JPS5827805A - 熱ガスへの水噴射による動力発生装置 - 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】 本発明は１熱ガスへの水噴射による高圧ガス・蒸気混合
体としての動力発生装置に関する。

熱ガスとしては、各種燃料や廃棄物などの燃焼ガス、各
種加熱炉・精練炉・反応炉や内燃機関などからの排ガス
、太陽熱・地熱などの自然エネルギあるいは高温物体の
冷却などによる熱ガスがある。従来、上記の如き熱ガス
を動力源として使用するものとしては、内燃機関、熱交
換器による蒸気発生装置があるが、後者にあっては構造
が複雑で大形かつ高価となり、故障の発生度数も大であ
る。

本発明は、簡単な構造により、各種燃料の燃焼による熱
ガスや、廃棄物などの燃焼ガス、各種加熱炉・精練炉・
反応炉や内燃機関などからの排ガス、太陽熱・地熱など
の自然エネルギあるいは高温物体の冷却などによる比較
的低圧の熱ガスに水を噴射混合することにより高圧のガ
ス・蒸気混合体を得て動力を供給することを目的として
いる。

以下に１本発明に係る熱ガスへの水噴射による動力発生
装置の第１実施例を第１図、第２図に基づいて説明する
。

１は比較的低圧の熱ガス発生装置であり）この場合は例
えば加熱炉、２は熱ガス導管Ｘ３１３′は圧力発生容器
であり、通常複数組並列に使用される。４〜４′は熱ガ
スを圧力発生容器３＼３′に供給する給気弁であり・５
・５′は圧力発生容器３・３′に設けた膨張ガス・蒸気
混合体の排気弁Ｘ６１６は圧力発生容器３Ｘ３′への水
噴射弁で１圧力発生容器３１３の周囲に通常複数個設け
られている。７は水ンク、８はポンプ、９は水導管、１
帆１０　　は高圧ガス・蒸気混合体の繰出弁・１１・１
１′は高圧ガス・蒸気混合体の導管Ｘ１２　　はアキュ
ームレータ）１３　　は動力機関で）ピストンエンジン
１０−タリエンジン１タービンなどの回転機関λまたは
ジエソトエンジ体を発生させるために給気弁４・４′・
排気弁５１５′、水噴射弁６・６′・高圧ガス・蒸気混
合体の繰出弁１０．１０　　を制御する制御装置であり
）マイクロコンピュータまたはシーケンス制御回路によ
る電子制御装置為あるいはカム機構などによる機械的動
弁制御装置である。給気弁４為４（排気弁５１５′、水
噴射弁６．６′、繰出弁１０．１０′の動作は、電磁駆
動）油圧駆動１空気圧駆動またはカム駆動あるいはこれ
らの組合せによって行なわれる。１５　　は膨張ガス・
蒸気の排気煙道である。

なお１比較的低圧の熱ガス発生装置１としては１加熱炉
の他に各種燃料や排棄物などの燃焼どによるものがある
。

次に・給気弁４％４’Ｎ排気弁５・５′、水噴射弁６．
６′、繰出弁１０．１０’の制御装置１４　　による作
動を主体として説明する。

給は停止されており＼かつ給気弁４１排気弁５、水噴射
弁６１繰出弁１０　　の作動に対し１給気弁４′−排気
弁５′・水噴射弁６′・繰出弁１０′の作動は位相をず
らして一連として全く同様に作動ず不ので）圧力発生容
器３の系統について説明する。

制御装置１４　　の作動によりＸ給気弁４１排気弁５は
開き状態（第２図のＡの状態）にあり〜加熱炉１よりの
比較的低圧の熱ガスは熱ガス導なると１これを検出して
制御装置１４　　が作動し排気弁５Ｘ給気弁４は閉まる
（第２図Ｂの状態）。すると制御装置１４　　の作動に
より水噴射弁６が開いてＡ水ポンプ８の作動による高圧
水が圧力発生容器３内へと噴射される。この噴射水は）
できる限り微粒子の噴霧状となるようにポンプ圧力およ
び水噴射弁６の構造を選ぶ。噴射された水はＡ熱ガスの
熱を受けて直ちに気化して高圧蒸気となる。噴射水量は
１圧力発生容器３内の熱ガスの熱容量に応じた最適の水
量をあらかじめ設定しておくか）または熱ガスの温度お
よび流量を検出して最適噴射量となるように計算して制
御される。最適量の水噴射後１あるいは圧力発生容器３
内の圧力検出により最適圧力に到達したことを検知して
、制御装置１４の作動により繰出弁１０を開き、高圧ガ
ス・蒸気混合体は導管１１によりアキュムレータ１２に
蓄圧される（第２［：］Ｃの状態）。該高圧ガス・蒸気
混合体は１動力機関１３に供給されて動力を発生する。

