JP2012002191A

JP2012002191A - 同一気筒ハイブリッド機関

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Publication number: JP2012002191A
Application number: JP2010140129A
Authority: JP
Inventors: Masato Itohara; 正登糸原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】内燃機関に対して同等以上の熱効率を実現し、環境保護、資源保護への貢献度が高い循環ガス機関の特徴を具備した新たなハイブリッド機関を提供する。
【解決手段】内燃機関部と、循環するガスを膨張して得られる高圧力の利用で出力を得る内圧機関部との双方の出力発生動作を同一気筒内にて行うよう機関本体部６を形成する。内燃機関部はジーゼルエンジン、ガソリンエンジンのいずれでもよい。内圧機関部の循環するガスは、炭酸ガス、窒素、アルゴン等が利用可能である。内燃機関部から排出される排出ガス及び／又は機関本体部６を冷却する冷却水と、内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行い、熱エネルギを有効活用する。前記内燃機関部の動作と内圧機関部の動作とは交互に行ってもよく、また、内燃機関部の動作と内圧機関部の動作の間に、気筒内に単に外気を導入して排出する掃気動作をさらに加えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関と循環式ガス内圧機関とを兼ねる新しいタイプの循環ガスハイブリッド機関に関する。

資源・エネルギの節約、環境問題への対処から、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンなどのガス媒体を利用して出力を得る高圧循環式ガス機関が研究されている。高圧により圧縮され、好ましくは液化されたこれらガス媒体を加熱して膨張させ、この膨張エネルギでシリンダ内のピストンなどの作動子を動作させて出力を得るもので、本質的に無公害の駆動エネルギを提供し得るものと期待されている。

図３はその一例として、特許文献１、２に開示された炭酸ガスをガス媒体として利用する循環式ガス機関１００の概要を示している。同図において、循環式ガス機関１００は、液体炭酸ガスを収納する初期タンク１０１、初期タンク１０１から導かれる液体炭酸ガスを循環式ガス機関１００からの排出炭酸ガスにより加熱する熱交換機１０２（両文献では排出炭酸ガス側を冷却する「冷却装置」と表示）、液体炭酸ガスの断熱膨張により駆動されるエンジン本体１０３、エンジン本体１０３からの排出炭酸ガスを圧送するポンプ１０４、圧送された炭酸ガスを回収する回収タンク１０５、回収された炭酸ガスを熱交換機１０２を通して冷却した後加圧する圧縮機１０６、圧縮された炭酸ガスを収納する循環タンク１０７、これらの間を結ぶ配管１０８とから主に構成されている。

以上のように構成された特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００の動作は、まず初期タンク１０１内に貯蔵された液体炭酸ガス（一部気体の炭酸ガスが混在）が配管１０８により熱交換器１０２に導かれ、後述する排出炭酸ガスとの間での熱交換により昇温、気化、膨張して高圧の炭酸ガスとなる。この高圧ガスをエンジン本体１０３に導入して、例えばシリンダ内のピストンなどの作動子を作動させ、通常のエンジンと同様にこれを回転力に変えることで出力を得る。エンジン本体１０３はロータリエンジンであってもよいとされる。エンジン本体１０３を駆動した後の排気ガス（炭酸ガス）は、まずポンプ１０４によって回収タンク１０５に導かれ、さらに熱交換器１０２に送られて、ここで相対的に低温の高圧炭酸ガスとの間で熱交換され、冷却される。冷却された炭酸ガスは圧縮機１０６に送られ、ここで約４０気圧に加圧された後に循環タンク１０７に送られ、ここで貯蔵される。以降のエンジン本体１０３の駆動には、この循環タンク１０７に貯蔵された炭酸ガスが主に循環して動作するものとなり、初期タンク１０１からは補充用の炭酸ガスのみが送られるようになる。ポンプ１０４と圧縮機１０６は、図の一点鎖線で示すようにエンジン本体１０３の回転駆動力がベルト等を介して伝達され、駆動される。なお、図３では説明の便宜上、各種切換えバルブ、濃度センサ、オイル分離装置などは省略している。

