JP5572792B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
4サイクルは次の工程からなる。
吸入弁装置が開いて、ピストンがクランクシャフトに向かって移動しながら空気と燃料がエンジンに取り込まれる吸入工程、
吸入口および排気弁装置が閉じて、ピストンがクランクシャフトから遠ざかりながら空気燃料混合物が圧縮される圧縮工程、
圧縮された混合物が点火されて、混合物の燃焼により生じる急激な膨張がピストンをクランクシャフトに向かって押し戻す動力または動き工程、
排気弁装置が開いて、ピストンがクランクシャフトから再び遠ざかりながら排気ガスがシリンダから押し出される排気工程
前記可燃性混合物の燃焼中に加熱した液体の少なくとも一部が解離して、前記可燃性混合物中で燃焼する水素が提供されるように、前記可燃性混合物の燃焼が起こる前記チャンバの領域に加熱した液体を供給するステップと、を備えて構成される。
の燃焼が起こる前記チャンバの領域に前記加熱した液体を、水蒸気、霧状の水滴、ミストのうちの少なくともひとつとして導入して、前記チャンバ内で燃焼する水素を与える水素分離過程を促進するように構成され、前記供給システムは、前記液体を前記チャンバ内の前記領域に導入するときに、水蒸気改質を促進するために所定量の水素含有化合物を前記液体に加える装置を備え、前記水蒸気改質では、前記チャンバ内で燃焼させる水素を、前記水素含有化合物から分離させる内燃機関も含む。
シリンダ12は、可燃性混合物の構成成分がシリンダに選択的に導入される吸入口端領域と、出力弁装置16が置かれる排出口端領域とを有する。
可燃性混合物は、シリンダ内の圧力を上昇させるためにシリンダ12内で燃焼され、出力弁装置16は、この圧力上昇の影響下で、シリンダからの液体の流出を、シリンダの主なエネルギ出力として開放するように動作する
第1リザーバ14に蓄積される液体は、要求に応じて自動車のパワートレインの駆動装置20に供給される。駆動装置20は、第1リザーバ14に蓄積されたエネルギを、自動車(図示せず)の4本の車輪22を回転させるのに使用される駆動力に変換する。
この実施形態では、吸気弁装置24、26は、燃料と空気のシリンダ12への入力を別々に制御するためのものであり、シリンダに導入される吸気の流れを制御するための常閉型電磁作動式吸気弁24と、燃料を直接シリンダに噴射する電気作動式燃料噴射器26とから構成される。
吸気弁24と燃料噴射器26の動作は、マイクロプロセッサベースの制御装置28を含む制御システムで制御される。燃料噴射器26は、燃料ポンプ32を介して燃料リザーバ30に接続されている。
必須ではないが、吸気はターボチャージまたはスーパーチャージにより加圧してもよい。スーパーチャージおよびターボチャージは共に、当業者にはよく知られる技術であるので、ここで詳しく説明しない。
流体導入制御弁40、42は共に、第1リザーバ14への出力に先立って燃焼過程において付勢されることになる液体のシリンダ12への導入を制御するために設けられている。流体導入制御弁40、42の動作は、制御装置28で制御される。
シリンダ12内の温度は、圧力に密接に追従するため、センサは、シリンダ12内の温度感知部に位置決めされた熱電対などの温度センサ44でも良い。
内燃機関10に対する要求が変動するため、第1リザーバ14内の圧力は、駆動装置20が必要とする蓄積された液体の増減に応じて変動する。
制御装置28は、エンジンの動作を駆動装置20の要求に合わせて第1リザーバ14への適切な液体の供給を維持するように制御するために、センサ46からの信号を使用する。
点火プラグ技術は、当業者にはよく知られており、そのためここでは詳しく説明しない。
図2に示すように、出力弁装置16は、シリンダ12内に開口しているボア52を含んでいる。ボア52は、シリンダ12に隣接してそれに連通する小径部54と、円錐形弁座58を画成する壁により小径部54に接続されていると共にシリンダから離間している大径部56とを有する。
弁座58は、ボア52の小径部54に向かって軸方向内側に先細になっている。移動自在なボール60である弁部材が、ボア52の大径部56に設けられている。ボール60は、シリンダ12内の流体と第1リザーバ14内の流体との圧力バランスで作動される。
ボア52の大径部56には、ボール60用の開口付き保持具62が設けられており、保持具と弁座58との間にボールが閉じ込められるようになっている。
図示する実施形態では、保持具62はボア52の大径部56に固定される環状フレーム64と、互いに垂直な一対の横材66とを備える。横材66は、ボア52内を直径方向に延びるており、各々の相対した端部がフレーム64に接続している。
代わりに、保持具は、ボールの径よりも小さい内径を有するカラーにしても良く、または、ボールが弁座58から離れたときにボアを通る流体の比較的自由な流れを可能にしながら、ボア52の大径部56からボールが抜けないようにする任意の他のデバイスとしても良い。
溝68は、ボール60が弁座58から離れて液体がボア52を通流しているときに、ボール60がスピンしない(または少なくともボールの非並進運動を抑える)ようにするために、ボア52の大径部56を通る液体の流れに作用するように設けられている。
これにより、ボール60の圧力変化に対する反応が良くなるので、シリンダ12内の流体と第1リザーバ14内の流体の圧力バランスの変化に応じて、弁はより速やかに開閉するようになる。
図示する実施形態では、4つの溝68が等間隔で設けられており、各々の溝は、それぞれボア52の大径部56の軸に対して略平行に延びている。
溝68の数、形状、および配置、および/または他の流れ修正構造は、特定のエンジンに存在すると認められている流れの状態に最適な結果を得られるようにするために、変更するようにしても良い。
図示していないが、ばね等の付勢デバイスを用いて、ボール60をその閉鎖位置に付勢するようにしても良い。
ポンプユニット72は、前進および後進駆動を車輪22に供給できるようにするために、出力軸80の回転方向を選択的に切り換えられるように作動する伝動装置82、および/または他の好適な機構を有している。
圧力センサ84、86の各々は、ポンプユニット72の吸入口側と排出口側の圧力を検知するために設けられている。圧力センサ84、86は、ポンプユニット72の吸入口側と排出口側の圧力を示す信号を制御装置28に送出する。
制御装置28は、センサ84、86からの信号を利用して、車輪22がスリップしているか否かを判断する。車輪がスリップしていると判断されると、制御装置28で制御される電気作動可能な弁88を作動させて、スリップが起きない供給レベルまで、ポンプユニット72を流れる液体の流れを減少させることができる。
車輪22にブレーキをかけるようにポンプユニット72を通る流れを制御する信号を、弁88に送出することも可能である。
図では、管路92は1本の配管として示されている。しかし、実際上のところは、各ポンプユニット72に別々の管路が設けられていても良い。
第1管路系統94は、第2リザーバ90から下流側に流体導入制御弁40まで延びており、弁が開いていると、比較的に圧力の低い液体が、第2リザーバからシリンダ12に流入できるようになっている。
第2管路系統96は、第1管路系統94から始動流体導入制御弁42まで延びている。代わりに、第2管路系統96は、第2リザーバから直接延びるようにしても良い。
第2リザーバ90と始動流体導入制御弁42との間の第2管路系統96には、第2リザーバからシリンダ12まで送出される液体の圧力を上昇させるために、始動ポンプ97が設けられている。始動ポンプ97は、制御装置28から受信した信号に応答して動作する。
圧力逃し弁99は、過度な圧力を第1リザーバ14から第2リザーバ90に管路98を介して放出できるようにするために、所定の圧力で開くように設定されている。
圧力逃し弁は、センサ46からの信号に応答して動作する電気作動弁や、周知のばね付勢されている一方向圧力逃し弁を含む適当な弁を採用できる。
また、第2リザーバ90に放出する代わりに、過度な圧力を大気中に放出できるようにするために、管路98を省略することもできる。
管路106には、常閉型電磁作動弁108が設けられており、熱交換器100からコンデンサ104への排気ガスの流れを制御できるようになっている。
コンデンサ104は、常閉型電磁作動式排出ガス排出弁112の動作により大気に開放可能な排気口110を有している。
コンデンサ104は、シリンダ12と熱交換器100の容量よりも大きな容量を有しており、排出ガス排出弁112を閉じたままでも、シリンダ12と熱交換器の内容物の略総てを収容できるようになっている。
リザーバ114の凝縮液は、管路118を介して冷水噴霧としてコンデンサ104に戻すことができるようになっている。管路118には、凝縮液を冷凍ユニット122を介してコンデンサ104に汲み入れるためのポンプ120が設けられている。弁124が、管路118の排出口端に設けられている。弁124は、冷水を霧状の水滴のミストの状態で送出するノズルを有している。
