(57)【要約】【課題】ターボチャージャーで多段過給を行う航空機用のレシプロエンジンにおいてターボラグを低減させることである。【解決手段】実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの過給システムは、航空機用レシプロエンジンに圧縮空気を供給するための複数のコンプレッサと、前記複数のコンプレッサの少なくとも１つのコンプレッサの回転動力を得るための少なくとも１つのタービンと、前記複数のコンプレッサにそれぞれ回転動力を与える複数のモータとを有するものである。【選択図】  図１
2019152116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機用レシプロエンジンに圧縮空気を供給するための複数のコンプレッサと、
前記複数のコンプレッサの少なくとも１つのコンプレッサの回転動力を得るための少なくとも１つのタービンと、
前記複数のコンプレッサにそれぞれ回転動力を与える複数のモータと、
を有する航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項２】
前記航空機用レシプロエンジンの動力によって発電する発電機と、
前記発電機で生成された電力を蓄電するバッテリと、
を更に備え、
前記複数のモータは前記バッテリに蓄電された電力で駆動するように構成される請求項１記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項３】
第１、第２及び第３の３つのコンプレッサと、
前記第１のコンプレッサの回転動力を得るための１つのタービンと、
前記第２のコンプレッサ及び前記第３のコンプレッサにそれぞれ回転動力を与えるモータと、
前記タービンの動力によって発電する一方、前記第１のコンプレッサに回転動力を与える電動発電機と、
前記電動発電機で生成された電力を蓄電するバッテリと、
を更に備え、
前記モータ及び前記電動発電機は前記バッテリに蓄電された電力で駆動するように構成される請求項１記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項４】
前記航空機用レシプロエンジンの制御情報に基づいて前記モータを駆動させる制御装置を更に備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記航空機用レシプロエンジンの始動時及び前記航空機用レシプロエンジンの出力の増加時に前記モータを駆動させるように構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記航空機用レシプロエンジンに供給される空気の流量を制御するためのスロットルの開度の制御情報に基づいて前記モータを制御するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項７】
前記制御装置は、前記スロットルの開度の制御情報、前記航空機用レシプロエンジンに備えられるピストンの入口における圧縮空気の圧力の計測値及び前記複数のコンプレッサに向けて外部から取り込まれた空気の圧力の計測値に基づいて各コンプレッサにおける空気の圧力配分を決定し、決定した前記空気の圧力配分で各コンプレッサから圧縮空気が出力されるように前記モータの回転速度を制御するように構成される請求項６記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記複数のコンプレッサの各効率が所定の範囲内となるように前記各コンプレッサにおける空気の圧力配分を決定するように構成される請求項７記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項９】
前記電動発電機は、前記航空機用レシプロエンジンの始動時及び前記航空機用レシプロエンジンの出力の増加時には前記第１のコンプレッサに回転動力を与える電動機として動作する一方、前記航空機用レシプロエンジンの出力の低下時及び前記航空機用レシプロエンジンの出力を維持する際には発電機として動作する請求項３記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項１０】
前記電動発電機は、前記航空機用レシプロエンジンの出力の低下時及び前記航空機用レシプロエンジンの出力を維持する際において、前記タービンによって生成される動力から前記第１のコンプレッサの回転動力を差し引いた残りの動力で発電するように構成される請求項３又は９記載の航空機用レシプロエンジンの過給システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の過給システムを設けた航空機用レシプロエンジン。
【請求項１２】
請求項１１記載の航空機用レシプロエンジンを備えた航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、航空機用レシプロエンジンの過給システム、航空機用レシプロエンジン及び航空機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機用のエンジンとしてレシプロエンジンが知られている。レシプロエンジンは燃料の燃焼によるエネルギの一部を膨張仕事としてピストンの往復運動に変換し、ピストンに連結された回転体の回転運動に変換する原動機である。レシプロエンジンを動力とする小型プロペラ機等の航空機はレシプロ航空機と呼ばれる。
【０００３】
また、レシプロエンジンにスーパーチャージャーやターボチャージャー等の過給機を設けたレシプロ航空機も知られている（例えば特許文献１乃至３参照）。特にレシプロエンジンに多段階のターボチャージャーを設けることによってレシプロ航空機が高高度を飛行できるようにする技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５９８１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１０６７２８号公報
【特許文献３】特表２０１２−５０３７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のターボチャージャーで多段過給を行うレシプロエンジンでは、エンジン出力を絞った場合、エンジン出力が復活するまでに時間を要する。これは、スロットルを操作してレシプロエンジンに供給される空気の流量を増やそうとしても、排気エネルギが上昇してコンプレッサが要求される仕事を行うまでに時間を要するためである。このターボチャージャー付レシプロエンジンにおける応答遅れはターボラグと呼ばれる。
【０００６】
そこで本発明は、ターボチャージャーで多段過給を行う航空機用のレシプロエンジンにおいてターボラグを低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの過給システムは、航空機用レシプロエンジンに圧縮空気を供給するための複数のコンプレッサと、前記複数のコンプレッサの少なくとも１つのコンプレッサの回転動力を得るための少なくとも１つのタービンと、前記複数のコンプレッサにそれぞれ回転動力を与える複数のモータとを有するものである。
【０００８】
また、本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンは、上述した過給システムを設けたものである。
【０００９】
また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した航空機用レシプロエンジンを備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る過給システムを備えた航空機用レシプロエンジンの構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る過給システムを備えた航空機用レシプロエンジンの構成図。
