JP2017122578A - 燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジンを提供する。【解決手段】このエンジン10は、燃焼室11と、燃焼室11に燃料および空気を混合して供給する燃料供給路13と、燃焼室11の混合ガスに点火するイグナイタ42と、燃焼室11から燃焼ガス51を、ノズル18aを介して噴出するガス放出路15と、ガス放出路15を開閉する開閉装置80とを有する。ガス放出路15は、開閉装置80により、点火の直前、点火と同時、または点火の直後に開放できる。【選択図】図1
Description
本発明は、燃焼室を有し、燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジンに関するものである。
特許文献1には、より良好な熱効率が得られるロータリーエンジンを提供することが開示されている。このロータリーエンジンは、トロコイド曲線の内周面を有する繭状のハウジング内に略三角形のロータを収容して構成される。ハウジングには吸気管および排気管が連通接続されており、これらの基端部は相互に連通接続されて外部空間と遮断されている。ハウジングの内周面には冷却機構によって冷却される冷却領域と加熱機構によって加熱される加熱領域とが形成されている。ハウジングとロータとの間に形成された3つの作動室のそれぞれでは、吸気管から吸気した気体が冷却領域によって冷却されて収縮し、その後加熱領域によって加熱されて膨張し、これらの気体収縮・気体膨張によってロータに回転力が与えられる。
ロータリーエンジンは、ロータの回転運動をそのまま出力として取り出すため、ピストンの往復運動を回転運動に変換するレシプロエンジンに比較して、騒音や振動が少ないという利点を有する。さらに、これらと異なるタイプのエンジンを提供することが要望されている。
本発明の一態様は、燃焼したガスを駆動力として噴出するエンジンであって、燃焼室と、燃焼室に燃料および酸化剤を個々に、または混合して供給する第1のルートと、燃焼室の燃料および酸化剤の混合ガスに点火する手段と、燃焼室から燃焼ガスを、ノズルを介して噴出する第2のルートと、第2のルートを開閉または疑似的に開閉する開閉装置とを有するエンジンである。燃焼室の容積を変えなくても、あるいはピストンなどで圧縮しなくとも、第2のルートに開閉装置を設けることにより燃焼室内の圧力を上げられる。このため高温高圧の燃焼ガスを得ることができる。したがって、燃焼室の容積は一定であってもよい。また、燃焼室の容積を変えてもよい。
燃焼室内で発生する燃焼はデフラグレーションであってもデトネーションであってもよい。典型的な酸化剤は空気である。第1のルートは混合ガスを供給する単一のルートであってよく、酸化剤、たとえば空気と、燃料とをそれぞれ供給する複数のルートであってもよい。第2のルートの開閉装置は、第2のルートを密閉してもよく、燃焼室の内圧を高めることができる程度に疑似的に第2のルートを閉鎖するものであってもよい。
第2のルートの開閉装置を混合ガスに点火するタイミングに関連して制御するユニットを有していてもよい。制御するユニットは、第2のルートを混合ガスに点火する直前、点火と同時、または点火した直後に開く機能を含んでもよい。開閉装置により第2のルートを点火直前に開いてもよく、点火と同時に開いてもよく、点火直後に開いてもよい。開閉装置は、バルブであってもよく、ベーンであってもよく、第2のルートを閉じる部分と第2のルートを開く部分とを含む回転板であってもよい。回転板は穴開きタイプであってもよく、プロペラタイプであってもよく、モーターなどにより、点火のタイミングと同期して回転することにより所定のタイミングで第2のルートを開閉できる。
第2のルートの開閉装置は、燃焼室内の圧力により第2のルートを開く手段を含んでもよい。燃焼室の内圧が燃料および酸化剤を供給することにより上昇したとき、または燃焼の開始により上昇したときに、内圧の上昇を検出して自動的に第2のルートを開放することができる。
エンジンは複数の燃焼室を有していてもよく、開閉装置は、複数の燃焼室の第2のルートを順番に、または同時に開閉する手段を含んでもよい。
エンジンは第2のルートから出力されるガス(燃焼ガス)を外界に放出して推進力を得るエンジンであってもよい。燃焼ガスにより駆動されるタービンを有し、燃焼ガスの一部あるいは全部によりタービンを回転するエンジンであってもよい。タービンにより得られる回転力はさまざまに使用できる。典型的なものは、エンジンと、タービンにより駆動される発電機とを有する発電ユニットである。
エンジンは、また、燃焼室と、燃焼室とガス供給路(第2のルート)により接続されたガス室と、ガス室内で回転する羽根車であって、ガス供給路からガス室に供給されるガス流(燃焼ガス)が羽根車の軸の周囲を通過するように配置された羽根車とを有していてもよい。羽根車が回転するガス室と燃焼室とを分けることにより、ローターである羽根車の構成を簡易にでき、また、燃焼室の構成も簡易にできる。さらに、燃焼室とガス室とをガス供給路で接続することにより、ガス室内における燃焼ガスの流れを、羽根車の軸の周囲を通過するように制御できる。
