JP2006090143A

JP2006090143A - エンジン

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Publication number: JP2006090143A
Application number: JP2004273051A
Authority: JP
Inventors: Toshio Wakamatsu; 俊男若松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP4549142B2

Abstract

【課題】比較的簡単な装置で水等の液体を燃料として機械的動力を得ることができる極めてクリーンなエンジンを提供する。
【解決手段】内部に膨張室１となる空間を有するシリンダ２およびピストン３と、上記膨張室１内において局部加熱を行う局部加熱装置４と、上記局部加熱装置４の局部加熱部７に対して水を供給する噴射ノズル５と、上記膨張室１から水を排出する排出路６とを備え、上記局部加熱装置４は、高透磁性の絶縁物質からなる芯部材１３に高周波電流が印加されるコイル１４が巻回され、上記芯部材１３の端部に、上記局部加熱部７としての導電性部材７を存在させたエンジン。
【選択図】図１

Description

本発明は、水等の液体を燃料として用いることができる極めてクリーンなエンジンに関するものである。

従来から、機械的な動力を生み出すエンジンとしては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関が主流として用いられてきた。これらの内燃機関は主として石油系の燃料を燃焼させて機械的動力にエネルギー変換するものであるため、ＮＯ_Ｘ等の排出による大気汚染や、ＣＯ_２の排出による温暖化等の環境汚染が問題となっている。

そこで、燃料に水蒸気を混合して燃費を向上するエンジンとして下記の特許文献１記載の内燃機関が開示されている。また、水を水蒸気爆発させるエンジンとして下記の特許文献２に記載のエンジンが開示されている。
特開平５−１３３２８１特開平１１−１４８４５５

しかしながら、上記特許文献１記載の内燃機関は、基本的にはガソリン燃料を燃焼させるものであるため、水蒸気を利用することにより燃費の向上等は期待できるが、ＮＯ_ＸやＣＯ_２等の汚染ガスを排出するものであることに変わりはない。また、上記特許文献２記載のエンジンは、水を蒸発させるための加熱手段として太陽光を利用したものであるが、エネルギー源としての太陽光は天候や気候に影響されやすく、安定した動作を確保し難いという問題があるほか、水を水蒸気爆発させて機械的動力を得るためのエネルギー源としての実現性にも疑問が残る。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、比較的簡単な装置で水等の液体を燃料として機械的動力を得ることができる極めてクリーンなエンジンの提供をその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のエンジンは、内部に膨張室となる空間を有するシリンダおよびピストンと、上記膨張室内において局部加熱を行う局部加熱手段と、上記局部加熱手段の局部加熱部に対して液体を供給する液体供給ノズルと、上記膨張室から液体を排出するドレン部とを備え、上記局部加熱手段は、高透磁性の芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、上記局部加熱部としての導電部を存在させたものであることを要旨とする。

本発明のエンジンは、局部加熱手段は、高透磁性の芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、上記局部加熱部としての導電部を存在させたものであることから、上記コイルに高周波電流が印加されると、コイルの周囲には、右ねじの法則に従ってコイルの中心を長手方向に通過する磁界が発生する。上記磁界はコイルの中心に存在する高透磁性の芯部材を通過し、磁束が芯部材に集中する。そして、芯部材の端部に存在させた導電部に対して芯部材に集中した磁束の磁界が作用し、強力な電磁誘導作用が生じて高温に局部加熱される。このとき、芯部材が高透磁性であることから、誘導電流に反発する磁性を帯びにくいため、エネルギー効率が高く、高温の局部加熱が実現する。

このように、高温に加熱された局部加熱部に対して液体が供給されることにより、膨張室内で液体が急激に蒸発して膨張し、ピストンを往復運動させて回転動力等を得ることができる。すなわち、膨張室が最も縮小する付近にピストンが移動した時点で液体を局部加熱部に供給すると、液体が急激に加熱されて蒸発・膨張し、膨張室が拡大する方向にピストンが押される。膨張室が最も拡大した時点を過ぎて再び膨張室が最も縮小する付近にピストンが移動した時点で液体を局部加熱部に供給すると、液体が急激に加熱されて蒸発・膨張し、膨張室が拡大する方向にピストンが押される。これを繰り返すことにより、ピストンの往復運動とクランクの回転との動力を得ることができるのである。そして、急激に膨張して発生した蒸気はドレン部から排出される。

そして、供給する液体として水を用いることにより、水の供給だけで動力を得ることが可能となり、石油系の燃料を燃焼させたときのような汚染ガスの排出は皆無となり、極めてクリーンに動力を得ることができる。また、高透磁性の芯部材にコイルを巻回して芯部材端部の導電性部材を加熱するという極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかもランニングコストの低いエンジンとなる。

