CN105189984A - 工作气体循环型发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种发动机系统，其在将重油或天然气等含碳燃料作为使用燃料的发动机中具有优异的热效率性，其特征在于，在含氩气的工作气体在从发动机的排气部至供气部的体系内循环的工作气体循环型发动机系统(1A～1F)中，设有：以含碳燃料作为使用燃料的发动机(10)、用于将从发动机排出的燃烧气体中的水分除去的凝缩器(22)、用于将从发动机排出的一部分燃烧气体排出体系外的剩余气体排出器(24)、用于将从发动机排出的燃料气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置(25、27)和用于将体系外的空气中所含的氧气和氩气供入体系内的氧气供给装置(26、27)。

Description

工作气体循环型发动机系统
技术领域
本次公开是关于含氩气的工作气体在从发动机的排气部至供气部的体系内循环的工作气体循环型发动机系统。
背景技术
以往，含氩气(以下有时记作“Ar”)的工作气体在从发动机的排气部至供气部的体系内循环的工作气体循环型的氢气发动机系统是已知的。例如，专利文献1中，本发明人申请了关于将氩气用作工作气体的氢气发动机的发明。此外，专利文献2公开了关于将氩气用作工作气体的工作气体循环型氢气发动机的发明。
这些以往的氢气发动机系统，将替代空气的氩气和氧气(以下有时记作“O2”)供给至燃烧室，氩气作为通过氢气的燃烧所产生的热而形成的膨胀体(即工作气体)起作用。从发动机排出的氩气在体系内循环，和新供给的氧气一起再次被供入发动机。如此一来，作为工作气体，通过利用氩气替代氮气，可抑制氮氧化物(NOX)的产生。此外，氩气是单原子分子气体，比热较高，因而具有可构建热效率优异的发动机系统的优点。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第3631891号公报
[专利文献2]日本特开2006-77639号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
然而，以往以重油作为燃料的内燃机被广泛使用，但在如今的重油价格高企，天然气革命带来的天然气价格的下落中，使用天然气作为燃料的气体发动机正在吸引注意。此外例如赋予船舶推进力的船用主机发动机等，在如今的NOX的控制强化的大潮中，将液化天然气(LNG)作为燃料的气体发动机和除重油以外也可将天然气作为燃料利用的被称作所谓双燃料发动机的发动机也被实用化了。在这样的以重油和天然气作为燃料的发动机中，期待更进一步的热效率的提高。
本发明的至少一个实施方式是鉴于上述背景而做出的，其目的在于，提供在以重油和天然气等含碳燃料作为使用燃料的发动机中，热效率性优异的发动机系统。
[解决课题的装置]
本发明的至少一个实施方式的特征在于，
在含氩气的工作气体在从发动机的排气部至供气部的体系内循环的工作气体循环型发动机系统中，具备
含碳燃料作为使用燃料的发动机、
用于从上述发动机所排出的燃烧气体中除去水分的凝缩器、
用于将从上述发动机所排出的燃烧气体的一部分排出体系外的剩余气体排出器、
用于将从上述发动机所排出的燃烧气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置、和
用于将体系外的空气中所含的氧气及氩气向体系内供给的氧气供给装置。
根据上述的工作气体循环型发动机系统，在具备将体系外的空气中所含的氧气及氩气向体系内供给的氧气供给装置的同时，还具备将从发动机中排出的燃烧气体中的二氧化碳(以下有时记作“CO2”)排出体系外的二氧化碳除去装置。因此，由于能将体系内循环的气体中的氧气及氩气维持在一定浓度以上，同时将从发动机排出的二氧化碳排出体系外，所以在以燃烧时产生二氧化碳的重油和天然气等含碳燃料作为使用燃料的发动机中，可良好地使用本发动机系统，可使发动机的热效率大幅提高。
此外，将氩气作为工作气体利用的上述发动机系统，不仅在高负荷时，低负荷时也会提高热效率。这一点上，如果是通过增压机在涡轮发电机等中回收排气能量的方法，则在低负荷时无法有效地提高热效率，本系统在这一点上也具备较高优势。
此外，由于将氩气作为工作气体循环利用，除了几乎不排出废气以外，还具有发动机燃烧时几乎不产生NOX的优点。
