JP6609334B2 - 航空機用レシプロエンジンの高空始動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、航空機用レシプロエンジンの高空始動装置、航空機用レシプロエンジン及び航空機に関する。

従来、レシプロエンジンを備えた航空機が設計及び製造されている。レシプロエンジンは燃料の燃焼によるエネルギの一部を膨張仕事としてピストンの往復運動に変換し、ピストンに連結された回転体の回転運動に変換する原動機である。レシプロエンジンを動力とする小型プロペラ機等の航空機はレシプロ航空機と呼ばれる。

また、レシプロエンジンに過給機（スーパーチャージャー）を設けたレシプロ航空機も知られている（例えば特許文献１乃至３参照）。過給機は排気ガスの流れを利用してタービンを回転させ、タービンの回転をコンプレッサ（圧縮機）に伝達して回転させることによってレシプロエンジンに供給される空気の圧力を高くする補足装置である。特に排気ガスで回転するタービンを駆動源とする過給機は、ターボチャージャーと呼ばれる。

特開２０１４−１５９８１０号公報 特開２００８−１０６７２８号公報 特表２０１２−５０３７３２号公報

航空機のエンジンが上空で停止した場合、エンジンを再始動する操作はパイロットにとって重要な緊急操作の１つである。従来のレシプロエンジンを備えた航空機の飛行中においてエンジンが停止した場合には、航空機の速度を適切な速度にした上でエンジンが再始動される。

レシプロエンジンを再始動するための手順は複雑ではないものの、地上よりも空気の圧力が低い条件下におけるエンジンの再始動となるため、エンジンにおいて燃焼対象となる燃料と空気の混合ガスに含まれる燃料の比率を一時的に高めるチョークの調整が必要となる。加えて、速やかにエンジンを再始動しなければならないという時間的なプレッシャーがあるため、パイロットにとってレシプロエンジンの再始動は非常にストレスがかかる操作である。しかも、空気密度が薄い中でレシプロエンジンを始動することになるため、排気ガス温度（ＥＧＴ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）が急上昇して規定値を超えてしまう状態でのホットスタートと呼ばれる始動となる場合が多い。

また、ターボチャージャーを備えたレシプロ航空機のレシプロエンジンが高高度を飛行している最中に停止した場合にはターボチャージャーも停止する。このため、レシプロエンジンのピストンに十分な圧力を有する空気を供給するために、レシプロ航空機の高度を下げてからレシプロエンジンを再始動することが必要になる。

そこで、本発明は、レシプロエンジンを備えた航空機の飛行中においてレシプロエンジンが停止した場合に、より安全かつ容易にレシプロエンジンを再始動できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの高空始動装置は、空気を吸入して圧縮し、圧縮した前記空気を航空機のレシプロエンジンに供給するコンプレッサと、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが停止した場合に前記コンプレッサに回転動力を出力することによって前記レシプロエンジンの再始動のための圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給するモータと、前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとの間に配置され、前記コンプレッサから前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気の圧力変動を緩和するためのエアボックスとを有し、前記コンプレッサの容量を、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンを再始動するために必要な空気の圧力範囲にある圧力で、前記圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給できる容量に決定する一方、前記エアボックスの容積を、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンを再始動するために前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気が前記圧力範囲にある圧力となるように決定したものである。
また、本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの高空始動装置は、空気を吸入して圧縮し、圧縮した前記空気をターボチャージャーを備えた航空機のレシプロエンジンの各ピストンに供給するコンプレッサと、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが故障した場合に前記コンプレッサに回転動力を出力することによって前記レシプロエンジンの出力の回復のための圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給するモータと、前記コンプレッサで圧縮された空気と、前記ターボチャージャーに備えられる前記コンプレッサとは別のコンプレッサで圧縮された空気とを切換えて前記レシプロエンジンに供給する弁と、前記ターボチャージャーの前記別のコンプレッサの故障を検出した場合に前記モータを自動的に駆動し、かつ駆動した前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサにより圧縮された空気が前記レシプロエンジンに供給されるように前記弁を自動的に切換える制御装置とを有するものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンは、上述した高空始動装置を設けたものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した航空機用レシプロエンジンを備えたものである。

本発明の第１の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図。 図１に示す高空始動装置からレシプロエンジンに供給される圧縮空気の圧力変化を示すグラフ。 図１に示すエアボックスの形状例を示す斜視図。 （Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す制御装置による制御下における高空始動装置の非動作時と動作時における空気の流れを示す図。 本発明の第２の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図。 （Ａ）及び（Ｂ）は図５に示す制御装置による制御下における高空始動装置の非動作時と動作時における空気の流れを示す図。 本発明の第３の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図。

本発明の実施形態に係る航空機用レシプロエンジンの高空始動装置、航空機用レシプロエンジン及び航空機について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図である。

航空機用レシプロエンジン１は、小型プロペラ機等の航空機２に備えられる。航空機用レシプロエンジン１は、複数のピストン３を備え、ピストン３の往復移動によってプロペラを回転させるための回転トルクを出力する原動機である。各ピストン３は、空気と航空燃料を混合した混合ガスの燃焼によって往復移動する。このため、航空機用レシプロエンジン１の各ピストン３を往復移動させるためには適切な圧力及び流量の空気を供給することが必要である。