以上の構成によれば、地球上に無尽蔵に存在する炭酸ガスを利用しつつ、これを大気中に排出することなく循環して使用することができ、従来の内燃機関と比較して環境に優しく、また燃料不要であることから資源保護にも寄与する動力源を得ることができる。しかも、同特許文献には、内燃機関に劣らぬ出力が得られるものであるとしている。

特開２００８−２１５２７０号公報特開２００８−２９７９５６号公報

しかしながら、上記の例に示したような従来技術による循環式ガス機関には未だ改善の余地があった。例えば上記特許文献１、２に開示された図３に示す方式では、エンジン始動時の問題が想起され得る。初期タンク１０１のバルブを開いて炭酸ガスを供給して循環式ガス機関１００をスタートさせようとしても、スムーズな始動が可能であるのかは疑問が残る。始動時には排気炭酸ガスとの間の熱交換が十分に行われることがなく、エンジン始動に必要な炭酸ガスの十分な圧力上昇、膨張が得難い。また、圧縮機１０６による加圧も排出炭酸ガスの潤沢な供給が得られず、始動したとしても始動直後には初期タンク１０１からの多量な炭酸ガスの供給が必要になることが想定され得る。両文献には圧縮機１０９（図３参照）を設けて炭酸ガス圧縮による熱風ガスのエンジン本体１０３への供給によって体積膨張を効率化させることが記載されているが、始動直後には圧縮機１０９の駆動も十分とはいえず、熱風ガスの潤沢な供給は期し難い。したがって、エンジン始動時に初期タンク１０１のバルブを開くことのみで始動させるものとなり、円滑な始動には困難が予想される。また、これを補助するためにセルモータが利用されるとしても、セルモータによる回転のみでは不十分とも考えられ、またかなり長時間回転させ続ける必要が生ずるものと思われるため、たとえこれによって始動性が改善されるとしても強力なセルモータと大容量のバッテリが必要となるなどの問題が想定される。

さらに、特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００では、定常運転に移行した後であっても、熱交換機１０２に用いられる加熱側の熱エネルギは、内燃機関とは異なって燃焼を全く伴わない単なる気体の膨張動作によって得られる低温ガスしか使用することができない。このため、熱交換に際してエンジン側に送り込む初期タンク１０１からの炭酸ガス、もしくは循環タンク１０７からの炭酸ガスを、エンジン本体１０３駆動に十分なほどに気化、膨張させるには必ずしも効率的とはならないなどの問題もある。

これらの諸問題は、特許文献１、２に開示された循環式ガス機関１００に限らず、従来技術において研究が進められている全ての循環式ガス機関についても同様に言えることである。以上より、本願発明は、上述したような従来技術における循環式ガス機関の問題点を解消し、従来の内燃機関に対して同等以上の熱効率を実現し、かつ、環境保護、資源保護への貢献度が高い循環ガス機関の特徴を実現し得る新たなハイブリッド技術を提供することを目的としている。

本発明は、循環式ガス機関の特徴を生かしつつ、内燃機関を利用したハイブリッド式の循環ガスハイブリッド機関とすることにより、従来の循環式ガス機関の弱点を補い、上記の課題を解消するもので、具体的には以下の内容を含む。なお、一般に「ハイブリッド機関（エンジン）」と言えば、自動車に普及している内燃機関と電気モータとの組合せに係るエンジンを意味することが多いが、本来の「ハイブリッド」とは凡そ「２つ以上の異質のものの組合せ」を意味しており、本明細書における「ハイブリッド」とは、特記ない限り上述したような循環式ガス機関と内燃機関との組合せを指すものとする。

本発明に係る１つの態様は、気筒内で燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して作動子を動作させ、出力を得る内燃機関部と、循環するガスを加圧、膨張させて得られる高圧力を気筒内に導入して作動子を動作させ、出力を得る内圧機関部とを組み合わせ、内燃機関部と内圧機関部の双方の出力発生動作を同一気筒を利用して行うことを特徴とする循環ガスハイブリッド機関に関する。

前記内燃機関部の動作と内圧機関部の動作とは、同一気筒内で交互に行うよう構成することができる。

前記内燃機関部の動作から内圧機関部の動作へと切り替わる間、もしくは前記内圧機関部の動作から内燃機関部の動作へと切り替わる間の少なくともいずれか一方に、前記気筒内に外気もしくは循環ガスを導入して排出する掃気動作をさらに行うよう構成してもよい。

