(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン動力による発電電力と排熱回収による温熱を、系外に供給するコージェネレーション・システムにおいて、
燃料供給系統を介してシリンダ内に混合気として、又は、それぞれ独立に適時噴射される、炭化水素系燃料及び純酸素を燃焼させるエンジンと、
排気ガスの一部をエンジンに再循環するＥＧＲ系統と、
ＥＧＲ系統から分岐し、排気ガス中のＣＯ２ガスを回収するＣＯ２回収系統と、を備え、
該エンジンは、炭化水素系燃料と、純酸素と、ＥＧＲガスにより構成される混合気を、シリンダ内において成層状態で燃焼可能に構成され、
該ＣＯ２回収系統は、
排気ガス中のＨ２Ｏ成分を冷却除去して、ＣＯ２ガスを高濃度化するための第一の熱交換器と、
第一の熱交換器通過後のＣＯ２ガスを昇圧するための圧縮機と、を備え、
発電機による発電電力と、第一の熱交換器により回収された温熱と、を系外に供給可能とし、かつ、
該圧縮機通過後のＣＯ２ガスを、放散することなく回収可能に構成し、
たことを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項２】
炭化水素系燃料と、純酸素と、ＥＧＲガスにより構成されるシリンダ内混合気の成層状態を、スワール流若しくはタンブル流又はこれらの組み合わせにより形成可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項３】
前記燃料供給系統は、予混合された炭化水素系ガス燃料及び純酸素ガスを、前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射するための予混合気供給インジェクタを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項４】
前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、を備え、かつ、
シリンダ内において、酸素とＥＧＲガスにより形成される成層ガス中に、燃料を噴射するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項５】
前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、火花点火による点火手段とを備え、かつ、
シリンダ内において、酸素とＥＧＲガスにより形成される成層酸化剤ガス中に燃料を噴射し、成層酸化剤ガスと燃料により形成される成層混合気を火花点火させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項６】
前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、着火用液体燃料をシリンダ内に微量噴射する着火手段と、を備え、かつ、
シリンダ内において、酸素とＥＧＲガスにより形成される成層酸化剤ガス中に燃料を噴射し、成層酸化剤ガスと燃料により形成される混合気を、着火用液体燃料の微量噴射により点火させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項７】
前記燃料供給系統は、炭化水素系ガス燃料を前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに適時噴射する燃料イシジェクタと、
純酸素を前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに適時噴射する純酸素インジェクタと、を備え、かつ、
シリンダ内において、燃料と酸素とを混合させつつ、ＥＧＲガスとの成層混合気を形成するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項８】
前記ＥＧＲ系統経路内に、タービンと、コンプレッサと、該タービンと該コンプレッサとの間に介装されるインタークーラーと、を含むターボ過給機を備え、
該タービンにより排気ガスを減圧・低温化させて水分除去を行なった後に、一部の排気ガスを前記ＣＯ２回収系統に分岐するように構成し、
残りの排気ガスを、該インタークーラーにより冷却して排熱回収とさらなる水分除去を行い、前記エンジンに再循環するように構成し、
たことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項９】
前記圧縮機が、単段もしくは多段の軸流、又はスクロ―ル式圧縮機であり、かつ、
前記エンジンの出力回転軸と、前記圧縮機の回転軸と、を同軸又は変速機構を介して構成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１０】
前記圧縮機が往復式圧縮機であり、
前記エンジンの出力回転軸と、前記圧縮機の回転軸と、を同軸又は変速機構を介して構成し、かつ、
前記エンジンのバルブカムシャフトと、前記圧縮機のバルブカムシャフトと、を共通に構成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１１】
前記ＥＧＲ系統又は前記ＣＯ２回収系統の少なくとも一方の経路内に、両系統を流れる排気ガスの流量比を可変とする流量調整弁と、
前記エンジンの燃焼部に燃焼状態検知手段、又は、前記ＣＯ２回収系統の前記圧縮機出側にＣＯ２濃度検知手段の少なくともいずれかを、さらに備え、
前記エンジンの燃焼状態又は回収ＣＯ２濃度のうちの少なくとも一方に応じて、前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御して、発電効率、回収ＣＯ２濃度又はＣＯ２回収効率のうち、少なくともいずれかの向上を目的とする燃焼最適化制御を可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンは可変バルブタイミング機構を備え、かつ、
