JP3944539B2 - ６サイクル複合エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー損失を有効利用することにより熱効率の向上を図った複合エンジンに関する。

従来のエンジンの熱効率はディーゼルエンジンが概ね４０％、ガソリンエンジンが概ね３０％程度であり、冷却損失と排気損失もそれぞれ概ね３０％前後あり、利用されずに棄てられるエネルギーが多い。

従来の容積型エンジンは筒外を水冷または空冷にすることによりエンジン本体の温度上昇を抑制し、一定の連続運転を可能にしている。

吸入、圧縮、爆発、排気の４行程に空気吸入，掃気の２行程を追加した６サイクルエンジン（例えば、特許文献１参照。）と、前記４行程に空気吸入、加圧行程の２行程を追加した６サイクルエンジン（例えば、特許文献２参照。）が特許公開されている。

航空用ディーゼルエンジンと排気タービンを組み合わせた複合エンジンが開発されている。（例えば、非特許文献１参照。）
特開昭５８−１８５２３号公報 特開平２−１１９６３５号公報 内燃機関ハンドブック 朝倉書店 Ｐ６４７ 昭和４４年発行

以上述べたように従来のエンジンでは冷却損失、排気損失として棄てられていたエネルギーがあり、これらのエネルギー損失を回収し動力として利用すれば熱効率が向上する。ただし、過給のためのターボは排気エネルギーを有効利用するものではあるが、熱効率の向上よりむしろ出力の向上を図るためのものである。

従来の容積型エンジンのほとんどは水冷または空冷のための強制冷却用装置を有し強制冷却用の動力を必要としていた。

従来の６サイクルエンジンの発明は、残留ガスを掃気し燃費の改善を図るためのもの（特許文献１）と、過給機を用いず燃料消費率の改善、エンジン出力の向上を図るためのもの（特許文献２）とされているが、いずれにしろ２サイクル余計に仕事をしなければならず熱効率の向上には繋がらない。

過去に開発された複合エンジンは燃費が良かったが、構造が複雑なため実用には至らなかったとされている。

エネルギー損失のうち排気損失はターボを回し過給することにより有効利用されているが、冷却損失については排気損失と同量程度のエネルギーを占めているにもかかわらず、ほとんど利用されてこなかったばかりか、冷却するための装置と動力が必要であった。これは筒外冷却をするので冷却損失となるのであって、筒内冷却し吸収した熱で空気を膨張させ過熱水蒸気を発生させれば、筒外冷却のための装置も動力も不要でかつ膨張した空気と過熱水蒸気を用いて軸流タービンやラジアルタービンを回すことができこの動力を利用することができる。勿論、タービンは単段でも多段でもよい。

容積型エンジンを６サイクルにするには４サイクルに比べカムの形状とカムシャフトの回転数を変えるだけでよい。ディーゼルエンジンならびに吸気管内燃料噴射式および筒内燃料噴射式ガソリンエンジンの場合は燃料噴射時期を変えるだけでよいが、キャブレター式ガソリンエンジンの場合は、２回目の吸気行程において燃料が吸入されないように燃料を遮断する工夫が必要である。霧状の水を得るには霧吹きやガソリンエンジンの吸気管内燃料噴射式と同様な原理を用いればよいが、霧状の水の供給は筒内の温度上昇を抑えることも目的なので、筒外温度と排気ガス温度を計測し設定温度より低い場合は供給を遮断し空気のみ吸入される。常に設定温度近傍になるよう適量供給されるように自動制御する。また、水は水タンクに補給する方式でもよく、排気管を冷却し水滴を少しづつ回収する循環方式でもよく、また、その両方を装備してもよいが、地域によっては冬季の凍結対策が必要になる。

排気タービンのように速度型エンジンは熱効率やレスポンスが悪いため、例えば部分負荷でかつ負荷変動の大きい自動車の動力とする場合、運転条件に対応した最適設定をするには構造が複雑になる。そこで、容積型エンジンと速度型エンジンを組み合わせた複合エンジンにおいては補助機関である排気タービンの動力は主機関である容積型エンジンの出力軸へ伝達されるようにし、逆に容積型エンジンの動力は排気タービンの出力軸に伝達されないようにワンウェイクラッチを採用した動力伝達機構とする。
排気タービンの出力軸には発電機、コンプレッサーなどの装置を取り付け、常時動力の有効利用を図ることもできる。

