JP4681465B2 - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Description

本発明は、主としてディーゼルエンジン、ガスエンジンに用いられる排気ターボ過給機に適用され、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンの回転軸とエンジンに給気を圧送するコンプレッサの回転軸との間に変速機を介装した排気ターボ過給機、及びエンジンの排ガスにより駆動されるタービンに発電機を連結するとともに、エンジンに給気を圧送するコンプレッサを電動モータで駆動するように構成された排気ターボ過給機に関する。

排気ターボ過給機をそなえたディーゼルエンジンやガスエンジンにおいて、エンジンの必要給気量を確保するため給気圧力を調整するにあたっては、従来は、排気ターボ過給機の可変ノズル機構によるタービンノズル流路面積の調整、過給機の排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁の開度調整、過給機の給気後流に設けたスロットル弁の開度調整、給気通路から分岐された給気放出通路に設けた給気放出弁の開度調整等によっていた。

また、特許文献１（特開２００２−２４２６８７号公報）においては、過給機のコンプレッサ内部に遊星歯車装置からなる変速機構を内蔵し、該遊星歯車装置のリングギヤを摩擦板の着脱切換えによって、該遊星歯車装置における歯車の歯数比で決まる変速比でコンプレッサのロータの回転数を変化可能に構成している。
また、特許文献２（特開２００５−１２７２６１号公報）には、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンに発電機を連結するとともに、エンジンに給気を圧送するコンプレッサに該コンプレッサを駆動する電動モータを連結し、前記発電機の電力により前記電動モータを介して前記コンプレッサを回転駆動するように構成された排気ターボ過給機をそなえたＥＧＲシステム（排気再循環システム）付き内燃機関が示されている。

特開２００２−２４２６８７号公報 特開２００５−１２７２６１号公報

エンジンの必要給気量を確保するため給気圧力を調整する手段としての、排気ターボ過給機の可変ノズル機構によるタービンノズル流路面積の調整手段、及び過給機の排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁の開度調整手段にあっては、排気ターボ過給機のサージングを回避しつつ給気圧力を調整することは可能であるが、エンジンの運転条件変化に対する応答速度が遅いため、エンジンの急激な負荷変化には対応困難である。
また、過給機の給気後流に設けたスロットル弁の開度調整手段にあっては、エンジンの急激な負荷変化があった場合には瞬間的にスロットル弁が閉じて給気抵抗が増加するため、排気ターボ過給機のサージングが発生し易い。
また、給気通路から分岐された給気放出通路に設けた給気放出弁の開度調整手段にあっては、給気放出によって過給機効率が低下するとともに、給気放出するため、過給機前で予混合する形式のガスエンジンには採用できない。

また、特許文献１（特開２００２−２４２６８７号公報）の手段にあっては、過給機のコンプレッサ内部に遊星歯車装置からなる変速機構を内蔵しているため、該遊星歯車装置における歯車の歯数比で決まる特定の変速比のみでコンプレッサの回転数を変化可能としているにとどまり、無段階にコンプレッサの回転数を変化させることはできない。
また、特許文献１（特開２００５−１２７２６１号公報）の手段は、ＥＧＲシステム（排気再循環システム）付き内燃機関に適応して、電動モータによるコンプレッサの回転数の無段階制御を行うものであり、ＥＧＲシステム付き内燃機関以外のエンジンにはそのまま適用できない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、コンプレッサ回転数を過給機のサージングを伴うことなく無段階で制御することにより給気量及び給気圧力を制御可能として、エンジンの必要給気量を確保するための排気エネルギーを最小限に抑え、エンジンプラントの総合効率を向上せしめ得る排気ターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンの回転軸と前記エンジンに給気を圧送するコンプレッサの回転軸との間に変速機を介装し、前記タービンの回転数を前記変速機で所定の変速比で変速して前記コンプレッサに伝達するように構成された排気ターボ過給機において、前記変速機を変速比が無段で変化可能な無段変速機で構成するとともに、前記エンジンのエンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定される前記エンジンの必要給気量と該エンジンの実際の給気量（実給気量）との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサの実際の回転数（コンプレッサ実回転数）を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、該コンプレッサの目標回転数と前記タービンの実際の回転数（タービン実回転数）とにより前記変速機の変速比を算出して該変速比によって前記変速機を運転制御する制御装置をそなえたことを特徴とする（請求項１）。

かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
即ち、前記エンジンの給気圧力を検出して前記制御装置に入力する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出して前記制御装置に入力する給気温度センサと、前記コンプレッサの回転数を検出して前記制御装置に入力するコンプレッサ回転数検出器と、前記タービンの回転数を検出して前記制御装置に入力するタービン回転数検出器とをそなえ、前記制御装置は、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値及び前記給気温度センサからの給気温度検出値に基づき前記実給気量を算出し、前記必要給気量と該実給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサ回転数検出器からのコンプレッサ回転数検出値を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、該コンプレッサの目標回転数と前記タービン回転数検出器からのタービン回転数検出値とにより前記変速機の変速比を算出するように構成される（請求項２）。

さらに、かかる発明において、好ましくは、前記タービン出口の排ガスが通流する排出管路に排ガス熱を回収する排ガス熱回収装置を設置する（請求項５）。
また、好ましくは、前記エンジンは、発電機を直結駆動する発電用エンジンで構成される（請求項６）。

かかる発明によれば、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンの回転軸とエンジンに給気を圧送するコンプレッサの回転軸との間に変速機を介装した排気ターボ過給機において、前記変速機を変速比が無段で変化可能な無段変速機で構成するとともに、エンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定されるエンジンの必要給気量と、給気圧力検出値及び給気温度検出値に基づき得られる（請求項２）実給気量との給気量偏差を算出し、この給気量偏差に対応するコンプレッサの回転数偏差を算出し、この回転数偏差を用いてコンプレッサ回転数検出値（コンプレッサの実回転数）を補正して、コンプレッサの目標回転数を算出し、該コンプレッサの目標回転数とタービン回転数検出値とにより前記変速機の変速比を算出し、該変速比によって前記変速機を運転制御するので、タービン側の排ガス条件を所要値に保持した状態で、コンプレッサの回転数を無段階で制御することによりエンジンの給気量及び給気圧力を制御でき、過給機のサージングを回避しつつ給気量及び給気圧力を自在に制御できる。
また、タービン側の回転数を一定にしたままでコンプレッサの回転数を減速させることができ、従来の排気バイパス装置をそなえたエンジンプラントよりも応答速度が速く、エンジンプラントの応答性を改善できるとともに、排気バイパス装置のような排気バイパス弁による圧力損失が皆無となる。
また、タービン側の排気エネルギーが小さいエンジンの始動時や低負荷運転時には、変速機の変速比を変えてコンプレッサの回転数を増速することで給気圧力を上昇でき、これによってエンジンの始動性を向上できる。

さらにかかる発明によれば、タービンの駆動トルクつまりタービンを駆動する排気エネルギーを最小限に抑えて、コンプレッサを目標回転数で運転してエンジンの必要給気量を確保することができる。
従って、前記必要給気量を得るためのタービンでの排気温度の降下量が小さくて済む
こととなって、タービン出口の排気温度を高く保持でき、これによりタービン出口の排出管路に設置されている排ガス熱回収装置（請求項５）での回収排ガス熱量を増加することが可能となり、排ガス熱回収装置を備えたエンジンプラントの総合効率を向上できる。

また本発明は、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンに発電機を連結するとともに、前記エンジンに給気を圧送するコンプレッサに該コンプレッサを駆動する電動モータを連結し、前記発電機の電力により前記電動モータを介して前記コンプレッサを回転駆動するように構成された排気ターボ過給機において、電動モータを可変速電動モータで構成するとともに、前記エンジンのエンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定される前記エンジンの必要給気量と該エンジンの実際の給気量（実給気量）との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサの実際の回転数（コンプレッサ実回転数）を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、前記電動モータの回転数を前記コンプレッサの目標回転数に運転制御する制御装置をそなえたことを特徴とする（請求項３）。

かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
即ち、前記エンジンの給気圧力を検出して前記制御装置に入力する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出して前記制御装置に入力する給気温度センサと、前記コンプレッサの回転数を検出して前記制御装置に入力するコンプレッサ回転数検出器とをそなえ、前記制御装置は、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値及び前記給気温度センサからの給気温度検出値に基づき前記実給気量を算出し、前記必要給気量と該実給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサ回転数検出器からのコンプレッサ回転数検出値を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出するように構成される（請求項４）。

さらに、かかる発明において、好ましくは、前記タービン出口の排ガスが通流する排出管路に排ガス熱を回収する排ガス熱回収装置を設置する（請求項５）。
また、好ましくは、前記エンジンは、発電機を直結駆動する発電用エンジンで構成される（請求項６）。

