JP6630024B2 - エンジン - Google Patents

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、燃焼ガスを供給するタイミングや燃焼効率などをさらに容易に制御できるエンジンが求められている。

本発明の一態様は、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、ピストンの第１の側に設けられた第１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、ピストンを挟んだ第２の側に設けられ、ピストンを第１の側に移動する反対側の第２の力を生成する第２の室とを含む。エンジンは、さらに、第１の燃焼室における燃焼により移動するピストンの第１の力および上記第２の力に対抗してピストンの位置を制御するピストン制御ユニットを有する。直線的に動くピストンの位置を制御することにより、ピストンにより第１の燃焼室の容積（体積）を縮小して燃焼室内の気体を断熱圧縮する際の圧縮比、燃焼サイクルなどを制御できる。燃焼室内の気体は、燃料と空気との混合気体であってもよく、圧縮した段階でイグナイタなどにより着火させてもよい。また、燃焼室内の気体は空気であってもよく、燃料を噴射して圧縮点火させてもよい。

ガス供給ユニットは、第１の燃焼室内の低圧の燃焼ガスを排気する排気口を含んでもよい。第１の燃焼室内における燃焼ガスと混合気体または空気との置換効率を向上できる。

第２の力はバネや磁気により生成される力（反動）であってもよい。典型的な第２の室（副室）は、第２の燃焼室であり、ガス供給ユニットは、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のガス出力口を含んでもよい。第１および第２の燃焼室から交互に高圧の燃焼ガスを駆動用に供給でき、ピストンの動きの１サイクル単位でガス供給ユニットから駆動用の燃焼ガスを供給できる。

ピストン制御ユニットは、ピストンの位置を機械的に、または磁気的に直接制御するものであってもよい。ピストン制御ユニットは、ピストンが往復直線運動を行うシリンダの長手方向の外側に配置された第１の制御ユニットを備えている。第１の制御ユニットは、ピストンに接続されたシャフトであってシリンダ内を長手方向に直線に延びたシャフトを介してピストンの位置を制御する。エンジンは、ピストンとシャフト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いてもよい。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いてもよい。第１のリニア発電ユニットはピストンを駆動して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いてもよい。ピストン制御ユニットは、ピストンの第１の力または反対側に働く第２の力に対抗してピストンの位置を制御するので、リニア発電ユニットにより、ピストンの位置の制御に要する、動力および／または反対側に働く動力に対抗する力を電気エネルギーとして回生できる。

ピストン制御ユニットは、シリンダの外周に配置され、ピストンの位置を、磁場を介して制御する第２の制御ユニットを含んでもよい。エンジンは、シリンダの外周に配置され、ピストンと磁場を介して接続された第２のリニア発電ユニットを有していてもよい。第２のリニア発電ユニットは第２の制御ユニットとしての機能を含んでもよい。第２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２のリニアモータとしての機能を含んでいてもよい。

エンジンは、第１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ユニット（ガスタービン）を有していてもよい。典型的なガスタービンユニットは、ラジアルタービンを含み、複数のガス供給ユニットをラジアルタービンの周囲に沿って配置してもよい。

本発明の一態様は、上記のエンジンと、ガスタービンユニットに接続された発電機とを有する発電装置である。ガスタービンと発電機とは直結されていてもよく、ギアなどを介して接続されていてもよい。

発電ユニットの概略構成を示す図。 エンジンの概略構成を示す図。 エンジン、特に、ガス供給ユニットの動作を説明する図。 ガス供給ユニットの動作をさらに説明する図。 ガス供給ユニットの動作モードを例示した図。 異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 さらに異なるエンジンの概略構成を示す図。 駆動ガスの供給のタイミングを説明する図。

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とを含む発電装置（発電ユニット）１を示している。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つながった発電機３と、タービン６およびタービン排気ノズル７を中心として、その周囲に配置された複数のガス供給ユニット１０と、ガス供給ユニット１０と一対一に設けられたリニア発電ユニット２０とを含む。それぞれのリニア発電ユニット２０は、ガス供給ユニット１０の長手に接続され、ピストン制御ユニット６０としての機能を兼ねている。これらのタービン６、発電機３、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で提供されている。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５０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８０とを含む。

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、ガス供給ユニット１０のピストン１２を制御するピストン制御ユニット６０を兼ねたリニア発電ユニット２０との構成を、断面を用いて、模式的ではあるが、さらに詳しく示している。ガス供給ユニット１０は、ピストン１２が内部１４で往復直線運動を行うシリンダ１１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。

