JP5002721B1 - 動作気体発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作気体を動力源とする動力装置に動作気体を供給する動作気体発生装置を提供する。
【解決手段】本発明の動作気体発生装置は、動作気体を動力源とする装置に動作気体を供給するための装置であって、シリンダヘッドと、シリンダとハウジングケースとから成るシリンダブロックと、ピストンとコンロッドと回転ローターとから成るクランク伝達機構で構成され、ピストンとコンロッドと回転ローターの連結位置と、回転ローターの軸芯位置が上死点付近で直線状となる位置から膨張行程側に10〜25度進角した位置で点火し、燃焼室形成（圧縮）工程と、点火工程と、爆発・膨張行程と、掃気工程とを、ピストンが一往復サイクルで完了する構成とした手段を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作気体を動力源とする動力装置に動作気体を供給する動作気体発生装置に関し、詳しくは、燃焼室内で燃料と空気を圧縮噴射し、これに所定条件下において混合気に点火し、燃焼による膨張力でピストンを往復運動させることで、該ピストンを作動弁としての機能を果たさせることを目的とした動作気体発生装置に関する。

燃料を機関内部で燃焼させ、発生する熱エネルギーを機械的エネルギーに変換して動力を得る内燃機関は、基本サイクルによってオットーサイクル、ディーゼルサイクル、サバティサイクルに分けられ、点火方式によって電気火花点火、圧縮点火、焼玉点火に分けられ、吸排気方式によって４サイクル、２サイクルに分けられ、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの基本的な作動原理として広く認識されている。

上記のガソリンエンジンは、電気による火花を用いて点火する火花点火内燃機関や火花点火エンジンとも呼ばれるもので、主に、吸気・圧縮・点火（膨張）・排気の４つの工程をピストン２往復で終了する４ストロークエンジンと、前記4つの工程（吸排気同時の掃気）を一往復で終了する２ストロークエンジンとがあり、いずれも膨張現象がシリンダ内において、混合気の体積が最小となる付近で短時間に一気に行われ、燃焼容積がほぼ一定であることから定積燃焼サイクル、又はオットーサイクルと呼ばれるものである。その特徴は、排気量あたりの出力が大きく、また高速回転による運転も容易で、振動や騒音が少なく静寂性に優れていることから、主な用途としては乗用車、小型商業車、自動二輪車、小型船外機、小型作業機械などに広く利用されている。

他方、ディーゼルエンジンは、ピストンによって空気を圧縮し、シリンダ内の高温空気に燃料を噴射することで自己着火させるもので、ガソリンエンジン同様に、４ストロークエンジンと、２ストロークエンジンがある。但し、ディーゼルエンジンでは、火炎伝播速度がガソリンに比べて遅く、より低速のものがディーゼルサイクル（等圧サイクル）と呼ばれ、高速のものはサバテサイクル（複合サイクル）と呼ばれる。ディーゼルエンジンは内燃機関の中でも熱効率に優れ、低精製の燃料でも使用できて燃費が良い反面、シリンダ内の圧縮比が高くなることでエンジンの機械的強度が要求されることによって部品は重く嵩張り、部品コストも掛かる上、可動部重量部による機械的運動エネルギーの損失も大きくなるもので、さらにガソリンエンジンと比べると重量当たりの出力馬力ならびにトルクが低く、高回転が難しいことから馬力を高くすることができないものである。

従来からも、上記のサイクル方式、点火方式、吸気方式の組み合わせや改良によって燃焼効率を上げようとする数多くの内燃機関の提案がなされている。例えば、４サイクルエンジンのシリンダに、下死点時付近で開口する開口部を設け、開口部の外側に連接してロータリー弁などの弁および第二の吸気ポートを設け、燃焼室の上部に点火プラグを設け、下死点時のピストン上面に沿って空気がシリンダ内に流入する様に、第二の吸気ポートを設定し、しかも開口部の掃気工程の開口時に閉弁する様に、前記ロータリー弁などをする。この構成により、負圧のシリンダ内に、ピストン上面に沿って第二の吸気ポートから空気が流入する。すると、シリンダ内の上部に混合気層が、下部に空気層が層状に形成される「内燃機関装置」（特許文献１参照）が提案されている。

