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3級舶用機関整備士指導書

 事業名 舶用機関整備士の資格検定事業
 団体名 日本舶用機関整備協会 注目度注目度5


2.9 過給装置
1)過給機
(1)過給の目的
 燃料油が燃焼するためには一定量の空気が必要である。したがって小さなシリンダでは吸入する空気量が少ないために燃焼できる燃料油の量が少なく出力も小さい。
 圧縮機(コンプレッサ)により大気圧以上に加圧した空気をシリンダ内に送り込めば、同容積のシリンダでも多量の空気を押し込むことになり、無過給の場合よりも多くの燃料油を燃焼させて出力を高めることができる。これが過給の目的である。この目的のためにエンジンに取付けられるものが過給機であり、現在実用化されている過給機は下記に大別される。
 
 
(2)過給の概念
 排気タービン過給機は、タービンとコンプレッサによりなっており、その概念図を2・196図に示す。
 過給機関では、2・196図に示すように、機関の排気ガスの力により駆動されるタービンと同軸にあるコンプレッサにより、空気は圧縮されて機関のシリンダに充填される。すなわち、シリンダ内の空気の密度は、無過給の場合より増加し、それに見合う燃料噴射量を増加させることが出き、それだけ機関の出力を増加させることが出来る。また、コンプレッサ出口に空気冷却器をおくと、コンプレッサで圧縮され温度が上昇した空気は、冷却器によってほぼ大気温度まで冷却される。このことは空気の密度を更に増加させることになり、結果的には、一定容積に吸込まれる空気の重量を増加させ、機関の充填効率を増加させることになり、過給の効果を更に上げることになる。
 
(拡大画面:79KB)
2・196図 排気タービン過給機概念図
 
(3)排気ガス中のエネルギの回収
 排気タービン過給機は機関との間に機械的な連絡がなく、機関燃焼による排気エネルギを利用してコンプレッサを駆動し、シリンダ内への給気量を増大して機関の出力増加をはかり、その性能を確保すると同時に、各部の熱負荷の軽減と、更には排熱を利用する(回収する)事で熱効率の向上に寄与している。このように出力が増加された過給機関にとっては、過給機は、機関燃焼系統部との複合体として取扱かわねばならない。従って過給機を利用する方法(設備保守を含め)が適当でないと機関性能を確保することは難しくなる。
 ディーゼル機関に噴射される燃料の全エネルギの交換状況を2・197図に示す。
 一般に、排気ガス中に含まれている熱量は燃料の全熱量の40%に相当する。このうち低熱源への放熱熱量は、熱力学上回収不能な部分である。残りの排気温度が大気温度まで下げられないための損失と、シリンダ内の圧力を大気圧まで下げられないための損失は、排気タービン過給機によりその一部分を回収することが出来る。
 シリンダ内のピストンの行程は、そのエネルギ利用のためには、シリンダ内のガスが大気圧まで膨張するに十分な長さをもつことが理想であるが、これには無限大のピストン行程を要することになる。実際の機関では、ピストンが下死点に達してもシリンダ内の圧力は大気圧まで膨張出来ず、0.2〜0.3MPa(2〜3kgf/cm2)を保っている。したがって、下死点近くで排気弁が開くと、高温の圧力ガスは排気管内に急激に膨張、排出される。この排出エネルギをブローダウンエネルギと呼ぶ。
 排気管内のガスは、その末端にあるタービンノズルで絞られ、更に速度を増加して、タービンの翼にあたり、これを回転駆動する。これと同軸にコンプレッサがあり、空気を吸込んで圧縮して機関へ送る。
 これは排気ガスのエネルギの一部が、圧縮空気の形で機関に回収されることになる。この量は燃料熱量の7〜10%にあたる。このように過給によって、機関の出力を増加するのみならず、その捨てられていた熱量を回収して機関の熱効率を向上させることが出来る。
 
2・197図 燃料の全エネルギの交換
 
(4)排気タービン過給機の特徴
(a)特長
(1)機関の小形軽量化ができる
 同一出力の無過給機関に比べて過給機関は、軽量小形となり機関室が小さくでき、船の積載量が増加できる。同重量の機関では過給により出力が増加し船速が増す。
(2)馬力あたりの製作費が安い
 機関が小形軽量化できるため、製作費も安くなる。
(3)機械効率の向上ができる
 機関の摩擦損失馬力は、機関の大きさ、回転数による影響が強く、また回転数が一定の場合、平均有効圧力の大小によってはまったく変らない。従って排気タービン過給機付の場合は、平均有効圧力が上昇し、有効仕事量も増加するが摩擦損失は余り変化しないので機械効率が向上する。
(4)馬力あたりの燃料消費量が少ない
 機械効率の向上に伴い、燃料消費率を無過給機関に比較して2〜10%向上することができる。
(5)排気タービン過給機の駆動に軸出力を使用しない
 機関と直結か、または単独でコンプレッサを駆動する過給機は、出力の5〜10%がコンプレッサ駆動に消費されるが、排気タービン過給機は、コンプレッサ駆動のための損失がない。
(6)排気タービン過給機と機関に機械的な連絡がない
 機関と機械的な連絡がないので、機関の回転数に関係なくクランク軸の所要出力が大きくなると、排気の持つエネルギも大きくなり、自動的に過給機軸の回転が上昇して、吸入空気圧力も高まり、機関の使用状態に適した運転ができる。このため機関の正回転、逆回転にも関係ない。
(7)消音作用がある
 排気ガスタービン過給機は、排気の爆音を少なくする作用が強いので、排気サイレンサは簡単なもので十分である。
(b)欠点
(1)燃焼室周辺の温度が無過給機関に比べて少し高温になる。
 排気温度は吸気温度の変化に対して、2・198図のように変る。吸気温度10℃の上昇に対し、排気温度はシリンダ出口で18〜23℃位上るが、この傾向は高速エンジン程大きく、吸気温度上昇分の約2〜3倍位高くなる。
(2)最高爆発圧力が上昇するので、機関の振動が大きくなる。またシリンダヘッド締付けトルクも高くする必要がある。
 
2・198図 吸気温度と排気温度の関係
 
(3)過給機が故障したときは、機関出力が減少する。
 無過給機関に比べて圧縮比が低く、又オーバラップが大きいので、過給機が故障して給気圧が上がらなくなると、上死点で排気ガスがシリンダ内へ逆流し、そのために同一形式の無過給エンジンより出力が低下する。
 普通、舶用エンジンの場合は過給機が故障した場合でも、タービン軸を固定または応急短絡管を用いれば規定回転数の50〜70%の回転数で使用する事ができる。
(4)低負荷において燃焼が悪くなる。
(5)過給機の取扱いや、保守に注意しなければならない。
(5)過給方式
 前にも述べたように排気タービン過給機は機関の排気ガスエネルギにより駆動され、機関に空気を供給しているが、機関の持つ排気ガスエネルギを有効に利用することが重要である。その方法として各種の過給方式があり、現在実用化されているものに動圧過給方式(パルス過給方式)、パルスコンバータ過給方式および静圧過給方式がある。
 動圧過給方式は、舶用機関に現在最も多く採用されている過給方式であり、その名の示すように排気行程の排気ガスブローダウンの時のガスの動圧エネルギを利用することを特長としており、ピストン頂部間隙容積内に残留する排気ガスを掃気し、吸入効率を改善するビュッヒ式掃気方式と併用することにより、十分な空気量を機関に供給でき、機関の性能は大幅に改善される。







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