内燃機関のこと①

メモです。

内燃機関の種類
化石燃料を使う機関として、ガスタービン/ディーゼルエンジン/ガスエンジン等があり、

作動構造の違いでレシプロエンジンとタービンエンジンに分けられます。

レシプロ‐エンジン・・・ピストンの往復運動を、連結棒とクランクによって回転運動に変える方式の原動機。
フツーの車のエンジンです。

タービン‐エンジン・・・流体を羽根車に当て、流体のエネルギーを回転運動に変換して動力を得る原動機。

レシプロエンジンが間歇燃焼なのに対して、ガスタービンは連続燃焼による連続回転機関です（21164解説）

どちらのエンジンも吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気のサイクルを行いますが、レシプロエンジンが一つのシリンダーで全サイクルを行うのに対し、タービンはサイクルごとにそれぞれ異なる部分で分担するという構造上の違いがあります。

概要
ガスタービン
ガスタービンは、まず、圧縮機で空気を吸い込んで圧縮し、燃焼器で燃料を燃焼して圧縮空気を過熱します。高温高圧となった燃焼ガスは続くタービンで膨張仕事をする（熱エネルギーが機械エネルギーに変換され、その力で発電機を回す）ことで発電します。
（熱機関の理論サイクルとしてはブレイトンサイクルで近似されます。深入りしたい人はどーぞ）

ガスタービン　作動イメージ

体積や重量が比較的小さく・軽く、高出力が得られることから元々航空機エンジンとして用いられていて、 また、定置式としても多く用いられています。また、振動が少ない、冷却水が不要などの利点もあるため 、要件を満たせばビルの屋上等に設置できます。

コージェネレーションシステムとしては、冷暖房や給湯など産業用等の熱の需要が多い用途に適しており、ホテル・病院・大型事務所ビル、あるいは多量のプロセス蒸気を使用する工場などに採用されています。また、廃熱はガスタービン後流に設置された排ガスボイラにより蒸気として回収され、 液体燃料、ガス体燃料またはその切替等に幅広く対応可能という特徴があります。

起動停止を毎日行ったり電力需要が高い場合はガスエンジンやディーゼルエンジンが用いられます。

ガスエンジン

ガスエンジンは、シリンダ内にミキサーを通して吸い込んだ混合気（空気と燃料ガス）を

ピストンで圧縮し、高温高圧となった燃焼室に点火プラグで火花着火し、爆発燃焼させて動力を得て、その動力で発電機を回して発電します。

ガスエンジン　作動イメージ

熱の需要が主体となる用途に最適で、コージェネレーションシステムとして、 都市ガス供給が発達した都市部ホテル・病院・学校・事務所ビル・食品工場などに採用されています。

ディーゼルエンジン

ディーゼルエンジンは、シリンダ内に吸い込んだ空気をピストンで圧縮し、高温高圧となった圧縮空気中に軽油等の液体燃料を霧状に噴射して自己点火を起こし、爆発燃焼させて動力を得て発電します。

熱効率は比較的高いのですが、その仕組み上、着火の制御が難しく、着火までのタイムラグが生じ、高圧縮が必要なこともあって、騒音や振動を発生しやすい等の特徴があります。振動が大きいため地下や別棟に設置するケースが多くなり、また冷却水用の配管の手配が必要となる場合があります。都心部では排気ガス規制が強化されたため多くはなく、逆にその燃料貯蔵特性を活かし地域の工場地帯や農業・漁業基地近辺に多く導入されています。

【参考】

コージェネレーション・エネルギー高度利用センターのパンフレット（P.5）に発電機の特徴が簡単にまとめられています。

http://www.ace.or.jp/web/publication/pdf/2013_Cogene_Pamphlet.pdf

ガスタービンの特徴として、
・構造上、低速回転時と高速回転時の燃費の差が少ないので、低速回転域での燃費が悪い
・回転数を頻繁に変えたり細かく調整することが困難
・始動時の消費エネルギーが大きいので、頻繁に停止する用途に不向き
等があげられます。
また、
冷却水が不要である反面、耐熱性に優れた素材で製造する必要があることと、整備に専門的知識を持った技術が必要となり、保守作業に時間とコストがかかるということもあります。