JP2010151064A - 複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空気機関と蒸気機関と内燃機関とを複合化した複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンを提供すること。
【解決手段】複合コンバインドサイクルのハイブリッドレシプロ（往復動）エンジンにおいて、内燃機関の機能を果たす部分５３の駆動軸５４上に空気圧縮機５１の駆動軸５５が併設され、前記空気圧縮機５１の吸気側と吐出し側に空気蓄圧容器４５と切替弁が連通された複合機関であり、加速時には前記内燃機関の機能を果たす部分５３を４サイクルとしてそのまま用い、ブレーキ時には前記空気圧縮機５１を２サイクルの空気圧縮機としてバルブ開閉制御を行い蓄圧し、加速時には前記空気圧縮機５１を駆動モータとして併用し、ブレーキ時は蓄圧して運動エネルギーを変換する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排熱で蒸気機関を駆動する複合（コンパインド）サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンに関するものである。

まず、従来の内燃機関について説明する。

図４は従来の４サイクルレシプロエンジンの模式図である。

この図において、１０１は燃料管、１０２は吸気管、１０３は排気管、１０４はシリンダ、１０５はシリンダ１０４内を往復運動するピストン、１０６は吸気管１０２からシリンダ１０４内に吸気を行う吸気サイクル、１０７はピストン１０５によりシリンダ１０４内を圧縮する圧縮サイクル、１０８はシリンダ１０４内での爆発を起こす爆発サイクル、１０９は排気管１０３へと排気を行う排気サイクル、１１０はこの４サイクルエンジンの駆動軸を示している。

図５は従来の２サイクル空気圧縮機の模式図である。

この図において、２０１は吸気管、２０２は空気蓄圧タンク、２０３はシリンダ、２０４はシリンダ２０３内を往復運動するピストン、２０５は吸気管２０１からシリンダ２０３内に吸気を行う吸気サイクル、２０６はピストン２０４によりシリンダ２０３内を圧縮する圧縮サイクル、２０７は吸気管２０１からシリンダ２０３内に吸気を行う吸気サイクル、２０８はピストン２０４によりシリンダ２０３内を圧縮する圧縮サイクル、２０９はこの２サイクル空気圧縮機の駆動軸を示している。

従来の内燃機関は、
（１）内燃機関の動力費と償却費は、充電池や燃料電池に比べ、２桁以上に安い（例：０．３万円／ｋＷ）。

したがって、現代の交通機関である自動車や鉄道、船舶などの動力源として、内燃機関が広く普及している。
（２）内燃機関の吸気・圧縮・爆発・排気の４サイクルの行程で、高温・中圧の排気ガスが生じる。
（３）排気ガスには、温室効果ガスが含まれ、地球温暖化の主要な原因の一つとなっている。
（４）次代の動力源として残り続けるには、大幅な高効率化や低公害化を安価に実現する必要がある。
（５）ディーゼル機関は圧力が０−１．６ＭＰａ、空気圧縮時の気体温度は１５０℃、ＰＶ^K ＝一定の条件で、爆発時の圧力は６−８ＭＰａ、排気ガス温度（圧縮上死点温度）は８００℃程度である。

なお、昨今では、エネルギーの回生を油圧で行うようにした液圧式変速装置（下記特許文献１参照）や、エネルギーの回生をモーターで行うようにしたハイブリッド車両の制動装置（下記特許文献２参照）などが提案されている。
特開平９−００４７０９号公報 特開２００６−００２６６７号公報

しかしながら、従来の内燃機関の課題（回生ブレーキ及び省エネルギーの面）として以下の事項が挙げられる。
（１）従来の内燃機関のみでは一層の省エネルギー化が困難である。内燃機関単独で回生ブレーキとして用いることもできない。
（２）電気的な回生ブレーキを併用する方法では、高価で短寿命の充電池や高価な電力変換機（インバータ）、電動発電機を要する。
（３）公共交通などの充放電サイクル数の多い用途は、電池寿命が短くなり（１０万Ｃ１年）、投資効果が出ない。
（４）従来の油圧や空圧の蓄圧方式では効率が低く重量が嵩み、重くなり、また、大きな圧力容器を車両に大量に搭載する必要がある。
（５）従来の蓄圧方式では、容量が少ないので、長距離区間を連続走行することができない。