内燃機関部で燃焼後排出される排気ガスの有する熱エネルギ、内燃機関部を冷却するための冷却水の有する熱エネルギ、または機関の外部から導入する熱エネルギを前記内圧機関の動作媒体である循環ガスの加熱、膨張用に利用し、内圧機関の動作効率を高めるよう構成してもよい。

前記内燃機関部は、ジーゼルサイクル、オットーサイクルのいずれかにより動作させることができる。また、前記循環するガスは、炭酸ガス、窒素、アルゴンのいずれかとすることができる。

本発明に係る他の態様は、動力源の発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もとくは動力源により生み出される電力によりモータを回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両において、前記動力源を上述したいずれかの循環ガスハイブリッド機関としたことを特徴とする車両に関する。

本発明の実施により、従来の内燃機関に比べて低燃費、低排出ガスのエンジンを提供することができ、資源節約、環境保護に貢献することができる。また、従来の循環式ガス機関に比べて、始動性のよい、効率よく安定した出力の得られるエンジンを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る同一気筒循環ガスハイブリッド機関の構成図である。本発明の他の実施の形態に係る同一気筒循環ガスハイブリッド機関の構成図である。従来技術における循環式ガス機関を示す説明図である。

以下、循環ガス機関（以下、「内圧機関」ともいう。）と内燃機関とを組合せた本発明の第１の実施の形態に係る同一気筒ハイブリッド機関（以下、「循環ガスハイブリッド機関」という。）について、図面を参照して説明する。図１は本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１を示しており、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、内燃機関部と内圧機関部とを兼ねる単一気筒からなる機関本体部６を備えている。この内、内燃機関用としては本実施の形態では４ストローク・ジーゼルエンジンを利用するが、これは２ストロークエンジンであっても、あるいはガソリンエンジンであってもよい。機関本体部６は、シリンダ１３と、シリンダ１３内でストロークするピストン１４と、ピストン１４の力を伝達するコンロッド１６と、コンロッド１６の上下運動を回転運動に変換するクランクシャフト１７とから主に構成される。さらに燃料系として、燃料タンク１１と、燃料タンク１１内の燃料を導いてこれを高圧でシリンダ１３内に噴射する燃料噴射ポンプ１２を含んでいる。シリンダ１３の周囲には冷却水路１８が巡らされ、冷却水が循環して燃焼に伴う発熱を冷却する。これらの構成は、従来技術によるジーゼルエンジンと同様である。また、これら以外の潤滑系を始めとする従来技術と同様の補記類については説明と表示を省略している。

本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、上述した内燃機関部となる機関本体部６を内圧機関部としても利用することを特徴としている。ここで「内圧機関」とは、内燃機関に対応する用語として用いるもので、燃焼を伴わずに気体の膨張によって出力を得る機関を意味している。機関本体部６が内圧機関として動作する際には、シリンダ１３内には、循環式の高圧ガスが導入される。その構成として内圧機関部には、液化ガス（気体が混在してもよい）を収容する初期タンク３１と、初期タンク３１から導入される液化ガスを、後述する冷却水との間で熱交換する調整タンク３２と、さらに後述する内燃機関部の排気熱を利用して液化ガスを気化、膨張させる熱交換器３３と、ピストン１４をストロークさせた後に排出される排出炭酸ガスを回収して加圧する圧縮機３４と、これらの間を結ぶ配管３５とを含んでいる。なお、説明の便宜上、本明細書では機関本体部６と内燃機関用の補機類を含めて内燃機関部、機関本体部６と内圧機関用の補機類を含めて内圧機関部と呼ぶことがある。

