JPWO2020075742A1 - エンジン - Google Patents

Abstract

エンジン（５）は、ピストン（１２）を含み、ピストンの往復直線運動に伴い駆動用の燃焼ガス（７１）を供給するガス供給ユニット（１０）を有する。ガス供給ユニットは、さらに、ピストンが往復動するシリンダ（１１）と、シリンダ内のピストンの両側に設けられた第１の燃焼室（３１）および第２の燃焼室（３２）と、第１の燃焼室で生成された高圧の燃焼ガスを駆動用に供給する共通のガス出力口（１７）と、第１の燃焼室を貫通してピストンに接続された第１のロッド（１３ａ）と、第１のロッドを介してピストンの位置を前記シリンダの外で制御する第１のピストン制御ユニット（６０）とを含む。

Description

本発明は、燃焼室内で生成された高圧の燃焼ガスを動力に使うエンジンに関するものである。

国際公開ＷＯ２０１５／１５９９５６号公報には、燃焼ガスを駆動力として噴出するエンジンを提供することが記載されている。このエンジンは、燃焼室と、燃焼室に燃料および空気を混合して供給する燃料供給路と、燃焼室の混合ガスに点火するイグナイタと、燃焼室から燃焼ガスを、ノズルを介して噴出するガス放出路と、ガス放出路を開閉する開閉装置とを有する。ガス放出路は、開閉装置により、点火の直前、点火と同時、または点火の直後に開放できる。

ピストンを用いたエンジンであって、燃焼ガスを駆動力としてタービンなどに供給するタイプのエンジンにおいて、燃焼ガスをさらに効率よく供給できるとともに、コンパクトに配置しやすいエンジンが求められている。

本発明の一態様は、少なくとも１つのピストンを含み、少なくとも１つのピストンの往復直線運動に伴い駆動用の燃焼ガスを供給するガス供給ユニットを有するエンジンである。ガス供給ユニットは、さらに、少なくとも１つのピストンが往復動するシリンダと、シリンダ内の両側に設けられた第１の燃焼室および第２の燃焼室と、第１の燃焼室で生成された高圧の燃焼ガスを駆動用に供給する第１のガス出力口と、第２の燃焼室で生成された高圧の燃焼ガスを駆動用に供給する第２のガス出力口と、第１の燃焼室を貫通して少なくとも１つのピストンの１つに接続された第１のロッドと、第１のロッドを介して少なくとも１つのピストンの１つの位置をシリンダの外で制御する第１のピストン制御ユニットとを含む。ガス供給ユニットは、さらに、第２の燃焼室を貫通してピストンに接続された第２のロッドと、第２のロッドを介して少なくとも１つのピストンの１つの位置をシリンダの外で制御する第２のピストン制御ユニットとを含んでもよい。

シリンダの両側に燃焼室を設けることにより、それぞれの燃焼室で交互に燃焼を繰り返すことができ、第１および第２のガス出力口から、交互に、より短いサイクルで、駆動用の高圧燃焼ガスをタービンなどの被駆動系に対し供給できる。さらに、燃焼室を貫通する第１のロッドを介してシリンダの外側からピストンを制御することにより、第１および第２の燃焼室に挟まれるピストンに、リニアモータあるいは発電機構を付加したりする必要がなくなり、ピストンの構造を簡素化できる。このため、第１および第２の燃焼室を近づけることによりガス供給ユニットの構成を簡略化でき、第１および第２のガス出力口を近づけ、タービンなどの被駆動系に対してガスを供給するシステムを簡略化できる。したがって、燃焼ガスをさらに効率よく供給できるとともに、コンパクトに配置しやすいエンジンを提供できる。

このガス供給ユニットにおいては、ピストンの構成を簡素化できるので、典型的には、ピストンは単一のピストンであってもよい。また、シリンダは単一のピストンが往復動する単一のシリンダであってもよい。さらに、シリンダは、第１の燃焼室の一部および第２の燃焼室の一部として機能する共通の部分を含んでもよい。また、ガス供給ユニットは、共通の部分に設けられた共通のガス出力口を含んでもよい。この共通のガス出力口が第１のガス出力口および第２のガス出力口を兼ねてもよい。また、共通のガス出力口は、圧力低下後のガスを燃焼室から廃棄するための排気用の出力口であってもよい。

少なくとも１つのピストンは、第１の燃焼室に面した第１の部分と、第２の燃焼室に面した第２の部分と、第１の部分および第２の部分を連結してシリンダの内部に中空な部分を形成する連結部とを含んでもよい。第１の部分および第２の部分の間に形成される中空な部分を発電機構のために用いたり、燃焼用ガスまたは空気の処理のために用いることができる。例えば、シリンダが、中空な部分を分離する壁体であって、中空な部分が往復動することにより外気を吸引する第１および第２の吸引室を形成する壁体を含んでもよい。このガス供給ユニットにおいては、第２の燃焼室の燃焼によりピストンが移動すると、ピストン内の第１の吸引室が負圧となり、第１の燃焼室の燃焼によりピストンが移動するとピストン内の第２の吸引室が負圧になる。このため、ピストンの往復動により自然吸気が可能となり、自然吸気型のガス供給ユニットを提供できる。

