(57)【要約】【課題】往復動内燃機関のバーナ付き過給機において過給機の自律的な回転速度制御を実現する。【解決手段】過給機２は圧縮機４とタービン５を有する。圧縮機４からの圧縮空気は機関１０とバーナ１に供給され、バーナ１は燃焼ガスを生成して機関からの排気とともにタービン５を駆動する。バーナ１の燃料ノズル２１は、一定圧力である外部圧縮空気及び液体燃料が供給される二流体ノズルであるため、バーナ内の燃焼ガス圧が上昇すると燃料流量が減少する等、自律的な流量制御が行なわれる。複雑高価なガバナーは不要である。また圧縮機４に外部圧縮空気供給手段２３が接続され、必要に応じて過給機の圧縮機に圧縮空気を投入できるので、排気エネルギーに乏しい機関の起動中等に過給機に駆動エネルギーを与え、また過給機が供給する圧縮空気の量自体を増加させ、バーナの性能を速やかに発揮させて過給機の回転速度を制御することができる。【選択図】図１
2004011551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関に圧縮空気を供給する圧縮機と、前記圧縮機と同軸に連結されて前記機関からの排気により駆動されるタービンと、前記圧縮機から供給される圧縮空気の一部を用いて燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを生成して前記機関からの排気とともに前記タービンに供給する助燃装置を有する過給機において、
外部圧縮空気と前記燃料が供給されて前記助燃装置内に前記燃料を噴射するとともに、前記助燃装置内での燃焼圧力の変化に応じて前記燃料の流量が調整される二流体ノズルを前記助燃装置に設け、
所定圧力の前記外部圧縮空気を供給する空気調圧弁と所定圧力の前記燃料を供給する燃料調圧弁を前記二流体ノズルに設けたことを特徴とする助燃装置を備えた過給機。
【請求項２】
前記二流体ノズルにおいては、
前記燃焼ガスの圧力と前記外部圧縮空気の所定圧力との差圧である空気供給差圧と、前記燃料の流量とが反比例するとともに、
前記燃焼ガスの圧力と前記燃料の所定圧力との差圧である燃料供給差圧が大きくなるほど、前記空気供給差圧と前記燃料の流量の反比例の比例定数が大きくなる請求項１記載の助燃装置を備えた過給機。
【請求項３】
前記圧縮機から前記助燃装置に供給される圧縮空気の量を増加させて前記助燃装置が前記タービンに供給する燃焼ガスのエネルギーを高めるため、前記圧縮機に外部圧縮空気を供給する外部圧縮空気供給手段を接続したことを特徴とする請求項１記載の助燃装置を備えた過給機。
【請求項４】
前記外部圧縮空気供給手段と前記圧縮機の間に圧縮空気の流量を調節する第１の空気調節弁を設け、前記圧縮機と前記助燃装置の間に圧縮空気の流量を調節する第２の空気調節弁を設けた請求項３記載の助燃装置を備えた過給機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動機関に設けられている過給機に係り、特に機関の燃焼室とは別に設けた助燃装置から燃焼ガスを過給機に供給し、過給機のタービンにより大きなトルクを発生させて圧縮機により多くの仕事をさせることにより機関の性能を向上させる助燃装置を備えた過給機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の技術を示す図であって、バーナ　（助燃装置）１を備えた過給機２が設けられている往復動内燃機関　（機関）１０の構成を模式的に示している。過給機２は回転軸３に連結された圧縮機４とタービン５を有しており、タービン５は前記機関１０からの排気により駆動され、圧縮機４は吸気を圧縮して機関１０に圧縮空気を供給する。この過給機２と機関１０の間には、過給機２の駆動を助けるためにタービン５に燃焼ガスを供給するバーナ１が設けられている。バーナ１には、過給機２の圧縮機４が生成する圧縮空気の一部が供給される。バーナ１には、燃料を噴射するノズル７が設けられており、ノズル７は調圧弁８を介して燃料供給用のポンプ９に接続されている。
【０００３】
燃料供給量の調節のため、調圧弁８はガバナー１１により制御されている。ガバナー１１は過給機２の回転軸３に設けられており、その回転数を検出し、比例・積分制御動作により調圧弁８を制御する。即ち、燃料はバーナ１内の燃焼圧力に比べて相当高い所定の元圧で供給されているが、ガバナー１１はバーナ１内の燃焼圧力の変動に係わらず、過給機２の回転数に応じた制御動作によって調圧弁８の開度を調整し、当該燃料の燃料ノズル７における流量を制御している。このように、上記バーナ１において燃料を噴射するノズル７は一流体式のノズルであって、供給される燃料自体の圧力をガバナー１１による調圧弁８の開度制御によって調節し、バーナ１内に供給する燃料の流量を調整するものであった。
【０００４】