【図３】図２に示すコンプレッサ・コントロール・ユニットにおいてコンプレッサの回転速度を決定するための情報処理の内容を示すフローチャート。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図２に示す高圧段用の第１のコンプレッサ、中圧段用の第２のコンプレッサ及び低圧段用の第３のコンプレッサの各コンプレッサマップと制御例を示すグラフ。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ従来の３段の機械式ターボチャージャー付レシプロエンジンに備えられる高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各コンプレッサマップと制御例を示すグラフ。
【図６】図２に示す電動式の過給システムによる過給圧の時間変化を表すグラフ。
【図７】従来のタービンを用いた機械式ターボチャージャーによる過給圧の時間変化を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの過給システム、航空機用レシプロエンジン及び航空機について添付図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る過給システムを備えた航空機用レシプロエンジンの構成図である。
【００１３】
航空機用レシプロエンジン１は航空機２に備えられる。換言すれば、航空機２は、航空機用レシプロエンジン１を動力とするレシプロ航空機である。典型的なレシプロ航空機はプロペラの回転により生じる推力によって飛行するプロペラ機であり、航空機用レシプロエンジン１の回転軸は航空機２のプロペラと連結される。
【００１４】
航空機用レシプロエンジン１は複数のピストン３を備えている。航空機用レシプロエンジン１は、航空燃料の燃焼による熱エネルギをピストン３の往復運動に変換し、ピストン３に連結された回転軸の回転運動に変換する原動機である。従って、航空機用レシプロエンジン１には空気が供給され、航空燃料と混合された後、燃焼される。空気と混合した燃料ガスが仕事をしてピストン３を移動させた後は、排気ガス（ＥＧ：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ）として排気される。
【００１５】
航空機用レシプロエンジン１を構成する各ピストン３に空気を供給するための供給管には、スロットル４が設けられる。スロットル４は、ピストン３に供給される空気の流量を調整する絞り弁である。スロットル４の開度を大きくすれば、ピストン３に供給される空気の流量が増加するため、航空機用レシプロエンジン１の出力を上昇させることができる。
【００１６】
各スロットル４は航空機用レシプロエンジン１を制御するためのエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ：ｅｎｇｉｎｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）５と接続される。そして、各スロットル４はエンジン・コントロール・ユニット５からの制御信号によって制御される。
【００１７】
エンジン・コントロール・ユニット５は、操縦レバー６と接続される。このため、航空機２の操縦者が操縦レバー６を操作することによってスロットル４の開度を調整する指示をエンジン・コントロール・ユニット５に入力すると、エンジン・コントロール・ユニット５から各スロットル４に制御信号が出力され、各スロットル４の開度を所望の開度にすることができる。
【００１８】
具体例として、航空機用レシプロエンジン１を高空で始動する場合や航空機用レシプロエンジン１の出力を増加させることによって航空機２の飛行速度を加速する場合には、スロットル４の開度を増加させる指示を操縦レバー６からエンジン・コントロール・ユニット５に入力することによって、航空機用レシプロエンジン１を始動したり、或いは航空機用レシプロエンジン１の出力を増加させることができる。
【００１９】
尚、航空機２が有人機である場合には操縦レバー６を航空機２のパイロットが搭乗するコクピット内に配置することが適切である。一方、航空機２が無人機である場合には航空機２の遠隔操縦者が操縦できるように操縦レバー６を遠隔地に設けることができる。或いは、航空機２が無人機である場合であっても、操縦レバー６を機体に設け、遠隔操縦ではなく機体内に搭載した計算機による自律制御によって操縦レバー６を操縦することができる。
【００２０】
また、航空機用レシプロエンジン１には過給システム７が設けられる。過給システム７は、航空機用レシプロエンジン１に圧縮空気を供給するシステムである。すなわち、過給システム７は、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を航空機用レシプロエンジン１に供給するターボチャージャーである。過給システム７では空気を圧縮するためのエネルギとして、航空機用レシプロエンジン１から排出される排気ガスのエネルギが用いられる。
【００２１】
過給システム７は、典型的なターボチャージャーと同様に、航空機用レシプロエンジン１に圧縮空気を供給するための複数のコンプレッサ８、航空機用レシプロエンジン１から排出される排気ガスのエネルギを回収することによって複数のコンプレッサ８のうちの少なくとも１つのコンプレッサ８の回転動力を得るための少なくとも１つのタービン９及び各コンプレッサ８において温度が上昇した空気を冷却するインタークーラー１０を用いて構成することができる。
【００２２】
図１に示す例では、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａと、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂで構成される２つのコンプレッサ８と、第１のコンプレッサ８Ａ及び第２のコンプレッサ８Ｂの回転動力をそれぞれ得るための第１のタービン９Ａ及び第２のタービン９Ｂで過給システム７が構成されている。
【００２３】
低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂは、空気を航空機用レシプロエンジン１に供給するための供給管の、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａよりも上流側となる位置に接続される。従って、過給システム７の外部から取り込まれた圧縮前における空気が低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂに送り込まれる。そして、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂで所定の圧力となるように圧縮された圧縮空気が高圧側の第１のコンプレッサ８Ａに向けて出力される。
【００２４】
逆に、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａは、空気を航空機用レシプロエンジン１に供給するための供給管の、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂよりも下流側となる位置に接続される。従って、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂで圧縮された圧縮空気が高圧側の第１のコンプレッサ８Ａに送り込まれる。そして、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａで更に高圧となるように圧縮された圧縮空気が航空機用レシプロエンジン１の各ピストン３に向けて出力される。
【００２５】
