JP5272278B1 - SUPERCRITICAL ENGINE, SUPERCRITICAL ENGINE DRIVE POWER GENERATOR - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単構造で、部品点数も少なく、しかも、高性能で低コスト生産が可能な超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した移動体を提供するものである。
【解決手段】 超臨界開始用高圧ポンプ30により作動水供給源21から作動水を吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成し、瞬間超臨界水発生器42にパルス電力を供給しながら内部の超臨界発生用固形通電発熱手段を昇温させ、超臨界開始用高圧作動水を超臨界発生用固形通電発熱手段と接触させることで広域にて瞬時に超臨界水を発生させ、超臨界水をエンジン部40の可動ピストン200で爆発的に膨張させることにより機械エネルギーに変換する超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した移動体を得る。
【選択図】図1The present invention provides a supercritical engine, a supercritical engine drive power generation device, and a mobile body equipped with the same, having a simple structure, a small number of parts, and capable of high performance and low cost production.
SOLUTION: A supercritical start high pressure pump 30 sucks and pressurizes working water from a working water supply source 21 to generate supercritical start high pressure working water, and supplies pulse power to an instantaneous supercritical water generator 42. Supercritical water is generated instantaneously in a wide area by raising the temperature of the internal supercritical generating solid current heating means and bringing the supercritical start high-pressure working water into contact with the supercritical generation solid current heating means. A supercritical engine that converts water into mechanical energy by explosively expanding water with the movable piston 200 of the engine unit 40, a supercritical engine drive power generation device, and a moving body including the supercritical engine are obtained.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は蒸気エンジンに関し、特に、電気蒸気エンジン、電気蒸気エンジン駆動発電装置及びこれを具備した移動体に関する。 The present invention relates to a steam engine, and more particularly, to an electric steam engine, an electric steam engine driving power generation device, and a moving body including the same.
従来、地球温暖化対策の解決策としてクリーンな電気スチームエンジンが提案されている。特許文献1には、シリンダーヘッドに電気加熱コイルを備えた水蒸気発生部を設け、電気加熱コイルに水を接触させて水蒸気を発生させて往復動ピストンを作動させるようにした電気スチームエンジンが提案されている。特許文献2には、シリンダーヘッドにチューブ状加熱コイルを配置して、チューブ状加熱コイルに高周波交流電流を流すことで高温に加熱した後、この加熱コイル内部で水を通過させながら水蒸気を発生させて往復動ピストンを作動させるようにした電気スチームエンジンが提案されている。特許文献3には、ポンプを介して水貯留タンクから高周波電力加熱手段に給水してマイクロ波周波数エネルギーにより水蒸気に変換し、この水蒸気によりスチームエンジンを作動させるようにした電気スチームエンジン駆動自動車が提案されている。特許文献4には、電気ボイラーに給水して水蒸気を発生させ、この水蒸気によりスチームエンジンを作動させるようにした車両用の電気スチーム駆動推進装置が提案されている。特許文献5には、フラッシュボイラーに給水ポンプで給水し、給水にマイクロ波周波数エネルギーを照射して水蒸気を発生させ、この水蒸気によりスチームエンジンを作動させて駆動するようにした電気スチーム駆動車両が提案されている。 Conventionally, a clean electric steam engine has been proposed as a solution to global warming countermeasures.
ところで、特許文献1で開示された電気スチームエンジンでは、多数の抵抗加熱コイルを備えた多数の加熱板を積層した構造体をエンジンのシリンダーブロックに配置しているが、抵抗加熱コイルと加熱板では水蒸気発生効率が低いため、エンジンの運転効率を向上させることが難しく、消費電力も必然的に高くなってエンジンの実用化が困難であった。 By the way, in the electric steam engine disclosed by
特許文献2で開示された電気スチームエンジンでは、高周波交流電流を流すことで加熱したチューブ状加熱コイルで給水を加熱しているが、加熱コイルと給水との接触効率が悪いため、瞬時に大量の水蒸気を発生させることができない。したがって、スチームエンジンで充分な出力を得ることができない。この問題を克服するには、電力を大量に消費しなければならず、実用的ではなかった。 In the electric steam engine disclosed in
特許文献3で開示された電気スチームエンジン駆動自動車では、マイクロ波周波数エネルギーか無線周波数エネルギーを高周波電力加熱手段の給水に直接、照射して給水を加熱しているが、この方法では、給水の全量に対してマイクロ波を照射するため、水蒸気の発生には時間がかかり、また、エネルギー消費も大きく、実用的ではなかった。 In the electric steam engine driven automobile disclosed in
特許文献4及び特許文献5で開示された電気スチーム駆動推進装置並びに電気スチーム駆動車両では、フラッシュボイラーの貯流水に抵抗加熱コイルを接触させて水蒸気を発生させているが、抵抗加熱コイルの熱エネルギーが貯流水の全量に対して与えられるため、水蒸気発生効率が悪く、フラッシュボイラーの消費電力が大きい上に、瞬時に必要量の水蒸気を発生させることができず、実用的ではなかった。 In the electric steam drive propulsion device and the electric steam drive vehicle disclosed in
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、実用性が高く、低コスト生産が可能で地球環境に優しい超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した移動体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such conventional problems. A supercritical engine and a supercritical engine driving power generation device that are highly practical, low-cost production, and friendly to the global environment, and a moving body including the supercritical engine are provided. The purpose is to provide.
第1発明によれば、超臨界エンジンが、作動水を貯留する作動水供給源と、前記作動水を吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成する超臨界開始用高圧ポンプと、所定周期のパルス電力を供給する超臨界開始用パルス電源と、前記パルス電力に応答して通電することにより高温加熱状態となり、前記超臨界開始用高圧作動水と接触した際に広域で瞬時に超臨界水を発生させる瞬間超臨界水発生器と、前記瞬間超臨界水発生器に接続された超臨界水供給ポートと、前記超臨界水供給ポートに連通する膨張室と、膨張ガスを排気する排気ポートとを有する作動室と、前記超臨界水の膨張行程において機械エネルギーに変換する可動ピストンと、前記可動ピストンを回転可能に支持していて前記超臨界発生加圧ポンプに駆動連結された出力軸とを備えたエンジン部と、前記出力軸に駆動連結されていて前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を供給する発電機と、前記発電電力の一部を蓄電して前記超臨界開始用パルス電源に供給電力を出力する蓄電システムとを備え、前記蓄電システムが、前記発電電力の一部を充電電力として供給する充電器と、前記充電電力を充電する第1及び第2蓄電装置と、前記充電器と前記第1及び第2蓄電装置との間に配置されていて前記第1及び第2蓄電装置を交互に前記充電器に接続する切替制御器と、を含み、前記切替制御器が、前記切替制御器が、前記第1及び第2蓄電装置の一方から前記超臨界開始用パルス電源に出力電力が供給されている間に前記第1及び第2蓄電装置の他方を前記充電器により充電するように制御することを要旨とする。According to the first invention, the supercritical engine includes a working water supply source for storing working water, a supercritical start high-pressure pump that sucks and pressurizes the working water to generate supercritical start high-pressure working water, A supercritical start pulse power supply that supplies pulse power of a period and a high temperature heating state by energizing in response to the pulse power, and instantaneously supercritical in a wide area when in contact with the high pressure working water for supercritical start An instantaneous supercritical water generator for generating water, a supercritical water supply port connected to the instantaneous supercritical water generator, an expansion chamber communicating with the supercritical water supply port, and an exhaust port for exhausting expansion gas A movable piston that converts to mechanical energy in the expansion stroke of the supercritical water, an output shaft that rotatably supports the movable piston and is drivingly connected to the supercritical pressure pump An engine unit including a generator for supplying generated power is driven by a portion of said mechanical energy being drivingly connected to said output shaft, said supercritical start pulse and the power storage part of the generated power A power storage system that outputs power supplied to a power source, wherein the power storage system supplies a part of the generated power as charging power, first and second power storage devices that charge the charging power, and A switching controller disposed between a charger and the first and second power storage devices and alternately connecting the first and second power storage devices to the charger, the switching controller comprising: The switching controller charges the other of the first and second power storage devices with the charger while output power is supplied from one of the first and second power storage devices to the supercritical start pulse power source. be controlled so as to The gist.