ガス供給ユニットは、ピストンの往復動に連動して、ピストンおよび第１のロッドを第１のロッドの中心軸を中心として旋回させるようにらせん状に設けられたシール構造を含んでもよい。ピストンおよびロッドを介して燃焼ガスが漏れ出ることを抑制できる。ガス供給ユニットは、第１の燃焼室を貫通する第１のロッドがシリンダを貫通する孔を、第１のロッドと連動してシールするシール構造を含んでもよい。第１の燃焼室が燃焼により加圧されると第１のロッドはシリンダ内に引き込まれるので、その力を用いてシールするシール構造を提供してもよく、ピストンのストッパとしての機能を含んでもよい。

ピストンと第１のロッドを介して接続された第１のリニア発電ユニットを有してもよい。第１のリニア発電ユニットが第１の制御ユニットとしての機能を含んでもよい。さらに、第１のリニア発電ユニットはピストンを駆動して当該エンジンを始動する第１のリニアモータとしての機能を含んでもよい。

エンジンは、第１のガス出力口および第２のガス出力口から高圧の燃焼ガスが供給されるガスタービンを有してもよい。ガスタービンは、ラジアルタービンであってもよい。複数のガス供給ユニットがガスタービンの周囲に沿って配置されてもよい。例えば、ラジアルタービンユニットを中心に四方にガス供給ユニットを配置することが可能であり、全体として、タービンを中心にボックス状に纏められたコンパクトなエンジンを供給できる。複数のガス供給ユニットがガスタービンの両側に並列に配置されていてもよい。例えば、ラジアルタービンユニットの両側にガス供給ユニットが平面的に配置されていてもよく、比較的薄くコンパクトなエンジンを提供できる。これらエンジンと、ガスタービンに接続された発電機とを有する、コンパクトな発電装置を提供してもよい。

発電ユニットの概要を示す図。 エンジンの構成を抜き出して示す図。 ピストンおよび燃焼のタイミングを示すグラフ。 異なる発電ユニットの概要を示す図。 シール構造の一例を示す図。 さらに異なるガス供給ユニットの概要を示す図。 シール構造の他の例を示す図。

発明の実施の形態

図１に、複数のガス供給ユニット１０とガスタービンユニット６とを備えたエンジン５と、ガスタービンユニット（例えばラジアルタービン、以降ではタービン）６により回転駆動される発電機３およびコンプレッサー４とを含む発電装置（発電ユニット）１を、一部断面を用いて模式的に示している。発電ユニット１は、タービン６に対し長手方向に直線的にシャフト６ａにより接続された発電機３と、タービン６に対して発電機３と反対方向にシャフト６ａにより接続されたコンプレッサー４とを含む。コンプレッサー４は、タービン排気ノズル７に接続され、タービン排気により駆動されるタイプ、例えば、ターボチャージャーであってもよい。コンプレッサー４により圧縮された燃焼用の空気７９は空気ダクト４ａを介してそれぞれのガス供給ユニット１０に供給される。

発電ユニット１は、さらに、タービン６を中心として、その周囲、例えば四方または並列に配置された複数のガス供給ユニット１０を含む。発電ユニット１（エンジン５）は、タービン６とガス供給ユニット１０とが一対一に対応したものであってもよく、１つのガス供給ユニット１０が複数のタービン６に駆動用のガス７１を供給するタイプであってもよい。

それぞれのガス供給ユニット１０は、リニア発電ユニット２０を含む。これらのタービン６、発電機３、コンプレッサー４、圧縮空気を供給する空気ダクト４ａ、複数のガス供給ユニット１０およびリニア発電ユニット２０は、全体が１つの装置として設置または可搬できる状態（ユニット、装置）で提供される。さらに、発電ユニット１は、ピストン制御ユニット６０を兼ねたリニア発電ユニット（リニアモーターユニット）２０およびガス供給ユニット１０を介して発電ユニット１を制御する管理ユニット（不図示）と、ガス供給ユニット１０に、燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給ユニット（不図示）とを含んでいてもよい。

ガスタービンユニット６は、ラジアルタービン（半径流タービン）であってもよく、軸流タービンであってもよく、ラジアルタービンと軸流タービンとの組み合わせであってもよい。このエンジン５においては、複数、例えば４つのガス供給ユニット１０がタービン６の周囲の対称な位置に、例えば９０度ピッチで配置され、異なったタイミングで、または同期して駆動用の燃焼ガスをタービン６に供給する。ガス供給ユニット１０の数は４つに限定されず、３つ以下であってもよく、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。

図２に、タービン６と、タービン６に駆動用の高圧の燃焼ガス７１を供給するガス供給ユニット１０とを含むエンジン５の構成を抜き出して示している。なお、図１に対し、図２では、ガス供給ユニット１０のピストン１２が次の工程に動いた状態を示している。ガス供給ユニット１０は、ピストン１２と、ピストン１２が内部１４で往復直線運動を行うシリンダ１１とを含み、シリンダ１１内のピストン１２の一方の側（第１の側、本図では右側）に第１の燃焼室３１が形成され、ピストン１２の他方の側（第２の側、本図では左側）に第２の燃焼室３２が形成される。すなわち、このガス供給ユニット１０は、１つの（単一の）シリンダ１１の内部で直線的に動く１つの（単一の）ピストン１２を含み、シリンダ１１の両側のそれぞれに第１の燃焼室３１と第２の燃焼室３２とが設けられている。

