JP2012528270A - 火花点火エンジンの動作方法および本方法を用いた火花点火エンジン - Google Patents

Abstract

本発明は、水タンク（２３）と、少なくとも１つのシリンダ（１１）と、このシリンダの内部に収容され軸に沿って往復運動をする可動式ピストン（１２）とを有し、このピストンがヘッドと、このヘッドに連結するアームと、前記ピストン（１２）の上でシリンダ上に設けられた少なくとも１つの吸気弁（１９）および排気弁（２０）と、２つのインジェクタ（２１ａおよび２１ｂ）とを有するレシプロ型の火花点火エンジンに関する。エンジンは、シリンダ（１１）に注入される水素ガスを水の電気分解によって生成する装置（２７）を備え、水素ガスの爆発によってピストン（１２）が上死点（ＴＤＣ）より先に移動し始める。次に、所定量の水を注入すると、この水は水素ガスの爆発によって発生する熱効果により瞬時に蒸発する。熱い水蒸気はピストン（１２）を下死点（ＢＤＣ）へと押す。蒸発および水素ガスの燃焼によって発生した水蒸気は次に、排気弁（２０）から排出される。このエンジンの利点は、水蒸気と水以外は生成しないためクリーンであることと、燃料は無限に再生可能な天然産物、すなわち海水などの塩水であることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水タンクと、少なくとも１つのシリンダと、このシリンダの内部に収容され軸に沿って往復運動をする可動式ピストンとを有し、このピストンがヘッドと、このヘッドに連結するアームと、前記ピストンの上でシリンダ上に設けられた少なくとも１つの吸気弁および排気弁とを有するレシプロ型の火花点火エンジンの動作方法であって、水素ガスを使用する方法に関する。

本発明は、水タンクと、少なくとも１つのシリンダと、このシリンダの内部に収容され軸に沿って往復運動をする可動式ピストンとを有し、このピストンがヘッドと、このヘッドに連結するアームと、前記ピストンの上でシリンダ上に設けられた少なくとも１つの吸気弁および排気弁とを有するレシプロ型の火花点火エンジンにも係る。

燃料のなかでもとりわけ化石燃料の燃焼に基づくエンジンが多種類存在している。これらのエンジンの動作原理はよく知られており、生産性を向上させ、消費を抑制し、かつ汚染を軽減しようとする大規模な改善はここ数年行われているが、まだ改善の余地は残されている。その上、多くの天然資源が枯渇状態にあり、特に化石燃料の埋蔵量が乏しいことが知られている。さらに、農産物から（とりわけ菜種およびサトウキビの）油またはエタノールを生成することができる農業は、何よりもまず人間および動物に食料を供給する必要がある。現在、農業資源はこれらの目的を達成するにはもはや十分ではない。

したがって、一貫して増大しつつある需要を賄うために、豊富であると同時に再生可能であるという利点を併せ持つエネルギー源を探し当てることが有利である。太陽光および風力は電力生成用にすでに幅広く利用されているが、このエネルギーの貯蔵問題があるためにその利用分野は限られている。

淡水は魅力的な解決策となり得るが、淡水は何よりもまず人間の需要、動物および植物の生命の需要を賄うのに不可欠なものであるため、この資源は枯渇するリスクも備えていることが地球温暖化からわかる。

逆に海水は、地球表面の７０％を占め、雨および氷の溶解によって再生成される。海水をエネルギー源として利用することは、現在のエネルギー源に有効な代替案となり得るが、エネルギー生成の点で簡易、経済的かつ高効率な手段を開発することが条件となる。

２サイクルまたは４サイクルで化石燃料または合成燃料が供給される現在のレシプロエンジンは今日でも、駆動、推進、トラクションまたはこれと同様の動作など、あらゆる機能を瞬時に利用できるように直接使用可能な機械エネルギーを生成するのに最も有効な方法の１つである。実際、この種のエンジンのピストンヘッドに生じるデトネーションによってかかる圧力は、ピストンの表面に対してほぼ直角であるため、このエンジンの出力軸の回転運動が生じてピストンを動かす。バンケル型ロータリーエンジンのような回転装置、およびＱｕａｓｉｔｕｒｂｉｎｅは、往復運動を回転運動に変換しなくてもよいように開発されたものであるが、燃焼または膨張による圧力が発生するのに必要な角度はレシプロエンジンほど有利なものではない。Ｑｕａｓｉｔｕｒｂｉｎｅの方がバンケル型の方法よりもわずかに良好な角度となることがわかるであろう。

