JP3953636B2 - レシプロエンジン用多段過給システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機用レシプロエンジンの多段過給システムに関し、より詳しくは、高度２５Ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機のレシプロエンジンに用いる多段過給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の大気の挙動を調査する等の各種の研究のために、高度２５ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機の開発が進められている。このような航空機に用いる推進システムとしては、ジェットエンジンおよび多段過給機付きレシプロエンジンが挙げられるが、これらは次のような特徴を有している。
【０００３】
ジェットエンジンには多段構造の軸流圧縮機が使用されているが、この軸流圧縮機は、高度の上昇により圧縮機翼列のレイノルズ数が低下すると剥離が生じる。そして、この剥離が後段側の圧縮機翼列に影響し、圧縮機効率の低下を招く。高度とレイノルズ数との関係を示した図８から明らかなように、軸流圧縮機の臨界レイノルズ数はＲｅ＝５００００で、その高度は約２０ｋｍとなる。これにより、より高度の高い領域を飛行すると圧縮機が正常に作動しなくなってしまう。また、ジェットエンジンは燃料消費率が高いため、ジェットエンジンによる高空域の長時間飛行は困難となる。
【０００４】
一方、圧縮機には軸流圧縮機、遠心圧縮機、斜流圧縮機があるが、これらの圧縮機におけるレイノルズ数低下に伴う剥離の特性は以下の通りである。すなわち、 軸流圧縮機は多段構造であるため、前段の剥離が後段に影響する。 遠心圧縮機のインペラーに生じた剥離は、遠心力により再付着する。 斜流圧縮機は遠心圧縮機と同等の特性を示す。したがって、レイノルズ数の影響による圧縮機効率を勘案すると、高度２５ｋｍ以上の高空域を飛行する航空機の推進システムには、遠心圧縮機若しくは斜流圧縮機を用いなければならないことが判る。
【０００５】
レシプロエンジンにおいては、高度上昇に伴う空気密度の低下よりエンジン出力が低下する。そこで、過給器を用いてエンジン吸気を地上における大気圧と同等の圧力まで昇圧させることにより、エンジンの出力を確保できる。また、レシプロエンジンは燃料消費率が小さいため、限られた燃料搭載量で長時間にわたる飛行が可能となる。
【０００６】
ところで、図９に示したように、既存の過給器における圧力比の最大値は、船舶用で約４．５：１程度である。これにより、このような過給器を１段のみ備えたレシプロエンジンにおいては、地上と同等なエンジン出力が得られる飛行高度は、大気圧が地上の約１／４．５となる高度約１１ｋｍが限界となる。また、この過給器を２段組み合わせたレシプロエンジンについて検討すると、到達可能な飛行高度は、大気圧が地上大気圧の１／（４．５×４．５）＝１／２０となる高度約２１ｋｍが限界となる。したがって、高度２５ｋｍ以上の高空域の飛行を可能とするためには、３段以上の過給器をレシプロエンジンに組み合わせる必要がある。
【０００７】
次に、高々度領域の飛行を可能とする３段過給器付きレシプロエンジンに関する諸外国における技術動向について説明する。
【０００８】
まず最初に、高度２４ｋｍまでの到達飛行実績を有するドイツ製航空機ＳＴＲＡＴＯ２Ｃに搭載された、ＧＲＯＢ社製の３段過給器付きレシプロエンジンについて説明する。図１０に示したように、このエンジンの過給器は、高圧段過給機１および２軸の低・中圧段過給機２，３から構成され、高度７ｋｍより低い高度域を飛行する場合には高圧段過給機１のみを使用するが、高度７ｋｍより高い高度域を飛行する場合には、高圧段過給機１および低・中圧段過給機２，３のすべてを作動させて過給圧を供給する。
【０００９】
また、ＮＡＳＡが進めているＥＲＡＳＴ（Environmental Research Aircraftand Sensor Technology)プログラムにおいては、高度約２５ｋｍにおける飛行を目標として、３段過給器付きレシプロエンジンの開発研究が進められている。図１１に示したように、このエンジンにおける過給機の高、中、低圧段の各タービン１１，１２，１３は、１つの配管１４によってつながっている。これにより、エンジンの排気エネルギは高、中、低圧段の各タービン１１，１２，１３のすべてを駆動し、高、中、低圧段の各圧縮機１５，１６，１７を作動させて過給するようになっている。そして、必要以上の過給圧が得られる場合には、エンジンのスロットル１８およびウェイストゲートバルブ１９を操作することにより過給圧を制御するものと考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＧＲＯＢ社製の３段過給器付レシプロエンジンにおいては、高圧段過給機１が、エンジンの排気エネルギーを排気ウェイストゲートバルブ４を介して排気管５にバイパスさせるとともに、高圧段圧縮機によって得られた過給圧を高圧段ブリードバルブ６を介して排気管７にバイパスさせることにより過給圧を制御している。このように、圧縮機によって得られた過給圧を排気管にバイパスさせることにより、すなわち過給圧を排気管に捨てることにより制御するということは、圧縮機が必要以上の仕事を行っていることとなり、システム効率の低い制御方式となっている。
【００１１】
また低・中圧段過給機２，３においては、高圧段過給機１のタービン出口から低・中圧段タービンまでが１つの配管８でつながっているため、高圧段タービンの排気エネルギーにより低・中圧段のタービンが同時に駆動される。これにより、低・中圧段の圧縮機が過給の必要の有無に係わらず常に駆動されるため、駆動損失が大きい。さらに、低・中圧段の圧縮機から得られる必要以上の過給圧は、高圧段過給器と同様に、低圧段ブリードバルブ９Ｌおよび中圧段ブリードバルブ９Ｉよって排気管にバイパスさせるようになっており、システム効率が低くなっている。
【００１２】
一方、上述したＮＡＳＡの３段過給器付きレシプロエンジンにおいては、タービン側の配管１４が１つにつながっているため、エンジンの排気エネルギーが高・中・低圧段の各タービン１１，１２，１３を常に駆動している。これにより、低・中・高圧段の各圧縮機１５，１６，１７が常に作動するため、駆動損失が大きい。
【００１３】
また、低高度領域においては３段全ての過給機を作動させる必要性はない。しかしながら、このシステムは３段全ての過給機を常に駆動しているため、低高度領域において必要となる過給圧を各段の過給機で分担することになる。これにより、飛行高度に応じて各段の圧縮機を効率の良い領域で使用することができず、システム全体の効率を低下させる。
【００１４】
さらに、このシステムにおいては各タービンが連動して駆動されるため、タービンおよび圧縮機の応答に時間遅れが生じる。これにより、突風等の影響による急激な圧力変動がエンジンの吸・排気に生じた場合、応答の時間遅れに起因してエンジンの作動不安定となり、制御が困難になる可能性もある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、高度２５ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機に用いて好適なレシプロエンジン用多段過給システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明は、航空機用レシプロエンジンに昇圧させた吸気を供給するための多段過給システムであって、互いに直列に接続された複数段の過給器と、これらの過給器の作動を制御する制御手段とを備える。
また、各段の前記過給器は、前記レシプロエンジンからの排気を受けて回転するタービンと、このタービンによって駆動されて前記レシプロエンジンに供給する吸気を昇圧させる圧縮機と、前記排気を前記タービンを迂回させて上流側から下流側に直接供給するタービン側バイパス路と、前記圧縮機で昇圧させた吸気を前記圧縮機を迂回させて前記圧縮機の下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路と、前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の流量を制御するウェイストゲートバルブと、前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の流量を制御するブリードバルブと、前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブをそれぞれ作動させるバルブ作動手段と、前記圧縮機の下流側に配置された圧力センサとをそれぞれ有する。
そして、前記制御手段は、前記圧力センサからの信号を受けて前記バルブ作動手段の作動を制御し、各段の前記過給器の作動を制御するとともに、ある段の前記圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段の前記バルブ作動手段を操作して前記タービン側バイパス路および前記圧縮機側バイパス路を閉じ、その段の前記タービンおよび前記圧縮機を作動させる。
さらに、各段毎の前記所定値を、予め設定した飛行高度における各段の過給器の圧縮機の上流側と下流側における吸気圧力の比がそれぞれ等しくなるように定める。
【００１７】
また、前記制御手段は、各段の前記圧力センサから得られた圧力値の単位時間あたりの増加率が所定の値を越えたときに、前記ブリードバルブを開いてその段の圧縮機で昇圧させた前記吸気の一部を前記圧縮機側バイパス路を介してその段の前記圧縮機の上流側に戻す。
【００１８】
前記ウェイストゲートバルブは、その開度と前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有する。同様に、前記ブリードバルブは、その開度と前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有する。
【００１９】
前記バルブ作動手段は、エンジン潤滑油の圧力を用いて前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブを作動させるようにすることができる。
