JP2006200431A

JP2006200431A - Engine system

Info

Publication number: JP2006200431A
Application number: JP2005012516A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kinoshita; 博和木下
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: JP4580247B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly efficient engine system of low pollution by combination with an internal combustion engine (gas engine of clean exhaust gas) using liquefied gas as an energy supply system for operating a Stirling engine as an external combustion engine of closed cycle. <P>SOLUTION: This system is provided with a means 14 cooling working fluid of the Stirling engine 10 by vaporization of liquefied gas in a fuel supply system of the gas engine 16. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、の組み合わせになるエンジンシステムに関する。 The present invention relates to an engine system that is a combination of a gas engine as an internal combustion engine whose fuel is liquefied gas and a Stirling engine as an external combustion engine in a closed cycle.

各種の熱源が利用可能なエンジンとしてスターリングエンジンが知られる（特許文献１，特許文献２、参照）。 A Stirling engine is known as an engine that can use various heat sources (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

スターリングエンジンは、外燃機関の一種であり、往復運動するピストンの両側に動作流体を密閉した室を設け、一方の室を加熱し、他方の室を冷却すると、室の圧力差によってピストンが低温側に動くという原理を利用して動力を得るものである。 A Stirling engine is a type of external combustion engine. When a chamber with sealed working fluid is installed on both sides of a reciprocating piston, one chamber is heated and the other chamber is cooled. Power is obtained using the principle of moving to the side.

基本的なサイクル構成は、等温圧縮−等容加熱−等温膨張−等容放熱、からなる。熱エネルギを機械エネルギに変換する部分については、ディスプレーサ−高温空間−加熱器−再生器−冷却器−出力ピストンから構成される。 The basic cycle configuration consists of isothermal compression-isothermal heating-isothermal expansion-isothermal heat dissipation. The part that converts thermal energy into mechanical energy consists of a displacer, a hot space, a heater, a regenerator, a cooler, and an output piston.

スターリングエンジンは、密閉サイクルのため、動作流体が直接、大気と交換しないことから、低公害性に優れるという特徴を備えるのである。 Since the Stirling engine is a closed cycle, the working fluid is not directly exchanged with the atmosphere.

特許文献１の場合、スターリングエンジンの高温熱源としてディーゼルエンジンの排気が持つ熱エネルギおよびエンジン冷却水を持つ熱エネルギが利用される。特許文献１の場合、スターリングエンジンの高温熱源として焼却炉や溶融炉などの廃熱や太陽光など自然熱が利用される。
特開平０１−２９４９４６号特開２００３−１３８０５号 In the case of Patent Document 1, thermal energy possessed by exhaust gas from a diesel engine and thermal energy possessed by engine cooling water are used as a high-temperature heat source for a Stirling engine. In the case of Patent Document 1, waste heat from an incinerator or melting furnace or natural heat such as sunlight is used as a high-temperature heat source for a Stirling engine.
JP 01-294946 A JP2003-13805A

従来のスターリングエンジンにあっては、特許文献１および特許文献２にあるように加熱器の熱源として各種の熱エネルギが利用されるが、冷却器については、動作流体から奪う熱量を大気に放出する放熱器が用いられるに過ぎない。 In the conventional Stirling engine, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, various types of heat energy are used as the heat source of the heater, but the cooler releases the amount of heat taken from the working fluid to the atmosphere. Only radiators are used.

この発明は、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンを作動させるためのエネルギ供給システムとして、液化ガスを燃料とする内燃機関（排気がクリーンなガスエンジン）との組み合わせにより、高効率かつ低公害のエンジンシステムを提供することを目的とする。 As an energy supply system for operating a Stirling engine as an external combustion engine in a closed cycle, the present invention is combined with an internal combustion engine (gas engine with clean exhaust gas) that uses liquefied gas as a fuel, thereby achieving high efficiency and low pollution. It aims at providing the engine system of.

この発明は、燃料が液化ガスである内燃機関としてのガスエンジンと、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンと、ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化によりスターリングエンジンの動作流体を冷却する手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention cools the working fluid of a gas engine as an internal combustion engine whose fuel is liquefied gas, a Stirling engine as an external combustion engine in a closed cycle, and vaporization of liquefied gas in a fuel supply system of the gas engine. And means.