「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、
「吸・排気のバルブタイミングを調整」とすることを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンは可変圧縮比機構を備え、
「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、
「エンジンの圧縮比を調整」とすることを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１４】
請求項１１において、
前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンはスパーク発生時期を調整可能な火花点火手段を備え、かつ、
「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、
「スパーク発生時期を調整」とすることを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１５】
請求項１１において、
前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンはシリンダ内への燃料噴射の時期や期間の調整が可能な液体燃料噴射手段を備え、かつ、
「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、
「燃料の噴射時期や噴射期間を調整」とすることを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１６】
前記ＥＧＲ系統経路内に、前記エンジンに再循環するＥＧＲガス温度を調整するための第二の熱交換器を、さらに備え、
ＥＧＲガス温度を制御して前記エンジンの燃焼状態を最適制御するとともに、熱回収可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム。
【請求項１７】
請求項１１に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システムにおいて、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、循環供給させるＥＧＲガス量を減少させ、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、再循環されるＥＧＲガス量を増加させることを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システムにおいて、
吸・排気バルブの開閉時期又は開閉期間の調整により、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、シリンダ内の成層混合気中における未燃予混合気又は純酸素とＥＧＲガスとの濃淡差がより大きくなるように制御して成層化を促進し、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には濃淡差がより小さくなるように制御して、シリンダ内成層混合気の均―化を促進する、
ことを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法。
【請求項１９】
請求項１２又は１３に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システムにおいて、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、吸・排気バルブの開閉時期や開閉期間の調整により、エンジンの圧縮比を高め、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、圧縮比を低くする、
ことを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法。
【請求項２０】
請求項１４又は１５に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システムにおいて、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、火花点火の時期または液体燃料の噴射時期を早期化し、点火プラグへの印加電圧を増し、又は燃料噴射量を増やす、ことによりシリンダ内の点火・燃焼を促進し、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、点火時期または燃料の噴射時期を遅延化し、印加電圧を減らし、又は燃料噴射量を減らす、ことによりシリンダ内の点火・燃焼を緩慢化させる、
ことを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載のＣＯ２回収型コージェネレーション・システムにおいて、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、前記第二の熱交換器における熱交換量を減らしてＥＧＲガスの温度を高め、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、前記第二の熱交換器における熱交換量を増やしてＥＧＲガスの温度を低下させる、
