JPS5938405B2 - 往復熱機関およびその作動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は往復外燃機関に関し、特に−個又は複数個のシ
リンダを有するエンジンであり、そのピストンの往復運
動により動力を発生し、エンジン駆動源である熱エネル
ギーはシリンダー外部よりエンジンにあたえられる型式
のものである。

本発明は特に新しいエンジン作動サイクルを提供する。

熱エネルギーを仕事に変換するに際し、高い熱効率、優
れた出力−重量比と出力一体積比を兼ね備えたエンジン
を生産せんとして多大の努力がなされてきた。

内燃機関は、良好な出力−重量比を有するが、その熱効
率は比較的低い。

一方、ディーゼル−エンジンは最良の熱効率を有する（
最高約４０％）。

カルノー（Ｃａｒｎｏｔ ）、スターリング（Ｓ ｔｒ
ｉｒｌｉｎｇ ）、エリクソン（Ｅｒ１ｃｓｓｏｎ ）
。

サイクル等に基づ（熱力学的高効率のエンジンが生産さ
れてきたが、これらのエンジンも、一般的に商業的には
成功していない。

これは多分、作動気体を急速かつ高効率に外部熱源で加
熱できる小型かつ高性能の熱交換器の開発に問題がある
ためである。

蒸気機関も又良（知られた外燃機関であるが、別に蒸気
ボイラーと凝縮機を必要とするため、その出力−重量比
は一般的に低い。

蒸気機関は通常乾燥蒸気をその作動流体として使用する
が、その効率はランキン・サイクルの上限値により制限
される。

本発明は、エンジンの作動室内に熱伝達媒体を用いて熱
エネルギーを供給する型式の往復外燃機関を提供するも
のであり、次の主構成要素を含む。

即ち、シリンダとシリンダ内のピストンであって、該シ
リンダと該ピストンは作動室を形成し、該ピストンは該
シリンダ内で往復運動可能で圧縮行程と膨張行程を行な
うものと、伝熱媒体を液状に保持可能な圧力下で該シリ
ンダの外部で上記媒体を加熱する熱交換器であって、該
熱交換器は伝熱媒体を導入する入口部と上記媒体を導出
する出口部を有するものと、該熱交換器の出口部に連結
されたインジェクタであって、上記作動室内に上記伝熱
媒体を噴射するものと、該ピストンの圧縮行程の終了時
附近で該インジェクタの噴射を制御する制御手段であっ
て、液状の媒体は作動室内で自然気化され、ピストンの
膨張行程の終了附近では上記作動室から上記伝熱媒体を
該シリンダの出口部から排出制御する制御手段とから成
る伝熱媒体を用いて機関の作動室にエネルギーを供給す
る往復外燃機関。