この構成によれば、超臨界エンジンにおいて、超臨界開始用高圧ポンプが作動水を加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成する。超臨界開始用高圧ポンプは超臨界エンジンの出力軸のカムにより直接、駆動され、エンジンの膨張行程に必要な量の作動水のみを加圧して最大約2000Kg/cm2の超臨界開始用高圧作動水を生成することができる。超臨界開始用高圧ポンプは超臨界エンジンの膨張行程毎に、この膨張行程にとって必要な量の超臨界水を発生させるための超高圧作動水を供給する。そのため、超高圧作動水の供給量は少なくて済み、超臨界開始用高圧ポンプの駆動パワーは少なく、構造的にも簡単で低コスト化できる。超高圧作動水は瞬間超臨界流体発生器の超臨界発生用マルチ通電加熱成形体と接触して瞬時に超臨界水となる。超臨界発生用マルチ通電加熱成形体はタングステンボール等の高融点金属で構成され、パルス電力に応答した通電により800〜2000℃の高温状態となる。超臨界開始用高圧作動水が超臨界発生用マルチ通電加熱成形体に接触すると、瞬時に超臨界水が発生する。膨張行程の期間中、可動ピストンには連続的に超臨界水が作用するため、可動ピストンの正味平均有効圧力は450Kg/cm2以上の極めて高い圧力になることが推測される。現存のレーシングエンジンで、1つの基準とされる正味平均有効圧力がエンジンの最高出力時において13Kg/cm2であることと比較すれば、本発明の超臨界エンジンの正味平均有効圧力が如何に突出しているかが理解できる。このように、簡単な構造で低コスト生産が可能な高性能の超臨界エンジンの実用化が容易に可能となる。蓄電システムからパルス電源に電力が継続的に供給される。蓄電システムは第1、第2蓄電装置を備えていて、第1、第2蓄電装置のSOC値に基づいて発電機の発電電力の一部を充電器を介して第1、第2蓄電装置に充電する。そのため、第1、第2蓄電装置の一方からパルス電源に電力が供給されている間に第1、第2蓄電装置の他方が充電されることになる。この結果、パルス電源には長期に亘って蓄電システムから電力が供給され、パルス電源からは瞬間超臨界流体発生器にパルス電力が継続的に供給される。そのため、瞬間超臨界流体発生器では、長期に亘って、このパルス電力に応答して超臨界水を継続的に発生することが可能となる。 According to this configuration, in the supercritical engine, the supercritical start high-pressure pump pressurizes the working water to generate supercritical start high-pressure working water. The supercritical start high-pressure pump is directly driven by the cam of the output shaft of the supercritical engine, and pressurizes only the amount of working water required for the expansion stroke of the engine, and the supercritical start high-pressure operation is about 2000 kg / cm 2 at maximum. Water can be generated. The supercritical start high-pressure pump supplies ultrahigh-pressure working water for generating supercritical water in an amount necessary for the expansion stroke for each expansion stroke of the supercritical engine. Therefore, the supply amount of the super high pressure working water is small, the driving power of the super critical start high pressure pump is small, and the structure is simple and the cost can be reduced. The super-high pressure working water instantly becomes supercritical water when it comes into contact with the multi-current heating molded body for supercritical generation of the instantaneous supercritical fluid generator. The multi-electric heating molded body for supercritical generation is made of a high melting point metal such as tungsten ball, and becomes a high temperature state of 800 to 2000 ° C. by energization in response to pulse power. When the high-pressure working water for supercritical initiation comes into contact with the multi-current heating molded body for supercritical generation, supercritical water is instantly generated. Since supercritical water continuously acts on the movable piston during the expansion stroke, it is presumed that the net average effective pressure of the movable piston is an extremely high pressure of 450 kg / cm 2 or more. Compared with the existing average net effective pressure of the racing engine, which is 13 Kg / cm 2 at the maximum output of the engine, the net average effective pressure of the supercritical engine of the present invention is prominent. I can understand. In this way, a high-performance supercritical engine capable of low-cost production with a simple structure can be easily put into practical use. Electric power is continuously supplied from the power storage system to the pulse power source. The power storage system includes first and second power storage devices. Based on the SOC values of the first and second power storage devices, a part of the power generated by the generator is transferred to the first and second power storage devices via a charger. Charge. Therefore, the other of the first and second power storage devices is charged while electric power is supplied from one of the first and second power storage devices to the pulse power source. As a result, electric power is supplied from the power storage system to the pulse power source for a long time, and pulse power is continuously supplied from the pulse power source to the instantaneous supercritical fluid generator. Therefore, the instantaneous supercritical fluid generator can continuously generate supercritical water in response to the pulse power over a long period of time.
好ましくは、超臨界エンジンが、前記超臨界開始用高圧ポンプと前記瞬間超臨界発生器との間に配置されていて前記超臨界開始用高圧作動水の脈動を抑制するバッファアキュムレータと、前記バッファアキュムレータから前記超臨界開始用高圧作動水を前記膨張行程のほぼ全期間中に前記瞬間超臨界水発生器に供給することにより前記膨脹室に前記超臨界水を継続的に供給する電磁弁とをさらに備え、前記バッファアキュムレータと前記瞬間超臨界水発生器とがエンジンスタータとして機能することを特徴とする。 Preferably, a supercritical engine is disposed between the supercritical start high-pressure pump and the instantaneous supercritical generator and suppresses pulsation of the supercritical start high-pressure working water, and the buffer accumulator An electromagnetic valve that continuously supplies the supercritical water to the expansion chamber by supplying the supercritical start high-pressure working water to the instantaneous supercritical water generator during substantially the entire expansion stroke. And the buffer accumulator and the instantaneous supercritical water generator function as an engine starter.
この構成によれば、バッファアキュムレータに超臨界開始用高圧作動流体を蓄圧するため、超臨界開始用高圧作動流体の脈動が抑制され、エンジンの回転ムラが防止され、エンジン性能が安定する。しかも、電磁弁が、膨張行程のほぼ全期間中にバッファアキュムレータから超臨界開始用高圧作動流体を瞬間超臨界流体発生器に供給するため、瞬間超臨界流体発生器では継続的に超臨界流体を発生させ、膨張行程の全期間中に可動ピストンには連続的に超臨界流体の爆発力(爆発的に膨張する力)を作用させることができる。したがって、超臨界エンジンの正味平均有効圧力を極限まで増大させることが可能となる。また、バッファアキュムレータはエンジンスタータとしての機能を併せ持ち、エンジン始動時には、瞬間超臨界流体発生器を始動して、バッファアキュムレータから超臨界開始用高圧作動流体を供給してやれば、瞬時にエンジン起動用の超臨界流体を発生させてエンジン始動を円滑に行うことができる。したがって、寒冷地対策用のエンジン始動のための特別の部品も不要であり、信頼性が高い超臨界エンジンの提供が可能となる。 According to this configuration, since the high pressure working fluid for supercritical start is accumulated in the buffer accumulator, pulsation of the high pressure working fluid for supercritical start is suppressed, engine rotation unevenness is prevented, and engine performance is stabilized. In addition, since the solenoid valve supplies the supercritical start high-pressure working fluid from the buffer accumulator to the instantaneous supercritical fluid generator during almost the entire expansion stroke, the instantaneous supercritical fluid generator continuously supplies the supercritical fluid. The explosive force (explosive expansion force) of the supercritical fluid can be continuously applied to the movable piston during the entire expansion stroke. Therefore, it is possible to increase the net average effective pressure of the supercritical engine to the limit. The buffer accumulator also functions as an engine starter. When the engine is started, the instantaneous supercritical fluid generator is started and the supercritical start high pressure working fluid is supplied from the buffer accumulator. The engine can be started smoothly by generating a critical fluid. Therefore, no special parts for starting the engine for measures against cold regions are required, and a highly reliable supercritical engine can be provided.
好ましくは、前記エンジン部が回転式流体機械からなり、前記エンジン部が回転式流体機械からなり、前記回転式流体機械が、前記超臨界水供給ポートと、前記膨脹室と、前記排気ポートと、前記作動室が形成されたハウジングと、前記作動室に延びる出力軸を備えていて、前記作動室に回転可能に収納されて前記膨張行程において前記機械エネルギーを発生させる第1及び第2ピストンロータ本体と、前記第1及び第2ピストンロータ本体それぞれを前記膨張行程において前記第1及び第2回転方向との間で前記ハウジングに対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第1クラッチ手段と、前記第1及び第2ピストンロータ本体それぞれを前記膨張行程において前記第2回転方向と前記第1回転方向との間で前記出力軸に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第2クラッチ手段と、を備えることを特徴とする。 Preferably, the engine unit is a rotary fluid machine, the engine unit is a rotary fluid machine, and the rotary fluid machine is the supercritical water supply port, the expansion chamber, the exhaust port, A first and second piston rotor body that includes a housing in which the working chamber is formed and an output shaft that extends into the working chamber and is rotatably housed in the working chamber to generate the mechanical energy in the expansion stroke. And first clutch means for switching each of the first and second piston rotor bodies between a locked state and an unlocked state with respect to the housing between the first and second rotational directions in the expansion stroke, Each of the first and second piston rotor bodies is connected to the output shaft between the second rotation direction and the first rotation direction in the expansion stroke. Characterized in that it comprises a second clutch means for switching to the click state and an unlocked state, the.
