JPH0345201B2 - - Google Patents

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JPH0345201B2
JPH0345201B2 JP57160753A JP16075382A JPH0345201B2 JP H0345201 B2 JPH0345201 B2 JP H0345201B2 JP 57160753 A JP57160753 A JP 57160753A JP 16075382 A JP16075382 A JP 16075382A JP H0345201 B2 JPH0345201 B2 JP H0345201B2
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gas
combustion
exhaust
piston
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Ei Korugeito Sutaaringu
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KORUGEITO SAAMODAINAMITSUKUSU CO
Original Assignee
KORUGEITO SAAMODAINAMITSUKUSU CO
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Publication date
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Publication of JPH0345201B2 publication Critical patent/JPH0345201B2/ja
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    • F02B77/11Thermal or acoustic insulation
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00Material properties
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

一般に気体の圧縮あるいは膨脹によつて仕事を
するかあるいは仕事をなされるのに使用される二
つの型式の装置がある。これらの一般的な二つの
型式の装置は容積形装置およびタービンである。
容積形装置は種々の機械的に駆動されるあるいは
駆動するピストンあるいはベーン型ロータを含
む。一定容積の気体が、或る容積から、圧縮機あ
るいは機関の機能に依存して大きいかあるいは小
さい異なつた容積へ比較的低速度で運ばれる。他
の型式の装置、タービン、において、ブレードを
通過する気体の流れは大体気体の音速の速度で生
じる。タービンは容積形装置より一層効率良くす
ることができることは、このような装置を設計す
る者に良く知られている。効率のこの差の理由は
しばしば不明瞭であつた。 この非効率についての根源的な知識により、非
効率あるいは損失が最小値まで重要な要因によつ
て減少するような様式で容積形装置を設計するこ
とができるであろう。もちろん、押退け部材、ピ
ストンあるいはベーンとチヤンバの壁との間の摩
擦により容積形装置に付加的なエネルギ損失が生
じることは良く認識されている。タービンはこの
非効率を避けるものではあるが、音速に近い速度
で空気力学的流れの摩擦などを受ける。 熱交換および全エネルギ損失 摺動部品の間の摩擦損失は重要であるが、通常
システム中の主要なエネルギ損失ではない。しか
しながら主要な非効率を生じさせる良く理解され
ていない容積形装置の一つの特性に注目しよう。
これは、圧縮されあるいは膨脹される気体と押退
け量の壁との間の熱交換である。この熱交換は通
常根本的なものとして許容される。しかしこの熱
交換は大いに減少させることができる。 壁との熱交換 これらの解説は用語を反対にして膨脹機関に等
しく適用することができるけれども、まず最初に
圧縮機について考える。気体は断熱的に圧縮され
ると、圧力の増加と同様圧縮の作用として一層熱
くなる。温度および圧力の増加は断熱の法則の良
く知られた関係に従う。いくつかの場合において
空気圧縮機におけるように、気体中につくりださ
れる付加的な温度は迷惑なものとして後にしりぞ
けられる。しかしながら有用な仕事の重要な部
分、主要な部分はこの熱をしりぞける際に浪費さ
れる。この熱が排除される空気圧縮機の特別な場
合には、所望の容積の冷たい圧縮気体を達成すべ
くわずかの仕事がなされるようにサイクルにおい
てできるだけ早くこの熱を排除することが一層効
率的である。(等温装置は、“等温容積形装置”と
いう名称の本件出願人の同時に出願した特許出願
の主題である。)種々の内燃機関のランキンサイ
クル熱ポンプあるいは圧縮サイクルにおけるよう
に、圧縮機が使用される他の場合において、圧縮
機の壁と作業流体すなわち気体の熱交換による断
熱圧縮からの離反はシステムの主要な不利益およ
び非効率である。本発明のポイントは、断熱式容
積形装置の入力ポートおよび出力ポートの適当な
設計によつてこの熱交換を小さな値まで減少させ
ることができることである。 この熱損失の機構は、圧縮あるいは膨脹退の間
中壁と接触する作業流体の乱流運動である。この
熱交換は二つの部分から成る。即ち(1)壁が等温に
保持される場合気体と壁との間の熱交換および(2)
壁自体の熱インピーダンスである。壁の熱インピ
ーダンスは、工程の遅れ相において気体の平均温
度に等しい温度になる遅れ平均化溜めとして壁が
作用するようなものであることが明らかである。
熱交換の大きさと同じく相遅れは両方とも断熱効
率にとつて有害である。 熱の浸透厚さ 熱接触時間内の熱の浸透厚さを計算することに
よつて、気体と一時的な接触をする間中の壁の熱
質量を計算することができる。所定の時間t内の
熱(又は冷たさ)の浸透の熱浸透厚さdは、数学
的に d=〔(K/Cv)t〕1/2 のように表わされる。ここでCvは壁の材料の比
熱、Kは熱伝導率、tは時間である。(K/Cv
はしばしば拡散係数と呼ばれる。 Cvが1calcm-3deg-1ある一般的な材料で、時間
が10-2secあるいはそれより長い(3000RMPにお
ける工程に対して)場合、浸透厚さは、最高速度
でK=10-3calcm-3deg-1であるプラスチツクに対
し3×10-3cmと金属および大きな遅いピストンに
対し3×10-2cmとの間で変化する。最小の浸透厚
さですら数センチメーターの大気圧における空気
あるいはフレオンに等しいヒートマス(heat
mass)に相当する。それ故気体と接触する壁の
ヒートマスは、気体のヒートマスに匹敵するかあ
るいはそれより大きい。この浸透厚さの因子を無
視し、気体からの熱流れの時間平均である温度を
壁がうけると仮定することが、技術の実務におい
て一般的である。この場合熱損失を決定する際の
主要な因子は、壁特性を影響をほとんどうけない
仮想等温壁と気体の理論的な熱交換である。後に
熱流れの時間に依存した相遅れの重要性を示す。
最初に浸透厚さの効果を示す。チヤンバの壁はな
めらかでありそしてそれからは熱損失はなめらか
な壁との乱流交換によつて支配されると仮定す
る。 拡散熱流れの説明 第1図には第1図の溜め1から第2の溜め2へ
の熱の拡散の古典的な説明が示されている。第1
の溜め1はT1のところで一層熱く、熱をバリア
3まで伝える基本的に無限の能力を有する乱流気
体である。熱は拡散率K/Cvで領域2の中へあ
るいは外へ拡散する。それから深さXの関数とし
て温度Tの熱の分布は、一連の以下の“エラー関
数”解に従う。 T=T2+(T1−T2)exp(−X2/d2) 又は T=T2+(T1−T2)e(−X2/d2)ここ
で前述のとおりd=〔(K/Cv)t〕〓である。
距離dは熱波の浸透の深さの中心である。d1
d2、d3で示された3つの曲線は時間t1、t2、t3
温度の輪郭であり、ここで浸透深さd1はd2より小
さく、d2はd3より小さい。交互に熱いあるいは冷
たい気体をともなうシリンダ内におけるように
T1が時間に依存するものであるならば、実際の
温度の分布は、かかる解の簡単な付加であるべき
である。この意味において“冷たい”即ちT1
T2より小さく、壁の中へ浸透することができ、
同じく熱いT1はT2より大きい。浸透深さは、時
間tにおける各々の温度変化の平均深さである。
各々の曲線によつて説明されるヒートマスはH=
(T1−T2)Cvであり、かくて長い時間熱が吸収さ
れればされるほど、熱は多量に伝達される。典型
的な拡散率および浸透深さヒートマスが種々の材
料に対し表1に示している。 3000RPMの周波数が例として選ばれ、浸透深
さヒートマスはオツトーサイクル機関の8:1圧
縮燃焼気体と比べられる。
There are generally two types of devices used to do work or have work done by compression or expansion of gases. Two of these common types of devices are positive displacement devices and turbines.
Positive displacement devices include a variety of mechanically driven or driven piston or vane type rotors. A constant volume of gas is conveyed at a relatively low velocity from one volume to different volumes, which may be larger or smaller depending on the function of the compressor or engine. In another type of device, a turbine, the flow of gas past the blades occurs at approximately the speed of sound of the gas. It is well known to those who design such devices that turbines can be made more efficient than positive displacement devices. The reason for this difference in efficiency has often been unclear. With this fundamental knowledge of inefficiency, it would be possible to design positive displacement devices in such a way that inefficiencies or losses are reduced by important factors to a minimum value. Of course, it is well recognized that friction between the displacement member, piston or vane and the walls of the chamber causes additional energy losses in positive displacement devices. Although turbines avoid this inefficiency, they are subject to aerodynamic flow friction and other effects at near-sonic speeds. Heat Exchange and Total Energy Losses Frictional losses between sliding parts are important, but are usually not the major energy losses in a system. However, let us note one property of positive displacement devices that is not well understood and creates a major inefficiency.
This is a heat exchange between the compressed or expanded gas and the displacement wall. This heat exchange is usually accepted as fundamental. However, this heat exchange can be greatly reduced. Heat Exchange with the Wall Although these explanations can be equally applied to expansion engines with the terminology reversed, consider first the compressor. When a gas is compressed adiabatically, it becomes hotter as a result of the compression as well as the increase in pressure. The increase in temperature and pressure follows the well-known relationship of the adiabatic law. In some cases, as in air compressors, the additional temperature created in the gas is later dismissed as a nuisance. However, a significant portion, a major portion, of useful work is wasted in rejecting this heat. In the particular case of air compressors where this heat is rejected, it is more efficient to reject this heat as early as possible in the cycle so that less work is done to achieve the desired volume of cold compressed gas. be. (Isothermal devices are the subject of a concurrently filed patent application of the present applicant entitled “Isothermal Displacement Devices.”) Compressors are used, as in Rankine cycle heat pumps or compression cycles of various internal combustion engines. In other cases, the departure from adiabatic compression due to heat exchange of the working fluid or gas with the walls of the compressor is a major disadvantage and inefficiency of the system. The point of the invention is that by appropriate design of the input and output ports of the insulated positive displacement device this heat exchange can be reduced to small values. The mechanism for this heat loss is the turbulent movement of the working fluid in contact with the walls during compression or expansion and contraction. This heat exchange consists of two parts. (1) heat exchange between the gas and the wall if the wall is held isothermal; and (2)
This is the thermal impedance of the wall itself. It is clear that the thermal impedance of the wall is such that in the lag phase of the process the wall acts as a lag averaging reservoir with a temperature equal to the average temperature of the gas.
Both phase lag as well as magnitude of heat exchange are detrimental to adiabatic efficiency. Heat Penetration Thickness By calculating the heat penetration thickness during the thermal contact time, the thermal mass of the wall during temporary contact with the gas can be calculated. The thermal penetration thickness d of heat (or cold) penetration within a given time t is expressed mathematically as d=[(K/Cv)t] 1/2 . Here, C v is the specific heat of the wall material, K is the thermal conductivity, and t is the time. (K/ Cv )
is often called the diffusion coefficient. For a typical material with a C v of 1 calcm -3 deg -1 and a time of 10 -2 sec or longer (for a process at 3000 RMP), the penetration thickness is K = 10 -3 calcm at maximum speed. -3 deg -1 varies between 3 x 10 -3 cm for plastic and 3 x 10 -2 cm for metal and large slow pistons. Even the smallest penetration thickness has a heat mass equivalent to a few centimeters of air or Freon at atmospheric pressure.
mass). The heat mass of the wall in contact with the gas is therefore comparable to or even greater than the heat mass of the gas. It is common in engineering practice to ignore this penetration thickness factor and assume that the wall experiences a temperature that is the time average of the heat flow from the gas. The main factor in determining the heat loss in this case is the theoretical heat exchange between the virtual isothermal wall and the gas, which has little influence on the wall properties. Later, we will show the importance of time-dependent phase lag in heat flow.
First, we will show the effect of penetration thickness. Assume that the walls of the chamber are smooth and that heat loss is then dominated by turbulent exchange with the smooth walls. Description of Diffusive Heat Flow FIG. 1 shows the classical explanation of the diffusion of heat from the reservoir 1 of FIG. 1 to the second reservoir 2. 1st
The reservoir 1 is hotter at T 1 and is a turbulent gas with an essentially unlimited ability to transfer heat to the barrier 3. Heat diffuses into and out of region 2 with a diffusivity K/C v . The distribution of heat at temperature T as a function of depth X then follows a series of "error function" solutions below. T=T 2 + (T 1 −T 2 )exp(−X 2 /d 2 ) or T=T 2 +(T 1 −T 2 )e(−X 2 /d 2 )where d= as mentioned above. [(K/C v )t].
The distance d is the center of the depth of penetration of the heat wave. d1 ,
The three curves labeled d 2 , d 3 are temperature contours at times t 1 , t 2 , t 3 , where the penetration depth d 1 is less than d 2 and d 2 is less than d 3 . as in a cylinder with alternating hot or cold gases
If T 1 is time dependent, the actual temperature distribution should be a simple addition of such a solution. In this sense, “cold” or T 1 is
Smaller than T 2 , can penetrate into walls,
T 1 , which is also hotter, is greater than T 2 . The penetration depth is the average depth of each temperature change at time t.
The heat mass explained by each curve is H=
(T 1 −T 2 )C v , thus the longer heat is absorbed, the more heat is transferred. Typical diffusivity and penetration depth heat masses are shown in Table 1 for various materials. A frequency of 3000 RPM is chosen as an example and the penetration depth heat mass is compared to the 8:1 compressed combustion gas of an Otto cycle engine.

【表】 圧縮された8倍の燃料を加えた空気の熱容量=
5×10-3calcm-3 なめらかな表面との乱流熱交換 もし気体がなめらかな壁のパイプの中を流れる
ならば、乱流流体熱交換の特性は、気体が約50パ
イプ直径(アメリカ物理ハンドブツク、1963年)
を移動した後で壁と熱平衡に達するようなもので
ある。これは又同じく粘着性のおそくなる長さで
あり、あるいは運動エネルギが浪費される長さで
ある。“50パイプ直径”の量は層流低層
(Iaminar sud−layer)の特別な特性によつて決
定される。これは乱流流体流れとなめらかなパイ
プ壁との間の境界層である。シリンダあるいは他
の圧縮容積の場合には、適当な要件はストローク
の時間中流体(又は気体)が壁と接触して移動す
る距離である。気体がチヤンバに対して高い速度
で弁から侵入するならば、気体は圧縮あるいは膨
脹ストロークの時間中圧縮チヤンバ内で何度も循
環する。循環のサイクルの数は、ピストンの速度
に対する入力弁を通つて侵入する気体の速度の比
によつて大体概算することができる。ピストン面
積に対する弁面積の平均比は約20対1(テイラー
1966年)であり、シリンダに侵入する気体はピス
トン速度の10乃至20倍の速度を有する。一般に、
流れによつてつくられた乱流がパイプを通つて移
動する流体の通常のパイプ流れに引き起こされる
乱流より大きくなるように、気体は圧縮容積に対
して非対照的にチヤンバに侵入する。それ故壁と
の熱交換は乱流が大きくなるとき一層大きくなる
であろう。コーナを流れる気体ぱ真直ぐなパイプ
流れにより乱れるので、大体10度の循環で約e倍
の熱交換が期待される。それ故入口が制限された
弁を有する典型的なピストンは、圧縮あるいは膨
脹ストロークの時間中気体の差熱の大体半分の壁
と気体の熱交換を可能にする。気体に対する壁の
差温度差は全温度差の大体1/2であるので、熱の
大体1/4が壁に失なわれる。このような気体取扱
い装置の主要な非効率の原因となるのはこの大き
な熱交換である。この熱損失を避けるただ一つの
方法は、気体を低速度で圧縮容積に侵入させるこ
とができるようにすることである。気体がストロ
ーク中移動する距離は(直径で測定して)小さ
く、熱交換は小さい。侵入気体の流体速度がピス
トンあるいは他の圧縮部材の速度に均り合うなら
ば、弱い乱流境界層即ち不完全な層流であつてし
かも小さな乱流に代るものが期待される。乱流が
ほぼ存在しない状態を層流に近い流れと呼ぶこと
にする。かくて重大な設計は圧縮あるいは膨脹サ
イクルに対し入力気体に層流に近い流れをつくり
だすことである。流れがピストン速度で層流に近
い流れとなるならば、入口ポート面積は全ピスト
ン面積に対し接近しなければならない。同じく膨
脹機関において入口ポートはピストン面積に等し
くなければならない。このことは又回転ベーン装
置にあてはまる。 断熱サイクルにおける壁と気体の熱交換による非
効率 圧縮の後段階の間中中間温度T2に等温で保持
される代わりに完全な断熱圧縮であるならば、最
初温度T1にある気体は最後の温度がT3となるよ
うに圧縮されると仮定する。T1はT2より小さく、
T2はT3より小さい。ピストンを離れた後の気体
の熱エネルギは比T2/T3による場合よりも小さ
い。(気体の質量は保持される。)それ故非効率因
子あるいは熱損失は、気体内に存する熱(T3
T1)によつて分割される差(T3−T2)である。
シリンダの壁および他の因子の冷却に依存して
T2はT1とT3のほんの半分であり、それ故圧縮装
置は断熱圧縮に伴うときに効率50%である。壁が
達する温度T2は熱交換工程および壁の冷却の複
雑な関数となる。一般に気体はストロークのすべ
てのポイントにおいて平衡とはならず、この熱損
失への接近が実際におこる。しかしながら理論的
な最大熱の50%までを交換することができるとい
うことを単純な計算が示すという事実は、この熱
短絡およびそれに付随する効率の損失を避ける装
置を設計するために十分な理由となる。 壁が温度T2で等温に維持されるならば、壁に
対するこの熱損失は、例えば冷凍サイクルあるい
は通常の空気圧縮機のような圧縮機において実際
の利益となるであろう。しかしながら壁に対する
気体の熱交換はこれより一層複雑である。もし気
体がサイクルの一部において壁に熱を失なうこと
ができるならば、気体は又壁が気体より熱いなら
ばサイクルの他の部分において壁から熱を得るこ
とができる。壁は浸透厚さ効果により一時的に気
体より熱い。壁からの気体を加熱するというこの
浸透厚さ効果は、壁が入口気体より熱いとき気体
の加熱が導入部でおこるので圧縮機の効率に対し
特に有害である。それから気体は理想的な断熱サ
イクルより高い熱で圧縮され、かくて一層の仕事
が理想化されたサイクルに要求される場合よりも
要求される。かくて熱は有害な相遅れによつて交
換される。第2図に壁との熱交換をともなうおよ
びともなわないこれらの理想サイクルを示す。 気体は、一定の圧力P0に沿つて温度T0ではじ
まる導入ストロークの間中容積V0までシリンダ
の中へ吸取られる。理想的なサイクルにおいて純
粋な断熱曲線1に沿つて容積V0で圧縮を開始し、
容積V1および温度T1のところで最後の溜め圧力
P1に達する。壁によつて気体を加熱することに
よるいくつかの可能性が存在する。 (1) 導入の間中においてのみ気体が+Tdiffによ
つて加熱されるならば、圧力−容積の関係は同
じままである。すなわち気体は仮定により圧縮
の間ではなく導入の間壁によつて加熱されるの
で、圧縮は断熱であり、それ故同一の状態V1
P1に到達し、しかしながら高温においてT=
(Tdiff+T0)/T0×T1である。過剰の熱は後
に排除され、それ故気体の同一質量を放出する