【００２０】
前記圧力センサは、絶対圧力を検出する。また、前記圧縮機を遠心圧縮機とする。
【００２１】
すなわち、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の過給器のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを個別に制御することにより、各段の過給機を個別に、他の段の過給器に依存することなく作動させることができる。これにより、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないから、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００２２】
また、ある段の圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを制御してその段のタービンおよび圧縮機を作動させることができる。これにより、航空機の飛行高度に対応させて各段の過給機をそれぞれ最も効率の良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２３】
また、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定めれば、各段の過給器の圧縮機の上流側と下流側における吸気圧力の比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくすることができる。これにより、エンジン吸気を昇圧させる圧縮仕事を圧縮過程ＰＶ線図の等温線に接近させて行わせることができるから、圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムにおいては、圧縮機で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないため、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２５】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の圧縮機の下流側から上流側に吸気を戻す圧縮機側バイパス路にブリードバルブを有している。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合には、タービン側バイパス路に設けたウェイストゲートバルブと圧縮機側バイパス路に設けたブリードバルブとを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力制御の不安定さを低減させ、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムを、図１乃至図７を参照して詳細に説明する。
ここで、図１は本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムの構成を示す模式図、図２は図１中に示したウェイストゲートバルブおよびブリードバルブの作動を説明する模式図、図３は各段の過給器の圧力比を等しくした場合の圧縮過程ＰＶ線図、図４は各段の過給器の圧力比を不均等とした場合の圧縮過程ＰＶ線図、図５は図１中に示した高圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図、図６は図１中に示した中圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図、図７は図１中に示した低圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図である。
【００２７】
図１に示したように、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、航空機用エンジン２０に供給する吸気を昇圧させる高圧段過給器３０、中圧段過給器４０，低圧段過給器５０からなる３段の過給器と、これらの過給器にそれぞれ設けられたウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３と、各段の過給器の圧縮機出口側にそれぞれ設けられた圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３と、これらの圧力センサが検出した圧力値に基づいて前記バルブの作動を制御する図示されない制御手段を備えている。
【００２８】
前記高圧段過給器３０は、前記エンジン２０の排気管２１からの排気を受け入れる排気導入管３１と、受け入れた排気によって駆動される高圧段タービン３２と、この高圧段タービン３２から排気を排出する排気管３３とを有している。また、この高圧段過給器３０は、排気導入管３１に受け入れた排気を高圧段タービン３２を迂回させて下流側の排気管３３に直接供給するタービン側バイパス路３４を有している。そして、このタービン側バイパス路３４の途中には、このタービン側バイパス路３４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ１が設けられている。
【００２９】
さらに、この高圧段過給器３０は、前記中圧段過給器４０から吸気を受け入れる吸気導入管３５と、高圧段タービン３２によって駆動されて前記吸気導入管３５を介して受け入れた吸気を昇圧させる高圧段圧縮機３６と、この高圧段圧縮機３６によって昇圧された吸気をエンジン２０の吸気管２２に供給する吸気供給管３７とを有している。また、この高圧段過給器３０は、高圧段圧縮機３６によって昇圧された吸気を前記吸気供給管３７内から取り出して上流側の吸気導入管３５に戻す圧縮機側バイパス路３８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路３８の途中には、この圧縮機側バイパス路３８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ１が設けられている。さらに、前記吸気供給管３７には、エンジン２０に供給する吸気を冷却するインタークーラー３９が設けられている。
【００３０】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ１および前記ブリードバルブＢ１は、図２に示したように、エンジン２０の潤滑油圧力によって作動するアクチュエータＷ１１およびＢ１１と、これらのアクチュエータＷ１１，Ｂ１１が開閉動作する弁体Ｗ１２およびＢ１２をそれぞれ有している。なお、アクチュエータの作動源として別に発生させた油圧や電気サーボモータを用いることもできる。そして、前記弁体Ｗ１２およびＢ１２の作動によって、ウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１の開度と、前記タービン側バイパス路３４を流れる排気の流量および前記圧縮機側バイパス路３８を流れる吸気の流量とがそれぞれ比例するようになっている。
【００３１】
前記中圧段過給器４０は、高圧段過給器３０の排気管３３から排出される排気を受け入れる排気導入管４１と、受け入れた排気によって駆動される中圧段タービン４２と、このタービンから排気を排出する排気管４３とを有している。また、この中圧段過給器４０は、排気導入管４１に受け入れた排気を中圧段タービン４２を迂回させて下流側の排気管４３に直接供給するタービン側バイパス路４４を有している。そして、このタービン側バイパス路４４の途中には、このタービン側バイパス路４４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ２が設けられている。
【００３２】
さらに、この中圧段過給器４０は、前記低圧段過給器５０から吸気を受け入れる吸気導入管４５と、中圧段タービン４２によって駆動されて前記吸気導入管４５を介して受け入れた吸気を昇圧させる中圧段圧縮機４６と、この中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気を高圧段過給器３０の吸気導入管３５に供給する吸気供給管４７とを有している。また、この中圧段過給器４０は、中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気を前記吸気供給管４７内から取り出して上流側の吸気導入管４５に戻す、圧縮機側バイパス路４８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路４８の途中には、この圧縮機側バイパス路４８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ２が設けられている。さらに、前記吸気供給管４７には、高圧段過給器３０の吸気導入管３５に供給する吸気を冷却するインタークーラー４９が設けられている。
【００３３】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ２および前記ブリードバルブＢ２は、前述した高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１と同様の構造を有し、その開度と、タービン側バイパス路４４を流れる排気の流量および圧縮機側バイパス路４８を流れる吸気の流量とが比例するようになっている。
【００３４】
前記低圧段過給器５０は、中圧段過給器４０の排気管４３から排出される排気を受け入れる排気導入管５１と、受け入れた排気によって駆動される低圧段タービン５２と、このタービンから排気を排出する排気管５３とを有している。また、この低圧段過給器５０は、排気導入管５１に受け入れた排気を低圧段タービン５２を迂回させて下流側の排気管５３に直接供給するタービン側バイパス路５４を有している。そして、このタービン側バイパス路５４の途中には、このタービン側バイパス路５４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ３が設けられている。
【００３５】