この発明においては、ガスエンジンの液化ガスの気化潜熱によりスターリングエンジンの動作流体が冷やされるため、高温空間と低温空間との圧力差が大きくなり、スターリングエンジンの出力を向上できる。その一方、ガスエンジンの燃料供給系においては、スターリングエンジンの動作流体から液化ガスの気化潜熱が与えられるため、液化ガスを気化させる機能部品（ベーパライザ）の小型化を促進できる。 In this invention, since the working fluid of the Stirling engine is cooled by the latent heat of vaporization of the liquefied gas of the gas engine, the pressure difference between the high temperature space and the low temperature space becomes large, and the output of the Stirling engine can be improved. On the other hand, in the fuel supply system of the gas engine, since the vaporization latent heat of the liquefied gas is given from the working fluid of the Stirling engine, it is possible to promote downsizing of the functional component (vaporizer) that vaporizes the liquefied gas.

図１において、１６は液化天然ガス（LNG）を燃料とする内燃機関としてのガスエンジンであり、１０は密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジンである。車両の場合、ガスエンジン１６は、車両の原動機として搭載され、スターリングエンジン１０は、補機類などの駆動装置（例えば、冷凍機のコンプレッサの駆動装置）として搭載される。 In FIG. 1, 16 is a gas engine as an internal combustion engine using liquefied natural gas (LNG) as fuel, and 10 is a Stirling engine as an external combustion engine in a closed cycle. In the case of a vehicle, the gas engine 16 is mounted as a prime mover of the vehicle, and the Stirling engine 10 is mounted as a driving device such as auxiliary equipment (for example, a driving device for a compressor of a refrigerator).

スターリングエンジン１０は、図示しないが、１ディスプレーサ−１ピストン方式であり、シリンダの内部にディスプレーサおよび出力ピストンが軸方向へ往復運動可能に収装される。シリンダとディスプレーサとの間に高温空間が画成され、ディスプレーサと出力ピストンとの間に低温空間が画成される。ディスプレーサはクランク軸に連結され、出力ピストンは、ディスプレーサと所定の位相差をもってクランク軸に連結される。 Although not shown, the Stirling engine 10 is a 1 displacer-1 piston system, and a displacer and an output piston are accommodated inside a cylinder so as to be capable of reciprocating in the axial direction. A high temperature space is defined between the cylinder and the displacer, and a low temperature space is defined between the displacer and the output piston. The displacer is connected to the crankshaft, and the output piston is connected to the crankshaft with a predetermined phase difference from the displacer.

高温空間と低温空間との間を接続する連通路１５（高温空間および低温空間と共に動作空間を構成する）が備えられ、動作空間に一定量の動作流体（例えば、ヘリウム）が密閉される。連通路１５においては、再生器１３，加熱器１２，冷却器１４が介装される。 A communication passage 15 (which constitutes an operation space together with the high temperature space and the low temperature space) that connects the high temperature space and the low temperature space is provided, and a certain amount of working fluid (for example, helium) is sealed in the operation space. In the communication path 15, a regenerator 13, a heater 12, and a cooler 14 are interposed.

スターリングエンジン１０においては、ディスプレーサが高温空間を圧縮する方向へ往動すると、動作流体が高温空間から低温空間へ連通路１５を流れ、その際に再生器１３および冷却器１４により冷却され、低温空間の圧力を低下させる。その一方、ディスプレーサが高温空間を拡張する方向へ復動すると、動作流体が低温空間から高温空間へ連通路１５を流れ、その際に再生器１３および加熱器１２により加熱され、高温空間の圧力を上昇させる。このようにディスプレーサの往復運動により、高温空間と低温空間との間に圧力差が作られ、出力ピストンが往復運動するため、スターリングエンジン１０のクランク軸から出力が得られるのである。 In the Stirling engine 10, when the displacer moves in the direction of compressing the high temperature space, the working fluid flows through the communication path 15 from the high temperature space to the low temperature space, and is cooled by the regenerator 13 and the cooler 14 at that time. Reduce the pressure. On the other hand, when the displacer returns in the direction of expanding the high-temperature space, the working fluid flows from the low-temperature space to the high-temperature space through the communication path 15 and is heated by the regenerator 13 and the heater 12 at that time. Raise. Thus, the reciprocating motion of the displacer creates a pressure difference between the high temperature space and the low temperature space, and the output piston reciprocates, so that output is obtained from the crankshaft of the Stirling engine 10.

