(57)【要約】【課題】サーマルＮＯＸの排出量が少なく、温水のみを排出する低公害の水素エンジンを提供する。【解決手段】ともに圧縮した水素と空気を混合して燃焼室に吸入し、燃焼室内で、ロータ７又はピストン２２に取り付けた水素酸化触媒８を用いて、水素を低温にて燃焼反応させ、その収縮力（負圧）を利用して、ロータ７又はピストン２２を駆動する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータ又はピストンを駆動する水素エンジンにおいて、前記燃焼室内に配置した水素酸化触媒と、この水素酸化触媒により、温度と圧力の関係において水が液相にある領域で水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって駆動される前記ロータ又はピストンを備えたことを特徴とする水素エンジン。
【請求項２】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータ又はピストンを駆動する水素エンジンにおいて、前記燃焼室内に配置した水素酸化触媒と、この水素酸化触媒により、２３０℃以下で水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって駆動される前記ロータ又はピストンを備えたことを特徴とする水素エンジン。
【請求項３】
水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンにおいて、水素と酸素を燃焼室に吸入する吸入口と、前記燃焼室内に回転自在に配置したロータと、前記燃焼室内に配置した水素酸化触媒とを備え、この水素酸化触媒により、温度と圧力の関係において水が液相にある領域で水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力を利用して前記ロータを回転駆動することを特徴とするロータリー型水素エンジン。
【請求項４】
水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンにおいて、水素と酸素を燃焼室に吸入する吸入口と、前記燃焼室内に回転自在に配置した略三角形状の断面をもつロータと、このロータの各辺部に配置した水素酸化触媒とを備え、この水素酸化触媒により、水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力を利用して前記ロータを回転駆動することを特徴とするロータリー型水素エンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記燃焼室内を、２３０℃以下に保持する冷却手段を備えたことを特徴とする水素エンジン。
【請求項６】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンにおいて、円筒形のエンジン室と、このエンジン室内に回転自在に設置されたロータと、このロータの外周部から放射状に伸び外周が前記エンジン室の内周に沿って回転し前記エンジン室を複数の燃焼室に仕切る複数の仕切板と、これら複数の燃焼室内に配置された水素酸化触媒と、水素と酸素を前記燃焼室内に吸入する吸入口とを備え、水素を前記水素酸化触媒によって低温燃焼させ液相の水に相転移することによってこの燃焼反応に伴う収縮力によって生じる動的気流を動力として利用することを特徴とするロータリー型水素エンジン。
【請求項７】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンにおいて、円筒形のエンジン室と、このエンジン室内に回転自在に設置されたロータと、このロータの外周部から放射状に伸び外周が前記エンジン室の内周に沿って回転し前記エンジン室を複数の燃焼室に仕切る複数の仕切板と、これら複数の燃焼室内で前記ロータの外周部から放射状に伸び外周が前記エンジン室の内周に沿って回転する網目状の触媒網と、この触媒網に被膜された水素酸化触媒と、水素と酸素を前記燃焼室内に吸入する吸入口とを備え、前記水素酸化触媒によって水素を触媒網の表面付近で低温燃焼させ、前記触媒網と仕切板の間で液相の水に相転移することによってこの燃焼反応に伴う収縮力によって生じる動的気流を動力として利用することを特徴とするロータリー型水素エンジン。
【請求項８】
請求項６又は７において、前記仕切板は、放射方向に多数列掘り込まれた第１の溝と、外周部に掘り込まれた第２の溝と、この第２の溝からエンジン室の排出口に繋がる出口とを備えたことを特徴とするロータリー型水素エンジン。
【請求項９】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンの駆動方法において、水素と空気の混合気体を燃焼室に吸入し、略三角形状の断面をもつロータの各辺部に配置した水素酸化触媒により水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力を利用して前記ロータを回転駆動することを特徴とするロータリー型水素エンジンの駆動方法。
【請求項１０】
水素と酸素を燃焼室に吸入し、水素の燃焼反応によってロータを駆動するロータリー型水素エンジンの駆動方法において、固定容積の前記燃焼室内で水素酸化触媒を用いて水素を燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力により、固定容積の燃焼室内に生じる動的気流によって前記ロータを駆動することを特徴とするロータリー型水素エンジンの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内で水素を燃焼（酸化）反応させ、ロータあるいはピストンを駆動する水素エンジンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンなどの化石燃料を利用してエネルギーを得ることは、エネルギー資源の枯渇と二酸化炭素ガスを排出することによる地球温暖化などの環境、公害問題から水素を燃料とした所謂クリーンエネルギーの利用が地球全体の将来の為に強く要請されている。
