JP2011241744A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関側の温水や、排気ガスの熱エネルギーを利用して、蒸気を発生させ、蒸気タービンを備えた発電機の電力により、ハイブリッド過給機の電動モータを駆動して、排気圧力の上昇を伴わずに給気圧力を上昇せしめるとともに給気圧力を内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となるように制御して、内燃機関の出力向上と、空気量増大に伴う燃焼改善する内燃機関の過給装置を提供する。
【解決手段】コンプレッサ２１に連結された電動モータ２３を備えたハイブリッド過給機２と、排気ガスの排熱によって生成される蒸気を用いて蒸気タービン３１を備えた発電機３で発電し、内燃機関１の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力を上限としてハイブリッド過給機２に電力を供給する電力供給装置４と、給気圧力を検知する給気圧力センサ２６と、給気圧力センサ２６の検出結果に基づいて電力供給量を制御する制御装置９とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス熱、内燃機関の冷却水熱の熱エネルギーを利用して、電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを用いてハイブリッド過給機の電動モータを駆動して、給気圧力を高める内燃機関の過給装置に関するものであり、特に、ミラーサイクル内燃機関に好適な過給装置に関する。

４サイクルエンジンにおけるミラーサイクルは、給気バルブを下死点より早く、もしくは遅く閉じて内燃機関の圧縮比を膨張比よりも小さく維持することにより、ノッキングの発生を回避すると共に高い熱効率を実現するために有効である。
また、ミラーサイクルは、大きな膨脹比を実現し、燃焼ガスを十分に膨張させて燃焼エネルギーをより効果的にトルクとして活用できることでも知られている。

図７の実線で示したＰ−Ｖ線図は過給機付内燃機関のＰ−Ｖ線図であり、オットーサイクルをベースとした給気早閉じのミラーサイクルを示している。圧縮行程（Ｍ１）、燃焼・膨張工程（Ｍ２）、排気行程（Ｍ３）、給気行程（Ｍ４）からなっている。給気行程のＰ点で給気バルブを下死点よりも早い時期に閉じることによって、Ｐ点からラインｍ１沿って膨張し、再びラインｍ１に沿って戻り、圧縮して、その後Ｐ点から圧縮行程（Ｍ１）のラインに沿って変化する。

その結果、図７下部に示すように、圧縮比の計算に用いられる燃焼室容積のピストンストロークはＡ１となり、膨張比の計算に用いられる燃焼室容積のピストンストロークはＡ２となり、圧縮比を膨張比よりも小さくできることが示される。

ここで、図７の実線で示す現状の給気早閉じのミラーサイクルに対して、熱効率の向上を考えた場合、過給機による給気加圧によって給気行程（Ｍ４）と排気行程（Ｍ３）とによって形成されるＭ３〜Ｍ４の時計方向の袋状閉ループ（図７の斜線領域）が内燃機関に対して正の仕事量を示すポンピング仕事が形成されるため、このポンピング仕事を向上（図７の斜線領域を拡大）することが熱効率向上に有効である。

しかし、このポンピング仕事の向上のために過給気圧を高めて給気行程（Ｍ４）を上昇しようとすると、過給機の駆動源である排気圧力の上昇が必要になるため、結果的に得られるポンピング仕事は過給圧力を高める前に比べて大幅に改善されるものではない。
（図７の斜線領域が上方にシフト（ｈ）するだけである。）
また、過給圧力を上昇しただけでは、排気圧も同様に上昇して図７に示すようにＰ−Ｖ線図の全体が上昇し（図７の点線）、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）も上昇する。
その結果、許容最高圧力を超えるおそれがあり、内燃機関本体の機械的強度や熱負荷において悪い影響を与える。

一方、ミラーサイクルエンジンに関する発明として、特許文献１（特開平７−３０５６０６号公報）、特許文献２（特開２０００−２２０４８０号公報）が知られている。
この特許文献１に示される構成は、図８に示すようにミラーサイクルガスエンジン０１からの排気ガス供給管０３を蒸気発生装置０５に接続し、その蒸気発生装置０５に接続した作動流体の循環配管０７に蒸気タービン０９を設け、その蒸気タービン０９の出力軸０１１に前記ミラーサイクルガスエンジン０１に圧縮空気を供給する過給機０１３を設け、ミラーサイクルガスエンジン０１からの燃焼排気ガスを熱源として過給機０１３を駆動し、内燃機関出力を向上させるものである。

