ディーゼルエンジンのシーケンシャルターボチャージングシステムは、低速低負荷時のディーゼルエンジンとターボチャージャー間のマッチング問題を効果的に解決し、低運転条件下でディーゼルエンジンの動力性能、経済性、排出特性を効果的に改善します。船舶推進用ディーゼルエンジンに広く使用されています。
本稿では、ある種の船舶用ディーゼルエンジンのシーケンシャルターボチャージングシステムの構造とその特徴について紹介します。このタイプのエンジンの長期保守テストを通じて蓄積された一般的な障害に基づいて、解決策を要約、一般化、検討し、関連する対策を提案します。-
この記事は、このタイプのシーケンシャル ターボチャージング システムのメンテナンスと修理のプロセス、および同様の障害を排除する上で重要な参考値となります。
I. シーケンシャル過給システムの構造、作動プロセスおよび特性
ディーゼルエンジンのシーケンシャルターボ過給とは、1 台のディーゼルエンジンに 2 つ以上のターボチャージャを並列接続し、船舶のディーゼルエンジンの排気系および吸気系とともに過給システムを構成する構成を指します。すべてのターボチャージャーは、特定のロジックに従って順次または同時に動作します。シーケンシャルターボ過給とも呼ばれます。
シーケンシャル ターボチャージャは優れたマッチング性能、出力、経済性を備えているため、負荷が変動する船舶用の高出力エンジンやディーゼル エンジンで広く使用されています。{0}
1. 構造と昇圧過程
ある種の船舶用ディーゼルエンジンのシーケンシャル過給システムを例に、シーケンシャル過給システムの構造を紹介します。
このタイプのディーゼルエンジンには、国内企業によって製造された同一のターボチャージャーが 2 つ装備されています。このシーケンシャル過給システムは、ディーゼルエンジンと過給システムの構造を基本的にそのままに、船舶のさまざまな運転条件に対応できるように設計されています。ターボチャージャーの 1 つを使用して部分負荷で動作し、部分負荷条件に適応するため、ディーゼル エンジンの燃焼余剰空気係数が高く、可能な最大トルクが得られます。
高負荷状態に入ると、制御されたターボチャージャー（2 番目のターボチャージャー）が作動します。-
図１ ディーゼルエンジン用シーケンシャル過給システムの構成図
その構造を図1に示します。ディーゼルエンジンが正常に始動すると、A列の昇圧装置TCAは直ちに作動しますが、B列の昇圧装置TCBは作動しません。これにより、A 列と B 列からのすべての排気ガスが A 列のブースタ TCA に集中して供給され、ブースタ TCA のタービンが回転します。次に、ブースター TCA が空気を圧縮してインタークーラーに送り込みます。圧縮空気はインタークーラーで冷却され、カラム A と B のシリンダーに均等に流入します。
B 列のブースター TCB は制御ブースターであり、主に空気バルブとガスバルブによって制御され、制御ブースターの起動停止制御を実現します。ガスバルブはカラムBの排気管とTCBのタービンエンドとの接続と切り離しを制御し、エアバルブはTCBのコンプレッサーとカラムBの吸気管との接続と切り離しを制御します。速度、負荷、過給圧が上昇すると、STC（シーケンシャルターボチャージングシステム）制御システムが自動的にガスバルブとエアバルブをそれぞれ開き、制御ブースターTCBが作動します。
上記のプロセスから、このタイプのディーゼル エンジンの連続ブーストは非連続可変面積ターボ過給システムと見なすことができることがわかります。{0}{1}
高負荷では、両方のブースターが同時に動作します。
低負荷時にはブースターTCBの作動が停止し、タービンノズルの流路面積が減少することに相当し、タービン前後の圧力が比較的高い状態となり、より高い過給圧を発生し、ディーゼルエンジンの低速・大トルク運転時の吸入空気量の要求に応えます。
2. この方式のシーケンシャル過給の特徴
