JP2004316621A - ターボステンレスエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室での熱損失を少なくし、その分をターボチャージャーの出力に回し、同じ軸出力では、機関自体を小型軽量化、熱効率化する。
【解決手段】内燃機関において、レシプロエンジンでは、燃焼室の構成部位であるシリンダー(又はシリンダーライナー)、(排気ポートや吸気・排気弁を含む)シリンダーヘッドおよびピストンを、また、ロータリーエンジンにおいては、ローターハウジング(又はローターハウジングライナー)およびローターを、比較的に廉価でありながら熱伝導率の低い「ステンレス鋼」とし、それによって高まる排気エネルギーで以て、添設したターボチャージャーを作動させるようにした、ターボステンレスエンジンと総称することにする、過給機付断熱化小型化内燃機関。
【選択図】なし

Description

【0001】
[発明の属する技術分野]
本発明は、内燃機関の燃焼室での熱損失を少なくし、その分をターボチャージャーの出力に回し、同じ軸出力では、機関図体を小型軽量化熱効率化しようと言うものである。
【0002】
[従来の技術]
内燃機関の熱効率は一般的に言って改善のしようがなくほぼ一定していると見られてきた。それは、例えば、4サイクル4シリンダーエンジンの諸元は、歴史的にその総排気量ごとにどれもほぼ一定化して来ており、それを弄る余地は全くと言ってよいほどないからであった。
それでも、 例えば、ガソリンエンジンの28%前後の熱効率のものは使用ガソリンの72%を全く無駄に大気に捨てざるを得ない訳で、関係技術者誰しもどうかして改善してみたくなる課題であった。
そこで、もう一昔前、セラミックエンジンが提唱されて、研究されたが、その結論は、「作動ガス側の熱伝達率は変わらず、冷却損失もそれほど大きくないので、熱効率は殆ど向上しない。ただし、冷却の必要がなくなるため、冷却ファンや水ポンプで消費される仕事が無くなること、排気損失の増加によって排気ターボチャージャーの出力が増えることにより、正味熱効率はわずかに向上する(「内燃機関107頁(北森出版)」)」とあり、セラミックエンジンは実用化に応ええないものと見られたようである。
【0003】
[発明が解決しようとする課題]
そのような結論は、セラミックエンジンが真から理論的に解明されなかったからであろう。
冷却水損失が断熱化によって大幅に減少するとすれば、その使用可能エネルギーの増大を有効に使用しうる方法が理論的に発明できれば、後は製作性の問題だけで、課題は解決されることになる。
そこで、私は、断熱化エンジンにはターボチャージャーが必須であり、それを添設することによって、同じ軸出力では、小型高性能に開発しえ、今日のFF車が要求しているところの車幅と車高をもう少し縮めえて、日本やヨーロッパなどの相対的に狭い車道に適した乗用車を製造可能にしたい。
一般的に、チャージャーとは、「エンジンの出力を向上させるために、シリンダー内に多くの混合気あるいは空気を送り込み、完全燃焼させるためにある。チャージャーレスにおける通常の吸入量は、吸入行程時の吸入負圧に左右されるため、充填効率が65〜85%と限界が生じる。この限界を超えて強制的に100%以上の混合気あるいは空気をシリンダーに供給する方法を過給と言い、これらの装置を包含して過給機と言う(「自動車工学入門78頁(理工学社・1991年)」)」。
その過給によるエンジン性能の向上の具合な一例を見てみると、
Figure 2004316621
この表から判るように、ターボを添設すると、出力で、41÷31=1.323 即ち、32.3%増力し、トルクで、5.9÷4.4=1.341 即ち34.1%増力し、燃費率で、215/4000g/HP・h/rpm=215g/HP・h/4000rpm=215×4000g/HP・h/rpm、同じように計算して、225×3000g/HP・h/rpmであるから、225×3000÷215×4000=0.785 即ち、21.5%燃費が改善する。
