JPS628606B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関を用いた動力装置に関し、
かつ特に過給式水冷エンジンと、少なくとも一つ
の空気冷却器を過給空気管に含む少なくとも一つ
の過給機と、少なくとも二つの蒸気回路とを有
し、該蒸気回路中でエンジンの損失熱、消散熱、
廃熱を蒸気回路の作業媒体の加熱および蒸発に利
用し、該作業媒体が少なくとも一つの蒸気タービ
ンへ送られて仕事膨脹を少なくとも一部行い、そ
れにより、エンジン排気ガスの廃熱の利用のた
め、エンジン冷却水および過給空気の消散熱を利
用する第２低圧力蒸気回路の温度および圧力レベ
ルより高い温度および圧力レベルで作動する第１
蒸気回路を設けた種類の動力装置に関する。

上記した種類の動力装置において、作業媒体
が、冷却水のエネルギのやりとりをする熱交換器
と加圧過給空気用冷却器と排気ガス加熱廃熱ボイ
ラとを順次通されるようになつた作業媒体回路を
用いて種々の廃熱源を協働させるようにして廃熱
の再利用をすることが知られている。この回路に
於いては、作業媒体（通常は水）は、加熱後少な
くとも蒸発されあるいは過熱されて最小で一つの
タービンを駆動し、しかる後作業媒体は凝縮され
る。そしてタービンで発電機またはその他の機械
を作動するようにしている。

このような動力装置のエネルギ回収率は、比較
的低い。なぜなら作業媒体の単位時間当りの流量
を三つの熱源の全てに均一に流すために、過給空
気冷却器とエンジン冷却水回路からの廃熱利用は
最適値を下まわつてしまうからである。

本発明の目的は、上記の動力装置を改良し、廃
熱からのエネルギ回収を最大にし、動力装置の全
熱効率を向上させることである。

従つて、本発明によれば、前記した種類の動力
装置は、低圧力蒸気回路中で、圧縮された過給空
気およびエンジン冷却水が熱交換器中で熱源とし
て作用し、該熱交換装置が互いに独立して作業媒
体を加熱しかつ蒸発させ、かつ更にエンジンの冷
却水回路が100℃より高い温度の冷却水を有しか
つ加圧された温水回路であることを特徴とする。

上記した本発明の動力装置によれば、各回路で
発生する蒸気量は、それぞれの廃熱源で得られる
エネルギ量に適合させることが可能となり、その
蒸気圧および温度は廃熱源の温度に対して最適に
調節することができる。このようにしてエネルギ
回収を最適化することができ、またエンジンの損
失熱のみならず、全ての評価しうる損失熱を有効
に利用しうることができる。

個々の廃熱源の作業媒体の様々の温度ならびに
圧力で駆動され、また各廃熱源で得られる温度が
互に好ましい関係にある場合は、冷却水によつて
加熱される作業媒体回路と過給空気によつて加熱
される作業媒体回路とは組合わすことが可能とな
り、作業媒体を加熱し蒸発する２つの独立の並列
熱交換装置を有するようにすることができ、この
並列熱交換装置は、それぞれ過給空気冷却器と冷
却水冷却器を有するようにされる。二つの作業媒
体回路の組合せる場合、冷却水回路が、100℃よ
り高い温度の加圧冷却水を用いた温水回路であれ
ば非常に好果的なものである。なぜなら通常の温
水冷却がなされる場合、冷却水で得られる熱量は
蒸気側で得られる温度にまつたく等しくなり、過
給空気圧縮熱を利用した高価な熱交換装置を用い
る必要がなくなる。

廃熱利用の動力装置にかかるコストも減額する
ことができる。例えば、２つの作業媒体で駆動さ
れるそれぞれのタービンを機械的に結合するとか
共通の凝縮器に接続するとかしたり、また少なく
とも二つの作業媒体回路の蒸気を一つの多段ター
ビンの異なるステージに流入させて膨脹仕事をす
るようにすれば、コスト低減もはかることができ
る。

