回転型内燃機関
【課題】本発明は、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない回転型内燃機関を提供しようとするものである。
【解決手段】燃焼器とタービンとケーシングとで構成される回転型の内燃機関であって、前記燃焼器は、略球状の本体にエアーインジェクターと燃料インジェクターと点火プラグを備え、該燃焼器本体は所定の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、前記タービンは、逆回転する一次タービンと二次タービンの二対のタービンから構成され其々独立した出力軸を有し、所定の形状を有して成り、前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、前記燃焼器を所定の傾斜角で装着する構成手段を採用した。
【解決手段】燃焼器とタービンとケーシングとで構成される回転型の内燃機関であって、前記燃焼器は、略球状の本体にエアーインジェクターと燃料インジェクターと点火プラグを備え、該燃焼器本体は所定の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、前記タービンは、逆回転する一次タービンと二次タービンの二対のタービンから構成され其々独立した出力軸を有し、所定の形状を有して成り、前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、前記燃焼器を所定の傾斜角で装着する構成手段を採用した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成の回転型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
平成２３年３月１１日に発生した東北地方太平洋沖地震による震災から、原子力発電システムに対する不安感が高まる中、計画停電の実施などと相まって、我が国国民の節電意識も高まり、原子力に代わる新たな発電システムに大きな期待が寄せられている。従来の我が国の発電事情は、全体の３割を原子力発電に頼っており、約６割はガスタービンによる火力発電である。
【０００３】
また、船舶や航空機に用いられている原動機としてのガスタービンエンジンも、近年の技術開発により小型で高出力のものがつくられるようになっている。ピストンが往復運動をするレシプロエンジンに比べ、ガスタービンエンジンでは回転運動しかしないため、機械的損失が少ないという特徴がある。ガスタービンエンジンは、同一燃焼室内で混合気を燃焼させ、膨張する燃焼ガス（動作気体）によってタービンを回して回転エネルギーを得る内燃機関であり、重量や体積の割合には高出力のエネルギーが得られることから、主に航空機の動力源として広く用いられてきた。また始動時間が短く、非常用発電機の動力源としても一部に使われており、発生した高温高圧の燃焼ガスが遠心式又は軸流式タービン軸を回転させて動力源を発生させるものでる。該タービン軸は、圧縮機と連結していて圧縮機に圧縮動力を伝達して持続的に運動するもので、ガスタービンエンジンには燃焼ガスの熱エネルギーを全てタービンで回収して軸出力を取り出す方式と、燃焼ガスの熱エネルギーを残したまま膨張・排気し、推力を得る方式のジェットエンジンがある。広義的にはターボチャージャーも一種のガスタービンと言える。
【０００４】
ガスタービンエンジンは、前述のガソリンエンジンやディ―ゼルエンジンなどと比較して軽量で比較的小さな体積で高出力が得られると共に、自動車等に用いる場合では加速性能値を表すパワーウエイトレシオ（出力荷重比）に優れ、さらに低速回転時と高速回転時の燃料消費率の差が少ないことや、低周波の振動が少なく高めの周波数の騒音対策で済むことや、燃焼効率が内燃機関の中でもディ―ゼルエンジンに匹敵する３５〜４２％の数値を示す。また、小型軽量であるため、定置型発電装置として今後その需要は高くなるものと予想される。
【０００５】
しかしながら、従来のガスタービンエンジンでは、燃焼ガスの流れる方向が大きく変化することによる圧力損失や、排気損失、機械的損失などがあり、特に圧縮機を出力軸から駆動するため圧縮損失が極めて大きいという問題がある。近年の高効率化されたガスタービンであっても、正味発生動力と圧縮機駆動用に使われてしまう所要動力とはほぼ等しく、タービンから得られた出力の約５割もが圧縮損失となっている現状にある。
【０００６】
このような問題を解決しようと従来からも種々の技術が提案されている。例えば、中心軸線に対する流体の流れが、第１の軸線方向の流れ、第１の半径方向外方の流れ、逆軸線方向の流れ、半径方向内方の流れ、第２の軸線方向の流れと第２の半径方向外方の流れとにより形成され、渦、ベクトルの変化、およびエネルギーを吸収するような向き変換を少なくするガスタービンエンジンが提案されている（特許文献１参照）。