JP2022523948A - 圧力比を大幅に上昇させた状態で内燃機関を駆動する方法、装置、およびシステムと、このシステムを搭載した車両 - Google Patents

圧力比を大幅に上昇させた状態で内燃機関を駆動する方法、装置、およびシステムと、このシステムを搭載した車両 Download PDF

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Abstract

【要旨】1. 圧力比を大幅に上昇させた状態で内燃機関を駆動する方法、装置、およびシステムと、このシステムを搭載した車両。2.1 内燃機関は技術的に圧力比が制限されているため、熱効率に限界がある。ガスタービンの最大圧力比は33:1であり、ディーゼルエンジンの圧縮比は23:1である。2.2 酸化性物質は、非常に高い圧力(1-2)の下、(低温の)液化状態で燃焼室に供給される。燃料も理想的には高圧で液体の状態で供給される。酸化性物質ポンプの圧力比は200、より良いのは500以上である。燃焼室では、酸化性物質と燃料がお互いに反応し(2-3)、液体の体積の1000倍をはるかに超えるまで膨張する。使用する燃料によっては、圧力比がπ=500程度以上の膨張器や、ε=85程度以上の等価な膨張器を導入することができる(3-4)。2.3 この方法により、効率が大幅に向上した、コンパクトでコスト効率の高い内燃機関を開発することが可能となり、この内燃機関は自動車の推進システムに特に適している。

Description

本発明では、内燃機関を駆動する方法について述べる。この方法は車両の駆動装置に特に適しており、非常に低い燃料消費量を有し、さらに、将来の排気ガス規制値を満たすことが可能となる。
自動車からの排気ガス値やCO排出量に関する環境規制は、法律によってますます厳しくなっている。伝統的な内燃機関で近いうちに基準値を満たすことは不可能となるだろう。
世間では、代替推進システムに対する批判が高まっている。燃料電池は白金触媒が必要なためコストがかかる。達成可能な効率は最大でも60%とされている。必要な水素は大量のエネルギーを使用して人工的に製造するしかなく、さらに、水素は高価な高圧容器に貯蔵される。一般的には、炭素繊維で強化した厚さ数cmの容器で、複雑な曲がりくねったプロセスを経なければ製造はできない。水素の体積エネルギー密度は大変低いことから、水素の貯蔵には大きなスペースを必要とする。700barの圧力下では、約5.5Kgの水素量しか160Lのタンク内に貯蔵できない。これは、15.3kg、20.4Lのガソリンのエネルギー量に相当する。
電気自動車は何年もの間未来の技術として注目されてきたが、国からの資金援助にもかかわらず、定着していない。充電時間の長さ、インフラの不備、特に外気温が低い時の走行距離の短さなどは、日常的に使う上で煩わしい程度だ。全体的なwell-to-wheel(油井から車輪まで)効率を低下させる急速充電による熱損失や、静止中の自己放電は、あまり言及されない。重金属、レアアース、大量の酸などの使用によって引き起こされる大気汚染も非常に懸念される。政情不安な後進国での原材料の採掘、生産時のエネルギー消費量の増加、4~5年で消耗した後の処理、など、ほんの2,3例を挙げるだけでも、蓄電技術には深刻な問題がある。自動車用のバッテリーパックは、全体で数百kgの重さがある。電気で動くセミトレーラーに荷物を満タンに載せた場合、少なくとも8トンのバッテリーが必要となり、急速充電のサイクルでは少なくとも1メガワットの充電電力が必要となる。そのためには、配電網を拡大して、大規模な充電を行うためのエネルギーを供給しなければならないだろう。蓄電技術の技術的な大革新は、何年も前から期待されている。
内燃機関は燃焼効率のレベルが低いことで知られている。(η=燃料発熱量/軸からの熱量)。これは原則として、定置型(大型)のディーゼルエンジンでは最大40~50%である。小型のディーゼルエンジンでは、圧縮比23:1で最大40%の効率が得られる。ガソリンエンジンの効率は、最適な動作点で約35%、圧縮比は最大でも15:1である。最高の(大型の)ガスタービンの効率は42%で、圧力比は最大でも33:1である。小型のマイクロガスタービンの効率は25~30%である。
Richard van Basshuysen、 Fred Schaefer著「Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven 第3版」Friedrich Vieweg & Sohn 出版社 2005年 ISBN 3-528-23933-6
内燃機関の熱効率は、圧縮比または膨張比によって大部分が決められる。膨張比が大きければ大きいほど熱効率は高くなる。これは、例えば、ディーゼルサイクル、オットーサイクル、サバデサイクル、ブレイトンサイクル、そしてジュールサイクルにおいてもあてはまる。こういった理由から、圧縮または加圧比をより高くすることが、上述の熱力学サイクルの全てにおいて目標となる。
圧縮比、膨張比、そして加圧比は技術的に互いに関連しあっており、互いを容易に分離することはできない。圧縮率が高いと圧縮機出口の温度が高くなり、その結果、燃焼温度も高くなる。しかし、圧縮率は機械の熱安定性によって決まるので、任意に選んで高くすることができない。往復ピストンエンジンでは、使用燃料のノックリミットにより膨張比が制限される。
現在の技術水準では、無過給ガソリンエンジンの圧縮比は最大で約15:1である。無過給ディーゼルエンジンの圧縮比は、最大で23:1である。過給ピストンエンジンは、圧縮比εが非常に低い値でのみ動作する。
計算式:ε=1+Vh/Vk(式中:Vh=ストローク量、Vk=圧縮量)
現在の技術水準では、圧縮比πは(大きな)ガスタービンの場合は最大で33:1である。航空機用ガスタービンでは、巡航速度時の動圧が圧縮圧力比に含まれているため、大きな値が示される。
計算式:π=p end(タービン内の圧力)/ p suction(吸引部の圧力)
圧力比と圧縮比の関係は、π=ε^κ(式中:κ=等エントロピー指数)という式で表される。
発明の目的
本発明は、熱効率を大幅に向上させることで、燃料消費量、汚染物質の排出量の少ない駆動装置を備えた車両を開示することを目的としている。燃料の発生熱量については、可能な限りその多くを機械的エネルギーに変換しなければならない。さらに、本発明では、少なくとも一つの解決方法を、安価で環境に配慮した製造が可能であり、コンパクトかつ軽量なデザイン性を有し、既存の技術部品により製造可能な、モバイルでの使用に適した機械として詳細に開示する。
この問題を解決するために、請求項1に記載の車両を示す。請求項2では、この車両の別の実施形態を説明する。
エネルギーの中間貯蔵を低温液体空気によって行うシステムは既知である。例えば、独国特許出願公開公報第102013203044号明細書には、空気圧縮機と全ての変化型におけるガスタービンとから構成される、空気吸入式の定置型ガスタービンユニットが記されている。タービンの出力は、液体空気を圧縮過程で加えることによって制御され、または増加する。液体空気は燃焼室には直接注入せず、吸気装置の前部に注入するか、もしくは、空気圧縮機内に直接注入する。いずれの場合においても、液体空気は吸引された空気と混ざり、原則として100%液体の空気は供給されない。いずれにしても、注入された100%液体の空気を真空内で事前に蒸発させたり、あるいは圧縮機内でタービンの駆動中に蒸発させたりした後に、大量のエネルギーを消費して空気を再度圧縮することはエネルギー的な観点から意味がないだろう。この方法では、吸入、圧縮された空気は冷却され、それによって質量流量が増加または圧縮機の出口温度が低下する。液体空気の凝集状態は、液体空気が燃焼室に到達するかなり前に「気体状」に変化する。外気密度が高くなると圧縮機の圧力比がやや上昇する。これは外気を冷却することによってのみ達成される。達成可能な効率の向上は比較的穏やかなものである。効率を大幅に上昇させるために必要となる、出口側のタービンの圧力比を変化させることについては、言及されていない。