しかして１圧力発生容器３内の圧力が低下してアキュム
レータ１２への供給圧力以下になったことを検知して１
制御装置１４が作動して繰出弁１０を閉じ為排気弁５１
給気弁４の順に開いて（第２図りの状態）λ最初の状態
に復帰し１前記の作動を繰返えす。

なお為以上の説明において渫１給気弁４１排気弁５とし
ては）一定圧以下で開き一定圧以上で閉まる圧力制御弁
または逆止弁を使用しＡ繰出弁１０には一定圧以上で開
き一定圧以下で閉まる圧力制御弁または逆止弁を使用し
て１制御装置１４から独立させ１制御装置１４によって
水噴射弁６からの高圧水の噴射量１噴射時期のみを制御
してもよい。また為アキュムレータ１２は１高圧ガス・
蒸気混合体の圧力変動を平滑化するだめのものであり入
場合によっては省略してもよい。またＡ熱出力向上のた
め１必要に芯綿は）動力機関１３　　の出力の一部にて
圧縮機（図示せず）を駆動することもできる。

さらに）動力機関１３　　が間欠的な駆動を許容される
場合１または動力機関１３　　がジェット推進機関であ
る場合には１繰出弁１０　　とアキュムレータ１２　　
を省略してＸ排気煙道１５　　の中間に直接に動力機関
１３　　またはジェット推進機関を連結してもよい。

なお１動力機関１３　　が間欠駆動機関またはジェット
推進機関などの場合には１給気弁４を逆止弁としＡ排気
弁５　を省略して１水噴射弁６からの水噴射のタイミン
グに合せて１自動的に作動させることもできる。

第３図は、第１実施例の応用例を示す。すなはち・第１
実施例における圧力発生容器３・３′をジェット推進体
３ａｓ　３ａ’　とし１動力機関１３を省略し、排気弁
５は単なる排気部２４Ｎ　２４　　としてノズル形状に
形成され１そして給気弁４には逆止弁の機能を与えであ
る。またＡ水噴射弁６１６′　は・ジェット推進体３ａ
・３ａ’の後部寄りに設置されている。その他の符号は
第１図中の部品と同一部品は同符号で示す。比較的低圧
の熱ガス発生装置１から比較的低圧の熱ガスが＼熱ガス
導管２を経て為交互に開閉する給気弁４）４′からジェ
ット推進体３ａ・３ａ　　に供給され・ジェット推進体
３ａ、　３ａ’内のふん囲気温度が一定温度以上になる
とＡこれを検出して制御装置１４が作動い水噴射弁６・
６′が開いて水ポンプ８の作動により適量の高圧水がジ
ェット推進体３ａ）３ａ’内へと噴射され・噴射された
水は）熱ガスの熱を受けて直ちに気化して高圧蒸気とな
り、高圧ガス・蒸気混合体は排気部２４・２４′　より
排出し・その反力によりジェット推進体３ａλ３ａ’　
は前進する。この際１給気弁４１４′は逆止弁の機能を
有するので１高圧ガス・蒸気混合体の熱ガス導管２への
逆流はなされない。

全 次に第１実施例応用例として１圧力発生容器３を省略し
てＡ単筒の４サイクル機関に本発明を適用した動力発生
装置を第４図１第５図に基づいて説明する。

第４図の構成要素のうち為第１図に示す部品と同一部品
は同一符号にて示す。１は比較的低圧の熱ガス発生装置
であり１ここでは例えば加熱炉１２は熱ガス導管へ６は
水噴射弁＼７は水タンク八８はポンプ１９は水導管１１
４　は制御装置、１５　　は排気煙道）１６は吸気弁で
機能的に第１実施例の給気弁４に該当し）１７　　は排
気弁で同じく排気弁５に該当する。１８　　はシリンダ
）１９　　はピストン１２０　はピストンリング）２１
はピストン棒Ｎ　２２　　はクランク軸、２３　　はク
ランクケースである。

