JP5721026B2 - Circulating gas hybrid engine - Google Patents

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Description

本発明は、循環式ガス内圧機関を利用する新しいタイプの循環ガスハイブリッド機関に関する。   The present invention relates to a new type of circulating gas hybrid engine using a circulating gas internal pressure engine.

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。   From the viewpoint of saving resources and energy, and dealing with environmental problems, high-pressure circulation gas engines that use a gas medium such as nitrogen gas, carbon dioxide, and argon to obtain output have been studied. The gas medium compressed by high pressure, preferably liquefied, is heated and expanded, and an actuator such as a piston in the cylinder is operated with this expansion energy to obtain an output. Is expected to be able to provide.

図４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。   FIG. 4 shows, as an example, an outline of a circulation gas engine 100 that uses the carbon dioxide gas disclosed in Patent Documents 1 and 2 as a gas medium. In the figure, a circulating gas engine 100 includes an initial tank 101 that stores liquid carbon dioxide, and a heat exchanger 102 that heats the liquid carbon dioxide introduced from the initial tank 101 by carbon dioxide discharged from the circulating gas engine 100 (both documents). In this case, “cooling device” for cooling the exhaust carbon dioxide side), the engine body 103 driven by adiabatic expansion of the liquid carbon dioxide gas, the pump 104 for pumping the exhaust carbon dioxide from the engine body 103, and the pumped carbon dioxide gas A recovery tank 105 to be recovered, a compressor 106 that pressurizes the recovered carbon dioxide gas after being cooled through the heat exchanger 102, a circulation tank 107 that stores the compressed carbon dioxide gas, and a pipe 108 that connects them are mainly configured. ing.

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４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。   In the operation of the circulating gas engine 100 disclosed in Patent Documents 1 and 2 configured as described above, first, liquid carbon dioxide gas stored in the initial tank 101 (partially mixed with carbon dioxide gas) is connected to the pipe 108. Is led to the heat exchanger 102 and is heated, vaporized, and expanded by heat exchange with the exhaust carbon dioxide described later, and becomes high-pressure carbon dioxide. This high-pressure gas is introduced into the engine main body 103, an actuator such as a piston in a cylinder is operated, and an output is obtained by changing this into a rotational force in the same manner as a normal engine. The engine main body 103 may be a rotary engine. The exhaust gas (carbon dioxide gas) after driving the engine body 103 is first guided to the recovery tank 105 by the pump 104 and further sent to the heat exchanger 102 where it is communicated with the relatively low-temperature high-pressure carbon dioxide gas. Heat exchange and cooling. The cooled carbon dioxide gas is sent to the compressor 106, where it is pressurized to about 40 atm and then sent to the circulation tank 107 where it is stored. In the subsequent driving of the engine body 103, the carbon dioxide stored in the circulation tank 107 mainly circulates and operates, and only the supplementary carbon dioxide gas is sent from the initial tank 101. The pump 104 and the compressor 106 are driven by the rotational driving force of the engine body 103 being transmitted via a belt or the like, as indicated by the one-dot chain line in the figure. In FIG. 4, for convenience of explanation, various switching valves, concentration sensors, oil separation devices, and the like are omitted.

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。   According to the above configuration, it is possible to circulate and use the carbon dioxide gas present infinitely on the earth without being discharged into the atmosphere, and it is more environmentally friendly than conventional internal combustion engines. In addition, a power source that contributes to resource protection can be obtained. Moreover, the patent document states that an output comparable to that of an internal combustion engine can be obtained.

特開２００８−２１５２７０号公報JP 2008-215270 A 特開２００８−２９７９５６号公報JP 2008-297756 A

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４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４参照）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の始動となり、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。   However, there is still room for improvement in the conventional circulating gas engine as shown in the above example. For example, in the method shown in FIG. 4 disclosed in Patent Documents 1 and 2, a problem at the time of starting the engine can be recalled. Even if an attempt is made to start the circulating gas engine 100 by opening the valve of the initial tank 101 and supplying carbon dioxide gas, it is still doubtful whether a smooth start is possible. At the time of start-up, heat exchange with the exhaust carbon dioxide is not sufficiently performed, and it is difficult to obtain a sufficient pressure increase and expansion of the carbon dioxide necessary for engine start. In addition, it is assumed that a large amount of carbon dioxide gas needs to be supplied from the initial tank 101 immediately after start-up even when the pressurization by the compressor 106 does not provide a sufficient supply of discharged carbon dioxide gas. Both documents describe the provision of a compressor 109 (see FIG. 4) to increase the efficiency of volume expansion by supplying hot air gas to the engine body 103 by carbon dioxide compression. The drive is not sufficient, and an abundant supply of hot air gas is difficult to expect. Therefore, the engine is started only by opening the valve of the initial tank 101 when starting the engine, and it is expected that it is difficult to start smoothly. Also, even if a cell motor is used to assist this, it is considered that rotation by the cell motor alone is not sufficient, and it seems necessary to keep rotating for a considerably long time. However, problems such as the need for a powerful cell motor and a large-capacity battery are expected.

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。   Furthermore, in the circulation type gas engine 100 disclosed in Patent Documents 1 and 2, the heat energy on the heating side used in the heat exchanger 102 burns differently from that of the internal combustion engine even after the transition to steady operation. Only low-temperature gas obtained by simple gas expansion operation without any use can be used. For this reason, it is not necessarily efficient to vaporize and expand the carbon dioxide gas from the initial tank 101 or the carbon dioxide gas from the circulation tank 107 that is sent to the engine side during the heat exchange enough to drive the engine body 103. There is also a problem.

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。   These problems are not limited to the circulating gas engine 100 disclosed in Patent Documents 1 and 2, but can be similarly applied to all circulating gas engines that have been studied in the prior art. As described above, the present invention solves the problems of the conventional circulating gas engine as described above, realizes thermal efficiency equal to or higher than that of the conventional internal combustion engine, and contributes to environmental protection and resource protection. The purpose is to provide a new hybrid technology that can realize the characteristics of a highly recirculating gas engine.

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ような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。   The present invention makes use of the characteristics of a circulation type gas engine and makes a hybrid type circulation gas hybrid engine using an internal combustion engine to compensate for the weaknesses of the conventional circulation type gas engine and to solve the above problems. Specifically, the following contents are included. In general, “hybrid engine (engine)” means an engine related to a combination of an internal combustion engine and an electric motor, which is widely used in automobiles, but the original “hybrid” is roughly “ “A combination of two or more different things” means “hybrid” in this specification, unless otherwise specified, refers to a combination of the above-described circulating gas engine and internal combustion engine.

