JP4545443B2 - 往復動式エンジンおよびその取入れシステム - Google Patents
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Description
前記取入れバルブに作用するため二次流体がそれを通過する開状態、および閉状態をとることができるパイロットバルブと、
前記パイロットバルブの前記状態を制御するための駆動手段と、を具備し、
前記取入れバルブは、前記二次流体の作用に応答して開くよう構成されている作動流体取入れシステムを提供する。
1.ピストンがTDCに接近するとき、閉鎖力に抗してパイロットバルブが開くよう駆動手段が動作し、二次流体(スチーム)がそれを通って移動することを可能にする。駆動手段は好ましくは電子的に制御されるソレノイドであり/上記タイミング手段装置は、パイロットバルブを、その開状態と閉状態との間で、開放および閉鎖に関して、そしてさらに開閉および閉鎖の速度およびタイミングに関して予測的に制御することが可能である。
2.スチームは続いて適当に構成された取入れバルブに作用し、再び閉鎖力に抗して、この取入れバルブを開ける。
3.作動流体(スチーム)が取入れバルブを経てシリンダーの膨張チャンバーに流入し、この作動流体は膨張すると共にその膨張(動力)ストロークにてピストンをBDCに向かってTDCから離れるように押しやる。
4.パイロットバルブが閉じるよう駆動手段が動作し、取入れバルブへのスチームを拒絶し、そして閉鎖力によって取入れバルブが閉じるのを可能にする。
5.いったんピストンがBDCを通過すると、ピストンはその復帰ストロークにてTDCに向かって復帰する。シリンダー内の膨張した作動流体は、シリンダー壁および/またはさらに好ましくはピストンヘッド自身に配置された排気バルブを経て排出される。後者の構造により、以下でさらに詳しく説明するように、ピストンが、復帰ストロークの間に、シリンダー内でスチームの圧縮に抗して仕事をしなければならない状況が生じなくなる。
6.ピストンが再びTDCに接近するとき、閉鎖力に抗してパイロットバルブが開くよう駆動手段が再び動作し、二次流体(スチーム)がそれを通って移動することを再び可能にする。
7.ステップ1ないし6のサイクルをその後継続する。
1.ピストン上の膨張するガスの力を受けてピストンが(図7aに示すように)下方に移動する際、排気ポート圧力以上である圧力差が、リードバルブを閉じた状態で保持するのに十分でなくなるまで圧力は徐々に降下する。その時点でリードバルブが開くが、これは全負荷運転においてはBDCの直前で生じることになる。これらバルブの開放は、BDCの直前に開く(あるいはアクセス可能となる)シリンダー壁の排気ポート37によって確実になされることに留意されたい。ガスが十分に膨張しなかった場合、これによって、リードバルブを開くのに要求される圧力降下を生じ得る。
2.図7bは、BDC直前ではあるが、シリンダー壁排気ポート37が露出される前のピストンを示す。ここでリードバルブ33は既に開いている。
3.図7cは、リードバルブ33が開いた状態でのBDCにおけるピストンを示す。
4.ピストンがBDCから上方に移動するとき、リードバルブ33は開いたままであり、実質的な圧力の増大を伴わずに、ピストン上の全てのガスを、それを経てかつポート37から排出することを可能にする。
5.ピストンがTDCに接近するとき、シリンダーヘッドに取り付けられた(あるいはヘッド自身と一体化された)リーフスプリング139は、リードバルブ33に当接し、図7dに示すように、TDCにおいてあるいはそれ以前に、リードバルブ33を閉鎖する。もしリードバルブ33がTDC以前に閉じる場合、残留ガスが圧縮されることになる。
6.この段階において、取入れバルブが開き、そして高圧ガスは相対的に小さな圧縮容積に流入する。ピストンがTDCから離れるように動くとき、このガスはリードバルブ33を閉じた状態で保持し、ピストンの降下ストロークにて、ピストンに対してガスが仕事をすることを可能にする。
12 ボイラー
14 可変容積膨張チャンバー
16 発電機
18 ソレノイド
20 タイミングディスク
22 ソレノイド
24 噴射ポンプ
26 伝熱羽根
28 クランクシャフト
30 シリンダー
32 ピストン
33 リードバルブ
34 ポペットバルブ
35 リンク部材
36 スプリング
37 ソレノイドプランジャ
38 チャンバー
40 取入れバルブ
42 ポペット
44 スプリング
45 流路
46 シリンダープレチャンバー
48 スチーム供給ライン
52,54 上部突起
56,58 センサー
60 スプールバルブ
62 スプール
64 スプリング
64 取入れポート
65 中央スプール
66 出口ポート
67 段付き入口
68 低圧リターンポート
70 スプールバルブ
72 チャンバー
