JP3725159B2 - ガスタービン−二行程ピストン複合エンジン冷却の改良 - Google Patents

Description

本願は、１９９４年１０月２４日の出願にかかる“ガスタービン−二行程（ツーストローク）ピストン複合エンジン”と称する米国特許出願連続番号０８／３２８１２１号の部分継続出願である。
発明の背景
発明の属する技術分野
本発明は一般に複合エンジンに係り、詳細に言うと、いずれも出力駆動軸に駆動連結されたガスタービンユニットおよびピストンユニットの組合わせよりなる複合エンジンに関する。
発明の背景
ガスタービンユニットおよびピストンユニットよりなる初期の複合エンジンは、ジョンソンの米国特許第３４９８０５３号の明細書に開示されている。ジョンソン特許において、タービンユニットは往復動、二サイクル、圧縮点火ピストンユニットの排気ガスによって作動される。ジョンソン特許のガスタービンユニットはピストンユニットを過給するため圧縮機要素を有し、タービンユニットもまたピストンユニットの出力軸に組合わされている。ジョンソン特許のピストンユニットは、ピストンをクランク軸に連結するスコッチヨーク（scotch yoke）を備えた対向シリンダの対を有する。
複合エンジンのつぎの改善は、自動車技術者協会による１９７１年国際エネルギ変換技術会議の会議録に記載された、“内燃エンジンにおける燃費減少の新しい概念”と称する出版物の３８頁に記載されている。この出版物は、ピストンユニットの出力軸に機械的に組合わされかつ高圧タービンユニットの出力によって流体的に駆動される低圧タービンを開示している。ピストンユニットは圧縮点火二行程ユニットで、行程の弁開放部分において過剰の掃除空気流がピストンおよびシリンダを内部冷却するため使用される。排気弁はシリンダ頂部に設置され燃焼室壁の一部を形成する環状弁である。バイパス燃焼器すなわち熱反応器が、高圧圧縮機と高圧タービンの間の平行な流路に設置されている。エンジンを始動するため小型始動モータが高圧タービンを回転させ、バイパス燃焼器で燃焼が開始される。バイパス燃焼器は、高圧タービンを駆動するガスを発生するための燃焼装置となる。高圧タービンは第１に、機械的に圧縮機を駆動して高圧空気をピストンユニットに供給し、第２に、駆動ガスを低圧タービンに供給し、低圧タービン自体ピストンユニットを始動するためクランク回転動力を発生する。
エンジン効率を最善にすることは、一般的にすべてのエンジンの共通の設計目的である。前段で概略的に説明した複合エンジンは、たとえば最大出力設定においてピストンユニットの前後で例えば５％に維持される、まったく一定の圧力降下を生ずるべく設計される。かかるユニットにおけるすべての冷却がサイクル空気によって得られること、そしていかなる外部冷却機構も使用されないことが望ましい。そのため、少量のサイクル空気をシリンダおよびシリンダヘッドの通路を通して直接排気弁座に転換し、また中央本体およびシリンダヘッドを通してその中の選択された区域を冷却することが望ましい。かかるエンジンにおいて、温度レベルを高く、たとえば燃焼室区域では約６５０℃から８１５℃（１２００°Ｆ〜１５００°Ｆ）に、頂部リング区域では約３１５℃から３７０℃（６００°Ｆ〜７００°Ｆ）に維持することが望ましく、そのことはバイパス冷却空気量を減少し、排気マニホルドにおいてサイクルに再度流入する際、下流のタービンで回収し得るエネルギの増加を可能にする。
上記冷却装置は有効に作用するが、なお付加的な課題が存在する。たとえば、ピストンリングはピストンの高温の上端からかなりの距離下方に設置しなければならない。燃焼室に隣接するシリンダ壁頂部の温度は、それらがピストンリングをピストン外端の近くに設置することを許さない程に高温である。さらに、高いシリンダ壁温度は、比較的厚い断熱キャップをピストン端部に取付けることも要求する。したがって、ピストンおよび対応するシリンダの物理的長さは、もし燃焼室に隣接するシリンダ壁の温度が一層低いときに必要とされる長さよりもかなり長い。したがって、一層長いピストンおよびシリンダユニットによって得られたエンジン構造は一層重量を増し、ピストンを移動するため一層多くのエネルギを必要とし、それによりエンジンの効率を低下する。さらに、物理的に長いピストンおよびシリンダ要素は、製造に一層多くの材料を必要としかつ一層高価なものとなる。さらに、一層大きいピストンは他の要素も大きくすることを必要とし、それによりエンジン全体の寸法および重量を増大する。
同様に、単に内部通路を通して冷却流体を循環させることによりシリンダヘッドおよび中央本体の冷却は、これらの要素を一層大重量に、またそれらの冷却が一層有効となる以上に一層高価な耐熱材料から作ることを必要とする。したがって、冷却装置がこれらの要素から熱を一層有効に抽出できないことは、エンジンの全効率が改善されるように要素の構造を改善する上で限界を呈することになる。
したがって、ピストンユニットの燃焼室に直接隣接する複合エンジン要素の一層有効な冷却と、そこからの熱エネルギの全般的除去に対する必要性がある。
発明の要約
通常のピストンエンジンの上記本質的な非効率を克服するため、本発明の目的は従来の複合エンジンより一層有効な複合エンジンを得ることにある。