この構成によれば、高性能超臨界ロータリエンジンが極めて少ない部品点数で低コストで供給することが可能となり、地球温暖化対策に有効なカーボンフリーの自動車、航空機、船舶、建設機械、農業機械、電気機関車、静止型/可動型発電装置等動力源を必要とする機械装置の実現が可能となる。また、自動車、航空機、船舶、電気機関車等の移動体は小容量の蓄電装置の利用を可能にして、飛躍的に航続距離を延ばすことができる。しかも、化石燃料の代わりに飲料水、雨水その他の水資源を有効活用することが可能となるため、特別のインフラを用意することなく、どこでも作動水を補給することができるメリットがある。 According to this configuration, a high-performance supercritical rotary engine can be supplied at a low cost with a very small number of parts, and it is effective in combating global warming, such as carbon-free automobiles, aircraft, ships, construction machinery, agricultural machinery, It is possible to realize a mechanical device that requires a power source such as an electric locomotive or a stationary / movable generator. In addition, mobile bodies such as automobiles, airplanes, ships, and electric locomotives can use a small-capacity power storage device, and can dramatically increase the cruising distance. Moreover, since it is possible to effectively use drinking water, rainwater and other water resources instead of fossil fuels, there is an advantage that working water can be replenished anywhere without preparing a special infrastructure.
第2発明によれば、超臨界エンジン駆動発電装置が、作動水を貯留する作動水供給源と、前記作動水を吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成する超臨界開始用高圧ポンプと、
所定周期のパルス電力を供給する超臨界開始用パルス電源と、前記パルス電力に応答して通電することにより高温加熱状態となり、前記超臨界開始用高圧作動水と接触した際に広域で瞬時に超臨界水を発生させる瞬間超臨界水発生器と、前記瞬間超臨界水発生器に接続された超臨界水供給ポートと、前記超臨界水供給ポートに連通する膨張室と、膨張ガスを排気する排気ポートとを有する作動室と、前記超臨界水の膨張行程において機械エネルギーに変換する可動ピストンと、前記可動ピストンを回転可能に支持していて前記超臨界発生加圧ポンプに駆動連結された出力軸とを備えたエンジン部と、前記出力軸により駆動されて発電電力を供給する発電機と、前記発電電力の一部を蓄電して前記超臨界開始用パルス電源に電力を供給する蓄電システムとを備え、前記蓄電システムが、前記発電電力の一部を充電電力として供給する充電器と、前記充電電力を充電する第1及び第2蓄電装置と、前記充電器と前記第1及び第2蓄電装置との間に配置されていて前記第1及び第2蓄電装置を交互に前記充電器に接続する切替制御器と、を含み、前記切替制御器が、前記切替制御器が、前記第1及び第2蓄電装置の一方から前記超臨界開始用パルス電源に出力電力が供給されている間に前記第1及び第2蓄電装置の他方を前記充電器により充電するように制御することを特徴とする。According to the second aspect of the invention, the supercritical engine-driven power generation device includes a working water supply source that stores working water, and a supercritical start high-pressure pump that suctions and pressurizes the working water to generate supercritical start high-pressure working water. When,
A supercritical start pulse power source that supplies pulse power of a predetermined period and a high temperature heating state when energized in response to the pulse power, and instantaneously superb in a wide area when in contact with the supercritical start high pressure working water An instantaneous supercritical water generator for generating critical water, a supercritical water supply port connected to the instantaneous supercritical water generator, an expansion chamber communicating with the supercritical water supply port, and an exhaust for exhausting expansion gas A working chamber having a port, a movable piston for converting to mechanical energy in the expansion stroke of the supercritical water, and an output shaft that rotatably supports the movable piston and is drivingly connected to the supercritical pressure pump An engine unit including: a power generator that is driven by the output shaft to supply generated power; and a power storage that stores part of the generated power and supplies power to the supercritical start pulse power source. And a stem, wherein the power storage system comprises a charger for supplying a part of the generated power as charging power, a first and second power storage device to charge the charging power, the first and the charger and the A switching controller that is disposed between the first and second power storage devices and alternately connects the first and second power storage devices to the charger, wherein the switching controller, the switching controller, that it controls to charge the other of said first and second power storage device by the charger while one output power the supercritical start pulse power from the first and second power storage device is supplied Features.
この構成によれば、エンジン部の出力軸により発電機を駆動して得た発電電力の一部を蓄電装置に蓄電して超臨界開始用パルス電源に電力を継続的に供給するため、超臨界エンジンの瞬間超臨界水発生器は常時、運転が可能となり、長期に亘って超臨界エンジン駆動発電装置を作動させて発電電力を低いエネルギーコストで得ることができる。超臨界エンジン駆動発電装置は構造も簡単で生産コストも低い。蓄電システムは第1、第2蓄電装置を備えていて、第1、第2蓄電装置のSOC値に基づいて発電機の発電電力の一部を充電器を介して第1、第2蓄電装置に充電する。そのため、第1、第2蓄電装置の一方からパルス電源に電力が供給されている間に第1、第2蓄電装置の他方が充電されることになる。この結果、パルス電源には長期に亘って蓄電システムから電力が供給され、パルス電源からは瞬間超臨界流体発生器にパルス電力が継続的に供給される。そのため、瞬間超臨界流体発生器では、長期に亘って、このパルス電力に応答して超臨界水を継続的に発生することが可能となる。 According to this configuration, a part of the generated power obtained by driving the generator by the output shaft of the engine unit is stored in the power storage device and continuously supplied to the supercritical start pulse power supply. The engine's instantaneous supercritical water generator can always be operated, and the supercritical engine drive power generator can be operated for a long period of time to obtain generated power at a low energy cost. The supercritical engine drive power generator has a simple structure and low production cost. The power storage system includes first and second power storage devices. Based on the SOC values of the first and second power storage devices, a part of the power generated by the generator is transferred to the first and second power storage devices via a charger. Charge. Therefore, the other of the first and second power storage devices is charged while electric power is supplied from one of the first and second power storage devices to the pulse power source. As a result, electric power is supplied from the power storage system to the pulse power source for a long time, and pulse power is continuously supplied from the pulse power source to the instantaneous supercritical fluid generator. Therefore, the instantaneous supercritical fluid generator can continuously generate supercritical water in response to the pulse power over a long period of time.
第3発明によれば、移動体が、第2発明の超臨界エンジン駆動発電装置を備える。 According to the third invention, the moving body includes the supercritical engine drive power generation device of the second invention.
この構成によれば、移動体が超臨界エンジン駆動発電装置を備えることでパルス電源に継続的に電力を供給して超臨界エンジンの長期運転を可能にし、移動体の航続距離または運転時間を飛躍的に向上させることができる。 According to this configuration, the moving body is equipped with a supercritical engine drive power generation device, which continuously supplies power to the pulsed power supply to enable long-term operation of the supercritical engine, thereby dramatically increasing the cruising range or operating time of the moving body. Can be improved.
以下、本発明の実施例による超臨界エンジンを採用した超臨界エンジン駆動発電装置を具備した移動体の実施態様について図面に基づき詳細に説明する。以下の説明において、超臨界エンジン駆動発電装置は移動体に搭載したものとして図示されているが、本発明は図示された実施態様に限定されない。超臨界エンジンの応用例は静止型・可動型発電プラントのみでなく、広い応用例を有する。即ち、超臨界エンジン駆動発電装置は、電気自動車に適用したものとして例示されているが、本発明は、電気自動車に限定されず、例えば、トラック、バス、自動2輪車、自動3輪車等の車両、電気機関車、鉄道車両、特殊装備車、サーボモーター搭載機関車、油圧ショベル及びブルドーザ等の建設機械、トラクター、コンバイン等の農林業機械、戦車等の特装車両、船舶、潜水艦、航空機、宇宙往還機等の移動体に適用される。超臨界エンジン駆動発電装置は、その出力軸をトランスミッション等の出力装置を介して推進装置に接続しても良いし、或いは、超臨界エンジン駆動発電装置の発電電力をインバータ等を介して電気モータを駆動し、その動力で推進装置を駆動しても良い。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a mobile body equipped with a supercritical engine drive power generator employing a supercritical engine according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the following description, the supercritical engine drive power generator is illustrated as being mounted on a moving body, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment. Applications of supercritical engines include not only stationary and mobile power plants but also a wide range of applications. That is, although the supercritical engine drive power generation device is exemplified as applied to an electric vehicle, the present invention is not limited to the electric vehicle, for example, a truck, a bus, a motorcycle, a motorcycle, etc. Vehicles, electric locomotives, railway vehicles, special equipment vehicles, locomotives equipped with servo motors, construction machines such as hydraulic excavators and bulldozers, agricultural and forestry machinery such as tractors and combines, specially equipped vehicles such as tanks, ships, submarines, aircraft, Applies to mobile objects such as space shuttles. The supercritical engine drive power generator may have its output shaft connected to the propulsion device via an output device such as a transmission, or the electric power generated by the supercritical engine drive power generator via an inverter or the like The propulsion device may be driven with the power.
