JP2011208500A

JP2011208500A - 循環ガスハイブリッド機関

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Inventors: Masato Itohara; 正登糸原
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Abstract

【課題】内燃機関に対して同等以上の熱効率を実現し、環境保護、資源保護への貢献度が高い循環ガス機関の特徴を具備した新たな機関を提供する。
【解決手段】内燃機関部１０と、循環するガスを膨張して得られる高圧力の利用で出力を得る内圧機関部２０とを備えた循環ガスハイブリッド機関とする。内燃機関部１０は、ジーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ロータリエンジンのいずれでもよい。循環するガスは、炭酸ガス、窒素、アルゴン等が利用可能である。内燃機関部１０から排出される排出ガス及び／又は機関本体部６を冷却する冷却水と、内圧機関部２０に導入される循環ガスとの間で熱交換を行い、熱エネルギを有効活用する。複数の気筒の内の１つを、内圧機関部２０からの排出されるガスの残存圧力を利用する低圧内圧機関部５０とすることができる。あるいは循環するガスを加圧する圧縮部４０としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環式ガス内圧機関を利用する新しいタイプの循環ガスハイブリッド機関に関する。

資源・エネルギの節約、環境問題への対処から、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンなどのガス媒体を利用して出力を得る高圧循環式ガス機関が研究されている。高圧により圧縮され、好ましくは液化されたこれらガス媒体を加熱して膨張させ、この膨張エネルギでシリンダ内のピストンなどの作動子を動作させて出力を得るもので、本質的に無公害の駆動エネルギを提供し得るものと期待されている。

図４は、その一例として、特許文献１、２に開示された炭酸ガスをガス媒体として利用する循環式ガス機関１００の概要を示している。同図において、循環式ガス機関１００は、液体炭酸ガスを収納する初期タンク１０１、初期タンク１０１から導かれる液体炭酸ガスを循環式ガス機関１００からの排出炭酸ガスにより加熱する熱交換機１０２（両文献では排出炭酸ガス側を冷却する「冷却装置」と表示）、液体炭酸ガスの断熱膨張により駆動されるエンジン本体１０３、エンジン本体１０３からの排出炭酸ガスを圧送するポンプ１０４、圧送された炭酸ガスを回収する回収タンク１０５、回収された炭酸ガスを熱交換機１０２を通して冷却した後加圧する圧縮機１０６、圧縮された炭酸ガスを収納する循環タンク１０７、これらの間を結ぶ配管１０８とから主に構成されている。

以上のように構成された特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００の動作は、まず初期タンク１０１内に貯蔵された液体炭酸ガス（一部気体の炭酸ガスが混在）が配管１０８により熱交換器１０２に導かれ、後述する排出炭酸ガスとの間での熱交換により昇温、気化、膨張して高圧の炭酸ガスとなる。この高圧ガスをエンジン本体１０３に導入して、例えばシリンダ内のピストンなどの作動子を作動させ、通常のエンジンと同様にこれを回転力に変えることで出力を得る。エンジン本体１０３はロータリエンジンであってもよいとされる。エンジン本体１０３を駆動した後の排気ガス（炭酸ガス）は、まずポンプ１０４によって回収タンク１０５に導かれ、さらに熱交換器１０２に送られて、ここで相対的に低温の高圧炭酸ガスとの間で熱交換され、冷却される。冷却された炭酸ガスは圧縮機１０６に送られ、ここで約４０気圧に加圧された後に循環タンク１０７に送られ、ここで貯蔵される。以降のエンジン本体１０３の駆動には、この循環タンク１０７に貯蔵された炭酸ガスが主に循環して動作するものとなり、初期タンク１０１からは補充用の炭酸ガスのみが送られるようになる。ポンプ１０４と圧縮機１０６は、図の一点鎖線で示すようにエンジン本体１０３の回転駆動力がベルト等を介して伝達され、駆動される。なお、図４では説明の便宜上、各種切換えバルブ、濃度センサ、オイル分離装置などは省略している。

以上の構成によれば、地球上に無尽蔵に存在する炭酸ガスを利用しつつ、これを大気中に排出することなく循環して使用することができ、従来の内燃機関と比較して環境に優しく、また資源保護にも寄与する動力源を得ることができる。しかも、同特許文献には、内燃機関に劣らぬ出力が得られるものであるとしている。

