JP6132979B2 - 燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジン - Google Patents

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。

日本国特開２００７−２９８０１３号公報には、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む。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。

エンジンを含む発電装置の模式的な構成を示す図。 シミュレーションの条件を示す図。 シミュレーションのサンプリングポイントを示す図。 燃焼室を密閉した条件の燃焼を示す図。 ケース１の燃焼ガスの速度分布を示す図。 ケース２の燃焼ガスの速度分布を示す図。 ケース１の各点におけるガス速度を示す図。 ケース２の各点におけるガス速度を示す図。 ケース１の各点における圧力を示す図。 ケース２の各点における圧力を示す図。 ケース１の各点における温度を示す図。 ケース２の各点における温度を示す図。 異なるエンジンの概要を示す図。 図１４（ａ）は図１３に示すエンジンを前方から見た図、図１４（ｂ）は後方から見た図。 図１５（ａ）は開閉パネルの一例、図１５（ｂ）は開閉パネルの異なる例。 異なるエンジンの概要を示す断面図であり図１６（ａ）は給気、図１６（ｂ）は燃焼ガスを噴出している状態を示す図。 異なるエンジンの概要を示す断面図であり図１７（ａ）は給気、図１７（ｂ）は燃焼ガスを噴出している状態を示す図。 異なるエンジンの概要を示す断面図であり図１８（ａ）は給気、図１８（ｂ）は燃焼ガスを噴出している状態を示す図。 エンジンの異なる例を示す図。 エンジンのノズルのいくつかの異なる例を示す図。 エンジンのさらに異なる例を示す図。 異なるエンジンを搭載した車の模式的な構成を示す図。 羽根車を抜き出して示す図。 エンジンが回転する様子を示す図。 エンジンの異なる例を示す図。 燃焼室の具体的な構成を示す図。 エンジンのさらに異なる例を示す図。 エンジンのさらに異なる例を示す図。 エンジンのさらに異なる例を示す図。

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。

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との過剰は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。

Claims (16)

1. 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し、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 請求項１ないし５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。
7. 請求項６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。
8. 請求項１ないし４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。
9. 請求項８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。
10. 請求項８または９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。
11. 請求項１０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。
12. 請求項１０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。
13. 請求項８または９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。
14. 請求項８ないし１３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。
15. 請求項７または１４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。
16. 請求項１０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。