JP2009541662A - Closed cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改良された密閉型サイクルエンジンシステムに関連する。密閉型サイクルエンジンシステムは、大気下に関係なく作動可能であり、特に大気が自由に利用可能ではない場所において有用であり、よく水中内の用途に用いられる。 The present invention relates to an improved closed cycle engine system. Closed cycle engine systems can operate regardless of the atmosphere, are particularly useful in places where the atmosphere is not freely available, and are often used for underwater applications.
密閉型サイクルエンジンは、例えば、欧州特許公開番号0118284号公報において知られている。このエンジンは循環路を有しており、循環路を通じて、燃焼室から排出されたある程度の排ガスが燃焼室へ帰還するように配管される。不活性キャリヤガスと混合された酸素は、燃焼室に提供され、燃焼室において、燃料はその他の燃焼生成物と一緒に酸素と燃やされて、二酸化炭素が生成される。 A closed cycle engine is known, for example, in European Patent Publication No. 0118284. This engine has a circulation path, and is piped so that a certain amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber returns to the combustion chamber through the circulation path. Oxygen mixed with an inert carrier gas is provided to the combustion chamber where fuel is burned with oxygen along with other combustion products to produce carbon dioxide.
この循環路は、吸着装置を有しており、吸着装置において、排ガスは、排ガスから二酸化炭素を取り除くために水とともに処理される。 This circulation path has an adsorption device, in which the exhaust gas is treated with water in order to remove carbon dioxide from the exhaust gas.
不都合なことに、排気口からの二酸化炭素ガスの吸収は、多くのエネルギーを必要とし、このため、エンジンに対する多くの寄生動力損失(a parasitic power loss)を引き起こす。エンジンの総合的な効率が改良されるためには、この寄生損失を削減することが必須である。従来技術においては、吸収効率は、二酸化炭素の部分圧力が高くなるにつれて高まるので、吸着装置における二酸化炭素の部分圧力が高くなることが重要であると認識されている。それ故、欧州特許公開番号0118284号公報においては、排ガスが吸着装置に到達する前に排ガスを圧縮し、その後、吸着装置からの排出ガスを膨張させるという技術が提案されている。このような膨張は、エンジンの吸気マニホールドにおける圧力を、エンジンの作動制約内の圧力まで下げることが必須である。しかしながら、欧州特許公開番号0118284号公報において開示されているように、排ガスの圧縮は、コンプレッサに動力を与えるために、更なる寄生エネルギー損失を必要とする。この付加的な圧縮がない場合、最大吸収圧力は、エンジンが許容する最大吸気マニホールド圧力にならざるを得ない。この制約は、エンジンピークシリンダ圧力が直接、エネルギー損失を最小にするように構成されているシステムにおいて、吸収圧力に対して密閉されている吸気マニホールド圧力に影響されるためである。エンジンの可使時間は、エンジンピークシリンダ圧力によって直接影響を及ぼされる。つまり、高ピークシリンダ圧力によって可使時間は短くなる。 Unfortunately, the absorption of carbon dioxide gas from the exhaust requires a lot of energy and therefore causes a lot of parasitic power loss to the engine. In order to improve the overall efficiency of the engine, it is essential to reduce this parasitic loss. In the prior art, since the absorption efficiency increases as the partial pressure of carbon dioxide increases, it is recognized that it is important to increase the partial pressure of carbon dioxide in the adsorption device. Therefore, in European Patent Publication No. 0118284, a technique is proposed in which the exhaust gas is compressed before the exhaust gas reaches the adsorption device, and then the exhaust gas from the adsorption device is expanded. Such expansion is essential to reduce the pressure at the intake manifold of the engine to a pressure that is within engine operating constraints. However, as disclosed in European Patent Publication No. 0118284, compression of exhaust gases requires additional parasitic energy losses to power the compressor. Without this additional compression, the maximum absorption pressure must be the maximum intake manifold pressure allowed by the engine. This limitation is because the engine peak cylinder pressure is directly affected by the intake manifold pressure that is sealed against the absorption pressure in a system that is configured to minimize energy loss. Engine pot life is directly affected by engine peak cylinder pressure. That is, the pot life is shortened by the high peak cylinder pressure.