さらに、この低圧段過給器５０は、大気を受け入れる大気導入管５５と、低圧段タービン５２によって駆動されて前記大気導入管５５を介して受け入れた大気を昇圧させる低圧段圧縮機５６と、この低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気を中圧段過給器４０の吸気導入管４５に供給する吸気供給管５７とを有している。また、この低圧段過給器５０は、低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気を吸気供給管５７内から取り出して上流側の大気導入管５５に戻す圧縮機側バイパス路５８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路５８の途中には、この圧縮機側バイパス路５８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ３が設けられている。
【００３６】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ３および前記ブリードバルブＢ３は、前述した高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１と同様の構造を有し、その開度と、タービン側バイパス路５４を流れる排気の流量および圧縮機側バイパス路５８を流れる吸気の流量とが比例するようになっている。
【００３７】
すなわち、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００においては、各圧縮機３６，４６，５６で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機３６，４６，５６の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないため、システム全体の効率を向上させることができる。
【００３８】
また、前記圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ各段の過給器３０，４０，５０の吸気供給管３７，４７，５７内の吸気の圧力を検出する。さらに、低圧段過給器５０の前記大気導入管５５内の大気の圧力を検出するために、圧力センサＰ４が設けられている。
【００３９】
一方、マイクロコンピュータから構成される前記制御手段は、各段のウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３の開閉を個別に制御し、各段のタービン３２，４２，５２および圧縮機３６，４６，５６を、他の段の過給器に依存することなく個別に制御する。これにより、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないため、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００４０】
また、前記制御手段は、前記圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３によって検出された圧力が各段毎に設定した所定値に達したときに初めて、各段のタービン３２，４２，５２および圧縮機３６，４６，５６を個別に作動させる。これにより、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、航空機の飛行高度に応じて、各段の過給機をそれぞれ最も効率が良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４１】
また、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定めれば、各段の過給器の圧縮機の上流側および下流側における吸気の圧力比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくすることができる。すると、各段の過給器３０，４０，５０が吸気を昇圧させる圧縮仕事は、図３に示した圧縮過程ＰＶ線図において「１→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→２」の経路で行われる。これに対して、各段の過給器の圧力比が等しくない場合には、各段の過給器３０，４０，５０が吸気を昇圧させる圧縮仕事は、図４に示した圧縮過程ＰＶ線図において「１→ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→２」の経路で行われることになり、斜線を付した領域の面積が大きい分だけ仕事量が多くなってしまう。すなわち、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００によれば、エンジンの吸気を昇圧させる圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４２】
また、制御手段は、圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３によって検出された圧力の単位時間あたりの変化率が急激に増加すると、ブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３の開度を調節し、各段の圧縮機３６，４６，５６の下流側から上流側に昇圧した吸気の一部を戻す。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合でも、各ウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３と各ブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３とを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力の不安定さを低減し、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【００４３】
次に、上述のように構成された本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００の作動制御について、図５乃至図７に示したフローチャートを参照し、航空機が離陸して上昇する場合を例に取って説明する。
【００４４】
離陸時には、ステップ（以下Ｓと表す）１において、高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１のみを閉じ、中圧段過給器４０および低圧段過給器５０のウェイストゲートバルブＷ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ２，Ｂ３は開いておく。これにより、高圧段過給器３０のみが作動し、中圧段過給器４０および低圧段過給器５０は作動しない。
【００４５】
エンジンが全開にされると、エンジン２０からの排気はその全量が高圧段過給器３０タービン３２を通って排出される。しかしながら、高圧段過給器３０は所定の高度に達して初めて高効率の圧力比が得られる設定なので、離陸時における圧縮効率は悪く、エンジン２０に供給される吸気は殆ど昇圧されない。
【００４６】
離陸して高度が増加し大気圧が徐々に下がると、高圧段タービン３２の上流側と下流側との圧力差が広がってタービン３２の回転数が増加するので、高圧段圧縮機３６が作動する。これにより、エンジン２０の吸気管２２に供給される吸気圧は地上の大気圧と等しくなる。なお、高度の増加に伴って高圧段圧縮機３６に流入する大気の圧力も低下するが、高圧段タービン３２の回転数の増加によって十分な昇圧が可能である。
【００４７】
Ｓ２において、高圧段過給器３０からエンジン２０の吸気管２２に供給する吸気の圧力Ｐ１を、圧力センサＰ１を用いて絶えずチェックしながら上昇を続ける。このとき、Ｐ１の値が所定値Ｐ１０を越えた場合には、Ｓ３に進んでＰ１の値の単位時間当たりの変化率を計算する。そして、この変化率が上昇中に遭遇した突風等に起因して所定の値ｄ１０を越えた場合にはＳ４に進み、高圧段過給器３０のブリードバルブＢ１を開く。すると、高圧段圧縮機３６によって昇圧した吸気の一部が吸気供給管３７から取り出され、高圧段圧縮機３６の上流側である吸気導入管３５に戻されるので、エンジン２０に供給する吸気の圧力Ｐ１を低下させることができる。そして、Ｓ５においてＰ１の値の単位時間当たりの変化率が所定の値ｄ１１より小さい値に転じたことが確認されると、Ｓ６に進んでブリードバルブＢ１を閉じその後ウェイストゲートバルブＷ１を開き、高圧段タービン３２の回転数を制御する。
【００４８】
なお、Ｐ１の値が急激にではないが所定値Ｐ１０を越えた場合には、Ｓ７に進んでウェイストゲートバルブＷ１を開き、高圧段タービン３２の回転数を制御する。これにより、高圧段圧縮機３６からエンジン２０に供給する吸気の圧力を低下させる。そしてＳ８において、エンジン２０に供給する吸気の圧力Ｐ１が、所定値Ｐ１１からＰ１０の範囲内にあるか否かを絶えずチェックする。
【００４９】
同時に、Ｓ９において、中圧段過給器４０から高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力を圧力センサＰ２を用いて絶えずチェックする。そして、Ｐ２の値が所定値Ｐ２０を下回っている間は、上述したＳ３〜Ｓ９のループを反復する。
【００５０】
一方、Ｓ９において、中圧段過給器４０から高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力Ｐ２が所定値Ｐ２０を下回ったことが確認されたときは、中圧段過給器４０を用いた過給が必要になった場合、すなわち図３に示した圧縮過程ＰＶ線図におけるＤ点に達した場合であるから、図６のフローチャートに示した制御を開始する。
【００５１】
すなわち、航空機が上昇して高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力が所定値Ｐ２０を下回ると、Ｓ１０において中圧段過給器４０のウェイストゲートバルブＷ２およびブリードバルブＢ２を閉じる。これにより、高圧段タービン３２から排出された排気の全量が中圧段タービン４２に流入するとともに、中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気の全量が高圧段圧縮機３６に流入するようになる。