このエンジンは、羽根車としては、構成が簡易な周流通過型の羽根車(風車)を採用することができる。周流通過型の羽根車であれば、複数の燃焼室を軸回り(周方向)に配置することにより、簡易な構成で、羽根車を回転するガス流量を増加できる。さらに、羽根車の先端に第2のルート(ガス供給路)のガス室への接続口を閉じるようにベーンを設けることができる。すなわち、第2の開閉装置は、羽根車の先端に第2のルートのガス室への接続口を閉じるように設けられたベーンを含んでもよい。上述したように、燃焼室に燃料および酸化剤(燃焼用空気)を供給する際に、ガス供給路を閉鎖して燃焼室内の圧縮比を高め、燃焼効率を向上できる。開閉装置は、ガス供給路(第2のルート)のガス室から燃焼室への流れを阻害する一方向ユニットをさらに有していてもよい。
また、ガス室に、羽根車の軸の周囲を通過するように外気を導入する導入口をさらに設けることにより、羽根車を風車として使用できる。エンジンは、ガス流をガス室から排出する第1の排気口と、外気をガス室から排気する第2の排気口とを有していてもよく、ガス流および外気をガス室から排出する共通の排気口を有していてもよい。
エンジンは、羽根車の周方向に配置された複数の燃焼室と、複数の燃焼室のそれぞれとガス室とを接続する複数のガス供給路であって、羽根車の軸の周囲を通過するガス流を形成する複数のガス供給路とをさらに有していてもよい。
このエンジンは羽根車を一定の回転数で回転させる用途に適している。したがって、発電ユニットのエンジンとして好適であり、本発明の一態様は、エンジンと、羽根車の回転により駆動される発電機とを有する発電ユニットである。
コンパクトで低コストの発電ユニットは、ハイブリッドカーに適している。本発明の一態様は、発電ユニットと、発電ユニットにより発電された電力を蓄えるバッテリーと、発電ユニットにより発電された電力が供給されるモーターと、モーターにより駆動されるタイヤとを有する車である。風車としても機能するエンジンと、発電ユニットと、バッテリーと、モーターと、モーターにより駆動されるタイヤとを有する車においては、さらに当該車の前方から導入口へ外気を導く導入路を有することが望ましい。バッテリーに蓄積された電力が十分であっても、走行中に、燃料を使わずに、風を用いて発電することにより、バッテリーを充電でき、走行中の燃費をさらに向上できる。
図1に、エンジン10と、エンジン10により回転駆動される発電機31とを含む発電ユニット30を示している。発電ユニット30は、さらに、燃料および燃焼用空気を含む燃焼用の混合ガスをエンジン10へ供給する燃料供給システム7と、燃焼のタイミングを含めたエンジン10の制御を行う制御システム8とを含む。制御システム8は、点火する手段であるイグナイタ42の点火のタイミングを制御する点火制御ユニット8aと、バルブ等の制御を行う開閉制御ユニット8bとを含む。
エンジン10は、燃焼室11の燃焼により生成された燃焼ガス51を主な駆動力(動力源)として出力(噴出)するタイプである。このエンジン10は、容積が一定の燃焼室11と、燃料供給システム7から燃焼室11に燃料および酸化剤である空気とを混合したガス(混合ガス)58を供給する燃料供給路(第1のルート、給気ポート)13と、燃焼室11の混合ガス58に点火するイグナイタ42と、燃焼室11からガス(燃焼ガス、高圧ガス)51を、ノズル18aを介して噴出するガス放出路(第2のルート、噴射管、放出ポート)15と、燃料供給路13を開閉するバルブ(第1の開閉装置)41と、ガス放出路15を開閉する装置(第2の開閉装置、噴射管開閉装置、放出路開閉装置)80と、ガス放出路15の下流に配置されたタービン39とを含む。発電機31はタービン39の回転軸38に接続されており、タービン39により回転駆動される。
このエンジン10は、2つの燃焼室11を含むが、燃焼室11は1つであってもよく、3つ以上であってもよい。燃焼室11は、典型的には卵型であるが、球状であってもよく、円筒形であってもよく、燃焼室11において生成する燃焼および燃焼ガスの出力に適した形状であればよい。
放出路15を開閉する第2の開閉装置80は、回転板(円盤)81と、回転板81を回転するモーター82とを含む。回転板81は、開放部81aと、閉鎖部81bとを含む。開放部81aは回転板81を貫通する開口であってもよく、回転板81の一部を欠いた部分であってもよい。回転板81は、円盤であってもよく、プロペラのように閉鎖部81bが回転中心の周りに断続的に設けられたものであってもよい。閉鎖部81bはガス放出路15に対して適当なクリアランスを開けて回転し、ガス放出路15を完全に密閉せずとも疑似的に密閉し、燃焼室11の内圧を上げることができるものであればよい。閉鎖部81bは、ラビリンス機構や、シールを備えてもよく、回転可能な状態でガス放出路15を密閉または実質的に密閉できるものであってもよい。
燃焼室11に混合ガス58を供給する燃料供給システム7は、タービン39の排気で駆動されるターボチャージャー75と、ターボチャージャー75により加圧された燃焼用空気59に燃料を注入するインジェクションシステム19と、注入するタイミングを制御する燃料注入制御システム7aとを含む。
エンジン10の典型的な燃焼行程は次の通りである。
1.ガス放出路15が開放部81aにより開いた状態でバルブ41を開けて空気59を供給して燃焼室11をパージする。
2.ガス放出路15を閉鎖部81bにより閉鎖した状態でバルブ41を開けて燃焼室11に混合ガス58を供給し、燃焼室11を加圧する。
3.バルブ41を閉じて、イグナイタ42により燃焼室11内の混合ガス58に点火する。
4.ガス放出路15は、点火の直前、点火と同時、または直後に開放部81aにより開放され、燃焼室11から燃焼ガス51がガス放出路15を介してタービン39に噴射(出力)される。