図1に示した実施例において、移動体10は、超臨界水の圧力エネルギーを機械エネルギーに変換する超臨界エンジン12と、超臨界エンジン12から供給された機械エネルギーを複数の駆動輪14からなる推進手段に伝達する出力装置16とを備える。出力装置16はエンジン12の機械エネルギーを選択的に遮断若しくは締結するクラッチCLと、エンジン12の機械エネルギーを複数の走行速度にシフトするトランスミッションTMと、トランスミッションTMの出力を駆動輪14伝達するためのプロペラシャフトPSを備える。プロペラシャフトPSはディファレンシャル18及びアクスルAxlを介して駆動輪14を駆動する。 In the embodiment shown in FIG. 1, the moving
超臨界エンジン12は、作動水Wtを貯留する貯水タンクからなる作動水供給源21と、貯水タンクTからの作動水Wtを吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水HPwを生成する超臨界開始用高圧ポンプ27と、超臨界開始用高圧ポンプ27から吐出された超臨界開始用高圧作動水HPwを蓄圧する摺動ピストン及びバネ手段30aを内蔵した蓄圧室30bを有するバッファアキュムレータ30と、バッファアキュムレータ30から供給された超臨界開始用高圧作動水HPwを瞬時に超臨界水に変換する瞬間超臨界発生器42と、超臨界水を爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換するエンジン部40とを備える。バッファアキュムレータ30は超臨界開始用高圧作動水HPwを超高圧で蓄圧すると共にその脈動を最小限に抑制する。超臨界開始用高圧ポンプ27とバッファアキュムレータ30との間には、バッファアキュムレータ30から超臨界開始用高圧ポンプ27への超臨界開始用高圧作動水HPwの逆流を防止する逆止弁29が配置される。 The
貯水タンクTと超臨界開始用高圧ポンプ42との間の給水ラインWlには作動水Wt中に含まれる金属イオンを分離除去する金属イオン分離器25が設けられている。金属イオンとは、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、バリウムイオン等のアルカリ土類金属を指し、炭酸塩、硫酸塩等の形でスケールを構成するものである。金属イオン分離器25はエチレンジアミン四酢酸(以下、「EDTA」と称する)等のキレート剤と疎水性物質としてパラフィンワックスを90℃で溶融混合し、これを親水性多孔質体としてのセルロースビーズ「レンゴー社製:商品名ビスコバール」に含浸させて冷却したものをスケール防止剤として用いる。実際の使用に当っては、このスケール防止剤を不織性製布で覆ったものをケースに充填して用いる。作動水Wtが給水ラインWlを流れる際に金属イオン分離器25からキレート剤が長時間にわたって徐放してスケールの発生を防止する。キレート剤と疎水性物質と親水性多孔質体との混合比は、好ましくは、重量比で1:1:1となるように調整されるが、これらの混合比を調整することによりキレート剤の放出量を調整することができる。 A
図1に示すように、超臨界エンジン12は、さらに、超臨界エンジン12により駆動される発電機32と、所定周期のパルス電力を供給する超臨界開始用パルス電源28と、パルス電力に応答して通電することにより作動水の臨界温度以上に昇温し、超臨界開始用高圧作動水HPwと接触した際に広域で瞬時に超臨界水SCwを発生させる瞬間超臨界水発生器42と、バッファアキュムレータ30からの超臨界開始用高圧作動水HPwを瞬間超臨界水発生器42に噴射する電磁弁32と、瞬間超臨界水発生器42から供給された超臨界水SCwを膨張させて機械エネルギーに変換する回転式流体機械からなるエンジン部40とを備え、バッファアキュムレータ30と瞬間超臨界水発生器42とはエンジンスタータとして機能する。 As shown in FIG. 1, the
図2において、超臨界開始用高圧ポンプ27は、瞬間超臨界水発生器42のケーシングに支持されるポンプ本体270を含む。ポンプ本体270には、吸水通路272、吐出通路274、加圧室276が形成されている。加圧室276には、加圧部材としてのプランジャ278がカム280によって摺動可能となるようにに保持されている。プランジャ278の下端部は、リフタとして機能する従動カバー282により支持され、従動カバー282はばね284によって下方向に押圧され、超臨界エンジン12の出力軸132の端部に固定されたカム280のカムプロフィールに常に接触している。プランジャ278はポンプ本体270の中央部に配置した水密シール部材286である。水密シール部材286は上下に間隔を置いて収納された上部シールホールダ288及び下部シールホールダ290と、上部シールホールダ288及び下部シールホールダ290との間には複数の断面V形状のシールリング292,294が保持される。シール押さえ部材296がポンプ本体270に螺子止めされて、水密シール部材286を所定位置に保持して、プランジャ278とポンプ本体270の加圧室276内を水密的にシールする。吸水通路272及び吐出通路274には、吸水弁300、吐出弁302がそれぞれ設けられており、ばね300a、302aにて弁座に対し押圧され、作動水の流通方向を制限する逆止弁として機能する。 In FIG. 2, the supercritical start high-
さらに、ポンプ本体270はソレノイド304を支持している。このソレノイド304は係合部材306とばね308を備えている。この係合部材306は、ソレノイド304がOFFされると、ばね308のばね力によって、吸水弁300を開弁する方向に付勢力がかけられている。このばね308の付勢力は、吸水弁300のばね300aの付勢力より大きくなっているので、吸水弁300は、弁座部から離れ、図2に示すように、開弁状態となっている。一方、ソレノイド304がONされると、ばね308のばね力に抗して係合部材306を引込み、吸水弁300はばね300aの付勢力によって閉弁状態となる。 Further, the
これらの構成部品からなるポンプ本体270を総称して超臨界開始用高圧ポンプ27と称する。エンジン出力軸132が回転することによってカム280が回転し、超臨界開始用高圧ポンプ27内のプランジャ278が上下動する。プランジャ278の下端に設けられたリフタ282は、ばね284にてカム280に圧接されている。プランジャ278は、カム280により、往復運動して加圧室276内の容積を変化させる。プランジャ278の吐出行程中に吸水弁300が閉弁すると、加圧室276内の圧力が上昇し、これにより吐出弁302が自動的に開弁し、超臨界開始用高圧作動水HPwとして図1に示したバッファアキュムレータ30に圧送する。吸入弁300の弁位置は、加圧室276の圧力とソレノイド304の動作により決定される。 The
ソレノイド304がON(通電)状態になると、ソレノイド304には、ばね308の付勢力以上の電磁力が発生し、係合部材306がソレノイド304側に引き寄せられる。このため、係合部材306は吸水弁300から離れるとともに、ばね300aの押圧力によって、吸水弁300は、弁座部を閉塞する。 When the
従って、吐出行程中は、吸水弁300が閉塞され、加圧室276の容積減少分の作動水は、吐出弁302を押し開きバッファアキュムレータ30へ圧送される。 Therefore, during the discharge stroke, the
これに対し、ソレノイド304がOFF(無通電)状態になると、ばね308の付勢力により、係合部材306は吸水弁300に押し付けられ、吸水弁300を開弁状態にする。従って、吐出行程時においても、加圧室276の圧力は、給水ラインWlとほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁302を開弁することができず、加圧室276の容積減少分の作動水は、吸水弁300を通り給水ラインWl側へ戻される。 On the other hand, when the
また、吐出行程の途中で、ソレノイド304がON状態となれば、このときから、バッファアキュムレータ30へ超臨界開始用高圧作動水HPwが圧送される。また、一度圧送が始まると、加圧室276内の圧力は、上昇するため、その後、ソレノイド304をOFF状態にしても、吸水弁300は閉塞状態を維持し、吸水行程の始まりと同期して自動開弁する。よって、ソレノイド304のONタイミングにより、吐出量を調節することができる。超臨界開始用高圧ポンプ27は超臨界エンジン12の出力軸132により駆動されて500〜2000Kg/cm2の圧力で超臨界開始用高圧作動水HPwをバッファアキュムレータ30に圧送する。Also, if the
図3において、電磁弁32は、弁本体320を備え、弁本体320の上方に延びるステンレスチューブ等からなる環状部材322が固定支持される。環状部材322の上部にはコア324が支持され、環状部材322の外周にソレノイド326が配設される。弁本体320には弁室327が形成され、弁室327はバッファアキュムレータ30と連通するインレット328と、瞬間超臨界水発生器42の吸入ポートに連通するアウトレット330と、インレット328とアウトレット330との間に形成された第1、第2弁座332,334を有する。第1、第2弁座332,334には弁体336がコイルバネ338によって当接することで弁体336を閉弁位置に保持する。弁体336は、第1弁座332に当接する第1シート部336aと、第2弁座334に当接する第2シート部336bと、第1、第2弁座332,334の中間部の円錐壁部に密着当接する第3シート部336cとを有する。第3シート部336cの中央部には開口部336dが形成されている。環状部材322内には摺動可能にプランジャ340が収納されており、その下端部に弁体336が接着又は溶接手段等により固定されていて、プランジャ340の軸方向に連通孔340aが形成されている。 In FIG. 3, the
図3において、ソレノイド326が無通電状態であると、プランジャ340がコイルバネ340によって閉弁位置に付勢される結果、弁体336が第1、第2弁座332,334に当接して電磁弁32を閉弁位置に保持する。この時、超臨界開始用高圧作動水の流通は遮断される。これに対して、ソレノイド326が通電されると、プランジャ340がコイルバネ340のバネ力に抗して上方に吸引され、弁体336が第1、第2弁座332,334から離間して電磁弁32を開弁位置に保持する。このとき、バッファアキュムレータ30の超臨界開始用高圧作動水がインレット328から流入して弁室327に入り、次いで、アウトレット330から瞬間超臨界水発生器42の吸入ポートに噴射される。 In FIG. 3, when the