低温液体空気による自動車の推進システムは、例えば米国特許第354565号明細書に記されている。貯蔵エネルギーは液体空気または液体窒素から作られる。酸化性物質作動ガスまたは不燃作動ガス(窒素)は、第1作動室に導入される前に一連の熱交換器を通過する。ここで、液体空気/液体窒素が加熱され、エネルギーを吸収すると、200barのプロセス圧力下で直ちに超臨界状態へ移行する。集合体の状態は、作動室/燃焼室に到達する前、すなわち熱交換器の中で「液体」から「超臨界」に変化し、蒸発または擬似的に蒸発する。ここでは環境からの熱エネルギーや車両からの廃熱が利用されるが、熱交換器における体積変化の仕事の一部が失われたり、熱交換器自体がかなりの圧力低下を起こしたりする。車両に搭載されるこのような熱交換システムは、プロセス圧力が高く、分岐やリンクがあるために、複雑で重く、高価なものになるだろう。これはシステム圧力が200barかかるため熱交換器の壁の厚さを大きくするからであり、さらに高圧部品に対する安全規制も加わるからである。問題は、熱交換器の氷結、空気の凝縮、極低温の熱交換器での酸素の濃縮から生じる。また、デッドボリュームが大きいと効果が極めて緩慢になるため、ドライバーが性能を要求したときに可能な限りダイレクトに反応しなければならない動的システムでは、技術的に再現することが極めて困難である。熱慣性とから熱エネルギーを得る必要性があることから、一方では大きな熱交換器が必要となる-特に外気温が低い場合には。一方で、ダイナミックシステムのガス運搬量は、過給機付きエンジンの給気・排気経路のように、できるだけコンパクトに設計され、流れの抵抗が少ないものでなければならない。適正な航続距離を実現するためには、液体空気タンクや窒素タンクは、中身も含めて不釣り合いに重く大きくなってしまう。
米国特許第3736745号明細書には、超臨界COブレイトンサイクルをベースとした、作動流体である燃焼生成物の再循環を伴う閉鎖系システムが開示されている。作動流体は、主に液体/超臨界COと水で構成されている。作動流体は、任意に一時保存することも可能で、超臨界状態、つまり200barの圧力下で高密度の気体の状態で燃焼室に供給される。酸化性物質(純酸素)はボトルから供給されるが、これも気体状態である。射出圧力までポンプで作動流体を上昇させる前に確実に液化させるためには、100から200bar圧力下でも作動する、再冷却用の十分な耐圧性能を持った熱交換器が必要である。作動流体は、比較的少量の酸化性物質と燃料とともに燃焼室に吹き込まれる。燃焼中、作動油は約160Kだけ加熱される。その後、π=2程度の非常に低い圧力比の単段タービンで弛緩する。この文献では、総合熱効率が約42%と明記されているが、これは現在、小型のディーゼルエンジンでも達成されている。具体的な技術的仕事は、約130kJ/kgに過ぎない。蒸気タービンよりもコンパクトにすることが可能だが、これは主に流体密度の高さ(約90~100kg/m3)に起因している。
同様のシステムは仏国特許出願公開第2776018号明細書でも知られており、これは潜水艦の駆動装置または船舶の駆動装置として意図されたものである。これは部分的に開放的なシステムで、凝縮水を燃焼プロセスに戻すものである。凝縮した水蒸気は排気ガスから抽出され、液体の水(250~300℃)として再び燃焼室に注入される。潜水モードでは、船上のタンクから低温の液化酸素または加圧酸素が供給される。任意に、水面で周囲の空気を吸い込むことも可能である。燃焼室の圧力は約15~20barなので、パワータービンの圧力比は最大でもπ=15となる。このシステムの明確な利点は、エアシュノーケルなしで水中操作ができることと、軍事分野で重要な廃熱サインが少ないことであり、これは燃焼生成物からの熱回収によって実現されている。ここでは、効率も42%を超えることはまずない。さらに、熱交換器が必要なため、このシステムは複雑でコストがかかり、重くなってしまう。
以下では、主に酸素原子を放出して他の物質を酸化させることができるすべての化学化合物または混合物を「酸化性物質」と呼ぶことにする。LAIRは「液体空気」の略である。LOXは「液体酸素」の略である。
以下では、沸点が周囲温度よりはるかに低い気体に関して「極低温」、「低温液化」、「低温液体」、「低温」という用語を用いる。例えば、液体空気は、沸点が約-190℃である。
以下では、圧縮機を持たず、(低温)液状酸化性物質を用いて駆動し、少なくともπ=200の圧力比を持つローター付き膨張機を「タービン」と呼ぶ。
以下では、発電機を駆動するタービンと自動車の電気駆動用モーターからなるユニットを「ターボエレクトリックドライブ」と呼ぶ。
以下では、「ガスタービン」という用語を、「古典的な意味」でのタービン、すなわち、圧縮機を備え、圧力比が約π=35までの空気吸入器に使用している。
図1は、ここで説明したサイクルを時計回りの熱力学的サイクルとしてT-s線図で示す。また、比較のために理想的なジュールサイクル(破線)を示している。 図2は、時計回りの熱力学的サイクルとして記述されたサイクルをp-V線図で示したものである。比較のために理想的なジュールサイクル(破線)を示している。 図3は、図1および図2の方法に従って動作する、タービンを備えたターボ電気機械のシステムを示している。 図4は、図3のターボエレクトリックドライブシステムを搭載した車両の概略構造を示している。 図5は、霧状の極低温液体空気を用いた車室内空調の一般的な構造を示す。 図6は、極低温液体空気の蒸発用容器の一般的な構造を示す図である。[図1、図2]大気のT-s線図、p-V線図のそれぞれの例を示す。
[状態の変化についての説明]
(1-2 等エントロピー圧縮)
低温液状酸化性物質の圧力を、液体用ポンプによってp1=1barからp2=500barに上昇させる。
温度をT1=80KからT2=91Kに上昇させる。
比圧縮仕事wt12=60kJ/kgを供給する。
比エントロピーは一定。
比容積はV1=1.15×10-33/kgからV2=1.08×10-33/kgに減少。
(2-3 等圧燃焼)
燃焼は火炎帯で連続的に行われる。
圧力変化なし。
温度はT2=91KからT3=2250Kまで上昇する。
熱供給量q23=2750kJ/kg
比エントロピーは、s2=2,8kJ/kg/Kからs3=7.3kJ/kg/Kに増加。
比容積は、V2=1.08×10-33/kgからV3=1.35×10-23/kgに増加。
(3-4 等エントロピー膨張)
タービンでの膨張。
圧力はp3=500barからp4=1barに緩和される。
温度はT3=2250KからT4=466Kに下がる。
タービンの仕事wt34=-2208kJ/kgの離脱。
比エントロピーは一定。
比容積はV3=1.35×10-23/kgからV4=1.38m3/kgに増加。
(4-1等圧性熱除去)
ガスは環境中に放出される。
比熱の除去 q41=-608kJ/kg
本発明では、酸化性物質(この例では大気)を低温の液化状態で供給する時計回りのサイクル(図1、図2)を提案している。これにより、圧縮サイクルが不要となる。代わりに、液状酸化性物質はその臨界温度以下で噴射圧力がかけられ、燃焼室に噴射される。その為、実際の状況では、燃焼圧力を克服するためには、噴射圧力を燃焼圧力よりも高くする必要がある。