第５図はＸ本実施例の１制御装置１４　０制御作用によ
る吸気弁１６１排気弁１７１水噴射弁６の開閉状態の一
例を示すタイミング線図であり一クランク軸２２　　の
回転角度１８０’ごとの吸気行程（イ）、圧縮行程（ロ
）、膨張行程（ハ）Ｘ排気行程（ニ）の４サイクルに区
分しである。

そして）制御装置１４　　は第１実施例にて説明した如
く＼マイクロコンピュータ１またはシーケンス制御回路
による電子制御装置、あるいはカム機構などによる機械
的動弁制御装置であきクランク軸２２　　の回転角度に
応じてＡ第５図のタイミング線図に一例を示した如くに
、水噴射弁６１吸気弁１６−排気弁１７　　の開閉を行
なう。

本装置の運転に際しては１まづクランク軸２２を外力に
より回転させ１クランク軸２２　　が吸気行程（イ）位
置を採ることにより１吸気弁１６が開き１排気弁１７は
閉じているので為加熱炉１からの熱ガスは熱ガス導管２
から吸気弁１６　　を通り為ピストン１９　　の下向き
運動によってシリンダ・１８　　内に吸入される。ピス
トン１９が下死点に達すると１制御装置１４がこれを検
出して吸気弁１６を閉じる。ついで）ピストン１９ノ上
向き運動によりシリンダ１８内に充満した熱ガスは１ピ
ストン１９の圧縮行程（ロ）によって圧縮されて更に高
温の圧力ガスとなる。ピストン１９が上死点に達した瞬
間、またはその直前に制御装置１４によって水噴射弁６
が開き１水ポンプ８の作動による一定量の高圧水が水噴
射弁６からシリンダ１８内へ噴霧状に噴射されるとＡシ
リンダ１８内に密閉されている高温高圧の熱ガスにより
１噴射された水は直ちに気化して高圧蒸気となり、高温
高圧のガス・蒸気混合体は急激に膨張し１ピストン１９
を強力に下降させて膨張行程（ハ）となる。ピストン１
９が下死点に達すると、制御装置１４によって排気弁１
７が開かれて）ピストン１９山上向き運動によりシリン
ダ１８内の膨張して低圧となっストン１９が上死点に達
すると最初の状態に戻り１制御装置１４の検出により吸
気弁１６は開き１熱ガスがシリンダ１８内に導入されて
継続＼お）膨張行程（八）における水噴射量は１第１実
施例の場合と同様に為シリンダ１８内の熱ガスの熱害蓋
に応じた最適の水量をあらかじめ設定しておくか１また
は導管２内を通過する熱ガスの温度および流量を検出し
て最適噴射量となるように）制御装置１４によって計算
制御される。

また−吸気弁１６）排気弁１７１水噴射弁６の開閉時期
は必ずしも第５図に示す通りでなく１運転条件に応じて
最適なタイミング調整を行なう機能を制御装置１４　　
に持たせることにより、最高機能を得ることができる。

また１制御装置１４は、吸気弁１６）排気弁１７および
水噴射弁６の制御を通常の４サイクル内燃機関と同様に
クランク軸２０に連動させた動弁カム機構として簡易化
され１既製の内燃機関を利用して１その一部を改造する
ことによって本実施例を実現することができる。

た構成することは容易であり１またクランク軸φ回転を
円滑化するために１通常の内燃機関の如くフライホイー
ルを設置してもよい。さらに２サイクル機関においては
１熱ガス導管２を掃気孔に、排気孔を排気煙道１５に接
続し１シリンダヘツドに水噴射弁６を設け１制御装置１
４により水の噴射量λ噴射時期を制御することによって
１本発明に係る熱ガスへの水噴射による動力発生装置が
実現できＸ本発明に包含されるものである。

つぎに１本発明を通常の内炉機関に適用した動力発生装
置の第２実施例を第６図１第７図に基づいて説明する。

従来）内燃機関のシリンダ内に水噴射が行なわれている
例はあるがＡこれはシリンダ内の燃料および空気の混合
気の燃焼によって生ずる窒素酸化物の生成量を減少させ
ることを目的とするものであり、水は燃料油と混和され
てシリンダ内に噴射されるか１または混合気の燃焼と同
時に水がシリンダ内に噴射されるものであり）したがっ
て１混合気の燃焼温度が低下するので窒素酸化物生成量
は減少するが為熱サイクル上からは作動気体の最高温度
が低下するので１理論的には熱効率の低下は免れない。