冷却水再熱利用や過給空気冷却などのエンジン
に作動する２つは熱源の作業媒体回路を制御する
ためには、まつたく独立の作業媒体回路となし、
最終的に凝縮器で消費される冷却器熱量を制御変
数とすると効果的である。

エンジン駆動変数が作業媒体の測定値として用
いられる。例えば、冷却水温度や過給空気入口温
度の双方は、その出入口温度がエンジンに関係し
たものとなるのであるがこれを用いるようにされ
る。

作業媒体回路の複数を結合すれば、凝縮器で消
費される熱量を規制することに加えて、２つの並
列作業媒体回路に対する作業媒体供給も制御しな
ければならない。

また、凝縮器の設計を適切に行うことにより、
さらに別の効果が得られる。すなわち冷却水や過
給空気からの熱消費が充分確実に行われることに
なる。例えば、蒸気タービンが不調であつたり故
障したりした場合にも熱消費が充分になされるよ
うにできる。また所望の熱消費はさらに確実に行
うようにすることができる。すなわち冷却水廃熱
用作業媒体回路と過給空気作業媒体回路に、作業
媒体流の流れに関して廃熱熱交換器の上流側に別
の冷却器を設けることにより確実な熱消費がなさ
れうる。

２つの並列回路への作業媒体の供給を効果的に
行うために、絞りや供給ポンプを並列管路に別々
に設けるようにすると良い。

廃熱により作業媒体回路に得られる温度が充分
なものであれば、動力装置の全効率を効果的にす
るために、機械的仕事をするタービンに加えて、
熱交換装置を介して関接的に蒸気系と連続される
装置等の複数の別々の熱消費装置を設けるように
しても良い。

本発明の以上の構成又はその他の構成をより明
確に理解するために、本発明を実施例の形で以下
に詳細に添付図とともに説明する。

エンジン１には空気過給機が設けられ、該空気
過給機の過給送風機３は管４を通して大気から空
気を吸込み、かつ管６を通してエンジン１に空気
を供給するようになつている。管６の中には圧縮
空気に対する過給空気冷却器７が設けられてい
る。

前記過給送風機３は軸１０を通して排気タービ
ン８によつて駆動され、この場合エンジン１の高
温排気ガス管９を通つてタービン８に流入し、か
つ該タービン８内において膨脹した後、管１１に
通される。この管の中には熱交換器１２が配置さ
れている。

熱交換器１２は通常の蒸気回路１３の作業媒体
の蒸気発生器および過熱器として働らき、該蒸気
回路は比較的高い圧力で作動し、かつ排気ガスの
熱を利用するようになつている。ポンプ１５はそ
の回路装置内において、ボイラ１４から予熱器１
６を通して排気ガスによつて加熱された熱交換器
１２の蒸気発生器管に作業媒体たとえば水を供給
し、かつここからボイラ１４の蒸気室に復帰させ
る。作業媒体は予熱室１６内において凝縮水に熱
を与え、この凝縮水はポンプにより凝縮器からボ
イラ１４に送給される。蒸気発生器管内に発生し
た蒸気はボイラ１４から熱交換器１２の過熱部分
に導かれ、ここから蒸気タービン１８に達する。
このタービンはたとえば発電機１９を駆動する。

タービン１８内において膨脹した蒸気は次に凝
縮器１７に流入し、凝縮水はここから第２ポンプ
２０によつて加熱のために予熱器１６に送給さ
れ、続いてボイラ１４の水室に供給される。排気
ガスの熱を利用するこの蒸気回路１３は周知の、
広く使用されている装置であるからその作動態様
の詳細な説明は省略する。

図示の如くエンジン１にはさらに温水冷却回路
２１が設けられ、この回路は再冷却器２２、ポン
プ２３およびタンク２４を有している。周知の温
水冷却装置が一般の冷却装置と異なる点は、この
温水冷却装置が100度Ｃ以上の温度で作動し、こ
の時たとえば冷却水はほぼ120度Ｃの温度でエン
ジン１から流出し、かつ再冷却器２２に流入し、
この再冷却器の中でほぼ10度Ｃ冷却されて110度
Ｃとなり、ここからポンプ２３によつてエンジン
１に復帰せしめられるようになつていることであ
る。

