JP4549142B2 - engine - Google Patents
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Description
本発明は、水等の液体を燃料として用いることができる極めてクリーンなエンジンに関するものである。 The present invention relates to an extremely clean engine that can use a liquid such as water as a fuel.
従来から、機械的な動力を生み出すエンジンとしては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関が主流として用いられてきた。これらの内燃機関は主として石油系の燃料を燃焼させて機械的動力にエネルギー変換するものであるため、NOX等の排出による大気汚染や、CO2の排出による温暖化等の環境汚染が問題となっている。 Conventionally, an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine has been mainly used as an engine for generating mechanical power. Since these internal combustion engines is to primarily energy conversion into mechanical power by burning a fuel oil system, air pollution due to discharge of NO X, and environmental pollution problems warming due emission of CO 2 It has become.
そこで、燃料に水蒸気を混合して燃費を向上するエンジンとして下記の特許文献1記載の内燃機関が開示されている。また、水を水蒸気爆発させるエンジンとして下記の特許文献2に記載のエンジンが開示されている。
しかしながら、上記特許文献1記載の内燃機関は、基本的にはガソリン燃料を燃焼させるものであるため、水蒸気を利用することにより燃費の向上等は期待できるが、NOXやCO2等の汚染ガスを排出するものであることに変わりはない。また、上記特許文献2記載のエンジンは、水を蒸発させるための加熱手段として太陽光を利用したものであるが、エネルギー源としての太陽光は天候や気候に影響されやすく、安定した動作を確保し難いという問題があるほか、水を水蒸気爆発させて機械的動力を得るためのエネルギー源としての実現性にも疑問が残る。
However, since the internal combustion engine described in
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、比較的簡単な装置で水等の液体を燃料として機械的動力を得ることができる極めてクリーンなエンジンの提供をその目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an extremely clean engine capable of obtaining mechanical power using a liquid such as water as fuel with a relatively simple device.
上記目的を達成するため、本発明のエンジンは、内部に膨張室となる空間を有するシリンダおよびピストンと、上記膨張室内において局部加熱を行う局部加熱手段と、上記局部加熱手段の局部加熱部に対して液体を供給する液体供給ノズルと、上記膨張室から液体を排出するドレン部とを備え、上記局部加熱手段は、高透磁性の絶縁物質からなる芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、導電性の局部加熱部材を存在させたものであることを要旨とする。
In order to achieve the above object, an engine of the present invention has a cylinder and a piston having a space serving as an expansion chamber inside, a local heating means for performing local heating in the expansion chamber, and a local heating portion of the local heating means. A liquid supply nozzle for supplying the liquid and a drain portion for discharging the liquid from the expansion chamber, and the local heating means is a coil in which a high-frequency current is applied to a core member made of a highly permeable insulating material . wound, an end portion of the core member, is summarized in that a conductive local heating member is obtained by present.
本発明のエンジンは、局部加熱手段は、高透磁性の絶縁物質からなる芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、上記導電性の局部加熱部材を存在させたものであることから、上記コイルに高周波電流が印加されると、コイルの周囲には、右ねじの法則に従ってコイルの中心を長手方向に通過する磁界が発生する。上記磁界はコイルの中心に存在する高透磁性の芯部材を通過し、磁束が芯部材に集中する。そして、芯部材の端部に存在させた導電性の局部加熱部材に対して芯部材に集中した磁束の磁界が作用し、強力な電磁誘導作用が生じて高温に局部加熱される。このとき、芯部材が高透磁性であることから、誘導電流に反発する磁性を帯びにくいため、エネルギー効率が高く、高温の局部加熱が実現する。
Engine according to the present invention, the local heating means is a coil through which a high-frequency current is applied is wound on a core member made of an insulating material high permeability, the end of the core member, the electrically conductive local heating member Therefore, when a high-frequency current is applied to the coil, a magnetic field that passes through the center of the coil in the longitudinal direction is generated around the coil according to the right-handed screw law. The magnetic field passes through the highly permeable core member present at the center of the coil, and the magnetic flux is concentrated on the core member. And the magnetic field of the magnetic flux concentrated on the core member acts on the conductive local heating member that exists at the end of the core member, and a strong electromagnetic induction effect is generated to locally heat to a high temperature. At this time, since the core member is highly permeable, it is difficult to have magnetism repelling the induced current, so that energy efficiency is high and high-temperature local heating is realized.