熱交換器は液体媒体を加熱するバーナーを有し、圧縮器
は燃焼ガス、通常は空気をバーナーに供給するためのも
のである。

圧縮器はシリンダーの圧縮室を利用することもできるし
、又羽根やタービン・コンプレッサーのような独立の回
転式又は往復式圧縮器を設置してもよい。

従って、圧縮器は必須構成要素ではない。シリンダーは
単一複動シリンダーとすることもできる。

即ち、ピストンの片側領域（通常、ピストン・ロッド側
）を圧縮室とし、反対側領域を作動室としてもよい。

ただし、この単一複動シリンダーと同一機能の他の機械
的装置を使用してもよい。

例えば、二個のシリンダーを１つの共通シャフトに連結
し、一方のシリンダーとピストンで圧縮室を他のシリン
ダーとピストンで作動室を別々に構成してもよい。

作動室が、２つのピストン・ヘッドと２つのピストン壁
で形成されるように、共通シリンダ内を往、復運動する
一対の対向するピストンを使用することもできる。

必要に応じて、従来構造の各種の大口弁、出口弁が、チ
ェック・バルブ（逆流防止弁）として使用され、エンジ
ンにより作動されるカムにより駆動かつ制御される。

ただし、弁を使用せず、２−ストローク機関の場合のよ
うに、出口部を開閉するようピストンを配置することも
できる。

インジェクタは、加熱された液状の伝熱媒体を動作室に
噴射するためにある。

噴射された液状の媒体は熱交換器から作動室へ熱エネル
ギーを移動伝達し、作動室内の蒸気圧を増加させる。

エンジンの作動中において、作動室内には、若干の伝熱
媒体の蒸気と通常は若干の液状の媒体が残る。

エンジン作動状態中に於ては、伝熱媒体は噴射後、作動
室内で部分的には気化する。

混乱をさけるため、本明細書で使用される術語を次に明
確にしておく。

伝熱媒体は液体状でも又は気体状でも存在できる。

湿潤蒸気とは噴射された液体の媒体が液状（例えば水滴
）と気体状で同時に存在することを意味する。

液状の媒体は、小型の熱交換器、例えば小径のコイル状
のチューブ（配管装置）内の燃料バーナーにより、高温
高圧（即ち、高内部エネルギー）に加熱される。

このような小径のチューブは高圧に耐えられるので、液
体をその臨界点まで加熱することかできる。

熱伝達率を高（すべぎ特殊な場合には、媒体を臨界点以
上の高温高圧に加熱してもよい。

この高温高圧液体が次にシリンダー作動室に噴射される
。

伝熱媒体の内部エネルギーは、噴射と同時に気化し、急
速に加熱液体から作動室内に伝達され、従って作動室内
の圧力は上昇する。

シリンダー内の作動室の蒸気は膨張しく通常は非断熱的
に）ピストンを駆動し仕事を行う。

伝熱媒体は水のような気化可能な液体で、その一部は作
動室への噴射された後で蒸気に変る。

従って、高温の噴射水は作動室内で急速に蒸気に変換さ
れる。

即ち、噴射された液体は伝熱流体として作動しているの
みで、作動室内の蒸気を内部エネルギーから機械エネル
ギーに変換させていることがわかる。

熱交換器内での熱伝達効率を最大にするには、伝熱媒体
は高熱伝導率をもつことが望ましい。

媒体は水、油、ナトリウム、水銀、又はこれらの混合物
から選択される。

これらの媒体の混合は作動室の内部又は外部で行なって
もよい。

作動室内では、噴射により気化する気化性の加熱液状の
伝熱媒体（それ自身は気化性のないもの）を使用するこ
とも可能である。

エンジンの温情を補うため、例えば、乳剤、水溶剤、水
溶性油のような油と水との混合物を使用してもよい。

エンジンの作動中では、伝熱媒体の気化による蒸気と若
干の液体が常に作動室内に残留する。

排出後作動室内に若干の液状の媒体を残留保持させるこ
とは、圧縮行程中の圧力を減少させることになり好まし
い（このことについては後で詳細に説明する）。

従って、排出後作動室内に若干の液状の媒体が保持され
るようシリンダーとピストンを構成することが望ましい
。

一般には、ピストントシリンダーに適当な凹所を設けて
液状の媒体を保持する。

作動室の下死点（ＢＯＣ）での圧力は一般に大気圧、１
バール（ｂａｒ ）より太き（、実質的に１バール以下
に排出媒体を減圧することが望ましい。

上死点（ＴＯＣ）での圧力は圧縮比で決定される。

圧縮比はエンジンによって広い圧力範囲より選択するこ
とが可能であり、その圧力比の範囲はおおむね１．５対
１乃至２０対１の範囲である。

即ち、高効率のためには一般に最小でも２０対１である
。

しかし、本エンジンは低圧縮比、例えば１．５対１でも
動作できる。

本エンジンの内径−行程比は１対１乃至１対３が好まし
い。

本発明が蒸気エンジンと異なる点は、伝熱媒体が液状で
保持されたままシリンダ内作動室に導入されてから始め
て蒸気に気化される点である。

この点は蒸気エンジンと極めて対称的であり、蒸気エン
ジンではフラッシュ・ボイラー（小容量の高温管ボイラ
ー）が使用されるときでも、水は常に蒸気の状態でシリ
ンダ内に導入される。

実際に、従来の蒸気エンジンでは水滴を除去するために
蒸気をスーパヒート（沸点以上に加熱）することが必要
であり、液状の水を蒸気エンジンのシリンダー内に直接
噴射導入することはできない。

なぜなら、シリンダー内に水滴を結果的に生ずることに
なるからである。

しかしながら、本発明のエンジンにおいては、大部分の
水が作動室内に水滴として存在することが望ましい。

なぜならば、これにより気化潜熱回収のための再凝縮量
を減少させているからである。

大部分の水が液状で噴射され排出されるので、実質的に
気化によるエントロピーの増加はない。

ランキン・サイクルの蒸気エンジンに於ては、排出蒸気
を液状の水に再凝縮させるために仕事が必要であり、こ
れが理想機関の効率に理論的上限を与えている。

本発明に於ては、この仕事が不要であり、噴射された液
体状の水が失なった殆んど全ての内部エネルギーが有効
仕事に変換できる。

大部分の伝熱媒体は通常その状態を変えないので、本発
明の作動サイクルの理論効率はランキン蒸気サイクルの
効率より大きい。

加熱された伝熱媒体は噴射前には液状に保持することが
必要である。

それには、適当な検出器を使用し、各圧力で温度がその
液体の沸点を越えないようにすることが必要である。

適当な大きさのオリフィスを液状の媒体を加熱する熱交
換器に接続し、熱交換器にその媒体を一定の流量で流し
込めば、熱を媒体に加えても、媒体が沸とうすることは
ない。

従って、オリフィスの大きさを正しく撰択さえすれば、
複雑な温度圧力検出器を必要とはしない。

即ち、オリフィスにより圧力降下を生じている限りにお
いて、熱交換器内の温度が上昇すると、これに併って熱
交換器内の圧力が増加するので、熱交換器内の液体の媒
体は常にその沸点以下に保たれる。

このオリフィスは通常媒体の噴射手段の一部を構成し、
これを介して液体の媒体を噴射されるエンジンの運転状
態は種々の手段によって制御することが可能であり、こ
れらの手段としては、例えばポンプを制御することによ
るシリンダに噴射する熱媒体の量を変化させることが考
えられる。