上述したように本発明の６サイクル複合エンジンは、吸入、圧縮、爆発、排気、吸入、排気の６サイクルにおいて２回目の吸入行程で空気と霧状の水を直接筒内に送ることにより筒内の熱を吸収し膨張した空気と過熱水蒸気が発生するので、タービンを回す強力な動力源となる。１回目の排気では排気損失でタービンを回し、２回目の排気では冷却損失でタービンを回す。従来のエンジンでは冷却を筒外で行っていたので冷却損失を有効利用できなかったが、６サイクル複合エンジンでは排気損失だけではなく冷却損失を含めたエネルギー損失を有効利用することができる。
このため、熱効率が向上し燃費を改善することができ、ＣＯ_２だけではなくＮＯ_ＸやＰＭなどの有害物質も削減できる。また、筒内の熱を吸収し発生した過熱水蒸気は洗浄能力が大きいため筒内や排気弁や排気系統を洗浄するので、カーボンなどが溜まらない。

以下、本発明の実施の形態の一例を図１〜図４に基づいて説明する。

図１において、１はカム山を２つ設けたカムで６サイクルを得るための形状になっている。図２は４サイクルのカム２の例と６サイクルのカム３の例を示す。６サイクルの２つのカム山は１２０°あるいは２４０°位置をずらしてあり、カムシャフト１回転で６サイクルが終了するようになっている。
クランクシャフトとカムシャフトの回転数の関係は、４サイクルの場合前者が２回転のとき後者が１回転であるが、６サイクルの場合カム山が２つあるので、前者が３回転のとき後者が１回転となりカムシャフト回転数は４サイクルに比べて１．５倍遅い。 燃料噴射は４サイクルではクランクシャフト２回転で１回、６サイクルでは３回転で１回であるので、６サイクルの場合は４サイクルに比べて燃料噴射時期も１．５倍長く省燃費である。

図１の４は排気エネルギー回収装置でラジアルタービンまたは軸流タービンおよび減速装置ならびにワンウェイクラッチから構成されている。タービンは排気エネルギーを効率よく回収するため、できるだけ排気弁に近づけて取り付ける構造にする。
タービンの回転数は容積型エンジンに比べ高いので、歯車を用いて減速しワンウェイクラッチを介してフライホイールを駆動する。

５は筒内を冷却するため霧状の水を発生させる吸気管内水噴霧装置で、筒外温度および排気ガス温度によって適量の水が噴霧されるようになっている。

６は筒外への熱の放散をできるだけ遮断し熱を筒内に残留させておくために施す断熱材で、シリンダーブロックおよびシリンダーヘッドなどを覆う。

図３は４気筒６サイクルエンジン１に排気エネルギー回収装置２を取り付けたもので、排気エネルギーを有効に利用できるようタービンをできるだけ排気弁に近づけるため、タービンは１気筒当たり１台取り付けた例である。勿論、２気筒に１台でも多気筒に１台取り付けてもよい。図３はラジアルタービン３の例であるが、隣り合わせのラジアルタービンをシャフト４で繋ぐ。シャフトには歯車５が取り付けられ図４の減速装置６とワンウェイクラッチ（図示なし）を介して６サイクルエンジンのクランクシャフト(図示なし)に直結したフライホイール７に動力を伝える。

各タービンを回した排気ガスには未だエネルギーが残っているので、この残留排気エネルギーを集めて図３のターボチャージャ８を回し過給する。

ターボチャージャ８から出た排気エネルギーは相当に減殺されているので、消音装置（図示なし）は４サイクルの同出力のエンジンに比べ小規模で済む。

本発明の実施形態を示す６サイクル複合エンジンの断面図 ４サイクルと６サイクルのカムの形状図 ６サイクル複合エンジンの外観平面図 ６サイクル複合エンジンの外観立面図

Claims (1)

1. 吸入、圧縮、爆発、排気、吸入、排気の６行程を行う容積型エンジンで、６行程を行うため吸気弁と排気弁がカム山の位相を１２０°または２４０°ずらしてある２山カムによって作動し、クランクシャフトが３回転でカムシャフトが１回転し、筒内からの放熱を防ぐためシリンダーブロックとシリンダーヘッドが断熱材で覆われていて、２回目の吸入行程において吸気弁が開いて空気あるいは空気と霧状の水を吸気管から吸入して筒内を冷却し、吸気管に取り付けた水噴霧装置からの水の噴霧は、筒外温度と排気ガス温度を計測して設定温度近傍になるように遮断されたり適量に制御され、２回目の排気行程において排気弁が開いて筒内の熱を吸収し膨張した空気あるいは膨張した空気と過熱水蒸気を排出する６サイクルエンジンと、１回目と２回目の排気行程で得られた排気エネルギーを動力源とする排気タービンと減速装置とワンウェイクラッチを介してクランクシャフトに動力を伝える排気エネルギー回収装置とから構成される６サイクル複合エンジン。

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