熱力学の古典的な循環過程と比較すると、排気ガスの温度は数百K(4)低くなります。グラフを見ると、放熱量に対して有効な仕事(1-2-3-4-1内の領域)が非常に大きいことがわかる。理想的な熱効率は80%以上である。ブレイトンサイクルと比較すると、比有効な仕事は約4倍になる。式: η=Weff/Qsupp(式中:η=効率、Weff=有効な仕事、Qsupp=供給熱量)
酸化性物質としては、増圧下でも低温液化状態または標準温度において液体状態で保存できるすべての酸素キャリアが適している。これには、例えば、液体酸素(LOX)や、酸素を濃縮した冷却液体空気が含まれる。特に、天然の酸素、窒素、アルゴン成分を含む冷却液体空気(LAIR)は、毒性がなく、低用量であれば漏出しても環境に直接危険を及ぼすことがないため、好適である。また、冷却液体空気は周囲の空気からどこでも入手でき、安価に製造できる。
酸化性物質(11)は、真空断熱容器(35)に入れて保存することができる。これは魔法瓶に似た二重壁の容器で、放射線を遮蔽し貯蔵液をできるだけ長時間低温の状態で保つことができる。加熱により1日に1%程度の蒸発が避けられない。少量の蒸発物は、危険を伴わずに環境中に放出することができる。通常、低温の液体空気は約-190℃(80K)の温度で、最大5barのタンク圧力下で保存される。燃料の補給は、絶縁性の高いホースを使って圧力なしで行うことが可能である。
液体酸素の代わりに液体空気を使用する大きな利点は、タービンを使用した場合の熱処理量が大きいことである。(計算式: Q=Wt×m、式中:Q=熱量、Wt=技術的仕事、m=質量)。
熱処理量が大きいほど、有用なエネルギーが得られる。1kgのガソリンを化学量論的に燃焼させるには、約14.7kgの液体空気が必要である。純酸素(O)でガソリンを燃焼させる場合は、約1kgのガソリンに対して約3.5kgの酸素が必要となる。
タービンのもう一つの利点は、ガス交換による押し込み・押し出しのロスがないことである。また、圧縮作業も必要ない。予想される損失は、噴射装置の圧力損失、酸化性物質ポンプの効率、燃焼室の効率、タービンの効率など、比較的小さなものだけである。
(低温)液相の酸化性物質を高圧にするため必要なエネルギーは、気相の酸化性物質を圧縮するために必要なエネルギーよりはるかに少ない。気体とは対照的に、液体はほとんど非圧縮性であり、等エントロピー圧の上昇ではほとんど加熱されない。低温の液体空気を1気圧から500気圧まで等エントロピー圧で上昇させると、約11Kの温度上昇が生じる。また、流体の密度は約7%増加する。噴射ポンプに必要な駆動エネルギーの割合は、無駄に小さい。化学量論的な比率で空気を吸入して圧縮する従来のガスタービンでは、機械軸のエネルギーの約33%が圧縮機の駆動エネルギーとして失われる。ガスタービンでは、燃焼室やタービンの内部冷却を確実にするために、化学量論的に必要な量以上の空気を吸入して圧縮しなければならないことが知られている。
従来のピストンエンジンやガスタービンでガス状の集合体に実施される押し込み作業や圧縮作業を行う必要はない。圧縮作業は、例えば定置型の空気液化プラントではるかに高い効率で行われる。発電所では、電気代が安く、すでに電力が過剰生産されている夜間に主に電気が使用される。得られた圧力エネルギーは、酸化性物質(例えば低温の液体空気)中に蓄えられる。燃焼室での燃焼中に、この圧力エネルギーの大部分は再度放出される。酸化性物質が燃焼室に入るまで液体状態、つまり臨界温度以下に保たれていると、流量は小さいままである。その結果、スロットル損失や流動損失も少なくて済む。また、比容積が小さいため、燃焼室に注入する際の挿入作業が非常に少なくて済む。計算式: W=p×V(式中:W=仕事、p=圧力、V=体積)
酸化性物質(11)は、燃焼室(15)での着火後、燃料とともにそのエネルギーを放出する。酸化性物質として低温の液体空気を使用した場合、燃焼温度は使用する燃料にもよるが、約2000~2400Kとなる。酸素(O)を使用した場合、燃焼温度はかなり高くなる。燃料は液体でも気体でも供給できる。しかし、断熱圧縮を行うためには、ほとんど非圧縮性である液体よりも気体の方がより多くのエネルギーを必要とする。酸化性物質に対して必要な燃料は比較的少ないので、損失は管理可能である。燃焼圧力は最低でも200bar、よりよいものでは500bar、あるいはそれ以上である。
高圧燃焼室で冷たい液化酸化性物質を燃焼させると,燃焼温度に影響する2つの効果が生じる。一方では、冷えた液化酸化性物質によって燃焼温度が低下し、他方では、高圧によって燃焼温度が上昇する。標準状態で計算された断熱燃焼温度と比較して。これは、圧力下では分子の反応性が高くなるためである。
(図3)燃焼室(15)は、液体ロケットの燃焼室と非常によく似た構造になっている。ロケットの燃焼室は、95%~99.5%の効率を達成する。これは、燃焼ガスの分布、混合状態、および乱流が良好なためである。注入プレート(15b)は、複数の連結された穴の空いた円盤で構成されている。同時に、円筒形の燃焼室のカバープレートでもあり、その前面にある多数の小孔から広い範囲に燃料と酸化性物質を噴射する。
(図3、図4)そして、圧力比が少なくともπ=200、もしくはより好ましい圧力比であるπ=500以上のタービン(16)で膨張する。これにより圧縮機が不要となり、極低温の液化した酸化性物質(11)と燃料(12)を処理するように最適化のみする必要がある。圧縮機を持たないタービンは、一般に膨張タービンまたはターボ膨張器と呼ばれている。これらは通常、最大でもπ=25までの圧力比を持つ。前世代の膨張タービンは、圧力比が25以上の単段式である。このような比率を最高の効率で実現するために、流れはタービンに入る前にノズルで音速の1.5から2.5倍に加速される。WO002014/175765 A1明細書を参照のこと。π=25のステージを2つ直列に並べると、すでに全圧力比π=625となる。必要な全圧力比は、わずか2つのタービンステージと良好な効率を持つコンパクトな機械で達成することができる。計算式:全π=π1×π2
このようなタービンは、電気機械(例えば、高周波発電機)に容易に結合することができる(図3)。機関車や大型船の「ターボエレクトリック推進力」と比較してみよう。この発電機(31)の極性は、起動運転時や、必要に応じて電気モーターの動作中に反転させることができるので、必要に応じてタービンを駆動することができる。このようにして発生した電流は、電圧/周波数変換(32)の後、駆動機に電流を流す前に、蓄電器(33)やコンデンサーに一時的に蓄えることができる。このような組み合わせでは、制動エネルギーの回収も可能である。また、電流を直接電気駆動モーター(34)に送ることもできる。このようにして、タービンの最適な動作状態を保つことができ、可能な限り高い効率を実現することができる。
単軸タービンと同様に、新気なガス量とタービンの回転数に相関関係がないため、動力が非常に高い。装置が目的の負荷点に到達するまでの時間が短くて済む。さらに、接続された発電機は、起動時や必要に応じて(昇圧のための)電動機として使用することもできる。
(図4)100kWのタービンの重量は10kgを大きく下回り、補機類を含めた総容積は10リットル以下であることが望ましい。一般的には、現在の自動車やトラックに搭載されている排気ガスターボチャージャーと同等の大きさと重さであり、製造コストの面でも同等である。このようにして、タービンは、現在の自動車の変速機用トンネルの設置場所に簡単に配置することができる。酸化性物質用の大きな真空断熱容器(35)は、車の前部に置くことができる。
