JPH10299574A - 排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン - Google Patents
排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジンInfo
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- JPH10299574A JPH10299574A JP9118658A JP11865897A JPH10299574A JP H10299574 A JPH10299574 A JP H10299574A JP 9118658 A JP9118658 A JP 9118658A JP 11865897 A JP11865897 A JP 11865897A JP H10299574 A JPH10299574 A JP H10299574A
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- F02F7/0087—Ceramic materials
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
- F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
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- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、排気通路に配置した一対の熱交換
器によって発生させた蒸気で蒸気タービンとコンプレッ
サを駆動して排気ガスの熱エネルギを回収するセラミッ
クエンジンを提供する。 【解決手段】 セラミックエンジン１は、燃焼室１３か
らの排気ガスＧの熱エネルギで蒸気を加熱する高温熱交
換器２、高温熱交換器２の後流の排気通路８に設けられ
た低温熱交換器３、高温熱交換器２からの高温蒸気ＨＳ
によって駆動される蒸気タービン７とコンプレッサ６を
備えた蒸気タービン式過給機４、及び蒸気タービン７か
ら排出される流体Ｆを水Ｗと低温蒸気ＬＳに分離するコ
ンデンサ５から構成されている。コンプレッサ６からの
加圧空気ＰＡは、燃焼室１３に供給され、吸入行程中に
ピストン１４を押し下げてコンプレッサ仕事をする。
器によって発生させた蒸気で蒸気タービンとコンプレッ
サを駆動して排気ガスの熱エネルギを回収するセラミッ
クエンジンを提供する。 【解決手段】 セラミックエンジン１は、燃焼室１３か
らの排気ガスＧの熱エネルギで蒸気を加熱する高温熱交
換器２、高温熱交換器２の後流の排気通路８に設けられ
た低温熱交換器３、高温熱交換器２からの高温蒸気ＨＳ
によって駆動される蒸気タービン７とコンプレッサ６を
備えた蒸気タービン式過給機４、及び蒸気タービン７か
ら排出される流体Ｆを水Ｗと低温蒸気ＬＳに分離するコ
ンデンサ５から構成されている。コンプレッサ６からの
加圧空気ＰＡは、燃焼室１３に供給され、吸入行程中に
ピストン１４を押し下げてコンプレッサ仕事をする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、燃焼室からの排
気ガスを排出する排気通路に熱交換器を設けて排気ガス
の排気熱エネルギを回収し、その排気熱回収エネルギで
コンプレッサを駆動するセラミックエンジンに関する。
気ガスを排出する排気通路に熱交換器を設けて排気ガス
の排気熱エネルギを回収し、その排気熱回収エネルギで
コンプレッサを駆動するセラミックエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ターボチャージャを備えた遮熱型
エンジンは、排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し、該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置が設置している。該遮熱型エンジンでは、燃焼室
が遮熱構造に構成され、燃焼室から排出される排気ガス
の熱エネルギがターボチャージャやエネルギ回収装置に
よって電力として回収されたり、ターボチャージャのコ
ンプレッサの駆動によって過給することによって回収さ
れている。
エンジンは、排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し、該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置が設置している。該遮熱型エンジンでは、燃焼室
が遮熱構造に構成され、燃焼室から排出される排気ガス
の熱エネルギがターボチャージャやエネルギ回収装置に
よって電力として回収されたり、ターボチャージャのコ
ンプレッサの駆動によって過給することによって回収さ
れている。
【０００３】また、上記のような遮熱型エンジンに対し
て排気ガスエネルギの回収効率を低減させないようなエ
ネルギ回収システムとして、特開平５−１７９９７２号
に開示されたものがある。該エネルギ回収システムは、
排気通路に設けた第１タービンと該第１タービンで作動
される発電機を備えたエネルギ回収装置、第１タービン
の出口側通路に連結された第２タービンと該第２タービ
ンによって作動される過給用のコンプレッサを備えたタ
ーボチャージャ、及び第１タービンの出口側通路に設置
されたウエィストゲートを有する。排気ガスの高温時に
エネルギ回収装置でエネルギ回収を行うので、エネルギ
回収が有効に行われる。
て排気ガスエネルギの回収効率を低減させないようなエ
ネルギ回収システムとして、特開平５−１７９９７２号
に開示されたものがある。該エネルギ回収システムは、
排気通路に設けた第１タービンと該第１タービンで作動
される発電機を備えたエネルギ回収装置、第１タービン
の出口側通路に連結された第２タービンと該第２タービ
ンによって作動される過給用のコンプレッサを備えたタ
ーボチャージャ、及び第１タービンの出口側通路に設置
されたウエィストゲートを有する。排気ガスの高温時に
エネルギ回収装置でエネルギ回収を行うので、エネルギ
回収が有効に行われる。
【０００４】また、コジェネレーションシステムでは、
動力を発電機で電気エネルギとして取り出し、排気ガス
が有する熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器
で水を加熱して温水にして給湯用として利用している。
このようなコジェネレーションシステムは、定格運転さ
れて負荷変動が小さく、都市部や山間地等で電力供給シ
ステムとして利用されることが期待されている。
動力を発電機で電気エネルギとして取り出し、排気ガス
が有する熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器
で水を加熱して温水にして給湯用として利用している。
このようなコジェネレーションシステムは、定格運転さ
れて負荷変動が小さく、都市部や山間地等で電力供給シ
ステムとして利用されることが期待されている。
【０００５】上記のようなコージェネレーションシステ
ムとして、特開平６−３３７０７号公報に開示されたも