ことを特徴とするＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコージェネレーション・システムに係り、特に、エンジン排気ガス中のＣＯ２を大気中に排出することなく分離回収しながら発電と熱回収を行なうことで、ＣＯ２フリーの熱電併給を可能とする、ＣＯ２回収型コージェネレーション・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンを駆動源とするコージェネレーション・システムにおいては、エンジン排気ガスは大気中に放出することが一般的である。しかしながら、近年、地球温暖化防止が叫ばれ、ＣＯ２排出量削減が全世界的な課題となっていることから、この分野においても排気ガスのＣＯ２削減が求められている。
本願発明者は、この問題に関してバイオマスを燃料とするコージェネレーション・システムにおいて、ＣＯ２を分離回収して固定化処理する技術を提案している（特許文献１）。
この技術は、図８に示すようにバイオマス燃料と純酸素を、混合器（ミキサー）１０２にて予混合してガスエンジン１０１に供給し、これを駆動源として発電機１０３で発電して電力供給を可能とする。また、酸化剤として純酸素を用いることにより、ＣＯ２とＨ２Ｏのみとなった排気ガスを、熱交換器１０５を通してＨ２Ｏ成分を除去する。これにより、ＣＯ２を効率良く回収するとともに、排気ガスからの熱回収により熱供給を可能とする。熱交換器１０５通過後のＣＯ２ガスを、モータ１０６駆動の圧縮機１０７により圧縮して、地中注入井１０８に圧送する。
以上のフローにより、ＣＯ２フリー電力及び熱の併給を可能とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、燃料と純酸素を混合器で混合気を形成してエンジン内で燃焼されると、シリンダ外周部、ピストンクレビス部などの隙間領域、燃焼室内壁面等に未燃ガスや未反応の酸素が残留しやすい。これらはエンジンの発電効率を低下させ、酸素製造に係るエネルギーの無駄を増やすだけでなく、排気ガスからのＣＯ２回収時における回収ガスのＣＯ２濃度を低下させてしまうという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者は、上記課題についてさらに検討を重ね、ＣＯ２フリーの電力および熱の併給が可能で、かつ、システム効率及びＣＯ２回収効率が高いＣＯ２回収型コージェネレーション・システムに関する発明を完成した。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システムは、
（１）エンジン動力による発電電力と排熱回収による温熱を、系外に供給するコージェネレーション・システムにおいて、
燃料供給系統を介してシリンダ内に混合気として、又は、それぞれ独立に適時噴射される、炭化水素系燃料及び純酸素を燃焼させるエンジンと、
排気ガスの一部をエンジンに再循環するＥＧＲ系統と、
ＥＧＲ系統から分岐し、排気ガス中のＣＯ２ガスを回収するＣＯ２回収系統と、を備え、
該エンジンは、炭化水素系燃料と、純酸素と、ＥＧＲガスにより構成される混合気を、シリンダ内において成層状態で燃焼可能に構成され、
該ＣＯ２回収系統は、
排気ガス中のＨ２Ｏ成分を冷却除去して、ＣＯ２ガスを高濃度化するための第一の熱交換器と、
第一の熱交換器通過後のＣＯ２ガスを昇圧するための圧縮機と、を備え、
発電機による発電電力と、第一の熱交換器により回収された温熱と、を系外に供給可能とし、かつ、
該圧縮機通過後のＣＯ２ガスを、放散することなく回収可能に構成し、たことを特徴とする。
【０００６】
（２）炭化水素系燃料と、純酸素と、ＥＧＲガスにより構成されるシリンダ内混合気の成層状態を、スワール流若しくはタンブル流又はこれらの組み合わせにより、燃焼に必要な炭化水素系燃料や純酸素をシリンダ中央部に、そして未燃ガスが発生しやすいシリンダ外周部やピストンクレビス部に再循環ＥＧＲガスが存在するように形成可能な構成としたことを特徴とする。
【０００７】
（３）前記燃料供給系統は、予混合された炭化水素系ガス燃料及び純酸素ガスを、前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射するための予混合気供給インジェクタを備えたことを特徴とする。
【０００８】
（４）前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、を備え、かつ、シリンダ内において、シリンダ中央部の酸素とシリンダ外周部のＥＧＲガスにより形成される成層ガスにのうち、シリンダ中央部の酸素存在領域に、液体燃料を噴射するように構成したことを特徴とする。
【０００９】
（５）前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、火花点火による点火手段とを備え、かつ、シリンダ内において、シリンダ中央部の酸素とシリンダ外周部のＥＧＲガスにより形成される成層酸化剤ガスのうち、シリンダ中央部の酸素存在領域に燃料を噴射し、成層酸化剤ガスと燃料により形成されるシリンダ中央部の成層混合気に火花点火するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
（６）前記燃料供給系統は、純酸素ガスを前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに噴射する酸素供給インジェクタと、炭化水素系燃料をシリンダ内に噴射する燃料供給インジェクタと、着火用液体燃料をシリンダ内に微量噴射する着火手段とを備え、かつ、シリンダ内において、シリンダ中央部の酸素とシリンダ外周部のＥＧＲガスにより形成される成層酸化剤ガスのうち、シリンダ中央部の酸素存在領域に燃料を噴射し、シリンダ中央部に酸素と噴射燃料により形成される混合気を、着火用液体燃料の微量噴射により点火するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