また、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａと航空機用レシプロエンジン１との間には、第１のインタークーラー１０Ａが設けられる。同様に、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂと高圧側の第１のコンプレッサ８Ａとの間には、第２のインタークーラー１０Ｂが設けられる。このため、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂにおける空気の圧縮によって温度が上昇した圧縮空気が第２のインタークーラー１０Ｂにおいて冷却され、圧縮空気の過剰な温度の上昇が抑制される。同様に、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａにおける空気の圧縮によって温度が上昇した圧縮空気が第１のインタークーラー１０Ａにおいて冷却され、圧縮空気の過剰な温度の上昇が抑制される。
【００２６】
このように、図１に例示される過給システム７は、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂと高圧側の第１のコンプレッサ８Ａで空気の圧力を段階的に増加させて航空機用レシプロエンジン１に供給する２段式のターボチャージャーである。
【００２７】
第１のタービン９Ａは、航空機用レシプロエンジン１から排出される排気ガスの配管の、第２のタービン９Ｂよりも上流側となる位置に設けられる。逆に、第２のタービン９Ｂは、航空機用レシプロエンジン１から排出される排気ガスの配管の、第１のタービン９Ａよりも下流側となる位置に設けられる。
【００２８】
また、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａは、第１の回転シャフト１１Ａで第１のタービン９Ａと機械的に連結される。他方、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂは、第２の回転シャフト１１Ｂで第２のタービン９Ｂと機械的に連結される。
【００２９】
また、第１のタービン９Ａの上流側において排気ガスの配管が分岐し、分岐した排気ガスの配管に第１のウェストゲートバルブ１２Ａが設けられる。すなわち、第１のウェストゲートバルブ１２Ａが第１のタービン９Ａと並列接続される。同様に、第２のタービン９Ｂの上流側において排気ガスの配管が分岐し、分岐した排気ガスの配管に第２のウェストゲートバルブ１２Ｂが設けられる。すなわち、第２のウェストゲートバルブ１２Ｂが第２のタービン９Ｂと並列接続される。
【００３０】
第１のウェストゲートバルブ１２Ａ及び第２のウェストゲートバルブ１２Ｂはそれぞれ排気ガスの一部を分流させることにより第１のタービン９Ａ及び第２のタービン９Ｂへの排気ガスの流入量を調節するための弁である。第１のウェストゲートバルブ１２Ａ及び第２のウェストゲートバルブ１２Ｂを設けることによって、過剰な量の排気ガスが第１のタービン９Ａ及び第２のタービン９Ｂに流入し、第１のタービン９Ａ及び第２のタービン９Ｂが過剰な回転速度で回転することを防止することができる。
【００３１】
このような典型的なターボチャージャーの構成に加えて、過給システム７には、複数のコンプレッサ８の回転速度を各々に制御する複数のモータ１３、モータ１３を駆動させることによって各コンプレッサ８の出力を制御するコンプレッサ・コントロール・ユニット（ＣＣＵ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）１４、航空機用レシプロエンジン１の動力によって発電する発電機１５、発電機１５で生成された電力を蓄電するバッテリ１６及び航空機用レシプロエンジン１に供給される空気の圧力や流量等の物理量を計測するための各種計測機器１７が設けられる。
【００３２】
尚、発電機１５、バッテリ１６及び各種計測機器１７については典型的な航空機用レシプロエンジン１に備えられているため、航空機用レシプロエンジン１に元々備えられている発電機１５、バッテリ１６及び各種計測機器１７を過給システム７用に用いることができる。但し、能力が不十分である場合には必要な装置を追加することができる。
【００３３】
モータ１３は、航空機用レシプロエンジン１の出力を増加させる時や航空機用レシプロエンジン１を始動する時のように、コンプレッサ８の出力を増加すべき時にコンプレッサ８に回転動力を与えることによってコンプレッサ８の駆動をアシストするための動力源である。
【００３４】
すなわち、モータ１３を駆動させれば、各コンプレッサ８にはタービン９から伝達される回転トルクに加えて、モータ１３から伝達される回転トルクが負荷される。このため、タービン９の駆動によって得られるコンプレッサ８の出力よりも大きな出力を得ることができる。そこで、航空機用レシプロエンジン１の出力を増加させる時や航空機用レシプロエンジン１を始動する時のように、コンプレッサ８の出力を増加すべき時にはモータ１３を駆動させて一時的にコンプレッサ８の出力を増加させることができる。
【００３５】
図１に示す例では、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａと第１のタービン９Ａとを連結する第１の回転シャフト１１Ａに機械的に第１のモータ１３Ａの出力軸が連結されている。このため、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａには、第１のタービン９Ａのみならず、第１のモータ１３Ａからも動力を伝達することができる。他方、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂと第２のタービン９Ｂとを連結する第２の回転シャフト１１Ｂに機械的に第２のモータ１３Ｂの出力軸が連結されている。このため、低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂには、第２のタービン９Ｂのみならず、第２のモータ１３Ｂからも動力を伝達することができる。
【００３６】
コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、モータ１３を駆動させることによってコンプレッサ８の出力を制御する制御装置である。このため、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、各モータ１３に電力を供給できるように、各モータ１３と電気的に接続される。
【００３７】
各モータ１３を駆動させるべき期間は、航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時である。従って、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４に航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時を検出する機能を設けることができる。航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時は、エンジン・コントロール・ユニット５から取得可能な航空機用レシプロエンジン１の制御情報に基づいて検出することができる。
【００３８】
すなわち、航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時には、操縦レバー６からエンジン・コントロール・ユニット５に航空機用レシプロエンジン１の制御情報としてスロットル４の開度を大きくする指示情報が入力される。そこで、操縦レバー６からエンジン・コントロール・ユニット５にスロットル４の開度を大きくする指示情報が入力された場合には、エンジン・コントロール・ユニット５からスロットル４の開度を大きくする指示情報が入力されたことをコンプレッサ・コントロール・ユニット１４に通知するようにすることができる。
【００３９】
そうすると、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４では、エンジン・コントロール・ユニット５から取得した航空機用レシプロエンジン１の制御情報、具体的にはスロットル４の開度の指示情報に基づいて航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時を自動検出することができる。そして、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、航空機用レシプロエンジン１の始動時及び航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時を検出した場合には、各モータ１３に適切な電力を供給して駆動させることができる。