本発明の別の目的は、必要な冷却を一層少ない流体で達成するため、いちじるしく改善された輸送機構を備えた複合エンジン用冷却装置を得ることである。
本発明のなお別の目的は、エンジン構造を一層有効にしかつエンジン要素を一層小型、軽量にすることを可能にする、ピストンユニットの高温部分の一層良い制御を達成する複合エンジンを得ることである。
本発明のまた別の目的は、運転中高温となるエンジンの選択された区域を有効に冷却し、それによりそれらの区域付近のエンジン要素の寿命を延長する複合エンジンを得ることである。
本発明のさらに別の目的は、冷却空気内の熱エネルギを出力に変換することにより、その効率をさらに増大する複合エンジンを得ることである。
本発明の原理によれば、サイクル空気から取出された冷却空気を、一層有効な冷却を必要とするエンジンの区域に選択的に衝突させ、さらに、加熱された冷却空気をガスタービンユニットに排出してエンジンの出力軸を駆動するため加熱された冷却空気を使用する、ガスタービンユニットおよびピストンユニットを有する複合エンジンが得られる。
本発明の一実施例において、冷却空気はピストンユニットの吸気マニホルド内のサイクル空気から、燃焼室付近の外部シリンダ壁の一部に高速で冷却空気を指向する第１の複数の衝突冷却空気孔に転換される。燃焼室に隣接するシリンダ壁の端部における衝突冷却空気の使用は、シリンダ壁の該区域を以前に可能であったよりかなり低い温度に維持する。したがって、ピストンリングはピストンの端部の一層近くに、シリンダ壁の該部分に隣接する位置に移動させることができる。さらに、燃焼室に隣接するシリンダ壁の端部を一層低い温度に保持することにより、ピストンの長さと、シリンダ壁の長さ、したがってピストンユニット全長をかなり短縮することができる。従って、ピストンユニットは一層少ない材料で作られ、経費を減少し、エンジンが一層有効に運転するのを可能にする。さらに、冷却空気の単位容積当たり一層多くの熱がシリンダ壁から除去されるため、冷却作用は実質的に一層有効になる。冷却流体の流量を減少する利点は、複合エンジンの運転を一層有効にすることである。
本発明の別の実施例において、第２の複数の衝突冷却孔が高速のサイクル空気を排気弁外面の臨界区域に指向する。かかる臨界区域は燃焼室に隣接する排気弁の部分およびシールリングと摺動接触する排気弁の外面である。衝突冷却方法は通路を通って冷却空気を単に循環させることにより一層有効であり、したがって排気弁の外面は一層低い温度に保持されるか、そうでなければ、一層少ない冷却流体で同じ温度に維持される。正味の結果は、排気弁本体が一層低い温度に保持され一層長い排気弁寿命を得る利点を有することである。
本発明のなお別の実施例において、冷却流体は排気弁内側の中心本体を通って延長する冷却通路内を輸送される。衝突冷却は、排気弁からさらに熱を除去してその寿命を延長するため、排気弁の選択された内面を冷却するため使用される。さらに、中央本体内の衝突冷却は、燃焼室に隣接する中央本体の底部を冷却するため使用される。中央本体の底部を冷却することは、中央本体の該端部を一層低い温度に維持し、それにより許容温度が一層低い材料および中央本体の該端部における一層小さい断熱高温キャップの使用を可能にする。したがって、中央本体の該端部における温度制御の改善は、要素のサイズの縮小および許容温度が一層低いが材料の使用を可能にする利点を有し、それにより一層の経費に見合った設計を可能にする。
さらに、中央本体内における衝突冷却が、中央本体を通って延びる燃料管を冷却するため使用される。この冷却は噴射器を通る燃料温度の一層よい調節を可能にし、それにより燃焼室に入る燃料の温度を一層均一かつ精密に制御することを可能にする。燃料温度を一層よく制御することによって、燃焼工程の効率は一層よく制御され、一層有効なエンジン運転を達成する利点を生ずる。
本発明のこれらの目的および利点として他の目的および利点は、下記の詳細な説明と図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の好適な実施例による複合エンジンの概略的斜視図。
図２は図１のエンジンの簡略化した線図。
図３はピストン、シリンダおよびスコッチヨーク装置を示す部分断面図。
図４は図１のエンジンの燃焼器の一つの略断面図。
図５は本発明の原理による衝突冷却機構を利用するピストンおよびシリンダ装置を示す部分断面図。
発明の詳細な説明
図１，２および３を参照すると、複合エンジン１０はピストンユニット１２およびガスタービンユニット３６より成る。ピストンユニット１２は好適には、圧縮点火、二行程（ツーストローク）ユニフロー掃気ユニットであり、それらは複数のピストンおよびシリンダ装置を有する複数のピストンおよびシリンダ装置は、対向した対のシリンダ１４、好適には８つのシリンダを有する。シリンダ１４の対向する対は２つの列１６に配置され、一方の列１６の一つのシリンダ１４は、他方の列１６の一つのシリンダ１４と直接対向している。各対のシリンダ１４はスコッチヨーク２０によってクランク軸１８に駆動連結されている。各シリンダ１４は、スコッチヨーク２０の一端に強固に連結されたピストン２２を有する。スコッチヨーク２０は、スライダブロック２８が摺動可能に取付けられる長方形の溝２６を備えたクロスヘッド２４を有し、スライダブロック２８はクランク軸１８の偏心体３０に回転可能に連結されている。シリンダ１４は全体的に同じで、連結スコッチヨーク２０を備えた各対のシリンダ１４は全体的に同じである。同様に、シリンダ１４の列１６も全体的に同じである。複合エンジン１０のピストンユニット１２は、二行程（ツーストローク）、圧縮点火ディーゼルユニットで、その各シリンダ１４に燃焼またはサイクル空気が吸気マニホルド３２および吸気ポート３４を通り各ピストン２２がその行程の最底部分にあるとき供給される。