（７）前記燃料供給系統は、炭化水素系ガス燃料を前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに適時噴射する燃料イシジェクタと、純酸素を前記エンジンの各シリンダ吸気ポートに適時噴射する純酸素インジェクタと、を備え、かつ、シリンダ内において、燃料と酸素とをシリンダ中央部で混合させつつ、シリンダ外周部のＥＧＲガスとの成層混合気を形成するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
（８）前記ＥＧＲ系統経路内に、タービンと、コンプレッサと、該タービンと該コンプレッサとの間に介装されるインタークーラーと、を含むターボ過給機を備え、該タービンにより排気ガスを減圧・低温化させて水分除去を行なった後に、一部の排気ガスを前記ＣＯ２回収系統に分岐するように構成し、残りの排気ガスを、該インタークーラーにより冷却して排熱回収とさらなる水分除去を行い、前記エンジンに再循環するように構成し、たことを特徴とする。
【００１３】
（９）前記圧縮機が、単段もしくは多段の軸流、又はスクロ―ル式圧縮機であり、かつ、前記エンジンの出力回転軸と、前記圧縮機の回転軸と、を同軸又は変速機構を介して構成したことを特徴とする。
【００１４】
（１０）前記圧縮機が往復式圧縮機であり、前記エンジンの出力回転軸と、前記圧縮機の回転軸と、を同軸又は変速機構を介して構成し、かつ、前記エンジンのバルブカムシャフトと、前記圧縮機のバルブカムシャフトと、を共通に構成したことを特徴とする。
（９）又は（１０）の発明によれば、エンジン燃焼部と圧縮機とを一体化又は近接配置することが可能となり、さらに、エンジン回転動力の一部を回収ＣＯ２の圧縮に利用することができる。
【００１５】
（１１）前記ＥＧＲ系統又は前記ＣＯ２回収系統の少なくとも一方の経路内に、両系統を流れる排気ガスの流量比を可変とする流量調整弁と、
前記エンジンの燃焼部に燃焼状態検知手段、又は、前記ＣＯ２回収系統の前記圧縮機出側にＣＯ２濃度検知手段の少なくともいずれかを、さらに備え、
前記エンジンの燃焼状態又は回収ＣＯ２濃度のうちの少なくとも一方に応じて、前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御して、発電効率、回収ＣＯ２濃度又はＣＯ２回収効率のうち、少なくともいずれかの向上を目的とする燃焼最適化制御を可能に構成したことを特徴とする。
【００１６】
（１２）上記（１１）において、前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンは可変バルブタイミング機構を備え、かつ、「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、「吸・排気のバルブタイミングを調整」とすることを特徴とする。
【００１７】
（１３）上記（１１）において、前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンは可変圧縮比機構を備え、かつ、「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、「エンジンの圧縮比を調整」とすることを特徴とする。
【００１８】
（１４）上記（１１）において、前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンはスパーク発生時期を調整可能な火花点火手段を備え、かつ、「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、「スパーク発生時期を調整」とすることを特徴とする。
【００１９】
（１５）上記（１１）において、前記流量調整弁に替えて、又は、これに加えて、前記エンジンはシリンダ内への燃料噴射の時期や期間の調整が可能な液体燃料噴射手段を備え、かつ、「前記流量調整弁の開度調整により排ガス再循環量を制御」に替えて、「燃料の噴射時期や噴射期間を調整」とすることを特徴とする。
【００２０】
（１６）上記各発明において、前記ＥＧＲ系統経路内に、前記エンジンに再循環するＥＧＲガス温度を調整するための第二の熱交換器を、さらに備え、ＥＧＲガス温度を制御して前記エンジンの燃焼状態を最適制御するとともに、熱回収可能に構成したことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システムの燃焼制御方法は、
（１７）上記（１１）において、燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、循環供給させるＥＧＲガス量を減少させ、燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、再循環されるＥＧＲガス量を増加させることを特徴とする。
エンジンの燃焼が緩慢化している場合、未反応の燃料や酸素が増えて排気ガス中のＣＯ２濃度が低下し、結果として回収ＣＯ２の濃度が低下するため、燃焼促進化制御によりＣＯ２濃度の向上を図る。一方、燃焼速度過剰の場合は、完全燃焼に近いためにＣＯ２濃度は充分に高く、燃焼緩慢化制御によりＣＯ２濃度が低下する恐れがあるが、エンジンにダメージが蓄積される方がより深刻であるため、ＣＯ２濃度の低下は許容し、ダメージを軽減するための燃焼緩慢化制御を行うことになる。
以上のことから、ＣＯ２の濃度過小の場合には、エンジンにダメージを与えない範囲で燃焼促進制御をし、エンジンにダメージを与える恐れがある燃焼過剰状態の場合には、ＣＯ２濃度の低下は許容しつつ、エンジンへのダメージが軽減できる限度まで、燃焼緩慢化制御を行うものである。
【００２２】
（１８）上記（１２）において、吸・排気バルブの開閉時期又は開閉期間の調整により、
燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、シリンダ内の成層混合気中における未燃予混合気又は純酸素とＥＧＲガスとの濃淡差がより大きくなるように制御して成層化を促進し、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には濃淡差がより小さくなるように制御して、シリンダ内成層混合気の均―化を促進する、ことを特徴とする。
【００２３】
（１９）上記（１２）又は（１３）において、燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、吸・排気バルブの開閉時期や開閉期間の調整により、エンジンの圧縮比を高め、燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、圧縮比を低くする、ことを特徴とする。
【００２４】
（２０）上記（１４）又は（１５）において、燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、火花点火の時期または液体燃料の噴射時期を早期化し、点火プラグへの印加電圧を増し、又は燃料噴射量を増やす、ことによりシリンダ内の点火・燃焼を促進し、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、点火時期または燃料の噴射時期を遅延化し、印加電圧を減らし、又は燃料噴射量を減らす、ことによりシリンダ内の点火・燃焼を緩慢化させる、ことを特徴とする。
【００２５】
（２１）上記（１６）において、燃焼が緩慢で発電効率が低い場合、又は、未燃ガスが多く回収ＣＯ２濃度が低い場合には、前記第二の熱交換器における熱交換量を減らしてＥＧＲガスの温度を高め、
燃焼が急速でノッキング等の異常燃焼を伴う場合には、前記第二の熱交換器における熱交換量を増やしてＥＧＲガスの温度を低下させる、ことを特徴とする．
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、中小規模のシステムで、かつ、化石燃料系の炭化水素燃料を燃料として用いる場合であっても、回収したＣＯ２を公知の技術を利用して固定化することで、大気中にＣＯ２を排出することなく、ＣＯ２フリーの電力および熱の併給が可能となる。
また、燃焼室内の壁面付近やクレビス部で生じていた未反応の燃料ガスや残酸素を低減できるため、エンジンの燃焼効率が向上し、正味の電力・熱の供給量が増加するだけでなく、排気ガスから回収するＣＯ２の濃度が高まり、ＣＯ２の分離・回収効率が向上するという効果がある。
また、エンジンの出力回転軸と、圧縮機の回転軸を同軸又は変速機構を介して同軸に構成した発明や、エンジンと圧縮機のバルブカムを共有化した発明、エンジンとＣＯ２圧縮機を一体化した発明にあっては、エンジンの回転動力を直接、回収ＣＯ２の圧縮動力に利用できるため、圧縮機モータ等が不要となる。これにより、システムの小型・簡素化が可能となる。
さらに、圧縮機モータ等を不要にできるため、発電電力の変換ロスを削減することができ、ＣＯ２の回収および圧縮の効率が向上し、正味の電力供給量が増すとともに、回収ＣＯ２量に対する消費エネルギーを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第一の実施形態に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１の全体構成（側断面）を示す図である。
【図２】ＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１のエンジン燃焼室部の詳細構成を示す図である。
【図３】ＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１の燃焼制御フローを示す図である。
【図４】第二の実施形態に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システム２０の全体構成（側断面）を示す図である。
【図５】同上断面構成を示す図である。
【図６】第三の実施形態に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システム３０の全体構成（側断面）を示す図である。
【図７】同上断面構成を示す図である。
【図８】従来のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１００の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システム（以下、ＣＧシステムと略記）の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を回避するため、各図において同一構成には同一符号を付している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の各実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
図１を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型ＣＧシステム１は、エンジン２を駆動源とする駆動系統３と、エンジン２に燃料及び酸素を供給する燃料供給系統７と、排気ガスをエンジン２に再循環するＥＧＲ系統５と、及び、ＥＧＲ系統５から分岐して排気ガス中のＣＯ２を回収するＣＯ２回収系統６と、エンジン２の燃焼状態の監視・燃焼制御を行う燃焼制御系統８と、を主要構成として備えている。
【００２９】
