(57)【要約】  密閉型サイクルエンジンシステムは、燃焼助燃ガスとともに燃料を燃やすために作動可能なエンジンユニットを備えて、ガス循環路は、エンジンユニットの吸気口と排気口との間に流体伝達を提供する。作動中は、エンジンユニットは排ガスを生成する。ガス循環路は、排ガス及び流れ抵抗を少なくとも部分的に吸収するために吸着装置を提供されている。流れ抵抗は吸着装置と吸気口との間に置かれており、さらに、吸気口における圧力は排気口における圧力よりも低いように設置されている。このような設置によって、吸着装置の効率は改良され、それゆえエンジンの総合的な効率も改良される。このようなエンジンシステムと、このようなエンジンシステムを具備する乗り物もまた開示されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気口及び排気口を有し、燃焼助燃ガスとともに燃料を燃やして排ガスを生成する作動可能なエンジンユニットエンジンユニットと、
前記吸気口と前記排気口との間で流体の伝達を行い、少なくとも部分的に前記排ガス及び流れ抵抗を吸収するための吸着装置を備え、前記流れ抵抗が前記吸着装置と前記吸気口との間に配置されて、且つ前記吸気口における前記圧力は前記排気口における前記圧力よりも低く、前記流れ抵抗は前記吸気口における前記圧力に応じて調整可能であるガス循環路と、
を具備する密閉型サイクルエンジンシステム。
【請求項２】
前記流れ抵抗は、絞り弁を具備することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記流れ抵抗は、オリフィス板を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記流れ抵抗は、前記吸気圧力に応じる減圧弁をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記燃焼助燃ガスは、前記オリフィス板と前記減圧弁との間に供給されることを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記流れ抵抗は、前記ガス循環路における前記流れからの動力を抽出するための動力抽出手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記動力抽出手段は、タービンを具備することを特徴とする請求項６に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記吸気口における前記圧力は、前記排気口における前記圧力から独立して制御可能であることを特徴とする請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載されるエンジンシステム。
【請求項９】
前記添付図面を参照して本明細書において実質上説明されているような密閉型サイクルエンジンシステム。
【請求項１０】
密閉型サイクルエンジンシステムを具備することを特徴とする請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の潜水艇。
【請求項１１】
吸気口及び排気口を有するエンジンユニットと、前記排気口と前記吸気口との間で流体の伝達を行うガス循環路とで構成される密閉型サイクルエンジンシステムの作動方法であって、
ａ）前記エンジンを作動させ、前記排気口において前記ガス循環路内へ排出される排ガスを生成するステップと、
ｂ）吸着装置において少なくとも部分的に前記排ガスを吸収するステップと、
ｃ）前記排気口における前記圧力よりも低い前記吸気口における前記圧力に調整され、前記吸着装置と前記吸気口との間に定められた、流れ抵抗を前記ガス循環路に与えるステップと、
ｄ）前記吸気口における前記圧力に応じて前記流れ抵抗を調整するステップと、を具備することを特徴とする密閉型サイクルエンジンシステムの作動方法。
【請求項１２】
前記添付図面を参照して本明細書において実質上説明されているような密閉型サイクルエンジンシステムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良された密閉型サイクルエンジンシステムに関連する。密閉型サイクルエンジンシステムは、大気下に関係なく作動可能であり、特に大気が自由に利用可能ではない場所において有用であり、よく水中内の用途に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
密閉型サイクルエンジンは、例えば、欧州特許公開番号０１１８２８４号公報において知られている。このエンジンは循環路を有しており、循環路を通じて、燃焼室から排出されたある程度の排ガスが燃焼室へ帰還するように配管される。不活性キャリヤガスと混合された酸素は、燃焼室に提供され、燃焼室において、燃料はその他の燃焼生成物と一緒に酸素と燃やされて、二酸化炭素が生成される。
【０００３】
