JP2004257247A

JP2004257247A - ピストン式定圧燃焼熱機関

Info

Publication number: JP2004257247A
Application number: JP2003040399A
Authority: JP
Inventors: Minoru Murayama; 稔村山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】ピストン式定圧燃焼熱機関は、実際は、定圧にて燃焼させることが困難であった。また、圧縮比を高くすることにも限界があった。また、爆発的膨張最大圧力が通常、ピストン上死点近くで発生しているためピストンに掛かる圧力が、連接棒を通じてクランク軸に有効にトルク変換がなされていない。本発明はこの欠点を改善するものである。
【解決手段】本発明は、通常よりも高い圧縮比（例えば、ε＝２５）を設定した熱機関に関するもので、図１のように、シリンダ２室内に連通する、シリンダヘッド３に蓄圧器７を設けて、上死点近辺での高い爆発的膨張圧力を、主ピストン１の上死点過ぎ後の、トルクへの変換効率の良いクランク軸回転角度（例として、コンロッド長とクランク回転半径の比が３の場合では、上死点を過ぎて、上死点後７５度近辺が高い効率で変換される。）に向けて、圧力を移動させる。あるいは、その角度に向けて圧力を保つようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率改善と爆発的燃焼膨張圧力を有効にトルク変換するピストン式定圧燃焼熱機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術は、効率改善や最適燃焼状態を得る為に圧縮比を変更可能とする可変圧縮機構が提案されている。その一つとして、各種運転パラメーターによる要素に対応して制御手段により変化させている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ピストン本体上部に設けたヘッド部の高さを調整して圧縮比を可変調整させているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
また、１個のマスターシリンダに複数の子シリンダを設け、各々にピストン、ピストンロッド及びクランクよりなるピストンアセンブリが、共通のクランク軸に設けられ、それぞれのクランクは一定の位相角を保持するように構成されていることを特徴とする多ピストン位相差可変容量型動力発生装置が提案されたりしている（例えば、特許文献３参照。）。
また、従来、最高圧縮圧力の発生する角度位置は、主ピストンの上死点位置にあり、その結果、燃焼が始まると、上死点を過ぎた直後に、燃焼最高膨張圧力が発生する。（例えば、非特許文献１。）。
また、熱効率の向上をはかるため、圧縮比を上げると、爆発的膨張圧力が上昇する。しかし、熱機関の機械的強度から、圧縮比を上昇させるにも、おのずと限界があった。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１５９８７号公報
【特許文献２】
特開平１１−１１７７７９号公報（第２−６頁、第１図）
【特許文献３】
特開平６−３４６７０１号公報（第１−２頁、第１図）
【非特許文献１】
高橋和と太田安彦共著「ディーゼルエンジンの設計」パワー社出版、昭和５２年１１月２５日発行Ｐ．１７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮比を可変にしたエンジンといえども、上死点を過ぎてから、爆発的膨張行程での、ピストンに掛かる力がトルクに変換される場合、より長い時間、或いは、より広い回転角において、圧力を必要な高さに維持した膨張期間を保つ、又は、圧力の掛かる回転角度範囲を、クランク回転角において、ピストン上死点から下死点側に移行する、或いは、拡大する事は容易ではなかった。或いは、１個のマスターシリンダに複数の子シリンダを設け、各々にピストン、ピストンロッド及びクランクよりなるピストンアセンブリを、共通のクランク軸に設けて、それぞれのクランクを、一定の位相角を保持するように構成した多ピストン位相差可変型においても、多ピストン系全体で見ると、行程容積変化の動きは、ほぼ正弦波の合成された動きであり、また、系全体では、圧力発生は、合成された正弦波に合わせたものとなり、最高トルク発生角度の変更は期待出来ない。