本发明的一个实施方式中，上述二氧化碳除去装置和上述氧气供给装置分别是由另外构成的单独的装置组成，上述二氧化碳除去装置是由吸附式CO2除去装置组成的，所述吸附式CO2除去装置能够在所述发动机排出的燃烧气体的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，将燃烧气体中的二氧化碳用吸附剂吸附分离排出体系外，上述氧气供给装置是由吸附式O2供给装置构成的，所述吸附式O2供给装置能够在从体系外通入的空气的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，通过将空气中的氮气和二氧化碳用吸附剂吸附，从空气中分离氧气和氩气，将该分离出的氧气和氩气供应到体系内。
根据这样的本发明的一个实施方式，上述的二氧化碳除去装置和氧气供给装置分别由吸附式CO2除去装置和吸附式O2供给装置构成，据此，可实现热效率性优异的上述本发动机系统。
一些实施方式中，上述吸附式O2供给装置向吸附式CO2除去装置的下游侧的体系内供给氧气和氩气。
这样的实施方式，与向吸附式CO2除去装置的上游侧的体系内供给氧气和氩气的情况相比，供给至吸附式CO2除去装置的气体流量可变少，因而吸附式CO2除去装置可可相应地减小。
一些实施方式中，上述吸附式CO2除去装置配置在剩余气体排出器的下游侧，可以将除去了通过剩余气体排出器排出体系外的部分燃烧气体后的剩余燃烧气体通入。
这样的实施方式，与吸附式CO2除去装置配置在剩余气体排出器的上游侧的情况相比，向吸附式CO2除去装置供入的气体流量可减少从剩余气体排出器向体系外排出的剩余气体所对应的量，因此吸附式CO2除去装置可相应减小。
一些实施方式中，具有岔开绕过上述吸附式CO2除去装置的旁路，同时，配置控制这些旁路的气体流量的流量控制阀。
还有一些实施方式中，上述发动机的上游设有不通过吸附式O2供给装置而将体系外的空气供入体系内的供气装置。
向发动机供给气体(供给气体)的氩气浓度若升高，燃烧时的筒内压力和筒内温度升高，发动机热效率提高，但其另一面是，筒内压力和筒内温度若过高，发动机的结构面上会产生问题。因此，实际应用中向发动机供给的气体的氩气浓度需要控制在适当的范围内。
根据上述实施方式，通过调节流量控制阀的阀开度，控制向吸附式氧气制造器通入的燃烧气体的流量，或通过供气装置而不通过吸附式氧气制造器将体系外的空气供入发动机，均可控制供给气体的氩气浓度。
一些实施方式中，上述吸附式CO2除去装置和上述吸附式O2供给装置的至少任一个，在向该装置供给的供给气体的温度变动的气氛中，可从供给气体将对象成分吸附分离，同时可将从发动机排出的燃烧气体的能量，用作使供给气体的温度变动的能量。
根据这样的实施方式，通过将从发动机排出的燃烧气体的能量有效地用于改变供给气体的温度，从而可提高吸附式CO2除去装置和吸附式O2供给装置的工作效率，因而可进一步提高本发动机系统的热效率。
上述实施方式中，进一步具备增压机和中间冷却器，所述增压机具有通过从上述发动机排出的燃烧气体驱动的涡轮和与涡轮同轴配置的、压缩向发动机供给的含氧气和氩气的气体的压缩机，所述中间冷却器用于冷却由压缩机压缩的气体，上述冷却器中热交换的热介质可用作改变供给气体的温度的热源。
此外，上述实施方式中，进一步具备冷却上述发动机排出的燃烧气体的空气冷却器，在上述空气冷却器中与燃烧气体热交换的热介质，可用作改变供给气体的温度的热源。
根据这样的实施方式，可将从发动机排出的燃烧气体的能量有效地用于改变供给气体的温度，可进一步提高本发动机系统的热效率。
一些实施方式中，为将供入上述发动机的燃料气体以液化状态贮藏，进一步设有液化燃料罐，吸附式CO2除去装置及吸附式O2供给装置的至少任一方可在气体温度变动的气氛中将对象气体吸收分离，同时，液化状态的燃料气体可用作改变上述气体温度的热源。
根据这样的实施方式，将液化状态的燃料气作为使气体温度变动的热源有效利用，可进一步提高本发动机系统的热效率。
此外，本发明的其他实施方式中，上述二氧化碳除去装置和氧气供给装置由一体构成的1个吸附式CO2除去/O2供给装置组成，该吸附式CO2除去/O2供给装置在压力和温度至少任一方变动的气氛中，将体系外通入的空气中的氮气及二氧化碳用吸附剂吸附分离，向体系外排出，将剩余的含氧气和氩气的气体向体系内供给，同时，能通入从上述发动机排出的燃烧气体。