航空機用レシプロエンジン１を安定して始動する際には、一時的に大気圧程度の高い圧力を有する空気を航空機用レシプロエンジン１に供給することが必要となる。航空機２が離陸する前に地上で航空機用レシプロエンジン１を始動する際には、圧力が大気圧となっている空気を航空機用レシプロエンジン１に供給することができる。

しかしながら、航空機２が高空を飛行中に航空機用レシプロエンジン１が停止した場合には、航空機用レシプロエンジン１を再始動するために大気圧よりも低い圧力を有する空気を吸気せざるを得ない。このため、地上で航空機用レシプロエンジン１を始動する場合と空気の圧力等の条件が異なる。

そこで、航空機用レシプロエンジン１には、高空始動装置４が設けられる。高空始動装置４は、航空機２が高空を飛行中において、航空機用レシプロエンジン１を地上で始動する場合と同様な操作で再始動できるようにするための航空機用レシプロエンジン１の補助装置である。

高空始動装置４は、図１に示すようにコンプレッサ５、モータ６、バッテリ７、インタークーラー８、エアボックス９、リリーフバルブ１０、吸気選択弁１１、制御装置１２、入力装置１３及びセンサ１４で構成することができる。

コンプレッサ５は、大気中から外気として空気を吸入して圧縮し、圧縮した空気を航空機２のレシプロエンジン１に供給する装置である。従って、コンプレッサ５の入口は吸気用の配管と接続され、コンプレッサ５の出口は圧縮空気をレシプロエンジン１に供給するための配管と接続される。

コンプレッサ５の能力は、レシプロエンジン１が高空で停止した状態から始動するまでの空気の流量変化に対応できる能力に決定される。すなわち、レシプロエンジン１を高空で再始動するためにレシプロエンジン１の各ピストン３に供給される空気の圧力が不足しないようにレシプロエンジン１の容量が決定される。このため、高空において十分な圧力を有する空気の供給を伴って、レシプロエンジン１を始動することができる。

モータ６は、コンプレッサ５に回転動力を出力することによってコンプレッサ５を回転させる動力装置である。従って、モータ６の回転トルクがコンプレッサ５の回転軸に伝達されるように、コンプレッサ５の回転軸とモータ６の出力軸はシャフトで機械的に連結される。尚、必要に応じてギアやベルトを用いてもよい。

モータ６は、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止した場合に駆動するように制御される。このため、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止した場合にモータ６からコンプレッサ５に回転動力を出力することによって、レシプロエンジン１の再始動のための圧縮された空気をコンプレッサ５からレシプロエンジン１に供給することができる。

バッテリ７は、モータ６の駆動時においてモータ６に電力を供給する電源である。従って、バッテリ７はモータ６と電気ケーブルで接続される。

インタークーラー８は、コンプレッサ５とレシプロエンジン１との間における圧縮空気の配管上に配置される、インタークーラー８は、コンプレッサ５により圧縮された空気を冷却する熱交換器である。すなわち、コンプレッサ５により空気を圧縮すると空気の温度が上昇する。そこで、インタークーラー８によって温度が上昇した圧縮空気が冷却される。

エアボックス９は、コンプレッサ５とレシプロエンジン１との間に配置される。エアボックス９は、コンプレッサ５からレシプロエンジン１に供給される圧縮空気の圧力変動を緩和するための容器である。従って、レシプロエンジン１を構成する各ピストン３に向かう圧縮空気の配管の前段に配置することが適切である。

図１に示す例では、インタークーラー８の出口とエアボックス９の入口が圧縮空気の配管で連結されている。そして、エアボックス９の出口に連結された圧縮空気の配管が分岐してレシプロエンジン１を構成する各ピストン３と接続されている。

リリーフバルブ１０は、コンプレッサ５で圧縮された空気のうちの余剰空気を大気中に放出することによって、コンプレッサ５からレシプロエンジン１に供給される圧縮された空気の圧力を調節するためのバルブである。このため、リリーフバルブ１０は、コンプレッサ５とレシプロエンジン１との間を連結する圧縮空気の配管と直接又は間接的に連結される。

図１に示す例では、リリーフバルブ１０がコンプレッサ５とレシプロエンジン１との間を連結する圧縮空気の配管と間接的に接続されている。具体的には、エアボックス９に接続された圧縮空気の配管にリリーフバルブ１０の入口側が接続されている。そして、リリーフバルブ１０の出口側が大気解放された空気の配管と接続されている。このため、エアボックス９内における圧縮空気の圧力がリリーフバルブ１０によって調整される。

リリーフバルブ１０は、余剰流体をリリーフすることによって対象となる流体の圧力を一定に保つためのバルブである。典型的なリリーフバルブ１０は、流体の圧力が一定の圧力に達するとバネが伸長して開き、余剰流体をリリーフするように構成されている。このため、リリーフバルブ１０によって調節される圧縮空気の圧力をレシプロエンジン１の仕様として定められている圧力範囲Ｒに合わせれば、レシプロエンジン１の各ピストン３には適切な圧力を有する圧縮空気を供給することができる。