本発明に係る１つの態様は、燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部と、循環するガスを加熱、加圧して得られる高圧力を利用して出力を得る内圧機関部とを有することを特徴とする循環ガスハイブリッド機関に関する。 One aspect according to the present invention is to obtain an output using an internal combustion engine part that obtains an output by using an explosive force obtained by burning fuel and a high pressure obtained by heating and pressurizing circulating gas. The present invention relates to a circulating gas hybrid engine having an internal pressure engine section.

前記内燃機関部は、ジーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ロータリエンジンのいずれかにより構成することができる。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。   The internal combustion engine section can be constituted by any of a diesel engine, a gasoline engine, and a rotary engine. The circulating gas can be any one of carbon dioxide, nitrogen, and argon.

本発明に係る他の態様は、複数の気筒から構成される機関本体部であって前記複数の気筒の内の少なくとも一つの気筒が燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部として構成され、少なくとも他の一つの気筒が循環するガスを加圧、加熱して得られる高圧力を気筒内に導入して出力を得る内圧機関部として構成される機関本体部と、前記内燃機関部に燃料を供給するための燃料供給系と、前記内圧機関部に循環ガスを供給するための、循環ガス貯蔵用初期タンク、循環ガス加熱装置、循環ガス圧縮装置を含む循環ガス供給系とから構成されることを特徴とする循環ガスハイブリッド機関に関する。 Another aspect according to the present invention is an engine main body composed of a plurality of cylinders, and at least one of the plurality of cylinders obtains an output by using an explosive force obtained by burning fuel. is configured as an internal combustion engine unit, at least one other cylinder pressurized gas circulating, heated to high pressure institutions constituted by the internal pressure engine unit is introduced into the cylinder to obtain an output main body obtained A circulation system including a fuel supply system for supplying fuel to the internal combustion engine section, and an initial tank for circulating gas storage, a circulating gas heating apparatus, and a circulating gas compression apparatus for supplying circulating gas to the internal pressure engine section The present invention relates to a circulating gas hybrid engine characterized by comprising a gas supply system.

前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つの気筒を、前記内圧機関部からの排気ガスが有する残存圧力を導入して出力を得る低圧内圧機関部とすることができる。   At least one other cylinder among the plurality of cylinders of the engine main body may be a low pressure internal pressure engine that obtains an output by introducing a residual pressure of exhaust gas from the internal pressure engine.

前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つ気筒を、前記循環するガスを導入して加圧する圧縮機とし、当該圧縮機を前記循環ガス圧縮装置として機能させることができる。   At least one other cylinder of the plurality of cylinders of the engine main body may be a compressor that introduces and pressurizes the circulating gas, and the compressor functions as the circulating gas compressor.

前記循環ガス加熱装置として、前記内燃機関部から排出される排気ガスと前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う熱交換機を利用することができる。あるいは、前記機関本体部を冷却する冷却水と前記内圧機関部に導入される循環ガスとの間で熱交換を行う調整タンクを利用してもよい。これら双方を利用することも可能である。   As the circulating gas heating device, a heat exchanger that performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the internal combustion engine section and the circulating gas introduced into the internal pressure engine section can be used. Or you may utilize the adjustment tank which performs heat exchange between the cooling water which cools the said engine main-body part, and the circulating gas introduce | transduced into the said internal pressure engine part. Both of these can be used.

本発明に係るさらに他の態様は、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、もし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であって、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。 According to still another aspect of the present invention, the driving force generated by the power source is transmitted to the axle to rotate the wheels, thereby driving the vehicle to drive, or the motor is rotated by the electric power generated by the power source. Thus, the present invention relates to a vehicle that obtains a driving propulsion force, wherein the power source is any one of the circulating gas hybrid engines described above.

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。   By implementing the present invention, it is possible to provide an engine with low fuel consumption and low exhaust gas as compared with a conventional internal combustion engine, which can contribute to resource saving and environmental protection. Further, it is possible to provide an engine having a good startability and an efficient and stable output as compared with a conventional circulating gas engine.

本発明の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関の構想図である。1 is a conceptual diagram of a circulating gas hybrid engine according to an embodiment of the present invention. 図１に示す循環ガスハイブリッド機関の他の態様を示す構想図である。It is a conceptual diagram which shows the other aspect of the circulating gas hybrid engine shown in FIG. 本発明の他の実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関の構想図である。It is a conceptual diagram of the circulating gas hybrid engine which concerns on other embodiment of this invention. 従来技術における循環式ガス機関を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circulation type gas engine in a prior art.

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、図示の例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０の各１気筒を含む２気筒の機関にて構成されている。この内、内燃機関部１０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。内燃機関部１０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。   Hereinafter, the hybrid engine (hereinafter referred to as “circulation gas hybrid engine”) according to the first embodiment of the present invention in which a circulation gas engine (hereinafter also referred to as “internal pressure engine”) and an internal combustion engine are combined. This will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a circulating gas hybrid engine 1 according to the present embodiment. In the illustrated example, the circulating gas hybrid engine 1 is constituted by a two-cylinder engine including one cylinder of an internal combustion engine unit 10 and an internal pressure engine unit 20. Of these, the internal combustion engine unit 10 uses a 4-stroke diesel engine in the present embodiment, but this may be a 2-stroke engine or a gasoline engine. The internal combustion engine unit 10 mainly includes a cylinder 13, a piston 14 that strokes in the cylinder 13, a connecting rod 16 that transmits the force of the piston 14, and a crankshaft 17 that converts the vertical movement of the connecting rod 16 into a rotational movement. Is done. Further, the fuel system includes a fuel tank 11 and a fuel injection pump 12 that guides the fuel in the fuel tank 11 and injects the fuel into the cylinder 13 at a high pressure. A cooling water passage 18 is circulated around the cylinder 13, and the cooling water circulates to cool the heat generated by the combustion. These configurations are the same as those of a conventional diesel engine. Further, explanation and display of supplementary notes similar to those of the prior art including the lubrication system other than these are omitted.

