JP2001090528A

JP2001090528A - 分散型エネルギー発生装置及びターボチャージャー付エンジン

Info

Publication number: JP2001090528A
Application number: JP27179699A
Authority: JP
Inventors: Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内; Osamu Yokomizo; 修横溝; Shigeo Hatamiya; 重雄幡宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の課題は、エンジンとタービンを組み合
わせて発電する分散型エネルギー発生装置において、コ
ンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増湿することによ
り、エンジンの正味出力及びタービンの正味出力を増加
し、発電出力を増加することである。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の分散
型エネルギー発生装置は、エンジン１と、前記エンジン
に連結された第一の発電機２と、前記エンジンの排気に
より駆動するタービン７と、前記タービンに連結され前
記エンジンの吸気を圧縮するコンプレッサ６と、前記タ
ービンに連結された第二の発電機８と、前記コンプレッ
サで圧縮された圧縮吸気に水又は蒸気を加える増湿器１
０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンとタービ
ンとを組み合わせて発電する分散型エネルギー発生装
置、及び自動車，航空機，船舶等に搭載されるターボチ
ャージャー付エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】レシプロエンジンの燃焼排気の熱エネル
ギーを利用して吸気を圧縮するとともに、出力及びサイ
クル効率の向上を図る複合サイクル機関に関しては、例
えば（社）日本機械学会編の機械工学便覧第７版Ｂ−９
４頁に開示されている。また、自動車用の複合サイクル
に関しては、特開平5−33668号公報等に開示されてい
る。これらには、内燃機関の吸気側にコンプレッサを設
けるとともに、その回転動力源として内燃機関の燃焼排
気を用いた過給タービンを設けて過給し、さらにそのタ
ービンの排気側に膨張タービンや廃熱回収ボイラ及び蒸
気タービンなどを組み合わせることによって、熱回収す
るサイクル構成が開示されている。

【０００３】また、コンプレッサの入口側の負圧により
水を吸引して霧状とし、この霧状の水と圧縮空気とを混
合して冷却ダクト内に吐出する内燃機関の廃棄エネルギ
回収装置が、特開昭57−135216号公報に記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記（社）日本機械学
会編の機械工学便覧第７版や特開平5−33668号公報に記
載のように、過給タービンと膨張タービンを組み合わせ
た場合、システム構成は比較的単純にできるが、回収で
きるエネルギーは少ない。また、廃熱回収ボイラ及び蒸
気タービンを組み合わせた場合、回収エネルギーは大き
くなるが、システム構成が複雑で規模も大きくなる欠点
がある。さらに、内燃機関の排気浄化についても排気管
に脱硫・脱硝装置を付加する必要があるなど、性能及び
経済性に問題がある。

【０００５】また、特開昭57−135216号公報に記載の内
燃機関の廃棄エネルギー回収装置では、機器構成が比較
的簡単で、吸気冷却と出力増加は期待できるが、圧縮動
力が増加するために効率改善効果が少ない。また、圧縮
前に水を吸引するため、内燃機関に到達する吸気の相対
湿度を十分に高くすることができない。

【０００６】本発明の第１の目的は、コンプレッサで圧
縮された圧縮吸気を増湿することにより、エンジンの正
味出力及びタービンの正味出力を増加し、発電出力を増
加した分散型エネルギー発生装置を提供することにあ
る。

【０００７】本発明の第２の目的は、コンプレッサで圧
縮された圧縮吸気を増湿することにより、エンジンの正
味出力及びタービンの正味出力を増加し、駆動力を増加
したターボチャージャー付エンジンを提供することにあ
る。

【０００８】本発明の第３の目的は、コンプレッサで圧
縮された圧縮吸気を増湿することにより、排気中のＮＯ
ｘを低減した分散型エネルギー発生装置及びターボチャ
ージャー付エンジンを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的及び第３
の目的を達成するために、本発明の分散型エネルギー発
生装置は、エンジンと、前記エンジンに連結された第一
の発電機と、前記エンジンの排気により駆動するタービ
ンと、前記タービンに連結され前記エンジンの吸気を圧
縮するコンプレッサと、前記タービンに連結された第二
の発電機と、前記コンプレッサで圧縮された圧縮吸気に
水又は蒸気を加える増湿器を備える。

【００１０】そして、好ましくは、前記コンプレッサで
圧縮された圧縮吸気と前記増湿器へ供給する水又は蒸気
とを熱交換するインタークーラを備える。

【００１１】また、好ましくは、前記タービンの排気と
前記増湿器へ供給する水又は蒸気とを熱交換する熱交換
器を備える。

【００１２】また、好ましくは、前記タービンの排気中
の水分を回収する水回収器を備え、前記水回収器で回収
された水を前記増湿器へ供給する。

【００１３】また、好ましくは、前記増湿器は、前記圧
縮吸気に水又は蒸気を加えた余りの余剰水を、前記圧縮
吸気に加える水又は蒸気として循環させる。

【００１４】又は、上記第１の目的及び第３の目的を達
成するために、本発明の分散型エネルギー発生装置は、
エンジンと、前記エンジンに連結された第一の発電機
と、前記エンジンの排気により駆動するタービンと、前
記タービンに連結され前記エンジンの吸気を圧縮するコ
ンプレッサと、前記タービンに連結された第二の発電機
と、前記コンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増湿する
増湿器を備える。

