(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気により駆動される過給機と、前記過給機が供給する空気を冷却する給気冷却器と、燃料と前記過給機からの空気が燃焼した排気を機関からの排気とともに前記過給機に供給する燃焼器を有し、前記燃焼器からの高温ガスによって前記過給機を高速で運転する助燃式ターボ過給機において、
前記給気冷却器を前記機関とは別体として前記機関と前記過給機の間に配置し、前記給気冷却器の入口側給気通路に設けた第１の流量調整手段と、前記第１の流量調整手段の前段に接続され前記給気冷却器をバイパスして前記過給機と前記機関の給気入口側を連通するバイパス通路と、前記バイパス通路内に配置された第２の流量調整手段とを備えて前記給気冷却器を通過する給気の流量を調整する流量調整手段を具備し、
前記第１、第２の流量調整手段の調整により、無負荷状態ではバイパス通路内のみ空気を流通させるとともに、前記機関に加わる負荷が大きくなるにつれて、前記冷却器をバイパスする給気量を減少させて前記冷却器を通過する給気量を増大させることにより、前記流量調整手段によって前記給気冷却器による放熱を抑制して前記燃焼器のガス温度を低下させるとともに、
前記燃焼器は、前記過給機の圧縮機から供給される圧縮空気の一部を取入れるための給気通路と、前記給気通路に設けられた第３の流量調整手段を有しており、前記第３の流量調整手段は前記過給機で圧縮された空気のみにより燃料を燃焼させて排気を生成するために無負荷状態を最大流量とし負荷の増加に応じて流量を減ずる側に制御され、
さらに前記機関の無負荷運転状態において、前記第３の流量調整手段と前記第２の流量調整手段の開度を調整して、前記機関側と前記燃焼器側への空気流量配分を調節することを特徴とする助燃式ターボ過給装置。
【請求項２】
前記燃焼器に供給される燃料の流量は、前記過給機の速度またはガス温度が所定の範囲内に維持されるように制御されることを特徴とする請求項１記載の助燃式ターボ過給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は助燃式ターボ過給装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のターボ過給機関は、ターボ過給機（以下単に過給機という）によって往復式内燃機関（以下単に機関という）の排気エネルギーを利用して空気を圧縮し、さらに給気冷却器によって機関が吸込む空気密度を大きくしている。このようにして空気量を増加させた機関はより多くの燃料を燃焼させることができるため、より大きな出力を発生させることができる。
【０００３】
しかしながら、機関の起動時や、機関出力が小さい場合などは過給機の速度が低く、機関に十分な空気を供給できないので、燃焼不良によって有害な排気物質を生成したり、負荷の急速な増加に追随できるだけの動力を発生できないといった不具合がある。これは、過給機に供給される機関排気のエネルギーが不足していることが基本原因である。
【０００４】
そこで下記特許文献には、燃焼器を用いて燃料を燃焼し、発生した高温ガスを機関排気に合流させて不足するエネルギーを補うことによって改善する技術が開示されている。
【０００５】
図３は、その助燃式過給機構を具備した従来のターボ過給装置のシステム構成の一例を示している。
【０００６】
このシステムは、機関１、過給機２、給気冷却器３、バックアップ用の燃焼器４及び図示しない自動制御装置によって構成される。機関１が複数の気筒からなるものは、機関１の給気入口と各気筒の空気入口とを接続する給気分岐管１ａと、各気筒の排気出口と機関１の排気出口とを接続する排気分岐管１ｅとを具備する。
【０００７】
過給機２は、軸２ｓの両端に結合された圧縮機２ｃとタービン２ｔとからなり、圧縮機２ｃの空気出口は給気冷却器３の空気入口と空気通路ａ１によって接続され、給気冷却器３の空気出口は機関１の給気入口と給気通路ａ２によって接続されている。燃焼器４の空気入口は、給気通路ａ１から分岐する給気通路ａ３に接続され、この給気通路ａ３には制御弁Ｖａが備えられている。
【０００８】
機関１からの排気通路ｅ１は燃焼器４に接続され、燃焼器４のガス出口は排気通路ｅ２によって過給機２のタービン２ｔのガス入口に接続されている。
【０００９】
図示しない燃料源からの燃料供給配管の一方ｆ１は機関１へ接続され、他方ｆ２は燃焼器４に接続されている。
