JP3820109B2

JP3820109B2 - Turbo cooling system

Info

Publication number: JP3820109B2
Application number: JP2001071022A
Authority: JP
Inventors: 信之介長船; 明沼田
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2002266650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デイーゼルエンジンの給気装置等に適用され、排気ターボ過給機の第１のコンプレッサで加圧された後、第１の空気冷却器にて冷却された空気をターボクーリング過給機の第２のコンプレッサで加圧し、第２の空気冷却器にて該ターボクーリング過給機の膨張タービンにおいて前記加圧空気により膨張仕事をなさしめて降温させ、この低温空気をエンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、ＮＯｘ（窒素酸化物）低減のための有効な手段の１つとして、ターボクーリングシステムが提案されている。
かかるターボクーリングシステムとして本件出願人らによって提供されているものの１例を図６に示す。
図において１００はエンジン、７は該エンジンのシリンダ、５は給気室、６は排気集合管である。１は排気ターボ過給機で、エンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動されるタービン１ａ及び該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂにより構成される。
【０００３】
９は前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ空気出口と後述するターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気入口とを接続する空気管、３は該空気管９の管路に設けられて前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂからの加圧空気を冷却する第１の空気冷却器である。
２はターボクーリング過給機で、膨張タービン２ａと該膨張タービン２ａに回転軸１８により同軸に連結されて駆動されるコンプレッサ２ｂとにより構成される。４は前記ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂの空気出口に空気管９ａを介して接続され該コンプレッサ２ｂからの加圧空気を冷却する第２の空気冷却器で、該空気冷却器４の空気出口は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａの空気入口に接続されている。
１０は前記膨張タービン２ａの空気出口と前記エンジン１００の給気室５とを接続する給気管である。
【０００４】
かかるターボクーリングシステムにおいて、図６の系統図及び図５の線図に示すように、前記排気ターボ過給機１のタービン１ａはエンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動され、該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂは大気からの空気（圧力Ｐａ、温度Ｔａ）を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させる（圧力Ｐｃ_１、温度Ｔｃ_１）。
該コンプレッサ１ｂにて加圧、昇温された加圧空気は第１の空気冷却器３において冷却、降温され（圧力Ｐｃ_１０、温度Ｔｃ_１０）、空気管９を通ってターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂに導入される。該コンプレッサ２ｂにおいては前記加圧空気を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させて（圧力Ｐｃ_２、温度Ｔｃ_２）、第２の空気冷却器４に送る。
【０００５】
そして該第２の空気冷却器４において冷却、降温された加圧空気（圧力Ｐｃ_３、温度Ｔｃ_３）は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａに供給される。該膨張タービン２ａに導入された加圧空気はここで膨張して降圧、降温され（給気圧力Ｐｓ、給気温度Ｔｓ）、この低温空気は給気管１０を通ってエンジン１００の給気室５に送られ燃焼に供される。一方、前記のような膨張タービン２ａでの加圧空気の膨張仕事により、該膨張タービン２ａと同軸のコンプレッサ２ｂに駆動力が供給される。
【０００６】
以上の動作によって、エンジン１００にはターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ出口からの低温加圧空気が供給されることとなり、該エンジン１００の給気温度が外部への放熱温度レベル以下に低下せしめられ、これによってエンジン１００のシリンダ７内におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生が抑制される。また、併せて給気温度の低下による給気量（空気重量流量）の増加により燃料消費率が低減されるとともに、給気温度の低下によってシリンダ７内の熱負荷が低減されエンジン１００の耐久性が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示されるターボクーリングシステムにおいては、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ及びターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂにて構成される２段のコンプレッサにおいて所定の圧力比で以って加圧し昇圧させた空気を、膨張タービン２ａにて膨張させることにより、エンジン１００への給気の温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめている。
このため、ターボクーリング過給機２への入力仕事として排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて、図５に示すように、エンジン１００への給気の温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるに要する基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０が得られるような高圧の空気を得ることを要する。
【０００８】
図５には、図６に示される従来のターボクーリングシステムにおける前記基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０を得るに要する各段のコンプレッサ及び空気冷却器における空気圧力及び温度の１例を示している。図においてＡ_１は空気温度、Ｂ_１は空気圧力である。図５に明らかなように、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ及び給気温度Ｔｓを、前記のように、外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０とするには、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて圧力比が４以上という高圧力比を必要とする。
【０００９】
しかしながら、かかる従来のターボクーリングシステムにおいては、エンジン１００の排気ガスにより駆動される排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂのみでは、前記のような圧力比が４以上という高圧力比を得るのは困難であり、このため、かかる従来技術においては前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて前記のような十分に高い圧力比が得られず、エンジンシリンダ７内の空気過剰率の低下が避けられない事態となる。
これにより、かかる従来技術にあっては、空気過剰率の不足による燃焼の悪化や燃料消費率の増加、排気煙の悪化を引き起こし、さらにはターボクーリングシステム本来の目的であるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制も実現困難となる。
