぼすことは*1 三菱重工舶用機械エンジン(株)舶用機械事業部 主幹技師
*2 三菱重工舶用機械エンジン(株)舶用機械事業部*3 技術統括本部 長崎研究所

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)

44

なく多くの船で採用されている。さらに積極的に排熱を回収する為に，図１に示す通り，過給機に入る前の高温・高圧の排ガスの一部を小型の排ガスタービン（パワータービン）に導き，前述の蒸気タービンと共に，同じ発電機を駆動して発電するターボコンパウンドシステムが大型のコンテナ船等を中心に用いられている。この場合，過給機タービンに入る排ガス量はパワータービンを装備しない場合に比べ少なくなるので，十分な空気を圧縮するのに必要な動力を得る為に，排ガスの温度と圧力が高くなるように設定する。

図１ ターボコンパウンドシステム（排熱回収装置）

一般に，過給機は同じ軸の両端に配置された排ガスタービンとコンプレッサから構成され，このタービンで排ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換してコンプレッサを駆動し，空気を圧縮して機関に送る。この回転エネルギーは，機関出力の約 50％に達する大きなものである。ハイブ
リッド過給機の場合，この同軸上に発電機が直結されていて，この回転エネルギーの一部を発電に利用する。機関を出た排ガスの全量はハイブリッド過給機のタービンに入り，過給機ロータの回転エネルギーに変換される。しかしながら，その一部は発電に使われるので，必要な空気圧縮の動力を確保するには，同様にタービン入口排ガスの温度と圧力を高める必要がある。即ち，ハイブリッド過給機とパワータービンを装備する通常の過給機が機関に及ぼす影響は同様である。
過給機の効率が高い程，同じ排ガスのエネルギーでも多くの回転エネルギーが得られ，また，少ない回転エネルギーで必要な空気を圧縮できることから，多くの動力を発電に廻すことができる。最新の高効率ハイブリッド過給機は，回転エネルギーの 13％程度を発電に用いたとしても十分な量と圧力の空気を機関に供給できる。
このハイブリッド過給機の断面図を図２に示す。永久磁石式３相交流同期発電機は，頑丈な鋳鉄製の殻によって保持されている。この発電機のロータと過給機のロータ軸は，ダイアフラム式フレキシブルカップリングで直接結合されている。大型の MET83MB 型過給機であっても最高回転数は 10000rpm 以上であるから，出力電力の周波数は 700Hz 近くに達する。これを船内の電源系統に接続する為にコンバータで一旦直流に整流した後，インバータで 60Hz 一定の電力に変換している。図３は船内に配置されたハイブリッド過給機 MET83MBG と，コンバータ，インバータの外観である。このコンバータは，単なるダイオードによる整流器ではなく，図４に示すとおり，スイッチング素子（IGBT）による同期整流としている。従って，発電機から電動機のモードに切り替えることで過給機のロータを加勢する，すなわち，電動アシストの機能を持たせることが可能であって，機関の低負荷運転時においては，２ストローク機関，４ストローク機関ともに次章に示すメリットがある。

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)45

図２ ハイブリッド過給機の断面図

図３ インバータ（左）とコンバータ（右）の外観

図４ 双方向インバータ，コンバータ|3. ２ストローク機関における過給機電動アシスト
3.1 補助ブロワの課題
現在、大型商船の推進機関の主流となっているユニフロー掃気方式の２ストロークディーゼル機関の場合，燃料の燃焼，爆発によって押し下げられたピストンがシリンダ下部に開けられた掃気ポートより下がると，掃除空気（掃気）がシリンダ内に流入する。この時すでにシリンダ上部の排気弁は開いていることから，排ガスと空気が入れ替わり，再度ピストンは上昇して空気を圧縮する。シリンダ内の燃焼ガスを効率よく空気と入れ替える為にはあらかじめ掃気の圧力を十分高める必要がある。この掃気の圧力を高めるのは過給機の役割であるが，機関の低負荷運転時は排ガスのエネルギーが小さく，過給機だけでは十分な圧力の掃気が得られない。従って，従来は電動のブロワを過給機のコンプレッサ出口に装備し，機関をおおよそ 30％負荷以下で運転する場合にこれを運転している。
かつて，そのような低負荷での機関運転は，船舶の入出港時のみに限られていたので，補助ブロワの性能，信頼性，経済性が議論されることは無かった。しかしながら，燃料コスト削減の為に，船舶の減速運転が主流になってくると，通常の航海中であっても補助ブロワが常時運転されるケースも出てきている。一般に補助ブロワは一定回転数で運転される遠心羽根車と誘導電動機からなり，機関の掃気圧の変化によって自動的に発停（ON/OFF）する。従って，ブロワの効率は低く，比較的多くの電力を消費すると共に，電動機の定期的なメンテナンスも必要である。また，補助ブロワが自動的に起動する掃気圧と停止する掃気圧には，差，即ちヒステリシスが設けられているものの，電動機の信頼性の為，頻繁な補助ブロワの発停を防止するには，自動的に発停する機関負荷域は避けて機関を運転する必要があった。