このように、ターボを添設すると、燃費当たりの出力では、1.323÷0.785=1.685 即ち、68.5%も熱効率が向上することになる。さて、この場合のエンジンは、恐らく4サイクル3気筒550ccであろうから、1気筒の行程容積は、550÷3=183.3となり、ピストンの直径は、内径と行程が等しいとすれば、183.3=π(X/2)XからX=6.16cmとなる。これが同じ出力でありながら32.3%小さくて済むことになるので、即ち、183.3cm÷1.323=138.5cmとなるので、シリンダーの直径は、138.5cm=π(X/2)Xから、X=5.61cmとなり、燃費は21.5%向上するにも拘らず、エンジンは183.3cm÷138.5cm=1.323と32.3%も、シリンダー直径では6.16cm÷5.61cm=1.098と9.8%小型になる。
【0004】
[課題を解決するための手段]
ターボチャージャーを添設すれば、斯くもエンジンは小型高出力化する。上記したように、ターボは本来、エンジンの回転が高速になればなるだけ、吸入する混合気や空気が希薄になり、不足状態が起きるので、ターボで以て吸入気を高圧・高速にして、シリンダー不足のないよう注入するための付属装置であった。
エンジンの軸出力で以てタービンを回転させるスーパーチャージャーではなく、排ガスエネルギーで以て回転させるターボチャージャーでは精々シリンダーの充填不足を補うくらいしか、排ガスにはエネルギーが残っていない訳である。
排ガスを高温・高圧にしたいのであるが、例えばピストンの行程を短くして、そう言うことをしたとしても、本元のエンジンの出力が落ちて、元も子もなくなる。
それには、冷却水に30%も取られている燃焼熱を出来るだけ取られなくて済むようにする以外に良い方法はない。
これが達成されれば、ターボには従来の目的以上の働きを期待できる。即ち、シリンダー容積を遙に上回る混合気や空気をエンジンに吸入・注入させうる。即ち、より小さい容積でより多量の空・燃を吸入爆発させうることになり、総合的に見ても、その熱効率はぐんと向上することになる。
このように、考察してみると、セラミックエンジンは理論的な可能性と目的を持ちうる。それが投げ出されたのは、セラミックで断熱効果を上げても、その分排ガスに逃がすだけに留まり、つまり、(E−E)/Eは〔(E+a)−(E+a)〕/(E+a)=(E−E)/(E+a)と考えられ、排気損失率が増大するだけで、却って熱効率は低下することになる。
その時、若しセラミックエンジンにターボを添設すれば好いことに気付いていたならば、その現象を打開するどころか、目的を遥に超える効果のあることを発見しえていたであろう。
しかし、セラミックは工作の面は兎も角強度の点で金属に比べて脆く、実用性に劣る。私はこのところずっとセラミックエンジンの可能性を検討してきたが、その途中で、笛吹きケトルに発明をして、それを研究していて、ステンレスケトルの熱効率がアルミに比べて極度に劣ることを知った。
ステンレスはセラミックスと違って金属であるから、強度が強く加工の面など万事において扱い易い。これなら物になると確信した次第である。
従来、ガソリンエンジンのシリンダーライナーやディーゼルエンジンのそれは、鋳鉄鋼で出来ているらしい。高級鋳鉄では、炭素が3.1〜3.4%、珪素が1.9〜2.3%、マンガンが0.6〜0.8%含まれており、ニッケル・クロム鋳鉄では、炭素が2.8〜3.0%、珪素が1.2〜1.5%、マンガンが0.6〜0.8%、ニッケルが1.0〜1.8%、クロムが0.7〜1.0%、モリブデンが0.6〜0.8%くらい含まれている(「ジーゼルエンジンの構造と機能109頁(金園社・1966年)」)。
従って、ガソリンエンジンのシリンダーライナーも大体こんなものであろう。
そこで、「理科年表(丸善・1977年)」で見ると、熱伝導率は、鋼(炭素0.8%)が0.50、Ni−Cr鋼(ニッケル3.6%)が0.33、ステンレス鋼(クロム13.7%、ニッケル0.4%)が0.245、18/8ステンレス鋼(クロム18%、ニッケル8%)が0.151とある。即ちクロムとニッケルの含有率が高くなる程熱伝導率は低下して行く。
