JP4605974B2 - エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、圧縮が実質的に等温となるように空気が圧縮されるときに空気中に液体を噴霧するために液体噴霧器を備えた容積型等温空気圧縮機と、圧縮空気が膨張されて動力を生成する燃焼室と、等温圧縮機から燃焼室へ圧縮空気を供給する手段と、燃焼室の上流で圧縮空気から液体を除去する分離器と、燃焼室からの排気ガスから燃焼室の上流の圧縮空気に熱を伝達するための一次熱交換器と、等温圧縮機の上流で空気を圧縮する予備圧縮機と、予備圧縮機から等温圧縮機へ空気を供給する手段とを含むエンジンに関する。
【０００２】
後で「記載した種類の」と呼ぶ、そのようなエンジンは、国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号に開示されている。
【０００３】
米国特許第５，８３９，２７０号には異なる熱機関が開示されている。本エンジンでは、周囲空気がスライドブレード圧縮機に直接供給される。プロセスが一般的に等温であることを確実にするために、圧縮中に空気に水が噴霧される。次いで水と圧縮空気の混合物は分離器に供給され、そこで水と圧縮空気は分離される。次いで空気の一部は燃焼室に供給され、そこに燃料が噴射され、燃料／空気混合物が燃焼する。次いで燃焼ガスは別個の膨張機に供給され、そこでそれは断熱的に膨張されて有用な仕事を行い、かつ圧縮機を駆動する。膨張機からの排気ガスは復熱室へ供給され、そこでそれは分離器からの冷温圧縮空気の残りを予熱する。予熱された圧縮空気は燃焼室内で冷温圧縮空気と混合する。一例では、膨張機は分離器からの水によって冷却される。膨張機を去る暖められた水は次いで、蒸気を発生して蒸気膨張機で有用な仕事を行なうために使用されるボイラに供給される。したがって、本書は圧縮空気が膨張される燃焼室については開示せず、予備圧縮機についても、予備圧縮機から等温圧縮機へ空気を供給する手段についても開示しない。したがって、これは記載した種類のエンジンではない。
【０００４】
国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号においては、燃焼室から熱を回収するために、分離器からの圧縮空気の一部を、燃焼室を取り囲む冷却ジャケットに通過させることによって加熱する。この加熱された圧縮空気は次いで、有用な仕事を行なうために、シリンダ内で膨張される。しかし、冷却剤の温度は必ずしも燃焼器の材料および／または潤滑油が耐えることのできる温度に制限されない。したがって冷却ジャケットで吸収できる単位質量当たりの熱の量はきわめて小さい。この熱を回収するために、等温圧縮機からかなりの量の余分な圧縮作業が要求され、それによって熱回収の利益は低減される。
【０００５】
本発明の第１態様では、記載した種類のエンジンは、エンジンの一部から回収された熱を一次熱交換器の上流で高温圧縮機からの圧縮空気に伝達するために設ける二次熱交換器によって特徴付けられる。
【０００６】
本発明はしたがって、圧縮された空気をより経済的に利用することであるので、国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号に開示されたものより効率的な熱回収プロセスを提供する。これは圧縮作業を節約し、全体的な効率を向上する。本発明はエンジンの一部から熱を回収し、これを使用して、高温圧縮機によって生成された圧縮空気を予熱する。国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号に記載された発明とは異なり、この熱を回収するために、追加の空気を圧縮する必要が無い。さらに、国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号とは異なり、本発明は、追加の熱を回収するために使用される空気の膨張のための別個の膨張室を持つ必要がない。
【０００７】
二次熱交換機によって回収される熱は、排気ガスをはじめ、エンジンのどの部分からでも回収することができる。この後者の場合、予備圧縮機を例えばタービンまたは他の形の膨張機によって排気ガスで駆動されるように配設した場合、予備圧縮機を駆動するために使用された排気ガスの温度はまだ充分に高く、これらのガスから二次熱交換機で熱を回収することができるかもしれない。しかし第一に意図されているのは、燃焼室から燃焼室冷却システムに渡される熱を、かつ／または予備圧縮機によって圧縮された空気から熱を回収することである。
【０００８】
最も効率的なエンジンサイクルのために、熱は燃焼室および予備圧縮室からの空気の両方から回収すべきである。この場合、二次熱交換器は、並列に接続された予備圧縮機熱交換器および燃焼室熱交換器を含み、等温圧縮機からの圧縮空気は２つの流れに分離され、１つは予備圧縮機からの空気から熱を受け取るために予備圧縮機熱交換器へ送られ、もう１つの流れは、燃焼室から熱を受け取るために燃焼室熱交換器へ送られる。エンジンは、等温圧縮機からの空気流の２つの流れへの分割に制御する手段をさらに含む。
【０００９】
エンジンの別個の構成部品から熱を各々回収する２つの熱交換器を並列に設ける利点は、別個の構成部品から利用可能な熱の温度の範囲がおおまかに同様であるが、エンジン負荷に応じて変化させることができるという事実にある。直列構成は、一方の熱源が一貫して他方よりかなり高い温度であるということを前提とする。予備圧縮機からの熱およびエンジン冷却システムからの熱の場合は、どちらも重複する温度範囲の熱を生成するので、これは当てはまらない。この状況では並列構成の方がより撓み性がある。
【００１０】
また、並列流路の各々の低減された空気流量にもかかわらず、二次熱交換器に入る圧縮空気に二次熱交換機内で蒸発する量の水を加えることによって、利用可能な熱の大部分を吸収するだけの充分な能力を依然として提供することが可能である。水の高い潜熱蒸発は、かなりの量の熱を少量の水で吸収することを可能にする。蒸発する水の利点は、それがエンジンに追加作動液を提供し、それが追加圧縮作業無しに得られることである。この結果、より高いエンジン効率およびより高い動力出力が得られる。システムが一次熱交換機の上流で生成される水蒸気の全エンタルピが最大になるように構成された場合に、最適サイクルが効率的に達成されることが一般的に明らかになっている。過剰な液体の水を一次熱交換器に持ち越すことはサイクル効率にとって有害であることが一般的に明らかになっているが、それは動力出力に有利であるかもしれない。
【００１１】
液体を圧縮空気に加えると、２相の流れが形成される。流れが二次熱交換器内の多数の熱交換器要素の間で分散される場合、そのような流れの組成を制御することは困難である。したがって、二次熱交換器が圧縮空気を支持する多数の熱交換器要素を持つ場合、液体を各要素内に直接噴射することが好ましい。これは、熱交換器全体の相成分の直接制御を可能にする。
【００１２】
液体は任意の供給源から取ることができる。しかし、分離器から取ることが最も便利である。
【００１３】
熱が予備圧縮機からの空気および熱交換器の両方から回収される場合、それぞれ予備圧縮機の熱交換器および燃焼室の熱交換器における圧縮空気の流れの各々に液体を供給することが好ましい。この場合、エンジンは、予備圧縮機熱交換器および燃焼室熱交換器への液体の流量を制御する手段をさらに備える。
【００１４】
予備圧縮機および燃焼室の熱交換器からの流れは、別々に一次熱交換器に供給することができる。しかし、それらは一次熱交換器の上流で結合することが好ましい。
【００１５】
エンジンは、燃焼室から熱を抽出し、二次熱交換器の熱を圧縮空気に伝達する冷却剤回路を備えることが好ましい。二次熱交換器が前記の通り予備圧縮機熱交換器および燃焼室熱交換器を備える場合、冷却剤回路は言うまでもなく、燃焼室熱交換器のその熱を伝達する。
【００１６】
液体冷却剤を使用すると、先行技術の圧縮空気の場合より効率的な燃焼室の冷却が得られ、それによってエンジン出力を高めることができる。
【００１７】
冷却剤回路内の液体は加圧しなくてもよい。しかし、熱交換器を劣化させ局所的過熱を引き起こす沸騰を防止するために、液体は加圧することが好ましい。
【００１８】
冷却剤回路は、液体を回路中に循環させるために液体ポンプを持つことが好ましい。冷却剤回路内の液体によって得られる冷却の程度を増強するために、二次熱交換器の上流に補助冷却器を設けることが好ましいかもしれない。
【００１９】