かかる発明によれば、エンジンの排ガスにより駆動されるタービンに発電機を連結するとともに、エンジンに給気を圧送するコンプレッサを電動モータで駆動するように構成された排気ターボ過給機において、前記電動モータを可変速電動モータで構成するとともに、エンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定されるエンジンの必要給気量と、給気圧力検出値及び給気温度検出値に基づき得られる（請求項４）実給気量との給気量偏差を算出し、この給気量偏差に対応するコンプレッサの回転数偏差を算出し、この回転数偏差を用いてコンプレッサ回転数検出値（コンプレッサの実回転数）を補正して、コンプレッサの目標回転数を算出し、前記電動モータの回転数を無段階で前記コンプレッサの目標回転数に運転制御するので、
前記コンプレッサを可変速の電動モータで駆動することにより、タービン側の排気エネルギーが小さいエンジンの始動時や低負荷運転時には、電動モータの回転数を上げてコンプレッサの回転数を増速することで給気圧力を上昇でき、これによってエンジンの始動性を向上できる。
また、タービン側の排ガス条件を所要値に保持した状態で、可変速電動モータの回転数を変化させてコンプレッサの回転数を制御することによりエンジンの給気圧力を制御できるので、過給機のサージングを回避しつつ給気圧力を自在に制御できる。
また、タービン側の回転数を一定にしたままで、電動モータの回転数を低下させてコンプレッサの回転数を減速させることができるので、従来の排気バイパス装置をそなえたエンジンプラントよりも応答速度が速く、エンジンプラントの応答性を改善できるとともに、排気バイパス装置のような排気バイパス弁による圧力損失が皆無となる。
また、タービン側の背圧が上昇した場合でも、電動モータによりコンプレッサの回転数を所要回転数に保持することにより所要の給気量を保持できるので、給気量不足による異常燃焼の発生を防止できる。

さらにかかる発明によれば、タービンの駆動トルクつまりタービンを駆動する排気エネルギーを最小限に抑えて、可変速電動モータで構成される電動モータによりコンプレッサを目標回転数で運転してエンジンの必要給気量を確保することができる。
従って、前記必要給気量を得るためのタービンでの排気温度の降下量が小さくて済むこととなって、タービン出口の排気温度を高く保持でき、これによりタービン出口の排出管路に設置されている排ガス熱回収装置（請求項５）での回収排ガス熱量を増加することが可能となり、排ガス熱回収装置を備えたエンジンプラントの総合効率を向上できる。
また、エンジンにより発電機を駆動するエンジンプラントにおいては（請求項６）、前記のように少ない排気エネルギーでエンジンの必要給気量を確保できるため、タービンの余剰排気エネルギーを発電機の電力として回収可能となり、前記排ガス熱回収装置を備えない場合でもエンジンプラントの総合効率を向上できる。

本発明によれば、排ガスタービンの回転軸と給気を圧送するコンプレッサの回転軸との間に変速機を介装した排気ターボ過給機においては、前記変速機を無段変速機で構成するとともに、エンジンの必要給気量と実給気量との給気量偏差を算出し、この給気量偏差を用いてコンプレッサの実回転数を補正して、該コンプレッサの目標回転数を算出し、この目標回転数とタービン回転数検出値とにより算出した変速比によって前記無段変速機からなる変速機を運転制御し、
あるいは、前記排ガスタービンに発電機を連結するとともに、前記コンプレッサを電動モータで駆動するように構成された排気ターボ過給機においては、前記電動モータを可変速電動モータで構成するとともに、エンジンの必要給気量と実給気量との給気量偏差を算出し、この給気量偏差を用いてコンプレッサの実回転数を補正して、該コンプレッサの目標回転数を算出し、可変速電動モータからなる電動モータの回転数を前記コンプレッサの目標回転数に運転制御するので、
タービン側の排ガス条件を所要値に保持した状態で、コンプレッサの回転数を無段階で制御することによりエンジンの給気量及び給気圧力を制御でき、過給機のサージングを回避しつつ給気量及び給気圧力を自在に制御できる。
また、タービン側の回転数を一定にしたままでコンプレッサの回転数を減速させることができて、応答速度が速くなり、エンジンプラントの応答性を改善できるとともに、排気バイパス装置のような排気バイパス弁による圧力損失が皆無となる。
また、タービン側の排気エネルギーが小さいエンジンの始動時や低負荷運転時には、変速機の変速比を変え、あるいは電動モータの回転数を変えてコンプレッサの回転数を増速することで給気圧力を上昇でき、これによってエンジンの始動性を向上できる。

