JP6246988B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内で断続的に燃焼したガスによりタービンを駆動するエンジンに関するものである。

日本国特開２００５−２０７３５９号公報には、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間欠的に発生させ、デトネーションにより得られるエネルギを発電の動力とする発電システムが開示されている。パルスデトネーションエンジン発電システムは、デトネーションが発生する所定長さの筒状の空洞を有するデトネーション管と、デトネーション管の管内に所定の間隔で気体を送り込み、デトネーション管の管内に所定の間隔で燃料を供給する。燃料に点火し、デトネーション管内で衝撃エネルギを発生させタービンに誘導し、このタービンを駆動し発電を行う。また、気体の供給は過大にして、デトネーション管に供給しコールドフローを生成し間欠的に冷却を行う。さらに、衝撃エネルギを気体の圧力により緩和するショックダンパを有する。

デトネーションエンジンは、デトネーションと呼ばれる燃焼波の伝達形態を利用したエンジンであり、理論的には高効率であるが、燃焼室内にデトネーション波を形成し、それをいかに伝達させるかが重要であり、そのための燃料の選択、点火方法、吸気過程、燃焼室形状などの課題が多い。このため、デトネーションエンジンは一見、単純な構成であるが、安定した性能を発揮できる小型で高効率なエンジンの実現は難しい。

本発明の一態様は、ガスタービンユニットと、ガスタービンユニットに燃焼ガスを供給する複数の燃焼ユニットとを有するエンジンである。複数の燃焼ユニットは、それぞれ、燃焼室と、燃焼室の一部を構成する第１の壁面を弾性力により移動し、燃焼室の容積を縮小して燃焼室内の気体を加圧する第１の機構と、燃焼室の排気口を開閉し、排気口から燃焼ガスを排気するタイミングを制御する第２の機構とを含む。これらの燃焼ユニットは、第１の機構により、弾性力、典型的にはバネにより燃焼室の容積（体積）を縮小して燃焼室内の気体を断熱圧縮する。したがって、極めて簡易な機構で燃焼室内の気体の圧縮比を高めることができる。燃焼室内の気体は、燃料と空気との混合気体であってもよく、圧縮した段階でイグナイタなどにより着火させてもよい。また、燃焼室内の気体は空気であってもよく、燃料を噴射して圧縮点火させてもよい。

さらに、第２の機構により、着火させた後の燃焼ガスを排気（噴出）するタイミングを制御することが可能であり、タービンユニットに対して燃焼ガスを供給するタイミングおよび燃焼中の燃焼室内の圧力を制御することができる。さらに、これらの燃焼ユニットでは、第１の機構を駆動する弾性力に対抗する程度の一定の負荷で、２サイクルの短周期で燃焼を繰り返して燃焼ガスをタービンユニットに供給できる。

このため、タービンユニットに対して、簡易な構成の複数の燃焼ユニットを配置することが可能となり、それらの複数の燃焼ユニットから異なるタイミングで、短いサイクルでタービンユニットに対して燃焼ガスを供給することが可能となる。したがって、このエンジンにおいては、燃焼側は、間欠燃焼として、オットーサイクル、ディーゼルサイクルあるいはサバテサイクルのように、燃焼温度を高くでき、ガスタービンユニットに対しては複数の燃焼ユニットから短いサイクルで燃焼ガスを疑似連続的に供給することが可能となり、高い効率でガスタービンユニットを駆動できる。

燃焼ユニットにおいては、排気口を第１の壁面、例えばピストンの移動途中に設けることが可能であり、第１の機構が第２の機構を兼ねてもよい。また、燃焼ユニットは、第１の壁面の位置を弾性力に対抗して保持する第３の機構を含んでもよい。第１の壁面が燃焼圧力により移動して燃焼室の容積が拡大した状態で第１の壁面の動きを固定し、排気と給気とを行うことができる。燃焼ユニットは、第１の壁面の位置を燃焼室内の圧力に対抗して保持する第４の機構を含んでもよい。燃焼室における燃焼を定積（定容）燃焼に近づけて燃焼温度をさらに高くしたり、燃料噴射による圧縮点火後の燃焼効率を高めたりすることができる。

複数の燃焼ユニットは、それぞれ、第１の壁面を弾性力に対抗して燃焼室の容積を拡大する方向に移動して前記する第５の機構を含んでもよい。この第５の機構は、スタータとしても機能する。さらに、第５の機構を駆動する電動アクチュエータと、エンジンが稼働すると電動アクチュエータによる発電を行うエネルギー回生機構とを含んでもよい。また、エンジンは、複数の燃焼ユニットのそれぞれの第５の機構を独立して駆動する機構を含んでもよい。複数の燃焼ユニットは、それぞれ、燃焼室内で移動するピストンであって、燃焼室側に向いた第１の壁面を備えたピストンを含んでいてもよい。複数の燃焼ユニットのピストンを起動時などに連動して動かしてもよいが、バネなどの弾性力を供給する手段や、電動のアクチュエータなどで燃焼ユニットのピストンを独立して動かすことにより、個々の燃焼室内における燃焼を独立して制御できる。

また、燃焼ユニットは、燃焼室に供給される圧縮ガスを燃焼室とピストンを挟んだ反対側の領域に一時的に格納するガス供給システムとを含んでもよい。燃焼室に供給される前の圧縮気体、例えば、燃焼空気または混合気体を、燃焼室とピストンを挟んで反対側の領域に一時的に格納しておくことにより、ピストンの前後の部屋（領域）、すなわち燃焼室と反対側の領域との圧力差が少なくなり、燃焼室が燃焼により高圧になるときは、ピストンの反対側の領域により第１の機構とともに圧力を受けることができる。ピストンを動かして燃焼室内の気体をさらに圧縮するときは、ピストンの前後の圧力がほぼバランスしているのでバネなどの弾性体でピストンを動かしやすい。

複数の燃焼ユニットは、それぞれ、燃焼室とガスタービンユニットとを接続する臨界ノズルを含み、第２の機構は、燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開閉するものであってもよい。燃焼室と臨界ノズル（超音速ノズル、ラバールノズル）とを背圧制御ユニットと機能する第２の機構を介して接続することにより、燃焼室で断続的に発生する燃焼ガスが臨界ノズルのスロート部分に流入する圧力を制御することができる。さらに、第２の機構により臨界ノズルから分離された状態で燃焼室において断続的な燃焼を開始できるので、燃焼室内の燃焼の制御が容易となる。

ガスタービンユニットは、ラジアルタービンユニットを含み、複数の燃焼ユニットを、ラジアルタービンユニットの周囲に沿って配置してもよい。また、上記のエンジンと、ガスタービンに接続された発電機とを有する発電装置も本発明に含まれる。