これに対して本発明は）シリンダ内の混合気の燃焼は通
常の状態で行なわれ、燃焼が終了して燃焼ガスが膨張行
程に入った後にシリンダ内に水を噴射することによって
１高圧のガス・蒸気混合体を発生させて膨張行程におけ
る動作圧力を増大し１膨張行程終了時の排気温度を低下
させて、熱効率向上を図ることを目的としている。

第６図は一通常の４サイクルガソリン機関に本発明を適
用した実施例を示す。その構成要素のうち、第１図およ
び第４図中の部品と同一部品は同一符号で示す。ナなは
ち九６は水噴射弁７は水タンク）８はポンプ）９は水導
管１１４は制御装置）１５は排気煙道へ１６は吸気弁１
１７は排気弁Ｘ　１８はシリンダ）１９はピストン）２
０はピストンリング為２１はピストン棒２２はクランク
軸、２３はクランクケースであり）２５は点火プラグ、
２６は気化器）２７は吸気管である。制御装置１４は１
第１実施例と同様に電子制御装置または機械的動弁制御
装置である。

第７図は）本実施例の制御装置１４　の制御作用による
吸気弁１６、排気弁１７Ｘ　　点火プラグ２５）水噴射
弁６の開閉状態の一例を示すタイミング線図であり、吸
気行程（イ）１圧縮行程（ロ）＼膨張行程（ハ）Ａ排気
行程（ニ）の４サイクルに区分しである。

本動力発生装置の運転は）通常のガソリン機関と同様に
１まづ外力によってクランク軸２２を回転させ１吸気行
程（イ）により排気弁１７が閉じた状態で吸気弁１６が
開き１ガソリンと空気の混合気がピストン１９の下向き
運動によりシリンダ１８内に吸入され１ついで吸気弁１
６が閉じて圧縮行程（ロ）が行われ１ピストン１９の上
死点またはその直前の位置にて点火プラグ２５に点火さ
れて１圧縮された混合気が急激に燃焼してピストン１９
を下降させて膨張行程（・・）に入る。以上の動作は通
常の４サイクルガソリン機関と全く同様であり１吸気弁
１６１排気弁１７＼点火プラグ２５の動作は、制御装置
１４がクラ／り軸２２の回転角度を検出して制御される
。７リンダ内の混合気の燃焼が終了して膨張行程（ハ）
に入ったことを検出すると１制御装置１４が水噴射弁６
を開き）水ポンプ８の作動による一定量の高圧水が水噴
射弁６からシリンダ１８内に噴霧状に噴射されると、膨
張行程（ハ）中の高温の燃焼ガスにより噴射された水は
直ちに気化して高圧蒸気となり）高圧のガス・蒸気混合
体が発生して）膨張行程（ハ）中の平均有効圧力は通常
のガソリン機関の場合に比べて著しく増大し１ピストン
１９をさらに強力に下降させる。ピストン１９が下死点
に達すると制御装置１４によって排気弁１７が開かれ＼
膨張して低圧となったガス・蒸゛気混合体を排気煙道１
５へと排出する排気行程（ニ）となる。排気行程（ニ）
が終了してピストン１９が上死点に達すると為最初の状
態に戻り〜制御装置１４０）検出により吸気弁１６が開
き）継続運転される。なおλ膨張行程（ハ）における水
噴射量は第１実施例と同様に１シリンダ１８内の燃焼ガ
スの熱容量Ａしたがって燃料油供給量に応じた最適の水
量をあらかじめ設定しておくか）または制御装置１４に
よって計算制御される。また水噴射弁６の開閉時期は）
燃料油供給量に応じて膨張行程（ハ）中の最適のタイミ
ング調整を行なうことによってλ最高機能を得ることが
できる。

以上は単筒の４サイクルガソリン機関に適用したものと
して説明したが°）多筒の４サイクル機関まだはディー
ゼル機関もしくはそれぞれの２サイクル機関にも同様に
適用される。

