JP2904931B2 - 内燃エンジンおよび蒸気エンジンを具備したエンジン集成体 - Google Patents

内燃エンジンおよび蒸気エンジンを具備したエンジン集成体

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンジン集成体であって、駆動集成体、例え
ば共通の駆動軸、に連結された内燃エンジンおよび蒸気
エンジンと、内燃エンジンからの廃熱を排気および／ま
たは冷却水から蒸気エンジンの蒸気発生に利用するため
の熱交換器とを具備し、さらに蒸気エンジンを運転する
のに必要でない熱交換器からの過剰の蒸気が蒸気バッフ
ァに供給され、この蒸気バッファが蒸気エンジンに高出
力密度の蒸気を短時間だけ供給するように構成されたエ
ンジン集成体に関する。
従来より、効率を改善するために内燃エンジンの燃焼
ガスを用いることが知られている。ここで、内燃エンジ
ンとはオットエンジンおよびディーゼルエンジンをい
う。現在最も一般的な装置は燃焼空気を過給するための
ターボコンプレッサを駆動する排気駆動式のターボター
ビンであり、これによりエンジンのシャフト回転速度が
高められる。大型船舶では、ディーゼルエンジンの排気
からの熱を利用するために蒸気タービンを用いるのが一
般的である。エンジン効率を高めるために内燃エンジン
からの排気の熱をランキンサイクルプロセスにおいて利
用することも検討されている。しかしながら、従来の蒸
気技術による補助システムを備えた蒸気エンジンは非常
にかさばりかつ重い。したがって、必要とされる重量お
よび空間が非常に重要である乗り物においては現実的な
代用策として考慮されていない。
熱力学的観点から見ると、ピストン式蒸気エンジンは
内燃エンジンの廃熱を利用することが可能な解決策であ
る。しかしながらこの場合、必要とされる重量および空
間を現在の蒸気技術によるものと比較してかなり低減し
なければならない。
本発明の目的は、冒頭で述べた形式のエンジン集成体
であって、寸法および重量が本質的に小さく、合理的な
蒸気エンジンシステム内に内蔵されている柔軟性を最適
化するエンジン集成体を達成することである。
本発明の目的は本発明によれば、蒸気エンジンがブレ
ーキ容量を内蔵した変位型からなり、内燃エンジンが通
常運転時において全負荷または全負荷の近くで運転さ
れ、同時に蒸気エンジンが低負荷で運転されるように構
成されていることによって達成される。
本発明は、本願と共に出願された出願「蒸気エンジン
装置の蒸気バッファ」に詳細に開示されている形式の蒸
気バッファを用いることを基本とし、この出願は蒸気バ
ッファについて詳細に開示している。この蒸気バッファ
には、好ましくは温度が500℃であり圧力が250bar（250
×105Pa）である蒸気のための高温連結部と、供給水の
ための低温連結部と、これら高温連結部および低温連結
部間の固体熱交換物質とが設けられる。この固体熱交換
物質は蒸気および供給水のための圧力抵抗が大きい流路
を有し、この流路はその水力直径が0.5mmよりも小さ
く、上述の２つの連結部間に設けられる。上述したよう
に、この構成では、500kJ/kg以上のエネルギ密度と100k
W/kgの出力密度が可能であり、これらは、エネルギ密度
が100kJ/kgでありかつエネルギ密度がわずか100W/kgで
ある鉛−酸蓄電池と比較されうる。
ほとんどすべての乗り物のエンジンは最大出力と比べ
て非常に小さな出力において運転される。この最大出力
は或る状態では、ほとんどの場合が短時間であるが、利
用できなければならない。乗り物の燃料消費率はしたが
って低負荷における効率によって定められる。本発明は
また、内燃エンジンの効率が高負荷時に最高になり、こ
れに対し変位型の蒸気エンジンの効率が低負荷に最高に
なるという知見にも基づいている。これらの条件下で効
率が45％のディーゼルエンジンは蒸気エンジンから10か
ら15％ユニットの追加の出力を得ることができ、したが
って全効率を約55から60％まで増大することができる。
ディーゼルエンジンは、通常の運転サイクルにおいて全
負荷で運転されるように小さく構成される。蒸気エンジ
ンは、蒸気エンジンがディーゼルエンジンの排気からの
エネルギを用いかつ全駆動システムが通常の運転サイク
ルにおいて運転されるときに極めて低い負荷で運転され
るように構成される。短時間だけ要求される高出力は圧
倒的に蒸気バッファにより供給されうる。この蒸気バッ
ファは蒸気エンジンの出力を例えば５％の負荷における
30kWから100％の負荷における600kWまで直ちに増大させ
ることができる。
蒸気エンジンが出力特性に対して高く寄与し、しかし
ながら必要とされる全重量および全空間に対して小さく
寄与するので全エンジン集成体の出力密度を極めて高く
することができる。
蒸気エンジンを変位型から構成する理由の一つはこの
ような蒸気エンジンを、効果的なエンジンブレーキ容量
を有するように構成できることにあり、これは多くの乗
り物において非常に重要である。制動エネルギも蒸気バ
ッファにおいて再生することができる。
変位型蒸気エンジンの非常に高い制動容量は過熱の問
題がある従来のブレーキをなくし或いは置換しうる。
本発明によるエンジン集成体は特にトラックや長距離
輸送貨物列車または汽船などの大重量の乗り物を推進す
るのに適しており、さらに特に滑走（planing）速度を
速やかに得るために短時間だけ高出力が要求される汽船
に適している。
本発明は添付図面を参照して以下に詳細に記載され
る。この図面は本発明により大重量乗り物に適用される
エンジン集成体の実施例を概略的に示している。
図面には排気管２を有するディーゼル型の内燃エンジ
ン１（再生される排熱ロスがより大きいオット型を用い
ることもできる）が示されており、この排気管２は熱交
