来源：中国新闻网
topgear吧 关注：270,582贴子：6,231,700
这是早稻田大学官网发的，求大神翻译
究极効率のエンジンを生む新圧缩燃焼原理を発见！
エンジン(Engine)からフュージン(Fugine)への大进化：自动车・発电・航空机な
どのエンジン単体の热効率を 60％以上とし、ハイブリッドシステム自动车の燃
费を凌驾か？
早稲田大学 理工学术院 基干理工学部 机械科学・航空学科 教授 内藤 健
Ken Naitoh, Waseda University
要点：エンジン排気ガスの热エネルギーを再利用する补助机器によって効率をあげる复合
システムとはせず、エンジン単体で、サイズによらず、従来の 2 倍以上の热効率ポテンシ
ャルを生む画期的なエネルギー変换原理（新圧缩燃焼原理）を见だしました。この圧缩燃
焼原理のエンジンは低騒音化・冷却机构不要化などの可能性をも有しています。
この新圧缩燃焼原理は、新たな热流体力学理论を构筑し、それを駆使した思考実験とス
ーパーコンピュータシミュレーション（计算机実験）と高速空気流実験によって考案した
ものです。実际の燃焼试験で実证されれば、新たな軽量高性能航空宇宙机の扉を切り开く
だけでなく、自动车用次世代高性能エンジンを生む可能性があります。殆どの自动车用ガ
ソリンエンジンの热効率は最大で 30―35％程度と考えられます。ですので、あらゆる运転
条件で単体热効率 60%以上の「究极効率エンジン(Fugine)」を搭载した自动车となれば、
现在のハイブリッドシステム自动车を凌驾する実质燃费も可能となります。さらに、この
高効率エンジンを搭载した自动车を使って各家庭で発电すれば、社会全体のエネルギー総
合効率を向上させる可能性もあります。
1 现状と新たな新基轴
近年、自动车エンジンでは直喷化などにより、モード燃费が大幅改善されていますが、
従来のほとんどのガソリンエンジンの热効率は未だに最大 30－35％程度で、アイドリング
に近づくにつれて 15％レベルにまで下がると思われます。燃料の半分以上を舍てていると
いうことです。よって、エンジン単体の热効率にはまだまだ改善シロがあり、あらゆる运
転条件で 60％以上（粗い表现ですが、中高速で 2倍以上で、低速で 4倍以上）になれば、
CO2排出量も半分以下となって、当面の环境问题を解决する新机轴となり得ます。（注 0）
2 究极効率エンジンのための新圧缩燃焼原理 [2-11 ]
エンジンの固体壁が断热壁であると仮定した理想サイクル论の热効率ηは、圧缩比ε
（密度比）を用いて
1
1 1 − = − κ ε
η ＝ 投入エネルギ
得た动力 热効率 ---------------------------------------------------------（１）
究极効率のエンジンを生む新圧缩燃焼原理を発见！
エンジン(Engine)からフュージン(Fugine)への大进化：自动车・発电・航空机な
どのエンジン単体の热効率を 60％以上とし、ハイブリッドシステム自动车の燃
费を凌驾か？
早稲田大学 理工学术院 基干理工学部 机械科学・航空学科 教授 内藤 健
Ken Naitoh, Waseda University
要点：エンジン排気ガスの热エネルギーを再利用する补助机器によって効率をあげる复合
システムとはせず、エンジン単体で、サイズによらず、従来の 2 倍以上の热効率ポテンシ
ャルを生む画期的なエネルギー変换原理（新圧缩燃焼原理）を见だしました。この圧缩燃
焼原理のエンジンは低騒音化・冷却机构不要化などの可能性をも有しています。
この新圧缩燃焼原理は、新たな热流体力学理论を构筑し、それを駆使した思考実験とス
ーパーコンピュータシミュレーション（计算机実験）と高速空気流実験によって考案した
ものです。実际の燃焼试験で実证されれば、新たな軽量高性能航空宇宙机の扉を切り开く
だけでなく、自动车用次世代高性能エンジンを生む可能性があります。殆どの自动车用ガ
