JP2001355412A - 蒸気エネルギーエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関における燃料の燃焼方法を改善して
トルク出力を増大させること。 【構成】 シリンダ室内に加熱空気を取り入れ、圧縮気
圧下における気化温度以上に加熱された水をシリンダ室
の内部に対して噴射させ水蒸気として膨張させる方法
と、水が気化する温度以上にシリンダ室を加熱させるこ
とからなる内燃機関の燃料燃焼方法。 【効果】 シリンダ室内の圧縮気圧における気化温度以
上に加熱された水を爆発行程の直前に高圧でシリンダ室
内に噴射することにより、水が瞬時に気化して燃焼行程
中でその水蒸気膨張により出力トルクを増大させかつ排
気中のＮＯｘを低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は石油系燃料・鉱物油
・食物油・アルコール・天然ガス及びボイラーの排熱・
エンジンの排熱・焼却炉の排熱・太陽熱・地熱等を吸入
空気の加熱源とし、水を燃料とした蒸気エネルギーエン
ジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術と発明の解決すべき課題】燃料の燃焼の際
に発生する排気ガスのＮＯｘを低下させる目的でシリン
ダ室内部に水を供給して燃焼時の温度を低下させ、また
この際の水蒸気膨張により得られるエネルギーによって
エンジンの効率を高める試みが従来から提案されている
（特開平１−１２１５１７号および特開平１−３１８７
０７号等）。

【０００３】しかしこれらの方法の中、例えば燃料蒸気
／水蒸気混合物をシリンダ室に導入する方法（特開平１
−１２１５１７号）では、水が予め吸気行程から水蒸気
の状態で供給されるので、燃料の燃焼エネルギーが低下
しかつ水蒸気についてはその加熱時の気体の体積膨張に
よるエネルギーのみを利用することになるため、目的と
するエンジン出力の増大に一定の制約がある。一方シリ
ンダ内に高温水を噴射する方法（特開平１−３１８７０
７号等）では、エンジン排気ガスにより７０〜８０℃に
予備加熱された水が爆発行程とタイミングを合わせてシ
リンダ内に噴射され、燃料の燃焼時に気化温度まで加熱
された後、気化の際の体積膨張によりエンジン出力が増
大される。しかし、注水された水の燃料燃焼時の加熱に
よる水蒸気化は比較的ゆるやかなため、これをピストン
−シリンダの高速の爆発・膨張行程に追随させることは
困難であり水蒸気化の際の膨張力によるエネルギーを充
分に利用することができない。

【０００４】シリンダ室内における、例えばガソリン／
空気の混合気からなる燃料の爆発・膨張およびそれによ
るトルクの発生は急激に生起する。これに対して水の加
熱および水蒸気化による膨張は比較的なだらかであり、
特に水を気化温度にまで加熱する時間が燃料の瞬時の爆
発・膨張時間に対して無視できないほど大きいので、燃
焼サイクルの完了までに水が完全に気化膨張するに到ら
ず結局そのエネルギーを充分に活用することができな
い。したがって、シリンダ内の気化燃料の燃焼・爆発に
際して水蒸気を存在させる前記形式の内燃機関の燃料燃
焼方法においては、水が加熱されて気化する際の大きな
体積変化をシリンダの燃焼サイクルの範囲内で完全に行
わせることが必要となる。

【課題を解決するための手段】

【０００５】前記従来技術の課題はシリンダ室の内部に
おける気化燃料を水蒸気の存在下に燃焼させるようにな
されている内燃機関の燃焼方法において、シリンダ室内
に加熱された空気を吸入すると同時に噴射ノズルから水
をピストンシリンダ室に噴射し、水の体積が１０００倍
以上に気化膨張することからなる蒸気エネルギーエンジ
ンによって達成される。

【０００６】本発明においてはシリンダ室内の圧縮気圧
下における気化温度以上に加熱された加圧下の水を噴射
ノズルからシリンダ室の内部に対し霧滴状に噴射させ
る。ここですでにシリンダ室内の圧縮気圧下における気
化温度に達している水は直ちに水蒸気化して少なくとも
１０００倍以上に体積膨張し、これがシリンダの出力を
増大させる。又、排気生ガス熱を直接利用したとしても
水が完全に水蒸気化する際にシリンダ室内の熱が吸収さ
れ、それによってシリンダ室内の燃焼による温度が低下
されて窒素の高温酸化により生じるＮＯｘの生産量が減
少する。

