JP2003020971A

JP2003020971A - ディーゼルエンジン発電機、エンジン、及び、ディーゼルエンジンの駆動方法

Info

Publication number: JP2003020971A
Application number: JP2001210695A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kawabata; 理川畑; Kuninori Ito; 邦憲伊藤; Akihiro Yunoki; 晃広柚木; Hiroyuki Ishida; 裕幸石田; Akira Tsunoda; 明角田; Takeshi Arai; 武新井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】始動時の有色煙と未燃ガスの発生を抑制する技
術を確立する。【解決手段】エンジン出力軸４は、発電機５に軸結合し
ている。エンジン出力軸４の回転位相は、発電機５の出
力側に入力される制御用電力により制御され、発電機
は、ピストンの時系列的位相を制御するモータとして利
用される。エンジン出力軸４の回転位相は、シリンダ内
ピストンの位相にクランク機構を介して機械的に対応し
ている。発電機５の出力側に入力される制御用電力がそ
の発電機５に入力される場合には、その発電機は発電機
機能を喪失していてモータとして機能する。そのモータ
の機械的出力により、ピストンが駆動される。エジン出
力軸４の回転位相は着火前に制御され、その結果とし
て、ピストンの線形位相が着火前に制御され得る。その
ような制御により燃焼室の容積が急速に拡大して、燃料
の微小粒の拡散が有効に促進され、始動時の有色煙の発
生が効果的に抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン発電機、ディーゼルエンジン、及び、及び、ディーゼ
ルエンジンの駆動方法に関し、特に、排ガスエネルギー
回収システムを持ちその回収システムにインバータが設
けられているディーゼルエンジン発電機、ディーゼルエ
ンジン、及び、ディーゼルエンジンの駆動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電力供給の安定的拡大と環境の保全との
調和が求められている。そのような調和のために、熱機
関と発電機との組合せの多様性が求められる。燃費効率
がよいディーゼルエンジンは、発電機と組合せられるこ
とによりそのような多様性を更に豊かにする。非常用と
して考えられてきたディーゼルエンジン発電機は、分散
発電のような多様化のために常態用発電機として重要視
されている。

【０００３】図９は、４気筒４ストロークのディーゼル
エンジンの概要を示している。基盤に支持される出力軸
１０１は、４つの連接リンクを含むクランク群１０２を
介して４つのシリンダを含む機械的出力群１０３に機械
的に接続している。燃料噴射ポンプ１０４から燃料供給
管１０５を介して、燃料が噴射的に各シリンダの燃焼室
に供給される。ターボチャージャー１０６から給気管１
０７を介して、空気が各シリンダの燃焼室に供給され
る。空気と燃料の噴射的供給のタイミングは、出力軸１
０１に歯車１０８を介して同期的に接続して回転するカ
ム軸１０９のカムの回転位相に同期している。燃焼室内
の排ガスは排気管１１０を介して排出される。

【０００４】着火前の起動時には、燃焼室に供給される
圧縮空気により機械的出力群１０３のピストンが駆動さ
れる。その圧縮空気により定格回転数の１０分の１程度
の回転数速度間で出力軸１０１の回転が昇速して、燃焼
室の着火が開始する。このような起動時の圧縮空気の着
火の後は、出力軸１０１は燃料の燃焼により自律的に定
格回転数まで昇速することができる。カムによりタイミ
ングを制御され圧縮空気供給系が大型になるカム式ディ
ーゼルエンジンでは、着火開始時の回転数は定格回転数
の１０分の１の程度に抑えられている。そのようなカム
でタイミングが機械的に制御される燃料噴射開閉弁はそ
の開閉周期が長く、燃焼室内の燃料の拡散が不均一であ
り、噴霧される燃料は小さく理想的な球体になり難く、
始動時の燃焼が均一になり難い。このような不均一性
は、排気ガス中に有色煙と未燃ガスの発生を抑制するこ
とを困難にしている。始動時の有色煙の排出は、特に、
嫌われている。

【０００５】ディーゼルエンジンの本体であるシリンダ
の軸方向端面壁１１１には、図１０に示されるように、
燃料供給弁器具１１２、空気供給弁器具１１３、燃焼ガ
ス排出弁器具１１４、始動時用圧縮空気弁器具１１５が
配置されている。シリンダの軸方向端面壁１１１の内面
形状は、定常運転時に最適であるように設計されてい
て、始動時には最適切になっていない。特に、コーナー
部分であるデッドスペースの形状は適切ではない。この
ようなデッドスペースの存在は、有色煙の発生の原因に
なっていると考えられている。

