(57)【要約】  本発明は、ターボコンプレッサ（２）を備えたピストンエンジン（１）に係る方法及び装置に関する。本発明の方法において、エンジン（１）からの燃焼空気は、ターボコンプレッサ（２）のコンプレッサ（３）により加圧され、加圧された燃焼空気は加湿され、エンジン（１）のシリンダ（１０）内で燃焼空気によって燃料が燃焼され、燃焼中に生じた排ガスは、燃焼空気によってターボコンプレッサ（２）のタービン（４）に伝達される。部分流れは、加圧燃焼空気の流れから分離され、エンジン（１）を経て伝達されてタービン（４）への排ガス流れと混合される。
2008542613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボコンプレッサ（２）を具備したエンジン（１）に係る方法であって、該方法が、
ターボコンプレッサ（２）のコンプレッサ（３）により燃焼空気が加圧され、
加圧された燃焼空気は加湿され、
エンジン（１）のシリンダ（１０）内で燃焼空気によって燃料が燃焼され、
燃焼中に生じた排ガスが、ターボコンプレッサ（２）のタービン（４）に伝達されるピストンエンジン（１）に係る方法において、
部分流れが、加圧された燃焼空気の流れから分離され、エンジン（１）を経て伝達され、タービン（４）への排ガス流れと結合することを特徴とするピストンエンジンに係る方法。
【請求項２】
前記部分流れは、燃焼空気の加湿前に燃焼空気流れから分離されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
コンプレッサ（３）を通過する全空気流量の５〜１０％の体積を有する部分流れが、前記燃焼空気流れから分離されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記加湿された燃焼空気は、ピストンエンジン（１）に伝達される前に加熱されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
エンジン（１）の負荷がその最大負荷の５０〜８５％であるときのみ、部分流れが燃焼空気流れ路から分離されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ピストンエンジン（１）に係る装置であって、該装置が、
燃焼空気を加圧してエンジン（１）に案内するコンプレッサ（３）と、エンジン（１）からの排ガスが伝達されるタービン（４）とを含むターボコンプレッサ（２）、
加圧された燃焼空気を前記コンプレッサ（３）からエンジン（１）に伝達するための流れ空間（６）、
エンジン（１）からタービン（４）に前記排ガスを伝達するための排ガスチャンネル（１１）、及び
前記流れ空間（６）内に水を噴射するための噴射手段（１５）を含むピストンエンジンに係る装置において、
前記流れ空間（６）と前記排ガスチャンネル（１１）との間には、前記流れ空間（６）からエンジン（１）を経て排ガスチャンネル（１１）に燃焼空気を伝達するためのバイパスチャンネル（１３）が形成されていることを特徴とするピストンエンジンに係る装置。
【請求項７】
前記バイパスチャンネル（１３）は、前記コンプレッサ（３）と前記水噴射支点（１５）との間に位置した地点で、前記流れ空間（６）に開放されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
排ガスチャンネル（１１）に伝達される燃焼空気の流れの体積を制御するために、前記バイパスチャンネル（１３）内に制御装置（１４）が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボコンプレッサを備えたピストンエンジンに係る方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、ターボコンプレッサを備えたピストンエンジンに係る装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ピストンエンジンのシリンダ内では、高燃焼温度で酸化窒素（ＮＯｘ）が生成され、排ガスに混入されて大気中に放出される。酸化窒素の排出による環境への悪影響のため、酸化窒素の生成を防止（第１方法）し、または生成された酸化窒素を排ガスから除去（第２方法）する試みが行われている。
【０００４】
燃焼過程に燃焼空気とともに水を添加すると、酸化窒素の排出が減少する。水は、シリンダ内の燃焼温度を低め、これにより、酸化窒素の生成が減少するようになる。実際には、ピストンエンジンの燃焼過程に水を添加する方法としては、２つの方法がある。その一つは、エンジンのシリンダ内の燃焼室内に水を直接供給する方法、もう一つは、シリンダに吸入される前に水を燃焼空気と混合する方法である。
