JP5788025B2 - レシプロ式内燃機関によって吸入される空気の圧力および温度状態をシミュレートする装置 - Google Patents
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Description
・特定の条件下で起り得るエンジン運転の故障の修理
・エンジンにより吸入される空気の特性によって影響を受ける燃料消費の最適化
・航空機または類似の輸送手段に装備される空調機器の理想動作の決定
・ガス循環パイプの動作チェック
近年、上記の目的の達成に向けた種々の研究が行われてきた。しかし、殆どの事例において、提供される解決策は、エンジンの挙動に関する理論モデリングおよび高高度で実施される現場テストに基づいている。その上、こうしたモデリングは大抵エンジンの燃料消費の最適化を目標としている。
(a)エアフローを圧力p0および温度T0の初期状態から圧力p1および温度T1の第2の状態へ膨張させる内向き半径流タービン(2)。ここで、p0とT0はレシプロ式内燃機関(1)が置かれる外気A1の圧力と温度に対応し、p1とT1はレシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と温度に対応する。
第1の容器(4)と第2の容器(5)は円筒形容器によって構成され、好ましくは円筒形スチール容器によって、より好ましくは、どちらの容器もレシプロ式内燃機関(1)の排気量の少なくとも2倍に等しい容積を有するような長さの円筒形スチール容器で構成される。
(a)エアフローを圧力p0および温度T0の初期状態から圧力p1および温度T1の第2の状態へ膨張させるステップ。ここで、p0とT0はレシプロ式内燃機関(1)が置かれる外気A1の圧力と温度に対応し、p1とT1はレシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と温度に対応する。
内向き半径流タービン(2)
遠心コンプレッサ(3)
第1の容器(4)
第2の容器(5)
真空ポンプ(6)
接続パイプ(7)
制御弁(8)
背圧弁(9)
温度調節装置(10)
粒子フィルタ(11)
熱交換器(12)
第2の熱交換器(13)
弁(14)
第3の熱交換器(15)
フローダイオードすなわち逆止め弁(16)
第2の内向き半径流タービン(17)
第2の遠心コンプレッサ(18)
ウェイストゲート(19)
冷却機および/または除湿機(20)
三方弁(21)
第2の冷却機および/または除湿機(22)
本発明の一連の特定の実施形態は、本明細書に添付の図面に従って、コストおよび複雑さが増す順序で限定されない実施例を通じて以下で説明される。
図1に示すように、発明の特定の実施形態1において、装置は以下を備える:
(a)内向き半径流タービン(2)の事実上のステータにすることができる制御装置すなわち流量調節弁(8)を備える可変内向き半径流タービン(2)。エアフローは、前記内向き半径流タービン(2)内で圧力p0および温度T0の初期状態から圧力p1および温度T1の第2の状態に膨張させられ、p0とT0はレシプロ式内燃機関(1)が置かれる環境A1の圧力と温度に対応し、p1とT1はレシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と温度に対応する。
図2によれば、この第2の実施形態は、図1で表される装置の装備に加えて、内向き半径流タービン(2)の入口におけるエアフローを遠心コンプレッサ(3)の出口におけるエアフローで加熱させるとともに、抵抗で構成する温度調節装置(10)による加熱が必要な場合に、必要な電力を抑制するための第2の気‐気熱交換器(13)を備えることを特徴とする。
内向き半径流タービン(2)の上流の空気を目標温度T1になるまで加熱しなければならない場合、遠心コンプレッサ(3)から出される熱い空気を利用することができる。そのためには、遠心コンプレッサ(3)によって供給される空気の熱は、内向き半径流タービン(2)によって第2の熱交換器(13)内に吸入される空気に伝達されることになる。この動作モードでは、先験的に規定される基準条件において弁(14)は閉じられ、背圧弁(9)は開けられる(実施形態1と同様に、これらの状態は、確立された運転条件において内向き半径流タービン(2)の最大能力に近い状態で遠心コンプレッサ(3)が動作する状態である)。
図3に示すように、この特定の実施形態では、装置は第2の容器(5)の後に配置される遠心コンプレッサ(3)を備えることができる。この遠心コンプレッサ(3)は、第2の容器(5)から排出される排気ガスを吸入して真空ポンプ(6)の入口においてガスの圧力を上昇させて、その後の前記真空ポンプ(6)のエネルギー節約をもたらす。それにもかかわらず、圧力p2は、真空ポンプ(6)の電動モータによる可変周波数駆動によって制御し続けることができる。
