JP2005214095A

JP2005214095A - 過給機および過給方法

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Publication number: JP2005214095A
Application number: JP2004022684A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Shibui; 康行渋井; Minoru Aoyanagi; 稔青柳
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP4432512B2

Abstract

【課題】ピストンエンジンに使用される過給機において、上記エンジンが必要とする圧力の空気を、上記エンジンが必要とする流量だけ供給することを容易にする。
【解決手段】ピストンエンジンＥ１に使用される過給機１において、コンプレッサー５で圧縮され、エンジンＥ１に供給される圧縮空気の一部を分岐する圧縮空気分岐手段１５と、コンプレッサー５に回転力を付与するコンプレッサー回転力付与手段１７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機および過給方法に係り、特に、コンプレッサーの下流側で、圧縮された空気の一部を分岐すると共に、タービンに回転動力を付加することができるものに関する。

従来、サージングを回避するために、エアバイパスを用いて上記コンプレッサーで圧縮された空気の一部を分岐可能な構成の過給機が知られている（たとえば特許文献１参照）。

なお、過給機は、レシプロエンジンまたはロータリエンジンに使用され、たとえば、４サイクルピストンエンジンから出てきた高温高圧の排気ガスでタービンを回転駆動し、この回転によって上記コンプレッサーを回転駆動し、このコンプレッサーの回転によって得られた圧縮空気を、上記エンジンに供給するようになっている。

なお、上記圧縮空気は、上記エンジンのシリンダー内での燃料の燃焼に供され、この燃焼によって上記高温高圧の排気ガス（上記タービンを回転駆動する燃焼ガス）が排出されるものである。
特開２００３−２３９７５５号公報

ところで、上記従来のエアバイパスを用いた過給機では、上記エアバイパスをすることにより、上記コンプレッサーの仕事量が増え、上記コンプレッサーの回転数が下がってしまうので、この結果、圧力が下りしかも流量が下がり、本来必要とする圧力で、本来必要とする量の圧縮空気を、上記過給機が設置されている４サイクルエンジン等に供給することができないという問題がある。

たとえば、４サイクルエンジン等が設置されている車両が、通常必要としないような急加速が必要な場合において、上記４サイクルエンジンが、図２に示す圧力Ｐ_１の圧縮空気を流量Ｑ_１だけ必要としているにもかかわらず、回転数Ｎ_１で回転している上記過給機では、「Ｑ_１＋Ｑ_２」よりも少ない流量Ｑ_１だけの供給では、サージングを発生することになる。

つまり、圧力Ｐ_１を発生するために回転数Ｎ_１で回転している過給機（コンプレッサー）で、「Ｑ_１」の流量をエンジンに供給しようとすると、サージング領域（サージングラインＳＬ１の上側の領域）になってしまう。

そこで、サージングを回避すべく、上記過給機のコンプレッサーで圧縮された空気の一部（「Ｑ_２」の流量の空気）をエアバイパスで逃がし、上記エンジンには、「Ｑ_１」の流量の空気しか供給されないようにすると、上記過給機のタービンを回転駆動するための排気ガスの流量が減少してしまう。

そして、上記過給機のタービンやコンプレッサーの回転数が「Ｎ_２」から「Ｎ_１」に低下してしまい、エンジンが必要とする圧力Ｐ_１の圧縮空気が得られないことになる。

なお、上記過給機とは異なる特性を備えた別の過給機を使用して、すなわち、たとえば、サージングラインＳＬ１がさらに左側にくるような、小さな過給機を備えることにより、流量Ｑ_１に相当する圧力Ｐ_１の圧縮空気量を上記エンジンに供給する方法を考えることができる。