このように、高温に加熱された局部加熱部材に対して液体が供給されることにより、膨張室内で液体が急激に蒸発して膨張し、ピストンを往復運動させて回転動力等を得ることができる。すなわち、膨張室が最も縮小する付近にピストンが移動した時点で液体を局部加熱部材に供給すると、液体が急激に加熱されて蒸発・膨張し、膨張室が拡大する方向にピストンが押される。膨張室が最も拡大した時点を過ぎて再び膨張室が最も縮小する付近にピストンが移動した時点で液体を局部加熱部材に供給すると、液体が急激に加熱されて蒸発・膨張し、膨張室が拡大する方向にピストンが押される。これを繰り返すことにより、ピストンの往復運動とクランクの回転との動力を得ることができるのである。そして、急激に膨張して発生した蒸気はドレン部から排出される。
また、上記芯部材を透磁率の高い絶縁物質から形成し、上記芯部材の端部に導電性の局部加熱部材を存在させたため、上記芯部材が絶縁性であることから誘導加熱されることはないため、エネルギー効率が高く、端部に配置した導電性の局部加熱部材に対して磁束が集中して作用するため、極めて高温の局部加熱が実現する。したがって、極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかもランニングコストの低いエンジンとなる。
Thus, by the liquid is supplied to the local heating member which is heated to a high temperature, the liquid in the expansion chamber to expand rapidly evaporate, to obtain the rotational power or the like of the piston is reciprocated it can. That is, when the piston in the vicinity of the expansion chamber is reduced most supplying liquid to local heating member at the time of the movement, the liquid evaporates and expansion is rapidly heated, the piston is pressed in a direction to expand the expansion chamber. When the piston in the vicinity again expansion chamber past the time when the expansion chamber is the most expanded is most shrink supplying liquid to local heating member at the time of the move, is evaporated and expansion is rapidly heated liquid, the expansion chamber The piston is pushed in the direction of expansion. By repeating this, the power of the reciprocating motion of the piston and the rotation of the crank can be obtained. And the vapor | steam which generate | occur | produced by expanding rapidly is discharged | emitted from a drain part.
In addition, since the core member is formed of an insulating material having a high magnetic permeability and a conductive local heating member is present at the end of the core member, induction heating is performed because the core member is insulative. Therefore, the energy efficiency is high, and the magnetic flux concentrates on the conductive local heating member disposed at the end, so that extremely high temperature local heating is realized. Therefore, by performing local heating with extremely high energy efficiency, an engine with a simple apparatus and low running cost is obtained.
そして、供給する液体として水を用いることにより、水の供給だけで動力を得ることが可能となり、石油系の燃料を燃焼させたときのような汚染ガスの排出は皆無となり、極めてクリーンに動力を得ることができる。また、高透磁性の芯部材にコイルを巻回して芯部材端部の導電性部材を加熱するという極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかもランニングコストの低いエンジンとなる。 By using water as the liquid to be supplied, it becomes possible to obtain power by supplying water alone, and there is no emission of pollutant gases when burning petroleum-based fuel. Obtainable. In addition, a highly energy-efficient local heating, in which a coil is wound around a highly permeable core member to heat the conductive member at the end of the core member, makes the engine simple and low in running cost. .
