專利名稱：發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)及具備該渦輪系統(tǒng)的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)及具備該系統(tǒng)的往復(fù)移動式發(fā)動機。
技術(shù)背景
往復(fù)移動式發(fā)動機按照與空氣成為適當(dāng)?shù)幕旌媳鹊姆绞较驓飧變?nèi)部的燃燒室內(nèi)吸入汽油、醇、氣體(天然氣、石油氣等)等燃料并壓縮，例如，利用電火花點火并引起爆炸(急劇的燃燒)。對于往復(fù)移動式發(fā)動機而言，通過該爆炸力使活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動， 并且通過連桿和曲軸使該活塞的往復(fù)運動變?yōu)檫B續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動，并從曲軸輸出動力(軸動力)。
氣缸的燃燒室周圍由于變成高溫，因此，通過冷卻單元進行冷卻。在冷卻單元，例如在氣缸的四周制作被稱為水套的雙重結(jié)構(gòu)的空間，在此，通常使用通過冷卻液(例如， 水被稱為水套冷卻水。)來抑制氣缸周圍的過熱的水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。
在往復(fù)移動式發(fā)動機中，存在搭載于汽車等移動體的移動用往復(fù)移動式發(fā)動機和例如在發(fā)電廠等固定使用的固定用往復(fù)移動式發(fā)動機。
在往復(fù)移動式發(fā)動機中，燃料的燃燒產(chǎn)生的能量的一部分作為軸動力成為有效功，而剩余部分則會作為損失被向外部排出。
例如，在IOOkW級往復(fù)移動式發(fā)動機中，在由燃燒獲得的熱能量中，能夠作為凈軸動力利用的能量通常約為30%左右，其作為熱效率顯現(xiàn)。其它損失的能量，約10%作為摩擦損失等泵損失，約30%作為將發(fā)動機冷卻到一定溫度的冷卻損失，約30%作為排氣向外部帶走的熱量即排氣損失。
在定地用往復(fù)移動式發(fā)動機中，設(shè)定了如下系統(tǒng)，即以最大值運用該軸動力，且在排氣能量中，壓力由渦輪增壓器回收，熱能量例如作為熱水的生成等的熱利用進行回收，對包含該回收能量在內(nèi)的提高定地用往復(fù)移動式發(fā)動機的綜合效率的方面付出了努力。
在定地用往復(fù)移動式發(fā)動機中，為了對水套冷卻水進行冷卻而設(shè)有大型且昂貴的冷卻塔。
另一方面，在車輛用往復(fù)移動式發(fā)動機中，對水套冷卻水進行冷卻的散熱器比較小型且廉價，但由于運用轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化、及在車輛的設(shè)備內(nèi)部的損失而實質(zhì)上可作為軸動力利用的平均能量(平均效率)停留在數(shù)％程度。為了減小該負(fù)荷變動并提高平均效率而設(shè)計的系統(tǒng)為所謂的混合動力發(fā)動機。混合動力發(fā)動機為一種減小發(fā)動機的負(fù)荷變動并在低負(fù)荷時通過軸動力產(chǎn)生用于發(fā)電和行駛的動力的系統(tǒng)，使軸動力的利用效率得到提高。排氣能量的壓力也由渦輪增壓器進行回收。
在車輛用往復(fù)移動式發(fā)動機中，例如專利文獻1所示，已知的是利用蘭金循環(huán)回收伴隨發(fā)動機的驅(qū)動產(chǎn)生的廢熱的廢熱回收裝置。
其為如下的裝置，將水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)為密閉結(jié)構(gòu)，由通過被發(fā)動機的廢熱加熱氣化的冷卻水即蒸氣來驅(qū)動渦輪，并將該蒸氣具有的熱能量轉(zhuǎn)換為電能等而進行回收。
專利文獻1 日本特開2008-169760號公報發(fā)明內(nèi)容
專利文獻1所示的裝置，通過廢氣的熱量使水套冷卻水即水變?yōu)檎魵狻Ｋ慕^熱熱降較大，因此，需要使渦輪在高速下旋轉(zhuǎn)。
若設(shè)為高速對應(yīng)的渦輪，則存在由于實用轉(zhuǎn)速的制約而渦輪自身的直徑變大且大型化的問題。在將渦輪轉(zhuǎn)速設(shè)為高速旋轉(zhuǎn)時，用于轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機在現(xiàn)有技術(shù)中變?yōu)椴荒芄┯趯嵱玫某潭鹊母哳l率?；蛘咴谑褂霉┯趯嵱玫陌l(fā)電機的情況下，在與渦輪之間需要大減速比的齒輪。在這種情況下，為了蒸氣不漏入發(fā)電機、齒輪部而伴隨有需要進行旋轉(zhuǎn)軸密封等的電氣、機械的實用化的困難。
此外，由于在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的物質(zhì)為水蒸氣，因此，在該密封不能完全密封蒸氣的情況下，存在水向發(fā)電機、齒輪泄漏，電路短路、潤滑油懸濁等問題點。此外，在該渦輪中維持所需的效率所需要的蒸氣的壓力、溫度等條件增大，因此，設(shè)置旁通流路或設(shè)置多個開關(guān)閥，從而水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)變得復(fù)雜。
由此，現(xiàn)狀為不實用化。
本發(fā)明鑒于這種情況，其目的在于，提供一種將自發(fā)動機廢棄的能量作為電力回收的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)及具備該系統(tǒng)的往復(fù)移動式發(fā)動機。
為了解決上述課題，本發(fā)明采用如下的手段。