【００１５】そして、好ましくは、前記増湿器は、前記
圧縮吸気を相対湿度９０％〜１００％に増湿する。

【００１６】又は、上記第２の目的及び第３の目的を達
成するために、本発明のターボチャージャー付エンジン
は、エンジン部と、前記エンジン部の排気により駆動す
るタービンと、前記タービンに連結され前記エンジン部
の吸気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサで
圧縮された圧縮吸気に水又は蒸気を加える増湿器を備え
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施例を
図を用いて詳細に説明する。

【００１８】図１に、本発明の分散型エネルギー発生装
置の第１の実施例の機械系統図を示す。図１中、１はエ
ンジン（レシプロエンジン，ロータリーエンジン等）、
２及び８は機械エネルギーを電気エネルギーに変換して
発電する発電機、３はエンジン１の冷却媒体を放熱（冷
却）するラジエター、４は吸気が流通する吸気ポート、
５は排気が流通する排気ポート、６はエンジン１の吸気
を圧縮するコンプレッサ、７は排気により駆動するター
ビン、９はコンプレッサ６で圧縮された圧縮吸気と増湿
器へ供給する水又は蒸気とを熱交換するインタークー
ラ、１０はコンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増湿す
る増湿器、１１はタービン７の排気と増湿器１０へ供給
する水又は蒸気とを熱交換する熱交換器、１２は補給水
を貯蔵する補給水装置、１３及び１４は圧縮吸気に水又
は蒸気を加えて得た残りの余剰水を昇圧する循環水ポン
プ、１５は補給水を昇圧する補給水ポンプ、１６はコン
プレッサ６に吸引される吸気が流通する吸気系統、１７
はコンプレッサ６で圧縮された圧縮吸気が流通する吸気
系統、１８は増湿器１０で増湿された増湿吸気が流通す
る吸気系統、１９はエンジン１の排気が流通する排気系
統、２０はタービン７の排気が流通する排気系統、２１
は循環水ポンプ１４で昇圧された循環水が流通する循環
水系統、２２は循環水ポンプ１３で昇圧された循環水が
流通する循環水系統、２３はインタークーラ９で熱交換
された循環水又はインタークーラ９で熱交換して得た蒸
気が流通する循環水系統を示す。

【００１９】エンジン１の吸気側入口にコンプレッサ６
を設け、吸気を圧縮（２気圧〜１０気圧程度）するとと
もに、エンジン１の排気を利用してコンプレッサ６の回
転動力を発生するタービン７を設けた、いわゆるターボ
チャージャー付エンジンを発展させた分散型エネルギー
発生装置である。ターボチャージャー付エンジンとは、
自動車，航空機，船舶等に搭載されて駆動力を発生する
ものであって、ターボチャージャーによりエンジン部の
吸気を過給したものであり、分散型エネルギー発生装置
とは、エンジンとタービンとのそれぞれに発電機を備
え、電力を発生するものである。

【００２０】エンジン１は、ガソリン，軽油，アルコー
ル，水素又はＬＰＧ等を燃料とする。また、エンジン１
は、４サイクルでも２サイクルでもよい。エンジン１
は、燃焼により高温となるため、エンジン１の外壁部
（例えば、ヘッダ部等）が冷却媒体（水や不凍液等）に
より冷却される。そして、ラジエター３において、エン
ジン１で高温になった冷却媒体を間接熱交換により冷却
（放熱）する。エンジン１の軸には、発電機２が連結さ
れ、エンジン１の駆動により電力を発生する。また、エ
ンジン１の軸には、ファンが連結され、ファンを駆動す
ることによりラジエター３に通風する。エンジン１の吸
気ポート４とコンプレッサ６と吐出側とが、吸気系統１
７及び吸気系統１８を介して連通する。エンジン１の排
気ポート５とタービン７の入口側とが、排気系統１９を
介して連通する。コンプレッサ６とタービン７とが連結
される。コンプレッサ６とタービン７とは、一体形に形
成されてもよいし、軸を介して連結されていてもよい。
そして、タービン７の軸には発電機８が連結され、ター
ビン７の駆動により、電力を発生する。発電機２及び発
電機８は、送電系統（図示なし）に接続される。

【００２１】コンプレッサ６の吐出側とエンジン１の吸
気ポート４との間の吸気系統に、圧縮吸気を増湿する増
湿器１０を設置する。一方、エンジン１の排気ポート５
とタービン７の入口側とが、排気系統１９を介して連通
する。タービン７の吐出側に、排気系統２０が連通す
る。そして、排気系統２０に、熱交換器１１を設置す
る。増湿器１０は、圧縮空気をほぼ飽和状態にするもの
で、熱交換器１１で加熱された循環水を、増湿器１０の
上部位置（下流側位置）から散布又は噴霧するよう構成
する。また、増湿器１０で余った余剰水を分岐して、イ
ンタークーラ９に導き、コンプレッサ６から吐出された
高温の圧縮吸気を冷却することによって昇温され、循環
水となって増湿器１０に供給される。循環水系統２２と
補給水系統２４が連通し、補給水装置１２からの補給水
もインタークーラ９へ供給され、増湿器１０で蒸発する
水量を補給するよう構成する。なお、循環水系統２２の
循環水，循環水系統２１の循環水は、それぞれポンプ１
３，１４で昇圧され，また補給水はポンプ１５で昇圧さ
れる。尚、本実施例では、圧力制御弁や流量調節弁は省
略しているが、熱交換器１１に供給される循環水と、イ
ンタークーラ９で昇温した循環水の流量配分を制御する
ことによって、増湿器１０の内部での圧縮吸気と増湿量
を最適に制御する。

