JP2010506072A - 空気−燃料混合物の自己点火を備える燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

２組のピストン（１）を双方のピストンのギアロッドに対する２つのギアホイールの動作によって同一方向に運動させるとともに、その慣性力を逆方向に移動する同一の質量の第３の組のピストン（１０）によって相殺し、それぞれのストロークにおいて燃料をシリンダー内へ噴射するとともに圧縮の後で自己点火（９）により燃焼させ、２つの形式のエンジンを備え、一方は吸引した空気の温度を最大で６０℃とするとともに、もう一方は吸引した空気の温度を１５０から３００℃の間とするより低い出力であり、該エンジンは、エンジンの冷却の間に放出される高熱および排気ガス熱により駆動される追加の蒸気ボイラーで動作される、燃焼４サイクルエンジンである。蒸気の放出により、エネルギーの一部をエンジンの中間のシリンダーにおいて利用し、このようなエンジンの経済性を有意に向上させる。該中間のシリンダーを、線形動作電気モーターによって電流の生産に用い、該エンジンを動力とする車両の電力要求を補うとともに、エンジンの最大出力は電力に変換されうる。該線形電気モーター／発電機はエンジンの始動器としても用いられる。該線形電気モーターの最も単純な代案として、始動モーターをこの目的に用いうる。動力の液圧転換は同一方向の回転を必要とせず、ここで述べる他の全てのエンジン動力の利用方法よりも大幅に単純である。

Description

本発明は、４つの燃焼室を備える４サイクル燃焼エンジンの設計を扱う。該燃焼室においては空気を吸入し、あるいは任意にコンプレッサーまたはターボコンプレッサーから空気を配送し、適正な量の燃料と混合し、自己点火させることでエンジンを駆動する。空気−燃料混合物の自己点火の瞬間は、負荷、個々の自己点火の頻度、エンジンおよび混合物の温度に依存する。エンジンの動力は機械的、電磁的または液圧的に変換される。エンジンの冷却の間に生成されたエネルギーの一部および排気ガス熱エネルギーの一定の部分を蒸気生産の与圧に利用することでエンジンの効率度を向上するとともに、エンジンの中間のシリンダー内でのその蒸気の膨張によって充分なエネルギーを得、膨張後の蒸気を空気流により冷却し、圧縮しエンジン内の循環へと戻す。

現在、燃焼エンジンは、独立したシリンダー内でのピストンの直線運動を一定の力の損失とともにクランクシャフトの円運動へ変換するクランクシャフトにより現実化されている。

火花点火エンジンの効率度は、とりわけ自己点火限界、いわゆるエンジンノッキングによって限定されている。

圧縮点火エンジンにおいてはこのような自己点火限界はあてはまらず、空気圧縮レベルは主にいわゆる吹き抜け量および構造の強度によって限定される。

本発明は、現在のエンジンの前記の不利を新しい様式で扱うことで熱の損失を減らし、エンジンの効率度を向上するとともに部分的に燃料のオクタン価を上げる必要を除くことを意図するものである。

本発明によるエンジンの設計は、４サイクルエンジンのシリンダーの内側において、２組のピストンの動きを、２つのギアホイールを用いて、この２組のピストンの慣性力をそれらの中間で逆方向に動く同じ質量の別の組のピストンで相殺することによって同調させることを特徴とする。

該エンジンは点火プラグを持たず、そのため点火分配器をも持たない。空気−燃料混合物は、圧縮後の温度上昇によるいわゆる自己点火によって点火される。

このような自己点火によるエンジン内での圧力上昇、および有害物質、特にＮＯ_ＸおよびＮＯの量の増加を減少させるために、エンジンを概して１．３〜５．０のラムダ値で運転し、始動および短い暖機段階でのみ該エンジンを１．０に等しいラムダ値で運転する。

既に上で述べたように、該エンジンの動力は機械的、電磁的または液圧的に変換される。

機械的変換とは、２組のピストンの前後運動およびその間に配置される２つのピストンの逆方向の運動を、既に円運動の１つの方向に嵌合している２つのクラッチによって変換することを意味し、該クラッチは逆方向およびその逆に滑動する。

液圧的には、圧媒液を中間のシリンダーへ吸引し、点火サイクルにおいて液圧エンジンまたはタービンへ分配することでエンジン出力に変換することで、エンジンの動力を現実化する。