図4に示すように、瞬間超臨界水発生器42は、回転式流体機械40に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング1100を備える。円筒状リアクタケーシング1100には、円筒状リアクタケーシング1100の内側とケーシング1100の中央内周部1114の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層1116と、絶縁耐熱層1116の内側に形成されていて飽和蒸気発生ゾーンZ1と、過熱蒸気発生ゾーンZ2と、超臨界流体発生ゾーンゾーンZ3とを有する超高温加熱室1118が形成されている。円筒状リアクタケーシング1100の中央内周部1114は回転式流体機械40の出力軸を通過可能にするための直径を有する内周壁部1114を備える。 As shown in FIG. 4, the instantaneous
瞬間超臨界水発生器42の吸入ポート1102は、径方向壁部1120に延びていて電磁弁32のアウトレット330が装着されるとともに、径方向壁部1120には周方向に延びる複数の開口部1122を有する。超高温加熱室1118のコーナー部1118a、1118bには一対の電極1124,1126がそれぞれ配置される。一対の電極1124,1126はパルス電源28に接続される。ケーシング1100には温度センサS2が装着され、温度信号Tがコントローラ60(図1参照)に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。 The
超高温加熱室1118には、一対の電極1124,1126の間に介在していて超臨界発生用マルチ通電加熱成形体として機能する多数の導電性高融点ボール1134が充填されていて互いに通電発熱して500〜2000℃の超高温状態となる。これら導電性高融点ボール1134の隙間はアーク放電領域1136として作用する。パルス電力に応答して、導電性高融点ボール1134は、飽和蒸気発生ゾーンZ1,過熱蒸気発生ゾーンZ2及び超臨界流体発生ゾーンZ3の広域にて高密度のアーク放電を発生させる。飽和蒸気発生ゾーンZ1において、超臨界開始用高圧作動水が超高温の導電性高融点ボール1134に接触すると同時に瞬時に飽和蒸気となる。過熱蒸気発生ゾーンZ2において、飽和蒸気が順次広域で発生するアーク放電と接触して瞬時に過熱蒸気となる。超高温加熱室1118の下流側に流れるにしたがって、超臨界流体発生ゾーンZ3において、過熱蒸気はさらにアーク放電の影響下で高温高圧となり超臨界水が生成される。導電性高融点ボール1134としては、市販のタングステンボール、或いは、カーボンボールの表面にクロム、モリブデン、タングステン等の導電性金属をコーティングしたものが用いられる。アーク放電は、導電性高融点ボール1134の互いに隣接して対面する球面部分で発生しやすく、導電性高融点ボール1134が5mm〜30mm程度の直径を有する場合に最も頻繁に発生する。アーク放電は、パルス電圧を周期的に発生させるパルス電流の電圧がハイレベルとローレベルとの間で周期的に変化することでより頻繁に発生する。超高温加熱室1118に隣接してデミスター部1106が配置され、デミスター部1106には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたデミスター1110が充填される。電磁開閉弁56が所定周期で開弁されると、デミスター1110を通過した超臨界水SCwはフィルター1142で濾過された後、アウトレット1140から回転式流体機械40のインレットに供給される。 The ultra-high
本実施例において、エンジン部40としての回転式流体機械は、図5、図6、図7に示すように、軸方向に垂直な平面において間隔を置いて配置されたディスク状端面壁部(以下、単に「端面壁部」と称する)102,104と、環状作動室106を有するセンタハウジング108とを備えたシリンダーハウジング110を備える。端面壁部102,104はセンタハウジング108に対してボルトその他の固定手段(図示せず)によって所定位置にて固定支持される。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 5, 6, and 7, the rotary fluid machine as the
センタハウジング108は、環状作動室106に開口する超臨界水導入インレット124と、エアーフィルタAF(図1参照)を含む吸気系の吸気を導入する吸気ポート126と、膨張ガスを排気する排気ポート128とを備える。図5より明らかなように、出力軸132が環状作動室106の軸心方向に延びていて、端面壁部102,104のフランジ部102a,104aに支持されたローラベアリング134,136により回転可能に支持される。ローラベアリング134,136は、軸方向に垂直な平面領域において端面壁部102,104の径方向内側に装着される。ローラベアリング134は出力軸132の外周に形成された環状溝(図示せず)に装着したC−リングその他の固定手段(図示せず)で所定位置に固定保持され、ローラベアリング136はフランジ部104aにボルトその他の固定手段(図示せず)で支持されていてオイルシール137を保持したベアリング押さえ部材135により所定位置に保持される。 The
図5に示すように、出力軸132は環状作動室106の中央部に配置された、比較的に径大のクラッチ係合部132a,132bと、クラッチ係合部132a,132bよりも径小で端面壁部102,104の径方向内側に延びるピストン回転支持部132c,132dとを備える。端面壁部102,104の径方向内側において、出力軸132のピストン回転支持部132c,132dにはニードルベアリング等のスリーブサポートベアリング142,144を介してロータリピストン部200が回動可能に支持される。スリーブサポートベアリング142,144はロータリピストン部200の円滑な回転移動を促進する。ロータリピストン部200の回転移動により、環状作動室106が吸入室118、圧縮室122、膨張室116,排気室120とに区画される。端面壁部102,104の径方向内側で軸方向に垂直な平面領域において、ニードルベアリング142,144はそれぞれ、リテーナ142R,144Rを介して支持されていて、ピストン回転支持部132c,132dの周囲で転動する。 As shown in FIG. 5, the
図5〜図7より明らかなように、ロータリピストン部200は、径方向で対称的に配置された一対のピストンをそれぞれ有する第1及び第2ロータピストン150p、152pからなる可動ピストンとしての第1及び第2ロータリピストン本体150,152を備える。第1及び第2ロータリピストン本体150,152は、第1及び第2ロータピストン150p、152pをそれぞれ支持する第1及び第2ボス部154、156と、第1及び第2ボス部154、156からそれぞれ軸方向外側に延びていて端面壁部102,104の径方向平面領域に配置された第1及び第2スリーブ部158,160を有する。第1及び第2スリーブ部158,160は、端面壁部102,104の径方向平面領域において、端面壁部102,104の径方向内側に配置されることで、超臨界エンジンの軸方向寸法を大幅に短縮し、エンジン部の組み立てを容易にして大幅なコストダウンも可能にしている。 As apparent from FIGS. 5 to 7, the
端面壁部102,104の径方向内側で軸方向に垂直な平面領域に整列するように、端面壁部102,104と第1及び第2スリーブ部158,160との間にはそれぞれ第1、第2スリーブ部締結用クラッチ170,172が配置される。かくして、端面壁部102,104の径方向内側で軸方向に垂直な平面領域に整列するように、端面壁部102,104と第1及び第2スリーブ部158,160との間にはそれぞれ第1、第2スリーブ部締結用クラッチ170,172が配置される。かくして、第1、第2スリーブ部締結用クラッチ170,172と、第1及び第2スリーブ部158,160と、スリーブサポートベアリング142,144と、ピストン回転支持部132c,132dとは、それぞれ、端面壁部102,104の径方向内側で軸方向に垂直な平面領域に整列するようになり、軸方向寸法の大幅な短縮が可能となり、超臨界エンジンのコンパクトな構造が実現可能となる。 The first and
図9に示すように、第1スリーブ部締結用クラッチ170は、端面壁部102と一体的なスリーブ部締結用アウターレース部170aと、第1ロータリピストン本体150の第1スリーブ部158と一体的なスリーブ部締結用インナーレース部170bとを備える。スリーブ部締結用アウターレース部170aは、六角形状のカム面170cを有する。スリーブ部締結用アウターレース部170aとスリーブ部締結用インナーレース部170bとの間には周方向に間隔をおいて複数のスリーブ部締結用楔状カム空間部174が形成され、スリーブ部締結用楔状カム空間部174には複数のカムエレメントとしてのスリーブ部締結用カムローラ176が収納される。 As shown in FIG. 9, the first sleeve portion fastening clutch 170 is integrated with the sleeve portion fastening
スリーブ部締結用アウターレース部170aとスリーブ部締結用インナーレース部170bとの間には環状リテーナ178が収納される。図6に示すように、環状リテーナ178はスリーブ部締結用カムローラ176を収納するために周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部178aを有するリテーナ本体178bを備える。リテーナ本体178bの内周部178cの直径はスリーブ部158の外周よりわずかに大きめに設定されて後述の潤滑油導入空間を形成している。第1、第2スリーブ部締結用クラッチ170,172は、それぞれ、アンチバックラッシュ機構180,182を備える。図9において、反時計方向の作用を受けたときにインナーレース部170aを介して端面壁部102に迅速にロック状態とされ、スリーブ部締結用カムローラ176の遊びが少ない分、機械変換効率が向上する。 An
一方、図10に示すように、第2スリーブ部締結用クラッチ172は、端面壁部104と一体的なスリーブ部締結用アウターレース部172aと、第2ロータリピストン本体152のスリーブ部160と一体的なスリーブ部締結用インターレース部172bとを備える。スリーブ部締結用アウターレース部172aは、六角形状のカム面172cを有する。スリーブ部締結用アウターレース部172aとインターレース部172bとの間には周方向に間隔をおいて複数のスリーブ部締結用楔状カム空間部174Aが形成され、スリーブ部締結用楔状カム空間部174Aには複数のカムエレメントとしてのスリーブ部締結用カムローラ176Aが収納される。 On the other hand, as shown in FIG. 10, the second sleeve portion fastening clutch 172 is integrated with the sleeve portion fastening