すなわち、エアボックス９内における圧縮空気の圧力がリリーフバルブ１０の設定圧となるため、リリーフバルブ１０の設定圧の調整によって所望の圧力を有する圧縮空気をレシプロエンジン１の各ピストン３に供給することができる。

実用的な例として、リリーフバルブ１０の設定圧を大気圧に設定することができる。すなわち、絶対真空を基準とする絶対圧で表わすと、リリーフバルブ１０の設定圧を１気圧に設定することができる。絶対圧の１気圧は大気圧に相当し、０．１０１ＭＰａである。また、大気圧を基準とするゲージ圧で表わすと大気圧はゼロである。

リリーフバルブ１０の設定圧を大気圧に設定すると、レシプロエンジン１の各ピストン３には大気圧の圧縮空気を供給することができる。このため、航空機２が上空を飛行している場合であっても地上と同じ条件で空気をレシプロエンジン１の各ピストン３に供給することができる。その結果、航空機２が離陸する場合と同じ操作でレシプロエンジン１を再始動することができる。

図２は図１に示す高空始動装置４からレシプロエンジン１に供給される圧縮空気の圧力変化を示すグラフである。

図２において横軸は時間を示し、縦軸はレシプロエンジン１の各ピストン３に供給される圧縮空気の圧力を示す。コンプレッサ５を作動させると、レシプロエンジン１に供給される空気の圧力は徐々に増加する。そして、空気の圧力がリリーフバルブ１０の設定圧に達すると、リリーフバルブ１０から空気が漏れるため、空気の圧力は一定となる。

そして、レシプロエンジン１を始動すると一時的にレシプロエンジン１に供給される空気の圧力が低下する。ここで、エアボックス９を設けないと、航空機２の高度によっては点線で示すようにレシプロエンジン１に供給される圧縮空気の圧力が、レシプロエンジン１の駆動に必要な空気の圧力範囲Ｒよりも低くなる可能性がある。これは、航空機２が地上にある場合と異なり、コンプレッサ５に供給される空気の圧力が大気圧よりも低く、航空機２の高度が増加するにつれて低くなるためである。

そこで、レシプロエンジン１の始動直後においてレシプロエンジン１に供給される空気の圧力がレシプロエンジン１の駆動に必要な空気の圧力範囲Ｒよりも低くならないようにエアボックス９を設けることが適切である。適切なサイズのエアボックス９を設ければ、図２に実線で示すように、レシプロエンジン１の始動直後においてレシプロエンジン１に供給される空気の圧力が一時的に低下したとしても、レシプロエンジン１に供給される空気の圧力を、レシプロエンジン１の駆動に必要な空気の圧力範囲Ｒに留めることができる。

図３は図１に示すエアボックス９の形状例を示す斜視図である。

図３に例示されるようにエアボックス９は圧縮空気の配管の内径よりも幅が広い任意形状の容器で構成することができる。エアボックス９の大きさ、すなわちエアボックス９の容積は、レシプロエンジン１における空気の吸引量の変化と、リリーフバルブ１０の設定圧に基づいて決定することができる。

具体的には、図２に示すようにレシプロエンジン１の始動時における空気の吸引量の変化によって圧縮空気の圧力がリリーフバルブ１０の設定圧から局所的に低下した場合であっても、圧縮空気の圧力がレシプロエンジン１の駆動に必要な空気の圧力範囲Ｒとなるようにエアボックス９の大きさを決定することができる。

他方、上述したようにコンプレッサ５の容量についても、圧縮空気の圧力変動に関わらずレシプロエンジン１の駆動に必要な空気の圧力範囲Ｒにある圧力を有する圧縮空気をレシプロエンジン１に常に供給できるように決定することが重要である。すなわち、レシプロエンジン１への空気の流量不足が生じないようにコンプレッサ５の容量を決定することが重要である。

レシプロエンジン１の再始動後はもちろん、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が動作している間は再始動のためのレシプロエンジン１への圧縮空気の供給は不要である。このため、コンプレッサ５で圧縮されていない空気がレシプロエンジン１に供給される。

吸気選択弁１１は、コンプレッサ５により圧縮された空気のレシプロエンジン１への供給と、コンプレッサ５により圧縮されていない空気のレシプロエンジン１への供給とを切換える弁である。

図１に示す例では、大気中から空気を取込んで高空始動装置４を経由せずに直接レシプロエンジン１の各ピストン３に空気を供給する配管上に吸気選択弁１１が設けられている。そして、吸気選択弁１１の上流側において空気の配管が分岐し、分岐した空気の配管の下流側が高空始動装置４に備えられるコンプレッサ５の入口と接続される。従って、吸気選択弁１１を開けば大気中から取込まれた空気を、高空始動装置４のコンプレッサ５で圧縮せずにレシプロエンジン１の各ピストン３に供給することができる。逆に、吸気選択弁１１を閉じれば大気中から取込まれた空気を、高空始動装置４のコンプレッサ５で圧縮してレシプロエンジン１の各ピストン３に供給することができる。

