(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掃気孔のみを有する断熱シリンダに掃気孔と排気孔を有する断熱シリンダを連結し、前記掃気孔のみを有する断熱シリンダ側に筒内を冷却するための水または蒸気を噴射するノズルを取り付け、前記掃気孔のみを有する断熱シリンダ側のピストンのストローク長を１とするとき前記掃気孔と排気孔を有する断熱シリンダ側のピストンのストローク長を２とし、前記のそれぞれのピストンの摺動によって燃焼ガスや空気などの流動が自在に行われることを特徴とする２ピストン断熱エンジンと、掃・排気行程において水または蒸気の噴射によって筒内の熱を吸収して得られる過熱蒸気と排気ガスを動力源とすることを特徴とする排気タービンを有する排気エネルギ回収装置とから構成される２ピストン断熱複合エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気エネルギ損失を有効利用することにより熱効率の向上を図った複合エンジンに関する。          
【背景技術】
【０００２】
従来のエンジンの熱効率はディーゼルエンジンが概ね４０％、ガソリンエンジンが概ね３０％程度であり、冷却損失と排気損失がそれぞれ概ね３０％前後あり、利用されずに棄てられるエネルギが多い。
【０００３】
従来の容積型エンジンは筒外を水または空気で冷やすことによりエンジン本体の温度上昇を抑制し、一定の連続運転を可能にしている。
【０００４】
筒内に水を噴射することによって筒内の熱を吸収し筒内を冷却するとともに気化させ、蒸気の膨張力で出力の増大を図る試みがなされた。（例えば、特許文献１及び２参照。）
【０００５】
航空用ディーゼルエンジンと排気タービンを組み合わせた複合エンジンが開発されている。（例えば、非特許文献１参照。）
【０００６】
従来の４ストロークエンジンは排気ガスが比較的きれいであるが、バルブ機構が必要であるなど構造が複雑である。２ストロークエンジンは逆に構造が簡単であるが、排気ガスが汚れているなどの問題があった。
【０００７】
従来の中央壁を有する２ストローク２ピストンエンジンは、中央壁の冷却が困難なため熱負荷が大きくなると云う問題があった。
【特許文献１】特開昭６０−１８４９２３号
【特許文献２】特開平３−１１５７４３号
【非特許文献１】内燃機関ハンドブック朝倉書店Ｐ６４７昭和４４年発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上述べたように従来のエンジンでは冷却損失、排気損失として棄てられていたエネルギがあり、これらのエネルギ損失を回収し動力として利用すれば熱効率が向上する。
【０００９】
従来の容積型エンジンの小型を除くほとんどは、筒外を水または空気で冷却するための強制冷却用装置を有し、かつ強制冷却用の動力を必要としていた。
【００１０】
特開昭６０−１８４９２３号の水噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンの目的は、圧縮行程の次の膨張行程において、水の噴射による気化熱の吸収によって断熱エンジンの欠点である新気の吸入効率の低下を補完し単位燃料当たりの出力を増大させるとしているが、燃焼中の熱エネルギの一部を噴射された水が気化熱として奪うため燃焼温度を低下させることはできるが出力を増大させることは困難である。
また、特開平３−１１５７４３号の６サイクル断熱エンジンにおいて、ここで云う６サイクルとは吸入、圧縮、膨張、排気、膨張、排気行程であるが、２回目の膨張行程で噴射された水は気化され膨張し、筒内の圧力が上がり膨張仕事を行うことができるとあるが、２回目の膨張行程における水の気化による蒸気の膨張速度は燃料の燃焼速度と異なるため、容積型エンジンを用いて２回目の膨張行程で仕事をする（動力を得る）のは困難である。
【００１１】
過去に開発された複合エンジンは燃費が良かったが、構造が複雑なため実用には至らなかったとされている。
【００１２】
容積型エンジンの構造が簡単で、排気ガスがきれいで、熱効率が今までより高いエンジンの開発を目指している。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
容積型エンジンの燃焼により発生した排気損失である排気ガスは、ターボを回し過給することにより有効利用されているが、熱効率の向上には繋がっていない。また、冷却損失については排気損失と同量程度のエネルギを占めているにもかかわらず、ほとんど利用されてこなかったばかりか、冷却するための装置と動力が必要であった。これは筒外冷却をするので冷却損失となるのであって、筒内冷却し吸収した熱で過熱蒸気を発生させれば、筒外冷却のための装置も動力も不要であるうえ過熱蒸気を用いて軸流タービンやラジアルタービンを効率よく回すことができこの動力を利用することができる。勿論、タービンは単段でも多段でもよい。
