JPWO2011125976A1 - 熱機関および該熱機関を用いた発電システム - Google Patents

熱機関および該熱機関を用いた発電システム Download PDF

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Abstract

本発明は、二酸化炭素や窒素酸化物の排出がなく、しかも、構造を簡素化することができる熱機関、およびこの熱機関を用いた発電システムを提供することを課題としている。上記課題を解決するために、本発明に係る熱機関は、燃焼室内に酸水素ガス（または、既存燃料との混合ガス）を取り込むための燃料取込口と、所定のタイミングで燃焼室内の酸水素ガス（混合ガス）に点火する点火プラグと、点火前後における燃焼室内の圧力変化に応じて運動するピストンと、ピストンの運動を出力軸７の回転運動に変える運動変換機構とを備えた内燃機関１ａ（１ｂ）であることを特徴とする。

Description

本発明は、内燃機関、外燃機関を含む熱機関および該熱機関を用いた発電システムに関する。
一般に、２ストロークエンジンまたは４ストロークエンジンのような内燃機関は、燃焼室内でガソリン、重油、軽油、プロパンガス等の化石由来燃料と空気の混合ガスを燃焼させ、燃焼室内の圧力変化によりエネルギーを発生させている。すなわち、従来の内燃機関は化石由来燃料と空気の双方を利用してエネルギーを発生させるため、混合ガスを構成する化石由来燃料と空気の混合比や、燃焼室内に送り込む混合ガスの量を調整するための機構が不可欠である。このような機構としては、例えば、キャブレターや燃料噴射装置がある。
また、ガスタービンのような外燃機関は、圧縮機で圧縮した空気と化石由来燃料の混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、これにより得られた高温ガスが燃焼室から勢いよく排出される際のエネルギーを利用してタービンを回し、タービンの回転軸からエネルギーを取り出している。すなわち、従来の内燃機関と同様に、従来の外燃機関も化石由来燃料と空気の双方を利用してエネルギーを発生させている。
上記内燃機関および外燃機関（以下、これらを総称して“熱機関”という）では、混合ガスを燃焼させる際に、少なからず二酸化炭素（ＣＯ2）が発生する。例えば、化石由来燃料がガソリンまたはプロパンガスの場合は、

・２Ｃ8Ｈ18＋２５Ｏ2→１８Ｈ2Ｏ＋１６ＣＯ2
・Ｃ3Ｈ8＋５Ｏ2→４Ｈ2Ｏ＋３ＣＯ2

の反応式に示されるように、それぞれ、１６ＣＯ2、３ＣＯ2の二酸化炭素が発生する。また、空気の７０％以上は窒素なので、混合ガスを燃焼させると、上記二酸化炭素とともに窒素酸化物（ＮＯX）も発生する。
熱機関から排出される二酸化炭素は、地球温暖化の一因であり、地球環境に深刻な悪影響を及ぼす。また、規定値以上の窒素酸化物は、光化学スモッグや酸性雨の原因となるほか、人体の呼吸器系に悪影響を及ぼす。このため、特に近年では、これらの物質の排出を低減するための研究・開発が活発に行われている。
なお、上記の従来技術は本願出願人が知得した一般的技術情報であって、本願出願の時点において、出願人は、上記従来技術およびその他の先行技術が記載された先行技術文献に関する情報を有していない。
上記研究・開発により得られた技術によれば、発生する二酸化炭素および窒素酸化物の量をある程度は低減することができる。しかしながら、燃料として化石由来燃料を使う以上、二酸化炭素や窒素酸化物の発生をゼロにすることはできない。
また、化石由来燃料に代えて水素を燃料とすれば、二酸化炭素や窒素酸化物の発生をゼロにすることができる。しかしながら、従来の熱機関と同様に、この種の熱機関は、水素と空気の混合比を厳密に調整したり燃焼室内に空気を取り入れたりするための複雑な機構が必要であった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、二酸化炭素や窒素酸化物の排出がなく、しかも、燃焼室内に空気を取り入れたり、燃料と空気の混合比を調整したりするための機構を省略して構造を簡素化することができる熱機関、および該熱機関を用いた発電システムを提供することにある。