【０００５】
エンジンの出力を高めるために、ピストンエンジンは、加圧された燃焼空気をエンジンに供給するコンプレッサを含むターボコンプレッサを備えている場合がある。また、ターボコンプレッサは、前記コンプレッサを駆動するタービンを含んでいる。エンジンからの排ガスは、排ガス内のエネルギーをコンプレッサの駆動出力に切り換えるタービンに伝達される。
【０００６】
ターボコンプレッサのコンプレッサ部の運転は、一方では、コンプレッサの最大容量に対応する限界により、また、他方では、いわゆる、サージ限界により制限される。コンプレッサでサージが発生すると、直ちにエンジンに吸入された燃焼空気の圧力と流れが減少するようになるため、コンプレッサにおけるサージの発生は、エンジンの運転に悪影響を及ぼすことになる。そのため、変化する状況において、コンプレッサとエンジンの最適な運転を保障するためには、コンプレッサとサージ限界の動作基点の間に具体的な安全許容限度がなくてはならない。さらに、コンプレッサの運転効率は、動作基点がサージ限界から少し離れている時に最大となる。よって、正常運転条件下で、サージ限界から所定の距離離れて動作するように、それぞれの具体的な応用に適合のコンプレッサが選択される。
【０００７】
酸化窒素を減少するために、ターボチャージャーを備えたピストンエンジンが、コンプレッサ以降の任意の支点で水が燃焼空気と混合されるようなシステムを備える場合、水の供給により、タービンを通過する排ガスのマスフローレートが増加するようになる。よって、タービンの回転速度も増加するようになり、これにより、一定な負荷でエンジンが運転される場合に、吸入空気の圧力はコンプレッサ以降に上昇するようになる。しかしながら、コンプレッサを通過する燃焼空気の流量は一定に維持され、これにより、コンプレッサとサージ限界の動作基点の間の安全許容限度は減少し、またはなくなる。
【０００８】
また、燃焼空気の加湿手段を使用しない状況においても、エンジンは動作可能であるため、コンプレッサは、２つの互いに異なる動作条件下でも動作可能でなければならない。
【０００９】
１．燃焼空気の加湿手段を使用している場合、燃焼空気の温度は、７０〜７５℃であり、タービンを通過するマスフローレートは、水が供給されることと同一程度に増加するようになる。
【００１０】
２．燃焼空気の加湿手段を使用していない場合、燃焼空気の温度は、５０〜５５℃であり、タービンを通過する余分なマスフローレートはない。
【００１１】
低流量に適合のサイズのコンプレッサを使用することで、サージ発生に対しては安全許容限度を十分保障することができるが、他方で、このようにすると、燃焼空気の加湿システムが動作する場合に、ターボコンプレッサが過度な速度で回転するおそれがある。燃焼空気用の加湿システムが動作しない場合には、コンプレッサの動作基点が、最大容量に対応する制限値に確実に移動し、これにより、コンプレッサの動作効率は減少するようになる。さらに、標準規格によるコンプレッサを使用している場合に比べると、この場合のターボコンプレッサの回転速度は、実質的により高い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の一目的は、燃焼空気の加湿手段を備えるピストンエンジンのターボコンプレッサの動作を最適化することができる技術的解決方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による方法は、部分流れが、コンプレッサからエンジンに流れる燃焼空気流れから分離され、エンジンを経て伝達され、タービンへの排ガスの流れと結合されるという考え方に基づいている。
【００１４】
本発明による装置はバイパスチャンネルを含み、該バイパスチャンネルを通ってエンジンに伝達される燃焼空気の流れの一部がエンジンを経た後に転換され、かつタービンへの排ガスの流れと結合される。
【００１５】
より具体的には、本発明による方法は、特許請求の範囲の請求項１の特徴部に記載されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による装置は、特許請求の範囲の請求項６の特徴部に記載されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、著しい利点を提供する。
【００１８】
