JP2003517133A - 圧縮空気発生用圧縮機 - Google Patents

圧縮空気発生用圧縮機

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Abstract

(57)【要約】 本発明は圧縮空気発生用圧縮装置であり、その構成は内燃機関駆動の圧縮機から成り立つ。この圧縮機は配管を経て圧縮空気吐出口と連結され、内燃機関排気ガス側に駆動面接続された排気タービンがこの圧縮機に１次加圧した空気を送り込む。この様な機械の総効率は、ディーゼルエンジン（４０）に１次加圧された空気を供給する１基目の排気タービン（２０）を排気ガス側に、また液封圧縮機（５０）に１次加圧された空気を供給する２基目の排気タービン（２１）を直列に配置して効率向上を図っている。その際排気タービン（２０）の羽根車タービン側寸法、例えば羽根車の外径は、排気逆圧と後続の圧縮機（５０）の排気タービン（２１）から発生する熱に適合され、また排気タービン（２１）のタービン側羽根車の寸法、例えば羽根車の直径は、排気タービン（２１）のタービン側および圧縮機側の流量差に適応されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は内燃機関駆動の圧縮機で構成される「圧縮空気発生用圧縮機」であり
、この圧縮機は圧縮空気吐出部と配管で連結し、内燃機関排気側に駆動面接属さ
れた排気タービンから１次加圧空気が送りこまれる。
【０００２】 この圧縮機は発生したプロセス熱を利用して装置の効率を向上し、これにより
燃料を節約できる。
【０００３】 特許明細書ＤＥ４１２３２０８Ｃ２で知られる圧縮装置は、内燃機関排気側の
駆動面には少なくとも排気タービン一基が圧縮機吸込・圧送管内に配置され、１
次加圧された空気を圧縮機に送る・または圧縮機が圧縮した圧縮気体を再圧縮す
る。
【０００４】 この場合の弱点は内燃機関の排気流路に一基または多基の排気タービンが配置
されることで、このため排気逆圧が上昇し、機械有効出力が減少してしまうこと
である。排気逆圧は約１．５ｂａｒに上昇し、内燃機関ピストン押込仕事が高ま
るために、低平均実効圧の従来型内燃機関では機械有効出力が約２０パーセント
ほど低下してしまう。
【０００５】 さらに排気逆圧は内燃機関の新気充填率を悪化するため、燃料の完全燃焼を図
るためには燃料容量を減少しなければならず、内燃機関能力が低下する。この様
に従来の吸込型エンジンでは動力損失が約１０％となる。
【０００６】 この結果内燃機関の動力損失総計は約３０％になる。内燃機関の動力損失、ま
たそれによる内燃機関駆動圧縮機の圧縮能力の損質はあまりにも高く、排気ター
ビンで追加加圧してもその損失を補償できない。
【０００７】 圧縮機前に排気タービンの設置が無い従来型圧縮装置と比べ、特許明細書ＤＥ
４１２３２０８Ｃ２の圧縮装置は構造的に大掛かりであるために、この様な装置
は非常に不経済でありまた非効率であることがわかる。
【０００８】 ＵＳ−ＰＳ２，８４９，１７３で知られている圧縮システムは、ピストン式圧
縮機を駆動する熱機関の排気ガスがガスタービンを同時に駆動し、ガスタービン
がピストン式圧縮機にガスタービン駆動の圧縮機を経て、１次加圧された空気を
供給する。ここで前置圧縮機は多段式軸流圧縮機だということがわかる。
【０００９】 この圧縮システムは多段式軸流圧縮機を利用するために、高価で大型の解決策
であり可搬型圧縮装置としての利用にはむかないということが、この工程の弱点
である。更に後置ガスタービン加圧工程では発生する排気逆圧が高いために、内
燃機関出力低下がはなはだしい。排気ガス駆動の低圧段を設置し、圧縮装置の効
率を向上することは、この工法ではこの理由から不可能である。
【００１０】 ＵＳ−ＰＳ３,２０４,８５９でも熱機関排気ガスで排気タービンを駆動する方
法が知られている。この発明でわかることは、タービンで１次加工された空気を
一方ではエンジンに、また他方では本来の圧縮機に配分する方法である。ここで
は圧縮機が一方では新気を吸込み、また他方では、充填圧がエンジンの必要とす
る充填圧を超過すると、タービン加圧工程から、１次加圧された気体が圧縮機に
送られてくる。即ち低圧縮空気の過剰状態となり、圧縮機へのバルブが開いてし
まう。
【００１１】 この様な構造の弱点は、１次加圧された空気の一部しか本来の圧縮機に供給さ
れず、それも充填圧が一定のレベルに達したときに限定される。その他の弱点は
圧縮機中の１次加圧気が中間部に送り込まれるため、機械の気密や構造が難しい
ことである。理由はこの中間部で流体容積が増加するからである。
【００１２】 ＵＳ−ＰＳ４,５６３,１３２ではエンジン圧縮ユニットが知られており、ここ
ではエンジン排気ガス駆動のタービン２基が圧縮機の吸込管に配置されている。
ＵＳ−ＰＳ３,２０４,８５９明細書と同様にここでも１次加圧気体がバルブでエ
ンジンと圧縮機に配分される。
【００１３】 この弱点は、エンジンと圧縮機が同じ回転数で作動するため、加圧力や供給量