【００１０】
次に以上装置の各部の働きを説明する。図３において、過給機２に吸入された大気は圧縮機２ｃによって圧縮され、給気通路ａ１によって空気冷却器３へ導かれる。給気冷却器３によって冷却された空気は、給気通路ａ２によって機関１へ導かれ、燃料と混合されて燃焼し、機関１を駆動する。
【００１１】
燃焼によって生成した排気は、排気通路ｅ１を通って燃焼器４に導かれる。また、圧縮機２ｃによって圧縮された空気の一部は給気通路ａ１から分岐した給気通路ａ３によって燃焼器４に導かれ、この空気は燃焼器４に供給された燃料の燃焼によって高温ガスとなり、排気通路ｅ１からの機関１の排気と合流する。
【００１２】
燃焼器４側に導かれる空気流量は制御弁Ｖａの開度によって調整されるもので、低負荷時には弁開度大であり、高負荷になると弁開度小に自動制御される。
合流した排気は、排気通路ｅ２によってタービン２ｔへ導かれ、ここで圧縮機２ｃを駆動する動力を発生した後大気へ放出される。
【００１３】
過給機２のロータの回転速度は、タービン２ｔが発生する動力と圧縮機２ｃの負荷との釣合で決り、機関１からの排気エネルギーが大きいほど速度が速くなるが、ある速度（自立速度）以下では圧縮機２ｃの負荷がタービン２ｔの発生する動力を上回るので、その速度を維持できず失速する。
【００１４】
したがって以上のシステムにおいては、従来の燃焼器４を備えないターボ過給機関が十分な過給機速度を得られない起動時、低負荷時及び負荷上昇時においても燃焼器から高温ガスの供給を受けて過給機速度を増加し、機関へより高温・高圧の空気を供給することができるので、前述の不具合を抑制できる利点がある。
【特許文献１】特開２００４−１１５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、以上の技術によれば、機関１の駆動速度が高くなると機関１を通過する空気流量が増加するために、燃焼器４へ供給される空気流量が少なくなり、燃焼器のガス温度が上昇する。
【００１６】
特に無負荷状態近傍では、機関速度が本来の上限速度に到達する以前に燃焼器４のガス温度が許容値を超えたり、燃焼不良をきたして運転を継続できなくなる場合が多い。
燃焼器４への燃料流量を減らせば過給機２は失速しやすくなり、増せばガス温度がさらに上昇するので、燃焼器４への燃料流量の調節ではガス温度を効果的に下げることはできない。
【００１７】
外部から圧縮空気を付加すればガス温度を低下できるが、そのための設備が高価であり、運転費用も増加する。
【００１８】
こうした背景から、簡便かつ安価に燃焼器のガス温度を低下できる手段が望まれた。そこで、本発明は、外部からの空気を付加することなく燃焼のガス温度を低下させた助燃式ターボ過給装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以上の目的を達成するため、請求項１に記載された助燃式ターボ過給装置は、
排気により駆動される過給機と、前記過給機が供給する空気を冷却する給気冷却器と、燃料と前記過給機からの空気が燃焼した排気を機関からの排気とともに前記過給機に供給する燃焼器を有し、前記燃焼器からの高温ガスによって前記過給機を高速で運転する助燃式ターボ過給機において、
前記給気冷却器を前記機関とは別体として前記機関と前記過給機の間に配置し、前記給気冷却器の入口側給気通路に設けた第１の流量調整手段と、前記第１の流量調整手段の前段に接続され前記給気冷却器をバイパスして前記過給機と前記機関の給気入口側を連通するバイパス通路と、前記バイパス通路内に配置された第２の流量調整手段とを備えて前記給気冷却器を通過する給気の流量を調整する流量調整手段を具備し、
前記第１、第２の流量調整手段の調整により、無負荷状態ではバイパス通路内のみ空気を流通させるとともに、前記機関に加わる負荷が大きくなるにつれて、前記冷却器をバイパスする給気量を減少させて前記冷却器を通過する給気量を増大させることにより、前記流量調整手段によって前記給気冷却器による放熱を抑制して前記燃焼器のガス温度を低下させるとともに、
前記燃焼器は、前記過給機の圧縮機から供給される圧縮空気の一部を取入れるための給気通路と、前記給気通路に設けられた第３の流量調整手段を有しており、前記第３の流量調整手段は前記過給機で圧縮された空気のみにより燃料を燃焼させて排気を生成するために無負荷状態を最大流量とし負荷の増加に応じて流量を減ずる側に制御され、
