JP5066723B2 - 2-stroke insulated composite engine - Google Patents

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Description

本発明は、排気損失と冷却損失からなるエネルギ損失を有効利用することにより、熱効率の向上を図った断熱複合エンジンに関する。   The present invention relates to an adiabatic composite engine that improves thermal efficiency by effectively using energy loss including exhaust loss and cooling loss.

従来の容積型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がそれぞれ概ね30%前後、摩擦損失などが概ね5%程度ある。   The thermal efficiency of a conventional positive displacement engine is approximately 40% for a diesel engine and approximately 30% for a gasoline engine, cooling loss and exhaust loss are approximately 30%, and friction loss is approximately 5%.

従来の容積型エンジンは筒外を水または空気で冷やすことにより、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。   A conventional positive displacement engine cools the outside of the cylinder with water or air, thereby suppressing a temperature increase of the engine body and enabling a constant continuous operation.

一方、筒外を冷却せずに筒内に水を噴射することによって筒内の熱を吸収し、筒内を冷却するとともに気化させ、蒸気の膨張力で出力の増大を図る試みがなされた。(例えば、特許文献1)   On the other hand, an attempt was made to absorb the heat in the cylinder by injecting water into the cylinder without cooling the outside of the cylinder, to cool and vaporize the inside of the cylinder, and to increase the output by the expansion force of steam. (For example, Patent Document 1)

容積型エンジンから排出された排気ガスで排気タービンを回し、容積型エンジンからの動力と排気タービンからの動力を複合することにより熱効率の向上を図るため、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)   A combination of an aviation diesel engine and an exhaust turbine in order to improve thermal efficiency by turning the exhaust turbine with the exhaust gas discharged from the positive displacement engine and combining the power from the positive displacement engine and the power from the exhaust turbine. An engine has been developed. (For example, Non-Patent Document 1)

2ストロークエンジンは4ストロークエンジンに比べ構造が簡単であるため、環境基準があまり厳しくない小型軽量のガソリンエンジンや低速回転の大型舶用ディーゼルエンジンに多用されている。   Since the 2-stroke engine has a simpler structure than the 4-stroke engine, it is widely used in small and light gasoline engines and low-speed large marine diesel engines whose environmental standards are not so strict.

一般の自動車用のエンジンは、最高出力で稼動することはほとんどなく比較的低負荷で稼動していることが多い。
特開昭60−184923号 内燃機関ハンドブック 朝倉書店 P647 昭和44年発行
General automobile engines rarely operate at the maximum output and often operate at a relatively low load.
JP-A-60-184923 Internal combustion engine handbook Asakura Shoten P647 Issued in 1969

冷却損失30%と排気損失30%をともに17%の熱効率で回収するとすれば、エネルギ損失から得られる熱効率は30%x2x17%=10%となり、ガソリンエンジン・ディーゼルエンジンともに概ね10%程度熱効率が向上する。   If both the cooling loss 30% and the exhaust loss 30% are recovered with a thermal efficiency of 17%, the thermal efficiency obtained from the energy loss is 30% x 2 x 17% = 10%, and the thermal efficiency is improved by approximately 10% for both gasoline and diesel engines. To do.

排気損失である排気ガスは、ターボを回し過給することにより出力の向上に有効利用されているが、ターボからの動力を直接取り出し利用しているわけではないので、燃費と出力の両方の向上、いわゆる、熱効率の向上には繋がらない。   Exhaust gas, which is an exhaust loss, is effectively used to improve output by turning the turbo and supercharging, but it does not directly take out the power from the turbo, so it improves both fuel efficiency and output. So-called thermal efficiency is not improved.

また、冷却損失については排気損失と同量程度のエネルギを占めているにもかかわらず、ほとんど利用してこなかった。さらに、従来の容積型エンジンのうち小型を除くほとんどは、筒外を水または空気で冷却するための強制冷却用装置を有し、かつ強制冷却用の動力を必要としていた。このように、従来のエンジンでは、冷却損失は暖房用以外有効利用されてこなかった。   In addition, the cooling loss has hardly been used even though it occupies the same amount of energy as the exhaust loss. Further, most of the conventional positive displacement engines except the small size have a forced cooling device for cooling the outside of the cylinder with water or air, and require power for forced cooling. As described above, in the conventional engine, the cooling loss has not been effectively used except for heating.