本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、内燃機関部と内圧機関部とに共通の機関本体部６を利用しているが、吸気系、排気系は内燃機関用、内圧機関用とそれぞれ別々に設けている。図示の例にて、機関本体部６は、内燃機関用の吸気弁２１と排気弁２２を少なくとも１つずつ、内圧機関用の吸気弁（高圧ガス噴霧弁）２３と排気弁２４を少なくとも１つずつ設けている。内燃機関用の吸気弁２１と排気弁２２とは通常のジーゼルエンジンと同様にシリンダ１３内でのピストン１４のストロークにより生じる負圧、正圧を利用して大気中から空気を導入し、大気中に燃焼後のガスを排出している。一方の内圧機関用としては、吸気弁２３はシリンダ１３内への高圧ガスの噴霧、排気弁２４は膨張後の循環ガスをシリンダ１３内から排出して回収するよう機能している。内燃機関用の吸気弁２１、排気弁２２と内圧機関用吸気弁２３、排気弁２４とはそれぞれの対応する機関部の動作サイクルに合わせて動作するよう構成されている。すなわち、一方の機関（例えば、内燃機関）が動作中には当該機関用の吸気弁、排気弁が動作し、他方の機関（同、内圧機関）の吸気弁、排気弁は閉じたままである。

以上のように構成された本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、以下のように動作する。まず始動時では、始動性のよい内燃機関部１０が主に作用し、図示の例では通常のジーゼルエンジンと同様な動作による始動が可能である。すなわち、ジーゼルエンジンである内燃機関部において、図示しないデコンプの操作により圧縮圧力を除いた状態で図示しないセルモータを動作させて循環ガスハイブリッド機関１を回転させ、回転後の慣性によりデコンブを閉じてシリンダ１３内を加圧し、燃料ポンプ１２から燃料をシリンダ１３内に噴射して発火させる。さらなる始動性の改善には、グロープラグなどの従来技術で知られた補器類が利用可能である。一旦内燃機関の始動により機関本体部６が動作を開始すると、共通の機関本体部６を利用して内圧機関も動作を始め、機関本体部６を利用して内燃機関部、内圧機関部それぞれが出力を発生する。

ここで、本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１は、内燃機関部と内圧機関部とを交互に動作させるよう構成されている。すなわち、内燃機関部が動作する間は内圧機関部は動作せず、逆に内圧機関部が動作する間は内燃機関部は動作せず、この動作を交互に繰り返している。内燃機関部が４サイクルジーゼルエンジンである場合、ピストン１４の下降ストロークにより生じる負圧を利用し、吸気弁２１を開いて外気を導入し、次のピストン１４の上昇ストロークでこれを圧縮して高温にした状態で燃料を爆発させる。この爆発によりピストン１４を下降させて動力を発生した爆発ガスは、次のピストン１４の上昇ストロークにより開いた排気弁２２を通ってシリンダ１３外に排出される。この間、内圧機関用の吸気弁２３、排気弁２４は閉じたままである。

なお、本実施の形態では、排気ガスは高温のまま熱交換機３３に導かれ、同じく熱交換機３３に導入される液化ガス（もしくは、後述する循環ガス。以下、同。）との間での熱交換に利用される。熱交換の後に冷却された排気ガスは、その後図示のように大気に放出される。この間には、従来技術で知られた排気ガス浄化装置が備えられていても良い。また、機関本体部６の周囲を巡ってこれを冷却するための冷却水が冷却水路１８を通って循環し、その一部が調整タンク３２へと導かれる。

一方、内圧機関部の始動時には、循環ガスハイブリッド機関１の始動ボタンに連動して初期タンク３１のバルブが開かれ、収納された液化ガスが配管３５を介して調整タンク３２に導かれる。この調整タンク３２は、上述したように機関本体部６の冷却水の循環経路とつながっており、定常運転状態では１００℃を越える冷却水が導入されている。この高温冷却水と液化ガス（もしくは循環ガス）との間で熱交換が行われて、冷却水は低温の液化ガスに触れ、また一部液化ガスが気化する際に気化熱を奪われて冷却され（例えば８０℃まで低下）、循環して再度機関本体部６の冷却に回される。一方の液化ガスは、高温の冷却水によって温度が上昇し（例えば８０℃）、その一部は気化、膨張により加圧される（例えば１０ＭＰａ）。