ために一層の仕事を必要とする。 (2) 圧縮の開始の後で熱を加えることができ、気
体は純粋な断熱曲線により急勾配の曲線2に従
う。それから気体の温度は壁の温度を越えるよ
うになり、気体からの熱を壁へもどし、曲線は
断熱曲線1より小さい勾配の曲線3を越えて曲
がる。要求される仕事は一層大きくなる。サイ
クルの端における圧縮気体の壁冷却が、断熱場
合でのV1におけるT1以下でV4における最終気
体温度T4を実際減少させる点において、曲線
4は一層現実的であるが、正味の仕事は断熱場
合を越える。 (3) 壁は完全に冷却し、温度T0に保持すること
ができ、気体は完全に壁と熱を交換することが
でき、そしてそれから圧縮は曲線5に沿つて等
温である。これは、最終的な温度T5=T0にお
いて冷たい気体を得るために最小の仕事サイク
ルである。(1)一時的な基礎上で外部から内部を
隔離する浸透厚さの議論および(2)乱流熱交換が
通常のシリンダおよびピストンにおいて部分的
にのみ有効であるので、通常実際に再びそれを
達成することはできない。 熱損失および断熱サイクルの要約 熱交換は導入気体の乱流流れのためにおこる。
最大気体質量あるいは最小温度T0は、もし壁が
温度T0に維持されるかあるいは導入気体が層流
に近い流れであるならば、導入の間中のみ維持さ
れる。同一の議論が圧縮の間にもあてはまる。し
かしながら熱浸透厚さの議論は、もし壁が浸透厚
さに比べて厚いならば、外側で熱流れを平均化す
るが内側では薄い層において交互に熱くそして冷
たくなるであろうと述べている。もし気体が乱流
であるならば、この交互の熱いそして冷たい熱溜
めは最悪の時間において導入空気の加熱を生じさ
せ、圧縮気体を一層熱い温度T3に到達させ、前
記温度T3は、壁の一層高い平均温度が熱を運び
去るのを可能にするまで気体を一層更に加熱し、
一層の仕事などを必要とする。これは非効率的な
圧縮機である。乱流を減少させて圧縮と同様に層
流に近い流れの導入部を有することによつて、気
体と壁との間の熱交換を減少させることが一層良
い。 部分的な乱流および熱浸透厚さによる一時的な
熱交換は、すべての容積形装置に有害である。有
用な測定として、テイラー(1966年)は約30%の
効率の損失をガソリン機関内の熱損失のせいに
し、50%の効率の損失をデイーゼル機関内の熱損
失のせいにする。換言すればガソリン機関は30%
の代わりに45%の効率となることができ、デイー
ゼル機関は35%乃至40%よりむしろ70%となるこ
とができる。これらは大きな進歩であり、それ故
それらを達成するためにある程度の複雑さを正当
化する。 薄層の熱交換 もし容積がコーナを有すると仮定して、流体が
10直径の運動のようなもので壁と熱を交換するな
らば、侵入する流体の速度が、ピストンあるいは
制限容積(例えば回転ベーン)の他の移動境界の
速度より非常に大きくなることができないことを
意味する。典型的な装置におけるこれらの速度は
気体の音速の1/10より通常小さいので、入口ポー
トにおける差圧は気体圧力の大体1%にすぎない
ことを意味する。このことは、ポートをピストン
の面積に大体等しい面積で設計しなければならな
いことを意味する。リード弁のような気体圧力に
よつて開放する弁は、高い乱流レベルおよびかく
て大きい熱交換損失に達するために入口気体の十
分に高い速度を必然的にひき起こし、しかしスリ
ーブ型吸気弁は良く役立つ。他方排気ポートはそ
れほど大きい必要はなく、実際リード作動式弁で
あることができる。なぜならば、シリンダを離れ
る気体は出口工程の間中シリンダ内に乱流をつく
りださない。結果として、側壁面積を露出するス
リーブ型入口弁の相対的な複雑さを備えるのみの
層流ポート付きピストン圧縮機をつくることが可
能である。この面積はシリンダのヘツドの全面積
とほとんど等しいが、熱損失の実質的な減少は一
層小さな導入ポート、例えばシリンダヘツド面積
の約2分の1をもたらす。 他方ベーン型装置は、ベーンが圧縮容積の外側
壁にのらないとすれば、入口ポート面積が圧縮あ
るいは膨脹容積全断面積と同じくらい大きいよう
に設計することができる。他の点では入口ポート
は、ベーンが通過するときベーンを支持するため
に必要なひもによつていくらか制限されなければ
ならない。 それ故入口が圧縮容積の全断面積とほぼ等し
く、入口の気体が制限容積の移動境界と同一の速
度で侵入するように特別の注意がはらわれている
特別に設計されたポート付き機関が提供される。
この様式において気体流れは圧縮および膨脹の間
中制限容積内で近い薄層であり、壁に対する熱損
失は極めて減少される。多くの熱機関において、
このことは2つの因子までの燃料効率における改
良を可能にする。 層流および乱流流れ 乱流は2つの状態が適合するとき流体流れにつ
くりだされる。(1)平均的な流れ範囲の運動エネル
ギの粘着性の浪費が小さく、あるいは流れパター
ンのレイノルズ数が大きい。(2)速度分布の勾配が
一定ではなく、すなわち平均的な流れに垂直な距
離の作用として速度の第1の派生物より大きな有
限の派生物が存在する。それ故流れ内の一様な変
形は乱流を始めるのには十分ではない。 実際の期間中乱流は、固い面と接触する流体流
れの摩擦(および熱伝達)を促進する。なめらか
な面から流体の中へ進むので、壁にすぐに近接し
た流れは、粘性によつて生じた流体摩擦が乱流摩
擦より大きくなるように寸法が小さいので薄層と
なる。レイノルズ数が100より大きい(壁に垂直
に測定して)流れの中へ臨界的な距離のところ
で、最初に小さな渦のための余地しかないので小
さな渦ができ、そしてそれから更に流体中へ進む
につれて徐々に大きな渦となり、流れは乱流とな
る。表面から流体中へ進むときの渦の大きさの成
長は“対数的変化”と呼ばれる。例えば飛行機の
翼に沿つて、更に下流へ進むにつれて乱流の輪郭
は流体中へ更に延びる。なめらかな表面へのこの
浸透深さは、下流距離の約1/10乃至1/20の小さな
部分である。かくて流れは流体のいたるところに
乱流をひきおこす前に比較的長い距離を移動す
る。これは、壁に接近した小さめの渦が流体の中
へ更に大きの渦をひきおこす等のためである。他
方もし壁が大きい突出部を有し非常に粗い場合に
は、乱流は非常に急速にひき起こされ、粗さある
いは突出部の大きさによる渦が即座に形成され
る。飛行機の翼は、10:1乃至20:1の範囲内の
抗力に対する浮力の比が達成されるようになめら
かにつくられ、しかももしスポイラ(垂直に突出
するフラツプ)を使用するならば、つくりだされ
る乱流は大きく、抗力に対する浮力の比は2:1
又は3:1となる。他方もし流れが完全に層流で
あるならば100以上の抗力に対する浮力の比が可
能である。かくて相対的な尺度において、弱い乱
流境界層を備えたなめらかな壁は、スポイラによ
つて生じるような激しい乱流に対抗するように、
あたかも抗力の特性において“層に近い流れ”の
ように作用する。 シリンダ内の回転流れの場合には、流れはコー
ナを備えていないなめれかな壁と接触し、かくて
層流に近い流れである。他方方位渦(Azimuthal
vortex)は鋭いコーナによつてそらされた流れ
を有し、かくて一層乱流になるであろう。これ
が、方位渦が十分に乱流であるにもかかわらず軸
線方向の渦が“層流に近い流れ”と呼ばれる理由
である。最後に、半径と速度の傾斜は一定である
ので(状態2)、軸線方向の渦内で半径の作用と
しての速度分布の変形は乱流を生ぜしめない。壁
との接触あるいは摩擦のみが乱流を生ぜしめる。
なめらかな面に沿つた層流に近い流れのこの議論
において、表面からすぐ上流の流れはそれ自体層
流に近い流れであり、問題の面に沿つた速度から
大きく異なつていない速度および方向のものであ
る。 断熱容積形装置の一般的な説明 本発明に従えば容積形装置(ピストンシリンダ
およびベーン圧縮機、膨脹機の両方)の効率は、
チヤンバ内への気体の近い薄層流れを提供しそれ
によつてチヤンバの壁へのおよび壁からの熱流れ
を実質的に減少させるような形状および大きさを
有する入口通路(あるいは数本の入口通路)を通
して、圧縮あるいは膨脹チヤンバの中へ気体を導
入することによつて実質的に改良される。ピスト
ン−シリンダ装置の場合、ピストンの面積の約1/
2からそれにほぼ等しい面積を有する入口通路、
好ましくはシリンダのまわりを360度延びスリー
ブ弁によつて開かれおよび閉じられる入口ポート
のところで開く通路によつて、層流に近い流れは
達成される。通路は、シリンダの接線方向の速度
の実質的な成分によつてシリンダ中へ気体を導入
し、それによつて軸線方向の渦流れをひきおこ
し、半径方向の渦の形成および高い乱流、熱交換
を禁止するように配置されたプレナム室あるいは
2つ又は2つ以上の渦巻きであるべきである。ベ
ーン装置の場合、導入通路および排出通路の両方
とも、ロータベーンの速度と実質的に適合する速
度での層流に近い流れが維持され、それによつて
気体とロータベーンと装置のケーシング壁との間
の熱流れを減少させるような長さに沿つた断面積
を有している。好ましくはベーン装置のケーシン
グ壁は、壁内の熱流れを減少させて壁の熱短絡を
最小にするように低い熱伝導性を有する材料から
つくられる。 4 ストロークオツト−サイクル機関 入口通路はプレナム室のようなシリンダの上部
のまわりを360度に亘つて延び、オーバヘツドカ
ムシヤフト又はクランクシヤフトによつて作動さ
れるスリーブ弁によつて開閉される。燃料は、シ
リンダ壁から隔置された領域で燃焼するために集
中されるように軸線に沿つてシリンダ内へ導入さ
れる。プレナム室は、チヤンバ内に軸線方向の渦
流れを生じさせるように接線方向に対し斜めに向
けられたベーンを有する。軸線方向の渦流れは、
酸素の満ちた空気が燃料の燃焼を支持するのに利
用できるところで、軸線から外側へ未然の燃料の
小滴を遠心分離することによつて燃焼を促進す
る。 2 ストロークデイーゼル機関 この機関は、それぞれ以下の範囲内の圧縮比を
有する過給用ピストン−シリンダ、燃焼用ピスト
ン−シリンダおよび排気用ピストン−シリンダを
有する。過給−3:1乃至8:1、圧縮−3:1
乃至4:1、排気−6:1乃至9:1。空気は好
ましくは頂部のところで360度の入口ポートを通
つて過給用シリンダの中へ導入され、前記入口ポ
ートはスリーブ弁によつて開閉され、プレナム室
又は渦巻きから空気を受け、前記プレナム室又は
渦巻きは、シリンダ内に軸線方向の渦および層流
に近い流れを形成するために周囲方向の速度成分
を生ぜしめる。過給空気は隔離された貯蔵チヤン
バに導かれ、前記チヤンバは準静止移動および燃
焼用シリンダの掃除のために空気を保持する。貯
蔵チヤンバの容積は、燃焼用シリンダの移動容積
の約1倍乃至6倍の範囲内であるべきである。燃
焼用シリンダはピストンストロークの底部のとこ
ろで360度の入口ポートを有し、前記入口ポート
は渦巻きから貯蔵チヤンバから過給空気を受けと
り、前記渦巻きは燃焼用シリンダ内に軸線方向の
渦流れをひきおこす。好ましくは最高圧縮におい
て、燃焼用シリンダの半径およびストロークは熱
損失を最小にするために大きなクリアランス容積
を提供するように大よそ等しくなる。燃焼用シリ
ンダのヘツドはなめらかで、排気弁はシリンダの
軸線と実質的に同軸的である。軸線方向の渦流れ
が実質的に妨げられず、空気が酸素の涸湯してい
ない領域で燃焼が燃料の小滴の遠心分離によつて
促進されるように、燃料は実質的に燃料シリンダ
の軸線に沿つて注入される。燃焼用シリンダから
開放する排気弁は、シリンダの軸線とその壁との
間の中間に配置され、そこで一層完全な排気を提
供する。同軸的な管状排気弁の場合、燃焼用シリ
ンダのヘツドは冷却され、弁の冷却のために高い
熱伝導を提供する。排気ガスは、排気シリンダ内
に軸線方向の層流に近い渦流れを生じさせる渦巻
きへのなめらかな壁を備えた断熱通路を通つて、
燃焼用シリンダから排気用シリンダへ導かれる。
排気用シリンダの排気弁はスリーブ弁であり、半
径の1/2のところに位置し、シリンダの半径の約
1/2に等しい幅を有している。 気体圧縮機 空気は、スリーブ弁によつて開閉されるシリン
ダの頂部にある360°に亘つて拡がる導入ポートを
通つて半径方向に対し斜めのベーンを有するプレ
ナム室からシリンダ内へ導かれる。導入された空
気は層流に近い軸線方向の渦流の発生によりシリ
ンダ壁とわずかな熱しか交換しない。 関節式ベーン圧縮機又は膨脹機 それぞれ圧縮−膨脹領域へおよびから導く導入
通路および排出通路は両方とも、ロータベーンの
速度と実質的に均り合う速度における層流に近い
流れが通路内に維持されるような断面積を有して
いる。効率の高いブレイトンサイクルヒートポン
プは、本発明を具現化する適当な大きさの関節式
ベーン装置を利用している。ハウジングおよびシ
ヤフト継手は熱短絡を最小にするべく隔離される
べきである。 燃焼のための乱流 内燃機関において、燃焼ガスを排出するため
に、特にガソリン機関の場合には内部の燃焼ガス
と冷たい壁の近くの燃料−空気混合物との一層十
分な混合をもたらして完全な燃焼を促進するため
に、乱流は非常にしばしば故意にひき起こされる
ことを認識すべきである。これらの要件は明らか
に層流に近い流れを矛盾する。 他方デイーゼル機関およびオツトーサイクル機
関の両方における気体運動の確実な制御は、壁と
接触する冷却された境界層がわずかの燃料しか含
まないすなわち非常に漏れやすくなるように、デ
イーゼル機関および燃料注入式オツトーサイクル
機関のための燃料注入システムを設計する可能性
を提供する。それから燃焼領域は冷たい外側シリ
ンダ壁から隔離され、熱いピストンの中高および
ヘツドにのみさらされる。未然の燃料の問題は減
少する。 圧縮および膨脹 同じく圧縮および膨脹の間中気体の平均温度の
間の大きな差という付加的な矛盾が存在する。圧
縮の間の気体の温度は燃焼のために膨脹の間の温
度より非常に小さく、それで膨脹の間での熱い気
体からの熱損失は、圧縮の場合よりも高い平均温
度に壁を加熱する傾向がある。かくて圧縮は断熱
圧縮より熱く、必要以上に多くのエネルギを必要
とする。このエネルギのうちのいくらかは膨脹の
間に回復されるが、正味の効果は非効率的であ
る。圧縮装置を膨脹装置から分離するために効率
の立場から明確な利益が存するということはこの
理由のためである。これはガスタービンにおいて
なされるが、膨脹タービンのブレードが燃焼の後
で最高温度の気体と平衡温度にならなければなら
ないので、ブレードの要求される高い速度による
応力はピーク温度をきびしく制限し、かくてカル
ノー効率を制限する。壁と気体の乱流熱交換によ
つて又はタービンブレードの温度を制限すること
によつて、現在の装置は制限される。 ヒートポンプ ブレイトンサイクル・ヒートポンプにおいて層
流に近い流れ圧縮機および膨脹機の特別の利益が
存在する。3つの一般的な型式ヒートポンプがあ
る。(1)同時に出願された本件出願人の特許出願に
おいて説明されている等温サイクルあるいはスタ
ーリングサイクル。(2)気体のように圧縮され、コ
ンデンサ内に熱を供給し液体となる特別な冷凍剤
を使用するランキンサイクル。液体は熱が加えら
れる冷たい熱交換機の気体まで膨脹させられる。
(3)気体が断熱的に圧縮され、熱が熱交換機内に抜
き出され、それから残余のエネルギが熱膨脹機関
内に抜き出され、最後に熱が第2の又は冷たい交
換機内の排気ガスに加えられるブレイトンサイク
ル。ランキンサイクルにおいて膨脹オリフイスを
通つて膨脹する流体に相当するエネルギ(圧力×
流体の容積)は浪費されるが、流体の比較的高い
密度のために容積が小さいのでこの浪費されたエ
ネルギは小さい。他方冷凍剤の特性の制限は、温
度比が平均的な気候で遭遇する有用な極端を覆う
のに十分なだけ大きいように比較的大きな圧縮比
が使われることを要求する。圧縮サイクルが例え
ば80%の効率で含まれるとき、結果は約2乃至
2.5の平均“作動係数”(COP)となる。理想的な
COPはT3/(T3−T2)である。かくて典型的な
30℃の温度差および絶対温度300〓に対し、理論
的な最大COPは10となるべきであり、2.0という
比較的小さい値になるべきではない。この大きな
値に近づくために、冷凍剤の制限を避けることと
同じく一層効率の良い圧縮機を使用すことが必要
とされる。もしブレイトンサイクルを使用するな
らば、膨脹機関を加えなければならず、この膨脹
機関の効率は重大である。このようなサイクルに
おいて圧縮機は、仕事(T3−T2)×(気体のユニ
ツト熱質量)の総計となり、そしてそれから熱交
換機内で抜き出される熱の総計はこの同じ値
(T3−T2)である。気体のこのユニツト熱質量
は、比Vol2−Vol3=T2/T3でVol3からVol2まで
の容積に減少する。小さい方のVol2が大気圧す
なわち同一の圧力比まで膨脹するとき、ほぼ同一
の温度差(T3/T2)によつて冷却されるが、容
積は一層小さくなり、かくて機関内でなされる仕
事は比Vol2/Vol3=T2/T3により圧縮機によつ
てなされる仕事より小さい。もしこの仕事が圧縮
機へ供給されるならば、外部から供給されなけれ
ばならない正味の仕事は、1−(T2/T3)=(T3
−T2)/T3又は理論的な最大COPの逆である。
このCOP10は、膨脹機が圧縮機によつてなさ
れる仕事の90%をなし、それ故循環力が外側から
供給される力の10倍即ち構造力=10%であること
を意味する。かくてもし圧縮機関および膨脹機関
の両方ともそれぞれエネルギの5%を浪費する、
即ち各々の効率が95%であるならば、外部源はこ
の付加的な損失エネルギを供給しなければなら
ず、供給しなければならないエネルギを2倍にす
る。各々のエンジンは効率が100%よりむしろ95
%であるので、COPは理論的最大値が10から5
へ減少し、又は因子の効率の損失が2となる。 ヒートポンプ装置が圧縮機関および膨脹機関の
効率に対しいかに敏感であるかが理解される。か
くてブレイトンサイクル・ヒートポンプ装置をで
きるだけ高い効率とするための主要な動機が与え
られる。 内燃機関において10パーセントの損失は重大で
はないが、所定の乱流熱交換率に対する効率の損
失が極めて大きくなるように、温度差は非常に大
きい。結果として効率の損失は重大なものとなる
のに十分な程大きい。 それ故、層流に近い流れになるような様式で即
ち移動するチヤンバの境界の押退け速度より小さ
いかあるいはそれに匹敵する残余の循環あるいは
渦速度で、気体が押退け容積内へ導かれる容積形
装置−圧縮機、熱膨脹機関、内燃機関およびヒー
トポンプーが提供される。 典型的実施例の説明 本発明の一実施例は、第3図に示された関節式
ベーン空気ポンプすなわち膨脹機関である。関節
式ベーン空気ポンプは、排気流に圧縮空気を加
え、かつ未然気体を減少するために自動車用機関
と関連して広く用いられる。ヒートポンプのため
の上記関節式ベーン圧縮機または膨脹機(AVC)
を用するための特殊な利益があり、なぜならば移
動部品の非常に低い摩擦のためであり、摩擦が、
かなり大きい外側レース(rase)上に乗ることに
反して中心シヤフトの軸受上にベーンが乗つてい
るからである。かなりの特許文けんは、自動車の
発散制御などの関節式ベーンポンプについて存在
しているが、この先行技術は、断熱圧縮の効率に
向けられていない。主要技術についての選択され
た引用文けんは、この明細書の終りに表示されて
いる。 入口チヤンバ61および出口チヤンバ62を有
するハウジング72の内側において一組のベーン
63,64,65は、回転ドラム67によつて固
定軸66の周りに回転される。ベーンは、ドラム
において、シール68,69,70を通して半径
方向に滑り、かつ圧縮領域において同心ハウジン
グ72とともに、クリアランス71によつて、か
つ出口チヤンバ62から入口チヤンバ61を分離
するウエブによつて、シールされている。ベーン
と圧縮ハウジング72との間およびドラム67と
ウエブ73との間のクリアランス71は、気体の
洩れを防ぐために小さく保たなければならない
が、なお接触を防がなければならない。なぜなら
ば、表面は、潤滑されていないが、摩擦を防ぐた
めに、裸にされているからである。先行技術の通
常の形式において、AVCの入口チヤンバおよび
出口チヤンバは、比較的に任意の形状のものであ
る。比較的に大きいチヤンバの状況において、入
口および出口における空気流は、ベーン63,6
4,65の移動に比して比較的に固定的である。
これから、大きな乱流渦は、ベーンによつて生じ
る。入口チヤンバにおいて、これらの渦は、捕え
られ、圧縮チヤンバにおける循環は、壁との熱交
換の増加を生じる。排出チヤンバにおいて、対応
する乱流渦は、熱およびエネルギの浪費を生じ
る。この実施例において、かつ本発明によれば、
入口チヤンバおよび出口チヤンバは、気体の流速
がドラム67の回転速度に一致するように形成さ
れかつ寸法が定められる(寸法74および75)。
入口61のための寸法74は、圧縮容積における
平均ベーン長さに等しく、そのために、ドラム6
7およびベーンの所与の回転は、ドラム67と同
じ速度においてチヤンバ61において気体を移動
させる。出口チヤンバ62において、幅75は、
以下に説明するように3つのブレードのポンプの
場合において圧縮比1.336:1によつて割られた
入口寸法74の幅のものである。 ロータベーン63,64,65は、クリアラン
ス71が開いているとき出口62に、ベーン65
の背後の圧縮容積が開放されているときに示され
る。3つのベーンの設計は、ベーン間で120°の角
度を有する。2つ、4つ、5つなどの等しい間隔
のベーンの設計は、容易につくることができる。
ブレードの数は、圧縮比を決定し、これは、圧縮
が始まる位置から60度後の圧縮位置までのブ
レード間に、捕えられた容積比である。3つのブ
レードのための合成圧縮比は、ヒートポンプのた
めの最適値に近く、なぜならば、圧縮比は、
1.336:1であり、温度比は1.123:1であり、す
なわちTdiff=37℃であり、かつ理想的COP=
8:1である。もしも圧縮機および膨張機が95%
効率であると、実際のCOPは4になる。 からまでの60度の角度距離において、気体
は、これが解除される圧力に圧縮される。鎖線で
示したブレード位置76は、入口容積が丁度閉じら
れたときに相当する。位置76において各ブレード
に接触している気体は、結局、位置77に移動さ
れ、外壁に接触する。この工程において、圧縮に
よつて加熱され、(もしも流れが膨張のために逆
になると冷却され)、壁を加熱する。しかし、理
想的場合において、気体および壁は、気体がか
らまで移動されると、圧縮に対応する各位置の
ために同じ温度になる。もしも外壁材料において
熱伝導がないと、熱移動は最小となる。この場
合、本発明によれば、外壁は、ステンレス鋼また
はプラスチツク被覆金属などの充分に低い伝導材
料でつくられて、ハウジングの壁に、熱伝導の逆
行を減らすことが、望ましい。しかし、ドラム6
7およびブレード63,64,65は、高温領域
から低温領域へ、また高温などへ回転する。気体
からの、および気体への熱移動は、すでに論説し
た浸透厚さの熱放散である。流れの近接する層を
つくることによつて、気体の放散程度は、少くな
り、温度降下は、第4図に示したように気体にお
いて生じる。 領域1は、温度T1において高温であり、この
温度は温度T2より高い。平均壁温度T3は、T2
り大きいT3より大きいT1の境界温度である。壁
中への放散による温度降下(T3−T2)は、薄い
厚さd2で示され、この深さは、層気体に比較して
小さく、ここで、(T1−T3)は、大きく、浸透厚
さd1である。しかし、気体の密度は、壁の密度よ
り非常に小さく、3×10-4の比であり、ヒートマ
スは、小さく、失われたすなわち交換された熱
は、第1図の場合に比較して小さく、この場合、
気体は乱流とみられ、境界3への熱フラツクス
(flux)は、かなり大きい。 ヒートポンプ 第5図は、ブレイトンサイクル冷房ヒートポン
プを概略的に示し、これは、第3図に示された層
流AVC空気ポンプを利用している。圧縮機81
は、入口83に入る空気を圧縮しかつ加熱し、出
口84において、それを排出する。高温圧縮空気
は、標準の熱交換機85へ行き、冷却され、かつ
膨張機86へ行き、これは圧縮機81をつくる。
しかし容積流は比(1−1/Rc)=75%まで小さ
い。実際の寸法は、理想的圧縮大きさの立方根す
なわち91%まで小さい。出願人は理想を言つてい
る。なぜならば、効率損失の部分は、洩れとな
り、そのために、実際の容積流比は、75%より小
さい。膨張機機関86から、出口87からの冷た
い空気は、直接に、冷却される空隙へ行き、例え
ば冷却空気のある自動車内部へ行く。 スリーブ弁ピストン空気圧縮機 気体と壁との間の熱交換の減小が、標準空気圧
縮機のために通常非常に重要でなかつたことは、
早くから指摘されていて、なぜならば、圧縮の熱
は、効率的でないとしても用いる以前に通常拒否
されるからである。このことは、純粋な断熱圧縮
のための場合よりも、圧縮中に常に気体が冷却機
に残ることと、みなす。他方において、上記に説
明しかつ第2図に示したように、もしも、圧縮機
シリンダ壁およびヘツドが適当に冷却されていな
いと、圧縮中に気体は、断熱の場合よりも平均に
おいて、より高温となり、所与量の気体を圧縮す
るために要する仕事は、より大きくなる。 もしも、シリンダ壁およびヘツドが充分冷却さ
れると、第2図の曲線5に対し充分低い曲線2に
することができ、TおよびPは、断熱の場合より
常に少ない。これは、工業的空気圧縮機のステー
ジ間の内部冷却機で起こることに似ている。これ
は、さらに圧縮機の機構を必要とし、同様の議論
は、各ステージに適用される。それゆえ、一般に
は、シリンダが特に効率的に冷却されない限り、
任意の圧縮機の壁と気体との間の熱交換を減小す
ることは、充分価値あることである。第2図にお
いて、これは、最初の温度T0において、端が上
がる曲線5の等温圧縮に相当する。 本発明の目的は、入口気体チヤージを誘導する
ことによつて層流に似た状態に入るようにピスト
ン圧縮機の壁との熱交換を減小することである。 ピストン圧縮機における層流に似た流れを達成
するために、入口ポートの面積は、シリンダの軸
線に対してできるだけ対称的に、ピストンの面積
は殆んど等しくつくられる。気体を壁から内側容
積へ急速に循環させかつ再び壁に逆す渦を誘導す
ることを誰も希望しない。 この関係における層に似た流れは、ピストン速
度より充分大きいシリンダ内の気流速がないこと
を意味する。したがつて、1ストローク内におい
て、気体は、おおよそ、ストローク長さより、壁
との接触におけるよりさらに非常に多く移動しな
い。もしも、壁が滑らかであると、これは、断片
的熱交換が小さいことを意味する。他方におい
て、出口弁を通つて出る気体は、出口プランビン
グ(plumbing)との交換熱およびピストンより、
かなり高い速度になることができ、ただし、この
プランビングが、シリンダの休止部への伝導によ
つて移動された余りにも多い熱をもつて熱伝導金
属径路を通つて伝道しない条件であるとする。排
気流は、すべて、同じ一定温度にあり、そのため
に、排気プランビングは、平衡になることができ
る。これは、気体が、層に似た流れをもつシリン
タ容積に例えば低速で入らなければならないこと
を意味するが、一層急速かつ乱流的に出ることが
できる。したがつて、吸入ポートは、ピストンの
面積の少くとも1/2に大きくなければならないと
ともに、排出出口ポートは、小さくできる。 吸気のために、空気作動型リード弁又はスプリ
ング弁又はその相当物を使用する空気コンプレツ
サにおいて、空気作動型弁は、弁に亘つて、大気
圧の何分の一かまで連続的な圧力降下があり、ば
ね張力及び楕性にうち勝つときだけ、開いたまま
だから、層流を得ることはほとんど不可能であ
る。その結果、入力気体が、弁リツプの勾束を越
えたときに、気体は、膨張して、音速の何分の一
かで、即ちCsの1/2乃至1/4で、シリンダ内に移
動する。一般的に、これは、ピストンの最大速度
の10倍乃至100倍であり、ストローク間に乱流の
高熱伝達を保証する。この高熱伝達を回避する方
法は、ストロークの頂きに入口を有する空気コン
プレツサの場合が示されている第8a図、第8b
図に示すように、気体を誘導してシリンダ壁の周
囲の大きなポート領域を通してシリンダに入れる
ことである。シリンダの周囲のポート面積は、ポ
ート面積=2(pi)RLであり、ここではRはシリ
ンダの半径であり、Lはポートの長さである。ピ
ストン面積は(pi)R2である。それ故、ポート
面積のような必要なポートの長さはL=R/2で
ある。ストロークが2R、即ち、ストローク=直
径だから、次に入力ポートの長さはストロークの
長さの小さな分数値(1/4)であり、ピストンリ
ングはポートに重なる必要がない。直接流入する
流れのパターン、例えば、半径方向への流れが第
9a図に示されている。 第6図、7b図に示す実施例では、ピストン9
1はシリンダ92の内側にあつて標準型(リード
型、ばね負荷型、蝶型)のいずれでもよい標準ヘ
ツド93と排気弁94とを有している。スライド
リング又はスリーブ入力弁95が、シリンダのま
わりに360°開いており、ピストンの半径のほぼ半
分の高さの入力ポート96を閉鎖する。 適当な態様で、ピストンとともに、スリーブ弁
95を操作する1つの方法は、圧縮気体を漏れな
いように密封してプレナム室100へ戻すため
に、スリーブ弁95を、ヘツド93の小さな凹部
に入れることである。プレナム室100は、導入
気体又は空気を入力弁95まで導く。プレナム室
100への入口でベーン101は、導入気体を入
力口96まで案内する。弁は、カム102によつ
て開閉され、揺動アーム103によつて、スリー
ブ弁95を僅かに回転させる。リカルド(1954)
は、ガソリン機関とデイーゼル機関で、スリーブ
弁の効果的な操作を示した。第2次世界大戦中
に、スリーブ弁を有する数千台の英国航空機の機
関が製造された。これらの弁は、回転並びに軸線
方向の運動によつて吸気及び排気通路を開放し、
ピストン機械用のスリーブ弁の機械的技術は今も
存在する。しかしながら、導入と排気の向き合う
ポートによつて、層流に近い流れは不可能であ
り、オーバヘツド弁と同様の乱流を生じるが、弁
の操作は非常に信頼性が高い。 第7A図に示すように、ベーン101が、ガス
を入口からプレナム室100に案内し、シリンダ
92が半径方向を向いているならば、流れるガス
は、大きな環状の渦を生じる。入力ポート面積が
ピストンの面積に等しいならば、次に、渦の速度
は、ピストンの速度にほぼ等しくなる。 簡単にいうと、各半ストローク中にほぼ1回転
をし、吸入と圧縮の間に完全に2回転を行う。高
いレイノルド数の気体は、直径の50乃至100倍の
距離を移動して熱を壁と交換しなければならず、
4回転では少ないようである。不幸にも、単純で
はない。渦は、フイギユアスケータが回転中腕を
縮めるように、ストリングの端部の重りに似てい
る。渦は圧縮ストロークで圧縮されると、より速
く回転し、壁との摩擦は十分に小さくなる。熱伝
達が小さく、2つが一緒に行なわれるならば、壁