S卩，本發(fā)明第一方面提供一種發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，使用往復(fù)移動式發(fā)動機中的廢熱進行發(fā)電，該往復(fù)移動式發(fā)動機具有對發(fā)動機水套內(nèi)進行冷卻的水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和將高溫的燃燒氣體作為廢氣排出的廢氣流路，所述發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)具備介質(zhì)回路，其使用臨界溫度為約80°C 約200°C的低沸點介質(zhì)，由使該低沸點介質(zhì)成為氣相的蒸發(fā)器部、使在該蒸發(fā)器部成為氣相的所述低沸點介質(zhì)膨脹而成為低壓的氣相的渦輪、對來自該渦輪的所述低壓沸點介質(zhì)進行冷卻而使所述低壓沸點介質(zhì)成為液相的冷凝器、及使自該冷凝器輸送的所述低沸點介質(zhì)升壓的壓縮機形成閉環(huán)的蘭金循環(huán)；及發(fā)電機，其與所述渦輪同軸連結(jié)，被伴隨所述低沸點介質(zhì)的膨脹而旋轉(zhuǎn)的所述渦輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)以進行發(fā)電，所述蒸發(fā)器部至少具備在所述廢氣和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換且使所述低沸點介質(zhì)成為氣相的第一熱交換器。
在形成閉環(huán)的蘭金循環(huán)的介質(zhì)回路中，低沸點介質(zhì)依次在壓縮機、蒸發(fā)器部、渦輪及冷凝器中巡回。低沸點介質(zhì)利用壓縮機從液相且低壓/低溫的狀態(tài)升壓，成為液相且高壓的狀態(tài)。接著，低沸點介質(zhì)利用蒸發(fā)器升溫，成為氣相且高壓/高溫的狀態(tài)。該狀態(tài)的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入渦輪，膨脹而成為低壓的氣相。成為低壓的氣相的低沸點介質(zhì)利用冷凝器冷卻，成為低壓/低溫的液相。渦輪利用膨脹的低沸點介質(zhì)做功而進行旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。
而且，蒸發(fā)器部具備在廢氣和低沸點介質(zhì)之間進行熱交換并使低沸點介質(zhì)成為氣相的第一熱交換器，因此，低沸點介質(zhì)會因通過廢氣流路的廢氣而升溫。即，在介質(zhì)回路中循環(huán)的低沸點介質(zhì)能夠從被往復(fù)移動式發(fā)動機廢棄的廢氣(排氣損失)中回收熱量?；厥盏哪芰勘晦D(zhuǎn)換為電力，因此，能夠?qū)⑼鶑?fù)移動式發(fā)動機的廢熱轉(zhuǎn)換為通用性高的電力。4
此時，低沸點介質(zhì)的臨界溫度為約80°C 約200°C，因此，即使溫度較低的廢氣， 也能夠獲得維持所需的渦輪效率所需要的充分的氣相的壓力、溫度等。由于低沸點介質(zhì)的絕熱熱降減小，因此，能夠使渦輪在低速下旋轉(zhuǎn)。由此，能夠防止渦輪的大型化。
介質(zhì)回路與水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及廢氣流路分開、換言之與往復(fù)移動式發(fā)動機分開地獨立設(shè)置，因此，能夠防止水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、廢氣流路等的復(fù)雜化。
由此，不會對往復(fù)移動式發(fā)動機產(chǎn)生較大的影響，例如能夠提供也可搭載于車輛等狹小的空間的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)。
在本發(fā)明第一方面中，所述蒸發(fā)器也可以在所述第一熱交換器的上游側(cè)具備第二熱交換器，所述第二熱交換器在所述水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的高溫側(cè)的水套冷卻水和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換，對所述低沸點介質(zhì)進行加熱。
在蒸發(fā)器部，低沸點介質(zhì)在第一熱交換器的上游側(cè)利用第二熱交換器與水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的高溫側(cè)的水套冷卻水進行熱交換而升溫，因此，水套冷卻水被冷卻，另一方面，低沸點介質(zhì)能夠回收水套冷卻水的熱量。這樣，可不需要為了對水套冷卻水進行冷卻而向外部放出熱(冷卻損失)，或者，能夠使其大幅地減少。另一方面，由于低沸點介質(zhì)利用第二熱交換器回收向外部放熱的熱量而進行發(fā)電，因此，能夠進一步提高往復(fù)移動式發(fā)動機的效率。
水套冷卻水通常為80 85°C，因此，與臨界溫度為約80°C 200°C的低沸點介質(zhì)成為液-液熱交換。由此，作為第二熱交換器能夠使用可較為小型的液-液熱交換器。
在本發(fā)明的第一方面中，也可以構(gòu)成為，所述往復(fù)移動式發(fā)動機具備對空氣進行壓縮而供給的渦輪增壓器，所述蒸發(fā)器在所述第一熱交換器的上游側(cè)具備第三熱交換器， 所述第三熱交換器在所述渦輪增壓器的出口空氣和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換，對所述低沸點介質(zhì)進行加熱。
渦輪增壓器的出口空氣被壓縮，因此，溫度升高。若溫度增高，則密度下降，因此， 存在由于向氣缸供給的空氣量變得更多而向外部放熱，對出口空氣進行冷卻并向氣缸供給的情況。
在蒸發(fā)器部，低沸點介質(zhì)在第一熱交換器的上游側(cè)，利用第三熱交換器與渦輪增壓器的出口空氣進行熱交換而升溫，因此，出口空氣被冷卻，另一方面，低沸點介質(zhì)能夠回收出口空氣的熱量。這樣，不需要為了對出口空氣進行冷卻而向外部放出熱，另一方面，由于能夠?qū)υ摕崃窟M行回收而進行發(fā)電，因此，能夠進一步提高往復(fù)移動式發(fā)動機的效率。