ピストン制御ユニット６０を兼ねたリニア発電ユニット２０は、ガス供給ユニット１０の長手方向に一体となるように接続されており、この例では、ガス供給ユニット１０の左側に隣接して設けられている。リニア発電ユニット２０は、筒型のハウジング２５と、発電時には発電コイルとして機能し、モーター駆動時には固定電磁石として機能するように、ハウジング２５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）２３と、固定コイル２３の内部で軸方向に沿って動く可動磁石（可動電磁石）２１とを含み、可動磁石２１がピストン１２とシャフト（ロッド）１３により連結されている。ハウジング２５の内部の両端には、可動磁石２１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コイルバネ２４が設けられている。コイルバネ２４の代わりに、あるいはコイルバネ２４とともに、両端の電磁コイル２３ａの磁極を可動磁石２１と反対に設定してピストン１２の両端における動きあるいは衝撃を緩和または吸収するようにしてもよい。可動磁石２１は永久磁石であってもよく、両端の固定コイル（電磁石）２３ａは、可動磁石２１と反発する磁極を備えた永久磁石であってもよい。また、固定コイル２３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。

したがって、この例では、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１３を介して制御する第１の制御ユニット６１０を含む。また、リニア発電ユニット２０は、ピストン１２とシャフト１３を介して接続された第１のリニア発電ユニット２１０を含む。さらに、第１のリニア発電ユニット２１０が第１の制御ユニット６１０としての機能を含み、第１のリニア発電ユニット２１０はピストン１２を駆動して当該エンジン５、具体的には各ガス供給ユニット１０を始動する第１のリニアモータとしての機能を含む。また、このエンジン５においては、第１の燃焼室３１および第２の燃焼室３２が、互いに、燃焼によりピストン１２に発生する力（第１の力）に対して反対側に働く力（第２の力）を生成する第２の室（副室）として機能する。

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、燃料供給ユニット８０からの空気、または空気および燃料の混合体を導入する吸気口１５と、吸気口１５を開閉する吸気バルブ１５ｖと、燃料噴射装置１６とを含む。燃料噴射装置１６は、点火装置を兼ねる。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１６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８０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、燃料噴射装置１６が点火装置として機能して燃焼室３１および３２内において燃焼を開始できる（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できる。

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。

排気口１８はシリンダ１１の長手方向のほぼ中央に設けられており、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から排ガスライン７８を介して燃焼ガスを大気へ排気する。排ガスライン７８には、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３８と、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７９とが設けられている。

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それぞれの端にシフトした位置であって、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。したがって、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、および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３７が設けられている。

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く、管理ユニット５０の制御あるいは適当な圧力制御弁により、燃焼室からのガスの出力先をガス供給ライン１９と排ガスライン７８とに切り替えることも可能である。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、管理ユニット５０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。

エンジン５を制御する管理ユニット５０は、第１のリニア発電ユニット２１０の固定コイル２３の極と磁場とを制御することにより、可動磁石２１の運動、例えば、速度および停止位置を制御する。これにより、可動磁石２１とつながったピストン１２のシリンダ内１４の運動、例えば速度および停止位置（死点）を制御する。典型的には、ピストン１２の停止位置（上死点および下視点）を制御する。したがって、第１のリニア発電ユニット２１０がピストン制御ユニット６０（第１の制御ユニット６１０）として機能する。管理ユニット５０は、さらに、燃焼室３１および３２における燃焼前後のピストン１２の停止時間、移動量または移動速度を、リニア発電ユニット２１０の磁場を制御することにより、燃焼による動力（力、圧力）に逆らって制御することができる。管理ユニット５０は、さらに、リニア発電ユニット２１０をリニアモータとして使用し、ピストン１２を駆動することにより、内燃機関であるガス供給ユニット１０を起動（始動）するスタータとして機能させる。

図３に、このガス供給ユニット１０の典型的な動作を示している。このガス供給ユニット１０は、排気口１８を中心として対称に燃焼室３１および３２が設けられ、ピストン１２が直線往復して、ピストン１２を挟んで両側に設けられた、対称な構成の燃焼室３１および３２で圧縮−着火−燃焼を交互に繰り返し行う。

まず、図２に示したように、ピストン１２が右端の死点Ｐ１に達しており、右側の第１の燃焼室３１で着火燃焼が起きると、それが左側の燃焼室３２においては反対側の力（第２の力）となり、ピストン１２は左側に移動し、左側の燃焼室３２の空気または混合気体を圧縮する。したがって、燃焼室３１および３２が、反対側の燃焼室３２および３１に対する第２の室（副室、反動を生成する室）となっている。具体的には、右側の燃焼室３１においては燃焼が開始されると、図３（ａ）に示すように燃焼室３１内で生成される燃焼ガスの圧力（膨張するガス）に押されてピストン１２が左側に移動し、ピストン１２の第１の燃焼室３１側の面、すなわち、右側の面１２ａが位置Ｐ２に達し、ピストン１２の移動により第１のガス出力口１７ａが開くと、開いた第１のガス出力口１７ａから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、タービン６を駆動する。