さらに、スリーブ部締結用アウターレース部172aとスリーブ部締結用インターレース部172bとの間には環状リテーナ178Aが収納される。環状リテーナ178Aはスリーブ部締結用カムローラ176Aを収納するために周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部178aを有するリテーナ本体178bを備え、リテーナ本体178bの内周部178cの直径はスリーブ部158の外周よりわずかに大きめに設定される。第2スリーブ部締結用クラッチ172はアンチバックラッシュ機構182を備える。 Further, an
図10に示されるように、アンチバックラッシュ機構182は、端面壁部104において、径方向に対向する位置に形成されたアンチバックラッシュ抑制シール収納部182aと、リテーナ178Aの外周から径方向外側に突出するように延びていて、アンチバックラッシュ抑制シール収納部182aに収納された作動突起部178dとを備える。図10において、反時計方向の作用を受けたときに端面壁部104に迅速にロック状態とされる。リテーナ178Aはリテーナ178と同様な構造を有するため、図示が省略されている。 As shown in FIG. 10, the
図5〜図7に示すように、出力軸132のクラッチ係合部132a、132bと第1、第2ロータリピストン本体150,152との間にはそれぞれ、第1、第2ボス部締結用クラッチ186,188が配置される。第1、第2ボス部締結用クラッチ186,188は、第1及び第2ボス部154、156とそれぞれ一体的なボス部締結用アウタレース部186a,188aと、出力軸132のクラッチ係合部132a、132bとそれぞれ一体的なボス部締結用インナーレース部186b、188bとを備える。 As shown in FIGS. 5 to 7, first and second boss portion fastening clutches are provided between the clutch engaging
図7に示されるように、ボス部締結用アウタレース部186aは六角形状のカム面186cを有する。ボス部締結用アウタレース部186aと出力軸132のクラッチ係合部132bとの間には周方向に間隔をおいてボス部締結用楔状カム空間部186dが形成され、ボス部締結用楔状カム空間部186dには複数のカムエレメントとしてのボス部締結用カムローラ186eが収納される。ボス部154と出力軸132のクラッチ係合部132aとの間には環状リテーナ186fが収納され、環状リテーナ186fの周方向に分離した位置には複数の開口部186gが形成され、これら開口部186gにボス部締結用カムローラ186eがそれぞれ収納されて複数のボス部締結用楔状カム空間部186dにそれぞれ保持される。 As shown in FIG. 7, the outer race portion 186a for fastening the boss has a
図8において、第2ボス部締結用クラッチ188は、第2ロータリピストン本体152のボス部156と一体的なボス部締結用アウタレース部188aと、出力軸132のクラッチ係合部132bと一体的なボス部締結用インナーレース部188bとを備える。ボス部156と出力軸132のクラッチ係合部132bとの間には周方向に間隔をおいて複数のボス部締結用楔状カム空間部188dが形成され、ボス部締結用楔状カム空間部188dには複数のカムエレメントとしてのボス部締結用カムローラ188eが収納される。ボス部156と出力軸132のクラッチ係合部132bとの間には環状リテーナ188fが収納され、環状リテーナ188fの周方向に分離した位置には複数の開口部188gが形成され、これら開口部188gにボス部締結用カムローラ188eがそれぞれ収納されて複数のボス部締結用楔状カム空間部188dにそれぞれ保持される。 In FIG. 8, the second boss
図7,図8に示されるように、ボス部締結用ワンウエイクラッチ186,188は、それぞれ、アンチバックラッシュ機構190,192を備える。図7において、アンチバックラッシュ機構190は、ボス部154の環状内壁部154aにおいて径方向に対向するように形成されたアンチバックラッシュ抑制シール収納部190aと、環状リテーナ186fの外周に設けられていてアンチバックラッシュ抑制シール収納部190aに収納された作動部材186hとを備える。図8において、アンチバックラッシュ機構192は、ボス部156の環状内壁部156aにおいて径方向に対向するように形成されたアンチバックラッシュ抑制シール収納部192aと、リテーナ188fの外周に設けられていてアンチバックラッシュ抑制シール収納部192aに収納された作動部材188hとを備える。 As shown in FIGS. 7 and 8, the boss portion fastening one-
図6に示すように、第1及び第2ロータリピストン本体150,152は、第1及び第2ロータピストン150p,152pの軸方向に形成されたシール収納部210と、シール収納部210に収納されていて環状作動室106の内周璧106aと側壁106b並びに第1及び第2ボス部154,156に対してそれぞれ移動可能な分割シール部材220と、シール収納部210と分割シール部材220との間に配置されていて、分割シール部材220を内周璧106aと側壁106bと前記第1及び第2ボス部の外周に対して押圧する複数のバネ部材(図示せず)を備える。 As shown in FIG. 6, the first and second rotary piston
図5において、出力軸132の中心軸に沿ってメイン潤滑油供給路132Lと、メイン潤滑油供給路132Lから径方向に延びるように複数のラジアル潤滑油供給路132L1、132L2及び132L3が形成され、メイン潤滑油供給路132Lには潤滑油ポンプ及び潤滑油供給ライン(図示せず)を介して潤滑油が供給される。ラジアル潤滑油供給路から第1及び第2ボス部締結用クラッチ186,188及び第1、第2ニードルベアリング142,144並びに第1及び第2スリーブ部締結用クラッチ170,172に潤滑油が供給される。中央のラジアル潤滑油供給路132L1は、さらに、ロータリピストン本体150の内部に形成されたシール潤滑通路(図示せず)と連通する。エンジン部の運転中に膨張室116に作用する超臨界水の膨張圧力によって、潤滑後の潤滑油は端面壁部のフランジ部104aに形成した環状潤滑油回収チャンバORCで回収される。回収された高温の潤滑油は潤滑油リターンライン(図示せず)RLを介して潤滑油サンプ(図示せず)内に戻される。 In FIG. 5, a main lubricating
図1に戻って、発電機32は動力伝達手段45を介して超臨界エンジン12の出力軸132に駆動連結されて発電電力を供給する。発電機32のパワーラインPLに電気機器等の負荷(図示せず)が接続される。パワーラインPLにはリレー等から構成される遮断器19を介して蓄電システム20が接続される。蓄電システム20は、遮断器19を介してパワーラインPLに接続される充電器21と、第1蓄電装置22と、第2蓄電装置23と、第1、第2蓄電装置22、23を充電器21に交互に接続する第1切替制御器24と、第1、第2蓄電装置22、23をパルス電源28に交互に接続する第2切替制御器26とを備える。第1、第2蓄電装置22、23にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサ(いずれも図示せず)が接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値V1及び電流検出値I1はコントローラ60に出力され、第1、第2蓄電装置22、23のそれぞれの残蓄電容量(SOC値:State of charge)を演算し、それぞれのSOC値に基づいて遮断器19や第1、第2切替制御器24,26の指令信号を出力するために用いられる。 Returning to FIG. 1, the
コントローラ60は、例えば、所定の演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、所定の制御プログラムが記憶されたROM(Read Only Memory)と、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)と、例えばEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)を用いて構成される。 The
第1、第2蓄電装置22、23は、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販の急速充放電型蓄電池(古河電池社製:商標名「ウルトラバッテリ」)、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ(トーキン製)又はウルトラキャパシタモジュール(米国”Maxwell Technologies“社製)が用いられる。その他の蓄電池としては、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やNi−MH電池(ニッケルー水素電池)やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成される。なお、第1蓄電装置22の出力ラインの間にはウルトラキャパシタ(図示せず)が接続される。第1蓄電装置22及び第2蓄電装置23から交互に出力電力がパルス電源28に供給される。 The first and second
パルス電源28は急速充放電型蓄電装置22,23からの供給電力から所定周期(例えば50〜2000ヘルツ)のパルス電力を供給する。パルス電力において、パルス電圧は20〜120ボルトの間で設定され、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電流が瞬間超臨界水発生器42に流れるように回路設計される。パルス電流はピーク電流通電期間内において流れる50〜500アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有する。瞬間超臨界水発生器42には、多数のタングステンボール等からなる超臨界発生用マルチ通電加熱成形体1134を備えていて、パルス電力に応答して通電することにより作動水の臨界温度374℃以上の温度、例えば、800〜2000℃の温度に昇温し、超臨界開始用高圧作動水と接触した際に広域で瞬時に超臨界水を発生させる。パルス電源28はピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第2587343号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成を採用しても良い。 The