根据这样的本发明的一个实施方式，通过将上述的二氧化碳除去装置和氧气供给装置构成为1个吸附式CO2除去/O2供给装置，可通过简洁的结构实现上述的本发动机系统。
一些实施方式中，进一步设有用于开闭上述发动机的供气口的供气阀，和控制供气阀的工作时机的控制装置，控制装置通过控制供气阀在比下死点更迟些的位置闭阀，从而使压缩比较膨胀比更低。
这样的一些实施方式中，本发动机系统的发动机通过控制供气阀在比下死点更晚的位置闭阀，使压缩比较膨胀比更低，构成了所谓的米勒循环发动机。根据这样的实施方式，可使发动机的筒内压力降低，因而即使在利用氩气作为工作气体的情况下，例如使筒内压力在额定压力以下等也可以。
此时，通常的米勒循环发动机中，存在伴随着供给气体量的减少，氧气过剩率降低，发动机输出也降低的问题，但本发动机系统具备上述的氧气供给装置，可以通过该氧气供给装置调整氧气过剩率。因此，本发动机系统中，通过适当调整氧气过剩率，可回避发动机输出的降低。
一些实施方式中，进一步设有增压机，所述增压机具有用上述发动机中排出的燃烧气体驱动的涡轮，和与涡轮同轴配置，压缩供入发动机的含氧气及氩气的气体的压缩机。
根据这样的实施方式，通过用排气能量驱动压缩机压缩向发动机供给的含有氧气和氩气的气体，可使发动机系统整体的热效率进一步提高。
一些实施方式中，上述发动机是从燃烧喷射阀向燃烧室内直接喷射燃料的直喷式发动机。
这样，通过采用直喷式发动机作为本发动机系统中的发动机，可回避由于筒内压力和筒内温度的提高而导致的端口喷射式发动机的情况中所担忧的爆震或过早点火的问题。
一些实施方式中，上述发动机是使用以碳原子数1～4的烃类气体作为主成分的燃料气体的发动机，是在燃烧室中压缩上述燃料气体，使之自行点火的自点火式发动机。
作为工作气体，由于使用了氩气，筒内压力或筒内温度较高，因而即使使用例如以甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等碳原子数1～4的烃类气体作为主成分的燃料气体时也能够使其自行点火。因此，可构成不使用作为引燃燃料的燃料油或火花塞等点火源的自点火式气体发动机，可进一步提高热效率。
一些实施方式中，所述发动机构成了赋予船舶推进力的船用主机发动机。
上述发动机系统的发动机特别适合用于船用主机发动机。
[发明的效果]
根据本发明的至少一种实施方式，具备用于将体系外的空气中含有的氧气和氩气供入体系内的氧气供给装置，同时还具备用于将发动机排出的燃烧气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置，因而可提供在以重油和天然气等作为燃料的发动机中，热效率性优异的发动机系统。
附图说明
[图1]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[图2]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[图3]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[图4]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[图5]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[图6]展示本发明的一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统的概略构成的模块图。
[符号说明]
1A～1F发动机系统
10发动机
11气缸
12活塞
13供气阀
13a供气口
14排气阀
14a排气口
15燃烧室
16燃料喷射阀
17燃料供给器
18曲轴
19连杆
20气体循环路径
22凝缩器
24剩余气体排出器
25吸附式CO2除去装置(二氧化碳除去装置)
26吸附式O2供给装置(氧气供给装置)
27吸附式CO2除去装置/O2供给装置(二氧化碳除去装置/氧气供给装置)
30ECU(控制装置)
32增压机
32a涡轮
32b压缩机
32c转子
34冷凝器
35旁路
36流量控制阀
37空气冷却器
38供气装置
42液化燃料罐
44热交换器
46热介质循环路径
48第2热介质循环路径
50第3热介质循环路径
具体实施方式
