JP2014177907A - 作動ガス循環型エンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンにおいて熱効率性に優れたエンジンシステムを提供すること。
【解決手段】アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステム１Ａ〜１Ｆにおいて、炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジン１０と、エンジンから排出される燃焼ガス中の水分を除去するための凝縮器２２と、エンジンから排出される燃焼ガスの一部を系外に排出するための余剰ガス排出器２４と、エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段２５（２７）と、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段２６（２７）と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本開示は、アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステムに関する。
従来から、アルゴン（以下、「Ａｒ」と記載する場合がある）を含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型の水素エンジンシステムが知られている。例えば特許文献１には、作動ガスとしてアルゴンを利用した水素エンジンに関する発明が本出願人によって出願されている。また特許文献２には、作動ガスとしてアルゴンを利用した作動ガス循環型水素エンジンに関する発明が開示されている。
これら従来の水素エンジンシステムは、空気に換えてアルゴンと酸素（以下、「Ｏ２」と記載する場合がある）とを燃焼室に供給することで、アルゴンが水素の燃焼により生じた熱による膨張体（すなわち作動ガス）として機能する。エンジンから排出されたアルゴンは系内を循環し、新たに供給される酸素とともに再びエンジンに供給される。このように、作動ガスとして窒素に代えてアルゴンを利用することで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑えることができる。また、アルゴンは単原子分子ガスであり比熱比が高いため、熱効率性に優れたエンジンシステムを構築できるとの利点がある。
特許第３６３１８９１号公報 特開２００６−７７６３９号公報
ところで、古くから重油を燃料としたディーゼルエンジンが幅広く利用されているが、昨今の重油価格の高騰やシュールガス革命による天然ガス価格の下落の中で、天然ガスを使用燃料とするガスエンジンにも注目が集まっている。また例えば、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンなどでは、昨今のＮＯｘ規制強化の流れの中で、液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃料としたガスエンジンや重油に加えて天然ガスも燃料として利用できる所謂デュアルフュエルエンジンと呼ばれるエンジンも実用化されている。かかる重油や天然ガスを燃料とするエンジンにおいて、より一層の熱効率の向上が期待されている。
本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンにおいて、熱効率性に優れたエンジンシステムを提供することにある。
本発明の少なくとも一つの実施形態は、
アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステムにおいて、
炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンと、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の水分を除去するための凝縮器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガスの一部を系外に排出するための余剰ガス排出器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段と、
系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段と、
を備えたことを特徴とする。
上記作動ガス循環型エンジンシステムによれば、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段を備えるとともに、エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素（以下、「ＣＯ２」と記載する場合がある）を系外に排出するための二酸化炭素除去手段を備えている。このため、系内を循環するガス中の酸素およびアルゴンを一定の濃度以上に維持しつつエンジンから排出される二酸化炭素を系外に排出できるため、燃焼時に二酸化炭素が発生する重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンにおいて、本エンジンシステムを好適に適用でき、エンジンの熱効率を大幅に向上させることができる。
また、アルゴンを作動ガスとして利用する上記エンジンシステムによれば、高負荷時だけでなく低負荷時においても熱効率が向上する。この点、過給機によって排ガスエネルギーをタービン発電機などで回収する方法だと低負荷時において効果的に熱効率を向上させることができず、本システムはこの点においても高い優位性を備えている。
また、アルゴンを作動ガスとして循環利用するため、排気ガスが殆ど排出されない他、エンジンの燃焼時に殆どＮＯｘが発生しないとの利点がある。