従って、寄生損失のより少ない、より効率的な密閉型サイクルエンジンシステムが必要である。それゆえ、本発明の目的は、少なくとも部分的にこの必要性に応える密閉型サイクルエンジンシステム、及び従来の密閉型サイクルエンジンシステムの有する上記課題を少なくとも部分的に解決する密閉型サイクルエンジンシステムを提供することである。 Therefore, there is a need for a more efficient closed cycle engine system with less parasitic losses. SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a closed cycle engine system that at least partially meets this need, and a closed cycle engine system that at least partially solves the above-described problems of conventional closed cycle engine systems. It is to be.
本発明は、エンジンの作動中に、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間に差圧が発生し、排ガスの吸収効率を改良するためのエンジンの排気口側のより大きな圧力を使用するような密閉型サイクルエンジンシステムを構成するコンセプトにある。流れ抵抗を、排気口を吸気口に連結するガス循環路内に組み込むことによって、このような差圧が達成され、それによって、二酸化炭素の吸収効率は改良され、それゆえ寄生損失も削減する。従って、エンジンシステム内においてエネルギー損失を増大させると予測される付加的な抵抗は、ガス循環路の流れ内にもたらされるにもかかわらず、システムの総合的な効率が改良される。さらに、これらの利点は、コンプレッサを使用することなく達成される。 The present invention is a sealed type in which a differential pressure is generated between an intake manifold and an exhaust manifold during operation of the engine, and a larger pressure on the exhaust port side of the engine is used to improve exhaust gas absorption efficiency. The concept is that of a cycle engine system. By incorporating flow resistance into the gas circuit connecting the exhaust to the intake, such a differential pressure is achieved, thereby improving carbon dioxide absorption efficiency and thus reducing parasitic losses. Thus, despite the additional resistance expected to increase energy loss in the engine system is introduced into the gas circuit flow, the overall efficiency of the system is improved. Furthermore, these advantages are achieved without the use of a compressor.
本発明の第1の様態に従って、密閉型サイクルエンジンシステムが提供されており、燃焼助燃ガスとともに燃料を燃やすために作動可能なエンジンユニットであって、それによって排ガスが生成され、エンジンユニットは吸気口及び排気口を有しているエンジンユニットと、吸気口と排気口との間の流体伝達を行うガス循環路とを具備し、ガス循環路は、少なくとも部分的に排ガス及び流れ抵抗を吸収するための吸着装置を有しており、流れ抵抗は吸着装置と吸気口との間に置かれているため、吸気口における圧力は排気口における圧力よりも低く、流れ抵抗は吸気口における圧力に応じて調整可能である。吸着装置と吸気口との間に流れ抵抗の設置により、吸着装置がより低い吸気圧力或いは、より高い排気圧力にすることを確実に行う。吸着装置における圧力は、コンプレッサのような付加的な動力消費構成部品を必要とすることなく高まるので、ガス循環路への付加的な流れ抵抗はエンジンシステムの効率を改良する。吸着装置における圧力を高めることは、CO2吸収の効率を高め、それゆえ、吸着装置と関連付けられている寄生損失は削減される。寄生損失が削減されると、所定のエンジン軸動力に対するシステムの排出動力は増大する。 In accordance with a first aspect of the present invention, a closed cycle engine system is provided, which is an engine unit operable to burn fuel together with a combustion supplemental gas, whereby exhaust gas is generated, the engine unit being an intake port And an engine unit having an exhaust port, and a gas circulation path that performs fluid transmission between the intake port and the exhaust port, the gas circulation path at least partially absorbs exhaust gas and flow resistance. Since the flow resistance is placed between the adsorption device and the intake port, the pressure at the intake port is lower than the pressure at the exhaust port, and the flow resistance depends on the pressure at the intake port. It can be adjusted. The installation of flow resistance between the adsorber and the intake port ensures that the adsorber is at a lower intake pressure or higher exhaust pressure. Since the pressure in the adsorber increases without the need for additional power consuming components such as a compressor, the additional flow resistance to the gas circuit improves the efficiency of the engine system. Increasing the pressure in the adsorber increases the efficiency of CO 2 absorption and therefore reduces the parasitic losses associated with the adsorber. As parasitic losses are reduced, the exhaust power of the system for a given engine shaft power increases.