との摩擦を小さくしなければならない。半径方向
の渦の場合は、圧縮されると速度が増加する。渦
を一方向に圧縮すると角運動量の保存によつて、
その速度を、次のように増加させる。Vvprtex
V0(S0/Snio1/2ここでSnioは圧縮されたストロー
クの長さであり、Spは最大ストロークの長さであ
る。それ故、圧縮比、即ち、Sp/Snioが大きいな
らば、渦の速度は著しく増加する。実際に、圧縮
比がRより小さいSminと同様に大きいならば、
次に、1つの渦は、第8B図、第8C図に示すよ
うに、小さな渦に分裂する。第8図は、底のスト
ロークにおける単1の大きな環状渦を示し、第8
B図では、部分的に圧縮され、8C図では完全に
圧縮されている。第8A図の単一の渦の分裂が、
第8B図に4つの渦のリングとして、第8C図に
8つの渦のリングとして示されている。圧縮比が
4:1であると仮定するならば、100psiの空気を
供給する工業的な空気の圧縮器である。次に、渦
の速度は最大圧縮時に2倍に増加し、各小さな渦
の大きさ(直径)はr/4になり、各々は1/8の
ストローク間に1回転をする。その結果は、渦が
回転して分裂するからほぼ乱流に近い速度にな
る。その結果、渦から壁(特にピストンとシリン
ダヘツド)への熱流が生じる。更に、入力気体が
始めから乱流を生じ、次にこのような乱流が圧縮
され、次に強度が3次元気体と同様なくらいに増
加する。(半径方向の渦は、2次元の気体として
作用する。)それ故、乱流速度は(容量)-〓に増
加し、エネルギは、G値(比較熱)が5/3であ
る気体の場合の(容量)-〓に比例する。シリンダ
の壁とヘツドとの熱交換は、乱流エネルギが圧縮
で増加すること大きい。 本発明の目的は、ピストン圧縮機と機関の乱動
並びに単一の大きな半径方向の渦の熱交換を、層
流と弱い軸線方向の渦を導入することによつて減
少させることである。環状渦の形成、その圧縮、
集約、分裂、消散の議論は幾分推測的なものであ
つたが、今、ドツプラーレーザ追跡とこの説明を
成立させるように説明されたエレメントを使用す
る測定法から十分な証拠を得ている。数値上の設
計は、大きさと渦粘性を特別に強調した上記の4
つのシーケンスを示している。あるエレメントの
大きさは、所望の層の境界層より大きく、循環を
切りつめるが、結果的に実験と一致する渦の寿命
を与える。又圧縮による主な環状渦の集約とその
同位体の渦が予期される。入力流の力学は渦の完
全な源であるという事実は、立証されている。シ
リンダの流れの実験上の計測が、エレメントの計
算に一致するかを観察することが特に奨励され
る。モース、ウイツトローイアネスキー(1979)
はドツプラレーザ風力測定を使用して、モータの
ピストンシリンダ組立体の流れパターンを描い
た。モース、その他の(1979、p215)によつて
観察された流れパターンはゴスマンその他の者の
理論によるものを完全に確認したものである。そ
れ故、これらの流れの分析的な予言を信じ、さら
に、それらを確立するためにその方法を確立す
る。 第7B図に示すように、入力ポートへ通じてい
るプレナム室100のベーン101は半径方向に
関して約60°乃至45°の角度を有しており、次に、
入力気体又は空気は、シリンダ壁に直角な速度成
分を得並びに半径方向及び軸線方向の渦が確立さ
れる。第9A図は、半ストロークでの入力中の側
面図と、シリンダ2の気体の回転する通路を示し
ている。第9B図は、ストロークの底でのピスト
ンと、回転するガスの通路を示す。軸線方向の渦
は、その角運動量が変化しないから、それが軸線
方向に圧縮され又は膨張されるとき、速度が変化
しない。しかしながら、半径で注入される気体が
それに続く気体によつて軸線方向に向つて押され
るとき、標準的な渦関係がランキン型の渦を保持
し、渦は巻き上がり、即ち、周囲部よりも中心部
の渦がより早く回転する。角運動量保存によつ
て、V直角方向=V0(R0/R)によつて、直角方
向の速度が増加し、ここでV0は、半径R0の外方
シリンダ壁の直角方向の速度でありRは、或るよ
り小さい半径である。ピストン面積に等しい標準
のポート面積を使用し、ベーンの角度が45°であ
れば、平均の直角方向の速度=Vnaxとなり、こ
こでVnaxはピストンの最大速度である。半径R
=Ro/2において、回転速度は、周囲速度より
2倍早い。気体が軸線に近ずくと、速度の増加に
よつて一種の遠心力障壁が生じる。それは、大気
の屈曲性の流れで、何故渦がこのような安定した
構造として認められるかはよく知られている。重
要の点は、比較的弱い軸線方向の渦が環状の渦を
形成することを阻止することである。遠心力障壁
は、流体エレメントを半径方向に交換する流れを
阻止する。気体が、壁との或る摩擦によつて、或
る角運動量を失うと、向心力障壁(即ち角運動
量)が減少する傾向があり、それ故に、更に容易
に軸線に近ずくことができる。しかしながら、第
8A図の渦を形成する軸線に向う半径方向の運動
は阻止される。その代り、軸線の近くでより速い
回転速度を有する。もちろん、方位の速度が最も
速いヘツドで更に摩擦が生じるが、ここで面積
は、小さいので全体の熱交換は少ない。例えば、
半径が半分である場合、即ちR=Ro/2である
場合、直角方向の速度は3Vmax、であり、面積
は、シリンダ壁の全体の面積の1/12であるヘツド
面積の1/4であり、ストローク長さ用のヘツドは
直径がSo=2Roである。軸線方向の渦の高速の領
域は、壁と僅かに接触するのみであり、それ故、
高速の等方性乱流又は、大きな渦の導入よりもさ
らに熱損失が小さい。それ故、シリンダ壁並びに
ヘツドの双方の熱損失を減少させるため軸線方向
の渦を生じさせるような回転運動を入力気体に与
えるベーンに層流入力弁によつてピツチを組み込
むことが望ましい。 吸込軸線方向渦流の詳細な設計 一般には、環状又は半径方向流れ渦が対流移動
に加わり、従つて回避されなければならないこと
を知つた。軸線方向渦の主な目的は気体流の半径
方向運動を押えることにある。それ故に、シリン
ダに入る気体はできるだけ小さい半径方向流れを
有することが望ましく、従つて吸込ポートの開口
をできるだけ大きくして、吸込ポートが半径方向
であるか接線方向であるかにかかわらず、絶対速
度を小さくしておく。更に、吸込ポートを通る流
れは接線方向、半径方向ともに一定な速度にある
ことが望ましい。事実はそうでなかつたならば、
例えば、半径方向流れ速度を一定に保ち、接線方
向速度を減した場合には、シリンダ内での角速度
の半径方向の勾配は軸線方向循環を誘発し、望ま
しくない環状渦を誘発する。 半径方向速度は(ピストン速度)×(ピストン面
積/ポート面積)によつて決定される。ピストン
面積は一定である。すると、速度=周波数×
Rsin〓;(クランクアームの投影は純正弦動作を僅
かに修正する);(ピストン速度/ポート面積=一
定又はsin〓に比例するポート面積を望む。これ
は、環状吸込ポートを開閉するカムの設計を確立
し、即ち、吸込ポートの開口度は略(DR)sin〓
でなければならない(DR=最大吸込部開口度)。
環状速度を吸込中一定に保つために、いくつかの
選択を持つている。 1 吸込空気に半径方向運動を与える羽根を、ポ
ートの開口度が変化するにもかかわらず、一定
な接線方向速度を与えるように構成することが
できる。 2 吸込空気をプレナムから吸引することがで
き、このプレナムはその中に十分に長く接続す
る二次渦を有し、その結果吸込気体の角運動量
が各吸込期間中一定のままである。 この第2の態様はおそらくより容易である。と
いうのは、二次渦が容易に作られ、ピストンのサ
イクルに対して長い消滅時間を有するからであ
る。 保守的な設計の例について:接線速度を半径方
向吸込速度の(pi)/2倍にし、半径方向吸込速
度をピストン速度にする、半径の2倍のストロー
クを仮定する。すると、 S=ストローク=2R Vp=ストロークの中間でのピストン速度、即ち
最大速度(クランクアームプロジエクシヨンを
無視する) ts=ストロークの時間=(2R/Vp)(pi)/2=
(pi)R/Vp tcy=サイクルの時間(2サイクル)=2(pi)R/
Vp VR=Vpに等しいと仮定した吸込空気の半径方向
速度 VT=接線方向吸込速度=(pi)VR/2=(pi)
Vp/2吸込空気が一回転する時間=tT=2(pi)
R/VT=4R/Vp。 サイクル中の空気の回転数=tcy/tT=〔2(pi)
R/Vp〕〔4R/Vp〕=(pi)/2。 従つて、前に論じたように、渦の期待される減
衰又は抵抗はfd=回転数/50=3%であるべきで
ある。 吸込ポートを囲むプレナム室を軸線方向の長さ
Rとし半径2Rとする。すると、接線速度; プレナム室半径2RpでのVプレナムは Vプレナム=1/2VT=〔(pi)/4〕Vpになり、
回転する時間は tプレナム=2(pi)Rプレナム/Vプレナム=
16R/Vpになり、そして、ストローク当りのプレ
ナム内での回転数=tcy/tプレナム=(pi)/8。 これは、渦がストロークからストロークまでに
著しく消滅しないことを意味する。というのは、
羽根では、渦消滅時間が5乃至10回転であるから
である。 プレナムは S(pi)R2=2(pi)R3/(サイクル当り)のシ
リンダ容積を補給し、そして自身は、R〔4(pi)
R2〕=4(pi)R3容積を収容する。 従つて、プレナム容積の半分がサイクル毎に置
き換えられ、プレナム内の渦は充填時間当り
(pi)/4回転する。これは又、プレナム渦の一
定な角運動量又は無視しうる消滅を保証するに十
分小さい。プレナム渦に対する入力は、平均吸込
速度にマツチするに十分な面積の単一又は数個の
接線方向ポートであるのが良い。プレナム渦は吸
込速度を平均化する。平均吸込速度、即ち平均ピ
ストン速度、=2Vp/(pi)。プレナムの接線方向
渦速度はシリンダの吸込接線方向速度の半分、即
ち、 Vプレナム=VT/2=〔(pi)/4〕Vpになる。 プレナム入口ポート面積は次の関係によつて決
定される。 (プレナムポート面積)×(プレナム接線方向速
度)=(ピストン面積)×(平均ピストン速度) 又はプレナムポート面積=(pi)R2Vp/Vプレ
ナム=〔8/(pi)〕R2。 プレナムは横断面がR2であるから、これは、
数個のポートが必要とされることを意味する。合
理的な設計は巾がR/(pi)、長さがRの4つの
接線方向ポートである。 煙で流れを見ることができるように市販の空気
圧縮機に透明なプラスチツクスリーブ弁および透
明なプラスチツクヘツドを取付けて実験をした。
プレナム入口羽根に上記の分析で規定した角度を
与えたとき、気体の運動の映画は期待した渦を示
す。羽根を半径方向に向けると、軸線方向渦は形
成されず、より大きな無秩序な運動度−乱流がは
つきりした。 スリーブ弁ピストン圧縮機の作動 吸込ストロークのとき、空気が斜めの周囲羽根
101を通してシリンダへ吸引され、軸線方向円
周方向流れ渦がプレナム100内に形成される
(第6図および第7B図参照)。渦からの空気が吸
込ポート96を通してシリンダへ吸引されると
き、空気はシリンダ内に略層流の軸線方向渦を形
成する。この渦流の略層流および安定性は、サイ
クルの休み中空気からシリンダ壁への熱移動を減
ずる。吸込スリーブ弁95は上死点直後に開き始
め、下降ストロークの半分で完全に開く。この下
降(吸込)ストローク中、略層流吸込渦がシリン
ダ122内に作られる。ピストン91がストロー
クの終りに近ずくと、スリーブ弁95は閉じ、こ
れによつて、ピストンがおそくなるにつれて一定
な吸込速度を維持する。 ストロークの終りで、スリーブ弁は閉じられ、
ピストン91がシリンダ内で上方に移動し始める
と圧縮が始まる。気体の圧縮は、気体圧力が送出
圧力を越えるまで続き、吐出弁94は、ピストン
が上死点に達するまで開く。その間に、スリーブ
弁は下降し始める。吸込ポート128は、上死点
後、ストロークの頂のクリアランス内の小量の残
留気体が吸込圧力まで再び膨張したとき数度開
く。更に下方ストローク中、吸込空気は渦運動を
もつたプレナムからスリーブ弁吸込ポートを通し
て吸引される。これは新たなサイクルの始まりで
ある。軸方向渦の略層流および安定性の減少した
乱流が組合さつてシリンダ壁およびヘツドとピス
トンクラウンに対する大変減少した熱移動を引き
起す。 内燃機関 「内燃機関の理論と実際」チヤールス、エフ・テ
イラー著(1966)又は「高速内燃機関」サー、ハ
ーリ、アール、リカード著(1953)のような内燃
機関に関する代表的な参考書は熱浸透厚さの概念
について先に論じた過度効果の熱浸透厚さ熱交換
について何も述べていない。その代り、関係する
量について運転の平均が取られ、この主要な非効
率因子は無視される。圧縮の終りでの気体温度が
期待される断熱温度に近いという観察はトピツク
をかたずけるに十分であるが、第2図におよびそ
の後の議論で示したように、圧縮での熱損失即ち
エネルギ損失は重大であり、しかも依然として、
ときとして、理想的な断熱の場合とはほとんど異
ならない最終圧力又は温度を有している。その結
果、気体から壁への熱損失のもとは乱流限度で処
理される。これについて乱流の仮定がある。乱流
にとつて必要な条件は大きなレイノルズ数であ
り、事実この条件は満足される。しかし、シリン
ダ容積の横断面を均一に満す乱流の条件は処理さ
れない。気体がピストン速度に匹敵する大きな速
度で入るように入口弁の面積が構成されるなら
ば、高速度の気体がシリンダ容積内に断熱に近い
均一な乱流を引き起すたくさんの時間があり、こ
れは通常何が起るかということである。代りに、
気体をスムースな略層流の仕方で吸込むことがで
き従つて乱流を大きく減少させることがわかつ
た。その上、軸線のまわりに気体の回転を与える
ことができ、望ましくない熱交換渦を押える。他
方、内熱機関の多くの本および最近の設計は大き
な乱流の発生によつて、特に「押込み」によつて
もつと完全な燃焼をもたらすことを強調してい
る。乱流が燃焼気体と未燃焼気体の混合を高め、
これによつて、燃焼をより促進する意見がある。
これは、熱移動を減ずるために乱流を減少させる
本発明の目的と対立している。 2種類の押退け内燃機関がある。オツトサイク
ルは吸込前に燃料と空気を混合することを含み、
従つて冷壁に近い燃料が、これをホツタ、内部、
燃焼領域へ運ぶために乱流混合を必要とする。第
2の型式の内燃機関はデイゼルであり、この場合
には空気が高温度まで圧縮された後に燃料が液滴
として噴射される。この場合には、軸方向渦は特
有の利点を有する。 高密度の固体又は液体粒子は気体渦の中で外方
に遠心力を受ける。燃料噴射器の代表的な数ミク
ロンの大きさの粒子の噴射速度は、1センチメー
トル走行し、減速後、Ro/2乃至Ro/4の半径
で期待された渦速度(103cm秒-1の数倍)に匹敵
する。従つて、デイーゼルの燃料噴射器がヘツド
の中心に位置して滴を扇形に噴射するならば、軸
線方向渦は、滴が蒸発して燃焼するまで滴を半径
方向外方に運ぶ理想的な性質をもつ。滴の大きさ
分布および噴射角度を調節することによつて滴
は、これらを最も効果的に燃焼させる領域へ自動
的に移される。滴が1つの半径方向帯域で燃焼さ
れなかつたならば、滴は、燃焼を増す空気の多い
そして燃料の少い領域へ外方に遠心力で飛ばされ
る。渦の軸線近くに燃料を噴射することによつて
更に有利な効果が起る。渦の軸線近くで燃焼した
燃料は、酸素のほとんど完全な使用のために最も
熱い領域である。しかし乍ら、この領域は、渦の
外層によつて壁から遮蔽される領域である。最後
に、熱によつて安定化される渦の特長は、熱い流
れ領域が内側で安定していることである。(熱い
空気は軽く、軸線へ「浮く」。回転をしている渦
の遠心力場では、軸線は重力の「高」い点であ
る。)この効果は最も熱い気体と接触している壁
面積を大きく減少させ、その結果、燃焼気体から
壁への熱の流れを減ずる。従つて、この発明の目
的は、オツト機関およびデイーゼルサイクル機関
の両方について圧縮および燃焼の両方の間気体と
壁との間の熱の流れを大きく減少させることにあ
る。デイーゼルサイクル機関では、シリンダ壁か
ら若干除かれる燃焼を維持し、これによつて熱損
失および発散を更に減少させることを目的として
いる。 カルノツトサイクルにおける熱損失 熱力学の第2法則から圧縮機関の理論的な最大
効率はちようど、 効率=(T2−T1)/T2である。 ここに、T1は気体の初期温度、T2は理想的な
断熱圧縮後の気体の温度である。 温度の比はT2/T1=R(1-G) cであるから、理想効
率はちようど1−R(1-G) cである。 ここにRcは圧縮比、Gは比熱の比であり、G
=1.4。而して、8:1の圧縮比をもつ代表的な
オツトサイクル機関は56%の効率を与え、16:1
の圧縮をもつデイーゼルは67%の効率を与える。
実際には、効率はこれらの値の1/2であるかも知
れない。壁に対する熱損失は約30%の大きな損失
であることが良く認識されており、(テイラー、
1968);残りの損失は、(1)最大圧縮時間に対する
燃料の燃焼の遅れである「時間」損失(15%)お
よび(2)動いている部品の摩擦に帰する。本分で論
じた熱浸透厚さ損失は機関の文献には述べられて
いない。事実、平均したとき、壁の時間に依存す
る加熱は、冷却水(又は空気)で測定される熱損
失を与える。しかし乍ら、熱浸透厚さ現象は又排
気ガスが理想的なサイクルのものである以上の排
気ガスの温度上昇を起す。それがどうして起るの
かを示す。 排気の熱損失 一般の試験機関における測定は、排気ガスダク
トの中で未知の熱交換が行われるから、排気ガス
温度を予期される値と比較することはない。我々
は理想的であるが実現性のない熱浸透厚さサイク
ルの排気ガス温度への影響を考慮した。周囲の空
気は温度T1で入り、断熱的にT2に圧縮される。
燃料の燃焼によつて熱が加えられて温度はT3
達し、この熱気体は断熱的にT4に膨張させられ
る。圧力、容積、圧縮比、温度及び比熱の関係は
次のように表わされる。 Vol1/Vol2=Rc T2/T1=R(1-G) c P2/P1=RG c 燃料の燃焼によつて加えられる熱Hは次のよう
に温度T3をもたらす。 H=T3−T2 また、ピーク圧力は次の通りである。 P3=P2(T3/T2) 膨張率は、通常、(排気タービンを除いて)圧
縮比Rcであり、従つて、排気ガス温度T4は次の
ようにピース温度T3に関係する。 T3/T4=T2/T1=R(G-1) c 熱浸透厚さの損失 温度T3のときの熱の40%が燃焼時に円筒型ピ
ストンの壁に貯えられるとする。T3=0.6T3とな
るから、P、T、P′及びT′の新しい値は次のよ
うになる。 P′3=(0.6T3/T2)P2 排気温度は次のようになる。 T′4=0.6T3R(1-G) c 壁により40%の熱損失があり、1/2が吸入中の
気体に戻され、1/2が冷却水で失われるとする。
すなわち、熱浸透厚さの熱波を流入と流出との熱
の流れに等しく分けた。流入気体の加熱の一部は
圧縮が始まつた後に起き、また前に述べた機械的
損失も起こすことは我々も認めるが、この加熱が
入口弁の閉塞及び圧縮ストロークの始まりの前の
初期加熱より小さいということを我々は容易に推
定する。従つて、圧縮は次の条件で始まる。 T′1=T1+0.2T3 P′1=P1 圧縮後の条件は次の通りである。 T′2=T′1R(G-1) c =(T1+0.2T3)R(G-1) c 前と同じ量の燃料が燃えて、 T′3=T′2+(T3−T2) 及び P′3=P2(T′3/T′2) となる。ここで、T′3はT3より大きいので、再び
40%の損失が起り壁をさらに暖める。連続するサ
イクルにおいて、T′3はT3より大きく、T″3はT′3
より大きい。この温度上昇の連鎖は補助的な効果
によつて制限されなければならない。 Rc=16、T3=2T2のデイーゼル機関の典型的な
値を計算する。加えられる熱は、H=T2である。
これは、化学量論による量の26%に当る混合燃料
に相当する。 T2=T1R(G-1) c=3T1 T′1+0.2T3=T1+0.4T2=2.2T1 以上より T′2=2.2T2 及び T′3=T′2+T2=3.2T2=1.6T3 従つて、排気温度は次のようになる。 T′4=0.6T′3R(1-G) c=0.96T4 これは、40%の熱損失を除いた排気温度の推定
される値であるが、実際にはより少ない仕事がな
される。言換えれば、温度は1サイクルにつき
1.6の比で上昇し、ピーク圧力は次式に示され、 P′3=(1.6/2.2)P3=0.73P3 1サイクルにつき0.73減少する。従つて、他の制
限効果が起きるまで、各サイクル毎により多くの
熱損失が起き、有効な仕事がより少なく行われ
る。そのような効果の一つは、圧縮された導入気
体温度T′2が0.6T3、すわなち壁で冷された燃焼気
体温度より高くなることである。この場合、圧縮
ストローク中の熱損失は、壁が予熱されているか
ら、連続して起きる燃焼気体の熱損失を制限す
る。もしT3が同じで、仮に1.6T3とし熱浸透厚さ
に対する熱損失がT3の20%に変化する(他の20
%はT2からの損失である)とすれば、排気ガス
T4は1.2T4に上昇し、利用可能なエネルギーの20
%が冷却水を通してよりもむしろ排気の中で失わ
れるだろう。当然に、これらの関係は極端に複雑
であり、正確な予想を行うために、非常に細い計
算解析がなされなければならないが、しかし上記
解析はこれらの損失を如何にして補正するかの方
針を与えるのに十分である。これらの損失を補正
する方針は、デイーゼル機関がなぜ圧縮比をさら
に上げても、例えば16から20までにしてもなぜよ
り効率を上げることができないということの説明
を補助する。16以上の圧縮比において、有用な仕
事すなわち効率は圧縮比の関数として一定になる
ということが、1966年テーラーによつて明らかに
された。この理由は、圧縮比が増加すると熱損失
が増加するということであり、なぜならば、スト
ローク終期においてクリアランス容積が小さくな
るような形状になり、その結果容積に対する表面
積の比がより大きくなり、さらに熱損失がより大
きくなる。 デイーゼル機関の設計 我々は以下のものを著しく減少させたデイーゼ
ル機関の構成を提案する。 (1) 壁による熱損失 (2) 燃焼中の圧縮比の時間損失 (3) 移動部品の質量 上記構成は、ほぼ層流で分離した過給、燃焼、
及び膨張のシリンダ(2サイクル)の構成を結合
している。 我々は全体の圧縮比を20:1に選んだ。第1の
過給シリンダは容積比が5:1である。それ故、
燃焼シリンダは4:1の容積比をもち、その結果
最終の圧縮比は20:1である。燃焼シリンダの中
の最初の膨張は同じ容積比4:1を有する。もし
燃焼が温度及びその後の圧力を2倍にすると、膨
張シリンダは 5×21/G=8.2:1 の比を持たなければならず、従つて排気圧は周囲
の大気圧まで減少させられる。 この利点は次の通りである。 1 加給のシリンダとピストンとは、1/(2×
4G)=1/14=7%だけ、ピーク燃焼圧力より
低い圧力になる。これはかなり軽量化され、よ
り短いピストンスカート、短ストローク及びよ
り大きい直径をもつように作ることができる。 2 等長ストロークの燃焼シリンダは、直径を
5-1/2=1/2.24=45%だけ小さくなり、または
ピストン領域を1/5だけ小さくなるだろう。従
つて、ピストンとヘツドの最高出力は、同じ出
力とストロークの標準デイーゼルのシリンダよ
り同じ比すなわち1/5だけ小さくなるだろう。
それ故に、重量と摩擦は同じ比だけ小さくなる
だろう。 3 燃焼シリンダの圧縮比は4:1にすぎず、
我々は4rすなわち直径の2倍の長いストローク
を仮定する。もし底部ポートの長さが0.5r(2
ストローク)であるならば、圧縮又は膨張のス
トロークは3.5rである。これはピーク圧縮の大
きなクランク角をもたらす。例として、我々は
圧縮比16:1から20:1、さらに16:1、すな
わち利用効率の67%から70%、さらに67%にわ
たつて燃焼が起こることを想定する。これは燃
焼シリンダの圧縮比が3.2から4、さらに3.2に
なることを示す。これらの変位に対応する全ク
ランク角度は54度すなわち1サイクルの約1/6
である。これは、同等の単一シリンダ2ストロ
ークをデイーゼル、すなわちRc=16.1→20:1
→16:1の変化が24度すなわち1/2.25短いもの
に対応するデイーゼルより大きい。それ故、燃
焼時間の圧縮損失は相当に減少させられる。 4 ピーク圧縮と燃焼期間(16:1→20:1→
16:1)の間の燃焼ピストン・シリンダの構成
は既略半径の1倍の長さである。これは、スト
ロークが半径の3.5倍で3.5の圧縮比の燃焼中の
平均ヘツドクリアランスである。それ故、容積
に対する表面積の比は、20:1の圧縮比に対し
半径の1/9の平均ヘツドクリアランスをもつ標
準的単一シリンダに比較して(1+r/z)=
5倍だけ壁による熱損失を減少するようにする
ことが望ましい。 5 膨張シリンダは過給シリンダより大きく作る
ことができ、その結果、排気の有効な働きをす
べて引出すために、“過膨張”、実際には適正な
膨張がなされる。いわゆる排気ガスの過膨張
は、排気ガスが大気導入圧力まで膨張されるこ
とを意味する。通常、排気圧力は導入時の2な
いし2.5倍であり、気体エネルギは排気タービ
ン及び過給において50%の効率で使用される
か、又は完全に無駄にされる。分離した排気シ
リンダは、燃焼シリンダの小さい寸法と小さい
圧縮比の利点と同じように、適正な過膨張も備
えている。 6 ポートを注意深く設計することにより、我々
は各シリンダ内の層流に近い流れの流れ方向の
渦を起こすことにより壁による通常の大きな乱
流熱交換を減少することができる。これは、各
容積からの気体の移動がほぼ静止し、従つて圧
力降下横断弁が非常に小さいということを要求
するだろう。 加給、燃焼、排気のための分離シリンダ 3つに分離したシリンダの設計の第1の理由
は、燃焼シリンダの圧縮比を、燃焼中のシリンダ
とピストンの構成が概略“ライト(right)”シリ
ンダであるような十分に小さな値に制限すること
である。上記ライトシリンダは、その長さが半径
に等しく、その結果、ほぼ層流に似た流れの流方
向の渦が壁への熱の流れを効果的に減少すること
ができる。燃焼時間の減少、圧縮損失及びヒート
マス(heat mass)の減少は附随的利益である。
他方、2つの追加シリンダと複合弁とが付加され
なければならない。多くの有用な働きは排気シリ
ンダ内で取り戻される。この機械的なエネルギは
(8.2)(G-1)から(3.5)(G-1)までの温度比、すなわち
2.32/1.65=1.41倍だけ燃焼シリンダより大きく
なる。従つて、燃焼シリンダの中での熱損失は排
気シリンダの設計に比較して重要さが少ない。従
つて、我々は層流条件を弱めることによつて燃焼
シリンダを設計する。 燃焼シリンダの設計 理想的な層流の圧縮又は燃焼のシリンダは上に
述べられた。シリンダの壁の頂部にある導入ポー
トはr/2の長さであり、ゆつくりとした層流状
の方位角及び半径の方向の流れを可能にする。こ
の壁滑弁は最高温度1500℃、圧力1800psiの燃焼
において閉じることと冷却することが困難とな
る。しかしながら、リカードは、2・ストローク
滑弁デイーゼルはよく作動するように作ることが
できるということを1953年に明らかにしている
が、本件の場合には導入空気がそれよりも300℃
高くなつている。さらに、シリンダの掃気は、底
部からシリンダを通り頂部までの軸線方向の流れ
によつて非常に都合よくなされる。それ故我々
は、燃料シリンダが2−ストロークデイーゼルに
類似して作られることを提案する。ここで、2−
ストロークデイーゼルは、導入がストロークの底
において通常の環状ポートの中の過給気体(圧縮
5:1、圧力10:1)によつて起きるものであ
る。これらのポートはr/2の長さであり、83度
の導入が可能なスリーブポートと同じになるだろ
う。排気はヘツドの中で軸線方向において中心を
一致させた弁から出て行く。 排気シリンダの設計 燃焼シリンダを出た排気ガス圧力は導入空気の
圧力の約2倍であるので、底部のストローク期間
の一部分は、この高い圧力を過給入口圧力の値に
まで下げるために使用されなければならない。他
方、流入気体は燃焼シリンダに移送され、排気ガ
スを掃気しなければならない。我々は、同時に開
かれる入口ポートと排出ポートとを配列すること
によつてつくられるほぼ層状の流れによつてこれ
を達成することを提案する。それ故、圧力はすべ
て一様になる。 容積は排気ピストンが降下している間変化して
いるので、導入空気と排気ガスは移送されながら
膨張する。圧縮は燃焼ストロークの排気圧力から
始まる。それ故導入空気は、導入ポートが開いて
いる時、平均過給圧の値より高くなるように過剰
圧縮されなければならない。燃焼シリンダの気体
の容積と過給される貯蔵容積との合成容積は排気
ピストンが降下するにつれて断熱的に膨張し、排
気ガスは、導入中に過給設計値にまで膨張する新
しい導入空気によつて置き代えられるだろう。 我々は、この低下をするための2つの方法を述
べる。第1のものは時間が短すぎて作動しないだ
ろう。この低下は排気シリンダの中での断熱的膨
張でなければならないから、排気の2:1の圧力
膨張のための排気シリンダのクランク角度は、低
下の時間となる。この低下の時間は、排気シリン
ダがストロークの頂部から微小容積(1/8.2)
(1/2)=0.0743に変化するための時間である。
排気ピストンストローク長を燃焼シリンダと同じ
くするために、これはcos-1〔1−2(0.0743)〕=
32度のクランク角度に一致させる。次に、排気シ
リンダは、一定圧力すなわちcos-1〔1−4
(0.0743)〕=45度の角度中の過給導入空気の圧力
における排気ガスと等しい容積を受入れなければ
ならない。これら2つの角度の間のタイミングの
差は13度である。これは、過給空気が燃焼シリン
ダの排気を排除するための時間である。この時間
は短か過ぎ、過給シリンダが要求される排除時間
より少ない一定の圧力においてそのチヤージをす
べて分配することを要求する。 スーパーチヤージ保持容積(SUPERCHARGE
HOLDING VOLUME) その代りとして、この問題を避けるために、ス
ーパーチヤージヤーは空気を2倍の導入圧力で保
持容積に供給できる。次いで排気が減少する間、
スーパーチヤージ保持容積の結合容積、燃焼シリ
ンダ、および排気シリンダの最初のストローク内
に2倍の圧力降下が生じる。同時に、完全に充填
された過給空気が燃焼シリンダ内に導入される。
スーパーチヤージヤーのシリンダは、保持容積を
断数的に再充填し、導入圧力の2倍に等しい元の
圧力に戻す。従つて、保持容積は、 〔1/21/G1〕=1.56×燃焼シリンダの容積 となる。このとき、空気の導入は、排気ピストン
のクランク角度が、 arc cos〔1−2(1.56/Rc排気)
〕(1/2)P1/G=40° のときに生じる。 このときは、減少、導入、掃気行程中に導入ポ
ートがほぼ完全に(88%)開くように、83°の燃
焼シリンダの導入ポート開度の中央で首尾よく行
なわれる。次に、低い導入空気速度従つて低い熱
