JP2010084547A

JP2010084547A - 水素専用６行程エンジン

Info

Publication number: JP2010084547A
Application number: JP2008252108A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Yamazaki; 知機山崎
Original assignee: NIPPON SUISO KK
Current assignee: NIPPON SUISO KK
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US20100077988A1

Abstract

【課題】燃料として水素を使用するエンジンは、著しい小出力と、ノッキングやバックファイヤーのために実用化の目処は立っていない。これを商業的に実用化できる高駆動で安定した自動車エンジンにするのが本発明の課題である。
【解決手段】２〜７気圧の高圧の水素と空気を当量宛予混合し、前記予混合気をあらかじめ冷空気で筒内を満たし、冷却した筒内に噴入させ、前記噴入気を圧縮、爆発させ、下部排気孔より排出し、残留廃ガスを上部排気孔より排出させることが出来る６行程により高出力を実現した水素専用６行程エンジンとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素を燃料とするレシプロ式エンジンで、水素専用６行程エンジンに関するものである。

燃料として水素を使用するエンジンは、著しい小出力と、ノッキングやバックファイヤーのために実用化の目処は立っていない。
特開平０５−２４００４９号公報

燃料として水素を使用するエンジンは、著しい小出力と、ノッキングやバックファイヤーのために実用化の目処は立っていない。これを商業的に実用化できる高駆動で安定した自動車エンジンにするのが本発明の課題である。

その第一は、水素の小出力の原因である総熱量の低さを考慮して、水素と空気を２〜７気圧の当量混合ガスとして筒内に圧入し、発生熱量をガソリンやプロパンなどに匹敵するようにする。

その第二は、水素の着火エネルギーが著しく低いことを考慮して、異状発火させぬように、筒内、特に筒内補機の温度を水素の発火温度以下にするように、筒内にエンジンオイル又はエマルジョンを高圧で噴霧し、静電気で前記補機に付着させる。

その第三は、水素の密閉容器中での燃焼速度は、音速と大体同速であるので火焔の形状は球形状と考えられ、効率的な仕事は超短時間に発揮されるのでピストンに対する圧力は、超短ストロークでボアの半径程度が最高と考えられる。その為、同一の仕事を期待する時は、ボアは従来ピストンの√２倍の大きさにし、回転数を多くする。

以上の３点から水素用エンジンは図１に示す６行程エンジンが必要となり、図２に示すように運転される。またこれらの補機としてインジェクタースパークプラグや、圧力ガス流体の予混合機、エンジンと同一のクランクシャフトを共有する水素用、空気用のコンプレッサーが必要である。

本発明は、空気と水素の両方を５〜７気圧に圧縮し、これを予混合して筒内に圧入、これを更にピストンで圧縮して爆発させ、動力を生み出す構造とした。

「水素専用６行程エンジンの説明」
図２の中心のエンジンブロック中の中心にあるのが６行程エンジンで、シリンダー１の中にピストン２が摺動自在に納まっており、上蓋部中心にインジェクタースパークプラグ３が取付けられている。

エンジン上蓋部の左にインテークマニホール４、右にエクゾーストマニホール５が取付けられ、それぞれにバルブ６・７が設けられている。ピストン２はコンロッド８により、クランクシャフト９に運動を伝達する。このエンジンは水素燃料の出力を上げるために総熱量を上げる必要から高圧の空気と高圧の水素の予混合ガスが必要である。

水素コンプレッサー４１は水素を５〜７気圧に圧縮して、ガス予混合機３３に送り込むためのもので、前記６行程エンジンのクランクシャフト９に連結している。

水素コンプレッサー４１は、本特許出願外の水素発生装置からの常圧（１気圧）の水素を吸入口４０より導入し、クランクシャフト９に伝結されたピストン１４により加圧し、高圧水素吐出口２０よりバルブ２７を経て水素ボンベ２６に貯留され、適時バルブ２７・２９を経てガス予混合機３３に入る。

空気コンプレッサー４２は、空気を５〜７気圧に加圧するためのもので、バルブ１９より空気を取り込み、ピストン１５により加圧し高圧の空気を得てバルブ２１より吐出させ、バルブ２８を経て空気ボンベ２５に貯留され、エンジンの運転の適時にバルブ２８・３０を経てガス予混合機３３に入る。