その最も簡単な形では、冷却剤回路は単一の熱交換器を有する単一の回路を備える。燃焼器は一般的に、潤滑剤の劣化を防止するために比較的低い温度（例えば２００℃未満）に維持しなければならない給油部分を有する。他方、燃焼器は一般的に、より高い温度に達することを許容できるシリンダヘッドなどの非給油部分を有する。単一の冷却剤回路を使用する場合には、冷却剤がより高温の非給油表面より前に、より低温の給油表面を通過するように、冷却剤回路を配設しなければならない。しかし、金属表面と冷却剤との間の温度差を比較的小さくして高定格燃焼器に充分な冷却を提供するために、高い熱伝達係数およびしたがってより高い流量を持つ必要がある。残念ながら、流量が高い場合、冷却剤温度はあまり上昇せず、その結果、二次熱交換器における最終冷却剤温度が低すぎる。したがって、用途によっては、二次熱交換器が高温熱交換器および低温熱交換器を備え、冷却剤回路が高温回路および低温回路を備え、高温回路が液体を燃焼室の比較的高温部を通して高温熱交換器内に循環させるように配設された高温ポンプを持ち、低温回路が液体を燃焼室の比較的低温部を通して低温熱交換器内に循環させるように配設された低温ポンプを持ち、かつ分離器からの圧縮空気を低温熱交換器に送り込んで熱を受け取り、その後、一次熱交換機に入る前に高温熱交換器内に送り込んでさらなる熱を受け取る手段を二次熱回路が備えるように、エンジンを配設することができる。燃焼器の冷却剤の流量およびしたがって熱伝達係数は、各回路の温度変化を比較的小さくして、両方の回路で高レベルに維持することができる。
【００２０】
最大冷却剤温度は各々の場合に、給油表面および非給油表面にそれぞれ受け入れられる最高レベルに維持することができる。
【００２１】
この場合、エンジンはさらに、低温熱交換器の別個の要素内の圧縮空気に低温熱交換器で全て蒸発する液体を加え、かつ高温熱交換器の別個の要素内の圧縮空気に高温熱交換器で全て蒸発する液体を加える手段を備えることが好ましい。これは再び、低温および高温熱交換器に入る空気／液体の相分布を制御する問題を解決する。
【００２２】
低温および高温熱交換器の前記の配設の代替例として、冷却剤回路は、二次熱交換器を含む主回路に液体を揚送するための主ポンプと、主回路から液体を供給される低温回路と、燃焼室の比較的低温部を通して低温回路中に液体を揚送するための低温ポンプと、低温回路から液体の逸出流を供給される高温回路と、燃焼室の比較的高温部を通して高温回路中に液体を揚送するための高温回路と、高温回路からの液体の逸出流を二次熱交換器へ送り込む手段とを備えることができる。
【００２３】
本構成は、高温および低温回路をそれらのそれぞれの最高温度近くに維持することができ、かつ二次熱交換器の一次側が穏当な流量を持つことを依然として可能にしながら、燃焼器内の高い流量を可能にする。これは、単一の熱交換器を必要とするだけであるという点で、前の構成より有利である。他方、３つのポンプが必要である。したがってシスの選択はある程度、構成要素の相対費用に依存する。
【００２４】
予備圧縮機は、国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号にあるように、完全に排気ガスによって駆動されるように構成することができる。しかし、予備圧縮機が部分的に排気ガスによって駆動されるように構成された場合、エンジンの動力出力を実質的に増加できることが明らかになっている。また、予備圧縮機が排気ガスとは独立した追加動力源を持つ場合、それは負荷をずっと素早く切り替えることができるという意味で、エンジンがより柔軟になることが分かっている。
【００２５】
エンジンの動力出力は主として空気の質量流量によって、かつ圧縮システムにより燃焼器シリンダに伝えられる最終圧力によって決定される。空気の質量流量が高ければ高いほど、エンジンの熱負荷限度を条件として、多くの燃料を一定燃料対空気比で加えることができる。また、圧力が高い方が燃焼ガスの膨張範囲が増加し、これを利用して、排出限度を条件として、燃料対空気比を高めることができる。燃焼プロセス自体の効率を維持することができるならば、燃料対空気比の増加により効率および動力出力の両方が改善される。
【００２６】
等温圧縮機は、圧縮システムの全圧力比の最大部分を提供することができる。一般的に、本発明で使用する等温圧縮機は、約１０：１ないし約２５：１の範囲内の圧縮機に最も適している。例えば１００：１の全圧力比が要求される場合、等温圧縮機で２５：１が得られ、予備圧縮機で４：１が得られるならば、これを達成することができる。直列の２つの等温圧縮機を使用することによって、より高い圧力比を達成することができる。両方の等温圧縮機は同一クランクシャフトから駆動されることが好ましい。
【００２７】
１０⁵Ｐａの入口空気圧で、排気ガスの温度によっては、従来のターボチャージャは約４×１０⁵Ｐａの圧力を等温圧縮機の入口に加えることができ、したがってそれはいかなる形の補助圧縮無しで約１０⁷Ｐａの圧力を加えることができる。しかし、より高い出力要求の期間中に等温圧縮機の入口の温度が８×１０⁵Ｐａに倍増すると、同じ物理的大きさの等温圧縮機が１０⁷Ｐａの同じ出口圧力で２倍の空気の質量流量を出すことは不可能である。エンジンの効率は、補助圧縮機を駆動するために必要な動力が等温圧縮機の圧力比の１２．５：１への低減によって生じる節約より大きいので、数パーセントポイントだけ低下する。しかし、この方法によって達成される動力出力の増加はほぼ５０％にのぼる。これは増加する動力出力および撓み性の一例であり、それは補助圧縮を提供することによって達成することができる。
【００２８】
補助圧縮は排気ガスで利用可能なエネルギに完全に依存しないので、別の利点が生じる。ターボチャージャのみに頼って往復ユニットの上流に空気圧縮を提供するエンジンは、追加動力の要求に応答するのにかなりの時間がかかる。これは、燃料補給の増加とその結果生じるターボチャージャの速度の増加との間に存在する時間遅れのためである。
【００２９】
補助圧縮のさらなる大きい利点は、それが最大圧力を増加する可能性を与えるため、生じる。これは、エンジンが高効率と同時に高い動力出力を達成することを可能にする。
【００３０】
この構成はしたがって、正味エンジン出力がかなり増加する一方で、先行技術の高いサイクル効率が維持されるか、あるいは大きく影響されないエンジンをもたらす。また、この構成はエンジンの応答の制御および速度にかなりの改善をもたらすことができる。
【００３１】
排気ガスによって駆動されることに加えて、予備圧縮機は、電動機などエンジンサイクル外の動力源によって駆動することができ、あるいは燃焼室でピストンに作用するガスの膨張によって発生する動力によって駆動することができる。後者の場合、燃焼室でピストンに作用するガスによって主クランクシャフトが駆動されるときに、このクランクシャフトは、好ましくは歯車箱を介して、予備圧縮機を駆動するために使用される。
【００３２】
さらなる代替例では、予備圧縮機を駆動する排気ガスの温度を増加するために、バーナなどの熱源を設ける。これは、予備圧縮機への動力を増加する簡単な方法を提供し、短期間動力を増加するのに特に適している。
【００３３】
予備圧縮機は、二重動力源を持つ単一圧縮機とすることができる。しかし、予備圧縮機は直列に接続した２つの圧縮機を備え、その一方は排気ガスによって駆動され、他方はそうでないことが好ましい。この場合、一方の圧縮機は他方の圧縮機より高い圧縮比を持ち、熱が一方の圧縮機の下流で回収されることが好ましい。言い換えると、排気ガスは他の動力源より高い圧縮度を提供するために使用される。一般的に、一方の圧縮機は他方の圧縮比の少なくとも２倍の圧縮比を持つことができる。
【００３４】
予備圧縮機が直列に配置された２つの圧縮機から成り、その一方が排気ガスによって駆動され、他方が別個の動力源によって駆動される場合には一方または他方を上流位置に置くことができる。選択は、適切な構成要素の利用可能性、および部品の負荷条件の範囲にわたる構成要素圧縮機の圧力および流量特性に基づいて行なうことができる。
【００３５】
他の圧縮機、すなわち排気ガスによって駆動されない圧縮機は、任意の適切な圧縮機とすることができる。しかし、他の圧縮機は、大きい流量を比較的低いコストで処理できることから、回転圧縮機であることが好ましい。この場合、回転圧縮機は単段遠心圧縮機であることが好ましい。必要な程度の制御を達成するために、他の圧縮機は可変速度モータによって駆動することができ、あるいは可変形態圧縮機とすることができる。さらなる選択肢は、入口渦巻き角を変えることによって定速圧縮機の圧縮比を低減することができることので、他の圧縮機が可変入口案内翼を持つことである。
