JP4411216B2 - 熱動力機械 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前提部（所謂おいて部）に記載した構成に従う熱動力機械に関する。

本発明は特許文献１から出発する。特許文献１では、ランキンサイクルプロセスにより作動する、燃焼動力機械用の熱動力機械について説明されている。この熱動力機械は、並行な２つのランキンサイクルプロセスを有することにより傑出する。各ランキンサイクルプロセスにおいてポンプは、液体を、先ず、燃焼動力機械の排出ガストレインに配設されている熱交換器を通じて送出し、この際、液体は蒸発され、更に膨張装置内へ送出し、この膨張装置内では高温蒸気がベーンセルポンプを駆動し、また更に凝縮器内へ送出し、この凝縮器内では残留蒸気が凝縮（液化）される。引き続き、液体は同じ循環路を再び進んでゆく。熱動力機械の効率を改善するために、循環路内には異なる沸点を有する液体が投入される。提案されている構成において、熱交換器が燃焼動力機械の近傍に配設されている循環路は、より高い沸騰温度を有する液体を含んでいる。この循環路は高温循環路であり、それに対して第２循環路は低温循環路である。高温循環路の効率を高レベルに維持するために、そのポンプは可変フィードポンプである。

熱動力機械の効率は上記の措置により改善されるにも拘らず、燃焼動力機械はいまだに大量の熱エネルギーを利用せずに周囲環境へと放出している。

国際公開第０２／３１３２０Ａ１号パンフレット

本発明の課題は、燃焼動力機械と関連し、熱動力機械の効率を今一度向上させることである。

この課題は、本発明に従い、低温循環路の作動媒体である第１作動媒体を温度調節するために、燃焼動力機械が排出ガストレインを通じて排出する廃熱（余熱）の他に、燃焼動力機械の冷却剤循環路の廃熱も利用されることにより解決される。温度調節としては主に加熱と理解される。このようにして予熱或いは加熱された液状の第１作動媒体は、引き続き、ポンプにより収集容器からポンピング排出され、噴入装置を介して再び低温循環路内へ噴射して戻される。この際、噴入は、予熱された第１作動媒体をできるだけ速く、熱提供と負荷要求に依存し、低温循環路内で再び蒸発させるために、第１熱交換器内で行われる。このようにして生成された低温循環路内の圧力過剰は膨張装置内で追加的な運動エネルギーに変換される。燃焼動力機械の冷却剤循環路を使った第１作動媒体の温度調節或いは加熱により、燃焼動力機械から放出された熱エネルギーが機械エネルギーの生成のために明らかに改善されて利用される。熱動力機械を正しくサイジングすることにより、冷却剤循環路内では、有利には、既存の冷却器が縮小される又は省略され得る。その際、冷却剤を介した燃焼動力機械からの熱排出は、低温循環路の第１収集容器内だけで行われる。低温循環路内の追加的なインジェクション可能性により、膨張装置の極めて短い反応時間、即ち応答時間が達成され得る。基本的に、両方の循環路を分離することは、稼動ストラテジーにおいて大きな柔軟性を可能とさせる。この長所を更に拡大するために、高温循環路内には追加的な加熱装置が配設されていて、この加熱装置を用い、既に蒸気状の第２作動媒体が極めて迅速に更に加熱され、それにより過熱される。提案されたコンセプトにより全システムはより高い効率を獲得する。他の有利な構成は下位請求項の対象である。

特許請求項２及び３に従い、第１収集容器内で収集された第１作動媒体を気相状態でも液相状態でも中間蓄積するという可能性がある。この相分離に基づき、ガス状部分と液状部分を別個に加熱するという可能性がある。ガス状の第１作動媒体が第１熱交換器を介して膨張装置に供給されるのに対し、液相状態にある作動媒体は第１熱交換器の領域内の噴入装置を介して低温循環路内へ噴射して戻され、そこで蒸発され、膨張装置内へ導かれる。この措置により熱動力機械の動性が向上される。

低温循環路は、第１収集容器内の第１作動媒体を膨張装置から到来する第２作動媒体によりその残余熱を用いて追加的に温度調節するという請求項４で提案された措置により、更なる効率増加をもたらす。この措置により、有利には、膨張装置後の第２作動媒体内にまだ含まれているエネルギーも、第２作動媒体が凝縮器内で冷却され且つ液化される以前に、低温循環路に対して放出される。