係る発明では、動作流体の向き変化を少なくして損失を少なくするものであるが、圧縮器を駆動しているため圧縮損失を大きく減らすことはできないため、ガスタービンエンジンにおいて最も大きな損失といえる圧縮損失を減少させるには至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１３４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成の回転型内燃機関を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃焼器と、タービンと、ケーシングと、で構成される回転型の内燃機関であって、前記燃焼器は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための略球状の本体に、外部圧縮機から圧縮空気を断続的又は連続的に得るためのエアーインジェクターを底部に、燃料インジェクターと点火プラグを上部に其々備え、該燃焼器本体は、前記タービンを構成する多翼ブレードに与えられる傾斜角Ｒ１と同一角の傾斜角Ｒ２（5〜15度）と、前記タービンを構成する一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ３（10〜25度）と、及び前記タービンの一次タービンを構成する多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）との其々の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、前記タービンは、相互に逆回転する一次タービンと二次タービンとの二対のタービンから構成され、其々独立した一次出力軸及び二次出力軸を有し、該タービンに備えられる複数の多翼ブレードは、内側取付部より緩やかなアーチ状の形状を描きながら傾斜角度Ｒ１（5〜15度）を有して外周リング部へと繋がり、一次タービンの上方は前記傾斜角Ｒ３と同一の傾斜角で面取りされ、一次タービンの多翼ブレードは、一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ４（120〜150度）を有して設けられ、二次タービンの多翼ブレードは、前記一次タービンの多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ５（120〜150度）を有して成り、前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、上部側ケーシングには、前記燃焼器を前記所定の傾斜角で装着可能な燃焼器取付部を備え、下部側ケーシングには排気口が設けられ、ていることを特徴とする回転型内燃機関である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る回転型内燃機関によれば、出力軸から圧縮機を駆動する従来のガスタービンと異なり、外部の圧縮機により蓄積された圧縮空気を用いるため、ガスタービンで最も大きなエネルギー損失とも言える圧縮損失を直接有さず、工場の廃熱利用など、どのような形で造られた圧縮空気でも利用できるという優れた効果を奏する。
【００１１】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、一次タービンと二次タービンとの駆動力を其々独立した出力軸から得ることができるため、発電等に必要な大きな出力と、小さな出力でも駆動できる補機類への動力と分けて利用できるといった優れた効果を奏する。
【００１２】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼器の上方に設けられる燃料インジェクターとエアーインジェクターによって電子制御された燃料と圧縮空気を噴射させるため、種々のセンサーを用いて回転数や外気温度、或いは酸素濃度等といった諸条件から繊細な制御をさせて、より燃焼効率を上げることができるという優れた効果を奏し得る。
【００１３】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼ガスによる動作流体の流れ方向について、大きく方向変換しないため、従来型のガスタービンに多く見られた圧力損失も軽減できるという優れた効果を奏し得る。
【００１４】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、一次タービン及び二次タービンのいずれのタービンにも外周リングが設けられているため、燃焼ガスの膨張エネルギーを逃がすことなく利用でき、また、係る外周リングはフライホイールの役割を果たし、振動やトルク変動を少なくできるという優れた効果を発揮する。
【００１５】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼室の上方に設けられる燃料インジェクターにより燃料を燃焼室内に噴射するため、ガソリン、軽油、ＬＰＧ、天然ガス、水素、メタノールなどの広範な燃料を使用することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る回転型内燃機関の全体構成説明図である。
【図２】本発明に係る回転型内燃機関の燃焼器説明図である。
【図３】本発明に係る傾斜角Ｒ１・Ｒ２説明図である。
【図４】本発明に係る傾斜角Ｒ３説明図である。
【図５】本発明に係る傾斜角Ｒ４・Ｒ５・Ｒ６説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の回転型内燃機関１は、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成にした点と、動作流体の流れの変化を少なくしたことを最大の特徴としている。以下、実施例を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る回転型内燃機関１の全体構成説明図である。本発明の回転型内燃機関１は、燃焼器１０とタービン２０とケーシング４０とで構成される。タービン２０は、逆回転する一次タービン２１と二次タービン２２の一対から構成され、ケーシング４０は上部ケーシング４１と下部ケーシング４２の一対から構成される。
