JPH06346745A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関の負荷に対応して任意に過給空気量
を加減することができる過給装置を提供する。 【構成】 過給機排ガスタービン８からの排ガスにより
蒸気が生成される排ガスエコノマイザ１０と、蒸気流量
調整弁１３を介して排ガスエコノマイザ１０と連結され
かつ過給機排ガスタービン８と同一軸上に設けられしか
も過給機排ガスタービン８と協働して過給機ブロワ２を
駆動する蒸気タービン１４と、内燃機関６へ空気を送給
する第２の給気管５に連結した給気圧力伝送器２２と、
内燃機関６の回転軸２３に連結した機関回転数伝送器２
４と、これら給気圧力伝送器２２および機関回転数伝送
器２４からの給気圧力および機関回転数に基づいて蒸気
流量調整弁１３に弁開閉指令を出力する過給空気量制御
装置２７とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、往復動式の内燃機関の
過給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の過給装置として、内燃機関の
給気側に過給機ブロワを設け、内燃機関の排気側に過給
機ブロワと同一軸で連結した過給機排ガスタービンを設
けた構成の排ガスターボ過給機がある。

【０００３】この過給機においては、過給機ブロワから
の過給空気量は、内燃機関からの排気エネルギの大小に
よってのみ一義的に決まるようになっている。

【０００４】ところで、内燃機関の正味平均有効圧力の
上昇と過給機の圧力上昇に伴い、過給機が内燃機関に供
給する空気量は、内燃機関の低負荷域で不足気味、高負
荷域で過剰気味となっている。

【０００５】ここで、排ガスタービンノズル面積を絞れ
ば低負荷域での空気量不足は解消し、逆に排ガスタービ
ンノズル面積を広げると高負荷域の空気過剰は解消する
ため、過給空気量を任意に加減する目的で、排ガスノズ
ル面積を可変とする過給機がある。

【０００６】また、同じ目的のために電動補助ブロワを
装備した過給機もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記の排ガス
タービンノズル面積を可変とする過給機は、過給機効率
が低下すると共にノズル面積の可変範囲を広くできず、
しかも内燃機関に使用する燃料油の組成によっては可変
機構の信頼性に不安がある、などの欠点があった。

【０００８】また、電動補助ブロワを用いる過給機にお
いては、空気不足は解消するものの電力消費量が著しく
多く、不経済となる欠点があった。

【０００９】本発明は上記従来装置の欠点を解決し、内
燃機関の負荷に対応して任意に過給空気量を加減するこ
とができる内燃機関の過給装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の手段では、内燃機関へ給気を行う過
給機ブロワと前記内燃機関からの排ガスにより駆動され
かつ前記過給機ブロワを駆動する過給機排ガスタービン
とを備えた内燃機関の過給装置において、過給機排ガス
タービンからの排ガスにより給水を加熱して蒸気を生成
する蒸気発生器と、該蒸気発生器から蒸気流量調整弁を
介して送給された蒸気により駆動されかつ前記過給機排
ガスタービンと協働して前記過給機ブロワを駆動する蒸
気タービンと、前記過給機ブロワから内燃機関へ給気さ
れる空気の圧力を伝達するための給気圧力伝送器と、前
記内燃機関の回転軸の回転数を伝達するための機関回転
数伝送器と、前記給気圧力伝送器からの給気圧力信号お
よび機関回転数伝送器からの機関回転数信号に基づいて
前記蒸気流量調整弁に弁開閉指令を出力する過給空気量
制御装置とを備えている。

【００１１】また第２の手段では、内燃機関へ給気を行
う過給機ブロワと前記内燃機関からの排ガスにより駆動
されかつ前記過給機ブロワを駆動する過給機排ガスター
ビンとを備えた内燃機関の過給装置において、過給機排
ガスタービンからの排ガスにより給水を加熱して蒸気を
生成する蒸気発生器と、該蒸気発生器から蒸気流量調整
弁を介して送給された蒸気により駆動されかつ前記過給
機排ガスタービンと協働して前記過給機ブロワを駆動す
る蒸気タービンと、前記内燃機関から過給機排ガスター
ビンへ送給される排ガスの温度を検出する温度センサ
と、前記内燃機関の回転軸の回転数を伝達するための機
関回転数伝送器と、前記温度センサからの排ガス温度信
号および機関回転数伝送器からの機関回転数信号に基づ
いて前記蒸気流量調整弁に弁開閉指令を出力する過給空
気量制御装置とを備えている。

