(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排気管を経て供給される排気ガスにより駆動されるタービン及び該タービンと同軸にて駆動される第１のコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、該排気ターボ過給機で加圧した後冷却された空気を加圧する第２のコンプレッサ及び該加圧空気により膨張仕事をなさしめて該加圧空気を降温させるとともに前記第２のコンプレッサを駆動する膨張タービンを備えたターボクーリング過給機とを有し、前記ターボクーリング過給機の膨張タービンから送出される低温空気を前記エンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムにおいて、
前記排気管の前記排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に蒸気を噴出せしめる蒸気供給装置を設け、該蒸気供給装置は、前記排気管内に開口し蒸気源から送給される蒸気を排気ガス中に噴出する蒸気管と、該蒸気管に設けられて前記蒸気の流量及び圧力の何れか一方または双方を調整する蒸気流量制御装置とを備え、
前記蒸気流量制御装置を制御して前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を増大して、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることを特徴とするターボクーリングシステム。
【請求項２】
エンジンの給気圧力を検出する給気圧力検出器と、エンジン回転数、エンジン出力等のエンジン出力状態を検出するエンジン出力状態検出器と、該エンジン出力状態検出器からのエンジン出力状態検出値に対応する前記基準給気圧力を設定する基準給気圧力設定手段及び前記給気圧力検出器からの給気圧力検出値と前記基準給気圧力とを比較して給気圧力偏差を算出する給気圧力比較手段及び前記給気圧力偏差に基づき前記蒸気流量制御装置における蒸気流量または蒸気圧力を算出する蒸気状態算出手段を有して前記蒸気状態算出手段にて算出された蒸気流量または蒸気圧力の制御信号を前記蒸気流量制御装置に出力するコントローラとを備えてなることを特徴とする請求項１記載のターボクーリングシステム。
【請求項３】
エンジンから排気管を経て供給される排気ガスにより駆動されるタービン及び該タービンと同軸にて駆動される第１のコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、該排気ターボ過給機で加圧した後冷却された空気を加圧する第２のコンプレッサ及び該加圧空気により膨張仕事をなさしめて該加圧空気を降温させるとともに前記第２のコンプレッサを駆動する膨張タービンを備えたターボクーリング過給機とを有し、前記ターボクーリング過給機の膨張タービンから送出される低温空気を前記エンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムにおいて、
前記排気管の前記排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に水を霧化して噴出せしめる水噴射装置を設け、該水噴射装置は前記排気管内に開口し水供給源から送給される水を排気ガス中に噴出する水噴射弁と、該水噴射弁に設けられて前記水の流量または圧力を調整する水流量、圧力制御弁とを備え、前記水流量、圧力制御弁を制御することによって前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を制御して前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を増大して、ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることを特徴とするターボクーリングシステム。
【請求項４】
エンジンの給気圧力を検出する給気圧力検出器と、エンジン回転数、エンジン出力等のエンジン出力状態を検出するエンジン出力状態検出器と、該エンジン出力状態検出器からのエンジン出力状態検出値に対応する前記基準給気圧力を設定する基準給気圧力設定手段及び前記給気圧力検出器からの給気圧力検出値と前記基準給気圧力とを比較して給気圧力偏差を算出する給気圧力比較手段及び前記給気圧力偏差に基づき前記水噴射装置における水噴射量または水噴射圧力を算出する水噴射状態算出手段を有して前記水噴射状態算出手段にて算出された水噴射量または水噴射圧力の制御信号を前記水噴射装置に出力するコントローラとを備えてなることを特徴とする請求項３記載のターボクーリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デイーゼルエンジンの給気装置等に適用され、排気ターボ過給機の第１のコンプレッサで加圧された後冷却された空気をターボクーリング過給機の第２のコンプレッサで加圧し、該ターボクーリング過給機の膨張タービンにおいて前記加圧空気により膨張仕事をなさしめて降温させ、この低温空気をエンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、ＮＯｘ（窒素酸化物）低減のための有効な手段の１つとして、ターボクーリングシステムが提案されている。
かかるターボクーリングシステムとして本件出願人らによって提供されているものの１例を図７に示す。