【００４０】
つまり、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４をエンジン・コントロール・ユニット５と連動させ、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４が航空機用レシプロエンジン１に供給される空気の流量を制御するためのスロットル４の開度の制御情報に基づいて各モータ１３を制御するように構成することができる。
【００４１】
コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、モータ１３のＯＮ／ＯＦＦの切換えのみならず、モータ１３の回転数を制御できるように構成することが過給システム７を備えた航空機用レシプロエンジン１のエネルギ効率を向上させる観点から好ましい。すなわち、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４には、各コンプレッサ８ができるだけ良好なエネルギ効率で回転するように各コンプレッサ８及びモータ１３の回転数及び回転速度を決定する機能を設けることが好ましい。
【００４２】
各コンプレッサ８及びモータ１３の適切な回転数は、各コンプレッサ８のエネルギ効率を表すコンプレッサマップ、航空機用レシプロエンジン１の各スロットル４の開度、航空機用レシプロエンジン１の各ピストン３の入口における空気のマニホールド圧力の計測値及び大気中から低圧側の第２のコンプレッサ８Ｂに取り込まれる空気のインテーク圧力の計測値に基づいて決定することができる。また、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力を計測すれば、各コンプレッサ８及びモータ１３が適切な回転数で回転することによって、航空機用レシプロエンジン１に要求されるチャージエア圧が得られているか否かをチェックすることができる。
【００４３】
そこで、計測機器１７として、各ピストン３の入口における空気のマニホールド圧力を計測する第１の圧力センサ１８Ａ、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力を計測する第２の圧力センサ１８Ｂ及び過給システム７への空気のインテーク圧力を計測する第３の圧力センサ１８Ｃを設けることができる。
【００４４】
そして、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４において、第１の圧力センサ１８Ａ、第２の圧力センサ１８Ｂ及び第３の圧力センサ１８Ｃからそれぞれ航空機用レシプロエンジン１のマニホールド圧力の計測値、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力の計測値及び過給システム７への空気のインテーク圧力の計測値を取得できるようにすることができる。すなわち、第１の圧力センサ１８Ａ、第２の圧力センサ１８Ｂ及び第３の圧力センサ１８Ｃにおいて取得された空気の圧力の検出信号をコンプレッサ・コントロール・ユニット１４に出力できるように、第１の圧力センサ１８Ａ、第２の圧力センサ１８Ｂ及び第３の圧力センサ１８Ｃを信号線でコンプレッサ・コントロール・ユニット１４と電気的に接続することができる。
【００４５】
また、各スロットル４の開度については、各スロットル４の開度の制御情報としてエンジン・コントロール・ユニット５からコンプレッサ・コントロール・ユニット１４に通知することができる。各スロットル４の開度が分かれば、航空機用レシプロエンジン１に要求される空気の質量流量を求めることができる。具体的には、航空機用レシプロエンジン１に要求されるチャージエア圧は大気圧程度であることからチャージエア圧とスロットルの開度に基づいて航空機用レシプロエンジン１に要求される空気の質量流量を求めることができる。
【００４６】
そして、航空機用レシプロエンジン１に要求される空気の質量流量とチャージエア圧、航空機用レシプロエンジン１のマニホールド圧力の計測値と過給システム７への空気のインテーク圧力の計測値並びに各コンプレッサ８のエネルギ効率を表すコンプレッサマップに基づいて各コンプレッサ８のエネルギ効率が良好となるように各コンプレッサ８における過給圧の配分を行うことができる。
【００４７】
具体的には航空機用レシプロエンジン１に要求される空気の質量流量とチャージエア圧が過給システム７で得られるように過給システム７における総過給圧を決定することができる。そして、過給システム７における総過給圧が得られるように、コンプレッサマップに基づいて各コンプレッサ８における過給圧を決定することができる。各コンプレッサ８における過給圧が決定されると、各コンプレッサ８及び各モータ１３の適切な回転数を求めることができる。
【００４８】
このような各スロットル４の開度、航空機用レシプロエンジン１のマニホールド圧力及び過給システム７のインテーク圧力の計測値並びに各コンプレッサ８のエネルギ効率を表すコンプレッサマップに基づいて各コンプレッサ８及び各モータ１３の適切な回転数を求める機能は上述したようにコンプレッサ・コントロール・ユニット１４に設けることができる。尚、コンプレッサマップに基づく各モータ１３の適切な回転数の求め方についてはコンプレッサ８の数が３つであり、第１の実施形態よりも複雑な構成を有する第２の実施形態において詳述する。
【００４９】
また、航空機用レシプロエンジン１に要求されるチャージエア圧が得られているか否かは、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力を計測することによって確認することができる。このため、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力を第２の圧力センサ１８Ｂで計測し、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力がチャージエア圧に達していない場合には、過給システム７の総過給圧を増加させるフィードバック制御を行うようにしてもよい。その場合には、航空機用レシプロエンジン１の入口における空気の圧力に基づいて各モータ１３の回転速度をフィードバック制御する機能を、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４に設けることができる。
【００５０】
コンプレッサ・コントロール・ユニット１４において各モータ１３の回転数が決定されると、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４から各モータ１３には各モータ１３の制御信号とともに電力が供給される。各モータ１３に供給される電力は、航空機用レシプロエンジン１の回転軸の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機１５で生成することができる。
【００５１】
発電機１５で生成された電力は、バッテリ１６に蓄電することができる。このため、発電機１５及びバッテリ１６はコンプレッサ・コントロール・ユニット１４と電気的に接続される。これにより、過給システム７に備えられる複数のモータ１３を、バッテリ１６に蓄電された電力で駆動することができる。但し、発電機１５以外の装置によって各モータ１３に電力を供給するようにしても良い。その場合には発電機１５を省略しても良い。
【００５２】
尚、図１に例示されるように、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４とエンジン・コントロール・ユニット５は、いずれも電気回路で構成できることから一体化しても良い。コンプレッサ・コントロール・ユニット１４及びエンジン・コントロール・ユニット５のうちデジタル情報の処理を行う部分についてはプログラムを読込ませたコンピュータ等の電子回路で構成することができる。また、スロットル４が油圧式又は空気圧式で駆動する弁であれば、油圧信号回路又は空気圧信号回路を用いてエンジン・コントロール・ユニット５を構成することができる。