本発明の一実施形態では、上記二酸化炭素除去手段および上記酸素供給手段は、それぞれ別体に構成された別々の装置からなり、上記二酸化炭素除去手段は、エンジンから排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式ＣＯ２除去装置からなり、上記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させることで空気中から酸素およびアルゴンを分離し、該分離した酸素およびアルゴンを系内に供給するように構成された吸着式Ｏ２供給装置からなる。
このような本発明の一実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を、それぞれ吸着式ＣＯ２除去装置および吸着式Ｏ２供給装置によって構成することで、熱効率性に優れる上述の本エンジンシステムを実現することができる。
幾つかの実施形態では、上記吸着式Ｏ２供給装置は、吸着式ＣＯ２除去装置よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するように構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式ＣＯ２除去装置よりも上流側の系内に酸素およびアルゴンを供給する場合と比べて、吸着式ＣＯ２除去装置に供給されるガス流量を少なくすることができるため、その分だけ吸着式ＣＯ２除去装置を小さくすることができる。
幾つかの実施形態では、上記吸着式ＣＯ２除去装置は、余剰ガス排出器の下流側に配置され、余剰ガス排出器にて系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式ＣＯ２除去装置が余剰ガス排出器の上流側に配置されている場合と比べて、余剰ガス排出器から系外に余剰ガスが排出される分だけ吸着式ＣＯ２除去装置に供給されるガス流量を少なくすることができ、その分だけ吸着式ＣＯ２除去装置を小さくすることが可能となる。
幾つかの実施形態では、上記吸着式ＣＯ２除去装置を迂回するバイパス路が分岐するとともに、このバイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されている。
また幾つかの実施形態では、上記エンジンの上流には、吸着式Ｏ２供給装置を介さずに系外の空気を系内に供給するための給気手段が設けられている。
エンジンに供給されるガス（給気ガス）のアルゴン濃度が高まると、燃焼時の筒内圧力や筒内温度が高まり、エンジンの熱効率も向上するが、その反面、筒内圧力や筒内温度が高まり過ぎると、エンジンの構造面において問題が生じてくる。このため、実用上はエンジンに供給するガスのアルゴン濃度を適当な範囲に制御する必要がある。
上記実施形態によれば、流量制御弁の弁開度を調節して吸着式酸素製造器に取り込まれる燃焼ガスの流量を制御することや、給気手段によって吸着式酸素製造器を介さずに系外の空気をエンジンに供給することで、供給ガスのアルゴン濃度を制御することができる。
幾つかの実施形態では、上記吸着式ＣＯ２除去装置および前記吸着式Ｏ２供給装置の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、供給ガスから対象成分を吸着分離するように構成されるとともに、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用可能に構成されている。
このような実施形態によれば、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるために有効利用することで、吸着式ＣＯ２除去装置および吸着式Ｏ２供給装置の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
上記実施形態において、上記エンジンから排出される燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンと同軸に配置されエンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機と、コンプレッサで圧縮された気体を冷却するためのインタークーラと、をさらに備え、上記インタークーラにおいて熱交換された熱媒体を供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成することができる。
また、上記実施形態において、上記エンジンから排出される燃焼ガスを冷却するための空気冷却器をさらに備え、上記空気冷却器において燃焼ガスと熱交換された熱媒体を供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成することができる。
このような実施形態によれば、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるために効率的に利用することができ、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
幾つかの実施形態では、上記エンジンに供給する燃料ガスを液化状態で貯蔵するための液化燃料タンクをさらに備え、吸着式ＣＯ２除去装置および吸着式Ｏ２供給装置の少なくともいずれか一方は、ガス温度が変動する雰囲気下において対象ガスを吸着分離するように構成されるとともに、液化状態の燃料ガスを、上記ガス温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されている。
このような実施形態によれば、液化状態の燃料ガスを、ガス温度を変動させるための熱源として有効利用することで、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
