JP2011106469A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定温度範囲のＤＭＥをエンジン等の原動機に供給することにより、原動機の出力値をほぼ一定にすることが可能な燃料供給装置を提供する。
【解決手段】燃料供給装置４１は、ＤＭＥを貯蔵する貯蔵タンク３と、ＤＭＥを原動機に送給するポンプ７と、ポンプ７から吐出されるＤＭＥを原動機（エンジン５）に供給する配管等の供給手段９と、供給手段９のいずれかの箇所に設けられた加熱用熱交換器１５及び冷却用熱交換器４７を有し、ＤＭＥを所定温度に制御する調温手段１１とを備え、冷却用熱交換器４７に用いられる冷却用媒体は、原動機の排熱を利用して駆動される冷却装置にて冷却される（スターリングエンジン４９）ことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ジメチルエーテルを燃料とする原動機の燃料供給装置に関するものである。

ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥとする）は、融点−１３８．５℃ 、沸点−２５．１℃（１気圧）で、軽油よりもセタン価が高く、燃焼しても煤が発生しないために、環境負荷の少ないクリーンエネルギーとして期待され、既設のＬＰＧインフラ及びディーゼルエンジン等への適用が進められている。このＤＭＥは常温常圧下では気体となる性質を有しているために、ＤＭＥを燃料として用いる場合はＤＭＥを加圧し、液体としてエンジンに供給する。これは、ＤＭＥの気化によりＤＭＥ中に気泡が混入し、エンジンの回転が不安定となり、配管やポンプ内でキャビテーションが発生することを防止するためである。一方、ＤＭＥに過度の高圧を加えるとＤＭＥは粘性が低いために、ＤＭＥの漏れが発生し、大掛かりな回収システムが必要となる。そこで、例えば、特許文献１に示すように、ＤＭＥを適度に加圧するとともに、冷却して液体の状態を保持させる方法が提案されている。

特開２００３−１４８２８９号公報

ＤＭＥは、図７に示すように、温度が高くなるにともない比重が小さくなる性質を有し（例えば、０℃、２０℃、４０℃のときの比重はそれぞれ０．６９０、０．６６１、０．６２９）、軽油と比べると温度により比重が大きく変化するために、エンジンへ供給されるＤＭＥの温度が変化すると、ＤＭＥの単位体積当たりの発熱量が変化し、エンジンの出力値が変化する。ここで、特許文献１に記載されているＤＭＥの冷却技術では、単純にＤＭＥを冷却のみするものであり、加温はできなかったために、ＤＭＥの温度を一定に管理することができない。そのために、エンジンの出力値は供給されるＤＭＥの温度変化にともない変化するという問題点があった。例えば、こうした状況下のエンジンにより発電機を駆動するとしたならば、その発電出力が一定にならず変化するという問題も生じた。

したがって、冬場などの外気温の低いときであってもＤＭＥを加熱することができず、低温状態で単位体積当たりの発熱量が大きいＤＭＥによって、エンジンの出力が定格出力値を超えてしまうおそれもあった。一方で、夏場などの外気温度の高いときはエンジンに供給されるＤＭＥの温度も高いままとなるために、単位体積当たりの発熱量が小さくなり、エンジンの出力が定格出力値よりも小さくなるおそれもあった。つまり、季節によりエンジンの出力が変化するという問題点があった。

他方で、エンジンに供給されるＤＭＥの温度が高く、単位体積当たりの発熱量が低下した場合に、ＤＭＥの供給量を増加させて発熱量の低下を補うという方法を用いると、エンジン内の空燃比や燃焼過程が適正でなくなるために、燃焼不良となり、エンジンの性能を発揮できなくなるという問題点もあった。

そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、所定温度範囲のＤＭＥをエンジン等の原動機に供給することにより、原動機の出力値をほぼ一定にすることが可能な燃料供給装置を提供することを目的としている。

上記問題を解決する本発明の燃料供給装置は、ジメチルエーテルを貯蔵する貯蔵タンクと、前記ジメチルエーテルを原動機に送給するポンプと、一端は前記ポンプに、他端は前記原動機に接続され、前記ポンプから吐出される前記ジメチルエーテルを前記原動機に供給する配管等の供給手段と、前記供給手段のいずれかの箇所に設けられ、前記ジメチルエーテルを加熱する加熱用熱交換器と、前記ジメチルエーテルを冷却する冷却用熱交換器とを有し、前記ジメチルエーテルを所定温度に制御する調温手段とを備え、前記冷却用熱交換器に用いられる冷却用媒体は、前記原動機の前記排熱を利用して駆動される冷却装置にて冷却されることを特徴とする。