また、バーナに供給する燃料の量を変化させることによ
り熱量を変化させるようにしてもよい。

通常は、伝熱媒体は、作動室から排出された後に回収さ
れる。

排出された媒体は末だ加熱されており、その内部エネル
ギーを損失しないよう熱交換器に送られ再度循環される
。

かように、媒体は単に伝熱流体としてのみ作動し実質的
には消耗しない。

水は好ましい伝熱媒体の一つである。

各種装置が、バーナの燃焼により生じた加熱水を回収す
るために設置されている。

従って、水を補給する必要はない。

バーナに供給される気体により、バーナ内の燃焼が行わ
れる。

ガスは、酸素、空気若しくは他の酸素含有ガス、又は亜
酸化窒素等の燃焼維続性ガスであればよい。

又は、ガス状炭化水素、一酸化炭素、水素等の既知の可
燃性ガス自体でもよい。

バーナ燃料はガソリン、燃料油、液化又は気化炭化水素
、アルコール、木材、石炭又はコークス等の既知の可燃
性燃料から選択使用される。

一般には各種の熱回収手段を使用することが望ましい。

従って、エンジン全体は１つの熱絶縁性の対人材料で囲
み、例えばバーナー用燃料を予熱するために、漂遊熱量
を集めかつ伝達する熱交換器を設けてもよい。

バーナの燃焼排気ガス中の熱を回収することも望ましい
。

それには、燃焼排気ガスをスプレー室（ここで一般には
エンジン内に噴射されたものと同一の液状の媒体が燃焼
排気ガス中に噴霧される）に通過させて行う。

熱交換器に送る前に沸点近（まで液状の媒体を加熱する
ため、その媒体を燃焼排気ガスで噴霧することが望まし
い。

更に、水を使用する時には、水スプレ室又は凝縮器を用
いて、バーナかも送出される水分を燃焼排気ガスから凝
縮回収すれば、エンジン補給水の必要がないという利点
がある。

通常は排出された伝熱媒体は一部の蒸気を含む。

この蒸気はトラップで液状の媒体から分離でき、燃焼排
気ガスと共にバーナに送られる。

これにより、燃焼ガスを予熱し、蒸気の大部分が凝縮さ
れる。

本発明のエンジン構造は、内燃機関等の公知エンジンに
比較して、ある意味に於て、極めて単純化されている。

従って、作動室内の温度も一般には低（、ピストン廻り
のシール問題も単純化される。

本発明のエンジンは内燃機関より低い温度で動力を発生
することが理解されよう。

更に、シリンダーを冷却し、焼きつきを防止する手段が
必要である点に於て、内燃機関の熱効率は本発明の機関
より劣る。

更に、エンジン内の温度は、例えば最大２５０℃までと
比較的低いので、金属製のシリンダーの必要は通常ない
。

ポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）、ファイバー・グラス
植え込みのシリコン樹脂、工業用樹脂等が価格及び使い
易さの点で特に利用価値が高い。

木材又はセラミック等の他の熱絶縁材も又使用できる。

本発明の一実施例においては、加熱液体が端部作動室の
一端に噴射され、かつその排出部がピストン行程の他端
に設けられている。

低熱伝導率材料を使用すれば、出口領域を比較的低温に
したまま、シリンダーの一端を高温にできる。

動力は、往復ピストンに接続されたピストン・ロッドに
よりエンジンから取り出される。

ピストン・ロッドの自由端はロータリー・フライ・ホイ
ールの偏心シャフトに接続してもよい、即ち往復運動を
回転運動に変換できるようクランク・シャフトを使用す
ることもできる。

本発明は、単一シリンダーを有するエンジンに関して説
明されているが、二つ以上のシリンダーが実際的には好
ましいことは容易に理解できよう。

各エンジンは単一の熱交換器とスプレー室を通常必要と
する。

本発明は又往復外燃機関の作動方法とディーゼル・エン
ジン等の内燃機関を本発明のエンジンに′ 改良するた
めの一組の部品に関する。

以下第１図を用いて説明する。

本発明による外燃機関は、圧縮室Ｃと作動室Ｐを形成す
るシリンダー５とピストン６、バーナで水を加圧加熱す
る加熱コイルＨ、バーナからの燃焼排気ガス熱によりバ
ーナ供給燃料を予熱するための予熱器ＰＨ（オプション
）、バーナからの燃焼排気ガスを冷却し洗滌するための
スプレー装置Ｓ、圧力下で加熱コイルＨに給水するため
のポンプＸ、と作動室の排出物から蒸気と水を回収かつ
分離するためのと及びバーナーに供給する燃焼ガスより
水分を回収するための乾燥器りから成る。

本外燃機関は下記の方法で作動する。

大気圧大気温度の空気Ａは、ピストン６が右側（第１図
に於て）に移動しかつそれにより入口チェック弁（逆流
防止弁）４が開くと、シリンダ５の圧縮室Ｃに導入され
る。

ことのき圧縮室Ｃの出口は出口チェック弁（逆流防止弁
）２により閉ざされている。

ピストン６がその行程の最右端（上死点ＴＤＣ）に達す
ると、入口チェック弁４は閉じる。

次に往復ピストンが左側に移動すると、シリンダ内の空
気が圧縮される。

バーナＢを動作させるに充分な圧力が得られるまで圧縮
室Ｃ内の空気は連続して圧縮加圧される。

ピストンが下死点（ＢＤＣ）Ｋ接近すると、出目弁３が
開き、作動室Ｐから湿った蒸気を排出する。

出口チェック弁２も又聞き圧縮かつやや加熱された空気
をトラップＴに導入する。

弁２と３が閉じかつピストンが上死点側に移動すると、
作動室Ｐ内の残留していた飽和乾燥蒸気が圧縮される。

上死点附近で、加熱加圧された水が弁１とインジェクタ
５１を通して作動室Ｐ内に噴射され、作動室内の水蒸気
の熱と一部噴射水の蒸気によりシリンダ内の圧力は急上
昇する（第６図線ｂｃに沿って）。

