JP2021179206A - 車両用空冷エンジンの発明と運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自家用を含めた車両の低エネルギー化及び騒音等を軽減するエンジンを提供する。【解決手段】大気を圧縮、燃料混合そして燃焼によって生じた高圧ガスを大気圧まで膨張させ、インジェクタで方向性を持った運動エネルギにー変換する。この大気圧に作用した反力で生じる負圧域により回転機を動作させ、その余力で圧縮機を主とする補助機を機能させサイクルをなす排気損失の少ない熱機関。その応用として圧縮空気を利用した運転方法とその空気回路の構築。【選択図】図１

Description

車両用空冷エンジンの発明。この種の汎用型エンジンは、軽油またガソリンを燃料として、近年はジーゼルエンジン、ガソリンエンジンを含めてピストン式のエンジンが主である。

車両用のエンジン排気量は二輪車から乗用車両、建設車両、農業車両を含め様々であるが、前記のレシプロ（ピストン）エンジンが主に生産され、電気自動車と融合し、また争いながら、燃費の向上、環境性能を含めての研究が続けられている。

高温高圧ガスをピストンに作動させ、その反力として動力を捻出する方法。ピストン、クランクシャフトではトルクを一定に保てない。またその寸法の割に値は小さい。振動の問題など、その形状から生まれる課題もある。

その大きなものとして高温高圧ガスの膨張を、ピストン寸法の関係で止めざる得ない。この時の熱損失、膨張不足は大気に仕事をして不帰のものとなっている。

またピストンエンジンの仕事を車輪に伝達する方法。減速機を介して適正なトルクで駆動部に伝達しなければならない。従来機はこの機構にも、インバーターを備えた電気自動車に比して部品点数が多くなる。また減速時の回生機能も困難である。

本発明が解決しようとする課題は、電気自動車の特性を持ち、且つ、電池に比して燃料のエネルギー密度の高さを生かした、内燃機関の発明である。

従来の機関は前記のように、大気にした仕事が回収困難なため、大きな損出となっている。

通常大気は熱量を持っている。例えばヒートポンプの原理は、この熱量を集め、そしてくみ上げ、暖房熱源としている。

この考案のエンジンはロケットのノズルのように、高温高圧のエネルギーの方向を集中させ、一端大気に運動エネルギーを与える。その後ろ側の閉じた空間は負圧となる。このラインに負圧で作動する回転機械を設ければ、大気の保有する熱量が運動として回収できる。

この負圧回転機械余力がガスタービン同様、圧縮機、燃料噴射ポンプ等に動力を供給して、この機関のサイクルをなす

この考案の利点は高温高圧にさらされるピストンとタービンが不要となる。
このエンジンで必要となる機構は、ガスタービン同様に圧縮機、燃焼室、燃料噴射加圧ポンプと点火装置等である。異なる機構は負圧で作動する回転機械を用いることである。この回転機械はモジュールを変えて圧縮機として使用される。

この種の熱機関が実現しなかった要因は、負圧で動作する回転機械の考案が希少であったことである。

この回転機械は４台もしくは２台または単機で高圧の空気で駆動し、駆動輪に動力を送ることができる。必要なのは空気配管。空圧空量調整で回転数の制御が可能である。
ラインを切り替えればればリバースとなり。備蓄タンクを備えれば、減速時に、電気車同様、回生が可能となる。

［図１］は考案エンジンの構成図である。このエンジンの原理と車両への応用を示す。３は燃焼室、そこにはピストンはない。高温高圧のガスはこのノズルを通して膨張され、大気中に噴出される。
４はインジェクタである。後方はその作用で負圧になる。１は負圧モータである。このトルクで燃焼用の圧縮機、車両駆動用圧縮機を駆動することとなる。
もちろん従来機同様、発電機を備え、電気回路が混合気の点火を促す。

この発明では車軸の回転動力は空圧による。車両の水没を想定すれば、最も安全な機構である。蓄圧タンクを備えているので万が一の安全措置も講じることもできる。またその容積によっては浮き続ける。

