JP2524139B2 - 内燃エンジン及びその運転方法 - Google Patents

内燃エンジン及びその運転方法

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JP2524139B2 JP61504824A JP50482486A JP2524139B2 JP 2524139 B2 JP2524139 B2 JP 2524139B2 JP 61504824 A JP61504824 A JP 61504824A JP 50482486 A JP50482486 A JP 50482486A JP 2524139 B2 JP2524139 B2 JP 2524139B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃エンジンに係り、特に改良された型式
の内燃エンジン及びその運転方法に係る。
エンジンやパワープラントの全体としてのエネルギバ
ランスは、出力仕事＝燃料の発熱量−冷却液による熱の
除去量−排気によるエネルギ損とし表される。冷却液に
よる熱の除去及び排気によるエネルギ損はパワー発生サ
イクルに於ては排除することができないものである。一
般的な内燃エンジン、即ちガスタービンエンジン、ガソ
リンエンジン、ディーゼルエンジンはそれぞれブレイト
ンサイクル、オットーサイクル、ディーゼルサイクルの
理想的なサイクルに基いている。これらのサイクルは高
温度にて排気ガスを排出し、原理的には冷却液によって
熱を除去することが必要ではないという共通の特徴を有
している。勿論実際には、特にガソリンエンジンやディ
ーゼルエンジンの場合にはエンジンを構成する材料の過
熱を防止すべく冷却液が使用される。かかる冷却はエン
ジンを構成する材料の温度限界により必要とされるので
あり、使用される理想的なエンジンサイクルの熱力学的
原理によって必要とされるものではない。かかる冷却の
必要性はエンジンを構成する材料が改善されるにつれて
低減され排除されるかもしれない。
一般に熱力学的原理によれば、排気エネルギ損を低減
する内燃エンジンの構造は冷却液による熱の除去量を低
減するエンジンの構造よりも燃料経済性の点で優れてい
ると断言することができる。従って排気エネルギ損を低
減する内燃エンジンを設計する多数の試みが従来より行
われている。これらの試みの一つとして、追加の出力パ
ワーを発生させるべく排気ガスにより駆動されるパワー
タービンを追加することがある。他の提案には、米国特
許第2,898,731号に記載されている如く逆オープンサイ
ルのガスタービンエンジンを追加するものや、英国特許
第1,521,265号に記載されている如くオットーサイクル
エンジン、即ちディーゼルエンジンに「排気ガスパワー
抽出装置」を使用することがある。これらの何れの場合
にも或る運転条件下に於ては出力パワーが増大する。し
かし一般にかかる効率の改善は運転条件が変化されると
低下または消失する。従ってこれらの何れの方法も排気
ガスの温度を一定の低い値に確保し、従って意義のある
運転範囲全体に亙りエンジンの運転効率を大幅に向上さ
せる連続的で系統的な方法を与えるものではない。
従って本発明の一つの目的は、排気ガスの排出による
エネルギ損を低減する内燃エンジンの運転方法を提供す
ることである。
本発明の他の一つの目的は、排気ガスの温度が或る運
転条件の範囲全体に亙り対応する所与の低い値に維持さ
れる内燃エンジンの運転方法を提供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、エンジンの運転を改
善すべく、燃焼用吸入空気の圧力がスーパーチャージン
グによって連続的に変化される内燃エンジンの運転方法
を提供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、或る運転条件の範囲
全体に亘りエンジンの性能を改善する内燃エンジンを提
供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、或る運転条件の範囲
全体に亙り排気ガスの温度が所望の低い値に維持される
内燃エンジンを提供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、上述の方法の目的が
達成されるエンジンを提供することである。
上述の目的及び他の目的を達成すべく、本発明のエン
ジンは一次高圧軸圧縮装置へ流入する空気−燃料混合気
の空気の圧力を連続的に変化させる手段を有している。
