JP6008764B2 - Working gas circulation engine system - Google Patents
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Description
本開示は、アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステムに関する。 The present disclosure relates to a working gas circulation engine system in which a working gas containing argon circulates in a system from an exhaust part of an engine to an air supply part.
従来から、アルゴン(以下、「Ar」と記載する場合がある)を含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型の水素エンジンシステムが知られている。例えば特許文献1には、作動ガスとしてアルゴンを利用した水素エンジンに関する発明が本出願人によって出願されている。また特許文献2には、作動ガスとしてアルゴンを利用した作動ガス循環型水素エンジンに関する発明が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a working gas circulation type hydrogen engine system in which a working gas containing argon (hereinafter sometimes referred to as “Ar”) circulates in a system from an exhaust part of an engine to an air supply part. . For example, in the
これら従来の水素エンジンシステムは、空気に換えてアルゴンと酸素(以下、「O2」と記載する場合がある)とを燃焼室に供給することで、アルゴンが水素の燃焼により生じた熱による膨張体(すなわち作動ガス)として機能する。エンジンから排出されたアルゴンは系内を循環し、新たに供給される酸素とともに再びエンジンに供給される。このように、作動ガスとして窒素に代えてアルゴンを利用することで、窒素酸化物(NOx)の発生を抑えることができる。また、アルゴンは単原子分子ガスであり比熱比が高いため、熱効率性に優れたエンジンシステムを構築できるとの利点がある。 These conventional hydrogen engine systems supply argon and oxygen (hereinafter sometimes referred to as “O 2 ”) to the combustion chamber in place of air, so that argon expands due to heat generated by hydrogen combustion. Functions as a body (ie working gas). Argon discharged from the engine circulates in the system and is supplied again to the engine together with newly supplied oxygen. Thus, by using argon instead of nitrogen as the working gas, generation of nitrogen oxides (NOx) can be suppressed. In addition, since argon is a monoatomic molecular gas and has a high specific heat ratio, there is an advantage that an engine system having excellent thermal efficiency can be constructed.
ところで、古くから重油を燃料としたディーゼルエンジンが幅広く利用されているが、昨今の重油価格の高騰やシュールガス革命による天然ガス価格の下落の中で、天然ガスを使用燃料とするガスエンジンにも注目が集まっている。また例えば、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンなどでは、昨今のNOx規制強化の流れの中で、液化天然ガス(LNG)を燃料としたガスエンジンや重油に加えて天然ガスも燃料として利用できる所謂デュアルフュエルエンジンと呼ばれるエンジンも実用化されている。かかる重油や天然ガスを燃料とするエンジンにおいて、より一層の熱効率の向上が期待されている。 By the way, diesel engines using heavy oil as fuel have been widely used for a long time, but gas engines that use natural gas as fuel as natural gas prices have fallen due to the recent rise in the price of heavy oil and the surreal gas revolution. Attention has been gathered. In addition, for example, in a marine main engine for imparting a propulsive force to a ship, natural gas is also used in addition to a gas engine or heavy oil that uses liquefied natural gas (LNG) as fuel in the recent trend of strengthening NOx regulations. An engine referred to as a so-called dual fuel engine that can be used as an engine has been put into practical use. In such an engine using heavy oil or natural gas as fuel, further improvement in thermal efficiency is expected.
本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンにおいて、熱効率性に優れたエンジンシステムを提供することにある。 At least one embodiment of the present invention has been made in view of the current situation as described above. The object of the present invention is to achieve thermal efficiency in an engine using fuel containing carbon such as heavy oil and natural gas as fuel. It is to provide an engine system with excellent performance.
本発明の少なくとも一つの実施形態は、
アルゴンを含む作動ガスがエンジンの排気部から給気部に至る系内を循環する作動ガス循環型エンジンシステムにおいて、
炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンと、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の水分を除去するための凝縮器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガスの一部を系外に排出するための余剰ガス排出器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段と、
系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段と、
を備えたことを特徴とする。
At least one embodiment of the present invention provides:
In a working gas circulation engine system in which working gas containing argon circulates in the system from the exhaust part to the supply part of the engine,
An engine that uses carbon-containing fuel as fuel,
A condenser for removing moisture in the combustion gas discharged from the engine;
A surplus gas discharger for discharging a part of the combustion gas discharged from the engine out of the system;
Carbon dioxide removal means for discharging carbon dioxide in the combustion gas discharged from the engine out of the system,
Oxygen supply means for supplying oxygen and argon contained in air outside the system into the system;
It is provided with.
上記作動ガス循環型エンジンシステムによれば、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段を備えるとともに、エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素(以下、「CO2」と記載する場合がある)を系外に排出するための二酸化炭素除去手段を備えている。このため、系内を循環するガス中の酸素およびアルゴンを一定の濃度以上に維持しつつエンジンから排出される二酸化炭素を系外に排出できるため、燃焼時に二酸化炭素が発生する重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンにおいて、本エンジンシステムを好適に適用でき、エンジンの熱効率を大幅に向上させることができる。 According to the working gas circulation engine system, the oxygen gas supply means for supplying oxygen and argon contained in the outside air into the system is provided, and carbon dioxide (hereinafter referred to as carbon dioxide) in the combustion gas discharged from the engine. , And may be described as “CO 2 ”). For this reason, carbon dioxide discharged from the engine can be discharged outside the system while maintaining oxygen and argon in the gas circulating in the system at a certain concentration or higher, such as heavy oil and natural gas that generate carbon dioxide during combustion This engine system can be suitably applied to an engine using a fuel containing carbon as a fuel, and the thermal efficiency of the engine can be greatly improved.
また、アルゴンを作動ガスとして利用する上記エンジンシステムによれば、高負荷時だけでなく低負荷時においても熱効率が向上する。この点、過給機によって排ガスエネルギーをタービン発電機などで回収する方法だと低負荷時において効果的に熱効率を向上させることができず、本システムはこの点においても高い優位性を備えている。
また、アルゴンを作動ガスとして循環利用するため、排気ガスが殆ど排出されない他、エンジンの燃焼時に殆どNOxが発生しないとの利点がある。
Further, according to the engine system using argon as a working gas, the thermal efficiency is improved not only at high load but also at low load. In this regard, the method of recovering exhaust gas energy with a turbo generator or the like by a turbocharger cannot effectively improve the thermal efficiency at low loads, and this system has a high advantage in this respect as well. .