また本発明の他の実施形態では、上記二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、一体に構成された１つの吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置からなり、この吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するとともに、上記エンジンから排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような本発明の他の実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を１つの吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置によって構成することで、上述した本エンジンシステムを簡素な構成で実現することができる。
幾つかの実施形態では、上記エンジンの給気ポートを開閉するための給気弁と、給気弁の作動タイミングを制御する制御装置と、をさらに備え、制御装置は、給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成されている。
このように幾つかの実施形態における本エンジンシステムのエンジンは、給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成された、所謂ミラーサイクルエンジンとして構成される。このような実施形態によれば、エンジンの筒内圧力を低下させることが出来るため、アルゴンを作動ガスとして利用した場合においても、例えば筒内圧力を定格圧力以下とすること等も可能となる。
この際、通常のミラーサイクルエンジンでは、給気ガス量の減少に伴って酸素過剰率が低下してエンジン出力も低下するとの問題があるが、本エンジンシステムは上述した酸素供給手段を備えており、この酸素供給手段によって酸素過剰率を調整可能に構成されている。したがって、本エンジンシステムにおいては、酸素過剰率を適宜調整することでエンジン出力の低下を回避することができるようになっている。
幾つかの実施形態では、上記エンジンから排出される燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンと同軸に配置され、エンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機をさらに備える。
このような実施形態によれば、排ガスエネルギーによってコンプレッサを駆動し、エンジンに供給する酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮することで、エンジンシステム全体の熱効率をより一層向上させることが可能となる。
幾つかの実施形態では、上記エンジンは、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射するように構成された直噴式エンジンである。
このように、本エンジンシステムにおけるエンジンを直噴式エンジンとして構成することで、筒内圧力や筒内温度が高まることによりポート噴射式エンジンの場合に懸念されるノッキングや過早着火の問題を回避することができる。
幾つかの実施形態では、上記エンジンは、炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを使用するガスエンジンであって、燃焼室において前記燃料ガスを圧縮して自己着火させる自着火式ガスエンジンとして構成されている。
作動ガスとしてアルゴンを利用することで筒内圧力や筒内温度が高まるため、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）などの炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを利用した場合においても自着火させることができる。このため、パイロット燃料としての燃料油やスパークプラグなどの点火源を用いることのない自着火式ガスエンジンとして構成することができ、熱効率をより一層高めることができる。
幾つかの実施形態では、前記エンジンは、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンとして構成されている。
上記エンジンシステムのエンジンは、舶用主機エンジンとして特に好適に用いられるものである。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段を備えるとともに、エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段を備えているため、重油や天然ガスなどを燃料とするエンジンにおいて熱効率性に優れたエンジンシステムを提供することができる。
本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムの概略的な構成を示すブロック図である。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム１Ａの概略的な構成を示すブロック図である。
エンジンシステム１Ａは、アルゴンを含む作動ガスが系内を循環する循環型のエンジンシステムであって、例えば船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンなどに適用される。
エンジンシステム１Ａは、図１に示すように、エンジン１０、凝縮器２２、余剰ガス排出器２４、吸着式ＣＯ２除去装置２５、吸着式酸素供給装置２６、制御装置３０、及びエンジン１０の排気部から給気部に至る系を構成するとともに、これら装置類を環状に接続するガス循環路２０などを備えている。
エンジン１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１の内部に摺動自在に収容されたピストン１２、給気ポート１３ａを開閉するための給気弁１３、排気ポート１４ａを開閉するための排気弁１４、燃焼室１５に燃料を噴射するための燃料噴射弁１６、燃料噴射弁１６に燃料を供給するための燃料供給器１７、クランク軸１８、ピストン１２とクランク軸１８とを接続するコンロッド１９などから構成される。
