JP5227516B2 - 燃焼ガスに対する二酸化炭素（ｃｏ２）の供与に基づく複合サイクル燃焼機関 - Google Patents

Description

本発明は、新規複合サイクル燃焼機関に関する。この新規複合サイクル燃焼機関は、ガソリンエンジン（オットーサイクル）又はディーゼルエンジン（ディーゼルサイクル）の基本構造から出発し、その特徴を、両エンジンの制御に用いる熱力学サイクルが、高温燃焼ガスと接触する際に極めて強力な熱膨張を受け、それによりシリンダ内部の圧力を著しく増大する気体、具体的には二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与により変更されるとの事実にあることを目的とする。

これは、明らかにトルクの増加及び、それによるエンジン出力の増加に転化する。

エンジンの制御は、二つの方法により行うことが出来る。一つの方法は、従来エンジンにおいて現在行われるように、エンジンのシリンダ内部で燃焼する空気と燃料の流入を制御する方法であり、別の方法は、シリンダに対し供与する二酸化炭素の量を、計量又は変更する方法である。

したがって、本発明の目的は、熱力学的観点において、複合サイクルエンジンを実現することである。この複合サイクルエンジンにおいては、厳密には、熱力学的に異なる二つのサイクルを、燃焼に参画する気体を混合するとき、空間的特性により複合するため、燃焼に際し解放される力を有用な機械的仕事量に関しさらに良く利用する。エンジンに関しては、気体が混合せずに働く複合サイクルエンジンよりも小さい機械的複雑度を実現する。

本発明により提案するエンジンは、自動車分野において使用するエンジンに特に適している。

異なる二つの熱力学サイクルの複合に基づく複合サイクルエンジンは、例えば、一つの気体、一つの蒸気などのように、公知であるが、これらでは燃焼ガスの最終温度、即ち最終熱力学過程の終了時における温度が、著しく低下する結果となる。このことは、環境に解放される熱エネルギが低い温度水準を有することを意味する。

しかし、これらの複合サイクル燃焼機関は、再利用のため蒸気を冷却して凝縮するよう、蒸気を回収するために着想された。これは、気体取扱のため独立の手段を必要とし、エンジンにおける非常に高度の機械的複雑度を意味する。これは、コストに影響するだけでなく、スペースと重量の理由のため、本発明のエンジンが基本的に使用を予定する自動車分野において、これらの複合サイクルエンジンの適用を不可能にする。

本発明の提案する複合サイクルエンジンは、上述の欠点を完全に満足な方法で解決する。

これを受けさらに具体的に、提案するエンジンは、適切な容量のデポジットを含む二酸化炭素（ＣＯ_２）動力源から出発する。その中で、前記二酸化炭素（ＣＯ_２）は、環境条件により、液相又は気相にすることが出来る。前記デポジットは、その目的で設計されるインジェクタを通じて、前記デポジット内と同一圧力か、又は適切なポンプの協力を得て大きい圧力の下で、前記二酸化炭素（ＣＯ_２）の入るエンジンシリンダに対し適宜に接続する。二酸化炭素（ＣＯ_２）は、ピストンが上死点を通過する直後に各シリンダ内に導入し、シリンダ内部の圧力過負荷を防止するとともに、さらに、例えば、ガソリン又はディーゼルのような噴射燃料の燃焼のための時間を与え、二酸化炭素（ＣＯ_２）が高温の燃焼ガスと接触するとき、前記二酸化炭素が加熱されて、その膨張を生じ、結果としてシリンダ内部の圧力を増加し、次いで、膨張行程における出力増加をもたらすようにする。

本発明の別の特徴により、二酸化炭素（ＣＯ_２）をシリンダ周辺に噴射する措置をする。それにより、二重の効果が達成される。燃焼ガスに過剰に干渉しない一方で、他方では、これが肝要なのであるが、シリンダ内高温気体の主要部とその壁とに間に、熱漏洩を防止してエンジン性能を向上する熱絶縁障壁を設置する。シリンダ内の乱流は、二酸化酸素（ＣＯ_２）の漸進的な加熱及び、高温ガスとシリンダ内に注入される低温二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスとの間の熱伝達を常時保証する。このことは、追及する目的がシリンダ内の圧力を膨張行程の最初に出来るだけ均一に保つことであるのを考えると、圧力増加が緩慢で爆発的でないことを意味する。前記膨張行程の終末において、噴射二酸化炭素（ＣＯ_２）は、燃焼生成物の残りと共に、エンジン外に排出される。

