JP5391381B2

JP5391381B2 - 圧縮空気往復機関

Info

Publication number: JP5391381B2
Application number: JP2010104433A
Authority: JP
Inventors: 和子杉田; 隆行杉田
Original assignee: 和子杉田; 隆行杉田
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: JP2011220317A

Description

本発明は往復機関に係わり、実用に供されている現存の４サイクル機関を一部改造し、圧縮空気をエネルギー源として利用する圧縮空気往復機関に関する。

従来の往復機関には、例えばガソリンを燃料として、その燃焼による熱エネルギーを燃焼室内で圧力エネルギーに変換し、ピストンの往復運動をクランク機構により回転運動に変換して動力を得るガソリン機関がある（特許文献１参照）。また、隣接したボイラーでバイオマス系燃料を燃焼させ、発生した熱で水を蒸気に変え、その蒸気をシリンダー内に供給し、伝動機構を介してピストンの往復運動を回転運動に変換する蒸気機関もある（特許文献２参照）。いずれも、燃料の燃焼による熱エネルギーを利用する。

圧縮空気を利用する機関としては次のものがある。
燃焼室内に圧縮二次空気を注入して、高圧圧縮空気の貯蔵装置を有するエンジンの周囲の熱エネルギーを回収する方法に関し、貯蔵装置内の高圧圧縮空気がシリンダー内のピストンなどの可変容量系内で膨張し、機械的手段などによって使用される仕事を発生させることを特徴とするもの（特許文献３参照）。

また、蒸気を発生させるためのボイラーに代えてディーゼルエンジンを駆動源とするエアコンプレッサで圧縮空気を発生させ、それを貯蔵する圧力容器を備え、機関外部の弁室でピストン弁によりポートを開閉し、機械的に蒸気の代わりに圧縮空気を制御し、走行可能とした圧縮空気機関車を提供するもの（特許文献４参照）。

圧縮空気の反発力を動力源として活用するロータリーエンジンで、増圧器による倍増の圧力をエンジンピストン部に交互脈拍の如く加圧し回転出力を得るもの（特許文献５参照）。

一対の空気充填済みシリンダーと一対の圧力集中シリンダーを設け、充填空気圧を移動循環させることにより、充填圧力に比例した回転力が得られるようにした充填空気循環による駆動装置（特許文献６参照）等である。

蒸気機関は、機関外部にボイラー室を設け、燃料を燃焼させ水を蒸気に換える。蒸気は弁室に送られ、コンロッドの動きに連動したピストン弁で流れが切換わり機関に供給される。

４サイクル機関は作動原理として、吸入行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程の４行程で１サイクルを完了する。気体の吸入・排気はカムシャフトのカムにより、吸・排気弁を制御し行う。

本発明では４サイクル機関の吸入行程を圧縮空気の流入による膨張行程に、圧縮行程を排気行程に置き換え、膨張行程・排気行程の２行程のみで１サイクルを完了するように吸気弁、排気弁を制御するカムシャフトを設定する。従って、２サイクル機関と見なされる。

一方、現存の２サイクル機関は、ピストンの下降行程で膨張と排気および掃気を行い、上昇行程で圧縮および吸気を行う。また、４サイクル機関に見られる弁もなく、シリンダーに設けられた排気口や掃気口をピストンが通過することによりガスの制御がなされる。従って、本発明の圧縮空気往復機関は現存の２サイクル機関とは異なる。

特許公開２００７−１９２２３１登録実用新案３１２２３３５特表２０００−５１４９０１特許公開２０１０−１２９２９特許公開２００３−３４３２０１特許公開２００８−５７４２０

