JP4880605B2 - 熱発生エンジン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気エンジンに関し、より詳細には、水を作動流体および潤滑剤として使用し、高効率、無公害で、かつ多様な燃料を使用することができるようになっている熱発生エンジンに関する。

環境問題に関心が高まるにつれて、エンジンの設計においても、高価で複雑な技術的改良が要求されてきた。たとえば、燃料電池技術は、水素を環境を汚染させずに燃焼させるという利点をもたらした。しかしながら、燃料電池エンジンの価格と大きさ、および燃料級水素の製造コスト、貯蔵コスト、ならびに輸送コストとの釣り合いがとれず、環境上の利点が期待されなくなって来ている。

環境を汚染しないで走行する無公害電気自動車は、走行距離が非常に限られていて、しかも、石炭、ジーゼル、あるいは原子力発電所が発生した電気を、定期的に再充電しなければならない。他方、ガスタービンは、きれいであるが、小型のガスタービンは製造、運転、およびオーバーホールが割高になる。ジーゼルおよびガス内燃エンジンは効率がよく、軽量、かつ製造コストが比較的安価であるが、使用燃料に特有の汚染物質を相当量発生する。

最初のランキンサイクル蒸気エンジンは、約１５０年前ジェームズ＝ワットが発明した。現代のランキンサイクル蒸気エンジンは、チューブを使用して過熱蒸気をエンジンに送り、その後、コンデンサに送っている。エンジンに過熱蒸気を送るチューブの表面は、かなりの部分が露出しているので、圧力や温度レベルが制約を受ける。圧力や温度が低下すると、水が、液相と気層の間で容易に相変化し、そのために、複雑な制御系を必要とする。

蒸気エンジンは、通常、大きく、かつ効率が悪いが、環境を汚染させないようにすることも可能である。蒸気エンジンの効率は向上してきている。即ち、昔のモデルの蒸気機関車の効率は高々５％であったが、近代の発電所の効率は４５％にまでなっている。逆に、２ストローク内燃エンジンの効率は、約１７％である。他方、４ストローク内燃エンジンの効率は、約２５％である。一方、ジーゼル燃焼エンジンの効率は約３５％である。

発明が解決しようとする課題は、コンパクトで効率が高いエンジンを提供することである。

発明が解決しようとする別の課題は、熱を発生し、超臨界圧（１，４５５ｋｇ、３，２００lbs）あるいはその近傍で、かつ、高温度（６５０℃、１，２００°Ｆ）で作動するコンパクトで効率が高いエンジンを提供することである。

発明が解決しようとするさらに別の課題は、外部燃焼、サイクロンバーナ、および水潤滑剤を使用し、無公害なコンパクトで効率が高いエンジンを提供することである。

発明が解決しようとするさらに別の課題は、多種類の燃料、あるいはそれらを混合して燃焼することができる多燃料能力を有するコンパクトで効率が高い蒸気エンジンを提供することである。

発明が解決しようとするさらに別の課題は、軽量で、独立した水冷却システムを必要とせず、振動の排気音も発生しないコンパクトで効率が高い蒸気エンジンを提供することである。

発明が解決しようとするさらに別の課題は、トランスミッションが不要なコンパクトで効率が高い蒸気エンジンを提供することである。

これらの課題および利点は、以下に述べる詳細な説明および図面を参照することにより明らかにされる。

本発明は、水を作動流体および潤滑剤として使用するコンパクトで効率が高いエンジンに関する。本発明のエンジンは、主として、コンデンサ、蒸気発生機、およびバルブ、シリンダ、ピストンプッシュロッド、メインベアリング、カム、およびカムシャフトを具備したメインエンジンを備えている。周辺空気を、吸入送風機でコンデンサに導入する。空気は、２段階で加熱されてから、サイクロン炉に導入される。最初の段階で、空気は、送風機からコンデンサに導入される。次の段階で、空気は、コンデンサから、熱交換機に導入され、そこで加熱されてから、蒸気発生機に導入される。蒸気発生機で予熱された空気は、燃料アトマイザからの燃料と混合される。バーナーが、遠心分離機内で気化された燃料を燃焼し、重質燃料成分を炉の外側に向けて移動させ、そこで消費される。より高温で、より軽量のガスは、小さなチューブ束の中を移動する。このエンジンのシリンダは、シリンダ炉内に延設されたシリンダヘッドとバルブと一緒に半径方向に配設されている。チューブ束内の温度は、６５０℃（１，２００°F）に維持されている。蒸気を輸送するチューブ束は、炉に貫通されていて、高温に曝されている。炉の中で、蒸気は過熱され、その圧力は約１，４５５ｋｇ（３，２００lbs）に維持される。

排出された蒸気は、蒸気発生機の中の水を予熱する一次コイルの中を通過する。ついで、排出された蒸気は、コンデンサを通過する。このコンデンサは、圧縮−凝縮の遠心分離システムで、平板の積層構造である。冷却空気が、平板を環流して、排熱交換機内で加熱され、炉に導入される。この空気の再加熱システムにより、エンジンの効率が高められ、コンパクトになる。

エンジンの速度とトルクは、エンジンヘッドのニードルバルブを開閉するロッカ（弁てこ）とカムによって制御される。バルブを開くと、高温・高圧の蒸気がシリンダ内へ噴射され、ピストンが上限に達したとき爆発して膨張する。３個以上のピストンを使用して、セルフスタートすることができる。

