WO2011155248A1 - エンジン - Google Patents

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WO2011155248A1
WO2011155248A1 PCT/JP2011/057486 JP2011057486W WO2011155248A1 WO 2011155248 A1 WO2011155248 A1 WO 2011155248A1 JP 2011057486 W JP2011057486 W JP 2011057486W WO 2011155248 A1 WO2011155248 A1 WO 2011155248A1
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WO
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intake
outside air
combustion chamber
engine
port
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Application number
PCT/JP2011/057486
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English (en)
French (fr)
Inventor
健 内藤
Original Assignee
学校法人早稲田大学
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Publication date
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Priority to US13/703,200 priority patent/US10125674B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/02—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet
    • F02K7/06—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet with combustion chambers having valves
    • F02K7/067—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet with combustion chambers having valves having aerodynamic valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
    • F02K7/20—Composite ram-jet/pulse-jet engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to an engine that can be applied in all speed ranges without increasing the size.
  • Conventional engines can be broadly divided into reciprocating engines that obtain power by the reciprocating motion of pistons caused by fuel combustion, and thrust is obtained by compressing and burning a mixture of fuel and air using a compressor.
  • reciprocating engines that obtain power by the reciprocating motion of pistons caused by fuel combustion
  • thrust is obtained by compressing and burning a mixture of fuel and air using a compressor.
  • the above-mentioned three types of engines are often used to apply power to moving bodies such as automobiles and airplanes, but due to their structures, the speed range of moving bodies that can be applied is limited, There is no one engine that can cover each speed range.
  • the speed range in which each engine can be applied increases in the order of a reciprocating engine, a jet engine, and a scram engine.
  • the reciprocating type engine since the piston reciprocates, it is difficult to obtain a speed range covered by the conventional jet type engine.
  • a jet type engine it is difficult to obtain a speed range covered by a conventional reciprocating type engine because fine speed control is difficult.
  • a scram type engine requires supersonic air introduction, and cannot be used as a single unit below the speed range covered by the jet type engine. Therefore, in order to be able to run like a car on the ground and to fly like an airplane in the air, a moving body that moves in all speed ranges must be equipped with each of these types of engines, This leads to an increase in the size and weight of the moving body, which is not realistic.
  • Patent Document 1 discloses a jet type engine having a reciprocating type engine as a power source for a compressor, it does not have a structure for securing a wide speed range.
  • the present invention has been devised by paying attention to such problems, and its purpose is to compress intake air with a simple structure that does not use a compressor, turbine, or the like, compared to a conventional jet engine. Therefore, an object of the present invention is to provide an engine that can contribute to reducing the size and weight of the entire apparatus.
  • the present invention is to provide an engine that can cover a wide range of speeds by one without enlarging the entire apparatus.
  • the present invention provides an engine including a combustion chamber that burns an air-fuel mixture in which fuel is mixed with outside air, and an outside air introduction unit that introduces outside air into the combustion chamber.
  • the outside air introduction section includes a plurality of jet holes formed so that the outside air can be ejected toward a certain region in the combustion chamber, A configuration is adopted in which the outside air ejected from each of the ejection ports has a compression function of compressing the outside air in the certain region by colliding with the certain region.
  • the outside air is intermittently ejected from each of the ejection ports, and the ejection timing from each of the ejection ports is controlled so that a collision jet flow is intermittently generated in the certain region. It is preferable to adopt.
  • the outside air introduction section includes an intake main port for introducing outside air into the combustion chamber from a direction along the central axis of the combustion chamber, and an intake air port for introducing outside air into the combustion chamber from the direction toward the central axis.
  • the jet outlet can be configured to be provided so that outside air from the intake subport can be jetted to the fixed region.
  • the apparatus further includes an operation control device that operates a predetermined member and controls the operation.
  • the outside air introduction section further includes a main intake opening / closing member that opens and closes the intake main port, and a sub intake opening / closing member that opens and closes the intake subport,
  • the operation control device controls the operation of the main intake opening / closing member and the sub intake opening / closing member so as to switch the opening / closing of the intake main port and the intake subport according to a required engine output.
  • the configuration can be taken.
  • the operation control device switches the main intake opening and closing member and the sub intake opening and closing member so as to intermittently switch the opening and closing of the intake subport at a speed according to the required engine output. It is preferable to adopt a configuration in which the operation is controlled.
  • a piston that operates to change the volume in the combustion chamber is provided,
  • the piston is operably provided in the first operation mode in which the required engine output is the lowest, and the second operation mode in which the engine output required is higher than that in the first operation mode, and It is provided so that it can be stopped in the third operation mode in which the engine output required is higher than that in the second operation mode,
  • the first mode the power is extracted by the operation of the piston by the combustion of the air-fuel mixture
  • the second and third modes the thrust by the combustion of the air-fuel mixture is extracted.
  • the operation control device opens at least one of the intake main port or the intake subport when intake into the combustion chamber
  • the intake subport is opened and closed intermittently at a speed corresponding to the required engine output
  • the intake main port is at least constantly switched. It is preferable that the main intake opening / closing member and the sub intake opening / closing member are controlled to be opened.
  • the exhaust port further includes an exhaust port that guides the combustion gas in the combustion chamber to the outside, and an exhaust opening and closing member that opens and closes the exhaust port,
  • the operation control device opens the exhaust port only in the step of discharging the combustion gas from the combustion chamber when in the first operation mode, and when in the second and third operation modes,
  • the exhaust opening / closing member may be controlled to operate such that the exhaust port is always open.
  • the jet outlet is formed in a protruding portion protruding inward from the wall surface of the combustion chamber, and the protruding portion is provided in a wing shape capable of suppressing air flow separation in the combustion chamber. It is preferable to take.
  • each of the jet outlets is provided so as to be able to jet the outside air symmetrically with respect to the central axis of the combustion chamber.
  • each of the jet outlets is provided at three or more positions that are axisymmetric about the central axis of the combustion chamber.
  • the jet outlets may be arranged at six or more locations.
  • each of the jet outlets is provided so that the outside air can be ejected three-dimensionally from the periphery of the fixed region so as to wrap the collision jet formed in the fixed region. Is preferred.
  • the jet outlet is made to be able to squeeze out the introduced outside air.
  • the outside air introduction section includes an intake main port that guides outside air into the combustion chamber from a direction along the center axis of the combustion chamber, and an intake air port that guides outside air from the periphery of the center axis toward the center axis.
  • the spout is provided so that outside air from the intake subport can be spouted into the fixed region
  • the operation control device may compress both the compression by the operation of the piston and the compression by intermittently ejecting the outside air from each of the ejection ports to generate an intermittent collision jet in the certain region. It is also possible to adopt a configuration in which operation control in a space flight mode in which compression of one of them and compression by ram pressure by introducing at least the outside air from the intake main port are performed simultaneously is possible. .
  • each of the jet outlets be provided so as to collide with a slight shift of the outside air ejected from each of the jet outlets so as to form a spiral rotating flow in the predetermined region.
  • the combustion chamber may be configured such that a mixture of hydrocarbon fuel or hydrogen and the outside air is combusted in a state where a catalyst made of platinum, nickel, palladium, or sulfur is used in combination. it can.
  • each of the jet outlets is provided to be able to collide with the outside air at a plurality of locations along the central axis of the combustion chamber.
  • an exhaust port for guiding the combustion gas in the combustion chamber to the outside is further provided, A configuration in which a flow path for returning at least a part of the combustion gas discharged from the exhaust port into the combustion chamber can be employed.
  • an operation control device for controlling the state of the outside air from the jet outlet is controlled,
  • the spouts are arranged at four or more locations,
  • a plurality of jet groups composed of a plurality of jet nozzles are set, and the jet timing from each jet port is controlled so that the outside air collides with each jet group at a time difference. It is also possible to adopt the configuration.
  • the present invention operates a combustion chamber that burns an air-fuel mixture in which fuel is mixed with outside air, an outside air introduction unit that introduces outside air into the combustion chamber, a predetermined member, and controls the operation.
  • An operation control device The outside air introduction section includes an intake main port that guides outside air from a plurality of directions along the center axis of the combustion chamber to a certain region in the combustion chamber, and an intake air port that guides outside air from the direction toward the center axis to the combustion chamber.
  • a sub port a main intake opening / closing member that opens and closes the intake main port, and a sub intake opening / closing member that opens and closes the intake sub port
  • the operation control device controls the operation of the main intake opening / closing member and the sub intake opening / closing member so as to switch the opening / closing of the intake main port and the intake subport according to a required engine output.
  • the structure is adopted.
  • the operation control device switches the main intake opening and closing member and the sub intake opening and closing member so as to intermittently switch the opening and closing of the intake subport at a speed according to the required engine output. It is preferable to adopt a configuration in which the operation is controlled.
  • a piston that operates to change the volume of the combustion chamber is provided,
  • the piston is operably provided in the first operation mode in which the required engine output is the lowest, and the second operation mode in which the engine output required is higher than that in the first operation mode, and It is provided so that it can be stopped in the third operation mode in which the engine output required is higher than that in the second operation mode,
  • the first mode the power is extracted by the operation of the piston by the combustion of the air-fuel mixture
  • the second and third modes the thrust by the combustion of the air-fuel mixture is extracted.
  • a structure is adopted in which the air-fuel mixture of the outside air introduced into the combustion chamber and the fuel is compressed by jetting outside air from a plurality of jets into a certain region in the combustion chamber and causing it to collide. Therefore, various devices for air compression such as compressors and turbines used in conventional jet type engines are no longer required, which can contribute to the reduction in size and weight of the entire engine. Therefore, an engine that can be easily incorporated into a structure necessary for covering other speed ranges and can cover a wide range of speed ranges without increasing the overall size can be formed. Compared to conventional jet engines and scram engines, the compression ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber can be increased to improve the thermal efficiency of the engine, and higher engine output can be obtained with less fuel than in the past. .
  • the outside air is ejected in a pulse shape from the ejection port toward a certain region, whereby the pressure in the combustion chamber can be raised and lowered with the generation of the jet flow, further increasing the combustion effect. Can be increased.
  • the pressure in the combustion chamber temporarily decreases when the outside air is jetted from the state where the outside air is jetted into the combustion chamber, when the outside air is jetted into the combustion chamber again from that state, It becomes easier to take in the outside air, and this operation is repeated, whereby the compression ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber can be further increased.
  • the pressure in the combustion chamber can be increased or decreased by repeatedly opening and closing the intake subport.
  • the intake subport by closing the intake subport, the flow of outside air into the combustion chamber is stopped to temporarily reduce the pressure in the combustion chamber, and then the intake subport is opened to further suck in the outside air into the combustion chamber.
  • the compression ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber can be further increased, and more efficient combustion becomes possible.
  • the airflow in the direction along the central axis of the combustion chamber can be used effectively.
  • the configuration (13), (14), (15) enables more stable combustion. Furthermore, according to the configuration of (14), the compression ratio of the gas in the combustion chamber can be significantly increased.
  • the compression ratio of the gas in the combustion chamber can be further increased.
  • the combustion effect of the harmful substances of the combustion gas can be enhanced, the exhaust characteristics can be improved, and the compression ratio of the gas in the combustion chamber can be further increased.
  • the supersonic air current collides with another jet outlet group in the process in which the gas in the combustion chamber expands by being compressed by the compression of the supersonic air current jet at one jet outlet group.
