JP2011106302A - エンジン廃熱回収発電ターボシステムおよびこれを備えた往復動エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンから廃棄されるエネルギーを電力として回収する実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムを提供する。
【解決手段】ジャケット冷却水循環系統９と、高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気通路１５とを有する往復動エンジン３における廃熱を用いて発電するエンジン廃熱回収発電ターボシステム１であって、臨界温度が約８０℃〜約２００℃である低沸点媒体を用い、蒸発器部３３、低沸点媒体を膨張させるタービン３５、凝縮器３７および低沸点媒体を昇圧するターボポンプ３９によって閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路２７と、タービン３５と同軸で連結され、低沸点媒体の膨張に伴い回転するタービン３５によって回転駆動されて発電を行う発電機２９と、を備え、蒸発器部３３には、少なくとも排気ガスと低沸点媒体との熱交換を行い、低沸点媒体を気相にさせる排気ガス熱交換器４５が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン廃熱回収発電ターボシステムおよびこれを備えた往復動エンジンに関するものである。
往復動エンジンは、ガソリン、アルコール、ガス（天然ガス、石油ガス等）等の燃料をシリンダ内部の燃焼室内に空気と適当な混合比になるように吸入、圧縮し、たとえば、電気火花で着火して爆発（急撃な燃焼）を起こさせる。往復動エンジンは、この爆発力によってピストンをシリンダ内で往復動させるとともにこのピストンの往復動をコネクティングロッドとクランクシャフトとによって連続的な回転運動に変え、クランク軸から動力（軸動力）を出力する。
シリンダの燃焼室周囲は、高温になるので、冷却手段によって冷却される。冷却手段には、たとえば、シリンダの回りにジャケットと呼ばれる二重構造の空間を作り、ここに冷却液（たとえば、水：ジャケット冷却水と呼ばれる。）を通してシリンダ周囲の過熱を抑制するジャケット冷却水循環系統がよく用いられている。
往復動エンジンには、自動車等の移動体に搭載される移動用往復動エンジンと、たとえば、発電所等で固定して用いられる定置用往復動エンジンがある。
往復動エンジンでは、燃料の燃焼によるエネルギーの一部が軸動力として有効仕事になり、残りは損失として外部に捨てられることになる。
たとえば、１００ｋＷ級往復動エンジンにおいて、燃焼によって得られる熱エネルギーの内、正味の軸動力として利用できるエネルギーは一般に約３０％前後であり、これが熱効率として表現される。その他の失われるエネルギーは摩擦損失などのポンプ損失として約１０％、エンジンを一定温度に冷却するための冷却損失として約３０％、排気が外部に持ち去る熱量である排気損失として約３０％である。
定地用往復動エンジンでは、この軸動力を最大値で運用し、かつ、排気エネルギーの内、圧力はターボチャージャで回収し、熱エネルギーは、たとえば、温水の生成等の熱利用として回収するシステムが作られており、この回収エネルギーを含めて定地用往復動エンジンの総合効率を向上させる努力が行われている。
また、定地用往復動エンジンでは、ジャケット冷却水を冷却するために大型で高価な冷却塔が設けられている。
一方、車両用往復動エンジンでは、ジャケット冷却水を冷却するラジエタは比較的小型で安価であるが、運用回転数や負荷の変化、車両の機器内部での損失により実質的に軸動力として利用できるエネルギーの平均（平均効率）は数％程度に留まっている。この負荷変動を小さくし平均効率を高くするために考案されたシステムがいわゆるハイブリッドエンジンである。ハイブリッドエンジンはエンジンの負荷変動を小さくし、低負荷時には軸動力で発電と走行のための動力とを作り出すシステムであり、軸動力の利用効率を高くする。また、排気エネルギーの圧力はターボチャージャで回収することも行われている。
車両用往復動エンジンでは、たとえば、特許文献１に示されるようにエンジンの駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。
これは、ジャケット冷却水循環系統を密閉構造とし、エンジンの廃熱で加温されて気化した冷却水、すなわち蒸気によってタービンを駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものである。
特開２００８−１６９７６０号公報
ところで、特許文献１に示されるものは、ジャケット冷却水、すなわち、水を排気ガスの熱量によって蒸気としている。水は断熱熱落差が大きいので、タービンを高速で回す必要がある。
高速対応のタービンとすると、実用回転数の制約からタービン自体の直径が大きくなり大型化するという課題がある。また、タービン回転数を高速回転とする場合には、電気エネルギーに変換するための発電機が現状技術では実用に供せないほどの高周波数になる。あるいは、実用に供せる発電機を用いる場合には、タービンとの間に大減速比のギヤが必要になる。このような場合には、蒸気が発電機やギヤ部に漏れこまないようにするために回転軸シールが必要になる等の電気的、機械的な実用化の困難さを伴う。
