(57)【要約】【課題】    内燃機関と外燃機関との違いから、蒸気機関が内燃機関の駆動をアシスト（援助）出来ず、逆に妨げる場合がある。本発明は蒸気機関でもって内燃機関の排熱を有効に利用し、内燃機関の駆動を妨げず、内燃機関の駆動をアシストすることを課題とする。【解決手段】  内燃機関の排熱を利用する方法として蒸気機関を用いるが、該蒸気機関はレシプロ式蒸気機関で、共通または連結したクランク軸を備え、同じ往復運動でレシプロ式内燃機関の駆動をアシストする。更に、シリンダー内のピストンを挟んだ、両側のシリンダー室を連通する連通管を該シリンダーの外部に設け、急な負荷の変動時などで、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動をアシストする状況では該連通管の開閉弁を閉じるように制御し、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動を妨げる状況では該連通管の開閉弁を開け、該レシプロ式蒸気機関が空転するように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レシプロ式内燃機関と該内燃機関の排熱を熱源とする外燃機関との複合機関で、該外燃機関はレシプロ式蒸気機関であり、作動媒体は該内燃機関の冷却媒体を用い、該内燃機関からの排気熱を得た過熱器で過熱蒸気を生成し、該レシプロ式蒸気機関のシリンダー内で膨張させ、次に復水器（ラジエター）で冷却して復水に戻し、ポンプで再び該内燃機関へ循環させるランキンサイクルを形成し、該レシプロ式蒸気機関は該内燃機関との共通、または連結したクランク軸を持ち、該内燃機関の駆動をアシスト（援助）することを特徴とする複合機関。
【請求項２】
請求項１の複合機関であって、該レシプロ式蒸気機関のシリンダー内のピストンを挟んだ、両側のシリンダー室を連通する連通管を該シリンダーの外部に持ち、該連通管は開閉弁を備え、電子制御装置であるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を用いて、該複合機関の始動、加速、定常、減速および停止のそれぞれの動作モードに於いて、又は急な負荷の変動時など、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動をアシスト（援助）する状況では該連通管の開閉弁を閉じるように制御し、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動を妨げる状況では該連通管の開閉弁を開けるように制御する複合機関。
【請求項３】
請求項２の複合機関であって、該内燃機関と該過熱器の間に三方弁を取り付け、該内燃機関から出た該作動媒体は該過熱器へ送られず、該三方弁を通り直接該復水器へ送られて復水に戻り、ポンプで再び該内燃機関へ戻られる作動媒体流路も合わせ持ち、電子制御装置であるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を用いて、該複合機関の始動、加速、定常、減速および停止のそれぞれの動作モードに於いて、又は急な負荷の変動時など、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動を妨げる状況では、該内燃機関から出た該作動媒体は該三方弁を通り直接該復水器へ送られて復水に戻り、ポンプで再び該内燃機関へ戻す複合機関。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかの複合機関であって、該内燃機関のシリンダーと該レシプロ式蒸気機関のシリンダーとが単一シリンダーブロック内に組込まれている複合機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明はレシプロ式内燃機関と該内燃機関から排気される熱エネルギーを利用する外燃機関との複合機関であって、更に詳しくは、該外燃機関はレシプロ式蒸気機関で、車両、船舶、発電装置等に用いられる複合機関に関する。
【背景技術】
【０００２】    地球環境負荷の問題が注目されて久しい。特に石油、天然ガス等の化石燃料を燃焼させる内燃機関等から排気される熱エネルギーが大気へ廃棄される問題が大きく、各国、各企業のＣＯ２削減義務が課されてきた。例えば大型商業用発電ではガスタービンからの排熱を利用し蒸気タービン等と組み合わせてコンバインドサイクルを形成し、少しでも熱効率を上げることが実施されている。しかし中・小規模施設での内燃機関からの排熱エネルギーを利用し、蒸気タービンなどの外燃機関とのコンバインドサイクルは余り実施されていない。特に車両や船舶の分野では未だに多くの熱エネルギーが未利用のまま大気へ廃棄されている現状がある。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献１】  特開２０１１−７０７５号広報
