JP4048113B2 - 特に車両駆動装置としての蒸気熱機関を運転する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、蒸気熱機関を運転するための方法と、そのための装置に関する。本発明は特に、特にバーナーまたは内燃機関からの廃熱によって運転可能な蒸気機械に関する。
【０００２】
独国特許出願公開第１９６１０３８２号明細書は蒸気機関を開示している。この蒸気機関の作動媒体は排気熱交換器内で過熱された蒸気に変換される。排気熱交換器は、蒸気機関に連結された内燃機関の損失エネルギーまたは廃熱からそのエネルギーを得る。そのために、内燃機関の冷却媒体と内燃機関の排気が排気熱交換器を通って流れる。
【０００３】
従って、この設備の場合には、設備の全体効率を高めるために、内燃機関の損失熱を利用することが試みられる。内燃機関にとって、最適な運転状態の場合、燃料の形で供給されるエネルギーの３分の１が機械的なエネルギーに変換されるという経験則が当てはまる。この場合、残りの３分の２は３分の１が冷却水を経て、そして他の３分の１が高温排気を経て排出される。
【０００４】
内燃機関の廃熱を利用するためには、高い技術的コストが必要である。この技術的コストは、内燃機関の損失エネルギーの伝達体として、２つの媒体、すなわち冷却水と排気が存在するという事実から生じる。両媒体内に存在するエネルギーは、エネルギー回収またはエネルギー変換のために１つのシステムに供給するには不充分である。なぜなら、両媒体のそれぞれの熱力学的な特性パラメータが大きく異なっているからである。例えば冷却水の温度レベルは約１００°Ｃであり、それに対して排気の温度レベルは内燃機関の低負荷の動作点における約３００°Ｃから、高負荷の動作点における９００°Ｃまでの範囲である。
【０００５】
熱機関の回路内の媒体として例えば水が使用されると、１バールの圧力のときに沸点は１００°Ｃである。しかし、１０バールの所望な圧力レベルを実現するためには、１８０°Ｃの温度が必要である。それによって、内燃機関の冷却水はエネルギー供給物として用いられない。なぜなら、熱交換器を介して必要なエネルギー移動を保証するためには、冷却水温度が少なくとも２００°Ｃでなければならないからである。
【０００６】
他の問題は、自動車分野で使用できるように軽量にするためには、設備全体を簡単に構成しなければならないことにある。
そこで、本発明の根底をなす課題は、媒体内に貯蔵された、異なる熱力学的特性パラメータを有する熱エネルギーを、機械的エネルギーに迅速にかつ効率的に変換することができる、熱機関を提供することである。
【０００７】
この課題は請求項１記載の特徴を有する、熱機関を運転する方法と、請求項１０記載の特徴を有する装置によって解決される。
熱機関の作動媒体が沸騰容器内において、低い温度、好ましくは低い圧力の沸点まで温められ、沸騰容器からの蒸気が、高い温度まで加熱される圧力室に供給され、沸騰容器からの液状作動媒体（例えば凝縮液）が、圧力室に噴射され、この場合作動媒体が瞬時に蒸発し、それによって圧力室内の圧力が著しく上昇し、そして圧力室からの高温蒸気が膨張装置に供給されることにより、異なる２つの熱力学的特性パラメータを有する媒体からの熱エネルギーが高温蒸気に効率的に変換される。この高温蒸気は更に、膨張装置において機械的なエネルギーに効率的に変換可能である。
【０００８】
沸騰する作動媒体を、例えば高温の排気で加熱され或る量の高温蒸気を既に含む圧力室内に噴射することにより、圧力室内の圧力が自然発生的に大きく上昇する。この圧力は膨張装置に供給可能である。
【０００９】
これにより、沸騰容器を内燃機関の冷却水で加熱し、圧力室を内燃機関の排気流で加熱すると特に有利である。この場合、高い圧力レベルは熱機関の回路内で発生可能である。あるいは沸騰容器は膨張装置によって既に膨張した蒸気で加熱され、圧力室はバーナーによって加熱される。
【００１０】
特に有利な実施形では、沸騰容器からの蒸気が予圧縮され、そして圧力室に供給され、この場合液状作動媒体が圧力室内に噴射される前に、圧力室内の蒸気の圧力と温度が高められる。これにより、圧力レベルは同時に圧力室内の温度を高めながら付加的に上昇する。
【００１１】
特に有利な実施形では、沸騰容器が内燃機関の高温の冷却媒体および／または膨張装置で膨張した蒸気によって加熱され、圧力室が内燃機関の排気によって加熱されるだけでなく、排気が圧力室を加熱した後で、低い温度レベルで作動する沸騰容器を加熱するために使用される。それによって、内燃機関からの廃熱が膨張装置によって完全に利用可能である。
