JP6071814B2 - 過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサの吸気冷却を行う過給装置に関する。

コンプレッサの吸気冷却を行う過給装置に関して、特許文献１には、コンプレッサの空気取り入れ口にて水を噴射することで吸気ガスを冷却することが記載されている。また、コンプレッサにおけるインペラのクリープ強度を高めるために、コンプレッサの吸気をヒートパイプとの熱交換により冷却するとともに、ヒートパイプを冷却水により冷却することが記載されている。

特開２００４−１５０３６７号公報

ところで、過給装置におけるコンプレッサの吸気冷却を行うために、上述の特許文献１に記載のように水を使用する場合、水を供給するためのエネルギー（ポンプの駆動エネルギー等）が必要となる。

しかしながら、特許文献１には、コンプレッサの吸気冷却に必要な水を供給するためのエネルギー使用を低減する構成については何ら開示されていない。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、コンプレッサの吸気冷却を行って吸気効率を向上することで、コンプレッサの駆動エネルギーを低減するとともに、吸気冷却に必要な水を供給するためのエネルギー使用を低減することができる過給装置を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一実施形態に係る過給装置は、
（１）内燃機関へ供給する空気を加圧するためのコンプレッサと、
前記空気を前記コンプレッサに取り込むための取り込み部と、
前記コンプレッサの下流側かつ前記内燃機関の上流側に設けられ、前記コンプレッサから吐出された前記空気を冷却するための空気冷却器と、
前記空気冷却器で凝縮した水を回収するための回収管と、
前記取り込み部に設けられ、前記回収管によって回収された前記水を前記コンプレッサに取り込む空気中に蒸発させて該空気を冷却するよう構成される蒸発装置と、
を有する。

上記（１）に記載の過給装置によれば、取り込み部に設けられた蒸発装置によって、水をコンプレッサに取り込む空気中に蒸発させて空気を冷却することで、コンプレッサに取り込む空気の密度を上げて吸気効率を向上し、コンプレッサの駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、コンプレッサに取り込む空気を冷却することで、コンプレッサインペラの温度上昇が抑制され、コンプレッサインペラのクリープ強度の低下を抑制することができる。また、コンプレッサの下流側に設けられた空気冷却器では、コンプレッサの吐出空気が冷却されて凝縮水が生じる。この凝縮水は、コンプレッサから吐出される高圧の空気によって押し出されるので、この凝縮水を回収管によって回収して蒸発装置によって蒸発させれば、蒸発装置に水を供給するために必要なエネルギー（ポンプを駆動するのに必要なエネルギー等）を効果的に低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の過給装置において、
（２）前記蒸発装置は、前記回収管によって回収された前記水を前記コンプレッサに取り込む空気中に噴霧することで前記水を該空気中に蒸発させるよう構成される。

コンプレッサの下流側に設けられた空気冷却器で凝縮した水はコンプレッサから吐出される高圧の空気によって回収管に押し出される。そこで、上記（２）に記載の過給装置のように、回収管によって回収された水を蒸発装置が噴霧すれば、コンプレッサからの高圧の空気の圧力を利用できるので、蒸発装置に水を供給するために必要なエネルギーを効果的に低減しつつ、コンプレッサの駆動に要するエネルギーも低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の過給装置において、
（３）前記蒸発装置は、前記コンプレッサの吸気方向における下流側に向かって前記水を噴霧するよう構成される。

上記（３）に記載の過給装置によれば、噴霧した水がコンプレッサの吸気の流れを妨げることなく蒸発するので、コンプレッサの性能を良好に発揮しつつ、コンプレッサの駆動に要するエネルギーを効果的に低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載の過給装置において、
（４）前記蒸発装置は、前記コンプレッサのインペラに向けて前記水を噴霧するよう構成される。

上記（４）に記載の過給装置によれば、インペラの回転領域では空気が加圧されて温度が上昇するので、コンプレッサのインペラに向けて水を噴霧することで、インペラの回転領域内で多量の水を蒸発させることができる。これにより、インペラの回転領域内での空気の温度上昇を抑制して、コンプレッサの駆動に要するエネルギーを効果的に低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の過給装置において、
（５）前記蒸発装置は、前記コンプレッサのインペラの翼部に向けて前記水を噴霧するよう構成される。

