JP6559144B2 - 内燃エンジンの試験のための雰囲気状態調整装置ならびにその調整方法および使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、内燃エンジンの試験の分野に関するものであり、更に詳しくは、内燃エンジンの試験時における雰囲気状態調整装置に関する。

テストベンチにおいて往復式内燃エンジンを試験・評価するについては、多くの場合、当該エンジンの吸入側および排気側の双方において、正確な圧力および／または温度の制御が要請される。このケースとしては、例えば、海面からの高度変化に伴うエンジン制御の較正の試験活動、冷間始動研究、試験活動の期間中における基準状態の再現性等、がある。

多くの場合、圧力が雰囲気圧未満となった時、すなわち、海面よりも高い位置においてシミュレーションを行う時の、圧力制御の問題が惹起される。この事例は、例えば、試験が行われる実験室よりも海面からの高さが高い場所を想定してエンジン運転が試験に供されようとする場合、もしくは、エンジンおよび航空機装置研究の場合に、惹起される。しかしながら、この逆の場合、例えば、地理的にみて海面レベルよりも高い位置にある実験室内で、海面レベル状態の再現がなされる時や海面レベルより低い場所にある鉱掘の中でエンジンの挙動を研究すべき時、雰囲気圧力を上昇させて海面から低い位置の条件を再現することが望ましい場合もある。

このような雰囲気条件調整のシミュレーションを行う、いくつかの方法が、既に、この技術分野では、公知のものとなっている。

例えば、本件特許出願による出願であるスペイン特許公報ＥＳ２３９８０９５Ａ１（この文献は、また、米国公開公報ＵＳ２０１３０３０６１５９Ａ１として公開されている）には、所定の標高で作動する往復式内燃エンジンにより吸引された空気の圧力および温度状態についてシミュレーションを行う装置が開示されている。それにもかかわらず、前記した装置には、性能改善のために解決すべき種々の不具合がある。

スペイン特許公報ＥＳ２３９８０９５Ａ１に開示された装置は、もっぱら、航空機に適用するための、高高度の研究に供されるものであって、海面レベルよりも低い場所に位置する鉱掘内のように、標高が低い条件下でのエンジン作動の研究のためのものではない。この場合は、装置を反転して作動させて、装置が行えるシミュレーション範囲を拡張して、海面から高いレベルの状態のみならず、海面から低いレベルの状態についてのシミュレーションを行うことが望ましい。

前記した装置は、とりわけ、往復式内燃エンジンにより吸引される空気が所定の圧力および温度になるまで空気流を拡張させる半径内方向流タービンを備える。この装置は、更に、温度調整システムを備えており、この温度調整システムは、半径内方向流タービンにより拡張された空気を、摂氏±１０度の範囲内で、所望温度に調整する。温度調整システムを起動させて、標準ＰＩＤ制御により、半径内方向流タービンの精密制御が行われる。それにもかかわらず、構成要素のこのような配設は、高温のような、特定の状態についての適切なシミュレーションを行うことができない。

このケースにおいては、装置が行うことができるシミュレーション範囲を拡張するためには、温度制御システムの改善が望まれる。

米国特許公開公報ＵＳ２００４１８６６９９には、高度可変対応のエンジン試験用シミュレータが開示されており、このシミュレータは、テストサイトにおける高度よりも高高度および低高度のシミュレーションを行うテストサイトに対して吸気側の圧力の増加および減少を調整するとともに、エンジンに供給される空気の温度および圧力を、独立して調整する。

国際公開公報ＷＯ２００８０３６９９３Ａ２には、調整された燃焼ガスを内燃エンジンに供給する方法および装置が開示されている。排気ガスは、エンジンの吸気口に導入された空気と混合可能となっている。内燃エンジンの排気ガスは、内燃エンジン排気ガス用吸引システム、好ましくは、フィルタ、希釈管およびファンを備えるシステム、により、排気管を介して、排出される。

内燃エンジンを試験するために、海面レベルからの異なった高さにおける雰囲気状態のシミュレーションの方法および装置については、いくつかのものが、公知となっているが、従来技術に比べて利点を備えた、新たな方法および装置が、依然として、この技術分野では要求されている。例えば、エネルギー消費量が少ない内燃エンジン試験の圧力および温度に関し、雰囲気状態調整が可能な装置を持つことが望ましい。また、前記した圧力調整および温度調整を、相互独立に行うことが可能な装置を持つことも望ましい。加えて、小型で、使用が簡単且つ容易な設計で、作動モードを変更するに際して大幅な構造変化を要しない装置であって、高度が高い場合と低い場合の双方において、雰囲気状態のシミュレーションを行うことが可能な装置を持つことが望ましい。

本発明は、上記した少なくとも一つないし幾つかの効果を奏する、内燃エンジンの試験のための雰囲気状態調整装置を開示するものである。この目的のために、本発明に係る装置は、
−吸入導管であって、その第１端部において試験に供される内燃エンジンの吸気側に連結されるように配設されて、第２端部を介して外部雰囲気から空気を引き込む吸入導管と、
−排出導管であって、その第１端部において前記内燃エンジンの排気側に連結されるように配設されて、第２端部を介して排気ガスを前記雰囲気に排気する排出導管と、
−前記吸入導管と前記排出導管とを、夫々の第１端部の近くで連通することで、前記装置の吸入側と前記装置の排気側とを連通する第１連通導管と、
−前記吸入導管に配設されて、膨張過程で生成されるエネルギーを発散させる発散システムに連結されたタービンを備える、過給式ターボ発電機と、
−前記吸入導管を循環中の空気流を前記タービン方向に迂回させるバイパスバルブであって、前記タービンと共に調整され得ることで、前記吸入導管内の圧力および空気量の所望値を得さしめるバイパスバルブと、
−前記排出導管および前記吸入導管に個々的に配設されて同じ伝熱流体回路にて連結された熱交換器を持ち、前記過給式ターボ発電機と前記第１連通導管との間に配設され、前記排出導管を流れる排気ガスと前記吸入導管を流れる吸気との間の熱交換を間接的に行うことを容易ならしめる、第１熱再生器と、
−前記第１熱再生器の前記熱交換器と共に前記排出導管に配設され、実際に熱交換される排気ガスの量を調整するバイパスバルブと、
−前記排出導管の、前記第１熱再生器の下流側に位置する部位に配設され、前記排気ガスを所定の安全温度にまで冷却する熱交換器と、
−前記熱交換器の下流側に配設されて、ターボ圧縮機吸入手段により吸入されることで、前記タービンおよび前記バイパスバルブと共に、吸気圧および吸気量の減少を調整する、ターボ圧縮機とを備える。