ガス供給ユニット１０は、さらに、シリンダ１１の中央部分の、第１の燃焼室３１として機能するとともに第２の燃焼室３２としても機能する共通部分３３に設けられたガス出力口１７を含む。共通のガス出力口１７は、ピストン１２がシリンダ１１の内部１４を往復直線運動することにより開閉され、ガス出力口１７を介して第１の燃焼室３１で生成された高圧の燃焼ガス（駆動用ガス）７１と、第２の燃焼室３２で生成された高圧の燃焼ガス７１とが交互にタービン６に供給される。

ガス供給ユニット１０は、第１の燃焼室３１を貫通してピストン１２に接続された第１のロッド１３ａと、第２の燃焼室３２を貫通して共通のピストン１２に接続された第２のロッド１３ｂと、第１のロッド１３ａを介してピストン１２の位置をシリンダ１１の外で制御する第１のピストン制御ユニット６１と、第２のロッド１３ｂを介してピストン１２の位置をシリンダ１１の外で制御する第２のピストン制御ユニット６２とを含む。第１のピストン制御ユニット６１および第２のピストン制御ユニット６２は構成が共通し、ガス供給ユニット１０は、第１のピストン制御ユニット６１および第２のピストン制御ユニット６２のいずれか一方のみを備えていてもよい。第１のピストン制御ユニット６１および第２のピストン制御ユニット６２を設けて協働してピストン１２を制御したり、後述するように発電することにより、個々の制御ユニットの制御および発電の負荷を軽減でき、また、万一、一方の制御ユニットにトラブルが発生したときにも安全にエンジン５を制御できる。なお、共通の構成を含む制御ユニット６１および６２について以降において構成を説明するときはピストン制御ユニット６０として参照する。

それぞれのピストン制御ユニット６１および６２（６０）はリニア発電ユニット（第１のリニア発電ユニットおよび第２のリニア発電ユニット）２０を兼ねており、ガス供給ユニット１０の長手方向に一体となるようにロッド（シャフト）１３ａおよび１３ｂにより接続されている。ピストン制御ユニット６０は、筒型のハウジング６５と、制御ユニットとしては電動アクチュエータとして機能し、発電ユニットとしては発電コイルとして機能するように、ハウジング６５の内部に長手方向（軸方向）に配置された複数の固定コイル（電磁石）６３と、固定コイル６３の内部で軸方向に沿って動く可動磁石（可動電磁石）６６とを含み、可動磁石６６がピストン１２とシャフト（ロッド）１３ａおよび１３ｂにより連結されている。ハウジング６５の内部の両端には、可動磁石６６の端末での動きを緩和するショックアブソーバーとして機能する永久磁石６４が設けられている。永久磁石６４の代わりに、あるいは永久磁石６４とともに、コイルバネなどの可動磁石６６の動きを機械的に緩和する手段が配置されていてもよい。可動磁石６６は永久磁石であってもよい。固定コイル６３は、すべてが電磁石でなくてもよく、ピストン１２の制御に適した位置の磁石を、適切な磁極を備えた永久磁石に置き換えてもよい。

ピストン制御ユニット６０は、第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２の外側、すなわち耐熱および耐圧力容器となるシリンダ１１の外側に配置され、ピストン１２の位置を、ピストン１２に接続されたシャフト１３ａおよび１３ｂを介して制御する。したがって、ピストン制御ユニット６０を構成する機器としては、耐熱および耐圧に関する性能がそれほど高くないものを採用できる。ピストン制御ユニット６０を構成する各要素、例えば、ハウジング６５および固定コイル６３を耐圧および耐熱性として、シリンダ１１と一体、または、シリンダ１１に組付け可能な構成としてもよい。シリンダ１１およびピストン制御ユニット６０を含めて、密封性の高い耐圧性のハウジングに一体化することができる。

ピストン制御ユニット６０は、リニアアクチュエータ（リニアモータ）としての機能を備えており、当該エンジン５、具体的には各ガス供給ユニット１０のピストン１２をシリンダ１１内で強制的に左右に動かしてガス供給ユニット１０を始動するスタータとして機能する。また、ピストン制御ユニット６０は、ピストン１２のシリンダ１１内の移動量（ストローク）をシャフト１３ａおよび１３ｂを介して制御してもよく、燃焼室３１および３２における圧縮率を制御してもよい。

ガス供給ユニット１０は、シリンダ１１の内部１４の第１の端（右端）および第２の端（左端）の近傍に、コンプレッサー４からの燃焼空気を導入する吸気口１５と、吸気口１５を開閉する吸気バルブ１５ｖと、燃料噴射装置１６ａと、点火装置１６ｂとを含む。ピストン１２の移動量により燃料の着火温度まで燃焼室３１および３２内の圧縮空気の温度を高くできる場合は、燃料噴射装置１６ａから燃料を噴射することにより、それぞれの燃焼室３１および３２内において燃焼を開始できる（圧縮点火モード）。断熱圧縮の過程において圧縮空気の圧縮率を着火温度まで上げることが難しい場合は、燃料供給ユニットは圧縮空気の代わりに、燃料との混合空気を燃焼室３１および３２に供給し、点火装置１６ｂにより開始してもよい（火花点火モード）。圧縮点火モードにおいては、近年開発が進んでいる予混合圧縮自動着火（ＨＣＣＩ、Homogeneous Charge Compression Ignition）に関する燃焼技術を適用してもよい。