特開２００８−２１５２７０号公報特開２００８−２９７９５６号公報

しかしながら、上記の例に示したような従来技術による循環式ガス機関には未だ改善の余地があった。例えば上記特許文献１、２に開示された図４に示す方式では、エンジン始動時の問題が想起され得る。初期タンク１０１のバルブを開いて炭酸ガスを供給して循環式ガス機関１００をスタートさせようとしても、スムーズな始動が可能であるのかは疑問が残る。始動時には排気炭酸ガスとの間の熱交換が十分に行われることがなく、エンジン始動に必要な炭酸ガスの十分な圧力上昇、膨張が得難い。また、圧縮機１０６による加圧も排出炭酸ガスの潤沢な供給が得られず、始動したとしても始動直後には初期タンク１０１からの多量な炭酸ガスの供給が必要になることが想定され得る。両文献には圧縮機１０９（図４参照）を設けて炭酸ガス圧縮による熱風ガスのエンジン本体１０３への供給によって体積膨張を効率化させることが記載されているが、始動直後には圧縮機１０９の駆動も十分とはいえず、熱風ガスの潤沢な供給は期し難い。したがって、エンジン始動時に初期タンク１０１のバルブを開くことのみでの始動となり、円滑な始動には困難が予想される。また、これを補助するためにセルモータが利用されるとしても、セルモータによる回転のみでは不十分とも考えられ、またかなり長時間回転させ続ける必要が生ずるものと思われるため、たとえこれによって始動性が改善されるとしても強力なセルモータと大容量のバッテリが必要となるなどの問題が想定される。

さらに、特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００では、定常運転に移行した後であっても、熱交換機１０２に用いられる加熱側の熱エネルギは、内燃機関とは異なって燃焼を全く伴わない単なる気体の膨張動作によって得られる低温ガスしか使用することができない。このため、熱交換に際してエンジン側に送り込む初期タンク１０１からの炭酸ガス、もしくは循環タンク１０７からの炭酸ガスを、エンジン本体１０３駆動に十分なほどに気化、膨張させるには必ずしも効率的とはならないなどの問題もある。

これらの諸問題は、特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００に限らず、従来技術において研究が進められている全ての循環式ガス機関についても同様に言えることである。以上より、本願発明は、上述したような従来技術における循環式ガス機関の問題点を解消し、従来の内燃機関に対して同等以上の熱効率を実現し、かつ、環境保護、資源保護への貢献度が高い循環ガス機関の特徴を実現し得る新たなハイブリッド技術を提供することを目的としている。

本発明は、循環式ガス機関の特徴を生かしつつ、内燃機関を利用したハイブリッド式の循環ガスハイブリッド機関とすることにより、従来の循環式ガス機関の弱点を補い、上記の課題を解消するもので、具体的には以下の内容を含む。なお、一般に「ハイブリッド機関（エンジン）」と言えば、自動車に普及しているような内燃機関と電気モータとの組合せに係るエンジンを意味することが多いが、本来の「ハイブリッド」とは凡そ「２つ以上の異質のものの組合せ」を意味しており、本明細書における「ハイブリッド」とは、特記ない限り上述したような循環式ガス機関と内燃機関との組合せを指すものとする。

本発明に係る１つの態様は、燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部と、循環するガスを加圧し膨張させて得られる高圧力を利用して出力を得る内圧機関部とを有することを特徴とする循環ガスハイブリッド機関に関する。

前記内燃機関部は、ジーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ロータリエンジンのいずれかにより構成することができる。また前記循環するガスは、炭酸ガス、窒素、アルゴンのいずれかとすることができる。

本発明に係る他の態様は、複数の気筒から構成される機関本体部であって前記複数の気筒の内の少なくとも一つの気筒が燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部から構成され、少なくとも他の一つの気筒が循環するガスを加圧、加熱して得られる高圧力を気筒内に導入して出力を得る内圧機関部とから構成される機関本体部と、前記内燃機関部に燃料を供給するための燃料供給系と、前記内圧機関部に循環ガスを供給するための、循環ガス貯蔵用初期タンク、循環ガス加熱装置、循環ガス圧縮装置を含む循環ガス供給系とから構成されることを特徴とする循環ガスハイブリッド機関に関する。

前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つの気筒を、前記内圧機関部からの排気ガスが有する残存圧力を導入して出力を得る低圧内圧機関部とすることができる。

前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つ気筒を、前記循環するガスを導入して加圧する圧縮機とし、当該圧縮機を前記循環ガス圧縮装置として機能させることができる。

前記循環ガス加熱装置として、前記内燃機関部から排出される排気ガスと前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う熱交換機を利用することができる。あるいは、前記機関本体部を冷却する冷却水と前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う調整タンクを利用してもよい。これら双方を利用することも可能である。