−前記エンジンの吸気側を前記排出導管の前記第２端部へ連結することおよび前記エンジンの排気側を前記吸入導管の前記第２端部へ連結することで、前記吸入導管が排出導管として作用するとともに前記排出導管が吸入導管として作用するようにして、前記ターボ圧縮機、前記タービンおよび前記バイパスバルブがともに吸気圧の上昇を制御するように、本発明の装置の作動を反転可能とするのが好ましい。

したがって、本発明の装置は、供試エンジンに吸入する空気の圧力および温度の独立した調整を可能にする。本発明の装置は、また、吸入空気の温度を内燃エンジンの排気ガスの熱を用いて上昇することで、最小限のエネルギー消費量でもって、吸入空気の温度調整を可能にするものである。

本発明は、また、
−吸入する雰囲気空気を圧力変化に晒すステップと、
−吸入する空気を温度変化に晒すステップと、
−吸入する空気を出口に向かわせて直接に排気ガスに連通させるステップと、
−独立した圧力変化および温度変化に晒されるべく吸入される空気を、試験されるエンジンの吸入側に導入するステップと、
−ターボ圧縮機を通過させるために、排気ガスの温度を安全温度にまで下降させるステップと、
−試験されるエンジンから雰囲気に排気ガスを放出するステップと、を備える、内燃エンジンを試験するための雰囲気状態調整方法を開示する。

本発明の方法においては、前記吸入空気圧変化ステップは、ターボ圧縮機、タービンおよび吸入空気量を調整するバイパスバルブの複合動作により遂行される。

最後に、本発明は、内燃エンジンの試験中に雰囲気の圧力および温度を独立調整可能とする本発明の装置の用途に関する。

本件発明の好適な実施形態を示す以下の図面を参照することで、本件発明をより良く理解することができるが、これらは例示を介して提供されるものであって、いかなる意味においても、発明内容を限定するように解釈されるものではない。
本発明の第１実施形態に係り、第１作動モードで作動される装置の概略説明図を示す。 本発明の第１実施形態に係り、第２作動モードで作動される装置の概略説明図を示す。 本発明の第２実施形態に係る装置の概略説明図を示す。 本発明の装置のタービンの膨張過程で生成されるエネルギーを発散させるシステムの代替実施形態の概略説明図を示す。 本発明の装置のターボ圧縮機の代替実施形態の概略説明図を示す。

発明の詳細な開示

本発明の第１の好適実施形態に係る装置を以下において説明するが、この装置は、二つの異なったモードで作動するので、一方および他方については、夫々、図１および図２を参照する。図１においては、内燃エンジンが試験下すなわち低圧力下におかれる地理的高度に関し、装置が、海面からの高度が高い場合の影響をシミュレートするために用いられる。これは、例えば、エンジンが高山地帯で運転される例である。

図２においては、内燃エンジンが試験下すなわち高圧力下におかれる地理的高度に関し、装置が、海面からの高度が低い場合の影響をシミュレートするために用いられる。これは、例えば、エンジンが、海面レベルで運転される場合（実験室が海面からの高度が高い場所に設置されているとき）か、はたまた、例えば、鉱掘内部のような、海面下で運転される場合である。

図１からわかるように、装置は、吸入導管（１）を備えており、吸入導管（１）は、その第１端部（１ａ）にて、試験下におかれる内燃エンジンの吸入側（図示略）に接続されるようになっている。吸入導管（１）は、その第２端部（１ｆ）において、フィルタ（２）を有しており、このフィルタ（２）を介して、外側雰囲気から、空気が吸入されるようになっている。フィルタ（２）により、不純物の装置内への侵入が防止されるようになっている。

装置は、また、排出導管（３）を備えており、この排出導管（３）は、その第１端部（３ａ）にて、内燃エンジンの排気側に接続されて、排出導管（３）の第２端部（３ｇ）を介して排気ガスが外側雰囲気に放出されるようになっている。

本明細書を通じて、参照符号１および３は、全体として、それぞれ、吸入導管および排出導管を示す。各参照符号に文字が後置されたとき（１ａ、１ｂ、１ｃ等および３ａ、３ｂ、３ｃ等）は、対応する導管の一部分を示すものとする。この表記は単に記載を明瞭にするだけのためにであって、当業者であれば、それらの部分は必ずしも別体の導管である必要はなく、一本の同じ導管の部分を表象するに過ぎないということを理解できるはずである。

吸入導管（１）および排出導管（３）は、夫々の第１端部（１ａ、３ａ）に近接して配設された第１連通導管（４）を介して、連通している。これにより、装置の吸入側と排気側とが、連通状態となる。

第１連通導管（４）は、更に、吸入導管（１）と排出導管（３）との間の連通・遮断を司るバルブ（５）を備える。図１のケース、すなわち、装置が生成する圧力が雰囲気圧よりも低いとき、バルブ（５）は常に、開放されている。したがって、第１連通導管（４）により、吸入導管（１）から吸入した空気は、排出導管（３）に至るように循環するが、この空気の循環量は、フィルタ（２）を介して装置により吸引される空気量とエンジンが必要とする空気量との差分と同等のものとなる。かくして、排出導管（３ｂ）には、空気と排気ガスの混合気が存在することになる。