【００１４】
掃気孔を有する断熱シリンダを筒内冷却するには、複数の掃気孔の少なくとも１箇所にノズルを取り付け、掃気行程で水または蒸気を噴射し、高温になったピストン上部とシリンダ内壁とシリンダヘッドを冷却する。筒内温度が常に設定温度近傍を保つよう適量の水または蒸気が噴射される。このため、筒外温度と排気ガス温度を計測し噴射量を自動制御する。始動時などでエンジンが冷えている時には噴射を遮断する。また、水は水タンクに補給する方式でもよく、排気管を冷却し水滴を少しずつ回収する循環方式でもよく、また、その両方を装備してもよいが、地域によっては冬季の凍結対策が必要になる。
【００１５】
排気タービンのように速度型エンジンは熱効率やレスポンスが悪いため、例えば部分負荷でかつ負荷変動の大きい自動車の動力とする場合、運転条件に対応した最適設定をするには構造が複雑になる。そこで、容積型エンジンと速度型エンジンを組み合わせた複合エンジンにおいては補助機関である排気タービンの動力は主機関である容積型エンジンの出力軸へ伝達されるようにし、逆に容積型エンジンの動力は排気タービンの出力軸に伝達されないようにワンウェイクラッチを採用した動力伝達機構とすれば、構造が簡単でタービンからの動力を効率よく取り出せる。また、掃気圧を排気圧より常に高くするため過給用としてルーツブロワを取り付ける。
ただし、タービンとコンプレッサを直結させ過給を行わせる場合には、加速時の過給不足を補うため、ワンウェイクラッチを取り付けずフライホイールに直結して主機関からの動力を利用してもよい。
また、排気タービンの出力軸には発電機を取り付けることもできる。
【００１６】
筒内冷却をすることによりシリンダの中央壁の熱負荷が軽減される。
【発明の効果】
【００１７】
上述したように本発明の２ピストン断熱複合エンジンは、掃気行程開始時に水または蒸気が直接筒内に噴射されることにより筒内を冷却するとともに、筒内の熱を吸収して過熱蒸気が発生するので、タービンを回す強力な動力源となる。従来のエンジンでは冷却を筒外で行っていたので冷却損失を有効利用できなかったが、筒内冷却型の２ピストン断熱複合エンジンでは排気損失だけではなく冷却損失を含めたエネルギ損失を有効利用することができる。
このため、熱効率と出力が向上し燃費を改善することができ、ＣＯ２だけではなくＮＯＸやＰＭなどの有害物質も削減できる。また、過熱蒸気は洗浄能力が大きいため筒内や排気系統を洗浄する効果もある。
【００１８】
従来の２ストロークエンジンと異なり掃・排気時間が長いため掃・排気がほぼ完全に行われる。このため、燃焼が良好に行われ排気ガスもきれいである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１および図２に示す２ピストン断熱複合エンジンにおいて、図１は正面断面図であり、図２は４気筒４ピストンの場合の平面断面図である。掃気孔１３ａを有する断熱シリンダ１１ａ（以下、第１シリンダと称す）と掃気孔１３ｂと排気孔１５を有する断熱シリンダ１１ｂ（以下、第２シリンダと称す）を並列に配置し、中央壁１４の上部は開口され燃焼ガスや空気などが自由に移動できるようになっている。第１、第２シリンダには燃料噴射装置１６を各々取り付け、第２シリンダ側には排気エネルギ回収装置２０を取り付ける。
また、第１と第２シリンダとシリンダヘッドは断熱されている。
図２では排気エネルギ回収装置２０のタービン１９は４ピストン当たり１基となっているが、２ピストン当たり１基でも多ピストン当たり１基でもよい。
【００２１】
排気孔出口には耐熱フラップバルブ１８を取り付け、排気孔入口側の圧力が出口側より低くなった場合にはその圧力差と耐熱フラップバルブの自重によって直ちに閉じるようになっている。
【００２２】
排気孔１５は第２シリンダ側にしかなく、水または蒸気噴射ノズル１７は第１シリンダ側にしかない。第１ピストン１３ａと第２ピストン１３ｂのストローク長は第１ピストン側を１とすると第２ピストン側は２である。従って、第１ピストン側が１爆発・膨張当たり２回転に対して第２ピストン側が１爆発・膨張当たり１回転するようになっている。第１と第２ピストンの連接棒の大端部３０が互いに干渉しない様に位置を前後にずらしてある。また、第１ピストン１３ａと第２ピストン１３ｂの直径は同径でも異径でもよい。
【００２３】
排気エネルギ回収装置２０はタービン１９とコンプレッサ２５とそれぞれを繋ぐ出力軸２６と軸受２４とケーシング２３で構成され、タービンの駆動力が小歯車２７から歯車列２９で減速しフライホイール２８に伝達される。タービンは排気エネルギをできるだけ冷やさないよう効率よく回収するため、できるだけ排気孔に近づけて取り付けられる構造にする。また、タービンの種類はラジアルタービンでも軸流タービンでもどちらでもよい。