初めに、内向き半径流タービン(2)によって空気から取り出されるエネルギーを吸収するコンプレッサは、外気A1の空気を移動させることによってこのエネルギーを消散させない。この実施形態では、遠心コンプレッサ(3)は、燃焼ガスを第2の容器(5)から真空ポンプ(6)の入口へ移動させる。それにより、遠心コンプレッサ(3)は真空ポンプ(6)の動作を支援してその電力消費を抑制する。
実施形態4における本発明の装置目的は図4で表される。この実施形態は、実施形態3の装置の装備に加えて、またはそれに代わって、以下の装備を備える:
実施形態3の装置のタービン発電機と直列で作動する1つまたは幾つかのタービン発電機(タービン発電機は内向き半径流タービンと遠心コンプレッサの集合体と理解される)。実施形態3の装置のタービン発電機は、可変内向き半径流タービン(2)と遠心コンプレッサ(3)で構成されていた。
図4に示すように、追加のタービン発電機が1つだけ実施形態3のタービン発電機と直列に表されている。新たなタービン発電機は、第2の内向き半径流タービン(17)と第2の遠心コンプレッサ(18)で構成される。ウェイストゲート(19)が完全に閉じられるとともに制御弁(8)(可変タービンでは完全に閉じられることはない)が最大限にきつい状態で閉じられる時、最大の膨張が達成される。
実施形態5における本発明の装置目的は図5で表される。実施形態1において開示されている内容に加えて、本実施形態は、遠心コンプレッサ(3)の出口と内向き半径流タービン(2)の入口との間に、以下の装備と変更による伝送システムを備える:
遠心コンプレッサ(3)から排出されるエアフローを内向き半径流タービン(2)に入る前に冷却する冷却機および/または除湿機(20);および
遠心コンプレッサ(3)の出口を内向き半径流タービン(2)による引き込みから遮断するとともに、前記遮断が行われる際に双方からの取り込みを外気A1へ送る働きを担う三方弁(21)。遠心コンプレッサ(3)と内向き半径流タービン(2)との間の接続を希望する場合、三方弁(21)の動作は上記の逆になる。
実施形態6における本発明の装置目的は図6で表される。実施形態5において開示されている内容に加えて、本装置は、以下の装備と変更の結果を受けて、ターボ機械(図6には、単純化のため2ステップのみ表されている)による2つ以上のステップの圧縮と膨張により構成される:
第2の遠心コンプレッサ(18)から排出される空気を第2の内向き半径流タービン(17)に入る前に冷却する第2の冷却機または除湿機(22)。
冷却または内向き半径流タービン(2)および第2の内向き半径流タービン(17)の上流の湿気の凝縮の必要性を減らすために、空気は、前以て遠心コンプレッサ(3)および第2の遠心コンプレッサ(18)による2つのステップにおいて圧縮され、圧縮ステップの間に冷却機/除湿機(20)および(22)において冷却された後、これらのタービンにおける2つのステップにおいて膨張させられる。
Claims (23)
- レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力および温度状態を前記レシプロ式内燃機関(1)の作動する高度に対応する海面からの高さにおいてシミュレートする装置であって、前記装置は少なくとも以下の装備を備えることを特徴とする:
(a)エアフローを圧力p0および温度T0の初期状態から圧力p1および温度T1の第2の状態へ膨張させる内向き半径流タービン(2)であって、p0とT0は前記レシプロ式内燃機関(1)が置かれる外気A1の圧力と温度に対応し、p1とT1は前記レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と温度に対応する、内向き半径流タービン;
(b)前記内向き半径流タービン(2)の後方、且つ前記レシプロ式内燃機関(1)の吸気口に配置されて、前記エアフローに圧力p1および温度T1の状態を与える第1の容器(4);
(c)前記レシプロ式内燃機関(1)の排気口に配置され、両容器間の圧力を平衡させるために少なくとも1つの接続パイプ(7)を介して前記第1の容器(4)に接続される第2の容器(5);
(d)自身のシャフトによって前記内向き半径流タービン(2)に取り付けられ、集合体はタービン発電機として知られる装置を形成する遠心コンプレッサ(3);