駆動系統３は、駆動源であるエンジン２と、エンジン２とクランクシャフト２ｂを介して連結する発電機９、及び変速ギア２ｃを介して連結する圧縮機４と、を主要構成とする。エンジン２は４つのシリンダ２ａを備えた４気筒４サイクルエンジンであり、クランクシャフト２ｂの一端側は、変速ギア２ｃを介して圧縮機側シャフト４ａに連結しており、他端側は発電機９に直結している。これらの伝達装置により、エンジン駆動力を発電機９及び圧縮機４に伝達するように構成されている。シリンダ２ａ、吸気・排気バルブカムシャフト（図示せず）、ピストンカムシャフト２ｆは、一体としてシリンダブロック２ｅ内に格納されている。各シリンダのピストンヘッド２ｈにはキャビティ（図示せず）が設けられ、また、吸気ポート５ｇにはスワールコントロールバルブ（図示せず）が配設されており、シリンダ内でスワール流形成を促進するように構成されている。
【００３０】
燃料供給系統７は、炭化水素系ガス燃料（天然ガス）を供給する燃料供給ライン７ａと、酸化剤である純酸素を供給する酸素供給ライン７ｂと、両ラインを介して供給される燃料ガス及び酸素を予混合するためのミキサー７ｃと、ミキサー７ｃ出の混合気を各シリンダに噴射するための混合気インジェクタ７ｆと、を主要構成としている。なお、図１では１系統のシリンダ以外については図示を省略しているが、他の系統についても同様に構成されている。
【００３１】
ＥＧＲ系統５は、排気マニホールド５ｊに集めたエンジン排気ガスを各シリンダに再循環するＥＧＲライン５ａと、ＥＧＲライン５ａ経路中にタービン５ｄａ及びこれを駆動源とするコンプレッサ５ｄｂから成るターボ過給機５ｄと、タービン５ｄａとコンプレッサ５ｄｂ間に介装され、再循環ガスを冷却して水分を凝縮除去するための熱交換器（インタークーラー）５ｃと、を主要構成として備えている。
【００３２】
ＣＯ２回収系統６は、タービン５ｄａの下流側でＥＧＲライン５ａから分岐し、エンジン排気ガスを圧縮機４に導くＣＯ２回収ライン６ｂと、ＣＯ２回収ライン６ｂ経路中に介装され、排気ガスと熱交換して温熱を取り出す熱交換器６ａと、回収したＣＯ２ガスをＣＯ２回収パイプライン６ｃの圧力に昇圧する圧縮機４と、を主要構成として備えている。
【００３３】
制御系統８は、燃料供給ライン７ａ及び酸素供給ライン７ｂの経路中にそれぞれ介装される流量制御弁７ｄ、７ｅと、ＥＧＲライン５ａ経路中に介装される流量調整弁５ｂと、ＣＯ２回収ライン６ｂ経路中に介装されているＣＯ２濃度センサＳ３と、シリンダ２ａ内に配設される筒内圧センサＳ１及び温度センサＳ２と、各センサの検出値に基づいて各調整弁の開度制御指令を行う燃焼制御装置８ａと、を主要構成として備えている。
さらに、燃焼制御装置８ａには、燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、エンジンの吸排気バルブ（図示せず）の開閉時期を調整する機能（可変バルブタイミング機構）を備えている。なお、燃焼制御装置８ａは、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装できる。
【００３４】
次に図２をも参照して、エンジン２内部における燃料、酸素及びＥＧＲガスの挙動について説明する。ミキサー７ｃ内の混合気（λ≒１．０）は混合気インジェクタ７ｆを介して吸気ポート５ｇに噴射され、シリンダ２ａ中央部に流入してスワール流を形成する（図２のＡ）。一方、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｅに還流するＥＧＲガスは、吸気ポート５ｇを経由してシリンダ２ａ内壁面に沿って流入する（図２のＢ）。ＥＧＲガスと混合気とは混じりあうことなく２層を成す。なお、燃焼室内のＥＧＲガス割合は、例えば６０−９０％とすることができる。
この状態で点火プラグ２ｇによる点火が行われ、内層側の混合気は燃焼するが、外層側はＥＧＲガスが存在するために、未反応燃料ガスや残酸素のシリンダ２ａ内壁面への付着が防止される。燃焼完結により、排気ガスの組成はＣＯ２とＨ２Ｏのみとなり排気マニホールド５ｊに集められた後、ＥＧＲ系統５及びＣＯ２回収系統６に導かれる。
【００３５】
次に図１を参照して、ＥＧＲ系統５における排気再循環の態様について説明する。排気マニホールド５ｊ出の排気ガスは、ターボ過給機５ｄのタービン５ｄａにおいて減圧・低温化され、一部がＥＧＲ系統５に導かれる。なお、タービン５ｄａでの減圧・低温化の際に排ガス中の水分が一部凝縮し、ドレン水として回収される。続いて、排気ガスはインタークーラー５ｃで冷却され、さらに、水分除去されてＣＯ２が主要成分となったＥＧＲガスは、コンプレッサ５ｄｂにおいて再度昇圧され、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｅ入口に還流される。
【００３６】
次に、ＣＯ２回収系統６におけるＣＯ２ガス回収の態様について説明する。ＥＧＲ系統５から分岐した排気ガスは、熱交換器６ａにおいて冷却、水分除去されて濃度９０％前後の高純度ＣＯ２ガスとなる。熱交換器６ａにける熱交換により回収された熱は、温水等として系外で利用される。
熱交換器６ａ出のＣＯ２ガスは圧縮機４に導かれ、ここで回収パイプライン６ｃの要求圧力まで昇圧される。さらに、パイプライン６ｃに圧送され、最終的に処理プラント（図示せず）において固定化される。以上のフローにより、エンジン排気ガスは大気中に放散されることなくＣＯ２回収が実現される。
【００３７】
次に、図３を参照して、ＣＧシステム１における燃焼制御フローについて説明する。なお、以下の制御は燃焼制御装置８ａの指令により行われる。