本発明によると、コンプレッサのサージ発生を防止することができ、燃焼空気の加湿手段を使用している場合に、通常の燃焼空気と排ガスの流れに対して最適化されている。エンジンのシリンダを通過した燃焼空気の一部を切り換え、さらにこの部分流れとタービンへの排ガスの流れとを結合することによって、コンプレッサの動作基点は、燃焼空気の加湿手段が動作中の場合、サージ限界からさらに遠くへ移動するようになる。また、コンプレッサの動作基点は、運転効率及び回転速度の点から、最適水準に維持されることができる。燃焼空気の加湿手段を使用していない場合、バイパスチャンネルは閉塞され、この場合、全燃焼空気の流れは、コンプレッサからエンジンに、正常方式で伝達される。
【００１９】
本発明により生じるエネルギーの損失は僅かである。本発明による装置を使用した実験の実施結果によると、ターボチャージャーを備えたピストンエンジンの燃料消耗量は、燃焼空気を加湿した場合、８５％のエンジン負荷水準で約０．３％増加した。
【００２０】
本発明の一実施形態において、部分流れは、コンプレッサの特性曲線がサージ限界に近接する場合、すなわち、通常、エンジン負荷が５０〜８５％の場合のみ、燃焼空気の流れから分離され、エンジンを通って伝達され、排ガスの流れと結合される。負荷が５０％以下及び８５％以上の場合は、バイパスシステムは使用されず、これにより、全燃焼空気は、コンプレッサからエンジンに伝達される。その後、ターボコンプレッサの回転速度は、運転効率を考量した場合、最適水準で維持され、よって、高負荷における回転速度の過度な増加が回避される。
【実施例】
【００２１】
以下、添付した図面を参考して、実施例により、本願発明をより詳しく説明する。図１は、本発明による装置の概路図である。
【００２２】
図１による装置は、ターボコンプレッサ２を備えたピストンエンジン１を含んでいる。ターボコンプレッサ２は、駆動軸５によって相互連結されているコンプレッサ３とタービン４を含んでいる。駆動軸５は、ベアリングシステムを介してターボコンプレッサ２のハウジングに配置されている。コンプレッサ３は、加圧された燃焼空気をエンジン１に供給する役割を果す。コンプレッサ３は、燃焼空気を加圧してエンジン１に伝達するためのブレードを備えた回転可能なローターを含んでいる。コンプレッサ３の高圧側、すなわちコンプレッサ３とエンジンシリンダの燃焼室１０との間には、加圧された燃焼空気をシリンダ１０に伝達するための流れ空間６が形成されている。流れ空間６は、燃焼空気を冷却または加熱するための熱交換器７を備えている。また、流れ空間６は、燃焼空気の流れ方向に熱交換器７の後方に位置したチャージエア収容部８を含んでいる。流れ空間６は、さらに、それぞれのシリンダ１０とチャージエア収容部８との間に形成されて、前記チャージエア収容部８からシリンダ１０に燃焼空気を伝達するための吸気チャンネル９を含んでいる。
【００２３】
シリンダ１０とタービン４の高圧側の間には、エンジンの排ガスをタービン４に伝達するための排ガスチャンネル１１が形成されている。また、前記タービン４は、ブレードを備えたローターを含んでおり、エンジン１から出る排ガスにより回転される。また、エンジン１は、シリンダ１０に燃料を供給するための燃料供給手段（図示せず）を含んでいる。
【００２４】
エンジン１は、湿潤装置を備えており、この装置によって、エンジン動作中であっても燃焼空気の水分含量が増加されることがある。燃焼空気の加湿は、燃焼中に生じる酸化窒素（ＮＯｘ）の量を減少する。燃焼空気は、水を噴射することで加湿される。燃焼空気が熱交換器７に伝達される前に、流れ空間６内で水と燃焼空気が混合される。燃焼空気の湿潤装置は、水処理システムに連結されている供給パイプ１２を含んでいる。流れ空間６に開放された噴射ノズル１５は、供給パイプ１２に連結されており、このノズルから燃焼空気の流れ方向に、熱交換器７の直前に位置している任意の支点で、水滴、またはミストの形で水が供給される。また、供給パイプ１２は、噴射ノズル１５への水の流れを許容、または防止する遮断バルブ１６を備えている。
【００２５】
燃焼空気の湿潤装置を使用している場合、タービン４を通過する排ガスのマスフローレートは、水が噴射されることと同一程度に増加するようになる。よって、タービン４の回転速度が増加し、また一定のエンジン負荷で流れ空間６内の燃焼空気の圧力も上昇するようになる。しかしながら、コンプレッサ３を通過する空気のマスフローレートは、一定に維持され、この場合、コンプレッサ３の動作基点は、サージ限界に移動する。コンプレッサ３のサージ発生を防止するために、燃焼空気の加湿中にコンプレッサ３の動作基点を移動させるため、エンジン１に係ってバイパス装置が提供される。前記バイパス装置は、流れ空間６から排ガスチャンネル１１に延長され、燃焼空気の一部が、流れ空間６からエンジンのシリンダ１０を経て排ガスチャンネル１１に伝達することができるバイパスチャンネル１３を含んでいる。バイパスチャンネル１３の第１端部は、流れ空間６に開放されており、第２端部は、排ガスチャンネル１１に開放されている。流れ空間１６内へ噴射される水がバイパスチャンネル１３内に流れることを防止するために、バイパスチャンネル１３の第１端部は、燃焼空気の流れ方向に、ノズル１５の噴射支点の直前に位置している支点で流れ空間６に開放されている。バイパスチャンネル１３の第２端部は、排ガスの流れ方向に、タービン４の前に位置している地点で排ガスチャンネル１１に開放されている。図１の矢印は、燃焼空気と排ガスの流れ方向を示している。バイパスチャンネル１３は、バイパスチャンネル１３を通過する燃焼空気の流れを調整するための制御バルブ１４を備えている。