Further, since argon is circulated and used as a working gas, there are advantages that almost no exhaust gas is discharged and that almost no NOx is generated during combustion of the engine.
本発明の一実施形態では、上記二酸化炭素除去手段および上記酸素供給手段は、それぞれ別体に構成された別々の装置からなり、上記二酸化炭素除去手段は、エンジンから排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式CO2除去装置からなり、上記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させることで空気中から酸素およびアルゴンを分離し、該分離した酸素およびアルゴンを系内に供給するように構成された吸着式O2供給装置からなる。
このような本発明の一実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を、それぞれ吸着式CO2除去装置および吸着式O2供給装置によって構成することで、熱効率性に優れる上述の本エンジンシステムを実現することができる。
In one embodiment of the present invention, the carbon dioxide removal means and the oxygen supply means are composed of separate devices configured separately from each other, and the carbon dioxide removal means includes the pressure of the combustion gas discharged from the engine and An adsorption CO 2 removal device configured to adsorb and separate carbon dioxide in the combustion gas with an adsorbent and discharge it out of the system in an atmosphere in which at least one of the temperatures fluctuates; Separates oxygen and argon from the air by adsorbing nitrogen and carbon dioxide in the air to the adsorbent in an atmosphere in which at least one of the pressure and temperature of the air taken from outside the system fluctuates. It comprises an adsorptive O 2 supply device configured to supply separated oxygen and argon into the system.
According to such an embodiment of the present invention, the carbon dioxide removing unit and the oxygen supplying unit described above are constituted by the adsorption-type CO 2 removal device and the adsorption-type O 2 supply device, respectively, so that the above-described thermal efficiency is excellent. This engine system can be realized.
幾つかの実施形態では、上記吸着式O2供給装置は、吸着式CO2除去装置よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するように構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式CO2除去装置よりも上流側の系内に酸素およびアルゴンを供給する場合と比べて、吸着式CO2除去装置に供給されるガス流量を少なくすることができるため、その分だけ吸着式CO2除去装置を小さくすることができる。
In some embodiments, the adsorption O 2 supply device is configured to supply oxygen and argon into the system downstream of the adsorption CO 2 removal device.
According to this embodiment, compared with the case of supplying oxygen and argon, to reduce the gas flow rate supplied to the adsorption type CO 2 removing device on the upstream side of the system than the adsorption CO 2 removing device Therefore, the adsorption-type CO 2 removal device can be made smaller accordingly.
幾つかの実施形態では、上記吸着式CO2除去装置は、余剰ガス排出器の下流側に配置され、余剰ガス排出器にて系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式CO2除去装置が余剰ガス排出器の上流側に配置されている場合と比べて、余剰ガス排出器から系外に余剰ガスが排出される分だけ吸着式CO2除去装置に供給されるガス流量を少なくすることができ、その分だけ吸着式CO2除去装置を小さくすることが可能となる。
In some embodiments, the adsorption-type CO 2 removal device is disposed on the downstream side of the surplus gas discharger, and the remaining combustion gas excluding a part of the combustion gas discharged out of the system by the surplus gas discharger It is configured to be able to capture.
According to such an embodiment, as compared with the case where the adsorption-type CO 2 removal device is arranged on the upstream side of the surplus gas discharger, the adsorption is performed by the amount of surplus gas discharged from the surplus gas discharger to the outside of the system. The flow rate of the gas supplied to the CO 2 removal device can be reduced, and the adsorption CO 2 removal device can be made smaller accordingly.
幾つかの実施形態では、上記吸着式CO2除去装置を迂回するバイパス路が分岐するとともに、このバイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されている。
また幾つかの実施形態では、上記エンジンの上流には、吸着式O2供給装置を介さずに系外の空気を系内に供給するための給気手段が設けられている。
In some embodiments, a bypass path that bypasses the adsorption-type CO 2 removal device is branched, and a flow rate control valve for controlling the flow rate of gas flowing through the bypass path is disposed.
In some embodiments, an air supply means for supplying air outside the system into the system without using an adsorption O 2 supply device is provided upstream of the engine.
エンジンに供給されるガス(給気ガス)のアルゴン濃度が高まると、燃焼時の筒内圧力や筒内温度が高まり、エンジンの熱効率も向上するが、その反面、筒内圧力や筒内温度が高まり過ぎると、エンジンの構造面において問題が生じてくる。このため、実用上はエンジンに供給するガスのアルゴン濃度を適当な範囲に制御する必要がある。
上記実施形態によれば、流量制御弁の弁開度を調節して吸着式酸素製造器に取り込まれる燃焼ガスの流量を制御することや、給気手段によって吸着式酸素製造器を介さずに系外の空気をエンジンに供給することで、供給ガスのアルゴン濃度を制御することができる。
Increasing the argon concentration of the gas supplied to the engine (intake gas) increases the in-cylinder pressure and in-cylinder temperature during combustion and improves the thermal efficiency of the engine, but on the other hand, the in-cylinder pressure and in-cylinder temperature are reduced. If it is too high, problems will arise in the structure of the engine. For this reason, in practice, it is necessary to control the argon concentration of the gas supplied to the engine within an appropriate range.
According to the above-described embodiment, the flow rate of the combustion gas taken into the adsorption-type oxygen production device is controlled by adjusting the valve opening degree of the flow rate control valve, or the system is used without supplying the adsorption-type oxygen production device by the air supply means. By supplying outside air to the engine, the argon concentration of the supply gas can be controlled.
幾つかの実施形態では、上記吸着式CO2除去装置および前記吸着式O2供給装置の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、供給ガスから対象成分を吸着分離するように構成されるとともに、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用可能に構成されている。
このような実施形態によれば、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるために有効利用することで、吸着式CO2除去装置および吸着式O2供給装置の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
In some embodiments, at least one of the adsorption-type CO 2 removal device and the adsorption-type O 2 supply device is controlled by the supply gas in an atmosphere in which the temperature of the supply gas supplied to the device varies. While configured to adsorb and separate components, the energy of the combustion gas discharged from the engine can be used as energy for changing the temperature of the supply gas.
According to such an embodiment, the energy of the combustion gas discharged from the engine is effectively used to change the temperature of the supply gas, whereby the operation of the adsorption-type CO 2 removal device and the adsorption-type O 2 supply device is performed. Since the efficiency can be increased, the thermal efficiency of the engine system can be further improved.