のがある。該コージェネレーション型エンジンは、排気
ガスエネルギで蒸気を発生させ、該蒸気エネルギを電気
エネルギとして回収して熱効率を向上させたものであ
り、遮熱型ガスエンジンの排気ガスエネルギによってタ
ーボチャージャを駆動し、該ターボチャージャからの排
気ガスエネルギで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆
動する。エネルギ回収装置からの排気ガスの熱エネルギ
を第１熱交換器で蒸気に変換し、該蒸気によって蒸気タ
ービンを駆動して電気エネルギとして回収する。更に、
第２熱交換器によって蒸気タービンからの高温の蒸気で
温水を発生させ、該温水を給湯用に利用する。
ムとして、特開平６−３３７０７号公報に開示されたも
のがある。該コージェネレーション型エンジンは、排気
ガスエネルギで蒸気を発生させ、該蒸気エネルギを電気
エネルギとして回収して熱効率を向上させたものであ
り、遮熱型ガスエンジンの排気ガスエネルギによってタ
ーボチャージャを駆動し、該ターボチャージャからの排
気ガスエネルギで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆
動する。エネルギ回収装置からの排気ガスの熱エネルギ
を第１熱交換器で蒸気に変換し、該蒸気によって蒸気タ
ービンを駆動して電気エネルギとして回収する。更に、
第２熱交換器によって蒸気タービンからの高温の蒸気で
温水を発生させ、該温水を給湯用に利用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような遮熱形エンジンでは、燃焼室を遮熱構造に構成
し、ターボチャージャとエネルギ回収タービンとを直列
に配置しており、ピストンの排気行程に大きな背圧(exh
aust back pressure) 即ち排気の吐き出しに対向する圧
力がかかり、即ち、排気ガスに吐き出し圧力が必要であ
り、マイナス（負）の仕事を強いられる。例えば、遮熱
形エンジンでは、ターボチャージャとエネルギ回収ター
ビンでの圧力比がそれぞれ２であり、エネルギ回収ター
ビンの出口部が大気圧であるとすると、エンジンの燃焼
室の出口の背圧は、２×２＝４（ｋｇ／ｃｍ2 ）に達
し、その背圧４ｋｇ／ｃｍ2 がピストンの排気行程で負
の仕事になって損失になる。しかしながら、燃焼室から
排出される排気ガスは、圧力のみでなく、熱エネルギを
有しているので、排気ガスから熱エネルギを有効に回収
することを考慮する必要がある。
ような遮熱形エンジンでは、燃焼室を遮熱構造に構成
し、ターボチャージャとエネルギ回収タービンとを直列
に配置しており、ピストンの排気行程に大きな背圧(exh
aust back pressure) 即ち排気の吐き出しに対向する圧
力がかかり、即ち、排気ガスに吐き出し圧力が必要であ
り、マイナス（負）の仕事を強いられる。例えば、遮熱
形エンジンでは、ターボチャージャとエネルギ回収ター
ビンでの圧力比がそれぞれ２であり、エネルギ回収ター
ビンの出口部が大気圧であるとすると、エンジンの燃焼
室の出口の背圧は、２×２＝４（ｋｇ／ｃｍ2 ）に達
し、その背圧４ｋｇ／ｃｍ2 がピストンの排気行程で負
の仕事になって損失になる。しかしながら、燃焼室から
排出される排気ガスは、圧力のみでなく、熱エネルギを
有しているので、排気ガスから熱エネルギを有効に回収
することを考慮する必要がある。
【０００７】一方、ターボチャージャでは、タービン側
効率が８０％であり、コンプレッサ側効率が８０％であ
るとすると、タービンとコンプレッサとによる回収効率
は０．８×０．８＝０．６４（＝６４％）である。ま
た、エネルギ回収側のタービン効率が０．８で、変換効
率が０．８５であるとすると、トータルで０．６８にな
る。この効率を考慮すると、ターボチャージャでは、排
気ガスの温度が高いので熱エネルギが高く、排気熱エネ
ルギの仕事変換率を２倍とすると、吸気側に回収される
回収エネルギは、２×２×０．６４＝２．５６（ｋｇ／
ｃｍ2 ）であるが、背圧によって２ｋｇ／ｃｍ2 が負の
仕事になって消費されるので、ターボチャージャの回収
エネルギの利得は、２．５６−２＝０．５６（ｋｇ／ｃ
ｍ2 ）である。
効率が８０％であり、コンプレッサ側効率が８０％であ
るとすると、タービンとコンプレッサとによる回収効率
は０．８×０．８＝０．６４（＝６４％）である。ま
た、エネルギ回収側のタービン効率が０．８で、変換効
率が０．８５であるとすると、トータルで０．６８にな
る。この効率を考慮すると、ターボチャージャでは、排
気ガスの温度が高いので熱エネルギが高く、排気熱エネ
ルギの仕事変換率を２倍とすると、吸気側に回収される
回収エネルギは、２×２×０．６４＝２．５６（ｋｇ／
ｃｍ2 ）であるが、背圧によって２ｋｇ／ｃｍ2 が負の
仕事になって消費されるので、ターボチャージャの回収
エネルギの利得は、２．５６−２＝０．５６（ｋｇ／ｃ
ｍ2 ）である。
【０００８】また、エネルギ回収タービンでは、熱エネ
ルギの動力変換分を含め、その効率を２倍であるとする
と、回収エネルギは、２×２×０．６８＝２．７２（ｋ
ｇ／ｃｍ2 ）であるが、背圧によって２ｋｇ／ｃｍ2 が
負の仕事になって消費されるので、エネルギ回収タービ
ンの回収エネルギの利得は、２．７２−２＝０．７２
（ｋｇ／ｃｍ2 ）である。従って、ターボチャージャと
エネルギ回収タービンによる総合の回収エネルギの利得
は、０．５６＋０．７２＝１．２８（ｋｇ／ｃｍ2 ）に
なる。それ故に、背圧による損失は、ターボチャージャ
による吸気ブーストやエネルギ回収効率を考慮しても大
きな値になる。
ルギの動力変換分を含め、その効率を２倍であるとする
と、回収エネルギは、２×２×０．６８＝２．７２（ｋ
ｇ／ｃｍ2 ）であるが、背圧によって２ｋｇ／ｃｍ2 が
負の仕事になって消費されるので、エネルギ回収タービ
ンの回収エネルギの利得は、２．７２−２＝０．７２
（ｋｇ／ｃｍ2 ）である。従って、ターボチャージャと
エネルギ回収タービンによる総合の回収エネルギの利得
は、０．５６＋０．７２＝１．２８（ｋｇ／ｃｍ2 ）に
なる。それ故に、背圧による損失は、ターボチャージャ
による吸気ブーストやエネルギ回収効率を考慮しても大
きな値になる。
【０００９】即ち、図３のＰＶ線図で参照すると、次の
とおりである。図３のＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示すよう
に、従来のターボチャージャやエネルギ回収タービンを
備えたエンジンでは、排気行程の開始ＥＳで排気弁が開
放してブローダウンＢＤし、排気ガスが排気行程の終端
ＥＴまで排気通路へ排出される。排気ガスが有する圧力
と熱のエネルギＰＨＳ（５．２ｋｇ／ｃｍ2 ）は、ター
ボチャージャとエネルギ回収タービンでタービン仕事と
して回収される。しかしながら、排気行程の開始ＥＳか
ら排気行程の終端ＥＴまでは排気ガスを押し出し、ま
た、吸入行程開始ＩＳから吸入行程終端ＩＴまでは燃焼
室へ吸気を吸い込むため、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳの部分
が負の仕事として作用する。
とおりである。図３のＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示すよう