【０００７】シリンダ室内の噴射される水の温度はシリ
ンダ室の吸気行程の圧力によって異なるが、種々の形式
の内燃機関について約５ないし３０気圧の加圧下で少な
くとも１５０℃ないし２５０℃の温度範囲とすることが
好ましい。

【０００８】前記高温水のシリンダ室内への噴射量１気
筒５００ｃｃ容積のシリンダの場合通常０．１〜０．２
ｃｃの噴射で出力トルクに顕著な増大が認められる。

【０００９】

【実施例】以下本発明を実施例によって説明する。図１
は本発明方法を実施する内燃機関のピストンシリンダ装
置の概要を示す説明図である。

【００１０】１，ピストンシリンダの２．シリンダ室の
内部には３．ピストンヘッド収容されており、吸気⇒圧
縮⇒燃焼⇒排気サイクルにしたがって２．シリンダ室の
内部を往復動して、ピストンロッドにより出力トルクを
伝達するようになされている。２．シリンダ室の３．ピ
ストンヘッドに対向する室壁には加熱空気の５．吸気
管、燃焼ガスの６．排気管が設けられている。

【００１１】ここで本実施例においてはシリンダ室壁に
対して前記３．ピストンヘッドの上面のほぼ中央部に対
応する位置に７．噴射ノズルが貫設されており、高温高
圧の水を２．シリンダ室内部に霧滴として噴射するよう
になされている。１１．水タンクから供給される水は１
０．加熱加圧装置によって約１０〜３０気圧の加圧下に
約１００℃以上に加熱され７．噴射ノズルから図示しな
い噴射時期制御装置により加圧直後の所定のタイミング
で２．シリンダ室の内部に霧滴として噴射供給するよう
になされている。

【００１２】ここで本実施例においては、前記加熱加圧
空気が圧縮行程で２．シリンダ室の内部で圧縮されて、
図示しない制御装置によって設定された所定のタイミン
グで水が９．噴射ポンプから送られ、シリンダ室内の圧
縮気圧に抗して７．噴射ノズルから２．シリンダ室内に
霧滴として高圧で噴射される。

【００１３】噴射された水は５．吸気管より吸入した加
熱空気とピストンの加圧熱により水蒸気化するが、この
場合の霧滴の前記温度はシリンダ室内の吸気行程での圧
力（例えば１０〜３０気圧）における気化温度を越えて
いるため著しい体積膨張を伴って瞬時に水蒸気化し、１
０００倍以上に体積が膨張してピストンシリンダの出力
トルクを増大させる。

【００１４】又、排気生ガス熱を熱源とする場合は水蒸
気によって温度が低下され、シリンダ室内部で窒素の酸
化によって生じた排気ガス中に含まれるＮＯｘの含有量
が著しく減少する。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、シリンダ室内の圧縮時
の気圧下における気化温度以上に加熱された水を燃焼行
程の直前のタイミングで噴射させることにより水蒸気が
生成されるので、水蒸気膨張によるエネルギーを充分に
利用してエンジン出力トルクを著しく増大させることが
できる。

【００１６】以上本発明をディーゼルエンジンの内燃機
関に適用した例について説明したが、本発明はこれに限
ることなくその他の内燃機関たとえばロータリエンジン
さらにはガソリンエンジン・タービンエンジン等にも適
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した装置である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン・シリンダ機構のシリンダ室に
   加熱された空気の吸入部と水の噴射ノズルとを設け、吸
   入した加熱空気によりシリンダ内に噴射された水を気化
   させて１０００倍以上の体積とし、それによってピスト
   ンを作動させる蒸気エネルギーエンジン。
2. 【請求項２】 請求項１記載の蒸気エネルギーエンジン
   において、シリンダに吸入する空気を１００℃以上に加
   熱する蒸気エネルギーエンジン。
3. 【請求項３】 請求項１記載の蒸気エネルギーエンジン
   において、石油系燃料・鉱物油・食物油・アルコール・
   天然ガス及びボイラーの排熱・エンジンの排熱・焼却炉
   の排熱・太陽熱・地熱等を吸入空気の加熱源として用い
   る蒸気エネルギーエンジン。