【特許文献２】  特開２０１１−１４９３７３号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】    排熱利用の方法として熱エネルギーを運動エネルギーに変換する為に最も用いられるのが蒸気機関で、特許文献１および２などで公開されているように、特に蒸気タービンが用いられている。しかしそれには主に次のような問題がある。第一に蒸気タービンが小規模になるほど、タービンの回転速度は内燃機関のピストン運動の回転速度よりも早いものが多い。第二に蒸気タービンなどの蒸気機関は内燃機関と比べ、急激な負荷の変動に合わせる事は遅い。第三に蒸気の温度・圧力・量等の蒸気条件が安定しない等である。【０００５】    特許文献１では内燃機関であるエンジンの出力の変化により、該エンジンからの排熱を利用する蒸気条件が刻々と変化する。それに対応するために蒸気タービンのノズルの形状を変化させた対応手段を提案している。特許文献２では供給蒸気量が減少する場合、内燃機関のエンジンと蒸気タービンとを連結しているクラッチを開放し、蒸気タービンを空転させて、蒸気供給量が充分になるまで該蒸気タービンを待機させている。以上の様な問題があるが、内燃機関と外燃機関との違いから、蒸気機関が内燃機関の駆動をアシスト（援助）出来ず、逆に妨げる場合がある。本発明は蒸気機関でもって内燃機関の排熱を有効に利用し、内燃機関の駆動を妨げず、内燃機関の駆動をアシストすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】    以上の様な課題に対して本発明は以下の様な手段を用い解決する。内燃機関の排熱を利用する方法として蒸気機関を用いるが、該蒸気機関はレシプロ式蒸気機関で、該内燃機関と共通または連結したクランク軸を備え、同じ往復運動で内燃機関の駆動をアシストする。作動媒体は内燃機関の冷却媒体を用い、該冷却媒体を該内燃機関の排気熱を利用する過熱器で過熱蒸気を得て、レシプロ式蒸気機機関で膨張させ、熱エネルギーをピストンの往復運動エネルギーに変換し、次に下流の復水器で作動媒体を冷却し、復水に戻す。復水をポンプで再び該内燃機関へ送り、ランキンサイクルを形成する。【０００７】    レシプロ式蒸気機関は蒸気タービンに比べ、急な負荷変動に対し、適応性が高い。しかし、内燃機関の負荷変動に対する適応性に比べると遅い。この遅れが内燃機関の駆動を妨げる最も大きな要因である。そこで本発明では始動、加速、定常、減速および停止のそれぞれの動作モードに於いて、又は急な負荷の変動に対するレシプロ式蒸気機関の対応が、内燃機関よりも遅れる場合、該レシプロ式蒸気機関を空転させ、該内燃機関の駆動を妨げないようにする。具体的には該レシプロ式蒸気機関のシリンダー内のピストンを挟んだ、両側のシリンダー室を連通する連通管を該シリンダーの外部に設け、該連通管は開閉弁を持ち、電子制御装置であるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を用い、急な負荷の変動時などで、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動をアシストする状況では該連通管の開閉弁を閉じるように制御し、該レシプロ式蒸気機関が該内燃機関の駆動を妨げる状況では該連通管の開閉弁を開け、該レシプロ式蒸気機関が空転するように制御する。【０００８】    該内燃機関と該過熱器の間に三方弁等を設け、該連通管の開閉弁が開けられて該レシプロ式蒸気機関が空転している場合、該内燃機関より出た冷却媒体は該過熱器へ送られず、該ＥＣＵの制御により、該三方弁から直接復水器へ送られて復水に戻り、ポンプで再び該内燃機関へ戻られる作動媒体流路も備える。
【発明の効果】
【０００９】    車両のように始動・加速・定常・減速のそれぞれの運転モードに於いて、レシプロ式蒸気機関は蒸気タービンよりも急な負荷の変化に対する対応は早い上、効率の良い回転域が広く、更に同一クランク軸上で、同じようにピストンの往復運動をするため、内燃機関の駆動をアシスト（援助）することがより効果的に出来る。一方負荷の変動に対する対応が遅れる場合、本レシプロ式蒸気機関は開閉弁付の連通管をシリンダー部に設けているため、空転が容易く出来、内燃機関の駆動を妨げることはない。船舶や発電装置での利用では負荷の変動は車両に比べ小さいため、本発明は内燃機関の排熱を回生利用し、より熱効率の高い排熱利用複合機関になり、よって貴重な熱エネルギーを未利用のまま大気へ廃棄する量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】  本排熱利用複合機関の概略構成を示した説明図。
