JP2004251263A - 内燃機関の冷却水廃熱・排気ガス熱及び不完全燃焼排気ガスの再燃焼熱を対向流式熱交換ボイラーで高効率熱回収を用いる動力発生装置及び熱利用装置及びこれらの併合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷却水廃熱、及び排気ガスを再燃焼させて得た熱を用いる動力発生装置、又は熱エネルギー供給装置の提供。
【解決手段】内燃機関１０から排出される不完全燃焼排気ガス再燃焼装置６０で完全燃焼させた高熱を熱交換システムを具備したボイラー３０で高効率回収すると共に、熱回収された後の凝結水を内燃機関の冷却水に循環させるシステムを構築する一方、内燃機関で一旦創造された熱はラジエーターなどの冷却装置で冷却するエネルギーと資源の無駄を省き、内燃機関のジャケットで加熱された高熱水のエネルギーも上記ボイラーに流入させ、エネルギーを徹底的に回収し動力創造・高効率熱回収を実現した。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の属する技術分野は、内燃機関の冷却水廃熱及び排気ガス熱を用いる熱・動力発生装置に関するもので、より詳しくは内燃機関で循環する高温の冷却水をボイラーに流入させ、排気ガスの廃熱で再加熱して熱利用するか、高圧蒸気を発生させた後、その蒸気を用いてタービンを駆動し、その駆動力から内燃機関の補助駆動手段あるいは別の動力源を得るようにして、内燃機関の熱効率を高める事は勿論、内燃機関の駆動時に排出される冷却水の熱を再活用して効率的な動力源を得る事が出来る様にして、内燃機関の熱効率を高める事は勿論、内燃機関の駆動時に排出される冷却水の熱と排気ガスの熱を再活用して効率的な動力源を得る事が出来るので、エネルギーを著しく節減し得る事を目的とした内燃機関の冷却水廃熱と排気ガス熱を用いる動力発生装置・熱利用装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に内燃機関はシリンダーの中に燃料を供給した後、燃焼爆発させて生じたガスの膨張力（爆発力）でピストンを動かす原動機と言われるもので、ボイラーは一般的には、水を加熱して高温・高圧の蒸気とか温水を発生する装置として暖房施設とか銭湯などの給湯、中小のディーゼル発電所などに使われるのは周知の事実である。
【０００３】
又、ボイラー兼用の内燃機関というのは、上述したように冷却水廃熱と排気ガス熱を用いてボイラーに使用するため、別途の燃焼機関は通常の場合は必要が無く、内燃機関より燃焼熱と水をもらうためエネルギーの節約ができるし、蒸気のボイラーに蒸気タービンを設置すると、その蒸気タービンより別途の動力を創造するものとして使われている。 この様な従来のボイラー兼用内燃機関は、図１を参考に説明するが、一般的には大きくて内燃機関（１０）と水冷ジャケット（２０）とラジエーターとボイラー（３０）と蒸気タービン（４０）と循環ポンプ（５０）を含めた冷却水の循環構造は内燃機関の排気ガスが排気される排気管（３３）の末端部に装着され、ボイラー内部に装着された加熱管（３４）と結合されて構成されている。内燃機関（１０）を冷却させた後、加熱された高温冷却水が熱せられる事により蒸気が発生され、このとき発生した蒸気は蒸気タービン（４０）を駆動した後、凝結され循環ポンプ（５０）を通じて、しかも内燃機関（１０）を冷却させるための水冷ジャケット（２０）から流入される循環過程を繰り返しているのが通例である。
【０００４】
上記が一般的な現在使用されているシステムの概要であるが、大きな疑問点・問題点を含んでいる。この様なシステムによると、上記の内燃機関（１０）を冷却させた後、ボイラー（３０）に貯蔵された冷却水を加熱管（３４）によって加熱してもその加熱される程度は微弱である。特に上記の蒸気タービン（４０）を駆動させるための十分な蒸気を発生させる事は非常に困難であるという問題点があった。一方、内燃機関より排出される排気ガスは不完全燃焼ガスとしてこれをそのまま放出する場合、空気汚染の大きな問題となっている。
【０００５】