もちろん、空気の配管の詳細な接続方法は図１に示す例に限らず任意である。また、吸気選択弁１１を複数の弁で構成しても良い。例えば、図１に示す配管の接続例において図示した位置に加えて高空始動装置４のコンプレッサ５に向かって分岐する配管にも弁を設けても良い。

そして、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止せずに航空機２が通常に飛行している場合には、吸気選択弁１１の開閉によって、コンプレッサ５により圧縮されていない空気がレシプロエンジン１への供給対象として選択される。一方、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止した場合には、レシプロエンジン１を再始動するために吸気選択弁１１の開閉によってコンプレッサ５により圧縮された空気がレシプロエンジン１への供給対象として選択される。

制御装置１２は、モータ６及び吸気選択弁１１を制御する装置である。すなわち、制御装置１２は、モータ６及び吸気選択弁１１の制御信号をそれぞれ生成し、生成した制御信号をモータ６及び吸気選択弁１１に出力する機能を有している。モータ６は電気信号で駆動するため、モータ６の制御信号は電気信号として生成することができる。一方、吸気選択弁１１は電気式、油圧式或いは空気圧式など所望のメカニズムで駆動する弁で構成することができる。このため、吸気選択弁１１の制御信号は、電気信号、油圧信号或いは空気圧信号として生成することができる。

従って、制御装置１２は、少なくとも電気回路を含み、必要に応じて油圧信号回路又は空気圧信号回路を設けた回路で構成することができる。また、制御装置１２のうちデジタル情報を処理する部分については、プログラムを読込ませたコンピュータ等の電子回路で構成することができる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す制御装置１２による制御下における高空始動装置４の非動作時と動作時における空気の流れを示す図である。

航空機２が通常通り飛行しており、コンプレッサ５により圧縮されていない空気がレシプロエンジン１に供給される場合には、制御装置１２による制御下においてモータ６の駆動が停止される一方、吸気された空気が高空始動装置４のコンプレッサ５を経由せずにレシプロエンジン１の各ピストン３に供給されるように、制御装置１２による制御下において吸気選択弁１１が切換えられる。すなわち、図１に示すように吸気選択弁１１が配置されている場合であれば、制御装置１２による制御下において吸気選択弁１１が開かれた状態とされる。

このため、コンプレッサ５が停止し、図４（Ａ）に示すように取込まれた空気は高空始動装置４を経由せずに圧縮されることなくレシプロエンジン１の各ピストン３に供給される。そして、燃料ガスと混合され、燃焼によって仕事をした空気は排気ガスとしてレシプロエンジン１の各ピストン３から排気される。

一方、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止した場合には、制御装置１２からモータ６に駆動の開始を指示する制御信号が出力される。このため、モータ６が駆動し、コンプレッサ５が回転する。他方、制御装置１２から吸気選択弁１１に制御信号が出力され、吸気された空気が高空始動装置４のコンプレッサ５を経由してレシプロエンジン１の各ピストン３に供給されるように、吸気選択弁１１が切換えられる。すなわち、図１に示すように吸気選択弁１１が配置されている場合であれば、制御装置１２による制御下において吸気選択弁１１が閉じられた状態とされる。

このため、図４（Ｂ）に示すように取込まれた空気は高空始動装置４のコンプレッサ５を経由して圧縮され、地上と同等な圧力となるまで昇圧された圧縮空気がレシプロエンジン１の各ピストン３に供給される。そして、昇圧された圧縮空気が燃料ガスと混合され、レシプロエンジン１の再始動に使用される。燃料ガスと混合されて仕事をした圧縮空気は排気ガスとしてレシプロエンジン１の各ピストン３から排気される。

上述したようにレシプロエンジン１の各ピストン３に供給される圧縮空気の圧力はリリーフバルブ１０の設定圧に調整される。また、レシプロエンジン１の各ピストン３に供給される圧縮空気の圧力変動は図２のグラフで示すようにエアボックス９で緩和される。従って、航空機２が高空を飛行している場合であってもレシプロエンジン１の始動に適切した圧力を有する空気をレシプロエンジン１の各ピストン３に供給することができる。

制御装置１２からモータ６及び吸気選択弁１１への制御信号の出力は、自動的に行っても良いし、パイロット等の航空機２の操縦者が手動で行うようにしても良い。制御装置１２からモータ６及び吸気選択弁１１への制御信号の出力を手動で行う場合には、入力装置１３から制御情報を制御装置１２に与えることができる。航空機２が有人機であれば、パイロット等の操縦者が操作できるように入力装置１３をコクピットに設けることができる。一方、航空機２が無人機であれば、入力装置１３を遠隔地に設けることができる。