また、上記バーナ１を備えた過給機２では、過給機２の回転軸３に外部駆動手段１２を接続して該過給機２を排気エネルギー以外の動力で駆動できるように構成する場合があった。この外部駆動手段２によれば、排気エネルギーに乏しい機関１０の停止中や無負荷運転などの状態において、過給機２に補助的な駆動エネルギーを与えるとともに、補助燃焼器からの燃焼ガスのエネルギーだけで回転速度を維持できる回転速度（自立速度）にまで加速するスタータとしても機能させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の往復動内燃機関１０におけるバーナ１を備えた過給機２では、ガバナー１１を用いて調圧弁８を調整することにより一流体式のノズル７に供給する燃料の圧力を制御していた。しかし、このガバナー１１は、機械式、電子式のいずれの方式によるものであっても、検出器、演算装置、調節器などの多数の部品で複雑に構成された装置であるため高価であり、また外部から動力・電力などのエネルギーの供給が必要であり、さらに設定が不適切であると発振（ハンチング）などの不安定現象をきたすことがあるという欠点がある。そこで、このようなガバナーを省いた状態でバーナ１に燃料を安定して供給し、機関１０を通常の範囲で不都合なく運転できる構成を提供できれば、機関１０の良好な運転状態を確保した上で構成の簡素化等によるコストの低減が図れるので、現実的にきわめて有用である。
【０００６】
即ち、本発明は、往復動内燃機関に設けられるバーナを備えた過給機において、バーナ内の燃焼状態に対応した自律的な燃料の流量制御を達成できる手段を提供することにより、バーナに供給する燃料の圧力をガバナーを用いることなく制御できるようにし、過給機の自律的な回転速度制御を可能とすることを目的としている。
【０００７】
また、従来の往復動内燃機関１０におけるバーナ１を備えた過給機２では、排気エネルギーに乏しい機関１０の停止中や無負荷運転などの状態において、過給機２に駆動エネルギーを与えるため、過給機２を外部駆動手段１２で補助的に駆動できるようにすることがあったが、かかる手段１２によれば、過給機２と機械的に連結する構造が必要になり、また過給機２が供給する圧縮空気の量自体を増加させるものではなく、起動時等にバーナ１の性能が十分に発揮される状態に至るまでにはなお相当の時間がかかるという問題があった。
【０００８】
即ち、本発明は、往復動内燃機関に設けられるバーナを備えた過給機において、排気エネルギーに乏しい機関の停止中や無負荷運転などの状態において過給機に駆動エネルギーを与えるとともに、過給機が供給する圧縮空気の量を増加させることにより、バーナの性能を速やかに発揮させて過給機の回転速度を制御できるようにするとともに、スタータとして機能させることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された助燃装置を備えた過給機２は、機関１０に圧縮空気を供給する圧縮機４と、前記圧縮機４と同軸に連結されて前記機関１０からの排気により駆動されるタービン５と、前記圧縮機４から供給される圧縮空気の一部を用いて燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを生成して前記機関１０からの排気とともに前記タービン５に供給する助燃装置１を有する過給機２において、外部圧縮空気と前記燃料が供給されて前記助燃装置１内に前記燃料を噴射するとともに、前記助燃装置１内での燃焼圧力の変化に応じて前記燃料の流量が調整される二流体ノズル２１を前記助燃装置１に設け、所定圧力の前記外部圧縮空気を供給する空気調圧弁２２と所定圧力の前記燃料を供給する燃料調圧弁２４を前記二流体ノズル２１に設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載された過給機２は、請求項１記載の助燃装置を備えた過給機の前記二流体ノズル２１において、前記燃焼ガスの圧力と前記外部圧縮空気の所定圧力との差圧である空気供給差圧と、前記燃料の流量とが反比例するとともに、前記燃焼ガスの圧力と前記燃料の所定圧力との差圧である燃料供給差圧が大きくなるほど、前記空気供給差圧と前記燃料の流量の反比例の比例定数が大きくなることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載された過給機２は、請求項１記載の助燃装置を備えた過給機において、前記圧縮機４から前記助燃装置１に供給される圧縮空気の量を増加させて前記助燃装置１が前記タービン５に供給する燃焼ガスのエネルギーを高めるため、前記圧縮機４に外部圧縮空気を供給する外部圧縮空気供給手段２３を接続したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載された過給機２は、請求項３記載の助燃装置を備えた過給機において、前記外部圧縮空気供給手段２３と前記圧縮機４の間に圧縮空気の流量を調節する第１の空気調節弁２６を設け、前記圧縮機４と前記助燃装置１の間に圧縮空気の流量を調節する第２の空気調節弁２０を設けたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、助燃装置としてのバーナ１を備えた過給機２が設けられた内燃機関１０の構成例を模式的に示す図である。