【００３６】
予備圧縮機の効率を改善するために、内部冷却器を設けて予備圧縮機の２つの圧縮機の間の空気を冷却することが好ましい。さらなる改善は、空気予備冷却器を使用して予備圧縮機と等温圧縮機との間で空気を冷却することによって達成することができる。これは、等温圧縮機に入る空気が最低可能な温度であることを確実にする。二次熱交換器が予備圧縮機からの空気から熱を回収する場合、空気予備冷却器は二次熱交換器の下流に配置する。等温圧縮機に入る空気のさらなる冷却は、等温圧縮機に入る前の空気を冷却する水の噴霧によって達成することができる。
【００３７】
容積型等温空気圧縮機は、スライドベーン圧縮機またはスクリュー圧縮機などの圧縮機とすることができる。しかし、これは、ピストンがシリンダ内で往復して空気を圧縮する往復圧縮機とすることが好ましい。
【００３８】
動力要求の大きい変動に容易に対処することのできるエンジンを提供するために、貯蔵室と、圧縮空気を等温圧縮機から貯蔵室に供給する手段と、圧縮空気を貯蔵質から燃焼室に供給する手段と、圧縮空気を等温圧縮機から貯蔵室または燃焼器のいずれかに選択的に供給し、かつ圧縮空気を貯蔵室から燃焼室に選択的に供給するための弁システムとを備えることが好ましい。
【００３９】
こうして、低電力需要時には、空気を圧縮して例えば圧力室、高圧配管、または何らかの種類の地下洞に貯蔵することができる。この圧縮空気は次いで、高需要期間中に発電に使用することができる。該エンジンは、等温圧縮機から出る空気が燃焼器で使用できる圧力であり、さらなる圧縮を必要とせずに保存して、無駄な圧力低下を生じることなく直接使用することができるので、圧縮空気の貯蔵に特に適している。該エンジンはシステム圧力の範囲全体にわたり効率的に作動できるので、使用される圧力よりかなり高い圧力に空気を圧縮して、その後、使用する前に正しい動作圧力まで空気を絞る必要が無い。また等温圧縮機によって圧縮された空気は低温であるので、貯蔵前に熱を除去する必要が無い。
【００４０】
貯蔵能力を持つシステムの柔軟性をさらに改善するために、等温圧縮機および燃焼器は駆動軸によって接続することが好ましく、モータ／発電器は１対のクラッチの間で該軸に連結する。また、エンジンからの排気ガスによって駆動される発電機を設けることができ、予備圧縮機用に独立電源装置を設けることができる。
【００４１】
エンジンの一部から熱を回収して該熱をエンジン外の位置に伝達する手段を設ける場合、エンジンは複合熱および動力（ＣＨＰ）システムとして使用することができる。この場合、エンジンによって生成された外部用のかなりの量の動力および熱を制御する手段があることが好ましい。熱は本発明の適切な部分から回収することができる。しかし、１つの現在の選好は、一次熱交換機を通る圧縮空気および／または排気ガスの一部を移送するバイパス管路およびバイパス管路の流量を制御するバイパス弁を設けることである。これは圧縮空気の一部を、一次熱交換器に通してその結果燃焼器に入る圧縮空気の温度を低減させることなく、燃焼器に直接供給することを可能にする。しかし、排気ガスが放出するその熱は少なく、したがってより高い温度で一次熱交換器から去る。この高温排ガスは外部加熱に使用することができる。弁は、必要に応じて様々な割合の熱または動力を生成する柔軟性を与えることによって、一次熱交換器を迂回する圧縮空気の量を制御することができる。圧縮空気のバイパス管路の代替として、排気ガスの一部に一次熱交換器を迂回させるバイパス管路を設けることができる。これは圧縮空気バイパス管路に同様の効果をもたらす。該バイパス管路および弁はまたＣＨＰシステムとは独立した値を持つ。それは、バーナに対して同様の効果をもたらすために、すなわち、予備圧縮機を駆動する排気ガスの温度を上昇させ、エンジン負荷の迅速な調整を可能にするために使用することができる。
【００４２】
産業用の高いグレードの熱を提供するために、一次熱交換器は外部加熱回路に接続された多数の流路を含むことができる。
【００４３】
本発明はまた、容積型圧縮機で空気を圧縮し、空気が圧縮されるときに圧縮機に液体を噴霧して圧縮を実質的に等温にし、圧縮空気から液体を除去し、圧縮空気を燃焼室に供給し、燃料を噴射し、燃焼室で燃料を燃焼しかつ燃焼ガスを膨張させて動力を発生させ、燃焼室から排気ガスを一次熱交換器に供給して燃焼室の上流の圧縮空気を加熱することを含む、動力を発生させる方法であって、エンジンの一部から熱を回収し、この熱を一次熱交換器の上流で等温圧縮機からの圧縮空気に伝達することを特徴とする方法にも敷衍する。
【００４４】
該方法は好ましくは、容積型圧縮機の上流の予備圧縮機で空気を圧縮するステップをさらに含み、熱を回収するステップは、予備圧縮機熱交換器で予備圧縮機からの熱を回収し、かつ燃焼室熱交換器で燃焼室からの熱を回収することを含む。
【００４５】
この状況で、容積型圧縮機からの空気を２つの流れに分割するステップ、および一方の流れを圧縮機熱交換器に、他方の流れを燃焼室熱交換器に供給するステップ、および熱の回収が最適化されるように空気の２つの流れへの分割を制御するステップによって、熱回収を改善することができる。
【００４６】
２つの熱交換器の性能を最適化するために、該方法は、必要な空気分割を予備圧縮機熱交換器および燃焼室熱交換器の様々な入口条件の関数として指定するルックアップテーブルによって、各流れに指し向けられる空気の部分を制御することを含むことが好ましい。
【００４７】
さらなる改善は、それぞれの熱交換器の上流で２つの流れの各々に液体を供給するステップおよび各流れに供給される液体の量を制御するステップによって達成することができる。
【００４８】
さらなる改善として、該方法は、予備圧縮機および燃焼室の熱交換器の各々の高温端で入ってくる流れと出ていく流れとの間の温度差を監視するステップ、および該温度差を所望のレベルに維持するように熱交換器の各々への水の流量を制御するステップを含むことができる。
【００４９】
以下、本発明に従って構成されるエンジンの実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００５０】
【基本的エンジン要素】
本発明が適用されるエンジンの基本的要素を図１に示す。該エンジンは４つの基本的構成要素、すなわち等温圧縮機１、分離器２、回収熱交換器３、および燃焼器４から成る。
【００５１】
等温圧縮機１は、中でピストンが往復する単一のシリンダを備えた往復等温圧縮機である。水の噴霧が噴霧ポンプ５によって提供され、空気が空気入口６を通して等温圧縮機に入る。ピストンの下方の行程で空気が空気入口６を通して等温圧縮機内に引き込まれ、戻りの行程により空気が圧縮されるように、適切な入口弁および出口弁を設ける一方、できるだけ等温圧縮に近い圧縮が維持されるように液体の噴霧を制御する。水が混入した低温圧縮空気は、圧縮行程の終わりに等温圧縮機の出口７から押し出される。
【００５２】
等温圧縮機は国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号に記載されている。該圧縮機のさらなる詳細、および特に水の噴霧に使用されるノズルの構成は、国際特許公開第ＷＯ ９８／１６７４１号に掲げられている。
【００５３】
分離器２は、入ってきた流れを水の流れ８と冷温圧縮空気の流れ９に分離する。冷温圧縮空気の流れ９は次いで回収熱交換機３に供給し、そこで燃焼器４から来る排気の流れ１０の排気ガスによって加熱される。この加熱された圧縮空気は高温圧縮空気の流れ１１として回収熱交換器３を出て、それは燃焼器４に供給される。
【００５４】
燃焼器４で、高温圧縮空気は燃料入口１２から提供される燃料と混合され、燃焼して動力を生成する。燃焼器は往復内燃装置であり、この場合３つのシリンダを含む。燃焼器４によって駆動されるクランクシャフト１３は、等温圧縮機が燃焼器によって直接駆動されるように、等温圧縮機１に接続される。
【００５５】
冷温圧縮機に熱を放出した排気ガスは、冷温排気の流れ１４として回収熱交換器を出て、それはこの時点で大気中に放出されるか、あるいは後述するように使用することができる。
【００５６】
図１に関連して説明した原理は基本的に、国際特許公開第ＷＯ ９４／１２７８５号の図４に開示されたものである。
【００５７】
【第１実施形態】
本発明に従って構成されたエンジンの第１実施形態を図２に示す。このエンジンは図１で前に定義した特徴を全て含み、これらの要素は図２でも同じ参照番号で示す。