【００２２】このようなシステム構成において、外気か
らの吸気は、吸気系統１６を流通し、コンプレッサ６に
吸引され、コンプレッサ６において圧縮される。この圧
縮に伴い、吸気の温度が上昇する。コンプレッサ６で圧
縮されて得た圧縮吸気は、吸気系統１７を流通し、イン
タークーラ９に流入する。インタークーラ９において、
圧縮吸気と増湿器１０の循環水とが間接的に熱交換し、
圧縮吸気が冷却され、循環水が加熱される。インターク
ーラ９で減温された圧縮吸気は、増湿器１０に流入す
る。増湿器１０において、圧縮吸気を増湿する。即ち、
増湿器１０において、圧縮吸気に水又は蒸気を加えて、
増湿する。そして、増湿器１０で増湿された吸気は、吸
気系統１８を流通し、吸気ポート４からエンジン１内へ
流入する。レシプロエンジンの場合、エンジン１におい
て、ピストンにより吸気が再度圧縮され、燃料を噴射
後、点火されて燃焼し膨張して、ピストンを駆動し、ピ
ストンに連結された軸を駆動する（回転数：０rpm〜７
０００rpm程度）。又は、ロータリーエンジンの場合
は、エンジン１において、燃料を噴射後、点火されて燃
焼し膨張して、ロータを回転し、ロータに連結された軸
を駆動する。そして、その軸に連結された発電機２によ
り、機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を
発生する。エンジン１の排気は、排気ポート５から吐出
し、排気系統１９を流通し、タービン７へ流入する。タ
ービン７において、排気が膨張し、その膨張エネルギー
を回転エネルギーとして回収する。タービン７には、コ
ンプレッサ６が連結されて、タービン７の回転によりコ
ンプレッサ６を回転させる。一方、タービン７には、発
電機８が連結されて、機械エネルギーを電気エネルギー
に変換して電力を発生する。タービン７の排気は、排気
系統２０を流通し、熱交換器１１に流入する。熱交換器
１１において、タービン７の排気と増湿器１０の循環水
とが間接的に熱交換し、タービン７の排気が冷却され、
増湿器１０の循環水が加熱される。即ち、熱交換器１１
において、増湿器１０の循環水を媒体として、タービン
７の排気の熱エネルギーを回収する。

【００２３】増湿器１０で圧縮吸気に水を散布又は噴霧
して、余った余剰水の全部又は一部は、循環水系統２２
を流通し、ポンプ１３で昇圧された後、インタークーラ
９へ供給される。インタークーラ９で加熱された循環水
は、再度増湿器１０に供給されて、循環する。また、増
湿器１０で圧縮吸気に水を散布又は噴霧して、余った余
剰水の全部又は一部は、循環水系統２１を流通し、ポン
プ１４で昇圧された後、熱交換器１１に供給される。熱
交換器１１で加熱された循環水は、再度増湿器１０に供
給されて、循環する。また、補給水装置１２で貯蓄され
た補給水を、ポンプ１５で昇圧した後、循環水に合流さ
せる。

【００２４】増湿器１０で圧縮吸気に水を散布又は噴霧
して、余った余剰水の全部又は一部を用いて、エンジン
１を冷却してもよい。即ち、余剰水の全部又は一部をエ
ンジン１の外壁部に供給する。この場合、増湿器１０か
ら直接にエンジン１へ供給してもよいし、インタークー
ラ９又は熱交換器１１を経由して、エンジン１へ供給し
てもよい。また、ラジエター３を併存させてもよいし、
ラジエター３を設けなくてもよい。

【００２５】そして、エンジン１を冷却することによっ
て加熱された冷却水を用いて、圧縮吸気を増湿してもよ
い。即ち、エンジン１を冷却することによって加熱され
た冷却水を、増湿器１０へ供給し、圧縮吸気に散布又は
噴霧する。この場合、エンジン１から直接に増湿器１０
へ供給してもよいし、インタークーラ９又は熱交換器１
１を経由して、エンジン１へ供給してもよい。増湿器１
０の循環水を媒体として、エンジン１の熱エネルギーを
システム内に回収することにより、システムの熱効率を
改善できる。

【００２６】次に、増湿器１０の構造を、図１３〜図１
５を用いて説明する。

【００２７】図１３に、本発明の増湿器の第１の実施例
の断面図を示す。図１３中、５０はほぼ垂直方向に形成
されて圧縮吸気が流通する流路、５１は圧縮吸気中に水
を散布又は噴霧するノズル、５２は圧縮吸気と水との混
合を促進する混合促進媒体を示す。