筒内冷却を行っている例として特開昭60−184923号の水噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンは、圧縮行程の次の膨張行程において、水の噴射による気化熱の吸収によって、断熱エンジンの欠点である新気の吸入効率の低下を補完し、単位燃料当たりの出力を増大させるとされているが、この場合、気化熱を動力源として利用しているわけではないので、利用可能なエネルギが無駄に排出されている。   As an example of in-cylinder cooling, the water injection type heat insulating ceramic diesel engine disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-184923 is a disadvantage of the heat insulating engine due to the absorption of the heat of vaporization caused by water injection in the expansion stroke following the compression stroke. It is supposed to compensate for a decrease in the intake efficiency of some fresh air and increase the output per unit fuel. However, in this case, the heat available is not used because the heat of vaporization is not used as a power source. Have been discharged.

過去に開発された複合エンジンの排気タービンの動力源は、2ストロークディーゼルエンジンからの排気ガスだけであったが燃費は良かったとされているので、冷却損失を動力源として加えればさらに熱効率が向上する。しかし、当時の複合エンジンは構造が複雑なため、実用には至らなかったとされている。   Although the power source of the exhaust turbine of the composite engine developed in the past was only the exhaust gas from the 2-stroke diesel engine, it is said that the fuel efficiency was good. Therefore, if the cooling loss is added as a power source, the thermal efficiency is further improved. . However, the compound engine at that time was said to have not been put into practical use due to its complicated structure.

2ストロークエンジンは1回転に1回爆発・膨張するので、4ストロークエンジンに比べ、同一行程容積とすると本来であれば2倍近くの出力を発揮できるが、ストロークが短く高速回転する自動車用のエンジンの場合は、掃・排気を短時間に実行しなければならず、排気ガスと新気の交換が不完全になりやすく、本来の出力が得られず排気ガスも汚れているなどの問題があり、厳しい環境基準が適用される自動車用にはほとんど使われなくなった。   Since a 2-stroke engine explodes and expands once per revolution, it can produce nearly twice as much power as the original stroke volume compared to a 4-stroke engine. In this case, sweeping and exhausting must be performed in a short time, and the exchange of exhaust gas and fresh air tends to be incomplete, and the original output cannot be obtained and the exhaust gas is dirty. It is seldom used for automobiles where strict environmental standards are applied.

従来のガソリンエンジンは、低負荷になるほど吸入空気量を絞らなければならないためポンピング損失が大きくなるという問題があった。   The conventional gasoline engine has a problem that the pumping loss increases because the intake air amount must be reduced as the load becomes lower.

そこで、本発明の目的は、排気損失や冷却損失を動力源として有効利用するとともに、ポンピング損失を低減することにより熱効率の向上を図った2ストローク断熱複合エンジンを提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a two-stroke adiabatic composite engine that effectively uses exhaust loss and cooling loss as a power source, and improves heat efficiency by reducing pumping loss.

排気損失である排気ガスを有効利用することは実績も多いので省略する。冷却損失について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過熱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あるうえ、過熱蒸気を用いて排気タービンを回すことができるため動力を得ることができる。従来のエンジンでは冷却損失、排気損失として棄てていたエネルギ損失を排気エネルギ回収装置で回収し発生した動力を直接利用する。   Effective use of exhaust gas, which is an exhaust loss, has been proven and has been omitted. As for the cooling loss, since it is cooled outside the cylinder, it becomes a cooling loss. If the superheated steam is generated by the heat absorbed by the in-cylinder, the equipment and power for the outside-cylinder cooling are not required, and overheating Power can be obtained because the exhaust turbine can be turned using steam. In the conventional engine, energy loss, which was discarded as cooling loss and exhaust loss, is recovered by an exhaust energy recovery device and directly used.