本発明は、副流蒸気エンジンに関し、全図面で参照番号１０で示してある。図１および２で、エンジン１０は、蒸気発生機２０、コンデンサ３０、およびシリンダ５２，バルブ５３，ピストン５４，プッシューロッド７４，クランクカム６１およびエンジンの中心を軸方向に貫設されたクランクシャフト６０とを具備した主エンジンと９とを備えている。

作動するときは、吸気ブロワー３８により、周辺空気をコンデンサ３０に導入する。空気温度は、サイクロン炉２２（以下、「燃焼室」と呼称する）に導入される前に、２つの段階で上昇する。コンデンサ３０は、平板のダイナミックコンデンサで、中心部の周囲を、多段平板３１が取り囲んだ構造になっている。ダイナミックコンデンサ３０がこのような多段構造をしているので、蒸気が多段構造を通過し、その結果、コンデンサの機能を高めるようになっている。

最初の段階で、空気が、ブロワー３８からコンデンサ３０に入り、コンデンサの多段板３１の周囲を還流し、多段板３１の外表面を冷却し、多段板３１の内部を還流している排出蒸気を凝縮する。シリンダ５２の排気ポート５５から排出された蒸気は、シリンダを取り巻いている予熱コイルを通過する。蒸気はコンデンサの中心部に滴下し、そこで、クランクシャフトの回転による遠心力により、コンデンサ３０の多段板３１の内部空間に圧入される。

蒸気が液相に相変化して、コンデンサ３０の多段板３１の周囲の密閉ポートに入る。凝縮された液体は、集水シャフトを経てコンデンサの底部の水溜め３４内に滴下する。高圧ポンプ９２が、液体をコンデンサの水溜め３４から、燃焼室内のコイル３４に戻し、エンジンの流体サイクルが完了する。コンデンサの多段板３１の全表面積が大きいので、比較的コンパクトな間隙でも、熱交換を最大限に高める。クランクシャフトインペラの遠心力が、凝縮される蒸気を繰り返し冷却板３１に圧入するが、それが、多段板構造と組合わさって、多段通過システムを提供する。この多段通過システムは、従来の１段通過構造のコンデンサより格段に効果的である。

エンジンシュラウド１２は、燃焼室とピストンアセンブリを囲んでいる絶縁カバーである。シュラウド１２は、空気輸送ダクト３２を備えている。空気輸送ダクト３２は、予熱された空気を、コンデンサ３０から、気−気熱交換機４２の吸入部へ輸送し、そこでさらに加熱する。熱交換機４２から排出されると、加熱された吸入空気は、バーナ４０のアトマイザ／点火器アッセンブリに入り、燃焼室で燃焼される。

シュラウド１２は、戻しダクトを備えていて、燃焼室の頂部で燃焼排出ガスを捕捉し、気−気熱交換機４２の排出部を経て燃焼排出ガスを戻す。エンジンシュラウド１２は、その絶縁作用による熱の保存と、エンジンの気流に対するダクト作用と、排出ガスの熱を回収する熱交換機と組合わさって、エンジンの効率を高め、コンパクト化に資する。

コンデンサ水溜めポンプと燃焼室を連結する送出管の水は、１基以上のメイン蒸気供給ライン２１を経て、それぞれのシリンダにポンプ送給される。メイン蒸気供給ライン２１は、予熱コイル２３の中を貫流する。この予熱コイル２３は、シリンダの排気孔に接したそれぞれのシリンダスカートの周囲に巻かれている。

排気孔から排出された蒸気は、このコイルに熱を与え、コイルを経て燃焼室へ向かう水の温度を上昇させる。予熱コイルに熱を与える際に、排出蒸気が、コンデンサに入る前に、これらのコイルに貫設された経路で冷却行程を開始する。これらのコイルをシリンダ排気孔に接して配設することにより、熱が回収され、エンジンの全体の効率に寄与する。そうでない場合は、システムに熱が残留する。

次の段階で、空気は、熱交換機４２を貫流して、蒸気発生機２０（図２および３）に入る前に加熱される。蒸気発生機２０では、予熱された空気が、燃料アトマイザ４１（図８）から供給された燃料と混合される。

点火器４３が、霧化された燃料を遠心分離機内で燃焼し、重質燃料成分を燃焼室２２の外側に向かって移動させ、そこで消費される。燃焼室２２は、シリンダ状に配設されていて、稠密なチューブ束２４を円形に巻いたコイルを囲んでおり、それぞれのシリンダに至る蒸気供給ラインの一部を形成している。チューブ束２４は、燃焼ノズルバーナアッセンブリ４０の燃料を燃焼することにより加熱される。燃焼ノズルバーナアッセンブリ４０は、ブロワ３８と，燃料アトマイザ４１と、点火器４３（図４）を備えている。

バーナ４０は、円形の燃焼室壁の対向側面に搭載されていて、バーナの炎が螺旋方向に一直線になるようになっている。燃焼室の周囲の正面で炎を回転させることにより、チューブ２４のコイルが、チューブ束２４の中央を環流運動している燃焼ガスの熱に、繰り返し曝される。チューブ束２４内の温度は、約６５０℃（１，２００°Ｆ）に維持されている。チューブ束２４は、蒸気を輸送していて、燃焼の高温に曝されているので、蒸気は過熱され、その圧力は約２２４ｋｇ/ｃｍ²（３，２００psi）に維持されている。