【０００６】エンジン出力軸が差動歯車を介してモータ
に軸結合されてハイブリッド化され市街地の排気ガスの
排出を抑制するディーゼルエンジンは知られているが、
燃費効率が考慮されたハイブリッド化ディーゼルエンジ
ンは知られていない。酸素と燃料の化学反応である燃焼
の熱エネルギーをピストンの機械的エネルギーに変換す
る公知の熱機関では、燃焼時特に着火時のピストンの位
相又は速度の制御は、エンジンの構造的・機械的設計に
従って物理的に制約されていて、ピストンの２πの周期
のうちの任意の位相に対応する速度は制御され得ない。

【０００７】ディーゼルエンジン本体に大気を導入する
ためのコンプレッサを駆動するタービンに発電機が軸結
合する分散発電用のディーゼルエンジン（ＡＢＢ社製）
は、図１１に示されるように知られている。エンジン本
体１２１から排出される排ガスの熱エネルギーを回収す
るタービン１２２にコンプレッサ１２３が軸結合されて
いる。排ガスの熱エネルギーの一部は、大気をエンジン
本体１２１に過給的に導入するためのエネルギーとして
利用され、排ガスの熱エネルギーの残余の一部は、ター
ビン１２２に軸結合する発電機１２４により電気エネル
ギーとして回収される。発電機１２４に回収される電気
エネルギーは、インバータ１２５により周波数変換さ
れ、主発電機１２６の出力をスイッチング機器１２７に
より位相変換された発主電機出力電力とともに系統に供
給される。

【０００８】窒素酸化物を含む排ガス対策とは別に、始
動時の有色煙と未燃ガスの発生を抑制する技術の確立が
第１に求められる。始動時の有色煙の発生をディーゼル
エンジンに限って実現することが当面の課題として次に
重要である。更には、燃焼の物理的状態を最適切化する
ことができる駆動技術をディーゼルエンジンに限らず
に、有害ガスの発生の抑制と燃費効率の向上とを同時に
実現する技術の確立が求められる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、始動
時の有色煙と未燃ガスの発生を抑制する技術を確立する
ことができるディーゼルエンジン発電機、ディーゼルエ
ンジン、及び、ディーゼルエンジンの駆動方法を提供す
ることにある。本発明の他の課題は、特に、ディーゼル
発電機の始動時の有色煙の発生を抑制することができる
ディーゼルエンジン発電機、ディーゼルエンジン、及
び、ディーゼルエンジンの駆動方法を提供することにあ
る。本発明の他の課題は、更に、燃焼の物理的状態を最
適切化する技術を確立することができるディーゼルエン
ジン発電機、ディーゼルエンジン、及び、ディーゼルエ
ンジンの駆動方法を提供することにある。本発明の別な
課題は、燃焼の物理的状態を最適切化する技術を確立す
ることができるエンジンを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【００１１】本発明によるディーゼルエンジン発電機
は、エンジン出力軸（４）と、エンジン出力軸（４）に
結合する発電機（５）とから構成されている。エンジン
出力軸（４）の回転位相は、発電機（５）の出力側に入
力される制御用電力により時系列的に制御される。位相
の時系列的制御は、速度の制御又は加速度の制御であ
る。エンジン出力軸（４）の回転位相は、シリンダ内ピ
ストンの線形位相にクランク機構を介して機械的に対応
している。発電機（５）の出力側に入力される制御用電
力がその発電機（５）に入力される場合には、その発電
機は発電機機能を喪失していてモータとして機能する。
そのモータの機械的出力により、ピストンが駆動され
る。発電機（５）の運転には、２つのモードが与えられ
ている。その２つのモードは、発電機モードと電動機モ
ードとから形成されている。発電機モードと電動機モー
ドは、エンジン出力軸の回転数の増減に対応して選択的
に切り換えられる。

【００１２】エンジン出力軸（４）の回転位相は着火前
に制御され、その結果として、ピストンの位相が着火前
に時系列的に制御され得る。ピストンは、徐々に増速さ
れ、その１サイクルの周期は、着火可能周期まで短縮さ
れる。その回転位相は、着火前に限られず着火後にも制
御され得る。着火後の制御により、着火後定常運転前の
ピストンの位相が最適切に時系列的に制御され、更に、
定常運転後の負荷変動による回転数の乱れが制御され
る。モータの回転子の回転位相に同期的に燃料と燃焼用
空気の導入が行われる場合には、タイミング制御機構で
あるカム機構は不要化され得る。エンジン出力軸（４）
の回転位相は、ピストンの回転位相又は線形位相にクラ
ンク軸を介して１対１に同相化されている。

【００１３】従来のシステムと同様に、電力変換器が追
加されることが好ましい。電力変換器（１７）に系統
（１９）から系統内電力が入力される。電力変換器（１
７）は、その系統内電力を既述の制御電力に変換する。
ＡＢＢ社の公知システムで用いられているインバータで
ある電力変換器（１７）は、ピストンの位相制御のため
に利用され得る。電力変換器（１７）は、そのような公
知システムとの比較では設備コストをアップさせる主原
因にならない。