予混合された高圧の空気と高圧の水素は、ガス予混合機３３を出て圧力調整器３４に入り、ここでアクセルペタル３５からの信号によりＥＣＵより混合ガスと流量が決定され、バルブ６はＥＣＵの指示により開閉し、高圧の水素空気混合気がエンジンの筒内に送り込まれる。なお図２中の２２はトラップである。

インジェクタースパークプラグ３は、オイルタンク３６より送られたオイル又はエマルジョンを高圧力で静電気の雰囲気の下に筒内に噴霧し、筒内の温度を下げ、筒内壁並びに補機に静電吸着させ、これらを冷却し潤滑させ、図２に図中３７は、噴霧用のオイル又はエマルジョンの圧力調整用のバルブである。図中３１はエンジンの上部排気孔兼空気吸入孔の切換バルブである。図中３２は、切換バルブからの排気の流れを示している。

図２に示すガス予混合機３３は、図４に示すように円筒形又は角筒形等の管状体６１であり、この中に先端を釣り針状に曲げた遮蔽板６６・６７・６８・６９・７０を流量に応じて数板を交互に反対向きに取付けたものである。

矢印６２，６３のように水素と空気を当量宛入口６５・６４から圧入させると遮蔽板６６に当たり、点線の矢印７４のように反転し、次の遮蔽板６７に当たっても遮蔽板６７の先端で曲げられて、矢印７５のように反転するなどして水素と空気は次第に混合し、矢印７６・７２が混合を繰り返し、矢印７３となり、出口７１から矢印１０のように流れ出る時には全く均等に混ざっており、エンジンの中で安定した着火と爆発ができる。

図１のインジェクタースパークプラグ３は、図３の噴霧７６と図５の噴霧８１に示すようにエマルジョンを筒内に陽極の高い帯電性を持たせて噴霧し、エンジンブロック筒内壁並びに補機を冷却と潤滑の役割を果たし、なおかつ火花による筒内で圧縮された水素と空気の混合ガスに点火する役割を持っている。

図３のエンジンブロックのヘッド５９に取付けられ、陽極管５０の上部から矢印５３のようにエマルジョンが高圧で圧入される。図中５２はエマルジョンを高圧の帯電性を持たせて噴霧するためと、筒内の混合ガスに点火するスパークの電源としての高電圧タップである。

図中７８・７９は金属性の外殻で、絶縁性のセラミック８０・５６を囲んでいる。

陽極管５０の中心に金属製の棒状ニードル５７が設けられており、先端が針状になっていて弁の役割を果たす。磁性ニードルの上端に止め具６０がついている。棒状ニードル５７の上部の外側に管状の軟鉄心５５があり、棒状ニードル５７に副ってＥＣＵの指示によって継断するソレノイドコイル５４の磁力によって上下し、棒状ニードル５７の上端の止め具６０を叩いて、棒状ニードル５７を上下させ、弁を開閉させ、エマルジョンを下部先端より噴霧７６させる。

他方、高電圧タップにＥＣＵの指示によって高電圧がかけられる時は陽極管５０先端と、その囲りの陰極針５１の間でスパークが起こり、筒内の混合ガスが点火される。

「水素専用６行程エンジンの筒内システムの説明」
本発明は、水素を燃料とするレシプロ式エンジンに関するものである。

レシプロ式エンジンは、水素の総発熱量が低いことから、炭化水素系と比べると著しく出力が小さい。このため、水素を同じ容量のシリンダーで使用する場合は、水素と空気の両方の圧力を高めて、総発熱量の劣位を補わなければならない。

また、水素の火焔伝達速度が音速に近いことから、その出力は一瞬の間のことで、その間に爆発力を動力に変換しなければならないので、短いストロークのクランクを定めなければならない。

また水素の着火のエネルギーは、他のガスと比べると非常に小さい。また気化潜熱もない。つまり着火し易いという事で、少しでも着火原因があると異状着火が起こり、ノックやバックファイヤーの原因となり、出力が大幅に減少する。よって、筒内の着火原因要件を管理しなければならない。

また水素には、潤滑物質が全くないために、筒内補機の摩擦摩耗に配慮しなければならない。

以上の点を配慮して本発明は６行程エンジンとした。

本発明の６サイクルエンジンを図５に基づいて説明する。

「第一行程」（冷却吸入行程）
前述の爆発工程における熱気を冷却するため、エクゾーストマニホール５より冷気８２を引き込み、さらに上蓋部のインジェクタースパークプラグ３よりプラスの静電気を帯びたエマルジョン８１を噴射させ、これをマイナスの静電気を帯びた筒内壁並びに筒内補機に吸着、冷却させ、筒内を空気で満たす。このときピストン２は矢印８３のように下方に移り、下死点に至る。このときピストン２の上部は下部排気孔８５を開き、筒内冷却のための余分の空気を排出する。