熱交換器100には、熱交換器内の圧力を示す信号を制御装置28に送出するために、温度センサなどのセンサ128が設けられている。
弁108、112、124、ポンプ120、および冷凍ユニット122は、制御装置28の制御下で動作する。
液体は、熱交換器100内のコイル132を通流し、コイル132内で加熱されて蒸気の供給源となる。図示していないが、排気ガスから液体への熱伝達を高めるために、フィンやその他の熱回収部材が、コイル132に設けられていても良い。
管路134は、熱交換器からシリンダに蒸気を導くために、熱交換器100からシリンダ12の吸入口端領域に設けられた吸入口までつながっている。
この実施形態では常閉型電磁作動弁である蒸気制御弁136が、シリンダ12への蒸気の流れを制御するために、管路134の下流端に設けられている。蒸気制御弁136は、制御装置28の制御下で動作する。管路134には、一方向弁138が設けられている。
シリンダ12は、シリンダの主側壁152を含む円筒形の本体部150を備える。本体部150は、テーパしており、半球形のシリンダヘッド154で閉鎖される小径の端部と、壁50で閉鎖される大径の端部とを有する。この実施形態では、壁は、全体として円板状を成している。
本体部150は、ボルト158などの適した固定具によって壁50とシリンダヘッド154とに固定される。
シリンダ12を流密および耐圧にして密閉室を画成するために、部品同士の間には、適当なガスケットおよび/またはシーラントが設けられている。
主側壁152と円錐体160の間には、シリンダ12から出力される液体の流路が画成されている。流路は、その上流端を、シリンダ12の吸入口端領域付近に有し、その下流端を、シリンダの排出口端領域に有している。
流路内にひとつ以上の流れ修正構造を任意に設けて、液体の旋回流を生じさせるようにしても良い。
この実施形態では、この流れ修正構造として、螺旋状の壁162が設けられている。壁162は、側壁152または円錐体160で支持することが可能であり、この実施形態では円錐体と一体にされている。
壁162は、円錐体160の周りを円錐体の先端に近い位置から円錐体の底部に近い位置まで連続的な螺旋状になっている。壁162の半径方向の範囲は、壁の外周が主側壁152の近傍に位置するようになっており、これにより、連続的な螺旋状の通路164が流路の長さに沿って画成されている。
ボア52とパイプ166は、少なくとも略螺旋状の流路が延長して形成されるように、湾曲した管路となるようにされている。
これは、螺旋の下流に、突然または不必要な方向の変化を受けない流路を形成するためである。流れの方向が変化すると、流出している液体の流速の低下、および/または流体の流れの阻害を生じるからである。そのため、パイプ166を略直線状のパイプとすることが好ましい。
吸込み穴168、170から延びる各通路(図示せず)は、壁50を貫通して、主側壁152と円錐体160との間の空間に開口している。
吸込み穴168、170から延びる通路は、壁50内で合流し、共通の排出口端からシリンダに排出するように構成されていてもよい。
主側壁152は、角度θで示されるテーパ比を有し、円錐体160は角度αで示されるテーパ比を有する。角度θ、αは等しくなるように、または角度αで画成されるテーパ比が角度θで画成されるテーパ比よりも大きくなるように設定される。
言い換えると、主側壁152の半径R1は、シリンダ12の下流方向に向かうにつれて円錐体160の半径R2の増加率以下の割合で増加する。
これは、側壁152と円錐体160との間に画成される流路における端から端までの断面積が、その長さ方向で増加しないようにするためである。
この実施形態では、円錐体160のテーパ比は側壁152のテーパ比より大きい。
そのため、中央線174の垂直方向で測定したときの流路の断面積(位置176、178および180で示される)は、流れの方向で減少している。そのため、流路は、その下流端に向かうにつれて狭くなっている。
シリンダ12内に円錐体160が設けられていない場合には、出力弁装置16に向かう流路の円形の断面積が相当に増加することになる。
その結果、流出する液体にキャビテーションが生じて、泡または燃焼ガスのポケットを含むようになり、これらが流出する液体と共に第1リザーバ14に搬送されることがある。これは、ガスが冷却および収縮するにつれて、第1リザーバ14内に望ましくない圧力損失を生ずることがある。
流路の断面積を増加させない、または実際には流れ方向で減少させることによって、シリンダ12から第1リザーバ14に搬送されるガスの量を、少なくとも最小限にできる。
図7から図12では、弁が開いているときは、ポペット弁のように表示される。この表示は、単に表現しやすいことと、読者に認識されやすいことから採用しており、どのような形であれ請求項の範囲を制限すると解釈するべきではない。
また、表示しやすさと読者に認識されやすくするために、螺旋状の壁162は、図7から図12では省略している。
しかし、蒸留水以外の液体も作動流体として使用でき、ガソリン以外の燃料も使用できる。
新たなサイクルを開始するために、制御装置28は、吸気弁24を開いてシリンダ12内に新鮮な吸気200を流入させるために信号を送出する。
吸気弁24が開くタイミングは、シリンダ12内の圧力により決定される。シリンダ内の圧力は、温度センサ44からの温度を示す信号を参照して決定される。
新鮮な吸気200が吸気弁24からシリンダ12に入るときには、シリンダ12内の圧力は大気圧未満であるので、空気はシリンダ内に吸い込まれる。
シリンダ12に吸い込まれた相対的に冷たい空気は、シリンダとその内容物を冷却する。シリンダ12内の低圧力と冷却の結果、空気200はシリンダに取り込まれ続け、シリンダに残っている水202の少なくとも一部が蒸発して蒸気204になる。
以下より詳細に論じるように、流入させるガソリンの量は、混合物で理論混合比よりもリッチになり、燃焼室内に過剰の炭化水素が提供されるようにする。
吸気弁24および燃料噴射器26が閉じると、制御装置28は、流体導入制御弁40を開く信号を出す。
駆動装置20から第2リザーバ90に戻った水208は、流体導入制御弁40を通って、シリンダ12に流入する。これにより、シリンダ12は、空気200と蒸気204と燃料206からなる第1流体質量210と、残留水202と流入してくる水208からなる第2流体質量212を収容する。
第2流体質量212がシリンダ12を満たすと、第1流体質量210は圧縮されて、圧力と温度が上昇する。温度センサ44からの信号で示される所定の充満点に達すると、制御装置28は、流体導入制御弁40を閉じる命令を出力する。
燃焼は、制御装置28が、点火プラグ48にシリンダ12内へ火花214を与えさせる信号を出力して開始される。第1流体質量210での燃焼は、圧力の急激な増加と、第1流体質量210の膨張を生じる。膨張する第1流体質量210は、第2流体質量212に直接作用する。
シリンダ12内の圧力は、第2流体質量212を液状のままで保持するのに十分に高いが、第1流体質量210の急激な温度上昇は、2つの流体質量の間の界面で第2流体質量212の水を蒸発させるのに十分であるので、界面は、水蒸気/蒸気が支配的になる。
この蒸発過程は、従来の内燃機関では通常無駄になっていた熱エネルギを利用してシリンダ12内の圧力を一層上昇させるのに役立つ。
水蒸気改質過程は、約700から1000℃の温度で実行される。噴射された蒸気は、燃焼ガスを冷やすことになるが、蒸気の入力を制御することによって、約1000から2000℃以上の温度を維持することができるので、蒸気が燃料(炭化水素)リッチの可燃性ガスに噴射されると、水蒸気改質が起こって炭化水素からの水素の分離が行われる。
約585℃の温度で水素の自己点火が起こるため、蒸気から放出される水素は自然燃焼する。この結果、シリンダ内の圧力と温度が高まるため、シリンダから第1リザーバ14に水216を吐き出す力が増大する。
水素および酸素は、シリンダ12内で燃焼しているガスと混ざって自然に燃焼し、シリンダ12内の圧力がさらに高くなるので、シリンダ内の略総ての水が高圧で第1リザーバ14に確実に吐き出されて、第1リザーバ内の高圧が維持される。
燃焼は、圧縮工程終了時のシリンダ12内の圧力であるP0で開始される。
燃料リッチの混合物の燃焼の結果、圧力が急上昇してP1になる。これに続くP2までの圧力上昇は、シリンダ12内で行われる水蒸気改質過程で放出される水素の燃焼によるものである。これに続くP3までの圧力上昇は、噴射された蒸気(場合により水212)の分解により生じる水素と酸素の燃焼によるものである。
2つの曲線の下の面積を比較すると、従来の内燃機関に比べて、内燃機関10から追加のパワー出力が相当得られることが分かる。
そして、シリンダ内に水202の残りを残したまま(図7および図12)、ボール60が戻って弁座58に着座する。