エンジンを含む発電装置の一例を示す図であり、図１（ａ）は上面から見た構成の概要を示し、図１（ｂ）は側面から見た構成の概要を示す。 燃焼ユニットの概略構成を示す図であり、図２（ａ）はピストンが上方に位置した状態を示し、図２（ｂ）はピストンが下方に位置した状態を示す。 図３（ａ）はストッパの一例を示し、図３（ｂ）はストッパの他の例を示す。 異なる燃焼ユニットの概略を示す図。 さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図。 さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図であり、図６（ａ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に閉じた状態を示し、図６（ｂ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開いた状態を示す。 さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図であり、図７（ａ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に閉じた状態を示し、図７（ｂ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開いた状態を示す。 さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図。 図９（ａ）および（ｂ）は、さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図。 異なるエンジンを含む発電装置の一例を示すブロック図。 異なる燃焼ユニットの概略を示す図。 複数の燃焼ユニットを含むエンジンの概略を示す図であり、図１２（ａ）は斜視図、図１２（ｂ）は後方から見た図、図１２（ｃ）および（ｄ）は第１および第２の開閉パネル、図１２（ｅ）および（ｆ）はこれらの開閉パネルにより燃焼室が開閉される状態を示す図。 異なるエンジンの概略を示す図。 さらに異なる燃焼ユニットの概略を示す図であり、図１４（ａ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に閉じた状態を示し、図１４（ｂ）は背圧制御ユニットが燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開いた状態を示し、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）より開口面積を小さくした状態を示す。

発明の実施の形態

図１に、複数の燃焼ユニット８０とガスタービンユニット３９とを備えたエンジン１０と、エンジン１０によりシャフト３８を介して回転駆動される発電機３１とを含む発電装置（発電ユニット）３０を示している。ガスタービンユニット３９は、上流に配置されたラジアルタービン（半径流タービン）３９ａと、下流に配置された軸流タービン３９ｂとを含み、４つの燃焼ユニット８０がラジアルタービン３９ａの周囲の対称な位置に配置されている。燃焼ユニット８０の数は４つに限定されず、５つ以上であってもよく、配置も９０度ピッチに限定されない。複数の燃焼ユニット８０は、それぞれノズル１５によりガスタービンユニット３９に接続され、燃焼ユニット８０から供給される燃焼ガス５１によりガスタービンユニット３９が駆動される。ガスタービンユニット３９は、ラジアルタービン３９ａで構成されていてもよく、軸流タービン３９ｂで構成されていてもよい。

図２（ａ）および（ｂ）に、１つの燃焼ユニット８０を抜き出して、その構造を、断面図を用いて簡易的に示している。図２（ａ）はピストン８１が上方に移動した状態を示し、図２（ｂ）はピストン８１が下方に移動した状態を示す。燃焼ユニット８０は、円筒状の燃焼室１１を内部に含むシリンダ（シリンダー枠）８８と、燃焼室１１の内部で長手方向８９に移動するピストン８１と、ピストン８１に繋がったロッド８２と、ロッド８２に沿ってピストン８１を長手方向８９に移動するように配置されたバネ８３とを含む。燃焼室１１は長手方向８９が上下方向ではなく左右（水平）方向に延びていてもよいが、以降においては長手方向８９が上下方向の例で説明する。

本例のバネ８３はコイルバネであり、ロッド８２がバネ８３の中心を通り、ロッド８２の周囲でバネ８３が伸び縮みするようになっている。バネ８３は、燃焼室１１の一部を構成するピストン８１の燃焼室１１の側の面（第１の壁面）８１ａをバネ８３の弾性力により移動し、燃焼室１１の容積を縮小して燃焼室１１内の気体を加圧する第１の機構（第１のユニット）７１として動作する。この例ではバネ８３は圧縮コイルばねであり、円筒状のコイルばねであっても円錐状のコイルばねであってもよい。

燃焼ユニット８０は、さらに、燃焼室１１へ気体（ガス）５８を供給するように燃焼室１１の上部に設けられた吸気口８４と、吸気口８４を開閉する吸気バルブ（吸気口バルブ）８４ｖと、吸気口８４から供給された空気が第１の機構７１により圧縮された後に燃料を噴射して燃焼室１１内で燃焼させて燃焼ガス５１を形成する燃料噴射装置８６と、燃焼室１１から燃焼ガス５１を排気（噴出）するように設けられた排気口（噴出口）８５とを含む。排気口８５は第１の壁面８１ａを構成するピストン８１の移動途中の燃焼室１１の壁面に設けられており、ピストン８１が下方に移動して第１の壁面８１ａが排気口８５を通過すると、排気口８５と燃焼室１１とが連通し、燃焼室１１で形成された燃焼ガス５１が排気口８５からノズル１５を通ってタービン３９に排出（噴出）される。したがって、この燃焼ユニット８０においては、第１の壁面８１ａを動かす第１の機構７１が排気口８５を開閉して排気口８５から燃焼ガス５１を排気するタイミングを制御する第２の機構（第２のユニット）７２を兼ねる。

燃焼ユニット８０は、さらに、第１の壁面８１ａを構成するピストン８１の位置をバネ８３の弾性力に対抗して燃焼室１１の下方に保持する第３の機構（第１のストッパ）７３と、第１の壁面８１ａを構成するピストン８１の位置を燃焼室１１内の圧力に対抗して燃焼室１１の上方に保持する第４の機構（第２のストッパ）７４とを含む。第４の機構（第２のストッパ）７４は、ピストン８１を上方に駆動する弾性力に対抗してピストン８１の燃焼室１１の上方における位置を決める機能を兼ね備えていてもよい。ストッパ７３および７４は、機械的にピストン８１と直にかみ合ってピストン８１の位置を一時的に固定するものであってもよく、磁力などの間接的な力を用いてピストン８１の位置を一時的に固定するものであってもよい。

図３（ａ）は第１のストッパ７３および第２のストッパ７４の構成の一例であり、シリンダー枠８８の所定の位置にバネなどの反発部材（スプリング）７３ａにより支持された係合部材７３ｓを含む。係合部材７３ｓがピストン８１に設けられた受け部８１ｓに嵌り、ピストン８１の移動を一時的に停止させるための抵抗になる。図３（ｂ）は他の一例であり、シリンダー枠８８の所定の位置に埋設または取り付けられたマグネット７３ｍと、ピストン８１に埋設または取り付けられたマグネット８１ｍとを含む。マグネット７３ｍおよび８１ｍの磁力がピストン８１の移動を一時的に停止させるための抵抗になる。これらの方式のいずれか、または他の方式でピストン８１の位置を一時的に固定する第１のストッパ７３および第２のストッパ７４は、電動アクチュエータまたは電磁石などを用いてピストン８１の位置を一時的に固定するか否かを選択でき、また、ピストン８１をその位置に一時的に固定する時間を自由に制御することができる。