等の問題点を有している。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ターボクーリングシステムを備えたエンジンにおいて、エンジンシリンダ内の空気過剰率の低下を伴うことなく、ターボクーリングシステムからエンジンに供給される給気の温度状態を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめることにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制でき、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現し得るターボクーリングシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、排気ターボ過給機の第１のコンプレッサで加圧された空気を第１の空気冷却器にて冷却した後ターボクーリング過給機の第２のコンプレッサで加圧し、第２の空気冷却器にて冷却後この加圧空気を該ターボクーリング過給機の膨張タービンにおいて膨張仕事をなさしめることにより降温させるとともに前記第２のコンプレッサを駆動し、前記膨張タービン出口の低温空気をエンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムにおいて、前記ターボクーリング過給機の第２のコンプレッサの回転軸に連結されて該第２のコンプレッサに補助動力を付与する補助駆動装置を設け、エンジンの給気圧力を検出する給気圧力検出器と、エンジン回転数、エンジン出力等のエンジン出力状態を検出するエンジン出力状態検出器と、該エンジン出力状態検出器からのエンジン出力状態検出値に対応する基準給気圧力を設定する手段及び前記給気圧力検出器からの給気圧力検出値と前記基準給気圧力とを比較して給気圧力偏差を算出する手段及び前記給気圧力偏差に基づき前記補助駆動装置の動力を算出する手段を有して前記補助駆動装置の動力算出値を補助駆動装置の駆動制御部に出力するコントローラとを備え、該コントローラによって前記ターボクーリング過給機の回転を制御してエンジンの給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめる基準給気圧力および基準給気温度に保持されるように構成されたことを特徴とするターボクーリングシステムを提案する。
【００１２】
請求項２ないし５記載の発明は、前記補助駆動装置の具体的構成に係り、請求項２の発明は請求項１において、前記補助駆動装置は、可変速モータの出力軸を歯車列等の連結機構を介して前記第２のコンプレッサの回転軸に連結して構成されてなる。
請求項２において、請求項３のように前記可変速モータを速度制御が可能な可変速電動モータにて構成するか、あるいは請求項４のように前記可変速モータを速度制御が可能な油圧モータにて構成するのがよい。
【００１３】
請求項５の発明は請求項１において、前記補助駆動装置は、エンジンのクランク軸を歯車列等の連結機構を介して前記第２のコンプレッサの回転軸に連結して構成されてなる。
【００１４】
【００１５】
かかる発明によれば、可変速モータ、油圧モータ、エンジンのクランク軸等の補助駆動装置によりターボクーリング過給機の膨張タービン及び第２のコンプレッサに直結する回転軸に補助動力を付与するように構成したので、前記ターボクーリング過給機における第２のコンプレッサの圧力比が上昇し、通常の排気ターボ過給機を用いても、前記膨張タービン入口の空気圧力及び空気温度を、エンジンの給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめ得る給気圧力及び給気温度、即ち基準給気圧力及び基準給気温度を保持できる圧力及び温度に上昇せしめることができる。
【００１６】
これにより、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、シリンダ内での空気過剰率の低下による燃焼の悪化や排気煙の悪化を伴うことなく、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、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過ぎない。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例に係るターボクーリングシステム系統図、図２は前記実施例における制御ブロック図である。図3は第１実施例を示す要部構成図である。図４は本発明における給気圧力、温度線図、図５は従来技術における給気圧力、温度線図である。
【００１９】
第１実施例を示す図１において、１００はエンジン、７は該エンジンのシリンダ（この例では６シリンダを示す）、５は給気室、０５は該給気室５と各シリンダ７とを接続する給気管、６は排気集合管、０６は各シリンダ７と前記排気集合管６とを接続する排気出口管である。
１は排気ターボ過給機で、エンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動されるタービン１ａ及び該タービン１ａに回転軸１ｃを介して同軸駆動されるコンプレッサ１ｂにより構成される。
【００２０】
９は前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ空気出口と後述するターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気入口とを接続する空気管、３は該空気管９の管路に設けられて前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂから送出された加圧空気を冷却する第１の空気冷却器である。
２はターボクーリング過給機で、後述する第２の空気冷却器からの加圧空気による膨張仕事を行う膨張タービン２ａと該膨張タービン２ａに回転軸１８を介して同軸駆動されるコンプレッサ２ｂとにより構成される。４は前記ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気出口に空気管９ａを介して接続され該コンプレッサ２ｂからの加圧空気を冷却する第２の空気冷却器で、該空気冷却器４の空気出口は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａの空気入口に接続されている。
１０は前記膨張タービン２ａの空気出口と前記エンジン１００の給気室５とを接続する給気管である。
【００２１】
以上の構成は図６に示される従来技術と同様である。本発明においてはターボクーリング過給機２及びその駆動システムを改良している。
即ち第１実施例を示す図１において、１５は可変速モータで、速度制御が可能な可変速電動モータにて構成される。該可変速モータ１５の出力軸１６は歯車列１７を介して前記ターボクーリング過給機２の回転軸１８に直結され、該可変速モータ１５の動力により前記ターボクーリング過給機２を補助駆動している。
【００２２】
図４はかかるターボクーリングシステムの作動線図で、Ｂ_２は本発明における圧力Ａ_２は温度、Ｂ_１は図５に示す従来技術ベースの圧力、Ａ_１は温度である。
図４及び図１において、前記排気ターボ過給機１のタービン１ａはエンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動され、該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂは大気からの空気（圧力Ｐａ、温度Ｔａ）を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させる。
該コンプレッサ１ｂにて加圧、昇温された加圧空気（圧力Ｐｃ_１、温度Ｔｃ_１）は第１の空気冷却器３において冷却、降温され（圧力Ｐｃ_１０、温度Ｔｃ_１０）、空気管９を通ってターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂに導入される。該コンプレッサ２ｂにおいては前記加圧空気を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させて（圧力Ｐｃ_２、温度Ｔｃ_２）第２の空気冷却器４に送る。
【００２３】