ソリンエンジンの热効率は最大で 30―35％程度と考えられます。ですので、あらゆる运転
条件で単体热効率 60%以上の「究极効率エンジン(Fugine)」を搭载した自动车となれば、
现在のハイブリッドシステム自动车を凌驾する実质燃费も可能となります。さらに、この
高効率エンジンを搭载した自动车を使って各家庭で発电すれば、社会全体のエネルギー総
合効率を向上させる可能性もあります。
1 现状と新たな新基轴
近年、自动车エンジンでは直喷化などにより、モード燃费が大幅改善されていますが、
従来のほとんどのガソリンエンジンの热効率は未だに最大 30－35％程度で、アイドリング
に近づくにつれて 15％レベルにまで下がると思われます。燃料の半分以上を舍てていると
いうことです。よって、エンジン単体の热効率にはまだまだ改善シロがあり、あらゆる运
転条件で 60％以上（粗い表现ですが、中高速で 2倍以上で、低速で 4倍以上）になれば、
CO2排出量も半分以下となって、当面の环境问题を解决する新机轴となり得ます。（注 0）
2 究极効率エンジンのための新圧缩燃焼原理 [2-11 ]
エンジンの固体壁が断热壁であると仮定した理想サイクル论の热効率ηは、圧缩比ε
（密度比）を用いて
1
1 1 − = − κ ε
η ＝ 投入エネルギ
得た动力 热効率 ---------------------------------------------------------（１）
と近似的に书くことができます。[1]（比热比κは 1.2～1.4程度。）
この式から、基本的には、圧缩比εを大きくすればするほど、热効率ηは向上し、出力
（取り出せる动力）も大きくなることがわかります。圧缩比を上げるほど、排気ガスに舍
てていた热エネルギーが出力に変わるためです。（注１）
図 1 は新たな圧缩原理の基本概念図です。まず、従来型の始动用セルモーターなどで燃
焼室内部を减圧（真空に近づけた状态に）し、外部大気との圧力差によって、大気と燃料
を燃焼室に急速吸引し、これによって燃焼室内に音
速レベルの高速気流を生成します。次にその高速気
流の喷流群を、燃焼室中心部の极微小领域内で多重
冲突することにより、気体を封锁・自己圧缩させて
高温高圧状态にして燃焼させ、それをパルス状に缲
り返して超高効率・高出力を得るものです。（燃料
は燃焼室に直接喷射する形态であれば、中心部にコ
ンパクトに供给できる。）
エンジンの発明以来 100 年が経过していますが、
意外なことに、私の知る限り、この単纯な原理
（负圧燃焼室内中心付近の微小领域において多重パルス喷流を直接冲突圧缩させるもの）
のエンジンを、今までの研究开発者は提示してきませんでした。（注2）
流体力学の理论解析とスーパーコンピュータシミュレーションによって、音速レベルの
速度を持つ気体喷流 16～30 本程度を冲突させれば、10 倍～30 倍程度の圧缩比が可能、と
の知见を得ています。なお、音速レベルの喷流冲突に相当する场合の圧缩度合を実験的に
计测したところ、理论やスーパーコンピュータシミュレーショ
ンの予测结果が妥当であることも得られました。（注 3）[4-10]
ですので、“断热条件を満たせば、シミュレーションから求め
た圧缩比を式（１）の理论に代入して得られる热効率の値は现
実的なものであり、その値は 60％を超えています。
3 断热化
図 1 の多重冲突喷流において、燃焼室中心部に向かう喷流群
は、燃焼后の高温ガスを包み込んで燃焼室中心の极微小领域に
闭じ込めることも意味します。
実际のエンジンについてのスーパーコンピュータシミュレー
ションによる燃焼后の圧力・温度分布 （図 3）をみると、燃焼
后の高温ガス（绿色のオムスビ形部分）が中心部にとどまり、
空気喷流
多重冲突
燃焼室中心部
极小圧缩领域
図1 多重冲突喷流圧缩の基本概念3
エンジン侧壁に接触していないことがわかります。[3-10] このことは、エンジン侧壁の断
热化が可能で、冷却机构が不要となるとともに、従来、エンジン侧壁から冷却水に逃げて