さらに本発明によれば、タービンの駆動トルクつまりタービンを駆動する排気エネルギーを最小限に抑えて、コンプレッサを目標回転数で運転してエンジンの必要給気量を確保することができる。
従って、前記必要給気量を得るためのタービンでの排気温度の降下量が小さくて済むこととなって、タービン出口の排気温度を高く保持でき、これにより排ガス熱回収装置での回収排ガス熱量を増加することが可能となり、排ガス熱回収装置を備えたエンジンプラントの総合効率を向上できる。
また、エンジンにより発電機を駆動するエンジンプラントにおいては、前記のように少ない排気エネルギーでエンジンの必要給気量を確保できるため、タービンの余剰排気エネルギーを発電機の電力として回収可能となり、前記排ガス熱回収装置を備えない場合でもエンジンプラントの総合効率を向上できる。

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ている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係る排気ターボ過給機をそなえたガスエンジンの全体構成図、図２は前記第１実施例における排気ターボ過給機の制御ブロック図である。
図１において、１はエンジン（ガスエンジン）、２は該エンジン１に直結駆動される発電機である。２０は過給機（排気ターボ過給機）で、前記エンジン１から排気管７を通して導入される排ガスにより駆動されるタービン８、前記エンジン１に給気管６を通して給気を圧送するコンプレッサ５、前記タービン８の回転軸とコンプレッサ５の回転軸との間に介装された変速機９とによって構成される。
前記変速機９は、変速比が無段で連続的に変化可能な流体継手を含む各種の無段変速機で構成される。

１５は空気管、３はガス供給管、４は該ガス供給管３に設けられて燃料ガスの流量を調整するガス量調整弁で、前記ガス量調整弁４で流量を調整された燃料ガスと前記空気管を通った空気とが目標の空燃比で混合され、コンプレッサ入口給気管１７を通って前記コンプレッサ５の吸入口に供給されるようになっている。
１６は前記タービン８の排ガス出口に接続される排出管、３０は排ガス熱回収装置で、前記タービン８を駆動した後、排出管１６を通して排出される排ガス熱を該排ガス熱回収装置３０によって回収する。

１００は後述する演算、制御を行う制御装置、１３は前記エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数検出器、１２は前記エンジン１の出力つまり前記発電機２からのエンジン負荷を検出する負荷検出器で、該エンジン回転数検出器１３からのエンジン回転数の検出値及び負荷検出器１２からのエンジン負荷の検出値は前記制御装置１００に入力される。
１０はエンジン１の給気圧力を検出して前記制御装置１００に入力する給気圧力センサ、１１は前記エンジン１の給気温度を検出して前記制御装置１００に入力する給気温度センサ、１９は前記コンプレッサ５の回転数を検出して前記制御装置１００に入力するコンプレッサ回転数検出器、１８は前記タービン８の回転数を検出して前記制御装置１に入力するタービン回転数検出器である。
そして、前記制御装置１００は、前記エンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値各検出値に基づき、前記ガス量調整弁４の開度を調整するとともに、前記各検出器及びセンサからの検出信号に基づき以下のような演算、制御を行なう。

即ち、図２に示される排気ターボ過給機の制御ブロック図において、前記給気圧力センサ１０からのエンジン１の記給気圧力の検出値及び前記給気温度センサ１１からのエンジン１の給気温度の検出値は前記制御装置１００の実給気量算出部１０１に入力される。
該エンジン１の実際の給気量即ち実給気量は、図５（Ｂ）のように給気圧力及び給気温度と比例関係にあり、実給気量算出部１０１においては前記給気圧力の検出値Ｐｓ及び給気温度の検出値Ｔｓとエンジンの行程容積Ｖｈとを用いて実給気量Ｑ１を算出する。
この実給気量Ｑ１は給気量偏差算出部１０４に入力される。

また、前記エンジン回転数検出器１３からのエンジン回転数の検出値及び負荷検出器１２からのエンジン負荷の検出値は前記制御装置１００の必要給気量算出部１０２に入力される。
１０３は必要給気量設定部で、図５（Ａ）のように、エンジン出力即ちエンジン負荷及びエンジン回転数と、該エンジン負荷及びエンジン回転数に対応する必要給気量（目標給気量）との関係が設定されている。
前記必要給気量算出部１０２においては、前記エンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値に対応する必要給気量Ｑ０を前記必要給気量設定部１０３から算出（抽出）する。
この必要給気量Ｑ０は前記エンジン回転数及びエンジン負荷での運転時において所要の完全燃焼を行なうために必要な給気量であり、該必要給気量Ｑ０は前記給気量偏差算出部１０４に入力される。

