(57)【要約】【課題】過給機を備えた過給式エンジンにおいて、吸気コンプレッサの表面に異物やオイル等が付着することによって吸気コンプレッサの性能が低下することを防止する。【解決手段】燃焼室１１に吸気される新気が流通する吸気路５に吸気コンプレッサ１６を配置した過給式エンジンであって、前記吸気コンプレッサ１６に水蒸気を噴射する水蒸気噴射手段２０を備えた過給式エンジン。【選択図】図１
2008248726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路に吸気コンプレッサを配置した過給式エンジンであって、
前記吸気コンプレッサに水蒸気を噴射する水蒸気噴射手段を備えた過給式エンジン。
【請求項２】
前記吸気路のうちの前記吸気コンプレッサの上流側にブローバイガスを供給するブローバイガス供給手段を設けた請求項１に記載の過給式エンジン。
【請求項３】
前記燃焼室から排気される排気ガスの熱によって水蒸気を発生させる水蒸気ボイラを備え、前記水蒸気ボイラから前記水蒸気噴射手段に前記水蒸気が供給される請求項１又は２に記載の過給式エンジン。
【請求項４】
前記吸気コンプレッサの性能低下を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記水蒸気噴射手段の作動時期を決定する作動時期決定手段とを備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の過給式エンジン。
【請求項５】
前記吸気路に配置したスロットルバルブの開度を調整して出力を制御する出力制御手段を備え、前記判定手段は、前記スロットルバルブの開度から前記吸気コンプレッサの性能低下を判定する請求項４に記載の過給式エンジン。
【請求項６】
運転計画を行う運転計画手段と、前記運転計画に基づいて、前記水蒸気噴射手段の作動時期を決定する作動時期決定手段とを備えた請求項１〜５の何れか一項に記載の過給式エンジン。
【請求項７】
前記燃焼室での異常燃焼を判定する異常燃焼判定手段と、前記異常燃焼判定手段が異常燃焼であるとの判定をした場合に、前記水蒸気噴射手段の作動を一時停止させる一時停止手段とを備えた請求項１〜６の何れか一項に記載の過給式エンジン。
【請求項８】
前記水蒸気噴射手段は、前記水蒸気を間歇的に噴射する請求項１〜７の何れか一項に記載の過給式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路に吸気コンプレッサを配置した過給式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用・産業用のコージェネレーションシステム等において、高出力が得られる過給機を備えた過給式エンジンが使用されている。
過給式エンジンとして、ターボチャージャーやスーパーチャージャー（遠心式、ルーツ式、リショルム式、スクロール式等）を備えたエンジンがある。例えば、ターボチャージャー付きエンジンは、エンジンの吸気路に吸気コンプレッサを、排気路に排気タービンを夫々配置し、吸気コンプレッサ及び排気タービンが共通の回転シャフトで接続される。排気タービンがエンジンからの排気を受けて回転すると、それに伴って吸気コンプレッサが排気タービンと同軸回転し、吸気口から吸入した空気を圧縮してエンジンの燃焼室に過給する。
【０００３】
エンジンの各部は、エンジンオイル（以下、単にオイルと称する）によって潤滑が行われる。たとえば、オーバーヘッドバルブ（ＯＨＶ）エンジンの場合、ピストンの往復運動によりクランクシャフトが回転し、クランクシャフトによって駆動されるカムがシリンダ側方のプッシュロッドを上下に動かし、プッシュロッドがロッカーアームを揺動させることにより、吸気バルブ及び排気バルブが開閉する。このとき、ピストン、シリンダ、吸気バルブ、及び排気バルブの各部にオイルが供給され、それらの表面にオイル被膜が形成されて潤滑が行われる。これにより、エンジン各部の焼き付き及び摩耗が防止される。
【０００４】
オイルによるエンジン各部の潤滑は、主に、オイルパン又はオイルタンクに溜められたオイルを、クランクシャフトによって駆動されるオイルポンプを用いてエンジン各部に圧送することにより行われる。
あるいは、クランクシャフトとともに回転するスプラッシャが、オイルパン中のオイルをエンジン各部に跳ね飛ばして付着させることにより行われる。
さらに、エンジンを駆動させたときに発生するブローバイガスにはオイルが含まれているため、このブローバイガスを吸気路に戻してバルブ等の部品の潤滑に利用することもある。
【０００５】
過給機を備えた過給式エンジンにおいて、ブローバイガスを利用する場合、ブローバイガスは過給機の上流側に戻されていた（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１の過給式エンジンでは、ブローバイガスの供給口を、過給機の上流であって且つエアクリーナの下流の吸気管に接続している。従って。ブローバイガスは過給機を通過した後、燃焼室に戻されることになる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２２１１２９号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、エンジンを駆動させると、吸気口から吸入される空気に粉塵等の異物が混入する場合があるが、過給式エンジンでは、このような異物が吸気コンプレッサに付着することは、できるだけ避ける必要がある。
過給式エンジンに使用する過給機は、例えば、ターボチャージャーの場合、上述したように、排気タービンとともに吸気コンプレッサが高速回転することで燃焼室への過給を行っているため、吸気コンプレッサの表面に粉塵等の異物が付着すると、吸気コンプレッサの回転バランスが乱れたり、吸気コンプレッサを構成するインペラの機能が損なわれたりする等して、過給圧が所定値まで達しない等の性能低下が起こり得るからである。
【０００８】
一方、過給式エンジンでは、吸気コンプレッサの表面にオイルが付着することもできるだけ避けるべきである。オイルは、例えば、ブローバイガスにより過給器の内部に持ち込まれる。ブローバイガスとは、エンジンの駆動時に、ピストンとシリンダとの間からクランク室側に漏洩する未燃焼成分を含有するガスである。このブローバイガスは、オイルパンの内部に放出されることから、オイルミストを多く含む。