ガスエンジン１６において、排気系の通路１９は、スターリングエンジン１０の加熱器１２を経由するように配管される。加熱器１２は、排気系の通路１９の一部を構成する流路１９ａと、連通路１５の一部を構成する流路１５ａと、からなり、流路１９ａを流路１５ａで包囲する形の熱交換器に形成される。 In the gas engine 16, the exhaust system passage 19 is piped through the heater 12 of the Stirling engine 10. The heater 12 includes a flow path 19a that constitutes a part of the passage 19 of the exhaust system and a flow path 15a that constitutes a part of the communication path 15, and surrounds the flow path 19a with the flow path 15a. Formed in the heat exchanger.

ガスエンジン１６は、吸気系の通路に燃料供給部（燃料噴射部）が設けられ、燃料供給部（図示しない）と燃料容器１７との間を接続する燃料供給系の通路１８が形成される。燃料供給系の通路１８は、スターリングエンジン１０の冷却器１４を経由するように配管される。冷却器１４は、燃料供給系の通路１８の一部を構成する流路１８ａと、連通路１５の一部を構成する流路１５ｂと、からなり、流路１８ａを流路１５ｂで包囲する形の熱交換器に形成される。 In the gas engine 16, a fuel supply unit (fuel injection unit) is provided in an intake system passage, and a fuel supply system passage 18 that connects a fuel supply unit (not shown) and a fuel container 17 is formed. The passage 18 of the fuel supply system is piped so as to pass through the cooler 14 of the Stirling engine 10. The cooler 14 includes a flow path 18a constituting a part of the passage 18 of the fuel supply system and a flow path 15b constituting a part of the communication path 15, and the flow path 18a is surrounded by the flow path 15b. Formed in the heat exchanger.

熱交換器１２および１４においては、流路１９ａの外周および流路１８ａの外周に熱交換を促進するフィン２０が配設される。ガスエンジン１６の燃料供給系の通路１８において、熱交換器１４は、液化天然ガスを気化させる機能部品（ベーパライザ）を構成するものであり、上流側の通路部分１８ｂ（燃料容器１７と流路１８ａとの間を接続する配管）は、断熱材で被覆され、液化天然ガスの気化を生じないようになっている。 In heat exchangers 12 and 14, fins 20 that promote heat exchange are disposed on the outer periphery of flow path 19a and the outer periphery of flow path 18a. In the passage 18 of the fuel supply system of the gas engine 16, the heat exchanger 14 constitutes a functional component (vaporizer) for vaporizing the liquefied natural gas, and the upstream passage portion 18b (the fuel container 17 and the flow passage 18a). The piping connecting the two is covered with a heat insulating material so that the liquefied natural gas is not vaporized.

このような構成により、ディスプレーサが高温空間を圧縮する方向へ往動する行程においては、高温空間から低温空間へ流れる動作流体が冷却器１４を通過する際にガスエンジン１６の燃料の気化により冷却され、ディスプレーサが高温空間を拡張する行程においては、低温空間から高温空間へ流れる動作流体が加熱器１２を通過する際にガスエンジン１６の排気が持つ熱エネルギにより加熱される。つまり、高温空間の加熱にガスエンジン１６の排気エネルギが回生されるばかりでなく、低温空間の冷却にガスエンジン１６の燃料の気化潜熱が利用されるので、スターリングエンジン１０の出力アップが得られるのである。 With such a configuration, in the stroke in which the displacer moves in the direction of compressing the high temperature space, the working fluid flowing from the high temperature space to the low temperature space is cooled by the vaporization of the fuel of the gas engine 16 when passing through the cooler 14. In the process of expanding the high temperature space by the displacer, the working fluid flowing from the low temperature space to the high temperature space is heated by the heat energy of the exhaust of the gas engine 16 when passing through the heater 12. That is, not only the exhaust energy of the gas engine 16 is regenerated for heating the high temperature space, but also the latent heat of vaporization of the fuel of the gas engine 16 is used for cooling the low temperature space, so the output of the Stirling engine 10 can be increased. is there.