次いで、内燃機関の最新動向について概観する。
（１）現代のディーゼル機関では、脱硫された燃料、１８０ＭＰａ以上の高圧のコモンレール、１サイクルの爆発行程で少量燃料の高圧多段噴射による連続的な噴射そして触媒とを特徴とする、クリーンディーゼルが普及している。
（２）超高価で超短寿 の燃料電池車の実用化が遠のき、一方でクリーンディーゼルエンジンとその将来性が見直されてきている。
（３）小型の自家用車では、ガソリンエンジンと蓄電池とのハイブリッド化が少しずつ普及し始めてきた。
（４）大型車では空気圧縮式の排気ブレーキが普及している。
（５）蓄電池式以外では、蓄圧式のハイブリッド車（純蓄圧式バス）、蒸気式自動車などの研究開発も行われているが、未だ不十分である。

従来は、内燃機関、古典的な圧縮空気機関、古典的な蒸気機関がそれぞれ単独で部分的に使用されており、新概念の圧縮機関と新概念の蒸気機関と内燃機関とを複合化したエンジンは無かった。

本発明は、上記状況に鑑みて、省エネルギー化と低公害化を図るために、圧縮空気機関と蒸気機関と内燃機関とを複合化した複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンにおいて、内燃機関の駆動軸上に空気圧縮機の駆動軸が併設され、前記空気圧縮機の吸気側と吐出し側に空気蓄圧容器と切替弁が連通された複合機関であり、加速時には前記内燃機関を４サイクルとしてそのまま用い、ブレーキ時には前記空気圧縮機を２サイクルの空気圧縮機としてバルブ開閉制御を行い蓄圧し、前記内燃機関の予熱で保温し、再加速時には圧縮した空気を噴射し前記空気圧縮機を駆動モータとして併用し、ブレーキ時は断熱蓄圧して運動エネルギーを変換することを特徴とする。

〔２〕複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンにおいて、４サイクルエンジンに２サイクルの空気圧縮機を加えた６サイクルとし、通常走行が４サイクルエンジン、ブレーキ時が２サイクル空気圧縮機とし、加速時には６サイクル複合エンジンにサイクルを切り換えることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンにおいて、前記空気蓄圧容器の吐出し側に逆止弁を介して高温コモンレール空圧容器と排気ガス管を隔壁配置し、高温壁面に微量の水滴を多段に噴射制御し、コンプレッサーモータで排気ガスが有する熱エネルギーを瞬時に回収し、超高圧蒸気を生成することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）内燃機関の基本構成のままで、蓄圧した動力によるハイブリッド駆動化が可能である。よって、電気装置が無いので低コストで長寿命である。

（２）充放電サイクル寿命に無縁である。よって、事業用の車両や公共交通機関の車両に適する。

（３）自然界に豊富にある空気と水と排気ガスの熱エネルギーを併用するだけである。

（４）ベースロードに内燃機関、加減速に空気圧縮機（コンプレッサモータ）を併用することで、大幅な省エネ化や低公害化が可能である。

（５）ブレーキエネルギーを用いるためコンプレッサー動力費が不用である。自転車ならコンプレッサーモータのみで可能である。

（６）未解明の新技術開発要素が無く、実用化が容易である。よって、日本や欧米に加え、自動車の増加が著しい中国・インド・ブラジルなどの発展途上の国々にも適用が容易である。