特許請求項５に従い、高温循環路内にも、液化された第２作動媒体を回収するための第２収集容器が設けられている。この第２収集容器は、有利には、特許請求項６に従って第２作動媒体を第２熱交換器内への導入以前に燃焼動力機械の冷却水を用いて予熱するために利用される。この構成では燃焼動力機械の冷却剤が先ず低温循環路内で第１収集容器を通じて案内され、引き続き、まだ冷却剤内に蓄積されている残余熱エネルギーを、高温循環路を予熱或いは加熱するために利用される。提案されているこの構成のために、最適のシステム設計では、既存の冷却剤熱交換器が縮小され得るか又は省略され得る。

特許請求項７から９に従い、加熱装置は、電気的に、及び／又は、好ましくは燃焼動力機械のためのものと同じ燃料である燃料を用いて稼動され得る。この措置により、唯一の燃料タンクで充分であり、追加的な燃料は不必要である。ガソリンで稼動される燃焼動力機械ではガソリン・加熱装置が、ディーゼル・燃焼動力機械ではディーゼル・加熱装置が、ガス稼動式の燃焼動力機械ではガス加熱装置が提供される。電気加熱装置の使用時には極めて短い加熱時間が達成可能である。

第２作動媒体の過熱を達成するために、特許請求項１０及び１１に従う加熱装置は、排出ガス装置の周りで放射状（半径方向）に配設されていて、好ましくは２つの触媒式洗浄装置間にである。この配置構成により、高温循環路を過熱させるために、再び排出ガスの熱エネルギーが最善の状態で利用される。排出ガスからのエネルギーの取り出しは、機関に近い方の触媒式洗浄装置である予備触媒が、排出ガスを望まれない物質から洗浄するために迅速にその稼動温度を得るように行われる。機関から遠い方の触媒式洗浄装置である主触媒は、流れ方向において加熱装置の後ろに配設されていて、それにより過熱から充分に保護されている。この保護は、同時に熱伝達器である加熱装置が主触媒の前に配設されていることのよっても達成される。

第１熱交換器及び第２熱交換器は、特許請求項１２に従い、触媒式洗浄装置の前で排出ガスから多くの熱エネルギーを取り出しすぎないため且つそれにより低すぎる温度によって触媒作用を帳消しにしてしまわないために、第２触媒式洗浄装置の後ろに配設されている。２つの触媒式洗浄装置と加熱装置と第２熱交換器と第１熱交換器との提案された配置構成に基づき、最善の全効率が達成される。

低温循環路及び高温循環路のための特許請求項１３に従う膨張装置による作動媒体の体積流の制御により、熱動力機械の稼動条件が燃焼動力機械の稼動条件に適合可能である。燃焼動力機械の全負荷稼動時、即ち最大放出出力に至るまでの高出力時、最善のエネルギー発生量を達成するために、作動媒体の最大体積流が調節される。部分負荷稼動時或いはストップアンドゴー稼動時、即ち僅かな放出出力に至るまでの中間出力時、作動媒体の体積流は対応的に減少される。

特許請求項１４に従い、凝縮器と第１収集容器の間の低温循環路内に追加的なポンプを配設することに基づき、凝縮器内には負圧が生成され得る。この負圧により、第１作動媒体は更に低い温度に向かって液化され、引き続き第１収集容器内へ更にポンピングされる。第３ポンプを用い、低温循環路の効率が、今一度、改善される。