流れ抵抗を含むことによって、密閉型サイクルシステムは、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間の差圧を許容するために、エンジンユニットの自然容量を使用することができる。また、一定の型のエンジンユニット、例えば排気駆動ターボ過給機を提供されているディーゼルエンジンは、吸気口と排気口との間の差圧を伴って作動するように設計されている。ターボ過給機を取り外すことによって、この差圧は吸収効率を高めるために利用される。さらに、エンジンユニットの吸気マニホールドと排気マニホールドとの間に差圧があることによって、多種多様なエンジンユニットを密閉型サイクルエンジンシステムにおいて使用することが可能である。以前は、最高許容吸気マニホールド圧力によって規定される制限は、密閉型サイクルエンジンシステムに用いられ得るエンジンユニット数を削減させていた。流れ抵抗は、所定の密閉型サイクルエンジンシステムにおいて使用するよう所望されるエンジンユニットに従って選択されうるので、この問題は本発明によって軽減される。 By including flow resistance, the closed cycle system can use the natural capacity of the engine unit to allow the differential pressure between the intake manifold and the exhaust manifold. Also, certain types of engine units, such as diesel engines that are provided with an exhaust-driven turbocharger, are designed to operate with a differential pressure between the inlet and exhaust. By removing the turbocharger, this differential pressure is used to increase the absorption efficiency. Furthermore, because of the differential pressure between the intake manifold and exhaust manifold of the engine unit, a wide variety of engine units can be used in a closed cycle engine system. Previously, the limit defined by the highest allowable intake manifold pressure reduced the number of engine units that could be used in a closed cycle engine system. This problem is alleviated by the present invention because the flow resistance can be selected according to the engine unit desired to be used in a given closed cycle engine system.
有利には、流れ抵抗は、吸気口における圧力に応じて調整可能であるので、吸気圧力はエンジンが許容できる範囲内に保たれることが確実であり、一方では、吸着装置においては高圧の維持も可能である。さらに、調整可能な流れ抵抗が存在することによって、システムは、吸気口における圧力において、いずれの一過性増加も把握することができる。一方で、このような過渡状態は、吸気口が許容できる最大圧力を超える。 Advantageously, the flow resistance can be adjusted according to the pressure at the inlet, so that it is ensured that the intake pressure is kept within an acceptable range for the engine, while the adsorption device maintains a high pressure. Is also possible. In addition, the presence of an adjustable flow resistance allows the system to account for any transient increase in inlet pressure. On the other hand, such a transient state exceeds the maximum pressure that the inlet can tolerate.
流れ抵抗は、例えばオリフィス板のような絞り弁、または短縮ダイヤメトラルパイプ(reduced diameter pipe)の一部を有する。オリフィス板の使用によって、流れ抵抗を達成するのに好ましい単純な方法が提供され、この方法は、迅速に及びコスト効率がよく、既存の密閉型サイクルエンジンシステムに組み込まれることが可能であり、または密閉型サイクルエンジンシステムに関する既存の設計に組み込むことも可能である。以下で説明されている特定の実施形態において、流れ抵抗は、吸気圧力に応じる減圧弁をさらに有する。その時、エンジンユニットの吸気マニホールドにおける圧力は、最も効率的な圧力値が選択されるように調整される。 The flow resistance includes a throttle valve, such as an orifice plate, or a portion of a shortened diameter pipe. The use of an orifice plate provides a simple method that is preferred to achieve flow resistance, which can be quickly and cost-effective and can be incorporated into existing closed cycle engine systems, or It can also be incorporated into existing designs for closed cycle engine systems. In certain embodiments described below, the flow resistance further comprises a pressure reducing valve that is responsive to the intake pressure. At that time, the pressure in the intake manifold of the engine unit is adjusted so that the most efficient pressure value is selected.