断熱シリンダの筒内を冷却するには、シリンダヘッドまたはシリンダにノズルを取り付け、排気行程で水(温水を含む、以下同様に水とだけ表記してあっても温水を含むものとする。)または蒸気を噴射し、高温になった筒内とピストン上部とシリンダ内壁とシリンダヘッドを冷却する。筒内温度が常に設定温度近くを保つよう適量の水または蒸気が噴射される。このため、筒外温度と排気ガス温度を計測し噴射量を制御する。   In order to cool the inside of the cylinder of the heat insulating cylinder, a nozzle is attached to the cylinder head or the cylinder, and water (including hot water, including hot water even if it is expressed only as water) or steam is used in the exhaust stroke. The inside of the cylinder, the upper part of the piston, the cylinder inner wall, and the cylinder head that have been injected and become hot are cooled. An appropriate amount of water or steam is injected so that the in-cylinder temperature always remains close to the set temperature. For this reason, the injection amount is controlled by measuring the temperature outside the cylinder and the exhaust gas temperature.

また、始動時などでエンジンが冷えている時には、水の噴射を遮断するが、エンジンは断熱されているのですぐに暖まり、いわゆる暖気運転は不要である。   Further, when the engine is cold at the time of starting or the like, the water injection is cut off, but since the engine is insulated, it warms up immediately, and so-called warm-up operation is unnecessary.

筒内に噴射する水は水タンク(図示なし)に溜めておく。該水タンクは排気タービン出口側の排気管に接続され、排気タービンから排出された排気ガスや蒸気を冷却するとともに、消音を行う。回収された蒸気は水タンク内で再び水に戻るので、循環使用できるようになっている。また、高温になったタンク内の温水を効率よく冷却するため、ラジエータを用いたり、水タンクの外周にフィンを取り付けたりする。   Water to be injected into the cylinder is stored in a water tank (not shown). The water tank is connected to an exhaust pipe on the exhaust turbine outlet side, and cools and muffles exhaust gas and steam discharged from the exhaust turbine. The recovered steam returns to the water again in the water tank so that it can be circulated. Moreover, in order to cool the hot water in the tank which became high temperature efficiently, a radiator is used or a fin is attached to the outer periphery of a water tank.

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、例えば中低負荷で多用しかつ負荷変動の大きい自動車の動力とする場合、動力を効率よく取り出し運転条件に対応した最適な動力伝達機構に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れば、構造が簡単で排気タービンからの動力を効率よく取り出せる。
また、排気タービンの出力軸に発電機を取り付け、発電することもできる。
Speed engines such as exhaust turbines have poor thermal efficiency and response.For example, when powering automobiles that are heavily used at medium and low loads and have large load fluctuations, the power is efficiently extracted and optimal power transmission corresponding to the operating conditions is achieved. To make a mechanism, the structure becomes complicated. Therefore, in a combined engine in which a positive displacement engine and a speed engine are combined, the power of the exhaust turbine, which is an auxiliary engine, is transmitted to the output shaft of the positive displacement engine, which is the main engine. If the power transmission mechanism adopts a one-way clutch so that the power is not transmitted to the output shaft of the exhaust turbine, the structure is simple and the power from the exhaust turbine can be taken out efficiently.
It is also possible to generate power by attaching a generator to the output shaft of the exhaust turbine.

ストロークが短く高速回転する2ストロークエンジンであっても、4ストロークエンジン並みに排気ガスがきれいで、出力を本来の2倍近くにまで向上させるには、排気ガスの排出が充分に行われ所要空気量が供給され良好な燃焼を行わせる必要がある。   Even with a two-stroke engine that has a short stroke and rotates at a high speed, the exhaust gas is as clean as that of a four-stroke engine, and the exhaust gas is exhausted sufficiently and the required air is required to improve the output to nearly twice the original output. The quantity must be supplied to ensure good combustion.

このため、蓄圧器に蓄えられた圧縮空気を圧縮空気噴射ノズルから筒内に噴射することによって、吸入行程と圧縮行程の2行程に相当するサイクルが置き換えられ、爆発・膨張行程と排気行程の2行程だけでも充分に排ガスの排出と所要空気量の供給を行うことができる。前記圧縮空気は排気タービンに直結した遠心圧縮機によって得られ、容積型圧縮機によってさらに圧縮される。高圧の圧縮空気は一旦蓄圧器に蓄えられ、ECU(電子制御装置)と電磁バルブの制御によって所要空気量が噴射され、その直後に適量の燃料が噴射され燃焼(爆発)が始まる。   Therefore, by injecting the compressed air stored in the pressure accumulator into the cylinder from the compressed air injection nozzle, the cycle corresponding to the two strokes of the suction stroke and the compression stroke is replaced, and the explosion / expansion stroke and the exhaust stroke 2 are replaced. The exhaust gas can be sufficiently discharged and the required amount of air can be supplied by the stroke alone. The compressed air is obtained by a centrifugal compressor directly connected to an exhaust turbine and further compressed by a positive displacement compressor. High-pressure compressed air is temporarily stored in an accumulator, and a required amount of air is injected under the control of an ECU (electronic control unit) and an electromagnetic valve. Immediately thereafter, an appropriate amount of fuel is injected and combustion (explosion) starts.