過給機２はケーシングの内部に共通の回転軸３に連結された圧縮機４とタービン５を有している。タービン５は機関１０からの排気により駆動され、圧縮機４は吸気を圧縮して機関１０に圧縮空気を供給する。この過給機２と機関１０の間には、過給機２の駆動を助けるためにタービン５に燃焼ガスを供給するバーナ１が設けられている。バーナ１には、過給機２の圧縮機４から吐出する圧縮空気の一部が、圧縮空気の流量を調節するバーナ空気調節弁２０を介して供給される。
【００１４】
本例では、ガバナーを用いない簡素で低コストの構成により過給機２の自律的な回転速度制御を行なうことを目的とした。具体的には、ガバナーを用いない自律的な燃料の流量制御が行なわれるように、従来用いられていた一流体ノズルに替えて、燃料ノズル２１として所定のノズル流量特性を有する二流体ノズルを採用した。この二流体ノズルは、液体燃料と空気が供給されて当該液体燃料を噴霧する機能を備えたものであり、具体的には特開平９−１６４３４６号に開示された燃料噴射ノズルなどを用いることができる。
【００１５】
二流体ノズルである本例の燃料ノズル２１は、圧縮空気の圧力を所定の値に調整して供給する燃料噴霧用の空気調圧弁２２を介して、外部圧縮空気供給手段２３に接続されている。また、この燃料ノズル２１は、液体燃料の圧力を所定の値に調整して供給する燃料調圧弁２４を介して、外部の液体燃料供給手段２５に接続されている。従って、この燃料ノズル２１によれば、一定圧の液体燃料を一定圧の圧縮空気によってバーナ１内に噴霧できる。
【００１６】
このバーナ１には圧縮機４からの圧縮空気の一部が供給されている。燃料ノズル２１から噴霧された燃料はこの圧縮空気と混合し、点火栓１３の着火によって燃焼して燃焼ガスを生成する。当該燃焼ガスは機関１０からの排気と合流して過給機２のタービン５に与えられて圧縮機４を駆動する。
【００１７】
ここで、このバーナ１で生成される燃焼ガスの圧力と、前記燃料ノズル２１に供給される液体燃料及び圧縮空気の各所定圧力との関係によって、前記燃料ノズル２１における燃料の流量が自律的に調整される。本例の燃料ノズル２１のノズル流量特性を図２に示す。即ち、本例の燃料ノズル２１によれば、前記燃焼ガスの圧力と燃料ノズル２１での外部圧縮空気の所定圧力との差圧を空気供給差圧と呼ぶとすると、この空気供給差圧と燃料ノズル２１での燃料の流量は反比例の関係にある。また、燃焼ガスの圧力と燃料ノズル２１での燃料の所定圧力との差圧を燃料供給差圧と呼ぶとすると、この燃料供給差圧が大きくなるほど、反比例の関係にある前記空気供給差圧と燃料流量の比例定数が大きくなる。
【００１８】
本例の機関１０を実際に運転した場合の機関１０の各測定項目の変化を図３に示す。この図では機関１０の始動後、機関１０の回転速度を一定に維持した状態で、ＡからＢにかけて負荷を増大させた場合を示している。この間、前述したように燃料ノズル２１での外部圧縮空気と燃料の圧力はそれぞれ一定に保持されている。また、負荷の増大に伴って過給機２の回転速度が上昇していくと、その圧縮機４の吐出圧力も増大していき、燃料ノズル２１で生成される燃焼ガスの圧力も増大していく。従って、図２中において、空気供給差圧と燃料供給差圧が低下し、燃料ノズル２１の作動点は同図中ＡからＢに向けて移動し、燃料流量は減少する。
【００１９】
即ち、機関１０の負荷が増大すると排気エネルギーが増大し、過給機２の回転速度を維持するのに必要なバーナ１で燃焼させる燃料の流量が減少する。本例の燃料ノズル２１のように空気で液体を噴射する二流体ノズルによれば、空気供給差圧と燃料供給差圧のいずれが低下しても燃料流量は減少する。
【００２０】
実際に本発明を適用する機関１０及び過給機２の性能に適合した燃料流量特性の燃料ノズル２１を選定することにより、これらの各構成要素の物理的特性の最適な組み合わせを得て、上述したような特性、即ち機関負荷の増大につれて過給機２の回転が適度に上昇し、同時に燃料ノズル２１に対する燃料及び圧縮空気の供給圧力を一定に保持したままで燃料流量を適度に減少させる自律的な特性を実現することができる。
【００２１】
そして、本例によれば、上述した自律的な燃料の制御特性をガバナーなしの簡素で安価な構造で実現しており、従ってガバナーがないため外部からのエネルギー供給も不要であり、不安定現象の発生もないという利点をも得ている。
【００２２】
さらに、本例の機構に温度制限装置等の他の調整手段を付加する場合でも、安定した自律的調節機能が確保されているので、その装置の負担を軽減できるという効果も得られる。
【００２３】