【０００３】
その中でも自動車においては燃料としてガソリンを用いる現在の大きな課題は燃料を動力エネルギーへ変換する際の効率が低くかつ二酸化炭素ガスなどの排出量が大きいことである。この解決のために、水素を燃料とした低公害車（所謂、クリーンカー）の研究開発が各所で進められている。
【０００４】
水素を燃料とした低公害車とした従来技術は大別して２つのアプローチが知られている。
【０００５】
最も良く知られている方法は燃料電池を用いる方法で、燃料電池内部で水素を酸素と反応させて電気エネルギーに変換した後でその電気エネルギーでモータを回転させて動力を得る方法である。燃料電池には色々の種類があるが、自動車用として最も期待されてきた従来技術は高分子電解質形の燃料電池である。しかしながら、この燃料電池が抱える大きな問題の一つとして燃料電池に用いる電解液が容易に凍ることである。この結果、寒冷地では自動車を暫く使用しない後で自動車を起動させる時に燃料電池の電解液を解凍するのに非常に大きな時間がかかり又解凍の為に大きなエネルギーを必要とする課題があった。
【０００６】
燃料電池が抱える他の問題として、燃料電池を構成する材料として貴金属などを用いるため、実用化する上で経済性にも課題がある。さらに、燃料電池の出力電圧が低く（２ボルト程度）、このままモータを駆動させると大電流が必要となり、電流損（Ｃｕ損）が非常に大きくなる。このため、１０００ボルト以上への電圧変換が不可欠であり、電力変換器としてパワー半導体素子などが多数必要であり、経済性ばかりでなく、信頼性においても大きな課題がある。
【０００７】
水素を燃料とした低公害車とした従来技術の他のアプローチは燃料の水素（ガス）を直接酸素（ガス）と燃焼させて動力とする、いわゆる水素エンジンが知られている。
【０００８】
特許文献１には、このような水素エンジンの動作が詳しく説明されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−４９６０３号公報（図１〜４、段落００１７）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の水素エンジンの技術は自動車業界では注目度が弱まっている。この大きな理由の一つは、この技術を用いて従来と同じ構造のエンジン（レシプロ型エンジン）のままでは、高熱で水素を燃焼させる為に、サーマルＮＯｘの排出量が大きく、その対策が非常に厄介なことが挙げられる。
【００１１】
本発明の目的は、有害な上記サーマルＮＯｘが少ない水素エンジンを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、単位重量あたりの出力が大きく、効率が高く、滑らか（騒音の少ない）な高速回転を実現できるロータリー型水素エンジンを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その一面において水素と酸素を燃焼室に吸入し、燃焼室内で水素酸化触媒を用いて、温度と圧力の関係において水が液相にある低温領域で水素を燃焼反応させ、水（熱湯）に変わる燃焼反応に伴う収縮力を動力として利用することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、他の一面において、燃焼室内で水素酸化触媒を用いて、２３０度以下かつ５０気圧以下で水素を燃焼反応させて、この燃焼反応に伴う収縮力を動力として利用することを特徴とする。
【００１５】
このとき、酸素は空気中及び／又は酸素ボンベから供給でき、低温燃焼を実現し、サーマルＮＯｘの発生を抑え、温水又は温水と窒素ガスを排出するクリーンな水素エンジンの構造とその駆動方法を提供することができる。
【００１６】
本発明によるロータリー型水素エンジンとしては２種類の実施形態がある。第１の実施形態は、従来から良く知られているガソリンを用いたロータリー型エンジンに近い構造を持つエンジンであり、第２の実施形態は、動作原理が全く異なる回転型のエンジンである。ロータリー型の第１の実施形態は、水素と酸素を燃焼室に吸入する吸入口と、前記燃焼室内に回転自在に配置した略三角形状の断面をもつロータと、このロータの各辺部に配置した水素酸化触媒とを備え、この水素酸化触媒により、水素を低温で燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって生じる動的気流を動力として利用することを特徴とする。
【００１７】
これにより、低温燃焼による前述の利点に加え、ロータリー型エンジンの主な課題を解決し、単位あたりの出力を大きく、効率が高く、滑らか（騒音の少ない）な回転が得られるロータリー型水素エンジンを提供する。
【００１８】
本発明によるロータリー型エンジンの第２の実施形態は、円筒形のエンジン室（ステータ）内に回転自在に設置されたロータの外周部から放射状に伸びて外周がエンジン室の内周に沿って回転する複数の仕切板でエンジン室内を複数の燃焼室に仕切り、これら複数の燃焼室内に水素酸化触媒を被膜した触媒網を設け、水素と酸素を燃焼室内に吸入し、吸入した水素を水素酸化触媒によって低温燃焼させ液相の水に相転移することで、固定容積の燃焼室内において燃焼反応に伴う収縮力よって生じる動的気流を動力（推力）として利用することを特徴とする。
【００１９】
