(57)【要約】      （修正有）【課題】環境的に理想的な水素を燃料とするエンジンは、著しい小出力とバックファイアーやノッキングなどのために実用化の目途は立っていない。これを商業的に実用化できる高駆動で安定した自動車エンジンにする。【解決手段】エンジンの気筒１をピストン２を境として、上部と下部に分け、上部を水素を燃料とするエンジンに、下部を水素と空気を気筒別に加圧できる２段式コンプレッサーとし、下部のコンプレッサーで水素と空気を別々の気筒内で加圧し、これらを予混合器で混合気体とし、これを上部のエンジンに２〜５ｋｇ／ｃｍ２で圧入し、更にこれを圧縮し、１５ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧にしてから、点火、爆発、排気、冷気吸入、熱気排出をくり返して常圧の空気を吸入して爆発させていた従来の水素エンジンとは比較にならない大きい動力を生み出す、水素専用５サイクルエンジンとした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの気筒を上部ピストンを境として、上部と下部に分け、上部を水素を燃料とするエンジンに、下部を水素と空気を気筒別に加圧できる２段式コンプレッサーとし、下部のコンプレッサーで水素と空気を別々の気筒内で加圧し、これらを予混合器で混合気体とし、これを上部のエンジンで爆発燃焼させて動力を得るという水素専用５サイクルエンジンとした。
【請求項２】
このエンジン動作の第一行程は、エンジン下部の２段式コンプレッサーで２〜５気圧にした水素と空気との混合ガスを筒内に圧入する。第二行程は前記ガスに圧縮を加え１５気圧以上にする。第三行程は前記ガスを火花プラグで点火、爆発させ、動力を得る。第四行程は爆発ガスを排気する。第五行程は前記排気のときに、上蓋部に残存した高熱排気を高圧の空気で掃気する。以上の五行程によって駆動力を生み出す水素専用５サイクルエンジン。
【請求項３】
円筒又は角筒などの管体状の中に、先端がつり針状に曲げられた遮蔽板を数枚取付け、つり針状に曲げられた部分を交互に反対向きに取付け、水素と空気を通す時前記つり針状の部分で反転し過流を生じさせ、次の遮蔽板では反対向きに過流が生じるようにした高速ガス混合器を備えた水素専用５行程エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水素を燃料とするレシプロ式エンジンで、水素専用５行程エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  環境と化石燃料資源枯渇の現状から新エネルギーとして水素が注目されているが、水素を使用するエンジンは、著しい小出力と、ノッキングやバックファイアー、直噴インジェクターの能力の過小もあって、実用化の目途は立っていない。
【発明の開示】
（１）京大、塩路昌弘：自動車技術会Ｖｏｌ６１、Ｎｏ１１、２００７、Ｐ９３〜９６
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】この発明は、燃料として水素を使用しながらバックファイアーやノッキングを起こさず、商業的に実用化できる高駆動で安定したレシプロエンジンを提供するのが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  その第一は、水素の小出力の原因である総熱量の低さを改善するために、水素と空気を約１対３の燃焼当量ガス（以下「混合ガス」と称する）とし、これを２〜５ｋｇ／ｃｍ２に加圧して筒内に圧入し、これをピストンで圧縮して爆発させることによって発生総熱量をメタンやプロパンなどに匹敵するようにする。
【０００５】  その第二は、バックファイアーの主原因が４サイクルエンジンのバルブオーバーラップ時における高熱の排気ガスと吸入水素・空気ガスの一瞬の接触にあることから、排気行程の直後に、高圧の冷気を圧入し、筒内の上部に残存する排気を吹きとばす（以下掃気）行程を設け、筒内の冷却をすると共に、バルブオーバーラップ時の接触を遮断する。このため、このエンジンは２ストロークの５サイクルエンジンとなる。
【０００６】  上記の水素と空気の混合ガスを２〜５ｋｇ／ｃｍ２に加圧するために、筒内を上部ピストンを境いとして、上部を内燃機関として動力を生み出させ、下部をピストンの背圧を利用したコンプレッサーを設け、水素と空気を別々の気筒で加圧し、これを予混合器で混合ガスとし、上部の内燃機関本体に供給する。水素と空気の爆発当量は、約１対３であるので、４気筒のエンジンの場合、１気筒分の水素コンプレッサーと、３気筒分の空気コンプレッサーでよい。
【０００７】筒内壁や諸器の過熱を避けるために、過負荷時には、冷気圧入時に少量のエンジンオイルと水とのエマルジョンを筒内に噴霧することは、筒内の冷却と潤滑に良い効果をもたらす。