本発明において、上記芯部材を透磁率の高い絶縁物質から形成し、上記芯部材の端部に導電性の局部加熱部材を配置した場合には、上記芯部材が絶縁性であることから誘導加熱されることはないため、エネルギー効率が高く、端部に配置した導電性の局部加熱部材に対して磁束が集中して作用するため、極めて高温の局部加熱が実現する。したがって、極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかもランニングコストの低いエンジンとなる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明のエンジンの構造を示す図である。

このエンジンは、内部に膨張室１となる空間を有するシリンダ２およびピストン３と、上記膨張室１内において局部加熱を行う局部加熱装置４と、上記局部加熱装置４の局部加熱部７に対して液体を供給する噴射ノズル（液体供給ノズル）５と、上記膨張室１から液体を排出する排出路（ドレン部）６とを備えている。

より詳しく説明すると、上記シリンダ２は、シリンダヘッド８とシリンダブロック９とから構成されている。上記シリンダブロック９にはピストン３がスライド自在に嵌挿されている。上記シリンダ２の外周にはピストンリング１０が嵌め込まれており、シリンダブロック９との摺接部がシールされながらピストン３がシリンダ２内を摺動するようになっている。上記ピストン３はピストンピン１１およびピストンロッド１２によりクランク軸１９（図示せず、図３参照）と接続されている。

そして、上記シリンダ２にピストン３が挿入された状態で内部に膨張室１となる空間が形成されている。この状態で、上記シリンダ２およびピストン３は、ピストン３の往復方向が略水平になるように横置き配置されている。

上記シリンダヘッド８には、局部加熱装置４が膨張室１内に突出するように取り付けられている。上記局部加熱装置４は、図２に示すように、高透磁性の絶縁物質から形成された芯部材１３に高周波電流が印加されるコイル１４が巻回され、上記芯部材１３の両端部に、上記局部加熱部としての導電性部材７が配置されて構成されている。

上記芯部材１３は、透磁率が高い絶縁物質から形成することが好ましい。例えば、酸化物系の高透磁率材料であるＭｎ−ＺｎフェライトやＮｉ−Ｚｎフェライトのような軟フェライト材料が好適に用いられる。

上記芯部材１３には、高周波電流が印加されるコイル１４が巻回されている。上記コイル１４には、高周波電源２３が接続されている。また、上記芯部材１３の両端部近傍には、局部加熱部材としての導電性部材７が配置されている。上記導電性部材７は、絶縁性のセラミックス等の絶縁材料から形成された支持部材１５を介してシリンダヘッド８に固定されている。

このような構成により、上記コイル１４に高周波電流が印加されると、コイル１４の周囲には、右ねじの法則に従ってコイル１４の中心を長手方向に通過する磁界が発生する。（図２参照）上記磁界はコイルの中心に存在する高透磁性の芯部材１３を通過し、磁束が芯部材１３に集中する。そして、芯部材１３の端部に存在させた導電性部材７に対して芯部材１３に集中した磁束の磁界が作用し、強力な電磁誘導作用が生じて上記導電性部材７は極めて高温に局部加熱される。

このとき、芯部材１３が高透磁性であることから、誘導電流に反発する磁性を帯びにくいため、エネルギー効率が高く、高温の局部加熱が実現する。また、上記芯部材１３を透磁率の高い絶縁物質から形成し、上記芯部材１３の端部に導電性部材７を配置することにより、上記芯部材１３が絶縁性であることから芯部材１３自体が誘導加熱されることはないため、エネルギー効率が高く、端部に配置した導電性部材７に対して磁束が集中して作用するため、極めて高温の局部加熱が実現する。

上記導電性部材７としては、高温に耐える材質であることが好ましく、耐熱合金や導電性のセラミックス材料，炭素材料等を用いることができる。また、ＳｉＣ等の半導体を用いることもできる。

また、図１および図２に示した局部加熱装置４は、芯部材１３を高透磁性の絶縁材料から形成し、芯部材１３の端部近傍に導電性部材７を配置したが、上記芯部材１３として
透磁率の高い導電材料を用いることもできる。例えば、純鉄，ケイ素鋼，パーマロイ，センダスト，パーミンバール，イソパーム，パーメンジュール，フェライト等をあげることができる。この場合には、芯部材１３の端部に導電性部材を配置してもよいし、芯部材１３自体の端部を延長してそこを導電部として加熱してもよい。

上記シリンダヘッド８には、上記局部加熱部としての導電性部材に対して水を噴射する噴射ノズル５が取り付けられている。そして、局部加熱された導電性部材に対して水を噴射させることにより、噴射された水が局部加熱部と接触して瞬時に気化し、水蒸気爆発を起して膨張する。この膨張の際の圧力によりピストン３を往復運動させて動力を得るのである。