74 スプリング
76 取入れポート
78 出口ポート
82 フラッパー装置
84 フラッパー
86,88 ノズル
90,92 取入れ圧力降下オリフィス
94,96 チャンバー
98 スプールバルブ
100 スプール
102,104 スプリング
106,108 コイル
120 パイロットバルブ排気ポート
122 チェックバルブ
139 リーフスプリング
Claims (60)
- エンジンが、内部に往復動ピストンを備える少なくとも一つのシリンダーを含み、かつ取入れバルブを経て作動流体を受け容れることができる可変容積膨張チャンバーを有している往復動式エンジン用の作動流体取入れシステムであって、
前記取入れバルブに作用するため二次流体がそれを通過する開状態、および閉状態をとることができる可動パイロットバルブと、
前記ピストンとは物理的に別体であってかつ前記パイロットバルブに作用するよう配置された、前記パイロットバルブの前記状態を制御するための駆動手段と、を具備し、
前記取入れバルブは、前記二次流体の作用に応答して開くよう構成されていることを特徴とする作動流体取入れシステム。 - 前記作動流体および前記二次流体は、単一の供給源から供給されることを特徴とする請求項1に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記単一の供給源はボイラーからのスチームであることを特徴とする請求項2に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記二次流体は、加圧された液体あるいはガス/蒸気であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記二次流体は、水、空気、窒素、合成および鉱物性オイル、あるいはそれらの混合物であることを特徴とする請求項4に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブは開状態と閉状態との間で機能し、これによって前記開状態では、前記取入れバルブに作用するため、前記パイロットバルブは、前記二次流体がそれを通過することを可能にすることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブは、その休止ポジションが前記閉状態であるように、閉鎖力に抗して前記開状態に向かって駆動されることを特徴とする請求項6に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブは、非常用リリーフバルブとして機能するよう構成されていることを特徴とする請求項7に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブは、ポペットバルブ、スプールバルブあるいはフラッパーバルブを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブはスプールバルブであり、かつ前記スプールバルブは、放射状フローポートを持つスリーブ内に段付き円柱形スプールを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記スリーブ内での前記スプールのスライドは、前記フローポートを開くためそれを露出させることを特徴とする請求項10に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記バルブはオーバーラップ型のものであって、前記スプールの行程には不感帯が設けられており、そこでは前記取入れバルブは、前記供給源または排気ポートのいずれとも流体連通状態にないことを特徴とする請求項11に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記パイロットバルブは、圧力降下オリフィスを経た二次流体の連続流によって二つの対向するノズル間で回動するフラッパーを含むフラッパーバルブであることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 各ノズルは前記取入れバルブにおけるそれぞれのチャンバーと連通していることを特徴とする請求項13に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記取入れバルブは、開状態と閉状態との間で作動可能であることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記取入れバルブは、前記パイロットバルブからの前記二次流体の作用に応答して作動可能であることを特徴とする請求項15に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記開状態では前記取入れバルブは、前記作動流体が膨張するとき前記ピストンに関して仕事をするため前記シリンダーの前記膨張チャンバーへの前記作動流体の流入を可能とすることを特徴とする請求項15または請求項16に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記取入れバルブは、その休止ポジションが前記閉状態であるように、閉鎖力に抗して前記開状態に向かって駆動されることを特徴とする請求項17に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記取入れバルブはポペットバルブまたはスプールバルブであることを特徴とする請求項1ないし請求項18のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記取入れバルブはポペットバルブでありかつシリンダー内でポペットステムまで動くポペットピストンを具備すると共に、前記パイロットバルブによって導入される前記二次流体は、前記ポペットピストンに力を加え、通常時には前記ポペットを閉状態で保持する弾性手段を打ち負かすことを特徴とする請求項19に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記二次流体および前記作動流体の圧力が等しいと仮定すれば、前記二次流体が作用する前記ポペットピストンの面積は、前記ポペット面積よりも大きなものであることを特徴とする請求項20に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記ポペットバルブは、前記供給源圧力が前記ポペットバルブを閉状態で保持しようとするように適応させられていることを特徴とする請求項20に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記駆動手段は前記パイロットバルブの働きを、その開状態とその閉状態との間で制御することを特徴とする請求項6ないし請求項22のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記駆動手段は、電子的に制御された電気的駆動を提供することを特徴とする請求項23に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記駆動手段は電子的に制御されたソレノイドであり、前記電子的制御はタイミング手段と協働する制御モジュールによってもたらされることを特徴とする請求項24に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記制御モジュールは、前記ソレノイドに制御信号を提供するためセットおよび動的パラメーターを処理可能な処理デバイスを含み、前記制御信号は、前記パイロットバルブをその開状態と閉状態との間で制御するため前記ソレノイドを駆動あるいは保持するのに適したものであることを特徴とする請求項25に記載の作動流体取入れシステム。
- 少なくとも前記動的パラメーターのいくつかは、前記タイミング手段から前記制御モジュールへの信号によって提供されるか、または前記信号を用いて特定されることを特徴とする請求項26に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記セットパラメーターは、前記処理デバイスがそれにアクセス可能であるよう前記制御モジュールに備わっていることを特徴とする請求項26または請求項27に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記セットパラメーターは、実際上、前記制御モジュール内に予め組み込まれていることを特徴とする請求項28に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記タイミング手段は、前記エンジンのクランクシャフトと共に回転するよう構成されたタイミングディスクを含むことを特徴とする請求項25ないし請求項29のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記タイミングディスクは、その上に、所定のクランク角ポジションを表すよう構成されたプリセット突起を有することを特徴とする請求項30に記載の作動流体取入れシステム。