この循環路は、吸着装置を有しており、吸着装置において、排ガスは、排ガスから二酸化炭素を取り除くために水とともに処理される。
【０００４】
不都合なことに、排気口からの二酸化炭素ガスの吸収は、多くのエネルギーを必要とし、このため、エンジンに対する多くの寄生動力損失(a parasitic power loss)を引き起こす。エンジンの総合的な効率が改良されるためには、この寄生損失を削減することが必須である。従来技術においては、吸収効率は、二酸化炭素の部分圧力が高くなるにつれて高まるので、吸着装置における二酸化炭素の部分圧力が高くなることが重要であると認識されている。それ故、欧州特許公開番号０１１８２８４号公報においては、排ガスが吸着装置に到達する前に排ガスを圧縮し、その後、吸着装置からの排出ガスを膨張させるという技術が提案されている。このような膨張は、エンジンの吸気マニホールドにおける圧力を、エンジンの作動制約内の圧力まで下げることが必須である。しかしながら、欧州特許公開番号０１１８２８４号公報において開示されているように、排ガスの圧縮は、コンプレッサに動力を与えるために、更なる寄生エネルギー損失を必要とする。この付加的な圧縮がない場合、最大吸収圧力は、エンジンが許容する最大吸気マニホールド圧力にならざるを得ない。この制約は、エンジンピークシリンダ圧力が直接、エネルギー損失を最小にするように構成されているシステムにおいて、吸収圧力に対して密閉されている吸気マニホールド圧力に影響されるためである。エンジンの可使時間は、エンジンピークシリンダ圧力によって直接影響を及ぼされる。つまり、高ピークシリンダ圧力によって可使時間は短くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許公開番号０１１８２８４号
【発明の概要】
【０００６】
従って、寄生損失のより少ない、より効率的な密閉型サイクルエンジンシステムが必要である。それゆえ、本発明の目的は、少なくとも部分的にこの必要性に応える密閉型サイクルエンジンシステム、及び従来の密閉型サイクルエンジンシステムの有する上記課題を少なくとも部分的に解決する密閉型サイクルエンジンシステムを提供することである。
【０００７】
本発明は、エンジンの作動中に、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間に差圧が発生し、排ガスの吸収効率を改良するためのエンジンの排気口側のより大きな圧力を使用するような密閉型サイクルエンジンシステムを構成するコンセプトにある。流れ抵抗を、排気口を吸気口に連結するガス循環路内に組み込むことによって、このような差圧が達成され、それによって、二酸化炭素の吸収効率は改良され、それゆえ寄生損失も削減する。従って、エンジンシステム内においてエネルギー損失を増大させると予測される付加的な抵抗は、ガス循環路の流れ内にもたらされるにもかかわらず、システムの総合的な効率が改良される。さらに、これらの利点は、コンプレッサを使用することなく達成される。
【０００８】
本発明の第１の様態に従って、密閉型サイクルエンジンシステムが提供されており、燃焼助燃ガスとともに燃料を燃やすために作動可能なエンジンユニットであって、それによって排ガスが生成され、エンジンユニットは吸気口及び排気口を有しているエンジンユニットと、吸気口と排気口との間の流体伝達を行うガス循環路とを具備し、ガス循環路は、少なくとも部分的に排ガス及び流れ抵抗を吸収するための吸着装置を有しており、流れ抵抗は吸着装置と吸気口との間に置かれているため、吸気口における圧力は排気口における圧力よりも低く、流れ抵抗は吸気口における圧力に応じて調整可能である。吸着装置と吸気口との間に流れ抵抗の設置により、吸着装置がより低い吸気圧力或いは、より高い排気圧力にすることを確実に行う。吸着装置における圧力は、コンプレッサのような付加的な動力消費構成部品を必要とすることなく高まるので、ガス循環路への付加的な流れ抵抗はエンジンシステムの効率を改良する。吸着装置における圧力を高めることは、ＣＯ２吸収の効率を高め、それゆえ、吸着装置と関連付けられている寄生損失は削減される。寄生損失が削減されると、所定のエンジン軸動力に対するシステムの排出動力は増大する。
【０００９】
流れ抵抗を含むことによって、密閉型サイクルシステムは、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間の差圧を許容するために、エンジンユニットの自然容量を使用することができる。また、一定の型のエンジンユニット、例えば排気駆動ターボ過給機を提供されているディーゼルエンジンは、吸気口と排気口との間の差圧を伴って作動するように設計されている。ターボ過給機を取り外すことによって、この差圧は吸収効率を高めるために利用される。さらに、エンジンユニットの吸気マニホールドと排気マニホールドとの間に差圧があることによって、多種多様なエンジンユニットを密閉型サイクルエンジンシステムにおいて使用することが可能である。以前は、最高許容吸気マニホールド圧力によって規定される制限は、密閉型サイクルエンジンシステムに用いられ得るエンジンユニット数を削減させていた。流れ抵抗は、所定の密閉型サイクルエンジンシステムにおいて使用するよう所望されるエンジンユニットに従って選択されうるので、この問題は本発明によって軽減される。