また、循環系統を循環するものが水蒸気であるため、このシールが蒸気を完全にシールできない場合には、水が発電機やギヤに漏洩し、電気回路の短絡や潤滑油の懸濁などの問題点を有する。さらに、このタービンでは所要の効率を維持するのに必要な蒸気の圧力、温度等の条件が大きくなるので、バイパス流路を設けたり、複数の開閉弁を設けたりしてジャケット冷却水循環系統が複雑になる。
これらにより、実用化されていないのが現状である。
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンから廃棄されるエネルギーを電力として回収する実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムおよびこれを備えた往復動エンジンを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の第一態様はエンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統と、高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路とを有する往復動エンジンにおける廃熱を用いて発電するエンジン廃熱回収発電ターボシステムであって、臨界温度が約８０℃〜約２００℃である低沸点媒体を用い、該低沸点媒体を気相とする蒸発器部、該蒸発器部で気相とされた前記低沸点媒体を膨張させ低圧の気相とするタービン、該タービンからの前記低圧沸点媒体を冷却して液相とする凝縮器および該凝縮器から送られる前記低沸点媒体を昇圧する圧縮機によって閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路と、前記タービンと同軸で連結され、前記低沸点媒体の膨張に伴い回転する前記タービンによって回転駆動されて発電を行う発電機と、を備え、前記蒸発器部には、少なくとも前記排気ガスと前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を気相にさせる第１の熱交換器が備えられているエンジン廃熱回収発電ターボシステムである。
閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路では、低沸点媒体は圧縮機、蒸発器部、タービンおよび凝縮器を順次巡回する。低沸点媒体は、圧縮機によって液相かつ低圧・低温の状態から昇圧され、液相で高圧の状態とされる。次いで、低沸点媒体は蒸発器によって昇温され、気相で高圧・高温の状態とされる。この状態の低沸点媒体は、タービンに導入され、膨張して低圧の気相とされる。低圧の気相とされた低沸点媒体は凝縮器によって冷却され、低圧・低温の液相とされる。タービンは、膨張する低沸点媒体により仕事をされて回転し、発電機を駆動することにより発電を行う。
そして、蒸発器部には、排気ガスと低沸点媒体との間で熱交換を行い、低沸点媒体を気相にさせる第１の熱交換器が備えられているので、低沸点媒体は排気ガス流路を通る排気ガスによって昇温されることになる。すなわち、媒体回路を循環する低沸点媒体は往復動エンジンから廃棄される排気ガス（排気損失）から熱量を回収することができる。回収されたエネルギーは電力に変換されるので、往復動エンジンの廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
このとき、低沸点媒体の臨界温度が約８０℃〜約２００℃であるので、比較的温度が低い排気ガスでも所要のタービン効率を維持するのに必要な十分な気相の圧力、温度等を得ることができる。また、低沸点媒体の断熱熱落差が小さくなるので、タービンを低速で回すことができる。これにより、タービンの大型化を防止できる。
また、媒体回路は、ジャケット冷却水循環系統および排気ガス流路とは別個に、言い換えると、往復動エンジンとは別個に独立して設けられているので、ジャケット冷却水循環系統、排気ガス流路等の複雑化を防止できる。
これらにより、往復動エンジンに大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムを提供することができる。
本態様では、前記蒸発器部には、前記第１の熱交換器の上流側に前記ジャケット冷却水循環系統の高温側のジャケット冷却水と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第２の熱交換器が備えられていてもよい。
蒸発器部では、低沸点媒体は第１の熱交換器の上流側で、第２の熱交換器によってジャケット冷却水循環系統の高温側のジャケット冷却水と熱交換されて昇温されるので、ジャケット冷却水は冷却され、一方低沸点媒体はジャケット冷却水の熱量を回収することができる。このように、ジャケット冷却水を冷却するために外部に熱を放出すること（冷却損失）を不要とできる、あるいは、大幅に減少させることができる。一方で、低沸点媒体は第２の熱交換器によって外部に放熱していた熱量を回収して発電を行えるので、一層往復動エンジンの効率を向上させることができる。
ジャケット冷却水は、一般的に８０〜８５℃であるので、臨界温度が約８０℃〜約２００℃である低沸点媒体とは液−液熱交換となる。これにより、第２の熱交換器としては比較的小型とできる液−液熱交換器を用いることができる。