1.ガス放出路15が開放部81aにより開いた状態でバルブ41を開けて空気59を供給して燃焼室11をパージする。
2.ガス放出路15を閉鎖部81bにより閉鎖した状態でバルブ41を開けて燃焼室11に混合ガス58を供給し、燃焼室11を加圧する。
3.バルブ41を閉じて、イグナイタ42により燃焼室11内の混合ガス58に点火する。
4.ガス放出路15は、点火の直前、点火と同時、または直後に開放部81aにより開放され、燃焼室11から燃焼ガス51がガス放出路15を介してタービン39に噴射(出力)される。
ガス放出路15から放出される燃焼ガス51に未燃分が多い場合は、ガス放出路15とタービン39との間に第2の燃焼空間を設けてもよい。ガス放出路15の下流にガス放出ノズル18aを設けてもよく、ガス放出路15がガス放出ノズル18aであってもよい。第2の開閉装置80はガス放出路15自体を開閉してもよく、ノズル18aを開閉してもよく、ノズル18aの出口を開閉してもよく、燃焼ガス51を噴出するルートのいずれかの場所を開閉すればよい。
この開閉装置80は、開閉制御ユニット8bにより、放出路15の燃焼室11の側、すなわち、燃焼室11のガス放出側を点火直後に開放できる。点火直後に閉鎖部81bから開放部81aに切り替わるように回転板81をモーター82により、点火のタイミングに同期して制御(回転駆動)できる。燃焼室11の内圧が、混合ガス58が加圧注入された状態からさらに燃焼により加圧された状態で、燃焼ガス51がタービン39側に放出される。
図2〜図12に燃焼室11でデフラグレーションを周期的に繰り返すシミュレーションを行った結果を示している。このシミュレーションにおいては、図2に示すように、直径5cm、長さ6cmの円筒形の燃焼室11を設定し、そこから大気への通り道となる直径1cm、長さ5cmの円筒空間をガス放出路(噴射管)15として設定した。燃焼室11に当量比(燃料ガスと空気との混合比)が1のオクタンを充満させたのち着火し、燃焼室11から放出される燃焼ガス51の温度、圧力、速度のデータを、燃焼爆発解析ソフトウェアFLACSを用いてシミュレーションした。また、燃焼室11の出口に圧力放出パネル(開閉パネル)81をセットし、これを開閉することにより開閉装置80の機能を確認した。図3に、サンプリングポイントMP1〜MP10の位置を示している。ポイントMP1が着火点である。外界99のサンプリングポイントMP7〜MP10はガス放出路15の出口から一定のピッチMPP(50mm)で設定した。
図4に、燃焼室11を完全密閉した状態で着火したときの燃焼室11の圧力上昇を示している。最大圧力は8.6bargであった。この値を参照し、開閉パネル81により燃焼室11の内圧が8.4bargになるタイミングまでガス放出路15を閉鎖した後に開放するケース(ケース1)と、燃焼室11を密閉しない場合(ケース2)、すなわち、いわゆるパルスジェットエンジンに類似した燃焼を行ったケースを比較した。
図5および図6に、ケース1および2の、点火後のガス流速の分布をそれぞれ示している。速度GV0は、0m/sを示し、速度GV1および速度GV2は、ケース1およびケース2の最高速度を示す。これらの図においては、速度分布を、0m/sから850m/sまで、約75m/sのピッチの線(速度分布線)で示している。ケース1の最高速度GV1は900m/sを超え、例えば937m/sである。ケース2の最高速度GV2は850m/sを超え、例えば、881m/sであった。図7にケース1の各ポイントにおける流速(UVW)を示し、図8にケース2の各ポイントにおける流速を示している。ケース1の方が、外界のポイントMP8およびMP9における流速が早くなることが分かる。
図9にケース1の各ポイントにおける圧力(P)を示し、図10にケース2の各ポイントにおける圧力を示している。噴射管15の出口圧力は、ケース1では最大で約5barg、ケース2では最大で約1.6bargとなった。
図11にケース1の各ポイントにおける温度(T)を示し、図12にケース2の各ポイントにおける温度を示している。ケース1では出口温度が最大で2400〜2500度(K)近くになるのに対し、ケース2では出口温度が最大で2300度(K)程度であった。このように、ケース1においてはガス放出路15の出口ガス条件が最大で約5barg、2400〜2500度(K)だったのに対し、ケース2においては、約1.6barg、2300度(K)となった。したがって、燃焼ガス51を主な駆動力(動力源)として出力するエンジン10において、燃焼室11の出口または噴射管15を開閉することにより、エンジン10における燃焼効率が向上し、タービン39で取り出せる仕事量が増大したことがわかる。
開閉装置80は、開閉制御ユニット8bにより、燃焼室11のガス放出側を点火直前または点火と同時に開放することも可能である。点火と同時または直前の場合は、そのタイミングで閉鎖部81bから開放部81aに切り替わるように回転板81をモーター82により、点火のタイミングに同期して制御(回転駆動)できる。パルスジェットエンジンのように燃焼室の内を加圧できないエンジンに対して、燃焼前に燃焼室11の内圧を高くできる。このため、パルスジェットエンジンと同様の簡易な構成でありながら、燃焼時の圧力を向上できるので、タービン39で取り出せる仕事量を増大できる。