熱ガスは、シリンダ状の燃焼室の丸い屋根の頂部中央に取り付けられた孔から排出される。燃焼ガスの遠心分離運動により、ガスの中に浮遊している重質の未燃焼粒子は燃焼室の外壁上に蓄積され、そこで焼却されて、無公害排出に寄与する。燃焼室において、燃焼ガスをサイクロン状に循環させることにより、エンジンの効率を高める。特に、チューブ２４の多段通過により、消費される燃料から最大限の熱量を得ることができる。さらに、円形に巻かれたチューブ束の形状のおかげで、寸法が制約されている燃焼室内に囲まれるチューブの長さが、従来のボイラの場合よりも、長くなる。さらに、それぞれのシリンダの蒸気供給ラインを２つ以上のラインに分割して燃焼室に入るようにしたので、チューブの広い表面積が燃焼ガスに曝され、熱伝達が加速される。そのために、流体が、高温、高圧に加熱されて、エンジンの効率をさらに向上させる。

水が、それぞれのシリンダの予熱コイルの単一ライン２１から排出されて、燃焼室に送給されると、チューブ束の一部を形成しているシリンダ１基に対して２本以上のラインに分流される。このチューブ束は、全てのシリンダに対して、全ての分枝ライン２８がコイル状束２４を備えている。この点に関しては前述したところである。図３に示したように、これらの多重ライン２８は、断面積と長さが同じである。

このように、単一の供給ライン２１と分枝ライン２８の容積と能力を同じにすると、静的条件下でも、超臨界高温・高圧条件下でも、均衡がとれる。他方、分枝ライン内の相対的な流量が不均衡になり、過熱と、低流量によりパイプの壁面が破損する恐れがある。単一ライン２１と多重ライン２８の合流点に配置されたスプリッタバルブ２６が、分枝ライン（図３、１２、および１３）間の流量を均等にする。スプリッタバルブ２６が、交角「Ｔ」を直角ではなく、鋭角「Ｙ」とすることにより、合流点における乱流の発生を最小限にする。Ｙ合流点には、流量制御バルブ２７が配設されている。この流量制御バルブ２７が、流体を、それぞれの分枝ライン２８を経て蒸気発生機に送流し、１本のライン内の増大した過剰圧力を低減し、過剰圧力バルブ（圧力レギュレタ）４６に戻し、これによりシステムに過剰な圧力がかかるのを防止する。

図５に示すように、エンジンのシリンダ５２は、シリンダヘッド５１と、シリンダ炉内に延設されるバルブを具備したラジアル構造をしている。カム７０が、プッシュロッド５（図５参照）を動かして蒸気噴射バルブ５３の開弁を制御する。エンジンを高速作動させているときは、蒸気噴射バルブ５３は、完全に開弁されていて、蒸気をシリンダ５２内に噴射し、ピストンヘッド５４を半径方向内側に押し込む。ピストンヘッド５４が、連結棒５６を、半径方向内側に動かして、クランクディスク６１とクランクシャフト６０を回転させる。

図６に示したように、連結棒５６は、それぞれ、クランクディスク６１に接続している。詳しく述べると、連結棒リンクの円形表面には、ベアリングリング５９が填め込まれていて、クランクディスク６１にハブ６３を契合するようになっている。好ましい態様では、クランクディスク６１は、ベアリング材料で製造されていて、連結棒リンクの外表面を囲んでいる。それにより、２重裏打ちベアリングを形成してピストンロッドを支持している。連結棒５６は、クランクディスク６１で駆動される。これら連結棒５６は、円形ベアリングの周囲に等間隔で搭載されている。

ピストンロッドをクランクディスク６１に接続する２重裏打ちベアリングの下方部分は、連結棒５６の角度撓みが一定限界になるように製造されている。それにより、クランクシャフト６０が全回転している間、６本の連結棒の間に間隙が維持されている。クランクディスク６１の中心は、１個のクランクシャフトジャーナル６２と結合している。クランクシャフトジャーナル６２は、クランクシャフト６０の中心軸からオフセットしている。連結棒５６の底端部が、クランクディスク６１の周囲を回転している間、クランクディスク６１を搭載するクランクジャーナル６２がオスセットしているので、連結棒が楕円形の軌跡を描いて回転するような形状が形成される。

この特有の形状により、エンジンの作動に２つの利点が付与される。第１の利点は、各ピストンを動力行程（燃焼行程）で作動している間、連結棒が、駆動しているピストンの動きと垂直に整合し、それにより、ストロークの全力が伝達されることである。第２の利点は、連結棒５６とクランクディスク６１との間のオフセット、およびクランクディスク６１とクランクジャーナル６２との間のオスセット、ならびにクランクシャフト６０自体に対するクランクジャーナル６２のオフセットがあるので、ピストンの運動距離を大きくせずに、それぞれの動力行程（燃焼行程）の力を増強するようなレバーアームを作ることができることである。図８は、この特有の動力行程（燃焼行程）を示すダイヤグラムである。従って、機械的効率も向上する。この構造により、蒸気の吸排気も速やかに行われる。

図７において、エンジンを低速で作動させているとき、蒸気噴射バルブ５３は、その一部が閉じている。他方、間隙容積圧縮開放バルブ４６が開いてシリンダ５２から蒸気を排気する。間隙容積圧縮開放バルブ４６は、エンジンのＲＰＭで制御される。間隙容積圧縮開放バルブ４６は、低速および高速におけるエンジン効率を改良するものである。シリンダ５２の間隙容積を最少にすることにより、次のような効果がある。すなわち、シリンダの容積を満たすのに必要な過熱蒸気の量が少なくなる。通常なら動力行程（燃焼行程）の爆発・膨張に必要な熱を吸収する蒸気接触面積が小さくなる。小さなチャンバ内での高圧縮が可能になり、吸入される蒸気の温度が高くなる。しかしながら、小容積による高圧縮は、低エンジンＲＰＭ時において、過熱蒸気を吸入充填するときに、背圧が発生するという逆効果もある。