排気ガスの温度が空燃比と共に監視される。排気ガスの
温度と空燃比に対応する所望の低い値に維持すべく流入
空気の圧縮度合が、必要に応じて調節される。エンジン
の燃焼サイクルは、それぞれ火花点火シリンダ内、圧縮
点火シリンダ内、ガスタービン内に於て実現されるオッ
トーサイクル、ディーゼルサイクル、ブレイトンサイク
ルの一部であってよい。
一般に本発明の内燃エンジンは一対の統合化された高
温且高圧の運転軸と低温且低圧の運転軸とが存在してい
ることを特徴としている。高圧軸は燃焼室と直接連結さ
れており、低圧軸は排気ガスの温度を所望のレベルに維
持するために使用される。更に低圧軸は有用な仕事をす
べく出力軸に伝達されてよい正味の出力仕事を発生す
る。
添付の図面を参照しつつ本発明の好ましい例示的実施
例の以下の説明を読むことにより、発明が良好に理解さ
れるであろう。
第１図は発明のエンジンの１サイクルの温度とエント
ロピーとの関係を示す線図である。
第２図は本発明を具現化するピストン／タービンエン
ジンの解図である。
第３図は圧縮に加えて吸入空気のための再生式加熱装
置を使用する第２図のエンジンの解図である。
第４図は本発明を具現化するフリーピストン型のガス
発生装置を使用するガスタービンエンジンの解図であ
る。
第５図は本発明を具現化する純粋のガスタービンエン
ジンの解図である。
第６図は本発明を具現化するツースプール型ジェット
エンジンの解図である。
第１図は本発明の内燃エンジンについての一般化され
た温度とエントロピーとの関係を示す線図を示してい
る。この線図のうち点R0と点１との間の部分は、空気の
圧力が増大され、空気の温度が圧縮行程中内部冷却によ
って実質的に一定の値に維持される吸入空気の圧縮、即
ちスーパーチャージングを示している。
また線図のうち点１と点２との間の部分は、ディーゼ
ルエンジン等の場合にはシリンダ内に於て、ガスタービ
ンエンジンの場合には主圧縮機内に於て行われる空気−
燃料混合気の一次圧縮を示している。
またこの線図のうち点２と点３との間の部分は空気−
燃料混合気の燃焼を示しており、線図のうち点３と点５
との間の部分は排気ガスの排出行程を示している。点４
はそのの圧力が点１の圧力に等しいので、スーパーチャ
ージングが行なわれない単純なエンジンよりの排気ガス
の状態を示している。本発明に於ては、スーパーチャー
ジングが行なわれるので、排気ガスの温度は点５まで低
下され、これによりこの系より追加の仕事が取出され、
エンジンの性能及び効率が改善される。
第２図より解る如く、本発明はまずピストン／タービ
ン複合エンジンに於て具現化される。図示の如く、エン
ジン10は一つ又はそれ以上のシリンダ12を含んでおり、
各シリンダはその内部に往復動するピトスン14を有して
おり、各ピストンはクランクシャフト20上のクランク組
立体18に適宜に装着されたピトスンアーム16に連結され
ている。クランクシャフト20はそれがシリンダ12の燃焼
室に直接連結されているので高圧軸である。大気の如き
酸化性流体が吸入弁24にて終る導管22を経てシリンダ12
内へ導入される。また燃料が導管26を経て導入され、高
温の排気ガスが排気弁28を経て導管30へ排出される。空
燃比がそれぞれ導管22及び26に設けられた流量センサ32
及び34により監視される。
空気−燃料混合気の点火は圧縮又は火花によって行わ
れる。ピストン14は空気−燃料混合気を実質的に一次的
に断熱の圧縮し、混合気は燃焼によって排気ガスに転換
され、排気ガスはシリンダ内に於て断熱膨張し、これに
よりピストンを下方へ駆動してクランクシャフト20を回
転させる。この実施例に於ては、クランクシャフト20は
出力仕事を取出すための出力軸としても作用する。
タービン36が圧縮機38及び40と共に共通の低圧軸42上
に装着されており、軸42は変速装置44によりクランクシ
ャフト20に駆動接続されている。排気導管30が排気ガス
をタービン36の入力側へ導くようになっており、導管46
がタービン36より大気中へ排気ガスを導くようになって
いる。
外部の空気が吸入導管48を経て圧縮機38及び40へ吸入
されるようになっており、各圧縮機には段間冷却装置54
内の導管52と熱交換関係にある冷却コイル50が設けられ
ている。圧縮機38、40及び冷却装置54の組合せにより内
部空気がほぼ等温圧縮され、しかる後圧縮された外部空
気は吸入導管22によりシリンダ12へ導かれる。排気導管
46には温度センサ56が設けられており、これにより導管
46内を流れる排気ガスの温度が監視されるようになって