(1) ディーゼルエンジンとシーケンシャル過給システムのマッチング特性が良好。
このマッチングの良さは、具体的には次のように表れます。どのような負荷条件下でも、スーパーチャージャーとディーゼルエンジンに出入りする空気圧と流量を調整することで、シーケンシャルターボ過給システムが常に効率よく作動します。過渡応答が速く、低速過給で十分であり、高速でもオーバーヒートやオーバースピードがなく、加速が速く、黒煙も発生しません。ディーゼルエンジンの燃料消費率、排気温度、排出ガスなどをすべて最適な状態にします。
(2) シーケンシャルターボ過給システムにより、船舶用ディーゼルエンジンは低負荷条件下で優れた燃費と効率を実現し、高負荷条件下でも高い出力性能と安定性を実現できます。-
船舶用ディーゼルエンジンは航行中にさまざまな負荷条件下で作動する必要があり、頻繁にエンジン負荷を切り替える必要があります。適切に適合したシーケンシャル ターボ過給システムにより、船舶用ディーゼル エンジンはこれらの要件を満たすことができます。-
(3) シーケンシャルターボチャージングシステムは比較的複雑です。
このターボ過給システムには、制御システムだけでなく、ガスおよび空気制御バルブ用のコントロール ブースター (TCB) セットの追加も必要です。これにより、故障箇所の数と故障率が増加し、メンテナンスコストが増加します。
さらに、設計プロセスでは、ブースターとディーゼルエンジンの吸排気流量および圧力の正確なマッチング計算が必要であり、制御されたブースター TCB の作動タイミングを決定する必要があります。
II.一般的な障害と原因の分析
1. ターボチャージャーのサージ
過給機のサージとは、過給機の回転速度は一定ですが、過給機のコンプレッサーに流入する空気流量がある程度まで減少すると、コンプレッサインペラやディフューザーに流入するガスの方向が最適値からずれ、コンプレッサー内のガス圧力が大きく変動する現象を指します。ターボチャージャーが不安定な作動状態となり、ターボチャージャー端から唸り音やヒューヒュー音を発します。
この障害は、シーケンシャルターボ過給システムを備えた船舶用ディーゼルエンジンで頻繁に発生します。サージはブレードなどの内部部品の疲労損傷を加速したり、既存の亀裂の拡大を加速したりする可能性があります。ひどい場合には、ターボチャージャーの破損につながる可能性があります。
船舶用ディーゼルエンジンのサージは、シーケンシャルターボ過給システムで頻繁に発生します。このシステムは、複雑なディーゼルエンジンの吸排気系とターボチャージャー、吸排気系で構成されています。これには主な理由がいくつかあります。
(1) ターボチャージャーの吸入空気量の不足またはスムーズでない
ディーゼルエンジンのターボチャージャーでは、何らかの原因によりコンプレッサーエンドの吸入空気量が不足したり、スムーズに吸入されないことがあります。これにより、コンプレッサーの入口と出口で空気の渦が発生したり、圧力が不安定になり、ターボチャージャーのサージが発生します。
また、ターボチャージャーのタービンノズルは、運転中にゴミや異物が詰まりやすい。これにより、タービンブレード内の空気が層流から乱流に変化し、タービンブレードへの最適な衝突角度が変化し、ターボチャージャーにサージが発生します。
(2) ディーゼルエンジンの回転数が不安定、または各気筒の出力が不均一である
ディーゼルエンジンの回転数が変動すると、ターボチャージャーのタービンを押すガスのエネルギーが不連続になり、ターボチャージャーの動作が不安定になったり、コンプレッサー側の空気の流れが悪くなったりします。その結果、ターボチャージャにサージが発生する。
また、この種の船舶用ディーゼルエンジンは低速で動作する場合、一部のシリンダーが点火しない場合が多々あります。これにより、空気の需要が減少しますが、空気の需要はコンプレッサーの供給能力よりも低くなる場合もあります。過剰な空気はコンプレッサーの出口に逆流し、コンプレッサーの出口での空気の流れの遮断、空気の流れの悪化、コンプレッサーの背圧の増加、およびターボチャージャーのサージにつながるその他の状態を引き起こします。