- クランク角速度およびポジションデータを特定するために前記処理手段用のタイミング信号を発生させるため個々の突起の通過を感知することが可能なタイミングセンサーをさらに含むことを特徴とする請求項31に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記ソレノイドは、非常に高い初期電圧を受けるよう構成され、電流、関連する磁場、したがってソレノイドプランジャ引き込み力が急速に増大するのを可能とし、遅延時間を最小化することを特徴とする請求項25ないし請求項32のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- いったん前記ソレノイドプランジャが動き始めると、電圧および電流は、前記プランジャを引き込みポジションで維持するため、したがって前記パイロットバルブを前記弾性手段に抗してその開状態で維持するためホールディング値まで低下させられるよう構成されたことを特徴とする請求項33に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記ソレノイドへの給電が断たれた際、前記弾性手段の作用のもと、急速なプランジャの突出を確実なものとするため前記ソレノイドのフィールドエネルギーを急速に消散させるための手段をさらに備えることを特徴とする請求項33に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記ピストンが上死点(TDC)に到達する直前に、前記膨張チャンバー内のデッドスペースで増大する圧力を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項1ないし請求項35のいずれか1項に記載の作動流体取入れシステム。
- 前記圧力制御手段は、シリンダー圧力をモニターするため前記膨張チャンバー内に内蔵された圧力変換器を備えることを特徴とする請求項36に記載の作動流体取入れシステム。
- 内部に往復動ピストンを備える少なくとも一つのシリンダーを含み、かつ取入れバルブを経て作動流体を受け容れることが可能な可変容積膨張チャンバーを有し、
前記取入れバルブに作用するため二次流体がそれを通過する開状態、および閉状態をとることができる可動パイロットバルブと、
前記ピストンとは物理的に別体であってかつ前記パイロットバルブに作用するよう配置された、前記パイロットバルブの前記状態を制御するための駆動手段と、を含む作動流体取入れシステムをさらに備え、前記取入れバルブが前記二次流体の作用に応答して開くよう構成された往復動式エンジンの作動方法であって、
a)前記ピストンが上死点(TDC)に接近するときには、閉鎖力に抗して前記パイロットバルブが開くよう前記駆動手段を動作させ、二次流体がそれを通って移動することを可能にするステップと、
b)取入れバルブに作用する前記二次流体が、再び閉鎖力に抗して、前記取入れバルブを開けるステップと、
c)前記取入れバルブを介して前記シリンダーの前記膨張チャンバーに流入する前記作動流体が膨張し、かつその膨張(動力)ストロークにて前記ピストンを下死点(BDC)に向かってTDCから離れるように押しやるステップと、
d)前記パイロットバルブを閉じるよう前記駆動手段を動作させ、前記取入れバルブへの二次流体を拒絶し、そして前記閉鎖力によって前記取入れバルブが閉じるのを可能にするステップと、
e)いったん前記ピストンがBDCを通過すると、前記ピストンはその復帰ストロークにてTDCに向かって復帰し、前記シリンダー内の膨張した作動流体が排気バルブを経て排出されるステップと、
f)前記ピストンが再びTDCに接近するとき、前記閉鎖力に抗して前記パイロットバルブが開くよう前記駆動手段を動作させ、二次流体がそれを通って移動することを再び可能にするステップと、を具備することを特徴とする往復動式エンジン作動方法。 - 前記排気バルブは、前記ピストン上の圧力が排気ポート圧力以上の閾値圧力まで降下するとき自動的に開くよう構成されていることを特徴とする請求項38に記載の往復動式エンジン作動方法。
- 前記ピストンは前記排気バルブと関連する排気ポートを備え、かつ前記ピストン排気ポートは前記シリンダー壁の配列された排気ポートへつながるよう構成されていることを特徴とする請求項39に記載の往復動式エンジン作動方法。
- 前記ピストン排気ポートと前記シリンダー壁排気ポートとは全ストロークを通じて重なり合うよう構成され、前記排気バルブが開いているのであれば、いかなるクランク角度においても排気を可能とすることを特徴とする請求項40に記載の往復動式エンジン作動方法。
- 内部に往復動ピストンを備える少なくとも一つのシリンダーを含み、かつ取入れバルブを経て作動流体を受け容れることが可能な可変容積膨張チャンバーを有する往復動式エンジンであって、
前記取入れバルブに作用するために二次流体がそれを通過する開状態、および閉状態をとることができる可動パイロットバルブと、
前記ピストンとは物理的に別体であってかつ前記パイロットバルブに作用するよう配置された、前記パイロットバルブの前記状態を制御するための駆動手段と、を含む作動流体取入れシステムをさらに具備し、
前記取入れバルブは前記二次流体の作用に応答して開くよう構成されてなることを特徴とする往復動式エンジン。 - それぞれ内部に往復動ピストンを有する複数のシリンダーと、関連付けられた作動流体取入れシステムとを含むことを特徴とする請求項42に記載の往復動式エンジン。