そして該第２の空気冷却器４において冷却、降温された加圧空気（圧力Ｐｃ_３、温度Ｔｃ_３）は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａに供給される。該膨張タービン２ａに導入された加圧空気はここで膨張して降圧、降温され（給気圧力Ｐｓ、給気温度Ｔｓ）、この低温空気（給気）は給気管１０を通ってエンジン１００の給気室５に送られ燃焼に供される。一方、前記のような膨張タービン２ａでの加圧空気の膨張仕事により、該膨張タービン２ａと同軸のコンプレッサ２ｂに駆動力が供給される。
以上の動作によって、エンジン１００にはターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ出口からの低温加圧空気が供給されることとなる。
【００２４】
そして、前記可変速モータ１５の動力は出力軸１６から歯車列１７を介して前記ターボクーリング過給機２の回転軸１８に伝達され、該ターボクーリング過給機２は前記可変速モータ１５の動力により補助駆動される。
【００２５】
次に、前記可変速モータ（可変速電動モータ）１５の速度制御（出力制御）手段について図２により説明する。
図２において、２１は給気圧力検出器で前記給気管１０あるいは給気室５に取り付けられて給気圧力Ｐｓを検出する。２２はエンジン１００のクランク軸回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数検出器、２３はエンジン１００の出力Ｌｅ（あるいは燃料調整ラックの変位）を検出するエンジン出力検出器である。
【００２６】
前記エンジン回転数検出器２２からのクランク軸回転数Ｎｅの検出信号及びエンジン出力検出器２３からのエンジン出力Ｌｅの検出信号はコントローラ２０の基準給気圧力設定部２５に入力される。該基準給気圧力設定部２５においては、前記エンジン１００のクランク軸回転数Ｎｅ検出値及びエンジン出力検出値Ｌｅに適応する給気圧力、即ち基準給気圧力Ｐｓ_０を予め設定された設定テーブルから選出、あるいは前記クランク軸回転数Ｎｅ検出値及びエンジン出力検出値Ｌｅに基づき算出して給気圧力比較器２４に入力する。
【００２７】
ここで、前記のように、エンジン１００の給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための給気圧力即ち基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０とするには、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおける圧力比ｅ＝Ｐｃ_１／Ｐａを４以上の高圧力比にすることを要するが、図６に示される従来のターボクーリングシステムでは前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて前記のような圧力比ｅ＝Ｐｃ_１／Ｐａが４以上の高圧力比は得られない。
【００２８】
そこで本発明においては、前記可変速モータ１５の動力により前記ターボクーリング過給機２の回転軸１８を補助駆動することにより、該ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂの圧力比ｅを、該ターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ入口の空気圧力及び空気温度が、図４、５に示されるように前記排気ターボ過給機１の圧力比ｅが必要最小圧力比のｅ＝４となる場合の空気圧力及び空気温度（圧力Ｐｃ_３、温度Ｔｃ_３）になるように上昇せしめる。
これにより、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ及び給気温度Ｔｓは前記基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０に保持される。
【００２９】
しかして、前記給気圧力比較器２４には前記給気圧力検出器２１で検出された給気圧力の検出値Ｐｓが入力されており、該給気圧力比較器２４においては該給気圧力の検出値Ｐｓと前記基準給気圧力Ｐｓ_０とを比較してその偏差ΔＰｓを算出してモータ出力算出部２６に入力する。
該モータ出力算出部２６においては、給気圧力偏差ΔＰｓに基づき、前記膨張タービン２ａ入口の空気圧力及び空気温度が、前記基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０を保持できる圧力Ｐｃ_３及び温度Ｔｃ_３になるような可変速モータ１５の補助動力を算出してモータ制御装置２７に入力する。
該モータ制御装置２７においては、前記補助動力を出力するように前記可変速モータ１５の周波数ｆを算出して可変速モータ１５を該周波数ｆにて運転せしめる。これによりターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂの回転数はＮｍに上昇し、その圧力比ｅが前記必要圧力比に上昇せしめられる。
【００３０】
かかる実施例によれば、補助駆動装置を構成する可変速モータ１５によりターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ及びコンプレッサ２ｂを直結する回転軸１８に補助動力を付与するように構成したので、前記ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂの圧力比が上昇し、通常の排気ターボ過給機を用いても、前記膨張タービン２ａ入口の空気圧力及び空気温度を、エンジン１００の給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめ得る給気圧力及び給気温度、即ち基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０を保持できる圧力Ｐｃ_３及び温度Ｔｃ_３に上昇せしめることができる。
これにより、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、シリンダ内での空気過剰率の低下を伴うことなく、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【００３１】
また、図示を省略したが、前記可変速モータ１５に代えて、エンジン１００の回転軸（クランク軸等）により駆動される油圧ポンプを設け、該油圧ポンプからの作動油により駆動される油圧モータの出力軸を前記ターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ及びコンプレッサ２ｂを直結する回転軸１８に、直接にあるいは歯車列を介して連結し補助動力を付与するように構成することもできる。
かかる実施例における制御システムは、図２において、モータ制御装置２７を前記モータ出力算出部２６により算出された補助動力に基づき前記油圧ポンプの作動油流量を制御するようにし、可変速モータ１５を前記流量制御がなされる油圧ポンプ及び該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧モータに置きかえればよい。
【００３２】
図３に示す本発明の第２実施例においては、前記ターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ及びコンプレッサ２ｂを直結する回転軸１８を、歯車列３４を介してエンジン１００のクランク軸３１に固定されたクランク歯車３２に連結し、該クランク軸３１により前記回転軸１８を駆動して、前記ターボクーリング過給機２に補助駆動を供給している。３０はエンジン１００のピストンである。
この場合も、前記各実施例と同様に、前記補助駆動の供給により、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ及び給気温度Ｔｓを、給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめ得る給気圧力及び給気温度、即ち基準給気圧力Ｐｓ_０及び基準給気温度Ｔｓ_０を保持できる圧力Ｐｃ_３及び温度Ｔｃ_３に上昇せしめることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、補助駆動装置によりターボクーリング過給機の膨張タービン及び第２のコンプレッサに直結する回転軸に補助動力を付与するように構成したので、前記ターボクーリング過給機の圧力比が上昇し、通常の排気ターボ過給機を用いても、ターボクーリング過給機の空気圧力及び温度を、エンジンの給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめ得る基準給気圧力及び基準給気温度を保持できる圧力及び温度に上昇せしめることができる。