  • the gas in the combustion chamber can be compressed by the jet, and noise generated when the gas in the combustion chamber expands can be confined.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an engine according to the present embodiment.
  • (A) is a schematic cross-sectional view of the engine body in the direction along line AA in FIG. 2, and
  • (B) is a perspective view conceptually showing a partition member.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the engine body in a direction along line BB in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the engine body taken along a line CC in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the engine body taken along a line DD in FIG. 2.
  • FIG. 3C is a schematic cross-sectional view of the engine body taken along the line GG of FIG.
  • A) is a schematic side view of the engine body
  • B) is a schematic plan view of the engine body.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an engine according to this embodiment.
  • the engine 10 is mounted on a moving body (not shown) that can travel on the ground like an automobile and can fly in the air like an airplane.
  • the engine 10 includes an outer casing 11 which is represented by a cross section in the drawing and attached to a part of the moving body, and an engine main body 12 accommodated in the casing 11.
  • the casing 11 is provided so as to surround the engine body 12, and an outside air intake portion 14 for taking outside air into the engine body 12 is formed on the left end side in FIG.
  • An exhaust portion 15 for exhausting combustion gas from the engine main body 12 to the outside is formed on the right end side in FIG.
  • the outside air intake portion 14 side of the engine 10 is referred to as “front”, and the exhaust portion 15 side thereof is referred to as “rear”.
  • the outside air intake part 14 has a double cylinder structure whose front end is open, and an outside air flow path is formed in each of the inside and outside cylinders.
  • the outside air intake 14 includes a central inlet 17 that opens at a central position, a central flow path 19 that guides outside air from the central inlet 17 to the engine body 12, and an outer intake that opens around the central inlet 17.
  • An inlet 21 and an outer flow path 23 that guides outside air from the outer intake 21 to the engine body 12 are provided.
  • the central channel 19 and the outer channel 23 are throttle channels whose channel cross-sectional area gradually decreases from the front end side toward the engine body 12 side.
  • the central flow path 19 and the outer flow path 23 can also have a Laval nozzle shape in which the flow path cross-sectional area gradually decreases from the front end side and gradually increases from the middle toward the rear end side.
  • the exhaust unit 15 includes an exhaust port 25 that is opened on the rear end side of the engine 10 and an exhaust passage 26 that guides combustion gas from the engine body 12 side to the exhaust port 25.
  • the exhaust passage 26 has a shape in which the cross-sectional area of the passage gradually increases from the engine body 12 toward the exhaust port 25.
  • the engine body 12 has a substantially cylindrical outer shape, and is located on the front side (left side in FIG. 2) and a combustion chamber 28 having a substantially circular cross section formed near the center in the front-rear direction, as shown in FIG.
  • the outside air introduction part 29 for guiding the outside air from the outside air intake part 14 of the casing 11 to the combustion chamber 28, the rear space 31 connected to the rear of the combustion chamber 28, and the rear end side of the rear space 31 are connected.
  • An exhaust hole 33 communicating with the exhaust passage 26 of the casing 11, a piston 35 accommodated in the rear space 31 and movable in the front-rear direction so as to increase or decrease the volume in the combustion chamber 11, and a predetermined portion of the engine body 12
  • an operation control device 36 that controls the operation.
  • the outside air introduction portion 29 is connected to the central flow path 19 of the casing 11 to guide the outside air into the combustion chamber 28 and a plurality of outside air intake ports 37.
  • the intake subport 38 that is provided at the location and leads the outside air into the combustion chamber 28 connected to the outer flow path 23 of the casing 11, and the introduction of the outside air from the intake main port 37 and the intake subport 38 to the combustion chamber 28, respectively. It comprises outside air introduction control means 40 for controlling.
  • the intake main port 37 is formed so as to guide outside air into the combustion chamber 28 from the direction along the central axis L of the combustion chamber 28, and has a substantially cylindrical shape as shown in FIG. It is provided in the hollow portion of the formed body 39.
  • the intake main port 37 includes partition members 43 disposed at a plurality of locations (eight locations in the present embodiment) at equal intervals in the circumferential direction, and blade members 44 disposed between the partition members 43, respectively.
  • the space surrounded by the partition member 43 and the blade member 44 serves as a central introduction path 45 for guiding outside air from the central flow path 19 of the casing 11 to the combustion chamber 28.
  • the partition member 43 is arranged from the inner peripheral wall 41 of the hollow portion toward the center, and is arranged every other space obtained by dividing the hollow portion into a plurality of equal parts (16 equal parts in the present embodiment) in the circumferential direction. Has been placed.
  • the partition member 43 is provided in a cross-sectional wedge shape in which the cross-sectional area gradually increases from the front end side toward the rear end side (see FIG. 4B), and the cross-sectional shape of the rear end portion is divided into the plurality of equal parts 1
  • the size corresponds to the sectional shape of the space.
  • the blade member 44 is disposed so as to slightly protrude from the inner peripheral wall 41 in a space in which the partition member 43 does not exist among the plurality of equally divided spaces, and passes through the central introduction path 45 and passes through the combustion chamber 28.
  • the surface shape is such that no separation occurs in the flow of outside air toward the water.
  • the intake subport 38 is disposed outside the intake main port 37 and is connected to a jet outlet 47 that opens into the combustion chamber 28.
  • the flow path configuration is such that the outside air introduced from the inside can be ejected from the ejection port 47 into the combustion chamber 28.
  • the intake subport 38 has a circular cross section, and a plurality of locations (in the present embodiment, each outside the central introduction passage 45 of the intake main port 37). 8 places) at equal intervals along the circumferential direction.
  • each intake subport 38 has the same flow path configuration including the opening area.
  • the ejection port 47 is provided at a protruding portion that slightly protrudes inward from the wall surface of the combustion chamber 28, as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5, the ejection ports 47 have the same shape as each other, and the central axis L (see FIG. 5) in the combustion chamber 28 from a position that is substantially equidistant in the circumferential direction in the combustion chamber 28. 3), the outside air is ejected from the respective outlets 47, and the outside air is compressed by colliding with a collision portion P that is a fixed region located in the center of the interior of the combustion chamber 28. .
  • the protruding portion in which the ejection port 47 is formed is formed in a wing shape that can suppress separation of gas flow in the combustion chamber 28.
  • the intake sub-port 38 has a shape such as an elliptical cross section in order to increase the inlet area, and is a throttle channel that gradually decreases the cross-sectional area of the channel from the inlet side toward the outlet side (the jet outlet 47 side). You can also If it does in this way, it will become possible to further improve the compression effect at the time of the outside air from each jet outlet 47 colliding mutually in collision part P. Further, the intake subport 38 may have a Laval nozzle shape in which the flow passage cross-sectional area gradually decreases from the front end side and expands from the middle toward the rear end side.
  • the intake subport 38 can adopt various flow channel shapes and configurations as long as the outside air can be jetted symmetrically toward the central axis L of the combustion chamber 28, and the intake subport 38 can be adapted to a plurality of intake subports 38.
  • Each of the opening areas and the channel shapes need not necessarily be the same.
  • the outside air introduction control means 40 is disposed relatively to the rear side of the main intake opening / closing member 49 and the disk-shaped main intake opening / closing member 49 for opening / closing the intake main port 37, and opens / closes the intake subport 38. And a disk-like sub-air intake opening / closing member 50.
  • the main intake opening / closing member 49 includes a donut-shaped main body plate 52, and a shutter 53 rotatably fitted in a central hole 52 ⁇ / b> A formed in the center of the main body plate 52. It has.
  • the main body plate 52 is fixed to the engine main body 12 so as not to move, and communicates with a plurality of locations (eight locations in the present embodiment) that are equally spaced in the circumferential direction without gaps with respect to the intake subports 38.
  • a through hole 55 is formed.
  • the shutter 53 includes a hollow ring-shaped member 56 that is in contact with the central hole 52A of the main body plate 52, and a blocking member 57 that is arranged in a scattered manner inside the ring-shaped member 56.
  • the closing member 57 has a cross-sectional shape corresponding to the rear end portion of the partition member 43 of the intake main port 37 (see FIG. 4B). Accordingly, the inner side of the ring-shaped member 56 has a cross-sectional shape corresponding to the cross-sectional shape without the wing member 44 with respect to the internal shape of the intake main port 37, and the blocking member 57 and the gap 58 through which the outside air passes. Are alternately arranged.
  • the shutter 53 can open and close all the central introduction paths 45 of the intake main port 37 simultaneously by rotating in the central hole 52 ⁇ / b> A of the main body plate 52.
  • the main intake opening / closing member 49 is opened by the rotational operation of the ring-shaped member 56 therein, and is opened from the intake main port 37 to allow the intake of outside air into the combustion chamber 28 and is combusted from the intake main port 37. It is possible to switch between a closed position where the intake of outside air into the chamber 28 is blocked.
  • the operation for switching and the control of the operation are performed by the operation control device 36 as described later.
  • the sub air intake opening / closing member 50 includes a donut-shaped main body plate 59, a central hole 60 penetrating through the center of the main body plate 59, and a plurality of circumferential positions of the main body plate 59 (this embodiment).
  • the outer holes 61 are formed at equal intervals, and are supported by the engine body 12 so as to be rotatable around the center of the central hole 60.
  • the central hole 60 is provided with an inner diameter that is substantially the same as or slightly larger than the inner diameter of the ring-shaped member 56 (see FIG. 6) of the main intake opening / closing member 49, and is disposed relatively to the inner portion of the ring-shaped member 56. Yes.
  • the outer hole 61 is provided with substantially the same inner diameter as the through-hole 55 of the main intake opening / closing member 49, and is formed in the through-hole 55 that communicates with the intake sub-port 38 according to the rotation state of the sub-intake opening / closing member 50. It arrange
  • the opening / closing member 50 for the sub intake air cuts off the intake position from the intake sub port 38 to the combustion chamber 28 and the intake air from the intake sub port 38 to the combustion chamber 28 by the rotating operation. It is possible to switch between closed positions.
  • the operation for switching and the control of the operation are performed by the operation control device 36 as described later.
  • a fuel injection unit is provided in the combustion chamber 28.
  • the present invention is not limited to this, and as long as an air-fuel mixture with the outside air (air) can be formed in the combustion chamber 28, it is possible to adopt a structure in which fuel is injected into various parts.
  • a structure in which fuel is injected into the combustion chamber 28 a structure in which fuel is injected into the intake main port 37 and / or the intake subport 38 may be substituted, or these structures may be used in combination. Is possible.
  • the piston 35 is accommodated in a hollow outer member 63 that is slidably supported in the front-rear direction in the rear space 31, and an inner space of the outer member 63.
  • a hollow intermediate member 64 that is rotatably arranged around the central axis L of the combustion chamber 28, and a rear end side that is the right end side in FIG.
  • a hollow inner member 65 extending toward the front.
  • the outer member 63 has a substantially convex outer shape, and has a disk-shaped front end portion 66 positioned at the foremost side and an outer diameter substantially the same as the outer diameter of the front end portion 66. And a large-diameter cylindrical portion 68 that has an outer diameter substantially the same as the inner diameter of the rear space 31 and continues to the rear of the small-diameter cylindrical portion 67.
  • the front end portion 66 includes a ring-shaped member 72 having an outer diameter substantially the same as or slightly smaller than the inner diameter of the combustion chamber 28, and a partition member positioned inside the ring-shaped member 72. 73.