本態様では、前記往復動エンジンには、空気を圧縮して供給するターボチャージャが備えられ、前記蒸発器には、前記第１の熱交換器の上流側に、前記ターボチャージャの出口空気と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第３の熱交換器が備えられている構成としてもよい。
ターボチャージャの出口空気は圧縮されているので、温度が高くなっている。温度が高くなると、密度が低下するので、シリンダへ供給される空気量をより多くするために外部に放熱し、出口空気を冷却してシリンダへ供給するものがある。
蒸発器部では、低沸点媒体は第１の熱交換器の上流側で、第３の熱交換器によってターボチャージャの出口空気と熱交換され昇温されるので、出口空気は冷却され、一方低沸点媒体は出口空気の熱量を回収することができる。このように、出口空気を冷却するために外部に熱を放出することが不要となる一方でその熱量を回収して発電を行えるので、一層往復動エンジンの効率を向上させることができる。
前記構成では、前記第３の熱交換器は、前記第２の熱交換器の上流側あるいは下流側に直列に設置されていてもよい。
また、前記構成では、前記第３の熱交換器は、前記第２の熱交換器に対し並列に設置されていてもよい。
前記態様では、前記圧縮機は、ターボポンプとされ、該ターボポンプは、前記発電機と同軸で連結され、前記タービン、前記発電機および前記ターボポンプは、密閉容器に収納されていることが好ましい。
このように、ターボポンプは、発電機と同軸で連結されているので、タービン、発電機およびターボポンプは一体化されていることになる。この一体化されたタービン、発電機およびターボポンプが密閉容器内に収納されているので、タービンと外気、ターボポンプと外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機を含めてこれら３つの構成要素を一まとめにして密閉することで、低沸点媒体のリークを確実に防止することができる。
本発明の第二態様は、エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統および高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路を有する往復動エンジンと、請求項１から６のいずれか１項に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステムと、が備えられている往復動エンジンシステムである。
本態様によると、上述したように少なくとも往復動エンジンの排気ガスから熱量を回収することができ、回収されたエネルギーは電力に変換されるエンジン廃熱回収発電ターボシステムが備えられているので、往復動エンジンの効率を向上させることができる。
本発明によると、蒸発器部には、少なくとも排気ガスと低沸点媒体との熱交換を行い、低沸点媒体を気相にさせる第１の熱交換器が備えられているので、往復動エンジンから廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。回収されたエネルギーは電力に変換されるので、往復動エンジンの廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
このとき、低沸点媒体の臨界温度が約８０℃〜約２００℃であるので、タービンの大型化を防止でき、ジャケット冷却水循環系統、排気ガス流路等の複雑化を防止できる。
これらにより、往復動エンジンに大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムを提供することができる。
本発明の第一実施形態にかかる往復動エンジンシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態にかかる往復動エンジンシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第三実施形態にかかる往復動エンジンシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第三実施形態にかかる往復動エンジンシステムの別の実施態様の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第三実施形態にかかる往復動エンジンシステムの別の実施態様の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第四実施形態にかかる往復動エンジンシステムの概略構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
以下に、本発明の第一実施形態にかかる往復動エンジンシステム１について、図１を参照して説明する。
図１は、第一実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の概略構成を示すブロック図である。
往復動エンジンシステム１には、往復動エンジン３と、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５とが備えられている。
