JP2012047138A - Compressed air heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、余剰動力を圧力エネルギーとして蓄圧し、再生時に圧力エネルギーに熱エネルギーを加えて熱効率の向上とエネルギーバッファー機能を有する機関である。 The present invention is an engine that accumulates surplus power as pressure energy and adds thermal energy to the pressure energy during regeneration to improve thermal efficiency and have an energy buffer function.
従来,慣性エネルギー等の余剰動力を有効利用する方法としてハイブリッドカーなどでは発電機を用いて電気エネルギーとしてバッテリーを介して行うことが主流であり、回生するためには高価な発電兼用高出力モーター及び大出力バッテリーが必要であった。
(たとえば特許文献1)
Conventionally, as a method of effectively using surplus power such as inertial energy, a hybrid car or the like is mainly performed through a battery as electric energy using a generator, and an expensive power generation combined high output motor and A large output battery was needed.
(For example, Patent Document 1)
また、車両の慣性を回生再生するために、回生エネルギーを圧縮空気として畜圧して利用することが可能で、出力の大きな空圧機械をエンジンと併用することはコストが増え装置が大きくなる欠点があった。
(たとえば特許文献2)
In addition, in order to regenerate and regenerate the inertia of a vehicle, it is possible to use regenerative energy as compressed air by using compressed pressure, and using a pneumatic machine with a large output in combination with an engine has the disadvantage that the cost increases and the device becomes large. there were.
(For example, Patent Document 2)
また、内燃機関に空気機械と同様の機能を組み合わせて、圧縮空気を利用しての原動機の始動等、あるいは圧縮空気と共に燃料を燃焼室に供給するなどの総合効率を高める工夫が成される提案あるが構造が複雑であった。 In addition, a proposal is made to improve the overall efficiency by combining the internal combustion engine with the same function as an air machine and starting the prime mover using compressed air, or supplying fuel to the combustion chamber together with the compressed air. There was a complicated structure.
また文献では2サイクルの内燃機関と説明されているが、永続的内燃機関サイクルとして給気圧縮行程が別行程に必然となるので、別行程を合わせると気筒あたりでは従来の4サイクル相当であり実質排気量あたりの出力の増加も望めるものではなかった。
(たとえば特許文献3)
In the literature, it is described as a two-cycle internal combustion engine. However, as a permanent internal combustion engine cycle, the charge / compression stroke is inevitably required in a separate stroke. An increase in output per displacement was not expected.
(For example, Patent Document 3)
さらに内燃機関の排熱を再利用するために一部蒸気機関とする提案もあるが、機構が複雑であり、水を高圧で供給及び蒸気機関車のように水の補給をする必要があった。
(たとえば特許文献4)
In addition, there is a proposal to use a partial steam engine to reuse the exhaust heat of the internal combustion engine, but the mechanism is complicated and it is necessary to supply water at a high pressure and to replenish water like a steam locomotive. .
(For example, Patent Document 4)
また、内燃機関からの排熱回収手段としてスターリングサイクル等を利用した熱空気エンジンなどの外燃機関が利用可能であるが装置が複雑化し簡単に利用で出来るものではなかった。
(たとえば特許文献5)
In addition, although an external combustion engine such as a hot air engine using a Stirling cycle or the like can be used as a means for recovering exhaust heat from the internal combustion engine, the apparatus is complicated and cannot be easily used.
(For example, Patent Document 5)
また、内燃機関からの排熱回収手段としてエリクソンサイクルを利用した熱空気エンジンと内燃機関を組み合わせた機構が発案されているが内燃機関と熱空気機関の組み合わせにより装置が複雑化し簡単に利用で出来るものではなかった。
(たとえば特許文献6)
Also, a mechanism that combines a hot air engine using an Ericsson cycle and an internal combustion engine has been devised as means for recovering exhaust heat from the internal combustion engine, but the combination of the internal combustion engine and the hot air engine complicates the device and can be used easily. It was not a thing.
(For example, Patent Document 6)
解決しようとする問題点は、既存のガソリンエンジン及びディーゼルエンジン機構に大きな改変なく、またバッテリー及びモーターのような高価な部品を用いることなく、耐久性のある回生及び排熱エネルギーの有効利用を図ることである。 The problem to be solved is to make effective use of durable regenerative and exhaust heat energy without major modifications to existing gasoline and diesel engine mechanisms and without using expensive parts such as batteries and motors. That is.
本発明は、内燃機関の1サイクルにて行われる熱サイクルを予め蓄圧した圧縮空気を用いて、従来1サイクルでは行えなかった熱サイクルを行い、外燃機関及び内燃機関を同時サイクルとして行うことを可能とすると共に、 The present invention uses a compressed air obtained by pre-accumulating a heat cycle performed in one cycle of the internal combustion engine, performs a heat cycle that could not be performed in the conventional one cycle, and performs the external combustion engine and the internal combustion engine as a simultaneous cycle. As well as possible
余剰動力の蓄圧のための空気圧縮機及び動力再生のための空気機関としても作動することを可能とするものであり、空気機械として作動に熱空気機関として複合して熱効率の向上および排熱の利用を可能とするものである。 It is possible to operate as an air compressor for accumulating surplus power and an air engine for power regeneration, and it is combined as a hot air engine to operate as an air machine to improve thermal efficiency and exhaust heat. It can be used.
(1)畜圧器からの圧縮空気にて空気機関として作動する時に膨張室に流入する圧縮空気を加熱膨張することを特徴とすることにおいて。 (1) Heating and expanding the compressed air flowing into the expansion chamber when operating as an air engine with compressed air from the animal pressure device.
蓄圧器の容量は圧縮膨張の1行程によって、圧力変動の無視できる容量として、熱機関として少なくとも熱サイクル作動中のサイクル中の蓄圧器の圧力変動があっても膨張による仕事量が圧縮に必要な仕事量以上になるように容量を確保しておく。 The capacity of the accumulator is such that the pressure fluctuation can be ignored by one stroke of compression and expansion. Even if there is pressure fluctuation of the accumulator during the cycle at least as a heat engine, the work by expansion is necessary for compression. Reserve capacity to be more than the workload.
蓄圧器から膨張室に至る流路にて、圧縮空気を加熱すると圧縮空気は流路途中にて膨張して蓄圧器と同じ圧力で膨張して膨張室に流入し、蓄圧器から流入した流量とそれに加熱による膨張分が仕事をすることが出来る。 When compressed air is heated in the flow path from the accumulator to the expansion chamber, the compressed air expands in the middle of the flow path, expands at the same pressure as the accumulator, flows into the expansion chamber, and the flow rate from the accumulator In addition, the expansion due to heating can work.
定常的な熱サイクルでは、蓄圧器から膨張室に流入したと等量の空気を圧縮して蓄圧器に再充填すれば差し引き加熱による膨張分が仕事量となり定常運転が可能となる。 In a steady heat cycle, if an equal amount of air is compressed from the pressure accumulator into the expansion chamber and is refilled in the pressure accumulator, the amount of expansion due to subtraction heating becomes the work amount and steady operation is possible.
この時、蓄圧器の圧力を高く保てば一般的な内燃機関の圧縮比を大きくしたと同様の効果にて熱効率が高くなり比出力も増大し、ガソリンエンジンの圧縮率が10程度ものであれば燃焼時の最高シリンダー内圧が4MPaとなるので、同程度の圧力を蓄圧していれば、空気圧のみにても同等以上の出力が得られ、加熱及び燃焼により圧縮空気は膨張して消費量は減少して圧縮される空気量と同量となったとき熱サイクルの定常運転となる。 At this time, if the pressure of the pressure accumulator is kept high, the thermal efficiency is increased and the specific output is increased by the same effect as the compression ratio of a general internal combustion engine is increased, and the compression rate of the gasoline engine is about 10. Since the maximum cylinder pressure during combustion is 4 MPa, if the same level of pressure is accumulated, the same or higher output can be obtained even with the air pressure alone. When the air volume decreases and becomes equal to the amount of compressed air, the thermal cycle is in steady operation.
また、ディーゼル機関ではさらに高圧の燃焼圧力で運転されて熱効率の向上が図られているが、蓄圧圧力を同程度とすれば同様の熱効率が得られ、さらに高圧とすることも可能であり、一般的な高圧ボンベにて15MPa程度の耐圧があり蓄圧器の構造に特別な配慮も必要なく高圧にて作動させることが可能である。 Diesel engines are operated at higher combustion pressures to improve thermal efficiency, but the same thermal efficiency can be obtained if the accumulated pressure is set to the same level. A typical high-pressure cylinder has a pressure resistance of about 15 MPa, and can be operated at a high pressure without requiring special consideration for the structure of the accumulator.
また、蓄圧器の容量容積が小さいと膨張行程にて圧縮空気の吐出に従い蓄圧器自体の圧力が下がり、継続動作に必要な定圧膨張とならないため熱サイクルの継続が不能となるので、動作に必要な十分な容量を持たせる必要がある。 Also, if the capacity volume of the pressure accumulator is small, the pressure of the pressure accumulator itself decreases as the compressed air is discharged during the expansion stroke, and the constant pressure expansion required for continued operation does not occur, making it impossible to continue the heat cycle. It is necessary to have sufficient capacity.