これにより、上記第１のロータリー型水素エンジンの特徴に加え、さらに水素の燃焼効率を高め、かつ構造も簡単なロータリー型水素エンジンを提供する。
【００２０】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施形態の説明で明らかにする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態による水素エンジンの構成図である。空気は空気取り入れ口１から導入され、圧縮機２で１０気圧程度まで加圧される。この圧縮機２はエンジン回転を利用したメカニカル駆動、電気を利用した電気駆動のいずれかもしくはそれらの併用で作動する。水素燃料は水素貯蔵タンク３から約１０気圧の圧力で供給される。これらの空気と水素は混合機５で混合される。空気と水素は理論混合比に調整する。水素の理論混合比は重量比で水素１に対して、空気３４．２とする。水素と空気の圧力が同一の場合には体積割合で水素１に対して空気３程度となる。混合された水素と空気の圧縮混合気体は、ロータリー型のエンジンに吸入口６より供給される。エンジン内にはロータ７が回転自在に配置されている。供給された水素と空気の圧縮混合気体は、三辺に丸みをもつ略三角形状の断面をもつロータ７の三辺に設けた水素酸化触媒８により酸化反応する。水素酸化触媒８は、例えば、酸化銅や白金を用いたメッシュ状触媒であり、ロータ７の各辺表面上にコーティングされている。水素と酸素の反応は次式で表わされることはよく知られている。
【００２２】
２Ｈ２（気体）＋Ｏ２（気体）−−−２Ｈ２Ｏ
このとき、本実施形態では、エンジン内に反応後の水を液体として存在させることができる。すなわち、燃焼前の水素（気体）と酸素（気体）が、燃焼後（化学反応後）には体積が約１０００分の１に収縮して水（液相）に相転移し、燃焼後の燃焼室内は実質的には空気中に残された窒素ガスだけとなり、圧力が下がる。この燃焼過程での収縮力（負圧）を利用してロータ７を回転させ、動力として活用することが可能である。
【００２３】
始動時など、エンジンや、水素酸化触媒８が温まっていないときには、まず、点火プラグ９を用いて、従来の熱膨張式エンジンとして運転を開始し、温まった後に上記した収縮式のエンジン動作に切り換えることも可能である。
【００２４】
上記したように水素の燃焼反応後は、エンジン室内の燃焼室の部分では水は液相のまま（熱湯）と窒素ガスになる。
【００２５】
これらは排出口１０から排出される。排出口１０の下流には熱交換器１１が設けられ、大気付近の圧力でも水を液体として存在させるように温度制御を行う。さらに、その下流に気液分離装置１２を設け、温水と窒素ガスに分離する。温水は例えば８０℃として取り出すことができる。
【００２６】
燃焼反応すると、水素のもつ反応エネルギーは１２０ＭＪ／ｋｇが発生する。その相当部分はエンジン室内で熱となるため、冷却手段として熱交換器１３を用いて、この発熱エネルギーをエンジンから放出させ、燃焼室内の温度を２３０℃以下、望ましくは２００℃程度に保つ。熱交換器１３は、空冷、液冷、又は電気エネルギーに変換する機能をもつものとすることができる。空冷とする場合には、温められた空気を空気取り入れ口１に供給し、混合気体の加熱エネルギーとして利用することができる。水冷の場合には、温水取り出しの補助とすることができる。さらに、電気エネルギーに変換するときには、圧縮機２を電動駆動型とした場合の電力源などとして利用可能である。例えば、７ｋｇの水素を燃焼させると６３リットルの水を取り出すことが可能である。
【００２７】
図２は、本発明の原理を説明する飽和圧力対温度のグラフである。温度を横軸にとり、縦軸に飽和圧力をとる。相転移境界線１４の左側は通常液体、右側は気体として存在する領域である。図中の状態を表す四角あるいは三角印は、破線が気相、実線は液相であることを示している。
【００２８】
点火、火炎伝播を用いた従来の膨張式エンジンでは、筒内圧力が高まり、ガス温度が１０００℃以上となる。このため、空気中の窒素ガスが酸化し、いわゆるサーマルＮＯｘが発生する。図２において、従来の熱膨張式のエンジンでは、領域１５に示すように、破線四角印Ｄで示す過熱圧縮された水素と空気は、燃焼反応により、破線三角印Ｅで示す水蒸気と窒素ガスに変る。この破線三角印Ｅは、高温であるため、水素と酸素の反応で生じた水（Ｈ２Ｏ）は、水蒸気として存在することになる。
【００２９】
これに対して、本発明の実施形態では、吸入前に２００℃、約１０気圧の水素、空気の混合気体を圧縮して、（５０気圧、２００℃）状態Ａ（四角破線）とする。この状態において、水素酸化触媒８によって低温燃焼反応を生じさせて、水素と酸素が反応した結果生成される水を液体状態（熱湯）に相変換する。これにより、気相が液相に変化する体積減少（収縮）で圧力が下り、状態Ｂの実線三角印に移る。この状態Ｂは、相転移境界線（飽和蒸気圧力線）１４の左側すなわち２３０℃以下の領域に存在するため、水は液体（熱湯）として存在し得る。この実施形態では、状態Ａ→Ｂの燃焼反応は、約２００℃で生じている。
【００３０】
排出口１０が開くと、排気管の中の圧力は１気圧程度であるため、２００℃のままでは、状態Ｂから図２を真下に移動し、気体になってしまうことが判る。これを防止し、状態Ｃとなるように、排出口１０の下流に熱交換器１１を設け、状態Ｃの温度８０℃程度まで下げるのである。