往復動エンジン３には、ガソリン、アルコール、ガス（天然ガス、石油ガス等）等の燃料と空気とを適当な混合比になるように吸入、圧縮し、たとえば、電気火花で着火して爆発（急撃な燃焼）を起こさせる複数のシリンダ７と、シリンダ７の燃焼室周囲を冷却するジャケット冷却水循環系統９と、シリンダ７に吸入される空気を圧縮して吸入される空気量を増加させるターボチャージャ１１とが備えられている。
シリンダ７には、空気を吸入する吸気通路１３と、シリンダ７で燃焼された燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気通路（排気ガス流路）１５とが備えられている。
ジャケット冷却水循環系統９には、シリンダ７、特に、燃焼室の回りに二重構造の空間を形成するジャケット（エンジンジャケット）１７と、ジャケット冷却水を循環させる冷却水ポンプ１９と、ジャケット１７、冷却水ポンプ１９およびジャケット１７を結びジャケット冷却水を循環させるジャケット水循環流路２１とが備えられている。
ターボチャージャ１１には、排気通路１５に配置され、シリンダ７の排気ガスによって回転駆動されるタービン２３と、タービン２３と同軸的に連結され、タービン２３の回転に伴い回転駆動され吸気通路１３を通る空気を圧縮するコンプレッサ２５とで主として構成されている。
なお、吸気通路１３におけるコンプレッサ２５とシリンダ７との間に吸気通路１３を通る空気を冷却する冷却部材を設けてもよい。
エンジン廃熱回収発電ターボシステム５には、低沸点媒体が循環して閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路２７と、発電機３１と、バッテリ３３と、が備えられている。
ここで、低沸点媒体は、たとえば、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＥ７１００で例示される代替フロンである。低沸点媒体としてはこれらに限られず、臨界温度が約８０℃〜約２００℃である媒体であればよい。たとえば、ＨＦＣ１３４ａの臨界温度は１０１．２℃、ＨＦＥ７１００の臨界温度は１９５．８℃である。
媒体回路２７には、低沸点媒体を気相とする蒸発器部３３と、蒸発器部３３で気相とされた低沸点媒体を膨張させ低圧の気相とするタービン３５と、タービン３５からの低圧沸点媒体を冷却して液相とする凝縮器３７と、凝縮器３７から送られる低沸点媒体を昇圧するターボポンプ（圧縮機）３９と、これらの機器を結び、低沸点媒体を循環させる媒体流路４１と、が備えられている。
蒸発器部３３には、ジャケット水循環流路２１の高温側のジャケット冷却水と低沸点媒体との間で熱交換を行うジャケット冷却水熱交換器（第２の熱交換器）４３と、排気通路１５を通る排気ガスと低沸点媒体との間で熱交換を行う排気ガス熱交換器（第１の熱交換器）４５と、が備えられている。
ジャケット冷却水熱交換器４３は、排気ガス熱交換器４５の上流側に配置されている。ジャケット冷却水熱交換器４３の高温側には、たとえば、８０〜８５℃であるジャケット冷却水が供給され、低温側には、たとえば、約４０℃の液相で高圧の低沸点媒体が対向流式に供給されている。
ジャケット冷却水は、低沸点媒体によってジャケット冷却水熱交換器４３の出口で数℃、たとえば、２〜３℃冷却される。一方、低沸点媒体は、ジャケット冷却水によって加熱され、ジャケット冷却水熱交換器４３の出口で、たとえば、約７５℃まで昇温される。言い換えると、低沸点媒体は、ジャケット冷却水から熱量を回収することができる。
低沸点媒体は臨界温度が約８０℃〜約２００℃であるので、低沸点媒体とジャケット冷却水とは液−液熱交換となる。ジャケット冷却水熱交換器４３としては比較的小型とできる液−液熱交換器を用いることができる。また、ジャケット冷却水熱交換器４３は効率のよい対向流式の熱交換であるので、一層小型化できる。
排気ガス熱交換器４５の高温側には、加熱用の排気ガスが供給され、低温側には、たとえば、約７５℃の液相で高圧の低沸点媒体が対向流式に（または直交流式に）供給されている。
低沸点媒体は排気ガス流路を通る排気ガスによって昇温され、気相に変換される。言い換えると、低沸点媒体はシリンダ７から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。
タービン３５は、蒸発器部３３で、高圧・高温の気相とされた低沸点媒体を断熱膨張させ、低圧の気相とする。タービン３５は、その際低沸点媒体の膨張から仕事を得、回転される。
タービン３５には、主軸４７が備えられている。
発電機２９は、タービン３５と主軸４７を介して同軸に連結し一体化されている。発電機２９は、主軸４７を介して伝達されたタービン３５の回転により回転し、発電を行なう。発電機２９は、たとえば、同期発電機や誘導発電機が用いられ、主軸４７は、発電機２９における回転子の回転軸となっている。
発電機２９の回転数は、エンジンの負荷による排気熱量と温度に対応して、回転数を制御し流量・圧力を変化させることができる。
発電機２９で発電された電力はバッテリ３１に蓄電される。なお、バッテリ３１への蓄電に換えて、電力を必要とする機器へ直接供給するようにしてもよい。
凝縮器３７は、タービン３５からの低圧沸点媒体を冷却して液相とする熱交換器である。凝縮器３７の高温側には、たとえば、８０℃である低沸点媒体が供給され、低温側には、冷却媒体として、たとえば、約２０℃の冷却空気が直交流式に供給されている。