図1にて、各行程にて説明する。 The process will be described with reference to FIG.
上死点にて、ピストン14の上面に蓄圧器1より圧縮空気を流入させ、蓄圧器1と同圧力としてピストン14を押し下げる。この時の圧縮空気の流れから流路にて加熱すると膨張してシリンダー16に流入し、シリンダーに流入する圧縮空気にさらに燃料を混合して燃焼を開始すれば、シリンダー16内に高圧燃焼ガスを吹き込むことになり、圧縮空気の消費量は減少する。
At the top dead center, compressed air is caused to flow into the upper surface of the
また、燃焼開始時に制御バルブ5を閉じて燃焼ガスの逆流防止のため蓄圧器からの圧縮空気の供給は停止して、燃焼ガスの加熱膨張によりピストン14を押し下げることで、蓄圧器1の圧より高い圧力にて作動させることが可能となる。
In addition, the
膨張行程にて、加熱膨張した圧縮空気の流入を停止して排気ポート10が開くまでの間は断熱膨張させ、ピストン14下面は吸入した大気を圧縮する。ピストン上面圧力と下面圧力はピストンロッド15の断面積の差分により上圧力より下圧力を大きくすることも可能で高圧縮の空気を蓄圧器1に充填が可能となる。
In the expansion stroke, the inflow of the heated and expanded compressed air is stopped until the
下死点にて、シリンダー内にてピストン14下面側の圧力は体積最小となるため圧縮空気を最高圧力まで圧縮して蓄圧器1に蓄圧し、ピストン14上面では蓄圧器1より膨張流入した空気をシリンダー側面の排気ポート10より排気放熱する。
At the bottom dead center, the pressure on the lower surface side of the
圧縮行程にて、ピストン上面では排気放熱後の残留排気を再度圧縮し、ピストンロッド側は外気を吸引する。 In the compression stroke, the residual exhaust after the heat release from the exhaust is compressed again on the upper surface of the piston, and the piston rod side sucks outside air.
このサイクルにて、シリンダー上面圧力と下面圧力の平均差分が仕事量として出力され、図3に示すPV線図として表すことが出来、線図の1−2はピストン14下面側により行われる断熱圧縮過程、2−3はピストン14上面における圧縮加熱空気流入による定圧膨張過程、3−4はピストン14上面における圧縮加熱空気流入停止後の断熱膨張過程、4−1はピストン14上面における排気とピストン14下面における吸気による等容冷却となる。
In this cycle, the average difference between the cylinder upper surface pressure and the lower surface pressure is output as work, and can be expressed as a PV diagram shown in FIG. 3, where 1-2 is adiabatic compression performed by the
本発明の実サイクルでは断熱圧縮過程と定圧膨張過程及び断熱膨張過程が同時進行するため、圧縮過程を予め準備して膨張過程と圧縮過程のサイクル位相を補完するように動作する。 In the actual cycle of the present invention, since the adiabatic compression process, the constant pressure expansion process, and the adiabatic expansion process proceed simultaneously, the compression process is prepared in advance to operate to complement the cycle phases of the expansion process and the compression process.
また、内燃機関では始動時に外力にてクランキングが必要であるが、本発明は予め圧縮過程が修了しているのでピストンが膨張過程にあれば外力によるクランキングが不要であり、多気筒構成でシリンダー数が3以上の等位相であればクランクの角度に依らず膨張過程のシリンダーが1以上になり起動可能となる。 In addition, in an internal combustion engine, cranking is required by external force at the time of starting, but since the compression process is completed in advance in the present invention, if the piston is in the expansion process, cranking by external force is unnecessary, and a multi-cylinder configuration is used. If the number of cylinders is equal to or greater than 3, the number of cylinders in the expansion process becomes 1 or more regardless of the angle of the crank, and it can be started.
起動後も圧縮と膨張が同時に行われるため緩慢な動作速度を維持でき、超低速から十分なトルクを発生させることが可能で、圧縮空気の供給タイミングをピストン位置が膨張過程と圧縮過程を入れ替えればクランクの逆転も可能となる。 Even after startup, compression and expansion are performed at the same time, so it is possible to maintain a slow operating speed, and it is possible to generate sufficient torque from an ultra-low speed.If the piston position is switched between the expansion process and the compression process when the compressed air is supplied It is possible to reverse the crank.
また、この熱サイクルはディーゼル機関と同じ定圧サイクルで外燃による加熱と内燃による燃焼過程が同時に共存可能となっている。このため比較的低い温度の外熱で初段の加熱を行い次段で混合気の燃焼により高温に加熱出来るため、比較的低い排熱でも効率よく利用が可能となる。 This thermal cycle is the same constant pressure cycle as that of a diesel engine, and heating by external combustion and combustion process by internal combustion can coexist simultaneously. For this reason, the first stage heating can be performed with a relatively low temperature external heat, and the mixture can be heated to a high temperature by combustion of the air-fuel mixture in the next stage.
圧縮と膨張を専用過程の圧縮機と膨張器で行うとガスタービンと同様のサイクルとなり、再熱による熱効率の向上が容易に行える。 When compression and expansion are performed by a dedicated compressor and expander, the cycle is similar to that of a gas turbine, and thermal efficiency can be easily improved by reheating.
上記のサイクルをピストン両面で同時進行させると2ストローク/熱サイクルとなり、バルブ開閉によりピストン片面のみで作動させると4ストローク/熱サイクルとなり、外部圧縮機を用いて圧縮させるとピストン片面のみの作動でも2ストローク/熱サイクルとなる。 If the above cycle is performed simultaneously on both sides of the piston, it becomes a 2-stroke / thermal cycle, and if it is operated only on one side of the piston by opening and closing the valve, it becomes a 4-stroke / thermal cycle. Two strokes / thermal cycle.
尚、4ストロークでも作動できるが、2ストロークによる動作の方が単純な機構で機械損失も低くなり、装置も小型化が容易となり、ピストン下面から潤滑油にて潤滑しても圧縮後の空気より潤滑油の分離回収も可能である。 Although it can be operated with 4 strokes, the operation with 2 strokes is simpler mechanism and the mechanical loss is lower, and the device can be easily downsized. Lubricating oil can be separated and recovered.
また、ピストン14及びシリンダー16をファインセラミックスにて構成して、無潤滑油で気密を保ち、2ストロークの潤滑に係わる問題を回避して、さらに高温になるシリンダー16より熱回収して、従来冷却損となっていた熱の回収も可能となる。
In addition, the
また、従来の2ストロークでは掃気が十分に行われない構造となっていたが、シリンダー上部から圧縮空気を吹き込み、及び配管中の圧縮空気の膨張により掃気することで、排ガスと空気の置換がより完全に近くなる特徴も有する。 In addition, the conventional two-stroke has a structure in which scavenging is not sufficiently performed. However, by replacing the exhaust gas with air by blowing in compressed air from the upper part of the cylinder and scavenging by expansion of the compressed air in the piping. It also has a feature that is completely close.
また、蓄圧量が十分であるときは空気機関としてのみの作動も可能であり、逆負荷の懸かったときは空気圧縮機として作動して蓄圧が可能であり、これらの作動の切換は制御バルブ5による蓄圧器から圧縮空気の吐出量制御だけで行え、吐出量を多くすれば空気機関及び熱機関として出力が大きくなり、吐出量を減少させれば出力は負となり圧縮機関として圧力の蓄圧することとなる。 Further, when the pressure accumulation amount is sufficient, the operation can be performed only as an air engine, and when the reverse load is applied, the pressure can be accumulated by operating as an air compressor. It can be done only by controlling the discharge amount of compressed air from the pressure accumulator, and if the discharge amount is increased, the output will increase as an air engine and a heat engine, and if the discharge amount is decreased, the output will become negative and the pressure will be accumulated as a compression engine. It becomes.
このとき、内燃機関としての作動は吐出量に見合った燃料の供給とし、外部加熱は供給量が無くなればそれに比例して熱の供給も停止するので、外部熱源は熱容量が大きくても吐出量の制御により細やかな制御が可能となる。 At this time, the operation of the internal combustion engine is to supply the fuel corresponding to the discharge amount, and the external heating is stopped in proportion to the supply amount when there is no supply amount. Fine control is possible by the control.
(2)加熱の手段を外熱により圧縮空気を熱交換により間接加熱することを特徴とすることで (2) The heating means is characterized by indirectly heating the compressed air by heat exchange with external heat.
蓄圧器から膨張室に至る間に熱交換器にて圧縮空気を加熱して、膨張室に流入する圧縮空気は流路内にて加熱され膨張して熱サイクルに供給されることとなる。 The compressed air is heated by the heat exchanger between the accumulator and the expansion chamber, and the compressed air flowing into the expansion chamber is heated and expanded in the flow path to be supplied to the thermal cycle.
蓄圧圧力が高いほど、配管径を小さくでき圧縮空気の比熱も大きくなるため熱伝達もよくなる効果もある。 The higher the accumulated pressure, the smaller the pipe diameter and the greater the specific heat of the compressed air, so there is an effect of improving heat transfer.