タービンの入口温度が2400Kというのは、現在の技術水準では少々高すぎる。使用されている材料は、長期間このような高温に耐えることができない。カーテン冷却やフィルム冷却を採用した大型ガスタービンでは、1900Kまでの温度が一般的である。そこで、4つの可能なアプローチを提示する。
変形例1:タービンは酸化性物質が過剰な状態で運転され、およそλ=1.2からλ=1.7となる。ガスタービンのカーテンまたはフィルム冷却と同様に、燃焼室の壁とタービンのステーター/ローターに追加の空気が供給される。それに伴い、化学量論的な燃焼と比較して処理量が増加する。タービンの入口温度が下がるという欠点は、質量処理量が増えるという利点でほぼ相殺される。そのため、比有効な仕事はほぼ維持される。
変形例2:冷却を目的としてタービンに追加の水を注入する(変形例1と同様)。これに必要な水は、排ガスから回収可能。燃焼ごとに少なくない量の水が発生する。例)ガソリンと空気を化学量論的な比率で混合した場合、排気ガス中の水蒸気量は約8%となる。原理的に排気ガスの温度が低いため、熱交換器を使って、凝縮した水を排気ガス路から回収することができる。
変形例3:タービンを高圧部と低圧部の2段で運転する。高圧部で等エントロピー膨張した後、燃焼ガスは燃焼室の外壁を通過するか、熱交換器に入り、そこで再加熱される。熱交換器は、燃焼室またはステーターから供給される。これにより、高圧タービンの上流側ではタービン入口温度が下がり、低圧タービンの上流側ではタービン入口温度が上がる。再加熱の結果(クラウジウス・ランキンサイクルとの比較)、全体の効率はわずかに低下する。熱交換器の圧力損失とガス経路の長さがマイナスに作用する。
変形例4:熱膨張率が非常に小さい高耐熱性の複合材料は、ロケットエンジンのノズルネック部にすでに使用されている。次世代のガスタービンブレードでは、セラミックマトリックス複合材の使用により、今後数年間で2000Kまでの疲労強度を達成することができるだろう。これらは、燃焼室の壁や第1タービンステージなど、特に高温にさらされる場所に使用できる可能性がある。影響を受ける部品がはるかに小さいため、コスト面での問題は軽微だろう。100kWのタービンのタービンランナは、直径が数センチと言われている。
燃焼温度(3)が高いことを利点と捉え、ほとんど火を使わない燃焼を実現している。例えば、窒素酸化物(NOX)の生成を大きく抑えることができる。燃焼はよりクリーンで完全なものになる。
高圧力比のため、排気ガスはタービン出口温度(4)が約400~500Kと、内燃機関としては異例の低さにまで冷却される(図1)。また、熱損失も極めて少ない。また、排気ガスに含まれる余熱は、冬場の車内暖房の一部または全部に利用可能である。
効率が高いため、従来のガソリンやディーゼル燃料に加えて、メタンを主成分とする天然ガス、水素、またはそれらの混合物(ハイサン)を燃焼させることも可能である。いずれの場合も、同距離であれば、圧力容器は大幅に小さくて済む。今のところ、燃料電池車が普及していないのは、主に製造コストが高いためである。圧力容器は製造コストの中で大きな割合を占めている。水素の消費量は、燃料電池に比べて少なくとも30%は減少する。
タービンを搭載したターボエレクトリック推進システムの燃費を、最新世代のターボガソリンエンジン(自動車)およびターボディーゼルエンジン(自動車)と比較した。燃料消費量とCO排出量を50~65%削減することができた。これは、走行重量1500~1700kgの中距離車において、実質的なガソリン消費量が約1.85~2.1kg、液体空気消費量が28~32kgに相当する。その結果、1kmあたりのCO排出量は約57~66gとなる。大規模発電所で1kgの液体空気を生産するためのエネルギー消費量は、約300Wh/kgである。
[さらなる利点:液体空気による空調]
車両に、上記の方法で冷えた液体空気を酸化性物質として使用した場合の副次的な利点は、わずかな労力で車内の空調が可能になることだ。
課題は、乗車室の冷却に使用されるシステムを提示することです。そのためには、少ない技術的努力で、軽量でコンパクトなサイズを実現する必要があります。さらに、駆動エネルギーが少なく、冷媒を使用せずに動作し、また、静止した状態でも動作可能でなければならない。この問題を解決するために、請求項2に記載の方法を示す。
夏場の自動車には冷房が必要だが、従来は効率の悪い結露式の空調システムで対応していた。エアコン用コンプレッサーの駆動力は4~6kWが一般的である。しかし、自動車に必要な冷房能力は、平均して0.25kW程度である。このような冷却は、1時間あたり約2.5~3リットルの冷たい液体空気を蒸発させることで確保される。
水を使った開放系または閉鎖系の蒸発システムは、独国特許公開第10221191号明細書や独国公開第19729077号明細書などに開示されている。しかし、水は冷たい液体空気の冷却エネルギーを圧倒的に提供できない。また、オープンシステムでは、冷却された部屋の湿度が上昇し、乗客の健康状態が損なわれる。
特に窒素を充填した閉回路で動作する閉極性システムも、欧州特許第611934号明細書などで知られている。しかし、このようなシステムは複雑で、少なくとも1つの(冷凍)コンプレッサーの駆動エネルギーが必要である。逆ランキンサイクルで運転されるすべての閉鎖系システムは、機械的な駆動エネルギーを必要とし、これは通常、内燃機関によって提供される。効率の連鎖が長いため、全体的な効率は比較的悪くなる(内燃機関-機械的駆動-冷媒圧縮機-蒸発器-熱交換器)。このため、冷却には平均以上のエネルギーが必要となる。追加の汚染物質排出量/CO排出量が多い。
韓国特許公開102005020448号広報は、夏の駐車場に停車中の車内で、冷たい液化窒素を噴霧する様子を開示している。ほぼ密閉された車内で純粋な窒素を使用すると、空気中で濃縮されて低酸素症になり、最悪の場合は窒息死してしまうという欠点がある。したがって、このようなシステムは、車内に人や動物がいない場合にのみ、大量の冷却剤を車内に供給することができるが、入室前に換気を行う必要がある。
(図5、図6)夏季には、真空断熱容器(35)から供給される冷たい液体空気(11)で、外気(41)または室内の循環空気(42)を富化することが提案されている。これは、液体空気の霧化(43)または噴霧によって行うことができる。あるいは、蒸発容器(44)内の液体空気で濡れた表面上部で発生する蒸気、または湿潤膜を利用して冷却を行うこともできる。液体の供給の代わりに、あるいは液体の供給に加えて、真空断熱容器の中で断熱材の損失により発生する蒸発量を、計量して(45)、客室に供給することができる(45)。いずれの場合も、このようにして生成されたガス状の空気を、室内に送り込む前に、例えば(活性炭)フィルター(46)で濾過することは理にかなっている。このようなシステムは、高圧のコンプレッサーやポンプを必要としない。ある状況下では、真空断熱容器の過圧だけで、必要な低温液体空気を搬送し、霧化するのに十分である。小型の送出ポンプを使用すれば、どのような場合でも送出量を確保できる。

本発明では、内燃機関を駆動する方法について述べる。この方法は車両の駆動装置に特に適しており、非常に低い燃料消費量を有し、さらに、将来の排気ガス規制値を満たすことが可能となる。
自動車からの排気ガス値やCO排出量に関する環境規制は、法律によってますます厳しくなっている。伝統的な内燃機関で近いうちに基準値を満たすことは不可能となるだろう。