モータ６の制御情報を制御装置１２に与えるための入力装置１３は、例えば、モータ６の出力を可変調整するためのダイヤル又はレバーで構成することができる。或いは、モータ６を駆動状態と停止状態との間で切換えるスイッチを入力装置１３としても良い。一方、吸気選択弁１１の制御情報を制御装置１２に与えるための入力装置１３は、例えば、吸気選択弁１１を開いた状態と閉じた状態との間で切換えるスイッチで構成することができる。

また、モータ６及び吸気選択弁１１を制御装置１２で自動制御する場合には、センサ１４やレシプロエンジン１を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）１５から取得できる情報を用いて航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止したことを自動検出できるようにすることができる。そして、制御装置１２には、センサ１４から出力される検出信号又はＥＣＵ１５から取得した情報に基づいて、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止したことを検出した場合には、モータ６及び吸気選択弁１１に制御信号を出力することによってモータ６を自動的に駆動し、かつコンプレッサ５により圧縮された空気がレシプロエンジン１に供給されるように吸気選択弁１１を自動的に切換える機能を設けることができる。これにより、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１が停止した場合には、自動的に吸気選択弁１１を切換え、コンプレッサ５で圧縮した空気をレシプロエンジン１に供給することができる。

センサ１４は、レシプロエンジン１の停止を自動検出するための物理量を検出することが可能なセンサであれば任意である。例えば、レシプロエンジン１の回転軸の回転を検出する回転センサや振動センサを用いることができる。

一方、ＥＣＵ１５から取得した情報に基づいて制御装置１２がレシプロエンジン１の停止を検出する場合には、レシプロエンジン１を再始動する指示がＥＣＵ１５に入力され場合にレシプロエンジン１の再始動の指示情報がＥＣＵ１５に入力されたことを表す情報をＥＣＵ１５から制御装置１２に出力するようにすることができる。これにより、ＥＣＵ１５から取得した情報に基づいてレシプロエンジン１が停止したことを制御装置１２が自動検知することができる。

以上のような高空始動装置４、航空機用レシプロエンジン１及び航空機２は、高空においてレシプロエンジン１を地上と同等な条件で始動できるようにコンプレッサ５で圧縮した空気をレシプロエンジン１に供給できるようにしたものである。

（効果）
このため、高空始動装置４、航空機用レシプロエンジン１及び航空機２によれば、航空機２が高空を飛行している場合であっても、地上における空気密度と同レベルの空気密度を有する空気をレシプロエンジン１に供給することができる。このため、地上におけるレシプロエンジン１の始動と同様な操作で高空においてレシプロエンジン１を始動することが可能となる。その結果、航空機２の飛行中におけるレシプロエンジン１の再始動が容易となり、パイロット等の負担を軽減することができる。

また、高空でレシプロエンジン１を再始動する場合において、ホットスタート等の好ましくない状況が発生するリスクを、地上と同程度に低減することができる。その結果、航空機２の安全性を向上することができる。

更に、レシプロエンジン１を始動することが可能な航空機２の高度の範囲（エンベロープ）を、高高度側に広げることができる。このため、高空でレシプロエンジン１を始動するために航空機２を滑空で降下させる時間と距離を短縮することが可能となる。

しかも、高空始動装置４は、既存のレシプロエンジン１に後発的に容易に追加することができる。すなわち、レシプロエンジン１の大掛かりな改修を行わずに高空始動装置４を既存のレシプロエンジン１に追加することができる。特に、電気等の動力源を利用せずに燃料を空気と混合するキャブレーターエンジンへの高空始動装置４の取付も容易である。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図である。

図５に示された第２の実施形態は、航空機用レシプロエンジン１Ａがターボチャージャー２０付きのエンジンである点と、高空始動装置４Ａがターボチャージャー２０付きの航空機用レシプロエンジン１Ａを高空で再始動できるように構成されている点が第１の実施形態と相違する。第２の実施形態における他の構成及び作用については第１の実施形態と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

航空機用レシプロエンジン１Ａにはターボチャージャー２０を備えるものがある。ターボチャージャー２０は、排気ガスのエネルギを利用して、レシプロエンジン１Ａのピストン３に、空気の圧力を昇圧して供給する過給機である。典型的なターボチャージャー２０は、タービン２１、コンプレッサ２２、インタークーラー２３及びウェストゲートバルブ２４で構成される。

タービン２１は排気ガスが流れる配管上に設けられる。このため、タービン２１は排気ガスによって回転する。タービン２１はシャフト２５でコンプレッサ２２と連結される。すなわち、共通のシャフト２５の両端にタービン２１とコンプレッサ２２が固定される。従って、タービン２１の回転がシャフト２５によってコンプレッサ２２に伝達される。その結果、コンプレッサ２２はタービン２１の回転トルクによってタービン２１の回転速度と同じ回転速度で回転する。

コンプレッサ２２はレシプロエンジン１Ａのピストン３に供給すべき空気の取込口付近に配置される。従って、排気ガスの流れを利用してコンプレッサ２２を駆動させ、大気中から空気を取り込んで圧縮することができる。コンプレッサ２２の出口側にはインタークーラー２３が設けられる。そして、インタークーラー２３ではコンプレッサ２２で圧縮された空気が冷却される。インタークーラー２３で冷却された圧縮空気は、レシプロエンジン１Ａに供給される。