運転中は、筒内圧Ｓ１、温度センサＳ２により筒内圧力及び筒内温度が計測される（Ｓ１０１）。また、ＣＯ２センサＳ３により、ＣＯ２回収ライン６ｂにおけるＣＯ２濃度が計測される（Ｓ１０２）。次いで、計測値に基づいてエンジン燃焼状態の判定が行われる（Ｓ１０３）。具体的には、圧力異常、ノッキング発生、筒内温度異常の有無を監視し、燃焼速度が適正か否かが判定される。Ｓ１０３において燃焼状態が緩慢過ぎると判定された場合には、燃焼促進化制御（Ｓ１０６）が実行されることになるが、これについては後述する。
【００３８】
Ｓ１０３において燃焼速度過剰と判定された場合には、燃焼緩慢化制御が実行される（Ｓ１０５）。具体的には、各流量制御弁の操作等により以下の制御が適宜実行される。
（ａ）点火、燃料噴射時期を遅らす。
（ｂ）燃料又は酸素噴射量を絞る。
（ｃ）圧縮比を下げる。
（ｄ）燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、可変バルブタイミング機構の操作により、成層混合気の成層度を低下させ、ＥＧＲガスとの均一化を図る。
（ｅ）ＥＧＲ熱交換量を増加させて、ＥＧＲガス温度を低下させる。
以上の燃焼緩慢化操作の後、Ｓ１０１以下の各ステップを繰り返し行う。
Ｓ１０３において燃焼状態が正常な場合には、次いでＣＯ２回収ライン６ｂのＣＯ２濃度が所定の閾値以上か否かが判定される（Ｓ１０４）。所定の閾値以上の場合には（Ｓ１０４においてＹ）、Ｓ１０１に戻って上記各ステップを運転停止まで繰り返し行う。
【００３９】
Ｓ１０３において燃焼速度過剰と判定された場合、及び、Ｓ１０４においてＣＯ２濃度が所定の閾値を下回る場合には（Ｓ１０４においてＮ）、以下の燃焼促進化制御（Ｓ１０６）を行う。
具体的には、以下の操作を適宜行う。
（ａ）点火、燃料噴射時期を早める。
（ｂ）燃料又は酸素噴射量を増加させる。
（ｃ）圧縮比を上げる。
（ｄ）燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、可変バルブタイミング機構の操作により、成層混合気の成層度を上げる。
（ｅ）ＥＧＲ熱交換量を減少させて、ＥＧＲガス温度を上昇させる。
以上の緩慢化操作実行後に操作の後、Ｓ１０１以下の各ステップを繰り返し行う。
【００４０】
なお、本実施形態では筒内圧力及び温度の計測によりエンジン燃焼状態を判定する例を示したが、温度計測に替えて又はこれに加えて、排気温度、エンジン冷却水温度により判定する形態とすることもできる。
また、回収ＣＯ２系統のＣＯ２濃度に替えて、又は、これに加えて残留Ｏ２濃度計測によることもできる。
また、シリンダ内でスワール流を形成して成層燃焼させる例を示したが、これに替えてタンブル流を形成して成層燃焼させる形態とすることもできる。
【００４１】
＜第二の実施形態＞
次に、図４，５を参照して、本発明の他の実施形態に係るＣＧシステム２０について説明する。
ＣＧシステム２０が上述のＣＧシステム１と異なる点は、第一に燃料が異なることである。すなわち、ＣＧシステム１では炭化水素系ガス燃料を用いているのに対して、ＣＧシステム２０では炭化水素系液体燃料を用いている。
また、燃料供給系統の構成が異なることである。すなわち、ＣＧシステム１では、燃料供給系統７はミキサー７ｃで予混合した炭化水素系ガス燃料と純酸素を各シリンダの吸気ポート５ｇに供給するように構成されている。これに対してＣＧシステム２０の燃料供給系統２１では、液体燃料インジェクタ２１ａと酸素インジェクタ２１ｂをそれぞれ独立に備えている。液体燃料の場合混合に難があることを考慮して、吸気ポート５ｇ内の最適混合ポイントに燃料を噴射可能とするためである。
【００４２】
また、ＥＧＲ系統とＣＯ２回収系統の流量比を調整する流量制御弁の配置が異なることである。すなわち、ＣＧシステム１では、流量制御弁５ｂは熱交換器６ａの上流側に配設されているのに対して、ＣＧシステム２０の流量制御弁２５ｂは、熱交換器２５ａの下流側に配設されている。
【００４３】
また、ＣＯ２回収系統の構成が異なることである。すなわち、ＣＧシステム１のＣＯ２回収系統６においては、スクロール式圧縮機４を備えているのに対して、ＣＧシステム２０のＣＯ２回収系統２４においては、エンジン２のクランクシャフト２ｂと同軸に連結する多段軸流ターボ圧縮機２２を備えている。また、２段目と３段目のタービンの途中に、インタークーラー２４ｂを備えている。これにより、排ガス熱交換器２５ａで水分除去された回収ＣＯ２ガスの冷却によりさらに水分除去し、回収した温熱を供給可能に構成している。
さらに、ＣＧシステム１では変速ギア４ｂ、圧縮機４等がシリンダブロック２ｅの外部に配置されているのに対して、ＣＧシステム２０では変速ギア４ｂ、圧縮機２２がシリンダブロック２３内に格納されている。
なお、ＣＧシステム１ではＥＧＲ系統５にターボ過給機５ｄを備えているのに対して、ＣＧシステム２０のＥＧＲ系統２５ではこれを備えていない。但し、前述の通り排ガス熱交換器２５ａで一定量の水分除去を行なった後の、ＣＯ２濃度の高い排気ガスをエンジンに還流することで、エンジンへの還流ガスに大量の水蒸気分が混入することを回避している。
その他の構成及び燃焼制御フローについてはＣＧシステム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００４４】
次に、ＣＧシステム２０におけるエンジン２内部における燃料、酸素及びＥＧＲガスの挙動について説明する。酸素及び液体燃料は吸気ポート５ｇに噴射され、シリンダ室中心部に流入して上述の実施形態と同様にスワール流を形成する。一方、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｅに戻されたＥＧＲガスは、吸気ポート５ｇを経由してシリンダ２ａ内壁面に沿って渦流を形成する。その後の挙動についてはＣＧシステム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００４５】