図１に示される実施形態においては、装置は、また、吸入導管（１）と排出導管（３）とを連通させる第２連通導管（６）を備えており、この第２連通導管（６）は、吸入導管（１）および排出導管（３）の夫々の第２端部（１ｆ、３ｇ）に近接して配設されている。前記した第２連通導管（６）は、先に述べたバルブ（５）と同様のバルブ（７）を備えている。装置が、図１に示される作動モードに従って、すなわち、雰囲気圧より低い圧力で作動するとき、第２連通導管（６）に介装されているバルブ（７）は常に閉じられているので、そこにおいて、吸入導管（１）と排出導管（３）とは、相互に、遮断される。

装置は、更に、吸入導管（１）に配設された少なくとも一つの過給式タービン発電機を備えており、この過給式タービン発電機は、膨張過程において生成されるエネルギーを発散させる発散システムに連結されたタービン（８）を備えている。タービン（８）は、可変形状のもの（ＴＧＶ）が望ましく、半径内方向流型のものが、更に好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、タービンの膨張過程において生成されるエネルギーを発散させる発散システムは、半径方向遠心圧縮機（９）を有する。圧縮機（９）には、圧縮機（９）が雰囲気から吸引する空気が通過するフィルタ（１０）および圧縮機（９）が吸引した空気を雰囲気に吐出する、少なくとも一つの背圧バルブ（１１）に、接続されている。

装置は、また、吸入導管（１）内を流れる空気をタービン（８）方向に流れるように迂回させるように配設されたバイパスバルブ（１２）を備える。バイパスバルブ（１２）およびタービン（８）を調整することで、吸入導管（１）内の質量流量および圧力を所望の値にすることができる。したがって、タービン（８）および凝縮分離器（１３）の下流側に位置する吸入導管（１ｃ）内の吸入空気は、タービン（８）内で膨張した空気とバイパスバルブ（１２）を迂回した空気の混合気である。

図１に示される概略説明図によれば、装置は、２つの熱再生器を備えており、一方の熱再生器は、吸入導管（１）および排出導管（３）の、夫々の、第１端部（１ａ、３ａ）に近接して配設されており、もう一方の熱再生器は、吸入導管（１）および排出導管（３）の、夫々の、第２端部（１ｆ、３ｇ）に近接して配設されている。各熱再生器は、伝熱流体（例えば、水や油であっても良い）を用いて、二つの気流間の熱交換を行う。各熱再生器は、一方の熱交換器および他方の熱交換器が夫々吸入導管および排出導管に配設されてなる二つの熱交換器を備えており、この二つの熱交換器は、排出導管を流れる排気ガスと吸入導管を流れる吸気との間の熱交換を間接的に行うことを容易にするために、同じ伝熱流体回路にて接続されている。

装置が雰囲気圧より低い圧力下にて作動するとき、第１熱再生器は、排出導管（３ｂ）内を流れる空気と排気ガスの混合気と、吸入導管（１ｃ）内を流れる空気との間で、熱交換を行う。第１熱再生器においては、伝熱流体の移動はポンプ（１４）によってなされる。伝熱流体は、熱交換器（１５）内において、導管（１６）内を流れる排気ガスから熱を吸い上げる。このように吸い上げられた熱は、吸入導管（１ｂ）内を流れる空気の温度が吸入導管（１ｃ）内を流れる空気の温度よりも高くなるように、熱交換器（１５’）内において、伝熱流体により吸入導管（１ｃ）内を流れる空気に伝えられる。

吸入導管（１ｂ）内を流れる空気の温度は、バイパスバルブ（１７）を操作することで、調整される。バイパスバルブ（１７）が閉じられている場合は、導管（１６）を流れる排気ガス流量が多くなり、これにより、吸入導管（１ｂ）内を流れる空気の温度が大幅に上昇する。これとは逆に、バイパスバルブ（１７）が開いている場合、導管（１６）を流れる排気ガス流量が少なくなり、これにより、吸入導管（１ｂ）内を流れる空気の温度の上昇は、小幅となる。

反対に、吸入導管（１ｂ）内を流れる空気の温度を、吸入導管（１ｃ）内を流れる空気の温度よりも低くしなければならない場合があるが、熱再生器は、このような場合のために、熱交換器（１５’）の上流側に配設された三方向バルブ（１８）および三方向バルブ（１８）と熱交換器（１５）の間に配設された補助熱交換器（１９）を備える。補助熱交換器（１９）は、熱交換器（１５’）内にて伝熱流体が吸い上げ、次いで吸入導管（１ｃ）を通って循環してくる空気から出てくる熱が伝熱流体により移送されるようになっている冷媒回路（図示略）に連結されている。この、吸入導管（１ｂ）内を流れる空気が、吸入導管（１ｃ）内を流れる空気に対して、冷却されるようになっている場合においては、バイパスバルブ（１７）は、完全に開かれた状態になっており、そして、三方向バルブ（１８）は熱交換器（１５’）方向への流路提供を行うとともに、熱交換器（１５’）よりも手前に位置して流体をして熱交換器（１５’）を迂回せしめる流路を閉塞するようになっている。要するに、この第１熱再生器を用いることで、吸入導管（１ｂ）内の温度を、吸入導管（１ｃ）内の圧力および温度から、独立したものとすることができる。