さらに前記機関の無負荷運転状態において、前記第３の流量調整手段と前記第２の流量調整手段の開度を調整して、前記機関側と前記燃焼器側への空気流量配分を調節することを特徴としている。
【００２３】
請求項２に記載された助燃式ターボ過給装置は、請求項２記載の助燃式ターボ過給装置において、
前記燃焼器に供給される燃料の流量は、前記過給機の速度またはガス温度が所定の範囲内に維持されるように制御されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
したがって本発明によれば、機関の負荷が小さい場合に、給気冷却器をバイパスしない場合よりも少ない燃料と低いガス温度で燃焼器を運転できるため、装置を経済的かつ安定して運転できる。同時に、負荷状態に応じて空気のバイパス量を調整して燃焼器の運転状態をより適切に維持することも可能となり、広範な運転状態の変化に対して安全に過給機の高速運転を維持できる。
【００２５】
さらに本発明によれば、従来の基本構造に加えて、バイパス流路と第１、第２の流量調整手段を付加するだけであるため簡単な機構で実現できる。
【００２６】
さらに本発明によれば、無負荷状態では燃焼器のガス温度は低く保たれ、負荷に応じてバイパス量が調整されるため、燃焼器の運転状態をより適切に維持することが可能となる。
【００２７】
さらに本発明によれば、無負荷時における機関及び燃焼器に対する空気量配分が定まり、それぞれの最適運転を行うことができる。
【００２８】
請求項２の発明によれば、空気量の増減に応じた最適空燃比で燃焼器を駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の最良の実施の形態をディーゼル機関の過給装置に具体化した添付図を参照して説明する。
【００３０】
図１は本実施形態の機関と過給装置からなるシステムの全体構成を示すものである。なお、前記図３に示す従来と同一箇所には同一符号を付し、新たに付加された箇所にのみ新たな符号を用いて説明する。
【００３１】
図１において本発明のシステムは、給気冷却器３がその空気入口の給気通路ａ１内に第１の流量調整手段としての制御弁Ｖｃを具備し、さらに第１の制御弁Ｖｃの前段において給気冷却器３をバイパスして給気通路ａ２に接続するバイパス通路ａ４及び第２の流量調整手段としての制御弁Ｖｂを具備している点が図３に示す従来のシステムと異なるのみで、その他の機構的な構成は同一である。
なお、燃焼器４に連通する給気通路ａ３に接続された制御弁Ｖａは、前述したように従来と同様の構成であるが、本実施形態の前記制御弁Ｖｃ，Ｖｂは請求項の記載では第１及び第２の流量調整手段であり、この制御弁Ｖａは第３の流量調整手段となる。
【００３２】
次に以上のシステムにおける各部の働きを説明する。図１において、過給機２に吸入された大気は、圧縮機２ｃによって圧縮され、給気通路ａ１によって給気冷却器３に導かれる。
【００３３】
給気冷却器入口の第１の制御弁Ｖｃとバイパス通路ａ４の第２の制御弁Ｖｂの制御によって給気冷却器３を通過する空気流量の割合が調整され、機関１へ供給される空気の温度が調節される。
【００３４】
この温度を調節された空気は空気通路ａ２を通って機関１へ導かれ、燃料と混合して燃焼し、機関１を駆動する。これにより生成した排気は、排気通路ｅ１を通って燃焼器４へ導かれる。
【００３５】
また、過給機２の圧縮機２ｃによって圧縮された空気の一部は、給気通路ａ１から分岐した給気通路ａ３によって燃焼器４へ導かれる。この空気は、燃焼器４に供給された燃料の燃焼によって高圧ガスとなり、排気通路ｅ１からの機関１からの排気と合流する。
【００３６】
合流した排気は排気通路ｅ２によって過給機のタービン２ｔへ導かれ、ここで圧縮機２ｃを駆動した後、大気へ放出される。
【００３７】
第１、第２の制御弁Ｖｂ、Ｖｃ及び制御弁Ｖａの開度は、図示しない制御装置によって機関１への負荷の大きさに応じて調節される。
【００３８】
すなわち、無負荷状態では制御弁ｖｃが全閉し、制御弁Ｖｂが全開し、この状態では、過給機２の圧縮機２ｃからの空気は給気冷却器によって冷却されることなく高温のまま機関１へ供給される。高温の空気は密度が小さいので機関１に供給される空気流量は少なくなる。
【００３９】
負荷が増加するにつれて第１の制御弁Ｖｂを閉じ、第２の制御弁Ｖｃを開く。また制御弁Ｖａは無負荷状態では全開しており、負荷が増加するにつれ閉じる。