図において１００はエンジン、７は該エンジンのシリンダ、５は給気室、６は排気集合管である。１は排気ターボ過給機で、エンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動されるタービン１ａ及び該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂにより構成される。
【０００３】
９は前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ空気出口と後述するターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気入口とを接続する空気管、３は該空気管９の管路に設けられて前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂからの加圧空気を冷却する第１の空気冷却器である。
２はターボクーリング過給機で、膨張タービン２ａと該膨張タービン２ａに回転軸１８により同軸に連結されて駆動されるコンプレッサ２ｂとにより構成される。４は前記ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気出口に空気管９ａを介して接続され該コンプレッサ２ｂからの加圧空気を冷却する第２の空気冷却器で、該空気冷却器４の空気出口は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａの空気入口に接続されている。
１０は前記膨張タービン２ａの空気出口と前記エンジン１００の給気室５とを接続する給気管である。
【０００４】
かかるターボクーリングシステムにおいて、図７の系統図及び図６の線図（図６においてＡ１は空気温度、Ｂ１は空気圧力）に示すように、前記排気ターボ過給機１のタービン１ａはエンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動され、該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂは大気からの空気（圧力Ｐａ、温度Ｔａ）を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させる（圧力Ｐｃ１、温度Ｔｃ１）。
該コンプレッサ１ｂにて加圧、昇温された加圧空気は第１の空気冷却器３において冷却、降温され（圧力Ｐｃ１０、温度Ｔｃ１０）、空気管９を通ってターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂに導入される。該コンプレッサ２ｂにおいては前記加圧空気を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させて（圧力Ｐｃ２、温度Ｔｃ２）、第２の空気冷却器４に送る。
【０００５】
そして該第２の空気冷却器４において冷却、降温された加圧空気（圧力Ｐｃ３、温度Ｔｃ３）は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａに供給される。該膨張タービン２ａに導入された加圧空気はここで膨張して降圧、降温され（給気圧力Ｐｓ、給気温度Ｔｓ）、この低温加圧空気は給気管１０を通ってエンジン１００の給気室５に送られ燃焼に供される。
一方、前記のような膨張タービン２ａでの加圧空気の膨張仕事により、該膨張タービン２ａと同軸のコンプレッサ２ｂに駆動力が供給される。
【０００６】
以上の動作によって、エンジン１００にはターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ出口からの低温加圧空気が供給されることとなり、該エンジン１００の給気温度が外部への放熱温度レベル以下に低下せしめられ、これによってエンジン１００のシリンダ７内におけるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生が抑制される。また、併せて給気温度の低下による給気量（空気重量流量）の増加により燃料消費率が低減されるとともに、給気温度の低下によってシリンダ７内の熱負荷が低減されエンジン１００の耐久性が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示されるターボクーリングシステムにおいては、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ及びターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂにて構成される２段のコンプレッサにおいて所定の圧力比で以って加圧し昇圧させた空気を、膨張タービン２ａにて膨張させることにより、エンジン１００への給気の温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめている。
このため、ターボクーリング過給機２への入力仕事として排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて、図５に示すように、エンジン１００への給気の温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるに要する基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０が得られるような高圧の空気を得ることを要する。
【０００８】
図６には、図７に示される従来のターボクーリングシステムにおける各段のコンプレッサ及び空気冷却器における空気圧力及び温度の１例を示している。図においてＡ１は空気温度、Ｂ１は空気圧力である。