一般の発電機では周波数（回転数）を一定に保つため、ガバナにより燃料消費量を制御している。
車両への応用では蓄圧タンクの圧力制御が妥当である。構成図では蓄圧タンクの圧力を検知して制御している。アクセル動作のレスポンスは従来機、また電気によるものよりも良いと考える。また，部品点数も少なくできる利点がある。

ドライブチェンジは１７のように空気配管の入れ替えまた閉鎖による。すなわちリバースでは配管のチェンジ。駐車では空気配管の閉鎖となる。

減速などでアクセルを開放すると空気の流れはストップする。ここでは１５の給気弁から空気が流入し、惰性で車輪の回転は継続され、連結された空気モータの圧縮作用により回生タンクに貯留され、駆動用圧縮機に返される。長い下り坂などで蓄圧タンク、回生タンクが満了されると２２の逃がし弁で大気に開放される。

［図１］では２０、分配調節器により、後方の左右二輪に駆動力（空圧量）を分配したが、前方の二輪にも分配できる。また差動装置の替わりとなるものが分配調節器である。ハンドルの変位量（回転量）で左右車輪の回転速度を空気流量で調節する。

［図１］では４のインゼェクタを大気開放したが負圧モーターも大気圧から取り入れるので、緩い閉じたラインとした方が騒音も少なくなると考える。

［図２］はその回転機械のローターである。このローターは円柱部材を加工して製作すると仮定すると、加工された凹凸部と、それを結ぶ斜面の形状は円周上で同形状であり、凹凸部と斜面は重ね合わせるとピタリと重なり合い加工前の円柱になる。［図３］はその断面である。
本考案の回転機械はこのローターを２面用いる。このローターを１８０度の位相で重ね合わせるとピタリと重なり合い、同様に加工前の円柱となす。すなわち双方同型状と言うことになる。

次に組立を示す。［図４］ステーターに１８０度の位相を保ち配置される。ステーターの上部にはシャッター（スライドドア状の物）がスライドする溝が加工されている。このステーターに［図５］のようにローター２面が設置されるとシャッター寸法分の離隔が生まれる。この離隔はローターが回転しても一定であることと、その空間容積はステーター片側半面の容積と等しくなる。もちろんローターの凸部はステーター壁面と密に接触し摺動する。ここでシャッターをスライドさせる力はローターに設けられた斜面の楔作用から生まれる。

［図６］は左右ローターの回転に伴う左右ステーター断面積を示した。図ａからｃは真ん中の断面図から左右ローターを観音開きにパカリと開き、図示した。図中の矢印はローターの傾斜方向を示し、凹凸は文字通りローターの凹凸を図示している。
ａ図は向かって右側ローター凸部が最上部、左側ローター凹部が最下位である場面である。ここではスライドシャッターは最も左側に移動し、ステーター右側吸気口と排気口はローター凸部により遮断され、左側の吸気口と排気口はスライドシャッターによって気密が保たれているので、回転に伴う吸排気は機能している。

真ん中のｂ図はローターが最上位、最下位の状態から反時計方向に６５度回転したものを図示した。ここでは右側のステーター、左側ステーターとも４気孔から吸排気を継続している。

最後のｃ図はｂ図の位置から反時計方向に６０度回転した図である。ここでは同様に右側ステーター、左側ステーターの４気孔から吸排気を継続し、スタート地点から吸排気量は一定に保たれている。さらに回転し、左側ステーターの凸部が最上位に達すると左側吸排気口はローター凸部により遮断され、右側の吸排気口で継続される。
この回転機の特徴は偏心していないこととピストン機のような吸排気の脈動が起きないことである。また回転トルクも比して高い

燃焼室で連続燃焼しているので、空気と混合し、着火できるものであれば種類は問わないが、容易に手に入る灯油、軽油等を燃料として使用できる。
回転機でありトルクも高く、振動が無い。