損失を得るために、燃焼シリンダへの入口ポート
の厚さに注意を払わねばならない。導入ポートの
微小ウエブ厚さの20%とすると、有効導入面積
は、 〔1−0.2〕〔0.80〕〔(Pi)r2
〕=0.7(Pi)r2 となる。導入ガスの平均密度は約〔1−1/2
(1−2-1/G)〕となり、これはその最終密度の0.8
となる。また、有効面積は燃焼ピストン面積のほ
ぼ87%となる。1/2ストロークに比べ微小導入時
期は〔2/(Pi)〕〔40/180〕であり、従つて導
入ガスの半径方向速度は、 〔2/(Pi)〕〔1/有効面積〕〔180
/40〕=3.3×ピストン速度 となるであろう。 軸線方向の渦流の方位速度(azimuthal
velocity)を、半径方向導入速度の1.5倍に選定す
る。この比率は、ベーンとして働らくウエブの角
度によつて決定される。この場合、ガスは圧縮中
に、 (速度×ストローク時間)/円周=約4回 作動し、膨張中にも同様に作動する。そのとき、
燃料が軸線方向渦流の内方25%の質量分率
(mass fraction)で燃焼するものとすれば、熱
交換は10〜15%となるはずである(25%の等量燃
焼(stochiametric burn)として)。 掃気(SCAVENGING) 入口の過給導入空気は、燃焼生成物に対して遠
心方向に強く(“heavy”)作用する。このこと
は、導入空気がより低温であり排気ガスよりも大
きな角度モーメントを有することを意味する。導
入空気が未だ燃焼されていないために低温であ
り、かつ、導入空気が壁と接触してスピンダウン
していないので角度モーメントが大きいのであ
る。従つて、導入空気は、シリンダ壁と接触する
薄い層として流入する傾向になり、小さな半径に
向つて従つて1/2半径における排気弁に向つて高
温のガスを押しのける。排気ガスのコアの内方1/
8の部分の質量(容積で1/4、密度で1/2)は、燃
料噴射のモーメントによつて弱い渦流をひきおこ
される傾向がある。このことは、流入する冷たい
導入ガスとの相互作用に都合が良く、かつ、排気
弁から掃気されるのにも都合が良い。もしも排気
ガスの残量が非常に大きなとき、すなわち、掃気
が不充分なときには、排気弁の大きさを1/3の半
径に減少して排気質量の5%のみが残るようにす
ることは簡単である。軸線方向の渦流は制御排気
弁で制御されるので、有効な掃気が行なわれる。
リカルド(1954年)は掃気について問題を提起
し、導入ガスに“渦流(swirl)”の概念すなわち
回転角度モーメントを導入した。このことは、リ
カルドの排気ポートもまたシリンダの周壁に設け
てあつて、軸線の近くには設けてないからであ
る。次いで導入ガスは排気ガスを周壁のポートか
ら離れて軸線に向けて押しのけ、結果として掃気
は不充分であつた。 デイーゼル機関の設計 第10図に示すように、3つのピストンすなわ
ち過給ピストン201、燃焼ピストン202およ
び排気ピストン203は、夫々のシリンダ20
8,209および210内において、クランクシ
ヤフト204およびクランク205,206,2
07により駆動される。スーパーチヤージヤのシ
リンダ208は、クランクシヤフト204のカム
212によつて駆動されるシリンダ壁スリーブ弁
211を有する。これらのカム212は、シリン
ダ壁スリーブ弁211を駆動して環状ポート21
3を開閉させ、直状ベーン215を備えた渦流入
口により発生される回転循環流により導入空気を
環状ブレナム室から吸引している。この回転循環
流によつて、スーパーチヤージヤのシリンダ内に
導入空気の軸線方向渦流216が発生される(第
11図参照)。導入ポート領域213が大きなこ
とおよび軸線方向の渦流216によつて、シリン
ダ壁208との熱交換は小さくなり、スーパーチ
ヤージヤーの空気は断数的に圧縮されて、リーフ
スプリング排気弁217を通つてシリンダから排
出される。リーフスプリング排気弁217はシリ
ンダヘツド218内に半円形状に設けられている
ので、軸線方向の渦流は半径のほぼ1/2の所でほ
ぼ回転流の方向にシリンダから排出される。過給
空気は82倍に圧縮されて約280PSI(約19.69Kg/
cm2)となり、ダクト219内を通つて室220内
に運ばれる。この室220は圧縮空気(過給空
気)の体積を燃焼シリンダ209の容積の1.56倍
に保持する。ダクト219の壁およびこの室22
0は、熱損失を減少させるため断熱されているか
あるいはセラミツクのライニング221が施して
ある。 作動時においては、シリンダ208および貯留
室220内の過給空気の圧力は、排気が行なわれ
る直前の燃焼シリンダ209内の圧力とほぼ等し
くまた、同時期での排気シリンダ210内の圧力
にも等しいので、これらの3箇所の圧力はすべて
等しくなる。燃焼ピストン202は、燃焼シリン
ダ209の底部ポート222および燃焼シリンダ
ヘツド224の排気弁223に直接さらされてい
る。ガスは次に、ほとんど一定の圧力でかつ断数
的に移送ダクト226を通つて貯留室220から
圧縮室の入口のブレナム室225に移送されるの
で、きわめて僅かの乱流が生じる。排気シリンダ
210内での排気ピストン203の膨張によつ
て、圧力が280PSI(約19.69Kg/cm2)から140PSI
(約9.89Kg/cm2)まで2のフアクタで減少される
とき、燃焼シリンダは新らしい過給空気で充填さ
れ、排気弁223が閉じられる。次いで過給空気
は、燃焼ピストン202のトツブリングが入口ポ
ート222を覆うことによつて燃焼シリンダ20
9内に留められる。入口ポート222は、シリン
ダの半径に対し約60°傾斜した多くのベーンを有
するシリンダに360°の開度で開口している。過給
ガスの圧力比は5:1であり、この比率は燃焼シ
リンダ209に対する過給シリンダ208の面積
比に等しい。燃焼シリンダ209内の過給空気の
更なる圧縮は燃料噴射の前で4:1であり、従つ
て、全圧縮比は20:1となる。燃料は、エンジン
のクランクシヤフト204により駆動される標準
的な燃料ポンプ(図示せず)によつて駆動される
標準型の燃料噴射装置228によつて燃焼室内に
噴射される。 燃料が微細滴227(第12図参照)として噴
射されて燃焼噴射装置228の軸線のまわりの渦
流229となると、円錐状に拡つた微細滴はシリ
ンダ壁に向かう半径方向の遠心力を受けるまで、
軸線方向の領域内に留められる。燃料の炎状の燃
焼は渦流の中心領域に留められ、未燃焼の微細滴
燃料のみが有効酸素の存在する予燃焼領域に向つ
て半径方向に逃散する傾向をもつ。従つて燃料が
燃え尽きるまで燃焼は半径方向外方に向つて徐々
に進行する。高温の燃焼生成物はシリンダ壁20
9から分離して留まり、ピストン202およびヘ
ツド223のみが制限された領域で高温ガスにさ
らされる。本発明の他の目的は、層状に近い渦流
を利用して燃焼がシリンダの容積の中央軸線領域
で行なわれるようにすること並びに作動ガスとシ
リンダ壁との間の熱流を減少することである。 管状の排気弁223は、第10図に1例を示し
第12図に他の例を示してあるように、特別の円
筒状の設計になつている。第10図に示すように
弁223はオーバーヘツドカム230およびシヤ
フト231によつて駆動され、また、シヤフト2
31によつて支持された中央の円筒状ヘツド部分
232の上に載つていて通路233内で水冷され
て1100℃にも及ぶ高温の排気ガスによつてもオー
バーヒートしないようになつている。更に、半径
の1/2の環状開口によつて、軸線方向の渦流22
7が排気ガスダクト234内で誘起される乱流が
あ最小となるように室から排出できるようになつ
ている。このダクトは、熱伝達を減少させるため
セラミツクコーテイング又は他の耐熱断熱材でラ
イニングされている。排気ガスダクト234は短
かくかつ排気シリンダの容積210の数パーセン
トとなるように小さな容積で形成されていて、燃
焼シリンダと排気シリンダとの間の弁のみが排気
ガス弁223となるようになつている。 排気ガスは半径に対してほぼ60°の角度をなし
て導入ポート236を通つてダクト234から排
気シリンダ210に入り、軸線方向の渦流237
が形成されるようになつている。排気弁223
は、排気ピストン203が上死点後の1/5ストロ
ークにあるときに閉じられる。これは、排気ガス
が280PSI(約16.69Kg/cm2)から140PSI(約9.89
Kg/cm2)の圧力に膨張する時である。排気ピスト
ンは次いで、最大速度の2/5の速度で移動し、導
入ポートの領域236は、流入ガスが最大ピストン
速度の4倍で移動すべく、ピストン領域の1/10と
なるように設計されている。方位角(azimuth)
の周りでピストン領域の1/10のポート領域を与え
るには。〔(Pi)/2〕又は1/4回転(turn)とな
る。 次いで排気ピストン230が、全容積比が
8.2:1となるまで、排気ガスを膨張させる。こ
れにより、ストロークの終時に大気圧まで圧力が
降下する。排気弁238は、燃焼シリンダ209
の排気弁224と同様に設計されていて、燃焼シ
リンダの排気ポートと同様にカムシヤフト231
により駆動されるカム239によつて開かれる。
排気弁238は、排気ピストン203が上死点に
至る直前まで開いたままに保たれる。排気ポート
のリード角は、入口ポート222および排気ポー
ト224が開かれる直前の燃焼シリンダ209内
の280PSI(約16.69Kg/cm2)の圧力まで捕捉された
ガスが圧縮されるような角度である。排気ガスは
渦流241および排気ポート242を経て排出さ
れる。 第12図に示すごとく、排気チヤンバと同様な
燃焼チヤンバのヘツド部分250は弁内のスロツ
ト256を通つて延びるラグ254によりスリー
ブ弁252内に支持することができ、弁は弁上の
タペツトヘツド260を通る揺動アーム258に
よつて作動される。 第14図のタイミング図表は、ピストンと弁と
の相対タイミングを示すものである。過給ピスト
ン201の上死点からスタートして、導入スリー
ブ弁211は90°前方にあり、ちようど開かれよ
うとしている。燃焼ピストン202は、燃焼排気
弁224が開かれる直前の138°の位置にあり、燃
焼ピストン202が導入ボトムポート222を開
けている。排気ピストン203もまた上死点にあ
る。82°のより遅い時期において、ボトムポート
222が閉じ、180°の位置で過給導入ポート21
3が閉じる。過給シリンダ208および燃焼シリ
ンダ209の両シリンダ内で圧縮が行なわれる。
燃焼シリンダ202の上死点の約20°前方におい
て、燃料の噴射が始まり、膨張工程に続いて燃焼
工程が始まる。 オツトーサイクル機関 前述のごとく、オツトーサイクル機関(すなわ
ちガソリンを燃料としキヤブレタを使用するも
の)では、通常最大の乱流が生じるように設計さ
れる。ピストンのクラウン部又はヘツド部が小さ
な直径をもつように設計されるとき、再流入容積
およびピストンの外径とヘツドとの間の間隙は小
さく作られていて、ガスは再流入容積内に詰め込
まれる。これはスキツシユ(squish)と呼ばれ
る。というのは、小さな間隙容積内のガスが再流
入容積内に“squish”すなわち詰め込まれて、ス
トロークの終時に乱流を発生させるからである。
前に説明したように、乱流を生じさせる目的は、
シリンダ壁と接触する空気と燃料との混合気を中
央の高温で燃焼するガスと連続的に混合させて完
全燃焼させ、大気汚染の原因となる未燃焼ガスが
生じないようにするためである。しかしながら、
乱流は熱損失をを増大させることになる。 以上、燃料を層状渦流の軸線に沿つて導入し、
シリンダ壁から燃料を遮断させることによつて燃
焼効率を向上させたデイーゼル機関について述べ
てきた。デイーゼル機関については、燃料は、爆
発を要求される直後に噴射される。オツトーサイ
クル機関においては、燃料と空気とは予め混合さ
れているので、この場合には常に燃料−空気の混
合気がシリンダ壁と接触するが、逆に燃料噴射型
機関においては層流状(“stratified”)充填を行
なうことができる。もしも、上死点前に層流状渦
流の軸線に沿つて燃料が噴射される場合には、微
細滴の大きさ、過流速度および蒸発速度によつて
決められる半径の外でのみ燃料が空気と混合す
る。その結果生じる層によつて、空気−燃料の混
合体がシリンダ壁に到達することが十分に防止さ
れる。この場合には、燃料−空気の混合体がシリ
ンダ壁と接触することは殆んど又は全くなく、従
つて、完全燃焼させるために乱流を与えることは
要求されない。オツトーサイクルの燃料噴射型エ
ンジンにおいては、ヘツド弁の形状によつて或る
程度の“渦”(swirl)が時々発生して軸線方向の
渦流を生じさせるが、制限されたポート領域から
のガス導入速度は非常に大きく流れが非均一にな
る。にもかかわらず、燃料と空気の完全な混合体
はシリンダ周壁に向かうので、完全燃焼させるに
は乱流を生じさせることが必要とされる。従つ
て、渦流の中心部の燃料が濃いところで燃焼が続
けられる。渦流の中心におけるヘツドおよびピス
トンのクラウン部と接触する空気−燃料混合体
は、オイルフイルムの摺動によつては冷却されず
に高温に維持された表面と接触している。従つ
て、幾分かの熱誘導損失が期待できる層状渦流方
式の燃料噴射型4−ストロークオツトーサイクル
機関の設計を行なえるから層状渦流方式のため熱
損失および燃焼損失は殆んどなく、それゆえ、シ
リンダ壁からの汚染物質も減少される。 この作動サイクルは標準の4−ストロークサイ
クルであり、圧縮および爆発は、上記3シリンダ
のデイーゼル機関に比べ同じシリンダで行なわれ
る。小さな圧縮比(例えば8:1)のオツトーサ
イクル機関は、この要望をうまく行なうことがで
きる。 スーパーチヤージヤーを設ければ、最終圧縮容
積が過給比に比例してより好ましいものとなり
(ヘツドクリアランスが大きくなるので)、一層有
効な設計を行なうことができるが、スーパーチヤ
ージヤを設けない場合であつても燃焼時にシリン
ダの周壁から離れている層状の軸線方向渦流のた
め熱損失が大幅に減少されるであろう。 4−ストロークオツトーサイクル機関 第15図および第16図において、シリンダ3
02中のピストン301はクランクアーム303
およびリストピン304によつて、4−ストロー
クモードでクランクシヤフトによつて駆動され
る。ピストンは、滑らかなピストス頭部とヘツド
306との間にクリアランス305がある状態で
燃焼が起るときにおける頂部死点にある状態で示
されている。ヘツドクリアランス305は寸法上
R/4(Rはピストン径)であり、ピストン径に
等しい代表的なストローク表(2R)に対して、
R/4のクリアランス305は8:1の代表的な
オツトサイクル圧縮比に対応する。圧縮容積は、
下部シリンダのクリアランスおよびヘツド306
のクリアランス内にあるスリーブ弁307によつ
て制限される。リカルドが論述するように、これ
らのクリアランスは、外部壁に対する完全な摺動
接触がなされて熱を抽出して膨張を制限するま
で、スリーブ307が熱によつて膨張するよう
に、自動的に調節される。スリーブ弁307はピ
ストンを越えて延びてシリンダー壁の切欠き容積
部310に入つている。この切欠き容積部は、零
であつて弁座として働いてもよく、または、もし
大きければ、捕獲気体が圧縮されないようなもの
である。スリーブ弁407は開くようにばね装荷
され、2つのカム311によつて作動される。す
なわち、スリーブ弁307は第13図に示すよう
に、ロツカーアームによつて作動されることがで
きる。スリーブ弁内のヘツド部分312はカムシ
ヤフトによつて支持されているが、第13図のよ
うにも支持できる。 吸引ストロークの始めにおける頂部死点におい
て、スリーブ弁は後退して、渦巻形空気入口32
0中のベーン316によつて真すぐにされた流入
空気のモーメントによつて形成した軸線方向渦と
しての空気吸引用のプレナム室315にポート低
域314を開口する。 ヘツド306は燃料噴射器317、、スパーク
プラグ318および排気弁319を含む。燃料噴
射器は、完全な標準タイプであるが、燃料スブレ
が軸線方向に対称的であり且つ渦層負荷となるよ
うに、軸線方向に取付けられている。点火ブラグ
318は回転流れに対してできるだけ動揺を少な
くするようにヘツド306と同一の面内にあるス
パーク点火表面を有する。そのような点火ブラグ
は航空機の点火ブラグを代表するようなものであ
る。同様に、排気弁319の底部表面は渦流を動
揺させないように滑らかである。排気弁319は
カム321によつて駆動される。 第16図は、ピストン301、ヘツド306お
よび2つの渦巻形のブレナム室315を示す。ベ
ーン316は吸引渦324および内部軸線方向渦
325を発生する。ベーン316における渦巻の
吸引領域は、吸引渦がピストンの小さい径におけ
るピストンの速度の約4倍の速度を有するよう
に、ピストンの吸引領域の1/3である。その結果、
ピストン速度の2倍の半径方向吸引速度は軸線方
向の渦よりさらに小さく(約1/2)そのため軸線
方向の渦は流れを支配し環状の渦、すなわち半径
方向の渦が形成されるのを防いでいる。 タイミングダイヤグラムは任意の4−ストロー
ク機関と同一であり、4−ストローク機関のタイ
ミングは周知であるのでここには示さない。唯一
の小さな相違は、吸引スリーブ弁307の開閉用
のカム形状である。ポート領域はスリーブ弁の開
きの程度によつて決められる。この領域は、半径
方向速度対方位角方向速度の比が吸引中一定であ
るように、ピストンの速度に比例している。 したがつて、弁の開きはクランク速度の正弦に
比例する。このことは製造に対して最つとも簡単
なカムであり、オフセンタ円である。このように
して、軸線方向渦の半径方向モーメントばかりで
なく角モーメントは吸引ストローク中一定であ
り、その結果、子午線方向の循環すなわち半径方
向の循環が最小になる。このことは熱損失を最少
にする。 結論 作用気体およびその境界面からの熱の流れまた
はそれらへの熱の流れの決定的に制御がある容積
形機械が設計される。その結果、そのような機械
の熱効率における主要な改良となる。制御方法
は、静止薄層流の発生、さらに具体的にいうと、
拘束容積の対称を利用できる安定渦中の薄層流の
発生によつて乱流熱移動を否定することである。 極めて低い熱移動の達成は、いつでも吸引した
乱流速度が押退け速度に比較して小さく且つ壁と
接触する作用気体の全押退けがほぼ50のチヤンネ
ル巾に比較して小さい距離であることを要求す
る。このことは、完全な乱流を誘発するのに必要
な大きなレイノルド数において滑らかな壁に接触
する流体押退けの距離である。適当な吸引ポート
の設計および小さい押退けは薄層流を保証する。 この原理内に実施例は存在し、(1)自動車寸法の
ヒートポンプに適応しうる関節式ベーン圧縮機−
膨張機(2)断熱形空気圧縮機、(3)デイーゼル機関
((a)予備圧縮、(b)後圧縮、燃焼および予備膨張、
(c)後−排気膨張が3つの別個のシリンダで実行さ
れる)および(4)好ましくは燃料噴射を伴なう2お
よび4ストロークオツトーサイクル機関である。 ある場合のこれらの設計の熱効率は、実施され
ているものの2倍よりない。このことは、今まで
気体から壁への熱膨移動は吸引した乱流のレベル
に敏感であるとしては充分取扱われていなかつた
ことによる。リカルド(1954年)およびテイラー
(1966年)の如き古いテキストブツクはほとんど
機関内の乱流パターンさえ考慮していない。近年
のモデルおよび測定は吸引した乱流パターンをあ
いまいに示しているに過ぎない。この流パター
ン、熱損失、得られる効率および必要な正確測定
間の関係は本発明の基礎である。 参考資料 (1) 本 “米国物理ハンドブツク”1963年ブレンテイ
スホール発行、ニユーヨーク、頁256および257 ルカルド.エツチ.アール著(1954年)“高
速度内燃機関”ブラツキーマンドサン発行、ロ
ンドン、イングランド テイラー.シー.エフ.著“理論および実際
における内燃機関”1966年1巻2章 (2) 記事 ゴスマン.エー.デイ.ジヨーンズ.ジユ
イ.アール.ワツトキンズ.エイ.ピー著
(1978年)“往復エンジンにおけるインシリンダ
プロセスに対する予想方法の開発”ブロツク、
ゼネラルモーターズ シンポジユーム、デトロ
イト.ミシガン.頁103(第16図) モース.ユーピー.ホワイトロー.ジエイ.
エツチ.イアネスキーズ.エム著(1979年6
月) “モーターのピストン−シリンダ組立体におけ
るレーザードブラー風力測定による乱流測定”
流体工学ジヤーナル、ASME議事録101巻頁
215(第17図) (3) 特許 ブリユワー等の米国特許第3343782号明細書
(1967年9月26日発行)(シーリング“ワツシ
ヤ”を用いるローター端シーリングおよびロー
ター軸等との関係) エゾツブの米国特許第3346176号明細書
(1967年10月10日発行)(ローターおよびストリ
ツパーランデイング間のシーリングおよびスト
リツパーランデイング上に2硫化モリブデン被
覆を用いること) ブリユワー等の米国特許第3356292号明細書
(1967年12月5日発行)(急速な圧力変化を減少
するためのハウジングの内部壁上の切欠き。軸
受シユーおよびシーリングシユ。また、ベーン
の特殊な材料と組合せ) パセツク等の米国特許第3370785号明細書
(1968年2月27日発行)(プーリーに取付けられ
た“インペラー”デイスクニアフイルター)。 アドシツトの米国特許第3401827号明細書
(1968年9月17日発行)(シーリングシユーを保
持するために適所にモールドされたブラスチツ
クローターライニング、軸受シユーがライニン
グでモールドされる。) ブリユワー等の米国特許第3419208号明細書
(1968年12月31日発行)((1)シーリング兼軸受シ
ユーおよび整列だぼを保持するスポツト溶接し
た金属ローターライナー(2)つり合重りが容易な
組立を可能にするように曲がつている。(3)つり
合重りのハブにモールドされたベーン(4)強化熱
硬化性プラスチツクでモールドされたベーン(5)
ベーンプラスチツク中の種々の組織(6)ハウジン
グ中にモールドされたボール軸受(7)組立を容易
にするためのボール軸受より小さいプーリーの
ハブ) ローデの米国特許第3437264号明細書(1969
年4月8日発行)((1)ロータおよび凹部中のハ
ウジングの端部においてシールするためにコー
テイングを有するローター(2)ストリツパランデ
イングおよびコーテイングの関係(3)コーテイン
グがMoS2を含む) ローデの米国特許第3437265号明細書(1969
年4月8日発行)(シユーの基部およびそれら
の保持ストリツプ間のくさび状空間) ステイルズ等の米国特許第3844696号明細書
(1974年10月29日発行)(つり合いがとれた2つ
のベーンが延びているロータユニツト:入口ポ
ート上の雑音を減少するためのおおい) ジールの米国特許第3954357号明細書(1976
年5月4日発行)(ベーンが枢着されるピン用
の案内トラツク中にパイロツトスリーブを保持
する標準の2ベーンユニツト)。
【table】 Heat capacity of compressed air with 8 times more fuel =
5×10-3calcm-3 Turbulent heat exchange with smooth surfaces If a gas flows through a pipe with smooth walls
Then, the characteristics of turbulent fluid heat exchange are that the gas is about 50%
Diameter (American Physics Handbook, 1963)
such that it reaches thermal equilibrium with the wall after moving
be. This is also the same sticky slow length.
Yes, or at a length where kinetic energy is wasted.
be. The amount of “50 pipe diameter” is laminar flow low layer
Determined by special characteristics of (Iaminar sud−layer)
determined. This is a combination of turbulent fluid flow and smooth pie
This is the boundary layer between the wall and the wall. cylinder or other
In the case of a compressed volume of , a suitable requirement is the stroke
The fluid (or gas) moves in contact with the wall for a period of time.
This is the distance. high velocity of the gas relative to the chamber
If the gas enters through the valve, it will be compressed or expanded.
is circulated many times in the compression chamber during the expansion stroke.
circle. The number of cycles of circulation is the speed of the piston
The ratio of the velocity of gas entering through the input valve to
It can be roughly estimated by piston surface
The average ratio of valve area to product is about 20:1 (Taylor
(1966), and the gas entering the cylinder is
The speed is 10 to 20 times the ton speed. in general,
The turbulence created by the flow is transferred through the pipe.
caused by normal pipe flow of a moving fluid
The gas is compressed relative to the volume so that it is greater than the turbulence.
and invade the chamber in a non-contrastive manner. Therefore the wall
The heat exchange becomes larger when the turbulence becomes larger.
Will. A straight pipe with gas flowing through the corner
It is disturbed by the flow, so a circulation of about 10 degrees will increase the flow by about e times.
heat exchange is expected. therefore entrance was restricted
A typical piston with a valve can either compress or expand.
Approximately half the wall of the differential heat of the gas during the time of the boiling stroke
and gas to enable heat exchange. wall against gas
Since the differential temperature difference is approximately 1/2 of the total temperature difference, the heat
Roughly 1/4 is lost to the wall. Such gas handling
This large amount is a major source of inefficiency in modern equipment.
This is a good heat exchange. The only way to avoid this heat loss is
The method involves forcing the gas into the compressed volume at low velocity.
The goal is to be able to do this. The gas is stroking
The distance traveled during the arc (measured in diameter) is small.
heat exchange is small. The fluid velocity of the invading gas is
If equal to the velocity of tons or other compressed members
For example, it is a weakly turbulent boundary layer, that is, an incompletely laminar flow.
Perhaps an alternative to small turbulence is expected. turbulence
A state where almost no flow exists is called a flow close to laminar flow.
Make it. Thus the critical design is the compression or expansion sensor.
Creates a nearly laminar flow in the input gas for the cycle.
It is to give out. The flow is close to laminar at the piston speed.
If the flow is large, the inlet port area should be the entire piston.
must be close to the area of the tunnel. Similarly bloated
In a bulging engine, the inlet port is equal to the piston area.