【００１２】

【作用】第１の手段においては、給気圧力伝送器から給
気圧力信号を過給空気量制御装置に送る。また、機関回
転数伝送器から機関回転数信号を過給空気量制御装置に
送る。過給空気量制御装置は、これらの信号に基づいて
蒸気流量調整弁に弁開閉指令を送り、弁開度を調整する
ことにより蒸気発生器からの供給蒸気流量を調整して蒸
気タービン出力を制御する。

【００１３】このように蒸気タービン出力を制御するこ
とにより過給機排ガスタービンおよび蒸気タービンによ
り駆動される過給機ブロワからの過給空気量は内燃機関
の負荷に合わせて最適なものとすることができる。

【００１４】また、第２の手段においては、温度センサ
から排ガス温度信号を過給空気量制御装置に送る。ま
た、機関回転数伝送器から機関回転数信号を過給空気量
制御装置に送る。過給空気量制御装置は、これらの信号
に基づいて蒸気流量調整弁に弁開閉指令を送り、弁開度
を調整することにより蒸気発生器からの供給蒸気流量を
調整して蒸気タービン出力を制御する。

【００１５】このように、蒸気タービン出力を制御する
ことにより、過給機排ガスタービンおよび蒸気タービン
により駆動される過給機ブロワからの過給空気量は内燃
機関の負荷に合わせて最適なものとすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１７】図１は第１の実施例に係る過給装置を備え
た内燃機関のブロック図である。

【００１８】図において、１は吸気管、２は吸気管１か
ら吸気する過給機ブロワ、３は過給機ブロワ２からの空
気を導く第１の給気管、４は第１の給気管３と連結した
空気冷却器、５は冷却した空気を導く第２の給気管、６
は第２の給気管５からの冷却空気をシリンダ内へ取り入
れる内燃機関である。

【００１９】第１、第２の給気管３，５および過給機ブ
ロワ２、空気冷却器４で構成した給気側に対して、排気
側は、一端を内燃機関６のシリンダに連結した第１の排
気管７と、第１の排気管７の他端に連結した過給機排ガ
スタービン８と、過給機排ガスタービン８に一端を連結
し、過給機排ガスタービン８からの排ガスを導く第２の
排気管９とから構成してある。

【００２０】なお、本実施例では排ガスターボ過給機を
構成する過給機ブロワ２と過給機排ガスタービン８は、
同一軸に連結してある。

【００２１】ここまでは排ガスターボ過給機付きの一般
的な内燃機関の構成であるが、本実施例においてはさら
に以下の各機器を備えている。

【００２２】即ち、前記第２の排気管９の他端に設けた
排ガスエコノマイザ（排ガスエネルギによる蒸気発生
器）１０と、排ガスエコノマイザ１０からの排ガスを外
部に導く第３の排気管１１と、中途部に蒸気流量調整弁
１３を備えかつ前記排ガスエコノマイザ１０で発生させ
た蒸気が送給される第１の蒸気管１２と、第１の蒸気管
１２から蒸気流量調整弁１３を介して送給された蒸気に
より駆動されかつ過給機排ガスタービン８と協働して過
給機ブロワ２を駆動するようにした蒸気タービン１４
と、蒸気タービン１４から抽気された蒸気を送給する第
２の蒸気管１５と、第２の蒸気管１５からの蒸気を冷却
して水に戻す復水器１６と、復水器１６からの水を送給
する第１の給水管１７と、第１の給水管１７からの水を
溜める給水ドラム１８と、給水ドラム１８からの水を送
給する第２の給水管１９と、第２の給水管１９からの水
を加圧して第３の給水管２１を介し排ガスエコノマイザ
１０へ送給する給水ポンプ２０を備えている。また本実
施例では蒸気タービン１４は、過給機ブロワ２、過給機
排ガスタービン８と同一軸に連結してある。

【００２３】また、第２の給気管５には給気圧力伝送器
２２が連結してあり、内燃機関６の回転軸２３には機関
回転数伝送器２４が連結してある。

【００２４】給気圧力伝送器２２、機関回転数伝送器２
４は、それぞれ信号線２５，２６により過給空気量制御
装置２７と電気的に接続してある。過給空気量制御装置
２７と蒸気流量調整弁１３は、信号線２８によって電気
的に接続してあり、蒸気流量調整弁１３は過給空気量制
御装置２７からの弁開閉指令を受けるようになってい
る。