(e)前記第2の容器(5)の後に配置され、前記レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と等しくなるように圧力を維持する真空ポンプ(6)。 - 前記第1の容器(4)は、前記第1の容器(4)の横断面と等しい横断面を有する吸気ダクトを介して前記レシプロ式内燃機関(1)に接続され、前記第2の容器(5)は、前記第2の容器(5)の横断面と等しい横断面を有する排気パイプを介して前記レシプロ式内燃機関(1)に接続される請求項1に記載の装置。
- 請求項1または2のいずれかに記載の装置であって、以下も備えることを特徴とする:
(a)前記真空ポンプ(6)の前の少なくとも1つの粒子フィルタ(11);
(b)前記真空ポンプ(6)の前に配置される熱交換器(12)であって、前記熱交換器は好ましくは少なくとも1つの復水ドレーン系をさらに備える気‐液熱交換器で構成される、熱交換器;
(c)前記第1の容器(4)内の圧力p1を制御する少なくとも1つの制御弁(8);
(d)前記遠心コンプレッサ(3)の後に配置される少なくとも1つの背圧弁(9);
(e)前記内向き半径流タービン(2)の前に配置される少なくとも1つの温度調節装置(10)であって、前記温度調節装置(10)は外気A1の温度を約±10℃変えることができる、温度調節装置。 - 前記内向き半径流タービン(2)の前に配置されるとともに前記遠心コンプレッサ(3)に接続され、前記内向き半径流タービン(2)の入口におけるエアフローを前記遠心コンプレッサ(3)の出口におけるエアフローで加熱する少なくとも1つの第2の熱交換器(13)をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- 前記第2の熱交換器(13)を迂回させるための少なくとも1つの弁(14)をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記遠心コンプレッサ(3)は前記真空ポンプ(6)の入口の前の前記第2の容器(5)の出口に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- 請求項6に記載の装置であって、以下をさらに備えることを特徴とする:
(a)前記レシプロ式内燃機関(1)の排気ガスを前記遠心コンプレッサ(3)に入る前に外気A1の温度まで冷却する第3の熱交換器(15);
(b)前記遠心コンプレッサ(3)の前に配置されるフローダイオードすなわち逆止め弁(16)。 - 前記内向き半径流タービン(2)および前記遠心コンプレッサ(3)と直列で作動する少なくとも1つの第2の内向き半径流タービン(17)および少なくとも1つの第2の遠心コンプレッサ(18)をさらに備えることを特徴とする請求項6または7に記載の装置。
- 前記第2の内向き半径流タービン(17)および前記第2の遠心コンプレッサ(18)は、前記内向き半径流タービン(2)のサイズおよび前記遠心コンプレッサ(3)のサイズよりも小さなサイズである請求項8に記載の装置。
- 前記第2の内向き半径流タービン(17)は少なくとも1つのウェイストゲート(19)をさらに備える請求項8または9に記載の装置。
- 前記装置は、前記遠心コンプレッサ(3)の下流ながら前記第2の遠心コンプレッサ(18)および前記粒子フィルタ(11)の上流の位置に配置される少なくとも1つの熱交換器(12)を備えることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の装置。
- 前記遠心コンプレッサ(3)から排出されるエアフローを前記内向き半径流タービン(2)に入る前に冷却するための少なくとも1つの冷却機および/または除湿機(20)をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- 前記遠心コンプレッサ(3)の出口を前記内向き半径流タービン(2)による引き込みから遮断する働きを担う2つの三方弁(21)をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 前記第2の遠心コンプレッサ(18)から排出される空気を前記第2の内向き半径流タービン(17)に入る前に冷却するための少なくとも1つの第2の冷却機または除湿機(22)を備えることを特徴とする請求項12または13に記載の装置。
- レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力および温度状態を前記レシプロ式内燃機関(1)の作動する高度に対応する海面からの高さにおいてシミュレートするための請求項1〜14のいずれかに記載の装置の使用。
- レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力および温度状態を前記レシプロ式内燃機関(1)の作動する高度に対応する海面からの高さにおいてシミュレートする方法であって、前記方法は以下のステップを含むことを特徴とする:
(a)タービン発電機として知られる集合体を形成する遠心コンプレッサ(3)に接続される内向き半径流タービン(2)内のエアフローを圧力p0および温度T0の初期状態から圧力p1および温度T1の第2の状態へ膨張させるステップであって、p0とT0は前記レシプロ式内燃機関(1)が置かれる外気A1の圧力と温度に対応し、p1とT1は前記レシプロ式内燃機関(1)によって吸入されるエアフローの圧力と温度に対応する、ステップ;
(b)圧力p1で温度T1の前記エアフローを、エアフローが前記レシプロ式内燃機関(1)によって吸入される場所から少なくとも第1の容器(4)に送るステップ;
(c)圧力p2を前記レシプロ式内燃機関(1)によって吸入される空気の圧力と等しく保つ真空ポンプ(6)によって前記排気ガスの流れが吸引される場所から少なくとも1つの第2の容器(5)へ前記レシプロ式内燃機関(1)の排気ガスを排出するステップ;
(d)前記遠心コンプレッサ(3)から排出されるエアフローを背圧弁(9)を介して外気A1へ排出するステップ。 - さらに以下のステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法: (a)少なくとも1つの制御弁(8)および前記真空ポンプ(6)を駆動する電動モータの可変周波数駆動を用いて前記第1の容器(4)内および前記第2の容器(5)内の圧力を制御するステップ;
(b)少なくとも1つの温度調節装置(10)を用いて前記第1の容器(4)内の温度T1を制御するステップ;
(c)前記真空ポンプ(6)によって吸引される排気ガスは少なくとも1つの熱交換器(12)内で事前に冷却され、前記排気ガスの粒子は少なくとも1つの粒子フィルタ(11)内に留保される。 - 少なくとも1つの第2の熱交換器(13)を用いて前記内向き半径流タービン(2)の入口におけるエアフローを前記遠心コンプレッサ(3)の出口から排出されるエアフローで加熱させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項16または17に記載の方法。
- 以下を含むことを特徴とする請求項16に記載の方法:
(a)少なくとも1つの遠心コンプレッサ(3)を用いて前記第2の容器(5)から排出される排気ガスの圧力を排気ガスが前記真空ポンプ(6)に入る前に上昇させるステップ;
(b)第3の熱交換器(15)を用いて前記第2の容器(5)から排出される燃焼ガスの温度を燃焼ガスが前記遠心コンプレッサ(3)に入る前に冷却するステップ;
(c)少なくとも1つの熱交換器(12)を用いて排気ガスが前記真空ポンプ(6)に入る前に前記遠心コンプレッサ(3)の出口において冷却するステップ;
(d)少なくとも1つのフローダイオードすなわち逆止め弁(16)を用いて前記遠心コンプレッサ(3)の出口において圧力を制御するステップ。 - 前記内向き半径流タービン(2)および前記遠心コンプレッサ(3)に対して直列で作動する少なくとも1つの第2の内向き半径流タービン(17)および少なくとも1つの第2の遠心コンプレッサ(18)を備えることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 請求項20に記載の方法であって、以下を特徴とする:
(a)前記方法は、少なくとも1つのウェイストゲート(19)を介して前記第2の内向き半径流タービン(17)に供給されるエアフローを迂回させる手段とともに少なくとも1つの温度調節装置(10)を用いて前記第1の容器(4)内の圧力p1を制御するステップをさらに含み;
(b)前記真空ポンプ(6)は前記第2の遠心コンプレッサ(18)に対して並列に作動し;
(c)および、排気ガスが前記真空ポンプ(6)および/または前記第2の遠心コンプレッサ(18)に入る前に少なくとも1つの熱交換器(12)内で冷却するステップを含む。 - 前記遠心コンプレッサ(3)によって圧縮される空気は冷却機および/または除湿機(20)を介して前記内向き半径流タービン(2)に送られる請求項16に記載の方法。
- 前以て前記遠心コンプレッサ(3)内および前記第2の遠心コンプレッサ(18)内で圧縮されるとともに圧縮ステップの間に前記冷却機および/または除湿機(20)内および前記第2の冷却機および/または除湿機(22)内で冷却された後の前記エアフローを前記内向き半径流タービン(2)内および第2の内向き半径流タービン(17)内で膨張させるステップを含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
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