サイクル空気は、定常流高圧圧縮機３８、高圧タービン４０、一対の燃焼器４２および軸流低圧タービン４４よりなる高圧ガスタービンユニット３６によって供給される。好適な実施例において、高圧圧縮機３８はサイクル空気を入口４６を通してうけ入れ、空気は圧縮機ロータ４７のベーンを通りまた圧縮された空気を二つの排出通路４９，４９に分流する排出スクロール４８を通過し、各通路は空気を二つの燃焼器４２の一方に輸送する。タービンユニット３６は、ピストンユニット１２の各列１６のシリンダ１４から出る排気ガスがそれぞれ各列１６に対応する排気マニホルド５０の対の一方を通り、またはガスタービンユニット３６の二つのバイパス燃焼器４２のそれぞれ一方を通るように、形成されている。燃焼器４２は、排気ガスを燃焼器４２から二重入口可変面積タービンノズルスクロール５２のエンジン両側の二つの入口に、また高圧タービンロータ５３のベーンを通って輸送することにより、高圧タービン４０を駆動するように形成されている。高圧タービン４０の出力軸は、高圧圧縮機３８を駆動して回転させるため、軸受および軸装置５４に連結されている。高圧タービン４０は（図示しない）可変入口ベーンを有し、吸込ベーンは高圧タービンの入口面積を変化して、高圧タービン４０が著しく少ない排気ガスを発生するピストンユニット１２の低速においてさえその所望速度の１００％の速度で回転することを可能にしている。高圧タービン４０の出口は円錐形ディフューザ５６に流体的に接続され、ディフューザ５６は軸流低圧タービン４４の入口に接続されている。可変ベーン（図示せず）は、圧力降下と、したがって低圧タービンによって発生される出力を変化するため、低圧タービン４４の入口において利用されている。低圧タービン４４の排出ガスは出口５８から大気に排出される。
低圧タービン４４は一体のロータ５９および減速ユニット６２に連結された出力軸６０を有し、その出力軸はクランク軸に機械的に連結されている。減速ユニット６２は低圧タービンユニット４４に直接取付けられ共通の装置で潤滑される。減速ユニット６２は、低圧タービン４４と同じ軸心上できわめて低い摩擦、１０：１の減速を達成するため、リング歯車、三つの遊星歯車および太陽歯車よりなっている。２：１の減速は、減速ユニット６２の出力をクランク軸に連結する調車（プーリ）およびＶベルト装置６４において達成される。重量約５４kg（１２０ポンド）のフライホイール６６もクランク軸１８に取付けられ、クランク軸１８は複合エンジン１０の出力を回転軸に発生する。
スコッチヨーク２０はピストン２２に強固に連結され、中心に設置された長方形の溝２６は対向ピストン２２の行程に垂直な方向へ縦に延長している。この配置はいくつかの利点を有する。第１に、スコッチヨーク２０はピストンに対し、それらがシリンダ１４内で往復運動するとき積極的に案内し、それによりピストン２２とシリンダ１４の間の横方向力を最少にする。したがって、（図示しない）ピストンリングとシリンダ１４の間の摩擦および摩耗は最少になる。第２に、運転の際に冷却しないと、ピストン頂部およびシリンダは９２７℃（１７００°Ｆ）にも達する。剛性のスコッチヨーク２０によって、ピストン２２は冷たいかつ潤滑されたピストン基部における間隔制御によってシリンダ１４内で案内される。スコッチヨーク２０によって、ピストンスカートをきわめて短くしかつピストン２２を案内することができる。スカート上方のピストンとシリンダの間隔、たとえば０．１２７mm（０．００５インチ）は、高温のピストンおよびシリンダ部分をさらに摩擦させることなく保持することができる。第３に、一方のピストンの燃焼の膨脹力は、対向ピストンに圧縮力として直接伝達される。さらに、８つのシリンダユニットによって、二つのスコッチヨーク２０がつねに同じ速度でただし反対方向に移動して、往復動ユニットを平衡せしめる。好適には、スコッチヨークはアルミニウムまたは複合材料から作られ、約７．５６kg（１４ポンド）またはそれ以下の全往復動質量を有する。
運転サイクルを要約するため、図１から図３を参照すると、上記複合エンジンによって、大容積の低圧空気が約２００：１の全比率で圧縮される。サイクル空気は先ず回転する高圧圧縮機３８によって約５：１の比率で圧縮され、その後、空気は燃焼器４２、吸気マニホルド３２、吸気ポート３４を通ってピストンユニット１２のシリンダ１４内に流れ込む。空気は約４０：１の比率で、ピストンユニット１２が全出力で運転されているとき、ほとんど効率１００％で一層の高圧にさらに圧縮される。圧縮はピストンサイクルの上死点部分付近でシリンダ１４内に噴射された燃料に点火し、燃焼しかつ膨脹するガスのエネルギは、上死点通過後約９５°および排気弁１１０開放中さらに３０°のクランク軸の回転を通じて、ピストンユニット１２によりほとんど効率１００％で可能な最大限まで引き出される。ガスがシリンダ１４内で完全に膨脹し冷却および掃除空気と混合したとき、それらは、高圧タービン４０を駆動するため燃焼器４２を通って戻され、高圧タービン４０自体高圧圧縮機３８を回転させる。ピストンユニット１２からくる排気ガス中に残存するエネルギは、歯車減速ユニット６２およびＶベルトユニット６４を介してクランク軸１８の出力に連結された低圧タービン４４において引出される。