【００５３】
以上のような航空機用レシプロエンジン１の過給システム７、航空機用レシプロエンジン１及び航空機２は、航空機用レシプロエンジン１に圧縮空気を供給するための複数のコンプレッサ８をタービン９のみならず、モータ１３でも駆動できるようにしたものである。すなわち、航空機用の多段式のターボチャージャーにおいて複数のコンプレッサ８を電動化したものである。
【００５４】
（効果）
このため、航空機用レシプロエンジン１の過給システム７、航空機用レシプロエンジン１及び航空機２によれば、航空機用レシプロエンジン１に供給される圧縮空気の過給圧についての応答性を向上させることができる。すなわち、航空機用レシプロエンジン１の始動時や航空機用レシプロエンジン１の出力の増加時においてモータ１３で瞬時にコンプレッサ８を駆動できるため、従来の多段式のターボチャージャーとは異なり、排気ガスによってタービン９の回転速度が増加する前であってもコンプレッサ８を適切な回転数で回転させることができる。
【００５５】
特に航空機用レシプロエンジン１のスロットル４の開度とモータ１３の駆動を連動させることによって、タイムラグを生じることなく航空機用レシプロエンジン１への過給を行うことが可能となる。このため、航空機２の飛行可能な高度に対する要求が上がるに連れて過給システム７に備えられるコンプレッサ８とタービン９の数が増えたとしても、各コンプレッサ８に迅速に動力を供給し、航空機用レシプロエンジン１に要求されるチャージエア圧及び質量流量を迅速に得ることができる。
【００５６】
また、従来の多段式のターボチャージャーとは異なり、各コンプレッサ８をモータ１３で個別に制御できる。このため、エネルギ効率が良い条件で各コンプレッサ８を使用することができる。更に、従来は大気放出していた排気ガスの余剰エネルギを回収することが可能となる。その結果、航空機用レシプロエンジン１のエネルギ効率を向上させることができる。すなわち高燃費な航空機用レシプロエンジン１を提供することができる。
【００５７】
しかも、航空機用レシプロエンジン１では吸気される空気の圧力が低くてもモータ１３でコンプレッサ８を駆動できるため、従来の多段式のターボチャージャーを備えたレシプロエンジンよりも、高高度において航空機用レシプロエンジン１を始動することができる。すなわち、高空において航空機用レシプロエンジン１が停止した場合において、航空機用レシプロエンジン１を自然吸気のみで再始動することが可能な高度まで航空機２の高度を下げる必要が無い。その結果、高高度で滞空することが可能な航空機２を提供することができる。
【００５８】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係る過給システムを備えた航空機用レシプロエンジンの構成図である。
【００５９】
図２に示された第２の実施形態における航空機用レシプロエンジン１Ａ及び過給システム７Ａは、コンプレッサ８とタービン９の数並びに発電機１５と１つのモータ１３に代えて電動発電機（ＭＧ：Ｍｏｔｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２０を設けた点が第１の実施形態における過給システム７と相違する。第２の実施形態における過給システム７Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における過給システム７と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
【００６０】
第２の実施形態における航空機用レシプロエンジン１Ａは、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃからなる３つのコンプレッサ８を備えている。高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各出力側には、それぞれ圧縮空気を冷却するための第１のインタークーラー１０Ａ、第２のインタークーラー１０Ｂ及び第３のインタークーラー１０Ｃが設けられる。
【００６１】
また、航空機用レシプロエンジン１Ａには、第１のコンプレッサ８Ａの回転動力を得るための１つのタービン９が備えられる。すなわち、第１のコンプレッサ８Ａが回転シャフト１１で機械的にタービン９と連結される。排気ガスの配管は、タービン９の上流側において分岐し、分岐した排気ガスの配管にウェストゲートバルブ１２が設けられる。そして、ウェストゲートバルブ１２によって、過剰な量の排気ガスがタービン９に流入しないようにタービン９を通過する排気ガスの流量が調整される。
【００６２】
他方、第２のコンプレッサ８Ｂ及び第３のコンプレッサ８Ｃには、それぞれ回転動力を与えるモータ１３が回転シャフト１１で機械的に連結される。このため、第２のコンプレッサ８Ｂ及び第３のコンプレッサ８Ｃは、それぞれモータ１３から供給される電気エネルギを利用して駆動する。具体的には、第２のコンプレッサ８Ｂ及び第３のコンプレッサ８Ｃは、それぞれモータ１３から伝達される回転トルクによって回転する。
【００６３】
また、第１のコンプレッサ８Ａとタービン９とを機械的に連結する回転シャフト１１には、電動発電機２０が設けられる。電動発電機２０は、電動機と発電機の機能を兼ねた装置である。このため、電動発電機２０を第１のコンプレッサ８Ａを駆動するためのモータとして使用することも可能であるし、タービン９で生成される機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機として使用することも可能である。すなわち、電動発電機２０は、タービン９の動力によって発電する一方、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａに回転動力を与えるように構成されている。
【００６４】
高圧側の第１のコンプレッサ８Ａの出力を増加させることが必要なのは上述したように航空機２を加速するために航空機用レシプロエンジン１Ａの出力を増加させる時と、航空機用レシプロエンジン１Ａを始動する時である。そこで、航空機２の加速時及び高空で航空機用レシプロエンジン１Ａを始動する時には電動発電機２０を第１のコンプレッサ８Ａに回転動力を与える電動機として動作させることができる。
【００６５】
すなわち、第１のコンプレッサ８Ａをタービン９から伝達される回転トルクと、電動発電機２０から伝達される回転トルクの双方で回転させることができる。これにより、第１のコンプレッサ８Ａを、タービン９の駆動のみによって得られる第１のコンプレッサ８Ａの出力よりも大きな出力で駆動させることができる。
【００６６】
一方、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａの出力を増加させることが必要でない場合、すなわち、航空機２の巡航中における航空機用レシプロエンジン１Ａの出力の低下時及び航空機用レシプロエンジン１Ａの出力を維持する際には電動発電機２０を発電機として動作させることができる。より具体的には、電動発電機２０は、航空機用レシプロエンジン１Ａの出力の低下時及び航空機用レシプロエンジン１Ａの出力を維持する際において、タービン９によって生成される動力から第１のコンプレッサ８Ａの回転動力を差し引いた残りの動力で発電するように構成することができる。この場合、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａは、タービン９からの機械エネルギを直接利用して駆動することになる。
【００６７】
電動発電機２０は、バッテリ１６と電気的に接続される。このため、電動発電機２０で生成された電力をバッテリ１６に蓄電することができる。バッテリ１６には、第２のコンプレッサ８Ｂ及び第３のコンプレッサ８Ｃにそれぞれ回転動力を与えるためのモータ１３も接続される。従って、バッテリ１６に蓄電された電力で電動発電機２０及び各モータ１３を駆動することができる。