上述したように本発明の2ストローク断熱複合エンジンは、排気行程で燃焼ガスがある程度排出され、筒内の圧力が下がってから、水または蒸気を直接筒内に噴射することにより、筒内を冷却するとともに、筒内の熱を吸収して過熱蒸気が発生する。該過熱蒸気は排気タービンを回す強力な動力源となる。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、筒内冷却型の2ストローク断熱複合エンジンでは、排気損失である排気ガスだけではなく、冷却損失である筒内廃熱を有効利用することができる。
このため、出力が向上し燃費を改善することができ、CO2だけではなくNOXやPMなどの有害物質も削減できる。また、過熱蒸気は洗浄能力が大きいため、筒内や排気系統を洗浄する効果もある。
As described above, the two-stroke adiabatic combined engine of the present invention cools the inside of the cylinder by injecting water or steam directly into the cylinder after the combustion gas is discharged to some extent during the exhaust stroke and the pressure in the cylinder drops. At the same time, heat in the cylinder is absorbed and superheated steam is generated. The superheated steam becomes a powerful power source for turning the exhaust turbine. In conventional engines, since cooling was performed outside the cylinder, the cooling loss could not be effectively used. However, in the in-cylinder cooling type two-stroke heat insulating composite engine, not only the exhaust gas that is the exhaust loss but also the cooling loss. In-cylinder waste heat can be used effectively.
For this reason, output can be improved and fuel consumption can be improved, and not only CO2 but also harmful substances such as NOX and PM can be reduced. Moreover, since superheated steam has a large cleaning ability, it also has an effect of cleaning the inside of the cylinder and the exhaust system.

本発明の2ストローク断熱エンジンは、従来の2ストロークエンジンにおける短時間の掃気と異なり、排気行程において排気ガスと過熱蒸気を排出し、排気弁が閉じると同時に圧縮空気を噴射するため、排気ガスと新気の交換がほぼ完全に行われる。このため、燃焼が良好に行われ排気ガスもきれいである。また、1回転に1回爆発・膨張するので従来の4ストロークエンジンに比べ、同一行程容積であれば約2倍の出力が得られる。   Unlike the short-time scavenging in the conventional two-stroke engine, the two-stroke heat insulation engine of the present invention exhausts exhaust gas and superheated steam in the exhaust stroke, and injects compressed air at the same time as the exhaust valve is closed. The exchange of fresh air is almost complete. For this reason, combustion is performed satisfactorily and the exhaust gas is clean. In addition, since it explodes and expands once per rotation, the output is about twice that of a conventional four-stroke engine with the same stroke volume.

以下、本発明の最良の実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。   Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1および図2に示す2ストローク断熱複合エンジンにおいて、図1は正面断面図であり、図2は2気筒断熱エンジンと排気タービン8と該排気タービンに直結した遠心圧縮機9と該遠心圧縮機から吐出された圧縮空気をさらに高圧にする容積型圧縮機10の平面断面図である。   1 and FIG. 2, FIG. 1 is a front sectional view, and FIG. 2 is a two-cylinder heat insulation engine, an exhaust turbine 8, a centrifugal compressor 9 directly connected to the exhaust turbine, and the centrifugal compressor. It is a plane sectional view of positive displacement compressor 10 which makes compressed air discharged from more high pressure.