本発明に係るさらに他の態様は、動力源の発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もとくは動力源により生み出される電力によりモータを回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両であって、前記動力源を上述したいずれかの循環ガスハイブリッド機関としたことを特徴とする車両に関する。

本発明の実施により、従来の内燃機関に比べて低燃費、低排出ガスのエンジンを提供することができ、資源節約、環境保護に貢献することができる。また、従来の循環式ガス機関に比べて、始動性のよい、効率よく安定した出力の得られるエンジンを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関の構想図である。図１に示す循環ガスハイブリッド機関の他の態様を示す構想図である。本発明の他の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関の構想図である。従来技術における循環式ガス機関を示す説明図である。

以下、循環ガス機関（以下、「内圧機関」ともいう。）と内燃機関とを組合せた本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド機関（以下、「循環ガスハイブリッド機関」という。）について、図面を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１を示しており、図示の例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０の各１気筒を含む２気筒の機関にて構成されている。この内、内燃機関部１０は本実施の形態では４ストローク・ジーゼルエンジンを利用するが、これは２ストロークエンジンであっても、あるいはガソリンエンジンであってもよい。内燃機関部１０は、シリンダ１３と、シリンダ１３内でストロークするピストン１４と、ピストン１４の力を伝達するコンロッド１６と、コンロッド１６の上下運動を回転運動に変換するクランクシャフト１７とから主に構成される。さらに燃料系として、燃料タンク１１と、燃料タンク１１内の燃料を導いてこれを高圧でシリンダ１３内に噴射する燃料噴射ポンプ１２を含んでいる。シリンダ１３の周囲には冷却水路１８が巡らされ、冷却水が循環して燃焼に伴う発熱を冷却する。これらの構成は、従来技術によるジーゼルエンジンと同様である。また、これら以外の潤滑系を始めとする従来技術と同様の補記類については説明と表示を省略している。

本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、２気筒の内の他の１気筒を内圧機関部２０としている。ここで「内圧機関」とは、内燃機関に対応する用語として用いるもので、燃焼を伴わずに気体の膨張によって出力を得る機関を意味している。内圧機関部２０は、シリンダ２１と、シリンダ２１内でストロークするピストン２２と、ピストン２２の動きを内燃機関部１０と共通のクランクシャフト１７に伝達するコンロッド２３とを含む。これらの構成は、他方の気筒である内燃機関部１０のものと基本的に同様とすることができる。内圧機関部２０のシリンダ２１内には、循環式の高圧ガスが導入される。その構成として内圧機関部２０は、液化ガス（気体が混在してもよい）を収容する初期タンク３１と、初期タンク３１から導入される液化ガスを、後述する冷却水との間で熱交換する調整タンク３２と、さらに後述する内燃機関部１０からの排気熱を利用して液化ガスを気化、膨張させる熱交換器３３と、ピストン２２をストロークさせた後に排出される排出炭酸ガスを回収して加圧する圧縮機３４と、これらの間を結ぶ配管３５とを含んでいる。なお、説明の便宜上、本明細書では内燃機関部１０、内圧機関部２０を主体とする動力発生部分を機関本体部６と呼ぶものとする。

以上のように構成された本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、以下のように動作する。まず始動時では、図示の例では通常のジーゼルエンジンと同様な動作による始動が可能である。すなわち、ジーゼルエンジンである内燃機関部１０において、デコンプの操作により圧縮圧力を除いた状態で図示しないセルモータを動作させて循環ガスハイブリッド機関１を回転させ、回転後の慣性によりデコンブを閉じてシリンダ１３内を加圧し、燃料ポンプ１２から燃料をシリンダ１３内に噴射して発火させる。始動性の改善には、グロープラグなどの従来技術で知られた補器類が利用可能である。一旦内燃機関部１０の始動により機関本体部６が動作開始すると、共通のクランクシャフト１７を介して内圧機関部２０が動作を始め、両シリンダ１３、２１内にてそれぞれの機関部１０、２０が出力を発生する。

内燃機関部１０のピストン１４を動作させたシリンダ１３内の爆発ガスは、次のピストン１３の上昇ストロークにより排気弁を通してシリンダ１３外に排出される。本実施の形態では、排気ガスは高温のまま熱交換機３３に導かれ、同じく熱交換機３３に導入される液化ガス（もしくは、後述する循環ガス。以下、同。）との間での熱交換に利用される。熱交換の後に冷却された排気ガスは、その後図示のように大気に放出される。この間には、従来技術で知られた排気ガス浄化装置が備えられていても良い。また、機関本体部６の周囲を巡ってこれを冷却するための冷却水が冷却水路１８を通って循環し、その一部が調整タンク３２へと導かれる。

