JP2007071193A - Six cycle compound engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギー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。 The present invention relates to a composite engine that improves thermal efficiency by effectively using energy loss.
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もそれぞれ概ね30%前後あり、利用されずに棄てられるエネルギーが多い。 The thermal efficiency of conventional engines is approximately 40% for diesel engines and approximately 30% for gasoline engines. Cooling loss and exhaust loss are also approximately 30% each, and much energy is discarded without being used.
従来の容積型エンジンは筒外を水冷または空冷にする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。 The conventional positive displacement engine is water-cooled or air-cooled outside the cylinder, thereby suppressing the temperature rise of the engine body and enabling a constant continuous operation.
吸入、圧縮、爆発、排気の4行程に空気吸入,掃気の2行程を追加した6サイクルエンジン(例えば、特許文献1参照。)と、前記4行程に空気吸入、加圧行程の2行程を追加した6サイクルエンジン(例えば、特許文献2参照。)が特許公開されている。 A 6-stroke engine (see, for example, Patent Document 1) that adds two strokes of air suction and scavenging to the four strokes of suction, compression, explosion, and exhaust, and two strokes of air suction and pressurization strokes are added to the four strokes. The 6-cycle engine (see, for example, Patent Document 2) has been patented.
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。)
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ーがあり、これらのエネルギー損失を回収し動力として利用すれば熱効率が向上する。ただし、過給のためのターボは排気エネルギーを有効利用するものではあるが、熱効率の向上よりむしろ出力の向上を図るためのものである。 As described above, there is energy that has been discarded as cooling loss and exhaust loss in the conventional engine, and thermal efficiency improves if these energy losses are recovered and used as power. However, a turbocharger turbocharges effectively uses exhaust energy, but is intended to improve output rather than increase thermal efficiency.
従来の容積型エンジンのほとんどは水冷または空冷のための強制冷却用装置を有し強制冷却用の動力を必要としていた。 Most of the conventional positive displacement engines have a forced cooling device for water cooling or air cooling and require power for forced cooling.
従来の6サイクルエンジンの発明は、残留ガスを掃気し燃費の改善を図るためのもの(特許文献1)と、過給機を用いず燃料消費率の改善、エンジン出力の向上を図るためのもの(特許文献2)とされているが、いずれにしろ2サイクル余計に仕事をしなければならず熱効率の向上には繋がらない。 The invention of the conventional 6-cycle engine is for scavenging residual gas and improving fuel consumption (Patent Document 1), and for improving fuel consumption rate and engine output without using a supercharger (Patent Document 2) In any case, the work must be done for two more cycles anyway, which does not lead to an improvement in thermal efficiency.
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。 The composite engine developed in the past has good fuel efficiency, but it is said that it has not been put into practical use due to its complicated structure.
エネルギー損失のうち排気損失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、冷却損失については排気損失と同量程度のエネルギー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空気を膨張させ過熱水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かつ膨張した空気と過熱水蒸気を用いて軸流タービンやラジアルタービンを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。 Of the energy loss, the exhaust loss is effectively utilized by turning the turbo and supercharging, but the cooling loss has been almost never used even though it occupies the same amount of energy as the exhaust loss. Needed equipment and power for cooling. This is a cooling loss due to the outside-cylinder cooling, and if the air is expanded by the in-cylinder cooling and absorbed heat to generate superheated steam, the outside-cylinder cooling device and power are not required and the expansion is achieved. The axial flow turbine and the radial turbine can be rotated using the heated air and superheated steam, and this power can be utilized. Of course, the turbine may be single-stage or multi-stage.
容積型エンジンを6サイクルにするには4サイクルに比べカムの形状とカムシャフトの回転数を変えるだけでよい。ディーゼルエンジンならびに吸気管内燃料噴射式および筒内燃料噴射式ガソリンエンジンの場合は燃料噴射時期を変えるだけでよいが、キャブレター式ガソリンエンジンの場合は、2回目の吸気行程において燃料が吸入されないように燃料を遮断する工夫が必要である。霧状の水を得るには霧吹きやガソリンエンジンの吸気管内燃料噴射式と同様な原理を用いればよいが、霧状の水の供給は筒内の温度上昇を抑えることも目的なので、筒外温度と排気ガス温度を計測し設定温度より低い場合は供給を遮断し空気のみ吸入される。常に設定温度近傍になるよう適量供給されるように自動制御する。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づ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。 In order to make the
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る。
排気タービンの出力軸には発電機、コンプレッサーなどの装置を取り付け、常時動力の有効利用を図ることもできる。Since a speed engine such as an exhaust turbine has poor thermal efficiency and response, for example, in the case of power of an automobile with a partial load and a large load fluctuation, the structure becomes complicated for optimal setting corresponding to the operating conditions. Therefore, in a combined engine that combines a positive displacement engine and a speed engine, the power of the exhaust turbine, which is the auxiliary engine, is transmitted to the output shaft of the positive displacement engine, which is the main engine. The power transmission mechanism adopts a one-way clutch so that it is not transmitted to the output shaft of the exhaust turbine.
Devices such as a generator and a compressor can be attached to the output shaft of the exhaust turbine, so that the power can be effectively utilized at all times.
