[发明专利]发动机废热回收发电涡轮系统及具备该涡轮系统的往复移动式发动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及发动机废热回收发电涡轮系统及具备该系统的往复移动式发动机。

背景技术

往复移动式发动机按照与空气成为适当的混合比的方式向气缸内部的燃烧室内吸入汽油、醇、气体(天然气、石油气等)等燃料并压缩，例如，利用电火花点火并引起爆炸(急剧的燃烧)。对于往复移动式发动机而言，通过该爆炸力使活塞在气缸内往复运动，并且通过连杆和曲轴使该活塞的往复运动变为连续的旋转运动，并从曲轴输出动力(轴动力)。

气缸的燃烧室周围由于变成高温，因此，通过冷却单元进行冷却。在冷却单元，例如在气缸的四周制作被称为水套的双重结构的空间，在此，通常使用通过冷却液(例如，水：被称为水套冷却水。)来抑制气缸周围的过热的水套冷却水循环系统。

在往复移动式发动机中，存在搭载于汽车等移动体的移动用往复移动式发动机和例如在发电厂等固定使用的固定用往复移动式发动机。

在往复移动式发动机中，燃料的燃烧产生的能量的一部分作为轴动力成为有效功，而剩余部分则会作为损失被向外部排出。

例如，在100kW级往复移动式发动机中，在由燃烧获得的热能量中，能够作为净轴动力利用的能量通常约为30％左右，其作为热效率显现。其它损失的能量，约10％作为摩擦损失等泵损失，约30％作为将发动机冷却到一定温度的冷却损失，约30％作为排气向外部带走的热量即排气损失。

在定地用往复移动式发动机中，设定了如下系统，即以最大值运用该轴动力，且在排气能量中，压力由涡轮增压器回收，热能量例如作为热水的生成等的热利用进行回收，对包含该回收能量在内的提高定地用往复移动式发动机的综合效率的方面付出了努力。

在定地用往复移动式发动机中，为了对水套冷却水进行冷却而设有大型且昂贵的冷却塔。

另一方面，在车辆用往复移动式发动机中，对水套冷却水进行冷却的散热器比较小型且廉价，但由于运用转速、负荷的变化、及在车辆的设备内部的损失而实质上可作为轴动力利用的平均能量(平均效率)停留在数％程度。为了减小该负荷变动并提高平均效率而设计的系统为所谓的混合动力发动机。混合动力发动机为一种减小发动机的负荷变动并在低负荷时通过轴动力产生用于发电和行驶的动力的系统，使轴动力的利用效率得到提高。排气能量的压力也由涡轮增压器进行回收。

在车辆用往复移动式发动机中，例如专利文献1所示，已知的是利用兰金循环回收伴随发动机的驱动产生的废热的废热回收装置。

其为如下的装置，将水套冷却水循环系统设为密闭结构，由通过被发动机的废热加热气化的冷却水即蒸气来驱动涡轮，并将该蒸气具有的热能量转换为电能等而进行回收。

专利文献1：日本特开2008-169760号公报

发明内容

专利文献1所示的装置，通过废气的热量使水套冷却水即水变为蒸气。水的绝热热降较大，因此，需要使涡轮在高速下旋转。

若设为高速对应的涡轮，则存在由于实用转速的制约而涡轮自身的直径变大且大型化的问题。在将涡轮转速设为高速旋转时，用于转换成电能的发电机在现有技术中变为不能供于实用的程度的高频率。或者在使用供于实用的发电机的情况下，在与涡轮之间需要大减速比的齿轮。在这种情况下，为了蒸气不漏入发电机、齿轮部而伴随有需要进行旋转轴密封等的电气、机械的实用化的困难。

此外，由于在循环系统中循环的物质为水蒸气，因此，在该密封不能完全密封蒸气的情况下，存在水向发电机、齿轮泄漏，电路短路、润滑油悬浊等问题点。此外，在该涡轮中维持所需的效率所需要的蒸气的压力、温度等条件增大，因此，设置旁通流路或设置多个开关阀，从而水套冷却水循环系统变得复杂。

由此，现状为不实用化。

本发明鉴于这种情况，其目的在于，提供一种将自发动机废弃的能量作为电力回收的实用的发动机废热回收发电涡轮系统及具备该系统的往复移动式发动机。

为了解决上述课题，本发明采用如下的手段。