しかし、上記方法は、急加速を行っていない場合、図２に示すＬ３よりも右側に移動したところで、上記別の過給機を使用することになるが、一般的に小さな過給機は、流量を増やすことによるチョーク現象により、圧力を上げることができない。つまり、エンジンにとって必要な流量範囲をカバーすることができなくなってしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ピストンエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機またはピストンエンジンまたはロータリエンジンへの過給方法において、上記エンジンが必要とする圧力の空気を、上記エンジンが必要とする流量だけ供給することが容易である過給機または過給方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ピストンエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機において、上記過給機のコンプレッサーで圧縮され、上記エンジンに供給される圧縮空気の一部を分岐する圧縮空気分岐手段と、上記コンプレッサーに回転力を付与するコンプレッサー回転力付与手段とを有する過給機である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の過給機において、上記コンプレッサーにおけるサージングの前兆を検出するサージング前兆検出手段と、上記サージング前兆検出手段によってサージングの前兆が検出された場合、上記圧縮空気分岐手段によって圧縮空気を分岐し、上記コンプレッサー回転力付与手段によって回転力を付与するように制御する制御手段とを有する過給機である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の過給機において、上記圧縮空気分岐手段は、上記コンプレッサーと上記エンジンとを互いに結ぶ経路から分岐した分岐経路を備え、この分岐経路を流れる圧縮空気の量を制御可能なバルブを設けた構成であり、上記バルブの下流側が、大気開放されているか、または、上記コンプレッサーの上流側に接続されているか、または、上記エンジンと上記過給機のタービンとを互いに結ぶ経路に接続されており、上記コンプレッサー回転力付与手段は、上記過給機のタービンと上記コンプレッサーとを互いに接続している回転軸部材を回転駆動軸とする電気モータにより構成されている過給機である。

請求項４に記載の発明は、ピストンエンジンまたはロータリエンジンへの過給方法において、上記過給に使用されるコンプレッサーで圧縮され、上記エンジンに供給される圧縮空気の一部を、上記コンプレッサーのサージングを防ぐために分岐する圧縮空気分岐段階と、上記コンプレッサーに回転力を付与するコンプレッサー回転力付与段階とを有し、上記分岐された圧縮空気の量に応じて、上記コンプレッサー回転力付与段階で付与する回転力を制御する過給方法である。

本発明によれば、ピストンエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機またはピストンエンジンまたはロータリエンジンへの過給方法において、上記エンジンが必要とする圧力の空気を、上記エンジンが必要とする流量だけ供給することが容易であるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る過給機１がエンジンＥ１に設置されている状態の概略を示す図である。

過給機１は、筐体（図示せず）と、この筐体の内部でたとえば流体軸受け（図示せず）を介して上記筐体に対して回転する回転軸部材３と、この回転軸部材３の一端部３Ａ側に設けられた遠心式コンプレッサー５と、上記回転軸部材３の他端部３Ｂ側に設けられた遠心式タービン７とを備えている。

過給機１は、レシプロエンジンまたはロータリエンジンに使用され、たとえば、４サイクルピストンエンジンＥ１から出てきた高温高圧の排気ガスＧ３で上記タービン７を回転駆動し、この回転によって上記コンプレッサー５を回転駆動し、このコンプレッサー５の回転によって得られた圧縮空気Ｇ１を、上記エンジンＥ１に供給するようになっている。

なお、上記圧縮空気Ｇ１は、上記エンジンＥ１のシリンダ内での燃料の燃焼に供され、この燃焼によって上記高温高圧の排気ガス（上記タービン７を回転駆動する燃焼ガス）Ｇ３が排出されるものである。

また、上記タービン７の下流側には、マフラーＭｒ１が設けられている。

上記圧縮空気Ｇ１は、コンプレッサー５の出口からエンジンＥ１の吸気孔に連通している経路９を通って、コンプレッサー５からエンジンＥ１に供給されるようになっており、上記排気ガスＧ３は、エンジンＥ１の排気孔からタービン７の入口に連通している経路１１を通って、エンジンＥ１からタービン７へ供給されるようになっており、タービン７に供給された排気ガスは、タービン７の出口からマフラーＭｒ１に連通している経路１３を通って、タービン７からマフラーＭｒ１に供給され、この後大気中に排出されるようになっている。

また、過給機１には、コンプレッサー５で圧縮され上記エンジンＥ１に供給される圧縮空気の一部を分岐する（上記圧縮空気の一部が上記エンジンＥ１に供給されないように分岐する）圧縮空気分岐手段１５が設けられていると共に、上記コンプレッサー５に回転力を付与するコンプレッサー回転力付与手段１７が設けられている。

さらに、過給機１には、上記コンプレッサー５におけるサージングの前兆（上記コンプレッサー５で発生するサージングの前兆）を検出するサージング前兆検出手段１９と、このサージング前兆検出手段１９によってサージングの前兆が検出された場合、上記圧縮空気分岐手段１５によって圧縮空気を分岐し、上記コンプレッサー回転力付与手段１７によって回転力を付与するように制御する制御手段２１とが設けられている。

