(57)【要約】産業用発動機の軽量化。公害物資の無害化。熱効率の向上と運転コストの軽減。構成  圧縮された気体を作るため、ターボチャージャー、スーパーターボチャージャーで加圧し空気タンクに貯蔵し最適の温度と一定の圧力で、圧力に準じ短縮されたシリンダーライナーに気体を供給する。気体を入排出するバルブをコンピューターで最適のバルブタイミングダイヤグラムで油圧駆動により個別開閉を作動させる。高酸素、高温化で希薄燃焼状態で発動機をコントロールし、排気マニュフォールドに炭化水素を注入に過酸化物質を還元し公害物質の無害化をする。効果  運行経費の軽減。車載用エンジンの場合車体重量軽減による積載量の増加。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海面上の気圧の２倍から４倍以上の圧縮され加熱された空気又は燃料混合気体をライナーに吸入させ、ピストンとライナーの全長を短縮させる構造。
【請求項２】
クランクシャフトの回転半径を短縮し、クランクシャフトの重量を、軽減する構造。
【請求項３】
ライナーの短縮とクランクシャフトの回転半径の短縮分を、シリンダーブロックの短縮に利用し、発動機の自重を軽量化する構造。
【請求項４】
クランクシャフトの回転半径の短縮分、オイルパンの容量が減少し、潤滑オイルの減少により、発動機自重の重量軽減と、メンテナンス費用の減少を図る構造。
【請求項５】
圧縮され加熱された空気又は燃料混合気体を一時貯蔵する空気タンクを装着する構造とシリンダーライナーへ吸入させる構造。
【請求項６】
２倍から４倍以上に圧縮される空気、又は燃料混合気体を圧縮のための圧縮機の形状と燃料室へ一定の温度で圧縮空気、混合気体を管理し一時貯蔵するタンクへ供給する弁と温度調整装置の構造。
【請求項７】
高温、過酸素ガスの排気ガスに、天然ガスまたは石油ガスなどの炭化水素ガスを別注入用パイプを利用し均等に混合し、公害物質である過酸化窒素ガス、硫化炭素粒子などと、天然ガス、石油ガスなどに含まれる炭素分子、水素分子と反応させ還元、分解し窒素ガス、水蒸気、亜硫酸ガスに浄化を図ると同時に、排気ガスの高圧化を図り請求の範囲６の圧縮機を作動させる構造。
【請求項８】
吸気、排気のバブルの運動を油圧ポンプの駆動で制御し発動時の運転状態に車載のマイコンで最良のバブル操作を行いカムシャフトによるバルブ操作は廃止する。シリンダーヘットの簡素化を狙うと同時にバブル操作の自由度の向上を可能にする技術。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】      本発明は、自動車ならびに発動機を利用する土木機械、船舶、発電機などの、大幅な軽量化と発動機の排気ガスの浄化を同時に実現する発動機にかんするものである。
【背景技術】      低容量のインタークーラーを利用したターボチャージャーによる与圧式発動機は、１９４０年ごろから一部戦闘機用航空機に利用され、その後Ｆ１などの自動車レースに応用されてきた。しかしターボチャージャーを発動機の軽量化の目的に利用した技術は今までなく、従来の技術の利用分野は、自動車等、発動機を利用した機械、構造物の出力アップ排気ガスの浄化に主眼がおかれてきた。
しかし、従来の技術では、排気ガスの利用はターボチャージャーの作動、排気ガスの再循環によるライナー内の燃焼温度の低温化制御など、一部分にとどまっており、本申請の技術とは逆に、有効利用しようとする視点は少なかった。
従来の技術では、排気ガスを三元触媒などの化学反応が最適になる温度まで燃焼温度を下げ、触媒での浄化が最大限発揮出来る環境での発動機運用に出力と燃料、空気の供給を合致するよう設計されていたため、発動機に用いる燃料を理論上最適になる混合比になる設定ができなかった。
さらに発動機を利用する自動車などの環境基準、燃費基準が世界的に厳正化される中、有効な発動機の軽量化、排気ガスの浄化の技術がまだ未完成であった。
本発明が解決しようとする課題
環境技術との調和
本発明は、高温、高圧の排気ガスを有効利用する事により発動機の軽量化、ことにより排気ガスの浄化を図り、環境対策、燃費の軽減を図り、自動車等炭化水素系とアルコール類の燃料を利用する発動機の環境保全技術を実現する物である。
技術上の特色（課題を解決する手段）
