JP2008303780A

JP2008303780A - 内燃機関における排気ターボコンパウンドシステム

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Publication number: JP2008303780A
Application number: JP2007151398A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Kawamoto; 幸徳川本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】ディーゼル機関から排出される排気ガスを膨張機を通すことで燃焼温度を下げてＮＯ_x を低減させ、併せて膨張機から得られる動力を機関に回生する。
【解決手段】シリンダから排出される排気ガスで大気を吸入して圧縮するタービン形圧縮機を駆動し、これで圧縮された空気をシリンダに燃焼用空気として供給する内燃機関における排気ターボコンパウンドシステムにおいて、圧縮空気の供給系路を容積形回転式膨張機を経由する主系路とこれを迂回する従系路とに構成し、タービン形圧縮機の作動が十分でないときには圧縮空気を従系路を通してシリンダに供給し、十分なときには容積形回転式膨張機で膨張させて低温化させる主系路を通してシリンダに供給するとともに、容積形回転式膨張機の回転軸とクランク軸とを動力結合し、この回転軸に付与される動力でクランク軸を駆動するときの回転数がクランク軸自身の回転数を超えると回転軸からクランク軸に動力を接続し、逆のときには動力を切断することを特徴とする内燃機関における排気ターボコンパウンドシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特にディーゼル機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_x ）を低減させる内燃機関における排気ターボコンパウンドシステムに関するものである。

内燃機関、特にディーゼル機関の排気ガス中にはＮＯｘが含まれており、このＮＯ_x は人体に悪影響を与えることが知られている。このため、排気ガス中のＮＯ_x を減らすことは急務となっているが、ディーゼル機関は燃料に対して常に空気過剰の状態で運転されるため、燃焼温度が高いという特性を有している。ＮＯ_x の生成は燃焼温度に対応しており、この温度が高いほど多量のＮＯ_x が発生することが知られている。具体的には、燃焼温度が２０００℃を超えると、大量のＮＯ_x が発生する。そこで、シリンダに供給される燃焼用の空気を冷却器で冷却したりしているが、この冷却器は大掛かりなものになってその駆動には大きなエネルギーを必要とし、今度は出力低下や燃費の増大といった問題が生ずる。

一方で、内燃機関の排気ガスの有効利用を図るシステムとしてターボ過給機が知られている。これは、排気ガスでタービンを回してこのタービンの駆動力で圧縮機を駆動して空気を圧縮し、この圧縮した空気を燃焼用空気としてシリンダに送り込むことで出力のアップを図るものである。しかし、圧縮した高温空気をそのままシリンダに送り込んだのでは燃焼温度が高まってＮＯ_x は減少しない。このため、圧縮した空気を冷却器ではなく、膨張機で膨張させて低温化させ、これを機関に送り込む方式のものが提案されている。

下記特許文献１に示されるものがそうであるが、この先行例のものは、シリンダの上部に後給気孔を設けるとともに、ピストンの下死点上方個所に給気孔を設け、膨張させて低温化した空気をピストンの行程に合わせて後給気孔と給気孔とに振り分けて送出するようにしたものである。しかし、これによると、後給気孔（弁）や給気孔を要するものとなって構造が複雑化し、コストや重量が嵩む。また、膨張機は容積形回転式膨張機によっているように見え、これであると、ロータには駆動力が発生するが、この駆動力はそのまま消尽させている。

なお、機関の排気ガスを圧縮、冷却させて燃焼用空気として再循環させるＥＧＲと称される過給システムがあるが、これは、燃焼させて低酸素含有となった空気を再度燃焼用空気として利用するため、吸入効率が低下して出力が下がる。このため、吸入効率を上げる必要があるが、そのためにはエネルギーを必要とする上に吸入効率の上昇が出力性能の向上にそのまま反映しない。また、供給空気を冷却する冷却器が必要になり、この冷却器を駆動するために大きなエネルギーを必要とするのは上記したとおりである。
特開平６−８１６６３号公報

本発明は、簡単な構造・システムで燃焼用空気を低温化させて排気ガス中のＮＯ_x を低減させるとともに、膨張で得られたエネルギーを機関に回生（還元）させることで出力及び燃費の向上を可能にしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、シリンダから排出される排気ガスで大気を吸入して圧縮するタービン形圧縮機を駆動し、これで圧縮された空気をシリンダに燃焼用空気として供給する内燃機関における排気ターボコンパウンドシステムにおいて、圧縮空気の供給系路を容積形回転式膨張機を経由する主系路とこれを迂回する従系路とに構成し、タービン形圧縮機の作動が十分でないときには圧縮空気を従系路を通してシリンダに供給し、十分なときには十分なときには容積形回転式膨張機で膨張させて低温化させる主系路を通してシリンダに供給するとともに、容積形回転式膨張機の回転軸とクランク軸とを動力結合し、この回転軸に付与される動力でクランク軸を駆動するときの回転数がクランク軸自身の回転数を超えると回転軸からクランク軸に動力を接続し、逆のときには動力を切断することを特徴とする内燃機関における排気ターボコンパウンドシステムを提供したものである。