このエンジン10においては、燃焼室11でデトネーションまたは疑似デトネーションを断続的に発生させてもよい。混合ガス58を加圧することによりデトネーションを生成しやすく、点火直前または同時に開放部81aに切り替えることによりデトネーションの衝撃波から開閉装置80を保護することが可能である。デトネーションを生成するために点火装置(イグナイタ)42はレーザーなどの混合ガス58をさらに高温にできるものであってもよい。バルブ41も、高圧に耐えられるロータリータイプや、その他のデトネーションエンジン用に開発されたバルブ機構を採用してもよい。
図13に、異なるエンジン10のエンジンブロック9を抜き出して示している。このエンジンブロック9は、4つの燃焼室11と、4つのガス放出路15を含むノズルブロック18と、燃焼室11とノズルブロック18との間に回転可能に設置された回転式の開閉パネル81とを含む。図14(a)にエンジンブロック9を吹き出し側から見た様子を示し、図14(b)にエンジンブロック9を反対側から見た様子を示している。このエンジンブロック9は、90度ピッチで円周に沿って配置された4つ燃焼室11と、それに対応するように90度ピッチで円周に沿って配置された4つのガス放出路15とを含み、それぞれのガス放出路15がガス放出ノズル(噴射ノズル)18aとしての機能を含む。
図15(a)に開閉装置80として機能する回転式の開閉パネル81の一例を示す。図15(b)に開閉パネル81の他の例を示す。開閉パネル81は軸83を中心に、モーター(不図示)により回転され、燃焼室11から燃焼ガス51をガス放出路15に放出するのに最も良いタイミングで開放部81aが燃焼室11とガス放出路15とを連通させる。図15(a)に示した開閉パネル81は、180度対称の位置に2つの円形の開放部81aを含み、4つの燃焼室11のうち、2つから同時にガス放出路15を介して燃焼ガス51が噴出される。その後、開閉パネル81はさらに回転し、残りの燃焼室11からガス放出路15を介して燃焼ガス51が噴射される。図15(b)に示した開閉パネル81は、90度対称の位置に4つの円形の開放部81aを含み、4つの燃焼室11から同時にガス放出路15を介して燃焼ガス51が噴出される。開放部81aは円形であってもよく、楕円形であってもよく、さらに円周の一部を切り欠いた形状であってもよい。
図16(a)および(b)に異なるエンジン10のエンジンブロック9を抜き出して断面により示している。このエンジンブロック9は、内部に、複数の燃焼室11と、それら燃焼室11とガス放出路15との連通(接続)をオンオフする開閉装置80とを含む。開閉装置80は、開閉パネル81と、燃焼室11内の圧力の変動により開閉パネル81を駆動し、ガス放出路15を開閉する駆動機構85とを含む。駆動機構85は、エンジンブロック9の側のガイド88と、ガイド88に沿って開閉パネル81をスライドさせるスライド部分86とを含む。開閉パネル81は、燃焼室11の圧力によって中央のガイド88に沿って前後に動き、ガス放出路15を開閉する。図16(a)に示すように、燃料供給路13を介して混合ガス58が燃焼室11に供給されている間は、開閉パネル81はバネ89により燃焼室11の側に押し付けられており、開閉パネル81の閉鎖部81bが燃焼室11とガス放出路15とを遮断する。
図16(b)に示すように、燃料供給路13がバルブ41により閉じられ、イグナイタ42により燃焼室11内の混合ガス58が点火されると、燃焼室11の内圧は急上昇する。その結果、開閉パネル81はバネ89の弾性力に逆らって、ガイド88に沿って前方へ移動する。ガイド88にはカム溝88aが設けられ、ガイド88に沿ってスライドする開閉パネル81のスライド部分86にはカム溝88aに入るカムピン86aが設けられており、開閉パネル81が前後に動くと、カム溝88aに嵌り込んだカムピン86aに誘導されて開閉パネル81がたとえば180度回転する。これにより、開閉パネル81の開放部81aがガス放出路15と合致する位置に移動し、ガス放出路15と燃焼室11とが連通する。このため、燃焼室11で生成された燃焼ガス51がジェット噴流となってガス放出路15から放出される。
この例では開閉パネル81を燃焼室11の内圧の変動により前後(軸方向)に動かし、円筒カムの原理を用いて開閉パネル81を適当な角度だけ動く(回転する)ようにしている。開閉パネル81を回転させる方法(機構)は、カムとカムフォロアとの組み合わせであってもよく、その他の前後の動きを機械的に回転に代えられるものであればよい。この方式は、モーターを使わずに、自発的(自律的)に開閉パネル81を回転させて、適当なタイミングでガス放出路15と燃焼室11とを接続できる。燃焼室11の爆発により内圧増加に対して、開閉パネル81が回転するタイミングは、バネ89の伸びを調整するネジなどを含むバネ調整機構87により制御できる。また、開閉パネル81の前後の移動量に対する回転量はカム機構のデザインを変えることにより制御できる。
このタイプのエンジンブロック9においては、開閉パネル81が燃焼室11の容積を変えるように動く。開閉パネル81を回転させるためだけであれば、開閉パネル81の前後の動き(ストローク)は小さくてよく、燃焼室11の容積変動は小さくてよい。一方、燃料供給路13を介して混合ガス58が燃焼室11に供給された後に、適当な動力を用いて開閉パネル81を燃焼室11の容積を小さくする方向に大きく動かし、混合ガス58の圧縮率を上げて燃焼効率をさらに向上してもよい。