排気ポート１３ａはガス循環路２０と接続している。そして、給気弁１３を開弁することで、ガス循環路２０を循環するアルゴンおよび酸素が給気ガスとして給気ポート１３ａから燃焼室１５へと供給される。燃焼室１５に供給された給気ガスは、ピストン１２の上昇に伴って燃焼室１５内で圧縮され、これにより、燃焼室１５内の筒内温度および筒内圧力が高まる。そして、ピストン１２が上死点近傍に到達すると、燃料噴射弁１６から燃焼室１５に直接燃料が噴射される。噴射された燃料は高温雰囲気下において自着火し、燃焼室１５内で爆発する。そして、爆発に伴う膨張によってアルゴンガス（作動ガス）がピストン１２を押し下げることで、コンロッド１９を介してクランク軸１８を回転せしめる。爆発後の燃焼ガスは、排気弁１４を開弁することで排気ポート１４ａに接続されるガス循環路２０に排出される。
燃料としては、炭素を含む燃料、すなわち水素以外の燃料であって、例えば天然ガスや石油ガスなどの燃料ガス、重油や軽油などの燃料油を利用することができる。天然ガスや石油ガスなどの燃料ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とし、通常は液化状態で貯蔵される。
凝縮器２２は、エンジン１０から排出される燃焼ガス中の水分を凝縮して除去するための装置であり、エンジン１０の下流側に設置されている。凝縮器２２で凝縮された水分は系外に除去される。
余剰ガス排出器２４は、凝縮器２２から送出された燃焼ガスの一部を系外に排出し、残余の燃焼ガスを下流に送出するための装置である。後述する吸着式酸素供給装置２６からは酸素や空気中に含まれるアルゴンなどが系内に供給されるため、その供給されるガス量の増分に見合う量を、予め余剰ガスとして系外に排出するための装置である。余剰ガス排出器２４から排出される余剰ガス量は、燃焼ガス量全体のおよそ１％程度である。
吸着式二酸化炭素除去装置２５は、エンジン１０から排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段であって、所謂ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法などの方法によって空気中の二酸化炭素を除去する装置である。この吸着式二酸化炭素除去装置２５は、ガス環状路２０の余剰ガス排出器２４の下流側に配置されており、余剰ガス排出器２４から系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスが供給されるようになっている。
吸着式酸素供給装置２６は、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段であって、上記吸着式二酸化炭素除去装置２５と同様に、ＰＳＡ法などの方法によって系外の空気中から酸素およびアルゴンを吸着分離し、この分離した酸素およびアルゴンを系内に供給する装置である。この吸着式Ｏ２供給装置２６は、系外の空気を取り込み可能に構成されており、吸着式ＣＯ２除去装置２５よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するようになっている。また、この吸着式Ｏ２供給装置２６には、ガス環状路２０を流れる燃焼ガスは流入しないようになっている。
これら吸着式二酸化炭素除去装置２５および吸着式酸素供給装置２６は、吸着剤が充填された吸着槽をそれぞれ備えている。
吸着式二酸化炭素除去装置２５にあっては、エンジン１０から排出される燃焼ガスが上記吸着槽に送り込まれる。そして、吸着槽内において燃焼ガスの圧力を変動させることで燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤に吸着して分離する。
また、吸着式酸素供給装置２６にあっては、系外から取り込んだ空気が上記吸着槽に送り込まれる。そして、吸着槽内において燃焼ガスの圧力を変動させることで空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させ、空気中から酸素およびアルゴンを分離する。
なお、これら吸着式二酸化炭素除去装置２５および吸着式酸素供給装置２６は、ＰＳＡ法による装置、すなわち、吸着槽内の圧力を変動させることで対象ガスを吸着分離する方法には限定されず、吸着槽内の温度を変動させることで対象ガスを吸着分離するＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法や、吸着槽内の温度および圧力を変動させることで対象ガスを吸着分離するＰＴＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法などによる装置であってもよい。
これら吸着式二酸化炭素除去装置２５および吸着式酸素供給装置２６としては、ＰＳＡ法、ＴＳＡ法、ＰＴＳＡ法による装置として公知なものを利用することができる。
制御装置３０は、エンジンコントロールユニットなどのコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、出入力装置等からなる。そして、バルブ開閉タイミングに関する作動信号を送信することで、上述したエンジン１０の給気弁１３および排気弁１４の作動タイミングを制御することができるように構成されている。
このように構成される本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム１Ａによれば、上述したように、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給装置２６（酸素供給手段）を備えるとともに、エンジン１０から排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去装置２５（二酸化炭素除去手段）を備えている。このため、系内を循環するガス中の酸素およびアルゴンを一定の濃度以上に維持しつつエンジン１０から排出される二酸化炭素を系外に排出できるため、燃焼時に二酸化炭素が発生する重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジン１０において、本エンジンシステム１Ａを好適に適用でき、エンジン１０の熱効率を大幅に向上させることができる。
