JP2007278114A - 断熱複合エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の容積型エンジンでは利用されずに棄てられていた排気損失と、高温のエンジンを冷却後棄てられていた冷却損失を有効利用し熱効率と出力の向上を図る。
【解決手段】 容積型断熱エンジンから排出された排気損失と冷却損失を排気エネルギ回収装置９で回収する。
冷却損失は、容積型断熱エンジンのシリンダ２の側壁に取り付けたノズル５から水または蒸気をまたは圧縮空気を噴射させ、排気行程でシリンダ内壁を冷却するとともに過熱蒸気または膨張空気を発生させ、タービン１０に吹き付け動力を得るために有効利用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気エネルギ損失を有効利用することにより熱効率と出力の向上を図った複合エンジンに関する。

従来のエンジンの熱効率はディーゼルエンジンが概ね４０％、ガソリンエンジンが概ね３０％程度であり、冷却損失と排気損失がそれぞれ概ね３０％前後あり、利用されずに棄てられるエネルギが多い。

従来の容積型エンジンは筒外を水または空気で冷やすことによりエンジン本体の温度上昇を抑制し、一定の連続運転を可能にしている。

筒内に水を噴射することによって筒内の熱を吸収し筒内を冷却するともに気化させ、蒸気の膨張力で出力の増大を図る試みがなされた。（例えば、特許文献１および２参照。）

航空用ディーゼルエンジンと排気タービンを組み合わせた複合エンジンが開発されている。（例えば、非特許文献１参照。）
特開昭６０−１８４９２３号 特開平３−１１５７４３号 内燃機関ハンドブック 朝倉書店 Ｐ６４７ 昭和４４年発行

以上述べたように従来のエンジンでは冷却損失、排気損失として棄てられていたエネルギがあり、これらのエネルギ損失を回収し動力として利用すれば熱効率と出力が向上する。

従来の容積型エンジンの小型を除くほとんどは、筒外を水または空気で冷却するための強制冷却用装置を有し、かつ強制冷却用の動力を必要としていた。

特開昭６０−１８４９２３号の水噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンの目的は、圧縮行程の次の膨張行程において、水の噴射による気化熱の吸収によって断熱エンジンの欠点である新気の吸入効率の低下を補完し単位燃料当たりの出力を増大させるとしているが、燃焼中の熱エネルギの一部を噴射された水が気化熱として奪うため燃焼温度を低下させることはできるが出力を増大させることは困難である。
また、特開平３−１１５７４３号の６サイクル断熱エンジンにおいて、ここで云う６サイクルとは吸入、圧縮、膨張、排気、膨張、排気行程であるが、２回目の膨張行程で噴射された水は気化され膨張し、筒内の圧力が上がり膨張仕事を行うことができるとあるが、２回目の膨張行程における水の気化による蒸気の膨張速度は燃料の燃焼速度と異なるため、容積型エンジンを用いて２回目の膨張行程で仕事をする（動力を得る）のは困難である。

過去に開発された複合エンジンは燃費が良かったが、構造が複雑なため実用には至らなかったとされている。

容積型エンジンの燃焼により発生した排気損失である排気ガスは、ターボを回し過給することにより有効利用されているが、熱効率の向上には繋がっていない。また、冷却損失については排気損失と同量程度のエネルギを占めているにもかかわらず、ほとんど利用されてこなかったばかりか、冷却するための装置と動力が必要であった。これは筒外冷却をするので冷却損失となるのであって、筒内冷却し吸収した熱で過熱蒸気を発生させれば、筒外冷却のための装置も動力も不要であるうえ過熱蒸気を用いて軸流タービンやラジアルタービンを効率よく回すことができこの動力を利用することができる。勿論、タービンは単段でも多段でもよい。

４サイクルエンジンを筒内冷却するには、シリンダに小さな穴を開けここにノズルを取り付け、膨張行程でピストンが下死点に到達する直前に水または蒸気を噴射し、高温になったピストン上部とシリンダ内壁とシリンダヘッドを冷却することができる。また、水または蒸気だけではなく圧縮空気をノズルから噴射することもできる。 筒内温度が常に設定温度近傍で適量の水または蒸気が噴射されるように自動制御するため、筒外温度と排気ガス温度を計測し設定温度より低い場合は噴射を遮断する。また、水は水タンクに補給する方式でもよく、排気管を冷却し水滴を少しずつ回収する循環方式でもよく、また、その両方を装備してもよいが、地域によっては冬季の凍結対策が必要になる。