ピストンユニット１２の二行程サイクルは、二行程サイクルのサイクル空気流れ特性がガスタービンユニット３６の連続ガス流特性に一層密に適合するため、重要である。たとえば、ピストンユニット１２の吸気および排気弁はクランク軸１８の回転のかなりの部分、例えば１／３にわたって開放している。複合エンジン１０内のサイクル空気流は、燃焼器４２によって形成される平行な流れ通路のためユニークである。図４に示されたように、高圧圧縮機３８から出るサイクル空気は、燃焼器４２の後端で円筒形流路８１と交差する外側の第１入口８０に流入し、その前端に向かって流れる。ついでサイクル空気は環状ポート８２を通って第２円筒形流路８４に流入する。第２円筒形流路８４は、吸気マニホルド３２と円周弁８８の半径方向に延びる支柱または空気通路８６と交差する第１空気出口を形成する。円周弁８８は、支柱８６の上に摺動可能に設置されかつ支柱空気通路８６の開口に適合する開口を有するスリーブ８９を備えている。通常のエンジン運転中、円周弁８８のスリーブ８９は、空気通路８６を閉鎖するものの密封しない位置に回転せしめられ、空気は環状通路８０から吸気マニホルド３２を通ってポート３４に流入する。円周弁８８のスリーブ８９は、バイパス燃焼器、またはガスタービン３６の燃焼器４２内のヒータを作動するとき支柱空気通路８６を開放するため回転せしめられる。燃焼器の作動とともに、空気通路８６は内側円筒形空気流通路９０と交差し、空気流通路９０はサイクル空気ポート９２によって燃焼器４２内にバイパス燃焼器またはヒータを有する燃焼室９４に燃焼空気を供給する。燃料は噴射管９６によって燃焼室９４内に噴射される。熱反応器または燃焼器４２内における燃料の燃焼は、第２出口通路１０６への排気ガスを発生し、ガスは高圧タービン４０用の駆動ガスとして作用する。燃焼器４２内のバイパス燃焼器は、ピストンユニット１２が始動するとき、または複合エンジンにブースト出力を供給することが望まれるときに、点火される。複合エンジン１０のユニークな特徴は、燃焼器４２内の平行な空気流路である。たとえば、サイクル空気はピストンユニット１２および燃焼器４２の燃焼室９４の双方に流れることができる。ピストンユニット１２の運転およびタービンユニット３６のバイパス燃焼器または燃焼室９４における燃料の燃焼を同時に行うことにより、両ユニット１２，３６は出口４３（図２）を通る駆動ガスを高圧タービン４０に供給し、そのことは低圧タービン４４の入口４５における駆動ガスをかなり増加する。低圧タービン４４の出力駆動軸６０は、複合エンジン１０から出力が取出されるクランク軸１８にかなりの出力を加える。
他方の流路において、シリンダ１４内の燃焼による排気サイクル空気は、シリンダ１４から排気マニホルド５０を通って排出し、燃焼器の第２入口９８に流入する。ピストンユニット１２の排出サイクル空気は、支柱または半径方向空気通路８６の間に延長する縦方向通路１００を通って流れる。燃焼器４２の他端において、円筒形縦方向空気通路１０２を通って流れる排気サイクル空気および吸気サイクル空気はデイジイ（daisy）混合器１０４を通過し、混合器１０４は、それらが一層迅速に混合し高圧タービン４０の入口に連結された出口通路１０６に流れ込むように、排出サイクル空気および吸気サイクル空気を粉砕して細い流れとする。
高圧圧縮機３８からくる空気は燃焼器４２を通ってピストンユニット１２の開放シリンダの吸気口ならびに高圧タービン４０を通って流れる。この作用によって圧縮された高温空気が吸気マニホルド３２に供給され、流体的に高圧タービン４０に組合わされた低圧タービン４４を介してクランク軸にトルクを加える。燃焼室４２を通して形成される平行な流路のユニークな特徴は、ガスタービン３６がピストンユニット１２と無関係に始動されかつ運転され、それにより容易な始動および内部流路制御ができることである。
ユニークな空気流動状態は、ガスタービンユニットおよび二行程、ユニフロー掃気ピストンユニットが運転を可能にするため装置を横切って全圧力降下を有する故に可能である。典型的なガスタービンは、圧縮機とタービン間で約５％の圧力降下を生ずる。復熱式タービンはもっと多い。代表的な二行程シリンダを通る圧力降下は、弁配置、速度および出力設定によって変化する。定容量掃除空気圧縮機を備えたユニットに対して、圧力比はアイドリングにおけるきわめて小さい値から全速、全出力におけるもしかすると４０％にまで変化するかも知れない。好適には、地上用または陸上用複合エンジン１０に対して、最高効率を８２％としたとき、約５：１の圧力比の高圧圧縮機３８が好適である。圧縮機効率はガスタービンおよびディーゼル複合エンジンに対して重要なパラメータである。圧縮機３８が空気をピストンユニットに約２０４℃（４００°Ｆ）で供給するため、低い圧力比が高圧タービン４０において回収される排気エネルギを減少する。一方、高い圧力比は、ピストン圧縮比を合理的な最高シリンダ圧力を維持するため低くすることを必要とする。さらに、圧縮比が増加するとき、ピストンユニット１２に供給される空気温度は上昇し、それによりその空気の冷却能力を低下する。さらに、吸気マニホルドにおけるサイクル空気の温度は容積効率、または各行程における空気の十分な装入を得るためのシリンダの能力に大きい影響を及ぼす。