該給気量偏差算出部１０４においては、前記必要給気量Ｑ０と実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱ（＝｜Ｑ０−Ｑ１｜）を算出してコンプレッサ回転数偏差算出部１０５に入力する。
該コンプレッサ回転数偏差算出部１０５においては、図５（Ｃ）のように、コンプレッサ５の作動特性として、給気量（コンプレッサ５の送出給気量）Ｑとコンプレッサ回転数Ｎｃとの関係が設定されており、前記給気量偏差ΔＱが入力されると、図５（Ｃ）の作動特性から該給気量偏差ΔＱに相当するコンプレッサ回転数偏差ΔＮｃを算出し、コンプレッサ回転数算出部１０６に入力する。

該コンプレッサ回転数算出部１０６においては、前記コンプレッサ回転数検出器２０から入力されるコンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃを前記コンプレッサ回転数偏差ΔＮｃで補正して、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０を算出する。
即ち該コンプレッサ回転数算出部１０６においては、前記コンプレッサ５の実際の回転数Ｎｃと、前記必要給気量Ｑ０と実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱに相当するコンプレッサ回転数偏差ΔＮｃとを加、減算して前記コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０を算出する（Ｎｃ０＝Ｎｃ±ΔＮｃ）。
この場合、前記実給気量Ｑ１が必要給気量Ｑ０よりも小さい（給気量偏差ΔＱ＝Ｑ０−Ｑ１＞０）のときは、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０＝Ｎｃ＋ΔＮｃとして前記コンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃよりも大きくし、前記実給気量Ｑ１が必要給気量Ｑ０よりも大きい（給気量偏差ΔＱ＝Ｑ０−Ｑ１＜０）のときは、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０＝Ｎｃ−ΔＮｃとして前記コンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃよりも小さくする。
該コンプレッサ回転数算出部１０６で算出されたコンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０は変速比算出部１０８に入力される。

該変速比算出部１０８には、前記タービン回転数検出器１８から前記タービン８の回転数検出値Ｎｔが入力されており、該変速比算出部１０８においては、前記コンプレッサ回転数算出部１０６からのコンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０と前記タービン８の回転数検出値Ｎｔとの比である、図５（Ｄ）に示されるような変速比ｙ＝Ｎｃ０／Ｎｔを算出し、この変速比ｙを前記変速機９に入力し、該変速機９を変速比ｙで以って運転制御する。
従って、前記変速機９はタービン８の回転数検出値Ｎｔが変化しても、該タービン８の回転数検出値Ｎｔの変化に従って前記コンプレッサ５の回転数が前記目標回転数Ｎｃ０になるように変速比ｙを変化させて運転される。

かかる第１実施例によれば、エンジン１の排ガスにより駆動されるタービン８の回転軸とエンジン１に給気を圧送するコンプレッサ５の回転軸との間に変速機９を介装した排気ターボ過給機２０において、前記変速機９を変速比が無段で変化可能な無段変速機で構成するとともに、エンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定されるエンジン１の必要給気量Ｑ０と、給気圧力検出値及び給気温度検出値に基づき得られる実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱ（＝｜Ｑ０−Ｑ１｜）を算出し、この給気量偏差ΔＱに対応するコンプレッサの回転数偏差ΔＮｃを算出し、この回転数偏差ΔＮｃを用いてコンプレッサ回転数検出値（コンプレッサの実回転数）Ｎｃを補正して、コンプレッサの目標回転数Ｎｃ０を算出し、該コンプレッサの目標回転数Ｎｃ０とタービン回転数検出値Ｎｔとにより前記変速機９の変速比ｙを算出し、該変速比ｙによって前記変速機９を運転制御するので、タービン８側の排ガス条件を所要値に保持した状態で、コンプレッサ５の回転数を無段階で制御することによりエンジン１の給気量及び給気圧力を制御でき、過給機２０のサージングを回避しつつ給気量及び給気圧力を自在に制御できる。
また、タービン８側の回転数Ｎｔを一定にしたままでコンプレッサ５の回転数Ｎｃを減速させることができることとなり、従来の排気バイパス装置をそなえたエンジンプラントよりも応答速度が速く、エンジンプラントの応答性を改善できるとともに、排気バイパス装置のような排気バイパス弁による圧力損失が皆無となる。
また、タービン８側の排気エネルギーが小さいエンジン１の始動時や低負荷運転時には、変速機９の変速比ｙを変えてコンプレッサ５の回転数Ｎｃを増速することで給気圧力を上昇でき、これによってエンジン１の始動性を向上できる。