以下，对照附图说明本发明的实施方式。但是，该实施方式中记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对的配置等，并非为了将本发明的范围限定于此，仅仅是说明例而已。
图1是展示一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统1A的概略构成的模块图。
发动机系统1A是含氩气的工作气体在体系内循环的循环型发动机系统，例如适用于赋予船舶推进力的船用主机发动机等。
发动机系统1A如图1所示，构成了发动机10、凝缩器22、剩余气体排出器24、吸附式CO2除去装置25、吸附式氧气供给装置26、控制装置30及发动机10的排气部至供气部的体系，同时具备将这些装置环状连接的气体循环路径20等。
发动机10由气缸11和气缸11的内部收容的自由滑动的火花塞12、用于开闭供气口13a的供气阀13、用于开闭排气口14a的排气阀14、用于向燃烧室15喷射燃料的燃料喷射阀16、用于向燃料喷射阀供给燃料的燃料供给器17、曲轴18、连接活塞12和曲轴18的连杆19等构成。
排气口13a与气体循环路径20连接。并且，通过开闭供气阀13，将在气体循环路径20中循环的氩气及氧气作为供给气体，从供气口13a供给至燃烧室15。向燃烧室15供给的供给气体伴随着活塞12的上升在燃烧室15内被压缩，据此，燃烧室15内的筒内温度及筒内压力升高。进一步地，活塞12若到达上死点附近，燃料直接被从燃料喷射阀16喷射至燃烧室15。喷射的燃料在高温氛围下自点火，在燃烧室15内爆发。进一步地，通过爆发所伴随的膨胀，氩气(工作气体)将火花塞12压下，据此通过连杆10使曲轴18旋转。爆发后的燃烧气体通过排气阀14的开阀，排出至与排气口14a相连的气体循环路径20。
作为燃料，可以使用含碳燃料，即氢气以外的燃料，例如天然气或石油气体等燃料气体、重油或轻油等燃料油。天然气或石油气体等燃料气体以甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等碳原子数1～4的烃类气体为主成分，通常按液化状态贮藏。
凝缩器22是用于将从发动机10排出的燃烧气体中的水分凝缩除去的装置，设置于发动机10的下游侧。用凝缩器22凝缩的水分被除去至体系外。
剩余气体排出器24是用于将从凝缩器22送出的燃烧气体的一部分排出体系外，将剩余的燃烧气体送至下游的装置。由于后述的吸附式氧气供给装置26会将氧气和空气中含有的氩气等供给至体系内，故该装置将其供给的气体量的增量相对应的量预先作为剩余气体排出体系外。从剩余气体排出器24排出的剩余气体的量为燃烧气体量整体的约1％左右。
吸附式二氧化碳除去装置25是用于将发动机10排出的燃烧气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置，是根据所谓PSA(变压吸附)法等方法除去空气中的二氧化碳的装置。该吸附式二氧化碳除去装置25配置于气体环状路径20的剩余气体排出器24的下游侧，除了从剩余气体排出器24排出体系外的部分燃烧气体以外的剩余的燃烧气体被供入。
吸附式氧气供给装置26是用于将体系外空气内所含的氧气及氩气供入体系内的氧气供给装置，与上述吸附式二氧化碳除去装置25相同，是用PSA法等方法从体系外的空气中将氧气和氩气吸附分离，将这样分离出的氧气及氩气向体系内供给的装置。该吸附式O2供给装置26可以通入体系外的空气，将氧气及氩气供入吸附式CO2除去装置25的下游侧的体系内。此外，在气体环状路径20中流动的燃烧气体不会流入该吸附式O2供给装置26中。
这些吸附式二氧化碳除去装置25及吸附式氧气供给装置26，各自设有填充有吸附剂的吸附槽。
对于吸附式二氧化碳除去装置25的情况，从发动机10排出的燃烧气体被送入上述吸附槽。然后，通过使吸附槽内的燃烧气体的压力变动，将燃烧气体中的二氧化碳在吸附剂上吸附分离。
此外，对于吸附式氧气供给装置26的情况，体系外供入的空气被送入上述吸附槽。然后，通过使吸附槽内的燃烧气体的压力变动，使空气中的氮气及二氧化碳吸附在吸附剂上，从空气中将氧气和氩气分离。
此外，这些吸附式二氧化碳除去装置25和吸附式氧气供给装置26并不限定于根据PSA法的装置，即通过使吸附槽内的压力变动，将对象气体吸附分离的方法，根据通过使吸附槽内的温度变动将对象气体吸附分离的TSA(变温吸附)法，或根据通过使吸附槽内的温度和压力变动将对象气体吸附分离的PTSA(变温变压吸附法)等的装置也可以。