シリンダ12内の圧力低下は、温度センサ44から出力される温度を示す信号に反映される。所定の圧力に対応する温度を示す信号が受信されると、制御装置28は、排気弁34を開く信号を出力する(図12)。これにより、燃焼生成物220が、排気弁34から排出されて、シリンダ12内の圧力がさらに低下する。
弁108が開くと、コンデンサ104内が不完全真空状態であるので、シリンダ12および熱交換器100から、排気ガスがコンデンサに引き込まれる。
弁108が開いてから所定の時間が経過すると、排気口弁112が開かれて、コンデンサから大気へのガスの排出が可能とされる。
この段階において、シリンダ12と、熱交換器100と、コンデンサ104の圧力は、大気圧と略同じ圧力まで急激に低下する。
センサ128からの圧力を示す信号に基づいて、または開放から所定時間が経過した時点において、制御装置28は、弁112を閉じる。
さらに、制御装置28は、リザーバ114から水を汲み出して冷凍ユニット122を通過させるためにポンプ120を動作させる信号と、弁124を開く信号とを出力する。
冷却水は、弁124からコンデンサ104内に微細な霧状で排出されて、排気ガスを急速冷却する。排気ガスの急速冷却は、シリンダ12からコンデンサ104への排気ガスの流れを維持する圧力降下を生じるので、シリンダ12および熱交換器100に部分的な真空状態が生じる。
排気ガスの冷却は、排気ガスに含まれている水蒸気を凝縮させる、凝縮液は、管路116を介してリザーバ114に還流する。
排気弁34および弁108が閉じられると、熱交換器100は、シリンダ12およびコンデンサ104から隔離される。弁34、108が閉じられると、熱交換器100内に存在する部分的な真空状態は、加熱コイル132を断熱と、次の排気工程の初期段階においてシリンダ12から排気ガスを引き出すのに利用できる。
従って、始動時点において制御装置28は、始動流体導入制御弁42を開く信号と、第2リザーバ90からシリンダ12に流体を汲み入れるためにポンプ97を始動させる信号を出力する。
エンジンが正常に動き出したら、制御装置28は、始動流体導入制御弁42およびポンプ97を作動サイクルから外して、前述したように、流体を第2リザーバ90から流体導入制御弁40を介してシリンダ12に供給させる。
第1の改良点は、本体部150の側壁を、固定された外壁250と回転可能な内壁252とからなる二重の壁にしたことである。
外壁250は、側壁152と同様に、壁50およびシリンダヘッド154に固定されている。
回転可能な内壁252は、内壁と外壁の間に配置された円錐ころ軸受254で支持されており、内壁が外壁250に対して相対回転できるようにされている。
これにより、内壁252が、液体の旋回と一緒に回転できるので、旋回に対する抵抗が抑えられると共に、出力弁装置16に向かう液体の流れに対する抵抗が抑えられる。
内壁252は質量を小さくするべきであり、螺旋状の壁164などの流れ修正構造がひとつ以上設けられる場合、それらは円錐体160(または少なくとも内壁252でない)で支持される必要がある。
そのため、円錐体160は、シリンダ12と第1リザーバ14を区画する壁の一部として機能し、円錐体の内側258が、第1リザーバ14の一部を成している。
この構成は、排気量を減らすこと無しに、内燃機関全体のサイズを小さくする可能性を提供する。
蒸気の噴射がきちんと制御されずに、シリンダ12に過剰の蒸気が噴射されると、以下のようなひとつ以上の問題が生ずることが予想できる。つまり、燃料空気混合物が、点火させるには湿気を含みすぎた状態になる、可燃性ガスが急冷される、可燃性ガスの冷却およびチャンバ内の圧力損失により大きなパワーロスが生じる、および/またはチャンバ内の温度および圧力が水蒸気改質および/または解離を支えられないレベルまで下がる。
図1に示した実施形態では、制御装置28は、温度センサ44からの温度信号を利用して蒸気の噴射を制御し、シリンダ内の温度が所定レベル未満に下がると弁を閉鎖する。
ここで、シリンダへの蒸気の噴射を制御する代替手段を、図15を参照しながら説明する。
図15では、温度センサは、半透明の窓(図示せず)からシリンダ内の温度を感知する赤外線温度センサ44である。変わりに、例えば、US特許第5659133号公報(この公報の内容は、参照することにより本書に組み込まれる)に開示されたような、高温用埋め込みフォトダイオードを使用しても良い。
図1の2つのコンデンサの代わりに、改良された排気システム136は、燃焼工程においてシリンダに噴射される蒸気を提供するために排気から熱を取り出す機能と、排気ガスを冷却して、排気ガスに含まれている水蒸気を凝縮するコンデンサとしての機能を有する熱交換器101を備えている。
プロテクタ49は、シリンダ12に流入する空気および燃料の流れと混合を阻害せず、かつ燃料空気混合物内での点火の炎の広がりの阻害を最小限にするような形状および/または位置にする必要がある。特定のシリンダ構成に最適な形状と位置は、経験から決定できる。
排気ガスから熱を取り出すことによって蒸気を生成する加熱コイル132は、熱交換器の上流端を貫通して、蒸気制御弁136が装着された管路134によりシリンダに接続されている。
熱交換器101の下流端には、大気に常時開放されていている排気口110がある。熱交換器101は、管路116によってリザーバ114に接続されており、リザーバからの凝縮液は熱交換器からリザーバに流れるようになっている。
管路118は、リザーバ114から凝縮コイル103の吸入口端まで延びている。凝縮コイル103は、熱交換器101の一部であり、加熱コイル132の下流に位置している。
戻り管路119は、凝縮コイル103の排出口端からリザーバ114まで延びている。
戻り管路119および管路118は、凝縮コイル103と共に、排気ガスが熱交換器101を通過するときに排気ガスから熱を取り出す冷却水回路を形成している。
管路118には、リザーバ114から出る水を凝縮コイル103に達する前に冷却するために、ポンプ120およびラジエータおよび/または冷凍ユニット122が取り付けられている。
加熱コイル132の下流では、排気ガスは、凝縮コイル103を流れる冷却水により、さらに熱を失う。
凝縮コイル103は、排気ガスを十分に冷却して含まれている水蒸気を凝縮させ、管路116を介してリザーバ114に戻る凝縮液溜まりを熱交換器101の底部に形成できるようにするために十分な長さで形成されている。
図示していないが、凝縮コイル103および/または加熱コイル132を横切る流路を長くして排気ガスから確実に所望の量の熱を取り去るために、熱交換器101にバッフルを設けても良い。
吸気弁24の開放と排気弁34の閉鎖を重複させるタイミングは、内燃機関から所望のレベルの出力を得るために、経験に基づき決定できる。
可燃性水素含有化合物は、シリンダ12内の水蒸気改質を促進するために供給される。
図1から図12を参照して説明した実施形態では、蒸気制御弁136を介してシリンダ内に蒸気が噴射されるときに、シリンダ12内で水蒸気改質を促進させるために、シリンダ12に供給される可燃性混合物を燃料リッチにして、過剰の炭化水素が供給されるようにしている。
いくつかの実施形態の場合、燃焼初期にリッチ燃料空気混合物を有するのは望ましくないことがあり、または燃焼の開始後の水蒸気改質のために燃料を増やすのが望ましいことがある。システム280は水蒸気改質過程のために燃料の一部または全部を備えておくために使用できる。
リザーバ284は、燃料リザーバ30でも、別途設けられたリザーバでも良い。
別途設けられたリザーバである場合、燃料リザーバ30と同じ可燃性水素含有化合物、または異なる化合物を収容していても良い。
このように、例えば、燃料リザーバ30を、例えばシリンダ内に可燃性混合物を形成するための炭化水素燃料の供給に利用できる一方、リザーバ284は、水蒸気改質に適した別の炭化水素またはアルコール、例えばメタノールの供給に利用される。
弁282の動作は、センサ44からの信号に基づいて制御装置28により、または別のセンサからの信号を利用した個別の制御装置により制御できる。
触媒ユニット286は、蒸気と混合される可燃性水素含有化合物から水素の放出を促進する触媒物質を備えて構成される。例えば、水素含有化合物がメタノールである場合、クロム酸銅製のパイプを、360℃の温度で触媒として使用できる。
触媒を使用する場合、蒸気制御弁136を介して噴射される流体は、蒸気と水素含有化合物と水素とからなる流体となる。この混合物は、シリンダに噴射されると、シリンダ12内で燃焼する水素を多く生成する水蒸気改質を促進する。
また、図1から図12に図示した内燃機関には、すでに示した圧力センサの代わりに、または追加して、赤外線温度センサ(または他の光学センサ)を取り付けることや、蒸気制御弁136の上流に、蒸気に可燃性水素含有化合物を添加するシステム280を設けることが好ましい。
第2リザーバ390と、第2リザーバから図1に示した弁40、42に対応する流体導入制御弁(図示せず)に流体を送出する始動ポンプ398と、が設けられている。