図３に、このガス供給ユニット１０の典型的な動作を、ピストン１２の移動を表すグラフにより示している。このガス供給ユニット１０は、シリンダ１１の内部１４にガス出力口１７を中心として対称に燃焼室３１および３２が設けられ、シリンダ１１内をピストン１２が直線往復することにより、対称な構成の燃焼室３１および３２で圧縮−着火−燃焼が交互に繰り返される。まず、図１の上側のガス供給ユニット１０に示すように、ピストン１２が左端から動いて、図２の上側のガス供給ユニット１０に示すように、ピストン１２の右端１２ａが上死点Ｐ１に達すると（図３に示す実線の圧縮工程４１）、右側の第１の燃焼室３１で着火燃焼（燃焼工程４３）が起きる。それにより、第１の燃焼室３１では燃焼により燃焼ガスが断熱膨張し（膨張工程４５）、ピストン１２の右端１２ａが下死点Ｐ２に達するとガス出力口１７が開いて、高圧の燃焼ガスが駆動ガス７１としてタービン６に供給される（ガス噴出工程４７）。第１の燃焼室３１の圧力が低下すると、吸気バルブ１５ｖが開いて吸気口１５から新たな燃焼用空気７９または燃料との混合気体が燃焼室３１に供給される。

第１の燃焼室３１における膨張工程４５に対応して（同時に）、反対側の第２の燃焼室３２においてはピストン１２が左側に移動し、ピストン１２の左端１２ｂが上死点Ｐ１に達することにより、第２の燃焼室３２の空気または混合気体を圧縮する（圧縮工程４１）。その後、第１の燃焼室３１のガス噴出工程４７に対応して、第２の燃焼室３２では燃焼工程４３が行われ、第１の燃焼室３１の圧縮工程４１に対応して、第２の燃焼室３２では膨張工程４５が行われ、第１の燃焼室３１の燃焼工程４３に対応して、第２の燃焼室３２ではガス噴出工程４７が行われる。したがって、ガス供給ユニット１０の第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２において交互に燃焼が繰り返され、第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２における燃焼のサイクルの半分のサイクルでガス供給ユニット１０のガス出力口１７から燃焼ガスが駆動ガス７１としてタービン６に供給される。このため、タービン６の駆動ガス７１の入口圧力の変動を抑制でき、駆動ガス７１により、より効率よくタービン６を駆動でき、発電ユニット１の発電効率を向上できる。

さらに、このガス供給ユニット１０においては、ピストン１２に取り付けられ、第１および第２の燃焼室３１および３２を貫通してシリンダ１１の外側に延びたロッド１３ａおよび１３ｂによりピストン１２の左右の動きがシリンダ１１の外側に取り出される。ロッド１３ａおよび１３ｂの先端には可動磁石６６が取り付けられており、リニア発電ユニット２０としての機能を備えたピストン制御ユニット６０の中でピストン１２の動きに連動して可動磁石６６が動き、発電が行われる。したがって、ピストン１２の動きによっても発電され、発電ユニット１の発電効率および／または発電量を向上できる。

図４に、異なるタイプのガス供給ユニット１０を含むエンジン５と、エンジン５のタービン６により回転駆動される発電機３とを含む発電ユニット１を示している。このガス供給ユニット１０は、単一のシリンダ１１の内部で直線的に動く単一のピストン１２を含み、ピストン１２の両側、すなわち、シリンダ１１の両側に燃焼室３１および３２が設けられている。また、ガス供給ユニット１０は、第１の燃焼室３１から高圧の燃焼ガスを駆動ガス７１としてタービン６に供給する第１のガス出力口１７ａと、第２の燃焼室３２から高圧の燃焼ガスを駆動ガス７１としてタービン６に供給する第２のガス出力口１７ｂと、それぞれの燃焼室３１および３２から低圧の燃焼ガス（排気ガス）７２を排気する共通の排気口１８とを含む。

共通の排気口１８は、シリンダ１１の長手方向のほぼ中央の、第１の燃焼室３１として機能するとともに第２の燃焼室３２としても機能する共通部分３３に設けられている。ピストン１２が排気口１８を通過することによりそれぞれの燃焼室３１および３２から排ガス７２が適当な配管またはサイレンサーなどの排出機構（不図示）を介して燃焼ガスを大気へ排気される。排ガス機構は、ピストン１２に移動とは独立してそれぞれの燃焼室３１および３２を与圧するための制御弁や、排ガス７２のエネルギーを用いて吸気を加圧するターボチャージャーなどを含んでいてもよい。このガス供給ユニット１０においては、ガス出力口（第１の排気口）１７ａおよび１７ｂから交互に燃焼ガスが駆動ガス７１としてタービン６に噴射される。その際、タービン６の室内の圧力により残留排気ガスが燃焼室３１および３２に溜まり、燃焼室内の排気が不十分になる場合は共通の排気口１８から残留した燃焼ガスを排気できる。このため、燃焼室３１および３２に、燃焼用の空気を供給しやすく、燃焼を制御しやすい。