また、アルゴンを作動ガスとして利用する上記エンジンシステム１Ａによれば、高負荷時だけでなく低負荷時においても熱効率が向上する。この点、過給機によって排ガスエネルギーをタービン発電機などで回収する方法だと低負荷時において効果的に熱効率を向上させることができず、本システム１Ａはこの点においても高い優位性を備えている。
また、アルゴンを作動ガスとして循環利用するため、排気ガスが殆ど排出されない他、エンジン１０の燃焼時に殆どＮＯｘが発生しないとの利点がある。
また、二酸化炭素除去手段として吸着式二酸化炭素除去装置２５を採用することで、二酸化炭素に随伴して窒素も分離することができる。このため系内を循環するアルゴンの濃度を高めることができ、本エンジンシステム１Ａの熱効率をより高めることができる。
本発明の一実施形態では、上述したように、二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、それぞれ別体に構成された別々の装置からなる。すなわち、上記二酸化炭素除去手段は、エンジン１０から排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式ＣＯ２除去装置２５からなり、上記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、空気中の酸素およびアルゴンを吸着剤で吸着分離して系内に供給するように構成された吸着式Ｏ２供給装置２６からなる。
このような本発明の一実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を、それぞれ吸着式ＣＯ２除去装置２５および吸着式Ｏ２供給装置２６によって構成することで、熱効率性に優れる上述の本エンジンシステム１Ａを実現することができる。
幾つかの実施形態では、上述したように、上記吸着式Ｏ２供給装置２６は、吸着式ＣＯ２除去装置２５よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するように構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式ＣＯ２除去装置２５よりも上流側の系内に酸素およびアルゴンを供給する場合と比べて、吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給されるガス流量を少なくすることができるため、その分だけ吸着式ＣＯ２除去装置を小さくすることができる。
幾つかの実施形態では、上述したように、上記吸着式ＣＯ２除去装置２５は、余剰ガス排出器２４の下流側に配置され、余剰ガス排出器２４にて系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式ＣＯ２除去装置２５が余剰ガス排出器２４の上流側に配置されている場合と比べて、余剰ガス排出器２４から系外に余剰ガスが排出される分だけ吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給されるガス流量を少なくすることができ、その分だけ吸着式ＣＯ２除去装置２５を小さくすることが可能となる。
幾つかの実施形態では、上記吸着式ＣＯ２除去装置を迂回するバイパス路が分岐するとともに、このバイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されている。
また幾つかの実施形態では、上記エンジンの上流には、吸着式Ｏ２供給装置を介さずに系外の空気を系内に供給するための給気手段が設けられている。
幾つかの実施形態では、図１に示すように、エンジンシステム１Ａは、タービン３２、タービン３２と同軸上に配置されたコンプレッサ３２ｂ、およびタービン３２とコンプレッサ３２ｂとを連結するロータ３２ｃからなる過給機３２をさらに備えている。
タービン３２ａはエンジン１０の下流に配置され、コンプレッサ３２ｂは吸着式酸素供給装置２６から系内に酸素およびアルゴンが供給される地点よりも下流側に配置されている。エンジン１０から排出される燃焼ガスによってタービン３２ａが駆動すると、これに伴ってコンプレッサ３２ｂが同軸駆動する。そして、コンプレッサ３２ｂによって、吸着式酸素供給装置２６から系内に供給された酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮し、これを給気ガスとしてエンジン１０へと供給する。また、コンプレッサ３２ｂの下流には、エンジン１０に供給される給気ガスを冷却するためのインタークーラ３４が配置されている。
このように、本エンジンシステム１Ａが過給機３２を備えていれば、排ガスエネルギーによってコンプレッサ３２ｂを駆動し、エンジン１０に供給する酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮することで、エンジンシステム１Ａ全体の熱効率をより一層向上させることができる。
幾つかの実施形態では、上述したように、エンジン１０の給気ポート１３ａを開閉するための給気弁１３と、給気弁１３の作動タイミングを制御する制御装置３０と、をさらに備える。そして、この制御装置３０は、給気弁１３を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成されている。
このように、本エンジンシステム１Ａのエンジン１０は、給気弁１３を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成された、所謂ミラーサイクルエンジンとして構成される。このような実施形態によれば、エンジン１０の筒内圧力を低下させることが出来るため、アルゴンを作動ガスとして利用した場合においても、例えば筒内圧力を定格圧力以下とすること等も可能となる。