【０００９】
バルブへのオイル供給量を調節するステムシールからバルブステムとバルブガイドとの間にオイルが過剰に漏洩し、燃焼室にオイルが入り込む所謂「オイル下がり」が発生すると、ブローバイガスにはより多くのオイルミストが混入することになる。このようなオイルミストを含むブローバイガスを、そのまま大気に放出することは認められていない。そこで、ブローバイガスを循環させることにより、再利用することが行われる。
【００１０】
例えば、ブローバイガスを吸気管に戻し、新気にブローバイガスを混合させる「ブローバイガス還元装置」が知られている。ブローバイガス還元装置によりブローバイガスの還元処理を行うと、混合ガスがエンジンの燃焼室に導入される際にオイルミストが吸気バルブに接触し、吸気バルブのバルブステムからバルブフェースに亘る表面にオイル被膜が形成される。このオイル被膜は、バルブシートに連打されるバルブフェースの摩耗を低減することに有効である。
【００１１】
ところが、過給式エンジンの場合、ブローバイガスの流動圧力は過給機による燃焼室への過給圧よりも低いのが通常である。このため、過給式エンジンでは、潤滑対象である吸気バルブの周辺部や、吸気バルブの直前の上流側にブローバイガスを導入することはできない。
【００１２】
そこで、特許文献１のように過給機の上流側にブローバイガスを導入することが行われるが、この場合、導入したブローバイガスは過給機の吸気コンプレッサに直接接触することになるため、吸気コンプレッサの表面にオイルが付着し、吸気コンプレッサを構成するインペラの機能が損なわれたり、吸気コンプレッサの回転バランスが乱れたりするおそれがある。その結果、吸気コンプレッサの性能（過給圧）が低下する。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、過給機を備えた過給式エンジンにおいて、吸気コンプレッサの表面に異物やオイル等が付着することによって吸気コンプレッサの性能が低下することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る過給式エンジンの特徴構成は、燃焼室に吸気される新気が流通する吸気路に吸気コンプレッサを配置した過給式エンジンであって、前記吸気コンプレッサに水蒸気を噴射する水蒸気噴射手段を備えた点にある。
【００１５】
本構成の過給式エンジンによれば、吸気コンプレッサに異物が付着した場合でも、水蒸気噴射手段から吸気コンプレッサに向けて水蒸気を噴射することにより、吸気コンプレッサを洗浄し、付着した異物を除去することができる。このため、吸気コンプレッサは常にクリーンな状態に維持され、吸気コンプレッサの性能（例えば、過給圧）の低下を防止することができる。
【００１６】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記吸気路のうちの前記吸気コンプレッサの上流側にブローバイガスを供給するブローバイガス供給手段を設けることが好ましい。
【００１７】
本構成の過給式エンジンによれば、ブローバイガスを利用して吸気バルブにオイルを供給することができるので、吸気バルブのバルブフェースやバルブステムの潤滑を良好に行うことができる。また、ブローバイガスは吸気路のうちの吸気コンプレッサの上流側に供給されるため、吸気コンプレッサにはブローバイガスに含まれるオイルミストが直接接触することになるが、前述のように、水蒸気噴射手段から吸気コンプレッサに向けて水蒸気を噴射することで、吸気コンプレッサの洗浄が行われ、オイルの付着を防止することができる。
【００１８】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記燃焼室から排気される排気ガスの熱によって水蒸気を発生させる水蒸気ボイラを備え、前記水蒸気ボイラから前記水蒸気噴射手段に前記水蒸気が供給されることが好ましい。
【００１９】
本構成の過給式エンジンによれば、水蒸気噴射手段に水蒸気を供給する水蒸気ボイラの熱源として、燃焼室から排気される排気ガスを利用しているので、別途新たな熱源を設ける必要がない。また、過給式エンジンの排気ガスは高温であるので、水蒸気ボイラで発生する水蒸気は高温高圧状態となっている。従って、水蒸気ボイラに追加の加熱設備や昇圧設備を設けることも不要である。
【００２０】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記吸気コンプレッサの性能低下を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記水蒸気噴射手段の作動時期を決定する作動時期決定手段とを備えることが好ましい。
【００２１】
本構成の過給式エンジンによれば、判定手段が、吸気コンプレッサの性能が低下したと判定した場合でも、その判定結果に基づいて、作動時期決定手段が水蒸気噴射手段の適切な作動時期を決定することができるので、過給式エンジンの出力低下を防止又は最小限に抑えることができる。
【００２２】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記吸気路に配置したスロットルバルブの開度を調整して出力を制御する出力制御手段を備え、前記判定手段は、前記スロットルバルブの開度から前記吸気コンプレッサの性能低下を判定することが好ましい。
【００２３】
本構成の過給式エンジンによれば、スロットルバルブの開度から吸気コンプレッサの性能低下を判定することができる。例えば、所定の出力を得るために必要なスロットルバルブの開度と吸気温度又は空燃比との関係を予め求めておく。出力制御手段は、前記の関係に基づいて、前記所定の出力が得られるようにスロットルバルブの開度を調整する。このとき、判定手段は、前記の関係から定められる一定の範囲を超えて逸脱するようにスロットルバルブの開度が大きくなった場合に、吸気コンプレッサの性能が低下していると判定することができる。このように、スロットルバルブの開度を見るだけで、吸気コンプレッサの性能低下を的確に判定することができる。
【００２４】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、運転計画を行う運転計画手段と、前記運転計画に基づいて、前記水蒸気噴射手段の作動時期を決定する作動時期決定手段とを備えることが好ましい。