外熱としては、各種排熱との熱交換またはボイラの様な燃焼室であっても良く、地熱及び太陽光を集熱しても良く熱源及び燃料を選ばない運転が可能となる。 The external heat may be a heat exchange with various exhaust heat or a combustion chamber such as a boiler, may collect geothermal heat and sunlight, and can operate without selecting a heat source and fuel.
また、圧縮機関として動作するときの断熱圧縮熱を空気機関として動作するときに吐出圧縮空気の加熱をして再熱の用に供することも可能で、動作切換に時間差がある場合は蓄熱して時間差を補完することも可能であり、再熱により熱効率の低下を防げ、蓄圧される圧縮空気の温度を下げることにより蓄圧空気量を大きくすることが可能である。 In addition, the adiabatic compression heat when operating as a compression engine can be used for reheating by heating the discharge compressed air when operating as an air engine. It is possible to compensate for the time difference, and it is possible to prevent a decrease in thermal efficiency by reheating and to increase the amount of accumulated air by lowering the temperature of the compressed air that is accumulated.
また、冷却は大気開放であるので熱交換器は加熱側のみでよく、一般的な熱空気機関で必要な放熱器は不要で冷却効率も良くなる。 Further, since the cooling is open to the atmosphere, the heat exchanger only needs to be on the heating side, and a radiator required for a general hot air engine is not required, and the cooling efficiency is improved.
また、外熱より加熱しないときに膨張行程は熱の出入りが無ければ断熱膨張となり、圧縮空気は膨張して温度が下がることになり外熱を吸熱することになる。 Further, when the heat is not heated from the external heat, the expansion process becomes adiabatic expansion if there is no heat in and out, and the compressed air expands to lower the temperature and absorb the external heat.
これは、本発明の熱サイクルが可逆であり、原動機及びヒートポンプとして動作が可能で理想効率のカルノーサイクル又はスターリングサイクルと同等の性能を持つサイクルで有ると言える。 It can be said that this is a cycle in which the thermal cycle of the present invention is reversible, can operate as a prime mover and a heat pump, and has performance equivalent to an ideal efficiency Carnot cycle or Stirling cycle.
このサイクルをヒートポンプとするときは、圧縮行程後の空気は発熱するので高温熱源となり、圧縮後膨張する時は温度が下がり低温熱源とすることが出来る。 When this cycle is used as a heat pump, the air after the compression process generates heat, so that it becomes a high-temperature heat source, and when it expands after compression, the temperature decreases and can be used as a low-temperature heat source.
(3)加熱の手段を燃料の混合をもって圧縮空気の燃焼による直接加熱することを特徴とすることで (3) The heating means is characterized by direct heating by combustion of compressed air with mixing of fuel.
蓄圧器から膨張室に至る流路に燃料を供給し圧縮空気と混合して着火させ、発生熱量と発生ガスによる膨張により熱サイクルに供給されることとなる。 Fuel is supplied to the flow path from the pressure accumulator to the expansion chamber, mixed with compressed air, ignited, and supplied to the heat cycle by expansion by the amount of generated heat and generated gas.
これは内燃機関と同様の熱伝達となるので、蓄圧圧力が高ければ、燃焼ガスも高温高圧となり高効率高出力が可能となる。 Since this is the same heat transfer as the internal combustion engine, if the accumulated pressure is high, the combustion gas also becomes high temperature and high pressure, and high efficiency and high output are possible.
また、外熱より加熱後の圧縮空気を燃焼させることで、比較的低い温度の低い外熱の熱回収も可能となり、加熱された圧縮空気に燃料を供給することで着火性も良くなる。 Also, by burning the heated compressed air from the external heat, it is possible to recover the heat of the external heat at a relatively low temperature, and the ignitability is improved by supplying fuel to the heated compressed air.
また燃焼反応も高圧高温となる気流中で進行するので、気流の滞留が無く燃料の拡散が早く均一燃焼及び希薄燃料での燃焼が望め、混合気に触媒と接触させて通常では燃焼できないほど希薄な空燃比でも燃焼させることが可能となる。 In addition, since the combustion reaction proceeds in a high-pressure and high-temperature air stream, there is no stagnation of the air stream, fuel diffusion is fast, and uniform combustion and combustion with a lean fuel can be expected. It is possible to burn even with a low air-fuel ratio.
(4)蓄圧器と加熱部の間に圧縮空気の流量を制御する弁を設けることを特徴とすることで、 (4) By providing a valve for controlling the flow rate of compressed air between the pressure accumulator and the heating unit,
膨張室に流入させる圧縮空気の流量制御は、膨張室近辺で有る必要がなく、動作流体の温度の低いところで制御が可能となり、弁機構の熱対策が不要となる。 Control of the flow rate of the compressed air flowing into the expansion chamber does not need to be in the vicinity of the expansion chamber, and can be performed at a low temperature of the working fluid, eliminating the need for heat countermeasures in the valve mechanism.
また、制御バルブ遮断後は加熱器または膨張室での加熱膨張による高圧は低温の制御バルブにて遮断され、バルブ部には加熱前の流体が滞留するために熱の逆流することもなく、配管の伝熱があったとしても蓄圧器からの流出にて蓄圧器の温度に冷却される。 In addition, after the control valve is shut off, the high pressure due to heating and expansion in the heater or expansion chamber is shut off by the low temperature control valve, and the fluid before heating stays in the valve part, so there is no backflow of heat and piping. Even if there is any heat transfer, it is cooled to the temperature of the pressure accumulator by the outflow from the pressure accumulator.
制御バルブを低温で作動させることで、シール材の選択が可能となり機密性が保たれ、駆動動力も小さく、制御の簡単な電磁弁が利用可能となり、各種センサーからの信号に準じての数値制御が低コストになり応答性も向上し、弁機構に機械カムの駆動が無くなることで、装置コストの低減と信頼性の向上が計れることになり、高速動作に置いても機械の慣性重量が小さく応答性が良くなる。 By operating the control valve at a low temperature, the seal material can be selected, confidentiality is maintained, the drive power is small, and an easily controlled solenoid valve can be used. Numerical control according to the signals from various sensors The cost is reduced and the responsiveness is improved, and the mechanical cam is not driven in the valve mechanism, so that the device cost can be reduced and the reliability can be improved. Responsiveness is improved.
また、高圧縮された密度の高い状態で、流量の制御が行えるため、弁自体を小型化でき高速動作も可能となり、動作のためのエネルギーも小さくて済む。 In addition, since the flow rate can be controlled in a highly compressed and high density state, the valve itself can be downsized, high speed operation is possible, and energy for operation can be reduced.
(5)圧縮行程の一部を圧縮専用行程とすることにより吐出する圧縮空気を高圧縮して畜圧器に畜圧することを特徴とすることで、 (5) By compressing the compressed air discharged by making a part of the compression stroke a compression-only stroke,
圧縮行程の上死点以前に加熱空気流入用のポートを設けて、加熱空気流入ポートが開いているときは、配管及び加熱部の容積を含めた低圧縮段として、ポートが閉じた後は上死点での残留容積を極力小さくして高圧の圧縮空気を蓄圧出来るようにする。 When the heated air inflow port is open before the top dead center of the compression stroke and the heated air inflow port is open, the upper part is closed after the port is closed as a low compression stage including the volume of the piping and the heating section. The residual volume at the dead center is made as small as possible so that high-pressure compressed air can be accumulated.
このような構造にすることで、シリンダーヘッド部にバルブの為の空隙の必要が無く、ピストンとシリンダーヘッドの隙間を無くすことが可能となり、空気圧縮機として作動するとき高圧縮比が1ストロークで得られる。 This structure eliminates the need for a valve gap in the cylinder head and eliminates the gap between the piston and the cylinder head. When operating as an air compressor, the high compression ratio is one stroke. can get.
図2にて行程を示すと、 The process is shown in FIG.
上死点にて、高圧縮の空気が高圧逆止弁21を介して蓄圧器1に蓄圧後に圧縮残圧にてピストンが下がり始めて膨張行程となる。
At the top dead center, highly compressed air accumulates in the
膨張行程では、蓄圧器1の制御バルブ5を開き圧縮空気を流入して加熱膨張させると共に燃焼を開始して、ピストン14の下降と共に加圧ポート24が開き加熱空気が流入してピストン14を押し下げ、ある程度押し下げたところで、制御バルブ5を遮断して圧縮空気の供給を停止して、その後断熱膨張として熱の有効利用を計る。
In the expansion stroke, the
制御バルブ5の閉じるタイミングを排気ポート10が開くまで長く開けると、熱効率は下がるが出力は高くなり、短くすると熱効率は上がるが出力は減少し、さらに短くすると制動として働き外部動力を圧縮蓄圧するようになる。
If the
下死点にて、排気ポート10が開き切り断熱膨張した後の空気または排ガスを排気ポート10より排出し、給気ポート20からクランク室にて圧縮された大気にてシリンダー内を掃気する。
At the bottom dead center, the air or exhaust gas after the
このとき、排気ガスは加圧ポート24より配管中の残留圧力によって未燃空気により排気ポート10に押し出されるため排ガスの排出は給気ポート20からの掃気に対して効果が高くなる。
At this time, the exhaust gas is pushed out from the
圧縮行程では、給気ポート20及び排気ポート10を閉じた後にシリンダー圧縮容積に加えて配管と加熱部の容積比となり低圧縮比で圧縮し、加圧ポート24が閉じると配管と加熱部の圧力はそれ以上圧縮されず、シリンダー部のみ圧縮容積まで高圧縮率にて圧縮する。
In the compression stroke, the
この時、シリンダーヘッドの高圧逆止弁21より蓄圧器1の圧力まで蓄圧され、蓄圧器の最高圧力は高圧縮比の最高圧力までの加圧が1ストロークで可能となる。
At this time, the pressure is accumulated from the high
また、加圧ポート24には掃気後の大気が低圧縮状態で逆流することとなり、圧縮容積分の大気が圧縮されたことになる。
In addition, the air after scavenging flows back to the pressurizing
クランク室での給気圧縮行程は2ストロークディーゼル機関の様に外部圧縮器を用いても可能であり、機械が大きくなるがクランク室の潤滑が容易になる。 The supply air compression stroke in the crank chamber can be performed even if an external compressor is used like a two-stroke diesel engine, and the machine becomes large, but lubrication of the crank chamber is facilitated.