装置が雰囲気圧よりも低い圧力下で作動する場合、第２熱再生器は、導管（３ｅ）内を循環する空気と排気ガスの混合気と、導管（２０）内を循環する吸入空気との間で熱交換を行う。第２熱再生器においては、伝熱流体は、ポンプ（２１）により、移送される。伝熱流体は、熱交換器（２２）内において、導管（３ｅ）内を循環する排気ガスから、熱を吸い上げる。伝熱流体は、熱交換器（２２’）内において、導管（２３）内を流れる空気の温度が導管（２０）内を流れる吸入空気の温度よりも高くなるように、導管（２０）内を循環する吸入空気に熱を伝える。導管（１ｄ）内を流れる吸入空気の温度は、バイパスバルブ（２４）により調整される。バイパスバルブ（２４）が閉塞されている場合は、導管（２０）を流れる流量を多くすることができ、その結果、吸入導管（１ｄ）内を流れる空気の温度を高くすることができる。これとは反対に、バイパスバルブ（２４）が開放されている場合には、熱交換器（２２’）によりもたらされる昇温効果は、低減される。

吸入導管（１ｄ）内を流れる空気の温度を、吸入導管（１ｅ）内を流れる空気の温度よりも低くせねばならない場合があるが、第２熱再生器は、このような場合のために、前述の場合のように、熱交換器（２２）の上流側に配設された三方向バルブ（２５）および熱交換器（２２’）と三方向バルブ（２５）との間に配設された補助熱交換器（２６）を備える。補助熱交換器（２６）は、熱交換器（２２’）内にて伝熱流体が吸い上げ、次いで導管（２０）を通って循環してくる空気から出てくる熱が伝熱流体により移送されるようになっている冷媒回路（図示略）に連結されている。この、吸入導管（１ｄ）内を流れる空気が、吸入導管（１ｅ）内を流れる空気に対して、冷却されるようになっている場合においては、バイパスバルブ（２４）の位置が調整され、そして、三方向バルブ（２５）は閉塞されて、熱交換器（２２）方向への流路提供を妨げるともに、熱交換器（２２）よりも手前に位置して流体をして熱交換器（２２）を迂回せしめる流路を開放するようになっている。要するに、この第２熱再生器を用いることで、吸入導管（１ｄ）内の温度を、試験領域内の圧力および温度から、独立したものとすることができる。

図１に示される装置は、また、吸入導管（１ｄ）のすぐ下流側にしてタービン（８）の直前に配設された、氷凝縮分離器（２７）を備える。

ここで、第１熱再生器のすぐ下流側にある排出導管（３）に関して、吸入空気により希釈され且つ（第１熱再生器および希釈により）局部的に冷却された排気ガスは、再度、熱交換器（２８）にて、ターボ圧縮機（２９）に導入されるための安全温度にまで冷却される。熱交換器（２８）は、冷媒流体として、適切なものであれば、例えば、常温の水道水を用いることができる。熱交換器（２８）の後側にしてターボ圧縮機（２９）の前側においては、排気ガスは、凝縮分離器（３０）を通過する。

ターボ圧縮機（２９）は、少なくとも一つの電動モータ（３１）で駆動される。ターボ圧縮機（２９）は、排出導管（３ｄ）から、冷却された空気と排気ガスの混合気を、装置から抽出すべく、吸引する。電動モータ（３１）はターボ圧縮機（２９）の回転数を、吸引された空気の質量流量および圧力値が指定された所望の値に達するまで、制御し、これらの状態が、タービン（８）およびバイパスバルブ（１２）と共に、調整される。

ターボ圧縮機（２９）により吸引された空気と排気ガスの混合気は、排出導管（３ｅ）および前述の第２熱再生器の熱交換器（２２）を通過して、究極的には、排出導管（３ｇ）を通って、雰囲気に放出される。

ここで図２を参照すると、図１に示されものと同じ実施形態の装置の作動が記載されているが、これは、同装置を過剰圧力生成モードで作動させるものである。言い換えれば、図２の作動モードにおいては、装置は、試験が行われる部屋の標高よりも低いレベル、すなわち高い圧力における雰囲気状態をシミュレートするものである。

装置の主たる構成要素は、図１に示される構成要素と同じであり、したがって、それらについての詳しい説明は、繰り返さない。図２の構成要素で図１の構成要素と同じものは、同じ参照番号が付与される。

図２に示される作動モードと図１に示される作動モードとの主たる差異および従来技術における公知の装置に対する本発明の実質的な利点は、エアフィルタ（２）（以前は吸入導管（１ｆ）の第２端部に連結されていた）を排出導管（３ａ）の第１端部に設けることを可能としたことである。供試内燃エンジンの吸気側が排出導管（３ｇ）の第２端部に連結されており、他方、同内燃エンジンの排気側が吸入導管（１ｆ）の第２端部に連結される。

したがって、作動の第２モードにおいては、吸入導管の機能と排出導管の機能が反転する（導管（１）が、今度は、排出導管として作動するのに対して、導管（３）が、今度は、吸入導管として作動する）。かくして、吸入空気は、その圧力を減少させる過給式ターボ発電機のタービン（８）を通過する代わりに、ターボ圧縮機（２９）を通過することになり、その結果、吸入空気の圧力を、試験が行われる海面からの高さにおける雰囲気圧よりも大きな、所望の値とすることができる。

装置が、本構成に従って作動するとき、すなわち、吸引される空気が圧縮されるとき、第２連通導管（６）に配設されたバルブ（７）は、常時、開放されている。したがって、空気は、常時、第２連通導管（６）を介して導管（３）から導管（１）方向に循環するので、導管（１）内には、空気と排気ガスの混合気が存在する。

前記した空気と排気ガスとの混合気は、導管（１a）を介して、雰囲気中に放出される。導管（１）は、また、第１連通導管（４）を介して、導管（３）に連結されている。装置が、本構造に従って作動するとき、すなわち、吸入された空気が圧縮されるとき、第１連通導管（４）に配設されたバルブ（５）は、ここにおいて、導管（１）と導管（３）とが相互に遮断されるべく、常時閉塞されている。