次に、唯一の図面に描かれた有利な実施形態の概要図に基づき、本発明を詳細に説明する。

図１には概要的に燃焼動力機械１０が示されていて、第１従動軸２０におけるその従動出力が熱動力機械１により支援される。燃焼動力機械１０は、排出ガスを排出するための排出ガス装置９を有する。排出ガス装置９は、排出ガスの流れ方向における矢印により描かれている。排出ガス装置９内には２つの触媒式洗浄装置１５、１５’が組み込まれている。触媒式洗浄装置１５は予備触媒であり、触媒式洗浄装置１５’は主触媒である。熱動力機械１は、主として、互いに別個の２つのランキン循環路と、閉じた低温循環路６と、閉じた高温循環路３とを有する。低温循環路６内では第３ポンプ１７が第１作動媒体を第１収集容器１２内へ送出する。液状の第１作動手段は実線で描かれていて、蒸気状の作動手段は点線で描かれている。収集容器１２内には第１作動媒体が液状としてもガス状としても中間蓄積されている。ポンプ１７は液状の第１作動媒体を第１収集容器１２から第１熱変換器７内へ送出し、そこでガス状の第１作動媒体が過熱される。過熱後、第１作動媒体の高温蒸気は、主として低温エキスパンダ３０と高温エキスパンダ３１とから成る膨張装置２内へ導入される。低温エキスパンダ３０内では高温蒸気が膨張され、引き続き第１凝縮器１６に供給される。第１凝縮器１６内では第１作動媒体が凝縮され、引き続き第３ポンプ１７により再び収集容器１２内へ送出される。第１収集容器１２内の液状の第１作動媒体の一部は第１ポンプ８により第１熱交換器７内へポンピングされ、そこで噴入装置１３により低温循環路６内へ噴入される。低温循環路６内の噴入装置１３を用い、低温循環路６内の第１作動媒体の体積流或いは質量流が同時に制御される。

第２ランキン循環路である高温循環路３は第２作動媒体を有し、その蒸気状態描写並びに液体状態描写は第１作動媒体のものに対応する。高温循環路３内では第２ポンプ５が第２収集容器１９から第２作動媒体を予備加熱容器２７内へポンピングする。そこから第２作動媒体は第２熱交換器４内へ更に送出され、第２熱交換器４内で第２作動媒体が蒸発される。その蒸気は過熱のために加熱装置１４の熱伝達器内へ転送される。この過熱蒸気は引き続き膨張装置２の高温エキスパンダ３１に供給され、この高温エキスパンダ３１内で過熱蒸気が膨張（緊張緩和）され、第１作動媒体を予備加熱或いは予熱するために冷却形式で第１収集容器１２内へ転送される。引き続き第２作動媒体は第２凝縮器１８に供給され、この第２作動媒体が凝縮され且つ再び第２収集容器１９内に回収されるように冷却される。

更に燃焼動力機械１０は冷却剤循環路１１を有する。この冷却剤循環路１１内では第４ポンプ２６が燃焼動力機械の加熱された冷却剤を先ず第１収集容器１２内へ、液状の第１作動手段を加熱するためにポンピングし、更に予備加熱容器２７内へ、残余熱エネルギーを用いて第２作動手段も予熱するためにポンピングする。引き続き、冷却された冷却剤は燃焼動力機械１０内へ戻るようにポンピングされる。この実施例に描かれているように冷却剤循環路１１内には追加的な切替弁２５が配設されていて、この切替弁２５を用い、冷却剤が第３凝縮器２４である機関冷却器を通じて導かれ、燃焼動力機械に戻される前に更に冷却され得る。

加熱装置１４は定常燃焼器であり、この定常燃焼器は熱伝達器を含み、２つの触媒式洗浄装置１５、１５’間に配設されている。また選択的な配置構成については後で説明する。加熱装置１４は燃焼動力機械１０と同じ燃料、ここではガソリンで稼動される。空気ポンプ２２と燃料ポンプ２３は各々の反応物を混合気生成器２１内へポンピングし、この混合気生成器２１から、生成された燃料／空気・混合気が加熱装置１４に供給される。高温循環路３と低温循環路６の各々のエネルギー要求に対応し、低温循環路６の第１熱交換器７は排出ガス装置９のより冷たい端部に配設されていて、流れ方向においてその前、即ちより熱い領域には高温循環路３の第２熱交換器４が配設されている。第２作動媒体の過熱をもたらす加熱装置１４は触媒式洗浄装置１５、１５’間に配設されていて、また触媒式洗浄装置１５’の洗浄特性が損なわれないように制御されている。加熱装置１４は、熱い排出ガスと第２作動媒体の間の最適の熱伝達を達成するために、排出ガス装置９の周囲で放射状（半径方向）に延在している。選択的に加熱装置１４は排出ガス装置９の部分周部だけにも配設され得る。加熱装置１４の排出ガスは触媒式洗浄装置１５’の後に排出ガス導入部２８を通じて排出ガス装置９内へ導入され、従って第１熱交換器７及び第２熱交換器４内の第１作動媒体及び第２作動媒体の温度調節或いは加熱のために使用可能な状態にある。

