JP3787768B2 - 往復動板式回転内燃機関 - Google Patents

Description

【技術分野】
この発明は、往復動板回転内燃機関（日本国特許第９６１７８９号、昭和４２年特許願第０８０９５７号）の往復動板・燃焼室及び燃料噴射位置の改良に関するもの。
【背景技術】
大気汚染・地球温暖化に対して、自動車や産業用原動機からの排気物質（ＨＣ・ＣＯ・ＮＯ_ｘ・黒煙・ＳＯ_２・ＣＯ_２）は大きな役割を演じている。そこで、原動機から出る汚染物質を最小にし、その熱効率を最大にする可能性のあるものとして、往復動板回転エンジンの実用化を目指す。
往復動板回転エンジンが汚染物質を最小にする可能性とは、このエンジンが高速回転（１２０００ｒｐｍ以上）に適しており、ＮＯ_ｘの生成反応所用時間が経過する前に、燃焼・膨張行程を終わらせ、高温壁部から燃焼ガスを強制的に引き離すことにより、ＮＯ_ｘの生成を抑制する可能性と、主な構造材料として耐熱セラミックスを使うことにより、冷却せず逆に保温して、低温及び酸素不足等の為に起きろ不完全酸化燃焼としての、ＨＣ・ＣＯ・黒煙微粒子の発生を抑制する可能性とがあると言うことである。
更に、動板等の潤滑・密閉を空気軸受的方法（起動時は固体潤滑か圧縮空気・燃焼圧力ガス・蒸気噴射クッション作用）により行い、また、排気タービン圧縮機と共に排気再生蒸気を活用して、潤滑・密閉・内部冷却・作動補助を行い、冷却損失・排気損失を最小にすることにより、熱効率を飛躍的に高める（目標熱効率６０％以上）ことが可能となる。
エンジンに革命をもたらすものと期待された、ＮＳＵバンケルロータリーエンジンが実用化され、ＮＯ_ｘ発生量の低いことも認められながら、敗退した理由は、排気容量に対して冷却面積が大きすぎ、熱効率の低いことが致命的であった。
尚、本エンジンの燃料としては、軽油・灯油・ガソリンはもとより、ＬＮＧ・メタノール・エタノール・水素等、気体・液体の燃料であれば、使用可能で、エンジン本体の小型・軽量化も期待できる。
このエンジンの具体的実施例を、図面により説明すると次のごとくである。このエンジンはベーンポンプと同じような構造で、Ｆｉｇ１〜３に示すように、円筒型のケース（２）内に偏心して円柱型ロータ（１）が回転し、このロータ（１）に軸心から等角度放射状に、平行面の溝（ガイド）を設け、その中に往復動板（４）を収め、遠心力（場合によっては動板後端に蒸気やばね等を作用させることも考慮する）により、往復動板（４）先端をケース（２）内面に圧接しながら滑動させる。すると、隣り合った前後２枚の往復動板（４）・ケース（２）内面・両サイドケース（３）・ロータ（１）外面とで囲まれた各室（８〜１２室）がそれぞれ作動室となり、ロータ（１）の回転に伴う作動室容積の変化に合わせて、排気吹出し・掃気・過給・圧縮・燃料噴射・燃焼・膨張・排気吹出しを行程とし、１回転で全行程を終わる、２サイクル８〜１２気筒エンジンとなる。この場合、作動室への燃料噴射の代りに、給気口（６）を回転方向に隔壁（５７）でいくつかに分割し、そのうちの後部給気口（燃料の素通り損失をなくすため）に燃料噴射装置等（５８）を設けて、燃料を供給する方式も考えられる。
給気口（６）・排気口（５）の始点終点・燃料噴射ノズル（７）・グロープラグ（８）・第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気（エンジンブレーキ用）口（２７）の位置と方向は、種々変えた試作実施により見出す。
次に、排気ガスのＮＯ_ｘ対策・潤滑密閉及び熱効率向上の為、図３に示すように水蒸気を利用する。このシステムに水を供給する方法として、大気圧水タンク（２９）・引出弁（３１）・加圧ポンプ（３２）・ポンプ吐出弁（３３）系による方法と、圧力調整弁（３５）・蒸気圧水タンク（３６）・引出弁（３９）・補給弁（４０）系による方法とがあり、前者は移動体に取り付けるような場合に適し、後者はタンクに耐圧姓を持たせるために重く、定置の場合に適している。
水タンク（２９）の水は、引出弁（３１）を通って加圧ポンプ（３２）で燃焼圧力まで加圧され、ポンプ吐出弁（３３）を通って熱交換器（１４）の蒸気発生管（１５）に入り、蒸気・加熱蒸気となって逆止弁（１８）を通った後、優先的第１蒸気（潤滑・密閉用）系と第２蒸気（作動補助・冷却用）系に別れる。
第１蒸気は閉止遅延弁（１９）を通り、第１蒸気供給管（２０）を通って環状の潤滑・密閉用蒸気溝（２１）に入り、そこから往復動板（４）の先端・ガイドの滑動部・ロータ（１）とサイドケース（３）の接触部・軸受部等に供給される。