【００１９】
図２は、本発明に係る回転型内燃機関１の燃焼器説明図である。燃焼器１０は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための装置であり、略球状の燃焼器本体１６の底部に、エアーインジェクター１３を備え、燃料インジェクター１１と点火プラグ１２を上部に其々備える。
【００２０】
該燃焼器本体１６の形状を略球状としているのは、底部に設けるエアーインジェクター１３から噴射される圧縮空気１５を下側から上側に回り込むようにスワールを作らせることで、燃料インジェクター１１から噴射された燃料１４が圧縮空気１５と混合し易くすると共に、下方に流れる空気の壁を作ることで、排出口１６から未燃焼ガスの排出を防ぐためである。
【００２１】
燃焼器１０による工程を説明する。図２に示すように、まず、底部に設けたエアーインジェクター１３から圧縮空気１５を反対側壁に向けて噴射する。圧縮空気１５は反対側壁の略球面形状により、下側から上側に回り込むようなスワールを作りながら燃焼器本体１６の内部圧力を上昇させる。圧縮空気が上方に到達するタイミングで燃料インジェクター１１から燃料１４を噴射して混合気を作り、燃焼器本体１６内の圧力が、エアーインジェクター１３から噴射される圧縮空気１５の圧力に近づくと、前記スワール形成力が小さくなるため、燃焼器本体１６内のよりも圧力の低い排出口１６から排出し始める。この少し手前のタイミングで、点火プラグ１２で点火する。係る圧縮空気１５の噴射、燃料１４の噴射、及び点火タイミングは、圧力センサー、温度センサー、Ｏ2センサー、或いはノックセンサー等、種々のセンサーからの信号を演算させて噴射タイミングや噴射量等をリアルタイム制御してもよいし、或いは予め燃焼実験により得られたタイミングデータをマップ化しておき、マップ制御してもよく、また、より好ましくは、演算制御とマップ制御を組み合わせた高度な電子制御により、燃焼状態やレスポンス向上を図ることが望ましい。
【００２２】
なお、本発明に係る回転型内燃機関１では、圧縮機を駆動しない構成を採用しているため、外部から圧縮空気１５を得る必要がある。例えば、大型コンプレッサーを備える工場などでは、係る設備から得られる圧縮空気の一部を用いる。また、工場内で発生する余熱エネルギーや残余動力を利用して駆動されるコンプレッサーから供給を受けられればエネルギーの有効利用に資することができる。さらに、太陽光、水力、風力等の小さな発電能力しかないものでも、長時間の発電によりバッテリーに蓄積すれば、断続的であってもコンプレッサーを駆動してエアータンク等に圧縮空気を蓄積しておき、ここから供給を受けることも可能である。仮に、どうしても外部から圧縮空気１５の供給が得られない場合には、二次タービン２２の出力軸３１により外部圧縮機を駆動してもよい。いずれにせよ、少なくとも一次タービン２１の出力軸３０から得られる出力に圧縮損失を与えない構成を採用する。
【００２３】
燃料インジェクター１１は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から燃料噴射ポンプ（高圧フューエルポンプ）から送られてくる高圧の燃料１４を、前記の通り制御してエアーインジェクター１３との関係から噴射タイミングを計って電子制御噴射する筒内燃料噴射装置である。
【００２４】
エアーインジェクター１３は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から空気圧縮ポンプ（エアーコンプレッサーポンプ）から送られてくる高圧の圧縮空気１５を電子制御によって噴射する筒内空気噴射装置である。
【００２５】
図３は、本発明に係る傾斜角Ｒ１・Ｒ２説明図であり、図３（ａ）は一次タービン２１を上方から見た状態を示し、図３（ｂ）は二次タービン２２を上方から見た状態を示している。
【００２６】
タービン２０は、内側取付部から外周リング部２３に向けて緩やかなアーチ状を描きながら傾斜角Ｒ１（5〜15度）を有するブレードを複数備えており、該ブレードの傾きに対応して燃焼器１０の取付けもＲ１と同一の傾斜角度Ｒ２（5〜15度）を有して取り付けられる。係る角度の存在により、燃焼器１０が外側に配置され、複数の燃焼器１０を用いる場合に、各燃焼器１０間のオープンスペースを大きくすることができ、その分だけでも燃焼器１０の数を増やすことも可能となる。一次タービン２１と二次タービン２２は回転方向が逆回転となるため、一次タービン２１と二次タービン２２の傾斜角は等しいが図３に示すように向きは反対向きとなる。なお、多翼ブレードの先端を周設するように繋ぐ外周リング２３は、燃焼ガスの膨張力を逃がすことなく有効に回転力に変換するための遮蔽部であると共に、フライホイールの役割を果たし、振動及びトルク変動を少なくしている。
【００２７】
また、傾斜角Ｒ１とＲ２が同角であるのは、平面視において、ブレードに向かう燃焼ガスは垂直が望ましいからである。なお、図面上では燃焼器１０が４個配置されて表わされているが、係る個数に限定されるものではなく、配置可能であれば何個でもよい。
【００２８】
図４は、本発明に係る傾斜角Ｒ３説明図である。傾斜角Ｒ３（10〜25度）は、燃焼器１０を外側に配置させることでピッチ円直径を大きくし、燃焼器１０をより複数配置できるようにしたものである。また、図４は、ケーシング４０でタービン２０が被覆されている状態を示している。