【００３４】
これにより、通常の排気ターボ過給機及びターボクーリング過給機を用いても、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、従って装置の複雑化及び装置コストの大幅な増加をなすことなく、シリンダ内での空気過剰率の低下による燃焼の悪化や排気煙の悪化を伴わずに、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るターボクーリングシステムの系統図である。
【図２】前記第１実施例における制御ブロック図である。
【図３】第２実施例を示す要部構成図である。
【図４】本発明における給気圧力、温度線図である。
【図５】従来技術における給気圧力、温度線図である。
【図６】従来技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
１排気ターボ過給機
１ａタービン
１ｂコンプレッサ
２ターボクーリング過給機
２ａ膨張タービン
２ｂコンプレッサ
３第１の空気冷却器
４第２の空気冷却器
５給気室
０５給気管
６排気集合管
７シリンダ
８排気管
９空気管
１０給気管
１５可変速モータ
１６出力軸
１７、３４歯車列
１８回転軸
２０コントローラ
２１給気圧力検出器
２２エンジン回転数検出器
２３エンジン出力検出器
２４給気圧力比較器
２５基準給気圧力設定部
２６モータ出力算出部
２７モータ制御装置
３１クランク軸
３２クランク歯車
１００エンジン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is applied to an air supply device for a diesel engine, etc., and after being pressurized by a first compressor of an exhaust turbocharger, the air cooled by the first air cooler is used as a turbo cooling supercharger. The second compressor is pressurized, and the second air cooler lowers the temperature by performing expansion work with the pressurized air in the expansion turbine of the turbocooling supercharger, and supplies the low-temperature air to the engine. Related to the turbo cooling system.
[0002]
[Prior art]
In the diesel engine, a turbo cooling system has been proposed as one effective means for reducing NOx (nitrogen oxide).
An example of such a turbo cooling system provided by the present applicants is shown in FIG.
In the figure, 100 is an engine, 7 is a cylinder of the engine, 5 is an air supply chamber, and 6 is an exhaust collecting pipe. An exhaust turbocharger 1 includes a turbine 1a driven by exhaust gas introduced from the exhaust collecting pipe 6 of the engine 100 through an exhaust pipe 8, and a compressor 1b driven coaxially with the turbine 1a.
[0003]
Reference numeral 9 denotes an air pipe that connects an air outlet of the compressor 1b of the exhaust turbocharger 1 and an air inlet of a compressor 2b of a turbo cooling supercharger 2 described later. 1 is a first air cooler that cools pressurized air from a compressor 1 b of a turbocharger 1.
Reference numeral 2 denotes a turbo cooling supercharger, which includes an expansion turbine 2a and a compressor 2b that is connected to the expansion turbine 2a coaxially by a rotary shaft 18 and driven. A second air cooler 4 is connected to the air outlet of the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 via an air pipe 9a and cools the pressurized air from the compressor 2b. The outlet is connected to the air inlet of the expansion turbine 2a through an air pipe 9b.
Reference numeral 10 denotes an air supply pipe that connects the air outlet of the expansion turbine 2 a and the air supply chamber 5 of the engine 100.
[0004]
In the turbo cooling system, as shown in the system diagram of FIG. 6 and the diagram of FIG. 5, the turbine 1 a of the exhaust turbocharger 1 is introduced from the exhaust collecting pipe 6 of the engine 100 through the exhaust pipe 8. A compressor 1b driven by exhaust gas and coaxially driven by the turbine 1a pressurizes and pressurizes air from the atmosphere (pressure Pa, temperature Ta) at a predetermined pressure ratio (pressure Pc ₁ , temperature Tc ₁ ). .
The pressurized air pressurized and heated by the compressor 1b is cooled and cooled by the first air cooler 3 (pressure Pc ₁₀ , temperature Tc ₁₀ ), passes through the air pipe 9 and is connected to the turbo cooling supercharger 2. The compressor 2b is introduced. In the compressor 2b, the pressurized air is pressurized and pressurized at a predetermined pressure ratio (pressure Pc ₂ , temperature Tc ₂ ) and sent to the second air cooler 4.