【００１４】始動時に系統（１９）を電力変換器（１
７）を介して発電機（５）に接続する電気回路と、定常
時に発電機（５）を電力変換器（１７）を介さないで系
統（１９）に接続する回路とを切り換える切替スイッチ
が追加されることは、単一インバータを共用することが
できる点で好ましい。

【００１５】排ガスの熱エネルギーを回収する回収発電
機（１５）が更に追加されることが好ましい。このよう
な回収発電機（１５）は、公知システムにも設けられて
いる。回収発電機（１５）が出力する回収電力は、電力
変換器（１７）を介して系統（１９）に供給されて回収
される。回収発電機（１５）にタービン（１４）が軸結
合していることは、公知システムに同じである。タービ
ン（１４）は、排ガスにより回転駆動され、その熱エネ
ルギーはタービン（１４）を介して回収発電機（１５）
により回収される。

【００１６】燃焼室に燃焼用空気を供給するコンプレッ
サ（１３）は、タービン（１４）と回収発電機（１５）
とを介して電力変換器（１７）に接続している。コンプ
レッサ（１３）はタービン（１４）に機械的に軸結合し
ている。コンプレッサ（１３）には、電力変換器（１
７）と回収発電機（１５）とタービン（１４）を介し
て、系統（１９）の電力が機械力に変換されて入力され
ることが可能である。この場合、コンプレッサにより吐
出される燃焼用空気の吐出量が制御され得る。

【００１７】本発明によるディーゼルエンジンは、エン
ジン出力軸（４）と、エンジン出力軸（４）に結合する
モータとから構成されている。エンジン出力軸（４）の
回転位相はモータの回転位相の制御により時間的に又は
時系列的に制御される。モータとしては、入出力関係が
逆転した発電機（５）がそのままに利用され得るが、発
電機（５）とは別にモータが専用的に発電機（５）に代
えられて用いられ、又は、発電機とモータとが同軸に又
は差動歯車を介して結合されハイブリッド化されること
が可能である。

【００１８】本発明によるディーゼルエンジンの駆動方
法は、エンジン出力軸（４）の回転位相をモータの回転
位相の制御により時系列的に制御するステップから構成
されている。始動時にモータによりピストンのサイクル
を短縮するステップが更に追加される。その制御するス
テップは、着火時又は着火時近傍の時間領域で、燃焼室
を形成するピストンをモータにより加速することにより
その燃焼室の容積を１サイクルの中で拡大するステップ
を備えている。このことは、始動時に有色煙の発生を抑
制することができる点で重要である。この場合、その拡
大するステップは１サイクルの中で着火前に実行され
る。燃焼室のこのような急速拡大は、燃焼室内の燃料液
体微小粒の拡散を有効に促進する。その拡散は、有色煙
と未燃ガスの発生を有効に抑制する。着火は、これが厳
密に定義されることは困難であるが、ピストンを熱的エ
ネルギーにより急速に加速し始める初期燃焼として定義
される。

【００１９】その拡大するステップは、燃焼室の容積が
最小になって拡大を開始する拡大初期時に実行されるこ
とが好ましい。その拡大するステップは、後述されるθ
ｊ＝ｆ（ｔｊ）の関数形態に依存して、ディーゼルエン
ジンの始動時に限られ得る。定常運転時の位相制御は、
シリンダの最適設計によって自律的に最適化され得る自
律的最適化制御が行われる場合にも、モータの回転子の
位相を強制的に制御して、ピストンの位相を更に最適に
補正することは否定されない。本発明による位相制御
は、ディーゼルエンジンに限られず、熱エネルギーを機
械的回転エネルギーに変換するピストン式エンジンの全
ての形式で有効である。

【００２０】

【発明の実施の形態】図に対応して、本発明によるディ
ーゼルエンジン発電機の実施の形態は、ディーゼルエン
ジン用のシリンダ群が電動機発電機とともに設けられて
いる。そのシリンダ群１は、図１に示されるように、４
つの要素シリンダ２から構成されている。４つの要素シ
リンダ２は、それぞれに、シリンダ本体とピストンとか
ら構成されている。線形的に往復運動するそれらのピス
トンは、それぞれに、クランク機構３を介して単一のエ
ンジン出力軸４に回転的に結合している。電動機発電機
５は、電磁相互作用的に入力と出力が対称であり、固定
子に電気的入力を与えて回転子に機械的回転力を与え、
その回転子に機械的回転力を与えてその固定子から電気
的出力を取り出す入出力対称的電磁相互作用機器であ
り、２態様の入出力関係の選択により、電動機モードで
用いられる電動機又は発電機モードで用いられる発電機
として選択的に用いられ得る。