約５％のピストンユニット１２のシリンダ前後の圧力比、およびピストンユニット１２の圧力降下および速度の関数として変化するピストン空気流に対して、可変面積ノズルが高圧タービン４０ならびに低圧タービン４４の双方に使用される。したがって、高圧ロータは全出力から出力約２０％まで、１００％または全速度で作動する。大部分の出力範囲に亘って全速度で作動する高圧ロータによって、高圧空気が吸気マニホルドに供給され、５％の圧力降下が大部分の出力設定において維持される。この配置によって、掃気比はアイドリング付近の５００％から全速、全出力における１２０％まで変化するであろう。掃気比またはトラップ効率はピストンユニット１２の速度によって大きい影響をうける。掃気効率も掃気比の影響をうける。
複合エンジン１０を設計する目的の一つは、エンジン冷却を最少にし、かつ圧縮燃焼行程中に発生する熱をもっともよく使用することである。。したがって、好適には、内部ピストンおよびシリンダ表面は８１５℃から９２７℃（１５００°Ｆ〜１７００°Ｆ）の表面温度に耐えなければならない。複合エンジン１０の効率および性能はその高温運転によって改善される。さらに、ピストンユニットの熱流動特性は、比較的低温の圧縮機排出空気がシリンダ１４の底部に流入し、排気サイクル空気は（水平に配置された入口から）それらの頂端においてシリンダから排出する。この配置は比較的低温の区域をピストンユニットの図３のクランクケース１０８に維持して、容易に潤滑油への伝熱を最少にするものである。またシリンダにおける円形温度勾配さえも達成し、それにより変形および歪曲を防止する。補助的冷却が、クランクケース１０８内の潤滑油によって得られる。一組の噴射ノズル（図示せず）がクランクケース内に設置され、油をすべてのスコッチヨーク軸受面および各ピストン２２の下側に衝突させる。クランク軸１８は、各主要軸受および内部スライダ軸受に圧力潤滑を施すため穿孔されている。
最少の内部冷却、シリンダ１４を通る低い圧力降下、きわめて高い最高シリンダ圧力および高い金属温度に対する要求のため、複合エンジン１０はいくつかの構造上の特徴を有する。第１に、対向シリンダ１４は正確に１８０°離れかつ同じ中心線上にあり、シリンダは対抗シリンダヘッドの間に延長する高張力通しボルトによって一緒に結合されている。このことは組立て、分解を容易にし、シリンダ壁における縦方向応力を軽減する。さらにこの配置はさらに吸気ポート面積を大きくする。長い、高強度タイロッドは、シリンダ内部およびヘッドを解体して堆積することを可能にし、シリンダライナ壁への熱伝達を最少にするため、もし望むならば、ジルコニアのような断熱または低熱伝達ガスケットの挿入が可能となる。
第２に、ピストンユニット１２はユニフロー掃気ユニットとして構成され、シリンダ１４およびピストン２２は頂部に向かってテーパ付きで、それにより、いくつかの利点を得るために、その上端の燃焼室の内部容積を縮小する。吸気ポートをシリンダ底部に、また排気弁をシリンダ頂部に設置することによって、この構造は吸気ポートにおけるサイクル空気の最初の旋回を発生する。旋回パターンの吸気はシリンダ１４を通って上昇する際に持続し、円錐形シリンダ容積を上方に移動する時に直径が段々小さくまるまで絞られる際に加速される。燃焼室は所定のすきま容積に対する容積区域比率まで表面が縮小する小さい円筒形プラグの形状をなしている。これらの要素は燃焼室面の高温に対して高い熱放出形状を形成する。さらに、シリンダ内の面から熱放出比率は、温度がもっとも高い区域において最大である。さらに、シリンダ上端の容積縮小は圧縮点火行程を容易にする。有利なことに、点火の遅れは５３７℃（１０００°Ｆ）以上の作用面温度によって解消される。
直径の縮小する燃焼室は、ピストン２２と同心のシリンダヘッド１１２の孔１０９内に取付けられる環状排気弁１１０の使用も容易にする（図３）。かかる弁によってシリンダ頂部の全円周３６０°が開放され、シリンダにおける圧力降下がきわめて低い空力学的形状の排気スクロールを形成する。弁が閉鎖されるとき排気弁１１０の先端１１１はシリンダヘッド１１２内の環状面１１３に接触しかつ着座し、燃焼室がシリンダおよび排気弁内側に設置される。排気弁１１０はその円筒形周壁１１５に内側リップ１１４を有し、周壁１１５は水平に対して約３０°の角度をなし、かつ燃焼中シリンダ内圧力が最大になるとき積極的な着座力を発生する。かかる弁構造の利点は、掃気効率が最低でも７０％から９０％であることである。さらに、ガスタービンおよびピストンユニットの速度の組合わせによっては、掃気効率が１００％にも達するであろう。
