JP4057522B2 - ２ストロークディーゼルエンジン用のターボ過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに過給掃気エアを供給するための、エンジンからの排気ガスによって駆動される少なくとも１機のターボ過給機と、掃気エアの温度を低下させるための、少なくとも１機のターボ過給機の下流に配置された少なくとも１器のインタークーラーと、運転中に負荷が予め決められた値まで低下した際、エンジンに付加的な掃気エアおよび掃気エア圧力を供給するための、遠心ブロアとして設計された少なくとも１機の補助ブロアとを具備してなる２ストロークディーゼルエンジン用のターボ過給装置に関する。

過給掃気エア中の自然な水分は、エアがインタークーラーを通過する途中で冷却された際に、多かれ少なかれある程度凝結する。

この凝結水は、掃気エアとともにエンジンのシリンダー内に持ち込まれると、スリーブおよびピストンリングに深刻なダメージを与える原因となることがある。ゆえに、普通、水は前もって分離させられる。

特許文献１から、圧縮され、冷却された掃気エアの流れから水滴を除去するための、たとえば２ストロークディーゼルエンジン用の水分離機が公知となっている。
独国特許第１９，９１１，２５２号明細書

この公知の水分離機は、主として、水滴を捕まえ、そしてリリースするための下部ドレイン室を有するサイクロン部から構成されている。この水滴は、掃気エアが通過する間に、このサイクロン部の湾曲した内面に投げつけられる。水分離機は有用であるが、ターボ過給機の構造を複雑化させ、しかもエンジン個々の製造コストを増大させる。

本発明の第１の目的は、冒頭の段落で言及した類の、シンプルかつ安価な構造のターボ過給装置を提供することである。

本発明の第２の目的は、冒頭の段落で言及した類の、すでにこの装置の一部を形成しているエンジン要素を主として採用するようにしたターボ過給装置を提供することである。

本発明の第３の目的は、冒頭の段落で言及した類の、過給され、かつ冷却された、ディーゼルエンジン、たとえば２ストロークディーゼルエンジンに供給される掃気エアから、これまで知られた手法よりも一層効果的に凝結水を取り除くことが可能なターボ過給装置を提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、遠心ブロアが少なくとも１機のターボ過給機のコンプレッサーから連続して配列され、遠心ブロアは、エンジン負荷が低減したときには自身の駆動装置によって駆動され、かつ、エンジンが高負荷の時には、それを通って流動する掃気エアによって受動的に回転させられ、遠心ブロアは、その吸入口が少なくとも１器のインタークーラーの排出口に接続され、かつ、その排出口がエンジンの掃気エアコンテナに接続された、水分離機として設計されており、ドレイン室は、開放可能で、かつ遠心ブロアを経て流動する冷却された掃気エアから分離させられた凝結水をドレイン室に案内するために常に開放された、少なくとも一つの導入開口を有し、捕捉した凝結水をドレイン室の外に案内するための、少なくとも一つの排出口を、少なくとも１機の遠心ブロアのブロアハウジングの下部に設けることによって達成される。

ターボ過給装置は、普通、タービンを通るエンジンからの排気ガスによって駆動される少なくとも１機の過給機、および過給掃気エアを適当な温度まで冷却するための少なくとも１器のインタークーラーを備えている。

これに加えて、ターボ過給装置は、普通、１機以上の遠心式の補助ブロアを備える。この補助ブロアは、エンジン負荷が軽くなったときにターボ過給効果の低下を補償するため積極的に介在させられる。

同時に、これら遠心式ブロアは平行状態で、いくつかのチェックバルブに対して接続される。これらチェックバルブは、大きな負荷が掛かったとき、遠心ブロアがこの間は活動しないのに対して、ターボ過給機はフルパワーで作動できるよう十分に大きな流動面積を確保して配列されている。