【００２１】出力軸４の出力側端部は、電動機発電機５
の入出力軸６に軸カップリング７を介して結合してい
る。電動機発電機５は、回転数とトルクの両方をダイナ
ミックに制御することができ、シリンダ群１の１つのシ
リンダのピストンの位相を時刻点列上で制御することが
できる。ピストンの位相がθｊで表され時刻がｔｊで表
されれば、θｊ＝ｆ（ｔｊ）であり、電動機発電機５の
モータ機能は、１周期の全周期又は部分周期で、θｊ＝
ｆ（ｔｊ）を実現する。この関数は、プログラムにより
自由に作成され得る。

【００２２】エンジン出力軸４の非出力側端部には、４
つの同軸的回転カム８が形成されている。同軸的回転カ
ム８は、タイミング機構９に接続している。同軸的回転
カム８の４つの同軸的回転カム８の複数作用点は、それ
ぞれに互いにπ／２の回転位相のズレを有している。タ
イミング機構９は、４つの信号群を生成する。信号群
は、電気的又は機械的である。４つの信号群は、第１信
号群１１−１と第２信号群１１−２と第３信号群１１−
３と第４信号群１１−４とから形成されている。

【００２３】４つの要素シリンダ２の燃焼室には、燃料
タンク（図示されず）から燃料供給ポンプ１２を介して
燃料がそれぞれに供給される。４つの要素シリンダ２の
燃焼室には、コンプレッサ１３を介して空気が供給され
る。燃焼により生成される排ガスは、熱回収タービン１
４を介して排出される。１番目の要素シリンダ２に関す
る燃料供給と空気供給と排ガス排出のための弁開閉タイ
ミングのサイクルは、第１信号群１１−１により制御さ
れる。２番目の要素シリンダ２に関する燃料供給と空気
供給と排ガス排出のための弁開閉タイミングのサイクル
は、第２信号群１１−２により制御される。３番目の要
素シリンダ２に関する燃料供給と空気供給と排ガス排出
のための弁開閉タイミングのサイクルは、第３信号群１
１−３により制御される。４番目の要素シリンダ２に関
する燃料供給と空気供給と排ガス排出のための弁開閉タ
イミングのサイクルは、第４信号群１１−１により制御
される。

【００２４】コンプレッサ１３が熱回収タービン１４に
同軸的に結合していることは、公知システムに同じであ
る。熱回収タービン１４の出力軸は、熱回収発電機１５
の回転子軸に結合している。熱回収発電機１５の副電気
的出力線１６は、可逆的交流直流変換器又は可逆的交流
交流変換器（例示：インバータ）１７に接続している。
インバータ１７は、入出力端交代スイッチング回路１
７’を備えることが可能である。入出力端交代スイッチ
ング回路１７’の非可逆的構成の具体例は、後述され
る。

【００２５】熱回収タービン１４と熱回収発電機１５と
インバータ１７が互いに直列に結合し、要素シリンダ２
が排出する排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーと
して回収することができる点は、公知のエネルギー回収
システムに同じである。発電機である電動機発電機５の
主電気的出力線１８は、電気供給先系統１９まで延長さ
れて電気供給先系統１９に接続されている。インバータ
１７の発電時の電気的出力線２０は、電気的出力線１８
と並列に電気供給先系統１９に接続している。

【００２６】熱回収発電機１５とインバータ１７との間
に、第１切替スイッチ２１が介設されている。電動機発
電機５と電気供給先系統１９との間に、第２切替スイッ
チ２２が介設されている。インバータ１７の熱回収発電
機１５に対向する側は、非発電時用電気線２３を介して
電動機発電機５に接続している。インバータ１７の電気
供給先系統１９に対向する側は、第２切替スイッチ２２
を介さないで電気供給先系統１９に接続している。非発
電時用電気線２３には、第３切替スイッチ２４が介設さ
れている。

【００２７】シリンダ群１は、始動時と定常時に分けら
れて運転される。定常時の運転状態である定常運転時の
定格回転数は、Ｎで表される。始動に際して、第３切替
スイッチ２４が閉じられ、第１切替スイッチ２１と第２
切替スイッチ２２とが開かれる。電気供給先系統１９か
ら電力がインバータ１７に入力電力として供給される。
インバータ１７が交流交流変換器である場合が、以下に
述べられる。

【００２８】その交流電力は、インバータ１７で周波数
変換を受けて、交流電力を出力する。その交流電力の出
力は、インバータ１７のパワートランジスタ群（又は、
サイリスタ群）のスイッチング制御を受けて、任意の周
波数の交流電力を出力する。電動機発電機５は、そのよ
うな交流電力に同期し又は電磁誘導されて、任意の回転
数（ｒｐｍ）の軸回転力を軸カップリング７を介してエ
ンジン出力軸４に出力する。今の場合、エンジン出力軸
４はシリンダ群１に対して入力軸になっている。