間隙容積圧縮開放バルブ４６の目的は、低エンジンＲＰＭ時におけるシリンダ圧縮を低減させ、この間、ピストンの速度を速めて背圧効果を最低にし、その際の高圧縮を維持することである。間隙容積圧縮開放バルブ４６は、シリンダから燃焼室２２へ延設されているチューブ４７への入り口を制御することである。間隙容積圧縮開放バルブ４６は、エンジンで駆動される多段水ポンプ９０の低圧ポンプシステムにより、水圧作動されている。低ＲＰＭにおいて、間隙容積圧縮開放バルブ４６がチューブ４７を開く。シリンダ５２の容積にチューブ４７の容積の増加した分を加えると、総間隙容積が増大し、それに連れて圧縮が低下する。チューブを流入する蒸気は、密閉チューブ４７を取り囲む燃焼室でさらに加熱され、気化してシリンダ５２へ戻され、そこで低速動力行程（燃焼行程）の全蒸気膨張に寄与する。高エンジンＲＰＭにおいて、エンジンー被動ポンプ９０のポンプシステムが、間隙容積圧縮開放バルブ４６を水圧作動して、圧力を高めて間隙容積圧縮開放バルブ４６を閉じ、それにより総間隙容積を小さくし、シリンダ圧縮を上げて、エンジンの高速作動効率を高くする。間隙容積圧縮開放バルブ４６が、エンジンの高速および低速作動の両方の効率に寄与している。

超臨界圧縮された蒸気は、蒸気噴射ニードルバルブ５３に作用する機械連結スロットル機構により、エンジンのシリンダ５２に吸入される。温度を６５０℃（１，２００°Ｆ）に維持するために、ニードルバルブ５３は、水潤滑剤ポンプ９６により、コンデンサ３０から供給され、またコンデンサ３０に戻される水で、ニードルバルブ５３のステムの底部が水冷される。バルブのステムの中央に沿って、潤滑剤シール、あるいはバルブステムに形成された溝が、パッキングリングおよび下方部のリップシールと協同して、各バルブステムとブシングとの間にシールを形成する。

なお、バルブはブシング内で動くようになっている。これによりシールし、バルブの頂部を通過した冷却剤の流れとの接触を遮断し、各バルブのヘッドとシートに掛かる圧力を約２２４ｋｇ/ｃｍ²（３，２００psi）に維持する。バルブ５３の取り外しや、その座面間隙の調整は、バルブアッセンブリの上方部に螺刻されたねじ山でなされる。過熱蒸気を吸気するニードルバルブ５３は、スプリング８２で完全に閉じられる。スプリング５３は、エンジンケースの周囲に搭載されている各バルブロッカアーム８０の内部に配設されている。エンジンが非作動状態にある間、各スプリング８２が、十分に弾圧してバルブ５３を閉じた状態に維持する。

各バルブを開弁する運動は、クランクシャフトに搭載したカムリング８４により開始されれる。カムリング上の突起８５が、スロットルフォロワ７６を付勢して、シリンダ５２毎にプッシュロッド７４に突き当てる。プッシュロッド７４は、それぞれ、半径方向に配列された６基のシリンダエンジンの中心付近から、ニードルロッカ８０の外方へ延設されている。プッシュロッド７４に対するスロットルフォロワ７６の力は、スプリングの閉鎖圧力より大きいので、バルブ５３を開弁する。フォロワ、ロッカアーム８０，およびプッシュロッド７４の間の接触は、各ニードルバルブロッカアーム８０に搭載されたねじ山で調整されるソケットにより決定される。

スロットルによるエンジンの制御は、それぞれのプッシュロッド７４の移動距離を変えることによって行われる。すなわち、プッシュロッド７４を延ばすと、ニードルバルブが開き、より大量の過熱流体を吸入する。６本のロッドが、円弧状に回転するスロットル調整リング７８に貫入すると、それぞれのプッシュロッド７４の内端部が、各カムフォロワのアームで静止する（図５参照）。フォロワ７６が、カム上の突起８５で上昇しない場合は、プッシュロッド７４が静止しているフォロワに沿った全ての位置が、閉鎖状態になる。スロットルリング７８の円弧が変形すると、プッシュロッド７４の静止点が、レバーアームをさらに外方にシフトし、フォロワの梃子支点から離隔させる。カム突起８５がフォロワ７６に突き当たらないときは、アームが移動する円弧の距離が長くなり、プッシュロッド７４をさらに駆動し、ニードルバルブ５３をさらに開く。スロットルレバーに取り付けてあって、エンジンケースの外側へ延設されたレバーは、スロットルリングの円弧をシフトするのに使用され、従って、エンジンスロットルである。

図９〜１１を参照する。エンジンの調時は、カムリング８４で行う。調時することにより、過熱流体が、それぞれのピストンに噴射される時間を短縮し、エンジンＲＰＭを高速にするとき、噴射継続時間を短縮する。カムリング８４を、クランクシャフトジャーナル６２に向けて上向きに動かすと、フォロワ７６がカムリング８４の下方部分に接触して、カムの突起８５の外形が著しく小さくなり、噴射継続時間が変化する。カムリング８４が回転すると、カムの突起が蒸気をシリンダに噴射するタイミングが変化する。