そして、「商品大事典100頁(東洋経済・1986年)」には25/20ステンレス鋼、15/35ステンレス鋼などが載っているが、それらは耐熱鋼(650℃まで)として、エンジンでは排気弁に使用されているだけで、断熱化材としての使用は一切考えられたことは無いようである。
従って、現在、エンジンの燃焼室を構成している部位の熱伝導率は、0.50〜0.47くらいと推測でき、25/20ステンレス鋼は恐らく0.1を切るのではないかと思われる。このステンレス鋼が使えれば、約5倍の断熱効果出るものと思われる。
従って、前述したスバルEK23型の冷却水損失を今30%とし、その時の熱伝導率を0.47とすれば、それを0.09の熱伝導率に交換すると、30%/0.47=X/0.9からX=5.74%となり、燃焼熱の、30%−5.74%=24.26%を排気エネルギーに回すことが可能となり、排気損失33%は一気に57.26%と57.26%÷33%=1.735も即ち73.5%も増大することになる。
従って、排気エネルギー33%において32.3%の軸出力の増大があったのであるから、57.26%においては、32.3%/33%=X/57.26%からX=56.0%もの軸出力の増大を呼ぶことになる。
そこで、550cc4サイクル3気筒エンジンの1気筒の行程容積は183.3ccであったから、そのピストン直径は6.16cmとなるのであった。
そこで、軸出力は1.560倍となるのであるから、同じ軸出力では、183.3cm÷1.560=117.5cm、117.5cm=π(X/2)Xと、シリンダー直径X=5.31cmとなる。
従って、軸出力が31HP×1.560=48.4HPへと56.0%も増大するので、それをターボレスの場合と同じ31HPターボステンレスエンジンにする場合には、大きさは117.5cm÷183.3cm=0.641と、35.9%、シリンダー直径は5.31cm÷6.16cm=0.862と、13.8%小さくなる。
なお、ステンレス鋼は、クロムやニッケルの合金率を変えることにより、熱伝導率を自在にしうるのであったが、恐らく同じ方法で熱膨張係数を変えうると思えるので、本発明においては、ピストンよりシリンダーを若干その係数の大きいものにして、冷却水の不要なエンジンを可能としたい。
【0005】
[発明の実施の形態]
本発明は、「特許請求の範囲」に詳しく述記してある。
【0006】
[発明の効果]
本発明によって、私の近年の夢であった理想のターボ付エンジンが開発しうることになった。
しかし、それを完成するには、現在技術のままで以ては不可能であり、どうしても革新的発明をしなくてはならない。
現在、特許出願しているものに加えて、更なる発明をしているので、後日、特許出願したいと思っている。
それらは全て排ガス対策に収斂するものであり、本発明にそれらを加えれば、自動車エンジンは、曾て無い小型高出力無公害化を達成することになろう。
(公序良俗違反につき、不掲載)
待望され始めている人間性経済には先ず何よりもエネルギー資源の開発が大切であることが解かって来ている。
そして、化石燃料のこれ以上の使用は地球の温暖化をもたらし、人類を破滅させるとする説に対して何か底意地の悪さを感じ始めて、人為的に非人間性経済を続行させる論説の一形態ではないかとの疑惑を持ち始めている。
人間性を日本民族に再生・復活させるネオルネッサンスを招来するには、先ず一段階として、石油の枯渇化を石炭からエタノールを採って補う以外にないと言う私の発明は広く理解され始めている。
そして、その後には、「太陽熱風力発電」による豊かな水素燃料時代が訪れると言う私の発明にも人類の生存を掛けた期待が持たれ始めている。
さて、そこで、自動車の未来はどう言うことになるだろうか。私はこれからの50年くらいは、本発明のターボステンレスエンジン車が軽油(ガソリンと重油から似軽油が開発可能)用とエタノール用に開発されて、次の水素燃料時代を準備することになるとほぼ確信している。
従って、現在、莫大な資金と人員を投入している燃料電池の開発は現在の政策程には急ぐ必要性は認められない。この電池の本性をしっかり把握して、それに基づいた真に実用性のあるものに近づく努力を注ぐべきである。私もそれに沿うものと思えるものを発案しているので、時間が出来たら特許出願に纏めたいと思っている。