図３（ｂ）に示すように、燃焼室３１内で生成される燃焼ガスの圧力（膨張するガス）に押されてピストン１２がさらに左側に移動し、右側の面１２ａが位置Ｐ３に達し、ピストン１２の移動により排気口１８が開くと、燃焼室３１に残存していた低圧の燃焼ガスが排気ガス７２として排気される。それとほぼ同時に吸気バルブ１５ｖが開き、圧縮空気または燃料との混合気体が燃焼室３１内に供給される。燃料供給ユニット８０から燃焼室３１に供給される空気または混合気体は、ターボチャージャー７９により加圧または圧縮された気体であり、排気口１８が開いて燃焼室３１の圧力が低下すると即座に燃焼室３１に注入できる。燃焼室３１への注入効率を上げ、また、燃焼室３１における圧縮効率を上げるためにターボチャージャーに加え、またはターボチャージャーとは別に、エンジン５は、圧縮用のコンプレッサーを備えていてもよい。コンプレッサーは電動であってもよく、タービン６に駆動されるタイプであってもよい。

一方、ピストン１２を挟んで反対側の、左側の燃焼室３２においては、図３（ａ）および（ｂ）の状態で、右側の燃焼室３１における燃焼ガスの圧力が、ピストン１２に対して反対側に働く力（第２の力）となり、ピストン１２が左側へ移動し、燃焼室３２に供給されている空気または混合気体が圧縮される。図３（ｃ）に示すように、ピストン１２の左側の面１２ｂが燃焼室３２の上死点に対応する位置Ｐ１に達すると、第１の制御ユニット６１０を兼ねた第１のリニア発電ユニット２１０が、ピストン１２を左側へ移動する（加圧する）ように働く、右側の燃焼室３１の燃焼ガスの圧力（動力、力、第１の力）に対抗して、磁場を用いてピストン１２の停止位置を制御する。この際、リニア発電ユニット２１０は、ピストン１２の動きにより発電を行ってもよい。発電ユニット２１０によりエネルギー回生を行い、不図示のバッテリなどに電力を蓄えて、その後のピストン１２の位置制御のために使うことができる。なお、ピストン１２の左側の面１２ｂが上死点Ｐ１に達すると、ピストン１２の右側の面１２ａは下死点に対応する位置Ｐ４に達する。

図３（ｃ）において、左側の燃焼室３２で着火燃焼が行われると、燃焼によりガスが膨張し、燃焼ガスの圧力によりピストン１２が右側に移動する。図３（ｄ）に示すように、ピストン１２の左側の面１２ｂが位置Ｐ２に達し、ピストン１２の移動により第２のガス出力口１７ｂが開くと、開いた第２のガス出力口１７ｂから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、タービン６を駆動する。右側の燃焼室３１においては、ピストン１２により排気口１８が閉じられ、左側の燃焼室３２の燃焼ガスの圧力を反対側の力（第２の力）として、右側の燃焼室３１内の空気または混合気体が圧縮される。排気口１８からの排気を停止するタイミングは排ガスライン７８に設けられたバルブ３８により制御してもよい。このような動作を繰り返すことにより、ガス供給ユニット１０から高圧の駆動ガス７１が、左右の燃焼室３１および３２から交互に、ほぼ連続してタービン６に供給され、タービン６を駆動する。

エンジン５においてはこのようなシリンダ内１４におけるピストン１２の動きを、ピストン制御ユニット６０（第１の制御ユニット６１０）としての機能を有するリニア発電ユニット２０（第１のリニア発電ユニット２１０）で、モニターしながら制御することができる。ピストン１２の動きを制御する１つのモードは上死点の位置を変えることである。図４に上死点を位置Ｐ１から位置Ｐ１ａに設定したときのガス供給ユニット１０の動作を示している。図４（ａ）に示すように、リニア発電ユニット２１０における可動磁石２１の停止位置を固定コイル２３により生成される磁場を制御することによりピストン１２の右側の面１２ａの停止位置を、位置Ｐ１より中央によった位置Ｐ１ａに設定し、燃焼室３１における空気または混合気体の圧縮率を変えることができる。この場合も、燃焼室３１で生成された高圧の燃焼ガスによりピストン１２が左側に動いて右側の面１２ａが位置Ｐ２に達すると、図４（ｂ）に示したように、第１のガス出力口１７ａが開いて駆動ガス７１としてタービン６に供給される。また、同時に、左側の燃焼室３２の空気または混合気体はピストン１２により圧縮される。

図４（ｃ）に示すように、ピストン１２がさらに左側に動いて右側の面１２ａが位置Ｐ３に達すると、排気口１８が開いて燃焼室３１から燃焼ガスが排気され、同時に、空気または混合ガスが燃焼室３１に供給される。この際、ピストン１２の左側の面１２ｂが上死点である位置Ｐ１ａに達していると、燃焼室３２で燃焼が行われ、図４（ｄ）に示すように、ピストン１２が右側に動いて、燃焼室３２で生成された高圧の燃焼ガスが第２のガス出力口１７ｂから駆動ガス７１としてタービン６に供給される。