更に、従来のこのシステムで最も不合理と考える点は、ボイラーに使用する熱量が不足しているにも拘わらず、エンジンを冷却するために大きな冷却装置を具備し資源と熱を浪費する一方で、排気ガス熱だけの熱量ではスチームボイラーを駆動させるには熱量が不足する事が多く，この場合、ボイラーに更に燃焼装置を設置している。 要するに、エンジンは冷却しなければならない、 冷却にはラジエーターが必要という昔からの固定観念から、エネルギー不変の法則は忘れてしまい、使用しなければならない貴重な熱源を装置・エネルギーを冷却に浪費し、更に熱量が不足するからと燃焼装置をボイラーに取り付け新たなエネルギーを浪費しているが、これが一般常識として多くの場所に採用されていることに大きな疑問と不合理がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の不合理性・問題点を解決するための開発技術であり、主なる目的は内燃機関に形成された排気管の末端に再燃焼装置を設置し不完全燃焼ガスを完全燃焼させてボイラーの過熱に利用すると共に、内燃機関からの廃熱はボイラーの中を通して熱回収するのみではなく、小型で高効率の対向流式熱交換器を内蔵させたボイラーで熱の回収を極力増大させ、一方、エンジンに必要な冷却水は、スチームタービン又はスチームエンジンにて動力創出後、出てくる冷却された凝結水を循環ポンプと逆流防止のチェッキバルブを給水管に取り付けエンジンジャケットに送り込む循環システムを構築した。 熱供給・給湯・発電を全て行うコージェネレーションシステムの場合は、エンジンジャケットに直接冷却水を連続的に送り込むと同時に、熱供給・給湯はボイラー又はスチームボイラーより抽出し、二次的な動力創出装置であるスチームタービン・スチームエンジンは用途・目的に応じて装備しなくとも良い。
【０００７】
この方式により、ボイラーに新たな追加加熱装置は不必要となるとともに、大きな場所とエネルギーの必要なラジエーターも本発明により不必要となり結果としては驚異的な高効率化を達成することが可能となった。同時に廃熱・排気ガスの減少・ラジエーター装置排除により騒音公害も減少する効果がある。総論として、省資源・環境汚染減少には多大の効果を発揮する発明である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は２工程あるいは４工程からなる内燃機関と上記の内燃機関を冷却させた後循環される高温の冷却水を貯蔵するボイラーと、上記の内燃機関より排気ガスを排気管で排出するが、この排気管の未端部に不全燃焼の排気ガスを再燃焼させるようにした一定の大きさの燃焼室を持つ外部ケースと、燃焼室で排気ガスを再燃焼させるための空気を供給するための一つ以上の空気流入口と、流入された空気と混合された不完全燃焼ガスを再燃焼させるための一つ以上のヒーターとヒーターを制御するためのスイッチ部（コントロール部）と、ボイラーの内部を経由する加熱管に上記排気管の未端が結合されたボイラーは対向流式熱交換器システムを具備して上記ボイラーの上部に連結してボイラーから発生する蒸気を貯蔵するための蒸気貯蔵庫が設置されスチィーム外燃機関用の動力源となる補助動力創出装置とで構成された。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施（例）を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、現状一般的なボイラー兼用の内燃機関を表すコージェネレーションシステムの断面図である。
図２は、本発明の内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）が設置された状態を概略的に表すフローチャート図である。
図３は、本発明に従う内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）が設置された状態の作動を表す断面図である。
図４は、本発明に従う内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）を表す“Ａ”部の拡大図面である。
【００１０】
本発明の内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）は、図２、図３に示す様に、まず内燃機関（１０）と上記の内燃機関を冷却させた後、循環される高温の冷却水を貯蔵するボイラー（３０）と、上記内燃機関より排気ガスを排気するための排気管（３３）と、その排気管の未端部に設置形成されて上記ボイラー（３０）を加熱するための加熱管（３４）としてなるボイラー兼用の内燃機関における、不完全燃焼排気ガスを完全燃焼させる装置（６０）が上記の排気管（３３）の未端部に形成された構造である。
【００１１】
このボイラー方式は、対向流式熱交換システムの原理で構成され、内燃機関の熱回収を目的とした最もコンパクトで最高効率の熱回収が可能で、このボイラーの圧力と熱を内燃機関と併用して最高の動力と熱利用を目的とする構造である。
【００１２】