また、タービン２１の上流側において排気ガスの配管が分岐し、分岐した排気ガスの配管にウェストゲートバルブ２４が設けられる。すなわち、ウェストゲートバルブ２４がタービン２１と並列接続される。ウェストゲートバルブ２４は排気ガスの一部を分流させることによりタービン２１への排気ガスの流入量を調節するための弁である。ウェストゲートバルブ２４を設けることによって、過剰な量の排気ガスがタービン２１に流入し、タービン２１が過剰な回転速度で回転することを防止することができる。

このような構成を有するターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａに対しても、高空においてレシプロエンジン１Ａを再始動できるように高空始動装置４Ａを設けることができる。ターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａの場合、ターボチャージャー２０の構成要素としてインタークーラー２３が備えられるため、高空始動装置４Ａは、コンプレッサ５、モータ６、バッテリ７、エアボックス９、リリーフバルブ１０、第１の吸気選択弁１１Ａ、第２の吸気選択弁１１Ｂ、制御装置１２、入力装置１３及びセンサ１４Ａ、１４Ｂの他、大気解放選択弁３０で構成することができる。

高空始動装置４Ａのコンプレッサ５、モータ６及びバッテリ７は、第１の実施形態と同様に、インタークーラー２３と、空気の取込口との間に設けることができる。高空始動装置４Ａのエアボックス９及びリリーフバルブ１０についても第１の実施形態と同様に、インタークーラー２３とレシプロエンジン１Ａとの間に設けることができる。

その結果、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５の出口側及び高空始動装置４Ａのコンプレッサ５とは別のターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の出口側は、いずれもインタークーラー２３と空気の配管で連結される。従って、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５の出口側に連結される空気の配管と、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の出口側に連結される空気の配管は合流してインタークーラー２３の入口側に連結される。

ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の出口と、配管の合流点の間には、第１の吸気選択弁１１Ａが設けられる。他方、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５の出口と、配管の合流点の間には、第２の吸気選択弁１１Ｂが設けられる。尚、第１の吸気選択弁１１Ａ及び第２の吸気選択弁１１Ｂを、それぞれターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の入口側及び高空始動装置４Ａのコンプレッサ５の入口側に設けるようにしても良い。

そうすると、第１の吸気選択弁１１Ａを開く一方、第２の吸気選択弁１１Ｂを閉じれば、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２で圧縮された空気を、インタークーラー２３を通じてレシプロエンジン１Ａに供給することができる。一方、第１の吸気選択弁１１Ａを閉じる一方、第２の吸気選択弁１１Ｂを開けば、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５で圧縮された空気を、インタークーラー２３を通じてレシプロエンジン１Ａに供給することができる。

つまり、第１の吸気選択弁１１Ａ及び第２の吸気選択弁１１Ｂを連動させて開閉すれば、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５で圧縮された空気と、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２で圧縮された空気とを切換えてレシプロエンジン１Ａに供給することができる。特に、第１の吸気選択弁１１Ａ及び第２の吸気選択弁１１Ｂの制御によって、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５で圧縮された空気を、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５とは別のコンプレッサ２２とタービン２１を有するターボチャージャー２０を備えたレシプロエンジン１Ａの各ピストン３に供給することができる。

高空始動装置４Ａのコンプレッサ５、第１の吸気選択弁１１Ａ、第２の吸気選択弁１１Ｂ及び大気解放選択弁３０は、制御装置１２によって統括制御することができる。コンプレッサ５、第１の吸気選択弁１１Ａ、第２の吸気選択弁１１Ｂ及び大気解放選択弁３０の制御は、第１の実施形態と同様に、入力装置１３の操作によって手動で行うようにしても良いし、ＥＣＵ１５から制御装置１２に出力される情報又はセンサ１４Ａから制御装置１２に出力される検出信号に基づいて自動的に行うようにしても良い。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は図５に示す制御装置１２による制御下における高空始動装置４Ａの非動作時と動作時における空気の流れを示す図である。

ターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａが正常に動作している場合には、高空始動装置４Ａを動作する必要が無い。従って、ターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａが正常に動作している場合には、第１の吸気選択弁１１Ａが開かれる一方、第２の吸気選択弁１１Ｂが閉じられる。これにより、ターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａが正常に動作している場合には、図６（Ａ）に示すようにターボチャージャー２０のコンプレッサ２２で圧縮された空気をインタークーラー２３を通じてレシプロエンジン１Ａに供給することができる。

但し、高空始動装置４Ａのリリーフバルブ１０がインタークーラー２３よりも下流側に連結されている。リリーフバルブ１０はバネを利用して空気の圧力自体によって機械的に開閉し、レシプロエンジン１Ａに供給される空気の圧力を高空でのレシプロエンジン１Ａの再始動に適した設定圧に調整するための弁である。従って、ターボチャージャー２０で圧縮空気をレシプロエンジン１Ａに供給している間には、リリーフバルブ１０からの空気のリリーフは不要である。そこで、リリーフバルブ１０の出口側に連結される空気の配管に大気解放選択弁３０を設けることが好ましい。