本発明によれば、これら遠心ブロアもまた、ここでは水分離機として利用される。負荷が大きいときおよび小さいときのいずれにおいても、掃気エアは、運転中、その全量が強制的にブロアを経て流動させられる。

これによって、従来使用されていた水分離機およびチェックバルブのためのコストが省略されるという、かなりの利点が得られる。

その上、圧縮され、かつ冷却された掃気エアから凝結水を取り除く遠心ブロアの能力が、従来型の水分離機に比べてさらに向上する。

これは主に遠心ブロアが、サイクロンとは逆に、回転式の羽根車によって機能を果たすという事実による。この回転式の羽根車は、掃気エアから凝結水を遠心分離するために有効な遠心力を発生させ、そしてそれをブロアの湾曲した内面に投げつける。こうして、乾燥した掃気エアがエンジンのシリンダー内に吹き込まれるのに対して、その際、ブロアからは水が取り出される。

この好都合な効果を促進するため、個々の補助羽根車は運転中、常時回転しており、それゆえ、補助羽根車は予めセットされた軽負荷レベルを下回る状況では電気モーターによって駆動される。そして補助羽根車は、内燃エンジン／ターボ過給機の掃気エアの圧力が十分に高く、このレベルを上回る状況では、内燃エンジン／ターボ過給機によって発生するエア流によって駆動される。

上述したように本発明は、掃気エアの全てが常に、補助ブロアとして使用される遠心ブロアを通過するという知見をベースにしている。言い換えれば、これら遠心ブロアは、これまでよりも大量の掃気エアを効率よく通過させることができるよう設計しなければならない。

それゆえ、採用される遠心ブロアは、補助ブロアとは違った手法で寸法を定めなければならない。この補助ブロアは、こうしたターボ過給装置において、それによって、全負荷の際に最大掃気エア速度約５０ｍ／ｓが得られる最小流動面積を有するという、ブロアに対する一般的な要求に合致できるようにするため従来使用されている。

本発明によれば、遠心ブロアは、たとえば水平な、垂直な、あるいは斜めの回転軸を有するよう、さまざまな方式で配置できる。

しかしながら、好都合な実施形態においては、個々の遠心ブロアは、少なくとも主として水平な回転軸を有するよう配置される。

本発明によれば、ドレイン室は、個々の遠心ブロアにおけるハウジングの底に設けることができる。前記室は、分離された凝結水をこの室内に導くための、掃気エアの流動方向とは反対の方向を向いたスリット、および捕捉した凝結水をこの室の外に導くための排出口を有する。

分離させられた凝結水は、ブロアハウジングの湾曲した内面に沿って、ブロアの排出口の方向に向かって流れる傾向がある。そしてこの間に、分離させられた凝結水は、上記掃気エアの流動方向とは反対の方向を向くスリットを経てドレイン室内に流入する。

ドレイン室を通過してしまった凝結水も確実に捕捉し、そしてブロアから確実に取り除くため、多孔板を、ブロアのドレイン室からその排出口まで、あるいは排出口に向かって延長された部分に沿って、その湾曲した外壁から少し離して設置できる。前記板は、外壁とともに、ドレイン室内に通じるドレイン路を形成している。

通過するエア流の影響で、ドレイン室によって依然として捕捉されていない凝結水は、ここで、多孔板の開口を経て強制的にドレイン路に押し込まれる。その後、凝結水は重力の作用により、この路を流下して下方に設置されたドレイン室に入る。

ドレイン路内において凝結水への重力の作用を無効にすることもある、このドレイン路内の反対向きのエア流の発生を抑えるため、ドレイン路には、流動抵抗体を設けるのが有利である。前記抵抗体は、路内に挿入された、たとえばメッシュワイヤリングからなる。