上記（５）に記載の過給装置によれば、インペラの回転領域では空気が加圧されて温度が上昇するので、コンプレッサのインペラの翼部に向けて水を噴霧することで、インペラの回転領域内により多量の水を蒸発させることができる。これにより、インペラの回転領域内での空気の温度上昇を抑制して、コンプレッサの駆動に要するエネルギーを効果的に低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の過給装置において、
（６）前記蒸発装置は、吸水素材で構成され、前記回収管によって回収された前記水を吸収して前記コンプレッサに取り込む空気中に蒸発させるよう構成される。

上記（６）に記載の過給装置によれば、コンプレッサの下流側に設けられた空気冷却器で凝縮した水は、コンプレッサから吐出される高圧の空気によって押し出されるので、この水を回収管によって回収して吸水素材に吸水させれば、簡易な構成でコンプレッサに取り込む空気に水を蒸発させることができる。従って、簡易な構成でコンプレッサの駆動に要するエネルギーを低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（６）に記載の過給装置において、
（７）前記取り込み部への前記空気の取り込み口には、前記取り込み部への異物の侵入を抑制するためにフィルタが設けられ、
前記フィルタが前記吸水素材で構成される。

通常、過給装置における空気の取り込み口には、異物の侵入を抑制するためのフィルタが設けられている。従って、上記（７）に記載の過給装置のように、このフィルタを吸水素材で構成することで、特段の追加部材を設けることなく、簡易な構成で水を効果的に蒸発させてコンプレッサの駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、フィルタから蒸発した水がコンプレッサに取り込まれるので、インペラ翼部への水滴の衝突に起因するインペラ翼部のエロージョン（液滴の衝突の力によりインペラ翼部に減肉が生じる現象）を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、上記（６）に記載の過給装置において、
（８）前記取り込み部には、コンプレッサが発生する音を低減するためのサイレンサエレメントが設けられ、
前記吸水部材は、サイレンサエレメント内に設けられる。

過給装置の空気の取り込み部には、コンプレッサが発生する音を低減するためのサイレンサエレメントが設けられることがある。従って、吸水部材をこのサイレンサエレメント内に設けることで、簡易な構成で水を効果的に蒸発させてコンプレッサの駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、サイレンサエレメントから蒸発した水がコンプレッサに取り込まれるので、インペラ翼部への水滴の衝突に起因するインペラ翼部のエロージョンを抑制することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、コンプレッサの吸気冷却を行うことでコンプレッサ駆動エネルギーを低減するとともに、吸気冷却に必要な水を供給するためのエネルギー使用を低減することができる。

幾つかの実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る取り込み部周辺の断面及び空気の流れを示す概略図である。 図３におけるＡ−Ａ断面を示す概略図である。 過給装置に用いる蒸発装置の具体的構成例を説明するための概略図である。 放水器の構成を説明するための概略図である。 サイレンサエレメントの具体的構成例を示す概略図である。 蒸発装置へ水を供給するための構成例を示す概略図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、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、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、幾つかの実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。
図１に示す内燃機関システム１００は、内燃機関２と、内燃機関２へ供給する空気を加圧するための過給装置４と、過給装置４が有するタービン６によって駆動される発電機８と、を有している。内燃機関２としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を用いることができる。

過給装置４は、内燃機関２へ供給する空気を加圧するためのコンプレッサ１０と、空気（外気）をコンプレッサ１０に取り込むための取り込み部１２と、シャフト１３を介してコンプレッサ１０と連結され内燃機関２の排気によって駆動されるタービン６とを備えている。

また、過給装置４は、コンプレッサ１０の下流側かつ内燃機関２の上流側に空気冷却器１４を有しており、空気冷却器１４は、コンプレッサ１０から吐出された空気を冷却するよう構成されている。コンプレッサ１０から吐出された空気は、空気冷却器１４によって冷却されることで凝縮して水（以下、凝縮水と記載する場合がある）を生じる。

また、過給装置４は、空気冷却器１４で生じた凝縮水を回収するための回収管１６と、コンプレッサ１０に取り込む空気を冷却するよう構成された蒸発装置１８を有している。蒸発装置１８は、取り込み部１２に設けられており、回収管１６によって回収された凝縮水をコンプレッサ１０に取り込む空気中に蒸発させて該空気を冷却するよう構成されている。