排気タービンのように速度型エンジンは熱効率やレスポンスが悪いため、例えば部分負荷でかつ負荷変動の大きい自動車の動力とする場合、運転条件に対応した最適設定をするには構造が複雑になる。そこで、容積型エンジンと速度型エンジンを組み合わせた複合エンジンにおいては補助機関である排気タービンの動力は主機関である容積型エンジンの出力軸へ伝達されるようにし、逆に容積型エンジンの動力は排気タービンの出力軸に伝達されないようにワンウェイクラッチを採用した動力伝達機構とすれば、構造が簡単でタービンからの動力を効率よく取り出せる。ただし、タービンとコンプレッサを直結させ過給も行わせる場合には、加速時の過給不足を補うため、ワンウェイクラッチは必ずしも必要とせずフライホイールに直結すると、構造がさらに簡単になる。
排気タービンの出力軸には発電機を取り付けることもできる。

上述したように本発明の断熱複合エンジンは、膨張行程の終了直前に水または蒸気が直接筒内に噴射されることにより筒内を冷却するとともに、筒内の熱を吸収して過熱蒸気が発生するので、タービンを回す強力な動力源となる。従来のエンジンでは冷却を筒外で行っていたので冷却損失を有効利用できなかったが、筒内冷却型の断熱複合エンジンでは排気損失だけではなく冷却損失を含めたエネルギ損失を有効利用することができる。
このため、熱効率と出力が向上し燃費を改善することができ、ＣＯ２だけではなくＮＯＸやＰＭなどの有害物質も削減できる。また、過熱蒸気は洗浄能力が大きいため筒内や排気弁や排気系統を洗浄する効果もある。

以下、本発明の最良の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図１および図２に示す断熱複合エンジンは、ピストン１とシリンダ２と吸気弁６と排気弁７を有する通常の直噴式４サイクルエンジンに水または蒸気噴射ノズル５と排気エネルギ回収装置９を取り付け、シリンダ２とシリンダヘッド３を断熱にしたものである。図１はその断面構造であり、図２は４気筒４サイクルエンジンと排気エネルギ回収装置９の主要部分を示した平面断面構造図である。この図では排気系は２バルブ方式でタービンは２気筒当たり１基となっているが、１気筒当たり１基でも多気筒当たり１基でもよい。

排気エネルギ回収装置９はタービン１０とコンプレッサ１１と小歯車１２とそれぞれを繋ぐ軸１３と軸受１４とケーシング１５で構成され、タービンの駆動力が小歯車１２から歯車列１６で減速しフライホイール１７に伝達される。タービンは排気エネルギをできるだけ冷やさないよう効率よく回収するため、できるだけ排気弁７に近づけて取り付ける構造にする。また、タービンの種類はラジアルタービンでも軸流タービンでもどちらでもよい。

熱エネルギのうち動力に変換されなかった廃熱をできるだけ筒外に放出させないで有効利用するため、シリンダ２とシリンダヘッド３などを断熱材８で覆う。

水または蒸気噴射ノズル５は上死点からストロークの４分の３近傍に取り付けられ、ピストン１が噴射ノズル下端位置を通過した直後か、またはピストン１が下死点の時に水または蒸気を噴射するようになっている。筒外温度および排気ガス温度によって適量の水または蒸気が噴霧されるようになっている。

蒸気を発生させるには、タービン出口側の排気管の外周に小径パイプを巻き付けこのパイプに水を通したり、排気管を覆って二重管にし外側の管に水を通したりすることにより容易に発生させることができる。 温度管理は小径パイプまたは二重管の出口近傍に温度計を取り付け、送水量を制御して行う。また、タービン出口側を冷やすことによりタービン効率と出力が向上し、さらに排気ガスの圧力と体積が減少するため、消音装置（図示なし）は同出力の通常のエンジンに比べ小規模で済む。

燃料噴射方式はディーゼルエンジンの場合は通常の燃料噴射ノズル４でよく、ガソリンエンジンの場合は通常の筒内直噴方式のほか吸気管内噴射方式またはキャブレタ方式でも適用可能である。

図３は通常の４サイクルエンジンの吸入、圧縮、膨張、排気の各行程と排気行程に水または蒸気噴射行程を加えた作動状態図である。丸１は吸入、丸２は吸入完了、丸３は圧縮、丸４は燃料噴射し膨張開始、丸５は排気開始、丸６は排気と水または蒸気噴射と筒内冷却開始、丸７は排気と筒内冷却と過熱蒸気発生、丸８は排気完了で丸１から丸８までの行程で２回転し４サイクルが完了する。