I have to go. This also applies to rotating vane equipment.
Applies to the location. Non-reduction due to wall-to-gas heat exchange in an adiabatic cycle
efficiency Intermediate temperature T during the post-compression stage2isothermally held at
If instead of full adiabatic compression, the maximum
Initial temperature T1The final temperature of the gas at is T3It will be
Assume that the data is compressed as follows. T1is T2smaller,
T2is T3smaller. gas after leaving the piston
The thermal energy of is the ratio T2/T3smaller than by
stomach. (The mass of the gas is retained.) Therefore, the inefficiency factor
Heat loss is the heat present in the gas (T3
T1) divided by the difference (T3−T2).
Depends on the cooling of the cylinder walls and other factors
T2is T1and T3is only half of the
The efficiency is 50% when the position is accompanied by adiabatic compression. the wall
The temperature reached T2is a combination of heat exchange process and wall cooling.
It becomes a complicated function. In general, gas is
There is no equilibrium at all points, and this heat loss
Approaching loss actually occurs. However, theoretical
It is said that up to 50% of the maximum heat can be exchanged.
The fact that simple calculations show that this heat
Equipment to avoid short circuits and associated loss of efficiency.
This is sufficient reason to design a new location. wall is at temperature T2on the wall if maintained isothermally at
This heat loss to the refrigeration cycle or
is actually used in compressors such as ordinary air compressors.
will be of benefit. However, against the wall
Gas heat exchange is more complex. If you care
the body losing heat to the walls during part of the cycle
If the wall is hotter than the gas, then the gas is
heat from the walls during other parts of the cycle.
I can do it. The wall is temporarily exposed to air due to the penetration thickness effect.
Hotter than my body. This method of heating gas from the wall
The penetration thickness effect is that when the wall is hotter than the inlet gas, the gas
heating occurs in the introduction section, so the efficiency of the compressor is
Particularly harmful. Then the gas is an ideal insulator.
It is compressed at higher heat than the cycle, thus doing more work.
than would be required for an idealized cycle.
required. Thus heat is exchanged by a harmful phase lag.
will be replaced. Figure 2 shows a
These ideal cycles are shown below. The gas has a constant pressure P0along the temperature T0Deji
Volume V during the complete introduction stroke0up to cylinder
is absorbed into the. In an ideal cycle, pure
Volume V along the neat adiabatic curve 10Start compression with
Volume V1and temperature T1The final reservoir pressure at
P1reach. heating the gas by the wall
There are several possibilities. (1) Only during the introduction the gas is affected by +Tdiff.
The pressure-volume relationship is the same if the
It remains the same. In other words, the gas is compressed by assumption
Heated by the entrance wall rather than between the
, the compression is adiabatic and therefore the same state V1,
P1However, at high temperatures T=
(Tdiff+T0)/T0×T1It is. After excessive heat
, thus releasing the same mass of gas
requires more work. (2) After the start of compression, heat can be added and air
The body follows steep curve 2 due to the purely adiabatic curve.
cormorant. Then the temperature of the gas will exceed the temperature of the wall.
The curve becomes curved, returning heat from the gas to the wall.
Bend over curve 3, which has a slope smaller than adiabatic curve 1.
Garu. The required work will become even greater. rhinoceros
The wall cooling of the compressed gas at the end of the cell creates an adiabatic field.
V at1T in1V belowFourfinal energy in
Body temperature TFourAt the point where the curve actually decreases
4 is more realistic, but the net work is in the adiabatic field.
exceed the limit. (3) The wall is completely cooled and the temperature T0to hold in
, the gas can completely exchange heat with the wall
and then the compression is equal along curve 5
It's warm. This is the final temperature TFive=T0Nii
Minimum work cycle to obtain cold gas
It is le. (1) From the outside to the inside on a temporary foundation
(2) turbulent heat exchange
Partially in normal cylinders and pistons
Since it's only valid for
cannot be achieved. Heat loss and adiabatic cycle summary Heat exchange occurs due to the turbulent flow of the introduced gas.
Maximum gas mass or minimum temperature T0If the wall
temperature T0or the introduced gas is maintained in a laminar flow.
If the flow is close to
It will be done. The same argument applies during compression. death
However, the discussion of thermal penetration thickness is
If it is thicker than the outside, the heat flow will be averaged on the outside.
but on the inside it heats and cools alternately in thin layers.
He says he will want to do so. If the gas is turbulent
If this alternating hot and cold heat pool
This will cause heating of the incoming air at the worst possible time.
the compressed gas to a hotter temperature T3before reaching
Recorded temperature T3, the higher average temperature of the walls transports heat
heating the gas even further until it is allowed to leave,
Requires more work etc. this is inefficient
It is a compressor. Compression as well as layers reduce turbulence
By having a flow introduction close to the flow,
It is even better to reduce the heat exchange between the body and the wall.
stomach. Temporary due to partial turbulence and thermal penetration thickness
Heat exchange is detrimental to all positive displacement devices. Yes
As a practical measurement, Taylor (1966) found that approximately 30%
Blaming the efficiency loss on heat loss within the gasoline engine
Heat loss in the diesel engine causes a loss of efficiency of 50%
blame the loss. In other words, gasoline engines are 30%
can be 45% efficient instead of
Zell engines will be at 70% rather than 35% to 40%.
I can do it. These are great advances and therefore
Justifies some degree of complexity to achieve them
become thin layer heat exchange If we assume that the volume has corners, then the fluid
Don't exchange heat with the wall in something like 10 diameter motion.
If the velocity of the incoming fluid is
of other moving boundaries of restricted volume (e.g. rotating vanes)
that the speed cannot be much greater than
means. These speeds in a typical device are
The speed of sound in the gas is usually less than 1/10, so the inlet port
The differential pressure at the point is only about 1% of the gas pressure.
It means that. This means that the piston port
It must be designed with an area roughly equal to the area of
It means something. Gas pressure like a reed valve
A valve that opens by
tens of inlet gases to reach large heat exchange losses.
inevitably cause high speeds in minutes, but
A tube-type intake valve works well. On the other hand, the exhaust port
It doesn't have to be that big; in fact, a reed-operated valve can
Something can happen. Because it leaves the cylinder
The gas creates a turbulent flow inside the cylinder during the exit process.
It doesn't start. As a result, the strip exposing sidewall area
Only with the relative complexity of a leaved inlet valve
It is possible to create a piston compressor with laminar flow ports.
It is Noh. This area is the total area of the cylinder head.
, but the substantial reduction in heat loss is
Layers with small introduction ports, e.g. cylinder head area
It brings about one-half of On the other hand, vane-type devices have vanes located outside the compressed volume.
If it does not rest on the wall, the inlet port area will be compressed.
It seems that the area is as large as the total cross-sectional area of the expanded volume.
can be designed. otherwise inlet port
is to support the vane as it passes
unless somewhat restricted by the strings required for
No. Therefore, the inlet is approximately equal to the total cross-sectional area of the compressed volume.
The gas at the inlet has the same velocity as the moving boundary of the restricted volume.
special precautions are taken to ensure that the
A specially designed ported engine is provided.
In this mode the gas flow during compression and expansion
A thin layer close to the inside of a medium-restricted volume, reducing heat loss to the wall
Loss is greatly reduced. In many heat engines,
This translates to improvements in fuel efficiency by up to two factors.
make good possible. laminar and turbulent flow Turbulence refers to fluid flow when two conditions match.
It is drawn out. (1) Kinetic energy of average flow range
Less sticky waste or flowing putter
Reynolds number is large. (2) The slope of the velocity distribution is
not constant, i.e. the distance perpendicular to the average flow
the first derivative of velocity as a function of separation.
There are limited derivatives. Therefore uniform variations within the flow
The shape is not enough to initiate turbulence. During actual turbulent flow, fluid flow in contact with a hard surface
promote friction (and heat transfer). Smooth
Because it enters the fluid from a solid surface, it comes very close to the wall.
In the flow, fluid friction caused by viscosity causes turbulent friction.
The dimensions are small so that it is larger than the scraping, so it is a thin layer.
Become. Reynolds number greater than 100 (perpendicular to the wall)
at a critical distance into the flow (measured at
So, first there is only room for a small vortex, so
A small vortex forms and then moves further into the fluid.
As the flow progresses, it gradually becomes a larger vortex and the flow becomes turbulent.
Ru. The size of the vortex as it moves from the surface into the fluid.
The length is called "logarithmic change." For example, an airplane
Turbulent contours further downstream along the wing
extends further into the fluid. This to smooth surface
The penetration depth is small, about 1/10 to 1/20 of the downstream distance.
It is a part. Thus the flow is everywhere in the fluid
can travel relatively long distances before causing turbulence.
Ru. This is because small vortices close to the wall are inside the fluid.
This is to create an even larger vortex. other
If the wall is very rough with large protrusions
The turbulence is caused very quickly and the roughness
In other words, a vortex is formed immediately due to the size of the protrusion.
Ru. Airplane wings have a ratio between 10:1 and 20:1.
Smooth so that the ratio of buoyancy to drag is achieved.
The spoiler (protruding vertically)
If you use a flap that
The turbulence is large and the ratio of buoyancy to drag is 2:1.
Or it will be 3:1. On the other hand, if the flow is completely laminar
If so, a buoyancy to drag ratio of 100 or more is possible.
It is Noh. Thus, on a relative scale, weak disturbances
A smooth wall with a flow boundary layer is prevented by a spoiler.
In order to counter the severe turbulence that occurs when
It is as if the drag characteristics were a “layer-like flow”.
It works like this. In the case of rotational flow in a cylinder, the flow
contact with a smooth wall that does not have a
The flow is close to laminar flow. Azimuthal
vortex) is a flow diverted by a sharp corner
, and thus the flow will be more turbulent. this
However, even though the azimuthal vortex is sufficiently turbulent, the axial
The reason why linear vortices are called “near laminar flow”
It is. Finally, the slope of radius and velocity is constant
Therefore (state 2), the radial action and
The deformation of the velocity distribution as follows does not cause turbulence. wall
Only contact with or friction causes turbulence.
This discussion of near-laminar flow along a smooth surface
, the flow immediately upstream from the surface is itself a layer.
It is a flow close to the flow, and from the speed along the problem surface
be of velocity and direction that are not significantly different.
Ru. General description of insulated positive displacement devices According to the invention, a positive displacement device (piston cylinder
and vane compressor, expander) efficiency is
It provides a near laminar flow of gas into the chamber and
Heat flow to and from the walls of the chamber through
shape and size that substantially reduces
through an inlet passageway (or several inlet passageways) with
to introduce gas into the compression or expansion chamber.
Substantial improvements can be made by adding fixie
In the case of a piston-cylinder device, approximately 1/1/2 of the area of the piston
an inlet passageway having an area approximately equal to from 2 to 2;
Preferably a three-way tube extending 360 degrees around the cylinder.
Inlet port opened and closed by valve
Due to the passage that opens at
achieved. The passage is the tangential velocity of the cylinder
Introducing gas into the cylinder by a substantial component of
, thereby creating an axial vortex flow.
and radial vortex formation and high turbulence, heat exchange
A plenum chamber arranged to prohibit
There should be two or more spirals. Be
In the case of installations, both the inlet and outlet passages
Both have a speed substantially compatible with the speed of the rotor vanes.
A near laminar flow is maintained at a certain degree, thereby
between the gas and the rotor vane and the equipment casing wall
cross-sectional area along its length such that it reduces the heat flow of
have. Preferably the casing of the vane device
wall to reduce heat flow within the wall and prevent wall thermal short circuits.
From materials with low thermal conductivity to minimize
able to make. 4 Stroke Otto-Cycle Engine The inlet passage is at the top of the cylinder like a plenum chamber.
It extends 360 degrees around the
operated by a musshaft or crankshaft
It is opened and closed by a sleeve valve. The fuel is
collected for combustion in an area spaced from the cylinder wall.
Introduced into the cylinder along the axis so that the
It will be done. The plenum chamber has an axial vortex within the chamber.
oriented diagonally to the tangential direction to create a flow.
It has hollowed out vanes. The axial vortex flow is
Oxygen-filled air helps support the combustion of fuel.
Remove unused fuel outward from the axis where possible.
Accelerate combustion by centrifuging the droplets.
Ru. 2 Stroke diesel engine This engine has compression ratios within the following ranges:
Supercharging piston-cylinder, combustion piston
- cylinder and exhaust piston-cylinder
have Supercharging - 3:1 to 8:1, Compression - 3:1
4:1, exhaust - 6:1 to 9:1. the air is good
Preferably through a 360 degree inlet port at the top.
is introduced into the supercharging cylinder and the inlet port is introduced into the supercharging cylinder.
The port is opened and closed by a sleeve valve, and is connected to the plenum chamber.
or receiving air from the vortex, said plenum chamber or
Vorticity creates axial vortices and laminar flow within the cylinder
velocity component in the circumferential direction to form a flow close to
give rise to The supercharged air is stored in an isolated storage channel.
The chamber is guided by a semi-stationary moving and combustion chamber.
Retains air for cleaning of baking cylinder. Savings
The volume of the storage chamber is the displacement volume of the combustion cylinder.
should be within the range of about 1 to 6 times. Burning
The firing cylinder is located at the bottom of the piston stroke.
The filter has a 360 degree inlet port, and the inlet port
receives supercharged air from the storage chamber from the vortex.
The swirl is axially located within the combustion cylinder.
Causes a vortex flow. Preferably the highest compression odor
Therefore, the radius and stroke of the combustion cylinder are
Large clearance volume to minimize losses
is approximately equal to providing combustion silicate
The head of the cylinder is smooth and the exhaust valve is
substantially coaxial with the axis. axial vortex flow
virtually unimpeded and the air is depleted of oxygen.
Combustion is carried out by centrifugation of fuel droplets in areas where there is no
As the fuel is promoted, the fuel is substantially removed from the fuel cylinder
is injected along the axis of the from the combustion cylinder
The opening of the exhaust valve is located between the axis of the cylinder and its wall.
located midway between the
provide For coaxial tubular exhaust valves, the combustion series
The head of the valve is cooled and high for valve cooling.
Provide heat conduction. Exhaust gas is inside the exhaust cylinder
A vortex that produces a vortex flow close to laminar flow in the axial direction.
Through an insulated passageway with smooth walls leading to
It is guided from the combustion cylinder to the exhaust cylinder.
The exhaust valve of the exhaust cylinder is a sleeve valve.
Located at 1/2 of the diameter, approximately the radius of the cylinder
It has a width equal to 1/2. gas compressor Air is supplied to the cylinder, which is opened and closed by a sleeve valve.
The 360° introduction port at the top of the
A plate having vanes oblique to the radial direction through the plate.
It is guided from the num chamber into the cylinder. introduced sky
Air flows in a series due to the generation of vortex flow in the axial direction, which is close to laminar flow.
exchanges only a small amount of heat with the interior wall. Articulated vane compressor or expander Introduction leading to and from the compression-expansion region, respectively.
Both the passage and discharge passage are connected to the rotor vane.
Near laminar flow at velocities that are substantially equal to
with a cross-sectional area such that flow is maintained within the passage
There is. Highly efficient Brayton cycle heat pump
The pump is a suitably sized articulated model embodying the invention.
It uses a vane device. housing and
Yaft fittings are isolated to minimize thermal short circuits
Should. turbulent flow for combustion For exhausting combustion gas in internal combustion engines
In particular, in the case of gasoline engines, internal combustion gas
and the fuel-air mixture near the cold wall.
to provide thorough mixing and promote complete combustion.
turbulence is very often deliberately induced
We should recognize that. These requirements are clear
This contradicts the near-laminar flow. On the other hand, diesel engines and Otto cycle machines
Reliable control of gas movement at both the wall and
The contacting cooled boundary layer contains only a small amount of fuel.
The device should not be leaky, i.e. very leaky.
Easel engine and fuel-injected Otto cycle
Possibility of designing a fuel injection system for the engine
I will provide a. Then the combustion area is cooled on the outside
The center and height of the hot piston are isolated from the inner wall and
exposed only to the head. Reduced unforeseen fuel problems
Do a little. compression and expansion Also the average temperature of the gas during compression and expansion
There is an additional contradiction: the large difference between pressure
The temperature of the gas during contraction is the same as the temperature during expansion due to combustion.
Very small than the degree, so the hot air during expansion
Heat loss from the body results in a higher average temperature than in the case of compression.
tends to heat up the walls. Thus compression is adiabatic
Hotter than compression and requires more energy than necessary
shall be. Some of this energy goes into the expansion
recovered in time, but the net effect is inefficient.
Ru. Efficiency to separate compression equipment from expansion equipment
This means that there is a clear benefit from the standpoint of
It's for a reason. This is the case in gas turbines.
After the blades of the expansion turbine burn
must be at equilibrium temperature with the highest temperature gas at
Due to the high required speed of the blade
Stress severely limits the peak temperature and thus
Limit no efficiency. Due to turbulent heat exchange between the wall and the gas
limiting the temperature of the blades or turbine blades;
Current devices are limited by: heat pump Layer in Brayton cycle heat pump
Special benefits of near-flow compressors and expanders
exist. There are three common types of heat pumps:
Ru. (1) Regarding the applicant's patent application filed at the same time.
The isothermal cycle or standstill described in
- ring cycle. (2) compressed like a gas,
A special refrigerant that supplies heat inside the capacitor and becomes a liquid.
Rankine cycle using. The liquid is heated
The gas is then expanded to a cold heat exchanger.
(3) Gas is compressed adiabatically and heat is extracted into the heat exchanger.
The remaining energy is then transferred to a thermal expansion engine.
Finally, the heat is transferred to a second or cold exchanger.
Brayton cycle added to exhaust gas in exchanger
Le. Expanding orifice in Rankine cycle
The energy (pressure x
The volume of fluid) is wasted, but the relatively high volume of fluid
Because the volume is small due to density, this wasted energy is
Energy is small. On the other hand, limitations on the properties of refrigerants are
Degree ratios cover useful extremes encountered in average climates
Relatively large compression ratio so that it is large enough to
requires that it be used. An example is the compression cycle.
For example, when included at 80% efficiency, the result is approximately 2 to
This results in an average “coefficient of operation” (COP) of 2.5. ideal
COP is T3/(T3−T2). thus typical
For a temperature difference of 30℃ and an absolute temperature of 300〓, the theoretical
The maximum COP of 2.0 should be 10.
It should not be a relatively small value. this big
To get closer to the value, avoid freezing agent limitations and
It is also necessary to use a more efficient compressor.
It is said that If you don't use a Brayton cycle
If so, an expansion engine must be added, and this expansion
Institutional efficiency is critical. In a cycle like this
The compressor produces work (T3−T2) × (gas uni
(thermal mass), and then the heat exchanger
The total amount of heat extracted in the converter is this same value.
(T3−T2). This unit thermal mass of gas
is the ratio Vol2-Vol3=T2/T3Vol.3From Vol.2to
The volume decreases to . Smaller Vol2is atmospheric pressure
In other words, when expanding to the same pressure ratio, almost the same
temperature difference (T3/T2), but the capacity is
product becomes smaller and thus the work done within the institution becomes smaller.
The thing is ratio Vol.2/Vol3=T2/T3to the compressor.
less than the work done. If this job is compressed
If supplied to the machine, it must be supplied from outside.
The net work that must be done is 1-(T2/T3)=(T3
−T2)/T3or the opposite of the theoretical maximum COP.
In this COP10, the expander is made by a compressor.
90% of the work done by
Must be 10 times the supplied force, i.e. structural force = 10%
means. Thus compression engine and expansion engine
Both waste 5% of energy each,
That is, if the efficiency of each is 95%, the external source
additional loss energy must be supplied
double the energy that must be supplied.
Ru. Each engine has an efficiency of 95% rather than 100%
%, the theoretical maximum value of COP is 10 to 5.
or the loss in efficiency of the factor is 2. Heat pump equipment is used for compression engines and expansion engines.
It is understood how sensitive it is to efficiency. mosquito
Brayton cycle heat pump equipment
The main motivation is to achieve as high efficiency as possible.
It will be done. A loss of 10 percent is significant in an internal combustion engine.
There is no loss in efficiency for a given turbulent heat exchange rate.
The temperature difference is very large so that the loss is very large.
Hey. The resulting efficiency loss is significant.
It's big enough. Therefore, the flow is almost laminar.
less than the displacement velocity of the moving chamber boundary.
or comparable residual circulation or
Volume type where gas is guided into the displaced volume by vortex velocity
Equipment - compressors, thermal expansion engines, internal combustion engines and
Toponpu is provided. Description of exemplary embodiments One embodiment of the invention is the articulated type shown in FIG.
A vane air pump or expansion engine. joint
A vane air pump adds compressed air to the exhaust stream.
In addition, in order to reduce the amount of gas, automobile engines
Widely used in connection with for heat pump
Articulated Vane Compressor or Expander (AVC)
There are special benefits for using
This is due to the very low friction of moving parts;
Riding on a fairly large outer race
On the other hand, the vane is mounted on the bearing of the center shaft.
This is because that. A considerable amount of patent literature exists for automobiles.
Exists for articulated vane pumps such as divergence control
However, this prior art does not improve the efficiency of adiabatic compression.
Not directed. Selected key technologies
References to these references appear at the end of this specification.
There is. It has an inlet chamber 61 and an outlet chamber 62.
A set of vanes inside the housing 72
63, 64, 65 are fixed by a rotating drum 67.
It is rotated about a fixed axis 66. vane drum
, radius through seals 68, 69, 70
Concentric housing that slides in the direction and in the compression area
With the clearance 71 as well as the clearance 72,
Separate the inlet chamber 61 from the outlet chamber 62
It is sealed by a web. vane
and the compression housing 72 and the drum 67.
The clearance 71 between the web 73 and the gas
Must be kept small to prevent leakage
However, contact must still be prevented. because
If the surface is not lubricated, it should be
for they are stripped naked. Prior art connoisseur
In its usual form, the AVC entrance chamber and
The exit chamber can be of relatively arbitrary shape.
Ru. In relatively large chamber situations,
Air flow at the mouth and outlet is controlled by vanes 63,6
It is relatively fixed compared to the movement of 4.65.
From this, large turbulent vortices are generated by the vanes.
Ru. At the inlet chamber, these vortices are
The circulation in the compression chamber is controlled by heat exchange with the walls.
resulting in an increase in exchange. Corresponding in the discharge chamber
turbulent vortices cause heat and energy waste.
Ru. In this example and according to the invention:
The inlet chamber and outlet chamber are
is formed to match the rotational speed of the drum 67.
and are dimensioned (dimensions 74 and 75).
Dimensions 74 for the inlet 61 are in the compressed volume
equal to the average vane length, so that drum 6
7 and the given rotation of the vanes is the same as the drum 67.
moving the gas in chamber 61 at the same speed
let In the exit chamber 62, the width 75 is
Three blade pump as described below
divided by the compression ratio 1.336:1 in case
The width of the inlet dimension is 74. Rota vanes 63, 64, 65 are clear run
Vane 65 at outlet 62 when valve 71 is open.
is shown when the compressed volume behind the is released.
Ru. Three vane design with 120° angle between vanes
have a degree. Equal spacing such as 2, 4, 5, etc.
The vane design can be easily made.
The number of blades determines the compression ratio, which is the compression
The block from the position where it starts to the compression position after 60 degrees.
is the volume ratio captured between the rads. three blocks
The composite compression ratio for heat pumps is
The compression ratio is close to the optimum value for
The temperature ratio is 1.336:1, and the temperature ratio is 1.123:1.
That is, Tdiff=37℃, and ideal COP=
The ratio is 8:1. If the compressor and expander are 95%
In terms of efficiency, the actual COP is 4. At an angular distance of 60 degrees from
is compressed to such a pressure that it is released. with chain line
The blade position 76 shown indicates that the inlet volume is just closed.
corresponds to when Each blade at position 76
The gas in contact with eventually moves to position 77.
and comes into contact with the outer wall. In this process, compression
(If the flow reverses due to expansion)
(cools down) and heats the wall. However, the reason
In the hypothetical case, the gas and the wall
, each position corresponds to compression.
Therefore, the temperature will be the same. If the exterior wall material
In the absence of thermal conduction, heat transfer is minimal. this place
In this case, according to the invention, the outer wall is made of stainless steel or
is a sufficiently low conductivity material such as plastic-coated metal.
The walls of the housing are made of materials that provide reverse heat conduction.
It is desirable to reduce the number of lines. However, drum 6
7 and blades 63, 64, 65 are high temperature areas.
It rotates from the low temperature region to the high temperature region, etc. gas
Heat transfer from and to gases has already been discussed
The heat dissipation is due to the penetration thickness. adjacent layers of flow
The degree of gas dissipation can be reduced by
As shown in Figure 4, the temperature drop is
It occurs when Region 1 is temperature T1The temperature is high at this temperature.
temperature is temperature T2taller than. Average wall temperature T3is T2Yo
Larger T3larger T1is the boundary temperature of wall
Temperature drop due to dissipation into the interior (T3−T2) is thin
thickness d2, and this depth is compared to the layer gas
small, where (T1−T3) is larger, penetration thickness
Sad1It is. However, the density of the gas is less than that of the wall.
very small, 3×10-Fouris the ratio of
The heat lost or exchanged is small.
is smaller than the case in Figure 1, and in this case,
The gas appears to be turbulent, with heat flux to boundary 3.
(flux) is quite large. heat pump Figure 5 shows the Brayton cycle cooling heat pump.
schematically shows the layers shown in FIG.
Utilizes a flow AVC air pump. Compressor 81
compresses and heats the air entering the inlet 83, and
At the port 84 it is evacuated. high temperature compressed air
goes to a standard heat exchanger 85 where it is cooled and
It goes to expander 86, which creates compressor 81.
However, the volumetric flow is small to the ratio (1-1/Rc) = 75%.
stomach. The actual dimensions are the cube root of the ideal compression magnitude.
That is, it is as small as 91%. The applicant is stating his ideal
Ru. This is because the efficiency loss part is due to leakage.
Therefore, the actual volumetric flow ratio is less than 75%.
Sai. Cold air from the expander engine 86 and from the outlet 87
The hot air goes directly to the air gap where it is cooled, for example
Go inside the car where there is cooling air. sleeve valve piston air compressor Standard air pressure
What is usually not very important for compressors is
It was pointed out early on that the heat of compression
is usually rejected before using it, even if it is not efficient.
Because it will be done. This means that pure adiabatic compression
During compression the gas is always cooler than when
It is considered to remain in the. On the other hand, as explained above
As shown in Figure 2, if the compressor
Cylinder walls and heads are not properly cooled.
On average, during compression the gas is
becomes hotter and compresses a given amount of gas.
The amount of work required to do so is greater. If the cylinder wall and head are not sufficiently cooled,
When the curve 2 is lower than the curve 5 in Fig. 2,
and T and P are smaller than in the adiabatic case.
Always less. This is an industrial air compressor stage.
This is similar to what happens with internal coolers between engines. this
requires a further compressor mechanism and a similar argument
is applied to each stage. Therefore, in general
is, unless the cylinder is particularly efficiently cooled.
Reduces heat exchange between any compressor wall and the gas
That is well worth it. In Figure 2
and this is the initial temperature T0, the edge is on top
This corresponds to the isothermal compression of curve 5. The purpose of the invention is to induce an inlet gas charge
Piste to enter a state similar to laminar flow.
The aim is to reduce heat exchange with the compressor wall. Achieves flow similar to laminar flow in piston compressors
In order to, the area of the inlet port is the axis of the cylinder
Area of the piston, as symmetrical as possible to the line
are created almost equally. gas from the wall to the inner volume
induces a vortex to circulate rapidly into the wall and back against the wall.