一方、循環ガスハイブリッド機関１の始動ボタンに連動して初期タンク３１のバルブが開かれ、収納された液化ガスが配管３５を介して調整タンク３２に導かれる。この調整タンク３２は、上述したように機関本体部６の冷却水の循環経路とつながっており、定常運転状態では１００℃を越える冷却水が導入されている。この高温冷却水と液化ガス（もしくは循環ガス）との間で熱交換が行われて、冷却水は低温の液化ガスに触れ、また一部液化ガスが気化する際に気化熱を奪われて冷却され（例えば８０℃まで低下）、循環して再度機関本体部６の冷却に回される。一方の液化ガスは、高温の冷却水によって温度が上昇し（例えば８０℃）、その一部は気化、膨張により加圧される（例えば１０ＭＰａ）。

調整タンク３２を通過した一部気体成分を含む液化ガスは、その後に熱交換機３３に導かれる。この熱交換機３３には、上述したように内燃機関部１０から排出される排気ガスが燃焼後の高温（運転の状況によるが、例えば数百℃）を保ったままで導入されており、この高熱との間で熱交換が行われる。ここで液化ガスは気化、膨張し、例えば３００〜４００℃、１５ＭＰａほどの高温、高圧ガスとなり、この高圧ガスが内圧機関部２０のシリンダ２１内に導入される。導入のタイミングはピストン２２が上死点に至る近傍であり、これは循環ガスハイブリッド機関１の回転数等に応じて適切に制御される。この高圧ガスの作用でピストン２２が押し下げられ、その力がコンロッド２３を介してクランクシャフト１７に伝達され、回転駆動力を発生させる。燃料の爆発を伴わない内圧機関部２０では、シリンダ２１内にあるガスをピストン２２の上昇ストロークにより圧縮する必要はない。したがい、上記の高圧ガスの噴射によるピストン２２の押し下げ動作は、ピストン２２が上死点に至る度に行うことができ、いわば内燃機関における２サイクルエンジンに相当する動作となる。これによって循環ガスハイブリッド機関１は、クランクシャフト１７が２回転する間に内燃機関部１０による爆発が１回、内圧機関部２０による噴射が２回と、計３回の出力発生を得るものとなる。

膨張した後の内圧動作ガスは、ピストン２２が下死点から上昇ストロークに転じた際に開く排気バルブを通過し、配管３２に導かれて圧縮機３４に至り、ここで加圧される。圧縮機３４は、例えば循環ガスハイブリッド機関１の回転軸との間をベルト３７などで結んで回転駆動力を得ることができる。加圧された内圧動作ガスは、例えば３００〜４００℃、１０ＭＰａの高温、高圧ガスとなり、この状態で調整タンク３２に導かれる。上述のように調整タンク３２には冷却水が循環しており、この冷却水との間で熱交換され、その後は上記サイクルを繰り返して循環される。この間、調整タンク３１につながる３ウェイバルブ３８は閉じられ、通常は循環ガスの方向のみが開かれて循環されるものとなる。ただし、図示しないセンサによって循環ガスの不足が検出された際には、初期タンク３１からの液化ガスが補填されるよう制御される。また圧力の関係で、循環ガスが初期タンク３１側に戻ることもある。また、循環ガスの温度が冷却水の温度よりも高いときに、調整タンク３２をバイパスさせるよう構成してもよい。

循環ガスハイブリッド機関１は、このようにして安定状態にて運転を継続するが、この間、内燃機関部１０においては従来技術におけるジーゼルエンジンと同様に機能し、燃料（軽油）を燃焼させることによって出力を得る一方、内圧機関部２０においては、循環ガスを循環させながら圧縮、膨張により出力を得る。循環ガスハイブリッド機関１の停止時には、これも従来のジーゼルエンジンと同様に、スイッチをオフに操作することで燃料噴射が停止し、あるいはデコンブを作用させてシリンダ１３内の圧縮圧力を逃がすことで内燃機関部１０が停止する。同じくスイッチオフと同時に、循環ガスの配管３５内のいずれかに配置されるバルブを閉じることでガスの循環が停止し、内圧機関部２０も停止する。なお、図面では省略しているが、機関出力の強弱を制御するため、内燃機関部１０ではシリンダ１３内に導入される燃料を調整するバルブ、内圧機関部２０ではシリンダ２１に導入される循環ガスを調整するバルブが設けられ、運転状況に応じて両バルブの開度が制御される。