また、本発明は、以上のシステムにおいて、請求項２に記載した、主系路と従系路の切換えが圧縮空気の圧力やタービン形圧縮機の回転数を制御要素として作動する切換弁で行われるものであり、かつ容積形回転式膨張機がケースの中に二基のスクリューロータを異なる方向に回転するように動力連結して回転自在に収容し、ロータの一つを出力軸としてこの出力軸とクランク軸とをギアで連結するとともに、出力軸又はクランク軸に出力軸からクランク軸への動力のみを伝動するクラッチを組み込んだ手段を提供する。さらに、以上のタービン形圧縮機が、請求項３に記載した、タービン形圧縮機が排気ガスで駆動される駆動タービンと駆動タービンで駆動されて大気を圧縮する圧縮タービンで構成される手段、圧縮タービンが低圧段タービンと高圧段タービンとからなるものであり、両タービンの間に流通空気を冷却する第一冷却器が設けられる手段を提供する。

請求項１及び２の手段によると、クランク軸の回転数が高くてタービン形圧縮機の作動が十分なときには圧縮空気を主系路を通して容積形回転式膨張機で膨張させて低温化させ、この低温化した空気をシリンダに供給するから、燃焼温度を高めず、ＮＯ_x の排出を低減できる。一方、タービン形圧縮機の作動が十分でないときにはこの圧縮機で圧縮された空気を従系路を通して直接シリンダに供給するから、必要な過給圧が得られる。

加えて、この容積形回転式膨張機では回転軸に駆動力が得られるから、これを出力軸としてクランク軸に動力伝達することでクランク軸に回生できる。この点で、エネルギーの有効利用につながり、出力、燃費を向上できる。この場合、容積形回転式膨張機の作動が十分でなくてクランク軸から容積形回転式膨張機に動力が伝達されてクランク軸に負担が掛かるようであると、この動力を切断するようにしており、出力損失につながらない。この他、請求項２及び３の手段によると、圧縮の効率が高い。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る排気ターボコンパウンドシステムの説明図であるが、内燃機関（以下、機関）は、周知のとおり、シリンダ１、ピストン２、ピストンロット３及びクランク軸４等から構成されている。シリンダ１の上部は給気系路５と排気系路６に接続する燃焼室７に形成され、給気系路５と排気系路６を開閉する給気バルブ８と排気バルブ９が設けられている。クランク軸４には偏心したクランク１０が設けられてこれにピストンロッド３が連結されており、また、クランク軸４にはフライホイル１１も取り付けられている。なお、シリンダ１、ピストン２等のセットは複数設けられており、その数の多気筒を構成している。

排気ターボコンパウンドシステム（以下、システム）は、機関の排気ガスを排出する排気系路６にタービン形圧縮機（以下、圧縮機）１２を挿設したものである。本例の圧縮機１２は、タービン軸１３に駆動タービン１４と圧縮タービン１５が設けられるものであり、駆動タービン１４は圧縮タービン１５を駆動し、圧縮タービン１５は空気を圧縮するものである。なお、駆動タービン１４と圧縮タービン１５は共に二段構成になっており、駆動タービン１４は高圧段駆動タービン１４ａと低圧段駆動タービン１４ｂとで構成され、圧縮タービン１５は低圧段圧縮タービン１５ａと高圧段圧縮タービン１５ｂとで構成されている。

以上により、排気系路６を流れて来た排気ガスは駆動タービン１４の翼に作用し、タービン軸１３を駆動する。この場合、高圧段駆動タービン１４ａ、低圧段駆動タービン１４ｂの順に作用させる方が駆動効率が高い。なお、駆動タービン１４を駆動した排気ガスは大気に逃がされる。圧縮タービン１５は空気を圧縮するものであるが、ここでは、酸素含有の高い大気を吸い込んで圧縮するようにしており、圧縮された空気はシリンダ１側に供給される。この場合、低圧段圧縮タービン１５ａ、高圧段圧縮タービン１５ｂの順に作用させるのが圧縮効率が高いが、この間に第一冷却器１６を挿設して低圧段圧縮タービン１５ａで圧縮された空気を一度冷却して高圧段圧縮タービン１５ａに送るようにしている。この場合の圧縮空気の圧力は１０ｂａｒ以上となっているのが望ましく、圧縮機１２はこれに適う性能を出せるものにしてある。