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態におけるロータリー型エンジンの燃焼室内動作を説明する原理図である。同図（ａ）の吸入行程では、吸入口６から水素と空気の圧縮混合気体１６を吸入する。加圧、加温された水素と空気を混合機から吸入口を通してエンジン室に導入した後でロータ７の慣性などによりさらに加圧（圧縮）する。圧縮混合気体（水素＋空気）１６は、ロータ７の回転とともに燃焼室を移動し、水素酸化触媒８によって水素が低温燃焼（酸化）反応し、収縮する。この収縮力（負圧）を利用して、ロータ７には時計方向の回転力が与えられる。同図（ｂ）は、この燃焼／収縮行程の終盤を表わしている。さらに、ピストン７の回転が進むと、同図（ｃ）の排気行程で、排出口１０から熱湯と窒素ガスが排出され、熱交換器１１によって、熱湯は大気中でも液相を保つ温度まで冷却され、例えば８０℃の温水となって外部へ排出される。
【００３２】
ここで、水素酸化触媒８による水素の燃焼反応を適切なタイミングで発生させる必要があることも考えられる。このような場合には、例えば、次のような方策を講じることが考えられる。まず、▲１▼ロータの回転角度による燃焼室内の圧力が、適切な角度で燃焼反応を誘発するように設計することであり、あるいは、▲２▼通常、水素酸化触媒８をカバーで覆い、ロータの適切な角度でこのカバーを開くことなどである。また、▲３▼点火プラグ９を用いて、点火させることで水素の低温燃焼を誘引し、触媒の反応温度に適切なタイミングに制御可能とすることができる。▲４▼さらに、ロータ７の各辺の一部に落とし込みの部分を作りその落し込み部分のロータ７の表面からある程度間隔をおいて水素酸化触媒８を網目状にして配置することで低温燃焼反応をさせることができる。この方法（構造）については後述する。
【００３３】
これら▲３▼や▲４▼の方法（構造）によれば、触媒のカバーを動かさなくても適切なタイミングで触媒燃焼反応を発生させることが可能となる。このとき、燃焼反応の大半は水素酸化触媒で行うので、従来の膨張式エンジンのように高温燃焼反応となることはない。
【００３４】
以上の実施形態を要約すると次の通りである。まず、水素と空気中から酸素を燃焼室に吸入する吸入口６と、燃焼室内に回転自在に配置した三辺に丸みをもつ略三角形状の断面をもつロータ７と、このロータ７の各辺部に配置した水素酸化触媒８とを備えている。そして、この水素酸化触媒８により、水素を低温で燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって生ずる圧力の変化（負圧）を利用してロータ７を回転駆動する。また、燃焼反応によって、熱湯と窒素ガスに変った燃料を熱交換器１１で冷やして８０℃程度の温水と窒素ガスとして排出する。
【００３５】
さて、ロータリー型エンジンは、回転動作を連続的に取り出すことができ、静粛でかつ単位重量あたりの出力を大きくとれるメリットがある。しかし、従来の燃料としてガソリンを用いた熱膨張式のロータリー型エンジンでは、燃料消費量、経済性及び信頼性の点で往復式ピストンエンジンを凌駕できず、その応用範囲は、乗用車などのガソリンエンジン分野でも極めて限られた応用にとどまっている。その主な原因は次の３点が挙げられる。
【００３６】
１）発熱で燃焼室が熱変形し、ロータのシール部より漏れが発生（シール部分の耐久性）し、効率が低下する。
【００３７】
２）燃焼室表面積が大きく、冷却損失が増大する。
【００３８】
３）点火プラグ部が発熱し、ノッキングの要因となる。
【００３９】
これに対して、本発明の第１の実施形態では、水素酸化触媒８を用いた低温燃焼を行い、これに伴う収縮動作による負圧を利用するため、高温によって生ずる上記課題をすべて解決することができ、ロータリー型エンジンのメリットを十分に活かすことが可能である。
【００４０】
なお、水素酸化触媒８の表面に発生した水の処理方法として、ロータリー型エンジンの回転で吹き飛ばすように、水素酸化触媒８の表面の温度のみを、水が気相で存在する温度に上げておくようにすることもできる。また、上記▲４▼の方法（構造）によっても可能である。
【００４１】
また、図３において、吸入口６と排出口１０を点対称の位置にも設ければ、２サイクル×２回／１回転のロータリー型エンジンとすることもできる。
【００４２】
図４は、本発明の一実施形態において、排出口１０の下流に設けた熱交換器１１の具体例を示す。図４（ａ１），（ａ２）では、排出通路１８に直交するように、冷却媒体（液体又は気体）１９を通して強制冷却する。図４（ｂ）では、熱交換器１１の前に、旋回流、乱れ発生部２０を設け、排気通路１８の内表面に高温部が接触するようにして冷却効率を上げている。図４（ｃ）は、冷却媒体１９の通路２１をらせん形状としたものである。
【００４３】
図５は、本発明の他の実施形態による円筒型ピストン型（レシプロ型）水素エンジンである。円筒型エンジンは、よく知られているように、熱変形が均一となるため、ロータリー型エンジンに比べてシールし易く、加工し易いメリットがある。この実施形態では、ピストン２２の表面に水素酸化触媒８を設ける。水素は、インジェクタ２３で計量され、エンジンの混合機５に供給される。水素の燃焼反応に伴う収縮力による圧力の変化（負圧）は、ピストン２２の往復運動となり、それを回転運動に変換し動力として利用する。動作を図６を参照して説明する。
【００４４】
図６は、本発明による図５の実施形態における水素エンジンの動作説明図である。通常の熱膨張エンジンでは、吸気→圧縮→爆発→排気の４サイクルを、ピストンの２往復すなわち出力軸の２回転をかけて実行する。これに対して、本発明のこの実施形態では、水素エンジンは２サイクル動作が可能である。図６（ａ）の吸入行程では、吸入弁２４を開き、混合機５から加圧混合気体を燃焼室へ噴射し、ピストンは下降する。この吸入行程の初めに排気弁２５を開いておけば、燃焼室内の水、窒素ガスを排出することができる。水は排出しにくいので、排気弁２５を下向きにして重力も利用して排出し易いようにしてもよい。次に、ピストン２２が下限に移動したところで、吸入弁２４と排気弁２５を閉じ、水素酸化触媒８によって水素の燃焼反応を発生させる。これによって、燃焼室内のガスは収縮して熱湯と窒素ガスに変わり、ピストン２２はこの収縮力（負圧）により上方へ吸引される。この２サイクル動作の繰り返しにより、２サイクル水素エンジンとして運転できる。