世間では、代替推進システムに対する批判が高まっている。燃料電池は白金触媒が必要なためコストがかかる。達成可能な効率は最大でも60%とされている。必要な水素は大量のエネルギーを使用して人工的に製造するしかなく、さらに、水素は高価な高圧容器に貯蔵される。一般的には、炭素繊維で強化した厚さ数cmの容器で、複雑な曲がりくねったプロセスを経なければ製造はできない。水素の体積エネルギー密度は大変低いことから、水素の貯蔵には大きなスペースを必要とする。700barの圧力下では、約5.5Kgの水素量しか160Lのタンク内に貯蔵できない。これは、15.3kg、20.4Lのガソリンのエネルギー量に相当する。
電気自動車は何年もの間未来の技術として注目されてきたが、国からの資金援助にもかかわらず、定着していない。充電時間の長さ、インフラの不備、特に外気温が低い時の走行距離の短さなどは、日常的に使う上で煩わしい程度だ。全体的なwell-to-wheel(油井から車輪まで)効率を低下させる急速充電による熱損失や、静止中の自己放電は、あまり言及されない。重金属、レアアース、大量の酸などの使用によって引き起こされる大気汚染も非常に懸念される。政情不安な後進国での原材料の採掘、生産時のエネルギー消費量の増加、4~5年で消耗した後の処理、など、ほんの2,3例を挙げるだけでも、蓄電技術には深刻な問題がある。自動車用のバッテリーパックは、全体で数百kgの重さがある。電気で動くセミトレーラーに荷物を満タンに載せた場合、少なくとも8トンのバッテリーが必要となり、急速充電のサイクルでは少なくとも1メガワットの充電電力が必要となる。そのためには、配電網を拡大して、大規模な充電を行うためのエネルギーを供給しなければならないだろう。蓄電技術の技術的な大革新は、何年も前から期待されている。
内燃機関は燃焼効率のレベルが低いことで知られている。(η=燃料発熱量/軸からの熱量)。これは原則として、定置型(大型)のディーゼルエンジンでは最大40~50%である。小型のディーゼルエンジンでは、圧縮比23:1で最大40%の効率が得られる。ガソリンエンジンの効率は、最適な動作点で約35%、圧縮比は最大でも15:1である。最高の(大型の)ガスタービンの効率は42%で、圧力比は最大でも33:1である。小型のマイクロガスタービンの効率は25~30%である。
Richard van Basshuysen、 Fred Schaefer著「Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven 第3版」Friedrich Vieweg & Sohn 出版社 2005年 ISBN 3-528-23933-6
内燃機関の熱効率は、圧縮比または膨張比によって大部分が決められる。膨張比が大きければ大きいほど熱効率は高くなる。これは、例えば、ディーゼルサイクル、オットーサイクル、サバデサイクル、ブレイトンサイクル、そしてジュールサイクルにおいてもあてはまる。こういった理由から、圧縮または加圧比をより高くすることが、上述の熱力学サイクルの全てにおいて目標となる。
圧縮比、膨張比、そして加圧比は技術的に互いに関連しあっており、互いを容易に分離することはできない。圧縮率が高いと圧縮機出口の温度が高くなり、その結果、燃焼温度も高くなる。しかし、圧縮率は機械の熱安定性によって決まるので、任意に選んで高くすることができない。往復ピストンエンジンでは、使用燃料のノックリミットにより膨張比が制限される。
現在の技術水準では、無過給ガソリンエンジンの圧縮比は最大で約15:1である。無過給ディーゼルエンジンの圧縮比は、最大で23:1である。過給ピストンエンジンは、圧縮比εが非常に低い値でのみ動作する。
計算式:ε=1+Vh/Vk(式中:Vh=ストローク量、Vk=圧縮量)
現在の技術水準では、圧縮比πは(大きな)ガスタービンの場合は最大で33:1である。航空機用ガスタービンでは、巡航速度時の動圧が圧縮圧力比に含まれているため、大きな値が示される。
計算式:π=p end(タービン内の圧力)/ p suction(吸引部の圧力)
圧力比と圧縮比の関係は、π=ε^κ(式中:κ=等エントロピー指数)という式で表される。
発明の目的
本発明は、熱効率を大幅に向上させることで、燃料消費量、汚染物質の排出量の少ない熱力学的プロセスを備えた内燃機関を開示することを目的としている。燃料の発生熱量については、可能な限りその多くを機械的エネルギーに変換しなければならない。さらに、本発明では、少なくとも一つの解決方法を、安価で環境に配慮した製造が可能であり、コンパクトかつ軽量なデザイン性を有し、既存の技術部品により製造可能な、モバイルでの使用に適した機械として詳細に開示する。
この問題を解決するために、請求項1に示す方法は、請求項2に記載されている装置において使用される。請求項3は、請求項1の方法および請求項2の装置による車両を示す。請求項4では、この車両の別の実施形態を説明する。
エネルギーの中間貯蔵を低温液体空気によって行うシステムは既知である。例えば、独国特許出願公開公報第102013203044号明細書には、空気圧縮機と全ての変化型におけるガスタービンとから構成される、空気吸入式の定置型ガスタービンユニットが記されている。タービンの出力は、液体空気を圧縮過程で加えることによって制御され、または増加する。液体空気は燃焼室には直接注入せず、吸気装置の前部に注入するか、もしくは、空気圧縮機内に直接注入する。いずれの場合においても、液体空気は吸引された空気と混ざり、原則として100%液体の空気は供給されない。いずれにしても、注入された100%液体の空気を真空内で事前に蒸発させたり、あるいは圧縮機内でタービンの駆動中に蒸発させたりした後に、大量のエネルギーを消費して空気を再度圧縮することはエネルギー的な観点から意味がないだろう。この方法では、吸入、圧縮された空気は冷却され、それによって質量流量が増加または圧縮機の出口温度が低下する。液体空気の凝集状態は、液体空気が燃焼室に到達するかなり前に「気体状」に変化する。外気密度が高くなると圧縮機の圧力比がやや上昇する。これは外気を冷却することによってのみ達成される。達成可能な効率の向上は比較的穏やかなものである。効率を大幅に上昇させるために必要となる、出口側のタービンの圧力比を変化させることについては、言及されていない。
低温液体空気による自動車の推進システムは、例えば米国特許第354565号明細書に記されている。貯蔵エネルギーは液体空気または液体窒素から作られる。酸化性物質作動ガスまたは不燃作動ガス(窒素)は、第1作動室に導入される前に一連の熱交換器を通過する。ここで、液体空気/液体窒素が加熱され、エネルギーを吸収すると、200barのプロセス圧力下で直ちに超臨界状態へ移行する。集合体の状態は、作動室/燃焼室に到達する前、すなわち熱交換器の中で「液体」から「超臨界」に変化し、蒸発または擬似的に蒸発する。ここでは環境からの熱エネルギーや車両からの廃熱が利用されるが、熱交換器における体積変化の仕事の一部が失われたり、熱交換器自体がかなりの圧力低下を起こしたりする。車両に搭載されるこのような熱交換システムは、プロセス圧力が高く、分岐やリンクがあるために、複雑で重く、高価なものになるだろう。これはシステム圧力が200barかかるため熱交換器の壁の厚さを大きくするからであり、さらに高圧部品に対する安全規制も加わるからである。問題は、熱交換器の氷結、空気の凝縮、極低温の熱交換器での酸素の濃縮から生じる。また、デッドボリュームが大きいと効果が極めて緩慢になるため、ドライバーが性能を要求したときに可能な限りダイレクトに反応しなければならない動的システムでは、技術的に再現することが極めて困難である。熱慣性とから熱エネルギーを得る必要性があることから、一方では大きな熱交換器が必要となる-特に外気温が低い場合には。一方で、ダイナミックシステムのガス運搬量は、過給機付きエンジンの給気・排気経路のように、できるだけコンパクトに設計され、流れの抵抗が少ないものでなければならない。適正な航続距離を実現するためには、液体空気タンクや窒素タンクは、中身も含めて不釣り合いに重く大きくなってしまう。
