JPH04209933A - ピストン型エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、摺動自在にピストンを嵌合させたシリンダ
内で燃料を燃焼させ、発生する高圧の燃焼ガスによりピ
ストンを押下げてクランクを回転させ動力を得るピスト
ン型エンジンに関する。

（従来の技術） シリンダ内で摺動するピストンにより、燃料と空気との
混合気を圧縮し燃焼させて発生する！圧の燃焼ガスによ
りピストンを押下げるピストン型エンジン、例えはガソ
リンエンジンや、ピストンにより圧縮して温度上昇した
シリンダ内空気に燃料を噴射して燃焼させ、発生する高
圧燃焼カスによりピストンを押下げる、例えばディーゼ
ルエンジンは、広く使用されている。

一般に、エンジンにおいては、燃焼温度が成るべく高く
、排出するガス温度が成るべく低い方が熱効率が高くな
る。即ちエンジンへの供給熱量をＱＢ％排出熱量をＱＥ
、エンジンの発生する仕事をＷ１熱効率をηとすると、 Ｗ　　　ＱＢ−ＱＥ　　　　ＱＥ η＝　−＝　　　　　　　＝　ｉ　−−Ｑ　ａ　　　　
Ｑ　ＢＱ　ａ てあり、上記の値が大きいことが望ましい。熱量が多い
場合は温度も高い。

ピストン型エンジンは、燃焼ガスの流動速度が／ＪＳ　
サ＜、燃焼温度が３０００〜４０ｏｏ℃と高く、しかも
シリンダへの伝熱が間欠的に行なわれて熱損失か小さい
ので、熱効率を高める上で有利である。

これに対してがん形燃焼器を使用する現在のカスタービ
ンは、燃焼器出口での燃焼ガス温度は、ピストン型エン
ジンより低い１０００〜１３５０℃であり、且つ連続的
にこの熱ガスをタービンへ供給するので、伝熱が連続的
に行なわれ、熱損失が大ぎくなる点で不利である。

（発明が解決しようとする課題） 従来のピストン型エンジンは、ピストンの昇降運動によ
り、混合気又は空気をシリンダ内に吸入、圧縮し、シリ
ンダ内で燃料を燃焼、膨張させるものであり、ニンジン
自体の出力軸のトルク制御は、吸入する混合気又は燃料
を適度に絞ることにより行なっていた。そのため、エン
ジンを加速しようとする場合に、トルクの立上りが遅か
った。

又、多くの熱量を持つ排気から熱を直接回収し、燃料の
燃焼に利用することも難しく、更に、燃焼ガスを十分膨
張させることも難しかった。

（課題を解決するための手段） この発明は、熱効率の点で有利なピストン型エンジンを
利用するもので、燃料を燃焼させてピストンを駆動しク
ランクを回転させるピストン−シリンダ系とは別個のコ
ンプレッサを使用して圧縮空気を造り、これを上記シリ
ンダに供給し、シリンダ内に噴射した燃料を燃焼させる
ようにして、ピストンには空気の吸入や圧縮を行なわせ
ず、燃焼ガスに十分な膨張を行なわせ、又排気熱で給気
を加熱するようにもして前記の課題を解決したものであ
る。コンプレッサとしては、遠心式、軸流式、容積型ロ
ータリ式、ピストン式等の一般のものが利用できる。

（作　用） ピストンの上死点付近の小角度範囲の始端部で排気弁を
閉じ、給気弁を開いて、別に設けたコンプレッサで造っ
た高圧空気をシリンダ頭部に流人させ、上死点でこの空
気中に燃料を噴射して燃焼させ、以後はピストンが下死
点に到るまで燃焼ガスを膨張させ、下死点において排気
弁を開き、以後、上記のように上死点付近で排気弁を閉
じるまでピストンを上昇させシリンダ内を掃気する。

このように、通常のピストン型エンジンのような、ピス
トンの下降時に混合気又は空気を吸入し、ピストンの上
昇時にこれを圧縮するものではないから、本発明のピス
トン型エンジンでは、回転速度の大小にかかわらず吸気
の圧縮率は一定であり、迅速な加速を行なうことができ
る。

又、コンプレッサをシリンダと別個に設けるから、両者
の間に熱交換器を設けることができ、この熱交換器を介
して排気熱をシリンダへの給気に移し、エンジンの熱効
率を高めることができる。