上記実施形態において、上記エンジンから排出される燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンと同軸に配置されエンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機と、コンプレッサで圧縮された気体を冷却するためのインタークーラと、をさらに備え、上記インタークーラにおいて熱交換された熱媒体を供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成することができる。
また、上記実施形態において、上記エンジンから排出される燃焼ガスを冷却するための空気冷却器をさらに備え、上記空気冷却器において燃焼ガスと熱交換された熱媒体を供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成することができる。
このような実施形態によれば、エンジンから排出される燃焼ガスのエネルギーを、供給ガスの温度を変動させるために効率的に利用することができ、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
In the above-described embodiment, a turbocharger having a turbine driven by combustion gas discharged from the engine, and a compressor that compresses a gas containing oxygen and argon that is arranged coaxially with the turbine and is supplied to the engine, and a compressor And an intercooler for cooling the gas compressed in step (b), and the heat medium heat-exchanged in the intercooler can be used as a heat source for changing the temperature of the supply gas.
Further, in the above embodiment, an air cooler for cooling the combustion gas exhausted from the engine is further provided, and the heat medium exchanged with the combustion gas in the air cooler varies the temperature of the supply gas. It can be configured to be usable as a heat source.
According to such an embodiment, the energy of the combustion gas discharged from the engine can be efficiently used for changing the temperature of the supply gas, and the thermal efficiency of the engine system can be further improved. .
幾つかの実施形態では、上記エンジンに供給する燃料ガスを液化状態で貯蔵するための液化燃料タンクをさらに備え、吸着式CO2除去装置および吸着式O2供給装置の少なくともいずれか一方は、ガス温度が変動する雰囲気下において対象ガスを吸着分離するように構成されるとともに、液化状態の燃料ガスを、上記ガス温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されている。
このような実施形態によれば、液化状態の燃料ガスを、ガス温度を変動させるための熱源として有効利用することで、本エンジンシステムの熱効率をさらに向上させることができる。
In some embodiments, the apparatus further includes a liquefied fuel tank for storing the fuel gas supplied to the engine in a liquefied state, and at least one of the adsorption CO 2 removal device and the adsorption O 2 supply device is a gas It is configured to adsorb and separate the target gas in an atmosphere where the temperature varies, and the liquefied fuel gas can be used as a heat source for varying the gas temperature.
According to such an embodiment, the thermal efficiency of the engine system can be further improved by effectively using the liquefied fuel gas as a heat source for changing the gas temperature.
また本発明の他の実施形態では、上記二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、一体に構成された1つの吸着式CO2除去/O2供給装置からなり、この吸着式CO2除去/O2供給装置は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するとともに、上記エンジンから排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような本発明の他の実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を1つの吸着式CO2除去/O2供給装置によって構成することで、上述した本エンジンシステムを簡素な構成で実現することができる。
In another embodiment of the present invention, the carbon dioxide removal means and the oxygen supply means comprise one adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device configured integrally, and this adsorption-type CO 2 removal / O 2. The supply device adsorbs and separates nitrogen and carbon dioxide in the air taken from outside the system in an atmosphere where the pressure and / or temperature fluctuates with an adsorbent and discharges it out of the system. Is supplied to the system, and combustion gas discharged from the engine can be taken in.
According to such another embodiment of the present invention, the above-described engine system can be simplified by configuring the above-described carbon dioxide removal means and oxygen supply means by one adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device. Can be realized with a simple configuration.
幾つかの実施形態では、上記エンジンの給気ポートを開閉するための給気弁と、給気弁の作動タイミングを制御する制御装置と、をさらに備え、制御装置は、給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成されている。
このように幾つかの実施形態における本エンジンシステムのエンジンは、給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成された、所謂ミラーサイクルエンジンとして構成される。このような実施形態によれば、エンジンの筒内圧力を低下させることが出来るため、アルゴンを作動ガスとして利用した場合においても、例えば筒内圧力を定格圧力以下とすること等も可能となる。
In some embodiments, an air supply valve for opening and closing the air supply port of the engine, and a control device that controls the operation timing of the air supply valve are further provided, and the control device dies the air supply valve. The compression ratio is configured to be lower than the expansion ratio by controlling to close the valve after the point.
As described above, the engine of the engine system in some embodiments is configured such that the compression ratio is lower than the expansion ratio by controlling the air supply valve so as to close after the bottom dead center. This is configured as a so-called Miller cycle engine. According to such an embodiment, since the in-cylinder pressure of the engine can be reduced, even when argon is used as the working gas, for example, the in-cylinder pressure can be reduced to a rated pressure or less.
この際、通常のミラーサイクルエンジンでは、給気ガス量の減少に伴って酸素過剰率が低下してエンジン出力も低下するとの問題があるが、本エンジンシステムは上述した酸素供給手段を備えており、この酸素供給手段によって酸素過剰率を調整可能に構成されている。したがって、本エンジンシステムにおいては、酸素過剰率を適宜調整することでエンジン出力の低下を回避することができるようになっている。 At this time, in a normal mirror cycle engine, there is a problem that the oxygen excess rate decreases and the engine output decreases as the amount of supplied gas decreases, but this engine system includes the above-described oxygen supply means. The oxygen supply rate can be adjusted by the oxygen supply means. Therefore, in this engine system, a decrease in engine output can be avoided by appropriately adjusting the oxygen excess rate.
幾つかの実施形態では、上記エンジンから排出される燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンと同軸に配置され、エンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機をさらに備える。
このような実施形態によれば、排ガスエネルギーによってコンプレッサを駆動し、エンジンに供給する酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮することで、エンジンシステム全体の熱効率をより一層向上させることが可能となる。
In some embodiments, a turbocharger having a turbine driven by combustion gas exhausted from the engine, and a compressor disposed coaxially with the turbine and compressing a gas containing oxygen and argon supplied to the engine. Is further provided.
According to such an embodiment, it is possible to further improve the thermal efficiency of the entire engine system by driving the compressor with exhaust gas energy and compressing the gas containing oxygen and argon supplied to the engine.