[0005]
The pressurized air (pressure Pc ₃ , temperature Tc ₃ ) cooled and cooled in the second air cooler 4 is supplied to the expansion turbine 2a via an air pipe 9b. The pressurized air introduced into the expansion turbine 2a is expanded and reduced in pressure and cooled (supply pressure Ps and supply temperature Ts). This low-temperature air passes through the supply pipe 10 and is in the supply chamber 5 of the engine 100. To be burned. On the other hand, the driving force is supplied to the compressor 2b coaxial with the expansion turbine 2a by the expansion work of the pressurized air in the expansion turbine 2a as described above.
[0006]
As a result of the above operation, the engine 100 is supplied with the low-temperature pressurized air from the outlet of the expansion turbine 2a of the turbo cooling supercharger 2, and the supply air temperature of the engine 100 is lowered below the heat radiation temperature level to the outside. As a result, the generation of NOx (nitrogen oxide) in the cylinder 7 of the engine 100 is suppressed. In addition, the fuel consumption rate is reduced due to an increase in the amount of air supply (air weight flow rate) due to a decrease in the supply air temperature, and the heat load in the cylinder 7 is reduced due to the decrease in the supply air temperature, resulting in durability of the engine 100. Will improve.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the turbo cooling system shown in FIG. 6, the two-stage compressor constituted by the compressor 1 b of the exhaust turbo supercharger 1 and the compressor 2 b of the turbo cooling supercharger 2 is pressurized with a predetermined pressure ratio. By expanding the pressurized air in the expansion turbine 2a, the temperature of the supply air to the engine 100 is lowered to the outside heat radiation temperature level or less.
Therefore, as input work to the turbo cooling supercharger 2, in the compressor 1 b of the exhaust turbo supercharger 1, as shown in FIG. 5, the temperature of the air supply to the engine 100 is reduced below the heat radiation temperature level to the outside. It is necessary to obtain high-pressure air so that the reference supply air pressure Ps ₀ and the reference supply air temperature Ts ₀ required for the fixing can be obtained.
[0008]
FIG. 5 shows an example of air pressure and temperature in each stage of compressor and air cooler required to obtain the reference supply air pressure Ps ₀ and the reference supply air temperature Ts ₀ in the conventional turbo cooling system shown in FIG. Is shown. In the figure, A ₁ is the air temperature and B ₁ is the air pressure. As can be seen from FIG. 5, the supply pressure Ps and the supply air temperature Ts of the engine 100 are reduced to the heat radiation temperature level to the outside or below to suppress the generation of NOx (nitrogen oxide). In order to obtain the reference supply pressure Ps ₀ and the reference supply temperature Ts ₀ for obtaining the required effects in reducing the fuel consumption rate and the thermal load in the cylinder 7, the compressor 1 b of the exhaust turbocharger 1 is used. A high pressure ratio of 4 or more is required.
[0009]
However, in such a conventional turbo cooling system, it is difficult to obtain such a high pressure ratio of 4 or more with only the compressor 1b of the exhaust turbocharger 1 driven by the exhaust gas of the engine 100. For this reason, in such a conventional technique, a sufficiently high pressure ratio as described above cannot be obtained in the compressor 1b of the exhaust turbocharger 1, and a reduction in the excess air ratio in the engine cylinder 7 is inevitable. Things will happen.
As a result, in such a conventional technique, the deterioration of combustion due to the lack of excess air ratio, the increase in fuel consumption rate, the deterioration of exhaust smoke, and NOx (nitrogen oxide), which is the original purpose of the turbo cooling system, are caused. It is also difficult to suppress the occurrence of this.
And so on.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art. In an engine equipped with a turbo cooling system, the temperature state of the supply air supplied from the turbo cooling system to the engine is reduced without reducing the excess air ratio in the engine cylinder. To provide a turbo cooling system capable of suppressing the generation of NOx (nitrogen oxide) by reducing the temperature to the outside heat radiation temperature level and reducing the fuel consumption rate and the heat load in the cylinder 7. With the goal.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention provides a turbocooling supercharger after the air pressurized by the first compressor of the exhaust turbocharger is cooled by the first air cooler. The second compressor is pressurized by a second compressor of the compressor, cooled by a second air cooler, and the pressurized air is cooled by performing expansion work in an expansion turbine of the turbocooling supercharger and the second compressor In the turbo cooling system in which the low-temperature air at the outlet of the expansion turbine is supplied to the engine, the auxiliary compressor is connected to the rotary shaft of the second compressor of the turbo cooling supercharger. only set the auxiliary driving device for imparting a charge air pressure detector for detecting the boost pressure of the engine, the engine speed, the engine output such as engine Engine output state detector for detecting an output state, means for setting a reference air supply pressure corresponding to an engine output state detection value from the engine output state detector, and an air supply pressure detection value from the air supply pressure detector And means for calculating a supply pressure deviation by comparing the reference supply pressure and a means for calculating the power of the auxiliary drive unit based on the supply pressure deviation, and calculating a power calculation value of the auxiliary drive unit. And a controller that outputs to the drive control unit of the auxiliary drive device, and the controller controls the rotation of the turbo cooling supercharger to lower the engine supply air temperature to a level below the heat release temperature level to the outside. And a turbo cooling system characterized by being configured to be maintained at a reference supply air temperature .