この冷却回路においては蒸発を阻止せねばなら
ぬから、冷却回路は正圧を受け、この圧力はタン
ク２４を通して圧縮空気により、たとえば５気圧
に保持される。

再冷却器２２および過給空気冷却器７内の吸熱
媒体としては第２蒸気回路２５の作業媒体が使用
される。この蒸気回路は図示の例においては給水
ポンプ２６を有し、このポンプにより作業媒体、
一般的には水が凝縮器２７から分岐点２８に送給
される。この分岐点において水流は二つの並列配
管装置２９，３０に分岐し、その一つは冷却器７
の吸熱二次側コイル状管を含み、他の一つは再冷
却器２２のコイル状管を含んでいる。二つの配管
装置において水は、冷却器で得られる熱によつて
飽和蒸気に変換せしめられる。

点３１において再び一緒にされた部分流動は蒸
気タービン３２に達し、この中で膨脹してから凝
縮器２７に送給される。このタービン３２はたと
えば発電機３３を駆動する。

凝縮器２７から排出すべき凝縮熱は線図的に示
された冷却水装置３４によつて受入れられる。図
示の例においてはこの開放型装置３４は凝縮器２
７は冷却コイル３５の他にポンプ３６を有し、ポ
ンプ３６の吐出側には調整可能締切り−絞り機構
３７を備えたバイパスすなわち排出管３８が分岐
せしめられている。この機構３７および排出管３
８の目的は後述の如く凝縮器２７の冷却容量の調
整を可能にすることである。

図示の実施例においては両方の配管装置２９，
３０に対する作業媒体の分割は調整可能絞り機構
３９，４０によつて行われ、該機構に対する調整
信号は制御装置４１から導線４２，４３を通して
送給される。第３の調整信号は導線４４を通して
凝縮器−冷却回路のバイパスすなわち排出管３８
内の絞り機構３７に送給される。

制御装置４１は入力信号として二つの温度感知
装置４５，４６の測定値を受入れ、図示の装置に
おいてはこの温度感知装置によつてエンジンの冷
却水出口温度および過給空気入口温度が測定され
る。たとえば一定の値に維持することが望ましい
この温度は、この温度に対して目標値を設定する
手段（図示せず）を有する装置４１の中で調整す
べき値となる。

前述の如く冷却容量を調整し得る凝縮器２７
は、蒸気タービン３２の故障または停止が生じた
場合に、エンジン１の冷却水および過給空気を十
分冷却するように有利に設計し、かつ寸法決めす
ることができる。さらに場合によつてはこの目的
のために蒸気回路２５の中に、図においてポンプ
２６と分岐点２８との間に示される如く、追加的
な調整可能冷却器４７を設けることが望ましい。
冷却器４７はその冷却容量を調整するために、た
とえばその冷却媒体側４８に、絞り機構４９を通
して調整し得るバイパス管５０を有している。こ
の絞り機構を始動しかつ調整するには、たとえば
前記凝縮器２７の冷却容量を変えるための信号と
同じ信号が使用される。

作業媒体の分配調整を行う時の作動態様を実施
例によつて説明する。先ず平衡状態から出発し
て、温度感知器４６が過給空気に対して高過ぎる
温度を表わすようになつたものと仮定する。設定
目標値に対してはこのような偏差が生じれば、た
とえば機構４０の絞りおよび機構３９の開放によ
つて装置は影響を受け、それによつて両方の配管
装置２９，３０に対する作業媒体の分配は変化、
かつ空気冷却器７に大量の“冷却媒体”が送給さ
れるようになる。

しかしながらこのような影響によつて、エンジ
ンの冷却水から熱を搬出するための配管装置３０
内における今までの平衡状態に撹乱が生じる。こ
のような撹乱は機構３７が同時に絞られることに
よつて制御装置４１により対処され、これによつ
て凝縮器２７を通る冷却水の量は増加し、かつ冷
却器７，２２に流入する水の温度は低下するよう
になる。なお“冷却媒体”の供給量が少なくなれ
ば、冷却水の所要の温度を維持するために必要な
排熱が確実に行われる。