図1において、ピストン1とシリンダ2と排気弁3を有する容積型断熱エンジンには、圧縮空気を蓄えて置く蓄圧器4と、該圧縮空気を噴射するノズル5と、筒内の空気量が適量になった後に燃料を噴射するノズル6と、爆発・膨張し高温・高圧の排気ガスをある程度排出した後、高温になった筒内を冷却し過熱蒸気を得るための水または蒸気を噴射するノズル7を取り付けてある。また、排気ガスと過熱蒸気を動力源とする排気タービン8からの動力は減速機11を介してクランクシャフトに直結したフライホイール13に伝達されるが、該フライホイールからの動力は排気タービン側に伝達されないように、減速機11には振動や衝撃力を吸収するダンパー付のワンウェイクラッチ(図示なし)が組み込まれている。   In FIG. 1, a positive displacement heat insulating engine having a piston 1, a cylinder 2 and an exhaust valve 3 has an accumulator 4 for storing compressed air, a nozzle 5 for injecting the compressed air, and an appropriate amount of air in the cylinder. Nozzle 6 that injects fuel after becoming exhausted, and nozzle that injects water or steam to obtain superheated steam by cooling the inside of the cylinder that has become hot after expelling to some extent high-temperature and high-pressure exhaust gas 7 is attached. The power from the exhaust turbine 8 using exhaust gas and superheated steam as the power source is transmitted to the flywheel 13 directly connected to the crankshaft via the speed reducer 11, and the power from the flywheel is transmitted to the exhaust turbine side. In order to prevent transmission, a one-way clutch (not shown) with a damper that absorbs vibration and impact force is incorporated in the speed reducer 11.

図1では圧縮空気噴射ノズルの取付個数は、1個となっているが2個以上でも良い。また、取付方向は筒内の中心方向でも壁面に沿う方向でも良いが、燃焼が常に良好に行われる方向に向けるのが良い。   In FIG. 1, the number of compressed air injection nozzles is one, but it may be two or more. Further, the mounting direction may be the center direction in the cylinder or the direction along the wall surface, but it is preferably directed to the direction in which combustion is always performed satisfactorily.

図2において、排気タービン8に直結した遠心圧縮機9と、該遠心圧縮機から吐出された圧縮空気をさらに高圧の圧縮空気にするため容積型圧縮機10が装備されている。容積型圧縮機の種類は、ピストン式でもルーツ式でもベーン式でも良い。また、容積型圧縮機の替わりに遠心圧縮機を多段にしても良い。なお、図2では排気タービン8は、2気筒当たり1基となっているが1気筒当たり1基でも多気筒当たり1基でも良い。   In FIG. 2, a centrifugal compressor 9 directly connected to the exhaust turbine 8 and a positive displacement compressor 10 are provided for converting the compressed air discharged from the centrifugal compressor into higher-pressure compressed air. The type of the positive displacement compressor may be a piston type, a root type, or a vane type. Further, a centrifugal compressor may be multi-staged instead of the positive displacement compressor. In FIG. 2, the number of the exhaust turbines 8 is one for every two cylinders, but it may be one for each cylinder or one for many cylinders.

図1のようにストロークが短く高速回転の場合には、通常の2ストロークエンジンのシリンダに設けてある掃気孔はないが、舶用エンジンなどのようにストロークが長く低速回転であって、掃・排気が比較的長時間で良好に行われる場合には、通常の2ストロークエンジンのように掃気孔を設け、水または蒸気噴射ノズル7を掃気孔に取り付け、掃気孔開と同時に掃気と水または蒸気を噴射するようにし、図1と図2に示す蓄圧器4と圧縮空気噴射ノズル5を装備せず、圧縮機は遠心圧縮機9または容積型圧縮機10のいずれか一方を装備した2ストローク断熱複合エンジンとしても良い。   In the case of a short stroke and a high speed rotation as shown in FIG. 1, there are no scavenging holes provided in a cylinder of a normal two-stroke engine, but a long stroke and a low speed rotation like a marine engine, etc. Is performed well for a relatively long time, a scavenging hole is provided as in a normal two-stroke engine, a water or steam injection nozzle 7 is attached to the scavenging hole, and scavenging and water or steam are supplied simultaneously with the opening of the scavenging hole. 1 and FIG. 2 is not equipped with the accumulator 4 and the compressed air injection nozzle 5, and the compressor is equipped with either a centrifugal compressor 9 or a positive displacement compressor 10 and is a two-stroke heat insulating composite. It is good as an engine.

