(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷式内燃機関の排熱回収装置において、内燃機関の排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関を設け、該熱機関により圧縮機を駆動し、該圧縮機は内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
【請求項２】
前記圧縮機の駆動に前記熱機関の出力と共に、内燃機関の出力と電動機の出力のいずれか一方或いは両方を用いる請求項１の内燃機関の排熱回収装置。
【請求項３】
前記熱機関が蒸気機関である請求項１または２いずれかの内燃機関の排熱回収装置。
【請求項４】
前記熱機関がスターリングエンジンである請求項１または２いずれかの内燃機関の排熱回収装置。
【請求項５】
水冷式内燃機関の排熱回収装置において、複数基のボイラーが設置され、その内の１基は内燃機関の排気ガスから排熱を回収して高温高圧の水蒸気を発生するボイラーとされ、前記複数基のボイラーの発生する水蒸気がそれぞれ別個のエジェクタに供給され、該エジェクタは内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷式内燃機関、特にコージェネレーション用のレシプロ式（往復式）内燃機関の排気及び冷却水から排熱を回収する内燃機関の排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復式内燃機関からは、軸動力と共に、排気ガス及び冷却水の２種類の排熱が発生する。そしてコージェネレーションは軸動力と共に、排熱を利用することで省エネルギーを達成するものである。
【０００３】
それらの排熱のうち、排気ガスの温度は例えば７００℃〜５００℃という温度であるため、高い温度、圧力の水蒸気を発生できる。一方、冷却水の温度は一般的には１００℃以下程度であるため、温水として利用される。
【０００４】
しかし、工場等では蒸気の用途は大きいものの、温水の用途は限られるために有効に利用されない場合が多い。またビル等では夏期には排熱のままでは用途がないため、吸収冷凍機の熱源に利用することが多い。この場合も、温水熱源の吸収冷凍機は、性能、大きさ等で蒸気熱源の吸収冷凍機に比べてかなり劣るという問題がある。
【０００５】
このため、内燃機関の冷却水から良質の水蒸気を回収することが望まれており、冷却水温度を１２０℃として、この温度で水蒸気を発生して利用するガスエンジンが実用化されている。
【０００６】
その一例を図４に示す。内燃機関１０の冷却水は、多岐管１０ａによってセパレータ１５に導かれ、セパレータ１５内の飽和水はその下部から吸入管１０ｂで内燃機関１０に送られて循環している。また、セパレータ１５の下部には給水管１５ａが設けられて冷却水Ｗが給水されている。そして、セパレータ１５の上部からは水蒸気ライン１２が分岐され、気水分離器１３で水分が分離されて蒸気圧コントローラで調圧された１ｋｇ／ｃｍ２の水蒸気Ｓが蒸気熱源として供給されている。なお、符号１６は内燃機関１０で駆動される発電機等の負荷を、１１は排気ガスＧを排出する排気管を示している。
【０００７】
しかし、一般の工場での使用や、蒸気熱源吸収冷凍機での使用には、１２０℃という水蒸気温度では不十分であり、より高い温度の水蒸気を発生できることが望まれている。一方、冷却水温度を高くすると、往復式内燃機関各部の耐久性、燃焼性能への影響の検討が必要であり、設計の見直し、コストの上昇が避けられない。
【０００８】