一方、上記シリンダブロック９には、噴射ノズル５から噴射されて膨張した水蒸気を排出する排出路６が形成されている。この排出路６からは噴射された水が気化した水蒸気と、噴射されミスト状の水が浮遊して集まったり、一旦気化した水蒸気が凝縮した液状の水も排出される。したがって、上記排出路６は、液状の水がスムーズに排出されるよう、横置き配置されたピストン３の下側に位置するように設けられている。また、液状の水が排出路６に流れ込みやすいように、排出路６のシリンダ２内部側の開口部には漏斗状の傾斜面１７が形成されている。また、上記排出路６には、排出路６を開閉する弁１６が設けられている。

図３は、上記エンジンの制御系統を示すブロック図である。

このエンジンは、ピストン３の往復運動がクランク１８を介して回転運動に変換されたクランク軸１９の上記回転を検知する回転検知装置２０を備えている。上記回転検知装置は、近接センサや光センサ等のセンサを利用してクランク軸の単位時間あたりの回転数を検知する回転数検知手段として機能する。また、この回転検知装置２０は、回転するクランク軸の位相を検知する位相検知手段としても機能する。すなわち、上記回転検知装置２０は、クランク軸１９の位相に対応し、往復運動しているピストン３が上死点から下死点の間のどの位置にあるかを検知するピストン位置の検知手段としても機能する。

なお、以下の説明では、最も膨張室１が縮小されるピストン３の位置を「上死点」といい、最も膨張室１が拡大されるピストン３の位置を「下死点」という。したがって、実際のピストンの往復動作は略水平方向であるが、説明の便宜上、ピストン３が上死点に向かって移動する動きを「上昇」といい、反対にピストン３が下死点に向かって移動する動きを「下降」ということにする。

また、このエンジンは、上記回転検知装置２０で検知された回転数とピストン位置に応じて、所定タイミングで噴射ノズル５から水を噴射させる噴射制御装置２２を備えている。上記噴射制御装置２２による水を噴射させるタイミングは、具体的には、図４に示すように、ピストン３が上昇して上死点に達してこの上死点を通過して下降を開始したタイミングである。このタイミングで噴射ノズル５から局部加熱部７に対して水を噴射することにより、水が瞬時に気化して膨張するのである。

また、このエンジンは、所定タイミングで噴射ノズル５から噴射させる水の量を調節する出力調整手段２４を備えている。この出力調整手段２４の操作により、噴射制御装置２２は、噴射ノズル５から１ショットに噴射する水の噴射量を制御するようになっている。

ここで、上記噴射ノズル５としては、電気信号に応じて水を噴射させるものを好適に用いることができる。具体的には、ノズル開口２６を備えた圧力室２７に、電気信号に対応して内部の水を加圧する圧電素子２８を設けた噴射ノズル５を用いることができる。図において、３１は圧力室２７に水を供給する供給路、３０は多数の小孔２９が穿設されてゴミをろ過するフィルタであり、圧力室２７に所定の圧力が発生するよう流路抵抗を付与するオリフィスとしても機能する。この噴射ノズル５では、電気信号に対応して圧電素子２８を変形させ、圧力室２７内部を圧電素子２８の変形により加圧し、圧力室２７内の水をノズル開口２６から噴射するのである。

また、図５（ｂ）に示すように、ノズル開口２６を備えた圧力室２７に、電気信号に対応して内部の水を瞬時に煮沸させて気泡を発生させる発熱素子３２を設けた噴射ノズル５を用いることができる。この噴射ノズル５では、電気信号に対応して圧力室２７内部の水を瞬時に煮沸して気泡を発生させ、圧力室２７内部を気泡により加圧し、圧力室２７内の水をノズル開口２６から噴射するのである。なお、図５（ａ）（ｂ）には、圧電素子２８および発熱素子３２に電気信号を印加する信号ケーブルは図示していない。

これらの噴射ノズル５によれば、回転検知装置２０で検知した回転数およびピストン位置に対応して適切なタイミングで電気信号を入力することにより、適切なタイミングで水を噴射することができる。また、出力調整手段２４の操作に応じて入力する電気信号を制御し、加熱による気泡発生量や圧電素子の変形量を調節して１ショットに噴射する水の噴射量を制御することができる。

また、このエンジンは、上記回転検知装置２０で検知された回転数とピストン位置に応じて、所定タイミングで排出路６の弁１６を開閉する弁制御装置２１を備えている。上記弁制御装置２１による弁１６を開閉させるタイミングは、具体的には、図４に示すように、ピストン３が上昇して上死点に達したときに閉弁し、ピストン３が下降して下死点に達したときに開弁するタイミングである。