現在のレシプロエンジンが抱える最大の欠点の１つは、ピストンが上死点（ＴＤＣ）にあっても強力なエネルギーを放出する燃焼が生じるということである。このとき、コネクティングロッドの角度およびクランクシャフトの中心によって決まるレバーアームは最も小さくなる。

理想的な条件とするには、コネクティングロッドがクランクシャフトに対して水平のときに、つまりレバーアームも同じく最大のときに、レシプロエンジン内の燃焼が発生する必要がある。ガンモーターなどのシステムのなかには、これに該当するレシプロエンジンのピストンが上死点（ＴＤＣ）よりも数十度超えたときに最大の効果が生じるように、さまざまに異なる燃焼が提供されているものがある。

その結果、化石燃料またはこれと同様のものを使用する現在の火花点火エンジンは、比較的高性能であっても最適な条件で機械的エネルギーを生成することができない。さらに、枯渇の危機にある化石燃料の使用は、近い将来止めざるを得ない。また、化石燃料を使用すると、大量の無水炭酸および未燃焼粒子が排出されるため環境を汚染し、地球温暖化および大気汚染の一因となる。

本発明は、動作サイクルの最中に生成されるエネルギーを最大に使用して機械力を発生させると同時に、抽出が困難かつ危険である化石燃料を使用せず、地球上で無限に再生可能な物質を使用する火花点火エンジンを提供することで、現在の熱機関によって通常生成される排気ガスの汚染をなくすことを目的とする代替案を提案するものである。

そのために、本発明による方法は、
ａ．− 前記ピストンのヘッドの上に位置する前記シリンダのスペースに、所定量の水素ガス、および酸素を含む所定量の混合気を吸入する第１のステップと、
ｂ．− ピストンが上死点（ＴＤＣ）を過ぎた瞬間にシリンダに挿入された水素ガスを爆発させる第２のステップと、
ｃ．− 所定量の水を前記ピストンの上に配置されたスペースにある前記シリンダ内に注入し、水素ガスの爆発によって生じる熱効果によってこの水を瞬時に蒸発させ、エンジンを冷却する少なくとも１つの第３のステップと、
ｄ．− 注入した水の蒸発および水素ガスの燃焼によって生成された水蒸気を排出する第４のステップ
とを含むことを特徴とする。

有利には、本方法は、前記タンクの水の電気分解によって水素ガスを生成する予備ステップを含み、エンジン動作の前記第１のステップでこの水素ガスから少なくとも所定量を取り出す。

前記予備ステップでは、前記タンク内に含まれる塩水を使用し、電気分解によって水素ガスを生成してエンジンを冷却することが好ましい。

前記第１、第２および第３の動作ステップは、優先的に前記ピストンが上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）へ移る間に行われ、前記第４の動作ステップは前記ピストンが下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）へ移る間に行われる。

特に有利には、前記エンジンは複数のシリンダを有し、シリンダはそれぞれこのシリンダに収容されるピストンを有し、第１、第２、第３および第４の全ステップを前記エンジンの各シリンダ内で個別に実施し、１つのシリンダ内で行われた前記ステップはそれぞれ、前記エンジンの別の前記シリンダ内で行われたこれに対応するステップとは時間がずれる。

この目的のためにも、上に定義したような本発明による火花点火エンジンは、
ａ．− 第１のステップで、前記シリンダ内の前記ピストンヘッドの上に位置するスペースに、所定量の水素ガス、および酸素を含む所定量の混合気を吸入する手段と、
ｂ．− 第２のステップで、ピストンが上死点（ＴＤＣ）を過ぎた瞬間にシリンダに吸入された水素ガスと酸素との混合気を爆発させる手段と、
ｃ．− 少なくとも１つの第３のステップで、前記シリンダ内の前記ピストンの上に配置されたスペースに所定量の水を注入し、水素ガスおよび酸素の爆発によって生じる熱効果によってこの水を瞬時に蒸発させ、エンジンを冷却する手段と、
ｄ．− 第４のステップで、注入した水の蒸発および水素ガスの燃焼によって生成された水蒸気を排出する手段
とを含むことを特徴とする。

エンジンは、前記タンクに含まれる水の電気分解によって水素ガスを生成する手段を備えていることが好ましい。

一実施変形例では、水素ガスの生成には、高温で電気分解を実施する手段を備えてもよい。

優先的に、前記タンクは、電気分解によって水素ガスを生成するための塩水を含む。

有利な一実施形態では、第１のステップで所定量の水素ガスを吸入する前記手段は、インジェクタを有する。

さらに、第１のステップで酸素を含む所定量の混合気を吸入する前記手段は、吸気弁を有する。

前記タンクの所定量の水を前記シリンダに注入する手段は、注入ポンプに接続するインジェクタを有することができる。

複数のシリンダを有し、各シリンダがこのシリンダ内に収容されるピストンを有するエンジンの場合、エンジンは各シリンダ内で、１つのシリンダに対応するステップが他のそれぞれのシリンダ内でこれに対応するステップとは時間がずれるように制御する制御手段を有することが有利である。