上述したように本発明の6サイクル複合エンジンは、吸入、圧縮、爆発、排気、吸入、排気の6サイクルにおいて2回目の吸入行程で空気と霧状の水を直接筒内に送ることにより筒内の熱を吸収し膨張した空気と過熱水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。1回目の排気では排気損失でタービンを回し、2回目の排気では冷却損失でタービンを回す。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、6サイクル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ー損失を有効利用することができる。
このため、熱効率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、筒内の熱を吸収し発生した過熱水蒸気は洗浄能力が大きいため筒内や排気弁や排気系統を洗浄するので、カーボンなどが溜まらない。As described above, the 6-cycle combined engine of the present invention is configured so that air and mist water are sent directly into the cylinder in the second intake stroke in the 6 cycles of intake, compression, explosion, exhaust, intake, and exhaust. As the air and superheated steam are generated by absorbing the heat, it becomes a powerful power source for turning the turbine. In the first exhaust, the turbine is rotated with an exhaust loss, and in the second exhaust, the turbine is rotated with a cooling loss. In the conventional engine, the cooling loss cannot be effectively used because the cooling is performed outside the cylinder, but in the 6-cycle composite engine, not only the exhaust loss but also the energy loss including the cooling loss can be effectively used.
For this reason, thermal efficiency can be improved and fuel consumption can be improved, and not only CO 2 but also harmful substances such as NO X and PM can be reduced. In addition, superheated steam generated by absorbing the heat in the cylinder has a large cleaning ability, so that the inside of the cylinder, the exhaust valve, and the exhaust system are cleaned, so that carbon or the like does not accumulate.
以下、本発明の実施の形態の一例を図1〜図4に基づいて説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1において、1はカム山を2つ設けたカムで6サイクルを得るための形状になっている。図2は4サイクルのカム2の例と6サイクルのカム3の例を示す。6サイクルの2つのカム山は120°あるいは240°位置をずらしてあり、カムシャフト1回転で6サイクルが終了するようになっている。
クランクシャフトとカムシャフトの回転数の関係は、4サイクルの場合前者が2回転のとき後者が1回転であるが、6サイクルの場合カム山が2つあるので、前者が3回転のとき後者が1回転となりカムシャフト回転数は4サイクルに比べて1.5倍遅い。 燃料噴射は4サイクルではクランクシャフト2回転で1回、6サイクルでは3回転で1回であるので、6サイクルの場合は4サイクルに比べて燃料噴射時期も1.5倍長く省燃費である。In FIG. 1,
The relationship between the number of rotations of the crankshaft and the camshaft is that when the former is 2 rotations in the case of 4 cycles, the latter is 1 rotation. However, in the case of 6 cycles, there are 2 cam ridges. The number of rotations of the camshaft is 1.5 times slower than that of 4 cycles. Since the fuel injection is performed once every two rotations of the crankshaft in four cycles and once in three rotations in the six cycles, the fuel injection timing is 1.5 times longer than the four cycles in the case of six cycles, thereby saving fuel.
図1の4は排気エネルギー回収装置でラジアルタービンまたは軸流タービンおよび減速装置ならびにワンウェイクラッチから構成されている。タービンは排気エネルギーを効率よく回収するため、できるだけ排気弁に近づけて取り付ける構造にする。
タービンの回転数は容積型エンジンに比べ高いので、歯車を用いて減速しワンウェイクラッチを介してフライホイールを駆動する。
Since the rotational speed of the turbine is higher than that of the positive displacement engine, the speed is reduced using gears and the flywheel is driven via the one-way clutch.
5は筒内を冷却するため霧状の水を発生させる吸気管内水噴霧装置で、筒外温度および排気ガス温度によって適量の水が噴霧されるようになっている。
6は筒外への熱の放散をできるだけ遮断し熱を筒内に残留させておくために施す断熱材で、シリンダーブロックおよびシリンダーヘッドなどを覆う。 6 is a heat insulating material applied to block heat diffusion to the outside of the cylinder as much as possible and keep the heat in the cylinder, and covers the cylinder block and the cylinder head.
図3は4気筒6サイクルエンジン1に排気エネルギー回収装置2を取り付けたもので、排気エネルギーを有効に利用できるようタービンをできるだけ排気弁に近づけるため、タービンは1気筒当たり1台取り付けた例である。勿論、2気筒に1台でも多気筒に1台取り付けてもよい。図3はラジアルタービン3の例であるが、隣り合わせのラジアルタービンをシャフト4で繋ぐ。シャフトには歯車5が取付けられ図4の減速装置6とワンウェイクラッチ(図示なし)を介してフライホイール7に動力を伝える。 FIG. 3 shows an example in which an exhaust
各タービンを回した排気ガスには未だエネルギーが残っているので、この残留排気エネルギーを集めて図3のターボチャージャ8を回し過給する。 Since the exhaust gas that has rotated each turbine still has energy, the remaining exhaust energy is collected and the turbocharger 8 in FIG. 3 is rotated to supercharge.
ターボチャージャ8から出た排気エネルギーは相当に減殺されているので、消音装置(図示なし)は4サイクルの同出力のエンジンに比べ小規模で済む。 Since the exhaust energy emitted from the turbocharger 8 is considerably reduced, the muffler (not shown) can be smaller than a four-cycle engine with the same output.
図3は4気筒6サイクルエンジン1に排気エネルギー回収装置2を取り付けたもので、排気エネルギーを有効に利用できるようタービンをできるだけ排気弁に近づけるため、タービンは1気筒当たり1台取り付けた例である。勿論、2気筒に1台でも多気筒に1台取り付けてもよい。図3はラジアルタービン3の例であるが、隣り合わせのラジアルタービンをシャフト4で繋ぐ。シャフトには歯車5が取り付けられ図4の減速装置6とワンウェイクラッチ(図示なし)を介して6サイクルエンジンのクランクシャフト(図示なし)に直結したフライホイール7に動力を伝える。
FIG. 3 shows an example in which an exhaust
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