【図２】  本排熱利用複合機関の内の、レシプロ式蒸気機関のシリンダーおよび連通管を示した概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】    本排熱利用複合機関の一例を図１および図２を用い説明する。図１はランキンサイクルを示しており、内燃機関１の冷却媒体は本複合機関の作動媒体として過熱器２に送られ、内燃機関１からの排気管３の高温排気熱と熱交換し、過熱蒸気の作動媒体となりレシプロ式蒸気機関４へ送られ、ピストン４０３の往復運動を通し、図示されていないクランク軸を回転させ、復水器（ラジエター）５に送られて該作動媒体は冷却されて復水になり、ポンプ６で再び内燃機関１に送り戻されるランキンサイクルを構成している。
【００１２】    図２は請求項２の発明の一例で、本発明の特徴の一つであるピストン４０３の往復運動を空転させるための装置を示してある。レシプロ式蒸気機関４のシリンダー４０４内のピストン４０３を挟んだ、両側のシリンダー室４０４ａ、４０４ｂを連通する連通管４０１を該シリンダー４０４の外部に設け、該連通管４０１には開閉弁４０２を取り付ける。電子制御装置であるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）７を用いて、該レシプロ式蒸気機関４が該内燃機関１の駆動をアシスト（援助）する状況では該連通管４０１の開閉弁４０２を閉じるように制御し、該レシプロ式蒸気機関４の負荷に対する対応が遅く、該内燃機関１の駆動を妨げる状況では該連通管４０１の開閉弁４０２を開けるように制御し、該レシプロ式蒸気機関４を空転させる。
【００１３】    作動蒸気はレシプロ式蒸気機関４の蒸気流入口４０７から先ず制御シリンダー室４０５内のピストン弁４０６ａの開けた通路を通り、シリンダー室４０４ａに入り、該ピストン４０３を押し下げ、もう一方のシリンダー室４０４ｂに残存する作動蒸気を、制御シリンダー室４０５内のピストン弁４０６ｂが開けた通路を通り、蒸気排出口４０８から復水器５へと送り出される。この時、連通管４０１の開閉弁４０２は閉じられ、該ピストン４０３の両側のシリンダー室４０４ａ、４０４ｂは連通されていない。
【００１４】    次に、請求項３の発明の一例で、該レシプロ式蒸気機関４が内燃機関１をアシスト出来ない場合、該内燃機関１から送り出された作動媒体は過熱器２に送られず、内燃機関１と過熱器２との間に置かれた三方弁８が電子制御装置であるＥＣＵ７からの制御で従来の蒸気流路９ａから他の蒸気流路９ｂへ切り替えられ、作動媒体は内燃機関１から三方弁８を通り、復水器５へ送られ、該復水器５で冷却され、ポンプ６から再び内燃機関１へ送り戻される、循環サイクルを形成する。この時、レシプロ式蒸気機関４の連通管４０１の開閉弁４０２はＥＣＵ７からの制御で開かれて、該ピストン４０３は空転する。
【００１５】    本発明は、上記に述べた実施形態に限定されるものではなく、レシプロ式蒸気機関の暖機に関し触れられていないが、該内燃機関１のシリンダーと該レシプロ式蒸気機関４のシリンダーとを単一シリンダーブロック内に組込み、内燃機関１がレシプロ式蒸気機関４の暖機を速めるなど、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【記号の説明】
【００１６】１        内燃機関
２        過熱器
３        排気管
４        レシプロ式蒸気機関
５        復水器（ラジエター）
６        ポンプ
７        ＥＣＵ（電子制御装置）
８        三方弁
９        作動媒体流路
１０      調整弁
４０１    連通管
４０２    開閉弁
４０３    ピストン
４０４    シリンダー室（ａ、ｂ）
４０５    制御シリンダー室
４０６    ピストン弁（ａ、ｂ）
４０７    蒸気流入口
４０８    蒸気排出口
４０９    ピストンロッド
【図１】
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【図２】
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