に、従来のターボチャージャやエネルギ回収タービンを
備えたエンジンでは、排気行程の開始ＥＳで排気弁が開
放してブローダウンＢＤし、排気ガスが排気行程の終端
ＥＴまで排気通路へ排出される。排気ガスが有する圧力
と熱のエネルギＰＨＳ（５．２ｋｇ／ｃｍ2 ）は、ター
ボチャージャとエネルギ回収タービンでタービン仕事と
して回収される。しかしながら、排気行程の開始ＥＳか
ら排気行程の終端ＥＴまでは排気ガスを押し出し、ま
た、吸入行程開始ＩＳから吸入行程終端ＩＴまでは燃焼
室へ吸気を吸い込むため、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳの部分
が負の仕事として作用する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は、燃焼
室から排出される排気ガスの熱エネルギを排気通路に直
列に配置された一対の熱交換器によって高温蒸気を発生
させて蒸気圧として回収し、該蒸気圧によって蒸気ター
ビン式過給機のコンプレッサを駆動して加圧空気を生成
し、該加圧空気を吸入行程において燃焼室に供給してピ
ストンにコンプレッサ仕事をさせ、排気ガスが有する熱
エネルギを有効に回収して熱効率をアップする排気熱回
収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジ
ンを提供することである。
室から排出される排気ガスの熱エネルギを排気通路に直
列に配置された一対の熱交換器によって高温蒸気を発生
させて蒸気圧として回収し、該蒸気圧によって蒸気ター
ビン式過給機のコンプレッサを駆動して加圧空気を生成
し、該加圧空気を吸入行程において燃焼室に供給してピ
ストンにコンプレッサ仕事をさせ、排気ガスが有する熱
エネルギを有効に回収して熱効率をアップする排気熱回
収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジ
ンを提供することである。
【００１１】この発明は、遮熱構造の燃焼室から排気通
路を通じて排出される排気ガスの熱エネルギで蒸気を高
温度に加熱する前記排気通路に設けられた第１熱交換
器、前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に設けられ
且つ前記排気ガスの熱エネルギで水を蒸気に加熱する第
２熱交換器、及び前記第１熱交換器からの前記高温蒸気
によって駆動される蒸気タービンと該蒸気タービンの駆
動軸を介して駆動されるコンプレッサとを備え且つ前記
コンプレッサからの加圧空気を前記燃焼室に供給する蒸
気タービン式過給機、から構成されている排気熱回収エ
ネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジンに
関する。
路を通じて排出される排気ガスの熱エネルギで蒸気を高
温度に加熱する前記排気通路に設けられた第１熱交換
器、前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に設けられ
且つ前記排気ガスの熱エネルギで水を蒸気に加熱する第
２熱交換器、及び前記第１熱交換器からの前記高温蒸気
によって駆動される蒸気タービンと該蒸気タービンの駆
動軸を介して駆動されるコンプレッサとを備え且つ前記
コンプレッサからの加圧空気を前記燃焼室に供給する蒸
気タービン式過給機、から構成されている排気熱回収エ
ネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジンに
関する。
【００１２】また、このセラミックエンジンでは、前記
コンプレッサから前記燃焼室に供給される前記加圧空気
は、吸入行程中に前記燃焼室内を往復動するピストンを
押し下げてエンジンクランク軸にコンプレッサ仕事をす
ることから成る。従って、前記コンプレッサから前記燃
焼室へ導入される加圧空気は、ピストンを押し下げてエ
ンジンクランク軸に仕事をすることに成り、排気ガスの
熱エネルギがコンプレッサ仕事と過給という形態でエン
ジンに回収される。
コンプレッサから前記燃焼室に供給される前記加圧空気
は、吸入行程中に前記燃焼室内を往復動するピストンを
押し下げてエンジンクランク軸にコンプレッサ仕事をす
ることから成る。従って、前記コンプレッサから前記燃
焼室へ導入される加圧空気は、ピストンを押し下げてエ
ンジンクランク軸に仕事をすることに成り、排気ガスの
熱エネルギがコンプレッサ仕事と過給という形態でエン
ジンに回収される。
【００１３】また、このセラミックエンジンは、前記蒸
気タービンから排出される流体を水と蒸気に分離し、蒸
気圧力を低下させるコンデンサを有し、前記第１熱交換
器において前記第２熱交換器からの前記蒸気が前記高温
度に加熱され、前記第２熱交換器において前記コンデン
サから供給された前記水が前記蒸気に気化されることか
ら成る。前記第１熱交換器は、気相−気相熱交換器とし
て機能し、前記第２熱交換器からの前記蒸気が前記高温
蒸気に効率的に加熱される。更に、前記第２熱交換器
は、液相−気相熱交換器として機能し、前記コンデンサ
からの前記水が前記蒸気に効率的に気化される。
気タービンから排出される流体を水と蒸気に分離し、蒸
気圧力を低下させるコンデンサを有し、前記第１熱交換
器において前記第２熱交換器からの前記蒸気が前記高温
度に加熱され、前記第２熱交換器において前記コンデン
サから供給された前記水が前記蒸気に気化されることか
ら成る。前記第１熱交換器は、気相−気相熱交換器とし
て機能し、前記第２熱交換器からの前記蒸気が前記高温
蒸気に効率的に加熱される。更に、前記第２熱交換器
は、液相−気相熱交換器として機能し、前記コンデンサ
からの前記水が前記蒸気に効率的に気化される。
【００１４】このセラミックエンジンには、前記コンデ
ンサから前記第１熱交換器へ低温の前記蒸気を送り込む
第１蒸気通路には第１逆止弁が設けられている。また、
前記第２熱交換器から前記第１熱交換器へ前記蒸気を送
り込む第２蒸気通路には第２逆止弁が設けられている。
従って、前記第１熱交換器における高温蒸気が前記コン
デンサや前記第２熱交換器へ逆流することがなく、高温
蒸気は蒸気タービンをスムースに回転駆動することがで
きる。
ンサから前記第１熱交換器へ低温の前記蒸気を送り込む
第１蒸気通路には第１逆止弁が設けられている。また、
前記第２熱交換器から前記第１熱交換器へ前記蒸気を送
り込む第２蒸気通路には第２逆止弁が設けられている。
従って、前記第１熱交換器における高温蒸気が前記コン
デンサや前記第２熱交換器へ逆流することがなく、高温
蒸気は蒸気タービンをスムースに回転駆動することがで
きる。
【００１５】更に、前記燃焼室、前記燃焼室から前記第
１熱交換器まで延びる前記排気通路、及び前記第１熱交
換器から前記第２熱交換器まで延びる前記排気通路は、
セラミック部材によって遮熱構造に構成されている。従
って、前記燃焼室から前記排気通路を通じて排出される
排気ガスは高温状態を維持でき、排気ガスが有する熱エ
ネルギは前記第１熱交換器と前記第２熱交換器によって
高温蒸気として有効に回収される。
１熱交換器まで延びる前記排気通路、及び前記第１熱交
換器から前記第２熱交換器まで延びる前記排気通路は、
セラミック部材によって遮熱構造に構成されている。従