【００２５】
本構成の過給式エンジンによれば、運転計画に基づいて、水蒸気を適切な時期に噴射させることができるので、過給式エンジンをコージェネレーションシステムに適用した場合において、過給式エンジンの出力低下を防止又は最小限に抑えることができる。例えば、運転計画のうち、過給式エンジンがコージェネレーションシステムによる発電を行っている期間は、水蒸気噴射をあまり行わないように作動時期決定手段が水蒸気噴射手段の作動時期を決定する。これにより、過給式エンジンの燃焼室への水分の持込みが少なくなり、コージェネレーションシステムの稼動時期における過給式エンジンの出力低下を最小限に抑えることができる。
【００２６】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記燃焼室での異常燃焼を判定する異常燃焼判定手段と、前記異常燃焼判定手段が異常燃焼であるとの判定をした場合に、前記水蒸気噴射手段の作動を一時停止させる一時停止手段とを備えることが好ましい。
【００２７】
本構成の過給式エンジンによれば、水蒸気噴射手段が水蒸気噴射を行っている期間において、異常燃焼判定手段が燃焼室で異常燃焼が発生していると判定した場合に、一時停止手段が水蒸気噴射手段による水蒸気の噴射を一時停止させることにより、過給式エンジンの出力低下を最小限に抑えることができる。なお、燃焼室での異常燃焼が解消すれば、一時停止を解除することにより、水蒸気噴射による吸気コンプレッサの洗浄を再開することができる。
【００２８】
本発明に係る過給式エンジンにおいて、前記水蒸気噴射手段は、前記水蒸気を間歇的に噴射することが好ましい。
【００２９】
本構成の過給式エンジンによれば、水蒸気を間歇的に噴射することができるので、水蒸気の使用量を低減することができる。また、間歇的に噴射を行えば、吸気コンプレッサにパルス状の衝撃を与えることができるため、吸気コンプレッサを効果的に洗浄し、付着したオイル等の異物をより確実に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施形態および図面に記載した構成に限定されるものではなく、これらと均等な構成や改変した構成等も含む。
【００３１】
〔過給式エンジンの基本的構成〕
図１は、本発明の一つの実施形態による過給式エンジン１００の基本的構成を概略的に示した全体図である。本実施形態の過給式エンジン１００は、例えば、発電機に接続して発電を行うとともに、燃料の燃焼により発生した排熱を給湯機等に利用するコージェネレーションシステムにおいて使用される。
【００３２】
過給式エンジン１００は、過給機の一種であるターボチャージャーを備えたエンジンである。過給式エンジン１００は、ピストン１、シリンダブロック２、コネクティングロッド３、クランクシャフト４、吸気路５、吸気バルブ６、排気路７、排気バルブ８、ターボチャージャー９、及びインタークーラー１０等を備える。
【００３３】
ピストン１は、過給式エンジン１００が実行する吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の各工程に応じて、シリンダブロック２の内部を往復運動する。ピストン１の周囲にはピストンリング１ａが取り付けられる。ピストンリング１ａは、ピストン１とシリンダブロック２との気密性を高めるとともに、両者の間を潤滑するオイル量を適切に調整する。なお、ピストン１は混合気の燃焼熱を直接受けて高温状態となることから、ピストン１の内部にオイルを流通させて冷却を行うためのクーリングチャンネルを設けてもよい。
【００３４】
シリンダブロック２は、ピストン１、コネクティングロッド３、及びクランクシャフト４を収容する。多気筒エンジンにあっては、シリンダブロック２に複数のシリンダが形成され、夫々のシリンダに、ピストン１、コネクティングロッド３、及びクランクシャフト４が収容される。シリンダブロック２の内部は、ピストン１を隔てて上方の燃焼室１１と下方のクランク室１２とに分離される。燃焼室１１は、圧縮工程及び排気工程においてピストン１が最上位置に位置する上死点と、吸気工程及び燃焼・膨張行程においてピストン１が最下位置に位置する下死点との間で容積変動する。クランク室１２は、その底部がオイルを溜めるためのオイルパン１３で構成される。オイルパン１３に溜まったオイルは、オイルポンプ（図示せず）等によりエンジン各部に供給され、当該エンジン各部の潤滑が行われた後、再びオイルパン１３に戻される。オイルパン１３に戻されたオイルは、エンジン各部の熱により高温状態となっているため、オイルの循環経路に、必要に応じてオイルを冷却するオイルクーラーを設けることもできる。
【００３５】
コネクティングロッド３は、一端側がピストン１に枢支され、他端側がクランクシャフト４に枢支される。コネクティングロッド３は、ピストン１の往復運動をクランクシャフト４の回転運動に変換する。コネクティングロッド３には大きな負荷が掛かるため、強度に優れた鍛造鋼やチタン等を使用することができる。
【００３６】
回転運動を行うクランクシャフト４は、コージェネレーションシステムにおいて電力を発生させる発電機（図示せず）に接続される。過給式エンジン１００が、吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の各工程を１サイクル行うと、クランクシャフト４は２回転する。クランクシャフト４には、種々の装置を取り付けて、その回転駆動力を利用することができる。例えば、クランクシャフト４に、エンジン各部にオイルを供給するオイルポンプや、エンジン冷却水の循環を行うウォーターポンプを接続することができる。また、カムシャフト等の動弁機構の駆動にもクランクシャフト４の回転駆動力を利用することができる。さらに、スーパーチャージャー等の他の種類の過給機を設ける場合もクランクシャフト４の回転駆動力を利用することができる。クランクシャフト４に発電機等の各種装置を接続する場合、回転駆動力を伝達又は切断可能なクラッチ機構を介して接続することができる。また、減速機を介して接続することもできる。
【００３７】