図17(a)および(b)にさらに異なるエンジン10のエンジンブロック9を抜き出して断面により示している。このエンジンブロック9は、内部に1つの燃焼室11と、その燃焼室11とガス放出路15との接続を開閉する開閉装置80とを含む。開閉装置80は、燃焼室11の内圧により前後に同時に動く2枚の開閉パネル81および84と、これらの開閉パネル81および84を燃焼室11の圧力変動により駆動する駆動機構85とを含む。この例では、開閉パネル81および84が前後に、燃焼室11の容積が拡大する方向に動くと、開閉パネル84がスライド部分86と同期して回転し、図17(b)に示すように、開閉パネル84の開放部84aが開閉パネル81の開放部81aと重なることにより、燃焼室11とガス放出路15とが連通する。
図18(a)および(b)にさらに異なるエンジン10のエンジンブロック9を抜き出して断面により示している。このエンジンブロック9は、内部に1つの燃焼室11と、その燃焼室11とガス放出路15との接続を開閉する開閉装置80とを含む。開閉装置80は、燃焼室11内を動くピストン101と、ピストン101を支持および駆動するバネ103とを含む。エンジンブロック9は円筒状の中空の空間(キャビティ)110を有し、ピストン101はその空間110の中心軸に沿って移動し、空間110を燃焼室11と吸気室(与圧室)105とに分離する。円筒状の空間110の吸気室105に中心軸に沿ってバネ103が配置されており、ピストン101はバネ103により支持された状態で移動する。
吸気室105には、燃料供給路13が接続されており、混合ガス58はいったん吸気室105に供給される。吸気室105と燃焼室11とは、内部供給路107により接続され、燃焼室11の給気ポート109から混合ガス58が燃焼室11に供給される。給気ポート109は、燃焼室11とガス放出路15とを接続する放出ポート150と同様に、ピストン101により開閉される。
図18(a)は、バネ103により燃焼室11の容量(体積)が最小になる方向(この例では、上昇)にピストン101が移動した状態を示している。ピストン101の移動により、給気ポート109を介して燃焼室11に供給された混合ガス58は圧縮され、イグナイタ42により点火される。ピストン101が上昇する過程で、吸気室105の容量が増加するので、燃料供給路13から混合ガス58が吸気室105に取り込まれる。燃焼室11で混合ガス58が点火される前に、バルブ41により燃料供給路31は遮断される。
図18(b)に示すように、混合ガス58の爆発により燃焼室11の内圧が上昇すると、ピストン101が下方に移動する。まず、放出ポート150が開いて、燃焼室11とガス放出路15とが連通し、ガス放出路15から燃焼ガス51が噴射される。さらにピストン101が下方に移動すると、給気ポート109が開き、吸気室105から混合ガス58が燃焼室11に供給される。ピストン101が燃焼室11の容量を拡大し、吸気室105の容量を減少する方向に動くので、ピストン101の移動により生ずる圧力差を用いて吸気室105から燃焼室11に混合ガス58を供給できる。
燃焼室11から燃焼ガス51を放出する放出ポート150を開閉するタイミングと、燃焼室11に混合ガス58を供給する給気ポート109を開閉するタイミングとは、燃焼室11にそれらのポート150および109を設ける位置、ピストン101の形状、バネ103の弾性係数、さらに、ピストン101の動きをカムなどの適当な機構で制御することなどにより制御できる。したがって、図18に示した構成は一例であり、例えば、ポート150および109を同じレベルに設けてピストン101により同時に開閉したり、ピストン101の形状を変えて開閉するタイミングを変えたりすることが可能である。
図19にエンジン10の異なる例を示している。このエンジン10は燃焼室11をバイパスして空気59をノズルブロック18に供給するバイパスライン17を含む。ノズルブロック18は、燃焼ガスノズル(噴射ノズル)18aと、その周囲から空気59を導入する空気ノズル18bと、燃焼ガス51と空気59とを混合する混合ノズル18cとを含む。燃焼室11から出力される燃焼ガス51に過剰な空気59を混入することによりタービン入口のガス温度を下げたり、過剰空気59により未燃分の燃焼を促進したりすることができる。ノズルブロック18の空気ノズル18bに空気59を注入するために加圧が必要であれば、多段階のターボチャージャーを設けたり、その他の加圧機構(スーパーチャージャー、コンプレッサ)を設けてもよい。
図20(a)〜(d)にガス放出路(噴射管)15と一体になった燃焼ガスノズル18aのいくつかの例を示している。図19に示したノズル18aは直円筒タイプであり、図20(a)に示したノズル18aは直円錐タイプであり、図20(b)に示したノズル18aは、設計マッハ数が低速(例えば2.5程度)のラバル(ラバール)タイプであり、図20(c)に示したノズル18aは、設計マッハ数が高速(例えば3.0程度)のラバルタイプであり、図20(d)に示したノズル18aはベンチュリータイプである。これらのノズルタイプは例示であって、燃焼条件、用途などの条件により適したタイプのノズル18aを使用できる。
図21にエンジン10のさらに異なる例を示している。このエンジン10は排気専用のルート(排気路、排気ポート)73と、排気路73を開閉する装置(バルブ)43とを含む。燃焼室11において燃焼が終了した後、第2の開閉装置80の開閉プレート(開閉パネル)81によりガス放出路15を閉じて排気路73を開けて燃焼室11をパージできる。パージ用の比較的低温のガス(空気)がタービン側に供給されることなく燃焼室11をパージできる。