低沸点媒体は、冷却空気によって、たとえば、約４０℃まで冷却される。一方、冷却空気は、低沸点媒体によって加熱され、凝縮器３７の出口で、たとえば、約５０℃まで昇温される。
冷却媒体としては、空気等の気体に限らず、水等の液体を用いることができる。
ターボポンプ３９は、タービン３５および発電機２９と主軸４７を介して同軸に連結されている。ターボポンプ３９は、主軸４７を介して伝達されるタービン３５の回転により回転し、凝縮器３７から導入される液相の低沸点媒体を圧縮して昇圧する。
タービン３５、発電機２９およびターボポンプ３９は、主軸４７によって連結され、一体化されている。
この一体化されたタービン３５、発電機２９およびターボポンプ３９は、密閉された容器（密閉容器）４９内に収納され、外気と遮断されている。
このように、タービン３５、発電機２９およびターボポンプ３９が容器４９内に収納され、外気と遮断されているので、タービン３５と外気、ターボポンプ３９と外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機２９を含めてこれら３つの構成要素を一まとめにして密閉することで、低沸点媒体のリークを確実に防止することができる。したがって、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することができる。
一体化されたタービン３５、発電機２９およびターボポンプ３９は、主軸４７が鉛直方向に延在し、ターボポンプ３９が最下方位置に位置するように、竪形に配置されている。
これにより、設備の大きさをコンパクトにでき、設置スペースを小さくできる。
また、主軸４７を支持するターボポンプ３９のスラストベアリングは気液シール機能を持たせると、液相の低沸点媒体が発電機２９やタービン３５の側へ向かうことを安定的に防止することできる。
以上のように構成された本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の動作について説明する。
往復動エンジン３が始動すると、シリンダ７からの排気ガスがタービン２３を回転する。このタービン２３の回転に伴いコンプレッサ２５が回転駆動され、吸入された空気を圧縮し、吸気通路１３を通ってシリンダ７に供給する。コンプレッサ２５の出口で圧縮された空気は、たとえば、約１８０℃に昇温されている。
シリンダ７では、ピストンの動作によって吸気通路１３からの空気と、別途供給される燃料とが適当な混合比になるように吸入される。吸入された空気および燃料は圧縮されて爆発（急撃に燃焼）される。燃焼された燃焼ガスは排気ガスとして排気通路１５を通って排気される。
往復動エンジン１は、この爆発力によってピストンをシリンダ内で往復動させるとともにこのピストンの往復動をコネクティングロッドとクランクシャフトとによって連続的な回転運動に変え、クランク軸から動力（軸動力）を出力する。
このとき、ジャケット冷却水循環系統９では、冷却水ポンプ１９によってジャケット冷却水がジャケット水循環流路２１を循環させられている。ジャケット冷却水は、ジャケット１７を通る際にシリンダ７の燃焼室周囲から熱量を得て昇温され、たとえば、８０〜８５℃となる。一方、シリンダ７の燃焼室周囲は熱量を奪われるので、冷却されることになる。
ジャケット冷却水は、ジャケット冷却水熱交換器４３によって媒体流路４１を流れる低温の低沸点媒体と熱交換されて、たとえば、数℃冷却され、ジャケット１７へ循環される。このように、ジャケット冷却水は媒体流路４１を循環する低沸点媒体によって冷却されるので、ジャケット冷却水を冷却するために外部に熱を放出すること（冷却損失）を不要とできる。
なお、本実施形態では、ジャケット冷却水はジャケット冷却水熱交換器４３で低沸点媒体によってのみ冷却されるようにされているが、これに限定されるものではなく、たとえば、従来のラジエタを併せ持つようにしてもよい。このようにすると、特に、往復動エンジン３の起動、停止、部分負荷運用、において制御の自由度を高くできる。
次に、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５の動作について説明する。
媒体流路４１を循環する低沸点媒体は次のとおり変化する。凝縮器３７から導入される低温（約４０℃）・低圧の液相の低沸点媒体は、タービン３５の回転により回転するターボポンプ３９によって圧縮され、昇圧される。
昇圧された低温・高圧の低沸点媒体は、蒸発器部３３のジャケット冷却水熱交換器４３に導入され、ここでジャケット冷却水によって加熱され、ジャケット冷却水熱交換器４３の出口で、たとえば、約７５℃まで昇温される。低沸点媒体は、液相を保っている。
次いで、低沸点媒体は蒸発器部３３の排気ガス熱交換器４５に導入され、排気通路１５を通る、たとえば、約４００℃の排気ガスによって昇温され、気相に変換される。言い換えると、低沸点媒体はシリンダ７から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。これにより、排気ガスとして外部に廃棄される熱量（排気損失）を減少させることができる。
蒸発器部３３で、高圧・高温の気相とされた低沸点媒体は、タービン３５に導入され、断熱膨張させられて、高温・低圧の気相、あるいは、一部液相となった湿り状態となる。このときの低沸点媒体の温度は、たとえば、約８０℃である。
タービン３５は、低沸点媒体の膨張に仕事を得て、回転されるので、主軸４７が回転する。
