JP4381449B2 - 燃焼排ガスを利用した発電方法および燃焼排ガスを利用した発電装置 - Google Patents
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Description
一方スーパーチャージャは、排気タービンを使ったターボチャージャに対してエンジンの動力そのものを使ったメカニカルチャージャであり、エンジンとコンプレッサをベルト等で繋ぎ、その回転でコンプレッサを動かしエンジンに圧縮空気を送り込む過給装置のことである。排気タービンに比べて、応答性が良いことや燃費悪化率の低さ、中回転域から動作可能などの長所がある反面、コンプレッサをエンジンの力で動かすため、高回転域ではロスが多くなるといった短所や、ターボチャージャに比べ圧縮圧力自体が低いといった短所がある。
高温の空気はその密度が低くなるため、圧縮空気をエンジンに供給する前には高温状態の圧縮空気を冷却してやる必要があり、そのための冷却装置としてインタークーラが用いられる。インタークーラはターボチャージャのコンプレッサから噴出する圧縮空気を、外部から導入した空気によって非接触に冷却するものである。
4 タービン
6 コンプレッサ
8 過給機
10 発電装置
12 空気機関
14 発電機
16 駆動用空気供給配管
18 燃焼用空気供給配管
22 加熱機構
24 マニホールド
26 チャンバ部
31 蓄電設備
37 シャフト
39 タービンハウジング
41 コンプレッサハウジング
43 センタハウジング
47 シャフトドライブ
49 インタークーラ
51 断熱材
53 水タンク
55 水配管
59 ポンプ
タービンハウジング39内のタービンホイール33は、エンジン(内燃機関)の燃焼室から排出された燃焼排ガスを導く排気マニホールドからの燃焼排ガスのガス圧によって回転し、同軸のコンプレッサホイール35を回転させる役割を有する。タービンホイール33は900℃前後の高温の燃焼排ガスにさらされて高速回転するため、耐熱性、耐久性の高い超耐熱合金によって製作される。
コンプレッサハウジング41内のコンプレッサホイール35は、外部の空気を吸入圧縮する役目をする。コンプレッサホイール35は一般的には高温にさらされることがないためアルミ合金などによって製作されるが、本発明においては後述するようにあえてコンプレッサを高温とするため、タービンホイール33と同様の超耐熱合金などによって製作される。
シャフト37はタービンホイール33およびコンプレッサホイール35を連結するものであり、運転中は超高速で回転するため、ハウジングとシャフト37との間にオイルによって浮かんだ状態の全浮動式ベアリングによって支えられている。なおシャフト等は高温となるタービンホイール33の熱をコンプレッサホイール35に効率的に伝えるために、熱伝導率の大きく耐熱性・耐久性の高い合金によって製作され、また、その長さも一般的なターボチャージャのシャフト等よりも短いものとなっている。
タービンハウジング39とコンプレッサハウジング41とは隣接した状態で一体的に形成されており、タービン4からコンプレッサ6への熱伝達が効率的に行えるようになっている。
図に示した発電装置10は、エンジン(内燃機関)とモータを切り替えて走行するハイブリッドの乗用車やトラックなどの自動車に搭載され、エンジンをターボチャージャによって高出力化すると同時に、従来廃棄されるだけであった燃焼排ガスの排熱を効率的に利用して発電を行うためのものである。
この発電装置10は概して、上述した過給機8、空気機関12、発電機14および蓄電設備31などから構成されている。
ここで、コンプレッサ6内で加熱して膨張させた(実際にはガス圧をさらに高めた)圧縮空気が放熱してしまうことを防止するために、駆動用空気供給配管16はその全長に渡って耐熱性の断熱材51によって外周を隙間無く覆われている。
なおチャンバ部26内部の圧縮空気への熱伝達がより効率的に行われるように、チャンバ部26の外周に複数の吸熱フィンを形成等してやることも好ましい(図示せず)。
またマニホールド24内にチャンバ部26(駆動用空気供給配管16)が配置されるようにして、燃焼排ガスがチャンバ部26と直接接触するようにすることで圧縮空気を加熱するようにしてやることもできる(図示せず)。