記載したように共通の部品を利用することは多くのエンジン構成にとって都合が良く、多気筒型内燃機関では、複数の吸気システム、排気システム、液体戻りシステム、および/または燃料ポンプ、およびリザーバを利用できることが好ましい。
図示する実施形態では、第1リザーバ314は、環状管状構造である。この「ドーナツ」構成の使用は、流動抵抗による圧力損失を減少させると予想される。このように接続された状態を示していないが、シリンダ312(1)〜312(5)を第1リザーバ314に直接接続できるので、流出する液体は、図1、図4および図13に図示するリザーバに直接流入できる。
駆動装置320F、320Rは、第1リザーバ314から受ける液体に蓄積されたエネルギを駆動力に変換して、各対の車輪322F、322Rを回転させる。駆動装置320F、320Rは、各々が使用済み液体を第2リザーバ390に戻し、図1の駆動装置20と基本的に同じように動作する。
図示していないが、駆動装置320F、320Rの制動機能を制御する制御装置を別途設けるようにしても良い。
そのような制御装置は、内燃機関310の制御に全体的な責任を負うマスター制御装置606に接続されることになる。
以下の説明では、駆動装置720が自動車の駆動に使用される場合を例に挙げるが、このような用途に限定されるものではない。
内燃機関710および駆動装置720は、図1から図12で図示した内燃機関10および駆動装置20に対応または類似した多くの特徴および構成を有する。
重複を避けるために、以下の説明では、図1から図12に図示したものと同一または類似の構成については、700を足して同じ参照番号を付して、詳しい説明を繰り返さない。
説明しやすくするために、内燃機関710は単気筒型エンジンとして説明する。しかし、内燃機関710は、例えば図16を参照して説明した多気筒型エンジンでも良いことは明らかである。
この実施形態では、出力弁装置716は、電気作動弁を含む他の適したどの形態の弁でも使用できるが、図2に示した弁16と同様な圧力作動式一方向弁である。
第1リザーバ714は、シリンダ712から出力される比較的に高い圧力の水を蓄積するために使用される。
第1リザーバ714には、リザーバ内が過度の圧力になることを防ぐ圧力逃し弁718が設けられている。図示していないが、内燃機関710には、圧力逃し弁718の代わりに、図1に図示したものと同様な圧力逃しシステムを設けるようにしても良い。
一次駆動装置720は、図1および図3に関連して説明した車両(図示せず)の車輪を駆動する各ポンプ(これも図示せず)を備える構成であっても、図16に関連して説明した個別の前後の駆動装置を備える構成であっても良い。
図示された実施形態では、一次駆動装置720は、第1リザーバ714から受ける比較的に高い圧力の水に蓄積されるエネルギを車両の車輪の回転に利用される駆動力に変換するポンプである。
第1リザーバ714と一次駆動装置720との間には、電気作動式制御弁721が設けられており、リザーバから駆動装置への水の流れを制御するように作動される。
排気弁734は、排気システム736に出力する。吸気弁724は、図1に関連して説明した吸気システム38などの吸気システム(図示せず)に接続され、燃料噴射器726は、例えば、図1に図示する燃料噴射器26と同様に、燃料ポンプを介して燃料リザーバに接続されている。
制御装置728は、エンジンの動作のあらゆる面も制御するより高いレベルのエンジン管理制御装置でもよく、または特定のエンジン機能の操作専用で、より高いレベルのエンジン管理コントローラに接続されたユニットでも良い。
図面を分かりやすくするために、制御装置728と、制御装置により制御される部品および/または制御装置が信号を受信する部品との接続は図示していない。
始動流体導入制御弁740は、エンジンの始動時において、第2リザーバ790から供給される比較的に低い圧力の流体(水)の導入を制御する。
始動流体導入制御弁740を通ってシリンダ712に導入される水は、始動ポンプ797で加圧される。導入制御弁742は、内燃機関710の通常動作時において、第2リザーバ790からの比較的に低い圧力の水の導入を制御する。
第1温水導入制御弁1000は、シリンダ内の吸気を圧縮する工程において、シリンダ712の下側の大径の端部への温水の導入を制御する。第2温水導入制御弁1002は、シリンダ712の上側の小径の端部への温水の導入を制御する。
4つの電気作動式導入制御弁740、742、1000、1002の各々は、制御装置728からの信号で制御される。
第3リザーバ1004への水の導入は、制御装置728からの信号で制御される電気作動弁1006で制御される。
第3リザーバ1004は、第3リザーバからの温水を第1温水導入制御弁1000を介してシリンダ712に導く排出管路1008に接続された第1排出口を有している。
第3リザーバ1004は、第2温水導入制御弁1002につながる排出管路1010に接続された第2排出口を有している。
排出管路1010には、第3リザーバ1004から出力される温水の圧力を上昇させるためのポンプ1012が設けられている。
第3リザーバ1004とポンプ1012との間の排出管路1010には、電気作動式排出弁1014が任意に設けられている。排出弁1014の機能は、ポンプ1012によって提供できる。
図示する実施形態では、二次駆動装置1016は、水に蓄積されるエネルギを自動車両の車輪の駆動に利用できる力に変換するポンプユニットである。
図示された個別の駆動装置720、1016を有する代わりに、第3リザーバ1004が駆動装置720に送出する構成とし、この場合において、エンジンが、第1リザーバ714からの供給と、第3リザーバ1004からの供給とを、切り換えることができる構成を備えているようにしても良い。
さらに別の変形例として、2つのリザーバの平均出力圧にマッチするサイズに設定された羽根セットを有するポンプに出力し、それぞれの出力を連携させて、ひとつの出力軸の駆動に用いるようにしても良い。
管路806には、第1コンデンサ800から第2コンデンサ804への排気ガスの流れを制御できるようにするために、常閉型電磁作動弁808が設けられている。
第2コンデンサ804は、大気に開放された排気口810を有している。第1および第2コンデンサ800、804は、それぞれ管路816に連結されている。
コンデンサからの凝縮液は、管路816を通ってリザーバ814に流入する。
コンデンサ800からの凝縮液は、制御装置728で制御される常閉型電磁作動弁817で制御する。管路818は、水リザーバ814から常閉型電磁作動弁824の各々につながっている。
管路818には、水リザーバ814から取り出された水を加圧するための水ポンプ820が設けられている。水ポンプ820と弁824との間の流路には、ラジエータ821、そして任意で冷凍ユニット822が設けられている。弁824と水ポンプ820は、制御装置728で制御されて、第1および第2コンデンサ800、804に、微細な冷却水の噴霧を供給するようになっている。
各圧力センサは、制御装置728で使用するために圧力を示す信号を送出する。それぞれの場合において、圧力センサ744、746、791、828、1020は、圧力を示す信号を送るのに適していれば、熱電対などの温度センサを含のどの形態のセンサでも良い。
始動ポンプ797は、第2リザーバ790からの比較的に低い圧力の水の圧力を上昇させて、始動流体導入制御弁740を介してシリンダ712に汲み入れる。
シリンダ712は、吸気からなる第1流体質量1022と、流入する加圧水と始動時にシリンダ712内に残留している水とからなる第2流体質量1024を収容する。
第2流体質量1024がシリンダ712を満たすと、第1流体質量1022は圧縮されて、圧力と温度が上昇する。
センサ744からの信号が、第1流体質量1022の圧力が所定のレベルであることを示すと、制御装置728は、始動導入制御弁740を閉じる信号を送出すると共に、始動ポンプ797を停止させる。
この実施形態では、第1流体質量1022は、エンジンで使用される燃料がシリンダ712に噴射されたときに自然に点火する圧力まで加圧される。
燃料1026が高温の圧縮空気と混ざると、燃料が点火して燃焼が起こるので、シリンダ712内に急激な圧力上昇が生じる。シリンダ712内の圧力は、2つの流体質量1022、1024の間の界面における局部的な水蒸気形成は別にして、水の状態を変化させずに液状のままで保持させる。
弁1006が開くと、水1030は、シリンダ712から第3リザーバ1004に流れ込むことができるようになる。これにより、シリンダ712内の圧力はさらに低下し、その結果、出力弁装置716のボール760が急激に後退して、第1リザーバ714内の比較的に高い圧力(そして、戻り付勢部材が設けられている場合にはその圧力)の影響下で、その弁座と密封接触する。
シリンダ712内の圧力降下は、蒸気が形成し始める点にいずれ到達する。蒸気圧は、第3リザーバ1004への加熱水の流れを維持し、それによってリザーバ内の圧力が上昇する。