【０００５】
また、先鋭的に高い爆発的膨張圧力を低減する。あるいは、低減し、吸収したエネルギーを、そのサイクル中に還元する事も容易では無かった。
【０００６】
そして、熱効率を上げる為に圧縮比を上げると、爆発的膨張最大圧力が増大する為に、機関の機械的強度から、圧縮比の増加にも限界があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成する為に、シリンダ室内に面する部位に、設定した圧力を超えた時に、圧力を吸収する副ピストンを有する蓄圧器を設けた、ピストン式定圧燃焼熱機関である。
【０００８】
前記に述べている様に、本発明は、爆発的膨張圧力を低減する機能をもつ蓄圧器を有するため、圧縮比を上げることが可能となった高圧縮比ピストン式定圧燃焼熱機関。
【０００９】
また、カムとリンク機構を用いて、主ピストンが上死点に至る時に、副ピストンがその圧力を低減する方向に作用し、続いて、その主ピストンの膨張行程中において、副ピストンが、低減していた圧力エネルギーをサイクル中に、急速に圧力を還元する方向に動作する機構を有するピストン式熱機関である。また、前記の圧縮比を通常よりも高い高圧縮比を併用することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。図１に示すように、シリンダヘッド３に蓄圧器７を設ける。蓄圧器７は、図３に示される副ピストン１５でシリンダ２室内の圧力を受ける。図１は、主ピストン１が上死点を過ぎて、蓄圧器７の副ピストン１５が、図３に示されるΔＬ１に相当する、吸収していたエネルギーをシリンダ２室内に戻している途中状態である。つまり、蓄圧器７の副ピストン１５は、所定の圧力を超えた時、圧力エネルギーを吸収し始めて、シリンダ２室内の圧力がピークに達した後は、所定の圧力以下になるまで、吸収しているエネルギーを放出し続ける。
【００１１】
図２では、本発明の別の実施例を示す。図２では、圧力エネルギー吸収機能を有する主ピストン１Ａを含む、全体図を示す。図４に示される、ΔＬ２に相当する圧力エネルギーの吸収は皿バネ２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂで行なう。図２の場合では、図４に示される、主ピストン１Ａ内部の、主ピストン内ガイド２４の上部皿バネ２２ａ，２２ｂがエネルギー吸収を行っている。
【００１２】
図５では、本発明の、別の実施例を示す。副ピストン８は、ロッド１０、レバー１１、カムロッド１３を通じ、ベアリングを介して、クランク軸に勘合された偏心カム１４に連結している。図５では、蓄圧機能を有する主ピストン１Ａが上死点を過ぎて膨張行程に入っている所を示している。蓄圧機能を有する主ピストン１Ａが圧縮行程で上死点に達している時には、副ピストン８は、未だ、圧縮行程の終点に達しておらず、主ピストン１Ａが上死点を過ぎてから、副ピストン８が圧縮行程の最終点に至る。この場合、図５の機構においては、主ピストン１Ａが上死点を過ぎた後に、主ピストン１Ａの上死点と副ピストン８の圧縮行程の最終点との間の位相差角度内において、最大圧縮圧力が得られるように設定することが出来る。設定条件としては、主ピストン１Ａのクランク回転角度と副ピストン８用の偏心カム１４との回転角度の位相差設定、また、主ピストン１Ａの面積と副ピストン８の面積の比を設定、レバー１１の支点の位置の設定により決まる。また、偏心カムでは無く、異形カムを用いて、急激に行程変化をさせ、急激な圧力変化を起こさせることもできる。
【００１３】
また、図５の場合の例では、副ピストン８は１個だけの場合を示しているが、複数の副ピストンを設ける場合は、その圧力変化の自由度がます。
【００１４】
また、図１と図２において、バネ常数を変更する事によって、エネルギーの吸収を始める圧力、つまり、蓄圧器の作動する圧力を設定、変更が出来る。特に、図１においては、リンクとレバーを使い、図３に示される副ピストン１５の位置を決定している二つのバネ１７、１８を外部に配置する時は、容易に圧力設定変更が出来る構造とする事が可能となる。この場合、レバーの支点位置を移動する方式を取る時は、運転中でも容易に、その作動圧力設定変更が出来る。
【００１５】