作为这些吸附式二氧化碳除去装置25和吸附式氧气供给装置26，可利用公知的根据PSA法、TSA法、PTSA法的装置。
控制装置30由发动机控制单元等的计算机构成，由CPU(中央演算处理装置)、内存、输入输出装置等构成。进一步地，可以通过送出关于阀门开闭时机的工作信号，控制上述发动机10的供气阀13及排气阀14的工作时机。
根据如此构成的本发明的至少一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统1A，如上所述，设有用于将体系外的空气中所含的氧气及氩气供入体系内的氧气供给装置26(氧气供给装置)，同时，设有用于将从发动机10排出的燃烧气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置25(二氧化碳除去装置)。因此，由于能将体系内循环的气体中的氧气及氩气维持在一定浓度以上，同时将从发动机10排出的二氧化碳排出体系外，因此在燃烧时产生二氧化碳的以重油和天然气等含碳燃料作为使用燃料的发动机10中，可良好地使用本发动机系统1A，可使发动机10的热效率大幅提高。
此外，根据利用氩气作为工作气体的上述发动机系统1A，不仅在高负荷时，低负荷时也会提高热效率。这一点上，通过增压机用涡轮发电机等回收排气能量的方法在低负荷时无法有效地提高热效率，而本系统1A在这一点上也具备较高优势。
此外，由于利用氩气作为工作气体循环，除了几乎不排出废气以外，还具有发动机10燃烧时几乎不产生NOX的优点。
此外，通过采用作为二氧化碳除去装置的吸附式二氧化碳除去装置25，可以伴随二氧化碳将氮气也一起分离。据此，可提高体系内循环的氩气的浓度，进一步提高本发动机1A的热效率。
本发明的一个实施方式中，如上所述，二氧化碳除去装置及氧气供给装置分别由单独构成的独立装置组成。即，上述二氧化碳除去装置是由吸附式CO2除去装置25组成的，所述吸附式CO2除去装置25能够在所述发动机10排出的燃烧气体的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，将燃烧气体中的二氧化碳用吸附剂吸附分离排出体系外，上述氧气供给装置是由吸附式O2供给装置26构成的，所述吸附式O2供给装置26能够在从体系外通入的空气的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，通过将空气中的氧气和氩气用吸附剂吸附分离，供应到体系内。
根据这样的本发明的一个实施方式，上述的二氧化碳除去装置和氧气供给装置分别由吸附式CO2除去装置25和吸附式O2供给装置26构成，据此，可实现热效率性优异的上述本发动机系统1A。
一些实施方式中，如上所述，吸附式O2供给装置26可向吸附式CO2除去装置的下游侧的体系内供给氧气和氩气。
根据这样的实施方式，与向吸附式CO2除去装置25的上游侧的体系内供给氧气和氩气的情况相比，供给至吸附式CO2除去装置25的气体流量可变少，因而吸附式CO2除去装置可相应地变小。
一些实施方式中，上述吸附式CO2除去装置25配置在剩余气体排出器24的下游侧，可供入除了通过剩余气体排出器24排出体系外的部分燃烧气体以外的剩余的燃烧气体。
根据这样的实施方式，与CO2除去装置25配置在剩余气体排出器24的上游侧的情况相比，向吸附式CO2除去装置供入25的气体流量可减少从剩余气体排出器24向体系外排出的剩余气体所对应的量，因此吸附式CO2除去装置25可相应变小。
一些实施方式中，具有岔开绕过上述吸附式CO2除去装置的旁路，同时，配置控制这些旁路的气体流量的流量控制阀。
还有一些实施方式中，上述发动机的上游设有不通过吸附式O2供给装置将体系外的空气供入体系内的供气装置。
一些实施方式中，如图1所示，发动机系统1A上进一步设有由涡轮32、与涡轮32在同轴上配置的压缩机32b、及连接涡轮32和压缩机32b的转子32c组成的增压机32。
涡轮32a配置于发动机10的下游，压缩机32b配置于从吸附式氧气供给装置26向体系内供给氧气和氩气的地点的下游侧。用从发动机10排出的燃烧气体驱动涡轮32a时，压缩机32b随之同轴驱动。然后，用压缩机32b压缩从吸附式氧气供给装置26供给至体系内的含氧气和氩气的气体，将其作为供给气体供给至发动机10。此外，压缩机32b的下游配置有用于冷却供给至发动机10的供给气体的中间冷却器34。