幾つかの実施形態では、上記エンジンは、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射するように構成された直噴式エンジンである。
このように、本エンジンシステムにおけるエンジンを直噴式エンジンとして構成することで、筒内圧力や筒内温度が高まることによりポート噴射式エンジンの場合に懸念されるノッキングや過早着火の問題を回避することができる。
In some embodiments, the engine is a direct injection engine configured to inject fuel directly from a fuel injector into a combustion chamber.
In this way, by configuring the engine in the engine system as a direct injection engine, the problem of knocking or pre-ignition that is a concern in the case of a port injection engine due to an increase in in-cylinder pressure or in-cylinder temperature is avoided. be able to.
幾つかの実施形態では、上記エンジンは、炭素数が1〜4の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを使用するガスエンジンであって、燃焼室において前記燃料ガスを圧縮して自己着火させる自着火式ガスエンジンとして構成されている。
作動ガスとしてアルゴンを利用することで筒内圧力や筒内温度が高まるため、例えば、メタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)などの炭素数が1〜4の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを利用した場合においても自着火させることができる。このため、パイロット燃料としての燃料油やスパークプラグなどの点火源を用いることのない自着火式ガスエンジンとして構成することができ、熱効率をより一層高めることができる。
In some embodiments, the engine is a gas engine that uses a fuel gas mainly composed of a hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms, and compresses the fuel gas in a combustion chamber to cause self-ignition. It is configured as a self-igniting gas engine.
The use of argon as the working gas increases the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature. For example, methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10) The self-ignition can be achieved even when a fuel gas mainly composed of a hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms such as) is used. For this reason, it can comprise as a self-ignition type gas engine which does not use ignition sources, such as fuel oil and a spark plug as pilot fuel, and can improve thermal efficiency further.
幾つかの実施形態では、前記エンジンは、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンとして構成されている。
上記エンジンシステムのエンジンは、舶用主機エンジンとして特に好適に用いられるものである。
In some embodiments, the engine is configured as a marine main engine for imparting propulsive force to the marine vessel.
The engine of the engine system is particularly preferably used as a marine main engine.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段を備えるとともに、エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段を備えているため、重油や天然ガスなどを燃料とするエンジンにおいて熱効率性に優れたエンジンシステムを提供することができる。 According to at least one embodiment of the present invention, oxygen supply means for supplying oxygen and argon contained in air outside the system into the system is provided, and carbon dioxide in the combustion gas discharged from the engine is used. Since the carbon dioxide removing means for discharging to the outside is provided, it is possible to provide an engine system having excellent thermal efficiency in an engine using heavy oil or natural gas as fuel.
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples.
図1は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム1Aの概略的な構成を示すブロック図である。
エンジンシステム1Aは、アルゴンを含む作動ガスが系内を循環する循環型のエンジンシステムであって、例えば船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンなどに適用される。
エンジンシステム1Aは、図1に示すように、エンジン10、凝縮器22、余剰ガス排出器24、吸着式CO2除去装置25、吸着式酸素供給装置26、制御装置30、及びエンジン10の排気部から給気部に至る系を構成するとともに、これら装置類を環状に接続するガス循環路20などを備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a working gas
The
As shown in FIG. 1, the
エンジン10は、シリンダ11と、シリンダ11の内部に摺動自在に収容されたピストン12、給気ポート13aを開閉するための給気弁13、排気ポート14aを開閉するための排気弁14、燃焼室15に燃料を噴射するための燃料噴射弁16、燃料噴射弁16に燃料を供給するための燃料供給器17、クランク軸18、ピストン12とクランク軸18とを接続するコンロッド19などから構成される。
The
排気ポート13aはガス循環路20と接続している。そして、給気弁13を開弁することで、ガス循環路20を循環するアルゴンおよび酸素が給気ガスとして給気ポート13aから燃焼室15へと供給される。燃焼室15に供給された給気ガスは、ピストン12の上昇に伴って燃焼室15内で圧縮され、これにより、燃焼室15内の筒内温度および筒内圧力が高まる。そして、ピストン12が上死点近傍に到達すると、燃料噴射弁16から燃焼室15に直接燃料が噴射される。噴射された燃料は高温雰囲気下において自着火し、燃焼室15内で爆発する。そして、爆発に伴う膨張によってアルゴンガス(作動ガス)がピストン12を押し下げることで、コンロッド19を介してクランク軸18を回転せしめる。爆発後の燃焼ガスは、排気弁14を開弁することで排気ポート14aに接続されるガス循環路20に排出される。
The
燃料としては、炭素を含む燃料、すなわち水素以外の燃料であって、例えば天然ガスや石油ガスなどの燃料ガス、重油や軽油などの燃料油を利用することができる。天然ガスや石油ガスなどの燃料ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの炭素数が1〜4の炭化水素ガスを主成分とし、通常は液化状態で貯蔵される。 As the fuel, a fuel containing carbon, that is, a fuel other than hydrogen, for example, a fuel gas such as natural gas or petroleum gas, or a fuel oil such as heavy oil or light oil can be used. Fuel gas such as natural gas or petroleum gas is mainly composed of hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane and butane, and is usually stored in a liquefied state.