って、前記燃焼室から前記排気通路を通じて排出される
排気ガスは高温状態を維持でき、排気ガスが有する熱エ
ネルギは前記第１熱交換器と前記第２熱交換器によって
高温蒸気として有効に回収される。
【００１６】前記コンプレッサを前記蒸気タービンに駆
動連結する前記駆動軸には、前記駆動軸に固定された永
久磁石から成る回転子と該回転子の外側に配置されたス
テータコイルから成る発電・電動機が設けられている。
従って、前記発電・電動機によって、エンジン作動状態
に応じて排気熱エネルギが電気エネルギとして回収され
る。
動連結する前記駆動軸には、前記駆動軸に固定された永
久磁石から成る回転子と該回転子の外側に配置されたス
テータコイルから成る発電・電動機が設けられている。
従って、前記発電・電動機によって、エンジン作動状態
に応じて排気熱エネルギが電気エネルギとして回収され
る。
【００１７】この排気熱回収エネルギでコンプレッサを
駆動するセラミックエンジンは、定置式のコージェネレ
ーションシステムにおける負荷変動が小さいエンジンに
適用されて好ましいものである。
駆動するセラミックエンジンは、定置式のコージェネレ
ーションシステムにおける負荷変動が小さいエンジンに
適用されて好ましいものである。
【００１８】この発明による排気熱回収エネルギでコン
プレッサを駆動するセラミックエンジンは、上記のよう
に構成されているので、燃焼室から排気通路を通じて排
出される排気ガスが有する熱エネルギは一対の熱交換器
を経て蒸気エネルギに変換され、次いで蒸気エネルギは
蒸気タービンとコンプレッサから成る蒸気タービン式過
給機によって加圧空気エネルギに変換され、加圧空気は
吸入行程中にピストンに作用してコンプレッサ仕事をす
ることができ、排気ガスの熱エネルギが有効に回収さ
れ、熱効率を向上できる。
プレッサを駆動するセラミックエンジンは、上記のよう
に構成されているので、燃焼室から排気通路を通じて排
出される排気ガスが有する熱エネルギは一対の熱交換器
を経て蒸気エネルギに変換され、次いで蒸気エネルギは
蒸気タービンとコンプレッサから成る蒸気タービン式過
給機によって加圧空気エネルギに変換され、加圧空気は
吸入行程中にピストンに作用してコンプレッサ仕事をす
ることができ、排気ガスの熱エネルギが有効に回収さ
れ、熱効率を向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセ
ラミックエンジンの実施例を説明する。図１はこの発明
による排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセ
ラミックエンジンの一実施例を示す概略説明図、図２は
図１のセラミックエンジンに組み込まれている蒸気ター
ビンとコンプレッサとを備えた蒸気タービン式過給機を
示す概略説明図、及び図３は図１のセラミックエンジン
の作動状態を示すＰＶ線図である。
による排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセ
ラミックエンジンの実施例を説明する。図１はこの発明
による排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセ
ラミックエンジンの一実施例を示す概略説明図、図２は
図１のセラミックエンジンに組み込まれている蒸気ター
ビンとコンプレッサとを備えた蒸気タービン式過給機を
示す概略説明図、及び図３は図１のセラミックエンジン
の作動状態を示すＰＶ線図である。
【００２０】この排気熱回収エネルギでコンプレッサを
駆動するセラミックエンジン１は、吸入行程、圧縮行
程、膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返す
ことによって作動される多気筒或いは単気筒であり、定
置式のコージェネレーションシステムにおける負荷変動
が小さいエンジン１に適用することが好ましいものであ
る。
駆動するセラミックエンジン１は、吸入行程、圧縮行
程、膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返す
ことによって作動される多気筒或いは単気筒であり、定
置式のコージェネレーションシステムにおける負荷変動
が小さいエンジン１に適用することが好ましいものであ
る。
【００２１】セラミックエンジン１は、図示していない
が、例えば、シリンダブロックに固定されたシリンダヘ
ッドにはキャビティが形成され、該キャビティにはセラ
ミック部材から成る燃焼室構造体が配置され、シリンダ
ブロックに形成した孔部にはシリンダライナが配置され
ている。燃焼室１３は、シリンダライナと燃焼室構造体
とによって形成され、燃焼室構造体によって形成される
燃焼室１３の部分は遮熱構造に構成されている。燃焼室
構造体及びシリンダヘッドには、吸気ポートと排気ポー
ト等が形成され、吸気ポートには吸気弁が配置され、排
気ポートには排気弁が配置されている。更に、燃焼室１
３を構成するシリンダ２３内にはピストン１４が往復運
動するように構成されている。
が、例えば、シリンダブロックに固定されたシリンダヘ
ッドにはキャビティが形成され、該キャビティにはセラ
ミック部材から成る燃焼室構造体が配置され、シリンダ
ブロックに形成した孔部にはシリンダライナが配置され
ている。燃焼室１３は、シリンダライナと燃焼室構造体
とによって形成され、燃焼室構造体によって形成される
燃焼室１３の部分は遮熱構造に構成されている。燃焼室
構造体及びシリンダヘッドには、吸気ポートと排気ポー
ト等が形成され、吸気ポートには吸気弁が配置され、排
気ポートには排気弁が配置されている。更に、燃焼室１
３を構成するシリンダ２３内にはピストン１４が往復運
動するように構成されている。
【００２２】セラミックエンジン１では、排気ポートは
排気マニホルド２０で集合して排気通路８に連通し、燃
焼室１３の排気ガスＧが排気通路８へ排出される。ま
た、吸気を送り込むための加圧空気通路１０は、吸気マ
ニホルド２１に連通し、吸気マニホルド２１で分岐して
各吸気ポートに接続され、各吸気ポートから各気筒即ち
各燃焼室１３に連通している。セラミックエンジン１に
おいて、燃焼室１３で発生した熱エネルギを有する排気
ガスＧは、燃焼室１３から排気ポート及び排気マニホル
ド２０を通じて排気通路８へ排出される。
排気マニホルド２０で集合して排気通路８に連通し、燃
焼室１３の排気ガスＧが排気通路８へ排出される。ま
た、吸気を送り込むための加圧空気通路１０は、吸気マ
ニホルド２１に連通し、吸気マニホルド２１で分岐して
各吸気ポートに接続され、各吸気ポートから各気筒即ち
各燃焼室１３に連通している。セラミックエンジン１に
おいて、燃焼室１３で発生した熱エネルギを有する排気
ガスＧは、燃焼室１３から排気ポート及び排気マニホル
ド２０を通じて排気通路８へ排出される。
【００２３】セラミックエンジン１は、主として、排気
通路８を通じて排出される排気ガスＧの熱エネルギで低
温蒸気ＬＳを高温蒸気ＨＳに加熱する排気通路８に設け
られた気相−気相熱交換器即ち高温熱交換器２（第１熱
交換器）、高温熱交換器２の後流の排気通路８に設けら
れ且つ排気ガスＧの熱エネルギで水Ｗを低温蒸気ＬＳに
加熱する液相−気相熱交換器即ち低温熱交換器３（第２
熱交換器）、及び高温熱交換器２からの高温蒸気ＨＳに