いた热が出力（动力）になって、热効率が上がることを示唆しています。さらに図 3 が示
す重要な点は、右端のピストン表面にも、燃焼后の高温ガスが接触しないことが起こりう
ることで、その理由もわかりました。[10] 以上の结果から、エンジン壁面で断热を仮定し
た式（１）が适用でき、先に示した 60％を超える热効率ポテンシャル、が说得力あるもの
となります。
この式から、基本的には、圧缩比εを大きくすればするほど、热効率ηは向上し、出力
（取り出せる动力）も大きくなることがわかります。圧缩比を上げるほど、排気ガスに舍
てていた热エネルギーが出力に変わるためです。（注１）
図 1 は新たな圧缩原理の基本概念図です。まず、従来型の始动用セルモーターなどで燃
焼室内部を减圧（真空に近づけた状态に）し、外部大気との圧力差によって、大気と燃料
を燃焼室に急速吸引し、これによって燃焼室内に音
速レベルの高速気流を生成します。次にその高速気
流の喷流群を、燃焼室中心部の极微小领域内で多重
冲突することにより、気体を封锁・自己圧缩させて
高温高圧状态にして燃焼させ、それをパルス状に缲
り返して超高効率・高出力を得るものです。（燃料
は燃焼室に直接喷射する形态であれば、中心部にコ
ンパクトに供给できる。）
エンジンの発明以来 100 年が経过していますが、
意外なことに、私の知る限り、この単纯な原理
（负圧燃焼室内中心付近の微小领域において多重パルス喷流を直接冲突圧缩させるもの）
のエンジンを、今までの研究开発者は提示してきませんでした。（注2）
流体力学の理论解析とスーパーコンピュータシミュレーションによって、音速レベルの
速度を持つ気体喷流 16～30 本程度を冲突させれば、10 倍～30 倍程度の圧缩比が可能、と
の知见を得ています。なお、音速レベルの喷流冲突に相当する场合の圧缩度合を実験的に
计测したところ、理论やスーパーコンピュータシミュレーショ
ンの予测结果が妥当であることも得られました。（注 3）[4-10]
ですので、“断热条件を満たせば、シミュレーションから求め
た圧缩比を式（１）の理论に代入して得られる热効率の値は现
実的なものであり、その値は 60％を超えています。
3 断热化
図 1 の多重冲突喷流において、燃焼室中心部に向かう喷流群
は、燃焼后の高温ガスを包み込んで燃焼室中心の极微小领域に
闭じ込めることも意味します。
実际のエンジンについてのスーパーコンピュータシミュレー
ションによる燃焼后の圧力・温度分布 （図 3）をみると、燃焼
后の高温ガス（绿色のオムスビ形部分）が中心部にとどまり、
空気喷流
多重冲突
燃焼室中心部
极小圧缩领域
図1 多重冲突喷流圧缩の基本概念3
エンジン侧壁に接触していないことがわかります。[3-10] このことは、エンジン侧壁の断
热化が可能で、冷却机构が不要となるとともに、従来、エンジン侧壁から冷却水に逃げて
いた热が出力（动力）になって、热効率が上がることを示唆しています。さらに図 3 が示
す重要な点は、右端のピストン表面にも、燃焼后の高温ガスが接触しないことが起こりう
ることで、その理由もわかりました。[10] 以上の结果から、エンジン壁面で断热を仮定し
た式（１）が适用でき、先に示した 60％を超える热効率ポテンシャル、が说得力あるもの
となります。
4 騒音・振动の低减効果
効果は他にも见つかりました。「高圧缩比化すると騒音も増大する」というのが従来エン
ジンの常识で、その騒音の増大が高圧缩比エンジンの商品化を阻んできましたが、新たな
圧缩燃焼方式では、「圧缩すればするほど、騒音が増えない」ことがわかったのです。騒音
が増加しない第一の理由は、先に述べた「空気の闭じ込め効果」です。燃焼室中心部で発
生する燃焼騒音も闭じ込めて、外部に出にくくするためです。言い换えると、燃焼室中心
部の微小领域だけが高圧缩状态で、その周囲（エンジン壁付近）は大気圧レベルのままに
なりやすいので、エンジン侧壁に騒音や振动は伝わりにくく、结果として、「高圧缩で比较