在所述構(gòu)成中，所述第三熱交換器也可以串聯(lián)地設(shè)置于所述第二熱交換器的上游側(cè)或者下游側(cè)。
此外，在所述構(gòu)成中，所述第三熱交換器也可以相對于所述第二熱交換器并聯(lián)設(shè)置。
在本發(fā)明的第一方面中，優(yōu)選的是，所述壓縮機為渦輪泵，該渦輪泵與所述發(fā)電機同軸連結(jié)，所述渦輪、所述發(fā)電機及所述渦輪泵收納于密閉容器。
這樣，由于渦輪泵與發(fā)電機同軸連結(jié)，因此，渦輪、發(fā)電機及渦輪泵形成為一體。該一體化了的渦輪、發(fā)電機及渦輪泵收納于密閉容器內(nèi)，因此，在渦輪與外部氣體、渦輪泵與外部氣體之間不需要進行密封。而且，通過將包含發(fā)電機在內(nèi)的這三個構(gòu)成要素一并進行密閉，能夠可靠地防止低沸點介質(zhì)的泄漏。
本發(fā)明的第二方面提供一種往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)，具備往復(fù)移動式發(fā)動機，其具有對發(fā)動機水套內(nèi)進行冷卻的水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及將高溫的燃燒氣體作為廢氣排出的廢氣流路；及如第1 6方面中任一方面所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，如上所述，具備至少能夠從往復(fù)移動式發(fā)動機的廢氣中回收熱量并將回收的能量轉(zhuǎn)換為電力的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，因此，可提高往復(fù)移動式發(fā)動機的效率。
根據(jù)本發(fā)明，蒸發(fā)器部至少具備進行廢氣與低沸點介質(zhì)之間的熱交換并使低沸點介質(zhì)成為氣相的第一熱交換器，因此，能夠從自往復(fù)移動式發(fā)動機廢棄的廢氣中回收熱量。 回收了的能量被轉(zhuǎn)換為電力，因此，能夠?qū)⑼鶑?fù)移動式發(fā)動機的廢熱轉(zhuǎn)換為通用性高的電力。
此時，低沸點介質(zhì)的臨界溫度為約80°C 約200°C，因此，能夠防止渦輪的大型化，能夠防止水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、廢氣流路等的復(fù)雜化。
由此，能夠提供不會對往復(fù)移動式發(fā)動機產(chǎn)生較大的影響，例如也可搭載于車輛等狹小的空間的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)。


圖1是表示本發(fā)明第一實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的概略構(gòu)成的框圖2是表示本發(fā)明第二實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的概略構(gòu)成的框圖3是表示本發(fā)明第三實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的概略構(gòu)成的框圖；。
圖4是表示本發(fā)明第三實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的其它實施方式的概略構(gòu)成的框圖5是表示本發(fā)明第三實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的其它實施方式的概略構(gòu)成的框圖6是表示本發(fā)明第四實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)的概略構(gòu)成的框圖。
具體實施方式
下面，使用附圖詳細(xì)地對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[第一實施方式]
下面，參照圖1對本發(fā)明第一實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1進行說明。
圖1是表示第一實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的概略構(gòu)成的框圖。
在往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1中具備往復(fù)移動式發(fā)動機3和發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5。
往復(fù)移動式發(fā)動機3具備多個氣缸7，其以成為適當(dāng)?shù)幕旌媳鹊姆绞轿搿嚎s汽油、醇、氣體(天然氣、石油氣等)等燃料和空氣，例如利用電火花點火并引起爆炸(急劇的燃燒)；水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9，其對氣缸7的燃燒室周圍進行冷卻；及渦輪增壓器11，其對吸入氣缸7的空氣進行壓縮而使吸入的空氣量增加。
氣缸7具備吸入空氣的進氣通路13及將在氣缸7內(nèi)燃燒的燃燒氣體作為廢氣排出的排氣通路(廢氣流路)15。
在水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9中具備水套(發(fā)動機氣缸水套)17，其在氣缸7特別是在燃燒室的四周形成雙重結(jié)構(gòu)的空間；冷卻水泵19，其使水套冷卻水循環(huán)；水套水循環(huán)流路21，其連結(jié)水套17、冷卻水泵19及水套17，使水套冷卻水循環(huán)。
