JP3770324B2

JP3770324B2 - 熱気式外燃機関

Info

Publication number: JP3770324B2
Application number: JP2003196776A
Authority: JP
Inventors: 孝二金丸
Original assignee: 孝二金丸
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: JP2005002976A

Description

【０００１】
【従来の技術と問題点】
近年、地球環境に対する意識の向上により、熱源を選ばず低騒音で、排気に汚染物質の少ない外燃機関が注目されており、この外燃機関の代表として、スターリングエンジンの開発が進められている。スターリングエンジンはシリンダ容積変化の比率に関わらず作動流体の温度比を最大限に利用でき、常に最高の熱効率を実現できる可能性がある反面、以下にしめす欠点もある。
・図７のように、スターリングエンジンではカルノーサイクルに近づけるため再生器（蓄熱器）を使用しているが、再生器の効率は完全ではないため、高温側から低温側へ熱が筒抜ける。
・再生器が作動流体の移動時の抵抗となる。
・シリンダ全体を一定の温度に保つ構造が難しく、また熱を作動流体に効率的に伝えにくい。
・死容積があることにより、作動流体全体の温度変化が平均化され、温度比が縮退し熱効率が低下する。
・図８（ａ）はカルノーサイクルのＴ−Ｓ線図を、図８（ｂ）はスターリングサイクルのＴ−Ｓ線図をしめす。スターリングサイクルにおける作動流体の最高温度，最低温度は、カルノーサイクルと同じくＴｈ，Ｔｃであるが、サイクルの軌道が曲線化されることにより、高温の代表値がＴｈ（ｓ）に下がり低温がＴｃ（ｓ）に上がってしまい、スターリングサイクルの熱効率はカルノーサイクルで示される熱効率（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｔｈの０．８倍程度までしか上がらない。
このように、スターリングエンジンは現実的には作りにくく熱効率を上げにくいため、より実現性の高い外燃機関の開発が必要である。
【０００２】
【本発明の構成と作用】
本発明の構成を図１にしめす。
本発明では、圧縮側シリンダ１と膨張側シリンダ２の間を、加熱器３を含む流路と冷却器４を含む流路の２つの流路によって接続し、遮断／切替弁５によって両シリンダにいずれかの流路を接続または両方の流路を切り離すようにして、内部には作動流体を充填する。
本発明の動作を図２（ａ）に、そのＴ−Ｓ線図を図２（ｂ）にしめす。
まず圧縮側シリンダ１と両方の流路を切り離し、ピストンを動かして断熱圧縮をおこなう。このとき作動流体の温度はＴｈａとなる。
次に圧縮側シリンダ１，膨張側シリンダ２と加熱器３を含む流路を接続し、ピストンを動かして作動流体を圧縮側シリンダ１から膨張側シリンダ２に移動させるとともに加熱をおこなう。加熱後の温度はＴｈｂであり、圧縮側シリンダ１と膨張側シリンダ２の容積比をＴｈａ：Ｔｈｂにすることにより、作動流体の移動加熱は等圧膨張となる。エントロピーの変化ΔＳはｌｎ（Ｔｈｂ／Ｔｈａ）に比例するが、この等圧膨張での温度比が小さいためＴ−Ｓ線図に直線にてしめす。さらに膨張側シリンダ２と両方の流路を切り離し、ピストンを動かして断熱膨張をおこなう。このとき作動流体の温度はＴｃｂとなる。
最後に圧縮側シリンダ１，膨張側シリンダ２と冷却器４を含む流路を接続し、ピストンを動かして作動流体を膨張側シリンダ２から圧縮側シリンダ１に移動させるとともに冷却をおこなう。このときの状態変化は等圧圧縮となる。
【０００３】
本発明の具体例として温度，容積変化比を設定し、図３（ａ）にＴ−Ｓ線図をしめす。
環境への影響を考慮し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が少なくなるよう、作動流体の最高温度を１６００°Ｋとし、燃焼温度もそれに準ずる。
熱効率はｂ／（ａ＋ｂ）で表され、本例の場合、１０００÷１４００＝０．７１４となり、Ｔｈ＝１６００°Ｋ，Ｔｃ＝４００°Ｋとしたときのカルノーサイクルの熱効率０．７５に対して、その０．９５倍と非常に近い値となる。
本例での等圧変化時の容積変化比は温度比に同じく、１６００÷１４００＝１．１４倍、作動流体にヘリウム（Ｈｅ）を使った場合、断熱変化時の温度比が１４００÷４００＝３．５倍なので、容積変化比は６．５倍、圧力比は２２．８倍となり、Ｐ−Ｖ線図は図３（ｂ）のようになる。