さらにかかる第１実施例によれば、タービン８の駆動トルクつまり該タービン８を駆動する排気エネルギーを最小限に抑えて、コンプレッサ５を目標回転数Ｎｃ０で運転してエンジン１の必要給気量Ｑ０を確保することができる。
従って、前記必要給気量Ｑ０を得るためのタービン８での排気温度の降下量が小さくて済むこととなって、タービン８出口の排気温度を高く保持でき、これによりタービン８出口の排出管１６に設置されている排ガス熱回収装置３０での回収排ガス熱量を増加することが可能となり、該排ガス熱回収装置３０を備えたエンジンプラントの総合効率を向上できる。
また、この実施例のように、エンジン１により発電機２を駆動するエンジンプラントにおいては、前記のように少ない排気エネルギーでエンジン１の必要給気量Ｑ０を確保できるため、タービン８の余剰排気エネルギーを発電機２の電力として回収可能となり、前記排ガス熱回収装置３０を備えない場合でもエンジンプラントの総合効率を向上できる。

図３は本発明の第２実施例に係る排気ターボ過給機をそなえたガスエンジンの全体構成図、図４は前記第２実施例における排気ターボ過給機の制御ブロック図である。
この第２実施例においては、前記第１実施例における変速機９を除去し、エンジン１の排ガスにより駆動されるタービン８にタービン発電機２２を連結するとともに、前記エンジン１に給気を圧送するコンプレッサ５に該コンプレッサ５を駆動する可変速電動モータからなる電動モータ２１を連結し、前記タービン発電機２２と電動モータ２１を電気的に接続し（２９は接続回線）、タービン発電機２２での発電電力で電動モータ２１を駆動するように構成している。
その他の構成は、図１に示される第１実施例と同様であり、これと同一の部材、要素は同一の符号で示す（図１における空気管１５、ガス供給管３、ガス量調整弁４は図示を省略している）。

次に、図４に基づき、この第２実施例における前記制御装置１００の作動、即ち排気ターボ過給機２０の制御動作を説明する。
図４において、前記給気圧力センサ１０からのエンジン１の記給気圧力の検出値及び前記給気温度センサ１１からのエンジン１の給気温度の検出値は、前記制御装置１００の実給気量算出部１０１に入力される。該エンジン１の実際の給気量即ち実給気量は、図５（Ｂ）のように給気圧力及び給気温度と比例関係にあり、実給気量算出部１０１においては前記給気圧力の検出値Ｐｓ及び給気温度の検出値Ｔｓとエンジンの行程容積Ｖｈとを用いて実給気量Ｑ１を算出する。この実給気量Ｑ１は給気量偏差算出部１０４に入力される。

また、前記エンジン回転数検出器１３からのエンジン回転数の検出値及び負荷検出器１２からのエンジン負荷の検出値は前記制御装置１００の必要給気量算出部１０２に入力される。
１０３は必要給気量設定部で、図５（Ａ）のように、エンジン出力即ちエンジン負荷及びエンジン回転数と、該エンジン負荷及びエンジン回転数に対応する必要給気量（目標給気量）との関係が設定されている。
前記必要給気量算出部１０２においては、前記エンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値に対応する必要給気量Ｑ０を前記必要給気量設定部１０３から算出（抽出）する。この必要給気量Ｑ０は前記エンジン回転数及びエンジン負荷での運転時において所要の完全燃焼を行なうために必要な給気量であり、該必要給気量Ｑ０は前記給気量偏差算出部１０４に入力される。

該給気量偏差算出部１０４においては、前記必要給気量Ｑ０と実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱ（＝｜Ｑ０−Ｑ１｜）を算出してコンプレッサ回転数偏差算出部１０５に入力する。コンプレッサ回転数偏差算出部１０５においては、図５（Ｃ）のように、コンプレッサ５の作動特性として、給気量（コンプレッサ５の送出給気量）Ｑとコンプレッサ回転数Ｎｃとの関係が設定されており、前記給気量偏差ΔＱが入力されると、図５（Ｃ）の作動特性から該給気量偏差ΔＱに相当するコンプレッサ回転数偏差ΔＮｃを算出し、コンプレッサ回転数算出部１０６に入力する。

