JP4580247B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

この発明は、燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、の組み合わせになるエンジンシステムに関する。

各種の熱源が利用可能なエンジンとしてスターリングエンジンが知られる（特許文献１，特許文献２、参照）。

スターリングエンジンは、外燃機関の一種であり、往復運動するピストンの両側に動作流体を密閉した室を設け、一方の室を加熱し、他方の室を冷却すると、室の圧力差によってピストンが低温側に動くという原理を利用して動力を得るものである。

基本的なサイクル構成は、等温圧縮−等容加熱−等温膨張−等容放熱、からなる。熱エネルギを機械エネルギに変換する部分については、ディスプレーサ−高温空間−加熱器−再生器−冷却器−出力ピストンから構成される。

スターリングエンジンは、密閉サイクルのため、動作流体が直接、大気と交換しないことから、低公害性に優れるという特徴を備えるのである。

特許文献１の場合、スターリングエンジンの高温熱源としてディーゼルエンジンの排気が持つ熱エネルギおよびエンジン冷却水を持つ熱エネルギが利用される。特許文献１の場合、スターリングエンジンの高温熱源として焼却炉や溶融炉などの廃熱や太陽光など自然熱が利用される。
特開平０１−２９４９４６号 特開２００３−１３８０５号

従来のスターリングエンジンにあっては、特許文献１および特許文献２にあるように加熱器の熱源として各種の熱エネルギが利用されるが、冷却器については、動作流体から奪う熱量を大気に放出する放熱器が用いられるに過ぎない。

この発明は、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンを作動させるためのエネルギ供給システムとして、液化ガスを燃料とする内燃機関（排気がクリーンなガスエンジン）との組み合わせにより、高効率かつ低公害のエンジンシステムを提供することを目的とする。

この発明は、燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、前記ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化により前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段と、を備え、前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段は、ガスエンジンの燃料供給系の通路がスターリングエンジンの冷却部を経由するように配管されることを特徴とする。

この発明においては、ガスエンジンの液化ガスの気化潜熱によりスターリングエンジンの動作流体が冷やされるため、高温空間と低温空間との圧力差が大きくなり、スターリングエンジンの出力を向上できる。その一方、ガスエンジンの燃料供給系においては、スターリングエンジンの動作流体から液化ガスの気化潜熱が与えられるため、液化ガスを気化させる機能部品（ベーパライザ）の小型化を促進できる。

図１において、１６は液化天然ガス（LNG）を燃料とする内燃機関としてのガスエンジンであり、１０は密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンである。車両の場合、ガスエンジン１６は、車両の原動機として搭載され、スターリングエンジン１０は、補機類などの駆動装置（例えば、冷凍機のコンプレッサの駆動装置）として搭載される。

スターリングエンジン１０は、図示しないが、１ディスプレーサ−１ピストン方式であり、シリンダの内部にディスプレーサおよび出力ピストンが軸方向へ往復運動可能に収装される。シリンダとディスプレーサとの間に高温空間が画成され、ディスプレーサと出力ピストンとの間に低温空間が画成される。ディスプレーサはクランク軸に連結され、出力ピストンは、ディスプレーサと所定の位相差をもってクランク軸に連結される。

高温空間と低温空間との間を接続する連通路１５（高温空間および低温空間と共に動作空間を構成する）が備えられ、動作空間に一定量の動作流体（例えば、ヘリウム）が密閉される。連通路１５においては、再生器１３，加熱器１２，冷却器１４が介装される。

スターリングエンジン１０においては、ディスプレーサが高温空間を圧縮する方向へ往動すると、動作流体が高温空間から低温空間へ連通路１５を流れ、その際に再生器１３および冷却器１４により冷却され、低温空間の圧力を低下させる。その一方、ディスプレーサが高温空間を拡張する方向へ復動すると、動作流体が低温空間から高温空間へ連通路１５を流れ、その際に再生器１３および加熱器１２により加熱され、高温空間の圧力を上昇させる。このようにディスプレーサの往復運動により、高温空間と低温空間との間に圧力差が作られ、出力ピストンが往復運動するため、スターリングエンジン１０のクランク軸から出力が得られるのである。