カムリング８４の回転は、カムスリーブ８６に固着されたスリーブカムピン８８で行う。カムピン８８は、カムリング８４の曲がり垂直スロットに貫設されていて、水圧によりカムリング８４が上昇したとき、カムリング８４とカムスリーブピストン８６との間に捻れ運動が発生し、カムリング８４と突起８５が部分的に回転する。これらのカムリングの２つの運動は、カムスリーブピストン８６で作動される。カムスリーブピストン８６は、クランクシャフト６０にシールされていて、クランクシャフト６０と一緒に回転するようになっている。詳細に説明すると、クランクシャフト６０に固着されているクランクシャフトカムピン８７が、カムリングの開口部と、カムスリーブピストン上の垂直スロットに貫入する。これにより、クランクシャフトに対するカムリング８４とカムスリーブ８６の垂直（即ち、長手方向）運動が起こるが、カムスリーブ８６とクランクシャフト６０との間の相対回転は（垂直スロットにより）防止され、カムスリーブ８６は、クランクシャフトと一緒にスピンする。水ポンプシステムで駆動されているクランクシャフトは、水圧によりカムスリーブピストン８６を拡げる。エンジンＲＰＭが高速になると、水圧が上昇する。これにより、カムスリーブピストン８６が拡がり、カムリングが上昇し、突起８５の側面がカムフォロワ７６に接触する。エンジン速度を低速にすると、カムスリーブピストン８６に掛かる水圧も低下し、密閉式コイルスプリング１００が、カムスリーブピストン８６とカムリング８４自体を後退させる。

スロットルコントローラの通常の位置は、低速で前進させれる。スロットルリング７８が、蒸気をピストンに噴射すると、クランクが、低速前進回転を開始する。カム突起８５が接触している時間が長いと、蒸気がシリンダに長時間噴射される。前述したように、連結棒が楕円形軌跡を描いて動くので、大きなトルクが発生する。一方、蒸気は、シリンダへ長時間噴射され、しかも長いレバーアームを越えて、シリンダの次の段に噴射され、それにより自己始動が可能になる。

スロットルリング７８が前進すると、より多量の蒸気がシリンダに噴射され、ＲＰＭが上がる。ＲＰＭが上がると、ポンプ９０が水圧を与圧して、カムリング８４を上昇させ、高速前進させる。カムリング８４が２段階運動して、カムを引き上げ、カム突起の接触持続時間を短縮し、カムタイミングを進める。この運動は、ＲＰＭが、予定の位置に上がるに従って、徐々に起こる。シフトレバー１０２は、シフト棒１０４にスプリングで搭載されていて、スリーブ８６がカムリング８４を引き上げるようになっている。

エンジンを逆転するためには、スロットルを閉じて停止させなければならない。エンジンの逆転は、トランスミッションギアの選択ではなく、タイミングの変更によってなされる。より詳細に説明すると、エンジンの逆転は、スリーブカムピン８８が、カムリングに形成されている螺旋溝内を移動して、クランクがカムを死点にまで前進させるとき、シフトロッド１０４を押して、カムスリーブ８６をクランクシャフト６０にまで引き上げることによって成される。ピストンが、クランクディスクを逆回転方向のクランクシャフトに対する相対角度で押すとき、エンジンが逆回転する。このシフト運動は、タイミングだけを調整し、バルブを開弁するカム突起の接触持続時間に関与しない。これにより、全回転し、自己始動逆回転が可能になる。逆回転には高速は、かならずしも必要ではない。

排出蒸気は、ジェネレータ２０の中の水を予熱する一次コイルを貫流する。次いで、排出蒸気は、圧縮コンデンサの遠心分離システムのコンデンサ３０を貫流する。前述したように、冷却空気は、平板からなる段を環流し、バーナ４０に向かう。この空気の再加熱サイクルにより、エンジンの効率が上がり、コンパクトになる。

エンジンの給水装置は、３個の圧力ポンプシステムを備えた多段ポンプ９０によって作動される。圧力ポンプシステムの１つは、高圧ポンプシステム９２で、ハウジング内に搭載されている。中圧ポンプシステム９４は、水圧を与圧して間隙間隙バルブを作動させ、カムタミング機構を操作する。低圧ポンプシステム９６は、エンジンに潤滑剤および冷却剤を供給する。高圧ユニットは、コンデンサ水溜め３４から６個のライン２１に水をポンプ送流する。６個のライン２１が、燃焼室２２のコイルから、それぞれ６個のニードルバルブ５３に接続されていて、過熱流体をエンジンの動力ヘッドへ供給する。

多段ポンプ９０の高圧セクションは、半径方向に配列されたピストンを備えている。半径方向に配列されたピストンは、エンジンの大きな動力ヘッドの形状に極めて似た構造をしている。それぞれの水ポンプピストンから配設された水供給ラインは、マニホルド９８に接続している。マニホルド９８は、６個の供給ラインの全てに取り付けられているレギュレタに接続していて、動力ヘッドの６基のピストンに対する送水圧力を均等にし、かつ調整するようになっている。全てのレギュレタが、動力ヘッドの６基のピストンに対する送水圧力を調整する。多段ポンプの全てのポンプサブユニットは、中心軸で駆動される。ポンプ駆動軸は、機械継手で、メインエンジンクランクシャフト６０に接続している。エンジンを停止したとき、補助モータが、水をポンプ送流し、エンジンの再始動に必要な水圧を維持する。