【００５８】
図２の実施形態は、等温圧縮機１の上流に入ってくる空気を圧縮するためのエアチャージシステムを組み込んでいる。
【００５９】
空気は大気入口２０を通してエアチャージシステムに入り、可変速度モータ２２によって駆動される電動送風機２１で最初に圧縮される。送風機２１はターボチャージャで使用されているものと同様の単段遠心圧縮機である。代替的にそれはスクリュー圧縮機、ルーツ送風機、軸流ファン、または１段または多段往復圧縮機とすることができる。圧縮は等温または断熱とすることができる。送風機の最も適切な形態は、大流量を比較的低コストで処理できることから回転圧縮機である。送風機は高速というよりむしろ同期速度で駆動することができるが、それは段の数およびしたがって物理的サイズおよびコストを増大するようである。可変速度モータ２２の代わりに、送風機２１は主エンジンクランクシャフトから機械的手段によって、あるいは何らかの外部動力源によって駆動することができる。
【００６０】
部分負荷時の効率の観点からは可変速度モータ２２が好ましいが、コストの観点からは、可変入口案内翼を持つ定速遠心圧縮機を持つことが魅力的であるかもしれない。入口案内翼は、入口の渦巻角度を変えることによって、定速圧縮機の圧縮比を低減することができる。送風機の電力消費もまた低減されるが、特に案内翼角度が大きい場合、効率は低下する。可変入口案内翼はインバータのコストに比較して相対的に安価にモータを駆動する可変周波数の交流電流を提供するので、コストの節約が得られる。送風機を、歯車箱を介してエンジンによって駆動すると、さらなるコストの節約が可能である。これは、電動機のコストを節約する。効率の改善が得られるかどうかは、必要な追加伝達装置の効率に対する電動機の効率に依存する。
【００６１】
前記の構成は、撓み性を改善するために可変ディフューザ案内翼を含めることもできる。可変速度、可変入口案内翼、および可変ディフューザ案内翼は全て、遠心圧縮機の撓み性を改善するために時々使用される公知の特徴である。
【００６２】
一般的に、電動送風機２１は、入ってくる空気に２：１の圧縮比を提供するように設定される。
【００６３】
送風機を出た空気は、第１冷却塔管路２６を介して冷却塔２５へ熱を排除する内部冷却器２４を介して、電動送風機の放出管路２３に沿って放出される。この熱はサイクル内では利用されないが、排除された熱の温度は平均して約６５℃であるので、熱を空間または水の加熱など何らかの外部目的に使用しない限り、この熱を回収することに利益はほとんどまたは全く無い。
【００６４】
内部冷却器２４を出た空気は、内部冷却器放出管路２８を介してターボ圧縮機２７に入る。ターボ圧縮機２７は一般的に約４：１の圧縮比を持ち、すでに部分的に圧縮された空気をさらに圧縮するのに役立つ。ターボ圧縮機２７は、後述するように排気ガスによって駆動されるターボタービン２９によって直接駆動される。ターボ圧縮機２７からのガスはターボ圧縮機放出管路３０に沿ってターボ熱交換器３１に供給され、そこでその熱の一部を後述するようにサイクルの別の部分に放出する。ターボ圧縮機２７を去るときに得られる熱は、ターボ圧縮機の方が、圧縮比が高いため、送風機２１を去る時に得られるよりかなり大きい。
【００６５】
ターボ熱交換器冷温放出管路３２に沿ってターボ熱交換器３１を去る空気は、空気を最低利用可能温度近くまで冷却して放出された熱を第２冷却塔管路３４に沿って冷却塔２５に排出する空気予備冷却器３３を通過する。この熱の平均温度は非常に低いので、効率に対する悪影響はほとんど無い。
【００６６】
空気予備冷却器を出た後、冷温の部分圧縮された空気は等温圧縮機１に入り、前記の通り圧縮される。
【００６７】
図３および４に示す代替構成では、初期予備圧縮はターボ圧縮機２７によって行われる。ターボ圧縮機２７を出た空気は次いで、内部冷却器２４を介してさらなる圧縮のために送風機に供給される前に、ターボ熱交換器２１でその熱を放出する。次いでそれは、図２に関連して述べたように、空気予備冷却器３３を介して等温圧縮機１に供給される。
【００６８】
図２の実施形態に戻って、等温圧縮機１の上流で、かつ前記の通り圧縮中に等温圧縮機１で、空気に水が噴射される。図示した水系は、動作中に水供給系から失われた水にとって代わるために補給水供給管路３５を有する。補給水供給管路からの水は脱イオン装置３６を介して供給され、等温圧縮機１のすぐ上流に配置された噴霧ノズルを介して空気入口６に入るように、ポンプ３７によって揚送される。これは、この時点で空気に追加冷却を提供し、したがって各行程で圧縮された空気の質量を最大にする。この時点で補給水を加えることのさらなる利点は、補給ポンプが水を等温圧縮機の入口圧力まで揚送するだけでよいことである。
【００６９】
水および圧縮空気は、等温圧縮機出口７を介して等温圧縮機１を出て、分離器２に供給される。分離器は圧縮空気から水を分離し、水は第１水流８および第２水流３８として放出される。
【００７０】
第１水流８は噴霧水冷却器３９でその熱を、第３冷却塔管路４０を介して冷却塔２５に放出する。冷却された水は次いで、前記の通り噴霧ポンプ５によって噴霧水冷却器３９から等温圧縮機に揚送される。
【００７１】
液体の大部分は第１水流８を介して戻されるが、液体の逸出流は第２水流３８として提供される。これはターボ熱交換器水流４１およびエンジン熱交換器水流４２として２つの流れに分割される。同様に、分離器から出る空気流９はターボ熱交換器空気流４３およびエンジン熱交換器空気流４４に分割される。
【００７２】
次いで２つのターボ熱交換器の流れ４１、４３はターボ熱交換器３１で再結合され、そこでそれらはターボ圧縮機２７からの放出流から熱を受け取る。同様に２つのエンジン熱交換器の流れ４２、４４はエンジン熱交換器４５で結合され、後述するようにエンジン冷却システムから熱を受け取る。
【００７３】
ターボ熱交換器３１およびエンジン熱交換器４５に加えられる水は、各熱交換器の両側の熱容量をほぼ均衡させる。加えられる液体の質量は、液体が前部熱交換器で蒸発するように充分に小さくなければならない。空気と液体が分離され、次いで熱交換器内で再結合される理由は、熱交換器内で２相混合物の分布を制御することが難しいからである。したがって２つの流れの再結合は、熱交換器の個々の要素内でしか行われず、それによって相組成の精密な制御が可能になる。
【００７４】
今から空気流分割および水噴射の制御について説明する。空気流分割は、ターボ熱交換器３１およびエンジン熱交換器４５からの熱回収を最大にするための要求事項によって決定される。最適化は、制御システム内に埋め込まれたルックアップテーブルの使用によって達成することができ、それは入口境界条件を定義するパラメータの関数として最適空気流分割を提供する。これらのパラメータは分離器からの空気の圧力、温度、および流量ならびに一次側流体の温度および流量を含む。ルックアップテーブルは、水添加の効果を含め、最適空気流分割を見つけるためのサイクルの従前の分析から導出される。
【００７５】
第２ステップは、各熱交換器に噴射される水流を決定することである。水は例えば各熱交換器用の別個の定量ポンプによって噴射することができる。各々の場合に噴射される水の量の制御は、各々の熱交換器の高温端における特定の一次対二次温度差の達成に基づくことができる。測定された温度差が低すぎる場合には、熱の吸収を最大にするには水が不十分である。測定された温度差が高すぎる場合には、全ての水が蒸発していないか、または蒸気のエンタルピが低すぎ、したがって水の噴射率を低下させる必要がある。
【００７６】
加えて、特定の熱交換器の空気出口温度によって、水噴射の量に特定の限度を課すことができる。特定の限度（約１２０℃）未満では、水は噴射されない。低温の圧縮空気では蒸発がほとんど発生しないのでこの限度が課せられ、それは例えば制御システムの誤動作の結果として過剰な水が噴射される可能性を低減する。
【００７７】
これに関して熱交換器出口における測定示差温度を使用する方法がなぜ効果的である理由は、蒸発の潜熱のため、蒸発が完了する直前の二次側における温度増加率が一次側のそれに比較して低いためである。ひとたび蒸発が完了すると、二次側の温度は急激に増加する。これは蒸発完了直後に熱交換器の一次側と二次側の間の温度差の急速な狭隘化を引き起こす。この狭隘化効果は容易に検出可能であり、システムをその最適効率に維持するために迅速なフィードバックが行われるような仕方で、水入力を制御するために使用することができる。
