JPH01500605A - 内燃エンジン及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃エンジン及びその運転方法 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て表される。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プレイトンサイクル 、オツトーサイクル、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がもじれない。

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ブンサイクルのガスタービン 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 如くオツ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成る運転条件下に於て は出力パワーが増大する。しかし一般にがが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、排気ガスの温度が成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、成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、成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。排気ガスの温度を空燃比に対応 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ツトーサイクル、ディーゼルサイクル、 プ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Ｒ，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Ａ３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ストン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スト 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は李気 −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４ ６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、各圧縮機には股間冷却装置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３ ２．３４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２ ０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 率との間には成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。このことは成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埠温度も変化する。排気温度が低下すると、エンジンの効 率は成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成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ニミレーションによれば 、排気温度は５２５〜６２０’にの範囲にある。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（、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ン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を駆動するた めに必要な仕事は、排気ガスの圧力が吸入装置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５ ０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（、）。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ｆｔ９０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１０ ２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。

可変人口ノズル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 又はシミュ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１２８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１２０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 ジン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。

浄書：′内口に２更なし） エントロピー ＦＩＧ　５ ＦＩＧ６ （方式・自発） 手続補正書 １、事件の表示　ＰＣＴ／ＵＳ８６１０１８０６２、発明の名称 内燃エンジン及びその運転方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　アメリカ合衆国二ニーヨーク州、スト−ニー・プルツク、ホークス・ネ スト・ロード　２１名　称　ワン、リン・シュー ４、代理人 居所　Φ１０４東京都中央区新川１丁目５番１９号茅場町長岡ビル３階　電話５ ５１−４１７１国際調査報告 １ＩＩｙ＋ｍ１１Ｍ−＾０が、”””’　ＰＣ？１０５８６１０１８０６

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）種々の比にて吸入空気と燃料とを混合し、その混合気を点火して高温且高 圧の排気ガス流を生成する手段を有する内燃エンジンの運転方法にして、 排気ガスを膨張手段に通し、前記排気ガスより仕事を取出すことと、 前記排気ガスの温度を種々の空燃比に於けるエンジンの効率の成る与えられた高 い値を示す所定の基準値と連続的に比較し、これによりそれらの差に対応する制 御信号を発生することと、 前記制御信号に応答して前記空気−燃料混合気の吸入空気を連続的に変化可能に 圧縮することと、を含み、これによりエンジンの運転中前記排気ガスの温度が前 記所定の基準値に維持されるようにする運転方法。
2. （２）空気−燃料混合気より高温且高圧の排気ガス流を生成する排気ガス生成手 段であって、空気導入手段及び燃料導入手段を含む排気ガス生成手段と、 前記排気ガス生成手段に接続され前記排気ガス流より出力仕事を取出す出力手段 と、 前記排気ガス生成手長に駆動連結され空気−燃料混合気の空気の部分の圧力を取 出す出力手段と、前記排気ガス生成手段に駆動連結され空気−燃料混合気の空気 の部分の圧力を変化させる可変圧縮手段であって、空気導入手段及び該空気導入 手段に接続された吐出手段を有する圧縮手段と、 前記吐出手段を経て流れる前記排気ガス流の温度を連続的に検出するよう構成さ れ、また前記空気導入手段及び前記燃料導入手段に於て空燃比を検出するよう構 成された検出手段と、 前記排気ガスの検出された温度と或る与えられた検出された空燃比についての所 定の基準温度との間の温度差に基き前記可変圧縮手段による吸入空気の圧縮度合 を変化させる連続的な制御信号を発生する手段であって、前記検出された排気ガ ス温度がエンジンの運転中前記所定の基準温度に継続的に維持されるよう構成さ れており、前記所定の基準温度は或る与えられた空燃比に於けるエンジンの所定 の効率に対応している手段と、 を含む改良された内燃エンジン。