その結果、第3リザーバ1004からの加熱された水は、排出管路1010を介して汲み出され、第2温水導入弁1002を出て、シリンダ712に入る。
第2温水導入制御弁1002は、加熱水を霧状の水滴として出力して、シリンダ12に加熱された水滴の細かいミストを供給するように構成されている。
シリンダ712に依然として残っている燃焼熱が、シリンダに噴霧された加熱された水滴1032を蒸発させて、さらに多くの蒸気を生成する。生成した蒸気は、より多くの温水を第3リザーバ1004に押し流す。
制御装置728は、センサ744、1020から供給される圧力を示す信号を用いて、シリンダ712と第3リザーバ1004内の圧力をそれぞれモニタする。シリンダ712内の圧力が、第3リザーバ1004内の圧力に近いレベルまで下がると、制御装置728は。弁1002、1006、1014を閉じる信号を出力する。
第1コンデンサ800が、例えば、冷却水回路によって冷却されると、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮されて、コンデンサの底部に液溜まり1034を形成する。
さらに、制御装置728は、弁824を開く信号と、水ポンプ820にリザーバ814から、冷却用ラジエータ821、そして設けられている場合には冷凍ユニット822を介して、水のくみ出しを行わせる信号を送出する。
冷却された水は、管路818を伝って、第1および第2コンデンサ800、804に冷却水噴霧1036として入る。
第1コンデンサ800内の水噴霧1036は、排気ガス中の水蒸気の凝縮を支援する。第2コンデンサ804内の冷却水噴霧は、コンデンサを予備冷却する。
第1および第2コンデンサ800、804内での排気ガスさらなる冷却は、排気ガス中の水蒸気を凝縮させる。
センサ744、828からの信号で示される第1コンデンサ800内の圧力が、十分に低いレベルまで下がると、制御装置728は、弁817を開く信号を送出する。コンデンサ800、804の底部に形成された液溜まり1034からの凝縮液は、コンデンサから管路816を介してリザーバ814に流れる。
コンデンサ800、804内への冷却水噴霧1036は継続される。第1コンデンサ800内への冷却水噴霧は、さらなる冷却と急激な圧力低下を起こし、第1コンデンサおよびシリンダ712に部分的な真空状態を生じさせる。
センサ828からの信号で示される第1コンデンサ内の圧力が、所定のレベルに到達すると、制御装置728は、次のサイクルのために部分的な真空状態を隔離させるために、排気弁734および弁824を閉じる信号を送出する。
吸気弁724が開くと、吸気(矢印1042で示す)は、シリンダ712内に吸い込まれて真空に置き換わり、第1流体質量1022となる。
センサ744、791からの信号が示す第2リザーバ790とシリンダ712の圧力が等しくなると、制御装置728は、流体導入制御弁740を閉じる信号を送出する。
センサ744からの圧力を示す信号が、シリンダ712内の圧力が、自己点火が起こるのに必要と判断される所定のレベルまで上昇していないことを示している場合、制御装置728は、第1温水導入制御弁1000を開く信号を送出し、第2リザーバ790内の水よりもより圧力が高い第3リザーバ1004からの加圧水を、排出管路1008からシリンダ712の下端に流入させる。
センサ744からの圧力を示す信号が、シリンダ712内の圧力が自己点火に必要なレベルに達したことを示すと、制御装置728は、第1温水導入制御弁1000を閉じる信号を送出する。
この段階で、第1流体質量1022は加圧されて、図18に図示したように燃料噴射器726からの燃料の噴射準備が整った状態になる。
そして、シリンダ712は前述した燃焼および排気シーケンスを繰り返して、自動車の運転手により入力された要求に合わせて、第1リザーバ714内の所望の圧力を維持する。
2つの駆動装置720、1016は、第1および第3リザーバ714、1004から出力される水に蓄積されたエネルギを、自動車(図示せず)の車輪を駆動するために利用される力に変換する。
制御弁721、1018は、制御装置728、または運転者による需要入力に応じた信号を送出する他のエンジン制御装置からの信号に応じて、開閉する。
このような冷却工程は、エンジンの出力軸に接続されていると共に、自身がエンジンの出力パワーの一部を吸収することになるファンの利用を含むことがある。
ある概算では、このように無駄になるエネルギは、エンジンに入力される燃料エネルギの36%、または生成される熱の約75%になると見積もられている。
図示した実施形態に組み込まれた工程は、無駄になるエネルギの少なくとも一部を取り入れており、その結果として、そのようなエンジンは、従来の内燃機関よりもエネルギ効率がかなり良くなることが予想される。
燃料消費率の改善とある所定のパワー要求に対して物理的に小型化したエンジンの採用が見込まれることは別として、そのようなことは、エンジンに燃料として供給される水素を生成する車載水素抽出装置を、自動車に備えることを可能にするはずである。
水素抽出装置1050は、従来の水素抽出装置のうちの適したものであれば、どのようなものでも良い。
水素抽出装置1050は、二次駆動装置1016が出力する機械的な力によって駆動するようにしても良い。代わりに、水素抽出装置1050は、二次駆動装置のトルク出力によって駆動される発電機から得られる電気で動かすようにしても良い。さらに他の態様として、水素抽出装置の一部を形成する駆動装置に、第3リザーバ1004から流体を供給するようにしても良い。
そのような貯蔵は、多くの空間を必要とし、貯蔵された水素は引火性が高いというさらなる欠点がある。
水素貯蔵能力を備えられない場合、エンジンの始動に供されるエタノール、ガソリンまたは同様な他のものを供給する燃料供給システムと共に、ハイブリッド構成で使用できる。
水からの水素の抽出は、酸素を供給することになるが、これをエンジンの吸気に使用して、燃焼室に酸素のみ、または酸素に富む空気が吸入されるようにしても良い。
水素が燃焼するときの速度と激しさを考慮すると、水蒸気改質無しで、熱分解を達成するのに十分な熱を発生できる。しかし、そのような場合でも、水蒸気改質を生じることのできる少量の燃料を水素・空気混合物に添加することが好ましい。
図15に図示するシステム280と同一または類似のシステムを使用して、燃焼前または燃焼中に燃料を添加できる。
説明の重複を避けるために、図17から図23と同様の部品は同じ参照番号を付している。
図24に図示する改良された内燃機関1110は、吸気弁724の上流に配置された過給機1060を吸気システムが有しており、第2流体質量1022のレベルがシリンダに必要なレベルに達したことを検知する装置1062が、シリンダ712に設けられている点が、図17から図23に図示した内燃機関710と異なっている。
レベル検知装置1062は、高温高圧環境で液体のレベルを検知するのに適したあらゆる形態のセンサ装置にすることができ、光学センサであってもよい。
制御装置728は、弁824を開く信号を送出し、ポンプ820に揚水を開始させる信号を送出して、コンデンサ800、804内に冷水噴霧1036を供給させる。
これも前述したように、凝縮液1034の液溜まりが第1コンデンサ800の底部に形成されて、これに続いて弁808、817が開かれる。
センサ744からの信号で示されるシリンダ712内の圧力が所定のレベルに達すると、制御装置728は、第2流体質量1024を形成させるために、流体導入制御弁742を開く信号を送出して、第2リザーバ790からの比較的に低い圧力の水をシリンダに流入させる。
流入する水は、排気ガスをシリンダ712から排気システム736に移動させる。レベル検知装置1062からの信号が、第2流体質量1024が所定レベルに達したことを示すと、制御装置728は、流体導入制御弁742に閉じる信号を送出する。
過給機1060は、高圧の空気をシリンダ712に吹き込む。吸気弁724を開く信号を送出するとすぐに、制御装置728は、排気弁734を閉じる信号を送出する。
吸気弁724の開放と排気弁734の閉鎖の重複は、シリンダ712に吹き込まれた空気が、残留している排気ガスをシリンダから排気システム736に吐き出すように設定される。
弁座1220は、狭窄部を画成するシリンダ712の壁、またはシリンダの壁に取り付けられたひとつ以上の部材により画成される。
ボール1222は、ボールに作用する力の変動に対する反応性を向上させるために、比較的に低密度の材料、および/または中空で形成されていることが好ましい。
弁1212には、弁座1220から離れる方向のボール1222の動きを制限するための保持具1224が設けられている。
保持具1224は、ボールのそばを通ってシリンダの下端に向かう流体の比較的自由な流れを認めると共に、内燃機関1210を使用しているときに受ける圧力および温度に耐えることができる一方で、弁座1220から離れるボール1222の動きを制限することができれば、どのような形態であっても良い。