如此一来，如果本发动机系统1A具备增压机32，就可以通过用排气能量驱动压缩机32b压缩向发动机供给的含有氧气和氩气的气体，使发动机系统1A整体的热效率进一步提高。
一些实施方式中，如上所述，进一步设有用于开闭发动机10的供气口13a的供气阀，和控制供气阀的工作时机的控制装置30。并且，该控制装置30通过控制供气阀13在比下死点更迟的位置开闭，使压缩比较膨胀比更低。
如此一来，本发动机系统1A的发动机10通过控制供气阀在比下死点更晚的位置闭阀，使压缩比较膨胀比更低，构成了所谓的米勒循环发动机。根据这样的实施方式，可使发动机10的筒内压力降低，因而即使在利用氩气作为工作气体的情况下，也可以使例如筒内压力在额定压力以下等。
此时，通常的米勒循环发动机中，存在伴随着供给气体量的减少，氧气过剩率降低，发动机输出也降低的问题，但本发动机系统1A具备上述的吸附式O2供给装置(氧气供给装置)，根据该吸附式O2供给装置可调整氧气过剩率。因此，本发动机系统1A中，通过适当调整氧气过剩率，可回避发动机输出的降低。
图2是展示一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统1A的概略构成的模块图。
该图2中所示的发动机系统1B，相对于上述发动机系统1A不同的是，在剩余气体排出器24的下游侧，岔出了绕过吸附式CO2除去装置25的旁路35，同时配置有用于控制该旁路35中流动的气体流量的流量控制阀36，并且发动机10的上游设有不通过吸附式O2供给装置26将体系外的空气供至发动机10的供气装置38。
此处，供气装置38的设置位置，只要是不通过吸附式氧气制造器26就能将体系外的空气供给至发动机10的位置即可，没有特别的限定，但气体循环路径20内的压力较低时有利于空气供给，因此优选在压缩机32b的上游侧。
此外，在吸附式CO2除去装置25的下游侧时，可以减少向吸附式CO2除去装置25供给的气体流路，因而是优选的。
向发动机10供给的气体(供给气体)的氩气浓度若升高，燃烧时的筒内压力和筒内温度升高，发动机10的热效率提高，但其另一面是，筒内压力和筒内温度若过高，发动机的结构面上会产生问题。因此，实际应用中向发动机10供给的气体的氩气浓度需要控制在适当的范围内。
针对这样的课题，对于上述发动机系统1B来说，通过调节流量控制阀36的阀开度，控制向吸附式CO2除去装置25通入的燃烧气体的流量，或通过供气装置38而不通过吸附式O2供给装置26将体系外的空气供入发动机10，均可控制供给气体的氩气浓度。
图3是展示一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统1C的概略构成的模块图。
该图3所示的发动机系统1C，上述的吸附式CO2除去装置25及吸附式O2供给装置26的至少任一方，是基于在向该装置供给的供给气体的温度变动的气氛下，将对象成分从供给气体吸附分离的TSA法或PTSA法的装置。此外，本发动机系统1C，相对于上述的发动机系统1A不同的点在于进一步设有用于将天然气等燃料气体以液化状态贮藏的液化燃料罐42、通过将液化状态的燃料气体与热介质热交换而使其气化的热交换器44和用于使热介质在热交换器44与吸附式CO2除去装置25之间循环的热介质循环路径46。
进一步地，将在热交换器44中经过热交换而冷却后的热介质供至吸附式CO2除去装置25的话，则被供至吸附式CO2除去装置25的供给气体(从剩余气体排出器24供给的燃烧气体)被冷却。即，本热交换系统1C可以将液化状态的燃料用作使供至吸附式CO2除去装置25的供给气体的温度变动的冷却热源。通过这样的构成，可提高吸附式CO2除去装置25的工作效率，因而可进一步提高本发动机系统1C的热效率。
此外，本发动机系统1C相对于上述的发动机系统1A，不同的点在于，进一步设有用于使热介质在中间冷却器34和吸附式O2供给装置26之间循环的第二热介质循环路38。
中间冷却器34中，通过压缩机32b压缩的高温供给气体和冷却水等热介质进行热交换。进一步地，通过热交换加热的热介质被供给至吸附式O2供给装置26，据此，供入吸附式O2供给装置26的供给气体(体系外的空气)被加热。即，本热交换系统1C将发动机10排出的燃烧气体的能量用作使供给至吸附式O2供给装置26的供给气体的温度变动的能量。