図４は吸入、圧縮、爆発・膨張、排気・筒内冷却の各行程に対する吸入弁、排気弁、燃料噴射、水または蒸気噴射の作動タイミングを示した線図である。膨張行程が４分の３程度過ぎた付近で排気弁を開け、燃焼圧力が未だ高く勢いのある排気ガスをタービンに勢いよく吹きかけ、筒内圧力が下がってきたピストンの下死点付近で水または蒸気を噴射すると噴射圧力が小さくて済み、さらにシリンダ壁面に沿って噴射するとより効果的にシリンダ壁面の温度を下げられ、排気ガスの熱エネルギを余り奪うことなくシリンダ壁面から吸熱し過熱蒸気を発生することができる。
なお、行程番号は図３の作動状態の番号と一致する。

図５は断熱複合エンジンの別の一例である。排気弁２７と掃気孔２６を有する容積型断熱エンジンと排気エネルギ回収装置を組み合わせたもので、排気エネルギ回収装置は図２のものと同じである。容積型断熱エンジンの構造はユニフロー式２サイクルエンジンに似ているが、通常の２サイクルエンジンとの違いは、２回転に１回燃料噴射ノズル２４から燃料を噴射すること、掃排気行程が２回あり、そのため排気弁２７を２回開けられるようカム２９に山を２つ設けてあること、筒内冷却するための蒸気または圧縮空気噴射ノズル２５がシリンダヘッド２３に取り付けてあることである。

１回目の掃排気行程で排気ガスと筒内の廃熱を吸収し膨張した空気が発生し、ピストン２１が上死点に達すると蒸気または圧縮空気が噴射されピストンの下降とともに筒内の残留廃熱を吸収し過熱蒸気または膨張空気が発生する。１回目の掃排気行程の排気ガスと膨張空気と、２回目の掃排気行程の過熱蒸気または膨張空気を、ピストンが行程の４分の３程度下降したところで排気弁２７を開きタービン２０に吹き付ける。
なお、ガソリンエンジンに適用する場合は燃料筒内直噴方式に限られる。

図６は排気弁用のカムの形状図である。形状の異なる山が２つあり、２回の掃排気行程を設定したタイミングで行うような形状になっている。クランクシャフト２回転に対しカムシャフト１回転で１過程が終了する。
なお、カムの外周の番号は図７の作動状態の番号と位置関係においてほぼ一致する。

図７は掃気、圧縮、燃料噴射・爆発・膨張、掃排気、蒸気または圧縮空気噴射、排気の各行程を示す作動状態図である。丸１は排気・掃気、 丸２は圧縮、 丸３は燃料噴射・爆発、 丸４は排気開始、 丸５は掃気、 丸６は掃排気、 丸７蒸気または圧縮空気噴射 丸８は排気で丸１から丸８までの行程で２回転し１過程が終了する。

図８は掃気、圧縮、燃料噴射・爆発・膨張、掃排気、蒸気または圧縮空気噴射、排気のタイミングを示した線図である。
なお、行程番号は図７の作動状態の番号と一致する。

本発明の実施形態を示す筒内冷却方式断熱複合エンジンの断面図 筒内冷却方式断熱複合エンジンの主要部分平面断面図 吸気から排気までの各行程の作動状態図 吸気弁と排気弁と燃料噴射と水または蒸気噴射のタイミング線図 本発明の別の実施形態を示す筒内冷却方式断熱複合エンジンの断面図 排気弁用の２山を有するカム形状図 掃気から排気までの各行程の作動状態図 掃気孔と排気弁と燃料噴射と蒸気または圧縮空気噴射のタイミング線図

符号の説明

１，２１・・・ピストン
２，２２・・・シリンダ
３，２３・・・シリンダヘッド
４，２４・・・燃料噴射ノズル
５，２５・・・水または蒸気または圧縮空気噴射ノズル
６・・・吸入弁
２６・・・掃気孔
７，２７・・・排気弁
８，２８・・・断熱材
９・・・排気エネルギ回収装置
１０，２０・・・タービン
１１・・・コンプレッサ
１２・・・小歯車
１３・・・軸
１４・・・軸受
１５・・・ケーシング
１６・・・歯車列
１７・・・フライホイール

Claims (1)

1. シリンダまたはシリンダヘッドに筒内を冷却するための水または蒸気または圧縮空気を噴射するノズルを取り付けた容積型断熱エンジンと、排気行程において水または蒸気または圧縮空気の噴射によって筒内の熱を吸収して得られる過熱蒸気または膨張空気と排気ガスを動力源とする排気エネルギ回収装置から構成される断熱複合エンジン。
   

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