さらに、二つのドレイン路の間には、ドレイン室を、流動方向と逆の方向を向くスリットからの凝結水が流れ込む第１のセクションと、流動方向を向くスリットから凝結水が流れ込む第２のセクションとに分割するパーティションを設置できる。個々のドレイン室のセクションの外に、それら自身の排出口を経て、分離された凝結水を導くことにより、凝結水の逆向きの二つの流れは、ドレイン室内で効果的に分離させられた状態となる。そしてエア流は、凝結水に作用する重力の効果に逆らうことができなくなる。

見かけどおり、本発明に係るターボ過給装置は、過給され、かつ冷却された、たとえば運転中の２ストロークディーゼルエンジンに供給される掃気エアから、効率よく凝結水を取り除くことが可能である。

遠心ブロアの吸入口とインタークーラーの排出口との間の接続部に、独立した水分離機がさらに介在させられた場合には、個々のエンジンのシリンダー内に、凝結水が掃気エアとともに侵入することに対する、さらなる安全性が得られる。

以下、本発明について、図面を参照し、代表的な実施形態のみに言及することで、さらに詳細に説明する。

以下の例は、本発明に係るターボ過給装置が２ストロークディーゼルエンジンに使用されると仮定したものである。

図１に概略を示すターボ過給装置は、続いて列挙する、２ストロークディーゼルエンジンからの排気ガスによって駆動され、かつそのシリンダー（図示しない）へ供給される掃気エアを過給するよう機能する、いくつかのターボ過給機１と、掃気エアの温度を低減させるためのいくつかのインタークーラー２と、インタークーラー２を１機以上の遠心ブロア４に接続する、いくつかのレシーバー３と、加圧状態で好適な量の掃気エアを収容するよう設計され、かつ、エンジンのシリンダーに接続された掃気エアコンテナ５とを具備する。遠心ブロア４は、運転中にターボ過給機１からの掃気エアが通過し、しかも、エンジン負荷の減少により、エンジンに追加的な掃気エアおよび掃気エア圧力を供給するために機能する。

図２は、図１のターボ過給装置の一部分の側面図である。図示のごとく、この例の装置は、それぞれが２機の遠心ブロア４に接続された二つのレシーバー３を具備する。この遠心ブロア４は、また掃気エアコンテナ５に接続される。

図１および図２のターボ過給装置の第１実施形態を、図３に略図化して示す。類似の部品は同じ符号によって示す。

図示の例では、エンジンに掃気エアを供給できる、互いに独立した、２機の補助ブロアが存在する。これにより一つの装置が、たとえ第２の装置が甚だあるいは若干程度、正常に作動しなくとも、エンジンが動き続けることを可能にするので、大きな運転信頼性が得られる。

運転中、ターボ過給機１は、エアダクト６を経てインタークーラー２に供給される過給掃気エアを発生させる。２本のエアダクト６は、エア分配ダクト７により相互に接続されている。これは、たとえ補助ブロアの１機が正常に作動しなくてもシステムが機能することを可能にする。これに代えて、エア分配ダクト７をインタークーラー２の後に配置することもできる。この場合、今度は、掃気エアは冷却されている。

遠心ブロア４の吸入口９は、他の２本のエアダクト８を経て、インタークーラー２の排出口１０に接続されている。２本のエアダクト８のそれぞれに介在させられた、たとえば「バタフライ」型のバルブであるバルブ１１は、もし望むのであれば、もしブロアが作動していない場合、ブロア装置の個々の部分において掃気エアの再循環を遮断するために役立つ。

インタークーラー２を通過する間に冷却された過給掃気エアは、２本のエアダクト８を経て、遠心ブロア４に流れ込む。その後、掃気エアは、力強い回転により、遠心ブロアからその排出口１２に導かれる。

２本の付加的なエアダクト１３を経て、掃気エアは、最終的に掃気エアコンテナ５に導かれる。これによって、掃気エアコンテナ５は、過給され、冷却された適量の掃気エアで満たされる。この掃気エアは、始動および運転の間、２ストロークディーゼルエンジンのシリンダー（図示しない）に供給される。