図1において、バッファアキュムレータの圧力センサS1からの圧力信号、瞬間超臨界水発生器42の温度センサS2からの温度信号(図4参照)と、超臨界エンジン12の出力軸132の回転数センサS3からのエンジン回転数信号と、移動体10の走行速度センサS4の移動体速度信号がコントローラ60に送信される。入力装置62はカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号を基準信号としてコントローラ60に入力する。コントローラ60には、第1、第2蓄電器22,23のそれぞれの電圧信号V1と電流信号I1とが送信され、コントローラ60はこれら入力信号に応答して第1、第2蓄電器22,23の蓄電状態(State of Charge)を判別して第2切替制御器26を介して第1、第2蓄電装置22、23の一方をパルス電源28に接続するとともに第1切替制御器24を介して第1、第2蓄電装置22、23の他方を充電器21により充電する。さらに、コントローラ60は、センサS1〜S4からの入力信号に応答して高圧ポンプ27のソレノイド304、電磁弁32のソレノイド326を制御する。このとき、コントローラ60は、回転式流体機械40において膨張行程が継続している間は電磁弁32を開弁状態となるように制御する。したがって、回転式流体機械40の可動ピストン(ロータリピストン本体200)には膨張行程の期間中に圧力が400bar以上の高圧の超臨界水が連続的に供される。この結果、従来のディーゼルエンジンで12〜14Kg/cm2の正味平均有効圧力に対して、本実施形態の超臨界エンジンでは、可動ピストンの正味平均有効圧力は400Kg/cm2以上のレベルに飛躍的に改善される。コントローラ60は、さらに、クラッチCLを締結・離脱させるための制御信号Ccを出力する。In FIG. 1, the pressure signal from the pressure sensor S1 of the buffer accumulator, the temperature signal from the temperature sensor S2 of the instantaneous supercritical water generator 42 (see FIG. 4), and the rotational speed sensor S3 of the
回転式流体機械40は、例えば、同一発明者の発明による日本国特許第5103570号(発明の名称:回転式流体機械)に開示された回転式流体機械及び同一発明者の特許出願による特願2012−195513号(発明の名称:回転式流体機械)に開示された「回転式流体機械」に詳しく開示されているため、これらの詳細な説明を省略する。 The rotary
超臨界エンジン12の始動に際して、蓄電システム20から直流出力がパルス電源28に供給される。パルス電源28から周期的なパルス電流が超臨界流体発生器42に供給されると同時に、コントローラ60によって電磁弁32が通電される。このとき、バネ338のバネ圧に抗してプランジャ340が開弁方向に作動して弁体336が第1、第2弁座332,334から離間してインレットト328とアウトレットト33が連通する。このため、バッファアキュムレータ30の超臨界開始用高圧作動水が瞬間超臨界流体発生器42に供給される。超臨界流体発生器42では周期的なパルス電力に応答して多数のタングステンボール1134(図4参照)が1500〜2000℃の超高温状態に昇温しているため、超臨界開始用高圧作動水は多数のタングステンボール1134と接触して瞬時に飽和蒸気になって直ぐに過熱蒸気となり、過熱蒸気は放電領域1136で発生したアーク放電により、さらに、加熱されて超臨界水となる。この超臨界水は回転式流体機械40のインレット124から膨張室116に流入して爆発的に膨張する。このように、バッファアキュムレータ30及び瞬間超臨界流体発生器42はエンジンスタータとして機能し、回転式流体機械40を起動させて機械エネルギーに変換され、出力軸132にトルクが発生する(図7参照)。超臨界エンジン12の始動が完了すると、出力軸132に連結した高圧ポンプ27により貯水タンクTから作動水が吸引され、金属イオン分離機25で作動水中のアルカリ土類金属イオンが除去されて高圧ポンプ27内に導入される。高圧ポンプ27は前述したような方法で超臨界開始用高圧作動水HPwを生成してこれをバッファアキュムレータ30に圧送する。コントローラ60からの指令信号に応答して電磁弁32が周期的にON/OFFされ、瞬間超臨界流体発生器42には超臨界開始用高圧作動水が間歇的に供給されて、超臨界水が発生する。超臨界水はエンジン部40の膨張行程の期間中に連続して膨張室116に供給される。エンジン部40の起動時並びに起動後において、エアーフィルタAFを含む吸気系から吸気が吸気ポート126から吸入されてロータリピストン本体200によって圧縮され、450〜600℃の高温高圧吸気が生成される。この高温高圧吸気がロータリピストン本体200によって膨張室116の位置まで運ばれた際に、上述の超臨界水が高温高圧吸気中に噴射されるため、超臨界水と高温高圧吸気とが同時に膨張行程において機械エネルギーに変換される。 When the
上述したように、超臨界流体発生器42では高密度アーク放電の発生により高圧作動水から超臨界水が発生する。超臨界水は、大気圧の状態から加熱して、673K(約400℃)の超臨界温度に達した際に400barの超臨界圧となる。超臨界流体発生器42では、超臨界温度は1073K(約800℃)以上となるため、超臨界圧は極めて高いものとなる。しかも、超臨界開始用高圧ポンプによって超高圧作動水が超臨界流体発生器42に導入されるため、超高圧作動水を1073K(約800℃)以上の温度で超臨界水を発生させた場合、極めて高い超臨界圧となる。超臨界水はエンジン部40の膨張行程の全期間中において超臨界水は高い超臨界圧のまま継続的に供給される。したがって、エンジン部40の正味平均有効圧力は従来にディーゼルエンジンのものに比べて数十倍〜数百倍になるものと推測される。したがって、超臨界エンジン10は極めて高い機械エネルギー変換効率を得ることができる。 As described above, the
以上、本発明の実施例による超臨界エンジンにおいてエンジン部が回転式流体機械からなるものとして記載されたが、本発明はこれら実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。エンジン部はレシプロエンジンも含むものであるが、この場合、レシプロエンジンのクランク軸に高圧ポンプを連結して超臨界開始用高圧作動水を生成し、一方、レシプロエンジンのシリンダーヘッドに瞬間超臨界水発生器を接続して超臨界開始用高圧作動水をこの瞬間超臨界水発生器に供給して超臨界水を発生させ、この超臨界水をシリンダー内部に噴射して可動ピストンに作用させるように変形してもかまわない。高圧ポンプはシングルプランジャタイプのものとして示したが、ダブルプランジャ又は2つ以上のプランジャを径方向に配列した、所謂、ラジアルプランジャ型高圧ポンプのものを利用しても良い。さらに、排気ガスは大気に放出するものとして記載したが、覆水器を設けて膨張蒸気を復水してリサイクルしても良い。 As described above, the supercritical engine according to the embodiments of the present invention has been described as having the engine portion composed of a rotary fluid machine. However, the present invention is not limited to the configurations shown in these embodiments, and various modifications are possible. is there. The engine part also includes a reciprocating engine. In this case, a high-pressure pump is connected to the crankshaft of the reciprocating engine to generate high-pressure working water for supercritical start, while an instantaneous supercritical water generator is installed in the cylinder head of the reciprocating engine. Is connected to supply high-pressure working water for supercritical start to this instantaneous supercritical water generator to generate supercritical water, and this supercritical water is injected into the cylinder and deformed to act on the movable piston. It doesn't matter. Although the high pressure pump is shown as a single plunger type, a so-called radial plunger type high pressure pump in which a double plunger or two or more plungers are arranged in the radial direction may be used. Furthermore, although the exhaust gas has been described as being released to the atmosphere, a condensing device may be provided to condense the expanded steam for recycling.