  • Each partition member 73 has the same shape and arrangement as each partition member 43 in the intake main port 37, and the inner space of the ring-shaped member 72 is divided into a plurality of equal parts in the circumferential direction (16 in this embodiment). It is provided in a wedge shape corresponding to the shape of one of the divided spaces, and is arranged in every other divided space. Of the plurality of equally divided spaces, the space where the partition member 43 does not exist becomes an exhaust space 75 that constitutes a part of the exhaust port 74 for discharging the combustion gas generated in the combustion chamber 28 from the exhaust hole 33. .
  • the intermediate member 64 is provided with a substantially convex outer diameter, and a shutter 77 having the same configuration as the shutter 53 of the main intake opening / closing member 49 is provided on the front end side thereof.
  • the shutter 77 is disposed on the cylindrical member 79 that is open on both the front and rear sides, and on the front end side portion (left end side in FIG. 8) of the cylindrical member 79, and is provided from the inner wall of the cylindrical member 79 toward the center.
  • the closing member 80 (see FIG. 9B).
  • the closing member 80 has a cross-sectional shape corresponding to the partition member 73 of the front end portion 66. That is, the inside of the front end side of the cylindrical member 79 has a shape in which the closing member 80 and the gap 82 through which the combustion gas passes are alternately arranged.
  • the inner member 65 is provided in a cylindrical shape whose both front and rear ends are open, and the inner space thereof has a wedge shape corresponding to the cross-sectional shape of the partition member 73 of the outer member 63 as shown in FIG.
  • the partition member 84 is provided.
  • the space where the partition member 84 is not provided becomes an exhaust space 85 that constitutes a part of the exhaust port 74.
  • Each partition member 84 is in the same arrangement state as the partition member 73, and is fixed at a position facing each partition member 73.
  • the exhaust space 85 has a front end open portion facing the exhaust space 75 of the outer member 63 via the shutter 77 of the intermediate member 64, and a rear end open portion a rear end portion of the outer member 63. And is disposed so as to face the exhaust hole 33.
  • the intermediate member 64 rotates with respect to the outer member 63, the exhaust 77 is connected to the exhaust space 75 and 85 through the gap 82 by the structure of the shutter 77. It is possible to switch to the closed position where 75 and 85 are blocked. Accordingly, in the open position, the combustion gas from the combustion chamber 28 can be discharged from the exhaust hole 33 to the outside of the engine body 12 through the exhaust port 74 formed by the exhaust spaces 75 and 85. On the other hand, in the closed position, the exhaust port 74 is blocked halfway, and the outflow of gas from the combustion chamber 28 is prevented. For this reason, the intermediate member 64 constitutes an exhaust opening / closing member that opens and closes the exhaust port 74. The switching operation by the intermediate member 64 and the control of the operation are performed by the operation control device 36 as described later.
  • the piston 35 reciprocates in the rear space 31 in the front-rear direction.
  • the piston 35 has power during the reciprocating motion.
  • a pair of crank mechanisms 89 are arranged on both the left and right sides (upper and lower sides in FIG. 10B) outside the engine body 12, and when the piston 35 reciprocates in the front-rear direction (left and right direction in the figure), the engine 10 It has a structure in which an axle C connected to a wheel (not shown) of a mounted moving body is rotated.
  • the crank mechanism 89 includes a disc member 91 that can rotate around a central portion to which the axle C is fixed, an arm 92 that is fixed at one end to a non-central portion of the disc member 91, and an engine body 12.
  • a slot hole 93 that is formed and extends in the front-rear direction, and a connecting shaft 94 that is rotatably attached to the other end of the arm 92 and is fixed to a part of the outer member 63 of the piston 35 through the slot hole 93.
  • the disk member 91 is arranged in an offset state in which the axle C is shifted from the extension line in the extending direction of the slot hole 93.
  • crank mechanism 89 is not limited to the above-described configuration, and various structures can be adopted as long as the reciprocating motion of the piston 35 can be converted into a rotational motion.
  • the operation control device 36 includes a power source 96 that operates various members, and a control device 97 that controls the power source.
  • the power source 96 operates the main intake opening / closing member 49, the sub-intake opening / closing member 50, and the intermediate member 64 as the exhaust opening / closing member at predetermined timings, and operates the piston 35 when the engine 10 is started. It has become.
  • various structures can be adopted as long as each member can be operated as described later. For example, in addition to a structure in which each member is rotated by electromagnetic induction using a coil or the like, a motor is used. A structure using an actuator such as the above may be adopted.
  • the control device 97 controls the driving of the power source 96 so as to operate the main intake opening / closing member 49, the sub intake opening / closing member 50, the intermediate member 64, and the piston 35 at the timing described below.
  • the engine body 11 operates in different first, second and third operation modes depending on the engine output.
  • the first operation mode is applied when the mobile body is driven in a low-speed first speed range (for example, less than about Mach 0.5) like when driving on the ground like an automobile.
  • the main intake opening / closing member 49 closes the intake main port 37 to prevent intake from the intake main port 37 into the combustion chamber 28.
  • the intake subport 38 is opened by the operation of the sub intake opening / closing member 50, and only intake air from the intake subport 38 to the combustion chamber 28 is allowed.
  • the operation of the intermediate member 64 prevents gas from flowing out from the combustion chamber 28 to the exhaust port 74. Therefore, at this time, an intake process is performed in which outside air is introduced into the combustion chamber 28 only from the intake subport 38.
  • the outside air introduced into the combustion chamber 28 is mixed with fuel injected from an injection unit (not shown) to become an air-fuel mixture.
  • the intake air is opened by the operation of the sub intake opening / closing member 50 while the flow of outside air from the intake main port 37 into the combustion chamber 28 and the outflow of gas from the combustion chamber 28 to the exhaust port 74 are both blocked.
  • the subport 38 is further closed, and all the gas inflow and outflow to the combustion chamber 28 are prevented.
  • the operation of the power source 96 causes the piston 35 to start, move forward (leftward in FIG. 2), and move from the position shown in FIG. 2 to the position shown in FIG.
  • a compression process for compressing the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 is performed.
  • the ignition means may be any means for burning and exploding fuel as exemplified by laser ignition in addition to spark ignition using a plug or the like. Further, instead of using the ignition means, a self-ignition system capable of burning and exploding at the time of compression may be adopted depending on the characteristics of the fuel.
  • the gas flow from the combustion chamber 28 to the exhaust port 74 is allowed by the operation of the intermediate member 64 while the intake air from the intake main port 37 and the intake subport 38 is both blocked. Then, an exhaust process for releasing the combustion gas generated in the combustion chamber 28 to the outside of the engine 10 is performed.
  • the piston 35 is reciprocated in the front-rear direction while performing the above-described steps in order by inertia regardless of the power source 86.
  • the crank mechanism 89 (see FIG. 10) connected to the piston 35 rotates the axle C in accordance with the reciprocating motion of the piston 35, so that a moving body (not shown) can travel on the ground.
  • the speed at this time is controlled by the amount of fuel injected into the combustion chamber 28 and the like.
  • the operations of the main intake opening / closing member 49, the sub intake opening / closing member 50, and the intermediate member 64 in each step are performed according to the rotation angle of the disk member 91 of the crank mechanism 89.
  • the rotation angle corresponds to the disk member 91. It is detected by a sensor (not shown) attached to.
  • the intake main port 37 may be opened in the intake process, while the intake subport 38 may be closed, and the intake main port 37 may be closed in the next process.
  • the second operation mode is applied when the mobile body is caused to fly in a second speed range (for example, in the range of about Mach 0.5 to about 2) as when flying in the air like an airplane. Is done.
  • a second speed range for example, in the range of about Mach 0.5 to about 2
  • the piston 35 is locked so as not to move at the position of FIG. 2 where the volume in the combustion chamber 28 is maximized.
  • the intake main port 37 is always opened by the main intake opening / closing member 49, and intake from the intake main port 37 to the combustion chamber 28 is always performed.
  • the exhaust port 74 is always opened by the intermediate member 64, and discharge of the combustion gas from the combustion chamber 28 is always allowed.
  • the intake subport 38 is repeatedly opened and closed in accordance with the speed of the moving body by the operation of the sub intake opening / closing member 50, and external air is intermittently supplied from the intake subport 38 to the combustion chamber 28. Will be.
  • the outside air introduced into the combustion chamber 28 from the intake subport 38 is ejected from a plurality of locations in the circumferential direction in the combustion chamber 28 toward the collision portion P that is a fixed region.
  • Outside air from the subports 38 collides with each other, and outside air from the intake main port 37 also collides.
  • the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 is compressed, and the pressure, temperature, and density of the air-fuel mixture increase.
  • the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 burns and explodes, and the combustion gas is discharged to the outside of the engine 10 through the exhaust port 74, and the thrust of the moving body is obtained.
  • the intake air from the intake subport 38 is intermittently supplied into the combustion chamber 28, whereby the ejection timing is controlled so that a collision jet flow is intermittently generated in the collision portion P.
  • the combustion chamber The efficiency of taking outside air into the air can be increased, and the compression effect of the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 is enhanced. That is, when the intake subport 38 changes from the open state to the closed state and is once blocked from the state in which intake into the combustion chamber 28 is permitted, the pressure in the combustion chamber 28 decreases, and the closed state is opened. When returning to the state, the outside air is more likely to enter the combustion chamber 28 where the pressure has dropped for a moment, and the compression effect of the outside air introduced into the combustion chamber 28 is enhanced.
  • the switching speed of opening and closing of the intake subport 38 is set to increase as the speed of the moving body increases by the operation control of the sub intake opening and closing member 50 by the control device 97. Further, when the moving body reaches a predetermined speed in the process of increasing the speed of the moving body in the second operation mode, the rotation speed of the sub-intake opening / closing member 50 is reduced and the opening / closing of the intake sub-port 38 is switched. By lowering the speed, the sub intake air opening / closing member 50 can be smoothly stopped when shifting to the next third operation mode. In the second operation mode, the intake main port 37 may be closed at all times.
  • the third operation mode is applied when the mobile body is caused to fly in a third speed range (for example, within a range of about Mach 2 or more).
  • the piston 35 is locked so as not to move at the position shown in FIG.
  • the intake main port 37, the intake sub-port 38, and the exhaust port 74 are all open at all times, and external air is supplied to the combustion chamber 28 through the intake ports 37, 38 by ram pressure.
  • the air-fuel mixture is compressed in the combustion chamber 28 by the collision of the outside air introduced into the fuel chamber 28 from the intake ports 37 and 38.
  • the pressure, temperature, and density of the air-fuel mixture rise and combustion explodes, and the combustion gas is exhausted to the outside of the engine 10 through the exhaust port 74, and the thrust of the moving body is obtained.
  • the intake subport 38 can be always closed. In this case, the intake main port 37 and the exhaust port 74 are always opened.
  • the piston 35 can be moved in the front-rear direction, and the power used for starting the piston 35 by reciprocating the piston 35 by the rotation of the wheel at the time of ground contact. It is also possible to employ a brake mechanism that uses energy regeneration by the back electromotive force of the source 96.
  • Switching to the first, second, and third operation modes may be automatically performed based on the detection result of the sensor that detects the speed of the moving body, or may be manually switched by the operator. It is.
  • the outside air is introduced from a plurality of locations in the combustion chamber 28 and the outside air from the plurality of locations can collide with each other at one location, it is introduced into the engine 10 when flying at subsonic speed. Even if the pressure of the outside air is low, the compression state in the combustion chamber 28 necessary for flight can be obtained without requiring a compression mechanism indispensable for a conventional jet type engine such as a compressor or a turbine. This can contribute to reduction in size and weight.