この際、通常のミラーサイクルエンジンでは、給気ガス量の減少に伴って酸素過剰率が低下してエンジン出力も低下するとの問題があるが、本エンジンシステム１Ａは上述した吸着式Ｏ２供給装置（酸素供給手段）を備えており、この吸着式Ｏ２供給装置によって酸素過剰率を調整可能に構成されている。したがって、本エンジンシステム１Ａにおいては、酸素過剰率を適宜調整することでエンジン出力の低下を回避することができるようになっている。
図２は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム１Ｂの概略的な構成を示すブロック図である。
この図２に示したエンジンシステム１Ｂは、上述したエンジンシステム１Ａに対し、余剰ガス排出器２４の下流側に吸着式ＣＯ２除去装置２５を迂回するバイパス路３５が分岐するとともに、このバイパス路３５を流れるガス流量を制御するための流量制御弁３６が配置されている点、並びに、エンジン１０の上流に吸着式Ｏ２供給装置２６を介さずに系外の空気をエンジン１０に供給するための給気手段３８が設けられている点、が異なっている。
ここで、給気手段３８の設置位置は、吸着式酸素製造器２６を介さずに系外の空気をエンジン１０に供給することができる位置であればよく、特に限定されるものではないが、ガス循環路２０内の圧力が低い方が空気を供給する上で有利であるので、コンプレッサ３２ｂよりも上流側とするのが好ましい。
また、吸着式ＣＯ２除去装置２５よりも下流側とする方が、吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給されるガス流路を少なくできるため、好ましい。
エンジン１０に供給されるガス（給気ガス）のアルゴン濃度が高まると、燃焼時の筒内圧力や筒内温度が高まり、エンジン１０の熱効率も向上するが、その反面、筒内圧力や筒内温度が高まり過ぎると、エンジン１０の構造面において問題が生じてくる。このため、実用上はエンジン１０に供給するガスのアルゴン濃度を適当な範囲に制御する必要がある。
このような課題に対し、上記エンジンシステム１Ｂによれば、流量制御弁３６の弁開度を調節して吸着式ＣＯ２除去装置２５に取り込まれる燃焼ガスの流量を制御することや、給気手段３８によって吸着式Ｏ２供給装置２６を介さずに系外の空気をエンジン１０に供給することで、供給ガスのアルゴン濃度を制御することが可能となる。
図３は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム１Ｃの概略的な構成を示すブロック図である。
この図３に示したエンジンシステム１Ｃでは、上述した吸着式ＣＯ２除去装置２５および吸着式Ｏ２供給装置２６の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、供給ガスから対象成分を吸着分離するＴＳＡ法又はＰＴＳＡ法による装置として構成されている。また、本エンジンシステム１Ｃは、上述したエンジンシステム１Ａに対して、天然ガスなどの燃料ガスを液化状態で貯蔵するための液化燃料タンク４２と、液化状態にある燃料ガスを熱媒体と熱交換することで気化する熱交換器４４と、熱交換器４４と吸着式ＣＯ２除去装置２５との間に熱媒体を循環させるための熱媒体循環路４６と、をさらに備えている点が異なっている。
そして、熱交換器４４において熱交換されて冷却された熱媒体が吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給されると、吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給された供給ガス（余剰ガス排出器２４から供給された燃焼ガス）が冷却されるように構成されている。すなわち、本エンジンシステム１Ｃは、液化状態の燃料ガスを、吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給される供給ガスの温度を変動させるための冷却熱源として利用するように構成されている。このように構成することで、吸着式ＣＯ２除去装置２５の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステム１Ｃの熱効率をさらに向上させることができるようになっている。
また、本エンジンシステム１Ｃは、上述したエンジンシステム１Ａに対して、インタークーラ３４と吸着式Ｏ２供給装置２６との間に熱媒体を循環させるための第２熱媒体循環路４８をさらに備えている点が異なっている。
インタークーラ３４では、コンプレッサ３２ｂによって圧縮され高温になった給気ガスと、冷却水などの熱媒体とが熱交換される。そして、熱交換によって加熱された熱媒体が吸着式Ｏ２供給装置２６に供給されることで、吸着式Ｏ２供給装置２６に供給される供給ガス（系外の空気）が加熱されるように構成されている。すなわち、本エンジンシステム１Ｃは、エンジン１０から排出される燃焼ガスのエネルギーを、吸着式Ｏ２供給装置２６に供給される供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用するように構成されている。
また、本エンジンシステム１Ｃは、上述したエンジンシステム１Ａに対して、タービン３２ａと凝縮器２２との間に、エンジン１０から排出される燃焼ガスを冷却するための空気冷却器３７と、空気冷却器３７と吸着式ＣＯ２除去装置２５との間に熱媒体を循環させるための第３熱媒体循環路５０をさらに備えている点が異なっている。
空気冷却器３７では、エンジン１０から排出される燃焼ガスと冷却水などの熱媒体とが熱交換される。そして、熱交換によって加熱された熱媒体が吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給されることで、吸着式ＣＯ２除去装置２５に供給された供給ガス（余剰ガス排出器２４から供給された燃焼ガス）が加熱されるように構成されている。