容積型圧縮機10のシャフトは、容積型断熱エンジンのクランクシャフトとクラッチ(図示なし)を介して連結され、蓄圧器内の空気圧が設定値を超えた場合には、自動的にクラッチを切り、容積型圧縮機10が作動しないようになっている。また、遠心圧縮機9の吸入側マニホールドに絞り弁(図示なし)を設け、弁を自動的に絞ることにより吸入空気量を制御しても良い。   The shaft of the positive displacement compressor 10 is connected to the crankshaft of the positive displacement heat insulating engine via a clutch (not shown). When the air pressure in the accumulator exceeds a set value, the clutch is automatically disengaged, The positive displacement compressor 10 is not operated. In addition, a throttle valve (not shown) may be provided in the suction side manifold of the centrifugal compressor 9, and the intake air amount may be controlled by automatically throttling the valve.

減速機11は、排気タービン8の高速回転を容積型断熱エンジンの回転数に合うように減速するために装備される。   The reduction gear 11 is equipped to reduce the high-speed rotation of the exhaust turbine 8 so as to match the rotation speed of the positive displacement heat insulating engine.

排気ガスの温度をできるだけ冷やさないように効率よく回収するため、排気タービン8をできるだけ排気弁3に近づけて取り付けられる構造にする。また、排気タービンの種類はラジアルタービンでも軸流タービンでも良く、段数も単段でも多段でも良い   In order to efficiently recover the exhaust gas temperature so as not to be cooled as much as possible, the exhaust turbine 8 is attached as close to the exhaust valve 3 as possible. The type of exhaust turbine may be a radial turbine or an axial turbine, and the number of stages may be single or multistage.

燃焼による熱エネルギのうち動力に変換されなかった廃熱を、できるだけ筒外に放出させないで有効利用するため、シリンダ2とシリンダヘッドなどを断熱材12で覆う。   In order to effectively use the waste heat that has not been converted into motive power out of the heat energy from combustion, the cylinder 2 and the cylinder head are covered with a heat insulating material 12 in order to effectively use the heat without releasing it outside the cylinder.

水または蒸気噴射ノズル7の取付位置は、シリンダヘッドでもシリンダ2でも良い。筒外温度および排気ガス温度を計測して筒内温度を予測し、常に設定した筒内温度になるように、適時に適量の水または蒸気が噴射されるようになっている。また、エンジンが冷えている時には水または蒸気を噴射しない。   The mounting position of the water or steam injection nozzle 7 may be the cylinder head or the cylinder 2. An in-cylinder temperature and an exhaust gas temperature are measured to predict an in-cylinder temperature, and an appropriate amount of water or steam is injected in a timely manner so that the set in-cylinder temperature is always obtained. Also, no water or steam is injected when the engine is cold.

運転状況に応じて常に良好な燃焼状態が得られるように、排気弁開閉のタイミングと、圧縮空気と燃料の噴射タイミングと噴射量をECUで制御する。特に、圧縮空気と燃料の噴射量は常に理想的な混合比または空気過剰率になるように制御されるため、加速時においてもターボチャージャのようなタイムラグは発生しない。   The ECU controls the opening / closing timing of the exhaust valve, the injection timing of the compressed air and the fuel, and the injection amount so that a good combustion state can always be obtained according to the operating condition. In particular, since the injection amount of compressed air and fuel is controlled so as to always have an ideal mixing ratio or excess air ratio, a time lag like a turbocharger does not occur even during acceleration.

温水または蒸気は排気タービン出口側の排気管の外周に小径パイプを巻き付け、このパイプに水を通したり、排気管を二重管にし外側の管に水を通したりすることにより、容易に発生させることができる。いわゆる、排気ガスの廃熱を利用した熱交換器(図示なし)である。温度管理は、小径パイプまたは二重管の出口近傍に温度計を取り付け、送水量を制御して行う。また、排気タービン出口側の排気管を冷やすので、排気タービン効率が向上する。   Hot water or steam is easily generated by winding a small-diameter pipe around the exhaust pipe at the outlet side of the exhaust turbine and passing water through this pipe or by making the exhaust pipe into a double pipe and water through the outer pipe. be able to. This is a so-called heat exchanger (not shown) using waste heat of exhaust gas. Temperature management is performed by attaching a thermometer near the outlet of a small diameter pipe or double pipe and controlling the amount of water delivered. Further, since the exhaust pipe on the exhaust turbine outlet side is cooled, the exhaust turbine efficiency is improved.