本発明およびその利点は、添付の図を参照しながら非限定的な例として挙げた一実施形態に沿って説明した以下の説明文を読めば明らかになるであろう。

本発明によるエンジンを示す主要図である。 図１のエンジンの動作サイクルの第１の段階を示す図である。 図１のエンジンの動作サイクルの第２の段階を示す図である。 図１のエンジンの動作サイクルの第３の段階を示す図である。 図１のエンジンの動作サイクルの第４の段階を示す図である。

図１では、簡略化した第１のバージョンで概略的に示したような火花点火エンジン１０は、単一のシリンダ１１を有し、このシリンダ内にはコネクティングロッド１３と連動して往復直線運動をするピストン１２が収容され、コネクティングロッドは一方の端部１４が中央軸１６に支持されて回転するフライホイール１５に回転式に取り付けられ、このコネクティングロッド１３はさらに反対側の端部１７がピストン１２に連結している。シリンダ１１の上にあるエンジン１０のブロックは、シリンダヘッド１８を有し、このシリンダヘッド内にはとりわけ吸気弁１９、排気弁２０、第１のインジェクタ２１ａ、第２のインジェクタ２１ｂおよびスパークプラグ２２またはこれと同様のものが収容され、これらの機能については後述する。吸気弁１９はシリンダヘッド１８内の吸気マニホルド１９ａの口に取り付けられ、吸気マニホルドにはエアフィルタ１９ｂが取り付けられる。

エンジン１０は、例えば塩水などの水タンク２３、蓄電池２４、およびフライホイール１５が例えばベルト２６によって駆動されて蓄電池２４を充電するオルタネータと接続している。記載した実施例では、タンク２３は、タンク２３に含まれる塩水の電気分解によって水素ガスを生成するために配置される電気分解装置２７を内包している。この電気分解装置２７をタンク２３の外に設置してもよいことは明らかである。電気分解装置２７は、水素供給回路２８に取り付けられた注入ポンプ２８ａを介して水素供給回路２８を用いてインジェクタ２１ａに接続している。さらにタンク２３は、給水回路２９によって注入ポンプ３０に接続し、注入ポンプは、ピストン１２の上部とシリンダ１１の上部とが境界となるスペースに加圧して水を注入するように配置されるインジェクタ２１ｂに連結している。

動作の最中に、予備ステップの段階で、電気分解によって微量の水素ガスを生成することが好ましく、第１のステップの間にインジェクタ２１ａに接続している供給回路２８を用いてこの所定量のガスを注入してエンジン１０に燃料を供給する。水素は燃料として使用し、ピストン１２の上部とシリンダ１１の上部とが境界となるスペース内に吸気弁１９が開放する吸気管１９ａを用いて空気または酸素を支燃性物質として添加する。別の動作ステップで、注入ポンプ３０を介してタンク２３の下部をインジェクタ２１ｂに連結している供給回路２９を通して、液状の塩水を注入する。

変形例として、エンジン１０の動作に必要な水素ガスは、高温での電気分解方法に沿って生成することができ、これには水を循環させる補助装置が必要になる。タンク２３から来る水を蒸発させる手段を含むこの備品は、シリンダヘッド１８内に通じる導管３１および３２で示している。

火花点火エンジンに使用される従来のスパークプラグ２２は、通常点火コイルとコンタクトブレーカーからなる装置を必要とするが、この場合は消費電力が少ないという利点がある圧電力システムで代替することができる。この供給源は符号３３で概略的に示している。水素爆発は始動にきわめてわずかなエネルギーしか必要としないため、この方法を適用することができる。

エンジンの動作ステップを、本発明の方法の原理を示す図２から５を参照してさらに詳しく説明する。図２は、矢印Ａが示すようにある量の空気がシリンダ１１の（図の）上部に吸引される第１のステップを示し、この吸引は、ピストン１２が下降する瞬間にシリンダ１１内に起こる圧力低下によって起こる。時間をわずかにずらして、予備ステップで電気分解により生成された所定量の水素ガスが、矢印Ｂで示すようにインジェクタ２１ａを通ってシリンダ１１の（図の）上部に注入される。これにより、ピストン１２の上部とシリンダ１１の上部との間のスペースは水素ガスと空気との爆発性混合気で充填される。