ここで、上記サージング前兆検出手段１９として、上記過給機１のコンプレッサー５で圧縮された圧縮空気の圧力を、圧力センサー２３で検出し、この検出した圧力と、図示しないセンサーで検出した上記コンプレッサー５の回転数と、制御手段２１に設けられているメモリ（図示せず）に予め記憶してある上記コンプレッサー５の特性を示すマップ等からサージングの前兆を検出するものを採用することができる。

なお、上記サージング前兆検出手段１９として、上記エンジンＥ１から出る排気ガスの圧力の脈動による上記コンプレッサー５の回転速度の変動周期よりも短い所定の周期の上記コンプレッサー５の回転速度の変動を、図示しないセンサー（たとえばコンプレッサー回転力付与手段１７に設けられているセンサー）で検出することによって、サージングの前兆を検出するようにしてもよい。

さらに、上記サージング前兆検出手段１９として、上記コンプレッサー５の入口における圧力の変動周期、または、上記コンプレッサー５の出口における圧力の変動周期を、図示しないセンサーで検出することによって、サージングの前兆を検出するようにしてもよい。

上記圧縮空気分岐手段１５は、上記コンプレッサー５と上記エンジンＥ１とを互いに結ぶ経路９から分岐した分岐経路２５を備えている。したがって、上記分岐経路２５が形成されている部位では、圧縮空気の流れる経路がたとえば「Ｙ」字状に形成されている。

また、上記圧縮空気分岐手段１５は、上記分岐経路２５を流れる圧縮空気の量を制御可能なバルブ２７を設けた構成であり、上記バルブ２７の下流側は、経路Ｅを介して上記コンプレッサー５の上流側に接続されている。

なお、上記バルブ２７の下流側を、経路Ｄを介して大気に開放してもよいし、また、経路Ｆを介して上記エンジンＥ１と上記過給機１のタービン７とを互いに結ぶ経路１１に接続してもよいし、さらに、経路Ｈを介してタービン７とマフラーＭｒ１とを互いに接続している経路１３に接続してもよい。

また、上記コンプレッサー回転力付与手段１７は、たとえば、上記過給機１のタービン７と上記コンプレッサー５との間に設けられ上記タービン７と上記コンプレッサー５とを互いに接続している回転軸部材３を回転駆動軸とする電気モータ２９により構成されている。

そして、上記制御手段２１は、たとえば、サージング前兆検出手段１９でサージングの前兆が検出されたときには、上記コンプレッサー５で圧縮され上記エンジンＥ１に供給される圧縮空気の一部を圧縮空気分岐手段１５で分岐すると共に、上記コンプレッサー５の回転数をほぼそのまま維持するためにコンプレッサー回転力付与手段１７で回転力を付与するようになっている。

ここで、上記分岐する圧縮空気の流量は、上記エンジンＥ１が必要とする圧力の圧縮空気を必要量供給でき、上記コンプレッサー５のサージングを回避できる量とする。

図２は、過給機１の特性を示す図であり、横軸は圧縮空気の流量を示し、縦軸は圧縮空気の圧力を示す。

図２を参照して説明すると、上記コンプレッサー５の回転数を「Ｎ_２」とし、上記コンプレッサー５から出てくる圧縮空気の流量を「Ｑ１＋Ｑ_２」とし、上記分岐する流量を「Ｑ_２」とし、上記エンジンＥ１に供給される流量を「Ｑ_１」とした場合、上記「Ｑ_１＋Ｑ_２」の流量が流れていれば、上記コンプレッサー５においてサージングが発生することがない。なお、「Ｐ_１」は、上記エンジンＥ１が必要とする圧縮空気の圧力である。

なお、上記「Ｑ_１＋Ｑ_２」の流量は、回転数Ｎ_２におけるサージングラインＳＬ１近傍の流量であり、コンプレッサー５では、一般的に、サージングラインＳＬ１の近傍で運転するほうが（各回転数毎にサージングラインＳＬ１近傍の流量で運転するほうが）、サージングラインＳＬ１から離れた領域で運転するよりも効率が良くなる。

次に、過給機１の動作について説明する。

まず、図２に示すように、エンジンＥ１が搭載されている車両が緩やかな加速を行っており、コンプレッサー５は、回転数Ｎ_２で回転し、圧力が「Ｐ_１」の圧縮空気が、「Ｑ_１＋Ｑ_２」の流量だけ上記エンジンＥ１に供給されているものとする。