燃料噴射ノズル6はディーゼルエンジンの場合は、通常の燃料噴射ノズルでよいが、ガソリンエンジンの場合は、筒内直噴方式の燃料噴射ノズルに限られる。   In the case of a diesel engine, the fuel injection nozzle 6 may be a normal fuel injection nozzle. However, in the case of a gasoline engine, the fuel injection nozzle 6 is limited to a direct injection type fuel injection nozzle.

図3は圧縮空気噴射、燃料噴射、爆発・膨張、燃焼ガスの排出、水または蒸気噴射、過熱蒸気の排出を示した作動状態図である。01は圧縮空気噴射、02は燃料噴射と爆発、03は膨張、04は燃焼ガスの排出、05は燃焼ガスの排出と水または蒸気噴射と筒内冷却と過熱蒸気発生開始、06は過熱蒸気の排出を示している。   FIG. 3 is an operational state diagram showing compressed air injection, fuel injection, explosion / expansion, combustion gas discharge, water or steam injection, and superheated steam discharge. 01 is compressed air injection, 02 is fuel injection and explosion, 03 is expansion, 04 is combustion gas discharge, 05 is combustion gas discharge, water or steam injection, in-cylinder cooling and generation of superheated steam, 06 is superheated steam Indicates emissions.

図4は、爆発・膨張と排気の各行程と、各行程における圧縮空気と燃料と水または蒸気の噴射タイミングと、排気弁開閉のタイミングを示した図である。排気弁3が開き、燃焼圧力が未だ高く勢いのある排気ガスを排気タービン8に勢いよく吹きかける。筒内圧力が下がってきたところへ水または蒸気を噴射するので、噴射圧力が小さくて済むうえ、排気タービン8を回すのに必要な排気ガスのエネルギをあまり奪うことなく筒内を冷却し、過熱蒸気を発生させることができる。   FIG. 4 is a diagram showing the strokes of explosion / expansion and exhaust, the injection timing of compressed air, fuel, water or steam in each stroke, and the timing of opening and closing the exhaust valve. The exhaust valve 3 is opened, and exhaust gas whose combustion pressure is still high is vigorously blown onto the exhaust turbine 8. Since the water or steam is injected to the place where the in-cylinder pressure has decreased, the injection pressure can be reduced, and the inside of the cylinder can be cooled without taking too much energy of the exhaust gas required to turn the exhaust turbine 8 to overheat. Steam can be generated.

始動時などで筒内温度が低く着火しにくい時は、可変バルブタイミング機構により排気弁3を早めに閉じるとともに、圧縮空気を早めに噴射することにより、ピストン1の上昇とともに筒内の圧縮空気がさらに圧縮され、温度が上昇するので着火性が良くなる。また、圧縮空気噴射ノズル5を加熱できるようにするか、またはシリンダヘッドにヒーターを取り付けることにより、筒内温度を上げることができ、着火し易くなる。   When the in-cylinder temperature is low and difficult to ignite at the time of starting or the like, the exhaust valve 3 is closed early by the variable valve timing mechanism and the compressed air is injected early, so that the compressed air in the cylinder rises as the piston 1 rises. Furthermore, since it is compressed and the temperature rises, the ignitability is improved. In addition, by allowing the compressed air injection nozzle 5 to be heated or attaching a heater to the cylinder head, the in-cylinder temperature can be raised and ignition is easy.

図4の行程番号は、図3の作動状態の番号と一致する。   The process number of FIG. 4 corresponds to the number of the operation state of FIG.