また、特許文献２には直列に２段過給機を備えたミラーサイクルエンジンが示されている。さらに、このミラーサイクルエンジンに排気再循環（ＥＧＲ）を採用してノッキングを抑えつつ高燃費を実現する発明が示されている。

特開平７−３０５６０６号公報 特開２０００−２２０４８０号公報

しかし、前記の特許文献１、２には、ミラーサイクルエンジンにおいて排気行程と給気行程とによって形成されるポンピング仕事を増大して熱効率を改善させる技術は示されていない。
さらに、図７を参照して既に説明したように、単に過給機の過給圧力を高めるだけでは、ポンピング仕事による熱効率の向上が得られないばかりでなく、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）の上昇によって、内燃機関本体の機械的強度や熱負荷において悪影響が生じる問題も有する。

そこで、本発明は前記問題点に鑑み成されたもので、内燃機関側の温水や、排気ガスの熱エネルギーを利用して、蒸気を発生させ、蒸気タービンを備えた発電機の電力により、ハイブリッド過給機の電動モータを駆動して、排気圧力の上昇を伴わずに給気圧力を上昇せしめるとともに給気圧力を内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力を上限となるように制御して、内燃機関の効率改善（出力向上）と、空気量増大に伴う煙色改善（燃焼改善）と、内燃機関本体の機械的強度及び、熱負荷に対する信頼性を向上する内燃機関の過給装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、内燃機関の排気ガスによって駆動する排気タービンと、電力の供給により駆動する電動モータと、前記排気タービンと前記電動モータとの駆動力によって前記内燃機関への給気を加圧するコンプレッサ部とを備えたハイブリッド過給機と、前記内燃機関の排熱を利用して生成される蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンの駆動によって発電する発電機とを備え、該発電機によって発電された電力を前記ハイブリッド過給機に供給する電力供給装置とを有することを特徴とする。

上述の内燃機関の過給装置によれば、前記内燃機関の前記排気ガスによって前記ハイブリッド過給機の排気タービンを駆動させる。さらに、前記内燃機関を冷却した後の冷却水や前記内燃機関の排ガス等の熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、該蒸気によって蒸気タービンを駆動させ電気に変換し、該電気をハイブリッド過給機の電動モータに供給して過給機を駆動する。このことにより、内燃機関の排気ガスの圧力を上昇させることなく、内燃機関の給気圧力を上昇せしめることができ、排気行程と給気行程によって形成されるポンピング仕事の向上による内燃機関の出力向上と燃費改善と排煙色の改善とを図ることができる。

また、上述の内燃機関の過給装置の好ましい態様は、前記ハイブリッド過給機によって加圧された給気の圧力を検知する圧力検出装置と、該圧力検出装置の検出結果に基づいて前記内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力になるように前記ハイブリッド過給機への電力供給量を制御する制御装置とを有することを特徴とする。

このような構成にすることにより、内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力になるようにハイブリッド過給機への電力供給量が制御されるので、内燃機関本体の機械的強度及び、熱負荷に対する信頼性を向上することができる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は前記ハイブリッド過給機の前記排気タービンを通過した前記排気ガスの排熱を利用して前記蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸気タービンを駆動した前記蒸気を凝結させる凝縮器及び、該凝縮器で凝結された凝結水を前記蒸発器に送水する送水手段を有する作動媒体再生装置とを備えていることを特徴とする。

このような構成にすることにより、作動媒体を循環して使用するので、コストの上昇を抑制できる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は、前記蒸発器の上流側に設けられ、前記凝縮器によって凝結された前記凝結水を、前記内燃機関を冷却した冷却水で加熱する第１熱交換器と、該第１熱交換器と並列に設けられた第１バイパス回路と、該第１バイパス回路に設けられ、前記制御装置によって流量調整される第１流量調整バルブとを有するとよい。

このような構成にすることにより、内燃機関の冷却水で作動媒体を加熱する構造なので、内燃機関からの排熱を有効に利用でき、しかも給気圧力を上昇させるための内燃機関側負荷が必要ないため、内燃機関出力を効率良く高めることができる。
また、第１流量調整バルブを設けて第１熱交換器への冷却水流量を調整できるので、蒸発器での蒸気発生量を調整して、発電機での発電量を制御できる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は、前記ハイブリッド過給機と前記蒸発器との間の排気系回路に設けられ、前記内燃機関とは別に設けられたボイラ装置からの蒸気で前記排気ガスを加熱する第２熱交換器と、該第２熱交換器と並列に設けられた第２バイパス回路と、該第２バイパス回路に設けられ前記制御装置によって流量調整される第２流量調整バルブとを有するとよい。