【００２９】
ケーシング４０は、耐熱性に優れた素材を用いてタービン２０を被覆する形状に形成されている。図４に図示したケーシング４０は一体に表されているが、上部ケーシング４１と下部ケーシング４２とは、上下に２分割できる構造である。上部ケーシング４１の上面傾斜部には燃焼器取付部４４が設けられ、燃焼器１０を前記所定の傾斜角を有するように備える。なお、係る燃焼器取付部４４が傾斜角可変構造を有する構成として、傾斜角Ｒ２・Ｒ３・Ｒ６の角度範囲内に応じて調整ができる構造とすることも有効である。また、図示はしていないが上部ケーシング４１と下部ケーシング４２には、其々出力軸３０及び３１に対応した軸受部を有することはいうまでもない。
【００３０】
図５は、本発明に係る傾斜角Ｒ４・Ｒ５・Ｒ６説明図である。図５（ａ）は燃焼ガスの流れる経路を示し、図５（ｂ）は一次タービン２１における多翼ブレードの傾斜角Ｒ４（120〜150度）と、該傾斜角Ｒ４に対する燃焼器１０の取り付け傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）を示し、図５（ｃ）は、二次タービン２２における多翼ブレードの傾斜角Ｒ５（120〜150度）を示している。傾斜角Ｒ６が多翼ブレード面に対して垂直よりも広角としているのは、燃焼ガスが上方に逃げるのを防ぐためであり、二次タービンの多翼ブレードの取付角度が一次タービンの多翼ブレードの取付角に対し出力軸の長手方向に近い角度としているのは、燃焼器１０から一次タービン２１における多翼ブレードでの方向変換角よりも、一次タービン２１における多翼ブレードから二次タービン２２における多翼ブレードでの方向転換角を小さくし、更に前記方向変換角よりも二次タービン２２における多翼ブレードから排気口４３に向かう方向変換角を小さくすることで、徐々に燃焼ガスの流れる方向変換量を小さくさせている。係る構成は、膨張圧力の減少に伴って回転方向へのベクトルが小さくなることと、できるだけ排気口４３に係る背圧を少なくするためである。なお、一次タービン２１と二次タービン２２が逆回転することはいうまでもない。
【実施例１】
【００３１】
本発明に係る回転型内燃機関１の実施例として、例えば発電機に用いるのであれば、一次タービン２１の出力軸３０と二次タービン２２の出力軸３１から得られる双方の出力を、トルクコンバーター等により連結し、燃焼器１０で発生させた動作流体によるエネルギーを全て発電機駆動に当てる構成が考え得る。
【実施例２】
【００３２】
また、本発明に係る回転型内燃機関１の他の実施例として、例えば自動車に用いるのであれば、一次タービン２１の出力軸３０を車体駆動用とし、二次タービン２２の出力軸３１をエアーコンプレッサー、オイルポンプ、カーエアコン、ラジエターファン、及びターボチャージャーなどの補助機類の動力源とすることで、一次タービン２１から得られる出力に圧力損失を課すことなく有効に利用できる構成とするのも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る回転型内燃機関１は、小型軽量で高出力であることから、小型発電機の動力源としたり、小型の乗り物など、利用範囲は広く産業上の利用可能性は高いものと思量する。
【符号の説明】
【００３４】
１ 回転型内燃機関
１０ 燃焼器
１１ 燃料インジェクター
１２ 点火プラグ
１３ エアーインジェクター
１４ 燃料
１５ 圧縮空気
１６ 排出口
２０ タービン
２１ 一次タービン
２２ 二次タービン
２３ 外周リング
３０ 一次出力軸
３１ 二次出力軸
４０ ケーシング
４１ 上部ケーシング
４２ 下部ケーシング
４３ 排気口
４４ 燃焼器取付部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成の回転型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
平成２３年３月１１日に発生した東北地方太平洋沖地震による震災から、原子力発電システムに対する不安感が高まる中、計画停電の実施などと相まって、我が国国民の節電意識も高まり、原子力に代わる新たな発電システムに大きな期待が寄せられている。従来の我が国の発電事情は、全体の３割を原子力発電に頼っており、約６割はガスタービンによる火力発電である。
【０００３】
また、船舶や航空機に用いられている原動機としてのガスタービンエンジンも、近年の技術開発により小型で高出力のものがつくられるようになっている。ピストンが往復運動をするレシプロエンジンに比べ、ガスタービンエンジンでは回転運動しかしないため、機械的損失が少ないという特徴がある。ガスタービンエンジンは、同一燃焼室内で混合気を燃焼させ、膨張する燃焼ガス（動作気体）によってタービンを回して回転エネルギーを得る内燃機関であり、重量や体積の割合には高出力のエネルギーが得られることから、主に航空機の動力源として広く用いられてきた。また始動時間が短く、非常用発電機の動力源としても一部に使われており、発生した高温高圧の燃焼ガスが遠心式又は軸流式タービン軸を回転させて動力源を発生させるものでる。該タービン軸は、圧縮機と連結していて圧縮機に圧縮動力を伝達して持続的に運動するもので、ガスタービンエンジンには燃焼ガスの熱エネルギーを全てタービンで回収して軸出力を取り出す方式と、燃焼ガスの熱エネルギーを残したまま膨張・排気し、推力を得る方式のジェットエンジンがある。広義的にはターボチャージャーも一種のガスタービンと言える。
【０００４】
