JP2011149295A

JP2011149295A - 内燃機関の吸気冷却システム

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Publication number: JP2011149295A
Application number: JP2010009551A
Authority: JP
Inventors: Shinji Baba; 真二馬場; Kenji Ishiguro; 剣二石黒
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP5586245B2

Abstract

【課題】外気の温度が高い場合でも、エンジンの効率の低下を防止できる内燃機関の吸気冷却システムを提供する。
【解決手段】エンジン１からの排気ガスにより回転されるタービン部２３およびタービン部２３により駆動されて吸気を圧縮する圧縮部２１を具備するターボ式過給器２と、一端側である吸入口１２から外気を導入して他端側の圧縮部２１へ導く吸気管１１と、圧縮部２１とエンジン１の吸気口３３を接続して圧縮空気をエンジン１へ導く圧縮空気管３１と、圧縮空気管３１に設けられて圧縮空気の温度を低下させる空気冷却器３２とから構成される内燃機関の吸気冷却システムであって、圧縮空気管３１の空気冷却器３２より下流側に、圧縮空気を導入して吸気管１１へ送る循環管５１を設け、循環管５１に、圧縮空気の導入量を調整する流量調整弁５２と、導入された圧縮空気を断熱膨張により低温にする膨張タービン５３とを具備させたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気冷却システムに関するものである。

従来から、見かけの排気量を超えるエンジン出力を得るために、エンジンからの排気ガスの運動エネルギーを利用して回転させるタービンおよびこの回転力により吸気を圧縮してエンジンへ送るコンプレッサとからなるターボ式過給機と、この圧縮による温度上昇を解消するために圧縮された吸気を冷却するインタクーラとから構成されるシステムが用いられている（例えば、特許文献１）。

特開昭６３−１０６３３９号公報

ところで、上記特許文献１の構成によると、夏季や赤道付近など外気の温度が高い場合は、コンプレッサによる圧縮前の空気の温度が高く、インタクーラでの冷却が不十分となり、エンジンへ送られる空気は、高温のため膨張し密度が低くなる。このため、エンジンの掃気圧低下と空気重量が減るため、燃費が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は、外気の温度が高い場合でも、エンジンの効率の低下を防止できる内燃機関の吸気冷却システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る内燃機関の吸気冷却システムは、エンジンからの排気ガスにより回転されるタービン部およびこのタービン部により駆動されて吸気を圧縮する圧縮部を具備するターボ式過給器と、一端側である吸入口から外気を導入するとともに吸気として他端側の上記圧縮部へ導く吸気通路と、圧縮部とエンジンの吸気口を接続して圧縮空気を当該エンジンへ導く圧縮空気通路と、この圧縮空気通路に設けられて当該圧縮空気の温度を低下させる空気冷却器とから構成される内燃機関の吸気冷却システムであって、
上記圧縮空気通路の空気冷却器より下流側に、温度が低下した圧縮空気を導入して上記吸気通路へ送る循環通路を設け、
この循環通路に、圧縮空気の導入量を調整する流量調整弁と、導入された圧縮空気を断熱膨張により低温にする膨張タービンとを具備させたものである。

また、請求項２に係る内燃機関の吸気冷却システムは、請求項１に記載の内燃機関の吸気冷却システムにおいて、膨張タービンに動力回収手段を設けたものである。

上記内燃機関の吸気冷却システムによると、ターボ式過給器で圧縮されるとともに空気冷却器で冷却された圧縮空気の一部を、さらに膨張タービンにより冷却して吸気と混合させるため、外気の温度が高い場合でも低温の空気をエンジンに送ることができ、別途に空気冷却装置などを必要とせずにエンジンの効率の低下を防止することができる。また、膨張タービンに設けられた動力回収手段により、動力を得ることができる。

本発明の実施例１に係る内燃機関の吸気冷却システムの概略構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施例１に係る内燃機関の吸気冷却システムを図１に基づき説明する。
まず、ターボ式過給器を具備した内燃機関の吸気冷却システムの構成を簡単に説明するが、例としてターボ式過給器を具備した舶用の内燃機関について説明する。