【００１２】
廃熱が膨張装置によって回収される内燃機関の軸が、クラッチおよび／または減速歯車装置を介して、膨張装置の軸に連結されていることにより、膨張装置と内燃機関は、異なる回転数レベルを適当に適合させたときに、１本の軸に簡単に合体させることが可能であるかあるいは必要時に互いに分離することが可能である。
【００１３】
特に有利な実施形では、膨張装置として、それぞれ圧力室を付設したピストン機械の少なくとも２個のシリンダが設けられている。この場合、ピストン機械の往復運動は、沸騰容器から来る蒸気を予圧縮するために使用可能であり、それに続くピストンの往復運動は、圧力室からの高圧蒸気を膨張させるために使用可能である。この場合、圧力室内での蒸気発生と、１つの膨張装置内での蒸気の膨張は例えば両シリンダユニットの間で、それぞれの圧力室内での蒸気の準備のために充分な時間が存在するように、交互に行うことが可能である。
【００１４】
本発明の他の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
次に、図を参照して好ましい実施の形態を詳しく説明する。
図１〜３に基づいて、熱機関の好ましい第１の実施の形態の構造と作用を説明する。
【００１５】
図１において、熱機関は第１のシリンダ２と第２のシリンダ３を有する膨張装置１を備えている。これらのシリンダ内にはそれぞれ１個のピストン４，５（図２に概略的に示してある）が往復運動可能に配置されている。蒸気発生装置で発生した作動媒体の過熱蒸気がシリンダ１，２内で膨張する。それによって、往復運動可能なピストン４，５を介して機械的なエネルギーを軸（図示していない）に放出することができる。上記の作動媒体は本実施の形態では好ましくは水である。
【００１６】
蒸気発生装置は、作動媒体を好ましくは沸点まで、特に１〜３バールのときに約８０〜１３０°Ｃまで加熱する、熱交換器として形成された沸騰容器（ボイラー）６と、熱交換器として形成された第１の圧力室７および第２の圧力室８とを備えている。この第２の圧力室では、過熱された蒸気、すなわち作動媒体の蒸気相が６〜１８バールの圧力のときに好ましくは３００〜６００°Ｃの温度で発生する。第１のと第２の圧力室７，８にはそれぞれ１個の第１の弁ユニット９と第２の弁ユニット１０が付設されている。各々の弁ユニット９，１０は第１の弁９ａ，１０ａと第２の弁９ｂ，１０ｂと第３の弁９ｃ，１０ｃと第４の弁９ｄ，１０ｄを備えている。
【００１７】
圧力室７，８はバーナー１１からの高温排気によって加熱される。バーナー１１には一方では空気管路１２とファン１３を経て大気または酸素が供給され、他方では燃料管路１４とポンプ１５を経て燃料（ガソリン、ディーゼルガス等）が供給される。バーナーからの排気がその熱量の大部分を圧力室内での蒸気発生のために放出した後で、排気は圧力室７，８から管路１６を経て沸騰容器６に達する。この沸騰容器内で液体状態と一部が蒸気状態にある水を加熱する。この場合、排気の余熱が更に利用される。膨張した蒸気は弁ブロック１７を経て凝縮器１８に供給され、この凝縮器内で蒸気は再び液化される。凝縮液はポンプ１９によって沸騰容器６に供給される。弁ブロック１７は、膨張装置１から来る膨張した蒸気が絞り２０を経て凝縮器１８を迂回して沸騰容器６に直接案内されるように接続配置されている。弁ブロック１７は沸騰容器６内の温度および／または液体レベルに依存して、凝縮器１８または沸騰容器６への膨張蒸気の更なる案内を制御する。
【００１８】
沸騰容器６から出る沸騰する作動媒体は、管路２１と高圧ポンプ２２と噴射ノズル２３を経て圧力室７，８内に噴射される。
第１の弁ユニット９と第２の弁ユニット１０は好ましくは、それぞれに付設された第１のシリンダ２と第２のシリンダ３のシリンダヘッド（図示していない）に一体形成されている。弁ユニット９，１０の４個の弁９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄは好ましくは、４弁式内燃機関でも使用されているような慣用のキノコ形弁である。しかし、弁９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄとして、例えばロータリスライド弁または縦方向スライド弁のようなあらゆる種類の通路開閉装置を使用することができる。弁開閉制御は例えばカム軸を介して機械的に行われるかあるいは制御される電磁石を介して電気的に行われるかあるいは適当なアクチュエータまたは他の適当な操作装置を介して空気圧的または液圧的に行われる。