続いて、エンジンＥ１が搭載されている車両が急加速を行う場合、上記エンジンＥ１が必要とする流量が「Ｑ_１」になるものとすると、コンプレッサー５でサージングが発生してしまうので、このサージングが発生する前に、上記サージング前兆検出手段１９でサージングの前兆を検出し、この検出結果によって、制御手段２１の制御の下、上記圧縮空気分岐手段１５が圧縮空気の一部を分岐する。すなわち「Ｑ_２」の流量の圧縮空気を分岐し、「Ｑ_１」の流量の圧縮空気をエンジンＥ１に供給する。コンプレッサー５の流量は「Ｑ_１＋Ｑ_２」のままである。

上記圧縮空気の分岐によって、排気ガスＧ３の流量が減少し、タービン７によるコンプレッサーの回転駆動力が不足するので、この不足した分を、制御手段２１の制御の下、電気モータ２９で補い、コンプレッサー５の回転速度の低下を防ぐ。

ここで、上記電気モータ２９で付与する回転駆動力について説明する。

コンプレッサー５の吸収動力を「Ｗ_Ｃ」（単位はＪ／ｓ）とすると、この「Ｗ_Ｃ」は、「Ｗ_Ｃ＝ρ_Ｃ・（Ｑ_１＋Ｑ_２）・Ｃ_ＰＣ・（Ｔ_Ｃ２−Ｔ_Ｃ１）」（式ｆ１）であらわされる。

ここで、「ρ_Ｃ」（単位はｋｇ／ｍ^３）は圧縮空気の密度であり、「Ｃ_ＰＣ」（単位はＪ／ｋｇＫ（ケルビン））は、圧縮空気の定圧比熱であり、「Ｔ_Ｃ２」（単位はＫ（ケルビン））はコンプレッサー５の出口の空気温度であり、「Ｔ_Ｃ１」（単位はＫ（ケルビン））はコンプレッサー５の入口の空気温度である。

一方、タービン７の発生動力を「Ｗ_ｔ」（単位はＪ／ｓ）とすると、この「Ｗ_ｔ」は、上記圧縮空気分岐手段１５で圧縮空気を分岐していない場合、「Ｗ_ｔ＝（ρ_ｔ・（Ｑ_１＋Ｑ_２）＋Ｍｆ）・Ｃ_Ｐｔ・（Ｔ_ｔ１−Ｔ_ｔ２）」（式ｆ２）であらわされる。

ここで、「ρ_ｔ」（単位はｋｇ／ｍ^３）はタービンガスの密度であり、「Ｍｆ」（単位はｋｇ／ｓ）はエンジンＥ１で供給される燃料の流量であり、「Ｃ_Ｐｔ」（単位はＪ／ｋｇＫ（ケルビン））は、タービンガスの定圧比熱であり、「Ｔ_ｔ１」（単位はＫ（ケルビン））はタービン７の入口のガス温度であり、「Ｔ_ｔ２」（単位はＫ（ケルビン））はタービン７の入口のガス温度である。

ここで、「Ｗ_ｌｏｓｓ」（単位はＪ／ｓ）を、過給機１の損失動力とすると、過給機１では、「Ｗ_ｔ＝Ｗ_Ｃ＋Ｗ_ｌｏｓｓ」（式ｆ３）が成立しなければならない。

しかし、式ｆ２において、圧縮空気を分岐することにより「Ｑ_２」の流量がタービン７に流れないことになり、したがって、タービン７による回転駆動力が不足し、コンプレッサー５の回転数が不足することになる。

そこで、上記回転駆動力の不足を補って、コンプレッサー５の回転数の低下を防ぐべく、電気モータ２９により、コンプレッサー５に回転駆動力Ｗｍ（単位はＪ／ｓ）を付与する。

過給機１によれば、コンプレッサー５で圧縮されエンジンＥ１に供給される圧縮空気の一部を分岐し、この分岐によって不足するタービン７の回転力を、コンプレッサー回転力付与手段１７で補うので、上記コンプレッサー５でのサージングを発生させることなく、また、上記エンジンＥ１に供給する圧縮空気の圧力を低下させることなく、上記エンジンＥ１が必要とする圧力の圧縮空気を、上記エンジンＥ１が必要とする流量だけ供給することが容易になる。

コンプレッサー５のサージングは、圧力が高く流量が少ない領域で発生するので、上述にしたようにコンプレッサー５で圧縮された空気の一部を分岐するようにすれば、高い圧力側で少ない流量の空気を、換言すれば、サージング防止装置が一切存在しない状況下におけるサージング発生領域での圧力と流量の圧縮空気を、上記エンジンＥ１に供給することができる。

