WO2001009485A1 - Moteur a combustion interne rotatif equipe de palettes a mouvements alternatifs - Google Patents

Moteur a combustion interne rotatif equipe de palettes a mouvements alternatifs Download PDF

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Description

明 細 書 往復動板回転内燃機関の板等 技術分野
この発明は、 往復動板回転内燃機関 （日本国特許第 9 6 1 7 8 9号、 昭和 4 2 年特許願第 0 8 0 9 5 7号） の往復動板 ·燃焼室及び燃料噴射位置の改良に関す るもの。 背景技術
大気汚染 ·地球温暖化に対して、 自動車や産業用原動機からの排気物質（H C · C O · N O x ·黒煙 ' S〇2 · C 0 2 ) は大きな役割を演じている。 そこで、 原動 機から出る汚染物質を最小にし、その熱効率を最大にする可能性のある物として、 往復動板回転エンジンの実用化を目指す。
往復動板回転エンジンが汚染物質を最小にする可能性とは、 このエンジンが高 速回転 （ 1 2 0 0 0 r p m以上） に適しており、 N 0 xの生成反応所用時間が経 過する前に、 燃焼 ·膨張行程を終わらせ、 高温壁部から燃焼ガスを強制的に引き 離すことにより、 N O xの生成を抑制する可能性と、 主な構造材料として耐熱セ ラミックスを使うことにより、 冷却せず逆に保温して、 低温及び酸素不足等の為 に起きる不完全酸化燃焼としての、 H C ■ C 0 ·黒煙微粒子の発生を抑制する可 能性とがあると言うことである。
更に、 板等の潤滑 ·密閉を空気軸受的方法 （起動時は固体潤滑か蒸気噴射クッ シヨン作用） により行い、 また、 排気夕一ビン圧縮機と共に排気再生蒸気を活用 して、 潤滑 ·密閉 · 内部冷却 ·作動補助を行い、 冷却損失 ·排気損失を最小にす ることにより、 熱効率を飛躍的に高める （目標熱効率 6 0 %以上） ことが可能と なる。
エンジンに革命をもたらすものと期待された、 N S Uバンケルロータリーェン ジンが実用化され、 N〇x発生量の低いことも認められながら、敗退した理由は、 排気容量に対して冷却面積が大きすぎ、 熱効率の低いことが致命的であった。 尚、 本エンジンの燃料としては、 軽油 ·灯油 · ガソリンはもとより、 L N G · メタノール .エタノール ·水素等、 気体 ·液体の燃料であれば、 使用可能で、 ェ ンジン本体の小型 ·軽量化も期待できる。
このエンジンの具体的実施例を、 図面により説明すると次のごとくである。 こ のエンジンはべ一ンポンプと同じような構造で、 Fig l〜 3に示すように、 円筒 型のケース（2)内に偏心して円柱型口一夕（1)が回転し、 このロー夕（1)に軸心から 等角度放射状に、 平行面の溝（ガイ ド）を設け、 その中に往復動板 (4)を収め、 遠心 力 (場合によっては動板後端に蒸気やばね等を作用させることも考慮する）により、 往復動板 (4)先端をケース（2)内面に圧接しながら滑動させる。 すると、 隣り合つ た前後 2 枚の往復動板 (4) ·ケース（2)内面 ·両サイ ドケース（3) · 口一夕（1)外面 とで囲まれた各室 (8〜： 12 室）がそれそれ作動室となり、 口一夕（1)の回転に伴う作 動室容積の変化に合わせて、 排気吹出し ，掃気 ·過給 ·圧縮 ·燃料噴射 ·燃焼 · 膨張 ·排気吹出しを行程とし、 1回転で全行程を終わる、 2サイクル 8〜12気筒 エンジンとなる。 この場合、 作動室への燃料噴射の代りに、 給気口（6)の特定部 分 (給気口の一番遅く閉じる部分）に気化器 ·噴射機等で、 燃料を供給する方式も 考えられる。
給気口 (6) ·排気口（5)の始点終点 ·燃料噴射ノズル (7) · グロ一プラグ (8) ·第 2 蒸気供給兼燃焼ガス抽気 (エンジンブレーキ用）口（27)の位置と方向は、 種々変え た試作実施により見出す。