リニア発電ユニット２１０は、さらに、ピストン１２の停止時間、例えば、各上死点における停止時間を制御することも可能である。また、ピストン１２が上死点から、駆動ガス７１として出力する位置Ｐ２まで移動する時間あるいはタイミングを制御することも可能である。例えば、ピストン１２を上死点Ｐ１からリリースするタイミングがガス出力口１７ａおよび１７ｂを開にするタイミングに繋がる。出力口１７ａおよび１７ｂをオープンして駆動ガス７１をタービン６に供給するタイミングは、燃焼室３１および３２で生成される燃焼ガスを駆動ガス７１として最も効率よくタービン６を駆動できるタイミングであればよく、燃焼室３１および３２で燃焼が開始された後、燃焼が継続している途中であってもよく、燃焼が終了した後であってもよい。

典型的なタイミングは燃焼室３１で燃焼が継続している途中でピストン１２をリリースして動かすとともにガス出力口１７ａをオープンすることである。同様に、次に燃焼室３２で燃焼が継続している途中でピストン１２をリリースしてガス出力口１７ｂをオープンすることができる。これらのタイミングで出力口１７ａおよび１７ｂをそれぞれオープンすることにより、それぞれの燃焼室３１および３２における燃焼を、定積燃焼から定圧燃焼に移行でき、爆発的な燃焼に対して燃焼時間を延ばし、駆動ガス７１の供給時間を延長できる。燃焼終了後は、燃焼ガスは断熱膨張し、駆動ガス７１として燃焼室３１および３２からタービン６に供給される。

このガス供給ユニット１０は、ピストン１２がシリンダ１１の内部１４で直線的に往復運動する燃焼ユニットであり、ピストン１２が反対側の燃焼室における燃焼ガスの圧力を用いてそれぞれの燃焼室３１および３２に供給されている圧縮空気をさらに圧縮（断熱圧縮）する。断熱圧縮の過程において圧縮率を十分高くすることができ、燃料の着火温度まで燃焼室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１６から燃料を噴射することにより燃焼室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、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、燃料噴射装置１６を点火装置として使用し、燃焼室３１および３２内において燃焼を開始できる（火花点火モード）。燃焼室３１および３２における圧縮率は、ピストン１２の停止位置またはストロークをピストン制御ユニット６０（リニア発電ユニット２０）により制御できる。燃焼途中でガス出力口１７ａおよび１７ｂをオープンすることにより、燃焼室３１および３２においては間欠的な燃焼が繰り返されるが、タービン６に対しては、高温高圧の燃焼ガス（排気ガス）７１を、より連続的に供給できる。

いずれの場合も、間欠燃焼サイクルであり、理論的には定圧で燃焼が行われるディーゼルエンジンサイクル、定積で燃焼が行われるオットーサイクル、あるいはその両方の特徴を持つサバテサイクルとして呼ばれる状態が実現される。間欠燃焼サイクルにおいては、燃焼室３１および３２内の燃焼時の圧力を、生成される燃焼ガス自身、またはピストン１２の位置、移動速度などを制御することにより高めることが可能であり、高温高圧の燃焼ガスを得やすい。さらに、このエンジン５では、火花点火モードも、空気または混合気体を圧縮することにより自己着火させる圧縮点火モードにも対応でき、圧縮点火は燃焼時間を延長でき、タービン６に燃焼ガスを駆動ガス７１として連続的に供給できる時間を延長する一例と考えられている。例えば、近年開発されている予混合圧縮自動着火（ＨＣＣＩ）技術を使用することも可能である。

また、それぞれの燃焼室３１および３２における燃焼状態、燃焼サイクルの速度（周期）は、燃焼室３１および３２に供給する燃料量（混合比）を変えたり、燃焼室３１および３２内において着火するタイミングを変えたり、リリーフバルブなどの燃焼室３１および３２内の圧力を制御する機器を設けたり、ピストン１２を移動する長さを制御するなどのピストン１２の動きを制御することによりフレキシブルに制御できる。このため、燃料としては、軽油、ガソリン、アルコール、水素など様々なものを使用できる。

図５に、ガス供給ユニット１０で実現されるいくつかの運転モードを、ピストン１２の動き、具体的には、ピストン１２の両面１２ａおよび１２ｂの動きにより示している。実線は、各燃焼室３１および３２において、ピストン１２の圧縮方向への移動を示しており、破線は、ピストン１２の膨張方向への移動を示している。モードＭ１では、ピストン１２が上死点Ｐ１および下死点Ｐ４との間を動き、リニア発電ユニット２０、本例では第１のリニア発電ユニット２１０により、上死点Ｐ１においてに燃焼開始時に一定時間、ピストン１２の移動が制限され、定積状態で燃焼が行われる。モードＭ１は圧縮点火モードの一例である。燃焼開始後、ピストン１２はリリースされ、破線で示すように、ピストン１２の燃焼室側の面１２ａおよび１２ｂがそれぞれ位置Ｐ２に達するそれぞれのタイミングで、交互にガス出力口１７ａおよび１７ｂが開いて、交互に燃焼室３１および３２から駆動ガス７１がタービン６に供給される。さらに、ピストン１２の燃焼室側の面１２ａおよび１２ｂが交互に位置Ｐ３に達すると排気口１８が開いて燃焼室３１および３２それぞれにおいて、交互に（それぞれのタイミングで）排気と、圧縮空気または混合ガスの供給とが行われ、その後、ピストン１２は他方の燃焼室３２および３１の燃焼ガスの圧力を駆動力として、燃焼室３１および３２を交互に圧縮する。