  • the intake main port 37 and the intake subport 38 are not limited to the shapes and arrangements described above, and each of the outside air is ejected from a plurality of locations toward a certain region in the combustion chamber 28, and the outside air is discharged from the plurality of locations. Any configuration may be used as long as it can be compressed by colliding in a certain region. In other words, as long as it has a function capable of compressing the gas in the combustion chamber 28 by the collision of a plurality of jets in a certain region in the combustion chamber 28 and the shock wave, pressure wave, or sound wave generated at that time, various configurations are possible. Can be adopted.
  • each ejection port 47 be able to eject outside air three-dimensionally from the periphery of the predetermined region so that the collision jet formed by the collision portion P in the combustion chamber 28 is wrapped.
  • the jet outlet 47 can adopt various shapes as long as it can squeeze the outside air from the intake sub-port 38 and spray it into the combustion chamber 28 to form a collision jet sufficient for combustion. In order to enhance the effect, a non-circular shape such as an ellipse is preferable.
  • collision portions P are provided at a plurality of locations along the central axis L of the combustion chamber 28 and jets from the respective outlets 47 can collide with each other at the same time or with a time difference. Is possible. Thereby, the compression ratio of the gas in the combustion chamber 28 can be further improved.
  • a plurality of outlet groups consisting of a plurality of outlets 47 are set in advance, and the operation control device 36 applies a collision jet to the collision part P from each outlet 47 so as to form a collision jet with a time difference for each of the outlet groups. It is also possible to control the ejection timing. Thereby, it becomes possible to suppress the expansion of the gas at the time of combustion based on a certain collision jet by the compression by the collision jet at the next timing, and the generation of noise due to the gas expansion at the time of combustion can be suppressed. Therefore, it is preferable to set the time difference between the collision jets generated for each jet port group at a timing at which gas expansion during the previous combustion can be suppressed.
  • the switching structure for opening and closing the intake main port 37, the intake subport 38, and the exhaust port 74 is not limited to the above-described structure as long as the above-described switching according to the engine output can be performed. It can be changed.
  • the control device 97 has a main intake opening / closing member 49, a sub intake opening / closing member 50, an intermediate member 64, and a space flight mode for space flight so that the following states are obtained.
  • the operation of the piston 35 can also be controlled.
  • the piston 35 operates in the front-rear direction so as to repeatedly increase and decrease the volume in the combustion chamber 28 by the power from the power source 96, and the intake main port 37 and the exhaust port 74 are always in operation. Opened.
  • the intake subport 38 is repeatedly opened and closed by the operation of the sub intake opening / closing member 50, and the outside air is intermittently supplied from the intake subport 38 to the combustion chamber 28.
  • the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 is intermittently compressed by the operation of the piston 35, the compression due to the generation of the intermittent collision jet at the collision part P, and the intake main port 37.
  • the compression by the ram pressure by the introduction of outside air is performed at the same time.
  • the compression of the air-fuel mixture in the combustion chamber 28 by the operation of the piston 35 and the intermittent operation at the collision part P are performed simultaneously with the compression by the ram pressure by the introduction of the outside air from the intake main port 37. It is good also as an aspect which compresses any one of the compression by generation
  • the piston 35 and related members may be omitted.
  • the piston 35 when the piston 35 is used together, it can be an ultra-efficient engine for automobiles, and even if there is no piston 35, it can be used from start to high-speed flight for applications such as aircraft.

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Abstract

　本発明は、従来のジェット型エンジンに対して、コンプレッサやタービン等を用いない簡単な構造で吸入空気を圧縮することができ、装置全体の小型化、軽量化に寄与することを目的とする。エンジン１０は、外気に燃料を混合した混合気を燃焼させる燃焼室２８と、燃焼室２８内に外気を導入する外気導入部２９とを備えている。外気導入部２９は、燃焼室２８の中心軸Ｌに沿う方向から外気を燃焼室２８内に導く吸気用メインポート３７と、中心軸Ｌに向かう方向から外気を燃焼室２８内に導く複数の吸気用サブポート３８とを備えている。吸気用サブポート３８は、外気を燃焼室２８内の衝突点Ｐに向かって噴出可能な噴出口４７を備えている。各吸気用サブポート３８の噴出口４７から噴出された外気は、衝突点Ｐで相互に衝突することで圧縮されるようになっている。

Description

エンジン
　本発明は、大型化することなく、あらゆる速度域で適用可能となるエンジンに関する。
　従来のエンジンは、大別して、燃料の燃焼によるピストンの往復運動によって動力を得るレシプロ型エンジンと、コンプレッサを使って燃料と空気との混合気を圧縮し燃焼することにより推力を得るとともに、燃焼によって発生する燃焼ガスによってコンプレッサの動力となるタービンを回転させるジェット型エンジンと、ラム圧により圧縮された吸入空気に燃料を吹き付けて超音速燃焼を行うことにより推力を得るスクラム型エンジンとの３タイプが存在する（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１－２２９９６５号公報
　前述した３タイプのエンジンは、自動車や飛行機等の移動体に動力を付与するために利用されることが多いが、それぞれの構造上、適用可能となる移動体の速度域が限られており、一つのエンジンで各速度域をカバーできるものは存在しない。ここで、各エンジンが適用可能となる速度域は、レシプロ型エンジン、ジェット型エンジン、スクラム型エンジンの順で高くなっている。レシプロ型エンジンにあっては、ピストンの往復運動を伴うため、従来のジェット型エンジンでカバーされる速度域を得ることは難しい。また、ジェット型エンジンにあっては、細かい速度制御が難しい等の理由で、従来のレシプロ型エンジンでカバーされる速度域を得ることは難しい。更に、スクラム型エンジンにあっては、超音速の空気導入が必要であり、ジェット型エンジンでカバーされる速度域以下では、単体での使用ができない。従って、地上では自動車のように走行でき、且つ、空中では飛行機のように飛行できるように、全ての速度域で移動する移動体には、これら各タイプのエンジンをそれぞれ搭載しなければならず、移動体の大型化や高重量化を招来し、現実的ではない。
　ところで、前記特許文献１には、コンプレッサの動力源としてレシプロ型エンジンを備えたジェット型エンジンが開示されているが、広範な速度域を確保するための構造にはなっていない。
　また、従来のジェット型エンジンの構造では、空気圧縮を行うためのコンプレッサやタービンが必要になることから、広範な速度域をカバーするために各タイプのエンジンを組み合わせる際に、コンプレッサやタービン等がエンジン全体の小型化や軽量化の大きな障害となる。
　本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、従来のジェット型エンジンに対して、コンプレッサやタービン等を用いない簡単な構造で吸入空気を圧縮することができ、装置全体の小型化、軽量化に寄与することができるエンジンを提供することにある。
　また、本発明は、装置全体を大型化することなく、広範囲の速度域を一つで全てカバーすることができるエンジンを提供することにある。