図22に、異なるタイプのエンジンを搭載した車(車両)を模式的に示している。車1は、発電ユニット30と、発電ユニット30により発電された電力を蓄えるバッテリー35と、バッテリー35を介して発電ユニット30により発電された電力が供給されるモーター37と、モーター37により駆動されるタイヤ3とを含む。発電ユニット30は、エンジン10と、エンジン10により回転駆動される発電機31とを含む。車1は、さらに、エンジン10からの排気が通過するマフラー5と、燃料および燃焼用空気を含む燃焼用の混合ガスをエンジン10へ供給する燃料供給システム7と、燃焼のタイミングを制御する電気システム8とを含む。エンジン10の燃焼室における圧縮比が低く、燃焼騒音が低い場合は、マフラー5を省略することにより排気系統の圧力損失を低減できる。
エンジン10は、燃焼室11と、燃焼室11とガス放出路(ガス供給路)15により接続されたガス室16と、ガス室16の内部で回転する羽根車20とを含む。羽根車20は、シャフト21と、シャフト21から周方向に設けられた複数のフィン(ベーン)22とを含む。後に詳しく説明するように、それぞれのフィン22の先端にはシール部材23が装着されており、このシール部材23がガス放出路15を開閉する第2の開閉装置80として機能する。
図23(a)に典型的な羽根車20を示す。この羽根車20は、羽根付シャフトであり、シャフト21と、シャフト21に90度ピッチで装着された4枚の板状のフィン22とを含む。フィン22は、お椀型に湾曲したものであってもよく、シャフト21にらせん状に取り付けられたものであってもよい。さらに、フィン22は3枚以下であってもよく、5枚以上であってもよい。
図23(b)および図23(c)に示すように、本例の羽根車20は、フィン22の先端22aに、ガス放出路15の先端のノズル18を開閉する装置80となるシール部材23が取り付けられている。シール部材23は、フィン22の先端22aの一部に周方向に旋回するように取り付けられており、バネ24によりガス室16の内面16aに接しながら移動する。シール部材23は、遠心力によりガス室16の内面16aに接するものであってもよい。シール部材23とガス室16の内面16aとの摩擦を低減するためにオイルを供給するユニット29を設けてもよい。
燃焼室11は、ガス室16を囲うエンジンブロック90の内部に設けられた空洞であり、燃焼用の混合ガスを供給するバルブ41と、点火用のプラグ42とを含む。本例では、プラグ42とバルブ41とが一体となったプラグ組込型バルブ40が採用されており、混合ガスを燃焼室11の内部に均等に供給できるようにしている。
燃焼室11から燃焼ガス51をガス室16に供給するガス放出路15は、ガス室16の内部で回転する羽根車20のシャフト21の周囲を通過するように燃焼ガス51を放出するノズル18を含む。本例では、ノズル18は、シャフト21の方向(中心方向)に対して周方向に角度θだけ傾いた方向(斜めの方向)に燃焼ガス51が吹出すように設けられている。角度θは20〜60度程度が望ましい。
図24(a)に混合ガスを燃焼室11に注入する工程を示している。羽根車20のフィン22の先端のシール部材23によりノズル18が塞がれているタイミングで、燃焼室11のバルブ41が開き、混合ガスが燃焼室11の内部に注入される。したがって、シール部材23は、第2の開閉装置80の閉鎖部81bとして機能する。ノズル18が封鎖されているので、燃焼室11の内部には、圧縮された状態(加圧された状態)で混合ガスを注入できる。圧縮比は、混合ガスの供給側の供給圧力で制御できる。
図24(b)に燃焼室11の内部で混合ガスを燃焼させる工程を示している。羽根車20が回転して、シール部材23がノズル18から外れ、ノズル18が開くと同時に燃焼室11内の圧縮された混合気が燃焼室外に排出される。上述したように、シール部材23は、点火直前にノズル18を開くようにセットすることも可能であり、点火と同時にノズル18を開くようにセットすることも可能であり、点火直後にノズル18を開くようにセットすることも可能である。
たとえば、シール部材23がノズル18を開くのと同時にプラグ42で点火を行うことで燃焼室11の内部から出口(ノズル)18に向かって燃焼されていく。その結果、ノズル18から大量の燃焼ガス51が羽根車20の軸21の周囲を通過するように放出され、軸21の周りのフィン22が燃焼ガス51で加圧され、羽根車20が高速で回転する。
このエンジン10は、ガス室16に、羽根車20の軸21の周囲を通過するように外気61を導入する導入口60をさらに有する。このエンジン10においては、導入口60は、ガス放出路15のノズル18に対し、軸21を挟んで反対側に設けられている。車1は、前方または側方から導入口60に外気を導く導入路65を含む。導入路65はベンチュリーを含み、外気61の流れを絞ることにより流速を増加させた後、外気61が羽根車20の周囲を通過してフィン22を加圧するようにしている。
エンジン10は、さらに、燃焼ガス(ガス流)51および外気61をガス室16から排出する共通の排気口70と、燃焼ガス51をガス室16に沿って排気口70の方向に導く排気エリア55とを含む。