[0012]
The invention described in claims 2 to 5 relates to a specific configuration of the auxiliary drive device, and the invention of claim 2 relates to the invention in claim 1, wherein the auxiliary drive device connects the output shaft of the variable speed motor to a gear train or the like. It is configured to be connected to the rotating shaft of the second compressor via a mechanism.
5. The hydraulic motor according to claim 2, wherein the variable speed motor is configured by a variable speed electric motor capable of speed control as in claim 3, or the variable speed motor is capable of speed control as in claim 4. It is good to compose with.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the auxiliary drive device is configured by connecting the crankshaft of the engine to the rotation shaft of the second compressor via a connection mechanism such as a gear train.
[0014]
[0015]
According to the invention, configured to provide auxiliary power to the rotating shaft directly connected to the variable speed motor, a hydraulic motor, an expansion turbine and a second compressor of a turbo cooling supercharger by auxiliary drive of a crankshaft of the engine As a result, the pressure ratio of the second compressor in the turbocooling supercharger increases, and even if a normal exhaust turbocharger is used, the air pressure and air temperature at the inlet of the expansion turbine are changed to the supply air temperature of the engine. Can be raised to a pressure and temperature that can maintain the reference supply pressure and the reference supply temperature, that is, the supply pressure and the supply temperature that can lower the temperature to the outside heat radiation temperature level.
[0016]
As a result, a sufficient supply amount of air into the engine cylinder is maintained, and NOx (nitrogen oxide) is generated without accompanying deterioration in combustion and exhaust smoke due to a decrease in the excess air ratio in the cylinder. In addition, it is possible to reduce the fuel consumption rate and the heat load in the cylinder.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified. Absent.
[0018]
FIG. 1 is a system diagram of a turbo cooling system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a control block diagram of the embodiment. FIG. 3 is a block diagram showing the main part of the first embodiment. 4 is a supply pressure and temperature diagram according to the present invention, and FIG. 5 is a supply pressure and temperature diagram according to the prior art.
[0019]
In FIG. 1 showing the first embodiment, 100 is an engine, 7 is a cylinder of the engine (in this example, 6 cylinders are shown), 5 is an air supply chamber, and 05 is an air supply chamber 5 connected to each cylinder 7. An air supply pipe, 6 is an exhaust collecting pipe, and 06 is an exhaust outlet pipe connecting each cylinder 7 and the exhaust collecting pipe 6.
Reference numeral 1 denotes an exhaust turbocharger, which is a turbine 1a driven by exhaust gas introduced from the exhaust collecting pipe 6 of the engine 100 through an exhaust pipe 8, and a compressor driven coaxially to the turbine 1a via a rotating shaft 1c. 1b.
[0020]
Reference numeral 9 denotes an air pipe that connects an air outlet of the compressor 1b of the exhaust turbocharger 1 and an air inlet of a compressor 2b of a turbo cooling supercharger 2 described later. 1 is a first air cooler that cools pressurized air sent from a compressor 1b of a turbocharger 1.
Reference numeral 2 denotes a turbo cooling supercharger, which includes an expansion turbine 2 a that performs expansion work by pressurized air from a second air cooler described later, and a compressor 2 b that is coaxially driven by the expansion turbine 2 a via a rotary shaft 18. Composed. Reference numeral 4 denotes a second air cooler connected to the air outlet 9a of the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 via an air pipe 9a for cooling the pressurized air from the compressor 2b. Is connected to the air inlet of the expansion turbine 2a via an air pipe 9b.
Reference numeral 10 denotes an air supply pipe that connects the air outlet of the expansion turbine 2 a and the air supply chamber 5 of the engine 100.
[0021]
The above configuration is the same as that of the prior art shown in FIG. In the present invention, the turbo cooling supercharger 2 and its drive system are improved.
That is, in FIG. 1 showing the first embodiment, reference numeral 15 denotes a variable speed motor, which is a variable speed electric motor capable of speed control. An output shaft 16 of the variable speed motor 15 is directly connected to a rotating shaft 18 of the turbo cooling supercharger 2 via a gear train 17, and the turbo cooling supercharger 2 is auxiliary driven by the power of the variable speed motor 15. ing.
[0022]
FIG. 4 is an operation diagram of such a turbo cooling system, in which B ₂ is a pressure A ₂ in the present invention, B ₁ is a pressure based on the prior art shown in FIG. 5, and A ₁ is a temperature.
4 and 1, the turbine 1a of the exhaust turbocharger 1 is driven by the exhaust gas introduced from the exhaust collecting pipe 6 of the engine 100 through the exhaust pipe 8, and is driven coaxially to the turbine 1a. 1b pressurizes and pressurizes air (pressure Pa, temperature Ta) from the atmosphere at a predetermined pressure ratio.
The compressed air (pressure Pc ₁ , temperature Tc ₁ ) pressurized and heated by the compressor 1 b is cooled and cooled by the first air cooler 3 (pressure Pc ₁₀ , temperature Tc ₁₀ ), and the air pipe 9. And is introduced into the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2. In the compressor 2b, the pressurized air is pressurized at a predetermined pressure ratio to increase the pressure (pressure Pc ₂ , temperature Tc ₂ ) and sent to the second air cooler 4.