本発明において、上記噴射ノズルは、ノズル開口を備えた圧力室に、電気信号に対応して内部の液体を加圧する圧電素子または発熱素子を設け、電気信号に応じて液体を噴射させるものである場合には、
例えば、回転検知装置で検知した回転数およびピストン位置に対応して適切なタイミングで電気信号を入力することにより、適切なタイミングで水を噴射することができる。また、例えば、出力調整手段の操作に応じて入力する電気信号を制御し、加熱による気泡発生量や圧電素子の変形量を調節して1ショットに噴射する水の噴射量を制御することができる。
本発明において、噴射ノズルから1ショットに噴射する液体の量を調整する出力調整手段を備え、1ショットに噴射する液体の量を増減することにより回転数を調整するように構成された場合には、
1ショットに噴射する水の量を多くし、気化して膨張する水蒸気の圧力を高くしてエンジンの回転数を高くし、反対に、1ショットに噴射する水の量を少なくし、気化して膨張する水蒸気の圧力を低くしてエンジンの回転数を低くすることができる。
In the present invention, the ejection nozzle is provided with a piezoelectric element or a heating element that pressurizes an internal liquid in response to an electrical signal in a pressure chamber having a nozzle opening, and ejects the liquid in accordance with the electrical signal. in case of,
For example, water can be injected at an appropriate timing by inputting an electrical signal at an appropriate timing corresponding to the rotation speed and the piston position detected by the rotation detection device. In addition, for example, it is possible to control the amount of water sprayed in one shot by controlling the electric signal input according to the operation of the output adjusting means and adjusting the amount of bubble generation due to heating and the amount of deformation of the piezoelectric element. .
In the present invention, when it is configured to adjust the rotational speed by increasing / decreasing the amount of liquid ejected to one shot, provided with output adjusting means for adjusting the amount of liquid ejected to one shot from the ejection nozzle ,
Increase the amount of water injected in one shot, increase the pressure of water vapor that expands by vaporization, increase the engine speed, and conversely reduce the amount of water injected in one shot and vaporize The engine speed can be lowered by lowering the pressure of the expanding water vapor.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明のエンジンの構造を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing the structure of the engine of the present invention.
このエンジンは、内部に膨張室1となる空間を有するシリンダ2およびピストン3と、上記膨張室1内において局部加熱を行う局部加熱装置4と、上記局部加熱装置4の局部加熱部7に対して液体を供給する噴射ノズル(液体供給ノズル)5と、上記膨張室1から液体を排出する排出路(ドレン部)6とを備えている。
This engine has a
より詳しく説明すると、上記シリンダ2は、シリンダヘッド8とシリンダブロック9とから構成されている。上記シリンダブロック9にはピストン3がスライド自在に嵌挿されている。上記シリンダ2の外周にはピストンリング10が嵌め込まれており、シリンダブロック9との摺接部がシールされながらピストン3がシリンダ2内を摺動するようになっている。上記ピストン3はピストンピン11およびピストンロッド12によりクランク軸19(図示せず、図3参照)と接続されている。
More specifically, the