図５に明らかなように、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ及び給気温度Ｔｓを、前記のように、外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０とするには、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて圧力比が４以上という高圧力比を必要とする。
【０００９】
しかしながら、かかる従来のターボクーリングシステムにおいては、エンジン１００の排気ガスにより駆動される排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂでは、前記圧力比が４以上という高圧力比をエンジン１００からの排気ガスエネルギーにより得るのは困難であることから、かかる従来技術においては前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて前記のような十分に高い圧力比が得られず、図６に示すように、エンジン１００への給気圧力が、前記基準給気圧力Ｐｓ０よりも小さいＰｓ１の給気圧力しか得られず、エンジンシリンダ７内の空気過剰率の低下が避けられない事態となっている。
これにより、かかる従来技術にあっては、空気過剰率の不足による燃焼の悪化や燃料消費率の増加、排気煙の悪化を引き起こし、さらにはターボクーリングシステム本来の目的であるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制も実現困難となる。
等の問題点を有している。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ターボクーリングシステムを備えたエンジンにおいて、排気ターボ過給機における高圧力比化を過給機効率を低下させることなく可能として、エンジンシリンダ内の空気過剰率の低下を伴うことなく、ターボクーリングシステムからエンジンに供給される給気の温度状態を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめることにより、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制でき、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現し得るターボクーリングシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、エンジンから排気管を経て供給される排気ガスにより駆動されるタービン及び該タービンと同軸にて駆動される第１のコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、該排気ターボ過給機で加圧した後冷却された空気を加圧する第２のコンプレッサ及び該加圧空気により膨張仕事をなさしめて該加圧空気を降温させるとともに前記第２のコンプレッサを駆動する膨張タービンを備えたターボクーリング過給機とを有し、前記ターボクーリング過給機の膨張タービンから送出される低温空気を前記エンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムにおいて、前記排気管の前記排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に蒸気を噴出せしめる蒸気供給装置を設け、該蒸気供給装置は、前記排気管内に開口し蒸気源から送給される蒸気を排気ガス中に噴出する蒸気管と、該蒸気管に設けられて前記蒸気の流量及び圧力の何れか一方または双方を調整する蒸気流量制御装置とを備え、前記蒸気流量制御装置を制御して前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を増大して、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることを特徴とするターボクーリングシステムを提案する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、前記蒸気供給装置の蒸気流量または圧力の制御手段に係り、請求項１において、エンジンの給気圧力を検出する給気圧力検出器と、エンジン回転数、エンジン出力等のエンジン出力状態を検出するエンジン出力状態検出器と、該エンジン出力状態検出器からのエンジン出力状態検出値に対応する前記基準給気圧力を設定する基準給気圧力設定手段及び前記給気圧力検出器からの給気圧力検出値と前記基準給気圧力とを比較して給気圧力偏差を算出する給気圧力比較手段及び前記給気圧力偏差に基づき前記蒸気流量制御装置における蒸気流量または蒸気圧力を算出する蒸気状態算出手段を有して前記蒸気状態算出手段にて算出された蒸気流量または蒸気圧力の制御信号を前記蒸気流量制御装置に出力するコントローラとを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、エンジンから排気管を経て供給される排気ガスにより駆動されるタービン及び該タービンと同軸にて駆動される第１のコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、該排気ターボ過給機で加圧した後冷却された空気を加圧する第２のコンプレッサ及び該加圧空気により膨張仕事をなさしめて該加圧空気を降温させるとともに前記第２のコンプレッサを駆動する膨張タービンを備えたターボクーリング過給機とを有し、前記ターボクーリング過給機の膨張タービンから送出される低温空気を前記エンジンに供給するようにしたターボクーリングシステムにおいて、前記排気管の前記排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に水を霧化して噴出せしめる水噴射装置を設け、該水噴射装置は前記排気管内に開口し水供給源から送給される水を排気ガス中に噴出する水噴射弁と、該水噴射弁に設けられて前記水の流量または圧力を調整する水流量、圧力制御弁とを備え、前記水流量、圧力制御弁を制御することによって前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を制御して前記排気ターボ過給機の第１のコンプレッサにおける圧力比を増大して、ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることを特徴とするターボクーリングシステムを提供する。