発動機を運転するためには、空気を圧縮し、ガソリンエンジンは燃料を注入ご電気プラグで点火する。ディーゼルエンジンでは発火温度に上昇するまで吸気した空気を圧縮し燃料を注入、発火、爆発させ、その力を動力として利用してきた。又燃料を事前に混合した気体を利用する副室式ディーゼル発動機でも同じように発火爆発させその力を利用している。その場合ほぼ１気圧の空気又は燃料混合気体を利用している。その場合のライナーの全長は、最終圧縮比と下死点からピストンの長さが必要となる。事前に空気又は燃料混合気体を与圧すれば、事前に圧縮した分ライナー内で圧縮する必要が無く、ライナーならびにシリンダーブロックの全高を短縮軽量化出来る。
事前与圧が二倍の場合はライナーの気体圧縮部分の長さが二分の一に、四倍なら四分の一に短縮できる。それにより、ライナーの短縮により、シリンダーブロックの体積が縮小しエンジン重量の大幅な軽減が実現する。
ライナーの全長が短くなればそれに対比するピストンの運動幅も短くなり、クランクシャフトと連結しているコンロットも短縮軽量化出来る。
コンロットの全長が短くなれば連結しているクランクシャフトの回転半径を少なく出来、ピストン、コンロットの運動慣性力による剛性力の強化による重量の増加を防ぎ、オイルパンの大きさ、シリンダーブロックの全高を短縮し、重量の軽減が実現出来る。
全体の発動機内の運動部分が少なくなる分オイル消費が減少し、発動機内のオイル貯蔵量の減少が図れ、重量の軽減、メンテナンス費用の削減が実現される。
与圧された空気、燃料混合気体を安定てきにライナーへ供給し、安定的に空気を吸入させるためには、与圧された空気を一時的に貯蔵するタンクが必要である。そのタンクの内容量は、ライナーへ吸入完了時に設定された気圧を連続安定的に維持できる内容量でよく、大気圧の２倍ないし４倍程度の負荷にたえ、温度変化にたえ、振動に強い材料を用いる。又エンジンへの空気、燃料混合気体の吸入が安定するような形状に加工が容易な軽量な金属、又はプラスチックを用いる。
シリンダーヘットの吸入バルブ、エキゾーストバルブの駆動をソレノイド方式の油圧ポンプとリターンスプリングで作動させる。このバルブ操作はマイコン制御とし低回転域から高回転域までの複雑なアジャスター、リミッター等を介したカムシャフトの機構が不用になり、軽量化、熱効率の向上に寄与する。
エキゾーストパイプから排出された排気ガスはターボチャージャーを駆動した後マフラーから排出されるので、ライナー内の気圧は、ほぼ瞬時に１気圧まで低下する。そのため現在の発動機が採用している空気などの吸入効率向上のためのバルブ操作（排気バルブと吸入バルブのオーバーラップ）が簡素化され、発動機の燃焼室の空気の吹き抜けが防止されると同時に熱効率の向上が図れる。
排気ガスに少量の炭化水素を注入する事により過酸化物質の還元を行うと同時に排気ガスの増圧も図りターボチャージャーの作動量を増加させ、所定の空気圧を確保する。
【発明の開示】
本発明は発動機が吸入した空気、又は燃料混合空気が既に２倍から４倍以上加圧されているためピストンの運動距離を短く出来、圧縮工程で負担する運動量を低減する事により発動機の熱効率を向上させる。
気体又は燃料混合気体を温度、圧力を一定の条件のもとで空気タンクに貯蔵しコントロールする事により発動機のライナーへの吸入量を一定にする事が出来る。又２倍から４倍以上に加圧された気体又は燃料混合気体のためライナーへの吸入時間が短縮され高速回転が可能となる。
発動機の燃焼室で燃焼を終えた気体は吸入された気体より高圧、高温でライナー内より排出される。この気体を排気ガスと以後呼称する。燃焼時に理論空熱比より希薄な燃料で燃焼させられる。それは液体燃料の気化に要するライナー内の温度の低下をも見こんで吸入時の温度設定を行えば良いからである。排気ガスは２段３段の複数のターボチャージャーを回転させマフラーから大気に放出されるのでライナー内の気圧は速やかにおおむね１気圧に減圧される。そのためバルブダイアグラムを設定する時吸入気体の吹き抜けを心配せず熱効率が一番良いタイミングでバルブの開閉を行なえるようになる。
ターボチャージャーで加圧された気体は圧力センサーで常に計測し圧力が低い時はバッテリーの電気を利用したスーパーチャージャーで加圧することにより空気タンク内の圧力を調整する。気体の温度の調整は温度安定化装置で制御する。圧力が高すぎる時はリリースバルブより排気系統に放出する。その操作により発動機設計時の計画温度、圧力の気体又は燃料混合気体を常にライナーに供給する。