上記の内燃機関（１０）は、２工程あるいは、４工程のサイクルをもって混合器より空気と混合された混合燃料の供給をうけてシリンダー（１１）の中で、圧縮及び、爆発によってピストン（１２）の上下往復運動を回転運動に換えて動力を生じさせて、上記の内燃機関（１０）の外周面には混合燃料の圧縮及び爆発によって発生される高温の熱でピストン（１２）とシリンダー（１１）が損傷されることを防止するために外周面には冷却効率が優れた水冷ジャケット（２０）が設置される様にして、上記の水冷ジャケット（２０）の片側には冷却水を供給するため、供給管（３１）が設置され、これに対応される場所に設置された上記の内燃機関（１０）を冷却させた後、ボイラー（３０）に流入されるように流入管（３２）が設置されるように、また、上記の内燃機関のシリンダーの一部には混合燃料が爆発燃焼後、排気ガスが排出されるように排気管（３３）が設置されている。
【００１３】
上記のボイラー（３０）は内燃機関（１０）を通じて流入管（３２）より流入される高温の冷却水を貯蔵する装置として、その内部に排気管（３３）と結合される加熱管（３４）を形成、一方、冷却水と接触面積を広げるために多数の毛細管で分割されるようになるのみならず、上記ボイラー（３０）と加熱管（３４）を全体的にジグザグの形象になれるように形成されることである。 これにより、対向流式熱交換率（熱回収率）の向上も計られている。
【００１４】
又、ボイラー（３０）の上端部にはボイラー（３０）より発生する蒸気を用いた蒸気タービン（４０）が設置形成され、上記の蒸気タービン（４０）を駆動した蒸気が急速に冷却された冷却水で凝結され、これを内燃機関（１０）の水冷ジャケット（２０）で供給する為の循環ポンプ（５０）と、この冷却水の逆流を防ぐチャッキバルブ（逆止弁）（５１）で構成された。
【００１５】
このとき上記の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）は内燃機関（１０）の排気管（３３）の末端部に装着形成され、内部からの不完全燃焼排気ガスを完全燃焼させるように一定の大きさの燃焼室が形成された外部ケース（６１）を具備する。 但し、上記の外部ケース（６１）は燃焼熱に耐えられるのみならず外圧でも強い耐久性の特殊材質になった金属ケースとか陶磁器類で外部ケース（６１）を形成する。
更に、上記の外部ケース（６１）には不完全燃焼排気ガスが燃焼されるように燃焼空気を供給する為の空気流入口（６２）が一つ以上形成される。これは内燃機関の特性、規模によって適当な個数を具備するほうが望ましい。
【００１６】
又、不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）の燃焼室には空気流入口（６２）に近接して一つ以上のヒーター（６３）を具備、上記のヒーター（６３）は横方向でジグザグになるように作る事によって不完全燃焼排気ガスの再燃焼効率を向上させる様にして、上記の燃焼室に設置された一つ以上のヒーター（６３）には上記のヒーター（６３）を制御できるスイッチ部（コントロール部）（６４）が各々形成される事である。
【００１７】
この様な、本発明の内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）によると、内燃機関（１０）に吸入された混合ガスがシリンダー（１１）の中からピストン（１２）の上下往復運動によって圧縮、爆発した後、排気管（３３）を経由して、不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）の燃焼室に流入されると、上記の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）の外部ケース（６１）に形成された一つ以上の空気流入口（６２）を燃焼室の長さ方向、即ち、横方向でジグザグになれるように形成するに従って、排気ガスが上記ヒーター（６３）を通じながら続いて燃焼されるので燃焼の効率を向上させ、完全燃焼を実現する事が出来る事である。
【００１８】
一方、上記の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）の作用によって再燃焼させると高温の燃焼熱が発生する。この時、発生される高温の燃焼熱が排気管（３３）を通じて上記ボイラー（３０）の中に設置された加熱管（３４）を経由し、排出されながらボイラー（３０）の水（冷却水）の温度を更に上昇させられるので、より多い蒸気を発生させ、蒸気タービン又はスチームエンジン（４０）の作動を効果的に実行するか、大量の熱利用に供する事が出来る。
【００１９】
この様な本発明による内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）は一例として上記の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置（６０）を図２、及び図３で示す様に内燃機関（１０）とボイラー（３０）の間の加熱管（３４）の中間部分に設置する事にして、加熱管（３４）を経由しながら中間部で再燃焼させ、この熱によってボイラー（３０）を均衡に加熱するようにした。