モードＭ２では、ピストン１２の移動範囲がさらに狭く制限され、上死点Ｐ１ａと、それに対応する下死点Ｐ４´との間を動く。モードＭ２では、ピストン１２の死点における動きがより長く制限され、定積燃焼期間が長く設定されておりサバテサイクルまたはディーゼルサイクルに近い燃焼形態としている。モードＭ３では、ピストン１２の死点における移動の制限が短くなり、モードＭ４では、燃焼室３１および３２における燃焼が爆発的でピストン１２の移動の制限はなく、オットーサイクルのように、燃焼形態が実現される。

リニア発電ユニット２１０によるピストン１２の移動量の制限は、モードＭ５のように、最大の死点Ｐ１と最小の死点Ｐ１ａとの間でフレキシブルに設定できる。また、燃焼室３１および３２の燃焼モード（燃焼形態）を１サイクル単位で変更することも可能であり、一定の時間、連続して同じ燃焼モードで動かすことも可能である。

このように、ガス供給ユニット１０は、燃焼室で燃料を燃焼した際に得られる燃焼圧力によりシリンダ内１４で、ピストン１２が往復動するフリーピストンエンジンに近い構成であるが、ピストン１２に繋がった可動磁石２１を、第１のリニア発電ユニット２１０で制御し、ピストン１２の位置を燃焼圧力に逆らって制御する第１の制御ユニット６１０として使用することで、シリンダ内１４の所望の位置を死点としてピストン１２を動かすことができる。したがって、エンジン５においては、ガス供給ユニット１０の単位で、ピストンの運動周期や、燃焼時の圧縮比などをフレキシブルに調整可能であり、タービン６の駆動に適した条件の駆動用ガス７１を供給できる。

図６に、エンジン５の異なる例を示している。このエンジン５においては、ピストン１２とつながるシャフト１３が長手方向の反対側にも伸び、ガス供給ユニット１０の外の長手方向に機械式のピストン制御ユニット６０である第１の制御ユニット６１０が設けられている。第１の制御ユニット６１０は、シャフト１３を介してピストン１２とつながった可動部６１と、可動部６１をキャッチアンドリリースする１組のストッパ６３ａおよび６３ｂと、ストッパ６３ａおよび６３ｂの位置を制御する管理ユニット６５とを含む。このエンジン５においては、機械式の第１の制御ユニット６１０によりピストン１２の位置を制御できるので、第１の制御ユニット６１０の反対側に設けられたリニア発電ユニット２１０は、リニア発電にのみ特化したユニットであってもよい。また、リニア発電ユニット２１０がピストン制御ユニット６０としての機能を含む場合は、機械式の第１の制御ユニット６１０とリニア発電ユニット２１０とが協働でピストン１２を制御してもよい。ピストン１２の位置および／または動きを、シャフト１３を介して機械的に制御する構成は、本例に限定されない。例えば、シャフト１３の可動磁石２１をリニアモータの代わりに、モーターあるいはエアーシリンダー等により物理的に移動する電磁コイルまたは磁石により、磁力を介して動かしたり固定したりしてもよい。

図７に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５においては、ピストン１２の両側、すなわち燃焼室３１および３２のそれぞれの側に、ピストン１２とシャフト１３を介して繋がった第１のリニア発電ユニット２１０が設けられている。本例においては、それぞれの第１のリニア発電ユニット２１０が第１の制御ユニット６１０として機能する構成を示し、ピストン１２を制御するための電磁力を２つのリニア発電ユニット（リニアモーターユニット）２１０により協働で得られ、リニア発電ユニット２１０をコンパクトで低コストに提供できるようにしている。また、第１のリニア発電ユニット２１０の端に永久磁石２６を配置してショックアブソーバーとしての機能を確保している。これに対し、一方のユニット、例えば燃焼室３２の側のユニットが第１のリニア発電ユニット２１０としてのみ機能し、反対側の燃焼室３１の側のユニットが、リニアモーターユニットとしてピストン１２を制御する第１の制御ユニット６１０としてのみ機能するように構成してもよい。それぞれのユニットを発電用および制御用に特化できるので構成および制御を簡易にできる可能性がある。