おり、センサ56は流量センサ32、34と共にマイクロプロ
セッサ58に接続されている。また変速装置44の変速状態
もマイクロプロセッサによって監視され制御されるよう
になっている。
作動に於ては、従来の要領にて空気と燃料とがシリン
ダ12内に於て混合され、その混合気が点火され、これに
よりピストン14を駆動し、クランクシャフト20に出力仕
事を発生する。高温の排気ガスはタービン36を経て導か
れ、タービンは圧縮機38及び40を駆動すると共に変速装
置44を介してクランクシャフト20に正味の出力トルクを
与える。タービン36の作動流体は圧縮機38及び40の作動
流体よりも高い温度にあり、またタービンを横切る圧力
降下は圧縮機を横切る圧力降下よりも一般に高いので、
クランクシャフトに伝達される正味の出力仕事が存在す
る。温度センサ56はタービン36より流出する排気ガスの
温度を監視し、そのデータをマイクロプロセッサ58へ出
力し、マイクロプロセッサは変速装置44の変速状態を制
御することによって低圧軸42の回転速度を制御する。こ
の回転速度は圧縮機38、40の圧縮度合を制御するので、
導管48を経て圧縮機へ流入する外部空気の圧縮度合が変
化される。
吸入空気の圧縮量（スーパーチャージング）と排気ガ
スの温度と、エンジンの効率との間には或る関係が存在
するので、マイクロプロセッサ58は種々の空燃比に於け
る最適のエンジン効率に対応する所要の基準温度にてプ
ログラムされなければならない。このことは或る与えら
れた空燃比にてエンジンを試験運転し、圧縮度合を変化
させてエンジンの効率を監視することによって行われて
よい。圧縮度合が変化されると排気温度も変化する。排
気温度が低下すると、エンジンの効率は或る最大値まで
増大し、しかる後低下する。
使用されると思われる空燃比の所定の範囲全体に亙り
最適の効率に対応する温度の値を収集することにより、
マイクロプロセッサのデータベースが形成される。かか
るデータベースは或る与えられたエンジンについて個別
に形成されなければならない。ガスタービンモデルの最
初のコンピュータシュミレーションによれば、排気温度
は525〜620°Ｋの範囲にある。データは個別に収集され
るので、排気温度は排気ガス流路の任意の場所に於て検
出されてよい。
従ってタービン36より流出する排気ガスの温度を連続
的に検出し、圧縮度合を制御することにより、排気ガス
の温度を所望の低い値の範囲に維持することができ、こ
れにより所定の空燃比の範囲全体に亙りエンジンの効率
を高い値に維持することができる。しかし最適の性能を
求めるに際しては、特に排気ガスの温度が低下しきらな
い点に於て排気温度の検出が行われる場合には、エンジ
ン内に於て排気ガス成分の凝縮の有害な影響が生じるこ
とがないよう、排気ガス成分の凝縮点が考慮されなけれ
ばならない。
排気ガスはそれが排出される時点に於ても大気に比し
て高い温度の状態にあるので、上述の実施例に対する代
替的な実施例は、外部空気がシリンダ内へ導入される前
に排気ガスの熱エネルギを使用して外部空気を予熱する
手段を含んでいる。第３図に示されている如く、このこ
とは互いに熱交換関係に置かれた通路62及び64を含む再
生式予熱装置60を使用することによって達成されてよ
い。排気ガスはタービン36より流出した後には予熱装置
60内の通路62内を流れ、これによりこれらが保有する残
存する熱エネルギの一部を通路64内を流れる圧縮され
た、即ちスーパーチャージングされた外部空気に伝達す
る。次いで排気ガスは導管46を経て大気中に排出される
前に、シャフト42を回転軸として回転し吸入装置として
作動する圧縮機66に通される。この場合圧縮機66は排気
ガスがタービンにのみ通される場合よりもエジンの効率
を更に向上させる。タービン36より流出する排気ガスの
温度は予熱装置60が使用されることによって圧縮機66へ
流入する排気ガスの温度よりも高いので、吸入装置66に
よって低下されることに起因して、排気ガス流よりター
ビン36によって抽出される正味の追加の仕事よりも小さ
い。このことにより効率が向上される。この実施例に於
ては、第二の段間冷却装置50は使用されない。何故なら
ば、圧縮された空気をその最初の温度に維持する必要が
ないからである。
また本発明は第４図に示されている如きフリーピスト
ン型のガス発生装置を使用するガスタービンエンジン内
に於て具現化されてもよい。第４図に於て、フリーピス
トン型のガス発生装置68は「高圧軸」を郭定している
が、実際にはガス発生装置は出力を発生しない装置であ