【００４５】
ここで、第１の実施形態で述べたと同様に、水素酸化触媒８による水素の燃焼反応を適切なタイミングで発生させる方策を講じる必要性があることも考えられる。この場合にも、同様に、▲１▼ピストンの進退位置による燃焼室内の圧力が、適切な位置で燃焼反応を誘引するように設計することであり、あるいは、▲２▼触媒８をカバーで覆い、ピストンの適切な位置でこのカバーを開くことなどである。
【００４６】
この実施形態においては、２サイクルであることから、４サイクルエンジンに比べて、２倍の出力をだすことが可能であり、コンパクトな構造を実現できる。その余剰エネルギーは、発電機２６で電気エネルギーに変換でき、バッテリ２７の充電又は圧縮機２，４の駆動にも利用可能である。圧縮機２，４は、エンジン回転を利用したメカニカル駆動、電気を利用した電気駆動のいずれでもよいし、それらの併用でも良い。
【００４７】
一方、発生した熱エネルギーは、排出口２８を通した後、熱交換器１１から取り出され、熱電変換器２９で電気に変換され、燃焼室、排出ポートの温度制御に利用される。また、熱電変換器３０によっても、熱エネルギーを電気に変換し、燃焼室の温度制御に利用する。これらの残余の電気エネルギーをバッテリ２７に蓄える。
【００４８】
通常の膨張式ピストン型エンジンの場合には、潤滑を行うためにエンジンオイルを利用する。これをそのまま水素エンジンとした場合には、燃焼室で生じた水（熱湯）とエンジンオイルが混合することが懸念される。これに対して、本実施形態では、低温であるため、潤滑性がよく、エンジンオイルを不要とできる可能性がある。さらに、セラミックエンジンなど、無潤滑エンジン構成とすることで、オイル混入の問題はなくなる。
【００４９】
また、エンジンオイルと水（熱湯）の分離部を排出口２８の下流に設けてもよい。エンジンは、通常通り、ポンプ３１を通して水冷されている。３２はスロットルバルブである。
【００５０】
始動時など、エンジンや水素酸化触媒８が温まっていないときには、第１の実施形態と同様に、点火プラグ９を用いて、従来の熱膨張式エンジンとして運転開始し、温まった後に、本発明の収縮動作に切り換えることも可能である。この場合、ピストンの動きに対して、吸入弁２４や排気弁２５の動作が異なるが、電気又は油圧で制御可能な可変バルブにより、４サイクルから２サイクル運転に切換るように熱膨張式、収縮式運転モードの切り換えが可能である。
【００５１】
この実施形態は、まず、燃焼室から排気弁２５を通して水（熱湯）と窒素ガスの排出と、吸入弁２４を通して燃焼室への水素と空気の混合気体の吸入とを行う第１行程を備える。次に、燃焼室内で水素酸化触媒８を用いて水素を低温で燃焼反応させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって生じる圧力の変化（負圧）を利用してピストン２２に駆動力を付与する第２行程とを備えることにより２サイクル水素エンジンを構成している。
【００５２】
図７〜図９は、本発明によるロータリー型水素エンジンの第２の実施形態を示し、図７は図１に対応する全体の構成図であり、図８及び図９はエンジンの燃焼室の詳細説明図である。この実施形態は、本発明の基本的概念、すなわち「低温で水素を燃焼させることにより水素と酸素の反応物質である水を液相（熱湯）に相転移させ、この燃焼反応に伴う収縮力によって生じる圧力の変化（負圧）により動力を得る」に適した新しいエンジン室である。従来の自動車用エンジンと基本的に概念が異なる新しいエンジン室の具体的な構造と動作方法をもつものである。
【００５３】
図７において、図１と同一符号は同一物を表わしており、重複説明は避ける。図７において水素貯蔵タンク３からの水素取り出し弁３４５は、タンクからの取り出し水素の圧力を所望の気圧に調節するものである。気体混合機３４６は、図１の混合機５に相当するが、このエンジンはエンジン内での圧縮作用がないので先に記述した従来のロータリー型エンジンに近い実施形態よりも圧力が高い混合気体をエンジン室内に吸入させる必要がある。このため、３つの弁、すなわち水素取り入れ弁３４７、圧縮空気取り入れ弁３４８、混合気体の取り出し弁３４９を用いてエンジンの未使用時などにはこれらの弁は閉じておく。
【００５４】
なお、図示しないが、気体混合機３４６の中で取り出し弁３４９に近い部分が、本体から相当の部分仕切られており、この部分の周囲には加熱装置が設けられている。このため、弁３４９に近い部分の混合気体を、容易に短い時間で加熱膨張できる構造としている。
【００５５】
また、圧縮機２は、先の実施形態と同様のものが用いられる。
【００５６】
このエンジンは、円筒形のエンジン室（ステータ）３３を持ち、その中でロータ７１が回転する。ロータ７１には、エンジン室を複数の燃焼室に仕切るとともに発生した熱湯を排出する工夫を施された仕切板３４が放射状に取り付けられ、その外周部はエンジン室（ステータ）３３の内周部に沿うように回転する。仕切られた各燃焼室には、水素酸化触媒を被膜された触媒網８１が、仕切板３４と同様にロータ７１から放射状に伸び、やはり、その外周部はエンジン室３３の内周部に沿うように回転する。この触媒網８１には、網の内部に触媒網８１を容易に加熱できるようなヒータが埋め込まれている。燃焼室には、吸入口６１から圧縮混合気体が吸入され、水素酸化触媒により、必要に応じ点火プラグ９１の助けを借りて燃焼反応を起こす。この燃焼反応に伴い、固定容積の燃焼室内において燃焼反応に伴う収縮力（負圧）によって生じる動的気流によってロータ７１は回転し、発生した熱湯と窒素ガスは、排出口１０１，１０２から排出される。