図５の場合においても、レバー支点１２の位置を可動方式として、運転中でも容易に、レバー比を変更して、その作動設定変更が可能な構造とする事が出来る。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、最大圧縮圧力、あるいは、爆発的燃焼最大膨張圧力を、従来よりも、上死点を過ぎて、より下死点側の位置に移動した角度、或いは、下死点側にまで、広がった回転角度にて、長い時間（広い角度）で、主ピストン面にて受圧出来る。つまり、クランク軸の平均トルクの向上が図れる。
【００１７】
高い圧縮比を設定した場合、図１と図２の適用例において、図６に有るように、蓄圧機能により、所定の圧力を超えた時、線図２のカーブに示されるように、所定の圧力を保って、高い爆発的膨張圧力を吸収して、所定の圧力低下に至った時に、図３のΔＬ１、あるいは、図４のΔＬ２に相当する、吸収していた圧力エネルギーをそのサイクル中に戻して、熱効率を上げる。参考として、図６中の線図１は、本発明が適用される以前の圧力線図である。
【００１８】
図１と図２の適用例において、安定した圧力の元で燃焼が行なわれる。つまり、定圧燃焼に近似される状態とする事が可能となる。
【００１９】
図１と図２の適用例において、通常よりも十分に、高い圧縮比を設定しても、蓄圧器が十分に、爆発圧力エネルギーを吸収出来る容量の場合に、技術的には、爆発的最大膨張圧力を蓄圧器の設定圧力と同一にする事が可能である。つまり、圧縮比を従来よりも高く設定しながら、爆発圧力を、従来よりも低く設定出来る。圧縮比の向上は、熱効率の向上であり、低い爆発圧力は、燃焼温度を下げる事となり、ＮＯｘ低減を図る事が出来る。従来は、この相反する二つの問題を、同時に解決する事は困難であった。
【００２０】
図１と図２の適用例において、爆発的最大膨張圧力が、低減出来るため、機関の設計強度の低減が図れる。
【００２１】
図１と図２の適用例において、トルク変動幅の減少を図ることが出来る。
【００２２】
図１と図２の適用例において、ノッキングの減少を図ることが出来る。
【００２３】
図１と図２の適用例において、騒音の減少を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄圧器を取付けた、ピストン式熱機関の斜視図である。
【図２】蓄圧機構を有するピストンを配したピストン式定圧燃焼熱機関の斜視図である。
【図３】（ａ）は、蓄圧器本体の、圧力が掛かっていない状態の断面図。（ｂ）は、圧力が掛かっている状態の断面図である。
【図４】（ａ）は、蓄圧機構を有するピストンに、圧力が掛かっている状態の断面図と、（ｂ）は圧力が掛かっていない状態の断面図である。
【図５】クランクに位相差結合した副ピストンを設けた、ピストン式定圧燃焼熱機関の斜視図である。
【図６】従来の線図１と、高圧縮比に設定して、蓄圧器を使用した場合の線図２の比較インジケーター線図。
【符号の説明】
１ピストン
１Ａ蓄圧機能を有する主ピストン
２シリンダ
３シリンダヘッド
４バルブ
５連接棒
６クランク
７蓄圧器
８副ピストン
９ピストンガイド
１０ロッド
１１レバー
１２レバー支点
１３カムロッド
１４偏心カム
１５蓄圧副ピストン
１６蓄圧器主ガイド
１７蓄圧主バネ
１８蓄圧副バネ
１９蓄圧器副ガイド
２０蓄圧副バネガイド
２１蓄圧ロッド
２２ａ（圧縮後の）主ピストン用蓄圧上皿バネ
２２ｂ（圧縮前の）主ピストン用蓄圧上皿バネ
２３ａ（伸展後の）主ピストン用蓄圧下皿バネ
２３ｂ（伸展前の）主ピストン用蓄圧下皿バネ
２４主ピストン内ガイド
２５ピストンピン挿入部
２６レバー支点基部
ΔＬ１蓄圧副ピストンストローク
ΔＬ２蓄圧主ピストンストローク

Claims

主ピストンのシリンダ室内に面する部位に、シリンダ室内圧力を受ける副ピストンを持ち、蓄圧機能を有する装置を設けたピストン式定圧燃焼熱機関。
圧縮比を２２以上に上げた、請求項１の高圧縮比ピストン式定圧燃焼熱機関。
主ピストンのシリンダ室内に連通するシリンダヘッド部位に、圧縮および膨張圧力を受ける、主ピストンより小さい径の副ピストンを設け、カムとリンクでクランク軸に連結して、駆動させ、主ピストンに掛かる最大圧縮圧力を主ピストン上死点位置から主ピストン上死点過ぎ角度に向けて移動させる。及び、爆発的膨張圧力を、上死点直後の角度位置から、上死点過ぎて、より下死点に近い方向に向けた角度位置に、移動させる機構を有する請求項１のピストン式定圧燃焼熱機関。
前記、請求項３記載の機構を有する請求項２記載の高圧縮比ピストン式熱機関。