そして、上記シリンダ2にピストン3が挿入された状態で内部に膨張室1となる空間が形成されている。この状態で、上記シリンダ2およびピストン3は、ピストン3の往復方向が略水平になるように横置き配置されている。
And the space used as the
上記シリンダヘッド8には、局部加熱装置4が膨張室1内に突出するように取り付けられている。上記局部加熱装置4は、図2に示すように、高透磁性の絶縁物質から形成された芯部材13に高周波電流が印加されるコイル14が巻回され、上記芯部材13の両端部に、上記局部加熱部としての導電性部材7が配置されて構成されている。
A
上記芯部材13は、透磁率が高い絶縁物質から形成することが好ましい。例えば、酸化物系の高透磁率材料であるMn−ZnフェライトやNi−Znフェライトのような軟フェライト材料が好適に用いられる。
The
上記芯部材13には、高周波電流が印加されるコイル14が巻回されている。上記コイル14には、高周波電源23が接続されている。また、上記芯部材13の両端部近傍には、局部加熱部材としての導電性部材7が配置されている。上記導電性部材7は、絶縁性のセラミックス等の絶縁材料から形成された支持部材15を介してシリンダヘッド8に固定されている。
A
このような構成により、上記コイル14に高周波電流が印加されると、コイル14の周囲には、右ねじの法則に従ってコイル14の中心を長手方向に通過する磁界が発生する。(図2参照)上記磁界はコイルの中心に存在する高透磁性の芯部材13を通過し、磁束が芯部材13に集中する。そして、芯部材13の端部に存在させた導電性部材7に対して芯部材13に集中した磁束の磁界が作用し、強力な電磁誘導作用が生じて上記導電性部材7は極めて高温に局部加熱される。
With such a configuration, when a high frequency current is applied to the
このとき、芯部材13が高透磁性であることから、誘導電流に反発する磁性を帯びにくいため、エネルギー効率が高く、高温の局部加熱が実現する。また、上記芯部材13を透磁率の高い絶縁物質から形成し、上記芯部材13の端部に導電性部材7を配置することにより、上記芯部材13が絶縁性であることから芯部材13自体が誘導加熱されることはないため、エネルギー効率が高く、端部に配置した導電性部材7に対して磁束が集中して作用するため、極めて高温の局部加熱が実現する。
At this time, since the
上記導電性部材7としては、高温に耐える材質であることが好ましく、耐熱合金や導電性のセラミックス材料,炭素材料等を用いることができる。また、SiC等の半導体を用いることもできる。
The
また、図1および図2に示した局部加熱装置4は、芯部材13を高透磁性の絶縁材料から形成し、芯部材13の端部近傍に導電性部材7を配置したが、上記芯部材13として
透磁率の高い導電材料を用いることもできる。例えば、純鉄,ケイ素鋼,パーマロイ,センダスト,パーミンバール,イソパーム,パーメンジュール,フェライト等をあげることができる。この場合には、芯部材13の端部に導電性部材を配置してもよいし、芯部材13自体の端部を延長してそこを導電部として加熱してもよい。
In the
上記シリンダヘッド8には、上記局部加熱部としての導電性部材に対して水を噴射する噴射ノズル5が取り付けられている。そして、局部加熱された導電性部材に対して水を噴射させることにより、噴射された水が局部加熱部と接触して瞬時に気化し、水蒸気爆発を起して膨張する。この膨張の際の圧力によりピストン3を往復運動させて動力を得るのである。
The
一方、上記シリンダブロック9には、噴射ノズル5から噴射されて膨張した水蒸気を排出する排出路6が形成されている。この排出路6からは噴射された水が気化した水蒸気と、噴射されミスト状の水が浮遊して集まったり、一旦気化した水蒸気が凝縮した液状の水も排出される。したがって、上記排出路6は、液状の水がスムーズに排出されるよう、横置き配置されたピストン3の下側に位置するように設けられている。また、液状の水が排出路6に流れ込みやすいように、排出路6のシリンダ2内部側の開口部には漏斗状の傾斜面17が形成されている。また、上記排出路6には、排出路6を開閉する弁16が設けられている。
On the other hand, the
図3は、上記エンジンの制御系統を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing a control system of the engine.
このエンジンは、ピストン3の往復運動がクランク18を介して回転運動に変換されたクランク軸19の上記回転を検知する回転検知装置20を備えている。上記回転検知装置は、近接センサや光センサ等のセンサを利用してクランク軸の単位時間あたりの回転数を検知する回転数検知手段として機能する。また、この回転検知装置20は、回転するクランク軸の位相を検知する位相検知手段としても機能する。すなわち、上記回転検知装置20は、クランク軸19の位相に対応し、往復運動しているピストン3が上死点から下死点の間のどの位置にあるかを検知するピストン位置の検知手段としても機能する。
The engine includes a
なお、以下の説明では、最も膨張室1が縮小されるピストン3の位置を「上死点」といい、最も膨張室1が拡大されるピストン3の位置を「下死点」という。したがって、実際のピストンの往復動作は略水平方向であるが、説明の便宜上、ピストン3が上死点に向かって移動する動きを「上昇」といい、反対にピストン3が下死点に向かって移動する動きを「下降」ということにする。