本発明を好ましい実施の態様に関して説明したが、本発明はそれらに限定されるものでなく、本発明の精神と特許請求の範囲を逸脱しない限り、改良、変更等は認められる。

本発明のエンジンの中の空気の流れを示す概念図である。 本発明のエンジンの中の水と蒸気の流れを示す概念図である。 本発明のエンジンの主要部品を断面で示した側面図である。 図３の面４−４に沿った部分断面を示す平面図である。 図３の面５−５に沿った部分断面を示す平面図である。 クランクディスクアセンブリの平面図である。 圧縮リリーフバルブ、噴射バルブ、およびシリンダヘッドを示す断面図である。 動力行程図である。 低速前進状態で契合されているスロットル制御およびエンジンタイミング制御アッセンブリを示す断面図である。 高速前進状態で契合されているスロットル制御およびエンジンタイミング制御アッセンブリを示す断面図である。 後退状態に契合されているスロットル制御およびエンジンタイミング制御アッセンブリを示す断面図である。 スプリッタバルブを示す平面図である。 図１２の面１３−１３に沿ったスプリッタ内の流れ制御バルブを示す断面図である。 エンジンの多段一次ポンプ、および低圧および高圧ポンプシステム用のマニホルドの一部破断による平面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ エンジンシュラウド
２０ 蒸気発生機
２１ 蒸気供給ライン
２２ 燃焼室／シリンダ炉
２３ 各シリンダに巻回された予熱コイル
２４ 全シリンダに配設された分流ラインを備えたチューブ束（コイル状チューブ）
２６ スプリッタバルブ
２７ 流量制御バルブ
２８ 主供給ラインから分かれた分流ライン
３０ コンデンサ
３１ 平板
３２ 吸気輸送ダクト
３４ 水溜め／集水パン
３８ ブロワ
４０ 燃焼ノズル燃料バーナ
４１ 点火器
４６ 圧縮開放間隙バルブ
４７ 間隙容積チューブ
５０ メインエンジンアセンブリ
５１ シリンダヘッド
５２ シリンダ
５３ 蒸気噴射バルブ
５４ ピストンヘッド
５５ シリンダの排気孔
５６ 連結棒
５９ 連結棒リンクの内側に配設されたベアリング
６０ クランクシャフト
６１ クランクディスク
６２ クランクシャフトジャーナル
６３ 連結棒を取り付けるクランクディスクのハブ
７４ プッシュロッド
７６ スロットルフォロワ
７８ スロットル調整リング
８０ ロッカアーム
８２ ロカアームに掛かるスプリング
８４ カムリング
８５ カムリングに形成された突起
８６ カムスリーブピストン
８７ クランクシャフトカムピン
８８ スリーブカムピン
９０ 一次多段ポンプ
９２ 高圧ポンプシシテム
９４ 中圧ポンプシステム
９６ 低圧ポンプシステム
９８ ポンプマニホルド
１００ 後退カムスリーブピストンに配設されたコイルスプリング
１０２ シフトレバー
１０４ シフトロッド
１０６ 調整環

Claims (12)