(3) シーケンシャルターボ過給システムの作動はディーゼルエンジンの作動と一致しません。
シーケンシャルターボ過給システムの動作は、ディーゼルエンジンの動作とは一致しません。シーケンシャルターボ過給システムの制御システムが故障し、ディーゼルエンジンの運転条件の要件を満たさないため、ディーゼルエンジンが停止するか、制御された過給機が制御下で動作することになります。
簡単に言えば、低条件下で動作する場合、制御されたスーパーチャージャー TCB は、TCA が使用される場合にのみ使用する必要があります。これは、TCA と TCB の両方が同時に使用されることを意味します。
ただし、ハイコンディション時にTCAとTCBを併用する場合は、制御スーパーチャージャーTCBは作動せず、TCAのみが使用されます。
この現象は、特定の種類の船舶用ディーゼルエンジンで非常に頻繁に発生し、主に制御システムの故障が原因です。
このタイプの船舶用ディーゼルエンジンで制御過給機 TCB が動作するための条件は次のとおりです。
主エンジン回転数 * * * r/min 以上、過給機回転数 * * *00 r/min 以上、過給圧 0. * * MPa 以上。
ディーゼルエンジン運転中は、STC制御装置により全工程が自動制御され、制御エア圧力0.*MPaの空気圧アクチュエータによりガスバルブとエアバルブの開閉が完了し、自動切り替えを実現します。また、制御エアはバルブピストンを押し、振動などによるバルブの開閉を防止します。
図2 STC制御システム
したがって、STC 制御システム (図 2 に示す) のコンポーネントまたはそのアクチュエーターがディーゼル エンジンの動作中に故障した場合、ターボチャージャーとディーゼル エンジンの間のマッチングの問題が発生し、ターボチャージャーでサージ故障が発生します。
なお、制御過給機TCBは主にガスバルブとエアバルブの開閉制御によって作動します。ディーゼルエンジンを長期間運転すると、灰や炭素の堆積物がパイプラインに蓄積し、ガスバルブやエアバルブが完全に閉まらなくなることがあります。これにより、ディーゼルエンジンから排出されるガスや空気が漏れ、ひどい場合には制御過給機のTCBの始動停止異常を引き起こし、過給機のサージを引き起こす可能性があります。
2. 過給圧の低下
シーケンシャル ターボ過給システムの過給圧低下も、比較的一般的な故障です。主な原因としては、ブーストポンプの回転数の低下、ブーストポンプの吸気通路での空気の取り込み不良、コンプレッサーブレードの損傷などが考えられます。具体的な分析は以下の通り。
(1) ブーストポンプ回転数の低下
ブースト ポンプの回転速度の低下は、通常、ブースト ポンプに入るガスの不足が原因で発生します。まず、ガス通路の滑らかさと密閉性を確認する必要があります。 -ディーゼル エンジンを長期間運転すると、排気管の内壁に煤が蓄積し、その結果、排気管の流路の内径が小さくなり、ガスの流れが悪くなることがあります。さらに、ブーストポンプのノズルの滑らかさもチェックする必要があります。
このタイプのエンジンは主に 3 つの側面から検査されます。まず、排気管のシールを確認する必要があります。このタイプのディーゼルエンジンの排気メインパイプは8つの部分に分かれており、各部分は8気筒のエキゾーストマニホールドと一体化されてシリンダーヘッドに取り付けられます。各気筒の排気メインパイプ8箇所をパイプクランプで固定します。ディーゼルエンジンを長期間運転すると、高温により各メインパイプ接続部のシールリングが劣化したり、各エキゾーストメインパイプとシリンダエキゾーストマニホールドやシリンダヘッドとの接続部からガス漏れが発生したりすることがあります。