渦輪增壓器11構(gòu)成為主要包括配置于排氣通路15且利用氣缸7的廢氣進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的渦輪[zl]23、與渦輪23同軸連結(jié)并伴隨渦輪23的旋轉(zhuǎn)進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動且對通過進氣通路13的空氣進行壓縮的壓縮機25。
也可以在進氣通路13的壓縮機25和氣缸7之間設(shè)置對通過進氣通路13的空氣進行冷卻的冷卻部件。
在發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5中具備低沸點介質(zhì)循環(huán)而形成閉環(huán)的蘭金循環(huán)的介質(zhì)回路27、發(fā)電機31、及蓄電池33。
在此，低沸點介質(zhì)例如為用HFC134a、HFE7100示例的替代氟利昂。作為低沸點介質(zhì)不限于此，只要是臨界溫度為約80°C 約200°C的介質(zhì)即可。例如，HFC134a的臨界溫度為 101. 2°C, HFE7100 的臨界溫度為 195. 8°C。
介質(zhì)回路27具備使低沸點介質(zhì)成為氣相的蒸發(fā)器部33 ；使由蒸發(fā)器部33成為氣相的低沸點介質(zhì)膨脹而成為低壓的氣相的渦輪35 ；對來自渦輪35的低壓沸點介質(zhì)進行冷卻而使所述低壓沸點介質(zhì)成為液相的冷凝器37 ；使從冷凝器37輸送的低沸點介質(zhì)升壓的渦輪泵(壓縮機)39 ；及連結(jié)這些設(shè)備并使低沸點介質(zhì)循環(huán)的介質(zhì)流路41。
蒸發(fā)器部33具備在水套水循環(huán)流路21的高溫側(cè)的水套冷卻水和低沸點介質(zhì)之間進行熱交換的水套冷卻水熱交換器(第二熱交換器)43、及在通過排氣通路15的廢氣和低沸點介質(zhì)之間進行熱交換的廢氣熱交換器(第一熱交換器)45。
水套冷卻水熱交換器43配置于廢氣熱交換器45的上游側(cè)。向水套冷卻水熱交換器43的高溫側(cè)供給例如80 85°C的水套冷卻水，向低溫側(cè)逆流式地供給例如約40°C的液相且高壓的低沸點介質(zhì)。
水套冷卻水由低沸點介質(zhì)而在水套冷卻水熱交換器43的出口冷卻數(shù)。C、例如冷卻2 ;TC。另一方面，低沸點介質(zhì)利用水套冷卻水加熱，在水套冷卻水熱交換器43的出口升溫至例如約75°C。換言之，低沸點介質(zhì)能夠從水套冷卻水回收熱量。
由于低沸點介質(zhì)的臨界溫度為約80°C 約200°C，因此，低沸點介質(zhì)和水套冷卻水成為液-液熱交換。作為水套冷卻水熱交換器43能夠使用可為較小型的液-液熱交換器。此外，水套冷卻水熱交換器43為高效的逆流式的熱交換，因此，能夠進一步小型化。
向廢氣熱交換器45的高溫側(cè)供給加熱用的廢氣，向低溫側(cè)逆流式地(或者正交流動式地)供給例如約75°C的液相且高壓的低沸點介質(zhì)。
低沸點介質(zhì)利用通過廢氣流路的廢氣升溫，變換為氣相。換言之，低沸點介質(zhì)能夠從自氣缸7廢棄的廢氣中回收熱量。
渦輪35使在蒸發(fā)器部33成為高壓/高溫的氣相的低沸點介質(zhì)絕熱膨脹，成為低壓的氣相。渦輪35此時由低沸點介質(zhì)的膨脹而能夠做功進行旋轉(zhuǎn)。
渦輪；35具備主軸47。
發(fā)電機四經(jīng)由主軸47與渦輪35同軸連結(jié)并一體化。發(fā)電機四通過經(jīng)由主軸47 傳遞的渦輪35的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，進行發(fā)電。發(fā)電機四例如使用同步發(fā)電機、感應(yīng)發(fā)電機，主軸47作為發(fā)電機四的旋轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸。
發(fā)電機四的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的負(fù)荷產(chǎn)生的排氣熱量和溫度對應(yīng)，能夠控制轉(zhuǎn)速并使流量/壓力發(fā)生變化。
由發(fā)電機四發(fā)電的電力被蓄積于蓄電池31。也可以代替向蓄電池31蓄電，而直接向需要電力的設(shè)備供給。
冷凝器37為對來自渦輪35的低壓沸點介質(zhì)進行冷卻使其成為液相的熱交換器。 向冷凝器37的高溫側(cè)供給例如80°C的低沸點介質(zhì)，向低溫側(cè)正交流動式地供給作為冷卻介質(zhì)例如大約20°C的冷卻空氣。
低沸點介質(zhì)通過冷卻空氣例如冷卻至約40°C。另一方面，冷卻空氣通過低沸點介質(zhì)加熱，在冷凝器37的出口例如升溫至約50°C。
作為冷卻介質(zhì)，不限于空氣等氣體，能夠使用水等液體。
渦輪泵39經(jīng)由主軸47與渦輪35及發(fā)電機四同軸連結(jié)。渦輪泵39通過經(jīng)由主軸 47傳遞的渦輪35的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，對從冷凝器37導(dǎo)入的液相的低沸點介質(zhì)進行壓縮升壓。
渦輪35、發(fā)電機四及渦輪泵39通過主軸47連結(jié)并形成一體。
該一體化了的渦輪35、發(fā)電機四及渦輪泵39收納于密閉的容器(密閉容器)49 內(nèi)，與外部氣體隔斷。
這樣，由于渦輪35、發(fā)電機四及渦輪泵39收納于容器49內(nèi)，與外部氣體隔斷，因此，在渦輪35與外部氣體、渦輪泵39與外部氣體之間不需要進行密封。而且，包含發(fā)電機四在內(nèi)將這三個構(gòu)成要素一并密閉，由此能夠可靠地防止低沸點介質(zhì)的泄漏。因此，能夠大幅減少如密封零件的交換、動作流體的補充的維護次數(shù)，能夠降低維護成本。