凝縮器22は、エンジン10から排出される燃焼ガス中の水分を凝縮して除去するための装置であり、エンジン10の下流側に設置されている。凝縮器22で凝縮された水分は系外に除去される。
The
余剰ガス排出器24は、凝縮器22から送出された燃焼ガスの一部を系外に排出し、残余の燃焼ガスを下流に送出するための装置である。後述する吸着式酸素供給装置26からは酸素や空気中に含まれるアルゴンなどが系内に供給されるため、その供給されるガス量の増分に見合う量を、予め余剰ガスとして系外に排出するための装置である。余剰ガス排出器24から排出される余剰ガス量は、燃焼ガス量全体のおよそ1%程度である。
The
吸着式二酸化炭素除去装置25は、エンジン10から排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段であって、所謂PSA(Pressure Swing Adsorption)法などの方法によって空気中の二酸化炭素を除去する装置である。この吸着式二酸化炭素除去装置25は、ガス環状路20の余剰ガス排出器24の下流側に配置されており、余剰ガス排出器24から系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスが供給されるようになっている。
The adsorption-type carbon
吸着式酸素供給装置26は、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段であって、上記吸着式二酸化炭素除去装置25と同様に、PSA法などの方法によって系外の空気中から酸素およびアルゴンを吸着分離し、この分離した酸素およびアルゴンを系内に供給する装置である。この吸着式O2供給装置26は、系外の空気を取り込み可能に構成されており、吸着式CO2除去装置25よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するようになっている。また、この吸着式O2供給装置26には、ガス環状路20を流れる燃焼ガスは流入しないようになっている。
The adsorption-type
これら吸着式二酸化炭素除去装置25および吸着式酸素供給装置26は、吸着剤が充填された吸着槽をそれぞれ備えている。
吸着式二酸化炭素除去装置25にあっては、エンジン10から排出される燃焼ガスが上記吸着槽に送り込まれる。そして、吸着槽内において燃焼ガスの圧力を変動させることで燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤に吸着して分離する。
また、吸着式酸素供給装置26にあっては、系外から取り込んだ空気が上記吸着槽に送り込まれる。そして、吸着槽内において燃焼ガスの圧力を変動させることで空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させ、空気中から酸素およびアルゴンを分離する。
Each of the adsorption-type carbon
In the adsorption-type carbon
Further, in the adsorption
なお、これら吸着式二酸化炭素除去装置25および吸着式酸素供給装置26は、PSA法による装置、すなわち、吸着槽内の圧力を変動させることで対象ガスを吸着分離する方法には限定されず、吸着槽内の温度を変動させることで対象ガスを吸着分離するTSA(Thermal Swing Adsorption)法や、吸着槽内の温度および圧力を変動させることで対象ガスを吸着分離するPTSA(Pressure and Thermal Swing Adsorption)法などによる装置であってもよい。
The adsorption-type carbon
これら吸着式二酸化炭素除去装置25および吸着式酸素供給装置26としては、PSA法、TSA法、PTSA法による装置として公知なものを利用することができる。
As these adsorption-type carbon
制御装置30は、エンジンコントロールユニットなどのコンピュータによって構成されており、CPU(中央演算処理装置)、メモリ、出入力装置等からなる。そして、バルブ開閉タイミングに関する作動信号を送信することで、上述したエンジン10の給気弁13および排気弁14の作動タイミングを制御することができるように構成されている。
The
このように構成される本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム1Aによれば、上述したように、系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給装置26(酸素供給手段)を備えるとともに、エンジン10から排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去装置25(二酸化炭素除去手段)を備えている。このため、系内を循環するガス中の酸素およびアルゴンを一定の濃度以上に維持しつつエンジン10から排出される二酸化炭素を系外に排出できるため、燃焼時に二酸化炭素が発生する重油や天然ガスなどの炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジン10において、本エンジンシステム1Aを好適に適用でき、エンジン10の熱効率を大幅に向上させることができる。
According to the working gas
また、アルゴンを作動ガスとして利用する上記エンジンシステム1Aによれば、高負荷時だけでなく低負荷時においても熱効率が向上する。この点、過給機によって排ガスエネルギーをタービン発電機などで回収する方法だと低負荷時において効果的に熱効率を向上させることができず、本システム1Aはこの点においても高い優位性を備えている。
Further, according to the
また、アルゴンを作動ガスとして循環利用するため、排気ガスが殆ど排出されない他、エンジン10の燃焼時に殆どNOxが発生しないとの利点がある。
また、二酸化炭素除去手段として吸着式二酸化炭素除去装置25を採用することで、二酸化炭素に随伴して窒素も分離することができる。このため系内を循環するアルゴンの濃度を高めることができ、本エンジンシステム1Aの熱効率をより高めることができる。
Further, since argon is circulated and used as a working gas, there are advantages that almost no exhaust gas is emitted and that almost no NOx is generated during combustion of the
Further, by employing the adsorption-type carbon
本発明の一実施形態では、上述したように、二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、それぞれ別体に構成された別々の装置からなる。すなわち、上記二酸化炭素除去手段は、エンジン10から排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式CO2除去装置25からなり、上記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、空気中の酸素およびアルゴンを吸着剤で吸着分離して系内に供給するように構成された吸着式O2供給装置26からなる。
このような本発明の一実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を、それぞれ吸着式CO2除去装置25および吸着式O2供給装置26によって構成することで、熱効率性に優れる上述の本エンジンシステム1Aを実現することができる。
In one embodiment of the present invention, as described above, the carbon dioxide removal means and the oxygen supply means are composed of separate devices configured separately from each other. That is, the carbon dioxide removing means adsorbs and separates carbon dioxide in the combustion gas with an adsorbent in an atmosphere in which at least one of the pressure and temperature of the combustion gas discharged from the
According to such an embodiment of the present invention, the carbon dioxide removing means and the oxygen supplying means described above are constituted by the adsorption CO 2 removal device 25 and the adsorption O 2 supply device 26, respectively, thereby improving the thermal efficiency. The above-described
幾つかの実施形態では、上述したように、上記吸着式O2供給装置26は、吸着式CO2除去装置25よりも下流側の系内に酸素およびアルゴンを供給するように構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式CO2除去装置25よりも上流側の系内に酸素およびアルゴンを供給する場合と比べて、吸着式CO2除去装置25に供給されるガス流量を少なくすることができるため、その分だけ吸着式CO2除去装置を小さくすることができる。
In some embodiments, as described above, the adsorption-type O 2 supply device 26 is configured to supply oxygen and argon into the system downstream of the adsorption-type CO 2 removal device 25.
According to this embodiment, as compared with the case of supplying oxygen and argon on the upstream side of the system than the adsorption CO 2 removing device 25, reducing the flow rate of the gas supplied to the adsorption type CO 2 remover 25 Therefore, the adsorption-type CO 2 removal device can be made smaller by that amount.
幾つかの実施形態では、上述したように、上記吸着式CO2除去装置25は、余剰ガス排出器24の下流側に配置され、余剰ガス排出器24にて系外に排出された一部の燃焼ガスを除く残余の燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
このような実施形態によれば、吸着式CO2除去装置25が余剰ガス排出器24の上流側に配置されている場合と比べて、余剰ガス排出器24から系外に余剰ガスが排出される分だけ吸着式CO2除去装置25に供給されるガス流量を少なくすることができ、その分だけ吸着式CO2除去装置25を小さくすることが可能となる。
In some embodiments, as described above, the adsorption-type CO 2 removal device 25 is disposed on the downstream side of the
According to such an embodiment, surplus gas is discharged out of the system from the
幾つかの実施形態では、上記吸着式CO2除去装置を迂回するバイパス路が分岐するとともに、このバイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されている。
また幾つかの実施形態では、上記エンジンの上流には、吸着式O2供給装置を介さずに系外の空気を系内に供給するための給気手段が設けられている。
In some embodiments, a bypass path that bypasses the adsorption-type CO 2 removal device is branched, and a flow rate control valve for controlling the flow rate of gas flowing through the bypass path is disposed.