このような構成にすることにより、ボイラ装置が設置されている場所での場合は、ボイラの蒸気熱で排気ガスを加熱して、蒸発器の発生蒸気量を第２流量調整バルブで調整してタービンによる発電量を調整して、ハイブリッド過給機での給気圧力を高めて内燃機関出力を効果的に高めることができる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は、前記蒸発器と前記作動媒体再生装置との間に設けられ、作動媒体が前記蒸気タービンと並列に流通する第３バイパス回路と、該第３バイパス回路に設けられ、前記制御装置によって流量調整される第３流量調整バルブとを有するとよい。

このような構成にすることにより、タービンに流れる作動媒体の流量を第３流量調整バルブで調整して、発電機での発電量を制御できる。
また、給気圧力を内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力になるようにハイブリッド過給機の電動モータに供給する電力制御が容易となり、且つ、的確な給気圧力制御ができる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は、前記送水手段と前記蒸発器との間に介装され、前記制御装置によって流量調整される第４流量調整バルブを有するとよい。

このような構成にすることにより、蒸発器への媒体流量を第４流量調整バルブで調整して、発生蒸気量を調整することにより、発電機の発生電力を制御して、ハイブリッド過給機での給気圧力を制御して内燃機関出力を効果的に高めることが可能となる。

また、本願発明において好ましくは、前記電力供給装置は、前記内燃機関から排出された前記排気ガスを前記ハイブリッド過給機の前記排気タービンをバイパスさせて前記蒸発器に供給する第４バイパス回路と、該第４バイパス回路中に前記制御装置によって流量調整される排気ガスバイパス弁とを有するとよい。

このような構成にすることにより、排気ガスバイパス弁の開度を任意の開度に固定して、前記電動モータの駆動制御により給気圧力を制御するようにしたので、ガスエンジンの場合、空気と燃料のガスとの空燃比が適正であることが必要となるため、給気圧力を内燃機関の負荷変動に沿って制御し易くでき、ガスエンジンにおいてもエンジン効率を容易に向上できる効果を有する。
排気ガスバイパス弁へのバイパス量を増やす事で過給機入口の排気圧力を低減できる。そのため、給気行程と排気行程によって形成されるポンピング仕事を大きくする事ができる。

また、本願発明において好ましくは、前記内燃機関は、給気バルブを下死点よりも早く若しくは遅く閉じて圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルエンジンであり、前記給気バルブは開閉時期を自在に変化させることができる可変給気バルブを有することを特徴とする。

このようにミラーサイクルエンジンに適用することにより、排気圧力の上昇を伴わずに、給気圧力上昇に伴う内燃機関の出力向上と、給気量増大に伴う燃焼改善により排気ガスの煙色改善が図られる。
さらに、排気圧力の上昇を伴わずに給気圧力を上昇せしめることが可能になるため、ミラーサイクルエンジンにおいて排気行程と給気行程とによって形成されるポンピング仕事量を増大して熱効率の改善がより効果的に得ることができる。

本発明によれば、内燃機関側の温水や、排気ガスの熱エネルギーを利用して、蒸気を発生させ、蒸気タービンを備えた発電機の電力により、ハイブリッド過給機を駆動して、給気圧力を内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力を上限となるように制御して、内燃機関の効率改善（出力向上）と、空気量増大に伴う煙色改善（燃焼改善）と、内燃機関本体の機械的強度及び、熱負荷に対する信頼性を向上させることができる。