このように、取り込み部１２に設けられた蒸発装置１８で水をコンプレッサ１０に取り込む空気中に蒸発させて該空気を冷却することで、コンプレッサ１０に取り込む空気の密度を上げてコンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、コンプレッサ１０の下流側に設けられた空気冷却器１４で生じた凝縮水は、コンプレッサ１０から吐出される高圧の空気によって押し出されるので、この凝縮水を回収管１６によって回収して蒸発装置１８によって蒸発させれば、蒸発装置１８に水を供給するために必要なエネルギーを効果的に低減することができる。このように、コンプレッサ１０の駆動に要するエネルギー及び蒸発装置１８に水を供給するために必要なエネルギーを低減することで、発電機８の発電量を増加させることができる。

なお、図１に示す内燃機関システム１００は、過給装置４が有するタービン６によって発電機８を駆動するよう構成されているが、図２に示す内燃機関システム２００のように、過給装置４が有するタービン６とは別のタービン２０によって発電機８を駆動するよう構成してもよい。また、過給装置４が発電機８を内蔵する構成であってもよい。

次に、図３〜図６を用いて、図１や図２に示した過給装置４の具体的構成例を説明する。
図３は、幾つかの実施形態に係る取り込み部１２周辺の概略断面及び空気の流れを示す図である。

図３に示すコンプレッサ１０は、ハブ２２とハブ２２の周りに設けられた翼部２４とを有するインペラ２６と、コンプレッサハウジング３６と、を有している。コンプレッサハウジング３６は、インペラ２６の周りを囲むシュラウド壁２８と、吸気口３０と、スクロール部３４と、ディフューザ部３２と、を形成する。
コンプレッサ１０の吸気口３０には空気をコンプレッサ１０に取り込むための取り込み部１２が取り付けられている。取り込み部１２は、インペラ２６の回転軸線Ｏに沿って設けられており、取り込み部１２の取り込み口３７には、コンプレッサ１０が発生する音を低減するためのサイレンサ３８と、取り込み部１２及びコンプレッサ１０への異物の侵入を抑制するためのフィルタ４０とが設けられている。コンプレッサ１０には、このフィルタ４０及びサイレンサ３８を通った空気が取り込まれる。また、取り込み部１２は、図３の白抜き矢印に示すように、インペラ２６の半径方向において内側へ空気を取り込み部１２内に取り込んだ後、インペラ２６の軸線方向に沿ってコンプレッサ１０へ空気を導くように構成されている。

図４は、図３におけるＡ−Ａ断面を示す概略図である。図４に示すように、サイレンサ３８は、周方向に配列された複数のサイレンサエレメント３９を備えており、フィルタ４０は、サイレンサ３８の外側を覆うように取り込み部１２の外周に設けられている。フィルタ４０を介して取り込まれた空気は、サイレンサエレメント３９の間を通って取り込み部１２内へ取り込まれる。

図５は、図１や図２に示した過給装置４に用いる蒸発装置１８の具体的構成例を説明するための図である。図５における取り込み部１２及びコンプレッサ１０の基本構成は図４と同様である。図５に示す取り込み部１２には、蒸発装置１８としてのノズル４１が設けられている。空気冷却器１４は、前述したようにコンプレッサ１０の吐出空気を冷却するよう構成されており、コンプレッサ１０の吐出空気は空気冷却器１４で冷却されることで凝縮水を生じる。この凝縮水は、空気冷却器１４の下部に設けられた凝縮水溜まり部１５に溜まるよう構成されている。また、回収管１６は、凝縮水溜まり部１５に溜まった凝縮水を回収してノズル４１に供給するよう構成されている。ノズル４１は、回収管１６によって回収された凝縮水をコンプレッサ１０に取り込む空気中に噴霧することで、該空気中に凝縮水を蒸発させるよう構成されている。

コンプレッサ１０の下流側に設けられた空気冷却器１４で生じた凝縮水はコンプレッサ１０から吐出される高圧の空気によって回収管１６に押し出される。そこで、上述のように回収管１６によって回収された凝縮水をノズル４１に供給すれば、コンプレッサ１０の吐出空気の圧力を利用できるので、ノズル４１に水を供給し且つその水を噴霧するために必要なエネルギーを効果的に低減しつつ、コンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーも低減することができる。