シリンダに対する気体の供与は、エンジン出力の増加を意味する。この出力増加は、必要な最大出力を超えない目的のため燃料の供与を減少することにより常時制御することが出来る。それにより、エンジン燃料消費量の一層の最終節減を、二つの理由により達成することが出来る。そのうち一つは、エンジンのシリンダそれぞれ一つに対する気体（ＣＯ_２）の供与は、その中の圧力増加を意味するに過ぎないからであり、別の理由は、噴射二酸化炭素（ＣＯ_２）の受ける強力な膨張がさらに圧力増加を強化するからである。

予め加熱された気体をシリンダに入れることにより、熱力学的性能が効率的になる。そのため、この効果はさらに大きくなるので、二酸化炭素装置とシリンダとの間に熱交換器を配置する措置をする。これは、排気ガス、即ち残留燃焼ガスを利用し、そこからの熱を二酸化炭素（ＣＯ_２）に伝達して、後者の温度を上昇する。

現在、年間数百万トンも二酸化炭素を生産する油田及び天然ガス発生地、施設から放出され、直接大気中に解放され、何にもましてその中の二酸化炭素存在量増加の原因となっている二酸化炭素（ＣＯ_２）を、本発明により提案するエンジンのための原料として使用することが出来る。石油及び天然ガスの主成分であるメタンから分離しなければならないこの気体は、パイプラインを通じ、適宜に液化して、連絡する配送センタに輸送し、最終的に本発明のようなエンジンで使用され、エネルギ消費量の低下と同時に、ディーゼル及びガソリンのようないくらかの石油誘導体の燃焼から導かれる大気汚染の減少に貢献するとの二重の利点を達成する。

これからの記述を補完し、本発明の特徴をその実用的好適実施例によってさらに良く理解するのを助ける目的で、前記記述に不可欠の部分として一式の図面を附属する。その中では、解説的で非限定的な特徴で、以下を示した。

示す図面、詳細には図１、を見ると、任意の従来型燃焼機関、即ちガソリン又はディーゼルエンジン、から出発して、対応する車両に、液相の二酸化炭素（ＣＯ_２）（２）のための任意の適切な容量を有するデポジット（１）を組込む方法が観察される。デポジット（１）は、デポジット内の圧力がその目的で予め設定する最大圧力を超えるのを防止する安全弁（３）に助けられている。

デポジット（１）から導管（４）が突き出ており、これは熱交換器（５）を横切って、エンジンブロック（６）、さらに具体的にはその中に設置してあるシリンダ（７）のそれぞれ一つに、前記図１に概要を描写するそれぞれのインジェクタ（８）を通って、に達する。

熱交換器（５）は、エンジン（６）が発生する燃焼ガス固有の熱エネルギを使用する。前記熱交換器（５）は、排気マニホルド（１０）から来て従来の消音器（１２）を通った後、燃焼ガスを端末出口（１１）から外に排気する排気管（９）に順に挿入する。

導管（１３）に助けられる安全弁（３）も、排気管（９）に接続する。

この構造により、前述のように、ガソリン又はディーゼルである問題の燃料の燃焼に際して、それぞれのシリンダ（７）内において、対応するピストンがその上死点を通過すると、対応するインジェクタ（８）が開いて、前記シリンダ（７）に対し所定分量の二酸化炭素（ＣＯ_２）を供与し、熱交換器（５）において予め加熱されているので二酸化炭素（ＣＯ_２）が燃料の爆発において発生する気体と接触し、温度の著しい上昇を受けて、これが著しい膨張に転化して、その結果シリンダ（５）自体の内部に存在する圧力、及びそれによって、対応するピストンにより発生する出力を増加する。

この効果は、エンジンの作動サイクルに対応する、図２のダイアグラム内で観察される。この中では、各シリンダの室内容積をＸ軸であらわし、圧力をＹ軸であらわす。ここで、参照番号（１４）は下死点に対応し、参照番号（１５）は上死点に対応する。参照番号（１６）は燃焼ガスが実行する作動面積を示し、参照番号（１７）は二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与により実行される補完作動面積を示す。参照番号（１８）はピストンがその上死点に達する少し前に燃料噴射（点火）が始まる点を示し、参照番号（１９）は、上死点を通過するとき、二酸化炭素噴射が始まる瞬間を示す。