第１のガス出力口１７ａおよび第２のガス出力口１７ｂはそれぞれ、シリンダ１１の長手方向の中央からシリンダ１１の両端に向かってシフトした、それぞれの燃焼室３１および３２に含まれる位置であって、シリンダ１１の中央に対して対称な位置に設けられている。それぞれのガス出力口１７ａおよび１７ｂは、ピストン１２を挟んでシリンダ内１４に形成される第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２において、燃焼後の早い段階でピストン１２が移動（通過）する位置に設けられている。このガス供給ユニット１０においては、ピストン１２がそれぞれのガス出力口１７ａおよび１７ｂを開閉する機能を含む。ガス出力口１７ａおよび１７ｂは、ガス供給ライン１９を介してタービン６に高圧の駆動ガス７１を供給する。ガス供給ライン１９は、臨界ノズルとしての機能を備えていてもよい。また、ガス供給ライン１９には、相互の燃焼室３１および３２からの駆動ガス７１、他のガス供給ユニット１０からの駆動ガス７１の逆流を防止するためのバルブまたは他の逆流防止用の機構、およびその他の流量および／または圧力制御機構が設けられていてもよい。

このガス供給ユニット１０におけるガス出力口１７ａおよび１７ｂ、排気口１８の配置および構成は一例であり、排気口１８は燃焼室毎に設けてもよく、ガス出力口１７および排気口１８は、各燃焼室に共通に設けてもよい。また、ピストン１２の移動によりガス出力口１７ａおよび１７ｂ、排気口１８を開閉する代わりに、燃焼室３１および３２における燃焼のタイミングを制御する管理ユニットの制御あるいは適当な機構による制御により動作するバルブにより開閉してもよい。

これらのエンジン５および発電ユニット１においては、ピストン１２の両側に燃焼室３１および３２を設けることにより、それぞれの燃焼室３１および３２で交互に燃焼を繰り返すことができる。このため、第１および第２のガス出力口１７ａおよび１７ｂ、または共通のガス出力口１７から、交互に、より短いサイクルで、駆動用の高圧燃焼ガス７１を、被駆動系であるタービン６に対し供給できる。さらに、第１の燃焼室３１を貫通する第１のロッド１３ａおよび第２の燃焼室３２を貫通する第２のロッド１３ｂを介してピストン１２の動きをシリンダ１１の外側に出力している。このため、シリンダ１１の外側にピストン制御ユニット６０を配置し、シリンダ１１の外側から、ガス供給ユニット１０を起動するためにピストン１２の位置を制御したり、ピストン１２のストロークを制御することができる。さらに、ピストン制御ユニット６０にリニアモータとしての機能や発電装置としての機能２０を付加できる。

このため、第１および第２の燃焼室３１および３２に挟まれるピストン１２に、リニアモータあるいは発電機構を付加する必要がなくなり、ピストン１２の構造を簡素化できる。さらに、ピストン１２の両端１２ａおよび１２ｂの距離を短くできる。したがって、第１および第２の燃焼室３１および３２をシリンダ１１内の空間１４の中に、近づけて設定でき、ガス供給ユニット１０の構成を簡略化できる。典型的には、シリンダ１１に、ピストン１２が移動することにより第１の燃焼室３１の一部および第２の燃焼室３２の一部として機能する共通の領域３３を設けることが可能となる。第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２を近づけることにより、それらの燃焼室３１および３２から駆動用ガス７１を出力する第１および第２のガス出力口１７ａおよび１７ｂを近づけ、あるいは共通化することが可能となり、タービン６に対してガスを供給するシステムを簡略化でき、圧力損失を低減できる。したがって、タービン６に対し燃焼ガス７１をさらに効率よく供給できるとともに、コンパクトに配置できるエンジン５を提供できる。

図示したガス供給ユニット１０においては、シリンダ１１の両側にリニアアクチュエータ（リニアモータ）２０としての機能を備えたピストン制御ユニット６０を配置しているが、一方に、ピストン制御ユニット６０を配置して、例えば、第１の燃焼室３１を貫通するロッド１３ａのみでピストン１２を制御してもよい。

このガス供給ユニット１０においては、ピストン１２はシリンダ１１の内部で単純に直線方向に往復動する構成であってもよく、典型的には、ピストン１２は単一のピストン、すなわち、一体で動く円柱状の部材であってもよい。また、シリンダ１１も単一のピストン１２が往復動する単一の空間１４を内蔵する単純な円筒状の形状のシリンダ１１であってもよい。

このガス供給ユニット１０を備えたエンジン５においては、シリンダ１１の外側に配置されたピストン制御ユニット６０により、永久磁石と電磁石の作動制御および安定したピストン運動を可能とする。また、ロッド１３ａおよび１３ｂを使ってピストン１２の動きをシリンダ１１の外側に導き、リニア発電ユニット２０としての機能を備えたピストン制御ユニット６０により、外部リニア発電方式により燃焼室外部によるリニア発電と制御が可能となる。また、シリンダ１１の外部にリニア発電用のユニット２０（６０）を配置することにより、燃焼による温度の影響を受けにくく、安定して発電できる。

また、シリンダ１１の内部のピストン１２の左右に燃焼室３１および３２を設けて燃焼を交互に繰り返すことによりピストン１２は左右対称の往復運動が行われる。エンジン５が複数のガス供給ユニット１０を備えている場合は、それぞれのガス供給ユニット１０で稼働するピストン１２の往復する位相を変えてもよい。タービン６に対して、より連続的に駆動用ガス７１を供給でき、タービン６を安定して駆動できる。また、ピストン１２の往復運動による振動を相殺し、振動および騒音の低いエンジン５を提供できる。