No one wants that. The layer-like flow in this relationship is due to the piston speed
There is no air velocity in the cylinder that is sufficiently greater than
means. Therefore, the odor within one stroke
Therefore, the gas is approximately closer to the wall than the stroke length.
Do not move much more than in contact with
stomach. If the wall were smooth, this would be a fragment.
This means that the heat exchange is small. the other smell
The gas exiting through the outlet valve is then
exchange heat with plumbing and piston,
However, this
Plumbing is caused by conduction to the rest part of the cylinder.
Thermal conduction metal with too much heat transferred through
Assume that the condition is not to evangelize through the genus route. Exclusion
All air streams are at the same constant temperature, so
In this case, the exhaust plumbing can be balanced.
Ru. This means that the gas flows in a syringe with layer-like flow.
e.g. have to enter the data volume at low speed.
, but can exit more rapidly and turbulently.
can. Therefore, the suction port
Must be at least 1/2 the area
In both cases, the discharge exit port can be made small. Air operated reed valve or sprue for intake
air compressor using a pumping valve or equivalent
pneumatically actuated valves, air-operated valves are
There is a continuous pressure drop down to a fraction of the pressure
Remains open only when overcoming tension and ellipticity
Therefore, it is almost impossible to obtain laminar flow.
Ru. As a result, the input gas exceeds the slope of the valve lip.
When the gas expands, it travels at a fraction of the speed of sound.
, that is, 1/2 to 1/4 of Cs, is transferred into the cylinder.
move. Generally, this is the maximum speed of the piston
10 to 100 times the turbulence between strokes.
Guarantees high heat transfer. How to avoid this high heat transfer
The method is to install an air conditioner with an inlet at the top of the stroke.
Figures 8a and 8b where the case of Pretusa is shown.
As shown in the figure, the gas is guided around the cylinder wall.
into the cylinder through the large enclosed port area.
That's true. The port area around the cylinder is
area = 2(pi)RL, where R is the series
and L is the length of the port. Pi
The stone area is (pi)R2It is. Therefore, the port
The required port length like area is L=R/2.
be. Stroke is 2R, that is, stroke = straight
Since it is the diameter, next the length of the input port is the stroke.
It is a small fractional value (1/4) of the length, and the piston
ports do not need to overlap. direct inflow
The flow pattern, e.g. radial flow
Shown in Figure 9a. In the embodiment shown in FIGS. 6 and 7b, the piston 9
1 is located inside the cylinder 92 and is standard type (lead type).
standard type, spring-loaded type, butterfly type).
It has a pipe 93 and an exhaust valve 94. slide
The ring or sleeve input valve 95
In fact, it is open 360°, approximately half the radius of the piston.
Close the input port 96 at the minute height. In a suitable manner, together with the piston, the sleeve valve
One way to operate the 95 is to leak compressed gas.
In order to seal it properly and return it to the plenum chamber 100.
Insert the sleeve valve 95 into the small recess in the head 93.
It is to put it in. Plenum room 100 is introduced
Gas or air is guided to input valve 95. plenum room
Vane 101 at the inlet to 100 admits the introduced gas.
I will guide you to Chikaraguchi 96. The valve is connected to the cam 102.
is opened and closed by the swing arm 103.
Rotate the valve 95 slightly. Ricardo (1954)
For gasoline and diesel engines, the sleeve
Demonstrated effective operation of the valve. During World War II
Thousands of British aircraft have sleeve valves.
Seki was manufactured. These valves are rotary as well as axial
Opening the intake and exhaust passages by directional movement,
The mechanical technology of sleeve valves for piston machines is still
exist. However, the introduction and exhaust
Close to laminar flow is not possible due to the port.
This causes turbulence similar to that of an overhead valve, but the valve
The operation is very reliable. As shown in FIG. 7A, the vane 101
is guided from the entrance to the plenum chamber 100, and the cylinder
If 92 points in the radial direction, the flowing gas
produces a large annular vortex. Input port area
If equal to the area of the piston, then the velocity of the vortex
is approximately equal to the piston speed. Simply put, approximately one revolution during each half stroke
and make two complete revolutions between inhalation and compression. high
A gas with a small Reynolds number has a diameter of 50 to 100 times its diameter.
It has to travel a distance and exchange heat with the wall,
It seems to be less in 4 rotations. Unfortunately, simple
There isn't. The vortex is the figure skater's arm while spinning.
Similar to a weight at the end of a string to shorten it.
Ru. The vortices become faster as they are compressed in the compression stroke.
It rotates quickly, and the friction with the wall is sufficiently small. heat transfer
If the d is small and the two are done together, the wall
We must reduce the friction between the radial direction
For a vortex, its velocity increases when it is compressed. vortex
When compressed in one direction, due to conservation of angular momentum,
Increase its speed as follows. Vvprtex=
V0(S0/Snio)1/2Here Sniois a compressed straw
length, Spis the maximum stroke length
Ru. Therefore, the compression ratio, i.e., Sp/Sniois big
If it does, the velocity of the vortex increases significantly. In fact, compression
If the ratio is as large as Smin which is smaller than R, then
Next, one vortex is created as shown in Figures 8B and 8C.
The sea urchin splits into small eddies. Figure 8 shows the bottom strike.
Showing a single large annular vortex in Rourke, the 8th
In figure B it is partially compressed and in figure 8C it is completely compressed.
Compressed. The splitting of the single vortex in Figure 8A is
As a ring of four vortices in Figure 8B, as a ring of four vortices in Figure 8C.
Shown as a ring of eight vortices. The compression ratio
Assuming a 4:1 ratio, 100 psi air
It is an industrial air compressor supplying. Then the vortex
The velocity of each small vortex increases by a factor of two at maximum compression.
The size (diameter) of is r/4, and each is 1/8
Make one revolution between strokes. The result is that the vortex
Because it rotates and splits, the speed is almost turbulent.
Ru. As a result, the vortices are removed from the walls (particularly the pistons and cylinders).
heat flow to the head) occurs. Furthermore, if the input gas
This creates turbulence from the beginning, and then this turbulence is compressed.
and then the strength increases to a level similar to that of a 3D energy body.
Add. (A radial vortex is a two-dimensional gas.
act. ) Therefore, the turbulence velocity is (capacity)-〓increased
In addition, the energy has a G value (comparative heat) of 5/3.
(capacity) for gas-〓 is proportional to Cylinder
In the heat exchange between the wall and the head, turbulent energy is compressed.
It will increase greatly. The purpose of the present invention is to solve the problem of piston compressor and engine turbulence.
as well as a single large radial vortex heat exchange layer
flow and by introducing weak axial vortices.
It is to reduce the amount. Formation of annular vortices, their compression,
The discussion of aggregation, fragmentation, and dissipation is somewhat speculative.
Ivy, now with Doppler laser tracking and this explanation
Use the elements described to make it true.
There is sufficient evidence from the available measurement methods. Numerical settings
4 above with special emphasis on size and eddy viscosity.
shows two sequences. of an element
The size is larger than the boundary layer of the desired layer and allows circulation.
The lifetime of the vortex is truncated, but the result is consistent with experiment.
give. In addition, the main annular vortices aggregate due to compression and their
Isotope vortices are expected. The dynamics of the input flow is determined by the completeness of the vortex.
The fact that it is the source of everything has been established. S
Experimental measurements of the flow in the cylinder
It is particularly encouraged to observe whether the
Ru. Morse, Uitztrojanski (1979)
uses Doppler laser wind measurement to measure motor
Draw the flow pattern of the piston cylinder assembly
Ta. By Morse et al. (1979, p215)
The observed flow pattern is similar to that of Gosman et al.
This completely confirms the theory. So
Therefore, we believe in the analytical predictions of these trends and
and how to establish them.
Ru. As shown in Figure 7B, it leads to the input port.
The vanes 101 of the plenum chamber 100 are arranged in the radial direction.
has an angle of approximately 60° to 45° with respect to
The input gas or air has a velocity buildup perpendicular to the cylinder wall.
radial and axial vortices are established.
It will be done. Figure 9A shows the input side during half stroke.
A top view and the rotating passage of gas in cylinder 2 are shown.
ing. Figure 9B shows the piston at the bottom of the stroke.
It shows the rotating gas passage. axial vortex
Since its angular momentum does not change, it is the axis
When compressed or expanded in the direction, the velocity changes
do not. However, if the gas injected at radius
pushed axially by the following gas
When the standard vortex relation holds a Rankine-type vortex
However, the vortex curls up, i.e., the center is more concentrated than the periphery.
The vortex rotates faster. Due to conservation of angular momentum
So, V perpendicular direction = V0(R0/R), right angle direction
The velocity in the direction increases, where V0is the radius R0outside of
R is the velocity in the perpendicular direction of the cylinder wall, and R is a certain
It has a smaller radius. Standard equal to piston area
, and the vane angle is 45°.
then the average perpendicular velocity = VnaxThen, this
Kode Vnaxis the maximum velocity of the piston. Radius R
= Ro/2, the rotational speed is less than the ambient speed
Twice as fast. As the gas approaches the axis, its velocity increases
A kind of centrifugal barrier is thus created. It's the atmosphere
In the tortuous flow, why does the vortex have such a stable
It is well known whether it is recognized as a structure. heavy
The key point is that a relatively weak axial vortex creates an annular vortex.
The goal is to prevent them from forming. centrifugal barrier
is a flow that exchanges fluid elements radially.
prevent. The gas, by some friction with the wall,
Losing the angular momentum caused by the centripetal barrier (i.e. angular motion
amount) tends to decrease, therefore making it easier to
You can get closer to the axis. However, the first
Radial motion toward the axis forming the vortex in Figure 8A
is prevented. Instead, it is faster near the axis
It has a rotational speed. Of course, the azimuth speed is the most
A faster head causes more friction, but here the area
is small, so overall heat exchange is low. for example,
If the radius is half, i.e. R=Ro/2
If the orthogonal velocity is 3Vmax, and the area
is the head which is 1/12 of the total area of the cylinder wall
1/4 of the area, and the head for stroke length is
The diameter is So=2Ro. Fast region of axial vortex
area has only slight contact with the wall, and therefore
than the introduction of high-speed isotropic turbulence or large vortices.
Furthermore, heat loss is small. Therefore, the cylinder wall as well as
axially to reduce heat loss on both sides of the head.
The input gas is given a rotational motion that produces a vortex.
Incorporate a pitch into the vane with a laminar flow input valve.
It is desirable to Detailed design of suction axial vortex flow In general, annular or radial flow vortices move convectively.
participate in and must therefore be avoided.
I learned. The main purpose of the axial vortex is to control the radius of the gas flow.
Its purpose is to suppress directional movement. Therefore, Sirin
The gas entering the chamber has as little radial flow as possible.
It is desirable to have an opening of the suction port.
be as large as possible so that the suction port is radial
Absolute speed, whether tangential or
Keep the degree small. Furthermore, the flow through the suction port
has constant velocity in both tangential and radial directions
This is desirable. If the truth were not so,
For example, keeping the radial flow velocity constant and tangential
If the directional velocity is reduced, the angular velocity within the cylinder
The radial gradient of induces axial circulation and the desired
This induces an undesirable annular vortex. The radial speed is (piston speed) x (piston surface
product/port area). piston
The area is constant. Then, speed = frequency ×
Rsin〓; (The projection of the crank arm has a slight sine motion.
); (Piston speed/port area = -
We want a port area proportional to this
established a cam design to open and close the annular suction port
In other words, the opening degree of the suction port is approximately (DR)sin〓
(DR = maximum suction opening degree).
To keep the annular velocity constant during suction, some
Have a choice. 1 The vanes that give radial motion to the suction air are
constant even though the opening degree of the opening changes.
can be configured to give a tangential velocity of
can. 2 Suction air can be drawn from the plenum.
and this plenum has long enough connections within it.
has a secondary vortex that causes the angular momentum of the suction gas to
remains constant during each inhalation period. This second aspect is probably easier. and
This is because secondary vortices are easily created and piston support
This is because it has a long extinction time compared to the cycle.
Ru. For a conservative design example: radial tangential velocity
The radial suction speed is (pi)/2 times the radial suction speed.
Stroke twice the radius, with degrees as the piston speed
Assume that Then, S = Stroke = 2R Vp= piston speed at mid-stroke, i.e.
Maximum speed (crank arm projection)
ignore) ts= Stroke time = (2R/Vp)(pi)/2=
(pi)R/Vp tcy= Cycle time (2 cycles) = 2(pi)R/
Vp VR=VpThe radial direction of the inlet air is assumed to be equal to
speed VT=Tangential suction speed=(pi)VR/2=(pi)
Vp/2 Time for one rotation of intake air = tT=2(pi)
R/VT=4R/Vp. Air rotation speed during cycle = tcy/tT= [2 (pi)
R/Vp] [4R/Vp]=(pi)/2. Therefore, as discussed earlier, the expected reduction in vortices
Attenuation or resistance is fd= Number of revolutions/50 = should be 3%
be. The axial length of the plenum chamber surrounding the suction port.
R and radius 2R. Then, the tangential velocity; Plenum room radius 2RpThe V plenum in V plenum = 1/2VT= [(pi)/4]Vpbecome,
The rotation time is t plenum = 2 (pi) R plenum / V plenum =
16R/Vpand the play per stroke is
Number of rotations in the num = tcy/t plenum = (pi)/8. This means that the vortex will move from stroke to stroke.
This means that it does not disappear significantly. I mean,
For blades, the vortex extinction time is 5 to 10 rotations.
It is. The plenum is S(pi)R2=2(pi)R3/ (per cycle)
The cylinder volume is replenished and itself is R[4(pi)
R2]=4(pi)R3Contains volume. Therefore, half of the plenum volume is placed in each cycle.
The vortex in the plenum is changed per filling time.
(pi)/4 rotations. This is also part of the plenum vortex.
sufficient to guarantee constant angular momentum or negligible annihilation.
It's small. The input to the plenum vortex is the average suction
Single or several pieces of sufficient area to match the speed.
Preferably a tangential port. The plenum vortex is
average the loading speed. The average suction speed, i.e. the average piston
Stone speed, = 2Vp/(pi). Tangential direction of plenum
The vortex velocity is half the suction tangential velocity of the cylinder, i.e.
Chi, V plenum = VT/2=[(pi)/4]Vpbecome. The plenum inlet port area is determined by the following relationship:
determined. (plenum port area) x (plenum tangential speed
degrees) = (piston area) x (average piston speed) Or plenum port area = (pi)R2Vp/V pre
Nam = [8/(pi)]R2. The plenum has an R cross section.2Therefore, this is
This means that several ports are required. If
The rational design is four pieces with width R/(pi) and length R.
It is a tangential port. Commercially available air so you can see the flow with smoke
A clear plastic sleeve valve and transparent
An experiment was carried out with a bright plastic head attached.
The angle specified in the above analysis is applied to the plenum inlet vane.
, the movie of the gas motion shows the expected vortices.
vinegar. When the blades are oriented radially, the axial vortices are
more chaotic momentum - turbulence
It was hot. Sleeve valve piston compressor operation During the suction stroke, the air flows through the oblique surrounding vanes
101 into the cylinder, axially circular
Circumferential flow vortices are formed within the plenum 100
(See Figures 6 and 7B). Air from the vortex is sucked
When it is sucked into the cylinder through the injection port 96,
The air forms an approximately laminar axial vortex inside the cylinder.
to be accomplished. The approximately laminar flow and stability of this eddy flow are
Reduces heat transfer from the air to the cylinder wall during engine downtime.
Cheating. The suction sleeve valve 95 starts opening immediately after top dead center.
fully open on half of the downward stroke. Below this
During the downward (suction) stroke, the approximately laminar suction vortex
122. Piston 91 is a straw
Near the end of the cycle, the sleeve valve 95 closes and
As the piston slows down, the
Maintain a constant suction speed. At the end of the stroke, the sleeve valve is closed and
Piston 91 begins to move upward within the cylinder
and compression begins. When compressing a gas, the gas pressure is delivered
This continues until the pressure is exceeded, and the discharge valve 94
opens until it reaches top dead center. In the meantime, the sleeve
The valve begins to descend. Suction port 128 is at top dead center
After that, a small amount of residue within the clearance at the top of the stroke
When the distillate gas expands again to the suction pressure, it opens several degrees.
Ku. Furthermore, during the downward stroke, the suction air undergoes a vortex motion.
Through the sleeve valve suction port from the plenum
It is sucked in. this is the beginning of a new cycle
be. Almost laminar flow of axial vortices and reduced stability
The turbulent flow combines with the cylinder wall, head and piston.
Draws greatly reduced heat transfer to the tank crown.
cause. internal combustion engine “Theory and Practice of Internal Combustion Engines” Charles, F.T.
Iller (1966) or “High-Speed Internal Combustion Engine” Sir, Ha.
Internal combustion, such as by Ri, R., and Ricardo (1953)
A typical reference book on engines is the concept of heat penetration thickness.
The transient effect of the heat penetration thickness heat exchange discussed earlier for
doesn't say anything about it. Instead, relate
The runs are averaged over the amount to account for this major
Rate factors are ignored. The gas temperature at the end of compression is
The observation that it is close to the expected adiabatic temperature is a topic.
However, as shown in Figure 2 and its
As shown in the later discussion, the heat loss in compression, i.e.
Energy losses are significant and still
Sometimes the situation differs little from ideal insulation.
have a final pressure or temperature that is not The result
As a result, the source of heat loss from the gas to the wall is handled within the turbulence limit.
be managed. There is a turbulence assumption for this. turbulence
The necessary condition for is a large Reynolds number.
In fact, this condition is satisfied. However, Sirin
The condition of turbulent flow that uniformly fills the cross section of the volume is not treated.
Not possible. the gas has a large velocity comparable to the piston velocity
If the area of the inlet valve is configured to enter in degrees
For example, a high-velocity gas is nearly adiabatic within the cylinder volume.
There is plenty of time to cause uniform turbulence, and this
This is what usually happens. Instead,
Capable of inhaling gas in a smooth, almost laminar flow.
It was found that this greatly reduces turbulence.
Ta. Moreover, it gives a rotation of the gas around the axis
It can suppress unwanted heat exchange vortices. other
On the other hand, many books and recent designs of internal heat engines are
by the generation of turbulence, especially by “pushing”.
Emphasis is placed on achieving complete combustion.
Ru. Turbulent flow increases the mixing of combusted and unburned gases,
There is an opinion that this will further promote combustion.
This reduces turbulence to reduce heat transfer
This is contrary to the purpose of the present invention. There are two types of displacement internal combustion engines. Otstocycle
involves mixing fuel and air before suction;
Therefore, the fuel close to the cold wall is hotter, inside the
Requires turbulent mixing to transport to the combustion zone. No.
The second type of internal combustion engine is a diesel, and in this case
After the air is compressed to a high temperature, the fuel is formed into droplets.
It is injected as. In this case, the axial vortices are
It has certain advantages. Dense solid or liquid particles move outward in a gas vortex.
is subjected to centrifugal force. Typical fuel injectors
The jet velocity of a particle the size of Ron is 1 cm.
After driving at torque and decelerating, radius of Ro/2 to Ro/4
The expected vortex velocity at (103cm seconds-1(several times)
do. Therefore, the diesel fuel injector is
If you spray drops in a fan shape with the center of the axis
The linear vortex moves the droplet in a radius until it evaporates and burns.
It has the ideal property of transporting it outward. drop size
Droplets by adjusting the distribution and spray angle
automatically directs them to the area that burns them most effectively.
be transferred. The drops burn in one radial band.
If not, the drops will be filled with air, which increases combustion.
It is then blown outward by centrifugal force to an area with little fuel.
Ru. By injecting fuel near the axis of the vortex
Further beneficial effects occur. Burned near the axis of the vortex
The fuel is most
This is a hot area. However, this region is
The area that is shielded from the wall by the outer layer. last
The characteristic of thermally stabilized vortices is that the hot flow
The inner region is stable. (hot
Air is light and "floats" toward the axis. rotating vortex
In the centrifugal field of , the axis is the "high" point of gravity.
Ru. ) This effect affects the walls that are in contact with the hottest gas.
greatly reduces the area and as a result, from the combustion gases.
Reduce heat flow to walls. Therefore, the aim of this invention is
The target is Otsut engines and diesel cycle engines.
During both compression and combustion for both gases and
The purpose is to greatly reduce the flow of heat to and from the wall.
Ru. In diesel cycle engines, the cylinder wall
This maintains combustion that is slightly removed from heat loss, thereby reducing heat loss.
with the aim of further reducing loss and divergence.
There is. Heat loss in the Carnot cycle The theoretical maximum of a compression engine from the second law of thermodynamics
Efficiency is high, Efficiency = (T2−T1)/T2It is. Here, T1is the initial temperature of the gas, T2is ideal
This is the temperature of the gas after adiabatic compression. The ratio of temperatures is T2/T1=R(1-G) cTherefore, the ideal effect is
Rate is 1-R(1-G) cIt is. R herecis the compression ratio, G is the ratio of specific heat, and G
=1.4. Therefore, a typical example with a compression ratio of 8:1
Otsutocycle engine gives 56% efficiency, 16:1
A diesel with a compression of 67% gives an efficiency of 67%.
In reality, the efficiency may be 1/2 of these values.
Not possible. Heat loss to the wall is a large loss of about 30%
It is well recognized that (Taylor,
(1968); the remaining loss is (1) for the maximum compression time.
“Time” loss (15%), which is the delay in fuel combustion,
and (2) due to friction of moving parts. Discuss on duty
Thermal penetration thickness loss is not mentioned in the agency's literature.
not present. In fact, on average, depending on the wall time,
heating is the heat loss measured in the cooling water (or air).
cause loss. However, the thermal penetration thickness phenomenon is also excluded.
Exhaust gas is greater than that of the ideal cycle.
causes the temperature of the gas to rise. how does that happen
Show that. exhaust heat loss Measurements at general testing institutes are carried out on exhaust gas ducts.
Because unknown heat exchange takes place inside the engine, the exhaust gas
There is no comparison of the temperature to the expected value. we
is an ideal but unfeasible heat penetration thickness cycle.
The effect of the exhaust gas temperature on the exhaust gas temperature was considered. surrounding sky
Chi is temperature T1enters, adiabatically T2compressed into
Heat is added by burning the fuel and the temperature is T3to
and this hot gas adiabatically TFourinflated to
Ru. The relationship between pressure, volume, compression ratio, temperature and specific heat is
It is expressed as follows. Vol.1/Vol2=Rc T2/T1=R(1-G) c P2/P1=RG c The heat H added by the combustion of fuel is
temperature T3bring about. H=T3−T2 Moreover, the peak pressure is as follows. P3=P2(T3/T2) The expansion rate is usually (with the exception of exhaust turbines) the pressure
Reduction ratio RcTherefore, the exhaust gas temperature TFouris the following
Piece temperature T3related to. T3/TFour=T2/T1=R(G-1) c Heat penetration thickness loss temperature T340% of the heat is transferred to the cylindrical piston during combustion.
Suppose it is stored on the wall of Stone. T3=0.6T3Tona
Therefore, the new values of P, T, P′ and T′ are as follows.
I'm going to growl. P′3= (0.6T3/T2)P2 The exhaust temperature is as follows. T′Four=0.6T3R(1-G) c 40% heat loss due to walls, 1/2 during inhalation
Assume that it is returned to gas and 1/2 is lost to cooling water.
That is, the heat wave of the heat penetration thickness is the heat wave between the inflow and outflow.
divided equally into streams. Part of the heating of the incoming gas is
Occurs after compression begins, and also due to the previously mentioned mechanical
We acknowledge that it also causes losses, but this heating
Before closing the inlet valve and beginning the compression stroke
We can easily suggest that it is smaller than the initial heating.
Set. Therefore, compression begins with the following conditions: T′1=T1+0.2T3 P′1=P1 The conditions after compression are as follows. T′2=T′1R(G-1) c =(T1+0.2T3) R(G-1) c The same amount of fuel is burned as before, T′3=T′2+(T3−T2) as well as P′3=P2(T′3/T′2) becomes. Here, T′3is T3larger, so again
A 40% loss occurs, further heating the wall. Continuous
In the cycle, T′3is T3Bigger, T″3is T′3
bigger. This chain of temperature increases is an auxiliary effect.
must be limited by. Rc=16,T3=2T2Typical of a diesel engine
Calculate the value. The heat added is H=T2It is.
This is 26% of the stoichiometric amount of mixed fuel.
corresponds to T2=T1R(G-1) c=3T1 T′1+0.2T3=T1+0.4T2=2.2T1 From the above T′2=2.2T2 as well as T′3=T′2+T2=3.2T2=1.6T3 Therefore, the exhaust temperature is as follows. T′Four=0.6T′3R(1-G) c=0.96TFour This is an estimate of the exhaust temperature excluding the 40% heat loss
value, but in reality there is less work to be done.
be done. In other words, the temperature is
The peak pressure increases with a ratio of 1.6, and the peak pressure is given by: P′3= (1.6/2.2)P3=0.73P3 It decreases by 0.73 per cycle. Therefore, other regulations
more each cycle until a limiting effect occurs.
Heat loss occurs and less useful work is done.
Ru. One such effect is the compressed inlet air
body temperature T′2is 0.6T3, i.e. combustion air cooled by the wall
The temperature is higher than the body temperature. In this case, compression
Heat loss during the stroke is the wall preheated?
to limit the heat loss of the continuously occurring combustion gases.
Ru. If T3are the same, hypothetically 1.6T3Heat penetration thickness
The heat loss for T3change to 20% of (the other 20
% is T2), then the exhaust gas
TFouris 1.2TFour20 of the available energy rises to
% is lost in the exhaust rather than through the cooling water
It will be. Naturally, these relationships are extremely complex.
In order to make accurate predictions, very thin gauges are used.
Arithmetic analysis has to be done, but the above
The analysis is about how to compensate for these losses.
Enough to give a needle. compensate for these losses
The policy is to increase the compression ratio of diesel engines.
Even if I raise it to 16 to 20, for example, why?
Explanation of the inability to increase efficiency
to assist. Useful performance at compression ratios of 16 and above.
That is, efficiency remains constant as a function of compression ratio.
This was revealed by Taylor in 1966.
It was done. The reason for this is that as the compression ratio increases, heat loss
This means that the
At the end of the locus, the clearance volume becomes smaller.
As a result, the surface relative to the volume
The product ratio is larger, and the heat loss is also larger.
I hear it. diesel engine design We have significantly reduced the following:
We propose the structure of this institution. (1) Heat loss through walls (2) Time loss in compression ratio during combustion (3) Mass of moving parts The above configuration consists of supercharging, combustion, and
and combination of expansion cylinder (2 cycles) configuration
are doing. We chose an overall compression ratio of 20:1. first
The supercharged cylinder has a volume ratio of 5:1. Therefore,
The combustion cylinder has a volume ratio of 4:1, resulting in
The final compression ratio is 20:1. Inside the combustion cylinder
The first expansion of has the same volume ratio of 4:1. if
When combustion doubles the temperature and subsequent pressure, expansion occurs.
tension cylinder 5×21/G=8.2:1 Therefore, the exhaust pressure must have a ratio of
atmospheric pressure. The advantages of this are as follows. 1 The cylinder and piston with additional charge are 1/(2×
FourG) = 1/14 = 7% less than the peak combustion pressure
The pressure will be low. This is much lighter and
short piston skirt, short stroke and
It can be made to have a larger diameter. 2 Combustion cylinders with equal length strokes have a diameter of
Five-1/2= 1/2.24 = 45% smaller, or
It will reduce the piston area by 1/5. subordinate
Therefore, the maximum output of the piston and head are the same.