(6)圧縮行程にて蓄圧器より圧縮空気を圧縮室に加減圧して圧縮行程とすることにより圧縮率を可変とする。 (6) The compression rate is made variable by compressing and compressing compressed air from the pressure accumulator in the compression stroke to obtain a compression stroke.
蓄圧器に大きなエネルギーの蓄積をさせるためには圧縮機関として高圧縮率で高い圧力を得る必要がある。 In order to store a large amount of energy in the pressure accumulator, it is necessary to obtain a high pressure at a high compression rate as a compression engine.
しかし、通常の内燃機関では圧縮時のみ高圧縮率とすることが難しく、複数のシリンダーを多段階に利用して多段階圧縮とすることも出来るが、配管等の構造が複雑でバルブ作動空間など圧縮率を上げることは問題となる。 However, with a normal internal combustion engine, it is difficult to achieve a high compression rate only during compression, and it is possible to achieve multi-stage compression by using multiple cylinders in multiple stages, but the structure of piping etc. is complicated and valve operating space etc. Increasing the compression rate becomes a problem.
また、高圧縮とする手段として、専用の圧縮機関を設けるか、低圧縮の空気を圧力ブースターにてさらに加圧圧縮する手段が有るが、いずれも機構が増え機械損失も増加することとなる。 Further, as means for achieving high compression, there is a means for providing a dedicated compression engine or further compressing and compressing low-compressed air with a pressure booster. However, both increase the mechanism and increase the mechanical loss.
ここで、一旦圧縮された圧縮空気を圧縮行程でシリンダーに再充填すれば、圧縮空気をさらに圧縮することとなり多段圧縮と同様の効果を得ることが簡単な構造で可能となる。 Here, once the compressed air once compressed is refilled into the cylinder in the compression stroke, the compressed air is further compressed, and the same effect as the multistage compression can be obtained with a simple structure.
また、制動回生時の様に逆負荷が加わるときに圧縮空気の再圧縮とすればピストンにかかる圧力が大きくなり制動力も大きくなり、静止から逆転トルクの発生までが可能となる。 Further, if the compressed air is recompressed when a reverse load is applied as in braking regeneration, the pressure applied to the piston is increased and the braking force is increased, so that it is possible to generate from the stationary state to the reverse torque.
また、蓄圧された圧縮空気より直接動力の再生を行うばかりではなく、圧縮空気を利用して機関の熱効率および出力を高める方法もあり、過給効果として効率を上げて内燃サイクルの一部として再生が可能である。 In addition to directly regenerating power from the compressed air that has been accumulated, there is also a method that uses compressed air to increase the thermal efficiency and output of the engine, increasing the efficiency as a supercharging effect and regenerating it as part of the internal combustion cycle Is possible.
内燃機関の動作においても本手段にて圧縮率を可変増大することが容易で、出力の必要なときに圧縮行程にて蓄圧器1から圧縮空気をシリンダー内に導入して圧縮することで過給と同様の効果を得ることが可能となり、回生による圧力を利用することで過給動力も不要で高効率で出力向上させることが可能となる。
Even in the operation of an internal combustion engine, it is easy to variably increase the compression ratio with this means, and supercharging is performed by introducing compressed air from the
また、内燃機関の圧縮行程にてシリンダーから蓄圧器1に圧縮空気を抜き出せば、圧縮行程よりも膨張行程を大きくしたものと同じ効果があり、アトキンソンサイクル又はミラーサイクルとして知られる容積型内燃機関の熱効率を改善する効果を得ることも可能である。
Further, if compressed air is extracted from the cylinder to the
(7)混合気流路に触媒を設け、混合気と触媒の接触をもって発熱燃焼反応させることを特徴とすることで、 (7) A catalyst is provided in the air-fuel mixture flow path, and an exothermic combustion reaction is caused by contact between the air-fuel mixture and the catalyst,
圧縮空気に可燃燃料を加えて可燃混合気とした後の発熱反応を白金等の触媒に接触させ発熱させると、火花着火および自然発火では発熱反応を継続できない希薄混合気であっても触媒反応によって発熱反応が可能となる。 When exothermic reaction after combustible fuel is added to compressed air and made into a combustible mixture is brought into contact with a catalyst such as platinum to generate heat, even if it is a lean mixture that cannot continue exothermic reaction by spark ignition and spontaneous ignition, An exothermic reaction becomes possible.
混合気が爆発限界外にあるときは、加圧及び加熱によっても燃焼開始することは無く、流路の任意の位置に触媒を設けることで任意の位置で発熱させることが可能となる。 When the air-fuel mixture is outside the explosion limit, combustion does not start even by pressurization and heating, and heat can be generated at any position by providing a catalyst at any position in the flow path.
予混合気であっても、触媒以外の場所で発火することがないため、安全な貯溜が可能で触媒以外の点火装置を必要としなくなる。 Even the premixed gas does not ignite at a place other than the catalyst, so that safe storage is possible and an ignition device other than the catalyst is not required.
以下に項目別に効果を説明する。 The effects will be described for each item below.
(1)畜圧器からの圧縮空気にて空気機関として作動する時に膨張室に流入する圧縮空気を加熱膨張することの効果は、 (1) The effect of heating and expanding the compressed air flowing into the expansion chamber when operating as an air engine with compressed air from the animal pressure
1 内燃機関だけでは実現が困難であった、ハイブリッドの特質である位置及び慣性の制動回生エネルギーを利用するため省エネルギー効果が高い。 1 The energy saving effect is high because the braking and regenerative energy of position and inertia, which are characteristics of a hybrid, which is difficult to realize with only an internal combustion engine, are used.
2 現在普及が始まった内燃機関と電動動力ハイブリッドと比較してもコストの懸かる高性能モーターとバッテリーが不要となるばかりでなく、従来技術の援用で可能なことから耐久性に優れる 2 Compared with internal combustion engines and electric power hybrids that have become popular, not only high-performance motors and batteries that are costly are unnecessary, but also because they are possible with the help of conventional technology, they have excellent durability.
3 従来構造の機械に大きな変更を加えずに装置を小型軽量化出来ることから、車両の慣性重量が小さくなり、より少ない発生動力でも十分な運動性能を確保できるためエネルギー効率が良くなる。 3. Since the apparatus can be reduced in size and weight without making a major change to a machine having a conventional structure, the inertia weight of the vehicle is reduced, and sufficient motion performance can be ensured with less generated power, resulting in improved energy efficiency.
4 比較的低温の排熱であっても、他の熱源と組み合わせて総合効率を高めることが出来る。 4 Even with relatively low-temperature exhaust heat, it can be combined with other heat sources to increase overall efficiency.
5 始動のための機器が不要になりアイドリング運転も不要となる。 5 Start-up equipment is not required and idling is not required.
6 始動から低速及び逆転の制御が可能となり、クラッチ、ギヤなどが不要になる。 6 Low speed and reverse rotation can be controlled from the start, eliminating the need for clutches and gears.
(2)加熱の手段を外熱により圧縮空気を熱交換により間接加熱することの効果は、 (2) The effect of indirectly heating the compressed air by heat exchange as a means of heating is as follows.
1 排熱等の多種の雑熱エネルギーが利用できる。
2 低温排熱でも利用可能となる。
1 Various miscellaneous heat energy such as exhaust heat can be used.
2 Can be used even with low-temperature exhaust heat.
(3)加熱の手段を燃料の混合をもって圧縮空気の燃焼による直接加熱することの効果は、 (3) The effect of direct heating by combustion of compressed air with mixing of fuel as a heating means is
1 外燃機関と内燃機関の複合として、内燃機関の排熱の有効利用が可能である。
2 高出力となり、変動にたいして制御性が良い。
3 高圧作動により熱効率が高い。
1 Effective use of exhaust heat from an internal combustion engine is possible as a composite of an external combustion engine and an internal combustion engine.
2 High output and good controllability against fluctuations.
3 High thermal efficiency due to high pressure operation.
(4)蓄圧器と加熱部の間に圧縮空気の流量を制御する弁を設けることの効果は (4) The effect of providing a valve for controlling the flow rate of compressed air between the pressure accumulator and the heating part is
1 弁の作動温度が低いため一般的な制御弁が利用でき、低コストで耐久性に優れる。
2 直動電磁弁とすれば制御性に優れる。
3 複雑な機構が不要となり機械損失が減少する。
1 Since the operating temperature of the valve is low, a general control valve can be used, and it is low in cost and excellent in durability.