さらに、図４に示すエンジン５においては、タービン６に駆動用の高圧ガス７１を供給するガス出力口１７ａおよび１７ｂに加えて、燃焼ガス７２を、タービン６を介さずに外界に排気する排気口１８を含む。このため、タービン６に供給する動作用のガス７１の圧力条件を高く維持することが可能となり、タービン６を効率よく、安定して駆動することができる。

図５に、シール機構８０の一例を示している。ガス供給ユニット１０は、ロッド１３ａおよび１３ｂがシリンダ１１を貫通する部分を外界に対してシールするシール機構８０を含んでもよい。このシール機構８０は、ピストン１２の往復動に連動して、ピストン１２およびロッド１３ａおよび１３ｂをロッドの中心軸１３ｘを中心として旋回させるようにらせん状に設けられた溝８１および８２を含み、ピストン１２およびロッド１３ａおよび１３ｂを介して燃焼ガス７１が、他方の燃焼室や外界へ漏れ出ることを抑制できる。ピストン１２やロッド１３ａおよび１３ｂとシリンダ１１の間の隙間を埋めるシーリング方法として、本エンジン５にセラミック、カーボンなどを用いたピストンリング方式、オイルリング方式などの公知な方式を採用してもよい。

本例のシール構造８０においては、ロッド１３ａおよび１３ｂやピストン１２と、それらに面するシリンダ１１の内面１１９とに、ネジ溝（らせん状の溝）８２および８１をそれぞれ設け、溝８１および８２によりベアリング８３を挟むことにより、回転しながらピストン１２が往復動する。ピストン１２やロッド１３ａおよび１３ｂとシリンダ１１の間の隙間をベアリング８３により埋めることによりシーリング効果を得ることができる。さらに、シリンダ１１の外部の制御装置を兼ねたリニア発電ユニット２０（６０）内をロッド１３ａおよび１３ｂの先端に取り付けられた可動磁石６６が回転しながら移動することで、さらに効率よく発電できる。また、回転しながらピストン１２およびロッド１３ａおよび１３ｂが移動することにより、燃焼室３１および３２内の爆発によるピストン１２の衝撃を吸収するための抵抗を得ることができる。

図５（ａ）は、ピストン１２とシリンダ１１の双方にらせん状の溝８２および８１を設け、溝８１および８２の間にベアリング８３を設けてシールする構造８０を示している。そのためピストン１２に接続された部品のすべては回転しながら移動を行う。図５（ｂ）は、ロッド１３ａおよび１３ｂとシリンダ１１の双方にらせん状の溝８２および８１を設け、溝８１および８２の間にベアリング８３を設けてシールする構造８０を示している。そのためロッド１３ａおよび１３ｂに接続された部品のすべては回転しながら移動を行う。図５（ｃ）は、溝８１および８２にべリング８３が挟まれたシール構造８０を拡大して示している。

図６に、異なるタイプのガス供給ユニット１０を抜き出して示している。図１に示したエンジン５においては、タービン６の排気ガスを利用してコンプレッサー４を動かして、圧縮空気７９を燃焼室３１および３２に供給する方式を採用している。コンプレッサー４とタービン６とは独立していてもよく、共通した軸で駆動されるように一体になっていてもよい。一方、図６に示したガス供給ユニット１０においては、コンプレッサーに加えて、または、コンプレッサーを使用しないで、シリンダ１１の内部に事前に空気を溜め、ピストン１２の移動により、燃焼室３１および３２に空気を供給する方式が採用されている。

ピストン１２は、第１の燃焼室３１に面した第１の部分（第１のピストン）１２１と、第２の燃焼室３２に面した第２の部分（第２のピストン）１２２と、第１の部分１２１および第２の部分１２２を連結してピストン１２の内部、すなわち、シリンダ１１内の第１の部分１２１と第２の部分１２２との間に、種々の目的で利用可能な中空な部分１２５を形成する連結部１２３とを含む。本例において、中空な部分１２５は、空気溜めとしての機能を有し、連結部１２３は、ガス出力口１７ａおよび１７ｂを開閉する部分を兼ねる。シリンダ１１は、ピストン１２の中空な部分１２５を左右に分離する壁体１１５を含む。シリンダ１１の内部でピストン１２が往復すると、壁体１１５の左右でピストン１２の中空な部分１２５が往復動することにより、外気７８を吸引する第１の吸引室１１１および第２の吸引室１１２を形成する。図５では、第１の吸引室１１１が閉じ、第２の吸引室１１２が開いた状態を示している。

本例のシリンダ１１は、二重構造になっており、ピストン１２が往復動して燃焼室３１および３２を形成する部分の外側に、第１の吸引室１１１と第１の燃焼室３１とを連通する第１の連通路１１３と、第２の吸引室１１２と第２の燃焼室３２とを連通する第２の連通路１１４とを含む。第１の連通路１１３と第１の燃焼室３１とは、第１の燃焼室３１の吸気バルブ１５ｖにより開閉され、第２の連通路１１４と第２の燃焼室３２とは、第２の燃焼室３２の吸気バルブ１５ｖにより開閉される。さらに、シリンダ１１には、第１の連通路１１３を介して第１の吸引室１１１に外気７８を導入する外気供給バルブ１１７ａと、第２の連通路１１４を介して第２の吸引室１１２に外気７８を導入する外気供給バルブ１１７ｂとを含む。