排気弁１１０は、燃料噴射器１１８を保持する中央本体１１６の周りに取付けられて該本体に対して縦方向に移動する。燃料噴射は、（図示しない）８基のプランジャ燃料ポンプを利用することによって実施され、燃料ポンプは８基の燃料噴射器を駆動するためカムプランジャばねおよび調速器を備えている。すべて８本の高圧燃料噴射管は、すべての噴射弁針のリフト圧力がほぼ同じ、たとえば２２５kg／cm²（３２００ｐｓｉ）になるように長さが同じである。シールリング１２０は中央本体およびシリンダヘッド１１２の双方に設けられ、その間を往復運動する排気弁１１０を燃焼ガスが漏洩しないように密封する。図示しない機構により、中央本体１１６はピストン２２から前後に選択的に短い距離移動してピストンユニット内の燃焼室の大きさ、したがって圧縮比を変化する。圧縮比を変化することは、ピストンユニットをきわめて低速で、たとえばアイドリングにおいて運転するとき有利である。
ピストンユニット前後の指定された圧力降下により、スコッチヨーク潤滑を冷却することを除いて、すべての冷却がサイクル空気によって実施され、外部冷却機構は使用されない。好適には、衝突冷却法が使用され、それによってサイクル空気はオリフィスから高速度で噴射され、冷却されるべき面に衝突する。高速度衝突冷却空気ジェットは加熱された表面の直ぐ側に存在する層状空気流を貫通して破壊するのに有効である。図５を参照すると、少量のサイクル空気が、一つ以上の穿孔された孔であるかまたはシリンダ１４を円周方向に囲む環状通路である、第１冷却通路１５２を通って転換される。第１冷却通路１５２の一端１５４は吸気マニホルド３２と交差する。第１冷却通路はシリンダ１４に対して縦方向に延長し、かつ第１の複数の衝突冷却孔１５８の第１端部１５７と交差する第２端部１５６を有する。第１の複数の衝突冷却孔１５８は第２端部１５９を有し、端部１５９は燃焼室９４に一層近いシリンダ１４の端部における環状プレナム室１６０と交差する。したがって、第１の複数の衝突冷却孔１５８はサイクル空気をうけ入れ、かつそのサイクル空気を高速度でシリンダ１４の外面１６１に衝突させ、それにより燃焼室９４に一層近いその端部においてシリンダ１４の温度をいちじるしく下げる。好適には、プレナム室１６０および第１の複数の衝突冷却孔１５８は、ピストン２２が図５に示されたようにその上死点にあるとき、ピストンリング１６２の位置に隣接した点において、シリンダ１４の外面１６１の周りに円周方向に設置される。ピストン２２の上死点位置は、ピストン２２がその圧縮行程の上端または終期においてその方向を変化する点である。シリンダ壁１４のその点において衝突冷却を実施することは、ピストンリング１６２をピストン２２のキヤップまたはヘッド１６６の一層近くに取付けることを可能にする。第２の複数の衝突冷却孔１６８は、サイクル空気をうけ入れるプレナム室１６０と交差する第１端部１７０を有する。第２の複数の衝突冷却孔１６８は、排気弁１１０が閉鎖されるとき排気弁１１０の端部の外面１７３に隣接して高速度のサイクル空気を排出して衝突させる第２端部１７２を有する。ついで、加熱された冷却空気は排気マニホルド内のピストンユニットの排気ガスと混合する。
別の衝突冷却が、外部管系１７８によって吸気マニホルド３２と流体的に連通した第１端部１７６を有する第２冷却通路１７４によって実施される。管系１７８は、サイクル空気を第２冷却通路１７４に供給するため、他の供給源に接続することもできる。たとえば、サイクル空気源は燃焼器４２のサイクル空気通路または燃焼器３８の出力通路４９に求めることができる。第２冷却通路１７４の第２端部１８０は、第３の複数の衝突冷却孔１８４の第１端部１８２と交差し、冷却孔１８４はサイクル空気をプレナム室１８８を通して高速度で排出して、燃焼室９４の近くに配置されたその先端１１１に向かって排気弁１１０の外面１９０に衝突させる第２端部１８６を有する。第２冷却通路１７４は一つまたはそれ以上の穿孔された孔または排気弁１１０を円周方向に囲む環状通路とすることができ、第３の複数の衝突冷却孔１８４およびプレナム室１８８は排気弁１１０の外側の周りに円周方向に延長している。第２プレナム室１８８内の加熱された冷却空気は、排気弁１１０の外側面１９０に沿ってそれが排気マニホルド５０に流入してピストンユニット排気ガスと混合するまで移動する。
シールリング１９４はシリンダヘッド内に取付けられ、往復運動する気弁１１０の外面１９０と摺動接触する。シールリング１９４はその所望の往復運動通路に沿って排気弁１１０の案内を助ける。第４の複数の衝突冷却孔１９６は、そこから冷却サイクル空気をうけ入れる第２冷却通路１７４と交差する第１端部１９８を有する。第４の複数の衝突冷却孔１９６は、環状の第３プレナム室２０２と交差する第２端部２００を有する。好適には、第４の複数の衝突冷却孔１９６および第３プレナム室２０２は、排気弁１１０の外側の周りに延長している。さらに、第３プレナム室２０２は、好適には、シールリング１９４の間に設置される。第４の複数の衝突冷却孔１９６は、高速度で冷却空気を排出してシールリング１９４の間の排気弁１１０の外面１９０に衝突させ、それにより一層の冷却を実施する。第３プレナム室２０２内の加熱された冷却空気は空気通路１９７を通って第２プレナム室１８８に流入し、その後、排気弁１１０の外側面１９０に沿ってそれが排気マニホルド５０に流入しピストンユニット排気ガスと混合するまで移動する。