保持具1224は、例えば、図2に関連して説明した保持具のいずれかと同様にしても良い。弁1212は、ボールを弁座1220に係合させるように付勢する付勢デバイス(図示せず)を有していても良い。付勢デバイスは、例えば、ボール1222と保持具1224との間に配置された圧縮ばねから構成される。図25に図示する一方向圧力作動弁の代わりに、弁1212は、例えば、制御装置728からの信号に応答して開閉する電気作動弁から構成されるようにしても良い。
シリンダ712を排気システム736の第1コンデンサ800に接続する二又分岐管路には、2つの排気弁1214、1216が設置されている。
最上部の排気弁1214は、第1サブチャンバ1226に連通する管路のアーム1230に設けられており、最下部の排気弁1216は、第2サブチャンバ1228に連通する管路のアーム1232に設けられている。
この段階で、第1サブチャンバ1226には、第1流体質量1022である加圧空気が満たされており、第2サブチャンバ1228には、レベルセンサ1062で設定したレベルまで水が充填されている。
燃料噴射器726は、制御装置728の制御下で燃料を第1サブチャンバ1226に噴射して、第1サブチャンバ1226内において燃料は、第1流体質量1022である空気と混合されて、可燃性混合物となる。
燃料噴射器726か開放されてから予め設定された時間が経過すると、制御装置728は、燃焼を開始させるために、点火プラグ1218に可燃性混合物中に放電させる信号を送出する。
混合物が燃焼すると、第1サブチャンバ1226内の圧力が急上昇して、ボール1222が弁座1220から離れるので、高温の急膨張する燃焼ガス1236が、第2サブチャンバ1228に急激に流れ、第2流体質量1024を形成する水に作用する圧力波となって、前述したように付勢された水の流れとしてのエンジン出力を供給する。
第2サブチャンバ1228からの燃焼生成物は、管路のアーム1232を通って、排気システム736の第1コンデンサ800に流入する。
流入する水によるシリンダ712内の水位の上昇(および付勢デバイスが設けられている場合には付勢力)は、ボール1222を戻して弁座1224と係合させるので、第1サブチャンバ1226は再び第2サブチャンバ1228から隔離される。
最上部の排気弁1214が開いたままであるため、第1サブチャンバ1226からの燃焼生成物は、管路のアーム1230を通って排気システム736の第1コンデンサ800に流入できるままである。
最下部の排気弁1214の閉鎖と同時、またはその後間もなくして、制御装置728は、吸気弁724を開く信号を送出して、過給機1060からの圧縮空気を第1サブチャンバ1226に流入させる。流入する空気は、残っている燃焼生成物を、第1サブチャンバ1226から最上部の排気弁1214を通過させて排気システムに吐き出させる。
吸気弁724の開放から間もなくして、制御装置728は、最上部の排気弁1214を閉じる信号を送出し、第1サブチャンバ1226に第1流体質量1022を形成する空気を充填する工程は、センサ744からの信号で示される所要圧力で終了する。
この段階で、シリンダ712は燃料噴射器726を介して燃料を受ける準備が整う。
さらに、着火装置が設けられているため、内燃機関1210において過給が必要とされないかもしれないが、過給機1060を使用することによって、エンジンの性能を向上させることができる。
1つの点火プラグ1218だけを図示しているが、燃焼工程を改善するために追加の点火プラグを設けても良い。
よって、急激に移動する流体とこれらの表面との間での抵抗を減じるように表面を粗くしても良い。粗面処理は、適したあらゆる形態をとることができる。
考えられることの一つが、燃焼室の壁にサメ皮を模した畝模様のある表面を設けることである。
図28に示すように、サメ皮を模した表面1300は、***1304が形成された歯状小板1302を複数備えて構成される。図示する実施形態では、***1304は、大まかに整列しており、表面では、流体の大まかな流れ方向に延びるように***が形成されている。
図1から図27に図示する実施形態の場合、***1304は、螺旋状の通路164、864により覚せいされる螺旋状の流路に沿うように設けられている。さらに、螺旋形の通路164、864を画成する部分に粗面処理を施すようにしても良い。
あるいは、隣接する小板1302の***が別々の方向に延びるように、***1304を設けても良い。これは、境界層を断ち切り、シリンダ内における流体の流れを改善するのに有効である。
図4を参照して、流体ホルダ1400は、本体部150と半球状のシリンダヘッド154との間に挟み込まれるようにされている。
流体ホルダ1400は、半球状のシリンダヘッド154を本体部150に固定するために使用されるボルト158などのデバイスを受けるために、周方向で等間隔に貫通穴1404が設けられた環状支持部材1402で構成される。
環状支持部材1402は、流体保持部1406を支持している。流体保持部1406は、支持部材1410で互いに接続された複数の流体保持部材1408を備える。
図示する実施形態では、支持部材1410は、メッシュ構造であるが、好適な構成の支持部材であればどのようなものでも使用可能である。流体保持部材1408は、流体を保持するために浅い皿またはカップ形状の構造である。
可燃性混合物の燃焼が開始すると、流体保持部材1408が保持する流体の小さなポケットが燃焼ガス中に配置されて、燃焼熱に完全に暴露される。流体保持部1406の構造は燃焼熱をほとんど吸収しないようにして、容器は保持される流体の量が著しい冷却効果を生じないようなサイズにする。あるいは、流体の浅いポケットが燃焼熱に完全に暴露されて、水蒸気改質および/または解離のための蒸気を容易に形成する。
例えば、流体保持部を、略平らにする、および/または多数の比較的小さい流体保持ポケットを画成するようにしても良い。略平らな表面には、例えばマイクロピッチングにより、流体保持機構を設けるようにしても良い。
代わりに、別々の平面上に流体保持部材を支持させるように支持部材を構成しても良い。これにより、シリンダ内での可燃性混合物と燃焼ガスの比較的に自由な流れを可能にしつつ、燃焼ゾーンに設けられる流体保持部材の密度を高めることができるようになる。
あるいは、いくつかの実施形態において、流体保持面を別々の平面上に設けるために、複数の流体ホルダ1400を使用するようにしても良い。
流体の体積を比較的に小さくし、水蒸気改質および/または解離が起こる可能性を最大にするために燃焼ゾーン内で広く分散させる必要がある。
流体は、圧縮および/または燃焼過程の前にシリンダに入力できる。流体は、例えば、実施形態で図示された方法のいずれかで、予備加熱されることが好ましい。
しかし、圧縮過程の前に流体の入力が行われる場合には、空気/空気燃料混合物の圧縮の際の圧縮熱により、流体を加熱できる。
あるいは、流体ホルダ1400が作動流体中に位置する、および/または燃焼開始前に流体ホルダが少なくとも部分的に沈められるように内燃機関を動作させるようにしても良い。
燃焼が起こると、水蒸気改質および/または解離のために液体は流体ホルダにより保持される。この場合、水素を得ることができる水素含有化合物を液体中に含ませるようにしても良く、例えばエタノールなどの不凍液でも良い。
液体中の不凍液の含有量は、周知の試験装置を使用して容易に監視でき、所望の濃度を維持するために、液体中に不凍液を補給できるリザーバを設けても良い。
図30を参照して、適当な制御装置728は、ひとつ以上のプロセッサ1600と、信号処理コンポーネント1602と、を備えても良い。信号処理装置は、例えば、信号の増幅、アナログ信号のデジタルへの変換、デジタル信号のアナログへの変換を行って、制御装置がセンサからの信号を受信および使用して、制御装置により制御される弁および他のコンポーネントに有効な信号を出力する。
制御装置728は、内燃機関の動作中に生成されるデータを記憶するひとつ以上のランダムアクセスメモリ(RAM)1604と、プロセッサで使用できる入力を供給するために、ひとつ以上のセンサからの入力信号をサンプリングする電気回路1606と、をさらに備えても良い。
制御装置728は、永久記憶装置1606として、ひとつ以上の制御ソフトウェア部1608が永久的に記憶されている読出専用メモリ(ROM)のような、ひとつ以上のデータ記憶コンポーネントを、さらに備えても良い。もちろん、いくつかの用途では、永久記憶装置は必要とされない。
例えば、制御装置は、制御アルゴリズムが記憶すると共に制御装置の起動時に制御装置内のRAMにそれをアップロードするマスターコンピュータに接続されていても良い。
他の態様として、制御装置は、マスター制御装置またはコンピュータにスレーブされるようにしても良い。さらに他の態様として、制御装置が、配線で接続された制御回路を備えるようにしても良い。