このガス供給ユニット１０においては、例えば、第１の燃焼室３１の燃焼によりピストン１２が移動すると、ピストン１２内の第２の吸引室１１２が負圧となり、第２の燃焼室３２の燃焼によりピストン１２が移動するとピストン１２内の第１の吸引室１１１が負圧になる。このため、ピストン１２の往復動により自然吸気が可能となり、自然吸気型のガス供給ユニット１０を提供できる。

さらに具体的には、第１の燃焼室３１の燃焼によりピストン１２が左側に移動するタイミングで、外気供給バルブ１１７ａが閉じ、外気供給バルブ１１７ｂが開き、第１の燃焼室３１の吸引バルブ１５ｖが開き、第２の燃焼室３２の吸引バルブ１５ｖが閉じる。したがって、体積（内容積）が増えて負圧となる第２の吸引室１１２においては、外気供給バルブ１１７ｂを介して外気７８が吸い込まれる。一方、体積が減って圧縮される第１の吸引室１１１においては、第１の連通路１１３を介して、第１の吸引室１１１に吸い込まれた外気７８が燃焼用空気７９として、開となった吸引バルブ１５ｖから第１の燃焼室３１に供給される。

次に、第２の燃焼室３２の燃焼によりピストン１２が右側に移動するタイミングで、外気供給バルブ１１７ｂが閉じ、外気供給バルブ１１７ａが開き、第１の燃焼室３１の吸引バルブ１５ｖが閉じ、第２の燃焼室３２の吸引バルブ１５ｖが開く。したがって、体積（内容積）が増えて負圧となる第１の吸引室１１１においては、外気供給バルブ１１７ａを介して外気７８が吸い込まれる。体積が減って圧縮される第２の吸引室１１２においては、第２の連通路１１４を介して、第２の吸引室１１２に吸い込まれた外気７８が燃焼用空気７９として、開となった吸引バルブ１５ｖから第２の燃焼室３２に供給される。

このガス供給ユニット１０では、２つの部分１２１および１２２を有し、それらの部分１２１および１２２が連結部材１２３により連結されたピストン１２を有し、一方の部分１２１がロッド１３ａに接続され、他方の部分１２２がロッド１３ｂに接続され、それぞれの位置が制御される。２つの部分１２１および１２２によりシリンダ１１の内部に形成された空間１２５がピストン１２とともに動くことにより、それぞれの燃焼室３１および３２内に送る空気の吸入および排気（駆動用ガスの供給）を行うことができる。駆動用のガスの出力口１７ａおよび１７ｂを開閉する制御バルブあるいは一方向弁を取り付けることによりタービン６からガスが燃焼室３１および３２に逆流することを防いでもよい。一方、制御バルブあるいは一方向弁を設けることにより圧力損失が増大するので、ピストン１２のストロークにより出力口１７ａおよび１７ｂが適当なタイミングで開閉されるように制御してもよい。

また、２つの部分（ピストン）１２１および１２２を連結せずに、それぞれに接続されたロッド１３ａおよび１３ｂを介して独立して可動させてもよい。２つの部分１２１および１２２がそれぞれ動く距離や位相を変えることにより、第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２の燃焼の状態およびタイミングを独立して制御することが可能となり、さらにフレキシブルな条件でタービン６に対して駆動用の燃焼ガス７１を供給できる。

図７に、異なるタイプのシール構造１００を示している。ガス供給ユニット１０は、第１の燃焼室３１を貫通する第１のロッド１３ａがシリンダ１１を貫通する孔１３０を、第１のロッド１３ａと連動してシールするシール構造１００を含んでもよい。第１の燃焼室３１が燃焼により加圧されると第１のロッド１３ａはシリンダ１１の内部に引き込まれる。シール構造（シール機構）１００は、第１の燃焼室３１の燃焼による力を用いて、第１のロッド１３ａを介してシリンダ１１を貫通する部分１３０をシールする。本例のシール構造１００は、貫通孔１３０に設けられた複数のシールリング１３５に加えて、貫通孔１３のシリンダ１１の表面１１８に固定されたシール用の受け部１５５と、ロッド１３ａに固定された遮断部１５６とを含む。ロッド１３ａが、ピストン１２が受ける燃焼圧力によりシリンダ１１内に引き込まれると、ロッド１３ａに固定された遮断部１５６が、シール用の受け部１５５に当たり（係合し）、貫通孔１３を遮断する。遮断部１５６はニードル状の形状を備えていてもよく、受け部１５５はニードル状の形状を受ける形状を備えていてもよい。

シール構造１００は、さらに、受け部１５５と遮断部１５６との間に配置されたコイルバネ１５２およびロッド１３ａに設けられた突起部（フランジ部）１５１とを備えていてもよい。コイルバネ１５２は、受け部１５５および遮断部１５６のショックアブソーバーとして機能し、それらが接触する際の衝撃および騒音を軽減することができる。他方のロッド１３ｂにシール構造１００が設けられていてもよい。また、このシール構造１００は、ピストン１２の可動範囲を限定するためのストッパとしての機能を含んでもよい。