しかし、燃料電池車となると、果たして実用化できるものかどうか大いに疑問を持っている。
今、三菱電気のカタログを貰って見て判ったのであるが、モーターは性能の良いもので、馬力当りの重さは5キロくらいらしい。
先の、スズキのソリックは、車両重量980キロで88馬力(HP)であり、上の伝で行くと、モーターにした場合の重量はモーターだけで440キロになり、現状ではモーター車には開発不能性が高いことが判る。
また、トヨタクラウンロイヤルサルーンは、車両重量1580キロで220馬力である。従って、モーターの重量は1100キロとなり、電動化は全く論外となる。
これらから、一般的に言って電気自動車と言うものは、先ずモーターの関門にぶつかり、先ずこの問題を解決しない限り、前には進めない代物であることが判る。
私は、私の著作が空き巣泥棒に盗まれてしまったので、正確ではないが、15年くらい前か、この電気自動車の実用不能性を主張したが、それは闇に葬られ、燃料電池車に衣更えして、今日までに莫大な国家資金を浪費してしまった。
我国の研究開発投資の典型は、新規な発明に対してではなく、概して過去長い間放置されていた旧式の発明をどうかしようと言うところにある。
燃料電池は、1839年今から164年前イギリスのグローブによって発見されたもので、その後、世界的な規模で研究開発競争に入り今日に至っているが、今だ実用に耐えるものの理論的構築にも到達していない。私は、実験室の装置で以てこう言うものだと言うものを示してくれると物になるものかならないものかの判断が容易になると思うのだが。
この燃料電池を車用に実用化する場合には、電池として見ることは止めて、燃焼反応の
一には違いないので、エンジンの概念で以て見ることが大切であると思う。詰まり、タービン発電機と呼ぶように、燃料電動機(フューエルモーター)と呼ばれうるものに進化しなくてはならなかろう。
モーターはエンジンに比べて同一出力では極めて重いことを述べたが、それは、モーターの鉄心とコイルが重く然も詰まっているからである。この基本構成を軽い材質に変革しうる可能性がなければ、車用としての使用価値は今のところ無いと言ってよい。
そこで私案であるが、これまでの磁気回路の方向付け用として用いられている鉄心を廃して、プラスチックのような軽い心に、アルミ線を蜘蛛ノ巣コイルのように巻くなどしたコイルで以て、軽量小型高出力のモーターは開発出来ないものであろうか。
アルミコイルに関しては、既に、平成14年9月9日に特許出願した「軽量化ブラウン管」(特願2002−303593)において「銅の比重は8.93であり、アルミは2.69である。また抵抗率は銅1.73(オーム・10キロメーター)、アルミ2.31である。従ってアルミは重さで銅の30%であり、抵抗率では1.335倍である。従って銅線に替えてアルミ線を用いる場合にはアルミ線の断面積を1.335倍太くするか1.335倍長く巻く必要がある。詰まり偏向コイルの体積は34%くらい大きくなる。しかし、同じ体積の重さではアルミは銅の30%しかない。この30%の重さのものが1.335倍要るのであるから、結局アルミ線に替えると、その重さは銅の40%(30%×1.335)の重さで済むことになる」。
現在のモーターの重量の内、40%が鉄心であり、残りの60%が銅線コイルであるとすれば、上記私案のモーターが100%に完成すれば、無鉄心化で40%軽量化でき、残りの60%のコイルを40%に軽量化できる訳であるから、結局100%×(1−0.4)×0.4=24%に全重量を軽量化しうることになる。
また、鉄心には対策が立たず、コイルだけをアルミに替えた場合には、100%×0.4(1+0.6)=64%に軽量化する。
従って、先のソリックのモーターは無鉄心アルミ線化の場合には106キロに軽減し、燃料発電器(私案の燃料電池はこのように呼びたい)の重量を考慮しても、フューエルモーターカーとしての可能性が十分出てくる。また、コイルだけの軽量化の場合には、282キロに留まり、ぎりぎりの線になる。
そして、クラウン3000ccの場合には、220HP×5Kg/HP=1100Kg、1100Kg×0.24or0.64=264Kgor704Kgとなり、コイルのアルミ化だけでは可能性の無いことが判る。