本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、水素と酸素が２：１の割合で含まれている“酸水素ガス（一例として、特許第３９７５４６７号公報に開示されている水素−酸素ガス。酸素原子と２つの水素原子が水分子のような約１０５度（図１（Ａ）参照）ではなく１８０度（図１（Ｂ）参照）で結合していると考えられるもの。）”を燃料として用いれば上記２つの課題を同時に解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の第１発明に係る熱機関は、燃焼室内に燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口と、燃焼室内の燃料に点火する点火プラグと、点火前後における燃焼室内の圧力変化に応じて運動するピストンと、ピストンの運動を出力軸の回転運動に変える運動変換機構とを備えた内燃機関であることを特徴とする。
酸水素ガスは元より酸素を含んでいるため、燃焼させる際に空気と混合する必要がない。また、酸水素ガスは、水素と酸素で構成されているので、燃焼により生じるのは水または水蒸気である。したがって、この構成によれば、二酸化炭素や窒素酸化物の排出をゼロにすることができるとともに、空気と燃料の混合比を調整したり空気を燃焼室内に取り込んだりするための機構を省略して、構造を簡素化することができる。また、この熱機関は空気を必要としないので、真空中や水中でも出力軸からエネルギーを取り出すことができる。
上記第１発明に係る熱機関では、燃料を酸水素ガスと既存燃料との混合ガスとすることができる。
ここで、本明細書における“既存燃料”の語は従来の熱機関で一般的に使用されている燃料を意味するものとする。例えば、“既存燃料”には、ガソリン、重油、軽油、プロパンガス、天然ガス、灯油（ケロシン）、ジェット燃料、ロケット燃料等の化石由来燃料の他、水素等が含まれる。酸水素ガスと化石由来燃料とを混合した混合ガスを用いると、化石由来燃料の混合比に応じて二酸化炭素や窒素酸化物が発生してしまうが、比較的入手が容易な化石由来燃料を併用することにより、酸水素ガスの使用量を抑えつつ、酸水素ガスの燃焼効率を高めることができる。また、化石由来燃料の混合比率が高い場合でも、化石由来燃料の燃焼効率を上げることができ、燃費改善や、排出される二酸化炭素および窒素酸化物の削減ができる。水素との混合ガスを燃料とした場合も、酸水素ガスの使用量を抑えつつ、酸水素ガスの燃焼効率を高めることができる。したがって、この構成によれば、安定的に熱機関を稼動させることができる。この作用効果は、酸水素ガスを安定供給するためのインフラが整うまでの普及過渡期において、特に有益だと考えられる。
上記第１発明に係る熱機関は、燃焼室内にナノレベルの霧状の水を噴射する水噴射口をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、酸水素ガスと一緒に燃焼させられた霧状の水の体積が水蒸気爆発により約１７００倍になるので、点火前後における燃焼室内の圧力変化が大きくなってより大きなエネルギーを取り出すことが可能になるとともに、既存燃料を併用した場合と同様に、酸水素ガスの使用量を抑えることができる。
上記第１発明における燃料取込口は、例えば、ダイレクトインジェクション方式により燃料を燃焼室内に直接噴射するもの、および逆止弁および安全弁の役割を果たすバルブとすることができる。
上記第１発明に係る熱機関は、始動後、一定期間の間は、燃料取込口が燃料を燃焼室内に取り込まないか、または点火プラグが燃料に点火しないよう構成することが望ましい。
この構成によれば、燃焼室内に溜まっている空気と新たに取り込まれた酸水素ガスの混合ガスが燃焼させられることにより起こる始動直後の爆縮を防ぐことができる。
また、本発明の第２発明に係る熱機関は、燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口と、出力軸回りに回転することにより取り込まれた燃料を圧縮して燃焼室に送る圧縮機と、燃焼室内の圧縮された燃料に点火して高温ガス化する点火プラグと、燃焼室から排出された高温ガスにより出力軸回りに回転させられるタービンとを備えた外燃機関であることを特徴とする。
この構成によれば、第１発明に係る熱機関（内燃機関）と同様に、二酸化炭素や窒素酸化物の排出をゼロにすることができる。また、この熱機関は空気を必要としないので、真空中や水中でも出力軸からエネルギーを取り出すことができる。