2 Excellent controllability if a direct acting solenoid valve is used.
3 No complicated mechanism is required, and mechanical loss is reduced.
(5)圧縮行程の一部を圧縮専用行程とすることにより吐出する圧縮空気を高圧縮して畜圧器に畜圧することの効果は、 (5) The effect of highly compressing the compressed air discharged by making a part of the compression stroke a compression-only stroke and
1 強力な制動力を得られ、制動エネルギーの回収もされるためエネルギー効率にも優れる。
2 高圧縮率の圧縮空気が得られ、少ない容積で多大なエネルギーの保存ができる。
1 Powerful braking force can be obtained and braking energy can be recovered, resulting in excellent energy efficiency.
2 Compressed air with a high compressibility can be obtained, and a large amount of energy can be stored with a small volume.
(6)圧縮行程にて蓄圧器より圧縮空気を圧縮室に加減圧して圧縮行程とすることにより圧縮率を可変とすることの効果は、 (6) The effect of making the compression ratio variable by compressing and compressing compressed air from the accumulator in the compression stroke to the compression stroke is as follows:
1 強力な制動力を得られ、制動エネルギーの回収もされるためエネルギー効率にも優れる。
2 高圧縮率の圧縮空気が得られる。
3 過給圧の可変制御により、比出力の向上及び熱効率の向上が計れる
4 過給に回生エネルギーを利用できるためエネルギー効率に優れる
5 過給のための機器が不要であり、機械重量及び機械損失の低減が計れる。
6 膨張行程に対して圧縮比を小さく可変することにより熱効率を向上させる。
1 Powerful braking force can be obtained and braking energy can be recovered, resulting in excellent energy efficiency.
2 Compressed air with a high compressibility can be obtained.
3 Variable control of supercharging pressure improves specific output and thermal efficiency. 4 Regenerative energy can be used for supercharging, so energy efficiency is high. 5 No supercharging equipment is required, machine weight and mechanical loss. Can be reduced.
6 The thermal efficiency is improved by changing the compression ratio small with respect to the expansion stroke.
(7)混合気流路に触媒を設け、混合気と触媒の接触をもって発熱燃焼反応させることの効果は、
1 希薄混合気の完全燃焼が望める
2 水素燃料等の爆発限界外での作動により安全性を高められる。
3 点火装置が不要となる。
(7) The effect of providing a catalyst in the gas mixture flow path and causing an exothermic combustion reaction by contacting the gas mixture with the catalyst is
1 Complete combustion of a lean mixture can be expected 2 Safety can be enhanced by operation outside the explosion limit of hydrogen fuel, etc.
3 Ignition device is not required.
以上の様な利点があり、用途に応じ適宜最適組み合わせにて利用する。 There are advantages as described above, and they are used in an optimum combination depending on the application.
本発明の1実施形態を示すものであり、基本的構成である。
以下にその各要素を実施例において説明する。
1 shows one embodiment of the present invention, which is a basic configuration.
Each element will be described below in the embodiment.
図4に複室2ストローク機関(実施例1)を示し、これを説明する。 FIG. 4 shows a multi-chamber two-stroke engine (Example 1), which will be described.
シリンダー16の上部に燃料噴射ノズル13を備えた加熱配管4を接続し、下部にはエアクリーナー8より逆止弁9にてシリンダー内に方向性をもって流れる大気の吸引部と逆止弁9をもってシリンダー外に方向性をもって流れる圧縮空気を圧力配管2にて畜圧器1に接続する。
A
シリンダー16内にはピストン14が機密を保って往復運動可能にピストンロッド15より連接棒17とクランクシャフト18により回転運動が往復直線運動となるよう接続され、往復運動により開閉される排気ポート10を設け排気管11より消音器12を介して大気に開放される。
In the
畜圧器1から吐出配管3で制御バルブ5を介してバーナー7等より加熱される熱交換器6を経て加熱配管4にてシリンダー16の上部に接続される。
It is connected to the upper part of the
図1の複室2ストローク動作図にて、この作動を説明すると
1 上死点より、制御バルブ5を開き畜圧器1より圧縮空気は熱交換器6を介して外熱加熱し、さらに燃料噴射ノズル13より燃料を加熱圧縮空気に混合して燃焼させ、シリンダー16の上部に吹き込むとピストン14はその圧力より押し下げられる。
This operation will be described with reference to the double-chamber two-stroke operation diagram of FIG. 1. 1 From the top dead center, the
2 膨張行程にて、ある程度ピストン14が押し下げられたところで制御バルブ5を閉じ、合わせて燃料噴射ノズル13からの燃料の供給を停止し加熱膨張から断熱膨張に移行させ、シリンダー16下部では吸引大気の圧縮となり圧力が上がり畜圧器1の圧力以上となったところで逆止弁9より吐出される。
2 In the expansion stroke, when the
3 下死点までにピストン14がさらに押し下げられたところで排気ポート10から加熱配管4内の加熱空気に押し出される形で燃焼ガスが排出されシリンダー16内の圧力は大気圧まで下がり、膨張した燃焼ガスにより熱が大気に放出される。
3. When the
4 圧縮行程にてシリンダー16内の残留加熱空気と加熱配管4内の加熱空気の圧縮がなされシリンダー16上部の圧力は上昇し、下部では負圧により大気の吸引が行われる。
4 In the compression stroke, the residual heated air in the
以上の動作行程でサイクルが構成され、出力が必要なときは、制御バルブ5の開時間を長くしてピストン14の受圧平均圧力を上昇させて出力を上昇させる。
When a cycle is constituted by the above operation stroke and output is required, the opening time of the
図1のシリンダー上圧力とシリンダー下圧力の線図は各工程における圧力変化を大まかに表した物で、シリンダー上圧力とシリンダー下圧力の最高圧力は蓄圧器1の蓄圧圧力となり、シリンダー上圧力の最高圧力が長くなるほど出力は大きくなる。
The diagram of the cylinder pressure and cylinder pressure in Fig. 1 is a rough representation of the pressure change in each process. The maximum pressure of the cylinder pressure and cylinder pressure is the accumulated pressure of the
この時吸気量以上の吐出量とすると出力は熱サイクル以上の出力となるが、畜圧器1の圧力は消費される。
At this time, if the discharge amount is equal to or greater than the intake amount, the output is equal to or greater than the heat cycle, but the pressure in the
また蓄圧器1の容積がピストン14の行程容積より十分に大きくないと、膨張行程にて膨張に要する圧縮空気流量の増大により、熱膨張だけでは容積の増大を補えず蓄圧器1自体の圧力降下を生じて十分な平均押し下げ圧力を保持できないため、熱サイクルだけの作動であっても十分な容量を確保しておく必要がある。
If the volume of the
より出力が必要なときは、燃料噴射ノズル13からの燃料を多くして燃焼ガスをさらに高温として、制御バルブ5を閉じると熱交換器6と加熱配管4の圧力が畜圧器1の圧力を超えて作動するため高出力化も可能である。
When more output is required, the fuel from the
また、排気時に制御バルブ5を開き圧縮空気をシリンダー16に吹き込めば、空気により排気ガスが押し出されて掃気がより完全となり、燃料の増加にてさらに高出力化も可能となる。
If the
出力が不要なときは、制御バルブ5を閉じると圧縮空気の流量に従い熱が供給されなくなり、シリンダー16上部は圧縮と膨張の繰り返しで空転し、下部は圧縮のみの作動となり、機関部の慣性エネルギーまたは逆負荷分が圧縮のために費やされて畜圧器1に蓄圧して機関は減速から停止に至る。
When output is unnecessary, when the
外部より逆負荷が持続するときは、空気圧縮を続けて畜圧器1に蓄圧してエネルギーの保存を計る。
When the reverse load is sustained from the outside, the air is continuously compressed and accumulated in the
複数のシリンダー16をクランクシャフト18の位相を120度以下で多気筒すれば、いずれの停止時にもピストン14が膨張過程となるので、膨張過程にあるピストン14に制御バルブ5を制御して圧力を掛ければ静止状態から低速起動でき、圧縮過程の位置であれば逆回転にて起動することになる。
If a plurality of
このとき、ピストン14に加わる圧力は上と下が同じ圧力となるが、下の圧力はクランクが下死点近辺であるためクランクと連接棒7の倍力機構により倍力されてピストン14を押し下げるため同じ圧力以上の圧縮能力があり低速回転であってもクランクシャフト18慣性に依らず圧縮が可能となる。
At this time, the pressure applied to the
また、制御バルブ5の制御はクランクシャフト18の回転角をセンサーにて検出して制御バルブ5を電磁弁として電気制御すれば制御は機構的には簡単になり細かい数値制御も容易となり、電機系を用いない場合はカム駆動のバルブまたはクランクシャフト18の回転角によりロータリーバルブとして切り換えても可能である。
Further, the
また、耐熱性の制御バルブ5を用いるならば、蓄圧器1からシリンダー16の間の任意の位置に配置することが可能である。
Further, if the heat
また、燃料を流路に噴射するだけでは燃焼開始に至らない条件のときは、流路に燃焼開始に必要な温度を与えるグロープラグのような熱源を配置しておけば、混合気の気流が接触することにより燃焼を開始する。 In addition, when the fuel does not reach the start of combustion just by injecting fuel into the flow path, a heat source such as a glow plug that gives the temperature necessary for the start of combustion can be placed in the flow path so that the airflow of the air-fuel mixture is increased. Combustion is started by contact.