次に、エキゾーストメインパイプとターボチャージャーのタービンエンドとの接続部分に振動などによる緩みがないか確認します。ガス漏れやシール不良の可能性があります。
第三に、ディーゼル エンジンの低負荷運転中、つまり制御ブースト ポンプ TCB が動作していないときに、ブースト ポンプの低回転速度の故障が発生した場合は、まず制御ブースト ポンプ TCB を制御するガス バルブのシールを確認してください。{0}ガスバルブがしっかりと閉まっていないと、ガスの一部が密閉不良のガスバルブを通って制御されたブーストポンプに漏れ、その結果、ディーゼルエンジンの低負荷運転中に A 列ブーストポンプ TCA に入るガス量が減少し、低負荷運転中にブーストポンプの回転速度が低下します。-この故障判断の基準は、制御されたブーストポンプ TCB が低速で動作しているかどうかを確認することです。 TCB が低速で動作している場合は、ガスバルブがしっかりと閉まっていないことを示しています。少量のガスが TCB に漏れて回転を引き起こし、その結果、ディーゼル エンジンの低負荷運転中に過給圧が低下します。-ひどい場合にはブーストポンプのサージを引き起こす可能性があります。
(2) この形式のディーゼルエンジンを船舶用ディーゼルエンジンとして使用する場合、吸気通路の平滑性や吸気管路のシール性の低下が課題となります。吸気方法は船舶の種類により異なります。大きく分けてエンジンルーム内吸気と外部吸気の2つの方法があります。
エンジンルーム吸気方式のディーゼルエンジンの場合、エンジンルームのファンがすべて排気ファンになっていると、エンジンルーム内に負圧が発生し、ターボチャージャーの吸気圧や吸入量が低下します。
外部吸気方式のディーゼルエンジンは、長期間運転すると、吸気通路や吸気フィルタの取り付け時に外部からの不純な空気により吸気フィルタ、吸気管、マフラー、インタークーラーの汚れや詰まりが発生し、吸気抵抗が低下して吸入圧力や吸入量が低下し、ひいては過給圧の低下を引き起こします。
また、船舶やディーゼルエンジンの振動により、吸気管の接続部分に緩みの問題が発生することがあり、吸気管の漏れや吸気圧力の低下につながります。
低負荷運転時、制御対象ターボチャージャのエアバルブがしっかりと閉まっていないと、制御対象ターボチャージャからの空気の一部が漏れ、ディーゼル エンジンの吸気圧が低下します。
最後に、ターボチャージャーのコンプレッサーブレードの完全性を確認する必要があります。このターボチャージャーにサージが発生すると、コンプレッサーブレード、特にブレード先端が変形したり、コンプレッサーローターが損傷したりして、コンプレッサー効率の低下やコンプレッサー容積の減少を引き起こし、過給圧の低下を引き起こす可能性があります。
3. 異音や振動が発生する場合
スーパーチャージャーの高速運転時には、サージ音以外にも金属の摩擦音や衝撃音など、スーパーチャージャーの振動を引き起こす騒音障害が発生する場合があります。
この問題の原因は数多くあります。たとえば、スーパーチャージャーの潤滑不良は、支持ベアリングの深刻な摩耗につながります。
-ディーゼル エンジンを長期間運転すると、ディーゼル エンジンとスーパーチャージャーの間の接続ボルトが緩みます。
スーパーチャージャー取り付け時のコネクティングボルトのトルクの不均一。
ローターに損傷を与える金属異物により、スーパーチャージャーがずれたり、ハウジングの外縁と摩擦が生じたりする可能性があります。
制御過給機ＴＣＢの作動が適時でなくなり、Ａ列過給機ＴＣＡの回転数が過大となる等の不具合が生じる。
Ⅲ．圧力上昇システムの連続故障に対する一般的な解決策または予防策
-このタイプの船舶用ディーゼル エンジンのメンテナンスに長期的に参加することで、このタイプのエンジンのシーケンシャル ターボ過給システムの一般的な故障に対する一般的なトラブルシューティング対策と予防方法を蓄積し、まとめてきました。