1. コンデンサと、蒸気発生機と、メインエンジン駆動アセンブリと、蒸気供給ラインと、ポンプと、間隙容積バルブと、排出蒸気輸送通路と、熱交換機とを備えているエンジンであって、
   前記コンデンサが、離隔されて配列された集成板から構成されていて、空冷表面と、離隔されて配列された集成板の下方に液状凝縮物を回収する水溜めを備えていること、
   前記蒸気発生機が、シリンダ状の外壁と、供給された燃料を燃焼する少なくとも１つのバーナーと、前記シリンダ状の外壁に囲まれ、内部で熱を生成するための前記少なくとも１つのバーナーに接続された燃焼室とを備え、前記蒸気発生機は、重質の未燃焼粒子が焼却される前記シリンダ状の外壁の方に向かって蓄積するように、燃焼ガスの中で前記粒子を浮遊させるような前記燃焼ガスのサイクロン状の運動を作り出すために、前記少なくとも１つのバーナーからの炎が前記燃焼室の周囲を螺旋方向に一直線になるよう構成及び配置され、その結果、よりきれいな排気ガスを作り出すこと、
   前記メインエンジン駆動アセンブリが、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内で往復運動するように取り付けられていて密閉構造のピストンヘッドを備えたピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトに固定されていてクランクシャフトと共に回転するクランクカムと、前記ピストンと前記クランクカムの間に枢着されている連結棒と、閉鎖位置と開放位置の間で作動して加圧蒸気を前記シリンダの頂部へ噴射する噴射バルブとを備えていること、
   前記蒸気供給ラインが、前記噴射バルブが開いた瞬間に、前記シリンダに蒸気を噴射するために、噴射バルブへ蒸気を供給するものであること、
   前記ポンプが、前記水溜めから、前記蒸気供給ラインを経て水をポンプ輸送し、前記蒸気供給ラインは、前記燃焼室内部の燃焼ガスがサイクロン状の運動をする複数の通路を有する前記燃焼室内で露出している表面を備え、前記蒸気供給ライン内で水の相を液体から、前記噴射バルブに供給するための蒸気に変化させるために、効率的な熱伝達を促進するものであること、
   前記間隙容積バルブが、前記少なくとも１つのシリンダに接続され、低エンジンＲＰＭ時では前記シリンダ内の蒸気の圧縮を低減するため、高エンジンＲＰＭ時では前記少なくとも１つのシリンダ内の高い蒸気の圧縮を維持するために構成及び配置されたものであること、
   前記排出蒸気輸送通路が、前記少なくとも１つのシリンダから前記コンデンサへ排出蒸気を輸送するものであって、排出蒸気が前記水溜めで回収される前に、相を液体に変えるものであること、
   前記熱交換機が、吸入された空気を、前記燃焼室へ導入する前に、予熱し、前記燃焼室から排出された排気ガスから熱エネルギーを利用するものであることを特徴とする、エンジン。
2. 前記メインエンジン駆動アセンブリが、
   前記ピストンと、前記シリンダ内で運動可能に取り付けられた前記ピストンヘッドとを備えた複数個の前記シリンダと、
   前記複数個のシリンダのそれぞれのシリンダに枢着されている複数個の連結棒と、
   複数個の噴射バルブであって、それぞれ操作可能に配設されていて、前記開放位置に操作された瞬間に加圧蒸気を前記複数個のシリンダのそれぞれのシリンダへ噴射する複数個の噴射バルブとを備えている請求項１に記載したエンジン。
3. 前記蒸気発生機が、
   空気流を前記燃焼室へ供給する少なくとも１つのブロワと、
   供給された霧化ミスト状の燃料を、空気流に導入する燃料アトマイザと、
   霧化ミスト状燃料を点火する点火機とを備えている請求項２に記載したエンジン。
4. 前記蒸気ラインの前記セクションが、前記燃焼室内に復数個の分流ラインを備えている請求項２に記載したエンジン。
5. 前記蒸気ラインの単一のラインと、前記複数個の分流ラインとの合流点に、複数個の分流ラインの内部の蒸気圧を同一にするような構造と配設になっているスプリッタバルブを備えている請求項４に記載したエンジン。
6. 前記複数個のシリンダが、半径方向に配設されている請求項２に記載したエンジン。
7. 複数個の前記間隙容積バルブであって、それぞれ、前記複数個のシリンダのそれぞれと一緒に操作されるように配置されていて、低速ＲＰＭ時に、前記シリンダ内の蒸気圧力を低下するような構造と配列になっていて、かつ、それぞれ、高速ＲＰＭ時に、前記シリンダ内の蒸気圧を高圧に維持するような構造と配設になっている複数個の間隙容積バルブをさらに備えている請求項２に記載したエンジン。
8. 前記噴射バルブと操作可能に契合されているプッシュロッドと、前記プッシュロッドと操作可能に契合されていて前記噴射バルブを瞬間的に開くスプリングで偏倚されたロッカアームとをさらに備えている請求項１に記載したエンジン。
9. 前記クランクシャフトに可動に搭載されたカムリングと、
   前記カムリングから外方へ突出した突起と、
   前記カムリングおよび前記プッシュロッドと操作可能に接触しているスロットルフォロワであって、前記カムリングが回転するとき、前記スロットルフォロワが、前記カムリング上の前記突起と接触して、前記噴射バルブを開いた瞬間、前記スロットルフォロワが、前記プシュロッドを前記噴射バルブに対して付勢するような構造と配設になっているスロットルフォロワとをさらに備えている請求項８に記載したエンジン。
10. エンジンであって、
    離隔されて配列された集成板であって、空冷表面と、離隔されて配列された集成板の下方に液状凝縮物を回収する水溜めを備えた集成板を含むコンデンサと、
    供給された燃料を燃焼させ、炎を生成する少なくとも１つのバーナーと、
    シリンダ状の外壁と、供給された燃料を燃焼する少なくとも１つのバーナーと、前記シリンダ状の外壁に囲まれ、内部で熱を生成するための前記少なくとも１つのバーナーに接続された燃焼室とを備え、前記蒸気発生機は、重質の未燃焼粒子が焼却される前記シリンダ状の外壁の方に向かって蓄積するように、燃焼ガスの中で前記粒子を浮遊させるような前記燃焼ガスのサイクロン状の運動を作り出すために、前記少なくとも１つのバーナーからの炎が前記燃焼室の周囲を螺旋方向に一直線になるよう構成及び配置され、その結果、よりきれいな排気ガスを作り出す燃焼室と、
    少なくとも１つのシリンダと、
    前記シリンダ内に可動に配設され、前記シリンダ内で密閉され、往復運動をする構造と配設になっているピストンと、
    クランクシャフトと、
    前記クランクシャフトに固着されていて、前記クランクシャフトと一緒に回転するクランクカムと、
    前記ピストンと前記クランクカムの間に枢着されている連結棒と、
    閉鎖位置と開放位置の間で作動して加圧蒸気を前記シリンダの頂部へ噴射する噴射バルブと、
    前記噴射バルブと契合しているプッシュロッドと、