本発明の複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンは、内燃機関の駆動軸上に空気圧縮機の駆動軸が併設され、前記空気圧縮機の吸気側と吐出し側に空気蓄圧容器と切替弁が連通された複合機関であり、加速時には前記内燃機関を４サイクルとしてそのまま用い、ブレーキ時には前記空気圧縮機を２サイクルの空気圧縮機としてバルブ開閉制御を行い蓄圧し、加速時には前記空気圧縮機を駆動用コンプレッサーモータとして併用し、ブレーキ時は運動エネルギーを圧力に変換し再蓄圧するようにしたものである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明の原理について説明する。
（１）水１ｃｃ蒸発で体積は１７００倍となる。水の臨界温度は３７１℃、臨界圧力は２１Ｍｐａである。内燃機関の排気温度は４００℃、加熱蒸気２７３℃で体積３４００倍。さらに６５０℃なら３４Ｍｐａの高圧蒸気の生成も可であり、加熱蒸気の圧力は内燃機関の爆発時の圧力よりも超高圧にすることが可能である。
（２）従って、燃焼ガスに面した高温管壁面に微小な水の噴霧制御を行うことにより、必要量の加熱水蒸気の瞬時生成が可能である。
（３）ブレーキ時に空気圧縮機として蓄圧蓄エネルギー化を行う。加速時にコンプレッサ駆動併用する。これにより、平坦区間のＤＭＵ（気動車：ディーゼル・マルチプル・ユニット）では機関蓄圧による回生ブレーキのエネルギー効率が３３％程度となる。
（４）排気ガスの廃熱回収と高圧の加熱蒸気噴霧併用を併用する。これにより、内燃機関の熱効率はさらに１５％向上する。したがって、（３）と合わせると５０％超の効率向上が期待できる。

まず、本発明の複合化エンジンについて説明する。

図１は本発明の実施例を示す要素としての内燃機関と空気圧縮機と廃熱による蒸気機関との複合化レシプロエンジンの模式図である。

この図において、１は燃料管、２は空気コモンレール、３は内燃機関吸気管、４は空気蓄圧タンク（空気蓄圧容器）、５は高温コモンレール空圧容器（高温空圧コモンレール）、６は排気管、７は空気圧縮機のシリンダ、８はシリンダ７内を往復運動する内燃機関ピストン、９はクランク、９Ａはクランクシャフト、１０はコンロッド、１１は内燃機関吸気管３から空気圧縮機のシリンダ７内に吸気を行う吸気サイクル、１２は内燃機関ピストン８によりシリンダ７内を圧縮し、着火直前の圧縮サイクルであり、ここでは、空気コモンレール２へと接続されている。１３は空気圧縮機のシリンダ７内での膨張サイクルであり、空気圧タンクから高温空圧コモンレール５を介してシリンダへと接続されている。この時、微量の水が噴射され、高圧蒸気がつくられる。１４はコンプレッサーの排気管６へと排気を行う排気サイクル、１５はこの複合化エンジンの駆動軸を示している。

図２は本発明の実施例を示す要素としての空気圧縮動力機の模式図である。

この図において、２１は給水管、２２は吸気管、２３は空気蓄圧タンク（空気蓄圧容器）、２４は高温コモンレール空圧容器（高温空圧コモンレール）、２５は高温排気管、２６は低温排気管、２７はシリンダ、２８はシリンダ２７内を往復運動するピストン、３１は吸気管２２からシリンダ２７内に吸気を行う吸気サイクル、３２は空気蓄圧タンク２３に接続され圧縮・制動を行う圧縮・制動サイクル、３３は給水管２１及び高温空圧コモンレール２４に接続される膨張・駆動サイクル、３４は低温排気管２６に接続される排気・駆動を行う排気・駆動サイクル、３５はこの空気圧縮動力機の駆動軸である。

なお、一般的なコモンレール蓄圧式噴射システムとは、ディーセルエンジンの燃料噴射装置の形式であり、燃料を規定の圧力で保持した容器（レール）があり、供給ラインがレールから各インジェクタに通じるようになっている。一方、本発明では空気についてもコモンレールを有している。

図３は本発明の実施例を示す複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンの模式図である。

この図において、４１は燃料管、４２は燃料コモンレール、４３は給水管、４４は吸気管、４５は空気蓄圧タンク（空気蓄圧容器）、４６は高温コモンレール空圧容器（高温空圧コモンレール）、４７は高温排気管、４８はドレン回収を行う低温排気管、５１は空気圧縮機の機能を果たす部分（空気圧縮動力機の機能を果たす部分）、５２は内燃機関及び空気圧縮機兼用の機能を果たす部分、５３は内燃機関の機能を果たす部分、５４はこの複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンの駆動軸を示している。

このように、本発明の複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンは、内燃機関の機能を果たす部分５３の駆動軸５４上に空気圧縮機５１の駆動軸５５が併設され、前記空気圧縮機５１の吸気側と吐出し側に空気蓄圧タンク４５と切替弁が連通された複合機関であり、加速時には前記内燃機関の機能を果たす部分５３を４サイクルとしてそのまま用い、ブレーキ時には前記空気圧縮機５１を２サイクルの空気圧縮機としてバルブ開閉制御を行い蓄圧し、加速時には前記空気圧縮機５１を駆動モータとして併用し、ブレーキ時は蓄圧して運動エネルギーを変換することを特徴とする。