以上に説明したように、本例の発電ユニット１は、１または複数のガス供給ユニット１０とタービン６とが組み合わされたエンジン５を含み、タービン６に回転駆動される発電機３により主に発電が行われるとともに、各ガス供給ユニット１０においては、ピストン１２の動きがシリンダ１１の外部に取り出され、外部に設けられたピストン制御ユニット６０としての機能を兼ねたリニア発電ユニット２０により発電が行われる。したがって、各ガス供給ユニット１０において交互に繰り返される第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２による燃焼によりタービン６に対し駆動用のガス７１が短いサイクルでほぼ連続して効率よく発電が行われるとともに、その燃焼を制御するピストン１２の動きによっても効率よく発電が行われる。このため、高い効率で発電を行う発電ユニット１を供給できる。また、複数のガス供給ユニット１０がガスタービン６の周囲に立体的に配置されてもよく、ガスタービン６の両側に並列に平面的に配置されていてもよく、設置場所に応じて、コンパクトな発電ユニット１を提供できる。

なお、上記において開示した装置、機構、数値などの情報は一例であり、本発明はこれらの記載および表示に限定されるものではない。また、上記において、図面を参照して本発明の特定の実施形態を説明したが、様々な他の実施形態および変形例は本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者が想到し得ることであり、そのような他の実施形態および変形は以下の請求の範囲の対象となり、本発明は以下の請求の範囲により規定されるものである。

Claims (18)

1. 少なくとも１つのピストンを含み、前記少なくとも１つのピストンの往復直線運動に伴い駆動用の燃焼ガスを供給するガス供給ユニットを有し、
   前記ガス供給ユニットは、さらに、
   前記少なくとも１つのピストンが往復動するシリンダと、
   前記シリンダ内の両側に設けられた第１の燃焼室および第２の燃焼室と、
   前記第１の燃焼室で生成された高圧の燃焼ガスを駆動用に供給する第１のガス出力口と、
   前記第２の燃焼室で生成された高圧の燃焼ガスを駆動用に供給する第２のガス出力口と、
   前記第１の燃焼室を貫通して前記少なくとも１つのピストンの１つに接続された第１のロッドと、
   前記第１のロッドを介して前記少なくとも１つのピストンの１つの位置を前記シリンダの外で制御する第１のピストン制御ユニットとを含む、エンジン。
2. 請求項１において、
   前記ガス供給ユニットは、さらに、
   前記第２の燃焼室を貫通して前記少なくとも１つのピストンの１つに接続された第２のロッドと、
   前記第２のロッドを介して前記少なくとも１つのピストンの１つの位置を前記シリンダの外で制御する第２のピストン制御ユニットとを含む、エンジン。
3. 請求項１または２において、
   前記少なくとも１つのピストンは単一のピストンであり、前記シリンダは前記単一のピストンが往復動する単一のシリンダである、エンジン。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記シリンダは、前記第１の燃焼室の一部および前記第２の燃焼室の一部として機能する共通の部分を含む、エンジン。
5. 請求項４において、
   前記ガス供給ユニットは、前記共通の部分に設けられた共通のガス出力口を含む、エンジン。
6. 請求項５において、
   前記共通のガス出力口が前記第１のガス出力口および前記第２のガス出力口を兼ねる、エンジン。
7. 請求項５において
   前記共通のガス出力口は、ガス排気用の出力口である、エンジン。
8. 請求項１または２において、
   前記少なくとも１つのピストンは、前記第１の燃焼室に面した第１の部分と、前記第２の燃焼室に面した第２の部分と、前記第１の部分および前記第２の部分を連結して前記第１の部分と前記第２の部分との間に中空な部分を形成する連結部とを含む、エンジン。
9. 請求項８において、
   前記シリンダは、前記中空な部分を分離する壁体であって、前記中空な部分が往復動することにより外気を吸引する第１および第２の吸引室を形成する壁体を含む、エンジン。
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記ガス供給ユニットは、前記少なくとも１つのピストンの往復動に連動して、前記少なくとも１つのピストンおよび前記第１のロッドを前記第１のロッドの中心軸を中心として旋回させるようにらせん状に設けられたシール構造を含む、エンジン。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記ガス供給ユニットは、前記第１の燃焼室を貫通する前記第１のロッドが前記シリンダを貫通する孔を、前記第１のロッドと連動してシールするシール構造を含む、エンジン。
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記ピストンと前記第１のロッドを介して接続された第１のリニア発電ユニットを有する、エンジン。
13. 請求項１２において、
    前記第１のリニア発電ユニットが前記第１のピストン制御ユニットとしての機能を含む、エンジン。
14. 請求項１２または１３において、
    前記第１のリニア発電ユニットは前記少なくとも１つのピストンを駆動して当該エンジンを始動する第１のリニアモータとしての機能を含む、エンジン。
15. 請求項１ないし１４のいずれかにおいて、
    前記第１のガス出力口および前記第２のガス出力口から前記高圧の燃焼ガスが供給されるガスタービンを有するエンジン。
16. 請求項１５において、
    複数の前記ガス供給ユニットが前記ガスタービンの周囲に沿って配置されている、エンジン。
17. 請求項１５において、
    複数の前記ガス供給ユニットが前記ガスタービンの両側に並列に配置されている、エンジン。
18. 請求項１５ないし１７のいずれかに記載のエンジンと、
    前記ガスタービンに接続された発電機とを有する発電装置。

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