図３は、スパークプラグ２２によって発生する火花を用いて水素ガスと空気との混合気を爆発させる第２のステップを示す。この爆発は、コネクティングロッド１３でピストン１２とフライホイール１５とが連結していることによってフライホイール１５が駆動されることで、ピストン１２への押力を発生させてピストンを（図の）下へ移動させるという効果がある。

図４に示す次のステップは、タンク２３に取り出されたある一定量の水を、インジェクタ２１ｂを用いてピストン１２とシリンダ１１の上部との間に位置するスペースに注入することである。インジェクタ２１ｂへの供給は矢印Ｃで概略的に示している。前ステップで混合気の爆発によってきわめて高温になったこのスペースで、注入された水はきわめて高圧下で水蒸気に変化して瞬時に蒸発する。この圧力によって再度ピストン１２はシリンダの（図の）下部へ押し下げられ、フライホイール１５を駆動する大きなトルクが発生する。

水素ガスと空気または酸素との混合気が爆発するとともにシリンダ１１に発生した水蒸気が膨張することによって相乗された押力により、フライホイール１５は、まずピストン１２を上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）に向かって駆動したのちに下死点（ＢＤＣ）から先へと駆動しながら回転する。ピストン１２が「上昇」する間、シリンダ１１内に含まれるガスを排気するステップが開始される。このステップは図５に示している。排気ガスは、矢印Ｄが示すように、排気弁２０および排気マニホルド２０ａを通って排気される。

エンジン１０は２サイクルタイプのものであり、これによって特に効率的になる。前記ピストン１２のヘッドに発生する押力の作用でピストン１２を降下させるアクティブな各ステップに対応するのは、ピストン１２の上昇およびガスの排気を行う反応段階しかないからである。

水の電気分解、とりわけ海水などの塩水の電気分解は、シリンダに注入された水が瞬時に蒸発することによって圧力の最大部分が生じるため、少量の水素ガスを発生する役割を果たす。これにより、必要な電力を生成するには寸法の小さいオルタネータなどの電気発生器で十分となる。さらに、水の注入によりシリンダ１１が冷却されるという二次的な効果があるため、約５５０℃の自動点火温度を上回る温度で水素ガスを注入しなくてもよい。混合気が爆発する瞬間に達する温度はきわめて高温であることから、エンジンを適切な方法で冷却するのに水の注入１回のみでは十分ではないことがある。この場合は、爆発性混合気を爆発させることなく第２のサイクル、あるいは複数のサイクルを実施することができ、エンジンは単なる蒸気機関のように回転することができる。蒸気は、混合気の爆発の余熱および各サイクルの初めにシリンダ上部に水を制御して注入することによって発生する。そうするために、適切な温度および圧力を検知するセンサーを配置して、インジェクタおよびバルブを操作する中央制御ユニットに情報を提供する。

記載したエンジン１０は単一のシリンダ１１のみを有するが、本発明の火花点火エンジンは、並列に取り付けられ操作方法が同じである複数のシリンダを備えてもよい。この場合、エンジン１０は、さまざまなピストンのさまざまなコネクティングロッドに連結したクランクシャフトを備えることになる。この場合、各シリンダの各ピストンの動作段階は同じである。ただし、さまざまに異なるピストンは互いにずれ、クランクシャフトにかかるトルクが最適となるように動作ステップもずれる。

このほか、記載したようなエンジン１０は、多様な修正を加えることができ、本発明の範囲内で多様な変形例を取ることができる。本発明のエンジンの基本的な利点の１つは、通常は貯蔵するとリスクが伴うと考えられている水素ガスが、生成される瞬間に直接消費されるため、貯蔵に伴うリスクが完全になくなるということである。予備ステップで生成される量は、実際にはエンジンの各動作サイクルの第１のステップで消費される。発生する排気ガスは、水蒸気および空気である。この動作は経済的であり、環境を汚染しないものである。

Claims (14)