従来技術によるジーゼルエンジンと比較したときの内燃機関部１０の利点は、従来では排気ガスをそのまま大気へ放出していたため、排気ガス中の熱エネルギは全て無駄に費やされていたのに対し、本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関ではこれを熱交換機３３に導入して有効利用を図り、さらに冷却水の有する熱エネルギをも調整タンク３２に導いて有効利用している点にある。但し循環ガスハイブリッド機関の仕様、利用する循環ガスの種類によっては、冷却水と排気ガスのいずれか一方の熱エネルギのみを利用することでもよい。

また特許文献１、２に開示された従来技術による内圧機関と比較したときの本実施の形態に係る内圧機関部１０の利点は、低温のままである循環ガスとの間の熱交換ではなく、ジーゼルエンジンの排気熱エネルギを利用した高温流体との間の熱交換が可能になることであり、これによって循環ガスをより高温、高圧にすることが可能となり、内圧機関部２０における高い膨張圧力により高出力を得ることが可能となる点にある。また、内燃機関部１０の熱量によって暖機運転の時間を短縮化することができる。

さらに、本実施の形態に係る内燃機関部１０と内圧機関部２０とを組み合わせたハイブリッド式の循環ガスハイブリッド機関１を従来技術と比較した場合、内圧機関のみとしたエンジンの場合の始動性の悪さ、効率の悪さを大幅に改善することができ、また内燃機関のみの２気筒エンジンに対しては燃料（軽油、あるいはガソリン）消費量を大幅（約半減）に低減することができ、資源の節約となるほか、排気ガス中に含まれる炭酸ガス、窒素化合物、塵埃などの大気への放出量を大幅（約半減）に低減することになる。本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１は、内燃機関部１０への燃料の供給と内圧機関部２０への循環ガスの供給との２系統の動力源供給システムを必要とするほかは、機関本体部６は従来のジーゼルエンジンの僅かな改造のみで実施することが可能である。この構成により、例えば内燃機関、内圧機関の一方が何らかの理由で停止した際においても、他方の機関を利用することで継続して出力を得ることができる。あるいは燃料をセーブするため、運転中において内燃機関の方を意図的に停止することも可能である。ただし、この際には内燃機関の排気ガス、冷却水のエネルギが減退するため、内圧機関の効率が順次低下することは避けられない。

なお、初期タンク３１は、耐圧ガスボンベから構成されるが、これは例えば炭酸ガスボンベなどが従来から利用されており、基本的にこれと同様に扱うことができる。但し、循環ガスハイブリッド機関１停止中においても安定状態を保つため、当該ボンベは断熱容器内に収め、必要に応じてバッテリを利用して一定温度に保つなどの対応を図ることも望まれる。

以上の内容に係る本実施の形態の循環ガスハイブリッド機関１には、幾つかのバリエーション、変更が考えられる。まず、上述したように、内燃機関部１０はジーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよく、また、この両者は２サイクル、４サイクルのいずれであってもよい。あるいは、レシプロエンジンの代わりにロータリエンジン（バンケル式など）とすることも可能である。この場合、上記記載中の「気筒」は１つのロータに対応した燃焼室の構成を意味し、例えば「２気筒」のエンジンとは「２ロータ」形式のエンジンを意味するものとする。さらに燃料噴射、循環ガス放出時における「シリンダ」は、ロータとロータハウジングの間に形成される燃焼室の内、圧縮過程にある燃焼室のことを意味するものとする。

内圧機関に利用される「循環ガス」は、一般に不活性ガスが使用されており、代表的なものとして炭酸ガス、窒素、アルゴンなどが考えられる。これらのガスにはそれぞれの特性を有しているため、循環の際の加圧圧力、温度、膨張などに関してはガスによって条件に差がある。上記説明における温度、圧力は、炭酸ガスを用いた場合の概要を示したものであるが、但し、温度、圧力等については使用状態に応じて変動するものであり、また本願発明が炭酸ガスの利用に限定されるものではない。

また、図１に示す例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０の構成を同様のものとして描いているが、この両者を必ずしも同一諸元とする必要はない。例えば両者のシリンダ１３、２１のボアを異なったものとすることができ、あるいはクランク１７の構造を変化させることで両者のピストン１４、２２のストロークに差異を設けることもできる。すなわち、内燃機関部１０、内圧機関部２０それぞれの条件を最適化させる諸元を独立して設定することができる。これによって生じ得る振動バランスの調整は、別の技術対策によって解決することが可能である。