図８に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５は、シリンダ１１のピストン１２の一方に燃焼室３１が設けられ、ピストン１２を挟んだ反対側の副室（第２の室）３９にはバネ６９が配置されてピストン１２を介して燃焼室３１を圧縮するため反対側の力（第２の力、圧力）が得られるようになっている。また、上記の例では、ピストン制御ユニット６０がガス供給ユニット１０の外に、長手方向に沿って配置され、ピストン１２とはシャフト１３で接続されていたが、この例では、ガス供給ユニット１０に一体となるように組み込まれている。具体的には、ピストン制御ユニット６０は燃焼室３１および反動室（第２の室）３９の外周側、具体的にはシリンダ１１の外側（外周側）にシリンダ１１に沿って配置され、磁場を介してピストン１２の位置を制御する第２の制御ユニット６２０を含む。ピストン１２は、その前後の端に配置（内蔵）された磁石６６ａおよび６６ｂを含む。第２の制御ユニット６２０は、シリンダ１１の前後に配置された磁石６８ａおよび６８ｂと、シリンダ１１の周囲に配置された磁石６７ａおよび６７ｂとを含む。これらの磁石は、電磁石であってもよく永久磁石であってもよく、それらを混在しても良い。磁石６８ａおよび６６ａは反発することによりピストン１２の上死点を規定し、磁石６８ｂおよび６６ｂは反発することによりピストン１２の下死点を規定する。また、周囲の磁石６７ａおよび６７ｂにより、上死点および下死点の位置を制御したり、ピストン１２の移動を制限したりすることができ、ガス排出口１７から効率よく高圧の駆動ガス７１を排出できる。

ピストン１２を挟んだ燃焼室３１と反対側の反動室３９は燃焼室３１に供給するための圧縮空気を格納する領域として使用してもよい。反動室３９に格納された圧縮空気は、燃焼室３１内における燃焼によりピストン１２が反対側に移動したときに圧縮され、バネ６９とともにピストン１２の急激な動きを和らげるダンパーとしての機能を果たす。反動室３９には、ピストン１２の位置を検出するための位置センサー（接触センサー、光学的センサーなど）を含んでいてもよい。また、ピストン１２が左側に移動して燃焼室３１内の圧縮空気を圧縮する際は、反動室３９にさらに圧縮空気を入れることも可能であり、ピストン１２を挟んだ燃焼室３１の圧力と反動室３９との圧力をできるだけ近づけて圧力差を少なくしてバランスさせることができる。すなわち、バネ６９の弾性力がなければ、ピストン１２が燃焼室３１と反動室３９との間でフローティングするような条件で動かすことができる。これにより、バネ６９の弾性力によりピストン１２を燃焼室３１の側に移動させることが容易となり、少ない弾性力で燃焼室３１内の燃焼空気をさらに圧縮できる。例えば、コンプレッサーで着火温度近くではあるが、着火温度まで至らない程度に断熱圧縮した燃焼空気を、反動室３９を経由して燃焼室３１に供給し、ピストン１２で断熱圧縮して着火温度まで燃焼空気の温度を上げることができる。

このような条件でピストン１２を駆動する反対側の力（第２の力）を得る機構としては金属製のバネ６９が好ましい。ピストン１２の移動量、移動するための弾性力（圧力）、温度などの条件を満足するものであれば、他のタイプの弾性体、例えば、ゴム等であってもよい。粘弾性を備えたダンパー、またはダンパーとバネとの組み合わせであってもよい。

図９に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５のガス供給ユニット１０は、シリンダ１１のピストン１２を挟んだ両側に設けられた燃焼室３１および３２を含む。ガス供給ユニット１０は、ピストン１２の位置を制御するピストン制御ユニット６０として、燃焼室３１および３２外周に配置され、ピストン１２の位置を、磁場を介して制御する第２の制御ユニット６２０を含む。具体的には、第２の制御ユニット６２０は、シリンダ１１の周囲に、シリンダ１１の長手方向、すなわち、ピストン１２の移動方向（往復動方向）に沿って配置された複数の電磁石（固定コイル）２３を含む。ピストン１２は、その両端に配置または内蔵された永久磁石２９を含む。これらの電磁石２３は、管理ユニット（制御ユニット）５０によりオンオフおよび極性が制御され、磁場を介してピストン１２の動きを制御する。すなわち、第２の制御ユニット６２０は、磁場を介してピストン１２の動きを制御するリニアモータ（リニアアクチュエータ）としての機能を含む。

さらに、第２の制御ユニット６２０を構成する電磁石２３は、ピストン１２の動きから電力を回生するリニア発電ユニット２０として機能する第２のリニア発電ユニット２２０を構成する。したがって、このエンジン５のガス供給ユニット１０は、上述したエンジン５のガス供給ユニット１０と同様に、ピストン１２の動きを制御するピストン制御ユニット６０を含み、ピストン制御ユニット６０がピストン１２の動きにより発電を行うリニア発電ユニット２０を兼ねる。ピストン１２の動きにより発電するリニア発電ユニット２０が、ピストン１２の動きを制御するピストン制御ユニット６０を兼ねていてもよい。このガス供給ユニット１０のピストン制御ユニット６０およびリニア発電ユニット２０は、シリンダ１１の周囲に配置された電磁石（固定コイル）２３を含み、それらが第２の制御ユニット６２０として第２のリニアモータおよび第２のリニア発電ユニット２２０を構成し、磁力（磁場）を介してピストン１２の動きと協働する。