10 移動体;12 超臨界エンジン;16 出力装置;20 蓄電システム;21 充電器;22,23 第1、第2蓄電装置;24、26 第1、第2切替制御器;25 金属イオン分離器;27 超臨界開始用高圧ポンプ;28 パルス電源;30 バッファアキュムレータ;32 発電機;40 エンジン部;42 瞬間超臨界水発生器;60 コントローラ;62 入力装置;T 作動水貯蔵タンク;CL クラッチ;TM トランスミッションDESCRIPTION OF
Claims (5)
前記作動水を吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成する超臨界開始用高圧ポンプと、
所定周期のパルス電力を供給する超臨界開始用パルス電源と、
前記パルス電力に応答して通電することにより高温加熱状態となり、前記超臨界開始用高圧作動水と接触した際に広域で瞬時に超臨界水を発生させる瞬間超臨界水発生器と、
前記瞬間超臨界水発生器に接続された超臨界水供給ポートと、前記超臨界水供給ポートに連通する膨張室と、膨張ガスを排気する排気ポートとを有する作動室と、前記超臨界水の膨張行程において機械エネルギーに変換する可動ピストンと、前記可動ピストンを回転可能に支持していて前記超臨界発生加圧ポンプに駆動連結された出力軸とを備えたエンジン部と、
前記出力軸に駆動連結されていて前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を供給する発電機と、
前記発電電力の一部を蓄電して前記超臨界開始用パルス電源に供給電力を出力する蓄電システムとを備え、
前記蓄電システムが、
前記発電電力の一部を充電電力として供給する充電器と、
前記充電電力を充電する第1及び第2蓄電装置と、
前記充電器と前記第1及び第2蓄電装置との間に配置されていて前記第1及び第2蓄電装置を交互に前記充電器に接続する切替制御器と、を含み、
前記切替制御器が、前記切替制御器が、前記第1及び第2蓄電装置の一方から前記超臨界開始用パルス電源に出力電力が供給されている間に前記第1及び第2蓄電装置の他方を前記充電器により充電するように制御することを特徴とする超臨界エンジン。And actuating water supply source for supplying the operating water,
A supercritical start high-pressure pump that sucks and pressurizes the working water to generate supercritical start high-pressure working water;
A supercritical start pulse power supply that supplies pulse power of a predetermined period;
An instantaneous supercritical water generator that instantaneously generates supercritical water in a wide area when in contact with the high-pressure working water for supercritical initiation when energized in response to the pulse power,
A working chamber having a supercritical water supply port connected to the instantaneous supercritical water generator, an expansion chamber communicating with the supercritical water supply port, and an exhaust port for exhausting expansion gas; and the supercritical water An engine unit comprising: a movable piston that converts mechanical energy in an expansion stroke; and an output shaft that rotatably supports the movable piston and is drivingly connected to the supercritical pressure pump.
A generator connected to the output shaft and driven by a part of the mechanical energy to supply generated power;
A power storage system that stores a part of the generated power and outputs supply power to the supercritical start pulse power source; and
The power storage system is
A charger for supplying a part of the generated power as charging power;
First and second power storage devices for charging the charging power;
A switching controller that is disposed between the charger and the first and second power storage devices and alternately connects the first and second power storage devices to the charger;
The switching controller is configured to switch the other of the first and second power storage devices while the switching controller is supplying output power from one of the first and second power storage devices to the supercritical start pulse power source. Is controlled so as to be charged by the charger .
前記回転式流体機械が、
前記超臨界水供給ポートと、前記膨脹室と、前記排気ポートと、前記作動室が形成されたハウジングと、
前記作動室に延びる出力軸を備えていて、前記作動室に回転可能に収納されて前記膨張行程において前記機械エネルギーを発生させる第1及び第2ピストンロータ本体と、
前記第1及び第2ピストンロータ本体それぞれを前記膨張行程において前記第1及び第2回転方向との間で前記ハウジングに対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第1クラッチ手段と、
前記第1及び第2ピストンロータ本体それぞれを前記膨張行程において前記第2回転方向と前記第1回転方向との間で前記出力軸に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第2クラッチ手段と、を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の超臨界エンジン。The engine unit is composed of a rotary fluid machine,
The rotary fluid machine is
The supercritical water supply port, the expansion chamber, the exhaust port, and a housing in which the working chamber is formed;
First and second piston rotor bodies, each having an output shaft extending to the working chamber, rotatably housed in the working chamber and generating the mechanical energy in the expansion stroke;
First clutch means for switching each of the first and second piston rotor bodies between a locked state and an unlocked state with respect to the housing between the first and second rotational directions in the expansion stroke;
Second clutch means for switching each of the first and second piston rotor bodies between a locked state and an unlocked state with respect to the output shaft between the second rotational direction and the first rotational direction in the expansion stroke; , supercritical engine according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a.
前記作動水を吸引加圧して超臨界開始用高圧作動水を生成する超臨界開始用高圧ポンプと、
所定周期のパルス電力を供給する超臨界開始用パルス電源と、
前記パルス電力に応答して通電することにより高温加熱状態となり、前記超臨界開始用高圧作動水と接触した際に広域で瞬時に超臨界水を発生させる瞬間超臨界水発生器と、
前記瞬間超臨界水発生器に接続された超臨界水供給ポートと、前記超臨界水供給ポートに連通する膨張室と、膨張ガスを排気する排気ポートとを有する作動室と、前記超臨界水の膨張行程において機械エネルギーに変換する可動ピストンと、前記可動ピストンを回転可能に支持していて前記超臨界発生加圧ポンプに駆動連結された出力軸とを備えたエンジン部と、
前記出力軸により駆動されて発電電力を供給する発電機と、
前記発電電力の一部を蓄電して前記超臨界開始用パルス電源に電力を供給する蓄電システムとを備え、
前記蓄電システムが、
前記発電電力の一部を充電電力として供給する充電器と、
前記充電電力を充電する第1及び第2蓄電装置と、
前記充電器と前記第1及び第2蓄電装置との間に配置されていて前記第1及び第2蓄電装置を交互に前記充電器に接続する切替制御器と、を含み、
前記切替制御器が、前記切替制御器が、前記第1及び第2蓄電装置の一方から前記超臨界開始用パルス電源に出力電力が供給されている間に前記第1及び第2蓄電装置の他方を前記充電器により充電するように制御することを特徴とする超臨界エンジン駆動発電装置。And actuating water supply source for supplying the operating water,
A supercritical start high-pressure pump that sucks and pressurizes the working water to generate supercritical start high-pressure working water;
A supercritical start pulse power supply that supplies pulse power of a predetermined period;
An instantaneous supercritical water generator that instantaneously generates supercritical water in a wide area when in contact with the high-pressure working water for supercritical initiation when energized in response to the pulse power,
A working chamber having a supercritical water supply port connected to the instantaneous supercritical water generator, an expansion chamber communicating with the supercritical water supply port, and an exhaust port for exhausting expansion gas; and the supercritical water An engine unit comprising: a movable piston that converts mechanical energy in an expansion stroke; and an output shaft that rotatably supports the movable piston and is drivingly connected to the supercritical pressure pump.
A generator driven by the output shaft to supply generated power;
A power storage system that stores part of the generated power and supplies power to the supercritical start pulse power source ,
The power storage system is
A charger for supplying a part of the generated power as charging power;
First and second power storage devices for charging the charging power;
A switching controller that is disposed between the charger and the first and second power storage devices and alternately connects the first and second power storage devices to the charger;
The switching controller is configured to switch the other of the first and second power storage devices while the switching controller is supplying output power from one of the first and second power storage devices to the supercritical start pulse power source. control to supercritical engine generator apparatus according to claim Rukoto to charge by the charger.
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