【００２８】増湿器１０の下部位置（即ち、流路５０の
上流側位置）が吸気系統１７に連通し、増湿器１０の上
部位置（即ち、流路５０の下流側位置）が吸気系統１８
に連通する。流路５０中に、ノズル５１、及びそのノズ
ル５１の下部位置（即ち、上流側）に混合促進媒体を設
置する。ノズル５１に、循環水系統２１及び循環水系統
２３が連通する。ポンプ１３又はポンプ１４は、循環水
の圧力を、圧縮吸気の圧力よりもやや高い圧力にまで上
げればよい。そして、吸気系統１７から流入した圧縮吸
気が、流路５０内をほぼ垂直上方向に流通する。一方、
ノズル５１から水が散布又は噴霧される。即ち、流路５
０内をほぼ垂直上方向に流通する圧縮吸気とノズル５１
から散布又は噴霧された水とが、対向流に混合され、直
接接触による熱及び物質移動により、圧縮空気の湿分が
増加する。増湿器１０において、圧縮吸気の相対湿度を
ほぼ１００％（９０％〜１００％）とし、圧縮吸気をほ
ぼ飽和蒸気状態とする。そして、散布又は噴霧された水
の余り（余剰水）は、流路５０の下部から吐出し、循環
系統２１、又は循環系統２２及び循環系統２３を経由し
て、ノズル５１に供給され、循環する。尚、増湿器１０
では、圧縮吸気が冷却されるため、増湿器１０はインタ
ークーラの機能も果たす。

【００２９】図１４に、本発明の増湿器の第２の実施例
の断面図を示す。図１４中、５３は、圧縮吸気中に蒸気
を噴射するノズル、５４は圧縮吸気が流通する流路を示
す。ノズル５３は、圧縮吸気の流れに対向して蒸気が噴
射されるように形成する。そして、増湿器１０内の流路
５４中を流通する圧縮吸気とノズル５３から噴射された
蒸気とが、対向流に混合され、直接接触による熱及び物
質移動により、圧縮空気の湿分が増加する。尚、循環水
系統２１及び循環水系統２３から供給される循環水は、
インタークーラ９又は熱交換器１１において、蒸気状態
になるまで加熱される。ノズル５３が噴射される蒸気
は、飽和蒸気であることが好ましい。増湿器の第２の実
施例は、上記増湿器の第１の実施例ほど、圧縮吸気の相
対湿度を増加させることができないが、上記増湿器の第
１の実施例に比較して、増湿器の構造を簡素化できる。

【００３０】図１５に、本発明の増湿器の第３の実施例
の断面図を示す。図１５中、５５は圧縮吸気中に高圧水
を噴射するノズル、５６は圧縮吸気が流通する流路、５
７は飽和蒸気が流通する流路を示す。

【００３１】増湿器１０は、ノズル５５と流路５６，流
路５７とを備える。流路５６の下流部と流路５７の一端
部とが連通する。また、流路５７の他端部にノズル５５
が形成される。流路５６の上流側が吸気系統１７に連通
し、流路５６の下流側（流路５６と流路５７との連通部
よりも下流側）が吸気系統１８に連通する。ノズル５５
は、循環水系統２１及び循環水系統２３に連通する。ポ
ンプ１３及びポンプ１４は、循環水の圧力が３０気圧〜
５０気圧にまで、循環水を昇圧する。ノズル５５から流
路５７に噴射された高圧水は、流路５７内で急激に膨張
し、飽和蒸気と飽和水に分離する。得られた飽和蒸気
は、流路５７の下流側から吐出し、流路５６内の圧縮吸
気と合流する。一方、得られた飽和水（余剰水）は、流
路１７の下部から吐出し、循環して、再度ノズル５５に
供給される。増湿器の第３の実施例は、飽和蒸気と圧縮
吸気とを合流させるため、圧縮吸気の圧力損失を低減で
きる。

【００３２】以上、本発明の分散型エネルギー発生装置
の第１の実施例によれば、エンジン１の吸気ポート４か
ら内部に入る吸気の比重量が湿分を加えただけ増加する
ため、エンジン１の正味出力が増加するとともに、吸気
の湿度が上昇するため、エンジン１で通常使用される水
噴射と同様の効果でＮＯｘの発生を抑制することが可能
となる。同様に、エンジン１の排気ポート５の下流に設
置されるタービン７においても排気中に含まれる蒸気量
が多いので、タービン７の正味出力も増大させることが
可能となる。さらに、通常のターボチャージャー付エン
ジンでは、タービン７の排気は直接大気に放出される
が、下流に設置される熱交換器１１によって循環水が加
熱され、増湿器１０から排気の熱エネルギーをシステム
内に回収するため、システムの熱効率も改善できること
になる。以上の作用により、本発明のシステムでは発電
出力と効率を増加させることが可能となる。

【００３３】次に、本発明の分散型エネルギー発生装置
の第２の実施例を説明する。

【００３４】図２に、本発明の分散型エネルギー発生装
置の第２の実施例の機械系統図を示す。図２中、２５は
コンプレッサ６に吸引される吸気に噴霧水を噴霧する吸
気噴霧装置、２６は噴霧水が流通する噴霧水系統、２７
はコンプレッサ６の抽気が流通する抽気系統を示す。