【００５２】
ウェイストゲートバルブＷ２およびブリードバルブＢ２を閉じた直後は、中圧段圧縮機４６による吸気の昇圧度合いは低いが、航空機がさらに上昇するに連れて中圧段タービン４２の上流側と下流側との差圧が拡大し、中圧段タービン４２の回転数が増加するので、中圧段圧縮機４６による吸気の昇圧度合いも高まる。
【００５３】
中圧段過給器４０のＳ１１〜Ｓ１７における動作は、高圧段過給器３０のＳ２〜Ｓ８における動作と同一であるから説明を省略する。そして、Ｓ１８において、中圧段過給器４０に供給される大気の圧力Ｐ３が所定値Ｐ３０を上回っていることが確認される場合には、Ｓ３〜Ｓ１８のループを反復する。これに対して、中圧段過給器４０に供給される大気の圧力Ｐ３が所定値Ｐ３０を下回ったことが確認されたときには、低圧段過給器５０を用いた過給が必要になった場合、すなわち図３に示した圧縮過程ＰＶ線図におけるＢ点に達した場合であるから、図７のフローチャートに示した制御を開始する。
【００５４】
すなわち、航空機が上昇して中圧段過給器４０に供給される吸気の圧力が所定値Ｐ３０を下回ると、Ｓ１９において低圧段過給器５０のウェイストゲートバルブＷ３およびブリードバルブＢ３を閉じる。これにより、中圧段タービン４２から排出された排気の全量が低圧段タービン５２に流入するとともに、低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気の全量が中圧段圧縮機４６に流入するようになる。
【００５５】
ウェイストゲートバルブＷ３およびブリードバルブＢ３を閉じた直後は、低圧段圧縮機５６による吸気の昇圧度合いは低いが、航空機がさらに上昇するに連れて低圧段タービン５２の上流側と下流側との差圧が拡大し、低圧段タービン５２の回転数が増加するので、低圧段圧縮機５６による吸気の昇圧度合いも高まる。
【００５６】
低圧段過給器５０のＳ２０〜Ｓ２６における動作は、高圧段過給器３０のＳ２〜Ｓ８における動作と同一であるから説明を省略する。そしてＳ２６において、低圧段過給器５０から中圧段過給器４０に供給される昇圧された吸気の圧力Ｐ３がＰ３１〜Ｐ３０の範囲内にあることが確認されたときには、Ｓ３〜Ｓ２６のループを反復する。
【００５７】
なお、低圧段圧縮機５０に流入する大気の圧力Ｐ４の値を絶えずチェックすることにより、航空機が所定高度にまで上昇したか否かを確認することができる。そして、所定高度に達した後はスロットルバルブの開度を調整し、エンジン２０の出力を調整して飛行高度の制御を行う。なお、スロットルバルブ２３は、応答性を良くするために高圧段過給器３０，から昇圧された吸気を受け入れるエンジン２０の吸気管２２に設けられている。
【００５８】
また、上述した説明中におれる各所定値、すなわちＰ１０，Ｐ１１，ｄ１０，ｄ１１，Ｐ２０，Ｐ２１，ｄ２０，ｄ２１，Ｐ３０，Ｐ３１，ｄ３０，ｄ３１の各値は、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００を効率よく作動させるために、スロットルバルブ２３の開度に応じた値に設定される。
【００５９】
航空機の降下は、高度をチェックしながらスロットル開度を調整して行う。このとき、所定の高度になれば自然に圧縮も行われなくなるので、ウェイストゲートバルブやブリードバルブは開放しなくてもよい。
【００６０】
また、前述したように、所定高度での巡航状態２５ｋｍにおいては、各段の圧縮機３６，４６，５６の上流側と下流側との吸気圧力の比は等しい。したがって、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００を用いて高度２５ｋｍまで上昇する場合には、一段当たり約３．４２の圧縮比が得られれば地上の大気圧と等しい圧力の吸気をエンジン２０に供給することができるが、この約３．４２という一段当たりの圧縮比は、現在の技術で十分達成可能な値である。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の過給器のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを個別に制御することにより、各段の過給機を個別に、他の段の過給器に依存することなく作動させることができる。これにより、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないから、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００６２】
また、ある段の圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを制御してその段のタービンおよび圧縮機を作動させることができる。これにより、航空機の飛行高度に対応させて各段の過給機をそれぞれ最も効率の良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６３】
このとき、請求項１に係る発明においては、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定め、各段の過給器の圧縮機の上流側および下流側における吸気の圧力比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくする。これにより、エンジン吸気を昇圧させる圧縮仕事を圧縮過程ＰＶ線図の等温線に接近させて行わせることができるから、圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６４】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムにおいては、圧縮機で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないから、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６５】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の圧縮機の下流側から上流側に吸気を戻す圧縮機側バイパス路にブリードバルブを有している。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合には、タービン側バイパス路に設けたウェイストゲートバルブと圧縮機側バイパス路に設けたブリードバルブとを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力制御の不安定さを低減させ、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムの構成を示す模式図。
【図２】図１中に示したウェイストゲートバルブおよびブリードバルブの作動を説明する模式図。
【図３】各段の過給器の圧力比を等しくした場合の圧縮過程ＰＶ線図。
【図４】各段の過給器の圧力比を不均等とした場合の圧縮過程ＰＶ線図。
【図５】図１中に示した高圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図６】図１中に示した中圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図７】図１中に示した低圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図８】高度とレイノルズ数との関係を示す線図。
【図９】既存の過給器の圧力比を比較する線図。
【図１０】ドイツＧＲＯＢ社製の３段過給器付きレシプロエンジンの模式図。
【図１１】ＮＡＳＡの３段過給器付きレシプロエンジンの模式図。
【符号の説明】
２０ レシプロエンジン
２１ 排気管
２２ 吸気管
２３ スロットルバルブ
３０ 高圧段過給器
３２ 高圧段タービン
３４ タービン側バイパス路
３６ 高圧段圧縮機
３８ 圧縮機側バイパス路
４０ 中圧段過給器
４２ 中圧段タービン
４４ タービン側バイパス路
４６ 中圧段圧縮機
４８ 圧縮機側バイパス路
５０ 低圧段過給器
５２ 低圧段タービン
５４ タービン側バイパス路
５６ 低圧段圧縮機
５８ 圧縮機側バイパス路
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ブリードバルブ
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ ウェイストゲートバルブ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 圧力センサ
１００ 本発明によるレシプロエンジン用多段過給システム
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機用レシプロエンジンの多段過給システムに関し、より詳しくは、高度２５Ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機のレシプロエンジンに用いる多段過給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の大気の挙動を調査する等の各種の研究のために、高度２５ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機の開発が進められている。このような航空機に用いる推進システムとしては、ジェットエンジンおよび多段過給機付きレシプロエンジンが挙げられるが、これらは次のような特徴を有している。
【０００３】
ジェットエンジンには多段構造の軸流圧縮機が使用されているが、この軸流圧縮機は、高度の上昇により圧縮機翼列のレイノルズ数が低下すると剥離が生じる。そして、この剥離が後段側の圧縮機翼列に影響し、圧縮機効率の低下を招く。高度とレイノルズ数との関係を示した図８から明らかなように、軸流圧縮機の臨界レイノルズ数はＲｅ＝５００００で、その高度は約２０ｋｍとなる。これにより、より高度の高い領域を飛行すると圧縮機が正常に作動しなくなってしまう。また、ジェットエンジンは燃料消費率が高いため、ジェットエンジンによる高空域の長時間飛行は困難となる。
