工作氣體循環型發動機系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本次公開是關于含氬氣的工作氣體在從發動機的排氣部至供氣部的體系內循環的工作氣體循環型發動機系統。
【背景技術】
[0002]以往，含氬氣(以下有時記作“Ar”)的工作氣體在從發動機的排氣部至供氣部的體系內循環的工作氣體循環型的氫氣發動機系統是已知的。例如，專利文獻I中，本發明人申請了關于將氬氣用作工作氣體的氫氣發動機的發明。此外，專利文獻2公開了關于將氬氣用作工作氣體的工作氣體循環型氫氣發動機的發明。
[0003]這些以往的氫氣發動機系統，將替代空氣的氬氣和氧氣(以下有時記作“02”)供給至燃燒室，氬氣作為通過氫氣的燃燒所產生的熱而形成的膨脹體(即工作氣體)起作用。從發動機排出的氬氣在體系內循環，和新供給的氧氣一起再次被供入發動機。如此一來，作為工作氣體，通過利用氬氣替代氮氣，可抑制氮氧化物(NOx)的產生。此外，氬氣是單原子分子氣體，比熱較高，因而具有可構建熱效率優異的發動機系統的優點。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[0004][專利文獻I]日本專利第3631891號公報[專利文獻2]日本特開2006-77639號公報
【發明內容】
[發明要解決的課題]
[0005]然而，以往以重油作為燃料的內燃機被廣泛使用，但在如今的重油價格高企，天然氣革命帶來的天然氣價格的下落中，使用天然氣作為燃料的氣體發動機正在吸引注意。此外例如賦予船舶推進力的船用主機發動機等，在如今的控制強化的大潮中，將液化天然氣(LNG)作為燃料的氣體發動機和除重油以外也可將天然氣作為燃料利用的被稱作所謂雙燃料發動機的發動機也被實用化了。在這樣的以重油和天然氣作為燃料的發動機中，期待更進一步的熱效率的提高。
[0006]本發明的至少一個實施方式是鑒于上述背景而做出的，其目的在于，提供在以重油和天然氣等含碳燃料作為使用燃料的發動機中，熱效率性優異的發動機系統。
[解決課題的裝置]
[0007]本發明的至少一個實施方式的特征在于，
在含氬氣的工作氣體在從發動機的排氣部至供氣部的體系內循環的工作氣體循環型發動機系統中，具備
含碳燃料作為使用燃料的發動機、
用于從上述發動機所排出的燃燒氣體中除去水分的凝縮器、
用于將從上述發動機所排出的燃燒氣體的一部分排出體系外的剩余氣體排出器、 用于將從上述發動機所排出的燃燒氣體中的二氧化碳排出體系外的二氧化碳除去裝置、和
用于將體系外的空氣中所含的氧氣及氬氣向體系內供給的氧氣供給裝置。
[0008]根據上述的工作氣體循環型發動機系統，在具備將體系外的空氣中所含的氧氣及氬氣向體系內供給的氧氣供給裝置的同時，還具備將從發動機中排出的燃燒氣體中的二氧化碳(以下有時記作“C02”)排出體系外的二氧化碳除去裝置。因此，由于能將體系內循環的氣體中的氧氣及氬氣維持在一定濃度以上，同時將從發動機排出的二氧化碳排出體系夕卜，所以在以燃燒時產生二氧化碳的重油和天然氣等含碳燃料作為使用燃料的發動機中，可良好地使用本發動機系統，可使發動機的熱效率大幅提高。
[0009]此外，將氬氣作為工作氣體利用的上述發動機系統，不僅在高負荷時，低負荷時也會提高熱效率。這一點上，如果是通過增壓機在渦輪發電機等中回收排氣能量的方法，則在低負荷時無法有效地提高熱效率，本系統在這一點上也具備較高優勢。
此外，由于將氬氣作為工作氣體循環利用，除了幾乎不排出廢氣以外，還具有發動機燃燒時幾乎不產生優點。
[0010]本發明的一個實施方式中，上述二氧化碳除去裝置和上述氧氣供給裝置分別是由另外構成的單獨的裝置組成，上述二氧化碳除去裝置是由吸附式C02除去裝置組成的，所述吸附式CO2除去裝置能夠在所述發動機排出的燃燒氣體的壓力和溫度的至少任一方變動的氣氛中，將燃燒氣體中的二氧化碳用吸附劑吸附分離排出體系外，上述氧氣供給裝置是由吸附式02供給裝置構成的，所述吸附式O2供給裝置能夠在從體系外通入的空氣的壓力和溫度的至少任一方變動的氣氛中，通過將空氣中的氮氣和二氧化碳用吸附劑吸附，從空氣中分離氧氣和氬氣，將該分離出的氧氣和氬氣供應到體系內。