ターボ過給機１を出た過給掃気エア中の自然な水分は、掃気エアがインタークーラーを通過する間に、少なくともある程度凝結する。

しかしながら、凝結水は、それがとりわけスリーブおよびピストンリングに損害を与える可能性のある、エンジンのシリンダーには到達しない。本発明によれば、凝結水は、それゆえに、ドレイン室２４を経て２機の遠心ブロアのそれぞれを掃気エアが通過する間に取り除かれる。こうして捕捉された凝結水は、水ダクト１６ａを経てリリースされる。ゆえに、追って重要な機能を詳細に説明する。

図４は、図３のターボ過給装置の他の実施形態の概略図である。類似の部品は同じ符号によって示す。

この例では、独立した水分離機１４が、他方において、２本の他のダクト８のそれぞれに介在させられている。分離機は、自明の手法でサイクロン部として設計されている。過給され、冷却された掃気エアがこのサイクロン部を通過する間に、空気中の凝結水含有量は、サイクロン部の湾曲した壁に凝結水を投げつける遠心力による作用を受ける。ここで、凝結水は、サイクロン部の下部に設けられた第２のドレイン室１５によって捕捉される。捕捉された凝結水は、第２の水ダクト１６ｂを経て、ドレイン室から水分離機１４の外に導かれる。

図４の独立した水分離機１４は、ターボ過給装置によって生じた、過給され、冷却された掃気エアから、凝結水が取り除かれることについての確実性を増大させるために機能する。

しかしながら主たる効果は、以下に図５および図６を参照して詳細に説明するように、図３の第１実施形態および図４の第２実施形態の両方における本発明に係る遠心ブロア４によって得られる。

図５は遠心ブロア４を通る断面である。これは、主として、軸１９にたくさんの後向きブレード２０を取り付けた形態の羽根車１８を有するブロアハウジング１７から構成される。運転中、羽根車は矢印で示す方向に回転する。

羽根車は、吸入口９および排出口１２を有する。吸入口９から入ったエアは、羽根車１８の回転によって運転中高速旋回させられる。そして、この間に、ブロアハウジングの排出口１２まで、たとえばインボリュート形状とすることができる、その湾曲した壁２３によって案内される。

図示の例では、遠心ブロアは水平な回転軸を有している。ハウジングの底には、ドレイン室２４が設けられており、しかもこの室の上の部分には、多孔板２５が、湾曲した壁２３から比較的短い距離をおいて設置されている。前記板はたくさんの開口２６を有するよう設計されており、しかもブロアハウジングの排出口１２に向かって、あるいは排出口１２まで延びている。

多孔板２５およびブロアハウジングの湾曲した壁２３は、ドレイン路２７を形成している。この路内には、図６にその一部を拡大して示すメッシュ２８が挿入されている。

ドレイン室２４は、パーティション２９によって、第１のセクション３０と第２のセクション３１とに分割されている。第１のセクション３０は、ブロアハウジング１７の内部に、ブロアハウジング内の支配的な流動方向を向くスリット３２を経てつながっている。そして、邪魔板３３がさらにスリット３２から少し離れて設置されている。ドレイン路２７は第２のセクション３１につながっている。

ドレイン室２４の二つのセクション３０，３１には、第１および第２の排出口３４，３５がそれぞれ存在する。これは、矢印で示すように、捕捉した凝結水を室内から外に案内する役割を果たす。

見かけどおり、ターボ過給装置は、全ての掃気エアが常に遠心ブロア４を強制的に通過させられるよう設計されている。遠心ブロア４それぞれは、標準的あるいは全負荷状態ではブロアによって駆動され、そして予め決められる低減したメインエンジン負荷では、ブロアを駆動するよう設定された、電気モーター（図５には示していない）あるいは類似のモーターに接続されている。これに代えて、遠心ブロア個々を、それぞれの接続部をつないだり、断ったりするためのカップリングによって、そのモーターに接続することもできる。