このエンジン10においては、先ず、燃焼室11で生成された燃焼ガス51を、ノズル18からガス室16に吹き出し、羽根車20の軸21の周囲を通過させる。燃焼ガス51がフィン22に当たり、羽根車20を高速で回転させる。燃焼ガス51は、排気エリア55を通って排気口70からエンジン10の外に排出される。車1が停止している場合、または低速で運転されている場合は、燃焼ガス51は、導入口60と導入路65を通って排気されてもよい。
車1が中速または高速で走行すると、導入路65を介して導入口60から外気61がエンジン10のガス室16に導入される。導入された外気61は、羽根車20の軸21の周囲を通過してフィン22に当たり、羽根車20を高速で回転させる。その後、排気口70からエンジン10の外に排出される。
したがって、エンジン10においては、羽根車20は、燃焼ガス51のみで回転されてもよく、燃焼ガス51と外気61とにより回転されてもよく、燃焼を停止して外気61のみで回転されてもよい。このため、この車1においては、燃料を消費して積極的にエンジン10を動かして発電することも可能であり、バッテリー35に十分な電力が蓄積されると燃焼を停止して、外気61のみにより羽根車20を回転して発電することも可能である。
このため、車1では、モーター37を駆動して加速中または走行中において、モーター37により消費されるエネルギーの一部を、外気61で羽根車20を回転することにより回収できる。車1では、エンジンブレーキが必要な状況になればモーター37を発電機として使用してエネルギーを回生することも可能である。
図25に、エンジンの異なる例を示している。このエンジン10は、燃焼室11から供給されるガス流(燃焼ガス)51をガス室16から排出する第1の排気口71と、外気61をガス室16から排気する第2の排気口72とを有する。また、このエンジン10は、ガス放出路15のガス室16から燃焼室11への流れを阻害する一方向ユニット(一方向弁、逆止弁)89を有する。
図26(a)に、燃焼室11を抜き出して示している。燃焼室11の出口となるガス放出路15の途中に弁89が配置されている。この弁89は、ガス室16側の圧力が燃焼室11よりも高ければ、矢印89aの方向に動き、シート89sに当たってガス放出路15を閉鎖する。燃焼室11の内部で混合ガスが爆発したときは、熱エネルギー(圧力)によって弁89が反対側89bに動き、ガス放出路15を開いてガス(燃焼ガス)51をガス室16に供給する。したがって、弁89は、ガス放出路15を開閉する第2の開閉装置80として機能する。このように第2の開閉装置80は、燃焼室11の出口に関連する箇所を開閉すればよく、ノズル18の出口であっても、燃焼室11の出口であっても、それらの間を開閉してもよい。
図26(b)に示すように、燃焼室11は、ガス放出路15の開口の近くに、室内側に突き出た突起12を有していてもよい。この突起12により、バルブ41から吸入された混合気49が旋回流となり、燃焼室11の中央部分に集まる。したがって、点火が容易となり、燃焼効率を向上できる。
図26(c)に、プラグ組込型バルブ40を抜き出して示している。プラグ組込型バルブ40は混合気を燃焼室11内に均等に吸入させるためのものである。プラグ組込型バルブ40は、燃焼室11の混合気を吸入する場所に設けられ、全体としてバルブ41の機能を果たす。プラグ組込型バルブ40は、さらに、バルブ41の中心部にプラグ42が設けられており、プラグ42の先端でスパークが形成される。このプラグ組込型バルブ40を燃焼室11の中心に設けることで、均等に混合気を燃焼室11に吸入させることができる。
プラグ組込型バルブ40は、プラグ42をバルブ41の中心部に取り付けるためにバルブ41の中心を貫通させる必要がある。プラグ42の交換を可能にするために、バルブ41を貫通する穴の全体または一部がネジ穴となっており、プラグ42を着脱できる。
図27に、エンジンのさらに異なる例を示している。このエンジン10の燃焼室11は、バルブ41とプラグ42とが別々に配置されている。混合ガスを供給するバルブ41は、1つに限定されず、吸気効率を高めるために複数のバルブ41を燃焼室11に配置してもよい。また、複数のバルブ41から濃度が異なる混合ガスを供給したり、パージ用のエアーを供給したりすることも可能である。外気61の導入口60には、風力計69が配置されており、車1が高速走行中は外気61の圧力(スピード)が十分に高いときは、燃料を遮断して外気61のみにより羽根車20を回転させる。風力計69の代わりに羽根車20の回転数を一定に保つように、燃焼側を制御してもよい。
図28に、エンジンのさらに異なる例を示している。このエンジン10は2つの燃焼室11が、エンジンブロック90のガス室16の周方向、すなわち、羽根車20の周方向に配置されており、それぞれの燃焼室11がガス放出路15を介してガス室16と接続(連通)されている。それぞれのガス放出路15からは燃焼ガス51が羽根車20の軸21の周囲に沿って流れるように放出される。周流タイプの羽根車20においては、複数のガス放出路15から供給される燃焼ガス51が干渉せずに羽根車20を加速できる。したがって、燃焼ガス51の流量が不足する場合は、2または3つ以上の燃焼室11を羽根車20の周囲に設けることによりガス流量を確保できる。
この例では、燃焼室11を軸21に対して対向する方向に設けているが、90度方向あるいは異なる角度の方向に設けることも可能である。また、複数の燃焼室11に加えて外気の導入口60を設けることも可能である。