【００２９】その軸回転数の周波数（回転数、ｒｐｍ）
を徐々に上げｋＮまで上げていく。ｋは１を含み１より
小さい任意設定可変数である。ｋは０．１（従来の値）
より大きいことが好ましい。ｋとして、その適正値が設
定される。ｋが設定値になれば、４つの要素シリンダ２
の燃焼室に燃料と空気とが供給される。燃料と空気を供
給する時系列的供給位相は、機械的に同期して回転する
同軸的回転カム８のカム動作位相により機械的に決定さ
れる。同軸的回転カム８のカム動作位相は、調整可能で
あり既に調整ずみである。そのカム動作位相は、燃料供
給と空気供給に関して独立に又は非独立に定常運転時
（定格回転運転時）に最適であるように調整されてい
る。

【００３０】４つの要素シリンダ２は、ｋが設定値にな
ったときに、１／２πの位相のずれで順次に初期的に着
火する。その初期的着火の後は、自律的に着火を続け、
自律的に周期が短くなり増速してｋが１に到達して定格
回転数Ｎの定常運転状態に入る。ｋは１又は１に近い数
であることが好ましい。

【００３１】シリンダ群１が定常運転状態に入れば、第
３切替スイッチ２４が開かれ、第１切替スイッチ２１と
第２切替スイッチ２２とが閉じられる。コンプレッサ１
３は、始動時には図示されない駆動機により駆動される
か、又は、電気供給先系統１９から供給される電力によ
り駆動され得る。コンプレッサ１３が電気供給先系統１
９から供給される電力により駆動される場合は、電気供
給先系統１９から供給される交流電力がインバータ１７
により高周波交流電力に変換され、その高周波交流電力
により熱回収発電機１５が回転駆動され、熱回収発電機
１５に軸結合する熱回収タービン１４が機械的回転力を
受けて回転駆動され、熱回収タービン１４に軸結合する
コンプレッサ１３が回転駆動される。

【００３２】定常運転に入れば、熱回収タービン１４の
回転出力がコンプレッサ１３に入力され、燃焼用空気が
圧縮されてコンプレッサ１３から要素シリンダ２の燃焼
室に燃料とともに同期的に供給される。

【００３３】熱回収タービン１４が出力する機械的出力
は、同軸的に軸結合する熱回収発電機１５に機械的に入
力する。熱回収発電機１５は、その機械的入力を高周波
交流出力に変換して出力する。その高周波交流出力は、
第１切替スイッチ２１を介してインバータ１７に入力す
る。インバータ１７に入力する高周波交流電力は、イン
バータ１７によりその高周波数より低い低周波数の低周
波数交流回収電力に変換されて電気供給先系統１９に供
給される。

【００３４】定常状態に入れば、要素シリンダ２からク
ランク機構３を介して回転力を受けるエンジン出力軸４
が回転駆動される。エンジン出力軸４に軸結合する電動
機発電機５の回転子は定格回転数で回転し、電動機発電
機５はエンジン出力軸４の機械的回転エネルギーを定格
周波数の交流電力に変換し、その交流電力を第２切替ス
イッチ２２を介して電気供給先系統１９に供給する。

【００３５】電動機発電機５は、始動時には回転数制御
モータとして動作し、定常時には発電機特に定格回転数
発電機として動作する。ここで、電気的入力を機械的出
力に変換する電磁相互作用機器がモータといわれ、機械
的入力を電気的出力に変換する電磁相互作用機器が発電
機といわれる。

【００３６】図２は、各要素シリンダ２のピストンの時
間的変位Ｓを示している。変位Ｓが最大になる位置Ｐ
で、その燃焼室の容積は最小になっている。ディーゼル
エンジンでは、容積最小位置又はその近傍領域で、燃料
が自発的に着火する。そのような位置又は領域で、着火
前の燃焼室内の圧力は最大圧力又は最大圧力領域にあ
り、着火前の燃焼室内の燃料ガス混合流体の温度は最高
温度又は最高温度領域にある。そのような領域は、定格
回転数の常態的運転時に最適切になるように設計されて
いる。着火点Ｐ’が、図２に表されている。着火点Ｐ’
は、容積最小位置Ｐより時間的に僅かに遅れていると考
えられる。本発明によるディーゼルエンジン発電機は、
着火直前の１０ｍｓ程度の時間帯の急速加速部分が実線
３１で示されるように、最小容積位置Ｐにあるピストン
を公知装置のそれに比べてより急速に加速して燃焼室容
積をより急速に拡大する。公知装置では、点線曲線部分
３１’上の点Ｐ”で着火する。点Ｐ’と点Ｐ”が同じ時
刻にあるならば、点Ｐ”に対応する燃焼室容積は、点
Ｐ’に対応する燃焼室容積よりも小さい。急速加速部分
３１の急速加速の幾何学的な動的状態は、インバータ１
７のパワートランジスタ群のスイッチング制御により任
意に実現され得る。