調整タンク３２を通過した一部気体成分を含む液化ガスは、その後に熱交換機３３に導かれる。この熱交換機３３には、上述したように内燃機関部から排出される排気ガスが燃焼後の高温（運転の状況によるが、例えば数百℃）を保ったままで導入されており、この高熱との間で熱交換が行われる。ここで液化ガスは気化、膨張し、例えば３００〜４００℃、１５ＭＰａほどの高温、高圧ガスとなり、この高圧ガスが吸気弁２３を通って機関本体部６のシリンダ１３内に導入される。導入のタイミングは、上述した内燃機関部のサイクルが完了し、ピストン１４が上死点に至る近傍であり、これは循環ガスハイブリッド機関１の回転数等に応じて適切に制御される。この高圧ガスの作用でピストン１４が押し下げられ、その力がコンロッド１６を介してクランクシャフト１７に伝達され、回転駆動力を発生させる。膨張した循環ガスは次のピストン１４の上昇ストロークにより開いた排気弁２４を通ってシリンダ１３の外部へ排出され、循環される。

燃料の爆発を伴わない内圧機関部では、シリンダ１３内にあるガスをピストン１４の上昇ストロークにより圧縮する必要はない。したがい、上記の高圧ガスの噴射によるピストン１４の押し下げ動作並びに排気動作は、ピストンの上昇、下降の各１回のストロークで完了させることができ、いわば内燃機関における２サイクルエンジンに相当する動作となる。これによって循環ガスハイブリッド機関１は、クランクシャフト１７が２回転する間の内燃機関部１０による爆発が１回、クランクシャフト１７が１回転する間の内圧機関部２０による膨張が１回と、クランクシャフト１７（出力軸）３回の回転で２回の出力発生を得て、このサイクルを繰り返すものとなる。

内圧機関部の排気弁２４を通過した循環ガスは、配管３５に導かれて圧縮機３４に至り、ここで加圧される。圧縮機３４は、例えば循環ガスハイブリッド機関１の回転軸との間をベルト３７などで結んで回転駆動力を得ることができる。加圧された内圧動作ガスは、例えば３００〜４００℃、１０ＭＰａの高温、高圧ガスとなり、この状態で調整タンク３２に導かれる。上述のように調整タンク３２には冷却水が循環しており、この冷却水との間で熱交換され、その後は上記サイクルを繰り返して循環される。この間、調整タンク３１につながる３ウェイバルブ３８は閉じられ、通常は循環ガスの方向のみが開かれて循環されるものとなる。ただし、図示しないセンサによって循環ガスの不足が検出された際には、初期タンク３１からの液化ガスが補填されるよう制御される。また圧力の関係で、循環ガスが初期タンク３１側に戻ることもある。また、循環ガスの温度が冷却水の温度よりも高いときに、調整タンク３２をバイパスさせるよう構成してもよい。

循環ガスハイブリッド機関１は、このようにして安定状態にて運転を継続するが、この間、内燃機関部においては従来技術におけるジーゼルエンジンと同様に機能し、燃料（軽油）を燃焼させることによって出力を得る一方、内圧機関部においては循環ガスを循環させながら圧縮、膨張により出力を得る。循環ガスハイブリッド機関１の停止時には、これも従来のジーゼルエンジンと同様に、スイッチをオフに操作することで燃料噴射が停止し、あるいはデコンブを作用させてシリンダ１３内の圧縮圧力を逃がすことで内燃機関部が停止する。同じくスイッチオフと同時に、循環ガスの配管３５内のいずれかに配置されるバルブを閉じることでガスの循環が停止し、内圧機関部も停止する。なお、図面では省略しているが、機関出力の強弱を制御するため、内燃機関部ではシリンダ内に導入される燃料を調整するバルブ、内圧機関部ではシリンダ１３に導入される循環ガスを調整するバルブが設けられ、運転状況に応じて両バルブの開度が制御される。

従来技術によるジーゼルエンジンと比較したときの本実施の形態の内燃機関部の利点は、従来では排気ガスをそのまま大気へ放出していたため、排気ガス中の熱エネルギは全て無駄に費やされていたのに対し、本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１ではこれを熱交換機３３に導入して有効利用を図り、さらに冷却水の有する熱エネルギをも調整タンク３２に導いて有効利用している点にある。但し循環ガスハイブリッド機関１の仕様、利用する循環ガスの種類によっては、冷却水と排気ガスのいずれか一方の熱エネルギのみを利用することでもよい。