【００２４】
熱エネルギのうち動力に変換されなかった廃熱をできるだけ筒外に放出させないで有効利用するため、第１と第２シリンダとシリンダヘッドなどを断熱材２２で覆う。
【００２５】
水または蒸気噴射ノズル１７は第１シリンダの掃気孔の位置に取り付けられ、掃気孔が開いている間に噴射するようになっている。筒外温度および排気ガス温度に対応した適量の水または蒸気が噴霧されるようになっている。
【００２６】
蒸気を発生させるには、タービン出口側の排気管の外周に小径パイプを巻き付けこのパイプに水を通したり、排気管を覆って二重管にし外側の管に水を通したりすることにより容易に発生させることができる。  温度管理は小径パイプまたは二重管の出口近傍に温度計を取り付け、送水量を制御して行う。また、タービン出口側を冷やすことによりタービン効率と出力が向上し、更に排気ガスの圧力と体積が減少するため、消音装置（図示なし）は同出力の通常のエンジンに比べ小規模で済む。
【００２７】
燃料噴射方式はディーゼルエンジンの場合は通常の燃料噴射ノズルでよい。また、ガソリンエンジンの場合は筒内直噴方式の燃料噴射ノズルに限られる。
ノズルからの燃料は第１と第２シリンダへ各々同時期同量噴射され、同時に爆発するようになっている。
【００２８】
図３は掃・排気、圧縮、爆発・膨張、吸気の各行程と掃・排気行程に水または蒸気噴射行程を加えた作動状態図である。０１は掃・排気、０２は圧縮、０３は燃料噴射と爆発と膨張開始、０４は膨張、０５は掃・排気と水または蒸気噴射と筒内冷却開始、０６は掃・排気と筒内冷却と過熱蒸気発生、０７は掃・排気、０８は吸気を示している。０１から０８までで第１ピストン側は２回転し、第２ピストン側は１回転して全行程が完了する。
なお、図に示す矢印は空気（膨張空気を含む）や排気ガスや蒸気（過熱蒸気を含む）の流向を表わしている。
【００２９】
図４は、吸気、圧縮、爆発・膨張、掃気・筒内冷却、掃・排気の各行程に対する掃気孔、排気孔の開閉タイミングと燃料噴射、水または蒸気噴射の作動タイミングと筒内圧力線図を示した図である。排気孔が開き燃焼圧力が未だ高く勢いのある排気ガスをタービンに勢いよく吹きかけ、筒内圧力が下がってきたところで掃気孔が開き、この直後に水または蒸気を噴射するので噴射圧力が小さくて済む。更に図２に示すように水または蒸気の噴射方向と掃気孔からの吸気の方向がシリンダ壁面に沿っているので、効果的にシリンダ壁面の温度を下げるとともに壁面から吸熱し過熱蒸気を発生することができる。なお、図２では水または蒸気が第１シリンダの左右同時に噴射しているような図になっているが、実際には交互に噴射するのでノズルも左右独立している。
図４の行程番号は図３の作動状態の番号と一致する。
【実施例２】
【００３０】
図５は２ピストン断熱複合エンジンの別の一例で、図１の第１シリンダ１１ａと第２シリンダ１１ｂを縦に結合したものである。第２シリンダ３１ｂの排気孔３５に図２と同様の排気エネルギ回収装置を取り付けるが図示していない。また、第１ピストン３２ａと第２ピストン３２ｂのクランクシャフトと排気エネルギ回収装置の出力軸には歯車が取り付けられ、それらが連動するようになっているが図示していない。
第１ピストン３２ａと第２ピストン３２ｂのストローク長や作動状態は実施例１と同様である。また、第１ピストン３２ａと第２ピストン３２ｂの直径は同径でも異径でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態を示す筒内冷却方式２ピストン断熱複合エンジンの正面断面図
【図２】筒内冷却方式２ピストン断熱複合エンジン平面断面図
【図３】２ピストンの各行程の作動状態図
【図４】掃気孔と排気孔の開閉と燃料と水または蒸気の噴射のタイミングと筒内圧力線図
【図５】本発明の別の実施形態を示す筒内冷却方式２ピストン断熱複合エンジンの主要部分断面図
【符号の説明】
【００３２】
１１ａ，３１ａ  第１シリンダ
１１ｂ，３１ｂ  第２シリンダ
１２ａ，３２ａ  第１ピストン
１２ｂ，３２ｂ  第２ピストン
１３ａ，１３ｂ，３３ａ，３３ｂ  掃気孔
１４  中央壁
１５，３５  排気孔
１６，３６  燃料噴射ノズル
１７，３７  水または蒸気噴射ノズル
１８  耐熱フラップバルブ
１９  タービン
２０  排気エネルギ回収装置
２１，４１  吸気管
２２，４２  断熱材
２３  ケーシング
２４  軸受
２５  コンプレッサ
２６  出力軸
２７  小歯車
２８  フライホイール
２９  歯車列
３０  連接棒の大端部
【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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