　（１）前記目的を達成するため、本発明は、外気に燃料を混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室内に外気を導入する外気導入部とを備えたエンジンにおいて、
　前記外気導入部は、前記外気を前記燃焼室内の一定領域に向かってそれぞれ噴出可能に形成された複数の噴出口を備え、
　前記各噴出口からそれぞれ噴出された外気を前記一定領域で衝突させることにより、当該一定領域で前記外気を圧縮する圧縮機能を有する、という構成を採っている。
　（２）また、前記噴出口からの外気の噴出状態を制御する動作制御装置を更に備え、
　前記動作制御装置では、前記外気を前記各噴出口から間欠的に噴出させ、前記一定領域で衝突噴流が間欠的に発生するように、前記各噴出口からの噴出タイミングが制御される、という構成を採ることが好ましい。
　（３）更に、前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用メインポートと、前記中心軸に向かう方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートとを備え、
　前記噴出口は、前記吸気用サブポートからの外気を前記一定領域に噴出可能に設けられる、という構成を採ることができる。
　（４）ここで、前記吸気用サブポートは、前記噴出口に向かって流路断面積が次第に小さくなるように形成される、という構成を採ることが好ましい。
　（５）また、所定の部材を動作させるとともに当該動作の制御を行う動作制御装置を更に備え、
　前記外気導入部は、前記吸気用メインポートを開閉するメイン吸気用開閉部材と、前記吸気用サブポートを開閉するサブ吸気用開閉部材とを更に備え、
　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じて、前記吸気用メインポート及び前記吸気用サブポートの開閉を切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御する、という構成を採ることができる。
　（６）この際、前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御する、という構成を採ることが好ましい。
　（７）更に、前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンを備え、
　前記ピストンは、要求されるエンジン出力が最も低い第１の動作モードのときに動作可能に設けられるとともに、当該第１の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第２の動作モード、及び当該第２の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第３の動作モードのときに停止可能に設けられ、
　前記第１のモードのときには、前記混合気の燃焼による前記ピストンの動作によって動力を抽出可能に設けられ、前記第２及び第３のモードのときには、前記混合気の燃焼による推力を抽出可能に設けられる、という構成を併せて採用することができる。
　（８）ここで、前記動作制御装置は、前記第１の動作モードのときに、前記燃焼室への吸気の際、前記吸気用メインポート又は前記吸気用サブポートの何れか一方を少なくとも開放し、前記第２の動作モードのときに、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替え、前記第３の動作モードのときに、前記吸気用メインポートを少なくとも常時開放するように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御する、という構成を採ることが好ましい。
　（９）この際、前記燃焼室内の燃焼ガスを外部に導く排気用ポートと、当該排気用ポートを開閉する排気用開閉部材とを更に備え、
　前記動作制御装置は、前記第１の動作モードのときに、前記燃焼室から燃焼ガスを排出する工程のみで前記排気用ポートを開放し、前記第２及び第３の動作モードのときに、前記排気用ポートを常時開放するように、前記排気用開閉部材を動作制御する、という構成を採ることができる。
　（１０）また、前記噴出口は、前記燃焼室の壁面から内側に突出した突出部分に形成され、当該突出部分は、燃焼室内での気流の剥離を抑制可能な翼状に設けられる、という構成を採ることが好ましい。
　（１１）更に、前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンを更に備えるとよい。
　（１２）また、前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸に対して対称に前記外気を噴出可能に設けられる、という構成を採ることが好ましい。
　（１３）更に、前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸回りに軸対称となる３箇所以上の位置に設けられることが好ましい。
　（１４）ここで、前記噴出口を６箇所以上に配置するとよい。
　（１５）また、前記各噴出口は、前記一定領域で形成される衝突噴流が包み込まれるように、前記一定領域の周囲から三次元的に外気を噴出可能に設けられる、という構成を採用することが好ましい。
　（１６）更に、前記噴出口を、導入した外気を絞って噴出可能にするとよい。
　（１７）また、前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンと、当該ピストンの動作制御及び前記噴出口からの外気の噴出状態を変化させる部材の動作制御を行う動作制御装置を含み、
　前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用メインポートと、前記中心軸の周囲から当該中心軸に向かって外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートとを備え、
　前記噴出口は、前記吸気用サブポートからの外気を前記一定領域に噴出可能に設けられ、
　前記動作制御装置は、前記ピストンの動作による圧縮、及び前記外気を前記各噴出口から間欠的に噴出させて前記一定領域での間欠的な衝突噴流を発生させることによる圧縮の両方の圧縮又は何れか一方の圧縮と、前記吸気用メインポートから少なくとも前記外気を導入することによるラム圧による圧縮とを同時に行う宇宙飛行モードでの動作制御が可能に設けられている、という構成を採ることもできる。
　（１８）更に、前記各噴出口は、それぞれから噴出された外気が僅かにシフトした状態で衝突し、前記一定領域で螺旋回転流を形成可能に設けられる、という構成を採るとよい。
　（１９）また、前記燃焼室では、プラチナ、ニッケル、パラジウム若しくは、硫黄からなる触媒を併用した状態で、炭化水素燃料又は水素と前記外気との混合気が燃焼される、という構成を採ることもできる。
　（２０）更に、前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸に沿う複数箇所で前記外気を衝突可能に設けられる、という構成を採ることもできる。
　（２１）また、前記燃焼室内の燃焼ガスを外部に導く排気用ポートを更に備え、
　前記排気用ポートから排出された燃焼ガスの少なくとも一部を前記燃焼室内に戻す流路を備える、という構成を採用することもできる。
　（２２）更に、前記噴出口からの外気の噴出状態を制御する動作制御装置を含み、
　前記噴出口は、４箇所以上に配置され、
　前記動作制御装置では、複数の前記噴出口からなる噴出口群を複数設定し、当該噴出口群毎に時間差で前記外気が衝突するように、前記各噴出口からの噴出タイミングが制御される、という構成を採用することもできる。
　（２３）また、本発明は、外気に燃料を混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室内に外気を導入する外気導入部と、所定の部材を動作させるとともに当該動作の制御を行う動作制御装置とを備え、
　前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う複数の方向から外気を前記燃焼室内の一定領域に導く吸気用メインポートと、前記中心軸に向かう方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートと、前記吸気用メインポートを開閉するメイン吸気用開閉部材と、前記吸気用サブポートを開閉するサブ吸気用開閉部材とを備え、
　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じて、前記吸気用メインポート及び前記吸気用サブポートの開閉を切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御する、という構成を採っている。
　（２４）ここで、前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御する、という構成を採ることが好ましい。
　（２５）この際、前記燃焼室の容積を変化可能に動作するピストンを備え、
　前記ピストンは、要求されるエンジン出力が最も低い第１の動作モードのときに動作可能に設けられるとともに、当該第１の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第２の動作モード、及び当該第２の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第３の動作モードのときに停止可能に設けられ、
　前記第１のモードのときには、前記混合気の燃焼による前記ピストンの動作によって動力を抽出可能に設けられ、前記第２及び第３のモードのときには、前記混合気の燃焼による推力を抽出可能に設けられる、という構成を併せて採用することができる。
　前記（１）の構成によれば、複数の噴出口から燃焼室内の一定領域に外気を噴出させて衝突させることにより、燃焼室内に導入された外気と燃料との混合気を圧縮する構造を採用しているため、従来のジェット型エンジンに用いられていたコンプレッサやタービン等の空気圧縮用の各種機器が不要になり、エンジン全体の小型化、軽量化に寄与することができる。従って、他の速度域をカバーするために必要な構造にも組み込み易く、全体を大型化することなく、広範囲の速度域をカバーできるエンジンを形成可能となる。また、従来のジェット型エンジンやスクラム型エンジンに比べ、燃焼室内の混合気の圧縮比を高めてエンジンの熱効率を向上させることができ、従来に比べて少ない燃料で高いエンジン出力を得ることができる。
　前記（２）の構成によれば、噴出口から一定領域に向かって外気がパルス状に噴出され、これによって、燃焼室内の圧力を噴流の生成に伴って上下させることができ、燃焼効果を更に高めることができる。つまり、外気が燃焼室内に噴出されている状態から、当該噴出が停止されると、燃焼室内の圧力が一時的に低下するため、その状態から、再び、外気を燃焼室内に噴出すると、燃焼室内に外気を一層取り込み易くなり、この動作が繰り返し行われることで、燃焼室内の混合気の圧縮比を更に高めることができる。
　前記（３）、（５）の構成によれば、要求されるエンジン出力に応じて、種類の異なる吸気用メインポートと吸気用サブポートを使い分けることができ、燃焼室内における混合気の効率的な圧縮が可能になる。
　前記（４）の構成によれば、各噴出口からそれぞれ噴出された外気の衝突による圧縮効果を更に高めることができ、燃焼室内での混合気の圧縮比を更に向上させることができる。
　前記（６）、（８）の構成によれば、吸気用サブポートの開閉を繰り返すことで、燃焼室内の圧力を上下させることができる。つまり、吸気用サブポートを閉塞することで、燃焼室内への外気の流入を止めて燃焼室内の圧力を一時的に低下させ、その後、吸気用サブポートを開放することで、燃焼室内に外気が一層吸入され易くなり、燃焼室内の混合気の圧縮比を更に高めることができ、より効率的な燃焼が可能になる。
　前記（１０）の構成によれば、燃焼室の中心軸に沿う方向の気流を有効に使うことができる。
　前記（１２）、（１３）の構成によれば、複数の噴出口から燃焼室内にそれぞれ噴出される外気が、軸対称の状態で衝突して圧縮されるため、燃焼室内において混合気の内部流動が安定して燃焼を安定させ易くなり、エンジンの低燃費化を促進することができる。また、外気が、複数の噴出口から燃焼室内の中心軸に向かってそれぞれ噴出されるため、燃焼室の壁面付近に燃料や燃焼ガスが過剰に達することがなく、壁面との接触による燃料や燃焼ガスの冷却が抑制され、当該冷却によるエネルギー損失を抑制し、エンジンの熱効率を更に向上させることができる。
　前記（１３）、（１４）、（１５）の構成によって、より安定した燃焼が可能になる。更に、前記（１４）の構成によれば、燃焼室内の気体の圧縮比を大幅に高めることが可能になる。
　前記（１８）の構成によれば、外乱に対して安定した燃焼が可能になる。
　前記（１９）の構成によれば、無酸素状態で常温核融合が発生して推力を得ることができるため、外部からの酸素取得が難しい宇宙飛行を行うためのエンジンとして適用される場合に、酸素等の供給装置を併用することなく、エンジン構成の簡略化及び小型化を図ることができる。
　前記（２０）の構成によれば、燃焼室内の気体の圧縮比を更に高めることができる。
　前記（２１）の構成によれば、燃焼ガスの有害物質の燃焼効果を高め、排気特性を向上させることができるとともに、燃焼室内の気体の圧縮比を更に高めることができる。
　前記（２２）の構成によれば、ある噴出口群での超音速気流の衝突噴流による圧縮で燃焼し、燃焼室内の気体が膨張する過程で、他の噴出口群での超音速気流の衝突噴流によって燃焼室内の気体を圧縮させることができ、燃焼室内の気体の膨張時に発生する騒音を閉じ込めることが可能になる。
　また、本発明の各構成によれば、装置全体を大型化することなく、広範囲の速度域を一つで全てカバーできるエンジンを形成可能になる。