本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関１は、２気筒の内の他の１気筒を内圧機関部２０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。内圧機関部２０は、シリンダ２１と、シリンダ２１内でストロークするピストン２２と、ピストン２２の動きを内燃機関部１０と共通のクランクシャフト１７に伝達するコンロッド２３とを含む。これらの構成は、他方の気筒である内燃機関部１０のものと基本的に同様とすることができる。内圧機関部２０のシリンダ２１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２０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１０から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２２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、本明細書では内燃機関部１０、内圧機関部２０を主体とする動力発生部分を機関本体部６と呼ぶものとする。   In the circulating gas hybrid engine 1 according to the present embodiment, another one of the two cylinders is used as the internal pressure engine unit 20. Here, the “internal pressure engine” is used as a term corresponding to the internal combustion engine, and means an engine that obtains output by gas expansion without combustion. The internal pressure engine unit 20 includes a cylinder 21, a piston 22 that strokes in the cylinder 21, and a connecting rod 23 that transmits the movement of the piston 22 to the crankshaft 17 common to the internal combustion engine unit 10. These configurations can be basically the same as those of the internal combustion engine section 10 which is the other cylinder. Circulating high pressure gas is introduced into the cylinder 21 of the internal pressure engine unit 20. As the configuration, the internal pressure engine unit 20 exchanges heat between the initial tank 31 that stores liquefied gas (gas may be mixed) and the liquefied gas introduced from the initial tank 31 with cooling water described later. A heat exchanger 33 that vaporizes and expands the liquefied gas by using exhaust heat from the adjustment tank 32 and the internal combustion engine unit 10 to be described later, and exhaust carbon dioxide that is exhausted after the piston 22 is stroked are recovered. The compressor 34 to pressurize and the piping 35 which connects between these are included. For convenience of explanation, in this specification, a power generation part mainly composed of the internal combustion engine part 10 and the internal pressure engine part 20 is referred to as an engine body part 6.

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、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１０において、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。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。一旦内燃機関部１０の始動により機関本体部６が動作開始すると、共通のクランクシャフト１７を介して内圧機関部２０が動作を始め、両シリンダ１３、２１内にてそれぞれの機関部１０、２０が出力を発生する。   The circulating gas hybrid engine 1 according to the present embodiment configured as described above operates as follows. First, at the time of starting, in the illustrated example, it is possible to start by an operation similar to that of a normal diesel engine. That is, in the internal combustion engine section 10 which is a diesel engine, the circulating motor is rotated by operating a cell motor (not shown) in a state where the compression pressure is removed by the operation of the decompression, and the decompression is closed by the inertia after the rotation. The inside is pressurized and fuel is injected from the fuel pump 12 into the cylinder 13 to ignite. To improve the startability, auxiliary devices known in the prior art such as a glow plug can be used. Once the internal combustion engine section 10 is started, the engine main body section 6 starts to operate, the internal pressure engine section 20 starts to operate via the common crankshaft 17, and the engine sections 10, 20 are in the cylinders 13, 21. Generate output.

内燃機関部１０のピストン１４を動作させたシリンダ１３内の爆発ガスは、次のピストン１３の上昇ストロークにより排気弁を通してシリンダ１３外に排出される。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。   Explosive gas in the cylinder 13 that has actuated the piston 14 of the internal combustion engine section 10 is discharged out of the cylinder 13 through the exhaust valve by the next rising stroke of the piston 13. In the present embodiment, the exhaust gas is led to the heat exchanger 33 at a high temperature, and is also used for heat exchange with the liquefied gas (or a circulating gas described later, hereinafter the same) introduced into the heat exchanger 33. Used. The exhaust gas cooled after the heat exchange is then released to the atmosphere as shown. During this time, an exhaust gas purification device known in the prior art may be provided. Cooling water for cooling the engine body 6 around the engine body 6 circulates through the cooling water passage 18, and a part thereof is guided to the adjustment tank 32.

一方、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℃）、その一部が気化して加圧される（例えば１０ＭＰａ）。 On the other hand, the valve of the initial tank 31 is opened in conjunction with the start button of the circulating gas hybrid engine 1, and the stored liquefied gas is guided to the adjustment tank 32 via the pipe 35. The adjustment tank 32 is connected to the cooling water circulation path of the engine body 6 as described above, and cooling water exceeding 100 ° C. is introduced in a steady operation state. Heat exchange is performed between this high-temperature cooling water and the liquefied gas (or circulating gas), and the cooling water touches the low-temperature liquefied gas, and when the liquefied gas partially vaporizes, the heat of vaporization is taken away and cooling is performed. Then, it is circulated and sent to cool the engine body 6 again. One liquefied gas rises in temperature by high-temperature cooling water (for example, 80 ° C.), and a part thereof is vaporized and pressurized (for example, 10 MPa).

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１０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、この高圧ガスが内圧機関部２０のシリンダ２１内に導入される。導入のタイミングはピストン２２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２２が押し下げられ、その力がコンロッド２３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。燃料の爆発を伴わない内圧機関部２０では、シリンダ２１内にあるガスをピストン２２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２２の押し下げ動作は、ピストン２２が上死点に至る度に行うことができ、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回転する間に内燃機関部１０による爆発が１回、内圧機関部２０による噴射が２回と、計３回の出力発生を得るものとなる。 The liquefied gas containing a part of the gas component that has passed through the adjustment tank 32 is then led to the heat exchanger 33. As described above, the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine unit 10 is introduced into the heat exchanger 33 while maintaining a high temperature after combustion (for example, several hundred degrees Celsius, depending on operating conditions). Heat exchange between the two. Here liquefied gas turned into vapor, for example 300 to 400 ° C., high temperature of about 15 MPa, becomes high-pressure gas, high-pressure gas is introduced into the cylinder 21 of the pressure engine unit 20. The introduction timing is in the vicinity of the piston 22 reaching the top dead center, which is appropriately controlled according to the rotational speed of the circulating gas hybrid engine 1 and the like. The piston 22 is pushed down by the action of the high-pressure gas, and the force is transmitted to the crankshaft 17 via the connecting rod 23 to generate a rotational driving force. In the internal pressure engine unit 20 not accompanied by the explosion of the fuel, it is not necessary to compress the gas in the cylinder 21 by the upward stroke of the piston 22. Therefore, the above-described push-down operation of the piston 22 by the high-pressure gas injection can be performed every time the piston 22 reaches the top dead center, which is an operation corresponding to a two-cycle engine in an internal combustion engine. As a result, the circulating gas hybrid engine 1 obtains a total of three times of output generation: one explosion by the internal combustion engine unit 10 and two injections by the internal pressure engine unit 20 while the crankshaft 17 rotates twice. .