圧縮機１２で圧縮された空気は調圧弁１７、第二冷却器１８及び切換弁１９を経由して容積形回転式膨張機（以下、膨張機）２０に送られる。なお、この調圧弁１７は一種のリリーフ弁であり、ここを通る空気の圧力を調整するもので、圧力が高すぎると一部を空気中に逃がすようにしている。第二冷却器１８は圧縮機１２で圧縮されて高温化した空気を一度冷却するものであり、膨張機２０での低温化をより促進させるものである。切換弁１９はクランク軸４の回転数が低くて圧縮機１２を十分に作動できないときに圧縮された空気をそのままシリンダ１に供給する（この系路を従系路Ｓと呼ぶ）ものであるが、圧縮機１２が十分に作動しているときには膨張機２０に供給する（この系路を主系路Ｍと呼ぶ）ものであり、この点で、切換弁１２は方向切換弁として機能する。

本例の膨張機２０は、吸込口２１と吐出口２２が設けられるケース２３の中に二基のスクリューロータ２４、２４が回転自在に軸支されるものであり、スクリューロータ２４、２４間の間隙は上流から下流に行くほど大きくなっているものである。したがって、吸込口２１から高圧空気を送り込めば、空気は膨張させられて吐出口２２から排出されて行くとともに、このとき、スクリューロータ２４、２４に回転力を付与するものである。

膨張機２０で膨張させられた空気は低温化するが、これを給気系路５に供給し、これを燃焼室７で燃料と混ぜて燃焼させられる燃焼用空気とする。この場合、低温化される温度は１０℃以下が好ましく、この温度の空気を燃焼用空気とすれば、燃焼温度も２０００℃以下になり、ＮＯ_x の排出は大幅に低減する。一方で、過給機能を現出するためには、低温化される空気の圧力は２ｂａｒ程度であるのが望ましい。よって、膨張機２０は５倍以上の膨張率を達成できる必要があり、この膨張率であると、第一冷却器１６で冷却されるとはいえ、圧縮機１２で圧縮された６０〜８０℃の中温、高圧空気を１０℃以下の低温にできる。

加えて、本発明では、膨張機２０のスクリューロータ（以下、ロータ）２４、２４に付与される回転力をクランク軸４へ還元（回生）することも目的としている。本例では、ロータ２４、２４（ギア２５で相互が逆回転になるようにしている）の一つを出力軸２４としてクラッチ２６を介してギア２７を取り付け、このギア２７をクランク軸４に取り付けたギア２８と噛み合わせている。この場合、回生作用が発生するのは、膨張機２０の出力軸２４で駆動されるクランク軸４の回転数がクランク軸４自身の回転数を上回ったときであるから、クラッチ２６はこの方向の動力は接続し、逆の方向の動力は切断するものにしておく。

本例のクラッチ２６は流体式のものであり、制御装置２９によって作動油（制御油）を供給すると動力は伝達し、排出すると動力を切断するものである。したがって、出力軸２４とクランク軸４の回転数を検出しておき、前者で駆動される後者の回転数が後者自身の回転数を超えたときにクラッチ２６を接続して動力を伝達する。一方、後者で駆動される前者の回転数が前者自身の回転数を超えた場合にはクラッチ２６は作動せず、クランク軸４の動力は出力軸４に伝わらない。ただ、この場合でも、ギア２７、２８は噛み合っているから、その分の動力損失は免れない。ところで、このタイプの膨張機２０は定格で作動しているときにはそのロータ２４、すなわち出力軸２４はクランク軸４の回転数より高い回転数で回転しているのが通常である。そこで、ギア２８でギア２７を駆動するときにはこの動力損失を極力少なくするようにそのギア比を調整する。

次に、以上の構造からなるこのシステムの作動について説明する。まず、クランク軸４が低回転数で回転している始動時や低速回転時には、圧縮機１２は十分に作動せず、それに伴って圧縮空気も十分に得られない。そこで、切換弁１９を切り換えて圧縮空気を従系路Ｓを通してシリンダ１に送るが、このときの圧縮空気の圧縮度はそれほどでもなく、また、途中には第二冷却器１８も設けられているから、ＮＯ_x の排出が問題になるほど燃焼温度は上がらない。なお、２ｂａｒ程度の過給圧力は必要であるが、圧縮機１２が作動している限り、この程度の圧力は確保される。