【００２５】なお、内燃機関６からの排ガスエネルギの
みでは排ガスエコノマイザ１０で発生する蒸気量が不足
する場合に追焚きを行い得るよう、排ガスエコノマイザ
１０には燃焼用バーナを設ける。

【００２６】次に本実施例の作動を説明する。

【００２７】運転状態にある内燃機関６からの排ガスを
第１の排気管７により過給機排ガスタービン８に導き、
この排気エネルギを、過給機排ガスタービン８にて同軸
上の過給機ブロワ２の駆動エネルギに変換した後、排ガ
スエコノマイザ１０に導き、給水ポンプ２０により、給
水ドラム１８から第２、第３の給水管１９，２１を介し
て排ガスエコノマイザ１０に供給した水を加熱し、蒸気
に変える。

【００２８】一方、給気圧力伝送器２２は、過給機ブロ
ワ２で加圧されて第２の給気管５を流通している空気の
現在の給気圧力信号を過給空気量制御装置２７に出力
し、同様に、機関回転数伝送器２４は、現在の機関回転
数信号を過給空気量制御装置２７に出力する。過給空気
量制御装置２７は、これらの情報を基に内部に有するデ
ータテーブルを参照して、内燃機関６に対して最適過給
空気量となるように、蒸気流量調整弁１３に弁開閉指令
を送る。

【００２９】この指令によって蒸気流量調整弁１３の開
度を調整し、排ガスエコノマイザ１０で生成された蒸気
の流量調整を行い、流量調整した蒸気を蒸気タービン１
４に導く。蒸気タービン１４は蒸気エネルギによって駆
動され、同時に、過給機排ガスタービン８と協働して過
給機ブロワ２を駆動する。

【００３０】即ち、過給機ブロワ２の回転数を、過給空
気量制御装置２７によって蒸気タービン１４を介し間接
的に制御することで、前述したように過給機ブロワ２に
より、最適な量の過給空気を内燃機関６に送り込むこと
ができる。

【００３１】なお、蒸気タービン１４から抽気された蒸
気は、第２の蒸気管１５を経て復水器１６に入ってここ
で復水となり、給水ドラム１８に戻る。

【００３２】図２は機関回転数と給気圧力の関係を示す
グラフである。

【００３３】このグラフでは、実線の曲線イが機関最適
給気圧力を示し、破線の曲線ロが過給機単体での給気圧
力を示している。

【００３４】この図に基づいて制御の一例を説明する
と、過給空気量制御装置２７は、機関回転数伝送器２４
からの機関回転数信号に対応して、予め内部のデータテ
ーブルに設定してある最適給気圧力を、図２の実線の曲
線イより特定する。また、最適給気圧力と給気圧力伝送
器２２より送られた実際の過給空気圧力信号を比較し、
両者間の偏差がなくなるように、蒸気流量調整弁１３に
弁開閉指令を与えることにより、蒸気タービン１４へ供
給される蒸気の流量を調整して蒸気タービン１４の出力
を調整し、最適過給空気圧力を得る。

【００３５】例えば、給気圧力伝送器２２からの実際の
過給空気圧力が最適給気圧力よりも低い場合には、その
偏差に対応して蒸気流量調整弁１３の開度が大きくな
り、その結果、排ガスエコノマイザ１０から蒸気タービ
ン１４へ送給される蒸気の流量が増加するため、蒸気タ
ービン１４の出力が増大し、過給機ブロワ２から送出さ
れる空気の過給空気圧力も上昇して最適過給空気圧力と
なり、所定の流量の空気が内燃機関６に加給される。

【００３６】また、実際の過給空気圧力が最適給気圧力
よりも低い場合には、その偏差に対応して蒸気流量調整
弁１３の開度が小さくなりその結果、排ガスエコノマイ
ザ１０から蒸気タービン１４へ送給される蒸気の流量が
減少するため、蒸気タービン１４の出力が低下し、過給
機ブロワ２から送出される空気の過給空気圧力も下降し
て最適過給空気圧力となり、所定の流量の空気が内燃機
関６に過給される。

【００３７】なお、本実施例の場合、機関の給・排気系
統の流路抵抗が一定の場合、給気圧力と過給空気量が比
例関係にあることを利用し、給気圧力を制御パラメータ
として使用している。

【００３８】図３は第２の実施例に係る過給装置を備え
た内燃機関のブロック図である。

【００３９】この実施例においては、第１の排気管７に
温度センサ２９を設け、この温度センサ２９と過給空気
量制御装置２７を信号線３０で電気的に接続するように
している。