本発明の回転機械によって、高圧空気が用いられ、車輪までの動力の伝達が容易になった。

空気の蓄圧により減速時のエネルギーが回生できる。

蓄圧タンクに相当量のエアーが備蓄されているので、水没などの事態を想定した時、最も安全対策が構築しやすい。

考案エンジンの構成図 ローター正面図、側面図 ローター断面図 ステーター正面図、断面図 回転機械組立図 回転機械の展開説明図

［図１］はエンジンの構成図である。他の機関と異なる点は燃焼により生じた高温高圧ガスをノズルによって膨張させ，効率よくインジェクタ後部に負圧を生じさせ、回転機械を駆動させる。この回転機のトルクは軸で連接されている圧縮機２台のトルクより大とする。１台は燃焼器用、他の１台は蓄圧タンクを介して車輪に連接された空気モーターに圧縮空気を送る駆動源とする。

車両に不可欠なアクセル、ドライブチェンジ、差動装置は空気回路で構成される。

［図２］から［図６］は回転機械の構造と動作形態を示す。凹凸とそれを結ぶ斜面で形成された同一形状のローター用いて、偏心と脈動が生じない回転機械を構築した。

［図１］
１ 回転機械（負圧モーター）
２ 回転機械（圧縮機）
３ 燃焼室
４ インジェクタ
５ 駆動用圧縮機
６ 点火スイッチ
７ 発電機
８ 燃料調節ガバナ装置
９ 燃料加圧噴射ポンプ
１０ 燃料タンク
１１ バッテリー
１２ 蓄圧タンク
１３ 回生タンク
１４ 圧力センサー
１５ 給気弁
１６ アクセル
１７ ドライブチェンジ
１８ 駆動空気モーター（左右）
１９ 駆動輪（左右）
２０ 空量分配調節器
２１ 方向弁
２２ 逃がし弁

［図２］［図３］
１ ローター
２ ローター連接スペーサー

［図４］［図５］
１ ステーター
２ スライドシャター
３ 吸排気口（４カ所）
４ 駆動軸
５ ローター
６ ローター連接スペーサー
７ ステーターカバー

［図６］
１ 吸気口（２カ所）
２ 排気口（２カ所）

Claims (3)

1. 大気を圧縮、燃料混合そして燃焼によって生じた高圧ガスを大気圧まで膨張させ、インジェクタで方向性を持った運動エネルギーに変換する。この大気圧に作用した反力で生じる負圧域により請求項目３の回転機を動作させ、その余力で圧縮機を主とする補助機を機能させる熱機関。
2. 請求項目１の熱機関で、請求項目３の回転機械を圧縮機として使用し、蓄圧タンクに貯留し、タンクの圧力で機関の運転を制御し、車両への動力伝達また、制御を空圧配管、空気回路で行う車両運転方法。
3. 鍛造、鋳造、切削などにより、厚みを持つ正円の円周上に、凹凸部また凹凸を結ぶ両サイド等しい斜面を加工する。仮にこれを斜面の中心から両サイド切断して重ね合わせると凹凸部、斜面ともピタリと重なり合う。この仮の形状は円柱を半分に切断した物に等しい。
   この同型状の２面を１８０度の位相で重ね合わせると円柱となる。これをローターとしてそれぞれの凸部がステーターの壁面に気密を保ちながら摺動する。ステーターの形状概略はＩ形鋼をコイル状に巻き、交差させないで頂点を連結させる。この頂点部分にスライドするドア片面が、スムースに左右に動くガイド溝を設ける。このガイド溝の両サイド上部に吸気口と排気口を配する。それはローターの凸部がスライドシャッターの中間部に位置したとき、摺動する凸部の上部が吸気口と排気口を覆い気密を保つ寸法とする。この凸部が吸気口と排気口を覆う事象は凸部が１８０度回転するごとに現れる。この時スライドシャッターは回転に伴い、ローター斜面部の楔作用で左右に移動し、吸気口と排気口の気密を保ち、モーターまた圧縮機の機能を維持している。この回転機の特徴は偏心が無く脈動も無い。圧縮能力は片側ステーターの容積となる汎用回転機械。

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