【００１９】
各弁ユニット９，１０の第１の弁９ａ，１０ａは管路２４を介して沸騰容器６に接続されている。各弁ユニット９，１０の第２の弁９ｂ，１０ｂは管路２５を介して弁ブロック１７または凝縮器１８および／または沸騰容器６に接続されている。第１の弁ユニット９の第３の弁９ｃは管路２６を介して第２の圧力室８に接続されている。第１の弁ユニット９の第４の弁９ｄは管路２７を介して第１の圧力室７に接続されている。第２の弁ユニット１０の第３の弁１０ｃは管路２８を介して第１の圧力室７に接続されている。第２の弁ユニット１０の第４の弁１０ｄは管路２９を介して第２の圧力室８に接続されている。
【００２０】
次に、図２を参照して、熱機関とその２個のシリンダ２，３および付設の圧力室７，８の作用を詳しく説明する。
先ず最初に、第１のシリンダ２の作動順序を説明する。
【００２１】
行程１：上死点から下方に移動する第１のシリンダ２のピストン４によって、沸騰容器６から第１の弁ブロック９の第１の弁９ａを経て蒸気を吸い込む。実施の形態で使用される水蒸気の場合、代表的な熱力学的な量はｔ＝１００°Ｃ、ｐ＝２バールである。その際、第１の弁９ａは約１８０°のクランク角の間開放している。
【００２２】
行程２：下死点から上方に移動する第１のシリンダ２のピストン４によって、水蒸気を圧縮し、圧縮した水蒸気を第１の弁ブロック９の第４の弁９ｄと管路２７を経て第１の圧力室７に排出する。第１の弁ブロック９の第４の弁９ｄは約１８０°のクランク角にわたって持続する圧縮相の間開放されている。
【００２３】
管路２７を閉じた後で、加熱された液状作動媒体（好ましくはｔ＝１００°Ｃの温度を有する）が第１の圧力室７に噴射される。この作動媒体は沸騰容器６から管路２１と高圧ポンプ２２と噴射弁２３を経て供給される。この水は圧力室７内の高温によって瞬時に蒸発し、それによって圧力室７内の圧力は著しく上昇し、典型的な場合圧力は６〜１８バールになる。
【００２４】
行程４：第１のシリンダ２のピストン４が下死点に達すると、第１の弁ブロック９の第４の弁９ｂが開放し、膨張した蒸気が再び上方に移動するピストン４によって管路２５と弁ブロック１７を経て、更に凝縮器１８とポンプ１９を経てあるいは絞り２０を経て直接的に沸騰容器６に供給される。
【００２５】
この作動行程は第２のシリンダ３内で同様に行われる。この場合、第１のシリンダ２によって予圧縮された第１の圧力室７は第２のシリンダ３によって膨張させられる。シリンダ２，３は、沸騰する水または作動媒体をそれぞれの圧力室７，８に噴射した後で、圧力の準備のために最大時間が与えられるように、時間的にずらされて作動する。
【００２６】
あるいは第１のシリンダ２が沸騰容器から蒸気を吸込み、予圧縮した状態で第２の圧力室８に供給し一方、第２のシリンダ３が第１の圧力室７からの過熱蒸気を膨張させ、機械的な作業を行い、そしてその逆に行われるので、圧力室７，８内における蒸気の、１８０°のクランク角の滞留時間が生じる。この滞留時間は圧力室７，８内に噴射された、沸騰容器６からの液状作動媒体の蒸発のために利用可能である。
【００２７】
図３ａ，３ｂには圧力室７が詳しく示してある。この圧力室は、内側リング３１内に配置された管３０と、内側リング３１の周りの外側リング３３内に配置された他の管３２を備えている。管３０の内側リング３１は端面３４がオーバーフロー室３５を介して管３２の外側リング３３に接続されている。圧力室７の一方の端面３４の中央には、液状作動媒体を噴射するための噴射装置３６が配置されている。この噴射装置は内側リング３１によって取り囲まれた空間３７に液状作動媒体を噴射する。他方の端面３８には、内側リング３１の管３０の方に開放した排気入口４４が設けられている。同じ端面３８には、外側のリング３３の管３２の端側の周りに捕集室３９が配置されている。この捕集室は排気出口４０を備えている。構造体全体が耐圧性の外周壁４１によって取り囲まれている。この外周壁には蒸気入口４２と蒸気出口４３が設けられている。
【００２８】