これに対してクランク軸３が高速で回転しているときには圧縮機１２も十分に作動しており、ここで高度に圧縮されている。したがって、切換弁１９を切り換えてこの圧縮空気を主系路Ｍに設けられる膨張機２０に送り、これで低温化された空気をシリンダ１に送ることになる。この切換えのタイミングは、クランク軸４（又は出力軸４）の回転数等によって行えばよく、この点で、切換弁１９は遠隔操作ができるソレノイドバルブや流通空気の圧力で作動する三方弁等を使用する。

以上は本発明の基本的な形態であるが、この他に種々の形態をとることがある。例えば、クラッチ２６は流体式のものに限らず、電磁クラッチであってもよい。さらに、機械式のワンウェイクラッチであってもよく、これによると、動力の断続は自動的に行われ、制御を必要としない利点がある。さらに、クラッチ２６はクランク軸４に設けてもよい。この場合、フライホイル１１よりも軸端側に設けるとすれば、出力軸２４からクランク軸４に動力を伝達しないとき、クランク軸４のギア２８は出力軸４のギア２７を駆動しないから、動力損失は極めて少ないし、両者のギア比も自由に選択できる。

また、出力軸２４とクランク軸４の動力結合はギア結合に限らず、チェン・スプロケット機構やプーリ・ベルト機構であってもよい。ただし、この場合、出力軸２４の回転は逆になる必要があるから、もう一つのロータ２４を出力軸４とする。この他、切換弁１９からシリンダ１に至る系路に冷却器を挿設することも考えられる。この系路を通る圧縮空気が高温化してＮＯ_x の排出が懸念される場合、これで必要な温度まで冷却するのである。なお、この冷却器は必要な場合のみ作動させるようにすれば、大したエネルギーも必要としない。

本発明に係る排気ターボコンパウンドシステムの説明図である。

符号の説明

Ｍ主系路
Ｓ従系路
１シリンダ
２ピストン
３ピストンロッド
４クランク軸
５給気系路
６排気系路
７燃焼室
８給気バルブ
９排気バルブ
１０クランク
１１フライホイル
１２タービン形圧縮機
１３タービン軸
１４駆動タービン
１４ａ高圧段タービン
１４ｂ低圧段タービン
１５圧縮タービン
１５ａ高圧段タービン
１５ｂ低圧段タービン
１６第一冷却器
１７調圧弁
１８第二冷却器
１９切換弁
２０容積型回転式膨張機
２１流入口
２２流出口
２３ケース
２４スクリューロータ（出力軸）
２５ギア
２６クラッチ
２７ギア
２８ギア
２９制御装置

Claims

シリンダから排出される排気ガスで大気を吸入して圧縮するタービン形圧縮機を駆動し、これで圧縮された空気をシリンダに燃焼用空気として供給する内燃機関における排気ターボコンパウンドシステムにおいて、圧縮空気の供給系路を容積形回転式膨張機を経由する主系路とこれを迂回する従系路とに構成し、タービン形圧縮機の作動が十分でないときには圧縮空気を従系路を通してシリンダに供給し、十分なときには容積形回転式膨張機で膨張させて低温化させる主系路を通してシリンダに供給するとともに、容積形回転式膨張機の回転軸とクランク軸とを動力結合し、この回転軸に付与される動力でクランク軸を駆動するときの回転数がクランク軸自身の回転数を超えると回転軸からクランク軸に動力を接続し、逆のときには動力を切断することを特徴とする内燃機関における排気ターボコンパウンドシステム。
主系路と従系路の切換えが圧縮空気の圧力やタービン形圧縮機の回転数を制御要素として作動する切換弁で行われるものであり、かつ容積形回転式膨張機がケースの中に二基のスクリューロータを異なる方向に回転するように動力連結して回転自在に収容し、ロータの一つを出力軸としてこの出力軸とクランク軸とをギアで連結するとともに、出力軸又はクランク軸に出力軸からクランク軸への動力のみを伝動するクラッチを組み込んだ請求項１の内燃機関における排気ターボコンパウンドシステム。
タービン形圧縮機が排気ガスで駆動される駆動タービンと駆動タービンで駆動されて大気を圧縮する圧縮タービンで構成される請求項１又は２の内燃機関における排気ターボコンパウンドシステム。
圧縮タービンが低圧段タービンと高圧段タービンとからなるものであり、両タービンの間に流通空気を冷却する第一冷却器が設けられる請求項３の内燃機関における排気ターボコンパウンシステム。