吸入バルブ、排気バルブ共油圧を利用したバルブ一つずつのダイレクト制御を行う事により従来から行なわれてきた複雑なカムシャフトによるバルブ制御を廃止する。熱変化によるバルブタイミングの微妙な変化が防止され低回転時から高回転時にいたるバルブタイミングダイアグラフを最善の操作に設定が可能となる。
希燃焼高温高圧運転を行う事により排気ガスの酸化物濃度が高まるがエキゾーストパイプのなかに適量の炭化水素（たとえばＬＰガス）を注入する事により排気ガスを活性化させＮＯｘ、硫黄化合物、過酸化炭素の還元を行う。又、高濃度の酸素ガスが存在する環境下のもとで燃焼が行われるため一酸化炭素ガスの発生は殆ど微量になるが、エキゾーストパイプ内のわずかな二次燃焼を行う事により一酸化炭素ガスも酸化が進み安全な二酸化炭素ガスに酸化される。
【図面の簡単な説明】      図１は発動機の概念を示している。燃焼用気体の空気タンクは温度安定化ユニットで加熱、冷却され、燃焼室へ一定の圧力、温度をもった気体が流入するようコントロールされ、圧縮倍率が高いほど発動機の設計上の最終圧縮比に到達する為のピストンの圧縮運動行程が短い事示している。その結果コンロットも短くなり、クランクシャフトの回転半径も大幅に短くなる。又よけいな安定化装置を必要としない。
図２は高温高圧の排気ガスの作用により一定圧力の気体を連続的に育成し空気タンクに貯める際の基本的な概念図である。
図３はターボチャージャーの基本的形状を示している。この様なターボチャージャーを２段以上連ねて所定の与圧された空気又は燃料混合気体を作る。
図４は従来のコンロットよりより精密に操作するためマイコンに制御された油圧操作により吸気、排気バルブコントロウルする概念図である。
図５は与圧された空気、燃料混合気体を貯蔵する空気タンクの概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】      図１は発動機の概念図を示している。事前与圧が高ければ圧縮行程が短くなりコンロット（２１）の全長、クランクシャフト（２２）の回転半径も小さくなり発動機の全高も短縮され大幅な重量軽減が図れる。又空気タンク（１）の温度、圧力を各所に配置されたセンサーの値を読み取りマイコンで管理することにより燃焼前のシリンダー内の温度を一定に出来るので安定した燃焼、爆発が管理出来る。したがって燃焼後の排気ガスの公害対策（過酸化窒素ガス、一酸化炭素ガス、硫化ガス、未燃焼燃料とう）の対策も容易になる。吸気バルブ、排気バルブを個別にマイコンによる油圧又は電磁などの動力による個別管理を行うことにより従来以上のバブル操作の最適化が出来燃焼、爆発を理論値に沿った管理が出来る。
図２はターボチャージャー（２３）とスーパーチャージャー（２８）により各所に配置されたセンサーの値を読み安定的に事前に設定された圧力、温度の空気又は燃料混合気体を空気タンクに貯蔵するシステムの概念図である。又排気管内に石油ガス等の炭化水素ガスを注入（２４、２５）することにより公害対策（過酸化窒素ガス、硫化ガス、炭素の塊、一酸化炭素ガス等）の浄化を図るとともにターボチャージャー（２３）の効率を高める。
図３はターボチャージャーの概念図である。
図４はバルブをオイルで駆動している際の概念図である。この様にバルブを油圧又は電磁等の動力で個別管理すれば精密なカムシャフト、低速、高速回転に対応する為の複雑なバルブリフター等が不要になり重量、コストともに大幅な軽減が図れる。
図５は空気タンクの概念図である。高圧になり過ぎた場合のため圧力逃がし弁（３４）を設ける。
符号の簡単な説明
１．      空気タンク
２．      加熱器
３．      温度測定ユニット
４．      温度コントローラ
５．      冷却器
６．      熱交換
７．      油
８．      温度安定化ユニット
９．      バルブ駆動用油圧ポンプ
１０．    リターンスプリング
１１．    油圧パイプ
１２．    駆動用作動油リターンパイプ
１３．    スパークプラグ
１４．    燃料油注入パイプ
１５．    エキゾーストマニホールド