すなわち、本例のガス供給ユニット１０においても、複数の電磁石２３によりピストン１２を往復動させ、燃焼室３１および３２の空気を交互に圧縮し、燃焼室３１および３２で交互に燃焼を発生させ、燃焼室３１および３２から交互に駆動ガス７１をタービン６に供給する。具体的なピストン１２の動き、およびノズル（出力口、排気口）１７および１８を介して駆動用のガス７１および排気用のガス７２を放出するプロセスは、上記において説明したガス供給ユニット１０と共通であり、以降においては共通する部分については説明を省略する。

図９に示したガス供給ユニット１０は、シリンダ１１の長手方向の中央に、駆動用ガス７１と排ガス７２とを出力し、燃焼室３１および３２に共通のノズル１７（１８）を含む。したがって、ピストン１２が燃焼室３１の側に移動し、ノズル１７がオープンすると燃焼室３２から高圧の駆動用ガス７１が排出され、ガス供給ライン１９を介してタービン６に供給される。燃焼室３２内の圧力が低下すると、ノズル１７の出口はバルブ等により排ガスライン７８に切り替えられ、排気ガス７２が外気に放出される。その後、燃焼室３１で燃料が開始されると、ピストン１２が燃焼室３２の側に移動し、共通のノズル１７がピストン１２によりクローズされる。ピストン１２がさらに燃焼室３２の側に移動すると、共通のノズル１７がオープンし、上記と同様に燃焼室３１から駆動用ガス７１が放出される。

図１０に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５のガス供給ユニット１０の第２の制御ユニット６２０は、ピストン１２の動きを制御する電磁石２３に加え、両端に配置された永久磁石２８を含む。第２の制御ユニット６２０の両端の永久磁石２８は、ピストン１２に装着された永久磁石２９と相互に反発する磁極を備えており、ピストン１２の上死点および下死点における衝撃を緩和するとともに、ピストン１２の始動を促進できる。

図１１に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５のガス供給ユニット１０は、シリンダ１１の燃焼室３１および３２にそれぞれ独立したノズル（ガス出力口）１７ａおよび１７ｂを含む。それぞれのノズル１７ａおよび１７ｂは、排気用のノズル１８の機能を兼ねている。燃焼室３１および３２のそれぞれにノズル１７ａおよび１７ｂを設けることにより、ピストン１２の往復動によりそれぞれのノズル１７ａおよび１７ｂがオープンするタイミングを燃焼中の早いタイミングに設定できる。

図１２に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５のガス供給ユニット１０は、シリンダ１１の燃焼室３１および３２にそれぞれ独立した、駆動ガス７１の出力用のノズル１７ａおよび１７ｂを含み、さらにシリンダ１１の中央に排気用のノズル１８を含む。排気用ノズル１８は燃焼室３１および３２に共通のノズルである。

図１３に、エンジン５のさらに異なる例を示している。このエンジン５のガス供給ユニット１０の第２の制御ユニット６２０は、ピストン１２の動きを制御する電磁石２３に加え、シリンダ１１のほぼ中央に配置された永久磁石２８を含む。第２の制御ユニット６２０の中央の永久磁石２８は、ピストン１２に装着された永久磁石２９と相互に反発する磁極であってもよく、引合う磁極であってもよい。

なお、ピストン１２の動きを制御するピストン制御ユニット６０、具体的には第１の制御ユニット６１０および第２の制御ユニット６２０に採用される電磁石２３および永久磁石２８の組み合わせ、位置、数などは上記の例に限定されない。ピストン制御ユニット６０は、ピストン１２を、シャフト１３を介して制御する第１の制御ユニット６１０と、ピストン１２を、磁場を介してシリンダ１１を通して制御する第２の制御ユニット６２０との組み合わせであってもよい。また、ピストン制御ユニット６０は、ピストン１２のストロークを可変制御できるものであってもよく、ストロークが一定になるように制御するものであってもよい。それぞれの制御ユニット６１０および６２０は、電磁石２３のみの構成であってもよく、永久磁石２８と電磁石２３との組み合わせであってもよく、永久磁石２８のみの構成であってもよく、磁石の位置および数は適宜選択できる。また、ピストン制御ユニット６０は、永久磁石２８や電磁石２３の位置や数をダイレクトに変更できる機構を備えていてもよい。

図１４に、タービン６に駆動ガス７１を供給できるタイミングを模式的に示している。ジェットエンジンサイクルでは、連続して駆動ガス７１をタービン６に供給できる。しかしながら、圧縮比を大きくするためには圧縮比の大きなコンプレッサーをタービンで駆動する必要があり、燃焼効率の向上が難しいことがある。上記のガス供給ユニットを４サイクルで動かすことも可能であるが、駆動ガス７１が断続的に出力されるのでタービン６を安定して回転することが難しい。ガス供給ユニットを２サイクルで動かすことにより、駆動ガス７１の供給の間隔を狭めることができ、さらに、ピストン１２の両側に燃焼室３１および３２が形成されるタイプのガス供給ユニット１０においては、１サイクルで、ほとんど連続的に駆動ガス７１をタービン６に供給できる。また、ピストン１２を用いることにより燃焼室３１および３２における圧縮比を高めることが容易であり、燃焼効率も向上しやすい。