本実施形態に係るエンジンの概略断面図。 エンジン本体の概略断面図。 前記エンジン本体の吸気側部分の拡大断面図。 （Ａ）は、図２のＡ－Ａ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図であり、（Ｂ）は、仕切部材を概念的に示した斜視図である。 図２のＢ－Ｂ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図。 図２のＣ－Ｃ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図。 図２のＤ－Ｄ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図。 前記エンジン本体の排気側部分の拡大断面図。 （Ａ）は、図２のＥ－Ｅ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図であり、（Ｂ）は、図２のＦ－Ｆ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図であり、（Ｃ）は、図２のＧ－Ｇ線に沿う方向の前記エンジン本体の概略断面図である。 （Ａ）は、前記エンジン本体の概略側面図であり、（Ｂ）は、前記エンジン本体の概略平面図である。 図２の状態からピストンが移動した状態を示す前記エンジン本体の概略断面図。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１には、本実施形態に係るエンジンの概略断面図が示されている。この図において、前記エンジン１０は、例えば、自動車のように地上を走行可能で、且つ、飛行機のように空中を飛行可能な図示しない移動体に搭載されるようになっている。このエンジン１０は、図中断面で表されて前記移動体の一部分に取り付けられた外側のケーシング１１と、ケーシング１１の内部に収容されたエンジン本体１２とを備えて構成されている。
　前記ケーシング１１は、エンジン本体１２を囲むように設けられており、前端側となる図１中左端側に、エンジン本体１２に外気を取り込むための外気取入部１４が形成されているとともに、後端側となる同図中右端側に、エンジン本体１２からの燃焼ガスを外部に排気するための排気部１５が形成されている。
　なお、以下の説明において、特に明記しない限り、エンジン１０の外気取入部１４側を「前」、同排気部１５側を「後」と称する。
　前記外気取入部１４は、前端側が開放する二重筒構造となっており、内側及び外側の筒内それぞれに外気の流路が形成されている。具体的に、外気取入部１４は、中央位置で開放する中央取入口１７と、中央取入口１７からエンジン本体１２に外気を導く中央流路１９と、中央取入口１７の周囲で開放する外側取入口２１と、外側取入口２１からエンジン本体１２に外気を導く外側流路２３とを備えている。中央流路１９及び外側流路２３は、前端側からエンジン本体１２側に向かって流路断面積が緩やかに減少する絞り流路となっている。なお、中央流路１９及び外側流路２３は、流路断面積が前端側から緩やかに減少して途中から後端側に向かって次第に拡大するラバルノズル状とすることも可能である。
　前記排気部１５は、エンジン１０の後端側で開放する排気口２５と、エンジン本体１２側からの燃焼ガスを排気口２５に導く排気流路２６とを備えている。排気流路２６は、エンジン本体１２から排気口２５に向かって流路断面積が次第に増大する形状となっている。
　前記エンジン本体１２は、ほぼ円柱状の外形をなし、図２に示されるように、前後方向中央付近に形成された断面ほぼ円形状の燃焼室２８と、前側（図２中左側）に位置して、ケーシング１１の外気取入部１４からの外気を燃焼室２８に導くための外気導入部２９と、燃焼室２８の後方に連なる後側空間３１と、後側空間３１の後端側に連なってケーシング１１の排気流路２６に通じる排気穴３３と、後側空間３１内に収容され、燃焼室１１内の容積を増減させるように前後方向に移動可能なピストン３５と、エンジン本体１２の所定部分を動作させるとともに当該動作の制御を行う動作制御装置３６とを備えて構成されている。
　前記外気導入部２９は、図３に示されるように、ケーシング１１の中央流路１９に連なって外気を燃焼室２８内に導く中央の吸気用メインポート３７と、吸気用メインポート３７の外側複数箇所に設けられ、ケーシング１１の外側流路２３に連なって外気を燃焼室２８内に導く吸気用サブポート３８と、吸気用メインポート３７及び吸気用サブポート３８から燃焼室２８への外気の導入をそれぞれ制御するための外気導入制御手段４０とを備えて構成されている。
　前記吸気用メインポート３７は、燃焼室２８の中心軸Ｌに沿う方向から外気を燃焼室２８内に導くように形成されており、図４（Ａ）に示されるように、ほぼ円筒形状をなす形成体３９の中空部分に設けられている。この吸気用メインポート３７には、周方向に等間隔となる複数箇所（本実施形態では８箇所）に配置された仕切部材４３と、各仕切部材４３の間にそれぞれ配置された翼部材４４とが設けられており、仕切部材４３と翼部材４４で囲まれた空間が、ケーシング１１の中央流路１９からの外気を燃焼室２８に導くための中央導入路４５となる。
　前記仕切部材４３は、前記中空部分の内周壁４１から中心に向かって配置されており、前記中空部分を周方向に複数等分（本実施形態では１６等分）した各空間の一つおきに配置されている。この仕切部材４３は、前端側から後端側に向かって断面積が次第に増大する断面楔形状に設けられ（図４（Ｂ）参照）、後端部分の断面形状は、前記複数等分した１空間の断面形状に相当するサイズとなっている。
　前記翼部材４４は、前記複数等分した空間のうち仕切部材４３が存在しない空間内に、内周壁４１から僅かに突出するように配置されており、中央導入路４５を通過して燃焼室２８に向かう外気の流れに剥離が生じないような表面形状となっている。
　前記吸気用サブポート３８は、図３に示されるように、吸気用メインポート３７の外側に配置されるとともに、燃焼室２８内に開放する噴出口４７に繋がっており、ケーシング１１の外側流路２３から導入した外気を噴出口４７から燃焼室２８内に噴出可能な流路構成となっている。この吸気用サブポート３８は、図４（Ａ）に示されるように、断面が円形となる形状をなし、吸気用メインポート３７の各中央導入路４５のそれぞれ外側となる複数箇所（本実施形態では８箇所）の位置に、周方向に沿って等間隔に設けられている。また、各吸気用サブポート３８は、開口面積を含めた流路構成がそれぞれ同一となっている。
　前記噴出口４７は、図３に示されるように、燃焼室２８の壁面から僅かに内側に突出する突出部分に設けられる。また、各噴出口４７は、図５に示されるように、相互に同一形状となっており、燃焼室２８内の周方向ほぼ等間隔となる位置から、燃焼室２８内の中心軸Ｌ（図３参照）に向かって外気を噴出し、各噴出口４７から噴出された外気を燃焼室２８の内部中央に位置する一定領域となる衝突部Ｐで衝突させて外気を圧縮するようになっている。ここで、噴出口４７が形成される前記突出部分は、燃焼室２８内での気体の流れの剥離を抑制可能な翼状に形成することが好ましい。
　なお、吸気用サブポート３８は、入口面積を大きく稼ぐために断面楕円状等の形状にし、入口側から出口側（噴出口４７側）に向かって次第に流路断面積を減少させる絞り流路にすることもできる。このようにすると、各噴出口４７からの外気が衝突部Ｐで相互に衝突する際の圧縮効果を更に高めることが可能になる。また、吸気用サブポート３８としては、流路断面積が前端側から緩やかに減少して途中から後端側に向かって拡大するラバルノズル状とすることも可能である。要するに、吸気用サブポート３８は、燃焼室２８の中心軸Ｌに向かって対称に外気を噴出できる限り、種々の流路形状や構成を採用することができ、また、複数の吸気用サブポート３８に対し、それぞれの開口面積や流路形状を必ずしも同一にしなくてもよい。
　前記外気導入制御手段４０は、吸気用メインポート３７を開閉する円盤状のメイン吸気用開閉部材４９と、メイン吸気用開閉部材４９の後側に相対配置されるとともに、吸気用サブポート３８を開閉する円盤状のサブ吸気用開閉部材５０とを備えている。
　前記メイン吸気用開閉部材４９は、図６に示されるように、ドーナツ状の本体プレート５２と、当該本体プレート５２の中央に形成された中央穴５２Ａに対して回転可能に嵌め込まれたシャッター５３とを備えている。
　前記本体プレート５２は、エンジン本体１２に移動不能に固定されており、周方向に等間隔となる複数箇所（本実施形態では８箇所）に、各吸気用サブポート３８に対して隙間無く連なって通じる貫通穴５５が形成されている。
　前記シャッター５３は、本体プレート５２の中央穴５２Ａに接する中空のリング状部材５６と、当該リング状部材５６の内側に散点的に配置された閉塞部材５７とからなる。閉塞部材５７は、吸気用メインポート３７の仕切部材４３の後端部分に相応する断面形状となっている（図４（Ｂ）参照）。従って、リング状部材５６の内側は、吸気用メインポート３７の内部形状に対して翼部材４４のない断面形状に相応する断面形状になっており、閉塞部材５７と、外気が通過する隙間５８とが交互に配置された形状となっている。このシャッター５３は、本体プレート５２の中央穴５２Ａ内での回転により、吸気用メインポート３７の全ての中央導入路４５が同時に開閉自在となる。
　従って、メイン吸気用開閉部材４９は、その内部のリング状部材５６の回転動作により、吸気用メインポート３７から燃焼室２８への外気の取り込みを許容する開位置と、吸気用メインポート３７から燃焼室２８への外気の取り込みを遮断する閉位置との間で切り替え可能になっている。なお、当該切り替えのための動作及び当該動作の制御は、前記動作制御装置３６で後述するように行われる。
　前記サブ吸気用開閉部材５０は、図７に示されるように、ドーナツ状の本体プレート５９と、本体プレート５９の中央で貫通する中央穴６０と、本体プレート５９の周方向複数箇所（本実施形態では８箇所）に等間隔で形成された外穴６１とからなり、中央穴６０の中央を中心として回転可能にエンジン本体１２に支持されている。
　前記中央穴６０は、メイン吸気用開閉部材４９のリング状部材５６（図６参照）の内径とほぼ同一若しくは僅かに大きい内径に設けられており、リング状部材５６の内側部分に相対配置されている。
　前記外穴６１は、メイン吸気用開閉部材４９の貫通穴５５とほぼ同一の内径に設けられており、サブ吸気用開閉部材５０の回転状態に応じて、吸気用サブポート３８に通じる貫通穴５５に隙間無く通じる位置と、そうでない位置との間で変位可能に配置されている。
　従って、サブ吸気用開閉部材５０は、その回転動作により、吸気用サブポート３８から燃焼室２８への外気の取り込みを許容する開位置と、吸気用サブポート３８から燃焼室２８への外気の取り込みを遮断する閉位置との間で切り替え可能になっている。なお、当該切り替えのための動作及び当該動作の制御は、前記動作制御装置３６で後述するように行われる。
　なお、図示省略しているが、燃焼室２８内に燃料の噴射部が設けられている。本発明はこれに限らず、燃焼室２８内で外気（空気）との混合気を形成できる限りにおいて、種々の部位に燃料を噴射する構造を採用可能である。具体的に、燃焼室２８内に燃料を噴射する構造とする他、吸気用メインポート３７及び／又は吸気用サブポート３８に燃料を噴射する構造に代替し、若しくは、これらの構造を併用することも可能である。
　前記ピストン３５は、図８に示されるように、後側空間３１内で前後方向に摺動可能に支持された中空の外側部材６３と、当該外側部材６３の内部空間に収容され、外側部材６３に対して燃焼室２８の中心軸Ｌ周りに回転可能に配置された中空の中間部材６４と、外側部材６３の図８中右端側となる後端側から中間部材６４の内部空間内を前方に向かって延びる中空の内側部材６５とを備えている。
　前記外側部材６３は、ほぼ凸状をなす外形に設けられており、最も前方に位置する円盤状の前端部６６と、前端部６６の外径とほぼ同一の外径を有し、前端部６６の後方に連なる小径円筒部６７と、後側空間３１の内径とほぼ同一の外径を有し、小径円筒部６７の後方に連なる大径円筒部６８とを備えて構成されている。
　前記前端部６６は、図９（Ａ）に示されるように、燃焼室２８の内径とほぼ同一若しくは僅かに小さい外径を有するリング状部材７２と、リング状部材７２の内側に位置する仕切部材７３とにより構成されている。
　前記各仕切部材７３は、吸気用メインポート３７内の各仕切部材４３と同一の形状及び配置状態となっており、リング状部材７２の内部空間を周方向に複数等分（本実施形態では１６等分）したうちの１つの空間の形状に相当する楔形に設けられ、前記複数等分した空間の一つおきに配置されている。前記複数等分した空間のうち仕切部材４３が存在しない空間は、燃焼室２８で発生した燃焼ガスを排気穴３３から放出するための排気用ポート７４の一部を構成する排気用空間７５となる。
　前記中間部材６４は、図８に示されるように、ほぼ凸状をなす外径に設けられており、その前端側には、メイン吸気用開閉部材４９のシャッター５３と同様の構成のシャッター７７が設けられている。すなわち、このシャッター７７は、前後両側が開放する筒状部材７９と、当該筒状部材７９の前端側部分（図８中左端側）に配置され、筒状部材７９の内壁から中心に向かって設けられた閉塞部材８０（図９（Ｂ）参照）とからなる。閉塞部材８０は、前端部６６の仕切部材７３に対応する断面形状となっている。つまり、筒状部材７９の前端側内部は、閉塞部材８０と燃焼ガスが通過する隙間８２とが交互に配置された形状になっている。
　前記内側部材６５は、前後両端側が開放する円筒状に設けられており、その内部空間には、図９（Ｃ）に示されるように、外側部材６３の仕切部材７３の断面形状に対応する楔形の仕切部材８４が設けられている。また、仕切部材８４が設けられていない空間は、排気用ポート７４の一部を構成する排気用空間８５となる。各仕切部材８４は、前記仕切部材７３と同一の配置状態となっており、当該各仕切部材７３と相対する位置に固定されている。また、排気用空間８５は、その前端側の開放部分が中間部材６４のシャッター７７を介して外側部材６３の排気用空間７５に相対し、後端側の開放部分が外側部材６３の後端部分を貫通して前記排気穴３３に相対するように配置されている。