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項３において、エンジンの給気圧力を検出する給気圧力検出器と、エンジン回転数、エンジン出力等のエンジン出力状態を検出するエンジン出力状態検出器と、該エンジン出力状態検出器からのエンジン出力状態検出値に対応する前記基準給気圧力を設定する基準給気圧力設定手段及び前記給気圧力検出器からの給気圧力検出値と前記基準給気圧力とを比較して給気圧力偏差を算出する給気圧力比較手段及び前記給気圧力偏差に基づき前記水噴射装置における水噴射量または水噴射圧力を算出する水噴射状態算出手段を有して前記水噴射状態算出手段にて算出された水噴射量または水噴射圧力の制御信号を前記水噴射装置に出力するコントローラとを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
【００１６】
請求項１ないし２記載の発明によれば、排気管の排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に蒸気を噴出せしめる蒸気供給装置を設け、前記蒸気供給装置を、前記排気管内に開口し蒸気源から送給される蒸気を排気ガス中に噴出する蒸気管及び該蒸気管に設けられて蒸気流量及び蒸気圧力の何れか一方または双方を調整する蒸気流量制御装置により構成して、前記蒸気供給装置により排気管内を通流する排気ガス中に高圧蒸気を噴出せしめているため、排気ターボ過給機のタービンへの排気ガスの圧力及び流量が増大して排気エネルギーが増大せしめられ、該排気ターボ過給機のコンプレッサ駆動動力が増大して該コンプレッサにおける圧力比を所要の高圧力比にすることができる。
そして、このコンプレッサにおける圧力比を所要の高圧力比に増大して、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることができる。
【００１７】
従って、ターボクーリング過給機のコンプレッサにおける圧力比が従来技術と同一レベルであっても、前記ターボクーリング過給機の膨張タービン入口の空気圧力が上昇し、エンジンの給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、所要の給気圧力、即ちＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための基準給気圧力及び基準給気温度を得ることができる。
これにより、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、シリンダ内での空気過剰率の低下を伴うことなく、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【００１８】
また、請求項３ないし４記載の発明によっても、水噴射装置から排気ガス中に水を霧化して噴出せしめることにより、前記発明と同様に、排気ターボ過給機のコンプレッサ圧力比を所要の高圧力比に増大して、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本発明の第１実施例に係るターボクーリングシステムの系統図、図２は前記実施例における蒸気供給装置の要部断面図である。図３は第２実施例を示す図２対応図である。図４は前記第１実施例における制御ブロック図である。図５は本発明における給気圧力、温度線図、図６は従来技術における給気圧力、温度線図である。
【００２１】
第１実施例を示す図１において、１００はエンジン、７は該エンジンのシリンダ（この例では６シリンダを示す）、５は給気室、０５は該給気室５と各シリンダ７とを接続する給気管、６は排気集合管、０６は各シリンダ７と前記排気集合管６とを接続する排気出口管である。
１は排気ターボ過給機で、エンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動されるタービン１ａ及び該タービン１ａに回転軸１ｃを介して同軸駆動されるコンプレッサ１ｂにより構成される。
【００２２】
９は前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ空気出口と後述するターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気入口とを接続する空気管、３は該空気管９の管路に設けられて前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂから送出された加圧空気を冷却する第１の空気冷却器である。
２はターボクーリング過給機で、後述する第２の空気冷却器からの加圧空気による膨張仕事を行う膨張タービン２ａと該膨張タービン２ａに回転軸１８を介して同軸駆動されるコンプレッサ２ｂとにより構成される。４は前記ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂ空気出口に空気管９ａを介して接続され該コンプレッサ２ｂからの加圧空気を冷却する第２の空気冷却器で、該空気冷却器４の空気出口は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａの空気入口に接続されている。