エンジン2の各シリンダ(燃焼室)から排出された800〜1000℃程度の燃焼排ガスは、燃焼排ガスを導くマニホールド24によって過給機8のタービン4に導入される。タービン4に導入された燃焼排ガスは、タービンホイールを回転させてそのシャフト37に連結されたコンプレッサホイールを回転させる。コンプレッサホイールの回転により過給機8のコンプレッサ6には外気が吸入され、吸入された外気は圧縮された後に排出される。ここでコンプレッサ6に吸入される直前の外気の温度は100℃前後であるが、コンプレッサから排出される外気(圧縮空気)は圧縮による温度上昇およびタービン4からの熱伝達により500〜700℃程度の温度となっている。
Claims (9)
- 内燃機関(2)の燃焼排ガスのガス圧によって駆動されるタービン(4)と該タービンの発生する回転力により駆動されて外部から吸入した空気を圧縮するコンプレッサ(6)を有する過給機(8)と、空気圧を動力源として回転力を発生する空気機関(12)と、該空気機関が発生した回転力を電力に変換する発電機(14)とを用い、
外部から吸入した空気を前記過給機のコンプレッサで圧縮するとともに高温となる前記タービンの熱で加熱し、
さらに前記過給機(8)で生成した圧縮空気を、圧縮空気を前記空気機関(12)に導く駆動用空気供給配管(16)内において、内燃機関(2)から排出された燃焼排ガスの熱を利用して昇温した後に前記空気機関に導いてその動力とし、前記発電機で発電を行う、ことを特徴とする燃焼排ガスを利用した発電方法。 - 前記過給機(8)で生成した圧縮空気を、内燃機関(2)の燃焼用および空気機関(12)の駆動用として分配して使用する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃焼排ガスを利用した発電方法。
- 前記駆動用空気供給配管(16)の内部に外部から少量の水を導入する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃焼排ガスを利用した発電方法。
- 内燃機関(2)の燃焼排ガスのガス圧によって駆動されるタービン(4)と該タービンの発生する回転力により駆動されて外部から吸入した空気を圧縮するコンプレッサ(6)を有する過給機(8)と、該過給機で生成された圧縮空気を導く駆動用空気供給配管(16)から供給される空気圧を回転力に変換する空気機関(12)と、該空気機関が発生した回転力を電力に変換する発電機(14)と、前記過給機で生成した圧縮空気を駆動用空気供給配管の経路において内燃機関から排出された燃焼排ガスの熱を利用して昇温する加熱機構(22)と、を備えた、ことを特徴とする燃焼排ガスを利用した発電装置。
- 前記過給機(8)で生成した圧縮空気を、燃焼用空気として内燃機関(2)に供給する燃焼用空気供給配管(18)をさらに備えた、ことを特徴とする請求項4に記載の燃焼排ガスを利用した発電装置。
- 前記加熱機構(22)は、前記駆動用空気供給配管(16)を、内燃機関(2)からの燃焼排ガスを前記タービン(4)に導くマニホールド(24)に近接して配管したものである、ことを特徴とする請求項4又は5に記載の燃焼排ガスを利用した発電装置。
- 前記加熱機構(22)は、内燃機関(2)から排出された燃焼排ガスを、前記駆動用空気供給配管(16)と接触させるようにしたものである、ことを特徴とする請求項4又は5に記載の燃焼排ガスを利用した発電装置。
- 前記空気機関(12)と前記発電機(14)とを離間して配置し、空気機関が発生した回転力をベルトドライブまたはシャフトドライブによって発電機に伝達する、ことを特徴とする請求項4、5、6、7のいずれか一項に記載の燃焼排ガスを利用した発電装置。
- 前記駆動用空気供給配管(16)の経路に、高温高圧の圧縮空気を一時的に蓄えるためのチャンバ部(26)を設けた、ことを特徴とする請求項4、5、6、7、8のいずれか一項に記載の燃焼排ガスを利用した発電装置。
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