該エンジンの始動および電力規格の全範囲における電流の生産のために、線形電気モーターを中間バルブ／ピストンの領域で用いる。

以下において、本発明について図中で示される設計の例においてより詳細に述べる。

図１は燃焼エンジンの前後方向の断面を概略的に示す。該燃焼エンジンは、その中間において互いに締結されたシリンダーの２つの半分、通常の封止リングを有する２組のピストン、４つの燃焼室、シリンダーのそれぞれのヘッド毎に４つまたは５つのバルブおよびヘッド毎に常に１つの噴射ノズル、およびこれらのシリンダーの中間に位置し２つのギアホイールによって該燃焼エンジンのピストンとは逆の方向に移動する２つの組み合わされた分配ピストンからなる。全てのピストンはシリンダー内で接触せずに移動し、潤滑されたギアロッドを通過する。該ギアロッドは精密に遊び無しで２つのギアホイールを通過する。中間の１組のシリンダー内のピストンは、該ピストン間の両側ギア連結棒によって連動連結される２つの同一なギアホイールによって移動する。

１つのシリンダーヘッド毎に４つまたは５つのバルブは、２つの吸気バルブおよび２つの排気バルブ、あるいは３つの吸気バルブおよび２つの排気バルブであるが、気圧的、圧電的または電磁的に、また正確に同一に作動され、質量を相殺し、これらの組のピストンを制御し一定の限度内で変動させる。
図２は図１の燃焼エンジンに以下の変更を加えたものの前後方向の断面を概略的に示す。ピストンはピストンリングを備えず、ピストンの前部は球状である。その理由は、このタイプのエンジンは、適した潤滑が無いピストン、シリンダーおよびシリンダーヘッドの温度をより上げるために設計されているためである。該エンジンは"乾燥"的に駆動され、吹き抜け量はピストンの適切な迷路構造によって限定され、全てのピストンはシリンダー内で水または水流によって冷却される。 図３は、エンジンシリンダーの間の中間シリンダー内に配置され電流を生産する２つの線形電気モーターのうち１つを概略的に示す。 図４は、エンジン内のバルブおよび噴射ノズルの位置決め、およびシリンダーの双方の半分の締結を概略的に示す。 図５は２つのディスククラッチを概略的に示す。これらのうち１つはピストンの方向において嵌合しもう一方は滑動するとともに、続く反動作の間にこれらは逆に動き、すなわち第一のクラッチは滑動し第二のクラッチは嵌合し、エンジンの動力を変換する。 図６は、常に１°での開始で逆向きに嵌合する合計２つのディスククラッチのうち一方を示す。 図７は、より高い動力のために設計され同様の方向で滑動するクラッチ、および同じタイプで逆向きに設計され逆方向で嵌合するとともに同様の方向で滑動するもう１つのクラッチを示す。 図８は、吸気および次の段階での圧媒液のエンジン動力の全範囲における吸引のための、燃焼エンジンの前後方向の断面を概略的に示す。

Claims (15)