【００３５】本発明の分散型エネルギー発生装置の第２
の実施例は、本発明の分散型エネルギー発生装置の第１
の実施例のシステム構成においてコンプレッサ６の吸気
系統１６に吸気噴霧装置２５を設置して構成することを
特徴とする。

【００３６】この吸気噴霧装置２５には、微細液滴を噴
霧する噴霧装置を備える。本発明の分散型エネルギー発
生装置の第２の実施例では、この噴霧装置として圧縮吸
気で噴霧する二流体噴霧ノズルの例を示したもので、コ
ンプレッサ６の圧縮吸気の一部を抽気し、抽気系統２７
を介して、ノズルに供給する。一方、噴霧水は、補給水
装置１２からの補給水系統２４から分岐して、噴霧水系
統２６を介して、噴霧装置２５に供給し、圧縮空気２７
のパージにより噴霧粒径を微細化できるよう構成してあ
る。尚、この二流体噴霧ノズルは限定されたものではな
く、噴霧粒径が十分に小さいものであれば、コンプレッ
サ６の抽気を用いず、噴霧水だけを用いる噴霧ノズルを
使用しても良い。

【００３７】本発明の分散型エネルギー発生装置の第２
の実施例では、コンプレッサ６の吸気の温度が、特定の
設定温度以上、例えば設計温度より高くなった場合、吸
気噴霧装置２５で微細水滴を噴霧するよう制御するよう
構成する。この場合、噴霧水量はコンプレッサ６の吸気
の温度が設定温度以下に冷却されるよう制御することを
特徴とする。その後、冷却された吸気はコンプレッサ６
で圧縮され、昇温して吐出される。コンプレッサ６から
吐出された圧縮空気は、インタークーラ９を経由して減
温され、増湿器１０に流入する。増湿器１０では、イン
タークーラ９及び熱交換器１１で熱回収し昇温した循環
水が上部位置から下方向に流下し、一方、インタークー
ラ９を通過して冷却された圧縮吸気が下部位置から流入
して上方向に流れ、直接接触による熱及び物質移動によ
り、圧縮空気の湿分をさらに増加させる。増湿して相対
湿度がほぼ１００％となった吸気は、吸気系統１８を流
通し、吸気ポート４からエンジン１の内部に導入され
る。エンジン１では、吸気が再度ピストンで圧縮され、
燃料を噴射後、点火されて膨張し、回転エネルギーを発
生、発電機２を回転させる。排気は、排気ポート５から
排出され、排気系統１９を流通し、タービン７へ流入す
る。タービン７で再度膨張して回転エネルギーを発生、
発電機８を回転する。タービン７の排気は、排気系統２
０を経由して、熱交換器１１で減温されて大気に放出さ
れる。

【００３８】本発明の分散型エネルギー発生装置の第２
の実施例では、コンプレッサ６の吸気１６の温度を、特
定の設定温度以下に調節するため、コンプレッサ６を、
圧縮効率が最適な状態で運転することが可能となる。通
常、コンプレッサ６は、夏場など大気（吸気）が高温状
態であると、圧縮機効率が低下する。これは、吸気温度
が高くなると、比重量が小さくなるためである。尚、本
発明の分散型エネルギー発生装置の第２の実施例では、
本発明の分散型エネルギー発生装置の第１の実施例と同
様の効果、即ち、エンジン１の吸気ポート４から内部に
入る吸気の比重量が湿分を加えただけ増加するため、エ
ンジン１の正味出力が増加するとともに、吸入空気の湿
度が増加するため、エンジン１で通常使用される水噴射
と同様の効果でＮＯｘの発生を抑制することが可能とな
る。同様に、エンジン１の排気ポート５の下流に設置さ
れる排気タービン７においても排気中に含まれる蒸気量
が多いので、排気タービン７の正味出力も増大させるこ
とが可能となる。さらに、通常のターボチャージャー付
エンジンでは、タービン７の排気が直接大気に放出され
るが、下流に設置される熱交換器１１によって循環水が
加熱され、増湿器１０から排気のエネルギーがシステム
内に回収されるため、システムの熱効率も改善できるこ
とになる。以上の作用により、本発明のシステムでは発
電出力と効率をさらに増加させることが可能となる。た
だし、本発明の分散型エネルギー発生装置の第２の実施
例では、コンプレッサ６の入口に設置される吸気噴霧装
置２５で加湿効果があるため、増湿器１０での加湿量は
その分量だけ少なくしてもよい。増湿器１０から吐出す
る吸気が、ほぼ飽和蒸気状態であればよい。

【００３９】次に、本発明の分散型エネルギー発生装置
の第３の実施例を説明する。

【００４０】図３に、本発明の分散型エネルギー発生装
置の第３の実施例の機械系統図を示す。図３中、２８は
タービン７の排気中の水分を回収し浄化する水回収浄化
装置、２９は水回収浄化装置２８で回収し浄化された水
が流通する補給水回収系統を示す。