ガスタービンエンジンは、前述のガソリンエンジンやディ―ゼルエンジンなどと比較して軽量で比較的小さな体積で高出力が得られると共に、自動車等に用いる場合では加速性能値を表すパワーウエイトレシオ（出力荷重比）に優れ、さらに低速回転時と高速回転時の燃料消費率の差が少ないことや、低周波の振動が少なく高めの周波数の騒音対策で済むことや、燃焼効率が内燃機関の中でもディ―ゼルエンジンに匹敵する３５〜４２％の数値を示す。また、小型軽量であるため、定置型発電装置として今後その需要は高くなるものと予想される。
【０００５】
しかしながら、従来のガスタービンエンジンでは、燃焼ガスの流れる方向が大きく変化することによる圧力損失や、排気損失、機械的損失などがあり、特に圧縮機を出力軸から駆動するため圧縮損失が極めて大きいという問題がある。近年の高効率化されたガスタービンであっても、正味発生動力と圧縮機駆動用に使われてしまう所要動力とはほぼ等しく、タービンから得られた出力の約５割もが圧縮損失となっている現状にある。
【０００６】
このような問題を解決しようと従来からも種々の技術が提案されている。例えば、中心軸線に対する流体の流れが、第１の軸線方向の流れ、第１の半径方向外方の流れ、逆軸線方向の流れ、半径方向内方の流れ、第２の軸線方向の流れと第２の半径方向外方の流れとにより形成され、渦、ベクトルの変化、およびエネルギーを吸収するような向き変換を少なくするガスタービンエンジンが提案されている（特許文献１参照）。係る発明では、動作流体の向き変化を少なくして損失を少なくするものであるが、圧縮器を駆動しているため圧縮損失を大きく減らすことはできないため、ガスタービンエンジンにおいて最も大きな損失といえる圧縮損失を減少させるには至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１３４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成の回転型内燃機関を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃焼器と、タービンと、ケーシングと、で構成される回転型の内燃機関であって、前記燃焼器は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための略球状の本体に、外部圧縮機から圧縮空気を断続的又は連続的に得るためのエアーインジェクターを底部に、燃料インジェクターと点火プラグを上部に其々備え、該燃焼器本体は、前記タービンを構成する多翼ブレードに与えられる傾斜角Ｒ１と同一角の傾斜角Ｒ２（5〜15度）と、前記タービンを構成する一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ３（10〜25度）と、及び前記タービンの一次タービンを構成する多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）との其々の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、前記タービンは、相互に逆回転する一次タービンと二次タービンとの二対のタービンから構成され、其々独立した一次出力軸及び二次出力軸を有し、該タービンに備えられる複数の多翼ブレードは、内側取付部より緩やかなアーチ状の形状を描きながら傾斜角度Ｒ１（5〜15度）を有して外周リング部へと繋がり、一次タービンの上方は前記傾斜角Ｒ３と同一の傾斜角で面取りされ、一次タービンの多翼ブレードは、一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ４（120〜150度）を有して設けられ、二次タービンの多翼ブレードは、前記一次タービンの多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ５（120〜150度）を有して成り、前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、上部側ケーシングには、前記燃焼器を前記所定の傾斜角で装着可能な燃焼器取付部を備え、下部側ケーシングには排気口が設けられ、ていることを特徴とする回転型内燃機関である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る回転型内燃機関によれば、出力軸から圧縮機を駆動する従来のガスタービンと異なり、外部の圧縮機により蓄積された圧縮空気を用いるため、ガスタービンで最も大きなエネルギー損失とも言える圧縮損失を直接有さず、工場の廃熱利用など、どのような形で造られた圧縮空気でも利用できるという優れた効果を奏する。
【００１１】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、一次タービンと二次タービンとの駆動力を其々独立した出力軸から得ることができるため、発電等に必要な大きな出力と、小さな出力でも駆動できる補機類への動力と分けて利用できるといった優れた効果を奏する。
【００１２】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼器の上方に設けられる燃料インジェクターとエアーインジェクターによって電子制御された燃料と圧縮空気を噴射させるため、種々のセンサーを用いて回転数や外気温度、或いは酸素濃度等といった諸条件から繊細な制御をさせて、より燃焼効率を上げることができるという優れた効果を奏し得る。