発電機２９は、主軸４７を介して伝達されたタービン３５の回転により回転し、発電を行なう。発電機２９で発電された電力はバッテリ３１に蓄電される。
このように、低沸点媒体はジャケット冷却水熱交換器４３でジャケット冷却水の熱量を回収し、排気ガス熱交換器４５で往復動エンジン３から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。回収された熱量（エネルギー）は発電機２９によって電力に変換されるので、往復動エンジン３の廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
これらにより、往復動エンジン３の効率を格段に向上させることができる。
このとき、低沸点媒体は臨界温度が約８０℃〜約２００℃であるので、ジャケット冷却水熱交換器４３では液−液熱交換器を用いることができ、排気ガス熱交換器４５では比較的温度が低い排気ガスでも所要のタービン効率を維持するのに必要な十分な気相の圧力、温度等を得ることができる。言い換えると、ジャケット冷却水熱交換器４３および排気ガス熱交換器４５でそれぞれ効率的な熱交換を行うことができる。低沸点媒体は断熱熱落差が小さくなるので、タービンを低速で回すことができる。これにより、タービンの大型化を防止できる。
また、媒体回路２７は、ジャケット冷却水循環系統９および排気通路１５とは別個に、言い換えると、往復動エンジン３とは別個に独立して設けられているので、ジャケット冷却水循環系統９、排気通路１５等の複雑化を防止できる。
これにより、往復動エンジン３に大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステム５を提供することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかる往復動エンジンシステム１について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５の蒸発器部３３およびジャケット冷却水循環系統９の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図２は、本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の蒸発器部３３は、排気ガス熱交換器４５でのみ構成されている。これに伴いジャケット冷却水循環系統９には、シリンダ７によって昇温されたジャケット冷却水を冷却するラジエタ５１が備えられている。なお、ラジエタ５１の替わりに冷却塔を用いるようにしてもよい。
このように構成された本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の動作は、基本的に前述の第一実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。
ジャケット冷却水循環系統９では、冷却水ポンプ１９によって循環させられているジャケット冷却水は、ジャケット１７を通る際にシリンダ７の燃焼室周囲を冷却し、その際シリンダ７の燃焼室周囲から熱量を得て昇温される。
ジャケット冷却水は、ラジエタ５１によって冷却空気と熱交換されて、冷却され、ジャケット１７へ循環される。
エンジン廃熱回収発電ターボシステム５では、ターボポンプ３９から送られる低温・高圧の低沸点媒体は、蒸発器部３３の排気ガス熱交換器４５に導入される。低沸点媒体は排気通路１５を通る、たとえば、約４００℃の排気ガスによって昇温され、高温・高圧の気相に変換される。すなわち、低沸点媒体はシリンダ７から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができるので、排気ガスとして外部に廃棄される熱量（排気損失）を減少させることができる。
このように、回収された熱量（エネルギー）は発電機２９によって電力に変換されるので、往復動エンジン３の廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
このとき、低沸点媒体は臨界温度が約８０℃〜約２００℃であるので、排気ガス熱交換器４５では比較的温度が低い排気ガスでも所要のタービン効率を維持するのに必要な十分な気相の圧力、温度等を得ることができる。低沸点媒体は断熱熱落差が小さくなるので、タービンを低速で回すことができる。これにより、タービンの大型化を防止できる。
また、媒体回路２７は、ジャケット冷却水循環系統９および排気通路１５とは別個に、言い換えると、往復動エンジン３とは別個に独立して設けられているので、ジャケット冷却水循環系統９、排気通路１５等の複雑化を防止できる。
これにより、往復動エンジン３に大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステム５を提供することができる。
なお、本実施形態のエンジン廃熱回収発電ターボシステム５は、往復動エンジン３に限定することなく、たとえば、ボイラ、ガスタービン等で排気ガス熱交換器４５の熱源を確保できるものに適用することができる。