また、本実施例を外燃機関としてのみ動作させるときは、排気は排熱とある程度の圧力をもって大気成分のまま排出されるので、そのままバーナー7の供給空気とすれば排熱回収が容易に可能となり、シリンダー16等の冷却及び排気管11の排気熱に係わる排熱及び圧縮配管2に生じる断熱圧縮生成熱も吐出配管3に熱伝達して再熱して熱回収も可能である。
Further, when this embodiment is operated only as an external combustion engine, the exhaust gas is exhausted with exhaust heat and a certain amount of pressure as an atmospheric component. Therefore, if the air supplied to the
また本実施例では圧縮膨張室が往復式であるが、ロータリーエンジンのような回転型であっても容積の圧縮膨張サイクルは同じであるので本実施例を適用可能であり、圧縮過程と膨張過程が専用のポンプとエアモーターの様な組み合わせであっても実現可能となる。 In this embodiment, the compression / expansion chamber is a reciprocating type. However, even if it is a rotary type such as a rotary engine, the compression / expansion cycle of the volume is the same, so this embodiment can be applied. However, it can be realized even with a combination of a dedicated pump and an air motor.
また、熱空気機関としてのエリクソン機関では膨張室を加熱するためにピストンとシリンダーのシール性及び潤滑の問題から高温のガスを利用しにくかったが、本発明によれば加熱後の高温ガスのシリンダー内の流入により作動するため、シリンダー及びピストンを冷却して低温で作動させることが可能となっている。 In addition, in the Ericsson engine as a hot air engine, it was difficult to use a high-temperature gas because of problems of sealing and lubrication between the piston and the cylinder in order to heat the expansion chamber. The cylinder and the piston can be cooled and operated at a low temperature because the cylinder and the piston are operated by inflow.
また、排気を冷却させてから吸気して再循環させることも可能であり、スターリング機関のように排気音のない静粛な機関としての作動も可能であり、作動流体が大気である必要がなくなりスターリング機関と同様にヘリウム等を高圧封止して効率を向上させることも可能である。 In addition, it is possible to cool the exhaust and then to recirculate it by intake, and it is possible to operate as a quiet engine with no exhaust noise like a Stirling engine, eliminating the need for the working fluid to be in the atmosphere. Similar to the engine, helium or the like can be sealed at a high pressure to improve efficiency.
さらに、作動流体を封止する場合は、加熱膨張時は加熱した作動流体をシリンダーに流入させて仕事の後は、往復容積式機関では再び圧縮行程となるため膨張後の作動流体を冷却用熱交換器に通して冷却後に蓄圧器1に循環させることで、圧縮膨張室は単室でも可能となる。
Furthermore, when sealing the working fluid, the heated working fluid is allowed to flow into the cylinder at the time of heating and expansion, and after work, the reciprocating positive displacement engine becomes a compression stroke again. By passing through an exchanger and circulating to the
以上のように、従来の内燃機関と大きな違いの無い装置にて構成することが可能であり、制御も容易であり、低コストで耐久性のある動力の入出力が可能でエネルギー利用効率の優れた装置となる。 As described above, it can be configured with a device that is not significantly different from the conventional internal combustion engine, is easy to control, and can input and output power with durability at low cost and has excellent energy utilization efficiency. Device.
図5に2段圧縮2ストローク機関(実施例2)を示し、これを説明する。 FIG. 5 shows a two-stage compression two-stroke engine (Example 2), which will be described.
気密構造のクランク室19の中に回転するクランクシャフト18より連接棒17を介してピストン14に回転運動がシリンダー16内にて気密を保って往復直線運動となるよう接続され、往復運動により開閉される排気ポート10を設け排気管11より熱交換器6を介して消音器12を介して大気に開放される。
A rotating shaft is connected to a
また、シリンダー16にピストン14の上死点と排気ポート10の行程間に加圧ポート24を設けて畜圧器1より吐出配管3にて制御バルブ5を介して熱交換器6から触媒42を設けた燃焼器22を経て接続される。
Further, the
また、シリンダー16の上面にはピストン14が上死点にて空隙が最小となるように高圧逆止弁21を介して吐出のみ可能に圧縮配管2にて畜圧器1に接続される。
Further, on the upper surface of the
また、気密構造のクランク室19には逆止弁9を介してエアクリーナー8より大気が吸引のみ可能に設け、シリンダー16に下死点にて開く給気ポート20を設ける。
The airtight structure of the
図2の2段圧縮2ストローク動作図にて、この動作を説明すると、 This operation will be described with reference to the two-stage compression 2-stroke operation diagram of FIG.
1 上死点より、圧縮空気は高圧逆止弁21を介して吐出後、残留圧縮空気の膨張と慣性によりピストン14が下降して加圧ポート24が開くと、制御バルブ5を開き畜圧器1より圧縮空気は熱交換器6を介して外熱加熱し、燃料噴射ノズル13より燃料を加熱圧縮空気に混合して燃焼させ、加圧ポート24部に吹き込むとピストン14はその圧力より押し下げられる。
1 From the top dead center, after the compressed air is discharged through the high
2 膨張行程にて、ある程度ピストン14が押し下げられたところで制御バルブ5を閉じ、合わせて燃料噴射ノズル13からの燃料の供給を停止し加熱膨張から断熱膨張に移行させ、クランク室19では吸引大気の圧縮となり圧力が上がりクランク室19に蓄圧する。
2 In the expansion stroke, when the
3 下死点までにピストン14がさらに押し下げられたところで排気ポート10から熱交換器6と燃焼器22の残留圧縮空気に押し出されて燃焼ガスが排出されシリンダー16内の圧力は大気圧まで下がり、膨張した燃焼ガスにより熱が大気に放出され、次に給気ポート20が開きクランク室19に蓄圧された吸引大気がシリンダー16内に吹き込まれて掃気される。
3 When the
4 圧縮行程にて掃気により吹き込まれた大気の圧縮がなされ、燃焼器22及び熱交換器6の容積とシリンダー16の行程により低圧縮率にて圧力は上昇し、クランク室19では負圧により逆止弁9を介して大気の吸引が行われる。
4 The atmosphere blown by scavenging in the compression stroke is compressed, the pressure rises at a low compression ratio due to the volume of the
さらに上昇して加圧ポート24をピストン14が閉じると圧縮された大気は高圧縮率の状態となり高圧逆止弁21を介して畜圧器1の圧力以上にて吐出され畜圧器1に蓄圧される。
When the
このように作動して実施例1と同様のサイクルを一般的な2ストローク内燃機関の基本構造を変更せずに実行でき、圧縮機関としての作動では高圧縮比を確保できる。 By operating in this way, the same cycle as in the first embodiment can be executed without changing the basic structure of a general two-stroke internal combustion engine, and a high compression ratio can be ensured in the operation as a compression engine.
また、さらに高圧縮とする場合は、圧縮行程に加圧ポート24が開いているときに制御バルブ5を開き圧縮空気を再充填すれば高圧縮が可能となる。
Further, in the case of higher compression, high compression is possible by opening the
また、排気ポート10が開きシリンダー16の排ガス圧力が下がったときに制御バルブ5を開き、加圧ポート24より圧縮空気を吹き込めば給気ポート20からの吹き込みと合わせて掃気がより完全となる。
Further, when the
また、排気ガスに含まれる排熱は排気管11より熱交換器6にて圧縮空気の再熱によって熱効率を向上させることになり、同時に排気は冷却され収縮するため消音器12の管路抵抗が減少し消音効果も高くなる。
Further, the exhaust heat contained in the exhaust gas improves the thermal efficiency by reheating the compressed air through the
また、シリンダー16及びピストン14をセラミックのような耐熱材を用いて、潤滑を固体潤滑として潤滑油の燃焼を防ぎ、高温となるシリンダー16より圧縮空気の加熱を行うことにより冷却熱の回収が可能となる。
In addition, the
また、触媒42による混合気の燃焼による場合は燃料の噴射によるだけでなく、大気からの吸引時に大気圧での爆発限界以下での予混合により安全に蓄圧も可能であり、点火装置が無くても触媒42の位置にて燃焼して逆火すること無しに作動が可能である。
In addition, when the air-fuel mixture is combusted by the
触媒42による燃焼または通常燃焼の切換は触媒42をバイパスとすることで通常燃焼時の触媒42の管路抵抗を小さくすることも出来、熱交換器6もバイパスして管路抵抗を低減して比出力を上げることも可能である。
Switching of combustion by the
また、燃料自体が圧力を持っているLPガスなどであれば排気時に大気開放となった時点では低圧にて燃料噴射ノズル13より加圧無しに燃焼器22に供給が可能となり、制御バルブ5の開きにより加圧温度上昇による自然発火及び外部着火あるいは触媒42の通過により燃焼させることも可能である。
Further, if the fuel itself is LP gas or the like having a pressure, it can be supplied to the
また、本実施例をヒートポンプとして作動させるには、クランクシャフト18に外部動力を与えて、圧縮配管2を高温熱源とし、熱交換器6を低温熱源とすれば、外部動力によって圧縮された大気は圧縮配管2にて断熱圧縮により高温となり、熱交換器6では断熱膨張により低温となって膨張後に大気に放出される。
In order to operate this embodiment as a heat pump, if external power is applied to the
尚、排気ポート10とエアクリーナー8を接続して作動流体に冷媒ガスを封入すれば冷凍機と同等となり、シリンダー16とピストン14は単純にポンプとして作動する。尚、ヒートポンプとしては、原動機としての熱源である燃料噴射ノズル13と燃焼器22は不要となる。
If the
以上のように、従来の内燃機関に機構を追加して簡易に構成することが可能である As described above, it is possible to simply configure the conventional internal combustion engine by adding a mechanism.