【００１０】
有利には、流れ抵抗は、吸気口における圧力に応じて調整可能であるので、吸気圧力はエンジンが許容できる範囲内に保たれることが確実であり、一方では、吸着装置においては高圧の維持も可能である。さらに、調整可能な流れ抵抗が存在することによって、システムは、吸気口における圧力において、いずれの一過性増加も把握することができる。一方で、このような過渡状態は、吸気口が許容できる最大圧力を超える。
【００１１】
流れ抵抗は、例えばオリフィス板のような絞り弁、または短縮ダイヤメトラルパイプ(reduced diameter pipe)の一部を有する。オリフィス板の使用によって、流れ抵抗を達成するのに好ましい単純な方法が提供され、この方法は、迅速に及びコスト効率がよく、既存の密閉型サイクルエンジンシステムに組み込まれることが可能であり、または密閉型サイクルエンジンシステムに関する既存の設計に組み込むことも可能である。以下で説明されている特定の実施形態において、流れ抵抗は、吸気圧力に応じる減圧弁をさらに有する。その時、エンジンユニットの吸気マニホールドにおける圧力は、最も効率的な圧力値が選択されるように調整される。
【００１２】
さらに、燃焼助燃ガス（又は、支燃性ガス）は、オリフィス板と減圧弁との間のガス循環路に供給される。一度、バルク減圧(the bulk pressure reduction)がオリフィス板により行われると、ガス供給の導入がやり易くなる。燃焼助燃ガスは、分離型のガス供給ボトルからの、酸素と不活性キャリヤガスとの混合、例えばアルゴンが好ましく、流れが減圧弁を通過する前に、これらのガスが導入することによって、燃焼助燃ガスの構成要素が、吸気マニホールドに入る前によく混合される。
【００１３】
流れ抵抗は、ガス循環路において流れから動力を抽出するために、動力抽出手段を有するのが好ましい。ガス循環路における流れからの動力抽出は、密閉型サイクルエンジンシステムの効率をさらに高める。動力抽出手段は、タービンを有する。代替としては、動力抽出手段は、ベーンまたはその他、容積式モータを有する。
【００１４】
吸気口における圧力は、排気口における圧力から独立して制御可能である。このような独立制御手段によって、エンジンシステム内の圧力は、効率が高められるように調整される。
【００１５】
本発明の第２の様態に従って、密閉型サイクルエンジンシステムの駆動方法が提供されており、システムは吸気口及び排気口を有するエンジンユニットを有し、さらにガス循環路は前記排気口と前記吸気口との間で流体の伝達を行う。この駆動方法は、エンジンを作動させ、排気口においてガス循環路内へ排出される排ガスを生成するステップと、吸着装置において少なくとも部分的に排ガスを吸収するステップと、排気口における圧力よりも低い吸気口における圧力に調整され、吸着装置と吸気口との間に定められた、流れ抵抗をガス循環路に与えるステップと、を有する。
【００１６】
本発明は、上述されているような密閉型サイクルエンジンシステムを有する潜水艇に及んでいる。このような潜水艇は、例えば潜水艦、または原動手段(motive means)を必要とする水中の乗り物のいずれかの形態である。
【００１７】
本発明がより理解されるために、例としてのみ添付図面を参照して、特定の実施形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態に従ったアルゴン循環密閉型サイクルディーゼルエンジンシステム１００が、図１において模式的に示されている。システム１００は、吸気マニホールド１１２及び排気マニホールド１１４を有するディーゼルエンジンユニット１１０を有する。排気マニホールドは、適切なダクトまたはパイプを介して吸着装置１２０に連結されており、吸着装置１２０は、セパレータ１３０と、オリフィス板１４０と、減圧弁１５０とを介して順番に連結され、またエンジンユニット１１０の吸気マニホールド１１２へ連結される。それゆえ、排気マニホールドをまた吸気マニホールドへ連結するガス循環路が規定される。オリフィス板１４０と減圧弁１５０との間には、アルゴン及び酸素を循環路に供給する吸気口１４４及び１４６が設けられる。燃料をエンジンユニット１１０に供給するための吸気口（示されていない）もまた設けられている。酸素及びアルゴンの供給は、ガスボトル、またはその他適切なガス貯蔵装置から提供される。
【００２０】
システム１００は、密閉サイクルにおいて作動することが可能である。エンジンユニット１１０は、吸気口１４４及び１４６から供給されているアルゴンと酸素の混合物を有する燃焼助燃ガスとともに吸引される。エンジンユニット１１０において燃料と酸素が結合することにより、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む排ガスが生成される。ある程度のＣＯ２は、チャンバー１２０に吸収される。