上記第２発明に係る熱機関は、燃焼室内に既存燃料を噴射する燃料噴射口や、燃焼室内にナノレベルの霧状の水を噴射する水噴射口をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、第１発明に係る熱機関（内燃機関）と同様に、酸水素ガスの使用量を抑えつつ酸水素ガスの燃焼効率を高めたり、霧状の水が水蒸気爆発することを利用してより大きなエネルギーを取り出したりすることができる。
また、本発明の第３発明に係る発電システムは、上記第１発明または第２発明に係る熱機関と、該熱機関の出力軸に接続された発電機とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、第１発明または第２発明に係る熱機関を使用することにより、二酸化炭素や窒素酸化物を全く排出することなく、または排出量を抑制しながら、クリーンな電力を発生させることができる。
上記第３発明に係る発電システムは、発電機が発生させた第１電力を所望の第２電力に変換する電力変換装置と、発電機または電力変換装置の出力電圧もしくは出力電流または出力電圧と出力電流の双方を検出し、検出した結果に基づいて取り込む燃料の量および点火のタイミングを変化させる制御手段をさらに備えていることが好ましい。
本発明によれば、二酸化炭素や窒素酸化物の排出がなく、しかも、従来のものよりも構造が簡素化された熱機関および該熱機関を用いた発電システムを提供することができる。
（Ａ）は水分子の構造を示す模式図、（Ｂ）は酸水素ガスの構造を示す模式図である。 本発明に係る内燃機関の断面図であって、（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ一例としての２ストロークエンジン、４ストロークエンジンの断面図である。 図２の内燃機関とその周辺装置の一実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る外燃機関の一例であるガスタービンの模式図である。 内燃機関を含む、本発明に係る発電システムとその周辺装置の一実施形態を示すブロック図である。 外燃機関を含む、本発明に係る発電システムとその周辺装置の一実施形態を示すブロック図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る熱機関および発電システムの好ましい実施形態について説明する。なお、以下では、２ストロークエンジンおよび４ストロークエンジンを内燃機関の一例に挙げて説明するが、内燃機関の形式は、クランク機構の代わりにローターと呼ばれるロータリーピストンを用いたロータリーエンジン等の他の形式であってもよい。また、以下では、ガスタービンを外燃機関の一例に挙げて説明するが、外燃機関の形式はこれに限定されるものではない。
［内燃機関の構成］
図２（Ａ）は、本発明に係る内燃機関の一実施形態である２ストロークエンジンである。同図に示すように、内燃機関１ａは、燃焼室２内に燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口３と、所定のタイミングで燃焼室２内の酸水素ガスに点火する点火プラグ４と、点火前後における燃焼室２内の圧力変化に応じて上下に往復運動するピストン５と、ピストン５の往復運動を出力軸７の回転運動に変換するクランクシャフト等からなる運動変換機構６とを備えている。
燃料取込口３は、例えば、燃焼室２内に酸水素ガスを直接噴射するダイレクトインジェクション方式とすることができる。また、従来のガソリンエンジンやガスエンジンを本発明に係る内燃機関として利用する場合は、インテークマニホールド（空気取込口）を燃料取込口３とし、燃焼室２内が負圧となった際に必要な量の酸水素ガスが自然と燃焼室２内に取り込まれるようにしてもよい。
この内燃機関１ａでは、ピストン５が下降した状態で燃料取込口３から酸水素ガスが燃焼室２内に取り込まれ、ピストン５の上昇により酸水素ガスが圧縮される。その後、圧縮された酸水素ガスは点火プラグ４により点火されて膨張（圧力が高まる）し、ピストン５が押し下げられる。そして、運動変換機構６を介して、このピストン５の動きが出力軸７に伝達され、出力軸７が回転する。なお、膨張した酸水素ガスは、水蒸気または水となって排出口８から排出される。