そこで、どうかして、無鉄心か寡鉄心のモーターを開発したい。モーターは電磁誘導を応用したもので、本来はコイルとコイルにおいて又はコイルと永久磁石において発生する現象であり、鉄心は磁気回路を目的に沿って誘導するためのものであり、妙案があれば、鉄心の無いモーターが有りえた筈である。 そこで、一案として、蜘蛛ノ巣コイルのように薄く渦巻きしたコイルを交互に向きを変えて何重にも重ねて、一つの向きは固定し他の向きは同じ回転軸に取付けて、其々に交流を通すか、同じ向きの其々に直流を正負を切り替えて通すと回転するような気がする。
ところで、燃料電池政策と同じような政策の下にあるのが原子力発電である。その本質を全く真摯に検討することなく、アメリカ軍がプルトニウムを買い入れるので、そのために開発された原子炉を、我国はプルトニウムを自衛隊が買い上げてくれないにも拘らず導入している。
従って、本来回収に莫大な手間が掛かり、再使用コストが極めて割高になるプルトニウムを中心とした核燃料使用サイクルを政策化してきた。挙げ句は高速増殖炉をその中心に据えなくては成り立たない政策となっている。
軽水炉で燃料棒が臨界に達するには、ウラン235を最低3〜4%に濃縮したものを使用しなくてはならない。この235の分裂から発生する中性子の一部がウラン238をプルトニウム239に変える。そのプルトニウムを熱中性子が燃やして中性子を発生する。この現象を上手に連続させてウラン238も全て燃料棒の中で尽燃できる仕掛けの炉は出来ないかと言うのが私の発案である。
そうすれば、当然再処理工場も要らないし、勿論高速増殖炉も要らないことになる

私は、この思い付きは大変重要で面白いと思う。国立大学は莫大な原子核分裂研究者を抱えている。しかし、実際には、この分野は、打開案の見出しえない現研究者を抱えている。しかし、実際には、この分野は、打開案の見出しえない現状を打開する革新的案を持ちえないでいるのでは無いかと思われる。それは核燃料使用サイクル論が実現化の壁にぶち当り、全く前進しえなくなっているからに違いない。
そのためだけでは無いかも知れないが、原子力政策に魅力を維持している国は殆ど無くなった。
今や、原子力政策は核燃料使用サイクル論から退却して新しい途を開拓しなくてはならない。原子炉の中で燃料を全て燃やし切る、これこそ切り開かなくてはならない新しい選ぶべき途であると確信しているが、どうだろうか。
そして、核燃料の灰の処理に電力産業は困惑仕切っているらしい。死の灰が何万トン溜まっているか正確には知らないが、大変な量であろう。
私は、それを太平洋などの大海に投棄したらどうだろうかと考えている。地球上の全海洋の体積は1兆3703億Km3にも達する。ここへ何万トンかの死の灰を投棄したからと言って、その濃度が問題にする程になることはあるまい。
従来の考え方によると、死の灰はガラスなどで密封して地中深く埋めると言うものであった。大きな塊にするので、その出す放射線は相当なもので、埋めた所を相当加熱する問題を抱えていた。
死の灰やそれに汚染された物質は硝酸には皆溶けると聞く。私はそれらを全て硝酸に溶かして海洋に投棄したい。勿論、放射能は全てイオン原子となるに違いない。そして、勿論海洋生物の体内に入ることがあろう。しかし、その原子が生物の一細胞に複数個侵入することは海洋中の濃度からしてありえまい。
そうすると、その一原子の放射線はその細胞を破壊する程に強烈なものであるかどうかが問題となる。ここのところを私は広島の放射線影響研究所に研究して貰おうと思っている。
若し、放射能一原子が生物の一細胞に侵入しても、それが体外に排泄されるまでの間に破壊現象を惹起しないならば、私の放射能物質処理案には全く問題は無いことになる。
この処理方法が確立するとすれば、若しウラン資源にまだ余裕があれば、上述したような新しい原発開発にはその安全性以外には全く問題は存在しなくなる。
今日までの科学技術は発案の段階において、その誕生から自然還元までの過程をきっちりと理論的に解明しないままに発進したために、多くの難題を抱え込み進退に窮する事態に陥ってきた。
(公序良俗違反につき、不掲載)

Claims (3)