円錐体により支持された螺旋の壁状の流れ修正構造は、エンジンの液体出力が排出弁装置に向かって螺旋になるように、円錐体およびシリンダ壁と協同して、螺旋状の通路を画成する。
誘導された螺旋状の動きは、排出弁装置に向かう水の流れを向上させ、これにより、抵抗による損失が低減し、流路の断面積の制御が、流出する液体中に不要なガスの混入を起こすことになる液体のキャビテーションの問題を少なくとも低減する。
図28を参照して説明したように、部品の表面に粗面処理を施すことが、抵抗損失をさらに低減させることができる。
これらの利点の少なくともいくつかは、流路の下流方向で断面積が増減しない流路を提供する他の構造と組み合わせて得られるものである。
さらに、シリンダ軸に対する流れの回転を与える流れ修正構造の他の形態も可能である。例えば、図示した実施形態において、流れに回転を与える方向に向いた羽根を、シリンダ壁と円錐体との間に設けても良い。羽根は、シリンダ壁と円錐体の何れか一方に支持させることができる。さらに他の態様として、シリンダ壁と円錐体の少なくとも一方に螺旋状のリブを設けることである。
作動体を、金属ピストンではなく水体にすると、燃焼時にシリンダ内に生じる比較的に高温かつ高圧に曝されたときに熱分解により解離できる水の供給源となる。
しかしながら、シリンダ内で可燃性水素含有化合物を燃焼させただけで水を解離させようとしても、解離が起こらない、または、少なくとも少量の水素しか生成しないごく限られた解離しか起こらないと考えられている。
これは、限られた量の水だけが解離に十分になるまで過熱されるからであり、3500℃の温度に達したとしても、炭化水素燃料の燃焼による比較的遅い燃焼が、熱の散逸させてしまう。
また、燃焼のためにリッチな燃料と空気との混合物を与えることによって、シリンダ内に過剰の可燃性水素含有化合物が得られるようになり、このことが、水解離に必要な温度よりも相当に低い温度で起こすことができる水蒸気改質を可能にする。これがシリンダ内で燃焼する燃焼ガスに水素を供給することになる。
水素の燃焼による比較的速く激しい熱は、熱が散逸する時間を短縮でき、燃焼ガスに噴霧される水蒸気/蒸気の量を制御するのであれば、燃焼ガスの過度な冷却を防止し、水の解離を達成できる。
このことは、燃焼ガスに、それ自身が燃焼するかなりの量の水素と酸素を提供し、エンジンから出力される追加パワーを生成する。図13の曲線の比較から、利用できるパワーの3倍の増加を達成できることが示唆されている。
すなわち、水素燃焼から生成されるエネルギは、静止状態の水の慣性を克服するのに浪費されずに、既に運動している液体に追加の運動力を提供するので、エンジンからの液体の流出は。1回のエネルギ入力というより、エネルギの繰り返される爆発に曝される可能性がある。
貯蔵リザーバから放出されるとき、圧力として蓄積されたエネルギの一部は、例えば、インペラ、ピストンまたはポンプを駆動することによって運動エネルギに変換される。
例えば、従来の内燃機関に見られる高速往復および回転するパワー伝達部品で直面するエンジンバランスの問題は、図示した実施形態の内燃機関では影響しないため、奇数個(例えば、3個、5個または7個)のシリンダを備える内燃機関を形成しても、偶数個を有するものよりも問題が生じないことが予想される。
出力貯蔵装置は、適したあらゆる形態とすることができ、単なる例として挙げている図示されたリザーバに限定されるものではない。
蓄積された液体はガスを加圧する。つまり、ガスの圧力は、蓄積される液体の量に応じて変化する。液体が蓄積されないように維持されている領域を介して液体をチャンバに導入すると、フローインピーダンス(液体の流れの進入に対する抵抗)が低下する。これにより、エネルギ損失が減少して、内燃機関の効率が向上する。蓄積された液体を出力するためにリザーバが開かれると、液体はガスに蓄積された圧力によってリザーバから吐き出される。
吸入口がリザーバの頂部にあることは必須ではない。吸入口は、蓄積される液体の予定されている最高の高さよりも上であれば、リザーバの頂部より下のどの位置に設けても良い。また、リザーバの少なくとも蓄積される液体が占有する可能性のある領域に入り、その排出口端を、液体の予定されている最高の高さよりも上に位置させた導管の形態としても良い。
図示された実施形態では、制御装置が、リザーバの圧力の検知に使用されるセンサからの信号を利用するようにしても良い。代わりに、または追加として、蓄積される液体の量を検知するための専用センサを利用するようにしても良い。例えば、液体のレベルが所定のレベルに達したときに完成する回路の適当なスイッチ形成部を利用しても良い。あるいは、光学センサまたはフロートスイッチを利用しても良い。さらに他の態様として、二つのセンサを組み合わせて使用するようにしても良い。センサのうちのひとつは、蓄積される流体が途切れることなく位置すると予想される位置に配置されて、基準信号を与える。2つのセンサのうち2つ目は、リザーバにそれ以上入らない最高レベルとして設定されたレベルに配置する。使用に際して、蓄積された液体のレベルが最高レベル未満である間は、2つ目のセンサからの信号は基準信号とは異なる。蓄積された液体レベルが、最高レベルに達するとすぐに信号が変化して、基準信号と略同じになる。
ガス収容リザーバへの流体の充満を防止するために、液体が液体収容リザーバから上方に流れなければガス収容リザーバに流入できないように、2つのリザーバを別々の高さに配置できる。
このようにすると、液体収容リザーバの適切に維持されたガス収容領域を通って、液体が出力貯蔵装置に入るようにすることができるが、液体は、ガス収容リザーバを介して出力貯蔵装置に入るようにすることが好ましい。
従来の往復ピストン内燃機関と比較すると、シリンダの各サイクルにおいて起こる様々な過程の制御を改善できる。
さらに、燃焼室に流出入する流体の流れの制御に使用される弁は、制御装置の制御下で互いに独立して動作できるため、従来の往復ピストン燃焼機関の構造で必要とされるのと同じ程度まで、イベントのタイミングに関して妥協する必要がない。
多気筒型エンジンの場合、各燃焼室の動作は従来のエンジンと同じ程度まで同期させる必要はないので、エンジンが柔軟になり、制御しやすくなる。
多気筒型エンジンにおいて同様の状況の場合、第1リザーバの流体の圧力を回復する必要が生じるまで、シリンダの一部または全部を使用しないでおくことができる。
車両が運転中であって、車両の運動量が入力駆動の要求を低減させるような場合についても、同様である。
要求に応じて利用できるパワーを有するときにこのようにして選択的にエンジンを切ることができるようにすると、特に、主に都市環境で典型的に見られる停止/始動の頻繁な運転に使われる車両の場合、大幅な燃料節約を得る機会が与えられる。
これにより、設計者がエンジンブロックを製造する材料を選択するときの自由度が高くなることが予想される。結果として生じる熱慣性の損失が問題となりにくいことから、より薄い壁を使用できる点も設計の自由度を高めてくれると予想される。
これにより、従来のエンジンよりもエンジンをより軽量にする可能性が与えられる。
また、燃焼室を画成する構造を、プラスチック成形プロセスを利用して部品を製造する機会を生ずることになる産業用樹脂から形成する可能性が生じるので、このことは、コスト削減になる可能性を有している。
しかし、エンジンから出力される高圧高速の液体の運動によって生じるキャビテーションによる問題を避けるために、燃焼室の内側を比較的硬い材料で覆う必要があるかもしれないことに留意するべきである。
運動する液体に曝される燃焼室の壁は、例えば、セラミックライナーで保護してもよく、またはステンレス鋼、これと同等の材料で作成しても良い。
産業用樹脂を使用する場合には、燃焼ガスに曝される表面を粗くする、および/または小さな凹み、ギザギザ、ポケット等を設けることにより、水分が保持されるようにして、プラスチック材料を燃焼熱から保護するようにすることが好ましい。
表面の粗面処理は、例えば、図28に示したものと同一または類似の形にしても良い。
特にリザーバは、収容する加圧ガスの温度を維持するために断熱されるべきである。
想定される選択肢のひとつが、シリンダおよび/またはリザーバに真空ジャケットを設けることである。真空を生み出す排気システムを有する実施形態では、真空ジャケットは、断熱ジャケットの圧力が排気システムの真空よりも高くなった場合に、一方向弁を開けて真空に戻すように、一方向弁を取り付けた管路によって真空が得られる排気システムの一部に接続することができる。
そのような重量の削減は、エンジンをそのまま使用する場合には重要ではないが、エンジンが、車両や使用時にエンジンが移動する必要がある他の用途に使用される場合には、エネルギ効率の点において顕著な利点を与えることができる。
このような場合、エンジンの出力の一部が、エンジンの自重を加速および推進するのに必然的に使用されるので、重量削減はどのようなものでも有益である。