【００２１】
従来の公知な密閉型サイクルエンジンと同様に、吸着装置１２０は、ワイヤーメッシュを備えるロータ、または容積比に対して広い表面積を有するその他の材料を有しており、そのロータを通じて水は、遠心力によって外に向かって半径方向に投げ出されるため、その間に排ガスは逆流して流れる。可変速送水ポンプを使用して吸着装置１２０を通過する水量を変化させることによって、吸収されるＣＯ２量、及びそれに伴う吸着装置１２０と排気口１１４とにおける圧力が制御される。
【００２２】
その後、その時処理されたガスは、ガスの流れから水を取り除くセパレータ１３０を通過してオリフィス板１４０に流れる。オリフィス板１４０は、減圧弁１５０と協働して、エンジンユニット１１０の吸気マニホールドにおける圧力を制御するのに役立つ。減圧弁１５０は、吸気口１１２における圧力に応じて制御されるので、吸気口における圧力は、エンジンユニット１１０が許容する最大吸気圧力を超えて上昇しないということが確実である。これは、図１において、吸気口１１２を減圧弁１５０に連結する点線１５５によって模式的に示されている。それゆえ、吸気口１１２における圧力は、排気口１１４における圧力から独立して制御される。
【００２３】
エンジンユニット１１０には、排気駆動ターボ過給機が取り付けられている、通常同じ種類の従来型ディーゼルエンジンである。正常な好気性構造(aerobic configuration)において運転中の場合は、このようなエンジンは、エンジン１１０と、予定された圧力に至るまで吸気口を圧縮させるタービンを駆動させるのに充分なタービンと、の間の差圧を伴って作動するように構成される。それゆえ、排気圧力は、生成された吸気圧力よりも高い。エンジンユニットは、システム１００において使用されるために、ターボ過給機の除去及びエンジン１１０への吸気口１１２と排気口１１４との直接接合によって適合される。
【００２４】
それゆえ、密閉サイクルオペレーションにおいて、ターボ過給機が取り除かれると、エンジンの可能出力を超える差圧を伴って作動するエンジンの可能出力は、吸着装置１２０における圧力を増加させることによって吸収効率を高めるように活用され、一方で、エンジンの可能出力は、エンジンユニット１１０の許容範囲内における値において、吸気マニホールド１１２における圧力を維持する。
【００２５】
最初は、システムは一定の圧力にあり、差圧は、エンジンユニット１１０の初めのスタートアップ後に生じる。本システムにおけるＣＯ２の分圧は、スタートアップ時において非常に低いので、吸収能力もまた低い。エンジンが運転を継続すると、ＣＯ２の分圧が生じ、均衡になるまで吸着装置効率は高まる。差圧は、オリフィス板１４０及び減圧弁１５０を含む付加的な流れ抵抗の動作によって吸気マニホールドと吸着装置との間で増大する。この差異は、均衡にある時、吸気マニホールドが受容できる最大圧力と一致する一定値を維持することができる。一方で、差異は、排気マニホールド１１４における圧力よりも高い圧力で吸着装置１２０における圧力を維持する。それゆえ、吸着装置効率は高まる。吸収効率を高めることによって、エンジンにおける寄生損失は減少し、それゆえ、オリフィス板及び減圧弁をガス循環路内へ導入することによってエンジンの総合的な効率が改良される。
【００２６】
当業者にとって直ちに明らかになるように、上述した実施形態に対する変更及び修正が可能である。例えば、上記において、流れを制限するための及び吸気圧力の制御を行うためのオリフィス板と減圧弁の組み合わせを用いることが説明されているが、その他のいくつかの構造も使用されうる。このようなその他の構造は、短縮ダイヤメトラルパイプ、または当業者に公知である能動的及び受動的に制御された絞り弁を使用することができる。特に単純な構造においては、流れ抵抗は、上述されているような減圧弁を含むよりもむしろオリフィス板のみを有している。エンジンシステムの運転中に要求される正確な差圧が製造中に知られるとすると、このような流れ抵抗が適当であり、更なる制御は必要ではない。プラントに更なる動力を提供するために、減圧からのエネルギーを使用することができる装置、例えばガスタービン及びエキスパンダ、またはいずれかの型の容積式モータ、を用いることができるということも把握されている。最後に、留意すべきは、このような変更及び修正等は、当業者にとって直ちに明らかになり、添付の請求項に定義されている本発明の範囲から逸脱することなく可能であるということが明確に理解されるということである。
【図１】
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【国際調査報告】
2009541662.tif 000004
2009541662.tif 000005
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