膨張した後の内圧動作ガスは、ピストン２２が下死点から上昇ストロークに転じた際に開く排気バルブを通過し、配管３２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。   The expanded internal pressure operating gas passes through an exhaust valve that opens when the piston 22 changes from the bottom dead center to the rising stroke, is guided to the pipe 32, reaches the compressor 34, and is pressurized there. The compressor 34 can obtain a rotational driving force by connecting the rotary shaft of the circulating gas hybrid engine 1 with a belt 37 or the like, for example. The pressurized internal pressure working gas becomes, for example, a high temperature, high pressure gas of 300 to 400 ° C. and 10 MPa, and is led to the adjustment tank 32 in this state. As described above, the cooling water circulates in the adjustment tank 32, heat is exchanged with the cooling water, and thereafter, the cycle is repeated to circulate. During this time, the three-way valve 38 connected to the adjustment tank 31 is closed, and normally only the direction of the circulating gas is opened and circulated. However, when a shortage of circulating gas is detected by a sensor (not shown), control is performed so that the liquefied gas from the initial tank 31 is supplemented. Further, the circulating gas may return to the initial tank 31 side due to pressure. Further, the adjustment tank 32 may be bypassed when the temperature of the circulating gas is higher than the temperature of the cooling water.

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１０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２０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１０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２０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１０ではシリンダ１３内に導入される燃料を調整するバルブ、内圧機関部２０ではシリンダ２１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。   The circulating gas hybrid engine 1 continues to operate in a stable state in this way. During this time, the internal combustion engine unit 10 functions in the same manner as a diesel engine in the prior art, and outputs by burning fuel (light oil). On the other hand, the internal pressure engine unit 20 obtains output by compression and expansion while circulating the circulating gas. When the circulating gas hybrid engine 1 is stopped, as in the conventional diesel engine, the fuel injection is stopped by operating the switch to be turned off, or the internal combustion is performed by releasing the compression pressure in the cylinder 13 by applying a decompression. The engine unit 10 stops. Similarly, simultaneously with the switch-off, by closing a valve disposed in any of the circulating gas pipes 35, the gas circulation is stopped and the internal pressure engine unit 20 is also stopped. Although not shown in the drawings, in order to control the strength of the engine output, the internal combustion engine unit 10 adjusts the fuel introduced into the cylinder 13 and the internal pressure engine unit 20 circulates the gas introduced into the cylinder 21. Is provided, and the opening degree of both valves is controlled according to the operating condition.

従来技術によるジーゼルエンジンと比較したときの内燃機関部１０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。   The advantage of the internal combustion engine unit 10 when compared with the diesel engine according to the prior art is that the exhaust gas is conventionally discharged into the atmosphere as it is, so that all the heat energy in the exhaust gas is wasted. In the circulating gas hybrid engine according to the present embodiment, this is introduced into the heat exchanger 33 for effective use, and the heat energy of the cooling water is also led to the adjustment tank 32 for effective use. However, depending on the specifications of the circulating gas hybrid engine and the type of circulating gas to be used, only the thermal energy of either the cooling water or the exhaust gas may be used.

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１０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２０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１０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。   Further, the advantage of the internal pressure engine unit 10 according to the present embodiment when compared with the internal pressure engine according to the prior art disclosed in Patent Documents 1 and 2 is not heat exchange with the circulating gas that remains at a low temperature, It is possible to exchange heat with the high-temperature fluid using the exhaust heat energy of the diesel engine, which makes it possible to make the circulating gas at a higher temperature and higher pressure, and the high expansion pressure in the internal pressure engine unit 20 The high output can be obtained. Further, the warm-up operation time can be shortened by the heat quantity of the internal combustion engine section 10.

さらに、本実施の形態に係る内燃機関部１０と内圧機関部２０とを組み合わせた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２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１０への燃料の供給と内圧機関部２０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。   Furthermore, when the hybrid circulating gas hybrid engine 1 in which the internal combustion engine unit 10 and the internal pressure engine unit 20 according to the present embodiment are combined is compared with the prior art, the startability is poor in the case of an engine having only an internal pressure engine. Inefficiency can be greatly improved, and fuel (light oil or gasoline) consumption can be greatly reduced (about half) for a two-cylinder engine with only an internal combustion engine, saving resources. In addition, the amount of carbon dioxide, nitrogen compounds, dust, etc. contained in the exhaust gas will be greatly reduced (about half). The circulating gas hybrid engine 1 according to the present embodiment is different from the engine except that it requires a two-system power source supply system for supplying fuel to the internal combustion engine unit 10 and supplying circulating gas to the internal pressure engine unit 20. The main body 6 can be implemented with only a slight modification of the conventional diesel engine. With this configuration, for example, even when one of the internal combustion engine and the internal pressure engine stops for some reason, the output can be continuously obtained by using the other engine. Alternatively, it is possible to intentionally stop the internal combustion engine during operation in order to save fuel. However, at this time, since the energy of the exhaust gas and the cooling water of the internal combustion engine is reduced, the efficiency of the internal pressure engine is inevitably lowered.

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。   The initial tank 31 is composed of a pressure-resistant gas cylinder. For example, a carbon dioxide gas cylinder has been conventionally used, and can basically be handled in the same manner. However, in order to maintain a stable state even when the circulating gas hybrid engine 1 is stopped, it is also desirable to accommodate the cylinder in a heat insulating container and to maintain a constant temperature using a battery as necessary.

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１０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し、例えば「２気筒」のエンジンとは「２ロータ」形式のエンジン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。   Several variations and modifications are conceivable for the circulating gas hybrid engine 1 of the present embodiment according to the above contents. First, as described above, the internal combustion engine unit 10 is not limited to a diesel engine, but may be a gasoline engine, or both of them may be two-cycle or four-cycle. Alternatively, a rotary engine (Bankel type or the like) can be used instead of the reciprocating engine. In this case, “cylinder” in the above description means a combustion chamber configuration corresponding to one rotor, and for example, a “two-cylinder” engine means a “two-rotor” type engine. Furthermore, the “cylinder” at the time of fuel injection and circulation gas discharge means a combustion chamber in a compression process among combustion chambers formed between the rotor and the rotor housing.

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。   As the “circulation gas” used in the internal pressure engine, an inert gas is generally used, and typical examples include carbon dioxide, nitrogen, and argon. Since these gases have respective characteristics, there are differences in conditions depending on the gas regarding the pressurized pressure, temperature, expansion, and the like during circulation. The temperature and pressure in the above description are the outlines when carbon dioxide gas is used. However, the temperature, pressure, etc. vary depending on the state of use. It is not limited to use.

また、図１に示す例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０の構成を同様のものとして描いているが、この両者を必ずしも同一諸元とする必要はない。例えば両者のシリンダ１３、２１のボアを異なったものとすることができ、あるいはクランク１７の構造を変化させることで両者のピストン１４、２２のストロークに差異を設けることもできる。すなわち、内燃機関部１０、内圧機関部２０それぞれの条件を最適化させる諸元を独立して設定することができる。これによって生じ得る振動バランスの調整は、別の技術対策によって解決することが可能である。   Moreover, in the example shown in FIG. 1, although the structure of the internal combustion engine part 10 and the internal pressure engine part 20 is drawn as the same thing, both do not necessarily need to be made into the same item. For example, the bores of the cylinders 13 and 21 can be made different, or the strokes of the pistons 14 and 22 can be made different by changing the structure of the crank 17. That is, the specifications for optimizing the conditions of the internal combustion engine section 10 and the internal pressure engine section 20 can be set independently. The adjustment of the vibration balance that can be caused by this can be solved by another technical measure.