米国特許第3736745号明細書には、超臨界COブレイトンサイクルをベースとした、作動流体である燃焼生成物の再循環を伴う閉鎖系システムが開示されている。作動流体は、主に液体/超臨界COと水で構成されている。作動流体は、任意に一時保存することも可能で、超臨界状態、つまり200barの圧力下で高密度の気体の状態で燃焼室に供給される。酸化性物質(純酸素)はボトルから供給されるが、これも気体状態である。射出圧力までポンプで作動流体を上昇させる前に確実に液化させるためには、100から200bar圧力下でも作動する、再冷却用の十分な耐圧性能を持った熱交換器が必要である。作動流体は、比較的少量の酸化性物質と燃料とともに燃焼室に吹き込まれる。燃焼中、作動油は約160Kだけ加熱される。その後、π=2程度の非常に低い圧力比の単段タービンで弛緩する。この文献では、総合熱効率が約42%と明記されているが、これは現在、小型のディーゼルエンジンでも達成されている。具体的な技術的仕事は、約130kJ/kgに過ぎない。蒸気タービンよりもコンパクトにすることが可能だが、これは主に流体密度の高さ(約90~100kg/m3)に起因している。
同様のシステムは仏国特許出願公開第2776018号明細書でも知られており、これは潜水艦の駆動装置または船舶の駆動装置として意図されたものである。これは部分的に開放的なシステムで、凝縮水を燃焼プロセスに戻すものである。凝縮した水蒸気は排気ガスから抽出され、液体の水(250~300℃)として再び燃焼室に注入される。潜水モードでは、船上のタンクから低温の液化酸素または加圧酸素が供給される。任意に、水面で周囲の空気を吸い込むことも可能である。燃焼室の圧力は約15~20barなので、パワータービンの圧力比は最大でもπ=15となる。このシステムの明確な利点は、エアシュノーケルなしで水中操作ができることと、軍事分野で重要な廃熱サインが少ないことであり、これは燃焼生成物からの熱回収によって実現されている。ここでは、効率も42%を超えることはまずない。さらに、熱交換器が必要なため、このシステムは複雑でコストがかかり、重くなってしまう。
以下では、主に酸素原子を放出して他の物質を酸化させることができるすべての化学化合物または混合物を「酸化性物質」と呼ぶことにする。LAIRは「液体空気」の略である。LOXは「液体酸素」の略である。
以下では、沸点が周囲温度よりはるかに低い気体に関して「極低温」、「低温液化」、「低温液体」、「低温」という用語を用いる。例えば、液体空気は、沸点が約-190℃である。
以下では、圧縮機を持たず、(低温)液状酸化性物質を用いて駆動し、少なくともπ=200の圧力比を持つローター付き膨張機を「タービン」と呼ぶ。
以下では、タービン軸または中間ギアを介して機械的に発電機を駆動するタービンと自動車の電気駆動用モーターからなるユニットを、文献で知られる「ターボエレクトリックドライブ」と呼ぶ。
以下では、「ガスタービン」という用語を、「古典的な意味」でのタービン、すなわち、圧縮機を備え、圧力比が約π=35までの空気吸入器に使用している。
図1は、ここで説明したサイクルを時計回りの熱力学的サイクルとしてT-s線図で示す。また、比較のために理想的なジュールサイクル(破線)を示している。 図2は、時計回りの熱力学的サイクルとして記述されたサイクルをp-V線図で示したものである。比較のために理想的なジュールサイクル(破線)を示している。 図3は、図1および図2の方法に従って動作する、タービンを備えたターボ電気機械のシステムを示している。破断線は、ポンプ(13)と(14)の駆動のために可能な配置のバリエーションを表している 図4は、図3のターボエレクトリックドライブシステムを搭載した車両の概略構造を示している。 図5は、霧状の極低温液体空気を用いた車室内空調の一般的な構造を示す。 図6は、極低温液体空気の蒸発用容器の一般的な構造を示す図である。[図1、図2]大気のT-s線図、p-V線図のそれぞれの例を示す。
[状態の変化についての説明]
(1-2 等エントロピー圧縮)
低温液状酸化性物質の圧力を、液体用ポンプによってp1=1barからp2=500barに上昇させる。
温度をT1=80KからT2=91Kに上昇させる。
比圧縮仕事wt12=60kJ/kgを供給する。
比エントロピーは一定。
比容積はV1=1.15×10-33/kgからV2=1.08×10-33/kgに減少。
(2-3 等圧燃焼)
燃焼は火炎帯で連続的に行われる。
圧力変化なし。
温度はT2=91KからT3=2250Kまで上昇する。
熱供給量q23=2750kJ/kg
比エントロピーは、s2=2,8kJ/kg/Kからs3=7.3kJ/kg/Kに増加。
比容積は、V2=1.08×10-33/kgからV3=1.35×10-23/kgに増加。
(3-4 等エントロピー膨張)
タービンでの膨張。
圧力はp3=500barからp4=1barに緩和される。
温度はT3=2250KからT4=466Kに下がる。
タービンの仕事wt34=-2208kJ/kgの離脱。
比エントロピーは一定。
比容積はV3=1.35×10-23/kgからV4=1.38m3/kgに増加。
(4-1等圧性熱除去)
ガスは環境中に放出される。
比熱の除去 q41=-608kJ/kg
本発明では、酸化性物質(この例では大気)を低温の液化状態で供給する時計回りのサイクル(図1、図2)を提案している。これにより、圧縮サイクルが不要となる。代わりに、液状酸化性物質はその臨界温度以下で噴射圧力がかけられ、燃焼室に噴射される。その為、実際の状況では、燃焼圧力を克服するためには、噴射圧力を燃焼圧力よりも高くする必要がある。
熱力学の古典的な循環過程と比較すると、排気ガスの温度は数百K(4)低くなります。グラフを見ると、放熱量に対して有効な仕事(1-2-3-4-1内の領域)が非常に大きいことがわかる。理想的な熱効率は80%以上である。ブレイトンサイクルと比較すると、比有効な仕事は約4倍になる。式: η=Weff/Qsupp(式中:η=効率、Weff=有効な仕事、Qsupp=供給熱量)
酸化性物質としては、増圧下でも低温液化状態または標準温度において液体状態で保存できるすべての酸素キャリアが適している。これには、例えば、液体酸素(LOX)や、酸素を濃縮した冷却液体空気が含まれる。特に、天然の酸素、窒素、アルゴン成分を含む冷却液体空気(LAIR)は、毒性がなく、低用量であれば漏出しても環境に直接危険を及ぼすことがないため、好適である。また、冷却液体空気は周囲の空気からどこでも入手でき、安価に製造できる。
酸化性物質(11)は、真空断熱容器(35)に入れて保存することができる。これは魔法瓶に似た二重壁の容器で、放射線を遮蔽し貯蔵液をできるだけ長時間低温の状態で保つことができる。加熱により1日に1%程度の蒸発が避けられない。少量の蒸発物は、危険を伴わずに環境中に放出することができる。通常、低温の液体空気は約-190℃(80K)の温度で、最大5barのタンク圧力下で保存される。燃料の補給は、絶縁性の高いホースを使って圧力なしで行うことが可能である。
液体酸素の代わりに液体空気を使用する大きな利点は、タービンを使用した場合の熱処理量が大きいことである。(計算式: Q=Wt×m、式中:Q=熱量、Wt=技術的仕事、m=質量)。
熱処理量が大きいほど、有用なエネルギーが得られる。1kgのガソリンを化学量論的に燃焼させるには、約14.7kgの液体空気が必要である。純酸素(O)でガソリンを燃焼させる場合は、約1kgのガソリンに対して約3.5kgの酸素が必要となる。