[0023]
The pressurized air (pressure Pc ₃ , temperature Tc ₃ ) cooled and cooled in the second air cooler 4 is supplied to the expansion turbine 2a via an air pipe 9b. The pressurized air introduced into the expansion turbine 2a is expanded and reduced in pressure and cooled (supply pressure Ps and supply temperature Ts), and the low-temperature air (supply air) passes through the supply pipe 10 and is supplied to the engine 100. It is sent to the supply chamber 5 for combustion. On the other hand, the driving force is supplied to the compressor 2b coaxial with the expansion turbine 2a by the expansion work of the pressurized air in the expansion turbine 2a as described above.
With the above operation, the engine 100 is supplied with the low-temperature pressurized air from the outlet of the expansion turbine 2 a of the turbo cooling supercharger 2.
[0024]
The power of the variable speed motor 15 is transmitted from the output shaft 16 to the rotary shaft 18 of the turbo cooling supercharger 2 via the gear train 17, and the turbo cooling supercharger 2 receives the power of the variable speed motor 15. Is auxiliary driven.
[0025]
Next, speed control (output control) means of the variable speed motor (variable speed electric motor) 15 will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, reference numeral 21 denotes an air supply pressure detector which is attached to the air supply pipe 10 or the air supply chamber 5 and detects the air supply pressure Ps. 22 is an engine speed detector that detects the crankshaft speed Ne of the engine 100, and 23 is an engine output detector that detects the output Le of the engine 100 (or the displacement of the fuel adjustment rack).
[0026]
The detection signal of the crankshaft rotation speed Ne from the engine rotation speed detector 22 and the detection signal of the engine output Le from the engine output detector 23 are input to the reference air supply pressure setting unit 25 of the controller 20. In the reference air supply pressure setting unit 25, the supply air pressure to accommodate the crankshaft rotational speed Ne detected value and the engine output detection value Le of the engine 100, i.e. the reference air supply pressure Ps ₀ from a preset table Selection or calculation based on the crankshaft rotation speed Ne detection value and the engine output detection value Le is input to the supply air pressure comparator 24.
[0027]
Here, as described above, the supply air temperature Ts of the engine 100 is lowered below the heat release temperature level to the outside, so that the generation of NOx (nitrogen oxide) is suppressed, the fuel consumption rate is reduced, and the heat load in the cylinder 7 In order to obtain the required air supply pressure, that is, the reference supply air pressure Ps ₀ and the reference supply air temperature Ts _{0 in} order to obtain a required effect in reducing the pressure, the pressure ratio e = Pc ₁ / in the compressor 1b of the exhaust turbocharger ₁ Although it is necessary to set Pa to a high pressure ratio of 4 or more, in the conventional turbo cooling system shown in FIG. 6, the pressure ratio e = Pc ₁ / Pa as described above is applied to the compressor 1 b of the exhaust turbocharger _1. A high pressure ratio of 4 or more cannot be obtained.
[0028]
Therefore, in the present invention, the rotary shaft 18 of the turbo cooling supercharger 2 is auxiliary driven by the power of the variable speed motor 15 so that the pressure ratio e of the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 is set to the turbo cooling supercharger 2. When the air pressure and the air temperature at the inlet of the expansion turbine 2a of the cooling supercharger 2 are such that the pressure ratio e of the exhaust turbocharger 1 is the required minimum pressure ratio e = 4 as shown in FIGS. Air pressure and air temperature (pressure Pc ₃ , temperature Tc ₃ ).
Thus, the supply air pressure Ps and the supply air temperature Ts of the engine 100 are held at the reference supply air pressure Ps ₀ and the reference supply air temperature Ts ₀ .
[0029]
Thus, the detected value Ps of the air supply pressure detected by the air supply pressure detector 21 is input to the air supply pressure comparator 24, and the air supply pressure comparator 24 detects the supply air pressure. The detected value Ps is compared with the reference supply pressure Ps ₀ to calculate the deviation ΔPs and input it to the motor output calculation unit 26.
In the motor output calculation unit 26, the pressure Pc ₃ at which the air pressure and the air temperature at the inlet of the expansion turbine 2a can maintain the reference supply pressure Ps ₀ and the reference supply temperature Ts ₀ based on the supply pressure deviation ΔPs. Then, the auxiliary power of the variable speed motor 15 so as to reach the temperature Tc ₃ is calculated and input to the motor control device 27.
In the motor control device 27, the frequency f of the variable speed motor 15 is calculated so as to output the auxiliary power, and the variable speed motor 15 is operated at the frequency f. Thereby, the rotation speed of the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 is increased to Nm, and the pressure ratio e is increased to the required pressure ratio.
[0030]
According to this embodiment, the auxiliary power is applied to the rotary shaft 18 directly connecting the expansion turbine 2a and the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 by the variable speed motor 15 constituting the auxiliary driving device. The pressure ratio of the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 rises, and even if a normal exhaust turbocharger is used, the air pressure and air temperature at the inlet of the expansion turbine 2a and the supply air temperature Ts of the engine 100 are externally set. It is possible to increase the supply pressure and the supply temperature that can be lowered below the heat release temperature level to the pressure Pc ₃ and the temperature Tc ₃ that can maintain the reference supply pressure Ps ₀ and the reference supply temperature Ts ₀ .
As a result, a sufficient amount of air supplied to the engine cylinder is maintained, and generation of NOx (nitrogen oxide) can be suppressed without reducing the excess air ratio in the cylinder, and the fuel consumption rate can be reduced. Reduction and reduction of the heat load in the cylinder 7 can also be realized.