図２（Ｂ）は、本発明に係る内燃機関の一実施形態である４ストロークエンジンである。内燃機関１ａと同様に、内燃機関１ｂは、燃焼室２内に燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口３と、点火プラグ４と、ピストン５と、運動変換機構６と、出力軸７と、排出口８とを備えている。この他、内燃機関１ｂは、排出口８を通じて燃焼室２から排出されるガスの量を調節するための排出バルブ９と、ピストン５の動きと排出バルブ９の開閉動作とを連動させるタイミングベルト１０とを備えている。燃料取込口３は、例えば、燃焼室２内に酸水素ガスを直接噴射するダイレクトインジェクション方式とすることができる。また、燃料取込口３と燃焼室２との間にピストン５の動きに連動して開閉する不図示の燃料取込バルブ（図２（Ｂ）の排出バルブ９に対応するもの）を設け、これにより燃料取込口３を通じて燃焼室２内に取り込まれる酸水素ガスの量を調節してもよい。
この内燃機関１ｂでは、ピストン５が下降すると、燃料取込口３からの噴射により燃焼室２内に酸水素ガスが取り込まれ、ピストン５が上昇すると、燃焼室２内の酸水素ガスが圧縮される。圧縮された酸水素ガスは点火プラグ４により点火されて膨張（圧力が高まる）し、ピストン５が押し下げられる。その後、ピストン５が上昇すると、排出バルブ９が開いて燃焼室２内の酸水素ガスが水蒸気または水となって排出される。上記ピストン５の動きは、運動変換機構６を介して出力軸７に伝達され、出力軸７が回転する。
なお、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す内燃機関１ａ、１ｂは、動作停止時にピストン５が上死点で止まるとは限らず、シリンダー上部（燃焼室２）にできた空間に空気が溜まることがある。このため、始動時に、新たに取り込んだ酸水素ガスと溜まっていた空気との混合ガスが圧縮・点火され、爆縮が起こり得る。爆縮が起こると、エンジン内で爆発音が発生し、耳障りである。この爆縮を防ぐためには、燃焼室２内に溜まっている空気が排出されるまで、（１）酸水素ガスの取り込みを停止させておくか、または（２）点火させることなく酸水素ガスと空気との混合ガスを排出する必要がある。
上記（１）の方策をとる場合は、燃料取込口３を燃料供給圧力の多寡に応じて開閉するバルブとすればよい。このバルブは、燃料供給圧力が所定の圧力を超えると開き、燃焼室２内に取り込まれる燃料（酸水素ガス）を通過させる。一方、このバルブは、燃焼室２の負圧や爆発では開かないように設計され、逆止弁および安全弁の役割を果たす。このバルブを用いて、始動後、一定期間の間は燃料供給圧力を低めに設定することで、空気が排出される前に酸水素ガスが取り込まれ、爆縮が起こるのを防ぐことができる。当然ながら、このバルブは、コンピュータ制御により開閉するものにしてもよい。
また、上記（２）の方策をとる場合は、始動後、一定期間の間は点火プラグ４を作動させないように制御すればよい。
図３は、本発明に係る内燃機関とその周辺装置を示すブロック図である。図３（Ａ）に示すように、内燃機関１ａ（１ｂ）には、酸水素ガス生成装置２０で生成した酸水素ガスが供給されるが、間に酸水素ガスタンク２１を設け、この酸水素ガスタンク２１内で一時的に酸水素ガスを貯蔵してもよい。限られた容積の酸水素ガスタンク２１内にできるだけ多くの酸水素ガスを貯蔵するために、酸水素ガス生成装置２０は、高気圧で圧縮しても水に戻らない酸水素ガスを生成可能であることが好ましい。この点、研究初期段階の酸水素ガスの中には、数気圧程度で水に戻るものがあるので注意が必要である。
図３（Ｂ）に示すように、酸水素ガス生成装置２０（酸水素ガスタンク２１）と内燃機関１ａ（１ｂ）との間にキャブレター等の混合機２２を設けてもよい。これにより、酸水素ガス生成装置２０からの酸水素ガスおよび化石由来燃料タンク２３からの化石由来燃料の混合ガスを燃料として内燃機関１ａ（１ｂ）に取り込むことができる。この実施形態によれば、混合ガスに含まれる化石由来燃料の比率に応じて二酸化炭素や窒素酸化物が発生してしまうが、比較的入手が容易な化石由来燃料を併用することにより、酸水素ガスの使用量を抑えつつ、酸水素ガスの燃焼効率を高めることができる。また、化石由来燃料の混合比率が高い場合でも、化石由来燃料の燃焼効率を上げることができ、燃費改善や、排出される二酸化炭素および窒素酸化物の削減ができる。つまり、図３（Ｂ）に示す実施形態によれば、安定的に内燃機関１ａ（１ｂ）を稼動させることができる。なお、化石由来燃料は既存燃料の単なる一例である。化石由来燃料の代わりに水素を使用しても、酸水素ガスの使用量を抑えつつ、酸水素ガスの燃焼効率を高めることができる。