【００１３】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼ガスによる動作流体の流れ方向について、大きく方向変換しないため、従来型のガスタービンに多く見られた圧力損失も軽減できるという優れた効果を奏し得る。
【００１４】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、一次タービン及び二次タービンのいずれのタービンにも外周リングが設けられているため、燃焼ガスの膨張エネルギーを逃がすことなく利用でき、また、係る外周リングはフライホイールの役割を果たし、振動やトルク変動を少なくできるという優れた効果を発揮する。
【００１５】
また、本発明に係る回転型内燃機関によれば、燃焼室の上方に設けられる燃料インジェクターにより燃料を燃焼室内に噴射するため、ガソリン、軽油、ＬＰＧ、天然ガス、水素、メタノールなどの広範な燃料を使用することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る回転型内燃機関の全体構成説明図である。
【図２】本発明に係る回転型内燃機関の燃焼器説明図である。
【図３】本発明に係る傾斜角Ｒ１・Ｒ２説明図である。
【図４】本発明に係る傾斜角Ｒ３説明図である。
【図５】本発明に係る傾斜角Ｒ４・Ｒ５・Ｒ６説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の回転型内燃機関１は、圧縮機を出力軸から駆動せず、外部で得られた圧縮空気を利用し、従来のガスタービン式内燃機関で最も大きなエネルギー損失である圧縮損失を持たない構成にした点と、動作流体の流れの変化を少なくしたことを最大の特徴としている。以下、実施例を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る回転型内燃機関１の全体構成説明図である。本発明の回転型内燃機関１は、燃焼器１０とタービン２０とケーシング４０とで構成される。タービン２０は、逆回転する一次タービン２１と二次タービン２２の一対から構成され、ケーシング４０は上部ケーシング４１と下部ケーシング４２の一対から構成される。
【００１９】
図２は、本発明に係る回転型内燃機関１の燃焼器説明図である。燃焼器１０は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための装置であり、略球状の燃焼器本体１６の底部に、エアーインジェクター１３を備え、燃料インジェクター１１と点火プラグ１２を上部に其々備える。
【００２０】
該燃焼器本体１６の形状を略球状としているのは、底部に設けるエアーインジェクター１３から噴射される圧縮空気１５を下側から上側に回り込むようにスワールを作らせることで、燃料インジェクター１１から噴射された燃料１４が圧縮空気１５と混合し易くすると共に、下方に流れる空気の壁を作ることで、排出口１６から未燃焼ガスの排出を防ぐためである。
【００２１】
燃焼器１０による工程を説明する。図２に示すように、まず、底部に設けたエアーインジェクター１３から圧縮空気１５を反対側壁に向けて噴射する。圧縮空気１５は反対側壁の略球面形状により、下側から上側に回り込むようなスワールを作りながら燃焼器本体１６の内部圧力を上昇させる。圧縮空気が上方に到達するタイミングで燃料インジェクター１１から燃料１４を噴射して混合気を作り、燃焼器本体１６内の圧力が、エアーインジェクター１３から噴射される圧縮空気１５の圧力に近づくと、前記スワール形成力が小さくなるため、燃焼器本体１６内のよりも圧力の低い排出口１６から排出し始める。この少し手前のタイミングで、点火プラグ１２で点火する。係る圧縮空気１５の噴射、燃料１４の噴射、及び点火タイミングは、圧力センサー、温度センサー、Ｏ2センサー、或いはノックセンサー等、種々のセンサーからの信号を演算させて噴射タイミングや噴射量等をリアルタイム制御してもよいし、或いは予め燃焼実験により得られたタイミングデータをマップ化しておき、マップ制御してもよく、また、より好ましくは、演算制御とマップ制御を組み合わせた高度な電子制御により、燃焼状態やレスポンス向上を図ることが望ましい。
【００２２】
なお、本発明に係る回転型内燃機関１では、圧縮機を駆動しない構成を採用しているため、外部から圧縮空気１５を得る必要がある。例えば、大型コンプレッサーを備える工場などでは、係る設備から得られる圧縮空気の一部を用いる。また、工場内で発生する余熱エネルギーや残余動力を利用して駆動されるコンプレッサーから供給を受けられればエネルギーの有効利用に資することができる。さらに、太陽光、水力、風力等の小さな発電能力しかないものでも、長時間の発電によりバッテリーに蓄積すれば、断続的であってもコンプレッサーを駆動してエアータンク等に圧縮空気を蓄積しておき、ここから供給を受けることも可能である。仮に、どうしても外部から圧縮空気１５の供給が得られない場合には、二次タービン２２の出力軸３１により外部圧縮機を駆動してもよい。いずれにせよ、少なくとも一次タービン２１の出力軸３０から得られる出力に圧縮損失を与えない構成を採用する。
【００２３】
燃料インジェクター１１は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から燃料噴射ポンプ（高圧フューエルポンプ）から送られてくる高圧の燃料１４を、前記の通り制御してエアーインジェクター１３との関係から噴射タイミングを計って電子制御噴射する筒内燃料噴射装置である。