しかしながら、係る技術は、従来からの内燃機関同様に、圧縮工程における圧縮や吸気工程における吸気はピストンに行わせているものである。また、前述のガソリンエンジンやディーゼルエンジンを始め、上記の「内燃機関装置」（特許文献１）の内燃機関も、シリンダ内の爆発・膨張エネルギーをクランク機構で構成される機械的伝達機構によって回転軸に伝達する構造であるため、エネルギー変換による機械的損失等が大きく、熱効率でいうと、ガソリンで約２０％程度、ディ―ゼルでも約３０％程度しかない。

そこで、本出願人は、従来の内燃機関のようなシリンダ内の爆発・膨張エネルギーをクランク機構を介して出力軸として得るのではなく、混合気体の燃焼に伴う気体の膨張によって発生する気体の流れを、直接の動力源として利用できるのではないかという着想の下、内燃機関装置内で発生する爆発・膨張により発生した気体を、より効率よく排出させるためにはどのようにすればよいかという課題の下、熱効率に優れた「動作気体発生装置」の提案に至ったものである。

特開平７-２７９６７０号公報

本発明は、内燃機関装置内で混合気の爆発により発生した気体を、より効率よく発生・排出し、動作気体を動力源とする動力装置に、動作気体を供給する装置を提供しようとするものである。

本発明は、動作気体を動力源とする装置に動作気体を供給するための装置であって、シリンダヘッドと、シリンダと、ピストンと、コンロッドと、回転ローターと、ハウジングケースとから成り、前記シリンダヘッドには、燃料インジェクターとエアーインジェターと点火プラグとを備え、前記シリンダには、側壁下部の所定位置に動作気体掃気用マニホールドと側壁上部の所定位置に段差部とを備え、前記ピストンは、ピストンヘッドの形状が前記動作気体掃気用マニホールド側に向かって下方に傾斜するなだらかな曲面状に形成され、前記回転ローターは、軸芯が前記動作気体掃気用マニホールドと反対方向に所定距離だけオフセットするように前記ハウジングケースに内設され、前記ピストンと前記コンロッドと前記回転ローターの連結位置と、前記回転ローターの軸芯位置が上死点付近で直線状となる位置から爆発・膨張行程側に10〜25度進角した位置で点火し、燃焼室形成（圧縮）工程と点火工程と爆発・膨張行程と掃気工程とを、前記ピストンが一往復サイクルで完了する構成である手段を採る。

本発明に係る動作気体発生装置によれば、従来のシリンダ内の爆発・膨張エネルギーをクランク機構で構成される機械的伝達機構によって回転軸に伝達する手段ではなく、内燃機関装置内で発生する爆発・膨張による動力気体を直接の動作気体として供給するため、機械的伝達エネルギーへ返還し、これによって送風機等を駆動する装置に比べ、機械的損失が小さく、熱効率の高い動作気体を得ることができるという優れた効果を奏する。

また、本発明に係る動作気体発生装置によれば、タービンブレードに高速・高圧の動作気体を供給して、内燃機関の回転数と無関係に過給できるターボチャージャーを駆動することができるため、排気タービン式ターボチャージャー特有のターボラグのない過給を行わせることができるという優れた効果も奏し得る。

また、本発明に係る動作気体発生装置によれば、燃焼室の上方に設けられる燃料インジェクターとエアーインジェクターによって電子制御された燃料と圧縮空気を噴射させるため、種々のセンサーを用いて回転数や外気温度、或いは酸素濃度等といった諸条件から繊細な制御をさせて、より燃焼効率を上げることができるという優れた効果を奏し得る。

また、本発明に係る動作気体発生装置によれば、燃焼室の上方に設けられる燃料インジェクターにより燃料を燃焼室内に噴射するため、ガソリンの他にも、軽油、ＬＰＧ、天然ガス、水素、メタノールなどの火炎伝播速度の速い燃料であれば、使用することができるという優れた効果を奏すると共に、混合気を圧縮する工程がないので、発火温度の低い燃料を用いてもノッキングという内燃機関特有の問題が生じないという優れた効果を奏し得る。