また、図３（Ｃ）に示すように、水タンク２４およびインジェクション装置２５をさらに設け、燃焼室２内にナノレベルの霧状の水を噴射してもよい。霧状の水は、酸水素ガスの取り込みと同じタイミングで、燃焼室２に設けられた水噴射口（不図示）から噴射される。この構成によれば、酸水素ガスと一緒に霧状の水が燃焼させられ、水蒸気爆発により水の体積が約１７００倍になるので、点火前後における燃焼室２内の圧力変化が大きくなってより大きなエネルギーを取り出すことが可能になるとともに、化石由来燃料を併用した場合と同様に、酸水素ガスの使用量を抑えることができる。
［外燃機関の構成］
図４は、本発明に係る外燃機関の一実施形態であるガスタービンである。同図に示すように、外燃機関１ｃは、燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口１１と、出力軸１８回りに高速回転することにより取り込まれた酸水素ガスを圧縮して燃焼室１３に送る圧縮機１２と、燃焼室１３内の圧縮された酸水素ガスに点火して高温ガス化する点火プラグ１４と、燃焼室１３から排出された高温ガスが勢いよく羽根に当たることにより出力軸１８回りに高速回転するタービン１７とを備えている。また、外燃機関１ｃは、効率を高めるための再生器１９も備えている。
この外燃機関１ｃでは、圧縮された酸水素ガスが燃焼室１３内で水蒸気からなる高温ガスとなり、この高温ガスのエネルギーによってタービン１７が高速回転する。これにより、出力軸１８を介してタービン１７に同軸接続された圧縮機１２が高速回転し、圧縮された酸水素ガスが燃焼室１３に連続的に送られる。また、取り込まれた酸水素ガスは、最終的に、水蒸気または水として排出される。
同図に示すように、外燃機関１ｃは、燃料噴射口１５または水噴射口１６をさらに備えていてもよい。燃料噴射口１５から噴射された既存燃料または水噴射口１６から噴射されたナノレベルの霧状の水と、圧縮された酸水素ガスを一緒に燃焼させれば、内燃機関１ａ、１ｂの場合と同様の効果を得ることができる。
なお、酸水素ガスは、例えば、図３に示す酸水素ガス生成装置２０または酸水素ガスタンク２１から供給することができ、霧状の水は、例えば、図３（Ｃ）に示す水タンク２４およびインジェクション装置２５を用いて燃焼室１３内に噴射することができる。また、既存燃料は、従来のガスタービンで使用されている種々の方式で燃焼室１３内に噴射することができる。
［発電システムの構成］
図５（Ａ）は、本発明に係る内燃機関を用いた発電システムおよびその周辺装置のブロック図である。発電システム３０ａは、少なくとも内燃機関１ａ（１ｂ）とその出力軸７に接続された発電機３１とを備えている。この発電システム３０ａでは、酸水素ガスが供給されることにより内燃機関１ａ（１ｂ）の出力軸７が回転すると、それに応じて発電機３１が電力を発生する。
同図に示すように、発電機３１の出力側に電力変換装置３２を設け、発電機３１からの電力を所望の電力に変換して出力してもよい。電力変換装置３２としては、例えば、発電機３１から出力されるＤＣ１２Ｖの直流電力をＡＣ１００Ｖの交流電力に変換するＤＣ−ＡＣインバータ装置や、発電機３１から出力される電力を安定化したり、商用電源の周波数に合せたりするためのインバータを含む装置等が用いられる。
また、図５（Ｂ）に示す発電システム３０ｂのように、内燃機関１ａ（１ｂ）には、混合機２２で混合された酸水素ガスと化石由来燃料（既存燃料）の混合ガスを供給してもよい。混合機２２は、２種類のガスを所望の比率で混合するためのもので、圧力調整器、遮断弁、ゼロガバナー、ミキサー等で構成することができる。
また、本発明に係る発電システムは、図５（Ｃ）に示す発電システム３０ｃのように、コンピュータおよび各種センサからなる制御手段３３を備えていることが好ましい。制御手段３３は、発電機３１または電力変換装置３２の出力電圧や出力電流（電力負荷の大きさ）を検出し、検出結果に基づいて燃焼室２内に取り込む酸水素ガスまたは混合ガスの量や、点火のタイミングを変化させる。内燃機関１ａ（１ｂ）を常に最高回転数となるように駆動することは非効率だが、上記のような制御を行って内燃機関１ａ（１ｂ）の回転数を増減させれば、酸水素ガスや混合ガスを節約することができる。