吸気路５及び排気路７は、ともに燃焼室１１に接続する気体流路である。吸気路５と燃焼室１１との間には吸気バルブ６が設けられる。排気路７と燃焼室１１との間には排気バルブ８が設けられる。吸気バルブ６及び排気バルブ８は、バルブステム６ａ及び８ａ、ステムシール６ｂ及び８ｂ、バルブガイド６ｃ及び８ｃ、バルブフェース６ｄ及び８ｄ、バルブタペット６ｅ及び８ｅ、バルブスプリング６ｆ及び８ｆを夫々備える。これらのうち、バルブフェース６ｄは吸気路５に設けたバルブシート５ａに当接し、バルブフェース８ｄは排気路７に設けたバルブシート７ａに当接することができる。つまり、バルブフェース６ｄ及び８ｄは、吸気路５及び排気路７を直接開閉する。吸気バルブ６及び排気バルブ８の開閉動作を行う動弁機構には、オーバーヘッドバルブ（ＯＨＶ）方式やオーバーヘッドカムシャフト（ＯＨＣ）方式等が採用される。
【００３８】
吸気路５には、後述する吸気コンプレッサ１６によって圧縮された圧縮空気の流量を調節するスロットルバルブ１４と、燃料を供給する燃料供給部１５とが設けられる。吸気路５に供給された燃料は、スロットルバルブ１４で流量調節された圧縮空気とミキサ（図示せず）により混合され、混合気となる。混合気は、新気として吸気路５から燃焼室１１に吸気される。吸気路５に供給される燃料としては、都市ガス、水素、プロパン、一酸化炭素等の気体燃料、ガソリン、軽油、重油、アルコール、メタノール、エタノール等の液体燃料を使用することができる。液体燃料を使用する場合は、インジェクション等の噴霧装置によって吸気路５に供給される。
【００３９】
排気路７には、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属を含有する触媒装置（図示せず）が設けられる。燃焼室１１から排気された高温（約４００℃）の排気ガスが触媒装置を通過すると、排気ガスに含まれる有害な一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ）、及び炭化水素化合物（ＨＣ）は酸化又は還元され、無害な二酸化炭素（ＣＯ2）、窒素（Ｎ2）、及び水（Ｈ2Ｏ）として排出される。
【００４０】
ターボチャージャー９は、吸気路５に吸気コンプレッサ１６を配置し、排気路７に排気タービン１７を配置し、吸気コンプレッサ１６と排気タービン１７とを共通の回転シャフト１８によって同軸回転可能に接続して構成される。排気タービン１７が燃焼室１１から排気される排気ガスを受けて高速回転すると、これに伴って吸気コンプレッサ１６も高速回転する。このとき、吸気口（図示せず）から吸入された常圧の空気は吸気コンプレッサ１６によって圧縮され、高圧の圧縮空気となる。なお、ターボチャージャー９は、高温の排気ガス（約６００℃）が排気タービン１７に接触するため、動作時において高温状態となる。そこで、回転シャフト１８の周囲にオイルを流通させて潤滑及び冷却を行い、回転シャフト１８の焼き付きを防止している。
【００４１】
インタークーラー１０は、吸気コンプレッサ１６の下流側の吸気路５に設けられる。吸気コンプレッサ１６で圧縮された圧縮空気は高圧であることに加え、上述のように高温のターボチャージャー９を通過したものであるため、かなりの高温状態（例えば、１８０℃）となっている。インタークーラー１０は、このような高温の圧縮空気を冷却し、体積を減少させることで、燃焼室１１への混合気の充填効率を向上させている。インタークーラー１０の冷却方式としては、空冷方式又は水冷方式の何れでも構わない。
【００４２】
〔過給機の表面洗浄処理〕
次に、本発明の一つの特徴である過給機（ターボチャージャー）の表面洗浄処理について説明する。
【００４３】
過給式エンジン１００は、駆動時において、オイルミストを含んだブローバイガスが、燃焼室１１からピストン１とシリンダブロック２との間を通ってクランク室１２に漏洩する。過給式エンジン１００は、クランク室１２と吸気路５のうちの吸気コンプレッサ１６の上流側とが戻り流路１９で接続されており、この戻り流路１９によってブローバイガスは吸気コンプレッサ１６の上流側に戻される。このとき、戻り流路１９の出口は、図１に示すように、ターボチャージャー９の回転シャフト１８に向けて配置される。これにより、ブローバイガスと空気との混合を確実に行うことができる。
戻り流路１９は、ブローバイガスを供給するブローバイガス供給手段としての機能を有するが、戻り流路１９にフィルタ（図示せず）を設け、オイルミストを一部除去することでブローバイガス中に含まれるオイル量を調整している。
【００４４】
ブローバイガスが混合された空気は吸気コンプレッサ１６で圧縮されることによりオイルを含んだ圧縮空気となって吸気バルブ６に到達する。このとき、吸気バルブ６のバルブステム６ａからバルブフェース６ｄに亘る表面にブローバイガスが接触し、オイル被膜が形成される。その結果、バルブシート５ａに連打されるバルブフェース６ｄの摩耗を低減することができる。
【００４５】
ところで、ブローバイガスは吸気コンプレッサ１６の上流側の吸気路５に戻されるため、吸気コンプレッサ１６にはブローバイガスに含まれるオイルミストが直接接触することになる。吸気コンプレッサ１６の表面にオイルが付着したままの状態で放置すると、吸気コンプレッサ１６に回転バランスの乱れ発生し、これが原因となってスムーズな回転が阻害されたり、吸気コンプレッサ１６を構成するインペラの機能が損なわれたりして、吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が低下するおそれがある。
また、吸気口から吸い込まれた粉塵等の異物が吸気コンプレッサ１６の表面に付着した場合も、同様に吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が低下することがある。
【００４６】
そこで、本発明では、吸気コンプレッサ１６に水蒸気を噴射する水蒸気噴射手段２０を設けている。水蒸気噴射手段２０には、コージェネレーションシステムの水蒸気ボイラから発生する水蒸気を供給する。例えば、排気路７に、図１に示すような環状式水蒸気ボイラ２１を設置する。高温の排気ガスが環状式水蒸気ボイラ２１の管外部を通過すると、当該排気ガスと環状式水蒸気ボイラ２１の管内部を流通する水との間で熱交換が行われ、水蒸気が発生する。この水蒸気を吸気コンプレッサ１６に向けられた水蒸気噴射手段２０のノズル２０ａから噴出する。これにより、吸気コンプレッサ１６の表面の洗浄が行われ、付着したオイルや粉塵等の異物が除去される。このようにして、吸気コンプレッサ１６は常にクリーンな状態に維持されるので、吸気コンプレッサ１６の性能（例えば、過給圧）の低下を防止することができる。