この構造は、負荷が大きなときには羽根車は、ターボ過給機によって生じる掃気エアによって受動的に回転させられるにもかかわらず、予め決められた軽い負荷のときには、エンジンに追加的な掃気エアおよび掃気エア圧力を供給するための補助ブロアとして、遠心ブロアは能動的に作動できるという事実に帰着する。

ゆえにブロア車は運転中、常に、たとえば少なくとも５００ｒｐｍの回転速度で回転している。そしてこの間、図５に示す掃気エアに含まれる水滴は、ブロアハウジング１７の湾曲した壁２３，２５に効果的に投げつけられる。

滴３６は湾曲した壁２３，２５に、ブロアハウジングの排出口に向かう速度成分を持って衝突する。そしてさらに滴３６は、ブロアを通過する掃気エアの流動作用により、同じ方向に追いやられる。

この間、ブロアハウジング１７の湾曲した壁２３，２５に沿って、ブロアハウジングの排出口の方向にこのようにして移動する凝結水の一部は、スリット３２を経て、ドレイン室２４の第１のセクション３０内に案内される。そこで、凝結水の一部は、邪魔板３３によって、ドレイン室の第１の排出口３４を経てブロアを出て行くよう下方に案内される。

ドレイン室の第１のセクションによって捕捉できなかった凝結水は、ブロアハウジングの排出口に向かって、しかしここでは、多孔板２５の上を移動し続ける。この間、凝結水は、遠心力および多孔板の開口２６を通る掃気エアによって強制的にドレイン路２７内に押し込まれる。このドレイン路２７は捕捉した凝結水を、ドレイン室の下部に設けた第２のセクション３１に案内する。凝結水は、ドレイン室から第２の排出口３５を経て除去される。

ブロアハウジングの湾曲した壁２３の出発点に設置された第２のドレイン路３７は、このポイントにおいて壁を流れ落ちる凝結水を捕捉する役割を果たす。捕捉された凝結水はブロアハウジングの側壁を、ハウジングの湾曲した壁２３，２５に向かって流れ落ちる。こうして、捕捉された凝結水はブロアハウジングの外に上述したようにして排出される。

図４のターボ過給装置のさらに具体的な構成を図１に示す。ここでは、中間室３は、排出口１６ｂを有する水分離機１４と類似のサイクロン部として機能する。さらに、遠心ブロアの二つの排出口３４，３５が示されている。

本発明に係るターボ過給装置の概略端面図である。 図１のターボ過給装置の詳細側面図である。 図１および図２のターボ過給装置の第１実施形態についての線図である。 図１および図２のターボ過給装置の第２実施形態についての線図である。 図３および図４の装置のためのブロアの拡大断面図である。 図５の遠心ブロアの湾曲した壁の拡大部分図である。

符号の説明

１ ターボ過給機
２ インタークーラー
３ レシーバー
４ 遠心ブロア
５ 掃気エアコンテナ
６，８，１３ エアダクト
７ エア分配ダクト
９ 吸入口
１０，１２ 排出口
１１ バルブ
１４ 水分離機
１５ 第２のドレイン室
１６ａ 水ダクト
１６ｂ 第２の水ダクト
１７ ブロアハウジング
１８ 羽根車
１９ 軸
２０ 後向きブレード
２３ 湾曲した壁
２４ ドレイン室
２５ 多孔板
２６ 開口
２７ ドレイン路
２８ メッシュ
２９ パーティション
３０ 第１のセクション
３１ 第２のセクション
３２ スリット（導入開口）
３３ 邪魔板
３４ 第１の排出口
３５ 第２の排出口
３６ 滴
３７ 第２のドレイン路

Claims (6)