【００６８】
すなわち、航空機２の巡航時には電動発電機２０をタービン９で生成された機械的エネルギのうち高圧側の第１のコンプレッサ８Ａの駆動のために消費されずに残るエネルギを利用して発電する発電機として使用することによってタービン９で生成された機械的エネルギを中圧側の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧側の第３のコンプレッサ８Ｃを駆動させるための電気エネルギに変換する一方、航空機２の加速時や高空における航空機用レシプロエンジン１Ａの始動時には電動発電機２０を第１のコンプレッサ８Ａ用のモータとして使用することができる。
【００６９】
電動発電機２０、各モータ１３及びバッテリ１６はコンプレッサ・コントロール・ユニット１４で制御することができる。具体的には、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、電動発電機２０を電動機として動作させるモードと、発電機として動作させるモードを切換える機能、各モータ１３にバッテリ１６から電力を供給し、かつ制御信号を出力することによって各モータ１３を所定の回転数で回転させる機能、バッテリ１６を充電モードと電源として使用する放電モードとの間で切換える機能を有している。
【００７０】
すなわち、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４は、電動発電機２０、各モータ１３及びバッテリ１６にそれぞれ制御信号を出力することによって、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａをタービン９からの機械的エネルギのみで駆動させる巡航モードと、高圧側の第１のコンプレッサ８Ａをタービン９からの機械的エネルギに加えて電動発電機２０で電気エネルギから変換された機械的エネルギで駆動させる出力増加モードとを切換える機能を有している。
【００７１】
また、第１の実施形態と同様に、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４には、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃがより良好なエネルギ効率で駆動するように、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃと電動発電機２０及びモータ１３の回転速度を決定する機能を設けることができる。
【００７２】
図３は、図２に示すコンプレッサ・コントロール・ユニット１４においてコンプレッサ８の回転速度を決定するための情報処理の内容を示すフローチャートである。
【００７３】
各コンプレッサ８の適切な回転速度は、スロットル４の開度、航空機用レシプロエンジン１Ａに備えられるピストン３の入口における圧縮空気のマニホールド圧力並びに複数のコンプレッサ８に向けて外部から取り込まれる空気のインテーク圧力を入力データとして算出することができる。
【００７４】
スロットル４の開度は、エンジン・コントロール・ユニット５からスロットル４の開度の制御情報として取得することができる。一方、航空機用レシプロエンジン１Ａのマニホールド圧力及びインテーク圧力の各計測値は、第１の実施形態と同様に第１の圧力センサ１８Ａ及び第３の圧力センサ１８Ｃでそれぞれ取得することができる。また、第１の実施形態と同様に第２の圧力センサ１８Ｂで航空機用レシプロエンジン１Ａの入口における空気の圧力を確認用に計測することもできる。
【００７５】
スロットル４の開度、過給システム７Ａへのインテーク圧力及び航空機用レシプロエンジン１Ａのマニホールド圧力が入力データとして取得されると、ステップＳ１において、航空機用レシプロエンジン１Ａに要求されるチャージエア圧及び空気の要求質量流量を特定することができる。具体的には、スロットル４の開度が分かれば、航空機用レシプロエンジン１Ａに要求されるチャージエア圧を大気圧程度に維持するための航空機用レシプロエンジン１Ａの入口における要求質量流量を特定することができる。
【００７６】
航空機用レシプロエンジン１Ａに要求されるチャージエア圧及び要求質量流量が特定されると、ステップＳ２において、過給システム７Ａに要求される総過給圧、すなわち大気から取り込まれる空気のインテーク圧力と、過給システム７Ａから排出される圧縮空気の圧力との差圧を算出することができる。
【００７７】
具体的には、航空機用レシプロエンジン１Ａに要求されるチャージエア圧と要求質量流量に基づいて、航空機用レシプロエンジン１Ａの各ピストン３に向かって分岐する配管における空気のマニホールド圧力と流量の変化を、現在のインテーク圧力とマニホールド圧力の計測値に基づいてエンジン・コントロール・ユニット５が予測し、マニホールド圧力と流量の各目標値を算出することができる。
【００７８】
尚、エンジン・コントロール・ユニット５でマニホールド圧力の変化を予測する代わりに第１の圧力センサ１８Ａで計測するようにしても良い。その場合には、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４における応答が数百ミリ秒程度遅くなるが、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４における情報処理を簡易化することができる。
【００７９】
各ピストン３の入口における空気のマニホールド圧力と流量の各目標値が算出されると、現在のインテーク圧力とマニホールド圧力の計測値に基づいてマニホールド圧力と流量を各目標値とするために過給システム７Ａに要求される総過給圧を求めることができる。過給システム７Ａに要求される総過給圧は、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃで増加させるべき空気の圧力となる。
【００８０】
次に、ステップＳ３において、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃへの圧力配分が行われる。この場合、第１の実施形態において説明したように、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃがいずれも高効率で駆動するように高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃへの圧力配分を行うことが好ましい。
【００８１】
各コンプレッサ８のエネルギ効率はコンプレッサマップを参照して評価することができる。そこで、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４に各コンプレッサ８のエネルギ効率を表すコンプレッサマップを記憶させることができる。そして、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４には、コンプレッサマップに基づいて各コンプレッサ８のエネルギ効率が一定の効率以上となるように各コンプレッサ８における空気の圧力配分を決定する機能を設けることができる。
【００８２】
図４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図２に示す高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各コンプレッサマップと制御例を示すグラフである。
【００８３】
図４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に例示されるようにコンプレッサマップは縦軸を空気の圧力比に相当する過給圧、横軸を空気の流量としてコンプレッサ８の効率を２次元的に表したマップである。空気の圧力比は、コンプレッサ８の入口における空気の圧力と、コンプレッサ８の出口における空気の圧力との比である。また、コンプレッサマップの横軸となる空気の流量は、通常、コンプレッサ８の入口における空気の流量を、地上における空気の流量等の基準値で無次元化した流量とされる。コンプレッサ８の横軸となる無次元化された流量は修正流量と呼ばれる。