3.2 過給機電動アシストのメリット
ハイブリッド過給機の発電機を電動機として機能させ，過給機回転数を上昇させること（可変回転数運転）で補助ブロワと同様に，機関に送る掃気圧力を高めることができる。補助ブロワと比較した場合のメリットは以下の通りである。

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)46(1) 高効率による低消費電力(2) 負荷に応じた最適な掃気圧力で連続運転可能(3) 機関の燃費低減
次にこれらを実際の機関運転試験で確認した結果を示す。

3.3 試験結果
ハイブリッド過給機 MET66MAG-VTI は，最大出力 470kW の発電機を装備しており，また，外部からの電力で過給機ロータを加勢する電動アシスト機能も備えている。この過給機は，三菱
7UEC60LSE-Eco 型２ストロークディーゼル機関に搭載され，運転試験を実施した。ここでは，電動アシストに関連する試験結果について説明する。
表１に機関 20％，25％負荷における，従来の補助ブロワと電動アシストによる機関燃費性能，消費電力を比較した。20％負荷において，補助ブロワを運転すると 86kW の電力を消費し，0.46bar の掃気圧力を得ている。次に補助ブロワを停止し，過給機内蔵の電動・発電機に電力を供給して，掃気圧が同じ 0.46bar となるときの電力を計測した結果は 66kW であり約 23％少なかった。さらに，ハイブリッド過給機搭載機関の燃料消費率も減少している。これは，掃気圧力は同じながら，過給機出口空気は補助ブロワを通らないので抵抗が少なく，空気量が増えたことによると考えられる。
筆者らは，補助ブロワ消費電力を上回る電力をハイブリッド過給機に投入し，性能の変化を見た。20％負荷運転時において，補助ブロワ消費電力を１６％上回る 100kW を投入した結果，掃気圧力は 0.54bar まで上昇し，主機関の燃料消費は 5.1kg/h（1.85g/kWh）低下した。一方で，補助ブロワに比べ 14kW 余計に電力を消費するので，これを発電するのに 3.8kg/h の燃料が必要となるから，正味の燃料消費低減量は，1.3kg/h と小さくなる。どれだけの電力投入がトータルの燃料消費を最も削減できるかについては，機関負荷や周囲の気温等の影響もあると考えられるので，今後追加の試験によって明らかにしていきたい。
表１ ハイブリッド過給機の電動アシスト試験結果
20％負荷（2 760kW）
補助ブロワ電力（kW）

86

電動アシスト電力（kW）

25％負荷（3 450kW）

－－66

100

103
79

131

掃気圧力（bar G）

0.46

0.46

0.54

0.66

0.66

0.73

過給機回転数（rpm）

5 860

6 250

6 700

6 880

7 250

7 600

主機関燃料流量変化（kg/h）ref-2.8-5.1

ref-1.4-10.6

ディーゼル発電機燃料流量変化（kg/h）

ref-3.9+3.8

ref-4.7+5.5

燃料流量変化合計（kg/h）ref-6.7-1.3

ref-6.1-5.1

主機関燃費換算（g/kWh）ref-2.4-0.5

ref-1.8-1.5

過給機出口ガス温度変化（℃）

ref-3-27

ref-8-30|4. ４ストローク機関における過給機電動アシスト
４ストローク機関では，ピストンの下降による吸気行程で空気が自然に吸入されるので，低負荷であっても補助ブロワは装備しないのが普通である。しかしながら，低負荷連続運転する場合は機関の燃料消費率の増加だけでなく，機関熱負荷の増大による信頼性の低下の課題がある。また，内航船では入出港が頻繁に行われるが，その際に発生する煙突からの一時的な黒煙が問題とされるケースがある。
そこで，筆者らは，４ストローク機関用過給機のロータを電力で加勢した場合の効果について確認するために，(株)赤阪鐵工所の実験用機関（660kW）を用いて試験を実施した。図５に，過給機に取り付けた高速モータを示す。これは，試験目的の為，汎用の高速モータを過給機ロータに結合したもので，この状態で市販するものではない。表２に 25％，35％負荷運転時に過給機ロータをモータで加勢した時の燃料消費率の変化を示す。モータに投入した電力の割合以上に機関の燃料消費量が低減する結果が得られた。