Standard diesel cylinder for power and stroke.
will be smaller by the same ratio, i.e. 1/5.
Therefore, weight and friction are reduced by the same ratio
right. 3 The compression ratio of the combustion cylinder is only 4:1,
We have a long stroke of 4r, or twice the diameter.
Assume that If the length of the bottom port is 0.5r (2
stroke), then the compression or expansion stroke
The stroke is 3.5r. This is the peak compression
Provides a large crank angle. As an example, we
Compression ratio from 16:1 to 20:1, then 16:1, etc.
In other words, the utilization efficiency increased from 67% to 70%, and further to 67%.
Assume that combustion occurs after a long period of time. This is a fire
The compression ratio of the fired cylinder increased from 3.2 to 4 and then to 3.2.
show what will happen. All the displacements correspond to these displacements.
The rank angle is 54 degrees or about 1/6 of one cycle
It is. This is an equivalent single cylinder 2 stroke
diesel engine, i.e. Rc=16.1→20:1
→16:1 change is 24 degrees or 1/2.25 shorter
larger than its diesel counterpart. Therefore, burning
Compression losses during baking time are significantly reduced. 4 Peak compression and combustion period (16:1→20:1→
Combustion piston-cylinder configuration between 16:1)
is approximately one time the length of the radius. This is a strike
During combustion with a compression ratio of 3.5 and a radius of 3.5
Average head clearance. Therefore, volume
The surface area ratio is for a compression ratio of 20:1.
A mark with an average head clearance of 1/9 of the radius.
(1+r/z)= compared to quasi-single cylinder
Reduces heat loss through walls by a factor of 5
This is desirable. 5 Make the expansion cylinder larger than the supercharging cylinder
As a result, the exhaust works effectively.
“Overinflation”, actually a proper
Expansion is made. So-called overexpansion of exhaust gas
The exhaust gas is expanded to the atmospheric pressure.
means. Normally, the exhaust pressure is 2 at the time of introduction.
The gas energy is 2.5 times higher than that of the exhaust turbine.
Used with 50% efficiency in engine and turbocharging
or completely wasted. Separate exhaust system
The cylinder is small with small dimensions of the combustion cylinder
As well as the advantages of compression ratio, it also provides adequate overexpansion.
It is growing. 6. By carefully designing ports, we
is the flow direction of the near-laminar flow in each cylinder.
Normal large turbulence caused by walls by creating vortices
Flow heat exchange can be reduced. This is for each
The movement of gas from the volume is nearly stationary and therefore the pressure
Requires that the force drop transverse valve be very small
will do. Separate cylinders for charging, combustion and exhaust First reason for three separate cylinder design
is the compression ratio of the combustion cylinder,
The piston configuration is roughly “right” series.
be limited to a sufficiently small value such that
It is. The length of the above light cylinder is radius
, resulting in an approximately laminar flow direction
Directional vortex effectively reduces heat flow to the wall
I can do it. Reduced combustion time, compression losses and heat
Reduction in heat mass is an ancillary benefit.
On the other hand, two additional cylinders and a compound valve are added.
There must be. Many useful functions are exhaust gas.
It is recovered within the country. This mechanical energy
(8.2)(G-1)From (3.5)(G-1)The temperature ratio up to, i.e.
2.32/1.65 = 1.41 times larger than the combustion cylinder
Become. Therefore, heat loss in the combustion cylinder is eliminated.
Less important than air cylinder design. subordinate
Therefore, we can improve combustion by weakening laminar flow conditions.
Design the cylinder. Combustion cylinder design The ideal laminar compression or combustion cylinder is
stated. Introductory port on top of cylinder wall
The length is r/2, and the flow is slow and laminar.
allows azimuthal and radial flow. child
The wall slide valve has a maximum combustion temperature of 1500℃ and a pressure of 1800psi.
It is difficult to close and cool the
Ru. However, Ricardo
A slip valve diesel can be made to work well.
It was made clear in 1953 that it could be done.
However, in this case, the introduced air was 300℃ higher than that.
It's getting expensive. In addition, the scavenging of the cylinder is
Axial flow from the top through the cylinder to the top
This is very conveniently done. therefore we
The fuel cylinder is a 2-stroke diesel
I suggest that it be made similar. Here, 2-
Stroke diesel has an introduction at the bottom of the stroke
The supercharging gas (compressed) in the normal annular port in
5:1 and pressure 10:1).
Ru. These ports are r/2 long and 83 degrees
It will be the same as the sleeve port that allows the introduction of
cormorant. The exhaust is centered in the axial direction within the head.
It exits through the matched valve. Exhaust cylinder design The exhaust gas pressure leaving the combustion cylinder is equal to that of the introduced air.
Since the pressure is about twice as high, the stroke duration at the bottom
Part of this is to reduce this high pressure to the value of the supercharging inlet pressure.
must be used to lower the other
On the other hand, the incoming gas is transferred to the combustion cylinder and the exhaust gas
The air must be purged. we open at the same time
arranging the inlet port and outlet port
This is due to the almost laminar flow created by
We propose to achieve the following. Therefore, all pressure
It becomes uniform. The volume changes while the exhaust piston is descending.
Since the inlet air and exhaust gas are transferred,
Expand. Compression is from the exhaust pressure of the combustion stroke
It begins. Therefore the introduced air is
when the excess pressure is higher than the average boost pressure value.
Must be compressed. combustion cylinder gas
The combined volume of the storage volume and the supercharged storage volume is the exhaust
As the piston descends, it expands adiabatically and is ejected.
The new gas expands to the supercharging design value during introduction.
It will be replaced by fresh introduced air. We describe two ways to make this reduction.
Bell. The first one is too short and doesn't work.
Dew. This drop is due to the adiabatic expansion in the exhaust cylinder.
The exhaust pressure must be 2:1.
The crank angle of the exhaust cylinder for expansion is low
The time will be below. The time for this drop is the exhaust cylinder
The volume is small (1/8.2) from the top of the stroke.
This is the time required to change to (1/2)=0.0743.
Exhaust piston stroke length same as combustion cylinder
To make it easier, this is the cos-1[1-2 (0.0743)] =
Match the crank angle of 32 degrees. Next, the exhaust system
Linda is at constant pressure i.e. cos-1[1-4
(0.0743)]=Pressure of supercharging air at an angle of 45 degrees
must accept a volume equal to the exhaust gas in
No. of the timing between these two angles.
The difference is 13 degrees. This means that the supercharged air is in the combustion cylinder.
It's time to eliminate da exhaust. this time
is too short and the exclusion time required for a supercharged cylinder
All that charge is reduced at a constant pressure.
request that the entire amount be distributed. SUPERCHARGE holding volume
HOLDING VOLUME) Instead, to avoid this problem,
- Percharger maintains air at twice the introduction pressure.
Can be supplied to the required volume. Then while the exhaust decreases,
Combined volume of super charge holding volume, combustion silicon
cylinder, and within the first stroke of the exhaust cylinder.
double the pressure drop occurs. At the same time, completely filled
The supercharged air is introduced into the combustion cylinder.
The supercharger cylinder has a holding volume of
Refill fractionally, with the original pressure equal to twice the inlet pressure
Return to pressure. Therefore, the holding volume is [1/21/G1] = 1.56 x combustion cylinder volume becomes. At this time, air is introduced into the exhaust piston
The crank angle of arc cos [1-2 (1.56/Rc exhaust)
](1/2)P1/G=40° Occurs when At this time, the introduction point is
83° burn so that the gate is almost fully open (88%).
Successfully done in the center of the inlet port opening of the firing cylinder
be called. Second, lower inlet air velocity and therefore lower heat
Inlet port to combustion cylinder to obtain losses
Attention must be paid to the thickness of the introduction port
If it is 20% of the microweb thickness, the effective introduction area
teeth, [1-0.2] [0.80] [(Pi)r2
]=0.7(Pi)r2 becomes. The average density of the introduced gas is approximately [1-1/2
(1-2-1/G)], which is 0.8 of its final density.
becomes. Also, the effective area is approximately the area of the combustion piston.
That's 87%. Smaller introduction compared to 1/2 stroke
The period is [2/(Pi)] [40/180], so the derived
The radial velocity of the incoming gas is [2/(Pi)] [1/effective area] [180
/40〕=3.3×piston speed It will be. Azimuthal velocity of axial vortex
velocity) is selected to be 1.5 times the radial introduction velocity.
Ru. This ratio is the angle of the web that acts as a vane.
Determined by degree. In this case, the gas is being compressed
To, (Speed x Stroke time) / Circumference = Approx. 4 times It works, and it works as well during inflation. then,
Mass fraction of fuel inside 25% of axial vortex
(mass fraction), the heat
Replacement should be 10-15% (25% equivalent fuel
(as stochiametric burn). SCAVENGING The inlet supercharging air is far away from the combustion products.
It acts strongly (“heavy”) in the direction of the mind. this thing
, the inlet air is cooler and larger than the exhaust gas.
It means that it has a large angular moment. Guidance
The incoming air is cold because it has not yet been combusted.
and the introduced air comes into contact with the wall and spins down.
Since the angular moment is large because it is not
Ru. Therefore, the introduced air comes into contact with the cylinder wall
It tends to flow in as a thin layer and into a small radius.
towards the exhaust valve at 1/2 radius
Push away hot gas. Inner part of exhaust gas core 1/
The mass of part 8 (1/4 volume, 1/2 density) is the fuel
A weak vortex is created by the moment of the fuel injection.
There is a tendency to This thing has a cold inflow
Convenient for interaction with introduced gas and exhaust gas
It is also convenient for scavenging air from the valve. Moshi Exhaust
When the remaining amount of gas is very large, i.e. scavenging
If the exhaust valve is insufficient, reduce the size of the exhaust valve by 1/3.
diameter so that only 5% of the exhaust mass remains.
It's easy to do. Axial vortex flow controlled exhaust
Valve control provides effective scavenging.
Ricardo (1954) raised the issue of scavenging.
The concept of “swirl” in the introduced gas, i.e.
Introduced rotational angular moment. This means that
Cardo's exhaust port is also provided on the peripheral wall of the cylinder.
This is because it is not installed near the axis.
Ru. Next, the introduced gas and exhaust gas are connected to ports on the peripheral wall.
The air is pushed away from the air towards the axis, resulting in scavenging air.
was insufficient. diesel engine design As shown in Figure 10, three pistons or
The supercharging piston 201, the combustion piston 202 and
and exhaust piston 203 are connected to each cylinder 20
8, 209 and 210, the crankshaft
Yaft 204 and crank 205, 206, 2
Driven by 07. super charger
The cylinder 208 is a cam of the crankshaft 204.
Cylinder wall sleeve valve driven by 212
It has 211. These cams 212
The annular port 21 by driving the wall sleeve valve 211
3 opening and closing, vortex inflow with straight vanes 215
The introduced air is introduced by the rotating circulation flow generated by the mouth.
Suction is coming from the annular Blenheim chamber. This rotational circulation
inside the supercharger cylinder due to the flow.
An axial vortex 216 of the introduced air is generated (first
(See Figure 11). The introduction port area 213 is large.
and the axial vortex flow 216 causes the cylinder to
The heat exchange with the da wall 208 is reduced, and the
The air in Yajia is compressed fractionally and leaves
Exhaust from the cylinder through the spring exhaust valve 217.
Served. The leaf spring exhaust valve 217 is
It is provided in a semicircular shape inside the head 218.
Therefore, the vortex flow in the axial direction is mostly at about 1/2 of the radius.
is discharged from the cylinder in the direction of the rotating flow. supercharging
Air is compressed 82 times to approximately 280PSI (approximately 19.69Kg/
cm2) and passes through the duct 219 into the room 220.
carried to. This chamber 220 is filled with compressed air (supercharged air).
The volume of air) is 1.56 times the volume of combustion cylinder 209.
to hold. The walls of the duct 219 and this chamber 22
0 is insulated to reduce heat loss
Or with ceramic lining 221.
be. In operation, cylinder 208 and reservoir
The pressure of the supercharged air in the chamber 220 is
Almost equal to the pressure inside the combustion cylinder 209 just before
Also, the pressure inside the exhaust cylinder 210 at the same time
is equal to, so the pressure at all three points is
be equal. The combustion piston 202 is a combustion cylinder.
The bottom port 222 of the cylinder 209 and the combustion cylinder
directly exposed to the exhaust valve 223 of the head 224.
Ru. The gas then flows at almost constant pressure and
from the storage chamber 220 through the transfer duct 226
It is transferred to the Blenheim chamber 225 at the entrance of the compression chamber.
Therefore, very slight turbulence occurs. exhaust cylinder
Due to the expansion of exhaust piston 203 within 210
The pressure is 280PSI (approximately 19.69Kg/cm2) to 140PSI
(approx. 9.89Kg/cm2) is reduced by a factor of 2 to
When the combustion cylinder is filled with fresh supercharged air
Then, the exhaust valve 223 is closed. Then supercharged air
The toggling of the combustion piston 202 is at the inlet port.
Combustion cylinder 20 by covering port 222
It can be kept within 9. Inlet port 222 is cylindrical
It has many vanes inclined at approximately 60° with respect to the radius of the blade.
The cylinder has a 360° opening. supercharging
The gas pressure ratio is 5:1, and this ratio
Area of supercharged cylinder 208 relative to cylinder 209
equal to ratio. of the supercharged air in the combustion cylinder 209
Further compression is 4:1 before fuel injection, following
Therefore, the total compression ratio is 20:1. fuel engine
Standard driven by the crankshaft 204 of
driven by a standard fuel pump (not shown)
into the combustion chamber by a standard fuel injector 228.
Injected. The fuel is injected as fine droplets 227 (see Figure 12).
vortices around the axis of the combustion injector 228
When it comes to flow 229, the fine droplets that expand into a conical shape become silica.
until it is subjected to a radial centrifugal force towards the radial wall.
It is kept within the axial region. flaming fuel
Burning remains in the central region of the vortex, leaving unburned fine droplets
Only the fuel moves towards the pre-combustion region where available oxygen exists.
It has a tendency to escape in the radial direction. Therefore, the fuel
Burning gradually radially outward until burnout
Proceed to. The high temperature combustion products are transferred to the cylinder wall 20
9 and remains separate from the piston 202 and
Only the tube 223 is exposed to hot gas in a restricted area.
be forced to Another object of the present invention is to create a nearly laminar vortex flow.
Combustion takes advantage of the central axial area of the cylinder volume
and the working gas and
The purpose is to reduce the heat flow between the cylinder wall and the cylinder wall. An example of the tubular exhaust valve 223 is shown in FIG.
As another example is shown in Figure 12, a special circle
It has a cylindrical design. As shown in Figure 10
The valve 223 is connected to the overhead cam 230 and the
The shaft 231 is driven by the shaft 231.
central cylindrical head section supported by 31
It is placed on top of 232 and is water-cooled in passage 233.
Even when exposed to high-temperature exhaust gas of up to 1100℃,
I'm learning not to overheat the bar. Furthermore, the radius
The axial vortex flow 22 is caused by the annular opening 1/2 of the
7 is caused by the turbulent flow induced in the exhaust gas duct 234.
It will be possible to discharge air from the room to the minimum.
ing. This duct reduces heat transfer
Laminated with ceramic coating or other heat-resistant insulation material.
It has been inning. The exhaust gas duct 234 is short.
Thus, several percent of the volume 210 of the exhaust cylinder
It is formed with a small volume so as to
Only the valve between the firing cylinder and the exhaust cylinder exhausts the air.
It is adapted to serve as a gas valve 223. Exhaust gas makes an angle of approximately 60° to the radius
from the duct 234 through the inlet port 236.
Air enters the cylinder 210 and forms an axial vortex 237
is beginning to form. Exhaust valve 223
The exhaust piston 203 is 1/5 stroke after top dead center.
is closed when it is in the archive. This is exhaust gas
is 280PSI (approximately 16.69Kg/cm2) to 140PSI (approximately 9.89
kg/cm2) when it expands to a pressure of exhaust piste
The engine then moves at 2/5 of its maximum speed and
The area 236 of the inlet port is the area where the incoming gas reaches the maximum piston.
To move at 4 times the speed, 1/10 of the piston area
It is designed to be. azimuth
gives a port area of 1/10 of the piston area around
To do so. [(Pi)/2] or 1/4 turn (turn)
Ru. The exhaust piston 230 then has a total volume ratio of
Expand the exhaust gas until it becomes 8.2:1. child
This allows the pressure to reach atmospheric pressure at the end of the stroke.
Descend. The exhaust valve 238 is connected to the combustion cylinder 209
It is designed similarly to the exhaust valve 224 of
Camshaft 231 as well as cylinder exhaust port
It is opened by a cam 239 driven by.
The exhaust valve 238 is opened when the exhaust piston 203 is at top dead center.
It remains open until just before reaching the end. exhaust port
The lead angle of the inlet port 222 and exhaust port
Inside the combustion cylinder 209 just before the port 224 is opened
280PSI (approximately 16.69Kg/cm2) was captured up to the pressure of
The angle is such that the gas is compressed. The exhaust gas is
Exhausted via vortex 241 and exhaust port 242
It will be done. As shown in Figure 12, similar to the exhaust chamber
The head portion 250 of the combustion chamber is a slot in the valve.
A lug 254 extending through a
valve 252, the valve can be supported within the valve 252;
The swinging arm 258 passes through the tapepet head 260.
It is then activated. The timing chart in Figure 14 shows the piston and valve.
It shows the relative timing of supercharging piston
Starting from the top dead center of the engine 201, the introduction three
The valve 211 is located 90 degrees ahead and should be opened just now.
I'm trying to The combustion piston 202 is a combustion exhaust gas.
At the 138° position just before valve 224 is opened, the combustion
The firing piston 202 opens the introduction bottom port 222.
It's on. The exhaust piston 203 is also at top dead center.
Ru. At a later time of 82°, the bottom port
222 is closed and the supercharging introduction port 21 is at the 180° position.
3 closes. Supercharged cylinder 208 and combustion cylinder
Compression takes place in both cylinders of the cylinder 209.
Approximately 20 degrees in front of the top dead center of the combustion cylinder 202
Then, fuel injection begins, followed by an expansion process followed by combustion.
The process begins. otsuto cycle organization As mentioned above, the Otsuto Cycle Engine
However, it uses gasoline as fuel and uses a carburetor.
) are usually designed for maximum turbulence.
It will be done. The crown or head of the piston is small.
When designed with a diameter of
and the gap between the outer diameter of the piston and the head is small.
The gas is packed into the re-inflow volume.
will be included. This is called squish.
Ru. This is because the gas in the small interstitial volume reflows.
“squish” or packed into the volume
This is because turbulence is generated at the end of the stroke.
As explained earlier, the purpose of creating turbulence is to
The mixture of air and fuel in contact with the cylinder wall is
Completed by continuously mixing with the gas that burns at a high temperature in the center.
Complete combustion and unburned gas that causes air pollution
This is to prevent this from happening. however,
Turbulence will increase heat loss. As described above, the fuel is introduced along the axis of the laminar vortex flow,
burns by cutting off the fuel from the cylinder wall.
Describes a diesel engine with improved combustion efficiency.
It's here. For diesel engines, the fuel
It is injected immediately after it is requested to fire. Otsutosai
In a cruise engine, fuel and air are mixed in advance.
In this case, there is always a fuel-air mixture.
Aiki comes into contact with the cylinder wall, but on the contrary, the fuel injection type
In engines, laminar (“stratified”) filling is performed.
can become. If there is a laminar vortex before top dead center,
When fuel is injected along the axis of the flow,
Depending on droplet size, overflow rate and evaporation rate
Fuel mixes with air only outside a defined radius.
Ru. The resulting layer allows the air-fuel mixture to
The coalescence is sufficiently prevented from reaching the cylinder wall.
It will be done. In this case, the fuel-air mixture is
There is little or no contact with the
Therefore, it is necessary to provide turbulence to achieve complete combustion.
Not required. Otsuto cycle fuel injection type engine
In engines, depending on the shape of the head valve,
A “swirl” of some degree sometimes occurs and the axial
Creates a vortex but from a restricted port area
The gas introduction speed is very large and the flow becomes non-uniform.
Ru. Despite the perfect mixture of fuel and air
goes towards the cylinder wall, so for complete combustion
is required to create turbulence. obey
As a result, combustion continues where the fuel is concentrated at the center of the vortex.
I get kicked. Head and piston at the center of the vortex
Air-fuel mixture in contact with the crown of the ton
is not cooled by the sliding of the oil film.
in contact with surfaces maintained at high temperatures. obey
Therefore, a laminar vortex flow direction in which some heat-induced loss can be expected.
Fuel-injected 4-stroke Otto cycle
Since the engine can be designed using a laminar vortex flow system, heat can be reduced.
Losses and combustion losses are negligible and therefore the
Contaminants from the cylinder walls are also reduced. This operating cycle is standard 4-stroke size
compression and explosion are performed by the above three cylinders.
compared to the diesel engine
Ru. Otsutosa with a small compression ratio (e.g. 8:1)
The system is able to successfully fulfill this request.
Wear. If a supercharger is installed, the final compression capacity can be increased.
The product becomes more favorable in proportion to the supercharging ratio.
(because the head clearance becomes larger), it becomes more efficient.
Although it is possible to create effective designs,
Even if a cylinder is not installed, the cylinder will not be activated during combustion.
Because of the laminar axial vortex flow away from the peripheral wall of the
Therefore, heat loss will be significantly reduced. 4-stroke Otto cycle engine In FIGS. 15 and 16, cylinder 3
The piston 301 in 02 is the crank arm 303
and wrist pin 304, the 4-straw
driven by the crankshaft in crank mode.
Ru. The piston has a smooth piston head and head.
With clearance 305 between 306 and
Shown at top dead center when combustion occurs.
has been done. Head clearance 305 is due to dimensions.
R/4 (R is the piston diameter), and the piston diameter is
For an equal representative stroke table (2R),
R/4 clearance 305 is typical of 8:1
Compatible with Ootcycle compression ratio. The compressed volume is
Lower cylinder clearance and head 306
Due to the sleeve valve 307 within the clearance of
limited. As Ricardo argues, this
The clearance between them allows for perfect sliding against the external wall.
until contact is made to extract heat and limit expansion.
, so that the sleeve 307 expands due to heat.
automatically adjusted. The sleeve valve 307
Notched volume in the cylinder wall extending beyond the cylinder
It is in section 310. This notch volume is zero.
It may also work as a valve seat, or if
If it is large, the captured gas will not be compressed.
It is. Sleeve valve 407 is spring loaded to open
and is actuated by two cams 311. vinegar
That is, the sleeve valve 307 is as shown in FIG.
can be actuated by a Rotzker arm.
Wear. The head portion 312 within the sleeve valve is a camshaft.
It is supported by Yaft, but as shown in Figure 13.
I can support the sea urchin too. At the top dead center at the beginning of the suction stroke
The sleeve valve then retracts and opens the spiral air inlet 32.
Inflow straightened by vane 316 in 0
The axial vortex formed by the moment of air and
Port low in plenum chamber 315 for air suction
The area 314 is opened. The head 306 has a fuel injector 317, a spark
Includes plug 318 and exhaust valve 319. fuel injection
The gun is a completely standard type, but it is equipped with a fuel spray gun.
is axially symmetrical and has a vortex layer load.
It is mounted in the axial direction. ignition blug
318 has as little oscillation as possible against the rotating flow.
A strip in the same plane as the head 306 so as to
Has a park ignition surface. such ignition plug
is representative of an aircraft ignition plug.
Ru. Similarly, the bottom surface of exhaust valve 319 drives the vortex.
It's smooth so it doesn't shake. The exhaust valve 319
Driven by cam 321. FIG. 16 shows the piston 301, head 306 and
and two spiral-shaped blenheim chambers 315. Be
The tube 316 has a suction vortex 324 and an internal axial vortex.
325 is generated. The swirl in the vane 316
The suction area is where the suction vortex is located in the small diameter of the piston.
The speed of the piston is approximately four times that of the piston.
is 1/3 of the suction area of the piston. the result,
Radial suction speed of twice the piston speed is axial
It is even smaller than the vortex in the direction (about 1/2), so the axis
Directional vortices dominate the flow and annular vortices, i.e. radius
This prevents directional vortices from forming. The timing diagram can be any 4-stroke
It is the same as a 4-stroke engine, and is similar to a 4-stroke engine.
Since ming is well known, it is not shown here. Only
The small difference is that for opening and closing the suction sleeve valve 307
It has a cam shape. The port area is the opening of the sleeve valve.
It is determined by the degree of This area has a radius
The ratio of directional velocity to azimuthal velocity remains constant during suction.
As shown, it is proportional to the speed of the piston. Therefore, the valve opening is the sine of the crank speed.
Proportional. This is the easiest thing to manufacture.
It is a cam with an off-center circle. in this way
Therefore, only the radial moment of the axial vortex
The angular moment remains constant during the suction stroke.
, resulting in meridional circulation or radial circulation.
Circulation in the direction is minimized. This minimizes heat loss.
Make it. conclusion Heat flow from the working gas and its interfaces
are the volumes to which there is decisive control over the flow of heat
A shape machine is designed. As a result, such machines
This is a major improvement in thermal efficiency. Control method
is the generation of static laminar flow, and more specifically,
Laminar flow in a stable vortex that takes advantage of the symmetry of the constrained volume.
It is to deny turbulent heat transfer by generation. Achieving extremely low heat transfer when sucked at any time
The turbulence velocity is small compared to the displacement velocity and the wall
The total displacement of the working gas in contact is approximately 50
requires a small distance compared to the
Ru. This is necessary to induce complete turbulence.
contacting a smooth wall at a large Reynolds number
is the distance of fluid displacement. suitable suction port
design and small displacement guarantee laminar flow. Examples exist within this principle, including (1) vehicle dimensions;
Articulated vane compressor compatible with heat pumps
Expander (2) Adiabatic air compressor, (3) Diesel engine
((a) precompression, (b) postcompression, combustion and preexpansion,
(c) After-exhaust expansion is carried out in three separate cylinders.
(2) and (4) preferably with fuel injection.
It is a 4-stroke automatic cycle engine. The thermal efficiency of these designs in some cases is
It's less than twice as much as it is. This has been the case until now.
Thermal expansion transfer from the gas to the wall is the level of turbulence sucked in.
It has not been sufficiently handled as it is sensitive to
It depends. Ricardo (1954) and Taylor
(1966), most of the old textbooks are
It does not even take into account the turbulence patterns within the engine. recent years
The model and measurement of
I'm just showing it now. This style putter
thermal losses, efficiency obtained and accurate measurements required.
The relationship between is the basis of the invention. Reference materials (One “American Physics Handbook” 1963 Brentay
Published by Schall, New York, pp. 256 and 257. Lucardo. Etsuchi. Earl (1954) “High
Speed Internal Combustion Engine” published by Bradsky Mandosan, Russia
London, England Taylor. C. F. Author “Theory and Practice”
Internal Combustion Engine” 1966, Volume 1, Chapter 2 (2) Article Gosman. A. Day. Johns. Jiyu
stomach. R. Watkins. A. Written by Pea
(1978) “In-cylinder in reciprocating engines
“Development of predictive methods for processes” block,
General Motors Symposium, Detro
It. Michigan. Page 103 (Figure 16) Morse. Youpi. White law. J.A.
Etsuchi. Ianeskies. Written by M (June 1979)
Month) “In the motor piston-cylinder assembly,
Turbulence measurement using laser Dobbler wind measurement”
Journal of Fluid Engineering, ASME Proceedings, Volume 101, p.
215 (Figure 17) (3) Patent U.S. Pat. No. 3,343,782 to Breuwer et al.