また特許文献１、２に開示された従来技術による内圧機関と比較したときの本実施の形態に係る内圧機関部の利点は、低温のままである循環ガスとの間の熱交換ではなく、ジーゼルエンジンの排気熱エネルギを利用した高温流体との間の熱交換が可能になることであり、これによって循環ガスをより高温、高圧にすることが可能となり、内圧機関部における高い膨張圧力により高出力を得ることが可能となる点にある。また、内燃機関部の熱量によって暖機運転の時間を短縮化することができる。

さらに、本実施の形態に係る内燃機関部と内圧機関部とを組み合わせた同一気筒ハイブリッド式の循環ガスハイブリッド機関１を従来技術と比較した場合、内圧機関のみとしたエンジンの場合の始動性の悪さ、効率の悪さを大幅に改善することができ、また内燃機関のみの１気筒エンジンに対しては燃料（軽油、あるいはガソリン）消費量を大幅（約半減）に低減することができ、資源の節約となるほか、排気ガス中に含まれる炭酸ガス、窒素化合物、塵埃などの大気への放出量を大幅（約半減）に低減することになる。本実施の形態にかかる循環ガスハイブリッド機関１は、内燃機関部への燃料の供給と内圧機関部への循環ガスの供給との２系統の動力源供給システムを必要とするほかは、機関本体部６は従来のジーゼルエンジンの僅かな改造のみで実施することが可能である。この構成により、例えば内燃機関、内圧機関の一方が何らかの理由で停止した際においても、他方の機関を利用することで継続して出力を得ることができる。あるいは燃料をセーブするため、運転中において内燃機関の方を意図的に停止することも可能である。ただし、この際には内燃機関の排気ガス、冷却水のエネルギが減退するため、内圧機関の効率が順次低下することは避けられない。

なお、初期タンク３１は、耐圧ガスボンベから構成されるが、これは例えば炭酸ガスボンベなどが従来から利用されており、基本的にこれと同様に扱うことができる。但し、循環ガスハイブリッド機関１停止中においても安定状態を保つため、当該ボンベは断熱容器内に収め、必要に応じてバッテリを利用して一定温度に保つなどの対応を図ることも望まれる。

以上の内容に係る本実施の形態の循環ガスハイブリッド機関１には、幾つかのバリエーション、変更が考えられる。まず、上述したように、内燃機関部はジーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよく、また、この両者は２サイクル、４サイクルのいずれであってもよい。あるいは、レシプロエンジンの代わりにロータリエンジン（バンケル式など）とすることも可能である。この場合、上記記載中の「気筒」は１つのロータに対応した燃焼室の構成を意味するものとする。さらに燃料噴射、循環ガス放出時における「シリンダ」は、ロータとロータハウジングの間に形成される燃焼室の内、圧縮過程にある燃焼室のことを意味するものとする。

内圧機関に利用される「循環ガス」は、一般に不活性ガスが使用されており、代表的なものとして炭酸ガス、窒素、アルゴンなどが考えられる。これらのガスにはそれぞれの特性を有しているため、循環の際の加圧圧力、温度、膨張などに関してはガスによって条件に差がある。上記説明における温度、圧力は、炭酸ガスを用いた場合の概要を示したものであるが、但し、温度、圧力等については使用状態に応じて変動するものであり、また本願発明が炭酸ガスの利用に限定されるものではない。

また、上述した実施の形態では、内燃機関によるサイクルの直後に内圧機関のサイクルを行うものとしているが、この変形として内燃機関による動作の直後の２ストローク（ピストン１４の下降と上昇）は両機関とも動作させることなく、内燃機関部の吸気弁２１、排気弁２２を利用して外気を一旦導入し、これを排出する掃気動作をさせることができる。内燃機関（特にはジーゼルサイクル）における排気直後に内圧機関の循環ガス噴霧動作が開始されると、内圧機関のシリンダ１３内に僅かに残存する内燃機関の排気ガスが循環ガス中に混入することが起こり得る。循環ガスは上述の通り循環して動作させるものであるため、不純物の混入によって冷却、膨張サイクルの効率が低下する恐れがある。内燃機関としての動作後に掃気サイクルを含めることで、かかる弊害を排除する効果を生む。掃気サイクルは内圧機関の動作後に入れることも可能であり、あるいはいずれの場合においてもピストンの４ストロークに亘って掃気サイクル（２回）を行うようにすることもできる。