該コンプレッサ回転数算出部１０６においては、前記コンプレッサ回転数検出器２０から入力されるコンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃを前記コンプレッサ回転数偏差ΔＮｃで補正して、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０を算出する。
即ち該コンプレッサ回転数算出部１０６においては、前記コンプレッサ５の実際の回転数Ｎｃと、前記必要給気量Ｑ０と実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱに相当するコンプレッサ回転数偏差ΔＮｃとを加、減算して前記コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０を算出する（Ｎｃ０＝Ｎｃ±ΔＮｃ）。
この場合、前記実給気量Ｑ１が必要給気量Ｑ０よりも小さい（給気量偏差ΔＱ＝Ｑ０−Ｑ１＞０）のときは、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０＝Ｎｃ＋ΔＮｃとして前記コンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃよりも大きくし、前記実給気量Ｑ１が必要給気量Ｑ０よりも大きい（給気量偏差ΔＱ＝Ｑ０−Ｑ１＜０）のときは、コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０＝Ｎｃ−ΔＮｃとして前記コンプレッサ５の回転数検出値Ｎｃよりも小さくする。
以上の動作は前記第１実施例と同様である。

前記コンプレッサ回転数算出部１０６で算出されたコンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０
は電動モータ回転数設定部１１０に入力される。
該電動モータ回転数設定部１１０においては、コンプレッサ５を直結駆動する前記電動モータ２１の電流値を制御して、前記コンプレッサ５を前記目標回転数Ｎｃ０で運転せしめる。
従って、前記電動モータ２１はタービン８の回転数検出値Ｎｔが変化しても、該タービン８の回転数検出値Ｎｔの変化に従って、前記コンプレッサ５の回転数が前記目標回転数Ｎｃ０になるように電流値を変化させて運転される。

かかる第２実施例によれば、エンジン１の排ガスにより駆動されるタービン８に発電機２を連結するとともに、エンジン１に給気を圧送するコンプレッサ５を可変速の電動モータ２１で駆動するように構成された排気ターボ過給機２０において、エンジン出力（エンジン負荷）及びエンジン回転数により設定されるエンジンの必要給気量Ｑ０と、給気圧力検出値及び給気温度検出値に基づき得られる実給気量Ｑ１との給気量偏差ΔＱを算出し、この給気量偏差ΔＱに対応するコンプレッサ５の回転数偏差ΔＮｃを算出し、この回転数偏差ΔＮｃを用いてコンプレッサ回転数検出値（コンプレッサ５の実回転数）を補正して、該コンプレッサ５の目標回転数Ｎｃ０を算出し、前記電動モータ２１の回転数を無段階で前記コンプレッサの目標回転数Ｎｃ０に運転制御するので、
前記コンプレッサ５を可変速の電動モータ２１で駆動することにより、タービン８側の排気エネルギーが小さいエンジンの始動時や低負荷運転時には、電動モータ２１の回転数を上げてコンプレッサ５の回転数を増速することで給気圧力を上昇でき、これによってエンジン１の始動性を向上できる。
また、タービン８側の排ガス条件を所要値に保持した状態で、可変速の電動モータ２１の回転数を変化させてコンプレッサ５の回転数を制御することによりエンジン１の給気圧力を制御できるので、過給機２０のサージングを回避しつつ給気圧力を自在に制御できる。
また、タービン８側の回転数を一定にしたままで、可変速の電動モータ２１の回転数を低下させてコンプレッサ５の回転数を減速させることができるので、従来の排気バイパス装置をそなえたエンジンプラントよりも応答速度が速く、エンジンプラントの応答性を改善できるとともに、排気バイパス装置のような排気バイパス弁による圧力損失が皆無となる。
また、タービン８側の背圧が上昇した場合でも、可変速の電動モータ２１によってコンプレッサ５の回転数を所要回転数に保持することにより所要の給気量を保持できるので、給気量不足による異常燃焼の発生を防止できる。

さらにかかる第２実施例によれば、タービン８の駆動トルクつまり該タービン８を駆動する排気エネルギーを最小限に抑えて、可変速の電動モータ２１によりコンプレッサ５を目標回転数で運転してエンジン１の必要給気量Ｑ０を確保することができる。
従って、前記必要給気量Ｑ０を得るためのタービン８での排気温度の降下量が小さくて済むこととなって、タービン８出口の排気温度を高く保持でき、これによりタービン出口の排出管１６に設置されている排ガス熱回収装置３０での回収排ガス熱量を増加することが可能となり、排ガス熱回収装置３０を備えたエンジンプラントの総合効率を向上できる。
また、エンジン１により発電機２を駆動するエンジンプラントにおいては、前記のように少ない排気エネルギーでエンジン１の必要給気量Ｑ０を確保できるため、タービン８の余剰排気エネルギーを発電機２の電力として回収可能となり、前記排ガス熱回収装置３０を備えない場合でもエンジンプラントの総合効率を向上できる。