1. エンジンに過給掃気エアを供給するための、前記エンジンからの排気ガスによって駆動される少なくとも１機のターボ過給機（１）と、
   前記掃気エアの温度を低下させるための、前記少なくとも１機のターボ過給機（１）の下流に配置された少なくとも１器のインタークーラー（２）と、
   運転中にエンジンの負荷が予め決められた値まで低減した場合、前記エンジンに付加的な掃気エアおよび掃気エア圧力を供給するための、遠心ブロア（４）として設計された少なくとも１機の補助ブロア（４）と
   を具備し、
   前記遠心ブロア（４）が前記少なくとも１機のターボ過給機（１）のコンプレッサーから連続して配置されてなるターボ過給装置であって、
   前記ブロア（４）は、エンジン負荷が低減したときにはモーターによって駆動され、かつ、前記エンジンの掃気エア圧力が十分に高い、予めセットされた軽負荷レベル以上では前記エンジンによって生じるエア流によって駆動され、
   前記遠心ブロア（４）は、その吸入口（９）が前記少なくとも１器のインタークーラー（２）の排出口に接続され、かつ、その排出口（１２）が前記エンジンの掃気エアコンテナ（５）に接続された、水分離機として設計されており、
   ドレイン室（２４）は、開放可能で、かつ前記遠心ブロア（４）を経て流動する冷却された掃気エアから分離させられた凝結水を前記ドレイン室（２４）に案内するために常に開放された、少なくとも一つの導入開口（３２）を有し、
   捕捉した凝結水を前記ドレイン室の外に案内するための、少なくとも一つの排出口（３４；３５）が、前記少なくとも１機の遠心ブロア（４）のブロアハウジング（１７）の下部に設けられてなり、
   多孔板（２５）が、前記遠心ブロア（４）のドレイン室（２４）からその排出口（１２）まで、あるいは排出口（１２）に向かって延長された部分に沿って、前記少なくとも１機の遠心ブロア（４）の湾曲した外壁（２３）から少し離れて設置されており、
   前記多孔板は、外壁（２３）とともに、前記ドレイン室（２４）内に通じるドレイン路（２７）を形成しており、
   前記ドレイン路（２７）は、少なくとも一つの流動抵抗体（２８）を有するよう設計されており、
   前記ドレイン路（２７）の前記流動抵抗体は、前記ドレイン路内に挿入されたメッシュ（２８）からなることを特徴とする２ストロークディーゼルエンジンに好適なターボ過給装置。
2. 前記少なくとも１機の遠心ブロア（４）の羽根車（１８）は、主として水平な回転軸を有することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給装置。
3. 前記少なくとも１機の遠心ブロアにおけるドレイン室（２４）に凝結水を案内するための少なくとも一つの導入開口（３２）は、前記遠心ブロア（４）内の支配的な流動方向を向いた、少なくとも一つの主としてスリット形状の開口（３２）からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボ過給装置。
4. 前記ドレイン室（２４）内にはパーティション（２９）が挿入されてなるとともに、
   前記パーティション（２９）は前記ドレイン室（２４）を、
   その少なくとも一つの流動方向が前記スリット形状の開口（３２）の方向を向いた第１のセクション（３０）と、
   前記ドレイン室（２４）内に前記ドレイン路（２７）の排出口を備えた第２のセクション（３１）とに分割し、
   これら二つのセクション（３０；３１）のそれぞれは、個々のセクションの外に、捕捉された凝結水を案内するための少なくとも一つの排出口（３４；３５）を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のターボ過給装置。
5. 前記少なくとも１機の遠心ブロア（４）の吸入口（９）と、前記少なくとも１器のインタークーラーの排出口（１２）との間の接続部には、独立した水分離機が介在させられてなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のターボ過給装置。
6. 前記少なくとも１機の遠心ブロア（４）は、エンジン負荷の予め決められた低下で前記遠心ブロアを回転させ、かつ、より小さな予め決められた低下で前記遠心ブロアによって回転させられるよう設計された電気モーターに接続されてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のターボ過給装置。

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