本発明による燃料供給装置は、調温手段にてＤＭＥを所定温度にすることが可能であるために、季節に関わらず一定温度のＤＭＥを原動機に供給することが可能となる。したがって、ＤＭＥの単位体積当たりの発熱量が一定となるために、原動機の出力値を一定にすることが可能となる。そして、出力値を一定にすることが可能な原動機に発電機を接続することにより、安定した発電出力を得ることも可能となる。

また、この燃料供給装置は、加熱専用の加熱用熱交換器と、冷却専用の冷却用熱交換器とをそれぞれ備えているため、短時間でかつ効率的にジメチルエーテルを加熱又は冷却することが可能となる。また、加熱用熱交換器又は冷却用熱交換器の少なくともいずれかは、原動機にて生じた排熱を利用して熱交換を行うため、別系統の装置を新設することなく、低コストで効率的な調温が可能となる。さらに、冷却用熱交換器の冷却用媒体は、原動機の排熱を利用して駆動される冷却装置にて冷却されるために、低コストで効率的に冷却することが可能である。

前述の燃料供給装置において、前記冷却装置は、前記原動機の排気にて回転されるタービンと、該タービンが回転することにより駆動軸が駆動されるスターリングエンジンとから構成されることが好ましい。

前述の燃料供給装置において、前記冷却装置は、前記原動機にて生じた熱にて蒸気を発生させる蒸気発生装置と、前記蒸気にて回転されるタービンと、該タービンが回転することにより駆動軸が駆動されるスターリングエンジンとから構成されることが好ましい。

前述の燃料供給装置において、前記スターリングエンジンの高温空間は、前記原動機から排出される熱を利用して加熱されることが好ましい。

本発明による燃料供給装置によれば、所定温度範囲のＤＭＥをエンジン等の原動機に供給することにより、原動機の出力値をほぼ一定にすることが可能となる。

第一実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 第二実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 第三実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 第四実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 第五実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 第六実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。 ジメチルエーテル及び軽油の温度と比重の関係を示す図である。

本発明の燃料供給装置及びこの燃料供給装置を備えた原動機の運転方法は、季節に関わらず一定温度のＤＭＥを原動機に供給し、原動機の出力を一定にするものであり、以下、好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、第一実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図１に示すように、燃料供給装置１は、ＤＭＥを貯蔵する貯蔵タンク３と、ＤＭＥを原動機であるエンジン５に送給するポンプ７と、このポンプ７から吐出されるＤＭＥをエンジン５に供給する配管等の供給手段９と、供給手段９の途中に設けられ、ＤＭＥを所定温度に調整する調温手段１１と、エンジン５に供給されるＤＭＥの供給前温度を測定する温度測定手段１３と、この温度測定手段１３により測定された供給前温度に基づいて、ＤＭＥを加熱するか冷却するかの判定を行う温度管理手段１９とを備える。

供給手段９は、一端が流量調整弁２１を介してポンプ７に、他端がエンジン５に接続されており、流量調整弁２１の下流側は２系統９ａ、９ｂに分岐され、分岐された一方９ａは加熱用熱交換器１５に、他方９ｂは冷却用熱交換器１７に接続される。そして、加熱用熱交換器１５及び冷却用熱交換器１７の下流側にて再び合流して１系統となり、エンジン５に接続される。

調温手段１１は、ＤＭＥを加熱する加熱用熱交換器１５とＤＭＥを冷却する冷却用熱交換器１７とから構成される。加熱用熱交換器１５は、エンジン５を経て昇温されたラジエータ液から熱を回収してＤＭＥを加熱する。この加熱用熱交換器１５を通過したラジエータ液は空冷のラジエータ２３にて冷却され、再びエンジン５に送給される。冷却用熱交換器１７は、空冷のラジエータ２５にて冷却された水等の冷媒にてＤＭＥを冷却する。この冷却用熱交換器１７を通過して温められた冷媒は再びラジエータ２５にて冷却され、冷却用熱交換器１７に送給される。

