WO2011058832A1 - エンジン廃熱回収発電ターボシステムおよびこれを備えた往復動エンジンシステム - Google Patents
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Abstract
Description
往復動エンジンには、自動車等の移動体に搭載される移動用往復動エンジンと、たとえば、発電所等で固定して用いられる定置用往復動エンジンがある。
たとえば、100kW級往復動エンジンにおいて、燃焼によって得られる熱エネルギーの内、正味の軸動力として利用できるエネルギーは、一般に約30%前後であり、これが熱効率として表現される。その他の失われるエネルギーは、摩擦損失などのポンプ損失として約10%、エンジンを一定温度に冷却するための冷却損失として約30%、排気が外部に持ち去る熱量である排気損失として約30%である。
定地用往復動エンジンでは、ジャケット冷却水を冷却するために大型で高価な冷却塔が設けられている。
これは、ジャケット冷却水循環系統を密閉構造とし、エンジンの廃熱で加温されて気化した冷却水、すなわち蒸気によってタービンを駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものである。
高速対応のタービンとすると、実用回転数の制約からタービン自体の直径が大きくなり大型化するという課題がある。タービン回転数を高速回転とする場合には、電気エネルギーに変換するための発電機が現状技術では実用に供せないほどの高周波数になる。あるいは、実用に供せる発電機を用いる場合には、タービンとの間に大減速比のギヤが必要になる。このような場合には、蒸気が発電機やギヤ部に漏れこまないようにするために回転軸シールが必要になる等の電気的、機械的な実用化の困難さを伴う。
さらに、循環系統を循環するものが水蒸気であるため、このシールが蒸気を完全にシールできない場合には、水が発電機やギヤに漏洩し、電気回路の短絡や潤滑油の懸濁などの問題点を有する。さらに、このタービンでは所要の効率を維持するのに必要な蒸気の圧力、温度等の条件が大きくなるので、バイパス流路を設けたり、複数の開閉弁を設けたりしてジャケット冷却水循環系統が複雑になる。
これらにより、実用化されていないのが現状である。
すなわち、本発明の第1の態様は、エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統と、高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路とを有する往復動エンジンにおける廃熱を用いて発電するエンジン廃熱回収発電ターボシステムであって、臨界温度が約80℃~約200℃である低沸点媒体を用い、該低沸点媒体を気相とする蒸発器部、該蒸発器部で気相とされた前記低沸点媒体を膨張させ低圧の気相とするタービン、該タービンからの前記低圧沸点媒体を冷却して液相とする凝縮器および該凝縮器から送られる前記低沸点媒体を昇圧する圧縮機によって閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路と、前記タービンと同軸で連結され、前記低沸点媒体の膨張に伴い回転する前記タービンによって回転駆動されて発電を行う発電機と、を備え、前記蒸発器部には、少なくとも前記排気ガスと前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を気相にさせる第1の熱交換器が備えられているエンジン廃熱回収発電ターボシステムである。
そして、蒸発器部には、排気ガスと低沸点媒体との間で熱交換を行い、低沸点媒体を気相にさせる第1の熱交換器が備えられているので、低沸点媒体は排気ガス流路を通る排気ガスによって昇温されることになる。すなわち、媒体回路を循環する低沸点媒体は、往復動エンジンから廃棄される排気ガス(排気損失)から熱量を回収することができる。回収されたエネルギーは、電力に変換されるので、往復動エンジンの廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
媒体回路は、ジャケット冷却水循環系統および排気ガス流路とは別個に、言い換えると、往復動エンジンとは別個に独立して設けられているので、ジャケット冷却水循環系統、排気ガス流路等の複雑化を防止できる。
これらにより、往復動エンジンに大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムを提供することができる。
ジャケット冷却水は、一般的に80~85℃であるので、臨界温度が約80℃~約200℃である低沸点媒体とは液-液熱交換となる。これにより、第2の熱交換器としては比較的小型とできる液-液熱交換器を用いることができる。
蒸発器部では、低沸点媒体は第1の熱交換器の上流側で、第3の熱交換器によってターボチャージャの出口空気と熱交換され昇温されるので、出口空気は冷却され、一方低沸点媒体は出口空気の熱量を回収することができる。このように、出口空気を冷却するために外部に熱を放出することが不要となる一方でその熱量を回収して発電を行えるので、一層往復動エンジンの効率を向上させることができる。
さらに、前記構成では、前記第3の熱交換器は、前記第2の熱交換器に対し並列に設置されていてもよい。