したがって、上述した図１および図２に依拠した説明からわかるように、本発明の好適な第１実施形態に係る装置は、試験が行われる海面レベルの雰囲気状態に対して、雰囲気圧力状態を高圧側にも低圧側にも、温度状態を高温側にも低温側にも、シミュレートすることができる。圧力および温度は調整可能で、相互に、独立して行う。更に、吸入空気の温度の上昇は、エネルギー消費量を最小限におさえて、行われる。というのは、供試中の内燃エンジンからの排気ガスの熱が使用されるからである。本件発明の第１実施形態の装置の構造に簡単な変更を施すことで、作動モードを、周辺雰囲気圧力に関して、高圧側でのシミュレーションから低圧側でのシミュレーションへ、簡単に変更することができる。

ここで、図３を参照してみると、本発明に係る第２の好ましい実施形態の装置が示されている。この第２実施形態によれば、先に図１および図２間の作動モード変更において行われたようなフィルタ（２）および内燃エンジンの各位置変更を要することなく、装置は、周辺雰囲気圧力に対して、低圧側でも高圧側でもシミュレートする能力でもって、作動することができる。

図３の構成要素で図１および２に示した構成要素と同じものは同じ参照番号を付与し、詳細な説明は省略する。

本発明の第２好ましい実施形態に係る装置は、更に、当該装置をして、吸入空気の圧力を雰囲気圧に対して増減できるモードで使用可能ならしめる、三方向バルブ組み立て体を備える。詳述すると、装置は、過給式ターボ発電機の上流側に位置する吸入導管（１ｄ）の所定の部位を、熱交換器（２８）とターボ圧縮機（２９）との間に位置する排出導管（３ｄ）の所定の部位に連結する第１三方向バルブ（３２）を備える。この連結は、導管（３３）を介して、行われる。

第２三方向バルブ（３４）は、過給式ターボ発電機と第１熱再生器との間に位置する吸入導管（１ｃ）の所定の部位を、排出導管（３ｆ）に、その第２端部に近接するように、連結する。この連結は、導管（３５）を介して、行われる。

第３三方向バルブ（３６）は、第１熱再生器と熱交換器（２８）との間に位置する排出導管（３ｃ）の所定の部位を、第１三方向バルブ（３２）と過給式ターボ発電機との間に位置する吸入導管（１ｄ）の所定の部位に連結する。この連結は、導管（３７）を介して、行われる。

最後に、第４三方向バルブ（３８）は、ターボ圧縮機（２９）と第２三方向バルブ（３４）から導管（３５）が延出する点との間に位置する排出導管（３ｅ）の所定の部位を、第２三方向バルブ（３４）と第１熱再生器との間に位置する吸入導管（１ｃ）に連結する。この連結は、導管（３９）を介して、行われる。

したがって、図３に示す実施形態においては、雰囲気圧よりも低い圧力の下で装置を作動させるために、空気を、エアフィルタ（２）を介して、雰囲気から吸引し、この空気を、吸入導管（１）を介して、供試内燃エンジン（図示略）の吸気側に搬送する。この目的のために、三方向バルブ（３２）および（３４）が、夫々、導管（３３）および（３５）に至る流路を閉塞して、吸引された空気が吸入導管に至る流路の確立を可能とする。吸入導管（１ｂ）と排出導管（３ｂ）とを同じ圧力に維持するために、連通導管（４）が吸入導管（１ｂ）と排出導管（３ｂ）とを連結する。

エンジンの排気導管からは、エンジンの排気ガスが排出導管（３ａ）に排出される。排気ガスと吸引された空気で希釈に供されるもの（連通導管（４）を介して移送されたもの）は排出導管（３ｂ）にて混合される。三方向バブル（３６）および（３８）をして、排出導管（３）の流れ方向へ開放ならびに導管（３７）および（３９）方向への流路閉塞を各々維持せしめることで、これらのガスを排出導管（３ｆ）に至らしめて、雰囲気に放出する。

これとは反対の場合、すなわち、装置を作動させて過圧を生成する場合、空気は、エアフィルタ（２）を介して吸引される。この場合、第１三方向バルブ（３２）はタービン（８）への吸入方向を閉じ、導管（３３）方向への流れを迂回させるために開放される。第３三方向バルブ（３６）は、導管（３３）からの流れが導管（３ｄ）に吐出されて逆流しないように、導管（３ｃ）方向へは閉塞され、ターボ圧縮機（２９）への流れが、唯一の開放通路となっている。ターボ圧縮機（２９）の出口においては、第４三方向バルブ（３８）は、吸引された空気流が導管（３９）内へ迂回し、導管（１ｃ）に吐出するように、導管（３ｆ）方向へは閉塞されている。第２三方向バルブ（３４）が閉塞されており、タービン（８）からの流れが第１熱再生器に移送されることを防止する。したがって、導管（３９）から吸引された空気は、第１熱再生器の入口に吐出されて、逆流はしない。エンジンの吸入側に接続された吸入導管（１ａ）方向への流れは、唯一の開放通路である。

エンジンから排出された排気ガスは、排出導管（３ａ）に吐出され、第３三方向バルブ（３６）方向に至る。図示されるように、この三方向バルブ（３６）は、導管（３ｃ）方向への排気ガスの流れの通路が形成されるのを妨げ、排気ガスを迂回させて、導管（３７）を介して、タービン（８）に至らしめる。図に示されるように、第１三方向バルブ（３２）は、タービン（８）の入口方向は閉塞されているが、流れが迂回して、導管（３３）に向かうように開放されている。したがって、導管（３７）からの流れが逆流することはない。タービン（８）およびバイパスバルブ（１２）方向への流れは、唯一の開放通路である。流れが第２三方向バルブ（３４）に至ると、吸入導管（１ｃ）への通路は閉塞されているので、流れは、導管（３５）を通過するように、迂回する。第４三方向バルブ（３８）は、排気ガスと空気の混合気が逆流しないように、導管（３ｅ）方向へは閉塞されている。排出導管（３ｆ）を介しての雰囲気方向への流れは、唯一の開放通路である。