１０は前記膨張タービン２ａの空気出口と前記エンジン１００の給気室５とを接続する給気管である。
【００２３】
以上の構成は図７に示される従来技術と同様である。本発明は排気ターボ過給機への排気エネルギー増大手段に係るものである。
即ち第１実施例を示す図１及び図２において、３０は排気ガス中に蒸気を噴出せしめる蒸気供給装置で、前記排気管８の前記排気ターボ過給機１入口よりも上流部位に設けられている。
３１は前記蒸気供給装置３０に接続されて該蒸気供給装置３０に高圧の蒸気を供給する蒸気源である。該蒸気源３１としては、蒸気プラントにおける廃熱回収ボイラから抽出された蒸気、蒸気タービンの抽気段から抽気された蒸気等が好適であるが、これらに限られることなく広範囲の蒸気供給手段が用いられる。
【００２４】
前記蒸気供給装置３０は、図２に示すように、前記排気管８内に開口し前記蒸気源３１から送給される蒸気３５を該排気管８内を通流する排気ガス中に蒸気供給口３４から噴出する蒸気管３２、及び該蒸気管３２に設けられて前記蒸気３５の流量及び圧力を調整する蒸気流量、圧力制御弁３３とを備えている。
そして、該蒸気流量、圧力制御弁３３は、前記排気管８内に供給される蒸気の流量及び圧力の双方を調整する機能を備え、後述するコントローラ２０からの蒸気流量及び蒸気圧力の制御信号ｕが入力され、該制御信号ｕに基づき弁の開度を調整して流量調整を行うとともに、蒸気圧力調整用スプリングのセット圧を変えて蒸気圧力調整を行うようになっている。
尚、蒸気流量、圧力制御弁３３の、弁の開度を調整する機構及びスプリングのセット圧を変える機構自体は周知であるので、詳細な説明は省略する。
【００２５】
次に、図１、２、４及び５を参照して、かかる構成からなるターボクーリングシステムの動作につき説明する。
図５はかかるターボクーリングシステムの空気圧力、温度線図で、Ｂ２は本発明における圧力、Ａ２は温度、Ｂ１は図６に示す従来技術ベースの圧力、Ａ１は温度である。
図１及び図５において、前記排気ターボ過給機１のタービン１ａはエンジン１００の前記排気集合管６から排気管８を経て導入される排気ガスにより駆動され、該タービン１ａに同軸駆動されるコンプレッサ１ｂは大気からの空気（圧力Ｐａ、温度Ｔａ）を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させる。
前記排気管８内を通流する排気ガス中には、前記蒸気源３１から供給された高圧の蒸気３５が前記蒸気供給装置３０の蒸気管３２を通して噴出せしめられる。これにより、排気ターボ過給機１のタービン１ａへの排気ガスの圧力及び流量が増大せしめられて排気エネルギーが増大せしめられ、該タービン１ａと同軸のコンプレッサ１ｂの駆動動力が増大する。
前記蒸気管３２を通して噴出せしめられる高圧蒸気３５の流量及び圧力は、前記蒸気流量、圧力制御弁３３により後述する手段にて調整される。
【００２６】
かかる高圧蒸気３５の噴出により、排気エネルギーが増大せしめられた排気ガスは、排気ターボ過給機１のタービン１ａに供給されて該タービン１ａを駆動し、該タービン１ａと同軸のコンプレッサ１ｂが高圧力比で以って大気からの空気（圧力Ｐａ、温度Ｔａ）を加圧し昇圧させる（圧力Ｐｃ１、温度Ｔｃ１）。
該コンプレッサ１ｂにて加圧、昇温された加圧空気（圧力Ｐｃ１、温度Ｔｃ１）は第１の空気冷却器３において冷却、降温され（圧力Ｐｃ１０、温度Ｔｃ１０）、空気管９を通ってターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂに導入される。該コンプレッサ２ｂにおいては前記加圧空気を所定の圧力比で以って加圧し昇圧させて（圧力Ｐｃ２、温度Ｔｃ２）第２の空気冷却器４に送る。
【００２７】
そして該第２の空気冷却器４において冷却、降温された加圧空気（圧力Ｐｃ３、温度Ｔｃ３）は空気管９ｂを介して前記膨張タービン２ａに供給される。該膨張タービン２ａに導入された加圧空気はここで膨張して降圧、降温され（給気圧力Ｐｓ、給気温度Ｔｓ）、この低温加圧空気（給気）は給気管１０を通ってエンジン１００の給気室５に送られ燃焼に供される。一方、前記のような膨張タービン２ａでの加圧空気の膨張仕事により、該膨張タービン２ａと同軸のコンプレッサ２ｂに駆動力が供給される。
以上の動作によって、エンジン１００にはターボクーリング過給機２の膨張タービン２ａ出口からの低温加圧空気が供給されることとなる。
【００２８】
ここで、エンジン１００の給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための給気圧力即ち基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０とするには、前述のように、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおける圧力比ｅ＝Ｐｃ１／Ｐａを４以上の高圧力比にすることを要するが、図７に示される従来のターボクーリングシステムでは前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおいて前記のような圧力比ｅ＝Ｐｃ１／Ｐａが４以上の高圧力比は得られず、前記基準給気圧力Ｐｓ０に達しないＰｓ１の基準給気圧力しか得られない。
【００２９】