図２は、図１に示す循環ガスハイブリッド機関１の変形となる本実施の形態に係る他の態様を示している。図２に示す循環ガスハイブリッド機関２は、３気筒から構成され、この内の左側からの順番で２番と３番は図１に示す２つの気筒の構成と同様である。すなわち、２番は内圧機関部１０、３番は内燃機関部２０を構成している。そして本態様における循環ガスハイブリッド機関２の１番には、圧縮機４０が追加されている。図１に示す例では、圧縮機３４は機関本体部６とは別途に設けられ、循環ガスハイブリッド機関１の回転力を伝達して回転駆動するものとしているが、図２に示す本態様ではこれを機関本体部７の内部に設けることにより全体の構造を簡略化している。圧縮機４０は、シリンダ４１、ピストン４２、コンロッド４３から主に構成され、コンロッド４３は新たに３気筒用とされたクランクシャフト１７ａと結ばれている。   FIG. 2 shows another aspect according to the present embodiment, which is a modification of the circulating gas hybrid engine 1 shown in FIG. The circulating gas hybrid engine 2 shown in FIG. 2 is composed of three cylinders, and the number 2 and number 3 are the same as the structure of the two cylinders shown in FIG. That is, No. 2 constitutes the internal pressure engine part 10 and No. 3 constitutes the internal combustion engine part 20. And the compressor 40 is added to the 1st of the circulation gas hybrid engine 2 in this aspect. In the example shown in FIG. 1, the compressor 34 is provided separately from the engine body 6 and is driven to rotate by transmitting the rotational force of the circulating gas hybrid engine 1. However, in the present embodiment shown in FIG. Is provided inside the engine body 7 to simplify the overall structure. The compressor 40 is mainly composed of a cylinder 41, a piston 42, and a connecting rod 43, and the connecting rod 43 is connected to a crankshaft 17a newly used for three cylinders.

このように構成された循環ガスハイブリッド機関２の動作は基本的に図１に示す循環ガスハイブリッド機関１と同様であるが、回転時に内燃機関部１０、内圧機関部２０の動力系によって駆動されたクランクシャフト１７ａが、圧縮機４０を動作させる点が相違している。具体的には、内圧機関部２２のピストン２２が上死点に至り、循環ガスの膨張圧力によって下死点に向けて押し下げられる間に、圧縮機４０のピストン４２は逆に下死点から上死点に至る。次に、内圧機関部２０ではピストン２２が下死点から上方へのストロークに転ずると排気弁が開き、シリンダ２１内部の循環ガスが押し出される。このとき、圧縮機４０ではピストン４２が上死点から下方へストロークを開始し、この際に圧縮機４０の吸気弁が開いて上記押し出された循環ガスによってピストン４２が押込まれつつ下死点に至る。   The operation of the circulating gas hybrid engine 2 configured in this way is basically the same as that of the circulating gas hybrid engine 1 shown in FIG. 1, but is driven by the power system of the internal combustion engine unit 10 and the internal pressure engine unit 20 during rotation. The difference is that the crankshaft 17a operates the compressor 40. Specifically, while the piston 22 of the internal pressure engine unit 22 reaches the top dead center and is pushed down toward the bottom dead center by the expansion pressure of the circulating gas, the piston 42 of the compressor 40 is reversed from the bottom dead center. It reaches the dead point. Next, in the internal pressure engine unit 20, when the piston 22 moves from the bottom dead center to the upward stroke, the exhaust valve opens and the circulating gas inside the cylinder 21 is pushed out. At this time, in the compressor 40, the piston 42 starts a downward stroke from the top dead center. At this time, the intake valve of the compressor 40 is opened and the piston 42 is pushed in by the pushed-out circulating gas to reach the bottom dead center. It reaches.

内圧機関部２０では、ピストン２２が上死点に至り、排気が完了すると同時に排気弁が閉じ、次いで高圧ガスが導入されてピストン２２が再び押し下げられる。この動作に同期して圧縮機４０の方のピストン４２は上昇し、吸気弁が閉じた状態で先に吸引した循環ガスを加圧、これを調整タンク３２に向けて圧送する。すなわち、圧縮機４０は、図１に示す圧縮機３４の機能を機関本体部７において果たすものとなり、図１に対して構造を簡略化するものとなる。なお、図２では１番の圧縮機４０の吸入弁側と２番の内圧機関部２０の排気弁側とを直接配管３５で結んでいるが、必要に応じてこの両者の間にサージタンクを設けてもよい。   In the internal pressure engine unit 20, the piston 22 reaches top dead center, and the exhaust valve is closed at the same time as the exhaust is completed, and then the high pressure gas is introduced and the piston 22 is pushed down again. In synchronism with this operation, the piston 42 of the compressor 40 ascends, pressurizes the circulating gas previously sucked while the intake valve is closed, and pumps it toward the adjustment tank 32. That is, the compressor 40 fulfills the function of the compressor 34 shown in FIG. 1 in the engine body 7 and simplifies the structure with respect to FIG. In FIG. 2, the suction valve side of the first compressor 40 and the exhaust valve side of the second internal pressure engine section 20 are directly connected by a pipe 35, but if necessary, a surge tank is connected between them. It may be provided.