シーケンシャル過給システムは、ディーゼルエンジンの吸排気配管系、過給ユニットの吸排気配管系、制御過給ユニットの制御系から構成される比較的複雑なシステムであり、各構成要素が相互に依存し、相互に影響し合うため、故障の原因は単一ではない。各障害の解決策は一意ではありません。関連する実践に基づいて、歴代過給ユニットシステムの共通のトラブルシューティング対策と予防方法を以下にまとめます。
(1) ディーゼルエンジンの過給機にサージが発生した場合や過給圧が低下した場合には、関連するパラメータを総合的に分析して原因を特定する必要があります。必要に応じて、点検のためにエンジンを停止する必要があります。
異常音や振動が発生し、原因が特定できない場合は、故障範囲の拡大を避けるため、まずエンジンを停止して点検してください。
(2) 実際の使用状況に応じて、メンテナンス要件に従って、ディーゼルエンジンの吸気および排気パイプラインおよびターボチャージャの吸気および排気パイプラインの適時保守および維持を実行する必要があります。これには主に、パイプラインの内壁の詰まりを防ぎ、滑らかさを確保するための定期的な清掃が含まれます。排気や煙の漏れを防ぐために、パイプラインのシールの検査を強化し、特にパイプ壁の腐食や接続の問題によって引き起こされるシールの問題に注意を払います。
(3) 排気背圧検査を強化し、排気流不良の防止と過給機のサージ低減を図る。まず、ターボチャージャーのコンプレッサー側の排圧が高すぎないか、エアクーラーの汚れや詰まりを確認してください。エアクーラーを定期的に掃除してメンテナンスし、障害物がないようにしてください。次に、ターボチャージャーのタービンエンドからのガスと排気の排気の流れを確認します。一部の船舶には騒音低減などの煙処理装置が設置されており、定期的に清掃およびメンテナンスする必要があります。
(4) 過給機の騒音や振動を防止するため、修理やメンテナンスと併せて、ロータの構造やブレードの形状を定期的に点検、交換してください。変形せず、形状をそのままに保ちます。新しく設置されたターボチャージャーまたは工場で修理されたターボチャージャーの場合は、ローターの動的バランス テストを実行します。-ダイナミックバランスが不適合の場合は、研削調整を行う必要があります。
(5) 後続のターボチャージャーの STC 制御システムを定期的に検査および保守し、制御システムのデータ収集、送信、および処理モジュールが正常に動作することを確認します。設定されたロジックに従い、制御されている過給機の状態を正確に把握し、必要に応じて作業開始・停止信号を送信します。
(6) 制御過給機のガスバルブ、エアバルブ、ガス源機器等の正常な作動を確保すること。排気や空気漏れの原因となるバルブの固着を防ぎます。他の実行機構の故障によりガスバルブやエアバルブが正常に起動・停止できなくなり、制御対象のターボチャージャーの起動・停止に影響を与えることを防止します。
(7) 本稿で検討したある形式のディーゼルエンジンの STC 逐次過給システムでは，A 列と B 列に同一仕様の過給機が使用されている。ターボ過給システムの耐用年数を延ばし、故障率を減らすために、列 B の制御されたターボチャージャの動作時間が短くなります。 2 つのターボチャージャのサービスサイクルをほぼ同じにし、ターボチャージャの稼働率を向上させるために、作業時間に応じて 2 列のターボチャージャの回転を交互に行うことが推奨されます。
IV.結論
この記事では、歴代のシリーズの構造とそれに関連する特徴を簡単に紹介します。 ある種の船舶用ディーゼルエンジンのターボチャージャシステム。このタイプのエンジンのメンテナンス テストの長期にわたる実践経験に基づいて、著者は一般的な故障を要約して結論を出し、スーパーチャージャーの A セットと B セットの定期的な交換などの関連ソリューションを提案します。-この記事は、このタイプのエンジンのシーケンシャルターボ過給システムのメンテナンスと修理に優れた品質と経済的利点をもたらします。