第２蒸気は起動停止弁（２２）を通り、第２蒸気供給管（２４）を通って、切替弁（２５）の開方向が管（２３）と管（２６）に開条件で、第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気管（２６）に入り、第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気口（２７）から作動室へ冷却・作動補助用として注入される。
軸受用を除く第１蒸気と第２蒸気は、それ自身がエンジン内部で加熱膨張し、作動ガスとともに動力源となる。また、逆止弁（１８）の１次側で分岐した管は、安全弁（１６）・圧力計（１７）とつながる。
尚、蒸気発生管（１５）への給水を、加圧ポンプ（３２）によらず、圧力調整弁（３５）による場合は、安全弁（１６）・圧力計（１７）とつながった管が圧力調整弁（３５）を通って蒸気圧水タンク（３６）の上部に連結する。圧力調整弁（３５）は設定圧まで開いており、蒸気圧水タンク（３６）の水は自然流下で引出弁（３９）を通り、熱交換器（１４）の蒸気発生管（１５）へと流れる。
蒸気圧力が設定圧力より高くなると、圧力調整弁（３５）が自動的に閉まり、蒸気圧水タンク（３６）内の圧力が圧力調整弁（３５）の１次側（安全弁側）より相対的に低くなり、蒸気圧水タンク（３６）から蒸気発生管（１５）への水流出量を減少させ、蒸気発生量・蒸気圧力を低減する。この場合、蒸気圧水タンク（３６）内で蒸気の凝結速度が大きい場合は、水残量とともに容積が変化する断熱率の高い弾性タンクを蒸気圧水タンク（３６）に内蔵させる。
切替弁（２５）の開方向を、第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気管（２６）と燃焼ガス抽気管（２８）にすると、作動室内の燃焼ガスが第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気口（２７）から抽気され、管（２６）・切替弁（２５）・管（２８）を通り、排気タービン１次側の排気管（９）にバイパスされることにより、エンジンブレーキが働くこととなる。
燃料噴射量は、エンジンブレーキ作動時やアイドリング時においても、第１蒸気分の蒸気発生量が得られる最低噴射量に制御する。
以上が往復動板回転内燃機関の概要であるが、問題は動板の高速回転をいかにスムーズに行わせるかと、燃焼室の上死点における偏平化に対し、燃料噴射供給を如何に行うかであり、本特許はその改善策である。
【発明の開示】
往復動板先端とケース内面との滑動面は、動板自体に発生する遠心力による先端圧接力に対し、動板前後の作動室圧力による反力と動板先端から出す蒸気のクッション作用、及び、滑動面の固体潤滑または気体軸受作用力の合成力で、釣り合いを保持する。
本発明は、動板先端が起動時は固体潤滑になるとしても、規定回転数では楔作用による気体軸受作用力をなるべく大きくして、動板先端及びケース内面の摩耗を防ぎ、摩擦係数を最小にすることにある。
無限幅気体軸受についての方程式は
∂ｐ／∂ｘ＝６・ｔ（ｐｈ−ｋ）／ｐｈ^３
ここで使用する記号は次の通り
ｄ、∂：微分及び偏微分係数
ｐ：圧力
ｘ：軸受面における回転方向距離
・Ｆ気体の粘度
ｈ：すきま
Ｕ：周速度
ｈ_ｏ：ｐが最大（ｄｐ／ｄｘ＝０）になる点のｈ
ｋ：定数
ｈ_ａ：気体入口又は最大のすきま
ｐ_ａ：同上における気体圧力
周速度Ｕがどの程度以上であれば、無限大として扱えるか分からないが、
ｄｐ／ｄｘは有限であるから
ｌｉｍ（Ｕ→∞）ｄｐ／ｄｘでは（ｐｈ−ｋ）→０となる必要がある
従って
ｌｉｍ（Ｕ→∞）ｐｈ＝ｋ＝ｐ_ａｈ_ａ
ケース内径２５０ｍｍで２００ｒｐｓの周速度
・０・２５＊２００＝１５７ｍ／ｓ
を無限大に近いとみなせば、掃気圧力を０・１３メガパスカル，ｈ_ａを１ｍｍとして、最小すきまｈ_０＝０・０１ｍｍの場所でｐ_０＝１３メガパスカルとなる
実際は，Ｕが１５７ｍ／ｓ程度では無限大とはみなせないので、蒸気クッション力等との複合力で動板遠心力を受け止めることになるが、その中で、気体軸受作用を最大限に活用しようとするのが本発明の主旨である。
また、遠心力をなるべく小さくする必要はあるが、燃焼圧力を閉じ込める程度の遠心力は必要である。
液体軸受では、最狭部を過ぎると負の圧力が発生することになるが、気体軸受では無限幅超高速であれば、ｐｈ＝一定であるから、最狭部を過ぎても負の圧力は発生せず、最狭部に対して対称に近い圧力となる。
以上の結果を基にして、往復動板の見かけ比重を軽くし、耐熱性・耐摩耗性を保持しながら、気体軸受作用を最大限に発揮させる為、動板先端をつるはし形とし、その実施例を図４〜６に示す。
また、燃料を上死点近くで噴射する代りに、給気口の遅く閉まる位置で、燃料を気化又は噴射して、燃料の素通り損失を無くし、ガソリンエンジンと同じ行程をさせ、その実施例を図７・８に示す。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明にかかる往復動板を収容する、往復動板回転エンジンの回転軸に垂直で動板中央の断面図