このようにすれば、シリンダ頭部に供給される圧縮空気
の温度が、通常のピストンの圧縮行程による圧縮空気の
温度より高いので、その分だけ燃料を節減することがで
きる。

更に、ピストン下降により吸気するものでないから、吸
入空気量に拘束されることなくピストン下降量を大きく
して燃焼ガスを十分膨張させ燃焼ガスのエネルギの利用
度を高くすることができる。通常のピストンエンジンの
排気圧は４　Ｊ／ｃ＋ｎ”程度であるが、これを１〜１
　、　５　ｋｇ／ｃｍ２まで膨張させて、燃焼ガスの熱
エネルギを十分に利用することができる。シリンダ内径
、ビストンストロークを従来のエンジンと同じにしよう
とするならば、コンプレッサとして吐出量の小さいもの
を使用し、従来と同じシリンダ容積内で燃焼ガスを十分
に膨張させることができる。

コンプレッサは、クランクと直結又は歯車、チェノ等で
連結し駆動するが、定置、定回転させて使用するエンジ
ンならば、別のモータ等の原動機でクランクと一定回転
比で駆動してもよい。この明細書では、これらを連動と
総称する。

なお、シリンダへの給気は間欠的であるにかかわらず、
コンプレッサからは連続的に圧縮空気を吐出する場合で
も、多気筒エンジンに対して１個のコンプレッサを使用
すれば、給気が平均的に行なわれるようになり、又熱交
□換器や送気管がアキュムレータの作用をするので、コ
ンプレッサ、シリンダの間での圧縮空気の吐出、吸入の
時期が完全に一致しなくても差支えない。

（実施例） 第１図は本発明によるピストン型エンジンの第一実施例
を示す略図、第２図はこれの弁線図である。

ピストン１を摺動させるシリンダ２には、頭部に給気弁
３、排気弁４、燃料噴射ノズル５が設けられている。コ
ンプレッサ６は、大気を吸入して、通常のピストンエン
ジンの圧縮圧力（ガソリンエンジンの場合７〜１２　ｋ
ｇ／ｃｍ２、ディーゼルエンジンの場合１５〜３０　ｋ
ｇ／ｃｍ２）　に相当する圧力まで圧縮し、吐出空気（
温度約３５０〜４５０℃）を給気弁３を経てシリンダ２
内に流入させ、この圧縮空気中に燃料噴射ノズル５から
燃料を噴射し燃焼させる。噴射する燃料の種類によって
、例えばガソリンの場合は圧縮空気圧を７〜１２ｋｇ／
ｃｍ２程度とすると共にシリンダ頭部に点火プラグ（図
示せず）を設叶て着火し、ディーゼル燃料の場合は圧縮
空気圧を１５〜３０　ｋｇ／ｃｍ２まで高める。燃料が
燃焼すると、例えば１５０　ｋｇ／ｃｍ２．３０００℃
の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは断熱膨張してピ
ストンを下降させ、１０００〜１３００℃となって排気
弁４から排出される。

このエンジン排気の持つエネルギは、ガスタービン７又
はタービンの一種である容積型エキスパンダにより回収
を図る。

このエンジンの動作を、第２図の弁線図により説明する
と次の通りである。

燃焼ガスの膨張により押下げられるピストン１が下死点
８に来ると、排気弁４が開き、燃焼ガスが排出される。

燃焼ガスを掃気しつつ上昇するピストンが上死点９の少
し前（角度θ１、約２０度）の位置１０に来ると、排気
弁４が閉じられ、給気弁３が開く。給気の慣性等を考慮
して、通常のエンジンのように、給気弁３は排気弁４よ
り少し早く開かれる。これによりコンプレッサ６から吐
出された高温、高圧の空気が、シリンダ２の頭部に流入
する。

ピストンが上死点９に達すると給気弁３が閉じられ、ノ
ズル５から燃料がシリンダ内に噴射され着火される。

この燃料は、ピストンが上死点９を少し過ぎた（角度θ
２）位置１１に来る間に高温の圧縮空気中で燃焼して高
圧の燃焼ガスを発生し、以後下死点８までの間で燃焼ガ
スは膨張し、トルクをクランク軸１２に伝える。コンプ
レッサ６は、この実施例ではクランク軸１２に直結（歯
車等による連動も含む）されて駆動される。