次に、 排気ガスの N O x対策 '潤滑密閉及び熱効率向上の為、 Fig3 に示すよう に水蒸気を利用する。 このシステムに水を供給する方法として、 大気圧水タンク (29) · 引出弁（30) ·加圧ポンプ (31) · ポンプ吐出弁（32)系による方法と、 圧力調 整弁 (33) ·蒸気圧水タンク（34) ·引出弁 (35) ·補給弁 (36)系による方法とがあり、 前者は移動体に取り付けるような場合に適し、 後者はタンクに耐圧姓を持たせる ために重く、 定置の場合に適している。
水タンク（29)の水は、 引出弁（30)を通って加圧ポンプ (31)で燃焼圧力まで加圧 され、 ポンプ吐出弁 (32)を通って熱交換器（14)の蒸気発生管（15)に入り、 蒸気 ' 加熱蒸気となって逆止弁（18)を通った後、 優先的第 1 蒸気 (潤滑 ·密閉用）系と第
2蒸気 (作動補助 ·冷却用）系に別れる。
第 1蒸気は閉止遅延弁（19)を通り、 第 1蒸気供給管 (20)を通って環状の潤滑 - 密閉用蒸気溝 (21)に入り、 そこから往復動板 (4)の先端 · ガイ ドの滑動部 · ロー 夕（1)とサイ ドケース（3)の接触部 ·軸受部等に供給される。
第 2蒸気は起動停止弁 (22)を通り、 圧力作動弁 (23) ·第 2 蒸気供給管 (24)を通 つて、 切替弁 (25)の開方向が管 (24)と管 (26)に開条件で、 第 2 蒸気供給兼燃焼ガ ス抽気管 (26)に入り、 第 2 蒸気供給兼燃焼ガス抽気ロ (27)から作動室へ冷却 ·作 動補助用として注入される。
軸受用を除く第 1蒸気と第 2蒸気は、 それ自身がエンジン内部で加熱膨張し、 作動ガスとともに動力源となる。 また、 逆止弁（18)の 1 次側で分岐した管は、 安 全弁（16) ·圧力計（17)とつながる。
尚、 蒸気発生管（15)への給水を、 加圧ポンプ (31)によらず、 圧力調整弁（33)に よる場合は、 安全弁（16) ·圧力計（17)とつながった管が圧力調整弁 (33)を通って 蒸気圧水タンク（34)の上部に連結する。 圧力調整弁 (33)は設定圧まで開いており、 蒸気圧水タンク（34)の水は自然流下で引出弁 (35)を通り、 熱交換器（14)の蒸気発 生管（15)へと流れる。
蒸気圧力が設定圧力より高くなると、 圧力調整弁 (33)が自動的に閉まり、 蒸気 圧水タンク（34)内の圧力が圧力調整弁（33)の 1 次側（安全弁側）より相対的に低く なり、 蒸気圧水タンク（34)から蒸気発生管（15)への水流出量を減少させ、 蒸気発 生量 ·蒸気圧力を低減する。 この場合、 蒸気圧水タンク（34)内で蒸気の凝結速度 が大きい場合は、 水残量とともに容積が変化する断熱率の高い弾性タンクを蒸気 圧水タンク（34)に内蔵させる。
切替弁 (25)の開方向を、 第 2 蒸気供給兼燃焼ガス抽気管 (26)と燃焼ガス抽気管 (28)にすると、 作動室内の燃焼ガスが第 2 蒸気供給兼燃焼ガス抽気ロ (27)から抽 気され、 管 (26) ·切替弁 (25) ·管 (28)を通り、 排気タービン 1 次側の排気管 (9)に バイパスされることにより、 エンジンブレーキが働くこととなる。
燃料噴射量は、 エンジンブレーキ作動時やアイ ドリング時においても、 第 1 蒸気分の蒸気発生量が得られる最低噴射量に制御する。
以上が往復動板回転内燃機関の概要であるが、 問題は動板の高速回転をいかに スムーズに行わせるかと、 燃焼室の上死点における偏平化に対し、 燃料噴射供給 を如何に行うかであり、 本特許はその改善策である。 発明の開示
往復動板先端とケース内面との滑動面は、 動板自体に発生する遠心力による先 端圧接力に対し、 動板前後の作動室圧力による反力と動板先端から出す蒸気のク ッシヨン作用、 及び、 滑動面の固体潤滑または気体軸受作用力の合成力で、 釣り 合いを保持する。
本発明は、 動板先端が起動時は固体潤滑になるとしても、 規定回転数では楔作 用による気体軸受作用力をなるベく大きく して、 動板先端及びケース内面の摩耗 を防ぎ、 摩擦係数を最小にすることにある。
無限幅気体軸受についての方程式は
Figure imgf000006_0001
ここで使用する記号は次の通り
d , a ：微分及び偏微分係数
P ：圧力
X ：軸受面における回転方向距離
u ：気体の粘度
h ： すきま
U ：周速度
h。 ： pが最大（ d p / d X = 0 )になる点の h
k ：定数
h a ：気体入口又は最大のすきま
p a ： 同上における気体圧力
周速度 Uがどの程度以上であれば、 無限大として扱えるか分からないが、 d p / d Xは有限であるから lim (U→∞) dp/dxでは （ph— k) →Qとなる必要がある