よって駆動される蒸気タービン７と蒸気タービン７で駆
動されるコンプレッサ６とを備え且つコンプレッサ６か
らの加圧空気ＰＡを燃焼室１３に供給する蒸気タービン
式過給機４から構成されている。エンジン１は、蒸気タ
ービン式過給機４の蒸気タービン７から排出される流体
Ｆを水Ｗと低温蒸気ＬＳに分離するコンデンサ５を有し
ている。コンデンサ５から高温熱交換器２へ低温蒸気Ｌ
Ｓを送り込む蒸気通路１７には第１逆止弁１５が設けら
れ、また、低温熱交換器３から高温熱交換器２へ低温蒸
気ＬＳを送り込む第２蒸気通路１８には第２逆止弁１６
が設けられている。コンデンサ５は、水Ｗと蒸気ＬＳと
を分離し、蒸気圧が低下された蒸気ＬＳは、逆流するこ
となく高温熱交換器２へ送り込まれ、分離された水Ｗは
低温熱交換器３へ送り込まれる。
通路８を通じて排出される排気ガスＧの熱エネルギで低
温蒸気ＬＳを高温蒸気ＨＳに加熱する排気通路８に設け
られた気相−気相熱交換器即ち高温熱交換器２（第１熱
交換器）、高温熱交換器２の後流の排気通路８に設けら
れ且つ排気ガスＧの熱エネルギで水Ｗを低温蒸気ＬＳに
加熱する液相−気相熱交換器即ち低温熱交換器３（第２
熱交換器）、及び高温熱交換器２からの高温蒸気ＨＳに
よって駆動される蒸気タービン７と蒸気タービン７で駆
動されるコンプレッサ６とを備え且つコンプレッサ６か
らの加圧空気ＰＡを燃焼室１３に供給する蒸気タービン
式過給機４から構成されている。エンジン１は、蒸気タ
ービン式過給機４の蒸気タービン７から排出される流体
Ｆを水Ｗと低温蒸気ＬＳに分離するコンデンサ５を有し
ている。コンデンサ５から高温熱交換器２へ低温蒸気Ｌ
Ｓを送り込む蒸気通路１７には第１逆止弁１５が設けら
れ、また、低温熱交換器３から高温熱交換器２へ低温蒸
気ＬＳを送り込む第２蒸気通路１８には第２逆止弁１６
が設けられている。コンデンサ５は、水Ｗと蒸気ＬＳと
を分離し、蒸気圧が低下された蒸気ＬＳは、逆流するこ
となく高温熱交換器２へ送り込まれ、分離された水Ｗは
低温熱交換器３へ送り込まれる。
【００２４】蒸気タービン式過給機４は、ハウジング３
７に軸受３８を介して回転可能に支持されたシャフト１
９、駆動軸のシャフト１９の一端に設けられた蒸気ター
ビン７及びシャフト１９の他端に設けられたコンプレッ
サ６から構成されている。蒸気タービン７は、高温熱交
換器２からの高温蒸気ＨＳによって駆動される。また、
コンプレッサ６で加圧された圧縮空気ＰＡは加圧空気通
路１０を通じて燃焼室１３に供給されるように構成され
ている。更に、コンプレッサ６を蒸気タービン７に駆動
連結するシャフト１９には、シャフト１９に固定された
永久磁石から成る回転子４１と回転子４１の外側に配置
されたステータコイル４２から成る発電・電動機４０が
設けられている。コントローラ４３は、エンジン１の作
動状態に応じて、発電・電動機４０を駆動して発電した
り、或いは、発電・電動機４０を非駆動状態にする制御
を行う。コントローラ４３は、発電・電動機４０によっ
て発電した電力をバッテリ４４に蓄電するように制御す
る。従って、エンジン１の作動状態によっては、余分の
エネルギはバッテリ４４に蓄電しておき、電力が必要な
時には、バッテリ４４に蓄電した電力を発電・電動機４
０、補機等で消費することができる。
７に軸受３８を介して回転可能に支持されたシャフト１
９、駆動軸のシャフト１９の一端に設けられた蒸気ター
ビン７及びシャフト１９の他端に設けられたコンプレッ
サ６から構成されている。蒸気タービン７は、高温熱交
換器２からの高温蒸気ＨＳによって駆動される。また、
コンプレッサ６で加圧された圧縮空気ＰＡは加圧空気通
路１０を通じて燃焼室１３に供給されるように構成され
ている。更に、コンプレッサ６を蒸気タービン７に駆動
連結するシャフト１９には、シャフト１９に固定された
永久磁石から成る回転子４１と回転子４１の外側に配置
されたステータコイル４２から成る発電・電動機４０が
設けられている。コントローラ４３は、エンジン１の作
動状態に応じて、発電・電動機４０を駆動して発電した
り、或いは、発電・電動機４０を非駆動状態にする制御
を行う。コントローラ４３は、発電・電動機４０によっ
て発電した電力をバッテリ４４に蓄電するように制御す
る。従って、エンジン１の作動状態によっては、余分の
エネルギはバッテリ４４に蓄電しておき、電力が必要な
時には、バッテリ４４に蓄電した電力を発電・電動機４
０、補機等で消費することができる。
【００２５】更に、セラミックエンジン１では、高温熱
交換器２では、低温熱交換器３からの低温蒸気ＬＳが高
温の排気ガスＧの熱エネルギによって高温蒸気ＨＳに加
熱され、また、低温熱交換器３では、コンデンサ５から
の水Ｗが排気ガスＧの残りの熱エネルギによって低温蒸
気ＬＳに加熱される。高温熱交換器２は、排気ガスＧの
温度が高温の領域の上流側に配置され、また、低温熱交
換器３は、高温熱交換器２によって熱エネルギが吸収さ
れた排気ガスＧが流れる排気通路８の下流側に配置され
ている。高温熱交換器２は、ハウジング２４内に設けら
れた多孔質部材が詰められた蒸気通路２６と、蒸気通路
２６と隔離され且つ並設された多孔質部材が詰められた
排気ガス通路２８とから成り、排気ガス通路２８を流れ
る排気ガスの熱が蒸気通路２６を流れる蒸気へ伝達され
る。また、低温熱交換器３は、ハウジング２５内に設け
られた水通路３４と、水通路３４と隔離され且つ並設さ
れた多孔質部材が詰められた排気ガス通路３２とから成
り、排気ガス通路３２を流れる排気ガスの熱が水通路３
４を流れる水Ｗへ伝達され、水Ｗを気化して低温蒸気Ｌ
Ｓに変換する。
交換器２では、低温熱交換器３からの低温蒸気ＬＳが高
温の排気ガスＧの熱エネルギによって高温蒸気ＨＳに加
熱され、また、低温熱交換器３では、コンデンサ５から
の水Ｗが排気ガスＧの残りの熱エネルギによって低温蒸
気ＬＳに加熱される。高温熱交換器２は、排気ガスＧの
温度が高温の領域の上流側に配置され、また、低温熱交
換器３は、高温熱交換器２によって熱エネルギが吸収さ
れた排気ガスＧが流れる排気通路８の下流側に配置され
ている。高温熱交換器２は、ハウジング２４内に設けら
れた多孔質部材が詰められた蒸気通路２６と、蒸気通路
２６と隔離され且つ並設された多孔質部材が詰められた
排気ガス通路２８とから成り、排気ガス通路２８を流れ
る排気ガスの熱が蒸気通路２６を流れる蒸気へ伝達され
る。また、低温熱交換器３は、ハウジング２５内に設け
られた水通路３４と、水通路３４と隔離され且つ並設さ
れた多孔質部材が詰められた排気ガス通路３２とから成
り、排気ガス通路３２を流れる排気ガスの熱が水通路３
４を流れる水Ｗへ伝達され、水Ｗを気化して低温蒸気Ｌ
Ｓに変換する。
【００２６】更に、高温熱交換器２は、低温蒸気を高温
蒸気に加熱するものであり、排気ガスＧの気体と蒸気の
気体との熱交換であるので、熱交換面積が大きくなるよ
うに構成され、熱交換効率をアップできる構造に構成さ
れている。また、低温熱交換器３は、排気ガスＧの気体
と水の液体との熱交換であるので、排気ガスＧが通過す
る熱交換面積は大きくなる構成を有しているのに対し
て、水の液体が通過する熱交換面積は気体側に比較して
小さく形成され、熱交換効率が有効になるような構造に
構成されている。
蒸気に加熱するものであり、排気ガスＧの気体と蒸気の
気体との熱交換であるので、熱交換面積が大きくなるよ