図１は本発明第１実施形態にかかるミラーサイクルエンジンの概略構成図を示す。 図２は本発明の実施形態にかかるハイブリッド過給装置の概略全体構成図を示す。 図３は本発明の説明するＰ−Ｖ線図を示す。 図４は本発明のミラーサイクルを説明するＰ−Ｖ線図を示す。 図５は本発明の第１実施形態にかかる給気圧力制御フロー図を示す。 図６は本発明の第２実施形態にかかるガス機関の給気圧力制御フロー図を示す。 図７は従来のミラーサイクルを説明するＰ−Ｖ線図を示す。 図８は従来技術の説明図を示す。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は本発明の実施形態に係るミラーサイクルエンジン（以下内燃機関で総称する）のハイブリッド過給装置の概略全体構成図を示す。
図１において、内燃機関１は、一例として４サイクルエンジンとして説明する。
内燃機関１本体のシリンダ１１内には往復摺動自在に嵌合されたピストン１２、該ピストン１２の往復運動をコネクチングロッド（図示省略）を介して回転に変換するクランクシャフト（図示省略）を備え、さらに、燃焼室１５に接続される排気ポート１６、該排気ポート１６を開閉する排気バルブ１４を備えている。排気ポート１６は排気通路Ｌ１を介してハイブリッド過給機２の排気タービン２２に接続されている。

給気ポート１７には給気通路Ｌ２を介してハイブリッド過給機２からの圧縮空気が供給され、この給気通路Ｌ２には空気冷却器２５が設けられている。また、空気冷却器２５で冷却された加圧給気は給気ポート１７及び給気バルブ１３を通して燃焼室１５に供給される。
給気バルブ１３には制御装置９の弁解閉時期制御手段９１からの信号に基づいて開閉する給気バルブ可変手段９２が装備されている。

図２はハイブリッド過給装置の概略全体構成図を示し、内燃機関１から排出される排気ガスは排気通路を介してハイブリッド過給機２の排気タービン２２に接続されている。ハイブリッド過給機２は排気タービン２２と同軸的に支持され、排気タービン２２の駆動力によって加圧給気を発生させるコンプレッサ２１を有している。さらに、コンプレッサ２１には電動モータ２３が連結され、後述する電力供給装置４からの電力により、コンプレッサ２１を駆動して加圧給気を更に加圧するようになっている。

電力供給装置４は、ハイブリッド過給機２の排気タービン２２の排気系下流側に位置し、排気ガス熱の低い場合に内燃機関１とは別に設けられたボイラ装置の蒸気で排気ガスを加熱する第２熱交換器７と、第２熱交換器７の排気系下流側に位置し、第２熱交換器７を通過した排気ガス熱で後述する発電機３を発電させる液状の作動媒体（低沸点液体：例えばフロン等）を蒸気に変換する蒸発器５と、蒸発器５へ送出させる液状の作動媒体を内燃機関１の冷却水熱で加熱する第１熱交換器４１と、前記蒸気によって駆動される蒸気タービン３１を備えた発電機３と、前記蒸気化された作動媒体を再び液化させる作動媒体再生装置６とで構成されている。
尚、蒸発器５を通過した排気ガスは、有害な成分を無害化処理して大気に放出される。

作動媒体再生装置６は発電機３の蒸気タービン３１を通過した作動媒体の熱で、第１熱交換器４１に送出される液体状の作動媒体を加温するエコノマイザ６１と、エコノマイザ６１から送出された作動媒体である蒸気を冷却して液化させるコンデンサ６２と、液化された作動媒体を貯溜すると共に、ごみ及び水分除去を行うレシーバ６３と、レシーバ６３の作動媒体を送出する送水手段である循環ポンプ６４と、蒸気の発生量（発電量）に応じて作動媒体の送出量を調整する第４流量調整バルブ６５を備えている。

エコノマイザ６１により、第１熱交換器４１に送出される液体状の作動媒体を加温することにより、第１熱交換器４１での作動媒体の温度が更に高くなり、蒸発器５での蒸気発生量を多くすることができる。
一方、発電機３の蒸気タービン３１から排出された蒸気はエコノマイザ６１で第１熱交換器４１に送出される液体状の作動媒体を加温することにより冷却され、蒸気の凝結促進と、コンデンサ６２の蒸気を冷却して凝結させる作用とが加わり、発電機３の蒸気タービン３１における上流、下流間での圧力差を大きくして、発電出力を大きくする効果を有している。