以上の説明により理解される如く１各種燃料や廃棄物な
どの燃焼ガス−各種の加熱炉・精練どの自然エネルギあ
るいは高温物体の冷却などによる熱ガスに適量の水を適
時噴射混合して１高圧のガス・蒸気混合体を得てλ動力
源として使用することにより入省エネルギに大いに役立
つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に係る熱ガスへの水噴射による動力発
生装置の第１実施例を示す配置図１第２図は、第１実施
例に使用される圧力発生容器に設けた答弁の作動を示す
タイミング線図、第３図は、本発明に係る外部からの熱
ガスへの水噴射による動力発生装置において１圧力発生
容器としてジェット推進体を使用した場合の配置図Ａ第
４図は１同じく圧力発生容器として単筒の４サイクル機
関のシリンダを使用した場合の一部断面よりなる配置図
）第５図は１４サイクル機関に設けた答弁の作動を示す
タイミング線図１第６図は１本発明に係る熱ガスへの水
噴射による動力発生装置の第２実施例を示す一部断面よ
りなる配置図１第７図はＡ第２実施例に使用される４サ
イクルガソリン機関の答弁の作動を示すタイミング線図
である。 １　・・・・・比較的低圧の熱ガス発生装置２・・・・
・熱ガス導管 ３．３′・・・圧力発生容器 ３ａ、　３ａ・・・ジェット推進体 ４．４′・・・給気弁　　　５．５′・・・排気弁６・
６′・・・水噴射弁　　　　７・・・水タンク８・・・
・・ポンプ　　　　　９・・・水導管１０．１０・・・
繰出弁 １１１１１・・・高圧ガス・蒸気混合体の導管１２・　
・・・・アキュームレータ １３・・・・・動力機関　　１４・・・制御装置１５・
・・・・排気煙道　　１６・・・吸気弁１７・・・・・
排気弁　　　１８・・・シリンダ１９・・・・・ピスト
ン　　２０・・ピストンリング２１・・・・・ピストン
棒　２２・・クランク軸２３・・・・・クランクケース ２４１２４・・・排気部　　　２５・・点火プラグ２６
・・・・・気化器　　　２７・・吸気管手続補正書く自
制 昭和５７年　４月１５日 特許庁長官　島田春樹　殿 １、事件の表示 昭和５６年　　特許願　第１２５１６５号２、発明の名
称 熱ガスへの水噴射による動力発生装置 ３　補正をする者 ４、代理人　〒１６６ 住所　　東京都杉並区梅里 ５、補正により増加する発明の数　　０６　補正の対象 ７、補正の内容 明細書第１３頁１０行「示す通りでなく、」と１１行［
運転条件］との間に［たとえば、圧縮行程（ロ）を省略
して、ピストン１９の下向き運動の前半（必ずしも行程
の１／２とは限定しない）を吸気行程（イ）としてピス
トン１９の下向き運動の途中にて吸気弁１６を閉じ、そ
の前後に水噴射弁６を開いて水噴射を行ない、ピストン
１９の下向き運動の残行程を膨張行程（ハ）とすること
により、第４図に示すような機関をして２サイクル動作
を行なわせることもできる。また、」を挿入する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　外部から熱ガスを供給する給気弁と、膨張・したガ
   ス・蒸気混合体を排出する排気弁と）圧力水を噴射する
   水噴射弁と為高圧ガス・蒸気混合体を外部に供給する繰
   出弁とを具え１熱ガスと水とにより高圧ガス・蒸気混合
   体を発生する圧力発生容器と１該給気弁）排気弁１繰出
   弁の開閉時期に相関して水噴射弁からの圧力水の噴射時
   期および量を制御する制御装置と）該高圧ガス・蒸気混
   合体により駆動される動力機関とよりなることを特徴と
   する熱ガスへの水噴射による動力発生装置。 ２　　外部から熱ガスを供給する給気弁と翫膨張したガ
   ス・蒸気混合体を排出する排気部と）圧力水を噴射する
   水噴射弁とを具え為熱ガス　　ごと水とにより高圧ガス
   ・蒸気混合体を発生する圧力発生容器とＡ該給気弁の開
   閉時期に相関して水噴射弁からの圧力水の噴射時期およ
   び量を制御する制御装置とよりなることを特徴とする熱
   ガスへの水噴射による動力発生装置。 ３　熱ガスと水とにより高圧ガス・蒸気混合体を発生す
   る圧力発生容器を動力機関のシリンダとする特許請求の
   範囲第２項記載の熱ガスへの水噴射による動力発生装置
   。 ４　熱ガスと水とにより高圧ガス・蒸気混合体を発生す
   る圧力発生容器をジェット推進体とする特許請求の範囲
   第２項記載の熱ガスへの水噴射による動力発生装置。 ５　内燃機関において１膨張行程中の熱ガスに水を噴射
   する水噴射弁と）水噴射弁からの圧力水噴゛射時期およ
   び量を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする熱
   ガスへの水噴射による動力発生装置。