高温のガスは排気入口４４から内側リング３１の管３０内に流れ、反対側の端面３４でオーバーフロー室３５を経て外側リング３３の管３２内に流れ、外側リング３３の管３２を通過して、捕集室３９と排気出口４０を経て再び圧力室７，８から出る。蒸気入口４２には好ましくは予圧縮された蒸気が供給される。液状の沸騰する作動媒体、例えば水が噴射ノズル２３から噴射される。噴射された作動媒体は圧力室７，８内の高温によって瞬時に蒸発し、予圧縮された蒸気と混合する。所望な温度および所望な圧力を有する充分な量の蒸気の形成を保証する所定の滞留時間の後で、蒸気は蒸気出口４３を経て膨張装置１に供給される。
【００２９】
図４には第２の実施の形態が示してある。この第２の実施の形態は、バーナー１１の代わりに内燃機関４５が設けられている点だけが、図１〜３の第１の実施の形態と異なっている。この内燃機関は膨張装置１に直接連結されているかあるいはクラッチ（図示していない）および／または伝動装置（図示していない）を介して連結されている。内燃機関４５の冷却水はその加熱のために沸騰容器６に供給される。この場合、内燃機関４５の高温排気は圧力室７，８に供給される。それによって、圧力室は所望な高い温度に加熱される。
【００３０】
図５には第３の実施の形態が示してある。この第３の実施の形態は、図１〜３の第１の実施の形態と図４の第２の実施の形態の組み合わせである。すなわち、第３の実施の形態の熱機関はバーナー１１と内燃機関４５を備えている。バーナー１１は必要時に接続される。これは特に、内燃機関４５の暖機運転中であるかあるいは最大出力が要求されるときである。
【００３１】
第２の実施の形態（図４）と第３の実施の形態（図５）の場合、内燃機関４５は低負荷時に停止可能であるかあるいは熱機関が車両で使用される場合惰行運転時に停止可能である。この場合、圧力室７，８に貯蔵された熱エネルギーは更に、膨張装置１の運転のために使用可能である。
【００３２】
前述の実施の形態は次の変形を有することができる。
膨張装置１も内燃機関４５も、ピストン機械として形成する代わりに、ヴァンケル原理によるロータリピストン機械としてあるいはタービンとして形成可能である。
【００３３】
作動媒体として、水または例えば炭化水素のような他の適当な作動媒体を使用することができる。この作動媒体は１バールの標準圧力で７０〜１１０°Ｃの蒸発温度と−４０°Ｃよりも低い凝固点を有する。
【００３４】
蒸気熱機関と液冷式内燃機関が連結される場合、内燃機関からの沸騰容器に熱を排出する際に、内燃機関が特性マップ冷却を行うと有利である。
比較的に高い温度レベルの第２の熱交換器としての圧力室７，８のために、外部の廃熱または特にＳＯＦＣタイプの燃料電池の廃熱を付加的に調達することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態による本発明の熱機関の概略図である。
【図２】 図１の第１の実施の形態による熱機関の作動サイクルを示す概略図である。
【図３】 図３ａは図１の実施の形態による圧力室の断面図である。図３ｂは図３ａのＡ−Ａ切断線に沿った圧力室の断面図である。
【図４】 第２の実施の形態による本発明の熱機関の概略図である。
【図５】 第３の実施の形態による本発明の熱機関の概略図である。

Claims (14)

1. 沸騰容器（６）としての働きをする第１の熱交換器内で、液状の作動媒体が、比較的に低いエネルギーの外部廃熱を利用することによって、低い温度、好ましくは低圧時の沸騰温度まで温められ、
   沸騰容器（６）内で形成された湿った蒸気が、比較的に高い温度に加熱するために、比較的に高いエネルギーの外部廃熱によって加熱される圧力室（７，８）の形をした第２の熱交換器に供給され、
   比較的に低い沸騰温度の沸騰容器（６）からの液状の作動媒体（例えば凝縮液）が、圧力室（７，８）の加熱された蒸気雰囲気に噴射され、
   その際、ほぼ沸騰温度の噴射された作動媒体を、圧力を大きく上昇させながら、瞬時に蒸発させることによって、熱機関の膨張装置（１）内で作業を行う高温蒸気を発生するように、前記蒸気雰囲気が加熱され、
   作業を行った後、前記作動媒体が凝縮液として沸騰容器（６）に戻される、
   特に車両駆動装置としての蒸気熱機関を運転する方法。
