JP2010533259A - ロータリ内燃エンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前記エンジンは、ハウジング内に回転可能なロータをもつが、ピストンを持たない。ロータは複数の燃焼チャンバをもち、燃料の導入のための入口及び燃焼生成物排出のための出口を有する。前記排出はハウジング内のロータに回転を与える。固定エンドキャップはハウジングの各端部に設けられる。エンジンは蒸気、空気及び水で冷却される。エンジンは、航空機、船舶及び高荷重輸送のような、高効率、高パワー対重量比を必要とする応用のために適する。エンジンは、特殊処理された微粉炭を用いることにより、低セタン価の低グレード燃料を使うことができる。
【選択図】図1
Description
エンドキャップ14、16の平面34に面するロータ12の燃焼チャンバ52の一つを見る。最初の18°では、チャンバ52は空気−燃料混合物で満たされる。混合物は、好ましくは、燃焼チャンバ52への導入前に外部圧縮機(図示せず)により予備圧縮される。次の6°で、チャージ点火が火炎前面及び高圧燃焼生成物によって開始し、その後の6°で定容積の燃焼が続く。この段階で、燃焼チャンバ52の生成物はそれらの最高の温度及び圧力にある。これらの高温燃焼生成物のいくらかの部分は管路を通して導入され、燃焼のために準備されたチャンバで点火スタートする。この空気−燃料チャージは燃焼し続け、5個の連続セットの定容積燃焼プロセスの後に、次の30°間の定圧膨張が続く。高温の燃料生成物は、縦型のノズル管路54を介して、燃焼チャンバ52からエンドキャップ14、16に高速で流れる。管路54での圧力の低下は管路壁のオリフィス60のセットでコントロールされる。54−60°部分で燃焼チャンバに面する管路54は、燃焼生成物を収集し、補助装置にそれを方向づける。流れる燃焼生成物の高運動エネルギーはケーシング18内のロータ12をスピンさせるよう推力を与える。もし燃焼生成物がロータ12の軸に垂直な最大可能速度で排出されるなら、エネルギーの最大利用率が達成される。これは、全てのチャンバ54が半円、又は半円形にできるだけ近いものであるべきであり、燃焼チャンバの出口側が縦形ノズル又は円形ノズルであることを意味する。
燃焼チャンバ52は水、蒸気及び空気により冷却される。燃焼チャンバ52の側壁50はギャップ(添付図面17参照)を通して放射状に外部に流れる水により冷却される。第2冷却フェーズは、燃焼フェーズ52に蒸気をチャージし、その後冷気により、実行される。燃焼生成物は5000°F(2760°C)の温度を有し、他方蒸気は1000°F(約538°C)である。添付図面で最も良く理解できるように、エンドキャップ14、16の管路54が、高温の燃焼生成物を収集し、当該管路をサンドイッチするチャンネル内で流れる水により冷却される。水は一方の側から入り、他方の側から収集される。高温の管路54は、燃焼チャンバ52と接触する管路の前面側に面する溝を通して流れる空気により冷却される。空気は高温の燃焼生成物と混合し、エンドキャップ14、16の材料が耐えられる値に温度を低下させる。エンジン10を出る湿った蒸気(いくらかの量の水が冷却プロセス中蒸気に変換される)が蒸気分離器を通される。分離された蒸気は過熱器(図示せず)に指向され、水は水ポンプ(図示せず)により再循環される。添付図面19は、各1/4区間で1セットの点火スタートウィンドウ22が閉じられる、ロータ12の構造を示す。その設計は、ケーシング18の点火スタート管路の一つを不活発にする。不活発な管路は外部では水により、内部では空気により冷却される。
エンジン10は、燃焼チャンバ52内にスライド運動を持たない。エンジン10内のスライド運動は回転ロータ12及び固定エンドキャップ14、16と、ケーシング18との間のみにある。2つの円筒面間、又は円筒面と平面との間のシーリングの問題は、広く研究され、種々の課題が機械工学設計の論文で提案されてきた。ところが、本ケースでは、正弦シールリング26(添付図面15参照)を用いる新たな課題が提示される。これらのシールリング26は蒸気で円滑化される。蒸気が使用できない領域では、オイル潤滑油が代替案として用いられるだろう。そのケースでは、シールリング26はペアで用いられ、オイルがシールリング26間の間隙に導入されるだろう。