In the following description, the position of the
また、このエンジンは、上記回転検知装置20で検知された回転数とピストン位置に応じて、所定タイミングで噴射ノズル5から水を噴射させる噴射制御装置22を備えている。上記噴射制御装置22による水を噴射させるタイミングは、具体的には、図4に示すように、ピストン3が上昇して上死点に達してこの上死点を通過して下降を開始したタイミングである。このタイミングで噴射ノズル5から局部加熱部7に対して水を噴射することにより、水が瞬時に気化して膨張するのである。
In addition, the engine includes an
また、このエンジンは、所定タイミングで噴射ノズル5から噴射させる水の量を調節する出力調整手段24を備えている。この出力調整手段24の操作により、噴射制御装置22は、噴射ノズル5から1ショットに噴射する水の噴射量を制御するようになっている。
The engine also includes output adjusting means 24 that adjusts the amount of water to be injected from the
ここで、上記噴射ノズル5としては、電気信号に応じて水を噴射させるものを好適に用いることができる。具体的には、ノズル開口26を備えた圧力室27に、電気信号に対応して内部の水を加圧する圧電素子28を設けた噴射ノズル5を用いることができる。図において、31は圧力室27に水を供給する供給路、30は多数の小孔29が穿設されてゴミをろ過するフィルタであり、圧力室27に所定の圧力が発生するよう流路抵抗を付与するオリフィスとしても機能する。この噴射ノズル5では、電気信号に対応して圧電素子28を変形させ、圧力室27内部を圧電素子28の変形により加圧し、圧力室27内の水をノズル開口26から噴射するのである。
Here, as the
また、図5(b)に示すように、ノズル開口26を備えた圧力室27に、電気信号に対応して内部の水を瞬時に煮沸させて気泡を発生させる発熱素子32を設けた噴射ノズル5を用いることができる。この噴射ノズル5では、電気信号に対応して圧力室27内部の水を瞬時に煮沸して気泡を発生させ、圧力室27内部を気泡により加圧し、圧力室27内の水をノズル開口26から噴射するのである。なお、図5(a)(b)には、圧電素子28および発熱素子32に電気信号を印加する信号ケーブルは図示していない。
Further, as shown in FIG. 5 (b), a spray nozzle provided with a
これらの噴射ノズル5によれば、回転検知装置20で検知した回転数およびピストン位置に対応して適切なタイミングで電気信号を入力することにより、適切なタイミングで水を噴射することができる。また、出力調整手段24の操作に応じて入力する電気信号を制御し、加熱による気泡発生量や圧電素子の変形量を調節して1ショットに噴射する水の噴射量を制御することができる。
According to these
また、このエンジンは、上記回転検知装置20で検知された回転数とピストン位置に応じて、所定タイミングで排出路6の弁16を開閉する弁制御装置21を備えている。上記弁制御装置21による弁16を開閉させるタイミングは、具体的には、図4に示すように、ピストン3が上昇して上死点に達したときに閉弁し、ピストン3が下降して下死点に達したときに開弁するタイミングである。
In addition, the engine includes a
このような構成のエンジンは、例えば、つぎのようにして動作する。 The engine having such a configuration operates, for example, as follows.
ピストン3がシリンダ2内を上昇して上死点に達した状態を初期状態として説明する。この初期状態では、ピストン3が上昇して上死点に達し、排出路6の弁16は閉弁された状態である(図4参照)。予め局部加熱装置4のコイル14に高周波電流を印加し、局部加熱部7を加熱しておき、上記初期状態から、図6(a)に示すように、少しピストン3が下降したタイミングで噴射ノズル5から水を噴射する。
A state in which the
膨張室1が最も縮小する上死点を少し通過した付近にピストンが移動した時点で噴射ノズル5から局部加熱部7に対して水が噴射されると、図6(b)に示すように、噴射された水が瞬時に気化して密閉状態の膨張室1内で膨張し、膨張室1が拡大する方向にピストン3を押し下げる(膨張工程)。
When water is injected from the
ついで、図6(c)に示すように、ピストン3が下死点に達したタイミングで、排出路6の弁16を開弁し、慣性力でクランク軸19が回転し、膨張室1が最も拡大した下死点を過ぎてピストン3が再び上昇を始めると、図6(d)に示すように、膨張室1内に充満した水蒸気がピストン3に押されて排出路6から排出される(排気工程)。このとき、上記排出路6からは噴射された水が気化した水蒸気だけでなく、噴射ノズル5から噴射されてミスト状に浮遊して集まったり、一旦気化した水蒸気が冷却されて凝縮した液状の水も排出される。
Next, as shown in FIG. 6 (c), when the
つぎに、再び膨張室1が最も縮小する上死点にピストン3が移動したタイミングで排出路6の弁16を閉弁し、膨張室1を密閉状態にする。そして、上死点を少し通過した付近にピストンが移動した時点で噴射ノズル5から局部加熱部7に対して水を噴射すると、噴射された水が密閉状態の膨張室1内で瞬時に気化・膨張し、膨張室1が拡大する方向にピストン3を押し下げる(膨張工程)。これを繰り返すことにより、ピストン3の往復運動とクランク軸19の回転との動力を得ることができるのである。