【０００４】
一方、圧縮機には軸流圧縮機、遠心圧縮機、斜流圧縮機があるが、これらの圧縮機におけるレイノルズ数低下に伴う剥離の特性は以下の通りである。すなわち、 軸流圧縮機は多段構造であるため、前段の剥離が後段に影響する。 遠心圧縮機のインペラーに生じた剥離は、遠心力により再付着する。 斜流圧縮機は遠心圧縮機と同等の特性を示す。したがって、レイノルズ数の影響による圧縮機効率を勘案すると、高度２５ｋｍ以上の高空域を飛行する航空機の推進システムには、遠心圧縮機若しくは斜流圧縮機を用いなければならないことが判る。
【０００５】
レシプロエンジンにおいては、高度上昇に伴う空気密度の低下よりエンジン出力が低下する。そこで、過給器を用いてエンジン吸気を地上における大気圧と同等の圧力まで昇圧させることにより、エンジンの出力を確保できる。また、レシプロエンジンは燃料消費率が小さいため、限られた燃料搭載量で長時間にわたる飛行が可能となる。
【０００６】
ところで、図９に示したように、既存の過給器における圧力比の最大値は、船舶用で約４．５：１程度である。これにより、このような過給器を１段のみ備えたレシプロエンジンにおいては、地上と同等なエンジン出力が得られる飛行高度は、大気圧が地上の約１／４．５となる高度約１１ｋｍが限界となる。また、この過給器を２段組み合わせたレシプロエンジンについて検討すると、到達可能な飛行高度は、大気圧が地上大気圧の１／（４．５×４．５）＝１／２０となる高度約２１ｋｍが限界となる。したがって、高度２５ｋｍ以上の高空域の飛行を可能とするためには、３段以上の過給器をレシプロエンジンに組み合わせる必要がある。
【０００７】
次に、高々度領域の飛行を可能とする３段過給器付きレシプロエンジンに関する諸外国における技術動向について説明する。
【０００８】
まず最初に、高度２４ｋｍまでの到達飛行実績を有するドイツ製航空機ＳＴＲＡＴＯ２Ｃに搭載された、ＧＲＯＢ社製の３段過給器付きレシプロエンジンについて説明する。図１０に示したように、このエンジンの過給器は、高圧段過給機１および２軸の低・中圧段過給機２，３から構成され、高度７ｋｍより低い高度域を飛行する場合には高圧段過給機１のみを使用するが、高度７ｋｍより高い高度域を飛行する場合には、高圧段過給機１および低・中圧段過給機２，３のすべてを作動させて過給圧を供給する。
【０００９】
また、ＮＡＳＡが進めているＥＲＡＳＴ（Environmental Research Aircraftand Sensor Technology)プログラムにおいては、高度約２５ｋｍにおける飛行を目標として、３段過給器付きレシプロエンジンの開発研究が進められている。図１１に示したように、このエンジンにおける過給機の高、中、低圧段の各タービン１１，１２，１３は、１つの配管１４によってつながっている。これにより、エンジンの排気エネルギは高、中、低圧段の各タービン１１，１２，１３のすべてを駆動し、高、中、低圧段の各圧縮機１５，１６，１７を作動させて過給するようになっている。そして、必要以上の過給圧が得られる場合には、エンジンのスロットル１８およびウェイストゲートバルブ１９を操作することにより過給圧を制御するものと考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＧＲＯＢ社製の３段過給器付レシプロエンジンにおいては、高圧段過給機１が、エンジンの排気エネルギーを排気ウェイストゲートバルブ４を介して排気管５にバイパスさせるとともに、高圧段圧縮機によって得られた過給圧を高圧段ブリードバルブ６を介して排気管７にバイパスさせることにより過給圧を制御している。このように、圧縮機によって得られた過給圧を排気管にバイパスさせることにより、すなわち過給圧を排気管に捨てることにより制御するということは、圧縮機が必要以上の仕事を行っていることとなり、システム効率の低い制御方式となっている。
【００１１】
また低・中圧段過給機２，３においては、高圧段過給機１のタービン出口から低・中圧段タービンまでが１つの配管８でつながっているため、高圧段タービンの排気エネルギーにより低・中圧段のタービンが同時に駆動される。これにより、低・中圧段の圧縮機が過給の必要の有無に係わらず常に駆動されるため、駆動損失が大きい。さらに、低・中圧段の圧縮機から得られる必要以上の過給圧は、高圧段過給器と同様に、低圧段ブリードバルブ９Ｌおよび中圧段ブリードバルブ９Ｉよって排気管にバイパスさせるようになっており、システム効率が低くなっている。
【００１２】
一方、上述したＮＡＳＡの３段過給器付きレシプロエンジンにおいては、タービン側の配管１４が１つにつながっているため、エンジンの排気エネルギーが高・中・低圧段の各タービン１１，１２，１３を常に駆動している。これにより、低・中・高圧段の各圧縮機１５，１６，１７が常に作動するため、駆動損失が大きい。
【００１３】
また、低高度領域においては３段全ての過給機を作動させる必要性はない。しかしながら、このシステムは３段全ての過給機を常に駆動しているため、低高度領域において必要となる過給圧を各段の過給機で分担することになる。これにより、飛行高度に応じて各段の圧縮機を効率の良い領域で使用することができず、システム全体の効率を低下させる。
【００１４】
さらに、このシステムにおいては各タービンが連動して駆動されるため、タービンおよび圧縮機の応答に時間遅れが生じる。これにより、突風等の影響による急激な圧力変動がエンジンの吸・排気に生じた場合、応答の時間遅れに起因してエンジンの作動不安定となり、制御が困難になる可能性もある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、高度２５ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機に用いて好適なレシプロエンジン用多段過給システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明は、航空機用レシプロエンジンに昇圧させた吸気を供給するための多段過給システムであって、互いに直列に接続された複数段の過給器と、これらの過給器の作動を制御する制御手段とを備える。
また、各段の前記過給器は、前記レシプロエンジンからの排気を受けて回転するタービンと、このタービンによって駆動されて前記レシプロエンジンに供給する吸気を昇圧させる圧縮機と、前記排気を前記タービンを迂回させて上流側から下流側に直接供給するタービン側バイパス路と、前記圧縮機で昇圧させた吸気を前記圧縮機を迂回させて前記圧縮機の下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路と、前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の流量を制御するウェイストゲートバルブと、前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の流量を制御するブリードバルブと、前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブをそれぞれ作動させるバルブ作動手段と、前記圧縮機の下流側に配置された圧力センサとをそれぞれ有する。
そして、前記制御手段は、前記圧力センサからの信号を受けて前記バルブ作動手段の作動を制御し、各段の前記過給器の作動を制御するとともに、ある段の前記圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段の前記バルブ作動手段を操作して前記タービン側バイパス路および前記圧縮機側バイパス路を閉じ、その段の前記タービンおよび前記圧縮機を作動させる。
さらに、各段毎の前記所定値を、予め設定した飛行高度における各段の過給器の圧縮機の上流側と下流側における吸気圧力の比がそれぞれ等しくなるように定める。
【００１７】
また、前記制御手段は、各段の前記圧力センサから得られた圧力値の単位時間あたりの増加率が所定の値を越えたときに、前記ブリードバルブを開いてその段の圧縮機で昇圧させた前記吸気の一部を前記圧縮機側バイパス路を介してその段の前記圧縮機の上流側に戻す。
【００１８】
前記ウェイストゲートバルブは、その開度と前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有する。同様に、前記ブリードバルブは、その開度と前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有する。
【００１９】
前記バルブ作動手段は、エンジン潤滑油の圧力を用いて前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブを作動させるようにすることができる。
【００２０】
前記圧力センサは、絶対圧力を検出する。また、前記圧縮機を遠心圧縮機とする。
【００２１】
すなわち、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の過給器のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを個別に制御することにより、各段の過給機を個別に、他の段の過給器に依存することなく作動させることができる。これにより、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないから、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００２２】
また、ある段の圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを制御してその段のタービンおよび圧縮機を作動させることができる。これにより、航空機の飛行高度に対応させて各段の過給機をそれぞれ最も効率の良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２３】