さらに、燃焼助燃ガス(又は、支燃性ガス)は、オリフィス板と減圧弁との間のガス循環路に供給される。一度、バルク減圧(the bulk pressure reduction)がオリフィス板により行われると、ガス供給の導入がやり易くなる。燃焼助燃ガスは、分離型のガス供給ボトルからの、酸素と不活性キャリヤガスとの混合、例えばアルゴンが好ましく、流れが減圧弁を通過する前に、これらのガスが導入することによって、燃焼助燃ガスの構成要素が、吸気マニホールドに入る前によく混合される。 Further, the combustion auxiliary combustion gas (or combustion support gas) is supplied to the gas circulation path between the orifice plate and the pressure reducing valve. Once the bulk pressure reduction is performed by the orifice plate, it is easy to introduce gas supply. The combustion support gas is preferably a mixture of oxygen and an inert carrier gas from a separate gas supply bottle, for example argon, which is introduced by the introduction of these gases before the flow passes through the pressure reducing valve. The gas components are well mixed before entering the intake manifold.
流れ抵抗は、ガス循環路において流れから動力を抽出するために、動力抽出手段を有するのが好ましい。ガス循環路における流れからの動力抽出は、密閉型サイクルエンジンシステムの効率をさらに高める。動力抽出手段は、タービンを有する。代替としては、動力抽出手段は、ベーンまたはその他、容積式モータを有する。 The flow resistance preferably has power extraction means to extract power from the flow in the gas circuit. Power extraction from the flow in the gas circuit further increases the efficiency of the closed cycle engine system. The power extraction means has a turbine. Alternatively, the power extraction means comprises a vane or other positive displacement motor.
吸気口における圧力は、排気口における圧力から独立して制御可能である。このような独立制御手段によって、エンジンシステム内の圧力は、効率が高められるように調整される。 The pressure at the intake port can be controlled independently of the pressure at the exhaust port. By such independent control means, the pressure in the engine system is adjusted to increase efficiency.
本発明の第2の様態に従って、密閉型サイクルエンジンシステムの駆動方法が提供されており、システムは吸気口及び排気口を有するエンジンユニットを有し、さらにガス循環路は前記排気口と前記吸気口との間で流体の伝達を行う。この駆動方法は、エンジンを作動させ、排気口においてガス循環路内へ排出される排ガスを生成するステップと、吸着装置において少なくとも部分的に排ガスを吸収するステップと、排気口における圧力よりも低い吸気口における圧力に調整され、吸着装置と吸気口との間に定められた、流れ抵抗をガス循環路に与えるステップと、を有する。 In accordance with a second aspect of the present invention, there is provided a method for driving a closed cycle engine system, the system having an engine unit having an inlet and an exhaust, and a gas circulation path comprising the exhaust and the intake. The fluid is transmitted to and from. The driving method includes operating the engine to generate exhaust gas discharged into the gas circulation path at the exhaust port, absorbing the exhaust gas at least partially in the adsorption device, and intake air lower than the pressure at the exhaust port. Adjusting the pressure at the mouth and providing a flow resistance to the gas circuit defined between the adsorber and the inlet.
本発明は、上述されているような密閉型サイクルエンジンシステムを有する潜水艇に及んでいる。このような潜水艇は、例えば潜水艦、または原動手段(motive means)を必要とする水中の乗り物のいずれかの形態である。 The present invention extends to a submersible having a closed cycle engine system as described above. Such submersibles are, for example, in the form of submarines or underwater vehicles that require motive means.
本発明がより理解されるために、例としてのみ添付図面を参照して、特定の実施形態が説明される。 For a better understanding of the present invention, specific embodiments will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.