図２は、図１に示す循環ガスハイブリッド機関１の変形となる本実施の形態に係る他の態様を示している。図２に示す循環ガスハイブリッド機関２は、３気筒から構成され、この内の左側からの順番で２番と３番は図１に示す２つの気筒の構成と同様である。すなわち、２番は内圧機関部１０、３番は内燃機関部２０を構成している。そして本態様における循環ガスハイブリッド機関２の１番には、圧縮機４０が追加されている。図１に示す例では、圧縮機３４は機関本体部６とは別途に設けられ、循環ガスハイブリッド機関１の回転力を伝達して回転駆動するものとしているが、図２に示す本態様ではこれを機関本体部７の内部に設けることにより全体の構造を簡略化している。圧縮機４０は、シリンダ４１、ピストン４２、コンロッド４３から主に構成され、コンロッド４３は新たに３気筒用とされたクランクシャフト１７ａと結ばれている。

このように構成された循環ガスハイブリッド機関２の動作は基本的に図１に示す循環ガスハイブリッド機関１と同様であるが、回転時に内燃機関部１０、内圧機関部２０の動力系によって駆動されたクランクシャフト１７ａが、圧縮機４０を動作させる点が相違している。具体的には、内圧機関部２２のピストン２２が上死点に至り、循環ガスの膨張圧力によって下死点に向けて押し下げられる間に、圧縮機４０のピストン４２は逆に下死点から上死点に至る。次に、内圧機関部２０ではピストン２２が下死点から上方へのストロークに転ずると排気弁が開き、シリンダ２１内部の循環ガスが押し出される。このとき、圧縮機４０ではピストン４２が上死点から下方へストロークを開始し、この際に圧縮機４０の吸気弁が開いて上記押し出された循環ガスによってピストン４２が押込まれつつ下死点に至る。

内圧機関部２０では、ピストン２２が上死点に至り、排気が完了すると同時に排気弁が閉じ、次いで高圧ガスが導入されてピストン２２が再び押し下げられる。この動作に同期して圧縮機４０の方のピストン４２は上昇し、吸気弁が閉じた状態で先に吸引した循環ガスを加圧、これを調整タンク３２に向けて圧送する。すなわち、圧縮機４０は、図１に示す圧縮機３４の機能を機関本体部７において果たすものとなり、図１に対して構造を簡略化するものとなる。なお、図２では１番の圧縮機４０の吸入弁側と２番の内圧機関部２０の排気弁側とを直接配管３５で結んでいるが、必要に応じてこの両者の間にサージタンクを設けてもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関について、図面を参照して説明する。上述した先の実施の形態では、エンジンの気筒数が２（圧縮機を含めた場合は３）であり、これはエンジンとしての最小単位を意味している。すなわち、内燃機関部１０と内圧機関部２０とを１つのユニットとし、これを幾つか組み合わせて循環ガスハイブリッド機関を構成することが可能である。また、この場合、内燃機関部１０と内圧機関部２０の数を必ずしも同一とする必要はなく、更にはこれらに圧縮機４０を組み合わせることも可能である。特に２気筒とした場合には、４サイクルの内燃機関部１０はクランクシャフト１７の２回転に１回の出力を得るのに対して内圧機関部２０では２サイクルと同様に１回転に対して１回の出力を得るため、これらをクランクシャフト１７の回転に対して均等に配分することは難しく、回転むらが生ずる原因となり得る。これを解消する一つの方策は、内燃機関部１０を２サイクルエンジンにすることである。しかしながら、より円滑な回転を確保する方法は多気筒化を図ることであり、本実施の形態ではこれを実現する例として、６気筒からなる循環ガスハイブリッド機関を開示する。

図３は、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３の機関本体部８を示している。機関本体部８とは、循環ガス、燃料の供給系を省略したものであり、これらは図１に示すものと同様である。図３においては、機関本体部８につながる他の要素を図２に示す要素の符号により示している。図において、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３は、図の左からの順番で１番から６番（図中のピストンに表示）と呼ぶものとする６気筒から構成されている。この内、図示の例では１番と６番は内燃機関部１０（１０ａ、１０ｂ）であり、ここでは先の実施の形態と同様に構成されたジーゼルエンジンとしている。２番は内圧機関部２０、また５番は圧縮機４０であり、これらも先の実施の形態で示すものと同様に構成されている。これらに加え、本実施の形態では３番と４番に低圧内圧機関部５０（５０ａ、５０ｂ）を新たに設けている。その構成自身は、シリンダ５１、ピストン５２、コンロッド５３を含むほか、基本的に内圧機関部２０と同様の構成である。

まず１、６番の内燃機関部１０ａ、１０ｂは、いずれも４サイクルジーゼルエンジンであり、これら２つは２気筒のジーゼルエンジンと同様に動作する。図示の例ではクランクシャフト１７ｂの３６０度回転ごとに相互に燃焼するよう同位相に配置されているが、この配置は必ずしも必要ではなく、他の気筒の動力発生タイミングとの関係で他の配置とすることでもよい。