膨張装置２内では低温エキスパンダ３０と高温エキスパンダ３１が運動エネルギーに変換された熱エネルギーを第２従動軸３４に伝達する。この従動軸３４は概要的に描かれた軸受機構３５において支持されている。低圧エキスパンダ３０のインレット内には電気モータ稼動式の制御弁２９が設けられていて、またそのインレットと蒸気アウトレットの間には、２つの逆止め弁並びにモータ稼動式の制御弁から成る第１制御装置３２が設けられている。この第１制御装置３２を用い、低圧エキスパンダ３０を通じる蒸気・体積流がなかでも回転数制御に関して制御される。同様に高圧エキスパンダ３１は電気モータ稼動式の制御弁２９’をそのインレット内に備えていて、そのインレットと蒸気アウトレットと並行に、同様に２つの逆止め弁並びにモータ稼動式の他の制御弁から成る第２制御装置３３を備えている。この第２制御装置３３もなかでも回転数制御のために高温エキスパンダ３１を通じる蒸気を体積流制御するために用いられる。膨張装置２から第２従動軸３４で放出される機械出力は、非図示のクラッチ要素並びにギヤ比にも係り得る非図示のギヤ装置を介し、第１従動軸２０に伝達され、燃焼動力機械１０の従動出力に累積される。

この実施例と異なり凝縮器１６、１８、２４の各々は冷却のための追加的なファンを有し得る。第１収集容器１２と第１凝縮器１６の間のポンプ１７は第１凝縮器１６内で負圧を生成し得て、それにより第１作動媒体の凝縮と冷却が本質的に支援され、このことは第１作動媒体の更なる膨張を意味する。凝縮器１８の通流はショート（バイパス）も成され得るので、膨張装置２から到来する第２作動媒体は直接的に第２収集容器１９内へ戻される。

燃焼動力機械１０が、ガソリンとは別の燃料、例えばディーゼルガス又はガスで稼動される場合、加熱装置１４も好ましくはこの燃料で稼動される。使用されている燃料に依存せず、加熱装置１４は、迅速な加熱のために追加的な電気ヒータを含み得る或いは完全に電気ヒータとして提供され得る。

他の実施例において触媒式洗浄装置１５’は第１熱交換器７と第２熱交換器４の間にも配設され得る。この場合に触媒式洗浄装置１５’の加熱が必要ならば、この加熱は例えば電気的に行われ得る。

燃焼動力機械１０の冷却剤は低温循環路６の温度調節即ち加熱のためにも高温循環路３の温度調節即ち加熱のためにも利用されるので、最適のシステム設計では第３凝縮器２４と切替弁２５が省略され得る。更なるシステム最適化において膨張装置２内では第１作動媒体からも第２作動媒体からも、第１凝縮器１６も第２凝縮器１８も省略され得るほどエネルギーが取り去られ得る。これらの場合のためには作動媒体が膨張装置２の後に直接的に収集容器１２或いは１９内へ導入される。第３のバリエーションでは第３凝縮器２４と切替弁２５が設けられていて第１凝縮器１６と第２凝縮器１８が省略されている。切替弁２５は制御弁とも理解される。

熱動力機械の別の実施形態では予備加熱容器２７が省略され得る。この場合、冷却剤は第１収集容器１２から直接的に燃焼動力機械１０の方向へ戻される。

低温エキスパンダ３０と高温エキスパンダ３１は図面では第２従動軸３４と固定式で接続されている。また、各エキスパンダ３０、３１用に固有の従動軸及び／又はフリーホイールを設けることも可能であり、それらは、再び、クラッチを介し、固定式又は可変式のギヤ比をもって又は固定式又は可変式のギヤ比を伴わずに、互いに及び第１従動軸２０と接続可能である。

まとめると、提案された装置のためには次の長所が列挙され得る：
・ 提案された構想は高効率を有する；
・ 熱動力機械の動性は、制御装置３２、３３、ポンプ５、８、１７、噴入装置を介して制御され得る；
・ 高温循環路３及び低温循環路６のためには各々理想的な作動媒体が利用され得る；例えば低温循環路６のためにはアルコールであり、高温循環路３のためには水である；
・ ミドルマフラの機能が第１熱交換器７及び第２熱交換器４により担われ得る；
・ 触媒式洗浄装置１５、１５’間の排出ガス管９内に第１熱交換器７及び第２熱交換器４を組み込むことはコンパクトな構造形式を可能とする；
・ この構成は触媒式洗浄装置１５、１５’間の排出ガス管絶縁の機能を追加的に有する。

