JPS5947133B2 - 再生サイクル内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本考案は往復動内燃機関の出力増大及びサイクル効率の
向上に関する。

従来の４サイクル内燃機関の概略構造は第１図に示され
、０１はピストン、０２はシリンダ、０３は給気弁、０
４は排気弁、０５は給気通路、０６は排気通路、０７は
燃料噴射装置又は点火装置、０８はクランク軸である。

ピストン０１の給気行程にて、給気弁０３が開き給気通
路０５を通って空気あるいは可燃混合気（以下充填ガス
とよぶ）がシリンダ０２内に充填される。

ピストン０１の圧縮行程にて、ピストンの上昇により圧
縮仕事が加えられシリンダ０２内の充填ガスは圧縮され
、温度及び圧力は上昇する。

圧縮行程終了時期近傍にて、燃料噴射装置又は点火装置
０７にてシリンダ内で燃焼を生ぜしめ、シリンダ内の温
度及び圧力が更に上昇する。

ピストン０１の膨張行程にて、高温、高圧のシリンダ内
ガスはピストン０１に対して膨張仕事を与える。

この膨張仕事から先の圧縮仕事を差引いた残りの仕事が
クランク軸０８から出力として取出される。

膨張行程終了後のシリンダ０２内のガスは、なお大気に
比べて高い温度及び圧力を持っているが、排気弁０４が
開き、ピストン０１の排出行程により排気通路０６を通
って外部へ排出される。

上記従来機関には次のような欠点がある。

（１）ピストンの圧縮行程にてシリンダ０２内の充填ガ
スに与えられる仕事は、外部との熱の授受のない断熱圧
縮仕事で、シリンダ内ガスの密度を高めるための仕事と
シリンダ内ガスの温度を上昇させるための仕事が含まれ
ている。

（２）これに対し、第２図に示すガスの圧力−容積変化
図のように、若しガスの温度を一定に持ちつつ熱をうぽ
いながら圧縮する等温圧縮Ａ−Ｃ−Ｄ−Ｅならば、断熱
圧縮に比べて、Ａ−Ｂ−−Ｃで囲まれる面積だけ圧縮仕
事が少なくてすむ。

（３） このため、従来機関ではそれぞれクランク軸
０８から取出せる出力が小さく、この点からまだ出力の
増大の余地が残されている。

（４）また従来機関においては、排気弁０４及び排気通
路０６を通って外部へ排出される燃焼ガスはなお高温で
高い熱エネルギを有しており、このため機関に与えた燃
料の持つエネルギを十分出力として利用していない。

この排気の熱エネルギをシリンダ内で再利用することが
できれば、更に出力増大及びサイクル効率改善を計るこ
とができる。

本発明の目的は上記の点に着目し、シリンダ内にて燃焼
サイクルを描く内燃機関において、（１）圧縮行程を等
温圧縮に近づけることにより圧縮仕事を減じ、 （２）かつ、排気の熱を圧縮後のシリンダ内空気あるい
は可燃混合気に与えることにより再利用する、 ことにより、機関の出力を増大し、かつサイクル効率の
上昇、即ち燃料消費率の低減を実現する内燃機関を提供
することであり、その特徴とするところは次の通りであ
る。

シリンダ内を往復動して吸気の圧縮及び燃焼ガスの膨張
を司どるピストンを具えた往復動機関において、 （７）クランク軸から増速装置を介して増速されたディ
スプレーサ軸にて駆動されるディスプレーサピストンと
同ピストンが収容されるディスプレーサシリンダを備え
ていること、 （イ）シリンダからの排気の熱を内部の通過ガスに与え
ることができるような熱交換機能を持つ加熱器を備えて
いること、 （の 内部の通過ガスから冷却水に熱を放出することが
できるような熱交換機能を持った冷却器を備えているこ
と、 に）機関のシリンダと加熱器及び冷却器は、クランク軸
と同期して開閉制御される再生弁を介して連結されてい
ること、 （４）加熱器とディスプレーサシリンダとは、ディスプ
レーサ軸と同期して開閉制御される加熱弁を介して連結
されていること、 （力 冷却器とディスプレーサシリンダとは、ディスプ
レーサ軸と同期して開閉制御される冷却弁を介して連結
されていること、 （１）機関の圧縮行程前半にて、再生弁を開きかつ同時
にディスプレーサピストンの下際及び冷却弁の開きによ
り、圧縮ガスを冷却器を介してディスプレーサシリンダ
に移送せしめ、熱をうばいつつ圧縮する等温圧縮とした
こと、 （イ）引き続く圧縮行程後半から燃焼行程直前までに、
先の冷却弁を閉じ代って加熱弁を開き、かつディスプレ
ーサピストンの上昇により、低温の圧縮ガスを加熱器を
介してシリンダに移送せしめ、排気の熱を圧縮ガスに与
えるようにしたこと、 （２）その後再生弁を閉止し、シリンダ内にて燃焼、膨
張行程を行わせることにより、 ■ 圧縮行程中の圧縮仕事を減じ、かつ ■ 排気の熱をシリンダ内に回収再利用するようなサイ
クルを実現されたことである。