１６．    エキゾーストバルブ
１７．    燃料霧化装置
１８．    インテークバルブ
１９．    ピストン
２０．    ライナー
２１．    コンロット
２２．    クランクシャフト
２３．    増圧用空気タービン
２４．    排気ガス浄化用ガス注入パイプ
２５．    排気ガス浄化用ガス霧化装置
２６．    温度圧力センサー
２７．    酸素、酸化窒素濃度センサー
２８．    スーパーチャージャー
２９．    マフラー
３０．    テールパイプ
３１．    タービン
３２．    バルブ駆動用油圧ピストン
３３．    空気タンク圧力逃がし弁
３４．    空気タンク空気出入り口
３５．    バルブ駆動油圧作動弁
３６．    バルブ駆動油圧作動弁コントロール用マイコン接続線
【産業上の利用の可能性】
常に一定の温度、気圧の空気、燃料混合気体をライナーに吸入させるので燃焼室の設計の自由度が向上する。又燃料吹き込み方式の発動機の場合燃料に奪われる気化熱のため低下する燃焼室内の温度調整を事前に加温しておけば発動機の運転が安定する。
シリンダーライナーが短縮された分ピストン、クランクシャフトの１燃焼サイクルにおける運動量が減少するため、ピストン、ライナー間の移動スピードが減少し、発動機の運転回転数を現在より数倍以上に引き上げられる。その結果アクセル操作に対する発動機のレスポンスと出力の変化が多くなり、運転操作の微妙なコントロール可能となり運転者の操作感が向上する。
ライナー内の燃焼高圧ガスを高圧のままエキゾーストパイプに排出するのは、発動機の燃焼室内で発生した高温、高圧のガスの仕事量が２乗に比例して減圧過程で運動量が減少するため、まだ余力のあるうち二次工程の空気圧縮のためのターボチャージャーの駆動用ガスとして利用した方が、発動機のシステム全体の力学的熱効率は向上する。
ターボチャージャーは２段以上の圧縮過程で空気を圧縮させる。その仕事をさせるためには設計図４のような形状にエキゾーストパイプを加工しターボチャージャーを取りつける。又マフラーは、大気圧に対し不圧がかかる様に大口径のテールパイプを取りつける。
初期圧縮用として、又空気タンクの圧力が初期の設定圧力が確保出来なかった場合に備え、電気駆動式スーパーチャージャーを１台圧縮工程に組み入れる。これにより常に所定の空気圧が確保出来る様容量を設定する。
空気タンク内に所定の温度を確保するため、インタークーラーならびに電気式加熱機を圧縮工程に組み入れる。特に加熱機は、発動機の始動時の運用に大きな影響があるので、容量ならびに連続運用時間が寒冷地でも通用出来るような性能特性のあるように設計、取り付けする。
温度センサー、圧力センサーは空気タンク、温度安定化装置、燃焼室、エキゾーストパイプ、などに取りつけ、マイコンで管理し、発動機制御用のマイコンと一体運用する。発動機制御用のマイコンに組み入れられているアクセル進度角センサーとの情報交換で燃料気化熱による吸入バルブ通過後のライナー内の温度変化に対応できる様インタークーラー、加熱機の細かな運用が出来るセンサーの配置と性能が必要である。
ターボチャージャーの仕事量の確保対策として石油系の炭化水素のガス又は液体をエキゾーストパイプとターボチャージャーの間で注入する。それに加え排気ガスの浄化策として発動機を理論空熱比以下の希釈燃料下で理論値どおりの高温状況で発動機を運転し（燃焼室で燃焼、爆発など運用を行う）排気ガス内の窒素ガス等本来不活性である気体が酸化されるが炭化水素ガスを注入すれば炭素、水素など等により過酸化された排気ガスは還元される。又、今問題になっているディーゼルエンジン等で発生する硫化炭素を主成分とした粒状物資も還元され排出が押えられる。酸化窒素（ＮＯｘ）はもともと液体燃料エンジンロケットの酸化材として用いられる活発な物資なので、高温化で炭化水素ガスを排気マニュフォールドに注入すれば直ぐに反応し無害化出来る。
【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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【国際調査報告】
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