空気−燃料混合物の変動及び空気−燃料混合物の圧縮圧は、エンジン10の速度及び負荷を制御するために、最も普通に用いられる方法である。これらの方法に加えて、負荷及び速度のコントロールは、回転当たりチャージされるチャンバの数を減じることにより達成することができる。チャージ及び点火シーケンスは、状況に応じ調整されるべきである。
従来のガスタービンをスタートさせるために用いられる方法は、エンジン10をスタートさせるために用いることができる。一旦ロータ12が回転すると、燃焼チャンバ52は上述したように連続的に点火されるだろう。点火プロセスが圧縮点火及び火炎前面点火の両者を活用することは、注目することができる。圧力差に通じる点火スタート管路は、可燃性、高温、高圧の燃焼物の一部を、燃焼チャンバ52に導入し、点火準備状態とする。これらの高温、高圧の生成物の一部が導入されると、燃焼チャンバ52の異なる点において結果的に多くの第2自己点火及び火炎前面を発生する。
エンジン10及び燃焼チャンバ52の寸法は利用目的に依存する。例えば、発電所に対しては、1メートル長のロータ、0.45メートルのハブ半径及び0.3メートル長(半径方向に)の燃焼チャンバが合理的な寸法である。
本発明のエンジンの第1及び第2実施形態は同じ原理に基づいている。図10−17に示すように、第2実施形態のエンジン10Aにおいて、燃焼チャンバ52Aは半径方向に湾曲している。このケースで、空気−燃料混合物、過熱蒸気及び冷気はエンジン10Aの中心でチャージャ70からチャージされ、半径方向外方に流れ、円筒ケーシング18Aから排出する。
図17Bは、組み立てエンジン10Aの4個の4分の1断面の1つを示す。回転燃焼チャンバ52Aの入口側が、固定チャージャ70の空気−燃料スロット94の一つの最初の部分により丁度カバーされ、そのチャンバの排出側が冷気収集管路104の最後の2°をカバーすることを想定する。この段階で、チャージャ70からの加圧された空気−燃料混合物は燃焼チャンバ52Aを満たし、捕捉された冷気を排除する。次の15°で、加圧された空気−燃料混合物でチャンバをチャージすることが続く。チャンバ52Aの入口側はその後、チャージ70の円筒部により完全にカバーされる。2°後に、空気−燃料の点火がチャージの作用により開始し、高圧下の燃焼可燃物がダクト82から排出される。この燃焼プロセスは6°の間、定容積で継続し、その後の6°の間、燃焼及び膨張が同時発生し定圧となる。この段階で、燃焼チャージの一部は縦ノズル又は円断面のノズルセットから第1燃焼生成物収集管路54Aに高速で排出される。排出されたガスのセグメントはダクト82を通じて流れ、次のチャンバに続くチャンバで燃焼準備にあるチャージに点火する。排出ガスの残部はオリフィスセットを通じて流れる。
10 エンジン
12 ロータ
13 ロータセグメント
14 エンドキャップ
16 エンドキャップ
18 円筒ケーシング
20 空気−燃料チャージウィンドウ
22 点火スタートウィンドウ
23 冷却水パイプ
24 燃焼チャンバの近接する壁面間の冷却水出口
25 冷気パイプ
26 シールリング
28 燃焼チャンバ出口
30 ハブ
32 シャフト
34 平面
36 点火スタートステージ
37 定容積での燃焼
38 定圧への燃焼膨張
40 超高温蒸気膨張ステージ
42 冷気ステージ
43 チャージ供給口
44 冷却水溝
45 点火スタート管路
46 冷気溝
47 過熱蒸気入口
48 燃焼チャンバの出口側の壁
49 冷気入口
50 燃焼チャンバ側壁
52 燃焼チャンバ
54 燃焼生成物収集管路
56 冷却水チャンネル
58 燃焼生成物収集管路に連結するオリフィス
59 蒸気収集オリフィス
60 管路58の圧力制御のためのオリフィス
62 冷却水が流れる近接する燃焼チャンバ間のギャップ
64 当該壁上の冷気溝
66 冷却水パイプの入口
67 冷却水チャンネル
68 冷気パイプの入口
69 冷却水チャンネル
10A エンジン
12A ロータ
14A フランジ
16A フランジ
18A ケーシング
20A 空気−燃料混合物入口
23A 水入口パイプ
25A 空気入口パイプ
28A 燃焼チャンバ出口
46A 冷気溝
49A 冷気入口
50A 燃焼チャンバ壁
52A 燃焼チャンバ
54 燃焼生成物管路
56A 水管路
60A 燃焼管路用オリフィス
66A 燃焼チャンバ用冷却水入口
67A 水チャンネル
68A 冷気入口孔
69A 冷却水チャンネル
70 チャージャ