　従って、外側部材６３に対して中間部材６４が回転すると、シャッター７７の構造によって、その隙間８２を介して各排気用空間７５，８５が連なって通じる開位置と、閉塞部材８０により各排気用空間７５，８５を遮断する閉位置とに切り替えが可能になる。従って、前記開位置においては、燃焼室２８からの燃焼ガスが各排気用空間７５，８５で構成される排気用ポート７４を通じて排気穴３３からエンジン本体１２の外側に排出可能となる。一方、前記閉位置においては、排気用ポート７４が途中で遮断され、燃焼室２８からの気体の流出が阻止される。このため、中間部材６４は、排気用ポート７４を開閉する排気用開閉部材を構成することになる。なお、中間部材６４による切り替え動作及び当該動作の制御は、前記動作制御装置３６で後述するように行われる。
　なお、図２、図８、図９等では、図面の錯綜を回避するために、燃焼室２８の内壁とリング状部分７２との間、外側部材６３と中間部材６４との間、及び中間部材６４と内側部材６５との間にそれぞれ隙間が描かれているが、実際、当該隙間は殆ど無く、シャッター７７が開位置のときに、燃焼室２８からの燃焼ガスは、排気用ポート７４に全て流れるようになっている。
　また、ピストン３５は、後述するように、後側空間３１内を前後方向に往復運動するようになっているが、このピストン３５には、図１０に示されるように、その往復運動時の動力を回転運動に変換するためのクランク機構８９が連結されている。クランク機構８９は、エンジン本体１２の外側における左右両側（図１０（Ｂ）中上下両側）に一対配置されており、ピストン３５が前後方向（同図中左右方向）に往復運動すると、エンジン１０が搭載された移動体の車輪（図示省略）に繋がる車軸Ｃを回転させる構造となっている。具体的に、クランク機構８９は、車軸Ｃが固定された中央部分を中心として回転可能な円盤部材９１と、この円盤部材９１の非中心部分に一端側が固定されたアーム９２と、エンジン本体１２に形成されて前後方向に延びるスロット穴９３と、アーム９２の他端側に回転可能に取り付けられるとともに、スロット穴９３を貫通してピストン３５の外側部材６３の一部分に固定された連結軸９４とを備えている。なお、円盤部材９１は、スロット穴９３の延出方向の延長線上から車軸Ｃをシフトさせたオフセット状態で配置されている。
　なお、クランク機構８９は、前述の構成に限定されるものではなく、ピストン３５の往復運動を回転運動に変換できる限り、種々の構造を採用することができる。
　前記動作制御装置３６は、図２に示されるように、各種部材を動作させる動力源９６と、当該動力源を制御する制御装置９７を備えている。
　前記動力源９６は、メイン吸気用開閉部材４９、サブ吸気用開閉部材５０及び排気用開閉部材としての中間部材６４を所定のタイミングで動作させるとともに、エンジン１０の始動時にピストン３５を動作させるようになっている。動力源９６としては、各部材を後述するように動作させることができる限り種々の構造のものを採用でき、例えば、コイル等を用いた電磁誘導によって行う各部材を回転させる構造の他に、モータ等のアクチュエータを使った構造を採用してもよい。
　前記制御装置９７は、以下で説明するタイミングで、メイン吸気用開閉部材４９、サブ吸気用開閉部材５０、中間部材６４及びピストン３５を動作させるように動力源９６の駆動を制御する。
　次に、前記エンジン１０の動作について図２、図３及び図１１等を用いて説明する。
　前記エンジン本体１１は、そのエンジン出力に応じて異なる第１、第２及び第３の動作モードで動作する。すなわち、前記第１の動作モードは、自動車のように地上を走行するときのような低速の第１の速度範囲（例えば、マッハ０．５程度未満）で前記移動体を走行させる場合に適用される。
　前記第１の動作モードの際は、図示しない起動スイッチを投入すると、メイン吸気用開閉部材４９の動作によって吸気用メインポート３７が閉塞され、吸気用メインポート３７から燃焼室２８への吸気が阻止される一方で、サブ吸気用開閉部材５０の動作によって吸気用サブポート３８が開放され、吸気用サブポート３８から燃焼室２８への吸気のみが許容される。また、中間部材６４の動作によって、燃焼室２８から排気用ポート７４への気体の流出が阻止される。従って、このときは、吸気用サブポート３８のみから燃焼室２８内に外気が導入される吸気工程となる。そして、燃焼室２８内に導入された外気は、図示しない噴射部から噴射された燃料と混合されて混合気となる。
　次に、吸気用メインポート３７から燃焼室２８内への外気の流入と、燃焼室２８から排気用ポート７４への気体の流出が共に阻止されたまま、サブ吸気用開閉部材５０の動作によって吸気用サブポート３８が更に閉塞され、燃焼室２８に対する気体の流入及び流出が全て阻止される。この状態で、動力源９６の作動によって、ピストン３５が始動して前方（図２中左方）に動き、図２に示される位置から図１１に示される位置に移動する。この結果、燃焼室２８内で混合気を圧縮する圧縮工程がなされる。
　そして、図示しない着火手段を用い、燃焼室２８内で混合気を燃焼させる燃焼工程がなされ、当該燃焼時の爆発力でピストン３５が後方（図１１中右方）に移動し、図２で示される位置に戻る。ここで、前記着火手段としては、プラグ等を用いた火花着火の他、レーザー着火等に例示されるように、燃料を燃焼爆発させるための手段であれば何でも良い。また、前記着火手段を用いずに、燃料の特性により圧縮時に燃焼爆発可能な自己着火方式を採用してもよい。
　次に、吸気用メインポート３７及び吸気用サブポート３８から燃焼室２８への吸気が共に阻止されたまま、中間部材６４の動作によって、燃焼室２８から排気用ポート７４への気体の流出が許容され、燃焼室２８内で生成された燃焼ガスをエンジン１０の外側に放出する排気工程がなされる。
　その後、ピストン３５は、動力源８６によらず慣性によって前述した各工程を順に行いながら、前後方向への往復運動がなされる。そして、ピストン３５に連結されたクランク機構８９（図１０参照）により、ピストン３５の往復運動に伴って車軸Ｃを回転させ、図示しない移動体の地上での走行が可能になる。なお、この際の速度は、燃焼室２８への燃料の噴射量等によってコントロールされる。ここで、各工程におけるメイン吸気用開閉部材４９、サブ吸気用開閉部材５０及び中間部材６４の動作は、クランク機構８９の円盤部材９１の回転角度に応じてなされ、当該回転角度は、円盤部材９１に付設された図示しないセンサによって検出される。
　なお、前記移動体が地上から空中に離陸する際等、移動体の速度が第１の速度範囲の上限付近に達したときには、前記吸気工程時において、吸気用サブポート３８を開放するのみならず、メイン吸気用開閉部材４９の動作によって吸気用メインポート３７をも開放し、吸気用メインポート３７及び吸気用サブポート３８双方からの燃焼室２８への吸気を許容することも可能である。
　また、第１の動作モードの際、吸気工程において、吸気用メインポート３７を開放する一方、吸気用サブポート３８を閉塞し、次工程で吸気用メインポート３７を閉塞するようにしてもよい。
　前記第２の動作モードは、飛行機のように空中を飛行するときのような第２の速度範囲（例えば、マッハ０．５程度から２程度の範囲内）で前記移動体を飛行させる場合に適用される。
　当該第２の動作モードの際、ピストン３５は、燃焼室２８内の容積が最大となる図２の位置で移動不能にロックされる。この状態で、吸気用メインポート３７は、メイン吸気用開閉部材４９によって常時開放され、吸気用メインポート３７から燃焼室２８への吸気が常時行われる。また、排気用ポート７４は、中間部材６４によって常時開放され、燃焼室２８からの燃焼ガスの排出が常時許容される。このとき、吸気用サブポート３８については、サブ吸気用開閉部材５０の動作により、前記移動体の速度に応じて開閉が繰り返し行われ、吸気用サブポート３８から燃焼室２８に外気が間欠的に供給されることになる。ここで、吸気用サブポート３８から燃焼室２８に導入された外気は、燃焼室２８内の周方向複数箇所から一定領域である衝突部Ｐに向かって噴出され、当該衝突部Ｐでは、各吸気用サブポート３８からの外気が相互に衝突するとともに、吸気用メインポート３７からの外気も衝突する。これによって、燃焼室２８内の混合気が圧縮され、当該混合気の圧力、温度、密度が上昇する。そして、燃焼室２８内の混合気が燃焼爆発し、燃焼ガスが排気用ポート７４を通じてエンジン１０の外側に排出され、前記移動体の推力が得られることになる。
　ここで、吸気用サブポート３８からの吸気が燃焼室２８内に間欠的に供給されることで、衝突部Ｐで衝突噴流が間欠的に発生するように噴出タイミングが制御され、その結果、燃焼室２８内への外気の取り込み効率を高めることができ、燃焼室２８内の混合気の圧縮効果が高まる。すなわち、吸気用サブポート３８が開放状態から閉塞状態に変化し、燃焼室２８内への吸気が許容された状態から一度阻止されると、燃焼室２８内の圧力が低下し、その閉塞状態から開放状態に戻ると、圧力が一瞬低下した燃焼室２８内に外気が一層入り込まれ易くなり、燃焼室２８内に導入される外気の圧縮効果が高まることになる。なお、吸気用サブポート３８の開閉の切り替え速度は、制御装置９７によるサブ吸気用開閉部材５０の動作制御によって、前記移動体の速度が大きくなるに従い速くなるように設定されている。また、第２の動作モードで移動体が増速する過程で、当該移動体が所定の速度に達したときに、サブ吸気用開閉部材５０の回転数を下げ、吸気用サブポート３８の開閉の切り替え速度を落とすことで、次の第３の動作モードに移行する際に、サブ吸気用開閉部材５０の停止をスムーズに行えるように構成することもできる。
　なお、第２の動作モードの際に、吸気用メインポート３７を常時閉塞してもよい。
　前記第３の動作モードは、第３の速度範囲（例えば、マッハ２程度以上の範囲内）で前記移動体を飛行させる場合に適用される。
　当該第３の動作モードの際も、ピストン３５は、図２の位置で移動不能にロックされる。ここでは、吸気用メインポート３７、吸気用サブポート３８、及び排気用ポート７４は、全て常時開放され、ラム圧によって、吸気用の各ポート３７，３８を通じて外気が燃焼室２８に供給される。この際、前記第２の動作モードと同様に、吸気用の各ポート３７，３８から燃料室２８内に導入された外気の衝突によって、燃焼室２８内で燃料との混合気が圧縮することになり、当該混合気の圧力、温度、密度が上昇して燃焼爆発し、燃焼ガスが排気用ポート７４を通じてエンジン１０の外側に排気され、前記移動体の推力が得られることになる。
　なお、第３の動作モードの際に、吸気用サブポート３８を常時閉塞することもでき、この場合、吸気用メインポート３７及び排気用ポート７４が常時開放される。
　また、前記移動体が着陸する際には、ピストン３５を前後方向に移動可能にし、接地時の前記車輪の回転によりピストン３５を往復運動させることで、当該ピストン３５を始動させる際に用いた動力源９６の逆起電力によるエネルギー回生を利用したブレーキ機構を採用することも可能である。
　前記第１、第２及び第３の動作モードへの切り替えは、前記移動体の速度を検出するセンサの検出結果に基づいて自動的に行ってもよいし、操縦者による手動での切り替えも可能である。
　従って、このような実施形態によれば、複数の構造のエンジンを併用することなく、一つのエンジン１０で、自動車として適用可能な速度から超音速機として適用可能な速度までカバーすることができ、地上走行と空中飛行が可能になる移動体の動力源としての利用が可能になるという効果を得る。
　また、燃焼室２８内の複数箇所から外気を導入し、当該複数箇所からの外気がそれぞれを一箇所で衝突可能な構成となっているため、亜音速で飛行する際にエンジン１０内に導入される外気の圧力であっても、コンプレッサーやタービン等、従来のジェット型エンジンで不可欠な圧縮機構を必要とせずに、飛行に必要な燃焼室２８内の圧縮状態を得ることができ、エンジン１０の小型化、軽量化に寄与することができる。
　なお、吸気用メインポート３７及び吸気用サブポート３８は、前述の形状や配置に限定されるものではなく、複数箇所から燃焼室２８内の一定領域に向かって外気をそれぞれ噴出させ、各外気を前記一定領域で衝突させて圧縮可能にする構成であれば何でもよい。換言すれば、燃焼室２８内の一定領域で複数本の噴流の衝突と、その際に発生する衝撃波、圧力波又は音波とによって燃焼室２８内の気体を圧縮できる機能を有する限り、種々の構成を採用することができる。
　ここで、噴出口４７は、安定した圧縮を行うために、燃焼室２８の中心軸Ｌ回りに軸対称となる３箇所以上の位置に設けることが好ましく、特に、本発明者らの実験によれば、噴出口４７を６箇所以上の位置に設けると、燃焼室２８内の気体の圧縮比が大幅に向上することが実証された。要するに、各噴出口４７は、燃焼室２８内の衝突部Ｐで形成される衝突噴流が包み込まれるように、前記一定領域の周囲から三次元的に外気を噴出可能にするとよい。
　また、噴出口４７は、吸気用サブポート３８からの外気を絞って燃焼室２８内に噴出し、燃焼に十分な衝突噴流を形成できる限り種々の形状を採用できるが、燃焼室２８内での圧縮効果を高めるために、楕円等の非円形状にすることが好ましい。
　更に、各噴出口４７からの噴流が衝突部Ｐで僅かにシフトした状態で衝突し、衝突部Ｐで螺旋回転流を形成する構成を採用することもできる。これによれば、外乱に対して安定した燃焼が可能になる。
　また、燃焼室２８の中心軸Ｌに沿う複数箇所に衝突部Ｐを設け、各噴出口４７からの噴流が、同時に或いは時間差を設けて各衝突部Ｐで衝突可能となる構成を採用することも可能である。これにより、燃焼室２８内の気体の圧縮比を更に向上することができる。
　更に、複数の噴出口４７からなる噴出口群を予め複数設定し、当該噴出口群毎に時間差で衝突噴流を形成するように、動作制御装置３６で各噴出口４７からの衝突部Ｐへの噴出タイミングを制御することも可能である。これにより、ある衝突噴流に基づく燃焼時の気体の膨張を次のタイミングの衝突噴流による圧縮で抑制することが可能になり、燃焼時の気体膨張による騒音の発生を抑制することができる。従って、噴出口群毎に発生させる衝突噴流の時間差は、前の燃焼時の気体膨張を抑えることが可能となるタイミングに設定することが好ましい。