次にピストンが下死点に戻ると、作動室は減圧され冷却
される。

シリンダ内蒸気の膨張は第６図の線ｃｄで表わされる。

下死点附近では、湿潤蒸気がシリンダから排出され、弁
３と円筒形バッフル１０を通ってトラップＴへ排出され
る。

トラップＴでは、はぼ大気圧の水が回収され加熱器Ｈへ
再循環され、そこで加熱かつ加圧される。

必要に応じて、補給水ＷがトラップＴに供給される。

トラップＴ内の乾燥飽和蒸気は圧縮室Ｃからの圧縮空気
と混合され、バーナＢへ供給される燃焼空気を予熱する
。

ドライヤ（オプション）はトラップＴとバーナの間に設
けられ、その凝縮水は管７を通してトラップへ戻される
。

予熱器ＰＨは燃料Ｆを予熱し、予熱された燃料は管８を
通ってバーナに供給される。

燃焼排気ガスから凝縮した水は管９を通してポンプへ再
循環される。

圧縮比とエンジン出力によっては、噴射後の水の温度は
噴射直前の作動室の温度以上のことも又それと等しいこ
ともある。

第２図を参照すれば、水自体が原理的に伝熱流体として
作動し、使用後も再循環されていることが良くわかる。

本エンジン・システムから失われる水は、スプレー室Ｓ
から冷却された燃焼排気ガス中に含まれて逃げる分だけ
である。

次に作動サイクルを詳細に説明する。

大気圧で１００℃以上の温度に加熱された水はトラップ
Ｔから（スプレー室Ｓと予熱器ＰＨからのこともある）
圧力ポンプＸに送られ、そこから加熱器Ｈへ高圧で送水
される。

加熱器Ｈ内の水は約８６バール、約３００℃に加熱され
る。

原理的には、水はその臨界温度と臨界圧力（２２０，９
バール、３７４℃）前後まで加熱してもよいが、圧力は
常にどの温度でも水を必ず液状に保持する程度の大きさ
でなくてはならない。

作動室Ｐ内には、前工程からの残留物としての水と蒸気
が存在する。

ピストンが上死点（ＴＤＣ）まで移動すると、乾燥飽和
状体の水蒸気は約２２バール（１６： １の圧縮比のと
き）、約２１７℃まで圧縮される。

シリンダーの圧縮比は１０：１から２０：１の範囲が標
準である。

ピストンの速度によっては、圧縮行程中に残留水の蒸発
がおこることがある。

これにより、圧縮蒸気のスパーヒート化を最小限にし、
かつその蒸気を乾燥飽和状態に保持する。

上死点では、加熱加圧された８６バール、３００℃の水
がインジェクタ５１を通して作動室Ｐ内へ噴射され、若
干の液状の水が直ちに蒸気に変り、他の残りの噴射水を
噴霧状にし、作動室内の圧力を急速に上昇させる。

この水の噴射は全行程の約５−２５％の間続（。

最終圧力は噴射水の量、温度又その気化量に依存して変
る。

圧力の急上昇により、ピストン６は再び下死点側に移動
する。

下死点前約３５°で、排出弁３が開き水を排出し、作動
室Ｐからの水蒸気を排出する。

排気された水と蒸気はトラップＴに通され、そこで水は
回収され次に加熱器Ｈへ戻どされる。

以上の説明では、ピストン型圧縮機を使用した本発明の
詳細な説明されたが、必要に応じ、他）型式の圧縮機、
例えばロータリ・コンプレッサ、ファンも使用できるこ
とは容易に理解できよう。

本実施例の場合には、第３図に示すように、特に簡単な
構造のシリンダーも使用できる。

比較的低温のため、シリンダーには工業的樹脂材料も使
用でき、この場合にはその熱伝導率が低いことが重要な
利点である。

第３図のシリンダーは円周上に配夕１ルだ一例の穴（ポ
ート）５３のあるシリンダ・ボディ５２から成り、この
穴がシリンダー作動室のピストン５８が膨張工程端に達
したときに開放される出口部を構成している。

シリンダーのインジェクタ５１をもつシリンダ・ヘッド
はボディ５２の一端に取付けられ、入口チェック・バル
ブ５６と出口チェック・バルブ５７を有するエンド・プ
レート５５がシリンダー他端にあり、圧縮室を形成して
いる。

ピストン５８とピストン・ロッド５９はシリンダーに設
けられている。

、インジェクタ５１に近いシリンダ端部の温度は比較的
高く、出口部５３に近いシリンダ端部の温度は比較的低
い。

低熱伝導率の樹脂材料を使用すれば、この温度差を保持
しやすく、一つの利点になる。

なぜなら、もし熱が出口部５３の方向に伝導されると、
排出水又は蒸気の温度が上昇し、それだげ熱効率の損失
をまねくからである。

第３図に示すシリンダーはそのシリンダ壁ニ円周方向溝
５９ａを有しており、この溝５９ａにより作動室内に媒
体の排出後においても、媒体を保持する。

さらに、この溝５９ａには少なくとも二つのシール５９
ｂが設けられている。

これらのシールは圧縮室Ｃと作動室Ｐ間を気密に隔断し
ている。

従ってピストンとシリンダ間には僅かな間隙が形成出来
、これによってシリンダ壁をピストン間に媒体が浸入し
ても、これによりエンジンの作動に支障を来たさないよ
うにしている。