72 オイルパイプ
73 オイルブランチ
74 空気−燃料混合物入口パイプ
76 空気入口パイプ
78 蒸気入口パイプ
79 オイル出口
80 潤滑オイル入口パイプ
81 水ギャップ
82 燃焼生成物用出口パイプ
84 蒸気用出口パイプ
86 空気用出口パイプ
88 点火スタート導管
90 蒸気用オリフィス
94 空気−燃料混合物スロット
96 蒸気スロット
98 空気スロット
100 モータベース
102 水入口
103 水入口
104 冷却水ポケット
106 オイル通路
Claims (25)
- ケーシングと、
前記ケーシングに回転可能に載置され、複数の燃焼チャンバを有するロータと、
前記チャンバに空気及び燃料の混合物を導入するためのチャージ入口と、
前記チャンバから燃焼生成物を排出するための燃焼生成物出口と、
を含む内燃エンジンであって、前記燃焼生成物の排出は前記ケーシング内の前記ロータに回転を与える、内燃エンジン。 - 各燃焼チャンバは固定容積を有する、請求項1に記載のエンジン。
- 各燃焼チャンバは一対の湾曲した壁を含む、請求項1に記載のエンジン。
- 空気、水及び蒸気を含む冷却システムをさらに含む、請求項1に記載のエンジン。
- 前記ロータは対向する端部をもつ円筒状であり、前記エンジンは前記ロータの各端部に固定されたエンドキャップをさらに含む、請求項1に記載のエンジン。
- 前記エンドキャップ及び前記ロータの間に正弦シールリングをさらに含む、請求項5に記載のエンジン。
- 前記シールリングは蒸気で潤滑される、請求項6に記載のエンジン。
- 前記シールリングはオイルで潤滑される、請求項6に記載のエンジン。
- 前記ロータは点火スタート段階、燃焼生成物膨張段階、蒸気膨張段階、及び冷気段階に対応する4個の四分区間を規定する、請求項1に記載のエンジン。
- 前記燃焼チャンバのための火炎前面点火システムをさらに含む、請求項1に記載のエンジン。
- 前記燃焼チャンバはピストンを有さない、請求項1に記載のエンジン。
- 前記燃料は微粉炭である、請求項1に記載のエンジン。
- 前記燃料は低セタン価をもつ、請求項1に記載のエンジン。
- ケーシング内に回転可能に載置されるロータであって、前記ロータの各端部にエンドキャップが固定され、前記ロータは複数の燃焼チャンバをもつ内燃エンジンを使用するエネルギー発生方法であって、前記方法は、
前記燃焼チャンバに空気及び燃料の混合物を導入することと、
点火段階で前記混合物を燃焼しそれにより燃焼生成物を生成することと、
前記ケーシング内の前記ロータに回転を与えるために前記燃焼チャンバから前記燃焼生成物を排出し、それにより燃焼からの熱エネルギーを機械エネルギーに変換することと、を含む方法。 - 蒸気で前記燃焼チャンバを冷却することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 空気で前記燃焼チャンバを冷却することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記燃焼は、高圧及び高温の燃焼生成物を伴うチャージの火炎前面及び相互作用で開始される、請求項15に記載の方法。
- 前記燃焼生成物は前記燃焼チャンバから前記ロータの各端部のエンドキャップに流れる、請求項14に記載の方法。
- 前記燃焼チャンバの固定容積を維持することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記エンドキャップを水で冷却することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 正弦シールリングで前記ロータの端部の前記エンドキャップをシールすることをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記シールリングを蒸気で潤滑することをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記シールリングをオイルで潤滑することをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記燃料は微粉炭である、請求項14に記載の方法。
- 前記燃料は低セタン価をもつ、請求項14に記載の方法。
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