図２は同上の回転軸心を含み、対抗する２枚の動板に平行な断面図
図３は往復動板回転エンジンの水系統図
図４は本発明にかかる動板の中央線を含み、同盤面に垂直な断面図
図５は動板を動板面に垂直方向から見た図
図６は図４のｇ−ｇ矢視
図７は給気口（６）の拡大図
図８は図７の断面図
【発明を実施する為の最良の形態】
本発明になる往復動板の製作行程を，図４〜６について説明すれば次の通り
まず、市販されている１０μｍ程度の大きさの炭素単繊維を、数千本束にした糸を２方向に配向させた織物（５２）を、動板の幅（ｃ）で厚さが動板厚（ｄ）になるまで積層し、その厚さの半分の面と動板の両ガイド面の先端線を含む面との交線で、互いに反対側に振り分けて、両ガイド面先端線を中心に９０ーの角度で曲げ、その先を曲率半径の小さい部分から順に切落として、内側曲率半径（ｅ）がロータ（１）半径より少し大きく、外側の曲率半径（ｆ）がロータ（１）半径の１／２程度になるように加工し、この全表面及び先端振分け凹部（５３）に黒鉛をマトリックスとして含浸焼結し、その上（外面）に炭化チタンをコーティングして、動板を仕上げる。
このような製作方法を取ることにより、内部の炭素繊維間に微細空洞が無数にあり、見かけ比重が０，８以下で、耐熱性・耐摩耗性・潤滑制の高い、高速回転用往復動板が製作可能となる。
動板の見かけ比重を小さくするには、多孔質材を使う方法や、内部に厚みの何割かの空洞部を設けて、必要強度を維持しながら軽量化する方法等も考えられる。
また、圧縮空気に対する燃料噴射の代りに、ガソリンエンジンと同じように、給気口（６）に接続された管に、気化器又は噴射器（５８）により燃料を供給する方法があり、素通り空気に燃料が含まれないよう、隔板（５７）で給気口（６）を分割し、遅く閉まる側に燃料を供給する。隔板（５７）は１枚ではなく複数枚、或いは、給気口（６）を等分に分けないで、適当な比率になるよう、隔板の位置を変えることも考えてよい。
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明にかかるつるはし形動板（ベーン）の超高速回転による動圧気体軸受作用力の発生及び、動板先端外側曲面から多孔質又は多数微細孔を通して高圧ガスを噴射して，静圧を高めて動圧気体軸受作用力を更に増強する装置は、往復動板回転内燃機関（ベーンエンジン）の実用化に、必要不可欠のものと考える。
図面における記号の説明
１：ロータ（軸と一体） ２８：燃焼ガス抽気管
２：ケース ２９：大気圧水タンク
３：サイドケース（両サイドは不同） ３１：引出弁
４：往復動板（Ｖａｎｅ） ３２：加圧ポンプ
５：排気口 ３３：ポンプ吐出弁
６：給気口 ３５：圧力調整弁
７：燃料噴射ノズル ３６：蒸気圧水タンク
８：グロープラグ ３９：引出弁
９：排気管（タービン１次側） ４０：水補給兼排水弁
１０：給気管 ５２：炭素繊維の織物
１１：排気タービン ５３：動板先端の炭素織物振分け凹部
１２：過給気 ５７：隔板
１３：クリーナ ５８：燃料の気化又は噴射装置
１４：熱交換器（タービン２次側） ａ：つるはし型動板先端の外側作動室
１５：蒸気発生管 ｂ：つるはし型動板先端の内側作動室
１６：安全弁 ｃ：動板の幅
１７：圧力計 ｄ：動板の厚さ
１８：逆止弁 ｅ：動板先端の内側曲率半径
１９：閉止遅延弁（起動は即時） ｆ：動板先端の外側曲率半径
２０：第１蒸気供給管
２１：潤滑密閉用第１蒸気溝（環状）
２２：起動停止弁
２４：第２蒸気供給管
２５：切替弁
２６：第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気管
２７：第２蒸気供給兼燃焼ガス抽気口

Claims (2)

1. 往復動板式回転内燃機関（ベーンエンジン）において，動板先端の外側曲面とケース内面との接線の前後（回転方向に対して）に，楔状の気体空間が，動板とケース内面との交差角度が最大・最小になっても十分あるようにする為，回転軸に垂直な動板先端断面を，つるはし型にし，この動板を超高速で回転させることにより，この動板先端に動圧気体軸受作用力を発生させて，シール・潤滑・磨耗回避の機能を持たせるようにした装置。
2. 請求項１の動板に，超高速において働く動圧気体軸受作用力が，上記接線前後の近傍の静圧に比例する事を活用するため，動板先端外側曲面から，多孔質又は多数微細孔を通して高圧ガスを噴出させて，静圧を高めることにより，動圧気体軸受作用力を更に高めるようにした装置．

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