図１に示すように、ターボ式過給器を具備した舶用の内燃機関は、シリンダ内で燃料を爆発燃焼させることにより発生した熱エネルギーで仕事を行うエンジン１と、このエンジン１からの排気ガスの運動エネルギーを利用して吸気を圧縮するターボ式過給器２と、上記エンジン１の排気口４２とターボ式過給器２のタービン部（後述する）２３を接続するとともにエンジン１からの排気ガスをタービン部２３へ導く排気管４１と、上記タービン部２３と配管４３を介して接続されるとともに当該配管４３に導かれた排気ガスの熱を回収する排ガスボイラ４４と、一端側である吸入口１２から導入した外気の微粒子を除去するエアフィルター１３が当該吸入口１２近くに取り付けられるとともに当該外気を吸気として他端側に接続されたターボ式過給器２の圧縮部（後述する）２１へ導く吸気管（吸気通路の一例である）１１と、上記圧縮部２１と上記エンジン１の吸気口３３を接続して当該圧縮部２１により圧縮された空気を当該エンジン１へ導く圧縮空気管（圧縮空気通路の一例である）３１と、この圧縮空気管３１に設けられるとともに上記圧縮部２１による断熱圧縮で高温となった当該圧縮空気の温度を低下させる空気冷却器（所謂、インタクーラである）３２とから構成される。ここで、圧縮空気管３１および排気管４１は、高温高圧の空気を導くので、耐熱性および耐圧性に優れた管を使用する。

また、上記ターボ式過給器２は、上記排気管４１を介して接続されたエンジン１から導かれる排気ガスにより回転されるタービン部２３と、このタービン部２３の軸２２に連結されて当該タービン部２３により駆動される遠心式の圧縮部２１とを具備する。

次に、本発明の要旨である吸気の冷却システムについて説明する。
図１に示すように、上記のターボ式過給器を具備した舶用の内燃機関の構成において、吸気管１１のエアフィルター１３より下流側に、吸気と循環管（後述する）５１からの低温の空気を混合するための混合器１４を有し、圧縮空気管３１の空気冷却器３２より下流側に、当該空気冷却器３２で冷却された圧縮空気を導入して吸気管１１の上記混合器１４まで導くための循環管（循環通路の一例である）５１を設け、この循環管５１に、圧縮空気管３１との接続部近くに当該圧縮空気管３１からの圧縮空気の導入量を調整する流量調整弁５２と、この流量調整弁５２の下流側に設けられて圧縮空気を断熱膨張により冷却する膨張タービン（後述する）５３とが具備され、この膨張タービン５３の出力軸（後述する）５６には、上記断熱膨張時の膨張エネルギーを回収する発電機（動力回収手段の一例である）５７が連結されている。ここで、循環管５１の膨張タービン５３から上流側は、高圧の圧縮空気を導入するので、耐圧性に優れた管を使用する。

また、上記膨張タービン５３は、気体の入口部５４および出口部５５と、出力軸５６を有する回転体（図示せず）とを具備し、入口部５４から導入した高圧の気体を断熱膨張させて冷却するとともに、膨張エネルギーにより回転体を回転させて、出口部５５から冷却された気体を排出するものである。

以下に、本実施例の作用について説明する。
まず、外気の温度が高くない場合、すなわち吸入する外気を冷却する必要がない場合の作用について説明する。

予め流量調整弁５２を閉じた状態にし、エンジン１を駆動する。エンジン１では、駆動のためにエンジン１のシリンダ内で燃料と吸気からなる混合気を燃焼爆発させるので、エンジン１の排気口４２から高温高圧の排気ガスが排出される。そして、この排気ガスは排気管４１によりターボ式過給器２のタービン部２３まで導かれ当該タービン部２３を回転させる。これにより、タービン部２３と同一の軸２２で連結された遠心式の圧縮部２１が駆動し、吸気管１１で吸入されるとともにエアフィルター１３で微粒子が除去された吸気は、当該圧縮部２１で断熱圧縮が行われて、圧縮空気管３１へ送られる。したがって、この圧縮空気は、断熱圧縮により高温となるが、圧縮空気管３１に設けられた空気冷却器３２で冷却されるので密度が高くなる（単位体積あたりの酸素の量が増加する）。そして、冷却された当該圧縮空気は、流量調整弁５２が閉じているため循環管５１へ流入することなく、全て吸気口３３からエンジン１内へ送られるとともに、燃料が噴霧されてエンジン１駆動用の混合気となる。なお、この混合気は冷却された高圧の空気であるため、単位体積あたりの酸素の量が多く、外気をそのままエンジン１に取り込む場合に比べて高いエンジン出力が得られる。