また、内燃機関の冷却水温度を高くすることなく、冷却水からの水蒸気を高温、高圧化する方法として、冷却水から発生する水蒸気を圧縮機で圧縮し、高温、高圧とする方法が提案されている。しかし、この圧縮機の駆動には内燃機関からの動力を使用する必要があるので、冷却水からの排熱は確かに利用しやすくなるが、その一方で、内燃機関の熱効率が低下するという問題があり、実際には使用されていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、水冷式内燃機関の冷却水から発生する水蒸気を機関自体に過度な負担をかけたり、あるいは軸出力の一部を割愛して熱効率の低下を来たすようなことなく、高温、高圧化して排熱を回収する内燃機関の排熱回収装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の排熱回収装置は、水冷式内燃機関の排熱回収装置において、内燃機関の排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関を設け、該熱機関により圧縮機を駆動し、該圧縮機は内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめる様に構成している。すなわち、内燃機関の排気及び冷却水からの排熱を、内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気として回収しているのである。
【００１１】
この熱機関は、内燃機関の排気ガスの持つ排熱の一部を動力に変換し、残りの熱エネルギーを冷却水に与える。そして、熱機関で発生された動力によって圧縮機が運転され、冷却水から発生した冷却水の温度及び圧力に対応する飽和水蒸気を圧縮し、冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気を吐出する。排気ガスから回収された排熟は、一部が冷却水に与えられ、残りは動力に変換された後、圧縮後の水蒸気に与えられる。システム全体としては、排気ガスから回収された排熱と、冷却水から回収された排熱が、全て冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気として利用されることが可能となる。
【００１２】
この熱機関としては、外燃機関であれば良く、例えば、蒸気機関、スターリングエンジンのいずれも使用可能であり、また、これらに限られることは無い。
【００１３】
また、内燃機関の運転条件によっては、熱機関の発生する動力が、冷却水から発生する水蒸気の全量を圧縮するに必要な動力に不足する場合もあり得る。その場合には、冷却水から発生する水蒸気の一部を圧縮することが簡単である。
【００１４】
さらに、歯車列で結合する等の公知の方法によって、内燃機関の軸動力の一部を圧縮幾の駆動に用いることができる。または、電動機で発生する動力を、熱機関の発生する動力に合わせて用いてもよい。
【００１５】
また、本発明の内燃機関の排熱回収装置は、水冷式内燃機関の排熱回収装置において、複数基のボイラーが設置され、その内の１基は内燃機関の排気ガスから排熱を回収して高温高圧の水蒸気を発生するボイラーとされ、前記複数基のボイラーの発生する水蒸気がそれぞれ別個のエジェクタに供給され、該エジェクタは内燃機関の冷却水から発生する水蒸気の全量または一部を圧縮して内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気にせしめるように構成されている。
【００１８】
この様な構成を具備する本発明によれば、排ガスボイラーで発生した高圧蒸気は、エジェクタに供給されて冷却水から発生した水蒸気を吸引し、そして該エジェクタのデフューザー部において、排ガスボイラーで発生した高圧蒸気及び冷却水から発生した水蒸気との流速を減速して、その圧力を高める。その結果、冷却水から発生する水蒸気が内燃機関の冷却水よりも温度及び圧力が高い水蒸気になる。そして、システム全体としてみれば、排気ガスの排熱と冷却水の排熱が全て、冷却水の温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気として利用可能となる。ここで、エジェクタを利用することにより、熱機関を利用する場合と比べて、排熱回収装置がより構造簡単で安価なものとなる。
【００１９】