次に、ＣＯ２回収系統２４におけるＣＯ２回収の態様について説明する。熱交換器２５aにおいて冷却、水分除去されて分岐した排気ガスのうち、一部は流量調整バルブ２５ｂを介してエンジン２ａに還流される一方、残りの排気ガスはターボ圧縮機２２に導かれる。ここで、ＣＯ２ガスは段階的にＣＯ２回収パイプライン６ｃの供給圧力まで昇圧される。昇圧過程において、ＣＯ２ガスはインタークーラー２４ｂでの冷却により、さらに水分除去されてＣＯ２濃度が高まるとともに、ここで回収した温熱は系外で利用される。昇圧されたＣＯ２ガスは回収パイプライン６ｃに送られる。
【００４６】
＜第三の実施形態＞
さらに図６，７を参照して、本発明の他の実施形態に係るＣＧシステム３０について説明する。ＣＧシステム３０が上述のＣＧシステム２０と異なる点は、燃料供給系統の構成である。すなわち、ＣＧシステム２０の燃料供給系統２１では、液体燃料を吸気ポート５ｇに噴射するのに対して、本実施形態の燃料供給系統３８では燃料インジェクタ３６により直接シリンダ中心部に噴射するように構成されている。なお、酸素供給についてはＣＧシステム２０と同様である。
【００４７】
また、圧縮機の構成が異なる。ＣＧシステム２０では多段軸流ターボ圧縮機２２を用いているのに対して、本実施形態では２連の２サイクル・往復式圧縮機３１ａ、３１ｂにより構成される圧縮機３１を用いている。圧縮機３１ａ、３１ｂの間にはインタークーラー３１ｃが介装されている。
さらに、圧縮機３１はエンジン２と同一の往復式であるため、吸気及び排気バルブカムシャフト３２ａ、３２ｂを、エンジン２及び圧縮機３１で共用している。すなわち、エンジンの吸気および排気のバルブカムと、ＣＯ２圧縮機のバルブカムは、それぞれでカムプロファイルは異なっているものの、これらのカムを共有カムシャフト上に構成することで、カムシャフトの複数化による装置の大型化や複雑化を回避でき、更なるコンパクト化と簡素化を可能にしている。
【００４８】
また、ＥＧＲ系統の構成が異なる。ＣＧシステム３０のＥＧＲ系統３４は、第一の実施形態に係るＣＧシステム１と同様に、経路中にタービン３３ａとコンプレッサ３３ｂからなるターボ過給機３３を備えている。さらに、タービン３３ａとコンプレッサ３３ｂの間には第二熱交換器（インタークーラー）３３ｃが介装されている。その他の構成はＣＧシステム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００４９】
次に、ＣＧシステム３０における各系統におけるガスの挙動について説明する。ＥＧＲ系統３４については、排気マニホールド５ｊ出の排気ガスは、タービン３３ａ通過の際に減圧され、一部がＥＧＲライン５ａに導かれる。次いで第二熱交換器３３ｃにおいて冷却、水分除去されて、ＣＯ２成分のみのガスがコンプレッサ３３ｂにおいて再度昇圧され、最終的に吸気マニホールド５ｅに還流する。
【００５０】
次に、シリンダ２ａ内部における燃料及びＥＧＲガスの挙動について説明する。酸素は吸気ポート５ｇに噴射され、シリンダ中央部に流入する。一方、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｅに戻されたＥＧＲガスは、吸気ポート５ｇを経由してシリンダ２ａ内壁面に沿って渦流を形成する。これにより、シリンダ中央部に燃焼用の酸素、外周部にＥＧＲガスとして成層化されたガスが形成され、上述の実施形態と同様にスワール流を形成することで、成層状態が維持される。この状態で、液体燃料が燃料インジェクタ３６により直接シリンダ中心部に噴射され、噴射された燃料はシリンダ中央部の酸素と反応し、ディーゼル着火することで燃焼する。その後の挙動についてはＣＧシステム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００５１】
次に、ＣＯ２回収系統３５については以下のとおりである。ＥＧＲ系統３４から分岐した排気ガスは、熱交換器６ａにおいて冷却、水分除去されて高濃度のＣＯ２ガスとなり、往復式圧縮機３１に導かれる。ここで、ＣＯ２ガスは段階的にＣＯ２回収パイプライン６ｃへの圧入のための要求圧力まで昇圧される。昇圧過程において、ＣＯ２ガスはインタークーラー３１ｃで冷却され、ここで回収した温熱は系外で利用される。昇圧されたＣＯ２ガスは回収パイプライン６ｃに送られる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、ＣＯ２回収型コージェネレーション・システムのみならず、エンジン排気ガス中のＣＯ２を回収しながら、ＣＯ２フリーの電力や動力を供給するシステムとしても広く応用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１、２０、３０・・・・ＣＯ２回収型コージェネレーション（ＣＧ）・システム
２・・・・エンジン
２ａ・・・シリンダ
３・・・・駆動系統
４、２２、３１・・・・圧縮機
５、２５、３４・・・ＥＧＲ系統
５ｃ、２４ｂ、３１ｃ・・・インタークーラー
５ｄ、３３・・・・ターボ過給機
５ｅ・・・吸気マニホールド
５ｇ・・・吸気ポート
５ｊ・・・排気マニホールド
６、２４、３５・・・ＣＯ２回収系統
６ａ、２５ａ、３３ｃ・・・熱交換器
７、２１、３８・・・燃料供給系統
８・・・・燃焼制御系統
９・・・・発電機
Ｓ１・・・筒内圧センサ
Ｓ２・・・温度センサ
Ｓ３・・・ＣＯ２濃度センサ
【図１】
0005372848.tif 000002
【図２】
0005372848.tif 000003
【図３】
0005372848.tif 000004
【図４】
0005372848.tif 000005
【図５】
0005372848.tif 000006
【図６】
0005372848.tif 000007
【図７】
0005372848.tif 000008
【図８】
0005372848.tif 000009