図２を見て明らかなように、二酸化炭素（ＣＯ_２）の組込みによる作動面積（１７）は、燃焼ガスが実行する作動面積（１６）の連続又は拡張である。前記図面はさらに、エンジンの同一出力に関し、本発明は著しい燃料消費量低下を可能にするか又は、燃料消費量の増加及びエンジンの最高温度の増加をもたらすことなく重大なエンジン出力増加を可能にすることを示している。燃焼ガスからの熱の一部を、二酸化炭素がその膨張段階において吸収するからである。

シリンダ中への気体の供与（噴射）によって、内燃機関が常に最小回転の状況下での作動状態に保持されるならば、事実上全く止まることがないであろう融通性の極めて高い内燃機関が同時に得られる。

エンジン供給源デポジット（１）内に存在する二酸化炭素（ＣＯ_２）（２）を消火剤として使用することが出来るならば、車両内火災の場合の安全性の著しい増加も生じる。

これはさらに、電気式始動システムの不具合の場合でもエンジンを始動する可能性を備える。そのエンジンを動かし始めて、燃焼を行うことが出来るようにするには、シリンダ内に気体を入れることの出来る装置を起動するだけで充分であるからである。

内燃機関の部品、特に排気弁及び集ガス（気体）部分に対応する部品のオーバーヒートによる内燃機関の摩耗が低減できれば、内燃機関の有効寿命の延長へと導くことができる。

エンジン内でのディーゼルの燃焼による酸素の不足のため、煤の生成は結果的に減少する。ディーゼルエンジンの場合は、少ない燃料を燃焼して、同量の空気を用いてさらによい条件で燃焼することを考えると、煤の形成が軽減されるので潤滑油の汚れが少なくなり、これによりオイル交換の頻度を少なくすることが出来る。

さらに、この型のエンジンを備える車両は、低い大気圧が出力の不足とエンジンの過熱に転化する高所道路に存在するような、各種の大気条件においても良く働くことが出来る。

さらに閉鎖エリアにおいて内燃機関を作動し続ける可能性を付与することができれば、極めて低い回転アイドリング状態で二酸化炭素だけを供給することによって一酸化炭素血液中毒のリスクが完全に排除される。

自動車に対する具体的用途において、本発明の目的にしたがって実行される複合サイクル燃焼機関に供給するための、液化二酸化炭素（ＣＯ_２）設備の基本的配置図を示す。 図１のエンジンの作動サイクルのダイアグラムを示す。

Claims (4)

1. 自動車分野の使用に特に適しており、従来のガソリン又はディーゼル燃焼機関と同等の基本構造を備え、燃焼ガスに対する二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与に基づく複合サイクル燃焼機関であって、
   前記エンジンの各シリンダ（７）に対応して、二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を供給するデポジット（１）から送られてくる二酸化炭素（ＣＯ _２ ）（２）を前記シリンダ（７）に供与するインジェクタ（８）を設け、
   二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を予め加熱する熱交換器（５）を設け、
   ピストンが上死点を通過した後、シリンダ（７）内における噴射燃料の燃焼が生じた直後に、予め加熱した気体の二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を前記シリンダ（７）内へ入れるようにインジェクタ（８）を制御し、
   シリンダ（７）内における燃料の爆発の直後にその効果により二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を強力に熱膨張させるように構成したこと
   を特徴とする複合サイクル燃焼機関。
2. 各インジェクタ（８）が、それの対応するシリンダ（７）に対し前記シリンダ（７）の内面近くに二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を供給し、二酸化炭素が燃焼ガスに関して周辺障壁を形成し、前記熱の大部分を自身の熱膨張のため吸収し、エンジンブロック（１０）内の熱レベルを低下するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼ガスに対する二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与に基づく複合サイクル燃焼機関。
3. 二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を供給するデポジット（１）からシリンダ（７）に対し二酸化炭素（ＣＯ _２ ）を送給する導管（４）内に、前記熱交換器（５）が、前記デポジット（１）内に存在する二酸化炭素の温度をシリンダ（７）への導入前に上昇させるように配置され、前記熱交換器（５）が、排気マニホルド（１０）及びエンジン（６）が集中する排気管（９）内に挿入されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼ガスに対する二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与に基づく複合サイクル燃焼機関。
4. 二酸化炭素（ＣＯ _２ ）（２）を収容するデポジット（１）に、前記デポジット（１）内部の最大圧力を制限する安全弁（３）が組込まれ、前記安全弁（３）が導管（１３）を介してエンジンの排気管（９）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼ガスに対する二酸化炭素（ＣＯ_２）の供与に基づく複合サイクル燃焼機関。

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