このノズル４１は、コンプレッサ１０の吸気方向における下流側に向かって凝縮水を噴霧するよう構成することが望ましい。これにより、噴霧した水がコンプレッサ１０の吸気の流れを妨げることなく蒸発するので、コンプレッサ１０の性能を良好に発揮しつつ、コンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーを効果的に低減することができる。
また、このノズル４１は、コンプレッサ１０のインペラ２６に向けて凝縮水を噴霧することが更に望ましい。インペラ２６の回転領域では空気が加圧されて温度が上昇するので、コンプレッサ１０のインペラ２６に向けて水を噴霧することで、インペラ２６の回転領域内で多量の水を蒸発させることができる。これにより、インペラ２６の回転領域内での空気の温度上昇を抑制して、コンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーを効果的に低減することができる。同様の理由から、ノズル４１は、コンプレッサ１０のインペラ２６の翼部２４に向けて凝縮水を噴霧することが更に望ましい。

図５を用いて説明した実施形態では蒸発装置１８としてノズル４１を用いたのに対し、幾つかの他の実施形態では、蒸発装置１８として図３及び図４におけるフィルタ４０を用いてもよい。この場合、フィルタ４０は、吸水素材で構成され、回収管１６によって回収された凝縮水を吸収し、フィルタ４０を通過する空気中にこの凝縮水を蒸発させるよう構成される。吸水素材としては、フェルト材やスポンジ材等を使用することができる。

また、回収管１６によって回収された凝縮水をフィルタ４０に吸収させるための構成として、例えば図６に示すような放水器４２を用いることができる。図６に示す放水器４２には、空気冷却器１４の下部に設けられた凝縮水溜まり部１５から回収管１６によって回収された凝縮水が供給される。放水器４２は、取り込み部１２の周りに環状に設けられた主管４４と、主管４４からインペラ２６の回転軸線Ｏ方向に直線状に延設された複数の枝管４６とを有する。複数の枝管４６は、取り込み部１２の周りに周方向において等間隔に配置されている。回収管１６から放水器４２に供給された空気冷却器１４の凝縮水は、主管４４を通って複数の枝管４６に供給され、複数の枝管４６の各々に設けられた開口部からフィルタ４０に向かって放水される。

このように、取り込み部１２に通常設けられているフィルタ４０を吸水素材で構成して、フィルタ４０を通過する空気中に凝縮水を蒸発させるよう構成することで、簡易な構成でコンプレッサ１０に取り込む空気中に水を蒸発させることができる。従って、簡易な構成でコンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、フィルタ４０から蒸発した水がコンプレッサ１０に取り込まれるので、図５に示した水を噴霧する実施形態と比較して、インペラ２６の翼部２４への液滴の衝突に起因する翼部２４のエロージョン（液滴の衝突の力により翼部に減肉が生じる現象）を抑制することができる。

また、幾つかの他の実施形態では、図３及び図４におけるサイレンサエレメント３９の内部に吸水素材を充填し、これを蒸発装置１８として用いてもよい。この場合のサイレンサエレメント３９の具体的な構成例を図７に示す。図７に示すサイレンサエレメント３９は、アルミパンチングフレーム４８と、アルミパンチングフレーム４８内に充填された吸水素材５０と、を有する。吸水素材５０としては、ロックウール等のフェルト材や、スポンジ材等を用いることができる。吸水素材５０は、回収管１６によって回収された凝縮水を吸収し、複数のサイレンサエレメント３９の間を通過する空気中にこの凝縮水を蒸発させるよう構成される。サイレンサエレメント３９に水を供給する構成としては、例えば図６に示す放水器４２と同様の構成を使用することができる。

このように、サイレンサエレメント３９の内部に吸水素材５０を充填すれば、取り込み部１２内に空気が流入する際に大きな圧力損失を伴うことなく、簡易な構成で水を効果的に蒸発させてコンプレッサ１０の駆動に要するエネルギーを低減することができる。また、サイレンサエレメント３９の吸水素材５０から蒸発した水がコンプレッサ１０に取り込まれるので、図５に示した水を噴霧する実施形態と比較して、インペラ２６の翼部２４への水滴の衝突に起因する翼部２４のエロージョンを抑制することができる。