次に内圧機関部２０は、例えば１０Ｍｐａほどの高圧ガスの導入によって出力を発生させるが、できるだけのロングストロークを採用したとしてもピストン２２が下死点に達した際にも未だ６〜７Ｍｐａほどの高圧が維持されている。本実施の形態ではこの残留圧力の有効活用を図るものであり、具体的には２番の内圧機関部２０で膨張した後の循環ガスを３番の低圧内圧機関部５０ａに導入し、再度この循環ガスを利用して出力を得るものとしている。これを可能にするため、２番の内圧機関部２０のピストン２２が出力動作を完了して下死点に至ったタイミングで低圧内圧機関部５０ａの吸入弁を開き、この時に上死点に至ったピストン５２ａを押下げる。すなわち、３番の低圧内圧機関部５０ａは、２番の内圧機関部２０の排気圧力を利用する気筒となる。

さらに低圧内圧機関部５０ａでは、その仕様によってはガス膨張によりピストン５２が下死点に至った時点においても排気圧力が未だ３ＭＰａほどを確保することができる。図示の例ではこれをさらに出力として利用するために４番の低圧内圧機関部５０ｂを設け、３番の低圧内圧機関部５０ａにてピストン５２ａが下死点に至ったときにその排気を導入し、丁度上死点にあるピストン５２ｂを押し下げるものとする。すなわち、４番の低圧内圧機関部５０ｂは、３番の低圧内圧機関部５０ａの排気圧力を利用する気筒となる。

図２に示す内圧機関部２０から出た排気ガスと同様に、４番の低圧内圧機関部５０ｂを出た排気ガスは５番の圧縮機４０に導かれて加圧され、高温、高圧のガスとなって調整タンク３２に導かれる。ここで圧縮された循環ガスが機関本体部８の冷却水との間で熱交換され、その後は上記サイクルを繰り返して循環される。本実施の形態においても、循環ガスハイブリッド機関３の高温排気ガスが熱交換機３３において有効活用され、高温、高圧となった循環ガスが内圧機関部２０、さらには低圧内圧機関部５０ａ、５０ｂに導入されるため、効率的に出力を引き出すことができる。

なお、５番の圧縮機４０における圧縮効率を高めるため、４番の低内圧機関部５０ｂから圧縮機４０に至る配管にインタークーラを設けて循環ガスを冷却し、体積の減少を図ることができる。また、図３に示す循環ガスハイブリッド機関３の例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０との位相差を１８０度としているが、これに限定されることなく、機関本体部８の振動バランスを考慮して他の位相差に設定することができる。

本実施の形態では、６気筒の循環ガスハイブリッド機関を構成することで少数気筒のエンジンに比較してより安定した回転を得ることができる。また、内燃機関部１０と内圧機関部２０とを含むハイブリッド機関とすることで内圧機関部２０においては始動性を大幅に改善することができ、内燃機関部１０においては同一出力を得るエンジンに比較して排気ガス量、燃料消費量を大幅に削減することができる。さらに、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３は、従来の６気筒ジーゼルエンジンに対して僅かな改善を加えることで基本的にはほぼそのまま利用することができるというメリットがある。

本実施の形態においても、さまざまな改造、変形が可能である。例えば気筒数は６気筒に限定することなく、４気筒、８気筒、１２気筒など、あるいはこれら以外の任意の数の気筒を有するエンジンに利用可能である。勿論、各気筒を直列に配置することのほか、Ｖ配列、対向配列にすることも可能である。これらにおいても従来の内燃機関で使用されていたエンジンを基本的にそのまま利用することができる。また、上記例では、内燃機関部を４サイクルのジーゼルエンジンとしているが、これを２サイクルエンジンにすることが可能であり、更には２サイクル、４サイクルのガソリンエンジン（オットーサイクルエンジン）に置き換えることは可能である。さらにはガソリンまたはジーゼルのいずれかのロータリエンジンに置き換えることができる。

また、上記例では１つの気筒（５番）を圧縮機４０として利用しているが、この圧縮機は機関本体部８内に設けることなく、回転軸から取り出した出力を利用して動作する独立した圧縮機とすることが可能である。この場合に浮いた１つの気筒は、例えば内燃機関部として用いることでも、内圧機関部として用いることもでもよい。内圧機関部として用いる場合には、合計４つの気筒を高圧内圧機関部と低圧内圧機関部の組合せを１ペアとしてこれを２ペアにすることも可能である。以上は６気筒を前提とした場合の例を示しているが、８気筒、１２気筒とした場合にはこれらの組合せの選択にはより自由度が高まるものとなる。