【００４０】そして、温度センサ２９が検出する排ガス
温度を、過給空気量制御装置２７にフィードバックし
て、機関回転数に応じた最適の排気温度になるように、
前述と同様に過給空気量を制御する。

【００４１】なお、本実施例の場合には、内燃機関６か
らの排ガス温度と過給機ブロワ２からの過給空気圧力と
が比例関係にあることを利用している。

【００４２】

【発明の効果】請求項１および２記載の発明によれば、
以下の効果を得ることができる。

【００４３】（１）排ガスターボ過給機単体で供給する
過給空気量が内燃機関の最適過給空気量に対して不足す
る場合、特に機関低負荷域において、不足分を十分に補
うことができるため、全ての負荷域で最適な過給空気量
を内燃機関に供給できる。

【００４４】（２）最適過給空気量が得られるため、従
来、空気量不足により燃焼悪化傾向が見られる低負荷域
でも良好な燃焼が得られ、信頼性を持って運転すること
が可能となる。

【００４５】（３）排ガスターボ過給機単体での供給空
気量を従来より少なくなるように過給機仕様を決定でき
るため、過給機タービンノズル面積を従来と比較して拡
大することができる。このため機関排気系流路抵抗が減
り、燃費率の低減が可能となる。

【００４６】（４）機関全負荷域で最適の過給空気量が
得られるため、運転上のフレキシビリティが増す。

【００４７】（５）蒸気発生器は内燃機関排気エネルギ
により発生させた蒸気を使用できるため、外部から多量
のエネルギを追加する必要がなく経済的である。

【００４８】（６）蒸気タービンにより過給機ブロワを
駆動できるので、２ストローク機関に必要な補助ブロワ
を廃止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る過給装置を備えた
内燃機関のブロック図である。

【図２】機関回転数と給気圧力の関係を示すグラフであ
る。

【図３】本発明の第２の実施例に係る過給装置を備えた
内燃機関のブロック図である。

【符号の説明】

２ 過給機ブロワ ６ 内燃機関 ８ 過給機排ガスタービン １０ 排ガスエコノマイザ（蒸気発生器） １３ 蒸気流量調整弁 １４ 蒸気タービン ２２ 給気圧力伝送器 ２３ 回転軸 ２４ 機関回転数伝送器 ２７ 過給空気量制御装置 ２９ 温度センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関へ給気を行う過給機ブロワと前
   記内燃機関からの排ガスにより駆動されかつ前記過給機
   ブロワを駆動する過給機排ガスタービンとを備えた内燃
   機関の過給装置において、過給機排ガスタービンからの
   排ガスにより給水を加熱して蒸気を生成する蒸気発生器
   と、該蒸気発生器から蒸気流量調整弁を介して送給され
   た蒸気により駆動されかつ前記過給機排ガスタービンと
   協働して前記過給機ブロワを駆動する蒸気タービンと、
   前記過給機ブロワから内燃機関へ給気される空気の圧力
   を伝達するための給気圧力伝送器と、前記内燃機関の回
   転軸の回転数を伝達するための機関回転数伝送器と、前
   記給気圧力伝送器からの給気圧力信号および機関回転数
   伝送器からの機関回転数信号に基づいて前記蒸気流量調
   整弁に弁開閉指令を出力する過給空気量制御装置とを備
   えたことを特徴とする内燃機関の過給装置。
2. 【請求項２】 内燃機関へ給気を行う過給機ブロワと前
   記内燃機関からの排ガスにより駆動されかつ前記過給機
   ブロワを駆動する過給機排ガスタービンとを備えた内燃
   機関の過給装置において、過給機排ガスタービンからの
   排ガスにより給水を加熱して蒸気を生成する蒸気発生器
   と、該蒸気発生器から蒸気流量調整弁を介して送給され
   た蒸気により駆動されかつ前記過給機排ガスタービンと
   協働して前記過給機ブロワを駆動する蒸気タービンと、
   前記内燃機関から過給機排ガスタービンへ送給される排
   ガスの温度を検出する温度センサと、前記内燃機関の回
   転軸の回転数を伝達するための機関回転数伝送器と、前
   記温度センサからの排ガス温度信号および機関回転数伝
   送器からの機関回転数信号に基づいて前記蒸気流量調整
   弁に弁開閉指令を出力する過給空気量制御装置とを備え
   たことを特徴とする内燃機関の過給装置。