一體化后的渦輪35、發(fā)電機四及渦輪泵39按照主軸47沿垂直方向延伸且渦輪泵 39位于最下方位置的方式豎形配置。
由此，能夠使設(shè)備的大小緊湊，能夠減小設(shè)置空間。
此外，若支承主軸47的渦輪泵39的推力軸承具有氣液密封功能，則能夠穩(wěn)定地防止液相的低沸點介質(zhì)朝向發(fā)電機四、渦輪35側(cè)。
對如上構(gòu)成的本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的動作進行說明。
當(dāng)往復(fù)移動式發(fā)動機3起動時，來自氣缸7的廢氣使渦輪23旋轉(zhuǎn)。伴隨該渦輪23 的旋轉(zhuǎn)而對壓縮機25進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，對吸入的空氣進行壓縮，并通過進氣通路13向氣缸7 供給。在壓縮機25的出口被壓縮的空氣例如升溫至約180°C。
在氣缸7中，利用活塞的動作，按照成為適當(dāng)?shù)幕旌媳鹊姆绞轿雭碜赃M氣通路 13的空氣和另外供給的燃料。吸入的空氣及燃料被壓縮而爆炸(急劇地燃燒)。燃燒了的燃燒氣體作為廢氣通過排氣通路15排出。
往復(fù)移動式發(fā)動機1由該爆炸力使活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，并且利用連桿和曲軸將該活塞的往復(fù)運動變?yōu)檫B續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動，并從曲軸輸出動力(軸動力)。
此時，在水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9中，通過冷卻水泵19使水套冷卻水在水套水循環(huán)流路21中循環(huán)。水套冷卻水在通過水套17時從氣缸7的燃燒室周圍獲得熱量而升溫，例如成為80 85°C。另一方面，由于氣缸7的燃燒室周圍的熱量被剝奪，所以被冷卻。
水套冷卻水利用水套冷卻水熱交換器43與在介質(zhì)流路41中流動的低溫的低沸點介質(zhì)進行熱交換，例如冷卻數(shù)。C，并向水套17循環(huán)。這樣，水套冷卻水被在介質(zhì)流路41中循環(huán)的低沸點介質(zhì)冷卻，因此，能夠不需要為了對水套冷卻水進行冷卻而向外部放出熱(冷卻損失)。
在本實施方式中，水套冷卻水在水套冷卻水熱交換器43僅通過低沸點介質(zhì)進行冷卻，但并不限定于此，例如，也可以一并具有現(xiàn)有的散熱器。這樣，特別是在往復(fù)移動式發(fā)動機3的起動、停止、部分負(fù)荷運用中能夠提高控制的自由度。
接著，對發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5的動作進行說明。
在介質(zhì)流路41中循環(huán)的低沸點介質(zhì)如下進行變化。從冷凝器37導(dǎo)入的低溫(約 40°C )/低壓的液相的低沸點介質(zhì)通過利用渦輪35的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的渦輪泵39壓縮且升壓。
升壓后的低溫/高壓的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入蒸發(fā)器部33的水套冷卻水熱交換器43， 在此，被水套冷卻水加熱，在水套冷卻水熱交換器43的出口例如升溫至約75°C。低沸點介質(zhì)保持為液相。
接著，低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入蒸發(fā)器部33的廢氣熱交換器45，由通過排氣通路15的例如約400°C的廢氣而升溫，轉(zhuǎn)換為氣相。換言之，低沸點介質(zhì)能夠從被氣缸7廢棄的廢氣中回收熱量。由此，能夠減小作為廢氣向外部廢棄的熱量(排氣損失)。
在蒸發(fā)器部33成為高壓/高溫的氣相的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入渦輪35，并進行絕熱膨脹，成為高溫/低壓的氣相或者一部分成為液相的濕潤狀態(tài)。此時的低沸點介質(zhì)的溫度例如為約80°C。
渦輪35因低沸點介質(zhì)的膨脹而能夠做功進行旋轉(zhuǎn)，因此，主軸47進行旋轉(zhuǎn)。
發(fā)電機四利用經(jīng)由主軸47傳遞的渦輪35的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，進行發(fā)電。在發(fā)電機四發(fā)電的電力被蓄積于蓄電池31。
這樣，低沸點介質(zhì)能夠利用水套冷卻水熱交換器43回收水套冷卻水的熱量，并利用廢氣熱交換器45從被往復(fù)移動式發(fā)動機3廢棄的廢氣中回收熱量?；厥盏降臒崃?能量)利用發(fā)電機四轉(zhuǎn)換為電力，因此，能夠?qū)⑼鶑?fù)移動式發(fā)動機3的廢熱轉(zhuǎn)換為通用性高的電力。
由此，能夠顯著地提高往復(fù)移動式發(fā)動機3的效率。
此時，低沸點介質(zhì)的臨界溫度為約80°C 約200°C，因此，能夠在水套冷卻水熱交換器43中使用液-液熱交換器，在廢氣熱交換器45中，即使為溫度較低的廢氣也能夠獲得維持所需的渦輪效率所需要的充分的氣相的壓力、溫度等。換言之，利用水套冷卻水熱交換器43及廢氣熱交換器45能夠分別進行有效的熱交換。由于低沸點介質(zhì)的絕熱熱降減小， 因此，能夠使渦輪在低速下旋轉(zhuǎn)。由此，能夠防止渦輪的大型化。
介質(zhì)回路27與水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9及排氣通路15分開地、換言之與往復(fù)移動式發(fā)動機3分開地獨立設(shè)置，因此，能夠防止水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9、排氣通路15等的復(fù)雜化。