【００５７】
図８は、本実施形態によるエンジンの燃焼室の構造図である。図８（ａ）はエンジンの回転軸方向から見た断面図である。同図（ｂ）はエンジン室のＢ−Ｂ断面図で、主に本実施形態の特徴である低温で水素を燃焼させるための触媒網８１の構造を示す。同図（ｃ）はエンジン室のＣ−Ｃ断面図で、主に仕切板３４の、生成された液相の水（熱湯）を排出する部分の構造を具体的に示している。
【００５８】
図８（ａ）に示すように、燃焼室は本実施形態では４室からなるが、これは本実施形態を説明する一例であり、燃焼室は１室から複数個あっても良い。同図（ｂ）に示すように、水素酸化触媒を被膜された触媒網８１はメッシュ（網目）状の平面構造をしている。触媒網８１の内周部分はロータ７１と溶接などにより接続されている。また、触媒網８１の最外周部は、エンジン室３３（ステータ）の内周より僅かに小さく非常に僅かな空隙を残してエンジン室３３の内周に密着している。すなわち、ロータ７１、触媒網８１と、次に説明する仕切板３４は、エンジン室３３の内部で滑らかに回転運動する構造になっている。同図（ｃ）において、仕切板３４は、基本的にはエンジン室３３を複数の燃焼室に仕切る役割とともに、吸入口６１から吸入した圧縮混合気体（すなわち加圧水素と加圧空気）が触媒網８１によって燃焼反応し、生成物となった水（熱湯）を集めてエンジン室３３の外部に排出する役割を持つ。すなわち、仕切板３４には、放射方向に多数列掘り込まれた第１の溝３４１と、外周部に掘り込まれた第２の溝３４２が設けてある。水素酸化触媒網８１に反応して生成した水（熱湯）が、ロータ７１の回転によって生じた遠心力で飛散した後で圧力差で仕切板３４の第１の溝３４１群に当って第２の溝３４２に集められる。そして、第２の溝３４２から、エンジン室３３の排出口１０１，１０２に繋がる出口３４３を通じて排出される。このようにして、熱湯は排出口１０１，１０２を通じて、窒素ガス（水素燃焼の後で残された主な気体）と一緒にエンジン室３３の外部へ排出される。
【００５９】
例えば、エンジン回転数１０００ｒｐｍ、仕切板３４の半径を５０ｍｍとすると、遠心加速度は、半径×（角速度）２となる。
【００６０】
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これは重力加速度に比べて十分大きいため、燃焼反応で生ずる収縮力及びロータの回転に伴う遠心力のベクトル差の方向へ発生した水の飛翔方向が主に支配される。このため、仕切板３４に関しては重力の影響をあまり考慮する必要がない。
【００６１】
第２の溝３４２で集められた水は出口３４３及び排出口１０１を通して排出されるが、このときは重力で水が排出しやすくなるように排出口の位置は重力の下方向に配置すると水の排出がスムーズになる。例えば、図８（ｃ）では下が地面の方向になる。横置きした場合には排出口を下に向けるように配慮する必要がある。
【００６２】
図９は、本実施形態によるエンジンの動作を説明する際の理解を容易にするための燃焼室の展開図である。図９（ａ）はエンジン室（ステータ）の吸入口６１と排出口１０１の配置を示す。同図（ｂ）及び（ｃ）は、吸入口６１や排出口１０１に繋がる燃焼室の外周部分の入口３４４と出口３４３の配置を、（ｂ）時刻ｔ＝ｔ１の状態と、少し時間経過後の（ｃ）時刻ｔ＝ｔ２の状態で示している。
【００６３】
以下に本実施形態の動作を説明する。燃焼室には吸入口６１から圧縮混合気体が吸入され、水素酸化触媒により、必要に応じて点火プラグ９１の助けを借りて燃焼反応を起こす。この燃焼に伴い、固定容積の燃焼室内に燃焼反応によって生じる収縮力によって動的な圧力差が生じる。すなわち、水素の燃焼反応によって触媒網８１から吸入口６１に近い燃焼室の部分には混合気体の気流が発生する。また、触媒網８１から仕切板３４の間の燃焼室の部分においても、混合気体（加圧水素と加圧空気）の中で水素の燃焼反応でも変化しない窒素ガスが水素の燃焼に伴なって気流となり、動的圧力が発生する。この結果、網目状の触媒網８１の網の部分を押す力が発生して、ロータ７１に回転力が発生する。更に、この気流によって、上記したように燃焼室において、触媒網８１と仕切板３４との間においても仕切板３４を押す力が生じる。また、燃焼反応して仕切板３４に当たる水（熱湯）によっても仕切板３４を押す力が生じる。これら全てがロータ７１の回転力（動力）に変換される。ロータ７１の回転によって吸入口６１へ繋がる燃焼室の入口３４４が閉じられた後は、触媒網８１での未反応部分の混合気体の圧力は次第に下がり気流の速度は次第に減少し動的圧力も減少してくる。触媒網８１と仕切板３４の間の部分においても、反応以後の窒素ガスの気流の速度は減少してくるが、ロータ７１の回転によって（慣性による回転も含む）次の吸入口まで来ると、再び圧縮混合気体が吸入され、上記と同じ動作を繰り返す。
【００６４】
このように、このエンジンの回転においては、燃焼室内で動的に変化する気流を利用するので、その変化に伴う回転力も時間的に変動する。回転力の時間的な変化を小さくするには、図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、燃焼室を回転軸の奥行き方向に複数（同図では３列）に区分けをしておく。そして、夫々の燃焼室内の圧力差（動的圧力差）が時間的に互いに異なるように、夫々の吸入口６１の弁を時間差をおいて開閉するなどの調節をすれば、回転力をより円滑でかつ効果的に得ることができる。
【００６５】