従って
lim (U→oo) ph = k = paha
ケース内径 250mmで 200 r p sの周速度
7Γ*0 · 2 5 * 200 = 1 57 m/ s
を無限大に近いとみなせば、 掃気圧力を 0 · 13 メガパスカル， haを l mmと して、 最小すきま h。 = 0 · 0 1 mmの場所で p。 =13メガパスカルとなる 実際は， Uが 1 57 m/s程度では無限大とはみなせないので、 蒸気クッショ ンカ等との複合力で動板遠心力を受け止めることになるが、 その中で、 気体軸受 作用を最大限に活用しょうとするのが本発明の主旨である。
また、 遠心力をなるベく小さくする必要はあるが、 燃焼圧力を閉じ込める程度 の遠心力は必要である。
液体軸受では、 最狭部を過ぎると負の圧力が発生することになるが、 気体軸受 では無限幅超高速であれば、 ph =—定であるから、 最狭部を過ぎても負の圧力 は発生せず、 最狭部に対して対称に近い圧力となる。
以上の結果を基にして、 往復動板の見かけ比重を軽く し、 耐熱性 ·耐摩耗性を 保持しながら、 気体軸受作用を最大限に発揮させる為、 動板先端をつるはし形と し、 その実施例を Fig4〜5に示す。
また、 動板の回転軸に垂直な断面をつるはし形にすると、 作動室が益々偏平に なり、 しかも、 つるはし形動板が通過する度に、 燃料連続噴射では噴射燃料が動 板先端又は側面に当たり、 噴口位置によっては作動室外の隙間に進入することも 起こる。 しかし、 作動室が通過する間だけの間歇燃料噴射では、 噴射装置の機構 が複雑になり、 しかも、 燃料が十分作動室に行き渡らない恐れがある。 そこで、 Fig6〜9 に示すように、 動板が通過する間も噴射燃料が圧縮空気と混合するよ うにする為、 ケース内面に溝を設け、 その溝に沿って燃料を噴射する。 溝の上を 動板が通過するとき、 その前後の作動室間の溝を通して空気 · ガスが移動し、 噴 射燃料との混合を良好にする。 この溝は、 ケース内面を平面展開した場合、 V · X · W型等が考えられ、 その実施例を Fig6〜9に示す。 また、 燃料を上死点近くで噴射する代りに、 給気口の遅く閉まる位置で、 燃料 を気化又は噴射して、 燃料の素通り損失を無く し、 ガソリンエンジンと同じ行程 をさせるのが、 本発明の 3番目の考案で、 その実施例を FiglO ' llに示す。 図面の簡単な説明
Figl はこの発明にかかる往復動板を収容する、 往復動板回転エンジンの回転 軸に垂直で動板中央の断面図
Fig2は同上の回転軸心を含み、 対抗する 2枚の動板に平行な断面図
Fig3は往復動板回転エンジンの水系統図
Fig4は本発明にかかる動板の中央線を含み、 同盤面に垂直な断面図
Fig5は動板を動板面に垂直方向から見た図
Fig6は本発明にかかる上死点付近の V型燃料噴射溝の平面展開図
Fig7は本発明にかかる上死点付近の X型燃料噴射溝の平面展開図
Fig8は本発明にかかる上死点付近の W型燃料噴射溝の平面展開図
Fig 9は Fig 6〜8の燃料噴射溝の断面図
FiglOは給気口（6)の拡大図
Figllは FiglOの断面図 発明を実施する為の最良の形態
本発明になる往復動板の製作行程を， Fig4 ' 5について説明すれば次の通り まず、 市販されている lO rn程度の大きさの炭素単繊維を、 数千本束にした 糸を 2 方向に配向させた織物 (A)を、 動板の幅 (B)で厚さが動板厚 (C)になるまで 積層し、 その厚さの半分の面と動板の両ガイ ド面の先端線を含む面との交線で、 互いに反対側に振り分けて、 両ガイ ド先端線を中心に 90 ° の角度で曲げ、 その 先を曲率半径の小さい部分から順に切落として、 内側曲率半径 (D)がロー夕（1)半 径より少し大きく、 外側の曲率半径 (E)が口一夕（1)半径の 1/2 程度になるよう に加工し、 この全表面及び先端振分け凹部 (F)に黒鉛をマト リ ックスとして含浸 焼結し、 その上 (外面）に炭化チタンをコーティ ングして、 動板を仕上げる。 このような製作方法を取ることにより、 内部の炭素繊維間に微細空洞が無数に あり、 見かけ比重が 0， 8 以下で、 耐熱性 '耐摩耗性 ·潤滑制の高い、 高速回転用 往復動板が製作可能となる。