ガスエンジン１６において、排気系の通路１９は、スターリングエンジン１０の加熱器１２を経由するように配管される。加熱器１２は、排気系の通路１９の一部を構成する流路１９ａと、連通路１５の一部を構成する流路１５ａと、からなり、流路１９ａを流路１５ａで包囲する形の熱交換器に形成される。

ガスエンジン１６は、吸気系の通路に燃料供給部（燃料噴射部）が設けられ、燃料供給部（図示しない）と燃料容器１７との間を接続する燃料供給系の通路１８が形成される。燃料供給系の通路１８は、スターリングエンジン１０の冷却器１４を経由するように配管される。冷却器１４は、燃料供給系の通路１８の一部を構成する流路１８ａと、連通路１５の一部を構成する流路１５ｂと、からなり、流路１８ａを流路１５ｂで包囲する形の熱交換器に形成される。

熱交換器１２および１４においては、流路１９ａの外周および流路１８ａの外周に熱交換を促進するフィン２０が配設される。ガスエンジン１６の燃料供給系の通路１８において、熱交換器１４は、液化天然ガスを気化させる機能部品（ベーパライザ）を構成するものであり、上流側の通路部分１８ｂ（燃料容器１７と流路１８ａとの間を接続する配管）は、断熱材で被覆され、液化天然ガスの気化を生じないようになっている。

このような構成により、ディスプレーサが高温空間を圧縮する方向へ往動する行程においては、高温空間から低温空間へ流れる動作流体が冷却器１４を通過する際にガスエンジン１６の燃料の気化により冷却され、ディスプレーサが高温空間を拡張する行程においては、低温空間から高温空間へ流れる動作流体が加熱器１２を通過する際にガスエンジン１６の排気が持つ熱エネルギにより加熱される。つまり、高温空間の加熱にガスエンジン１６の排気エネルギが回生されるばかりでなく、低温空間の冷却にガスエンジン１６の燃料の気化潜熱が利用されるので、スターリングエンジン１０の出力アップが得られるのである。

ガスエンジン１６においては、スターリングエンジン１０の動作流体が持つ熱エネルギから気化潜熱を受けるので、液化天然ガスを気化させる機能部品の小型化が図れるようになる。燃料容器１７から冷却器１４までの通路部分１８ｂは、断熱性を備えるため、冷却器１４を通過する動作流体から気化潜熱を集中的に奪えるため、スターリングエンジン１０の冷却器１４を有効に機能させることができる。

その結果、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジン１０を作動させるためのエネルギ供給システムとして、液化天然ガスを燃料とする、排気がクリーンな内燃機関としてのガスエンジン１６との組み合わせにより、熱効率が高く低公害のエンジンシステムを廉価に実現できるのである。

この発明に係る構成（ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化によりスターリングエンジンの動作流体を冷却する手段）については、スターリングエンジンが１ディスプレーサ−１ピストン方式の場合に限定されるものでなく、ディスプレーサロンピック形や動作空間が２ピストン方式の場合においても、適用可能である。

この発明の実施形態を説明するエンジンシステムの概要図である。

符号の説明

１０ スターリングエンジン
１２ 加熱器
１３ 再生器
１４ 冷却器
１５ 連通路
１６ ガスエンジン（LNGエンジン）
１７ 燃料容器
１８ 燃料供給系の通路
１９ 排気系の通路
２０ フィン

Claims (5)

1. 燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、前記ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化により前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段と、を備え、前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段は、ガスエンジンの燃料供給系の通路がスターリングエンジンの冷却部を経由するように配管されることを特徴とするエンジンシステム。
2. 燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、前記ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化により前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段と、前記ガスエンジンの排気が持つ熱エネルギにより前記スターリングエンジンの動作流体を加熱する手段と、を備えることを特徴とするエンジンシステム。
3. 前記スターリングエンジンの動作流体を加熱する手段は、前記ガスエンジンの排気系の通路がスターリングエンジンの加熱部を経由するように配管されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
4. 前記スターリングエンジンの動作流体を冷却する手段は、前記ガスエンジンの燃料供給系の通路がスターリングエンジンの冷却部を経由するように配管されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
5. 前記ガスエンジンの燃料供給系の通路は、液化ガスを貯蔵する燃料容器からスターリングエンジンの冷却部までの通路部分が断熱性を備えることを特徴とする請求項１または請求項４に記載のエンジンシステム。