また、第１熱交換器４１に対し内燃機関１の冷却水がバイパスする第１バイパス回路４３を設けて、第１バイパス回路４３の中間部に冷却水の流量を調整する第１流量調整バルブ４２を配設してある。第１流量調整バルブ４２は第１熱交換器４１内を流れる内燃機関の冷却水量を調整して、発電機３での必要発電量に応じた蒸発量を蒸発器５で発生させるためで、内燃機関の冷却水の流量による作動冷媒の加熱を調整する。
第２熱交換器７は、該第２熱交換器７内に配管された排気ガス通路７３内を流れる排気ガスを別配設のボイラからの蒸気熱を受けて加熱するものである。
第２熱交換器７には排気ガスをバイパスさせる第２バイパス回路７１が第２熱交換器７と並列に配設され、中間部には第２熱交換器７内を流れる排気ガスの流量を調整する第２流量調整バルブ７２が配設されている。

発電機３での必要発電量に応じた蒸発量を蒸発器５で発生させるため、ボイラ蒸気で加熱される排気ガス量を調整する。
さらに、蒸発器５からの蒸気を発電機３の蒸気タービン３１と並列に流通させる第３バイパス回路５２を設け、該第３バイパス回路５２中に作動媒体（蒸気）の蒸気タービン３１側を流れる量を調整して、発電機３の発電量を調整する第３流量調整バルブ５１が配設されている。
発電量の調整としては蒸気タービン３１側を流れる作動媒体（蒸気）の量を直接調整できるので、この第３流量調整バルブ５１は給気圧力調整に対し俊敏に対応し易い効果を有している。

発電機３にて発電された電力はハイブリッド過給機２のコンプレッサ２１に連結している電動モータ２３に供給され、排気タービンの駆動力に加え、電動モータ２３の駆動力にて加圧された給気がコンプレッサ２１から排出される。排出された給気は空気冷却器２５で冷却され、内燃機関１のシリンダ１１内に供給される。
加圧された給気は給気温度が高いため、空気密度が低くなっており、内燃機関１の運転に十分な空気量を供給することができない。
従って、内燃機関１に十分な空気量を供給するために空気冷却器２５にて加圧された給気を冷却して空気密度を高くしている。
また、空気冷却器２５の下流側には給気圧力を測定する圧力検出装置である給気圧力センサ２６が配設され、検出圧力を制御装置９に送信している。

制御装置９は給気バルブ１３の閉弁時期制御マップを備えた弁開閉時期制御手段９１と、発電機３の発生電力を制御して、ハイブリッド過給機２への供給電力の制御を行い、給気圧力の調整を行う電力供給制御手段９３とを備えている。
弁開閉時期制御手段９１の制御は給気圧力センサ２６で検出した給気圧力に応じた給気バルブ１３の閉弁時期が設定された閉弁時期制御マップに基づいて給気バルブ可変手段９２（図１参照）が作動する。

図３に示すように、ハイブリッド過給機２によって形成される排気行程（Ｍ３）時の排気圧Ｐｈと給気行程（Ｍ４）時の給気圧力Ｐｋに対して、給気圧力付加装置としての電動モータ２３によって付加的に加圧される給気圧力の上昇分ΔＰが付加されて給気行程（Ｍ４）時の圧力となる。
従って、ハイブリッド過給機２の排気ガスによる給気圧力Ｐｋと、電動モータ２３による付加給気圧力ΔＰとの合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）を給気圧力センサ２６によって検出し、この検出値に基づいて給気バルブ１３の閉弁時期が制御される。

閉弁時期制御マップは、合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）と給気バルブの閉弁時期との関係が予め設定されている。給気バルブ１３の閉弁時期は図３の圧縮行程（Ｍ１）のラインに沿って圧縮行程が行われるようにするため、すなわち、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）を電動モータ２３による付加給気圧力が作用する前と略同等に維持するため、合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）の大きさに応じて圧縮行程（Ｍ１）のライン上の圧縮行程のスタート位置を変える。
そのスタート位置に対応するように、給気バルブ１３の閉弁時期を進め、又は遅らせる。
すなわち、閉弁時期制御マップには付加給気圧力が作用する前の圧縮行程（Ｍ１）のライン上に沿って圧縮行程が開始するように合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）と給気バルブ１３の閉弁時期との関係が予め設定されている。

また、燃焼室１５に流入する給気圧力を給気圧力センサ２６で直接検出して、該検出値によって給気バルブ１３の閉弁時期を制御するので、すなわち、大気温度、大気圧、湿度等外気条件の変化による影響が給気圧力に反映されるので、外気条件の変化に対して正確に給気バルブの閉弁時期の補正が可能となり、外気条件の変化に対しても筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）を一定に維持できる。