[0031]
Although not shown, a hydraulic pump driven by a rotating shaft (crankshaft or the like) of the engine 100 is provided in place of the variable speed motor 15, and a hydraulic motor driven by hydraulic oil from the hydraulic pump is provided. The output shaft can be connected to the rotary shaft 18 directly connecting the expansion turbine 2a and the compressor 2b of the turbo cooling supercharger 2 directly or via a gear train to provide auxiliary power.
In FIG. 2, the control system in this embodiment controls the hydraulic fluid flow rate of the hydraulic pump based on the auxiliary power calculated by the motor output calculation unit 26 in the motor control device 27, and the variable speed motor 15 is A hydraulic pump whose flow rate is controlled and a hydraulic motor driven by the hydraulic pressure from the hydraulic pump may be replaced.
[0032]
In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the rotary shaft 18 directly connecting the expansion turbine 2 a and the compressor 2 b of the turbo cooling supercharger 2 is fixed to the crankshaft 31 of the engine 100 via a gear train 34. The rotating shaft 18 is driven by the crankshaft 31 and is connected to the crank gear 32 to supply auxiliary driving to the turbo cooling supercharger 2. Reference numeral 30 denotes a piston of the engine 100.
In this case as well, in the same manner as in the above embodiments, the supply pressure Ps and the supply air temperature Ts of the engine 100 can be reduced by the supply of the auxiliary drive so that the supply air temperature Ts can be reduced to the heat radiation temperature level or less to the outside. The air pressure and the supply air temperature, that is, the reference supply air pressure Ps ₀ and the reference supply air temperature Ts ₀ can be increased to the pressure Pc ₃ and the temperature Tc ₃ that can be maintained.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the auxiliary cooling device is configured to apply auxiliary power to the rotary shaft directly connected to the expansion turbine and the second compressor of the turbo cooling supercharger. Even if a normal exhaust turbocharger is used, the air pressure and temperature of the turbo cooling turbocharger can be reduced to a level below the heat dissipation temperature level to the outside, even if a normal turbocharger is used. The pressure and temperature can be increased to maintain the air pressure and the reference supply air temperature.
[0034]
As a result, even if a normal exhaust turbocharger and turbocooling supercharger are used, a sufficient amount of air supplied into the engine cylinder is maintained, so that the complexity of the device and the cost of the device are greatly increased. In addition, the generation of NOx (nitrogen oxides) can be suppressed without deteriorating combustion and exhaust smoke due to a decrease in the excess air ratio in the cylinder, reducing the fuel consumption rate and increasing the heat load in the cylinder. It is also possible to achieve a reduction of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of a turbo cooling system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a control block diagram in the first embodiment.
FIG. 3 is a main part configuration diagram showing a second embodiment;
FIG. 4 is a supply air pressure and temperature diagram in the present invention.
FIG. 5 is a supply air pressure and temperature diagram in the prior art.
FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exhaust turbocharger 1a Turbine 1b Compressor 2 Turbo cooling supercharger 2a Expansion turbine 2b Compressor 3 1st air cooler 4 2nd air cooler 5 Supply chamber 05 Supply pipe 6 Exhaust collecting pipe 7 Cylinder 8 Exhaust Pipe 9 Air pipe 10 Air supply pipe 15 Variable speed motor 16 Output shaft 17, 34 Gear train 18 Rotating shaft 20 Controller 21 Supply air pressure detector 22 Engine speed detector 23 Engine output detector 24 Supply air pressure comparator 25 Reference supply Air pressure setting unit 26 Motor output calculation unit 27 Motor control device 31 Crankshaft 32 Crank gear 100 Engine

Claims

After the air pressurized by the first compressor of the exhaust turbocharger is cooled by the first air cooler, the air is pressurized by the second compressor of the turbo cooling supercharger, and then by the second air cooler. After cooling, the pressurized air is cooled by causing expansion work in the expansion turbine of the turbocooling supercharger, and the second compressor is driven to supply low-temperature air at the outlet of the expansion turbine to the engine. in the turbo cooling system, the only set an auxiliary driving device connected to a rotary shaft of the second compressor of a turbo cooling supercharger imparting auxiliary power to the second compressor, for detecting the boost pressure of the engine Supply air pressure detector, engine output state detector for detecting engine output state such as engine speed and engine output, and the engine output Means for setting a reference air supply pressure corresponding to an engine output state detection value from the state detector, and an air supply pressure deviation by comparing the air supply pressure detection value from the air supply pressure detector with the reference air supply pressure And a controller for calculating the power of the auxiliary drive device based on the supply air pressure deviation and outputting a calculated power value of the auxiliary drive device to a drive control unit of the auxiliary drive device, The controller is configured to control the rotation of the turbo-cooling supercharger so that the supply air temperature of the engine is maintained at a reference supply air pressure and a reference supply air temperature that lower the heat release temperature level to the outside. Turbo cooling system characterized by

2. The turbo cooling according to claim 1, wherein the auxiliary drive device is configured by connecting an output shaft of a variable speed motor to a rotation shaft of the second compressor through a connection mechanism such as a gear train. system.

The turbo cooling system according to claim 2, wherein the variable speed motor is a variable speed electric motor capable of speed control.

The turbo cooling system according to claim 2, wherein the variable speed motor is a hydraulic motor capable of speed control.

2. The turbo cooling system according to claim 1, wherein the auxiliary drive device is configured by connecting a crankshaft of an engine to a rotation shaft of the second compressor via a connection mechanism such as a gear train.