このとき、低沸点媒体の臨界温度が約80℃~約200℃であるので、タービンの大型化を防止でき、ジャケット冷却水循環系統、排気ガス流路等の複雑化を防止できる。
これらにより、往復動エンジンに大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステムを提供することができる。
[第一実施形態]
以下に、本発明の第一実施形態にかかる往復動エンジンシステム1について、図1を参照して説明する。
図1は、第一実施形態にかかる往復動エンジンシステム1の概略構成を示すブロック図である。
往復動エンジン3には、ガソリン、アルコール、ガス(天然ガス、石油ガス等)等の燃料と空気とを適当な混合比になるように吸入、圧縮し、たとえば、電気火花で着火して爆発(急撃な燃焼)を起こさせる複数のシリンダ7と、シリンダ7の燃焼室周囲を冷却するジャケット冷却水循環系統9と、シリンダ7に吸入される空気を圧縮して吸入される空気量を増加させるターボチャージャ11とが備えられている。
ジャケット冷却水循環系統9には、シリンダ7、特に、燃焼室の回りに二重構造の空間を形成するジャケット(エンジンジャケット)17と、ジャケット冷却水を循環させる冷却水ポンプ19と、ジャケット17、冷却水ポンプ19およびジャケット17を結びジャケット冷却水を循環させるジャケット水循環流路21とが備えられている。
吸気通路13におけるコンプレッサ25とシリンダ7との間に吸気通路13を通る空気を冷却する冷却部材を設けてもよい。
ここで、低沸点媒体は、たとえば、HFC134a、HFE7100で例示される代替フロンである。低沸点媒体としてはこれらに限られず、臨界温度が約80℃~約200℃である媒体であればよい。たとえば、HFC134aの臨界温度は101.2℃、HFE7100の臨界温度は195.8℃である。
ジャケット冷却水熱交換器43は、排気ガス熱交換器45の上流側に配置されている。ジャケット冷却水熱交換器43の高温側には、たとえば、80~85℃であるジャケット冷却水が供給され、低温側には、たとえば、約40℃の液相で高圧の低沸点媒体が対向流式に供給されている。
低沸点媒体は臨界温度が約80℃~約200℃であるので、低沸点媒体とジャケット冷却水とは液-液熱交換となる。ジャケット冷却水熱交換器43としては比較的小型とできる液-液熱交換器を用いることができる。さらに、ジャケット冷却水熱交換器43は効率のよい対向流式の熱交換であるので、一層小型化できる。
低沸点媒体は排気ガス流路を通る排気ガスによって昇温され、気相に変換される。言い換えると、低沸点媒体はシリンダ7から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。
タービン35には、主軸47が備えられている。
発電機29の回転数は、エンジンの負荷による排気熱量と温度に対応して、回転数を制御し流量・圧力を変化させることができる。
発電機29で発電された電力はバッテリ31に蓄電される。バッテリ31への蓄電に換えて、電力を必要とする機器へ直接供給するようにしてもよい。
低沸点媒体は、冷却空気によって、たとえば、約40℃まで冷却される。一方、冷却空気は、低沸点媒体によって加熱され、凝縮器37の出口で、たとえば、約50℃まで昇温される。
冷却媒体としては、空気等の気体に限らず、水等の液体を用いることができる。
この一体化されたタービン35、発電機29およびターボポンプ39は、密閉された容器(密閉容器)49内に収納され、外気と遮断されている。
このように、タービン35、発電機29およびターボポンプ39が容器49内に収納され、外気と遮断されているので、タービン35と外気、ターボポンプ39と外気、との間にシールを行なう必要が無い。そして、発電機29を含めてこれら3つの構成要素を一まとめにして密閉することで、低沸点媒体のリークを確実に防止することができる。したがって、シール部品の交換や作動流体の補充のようなメンテナンスの回数を大幅に削減でき、メンテナンスコストを低減することができる。
これにより、設備の大きさをコンパクトにでき、設置スペースを小さくできる。
さらに、主軸47を支持するターボポンプ39のスラストベアリングは気液シール機能を持たせると、液相の低沸点媒体が発電機29やタービン35の側へ向かうことを安定的に防止することできる。
往復動エンジン3が始動すると、シリンダ7からの排気ガスがタービン23を回転する。このタービン23の回転に伴いコンプレッサ25が回転駆動され、吸入された空気を圧縮し、吸気通路13を通ってシリンダ7に供給する。コンプレッサ25の出口で圧縮された空気は、たとえば、約180℃に昇温されている。
往復動エンジン1は、この爆発力によってピストンをシリンダ内で往復動させるとともに、このピストンの往復動をコネクティングロッドとクランクシャフトとによって連続的な回転運動に変え、クランク軸から動力(軸動力)を出力する。
本実施形態では、ジャケット冷却水はジャケット冷却水熱交換器43で低沸点媒体によってのみ冷却されるようにされているが、これに限定されるものではなく、たとえば、従来のラジエタを併せ持つようにしてもよい。このようにすると、特に、往復動エンジン3の起動、停止、部分負荷運用、において制御の自由度を高くできる。