上記（７）−？）によって、従来の内燃機関に比べて、
出力が増大し、かつサイクル効率の上昇、即ち燃２料消
費率の低減ができる。

以下図面を参照して本発明による実施例につき説明する
。

第３図は本発明による１実施例の機関の構造を示す説明
図である。

図において、１はピストン、２はシリンダ、３は給気弁
、４は排気弁、５は給気通路、６は排気通路、７は燃料
噴射装置又は点火装置である。

９は再生弁で、シリンダ２に新たに設けられた第３の弁
であって、クランク軸８と同期して回転しているカム軸
によって開閉が制御されている。

１０は加熱器で、排気通路６の下流にあって、再生弁９
と連通したガス通路９１が貫通しており、排気通路６か
らの高温の排気から熱を受けるような熱交換機能を持っ
てい乙。

１２は冷却器で、再生弁９と連通したガス通路９２が貫
通しており、外部からの冷却水に熱を放出するような熱
交換機能を持っている。

１４はディスプレーサシリンダで、加熱弁１１ａ及び冷
却弁１１ｂを介してそれぞれ上記加熱器１０を貫通する
ガス通路９１及び冷却器１２を貫通するガス通路９２と
連通している。

内部にはディスプレーサピストン１３が挿入され、ピス
トン１と位相及びサイクル数（回転速度）を異にして、
クランク軸８により増速装置１５を介して連結駆動され
ているディスプレーサクランり軸１６により駆動されて
いる。

加熱弁１１ａ及び冷却弁１１ｂはディスプレーサクラン
ク軸１６と同期して回転している図示していないカム軸
によって開閉が制御されている。

上記構成の場合の作用について述べる。

まず作用を説明する前に、 （７）ディスプレーサピストン１３においては、■ ピ
ストン１の圧縮行程中前半にて、ディスプレーサピスト
ン１３の上死点近傍から下降し、かつ冷却弁１１ｂが開
き、シリンダ２からの圧縮ガスを冷却器１２を通してデ
ィスプレーサシリンダ１４内に貯え、 ■ ピストン１の圧縮行程中後半にて、ディスプレーサ
ピストン１３の下死点近傍から上昇し、かつ加熱弁１１
ａが開き、ディスプレーサシリンダ１４内の圧縮ガスを
加熱器１０を通してシリンダ２に移送する。

■ 上記Ｉ、ＩＩのような運動ができるように、例えば
ピストン１に対して、ディスプレーサピストン１３がク
ランク軸の角速度で２倍の速度を持ち、上死点間の位相
角度が約２０〜３０°遅れた位相となるよう、クランク
軸８、増速装置１５、ディスプレーサクランク軸１６に
よって駆動されるようになっている。

１、（イ）再生弁９は圧縮行程中に開かれ燃焼行程の直
前に閉止され、燃焼が行われるが、燃焼を従来機関と同
じように良好に実施させるには、シリンダ２内のガスが
十分に高温、高圧となるように、加熱器１０、冷却器１
２、ガス通路９１及び９２内のガスが占める容積を小さ
くし、かつ再生弁９の閉止及び燃焼の開始時のシリンダ
２の容積も、燃焼に十分な高温、高圧のガスが十分な量
だけ、その中に確保されるような多イミングになってい
る。

上記（７）、（イ）の条件のもとに本実施によるシリン
ダ２及びディスプレーサシリンダ１４の容積の変化及び
再生弁９、加熱弁１１ａ、冷却弁１１ｂの作動を、第４
図のように、クランク軸８０回転角度に対して示せば、
次のような作動ガスの状態となる。

なお、第４図中Ａは圧縮空気の動きを示す。

（■ ピストン１の圧縮行程前半において、再生弁９及
び冷却弁１１ｂが開き、かつディスプレーサピストン１
３が降下することにより、圧縮中の作動ガスは冷却器１
２を通って冷却されつつディスプレーサシリンダ１４に
移送される（等温圧縮）。

に）ピストン１の圧縮行程後半において、再生弁９は開
いた状態にて、冷却弁１１ｂが閉じ代わって加熱弁１１
ａが開き、かつディスプレーサピストン１３が上昇する
ことにより、作動ガスは加熱器１０を通って、排気から
の熱を受けつつシリンダ２に移送される。

ここで排気の熱エネルギがシリンダ２内に回収再利用さ
れる。

（４）その後ヒストン１の上死点ＴＤＣ近傍にて再生弁
９は閉止され、ピストン１の下降と共に燃料噴射装置あ
るいは点火装置７の作動により燃焼を行い、その後ピス
トン１の下死点ＢＤＣまで燃焼ガスは膨張する。