本発明によれば、コンプレッサ回転数を過給機のサージングを伴うことなく無段階で制御することにより給気量及び給気圧力を制御可能として、エンジンの必要給気量を確保するための排気エネルギーを最小限に抑え、エンジンプラントの総合効率を向上せしめ得る排気ターボ過給機を提供できる。

本発明の第１実施例に係る排気ターボ過給機をそなえたガスエンジンの全体構成図である。 前記第１実施例における排気ターボ過給機の制御ブロック図である。 本発明の第２実施例に係る排気ターボ過給機をそなえたガスエンジンの全体構成図である。 前記第２実施例における排気ターボ過給機の制御ブロック図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は前記第１、第２実施例におけるエンジン性能と過給機性能との関係線図である。

符号の説明

１ エンジン（ガスエンジン）
２ 発電機
３ ガス供給管
４ ガス量調整弁
５ コンプレッサ
６ 給気管
７ 排気管
８ タービン
９ 変速機
１０ 給気圧力センサ
１１ 給気温度センサ
１２ 負荷検出器
１３ エンジン回転数検出器
１５ 空気管
１６ 排出管
１７ コンプレッサ入口給気管
１８ タービン回転数検出器
１９ コンプレッサ回転数検出器
２０ 過給機（排気ターボ過給機）
２１ 電動モータ
２２ タービン発電機
３０ 排ガス熱回収装置
１００ 制御装置

Claims (6)

1. エンジンの排ガスにより駆動されるタービンの回転軸と前記エンジンに給気を圧送するコンプレッサの回転軸との間に変速機を介装し、前記タービンの回転数を前記変速機で所定の変速比で変速して前記コンプレッサに伝達するように構成された排気ターボ過給機において、前記変速機を変速比が無段で変化可能な無段変速機で構成するとともに、前記エンジンのエンジン負荷及びエンジン回転数により設定される前記エンジンの必要給気量と該エンジンの実際の給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサの実際の回転数を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、該コンプレッサの目標回転数と前記タービンの実際の回転数とにより前記変速機の変速比を算出して該変速比によって前記変速機を運転制御する制御装置をそなえたことを特徴とする排気ターボ過給機。
2. 前記エンジンの給気圧力を検出して前記制御装置に入力する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出して前記制御装置に入力する給気温度センサと、前記コンプレッサの回転数を検出して前記制御装置に入力するコンプレッサ回転数検出器と、前記タービンの回転数を検出して前記制御装置に入力するタービン回転数検出器とをそなえ、前記制御装置は、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値及び前記給気温度センサからの給気温度検出値に基づき前記実給気量を算出し、前記必要給気量と該実給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサ回転数検出器からのコンプレッサ回転数検出値を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、該コンプレッサの目標回転数と前記タービン回転数検出器からのタービン回転数検出値とにより前記変速機の変速比を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の排気ターボ過給機。
3. エンジンの排ガスにより駆動されるタービンに発電機を連結するとともに、前記エンジンに給気を圧送するコンプレッサに該コンプレッサを駆動する電動モータを連結し、前記発電機の電力により前記電動モータを介して前記コンプレッサを回転駆動するように構成された排気ターボ過給機において、電動モータを可変速電動モータで構成するとともに、前記エンジンのエンジン負荷及びエンジン回転数により設定される前記エンジンの必要給気量と該エンジンの実際の給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサの実際の回転数を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出し、前記電動モータの回転数を前記コンプレッサの目標回転数に運転制御する制御装置をそなえたことを特徴とする排気ターボ過給機。
4. 前記エンジンの給気圧力を検出して前記制御装置に入力する給気圧力センサと、前記エンジンの給気温度を検出して前記制御装置に入力する給気温度センサと、前記コンプレッサの回転数を検出して前記制御装置に入力するコンプレッサ回転数検出器とをそなえ、前記制御装置は、前記給気圧力センサからの給気圧力検出値及び前記給気温度センサからの給気温度検出値に基づき前記実給気量を算出し、前記必要給気量と該実給気量との給気量偏差を算出し、該給気量偏差を用いて前記コンプレッサ回転数検出器からのコンプレッサ回転数検出値を補正して前記コンプレッサの目標回転数を算出するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の排気ターボ過給機。
5. 前記タービン出口の排ガスが通流する排出管路に排ガス熱を回収する排ガス熱回収装置を設置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの項に記載の排気ターボ過給機。
6. 前記エンジンは、発電機を直結駆動する発電用エンジンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの項に記載の排気ターボ過給機。
   

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