特許文献１や特許文献２など、燃料の燃焼を伴う従来の往復機関では排気ガスの発生による公害問題や燃料消費による石油資源の枯渇化の問題が懸念される

また、特許文献３の圧縮空気を使用する往復機関では、空気の流入・排出をエレクトロバルブとコンピュータで制御し、高度な電気的知識・装備を必要とする。

特許文献４は、蒸気機関を利用し、蒸気の代わりに圧縮空気の供給を制御するもので、機関は大型となり、負荷変動の激しい運転や高速運転には適しない。

特許文献５は圧縮空気を利用したロータリーエンジンであり、空気の制御は流体補給路を有する車輪軸の外径に気密保持し回転自在に鞘管を挿入したロータリーバルブ式機構で行うもので、気密性に問題があり、また高速運転には不向きである。

また、特許文献６では、ピストンに上下移動で開閉する吸排用の弁を備え空気の制御を行うもので、構造が複雑であり、小型機関には不向きである。

以上の圧縮空気を用いた機関は、いずれも既存の４サイクル機関に採用されている簡便でコンパクトなカムシャフトによる吸気弁と排気弁を制御する方式ではない。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものである。

上記の問題点を解決するために、第一の課題解決手段として圧縮空気をエネルギー源として使用する。さらに、圧縮空気を膨張させる膨張室を備え、膨張室内にピストンを往復自在に収容し、コンロッドを介して取り付けられたクランク軸と連動して回転する同軸カムシャフトを設けた既存の４サイクル往復機関を改造した圧縮空気往復機関において、膨張室に吸気弁と排気弁とを配設し、カムシャフトは１８０度位相差をもたせた同形状、同仕様の一対の吸気弁用カムと一対の排気弁用カムを互いに軸方向に離し、ロッカーアームの摺動部の互いの軸上の回転角度差および吸気弁・排気弁開閉の位相差から、９０度オフセットさせた形状とし、クランク軸１回転毎、つまり前記カムシャフト半回転毎に１回上死点付近で吸気弁開および排気弁閉、下死点付近で排気弁開および吸気弁閉となるようにカムシャフトを設定することにより空気の流入・排出を制御し、クランク軸に取り付けられたフライホイールの慣性により回転を持続させ動力を得る。

カムシャフトは、１８０度位相差をもたせた同形状、同仕様の一対の吸気弁用カムと一対の排気弁用カムを互いに軸方向に離し、且つ９０度オフセットさせた形状とする。

さらに、第二の課題解決手段として前記膨張室下部の下死点付近の膨張室壁に側穴を設ける。

上記第一の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、圧縮した空気をエネルギー源として使用するため石油資源等の枯渇化を懸念する必要がなく、排気ガス等の公害も発生しないため地球環境に影響を及ぼさない。

圧縮空気を得る手段として圧縮機を用いるが、そのエネルギー源として風力や水力あるいは太陽光等による電力が直接あるいは間接的に利用でき、必ずしも石油資源を使用する必然性はない。

さらに、従来の４サイクルガソリン機関のカムシャフトのみの設計変更で圧縮空気往復機関に置き換え可能となり、新たな開発費を殆ど必要としない。しかも、高度の電気的知識や装備も必要としなく、簡便な方法で、機械的に空気を制御することが可能となる。

さらに、第二の課題解決手段による作用として、膨張室下部の下死点付近の膨張室壁に側穴を設けることで、容易に回転数が上昇し、性能向上を図る事が可能である。ホンダ製二輪車のカブ用５０ｃｃ４サイクル機関を用いて、下死点上２ｍｍ位置の膨張室壁の同一周上に合計９個の直径４．５ｍｍの側穴を設け、実験したところ毎分４９７１回転から９５８４回転の約２倍のエンジン回転数の増加が得られた。

さらに、圧縮空気による膨張室の圧力は実験値として最大８．３８気圧であり、従来の４サイクル機関の燃焼圧の約９０気圧に比べ約１／１０以下であること、および熱的影響がないので、強度的に小型、軽量、コンパクトな構造が可能となる。