【００８４】
コンプレッサマップ上における各曲線は、エネルギ効率が一定であることを示しており、中心程エネルギ効率が高くなる。すなわち、各曲線は等エネルギ効率曲線であり、内側の等エネルギ効率曲線ほど高い値を示している。従って、各コンプレッサ８をコンプレッサマップにおいてできるだけ内側の等エネルギ効率曲線で囲まれた範囲における条件で駆動させることが各コンプレッサ８のエネルギ効率を向上させる観点から好ましい。
【００８５】
各コンプレッサ８における空気の流量は、航空機用レシプロエンジン１Ａに供給すべき空気の要求質量流量に対応する流量となる。航空機用レシプロエンジン１Ａの出力増加時や高空での始動時には、通常、航空機用レシプロエンジン１Ａに供給すべき空気の質量流量は徐々に増加する。そこで、空気の流量が各値となる時に、各コンプレッサ８の効率がより高い値となるように各コンプレッサ８のチャージエア圧の配分を決定することができる。すなわち、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４が、複数のコンプレッサ８の各効率が所定の範囲内となるように各コンプレッサ８における空気の圧力配分を決定するように構成することができる。
【００８６】
図４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す例では、空気の流量が増加するにつれて各コンプレッサ８の過給圧もそれぞれ増加するように各コンプレッサ８の過給圧が決定されている。このため、各コンプレッサ８における空気の流量と過給圧との関係の変化を示す折れ線は、各コンプレッサマップ上において効率が高いエリアを通る右上がりの折れ線となっている。換言すれば、各コンプレッサ８における空気の流量と過給圧との関係の変化を示す折れ線が各コンプレッサマップ上において効率が高いエリアを通るように各コンプレッサ８における空気の過給圧を決定することができる。
【００８７】
図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ従来の３段の機械式ターボチャージャー付レシプロエンジンに備えられる高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各コンプレッサマップと制御例を示すグラフである。
【００８８】
図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各グラフはそれぞれ高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサのコンプレッサマップを示す。すなわち、図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各グラフにおいて縦軸は各コンプレッサの圧力比（過給圧）を示し、横軸は各コンプレッサの入口における無次元化した空気の修正流量を示す。
【００８９】
高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサを、それぞれ排気ガスのエネルギを利用して回転するタービンで回転させる場合、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの回転数はそれぞれ排気ガスによって回転するタービンの回転数となる。通常の機械式ターボチャージャーでは、各タービンにウェストゲートバルブが並列に接続されており、各タービンが過剰な回転数で回転しないようにタービンの回転数が調整される。典型的な機械式ターボチャージャーでは、ウェストゲートバルブの調整によって中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各過給圧が概ね一定となるように調整され、機械式ターボチャージャーの総過給圧は高圧段用コンプレッサの過給圧を変化させることによって調整される。
【００９０】
従って、機械式ターボチャージャーからレシプロエンジンに供給される圧縮空気の流量を定めると、高圧段用コンプレッサは排気ガスの流量に応じたタービンの回転数で回転する一方、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサは概ね一定の回転数で回転することになる。つまり、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各回転数を制御することはできない。
【００９１】
従って、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各圧力比を制御することができず、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサへの圧力配分を決定することもできない。その結果、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサの各効率は、必ずしも良好な効率とはならない。
【００９２】
具体例として、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサにおける空気の流量を徐々に増加させると、高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサにおける各圧力比は排気ガスの流量に応じて図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各コンプレッサマップに重畳表示されている折れ線グラフのように変化する。すなわち、空気の流量を徐々に増加させると高圧段用コンプレッサの圧力比は排気ガスの流量の増加に伴って高圧段用コンプレッサの効率が良好となるように増加するが、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサについては空気の流量が増加しても圧力比の変化が小さく、効率が良好とはならない。従って、総合的には高圧段用コンプレッサ、中圧段用コンプレッサ及び低圧段用コンプレッサを良好な効率となる条件で駆動させることができない。
【００９３】
これに対して図２に示す過給システム７Ａの場合には、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃが電動発電機２０又はモータ１３からの動力を受けて回転するため、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの回転数、すなわち圧力比を制御することが可能である。
【００９４】
従って、図４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に例示されるように、コンプレッサマップに基づいて効率が良好となるように高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各圧力比を決定することができる。その結果、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃを効率的に使用し、従来の多段式ターボチャージャーに比べてエネルギ効率を向上させることが可能となる。
【００９５】
高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの空気流量に対応する各圧力比が決定されると、ステップＳ４において高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各回転数及び回転速度を定めることができる。高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各回転速度が定まると、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃを回転させる電動発電機２０及びモータ１３の回転速度の指令値を決定することができる。