In some embodiments, an air supply means for supplying air outside the system into the system without using an adsorption O 2 supply device is provided upstream of the engine.
幾つかの実施形態では、図1に示すように、エンジンシステム1Aは、タービン32、タービン32と同軸上に配置されたコンプレッサ32b、およびタービン32とコンプレッサ32bとを連結するロータ32cからなる過給機32をさらに備えている。
タービン32aはエンジン10の下流に配置され、コンプレッサ32bは吸着式酸素供給装置26から系内に酸素およびアルゴンが供給される地点よりも下流側に配置されている。エンジン10から排出される燃焼ガスによってタービン32aが駆動すると、これに伴ってコンプレッサ32bが同軸駆動する。そして、コンプレッサ32bによって、吸着式酸素供給装置26から系内に供給された酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮し、これを給気ガスとしてエンジン10へと供給する。また、コンプレッサ32bの下流には、エンジン10に供給される給気ガスを冷却するためのインタークーラ34が配置されている。
In some embodiments, as shown in FIG. 1, the
The
このように、本エンジンシステム1Aが過給機32を備えていれば、排ガスエネルギーによってコンプレッサ32bを駆動し、エンジン10に供給する酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮することで、エンジンシステム1A全体の熱効率をより一層向上させることができる。
As described above, if the
幾つかの実施形態では、上述したように、エンジン10の給気ポート13aを開閉するための給気弁13と、給気弁13の作動タイミングを制御する制御装置30と、をさらに備える。そして、この制御装置30は、給気弁13を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成されている。
このように、本エンジンシステム1Aのエンジン10は、給気弁13を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比が低下するように構成された、所謂ミラーサイクルエンジンとして構成される。このような実施形態によれば、エンジン10の筒内圧力を低下させることが出来るため、アルゴンを作動ガスとして利用した場合においても、例えば筒内圧力を定格圧力以下とすること等も可能となる。
In some embodiments, as described above, the
As described above, the
この際、通常のミラーサイクルエンジンでは、給気ガス量の減少に伴って酸素過剰率が低下してエンジン出力も低下するとの問題があるが、本エンジンシステム1Aは上述した吸着式O2供給装置(酸素供給手段)を備えており、この吸着式O2供給装置によって酸素過剰率を調整可能に構成されている。したがって、本エンジンシステム1Aにおいては、酸素過剰率を適宜調整することでエンジン出力の低下を回避することができるようになっている。
At this time, in the normal mirror cycle engine, there is a problem that the oxygen excess rate decreases and the engine output also decreases as the amount of supplied gas decreases, but this
図2は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム1Bの概略的な構成を示すブロック図である。
この図2に示したエンジンシステム1Bは、上述したエンジンシステム1Aに対し、余剰ガス排出器24の下流側に吸着式CO2除去装置25を迂回するバイパス路35が分岐するとともに、このバイパス路35を流れるガス流量を制御するための流量制御弁36が配置されている点、並びに、エンジン10の上流に吸着式O2供給装置26を介さずに系外の空気をエンジン10に供給するための給気手段38が設けられている点、が異なっている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a working gas
In the
ここで、給気手段38の設置位置は、吸着式酸素製造器26を介さずに系外の空気をエンジン10に供給することができる位置であればよく、特に限定されるものではないが、ガス循環路20内の圧力が低い方が空気を供給する上で有利であるので、コンプレッサ32bよりも上流側とするのが好ましい。
また、吸着式CO2除去装置25よりも下流側とする方が、吸着式CO2除去装置25に供給されるガス流路を少なくできるため、好ましい。
Here, the installation position of the air supply means 38 is not particularly limited as long as it is a position where air outside the system can be supplied to the
Also, the better to the downstream side of the adsorption type CO 2 removing device 25, it is possible to reduce the gas flow path to be supplied to the adsorption type CO 2 removing device 25, preferably.
エンジン10に供給されるガス(給気ガス)のアルゴン濃度が高まると、燃焼時の筒内圧力や筒内温度が高まり、エンジン10の熱効率も向上するが、その反面、筒内圧力や筒内温度が高まり過ぎると、エンジン10の構造面において問題が生じてくる。このため、実用上はエンジン10に供給するガスのアルゴン濃度を適当な範囲に制御する必要がある。
Increasing the argon concentration of the gas (supply gas) supplied to the
このような課題に対し、上記エンジンシステム1Bによれば、流量制御弁36の弁開度を調節して吸着式CO2除去装置25に取り込まれる燃焼ガスの流量を制御することや、給気手段38によって吸着式O2供給装置26を介さずに系外の空気をエンジン10に供給することで、供給ガスのアルゴン濃度を制御することが可能となる。
For such a problem, according to the
図3は、一実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステム1Cの概略的な構成を示すブロック図である。
この図3に示したエンジンシステム1Cでは、上述した吸着式CO2除去装置25および吸着式O2供給装置26の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、供給ガスから対象成分を吸着分離するTSA法又はPTSA法による装置として構成されている。また、本エンジンシステム1Cは、上述したエンジンシステム1Aに対して、天然ガスなどの燃料ガスを液化状態で貯蔵するための液化燃料タンク42と、液化状態にある燃料ガスを熱媒体と熱交換することで気化する熱交換器44と、熱交換器44と吸着式CO2除去装置25との間に熱媒体を循環させるための熱媒体循環路46と、をさらに備えている点が異なっている。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a working gas
In the
そして、熱交換器44において熱交換されて冷却された熱媒体が吸着式CO2除去装置25に供給されると、吸着式CO2除去装置25に供給された供給ガス(余剰ガス排出器24から供給された燃焼ガス)が冷却されるように構成されている。すなわち、本エンジンシステム1Cは、液化状態の燃料ガスを、吸着式CO2除去装置25に供給される供給ガスの温度を変動させるための冷却熱源として利用するように構成されている。このように構成することで、吸着式CO2除去装置25の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステム1Cの熱効率をさらに向上させることができるようになっている。
When the heat medium cooled by the heat exchange in the
また、本エンジンシステム1Cは、上述したエンジンシステム1Aに対して、インタークーラ34と吸着式O2供給装置26との間に熱媒体を循環させるための第2熱媒体循環路48をさらに備えている点が異なっている。
インタークーラ34では、コンプレッサ32bによって圧縮され高温になった給気ガスと、冷却水などの熱媒体とが熱交換される。そして、熱交換によって加熱された熱媒体が吸着式O2供給装置26に供給されることで、吸着式O2供給装置26に供給される供給ガス(系外の空気)が加熱されるように構成されている。すなわち、本エンジンシステム1Cは、エンジン10から排出される燃焼ガスのエネルギーを、吸着式O2供給装置26に供給される供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用するように構成されている。