一層の冷却を実施するため、中央本体１１６は、排気弁１１０の内面２０３、中央本体の端部２０４および燃料噴射管２０８を通る燃料を選択的に冷却するため、冷却空気通路および衝突冷却孔を有する。中央本体１１６は、管系１７８に接続されかつ吸気マニホルド３２内のサイクル空気と流体的に連通する第１端部２１２を有する第３冷却通路２１０を備えている。前述のように、第３冷却通路２１０は吸気マニホルド３２または他のサイクル空気源に接続することができる。通路２１０は一つまたはそれ以上の孔または穿孔、もしくは中央本体１１６内に円周方向にかつ縦方向に延長する環状通路とすることができる。通路２１０は中央本体１１６の端部２０４に隣接して設置された吸気プレナム室２１６と交差している。円形板または部材２１８は吸気プレナム室２１６内に取付けられ、吸気プレナム室２１６を排気プレナム室２１７から分離している。円板２１８は、サイクル空気を高速度で排出して、中央本体１１６の端部２０４に隣接する内面２２２に衝突させる第５の複数の衝突冷却孔２２０を有する。中央本体１１６の端部２０４は燃焼室９４の直ぐ側にあり、したがって、この衝突冷却は中央本体１１６のもっとも熱い部分の温度を低下するのに有効である。冷却空気出口通路２２３は一端が排気プレナム室２１７と交差し、かつ中央本体１１６を通って縦方向に延長している。冷却空気出口通路２２３の反対側端部２２４は、硬質または軟質管系２２５の一端に接続され、管系２２５の他端は高圧タービン４０の入力に流体的に連通している。好適には、管系２２５の他端２２６が排気マニホルド５０の接続され、加熱された冷却空気をそこに輸送し、そこでピストンユニット排気ガスと混合する。
第６の複数の衝突冷却孔２２８は、冷却サイクル空気をそこからうけ入れるため第４冷却通路２１０と交差する第１端部を有する。第６の複数の衝突冷却孔２２８の第２端部２３０は、サイクル空気を高速度で排出し、排気弁１１０の内面２０３に衝突させる。好適には、プレナム室２３２は形が環状で、中央本体１１６の外側面の周りに円周方向に第６の複数の衝突冷却孔２２８に対して延長している。さらに、中央本体は、中央本体１１６の外面に取付けられ、かつ中央本体１１６に対して往復運動する排気弁１１０の内面２０３に接触するシールリング２３４を有する。好適には、シールリング２３４は、排気弁１１０の外面１９０に接触するシールリング１９４の直ぐ側に設置されている。さらに、プレナム室２３２は好適にはシールリング２３４の間にかつ排気弁１１０の外側面上に設置されたプレナム室２０２の直ぐ側に設置されている。
冷却空気出口通路２３６は一端が第５プレナム室２３２に交差し、かつ中央本体１１６を通って縦方向に延長している。冷却空気出口通路２３６の別の端部２３８は、高圧タービン４０の入力部と流体的に連通している。好適には、出口通路２３６の他端２３８は管系２２５に接続され、管系２２５は加熱された冷却空気を中央本体１１６から排気マニホルド５０に輸送する。
第７の複数の衝突冷却孔２４０の第１端部は、そこから冷却空気をうけ入れる第４冷却通路２１０と交差する。第７の複数の衝突冷却孔２４０の第２端部２４４は、サイクル空気をプレナム室２４６を通して高速度で排出し、燃料噴射管系２０８に隣接する中央本体１１６の内面２４８に衝突させる。好適には、プレナム室２４６は形が環状で、燃料噴射管系２０８の周りに第７の複数の衝突冷却孔２４０に対して円周方向に延長している。第７の複数の衝突冷却孔２４０は、燃料噴射管系２０８内の燃料を所望の温度に維持する。冷却空気出口通路２４８は、プレナム室２４６と冷却空気出口通路２２３の間に延長しかつそれらに交差し、冷却空気出口通路２２３自体加熱された冷却空気を排気マニホルド５０に輸送する。
これまでに記載された衝突冷却機構を使用するといくつかの利点が得られる。第１に、上部シリンダ壁の衝突冷却は、ピストンリング１６２をキャップ１６６の近くにピストン２２の外端に隣接してピストン上に取付けることを可能にする。さらに、冷却は一層小さいキャップの使用を可能にする。正味の結果は従来構造のピストンよりかなり短いピストンである。さらに、シリンダの長さも同様に短縮され、シリンダ壁の厚さは減少され、それにより重量が軽減される。排気弁の内面および外面の双方における衝突冷却は、弁の寿命を一層長くする。衝突冷却機構の別の利点は、一層少ないサイクル空気によって一層有効な冷却が得られることである。たとえば、二つの目的に転換されたサイクル空気の流量は、ここに記載された複合エンジンの従来の構造において使用された転換される空気量に対して、約５０％にまで減少することができる。
好適な実施例のかなり詳細な説明によって本発明を記載したが、要旨をかかる細部に限定あるいは何らかの方法で制限するものではない。付加的利点および変形は当技術に通じた人々には容易に予見し得るであろう。たとえば、衝突冷却孔１５８，１６８，１８４，１９６，２２０，２２８および２４０の寸法は、直径が０．０２５mmから０．１２７mm（０．００１インチから０．００５インチ）である。しかしながら、これらの衝突冷却孔の寸法、関連するプレナム室そして或る位置における孔の数は、冷却実施要求、利用可能な空間および製造コスト等とともに変化する。さらに、本発明の衝突冷却機構は、複合エンジンにおけるピストンユニットのいかなる型、たとえば二行程、または四行程ピストンユニットまたはガスもしくはディーゼルピストンユニットにも使用可能である。したがって、広い観点における本発明は、図示して記載した特定の細部に限定されるものではない。したがって、かかる細部からの変更が発明の精神および範囲から逸脱することなく成し得る。