【００２４】
エアーインジェクター１３は、内部に電気的に開閉するニードルバルブを備え、そのバルブがプランジャーコアと電磁石とスプリングの働きによって開くと先端の噴射口から空気圧縮ポンプ（エアーコンプレッサーポンプ）から送られてくる高圧の圧縮空気１５を電子制御によって噴射する筒内空気噴射装置である。
【００２５】
図３は、本発明に係る傾斜角Ｒ１・Ｒ２説明図であり、図３（ａ）は一次タービン２１を上方から見た状態を示し、図３（ｂ）は二次タービン２２を上方から見た状態を示している。
【００２６】
タービン２０は、内側取付部から外周リング部２３に向けて緩やかなアーチ状を描きながら傾斜角Ｒ１（5〜15度）を有するブレードを複数備えており、該ブレードの傾きに対応して燃焼器１０の取付けもＲ１と同一の傾斜角度Ｒ２（5〜15度）を有して取り付けられる。係る角度の存在により、燃焼器１０が外側に配置され、複数の燃焼器１０を用いる場合に、各燃焼器１０間のオープンスペースを大きくすることができ、その分だけでも燃焼器１０の数を増やすことも可能となる。一次タービン２１と二次タービン２２は回転方向が逆回転となるため、一次タービン２１と二次タービン２２の傾斜角は等しいが図３に示すように向きは反対向きとなる。なお、多翼ブレードの先端を周設するように繋ぐ外周リング２３は、燃焼ガスの膨張力を逃がすことなく有効に回転力に変換するための遮蔽部であると共に、フライホイールの役割を果たし、振動及びトルク変動を少なくしている。
【００２７】
また、傾斜角Ｒ１とＲ２が同角であるのは、平面視において、ブレードに向かう燃焼ガスは垂直が望ましいからである。なお、図面上では燃焼器１０が４個配置されて表わされているが、係る個数に限定されるものではなく、配置可能であれば何個でもよい。
【００２８】
図４は、本発明に係る傾斜角Ｒ３説明図である。傾斜角Ｒ３（10〜25度）は、燃焼器１０を外側に配置させることでピッチ円直径を大きくし、燃焼器１０をより複数配置できるようにしたものである。また、図４は、ケーシング４０でタービン２０が被覆されている状態を示している。
【００２９】
ケーシング４０は、耐熱性に優れた素材を用いてタービン２０を被覆する形状に形成されている。図４に図示したケーシング４０は一体に表されているが、上部ケーシング４１と下部ケーシング４２とは、上下に２分割できる構造である。上部ケーシング４１の上面傾斜部には燃焼器取付部４４が設けられ、燃焼器１０を前記所定の傾斜角を有するように備える。なお、係る燃焼器取付部４４が傾斜角可変構造を有する構成として、傾斜角Ｒ２・Ｒ３・Ｒ６の角度範囲内に応じて調整ができる構造とすることも有効である。また、図示はしていないが上部ケーシング４１と下部ケーシング４２には、其々出力軸３０及び３１に対応した軸受部を有することはいうまでもない。
【００３０】
図５は、本発明に係る傾斜角Ｒ４・Ｒ５・Ｒ６説明図である。図５（ａ）は燃焼ガスの流れる経路を示し、図５（ｂ）は一次タービン２１における多翼ブレードの傾斜角Ｒ４（120〜150度）と、該傾斜角Ｒ４に対する燃焼器１０の取り付け傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）を示し、図５（ｃ）は、二次タービン２２における多翼ブレードの傾斜角Ｒ５（120〜150度）を示している。傾斜角Ｒ６が多翼ブレード面に対して垂直よりも広角としているのは、燃焼ガスが上方に逃げるのを防ぐためであり、二次タービンの多翼ブレードの取付角度が一次タービンの多翼ブレードの取付角に対し出力軸の長手方向に近い角度としているのは、燃焼器１０から一次タービン２１における多翼ブレードでの方向変換角よりも、一次タービン２１における多翼ブレードから二次タービン２２における多翼ブレードでの方向転換角を小さくし、更に前記方向変換角よりも二次タービン２２における多翼ブレードから排気口４３に向かう方向変換角を小さくすることで、徐々に燃焼ガスの流れる方向変換量を小さくさせている。係る構成は、膨張圧力の減少に伴って回転方向へのベクトルが小さくなることと、できるだけ排気口４３に係る背圧を少なくするためである。なお、一次タービン２１と二次タービン２２が逆回転することはいうまでもない。
【実施例１】
【００３１】
本発明に係る回転型内燃機関１の実施例として、例えば発電機に用いるのであれば、一次タービン２１の出力軸３０と二次タービン２２の出力軸３１から得られる双方の出力を、トルクコンバーター等により連結し、燃焼器１０で発生させた動作流体によるエネルギーを全て発電機駆動に当てる構成が考え得る。
【実施例２】
【００３２】
また、本発明に係る回転型内燃機関１の他の実施例として、例えば自動車に用いるのであれば、一次タービン２１の出力軸３０を車体駆動用とし、二次タービン２２の出力軸３１をエアーコンプレッサー、オイルポンプ、カーエアコン、ラジエターファン、及びターボチャージャーなどの補助機類の動力源とすることで、一次タービン２１から得られる出力に圧力損失を課すことなく有効に利用できる構成とするのも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る回転型内燃機関１は、小型軽量で高出力であることから、小型発電機の動力源としたり、小型の乗り物など、利用範囲は広く産業上の利用可能性は高いものと思量する。
【符号の説明】
【００３４】
１ 回転型内燃機関
１０ 燃焼器
１１ 燃料インジェクター
１２ 点火プラグ
１３ エアーインジェクター
１４ 燃料
１５ 圧縮空気