本発明の実施形態を示す筒内冷却方式2ストローク断熱複合エンジンの正面断面図Front sectional view of an in-cylinder cooling type two-stroke heat insulation composite engine showing an embodiment of the present invention 筒内冷却方式2ストローク断熱複合エンジン平面断面図In-cylinder cooling system 2-stroke heat-insulated composite engine cross-sectional view 筒内冷却方式2ストローク断熱エンジンの各行程の作動状態図Operation state diagram of each stroke of in-cylinder cooling type 2-stroke heat insulation engine 2行程における圧縮空気と燃料と水または蒸気の噴射タイミング図Compressed air, fuel, water or steam injection timing diagram in two strokes

符号の説明Explanation of symbols

1 ピストン
2 シリンダ
3 排気弁
4 蓄圧器
5 圧縮空気噴射ノズル
6 燃料噴射ノズル
7 水または蒸気噴射ノズル
8 排気タービン
9 遠心圧縮機
10 容積型圧縮機
11 減速機
12 断熱材
13 フライホイール
14 軸受
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 2 Cylinder 3 Exhaust valve 4 Accumulator 5 Compressed air injection nozzle 6 Fuel injection nozzle 7 Water or steam injection nozzle 8 Exhaust turbine 9 Centrifugal compressor 10 Positive displacement compressor 11 Reducer 12 Heat insulating material 13 Flywheel 14 Bearing

Claims (2)

爆発・膨張行程と排気行程の2行程を実行する容積型断熱エンジンと、該容積型断熱エンジンから排出する排気ガスと過熱蒸気を動力源とする排気タービンと、該排気タービンからの動力をクランクシャフトに伝達する排気エネルギ回収装置とを有する2ストローク断熱複合エンジンにおいて、空気を圧縮するための圧縮機と、該圧縮空気を蓄えて置く蓄圧器と、筒内に該蓄圧器の圧縮空気を噴射するノズルと、排気行程で排気ガスを排出した後、高温の筒内を冷却するとともに筒内の熱を吸収して過熱蒸気を発生させるための水(温水を含む)または蒸気を噴射するノズルと、筒内温度が設定温度を保つよう筒外温度と排気ガス温度を計測し水または蒸気の噴射量を制御することと、前記排気タービンから排出された排気ガスと蒸気の消音と冷却を兼ねた水タンクから構成される2ストローク断熱複合エンジン A positive displacement adiabatic engine that executes two strokes of an explosion / expansion stroke and an exhaust stroke, an exhaust turbine that uses exhaust gas and superheated steam exhausted from the positive displacement adiabatic engine, and a power source from the exhaust turbine as a crankshaft In a two-stroke adiabatic composite engine having an exhaust energy recovery device for transmitting to a compressor, a compressor for compressing air, an accumulator for storing the compressed air, and compressed air from the accumulator is injected into a cylinder A nozzle and a nozzle for injecting water (including hot water) or steam for cooling the high-temperature cylinder and absorbing the heat in the cylinder to generate superheated steam after exhaust gas is discharged in the exhaust stroke; and that the out-of-cylinder temperature and exhaust gas temperature so that the cylinder temperature is keep the set temperature is measured for controlling the injection quantity of water or steam, silencing of the exhaust gas and the steam discharged from the exhaust turbine 2-stroke insulation composite engine constructed from a water tank which also serves as a cooling 2ストローク断熱エンジンと、該2ストローク断熱エンジンから排出する排気ガスと過熱蒸気を動力源とする排気タービンと該排気タービンからの動力をクランクシャフトに伝達する排気エネルギ回収装置とを有する2ストローク断熱複合エンジンにおいて、排気行程で排気ガスを排出した後、高温の筒内を冷却するとともに筒内の熱を吸収して過熱蒸気を発生させるための水(温水を含む)または蒸気を噴射するノズルと、筒内温度が設定温度を保つよう筒外温度と排気ガス温度を計測し水または蒸気の噴射量を制御することと、前記排気タービンから排出された排気ガスと蒸気の消音と冷却を兼ねた水タンクから構成される2ストローク断熱複合エンジン A two-stroke heat insulation composite having a two-stroke heat insulation engine , an exhaust turbine that uses exhaust gas and superheated steam exhausted from the two-stroke heat insulation engine , and an exhaust energy recovery device that transmits power from the exhaust turbine to the crankshaft In the engine, after exhaust gas is exhausted in the exhaust stroke, the nozzle that cools the inside of the hot cylinder and absorbs the heat in the cylinder to generate superheated steam or hot water is injected, Measures the temperature outside the cylinder and the exhaust gas temperature so that the in-cylinder temperature is kept at the set temperature, and controls the injection amount of water or steam, and water that serves as both silencer and cooling of the exhaust gas and steam discharged from the exhaust turbine. 2-stroke insulated composite engine consisting of a tank
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