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態にかかる往復動エンジンシステム１について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５の蒸発器部３３および吸気通路１３の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図３は、本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態では、吸気通路１３におけるブロア２５とシリンダ７との間に、吸気熱交換器（第３の熱交換器）５３が備えられている。
吸気熱交換器５３には、ジャケット冷却水熱交換器４３と排気ガス熱交換器４５との間に位置する媒体流路４１が挿着されている。吸気熱交換器５３は、ターボチャージャ１１の出口（コンプレッサ２５の出口）空気（吸気）と低沸点媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。
蒸発器部３３は、ジャケット冷却水熱交換器４３、吸気熱交換器５３および排気ガス熱交換器４５の順に直列に接続された熱交換器によって構成されている。したがって、吸気熱交換器５３は排気ガス熱交換器４５の上流側に設置されている。
吸気熱交換器５３は、吸気通路１３の一部を構成し、内部をブロアで圧縮され、比較的高温、たとえば、約１８０℃とされた空気が通っている。吸気熱交換器５３の内部に挿着された媒体流路４１には、ジャケット冷却水熱交換器４３を出た、たとえば、約７５℃の低沸点媒体が吸気に対して対向流式に供給されている。
吸気は、低沸点媒体によって冷却され、一方、低沸点媒体は、吸気によって加熱される。言い換えると、低沸点媒体は、吸気から熱量を回収することができる。
このように構成された本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の動作は、基本的に前述の第一実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。
ターボチャージャ１１の出口空気である吸気は圧縮されているので、温度が高くなっている。この吸気は吸気熱交換器５３で低沸点媒体によって冷却されるので、温度が下がり、密度を増加させることができる。これにより、シリンダへ供給される空気量をより多くすることができる。
エンジン廃熱回収発電ターボシステム５では、ジャケット冷却水熱交換器４３を出た低沸点媒体は、吸気熱交換器５３に導入される。低沸点媒体は吸気熱交換器５３を通る吸気によって昇温される。すなわち、低沸点媒体は吸気から熱量を回収することができるので、吸気を冷却するために外部に熱を放出することを不要とできる。
したがって、蒸発器部３３では、ジャケット冷却水熱交換器４３および排気ガス熱交換器４５に加えて、吸気熱交換器５３でも往復動エンジン３から廃棄される熱量を回収することができる。
このようにして回収された熱量（エネルギー）は発電機２９によって電力に変換されるので、往復動エンジン３の廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
なお、本実施形態では、吸気熱交換器５３がジャケット冷却水熱交換器４３および排気ガス熱交換器４５の中間位置に直列に接続されているが、これに限定されるものではない。
たとえば、図４に示されるように、吸気熱交換器５３はジャケット冷却水熱交換器４３と並列になるように配置してもよい。
また、図５に示されるように、吸気熱交換器５３は第二実施形態のエンジン廃熱回収発電ターボシステム５に用いられてもよい。この場合、吸気熱交換器５３は、排気ガス熱交換器４５の上流側にそれと直列に接続される。
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態にかかる往復動エンジンシステム１について、図６を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５のタービン３５およびターボポンプ３９の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図６は、第四実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態では、主軸４７によって一体化されたタービン３３および発電機２９は密閉された容器５５内に収納され、外気と遮断されている。
ターボポンプ３９は、モータ５７によって回転駆動されるように構成されている。モータ５７はバッテリ３１から供給される電力によって駆動される。
ターボポンプ３９およびモータ５７は密閉された容器５９内に収納され、外気と遮断されている。
このように構成された本実施形態にかかる往復動エンジンシステム１の動作は、基本的に前述の第一実施形態のものと同様であるので、重複した説明は省略し、異なる部分について説明する。
エンジン廃熱回収発電ターボシステム５では、蒸発器部３３で高圧・高温の気相とされた低沸点媒体は、タービン３５に導入され、断熱膨張させられて、高温・低圧の気相、あるいは、一部液相となった湿り状態となる。
タービン３５は、低沸点媒体の膨張に仕事を得て、回転されるので、主軸４７を介して
発電機２９が回転し、発電を行なう。発電機２９で発電された電力はバッテリ３１に蓄電される。
バッテリ３１から供給される電力によってモータ５７が回転され、ターボポンプ３９が回転されている。ターボポンプ３９に導入される凝縮器３７からの低温・低圧の液相の低沸点媒体は、ターボポンプ３９によって圧縮され、昇圧される。