図6に可変圧縮比機関(実施例3)を示し、これを説明する。 FIG. 6 shows a variable compression ratio engine (Example 3), which will be described.
気密構造のクランク室19の中に回転するクランクシャフト18より連接棒17を介してピストン14に回転運動がシリンダー16内にて気密を保って往復直線運動となるよう接続され、往復運動により開閉される排気ポート10を設け排気管11より消音器12を介して大気に開放される。
A rotating shaft is connected to a
また、シリンダー16の上部には点火プラグ23と制御バルブ5を介して圧縮配管2にて畜圧器1に接続され、気密構造のクランク室19には逆止弁9を介して燃料噴射ノズル13からの燃料混合気としてエアクリーナー8より大気が吸引のみ可能に設け、シリンダー16が下死点にて開く給気ポート20を設ける。
Further, an upper portion of the
本構造は、一般的な燃料噴射式ガソリンエンジンの2ストローク内燃機関と同じであり、シリンダーヘッドから制御バルブ5にて畜圧器1との圧縮空気の流量制御のみ追加した形である。
This structure is the same as a two-stroke internal combustion engine of a general fuel-injection gasoline engine, and is a form in which only the flow control of the compressed air with the
作動は、制御バルブ5を閉じたままであれば、燃料噴射式ガソリンエンジンと変わりなく作動し、制動時は燃料の供給を停止してピストン14が圧縮過程となり圧縮圧が畜圧器1の圧力より高くなったとき制御バルブ5を開き畜圧器1に蓄圧する。
As long as the
過給して出力を増大するときは、ピストン14が圧縮過程となったとき制御バルブ5を開き畜圧器1より蓄圧された圧縮空気をシリンダー16に充填してシリンダー16内の圧力を高めて圧縮すると自然吸気に充填圧縮空気が加算されて圧縮率が高くなり、充填空気量が増えて出力の増加が可能となる。
When increasing the output by supercharging, when the
この過給効果は、過給に使われる動力が制動時のエネルギーを持って為されるので、圧縮行程のポンプ損失が低減され高圧縮による熱効率及び出力の向上が可能となる。 This supercharging effect is achieved because the power used for supercharging has energy at the time of braking, so that the pump loss in the compression stroke is reduced and the thermal efficiency and output can be improved by high compression.
車では加速後には必ず減速するので、減速時のエネルギーを蓄圧しておけば、多くの場合は減速分の加速時に過給して出力増大が望める。 Since the car always decelerates after acceleration, if the energy during deceleration is accumulated, in many cases it can be supercharged when accelerating and the output can be increased.
また、出力が小さくてもよい場合は、圧縮行程にてシリンダー16内の圧力を制御バルブ5にて一時的に蓄圧器1に蓄圧すれば圧縮行程が短くなったと同じ効果があり、膨張行程が長くなり熱サイクルの効率が上昇して低エネルギー運転が可能となり、圧縮に費やされたエネルギーは蓄圧器1に保存される。
In the case where the output may be small, if the pressure in the
これは、吸気時に気化器より混合気を吸気する場合は蓄圧器1に混合気が流入することになるが、蓄圧器1と別個に混合気の専用蓄圧部を設け、過給が必要なときに混合気にて過給する手段とすることでも可能で、シリンダー内に燃料を噴射する形式ではこのような手段も必要ない。
This is because when the air-fuel mixture is sucked from the carburetor during intake, the air-fuel mixture flows into the
また、蓄圧量が十分であれば、圧縮空気により膨張過程のピストン14を押し下げてクランキング及び走行自体も可能となり、足りなければ外部より圧縮空気を充填すれば、電気自動車の様に充電に時間を要することもなく瞬時の充填が可能である。
In addition, if the accumulated pressure is sufficient, the
また、小型のコンプレッサーを常備しておけば、始動に係わる圧力不足を小電流で補填できるため、従来のクランキングのような大電流による始動が必要なくなるため、セルモーターが不要でバッテリーも大電流に対応する必要が無くなり、長期のバッテリー自己放電による始動不可能と言ったトラブルも防げる様になる。 In addition, if a small compressor is always installed, the shortage of pressure associated with starting can be compensated with a small current, so there is no need to start with a large current as in the conventional cranking, so no cell motor is required and the battery has a large current. This eliminates the need to deal with the problem and prevents troubles such as long-term battery self-discharge that the engine cannot be started.
また、蓄圧量が十分であれば空気機関として作動することもできるので、低速走行及び逆転駆動してバックギヤ無しでバックすることも可能であり、スタートアップのクラッチも削減できる。 Further, if the pressure accumulation amount is sufficient, it can also be operated as an air engine, so that it is possible to drive at low speed and reversely drive without back gear, and the number of start-up clutches can be reduced.
また、2ストローク内燃機関ではエンジンブレーキが利きにくいが、圧縮行程初期に制御バルブ5を開いて高圧縮とすれば、制動力も上がり同時に制動エネルギーの回収もなされ、制御バルブ5の開くタイミングにより逆回転させることも可能である。
In addition, although engine braking is difficult to work with a 2-stroke internal combustion engine, if the
以上のように、従来の内燃機関に機構を追加して簡易に構成することが可能である As described above, it is possible to simply configure the conventional internal combustion engine by adding a mechanism.
図7に4ストローク機関(実施例4)を示し、これを説明する。 FIG. 7 shows a four-stroke engine (Example 4), which will be described.
回転するクランクシャフト18より連接棒17を介してピストン14に回転運動がシリンダー16内にて気密を保って往復直線運動となるよう接続され、排気弁27を介して排気管11より熱交換器6を介して消音器12を介して大気に開放され、吸気弁25を介してエアクリーナー8より大気が吸引され、シリンダー16内に燃料噴射ノズル13を設ける。
The rotating
これら従来構造に加えて、高圧弁26より逆止弁9にて吐出配管3に方向制御されて畜圧器1に接続され、排気管11より加熱される熱交換器6を経た圧縮空気は逆止弁9により方向制御されて高圧弁26に接続され、
In addition to these conventional structures, the direction of the
ピストン14により圧縮された空気はそのまま蓄圧器1に蓄圧され、蓄圧器1から吐出された圧縮空気は熱交換器6を経て加熱される流路とする。
The air compressed by the
動作は高圧弁26を除いて従来のガソリン及びディーゼル機関の4ストローク内燃機関と同じであり、吸気ー圧縮ー膨張ー排気の4行程である。
Except for the high-
ここで制動時には圧縮行程で高圧弁26を開き大気を畜圧器1に蓄圧し、蓄圧量が十分なときは、以下の方法で蓄圧による動力の再生が可能である。
Here, at the time of braking, the
1 膨張行程で高圧弁26を開き熱交換器6より排気熱で加熱された圧縮空気でピストン14を押し下げて後に排気行程となる熱空気機関として作動させる。
1. The
2 空気機関として作動後に再圧縮して燃料噴射ノズル1より燃料噴射して燃焼によって再度ピストン14を押し下げる。
2. After operating as an air engine, it is recompressed, fuel is injected from the
3 排気行程後の排気弁27を閉じた後、吸気及び圧縮行程を省略して上死点通過後に高圧弁26を開くと同時に燃料噴射ノズル13より燃料を噴射して燃焼させ圧縮空気を燃焼して燃焼ガスによりピストン14を押し下げてから排気する。
3 After closing the
また、ガソリン機関のように自然吸気にて混合気を燃焼させる場合は、予め濃い混合気を吸気してから、圧縮行程で高圧弁26を開いて混合気と圧縮空気を充填混合して高圧縮とし作動することで動力の一部として再生させることが可能である。
In addition, when the air-fuel mixture is burned by natural intake as in a gasoline engine, the air-fuel mixture is sucked in advance, and then the
このように、実施例1から3までの2ストロークのポートタイミングをバルブタイミングに置換することで全ての機能が適用可能である。 In this way, all the functions can be applied by replacing the 2-stroke port timing in the first to third embodiments with the valve timing.
以上のように、従来の内燃機関に機構を追加して簡易に構成することが可能である As described above, it is possible to simply configure the conventional internal combustion engine by adding a mechanism.
図8に電力バッファリングシステム(実施例5)を示し、これを説明する。 FIG. 8 shows a power buffering system (Example 5), which will be described.