例えば図４に示すように、外気温度が高くなり、空気密度の低下によって給気圧力が低下して合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）＝Ｐｂによる給気行程（Ｍ６）の場合には給気バルブ閉時期をＴｂに設定し、また外気温度が低くなり、空気密度が高まり合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）＝Ｐａによる給気行程（Ｍ７）の場合には給気バルブ閉時期をＴａのように設定される。
尚、Ｐｃ，Ｔｃは、電動モータ２３による付加的な加圧をしない場合を示す。
以上のように、予め設定された合計給気圧力（Ｐｋ＋ΔＰ）に基づいて給気バルブ１３の最適な閉弁時期制御が成されるので、付加給気圧力が作用した場合でも、外気条件が変化した場合でも、付加給気圧力が作用する前の圧縮行程（Ｍ１）ライン上を進むため、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）が一定に精度よく維持される。

制御装置９の電力供給制御手段９３には図２に示すように、発電機３の発電量を入力する信号線３１と、第１バイパス回路４３の第１流量調整バルブ４２の流量を制御する制御用通信線４４と、第２バイパス回路７１の第２流量調整バルブ７２の流量を制御する制御用通信線７４と、該第３バイパス回路５２の第３流量調整バルブ５１の流量を制御する制御用通信線５３と、循環ポンプ６４の下流側に位置し、第４流量調整バルブ６５の蒸発器５側へ作動媒体の流量を制御する制御用通信線６６と、内燃機関１の負荷（ｋｗ）を検知する負荷センサ２８からの制御用通信線１９が接続されている。
電力供給制御手段９３は内燃機関１の負荷、給気圧力センサ２８の検出値及び、吸気温度センサ２７（空気冷却器２５通過後の給気温度）に対応して、各流量調整弁を調整して熱交換器での作動媒体の熱交換量を調整することにより、発電機３における発生電力を制御するようになっている。
これらは、発電機３における電動モータ２３への電力供給量を制御して、内燃機関１の筒内最高圧力が許容上限値以下になるように制御している。
また、吸気温度センサ７の検出温度（空気密度）により、内燃機関１の筒内最高圧力が許容上限値以下に維持する許容吸気圧力は変化する。
尚、電力供給制御手段９３の制御手段として、本実施形態では多数の流量調整バルブを用いるように記載したが、適宜の流量調整手段を選択して制御するとよい。

図５は電力供給制御手段９３の制御フローを示し、ステップＳ１からスタートして、ステップＳ２で内燃機関１の負荷ｋＷ信号を、ステップＳ３にて空気冷却器２５の下流側の給気圧力センサ２６から給気圧力Ｐｓが制御装置９に入力される。
ステップＳ４に進む。ステップＳ４は負荷ｋＷ信号に対して、給気圧力Ｐｓとそれに伴う筒内最高圧力上限値の関係を示すマップであり、給気圧力Ｐｓは負荷ｋＷに対して、給気圧力特性曲線Ｂの筒内最高圧力が上限値以下となる給気圧力Ｐｓ１を超えている場合は、筒内最高圧力上限値特性曲線Ａが筒内最高圧力上限値を越えると判断する。
一方、給気圧力Ｐｓは負荷ｋＷに対して、給気圧力特性曲線ｂの筒内最高圧力が上限値以下となる給気圧力Ｐｓ１を超えていない場合は、筒内最高圧上限値特性曲線ａが筒内最高圧力上限値を越えないと判断する。
給気圧力Ｐｓ１を超えていない場合はステップＳ５に進み、ステップＳ６で現状維持又はハイブリッド過給機（ハイブリッドＴ／Ｃ）２への電力供給増大を指示し、発電機３の蒸気タービン３１への蒸発器５で発生させる蒸気の供給量を増大させる。ステップＳ１０に進んでリターンする。

給気圧力Ｐｓ１を超えている場合はステップＳ７に進み、ステップＳ８でハイブリッド過給機２への電力供給量を下げるように指示する。すなわち、発電機３の蒸気タービン３１への蒸気供給量を減少させ、ハイブリッド過給機２の電動モータ２３への電力供給量を減少させる。ステップＳ１０に進んでリターンする。