的低騒音（従来エンジンの騒音振动レベルの维持）」が可能になるのです。
「多重冲突喷流原理」に基づくエンジンは、上记以外の騒音・振动の低减効果も有して
います。従来のディーゼルやパルスデトネーションのような自己着火型エンジンは、燃焼
室内の「多点同时」自己着火であったのですが、この方式では、中心部「一点だけでの」
自己着火であり、着火点数が少ないため、単位时间あたりの発热量もそれに比例して少な
いので、比较的ゆっくりと徐々に燃焼が进むことになり、圧力上升も穏やかで、従来エン
ジンの騒音レベルにとどめられるポテンシャルがあるのです。さらに、始动时のような低
速条件で、壁面での振动・騒音を抑える「别の効果」がいくつもあることがわかってきま
した。(エコー効果など。[10])
5 具体的なエンジン构成
図 4 には、地上発电・地上走行・超音速航空宇宙机用という多様な用途で利用できるエ
ンジン构成の一例（比较的わかりやすい构成例）を示します。図 1 に示した多重冲突パル
ス喷流装置に加えて、新たなピストンなどを有しています。[2－10] 図 5 は、音速付近に
おける多重冲突喷流のみに依存する飞行と超音速飞行时のラムスクラム运転の概念図です。
この构成のエンジンは、静止状态での発电や一般道路での高効率な地上走行の可能性と
ともに、高速道路から离陆可能な「エアカー」という新たな移动形态をも生みだします。
多段のターボファン机构の代わりに付加した多重冲突喷流とピストンの构成は比较的軽量
で、しかも、エンジン中央部が空洞に近いために、音速を超えた后、极超音速飞行に适し
たラムスクラムエンジンの形态にスムーズに移行することが可能になるなどのメリットが4
あるからです。
図 4 ロータリバルブを有するピストンを付加して地上走行も可能としたエンジン [2-10]
（グレーのピストンは左右の往复运动だけだが、中央の赤いピストンは左右だけでなく、
回転运动もしており、それによって、ピストン中央部の排気管を开闭する。）
図 5 地上での始动・走行から超音速飞行までの动作シナリオ [2-10]（个人の位置情报をＧ
ＰＳで管理できる时代になりつつあるので、高速道路から飞び立つ自动车群を 3 次元管制
できるのは远い未来のことではないと思われる。）
図 4 の构成のエンジンについて得られたスーパーコンピュータシミュレーション结果か
ら、式（１）を用いずに直接、热効率を得ることもできます。まだ、エンジンの详细スペ
ック・形状の最适化を十分にはしていない段阶ですが、従来エンジンよりも热効率が高く
なるとの予测结果も得ています。（注 3）なお、図 4，5の构成以外にも、数种类の构成案が
あります。
効果は他にも见つかりました。「高圧缩比化すると騒音も増大する」というのが従来エン
ジンの常识で、その騒音の増大が高圧缩比エンジンの商品化を阻んできましたが、新たな
圧缩燃焼方式では、「圧缩すればするほど、騒音が増えない」ことがわかったのです。騒音
が増加しない第一の理由は、先に述べた「空気の闭じ込め効果」です。燃焼室中心部で発
生する燃焼騒音も闭じ込めて、外部に出にくくするためです。言い换えると、燃焼室中心
部の微小领域だけが高圧缩状态で、その周囲（エンジン壁付近）は大気圧レベルのままに
なりやすいので、エンジン侧壁に騒音や振动は伝わりにくく、结果として、「高圧缩で比较
的低騒音（従来エンジンの騒音振动レベルの维持）」が可能になるのです。
「多重冲突喷流原理」に基づくエンジンは、上记以外の騒音・振动の低减効果も有して
います。従来のディーゼルやパルスデトネーションのような自己着火型エンジンは、燃焼
室内の「多点同时」自己着火であったのですが、この方式では、中心部「一点だけでの」
自己着火であり、着火点数が少ないため、単位时间あたりの発热量もそれに比例して少な
いので、比较的ゆっくりと徐々に燃焼が进むことになり、圧力上升も穏やかで、従来エン
ジンの騒音レベルにとどめられるポテンシャルがあるのです。さらに、始动时のような低