燃焼ユニット８０は、さらに、第１の壁面８１ａを有するピストン８１を、ロッド８２により、バネ８３の弾性力に対抗して下側、すなわち、燃焼室１１の容積を拡大する方向に移動する第５の機構７５を含む。燃焼ユニット８０は、第５の機構７５を駆動する電動アクチュエータ、例えばモーターと適当な輪列などの動力伝達機構とを含む電動のスタータユニット９２を含む。スタータユニット９２は、個々の燃焼ユニット８０のロッド８２を独立して動かすように設けられていてもよく、複数の燃焼ユニット８０のロッド８２を連動して動かすように共通に設けられていてもよい。個々の燃焼ユニット８０のロッド８２を独立して動かすように設けられたスタータユニット９２は、個々の燃焼ユニット８０のピストン８１の位置を独立して制御することが可能であり、燃焼室１１内の燃焼状態、例えば、着火の条件などを、より最適に制御しやすい。スタータユニット９２は、燃焼ユニット８０の燃焼室１１において燃焼が繰り返され、燃焼ガス５１の圧力とバネ８３の弾性力によりピストン８１が上下に動作するようになると内蔵しているモーターを発電機として使用してエネルギー回生を行う機構を含む。

燃焼ユニット８０は、さらに、シリンダー枠８８内に、燃焼室１１の少なくとも一部を覆うように設けられた供給路８７と、供給路８７にコンプレッサー９３から供給される圧縮気体、典型的には圧縮空気５８を供給する供給口８７ａと、供給口８７ａを開閉する供給バルブ８７ｖとを含む。コンプレッサー９３は複数の燃焼ユニット８０に共通して設けられていてもよく、その一例はガスタービンユニット３９に接続されたものであり、ガスタービンユニット３９の排気で駆動されるターボチャージャーであってもよい。供給路８７は、シリンダー枠８８のピストン８１の下側、すなわち、ロッド８２およびバネ８３が配置された空間（一次格納室）８８ｓに連通しており、供給口８７ａから注入された圧縮空気５８は、一次格納室８８ｓに入る。一次格納室８８ｓは、燃焼室１１とはピストン８１を挟んだ反対側の領域であり、供給路８７は、圧縮空気５８を、燃焼室１１に供給される前に一時的にピストン８１の反対側の一次格納室８８ｓに格納するガス供給システムとしての機能を含む。

一次格納室８８ｓに圧縮空気５８を格納することにより、格納された圧縮空気５８は、燃焼室１１内における燃焼によりピストン８１が下側に移動したときに圧縮され、バネ８３とともにピストン８１の急激な動きを和らげるダンパーとしての機能を果たす。一次格納室８８ｓには、ピストン８１の位置を検出するための位置センサー（接触センサー、光学的センサーなど）８８ｐを含む。また、ピストン８１が上側に移動して燃焼室１１内の圧縮空気５８を圧縮する際は、供給バルブ８７ｖを開いて、一次格納室８８ｓにさらに圧縮空気５８を入れることも可能であり、ピストン８１を挟んだ燃焼室１１の圧力と一次格納室８８ｓとの圧力をできるだけ近づけて圧力差を少なくしてバランスさせることができる。すなわち、バネ８３の弾性力がなければ、ピストン８１が燃焼室１１と一次格納室８８ｓとの間でフローティングするような条件で動かすことができる。これにより、バネ８３の弾性力によりピストン８１を上側に移動させることが容易となり、少ない弾性力で燃焼室１１内の燃焼空気５８をさらに圧縮できる。例えば、コンプレッサー９３で着火温度近くではあるが、着火温度まで至らない程度に断熱圧縮した燃焼空気５８を、一次格納室８８ｓを経由して燃焼室１１に供給し、ピストン８１で断熱圧縮して着火温度まで燃焼空気５８の温度を上げることができる。

このような条件でピストン８１を駆動する第１の機構７１としての弾性力が得られる弾性体としては、金属製のバネ８３が好ましい。ピストン８１の移動量、移動するための弾性力（圧力）、温度などの条件を満足するものであれば、他のタイプの弾性体、例えば、ゴム等であってもよい。粘弾性を備えたダンパー、またはダンパーとバネとの組み合わせであってもよい。

燃焼ユニット８０は、さらに、吸気バルブ８４ｖのアクチュエータ８４ｗ、供給バルブ８７ｖのアクチュエータ８７ｗ、燃料噴射装置（注入装置）８６、スタータユニット９２などを制御する制御ユニット（コントローラ）９０を含む。コントローラ９０は、第１のストッパ７３および第２のストッパ７４によりピストン８１の位置を積極的に制御する機能を備えていてもよく、ピストン８１の位置を位置センサー８８ｐにより監視する機能を備えていてもよい。各燃焼ユニット８０にピストン８１の位置を制御するストッパ７３および７４を設けることにより、燃焼ユニット８０の単位で、または燃焼室１１の単位で、ピストン８１の動き、停止位置、停止時間を独立して、すなわち、個別に、フレキシブルに制御することができる。

第１のストッパ７３は、ピストン８１、すなわち、第１の壁面８１ａの下方の位置を制御して燃焼室１１の最大の容積を規定する機能を含む。第２のストッパ７４は、ピストン８１、すなわち、第１の壁面８１ａの上方の位置を規定して燃焼室１１の最小の容量を規定する機能を含む。これら第１のストッパ７３および第２のストッパ７４は複数であってもよく、第１のストッパ７３および第２のストッパ７４の燃焼室１１内の位置を動かす機構を備えていてもよい。弾性力および／または燃焼圧力に対抗してピストン８１の位置を一時的に固定する上方および／または下方の位置をフレキシブルに制御することにより、燃焼室１１の容積、ピストン８１のストロークを燃焼ユニット８０の単位で、個別に、また、間欠燃焼の単位でも、フレキシブルに制御できる。

図２（ａ）に示すように、この燃焼ユニット８０においては、ピストン８１がバネ８３の弾性力を用いた第１の機構７１により燃焼室１１の上方に移動し、燃焼室１１に供給されている圧縮空気５８をさらに圧縮（断熱圧縮）する。断熱圧縮の過程において、吸気バルブ８４ｖは閉になっている。この断熱圧縮の過程において圧縮率を十分高くすることができ、燃料の着火温度まで燃焼室１１内の圧縮空気５８の温度を高くできる場合は、燃料噴射装置８６から燃料を噴射することにより燃焼室１１内において燃焼を開始できる（圧縮点火エンジン）。断熱圧縮の過程において圧縮空気５８の圧縮率を着火温度まで上げることが難しい場合は、圧縮空気５８の代わりに、燃料との混合空気を燃焼室１１に供給し、燃料噴射装置８６の代わりに点火装置を設けることにより、燃焼室１１内において燃焼を開始できる（火花点火エンジン）。

いずれの場合も、燃料を燃焼室１１で燃焼させる際は、燃焼室１１内で断続的な燃焼が行われる間欠燃焼サイクルであり、理論的には定圧で燃焼が行われるディーゼルエンジンサイクル、定積で燃焼が行われるオットーサイクル、あるいはその両方の特徴を持つサバテサイクルとして呼ばれる状態が実現される。間欠燃焼サイクルにおいては、燃焼室１１内の燃焼時の圧力を、生成される燃焼ガス５１自身、またはピストン８１などの簡易な機構で高めることが可能であり、高温高圧の燃焼ガス５１を得やすい。