根據這樣的本發明的一個實施方式，上述的二氧化碳除去裝置和氧氣供給裝置分別由吸附式CO2除去裝置和吸附式O2供給裝置構成，據此，可實現熱效率性優異的上述本發動機系統。
[0011]—些實施方式中，上述吸附式O2供給裝置向吸附式CO 2除去裝置的下游側的體系內供給氧氣和氬氣。
這樣的實施方式，與向吸附式0)2除去裝置的上游側的體系內供給氧氣和氬氣的情況相比，供給至吸附式0)2除去裝置的氣體流量可變少，因而吸附式CO2除去裝置可可相應地減小。
[0012]一些實施方式中，上述吸附式CO2除去裝置配置在剩余氣體排出器的下游側，可以將除去了通過剩余氣體排出器排出體系外的部分燃燒氣體后的剩余燃燒氣體通入。
這樣的實施方式，與吸附式CO2除去裝置配置在剩余氣體排出器的上游側的情況相比，向吸附式CO2除去裝置供入的氣體流量可減少從剩余氣體排出器向體系外排出的剩余氣體所對應的量，因此吸附式(302除去裝置可相應減小。
[0013]—些實施方式中，具有岔開繞過上述吸附式CO2除去裝置的旁路，同時，配置控制這些旁路的氣體流量的流量控制閥。
還有一些實施方式中，上述發動機的上游設有不通過吸附式02供給裝置而將體系外的空氣供入體系內的供氣裝置。
[0014]向發動機供給氣體(供給氣體)的氬氣濃度若升高，燃燒時的筒內壓力和筒內溫度升高，發動機熱效率提高，但其另一面是，筒內壓力和筒內溫度若過高，發動機的結構面上會產生問題。因此，實際應用中向發動機供給的氣體的氬氣濃度需要控制在適當的范圍內。
根據上述實施方式，通過調節流量控制閥的閥開度，控制向吸附式氧氣制造器通入的燃燒氣體的流量，或通過供氣裝置而不通過吸附式氧氣制造器將體系外的空氣供入發動機，均可控制供給氣體的氬氣濃度。
[0015]一些實施方式中，上述吸附式0)2除去裝置和上述吸附式O2供給裝置的至少任一個，在向該裝置供給的供給氣體的溫度變動的氣氛中，可從供給氣體將對象成分吸附分離，同時可將從發動機排出的燃燒氣體的能量，用作使供給氣體的溫度變動的能量。
根據這樣的實施方式，通過將從發動機排出的燃燒氣體的能量有效地用于改變供給氣體的溫度，從而可提高吸附式CO2除去裝置和吸附式O2供給裝置的工作效率，因而可進一步提尚本發動機系統的熱效率。
[0016]上述實施方式中，進一步具備增壓機和中間冷卻器，所述增壓機具有通過從上述發動機排出的燃燒氣體驅動的渦輪和與渦輪同軸配置的、壓縮向發動機供給的含氧氣和氬氣的氣體的壓縮機，所述中間冷卻器用于冷卻由壓縮機壓縮的氣體，上述冷卻器中熱交換的熱介質可用作改變供給氣體的溫度的熱源。
此外，上述實施方式中，進一步具備冷卻上述發動機排出的燃燒氣體的空氣冷卻器，在上述空氣冷卻器中與燃燒氣體熱交換的熱介質，可用作改變供給氣體的溫度的熱源。
根據這樣的實施方式，可將從發動機排出的燃燒氣體的能量有效地用于改變供給氣體的溫度，可進一步提高本發動機系統的熱效率。
[0017]一些實施方式中，為將供入上述發動機的燃料氣體以液化狀態貯藏，進一步設有液化燃料罐，吸附式CO2除去裝置及吸附式O 2供給裝置的至少任一方可在氣體溫度變動的氣氛中將對象氣體吸收分離，同時，液化狀態的燃料氣體可用作改變上述氣體溫度的熱源。
根據這樣的實施方式，將液化狀態的燃料氣作為使氣體溫度變動的熱源有效利用，可進一步提尚本發動機系統的熱效率。
[0018]此外，本發明的其他實施方式中，上述二氧化碳除去裝置和氧氣供給裝置由一體構成的I個吸附式CO2除去/02供給裝置組成，該吸附式CO2除去/02供給裝置在壓力和溫度至少任一方變動的氣氛中，將體系外通入的空氣中的氮氣及二氧化碳用吸附劑吸附分離，向體系外排出，將剩余的含氧氣和氬氣的氣體向體系內供給，同時，能通入從上述發動機排出的燃燒氣體。
根據這樣的本發明的一個實施方式，通過將上述的二氧化碳除去裝置和氧氣供給裝置構成為I個吸附式CO2除去/0 2供給裝置，可通過簡潔的結構實現上述的本發動機系統。
[0019]—些實施方式中，進一步設有用于開閉上述發動機的供氣口的供氣閥，和控制供氣閥的工作時機的控制裝置，控制裝置通過控制供氣閥在比下死點更遲些的位置閉閥，從而使壓縮比較膨脹比更低。
這樣的一些實施方式中，本發動機系統的發動機通過控制供氣閥在比下死點更晚的位置閉閥，使壓縮比較膨脹比更低，構成了所謂的米勒循環發動機。根據這樣的實施方式，可使發動機的筒內壓力降低，因而即使在利用氬氣作為工作氣體的情