速条件で、壁面での振动・騒音を抑える「别の効果」がいくつもあることがわかってきま
した。(エコー効果など。[10])
5 具体的なエンジン构成
図 4 には、地上発电・地上走行・超音速航空宇宙机用という多様な用途で利用できるエ
ンジン构成の一例（比较的わかりやすい构成例）を示します。図 1 に示した多重冲突パル
ス喷流装置に加えて、新たなピストンなどを有しています。[2－10] 図 5 は、音速付近に
おける多重冲突喷流のみに依存する飞行と超音速飞行时のラムスクラム运転の概念図です。
この构成のエンジンは、静止状态での発电や一般道路での高効率な地上走行の可能性と
ともに、高速道路から离陆可能な「エアカー」という新たな移动形态をも生みだします。
多段のターボファン机构の代わりに付加した多重冲突喷流とピストンの构成は比较的軽量
で、しかも、エンジン中央部が空洞に近いために、音速を超えた后、极超音速飞行に适し
たラムスクラムエンジンの形态にスムーズに移行することが可能になるなどのメリットが4
あるからです。
図 4 ロータリバルブを有するピストンを付加して地上走行も可能としたエンジン [2-10]
（グレーのピストンは左右の往复运动だけだが、中央の赤いピストンは左右だけでなく、
回転运动もしており、それによって、ピストン中央部の排気管を开闭する。）
図 5 地上での始动・走行から超音速飞行までの动作シナリオ [2-10]（个人の位置情报をＧ
ＰＳで管理できる时代になりつつあるので、高速道路から飞び立つ自动车群を 3 次元管制
できるのは远い未来のことではないと思われる。）
図 4 の构成のエンジンについて得られたスーパーコンピュータシミュレーション结果か
ら、式（１）を用いずに直接、热効率を得ることもできます。まだ、エンジンの详细スペ
ック・形状の最适化を十分にはしていない段阶ですが、従来エンジンよりも热効率が高く
なるとの予测结果も得ています。（注 3）なお、図 4，5の构成以外にも、数种类の构成案が
あります。
6 まだまだ出てくるメリットと新たな用途
従来エンジンでは、エンジンサイズが小さくなればなるほど、エンジン侧壁に逃げる热
量が相対的に増大して、热効率が低下することがよく知られています。
前述したように、我々が提案している新たなエンジンは、エンジン侧壁に逃げる热が少
ないというポテンシャルを有しているわけですので、小さくても大きくても热効率は高く、
この点でも泛用性があるのです。
よって、以上のことから、この安価な「究极の低燃费・高热効率の小型エンジン」を积
んだ自动车が実现すれば、それで各家庭で発电することによって、社会全体のエネルギー
総合効率を向上させることが可能になると考えられます。
また、先に述べたように、本圧缩燃焼方式の小型エンジン単体の自动车は、低速（低负
荷）走行时に、従来ガソリンエンジンの 2 倍以上の効率上升が可能と考えられるため、非
常に粗い试算ですが、现在のハイブリッド自动车を凌ぐ燃费も现実的になります。さらに
言えば、ハイブリッド自动车に搭载されているエンジンをこの小型エンジンにすることで
さらに高効率・低燃费を目指せます。
従来型エンジン・原子力発电设备の改良を确実に积み重ねることや高性能电池の研究开
発などは大変重要ですが、エンジン「単体」の究极効率追求による环境対応技术の研究开
発が求められているときだと考えています。「単体」ということをあえていうのは、その効
率がまだまだ改善の余地があり、エンジンの排気ガスの热を再利用する补助机器を付加し
た従来型复合システムは大きく・重くなるため、自动车や航空机に搭载しにくいからです。
7 多重冲突喷流による圧缩の安定性
式（1）で述べたように、「高い圧缩比が、毎サイクル得られるのであれば、高い热効率
は得られる」わけですが、このエンジンの圧缩が安定に得られるかどうか心配になります。
そこで、非燃焼の空気流実験で调べました。図 6は 16本の多重冲突喷流をエンジン中心
で冲突させた后の可视化（密度勾配分布）の一例ですが、轴対称を维持した喷流冲突が确