そして、上記エンジンＥ１の車両が通常必要としない急加速を必要とする場合や上記エンジンＥ１の車両が通常の緩やかな加速をする場合等、上記エンジンＥ１の運転状態に応じて、適切な圧力の圧縮空気を適切な流量だけ上記エンジンＥ１に供給することができ、上記エンジンＥ１を効率良く運転することができる。

また、過給機１によれば、上記コンプレッサー５におけるサージングの前兆を検出し、この検出した結果に応じて、上記圧縮空気分岐手段１５と上記コンプレッサー回転力付与手段１７とを制御するので、上記過給機１をサージングラインＳＬ１の近傍の状態で運転しつつ、したがって、過給機１を効率良く稼動しつつ、上記エンジンＥ１の運転状態に応じて、適切な圧力の圧縮空気を適切な流量だけ上記エンジンＥ１に供給することができる。

また、過給機１によれば、上記分岐した圧縮空気をコンプレッサー５に戻しているので、圧縮されて温度の上昇した空気がエンジンルームに直接排出されることを防ぐことができる。

さらに、上記分岐した圧縮空気を、マフラーＭｒ１の直前等、上記タービン７の下流側の排気ガス（エンジンＥ１から排出された排気ガス）の経路１１、１３中に排出しているので、温度の上昇した空気が、エンジンルームに直接排出されることを防止することができると共に、上記コンプレッサー５の出口の圧縮空気の温度上昇を、上記分岐した圧縮空気をコンプレッサー５に戻す場合よりも少なくすることができ、上記コンプレッサー５の下流側（上記コンプレッサー５と上記エンジンＥ１との間の経路９）に、圧縮空気の冷却装置を別途設ける必要性を低くすることができる。

また、コンプレッサー回転力付与手段１７として、回転軸部材３を回転駆動軸とする電気モータ２９を採用しているので、コンプレッサー回転力付与手段１７の構成を簡素化することができると共に、応答性が良い状態で上記コンプレッサー５に回転駆動力を付与でき、エンジンＥ１や過給機１のはやい状態の変動にも対応することができる。

本発明の実施形態に係る過給機がエンジンに設置されている状態の概略を示す図である。過給機の特性を示す図である。

符号の説明

１過給機
５コンプレッサー
７タービン
１５圧縮空気分岐手段
１７回転力付与手段
１９サージング前兆検出手段
２１制御手段

Claims

ピストンエンジンまたはロータリエンジンに使用される過給機において、
上記過給機のコンプレッサーで圧縮され、上記エンジンに供給される圧縮空気の一部を分岐する圧縮空気分岐手段と；
上記コンプレッサーに回転力を付与するコンプレッサー回転力付与手段と；
を有することを特徴とする過給機。
請求項１に記載の過給機において、
上記コンプレッサーにおけるサージングの前兆を検出するサージング前兆検出手段と；
上記サージング前兆検出手段によってサージングの前兆が検出された場合、上記圧縮空気分岐手段によって圧縮空気を分岐し、上記コンプレッサー回転力付与手段によって回転力を付与するように制御する制御手段と；
を有することを特徴とする過給機。
請求項１または請求項２に記載の過給機において、
上記圧縮空気分岐手段は、上記コンプレッサーと上記エンジンとを互いに結ぶ経路から分岐した分岐経路を備え、この分岐経路を流れる圧縮空気の量を制御可能なバルブを設けた構成であり、上記バルブの下流側が、大気開放されているか、または、上記コンプレッサーの上流側に接続されているか、または、上記エンジンと上記過給機のタービンとを互いに結ぶ経路に接続されており、
上記コンプレッサー回転力付与手段は、上記過給機のタービンと上記コンプレッサーとを互いに接続している回転軸部材を回転駆動軸とする電気モータにより構成されていることを特徴とする過給機。
ピストンエンジンまたはロータリエンジンへの過給方法において、
上記過給に使用されるコンプレッサーで圧縮され、上記エンジンに供給される圧縮空気の一部を、上記コンプレッサーのサージングを防ぐために分岐する圧縮空気分岐段階と；
上記コンプレッサーに回転力を付与するコンプレッサー回転力付与段階と；
を有し、上記分岐された圧縮空気の量に応じて、上記コンプレッサー回転力付与段階で付与する回転力を制御することを特徴とする過給方法。