本技術分野の通常知識を持っている人なら、これを基礎として色々な変形及び均等な条件などを設定し色々な実例が可能なことは、自ずと判断できる筈である。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明は内燃機関より排出される不完全燃焼排気ガスを再燃焼させ、このとき発生される燃焼熱に依ってボイラーに流入される高温の冷却水を再加熱すると共に、高効率の対向流式熱交換システムを組み込んだボイラーで次の成果を上げられる。
１．内燃機関は不完全燃焼ガスの排出量は現在の常識で考えられていいるより、遥かに大きなカロリーの浪費をしている事は、本発明で立証される通りであり、再燃焼装置と高効率熱回収により多大の空気汚染を防止できる。言い換えれば、立証済みであるが、現在の常識を超えた熱回収・動力創造が可能となる。
２．従来、ボイラーの熱源としては、バーナーなどによる燃焼装置が使用されているが、本発明により動力創出・熱回収を行う場合は、本発明の方式の方が従来の燃焼装置よりも遥かに効率的と理解され、多くの用途に活用され、省エネ・環境汚染防止に役立てられる。
【００２１】
【実施例】
動力源又は熱源又は同時に両方を必要とするあらゆる範囲。
発電所・発電機・電気と熱を必要とするコージェネレーションシステム・ディーゼル機関車・船舶・トレーラーハウス・大型ディーゼルトレーラー・グリーンハウス・ビル・工場・病院・レストラン・温水プール・銭湯・デパート等あらゆる分野。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なボイラー兼用の内燃機関を表す断面図
（コージェネレーションシステム）
【図２】本発明に従う内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置が設置された
状態を表すフローチャート図。
【図３】本発明に従う内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置が設置された
状態の作動を表す断面図。
【図４】本発明に従う内燃機関の不完全燃焼排気ガス再燃焼装置を表す図３
“Ａ”部の拡大断面図。
【符号の説明】
１０ ： 内燃機関
１１ ： シリンダー
１２ ： ピストン
２０ ： 水冷ジャケット
３０ ： ボイラー（含む対向流式熱交換器）
３０ａ： 蒸気貯蔵庫
３１ ： 冷却水供給管
３２ ： 流入管
３３ ： 排気管
３４ ： 加熱管
４０ ： スチームタービン又はスチームエンジン
５０ ： 循環ポンプ
５１ ： チェッキバルブ（逆止弁）
６０ ： 不完全燃焼排気ガス再燃焼装置
６１ ： 外部ケース
６２ ： 空気流入口
６３ ： ヒーター
６４ ： スイッチ部（コントロール部）

Claims (3)

1. ２工程あるいは４工程の内燃機関から排出される不完全燃焼ガスを当該内燃機関に結合された発電機、又は外部からの電気を使用し完全燃焼させる一定の大きさの燃焼室を持つ外部ケースと上記の外部ケースに設置され、再燃焼目的のための空気を供給するための一つ以上の空気流入口と、流入された空気と混合された不完全燃焼排気ガスを再燃焼させる為の一つ以上のヒーターと、上記のヒーターを制御するスイッチ部（コントロール部）とで構成された装置を内燃機関の排気管の一部に設置し、高効率なカロリー回収を可能とした動力・熱発生装置。
2. ２工程あるいは４工程の内燃機関を水冷ジャケットで冷却させた後、循環される高温の冷却水を貯蔵するボイラーと、上記した再燃焼装置で再加熱された加熱管が結合されたボイラー装置と、ボイラーから発生する蒸気を貯蔵するための蒸気貯蔵庫がボイラーの上部に結合され、しかも熱回収を高効率化するための対向流式熱交換器がボイラーに内蔵された装置であり、蒸気貯蔵庫からは熱源に利用するかスチームタービン、又はスチームエンジンの動力源として補助動力、又は別の動力源を創造し総合的に飛躍的な高効率熱・動力発生を可能にした装置。
3. 上記請求項１、２の循環システムは、結果として熱回収を高効率でしかも、非常にコンパクトな対向流式熱交換システムを使用しているため従来の大きな設置場所と余分な資源を必要とするラジエーターが不要となる。冷却水は蒸気貯蔵庫に結合されたスチームタービン又はスチームエンジン起動後の凝結水を循環ポンプと逆流防止のチェッキバルブとで内燃機関のスチームジャケットに送り込むか、新たに冷却水をスチームジャケットに送り込み内燃機関冷却後は上記循環を繰り返す高効率エネルギー利用システムであり、熱と動力は同じと言う理念から、動力発生装置から発生する熱は最大限回収し、冷却に対しては余分の動力も使わないし、大きな装置も使用しない省資源・高効率熱・動力発生装置。

Images