燃焼ユニット８０においては、燃焼室１１において燃焼が開始されて、燃焼室１１内の圧力が高くなり、バネ８３の弾性力よりもピストン８１を加圧する力が強くなり、さらに、第２のストッパ７４からピストン８１がリリースされると、燃焼室１１の内圧によりピストン８１は下側に移動する。ピストン８１が、燃焼室１１の体積（容積）を拡大する方向、すなわち、シリンダー８８の下側への移動を開始するタイミングは、バネ８３の弾性力（バネ定数）、第２のストッパ７４がピストン８１を保持する力、例えばスプリング７３ａの弾性力、マグネット７３ｍの磁力などを調整したり、第２のストッパ７４がメカ的なロックを備えていたり、電磁石を用いている場合は、コントローラ９０がそれを解除してピストン８１を積極的にリリースするタイミングを制御することにより調整できる。

この燃焼ユニット８０においては、ピストン８１が第２のストッパ（第４の機構）７４からリリースされると、ピストン８１が燃焼室１１の内圧（燃焼圧）により下側に移動し燃焼ガス５１が膨張するとともに、ピストン８１の移動途中に設けられた排気口８５が開き、燃焼室１１内で生成された燃焼ガス５１がさらに膨張してノズル１５を介してタービンユニット（タービン）３９に供給される。したがって、ピストン８１をリリースするタイミングが排気口８５を開にするタイミングとなる。排気口８５をオープンして燃焼ガス５１をタービン３９に供給するタイミングは、燃焼室１１で生成される燃焼ガス５１で最も効率よくタービン３９を駆動できるタイミングであればよく、燃焼室１１で燃焼が開始された後、燃焼が継続している途中であってもよく、燃焼が終了した後であってもよい。

典型的なタイミングは燃焼室１１で燃焼が継続している途中でピストン８１をリリースして動かすとともに排気口８５をオープンすることである。このタイミングで排気口８５をオープンすることにより、燃焼を定積燃焼から定圧燃焼に移行でき、爆発的な燃焼に対して燃焼時間を延ばし、燃焼ガス５１の供給時間を延長できる。燃焼終了後は、燃焼ガス５１は断熱膨張し、燃焼室１１からタービン３９に供給される。さらに、火花点火でもよく、空気または混合気体を圧縮することにより自己着火させる圧縮点火でもよく、圧縮点火は燃焼時間を延長でき、タービン３９に燃焼ガス５１を連続的に供給できる時間を延長する一例であるかもしれない。例えば、近年、予混合圧縮自動着火（ＨＣＣＩ、Homogeneous Charge Compression Ignition）を用いたガソリンエンジンが開発されているが、その燃焼技術をこの燃焼ユニット８０に適用することが可能である。燃焼途中で排気口８５をオープンすることにより、燃焼ユニット８０においては間欠的な燃焼が繰り返されるが、タービン３９に対しては、高温高圧の燃焼ガス（排気ガス）５１を、より連続的に供給できる。

また、燃焼ユニット８０は、第１のストッパ（第３の機構）７３を備えており、図２（ｂ）に示すように、ピストン８１の位置を下方に移動した状態で、バネ８３の弾性力に対抗して一時的に固定できる。したがって、燃焼室１１の内圧が、バネ８３によりピストン８１が加圧される圧力より低い状態に達するまでピストン８１を固定して排気口８５をオープンに保持でき、燃焼ガス５１を、より長期間にわたりタービン３９に供給できる。また、この状態で、吸気バルブ８４ｖを開けて吸気口８４および供給路８７を介して、一次格納室８８ｓに格納されていた燃焼空気５８を燃焼室１１に供給でき、燃焼室１１をパージし、燃焼室１１を燃焼空気５８で置換できる。燃焼空気５８の代わりに、吸気口８４から燃焼室１１に対し、燃料と空気との混合ガスを供給して混合ガスで置換してもよい。

燃焼空気５８は、図２（ａ）に示す、ピストン８１が燃焼室１１の上方に位置しているときに、供給口８７ａを介して一次格納室８８ｓに供給され、保持される。図２（ｂ）に示すように、その後、ピストン８１が下方に移動することにより一次格納室８８ｓ内の燃焼空気５８はさらに圧縮され、吸気口８４がオープンすると供給路８７を介して燃焼室１１内に燃焼空気５８が噴出される。その後、ピストン８１が第１のストッパ７３からリリースされることにより、ピストン８１がバネ８３の弾性力により上方に移動する。ピストン８１が上方に移動することにより排気口８５が閉となり、また、吸気口８４を吸気バルブ８４ｖで閉にすることによりが燃焼室１１内に供給された燃焼空気５８は断熱圧縮される。第１のストッパ７３によりピストン８１を開放するタイミングは、上述した第２のストッパ７４と同様の方法により制御または調整できる。

この燃焼ユニット８０において、ピストン８１は燃焼ガス５１の圧力により下方に移動し、その際に縮んだ（変形した）バネ８３の弾性力によりピストン８１を上方に移動することにより空気または混合ガスを圧縮する。燃焼ユニット８０の起動時は、スタータユニット９２によりロッド８２を介してピストン８１を下方（燃焼室１１の体積が増大する方向）へ移動しバネ８３を強制的に変形することによりバネ８３の弾性力を利用可能とする。スタータ９２は、燃焼ユニット８０においてピストン８１がバネ８３の弾性力と燃焼ガス５１の圧力とにより連続（断続）して上下に動き、燃焼が継続するようになると、ピストン８１の上下動により発電を行い、ピストン８１を上下動するエネルギーを電力として回生することを可能とする。

このように、この燃焼ユニット８０においては、バネ８３の弾性力を用いてピストン８１を動かし、簡易な構成で、燃焼室１１内における空気または混合気体の圧縮率を上げ、自己着火させたり、火花点火することにより燃焼室１１で燃焼ガス５１を生成できる。ピストン８１が上方あるいは下方において移動するタイミングを第１および第２のストッパ７３および７４により制御することが可能であり、排気口８５を開閉するタイミングを調整して、間欠燃焼により生成される燃焼ガス５１がタービン３９に供給される状態を制御できる。

さらに、燃焼ユニット８０においては、第１の機構７１を駆動するバネ８３の弾性力に対抗する程度の一定の負荷でピストン８１を動かし、２サイクルの短周期で燃焼を繰り返して燃焼ガス５１をタービン３９に供給できる。このため、タービン３９に対して、簡易な構成の複数の燃焼ユニット８０を配置し、それらの複数の燃焼ユニット８０から、異なるタイミング、またはいくつかの群に分かれて同期させた適当なタイミングで、短いサイクルでタービン３９に対して燃焼ガス５１を供給できる。したがって、このエンジン１０においては、燃焼側は、間欠燃焼として、オットーサイクル、ディーゼルサイクルあるいはサバテサイクルのように、燃焼温度を高くでき、連続燃焼のブレイトンサイクルで近似されるガスタービンユニット３９に対して複数の燃焼ユニット８０から短いサイクルで燃焼ガス５１を疑似的に連続して供給することが可能となり、高い効率でガスタービンユニット３９を駆動できる。