うに構成され、熱交換効率をアップできる構造に構成さ
れている。また、低温熱交換器３は、排気ガスＧの気体
と水の液体との熱交換であるので、排気ガスＧが通過す
る熱交換面積は大きくなる構成を有しているのに対し
て、水の液体が通過する熱交換面積は気体側に比較して
小さく形成され、熱交換効率が有効になるような構造に
構成されている。
【００２７】セラミックエンジン１は、上記の構成によ
って、水Ｗ、低温蒸気ＬＳ及び高温蒸気ＨＳが蒸気ター
ビン式過給機４の蒸気タービン７、コンデンサ５、低温
熱交換器３及び高温熱交換器２に内封されて循環し、排
気ガスＧが有する熱エネルギをコンプレッサ仕事として
回収される。即ち、コンデンサ５で流体Ｆから分離され
た水Ｗは、水通路１２を通じて低温熱交換器３に送り込
まれ、低温熱交換器３で排気ガスＧの熱エネルギによっ
て加熱され、気化して低温蒸気ＬＳに変換される。次い
で、低温熱交換器３で発生した低温蒸気ＬＳは、逆止弁
１６の機能で逆流することなく、低温蒸気通路１８（第
２蒸気通路）を通って高温熱交換器２へ送り込まれる。
一方、コンデンサ５で流体Ｆから分離された低温蒸気Ｌ
Ｓは、逆止弁１５の機能で逆流することなく、低温蒸気
通路１７（第１蒸気通路）を通って高温熱交換器２へ送
り込まれる。
って、水Ｗ、低温蒸気ＬＳ及び高温蒸気ＨＳが蒸気ター
ビン式過給機４の蒸気タービン７、コンデンサ５、低温
熱交換器３及び高温熱交換器２に内封されて循環し、排
気ガスＧが有する熱エネルギをコンプレッサ仕事として
回収される。即ち、コンデンサ５で流体Ｆから分離され
た水Ｗは、水通路１２を通じて低温熱交換器３に送り込
まれ、低温熱交換器３で排気ガスＧの熱エネルギによっ
て加熱され、気化して低温蒸気ＬＳに変換される。次い
で、低温熱交換器３で発生した低温蒸気ＬＳは、逆止弁
１６の機能で逆流することなく、低温蒸気通路１８（第
２蒸気通路）を通って高温熱交換器２へ送り込まれる。
一方、コンデンサ５で流体Ｆから分離された低温蒸気Ｌ
Ｓは、逆止弁１５の機能で逆流することなく、低温蒸気
通路１７（第１蒸気通路）を通って高温熱交換器２へ送
り込まれる。
【００２８】高温熱交換器２へ送り込まれた低温蒸気Ｌ
Ｓは、高温熱交換器２で高温の排気ガスＧの熱エネルギ
によって更に高温に加熱され、高温になって高温蒸気Ｈ
Ｓに加熱される。次いで、高温熱交換器２で高温に加熱
された高温蒸気ＨＳは、高温蒸気通路９を通って蒸気タ
ービン式過給機４の蒸気タービン７へ導入され、蒸気タ
ービン７を回転駆動する。高温蒸気ＨＳは、蒸気タービ
ン７を駆動することによって熱エネルギを消費し、水Ｗ
と低温蒸気ＬＳから成る流体Ｆ、流体Ｆの大部分は水Ｗ
に変換され、流体排出通路１１を通って分離器のコンデ
ンサ５へ回収される。一方、エンジン１の燃焼室１３か
ら排気通路８を通って排出される排気ガスＧは、高温熱
交換器２で大量の熱エネルギが吸収されて蒸気に熱量を
与え、次いで、低温熱交換器３で更に熱エネルギが吸収
されて水Ｗを気化させ、低温の排気ガスＧとなって大気
中に放出される。
Ｓは、高温熱交換器２で高温の排気ガスＧの熱エネルギ
によって更に高温に加熱され、高温になって高温蒸気Ｈ
Ｓに加熱される。次いで、高温熱交換器２で高温に加熱
された高温蒸気ＨＳは、高温蒸気通路９を通って蒸気タ
ービン式過給機４の蒸気タービン７へ導入され、蒸気タ
ービン７を回転駆動する。高温蒸気ＨＳは、蒸気タービ
ン７を駆動することによって熱エネルギを消費し、水Ｗ
と低温蒸気ＬＳから成る流体Ｆ、流体Ｆの大部分は水Ｗ
に変換され、流体排出通路１１を通って分離器のコンデ
ンサ５へ回収される。一方、エンジン１の燃焼室１３か
ら排気通路８を通って排出される排気ガスＧは、高温熱
交換器２で大量の熱エネルギが吸収されて蒸気に熱量を
与え、次いで、低温熱交換器３で更に熱エネルギが吸収
されて水Ｗを気化させ、低温の排気ガスＧとなって大気
中に放出される。
【００２９】セラミックエンジン１は、排気通路８に設
置された一対の高温熱交換器２と低温熱交換器３の特性
を発揮でき、高温の蒸気を確保でき、蒸気タービン式過
給機４における蒸気タービン７を強力に駆動でき、蒸気
タービン７のトルクはコンプレッサ６に伝達され、コン
プレッサ６の空気入口からの空気Ａを十分に加圧した加
圧空気ＰＡにして加圧空気通路１０へ吐き出させること
ができる。それによって、蒸気タービン式過給機４のコ
ンプレッサ６から燃焼室１３に供給される加圧空気ＰＡ
が吸入行程中に燃焼室１３内を往復動するピストン１４
を押し下げてコンプレッサ仕事をする。
置された一対の高温熱交換器２と低温熱交換器３の特性
を発揮でき、高温の蒸気を確保でき、蒸気タービン式過
給機４における蒸気タービン７を強力に駆動でき、蒸気
タービン７のトルクはコンプレッサ６に伝達され、コン
プレッサ６の空気入口からの空気Ａを十分に加圧した加
圧空気ＰＡにして加圧空気通路１０へ吐き出させること
ができる。それによって、蒸気タービン式過給機４のコ
ンプレッサ６から燃焼室１３に供給される加圧空気ＰＡ
が吸入行程中に燃焼室１３内を往復動するピストン１４
を押し下げてコンプレッサ仕事をする。
【００３０】セラミックエンジン１において、例えば、
高温熱交換器２と低温熱交換器３とで排気ガスＧの熱エ
ネルギが回収され、その熱エネルギで駆動される蒸気タ
ービン７では、総合効率が５０％とすると、エンタルピ
を考慮して平均有効圧４×０．５＝２（ｋｇ／ｃｍ2 ）
になり、エンジンの基本熱効率から考えると、１２．５
％の回収効率となる。従って、この発明のセラミックエ
ンジン１によるエネルギ回収効率による利得２ｋｇ／ｃ
ｍ2 は、従来のターボチャージャとエネルギ回収タービ
ンによる総合の回収エネルギの利得である１．２８ｋｇ
／ｃｍ2 に比較して上回ることができる。
高温熱交換器２と低温熱交換器３とで排気ガスＧの熱エ
ネルギが回収され、その熱エネルギで駆動される蒸気タ
ービン７では、総合効率が５０％とすると、エンタルピ
を考慮して平均有効圧４×０．５＝２（ｋｇ／ｃｍ2 ）
になり、エンジンの基本熱効率から考えると、１２．５
％の回収効率となる。従って、この発明のセラミックエ
ンジン１によるエネルギ回収効率による利得２ｋｇ／ｃ
ｍ2 は、従来のターボチャージャとエネルギ回収タービ
ンによる総合の回収エネルギの利得である１．２８ｋｇ
／ｃｍ2 に比較して上回ることができる。
【００３１】従って、図３のＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示
すように、従来のターボチャージャやエネルギ回収ター
ビンを備えたエンジンでは、排気行程の開始ＥＳから終
端ＥＴまでと吸入行程の開始ＩＳから終端ＩＴまでとの
期間にわたってＰＶ線図の斜線ＥＩＳの部分がタービン
仕事として負の仕事になっていたが、本発明のセラミッ
クエンジン１では、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示す部分が
両熱交換器２，３で回収された熱エネルギによってコン
プレッサ６を駆動するので、吸気圧力が高くなり、吸入
行程でピストン１４を押し下げるコンプレッサ仕事とし
て作用し、熱効率を向上させることができる。また、膨
張行程終端において排気弁が開放してブローダウンＢＤ
で排出される排気ガスが有する熱量ＰＨＳは、熱交換器