【００３７】着火直前の急速短時間加速は、シリンダ内
の燃料の拡散を補助的に促進する。このような促進によ
り、始動時にシリンダから排出される有色煙と未燃ガス
の発生を効果的に抑制することができる。電動機発電機
５は、任意の時刻で電動機から発電機に切換えられて発
電機モードで運転され、任意の時刻で発電機から電動機
に切換えられて電動機モードで運転される。任意の時刻
で電動機機能と発電機機能を選択的に採ることができ
る。電動機発電機５は、始動時に限られず、定常運転時
の負荷変動に起因するピストン位相の乱れを正常化する
ことができ、負荷変動時の有色煙と未燃ガスの発生を効
果的に抑制する。

【００３８】電動機発電機５に直列に電動機を結合する
ことができる。この場合、電動機発電機５が発電機とし
て専用されその電動機が電動機として専用されるよう
に、そのモータと発電機とがハイブリッド化され得る。

【００３９】コンプレッサ１３が熱回収タービン１４か
ら機械的に切り離されることは、好ましい。熱回収ター
ビン１４と熱回収発電機１５とが機械的に切り離される
ことは好ましい。熱回収タービン１４が熱回収発電機１
５から切り離される場合、要素シリンダ２から排出され
る排気ガスにより駆動される別なタービンが熱回収発電
機１５に軸結合される。コンプレッサ１３を駆動するエ
ネルギー回収タービンと熱回収発電機１５を駆動するエ
ネルギー回収タービンとの２つのタービンを配置すれ
ば、コンプレッサ駆動用エネルギーと電気的回収エネル
ギーとの配分をより適正化することができる。

【００４０】インバータの使用は、従来必要であった始
動用圧縮空気を燃焼室に導入する空気供給弁を不要化す
る。そのような空気供給弁が配置されているために必然
的に生じるシリンダ燃焼室のデッドスペースがなくな
り、シリンダの構造設計の自由度が増大し、定常運転時
の発電効率を高くすることができる。このような始動空
気弁レスエンジンは、始動用空気供給制御弁を不要化す
ることができるとともに、弁始動用空気圧縮用コンプレ
ッサと始動用高圧空気供給配管を更に不要化することが
できる。

【００４１】インバータ１７は、交流入力電力を周波数
変換して交流出力電力に可逆的に変換する装置として記
述されているが、電気供給先系統１９の物理的使用状態
に対応して可逆的交流直流変換器に代替され得る。

【００４２】図３は、本発明による名称の実施の他の形
態を示し、可逆的でないインバータを用いるモード切替
の機器回路構成を示している。シリンダ群１とクランク
群３とから構成されるエンジン本体のエンジン出力軸４
は、既述の通り、電動機発電機５に軸結合している。コ
ンプレッサ１３が熱回収タービン１４に軸結合し、電動
機発電機５と電気供給先系統１９との間に主電気的出力
線１８が介設されている点は、実施の既述の形態に同じ
である。実施の本形態では、追加タービン４１が追加さ
れテイル。熱回収発電機１５は、追加タービン４１に軸
結合している。熱回収発電機１５とインバータ１７との
間に第１切替スイッチ２１が介設されている点は、実施
の既述の形態に同じである。インバータ１７の入力側と
出力側は、交替することがない。

【００４３】主電気的出力線１８と電気供給先系統１９
の間に、第４切替スイッチ４２が追加されている。イン
バータ１７の出力側と第４切替スイッチ４２の間に第１
変圧器４３が介設されている。第１変圧器４３と第４切
替スイッチ４２との間に、第５切替スイッチ４４が介設
されている。インバータ１７の入力側と電気供給先系統
１９との間に、モード選択用回路線４５が介設されてい
る。モード選択用回路線４５に第２変圧器４６が介設さ
れている。インバータ１７の入力側と第２変圧器４６の
間に、第６切替スイッチ４７が介設されている。第２変
圧器４６と電気供給先系統１９との間に、第７切替スイ
ッチ４８が介設されている。

【００４４】始動時の電動機モードでは、第７切替スイ
ッチ４８と第６切替スイッチ４７と第５切替スイッチ４
４と主電気的出力線１８とがともにタイミング制御によ
り同時的に閉じられ、且つ、第１切替スイッチ２１と第
５切替スイッチ４４とが共にそのタイミング制御により
同時的に開かれる。電気供給先系統１９から逆供給され
る電力は、第７切替スイッチ４８と第２変圧器４６と第
６切替スイッチ４７とを介してインバータ１７に入力
し、インバータ１７により周波数制御を受けて周波数変
換され、更に、第１変圧器４３と第５切替スイッチ４４
と主電気的出力線１８とを介して電動機発電機５に制御
電力として入力される。その制御電力によりエンジン本
体のシリンダ群１のエンジン出力軸４の回転位相が時系
列的に制御されることは、既述の通りである。