を変化できないことである。エンジン圧縮ユニットはこのため可搬型圧縮ユニッ
トとしての使用には不向きであり、エンジン運転用に設計されている、というの
は圧縮側が適切でないためである。
【００１４】 発明の目的は、圧縮機前置排気タービンを付け圧縮装置の総効率を向上し、そ
れによりこのような圧縮装置の経済的利用を可能にすることである。
【００１５】 これを可能にするのは本発明の請求項１で記載した特徴である。従属請求項４
〜９は本発明の有利な実施態様である。
【００１６】 この発明によると総効率の向上は、排気タービン２基を直列に配置し、ディー
ゼルエンジンの排気ガス流体がまず１基目の排気タービンを駆動し、このタービ
ンがディーゼルエンジンに圧縮気体を送り、その後２基目の排気タービンを駆動
し、この２基目の排気タービンが圧縮機に１次加圧気体を送りこむ。この際圧縮
機に前置する排気タービンのタービン側羽根車寸法、例えば羽根車直径を、排気
タービンのタービン側と圧縮側の流量差に合わせ、またディーゼルエンジン前置
の排気タービンのタービン側羽根車寸法、例えば羽根車の外径を、圧縮機後置の
排気タービンで発生する排気逆圧と熱に適応する。
【００１７】 使用ディーゼルエンジン実効平均圧力をこの様にして昇圧すると、機械有効動
力の損失は約１５％に押えることができる。ディーゼルエンジンの新気充填悪化
で起こる出力低下は充填圧の昇圧で避けられる。排気逆圧要因のディーゼルエン
ジン総括出力低下はこの様にして約１５％に減少できる。
【００１８】 ディーゼルエンジンの損失を更に減少するには、充填空気をディーゼルエンジ
ンに入る前に中間冷却する。
【００１９】 これによりエンジンの平均実効圧力が高まることから、約１．５ｂａｒの排気
逆圧でも機械有効動力の損失は１０％でしかない。この場合ディーゼルエンジン
の新気充填が悪くても損失は全然無く、そのため全体の出力損失を約１０％に押
えることができる。
【００２０】 圧縮機前置の排気タービンで得られる圧縮力はエンジンの機械有効出力の約２
５％に相当する。この結果としてこの発明による圧縮装置の余剰出力は１５％と
なる。
【００２１】 この発明による排気タービン付ディーゼルエンジン圧縮装置の多の利点は、デ
ィーゼルエンジンの有効回転範囲がここでは大きいことである。圧縮装置の圧縮
気体の取出しが一定せず圧縮気体吐出毎にエンジン回転数が上下する、このため
ディーゼルエンジン回転数の変化は非常に重要である。
【００２２】 従来型圧縮装置の場合エンジン回転数は、最大有効回転数の３０〜４０％の減
少しかできない、というのは継続的に吐出圧を供給するために必要な圧縮機の継
続的トルクは、エンジンの総回転範囲以上となるからである。有効回転範囲は例
えば２５００回転／分と１５００回転／分の間である。
【００２３】 追加排気タービン搭載の圧縮装置で必要とするトルクは２つの部分、つまりね
じ圧縮機と追加タービンの合計となる。ディーゼルエンジンの回転数が下がるに
つれ排気タービン出力も低下し、そのため排気逆圧も下がる。排気逆圧低下はデ
ィーゼルエンジンの機械有効トルクを高めることとなり、この運転状態ではこの
ため圧縮機で得ようとする吐出圧供給に必要なエンジントルクが充分に残ってい
る。
【００２４】 このためディーゼルエンジンの回転範囲を低回転数の方向に拡大することがで
き、２５００回転／分と１０００回転／分間の回転範囲の利用が可能になる。こ
れは有効回転数範囲の約５０％拡大に相当する。特に圧縮装置から時たま圧縮気
体吐出する場合は、ディーゼルエンジン低回転数を利用できるため、従来型圧縮
装置に比べ最高３０％燃料節約できる可能性を持つ。
【００２５】 本発明による圧縮装置のその他の利点は容積型圧縮機を応用していることにあ
る。内燃機関駆動の圧縮装置では圧縮空気の供給容積も機械回転数で制御するの
が一般である。エンジン回転減速、またその結果生じる１次加圧力の減少が圧縮
機前置の排気タービン圧縮能力をも減少してしまう。このため希望する吐出圧力
を連続的に得るためには１次圧が低いため圧縮機で圧力比を高めることが必要に
なる。
【００２６】 本発明による圧縮装置はこの問題を容積型圧縮機の利用で解決している、即ち
この圧縮機の前で圧力比が変わっても、この圧縮機はしゅう動スペースが実際上
無いために、吐出圧を継続的に供給することができる。特殊な場合には液封圧縮
機、例えばねじ・またはローター圧縮機、を利用すべきである。
【００２７】 液封圧縮機を利用するその他の利点は、この機械は一段式でも必要な圧縮がで
きることで、このため圧縮装置全体を小型にまとめることが可能である。
【００２８】 次に本発明による圧縮装置実用型構造を図示によって示す。
【００２９】 燃焼気体はエアフィルター１０で濾過され吸込管７０を経て排気タービン２０
に送られる。こうして１次加圧された燃焼気体は配管７２を経て中間冷却９０に
行き、中間冷却された燃焼気体は管７４を経てディーゼルエンジン４０に送られ
る。
【００３０】 ディーゼルエンジン４０の排気ガスは配管４１を経て排気タービン２０に送ら