认できています。これは、安定な圧缩が可能なことを示しています。 [6-10] 何故、安定
になるのかについてもある程度の说明が可能です。
図 6 実験装置と可视化写真[6-10] 6
8 プロトタイプエンジンの基础燃焼実験
プロトタイプエンジン二机（図 7、8）を独自に制作し、ガソリンを用いた场合の新圧缩
燃焼原理确认実験を开始したところです。図 7 は、発电・自动车専用であり、図 8 は、音
速レベルから极超音速での航空机用専用のプロトタイプエンジンです。[10]
図 7 自动车・家庭発电用プロトタイプエンジン（排気量 50㏄程度）[10]
図 8 航空宇宙机用小型プロトタイプエンジン[10]
9 今后
より安価で现実性の高い具体的なエンジン构成案は上记以外にあり、ここに书ききれて
いない重要事项やさらなる性能向上のアイデアが多々ありますが、まずは、図 7，8の２つ
の一次プロトタイプエンジンの燃焼试験によって、その素质评価を行う予定です。
従来エンジンでは、エンジンサイズが小さくなればなるほど、エンジン侧壁に逃げる热
量が相対的に増大して、热効率が低下することがよく知られています。
前述したように、我々が提案している新たなエンジンは、エンジン侧壁に逃げる热が少
ないというポテンシャルを有しているわけですので、小さくても大きくても热効率は高く、
この点でも泛用性があるのです。
よって、以上のことから、この安価な「究极の低燃费・高热効率の小型エンジン」を积
んだ自动车が実现すれば、それで各家庭で発电することによって、社会全体のエネルギー
総合効率を向上させることが可能になると考えられます。
また、先に述べたように、本圧缩燃焼方式の小型エンジン単体の自动车は、低速（低负
荷）走行时に、従来ガソリンエンジンの 2 倍以上の効率上升が可能と考えられるため、非
常に粗い试算ですが、现在のハイブリッド自动车を凌ぐ燃费も现実的になります。さらに
言えば、ハイブリッド自动车に搭载されているエンジンをこの小型エンジンにすることで
さらに高効率・低燃费を目指せます。
従来型エンジン・原子力発电设备の改良を确実に积み重ねることや高性能电池の研究开
発などは大変重要ですが、エンジン「単体」の究极効率追求による环境対応技术の研究开
発が求められているときだと考えています。「単体」ということをあえていうのは、その効
率がまだまだ改善の余地があり、エンジンの排気ガスの热を再利用する补助机器を付加し
た従来型复合システムは大きく・重くなるため、自动车や航空机に搭载しにくいからです。
7 多重冲突喷流による圧缩の安定性
式（1）で述べたように、「高い圧缩比が、毎サイクル得られるのであれば、高い热効率
は得られる」わけですが、このエンジンの圧缩が安定に得られるかどうか心配になります。
そこで、非燃焼の空気流実験で调べました。図 6は 16本の多重冲突喷流をエンジン中心
で冲突させた后の可视化（密度勾配分布）の一例ですが、轴対称を维持した喷流冲突が确
认できています。これは、安定な圧缩が可能なことを示しています。 [6-10] 何故、安定
になるのかについてもある程度の说明が可能です。
図 6 実験装置と可视化写真[6-10] 6
8 プロトタイプエンジンの基础燃焼実験
プロトタイプエンジン二机（図 7、8）を独自に制作し、ガソリンを用いた场合の新圧缩
燃焼原理确认実験を开始したところです。図 7 は、発电・自动车専用であり、図 8 は、音
速レベルから极超音速での航空机用専用のプロトタイプエンジンです。[10]
図 7 自动车・家庭発电用プロトタイプエンジン（排気量 50㏄程度）[10]
図 8 航空宇宙机用小型プロトタイプエンジン[10]
9 今后
より安価で现実性の高い具体的なエンジン构成案は上记以外にあり、ここに书ききれて
いない重要事项やさらなる性能向上のアイデアが多々ありますが、まずは、図 7，8の２つ
の一次プロトタイプエンジンの燃焼试験によって、その素质评価を行う予定です。