【００４５】定格運転時の発電機モードでは、第７切替
スイッチ４８と第６切替スイッチ４７と第５切替スイッ
チ４４とがともにタイミング制御により同時的に開か
れ、且つ、第１切替スイッチ２１と第５切替スイッチ４
４とが共にそのタイミング制御により同時的に閉じら
れ、主電気的出力線１８はそのままに閉じられている。
発電機として動作する電動機発電機５の発電電力は、主
電気的出力線１８と第４切替スイッチ４２とを介して電
気供給先系統１９に供給される。エンジン本体から排出
される排ガスは、熱回収タービン１４に供給されるとと
もに追加タービン４１に供給される。熱回収タービン１
４と追加タービン４１とを通過した排ガスは、脱硝装置
４９を介して排出される。追加タービン４１の回転エネ
ルギーは、熱回収発電機１５により電気エネルギーとし
て回収される。その回収電気エネルギーは、第１切替ス
イッチ２１を介してインバータ１７に入力され周波数変
換を受け、第１変圧器４３と第５切替スイッチ４４とを
介して電気供給先系統１９に供給される。インバータ１
７の出力である回収電力と電動機発電機５の発電電力
は、電動機発電機５の出力電圧に同期して動作する第５
切替スイッチ４４のスイッチング制御により、同期的に
重なり合って電気供給先系統１９に供給される。

【００４６】図４は、本発明による名称の実施の更に他
の形態を示している。追加タービン４１が追加されてい
る点は、実施の図３の形態に同じである。実施の本形態
では、追加タービン４１の回収エネルギーを電気エネル
ギーに変換する専用の発電機は省略され、その発電機に
対応するインバータは設けられていない。追加タービン
４１の出力軸は、エンジン出力軸４に減速ギア群５１を
介して、エンジン出力軸４に軸結合している。発電機５
に位相制御用電力が供給される点は、実施の既述の形態
に同じである。

【００４７】図５〜図７は、ターボコンパウンドシステ
ムの変形例を模式構造的に示している。図８は、公知の
ターボシングルシステムを図５〜図８のシステムとの比
較のために示している。４つの変形例で、コンプレッサ
Ａが用いられている点は、共通している。図５のターボ
コンパウンドシステムは、２つのタービンＢ１，Ｂ２が
排ガス通路中に並列に配置されている。２つのタービン
Ｂ１，Ｂ２のうちの１つＢ１はコンプレッサＡに軸結合
し、２つのタービンＢ１，Ｂ２のうちの他の１つＢ２
は、排ガスエネルギー回収用発電機Ｇに軸結合してい
る。

【００４８】図６のターボコンパウンドシステムは、２
つのタービンＢ１，Ｂ２が排ガス通路中に直列に配置さ
れている。２つのタービンＢ１，Ｂ２のうちの１つＢ２
はコンプレッサＡに軸結合し、２つのタービンＢ１，Ｂ
２のうちの他の１つＢ１は、排ガスエネルギー回収用発
電機Ｇに軸結合している。タービンＢ２は、排ガス通路
中でタービンＢ１より後流側に配置されている。

【００４９】図７のターボコンパウンドシステムは、２
つのタービンＢ１，Ｂ２が排ガス通路中に並列に配置さ
れている。２つのタービンＢ１，Ｂ２のうちの１つＢ１
はコンプレッサＡに軸結合し、２つのタービンＢ１，Ｂ
２のうちの他の１つＢ２は、排ガスエネルギー回収用発
電機Ｇに軸結合している。タービンＢ２は、排ガス通路
中でタービンＢ１より後流側に配置されている。インバ
ータＩは、４つの変形例でそれぞれに自由に使用され
る。

【００５０】

【発明の効果】本発明によるディーゼルエンジン発電
機、ディーゼルエンジン、及び、ディーゼルエンジンの
駆動方法は、有色煙の発生を抑制し、未燃焼を抑制す
る。更には、有色煙の発生と未燃焼の抑制とは独立に、
ピストン位相の最適制御により、燃費効率を向上させる
ことができる。エンジン設計の自由度が拡大される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるディーゼルエンジン発電
機の実施の形態を示す機器系統付きの電気回路図であ
る。