このように、タービン３５および発電機２９が容器５５内に収納され、ターボポンプ３９およびモータ５７が容器５９内に収納され、それぞれ外気と遮断されているので、タービン３５と外気と、およびターボポンプ３９と外気と、の間にシールを行なう必要が無い。これにより、低沸点媒体のリークを確実に防止することができるので、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することができる。
また、ターボポンプ３９がタービン３５の主軸４７と接続されていないので、タービン３５とターボポンプ３９とは回転数を独立にすることができる。これにより、エンジン廃熱回収発電ターボシステム５および往復動エンジンシステム１の制御の自由度を大きくすることができる。
なお、本実施形態のタービン３３およびターボポンプ３９周辺の構造は、上述の第二実施形態および第三実施形態の各エンジン廃熱回収発電ターボシステム５に適用してもよい。
なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
たとえば、圧縮機としてターボポンプ３９を用いているが、これは公知の適宜形式の圧縮器を用いてもよい。
１ 往復動エンジンシステム
３ 往復動エンジン
５ エンジン廃熱回収発電ターボシステム
９ ジャケット冷却水循環系統
１１ ターボチャージャ
１３ 吸気通路
１５ 排気通路
１７ ジャケット
３３ 蒸発器部
３５ タービン
３７ 凝縮器
３９ ターボポンプ
４３ ジャケット冷却水熱交換器
４５ 排気ガス熱交換器
４９ 容器
５３ 吸気熱交換器

Claims (7)

  1. エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統と、高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路とを有する往復動エンジンにおける廃熱を用いて発電するエンジン廃熱回収発電ターボシステムであって、
    臨界温度が約８０℃〜約２００℃である低沸点媒体を用い、該低沸点媒体を気相とする蒸発器部、該蒸発器部で気相とされた前記低沸点媒体を膨張させ低圧の気相とするタービン、該タービンからの前記低圧沸点媒体を冷却して液相とする凝縮器および該凝縮器から送られる前記低沸点媒体を昇圧する圧縮機によって閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路と、
    前記タービンと同軸で連結され、前記低沸点媒体の膨張に伴い回転する前記タービンによって回転駆動されて発電を行う発電機と、を備え、
    前記蒸発器部には、少なくとも前記排気ガスと前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を気相にさせる第１の熱交換器が備えられていることを特徴とするエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  2. 前記蒸発器部には、前記第１の熱交換器の上流側に前記ジャケット冷却水循環系統の高温側のジャケット冷却水と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第２の熱交換器が備えられていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  3. 前記往復動エンジンには、空気を圧縮して供給するターボチャージャが備えられ、
    前記蒸発器には、前記第１の熱交換器の上流側に、前記ターボチャージャの出口空気と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第３の熱交換器が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  4. 前記第３の熱交換器は、前記第２の熱交換器の上流側あるいは下流側に直列に設置されていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  5. 前記第３の熱交換器は、前記第２の熱交換器に対し並列に設置されていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  6. 前記圧縮機は、ターボポンプとされ、
    該ターボポンプは、前記発電機と同軸で連結され、
    前記タービン、前記発電機および前記ターボポンプは、密閉容器に収納されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
  7. エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統および高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路を有する往復動エンジンと、
    請求項１から６のいずれか１項に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステムと、
    が備えられていることを特徴とする往復動エンジンシステム。
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