【００７８】
前記の制御方法は、エンジンをある範囲の負荷条件にわたって効率的に作動させるために使用することができる。例えば、高負荷時には、ターボ熱交換器３１およびエンジン熱交換器４５の両方から充分な量の熱があり、２つの間で空気を大まかに均等に分割することができる。また、両方の型の熱交換器に対して比較的高い率の水噴射も行われるであろう。非常に低い負荷時には、ターボ圧縮機２７のブースト圧力が実質的に低下し、制御システムは空気または水をターボ熱交換器３１に送らない。前記システムは、負荷の変化、動作圧力、運転始動および停止、エンジンの冷却要件に対する周囲温度変化の効果またはその他の効果を含む広範なエンジン動作条件にわたって自己最適化する。
【００７９】
ターボ熱交換器の高温放出流４６およびエンジン熱交換器の放出流４７は結合放出流４８に結合され、それは回収熱交換器３に送られる、そこでエンジン排気流１０から熱を受け取り、次いで高温空気流１１として燃焼器４に送られる。ここでそれは燃料入口１２からの燃料と結合され、動力を生成するために燃焼され膨張する。
【００８０】
エンジンを冷却し、回収された熱をエンジン熱交換器４５に運び、そこでそれがエンジン熱交換器の水および空気の流れ４２、４４に伝達されるようにするために、エンジン冷却回路４９を設ける。水をエンジン冷却流体として使用し、それは水ポンプ５０によって回路中に揚送される。エンジン熱交換器４５の下流で水の追加冷却を提供するために必要ならば、補助エンジン冷却器５１が利用可能である。補助エンジン冷却器５１で除去された低グレードの熱は、第４冷却塔回路５２に沿って冷却塔２５に排出される。油冷却器５３からの熱は、第５冷却塔管路５４を介して冷却塔に排出される。
【００８１】
回収熱交換器を去る冷却された排気流１４はターボタービン２９に送られ、そこで膨張してターボ圧縮機２７を駆動する。そこから全部でないとしても大半の有用なエネルギが今抽出されたばかりの膨張排気ガスは、ターボタービン放出管路５５を介して放出される。
【００８２】
【唯一の予備圧縮機としてターボチャージャを使用する選択肢】
最も経済的な選択肢として、全ての予備圧縮を高い圧力比のターボチャージャを用いて実行することができる。このシステムを、構成要素２２、２１、２３、２４、２６、および２８を除去して、図２に示す。この場合、流入空気２０はターボチャージャ圧縮機２８内に直接進む。高性能チタンインペラを有するターボチャージャを持ち、かつ排気ガスにより多くのエネルギを残す低減表面エネルギの回収熱交換器を持つそのようなシステムでは、１００：１を超える総圧力比を達成することができる。
【００８３】
【任意選択的排気ガス水回収】
図２に示したサイクルは、必要ならば、排気ガスから水を回収するように適応させることができる。この任意選択的特徴は、水が希少または高価である適用例で望ましい。排気ガスから水を回収するために、ターボタービン放出管路５５は回転型熱交換器５５Ａの一次側に進み、次いで排気ガス冷却器５５Ｂに進み、大気に放出される前に回転型熱交換器５５Ａの二次側に戻る。
【００８４】
排気ガスは、添加された水および燃料中の水素によって生成された水蒸気のみならず、大気中に元々あった水分をも含む。排気ガスが冷却器５５Ｂで冷却されると、水は凝縮し、回収水流５５Ｃとして捕集することができる。この水は補給水供給管路３５に加えることができる。回転型熱交換器５５Ａの目的は、最終冷却前に排気ガスを冷却することである。吸収された熱は、温暖な排気ガスの浮揚性を改善し、大気中でのガスの分散を助長するために、放出前に排気ガスに戻される。回転型熱交換器５５Ａは、２つの流れの間の圧力差が小さく、かつ流れの間の穏当な漏れを許容することができる状況では、優れた熱伝達を達成するための便利な方法である。
【００８５】
第１実施形態に関連して説明したが、この水回収装置はどの後続の実施形態でも使用することができる。
【００８６】
【第２実施形態】
本発明に係るエンジンの第２実施形態を図３に示す。これはほとんどの側面で図２のエンジンと同じであり、同一構成要素を指定するために、同一参照番号が使用されている。
【００８７】
前記の通り、図３に示したターボ圧縮機２７および送風機２１は、図２のそれとは逆の形状に構成されている。
【００８８】
図２と図３の間の他の顕著な差は、エンジン冷却剤回路に関連する。この場合、図２の単一のエンジン冷却剤回路４９は、低温冷却剤回路４９Ｌおよび高温冷却剤回路４９Ｈによって置き換えられる。両回路は図２の現行回路４９と同じ基本的構成要素で構成され、かつ同一参照番号で指定され、低温回路構成要素は参照番号の後の「Ｌ」によって指定され、高温構成要素は参照番号の後の「Ｈ」によって指定される。
【００８９】
低温回路は、燃焼器４の低温部４Ｌから熱を抽出するように構成される。一般的に低温部４Ｌはシリンダライナおよび潤滑された弁ガイドを含む。液体は低温水ポンプ５０Ｌによって低温熱交換器４５Ｌを通して、かつその後低温補助エンジン冷却器５１Ｌを通して低温回路中に揚送され、そこで熱は管路５２Ｌを通して冷却塔に排出される。
【００９０】
高温回路は圧縮機４の高温部４Ｈから熱を抽出する。高温部は一般的に、潤滑されずしたがってより高温に達することができるシリンダヘッドならびに入口および出口弁ポートを含む。液体は、高温水ポンプ５０Ｈによって高温エンジン熱交換器４５Ｈを通して、かつその後高温保持エンジン冷却器５１Ｈを通して高温回路中に揚送され、そこで熱は管路５２Ｈを通して冷却塔に排出される。
【００９１】
低温エンジン熱交換器４５Ｌには別個のエンジン熱交換器水４２Ｌおよび空気４４Ｌの流れが供給され、それらは先の実施形態の場合と同様に熱交換器内で結合される。結合された流れは次いで低温エンジン熱交換器４５Ｌで加熱され、液体が蒸発される。低温エンジン熱交換器４５Ｌを去る流れ４４Ｈは高温エンジン熱交換器４５Ｈに送られる。別個の高温エンジン熱交換器水流４２Ｈは高温エンジン熱交換器４５Ｈで流れ４４Ｈと結合される。これは、水が低温エンジン熱交換器に別個に添加されたのと同じ理由から、すなわち熱交換器内の２相の分布の制御を可能にするために行われる。この添加液は高温熱交換器４５で蒸発され、エンジン熱交換器放出流４７はその後図２と同じように扱われる。
【００９２】
【第３実施形態】
本発明に係るエンジンの第３実施形態を図４に示す。これはほとんどの側面で図３のエンジンと同じであり、同一構成要素を指定するために、同一参照番号が使用されている。
【００９３】
図３と図４の実施形態の間の差はエンジン冷却剤回路４９である。
【００９４】
図３とは異なり、図４の実施形態は単一エンジン熱交換器４５および単一補助エンジン冷却器５１を備える。入ってくる圧縮空気および液体の流れの加熱に関するエンジン熱交換器４５の動作は、図２に関連して説明したように、主水ポンプ５０および補助エンジン冷却器５１を含む主冷却剤回路と同じである。
【００９５】
図４では、図３と同様に、エンジンの高温部４Ｈおよび低温部４Ｌを冷却するために別個の高温および低温回路が設けられている。しかし、図４では、図３と異なり、回路は接続されており、したがって両方の回路内を同一液体が流れる。ポンプ５０Ｈによって燃焼器の高温部４Ｈを通して高温回路４９Ｈ中に水が揚送される。ポンプ５０Ｌによって燃焼器４の低温部４Ｌを通して低温回路４９Ｌ中に水が揚送される。第１流路５６は低温回路４９Ｌを高温回路４９Ｈと接続し、第２流路５７は高温回路４９Ｈから主冷却剤回路４９へ通じる。
【００９６】
水は、主ポンプ５０によって低温回路４９Ｌ内に揚送され、かつ低温ポンプ５０Ｌによって燃焼器４の低温部４Ｌに揚送される。この加熱された水の大半は次いで低温回路４９Ｌ中を再循環するが、このうちの一部は第１流路５６を介して低温回路を去り、高温回路４９Ｈに入る。この水は、高温ポンプ５０Ｈによって燃焼器４の高温部４Ｈを通って循環する高温回路５０Ｈ内の再循環温水と混合する。この流れの一部は次いで、第２流路５７に沿って主冷却剤回路４９に移動し、そこからエンジン熱交換器４５に移動する。この水はエンジン熱交換器４５内でその熱を放出し、次いで主水ポンプ５０によって低温回路４９Ｌに戻される。
【００９７】
質量保存は、主水ポンプ５０を巡る流れが第１および第２流路５６、５７を通る流れと同一であることを要求する。この流れは主水ポンプ５０によって支配される。主回路の流れよりずっと高くすることのできる高温４９Ｈおよび低温４９Ｌ回路の流量は、それぞれのポンプ５０Ｈ、５０Ｌによって支配される。したがって、高温４９Ｈおよび低温４９Ｌ回路をそれらのそれぞれの最大温度付近に維持し、燃焼器内の高い流量を維持し、しかも熱交換器４５の一次側に穏当な流量を持たせることが可能である。