タービンのもう一つの利点は、ガス交換による押し込み・押し出しのロスがないことである。また、圧縮作業も必要ない。予想される損失は、噴射装置の圧力損失、酸化性物質ポンプの効率、燃焼室の効率、タービンの効率など、比較的小さなものだけである。
(低温)液相の酸化性物質を高圧にするため必要なエネルギーは、気相の酸化性物質を圧縮するために必要なエネルギーよりはるかに少ない。気体とは対照的に、液体はほとんど非圧縮性であり、等エントロピー圧の上昇ではほとんど加熱されない。低温の液体空気を1気圧から500気圧まで等エントロピー圧で上昇させると、約11Kの温度上昇が生じる。また、流体の密度は約7%増加する。噴射ポンプに必要な駆動エネルギーの割合は、無駄に小さい。化学量論的な比率で空気を吸入して圧縮する従来のガスタービンでは、機械軸のエネルギーの約33%が圧縮機の駆動エネルギーとして失われる。ガスタービンでは、燃焼室やタービンの内部冷却を確実にするために、化学量論的に必要な量以上の空気を吸入して圧縮しなければならないことが知られている。
従来のピストンエンジンやガスタービンでガス状の集合体に実施される押し込み作業や圧縮作業を行う必要はない。圧縮作業は、例えば定置型の空気液化プラントではるかに高い効率で行われる。発電所では、電気代が安く、すでに電力が過剰生産されている夜間に主に電気が使用される。得られた圧力エネルギーは、酸化性物質(例えば低温の液体空気)中に蓄えられる。燃焼室での燃焼中に、この圧力エネルギーの大部分は再度放出される。酸化性物質が燃焼室に入るまで液体状態、つまり臨界温度以下に保たれていると、流量は小さいままである。その結果、スロットル損失や流動損失も少なくて済む。また、比容積が小さいため、燃焼室に注入する際の挿入作業が非常に少なくて済む。計算式: W=p×V(式中:W=仕事、p=圧力、V=体積)
酸化性物質(11)は、燃焼室(15)での着火後、燃料とともにそのエネルギーを放出する。酸化性物質として低温の液体空気を使用した場合、燃焼温度は使用する燃料にもよるが、約2000~2400Kとなる。酸素(O)を使用した場合、燃焼温度はかなり高くなる。燃料は液体でも気体でも供給できる。しかし、断熱圧縮を行うためには、ほとんど非圧縮性である液体よりも気体の方がより多くのエネルギーを必要とする。酸化性物質に対して必要な燃料は比較的少ないので、損失は管理可能である。燃焼圧力は最低でも200bar、よりよいものでは500bar、あるいはそれ以上である。
高圧燃焼室で冷たい液化酸化性物質を燃焼させると,燃焼温度に影響する2つの効果が生じる。一方では、冷えた液化酸化性物質によって燃焼温度が低下し、他方では、高圧によって燃焼温度が上昇する。標準状態で計算された断熱燃焼温度と比較して。これは、圧力下では分子の反応性が高くなるためである。
(図3)燃焼室(15)は、液体ロケットの燃焼室と非常によく似た構造になっている。ロケットの燃焼室は、95%~99.5%の効率を達成する。これは、燃焼ガスの分布、混合状態、および乱流が良好なためである。注入プレート(15b)は、複数の連結された穴の空いた円盤で構成されている。同時に、円筒形の燃焼室のカバープレートでもあり、その前面にある多数の小孔から広い範囲に燃料と酸化性物質を噴射する。
(図3、図4)そして、圧力比が少なくともπ=200、もしくはより好ましい圧力比であるπ=500以上のタービン(16)で膨張する。これにより圧縮機が不要となり、極低温の液化した酸化性物質(11)と燃料(12)を処理するように最適化のみする必要がある。圧縮機を持たないタービンは、一般に膨張タービンまたはターボ膨張器と呼ばれている。これらは通常、1段の圧力比πが200までとなっている。前世代の膨張タービンは、圧力比が25以上の単段式である。このような比率を最高の効率で実現するために、流れはタービンに入る前にノズルで局所音速の数倍まで加速される。WO002014/175765 A1明細書を参照のこと。π=25のステージを2つ直列に並べると、すでに全圧力比π=625となる。必要な全圧力比は、わずか2つのタービンステージと良好な効率を持つコンパクトな機械で達成することができる。計算式:全π=π1×π2
このようなタービンは、電気機械(例えば、高周波発電機)に容易に結合することができる(図3)。機関車や大型船の「ターボエレクトリック推進力」と比較してみよう。この発電機(31)の極性は、起動運転時や、必要に応じて電気モーターの動作中に反転させることができるので、必要に応じてタービンを駆動することができる。このようにして発生した電流は、電圧/周波数変換(32)の後、駆動機に電流を流す前に、蓄電器(33)やコンデンサーに一時的に蓄えることができる。このような組み合わせでは、制動エネルギーの回収も可能である。また、電流を直接電気駆動モーター(34)に送ることもできる。このようにして、タービンの最適な動作状態を保つことができ、可能な限り高い効率を実現することができる。
単軸タービンと同様に、新気なガス量とタービンの回転数に相関関係がないため、動力が非常に高い。装置が目的の負荷点に到達するまでの時間が短くて済む。さらに、接続された発電機は、起動時や必要に応じて(昇圧のための)電動機として使用することもできる。
(図4)100kWのタービンの重量は10kgを大きく下回り、補機類を含めた総容積は10リットル以下であることが望ましい。一般的には、現在の自動車やトラックに搭載されている排気ガスターボチャージャーと同等の大きさと重さであり、製造コストの面でも同等である。このようにして、タービンは、現在の自動車の変速機用トンネルの設置場所に簡単に配置することができる。酸化性物質用の大きな真空断熱容器(35)は、車の前部に置くことができる。
タービンの入口温度が2400Kというのは、現在の技術水準では少々高すぎる。使用されている材料は、長期間このような高温に耐えることができない。カーテン冷却やフィルム冷却を採用した大型ガスタービンでは、1900Kまでの温度が一般的である。そこで、4つの可能なアプローチを提示する。
変形例1:タービンは酸化性物質が過剰な状態で運転され、およそλ=1.2からλ=1.7となる。ガスタービンのカーテンまたはフィルム冷却と同様に、燃焼室の壁とタービンのステーター/ローターに追加の空気が供給される。それに伴い、化学量論的な燃焼と比較して処理量が増加する。タービンの入口温度が下がるという欠点は、質量処理量が増えるという利点でほぼ相殺される。そのため、比有効な仕事はほぼ維持される。
変形例2:冷却を目的としてタービンに追加の水を注入する(変形例1と同様)。これに必要な水は、排ガスから回収可能。燃焼ごとに少なくない量の水が発生する。例)ガソリンと空気を化学量論的な比率で混合した場合、排気ガス中の水蒸気量は約8%となる。原理的に排気ガスの温度が低いため、熱交換器を使って、凝縮した水を排気ガス路から回収することができる。
変形例3:タービンを高圧部と低圧部の2段で運転する。高圧部で等エントロピー膨張した後、燃焼ガスは燃焼室の外壁を通過するか、熱交換器に入り、そこで再加熱される。熱交換器は、燃焼室またはステーターから供給される。これにより、高圧タービンの上流側ではタービン入口温度が下がり、低圧タービンの上流側ではタービン入口温度が上がる。再加熱の結果(クラウジウス・ランキンサイクルとの比較)、全体の効率はわずかに低下する。熱交換器の圧力損失とガス経路の長さがマイナスに作用する。
変形例4:熱膨張率が非常に小さい高耐熱性の複合材料は、ロケットエンジンのノズルネック部にすでに使用されている。次世代のガスタービンブレードでは、セラミックマトリックス複合材の使用により、今後数年間で2000Kまでの疲労強度を達成することができるだろう。これらは、燃焼室の壁や第1タービンステージなど、特に高温にさらされる場所に使用できる可能性がある。影響を受ける部品がはるかに小さいため、コスト面での問題は軽微だろう。100kWのタービンのタービンランナは、直径が数センチと言われている。