図４に加速時の作動流体の温度，出力の変化をしめす。
本発明も従来のレシプロエンジンと同様に、アクセルにより速度，出力の調整をおこなう。
定常時は断熱，等圧変化比に適した空燃比による燃焼温度で燃焼をおこない、作動流体の最高温度も適正なものとなる。
アクセルをかけることにより燃料が増加し燃焼温度が上昇すると、容積変化比は一定であるため熱効率は変化しないが、１回転当たりの出力は増大し加速をおこなう。
アクセルを戻すことにより、１回転当たりの出力は定常時に戻るが、回転数が上昇しているので仕事率は増大している。
【０００４】
図５に本発明の実施例の構成をしめす。
図５（ａ）のように、本発明の基本構成である圧縮側シリンダ１，膨張側シリンダ２，加熱器３，冷却器４および遮断／切替弁５をまとめて１ユニットとし、そのユニットを図５（ｂ）のように円筒カムの軸を囲むように配置し、円筒カムにはピストンの駆動用等の溝を設ける。ユニットをカムに対して対向配置することにより、振動を相殺するとともにカム軸にかかる応力を最小にする。
加熱器３，冷却器４は向流形の熱交換器であり、流体の移動加熱のときのみ燃焼ガスが加熱器３に供給されるよう、カムによって駆動されるシャッターが設けられている。
図６にカム曲線の展開図をしめす。
各工程に対応して圧縮側シリンダ１，膨張側シリンダ２の容積が変わるよう、ピストンが移動する。
遮断／切替弁５の操作により両方のシリンダは、移動加熱時には加熱器３を含む流路に接続、移動冷却時には冷却器４を含む流路に接続され、断熱変化時には遮断／切替弁５は中立となり、どちらの流路からも切り離される。
シャッターは移動加熱のときのみ開くが、加熱器３自体を温める時間を考慮し、移動加熱に先行して開くようにしている。
また一定の回転速度の中で、加熱，冷却にかかる時間に合わせ、カム曲線を適正に設計することができる。
【０００５】
【本発明の効果】
本発明は断熱変化や等圧変化時の温度比が固定されるため、熱源の温度が最適な温度を外したときには、その温度における最大熱効率を実現できず、排気中に無駄な熱を放出することになるが、排気熱は従来のタービン機関と同様に吸気あたためにより回生でき、無駄を最小限に抑えることができる。
本発明の特長を以下にしめす。
・１つ１つの状態変化を的確に再現することにより、カルノーサイクルの理論値に近い熱効率を実現できる。また挙動がつかみやすく理解しやすい。
・再生器が不要であり、熱の筒抜けの問題がなく、作動流体の抵抗も低減する。・移動加熱が等圧変化であるため、シリンダ内と流路内の圧力が等しくなり、弁開放時に流体の噴出音が出ることがなく、静音性が高い。
・断熱変化工程では、シリンダが流路から完全に切り離されるため、シリンダ内では断熱変化が確実におこなわれ、流路が死容積となることがない。よって流路の長さ，容積の許容範囲が広く、加熱器，冷却器のレイアウトの自由度が高い。・シリンダを加熱，冷却する必要がなく、熱交換機が死容積になることもないので、熱交換機構造の選択範囲が広がり、効率の高い熱交換器を使用できる。
以上のように、本発明によれば熱効率が高く実現性の高い外燃機関を作ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成図である。
【図２】本発明の動作図である。
【図３】本発明の状態変化の具体例である。
【図４】本発明の状態変化の比較図である。
【図５】本発明の実施例の構成図である。
【図６】本発明の実施例の構成図である。
【図７】従来の方式の構成図である。
【図８】従来の方式の状態変化図である。
【符号の説明】
１．圧縮側シリンダ
２．膨張側シリンダ
３．加熱器
４．冷却器
５．遮断／切替弁

Claims

密封された流体を外部から加熱，冷却し力に変換する外燃機関において、圧縮側シリンダ１と膨張側シリンダ２の間に加熱器３と冷却器４を並列に接続し、各シリンダと加熱器３，冷却器４の間を流路の遮断／切替弁５によって加熱時と冷却時の流路を変え、流体の移動時に加熱または冷却をおこない、各シリンダ内においては断熱変化をおこなうことを特徴とする外燃機関。
カム曲線によって圧縮側シリンダ１，膨張側シリンダ２内のピストンを駆動しブレイトンサイクルを実現する範囲１の外燃機関。
流体の移動加熱をおこなうときのみ加熱器３に熱を供給するよう、燃焼ガスを制御するシャッターを有する範囲１の外燃機関。