ガスエンジン１６においては、スターリングエンジン１０の動作流体が持つ熱エネルギから気化潜熱を受けるので、液化天然ガスを気化させる機能部品の小型化が図れるようになる。燃料容器１７から冷却器１４までの通路部分１８ｂは、断熱性を備えるため、冷却器１４を通過する動作流体から気化潜熱を集中的に奪えるため、スターリングエンジン１０の冷却器１４を有効に機能させることができる。 In the gas engine 16, since the vaporization latent heat is received from the thermal energy of the working fluid of the Stirling engine 10, the functional component that vaporizes the liquefied natural gas can be reduced in size. Since the passage portion 18b from the fuel container 17 to the cooler 14 has heat insulation properties, the latent heat of vaporization can be concentrated away from the working fluid passing through the cooler 14, so that the cooler 14 of the Stirling engine 10 functions effectively. be able to.

その結果、密閉サイクルの外燃機関としてのスターリングエンジン１０を作動させるためのエネルギ供給システムとして、液化天然ガスを燃料とする、排気がクリーンな内燃機関としてのガスエンジン１６との組み合わせにより、熱効率が高く低公害のエンジンシステムを廉価に実現できるのである。 As a result, the energy supply system for operating the Stirling engine 10 as an external combustion engine in a closed cycle is combined with the gas engine 16 as an internal combustion engine that uses liquefied natural gas as a fuel and has a clean exhaust gas, thereby improving the thermal efficiency. High and low pollution engine system can be realized at low cost.

この発明に係る構成（ガスエンジンの燃料供給系の液化ガスの気化によりスターリングエンジンの動作流体を冷却する手段）については、スターリングエンジンが１ディスプレーサ−１ピストン方式の場合に限定されるものでなく、ディスプレーサロンピック形や動作空間が２ピストン方式の場合においても、適用可能である。 The configuration according to the present invention (means for cooling the working fluid of the Stirling engine by vaporizing the liquefied gas in the fuel supply system of the gas engine) is not limited to the case where the Stirling engine is a 1 displacer-1 piston system. The present invention is applicable even when the display salon pick type or the operation space is a two-piston type.

この発明の実施形態を説明するエンジンシステムの概要図である。It is a schematic diagram of an engine system explaining an embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０スターリングエンジン
１２加熱器
１３再生器
１４冷却器
１５連通路
１６ガスエンジン（LNGエンジン）
１７燃料容器
１８燃料供給系の通路
１９排気系の通路
２０フィン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Stirling engine 12 Heater 13 Regenerator 14 Cooler 15 Communication path 16 Gas engine (LNG engine)
17 Fuel container 18 Fuel supply system passage 19 Exhaust system passage 20 Fin

Claims

A gas engine as an internal combustion engine in which the fuel is liquefied gas, a Stirling engine as an external combustion engine in a closed cycle, and means for cooling the working fluid of the Stirling engine by vaporizing liquefied gas in the fuel supply system of the gas engine. An engine system comprising:

The engine system according to claim 1, further comprising means for heating the working fluid of the Stirling engine by heat energy of the exhaust of the gas engine.

2. The engine system according to claim 1, wherein the means for cooling the working fluid of the Stirling engine is piped so that the passage of the fuel supply system of the gas engine passes through the cooling unit of the Stirling engine.

The engine system according to claim 3, wherein the passage of the fuel supply system of the gas engine has a heat insulating property in a passage portion from a fuel container storing liquefied gas to a cooling part of the Stirling engine.

The engine system according to claim 1, wherein the means for heating the working fluid of the Stirling engine is piped so that a passage of an exhaust system of the gas engine passes through a heating section of the Stirling engine.