由此，能夠提供不會對往復(fù)移動式發(fā)動機3產(chǎn)生較大的影響，例如也可搭載于車輛等狹小的空間的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5。
[第二實施方式]
接著，使用圖2對本發(fā)明第二實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1進行說明。
本實施方式中，發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5的蒸發(fā)器部33及水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9的構(gòu)成與第一實施方式不同，因此，在此，主要對該不同的部分進行說明，對于與上述的第一實施方式相同的部分省略重復(fù)的說明。
對與第一實施方式相同的部件標(biāo)注相同的標(biāo)號。
圖2是表示本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的概略構(gòu)成的框圖。
本實施方式的蒸發(fā)器部33僅由廢氣熱交換器45構(gòu)成。與之相伴，在水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9中具備對由氣缸7升溫后的水套冷卻水進行冷卻的散熱器51。也可以代替散熱器51而使用冷卻塔。
這樣構(gòu)成的本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的動作基本上與上述的第一實施方式相同，因此，省略重復(fù)的說明，對不同的部分進行說明。
在水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9中，利用冷卻水泵19循環(huán)的水套冷卻水在通過水套17 時將氣缸7的燃燒室周圍冷卻，此時，從氣缸7的燃燒室周圍獲得熱量而升溫。
水套冷卻水利用散熱器51與冷卻空氣進行熱交換，被冷卻，并向水套17循環(huán)。
在發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5中，由渦輪泵39輸送的低溫/高壓的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入到蒸發(fā)器部33的廢氣熱交換器45。低沸點介質(zhì)被通過排氣通路15的例如約 400°C的廢氣升溫，變換為高溫/高壓的氣相。即，低沸點介質(zhì)能夠從被氣缸7廢棄的廢氣中回收熱量，因此，能夠減少作為廢氣向外部廢棄的熱量(排氣損失)。
這樣，回收到的熱量(能量)利用發(fā)電機四被轉(zhuǎn)換成電力，因此，能夠?qū)⑼鶑?fù)移動式發(fā)動機3的廢熱轉(zhuǎn)換為通用性高的電力。
此時，由于低沸點介質(zhì)的臨界溫度為約800C 約200°C，因此，在廢氣熱交換器45 中，即使為溫度較低的廢氣也能夠獲得維持所需的渦輪效率所需要的充分的氣相的壓力、 溫度等。由于低沸點介質(zhì)的絕熱熱降減小，因此，能夠使渦輪在低速下旋轉(zhuǎn)。由此，能夠防止渦輪的大型化。
介質(zhì)回路27與水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9及排氣通路15分開地、換言之與往復(fù)移動式發(fā)動機3分開地獨立設(shè)置，因此，能夠防止水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)9、排氣通路15等的復(fù)雜化。
由此，不會對往復(fù)移動式發(fā)動機3產(chǎn)生較大的影響，例如能夠提供也可搭載于車輛等狹小的空間的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5。
本實施方式的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5不限定于往復(fù)移動式發(fā)動機3，例如，可適用于鍋爐、燃?xì)廨啓C等中可確保廢氣熱交換器45的熱源的裝置。
[第三實施方式]
接著，使用圖3對本發(fā)明的第三實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1進行說明。
本實施方式中，發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5的蒸發(fā)器部33及進氣通路13的構(gòu)成與第一實施方式不同，因此，在此，主要對該不同的部分進行說明，對于與上述的第一實施方式相同的部分省略重復(fù)的說明。
對與第一實施方式相同的部件標(biāo)注相同的標(biāo)號。
圖3是表示本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的概略構(gòu)成的框圖。
在本實施方式中，在進氣通路13的鼓風(fēng)機25和氣缸7之間具備進氣熱交換器(第三熱交換器)53。
在進氣熱交換器53插裝有位于水套冷卻水熱交換器43和廢氣熱交換器45之間的介質(zhì)流路41。進氣熱交換器53為在渦輪增壓器11的出口(壓縮機25的出口)空氣(進氣)和低沸點介質(zhì)之間進行熱交換的熱交換器。
蒸發(fā)器部33由按順序串聯(lián)連接有水套冷卻水熱交換器43、進氣熱交換器53及廢氣熱交換器45的熱交換器構(gòu)成。因此，進氣熱交換器53設(shè)置于廢氣熱交換器45的上游側(cè)。
進氣熱交換器53構(gòu)成進氣通路13的一部分，利用鼓風(fēng)機對內(nèi)部進行壓縮，通過有較高的高溫例如約為180°C的空氣。向插裝于進氣熱交換器53的內(nèi)部的介質(zhì)流路41相對于進氣逆流式地供給出自水套冷卻水熱交換器43的例如約75°C的低沸點介質(zhì)。