以上のように動作するこのエンジンは、クランク軸の１
回転で１サイクルの動作を行なう点で、基本的には圧縮
行程のない２サイクル型エンジンに似ているが、燃焼方
式はオツドサイクル型、サバチクサイクル型、ディーゼ
ルサイクル型に近いものとなる。

第３図は本発明の第二実施例を示し、熱交換器１３を使
用して排気熱を給気に移して熱経済を図ったものである
。前例と同じ構成部分は同符号で示すと共に説明を省略
して次にこれを説明する。

この例ではコンプレッサとして容積型ロータリコンプレ
ッサ６′をクランク軸１２に直結しているか、他の型の
コンプレッサを使用することもできる。

前例のように、下死点８て排気弁４か開きシリンダ２か
ら排出された燃焼ガスは、熱交換器１３の一次側１３ａ
を流れて、容積型ロータリコンプレッサ６′に圧縮され
て熱交換器の二次側１３ｂを流れる圧縮空気を加熱する
。容積型ロータリコンプレッサ６′は、大気を吸入して
、通常のピストン型エンジンの圧縮圧力（例えば１５〜
３０ｋｇ／ｃｍ２）に相当する圧力まで圧縮し、吐出空
気（温度約３５０〜４５０℃−）を耐圧性の熱交換器１
３の二次側１３ｂを通して、エンジンの排気により約７
００〜１３００℃に加熱し、給気弁３を経てシリンダ２
内に流入させる。

排気弁４を通って排出される８００〜１４００℃のエン
ジン排気は、熱交換器の一次側１３ａを通って上記のよ
うに給気を加熱し、４３０〜７２０℃となって排出され
る。この排気により加熱されてシリンダ内に流入した空
気中で燃料を燃焼させると、１００〜１５０ｋｇ／ｃｍ
２．１３００〜３０００℃の燃焼カスを発生し、この圧
力によりピストンが押下げられる。この場合の圧力上昇
は、通常のピストン型エンジンにおけると同様である。

このエンジン自体は第２図の弾線図に示されるように動
作する。

コンプレッサとして使用した容積型ロータリコンプレッ
サは、小型に製作でき、遠心式コンプレッサと異なり応
答が早いから、このエンジンを自動車に搭載したような
場合に、迅速加速することかできる。

第４図は、給気を加熱する熱交換器１３と、排気タービ
ン７又はタービンの一種である容積型エキスパンダとを
使用する場合の各部の温度の１例をＰＶ線図に記入して
例示したものである。即ち、コンプレッサ６により１気
圧、１５℃の大気を吸入、圧縮して１５ｋｇ／ｃｍ２．
３５０℃とし、これを熱交換器１３の二次側１３ｂを通
して１２００℃に加熱してシリンダ２に流入させ、これ
に燃料を噴射し燃焼させて、３０００℃の燃焼ガスを発
生させ、ピストンを押下げつつ膨張させる。下死点にお
いて、１２５０℃になった排気を熱交換器の一次側１３
ａに通し、コンプレッサの吐出空気を加熱して４０．０
℃となった排気をガスタービン７に通し、２６０℃とな
ったガスタービン排気は大気中に排出するものである。

この場合、上死点にあるピストンを押下げる燃焼ガスの
熱量ＱＢは、定積比熱をＣｖとするとＱＢ　＝Ｃｖ（３
０００−１２００） シリンダから排出される排ガスの熱量Ｑ、は、定圧比熱
をＣＰとすると（Ｃ，／Ｃｖ＝１．４）ＱＥ＝　２６０
ＣＰ このエンジンの熱効率ηは コンプレッサの効率を０．９、ガスタービン効率を０．
９とすると η＝６５％となる。

このように、本発明のピストン型エンジンは、ピストン
の摺動速度が、例えば２０　ｍ／ｓのように遅く、燃焼
ガス流動速度も遅く（ガスタービンの場合はガス流速は
３００　ｍ／ｓ程度）、燃焼が間欠的に行なわれてシリ
ンダ壁への伝熱量が少ないピストン型エンジンの特徴を
利用して熱効率を高くすることができたものである。

上記のように構成したピストン型エンジンは、次のよう
な特徴を持っている。

（１）　コンプレッサ６は、エンジンのクランク軸１２
に直結運転されるから、エンジンの回転速度の遅速にか
かわらず、シリンダ容積に対応する体積の圧縮空気をシ
リンダに押込み供給することができる。