また、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定めれば、各段の過給器の圧縮機の上流側と下流側における吸気圧力の比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくすることができる。これにより、エンジン吸気を昇圧させる圧縮仕事を圧縮過程ＰＶ線図の等温線に接近させて行わせることができるから、圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムにおいては、圧縮機で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないため、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２５】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の圧縮機の下流側から上流側に吸気を戻す圧縮機側バイパス路にブリードバルブを有している。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合には、タービン側バイパス路に設けたウェイストゲートバルブと圧縮機側バイパス路に設けたブリードバルブとを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力制御の不安定さを低減させ、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムを、図１乃至図７を参照して詳細に説明する。
ここで、図１は本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムの構成を示す模式図、図２は図１中に示したウェイストゲートバルブおよびブリードバルブの作動を説明する模式図、図３は各段の過給器の圧力比を等しくした場合の圧縮過程ＰＶ線図、図４は各段の過給器の圧力比を不均等とした場合の圧縮過程ＰＶ線図、図５は図１中に示した高圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図、図６は図１中に示した中圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図、図７は図１中に示した低圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図である。
【００２７】
図１に示したように、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、航空機用エンジン２０に供給する吸気を昇圧させる高圧段過給器３０、中圧段過給器４０，低圧段過給器５０からなる３段の過給器と、これらの過給器にそれぞれ設けられたウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３と、各段の過給器の圧縮機出口側にそれぞれ設けられた圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３と、これらの圧力センサが検出した圧力値に基づいて前記バルブの作動を制御する図示されない制御手段を備えている。
【００２８】
前記高圧段過給器３０は、前記エンジン２０の排気管２１からの排気を受け入れる排気導入管３１と、受け入れた排気によって駆動される高圧段タービン３２と、この高圧段タービン３２から排気を排出する排気管３３とを有している。また、この高圧段過給器３０は、排気導入管３１に受け入れた排気を高圧段タービン３２を迂回させて下流側の排気管３３に直接供給するタービン側バイパス路３４を有している。そして、このタービン側バイパス路３４の途中には、このタービン側バイパス路３４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ１が設けられている。
【００２９】
さらに、この高圧段過給器３０は、前記中圧段過給器４０から吸気を受け入れる吸気導入管３５と、高圧段タービン３２によって駆動されて前記吸気導入管３５を介して受け入れた吸気を昇圧させる高圧段圧縮機３６と、この高圧段圧縮機３６によって昇圧された吸気をエンジン２０の吸気管２２に供給する吸気供給管３７とを有している。また、この高圧段過給器３０は、高圧段圧縮機３６によって昇圧された吸気を前記吸気供給管３７内から取り出して上流側の吸気導入管３５に戻す圧縮機側バイパス路３８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路３８の途中には、この圧縮機側バイパス路３８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ１が設けられている。さらに、前記吸気供給管３７には、エンジン２０に供給する吸気を冷却するインタークーラー３９が設けられている。
【００３０】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ１および前記ブリードバルブＢ１は、図２に示したように、エンジン２０の潤滑油圧力によって作動するアクチュエータＷ１１およびＢ１１と、これらのアクチュエータＷ１１，Ｂ１１が開閉動作する弁体Ｗ１２およびＢ１２をそれぞれ有している。なお、アクチュエータの作動源として別に発生させた油圧や電気サーボモータを用いることもできる。そして、前記弁体Ｗ１２およびＢ１２の作動によって、ウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１の開度と、前記タービン側バイパス路３４を流れる排気の流量および前記圧縮機側バイパス路３８を流れる吸気の流量とがそれぞれ比例するようになっている。
【００３１】
前記中圧段過給器４０は、高圧段過給器３０の排気管３３から排出される排気を受け入れる排気導入管４１と、受け入れた排気によって駆動される中圧段タービン４２と、このタービンから排気を排出する排気管４３とを有している。また、この中圧段過給器４０は、排気導入管４１に受け入れた排気を中圧段タービン４２を迂回させて下流側の排気管４３に直接供給するタービン側バイパス路４４を有している。そして、このタービン側バイパス路４４の途中には、このタービン側バイパス路４４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ２が設けられている。
【００３２】
さらに、この中圧段過給器４０は、前記低圧段過給器５０から吸気を受け入れる吸気導入管４５と、中圧段タービン４２によって駆動されて前記吸気導入管４５を介して受け入れた吸気を昇圧させる中圧段圧縮機４６と、この中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気を高圧段過給器３０の吸気導入管３５に供給する吸気供給管４７とを有している。また、この中圧段過給器４０は、中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気を前記吸気供給管４７内から取り出して上流側の吸気導入管４５に戻す、圧縮機側バイパス路４８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路４８の途中には、この圧縮機側バイパス路４８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ２が設けられている。さらに、前記吸気供給管４７には、高圧段過給器３０の吸気導入管３５に供給する吸気を冷却するインタークーラー４９が設けられている。
【００３３】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ２および前記ブリードバルブＢ２は、前述した高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１と同様の構造を有し、その開度と、タービン側バイパス路４４を流れる排気の流量および圧縮機側バイパス路４８を流れる吸気の流量とが比例するようになっている。
【００３４】
前記低圧段過給器５０は、中圧段過給器４０の排気管４３から排出される排気を受け入れる排気導入管５１と、受け入れた排気によって駆動される低圧段タービン５２と、このタービンから排気を排出する排気管５３とを有している。また、この低圧段過給器５０は、排気導入管５１に受け入れた排気を低圧段タービン５２を迂回させて下流側の排気管５３に直接供給するタービン側バイパス路５４を有している。そして、このタービン側バイパス路５４の途中には、このタービン側バイパス路５４を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブＷ３が設けられている。
【００３５】
さらに、この低圧段過給器５０は、大気を受け入れる大気導入管５５と、低圧段タービン５２によって駆動されて前記大気導入管５５を介して受け入れた大気を昇圧させる低圧段圧縮機５６と、この低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気を中圧段過給器４０の吸気導入管４５に供給する吸気供給管５７とを有している。また、この低圧段過給器５０は、低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気を吸気供給管５７内から取り出して上流側の大気導入管５５に戻す圧縮機側バイパス路５８を有している。そして、この圧縮機側バイパス路５８の途中には、この圧縮機側バイパス路５８を流れる吸気の流量を制御するブリードバルブＢ３が設けられている。
【００３６】
また、前記ウェイストゲートバルブＷ３および前記ブリードバルブＢ３は、前述した高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１と同様の構造を有し、その開度と、タービン側バイパス路５４を流れる排気の流量および圧縮機側バイパス路５８を流れる吸気の流量とが比例するようになっている。
【００３７】