図６（Ａ）は、本発明に係る外燃機関を用いた発電システムおよびその周辺装置のブロック図である。発電システム３０ｄは、少なくとも外燃機関１ｃとその出力軸１８に接続された発電機３１とを備えている。この発電システム３０ｄでは、外燃機関１ｃの出力軸１８が回転すると、それに応じて発電機３１が電力を発生する。同図に示すように、発電システム３０ｄは、発電機３１の出力側に電力変換装置３２を備えていてもよい。
この他、本発明に係る外燃機関を用いた発電システムとしては、水タンク２４とインジェクション装置２５で霧状の水が燃焼室１３に噴射されるよう構成された外燃機関１ｃを用いた発電システム３０ｅや、制御手段３３により、噴射される霧状の水の量や点火のタイミングが制御されるよう構成された発電システム３０ｆが考えられる。
また、上記各発電システム３０ａ〜３０ｆは、発電機３１と電力変換装置３２の間に、発電機３１から出力される直流電圧で充電可能な二次電池（不図示）をさらに備えていてもよい。これにより、負荷回路に瞬間的に大電力を供給する場合であって、内燃機関１ａ（１ｂ）または外燃機関１ｂの回転速度を上げることによる電力発生が間に合わない場合にも、安定的に電力を供給することができる。
［実験結果］
続いて、空気供給口を塞いだ市販の空冷４ストロークＯＨＶエンジン（三菱重工製“ＧＭ８２ＰＮ”）に酸水素ガスを供給して発電を行った実験結果について説明する。実験条件は以下の通りである。
（１）点火タイミング
点火タイミングは、ピストン５が上死点にある状態を基準としたクランクシャフト（運動変換機構６）の回転角度で表される。点火タイミングが早すぎるとピストン５が上死点に達する前、すなわち酸水素ガスが充分圧縮される前に燃焼が進み、ピストン５が押し下げられるため、無駄が生じる。一方、点火タイミングが遅すぎると、ピストン５が下降し始めてから酸水素ガスが燃焼するので、その膨張による圧力変化を活かしきれない。このような観点から、本実験では、点火タイミングを上死点前（ＢＴＤＣ）２５°固定とした。なお、ガソリン等の化石由来燃料に比べて、酸水素ガスは燃焼速度が遅いため、点火タイミングは化石由来燃料を用いる場合よりも早めに設定するのが好ましいと考えられる。
（２）圧縮圧力
上記実験では、低速でも正常回転させるために５ｋｇｆ／ｃｍ２を下回らないようにした。
（３）燃料供給圧力
上記実験では、酸水素ガスの供給圧力を０．２ＭＰａとした。
（４）電力変換装置
上記実験では、自己励磁式のインバータを使用した。
上記条件でエンジンを稼動させたところ、最高回転数である３２００ｒｐｍで８５０ＶＡの出力が得られた。また、５００ｒｐｍ程度の低速でも正常にエンジンを稼動させることができた。ただし、上記条件は一例であり、エンジンの排気量、気筒数等に応じて最適な点火タイミング、圧縮圧力、燃料供給圧力が変わるのは言うまでもない、
１ａ、１ｂ 内燃機関
１ｃ 外燃機関
２ 燃焼室
３ 燃料取込口
４ 点火プラグ
５ ピストン
６ 運動変換機構
７ 出力軸
８ 排出口
９ 排出バルブ
１０ タイミングベルト
１１ 燃料取込口
１２ 圧縮機
１３ 燃焼室
１４ 点火プラグ
１５ 燃料噴射口
１６ 水噴射口
１７ タービン
１８ 出力軸
１９ 再生器
２０ 酸水素ガス生成装置
２１ 酸水素ガスタンク
２２ 混合機
２３ 化石由来燃料タンク
２４ 水タンク
２５ インジェクション装置
３０ａ〜３０ｆ 発電システム
３１ 発電機
３２ 電力変換装置
３３ 制御手段
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、熱機関および該熱機関を用いた発電システムに関する。
背景技術
［０００２］
一般に、２ストロークエンジンまたは４ストロークエンジンのような内燃機関は、燃焼室内でガソリン、重油、軽油、プロパンガス等の化石由来燃料と空気の混合ガスを燃焼させ、燃焼室内の圧力変化によりエネルギーを発生させている。すなわち、従来の内燃機関は化石由来燃料と空気の双方を利用してエネルギーを発生させるため、混合ガスを構成する化石由来燃料と空気の混合比や、燃焼室内に送り込む混合ガスの量を調整するための機構が不可欠である。このような機構としては、例えば、キャブレターや燃料噴射装置がある。