(Published on September 26, 1967) (Sealing “Watushi”)
Rotor end sealing and rotor end sealing using
(relationship with the tar axis, etc.) Ezotubu US Patent No. 3346176
(Published October 10, 1967) (Rotor and strip
Sealing and storage between tree landings
Molybdenum disulfide coating on Ritzper Landing
(using cover) U.S. Pat. No. 3,356,292 to Breuwer et al.
(Published December 5, 1967) (Reduces rapid pressure changes)
cutout on the internal wall of the housing for shaft
Receiving and sealing shoes. Also, the vane
special materials and combinations) U.S. Pat. No. 3,370,785 to Pasek et al.
(Published on February 27, 1968) (Attached to the pulley)
"Impeller" disk near filter). Adsit U.S. Patent No. 3401827
(Published September 17, 1968) (Preserve the sealing show)
Brass molded in place to hold
Cloter lining and bearing shoes are lined.
molded with ) U.S. Pat. No. 3,419,208 to Breuwer et al.
(Published December 31, 1968) ((1) Sealing and bearing system
Spot weld to hold dowels and align dowels.
Metal rotor liner (2) for easy lifting
Curved to allow assembly. (3) Fishing
Heat-reinforced vanes (4) molded into the hub of the overlap
Vanes molded in hardenable plastic (5)
Various organizations in vane plastic (6) Housing
Molded ball bearing (7) facilitates assembly during assembly
Ball bearings for smaller pulleys
hub) Rohde U.S. Pat. No. 3,437,264 (1969)
(Published on April 8, 2016) ((1) Hazards in rotor and recesses)
Coat to seal at the end of the housing.
Rotor with Teing (2) Strituparande
Relationship between coating and coating (3) Coating
MoS2including) Rohde U.S. Pat. No. 3,437,265 (1969)
Published on April 8, 2017) (The base of the shoe and those
(wedge-shaped space between retaining strips) U.S. Pat. No. 3,844,696 to Stiles et al.
(Published October 29, 1974) (Two balanced
Rotor unit with extending vanes: Inlet port
cover to reduce noise on the route) Zeal U.S. Pat. No. 3,954,357 (1976)
Published on May 4, 2017) (For pins to which vanes are pivoted)
Holds the pilot sleeve during the guided track of the
standard 2-vane unit).

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、バリアを横切る熱移動を示すダイア
グラムであり、第2図は、種々の熱サイクルを示
すPVダイアグラムであり、第3図は、関節式ベ
ーン圧縮機兼膨張機の端断面図であり、第4図
は、第3図の機械における気体の温度低下を示す
ダイアグラムであり、第5図は、第3図のベーン
を用いるブレイトンサイクルヒートポンブの概略
図であり、第6図は、圧縮機の縦断側面図であ
り、第7A図は、半径方向ベーンを示す誘導通路
を通しての横断平面図であり、この半径方向ベー
ンは、用いることができるが、好ましくないもの
であり、第7B図は、第6図に示された圧縮機に
おける誘導通路を通しての横断平面図であり、こ
れらのベーンは、半径方向に対して斜めであり、
かつ環状渦の形成を抑える望ましい軸線方向渦流
を誘導するものであり、第8A図、第8B図およ
び第8C図は、速度の円周方向成分がほとんどな
いか、または全然なく、ピストン機械中に気体が
誘導されるとき、底ストローク、中間ストローク
および頂部ストロークにおいて、それぞれ形成し
かつ存続する環状渦を示し、これは第7A図に示
されたものと同様に半径方向ベーンを有する場合
であり、第9A図および第9B図は、シリンダが
膨張する軸線方向渦流の誘導進行としての形成お
よび膨張を概略的に示し、このような流れは、第
7B図に示された斜めのベーンによつて誘導さ
れ、第10図は本発明を実施する2ストロークデ
イーゼル機関の断面図であり、第11図は、第1
0図に示された機関を通る気体流の経路を示すほ
ぼ概略の形における平面図であり、第12図は、
第10図に示されたヘツドの代りに用いることが
できる燃焼シリンダのヘツドの切欠断面図であ
り、第13図は、第12図の13−13線に沿つ
てとり、かつ矢印の方向からみた部分断面図であ
り、第14図は、第10図および第11図に示さ
れた機関のタイミングを示すダイアグラムであ
り、第15図は、本発明を実施する4ストローク
オツトーサイクル機関の端断面図であり、第16
図は、第15図における16−16線によつて示
したように誘導通路においてとつた第15図に示
された機関の横断平面図である。
Figure 1 is a diagram showing heat transfer across a barrier, Figure 2 is a PV diagram showing various thermal cycles, and Figure 3 is an end cross-sectional view of an articulated vane compressor-expander. 4 is a diagram showing the temperature drop of the gas in the machine of FIG. 3, FIG. 5 is a schematic diagram of a Brayton cycle heat pump using the vane of FIG. 3, and FIG. FIG. 7A is a cross-sectional side view of the compressor, FIG. 7A is a cross-sectional plan view through the guide passage showing radial vanes, which can be used but are not preferred; FIG. 7B is a cross-sectional side view of the compressor; is a cross-sectional plan view through the guide passage in the compressor shown in FIG. 6, the vanes being oblique to the radial direction;
Figures 8A, 8B, and 8C induce a desirable axial vortex flow that suppresses the formation of annular vortices, with little or no circumferential component of velocity and When the gas is guided, it exhibits annular vortices forming and persisting in the bottom stroke, middle stroke and top stroke, respectively, which is the case with radial vanes similar to that shown in FIG. 7A; Figures 9A and 9B schematically illustrate the formation and expansion as a guided progression of an axial vortex flow as the cylinder expands; such flow is induced by the diagonal vanes shown in Figure 7B. 10 is a sectional view of a two-stroke diesel engine implementing the present invention, and FIG. 11 is a sectional view of a two-stroke diesel engine implementing the present invention.
12 is a plan view in generally schematic form showing the path of gas flow through the engine shown in FIG.
13 is a cutaway sectional view of the head of a combustion cylinder that can be used in place of the head shown in FIG. 10, FIG. 13 taken along line 13--13 of FIG. 12 and viewed in the direction of the arrow; 14 is a diagram showing the timing of the engine shown in FIGS. 10 and 11; FIG. 15 is an end sectional view of a four-stroke automatic cycle engine embodying the present invention; FIG. Fig. 16
15 is a cross-sectional plan view of the engine shown in FIG. 15 taken in the guideway as indicated by line 16--16 in FIG. 15.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 圧縮もしくは膨脹を行うための可変容積チヤ
ンバを形成する手段と、気体を上記可変容積チヤ
ンバに導入するほぼ全時間にわたつて該可変容積
チヤンバをそのチヤンバ内の圧力と実質上異なつ
た圧力でかついかなる気体に対しても触れない限
定された容積として維持するための手段と、気体
を上記可変容積チヤンバへ導入するための入口通
路及びポート手段とを有する気体の押退け容積を
圧縮もしくは膨脹させるための装置において、 上記流路及びポート手段74;96,100;
214,225,236,315は、層流に近い
状態の気体流を上記容積可変チヤンバを形成する
移動境界63,64,65;201;202;2
03;301の速度と同一で、かつ該気体の主な
移動方向に沿つた速度で上記容積可変チヤンバに
供給し、上記容積可変チヤンバを形成する壁への
またそこからの熱流れを減少させることを特徴と
する装置。 2 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、可変容積チヤンバがシリンダ内にピストン9
1,201,202,203,301,401を
移動自在に設けることによつて形成され、入口ポ
ートの面積がピストン面積の約半分の面積からそ
のほぼ全面積までの範囲にあることを特徴とする
装置。 3 特許請求の範囲第2項に記載の装置におい
て、入口通路がプレナム領域としてシリンダのま
わりで360°に亘つて拡がり、さらにスリーブ9
5,211,307よりなり、スリーブ弁がその
閉鎖位置と開放位置との間で入口ポートを横切る
ように移動自在となつていることを特徴とする装
置。 4 特許請求の範囲第3項に記載の装置におい
て、プレナム室がシリンダに対する接線方向の速
度成分でもつて気体をチヤンバに送るようになつ
ており、このため軸線方向の渦流が得られ、しか
も半径方向の渦流の形成とそれに伴う熱交換が阻
止されることを特徴とする装置。 5 特許請求の範囲第2項に記載の装置におい
て、装置がオツトーサイクル機関であり、さら
に、燃料をチヤンバのほぼ軸線に向けて該チヤン
バに導入するための手段317よりなり、このた
め燃料および燃焼がシリンダ壁部から離れた領域
に少なくとも部分的に局限化されるとともに燃焼
の促進が未燃の燃料滴をシリンダの軸線から外側
に遠心力でもつて向かわせることによつて行なわ
れ、これにより燃料の燃焼維持のために酸素の欠
乏していない空気が得られることを特徴とする装
置。 6 特許請求の範囲第4項もしくは第5項に記載
の装置において、さらに、ピストンをシリンダ内
で移動させるべく該ピストンに連結されたクラン
クシヤフト102,204,311と、ピストン
に往復運動を行なわせるべくクランクシヤフトを
調時関係で行駆動するために該クランクシヤフト
にスリーブ弁を連結する連結手段とよりなる装
置。 7 特許請求の範囲第6項に記載の装置におい
て、連結手段が頭上カムシヤフト311からなる
ことを特徴とする装置。 8 特許請求の範囲第1項記載の装置において、
気体の過給を行なうための過給用ピストン−シリ
ンダ装置201と、過給用シリンダから気体を受
入れてその燃焼を行なうための燃焼用ピストン−
シリンダ装置202と、燃焼用チヤンバから排気
ガスを受入れるための排気用ピストン−シリンダ
装置203とよりなり、過給用シリンダでの圧縮
比が燃焼用シリンダでの圧縮比よりも大きく、か
つ約3:1ないし約8:1のオーダであり、燃焼
用シリンダでの圧縮比が約16:1ないし約20:1
のオーダの全圧縮比に対して約3:1ないし約
4:1のオーダであり、排気用シリンダが排気ガ
ス圧力を大気圧近くまで下げるために約6:1な
いし約9:1のオーダの容積膨脹比を有している
ことを特徴とする装置。 9 特許請求の範囲第8項に記載の装置におい
て、過給用シリンダ201がその頭部端部で360°
に亘つて拡がりかつ上記過給用シリンダの断面積
の約半分から約等倍の面積を有する入口ポート2
13と、入口ポートを横切るように移動自在とな
つたスリーブ弁211と、過給用シリンダ内に層
流に近い軸線方向の過流を作り出すために気体に
周囲方向の速度成分を与えて該気体を入口ポート
に供給するようになつたプレナム室214とより
なることを特徴とする装置。 10 特許請求の範囲第9項に記載の装置におい
て、さらに、絶縁移送ダクト219と、過給加熱
空気を保持して燃焼用シリンダへの導入及び排気
を行うための絶縁貯蔵チヤンバ220とよりな
り、貯蔵チヤンバの容積が燃焼用シリンダの押退
け容量の約1ないし約6倍のオーダであることを
特徴とする装置。 11 特許請求の範囲第8項、9項および10項
のいずれかに記載の装置において、燃焼用シリン
ダ209がストロークの下死点附近に入口ポート
222を有し、入口ポートが燃焼用シリンダ内で
軸線方向の渦流を作り出すようになつた渦形手段
225でもつて過給用シリンダと連通しているこ
とを特徴とする装置。 12 特許請求の範囲第8項、第9項、第10項
および第11項のいずれかに記載の装置におい
て、燃焼中に、燃焼用シリンダ209の半径およ
び中央頭部のクリアランス長さがほぼ等しく、こ
のため燃焼中の燃焼チヤンバの表面積に対するク
リアランス容積の比が熱損失を減少させるような
大きさになつていることを特徴とする装置。 13 特許請求の範囲第11項に記載の装置にお
いて、燃焼用シリンダのヘツドが実質的に滑めら
かであり、燃焼用シリンダの軸線とほぼ共軸とな
るように該燃焼用シリンダに設けられた排気弁2
23と、燃焼用シリンダの軸線にほぼ沿つて燃料
を注入するための手段228とよりなり、このた
め軸線方向の過流が実質的に乱されないようにさ
れ、しかも燃焼作用が空気の酸素分の欠乏されて
いない領域に燃料滴を遠心力でもつて向けること
によつて高められていることを特徴とする装置。 14 特許請求の範囲第12項に記載の装置にお
いて、燃焼用シリンダのヘツドが実質滴に平らで
滑らかであり、さらに、燃焼用シリンダの軸線に
ほぼ沿つて燃料を注入するための手段228と、
燃焼用シリンダからの排気を行なうための排気弁
223とよりなり、排気弁が一層完壁な排気を行
なうために燃焼用シリンダの軸線とその壁部との
ほぼ中間にそのヘツドに配置されていることを特
徴とする装置。 15 特許請求の範囲第12項および第13項の
いずれかに記載の装置において、燃焼用シリンダ
の排気弁223が円筒形状のスリーブを有し、ス
リーブが燃焼用シリンダのヘツドにおける冷却さ
れた内側・外側の案内表面240に沿つて摺動
し、これにより排気弁の冷却のための大きな熱移
動が得られるようになつていることを特徴とする
装置。 16 特許請求の範囲第8項に記載の装置におい
て、さらに、燃焼用シリンダ209を排気用シリ
ンダ210に連通に連通させるための排気チヤン
ネル234よりなり、排気チヤンネルが熱絶縁さ
れ、しかも滑らかな壁部を持つて渦形となつてお
り、また排気チヤンネルが排気用シリンダ内に層
流に近い軸線方向の過流を作り出すように燃焼用
シリンダの排気ガスを排気シリンダに導くように
なつていることを特徴とする装置。 17 特許請求の範囲第16項に記載の装置にお
いて、排気用シリンダ210が環状の排気開口2
36を有し、排気開口が燃焼用シリンダの半径の
ほぼ半分のところに位置し、かつその半径の約半
分に等しい幅を有していることを特徴とする装
置。 18 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、該装置が4・ストロークのオツトーサイクル
機関であつて、ピストン−シリンダ装置301/
302と、シリンダへの入口ポートとよりなり、
入口ポート314はシリンダの頭部の全周囲に亘
つて全体に拡がり、かつ該シリンダの半径の約半
分以下の高さを有し、その高さが圧縮比によつて
割れたストローク長にほぼ等しく、さらに、開放
位置と閉鎖位置との間で入口ポートを横切るよう
に移動自在となつたスリーブ107よりなること
を特徴とする装置。 19 特許請求の範囲第18項に記載の装置にお
いて、さらに、空気に周囲方向の速度成分を与え
て該空気を入口ポートに供給するための通路手段
320よりなり、その速度成分が半径方向の導入
速度の1ないし2倍のオーダであり、このためシ
リンダ内に軸線方向の渦が作り出されることを特
徴とするオツトーサイクル機関。 20 特許請求の範囲第19項に記載の装置にお
いて、さらに、シリンダ内にその軸線に近接して
燃料を注入して層流状のチヤージを行なうための
手段よりなり、これにより熱の流れが減少される
とともにシリンダ壁部と接触した比較的冷たい未
然の気体からの汚染部分も減少されることを特徴
とするオツトーサイクル機関。 21 特許請求の範囲第18項、第19項および
第20項のいずれかに記載の装置において、さら
に、燃料の注入箇所に接近して配置された点火プ
ラグ318よりなり、点火プラグはヘツド表面と
ほぼ同一平面となつた電極表面を有し、これによ
り軸線方向の過流とヘツド表面との表面摩擦が減
少されることを特徴とするオツトーサイクル機
関。 22 特許請求の範囲第18項、第19項および
第20項のいずれかに記載の装置において、さら
に燃焼側表面を備えた排気弁319よりなり、燃
焼側表面は滑らかにされ、しかもヘツド表面とほ
ぼ同一平面となつており、これによりシリンダ内
の気体流との摩擦が最小にされており、排気弁が
シリンダの半径のほぼ半分のところに位置され、
このため排気ガスの流出が促進されることを特徴
とするオツトーサイクル機関。 23 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、該装置が大巾にしかも断熱的に圧縮された空
気もしくは気体を供給するための気体圧縮機であ
つて、ピストン−シリンダ装置91と、シリンダ
の上端部のまわりで360°に亘つて拡がる入口ポー
ト96と、入口ポートを横切るように移動自在と
なつたスリーブ弁95と、空気を入口ポートに導
入するための手段101とよりなり、空気の導入
時に空気にシリンダの周囲方向についての大巾な
速度成分が与えられて、注入空気もしくは気体に
層流に近い軸線方向の過流が形成され、このため
空気もしくは気体とシリンダの壁部との間の熱流
れが最小にされており、さらに、過流の方向で気
体もしくは空気を除去すべくシリンダのヘツドに
配置された少なくとも1つのリード弁194と、
絶縁された圧縮空気もしくは気体を送給すべくシ
リンダのヘツドに設けられた通路94とよりなる
装置。 24 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、該装置が気体のほぼ完全な断熱圧縮もしくは
そのほぼ完全な断熱膨脹を行なうための関節式ベ
ーン装置であつて、ケーシング72と、関節式ベ
ーン63,64,65を支持するロータ67と、
ロータとケーシングとによつて形成される圧縮−
膨脹領域に導びかれた注入通路74と、その圧縮
−膨脹領域から導びかれた排出通路75とよりな
り、注入通路および排出通路の長さ方向の断面積
がロータのベーンの速度にほぼ匹敵する速度の層
流に近い流れをそれら通路内で維持するようにな
つており、このためロータ、ベーンおよびケーシ
ング壁部と気体との間の熱流れが減少されるよう
になつていることを特徴とする装置。 25 特許請求の範囲第24項に記載の装置にお
いて、気体と接触するケーシング壁部が小さな熱
伝導率の材料から作られ、これによりケーシング
壁部中の熱流れが減少し、かつその壁部中の熱短
絡が最小にされることを特徴とする関節式ベーン
装置。 26 特許請求の範囲第24項記載の装置におい
て、該装置がブレイトンサイクル・ヒートポンプ
であつて、その圧縮機および膨脹機が前記第24
項もしくは第25項に記載の関節式ベーン装置か
らなつていることを特徴とする装置。 27 特許請求の範囲第25項に記載の装置にお
いて、さらに、絶縁されたシヤフト継手と、圧縮
機および膨脹機を熱絶縁するためのハウジング絶
縁体とを包含する手段よりなり、このため圧縮機
と膨脹機との間の熱短絡が最小にされていること
を特徴とする装置。
[Scope of Claims] 1. Means for forming a variable volume chamber for compression or expansion, and for substantially the entire time that gas is introduced into said variable volume chamber, said variable volume chamber being substantially equal to the pressure within said chamber. a gas displacement volume having means for maintaining the volume as a confined volume at different pressures and inaccessible to any gas; and inlet passageway and port means for introducing gas into the variable volume chamber. In an apparatus for compressing or expanding a fluid, the channel and port means 74; 96, 100;
214, 225, 236, 315 are moving boundaries 63, 64, 65; 201; 202;
03; supplying said variable volume chamber at a velocity equal to that of 301 and along the main direction of movement of said gas to reduce heat flow to and from the walls forming said variable volume chamber; A device featuring: 2. The device according to claim 1, wherein the variable volume chamber has a piston 9 in the cylinder.
1,201,202,203,301,401 in a movable manner, and is characterized in that the area of the inlet port ranges from about half the area of the piston to almost the entire area. Device. 3. A device according to claim 2, in which the inlet passage extends over 360° around the cylinder as a plenum area and further includes a sleeve 9.
5,211,307, wherein the sleeve valve is movable across the inlet port between its closed and open positions. 4. The device according to claim 3, in which the plenum chamber is adapted to convey gas into the chamber with a velocity component tangential to the cylinder, so that an axial vortex is obtained and a radial A device characterized in that the formation of eddy currents and the associated heat exchange are prevented. 5. The device according to claim 2, wherein the device is an Otto cycle engine and further comprises means 317 for introducing fuel into the chamber approximately in the direction of the axis of the chamber, so that the fuel and Combustion is at least partially localized in a region remote from the cylinder wall and combustion is enhanced by centrifugally directing unburned fuel droplets outward from the axis of the cylinder, thereby A device characterized in that oxygen-free air is obtained for maintaining fuel combustion. 6. The device according to claim 4 or 5 further includes a crankshaft 102, 204, 311 connected to the piston to move the piston within the cylinder, and a crankshaft 102, 204, 311 that causes the piston to perform reciprocating motion A device comprising coupling means for coupling a sleeve valve to a crankshaft for driving the crankshaft in a timed relationship. 7. The device according to claim 6, characterized in that the coupling means comprises an overhead camshaft 311. 8. In the device according to claim 1,
A supercharging piston-cylinder device 201 for supercharging gas, and a combustion piston for receiving gas from the supercharging cylinder and combusting it.
It consists of a cylinder device 202 and an exhaust piston-cylinder device 203 for receiving exhaust gas from a combustion chamber, and the compression ratio in the supercharging cylinder is larger than the compression ratio in the combustion cylinder, and is approximately 3: 1 to about 8:1, and the compression ratio in the combustion cylinder is about 16:1 to about 20:1.
It is on the order of about 3:1 to about 4:1 for a total compression ratio on the order of A device characterized in that it has a volumetric expansion ratio. 9. In the device according to claim 8, the supercharging cylinder 201 has a 360° angle at its head end.
an inlet port 2 that extends over the area and has an area that is approximately half to approximately the same as the cross-sectional area of the supercharging cylinder;
13, a sleeve valve 211 movable across the inlet port, and a sleeve valve 211 that imparts a circumferential velocity component to the gas to create a near-laminar axial turbulence in the supercharging cylinder. a plenum chamber 214 adapted to supply an inlet port. 10. The apparatus according to claim 9, further comprising an insulated transfer duct 219 and an insulated storage chamber 220 for holding supercharged heated air for introduction into and exhaust from the combustion cylinder, Apparatus characterized in that the volume of the storage chamber is on the order of about 1 to about 6 times the displacement capacity of the combustion cylinder. 11. In the device according to any one of claims 8, 9, and 10, the combustion cylinder 209 has an inlet port 222 near the bottom dead center of the stroke, and the inlet port is located within the combustion cylinder. A device characterized in that it also communicates with the supercharging cylinder by means of a volute 225 adapted to create an axial vortex flow. 12. In the device according to any one of claims 8, 9, 10, and 11, during combustion, the radius of the combustion cylinder 209 and the clearance length of the central head are approximately equal. , for which the ratio of the clearance volume to the surface area of the combustion chamber during combustion is dimensioned to reduce heat losses. 13. The apparatus according to claim 11, wherein the head of the combustion cylinder is substantially smooth and is disposed on the combustion cylinder so as to be substantially coaxial with the axis of the combustion cylinder. exhaust valve 2
23 and means 228 for injecting fuel substantially along the axis of the combustion cylinder, so that the axial turbulence is substantially undisturbed and the combustion action is controlled by the oxygen content of the air. A device characterized in that it is enhanced by centrifugally directing the fuel droplets to an area that is not depleted. 14. The apparatus of claim 12, wherein the head of the combustion cylinder is substantially dropwise flat and smooth, and further comprising means 228 for injecting fuel generally along the axis of the combustion cylinder.
It consists of an exhaust valve 223 for exhausting air from the combustion cylinder, and the exhaust valve is arranged at the head approximately midway between the axis of the combustion cylinder and its wall for more complete exhaustion. A device characterized by: 15. The device according to any one of claims 12 and 13, wherein the exhaust valve 223 of the combustion cylinder has a cylindrical sleeve, and the sleeve has a cooled inner surface at the head of the combustion cylinder. A device, characterized in that it is adapted to slide along an outer guiding surface 240, thereby providing a large heat transfer for cooling the exhaust valve. 16. The apparatus according to claim 8, further comprising an exhaust channel 234 for communicating the combustion cylinder 209 with the exhaust cylinder 210, the exhaust channel being thermally insulated and having a smooth wall. The exhaust channel is designed to guide the exhaust gas from the combustion cylinder into the exhaust cylinder so as to create an axial turbulent flow close to laminar flow in the exhaust cylinder. Featured device. 17. In the device according to claim 16, the exhaust cylinder 210 has an annular exhaust opening 2.
36, characterized in that the exhaust opening is located approximately half the radius of the combustion cylinder and has a width equal to approximately half the radius. 18. The device according to claim 1, wherein the device is a four-stroke automatic cycle engine, and the piston-cylinder device 301/
302 and the inlet port to the cylinder,
The inlet port 314 extends all the way around the head of the cylinder and has a height that is less than about half the radius of the cylinder and whose height is approximately equal to the stroke length divided by the compression ratio. , further comprising a sleeve 107 movable across the inlet port between an open position and a closed position. 19. The apparatus according to claim 18, further comprising passage means 320 for imparting a circumferential velocity component to the air and supplying the air to the inlet port, the velocity component imparting a radial velocity component to the inlet port. An ottocycle engine characterized in that it is of the order of one to two times the speed and that an axial vortex is therefore created in the cylinder. 20. The device according to claim 19, further comprising means for injecting fuel into the cylinder in close proximity to its axis for laminar charging, thereby reducing heat flow. 1. An Otto cycle engine characterized in that at the same time the amount of contamination from relatively cold unused gas that has come into contact with the cylinder wall is reduced. 21. The device according to any one of claims 18, 19, and 20, further comprising a spark plug 318 disposed close to the fuel injection point, the spark plug being in contact with the head surface. An automatic cycle engine characterized in that it has electrode surfaces that are substantially coplanar, thereby reducing axial overflow and surface friction with the head surface. 22. The device according to any one of claims 18, 19 and 20, further comprising an exhaust valve 319 having a combustion side surface, the combustion side surface being smooth and having a head surface. are substantially coplanar, thereby minimizing friction with the gas flow within the cylinder, and the exhaust valve is located approximately half the radius of the cylinder;
Therefore, the Otsuto cycle engine is characterized in that the outflow of exhaust gas is promoted. 23. The device according to claim 1, wherein the device is a gas compressor for supplying adiabatically compressed air or gas, comprising a piston-cylinder device 91 and a cylinder. It consists of an inlet port 96 extending 360° around the upper end, a sleeve valve 95 movable across the inlet port, and means 101 for introducing air into the inlet port. Upon introduction, the air is given a large velocity component in the circumferential direction of the cylinder, creating a nearly laminar axial turbulence in the injected air or gas, which reduces the interaction between the air or gas and the cylinder wall. at least one reed valve 194 located at the head of the cylinder to remove gas or air in the direction of overflow;
A device consisting of a passage 94 in the head of the cylinder for delivering insulated compressed air or gas. 24. The device according to claim 1, wherein the device is an articulated vane device for substantially completely adiabatic compression or substantially completely adiabatic expansion of a gas, the device comprising a casing 72 and an articulated vane. a rotor 67 that supports 63, 64, and 65;
Compression formed by rotor and casing -
Consisting of an injection passage 74 leading to the expansion region and a discharge passage 75 leading from the compression-expansion region, the longitudinal cross-sectional areas of the injection and discharge passages are approximately equal to the speed of the vanes of the rotor. a near laminar flow at a velocity of A device that does this. 25. The device according to claim 24, in which the casing wall in contact with the gas is made of a material of low thermal conductivity, which reduces the heat flow in the casing wall and reduces the heat flow in the wall. Articulating vane device characterized in that thermal short circuits of the are minimized. 26. The apparatus according to claim 24, wherein the apparatus is a Brayton cycle heat pump, and the compressor and expander are
26. A device characterized in that it consists of an articulated vane device according to paragraphs 1 or 25. 27. The apparatus of claim 25, further comprising means including an insulated shaft joint and a housing insulator for thermally insulating the compressor and the expander; A device characterized in that thermal short circuits with the expander are minimized.
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