1. ギアカップリング要素（１９）によって連動連結される２つのギアホイールによって常に２つずつに組み合わされ、シリンダーの内側で同一に動作する４つのピストン（２３）を備え、
   該ピストンのそれぞれのストロークの間、あらかじめターボコンプレッサーまたは機械的コンプレッサーへ吸引または配送された空気−燃料混合物を、１．０から５．０のラムダ値において点火し、
   自己点火は対応する温度値を伴い、
   最大圧力は高い最大値を有し、
   シリンダーヘッドへ向いたピストン（２６）の上部の位置は、シリンダーヘッドおよび吸引または配送された空気−燃料混合物の温度、および概してエンジンの負荷に関連して変動し、
   ２つのギアカップリング要素（１９）を含む２組のピストン（２３）の質量は、逆方向に駆動される２つのギアホイール（２２）によるギアカップリング要素（１１）を含む１組のピストン（２０）の同一の質量によって相殺され、
   経路によらず２組のピストン（２３）は移動されてシリンダーの一部で点火をするものとし、
   シリンダー（６）内の中間の組のピストン（２０）は加えて蒸気エンジンとしても機能し、この目的の蒸気は冷却水の熱、温度上昇および続いて起こる排気ガスによる加熱による蒸気圧によって駆動されるボイラーにおいて生産され、
   中間のピストン（２０）およびシリンダー（６）はまた、汎用および起動のため車両のアキュムレーターの補充を補う最小動力を出力する図３の線形電気モーター／発電機（３１）を備え、
   エンジンはシリンダーの内部部品の９０℃から１２０℃の典型的な温度において動作する、
   図１の燃焼エンジン。
2. ２つのシリンダー（９）の半分は、ボルト（７）およびナット（８）によって組み合わされる対応する穴において、正確に中央にあるとともに、ピストンのギアカップリング要素（１９）と同じ位置を取り、挿入および潤滑された支持体（２１）によって固定されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼エンジン。
3. 自己点火の間の高圧衝撃および高温を損傷を受けずに耐えることができる図１の保護層（１６）および図２の保護層（２６）をピストンの前側に備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼エンジン。
4. 全ての吸気バルブおよび排気バルブ（１４）、および中間のシリンダーヘッド上のバルブ（５）を、閉鎖から０速の位相におけるピストンの移動を監視するセンサーから生成された信号に基づいて電磁的、圧電的または気圧的に制御するとともに、同時にエンジンの対応するバルブ（１４）および中間のシリンダーヘッド上のバルブ（５）を開くとともにストローク全体の８０〜９０％に開いたまま維持することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼エンジン。
5. 前記エンジンのピストンの潤滑が不可能な吸引された空気−燃料混合物の１５０〜２５０℃の高温において該エンジンを動作させ、シリンダー内のピストンの緊密を、超低膨張係数αによる双方の内容の操作手段、およびピストンの作動領域において吹き抜け量を減少させるように設計された平溝の、適当な選択によって確実にするとともに、吸引された該高温の空気で作動するエンジン内で冷却水は最少１２個の穴の入口によりピストンとシリンダー（１６）との間の空間へと配送され、蒸気へ変換され４つの開口（２８）により冷却器へと誘導されることを特徴とする、請求項２に記載の図２の燃焼エンジン。
6. シリンダー、シリンダーヘッド、バルブの平坦部およびピストンの前側の表面を、完全に平滑に加工された材質、詳細には０．２０から４００μｍの範囲の光エネルギーを実質的に反射することを可能とするそれぞれ反射率９５％または７０％の白い酸化マグネシウムまたはクロムで構成し、シリンダー内のガスの温度および圧力を上昇させるとともにその後の冷却によりエンジンの損失を減少させることを特徴とする、請求項２に記載の図２の燃焼エンジン。
7. 吸気サイクルの間、１５０から２５０℃の空気または空気−燃料混合物に加えて、操作の負荷およびエンジンの回転に依存して１００から１０００ｇ／ｍ^３の水蒸気が配送され、点火の間、および膨張サイクルを通して圧力を上昇させる膨張の間に可視−赤外光エネルギーの吸収を増加させ、この手順の間に生成された高温を極度に減少させ、バルブおよびピストンの材質の選択によって問題なしにエンジンの動力を増加させ、これらによってさらなる燃料消費を要しないことを特徴とする、請求項２に記載の図２の燃焼エンジン。
8. 空気または空気−燃料混合物の吸引の間、およびエンジンの冷却の間に、エンジンで生成される増加した熱と、一定の量の排気ガス熱とを、取り付けられたボイラーにもたらすことで高圧蒸気を生産し、伝達される動力とでエンジンの中間シリンダー（６）または取り付けられたタービンの負荷を軽減することで、さらなる燃料消費なしに出力全体を増加させることを特徴とする、請求項２に記載の図２の燃焼エンジン。
9. ２組のピストンおよび逆方向に移動する第３の組のピストンの非接触移動を、２つのギアホイール（２２）によって回転運動へと変換することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の燃焼エンジン。
10. 前記２つのギアホイール（２２）の制限された前後移動を図７の２つのクラッチによって一方向の回転（３５）および出力へと変換することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の燃焼エンジン。
11. 必要であれば、図３の線形電気モーター／発電機（３１・３２）または図５の発電機（３６）によって制動力を発動させることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の燃焼エンジン。
12. 前記モーターは図３のギアホイール（２２）と同様の方向の円運動を必要とせず、その出力電力を１つから４つの電気モーターへと分配することを特徴とする、請求項１１に記載の燃焼エンジン。
13. 図８の中間のシリンダー（２９）において圧媒液を吸引し、次のストロークでそれを圧縮するとともに、それを１つから最大で４つの液圧モーターへと供給することを特徴とする、図８の燃焼エンジン。
14. 前記エンジンは、清浄な空気中で圧縮のほぼ終わりにおいて吸気し、内部が高圧・高温状態に、ディーゼル、油または他の種類の燃料を噴射し、燃焼の間の圧力のピークが請求項１から１３のものと比べて優位に低いものとし、噴射量の方向および１０００バールまでの高圧噴射の利用によってさらなる設計を要せずに概して共通の限界内に維持するとともに、この手順は常にエンジンの始動の間に用いられるものとすることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載の燃焼エンジン。
15. 点火性の空気−燃料混合物を吸引し、ピストンの上死点に近い圧縮の間に該混合物を点火プラグおよび共通の点火装置により点火するとともに、図１の噴射ノズル（１３）を点火プラグと交換することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼エンジン。

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