一方、一般的なディーゼルエンジンの場合のフローを説明したが、本実施形態の弁開閉時期制御手段９１を装備している場合は給気圧力ＰｓがＰｓ１を超えていると判断されるとステップＳ７からステップＳ９へ進み、給気バルブ閉タイミングを弁開閉時期制御手段９１の閉弁時期制御マップから給気バルブの閉タイミング時期を呼出し、進角を実施して、筒内最高圧力を上限値Ｐｓ１以下に制御する。ステップＳ１０に進んでリターンする。（ミラーサイクルエンジンにおける効率改善となる。）

本実施形態では、内燃機関１の温水や、排気ガスの熱エネルギー等を利用して、蒸気を発生させ、蒸気タービン３１を備えた発電機３の電力により、ハイブリッド過給機２を排気タービン３１と電動モータ２３との駆動力により駆動して、給気圧力を内燃機関１の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力を上限となるように制御して、内燃機関１の効率改善（出力向上）と、空気量増大に伴う煙色改善（燃焼改善）と、内燃機関本体の機械的強度及び、熱負荷に対する信頼性を向上させる効果を有している。

（第２実施形態）
ガスエンジン（天然ガス、ＬＰＧ等）燃料の場合、図２に示すように、排気ガスを、ハイブリッド過給機２の排気系上流側から排気タービン２２をバイパスさせるバイパス回路８１を配設し、排気タービン２２と第２熱交換器とを連結する排気管１８に連結し、中間部に排気ガスバイパス弁８を配設している。
他の部分は既述と同じなので説明は省略する。
ガスエンジンの場合、空気と燃料の比率が一定の混合割合に維持する必要があり、燃料に対して空気が多すぎると燃焼速度が遅くなり、空気に対して燃料が多すぎると燃焼速度が速くなりノッキング等の異常燃焼を起こすことがある。
従って、負荷変動に対し給気量と燃料（天然ガス、ＬＰＧ等）との比率を俊敏に確保する必要があるためである。

図６はガスを燃料にした場合の電力供給制御のフローを示し、ステップＳ１でスタートし、ステップＳ２で内燃機関１の負荷（ｋＷ）を負荷センサ２８（燃料噴射量等による）によって検出し、ステップＳ６で負荷（ｋＷ）に対する燃料（ガス）と燃料に対する計算上の計算空気量（γｓ_cal）を算出する。一方、ステップＳ３において給気圧力センサ２６により検出された給気圧力（Ｐｓ）と、ステップＳ４にて給気温度センサ２７（図２参照）により給気温度（Ｔｓ）を検出する。ステップＳ３の給気圧力（Ｐｓ）及びステップＳ４の給気温度（Ｔｓ）に基づいて空気密度等を考慮した計測空気量（γｓ_mesa）をステップＳ７で求める。ステップＳ８において、燃料(ガス)に対する計算空気量（γｓ_cal）になるように計測空気量（γｓ_mesa）を調整するため、ハイブリッド過給機２（ハイブリットＴ／Ｃ）への供給電力量を制御する。ステップＳ９にてリターンする。
尚、既述の通り、燃料がガス（天然ガス、ＬＰＧ等）の場合は、空気量に対し燃料の比率が少ないと燃焼速度が遅くなり、内燃機関１の出力が下がるため、ステップＳ６とステップＳ７の動作が必要となる。

一方、ガス（天然ガス、ＬＰＧ等）を燃料にして弁開閉時期制御手段９１を有した場合には、ステップＳ１からスタートして、ステップＳ２及びステップＳ６において、計算空気量（γｓ_cal）を算出する部分は既述と同じ。ステップＳ３及びステップＳ４に基づく給気圧力（Ｐｓ）及び、空気密度に加え、ステップＳ５において、給気バルブ閉タイミングを弁開閉時期制御手段９１の閉弁時期制御マップから給気バルブの閉タイミング時期を算出する。ステップＳ７にて給気圧力（Ｐｓ）、空気密度及び、給気バルブ閉タイミングを考慮した計測空気量（γｓ_mesa）を求める。ステップＳ８において、燃料(ガス)に対する計算空気量（γｓ_cal）になるように計測空気量（γｓ_mesa）を調整するため、ハイブリッド過給機２（ハイブリットＴ／Ｃ）への供給電力量を制御する。ステップＳ９にてリターンする。
本実施形態では、第１実施形態の効果に加え、排気ガスのクリーン化の効果を有している。