工場32より廃棄される排熱及びヘリオスタットアレイ34にて集熱器33に集められた太陽熱を熱配管39にて圧縮空気熱機関31の熱源とする。
The exhaust heat discarded from the
太陽電池パネル35及び風力発電機36により発電された電力と送電線41に受送電するための変圧器38を電気配線40にて圧縮空気熱機関31に動力接続された発電機37に接続する。
The electric power generated by the
圧縮空気熱機関31には圧力エネルギーを保存するための畜圧器1と随時内燃機関として発電機37を回し発電可能なように内燃機関の燃料タンク30で構成されるシステムである。
The compressed
これにて電力のバッファリングを行うとき送電線41側に電力を供給する場合は、
When supplying power to the
工場32より廃棄される排熱及びヘリオスタットアレイ34にて集熱器33に集められた太陽熱が利用可能なときは圧縮空気熱機関31の熱源として発電機37にて発電して送電し、太陽電池パネル35及び風力発電機36の利用が可能なときはそのまま電力を送電する。
When exhaust heat discarded from the
すべての外部エネルギーを総合しても電力が供給量に達しなければ、畜圧器1より圧力エネルギーを再生し、それでも尚不足であれば内燃機関を起動して燃料タンク30内の燃料を消費してそれを補う。
If the electric power does not reach the supply amount even if all the external energy is combined, the pressure energy is regenerated from the
この時、送電に要する電力以上の利用可能エネルギーが生じた場合は、電気エネルギーの余剰では発電機37を原動機として圧縮空気熱機関31に動力を与え、熱エネルギーが余剰の時は、圧縮空気熱機関31の一部を熱空気エンジンとして作動させ残りを圧縮機として作動させ畜圧器1に圧力エネルギーとして蓄積させる。
At this time, when usable energy exceeding the power required for power transmission occurs, the surplus electrical energy powers the compressed
また、送電線41側に電力の余剰を生じた場合は、余剰電力と外部発電電力にて発電機37を原動機として圧縮空気熱機関31を圧縮機として作動させ畜圧器1に圧力エネルギーとして蓄積させ、外部熱エネルギーが利用できるときであれば、圧縮空気熱機関31の一部を熱空気エンジンとして作動させて全てのエネルギーを畜圧器1に圧力エネルギーとして蓄積させる。
In addition, when surplus power is generated on the
畜圧器1に圧力エネルギーとして蓄積させるとき、断熱圧縮により発生した熱は畜圧器1を断熱保温により、圧力と共に熱エネルギーとしても貯蔵可能で、畜圧器1以前に断熱圧縮生成熱を蓄熱して置き、動力再生時に蓄熱にて圧縮空気を再熱して再熱定圧サイクルとして熱効率を高めて運転することも出来る。
The heat generated by adiabatic compression can be stored as heat energy together with the pressure by adiabatic insulation, and the heat generated by adiabatic compression can be stored as heat energy when the
電力バッファー容量を大きくするには畜圧器1の畜圧圧力と容積に比例するが、圧力タンクは他の手段である蓄電器または溶融塩等の蓄熱より建設コストが低くメンテナンスも容易で総合コストが低く抑えられ、負荷に対するレスポンスが良い特徴もあり、小型から大規模まで低コストで建造可能である。
To increase the capacity of the electric power buffer, the pressure tank is proportional to the pressure and volume of the pressure of the
また、畜圧器1は深海の水圧を利用して海底の風船状の膜構造でも構築可能であり、岩盤の強度が高い地層にあっては地中に圧力を封じ込める手段も可能で断熱効果もあるので大規模では蓄電容量比がさらに低コストでの建造が可能となる。
Moreover, the
また、圧力でのエネルギー保存は気密講造だけで圧力漏れが無ければ長期にわたるエネルギーの保存が可能であり設備の劣化も殆ど無い。 In addition, energy can be stored under pressure only by airtight construction. If there is no pressure leak, energy can be stored for a long period of time, and there is almost no deterioration of the equipment.
変動の大きな自然エネルギーのバッファーとして利用すれば安定な電源をえられるだけでなく、緊急時は内燃機関として起動できるので、常用または緊急電源の役割も果たすことが可能である。 When used as a buffer for natural energy with large fluctuations, not only can a stable power supply be obtained, but it can also be activated as an internal combustion engine in an emergency, so that it can also serve as a regular or emergency power supply.
また、小規模のバッファーシステムとしては、家庭用の冷暖房および給湯として冷熱の利用と太陽電池パネル及び地域送電の余剰電力バッファーとして総合効率の優れたものとなり、合わせて緊急時の無停電電源としての役目も果たすことが可能である。 In addition, as a small-scale buffer system, the use of cold energy for home air conditioning and hot water supply and excellent overall efficiency as a surplus power buffer for solar panels and regional power transmission, combined with it as an uninterruptible power supply in an emergency It can also play a role.
圧縮空気熱機関31の空気を圧縮するときの断熱圧縮熱および蓄圧圧力の膨張時の吸熱は空調及び給湯の熱源としてのヒートポンプの役目を果たし、太陽電池からの余剰電力は圧力としてエネルギーの保存が可能で圧縮空気熱機関31は必要なエネルギーの種類に応じた出力形態を取ることができエネルギーの利用において無駄がなくなる。
Adiabatic compression heat when compressing air of the compressed
小規模であっても、燃料電池を用いた家庭用コジェネ等よりも低コストで構築でき、設備寿命もバッテリー以上の期待ができ、圧縮空気が余剰の時は本発明による車両搭載の圧縮空気熱機関31に利用も可能ともなり、圧縮空気だけでもホームエレベーター等の動力源として利用も可能となる。
Even if it is a small scale, it can be constructed at a lower cost than household cogeneration using fuel cells, etc., and the life of equipment can be expected to be more than that of a battery. The
以上のように用途により、実施例を単独及び複合してシステムを構成する。 As described above, the system is configured by singly or in combination with the embodiment depending on the application.
本発明により構成されたシステム及び装置は、構造が簡単で製造コストは少なく、構成機構も実績のある機構であるため小型で耐久性に優れる。 The system and apparatus constructed according to the present invention have a simple structure, a low manufacturing cost, and a structural mechanism that has a proven track record, and thus is small and excellent in durability.
利用可能用途別に以下に列記する。 The following is listed according to available applications.
A 車両、船舶のエンジンとして
1 現存のエンジンに少量の機構変更で利用可能となる。
2 圧力タンクは構造部材を中空とすることで、重量増加も少なくコンパクトに出来る。
3 電動回生ハイブリッドと変わらない省エネ性を高価な部品を利用することなく構築できる。
4 クラッチ及びクランキング装置を除外できる。
5 熱効率の向上が見込まれる。
6 一部機能を空気ヒートポンプとして作動させて冷暖房が可能になる。
A As an engine for vehicles and
2 The pressure tank can be made compact by reducing the weight by making the structural member hollow.
3. Energy savings that are the same as those of electric regenerative hybrids can be built without using expensive parts.
4 Clutch and cranking devices can be excluded.
5 Improvement of thermal efficiency is expected.
6 Some functions can be operated as an air heat pump to enable air conditioning.
B クレーン、エレベーター等の荷役機械装置の原動機として
1 荷役の位置エネルギーが再利用できるので省エネが計れる
2 ブレーキシステムの耐久性が向上し安全性が保たれる
3 従来技術の援用であるので信頼性が高い。
4 従来装置と製造コストが余り違わない。
5 既存装置の基本的な機構が流用できる。
B As a prime mover for cargo handling machinery such as cranes, elevators, etc. 1 The potential energy of cargo handling can be reused, so energy can be saved 2 Durability of the brake system is improved and safety is maintained 3 Reliable because it uses the conventional technology Is expensive.
4 The manufacturing cost is not so different from that of the conventional device.
5 The basic mechanism of existing equipment can be used.
C 分散電源、スマートグリッドの安定化として
1 自然エネルギーの不安定出力にたいするバッファーとして電源の安定化を図る。
2 従来のディーゼル発電機などに改造することでも対応でき、現存設備の利用が可能である。
4 エネルギー効率が高くなる
5 小規模の緊急発電装置として分散配置すれば、スマートグリッドとしても安定化が計れる。
6 家庭用総合エネルギー利用の効率化が計れる。
C Stabilization of distributed power supply and
2 It is possible to use existing facilities by modifying existing diesel generators.
4
6 Efficient use of total household energy can be achieved.
1 畜圧器
2 圧縮配管
3 吐出配管
4 加熱配管
5 制御バルブ
6 熱交換器
7 バーナー
8 エアクリーナー
9 逆止弁
10 排気ポート
11 排気管
12 消音器
13 燃料噴射ノズル
14 ピストン
15 ピストンロッド
16 シリンダー
17 連接棒
18 クランクシャフト
19 クランク室
20 給気ポート
21 高圧逆止弁
22 燃焼器
23 点火プラグ
24 加圧ポート
25 吸気弁
26 高圧弁
27 排気弁
30 燃料タンク
31 圧縮空気熱機関
32 工場
33 集熱器
34 ヘリオスタットアレイ
35 太陽電池パネル
36 風力発電機
37 発電機
38 変圧器
39 熱配管
40 電気配線
41 送電線
42 触媒
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