図３に示される実施形態は、図１および図２に示された実施形態に比べて、更に、いくつかの点で、変更が加えられている。第一に、吸入導管（１）と第１三方向バルブ（３２）の上流側との間には、更に、冷却回路の連結された追加の熱交換器（４０）が設けられている。熱交換器（４０）は、吸入空気の温度を所望の値まで低減することができる。

第二に、図３に示される第２実施形態においては、必要とされる熱再生器は、１つだけで良く、この熱再生器は、図１および図２に示される熱再生器に比べて、簡単なものとなっている。この場合、熱再生器は、熱交換器（１５’）と、熱交換器（１５）と、ポンプ（１４）と、バイパスバルブ（１７）とから構成される。この熱再生器は、熱交換器（１５’）内にて、導管（１ｂ）に吐出された空気を加熱することのみに使用されるものであって、そのために熱交換器（１５）を通過する排気ガスと空気の希釈混合気のエネルギーを使用する。

ここで、図４に示される追加の実施形態を参照すると、タービン（８）は、また、タービンの膨張過程で得られるエネルギーを吸収する発電機（４１）に接続されることが、示されている。

図５に示される、もう一つの好ましい実施形態によれば、ターボ圧縮機（２９）は、タービン（４２）により駆動される。同軸にて連結されたタービン（４２）とターボ圧縮機（２９）の組み立て体は、過給式ターボ発電機として使用することができる。タービン（４２）は、フローベンチ目的のために収集されたガスの流れによって作動される。本発明の、この実施形態においては、吸入された空気の質量流量および圧力値が所望の値に達するまで、タービン（４２）はターボ圧縮機（２９）の回転速度を調整し、タービン（８）およびバイパスバルブ（１２）と協同して、これらの状態の制御を行う。

上に述べた記載からわかるように、本発明に係る装置は、従来技術に対して、様々な利点を持つ。例えば、本発明に係る装置の持つ一つの利点は、反転作動が可能なことである。言い換えれば、本発明の好適な実施形態において開示された装置は、少ないエネルギー消費量で、雰囲気に対して高い場合および低い場合の双方の圧力状態下で、シミュレーションを行うことができることである。エンジンが海面より高度の場所に設置される場合において、海面レベルにおける雰囲気圧にてシミュレーションを行うのに、この能力が必要とされる。また、海面レベルよりも低い場所に位置する鉱掘において作動させるエンジンの作動雰囲気特性のシミュレーションを行う場合にも、この装置は、裨益するものである。更なる利点は、形状変形のタービンにバイパスバルブを設けたことで、海面からの高さが低くても、質量流を増加させることができる。

本発明の好ましい実施形態に係る装置は柔軟性に富む設計であるので、吸入空気で生成され得る温度状態を、要求され得る圧力から独立したものとすることができる。その一方で、温度を、エンジン試験が行われる現場の雰囲気温度よりも上昇させることができる。この目的達成のために、排気ガスのエネルギーを利用する熱再生器を、少なくとも一つ、使用している。他方、温度を、ポリトローピック膨張過程（４０〜８０％の等エントロピー効率を持つ）を略等圧状態下での冷却過程を組み合わせることで、エンジン試験が行われる現場の雰囲気温度よりも下降させることができる。

本発明は、また、好ましくは本発明に係る装置を利用して実行される、下記のステップを備えた、内燃エンジンの試験のための雰囲気状態調整方法を、開示する。

−吸入する雰囲気空気を圧力変化に晒すステップ；
−吸入する空気を温度変化に晒すステップ；
−出口に向かう吸入する空気を迂回させて直接に排気ガスに連通させるステップ；
−独立した圧力変化および温度変化に晒されるべく吸入される空気を、試験されるエンジンの吸入側に導入するステップ；
−ターボ圧縮機を通過させるために、排気ガスの温度を安全温度にまで下降させるステップ；および
−試験されるエンジンから雰囲気に排気ガスを放出するステップ。

本発明の好ましい実施形態の方法における吸入空気圧変化ステップは、ターボ圧縮機、タービンおよび吸入空気量を調整するバイパスバルブの複合動作により遂行される。

本発明の方法の代替実施形態には、例えば、吸入する空気を重ねて温度変化に晒すステップを備えるようにすることができる。

もう一つの代替実施形態によれば、少なくとも一つの吸入空気温変化ステップを、高温排気ガスによる間接熱交換による空気温度上昇過程を持たせることができる。

本発明によれば、吸入空気圧変化ステップに、吸入空気圧減圧および吸入空気圧増圧の何れかを備えさせることができる。

更に、本発明によれば、当該方法は、雰囲気に放出前の排気ガスの圧力上昇および雰囲気に放出前の排気ガスの圧力下降の何れかのステップを備えることができる。

最後に、本発明は、また、図１〜図５を参照しながら上述のように画定したような本発明に係る装置を、内燃エンジンの試験中に雰囲気の圧力と温度を独立して調整できるようにするための使用法に関するものである。

本発明は、その好ましい実施形態を参照しながら記載したが、当業者であれば、本発明の範囲の記載から逸脱することなく、記載した実施形態の修正や変更は可能であることは理解できるはずである。例えば、ターボ圧縮機およびタービンは、この明細書内の上述内容に限定されるものではなく、エネルギーを付与したり発散したりする他のシステムに連結することが可能であろう。

更に、本発明の装置の好ましい実施形態は、既に記載のように、二つの熱再生器を備えることで、排気ガスから流入空気への熱伝達を行わせるようにしたが、当業者であれば、本発明の装置の代替実施形態に熱再生器を一つだけあるいは３つ以上の熱再生器を備えさせるのが可能なことは、自明のことである。

本発明は内燃エンジンの試験を参照しながら記載されているが、当業者であれば、本発明に小さな変更を施して、異なった海面からの高さで作動せねばならない他の関連する構成要素（例えば、エアフィルタ、サイレンサー、排気ガス浄化部材（後処理装置）等）の試験にも適用することができることも理解するはずである。