進氣被低沸點介質(zhì)冷卻，另一方面，低沸點介質(zhì)被進氣加熱。換言之，低沸點介質(zhì)能夠從進氣中回收熱量。
這樣構(gòu)成的本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的動作基本上與上述的第一實施方式相同，省略重復(fù)的說明，對不同的部分進行說明。
作為渦輪增壓器11的出口空氣的進氣被壓縮，因此溫度升高。該進氣在進氣熱交換器53被低沸點介質(zhì)冷卻，因此，溫度下降，能夠使密度增加。由此，能夠使向氣缸供給的空氣量更多。
在發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5中，出自水套冷卻水熱交換器43的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入進氣熱交換器53。低沸點介質(zhì)利用通過進氣熱交換器53的進氣進行升溫。S卩，低沸點介質(zhì)能夠從進氣中回收熱量，因此，可無需為了對進氣進行冷卻而向外部放出熱。
因此，在蒸發(fā)器部33中，除了水套冷卻水熱交換器43及廢氣熱交換器45之外，利用進氣熱交換器53也能夠回收從往復(fù)移動式發(fā)動機3廢棄的熱量。
這樣回收的熱量(能量)被發(fā)電機四轉(zhuǎn)換為電力，因此，能夠?qū)⑼鶑?fù)移動式發(fā)動機3的廢熱轉(zhuǎn)換為通用性高的電力。
在本實施方式中，進氣熱交換器53串聯(lián)連接于水套冷卻水熱交換器43及廢氣熱交換器45的中間位置，但并不限定于此。
例如圖4所示，進氣熱交換器53也可以按照與水套冷卻水熱交換器43并聯(lián)的方式配置。
進而，如圖5所示，進氣熱交換器53也可以用于第二實施方式的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5。該情況下，進氣熱交換器53在廢氣熱交換器45的上游側(cè)與其串聯(lián)連接。
[第四實施方式]
接著，使用圖6對本發(fā)明第四實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1進行說明。
本實施方式中，發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5的渦輪35及渦輪泵39的構(gòu)成與第一實施方式不同，因此，在此，主要對該不同的部分進行說明，對于與上述的第一實施方式相同的部分省略重復(fù)的說明。
對與第一實施方式相同的部件標(biāo)注相同的標(biāo)號。
圖6是表示第四實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的概略構(gòu)成的框圖。
在本實施方式中，通過主軸47 —體化后的渦輪33及發(fā)電機四收納于密閉的容器 55內(nèi)，與外部氣體隔斷。
渦輪泵39以利用電動機57進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的方式構(gòu)成。電動機57利用自蓄電池 31供給的電力進行驅(qū)動。
渦輪泵39及電動機57收納于密閉的容器59內(nèi)，與外部氣體隔斷。
這樣構(gòu)成的本實施方式的往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的動作基本上與上述的第一實施方式相同，省略重復(fù)的說明，對不同的部分進行說明。
在發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5中，在蒸發(fā)器部33成為高壓/高溫的氣相的低沸點介質(zhì)被導(dǎo)入渦輪35，進行絕熱膨脹而成為高溫/低壓的氣相，或者，一部分為液相的濕潤狀態(tài)。
渦輪35因低沸點介質(zhì)的膨脹而能夠做功進行旋轉(zhuǎn)，因此，發(fā)電機四經(jīng)由主軸47 旋轉(zhuǎn)，進行發(fā)電。由發(fā)電機四發(fā)電的電力被蓄積于蓄電池31。
電動機57利用自蓄電池31供給的電力進行旋轉(zhuǎn)，且渦輪泵39旋轉(zhuǎn)。向渦輪泵39 導(dǎo)入的來自冷凝器37的低溫/低壓的液相的低沸點介質(zhì)利用渦輪泵39被壓縮而升壓。
這樣，渦輪35及發(fā)電機四被收納于容器55內(nèi)，渦輪泵39及電動機57被收納于容器59內(nèi)，分別與外部氣體隔斷，因此，渦輪35與外部氣體、及渦輪泵39與外部氣體之間無需進行密封。由此，能夠可靠地防止低沸點介質(zhì)的泄漏，因此能夠大幅削減如密封零件的更換、動作流體的補充這樣的維護的次數(shù)，能夠降低維護成本。
由于渦輪泵39未與渦輪35的主軸47連接，因此，渦輪35和渦輪泵39能夠使轉(zhuǎn)速獨立。由此，能夠增大發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5及往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)1的控制的自由度。
本實施方式的渦輪33及渦輪泵39周邊的構(gòu)造也可以適用于上述的第二實施方式及第三實施方式的各發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)5。
本發(fā)明不限定于以上說明的各實施方式，也可在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)進行各種變形。
例如，作為壓縮機使用了渦輪泵39，但也可以使用公知的適當(dāng)形式的壓縮機。
標(biāo)號說明
1往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)
3往復(fù)移動式發(fā)動機
5發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)