２，３及び蒸気タービン７によるランキンサイクルで回
収されるものである。
すように、従来のターボチャージャやエネルギ回収ター
ビンを備えたエンジンでは、排気行程の開始ＥＳから終
端ＥＴまでと吸入行程の開始ＩＳから終端ＩＴまでとの
期間にわたってＰＶ線図の斜線ＥＩＳの部分がタービン
仕事として負の仕事になっていたが、本発明のセラミッ
クエンジン１では、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示す部分が
両熱交換器２，３で回収された熱エネルギによってコン
プレッサ６を駆動するので、吸気圧力が高くなり、吸入
行程でピストン１４を押し下げるコンプレッサ仕事とし
て作用し、熱効率を向上させることができる。また、膨
張行程終端において排気弁が開放してブローダウンＢＤ
で排出される排気ガスが有する熱量ＰＨＳは、熱交換器
２，３及び蒸気タービン７によるランキンサイクルで回
収されるものである。
【００３２】即ち、図３のＰＶ線図において、吸気弁が
吸気ポートを開放し、吸入行程の開始ＩＳによって加圧
空気ＰＡが燃焼室１３に導入され、加圧空気ＰＡがピス
トン１４に押し下げてコンプレッサ仕事をし、排気ガス
の熱エネルギが回収され、吸入行程が終端ＩＴに達す
る。従って、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示す部分がコンプ
レッサ仕事としてプラス仕事になる。次いで、吸気弁が
吸気ポートを閉鎖し、圧縮行程が開始ＣＳし、ピストン
１４が上昇してシリンダ２３内即ち燃焼室１３の吸気が
圧縮され、圧縮行程終端ＣＴの付近に達したときに燃焼
室１３内の燃料が着火燃料し、シリンダ２３内は最高圧
力ＥＰｍａｘに達し、膨張行程に移行して燃料ガスがピ
ストン１４を押し下げて仕事をする。膨張行程の終端Ｅ
Ｔの近傍に達して排気弁が排気ポートを開放して排気行
程に移行し、ブローダウンＢＤとなって排気ガスが排気
通路８へ吐き出され、ピストン１４が上昇して燃焼室１
３内の排気ガスＧが排気通路８を通って排出され、ピス
トン１４が上死点に達して排気行程の終端ＥＴとなり、
排気弁が排気ポートを閉鎖する。再び、エンジン１は、
吸入行程に移行するが、排気通路８に排出された排気ガ
スが有する熱エネルギは、ランキンサイクルによって回
収されるが、具体的には、両熱交換器２，３によって蒸
気エネルギに変換され、蒸気タービン７を駆動してコン
プレッサ６を作動し、コンプレッサ６からの加圧空気が
吸入行程でピストン１４に作用してコンプレッサ仕事
（符号ＥＩＳの部分に相当）として回収される。
吸気ポートを開放し、吸入行程の開始ＩＳによって加圧
空気ＰＡが燃焼室１３に導入され、加圧空気ＰＡがピス
トン１４に押し下げてコンプレッサ仕事をし、排気ガス
の熱エネルギが回収され、吸入行程が終端ＩＴに達す
る。従って、ＰＶ線図の斜線ＥＩＳで示す部分がコンプ
レッサ仕事としてプラス仕事になる。次いで、吸気弁が
吸気ポートを閉鎖し、圧縮行程が開始ＣＳし、ピストン
１４が上昇してシリンダ２３内即ち燃焼室１３の吸気が
圧縮され、圧縮行程終端ＣＴの付近に達したときに燃焼
室１３内の燃料が着火燃料し、シリンダ２３内は最高圧
力ＥＰｍａｘに達し、膨張行程に移行して燃料ガスがピ
ストン１４を押し下げて仕事をする。膨張行程の終端Ｅ
Ｔの近傍に達して排気弁が排気ポートを開放して排気行
程に移行し、ブローダウンＢＤとなって排気ガスが排気
通路８へ吐き出され、ピストン１４が上昇して燃焼室１
３内の排気ガスＧが排気通路８を通って排出され、ピス
トン１４が上死点に達して排気行程の終端ＥＴとなり、
排気弁が排気ポートを閉鎖する。再び、エンジン１は、
吸入行程に移行するが、排気通路８に排出された排気ガ
スが有する熱エネルギは、ランキンサイクルによって回
収されるが、具体的には、両熱交換器２，３によって蒸
気エネルギに変換され、蒸気タービン７を駆動してコン
プレッサ６を作動し、コンプレッサ６からの加圧空気が
吸入行程でピストン１４に作用してコンプレッサ仕事
（符号ＥＩＳの部分に相当）として回収される。
【００３３】
【発明の効果】この発明による排気熱回収エネルギでコ
ンプレッサを駆動するセラミックエンジンは、上記のよ
うに構成されているので、第２熱交換器において水が蒸
気になる時、体積膨張し、蒸気即ち気体として作用し、
該蒸気は第１熱交換器で更に加熱されて高温蒸気にな
り、該高温蒸気によって蒸気タービンを次いでコンプレ
ッサを駆動して加圧空気を生成し、該加圧空気がピスト
ンに作用してコンプレッサ仕事を行って排気ガスの熱エ
ネルギが回収されることになり、高温蒸気が蒸気タービ
ンを駆動することによって高温蒸気のエネルギが消費さ
れて冷却され、再び水になって体積が収縮し、その繰り
返しの作用で排気ガスが有する熱エネルギはエンジンに
回収されることになる。
ンプレッサを駆動するセラミックエンジンは、上記のよ
うに構成されているので、第２熱交換器において水が蒸
気になる時、体積膨張し、蒸気即ち気体として作用し、
該蒸気は第１熱交換器で更に加熱されて高温蒸気にな
り、該高温蒸気によって蒸気タービンを次いでコンプレ
ッサを駆動して加圧空気を生成し、該加圧空気がピスト
ンに作用してコンプレッサ仕事を行って排気ガスの熱エ
ネルギが回収されることになり、高温蒸気が蒸気タービ
ンを駆動することによって高温蒸気のエネルギが消費さ
れて冷却され、再び水になって体積が収縮し、その繰り
返しの作用で排気ガスが有する熱エネルギはエンジンに
回収されることになる。
【００３４】このセラミックエンジンは、排気ガスが有
する熱エネルギを一対の熱交換器で蒸気として吸収して
蒸気タービンの駆動で回収されるので、エンジン負荷が
余り変動しないタイプのエンジンに適用して好ましいも
のとなり、都市部、市街地、山間部等で電力を発生させ
る定格運転のコージェネレーションシステムにおけるエ
ンジンとして使用することが好ましい。
する熱エネルギを一対の熱交換器で蒸気として吸収して
蒸気タービンの駆動で回収されるので、エンジン負荷が
余り変動しないタイプのエンジンに適用して好ましいも
のとなり、都市部、市街地、山間部等で電力を発生させ
る定格運転のコージェネレーションシステムにおけるエ
ンジンとして使用することが好ましい。
【図１】この発明による排気熱回収エネルギでコンプレ
ッサを駆動するセラミックエンジンの一実施例を示す概
略説明図である。
ッサを駆動するセラミックエンジンの一実施例を示す概
略説明図である。
【図２】図１のセラミックエンジンに組み込まれている
蒸気タービンとコンプレッサとを備えた蒸気タービン式
過給機を示す概略説明図である。
蒸気タービンとコンプレッサとを備えた蒸気タービン式
過給機を示す概略説明図である。
【図３】図１のセラミックエンジンの作動状態を示すＰ
Ｖ線図である。
Ｖ線図である。
１ セラミックエンジン ２ 高温熱交換器 ３ 低温熱交換器 ４ 蒸気タービン式過給機 ５ コンデンサ ６ コンプレッサ ７ 蒸気タービン ８ 排気通路 ９ 高温蒸気通路 １０ 加圧空気通路 １１ 蒸気タービンの流体排出通路 １２ 水通路 １３ 燃焼室 １４ ピストン １５ 第１逆止弁 １６ 第２逆止弁 １７，１８ 蒸気通路 Ａ 空気 Ｇ 排気ガス Ｆ 流体（＝水＋蒸気） ＬＳ 低温蒸気 ＨＳ 高温蒸気 ＰＡ 加圧空気 Ｗ 水