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２（圧縮機を含めた場合は３）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。すなわち、内燃機関部１０と内圧機関部２０とを１つのユニットとし、これを幾つか組み合わせて循環ガスハイブリッド機関を構成することが可能である。また、この場合、内燃機関部１０と内圧機関部２０の数を必ずしも同一とする必要はなく、更にはこれらに圧縮機４０を組み合わせることも可能である。特に２気筒とした場合には、４サイクルの内燃機関部１０はクランクシャフト１７の２回転に１回の出力を得るのに対して内圧機関部２０では２サイクルと同様に１回転に対して１回の出力を得るため、これらをクランクシャフト１７の回転に対して均等に配分することは難しく、回転むらが生ずる原因となり得る。これを解消する一つの方策は、内燃機関部１０を２サイクルエンジンにすることである。しかしながら、より円滑な回転を確保する方法は多気筒化を図ることであり、本実施の形態ではこれを実現する例として、６気筒からなる循環ガスハイブリッド機関を開示する。   Next, a circulating gas hybrid engine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the previous embodiment described above, the number of cylinders of the engine is 2 (3 when the compressor is included), which means the smallest unit of the engine. That is, the internal combustion engine unit 10 and the internal pressure engine unit 20 can be combined into one unit, and a combination of these units can constitute a circulating gas hybrid engine. In this case, the numbers of the internal combustion engine section 10 and the internal pressure engine section 20 are not necessarily the same, and the compressor 40 can be combined with them. In particular, in the case of two cylinders, the 4-cycle internal combustion engine section 10 obtains one output per two revolutions of the crankshaft 17, whereas the internal pressure engine section 20 provides one output per one revolution as in the two cycles. In order to obtain the output of the rotation, it is difficult to distribute them evenly with respect to the rotation of the crankshaft 17, which may cause uneven rotation. One way to solve this is to make the internal combustion engine 10 a two-cycle engine. However, a method for ensuring smoother rotation is to increase the number of cylinders. In the present embodiment, as an example for realizing this, a circulating gas hybrid engine having six cylinders is disclosed.

図３は、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３の機関本体部８を示している。機関本体部８とは、循環ガス、燃料の供給系を省略したものであり、これらは図１に示すものと同様である。図３においては、機関本体部８につながる他の要素を図２に示す要素の符号により示している。図において、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３は、図の左からの順番で１番から６番（図中のピストンに表示）と呼ぶものとする６気筒から構成されている。この内、図示の例では１番と６番は内燃機関部１０（１０ａ、１０ｂ）であり、ここでは先の実施の形態と同様に構成されたジーゼルエンジンとしている。２番は内圧機関部２０、また５番は圧縮機４０であり、これらも先の実施の形態で示すものと同様に構成されている。これらに加え、本実施の形態では３番と４番に低圧内圧機関部５０（５０ａ、５０ｂ）を新たに設けている。その構成自身は、シリンダ５１、ピストン５２、コンロッド５３を含むほか、基本的に内圧機関部２０と同様の構成である。   FIG. 3 shows the engine body 8 of the circulating gas hybrid engine 3 according to the present embodiment. The engine body 8 is obtained by omitting a circulating gas and fuel supply system, and these are the same as those shown in FIG. In FIG. 3, other elements connected to the engine main body 8 are indicated by reference numerals of the elements shown in FIG. In the figure, the circulating gas hybrid engine 3 according to the present embodiment is composed of 6 cylinders which are referred to as No. 1 to No. 6 (indicated on the piston in the figure) in order from the left in the figure. Among these, in the illustrated example, No. 1 and No. 6 are the internal combustion engine sections 10 (10a, 10b), which are diesel engines configured in the same manner as in the previous embodiment. No. 2 is the internal pressure engine unit 20 and No. 5 is the compressor 40, and these are also configured in the same manner as shown in the previous embodiment. In addition to these, in the present embodiment, low pressure internal pressure engine sections 50 (50a, 50b) are newly provided at Nos. 3 and 4. The configuration itself includes a cylinder 51, a piston 52, and a connecting rod 53, and is basically the same configuration as the internal pressure engine unit 20.

まず１、６番の内燃機関部１０ａ、１０ｂは、いずれも４サイクルジーゼルエンジンであり、これら２つは２気筒のジーゼルエンジンと同様に動作する。図示の例ではクランクシャフト１７ｂの３６０度回転ごとに相互に燃焼するよう同位相に配置されているが、この配置は必ずしも必要ではなく、他の気筒の動力発生タイミングとの関係で他の配置とすることでもよい。   First, the first and sixth internal combustion engine parts 10a and 10b are all four-cycle diesel engines, and these two operate in the same manner as a two-cylinder diesel engine. In the illustrated example, the crankshaft 17b is arranged in the same phase so as to burn each time the crankshaft 17b rotates 360 degrees. However, this arrangement is not always necessary, and other arrangements are related to the power generation timing of other cylinders. You may do it.

次に内圧機関部２０は、例えば１０Ｍｐａほどの高圧ガスの導入によって出力を発生させるが、できるだけのロングストロークを採用したとしてもピストン２２が下死点に達した際にも未だ６〜７Ｍｐａほどの高圧が維持されている。本実施の形態ではこの残留圧力の有効活用を図るものであり、具体的には２番の内圧機関部２０で膨張した後の循環ガスを３番の低圧内圧機関部５０ａに導入し、再度この循環ガスを利用して出力を得るものとしている。これを可能にするため、２番の内圧機関部２０のピストン２２が出力動作を完了して下死点に至ったタイミングで低圧内圧機関部５０ａの吸入弁を開き、この時に上死点に至ったピストン５２ａを押下げる。すなわち、３番の低圧内圧機関部５０ａは、２番の内圧機関部２０の排気圧力を利用する気筒となる。   Next, the internal pressure engine unit 20 generates an output by introducing a high-pressure gas of about 10 Mpa, for example. Even if a long stroke as long as possible is adopted, even when the piston 22 reaches the bottom dead center, it is still about 6 to 7 Mpa. High pressure is maintained. In the present embodiment, the residual pressure is effectively utilized. Specifically, the circulating gas after being expanded in the second internal pressure engine unit 20 is introduced into the third low pressure internal pressure engine unit 50a, and this residual pressure is again applied. The output is obtained using circulating gas. In order to make this possible, the suction valve of the low pressure internal pressure engine unit 50a is opened at the timing when the piston 22 of the second internal pressure engine unit 20 completes the output operation and reaches the bottom dead center, and at this time the top dead center is reached. Push down the piston 52a. That is, the third low-pressure internal pressure engine unit 50 a is a cylinder that uses the exhaust pressure of the second internal pressure engine unit 20.

さらに低圧内圧機関部５０ａでは、その仕様によってはガス膨張によりピストン５２が下死点に至った時点においても排気圧力が未だ３ＭＰａほどを確保することができる。図示の例ではこれをさらに出力として利用するために４番の低圧内圧機関部５０ｂを設け、３番の低圧内圧機関部５０ａにてピストン５２ａが下死点に至ったときにその排気を導入し、丁度上死点にあるピストン５２ｂを押し下げるものとする。すなわち、４番の低圧内圧機関部５０ｂは、３番の低圧内圧機関部５０ａの排気圧力を利用する気筒となる。   Furthermore, in the low pressure internal pressure engine unit 50a, the exhaust pressure can still be maintained at about 3 MPa even when the piston 52 reaches the bottom dead center due to gas expansion depending on the specifications. In the illustrated example, in order to use this as an output, a fourth low pressure internal pressure engine part 50b is provided, and when the piston 52a reaches the bottom dead center in the third low pressure internal pressure engine part 50a, the exhaust gas is introduced. Suppose that the piston 52b just at the top dead center is pushed down. That is, the fourth low pressure internal pressure engine unit 50b is a cylinder that uses the exhaust pressure of the third low pressure internal pressure engine unit 50a.