このような本実施形態の本エンジンシステム１Ｃでは、エンジン１０から排出される燃焼ガスのエネルギーを、吸着式Ｏ２供給装置２６に供給される供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用することで、吸着式Ｏ２供給装置２６の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステム１Ｃの熱効率をさらに向上させることができるようになっている。
なお、上述した液化状態の燃料ガス及び燃焼ガスのエネルギーの利用形態は、図３に示した態様には限定されず、種々の変更が可能であることは勿論である。また例えば、凝縮器２２において熱媒体を介して回収した燃焼ガスの熱エネルギーを、吸着式ＣＯ２除去装置２５又は吸着式Ｏ２供給装置２６に供給するように構成することも可能である。
また本発明の他の実施形態では、図４〜図６に示すように、上記二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、一体に構成された１つの吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置２７からなる。この吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置２７は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するように構成されている。また、この吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置２７は、ガス循環路２０の余剰ガス排出器２４の下流側に配置されており、上述したエンジン１０から排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
なお、図４は上述した実施形態の図１に、図５は上述した実施形態の図２に、図６は上述した実施形態の図３にそれぞれ対応している。
このような本発明の他の実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を１つの吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置２７によって構成することで、本エンジンシステム１Ｄ〜１Ｆを簡素な構成で実現することができる。
また、幾つかの実施形態では、エンジン１０は、燃料噴射弁１６から燃焼室１５内に直接燃料を噴射するように構成された直噴式エンジンとすることができる。
このように、本エンジンシステム１Ａ〜１Ｆにおけるエンジン１０を直噴式エンジンとして構成することで、予混合方式エンジンの場合に懸念されるノッキングや過早着火の問題を回避することが可能となる。
また、幾つかの実施形態では、エンジン１０は、炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを使用するガスエンジン１０であって、燃焼室１５において燃料ガスを圧縮して自己着火させる自着火式ガスエンジンとして構成することができる。
上述したように、作動ガスとしてアルゴンを利用することで筒内圧力や筒内温度が高まるため、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）などの炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを利用した場合においても自着火させることができる。このため、パイロット燃料としての燃料油やスパークプラグなどの点火源を用いることのない自着火式ガスエンジンとして構成することができ、熱効率をより一層高めることが可能となる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムは、種々のエンジンシステム、例えば、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンのエンジンシステムに好適に用いられる。
１Ａ〜１Ｆ エンジンシステム
１０ エンジン
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 給気弁
１３ａ 給気ポート
１４ 排気弁
１４ａ 排気ポート
１５ 燃焼室
１６ 燃料噴射弁
１７ 燃料供給器
１８ クランク軸
１９ コンロッド
２０ ガス循環路
２２ 凝縮器
２４ 余剰ガス排出器
２５ 吸着式ＣＯ２除去装置（二酸化炭素除去手段）
２６ 吸着式Ｏ２供給装置（酸素供給手段）
２７ 吸着式ＣＯ２除去装置／Ｏ２供給装置（二酸化炭素除去手段／酸素供給手段）
３０ ＥＣＵ（制御装置）
３２ 過給機
３２ａ タービン
３２ｂ コンプレッサ
３２ｃ ロータ
３４ インタークーラ
３５ バイパス路
３６ 流量制御弁
３７ 空気冷却器
３８ 給気手段
４２ 液化燃料タンク
４４ 熱交換器
４６ 熱媒体循環路
４８ 第２熱媒体循環路
５０ 第３熱媒体循環路

Claims (15)

  1. アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステムにおいて、
    炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンと、
    前記エンジンから排出される燃焼ガス中の水分を除去するための凝縮器と、
    前記エンジンから排出される燃焼ガスの一部を系外に排出するための余剰ガス排出器と、
    前記エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段と、
    系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段と、
    を備えたことを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。
  2. 前記二酸化炭素除去手段および前記酸素供給手段は、それぞれ別体に構成された別々の装置からなり、