　また、吸気用メインポート３７、吸気用サブポート３８及び排気用ポート７４の開閉の切り替え構造は、エンジン出力に応じた前述の切り替えを行える限り、前述の構造に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。
　更に、前記動作制御装置３６前記制御装置９７では、宇宙飛行を行う際の宇宙飛行モードとして、次の状態になるように、メイン吸気用開閉部材４９、サブ吸気用開閉部材５０、中間部材６４及びピストン３５を動作制御することもできる。すなわち、この宇宙飛行モードでは、ピストン３５が、動力源９６からの動力によって燃焼室２８内の容積を繰り返し増減させるように前後方向に動作するとともに、吸気用メインポート３７及び排気用ポート７４が常時開放される。このとき、吸気用サブポート３８については、サブ吸気用開閉部材５０の動作により開閉が繰り返し行われ、吸気用サブポート３８から燃焼室２８に外気が間欠的に供給されることになる。従って、この宇宙飛行モードでは、ピストン３５の動作による燃焼室２８内の混合気の間欠的な圧縮と、衝突部Ｐでの間欠的な衝突噴流の発生による圧縮と、吸気用メインポート３７からの外気導入によるラム圧による圧縮とが同時に行われることになる。ここで、当該宇宙飛行モードとしては、吸気用メインポート３７からの外気導入によるラム圧による圧縮と同時に、ピストン３５の動作による燃焼室２８内の混合気の圧縮と、衝突部Ｐでの間欠的な衝突噴流の発生による圧縮との何れか一方の圧縮を行う態様としてもよい。
　また、本エンジン１０では、燃料として炭化水素燃料又は水素を用いたときに、プラチナ、ニッケル、パラジウム若しくは、硫黄からなる触媒を併用することで、無酸素状態での常温核融合が可能になり、無酸素状態で推力が得られるため、より簡単なエンジン構成での宇宙飛行が可能になる。
　更に前記排気用ポート７４を含む燃焼室２８から排出される燃焼ガスの流路の一部に、当該燃焼ガスの少なくとも一部を燃焼室２８内に戻す流路を設けるとよい。これにより、排気特性を向上させることができる他、燃焼室２８内の圧縮効果を更に高めることができる。
　また、エンジン１０が専ら航空機やロケット用の推力を得る目的のみに利用される場合は、ピストン３５及びそれに関連する部材を省略してもよい。つまり、ピストン３５を併用すると、自動車用の超効率エンジンにすることができ、ピストン３５がなくても、航空機等の用途であれば、始動から高速飛行まで可能になる。
　その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
　１０　エンジン
　２８　燃焼室
　２９　外気導入部
　３５　ピストン
　３６　動作制御装置
　３７　吸気用メインポート
　３８　吸気用サブポート
　４７　噴出口
　４９　メイン吸気用開閉部材
　５０　サブ吸気用開閉部材
　６４　中間部材（排気用開閉部材）
　７４　排気用ポート
　Ｌ　中心軸
　Ｐ　衝突部

Claims (25)

  1. 　外気に燃料を混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室内に外気を導入する外気導入部とを備えたエンジンにおいて、
    　前記外気導入部は、前記外気を前記燃焼室内の一定領域に向かってそれぞれ噴出可能に形成された複数の噴出口を備え、
    　前記各噴出口からそれぞれ噴出された外気を前記一定領域で衝突させることにより、当該一定領域で前記外気を圧縮する圧縮機能を有することを特徴とするエンジン。
  2. 　前記噴出口からの外気の噴出状態を制御する動作制御装置を更に備え、
    　前記動作制御装置では、前記外気を前記各噴出口から間欠的に噴出させ、前記一定領域で衝突噴流が間欠的に発生するように、前記各噴出口からの噴出タイミングが制御されることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
  3. 　前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用メインポートと、前記中心軸の周囲から当該中心軸に向かって外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートとを備え、
    　前記噴出口は、前記吸気用サブポートからの外気を前記一定領域に噴出可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  4. 　前記吸気用サブポートは、前記噴出口に向かって流路断面積が次第に小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項３記載のエンジン。
  5. 　所定の部材を動作させるとともに当該動作の制御を行う動作制御装置を更に備え、
    　前記外気導入部は、前記吸気用メインポートを開閉するメイン吸気用開閉部材と、前記吸気用サブポートを開閉するサブ吸気用開閉部材とを更に備え、
    　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じて、前記吸気用メインポート及び前記吸気用サブポートの開閉を切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御することを特徴とする請求項３記載のエンジン。
  6. 　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御することを特徴とする請求項５記載のエンジン。
  7. 　前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンを備え、
    　前記ピストンは、要求されるエンジン出力が最も低い第１の動作モードのときに動作可能に設けられるとともに、当該第１の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第２の動作モード、及び当該第２の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第３の動作モードのときに停止可能に設けられ、
    　前記第１のモードのときには、前記混合気の燃焼による前記ピストンの動作によって動力を抽出可能に設けられ、前記第２及び第３のモードのときには、前記混合気の燃焼による推力を抽出可能に設けられていることを特徴とする請求項５記載のエンジン。
  8. 　前記動作制御装置は、前記第１の動作モードのときに、前記燃焼室への吸気の際、前記吸気用メインポート又は前記吸気用サブポートの何れか一方を少なくとも開放し、前記第２の動作モードのときに、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替え、前記第３の動作モードのときに、前記吸気用メインポートを少なくとも常時開放するように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御することを特徴とする請求項７記載のエンジン。
  9. 　前記燃焼室内の燃焼ガスを外部に導く排気用ポートと、当該排気用ポートを開閉する排気用開閉部材とを更に備え、
    　前記動作制御装置は、前記第１の動作モードのときに、前記燃焼室から燃焼ガスを排出する工程のみで前記排気用ポートを開放し、前記第２及び第３の動作モードのときに、前記排気用ポートを常時開放するように、前記排気用開閉部材を動作制御することを特徴とする請求項８記載のエンジン。
  10. 　前記噴出口は、前記燃焼室の壁面から内側に突出した突出部分に形成され、当該突出部分は、燃焼室内での気流の剥離を抑制可能な翼状に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  11. 　前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  12. 　前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸に対して対称に前記外気を噴出可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  13. 　前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸回りに軸対称となる３箇所以上の位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  14. 　前記噴出口は、６箇所以上に配置されていることを特徴とする請求項１３記載のエンジン。
  15. 　前記各噴出口は、前記一定領域で形成される衝突噴流が包み込まれるように、前記一定領域の周囲から三次元的に外気を噴出可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  16. 　前記噴出口は、導入した外気を絞って噴出可能な形状をなすことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  17. 　前記燃焼室内の容積を変化可能に動作するピストンと、当該ピストンの動作制御及び前記噴出口からの外気の噴出状態を変化させる部材の動作制御を行う動作制御装置を含み、
    　前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用メインポートと、前記中心軸の周囲から当該中心軸に向かって外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートとを備え、
    　前記噴出口は、前記吸気用サブポートからの外気を前記一定領域に噴出可能に設けられ、
    　前記動作制御装置は、前記ピストンの動作による圧縮、及び前記外気を前記各噴出口から間欠的に噴出させて前記一定領域での間欠的な衝突噴流を発生させることによる圧縮の両方の圧縮又は何れか一方の圧縮と、前記吸気用メインポートから少なくとも前記外気を導入することによるラム圧による圧縮とを同時に行う宇宙飛行モードでの動作制御が可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  18. 　前記各噴出口は、それぞれから噴出された外気が僅かにシフトした状態で衝突し、前記一定領域で螺旋回転流を形成可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  19. 　前記燃焼室では、プラチナ、ニッケル、パラジウム若しくは、硫黄からなる触媒を併用した状態で、炭化水素燃料又は水素と前記外気との混合気が燃焼されることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  20. 　前記各噴出口は、前記燃焼室の中心軸に沿う複数箇所で前記外気を衝突可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  21. 　前記燃焼室内の燃焼ガスを外部に導く排気用ポートを更に備え、
    　前記排気用ポートから排出された燃焼ガスの少なくとも一部を前記燃焼室内に戻す流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  22. 　前記噴出口からの外気の噴出状態を制御する動作制御装置を含み、
    　前記噴出口は、４箇所以上に配置され、
    　前記動作制御装置では、複数の前記噴出口からなる噴出口群を複数設定し、当該噴出口群毎に時間差で前記外気が衝突するように、前記各噴出口からの噴出タイミングが制御されることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
  23. 　外気に燃料を混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室内に外気を導入する外気導入部と、所定の部材を動作させるとともに当該動作の制御を行う動作制御装置とを備え、
    　前記外気導入部は、前記燃焼室の中心軸に沿う複数の方向から外気を前記燃焼室内の一定領域に導く吸気用メインポートと、前記中心軸に向かう方向から外気を前記燃焼室内に導く吸気用サブポートと、前記吸気用メインポートを開閉するメイン吸気用開閉部材と、前記吸気用サブポートを開閉するサブ吸気用開閉部材とを備え、
    　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じて、前記吸気用メインポート及び前記吸気用サブポートの開閉を切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御することを特徴とするエンジン。
  24. 　前記動作制御装置は、要求されるエンジン出力に応じた速度で前記吸気用サブポートの開閉を間欠的に切り替えるように、前記メイン吸気用開閉部材及び前記サブ吸気用開閉部材を動作制御することを特徴とする請求項２３記載のエンジン。
  25. 　前記燃焼室の容積を変化可能に動作するピストンを備え、
    　前記ピストンは、要求されるエンジン出力が最も低い第１の動作モードのときに動作可能に設けられるとともに、当該第１の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第２の動作モード、及び当該第２の動作モードよりも要求されるエンジン出力の高い第３の動作モードのときに停止可能に設けられ、
    　前記第１のモードのときには、前記混合気の燃焼による前記ピストンの動作によって動力を抽出可能に設けられ、前記第２及び第３のモードのときには、前記混合気の燃焼による推力を抽出可能に設けられていることを特徴とする請求項２３又は２４記載のエンジン。
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