The
In the
また、本エンジンシステム1Cは、上述したエンジンシステム1Aに対して、タービン32aと凝縮器22との間に、エンジン10から排出される燃焼ガスを冷却するための空気冷却器37と、空気冷却器37と吸着式CO2除去装置25との間に熱媒体を循環させるための第3熱媒体循環路50をさらに備えている点が異なっている。
空気冷却器37では、エンジン10から排出される燃焼ガスと冷却水などの熱媒体とが熱交換される。そして、熱交換によって加熱された熱媒体が吸着式CO2除去装置25に供給されることで、吸着式CO2除去装置25に供給された供給ガス(余剰ガス排出器24から供給された燃焼ガス)が加熱されるように構成されている。
Further, the
In the
このような本実施形態の本エンジンシステム1Cでは、エンジン10から排出される燃焼ガスのエネルギーを、吸着式O2供給装置26に供給される供給ガスの温度を変動させるためのエネルギーとして利用することで、吸着式O2供給装置26の作動効率を高めることができるため、本エンジンシステム1Cの熱効率をさらに向上させることができるようになっている。
In the
なお、上述した液化状態の燃料ガス及び燃焼ガスのエネルギーの利用形態は、図3に示した態様には限定されず、種々の変更が可能であることは勿論である。また例えば、凝縮器22において熱媒体を介して回収した燃焼ガスの熱エネルギーを、吸着式CO2除去装置25又は吸着式O2供給装置26に供給するように構成することも可能である。
In addition, the utilization form of the energy of the liquefied fuel gas and the combustion gas described above is not limited to the aspect shown in FIG. 3, and it is needless to say that various changes can be made. Further, for example, the heat energy of the combustion gas recovered through the heat medium in the
また本発明の他の実施形態では、図4〜図6に示すように、上記二酸化炭素除去手段および酸素供給手段は、一体に構成された1つの吸着式CO2除去/O2供給装置27からなる。この吸着式CO2除去/O2供給装置27は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するように構成されている。また、この吸着式CO2除去/O2供給装置27は、ガス循環路20の余剰ガス排出器24の下流側に配置されており、上述したエンジン10から排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されている。
なお、図4は上述した実施形態の図1に、図5は上述した実施形態の図2に、図6は上述した実施形態の図3にそれぞれ対応している。
In another embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 4 to 6, the carbon dioxide removal means and the oxygen supply means are provided from one adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device 27 configured integrally. Become. This adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device 27 is a system in which nitrogen and carbon dioxide in the air taken from outside the system are adsorbed and separated by an adsorbent in an atmosphere in which at least one of pressure and temperature varies. The system is configured to discharge outside and supply a gas containing the remaining oxygen and argon into the system. Further, the adsorption type CO 2 removal / O 2 supply device 27 is arranged on the downstream side of the
4 corresponds to FIG. 1 of the above embodiment, FIG. 5 corresponds to FIG. 2 of the above embodiment, and FIG. 6 corresponds to FIG. 3 of the above embodiment.
このような本発明の他の実施形態によれば、上述した二酸化炭素除去手段および酸素供給手段を1つの吸着式CO2除去/O2供給装置27によって構成することで、本エンジンシステム1D〜1Fを簡素な構成で実現することができる。
According to such another embodiment of the present invention, the above-described
また、幾つかの実施形態では、エンジン10は、燃料噴射弁16から燃焼室15内に直接燃料を噴射するように構成された直噴式エンジンとすることができる。
このように、本エンジンシステム1A〜1Fにおけるエンジン10を直噴式エンジンとして構成することで、予混合方式エンジンの場合に懸念されるノッキングや過早着火の問題を回避することが可能となる。
In some embodiments, the
As described above, by configuring the
また、幾つかの実施形態では、エンジン10は、炭素数が1〜4の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを使用するガスエンジン10であって、燃焼室15において燃料ガスを圧縮して自己着火させる自着火式ガスエンジンとして構成することができる。
上述したように、作動ガスとしてアルゴンを利用することで筒内圧力や筒内温度が高まるため、例えば、メタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)などの炭素数が1〜4の炭化水素ガスを主成分とする燃料ガスを利用した場合においても自着火させることができる。このため、パイロット燃料としての燃料油やスパークプラグなどの点火源を用いることのない自着火式ガスエンジンとして構成することができ、熱効率をより一層高めることが可能となる。
Further, in some embodiments, the
As described above, the use of argon as the working gas increases the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature. For example, methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane Even when a fuel gas mainly composed of a hydrocarbon gas having 1 to 4 carbon atoms such as (C 4 H 10 ) is used, self-ignition can be performed. For this reason, it can comprise as a self-ignition type gas engine which does not use ignition sources, such as fuel oil and a spark plug as pilot fuel, and it becomes possible to raise thermal efficiency further.
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various improvement and deformation | transformation may be performed.
本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムは、種々のエンジンシステム、例えば、船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンのエンジンシステムに好適に用いられる。 The working gas circulation engine system according to at least one embodiment of the present invention is suitably used in various engine systems, for example, an engine system of a marine main engine for imparting propulsive force to a ship.