燃焼ユニット８０における燃焼サイクルの速度（周期）は、燃焼室１１に供給する燃料量（混合比）を変えたり、燃焼室１１内において着火するタイミングを変えたり、リリーフバルブなどの燃焼室１１内の圧力を制御する機器を設けたり、ピストン８１を移動するバネ８３の長さを制御するなどの方法で弾性力を変えたりすることにより制御できる。燃焼ユニット８０の始動時と通常動作時とで上記の状態を変えてもよい。また、燃焼ユニット８０においては、ピストン８１の動きを制御し、燃焼室１１における燃焼状態をフレキシブルに制御できるので、燃料としては、軽油、ガソリン、アルコール、水素など様々なものを使用できる。

図４に、燃焼ユニット８０の異なる例を示している。この燃焼ユニット８０は、燃焼ガス５１を噴出する排気口８５が燃焼室１１の上部に設けられており、排気口８５を開閉する排気バルブ８５ｖを含む。したがって、排気バルブ８５ｖをコントローラ９０で制御することにより燃焼室１１から燃焼ガス５１が排気されるタイミングを制御することが可能であり、排気バルブ８５ｖが第２の機構７２として機能する。その他の構成は、上述した燃焼ユニット８０と共通する。この燃焼ユニット８０においては、排気口８５の開閉をピストン８１の動きと関連させることなく制御できる。したがって、第２のストッパ７４によりピストン８１を燃焼室１１の上部に一時的に固定した状態で排気口８５を開けて、燃焼ガス５１をタービン３９に供給できる。また、ピストン８１が移動する途中で排気口８５を開けて燃焼ガス５１をタービン３９に供給することも可能であり、よりフレキシブルにタービン３９に供給される燃焼ガス５１の状態を制御できる。

図５に、燃焼ユニット８０のさらに異なる例を示している。この燃焼ユニット８０は、ピストン８１の上下の動きを安定化させるガイド９５と、シリンダー枠８８の冷却機構９６とを含む、冷却機構９６は、コンプレッサー９３から供給される圧縮空気５８の一部を、ノズル１５を含めたシリンダー枠８８を囲むように、その外側に設けられた二重構造（ジャケット）９６ｇに流して燃焼ユニット８０を冷却する。

図６（ａ）および（ｂ）に、燃焼ユニット８０のさらに異なる例を示している。この燃焼ユニット８０は、燃焼室１１と、燃焼室１１の排気口８５に接続された臨界ノズル１５と、燃焼室１１から臨界ノズル１５に供給される燃焼ガス５１の圧力を制御する背圧制御ユニット６０とを含む。背圧制御ユニット６０は、ニードルバルブタイプであり、円錐状または円錐台状のバルブヘッド（第１の部分）６１を含み、バルブヘッド６１が排気口８５のロート状の部分（第２の部分）６２に接することによりノズル１５への燃焼ガス５１の流れを閉じる。したがって、背圧制御ユニット６０が排気口８５から燃焼ガス５１が噴出するタイミングを制御する第２の機構７２として機能する。

この燃焼ユニット８０においては、燃焼室１１を構成するシリンダー枠８８がケース９８の内部に収納されており、燃焼室１１の燃焼時（爆発時）の内圧により、排気口８５を含むシリンダー枠８８の一部（前部）８８ｂがケース９８の内部でバネ６５の弾性力に対抗して移動する。したがって、シリンダー枠８８の前部８８ｂの燃焼室１１に面した壁面８８ｃが第１の壁面となり、図６（ａ）に示すように、バネ６５の弾性力により燃焼室１１の容積を縮小する方向に移動し、燃焼室１１に供給される燃焼空気または混合ガスを圧縮する。したがって、バネ６５が第１の機構７１として機能する。なお、燃焼ユニット８０は、上記の燃焼ユニット８０と同様に、燃焼空気または混合ガスを燃焼室１１に供給する機構、燃焼室１１の内部で燃料を噴出したり着火する機構を含むが、図示を省略している。

燃焼室１１内で燃焼ガス５１が生成されると、その圧力により、図６（ｂ）に示すように、上述した燃焼ユニット８０のピストン８１の代わりに、前部８８ｂが移動し、排気口８５が開いて燃焼ガス５１がタービン３９へ供給される。前部８８ｂの移動量を制御する第１の機構７１は、バネ６５であってもよく、油圧式のダンパーなどの適当な機械的機構であってもよい。

燃焼室１１から燃焼ガス５１をタービン３９へ供給するノズル１５の一例は臨界ノズル（超音速ノズル、ラバールノズル）である。臨界ノズル１５は、流れをいったん絞るように断面積が狭まったスロート部１５ａと、拡管されたディフィーズ（ディフーザ）１５ｂと、ノズル出口１５ｃとを含む。臨界ノズル１５のノズル出口１５ｃから出力される燃焼ガス５１が超音速であるためには、スロート部１５ａの流速が音速（マッハ１）であることが必要である。スロート部１５ａの流速が音速に達するためには、スロート部１５ａの背圧（流入する燃焼ガス５１の圧力）Ｐｂが、ノズル出口１５ｃの圧力に対して、臨界背圧比Ｒｃ以上であることが必要である。

背圧Ｐｂが臨界背圧比Ｒｃ以下であると、臨界ノズル１５のディフーザ１５ｂでは流速が加速されず、逆に減速してしまい燃焼ガス５１のタービン３９への寄与が減少し、逆にエネルギーロスになる可能性があり、さらにタービン３９の側の圧力が燃焼室１１に伝播する可能性があるので燃焼室１１内の燃焼にも悪影響を与える可能性がある。

燃焼ユニット８０において排気口８５を開閉する第２の機構７２に、排気口８５をオープンするタイミングを、燃焼開始後の燃焼室１１内の圧力が、臨界圧力比（臨界背圧比）Ｒｃ以上の所定の範囲内の間に制御する背圧制御ユニット６０として機能を持たせることが可能である。背圧制御ユニット６０により、臨界ノズル１５のスロート部１５ａの流速は音速になり、臨界ノズル１５からは超音速の燃焼ガス５１がタービン３９に供給される。

燃焼室１１の内圧（背圧）Ｐｂは、ノズル１５に燃焼ガス５１が供給されると、燃焼後の初期状態から徐々に低下する。このため、臨界ノズル１５は、減圧後の背圧Ｐｂで設計されるが、臨界圧力比Ｒｃ以下になると超音速の燃焼ガス５１が得られない。また、燃焼室１１に燃料ガスが供給されている間および点火直後は燃焼室１１の内圧は低い。このため、背圧制御ユニット６０を兼ねる第２の機構７２により、排気口８５は燃焼室１１が所定の圧力に達するまでクローズされる。