図２に示す内圧機関部２０から出た排気ガスと同様に、４番の低圧内圧機関部５０ｂを出た排気ガスは５番の圧縮機４０に導かれて加圧され、高温、高圧のガスとなって調整タンク３２に導かれる。ここで圧縮された循環ガスが機関本体部８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。本実施の形態においても、循環ガスハイブリッド機関３の高温排気ガスが熱交換機３３において有効活用され、高温、高圧となった循環ガスが内圧機関部２０、さらには低圧内圧機関部５０ａ、５０ｂに導入されるため、効率的に出力を引き出すことができる。   Similarly to the exhaust gas emitted from the internal pressure engine section 20 shown in FIG. 2, the exhaust gas exited from the fourth low pressure internal pressure engine section 50b is guided to the fifth compressor 40 and pressurized, so that it is a high temperature and high pressure gas. And led to the adjustment tank 32. The compressed circulating gas is heat-exchanged with the cooling water of the engine body 8 and is then circulated by repeating the above cycle. Also in the present embodiment, the high-temperature exhaust gas of the circulating gas hybrid engine 3 is effectively utilized in the heat exchanger 33, and the circulating gas having a high temperature and a high pressure is introduced into the internal pressure engine unit 20 and further into the low-pressure internal pressure engine units 50a and 50b. Therefore, the output can be efficiently extracted.

なお、５番の圧縮機４０における圧縮効率を高めるため、４番の低内圧機関部５０ｂから圧縮機４０に至る配管にインタークーラを設けて循環ガスを冷却し、体積の減少を図ることができる。また、図３に示す循環ガスハイブリッド機関３の例では、内燃機関部１０と内圧機関部２０との位相差を１８０度としているが、これに限定されることなく、機関本体部８の振動バランスを考慮して他の位相差に設定することができる。   In order to increase the compression efficiency in the No. 5 compressor 40, an intercooler is provided in the piping from the No. 4 low internal pressure engine portion 50b to the compressor 40 to cool the circulating gas, thereby reducing the volume. . In the example of the circulating gas hybrid engine 3 shown in FIG. 3, the phase difference between the internal combustion engine unit 10 and the internal pressure engine unit 20 is 180 degrees. However, the vibration balance of the engine body 8 is not limited to this. Can be set to another phase difference.

本実施の形態では、６気筒の循環ガスハイブリッド機関を構成することで少数気筒のエンジンに比較してより安定した回転を得ることができる。また、内燃機関部１０と内圧機関部２０とを含むハイブリッド機関とすることで内圧機関部２０においては始動性を大幅に改善することができ、内燃機関部１０においては同一出力を得るエンジンに比較して排気ガス量、燃料消費量を大幅に削減することができる。さらに、本実施の形態に係る循環ガスハイブリッド機関３は、従来の６気筒ジーゼルエンジンに対して僅かな改善を加えることで基本的にはほぼそのまま利用することができるというメリットがある。   In the present embodiment, by constituting a 6-cylinder circulating gas hybrid engine, more stable rotation can be obtained as compared with a small-cylinder engine. Further, by making a hybrid engine including the internal combustion engine section 10 and the internal pressure engine section 20, the startability can be greatly improved in the internal pressure engine section 20, and the internal combustion engine section 10 is compared with an engine that obtains the same output. As a result, the amount of exhaust gas and the amount of fuel consumption can be greatly reduced. Further, the circulating gas hybrid engine 3 according to the present embodiment has an advantage that it can be basically used as it is by slightly improving the conventional 6-cylinder diesel engine.

本実施の形態においても、さまざまな改造、変形が可能である。例えば気筒数は６気筒に限定することなく、４気筒、８気筒、１２気筒など、あるいはこれら以外の任意の数の気筒を有するエンジンに利用可能である。勿論、各気筒を直列に配置することのほか、Ｖ配列、対向配列にすることも可能である。これらにおいても従来の内燃機関で使用されていたエンジンを基本的にそのまま利用することができる。また、上記例では、内燃機関部を４サイクルのジーゼルエンジンとしているが、これを２サイクルエンジンにすることが可能であり、更には２サイクル、４サイクルのガソリンエンジン（オットーサイクルエンジン）に置き換えることは可能である。さらにはガソリンまたはジーゼルのいずれかのロータリエンジンに置き換えることができる。   Also in the present embodiment, various modifications and deformations are possible. For example, the number of cylinders is not limited to six, and can be used for engines having four, eight, twelve, or any other number of cylinders. Of course, in addition to arranging the cylinders in series, it is also possible to arrange them in a V arrangement or an opposed arrangement. In these cases, the engine used in the conventional internal combustion engine can be basically used as it is. In the above example, the internal combustion engine section is a 4-cycle diesel engine, but it can be replaced with a 2-cycle engine, and further replaced with a 2-cycle, 4-cycle gasoline engine (Otto cycle engine). Is possible. Furthermore, it can be replaced with either a gasoline or diesel rotary engine.

また、上記例では１つの気筒（５番）を圧縮機４０として利用しているが、この圧縮機は機関本体部８内に設けることなく、回転軸から取り出した出力を利用して動作する独立した圧縮機とすることが可能である。この場合に浮いた１つの気筒は、例えば内燃機関部として用いることでも、内圧機関部として用いることもでもよい。内圧機関部として用いる場合には、合計４つの気筒を高圧内圧機関部と低圧内圧機関部の組合せを１ペアとしてこれを２ペアにすることも可能である。以上は６気筒を前提とした場合の例を示しているが、８気筒、１２気筒とした場合にはこれらの組合せの選択にはより自由度が高まるものとなる。   Further, in the above example, one cylinder (No. 5) is used as the compressor 40, but this compressor is not provided in the engine main body 8, and operates independently using the output extracted from the rotating shaft. It is possible to use a compressor. One cylinder floating in this case may be used as, for example, an internal combustion engine section or an internal pressure engine section. When used as the internal pressure engine section, a total of four cylinders can be combined into two pairs, with a combination of the high pressure internal pressure engine section and the low pressure internal pressure engine section as one pair. The above shows an example in which six cylinders are assumed. However, in the case of eight cylinders and twelve cylinders, the degree of freedom increases in selecting these combinations.