多気筒エンジンの場合には、個々のカムで作動されるイ
ンジェクタ弁が各シリンダーに必要である。

又その代わりとして、ディストリビュータを設は周期的
に加熱加圧水を適時シリンダーに分配してもよい。

インジェクタは各温度で一定体積の水を噴出するが、特
にエンジン出力の変化が激しいときには、一定の温度で
噴射水の体積を変化できるインジェクタを使用するとよ
い。

第４図に加熱コイルＨとバーナＢをもつ熱交換器の構造
を示す。

熱交換器は内部及び外部同軸ス１ノープロ０と６１をそ
れぞれ有し、これらのスリーブはバーナからの燃焼排気
ガスの往復２つの通路を形成している。

熱交換器の外側は熱絶縁物６４にて覆われている。

燃料噴射ノズルが、空気取入口から導入される空気中で
燃料Ｆを燃焼させるために設けられている。

水Ｗは、内部コイル６２と外部コイル６３かも成る加熱
コイルＨ中を矢印の方向に流され、バーナの最高高温に
近い位置の内側コイル６２から送り出される。

この加熱加圧水は次に管５０を通り作動室Ｐに送水され
る。

第５図はスプレー装置を示す。

スプレー装置はバーナＢからの燃焼排気ガスを冷却し洗
滌し、燃焼中に生じた若干の熱と水分を回収する。

本装置はじょうご形通気筒１８を有するスプレー室１１
から成り、この通気筒１８上に水がスプレー４１より噴
霧されこの室内に加熱燃焼排気ガス流が導入される。

導入された燃焼排気ガスはじょうご形通気筒１８の内側
開口部から落下する水カーテンを通過する。

水の気化潜熱をバーナから回収できるよう、燃焼ガスは
１００℃以下に冷却することが望ましい。

実質的に１００℃の水はポンプＸにより熱交換器へ送ら
れることなく、出口２１より排出される。

補給用の冷水Ｗはスプレー室底部の水を一定レベルに維
持する浮玉コック４０を通しテスフレー室内に導入され
る。

再循環ポンプＲとその関連ダクト２２が設げられており
、スプレーより水を再循環させ沸点までその温度を上昇
させる。

しかしながら、実際的には、燃焼排気ガスを１００℃以
下に冷却することが望ましく、このときは低い温度、例
えば５０℃で出口部２１より水を取り出す必要があろう
。

第６図は第１図のエンジンの理想的熱力学的動作図を示
し、又第１図は比較のための従来の２−ストローク・エ
ンジンの動作図を示す。

特定の理論に限定せずとも、エンジン動作は次下の如く
考えることができる。

第６図はＰＶとＴＳ線図を示す。

噴射水が殆んど気化しなければ、大部分は水滴として液
相状態で残る。

作動室内には常に僅かの残留蒸気が存在する。

まず第一の近似として、この残留蒸気を各動作サイクル
中で熱を吸収しかつ放出するガス状作動流体とみなす。

作動室にも又残留水が存在する。作動室Ｐの蒸気は圧縮
行程中は線ａｂに沿って圧縮される。

この圧縮はシリンダ内残留水の気化による等エントロピ
ー圧縮ではない。

圧縮工程中で作動室内残留水が気化することにより、蒸
気のエントロピーは減少する。

作動室中に残留水が全く存在しなげれば、蒸気の断熱膨
張によりＴＳ線図の線峠は垂直になる、即ち、水蒸気は
沸点以上に加熱される。

しかしながら、残留水が存在するため、蒸気の加熱傾向
は若干の残留水の気化により抑制され、線ａｂは水のエ
ントロピ・ドーム（点線で示す）状の乾燥飽和蒸気線上
の延長線となる。

一定の体積の加熱加圧水が、作動室より高温で点訳で噴
射され、水の一部が気化し、その結果圧力ｐｂからＰｃ
に沿って増加する。

乾燥飽和蒸気の温度Ｔも又増加し、乾燥蒸気のエントロ
ピーはＣまで減少する。

ピストンが下降すると、湿潤蒸気がｃｃｉに沿って膨張
する。

ただし、加熱水滴が存在するため、膨張は断熱的ではな
く、水からの熱伝達により多重圧縮的（ポリトロピック
： ＰＶｎ＝Ｋ ）になり、ＰＶ線図の曲線見すは平担
化する。