図７（ａ）および（ｂ）に、燃焼ユニット８０のさらに異なる例を示している。この燃焼ユニット８０においては、排気口８５を含むシリンダー枠８８の前部８８ｂがシリンダー枠８８の後端８８ｅにバネ６５により取り付けられており、燃焼室１１の燃焼時の内圧により前部８８ｂがバネ６５の弾性力に対抗して移動する。したがって、シリンダー枠８８の前部８８ｂの燃焼室１１に面した壁面８８ｃが第１の壁面となり、バネ６５が第１の機構７１として機能する。本例のバネ６５は、圧縮タイプではなく、引っ張りの弾性力により第１の壁面８８ｃを燃焼室１１の容積が縮小する方向に移動する引張タイプのコイルバネである。

図７（ａ）に示すように、壁面８８ｃがバネ６５の弾性力により燃焼室１１の容積を縮小する方向に移動し、燃焼室１１に供給される燃焼空気または混合ガスを圧縮する。燃焼室１１内で燃焼ガス５１が生成されると、その圧力により、図７（ｂ）に示すように、シリンダー枠の前部８８ｂが移動し、排気口８５が開いて燃焼ガス５１がタービン３９へ供給される。燃焼室１１内に排気口８５を開閉するニードルタイプの背圧制御ユニット６０が設けられており、排気口８５から燃焼ガス５１が噴出されるタイミングを制御する第２の機構７２として機能する。なお、燃焼ユニット８０は、上記の燃焼ユニット８０と同様に、燃焼空気または混合ガスを燃焼室１１に供給する機構、燃焼室１１の内部で燃料を噴出したり着火する機構を含むが、図示を省略している。

図８に、燃焼ユニットのさらに異なる例を示している。この燃焼ユニット１００は、ピストン８１を外部動力により上下に動かす駆動機構１０１を含む。図８に示した燃焼ユニット１００は一例であり、駆動機構１０１は、２本の棒状の部材が回転可能に連結したクランク１０３と、クランク１０３の一方の端を回転することによりクランク１０３を上下に伸び縮みさせ、ピストン８１の上下の位置をフレキシブルに制御するモーター１０４とを含む。この燃焼ユニット１００においては、ピストン８１を上下に動かして燃焼室１１の容積を変化させるためにモーター１０４のような外部動力を常に必要とする。したがって、外部動力を動かす電力が常に必要になる。その一方、ピストン８１の位置制御は駆動機構１０１を用いてクランク１０３の回転角度を、９０度、１８０度などの所定の角度に固定することにより、燃焼ユニット１００の単位で個別に制御することが容易である。また、クランク１０３の回転方向を変えて、反転させることにより、ピストン８１のストロークを変えることも可能である。燃焼ユニット１００の単位でピストン８１を駆動する機構１０１を設けることにより、燃焼ユニット１００の単位で、独立して、ピストン８１の停止位置、停止時間、移動速度などの動作（動作条件）を精度よく、フレキシブルに、制御できる。燃焼室１１において燃焼が行われる都度、ピストン８１を上下に動かして燃焼空気あるいは混合ガスを圧縮してもよく、ピストン８１の位置を固定して燃焼室１１の容積を固定し、燃焼室１１の内部で定積（定容）燃焼が行われるように制御してもよい。

図９に、燃焼ユニット１００のさらに異なる例を示している。図９（ａ）に示した燃焼ユニット１００の駆動機構１０１は、モーター１０４によりピストン８１を回転するタイプである。シリンダー枠８８の内周面にねじ（雌ねじ）１０６が設けられており、ピストン８１の外周面に対応するねじ（雄ねじ）１０７が設けられている。したがって、ピストン８１を所定の方向に回転または反転させることにより燃焼室１１内におけるピストン８１の動きを、停止位置、停止時間、移動スピード、ストロークなどを含めて、個別に自由に制御でき、最も燃焼状態がよい条件で燃焼を開始したり、最もよい条件の燃焼ガス５１がタービン３９に供給されるように調整できる。

図９（ｂ）に示した燃焼ユニット１００の駆動機構１０１は、モーター１０４により回転するねじ棒１０８を含み、ねじ棒１０８を回転することによりねじ棒１０８に沿ってピストン８１が上下方向に移動する。したがって、ねじ棒１０８を所定の方向に回転または反転させることにより燃焼室１１内におけるピストン８１の位置を自由に制御できる。

図１０に、異なるエンジン１０を備えた発電装置３０の例を示している。この発電装置３０は、パルス燃焼型のエンジン（パルス燃焼装置）１０と、エンジン１０により回転駆動される発電機３１とを含むパルス燃焼発電装置の一例である。エンジン１０は、定容積の燃焼室１１を備えた複数の燃焼ユニット１１０を含む。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のそれぞれの燃焼ユニット１１０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を備えた燃焼ユニット１１０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（給気ポート）１３と、燃料供給路１３を開閉するバルブ（開閉装置）４１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で生成されたガス（燃焼ガス、高圧ガス）５１を放出するノズル１５を含むノズルユニット１６と、ノズル１５と燃焼室１１との間を断続的に開閉してノズル１５の背圧を制御する背圧制御ユニット２０と、ノズル１５から放出された燃焼ガス５１により発電を行うＭＨＤ発電ユニット３６と、その下流に配置されたマイクロガスタービンユニット（タービン）３９と、タービン３９の回転軸（シャフト）３８に接続された発電機３１とを含む。発電系統３５は、ＭＨＤ−マイクロガスタービンのコンバインドサイクルであってもよく、ガスタービン単独のサイクルであってもよく、ガスタービンの下流に燃料電池ユニット、熱発電ユニットなどを接続したコンバインドサイクルであってもよい。

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の排気系７ｓに設けられたターボチャージャー７ｔ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。燃料供給システム７は、タービン３９により駆動されるコンプレッサー、ブロワー、スーパーチャージャ、または、他の独立した空気圧縮ユニットを備えていてもよい。エンジン１０は、さらに、燃焼室１１から背圧制御ユニット２０により断続的にノズル１５に供給された後の燃焼ガス５１をパージし、その後、燃料供給システム７により燃焼用空気５９を燃焼室１１に注入するためのパージシステムを備えていてもよい。パージシステムの一例は適当なタイミングで、たとえば、背圧制御ユニット２０と連動して燃焼室１１と排気系７ｓとを断続的に接続するバルブである。

図１０に示したエンジン１０は、２つの燃焼ユニット１１０を含むが、燃焼ユニット１１０は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。タービン３９に燃焼ガス５１を連続的に供給するためには、間欠燃焼を行う燃焼ユニット１１０を複数配置することが望ましいことは上述した通りである。燃焼ユニット１１０の燃焼室１１は、円筒形であってもよく、卵型や球状であってもよく、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。