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)

47

次に，機関起動時に発生する煙の量を低減する為に，あらかじめ過給機をモータで 3000rpmまで加速した上で機関起動する試験を実施した。この時の排ガス中の粒子濃度を，モータによる加勢なしの場合と比較した結果を図６に示す。機関起動前に過給機を回転させ給気を送り込んでおくことで起動時の排ガス中粒子濃度は半分以下になった。
表２ ４ストローク機関での過給機電動アシストによる燃費変化

25％負荷
184 kW
35％負荷
258 kW

アシスト電力（機関出力比[％]）0 kW
1.3 kW (0.70％)
5.3 kW (2.90％)
0 kW
3.5 kW (1.40%)
5.9 kW (2.30%)

過給機回転数(rpm)
14 611
16 00018 00019 240
21 00021 810給気圧
bar G
0.200.250.320.37
0.450.49

燃費低減率（％）
ref2.75.7ref
4.1
4.2

正味の燃費低減率（％）
ref2.02.8ref2.71.9

図５ ４ストローク機関用過給機に取り付けたモータ

図６ 電動アシスト有無による機関起動時の排ガス中粒子濃度|5. 電動アシスト過給機の開発
ハイブリッド過給機を装備した船舶であっても，燃料費削減の為に減速航行実施が例外でないとすれば，過給機内蔵の発電機で発電し排熱を回収する機会は少なく，むしろ，低負荷運航時に有効な電動アシスト機能が活躍することになる。電動アシストに必要な電力は，補助ブロワ消費電力と同程度で良いのでハイブリッド過給機の発電量よりかなり小さい。従って，電動アシスト機能に絞れば，電動機やインバータを小型化することが可能である。筆者らは，この為に電動機のロータに相当する駆動軸を過給機ロータに直接結合し，電力による過給機ロータの加勢のみ可能にした電動アシスト過給機を開発した。この分解図を図７に示す。これまでのハイブリッド過給機と異なり，電動機部分に軸受を持たず，潤滑やカップリングを必要としないことからメンテナンスに関わるコストも削減できる。また，過給機コンプレッサの入口側に取り付けられているので気流で冷却され，冷却水供給は不要である。これを大型の MET83MA 過給機に試験的に適用したものを図８と本稿先頭ページ上部に示す。この過給機は単体試験において，過給機静止状態から

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)

48電力のみで起動できること，および，最大電力で過給機ロータ加勢時に巻線温度は許容温度以下であることを確認した。(2)

図７ 電動アシスト過給機の分解図

図８ MET83MA 過給機に取り付けた駆動軸と巻線

この電動アシスト過給機は，標準の過給機にわずかな変更を加えることで，従来の補助ブロワに代わる高効率の過給機補助機構を備えることができる。また，既存の過給機へ後付で適用することも可能である。当社では，MET48 から MET83 まで６機種の過給機の電動アシスト化基本設計を完了している。

|6. まとめ過給機の電動アシストは，２ストローク機関における補助ブロワの代わりに少ない電力で空気を圧送するだけでなく，過給機の回転数が制御可能になることから，機関の燃費やスモーク低減効果や，起動性の改善効果が得られることが，ハイブリッド過給機の電動アシスト機能を用いた機関運転試験によって明らかとなった。今後は，機関毎に，運転条件に応じた最適なアシスト電力を設定することで，さらなる燃料消費の削減と機関信頼性の向上につながると考えられる。さらに，磁石付き駆動軸をロータ端に装着し，電動アシスト機能のみに特化した過給機を開発し，単体試験を実施した。これは，ハイブリッド過給機に比べコンパクト，低コストでありながら，ハイブリッド過給機と同等の電動アシスト機能が得られるので，今後の普及が期待される。
最後に，４ストローク機関向け過給機電動アシストの試験実施にご協力頂いた，(株)赤阪鐵工所に謝意を表する。

参考文献(1) 日本郵船株式会社 NYK Report 2014, Our Course, 経営方針・戦略
www.nyk.com/ir/library/nyk/pdf/2014_nykreport_04.pdf(2) Shiraishi, K. et al., Electro-assist Turbo for Marine Turbocharged Diesel Engines, Proceedings ofASME TurboEXPO 2014, GT2014-25667