また、圧縮空気の代わりに窒素などの高圧の気体でも利用可能である。

図１は圧縮空気往復機関の一部断面図である。図２はカムシャフトの斜視図である。図３は軸方向から見たカムシャフトの透視図である。図４は吸気弁および排気弁の開閉タイミングを示した説明図である。図５は膨張室壁に設けた側穴の説明図である。図６は機関の逆転方法を示す模式図である。図７は機関の正転時の状態図である。図８は機関の逆転時の状態図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。

図１は圧縮空気往復機関の一部断面図であり、ピストンが上死点に位置した状態を示す。膨張室ヘッド１０にコンロッド８を介して取り付けられたクランク軸と連動して回転するカムシャフト１、ロッカーアーム９、吸気弁２、排気弁３を配設する。

圧縮空気は上死点付近で吸気弁開であると吸気管４から流入し吸気弁２を通って膨張室６の内部で膨張する。膨張によりピストン７は押し下げられ下死点へ向かう。

クランク軸に取り付けられたフライホイールの慣性によりピストン７は下死点通過後上死点へ向かう。膨張した空気は排気弁３が開であるため排気管５から外部に排出する。

図２はカムシャフトの斜視図である。カムシャフト１に吸気弁用カム１１と排気弁用カム１２を設けている。また、図３はカムシャフト１を軸方向から見た吸気弁用カム１１および排気弁用カム１２の透視図を示す。

カムシャフトは、１８０度位相差をもたせた同形状、同仕様の一対の吸気弁用カムと一対の排気弁用カムを互いに軸方向に離し、且つ９０度オフセットさせる。４サイクル機関ではカムシャフトの回転をクランク軸の回転の１／２に減速しているためと、吸気弁を排気弁よりクランク角度で１８０度早く開閉させるためである。従って、クランク軸一回転毎に吸気弁と排気弁が一回開閉することになる。

図４は吸気弁と排気弁の開閉タイミングである。吸気弁２を上死点１３の手前で開き（吸気弁開１５）、下死点１４より遅れて閉じる（吸気弁閉１６）。圧縮空気はこの吸気弁開口期間１９において膨張室内で膨張する。下死点１４の手前で排気弁３が開く（排気弁開１７）と膨張した空気は上死点１３を過ぎて閉じる（排気弁閉１８）までの排気弁開口期間２０内に排気弁３を通って外部に排出する。

弁オーバーラップ２１を空気の慣性を利用し吸気・排気を十分に行うためと機関始動時に吸気管内に残る圧力を排気管側に逃がし、容易にピストンを上死点直後に位置させるために設ける。

図５は膨張室壁に設けた側穴２２の位置を示す。実験に用いたホンダ製二輪車のカブ用５０ｃｃ４サイクル機関では、図に示す様に下死点上２ｍｍ位置の同一周上に一列に３個の直径４．５ｍｍ、７ｍｍ間隔の側穴を設け、さらに９０度ずらした３方向でそれぞれ３個ずつ合計９個とした。

また、図６は機関の逆転方法を示す模式図である。吸気側切換弁２４、排気側切換弁２５、吸気ポート２６、排気ポート２７、空気取入口２８および切換ハンドル２９から成る。吸気ポート２６を吸気管４に、排気ポート２７を排気管５に接続する。また、圧縮空気は空気取入口２８より流入する。切換ハンドル２９のＡ方向が正転、Ｂ方向が逆転を示す。

図７は機関の正転時の状態Ａを示す。図６の切換ハンドル２９をＡの方向にすると空気取入口２８より流入した圧縮空気は吸気側切換弁２４を通過して吸気ポート２６より吸気管４に向かい、吸気弁２から膨張室６に流入する。膨張後排気弁３より排出する空気は排気管５に接続された排気ポート２７より排気側切換弁２５を通過して外部に放出される。