Next, the
そして、出力調整手段24の操作によって噴射ノズル5から1ショットに噴射する水の量を調整することにより、回転数を調整することができるのである。すなわち、1ショットに噴射する水の量を多くすると、気化して膨張する水蒸気の圧力が高くなるため、エンジンの回転数は高くなる。反対に、1ショットに噴射する水の量を少なくすると、気化して膨張する水蒸気の圧力が低くなるため、エンジンの回転数は低くなる。
The rotational speed can be adjusted by adjusting the amount of water sprayed from the
このように、供給する液体として水を用いることにより、水の供給だけで動力を得ることが可能となり、石油系の燃料を燃焼させたときのような汚染ガスの排出は皆無となり、極めてクリーンに動力を得ることができる。また、高透磁性の芯部材13にコイル14を巻回して芯部材13端部の導電性部材7を加熱するという極めてエネルギー効率のよい局部加熱を行うことにより、簡単な装置でしかも低いランニングコストで動力を得られるエンジンとなる。
In this way, by using water as the liquid to be supplied, it becomes possible to obtain power only by supplying water, and there is no emission of pollutant gases when burning petroleum fuel, making it extremely clean. Power can be obtained. Further, by performing local heating with extremely high energy efficiency by winding the
上記実施例では、局部加熱装置4は、芯部材13の両端部に局部加熱部としての導電性部材7を配置したが、芯部材13の一端部だけに局部加熱部としての導電性部材7を配置してもよい。このようにすることにより、局部加熱のエネルギー効率が高くなり、より効率的に動力を得ることができるようになる。また、上記実施例では、いわゆる単気筒タイプの場合を例にとって説明したが、同様のシリンダを複数並設し、2気筒以上のマルチタイプとすることもできる。
In the above embodiment, the
本発明は、自動車等の車両用エンジンだけでなく、モーターボート、船舶、農業機械、鉄道車両等、各種分野のエンジンとして用いることができる。 The present invention can be used not only as an engine for vehicles such as automobiles but also as an engine for various fields such as motor boats, ships, agricultural machines, and railway vehicles.
1 膨張室
2 シリンダ
3 ピストン
4 局部加熱装置
5 噴射ノズル
6 排出路
7 局部加熱部,導電性部材
8 シリンダヘッド
9 シリンダブロック
10 ピストンリング
11 ピストンピン
12 ピストンロッド
13 芯部材
14 コイル
15 支持部材
16 弁
17 傾斜面
18 クランク
19 クランク軸
20 回転検知装置
21 弁制御装置
22 噴射制御装置
23 高周波電源
24 出力調整手段
26 ノズル開口
27 圧力室
28 圧電素子
29 小孔
30 フィルタ
31 供給路
32 発熱素子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記局部加熱手段は、高透磁性の絶縁物質からなる芯部材に高周波電流が印加されるコイルが巻回され、上記芯部材の端部に、導電性の局部加熱部材を存在させたものであることを特徴とするエンジン。 A cylinder and a piston having a space serving as an expansion chamber inside, a local heating means for performing local heating in the expansion chamber, a liquid supply nozzle for supplying a liquid to the local heating portion of the local heating means, and the expansion chamber A drain portion for discharging liquid from
It said local heating means, a coil through which a high-frequency current is applied is wound on a core member made of an insulating material high permeability, the end of the core member, in which a conductive local heating member was present An engine characterized by being.
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