本実施形態では、弁開閉時期制御手段９１を装備したミラーサイクルエンジンを主体に説明したが、図５及び図６に基づいて説明したように、一般のディーゼル機関、ガス燃料機関及びガソリンエンジン等においても同様に利用できる。

内燃機関の排気ガスの排気圧を高くしないで、燃焼室への給気圧力を高くして内燃機関効率を向上させる内燃機関に適用できる。

１ 内燃機関
２ ハイブリッド過給機
３ 発電機
４ 電力供給装置
５ 蒸発器
６ 作動媒体再生装置
７ 第２熱交換器
８ 排気ガスバイパス弁
９ 制御装置
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 給気バルブ
１５ 燃焼室
２１ コンプレッサ部
２２ 排気タービン
２３ 電動モータ
２５ インタークーラ
２６ 給気圧力センサ
２７ 給気温度センサ
２８ 負荷センサ
３１ 蒸気タービン
４１ 第１熱交換器
４２ 第１流量調整バルブ
４３ 第１バイパス回路
５１ 第３流量調整バルブ
５２ 第３バイパス回路
６１ エコノマイザ
６２ 凝縮器
６４ 循環ポンプ
６５ 第４流量調整バルブ
７２ 第２流量調整バルブ
７３ 第２バイパス回路
９１ 弁開閉時期制御手段
９３ 電力供給制御手段

Claims (9)

1. 内燃機関の排気ガスによって駆動する排気タービンと、電力の供給により駆動する電動モータと、前記排気タービンと前記電動モータとの駆動力によって前記内燃機関への給気を加圧するコンプレッサ部とを備えたハイブリッド過給機と、前記内燃機関の排熱を利用して生成される蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンの駆動によって発電する発電機とを備え、該発電機によって発電された電力を前記ハイブリッド過給機に供給する電力供給装置とを有することを特徴とする内燃機関の過給装置。
2. 前記ハイブリッド過給機によって加圧された給気の圧力を検知する圧力検出装置と、
   該圧力検出装置の検出結果に基づいて前記内燃機関の筒内最高圧力が許容値以下となる給気圧力になるように前記ハイブリッド過給機への電力供給量を制御する制御装置とを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
3. 前記電力供給装置は、前記ハイブリッド過給機の前記排気タービンを通過した前記排気ガスの排熱を利用して前記蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸気タービンを駆動した前記蒸気を凝結させる凝縮器及び該凝縮器で凝結された凝結水を前記蒸発器に送水する送水手段を有する作動媒体再生装置とを備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の過給装置。
4. 前記電力供給装置は、前記蒸発器の上流側に設けられ、前記凝縮器によって凝結された前記凝結水を、前記内燃機関を冷却した冷却水で加熱する第１熱交換器と、該第１熱交換器と並列に設けられた第１バイパス回路と、該第１バイパス回路に設けられ、前記制御装置によって流量調整される第１流量調整バルブとを有することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の過給装置。
5. 前記電力供給装置は、前記ハイブリッド過給機と前記蒸発器との間の排気系回路に設けられ、前記内燃機関とは別に設けられたボイラ装置からの蒸気で前記排気ガスを加熱する第２熱交換器と、該第２熱交換器と並列に設けられた第２バイパス回路と、該第２バイパス回路に設けられ前記制御装置によって流量調整される第２流量調整バルブとを有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の過給装置。
6. 前記電力供給装置は、前記蒸発器と前記作動媒体再生装置との間に設けられ、作動媒体が前記蒸気タービンと並列に流通する第３バイパス回路と、該第３バイパス回路に設けられ、前記制御装置によって流量調整される第３流量調整バルブとを有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の過給装置。
7. 前記電力供給装置は、前記送水手段と前記蒸発器との間に介装され、前記制御装置によって流量調整される第４流量調整バルブを有することを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関の過給装置。
8. 前記電力供給装置は、前記内燃機関から排出された前記排気ガスを、前記ハイブリッド過給機の前記排気タービンをバイパスさせて前記蒸発器に供給する第４バイパス回路と、該第４バイパス回路中に前記制御装置によって流量調整される排気ガスバイパス弁とを有することを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関の過給装置。
9. 前記内燃機関は、給気バルブを下死点よりも早く若しくは遅く閉じて圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルエンジンであり、前記給気バルブは、開閉時期を自在に変化させることができる可変給気バルブであることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の内燃機関の過給装置。

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