内燃機関の運転条件によっては、エジェクタに供給する水蒸気が冷却水から発生する水蒸気の全量を圧縮するには足りないこともあり得る。その場合には、単純に、冷却水から発生する蒸気の一部のみを圧縮してもよい。或いは、既設のボイラーを有する場合には、そのボイラーから発生する水蒸気を、排気から発生する水蒸気と合流させて用いても良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、前記図４と同様な構成部品は同じ番号を付し重複説明は省略する。
図１において、水冷式の往復式内燃機関１０の冷却水系は、内燃機関１０から多岐管１０ａで集められてセパレータ１５に導かれ、セパレータ１５において水蒸気と飽和水に分離され、セパレータ１５の下部から再び吸入管１０ｂにより内燃機関１０に入って循環されている。そして、セパレータ１５の上部からは水蒸気ライン１２が分岐され、気水分離器１３を介して圧縮機２に連通されており、圧縮機２で内燃機関１０の冷却水より高い温度及び圧力の水蒸気Ｓに圧縮されて外部に蒸気源として供給されている。また、気水分離器１３からはライン１２ａにより分離した水がセパレータ１５の下部に戻されている。
【００２２】
全体を符号１で示す熱機関は、セパレータ１５内に設けられたコンデンサを低熱源Ｌとし、ポンプＰを介して高熱源Ｈである排気管１１に介装された排ガスボイラー４内に連通され、高熱源Ｈから膨脹機１ａを介して再び低熱源Ｌに戻る蒸気機関である。そして、膨脹機１ａによって前記圧縮機２が駆動されている。
【００２３】
したがって、熱機関１は排ガスボイラー４を高熱源Ｈとし、セパレータ１５内のコンデンサを低熱源Ｌとして内燃機関１０の排気ガスＧの持つ排熱の一部を膨脹機１ａで動力に変換し、残りの熱エネルギーを冷却水Ｗに与えている。そして、膨脹機１ａで発生された動力によって圧縮機２が運転され、セパレータ１５から水蒸気ライン１２で導入された飽和水蒸気を圧縮し、冷却水Ｗの温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気Ｓを吐出する。排気ガスＧから回収された排熟は、一部が冷却水Ｗに与えられ、残りは動力に変換された後、圧縮後の水蒸気に与えられる。システム全体としては、排気ガスＧから回収された排熱と、冷却水Ｗから回収された排熱が、全て冷却水Ｗの温度及び圧力より高い温度及び圧力の水蒸気Ｓとして利用することが可能となる。
【００２４】
次に、図２を参照して別の実施形態を説明する。
排ガスボイラー４内にはポンプＰによって清水が供給され、排ガスボイラー４で発生した高圧蒸気はエジェクタ３のノズル３ａに導かれ、膨脹して高速の蒸気流を発生している。一方、セパレータ１５からの水蒸気ライン１２は、気水分離器１３を介してエジェクタ３のノズル３ａの周囲に開口されている。
【００２５】
したがって内燃機関１０の冷却水から発生した水蒸気は、セパレータ１５から水蒸気ライン１２によってエジェクタ３に導かれる。そして、エジェクタ３において、ノズル３ａからの高速蒸気流に吸引されてスロート部３ｂからデフューザ部３ｃで減速し、その圧力が高められて高温、高圧の水蒸気Ｓとなり、外部に供給される。
【００２６】
【実施例】
前記図１に示した蒸気機関１によって圧縮機２を駆動する実施形態については、具体的な運転条件として下記のような条件が可能である。
内燃機関１０の熱収支としては、内燃機関の運転条件が出力３１０ｋｗ、回転数１５００ｒｐｍの時に、燃料熱入力１００％（８４９ｋｗ）に対して、
内燃機関軸出力      ３６．５％
排気ガス            ３５％
（このうち２６％が排ガスボイラー４で蒸気の発生に使われる）
冷却水              ２３％
その他              ５．５％
となる。
【００２７】
内燃機関１０の排気ガスＧの温度は６５０℃以上であるので、ボイラー４からの発生蒸気は、例えば、圧力６０気圧、温度４５０℃の過熱蒸気とすることができる。そして、内燃機関１０の冷却水は、１２０℃で運転することとし、したがって、蒸気機関１のコンデンサＬでの凝縮温度はやはり１２０℃とする。このとき蒸気機関１の作動サイクルは図３に示すようになり、各部の蒸気のエンタルピは、