また、本発明に係る動作気体発生装置によれば、シリンダ内の爆発・膨張エネルギーをクランク機構で構成される機械的伝達機構によって回転軸に伝達する構造を持たない構成であるため、往復運動を回転運動に変換するピストンと、コンロッドと、回転ローターがガソリンエンジンと比較して、重量、大きさ、剛性等の条件が高く要求されないことから、部品コスト低減ならびに可動部重量部による機械的運動エネルギーの損失が軽減できるという優れた効果を奏する。

本発明における動作気体発生装置の全体を示す模式的断面説明図である。（実施例１） 本発明における動作気体発生装置の燃焼室形成（圧縮）工程を示す模式的断面説明図である。 本発明における動作気体発生装置の点火工程を示す模式的断面説明図である。 本発明における動作気体発生装置の爆発・膨張行程を示す模式的断面説明図である。 本発明における動作気体発生装置の掃気工程を示す模式的断面説明図である。

本発明の動作気体発生装置は、動作気体を動力源とする装置に動作気体を供給するための装置であって、シリンダヘッドと、シリンダとハウジングケースとから成るシリンダブロックと、ピストンと、コンロッドと、クランクシャフト（以下、本書面中では回転ローターという）とから成るクランク伝達機構で構成され、ピストンとコンロッドと回転ローターの連結位置と、回転ローターの軸芯位置が上死点付近で直線状となる位置から膨張行程側に10〜25度進角した位置で点火し、燃焼室形成（圧縮）工程と、点火工程と、爆発・膨張行程と、掃気工程とを、ピストンが一往復サイクルで完了する構成としたことを最大の特徴とするもので、以下実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明における動作気体発生装置の全体を示す模式的断面説明図である。
本発明の動作気体発生装置１は、動作気体Ｋを動力源とする装置に動作気体Ｋを供給するための装置であって、シリンダヘッド１０と、シリンダ２０と、ハウジングケース６０とから成るシリンダブロックと、ピストン３０とコンロッド４０と回転ローター５０とから成るクランク伝達機構で構成される。

シリンダヘッド１０の燃焼室１１上部には、ガソリン等の燃料Ｎを霧化状態あるいは気化状態で電子制御噴射する燃料インジェクター１２と、コンプレッサー等で圧縮された空気Ｅを電子制御噴射するエアーインジェクター１３と、電気的点火する点火プラグ１４とを備えるものである。

燃料インジェクター１２は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から燃料噴射ポンプ（高圧フューエルポンプ）から送られてくる高圧の燃料Ｎをエアーインジェクター１３とのタイミングを計って電子制御噴射する筒内燃料噴射装置である。

エアーインジェクター１３は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から空気圧縮ポンプ（コンプレッサーポンプ）から送られてくる高圧の空気Ｅを電子制御によって噴射する筒内空気噴射装置である。

シリンダ２０は、側壁下部の所定位置に動作気体Ｋが排出される動作気体掃気用マニホールド２１と、段差部２２とを備えている。ガソリンや水素のような火炎伝播速度の速い燃料では膨張時間は瞬間的であり、ピストン３０はこの瞬間的な圧力変化による下向きの応力を十分に受ければよく、シリンダ２０内の密閉状態を確保するストローク量は図面に示すような、わずかな段差部２２があればよい。但し、点火のタイミングを10〜25度の範囲で進角θさせているため、実際の上死点においてピストンへッド３１が該段差部２２に衝突しないように、クリアランスＣを確保しておくことはいうまでもない。また、前記動作気体掃気用マニホールド２１の内部通路の上部開口位置は、前記したように、混合気の瞬間的な圧力変化による下向きの応力を十分に受け、ピストン３０が降下し始めてから開口するような位置関係に配置し、前記動作気体掃気用マニホールド２１の内部通路の底部開口位置は、ピストン３０が下死点において、ピストンヘッド３１のなだらかな傾斜面と、連続して繋がるような通路断面を形成するように位置させる。なお、シリンダー２０の冷却に関しては図示していないが、放熱板等のヒートシンクによる空令や水冷式などが考え得る。