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 39/08 Ｆ０２Ｂ 39/08 // Ｆ０１Ｄ 15/08 Ｆ０１Ｄ 15/08 Ｃ
Claims (8)
- 【請求項１】 遮熱構造の燃焼室から排気通路を通じて
排出される排気ガスの熱エネルギで蒸気を高温度に加熱
する前記排気通路に設けられた第１熱交換器、前記第１
熱交換器の後流の前記排気通路に設けられ且つ前記排気
ガスの熱エネルギで水を蒸気に加熱する第２熱交換器、
及び前記第１熱交換器からの前記高温蒸気によって駆動
される蒸気タービンと該蒸気タービンの駆動軸を介して
駆動されるコンプレッサとを備え且つ前記コンプレッサ
からの加圧空気を前記燃焼室に供給する蒸気タービン式
過給機、から構成されている排気熱回収エネルギでコン
プレッサを駆動するセラミックエンジン。 - 【請求項２】 前記コンプレッサから前記燃焼室に供給
される前記加圧空気は、吸入行程中に前記燃焼室内を往
復動するピストンを押し下げてエンジンクランク軸に仕
事をすることから成る請求項１に記載の排気熱回収エネ
ルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン。 - 【請求項３】 前記蒸気タービンから排出される流体を
水と蒸気に分離し、蒸気圧力を低下させるコンデンサを
有し、前記第１熱交換器において前記第２熱交換器から
の前記蒸気が前記高温度に加熱され、前記第２熱交換器
において前記コンデンサから供給された前記水が前記蒸
気に気化されることから成る請求項１又は２に記載の排
気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミック
エンジン。 - 【請求項４】 前記コンデンサから前記第１熱交換器へ
低温の前記蒸気を送り込む第１蒸気通路には第１逆止弁
が設けられている請求項３に記載の排気熱回収エネルギ
でコンプレッサを駆動するセラミックエンジン。 - 【請求項５】 前記第２熱交換器から前記第１熱交換器
へ前記蒸気を送り込む第２蒸気通路には第２逆止弁が設
けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気
熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエ
ンジン。 - 【請求項６】 前記燃焼室、前記燃焼室から前記第１熱
交換器まで延びる前記排気通路、及び前記第１熱交換器
から前記第２熱交換器まで延びる前記排気通路は、セラ
ミック部材によって遮熱構造に構成されている請求項１
〜５のいずれか１項に記載の排気熱回収エネルギでコン
プレッサを駆動するセラミックエンジン。 - 【請求項７】 前記コンプレッサを前記蒸気タービンに
駆動連結する前記駆動軸には、前記駆動軸に固定された
永久磁石から成る回転子と該回転子の外側に配置された
ステータコイルから成る発電・電動機が設けられている
請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気熱回収エネル
ギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン。 - 【請求項８】 定置式のコージェネレーションシステム
用のエンジンに適用される請求項１〜７のいずれか１項
に記載の排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動する
セラミックエンジン。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9118658A JPH10299574A (ja) | 1997-04-23 | 1997-04-23 | 排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン |
| US09/058,556 US6119457A (en) | 1997-04-23 | 1998-04-13 | Heat exchanger apparatus using porous material, and ceramic engine provided with supercharger driven by thermal energy recorded from exhaust gas by the same apparatus |
| EP98302902A EP0874143A3 (en) | 1997-04-23 | 1998-04-15 | Ceramic engine with a heat exchanger using porous material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9118658A JPH10299574A (ja) | 1997-04-23 | 1997-04-23 | 排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10299574A true JPH10299574A (ja) | 1998-11-10 |
Family
ID=14742025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9118658A Pending JPH10299574A (ja) | 1997-04-23 | 1997-04-23 | 排気熱回収エネルギでコンプレッサを駆動するセラミックエンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10299574A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2009243278A (ja) * | 2008-03-28 | 2009-10-22 | Hitachi Ltd | エンジンシステム |
| JP2010501785A (ja) * | 2006-12-05 | 2010-01-21 | ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 過給装置 |
| JP2013517428A (ja) * | 2010-01-19 | 2013-05-16 | マーヴィン ウェスリー ウォード | クリーンなマルチエネルギー生成用システム、装置及び方法 |
| JP2014156834A (ja) * | 2013-02-18 | 2014-08-28 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の廃熱利用装置 |
| CN113482753A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-08 | 田国涛 | 一种船用柴油机余热利用系统及方法 |
-
1997
- 1997-04-23 JP JP9118658A patent/JPH10299574A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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