JPH11315725A - レシプロエンジン用多段過給システム - Google Patents

レシプロエンジン用多段過給システム

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JPH11315725A
JPH11315725A JP10121312A JP12131298A JPH11315725A JP H11315725 A JPH11315725 A JP H11315725A JP 10121312 A JP10121312 A JP 10121312A JP 12131298 A JP12131298 A JP 12131298A JP H11315725 A JPH11315725 A JP H11315725A
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pressure
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turbine
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茂 圭 介 加
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田 巌 村
Tatsuya Itonaga
長 達 也 糸
Akiyoshi Yagawa
川 昭 良 矢
Masaru Kurihara
原 優 栗
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 本発明のレシプロエンジン用多段過給シ
ステム１００は、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。各段の過給器は、タービンを迂回するタービン側
バイパス路と、圧縮機を迂回する圧縮機側バイパス路
と、タービン側バイパス路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と、圧縮機側バイパス路を流
れる吸気の流量を制御するブリードバルブと、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
けて各バルブを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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２
０ｋｍ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２１
ｋｍ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 Techno
logy）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１
８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Ｇ
ＲＯＢ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。
【００１７】好ましくは、前記制御手段は、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。なお、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、各段毎の前記所定値
を定めることができる。
【００１８】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。
【００１９】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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】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。
【００２５】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。
【００２６】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。
【００２７】
【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。
【００２８】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３
０、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。
【００２９】前記高圧段過給器３０は、前記エンジン２
０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。
【００３０】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。
【００３１】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Ｗ
１１，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。
【００３２】前記中圧段過給器４０は、高圧段過給器３
０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。
【００３３】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。
【００３４】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。
【００３５】前記低圧段過給器５０は、中圧段過給器４
０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。
【００３６】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５
８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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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Ｓ４が設けられてい
る。
【００４０】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Ｗ
１，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３２，４２，５
２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。
【００４１】また、前記制御手段は、前記センサ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３２，４
２，５２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。
【００４２】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。
【００４３】また、制御手段は、センサＰ１，Ｐ２，Ｐ
３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，Ｂ
３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。
【００４４】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。
【００４５】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。
【００４６】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。
【００４７】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。
【００４８】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、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２
０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。
【００４９】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２
０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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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３
６に流入するようになる。
【００５３】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。
【００５４】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。
【００５５】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４
６に流入するようになる。
【００５６】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。
【００５７】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。
【００５８】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。
【００５９】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，Ｐ
２１，ｄ２０，ｄ２１，Ｐ３０，Ｐ３１，ｄ３０，ｄ３
１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。
【００６０】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。
【００６１】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３６，４６，５
６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。
【００６２】
【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。
【００６３】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。
【００６４】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。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。
【００６５】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。
【００６６】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 １００ 本発明によるレシプロエンジン用多段過給シス
テム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢 川 昭 良 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 (72)発明者 栗 原 優 東京都三鷹市大沢三丁目９番６号 株式会 社スバル研究所内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】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、各段の前記過給器の作動を制御するこ
    とを特徴とするレシプロエンジン用多段過給システム。
  2. 【請求項２】前記制御手段は、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。
  3. 【請求項３】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、各段毎の前記所定値を定
    めることを特徴とする請求項２に記載のレシプロエンジ
    ン用多段過給システム。
  4. 【請求項４】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。
  5. 【請求項５】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。
  6. 【請求項６】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。
  7. 【請求項７】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。
  8. 【請求項８】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７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。
  9. 【請求項９】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８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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