ここで、さらにコモンレールについて説明する。

コモンレールシステムとは、現代のディーゼルエンジンにおいて代表的な省エネルギー・低公害技術であり、コモンレールシステムの構成は、高圧化するためのサプライポンプ（高圧化）、コモンレール（蓄圧容器）、インジェクタ（噴射弁）のピエゾインジェクタ（ピエゾ式燃料噴射装置）と、燃料を多段に微小噴射制御するためのＥＤＵとＥＣＵ（電子制御）の５つから成り立っている。

コモンレールシステムの動作は、内燃機関（エンジン）のシリンダー内に対し、コモンレール内の高圧の燃料を、噴射制御して微量の燃料を多段に噴射する。排気改善のために、爆発工程の中での噴射量と噴射回数を適切に制御する。

コモンレールシステムの効果は、エンジン回転数に関係なく出力軸から補機駆動して最適な燃料噴射制御を行うことが可能になり、僅かな燃料でも空気にまんべんなく混合し、多段に小爆発を連続させることが可能になり、燃料が効率よく多段に爆発燃焼するため、排ガス中のＰＭ（すす）が少なく、衝撃や騒音や振動が低減し、高出力化や高トルク化が容易になり、その結果として二酸化炭素の排出量が低減する。

次に、従来の内燃機関の限界について説明する。

現代のコモンレール式ディーゼルエンジンは、従来のディーゼルエンジンに比べ、大幅な性能向上と、二酸化炭素やＳＰＭ（微細な有害スス）の排出量の大幅な低減とが両立された。しかし、一層の性能向上と二酸化炭素量の排出の低減のためには、エンジン自体の更なる革新しか考えられず、これに高価な電気的ハイブリッド化を併用する方法しかないと考えられていた。

次に、本発明の着眼点について説明する。

本発明では、無駄に捨てられている内燃機関の排気ガスの熱エネルギーの大きさに着目し、これに蒸気機関車で用いられた加熱蒸気の特性の活用法を検討し、ブレーキ時に蓄圧する省エネルギー方法とコモンレールというディーゼルエンジンの噴射技術とを併用する方法を提案し、全体システムの構成も提案した。

次に、従来のものと本発明とのコストについて説明する。

エンジンを空気圧縮機（コンプレッサー）にバルブタイミングの制御で用途変更するため、電気的制御部、そして水を高圧微小噴射するためコモンレールシステム、すなわち水タンク、水用コモンレール（高圧容器や配管）、同噴射装置、同インジェクタ（例えば、ピエゾ式噴射部）、同制御演算部、そして高圧空気を噴射するためのコモンレールシステム、すなわち高圧空気用コモンレール（高圧容器や配管）、同切替弁、同制御演算器など。これら全ての量産価格が２０〜４０万円程度と考える。従って、プリウスなどの電気的ナハイブリッド（５０万円程度）に比べて安価であり、特に事業用大型車の場合の蓄電池寿命やインバータや電動発電機などの電気的ハイブリッド駆動システムでの価格高騰に比べ、半減以下までの削減が期待できる。

また、自転車などのように最高速度が低く、エネルギーの短時間の入出力を要する用途には、空気圧用のみでも同様の効果を得ることができる。この場合の構成としては、クランク軸から後輪の車軸にコンプレッサーモーターを併設し、自転車のパイプフレームを蓄圧容器とし、ブレーキレバーに回生用の弁のレバーを連動させ、ギヤ切り替えレバーに駆動用の弁のレバーを連動させる。

このように構成することにより、蓄圧式ブレーキとなり、必要な時に駆動力を短時間だけ追加することも可能になる。ポンプ等の価格は電池式に比べて安く、寿命も長い。

次に、高温コモンレール空圧容器と切替弁について説明する。

（１）ブレーキ時にエンジンをコンプレッサーとして蓄圧する時の空圧用コモンレール（圧力容器）の圧力は、断熱の場合に１．６ＭＰａ（１５０℃）程度である。これだけでは、力不足であり、温度が下がると一層圧力も低下する。そこで、排気ガスの廃熱を用いて加熱し、さらに加熱された壁面に微量の水を多段に噴射することで、瞬時に効率良く高圧の加熱水蒸気を生成する。これを蓄える小さな容器を高圧用のコモンレールとする。高圧の加熱水蒸気用である。