温度管理手段１９は流量調整弁２１とＰＣ等の調節計２７とから構成され、調節計２７は、温度測定手段１３である温度計により測定されたＤＭＥの供給前温度と予め設計時に設定する所定温度とを比較し、供給前温度が所定温度より所定値以上低い場合は、ＤＭＥが加熱用熱交換器１５へ送給されるように流量調整弁２１を切り替える、一方、供給前温度が所定温度より所定値以上高い場合は、ＤＭＥが冷却用熱交換器１７へ送給されるように流量調整弁２１を切り替える機能を有する。また、調節計２７は、ＤＭＥの供給前温度が所定温度の所定値内の温度範囲になっている場合は、ＤＭＥが冷却用熱交換器１７へ送給されるように流量調整弁２１を切り替えると同時に冷却用熱交換器１７の冷却機能を停止させ、ＤＭＥの温度が変化することを防止する機能も有する。本実施形態においては、所定温度、所定値は、例えば、それぞれ２０℃、５℃とする。なお、本実施形態において、所定温度を２０℃、所定値を５℃としたが、これに限定されるものではなく、現場条件に応じて適宜最適な所定温度及び所定値を設定することが可能である。

上記のように構成された燃料供給装置１は、温度計１３にてエンジン５に供給されるＤＭＥの供給前温度を測定し、調節計２７が供給前温度と所定温度の２０℃とを比較し、この供給前温度が２０℃より５℃以上低い場合は、ＤＭＥが加熱用熱交換器１５へ送給されるように流量調整弁２１を切り替える。そして、加熱用熱交換器１５へ送給されたＤＭＥは、加熱されて１５℃から２５℃までの範囲内の温度となり、エンジン５へ供給される。

一方、温度計１３にて測定された供給前温度が２０℃より５℃以上高い場合は、ＤＭＥが冷却用熱交換器１７へ送給されるように流量調整弁２１を切り替える。そして、冷却用熱交換器１７へ供給されたＤＭＥは、冷却されて１５℃から２５℃までの範囲内の温度となり、エンジン５へ供給される。

そして、温度計１３にて測定された供給前温度が１５℃から２５℃までの範囲内の温度である場合は、ＤＭＥが冷却用熱交換器１７へ送給されるように流量調整弁２１を切り替えると同時に冷却用熱交換器１７の冷却機能を停止する。そして、冷却用熱交換器１７へ供給されたＤＭＥは冷却されることなく１５℃から２５℃までの範囲内の温度のまま、エンジン５へ供給される。

上述した方法にてエンジン５へ供給されるＤＭＥは１５℃から２５℃までの範囲内の温度であるために、エンジン５の出力値もほぼ一定となり、安定した出力が得られる。

以上のように、本実施形態による燃料供給装置１は、調温手段１１にてＤＭＥを所定温度にすることが可能であるために、季節に関わらず一定温度のＤＭＥをエンジン５に供給することが可能となる。したがって、ＤＭＥの単位体積当たりの発熱量が一定となるために、エンジン５の出力値を一定にすることが可能となる。そして、このエンジン５に発電機を接続することにより、安定した発電出力を得ることも可能となる。

また、加熱用熱交換器１５は、エンジン５を経て昇温された原動機冷却用流体からＤＭＥに熱を移送して、ＤＭＥを加熱するために、低コストで効率的に加熱することが可能である。

次に、前述の第一実施形態と異なる実施形態を示す。下記に示す説明において、第一実施形態と同様の技術を用いたものと対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略し、主に相違点について説明する。

図２は、第二実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図２に示すように、燃料供給装置３１は、第一実施形態にて説明した冷却用熱交換器１７の冷媒を冷却するラジエータ２５と異なる冷却機構を備えたものである。

燃料供給装置３１の冷却用熱交換器３７は冷媒を冷却するための水槽３３を備え、冷媒は水槽３３内に貯留された水にて冷却され、冷却用熱交換器３７に送給される。そして、冷却用熱交換器３７を通過して温められた冷媒は、水槽３３内を通過することにより再び、冷却される。また、水槽３３内の水は、空冷のラジエータ３５にて冷却されて再び水槽３３内に送給される。

以上のように、本実施形態による冷却用熱交換器３７の水槽３３内の水は空冷のラジエータ３５にて冷却されるために、水槽３３内の水を常に低温に保つことが可能となる。したがって、冷却用熱交換器３７の冷却性能が高くなり、ＧＭＥを効率良く冷却することが可能となる。