なお、図１〜図７を用いて説明した幾つかの実施形態では、空気冷却器１４から蒸発装置１８へ回収管１６を介して水を供給する構成を示した。これらの実施形態において、蒸発装置１８に供給する水が不足する場合は、図８（Ａ）に示すように、空気冷却器１４の凝縮水とは別の水源からの水を昇圧ポンプ５２により昇圧し、昇圧された水を回収管１６に供給することで不足分を補ってもよい。また、蒸発装置１８に供給する水の圧力が不足する場合は、図８（Ｂ）に示すように、空気冷却器１４と蒸発装置１８とを接続する回収管１６の途中に昇圧ポンプ５２を設けてもよい。また、蒸発装置１８に供給する水及びその圧力が不足する場合は、図８（Ｃ）に示すように、空気冷却器１４と蒸発装置１８とを接続する回収管１６の途中に昇圧ポンプ５２を設け、回収管１６における空気冷却器１４と昇圧ポンプ５２の間の位置に上記別の水源からの水を供給してもよい。蒸発装置１８として図５に示したノズル４１を用いる場合に噴霧する水を昇圧ポンプ５２により昇圧すれば、噴霧する水を更に微粒化でき、翼部２４のエロージョンの影響を低減することができる。

図１〜図８に例示したいずれの実施形態においても、コンプレッサ１０の下流側に設けられた空気冷却器１４で凝縮した水を、回収管１６によって回収して蒸発装置１８によって蒸発させることで、コンプレッサ１０の吐出空気の圧力を利用して蒸発装置１８に水を供給できる。これにより、蒸発装置１８に水を供給するために必要なエネルギーを効果的に低減することができる。また、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示したように昇圧ポンプ５２が必要な場合であっても、昇圧ポンプ５２の容量を小型化することができる。

２ 内燃機関
４ 過給装置
６ タービン
８ 発電機
１０ コンプレッサ
１２ 取り込み部
１４ 空気冷却器
１５ 凝縮水溜まり部
１６ 回収管
１８ 蒸発装置
２０ タービン
２２ ハブ
２４ 翼部
２６ インペラ
２８ シュラウド壁
３０ 吸気口
３２ ディフューザ部
３４ スクロール部
３６ コンプレッサケーシング
３７ 取り込み口
３８ サイレンサ
３９ サイレンサエレメント
４０ フィルタ
４１ ノズル
４２ 放水器
４４ 主管
４６ 枝管
４８ アルミパンチングフレーム
５０ 吸水素材
５２ 昇圧ポンプ
１００，２００ 内燃機関システム

Claims (3)

1. 内燃機関へ供給する空気を加圧するためのコンプレッサと、
   前記空気を前記コンプレッサに取り込むための取り込み部と、
   前記コンプレッサの下流側かつ前記内燃機関の上流側に設けられ、前記コンプレッサから吐出された前記空気を冷却するための空気冷却器と、
   前記空気冷却器で凝縮した水を回収するための回収管と、
   前記取り込み部に設けられ、前記回収管によって回収された前記水を前記コンプレッサに取り込む前記空気中に蒸発させて前記空気を冷却するよう構成される蒸発装置と、
   を有し、
   前記蒸発装置は、吸水素材で構成され、前記回収管によって回収された前記水を吸収して前記コンプレッサに取り込む空気中に蒸発させるよう構成され、
   前記取り込み部には、前記コンプレッサが発生する音を低減するためのサイレンサエレメントが設けられ、
   前記吸水素材は、サイレンサエレメント内に設けられる過給装置。
2. 内燃機関へ供給する空気を加圧するためのコンプレッサと、
   前記空気を前記コンプレッサに取り込むための取り込み部と、
   前記コンプレッサの下流側かつ前記内燃機関の上流側に設けられ、前記コンプレッサから吐出された前記空気を冷却するための空気冷却器と、
   前記空気冷却器で凝縮した水を回収するための回収管と、
   前記取り込み部に設けられ、前記回収管によって回収された前記水を前記コンプレッサに取り込む前記空気中に蒸発させて前記空気を冷却するよう構成される蒸発装置と、
   を有し、
   前記蒸発装置は、吸水素材で構成され、前記回収管によって回収された前記水を吸収して前記コンプレッサに取り込む空気中に蒸発させるよう構成され、
   前記取り込み部の取り込み口には、前記コンプレッサが発生する音を低減するためのサイレンサエレメントを含むサイレンサと、前記サイレンサの外側を覆うように、前記取り込み部への異物の侵入を抑制するためのフィルタとが設けられ、
   前記フィルタが前記吸水素材で構成される過給装置。
   
3. 前記取り込み部の周りに環状に設けられた主管と、前記主管から前記インペラの回転軸線に沿って延設された複数の枝管と、を含み、前記複数の枝管の各々に設けられた開口部から前記フィルタに向かって放水するように構成された放水器をさらに有する請求項２に記載の過給装置。

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