［０００３］
また、ガスタービンのような外燃機関は、圧縮機で圧縮した空気と化石由来燃料の混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、これにより得られた高温ガスが燃焼室から勢いよく排出される際のエネルギーを利用してタービンを回し、タービンの回転軸からエネルギーを取り出している。すなわち、従来の内燃機関と同様に、従来の外燃機関も化石由来燃料と空気の双方を利用してエネルギーを発生させている。
［０００４］
上記内燃機関および外燃機関（以下、これらを総称して“熱機関”という）では、混合ガスを燃焼させる際に、少なからず二酸化炭素（ＣＯ２）が発生する。例えば、化石由来燃料がガソリンまたはプロパンガスの場合は、
・２Ｃ８Ｈ１８＋２５Ｏ２→１８Ｈ２Ｏ＋１６ＣＯ２
・Ｃ３Ｈ８＋５Ｏ２→４Ｈ２Ｏ＋３ＣＯ２
の反応式に示されるように、それぞれ、１６ＣＯ２、３ＣＯ２の二酸化炭素が発生する。また、空気の７０％以上は窒素なので、混合ガスを燃焼させると、
【０００３】
原子が水分子のような約１０５度（図１（Ａ）参照）ではなく１８０度（図１（Ｂ）参照）で結合していると考えられるもの。）”を燃料として用いれば上記２つの課題を同時に解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
［００１１］
すなわち、本発明の第１発明に係る熱機関は、燃焼室内に燃料を取り込むための燃料取込口と、燃焼室内の燃料に点火する点火プラグと、点火前後における燃焼室内の圧力変化に応じて運動するピストンと、ピストンの運動を出力軸の回転運動に変える運動変換機構とを備えた内燃機関である熱機関であって、燃料が、１８０度で結合された酸素原子と２つの水素原子とからなる分子で構成された酸水素ガスであり、燃焼室に空気を取り込むための機構、および燃焼室に既存燃料を取り込むための機構を備えていないことを特徴とする。
［００１２］
酸水素ガスは元より酸素を含んでいるため、燃焼させる際に空気と混合する必要がない。また、酸水素ガスは、水素と酸素で構成されているので、燃焼により生じるのは水または水蒸気である。したがって、この構成によれば、二酸化炭素や窒素酸化物の排出をゼロにすることができるとともに、空気と燃料の混合比を調整したり空気を燃焼室内に取り込んだりするための機構を省略して、構造を簡素化することができる。また、この熱機関は空気を必要としないので、真空中や水中でも出力軸からエネルギーを取り出すことができる。
［００１３］
ここで、本明細書における“既存燃料”の語は従来の熱機関で一般的に使用されている燃料を意味するものとする。例えば、“既存燃料”には、ガソリン、重油、軽油、プロパンガス、天然ガス、灯油（ケロシン）、ジェット燃料、ロケット燃料等の化石由来燃料の他、水素等が含まれる。
【０００４】
［００１４］
上記第１発明に係る熱機関は、燃焼室内にナノレベルの霧状の水を噴射する水噴射口をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、酸水素ガスと一緒に燃焼させられた霧状の水の体積が水蒸気爆発により約１７００倍になるので、点火前後における燃焼室内の圧力変化が大きくなってより大きなエネルギーを取り出すことが可能になるとともに、既存燃料を併用した場合と同様に、酸水素ガスの使用量を抑えることができる。
［００１５］
上記第１発明における燃料取込口は、例えば、ダイレクトインジェクション方式により燃料を燃焼室内に直接噴射するもの、および逆止弁および安全弁の役割を果たすバルブとすることができる。
［００１６］
上記第１発明に係る熱機関は、始動後、一定期間の間は、燃料取込口が燃料を燃焼室内に取り込まないか、または点火プラグが燃料に点火しないよう構成することが望ましい。
この構成によれば、燃焼室内に溜まっている空気と新たに取り込まれた酸水素ガスの混合ガスが燃焼させられることにより起こる始動直後の爆縮を防ぐことができる。
［００１７］
［００１８］
【０００５】
［００１９］
［００２０］
また、本発明の第２発明に係る発電システムは、上記第１発明に係る熱機関と、該熱機関の出力軸に接続された発電機とを備えたことを特徴とする。