図３は、第三実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図３に示すように、燃料供給装置４１は、第一及び第二実施形態にて説明した冷却用熱交換器１７、３７の冷媒の冷却機構と異なる冷却機構を備えたものである。

燃料供給装置４１の冷却用熱交換器４７は冷媒を冷却するための冷却装置４３を備える。冷却装置４３は、エンジン５の排気にて回転されるタービン４５と、このタービン４５の回転にて駆動軸が駆動されるスターリングエンジン４９とから構成される。

スターリングエンジン４９は、エンジン５を経て昇温されたラジエータ液の熱にて高温空間が加熱されるとともに、タービン４５の回転にて駆動軸が駆動されることにより、スターリングエンジン４９内に低温空間が生じる。冷媒はこの低温空間にて冷却され、冷却用熱交換器４７に送給される。そして、冷却用熱交換器４７を通過して温められた冷媒は、スターリングエンジン４９を通過することにより再び、冷却される。

以上のように、本実施形態による冷却用熱交換器４７の冷却装置４３は、エンジン５の排熱を利用して駆動するために、低コストで効率的に冷媒を冷却することが可能である。

なお、本実施形態において、エンジン５の排気を利用してタービン４５を回転させる方法について説明したが、これに限定されるものではなく、エンジン５の熱を利用して蒸気発生装置にて蒸気を発生させ、この蒸気にてタービン４５を回転させる方法を用いてもよい。
図４は、第四実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図４に示すように、燃料供給装置５１は、第一〜三実施形態にて説明したエンジン５に新たな冷却装置を備えるとともに、供給手段９と異なる供給機構を備えたものである。

ＤＭＥをエンジン５５に供給する配管等の供給手段５９は、一端が流量調整弁２１を介してポンプ７に、他端がエンジン５５に接続されており、流量調整弁２１の下流側は２系統５９ａ、５９ｂに分岐され、分岐された一方５９ａは調温手段１１に、他方５９ｂは機器類を介さずに調温手段１１の下流側にて再び一方５９ａに合流して１系統となり、エンジン５５に接続される。ここで、温度計１３にてエンジン５５に供給されるＤＭＥの供給前温度を測定し、調節計２７が供給前温度と所定温度の２０℃とを比較し、この供給前温度が２０℃より±５℃以上高い又は低い場合は、ＤＭＥが調温手段１１へ送給されるように流量調整弁２１を切り替える。そして、調温手段１１へ送給されたＤＭＥは、加熱又は冷却されて１５℃から２５℃までの範囲内の温度となり、エンジン５５へ供給される。

一方、温度計１３にて測定された供給前温度が１５℃から２５℃までの範囲内の温度である場合は、ＤＭＥが他方５９ｂへ送給されるように流量調整弁２１を切り替える。そして、他方５９ｂへ供給されたＤＭＥは加熱又は冷却されることなく１５℃から２５℃までの範囲内の温度のまま、エンジン５５へ供給される。

また、エンジン５５は、ＤＭＥがエンジン５５の燃料弁本体５５ａの内方を通過する際に、エンジン５５の熱がＤＭＥに伝達することを防止するための冷却装置５２を備える。冷却装置５２は、燃料弁本体５５ａ内の下方に配設され、冷媒を通過させて燃料弁本体５５ａ内の温度を冷却するための冷却部５４と、この冷却部５４を通過して温められた冷媒の温度を測定するための温度計５３と、温められた冷媒を冷却するための空冷のラジエータ５６と、冷媒をエンジン５５に供給するためのポンプ５７と、ＰＣ等の調節計５８とから構成される。

冷却部５４は燃料弁本体５５ａの内側に環状に設置され、燃料弁本体５５ａの内周面を冷却することにより燃料弁本体５５ａの内方を通過するＤＭＥへの熱の伝達を防止する。

調節計５８は、温度計５３により測定された冷媒の温度に基づいてインバーターを備えたポンプ５７の回転数等を制御してエンジン５５への冷媒の送給量を調整する。

以上のように、本実施形態による冷却装置５２は、エンジン５５の燃料弁本体５５ａの内方を通過する際のＤＭＥの温度上昇を防止する。したがって、温度計１３にて測定された温度のＤＭＥを燃料弁本体５５ａに供給することが可能となる。