自動車への適用においては、クラッチ、フライホイール、ギアボックス、または作動装置を備える必要がないので、コストおよび重量の観点から、さらなる節約が行われることになる。
第2流体質量が主に水からなる場合、ある環境では、エンジンを使用していないときに水が凍結することを防止するために添加剤を含む必要がある。
第1流体質量が第2流体質量に直接接触する実施形態では、燃料の一部は第2流体質量に吸収されるため、エタノールなどのアルコール系燃料を使用する場合、定期的な「不凍液補給」が必要になる。
熱プロセスの効率改善および/または腐食防止のために水に適当な添加剤を添加することが望ましい。第2流体質量が水で構成される場合、蒸留水を使用することが好ましい。
車輪で走る形態の輸送機関への適用では、被駆動車輪に接続された出力軸を回転させるために出力を利用する代わりに、被駆動車輪に、エンジンから出力される作動流体を受けるタービンのような構造を設けてもよい。
望まれている性能レベルを提供する、および/または各バルブまたはセンサを故障から保護するために、複数の弁および/またはセンサを用いるようにしても良い。
そのため、例えば、ツイン吸気弁、および/またはツイン排気弁、または複数のセンサがあってもよい。
このため、従来の往復ピストン内燃機関でプレイグニッションがある場合のエンジンコンポーネントへの潜在的なダメージおよびパワー損失が、阻止または少なくとも低減される。
このことから、図示するエンジンは、一般に使用されるガソリン系燃料のような品質が一貫性を示さない燃料の使用に特に適しており、例えば、再生可能資源から生成できるエタノールなどのアルコール系燃料の使用にエンジンは特に適している。
これは必須ではない。代わりに、燃料をシリンダの上流の空気の流れに計量して供給し、すでに空気が混合された燃料として、シリンダに送出するようにしても良い。
図示された実施形態の内燃機関に関連する様々な弁を、常閉型電磁作動弁として説明した。前記したひとつ以上の電磁作動弁の代わりに、他の形態の電気作動弁を使用しても良い。弁は、油圧や空気圧で作動するようにしても良い。
燃焼イベント後のシリンダ内の圧力上昇は大きく、例えば図1に図示したセンサ44などの温度センサで容易に検出できるので、電磁弁を開いて付勢流体をリザーバに放出させる信号を送出できるようになる。
燃焼イベントが点火プラグなどの着火装置の動作によって引き起こされる内燃機関では、電気作動式出力弁の開放は、着火装置の起動から決めることができる。
これは、周囲の動作条件の変動および/または可変負荷にも拘わらず、エンジンを効率的に機能させる必要があるときには好ましい。ただし、制御イベントの多くは、設定された時間間隔で開始されるようにしても良い。時間間隔に基づく制御手順は、おそらくより単純で、定置型エンジン(建物に収容できる)、および/または負荷の著しい変化を受けない、または少なくとも動的に変動する負荷を受けないエンジンに適用できる。
種々の制御手法を使用できる。例えば、プロセスのうちのひとつ以上の制御を、ひとつ以上の過去の信号および読取値、およびこれらの信号および読取値の処理により生成されるデータに基づいて行うようにしても良い。
内燃機関のシリンダは、出力される流体が単純に燃焼ガスの膨張によって排出口に真っ直ぐ吐き出されるように空容積でもよい。
適した材料で形成されると共に作用する圧力変化に応じてシリンダ内で自由に往復運動するそのような分離部材は、シリンダの略全幅に亘って、燃焼ガスから液体へのエネルギの均一な伝達を補助することになる。
そのような分離部材は、さらに燃料および/または第1流体質量の燃焼生成物による液体の汚染を制限できる。
実際、液体によってシーリングが施されるので、分離部材は完全に自由に動くことができ、分離部材とシリンダの壁の間にシーリングを設ける必要はない。
内燃機関10の変型例の一部または全部を内燃機関710に適用してもよく、同様に、内燃機関710の変型例の一部または全部を内燃機関10に適用してもよい。
図面に図示する内燃機関の向き、および説明で使用する「上」および「下」という表現は例として、また理解しやすくするためにそのように記載して、限定して解釈するべきでない。
例えば、図1および図17で示されているように、燃焼室は、非垂直な向き、さらには水平の向きにも配置することができる。
これは、互いに連通している二つの別個の領域を有する燃焼室を構成し、空気燃料混合物が付勢される流体によって汚染されることなく燃焼でき、燃焼により発生する圧力波が付勢される流体に作用して流体を付勢できるようにすることで達成できる。
Claims (14)
- チャンバと、
前記チャンバ内で燃焼させて前記チャンバの圧力を上昇させるために、前記チャンバに可燃性混合物の構成成分を導入させる吸入弁装置と、
前記圧力上昇の影響下で、前記チャンバのエネルギ出力として前記チャンバから流出液を放出させる排出弁装置と、
前記チャンバに加熱した液体を選択的に導入する入力弁装置と、
前記入力弁装置に加熱した液体を供給する供給システムと、を備え、
前記入力弁装置は、前記可燃性混合物の燃焼が起こる前記チャンバの領域に前記加熱した液体を、水蒸気、霧状の水滴、ミストのうちの少なくともひとつとして導入して、前記チャンバ内で燃焼する水素を与える水素分離過程を促進するように構成され、
前記供給システムは、
前記液体を前記チャンバ内の前記領域に導入するときに、水蒸気改質を促進するために所定量の水素含有化合物を前記液体に加える装置を備え、
前記水蒸気改質では、前記チャンバ内で燃焼させる水素を、前記水素含有化合物から分離させることを特徴とする内燃機関。 - 前記水素分離過程は、前記加熱した液体の少なくとも一部の解離から構成されることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
- 請求項1または請求項2に記載の内燃機関において、
前記供給システムには、前記水素含有化合物から水素を放出させる触媒が設けられている。 - 請求項1から請求項3のうちの何れか一項に記載の内燃機関は、
前記チャンバ内での水蒸気改質を促進するために、前記可燃性混合物が燃料リッチになるように前記吸入弁装置を制御する制御装置を備え、
前記水蒸気改質では、前記チャンバ内で燃焼させる水素を提供するために、前記燃料から水素を分離させる。 - 請求項1から請求項4のうちの何れか一項に記載の内燃機関は、
前記チャンバから燃焼生成物を受ける排気システムを備え、
前記供給システムは、前記液体を、前記排気システムを流れる燃焼生成物からの熱に曝して、前記加熱される液体を、前記燃焼生成物からの熱により少なくとも部分的に加熱させる。 - 請求項5に記載の内燃機関において、
前記供給システムは、前記液体が流れる管路を備え、
前記管路は、前記燃焼生成物が前記管路の表面を流れるように、前記排気システムを貫いて延びている。 - 請求項1から請求項6の何れか一項に記載の内燃機関は、
前記液体を前記チャンバに導入する第2入力弁装置と、
前記第2入力弁装置の制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記チャンバに導入させた前記液体が前記可燃性混合物の少なくとも1つの構成成分を圧縮するように、前記第2入力弁装置を制御する。 - 請求項7に記載の内燃機関は、
前記可燃性混合物の前記少なくとも1つの構成成分の圧縮完了後、前記液体が前記チャンバに導入されるように前記入力弁装置を制御する制御装置を備える。 - 請求項8に記載の内燃機関において、
前記制御装置は、前記チャンバ内での前記可燃性混合物の燃焼開始に続いて、前記液体が前記チャンバに供給されるように前記入力弁装置を制御する。 - 請求項1から請求項9のうちの何れか一項に記載の内燃機関は、
前記チャンバ内の状態を示す信号を与える少なくとも1つの光学センサを備え、
前記吸入弁装置と前記入力弁装置のうちの少なくとも一方の制御は、前記少なくとも1つの光学センサからの前記信号に少なくとも部分的に基づいて行われる。 - 請求項10に記載の内燃機関において、
前記少なくとも1つの光学センサは、少なくとも1つの光学温度センサから構成される。 - 請求項1から請求項11のうちの何れか一項に記載の内燃機関は、
前記チャンバからの前記液体の流出を受ける出力貯蔵装置を備え、
前記入力弁装置は、前記出力貯蔵装置からの前記液体の供給のために、前記出力貯蔵装置に接続されている。 - 請求項12に記載の内燃機関において、
前記出力貯蔵装置は、前記液体が、液体のない状態に維持される領域を通って前記出力貯蔵装置に流入するように構成されている。 - 請求項1から請求項13のうちの何れか一項に記載の内燃機関において、
前記チャンバ内には、前記チャンバの中央線の周りで前記液体流出のための流路が画成されており、
前記流路は、前記流路の下流方向に、略等しいままで保持されるまたは減少する断面積を有している。
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