【００４７】
なお、排気タービン１７に水蒸気を噴射する第２水蒸気噴射手段３０を設けることも可能である。排気タービン１７は燃焼室１１から排出される排気ガスに曝されるため、排気タービン１７の表面に排気ガスに含まれるカーボンスラッジ等の燃焼生成物が付着することがある。このような燃焼生成物は排気タービン１７の回転を阻害し、ひいては吸気コンプレッサ１６の過給圧の低下の原因となり得る。そこで、第２水蒸気噴射手段３０から水蒸気を噴射させ、排気タービン１７の表面を洗浄する。これにより、排気タービン１７のスムーズな回転が確保され、その結果、吸気コンプレッサ１６の回転もスムーズになり、吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）の低下を防止することができる。
【００４８】
コージェネレーションシステムにおいては、排気ガスの排熱を利用することができるため、水蒸気を発生させるための熱源を別途設ける必要はない。さらに、環状式水蒸気ボイラ２１の熱源である過給式エンジンの排気ガスは高温であるので、環状式水蒸気ボイラ２１で発生する水蒸気は高温・高圧状態（例えば、約０．８ＭＰａ）となっている。従って、環状式水蒸気ボイラ２１に追加の加熱設備や昇圧設備を設けることも不要である。
【００４９】
ところで、水蒸気噴射手段２０を作動させると、圧縮空気中に水蒸気が混入し、ひいては混合気中に水蒸気が含まれることになる。圧縮空気（混合気）中の水蒸気は、インタークーラー１０を通過する際、その一部が凝縮されてインタークーラー１０より排出されるが、それでも燃焼室１１に吸気される新気には相当量の水分が持ち込まれる場合がある。このため、水蒸気噴射を頻繁に行うと、燃焼室１１の内部における混合気の燃焼温度が低下し、その結果、過給式エンジン１００の動作が不安定になったり、出力が低下したりすることがある。そこで、本発明では、水蒸気噴射に関して以下に説明する様々な制御を行っている。
【００５０】
〔水蒸気噴射制御〕
過給式エンジン１００には、吸気温度、排気温度、空気流量（スロットル開度）、エンジン回転速度等に基づいて、燃料供給量及び点火時期等を調節し、エンジン出力を制御する出力制御手段としてのコンピュータ２２が備えられている。本発明においては、このコンピュータ２２に水蒸気噴射手段２０の制御も合わせて行わせている。
【００５１】
コンピュータ２２には、吸気路５に設けられた吸気温センサ２３から吸気温度に関する信号と、排気路７に設けられた排気温センサ２４から排気温度に関する信号とが入力される。また、コンピュータ２２には、スロットルバルブ１４の開度を感知するスロットルセンサ２５からスロットル開度に関する信号（これは、圧縮空気供給量に関連する信号である）と、燃料供給部１５に設けられる燃料調節バルブ２６の開度に関する信号（これは、燃料供給量に関連する信号である）とが入力されるとともに、コンピュータ２２からスロットルバルブ１４及び燃料調節バルブ２６に対して制御命令が送信される。さらに、コンピュータ２２は、水蒸気噴射手段２０に設けられたノズル開閉弁２０ｂに対し、開閉動作制御命令を送信する。
【００５２】
ノズル開閉弁２０ｂには、例えば、ソレノイドバルブを採用することができる。ノズル開閉弁２０ｂは、基本的には、ノズル２０ａに対する水蒸気の接続（ＯＮ）／遮断（ＯＦＦ）を行うものである。しかし、開閉動作制御命令として種々のＯＮ／ＯＦＦパターンをノズル開閉弁２０ｂに送信することにより、単位時間あたりの水蒸気噴射量を変更することができる。例えば、後述の実施例でも説明するように、ノズル開閉弁２０ｂのＯＮ／ＯＦＦを所定の周期で繰返すパターンを実行する開閉動作制御命令をコンピュータ２２が送信することにより、水蒸気噴射手段２０から水蒸気を間歇的に噴射することができる。
【００５３】
次に、過給式エンジン１００のコンピュータ２２によって実行される具体的な水蒸気噴射制御の例を説明する。
【００５４】
＜実施例１：吸気温度とスロットル開度との関係に基づく水蒸気噴射制御＞
過給式エンジン１００の出力を所定の一定出力とする定格運転を行う場合、吸気温度とスロットル開度との間には一定の関係がある。図２は吸気温度とスロットル開度との関係を表わしたグラフである。コンピュータ２２には、図２の関係がデータとして格納されている。
【００５５】
コンピュータ２２は、図２において、吸気温度とスロットル開度との関係が楕円で示した範囲内にあれば（例えば、図２中の丸印）、過給式エンジン１００のターボチャージャー９（吸気コンプレッサ１６）は正常に機能しており、性能（過給圧）は低下していないと判定する。そこで、このような場合、コンピュータ２２は吸気コンプレッサ１６の表面は汚れていないと判断し、ノズル開閉弁２０ｂに対してＯＦＦ（閉弁）の開閉動作制御命令を送信する。よって、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射は実行されない。
【００５６】
一方、吸気コンプレッサ１６の表面が汚れてくると、過給式エンジン１００が所定の一定出力を維持しようとするため、所定の吸気温度に対してスロットル開度が次第に大きくなり、やがて吸気温度とスロットル開度との関係は正常範囲から逸脱する（例えば、図２中の三角印）。このとき、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の表面が汚れているために性能（過給圧）が低下していると判定する。そこで、このような場合は、コンピュータ２２はノズル開閉弁２０ｂに対してＯＮ（開弁）の開閉動作制御命令を送信する。これにより、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射が実行される。
【００５７】
吸気コンプレッサ１６の表面が洗浄され、オイルや粉塵等の異物が除去されると、やがて吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が回復する。そうすると、過給式エンジン１００が所定の一定出力を維持しようとするため、所定の吸気温度に対してスロットル開度が小さくなり、再び正常範囲に入る。このとき、コンピュータ２２は吸気コンプレッサ１６の表面は汚れておらず、吸気コンプレッサ１６の性能低下は発生していないと判定し、ノズル開閉弁２０ｂに対してＯＦＦ（閉弁）の開閉動作制御命令を送信する。これにより、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射は実行されない。