【０００８】この発明は、エンジンに高圧混合ガスを筒内に圧入、これを圧縮、点火爆発、排気、冷気吸入、熱空気掃気という５サイクルの働きをする。エンジンの下部には気筒毎にピストンの背圧を利用した水素と空気の２段のコンプレッサーを有し、エンジンヘッドには混合気圧入弁、冷気吸入弁、スパークプラグ、排気弁を備えている。これらを車載するには、別に特許申請中の水素発生器を設ける。
【発明の効果】
【０００９】環境的にすぐれた評価をもちながらも、使用し難いエネルギーとされてきた水素に、この発明は高いエネルギー評価を与えることができる。それは水素を加圧して、高密度にし、燃焼助剤としての空気も高圧にして、これを混合ガスとし、これをピストンで圧縮して高いエネルギーを発生させることで、筒内の限られた空間の中で水素のエネルギーを充分に引き出すことができたという点である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】「水素専用５サイクルエンジンの説明」その１、（エンジンとコンプレッサー）
図３のエンジン上部にあるのが、水素専用５サイクルエンジンで、ピストン２を境として下部にあるのが、水素又は空気の２段式コンプレッサーである。水素と空気の混合気体の当量は約１対３であるので、４気筒エンジンの場合、水素のコンプレッサーは、１気筒分で、空気のコンプレッサーは３気筒分となる。【００１１】エンジンの上蓋部はそれぞれの気筒毎に上部から見ると図１のように中心にスパークプラグ１１、その囲りに圧力混合気圧入のための燃料インテークマニホールド８、冷空気吸入のためのエアーインテークマニホールド９、エクゾーストマニホールド１０が配置されている。これを側面から見ると、図３のように、右から燃料インテークマニホールド８、スパークプラグ１１、エクゾーストマニホールド１０が並んでいる。図７に示すように、エアーインテークマニホールド９は、掃気時の説明時で右端に位置している。【００１２】図３に示すように５サイクルエンジンは筒部１の中に第１ピストン２と第２ピストン７が摺動自在に納まっており、これらは第一ピストンピン３と第２ピストンピン３６、コンロッドピン５の間を垂直に上下動するピストン連結管４により連がれている。ピストン連結管４は底板部１７と３７に設けられた孔をつき抜けるように矢印４０のように垂直に上下動する。ピストン管連結４は、その下端をコンロッドピン５によりコンロッド６に自在に連がれており、ピストン連結管の上下運動をクランクの回転運動に変換せしめる。【００１３】５サイクルエンジンの第一ピストンの上部がエンジンの燃焼室で、下部はピストンの背圧を利用した第１コンプレッサーである。第２ピストンの下部は第２ピストンの背圧を利用したコンプレッサーで、ガスはコンプレッサー吸気弁１９並びに３８より圧縮室１５並びに１６に入り、ピストンの下降と共に加圧され、コンプレッサー排気弁２０並びに３１より矢印２３並びに３２のように、水素ボンベ又は空気ボンベに一時貯留される。どちらのボンベに向かうかは、あらかじめ定められた気筒による。【００１４】第１コンプレッサー下部の底板部１７並びに第２コンプレッサーの底板部３７は、ガスを圧縮されるための隔壁で圧縮室１５並びに１６の下部に設けられている。底板部３７の下部はクランク室である。【００１５】エンジンの運転時は圧力ガスの大部分は図２に示すように、バルブ２７と計量器３０あるいはバルブ２７と計量器２９を経て、ガス予混合器３３に入り、混合されてから、燃料ガスインテークマニホルド８より、矢印１４のように筒内１に圧入される。【００１６】    図３は、このエンジンの吸気サイクルで、上述の混合ガスは２〜５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で、燃料インテークマニホールド８より筒内に圧入される。この時、ピストン２並びに７は最上点から最下点に矢印４０のように移動する。下部のコンプレッサーは第１、第２共に排気弁２０並びに３１は開いており、圧力ガスは矢印２３、３２のように、ボンベまたは予混合器に向かう。【００１７】図４は圧力サイクルで、クランクの回転と共にピストン管４は垂直に上方に移動し、第一ピストンも上昇し、図３の吸気サイクルで圧入された高圧混合ガスを更に圧縮する。
この時の圧力は１５ｋｇ／ｃｍ２以上である。この時第１ピストン２と第２ピストン７の下部では、コンプレッサーの吸引がはじまり、吸入口１９と３８よりガスが矢印２１、２２のように吸入される。【００１８】下げられ、ピストン連結管の下端で、コンロッドピン５より、コンロッド６を回転させて動力を得る。
一方、両ピストンの下部の圧縮室１５、１６において、吸入ガスが両ピストン２，７の背圧によって圧縮され、圧力ガスは排出口２０、３１より矢印２３、３２のように押し出され、圧力ガスはボンベまたは予混合器３３に向かう。【００１９】図６は、５サイクルエンジンの排気サイクルを示した図である。クランクの回転により、コンロッドピン５が押し上げられ、それと共にピストン連結管も押し上げられ、第１ピストンピン３によって第１ピストン２が上昇し、ピストンピン３６によって第２ピストンも上方に向かう。その結果、第１ピストンの上部に発生した高熱の廃ガスはエクゾーストパイプ１０より矢印１３のように排出される。