り、従って出力軸を有しない。しかしガス発生装置は高
圧にて作動する。タービン70及び圧縮機72、74が共通の
第二の低圧軸76上に装着されており、比較的低い圧力レ
ベルにて作動する。
この実施例に於ては、燃料は導管78を経てガス発生装
置へ流入し、空気は導管80を経て流入し、それらの流量
はマイクロプロセッサ58に接続されたセンサ32及び34に
より監視される。空気−燃料混合気は当技術分野に於て
公知の態様にてガス発生装置68内に於て点火され、高温
且高圧の状態にもたらされ、かかる高温且高圧の排気ガ
スは導管82を経て排出され、これによりタービン84を駆
動する。タービン84は低圧軸76と同軸の軸86を回転軸と
して回転する。主として出力仕事が取出されるのはこの
軸86である。軸86にはリングギヤ88が設けられており、
このリングギヤは出力駆動軸92に連結されたプラネタリ
ギヤ装置90と係合している。タービン84より流出する排
気ガスは導管94を通過し、センサ96によってその温度が
検出される。次いで排気ガスはタービン70を駆動するた
めに使用され、タービン70は内部冷却される二つの圧縮
機72及び74を駆動する。これらの圧縮機は吸入導管98を
経て外部空気を導入し、その空気を圧縮し、その圧縮さ
れた空気を吸入導管80を経てフリーピストン型のガス発
生装置68へ供給する。低圧軸76はプラネタリギヤ装置90
の内歯と噛合するサンギヤ100によりタービン84の出力
側に連結されている。この実施例に於ては、タービン70
上に設けられた可変タービン入口ノズル102は温度セン
サ96及び流量センサ32、34と共にマイクロプロセッサ58
によって制御されるようになっており、これにより低圧
軸76の回転速度、従って圧縮機72及び74によって外部空
気が圧縮される度合が連続的に監視され、排気ガス温
度、従ってエンジンの効率を所望のレベルに維持するよ
う調節される。可変入口ノズル102の制御は導管94内の
圧力に影響するので、それらの作動は必然的に軸86への
タービン84の出力を変化させる。前述の実施例の場合と
同様、マイクロプロセッサが適正に作動し制御するため
のエンジンの効率、吸入空気の圧縮度合、排気ガス温度
の所要の関係を得るためにはエンジンの試験運転又はシ
ュミレーションが必要である。
また本発明は第５図に示されている如き純粋のガスタ
ービンエンジンに於て具現化されてもよい。この実施例
に於ては、圧縮機106と燃焼室108とタービン110とを含
む典型的なガスタービンユニット104が導管112に高温且
高圧の排気ガス流を発生するようになっている。圧縮機
106及びタービン110は共通の高圧軸114上に装着されて
おり、軸114は変速機116を介して低圧軸118に連結され
ており、低圧軸118上に圧縮機120,122及びタービン124
が装着されている。導管112内の排気ガスは出力駆動軸1
28を駆動すべくこれに接続されたフリータービン126を
駆動する。タービン126より導管130へ排出された排気ガ
スの温度はそれが圧縮機120、122を駆動すべくタービン
124を通過し大気中へ排出される前にセンサ132によって
検出される。更にセンサ132、変速機116、空燃比センサ
（図示せず）はマイクロプロセッサ58によって制御され
るようになっており、これにより導管134を経て圧縮機1
20及び122へ流入しタービン104へ供給される吸入空気の
圧縮度合が導管130内の排気ガスの温度及びエンジン効
率を所望の値に維持するに必要な値に変化されるよう、
高圧軸114と低圧軸118との間の回転速度比が調節される
ようになっている。
また本発明の純粋のガスタービンの実施例は第６図に
示されている如くデュアルシャフト型のジェットエンジ
ンの形態にて具現化されてもよい。図示の如く、エンジ
ンナセル136がインナコアケーシング138を収容してお
り、ケーシング138は環状の空気バイパスリング140を郭
定し、エンジンの種々の構成要素を支持している。コア
ケーシング138内には圧縮機144、146及び低圧駆動ター
ビン148を支承する低圧軸142が一次ガスタービンユニッ
ト150の種々の構成要素と同軸に装着されており、ガス
タービンユニット150は高圧圧縮機152と燃焼室154と高
圧タービン156とを含んでいる。従来の態様にてタービ
ン156は高圧軸158を介して圧縮機152を駆動し、軸158は
低圧軸142の周りにてこれと同軸である。高圧軸158は変
速機160により低圧軸142に連結されている。高圧タービ