【００９８】
図４は、バイパス弁４８Ｂの制御下で放出流４８から出るバイパス管路４８Ａを示す。これは、予熱された圧縮空気の一部分に回収熱交換器３を迂回させ、燃焼器４に直接供給させる。これは燃焼器４に供給される空気の温度の全体的低下をまねくが、排気流１４として回収熱交換器３を去る排気ガスの温度の対応する上昇をまねく。この流れにおける追加の熱は、外部加熱のため、またはターボタービン２９に追加動力を提供するためのいずれかに使用することができる。このバイパス管路４８Ａは図４の実施形態に示されているが、それは記載したどの実施形態にも適用することができる。同様の構成は、排気ガスの一部に回収熱交換器３を迂回させるために使用することができる。
【００９９】
【複合熱および動力（ＣＨＰ）】
記載したサイクルは全て、できるだけ多くの有用な熱を回収して、熱力学的効率を改善するためにこれをサイクルに戻そうとしている。サイクルは、それ以外ではサイクルに回収されるか冷却塔に排出される低グレードの熱が空間の暖房または水の加熱など低温熱の需要を満たすためにサイクルの外部で使用される、複合熱および動力（ＣＨＰ）システムとして容易に適用可能である。この柔軟性は、様々な流れおよび温度を制御して電気効率を最適化し、動力出力を最大にし、熱出力を最大にし、あるいは特定の熱対動力比を達成する潜在能力から生じる。低グレードの熱は経済的に貯蔵し、あるいはかなりの距離にわたって移送することができないので、この柔軟性は１時間毎、１日毎、あるいは季節毎の熱需要の変動に対処する上で貴重である。
【０１００】
エンジンはまた、等温圧縮と排気熱の回収熱交換の組合せの結果生じる、広範囲の出力にわたって高い電気変換効率を維持することができる。こうして、熱および動力の両方の二重の柔軟性は、高効率を維持しながら、各製品の現在の需要に合うように熱対動力比をかなりの範囲にわたって変化させることを可能にする。これは、他の原動機に連結されたＣＨＰシステムの場合には当てはまらない。
【０１０１】
エンジンサイクルは、外部加熱に使用できる低グレードの熱の多数の潜在的源を有する。これらは内部冷却器２４、ターボ熱交換器３１、空気予備冷却器３３、噴霧水冷却器３９、エンジン熱交換器４５、油冷却器５３、およびターボチャージ管路５５を含む。ターボ熱交換器３１またはエンジン熱交換器４５のいずれかをＣＨＰの熱源として使用した場合、水噴射は低減または停止することが望ましい。さもなければ、回収熱交換器３に入った空気が低温すぎて、回収熱交換器の冷温端から出る排気ガスはターボタービン２９を駆動するための充分なエネルギを持たなくなる。同じ理由から、ＣＨＰ用の熱源としてターボ熱交換器３１およびエンジン熱交換器４５の両方を使用することは望ましくない。噴霧水冷却器３９を熱源として使用する場合、等温圧縮機は、水がより高い温度まで加熱されるように故意に低温水流で作動させることができる。したがって、サイクル効率を犠牲にして余分な熱が生成される。
【０１０２】
さらに、複合放出流４８の一部分は、回収熱交換器３を迂回し、回収熱交換器の下流で高温空気流１１と結合するように構成することができる。これは燃焼器４に供給される空気の温度を低下するが、ターボタービン２９に進む排気ガスの温度を高める。このより高温のガスはターボタービン２９によって生成される動力を増加するために使用することができ、あるいはターボタービン放出管路５５内のガスの温度を高めるために使用することができ、それは次いでサイクルの外部で熱として使用することができる。回収熱交換器を迂回する空気の量は、変動する動力および熱の需要に対処する柔軟性が得られるように、弁によって制御することができる。回収熱交換器を去る排気ガスの温度上昇を達成する代替法は、管路１０を通して燃焼器を去る高温排気ガス用のバイパスを設けて、このガスの制御された量が回収熱交換器を通過せずに、制御弁を通して直接管路１４に流れるようにすることである。本構成では、バイパス制御弁は高いガス温度に耐える必要があるが、調整に対する応答の速度に関してこの型のバイパスの利点がある。
【０１０３】
前記ＣＨＰのための全ての選択肢は、低グレードの熱を例えば空間の暖房または水の加熱のために外部に提供するのに適しているだけである。それは、工業目的の高いグレードの熱を提供できるようにエンジンを適応させることも可能である。工業用の廃熱発電はしばしば、約１０バールおよび温度１８０℃の飽和蒸気の生成を必要とする。この形の熱を提供する方法を以下に記載する。
【０１０４】
回収熱交換器内の管の特定の一部分はエンジンの流体回路に接続されず、代わりに別個の外部蒸気−水回路に接続される。外部回路は水の揚送流を提供し、それは所望の動作圧力で飽和温度またはその付近であることが好ましい。配管内は広範囲の圧力を受け入れることができるので、工業用プロセスに適した水圧の選択を行なうことができる。飽和水は回収熱交換器の管に沿って流れるにつれて徐々に蒸発して蒸気になる。水の流量および回収熱交換器の一次側のガスの温度によって、回収熱交換器の高温端を出る流体は２相の蒸気水混合物であるかもしれず、あるいは飽和または過熱蒸気であるかもしれない。次いでこの高エントロピ流体は必要な加熱作業を実行するために運び去られ、その間に蒸気が凝縮する。凝縮した水は次いで、ポンプを介して回収熱交換器に戻る。
【０１０５】
回収熱交換器の管の残りの部分は、前記の通り通常のエンジンの作動流体である高圧空気を支持する。回収熱交換器で利用可能な熱のかなりの部分は蒸気の形で外部熱を提供するために転流されるので、回収熱交換器を去る最終空気温度が低下することは避けられない。燃焼器に提供される空気の温度の低下は、エンジンの動力出力を回復するためにより多くの燃料を燃焼させる必要があることを意味する。これは明らかにエンジンの電気効率に対して影響を持つが、この低下は有用な熱の出力によって補償される。
【０１０６】
回収熱交換器における２組の配管およびそれらの関連ガス流について可能な様々な構成がある。空気を含む管は高温で排気ガスと遭遇するが、蒸気管は部分的に冷却された穏当な温度の排気ガスと遭遇するように、２つのガス路を直列に配置することができる。この構成は、効率を最大にし、かつ小型回収熱交換器を維持する観点から優れている。代替的に２組の管は、別個のガス流路が平行に走るように配設することができる。別の可能性は、特定の軸方向の位置におけるガス温度の大きい差から機械的応力が生じるのを防止するような方法で、単一の共通ガス流路内に蒸気管を空気管と交互に並べることである。
【０１０７】
前記の方法でエンジンを工業用廃熱発電に使用する１つの利点は、回収熱交換器がエンジンの一部としてすでに存在することである。これは、特に熱伝達に対する高いガス圧の有利な影響に鑑みて、従来の設備に比較して蒸気原動所のコストを削減する。別の利点は、配管の適切な構成によって柔軟な廃熱発電を持つことが可能なことである。例えば、前記の通り空気および蒸気の管を同一ガス路内で交互に配置した場合、あるいは２組の管を直列に配置した場合、廃熱発電のために抽出される熱の量を変化させる一方、残りの熱を発電のために最適な方法で利用することが可能である。
【０１０８】
工業用廃熱発電用に蒸気を提供するのに充分高温の熱を提供する代替的方法は、補助燃料バーナを管１４に導入し、回収熱交換器からの排気ガスをターボチャージャタービンに取り込むことである。蒸気発生機は、ターボタービンから出る排気ガス流５５内に配置される。この選択肢もまた負荷の変化に対する柔軟性を提供することに関連して示した。
【０１０９】
【圧縮空気の貯蔵】
エンジンはまた、図５に示すように圧縮空気エネルギ貯蔵システムを持つように適応させることができる。この図には、図３と同一要素の大部分が提示され、同一参照番号で指定されている。加えて、本システムは、分離器２の下流で貯蔵管路６１によって空気流９に接続された貯蔵室６０を有する。貯蔵弁６２は、貯蔵室６０からまたは貯蔵室６０への圧縮空気の選択的な流動を可能にする。貯蔵管路６１のいずれかの側にさらなる貯蔵弁６３、６４が設けられ、様々な動作モードにおける貯蔵室６０とエンジンシステムとの間の圧縮空気の完全な制御になる。
【０１１０】
貯蔵された水をシステムに選択的に供給するために、水貯蔵容積６９および水貯蔵弁７０もまた設けられる。
【０１１１】