上記の掃気動作は、内燃機関部ではなく内圧機関部を利用して行うことも可能である。すなわち、内燃機関部によるサイクルが完了し、ピストン１６が上死点に至って排気ガスの排出が完了したのち、内圧機関部の吸気弁２３を開いて循環ガスを導入し、ピストン１６の下降にあわせてシリンダ１３内に循環ガスを充填し、その後のピストン１６の上昇時に内燃機関の排気弁２２を開いて掃気後のガスを排出するようにしてもよい。この場合、循環ガスが外部に排出されるものとなるが、掃気時には内圧機関として動作させる場合よりもはるかに少量のガス噴出量に絞ることによって排出されるガスを最小に抑えることができる。あるいは、内圧機関部の排気弁２４を開いて掃気動作を行ってもよい。

さらなる変形として、上述した実施形態では、内燃機関部の動作と内圧機関部の動作を交互に行うものとしているが、代替として内燃機関部の動作２回に対して内圧機関部の動作を１回、あるいはこの逆にするなど、両機関部を必ずしも１：１の比率で動作させる必要はない。エンジンの要求性能に応じて適切なサイクルを構成することができる。この際、上記の掃気サイクルを任意に含めることもできる。さらには、排気、吸気弁の制御を適切に行うことで、低速の間は内燃機関の比率を高め、高速になれば内圧機関の比率を高めるなどの切換えが任意に行うこともできる。

また、上述の実施の形態における内燃機関部の排気ガスを熱交換に利用することは排熱の有効活用として好ましいことではあるが、例えば車両用ではなくて発電用などの定置式の機関であれば、循環ガスの熱交換には内燃機関部の排気ガスに拘ることなく、これに代えて、あるいはこれと共に、他のエネルギを利用することが可能である。この際の他のエネルギとしては、太陽熱や地熱などの自然エネルギによるもの、あるいはプラントが併設されておればボイラーや炉の熱エネルギの一部を取り出したり、他の設備の冷却のために使用された高温の冷却水（液）を循環させるなど、機関の周囲の環境に合わせた様々な熱エネルギを活用することが考えられる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関について、図面を参照して説明する。上述した先の実施の形態では、エンジンの気筒数が１であり、これはエンジンとしての最小単位を意味している。本願発明の名称を「同一気筒ハイブリッド機関」としているが、これは必ずしもいわゆる「単気筒」エンジンであることを意味しない。同一気筒内で内燃機関と内圧機関の動作を行う気筒が少なくとも１つ含まれていればよく、例えば当該気筒が幾つかつながった多気筒エンジンであってもよい。多気筒化を図ることによってエンジンの回転をより円滑にできるものとなり好ましいことは、従来技術によるエンジンと同様である。

図２は、本実施の形態に係る多気筒循環ガスハイブリッド機関の例として、２気筒からなる機関本体部８を含む循環ガスハイブリッド機関２を示している。機関本体部８を除き、循環ガス及び燃料の供給系に関しては図１に示すものと同様である。図２において、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関２は、図の左からの１番、２番と呼ぶ２気筒から構成されている。これは単なる例示であって、４気筒、８気筒、あるいはこれより多い気筒数とすることも可能である。また、気筒の配置は直列である必要はなく、従来技術で知られた対向、Ｖ字、星型により構成されていてもよい。

まず１番の気筒は先の実施の形態と同様であり、２番の気筒は追加されたものであるが、その構成は１番の気筒と同様である。１番と２番の気筒とは同一構成ではあっても、両ピストン１４のストロークのタイミング、内燃機関と内圧機関の動作のタイミングには差異を設けることができる。この差異は、出力を最もバランス良く保てるよう任意に配置することができる。例えば、１番の気筒のピストン１４の下降ストロークにおいて「吸入（内燃）−爆発（内燃）−吸入（掃気）−噴霧（内圧）」のサイクルの間、２番の気筒のピストン１４ではこれに同期させた下降ストロークにおいて「噴霧（内圧）−吸入（内燃）−爆発（内燃）−吸入（掃気）」とすることで、１番と２番の間で内燃機関と内圧機関のサイクルが相互にずれ、出力の発生はクランクシャフト１７の１回転に１回とすることができて比較的良好なバランスが保たれる。４気筒にすればこの半分となるクランクシャフト１７の半回転ごとに１回の出力が得られるものとなる。