１６ 排出口
２０ タービン
２１ 一次タービン
２２ 二次タービン
２３ 外周リング
３０ 一次出力軸
３１ 二次出力軸
４０ ケーシング
４１ 上部ケーシング
４２ 下部ケーシング
４３ 排気口
４４ 燃焼器取付部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器と、
タービンと、
ケーシングと、
で構成される回転型の内燃機関であって、
前記燃焼器は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための略球状の本体に、外部圧縮機から圧縮空気を断続的又は連続的に得るためのエアーインジェクターを底部に、燃料インジェクターと点火プラグを上部に其々備え、
該燃焼器本体は、前記タービンを構成する多翼ブレードに与えられる傾斜角Ｒ１と同一角の傾斜角Ｒ２（5〜15度）と、前記タービンを構成する一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ３（10〜25度）と、及び前記タービンの一次タービンを構成する多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）との其々の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、
前記タービンは、相互に逆回転する一次タービンと二次タービンとの二対のタービンから構成され、其々独立した一次出力軸及び二次出力軸を有し、該タービンに備えられる複数の多翼ブレードは、内側取付部より緩やかなアーチ状の形状を描きながら傾斜角度Ｒ１（5〜15度）を有して外周リング部へと繋がり、一次タービンの上方は前記傾斜角Ｒ３と同一の傾斜角で面取りされ、一次タービンの多翼ブレードは、一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ４（120〜150度）を有して設けられ、二次タービンの多翼ブレードは、前記一次タービンの多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ５（120〜150度）を有して成り、
前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、上部側ケーシングには、前記燃焼器を前記所定の傾斜角で装着可能な燃焼器取付部を備え、下部側ケーシングには排気口が設けられ、
ていることを特徴とする回転型内燃機関。
【請求項１】
燃焼器と、
タービンと、
ケーシングと、
で構成される回転型の内燃機関であって、
前記燃焼器は、連続的に圧縮、燃焼、膨張、及び排気するための略球状の本体に、外部圧縮機から圧縮空気を断続的又は連続的に得るためのエアーインジェクターを底部に、燃料インジェクターと点火プラグを上部に其々備え、
該燃焼器本体は、前記タービンを構成する多翼ブレードに与えられる傾斜角Ｒ１と同一角の傾斜角Ｒ２（5〜15度）と、前記タービンを構成する一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ３（10〜25度）と、及び前記タービンの一次タービンを構成する多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ６（90度を超え130度まで）との其々の角度を有して前記ケーシング上方に取り付けられ、
前記タービンは、相互に逆回転する一次タービンと二次タービンとの二対のタービンから構成され、其々独立した一次出力軸及び二次出力軸を有し、該タービンに備えられる複数の多翼ブレードは、内側取付部より緩やかなアーチ状の形状を描きながら傾斜角度Ｒ１（5〜15度）を有して外周リング部へと繋がり、一次タービンの上方は前記傾斜角Ｒ３と同一の傾斜角で面取りされ、一次タービンの多翼ブレードは、一次出力軸の長手方向から垂直方向を基準とする傾斜角Ｒ４（120〜150度）を有して設けられ、二次タービンの多翼ブレードは、前記一次タービンの多翼ブレード面を基準とする傾斜角Ｒ５（120〜150度）を有して成り、
前記ケーシングは、上下に分割構造を有して前記二対のタービンを被覆し、上部側ケーシングには、前記燃焼器を前記所定の傾斜角で装着可能な燃焼器取付部を備え、下部側ケーシングには排気口が設けられ、
ていることを特徴とする回転型内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９６２６３（Ｐ２０１３−９６２６３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７９４７（Ｐ２０１１−２３７９４７）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【特許番号】特許第５００４３７３号（Ｐ５００４３７３）
【特許公報発行日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（５１１２０５３５６）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【特許番号】特許第５００４３７３号（Ｐ５００４３７３）
【特許公報発行日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（５１１２０５３５６）
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