ピストン３０は、ピストンヘッド３１の形状が動作気体掃気用マニホールド２１側に向かって下方に傾斜するなだらかな曲面状に形成され、コンロッド４０と回転ローター５０とから成るクランク伝達機構よって往復動することで、燃焼ガスを排出するための、言わば、バルブの役割を果たすものである。なお、本発明に係るピストン３０はシリンダー２０内で混合気を圧縮するものではないので、コンプレッションリングは不要である。但し、図示はしていないが、オイルリングについては必要に応じて設けることも有効である。

ピストンヘッド３１は、所謂天頂部が山形に盛り上がったコンベックスヘッドの変形した形状を有するもので、動作気体掃気用マニホールド２１側に向かって下方に傾斜するなだらかな曲面状に形成し、燃焼室１１の爆発・膨張エネルギーをそのなだらかな曲面で動作気体掃気用マニホールド２１に導く形状を有するものである。

コンロッド４０は、一端に、ピストン３０と連結するためのピストンピン挿入部となるスモールエンド４１を有し、他端には、回転ローター５０と連結するためのクランクピンにより挿入部となるビックエンド５１を設け、ピストン３０の往復運動を回転運動に変える役割を果たすものである。

回転ローター５０は、一般にクランクシャフトと呼ばれる動力伝達用の軸と同様の構成であるが、クランクシャフトという名称では出力軸という観念が強いため、本書面では前記の通り回転ローター５０としている。該回転ローター５０は、ハウジングケース６０内のジャーナル部にメタルやベアリング等を介して内設され、該ジャーナル部は、軸芯５２が動作気体掃気用マニホールド２１と反対方向に所定距離Ｒだけオフセットさせた（従来のクランクシャフトをピストンピンの中心位置から僅かにずらしたオフセットシリンダの様なもの）位置に設けられる。また、コンロッド４０との連結する外周円上の反対側に振動を防止するバランスウエイト５１を設け、ピストン３０やコンロッド４０の重量に係る慣性力と相殺させて振動を抑え、直線的な動作をしようとするピストン３０を滑らかな回転運動に変えるものである。なお、所定距離Ｒのオフセット量は、回転ローターの軸芯５２からコンロッド４０のビッグエンド４２の軸芯までの長さをＭとしたとき、距離Ｒは、長さＭにｓｉｎ25を乗じた値となる。

本発明における動作気体発生装置１は、燃焼室１１の爆発・膨張エネルギーを流動的な動作エネルギーとして利用しようとするもので、燃焼室１１の爆発・膨張エネルギーの一部によって駆動するピストン３０とコンロッド４０と回転ローター５０とから成るクランク伝達機構は、動力伝達機構として利用されるものではなく、動作気体Ｋを動作気体掃気用マニホールド２１に導く作動弁の役割を果たすことを目的として設けられるものである。

図２は、本発明における動作気体発生装置の燃焼室形成（圧縮）工程を示す模式的断面説明図である。
燃焼室形成（圧縮）工程は、燃焼室１１での爆発・膨張エネルギーの慣性によって回転ローター５０が上方に回転し、ピストンピンの位置にあるコンロッド４０のスモールエンド４１と回転ローター５０の外周面に位置するコンロッド４０のラージエンド４２と回転ローター５０の軸芯５２が直線状になる位置までピストン３０が上死点Ｈに向かってシリンダ２０内が上昇し、シリンダ２０の側壁上部の段差部２２を塞いで燃焼室１１が最小容積に形成したタイミングで、シリンダヘッド１０に設けられている燃料インジェクター１１とエアーインジェクター１２によって燃料Ｎならびに圧縮空気Ｅが電子制御されて噴射される工程である。