さらに、本発明にかかる内燃機関と内圧機関との組合せに係る循環ガスハイブリッド機関を、モータを利用したいわゆる従来のハイブリッドエンジンにおける内燃機関の代わりとして利用することも可能である。従来のハイブリッドエンジンにおける内燃機関と電気モータの組合せの内、その内燃機関を本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関に置き換えることで、モータ、内燃機関、内圧機関のそれぞれの利点を生かした新しいタイプのハイブリッドエンジンを得ることができる。

あるいは、本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関を、燃料効率が良く、セッティングも容易な定常運転用（定速度回転用）として使用してこれで発電を行い、発電された電力でモータを回転駆動させることで電気自動車の動力源として利用することでもよい。

加えて本願発明は、上述したような循環ガスハイブリッド機関を動力源として利用する車両をも包含する。すなわち、本願発明に係る車両は、動力源が発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もしくは動力源を用いて発電を行い、当該電力でモータを駆動させて走行推進力を得る車両であって、その動力源を上述したいずれかの循環ガスハイブリッド機関としたことを特徴としている。当該発明の実施により、低燃費、低排出ガスの環境に優しい車両の提供が可能となる。本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関は、定置式を含む他の産業用機関としても利用することができる。

さらに本願発明は、内燃機関で燃焼後に排気される排気ガスの有する熱エネルギ、または内燃機関を冷却する冷却水の有する熱エネルギを、内圧機関の動作媒体である循環ガスの加熱、膨張用に利用することを特徴とする動力機関のエネルギ有効活用方法をも包含している。

本発明に係る循環ガスハイブリッド機関は、自動車産業、あるいは回転出力を利用するその他の産業分野において広く利用することができる。

１、２、３．循環ガスハイブリッド機関、６、７、８．機関本体部、１０．内燃機関部、１３．シリンダ、１４．ピストン、１６．コンロッド、１７．クランクシャフト、１８．冷却水路、２０．内圧機関部、２１．シリンダ、２２．ピストン、２３．コンロッド、３１．初期タンク、３２．調整タンク、３３．熱交換器、３４．圧縮機、３５．配管、４０．圧縮機、４１．シリンダ、４２．ピストン、５０ａ、５０ｂ．低圧内圧機関部、５１．シリンダ、５２．ピストン、５３．コンロッド。

Claims

内燃機関で燃焼後排出される排気ガスの有する熱エネルギ、または内燃機関を冷却するための冷却水の有する熱エネルギを、内圧機関の動作媒体である循環ガスの加熱、膨張用に利用することを特徴とする動力機関のエネルギ活用方法。
気筒内で燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部と、循環するガスを加圧し、膨張させて得られる高圧力を気筒内に導入して出力を得る内圧機関部とを組み合わせたことを特徴とする循環ガスハイブリッド機関。
前記内燃機関部が、ジーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ロータリエンジンのいずれかにより構成されている、請求項２に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記循環するガスが、炭酸ガス、窒素、アルゴンのいずれかである、請求項２に記載の循環ガスハイブリッド機関。
複数の気筒から構成される機関本体部であって、前記複数の気筒の内の少なくとも一つの気筒が燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部から構成され、少なくとも他の一つの気筒が循環するガスを加圧、加熱して得られる高圧力を気筒内に導入して出力を得る内圧機関部とから構成される機関本体部と、
前記内燃機関部に燃料を供給するための燃料供給系と、
前記内圧機関部に循環ガスを供給するための、循環ガス貯蔵用初期タンク、循環ガス加熱装置、循環ガス圧縮装置とを含む循環ガス供給系と、
から構成されることを特徴とする循環ガスハイブリッド機関。
前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つの気筒が、前記内圧機関部からの排気ガスが有する残存圧力を導入して出力を得る低圧内圧機関部から構成されている、請求項５に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つ気筒が、前記循環するガスを導入して加圧する圧縮機から構成され、当該圧縮機が前記循環ガス圧縮装置として機能する、請求項５に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記循環ガス加熱装置が、前記内燃機関部から排出される排気ガスと前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う熱交換機である、請求項５に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記循環ガス加熱装置が、前記機関本体部を冷却する冷却水と前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う調整タンクである、請求項５に記載の循環ガスハイブリッド機関。
動力源の発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もとくは動力源により生み出される電力によりモータを回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両おいて、前記動力源が請求項２から請求項９のいずれか一に記載の循環ガスハイブリッド機関であることを特徴とする車両。