このエンジン１０において、ノズル１５と燃焼室１１との間を断続的に開閉してノズル１５に対する背圧と燃焼ガス５１を噴出するタイミングとを制御する背圧制御ユニット２０は、２枚の回転板（円盤）２１および２２と、これらの回転板２１および２２を同期して回転する駆動装置２９とを含む。それぞれの回転板２１および２２は、それぞれの燃焼室１１と、燃焼室１１に対応したノズル１５との間で移動する開口２１ａおよび２２ａを含み、駆動装置２９により同期して回転板２１および２２が逆方向に回転する。それぞれの回転板２１および２２の開口２１ａおよび２２ａの位置が合致するとそれらの開口２１ａおよび２２ａにより燃焼室１１とノズル１５とが連通し、燃焼室１１から燃焼ガス５１がノズル１５を介して発電系統３５に供給される。駆動装置２９は、制御システム８により制御され、点火のタイミングから所定の時間を経過して燃焼室１１の内圧が燃焼により所定の圧力に達したタイミングで開口２１ａおよび２２ａにより燃焼室１１とノズル１５とが連通し、所定の圧力の燃焼ガス５１がノズル１５に供給される。

図１１に、ノズル１５と、燃焼室１１と、背圧制御ユニット２０とを備えた燃焼ユニット１１０を抜き出して示している。背圧制御ユニット２０は２枚の円盤状の開閉パネル（回転板）２１および２２を含み、それらの開口２１ａおよび２２ａが燃焼室１１の開口（排気口）１１ａを開閉し、燃焼室１１からノズル１５への燃焼ガス５１ａの流入を制御する。

ノズル１５の一例は上述した臨界ノズル（超音速ノズル、ラバールノズル）であり、流れをいったん絞るように断面積が狭まったスロート部１５ａと、拡管されたディフィーズ（ディフーザ）１５ｂと、ノズル出口１５ｃとを含む。このエンジン１０においては、背圧制御ユニット２０を設け、逆方向に回る円盤２１および２２の速度を制御し、燃焼開始後の燃焼室１１内の圧力が、臨界圧力比Ｒｃ以上の所定の範囲内の間、開口２１ａおよび２２ａにより臨界ノズル１５と燃焼室１１とを連通する。これにより、臨界ノズル１５のスロート部１５ａの流速は音速になり、臨界ノズル１５からは超音速の燃焼ガス５１が発電系統３５に供給される。

エンジン１０においては、背圧制御ユニット２０により、燃焼室１１は所定の圧力に達するまでクローズされ、所定の圧力に低下するまでクローズされる。背圧制御ユニット２０により燃焼室１１の圧力が制御されるので、燃焼前に、燃料供給システム７により混合ガス５８を燃焼室１１に加圧した状態で注入でき、圧縮比を向上できる。また、燃焼室１１では、点火の後、定積燃焼（定容燃焼）となるので、サイクル効率を向上できる。

図１２に、エンジン１０の異なる例を示している。図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、このエンジン１０においては、円周状に４つ燃焼ユニット１１０が配置され、２枚の円盤状の開閉パネル２１および２２を含む背圧制御ユニット２０と、４つの燃焼ユニット１１０の燃焼室１１のそれぞれに対応した４つの臨界ノズル１５を含むノズルユニット１６とを含む。図１２（ｃ）および（ｄ）に示すように、それぞれの開閉パネル（第１の円盤および第２の円盤）２１および２２は、１８０度対称な位置に開口２１ａおよび２２ａを含み、それぞれの開口２１ａおよび２２ａは、燃焼室１１の端壁の中央に設けられた燃焼室開口１１ａの前方（噴射側）を通過する。二重に重ねられた開閉パネル２１および２２は、逆方向に回転する。このため、図１２（ｅ）および（ｆ）に示すように、９０度ピッチで上下および左右の燃焼室１１の開口１１ａが背圧制御ユニット２０でオープンになり、燃焼室１１中央の開口１１ａから所定の圧力の燃焼ガス５１ａがノズル１５に供給される。

さらに、開閉パネル２１および２２に設けられた開口２１ａおよび２２ａが開口１１ａより小さいときは、いずれか小さい方の開口２１ａおよび２２ａによりノズル１５に供給される燃焼ガス５１ａの流量が制御される。

図１３に、開口サイズが異なる開口を備えた開閉パネル２３、２４および２５を備えた背圧制御ユニット２０の一例を示している。円盤状の第１の開閉パネル２３は、第１の径ｄ１の第１の開口２３ａおよび２３ｂを含む。第２の開閉パネル２４は、第１の開口２３ａの径ｄ１よりも小径ｄ２の第２の開口２４ａと、第１の開口２３ａと同じ径ｄ１の開口２４ｂとを含む。第３の開閉パネル２５は、第２の開口２４ａの径ｄ２よりも小径ｄ３の第３の開口２５ａと、第１の開口２３ａと同じ径ｄ１の開口２５ｂとを含む。

この背圧制御ユニット２０においては、第２および第３の開閉パネル２４および２５の開口２４ｂおよび２５ｂを燃焼室１１の開口１１ａの位置に合致させた状態で第１の開閉パネル２３を回転することにより、ノズル１５と燃焼室１１とを第１の開口２３ａの径ｄ１の通路で連通できる。第２の開閉パネル２４の第２の開口２４ａおよび第３の開閉パネル２５の開口２５ｂを燃焼室１１の開口１１ａの位置に合致させた状態で第１の開閉パネル２３を回転することにより、ノズル１５と燃焼室１１とを第２の開口２４ａの径ｄ２の通路で連通できる。第２の開閉パネル２４の第２の開口２４ａまたは開口２４ｂおよび第３の開閉パネル２５の第３の開口２５ａを燃焼室１１の開口１１ａの位置に合致させた状態で第１の開閉パネル２３を回転することにより、ノズル１５と燃焼室１１とを第３の開口２５ａの径ｄ３の通路で連通できる。

このように、径の異なる開口２３ａ、２４ａ、２５ａをそれぞれ備えた開閉パネル（円盤）２３、２４および２５を駆動装置２９により適当な位置に回動することにより、いずれかの径ｄ１〜ｄ３の開口（排気口）を介して燃焼ガス５１ａをノズル１５に供給できる。臨界ノズル１５のスロート１５ａを通過するガス量を制御することにより、ノズル開口（ノズル出口）１５ｃから発電系統３５に供給される燃焼ガス５１の流速および温度を制御することが可能となる。

図１４（ａ）〜（ｃ）に、異なる燃焼ユニットの例を示している。この燃焼ユニット１２０も燃焼室１１と、臨界ノズル１５と、燃焼室１１から臨界ノズル１５に供給される燃焼ガスの圧力を制御する背圧制御ユニット６０とを含む。本例の背圧制御ユニット６０は、ニードルバルブタイプであり、円錐状または円錐台状のバルブヘッド（第１の部分）６１と、バルブヘッド６１が接してノズル１５への燃焼ガス５１ａの流れを閉じる開口部（第２の部分）６２と、バルブヘッド６１の動きを制御する開閉制御ユニット６６と、バルブヘッド６１と開口部６２とが離れたとき（開のとき）の距離を制御する開度制御ユニット６７とを含む。開閉制御ユニット６６は、先端がバルブヘッド６１となったバルブシャフト６３を閉にロックした状態、すなわち、バルブヘッド６１が開口部６２に押し付けられた状態を開放し、バルブシャフト６３をバネ６５により燃焼室１１から引き抜かれる方向に動かす。内部開度制御ユニット６７は、バルブシャフト６３の内部に同軸上に収納され、バルブシャフト６３のガイドを兼ねた開度調整用のロッド６４の突出量（長さ）を制御し、閉状態から開状態に動くバルブシャフト６３、すなわちバルブヘッド６１の移動量を制限する。