圧縮空気を貯蔵するプロセスは、圧縮システムが燃焼器を駆動するために必要な量より大量の圧縮空気を生成することを要求する。これは、送風機２１およびターボタービン２９によって等温圧縮機に送り込まれる圧力および流量を増加することによって達成することできる。ある程度、これは、送風機２１への動力を増加することによって、エンジンの構成を変更することなく行なうことができる。しかし、ターボ圧縮機２７を通る質量流量がターボタービン２９を通る質量流量よりずっと大きくなる場合、ターボチャージャの圧力−流量特性を均衡させることが難しい。
【０１１２】
同様に、貯蔵された圧縮空気を使用してエンジンの動力出力を高めるプロセスは、送風機２１およびターボタービン２９によって等温圧縮機１の入口に送り込まれる圧力および質量流量を低減させることを必要とする。再び、これはある程度、エンジンの構成を変更することなく、送風機への動力入力を低減することによって達成することができる。しかし、再びターボ圧縮機２７とターボタービン２９の質量流量間に不均衡が生じる。
【０１１３】
圧縮空気流量が排気ガス流量と実質的に異なることのできる条件の範囲を扱う送風機２１およびターボタービン２９の能力は、図５の図に示すように、圧縮機から物理的に切り離されたタービンを持つことによって大きく改善することができる。この場合、タービンは副発電機７１に接続され、別個の電動機が予備圧縮機全体に動力を供給する。本構成では、送風機２１およびターボタービン２９によって送り込まれる圧力および質量流量は高くなり、同時にタービンによって送り込まれる動力が低くなることが可能である。逆の状況も可能である。したがってエンジンは高率の圧縮空気貯蔵から、自給動力発生を経て、貯蔵から圧縮空気を迅速に抽出することによる高い動力生成まで、幅広い範囲の条件にわたって作動することができる。
【０１１４】
主発電機を電動機として作動させることができる場合には、再構成された予備圧縮機の利点により、予備圧縮機および等温圧縮機の両方を、外部動力を用いて駆動することも可能である。また、予備圧縮機を完全に運転停止し、等温圧縮機を最小限の動力消費量で簡単に始動させることも可能である。
【０１１５】
燃焼器冷却剤システムから熱を回収する方法は、動力発生を含む全ての条件下で適用することができる。予備圧縮機を使用して等温圧縮機の入口に増加圧力を生成する場合、熱も発生し、それは圧縮空気から回収することができる。二次熱交換器の様々な部分への水および空気の流量の両方を調整する能力は、幅広い範囲の条件下で熱を回収する柔軟性を提供する。
【０１１６】
エンジンを純粋な圧縮機としてまたは純粋な動力発生機として長時間作動させるつもりである場合、電動発電機が等温圧縮機と燃焼器との間に配置されるようにエンジンを再構成する選択肢がある。次いで電動発電機の等温圧縮機または燃焼器のいずれかへの接続、または同時に両方への接続は、図５に示すように機械的クラッチを用いて構成される。この場合、等温圧縮機１を燃焼器４に接続する軸６５は、２つのクラッチ６６、６７および電動機／発電機６８を組み込むように分割される。クラッチ６６、６７は、漏れまたは発熱が生じないようにするために、自己同期型とすることが好ましい。クラッチ６６、６７は電動機／発電機６８を等温圧縮機１または燃焼器４のいずれかに、またはこれらの両方に同時に選択的に接続することができる。電動機／発電機６８は、その名前が暗示するように電動機または発電機のいずれかとして作動することができる。この機能により、燃焼器を始動することなく圧縮機だけを作動させるか、あるいは圧縮機無しで燃焼器を作動させることが可能である。これは、エンジンの部品をそれが必要でないときに駆動することによって生じる寄生摩擦損失を低減させる。
【０１１７】
前記の方法で適用される圧縮空気貯蔵システムの柔軟性を、次の動作モードのリストによって例証する。
ａ）貯蔵タンクから空気を追加または抽出しない通常の動力発生。
ｂ）圧縮システムを外部グリッドパワーによって駆動し、生成された空気を全て貯蔵する。このモードでは燃焼器は作動しない。
ｃ）貯蔵した空気を使用して動力を発生する。このモードでは圧縮システムは作動しない。
ｄ）圧縮システムの動力消費量に合致する動力を発生し、正味発生はゼロである。圧縮システムで生成された空気の大半が貯蔵される。
【０１１８】
無限数の中間状態の動作状態も存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用することのできるエンジンの様々な基本的要素を示す概略図である。
【図２】 第１エンジンの様々な構成要素の相互関係を示す概略図である。
【図３】 第２エンジンの様々な構成要素の相互関係を示す概略図である。
【図４】 第３エンジンの様々な構成要素の相互関係を示す概略図である。
【図５】 第４エンジンの様々な構成要素の相互関係を示す概略図である。

Claims (49)

1. 圧縮が実質的に等温になるように、空気が圧縮されるときに空気に液体を噴霧するために液体噴霧器を設けた容積型等温空気圧縮機（１）と、
   圧縮空気を膨張させて動力を生成する燃焼室（４）と、
   前記圧縮空気を前記等温圧縮機から前記燃焼室に供給する手段（７、９、１１）と、
   前記燃焼室の上流で前記圧縮空気から液体を除去する分離器（２）と、
   前記燃焼室からの排気ガスの熱を前記燃焼室の上流で圧縮空気に伝達する一次熱交換器（３）と、
   前記等温圧縮機の上流で空気を圧縮する予備圧縮機（２１、２７）と、
   前記予備圧縮機から前記等温圧縮機に空気を供給する手段（３０、３２）と
   を備えたエンジンであって、
   前記エンジンの一部から回収した熱を前記一次熱交換器（３）の上流で前記等温圧縮機（１）からの前記圧縮空気に伝達するために設けた二次熱交換器（３１、４５）を特徴とするエンジン。
2. 前記二次熱交換器（４５）用の熱が前記燃焼室（４）から回収される、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記二次熱交換器（３１）用の熱が前記予備圧縮機（２１、２７）からの空気から回収される、請求項１または２に記載のエンジン。
4. 前記二次熱交換器が並列に接続された予備圧縮機熱交換器（３１）および燃焼室熱交換器（４５）を備え、前記等温圧縮機からの前記圧縮空気が２つの流れ（４３、４４）に分割され、一方の流れ（４３）が前記予備圧縮機（２１、２７）からの空気から熱を受け取るために予備圧縮機熱交換器（３１）に供給され、他方の流れ（４４）が前記燃焼室（４）から熱を受け取るために前記燃焼室熱交換器（４５）に供給され、前記エンジンが前記等温圧縮機からの空気の流れから前記２つの流れへの前記分割を制御する手段をさらに含む、請求項２または３に記載のエンジン。
5. 前記二次熱交換器（３１、４５）に入る前記圧縮空気に、前記二次熱交換器で蒸発する量の液体（３８、４１、４２）が添加されるように構成された、請求項１〜４のいずれかに１項に記載のエンジン。
6. 前記二次熱交換器（３１、４５）が前記圧縮空気を支持する多数の熱交換器要素を持ち、前記液体が各要素に直接噴射される、請求項５に記載のエンジン。
7. 前記液体（３８）が前記分離器（２）から取られるように構成された、請求項５または６に記載のエンジン。
8. 液体（４１、４２）がそれぞれ前記予備圧縮機熱交換器（３１）および燃焼室熱交換器（４５）内の前記圧縮空気の流れ（４３、４６；４４、４７）の各々に供給され、前記エンジンが前記予備圧縮機および燃焼室熱交換器（３１、４５）への液体の流量を制御する手段をさらに備えた、請求項４〜７７のいずれか１項に記載のエンジン。
9. 前記２つの流れ（４６、４７）が前記一次熱交換器（３）の上流で結合される（４８）、請求項４または８に記載のエンジン。
10. 前記燃焼室（４）を冷却し前記二次熱交換器（４５）内で熱を前記圧縮空気に伝達する液体を含む冷却剤回路（４９）を備えた、請求項２に記載のエンジン。
11. 前記液体が加圧される、請求項１０に記載のエンジン。
12. 前記冷却剤回路（４９）が前記液体を前記回路中に送り込むための液体ポンプ（５０）を有する、請求項１０または１１に記載のエンジン。
13. 前記回路（４９）が前記二次熱交換器（４５）の下流に補助冷却器（５１）を含む、請求項１２に記載のエンジン。