Claims (6)

1. 複合エンジン（１０）であって、
   サイクル空気を供給するため外気をうけ入れる圧縮機（３８）、この圧縮機に連結して駆動する第１タービン（４０）、そして該第１タービンの出力部（４３）に流体的に組み合わした入力部（４５）を備える第２タービン（４４）を含むガスタービンユニット（３６）と、
   前記圧縮機からサイクル空気をうけ入れる吸気マニホルド（３２）、前記第１タービンに流体連通してサイクルガスを供給する排気マニホルド（５０）、前記第２タービンに機械的に組み合わしたクランク軸（１８）、そして複数のピストンおよびシリンダ装置を含むピストンユニット（１２）とを有し、
   前記複数のピストンおよびシリンダ装置の各々が、前記クランク軸に作動状に連結したピストン（２２）と、当該ピストンおよびシリンダ装置の一端の孔内に該ピストンと同心状に取り付けた排気弁（１１０）とを含み、この排気弁が交互の開閉位置の間を往復動する複合エンジンにおいて、
   第１の複数の衝突冷却孔（１６８，１８４，１９６）が、サイクル空気をうけ入れるため前記吸気マニホルドと流体連通する第１端部（１７０，１８２，１９８）と、サイクル空気を高速度で排出させて、前記排気弁の表面に衝突させる第２端部（１７２，１８６，２００）とを備え、
   前記排気弁（１１０）が中空の円筒形であり、前記複数のピストンおよびシリンダ装置の各々が、さらに、往復動するこの排気弁内に取り付けた、燃焼室の一部分を仕切る一端を備えた円筒形の中央本体部材（１１６）を有し、前記複数のピストンおよびシリンダ装置は、第１のシールリング（１９４）が前記孔に、前記往復動する排気弁の外側面と接触して設置され、第２のシールリング（２３４）が前記中央本体部材の外側面に、前記往復動する排気弁の内面に接触して取り付けられることを特徴とする複合エンジン。
2. 請求項１に記載の複合エンジンにおいて、前記第１の複数の衝突孔（１８４）が、前記第１シールリングと、前記ピストンに近い前記排気弁の遠位端との間の該排気弁の外面に、サイクル空気を高速度で衝突させることを特徴とする複合エンジン。
3. 請求項１に記載の複合エンジンにおいて、第２の衝突冷却孔（１９６）が、前記吸気マニホルドと流体連通する第１端部（１９８）と、サイクル空気を高速度で排気させて、各排気弁の外面に前記第１シールリングと該排気弁の反対側端部との間で衝突させる第２端部（２００）とを備えることを特徴とする複合エンジン。
4. 複合エンジン（１０）であって、
   サイクル空気を供給するため外気をうけ入れる圧縮機（３８）、この圧縮機に連結して駆動する第１タービン（４０）、そして該第１タービンの出力部（４３）に流体的に組み合わした入力部（４５）を備える第２タービン（４４）を含むガスタービンユニット（３６）と、
   前記圧縮機からサイクル空気をうけ入れる吸気マニホルド（３２）、前記第１タービン流体連通してサイクルガスを供給する排気マニホルド（５０）、前記第２タービンに機械的に組み合わしたクランク軸（１８）、そして複数のピストンおよびシリンダ装置を含むピストンユニット（１２）とを有し、
   前記複数のピストンおよびシリンダ装置の各々が、シリンダ壁（１４）によって囲まれたシリンダ孔と、このシリンダ孔に摺動可能に取付けられ、該シリンダ孔内で往復運動するため前記クランク軸に作動状に連結した一端（２０）を備えるピストン（２２）と、各ピストンおよびシリンダ装置に摺動可能に取付けられ、開放および閉鎖位置の間で往復動する中空円筒形排気弁（１１０）と、往復動する前記中空円筒形排気弁内にかつ該排気弁に対して摺動関係に取付けられ、燃焼室の一部分を仕切る一端（２０４）を備えた円筒形中央本体部材（１１６）とを含む複合エンジンにおいて、
   第１の複数の衝突冷却孔（２２０）が、サイクル空気をうけ入れるため前記吸気マニホルドと流体連通する第１端部と、前記中央本体部材の内面（２２２）に衝突する高速度のサイクル空気を排出させる第２端部とを備えることを特徴とする複合エンジン。
5. 請求項４に記載の複合エンジンにおいて、前記複数のピストンおよびシリンダ装置の各々がさらに第２の複数の衝突冷却孔（２２８）を含み、これら第２の複数の衝突冷却孔は、サイクル空気をうけ入れるため前記吸気マニホルドと流体連通する第１端部と、前記中空の円筒形排気弁の内面に衝突する高速度のサイクル空気を排出させる第２端部（２３０）とを備えることを特徴とする複合エンジン。
6. 請求項４または５に記載の複合エンジンにおいて、前記中央本体部材は、該中央本体部材を貫いて通る燃料管（１１８）を備え、前記複数のピストンおよびシリンダ装置の各々は第３の複数の衝突孔（２４０）を備え、これら第３の複数の衝突孔が、サイクル空気をうけ入れるため前記吸気マニホルドと流体連通する第１端部（２４２）と、前記燃料管に隣接した前記中央本体部材の内面に衝突する高速度のサイクル空気を排出させる第２端部（２４４）とを備えることを特徴とする複合エンジン。

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