図３は、本発明における動作気体発生装置の点火工程を示す模式的断面説明図である。
点火工程は、燃焼室１１が最小容積に形成され、ピストンピンの位置にあるコンロッド４０のスモールエンド４１と回転ローター５０の外周面に位置するコンロッド４０のラージエンド４２と回転ローター５０の軸芯５２が直線状となる位置から爆発・膨張行程側に10〜25度進角θした位置でデェストリビューターによって配電される点火プラグ１４が電気的点火される工程である。

図４は、本発明における動作気体発生装置の爆発・膨張行程を示す模式的断面説明図である。
爆発・膨張行程は、燃焼室１１内で爆発・膨張した動作気体Ｋは、ピストンヘッド１０を下死点Ｌに向かって押し下げ、一部の爆発・膨張エネルギーで回転ローター５０を下方に回転させる工程である。

図５は、本発明における動作気体発生装置の掃気工程を示す模式的断面説明図である。
掃気工程は、燃焼室１１の爆発・排気を同時に行なうもので燃焼室１１の爆発・膨張エネルギーによって発生した動作気体Ｋは、ピストン３０の上端部３２の形状が下方に傾斜するなだらかな曲面状に導かれ、動作気体掃気用マニホールド２１側に向かって勢いよく掃気され、連結するタービン、ローター、プロペラ、ファン、ブレード、回転子等を回転駆動させる工程である。

以上で構成される内燃機関の燃焼サイクルを簡単に説明すると、ピストン３０とコンロッド４０と回転ローター５０の連結位置と、回転ローター５０の軸芯５２位置が上死点Ｈ付近で直線状となる位置から膨張行程側に10〜25度進角θした位置で点火し、燃焼室１１で発生した爆発・膨張エネルギーが動作気体Ｋとなって動作気体掃気用マニホールド２１から勢いよく掃気される一連の燃焼室形成（圧縮）工程と、点火工程と、爆発・膨張行程と、掃気工程をピストン３０が一往復サイクルで完了する構成で形成されるものである。

本発明の動作気体発生装置は、小型軽量で高出力であることから、風力発電機の駆動源としたり、タービンブレードに高速・高圧の動作気体を供給して内燃機関の回転数と無関係に過給できるターボチャージャー、気球の高温膨張気体の供給装置など、多方面に利用することができるもので、本発明の動作気体発生装置の産業上の利用可能性は大とするものと解する。

１ 動作気体発生装置
１０ シリンダヘッド
１１ 燃焼室
１２ 燃料インジェクター
１３ エアーインジェクター
１４ 点火プラグ
２０ シリンダ
２１ 動作気体掃気用マニホールド
２２ 段差部
３０ ピストン
３１ ピストンヘッド
４０ コンロッド
４１ スモールエンド
４２ ビックエンド
５０ 回転ローター
５１ バランスウエイト
５２ 軸芯
６０ ハウジングケース
Ｈ 上死点
Ｌ 下死点
Ｃ クリアランス
Ｒ 所定距離
Ｋ 動作気体
Ｎ 燃料
Ｅ 圧縮空気
θ 進角

Claims (1)

1. 動作気体を動力源とする装置に動作気体を供給するための装置であって、
   シリンダヘッドと、
   シリンダと、
   ピストンと、
   コンロッドと、
   回転ローターと、
   ハウジングケースとから成り、
   前記シリンダヘッドには、燃料インジェクターとエアーインジェクターと点火プラグとを備え、
   前記シリンダには、側壁下部の所定位置に動作気体掃気用マニホールドと側壁上部の所定位置に段差部とを備え、
   前記ピストンは、ピストンヘッドの形状が前記動作気体掃気用マニホールド側に向かって下方に傾斜するなだらかな曲面状に形成され、
   前記回転ローターは、軸芯が前記動作気体掃気用マニホールドと反対方向に所定距離だけオフセットするように前記ハウジングケースに内設され、
   前記ピストンと前記コンロッドと前記回転ローターの連結位置と、前記回転ローターの軸芯位置が上死点付近で直線状となる位置から爆発・膨張行程側に10〜25度進角した位置で点火し、
   燃焼室形成（圧縮）工程と点火工程と爆発・膨張行程と掃気工程とを、前記ピストンが一往復サイクルで完了する構成であることを特徴とする動作気体発生装置。