すなわち、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００においては、各圧縮機３６，４６，５６で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機３６，４６，５６の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないため、システム全体の効率を向上させることができる。
【００３８】
また、前記圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ各段の過給器３０，４０，５０の吸気供給管３７，４７，５７内の吸気の圧力を検出する。さらに、低圧段過給器５０の前記大気導入管５５内の大気の圧力を検出するために、圧力センサＰ４が設けられている。
【００３９】
一方、マイクロコンピュータから構成される前記制御手段は、各段のウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３の開閉を個別に制御し、各段のタービン３２，４２，５２および圧縮機３６，４６，５６を、他の段の過給器に依存することなく個別に制御する。これにより、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないため、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００４０】
また、前記制御手段は、前記圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３によって検出された圧力が各段毎に設定した所定値に達したときに初めて、各段のタービン３２，４２，５２および圧縮機３６，４６，５６を個別に作動させる。これにより、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００は、航空機の飛行高度に応じて、各段の過給機をそれぞれ最も効率が良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４１】
また、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定めれば、各段の過給器の圧縮機の上流側および下流側における吸気の圧力比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくすることができる。すると、各段の過給器３０，４０，５０が吸気を昇圧させる圧縮仕事は、図３に示した圧縮過程ＰＶ線図において「１→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→２」の経路で行われる。これに対して、各段の過給器の圧力比が等しくない場合には、各段の過給器３０，４０，５０が吸気を昇圧させる圧縮仕事は、図４に示した圧縮過程ＰＶ線図において「１→ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→２」の経路で行われることになり、斜線を付した領域の面積が大きい分だけ仕事量が多くなってしまう。すなわち、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００によれば、エンジンの吸気を昇圧させる圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４２】
また、制御手段は、圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３によって検出された圧力の単位時間あたりの変化率が急激に増加すると、ブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３の開度を調節し、各段の圧縮機３６，４６，５６の下流側から上流側に昇圧した吸気の一部を戻す。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合でも、各ウェイストゲートバルブＷ１，Ｗ２，Ｗ３と各ブリードバルブＢ１，Ｂ２，Ｂ３とを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力の不安定さを低減し、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【００４３】
次に、上述のように構成された本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００の作動制御について、図５乃至図７に示したフローチャートを参照し、航空機が離陸して上昇する場合を例に取って説明する。
【００４４】
離陸時には、ステップ（以下Ｓと表す）１において、高圧段過給器３０のウェイストゲートバルブＷ１およびブリードバルブＢ１のみを閉じ、中圧段過給器４０および低圧段過給器５０のウェイストゲートバルブＷ２，Ｗ３およびブリードバルブＢ２，Ｂ３は開いておく。これにより、高圧段過給器３０のみが作動し、中圧段過給器４０および低圧段過給器５０は作動しない。
【００４５】
エンジンが全開にされると、エンジン２０からの排気はその全量が高圧段過給器３０タービン３２を通って排出される。しかしながら、高圧段過給器３０は所定の高度に達して初めて高効率の圧力比が得られる設定なので、離陸時における圧縮効率は悪く、エンジン２０に供給される吸気は殆ど昇圧されない。
【００４６】
離陸して高度が増加し大気圧が徐々に下がると、高圧段タービン３２の上流側と下流側との圧力差が広がってタービン３２の回転数が増加するので、高圧段圧縮機３６が作動する。これにより、エンジン２０の吸気管２２に供給される吸気圧は地上の大気圧と等しくなる。なお、高度の増加に伴って高圧段圧縮機３６に流入する大気の圧力も低下するが、高圧段タービン３２の回転数の増加によって十分な昇圧が可能である。
【００４７】
Ｓ２において、高圧段過給器３０からエンジン２０の吸気管２２に供給する吸気の圧力Ｐ１を、圧力センサＰ１を用いて絶えずチェックしながら上昇を続ける。このとき、Ｐ１の値が所定値Ｐ１０を越えた場合には、Ｓ３に進んでＰ１の値の単位時間当たりの変化率を計算する。そして、この変化率が上昇中に遭遇した突風等に起因して所定の値ｄ１０を越えた場合にはＳ４に進み、高圧段過給器３０のブリードバルブＢ１を開く。すると、高圧段圧縮機３６によって昇圧した吸気の一部が吸気供給管３７から取り出され、高圧段圧縮機３６の上流側である吸気導入管３５に戻されるので、エンジン２０に供給する吸気の圧力Ｐ１を低下させることができる。そして、Ｓ５においてＰ１の値の単位時間当たりの変化率が所定の値ｄ１１より小さい値に転じたことが確認されると、Ｓ６に進んでブリードバルブＢ１を閉じその後ウェイストゲートバルブＷ１を開き、高圧段タービン３２の回転数を制御する。
【００４８】
なお、Ｐ１の値が急激にではないが所定値Ｐ１０を越えた場合には、Ｓ７に進んでウェイストゲートバルブＷ１を開き、高圧段タービン３２の回転数を制御する。これにより、高圧段圧縮機３６からエンジン２０に供給する吸気の圧力を低下させる。そしてＳ８において、エンジン２０に供給する吸気の圧力Ｐ１が、所定値Ｐ１１からＰ１０の範囲内にあるか否かを絶えずチェックする。
【００４９】
同時に、Ｓ９において、中圧段過給器４０から高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力を圧力センサＰ２を用いて絶えずチェックする。そして、Ｐ２の値が所定値Ｐ２０を下回っている間は、上述したＳ３〜Ｓ９のループを反復する。
【００５０】
一方、Ｓ９において、中圧段過給器４０から高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力Ｐ２が所定値Ｐ２０を下回ったことが確認されたときは、中圧段過給器４０を用いた過給が必要になった場合、すなわち図３に示した圧縮過程ＰＶ線図におけるＤ点に達した場合であるから、図６のフローチャートに示した制御を開始する。
【００５１】
すなわち、航空機が上昇して高圧段過給器３０に供給される吸気の圧力が所定値Ｐ２０を下回ると、Ｓ１０において中圧段過給器４０のウェイストゲートバルブＷ２およびブリードバルブＢ２を閉じる。これにより、高圧段タービン３２から排出された排気の全量が中圧段タービン４２に流入するとともに、中圧段圧縮機４６によって昇圧された吸気の全量が高圧段圧縮機３６に流入するようになる。
【００５２】
ウェイストゲートバルブＷ２およびブリードバルブＢ２を閉じた直後は、中圧段圧縮機４６による吸気の昇圧度合いは低いが、航空機がさらに上昇するに連れて中圧段タービン４２の上流側と下流側との差圧が拡大し、中圧段タービン４２の回転数が増加するので、中圧段圧縮機４６による吸気の昇圧度合いも高まる。
【００５３】
中圧段過給器４０のＳ１１〜Ｓ１７における動作は、高圧段過給器３０のＳ２〜Ｓ８における動作と同一であるから説明を省略する。そして、Ｓ１８において、中圧段過給器４０に供給される大気の圧力Ｐ３が所定値Ｐ３０を上回っていることが確認される場合には、Ｓ３〜Ｓ１８のループを反復する。これに対して、中圧段過給器４０に供給される大気の圧力Ｐ３が所定値Ｐ３０を下回ったことが確認されたときには、低圧段過給器５０を用いた過給が必要になった場合、すなわち図３に示した圧縮過程ＰＶ線図におけるＢ点に達した場合であるから、図７のフローチャートに示した制御を開始する。
【００５４】
すなわち、航空機が上昇して中圧段過給器４０に供給される吸気の圧力が所定値Ｐ３０を下回ると、Ｓ１９において低圧段過給器５０のウェイストゲートバルブＷ３およびブリードバルブＢ３を閉じる。これにより、中圧段タービン４２から排出された排気の全量が低圧段タービン５２に流入するとともに、低圧段圧縮機５６によって昇圧された吸気の全量が中圧段圧縮機４６に流入するようになる。
【００５５】
ウェイストゲートバルブＷ３およびブリードバルブＢ３を閉じた直後は、低圧段圧縮機５６による吸気の昇圧度合いは低いが、航空機がさらに上昇するに連れて低圧段タービン５２の上流側と下流側との差圧が拡大し、低圧段タービン５２の回転数が増加するので、低圧段圧縮機５６による吸気の昇圧度合いも高まる。
【００５６】