【００２６】
エンジン１が動作中の場合、燃焼空気はコンプレッサ３に伝達され、その圧力は、ローターによって大気圧力を超えるように上昇する。加圧された空気は、コンプレッサ３の高圧側の流れ空間６に伝達される。燃焼空気の加湿手段を使用している場合、燃焼空気の流れから部分流れが分離されてバイパスチャンネル１３に伝達される。バイパスチャンネル１３に伝達された燃焼空気は、エンジンのシリンダ１０内における燃焼過程には関与しない。バイパスチャンネル１３に伝達された部分流れは、コンプレッサ３を通過する全空気流量の５〜１０％である。部分流れの体積は、制御バルブ１４により調整される。燃焼空気は、ノズル１５を介して水を噴射することにより加湿される。燃焼空気と混合する水の量は、シリンダ１０に伝達された燃焼空気が飽和され、または実質的に飽和されるように調整される。燃焼空気に供給される水の量は、必要に応じて、適切な数の水噴射ノズル１５を開閉することによって調整され、このときの各ノズルの噴射圧力は、ほぼ一定である。よって、有利な水滴の形成またはミスト噴射をいずれも提供することができ、これと同時に、正確な量の水が燃焼空気と混合される。
【００２７】
加湿された燃焼空気は、熱交換器７に伝達され、熱交換器７によって、通常、７０〜８５℃まで加熱または冷却される。燃焼空気は、例えば、熱交換器７まで伝達されるエンジン１の低温冷却水により加熱または冷却されてもよい。加熱／冷却の後、燃焼空気は、チャージエア収容部８に伝達される。チャージエア収容部８から、燃焼空気は、吸気チャンネル９を経てシリンダ１０に伝達される。燃料、例えば重油をシリンダ１０に供給し、シリンダの燃焼室１０内で燃焼空気によって燃焼させる。燃焼中に生じた排ガスは、排ガスチャンネル１１を経てタービン４に伝達される。タービン４に入る前に、排ガスの流れは、流れ空間６からバイパスチャンネル１３に伝達された燃焼空気と合流するようになる。続いて、排ガスの流れ及びそれと結合した燃焼空気の流れは、タービン４に伝達される。タービン４を通過しながら、前記流れによってタービン４のローターが回転するようになり、この回動は、軸５によってコンプレッサ３のローターに伝えられる。
【００２８】
燃焼空気の加湿手段を使用する度に、燃焼空気の流れから部分流れが分離され、バイパスチャンネル１３を通じて排ガスチャンネル１１に伝達される。以降、制御バルブ１４は開放し続けられる。他の解決方法としては、燃焼空気の加湿手段が使用中であるか否かに係らず、エンジン１の負荷が特定の水準にある場合にのみ、部分流れを分離することである。一般的に、エンジン１の負荷水準が８５％を超え、または５０％を下回ると、コンプレッサ３の動作基点は、サージ限界から十分遠く離れており、このとき、バルブ１４を閉塞することで、バイパスシステムを遮断することができる。エンジン１の負荷が５０〜８５％の場合、バルブ１４は開放し続けられ、このとき、バイパスシステム１３は使用されている。ターボコンプレッサ２の回転速度が過度に増加することを防止するために、負荷水準が８５％を超える場合、バイパスシステム１３は遮断される。
【００２９】
燃焼空気の加湿システムを使用していない場合、供給パイプ１２の遮断バルブ１６は閉塞され、これにより、水は噴射ノズル１５に流入されない。また、バイパスチャンネル１３のバルブ１４は閉塞され、これにより、バイパスチャンネル１３を経て排ガスチャンネル１１への燃焼空気の流れは、許容されない。その後、コンプレッサ３からの全燃焼空気の流れは、熱交換器７を通じてシリンダ１０に伝達される。燃焼空気は、熱交換器７により、通常、５０〜５５℃まで冷却される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明に係る一装置の概略図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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