ン156より流出する排気ガスは低圧タービン148を駆動
し、しかる後従来の態様にてターボファン162を駆動す
る。次いで排気ガスは当技術分野に於てよく知られてい
る如く、排気ノズルセクション164を通過する過程に於
て膨張される。排気ガスの温度はノズルセクション164
に於て検出され、変速機160、排気温センサ、及び空気
及び燃料の流量センサ（図示せず）もマイクロプロセッ
サによって制御されるようになっている。この実施例に
於ては、圧縮機144、146、152の間の段間冷却は螺旋状
冷却コイル166によって達成されるようになっており、
コイル166は環状のバイパスリング140内に延在してい
る。段間冷却コイル166にはバイパス空気に対する冷却
効果を補助させるための比較的大きい表面積を与えるべ
く冷却フィンや他の手段が設けられていてよい。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】吸入空気を可変に圧縮する手段と、燃料供
    給手段と、高温高圧の燃焼ガス流を発生する手段と、前
    記燃焼ガス流を膨張させて該燃焼ガス流より動力を取出
    す手段とを有する内燃エンジンの運転方法にして、 前記燃焼ガス流の空燃比と前記燃焼ガス流膨張手段より
    排出された排気ガス流の温度とを連続的に検出すること
    と、 前記の検出された空燃比及び前記の検出された排気ガス
    流温度とに基づき、種々の空燃比による運転に於いて該
    内燃エンジンが高いエンジン効率を示す空燃比と排気ガ
    ス流温度との関係を予め定めた標準に照らして、前記の
    検出された空燃比に対応する排気ガス流温度と前記の検
    出された排気ガス流温度との差を求め、 前記差に基づいて前記吸入空気圧縮手段を該差が零とな
    るように連続的に制御することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】吸入空気を可変に圧縮する手段と、 燃料供給手段と、 高温高圧の燃焼ガス流を発生する手段と、 前記燃焼ガス流を膨張させ該燃焼ガス流より動力を取り
    出す手段と、 前記燃焼ガス流の空燃比を連続的に検出する手段と、 前記の燃焼ガス流を膨張させる手段より排出される排気
    ガス流の温度を連続的に検出する手段と、 種々の空燃比による運転に於いて内燃エンジンが高いエ
    ンジン効率を示す空燃比と排気ガス流温度との関係につ
    いての標準を与える手段と、 前記の検出された空燃比と前記の検出された排気ガス流
    温度とに基づいて前記標準を参照し、前記の検出された
    空燃比に対応する排気ガス流温度と前記の検出された排
    気ガス流温度との差を求める手段と、 前記差に基づいて前記吸入空気圧縮手段を該差が零とな
    るよう連続的に制御する手段とを有し、 前記吸入空気圧縮手段は速度比可変継手を介して前記燃
    焼ガス流膨張手段と駆動連結されていることを特徴とす
    る内燃エンジン。
JP61504824A 1986-08-21 1986-09-03 内燃エンジン及びその運転方法 Expired - Lifetime JP2524139B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/898,967 US4700542A (en) 1984-09-21 1986-08-21 Internal combustion engines and methods of operation
US898,967 1986-08-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH01500605A JPH01500605A (ja) 1989-03-01
JP2524139B2 true JP2524139B2 (ja) 1996-08-14

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ID=25410301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP61504824A Expired - Lifetime JP2524139B2 (ja) 1986-08-21 1986-09-03 内燃エンジン及びその運転方法

Country Status (6)

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