【００９６】
尚、第１の実施形態において説明したように、航空機用レシプロエンジン１Ａの入口における空気の圧力を第２の圧力センサ１８Ｂで計測し、航空機用レシプロエンジン１Ａの入口における空気の圧力がチャージエア圧に達していない場合には、過給システム７Ａの総過給圧を増加させるフィードバック制御を行うようにしてもよい。その場合には、第２の圧力センサ１８Ｂで計測された空気の圧力に基づいて過給システム７Ａの総過給圧が調整される。
【００９７】
コンプレッサ・コントロール・ユニット１４において電動発電機２０及び各モータ１３の各回転速度が設定されると、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４から電動発電機２０及び各モータ１３にそれぞれ対応する回転速度の指令値を示す制御信号が出力される。これにより、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃを、空気の流量に応じた高効率な圧力比で駆動させることができる。その結果、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃのエネルギ効率を向上させることができる。
【００９８】
しかも、図２に示す過給システム７Ａの場合には、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃが電動発電機２０又はモータ１３からの動力を受けて回転するため、従来のタービンからの動力のみで複数のコンプレッサが回転する多段式ターボチャージャーとは異なり、瞬時に回転数を変化させることができる。すなわち、図２に示す過給システム７Ａの場合には、コンプレッサ・コントロール・ユニット１４で電動発電機２０及びモータ１３の回転数を制御することによって、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの各圧力比を瞬時に制御することができる。
【００９９】
図６は図２に示す電動式の過給システム７Ａによる過給圧の時間変化を表すグラフであり、図７は従来のタービンを用いた機械式ターボチャージャーによる過給圧の時間変化を表すグラフである。
【０１００】
図６及び図７において横軸は時間を示し、縦軸は過給圧を示す。また、図６及び図７において実線は電動式の過給システム７Ａ及び従来の機械式ターボチャージャーの総過給圧を、点線は高圧段の過給圧を、一点鎖線は中圧段の過給圧を、二点鎖線は低圧段の過給圧を、それぞれ示す。尚、総過給圧は、高圧段の過給圧、中圧段の過給圧及び低圧段の過給圧の積となる。
【０１０１】
従来のタービンを用いた３段の機械式ターボチャージャーの総過給圧を増加させる場合には、図７に示すように過給圧を変化させても流量が大幅に変化しないように体積流量が少ない高圧段コンプレッサの過給圧が制御される。すなわち高圧段コンプレッサが徐々に加速する。逆に、体積流量インパクトが大きい低圧段コンプレッサ及び中圧段コンプレッサの各過給圧は一定に保たれる。
【０１０２】
この場合、排気ガスのエネルギが上昇して高圧段コンプレッサが期待される仕事を行うまでにターボラグと呼ばれる時間的な応答遅れが生じる。具体例として、２５０馬力の従来の機械式ターボチャージャー付レシプロエンジンで、２５馬力から最大出力まで加速する場合には１０秒弱のターボラグが生じる。
【０１０３】
しかも、従来のタービンを用いた機械式ターボチャージャーの場合には、低圧段コンプレッサ及び中圧段コンプレッサの過給圧が一定となるように制御されるため、図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して説明したように、低圧段コンプレッサ及び中圧段コンプレッサを効率的な条件で使用することができない。また、各タービンで回収されない排気ガスの余剰エネルギは廃棄される。
【０１０４】
これに対して、電動発電機２０及びモータ１３で高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃを回転させる電動式の過給システム７Ａの場合には、図６に示すように高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃの回転速度を同時かつ瞬時に増加させることができる。その結果、過給システム７Ａにおいて要求される総過給圧が得られるまでの時間を飛躍的に短縮することができる。具体的には、過給システム７Ａにおいて要求される総過給圧が得られるまでの時間は、電気的な制御によって電動発電機２０及びモータ１３の回転速度が指令値となるまでに要する時間となるため、１秒弱まで短縮することができる。
【０１０５】
尚、第１の実施形態として例示した図１に示す２段式の過給システム７においても同様である。すなわちコンプレッサ・コントロール・ユニット１４では、スロットル４の開度の制御情報、航空機用レシプロエンジン１に備えられるピストン３の入口における圧縮空気のマニホールド圧力及びインテーク圧力の各計測値並びに複数のコンプレッサ８に向けて大気中から取り込まれた空気のインテーク圧力の計測値に基づいて複数のコンプレッサ８における空気の圧力配分をエネルギ効率が良好となるように決定し、決定した空気の圧力配分で各コンプレッサ８から圧縮空気が出力されるようにモータ１３の回転速度を制御することができる。そして、複数のコンプレッサ８における空気の圧力配分を決定する際には、各コンプレッサ８のエネルギ効率を表すコンプレッサマップを参照してエネルギ効率が良好となるように各コンプレッサ８の過給圧を決定することができる。
【０１０６】
以上の第２の実施形態によれば、高圧段用の第１のコンプレッサ８Ａ、中圧段用の第２のコンプレッサ８Ｂ及び低圧段用の第３のコンプレッサ８Ｃを備えた３段式の過給システム７Ａにおいても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。すなわち、第１の実施形態において説明したように、航空機２の飛行可能な高度に対する要求が上がるに連れて過給システム７Ａに備えられるコンプレッサ８の数が増えたとしても、ターボラグの短縮、コンプレッサ８のエネルギ効率の向上、高高度において航空機用レシプロエンジン１Ａを始動できるという効果を得ることができる。
【０１０７】
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
【０１０８】
例えば、上述した各実施形態では、航空機用レシプロエンジン１、１Ａがオットーサイクルエンジンである場合を例に説明したが、過給システム７、７Ａをディーゼルサイクルエンジンに設けることもできる。
【符号の説明】
【０１０９】
１、１Ａ  航空機用レシプロエンジン
２  航空機
３  ピストン
４  スロットル
５  エンジン・コントロール・ユニット
６  操縦レバー
７、７Ａ  過給システム
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ  コンプレッサ
９、９Ａ、９Ｂ  タービン
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  インタークーラー
１１、１１Ａ、１１Ｂ  回転シャフト
１２、１２Ａ、１２Ｂ  ウェストゲートバルブ
１３、１３Ａ、１３Ｂ  モータ
１４  コンプレッサ・コントロール・ユニット
１５  発電機
１６  バッテリ
１７  計測機器
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ  圧力センサ
２０  電動発電機
【図１】
2019152116.tif 000003
【図２】
2019152116.tif 000004
【図３】
2019152116.tif 000005
【図４】
2019152116.tif 000006
【図５】
2019152116.tif 000007
【図６】
2019152116.tif 000008
【図７】
2019152116.tif 000009