此外，本发动机系统1C，相对于上述发动机系统1A，不同之处在于，进一步设有在涡轮32a和凝缩器22之间用于冷却从发动机10排出的燃烧气体的空气冷却器37，和在空气冷却器37与CO2除去装置25之间使热介质循环的第3热介质循环路径50。
空气冷却器37中，从发动机10排出的燃烧气体和冷却水等热介质进行热交换。然后，通过热交换加热的热介质被供至CO2除去装置25，据此，供至吸附式CO2除去装置25的供给气体(从剩余气体排出器24供给的燃烧气体)被加热。
这样的本实施方式的本发动机系统1C中，通过将发动机10排出的燃烧气体的能量用作改变供入吸附式O2供给装置26的供给气体的温度的能量，可提高吸附式O2供给装置26的工作效率，因而可进一步提高本发动机系统1C的热效率。
此外，上述液化状态的燃料气体及燃烧气体的能量的利用方式，不限于图3所示那样的方式，自然还可以各种变更。此外，例如，还可以将凝缩器22中通过热介质回收的燃烧气体的热能，供入吸附式CO2除去装置25或吸附式O2供给装置26。
此外，本发明其他的实施方式中，如图4～图6所示，上述二氧化碳除去装置及氧气供给装置是由一体构成的一个吸附式CO2除去/O2供给装置27组成的。该吸附式CO2除去/O2供给装置27，在压力和温度的至少任一方变动的气氛中，将从体系外通入的空气中的氮气和二氧化碳用吸附剂吸附分离排出体系外，将剩余的含氧气和氩气的气体供入体系内。此外，该吸附式CO2除去/O2供给装置27配置在气体循环路径20的剩余气体排出器24的下游侧，可以将上述发动机10排出的燃烧气体通入。
此外，图4和上述实施方式的图1，图5和上述实施方式的图2，图6和上述实施方式的图3是分别对应的。
根据这样的本发明的其他实施方式，通过将上述的二氧化碳除去装置和氧气供给装置构成为1个吸附式CO2除去/O2供给装置27，可通过简洁的结构实现本发动机系统1D～1F。
此外，一些实施方式中，发动机10构成了从燃烧喷射阀16向燃烧室15内直接喷射燃料的直喷式发动机。
如此一来，通过采用直喷式发动机作为本发动机系统1A～1F中的发动机10，可回避预混合方式的发动机的情况中所担心的爆震或过早点火的问题。
此外，一些实施方式中，发动机10是使用以碳原子数1～4的烃类气体作为主成分的燃料气体的气体发动机10，是可在燃烧室15中压缩燃料气体，使其自行点火的自点火式发动机。
如上所述，通过利用氩气作为工作气体，提高了筒内压力或筒内温度，因而即使使用例如以甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等碳原子数1～4的烃类作为主成分的燃料气体时也能够使其自行点火。因此，可构成不使用作为引燃燃料的燃料油或火花塞等点火源的自点火式气体发动机，热效率可进一步提高。
以上，关于本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明不限于此，不用说在不脱离本发明的宗旨的范围内，也可进行各种改良和变形。
[产业上的可利用性]
本发明的至少一个实施方式中的工作气体循环型发动机系统可适用于各种发动机系统，例如，赋予船舶推进力的船用主机发动机的发动机系统。

Claims (15)

1.一种工作气体循环型发动机系统，其特征在于，含氩气的工作气体在从发动机的排气部至供气部的体系内循环，所述工作气体循环型发动机系统中，具备
以含碳燃料作为使用燃料的发动机、
用于从所述发动机所排出的燃烧气体中除去水分的冷凝器、
用于将从所述发动机所排出的燃烧气体的一部分排出体系外的剩余气体排出器、
用于将从所述发动机所排出的燃烧气体中的二氧化碳排出体系外的二氧化碳除去装置、和
用于将体系外的空气中所含的氧气及氩气向体系内供给的氧气供给装置。
2.根据权利要求1所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，
所述二氧化碳除去装置及所述氧气供给装置分别由单独构成的独立装置组成，
所述二氧化碳除去装置是由吸附式CO2除去装置组成的，所述吸附式CO2除去装置能够在所述发动机排出的燃烧气体的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，将所述燃烧气体中的二氧化碳用吸附剂吸附分离而排出体系外，