2. 沸騰容器（６）からの蒸気が予圧縮され、そして圧力室（７，８）に供給され、この場合液状作動媒体が圧力室（７，８）内に噴射される前に、圧力室（７，８）内の蒸気の圧力と温度が高められることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 沸騰容器内の作動媒体の温度レベルｔが、好ましくは圧力ｐ＝１〜３バールのときに、８０〜１３０°Ｃであることと、沸騰容器（６）から来る蒸気が予圧縮と圧力室（７，８）への更なる案内によって、好ましくは３〜９バールの圧力まで高められ、この場合圧力室（７，８）内の温度が上昇することと、圧力室（７，８）内の圧力が液状作動媒体の噴射によって好ましくは６〜１８バールまで上昇することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 沸騰容器（６）が内燃機関（４５）からの高温の冷却媒体によって加熱されることと、圧力室（７，８）が内燃機関（４５）の排気によって加熱されることと、排気が圧力室（７，８）を加熱した後で沸騰容器（６）を加熱するために使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 圧力室（７，８）がバーナー（１１）の高温ガスによって加熱されることと、この高温ガスが圧力室（７，８）を加熱した後で沸騰容器（６）を加熱するために使用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 膨張装置（１）内で膨張した蒸気の余熱が沸騰容器（６）を加熱するために使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 内燃機関（４５）の軸が膨張装置（１）の軸に直接的に、クラッチを介しておよび／または伝動装置を介して連結されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 膨張装置（１）がピストン機械を備え、このピストン機械が少なくとも１個の第１と第２のシリンダ（２，３）を備え、第１のシリンダ（２）に、第１の圧力室（７）と４個の弁（９ａ〜９ｄ）を有する第１の弁ユニット（９）とが付設され、第２のシリンダ（３）に、第２の圧力室（８）と４個の弁（１０ａ〜１０ｄ）を有する第２の弁ユニット（１０）とが付設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
9. 第１のシリンダ（２）の第１の行程時に、管路と第１の弁ユニット（９）の第１の弁（９ａ）を経て沸騰容器（６）から蒸気が吸い込まれ、
   第２の行程において第１のシリンダ（２）内にある蒸気が圧縮され、第１の弁ユニット（９）の第４の弁（９ｄ）と管路（２７）を経て第１の圧力室（７）に供給され、
   沸騰容器（６）からの液状媒体を第１の圧力室（７）内に噴射した後で、発生した蒸気が管路（２８）と第２の弁ユニット（１０）の第３の弁（１０ｃ）を経て、膨張のために第２のシリンダ（３）に供給され、
   膨張した蒸気がシリンダ（３）から第２の弁ユニット（１０）の第２の弁（１０ｂ）を経て凝縮器（１８）に供給され、そして
   凝縮器（１８）からの凝縮液がポンプ（１９）を介して沸騰容器（６）に供給されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 沸騰する作動媒体をそれぞれの圧力室（７，８）に噴射した後で、この圧力室（７，８）内で圧力を準備するための最大の時間が与えられるように、両シリンダ（２，３）が時間的にずらして作動することを特徴とする請求項８または９記載の方法。
11. 沸騰容器（６）と、圧力室（７，８）と、膨張装置（１）と、接続管路と、弁（９，１０）を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法を実施するための装置。
12. 圧力室（７，８）が熱交換器であり、この熱交換器において、バーナー（１１）または内燃機関（４５）からの排気が膨張装置（１）のための蒸気を発生することを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 圧力室（７，８）とバーナーがユニットを形成していることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 膨張装置（１）と内燃機関（４５）がそれぞれピストン機械またはロータリピストン機械またはタービンとして形成されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の装置。

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