【００４０】
なお無負荷状態において、第２の制御弁Ｖｂと制御弁Ｖａの開度を適宜に調節して機関１と燃焼器４への空気流量の配分を調節することもでき、これによってそれぞれの最適運転となる最大開度が設定される。
【００４１】
燃焼器４への燃料流量は図示しない制御装置によって過給機速度またはガス温度が所定の範囲内に維持されるように制御される。
【００４２】
必要に応じて給気冷却器３と同様の空気のバイパスによって燃焼器内の空燃比を調節しても良い。
【００４３】
機関１の運転中に燃焼器４の運転を停止する場合には、燃焼器４への燃料を遮断し、制御弁Ｖａ及び第２の制御弁Ｖｂを全閉、第１の制御弁Ｖｃを全開にする。この状態では、系統は燃焼器を備えない場合のターボ過給装置と実質的に同じである。
【００４４】
図２（ａ）は、図３の従来のシステムで機関を無負荷運転している場合、図２（ｂ）は図１の本発明のシステムで機関を無負荷運転している場合のエネルギーの流れを示す模式図を示し、どちらも過給機速度は同じである。
【００４５】
これらの図における丸で囲ったＡは機関へ供給される燃料のエネルギー、同Ｂは燃焼器へ供給される燃料のエネルギー、同Ｃは系を循環するエネルギーの割合を示す。
【００４６】
まず、図２（ａ）に示す従来のシステムでは、タービン２ｔで吸収され、圧縮機２ｃで空気に伝えられたエネルギーは、空気冷却器３からそのほとんど全てが外界に放出される。
【００４７】
これに対し、図２（ｂ）に示す本発明においては、圧縮機２ｃで空気に伝えられたエネルギーが給気冷却器３で失われることがなく、系内を循環するエネルギーが増大する。
【００４８】
このため、同じ過給機速度を維持するために、燃焼器４で消費する燃料の流量は図３の場合より少なくなる。同時に機関への給気は高温であるために密度が低く、機関を通過する空気流量が減るので燃焼器４へ空気流量が増加する。
【００４９】
この結果、従来に比べて燃焼器４のガス温度が低下し、燃焼器４のガス温度が最も高温になりやすい機関の無負荷高速運転状態でも、空気弁開度の調節だけで効果的にガス温度を低下させることができるので、助燃式ターボ過給機関を経済的かつ安全に運転させることができるのである。
【００５０】
また実施の形態に示すように、本発明をディーゼル機関に適用した場合には、過給機の高速運転によって過給機の速度追従遅れや燃料の不完全燃焼を同時に抑制することができるので、機関の起動性能及び負荷応答性能が改善できるとともに、排気中の黒煙と悪臭の発生を減少させることができる。低負荷においても過給機出口温度が高くなるので、排気出口に脱硝装置や排熱回収装置を設ける場合には、それらをより有効に働かせることができる。
【００５１】
なお以上の実施形態では、流量調整手段として制御弁Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを用いたが、同様の機能を備えるものであれば、ダンパなどの他の形式の可変絞り機構に代替できる。
【００５２】
また、給気冷却器３の出口温度調節手段としては、前記バイパス流路ａ４及び制御弁Ｖｂの組合せに替えて。冷却用媒体の流量調整手段に代替することもできる。例えば空冷式冷却器の場合には、冷却ファンの回転速度を下げるか停止することによっても実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による助燃式ターボ過給装置を備えたディーゼル機関の一例を示す構成略図である。
【図２】（ａ）は従来のシステムにより運転する場合、（ｂ）は本発明のシステムにより運転する場合のエネルギーの流れを示す模式図である。
【図３】従来の  助燃式ターボ過給装置を備えた機関の一例を示す構成略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  機関
２  過給機（２ｔ  タービン、２ｃ  空気圧縮機）
３  給気冷却器
４  燃焼器
ａ１，ａ２，ａ３  給気通路
ａ４  バイパス流路
ｆ１，ｆ２  燃料供給配管
ｅ１，ｅ２  排気通路
Ｖａ  第３の流量調整手段（流量制御弁）
Ｖｃ  第１の流量調整手段（流量制御弁）
Ｖｂ  第２の流量調整手段（流量調整弁）
【図１】
0004530934.tif 000002
【図２】
0004530934.tif 000003
【図３】
0004530934.tif 000004