図29に、エンジンのさらに異なる例を示している。このエンジン10は1つの燃焼室11を有し、外気61が導入されない最もシンプルな構成であり、低コストで提供できる。また、羽根車20はフィン22とガス室16の内面16aとは、ガスノズル18をシール23により開閉する箇所を除き適当な隙間(クリアランス)が確保されており、フィン22とガス室16との過剰な接触を抑制できるとともに、クリアランスを介して燃焼ガス51の流れる方向が定まるようになっている。
以上に説明したように、本エンジン10は、羽根車20の羽(フィン、ベーン)に燃焼ガス51または外気61を衝突させてシャフト21を回転させる。従来型のピストン駆動によるエンジンよりもシャフトを直接回転させるため燃料消費や回転効率が良い。また、複雑な機械構造でなく実現できるため部品点数も少なくなり、故障も少なくなり、軽量化、コスト面でもメリットがある。このエンジン10は、効率よく定速で回転させることができるので、発電ユニット30の駆動部に適している。低燃費、コンパクト、軽量、高回転、低コストのエンジン10は、特に、ハイブリッド自動車1の発電ユニット30としての利用価値が高い。特に、外気61を取り入れて発電するタイプのエンジン10は、モーター37を駆動して走行中あるいは加速中であっても、エネルギーの一部を回生することが可能であり、さらに、低燃費で走行距離を伸ばすことができる。
なお、上記では、発電ユニット30を車1に搭載した例を示したが、船や、飛行機、特にプロペラ機、ヘリコプターなどの他の乗り物に搭載することも可能である。
10 エンジン10、 11 燃焼室、 13 燃料供給路
15 ガス放出路、 18a ノズル
42 イグナイタ、 51 燃焼ガス、 80 開閉装置
15 ガス放出路、 18a ノズル
42 イグナイタ、 51 燃焼ガス、 80 開閉装置
Claims (17)
- 燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジンであって、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料および酸化剤を個々に、または混合して供給する第1のルートと、
前記燃焼室の燃料および酸化剤の混合ガスに点火する手段と、
前記燃焼室から燃焼ガスを、ノズルを介して噴出する第2のルートと、
前記第2のルートを開閉または疑似的に開閉する開閉装置とを有するエンジン。 - 請求項1において、さらに、
前記開閉装置を混合ガスに点火するタイミングに関連して制御するユニットを有するエンジン。 - 請求項2において、
前記制御するユニットは、前記第2のルートを混合ガスに点火する直前、点火と同時、または点火した直後に開く機能を含む、エンジン。 - 請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記開閉装置は、前記第2のルートを閉じる部分と前記第2のルートを開く部分とを含む回転板を含む、エンジン。 - 請求項1において、
前記開閉装置は、前記燃焼室内の圧力により前記第2のルートを開く手段を含む、エンジン。 - 請求項1において、
複数の前記燃焼室を有し、
前記開閉装置は、前記複数の燃焼室にそれぞれ繋がる前記第2のルートを順番に、または同時に開閉する手段を含む、エンジン。 - 請求項1ないし6のいずれかにおいて、さらに、
前記燃焼ガスにより駆動されるタービンを有するエンジン。 - 請求項7に記載のエンジンと、
前記タービンにより駆動される発電機とを有する発電ユニット。 - 請求項1ないし5のいずれかにおいて、さらに、
前記燃焼室と前記第2のルートを介して接続されたガス室と、
前記ガス室内で回転する羽根車であって、前記第2のルートから前記ガス室に供給される前記燃焼ガスが前記羽根車の軸の周囲を通過するように配置された羽根車とを有するエンジン。 - 請求項9において、
前記開閉装置は、前記羽根車の先端に前記第2のルートの前記ガス室への接続口を閉じるように設けられたベーンを含む、エンジン。 - 請求項9または10において、
前記ガス室に、前記羽根車の軸の周囲を通過するように外気を導入する導入口をさらに有する、エンジン。 - 請求項11において、
前記燃焼ガスを前記ガス室から排出する第1の排気口と、
前記外気を前記ガス室から排気する第2の排気口とを有する、エンジン。 - 請求項11において、
前記燃焼ガスおよび前記外気を前記ガス室から排出する共通の排気口を有する、エンジン。 - 請求項9または10において、
前記羽根車の周方向に配置された複数の前記燃焼室を有する、エンジン。 - 請求項9ないし14のいずれかに記載のエンジンと、
前記羽根車の回転により駆動される発電機とを有する発電ユニット。 - 請求項8または15に記載の発電ユニットと、
前記発電ユニットにより発電された電力を蓄えるバッテリーと、
前記発電ユニットにより発電された電力が供給されるモーターと、
前記モーターにより駆動されるタイヤとを有する車。 - 請求項11に記載のエンジンと、
前記羽根車の回転により駆動される発電機とを有する発電ユニットと、
前記発電ユニットにより発電された電力を蓄えるバッテリーと、
前記発電ユニットにより発電された電力が供給されるモーターと、
前記モーターにより駆動されるタイヤとを有する車であって、
さらに当該車の前方から前記導入口へ外気を導く導入路を有する、車。
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