14. 前記二次熱交換器（４５）が高温熱交換器（４５Ｈ）および低温熱交換器（４５Ｌ）を備え、前記冷却剤回路（４９）が高温回路（４９Ｈ）および低温回路（４９Ｌ）を備え、前記高温回路が液体を前記燃焼室の相対的高温部（４Ｈ）を通して前記高温熱交換器内に循環させるように構成された高温ポンプ（５０Ｈ）を有し、前記低温回路が前記燃焼室の相対的低音部（４Ｌ）を通して前記低温熱交換器内に循環させるように構成された低温ポンプ（５０Ｌ）を有し、前記二次熱交換器が前記分離器（２）からの圧縮空気を前記低温熱交換器に送り込んで熱を受け取り、その後前記一次熱交換器（３）に入る前に前記高温熱交換器に送り込んでさらに熱を受け取るための手段（４４Ｌ、４４Ｈ）を備えている、請求項１０に記載のエンジン。
15. 前記低温熱交換器（４５Ｌ）の別個の要素内の圧縮空気に全ての液体が前記低温熱交換器内で蒸発するように水を添加し、かつ前記高温熱交換器（４５Ｈ）の別個の要素内の圧縮空気に全ての液体が前記高温熱交換器内で蒸発するように水を添加する手段（４２Ｌ、４２Ｈ）をさらに備えている、請求項１４に記載のエンジン。
16. 前記冷却剤回路が二次熱交換器（４５）を含む主回路に液体を揚送するための主ポンプ（５０）と、前記主回路から液体を供給される低温回路（４９Ｌ）と、前記燃焼室の相対的低温部（４Ｌ）を通って前記低温回路中に液体を揚送するための低温ポンプ（５０Ｌ）と、前記低温回路から液体の逸出流（５６）を供給される高温回路（４９Ｈ）と、前記燃焼室の相対的高温部（４Ｈ）を通って前記高温回路中に液体を揚送するための高温ポンプ（５０Ｈ）と、前記高温回路から前記二次熱交換器（４５）へ液体の逸出流を供給する手段（５７）とを備えている、請求項１０に記載のエンジン。
17. 前記予備圧縮機が前記燃焼室からの排気ガスによって部分的にのみ駆動されるように構成された、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のエンジン。
18. 前記予備圧縮機（２１、２７）が前記燃焼室（４）内でガスの膨張によって生成された動力によって部分的に駆動される、請求項１７に記載のエンジン。
19. 主クランクシャフト（１３）が前記燃焼室（４）内のガスの膨張によって駆動され、前記主クランクシャフトが前記予備圧縮機（２１、２７）を駆動するように使用される、請求項１８に記載のエンジン。
20. 前記予備圧縮機（２１、２７）が外部動力の供給源（２２）によって部分的に駆動される、請求項１７に記載のエンジン。
21. 前記予備圧縮機（２７）を駆動する排気ガスの温度を高めるために熱源を設けた、請求項２０に記載のエンジン。
22. 前記熱源がバーナである、請求項２１に記載のエンジン。
23. 前記予備圧縮機が直列に接続された２つの圧縮機（２１、２７）を備え、その一方（２７）が排気ガスによって駆動され、他方（２１）がそうでない、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載のエンジン。
24. 前記一方の圧縮機（２７）が他方の圧縮機より高い圧縮比を持ち、前記一方の圧縮機の下流で熱が回収される、請求項２３に記載のエンジン。
25. 前記一方の圧縮機（２７）が他方（２１）の少なくとも２倍の圧縮比を持つ、請求項２４に記載のエンジン。
26. 前記他方の圧縮機（２１）が回転圧縮機である、請求項２３ないし２５のいずれか１項に記載のエンジン。
27. 前記回転圧縮機（２１）が単段遠心圧縮機である、請求項２６に記載のエンジン。
28. 前記他方の圧縮機（２１）が可変速度モータ（２２）によって駆動される、請求項２３〜２７のいずれか１項に記載のエンジン。
29. 前記他方の圧縮機（２１）が可変形態圧縮機である、請求項２３〜２８のいずれか１項に記載のエンジン。
30. 前記他方の圧縮機（２１）が可変入口案内翼を有する、請求項２９に記載のエンジン。
31. 前記予備圧縮機の２つの圧縮機（２１、２７）間で空気を冷却するために内部冷却器（２４）を設けた、請求項２０〜３０のいずれか１項に記載のエンジン。
32. 前記予備圧縮機（２１、２７）と前記等温圧縮機（１）との間で空気を冷却するために空気予備冷却器（３３）を設けた、請求項１〜３１のいずれか１項に記載のエンジン。
33. 前記等温圧縮機（１）に入る前に空気を冷却するために水の噴霧が提供される、請求項１〜３２のいずれか１項に記載のエンジン。
34. 前記容積型等温圧縮機（１）がピストンをシリンダ内で往復させて空気を圧縮する往復圧縮機である、請求項１〜３３のいずれか１項に記載のエンジン。
35. 貯蔵室（６０）と、前記等温圧縮機（１）から前記貯蔵室に前記圧縮空気を供給する手段（６１）と、前記貯蔵室から前記燃焼室（４）に圧縮空気を供給する手段（６１）と、前記等温圧縮機から前記貯蔵室または前記燃焼室のいずれかに圧縮空気を選択的に供給し、かつ前記貯蔵室から前記燃焼室へ圧縮空気を選択的に供給するための弁システム（６２、６３、６４）とをさらに備えた、請求項１〜３４のいずれか１項に記載のエンジン。
36. 前記等温圧縮機（１）および燃焼室（４）が駆動軸（６５）によって接続され、モータ／発電器（６８）が１対のクラッチ（６６、６７）の間で前記軸に連結された、請求項３５に記載のエンジン。
37. 前記エンジンからの排気ガスによって駆動される発電器（７１）を設け、前記予備圧縮機用に独立動力源（２２）を設けた、請求項３５または３６に記載のエンジン。
38. 前記エンジンの一部から熱を回収し、かつエンジン外の目的のために熱を使用するための手段をさらに備えた、請求項１〜３７のいずれか１項に記載のエンジン。
39. 前記エンジンによって生成される外部用の動力および熱の相対量を制御する手段をさらに備えた、請求項３８に記載のエンジン。
40. 前記圧縮空気および／または前記排気ガスの一部を、前記一次熱交換器（４）を通して移送するためのバイパス管路（４８Ａ）、および前記バイパス管理内の流量を制御するためのバイパス弁（４８Ｂ）をさらに備えた、請求項１〜３９のいずれか１項に記載のエンジン。
41. 前記二次熱交換器で前記燃焼室（４）からの排気ガスから熱を回収する、請求項１に記載のエンジン。
42. 前記二次熱交換器用の熱を前記予備圧縮機の下流で前記排気ガス（５５）から回収する、請求項３８に記載のエンジン。
43. 前記一次熱交換器（４）が外部加熱回路に接続された多数の流路を含む、請求項３８に記載のエンジン。
44. 容積型圧縮機（１）で空気を圧縮するステップと、空気が圧縮されるときに圧縮が実質的に等温となるように圧縮機に液体を噴霧するステップと、前記圧縮された空気から液体を除去するステップと、前記圧縮空気を燃焼室（４）に供給するステップと、燃料を噴射するステップと、前記燃料を前記燃焼室で燃焼して燃焼ガスを膨張させて動力を生成するステップと、前記燃焼室からの排気ガスを一次熱交換器（３）に供給して前記圧縮空気を前記燃焼室の上流で加熱するステップとを含む、動力を生成するための方法であって、前記エンジンの一部から熱を回収し、この熱を前記一次熱交換器の上流で前記等温圧縮機からの前記圧縮空気に伝達することを特徴とする方法。
45. 前記容積型圧縮機（１）の上流で予備圧縮機（２７、２９）で空気を圧縮するステップをさらに含み、前記熱回収ステップが予備圧縮機熱交換器（３１）内で前記予備圧縮機からの熱を回収するステップおよび燃焼室熱交換器（４５）で前記燃焼室（４）からの熱を回収するステップを含む、請求項４４に記載の方法。
46. 前記容積型圧縮機（１）からの空気を２つの流れ（４３、４４）に分割するステップと、一方の流れ（４３）を前記予備圧縮機熱交換器（３１）に供給し、他方の流れ（４４）を前記燃焼室熱交換器（４５）に供給するステップと、前記空気の前記２つの流れへの分割を制御するステップとをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
47. 必要な空気の分割を前記予備圧縮機熱交換器（３１）および燃焼室熱交換器（４５）の様々な入口条件の関数として指定するルックアップテーブルによって、各流れに指し向けられた空気の部分を制御するステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
48. それぞれの熱交換器（３１、４５）の上流で前記２つの流れ（４３、４４）の各々に液体を供給して、各流れに供給される液体の量を制御するステップをさらに含む、請求項４６または４７に記載の方法。
49. 前記予備圧縮機および燃焼室熱交換器（３１、４５）の各々の高温端で入ってくる流れと出て行く流れの間の温度差を監視するステップと、前記温度差を所望のレベルに維持するように、前記熱交換器の各々への水の流量を制御するステップとをさらに含む、請求項４８に記載の方法。

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