媒体流路41を循環する低沸点媒体は次のとおり変化する。凝縮器37から導入される低温(約40℃)・低圧の液相の低沸点媒体は、タービン35の回転により回転するターボポンプ39によって圧縮され、昇圧される。
次いで、低沸点媒体は蒸発器部33の排気ガス熱交換器45に導入され、排気通路15を通る、たとえば、約400℃の排気ガスによって昇温され、気相に変換される。言い換えると、低沸点媒体はシリンダ7から廃棄される排気ガスから熱量を回収することができる。これにより、排気ガスとして外部に廃棄される熱量(排気損失)を減少させることができる。
タービン35は、低沸点媒体の膨張に仕事を得て、回転されるので、主軸47が回転する。
発電機29は、主軸47を介して伝達されたタービン35の回転により回転し、発電を行なう。発電機29で発電された電力はバッテリ31に蓄電される。
これらにより、往復動エンジン3の効率を格段に向上させることができる。
これにより、往復動エンジン3に大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステム5を提供することができる。
次に、本発明の第二実施形態にかかる往復動エンジンシステム1について、図2を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム5の蒸発器部33およびジャケット冷却水循環系統9の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここでは、この異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態の蒸発器部33は、排気ガス熱交換器45でのみ構成されている。これに伴い、ジャケット冷却水循環系統9には、シリンダ7によって昇温されたジャケット冷却水を冷却するラジエタ51が備えられている。ラジエタ51の替わりに冷却塔を用いるようにしてもよい。
ジャケット冷却水循環系統9では、冷却水ポンプ19によって循環させられているジャケット冷却水は、ジャケット17を通る際にシリンダ7の燃焼室周囲を冷却し、その際シリンダ7の燃焼室周囲から熱量を得て昇温される。
ジャケット冷却水は、ラジエタ51によって冷却空気と熱交換されて、冷却され、ジャケット17へ循環される。
このとき、低沸点媒体は、臨界温度が約80℃~約200℃であるので、排気ガス熱交換器45では、比較的温度が低い排気ガスでも所要のタービン効率を維持するのに必要な十分な気相の圧力、温度等を得ることができる。低沸点媒体は断熱熱落差が小さくなるので、タービンを低速で回すことができる。これにより、タービンの大型化を防止できる。
これにより、往復動エンジン3に大きな影響を与えることなく、たとえば、車両等の狭い空間にも搭載できる実用的なエンジン廃熱回収発電ターボシステム5を提供することができる。
次に、本発明の第三実施形態にかかる往復動エンジンシステム1について、図3を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム5の蒸発器部33および吸気通路13の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここでは、この異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、吸気通路13におけるブロア25とシリンダ7との間に、吸気熱交換器(第3の熱交換器)53が備えられている。
吸気熱交換器53には、ジャケット冷却水熱交換器43と排気ガス熱交換器45との間に位置する媒体流路41が挿着されている。吸気熱交換器53は、ターボチャージャ11の出口(コンプレッサ25の出口)空気(吸気)と低沸点媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。
吸気熱交換器53は、吸気通路13の一部を構成し、内部をブロアで圧縮され、比較的高温、たとえば、約180℃とされた空気が通っている。吸気熱交換器53の内部に挿着された媒体流路41には、ジャケット冷却水熱交換器43を出た、たとえば、約75℃の低沸点媒体が吸気に対して対向流式に供給されている。
吸気は、低沸点媒体によって冷却され、一方、低沸点媒体は、吸気によって加熱される。言い換えると、低沸点媒体は、吸気から熱量を回収することができる。
ターボチャージャ11の出口空気である吸気は圧縮されているので、温度が高くなっている。この吸気は、吸気熱交換器53で低沸点媒体によって冷却されるので、温度が下がり、密度を増加させることができる。これにより、シリンダへ供給される空気量をより多くすることができる。
したがって、蒸発器部33では、ジャケット冷却水熱交換器43および排気ガス熱交換器45に加えて、吸気熱交換器53でも往復動エンジン3から廃棄される熱量を回収することができる。
このようにして回収された熱量(エネルギー)は発電機29によって電力に変換されるので、往復動エンジン3の廃熱を汎用性の高い電気に変換することができる。
たとえば、図4に示されるように、吸気熱交換器53はジャケット冷却水熱交換器43と並列になるように配置してもよい。
さらに、図5に示されるように、吸気熱交換器53は第二実施形態のエンジン廃熱回収発電ターボシステム5に用いられてもよい。この場合、吸気熱交換器53は、排気ガス熱交換器45の上流側にそれと直列に接続される。