れる。少し減圧した排気ガスを可能な限り短い連結４２で２基目の排気タービン
２１に導く。減圧した排気ガスは排気タービン２１を通過した後、バイパスに行
く。圧縮用気体はエアフィルター１１と吸込管７１を経て排気タービン２１に送
られる。ここで１次加圧された燃焼空気は配管７５を経て中間冷却器９１に送ら
れ、配管７５を経て中間冷却・１次加圧された空気が液封圧縮機５０に送られる
。
【００３１】 圧送管７６は圧縮空気を封入液で気密ダンク８０へ圧送し、ここで液体分離機
８１が封入液を圧縮気体から分離する。配管７７、フィルター６０、配管７８、
冷却器６１と配管７９を経て封入液は液封圧縮機に戻る。
【００３２】 圧縮空気は気密タンク８０から液体分離機８１、逆止め弁８２と配管８３を経
て圧縮気体吐出部８４に送られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧縮装置の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆ０４Ｃ 23/00 Ｄ Ｆ０４Ｃ 23/00 29/00 Ｊ 29/00 Ｆ０４Ｂ 35/00 Ａ // Ｆ０４Ｂ 35/00 Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０１Ｂ Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA04 EA16 EA24 EA25 FA05 GB17 GB39 HA13 3H029 AA07 AB02 AB08 BB00 BB41 BB42 CC02 CC07 CC13 CC23 3H076 AA01 AA16 BB33 BB43 CC12 CC91

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮気体発生用圧縮装置であって、内燃機関駆動の圧縮機か
    ら成り立ち、この圧縮機は圧縮気体吐出口と配管で連結しており、この圧縮機に
    は内燃機関排気側に駆動面接続された排気タービンから１次加圧された気体が送
    られる形式のものにおいて、 ディーゼルエンジン（４０）に１次加圧気体を供給する排気側の１基目の排気
    タービン（２０）と、液封圧縮機（５０）に１次加圧空気を供給する２基目の排
    気タービン（２１）とが、直列に配置されており、 排気タービン（２０）のタービン側羽根車の寸法、例えば羽根車の外径は、排
    気逆圧と圧縮機（５０）後置排気タービン（２１）から発生する熱に適合されて
    いて、また排気タービン（２１）のタービン側羽根車寸法、例えば羽根車の直径
    は排気タービン（２１）のタービンと圧縮機側にかかる流量差に適合されている
    ことを特徴とする、圧縮気体発生用圧縮装置。
  2. 【請求項２】 排気タービン（２１）で１次加圧された空気を、圧縮空気吐
    出口（８４）で圧縮空気の吐出が少量だけ・または全く無い場合に放出するため
    の部品、例えば空圧弁が、排気タービン（２１）と圧縮機（５０）の間に配置さ
    れている、請求項１記載の圧縮装置。
  3. 【請求項３】 圧縮空気が圧縮空気吐出口（８４）で少量しか吐出・または
    全く吐出されない場合、排気タービン（２１）で１次加圧された空気を戻すため
    のバルブ付き戻し管が、押圧圧縮機への送り管から排気タービン（２１）の吸込
    管（７１）に通っている、請求項１記載の圧縮装置。
  4. 【請求項４】 部品、例えば空圧弁が、排気タービン（２１）の送り管（４
    ２）に配置されていることで、圧縮空気吐出口（８４）で圧縮空気の吐出しが少
    量だけであるか、または全然無い場合に、排気タービン（２１）に送り込まれた
    排気ガスを送り管（４２）を経て放出する、請求項１記載の圧縮装置。
  5. 【請求項５】 圧縮機（５０）用の排気タービン（２１）がディーゼルエン
    ジン（４０）の排気タービン（２０）の排気ガス吐出口にできるだけ近いところ
    に配置されている、請求項１記載の圧縮装置。
  6. 【請求項６】 圧縮機（５０）の排気タービン（２１）がディーゼルエンジ
    ン（４０）のオイル循環に接続されている、請求項１記載の圧縮装置。
  7. 【請求項７】 圧縮機（５０）の排気タービン（２１）がディーゼルエンジ
    ン（４０）に直接取りつけられている、請求項１記載の圧縮装置。
  8. 【請求項８】 圧縮機（５０）の排気タービン（２１）のタービン側および
    圧縮側の羽根車が放射線状である、請求項１記載の圧縮装置。
  9. 【請求項９】 排気タービン（２０，２１）で圧縮された空気がディーゼル
    エンジン（４０）または圧縮機（５０）に入る前に中間冷却器（９０，９１）で
    冷却される、請求項１記載の圧縮機。
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