低温燃焼による反応生成物として水（熱湯）は、エンジンのロータ７１と一緒に回転しているために遠心力によって、触媒網８１から振り切られる。エンジンの回転方向に向かって触媒網８１の手前で仕切板３４との間の部分は水素と酸素が反応して主に窒素ガスだけであるために負圧となっているために、水（熱湯）は仕切板３４の方向に飛散する。水（熱湯）が飛散する実際の方向は触媒網８１の正圧部分と負圧部分の圧力差で生じた気流による動的圧力と遠心力とのベクトル差の方向である。
【００６６】
適当な設計条件を満たすと、水（熱湯）を殆んど全て仕切板３４に届く程度に飛散させることができる。仕切板３４は、飛散してきた水（熱湯）を第１の溝３４１に流入させてそれらを第２の溝３４２に集めた後で、第２の溝３４２の出口３４３から、エンジン室３３の排出口１０１を通じて窒素ガスと一緒に排出する。
【００６７】
本実施形態によるエンジン室の特徴は以下の通りである。
【００６８】
１）図１、図５に示したほぼ従来のロータリー型エンジンやピストンを用いたエンジンと全く異なり、燃焼室の容積を変化させる構造ではないために、ロータリー型エンジンにおける三辺に丸みをもつ略三角形状の断面をもつ複雑な構造のロータや、レシプロ型エンジンにおけるピストンの往復運動を回転運動に変換するための複雑な機械機構を必要としない。
【００６９】
２）低温で水素を燃焼させる触媒網の構造が容易に実現できる。
【００７０】
３）反応生成物である水（熱湯）を排出する構造が容易に実現できる。
【００７１】
４）触媒網８１の表面から、常に反応生成物の水（熱湯）が取り払われているので、燃料としての水素と空気中の酸素を触媒網の表面上に接触させる構造が容易に実現できる。
【００７２】
５）ロータリー型エンジンと同じく発生動力が回転力であるため、機構的に単純で騒音を発生することがなく、エネルギー変換効率も高く、エンジン室の重量当たりの出力も大きくできる。
【００７３】
なお、図７〜図９は本発明の基本的概念を説明するための図であり、次のような構造を採用することもできる。
【００７４】
１）エンジン室は図７、図８を横倒した構造であっても良い。
【００７５】
２）仕切板３４からの排出口３４３とステータ３３の排出口１０１，１０２の大きさは必ずしも一致している必要はなく、水（熱湯）や窒素ガスがエンジン室３３の外へ排出できるように十分な大きさの余裕が夫々にあっても良い。
【００７６】
３）仕切板３４の水（熱湯）を集める構造は図８（ｃ）に限定されない。
【００７７】
４）触媒網８１を複数枚重ねて設けても良く、また、網の両面に触媒が被膜されていても良い。
【００７８】
５）燃焼条件を満たせば、点火プラグ９１による燃焼の誘引は、必ずしも絶対具備要件ではない。
【００７９】
６）通常動作時には、空気の補給は燃料の水素を消費するのに見合う程度で良く、圧縮機２、混合機３４６はそれほど大きな体積を必要としない。
【００８０】
ここで、このエンジンを始動させる状態について述べる。このエンジンは、始動時においても、燃焼室がある程度の加熱と加圧された混合気体を充填しておくことが必要である。さらに、始動の前後から混合気体を吸入口６１から流入させておき、始動直前には混合気体を、又始動直後には窒素ガスを、仕切板の排出口３４３を経由してエンジン室（ステータ）３３の排出口１０１から排出させ、全体として気流が流れる構造と条件が必要である。このため、始動直前に吸入口６１を開き、予め混合機５全体もしくはその吸入口６１に近い部分を加熱して所望の程度まで加熱・加圧された混合気体をエンジン室３３内の燃焼室へ流入させる。また、触媒網８１も必要に応じてその網目部分に埋め込まれたヒータなどで予熱をしておく。そしてエンジンの始動時には点火プラグ９１を用いて燃焼室の混合気体に点火をして混合気体を部分的に膨張させて（増圧して）触媒網８１での低温燃焼を誘引させる。同時に、排出口１０１を開いて、最初は始動前にあった触媒網８１と仕切板３４の間に存在した混合気体を、また、始動と共に、低温燃焼で酸素と水素が反応して生成した熱湯と、水素とは未反応の窒素ガスを排出する。
【００８１】
なお、点火プラグを利用し、混合気体を膨張させてそれに伴う気流によって生ずる動圧でロータ７１の回転をさせた後、回転が定常になり触媒網の温度が反応可能温度に達した時点で水素低温反応に移行することもできる。
【００８２】
図７〜図９の実施形態においては次の事項に考慮を払うべきである。
【００８３】
１）触媒網８１は、触媒網８１を境界とした圧力差に十分に耐えること。また、仕切板３４も圧力差に十分に耐える厚さや材料を考えた構造とする。
【００８４】
２）吸入口６１から流入した燃料の水素が全て一度に触媒網８１で空気中の酸素と反応して燃焼できない場合がある。そこで、仕切板３４の排出口３４３を経由してステータ３３の排出口１０１，１０２を通じて外部に排出した一部の水素を、水素回収装置などを別個に設けて、水素を無駄なく利用することも可能である。
【００８５】
３）燃焼室における吸入口６１に繋がる入口３４４や排出口１０１に繋がる出口部分が夫々が繋がらない回転位置、すなわちエンジン室（ステータ）３３の内周部分で塞がれた時に、混合気体が洩れないように工夫する。すなわち、燃焼室の両側面３５０、３５１はエンジン室（ステータ）３３の対向部分との間で噛みあわせる構造などにしてエンジン室からの漏洩を最小限とすべきである。特に、エンジンの始動時などのように、未だロータ７１が回転していない間は、このシール部分全面を耐熱性部材でパッキングしておき、エンジンが回転し始めてからこのパッキング部材を機構的に外す（緩める）ことが望ましい。
【００８６】
４）上記したシール部分には、混合気体からの水素の漏洩の防止と回転を滑らかにするために油などを充填しておく。
【００８７】