【００５８】
このように、本実施例では、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の性能低下を判定する判定手段、及び水蒸気噴射手段２０の作動時期を決定する作動時期決定手段としての機能を有する。コンピュータ２２は、所定の出力を得るために必要な吸気温度とスロットル開度との関係から定められる正常範囲を認識し、スロットル開度がこの正常範囲から逸脱したか否かの判定を行うことで、ノズル開閉弁２０ｂ（水蒸気噴射手段２０）の適切な作動時期を決定することができる。つまり、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が低下したことを的確に判定し、過給式エンジン１００の出力低下を防止又は最小限に抑えることができる。
【００５９】
＜実施例２：空燃比とスロットル開度との関係に基づく水蒸気噴射制御＞
過給式エンジン１００の出力を所定の一定出力とする定格運転を行う場合、空燃比とスロットル開度との間には一定の関係がある。ここで、「空燃比」とは、燃焼室１１に吸気される新気中の空気と燃料との比率（空気／燃料）である。本実施形態の場合、空燃比はスロットルバルブ１４の開度と燃料調節バルブ２６の開度とから間接的に求めることができる。図３は空燃比とスロットル開度との関係を表わしたグラフである。コンピュータ２２には、図３の関係がデータとして格納されている。
【００６０】
コンピュータ２２は、図３において、空燃比とスロットル開度との関係が楕円で示した範囲内にあれば（例えば、図３中の丸印）、過給式エンジン１００のターボチャージャー９（吸気コンプレッサ１６）は正常に機能しており、性能（過給圧）は低下していないと判定する。そこで、このような場合、コンピュータ２２は吸気コンプレッサ１６の表面は汚れていないと判断し、ノズル開閉弁２０ｂに対してＯＦＦ（閉弁）の開閉動作制御命令を送信する。よって、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射は実行されない。
【００６１】
一方、吸気コンプレッサ１６の表面が汚れてくると、過給式エンジン１００が所定の一定出力を維持しようとするため、所定の空燃比に対してスロットル開度が次第に大きくなり、やがて空燃比とスロットル開度との関係は正常範囲から逸脱する（例えば、図３中の三角印）。このとき、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の表面が汚れているために性能（過給圧）が低下していると判定する。そこで、このような場合は、コンピュータ２２はノズル開閉弁２０ｂに対してＯＮ（開弁）の開閉動作制御命令を送信する。これにより、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射が実行される。
【００６２】
吸気コンプレッサ１６の表面が洗浄され、オイルや粉塵等の異物が除去されると、やがて吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が回復する。そうすると、過給式エンジン１００が所定の一定出力を維持しようとするため、所定の空燃比に対してスロットル開度が小さくなり、再び正常範囲に入る。このとき、コンピュータ２２は吸気コンプレッサ１６の表面は汚れておらず、吸気コンプレッサ１６の性能低下は発生していないと判定し、ノズル開閉弁２０ｂに対してＯＦＦ（閉弁）の開閉動作制御命令を送信する。これにより、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射は実行されない。
【００６３】
このように、本実施例では、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の性能低下を判定する判定手段、及び水蒸気噴射手段２０の作動時期を決定する作動時期決定手段としての機能を有する。コンピュータ２２は、所定の出力を得るために必要な空燃比とスロットル開度との関係から定められる正常範囲を認識し、スロットル開度がこの正常範囲から逸脱したか否かの判定を行うことで、ノズル開閉弁２０ｂ（水蒸気噴射手段２０）の適切な作動時期を決定することができる。つまり、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の性能（過給圧）が低下したことを的確に判定し、過給式エンジン１００の出力低下を防止又は最小限に抑えることができる。
【００６４】
＜実施例３：吸気温度及び空燃比とスロットル開度との関係に基づく水蒸気噴射制御＞
上記の実施例１又は実施例２では、吸気温度とスロットル開度との関係又は空燃比とスロットル開度との関係を夫々別々に適用して水蒸気噴射制御を行ったが、これら二種類の関係を適用した判定をコンピュータ２２が同時に行い、いずれの関係においても正常範囲から逸脱した場合に、コンピュータ２２が吸気コンプレッサ１６の表面が汚れているために性能（過給圧）が低下していると判定するようにしてもよい。
【００６５】
このように、本実施例においても、コンピュータ２２は、吸気コンプレッサ１６の性能低下を判定する判定手段、及び水蒸気噴射手段２０の作動時期を決定する作動時期決定手段としての機能を有する。
【００６６】
＜実施例４：運転計画に基づく水蒸気噴射制御＞
コージェネレーションシステムにおいては、ユーティリティ供給業者から需要者への電力供給に関し、予め運転計画を立てておくことが行われる。このとき、需要者とユーティリティ供給業者との契約により所定の契約電力が設定され、当該契約に基づいて、ユーティリティ供給業者から需要者に対して契約電力の出力が実行される。コージェネレーションシステムの稼動時（すなわち、過給式エンジン１００の駆動時）においては、契約電力の大部分は過給式エンジン１００を駆動することによって発生した発電電力によって賄われ、不足分が受電電力によって補充される。コージェネレーションシステムの非稼動時（すなわち、過給式エンジン１００の非駆動時）においては、契約電力の全量が受電電力により賄われる。