燃焼温度(3)が高いことを利点と捉え、ほとんど火を使わない燃焼を実現している。例えば、窒素酸化物(NOX)の生成を大きく抑えることができる。燃焼はよりクリーンで完全なものになる。
高圧力比のため、排気ガスはタービン出口温度(4)が約400~500Kと、内燃機関としては異例の低さにまで冷却される(図1)。また、熱損失も極めて少ない。また、排気ガスに含まれる余熱は、冬場の車内暖房の一部または全部に利用可能である。
効率が高いため、従来のガソリンやディーゼル燃料に加えて、メタンを主成分とする天然ガス、水素、またはそれらの混合物(ハイサン)を燃焼させることも可能である。いずれの場合も、同距離であれば、圧力容器は大幅に小さくて済む。今のところ、燃料電池車が普及していないのは、主に製造コストが高いためである。圧力容器は製造コストの中で大きな割合を占めている。水素の消費量は、燃料電池に比べて少なくとも30%は減少する。
タービンを搭載したターボエレクトリック推進システムの燃費を、最新世代のターボガソリンエンジン(自動車)およびターボディーゼルエンジン(自動車)と比較した。燃料消費量とCO排出量を50~65%削減することができた。これは、走行重量1500~1700kgの中距離車において、実質的なガソリン消費量が約1.85~2.1kg、液体空気消費量が28~32kgに相当する。その結果、1kmあたりのCO排出量は約57~66gとなる。大規模発電所で1kgの液体空気を生産するためのエネルギー消費量は、約300Wh/kgである。
[さらなる利点:液体空気による空調]
車両に、上記の方法で冷えた液体空気を酸化性物質として使用した場合の副次的な利点は、わずかな労力で車内の空調が可能になることだ。
課題は、乗車室の冷却に使用されるシステムを提示することです。そのためには、少ない技術的努力で、軽量でコンパクトなサイズを実現する必要があります。さらに、駆動エネルギーが少なく、冷媒を使用せずに動作し、また、静止した状態でも動作可能でなければならない。この問題を解決するために、請求項2に記載の方法を示す。
夏場の自動車には冷房が必要だが、従来は効率の悪い結露式の空調システムで対応していた。エアコン用コンプレッサーの駆動力は4~6kWが一般的である。しかし、自動車に必要な冷房能力は、平均して0.25kW程度である。このような冷却は、1時間あたり約2.5~3リットルの冷たい液体空気を蒸発させることで確保される。
水を使った開放系または閉鎖系の蒸発システムは、独国特許公開第10221191号明細書や独国公開第19729077号明細書などに開示されている。しかし、水は冷たい液体空気の冷却エネルギーを圧倒的に提供できない。また、オープンシステムでは、冷却された部屋の湿度が上昇し、乗客の健康状態が損なわれる。
特に窒素を充填した閉回路で動作する閉極性システムも、欧州特許第611934号明細書などで知られている。しかし、このようなシステムは複雑で、少なくとも1つの(冷凍)コンプレッサーの駆動エネルギーが必要である。逆ランキンサイクルで運転されるすべての閉鎖系システムは、機械的な駆動エネルギーを必要とし、これは通常、内燃機関によって提供される。効率の連鎖が長いため、全体的な効率は比較的悪くなる(内燃機関-機械的駆動-冷媒圧縮機-蒸発器-熱交換器)。このため、冷却には平均以上のエネルギーが必要となる。追加の汚染物質排出量/CO排出量が多い。
韓国特許公開102005020448号広報は、夏の駐車場に停車中の車内で、冷たい液化窒素を噴霧する様子を開示している。ほぼ密閉された車内で純粋な窒素を使用すると、空気中で濃縮されて低酸素症になり、最悪の場合は窒息死してしまうという欠点がある。したがって、このようなシステムは、車内に人や動物がいない場合にのみ、大量の冷却剤を車内に供給することができるが、入室前に換気を行う必要がある。
(図5、図6)夏季には、真空断熱容器(35)から供給される冷たい液体空気(11)で、外気(41)または室内の循環空気(42)を富化することが提案されている。これは、液体空気の霧化(43)または噴霧によって行うことができる。あるいは、蒸発容器(44)内の液体空気で濡れた表面上部で発生する蒸気、または湿潤膜を利用して冷却を行うこともできる。液体の供給の代わりに、あるいは液体の供給に加えて、真空断熱容器の中で断熱材の損失により発生する蒸発量を、計量して(45)、客室に供給することができる(45)。いずれの場合も、このようにして生成されたガス状の空気を、室内に送り込む前に、例えば(活性炭)フィルター(46)で濾過することは理にかなっている。このようなシステムは、高圧のコンプレッサーやポンプを必要としない。ある状況下では、真空断熱容器の過圧だけで、必要な低温液体空気を搬送し、霧化するのに十分である。小型の送出ポンプを使用すれば、どのような場合でも送出量を確保できる。
11 酸化性物質
12 燃料
13 酸化性物質用ポンプ
14 燃料用ポンプ
15 燃焼室
15b 注入プレート
15c 燃焼ガス
16 タービン
17 排気ガス
19 ポンプ用電気モーター
30 タービンシステム
31 発生装置
32 電圧-周波数コンバータ
33 コンデンサー
34 電気駆動モーター
35 酸化性物質用容器
36 燃料用容器
37 車両
40 車室
41 外気
42 循環空気
43 噴霧器
44 蒸発皿
45 給電線路
46 フィルター

Claims (2)

  1. タービンシステムを備えた車両であって、
    1.1)前記タービンシステムは、前記車両の推進装置の一部であって、
    1.2)前記液状酸化性物質(11)のみが、燃焼工程のためのタービンシステムにおける酸化性物質として機能し、前記液状酸化性物質(11)は液体の形で注入プレート(15b)を介してタービン(16)の燃焼室(15)に直接供給されることと、
    1.3)圧縮段階の代わりに、前記酸化性物質はポンプ(13)で液体のまま加圧されることと、
    1.4)臨界温度以下の噴射圧力で前記燃焼室のみに噴射される前記酸化性物質は、前記燃焼室(15)内で気化した後、燃料と一緒に燃焼することと、
    1.5)燃焼ガス(15c)が、前記タービン(16)において全圧比200以上、つまり、π≫200で膨張することと、
    1.6)前記タービンシステム(30)は発電機(31)を駆動し、前記発電機(31)は電気モーターモードに切り替えることも可能なことと、
    1.7)前記発電機からの電流は必要に応じて変換される(32)ことと、
    1.8)前記電流が、中間貯蔵33を伴って、または伴わない電流で、1つまたは複数の電気駆動モーター(34)へ送られることと、
    1.9)前記酸化性物質(11)は真空断熱容器(35)に貯蔵されることと、
    1.10)燃料は、前記真空断熱容器、圧力容器、液体タンクなどの適した容器(36)に貯蔵されることを特徴とする、タービンシステムを備えた車両。
  2. 車室を冷却するための装置を備えた請求項1に記載の車両であって、
    2.1)前記車室(40)を冷却するために、少量の低温液体空気(11)が真空断熱容器(35)から抜き取られることと、
    2.2)外気(41)または循環空気(42)への混合が、アトマイザー(43)、蒸発容器(44)、ネブライザー、液体で濡れた表面、または膜を介して行われること、を特徴とする車両。

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