本発明の実施形態に従ったアルゴン循環密閉型サイクルディーゼルエンジンシステム100が、図1において模式的に示されている。システム100は、吸気マニホールド112及び排気マニホールド114を有するディーゼルエンジンユニット110を有する。排気マニホールドは、適切なダクトまたはパイプを介して吸着装置120に連結されており、吸着装置120は、セパレータ130と、オリフィス板140と、減圧弁150とを介して順番に連結され、またエンジンユニット110の吸気マニホールド112へ連結される。それゆえ、排気マニホールドをまた吸気マニホールドへ連結するガス循環路が規定される。オリフィス板140と減圧弁150との間には、アルゴン及び酸素を循環路に供給する吸気口144及び146が設けられる。燃料をエンジンユニット110に供給するための吸気口(示されていない)もまた設けられている。酸素及びアルゴンの供給は、ガスボトル、またはその他適切なガス貯蔵装置から提供される。
An argon circulating closed cycle diesel engine system 100 according to an embodiment of the present invention is schematically illustrated in FIG. The system 100 includes a
システム100は、密閉サイクルにおいて作動することが可能である。エンジンユニット110は、吸気口144及び146から供給されているアルゴンと酸素の混合物を有する燃焼助燃ガスとともに吸引される。エンジンユニット110において燃料と酸素が結合することにより、二酸化炭素(CO2)を含む排ガスが生成される。ある程度のCO2は、チャンバー120に吸収される。
System 100 can operate in a closed cycle. The
従来の公知な密閉型サイクルエンジンと同様に、吸着装置120は、ワイヤーメッシュを備えるロータ、または容積比に対して広い表面積を有するその他の材料を有しており、そのロータを通じて水は、遠心力によって外に向かって半径方向に投げ出されるため、その間に排ガスは逆流して流れる。可変速送水ポンプを使用して吸着装置120を通過する水量を変化させることによって、吸収されるCO2量、及びそれに伴う吸着装置120と排気口114とにおける圧力が制御される。
Similar to conventional known closed cycle engines, the
その後、その時処理されたガスは、ガスの流れから水を取り除くセパレータ130を通過してオリフィス板140に流れる。オリフィス板140は、減圧弁150と協働して、エンジンユニット110の吸気マニホールドにおける圧力を制御するのに役立つ。減圧弁150は、吸気口112における圧力に応じて制御されるので、吸気口における圧力は、エンジンユニット110が許容する最大吸気圧力を超えて上昇しないということが確実である。これは、図1において、吸気口112を減圧弁150に連結する点線155によって模式的に示されている。それゆえ、吸気口112における圧力は、排気口114における圧力から独立して制御される。
Thereafter, the gas processed at that time passes through the
エンジンユニット110には、排気駆動ターボ過給機が取り付けられている、通常同じ種類の従来型ディーゼルエンジンである。正常な好気性構造(aerobic configuration)において運転中の場合は、このようなエンジンは、エンジン110と、予定された圧力に至るまで吸気口を圧縮させるタービンを駆動させるのに充分なタービンと、の間の差圧を伴って作動するように構成される。それゆえ、排気圧力は、生成された吸気圧力よりも高い。エンジンユニットは、システム100において使用されるために、ターボ過給機の除去及びエンジン110への吸気口112と排気口114との直接接合によって適合される。
The
それゆえ、密閉サイクルオペレーションにおいて、ターボ過給機が取り除かれると、エンジンの可能出力を超える差圧を伴って作動するエンジンの可能出力は、吸着装置120における圧力を増加させることによって吸収効率を高めるように活用され、一方で、エンジンの可能出力は、エンジンユニット110の許容範囲内における値において、吸気マニホールド112における圧力を維持する。
Therefore, in a closed cycle operation, when the turbocharger is removed, the possible output of an engine operating with a differential pressure that exceeds the possible output of the engine increases the absorption efficiency by increasing the pressure in the
最初は、システムは一定の圧力にあり、差圧は、エンジンユニット110の初めのスタートアップ後に生じる。本システムにおけるCO2の分圧は、スタートアップ時において非常に低いので、吸収能力もまた低い。エンジンが運転を継続すると、CO2の分圧が生じ、均衡になるまで吸着装置効率は高まる。差圧は、オリフィス板140及び減圧弁150を含む付加的な流れ抵抗の動作によって吸気マニホールドと吸着装置との間で増大する。この差異は、均衡にある時、吸気マニホールドが受容できる最大圧力と一致する一定値を維持することができる。一方で、差異は、排気マニホールド114における圧力よりも高い圧力で吸着装置120における圧力を維持する。それゆえ、吸着装置効率は高まる。吸収効率を高めることによって、エンジンにおける寄生損失は減少し、それゆえ、オリフィス板及び減圧弁をガス循環路内へ導入することによってエンジンの総合的な効率が改良される。
Initially, the system is at a constant pressure and the differential pressure occurs after the initial startup of the