排気ガスの熱を回収するための第１蒸気回路
と、本発明による第２蒸気回路との差は明確にす
るために、この回路のいくつかの点に対し本装置
を適当に配置した時に生じる温度および圧力が示
されている。さらに設備の同じ配置に対し、過給
空気および温水冷却の作用が見積もられ、かつ冷
却器７，２２の入口および出口において作業媒体
および蒸気の流れの中に生じる温度が示されてい
る。

言うまでもなく本発明は前記実施例に制限され
るものではない。設備の総合効率を改良するため
には、本発明の蒸気回路２５の中に、温水冷却装
置および過給空気冷却装置を簡単にかつ有効に連
結し得ることは明らかである。

さらに言うまでもなく蒸気タービン１８，３２
は一つの発電機を駆動するように一つの軸の上に
連結することができる。なお両方の熱伝達装置
７，２２を一つのボイラに連結し、作業媒体を蒸
発させるようになすことも考えられる。両方の凝
縮器１７，２７およびポンプ２０，２６は原則と
して一つの装置に連結される。後者の場合はこの
時発生する部分流動の適当な量配分を行うために
追加的な制御手段が必要である。

さらにまた蒸気回路の一つまたは両方から周知
の態様で、たとえば各タービンから適当な抽気を
行うことによつて、部分的膨脹が行われた後、加
熱のためのエネルギを取出すことも考えられる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明による設備の１実施例の略線
図である。 図において１はエンジン、７は冷却器、１３は
蒸気回路、１８は蒸気タービン、２２は再冷却
器、２５は第２蒸気回路、２７は凝縮器、３２は
タービン、３３は発電機、４７は冷却器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関を用いた動力装置であつて、過給式
   水冷エンジンと、少なくとも一つの空気冷却器を
   過給空気管に含む少なくとも一つの過給機と、少
   なくとも二つの蒸気回路とを有し、該蒸気回路中
   でエンジンの損失熱、消散熱、廃熱を蒸気回路の
   作業媒体の加熱および蒸発に利用し、該作業媒体
   が少なくとも一つの蒸気タービンへ送られて仕事
   膨脹を少なくとも一部行い、それにより、エンジ
   ン排気ガスの廃熱の利用のため、エンジン冷却水
   および過給空気の消散熱を利用する第２低圧力蒸
   気回路の温度および圧力レベルより高い温度およ
   び圧力レベルで作動する第１蒸気回路を設けた動
   力装置において、低圧力蒸気回路２５中で、圧縮
   された過給空気およびエンジン冷却水が熱交換装
   置７，２２中で熱源として作用し、該熱交換装置
   が互いに独立して作業媒体を加熱しかつ蒸発さ
   せ、かつ更にエンジンの冷却水回路２１が100℃
   より高い温度の冷却水を有しかつ加圧された温水
   回路であることを特徴とする動力装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の動力装置におい
   て、独立して並列な熱交換装置７，２２に対する
   作業媒体の分配が過給空気冷却器７からの出口に
   おける冷却された過給空気の温度および／または
   エンジン１からの出口における冷却水の温度に従
   つて制御されることを特徴とする動力装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の動力装置におい
   て、並行な熱交換装置７，２２のそれぞれに、分
   配される作業媒体の各部分量のための別個の給水
   ポンプが設けられていることを特徴とする動力装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
   １項に記載の動力装置において、凝縮器２７の冷
   却容量が低圧力蒸気回路２５で制御され得ること
   を特徴とする動力装置。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか
   １項に記載の動力装置において、低圧力蒸気回路
   ２５が好ましくは作業媒体の流れ方向に従つて廃
   熱熱交換装置７，２２の上流に追加の冷却器４７
   を設けていることを特徴とする動力装置。 ６ 特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか
   １項に記載の動力装置において、少なくとも一つ
   の独立な熱消費装置を蒸気回路１３，２５の少な
   くとも一つに設けたことを特徴とする動力装置。