9水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
11渦輪增壓器
13進氣通路
15排氣通路
17 水套
33蒸發(fā)器部
35 渦輪
37冷凝器
39渦輪泵
43水套冷卻水熱交換器
45廢氣熱交換器
49 容器
53進氣熱交換器1權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，使用往復(fù)移動式發(fā)動機中的廢熱進行發(fā)電，該往復(fù)移動式發(fā)動機具有對發(fā)動機水套內(nèi)進行冷卻的水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和將高溫的燃燒氣體作為廢氣排出的廢氣流路，所述發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)具備介質(zhì)回路，其使用臨界溫度為約80°C 約200°C的低沸點介質(zhì)，由使該低沸點介質(zhì)成為氣相的蒸發(fā)器部、使在該蒸發(fā)器部成為氣相的所述低沸點介質(zhì)膨脹而成為低壓的氣相的渦輪、對來自該渦輪的所述低壓沸點介質(zhì)進行冷卻而使所述低壓沸點介質(zhì)成為液相的冷凝器、及使自該冷凝器輸送的所述低沸點介質(zhì)升壓的壓縮機形成閉環(huán)的蘭金循環(huán)；及發(fā)電機，其與所述渦輪同軸連結(jié)，被伴隨所述低沸點介質(zhì)的膨脹而旋轉(zhuǎn)的所述渦輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)以進行發(fā)電，所述蒸發(fā)器部至少具備在所述廢氣和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換且使所述低沸點介質(zhì)成為氣相的第一熱交換器。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，其中，所述蒸發(fā)器部在所述第一熱交換器的上游側(cè)具備第二熱交換器，所述第二熱交換器在所述水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的高溫側(cè)的水套冷卻水和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換，對所述低沸點介質(zhì)進行加熱。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，其中，所述往復(fù)移動式發(fā)動機具備對空氣進行壓縮而供給的渦輪增壓器，所述蒸發(fā)器在所述第一熱交換器的上游側(cè)具備第三熱交換器，所述第三熱交換器在所述渦輪增壓器的出口空氣和所述低沸點介質(zhì)之間進行熱交換，對所述低沸點介質(zhì)進行加熱。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，其中，所述第三熱交換器串聯(lián)地設(shè)置于所述第二熱交換器的上游側(cè)或者下游側(cè)。
5.如權(quán)利要求3所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，其中，所述第三熱交換器相對于所述第二熱交換器并聯(lián)設(shè)置。
6.如權(quán)利要求1 5中任一項所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)，其中，所述壓縮機為渦輪泵，該渦輪泵與所述發(fā)電機同軸連結(jié)，所述渦輪、所述發(fā)電機及所述渦輪泵收納于密閉容器。
7.一種往復(fù)移動式發(fā)動機系統(tǒng)，具備往復(fù)移動式發(fā)動機，其具有對發(fā)動機水套內(nèi)進行冷卻的水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及將高溫的燃燒氣體作為廢氣排出的廢氣流路；及如權(quán)利要求1 6中任一項所述的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種將自發(fā)動機廢棄的能量作為電力回收的實用的發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)。一種發(fā)動機廢熱回收發(fā)電渦輪系統(tǒng)(1)，其使用往復(fù)移動式發(fā)動機(3)中的廢熱進行發(fā)電，該往復(fù)移動式發(fā)動機(3)具有水套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(9)和將高溫的燃燒氣體作為廢氣排出的排氣通路(15)，其中，具備介質(zhì)回路(27)，其使用臨界溫度為約80℃～約200℃的低沸點介質(zhì)，由蒸發(fā)器部(33)、使低沸點介質(zhì)膨脹的渦輪(35)、冷凝器(37)及將低沸點介質(zhì)升壓的渦輪泵(39)形成閉環(huán)的蘭金循環(huán)；發(fā)電機(29)，其與渦輪(35)同軸連結(jié)，通過伴隨低沸點介質(zhì)的膨脹而旋轉(zhuǎn)的渦輪(35)進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動而進行發(fā)電，在蒸發(fā)器部(33)至少具備廢氣熱交換器(45)，所述廢氣熱交換器(45)進行廢氣與低沸點介質(zhì)的熱交換并使低沸點介質(zhì)成為氣相。
文檔編號F01D15/10GK102549239SQ201080043320
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者東森弘高, 長船信之介 申請人:三菱重工業(yè)株式會社