当業者にとって直ちに明らかになるように、上述した実施形態に対する変更及び修正が可能である。例えば、上記において、流れを制限するための及び吸気圧力の制御を行うためのオリフィス板と減圧弁の組み合わせを用いることが説明されているが、その他のいくつかの構造も使用されうる。このようなその他の構造は、短縮ダイヤメトラルパイプ、または当業者に公知である能動的及び受動的に制御された絞り弁を使用することができる。特に単純な構造においては、流れ抵抗は、上述されているような減圧弁を含むよりもむしろオリフィス板のみを有している。エンジンシステムの運転中に要求される正確な差圧が製造中に知られるとすると、このような流れ抵抗が適当であり、更なる制御は必要ではない。プラントに更なる動力を提供するために、減圧からのエネルギーを使用することができる装置、例えばガスタービン及びエキスパンダ、またはいずれかの型の容積式モータ、を用いることができるということも把握されている。最後に、留意すべきは、このような変更及び修正等は、当業者にとって直ちに明らかになり、添付の請求項に定義されている本発明の範囲から逸脱することなく可能であるということが明確に理解されるということである。 Changes and modifications to the above-described embodiments are possible as will be readily apparent to those skilled in the art. For example, in the above, the use of a combination orifice plate and pressure reducing valve for restricting flow and controlling intake pressure is described, but several other structures may be used. Such other structures can use shortened diaphragm pipes or active and passively controlled throttle valves known to those skilled in the art. In a particularly simple construction, the flow resistance has only an orifice plate rather than including a pressure reducing valve as described above. If the exact differential pressure required during engine system operation is known during manufacture, such flow resistance is appropriate and no further control is necessary. It is also recognized that devices that can use energy from the vacuum, such as gas turbines and expanders, or any type of positive displacement motor, can be used to provide additional power to the plant. ing. Finally, it should be noted that such changes and modifications will be readily apparent to those skilled in the art and are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. It is understood that.
Claims (12)
前記吸気口と前記排気口との間で流体の伝達を行い、少なくとも部分的に前記排ガス及び流れ抵抗を吸収するための吸着装置を備え、前記流れ抵抗が前記吸着装置と前記吸気口との間に配置されて、且つ前記吸気口における前記圧力は前記排気口における前記圧力よりも低く、前記流れ抵抗は前記吸気口における前記圧力に応じて調整可能であるガス循環路と、
を具備する密閉型サイクルエンジンシステム。 An operable engine unit having an intake port and an exhaust port and generating exhaust gas by burning fuel together with combustion auxiliary gas; and
An adsorbing device for transferring fluid between the intake port and the exhaust port and at least partially absorbing the exhaust gas and the flow resistance is provided, and the flow resistance is between the adsorber and the intake port. And the pressure at the intake port is lower than the pressure at the exhaust port, and the flow resistance is adjustable according to the pressure at the intake port; and
A closed cycle engine system comprising:
a)前記エンジンを作動させ、前記排気口において前記ガス循環路内へ排出される排ガスを生成するステップと、
b)吸着装置において少なくとも部分的に前記排ガスを吸収するステップと、
c)前記排気口における前記圧力よりも低い前記吸気口における前記圧力に調整され、前記吸着装置と前記吸気口との間に定められた、流れ抵抗を前記ガス循環路に与えるステップと、
d)前記吸気口における前記圧力に応じて前記流れ抵抗を調整するステップと、を具備することを特徴とする密閉型サイクルエンジンシステムの作動方法。 An operation method of a closed cycle engine system comprising an engine unit having an intake port and an exhaust port, and a gas circulation path for transmitting fluid between the exhaust port and the intake port,
a) operating the engine to generate exhaust gas discharged into the gas circulation path at the exhaust port;
b) at least partially absorbing the exhaust gas in the adsorber;
c) providing a flow resistance to the gas circulation path that is adjusted to the pressure at the intake port lower than the pressure at the exhaust port and defined between the adsorber and the intake port;
d) adjusting the flow resistance in accordance with the pressure at the intake port, and a method for operating a closed cycle engine system.
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