この膨張により温度Ｔが低がり、エン）ロピＳは若干増
加する。

作動室から蒸気が排出されると、圧力と温度はｄａに沿
って降下する。

ＴＳ線図中のａ’、ｂ’、Ｃｙｄばこの液状の水の場合
の動作サイクルを表す。

従って、液状の水が加熱コイル中でａ′ｂ′に沿って加
熱され、ｂ”ｃ−作動室に噴射される。

液状の水の温度は噴射後Ｂ／見に沿って降下し、その後
は液体と蒸気が平衡を保つ。

代表的動作状態を以下に説明する。

主点の圧力Ｐａは１．２バール、温度Ｔａは３７８Ｋ（
１０５℃）である。

１６対■の圧縮比のときは、互恵の圧力ｐｂと温度Ｔｂ
は約２２バールと４９０Ｋ（２１７℃）まで上昇する。

５７３Ｋ（３００℃）と８６バールの液状の水は次に九
点で作動室内に噴射され、少量が蒸気に残部は液状のま
まである。

これにより圧力はｂｃに沿って上昇する（ＴＣ＝５０７
Ｋ又は２３４℃）。

もし水温が圧縮蒸気と同一ならば、ＴＳ線図の線ｂｅは
水平になる。

シリンダ内の水蒸気エントロピーの線ｂｅに沿ツタ減少
は水が液状で噴射されるためである。

ピストンが下死点方向に移動するにつれ、水は線ｃｄに
沿って約２バールの圧力Ｐｄ、約３９３Ｋ（１２０℃）
の理論温度Ｔｄまで膨張する。

水と水蒸気は作動室から線ｄａに沿って排出され圧力と
温度は減少し、作動室内の水蒸気のエントロピーは増加
する。

比較のため、第７図に公知の２−ストローク・サイクル
の動作線図を示す。

空気は点灸で導入され、線ａｂに沿って断熱的に等エン
トロピー的に圧縮される。

本発明のサイクルに比較して、点Ｅの温度は高（、線ａ
ｂの勾配はより急である。

本発明のサイクルの場合のように、作動室内に液状の水
が存在すると線１はより平になる。

これは圧縮中に液状の水を気化させるエネルギーが必要
となるからである。

２−ストローク・サイクルでは、燃料がシリンダ内で燃
焼され、線ｂｅに沿って圧力、温度、エントロピーを増
加させる。

本発明のサイクルでは、若干の液状の水が気化するため
、圧力がやや増加し、作動室内の蒸気温度も増加する。

しかしながら、２−ストローク・サイクルでは線ｂｅに
沿ってエントロピーが増加し、本発明のサイクルでは、
噴射時に液状の水が追加されるので作動室内の水蒸気の
エントロピーは増加する。

その後は、線見店に沿って、断熱的、等エントロピー的
に膨張するので、本発明のサイクルでは作動室内の加熱
水は熱を放出する。

従って、２−ストローク・サイクルの曲線と比較してＰ
ｖ曲線は平坦化する。

本発明のサイクルの熱効率が高いのは次の理由による。

２−ストローク・サイクルでは、シリンダからの排出ガ
スが高温高圧であるが、本発明では液状の水と小量の蒸
気のみが排出されるからである。

即ち、液状の水が作動室に噴射されかつ作動室から排出
されるからである。

気化する小量の水を無視すれば、噴射後の大部分の水は
液状で残留し、その結果、気化による著しいエントロピ
ーの増加はなく、噴射水により失われた内部エネルギー
は殆んど完全に有効仕事に変換される。

更に、サイクルの終りで、シリンダーを排気する必要が
なく、その結果、本発明においては水蒸気の熱は失われ
ない。

作動室の壁面には残留した液状の水滴が存在するので、
サイクルを再開始するのに必要な残留蒸気を含むことに
なる。

線ａｅは、行程終了前で、排出弁が開いたこ・とを示す
。

第８，９，１０図は本発明の実際的な構造を示す。

これらは第１図に示した実施例と原理的には同一である
が、スプレー室が使用されていない点と、ロータリー・
エア・ブロアーにより空気と乾燥飽和蒸気の混合物がバ
ーナに供給されている点が異る。

エンジンは９０°Ｖ型４気筒である。

水は密閉貯蔵トラップ１００（第１図のトラップＴに相
当）から、第４図に示した構造の２段逆流式熱交換器１
０３へ、管１０２を通して高圧ポンプ１０１により送水
される。

圧力レリーフ弁１０４が管１０３とトラップ１００の開
設げられている。

空気とトラップ１００からの高温排出水蒸気はダクト１
０５を通りロータリ・エア・ブロア１０６により熱交換
器１０３に送られる。

この空気の流れは弁１０７で制御される。

燃料（例えば、プロパン・ガス）はタンク１２７から予
熱器１２８を通して、空気燃料弁１０８へ送られる。

各ピストン１００は第３図における溝５９ａと同様の作
用をもつ溝１３０を有する各シリンダ１１１内で作動し
、ピストン・ロッド１１３によりクロスヘッド１１２に
接続される。

クロスヘッドは別のロッド１１５によりクランク・シャ
フト１１４に連結される。

各シリンダはインジェクタ１１７を備えたシリンダ・ヘ
ッド１１６をもち、インジェクタ１１１はロッカ・アー
ム１１９によりカムシャフト１１８で作動される。

各シリンダは、湿潤排気蒸気をトラップ１００に戻すた
めの共通エキゾースト・マニホールド１２１に連絡する
エキゾースト・ポート１２０をもつ。

フライホイール１２４がクランクシャフトに取り付けら
れる。

又ブリーザポート（通気孔）１２９も設けられている。

代表例として、エンジンの圧縮比が１６：１、ピストン
直径４インチ（約１０ＣｒｒＬ）、ストローク４インチ
、噴射水温度約３００℃、圧力８６バールで、各シリン
ダ出力は約１５馬力である。