動板の見かけ比重を小さくするには、 多孔質材を使う方法や、 内部に厚みの何 割かの空洞部を設けて、必要強度を維持しながら軽量化する方法等も考えられる。 次に、 本発明になる燃料噴射溝は V · X型が定回転数向きで、 W型が変動回転 数向きである。 V · X · W型溝 (G)の断面 K一 Kを Fig9 に示し、 燃料は各溝 (G) に沿って、 噴射ノズル（1^ • H 2 - I 1 - I 2 - J 1 - J 2 - J 3 - J 4 )から噴射さ れる。 V · X型溝では、 噴射燃料が両側の噴口の最大噴射量から、 片側噴口の最 小噴射量まで変化する。 W型溝では、 噴射燃料が回転方向に対して、 最後の噴口 から最前の噴口へ、 回転の上昇にしたがって燃料噴射位置が移動する。 燃料噴射 位置'噴射方向'溝の幅 (L)と深さ（M)の最適値は試作実験により求める。
また、 圧縮空気に対する燃料噴射の代りに、 ガソリンエンジンと同じように、 給気口（6)に接続された管 (N)に、 気化器又は噴射器 (O)により燃料を供給する方 法があり、 素通り空気に燃料が含まれないよう、 隔板 (P)で給気口（6)を分割し、 遅く閉まる側に燃料を供給する。 隔板 (P)は 1 枚ではなく複数枚、 或いは、 給気 口（6)を等分に分けないで、 適当な比率になるよう、 隔板の位置を変えることも 考えてよい。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかるつるはし形動板 (ベーン）、 及び、 その結果作動 室が偏平化することへの対応策として、 燃料噴射溝の設置、 或いは給気口の特定 部への燃料供給は、 往復動板回転内燃機関（ベ一ンエンジン）の実用化に、 必要不 可欠のものと考える。 図面における記号の説明
:口一夕（軸と一体） 28:燃焼ガス抽気管
:ケース 29:大気圧水タンク
:サイ ドケース（両サイ ドは不同) 30:引出弁
:往復動板 (Van e) 31:加圧ポンプ
:排気口 32:ポンプ吐出弁
:給気口 33:圧力調整弁
:燃料噴射ノズル 34:蒸気圧水タンク
:グロ一プラグ 35:引出弁
:排気管（タービン 1次側） 36:水補給兼排水弁
0:給気管 A:炭素繊維の織物
1:排気タービン B:動板の幅
2:過給気 C:動板の厚さ
3:クリーナ D:動板先端の内側曲率半径
4:熱交換器（夕一ビン 2次側） E:動板先端の外側曲率半径
5:蒸気発生管 F:動板先端の炭素織物振分け凹部6:安全弁 G:燃料噴射溝
7:圧力計 H卜 2:V型燃料噴射溝への噴射ノズル8:逆止弁 I 型燃料噴射溝への噴射ノズル9:閉止遅延弁 (起動は即時） J卜4： W型燃料噴射溝への噴射ノズル0:第 1蒸気供給管 K一 K:燃料噴射溝の断面
1:潤滑密閉用第 1蒸気溝 (環状） L:燃料噴射溝の幅
2:起動停止弁 M:燃料噴射溝の深さ
3:定圧力作動弁 N:給気口の接続管
4:第 2蒸気供給管 0:燃料の気化又は噴射装置
5:切替弁 P：隔板
6:第 2蒸気供給兼燃焼ガス抽気管
7:第 2蒸気供給兼燃焼ガス抽気ロ

Claims

請 求 の 範 囲
、 往復動板回転内燃機関 (ベーンエンジン）の往復動板の、回転方向に平行（軸 に垂直） な断面を、 つるはし形にすることにより、 先端に気体軸受作用力を 発生させ、 潤滑 ·密閉，摩耗回避の機能を持たせるようにした動板
、 つるはし形動板による偏平燃焼室に対し、 連続燃料噴射が出来、 動板前 後の作動室間を燃焼ガスが移動して、 噴射燃料と空気の混合を良好にする燃 料噴射溝
、 燃料を給気とよく混合させ、然も素通り空気に混じらないようにする為、 給気口の遅く閉まる部分に、 燃料を気化又は噴射させるようにした装置
補正書の請求の範囲
[ 2 0 0 0年 9月 1 1日 （1 1 . 0 9 . 0 0 ) 国際事務局受理：出願当初の請求の範囲
1—3は新しい請求の範囲 1に置き換えられた。 （1頁) ]
往復動板式回転内燃機関 (ベーンエンジン)用往復動板の、 回転軸に垂直な 断面を、 つるはし形にし、 この動板先端の外側曲面とケース内面との接線の 前後 （回転方向に対して） に， 楔状の気体空間があるようにして， この動板 を超高速で回転させることにより， この動板先端に動圧気体軸受作用力を発 生させて遠心力を支え， 潤滑.密閉.摩耗回避の機能を持たせるようにした動 板。 勿論， 動板先端の外側曲面における静圧を高めれば， 動圧気体軸受作用 力は， その静圧に比例して大きくなる.
10 補正された用紙 （条約第 19条）
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