本発明の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 熱動力機械
２ 膨張装置（減圧装置）
３ 高温循環路
４ 第２熱交換器
５ 第２ポンプ
６ 低温循環路
７ 第１熱交換器
８ 第１ポンプ
９ 排出ガス装置
１０ 燃焼動力機械
１１ 冷却剤循環路
１２ 第１収集容器
１３ 噴入装置
１４ 加熱装置
１５、１５’ 触媒式洗浄装置
１６ 第１凝縮器
１７ 第３ポンプ
１８ 第２凝縮器
１９ 第２収集容器
２０ 第１従動軸
２１ 混合気生成器
２２ 空気ポンプ
２３ 燃料ポンプ
２４ 第３凝縮器
２５ 切替弁
２６ 第４ポンプ
２７ 予備加熱容器
２８ 排出ガス導入部
２９、２９’ 制御弁
３０ 低温エキスパンダ
３１ 高温エキスパンダ
３２ 第１制御装置
３３ 第２制御装置
３４ 第２従動軸
３５ 軸受機構

Claims (14)

1. 第１作動媒体及び第２作動媒体の高温蒸気を膨張装置（２）を用いて運動エネルギーに変換する熱動力機械（１）であって、
   − 低温循環路（６）を有し、この低温循環路内では第１作動媒体が第１ポンプ（８）により第１熱交換器（７）を通じ且つ引き続き膨張装置（２）を通じて送出され、
   − 高温循環路（３）を有し、この高温循環路内では第２作動媒体が第２ポンプ（５）により第２熱交換器（４）を通じ且つ引き続き膨張装置（２）を通じて送出され、
   − 第１熱交換器（７）と第２熱交換器（４）が燃焼動力機械（１０）の排出ガス装置（９）に対して配設されている、
   前記熱動力機械において、
   − 燃焼動力機械（１０）が冷却剤循環路（１１）を有し、この冷却剤循環路を用い、第１作動媒体が第１収集容器（１２）内で温度調節可能であり、
   − 低温循環路（６）が噴入装置（１３）を有し、この噴入装置が、低温循環路（６）から取り出された第１作動媒体を第１熱交換器（７）の領域で再び低温循環路（６）内へ噴入し、
   − 高温循環路（３）が第２熱交換器（４）と膨張装置（２）の間に第２作動媒体のための加熱装置（１４）を有すること
   を特徴とする熱動力機械。
2. 第１作動媒体が第１収集容器（１２）内で気相状態及び／又は液相状態にあることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 噴入装置（１３）が液相状態の第１作動媒体を再び低温循環路（６）内へ噴入することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 第１収集容器（１２）内の第１作動媒体が第２作動媒体により温度調節可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 高温循環路（３）が第２作動媒体のための第２収集容器（１９）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第２収集容器（１９）内の第２作動媒体が第２熱交換器（４）内への導入前に冷却剤循環路（１１）により温度調節可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 加熱装置（１４）が電気的に稼動可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 加熱装置（１４）が燃料を用いて稼動可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 加熱装置（１４）のための燃料が燃焼動力機械（１０）のためにも設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 加熱装置（１４）が排出ガス装置（９）の周りで放射状に配設されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 排出ガス装置（９）が２つの触媒式洗浄装置（１５、１５’）を有し、加熱装置（１４）がそれらの触媒式洗浄装置（１５、１５’）の間に又は排出ガスの流れ方向でそれらの触媒式洗浄装置（１５、１５’）の後ろに配設されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 第１熱交換器（７）及び第２熱交換器（４）が排出ガスの流れ方向で触媒式洗浄装置（１５、１５’）の後ろに配設されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 第１作動媒体及び／又は第２作動媒体の、膨張装置（２）を通流する体積流が、制御可能であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置であって、低温循環路が作動媒体の送出方向で膨張装置の後ろに凝縮器を有する、前記装置において、低温循環路（６）内で凝縮器（１６）と第１収集容器（１２）の間に第３ポンプ（１７）が配設されていることを特徴とする装置。

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