所述氧气供给装置是由吸附式O2供给装置构成的，所述吸附式O2供给装置能够在从体系外通入的空气的压力和温度的至少任一方变动的气氛中，通过将所述空气中的氮气和二氧化碳用吸附剂吸附，从空气中分离氧气和氩气，将该分离出的氧气和氩气供应到体系内。
3.根据权利要求2所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述吸附式O2供给装置可向所述CO2除去装置的下游侧的体系内供给氧气和氮气。
4.根据权利要求2或3所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述吸附式CO2除去装置配置于所述剩余气体排出器的下游侧，能够将除了被所述剩余气体排出器排出体系外的部分燃烧气体之外的剩余燃烧气体通入。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，具有岔开绕过所述吸附式CO2除去装置的旁路，并且配置有用于控制该旁路中流动的气体流量的流量控制阀。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，在所述发动机的上游，设有不通过所述吸附式O2供给装置而将体系外的空气供应给体系内的供气装置。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述吸附式CO2除去装置和所述吸附式O2供给装置的至少任一方，是为了在向该装置供给的供给气体的温度变动的气氛中，从所述供给气体中将对象成分吸附分离而构成的，同时，能够将从所述发动机排出的燃烧气体的能量，用作使所述供给气体的温度变动的能量。
8.根据权利要求7所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，进一步设有用于冷却从所述发动机排出的燃烧气体的空气冷却器，
在所述空气冷却器中，能够将与所述燃烧气体热交换后的热介质用作使所述供给气体的温度变动的热源。
9.根据权利要求2～8中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，进一步设有用于将供应给所述发动机的燃料气体以液化状态贮藏的液化燃料罐，
所述吸附式CO2除去装置及所述吸附式O2供给装置的至少任一方，是为了在向该装置供给的供给气体的温度变动的气氛下，从所述供给气体将对象成分吸附分离而构成的，同时，能够将所述液化状态燃料气体用作使所述供给气体的温度变动的热源。
10.根据权利要求1所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述二氧化碳除去装置及所述氧气供给装置由一体化结构的1个吸附式CO2除去/O2供给装置组成，
该吸附式CO2除去/O2供给装置，在压力和温度的至少任一方变动的气氛中，将从体系外通入的空气中的氮气和二氧化碳用吸附剂吸附分离排出体系外，将剩余的含氧气和氩气的气体供入体系内，同时，能够将从所述发动机排出的燃烧气体通入。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，进一步设有用于开闭所述发动机的供气口的供气阀，和控制所述供气阀的工作时机的控制装置，
所述控制装置是为了通过控制所述供气阀在比下死点更晚的位置关闭，使压缩比较膨胀比降低而构成的。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，进一步设有增压机，所述增压机具有用所述发动机所排出的燃烧气体驱动的涡轮，和与所述涡轮同轴配置的，将供入所述发动机的含氧气及氩气的气体压缩的压缩机。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述发动机是从燃料喷射阀向燃烧室内直接喷射燃料的直喷式发动机。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述发动机是使用以碳原子数1～4的烃类气体作为主成分的燃料气体的气体发动机，是在燃烧室中压缩所述燃料气体，使之自行点火的自点火式气体发动机。
15.根据权利要求1～14中的任一项所述的工作气体循环型发动机系统，其特征在于，所述发动机构成赋予船舶推进力的船用主机发动机。
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