換器４を介して排気管３に連結される。特に冷却水が加
圧されている場合には冷却水からの熱を用いることもで
きる。供給水が約20℃から加熱されるようになっている
船舶に適用するために、冷却水を用いて供給水を約80か
ら100℃まで予加熱し、次いで排気を用いることができ
る。図示された熱交換器は蒸気管６の一部を構成する吸
熱部５を有する。この蒸気管６は250bar（250×105Pa）
のような高圧および蒸気温度500℃に対し寸法が定めら
れており、アキシアルピストン型の蒸気エンジン７まで
延びている。蒸気エンジンの出口部からコンデンサ９ま
で管８が延びており、このコンデンサは管11によりクー
ラ10に連結される。コンデンサ９から供給水ポンプ13ま
で管12が配置される。このポンプ13は供給水を管14内に
おいて250bar（250×105Pa）まで加圧して循環ポンプ15
に送る。この循環ポンプ15から延びる管16は供給水を熱
交換器４の吸熱部５まで導き、この吸熱部において管２
からの排気ガスの熱により供給水が蒸発されて500℃ま
で加熱される。蒸気温度が500℃の管６と、供給水温度
が約80℃である管14間には上述した蒸気バッファ20が接
続されており、さらに管14には供給水およびガスクッシ
ョンを含む圧力ベッセル21が接続されている。蒸気エン
ジン７は伝達部材22により駆動シャフト23に連結され、
この駆動シャフト23はエンジン１のクランクシャフトに
連結されている。
ディーゼルエンジン１は通常の運転サイクルにおいて
全負荷で運転されて蒸気エンジン７が連結されている駆
動シャフト23を駆動するように構成されている。蒸気エ
ンジンは通常の運転サイクルにおいて低負荷で運転され
るように構成されている。これらエンジンはそれぞれの
ほぼ最適な効率でもって運転される。蒸気エンジン７か
らの蒸気は熱交換器４内でにおいて、通常の運転サイク
ルにおいて必要な量よりもわずかばかり多い量だけ発生
せしめられる。過剰の蒸気は蒸気バッファ20に送り込ま
れ、蒸気バッファ内の供給水が管14内に押し戻され、次
いで圧力ベッセル21に戻される。このとき圧力ベッセル
内ではガスクッションが圧縮される。高出力が必要なと
きすなわち例えば追い越しまたは急勾配の上り坂のとき
には、蒸気エンジン７に到る管６内の制御弁24が低負荷
に対応する位置から全負荷に対応する位置まで開弁され
る。その結果、蒸気が蒸気バッファ20から最高のまたは
要求される出力容量でもって蒸気エンジン７に流れる。
通常運転時における平均出力が約80kWである大重量トラ
ックにおける適用のために、例えばディーゼルエンジン
が100％の負荷において70kWの出力を与え、蒸気エンジ
ンが５％の負荷において30kWの出力を与える。80kWの通
常運転時において、両方のエンジンほぼ最適な効率で運
転され、同時に蒸気バッファが完全に充填されない限
り、連続的に充填される。蒸気エンジンは最大出力が60
0kWであるので蒸気バッファが充填されていればエンジ
ン集成体は直ちに670kWの出力を与えることができる。
この出力をどれくらいの期間だけ得ることができるかは
当然、蒸気バッファの寸法に依存し、この蒸気バッファ
は上述したように500kJ/kgのエネルギ密度を有すること
ができる。
本発明は当然のことながら上述した実施例に限定され
ず、請求の範囲により定められる発明概念の範囲内にお
いてさまざまな変更が可能である。すなわち、２つのエ
ンジンを例えば数種の駆動集成体の異なる駆動シャフト
に連結することもできる。また、もし必要であればすな
わち例えば凍結しそうなときに蒸気システムを暖機状態
に維持するために、熱交換器４を補足する蒸気を発生す
るために小さな蒸気発生器を蒸気管６に連結することも
できる。上述したように、蒸気バッファは500kW/kgの非
常に高いエネルギ密度を有し、適当な断熱装置を備えて
長期にわたり熱エネルギを蓄えておくことができる。し
たがって、限定された期間だけ、内燃エンジンを運転す
ることなくすなわち排気を排出することなくエンジン集
成体を駆動することができる。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エンジン集成体であって、駆動集成体（2
    3）に連結された内燃エンジン（１）および蒸気エンジ
    ン（７）と、内燃エンジンからの廃熱を排気および／ま
    たは冷却水から蒸気エンジンの蒸気発生に利用するため
    の熱交換器（４）とを具備し、さらに蒸気エンジンを運
    転するのに必要でない熱交換器（４）からの過剰の蒸気
    が蒸気バッファ（20）に供給され、この蒸気バッファが
    蒸気エンジンに高出力密度の蒸気を短時間だけ供給する
    ように構成されたエンジン集成体において、蒸気エンジ
    ン（７）がブレーキ能力を有する容積型からなり、内燃
    エンジン（１）が通常運転時において全負荷または全負
    荷の近くで運転され、同時に蒸気エンジン（７）が低負
    荷で運転されるように構成されているエンジン集成体。
  2. 【請求項２】前記内燃エンジン（１）がディーゼルエン
    ジンからなり、前記蒸気エンジン（７）が、圧力が250b
    ar（250×105Pa）でありかつ温度が500℃の蒸気のため
    に構成された多気筒アキシアルピストンエンジンからな
    る請求項１に記載のエンジン集成体。
  3. 【請求項３】前記蒸気エンジン（７）が５％の負荷で運
    転されるときに前記内燃エンジン（１）が全負荷で運転
    されるように構成された請求項１または２に記載のエン
    ジン集成体。
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