【００６７】
図４は、過給式エンジン１００のコンピュータ２２が行った運転計画に基づいて実行される発電電力の出力及び受電電力を経時的に示したグラフである。このグラフは、コージェネレーションシステムの発電機が、稼動状態から非稼動状態に切り換えられる前後の時間帯の運転計画を示したものであり、後述する第１段階、第２段階、及び第３段階から構成される。また、この運転計画における需要者とユーティリティ供給業者との契約電力は１０００ｋＷとする。
【００６８】
コージェネレーションシステムが稼動状態にあるとき、過給式エンジン１００は駆動されており、発電が行われている（第１段階：経過時間０分〜１８分）。この段階では、発電電力の出力として約８００ｋＷが得られる。次に、コージェネレーションシステムを非稼動状態にするべく、過給式エンジン１００から発電機への回転駆動力の伝達を遮断する（第２段階：経過時間１８分〜２４分）。ただし、過給式エンジン１００は、発電機への回転駆動力の遮断後も冷却運転のために低速回転で駆動されている。この段階では、発電電力は急激に低下し、経過時間２０分で０ｋＷとなる。一方、受電電力は、発電電力の低下と入れ替わるように上昇する。その後、冷却運転を終了させ、過給式エンジン１００を完全に停止させる（第３段階：経過時間２４分〜）。この段階では、発電電力の出力は０ｋＷの状態を継続し、契約電力は全て受電電力により賄われる。
【００６９】
この運転計画では、図４のグラフ中に帯状領域で示した［１］、［２］、［３］の各期間において、期間［１］、期間［２］、期間［３］の優先順位で、水蒸気噴射手段２０による吸気コンプレッサ１６への水蒸気噴射を実行することが好ましい。
【００７０】
期間［１］は、過給式エンジン１００から発電機への回転駆動力の伝達が遮断されたことにより発電負荷が存在せず、且つエンジン冷却運転が実行されている期間である。期間［１］は、第２段階に設けられる。期間［１］では、コージェネレーションシステムが発電電力を出力する必要がないため、過給式エンジン１００の出力低下を気にすることなく水蒸気噴射を行うことができる。しかも、過給式エンジン１００は冷却運転をしていることから、吸気コンプレッサ１６は低速回転で回転している。このため、吸気コンプレッサ１６の表面全体に対して万遍なく水蒸気を噴射することができ、付着したオイルや粉塵等の異物を確実に洗浄除去することができる。このように、期間［１］は水蒸気噴射に最も適した期間であるから、水蒸気噴射の優先度は最も高い。
【００７１】
期間［２］は、過給式エンジン１００が完全に停止状態となっている期間である。期間[２]は、第３段階に設けられる。期間［２］では、コージェネレーションシステムが発電電力を出力する必要がないため、過給式エンジン１００の出力低下を気にすることなく水蒸気噴射を行うことができる。ただし、この期間は吸気コンプレッサ１６も停止していることから、期間［１］のように水蒸気を吸気コンプレッサ１６の表面全体に対して噴射することができない場合がある。このため、洗浄効果は期間［１］と比較すると若干劣る。従って、期間［２］における水蒸気噴射の優先度は、期間［１］よりも低い。
【００７２】
期間［３］は、過給式エンジン１００が駆動し、発電が行われている期間である。期間［３］は、第１段階に設けられる。期間［３］では、コージェネレーションシステムが発電電力を出力しているため、水蒸気噴射を行うと、過給式エンジン１００の燃焼室に水分が持ち込まれることで混合気の燃焼温度が低下し、それにより、過給式エンジン１００の動作が不安定になったり、出力が低下したりするおそれがある。このため、この期間では水蒸気噴射を最小限に抑えるべきである。従って、期間［３］における水蒸気噴射の優先度は、期間［１］及び期間［２］よりも低い。
【００７３】
このように、本実施例では、コンピュータ２２が行う運転計画に基づいて、水蒸気噴射手段２０から吸気コンプレッサ１６に向けて水蒸気を噴射させるのに適切な時期を、コンピュータ２２が決定することができる。このため、コージェネレーションシステムの稼動時において、過給式エンジン１００の出力低下を防止又は最小限に抑えることができる。
このように、本実施例では、コンピュータ２２は、運転計画を行う運転計画手段、及び水蒸気噴射手段２０の作動時期を決定する作動時期決定手段としての機能を有する。
【００７４】
＜実施例５：燃焼状態（異常燃焼）に基づく水蒸気噴射制御＞
過給式エンジン１００の燃焼室１１から排気される排気ガスの温度（排気温度）は、燃焼室１１における混合気の燃焼状態を判定する一つの指標となる。例えば、排気温度が所定の上限値付近にあれば正常燃焼であり、排気温度が下限値を下回ると失火等の異常燃焼であると判定することができる。ここで、異常燃焼時において、吸気コンプレッサ１６の水蒸気洗浄を行うことは、過給式エンジン１００のさらなる出力低下を招くことになるため、好ましくない。そこで、過給式エンジン１００のコンピュータ２２は、排気路７に設けられた排気温センサ２４によって排気温度を継続的に監視し、排気温度の変動に応じて適切に水蒸気噴射を行うように水蒸気噴射手段２０を制御する。
【００７５】
図５は、過給式エンジン１００の駆動時における、排気ガスの排気温度の経時的変動と水蒸気噴射手段の作動状況との関係を表わしたグラフである。ここに示す実施例は、噴射（ＯＮ）２秒−非噴射（ＯＦＦ）１０秒を繰返す間歇噴射パターンで水蒸気噴射手段２０を作動させつつ、正常燃焼を行っていた過給式エンジン１００が、何らかの原因により失火したケースである。
【００７６】
上限値付近にあった排気温度は、６０秒後に失火によって下降し始め、約７５秒後に下限値を下回る。水蒸気噴射手段２０は、排気温度が下限値を下回るまでの期間（０秒〜約７５秒）は水蒸気を噴射している。排気温度が下限値を下回る約７５秒後になると、コンピュータ２２は、過給式エンジン１００が異常燃焼（失火状態）にあると判定し、水蒸気噴射手段２０の水蒸気噴射を一時停止させる。一時停止後は、混合気によって燃焼室１１に持ち込まれる水分が少なくなるため、燃焼室１１の内部環境が改善され、やがて混合気の燃焼が復活する。その結果、排気温度は約１２０秒後に上限値付近に回復する。このとき、コンピュータ２２は、過給式エンジン１００が正常燃焼を回復したと判定し、水蒸気噴射手段２０の一時停止を解除する。