1A〜1F エンジンシステム
10 エンジン
11 シリンダ
12 ピストン
13 給気弁
13a 給気ポート
14 排気弁
14a 排気ポート
15 燃焼室
16 燃料噴射弁
17 燃料供給器
18 クランク軸
19 コンロッド
20 ガス循環路
22 凝縮器
24 余剰ガス排出器
25 吸着式CO2除去装置(二酸化炭素除去手段)
26 吸着式O2供給装置(酸素供給手段)
27 吸着式CO2除去装置/O2供給装置(二酸化炭素除去手段/酸素供給手段)
30 ECU(制御装置)
32 過給機
32a タービン
32b コンプレッサ
32c ロータ
34 インタークーラ
35 バイパス路
36 流量制御弁
37 空気冷却器
38 給気手段
42 液化燃料タンク
44 熱交換器
46 熱媒体循環路
48 第2熱媒体循環路
50 第3熱媒体循環路
1A to
26 Adsorption O 2 supply device (oxygen supply means)
27 Adsorption-type CO 2 removal device / O 2 supply device (carbon dioxide removal means / oxygen supply means)
30 ECU (control device)
32
Claims (14)
炭素を含む燃料を使用燃料とするエンジンと、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の水分を除去するための凝縮器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガスの一部を系外に排出するための余剰ガス排出器と、
前記エンジンから排出される燃焼ガス中の二酸化炭素を系外に排出するための二酸化炭素除去手段と、
系外の空気中に含まれる酸素およびアルゴンを系内に供給するための酸素供給手段と、
を備え、
前記二酸化炭素除去手段を迂回するバイパス路が分岐するとともに、該バイパス路を流れるガス流量を制御するための流量制御弁が配置されていることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。 In a working gas circulation engine system in which working gas containing argon circulates in the system from the exhaust part to the supply part of the engine,
An engine that uses carbon-containing fuel as fuel,
A condenser for removing moisture in the combustion gas discharged from the engine;
A surplus gas discharger for discharging a part of the combustion gas discharged from the engine out of the system;
Carbon dioxide removal means for discharging carbon dioxide in the combustion gas discharged from the engine out of the system,
Oxygen supply means for supplying oxygen and argon contained in air outside the system into the system;
Equipped with a,
A working gas circulation engine system, characterized in that a bypass passage that bypasses the carbon dioxide removing means branches and a flow rate control valve for controlling a flow rate of gas flowing through the bypass passage is disposed .
前記二酸化炭素除去手段は、前記エンジンから排出される燃焼ガスの圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、前記燃焼ガス中の二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出するように構成された吸着式CO2除去装置からなり、
前記酸素供給手段は、系外から取り込んだ空気の圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、前記空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤に吸着させることで空気中から酸素およびアルゴンを分離し、該分離した酸素およびアルゴンを系内に供給するように構成された吸着式O2供給装置からなることを特徴とする請求項1に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 The carbon dioxide removal means and the oxygen supply means are composed of separate apparatuses configured separately from each other,
The carbon dioxide removing means adsorbs and separates carbon dioxide in the combustion gas with an adsorbent and discharges it outside the system in an atmosphere in which at least one of the pressure and temperature of the combustion gas discharged from the engine fluctuates. Comprising an adsorption-type CO 2 removal device configured to
The oxygen supply means is configured to adsorb nitrogen and carbon dioxide in the air to the adsorbent in an atmosphere in which at least one of pressure and temperature of air taken from outside the system fluctuates, so that oxygen and argon are extracted from the air. The working gas circulation engine system according to claim 1, further comprising an adsorption type O 2 supply device configured to supply the separated oxygen and argon into the system.
前記空気冷却器において前記燃焼ガスと熱交換された熱媒体を前記供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されていることを特徴とする請求項6に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 An air cooler for cooling the combustion gas discharged from the engine;
The working gas circulation type according to claim 6 , wherein the heat medium exchanged with the combustion gas in the air cooler can be used as a heat source for changing the temperature of the supply gas. Engine system.
前記吸着式CO2除去装置および前記吸着式O2供給装置の少なくともいずれか一方は、該装置に供給される供給ガスの温度が変動する雰囲気下において、前記供給ガスから対象成分を吸着分離するように構成されるとともに、前記液化状態の燃料ガスを、前記供給ガスの温度を変動させるための熱源として利用可能に構成されていることを特徴とする請求項2乃至7の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 A liquefied fuel tank for storing the fuel gas supplied to the engine in a liquefied state;
At least one of the adsorption-type CO 2 removal device and the adsorption-type O 2 supply device adsorbs and separates the target component from the supply gas in an atmosphere in which the temperature of the supply gas supplied to the device varies. while being configured to, according to the fuel gas in the liquefied state, to any one of claims 2 to 7, characterized in that it is configured to be utilized as a heat source for varying the temperature of the feed gas Working gas circulation engine system.
前記吸着式CO2除去/O2供給装置は、圧力および温度の少なくともいずれか一方が変動する雰囲気下において、系外から取り込んだ空気中の窒素および二酸化炭素を吸着剤で吸着分離して系外に排出し、残余の酸素およびアルゴンを含む気体を系内に供給するとともに、前記エンジンから排出される燃焼ガスを取り込み可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 The carbon dioxide removal means and the oxygen supply means are composed of one adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device configured integrally,
The adsorption-type CO 2 removal / O 2 supply device is configured to adsorb and separate nitrogen and carbon dioxide in the air taken from outside the system with an adsorbent in an atmosphere in which at least one of pressure and temperature varies. The working gas circulation according to claim 1, wherein a gas containing residual oxygen and argon is supplied into the system, and combustion gas discharged from the engine can be taken in. Type engine system.
前記制御装置は、前記給気弁を下死点よりも遅らせて閉弁するように制御することで膨張比よりも圧縮比を低下させるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 An air supply valve for opening and closing the air supply port of the engine, and a control device for controlling the operation timing of the air supply valve,
2. The control device according to claim 1, wherein the control device is configured to lower the compression ratio than the expansion ratio by controlling the air supply valve to close after being delayed from the bottom dead center. 9 working gas circulation engine system according to any one of.
前記タービンと同軸に配置され、前記エンジンに供給される酸素およびアルゴンを含む気体を圧縮するコンプレッサと、を有する過給機をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。 A turbine driven by combustion gas discharged from the engine;
It is disposed in the turbine and coaxial to any one of claims 1 to 10, further comprising a turbocharger having a compressor for compressing a gas containing oxygen and argon is supplied to the engine The working gas circulation engine system described.
The working gas circulation engine system according to any one of claims 1 to 13 , wherein the engine is configured as a marine main engine for applying a propulsive force to a marine vessel.
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