- スチームを前記作動流体として使用するランキンサイクルエンジンであることを特徴とする請求項42または請求項43に記載の往復動式エンジン。
- 少なくとも一つのシリンダーが膨張容積であり、かつ前記往復動ピストンが容積式エキスパンダーであることを特徴とする請求項42ないし請求項44のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
- 前記作動流体および前記二次流体は単一の供給源から供給されることを特徴とする請求項42ないし請求項45のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
- 前記単一の供給源はボイラーからのスチームであることを特徴とする請求項46に記載の往復動式エンジン。
- 前記二次流体は加圧された液体あるいはガス/蒸気であることを特徴とする請求項42ないし請求項47のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
- 前記二次流体は、水、空気、窒素、合成および鉱物性オイル、またはその混合物であることを特徴とする請求項48に記載の往復動式エンジン。
- 各シリンダーは少なくとも一つの排気バルブを含み、かつ各ピストンは少なくとも一つの排気バルブを有するヘッドを含むことを特徴とする請求項42ないし請求項49のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
- 前記ピストンヘッド排気バルブは、スプリング、リードバルブあるいは圧縮コイルスプリング装置を備えるポペットバルブを含むことを特徴とする請求項50に記載の往復動式エンジン。
- 前記ピストンヘッド排気バルブはリードバルブであり、かつ前記リードバルブが閉じるのを助けるためリーフスプリングが前記シリンダーの前記ヘッドにおいて使用されていることを特徴とする請求項51に記載の往復動式エンジン。
- 前記シリンダーヘッドから発する流体ジェットをさらに含むか、あるいは前記シリンダーヘッドに関する前記ピストンヘッド排気バルブの衝撃を緩和するため前記スプリング自身の上に流体被覆が供給されることを特徴とする請求項52に記載の往復動式エンジン。
- ランキンサイクル熱エンジンであることを特徴とする請求項42ないし請求項53のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
- 内部に往復動ピストンを備える少なくとも一つのシリンダーを含み、かつ取入れバルブを経て作動流体を受け容れることが可能な可変容積膨張チャンバーを有する往復動式エンジンであって、作動流体取入れシステムおよび排気手段を具備し、前記作動流体取入れシステムは、前記取入れバルブに作用するため二次流体がそれを通過する開状態、および閉状態をとることができるパイロットバルブと、前記パイロットバルブの前記状態を制御するための駆動手段と、を含み、前記取入れバルブは前記二次流体の作用に応答して開くよう構成され、かつ前記排気手段は、前記ピストンに少なくとも一つの排気バルブを備えると共に前記ピストンに少なくとも一つの排気ポートを備え、前記排気バルブは、前記ピストン上の圧力が排気ポート圧力以上の閾値圧力まで降下するとき自動的に開くよう構成されていることを特徴とする往復動式エンジン。
- 前記ピストンの前記少なくとも一つの排気ポートは、前記シリンダー壁の配列された排気ポートへつながるよう構成され、かつ前記ピストンの前記排気ポートと前記シリンダー壁とは、前記排気バルブが開いているのであれば、実質的に前記シリンダーの全ストロークを通じて重なり合うよう構成されていることを特徴とする請求項55に記載の往復動式エンジン。
- 前記ピストンヘッド排気バルブは、スプリング、リードバルブあるいは圧縮コイルスプリング装置を備えるポペットバルブを含むことを特徴とする請求項56に記載の往復動式エンジン。
- 前記ピストンヘッド排気バルブはリードバルブであり、かつ前記リードバルブが閉じるのを助けるためリーフスプリングが前記シリンダーの前記ヘッドにおいて使用されていることを特徴とする請求項56に記載の往復動式エンジン。
- 前記シリンダーヘッドに関する前記ピストンヘッド排気バルブの衝撃を緩和するため、前記シリンダーヘッドから発する流体ジェット、あるいは前記スプリング自身の上の流体被覆をさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の往復動式エンジン。
- ランキンサイクル熱エンジンであることを特徴とする請求項55ないし請求項59のいずれか1項に記載の往復動式エンジン。
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