このように、本実施例では、コンピュータ２２は、燃焼室１１での異常燃焼を判定する異常燃焼判定手段、及び水蒸気噴射手段２０の作動を一時停止させる一時停止手段としての機能を有する。
【００７７】
一方、過給式エンジン１００の非駆動時では、コージェネレーションシステムにおける発電を行っていないので、過給式エンジン１００の出力低下を気にする必要はない。図６は、過給式エンジン１００の非駆動時における、水蒸気噴射手段２０の作動状況を表わしたグラフである。コージェネレーションシステムが稼動していない場合においては、図示されるように、過給式エンジン１００の全停止期間に亘って水蒸気噴射手段２０による水蒸気の間歇噴射を継続して実行することが可能である。
【００７８】
このように、本実施例では、コンピュータ２２が、排気温度の変動により、燃焼室１１で異常燃焼が発生していると判定した場合には、水蒸気噴射手段２０による水蒸気の噴射を一時停止させることにより、過給式エンジン１００の出力低下を最小限に抑えることができる。そして、燃焼室１１での異常燃焼が解消すれば、一時停止を解除することにより、水蒸気噴射による吸気コンプレッサ１６の洗浄を再開することができる。
【００７９】
本実施例の改変例として、コンピュータ２２が、排気温度の代わりに過給式エンジン１００の回転速度の変動を感知して、エンジン回転速度から異常燃焼であるか否かの判定を行うことも可能である。
【００８０】
コージェネレーションシステムのように過給式エンジン１００が定格運転を行う場合では、エンジン回転速度を一定に維持する必要がある。ところが、失火等の異常燃焼が発生すると、エンジン回転速度が低下する。エンジン回転速度が低下すると、クランクシャフト４から出力される回転トルクも低下するため、発電機の発電電力が低下する。そこで、コンピュータ２２は、エンジン回転速度が所定値を下回った場合に異常燃焼であると判定し、水蒸気噴射手段２０の作動を上記と同様に一時停止する。これにより、過給式エンジン１００の出力低下を最小限に抑えることができる。
【００８１】
水蒸気噴射手段２０を作動させるに際しては、本実施例のように間歇噴射を行うことが好ましい。間歇噴射を行えば、水蒸気噴射手段２０から噴射される水蒸気量を低減することができ、その結果、燃焼室１１への水分の持込みが少なくなり、過給式エンジン１００の出力低下を最小限に抑えることができる。
さらに、間歇噴射により吸気コンプレッサ１６にパルス状の衝撃を与えることができるため、吸気コンプレッサ１６を効果的に洗浄し、付着したオイル等の異物をより確実に除去することができる。
【００８２】
なお、過給式エンジン１００の出力に大きく影響を与えない場合は、間歇噴射のうちの水蒸気を噴射している時間の割合を増加させたり、あるいは水蒸気を連続噴射したりすることも勿論可能である。
【００８３】
＜実施例６：実施例１〜５の組み合わせによる水蒸気噴射制御＞
上記実施例１〜５では、各々異なる基準を適用して、コンピュータ２２が水蒸気噴射手段２０の制御を行っている。しかし、本発明では、実施例１〜５を任意に組み合わせて、水蒸気噴射手段２０を制御することも可能である。
【００８４】
例えば、コンピュータ２２は、最初にステップ１として、吸気温度とスロットル開度との関係及び空燃比とスロットル開度との関係に基づいて、いずれの関係においても正常範囲から逸脱した場合にターボチャージャー９（吸気コンプレッサ１６）の性能（過給圧）が低下したと判定し（実施例１〜３に相当する判定）、次にステップ２として、運転計画に基づいて水蒸気噴射を実行する最適な期間（期間［１］、期間［２］、又は期間［３］）を決定し（実施例４に相当する判定）、最後にステップ３として、排気温度又はエンジン回転速度から燃焼状態（異常燃焼）を判定する（実施例５に相当する判定）。そして、コンピュータ２２は、これら全ての判定結果に基づいて、最も適切な時期に水蒸気を噴射するよう水蒸気噴射手段２０を制御する。
このような制御により、ターボチャージャー９（吸気コンプレッサ１６）の洗浄を効率的に行いつつ、コージェネレーションシステムの稼動時等において、過給式エンジン１００の出力低下をより確実に防止又は低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の過給式エンジン１００における過給機の洗浄技術は、上記実施形態で説明したコージェネレーションシステムに使用されるターボチャージャー付きガスエンジン以外にも適用することができる。例えば、自動車、航空機、船舶等の駆動源として用いられる過給機付きのガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、アルコールエンジン等においても適用することができる。また、エンジンの形式についても、上記実施形態で説明した４サイクルエンジンの他、２サイクルエンジン、ロータリーエンジン等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一つの実施形態による過給式エンジンの基本的構成を概略的に示した全体図
【図２】吸気温度とスロットル開度との関係を表わしたグラフ
【図３】空燃比とスロットル開度との関係を表わしたグラフ
【図４】過給式エンジンのコンピュータが行った運転計画に基づいて実行される発電電力の出力及び受電電力を経時的に示したグラフ
【図５】過給式エンジンの駆動時における、排気ガスの排気温度の経時的変動と水蒸気噴射手段の作動状況との関係を表わしたグラフ
【図６】過給式エンジンの非駆動時における、水蒸気噴射手段の作動状況を表わしたグラフ
【符号の説明】
【００８７】
５      吸気路
１１    燃焼室
１４    スロットルバルブ
１６    吸気コンプレッサ
１９    戻り流路（ブローバイガス供給手段）
２０    水蒸気噴射手段
２１    環状式水蒸気ボイラ
２２    コンピュータ（判定手段、作動時期決定手段、出力制御手段、運転計画手段、異常燃焼判定手段、一時停止手段）
１００  過給式エンジン
【図１】
2008248726.tif 000003
【図２】
2008248726.tif 000004
【図３】
2008248726.tif 000005
【図４】
2008248726.tif 000006
【図５】
2008248726.tif 000007
【図６】
2008248726.tif 000008