シリンダを傾斜させると、液状水の排出が重力により容
易に行われる。

３００℃では、１噴射につき約８１の水が噴射される。

エンジン全体は熱絶縁性の材料で封入包囲される。

高温の液状の水は熱交換器から管１２２を通ってインジ
ェクタ１１７へ送られる。

圧力制御弁１２３は管１２２とタンクの間に設けられて
いる。

第１０図には、詳細な水循環径路を示す。

ノン・リターン・バルブ１２５がポンプ１０１の下流側
に設けられ、水蒸気がポンプに逆流するのを防止する。

圧力制御弁１２６が圧力レリーフ・バルブ１０４と並列
に設けられ、エンジン出力を制御するために使用される
。

上記の外燃機関は高い熱効率をもち得る。

理論的には、冷却空気Ａと冷却水Ｗ（存在すれば）がエ
ンジン内に導入され、冷却した燃焼排気ガスが排出され
る。

従って、バーナの与える殆んど全ての熱が仕事に変換で
きる。

実際に、５０−８０パ一セント台の熱効率が期待できる
。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、その
要旨の範囲においていかなる変更をも包含するものとし
て理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による外燃機関の第１実施例の略図、第
２図は、その動作原理を説明する第１実施例の簡略図、
第３図はエンジンのシリンダーの断面略図、第４図はエ
ンジンの熱交換器の断面略図、第５図はバーナからの燃
焼排気ガスを冷却するためのスプレー装置の断面略図、
第６図は第１実施例の圧力Ｐ対体積Ｖ、及び温度Ｔ対エ
ントロピＳ図、第７図は比較のための公知の２−ストロ
ーク内燃機関のＰＶとＴＳ線図、第８図は本発明の第２
実施例の正前略図、第９図は第８図の部分的断面図を含
む端面図、および第１０図は再循環流体供給系路を説明
するフロー図である。 Ｆ：燃料、Ｈ：加熱コイル・チューブ、Ｘ：ポンプ、Ｓ
ニスプレー装置、ＰＨ：予熱器、Ｂ：バーす、Ａ：チェ
ック・バルブ、Ｃ：圧縮域、Ｐ：動力域、Ｄニドライヤ
、Ｔニドラップ、Ｗ二補給水、１：弁、２：チェック弁
、３：排出弁、４：チェック弁、５シリンダ、６：ピス
トン、１０：バックル、４９：ピストンロンド、５１：
インジェクタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリンダとシリンダ内のピストンであって、該シリ
   ンダと該ピストンは作動室を形成し、該ピストンは該シ
   リンダ内で往復運動可能で圧縮行程と膨張行程を行なう
   ものと、 伝熱媒体を液状に保持可能な圧力下で該シリンダの外部
   で上記媒体を加熱する熱交換器であって、該熱交換器は
   伝熱媒体を導入する入口部と上記媒体を導出する出口部
   を有するものと、 該熱交換器の出口部に連結されたインジェクタであって
   、上記作動室内に」二記伝熱媒体を噴射するものと、 該ピストンの圧縮行程の終了時附近で該インジェクタの
   噴射を制御する制御手段であって、液状の媒体は作動室
   内で自然気化され、ピストンの膨張行程の終了時附近で
   は上記作動室から上記伝熱媒体を該シリンダの出口部か
   ら排出制御する制御手段と から成ることを特徴とする、伝熱媒体を用いて機関の作
   動室にエネルギーを供給する往復外燃機関。 ２ 該熱交換器は伝熱媒体を含む少くとも１つのチュー
   ブと、上記少なくとも１つのチューブ内で上記媒体を加
   熱する燃料バーナとを有し、上記媒体は液相に保持され
   ることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の機関。 ３ 該熱交換器は、内側コイル状とそれと同軸の外側コ
   イル状に構成されたチューブを有し、バーナは該内側コ
   イル状チューブ内に配設され、該バーナからの高温燃焼
   排気ガスは該内側コイル状チューブ内を通り次に内側と
   外側のコイル状チューブの間を通過することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の機関。 ４ 燃焼用空気がロータリー・コンプレッサによりバー
   ナに送られることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の機関。 ５ 該シリンダは、該ピストンの一端側で上記作動室を
   形成し、かつ他端側で圧縮室を形成する複動シリンダで
   あり、上記圧縮室には空気入口部と圧縮空気を該バーナ
   に送るためのバーナに連結されている空気用−ロ部とを
   有することを特徴とする特許請求範囲第２項記載の機関
   。 ６ 該ピストンと該シリンダの少くともその一部は樹脂
   、ファイバ入り樹脂、木材、セラミックから成る部類中
   から選択された熱絶縁材料で構成されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の機関。 ７ 該シリンダの出口部はシリンダ壁土の穴であり、上
   記穴は該ピストンが膨張行程の終了点に近づいたとき該
   ピストンにより開かれ、該インジェクタは上記シリンダ
   出口と反対側端部に設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の機関。 ８ 圧縮比が約１．５対１から２０対１であることを特
   徴とする特許請求範囲第１項記載の機関。 ９ 排出された伝熱媒体を回収するため該シリンダの上
   記出口部に接続された循環手段であって、該熱交換器に
   接続されているものを有することを特徴とする特許請求
   範囲第１項記載の機関。 １０ 該循環手段は実質的に大気圧で作動する閉経路
   であることを特徴とする特許請求範囲第９項記載の機関
   。 １１ 該循環手段は該シリンダの出口に接続された伝
   熱媒体用の入口部と、空気用の入口部と、空気と伝熱媒
   体の蒸気を該熱交換器のバーナに送るための出口部と、
   熱交換器に接続された液状の媒体を排出する出口部とを
   有するトラップであることを特徴とする特許請求の範囲