「第二行程」（混合気圧入行程）
下死点に至ったピストン２はクランク９の回転８６に伴って矢印８７のように上昇を始め、下部排気孔８５・９０とエクゾーストマニホール５を閉じた時、上部にインテークマニホール４より２〜７気圧の水素空気混合気を、図２の高速ガス混合機３３から圧力調整弁３４を経て取り込み、アクセルペダル３５よりＥＣＵの指示による圧力で筒内を満たす。

「第三行程」（圧縮行程）
冷空気と水素空気の混合気９５は矢印８８に示すようにピストン２で圧縮され、次第に高圧となる。

「第四行程」（爆発行程）
ピストン２が上死点付近に達した時、インジェクタースパークプラグ３の図３の陽極管５０にＥＣＵからの指示の電圧が掛かり、図３の陰極針５１との間のスパークで混合気９５は点火され、爆発、膨張８９してピストン２を強く矢印９９方向に押し下げ、クランクシャフト９を回転させて動力を発生させる。

「第五行程」（排気行程）
爆発、膨張したガスは下方排気孔８５・９０から、矢印９１・９２の方向に排出し、消音装置に向かう。

「第六行程」（掃気行程）
シリンダー１内に残った熱排気９８は全排気量の１０〜１５分の１程度であるが、未だ余熱を持っているので、ピストン２を矢印９４方向に上昇させてバルブ７を開いて、矢印９３のように筒内から除去する。

熱排気を一掃した後、同じエクゾーストマニホール５より冷空気をシリンダー１内に吸入させるように、排気と吸気をスイッチさせる。図２の切換バルブ３１がその役割を果たし、矢印９３が熱排気の流れであり、冷空気９５が吸入空気の流れを示している。

このようにして第６行程より元の第１行程に帰り、運転は加速続行される。

本発明は、地球の温暖化を防止するために、水素を燃料とする水素専用６行程エンジンであるが、他の気体を燃料とするエンジンにも応用できる。

本発明の１本のクランクシャフトでエンジンと空気圧縮ポンプを作動させている縦断面図である。本発明の全体のシステムを説明する図である。本発明のインジェクタースパークプラグの縦断面図である。本発明のガス予混合機の縦断面図である。本発明の水素専用６行程エンジンの各行程を説明した縦断面図である。

符号の説明

１シリンダー
２ピストン
３インジェクタースパークプラグ
４インテークマニホール
５エクゾーストマニホール
２５空気ボンベ
２６水素ボンベ
３３ガス予混合機

Claims

２〜７気圧の高圧の水素と空気を当量宛予混合し、前記予混合気をあらかじめ冷空気で筒内を満たし、冷却した筒内に噴入させ、前記噴入気と共に、これを圧縮、爆発させ、下部排気孔より排出し、残留廃ガスを上部排気孔より排出させることが出来る６行程により高出力を実現した水素専用６行程エンジン。
第一行程の冷気吸入段階で上蓋部に設けたインジェクタースパークプラグより、オイル又はエマルジョンを高圧でプラスの静電気を帯電させて噴霧することにより、マイナス極の筒内壁並びに上蓋部補機に吸着させ、冷却し潤滑する水素専用６行程エンジン。
下端に噴射孔を持つ中空の金属管の中に、先端がニードルピンを持つ金属棒を入れ、中空の金属管とニードルピンをソレノイドコイルの磁気によって上下する軟鉄管で金属棒端の止め金を叩くことによりニードルピンを上下開閉させ、金属管の上部より５０〜１００気圧で圧入されたオイル又はエマルジョンを筒内に噴霧させ、金属管の上部より陽極の高電圧をかけ、下部の陰極との間でＥＣＵの指示でスパークを発生させ、上蓋部の孔よりインジェクターとスパークプラグの機能を有するインジェクタースパークプラグを備える水素専用６行程エンジン。
円筒又は角筒などの管状体の中に、先端がつり針状に曲げられた遮蔽板を５〜１５枚取付け、つり針状に曲げられた部分を交互に反対向きに取付け、水素と空気を通す時前記つり針状の部分で反転し過流を生じさせ、次の遮蔽板では反対向きに過流が生じるようにした高速ガス混合機を備えた水素専用６行程エンジン。