上述のような本発明による場合は次の効果がある。

第５図に本実施例によるサイクルの圧力−容積線図ａ及
び温度−エントロピ線図すを示す、両図ａ、ｂ中の符号
はそれぞれピストン行程に対応している。

（Ａ 従来機関のサイクル１４２与３４４’＞ ５ ’
に比べ、本実施例のサイクル１ ！−＋２ ａ’−？
２−Ｌ ３ ’→４４５′の場合、圧縮行程１４２ａ’
→２′にてピストンが行う圧縮仕事は１Ｌ＋２ａ′の間
に圧縮ガスが冷却され温度が下がることにより、第５図
ａで面積１ ａ’４２ ａ′−＋ ２４１ ａ’ （ｒ
）斜線で囲まれた仕事だけ少なくてすむ。

（イ）また５４１′の間に外部へ排出される熱量は、２
ａ’→２′の過程でシリンダ内ガスに回収再利用され
るため、２ ａ’→２４３！＋４’でシリンダ内ガスに
与える熱量は、従来機関にて２！−＋３′→４′で与え
る燃料の燃焼熱量より増加させる必要はない。

（ロ）その結果、従来機関に比べて得られる仕事量は図
の１ａ′→２ ａ’→２！−＋１ａ′だけ増太し、出力
を高め、またす１クル効率を高めて燃料消費率を低減す
ることができる。

本発明による他の実施例の機関の構成を第６図に示す。

先の第３図において、ガス通路を多シリンダ機関の複数
のシリンダ２ａ〜２ｄにそれぞれ再生弁９ａ〜９ｄを介
して連絡することにより、１つのディスプレーサピスト
ン１３にて多シリンダの再生サイクル機関を構成するこ
とができる。

前記した実施例と同様に、同一部分には同一符号が付け
である。

第７図は、本実施例での各シリンダ容積及びディスプレ
ーサ容積の変化、及び各再生弁並びに加熱弁、冷却弁の
開閉状態を、クランク軸８０回転角度を横軸にして示し
た。

構造、作用、効果は前記した実施例と同じである。

上記実施例は４サイクル機関について述べたが、２サイ
クルの従東機関に対しても全（同様の構造変更を与える
ことにより本発明を実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の４サイクル機関の概略構造を示す説明図
、第２図は第１図の機関の圧力−容積線図、第３図は本
発明による１実施例の機関の構成を示す説明図、第４図
は第３図の機関の作動を示す説明図、第５図ａは第３図
の機関の圧力−容積線図、第５図すは同じくその温度−
エントロピ線図、第６図は本発明による他の実施例の機
関の構成を示す説明図、第７図は第６図の機関の作動を
示す説明図である。 １・・・・・・ピストン、２・・・・・・シリンダ、３
・・・・・・給気弁、４・・・・・・排気弁、５・・・
・・・給気通路、６・・・・・・排気通路、７・・・・
・・燃料噴射装置または点火装置、８・−・・・・クラ
ンク軸、９・・・・・・再生弁、１０・・・・・・加熱
器、１１ａ・・・・・・加熱弁、１１ｂ・・・・・・冷
却弁、１２・・・・・・冷却器、１３・・・・・・ディ
スプレーサピストン、１４・・・・・・ディスプレーサ
シリンダ、１５・・・・・・増速装置、１６・・・・・
・ディスプレーサクランク軸、９１，９２・・・・・・
ガス通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダ内を往復動して吸気の圧縮及び燃焼ガスの
   膨張を司どるピストンを具えた往復動機関において、上
   記機関のクランク軸に増速装置を介して連結されたディ
   スプレーサクランク軸により機関のシリンダ内を摺動す
   るピストンと所定の角速度差及び所定の角位相差にて駆
   動されディスプレーサシリンダ内を摺動するディスプレ
   ーサピストン、一端を機関のシリンダに開口し途中で分
   岐して他端をそれぞれ上記ディスプレーサシリンダに開
   口した分岐ガス通路、機関の上記シリンダ開口部に設け
   られ上記ガス通路をクランク軸に連動するカムを介して
   開閉する再生弁、上記一方の分岐ガス通路に設けられ同
   通路を機関の排気で加熱する加熱器と同通路の上記ディ
   スプレーサシリンダ開口部に設けられ同通路を上記ディ
   スプレーサクランク軸に連動するカムを介して開閉する
   加熱弁、上記他方の分岐ガス通路に設けられ同通路を冷
   却水で冷却する冷却器と同通路の上記ディスプレーサシ
   リンダ開口部に設けられ同通路を上記ディスプレーサク
   ランク軸に連動するカムを介して開閉する冷却弁を備え
   たことを特徴とする再生サイクル内燃機関。