次に、本発明の第四実施形態にかかる往復動エンジンシステム1について、図6を用いて説明する。
本実施形態は、エンジン廃熱回収発電ターボシステム5のタービン35およびターボポンプ39の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここでは、この異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、主軸47によって一体化されたタービン33および発電機29は密閉された容器55内に収納され、外気と遮断されている。
ターボポンプ39は、モータ57によって回転駆動されるように構成されている。モータ57はバッテリ31から供給される電力によって駆動される。
ターボポンプ39およびモータ57は密閉された容器59内に収納され、外気と遮断されている。
エンジン廃熱回収発電ターボシステム5では、蒸発器部33で高圧・高温の気相とされた低沸点媒体は、タービン35に導入され、断熱膨張させられて、高温・低圧の気相、あるいは、一部液相となった湿り状態となる。
タービン35は、低沸点媒体の膨張に仕事を得て、回転されるので、主軸47を介して
発電機29が回転し、発電を行なう。発電機29で発電された電力はバッテリ31に蓄電される。
本実施形態のタービン33およびターボポンプ39周辺の構造は、上述の第二実施形態および第三実施形態の各エンジン廃熱回収発電ターボシステム5に適用してもよい。
たとえば、圧縮機としてターボポンプ39を用いているが、これは公知の適宜形式の圧縮器を用いてもよい。
3 往復動エンジン
5 エンジン廃熱回収発電ターボシステム
9 ジャケット冷却水循環系統
11 ターボチャージャ
13 吸気通路
15 排気通路
17 ジャケット
33 蒸発器部
35 タービン
37 凝縮器
39 ターボポンプ
43 ジャケット冷却水熱交換器
45 排気ガス熱交換器
49 容器
53 吸気熱交換器
Claims (7)
- エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統と、高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路とを有する往復動エンジンにおける廃熱を用いて発電するエンジン廃熱回収発電ターボシステムであって、
臨界温度が約80℃~約200℃である低沸点媒体を用い、該低沸点媒体を気相とする蒸発器部、該蒸発器部で気相とされた前記低沸点媒体を膨張させ低圧の気相とするタービン、該タービンからの前記低圧沸点媒体を冷却して液相とする凝縮器および該凝縮器から送られる前記低沸点媒体を昇圧する圧縮機によって閉ループのランキンサイクルを形成する媒体回路と、
前記タービンと同軸で連結され、前記低沸点媒体の膨張に伴い回転する前記タービンによって回転駆動されて発電を行う発電機と、を備え、
前記蒸発器部には、少なくとも前記排気ガスと前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を気相にさせる第1の熱交換器が備えられているエンジン廃熱回収発電ターボシステム。 - 前記蒸発器部には、前記第1の熱交換器の上流側に前記ジャケット冷却水循環系統の高温側のジャケット冷却水と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第2の熱交換器が備えられている請求項1に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
- 前記往復動エンジンには、空気を圧縮して供給するターボチャージャが備えられ、
前記蒸発器には、前記第1の熱交換器の上流側に、前記ターボチャージャの出口空気と前記低沸点媒体との間で熱交換を行い、前記低沸点媒体を加熱する第3の熱交換器が備えられている請求項1または請求項2に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。 - 前記第3の熱交換器は、前記第2の熱交換器の上流側あるいは下流側に直列に設置されている請求項3に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
- 前記第3の熱交換器は、前記第2の熱交換器に対し並列に設置されている請求項3に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。
- 前記圧縮機は、ターボポンプとされ、
該ターボポンプは、前記発電機と同軸で連結され、
前記タービン、前記発電機および前記ターボポンプは、密閉容器に収納されている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステム。 - エンジンジャケット内を冷却するジャケット冷却水循環系統および高温の燃焼ガスを排気ガスとして排気する排気ガス流路を有する往復動エンジンと、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のエンジン廃熱回収発電ターボシステムと、
が備えられている往復動エンジンシステム。
Priority Applications (3)
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