従って、エンジンを迅速に加速したいような場合（例え
ば自動車の加速）に、アクセルペダルを踏込めば、迅速
に応答し、トルクを増加させるようになる。

（２）容積型ロータリコンプレッサは、小型に製作でき
、遠心式コンプレッサと異なり応答が早いので、コンプ
レッサとしてこれを使用すれば、自動車に搭載したよう
な場合に、迅速に加速することかできる。

（３）ピストンは、従来のエンジンのような、燃焼のた
めの空気や混合気を圧縮することをせす、排気行程の外
は専ら膨張行程のみに関与するものであるから、行程を
長くして燃焼カスを十分に膨弓長させることかできる。

（４）コンプレッサは、圧縮圧力、吐出量等の動作状態
を、シリンダ部とは別個に自由に設定することがで鮒る
。

（５）エンジンとコンプレッサとの間に熱交換器を設け
ることができるので、この熱交換器によりエンジンの排
気熱を回収し給気を加熱して、通常のエンジンの圧縮に
よる温度上昇以上の高温とすることができる。従ってこ
の温度上昇分に対応する燃料を節約できる。

（発明の易果） 本発明は、シリンダと別個に設けたコンプレッサにより
シリンダへ給気する構成としたから次の効果が得られる
。

（１）ピストンによる吸入行程、圧縮行程がないから、
膨張行程を長くして燃焼カスの膨張エネルキを十分に圧
力に利用することがてきる。コンプレッサの容量を適当
に選へは、このために格別シリンダを大きくする必要も
なくなる。

（２）コンプレッサとシリンダとの間に熱交換器を設け
て給気を加熱することかできる。その結果、排気熱を直
接的にシリンダに還元して熱効率を従来よりも１０〜２
０％高められると推定される。

（３）容積型ロータリコンプレッサを使用する場合は、
エンジン回転速度の大小に関係なく常に、シリンダ容積
に対応する体積の空気を供給するので、エンジン加速を
迅速に行なわせることができる。従ってトルク、出力の
変動範囲の大計い、例えは自動車に使用して有効である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例を示す略図、第２図はこれ
の弁線図、第３図は第二実施例を示す略図、第４図は第
二実施例における各部の温度、圧力を示すｐｖ線図であ
る。 １：ピストン、２ニジリンダ、３・給気弁、４：排気弁
、５：燃料噴射ノズル、６．コンプレッサ、６′　：容
積型ロータリコンプレッサ、７：熱交換器、８・下死点
、９：上死点、１０．１１：ピストン位置、１２：クラ
ンク軸、１３　熱交換器、１３ａニ一次側、１３ｂ：二
次側。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）頭部に給気弁、排気弁、燃料噴射ノズルを設けたシ
   リンダにピストンを摺動自在に嵌合させ、このピストン
   を介してクランクを回転させるピストン−シリンダ系と
   、シリンダと別個に設けたコンプレッサとから構成され
   、コンプレッサは、クランクと連動してその吐出する圧
   縮空気を給気弁からシリンダ内に供給するものとし、燃
   料噴射ノズルはシリンダ内に供給された高圧、高温空気
   中に燃料を噴射して燃焼させるものとし、ピストンはこ
   れにより発生する高圧の燃焼ガスにより押下げられてク
   ランクを回転させるものとし、ピストンには吸気作用、
   圧縮作用を行なわせないことを特徴とするピストン型エ
   ンジン。 ２）頭部に給気弁、排気弁、燃料噴射ノズルを設けたシ
   リンダにピストンを摺動自在に嵌合させ、このピストン
   を介してクランクを回転させるピストン−シリンダ系と
   、シリンダと別個に設けた容積型ロータリコンプレッサ
   と、熱交換器とから構成され、排気弁はエンジンの排気
   を熱交換器の一次側を通して排出するものとし、容積型
   ロータリコンプレッサは、クランクと連動してその吐出
   する圧縮空気を熱交換器の二次側を通し加熱して給気弁
   からシリンダに供給するとものとし、燃料噴射ノズルは
   シリンダ内に供給された高圧、高温空気中に燃料を噴射
   して燃焼させるものとし、ピストンはこれにより発生す
   る高圧の燃焼ガスにより押下げられてクランクを回転さ
   せるものとし、ピストンには吸気作用、圧縮作用を行な
   わせないことを特徴とするピストン型エンジン。