然るに、本発明においては、前記蒸気供給装置３０により、排気管８内を通流する排気ガス中に高圧の蒸気３５を噴出せしめているため、次に示すように、排気ターボ過給機１のタービン１ａへの排気ガスの圧力及び流量が増大して排気エネルギーが増大せしめられ、該タービン１ａと同軸のコンプレッサ１ｂの駆動動力が増大し、前記排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおける圧力比ｅ＝Ｐｃ１／Ｐａを４以上の高圧力比にすることができる。
【００３０】
即ち、前記排気ターボ過給機１における仕事量つまり排気エネルギーＷは、
Ｗ＝ｋ（Ｑ×Ｔｅ×Ｐｅ）      （１）
但し、Ｑ＝排気ガス流量
Ｔｅ＝排気ガス温度
Ｐｅ＝排気ガス圧力
ｋ＝比例定数
従って、前記蒸気供給装置３０により排気ターボ過給機１に流入する排気ガスに高圧の蒸気３５を供給することによって、排気ガス圧力Ｐｅが増大するとともに排気ガス流量Ｑも増大し、これにより排気ターボ過給機１のタービン１ａに流入する排気ガスの排気エネルギーＷが増大する。
【００３１】
これによって該排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂにおける圧力比ｅ＝Ｐｃ１／Ｐａを所要のｅ＝４程度まで増大することができ、図５のＢ２線に示すように、ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂにおける圧力比ｅ＝Ｐｃ２／Ｐｃ１０が従来技術と同一レベルであっても、前記膨張タービン２ａ入口の空気圧力Ｐｃ３が上昇し、エンジン１００の給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、所要の給気圧力、即ちＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための基準給気圧力Ｐｓ０を得ることができる。
【００３２】
次に、前記蒸気供給装置３０の蒸気流量、圧力制御弁３３の蒸気流量及び圧力制御手段について図４により説明する。
図４において、２１は給気圧力検出器で前記給気管１０あるいは給気室５に取り付けられて給気圧力Ｐｓを検出する。２２はエンジン１００のクランク軸回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数検出器、２３はエンジン１００の出力Ｌｅ（あるいは燃料調整ラックの変位）を検出するエンジン出力検出器である。
【００３３】
前記エンジン回転数検出器２２からのクランク軸回転数Ｎｅの検出信号及びエンジン出力検出器２３からのエンジン出力Ｌｅの検出信号はコントローラ２０の基準給気圧力設定部２５に入力される。該基準給気圧力設定部２５においては、前記エンジン１００のクランク軸回転数Ｎｅ検出値及びエンジン出力検出値Ｌｅに適応する給気圧力、即ち基準給気圧力Ｐｓ０を予め設定された設定テーブルから選出、あるいは前記クランク軸回転数Ｎｅ検出値及びエンジン出力検出値Ｌｅに基づき算出して給気圧力比較器２４に入力する。
【００３４】
前記給気圧力比較器２４には前記給気圧力検出器２１で検出された給気圧力の検出値Ｐｓが入力されており、該給気圧力比較器２４においては該給気圧力の検出値Ｐｓと前記基準給気圧力Ｐｓ０とを比較してその偏差ΔＰｓを算出して蒸気流量、圧力算出部２６に入力する。
該蒸気流量、圧力算出部２６においては、給気圧力偏差ΔＰｓに基づき、前記蒸気流量、圧力制御弁３３の蒸気流量制御量つまり弁の開度及び蒸気圧力制御量つまり蒸気圧力調整用スプリングのセット圧が、前記基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０を保持できる蒸気流量制御量及び蒸気圧力制御量になるような制御量ｕを算出して前記蒸気流量、圧力制御弁３３に入力する。
【００３５】
該蒸気流量、圧力制御弁３３においては、弁の開度及び蒸気圧力調整用スプリングのセット圧を前記制御量ｕになるように調整する。これにより、前記蒸気供給装置３０により、排気管８内を通流する排気ガス中に噴出される高圧蒸気３５の流量及び圧力を、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ及び給気温度Ｔｓが前記基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０になるような値に制御することができる。
【００３６】
かかる実施例によれば、前記蒸気供給装置３０により、排気管８内を通流する排気ガス中に高圧蒸気３５を噴出せしめているため、排気ターボ過給機１のタービン１ａへの排気ガスの圧力及び流量が増大して排気エネルギーが増大せしめられ、排気ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ駆動動力が増大して該コンプレッサ１ｂにける圧力比を所要の高圧力比にすることができる。
従って、ターボクーリング過給機２のコンプレッサ２ｂにおける圧力比が従来技術と同一レベルであっても、前記膨張タービン２ａ入口の空気圧力Ｐｃ３が上昇し、エンジン１００の給気温度Ｔｓを外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、所要の給気圧力、即ちＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果をなすための基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０を得ることができる。
これにより、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、シリンダ内での空気過剰率の低下を伴うことなく、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【００３７】