次に、図１に示すように、本例では、過給機２の圧縮機４に、圧縮空気の流量を調節する付加空気調節弁２６を介して、外部圧縮空気供給手段２３を接続した。これによって、排気エネルギーに乏しい機関１０の起動中等に過給機２に付加的に駆動エネルギーを与えるとともに、過給機２が供給しうる圧縮空気の量を増加させ、バーナ１の性能を速やかに発揮させることができる。
【００２４】
過給機２の圧縮機４に外部圧縮空気供給手段２３から付加的に圧縮空気を加えることとすれば、次のような作用効果が得られる。即ち、外部からの圧縮空気は、付加空気調節弁２６によって所定の流量に調節され、過給機２に付加される。過給機２に付加された圧縮空気は、圧縮機４のケーシングに設けた噴口から噴流となってインペラに衝突し、その衝動によって過給機２のロータにトルクを発生させるとともに、バーナ１を経由してタービン５に入り、そこでもトルクを発生させる。静止している過給機２ロータはこのトルクによって速やかに加速を始める。
【００２５】
液体燃料供給手段２５からの加圧された燃料はバーナ１に所定の圧力で供給される。バーナ１に入る空気量は、必要に応じてバーナ空気調節弁２０　（又は他の適当な絞り機構でもよい）によって調節する。バーナ１内で点火栓１３によって着火した燃料の燃焼は、燃料の供給が遮断されるまで継続される。バーナ１内で生成した燃焼ガスは、機関１０からの排気と合流して過給機２のタービン５に入り、これを駆動する。この駆動力は、単に燃焼ガスのみでタービン５を駆動する場合や、バーナ１を用いないで圧縮空気をアシストに用いる場合に比べ、はるかに大きなトルクを発生させることができる。
【００２６】
排気エネルギーに乏しい起動中などでは、圧縮機４に加える圧縮空気の量を調節して過給機２の回転速度を調節することができ、過給機２がある回転速度以上になれば、あとは圧縮空気を付加しなくとも、前述した自律的な燃料流量の制御によって過給機回転速度を調節できる。以上の動作は機関１０が停止している状態でも実行できる。
【００２７】
このように、本例によれば、外部圧縮空気を必要に応じて過給機２の圧縮機４に投入するようにしたので、過給機２の駆動をアシストするための手段と過給機２とを機械的に連結する構造、例えば駆動機器と連結するための歯車装置やクラッチなどの機械要素が不要である。従って、過給機２のいかなる運転状態においても圧縮空気を付加してバーナ１での燃焼に供することができ、機関１０が運転・停止のいずれの状態にあっても過給機２の回転速度を調整できる。また本例によれば、過給機２が供給する圧縮空気の量自体が増加し、注入した圧縮空気を過給機２の圧縮機４からタービン５までのすべての部分で有効に利用でき、バーナ１への空気流量の増加によって起動時等にバーナ１の性能を所要の状態にまで短時間で立ち上げることができるとともに、バーナ１でより多くの燃料を燃焼させることができる等、良好な燃焼状態を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
往復動内燃機関に設けられるバーナを備えた過給機において、二流体式の燃料ノズルを採用した本発明によれば、バーナ内の燃焼状態に対応した自律的な燃料の流量制御を行なうことができるので、バーナに供給する燃料の制御に従来用いられていたガバナーが不要になり、過給機の自律的な回転速度制御を可能となった。
【００２９】
また、往復動内燃機関に設けられるバーナを備えた過給機において、外部からの圧縮空気を必要に応じて過給機の圧縮機に投入できるようにした本発明によれば、過給機に対する機械的連結手段等が不要な簡素な構成でありながら、排気エネルギーに乏しい機関の起動中や負荷上昇中などの状態において、過給機に駆動エネルギーを与えることができ、また過給機が供給する圧縮空気の量自体を増加させることによりバーナの性能を速やかに発揮させて過給機の回転速度を制御することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である助燃装置付き過給機２が設けられた機関１０の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例における助燃装置付き過給機２の燃料ノズル２１のノズル流量特性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例である助燃装置付き過給機２が設けられた機関１０において、実際に運転した場合の機関１０の各測定項目の変化を示す図である。
【図４】従来の助燃装置付き過給機２が設けられた機関１０の構成図である。
【符号の説明】
１…バーナ　（助燃装置）
２…過給機
４…圧縮機
５…タービン
１０…内燃機関　（機関）
２０…バーナ空気調圧弁
２１…二流体ノズルである燃料ノズル
２２…空気調圧弁
２３…外部圧縮空気供給手段
２４…燃料調圧弁
２５…液体燃料供給手段
２６…付加空気調節弁
【図１】
2004011551.tif 000003
【図２】
2004011551.tif 000004
【図３】
2004011551.tif 000005
【図４】
2004011551.tif 000006