さらに、エンジン５は、複数のガス供給ユニット１０を備えており、それらから駆動ガス７１が出力されるタイミング（位相）を適当に設定することにより、いっそう連続的に駆動ガス７１をタービン６に供給でき、より安定してタービン６を回転することができる。
上記には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、前記ピストンの第１の側に設けられた第１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、前記ピストンを挟んだ第２の側に設けられ、前記ピストンを前記第１の側に移動する第２の力を生成する第２の室とを含み、さらに、前記第１の燃焼室における燃焼により移動する前記ピストンの第１の力および前記第２の力に対抗して前記ピストンの位置を制御するピストン制御ユニットを有する、エンジンが開示されている。前記ガス供給ユニットは、前記第１の燃焼室内の低圧の燃焼ガスを排気する排気口を含んでもよい。前記第２の室は、第２の燃焼室であり、前記ガス供給ユニットは、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のガス出力口を含んでもよい。
前記ピストン制御ユニットは、前記第１の燃焼室および前記第２の室の外側に配置され、前記ピストンの位置を、前記ピストンに接続されたシャフトを介して制御する第１の制御ユニットを含んでもよい。エンジンは、前記ピストンとシャフト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。前記第１のリニア発電ユニットが前記第１の制御ユニットとしての機能を含んでもよい。前記第１のリニア発電ユニットは前記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。
前記ピストン制御ユニットは、前記第１の燃焼室および前記第２の室の外周に配置され、前記ピストンの位置を、磁場を介して制御する第２の制御ユニットを含んでもよい。エンジンは、前記第１の燃焼室および前記２の室の外周に配置され、前記ピストンと磁場を介して接続された第２のリニア発電ユニットを有してもよい。前記第２のリニア発電ユニットが前記第２の制御ユニットとしての機能を含んでもよい。前記第２のリニア発電ユニットは前記ピストンを駆動して当該エンジンを始動する第２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、前記第１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してもよい。前記ガスタービンは、ラジアルタービンを含み、複数の前記ガス供給ユニットが前記ラジアルタービンユニットの周囲に沿って配置されていてもよい。上記エンジンと、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も開示されている。

Claims (14)

1. 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、
   単一の前記ピストンが内部で往復直線運動を行うシリンダと、
   前記シリンダ内の前記ピストンの第１の側に設けられた第１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、
   前記シリンダ内の前記単一のピストンを挟んだ第２の側に設けられ、前記単一のピストンを前記第１の側に移動する第２の力を生成する第２の燃焼室とを含み、
   さらに、前記第１の燃焼室における燃焼により移動する前記単一のピストンの第１の力および前記第２の力に対抗して前記ピストンの位置を制御するピストン制御ユニットを有し、
   前記ピストン制御ユニットは、前記単一のピストンが往復直線運動を行う前記シリンダの長手方向の外側に配置された第１の制御ユニットであって、前記単一のピストンに接続され前記シリンダ内を、前記第２の燃焼室を通って前記長手方向に直線に延びたシャフトを介して前記ピストンの位置を制御する第１の制御ユニットを含む、エンジン。
2. 請求項１において、
   前記ガス供給ユニットは、前記第１の燃焼室内の低圧の燃焼ガスを排気する排気口を含む、エンジン。
3. 請求項１または２において、
   前記ガス供給ユニットは、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のガス出力口を含む、エンジン。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第１の制御ユニットは、前記ピストンに接続された前記シャフトを介して前記ピストンのストロークを制御する機能を含む、エンジン。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記ピストンと前記シャフト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。
6. 請求項５において、
   前記第１のリニア発電ユニットが前記第１の制御ユニットとしての機能を含む、エンジン。
7. 請求項５または６において、
   前記第１のリニア発電ユニットは前記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。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記ピストン制御ユニットは、前記シリンダの外周に配置され、前記ピストンの位置を、磁場を介して制御する第２の制御ユニットを含む、エンジン。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   前記シリンダの外周に配置され、前記ピストンと磁場を介して接続された第２のリニア発電ユニットを有する、エンジン。
10. 請求項８において、
    前記シリンダの外周に配置され、前記ピストンと磁場を介して接続された第２のリニア発電ユニットを有し、
    前記第２のリニア発電ユニットが前記第２の制御ユニットとしての機能を含む、エンジン。
11. 請求項９または１０において、
    前記第２のリニア発電ユニットは前記ピストンを駆動して当該エンジンを始動する第２のリニアモータとしての機能を含む、エンジン。
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記第１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。
13. 請求項１２において、
    前記ガスタービンは、ラジアルタービンユニットを含み、複数の前記ガス供給ユニットが前記ラジアルタービンユニットの周囲に沿って配置されている、エンジン。
14. 請求項１３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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