上述したところによれば、本発明は、同一装置を反転作動させることで、雰囲気圧に対して、圧力を過分としたり低めたりするシミュレーションを行うことを可能ならしめるので、作動モードを変更するために装置の構成を大幅に変更する必要がない。

バイパスバルブ（１２）をターボ圧縮機（２９）およびタービン（８）と組み合わせた結果、本発明は、空気の圧力および流量を調整することが可能となる。

バイパスバルブ（１２）は、タービン（８）方向へ循環する吸入導管（１）へ空気流を迂回させて、質量流量を、特に、海面からの高さが低い場所において、大幅に増加させることができる。装置は、循環する流量を増加させ、変動が起きた場合に、圧力の引き込みに変化がなく、エンジンを装置に連結しても、エンジンの作動に何ら影響を及ぼさないようにする。要するに、バイパスバルブ（１２）は、エンジンが海面より低い場所におかれた場合のより良いシミュレーションを行うことができ、装置が行うことができるシミュレーションの範囲を拡張することができる。

更には、形状可変のタービン（８）を採用することが可能となるので、これにより、発生量および融通性に関しては、相当の改善を図ることができ、考慮すべきとされているエネルギー節減がもたらされるという利点がある。

真空発生装置は、実施形態のうちの一つに採用されており、電動モータ（３１）もしくはタービン（４２）（ターボ圧縮機とタービンは、別のターボ発電機を構成する）により駆動されるターボ圧縮機（２９）なので、構成を非常にコンパクトにすることができる。

加えて、本発明は、熱再生器を備えることで、エンジンの排気ガスから得られるエネルギー用いて吸入空気を加温し且つ高温状態でのシミュレーションを行うことができるようになっているので、電気抵抗器の使用を不必要ならしめ、更には所定の温度範囲における制御を可能にする。更に、各熱再生器に特に一体化された、冷却用の熱交換器（冷却装置）を備えている。

したがって、装置は、エンジンの吸気側および排気側の双方に吸引される空気の圧力と温度を精確に制御することができるとともに、広範囲にわたるシミュレーションを行うことができる。

以上述べたことの全てが、従来技術、特にスペイン特許公報ＥＳ２３９８０９５Ａ１（米国公開公報ＵＳ２０１３０３０６１５９Ａ１としても公開されている）および米国特許公開公報ＵＳ２００４１８６９９９に対する、技術的利点である。後者の公報にあっては、テストサイトよりも低い高度におけるシミューレーションが可能ではあるが、コンパクトとは言えず、構成要素およびシミューレーション実施方法の双方が、この明細書に開示のものとは異なっている。

Claims (26)