  1. 内燃機関において、燃料の燃焼熱の有効利用と損失の割合(ヒートバランス)は、大体、
    Figure 2004316621
    であると言われている(「自動車エンジン工学44頁(山海堂・2001年)」)。
    そして、冷却水損失における各部位の寄損率は、大体、シリンダーライナーが1/3、残りは排気ポートを含むヘッドである(「自動車エンジン工学46頁」)。
    「容積型内燃機関であるピストンエンジンでは、燃焼が間欠的であり、燃焼室やピストンは高温の燃焼ガスにも低温の新気にも接触するので、エンジン部材の温度はあまり上昇しない。また、作動ガスが存在する空間を区切るシリンダーヘッド、ピストンおよびシリンダーライナーは容易に冷却することが出来るので、特殊な材料や冷却方法を用いなくても、作動ガスの最高温度が2500℃程度の運転は可能である」。
    従って、ピストンエンジンの冷却の目的は、燃焼室関係部材の変形、亀裂、過熱、融解、ノッキング、過早着火、境界潤滑油の燃焼などの防止のためにある(「内燃機関103頁(森北出版・2001年)」)。
    即ち、エンジンの冷却はその機械的強度保全のためにあるのであって、それがために燃焼温度が影響を受けることは殆どないと言えるようである。
    従って、ピストンエンジンにおける爆発から排気までの過程で、冷却水損失が発生すると言えよう。
    従って、燃焼室の各部位を断熱化すると、爆発当初温度には殆ど影響しないが、それから排気完了までの過程の熱損失は軽減し、排気温度は相当高くなると言えよう。
    そこで、排気エネルギーで以てガスタービンを運転し、軸出力に還元することが可能となれば、大体、ガソリンエンジンで30%、ディーゼルエンジン38%の有効仕事率は50%くらいに改善されるであろう(「自動車エンジン工学48頁」)。
    つまり、ピストンエンジンと排ガスタービンエンジンとを車に併設して運転できれば、相当有効仕事率が向上すると言う。
    要約すれば、内燃機関の燃焼室の各部位を断熱化しても、その分だけ、排気温度が上昇するだけで、(燃焼室内の燃焼温度−排気温度)÷燃焼室内の燃焼温度(カルノーの熱効率の定理)における熱効率は余り改善しないと言うことになる。
    従って、燃焼室の断熱化だけでは熱効率を向上させることは出来ず、それを成すには、要は断熱化によって増大する排気エネルギーを出来るだけ効率よく軸出力化する以外にないと言える。
    そこで、内燃機関において、レシプロエンジンでは、燃焼室(シリンダー、シリンダーヘッドおよびピストンの上面で囲まれる部分(「大辞林(三省堂)」))の構成部位であるシリンダー(又はシリンダーライナー)、(排気ポートや吸気・排気弁を含む)シリンダーヘッドおよびピストンを、また、ロータリーエンジンにおいては、ローターハウジング(又はローターハウジングライナー)およびローターを、比較的に廉価でありながら熱伝導率の低い「ステンレス鋼」とし、それによって高まる排気エネルギーで以て、添設したターボチャージャー(排ガスを利用してタービンを回し、混合気(又は空気)を強制的にシリンダー内に送り込んで圧力を高めるエンジンの補助装置。出力・トルクを高め、併せて燃費向上に役立つ(「大辞林」))を作動させるようにした、ターボステンレスエンジンと総称することにする、過給機付断熱化小型化内燃機関。
  2. 「請求項1」におけるターボステンレスエンジンにおいては、圧縮率が向上し、ターボレスより圧縮空気の温度は高まるので、発火温度392℃(「内燃機関50頁(森北出版・2001年)」)のエタノールを燃料とするディーゼルエンジン化が可能となるので、それを可能にした、ターボステンレスディーゼルエンジン。
  3. 「請求項1」および「請求項2」におけるターボステンレスエンジンにおけるシリンダー(又はシリンダーライナー)とピストンとの関係において、前者に後者よりは若干膨張係数の大きいステンレス鋼を使用して、両者の融解接着を防止し、水冷を廃止しうる可能性を持ちえた、ターボステンレスエンジン。
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