図８は機関の逆転時の状態Ｂを示す。図６の切換ハンドル２９をＢの方向にすると空気取入口２８より流入した圧縮空気は排気側切換弁２５を通過して排気ポート２７より排気管５に向かい、排気弁３から膨張室６に流入する。膨張後吸気弁２より排出する空気は吸気管４に接続された吸気ポート２６より吸気側切換弁２４を通過して外部に放出される。この様に、切換えハンドル２９により流入経路が吸気管側から排気管側に切り換わり、簡便にクランク軸を逆転させることができる。

また、互いの機関の排気管と吸気管とを連結し、一方の機関の上死点が隣接する機関の下死点となるようクランク軸に１８０度位相差を設け共軸配置することで容易に多気筒化することも可能である。

本圧縮空気往復機関の始動については、手動の場合、ピストンを上死点の直後に位置させ、圧縮空気を吸気管より流入させる。また、自動の場合は、スタータモータを装備し、ピストンの位置に関係なく、モータを始動させる。さらに始動後回転数を制御するには吸気管の上流に設けた圧力調整バルブにより吸気圧力を調整する。

実際に、ホンダ製二輪車のカブ用５０ｃｃ４サイクル機関のカムシャフトを本発明用に設定し機関本体に組み付け、機関単体で圧縮空気により作動することを確認した。そして、性能テストを実施した結果、最大毎分７０８４回転で、１．８馬力が得られた。

さらに、自前カート（ホイールベース１．０４ｍ、総重量１９０Ｋｇ，タイヤ径３８ｃｍ）に搭載し、走行可能であることを確認し、同時に性能データを取得した。空気タンク１本（容量１２リットル、充填圧力２００気圧）で毎分３８８６回転、最高速度毎時１４．８Ｋｍ、走行距離４００ｍの結果が得られた。

また、３．７ｋｗのコンプレッサーにより、３０分で充填した空気タンク１本（容量１２リットル、充填圧力２００気圧）での前記カートの効率の計算結果は約３．０％である。

機関や車体の軽量化、空気タンクの充填量の増大あるいは圧縮機の搭載により、走行距離の増加が見込まれる。当面、公園やテーマパーク内の移動や物資の運搬などに利用される可能性がある。

さらに、将来的には、圧縮空気の充填ステーションなどインフラ整備の充実により、その利用範囲が拡大するものと思われる。

１カムシャフト
２吸気弁
３排気弁
４吸気管
５排気管
６膨張室
７ピストン
８コンロッド
９ロッカーアーム
１０膨張室ヘッド
１１吸気弁用カム
１２排気弁用カム
１３上死点
１４下死点
１５吸気弁開
１６吸気弁閉
１７排気弁開
１８排気弁閉
１９吸気弁開口期間
２０排気弁開口期間
２１弁オーバーラップ
２２側穴
２３クランク
２４吸気側切換弁
２５排気側切換弁
２６吸気ポート
２７排気ポート
２８空気取入口
２９切換ハンドル

Claims

圧縮空気をエネルギー源として使用し、前記圧縮空気を膨張させる膨張室を備え、前記膨張室内にピストンを往復自在に収容し、コンロッドを介して取り付けられたクランク軸と連動して回転する同軸カムシャフトを設けた既存の４サイクル往復機関を改造した圧縮空気往復機関において、前記膨張室に吸気弁と排気弁とを配設し、前記カムシャフトは１８０度位相差をもたせた同形状、同仕様の一対の吸気弁用カムと一対の排気弁用カムを互いに軸方向に離し、ロッカーアームの摺動部の互いの軸上の回転角度差および吸気弁・排気弁開閉の位相差から、９０度オフセットさせた形状とし、前記クランク軸１回転毎、つまり前記カムシャフト半回転毎に１回上死点付近で吸気弁開および排気弁閉、下死点付近で排気弁開および吸気弁閉となるように前記カムシャフトを設定することにより空気の流入・排出を制御し、前記クランク軸に取り付けられたフライホイールの慣性により回転を持続させ動力を得ることを特徴とする圧縮空気往復機関。
前記膨張室下部の下死点付近の膨張室壁に側穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の圧縮空気往復機関。