1. 内燃エンジンの試験のための雰囲気状態調整装置であって、
   −吸入導管であって、その第１端部において試験に供される内燃エンジンの吸気側に連結されるように配設され、第２端部を介して外部雰囲気から空気を引き込む吸入導管と、
   −排出導管であって、その第１端部において前記内燃エンジンの排気側に連結されるように配設されて、第２端部を介して排気ガスを前記雰囲気に排気する排出導管と、
   −前記吸入導管と前記排出導管とを、夫々の第１端部の近くで連通することで、前記装置の吸入側と前記装置の排気側とを連通する第１連通導管と、
   −前記吸入導管に配設されて、膨張過程で生成されるエネルギーを発散させる発散システムに連結されたタービンを備える、過給式ターボ発電機と、
   −前記吸入導管を循環中の空気流を前記タービン方向に迂回させる第１バイパスバルブであって、前記タービンと共に調整されることで、前記吸入導管内の圧力および空気量の値の所望値を得さしめる第１バイパスバルブと、
   −前記排出導管および前記吸入導管に個々的に配設されて同じ伝熱流体回路にて連結された第１熱交換器および第２熱交換器を持ち、前記過給式ターボ発電機と前記第１連通導管との間に配設され、前記排出導管を流れる排気ガスと前記吸入導管を流れる吸気との間の熱交換を間接的に行うことを容易ならしめる、第１熱再生器と、
   −前記第１熱再生器の前記第１熱交換器と共に前記排出導管に配設され、実際に熱交換される排気ガスの量を調整する第２バイパスバルブと、
   −前記排出導管の、前記第１熱再生器の下流側に位置する部位に配設され、前記排気ガスを所定の安全温度にまで冷却する第３熱交換器と、
   −前記第３熱交換器の下流側に配設されて、ターボ圧縮機吸入手段により吸入されることで、前記タービンおよび前記第１バイパスバルブと共に、吸気圧および吸気量の減少を調整する、ターボ圧縮機と、を備えた内燃エンジンの試験のための雰囲気状態調整装置。
2. 前記エンジンの吸気側を前記排出導管の前記第２端部へ連結することおよび前記エンジンの排気側を前記吸入導管の前記第２端部へ連結することで、前記装置の作動を反転して、前記吸入導管が排出導管として作用するとともに前記排出導管が吸入導管として作用するように、前記ターボ圧縮機、前記タービンおよび前記第１バイパスバルブが共働して、吸気圧の増加を調整可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１熱再生器の前記第１熱交換器と第２熱交換器の間に前記伝熱流体を移動させるポンプを更に備えたことを特徴とする、上記した請求項の何れかに記載の装置。
4. 前記第１熱再生器内の前記伝熱流体が流通する回路は、更に、
   −前記吸入導管内に配設された第２熱交換器の上流側に配設された三方向バルブと、
   −冷媒回路に連結された補助熱交換器を備え、
   前記補助熱交換器が、前記吸入導管内を流れる前記吸気を間接的に冷却することを可能ならしたことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記排出導管および前記吸入導管に配設されて且つ同じ伝熱流体回路で連結され、前記吸入導管の前記第２端部および前記排出導管の前記第２端部の近傍に位置する第４熱交換器および第５熱交換器を持ち、前記排出導管内を流れる前記排気ガスと前記吸入導管内を流れる前記吸入空気との間の追加の熱交換を、間接的に容易ならしめる第２熱再生器を、更に備えることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の装置。
6. 対応する前記第２熱再生器の第５熱交換器と共に、前記吸入導管に配設され、実際に熱交換される吸気量を調整する第３バイパスバルブを更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第２熱再生器の前記第４熱交換器と第５熱交換器の間に前記伝熱流体を移動させるポンプを更に備えたことを特徴とする、請求項５および請求項６の何れかに記載の装置。
8. 前記第２熱再生器の前記伝熱流体回路は、更に、
   −前記排出導管内に配設された前記第４熱交換器の上流側に配設された三方向バルブと、
   −冷媒回路に連結された補助熱交換器とを備え、
   前記補助熱交換器が、前記吸入導管内を流れる前記吸気を間接的に冷却することを可能ならしたことを特徴とする、請求項５乃至７の何れかに記載の装置。
9. 前記第１連通導管は、更に、前記吸入導管と前記排出導管との間の前記連通を開閉可能ならしめるバルブを備えたことを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載の装置。
10. 前記吸入導管の前記第２端部および前記排出導管の前記第２端部の近傍にそれぞれ配設されて、前記吸入導管を前記排出導管に連通させる、第２連通導管を更に備えることを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載の装置。
11. 前記第２連通導管は、更に、前記吸入導管と前記排出導管との間の前記連通を開閉可能ならしめるバルブを備えたことを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記タービンの膨張過程において生成されるエネルギーを発散させる前記発散システムは、半径方向遠心圧縮機を有し、前記半径方向遠心圧縮機には、前記半径方向遠心圧縮機が雰囲気から吸引する空気が通過するフィルタと、前記半径方向遠心圧縮機が吸引した空気を雰囲気に吐出する背圧バルブとが連結されていることを特徴とする、請求項１〜１１の何れかに記載の装置。
13. 前記タービンの膨張過程において生成されるエネルギーを発散させる前記発散システムは、発電機を持つことを特徴とする、請求項１乃至１１に記載の装置。
14. 前記タービンは、可変形状型であることを特徴とする、請求項１〜１３の何れかに記載の装置。
15. 可変形状型である前記タービンは、半径内方向流型のタービンであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 前記ターボ圧縮機吸入手段は、電動モータおよびタービンから選択されることを特徴とする、請求項１〜１５の何れかに記載の装置。
17. 前記装置は、更に、前記装置の端部に、フィルタを備えており、不純物の前記装置内への侵入が防止されるように、前記フィルタを介して、外側雰囲気から、空気が吸入されるようになっていることを特徴とする、請求項１〜１６の何れかに記載の装置。
18. −前記過給型ターボ発電機の上流側の前記吸入導管に設けられ、前記第３熱交換器と前記ターボ圧縮機の間の前記排出導管に接続された第１三方向バルブと、
    −前記ターボ発電機と前記第１熱再生器との間にて、前記吸入導管を、前記第２端部の近傍にて、前記排出導管に連結する第２三方向バルブと、
    −前記第１熱再生器と前記第３熱交換器との間に位置する前記排出導管の所定の箇所を、前記第１三方向バルブと前記過給式ターボ発電機との間に位置する前記吸入導管の所定の箇所に連結する、第３三方向バルブと、
    −前記ターボ圧縮機と前記第２三方向バルブから導管が延出する点との間に位置する前記排出導管の所定の箇所と、前記第２三方向バルブと前記第１熱再生器との間に位置する前記吸入導管の所定の箇所とを連結する、第４三方向バルブとを、更に備え、
    前記三方向バルブの集合体のバルブ構成により、前記吸気圧を雰囲気圧に対して増減したモードで、使用できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
19. 前記第１三方向バルブの上流側に位置する、前記吸入導管の所定の位置に追加の熱交換器を更に備え、前記吸気の温度を下降させるようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 少なくとも一つの凝縮分離器を更に備えたことを特徴とする、請求項１〜１９の何れかに記載の装置。
21. −吸入する雰囲気空気を圧力変化に晒すステップと、
    −吸入する空気を温度変化に晒すステップと、
    −出口に向かう吸入空気の流れを変えて排気ガスへ直接連通させるステップと、
    −独立した圧力変化および温度変化に晒されるべく吸入される空気を、試験されるエンジンの吸入側に導入するステップと、
    −ターボ圧縮機を通過させるために、排気ガスの温度を安全温度にまで下降させるステップと、
    −試験されるエンジンから雰囲気に排気ガスを放出するステップと、
    を備え、
    前記吸入する雰囲気空気を圧力変化に晒すステップは、第３熱交換器の下流側に設けられ回転速度を制御可能なターボ圧縮機と、吸入導管に設けられたタービンおよび当該タービンをバイパスするように設けられたバイパスバルブの複合動作により、タービンに向かって循環する吸入導管の空気流を調整することによって遂行されることを特徴とする、
    請求項１〜２０のいずれかに記載の雰囲気状態調整装置を用いて内燃エンジンを試験するための雰囲気状態調整方法。
22. 吸入する空気を温度変化に晒すステップを二つ備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 前記二つの吸入する空気を温度変化に晒すステップのうちの少なくとも一つは、高温排気ガスとの間接熱交換により温度上昇させる処理を備えることを特徴とする、請求項２１および２２の何れかに記載の方法。
24. 吸入空気を圧力変化に晒すステップは、吸入空気の圧力を下降させる処理を備えることを特徴とする、請求項２１乃至２３の何れかに記載の方法。
25. 吸入空気を圧力変化に晒すステップは、吸入空気の圧力を上昇させる処理を備えることを特徴とする、請求項２１乃至２３の何れかに記載の方法。
26. 請求項１〜２０の何れかで定義される装置を、内燃エンジンの試験中に、雰囲気圧力と雰囲気温度とを独立して調整する、使用方法。

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