次に、夏季や赤道付近など外気の温度が高い場合について説明する。
この場合においては、流量調整弁５２を開き、空気冷却器３２で冷却された圧縮空気の一部を圧縮空気管３１から循環管５１へ導入する。この圧縮空気は、膨張タービン５３で断熱膨張が行われ、大気圧まで圧力が低下するとともに、冷却されて低温の空気となる。一方、膨張タービン５３の出力軸５６に連結された発電機５７により、圧縮空気の膨張エネルギーが電気エネルギーとして回収される。そして、膨張タービン５３からの低温の空気は、吸気管１１に設けられた混合器１４へ送られて、吸入口１２からの吸気との混合が行われる。したがって、吸気はさらに低温の混合気として圧縮部２１へ送られる。なお、流量調整弁５２の開度を調整することにより、混合器１４へ送られる低温の空気の量を調整できるので、吸気の冷却温度を調整することができる。

そして、この吸気の冷却温度を調整し、吸気が所定の温度Ｔｉとなるために必要な循環管５１への空気の導入量Ｍｂは、計算により求めることができる。具体的には、吸気管１１による外気の吸入量Ｍａ、外気の温度Ｔａ、膨張タービン５３により冷却された低温の空気の温度Ｔｂ、外気の比熱Ｃａ、膨張タービン５３からの低温の空気の比熱Ｃｂ（Ｃａ＝Ｃｂ）を既定値とすると、下記の式により求めることができる。

例えば、外気の温度Ｔａが２５℃で、吸気の温度Ｔｉを２０℃にしたい場合、すなわち２５℃の外気を５℃冷却して吸気に用いたい場合には、吸気管１１による外気の吸入量Ｍａを７８０００ｋｇ／ｈ、膨張タービン５３により冷却された低温の空気の温度Ｔｂを−４５℃とすると、上記の式より、循環管５１への空気の導入量Ｍｂが６０００ｋｇ／ｈと求められる。したがって、循環管５１への空気の導入量Ｍｂが６０００ｋｇ／ｈとなるように流量調整弁５２の開度を調整すれば、上記の条件下、２５℃の外気を冷却して２０℃の吸気を得ることができる。

上記構成においては、圧縮空気管３１の圧縮空気の一部を利用して吸気を冷却するものであるため、別途に空気冷却装置などを必要とせずに、エンジン効率の低下を防止できる。また、膨張タービン５３に設けた発電機５７により、断熱膨張時の動力を電気エネルギーとして回収することもできる。

ここで、本実施例に係る吸気の冷却システムの数値シミュレーション結果を、下記の表に基づき、圧縮空気の循環管５１への導入量が０である場合、すなわち従来の吸気冷却システムの場合と比較して説明する。

表に示すように、圧縮空気の循環管５１への導入量が６０００ｋｇ／ｈ（圧縮空気全体の約７％）の場合では、吸入口１２の吸気の温度が５．４℃低下する。また、圧縮空気の循環管５１への導入量が４０００ｋｇ／ｈの場合では３．７℃の温度低下、２０００ｋｇ／ｈの場合では１．９℃の温度低下となり、流量調整弁５２の開度により吸気の温度を調整することができる。

したがって、流量調整弁５２により吸気の温度を低下（例えば、圧縮空気の循環管５１への導入量が６０００ｋｇ／ｈの場合では、５．４℃低下）させることができるので、外気の温度が高い場合でも、低温の圧縮空気、すなわち燃焼に用いられる十分な空気重量をエンジン１へ送ることができ、エンジン効率の低下を防止できる。

ところで、上記実施例においては、動力回収手段を発電機５７として説明したが、ポンプなど他の動力回収手段を用いてもよい。

１エンジン
２ターボ式過給器
１１吸気管
３１圧縮空気管
４１排気管
４３配管
５１循環管
５２流量調整弁
５３膨張タービン
５６出力軸

Claims

エンジンからの排気ガスにより回転されるタービン部およびこのタービン部により駆動されて吸気を圧縮する圧縮部を具備するターボ式過給器と、一端側である吸入口から外気を導入するとともに吸気として他端側の上記圧縮部へ導く吸気通路と、圧縮部とエンジンの吸気口を接続して圧縮空気を当該エンジンへ導く圧縮空気通路と、この圧縮空気通路に設けられて当該圧縮空気の温度を低下させる空気冷却器とから構成される内燃機関の吸気冷却システムであって、
上記圧縮空気通路の空気冷却器より下流側に、温度が低下した圧縮空気を導入して上記吸気通路へ送る循環通路を設け、
この循環通路に、圧縮空気の導入量を調整する流量調整弁と、導入された圧縮空気を断熱膨張により低温にする膨張タービンとを具備させたことを特徴とする内燃機関の吸気冷却システム。
膨張タービンに動力回収手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気冷却システム。