【００４１】本発明の分散型エネルギー発生装置の第３
の実施例は、本発明の分散型エネルギー発生装置の第２
の実施例を応用したもので、本発明の分散型エネルギー
発生装置の第２の実施例のタービン７の下流側、好まし
くは熱交換器１１の下流側に、排気中に含まれる水分を
回収し、浄化する水回収浄化装置２８を設けたことにあ
る。具体的には、図２の構成に加えて、熱交換器１１を
経た排気系統２０の下流側に、排気中の水分を回収する
とともに、回収した水を浄化処理する機能を有する水回
収浄化装置２８を設け、回収，浄化した水を補給水装置
１２に回収する補給水回収系統２９を設けたことを特徴
とする。

【００４２】本発明の分散型エネルギー発生装置の第３
の実施例において、熱交換器１１で冷却された排気系統
２０は水回収浄化装置２８に導入される。この水回収浄
化装置２８の内部では、冷水等と熱交換することによっ
て排気中に含まれる水蒸気の飽和温度（露点温度）以下
の温度まで排気を冷却することによって、水分を回収す
ることができる。一般に、排気中から回収した水分に
は、排気中の炭酸ガスや不純物が溶解していることが考
えられるので、回収利用するためには図示していないが
化学的及び物理的に水処理するのが好ましい。回収され
た水分は、補給水回収系統２９を経て補給水装置１２に
回収する。

【００４３】本発明の分散型エネルギー発生装置の第３
の実施例では、排気中から水分を回収して再利用できる
ので、外部からの補給水量を低減できるとともに、外部
水源より高温の補給水が利用できるようになるので、熱
交換器１１の小型化だけでなく、外部への熱放出が少な
くなるために総合熱利用率を改善できる効果も得られる
ことになる。

【００４４】次に、本発明のターボチャージャー付エン
ジンの第１の実施例を説明する。

【００４５】図４に、本発明のターボチャージャー付エ
ンジンの第１の実施例の機械系統図を示す。図４中、３
０は回転駆動軸、３１は変速機能を備えエンジン１の軸
の回転を回転駆動軸３０に伝達するギア、３２は回転駆
動軸、３３は変速機能を備え回転駆動軸３０の回転を回
転駆動軸３２に伝達するギア、３４は自動車の車輪（又
は航空機若しくは船舶のプロペラ）を示す。

【００４６】本発明の分散型エネルギー発生装置の第１
の実施例及至第３の実施例では、エンジン１からの動
力、さらに同軸上で構成されるコンプレッサ６とタービ
ン７からの動力は、それぞれ発電機２及び発電機８で、
電気エネルギーに変換される。これに対し、本発明のタ
ーボチャージャー付エンジンの第１の実施例は、回転動
力をそのまま駆動力として利用するものである。

【００４７】本発明の分散型エネルギー発生装置の第３
の実施例との相違点は、エンジン１の発電機２の代わり
に途中にギア３１が設置してある回転駆動軸３０を設
け、車輪３４を回転するように構成するとともに、コン
プレッサ６とタービン７にも回転駆動軸３２を設け、そ
の回転駆動軸３２に設置したギア３２によってタービン
７の駆動トルクがエンジン１の回転駆動軸３０に伝達で
きるよう構成したことを特徴とする。

【００４８】本発明のターボチャージャー付エンジンの
第１の実施例では、エンジン１の動力に加えて、タービ
ン７の動力を利用した所謂ターボチャージャー付エンジ
ンへの応用例を示したもので、タービン７を高温でしか
も高湿分排気で駆動するため、従来のターボチャージャ
ー付エンジンに比較して、低ＮＯｘ化、高出力及び高効
率が期待できることになる。

【００４９】次に、本発明のターボチャージャー付エン
ジンの第２の実施例を説明する。

【００５０】図５に、本発明のターボチャージャー付エ
ンジンの第２の実施例の機械系統図を示す。上記本発明
のターボチャージャー付エンジンの第１の実施例の変形
例である。図５中、３５は電気エネルギーを機械エネル
ギーに変換して車輪３４を回転する電動機、３６は発電
機８で発生した電力を電動機３５に送電する送電系統を
示す。

【００５１】本発明のターボチャージャー付エンジンの
第１の実施例では、同軸上に構成されるコンプレッサ６
と排気タービン７から回転動力を得る構成であったが、
本発明の分散型エネルギー発生装置及びターボチャージ
ャー付エンジンの第２の実施例では、同軸上に発電機８
を設けて電力を得るよう構成するとともに、エンジン１
の回転駆動軸３０に電動機３５を設けて、発電機８から
の電力によっても車輪３４を駆動できるよう構成したこ
とを特徴とするものである。

【００５２】本発明のターボチャージャー付エンジンの
第２の実施例においても、高湿分空気を利用することに
よって排気の低ＮＯｘ化や増出力効果を付加することが
でき、従来の所謂ハイブリッドエンジンに比較して高効
率の駆動システムを実現できることになる。