［００２１］
この構成によれば、第１発明に係る熱機関を使用することにより、二酸化炭素や窒素酸化物を全く排出することなく、または排出量を抑制しながら、クリーンな電力を発生させることができる。
［００２２］
上記第２発明に係る発電システムは、発電機が発生させた第１電力を所望の第２電力に変換する電力変換装置と、発電機または電力変換装置の出力電圧もしくは出力電流または出力電圧と出力電流の双方を検出し、検出した結果に基づいて取り込む燃料の量および点火のタイミングを変化させる制御手段をさらに備えていることが好ましい。
発明の効果
［００２３］
本発明によれば、二酸化炭素や窒素酸化物の排出がなく、しかも、従来のものよりも構造が簡素化された熱機関および該熱機関を用いた発電システムを提供することができる。
図面の簡単な説明
［００２４］
［図１］（Ａ）は水分子の構造を示す模式図、（Ｂ）は酸水素ガスの構造を示す模式図である。

Claims (11)

  1. 燃焼室内に燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口と、
    前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火プラグと、
    点火前後における前記燃焼室内の圧力変化に応じて運動するピストンと、
    前記ピストンの運動を出力軸の回転運動に変える運動変換機構と、
    を備えた内燃機関であることを特徴とする熱機関。
  2. 前記燃料は、前記酸水素ガスと既存燃料との混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
  3. 前記燃焼室内にナノレベルの霧状の水を噴射する水噴射口をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
  4. 前記燃料取込口は、ダイレクトインジェクション方式により前記燃料を前記燃焼室内に直接噴射することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱機関。
  5. 前記燃料取込口は、逆止弁および安全弁の役割を果たすバルブであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱機関。
  6. 始動後、一定期間の間は、前記燃料取込口が前記燃料を前記燃焼室内に取り込まないか、または前記点火プラグが前記燃料に点火しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱機関。
  7. 燃料としての酸水素ガスを取り込むための燃料取込口と、
    出力軸回りに回転することにより取り込まれた前記燃料を圧縮して燃焼室に送る圧縮機と、
    前記燃焼室内の圧縮された前記燃料に点火して高温ガス化する点火プラグと、
    前記燃焼室から排出された前記高温ガスにより前記出力軸回りに回転させられるタービンと、
    を備えた外燃機関であることを特徴とする熱機関。
  8. 前記燃焼室内に既存燃料を噴射する燃料噴射口をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の熱機関。
  9. 前記燃焼室内にナノレベルの霧状の水を噴射する水噴射口をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の熱機関。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載の熱機関と、
    前記熱機関の出力軸に接続された発電機と、
    を備えたことを特徴とする発電システム。
  11. 前記発電機が発生させた第１電力を所望の第２電力に変換する電力変換装置と、
    前記発電機または前記電力変換装置の出力電圧もしくは出力電流または出力電圧と出力電圧の双方を検出し、検出した結果に基づいて取り込む前記燃料の量および前記点火のタイミングを変化させる制御手段と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１０に記載の発電システム。
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