尚、前記蒸気流量、圧力制御弁３３は、前記排気管８内に供給される蒸気流量または蒸気圧力の何れか一方を調整する機能を備えるようにして、コントローラ２０からの制御信号ｕも、蒸気流量または蒸気圧力の何れか一方を制御する制御信号としてもよい。
【００３８】
図３に示す本発明の第２実施例においては、前記排気管８の前記排気ターボ過給機１入口よりも上流部位に、該排気管８内を通流する排気ガス中に水４４を霧化して噴出せしめる水噴射装置４０を設けている。図において、４２は水供給源（図示省略）からの水４４が供給される水供給管、４２はこの水４４を加圧し前記排気ガス中に霧化して噴出せしめる水噴射弁、４３は該水噴射弁４２からの水噴射量または水噴射圧力を調整する水流量、圧力制御弁である。
この場合も、前記第１実施例と同様に、前記水噴射装置４０から排気ガス中に水４４を霧化して噴出せしめることにより、排気ターボ過給機１のコンプレッサ圧力比を、外部への放熱温度レベル以下に給気温度Ｔｓを低下せしめ得る給気圧力及び給気温度、即ち基準給気圧力Ｐｓ０及び基準給気温度Ｔｓ０を保持できる高圧力比とすることができる。
【００３９】
かかる第２実施例における制御システムは、図４において、コントローラ２０の蒸気流量、圧力算出部２６を、給気圧力比較器２４からの給気圧力偏差に基づき前記水噴射装置４０における水噴射量または水噴射圧力を算出する水噴射流量、圧力算出部とし、該水噴射流量、圧力算出部にて算出された水噴射量または水噴射圧力の制御信号を前記水流量、圧力制御弁４３に出力するように置き換えればよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１ないし２記載の発明によれば、排気管の排気ターボ過給機入口よりも上流部位に、排気ガス中に蒸気を噴出せしめる蒸気供給装置を設け、前記蒸気供給装置を構成する蒸気流量制御装置により、蒸気流量及び蒸気圧力の何れか一方または双方を調整するようにして、前記蒸気供給装置により排気管内を通流する排気ガス中に高圧蒸気を蒸気流量及び蒸気圧力を調整しつつ噴出せしめているため、排気ターボ過給機のタービンへの排気ガスの排気エネルギーが増大せしめられ、該排気ターボ過給機のコンプレッサ駆動動力が増大して該コンプレッサにおける圧力比を、過給機効率を低下させることなく所要の高圧力比に上昇せしめて、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることができる。
【００４１】
従って、前記ターボクーリング過給機の膨張タービン入口の空気圧力が上昇し、該ターボクーリング過給機の機能を従来のものよりも上げることなく、かつ各過給機の過給機効率を低下させることなくエンジンの給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめて、所要の給気圧力、即ちＮＯｘ（窒素酸化物）の発生の抑制、燃料消費率の低減、シリンダ７内熱負荷の低減等において所要の効果を得るための基準給気圧力及び基準給気温度を得ることができる。
これにより、十分な量のエンジンシリンダ内への給気量が維持され、シリンダ内での空気過剰率の低下を伴うことなく、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できるとともに、燃料消費率の低減及びシリンダ７内熱負荷の低減をも実現可能となる。
【００４２】
また、請求項３ないし４の発明によっても、水噴射装置から排気ガス中に水を霧化して噴出せしめることにより、前記発明と同様に、排気ターボ過給機のコンプレッサ圧力比を所要の高圧力比に増大して、前記ターボクーリング過給機の出口からエンジンへ供給される給気温度を外部への放熱温度レベル以下に低下せしめるのに要する基準給気圧力および基準給気温度が得られるようなターボクーリング過給機の入口空気圧力とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例に係るターボクーリングシステムの系統図である。
【図２】  前記第１実施例における蒸気供給装置の要部断面図である。
【図３】  第２実施例を示す図２対応図である。
【図４】  前記第１実施例における制御ブロック図である。
【図５】  本発明における給気圧力、温度線図である。
【図６】  従来技術における給気圧力、温度線図である。
【図７】  従来技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
１    排気ターボ過給機
１ａ  タービン
１ｂ  コンプレッサ
２    ターボクーリング過給機
２ａ  膨張タービン
２ｂ  コンプレッサ
３    第１の空気冷却器
４    第２の空気冷却器
５    給気室
０５  給気管
６    排気集合管
７    シリンダ
８    排気管
９    空気管
１０  給気管
１８  回転軸
２０  コントローラ
２１  給気圧力検出器
２２  エンジン回転数検出器
２３  エンジン出力検出器
２４  給気圧力比較器
２５  基準給気圧力設定部
２６  蒸気流量、圧力算出部
３０  蒸気供給装置
３１  蒸気源
３２  蒸気管
３３  蒸気流量、圧力制御弁
３４  蒸気供給口
３５  蒸気
４０  水噴射装置
４１  水供給管
４２  水噴射弁
４３  水流量、圧力制御弁
４４  水
１００  エンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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