図５は、第五実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図５に示すように、燃料供給装置６１は、第四実施形態にて説明した冷却装置５２の冷媒の冷却機構と異なる冷却機構を備えたものである。

燃料供給装置６１の冷却装置６２は、冷媒を冷却するための水槽６３を備え、冷媒は水槽６３内に貯留された水にて冷却され、エンジン５５に送給される。そして、エンジン５５を通過して温められた冷媒は、水槽６３内を通過することにより再び、冷却される。また、水槽６３内の水は空冷のラジエータ６５にて冷却されて再び水槽６３内に送給される。

以上のように、本実施形態による冷却装置６２の水槽６３内の水は空冷のラジエータ６５にて冷却されるために、水槽６３内の水を常に低温に保つことが可能となる。したがって、冷却装置６２の冷却性能が高くなり、燃料弁本体５５ａを効率良く冷却することが可能となる。

図６は、第六実施形態に係る燃料供給装置の構成図である。図６に示すように、燃料供給装置７１は、第四及び第五実施形態にて説明した冷却装置５２、６２の冷媒の冷却機構と異なる冷却機構を備えたものである。

燃料供給装置７１の冷却装置７２は、エンジン５５の排気にて回転されるタービン７５と、このタービン７５の回転にて駆動軸が駆動されるスターリングエンジン７９とから構成される。

スターリングエンジン７９は、エンジン５５の排気にてタービン７５が回転され、この回転にて駆動軸が駆動されることにより、スターリングエンジン７９内に低温空間が生じる。冷媒はこの低温空間にて冷却され、燃料弁本体５５ａに送給される。そして、燃料弁本体５５ａを通過して温められた冷媒は、スターリングエンジン７９を通過することにより再び、冷却される。

以上のように、本実施形態による冷却装置７２は、エンジン５５の排熱を利用して駆動するために、低コストで効率的に冷媒を冷却することが可能である。

また、上述したすべての実施形態において、温度測定手段１３として温度計を用いる方法について説明したが、これに限定されるものではなく、比重計にてＤＭＥの比重を測定し、予め算出されたＤＭＥの温度と比重との関係式に基づいて、ＤＭＥの温度を算出する方法を用いてもよい。

１、３１、４１、５１、６１、７１ 燃料供給装置
３ 貯蔵タンク
５、５５ エンジン
５５ａ 燃料弁本体
７、５７ ポンプ
９、５９ 供給手段
９ａ、５９ａ 一方の供給手段
９ｂ、５９ｂ 他方の供給手段
１１ 調温手段
１３ 温度測定手段（温度計）
１５ 加熱用熱交換器
１７、３７、４７ 冷却用熱交換器
１９ 温度管理手段
２１ 流量調整弁
２３、２５、３５、５６、６５ 空冷のラジエータ
２７、５８ 調節計
３３、６３ 水槽
４３ 冷却装置
４５、７５ タービン
４９、７９ スターリングエンジン
５２、６２、７２ 冷却装置
５３ 温度計
５４ 冷却部

Claims (4)

1. ジメチルエーテルを貯蔵する貯蔵タンクと、
   前記ジメチルエーテルを原動機に送給するポンプと、
   一端は前記ポンプに、他端は前記原動機に接続され、前記ポンプから吐出される前記ジメチルエーテルを前記原動機に供給する配管等の供給手段と、
   前記供給手段のいずれかの箇所に設けられ、前記ジメチルエーテルを加熱する加熱用熱交換器と、前記ジメチルエーテルを冷却する冷却用熱交換器とを有し、前記ジメチルエーテルを所定温度に制御する調温手段とを備え、
   前記冷却用熱交換器に用いられる冷却用媒体は、前記原動機の前記排熱を利用して駆動される冷却装置にて冷却されることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記冷却装置は、
   前記原動機の排気にて回転されるタービンと、
   該タービンが回転することにより駆動軸が駆動されるスターリングエンジンとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記冷却装置は、
   前記原動機にて生じた熱にて蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
   前記蒸気にて回転されるタービンと、
   該タービンが回転することにより駆動軸が駆動されるスターリングエンジンとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
4. 前記スターリングエンジンの高温空間は、前記原動機から排出される熱を利用して加熱されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料供給装置。

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