   第９項又は第１０項のいずれかに記載の機関。 １２ 該インジェクタはカムにより作動されるポペッ
   ト弁であることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の
   機関。 １３ 該インジェクタに接続され、上記作動室に噴射
   される液状の伝熱媒体の体積を制御することにより機関
   出力を制御する速度制御手段を有することを特徴とする
   特許請求範囲第１項記載の機関。 １４ 該速度制御手段が吐出量可変ポンプであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の機関。 １５ 該熱交換器は、作動室に噴射される液状の伝熱
   媒体の温度を制御することにより機関出力を制御する機
   関速度制御手段を有し、該速度制御手段はバーナへ供給
   される燃料をも制御することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の機関。 １６ 若干の液状の媒体が、伝熱媒体の排出後に、作
   動室内に保持されるよう、該シリンダと該ピストンが構
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の機関。 １Ｔ 該シリンダは液状の媒体を保持する凹所を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１６項記載の機関
   。 １８ 該ピストンは液状の媒体を保持する凹所な有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１６項記載の機関
   。 １９ シリンダ内径とストロークの比が１対１から１
   対３までの範囲内にあることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第１８項の各項のいずれかに記載の機関。 ２０ シリンダとシリンダ内のピストンであって、該
   シリンダと該ピストンは、作動室を形成し、該ピストン
   は該シリンダ内で往復運動可能で圧縮行程と膨張行程を
   行なうものと、 大気圧で水の沸点以上の温度まで、作動室の外部で、液
   状の水を加熱する熱交換器であって、（１） 液状の
   水を導入する入口部と加熱水を導出する出口部と、 （２）少なくとも１つ以上の上記液状の水を送るチュー
   ブと、 （３）該少なくとも１つ以上のチューブ内の液状の水を
   加熱するための燃料バーナを有するものと、該熱交換器
   の少なくとも１つのチューブに接続され、上記の沸点以
   上の温度にスーパヒートされた水を液状に保持する加圧
   手段と、 スーパヒートされかつ加圧された液状の水を導入する、
   該シリンダに取り付けられかつ該熱交換器の出口部に接
   続されたインジェクタと、スーパヒートされかつ加圧さ
   れた液状の水が、該ピストンの圧縮行程終了時附近で上
   記作動室に噴射されかつ上記液状の水の少くとも一部が
   自然気化するよう該インジェクタを制御する制御手段と
   、 該ピストンの膨張行程の終了時附近で、作動室から温度
   降下した水を排出するよう制御される該シリンダの出口
   弁であって、上記大部分の温度降下水は液状で排出され
   るものとを有することを特徴とする、スーパヒートされ
   かつ加圧された液状の水を媒体として熱エネルギーを機
   関の作動室に供給する往復外燃機関。 ２１ （１） ピストンの圧縮行程において、作動
   室内の気体状の伝熱媒体を圧縮し、 （２）液状に保持できる圧力下で伝熱媒体をシリンダ外
   部で加熱発生させ、 （３）作動室内の圧縮気体状の媒体中に、上記加熱され
   た伝熱媒体を噴射し、上記液状の媒体の少くとも一部は
   自然気化しかつ作動室内の内部エネルギーを上昇させ、 （４）該ピストンの膨張行程において、作動室の体積を
   膨張させかつ該ピストンを駆動し、 （５）作動室から伝熱媒体を排出し、かつ作動室内には
   気体状の伝熱媒体を残留させることを特徴とする、伝熱
   媒体により熱エネルギーが作動室内に供給されかつ作動
   室を形成するピストンとシリンダを有する往復外燃機関
   を作動させる方法。 ２２ 上記伝熱媒体は、水、油、ナトリウム、水銀、
   およびこれらの混合物から成る部類中から選択されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２１項記載の方法。 ｎ 圧縮行程中で、上記作動室には伝熱媒体が液状と気
   体状で存在することを特徴とする特許請求の範囲第２１
   項又は第２２項のいずれかに記載の方法。 ２４ 上記作動室から排出される伝熱媒体のうち少な
   くとも若干の媒体は液状で存在することを特徴とする特
   許請求の範囲第２１項記載の方法。 ２５ 上記加熱液状の伝熱媒体は、その臨界点より低
   いが大気圧でのその沸点よりは高い温度と圧力を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２１項記載の方法。 冗 排出後の媒体は実質的に１気圧であることを特徴と
   する特許請求の範囲第２１項記載の方法。 ２７ 大部分の液状の媒体が、作動室内に噴射された
   後、液状で残留することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２１項記載の方法。 ２８Ｊ：紀伝熱媒体が水であり、排出水は機関内を再循
   環し、熱は燃料−空気バーナにより上記媒体に供給され
   、再循環水のエネルギ損失がバーナの燃焼排出ガス中の
   水分を凝縮させることにより回収されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２１項記載の方法。 ２９ 同一の上限および下限温度間で作動するランキ
   ン・サイクルの理論効率より高い効率で、熱工 。 ネルギを有効仕事に変換することを特徴とする特許請求
   の範囲第２１項記載の方法。 ３０ 噴射される液状の温度が、噴射時の作動室内の
   温度より高いことを特徴とする特許請求の範囲第２１項
   記載の方法。