【００５３】次に、本発明の分散型エネルギー発生装置
の第４の実施例乃至第６の実施例を説明する。

【００５４】図６に、本発明の分散型エネルギー発生装
置の第４の実施例、図７に、本発明の分散型エネルギー
発生装置の第５の実施例、図８に、本発明の分散型エネ
ルギー発生装置の第７の実施例を示す。図６乃至図８
中、３７は循環水系統２２の循環水が分岐した温水が流
通する温水系統、３８はタービン７の廃熱を回収する廃
熱回収熱交換器、３９はエンジン１で加熱された冷却水
に合流させる温水の流量を制御する制御弁、４０はエン
ジン１の冷却水及び温水が流通する温水系統、４１はエ
ンジン１の冷却水が流通する冷却水系統、４２はシステ
ム外部へ供給する温水の流量を制御する制御弁、４３は
システム外部へ供給する温水が流通する温水系統を示
す。

【００５５】本発明の分散型エネルギー発生装置の第４
の実施例乃至第６の実施例は、本発明の分散型エネルギ
ー発生装置の第１の実施例及至第３の実施例を熱電併給
型のシステムにそれぞれ発展させたものである。本発明
の分散型エネルギー発生装置の第４の実施例が、本発明
の分散型エネルギー発生装置の第１の実施例に対応し、
本発明の分散型エネルギー発生装置の第５の実施例が、
本発明の分散型エネルギー発生装置の第２の実施例に対
応し、本発明の分散型エネルギー発生装置の第６の実施
例が、本発明の分散型エネルギー発生装置の第３の実施
例に対応する。本発明の分散型エネルギー発生装置の第
１の実施例及至第３の実施例との相違は、廃熱回収熱交
換器３８を、タービン７の下流側で、かつ熱交換器１１
の上流側に設置する。そして、循環水系統２２から分岐
して温水系統３７を設置し、インタークーラ９で昇温さ
れた後増湿器１０へ供給されるまでの循環水の一部を廃
熱回収熱交換器３８へ供給する。廃熱回収熱交換器３８
において、タービン７の排気と循環水から分岐した温水
とが間接的に熱交換し、タービン７の排気が冷却される
とともに、循環水から分岐した温水が加熱される。廃熱
回収熱交換器３８で加熱された温水は、エンジン１の冷
却水系統４４、即ち、ラジエター３で冷却された後エン
ジン１の外壁部を冷却することによって加熱されて得た
温水と合流し、温水系統４０及び冷却水系統４１を流通
し、ラジエター３へ供給され、循環するととも、温水系
統４０から分岐した温水系統４３を流通し、システム外
部に供給する。エンジン１の冷却水系統４４と温水系統
３７との連通部に、制御弁３９を設け、合流する温水の
流量を制御する。また、温水系統４３の途中にも、制御
弁４２を設けて、システム外部へ供給する温水の流量を
制御する。

【００５６】本発明の分散型エネルギー発生装置の第４
の実施例及至第６の実施例においては、エンジン１の本
体を冷却して昇温した温水と、増湿器１０の循環水から
分岐された温水系統３７が制御弁３９部で合流させるた
め、その流量割合を最適に制御することによって、シス
テム外部へ供給する温度を制御することが可能になる。
しかも、増湿器１０への循環水の流量が変化するので、
圧縮吸気への増湿割合も変化するために、増湿による発
電量の増加を制御することが可能となる。したがって、
熱需要の変化に対応して電力、熱供給の割合を可変に制
御することが期待でき、熱電可変型のコージェネレーシ
ョンプラントを構築できることになる。もちろん、本発
明の分散型エネルギー発生装置の第１の実施例及至第３
の実施例と同様に高湿分を利用できるので、この場合も
発電出力と効率改善効果も大きなシステムとなる。

【００５７】尚、本発明の分散型エネルギー発生装置の
第４の実施例及至第６の実施例を、本発明のターボチャ
ージャー付エンジンの第１の実施例及び第２の実施例に
応用してもよい。

【００５８】以上の本発明の分散型エネルギー発生装置
及びターボチャージャー付エンジンの実施例のようなシ
ステムでは、コンプレッサ６の吸気に水分を噴霧，気化
させるため、コンプレッサの入口の空気温度を特定の温
度以下に設定でき、それによって圧縮効率を改善させる
ことが可能となる。さらに、増湿器１０によって吸気の
相対湿度を増加させるので、エンジン１の排気浄化と出
力増加が、さらに排気中の蒸気によってタービン７の出
力を増加させ、コンプレッサ６の回転動力以上のエネル
ギーを回収することが可能となる。

【００５９】図９に、本発明による排気浄化効果を示
す。燃料流量に対する注入水量（吸気の相対湿度）を増
加させると、排気中のＮＯｘが急減する傾向が現れる。

【００６０】図１０に、本発明による作動空気中の水分
のモル濃度に対するＮＯｘとＣＯの濃度変化を示す。水
分のモル濃度を増加させるとＮＯｘが低減するが、一
方、あまりモル濃度を増加させるとＣＯの濃度が増加す
るので、水分のモル濃度は0.1〜０.２に制御するのが好
ましい。

【００６１】図１１及び図１２に、本発明による空気中
の水分に対する増加出力と効率改善効果を示す。水分を
増加させることによって出力と効率を大きく改善できる
ことがわかる。

【００６２】

【発明の効果】本発明の分散型エネルギー発生装置によ
れば、コンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増湿するこ
とにより、エンジンの正味出力及びタービンの正味出力
を増加し、発電出力するという効果を奏する。