本実施の形態においても、様々な変形、改良が考えられる。上記例では同一気筒ハイブリッドの気筒２つを設けているが、１つの気筒はそのままとして、他方の気筒を内燃機関、または内圧機関のみとした組み合わせとすることもできる。あるいは、これら各気筒を含む３気筒機関としてもよい。特に気筒数が多くなった場合には、その組み合わせは任意であり、所望性能に応じて組み合わせを考えればよい。

さらに、本発明にかかる内燃機関と内圧機関との組合せに係る循環ガスハイブリッド機関を、モータを利用したいわゆる従来のハイブリッドエンジンにおける内燃機関の代わりとして利用することも可能である。従来のハイブリッドエンジンにおける内燃機関と電気モータの組合せの内、その内燃機関を本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関に置き換えることで、モータ、内燃機関、内圧機関のそれぞれの利点を生かした新しいタイプのハイブリッドエンジンを得ることができる。

あるいは、本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関を、燃料効率が良く、セッティングも容易な定常運転用（定速度回転用）として使用してこれで発電を行い、発電された電力でモータを回転駆動させることで電気自動車の動力源として利用することでもよい。

加えて本願発明は、上述したような循環ガスハイブリッド機関を動力源として利用する車両をも包含する。すなわち、本願発明に係る車両は、動力源が発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もしくは動力源を用いて発電を行い、当該電力でモータを駆動させて走行推進力を得る車両であって、その動力源を上述したいずれかの循環ガスハイブリッド機関としたことを特徴としている。当該発明の実施により、低燃費、低排出ガスの環境に優しい車両の提供が可能となる。本発明にかかる循環ガスハイブリッド機関は、定置式を含む他の産業用機関としても利用することができる。

本発明に係る循環ガスハイブリッド機関は、自動車産業、あるいは回転出力を利用するその他の産業分野において広く利用することができる。

１、２．循環ガスハイブリッド機関、７、８．機関本体部、１３．シリンダ、１４．ピストン、１６．コンロッド、１７．クランクシャフト、１８．冷却水路、２１．吸気弁（内燃機関用）、２２．排気弁（内燃機関用）、２３．吸気弁（内圧機関用）、２４．排気弁（内圧機関用）、３１．初期タンク、３２．調整タンク、３３．熱交換器、３４．圧縮機、３５．配管。

Claims

気筒内で燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して作動子を動作させ、出力を得る内燃機関部と、循環するガスを加圧、膨張させて得られる高圧力を気筒内に導入して作動子を動作させ、出力を得る内圧機関部とを組み合わせ、内燃機関部と内圧機関部の双方の出力発生動作を同一の気筒を利用して行うことを特徴とする循環ガスハイブリッド機関。
前記内燃機関部の動作と内圧機関部の動作とを同一気筒内で交互に行うことを特徴とする、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記内燃機関部の動作から内圧機関部の動作に切り替わる間、もしくは前記内圧機関部の動作から内燃機関部の動作に切り替わる間の少なくともいずれか一方に、前記気筒内に外気もしくは循環ガスを導入して排出する掃気動作をさらに行うことを特徴とする、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。
内燃機関部で燃焼後排出される排気ガスの有する熱エネルギ、内燃機関部を冷却するための冷却水の有する熱エネルギ、または機関の外部から導入する熱エネルギを前記内圧機関の動作媒体である循環ガスの加熱、膨張用に利用することを特徴とする、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記内燃機関部が、ジーゼルサイクル、オットーサイクルのいずれかにより動作する、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。
前記循環するガスが、炭酸ガス、窒素、アルゴンのいずれかである、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。
複数の気筒から構成される循環ガスハイブリッド機関において、前記複数の気筒の内の少なくとも１つが、請求項１から請求項６のいずれか一に記載された循環ガスハイブリッド機関である循環ガスハイブリッド機関。
動力源の発生する駆動力を車軸に伝達して車輪を回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両、もとくは動力源により生み出される電力によりモータを回転駆動させ、これにより走行推進力を得る車両において、前記動力源が請求項１から請求項７のいずれか一に記載の循環ガスハイブリッド機関であることを特徴とする車両。