【図２】図２は、ピストンの位相を示すグラフである。

【図３】図３は、本発明によるディーゼルエンジン発電
機の実施の他の形態を示す機器系統付きの電気回路図で
ある。

【図４】図４は、本発明によるディーゼルエンジン発電
機の実施の更に他の形態を示す機器系統付きの電気回路
図である。

【図５】図５は、ターボコンパウンドシステムの１例を
示す機器配置図である。

【図６】図６は、ターボコンパウンドシステムの他の１
例を示す機器配置図である。

【図７】図７は、ターボコンパウンドシステムの更に他
の１例を示す機器配置図である。

【図８】図８は、公知のターボ配置を示す機器配置図で
ある。

【図９】図９は、公知のディーゼルエンジンの主要構成
を示す一部断面付き斜軸投影図である。

【図１０】図１０は、公知のシリンダの燃焼室の一部を
示す断面図である。

【図１１】図１１は、公知のディーゼルエンジン発電機
を示す機器配置図である。

【符号の説明】

４…エンジン出力軸５…発電機１３…コンプレッサ１４…タービン１５…回収発電機１７…電力変換器１９…系統

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ０２Ｂ 41/10 Ｆ０２Ｂ 41/10 Ｚ (72)発明者柚木晃広神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者石田裕幸長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者角田明神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者新井武神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内Ｆターム(参考） 3G005 DA02 GD07 HA14 JA39 JB26 3G093 AA16 BA19 BA20 CA01 EB00 EB09 5H590 AA02 CA07 CA29 CD03 CE01 CE02 EA01 EA07 EA10 EA14 FA01 FA05 FA08 FC12 FC26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジン出力軸と、前記エンジン出力軸に結合する発電機とを含み、前記エンジン出力軸の回転位相は前記発電機の出力側に
入力される制御用電力により時系列的に制御され、前記
発電機は電動機として用いられるディーゼルエンジン発
電機。
【請求項２】前記回転位相は、着火前に制御される請求
項１のディーゼルエンジン発電機。
【請求項３】前記回転位相は、着火前と着火後に制御さ
れる請求項１のディーゼルエンジン発電機。
【請求項４】電力変換器を更に含み、前記電力変換器に系統から系統内電力が入力され、前記
電力変換器は前記系統内電力を前記制御電力に変換する
請求項１〜３から選択される１請求項のディーゼルエン
ジン発電機。
【請求項５】始動時に前記系統を前記電力変換器を介し
て前記発電機に接続する電気回路と、定常時に前記発電
機を前記電力変換器を介さないで前記系統に接続する回
路とを切り換える切替スイッチを更に含む請求項４のデ
ィーゼルエンジン発電機。
【請求項６】前記発電機の使用モードは、発電機モード
と電動機モードとを含み、前記発電機モードと前記電動機モードは、前記エンジン
出力軸の回転速度に対応して選択的に切換えられる請求
項１のディーゼルエンジン発電機。
【請求項７】排ガスの熱エネルギーを回収する回収発電
機を更に含み、前記回収発電機が出力する回収電力は、前記電力変換器
を介して前記系統に供給される請求項４のディーゼルエ
ンジン発電機。
【請求項８】前記回収発電機に軸結合するタービンを更
に含み、前記タービンは前記排ガスにより回転駆動され、前記熱
エネルギーは前記タービンを介して前記回収発電機によ
り回収される請求項７のディーゼルエンジン発電機。
【請求項９】前記燃焼室に燃焼用空気を供給するコンプ
レッサを更に含み、前記コンプレッサは回収発電機を介して前記電力変換器
に接続している請求項４のディーゼルエンジン発電機。
【請求項１０】エンジン出力軸と、前記エンジン出力軸に結合するモータとを含み、前記エンジン出力軸の回転位相は前記モータの回転位相
の制御により制御されるディーゼルエンジン。
【請求項１１】シリンダと、前記シリンダの中で往復運動するピストンと、前記ピストンにクランク軸を介して回転的に結合する出
力軸と、前記出力軸に結合するモータとを含み、前記出力軸の回転位相は前記モータの回転位相の時系列
的制御により制御されるエンジン。
【請求項１２】エンジン出力軸の回転位相をモータの回
転位相の時系列的制御により制御するステップを含むデ
ィーゼルエンジンの駆動方法。
【請求項１３】始動時に前記モータにより前記ピストン
のサイクルを短縮するステップを更に含む請求項１２の
ディーゼルエンジンの駆動方法。
【請求項１４】前記制御するステップは、着火時又は着
火時近傍の時間領域で、燃焼室を形成するピストンを前
記モータにより加速することにより前記燃焼室の容積を
１サイクルの中で拡大するステップを備える請求項１２
又は１３のディーゼルエンジンの駆動方法。
【請求項１５】前記拡大するステップは１サイクルの中
で着火前に実行される請求項１４のディーゼルエンジン
の駆動方法。
【請求項１６】前記拡大するステップは、前記燃焼室の
容積が最小になった後に実行される請求項１５のディー
ゼルエンジンの駆動方法。
【請求項１７】前記拡大するステップは、ディーゼルエ
ンジンの始動時に限られる請求項１５又は請求項１６の
ディーゼルエンジンの駆動方法。
【請求項１８】定常運転時に前記モータにより発電する
ステップを更に含む請求項１２〜１７から選択される１
請求項のディーゼルエンジンの駆動方法。