このような構成のエンジンは、例えば、つぎのようにして動作する。

ピストン３がシリンダ２内を上昇して上死点に達した状態を初期状態として説明する。この初期状態では、ピストン３が上昇して上死点に達し、排出路６の弁１６は閉弁された状態である（図４参照）。予め局部加熱装置４のコイル１４に高周波電流を印加し、局部加熱部７を加熱しておき、上記初期状態から、図６（ａ）に示すように、少しピストン３が下降したタイミングで噴射ノズル５から水を噴射する。

膨張室１が最も縮小する上死点を少し通過した付近にピストンが移動した時点で噴射ノズル５から局部加熱部７に対して水が噴射されると、図６（ｂ）に示すように、噴射された水が瞬時に気化して密閉状態の膨張室１内で膨張し、膨張室１が拡大する方向にピストン３を押し下げる（膨張工程）。

ついで、図６（ｃ）に示すように、ピストン３が下死点に達したタイミングで、排出路６の弁１６を開弁し、慣性力でクランク軸１９が回転し、膨張室１が最も拡大した下死点を過ぎてピストン３が再び上昇を始めると、図６（ｄ）に示すように、膨張室１内に充満した水蒸気がピストン３に押されて排出路６から排出される（排気工程）。このとき、上記排出路６からは噴射された水が気化した水蒸気だけでなく、噴射ノズル５から噴射されてミスト状に浮遊して集まったり、一旦気化した水蒸気が冷却されて凝縮した液状の水も排出される。

つぎに、再び膨張室１が最も縮小する上死点にピストン３が移動したタイミングで排出路６の弁１６を閉弁し、膨張室１を密閉状態にする。そして、上死点を少し通過した付近にピストンが移動した時点で噴射ノズル５から局部加熱部７に対して水を噴射すると、噴射された水が密閉状態の膨張室１内で瞬時に気化・膨張し、膨張室１が拡大する方向にピストン３を押し下げる（膨張工程）。これを繰り返すことにより、ピストン３の往復運動とクランク軸１９の回転との動力を得ることができるのである。

そして、出力調整手段２４の操作によって噴射ノズル５から１ショットに噴射する水の量を調整することにより、回転数を調整することができるのである。すなわち、１ショットに噴射する水の量を多くすると、気化して膨張する水蒸気の圧力が高くなるため、エンジンの回転数は高くなる。反対に、１ショットに噴射する水の量を少なくすると、気化して膨張する水蒸気の圧力が低くなるため、エンジンの回転数は低くなる。

このように、供給する液体として水を用いることにより、水の供給だけで動力を得ることが可能となり、石油系の燃料を燃焼させたときのような汚染ガスの排出は皆無となり、極めてクリーンに動力を得ることができる。また、高透磁性の芯部材１３にコイル１４を巻回して芯部材１３端部の導電性部材７を加熱するという極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかも低いランニングコストで動力を得られるエンジンとなる。

上記実施例では、局部加熱装置４は、芯部材１３の両端部に局部加熱部としての導電性部材７を配置したが、芯部材１３の一端部だけに局部加熱部としての導電性部材７を配置してもよい。このようにすることにより、局部加熱のエネルギー効率が高くなり、より効率的に動力を得ることができるようになる。また、上記実施例では、いわゆる単気筒タイプの場合を例にとって説明したが、同様のシリンダを複数並設し、２気筒以上のマルチタイプとすることもできる。

本発明は、自動車等の車両用エンジンだけでなく、モーターボート、船舶、農業機械、鉄道車両等、各種分野のエンジンとして用いることができる。

本発明のエンジンを示す構成図である。局部加熱装置を示す図である。上記エンジンの制御系統を示す図である。上記エンジンの制御状態を示す図である。噴射ノズルの構造を説明する図である。上記エンジンの動作を説明する図である。

符号の説明

１膨張室
２シリンダ
３ピストン
４局部加熱装置
５噴射ノズル
６排出路
７局部加熱部，導電性部材
８シリンダヘッド
９シリンダブロック
１０ピストンリング
１１ピストンピン
１２ピストンロッド
１３芯部材
１４コイル
１５支持部材
１６弁
１７傾斜面
１８クランク
１９クランク軸
２０回転検知装置
２１弁制御装置
２２噴射制御装置
２３高周波電源
２４出力調整手段
２６ノズル開口
２７圧力室
２８圧電素子
２９小孔
３０フィルタ
３１供給路
３２発熱素子

Claims

内部に膨張室となる空間を有するシリンダおよびピストンと、上記膨張室内において局部加熱を行う局部加熱手段と、上記局部加熱手段の局部加熱部に対して液体を供給する液体供給ノズルと、上記膨張室から液体を排出するドレン部とを備え、上記局部加熱手段は、高透磁性の芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、上記局部加熱部としての導電部を存在させたものであることを特徴とするエンジン。