図１０は、本発明の各実施形態に用いる水素酸化触媒８を示す断面図である。同図（ａ）に示すように、触媒８上に吸着された水素や酸素は、触媒８により活性化され、反応しやすい状態となる。水素と酸素の反応はナノ秒以下で起るため、エンジンの１回転の時間である数１０ミリ秒に比べて十分に短く、燃焼反応を行うことができる。触媒としては、元素周期表の１Ｂ（Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ）、３Ｂ（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ）、６Ａ（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）、７Ａ（Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅ）などの元素を単体もしくは組合わせて用いる。同図（ｂ）は、触媒８の表面に凹凸を設けて表面積を大きくし、燃焼反応を促進させる構造としたものである。
【００８８】
以上に述べてきた本発明の実施対象は、低公害自動車（クリーンカー）を例として説明したが、本発明は必ずしも自動車用に限定されるものではなく、水素を低温燃焼させて温度と圧力の関係において反応後の水が液相である状態として燃焼反応によって生じる収縮力を直接動力とする応用であれば、如何なるものであっても良い。さらに自動車用などあらゆる用途において、従来型のエンジン即ち、ガソリンなどを用いたあらゆる型のエンジン或いは膨張型の水素エンジンとの併用にも本発明は適用できる。
【００８９】
また、図１、図３に示した本発明の実施形態においては水素酸化触媒８をロータ７に直接被覆する構造を説明した。しかし、ロータ７の表面の一部（特にロータ７が回転する方向）に落し込み部分を設けて、その上面に少し離して網目状の触媒網（８１と類似の）を取り付けても良い。この場合には、ロータ７の表面は、図７〜図９の実施形態における仕切板３４の役割を果たす。このとき、燃焼反応後の窒素ガスを、回転方向のエンジン室（ステータ）３３の排出口１０からタイミングよく排出するように、エンジン室３３の排出口１０を配置することが望ましい。これにより、図７〜図９の実施形態に比べ、吸入する混合気体の圧力を大幅に下げることができ、圧縮機２や混合機５の構造が簡単となる。また、エンジン室と燃焼室の間のシールをより高めることができる。
【００９０】
以上の実施形態、特に図１、３、５，６で説明した実施形態において、エンジン室内に適切な構造を施せば、混合機５における混合気体の圧力は５気圧程度まで下げることが可能である。
【００９１】
また、図１や図７においては、空気取り入れ口から取り入れた空気を圧縮機で圧縮し、また図５では水素貯蔵タンクからの水素も圧縮機で圧縮しているが、これらの圧縮機は必ずしも必要ではない。
【００９２】
さらに、小さな酸素ボンベを用意して、酸素濃度がより高い空気として燃焼室に供給すれば、始動時などでの水素の燃焼反応を円滑に行うことも可能である。
【００９３】
以上の実施形態によれば、サーマルＮｏｘなどの有害な排気ガスが極めて少なく、また、経済性と信頼性に優れ且つ効率が高く、単位重量あたりの出力が大きな水素エンジンを提供することができる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、サーマルＮｏｘなどの有害な排気ガスが少ない水素エンジンを提供することができる。
【００９５】
また、効率が高く、単位重量あたりの出力を大きく、円滑な高速回転の為に騒音が少ないロータリー型水素エンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるロータリー型水素エンジンの構成図。
【図２】本発明の原理を説明する飽和圧力対温度のグラフ。
【図３】本発明の一実施形態におけるロータリー型エンジンの燃焼室内動作を説明する概略図。
【図４】本発明の一実施形態において、排出口の下流に設けた熱交換器の具体構成例。
【図５】本発明の他の実施形態による往復ピストン型水素エンジンの構成図。
【図６】図５の実施形態における水素エンジンの動作説明図。
【図７】本発明によるロータリー型水素エンジンの第２の実施形態を示す全体構成図。
【図８】本発明によるロータリー型水素エンジンの第２の実施形態を示すエンジン室の詳細説明図。
【図９】本発明によるロータリー型水素エンジンの第２の実施形態を示すエンジン室の構造と動作原理を説明する展開図。
【図１０】本発明の実施形態に用いる水素酸化触媒を示す断面図。
【符号の説明】
１…空気取り入れ口、２，４…圧縮機、３…水素貯蔵タンク、５…混合機、６，６１…吸入口、７，７１…ロータ、８…水素酸化触媒、８１…触媒網、９，９１…点火プラグ、１０，１０１，１０２…排出口、１１…熱交換器、１２…気液分離装置、１３…熱交換器、１４…相転移境界線、１５…火花点火式（膨張式）エンジン、１６…圧縮混合気体、１７…水（熱湯）＋窒素ガス、２２…ピストン、２３…インジェクタ、２４…吸入弁、２５…排気弁、２６…発電機、２７…バッテリ、２９，３０…熱電変換器、３３…エンジン室（ステータ）、３４…仕切板（羽根）、３４１…溝１、３４２…溝２、３４３…排出口に繋がる出口、３４４…吸入口に繋がる入口、３４５…水素取り出し弁、３４６…混合機、３４７…水素取り入れ弁、３４８…圧縮空気取り入れ弁、３４９…混合気体空気取り出し弁、３５０、３５１…燃焼室の外枠、８１１…触媒網の外枠。
【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】
2005042563.tif 000010
【図８】
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【図９】
2005042563.tif 000012
【図１０】
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