大気解放選択弁３０を電気式、油圧式又は空気圧式等の制御可能な弁で構成すれば、大気解放選択弁３０を閉じることによって、リリーフバルブ１０からの空気のリリーフを止めることができる。換言すれば、大気解放選択弁３０を閉じることによって、リリーフバルブ１０の作用を無効化することができる。これにより、ターボチャージャー２０で圧縮された空気がレシプロエンジン１Ａに供給されている間において、圧縮空気がリリーフバルブ１０から漏れることを防止することができる。

一方、航空機２の飛行中においてターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａが停止した場合には、高空始動装置４Ａを動作させてレシプロエンジン１Ａを再始動することが必要になる。この場合、第１の吸気選択弁１１Ａが閉じられる一方、第２の吸気選択弁１１Ｂが開かれる。そして、制御装置１２による統括制御下において、第１の吸気選択弁１１Ａ及び第２の吸気選択弁１１Ｂの切換動作と連動してモータ６の回転が開始される。

これにより、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５が駆動し、外部から取込まれた空気が圧縮される。その結果、航空機２の飛行中においてターボチャージャー２０付きのレシプロエンジン１Ａが停止した場合には、図６（Ｂ）に示すように高空始動装置４Ａのコンプレッサ５で圧縮された空気をインタークーラー２３を通じてレシプロエンジン１Ａに供給することができる。

また、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５で圧縮された空気をインタークーラー２３を通じてレシプロエンジン１Ａに供給する場合には、制御装置１２による統括制御下において、コンプレッサ５、第１の吸気選択弁１１Ａ及び第２の吸気選択弁１１Ｂの動作と連動して大気解放選択弁３０が開かれる。このため、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５から供給される圧縮空気の圧力が増加すると、リリーフバルブ１０から空気がリリーフされる。その結果、レシプロエンジン１Ａには始動に適した圧力で空気を供給することができる。

更に、高空始動装置４Ａはレシプロエンジン１Ａが停止した場合のみならず、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合においても動作させることができる。すなわち、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合には、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５を代用することができる。

ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合には、制御装置１２による統括制御下において、第１の吸気選択弁１１Ａ及び大気解放選択弁３０を閉じる一方、第２の吸気選択弁１１Ｂを開くことができる。加えて、モータ６を回転させて高空始動装置４Ａのコンプレッサ５を作動させることができる。

そうすると、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５によって圧縮された空気をレシプロエンジン１Ａに供給することができる。しかも、大気解放選択弁３０が閉じられているため、リリーフバルブ１０からの空気のリリーフは発生しない。このため、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合であっても、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５から不足した空気を補うことができる。その結果、レシプロエンジン１Ａの出力とともに航空機２の推力を一時的に維持することが可能となる。

ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の故障は、シャフト２５の回転を検出する回転センサやシャフト２５の回転トルクを検出するトルクセンサ或いはコンプレッサ２２から吐出される圧縮空気の圧力を計測する圧力計や圧縮空気の流量を計測する流量計等の任意のセンサ１４Ｂで検出される検出信号に基づいて、制御装置１２において自動検出することができる。そして、制御装置１２には、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２の故障を検出した場合には、モータ６を自動的に駆動し、かつ高空始動装置４Ａのコンプレッサ５により圧縮された空気がレシプロエンジン１Ａに適切な圧力で供給されるように第１の吸気選択弁１１Ａ、第２の吸気選択弁１１Ｂ及び大気解放選択弁３０を自動的に切換える機能を設けることができる。これにより、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合であっても、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５を駆動させることによってレシプロエンジン１Ａの出力を維持し、航空機２の安全性を向上することができる。

以上の第２の実施形態は、ターボチャージャー２０付きの航空機用レシプロエンジン１Ａを高空で始動できるように高空始動装置４Ａを設けたものである。また、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２が故障した場合において、高空始動装置４Ａのコンプレッサ５を代用できるようにしたものである。

このため、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果に加えて、特に高高度を飛行する航空機２に備えられるターボチャージャー２０付きの航空機用レシプロエンジン１Ａが飛行中において停止した場合において、より高度が高い位置においてレシプロエンジン１Ａを再始動することが可能となるという効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図７は本発明の第３の実施形態に係る高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジンの構成図である。

図７に示された第３の実施形態は、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２と、高空始動装置４Ｂのコンプレッサ５を共通にした点が第２の実施形態と相違する。第３の実施形態における他の構成及び作用については第２の実施形態と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

図７に示すようにコンプレッサ２２とタービン２１とを有するターボチャージャー２０を備えたレシプロエンジン１Ｂが高空始動装置４Ｂによる高空での始動対象である場合には、ターボチャージャー２０のコンプレッサ２２を高空始動装置４Ｂのコンプレッサ５として用いることができる。