    前記二酸化炭素除去手段は、前記エンジンから排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、前記燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式ＣＯ２除去装置からなり、
    前記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、前記空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させることで空気中から酸素およびアルゴンを分離し、該分離した酸素およびアルゴンを系内に供給するように構成された吸着式Ｏ２供給装置からなることを特徴とする請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  3. 前記吸着式Ｏ２供給装置は、前記吸着式ＣＯ２除去装置よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  4. 前記吸着式ＣＯ２除去装置は、前記余剰ガス排出器の下流側に配置され、前記余剰ガス排出器にて系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスを取り込み可能に構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  5. 前記吸着式ＣＯ２除去装置を迂回するバイパス路が分岐するとともに、該バイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  6. 前記エンジンの上流には、前記吸着式Ｏ２供給装置を介さずに系外の空気を系内に供給するための給気手段が設けられていることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  7. 前記吸着式ＣＯ２除去装置および前記吸着式Ｏ２供給装置の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、前記供給ガスから対象成分を吸着分離するように構成されるとともに、前記エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、前記供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用可能に構成されていることを特徴とする請求項２乃至６の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  8. 前記エンジンから排出される燃焼ガスを冷却するための空気冷却器をさらに備え、
    前記空気冷却器において前記燃焼ガスと熱交換された熱媒体を前記供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  9. 前記エンジンに供給する燃料ガスを液化状態で貯蔵するための液化燃料タンクをさらに備え、
    前記吸着式ＣＯ２除去装置および前記吸着式Ｏ２供給装置の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、前記供給ガスから対象成分を吸着分離するように構成されるとともに、前記液化状態の燃料ガスを、前記供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されていることを特徴とする請求項２乃至８の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  10. 前記二酸化炭素除去手段および前記酸素供給手段は、一体に構成された１つの吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置からなり、
    前記吸着式ＣＯ２除去／Ｏ２供給装置は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するとともに、前記エンジンから排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  11. 前記エンジンの給気ポートを開閉するための給気弁と、前記給気弁の作動タイミングを制御する制御装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比を低下させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  12. 前記エンジンから排出される燃焼ガスによって駆動するタービンと、
    前記タービンと同軸に配置され、前記エンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  13. 前記エンジンは、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射するように構成された直噴式エンジンであることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  14. 前記エンジンは、炭素数が１〜４の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを使用するガスエンジンであって、燃焼室において前記燃料ガスを圧縮して自己着火させる自着火式ガスエンジンとして構成されることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  15. 前記エンジンは、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンとして構成されることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
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