したがって、図１４（ａ）に示す閉状態から図１４（ｂ）に示す開状態にバルブヘッド６１が動くと、ロッド６４によりバルブヘッド６１の動きが規制され、所定の開度（開口面積）となるようにバルブヘッド６１と開口部６２との間の距離が制御された状態で開口１１ａが形成される。図１４（ｃ）に示すようにロッド６４の引抜量が少なければ、バルブヘッド６１と開口部６２との距離が小さくなり、開口１１ａの開度（開口面積）が小さくなる。

上記のように、断続的に燃焼を行う燃焼室と、燃焼室に繋がった臨界ノズルと、燃焼室と臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開閉する背圧制御ユニットとを有するパルス燃焼装置を供給できる。燃焼室と臨界ノズル（超音速ノズル、ラバールノズル）とを背圧制御ユニットを介して接続することにより、燃焼室で断続的に発生する燃焼ガスが臨界ノズルのスロート部分に流入する圧力を制御することができる。さらに、背圧制御ユニットで臨界ノズルから分離された状態で燃焼室において断続的な燃焼を開始できるので、燃焼室内の燃焼の制御が容易となる。したがって、たとえば、圧縮比がジェットエンジンより高く、サイクル効率が高い定積燃焼またはそれに近い燃焼形態で、高効率かつ安定した燃焼を実現し、超音速の燃焼ガスを出力できるパルス燃焼装置を提供できる。

パルス燃焼装置は、円周に沿って配置された複数の燃焼室と、複数の燃焼室のそれぞれに繋がる複数の臨界ノズルとを有していてもよい。背圧制御ユニットは、複数の燃焼室と複数の臨界ノズルとの間で逆方向に旋回する第１の円盤および第２の円盤を含み、第１の円盤および第２の円盤は、それぞれ燃焼室と臨界ノズルとの間に配置された少なくとも１つの開口を含んでもよい。第１および第２の円盤により燃焼室と臨界ノズルとを連通するタイミングを制御し、それによりスロート部分へ供給される燃焼ガスの圧力を制御できる。

また、背圧制御ユニットは、複数の燃焼室と複数の臨界ノズルとの間で旋回する第１の円盤および第２の円盤を含み、第１の円盤は燃焼室と臨界ノズルとの間に配置された少なくとも１つの第１の開口を含み、第２の円盤は燃焼室と臨界ノズルとの間に配置された複数の開口であって、第１の開口と同じまたは大きな開口と、第１の開口より小さな第２の開口とを含む複数の開口を含んでもよい。燃焼室とスロート部分とを連通する開口サイズを変えることにより臨界ノズルへ流入する燃焼ガスの圧力および流量を制御できる。

また、背圧制御ユニットは、円錐状または円錐台状の第１の部分と、第１の部分が接して流れを閉じる第２の部分と、第１の部分と第２の部分とが離れたときの距離を制御する開度制御部とを含んでもよい。第１の部分または第２の部分が燃焼室の内圧により移動するものであってもよい。

複数の燃焼ユニット８０、１００、１１０、１２０を備えたエンジン１０においては、それらのうちの１つを起動して、間欠燃焼により生成された燃焼ガス５１をタービンユニット３９に供給し、タービンユニット３９を回転駆動することが可能である。例えば、複数の燃焼ユニット８０を起動し、それらの燃焼ユニット８０に含まれる燃焼室１１で間欠的ではあるが連続して燃焼を行い、生成された燃焼ガス５１をタービンユニット３９に供給することにより、タービンユニット３９に対して連続的に燃焼ガス５１を供給できる。複数の燃焼ユニット８０において燃焼を行うタイミングは同時であってもよい。より連続的に燃焼ガス５１がタービンユニット３９に供給されるように、複数の燃焼ユニット８０を複数のグループに分けて、あるいはペアにして燃焼のタイミングを制御したり、周方向に順番に、あるいは対角方向に交互に、燃焼を開始するタイミングをシフトさせて位相差を設けてもよい。

Claims (10)

1. ガスタービンユニットと、
   前記ガスタービンユニットに燃焼ガスを供給する複数の燃焼ユニットとを有し、
   前記複数の燃焼ユニットは、それぞれ、
   燃焼室と、
   前記燃焼室の一部を構成する第１の壁面を弾性力により移動し、前記燃焼室の容積を縮小して前記燃焼室内の気体を加圧する第１の機構と、
   前記燃焼室の排気口を開閉し、前記排気口から燃焼ガスを排気するタイミングを制御する第２の機構と、
   前記第１の壁面を前記弾性力に対抗して前記燃焼室の容積を拡大する方向に移動する第５の機構とを含む、エンジン。
2. 請求項１において、
   前記排気口が前記第１の壁面の移動途中に設けられており、前記第１の機構が前記第２の機構を兼ねる、エンジン。
3. 請求項１または２において、
   前記複数の燃焼ユニットは、それぞれ、前記第１の壁面の位置を前記弾性力に対抗して保持する第３の機構を含む、エンジン。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記複数の燃焼ユニットは、それぞれ、前記第１の壁面の位置を前記燃焼室内の圧力に対抗して保持する第４の機構を含む、エンジン。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記第５の機構を駆動する電動アクチュエータと、
   当該エンジンが稼働すると前記電動アクチュエータによる発電を行うエネルギー回生機構とを含む、エンジン。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記複数の燃焼ユニットのそれぞれの前記第５の機構を独立して駆動する機構を含む、エンジン。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記複数の燃焼ユニットは、それぞれ、前記燃焼室内で移動するピストンであって、前記燃焼室側に向いた前記第１の壁面を備えたピストンと、
   前記燃焼室に供給される圧縮気体を前記燃焼室と前記ピストンを挟んだ反対側の領域に一時的に格納するガス供給システムとを含む、エンジン。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記複数の燃焼ユニットは、それぞれ、前記燃焼室と前記ガスタービンユニットとを接続する臨界ノズルを含み、前記第２の機構は、前記燃焼室と前記臨界ノズルのスロート部分との間を断続的に開閉する、エンジン。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   前記ガスタービンユニットは、ラジアルタービンユニットを含み、前記複数の燃焼ユニットは、前記ラジアルタービンユニットの周囲に沿って配置されている、エンジン。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載のエンジンと、
    前記ガスタービンユニットに接続された発電機とを有する発電装置。

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