低圧段過給器５０のＳ２０〜Ｓ２６における動作は、高圧段過給器３０のＳ２〜Ｓ８における動作と同一であるから説明を省略する。そしてＳ２６において、低圧段過給器５０から中圧段過給器４０に供給される昇圧された吸気の圧力Ｐ３がＰ３１〜Ｐ３０の範囲内にあることが確認されたときには、Ｓ３〜Ｓ２６のループを反復する。
【００５７】
なお、低圧段圧縮機５０に流入する大気の圧力Ｐ４の値を絶えずチェックすることにより、航空機が所定高度にまで上昇したか否かを確認することができる。そして、所定高度に達した後はスロットルバルブの開度を調整し、エンジン２０の出力を調整して飛行高度の制御を行う。なお、スロットルバルブ２３は、応答性を良くするために高圧段過給器３０，から昇圧された吸気を受け入れるエンジン２０の吸気管２２に設けられている。
【００５８】
また、上述した説明中におれる各所定値、すなわちＰ１０，Ｐ１１，ｄ１０，ｄ１１，Ｐ２０，Ｐ２１，ｄ２０，ｄ２１，Ｐ３０，Ｐ３１，ｄ３０，ｄ３１の各値は、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００を効率よく作動させるために、スロットルバルブ２３の開度に応じた値に設定される。
【００５９】
航空機の降下は、高度をチェックしながらスロットル開度を調整して行う。このとき、所定の高度になれば自然に圧縮も行われなくなるので、ウェイストゲートバルブやブリードバルブは開放しなくてもよい。
【００６０】
また、前述したように、所定高度での巡航状態２５ｋｍにおいては、各段の圧縮機３６，４６，５６の上流側と下流側との吸気圧力の比は等しい。したがって、本実施形態のレシプロエンジン用多段過給システム１００を用いて高度２５ｋｍまで上昇する場合には、一段当たり約３．４２の圧縮比が得られれば地上の大気圧と等しい圧力の吸気をエンジン２０に供給することができるが、この約３．４２という一段当たりの圧縮比は、現在の技術で十分達成可能な値である。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の過給器のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを個別に制御することにより、各段の過給機を個別に、他の段の過給器に依存することなく作動させることができる。これにより、既存のシステムのように複数段の過給器の全てを常に作動させる必要がないから、駆動損失を低減させてエンジンの燃料消費率を低下させることができる。
【００６２】
また、ある段の圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段のウェイストゲートバルブおよびブリードバルブを制御してその段のタービンおよび圧縮機を作動させることができる。これにより、航空機の飛行高度に対応させて各段の過給機をそれぞれ最も効率の良い領域で作動させ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６３】
このとき、請求項１に係る発明においては、各段毎に設定する前記所定値の値を適切に定め、各段の過給器の圧縮機の上流側および下流側における吸気の圧力比を、予め設定した飛行高度においてそれぞれ等しくする。これにより、エンジン吸気を昇圧させる圧縮仕事を圧縮過程ＰＶ線図の等温線に接近させて行わせることができるから、圧縮仕事の仕事量を低減させて、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６４】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムにおいては、圧縮機で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合にも、取り出した吸気をその圧縮機の上流側に戻す。これにより、圧縮機で昇圧させた吸気を排気通路に捨てる従来のシステムとは異なり、圧縮機に必要以上の仕事をさせる必要がないから、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６５】
また、本発明のレシプロエンジン用多段過給システムは、各段の圧縮機の下流側から上流側に吸気を戻す圧縮機側バイパス路にブリードバルブを有している。これにより、飛行中に遭遇した突風等の影響によりエンジン吸気圧に急激な変動が生じた場合には、タービン側バイパス路に設けたウェイストゲートバルブと圧縮機側バイパス路に設けたブリードバルブとを連動させることにより、エンジンに供給する吸気の圧力制御の不安定さを低減させ、エンジンの作動を迅速に安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態のレシプロエンジン用多段過給システムの構成を示す模式図。
【図２】図１中に示したウェイストゲートバルブおよびブリードバルブの作動を説明する模式図。
【図３】各段の過給器の圧力比を等しくした場合の圧縮過程ＰＶ線図。
【図４】各段の過給器の圧力比を不均等とした場合の圧縮過程ＰＶ線図。
【図５】図１中に示した高圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図６】図１中に示した中圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図７】図１中に示した低圧段の過給器の作動を説明するフローチャート図。
【図８】高度とレイノルズ数との関係を示す線図。
【図９】既存の過給器の圧力比を比較する線図。
【図１０】ドイツＧＲＯＢ社製の３段過給器付きレシプロエンジンの模式図。
【図１１】ＮＡＳＡの３段過給器付きレシプロエンジンの模式図。
【符号の説明】
２０ レシプロエンジン
２１ 排気管
２２ 吸気管
２３ スロットルバルブ
３０ 高圧段過給器
３２ 高圧段タービン
３４ タービン側バイパス路
３６ 高圧段圧縮機
３８ 圧縮機側バイパス路
４０ 中圧段過給器
４２ 中圧段タービン
４４ タービン側バイパス路
４６ 中圧段圧縮機
４８ 圧縮機側バイパス路
５０ 低圧段過給器
５２ 低圧段タービン
５４ タービン側バイパス路
５６ 低圧段圧縮機
５８ 圧縮機側バイパス路
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ブリードバルブ
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ ウェイストゲートバルブ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 圧力センサ
１００ 本発明によるレシプロエンジン用多段過給システム
Claims (7)
- 航空機用レシプロエンジンに昇圧させた吸気を供給するための多段過給システムであって、
互いに直列に接続された複数段の過給器と、これらの過給器の作動を制御する制御手段とを備え、
各段の前記過給器は、前記レシプロエンジンからの排気を受けて回転するタービンと、このタービンによって駆動されて前記レシプロエンジンに供給する吸気を昇圧させる圧縮機と、前記排気を前記タービンを迂回させて上流側から下流側に直接供給するタービン側バイパス路と、前記圧縮機で昇圧させた吸気を前記圧縮機を迂回させて前記圧縮機の下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路と、前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の流量を制御するウェイストゲートバルブと、前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の流量を制御するブリードバルブと、前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブをそれぞれ作動させるバルブ作動手段と、前記圧縮機の下流側に配置された圧力センサとをそれぞれ有し、
かつ前記制御手段は、前記圧力センサからの信号を受けて前記バルブ作動手段の作動を制御して各段の前記過給器の作動を制御するとともに、ある段の前記圧力センサから得られた圧力値がその段における所定値に達したときに、その段の前記バルブ作動手段を操作して前記タービン側バイパス路および前記圧縮機側バイパス路を閉じ、その段の前記タービンおよび前記圧縮機を作動させ、
各段毎の前記所定値を、予め設定された飛行高度における各段の過給器の圧縮機の上流側と下流側における吸気の圧力の比がそれぞれ等しくなるように定める、
ことを特徴とするレシプロエンジン用多段過給システム。 - 前記制御手段は、各段の前記圧力センサから得られた圧力値の単位時間あたりの増加率が所定の値を越えたときに、前記ブリードバルブを開いてその段の圧縮機で昇圧させた前記吸気の一部を前記圧縮機側バイパス路を介してその段の前記圧縮機の上流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
- 前記ウェイストゲートバルブは、その開度と前記タービン側バイパス路を流れる前記排気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有することを特徴とする請求項１または２に記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
- 前記ブリードバルブは、その開度と前記圧縮機側バイパス路を流れる前記吸気の量とを比例させる制御が可能な弁体を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
- 前記バルブ作動手段は、エンジン潤滑油の圧力を用いて前記ウェイストゲートバルブおよび前記ブリードバルブを作動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
- 前記圧力センサが、絶対圧力を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
- 前記圧縮機が遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレシプロエンジン用多段過給システム。
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