    前記プッシュロッドと操作可能に契合されていて、前記噴射バルブを瞬間的に開く、スプリングで偏倚されたロッカアームと、
    前記噴射バルブが開いた瞬間に、前記シリンダに蒸気を噴射するために、噴射バルブへ蒸気を供給する蒸気供給ラインと、
    前記水溜めから前記蒸気ラインを経て水をポンプ送流するポンプと、
    前記少なくとも１つのシリンダに接続され、低エンジンＲＰＭ時では前記シリンダ内の蒸気の圧縮を低減するため、高エンジンＲＰＭ時では前記少なくとも１つのシリンダ内の高い蒸気の圧縮を維持するために構成及び配置された間隙容積バルブと、
    前記少なくとも１つのシリンダから前記コンデンサへ排出蒸気を輸送する排出蒸気輸送通路で、排出蒸気が前記水溜めで回収される前に、相を液体に変える排出蒸気輸送通路と、
    吸入された空気を、前記燃焼室へ導入する前に、予熱する熱交換機で、前記燃焼室から排出された排気ガスから熱エネルギーを利用する熱交換機とを備え、
    前記蒸気供給ラインは、前記燃焼室内で束になって配置されたチューブの枝分かれした部分を備え、前記チューブの束の配置は、前記蒸気供給ライン内で水の相を液体から、前記噴射バルブに供給するための蒸気に変化させるために、効率的な熱伝達を向上させる前記燃焼室内部の燃焼ガスがサイクロン状の運動をする複数の通路を有する前記燃焼室内で露出している表面を提供することを特徴とするエンジン。
11. エンジンであって、
    離隔されて配列された集成板であって、空冷表面と、離隔されて配列された集成板の下方に液状凝縮物を回収する水溜めを備えた集成板を含むコンデンサと、
    燃焼室と、
    シリンダ状の外壁に囲まれた燃焼室と、
    供給された燃料を燃焼し、重質の未燃焼粒子が焼却されるシリンダ状の外壁の方に向かって蓄積するように、燃焼ガスの中で前記粒子を浮遊させる螺旋状の運動において、前記燃焼室へ導入される遠心分離された熱空気と炎を発生し、その結果、よりきれいな排気ガスを作り出す熱発生アセンブリと、
    メインエンジン駆動アセンブリであって、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内で往復運動するように取り付けられていて密閉構造のピストンヘッドを備えたピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトに固定されていてクランクシャフトと共に回転するクランクカムと、前記ピストンと前記クランクカムの間に枢着されている連結棒と、閉鎖位置と開放位置の間で作動して加圧蒸気を前記シリンダの頂部へ噴射する噴射バルブと、前記噴射バルブと操作可能に契合しているプッシュロッドと、前記プッシュロッドと操作可能に契合されていて前記噴射バルブを瞬間的に開く、スプリングで偏倚されたロッカアームとを備えているメインエンジン駆動アセンブリと、
    前記噴射バルブが開いた瞬間に、前記シリンダに蒸気を噴射するために噴射バルブへ蒸気を供給する蒸気供給ラインで、前記燃焼ガスがサイクロン状の運動をする複数の通路を有する前記燃焼室に向かうセクションを含んでいて、前記燃焼室内で、前記蒸気ライン内の水と蒸気を熱により加熱して、前記蒸気ライン内で蒸気を発生させ、前記噴射バルブが開いた瞬間に、前記噴射バルブに送り、前記シリンダに噴射するようになっている蒸気供給ラインと、
    前記水溜めから、前記蒸気供給ラインを経て水をポンプ輸送するポンプと、
    前記少なくとも１つのシリンダに接続され、低エンジンＲＰＭ時では前記シリンダ内の蒸気の圧縮を低減するため、高エンジンＲＰＭ時では前記少なくとも１つのシリンダ内の高い蒸気の圧縮を維持するために構成及び配置された間隙容積バルブと、
    吸気された空気が燃焼室に入る前に、吸気された空気を予熱する第１熱交換機で、前記燃焼室から排出された排気ガスの熱を利用する第１熱交換機と、
    前記蒸気供給ラインの水が、前記燃焼室内の前記蒸気供給ラインの前記セクションに入る前に、前記蒸気供給ラインの水を加熱する第２熱交換機で、前記少なくとも１つのシリンダから排出された蒸気の熱を利用する第２熱交換機とを備えているエンジン。
12. 少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内で往復運動するように取り付けられていて密閉構造のピストンヘッドを備えたピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトに固定されていてクランクシャフトと共に回転するクランクカムと、前記ピストンと前記クランクカムの間に枢着されている連結棒とを備えたエンジンの動力を発生する方法であって、
    前記少なくとも１つのシリンダに取り付けられた噴射バルブに連結された１つ以上のラインを経てタンクから液体をポンプ輸送することと、
    炎を生成するための燃料と空気の混合物を燃焼し、重質の未燃焼粒子が焼却されるシリンダ状の外壁の方に向かって蓄積するように、燃焼ガスの中で前記粒子を浮遊させるような前記燃焼ガスのサイクロン状の運動をするように炎を導き、その結果、よりきれいな排気ガスを作り出すことで燃焼室で熱を発生し、
    １つ以上のラインのセクションを前記燃焼室を貫設させて、１つ以上のラインからポンプ輸送された液体を、前記燃焼室内の液体を効率的に加熱するために前記燃焼ガスがサイクロン状の運動をする複数の通路と接触させることと、
    前記燃焼室の熱により前記１つ以上のラインのセクション内で蒸気を発生させることと、
    蒸気を前記シリンダと前記ピストンヘッドに噴射して、前記ピストンを付勢して下向動力行程を行わせ、前記クランクカムと前記クランクシャフトを回転させることと、
    吸込み空気が前記燃焼室に入る前に、前記燃焼室の排気ガスの熱を利用して吸込み空気を予熱することと、
    １つ以上のラインから輸送されてくる液体が、前記燃焼室内の前記セクションに入る前に、１つ以上のラインから輸送されてくる液体を予熱することと、
    低エンジンＲＰＭ時では前記シリンダ内の蒸気の圧縮を低減し、高エンジンＲＰＭ時では前記少なくとも１つのシリンダ内の高い蒸気の圧縮を維持することと、
    前記シリンダから排出された蒸気をコンデンサに導入することと、
    排出された蒸気を凝縮して液体を生成することと、
    液体を前記タンクに導入することを含む、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内で往復運動するように取り付けられていて密閉構造のピストンヘッドを備えたピストンと、クランクシャフトと、前記クランクシャフトに固定されていてクランクシャフトと共に回転するクランクカムと、前記ピストンと前記クランクカムの間に枢着されている連結棒とを備えたエンジンの動力を発生する方法。

Images