1. 水タンク（２３）と、少なくとも１つのシリンダ（１１）と、このシリンダの内部に収容され軸に沿って往復運動をする可動式ピストン（１２）とを有し、このピストンがヘッドと、このヘッドに連結するアームと、前記ピストン（１２）の上で前記シリンダ（１１）上に設けられた少なくとも１つの吸気弁（１９）および排気弁（２０）とを有するレシプロ型の火花点火エンジンの動作方法（１０）であって、水素ガスを使用する方法において、
   ａ．− 前記ピストン（１２）のヘッドの上に位置する前記シリンダ（１１）のスペースに、所定量の水素ガス、および酸素を含む所定量の混合気を吸入する第１のステップと、
   ｂ．− 前記ピストン（１２）が上死点（ＴＤＣ）を過ぎた瞬間に前記シリンダ（１１）に挿入された水素ガスと酸素との混合気を爆発させる第２のステップと、
   ｃ．− 前記シリンダ（１１）内の前記ピストン（１２）の上に配置されたスペースに前記タンク（２３）の所定量の水を注入し、水素ガスと酸素との混合気の爆発によって生じる熱効果によって前記水を瞬時に蒸発させ、エンジンを冷却する少なくとも１つの第３のステップと、
   ｄ．− 注入した水の蒸発および水素ガスの燃焼によって生成された水蒸気を排出する第４のステップ
   とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記タンク（２３）の所定量の水の電気分解によって水素ガスを生成する予備ステップを含み、前記第１のステップでこの水素ガスから少なくとも所定量を取り出すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記タンク（２３）の水の電気分解は、高温での電気分解方法に沿って実施することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記予備ステップでは、電気分解によって水素ガスを生成するのに塩水を使用することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記第１、第２および第３の動作ステップは前記ピストン（１２）が上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）へ移る間に行われることと、前記第４の動作ステップは前記ピストン（１２）が下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）へ移る間に行われることとを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 複数のシリンダ（１１）を有し、該シリンダがそれぞれ前記シリンダに収容されるピストン（１２）を有するエンジン（１０）に使用する方法において、第１、第２、第３および第４の全ステップを前記エンジン（１０）の各シリンダ（１１）内で個別に実施し、１つのシリンダ（１１）内で実施した前記ステップはそれぞれ、前記エンジン（１０）の別の前記シリンダ（１１）内で実施したこれに対応するステップとは時間がずれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 水タンク（２３）と、少なくとも１つのシリンダ（１１）と、該シリンダの内部に収容され軸に沿って往復運動をする可動式ピストン（１２）とを有し、該ピストンがヘッドと、該ヘッドに連結するアームと、前記ピストンの上で前記シリンダ上に設けられた少なくとも１つの吸気弁（１９）および排気弁（２０）とを有するレシプロ型の火花点火エンジン（１０）において、
   ａ．− 第１のステップで、前記ピストン（１２）のヘッドの上に位置するスペース内の前記シリンダ（１１）に、所定量の水素ガス、および酸素を含む所定量の混合気を吸入する手段（１９、２１ａ）と、
   ｂ．− 第２のステップで、前記ピストン（１２）が上死点（ＴＤＣ）を過ぎた瞬間に前記シリンダ（１１）に吸入された水素ガスと酸素との混合気を爆発させる手段（２２）と、
   ｃ．− 少なくとも１回の第３のステップで、前記タンク（２３）の所定量の水を前記ピストン（１２）の上に配置されたスペースにある前記シリンダ（１１）に注入し、水素ガスおよび酸素の爆発によって生じる熱効果によってこの水を瞬時に蒸発させ、エンジンを冷却する手段（２１ｂ）と、
   ｄ．− 第４のステップで、注入した前記水の蒸発および水素ガスの燃焼によって生成された水蒸気を排出する手段（２０）
   とを含むことを特徴とするエンジン。
8. 前記タンク（２３）の水の電気分解によって水素ガスを生成する手段（２７）を備えていることを特徴とする、請求項７に記載のエンジン。
9. 前記水タンク（２３）は、電気分解によって水素ガスを生成するための塩水を含むことを特徴とする、請求項８に記載のエンジン。
10. 前記水素ガスを生成する前記手段は、高温で電気分解を実施する手段であることを特徴とする、請求項８に記載のエンジン。
11. 第１のステップで所定量の水素ガスを吸入する前記手段は、インジェクタ（２１ａ）を有することを特徴とする、請求項７に記載のエンジン。
12. 第１のステップで酸素を含む所定量の混合気を吸入する前記手段は、吸気マニホルド（１９ａ）に接続する吸気弁（１９）を有することを特徴とする、請求項７に記載のエンジン。
13. 所定量の水を前記シリンダ（１１）に注入する手段は、注入ポンプ（３０）を介して前記水タンク（２３）へ接続するインジェクタ（２１ｂ）を有することを特徴とする、請求項７に記載のエンジン。
14. 複数のシリンダ（１１）を有し、該シリンダがそれぞれシリンダに収容されるピストン（１２）を有する前記エンジンにおいて、各シリンダ（１１）内で、１つのシリンダに対応するステップが他のそれぞれのシリンダ内でこれに対応するステップとは時間がずれるように制御する制御手段を有することを特徴とする、請求項７に記載のエンジン。

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