この場合、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１Ｂが停止した場合には、モータ６からコンプレッサ５、２２に動力を供給することができる。このため、レシプロエンジン１Ｂの停止に伴って排気ガスの流量が減少し、タービン２１の回転速度が低下したとしても、モータ６を駆動させることによってコンプレッサ５、２２を適切な回転速度で回転させることができる。また、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１Ｂが停止した場合には、大気解放選択弁３０を開くことができる。これにより、レシプロエンジン１Ｂに供給される空気の圧力を、レシプロエンジン１Ｂの始動に適した圧力に調節することができる。

モータ６及び大気解放選択弁３０の制御は入力装置１３の操作によって手動で行っても良いし、自動的に行うようにしても良い。モータ６及び大気解放選択弁３０の制御を自動的に行う場合には、制御装置１２に、航空機２の飛行中においてレシプロエンジン１Ｂが停止したことを検出した場合にモータ６を自動的に駆動させることによって、モータ６からコンプレッサ５、２２に動力を供給させる機能を設けることができる。

以上の第３の実施形態によれば、第２の実施形態と比較して、航空機２の構成部品の数を減少させ、構成を簡易にすることができる。このため、航空機２の重量軽減に繋がる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ、１Ｂ 航空機用レシプロエンジン
２ 航空機
３ ピストン
４、４Ａ、４Ｂ 高空始動装置
５ コンプレッサ
６ モータ
７ バッテリ
８ インタークーラー
９ エアボックス
１０ リリーフバルブ
１１ 吸気選択弁
１１Ａ 第１の吸気選択弁
１１Ｂ 第２の吸気選択弁
１２ 制御装置
１３ 入力装置
１４、１４Ａ、１４Ｂ センサ
１５ ＥＣＵ（ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）
２０ ターボチャージャー
２１ タービン
２２ コンプレッサ
２３ インタークーラー
２４ ウェストゲートバルブ
２５ シャフト
３０ 大気解放選択弁
Ｒ 圧力範囲

Claims (11)

1. 空気を吸入して圧縮し、圧縮した前記空気を航空機のレシプロエンジンに供給するコンプレッサと、
   前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが停止した場合に前記コンプレッサに回転動力を出力することによって前記レシプロエンジンの再始動のための圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給するモータと、
   前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとの間に配置され、前記コンプレッサから前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気の圧力変動を緩和するためのエアボックスと、
   を有し、
   前記コンプレッサの容量を、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンを再始動するために必要な空気の圧力範囲にある圧力で、前記圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給できる容量に決定する一方、
   前記エアボックスの容積を、前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンを再始動するために前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気が前記圧力範囲にある圧力となるように決定した航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
2. 前記コンプレッサにより圧縮された空気の前記レシプロエンジンへの供給と、前記コンプレッサにより圧縮されていない空気の前記レシプロエンジンへの供給とを切換える弁を更に有する請求項１記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
3. 空気を吸入して圧縮し、圧縮した前記空気をターボチャージャーを備えた航空機のレシプロエンジンの各ピストンに供給するコンプレッサと、
   前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが故障した場合に前記コンプレッサに回転動力を出力することによって前記レシプロエンジンの出力の回復のための圧縮された空気を前記レシプロエンジンに供給するモータと、
   前記コンプレッサで圧縮された空気と、前記ターボチャージャーに備えられる前記コンプレッサとは別のコンプレッサで圧縮された空気とを切換えて前記レシプロエンジンに供給する弁と、
   前記ターボチャージャーの前記別のコンプレッサの故障を検出した場合に前記モータを自動的に駆動し、かつ駆動した前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサにより圧縮された空気が前記レシプロエンジンに供給されるように前記弁を自動的に切換える制御装置と、
   を有する航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
4. 前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとの間を連結する前記圧縮された空気の配管と直接又は間接的に連結され、前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサで圧縮された空気のうちの余剰空気を放出することによって、前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサから前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気の圧力を調節するリリーフバルブを更に有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
5. 前記リリーフバルブによって調節される前記圧縮された空気の圧力を大気圧に設定した請求項４記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
6. 前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとの間に配置され、前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサから前記レシプロエンジンに供給される前記圧縮された空気の圧力変動を緩和するためのエアボックスを更に有する請求項３記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
7. 前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサと前記レシプロエンジンとの間に配置され、前記モータの回転動力で回転する前記コンプレッサにより圧縮された空気を冷却するインタークーラーを更に有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
8. 前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが停止したことを検出した場合に前記モータを自動的に駆動し、かつ前記コンプレッサにより圧縮された空気が前記レシプロエンジンに供給されるように前記弁を自動的に切換える制御装置を更に有する請求項２記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
9. コンプレッサとタービンとを有するターボチャージャーを備えたレシプロエンジンの前記ターボチャージャーの前記コンプレッサを前記高空始動装置の前記コンプレッサとして用い、
   前記航空機の飛行中において前記レシプロエンジンが停止したことを検出した場合に前記モータを自動的に駆動させることによって、前記モータから前記コンプレッサに動力を供給させる制御装置を更に有する請求項１記載の航空機用レシプロエンジンの高空始動装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高空始動装置を設けた航空機用レシプロエンジン。
11. 請求項１０記載の航空機用レシプロエンジンを備えた航空機。

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