一方、コンプレッサーには吸入バルブ１９、３８より矢印２１、２２のように上下圧縮室１５、１６にガスが吸入される。【００２０】図７は５サイクルエンジンの筒内上部に残った熱廃気ガスと熱気を冷却するための図である。矢印３５のように２〜５ｋｇ／ｃｍ２の冷空気をエアーインテークマニホールド９より取り入れる。燃料マニホールド８のバルブを閉じたままで、エクゾーストマニホールド１０のバルブ４４を開放にした状態で約４５°のクランク角度の間に矢印３９のように残存熱廃棄を吹きとばし、矢印３４のようにエクゾーストマニホールド１０より排出する。【００２１】水素専用５サイクルエンジンは、ピストン２往復で、１回爆発という形式であるが、空気と水素が加圧してあることで、メタンのような炭化水素系のガスに近い駆動力を発揮する。【００２２】［補機について］
エンジン下部のコンプレッサーで加圧された水素又は空気は別々のタンクで貯留され、必要に応じて、１対３の比率で混和される。高速流体の混和はガス予混合器３３を使用する。これは図４に示すように、円筒形又は角筒形の管状体６１であり、この中に、先端を釣り針状に曲げた遮蔽板６６、６７、６８，６９，７０を流量、流速に応じて数枚を交互に反対向きに取付けたものである。【００２３】矢印６２、６３のように水素と空気を当量宛入口６５・６４から圧入させると遮蔽板６６に当たり、点線の矢印７４のように反転し、次の遮蔽板６７に当たっても遮蔽板６７の先端で曲げられて、矢印７５のように反転するなどして水素と空気は次第に混合し、矢印７６・７２が混合を繰り返し、矢印７３となり、出口７１から矢印１４のように流れ出る時には全く均等に混ざっており、エンジンの中で安定した着火と爆発ができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】本発明は、地球の温暖化を防止するために、水素を燃料とする水素専用５行程エンジンであるが、他の気体を燃料とするエンジンにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明エンジンの上蓋部を上から見た燃料インテークマニホールド、空気インテークマニホールド、エクゾーストマニホールド、スパークプラグの配置図
【図２】本発明の予混合器、水素ボンベ、空気ボンベの配置図
【図３】本発明の５サイクルエンジンの混合ガス・吸入サイクルの図
【図４】本発明の５サイクルエンジンの混合ガス圧縮サイクルの図
【図５】本発明の５サイクルエンジンの混合ガス、点火爆発サイクルの図
【図６】本発明の５サイクルエンジンの既燃焼廃ガスの排気サイクルの図
【図７】本発明の５サイクルエンジンの残存熱廃ガス掃気冷却サイクルの図
【図８】本発明の５サイクルエンジンのガス予混合器の縦断面図
【符号の説明】
【００２６】１エンジン筒（シリンダー）        ２５空気ボンベ
２第１ピストン                    ２６水素ボンベ
３ピストンピン                    ２７水素ボンベバルブ
４ピストン連結管                  ２８空気ボンベバルブ
５コンロッドピン                  ２９水素流量調節弁
６コンロッド                      ３０空気流量調節弁
７第２ピストン                    ３１第２コンプレッサー排気弁
８燃料インテークマニホールド      ３２第２コンプレッサーよりの圧力ガスの流れ
９エアーインテークマニホールド    ３３高圧ガス予混合器
１０エクゾーストパイプ            ３４残存熱排気の流れ
１１スパークプラグ                ３５冷空気の流れ
１２混合ガス火炎                  ３６第２ピストンピン
１３エクゾースト排気ガスの流れ    ３７第２底部板
１４混合ガスの流れ                ３８第２コンプレッサー吸気弁
１５第１圧縮室                    ３９ピストン管の上下動を示す（吸気）
１６第２圧縮室                    ４０エマルジョン注入インジェクター
１７第１底部板                    ４１ピストン連結管の上昇方向
１８第１コンプレッサー吸気弁      ４２エクゾーストバルブ
１９第１コンプレッサー排気弁
２０第１コンプレッサー吸気の流れ
２１第２コンプレッサー吸気の流れ
２２第１コンプレッサーよりの圧力ガスの流れ
２４コンプレッサー吸気圧力室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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