（２）この高圧の加熱水蒸気の噴射制御は、シリンダー上部のタペット弁を用いる。その方式を問わないが、もしもエンジンと共用する場合には、４サイクルエンジン用と２サイクル圧縮機との用途切替可能な電磁弁となる。

次に、水滴の回収について説明する。

水滴の回収は必須ではない。ただし、炭化水素化合物の燃料では爆発燃焼後の排気ガスに水蒸気が含まれている。従って、内燃機関の排ガスや、コンプレッサーモーターの排ガスを熱交換し、その後の冷えた排ガスが冷やされると排気管の壁面に水滴が生成する。これを容器に蓄え、ろ過することで、加熱蒸気用として噴射する水に流用できる。

このように構成することにより、水の補充回数を低減することが期待できる。このような目的のため、配管上で回収する場所は、最も後段の排気口近傍の容器となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンは、省エネルギーであり、かつ低公害であるエンジンとして利用可能である。

本発明の実施例を示す要素としての内燃機関と空気圧縮機と廃熱による蒸気機関との複合化レシプロエンジンの模式図である。 本発明の実施例を示す要素としての空気圧縮動力機の模式図である。 本発明の実施例を示す複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンの模式図である。 従来の４サイクルレシプロエンジンの模式図である。 従来の２サイクルレシプロ空気圧縮機の模式図である。

符号の説明

１，４１ 燃料管
２，４２ 燃料コモンレール
３ 内燃機械吸気管
２２，４４ 吸気管
４，２３，４５ 空気蓄圧タンク（空気蓄圧容器）
５，２４，４６ 高温コモンレール空圧容器（高温空圧コモンレール）
６ 排気管
７，２７ シリンダ
８ 内燃機関ピストン
２８ ピストン
９ クランク
９Ａ クランクシャフト
１０ コンロッド
１１，３１ 吸気サイクル
１２ 圧縮サイクル
１３ 爆発サイクル
１４ 排気サイクル
２１，４３ 給水管
２５，４７ 高温排気管
２６，４８ 低温排気管
３２ 圧縮・制動サイクル
３３ 膨張・駆動サイクル
３４ 排気・駆動サイクル
３５ 空気圧縮機の駆動軸
４７ 高温排気管
４８ 低温排気管
５１ 空気圧縮機（空気圧縮動力機）の機能を果たす部分
５２ 内燃機関及び空気圧縮機兼用の機能を果たす部分
５３ 内燃機関の機能を果たす部分
１５，５４ 内燃機関の駆動軸
５５ 空気圧縮機の駆動軸

Claims (3)

1. 内燃機関の駆動軸上に空気圧縮機の駆動軸が併設され、前記空気圧縮機の吸気側と吐出し側に空気蓄圧容器と切替弁が連通された複合機関であり、加速時には前記内燃機関を４サイクルとしてそのまま用い、ブレーキ時には前記空気圧縮機を２サイクルの空気圧縮機としてバルブ開閉制御を行い蓄圧し、前記内燃機関の予熱で保温し、再加速時には圧縮した空気を噴射し前記空気圧縮機を駆動モータとして併用し、ブレーキ時は断熱蓄圧して運動エネルギーを変換することを特徴とする複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジン。
2. ４サイクルエンジンに２サイクルの空気圧縮機を加えた６サイクルとし、通常走行が４サイクルエンジン、ブレーキ時が２サイクル空気圧縮機とし、加速時には６サイクル複合エンジンとしてサイクルを切り換えることを特徴とする複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジン。
3. 請求項１記載の複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジンにおいて、前記空気蓄圧容器の吐出し側に逆止弁を介して高温コモンレール空圧容器と排気ガス管を隔壁配置し、高温壁面に微量の水滴を多段に噴射制御し、コンプレッサーモータで排気ガスが有する熱エネルギーを瞬時に回収し、超高圧蒸気を生成することを特徴とする複合サイクル・ハイブリッドレシプロエンジン。

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