排ガスボイラー入（６０気圧、１２０℃）：ｉ４＝１２０ｋｃａｌ／ｋｇ
排ガスボイラー出（６０気圧、４５０℃）：ｉ１＝７９０ｋｃａｌ／ｋｇ
コンデンサ入り  （２気圧、１２０℃）  ：ｉ２＝６２０ｋｃａｌ／ｋｇ
となる。
【００２８】
したがって、この条件での蒸気機関の熱効率は、η＝（ｉ１−ｉ２）／（ｉ１−ｉ４）＝２５％、そして、蒸気機関の軸出力は、８４９×０．２６×０．２５＝５５ｋｗとなる。
【００２９】
一方、圧縮機２は１２０℃、２気圧の飽和蒸気を５気圧に圧縮するものとする。このときの圧縮機入口の蒸気のエンタルピは、６４６ｋｃａｌ／ｋｇ、圧縮機出口の蒸気のエンタルピは、６８８ｋｃａｌ／ｋｇであり、圧縮の動力はその差の４２ｋｃａｌ／ｋｇである。一方、冷却水には、コンデンサＬからの入熱も有り、発生する蒸気に与えられるエネルギは、８４９×（０．２６×０．７５＋０．２３）＝３６１ｋｗである。これによって発生する蒸気量は３６１×８６０／６４６＝４８１ｋｇ／ｈｒである。この蒸気量を圧縮する動力は、４８１×４２／８６０＝２４ｋｗとなり、これは、蒸気機関１で発生する動力５５ｋｗに対して、各部の損失を考慮しても小さい値であるから、このような排熱利用装置が運転可能であることがわかる。
【００３０】
次に、前記図２に示した蒸気エジェクタ３を用いた実施形態については、具体的な運転条件として下記のような条件が可能である。
内燃機関１０及び冷却水の条件は上記例と同様とする。排ガスボイラー４から発生する蒸気は、同じ条件で６０気圧、４５０℃とすると、そのエンタルピはｉ１＝７９０ｋｃａｌ／ｋｇである。この蒸気は、ノズル３ａにより６０気圧から断熱膨脹して２気圧になり、周囲の低圧蒸気を巻き込んで、デフューザ３ｃで５気圧まで圧縮される。結局、６０気圧、４５０℃から５気圧まで断熱膨張することになる。膨張後の蒸気のエンタルピは、ｉ２＝６４５ｋｃａｌ／ｋｇであり、エジェクタ３で利用できるエネルギは、その差の１４５ｋｃａｌ／ｋｇである。発生する蒸気量は、８４９×８６０×０．２６／７９０＝２４０ｋｇ／ｈｒである。
【００３１】
したがって、エジェクタ３で利用し得るエネルギの総量は、４０ｋｗとなる。一方、冷却水から発生した蒸気は、２気圧の飽和の条件から５気圧まで断熱圧縮される。その動力は上記図１の実施例と同じで４２ｋｃａｌ／ｋｇである。発生する蒸気量としては、冷却水の分だけを考慮すれば良く、８４９×８６０×０．２３／６４６＝２６０ｋｇである。したがって、圧縮動力の総量は、２６０×４２／８６０＝１３ｋｗとなる。これはエジェクタ３の効率を考慮しても、利用しうるエネルギ４０ｋｗより十分低い値であり、このような排熱利用装置が運転可能であることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成され、以下の効果を奏する。
（１）  内燃機関の冷却水から発生する水蒸気を、排気熱を高温熱源とし冷却水を低温熱源として作動する熱機関で駆動される圧縮機、または排気ガスボイラーで発生する高温高圧の水蒸気を供給したエジェクタによって高温、高圧化し排熱を回収することができる。
（２）  上記水蒸気の高温、高圧化は、機関自体に過度な負担をかけたり、あるいは軸出力の一部を使用するようなことなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示す側面図。
【図２】本発明の別の実施形態の構成を示す側面図。
【図３】本発明の作用を説明するエンタルピ・エントロピ線図
【図４】従来の排熱回収装置の構成を示す側面図。
【符号の説明】
１・・・熱機関
１ａ・・・膨脹機
２・・・圧縮機
３・・・エジェクタ
４・・・ボイラー
１０・・・内燃機関
１１・・・排気管
１２・・・水蒸気ライン
１５・・・セパレータ
１６・・・発電機
Ｈ・・・高熱源
Ｌ・・・低熱源
【図１】
0003773225.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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