【００６３】又は、本発明のターボチャージャー付エン
ジンによれば、コンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増
湿することにより、エンジンの正味出力及びタービンの
正味出力を増加し、駆動力を増加するという効果を奏す
る。

【００６４】又は、本発明の分散型エネルギー発生装置
及びターボチャージャー付エンジンによれば、コンプレ
ッサで圧縮された圧縮吸気を増湿することにより、排気
中のＮＯｘを低減するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分散型エネルギー発生装置の第１の実
施例の機械系統図。

【図２】本発明の分散型エネルギー発生装置の第２の実
施例の機械系統図。

【図３】本発明の分散型エネルギー発生装置の第３の実
施例の機械系統図。

【図４】本発明のターボチャージャー付エンジンの第１
の実施例の機械系統図。

【図５】本発明のターボチャージャー付エンジンの第２
の実施例の機械系統図。

【図６】本発明の分散型エネルギー発生装置の第４の実
施例の機械系統図。

【図７】本発明の分散型エネルギー発生装置の第５の実
施例の機械系統図。

【図８】本発明の分散型エネルギー発生装置の第６の実
施例の機械系統図。

【図９】本発明による燃料流量に対する水分添加による
ＮＯｘ低減効果の説明図。

【図１０】本発明による水分のモル濃度とＮＯｘ及びＣ
Ｏの濃度の関係を示す説明図。

【図１１】本発明による空気中の水分と出力の関係を示
す説明図。

【図１２】本発明による空気中の水分と効率の関係を示
す説明図。

【図１３】本発明の増湿器の第１の実施例の断面図。

【図１４】本発明の増湿器の第２の実施例の断面図。

【図１５】本発明の増湿器の第３の実施例の断面図。

【符号の説明】

１…エンジン、２，８…発電機、３…ラジエター、６…
コンプレッサ、７…タービン、９…インタークーラ、１
０…増湿器、１１…熱交換器、１２…補給水装置、１
３，１４，１５…ポンプ、１６，１７，１８…吸気系
統、１９，２０…排気系統、２１，２２，２３…循環水
系統、２４…補給水系統、２５…噴霧装置、２６…噴霧
水系統、２７…抽気系統、２８…水回収浄化装置、２９
…補給水回収系統、３０，３２…回転駆動軸、３１，３
３…ギア、３４…車輪、３５…電動機、３６…送電系
統、３７，４０，４３…温水系統、３８…廃熱回収熱交
換器、３９，４２…制御弁、４１，４４…冷却水系統、
５０，５４，５６，５７…流路、５１，５３，５５…ノ
ズル、５２…混合促進媒体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者幡宮重雄茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 3G005 DA03 DA07 DA09 EA04 EA16 FA00 FA35 GA02 GB17 GB26 HA13 HA14 HA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンと、前記エンジンに連結された第
一の発電機と、前記エンジンの排気により駆動するター
ビンと、前記タービンに連結され前記エンジンの吸気を
圧縮するコンプレッサと、前記タービンに連結された第
二の発電機とを備えた分散型エネルギー発生装置におい
て、前記コンプレッサで圧縮された圧縮吸気に水又は蒸
気を加える増湿器を備えたことを特徴とする分散型エネ
ルギー発生装置。
【請求項２】前記コンプレッサで圧縮された圧縮吸気と
前記増湿器へ供給する水又は蒸気とを熱交換するインタ
ークーラを備えたことを特徴とする請求項１に記載の分
散型エネルギー発生装置。
【請求項３】前記タービンの排気と前記増湿器へ供給す
る水又は蒸気とを熱交換する熱交換器を備えたことを特
徴とする請求項１に記載の分散型エネルギー発生装置。
【請求項４】前記タービンの排気中の水分を回収する水
回収器を備え、前記水回収器で回収された水を前記増湿
器へ供給することを特徴とする請求項１に記載の分散型
エネルギー発生装置。
【請求項５】前記増湿器は、前記圧縮吸気に水又は蒸気
を加えた余りの余剰水を、前記圧縮吸気に加える水又は
蒸気として循環させることを特徴とする請求項１に記載
の分散型エネルギー発生装置。
【請求項６】エンジンと、前記エンジンに連結された第
一の発電機と、前記エンジンの排気により駆動するター
ビンと、前記タービンに連結され前記エンジンの吸気を
圧縮するコンプレッサと、前記タービンに連結された第
二の発電機とを備えた分散型エネルギー発生装置におい
て、前記コンプレッサで圧縮された圧縮吸気を増湿する
増湿器を備えたことを特徴とする分散型エネルギー発生
装置。
【請求項７】前記増湿器は、前記圧縮吸気を相対湿度９
０％〜１００％に増湿することを特徴とする請求項６に
記載の分散型エネルギー発生装置。
【請求項８】エンジン部と、前記エンジン部の排気によ
り駆動するタービンと、前記タービンに連結され前記エ
ンジン部の吸気を圧縮するコンプレッサとを備えたター
ボチャージャー付エンジンにおいて、前記コンプレッサ
で圧縮された圧縮吸気に水又は蒸気を加える増湿器を備
えたことを特徴とするターボチャージャー付エンジン。