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。   Furthermore, the circulating gas hybrid engine according to the combination of the internal combustion engine and the internal pressure engine according to the present invention can be used in place of the internal combustion engine in a so-called conventional hybrid engine using a motor. Of the combination of an internal combustion engine and an electric motor in a conventional hybrid engine, a new type hybrid that takes advantage of the advantages of the motor, the internal combustion engine, and the internal pressure engine by replacing the internal combustion engine with the circulating gas hybrid engine according to the present invention. You can get an engine.

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。   Alternatively, the circulating gas hybrid engine according to the present invention is used for steady-state operation (for constant speed rotation) with good fuel efficiency and easy setting, thereby generating electric power, and rotating the motor with the generated electric power. Therefore, it may be used as a power source for an electric vehicle.

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。   In addition, the present invention includes a vehicle that uses the above-described circulating gas hybrid engine as a power source. That is, the vehicle according to the present invention transmits the driving force generated by the power source to the axle to rotate the wheels, thereby generating the driving propulsion force, or generating power using the power source, and using the electric power. A vehicle that obtains a driving propulsion force by driving a motor, the power source of which is one of the circulating gas hybrid engines described above. By implementing the present invention, it is possible to provide an environment-friendly vehicle with low fuel consumption and low exhaust gas. The circulating gas hybrid engine according to the present invention can be used as other industrial engines including a stationary type.

さらに本願発明は、内燃機関で燃焼後に排気される排気ガスの有する熱エネルギ、または内燃機関を冷却する冷却水の有する熱エネルギを、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動力機関のエネルギ有効活用方法をも包含している。   Furthermore, the present invention uses the thermal energy of exhaust gas exhausted after combustion in the internal combustion engine or the thermal energy of cooling water that cools the internal combustion engine for heating and expanding the circulating gas that is the operating medium of the internal pressure engine. The present invention also includes a method for effectively utilizing energy of a power engine, which is characterized by the above.

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。   The circulating gas hybrid engine according to the present invention can be widely used in the automobile industry or other industrial fields that utilize rotational output.

１、２、３．循環ガスハイブリッド機関、 ６、７、８．機関本体部、 １０．内燃機関部、 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、 ２０．内圧機関部、 ２１．シリンダ、 ２２．ピストン、 ２３．コンロッド、 ３１．初期タンク、 ３２．調整タンク、 ３３．熱交換器、 ３４．圧縮機、 ３５．配管、 ４０．圧縮機、 ４１．シリンダ、 ４２．ピストン、 ５０ａ、５０ｂ．低圧内圧機関部、 ５１．シリンダ、 ５２．ピストン、 ５３．コンロッド。
1, 2, 3,. Circulating gas hybrid engine 6,7,8. Engine body part, 10. Internal combustion engine section, 13. Cylinder, 14. Piston, 16. Connecting rod, 17. Crankshaft, 18. Cooling water channel, 20. Internal pressure engine section, 21. Cylinder, 22. Piston, 23. Connecting rod, 31. Initial tank, 32. Adjustment tank, 33. Heat exchanger, 34. Compressor, 35. Piping, 40. Compressor, 41. Cylinder, 42. Pistons 50a, 50b. Low pressure internal pressure engine section, 51. Cylinder, 52. Piston, 53. Connecting rod.

Claims (7)

複数の気筒から構成される機関本体部であって、前記複数の気筒の内の少なくとも一つの気筒が燃料を燃焼して得られる爆発力を利用して出力を得る内燃機関部として構成され、少なくとも他の一つの気筒が循環するガスを加圧、加熱して得られる高圧力を気筒内に導入して出力を得る内圧機関部として構成される機関本体部と、An engine main body configured by a plurality of cylinders, wherein at least one of the plurality of cylinders is configured as an internal combustion engine that obtains an output by using an explosive force obtained by burning fuel; An engine body configured as an internal pressure engine that obtains output by introducing high pressure obtained by pressurizing and heating gas circulating in another cylinder into the cylinder;
前記内燃機関部に燃料を供給するための燃料供給系と、  A fuel supply system for supplying fuel to the internal combustion engine section;
前記内圧機関部に循環するガスを供給するための、循環ガス貯蔵用初期タンク、循環ガス加熱装置、循環ガス圧縮装置とを含む循環ガス供給系と、  A circulating gas supply system including an initial tank for storing a circulating gas, a circulating gas heating device, and a circulating gas compression device for supplying the circulating gas to the internal pressure engine unit;
から構成されることを特徴とする循環ガスハイブリッド機関。A circulating gas hybrid engine characterized by comprising: 前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つの気筒が、前記内圧機関部からの排気ガスが有する残存圧力を導入して出力を得る低圧内圧機関部として構成されている、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。At least one other cylinder among the plurality of cylinders of the engine main body is configured as a low-pressure internal pressure engine that obtains output by introducing residual pressure of exhaust gas from the internal pressure engine. Item 4. The circulating gas hybrid engine according to Item 1. 前記機関本体部の複数の気筒の内のさらに少なくとも他の一つ気筒が、前記循環するガスを導入して加圧する圧縮機として構成され、当該圧縮機が前記循環ガス圧縮装置として機能する、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。At least one other cylinder among the plurality of cylinders of the engine body is configured as a compressor that introduces and pressurizes the circulating gas, and the compressor functions as the circulating gas compression device. Item 4. The circulating gas hybrid engine according to Item 1. 前記循環ガス加熱装置が、前記内燃機関部から排出される排気ガスと前記内圧機関部に導入される循環するガスとの間で熱交換を行う熱交換機である、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。The circulating gas according to claim 1, wherein the circulating gas heating device is a heat exchanger that exchanges heat between exhaust gas discharged from the internal combustion engine section and circulating gas introduced into the internal pressure engine section. Hybrid institution. 前記循環ガス加熱装置が、前記機関本体部を冷却する冷却水と前記内圧機関部に導入される循環するガスとの間で熱交換を行う調整タンクである、請求項１に記載の循環ガスハイブリッド機関。2. The circulating gas hybrid according to claim 1, wherein the circulating gas heating device is an adjustment tank that performs heat exchange between cooling water that cools the engine main body and a circulating gas that is introduced into the internal pressure engine. organ. 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から請求項５のいずれか一に記載の循環ガスハイブリッド機関。 The circulating gas hybrid engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the circulating gas is any one of carbon dioxide, nitrogen, and argon. 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、もし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６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。A vehicle that obtains travel propulsion by transmitting the driving force generated by the power source to the axle and rotationally driving the wheels, or a vehicle that rotationally drives the motor by the electric power generated by the power source, thereby obtaining travel propulsion The vehicle according to claim 1, wherein the power source is the circulating gas hybrid engine according to any one of claims 1 to 6.
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