JPH0674749B2

JPH0674749B2 - 複合タービン機関

Info

Publication number: JPH0674749B2
Application number: JP59068980A
Authority: JP
Inventors: ハ−バ−ト・ジ−・ジンスマイア−
Original assignee: スペシャリティシステムズインコーポレーテッド
Priority date: 1983-04-12
Filing date: 1984-04-05
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: CH666725A5; JPS6026124A; DE3412283C2; US4535592A; FR2544384B1; GB2138075A; GB2138075B; FR2544384A1; DE3412283A1; GB8406387D0

Description

【発明の詳細な説明】本発明は内燃機関、特に、内燃機関と共に１つまたはそ
れ以上のタービンを用いて排気ガスをより効率よく使用
する進歩的なタービン複合機関に関する。

従来技術においては、広範囲の種類のターボチャージド
機関があり、それらのターボチャージド機関では、排気
ガスがタービンを介して排気されて、内燃機関の燃料と
空気の混合物用の空気を圧縮するためのコンプレッサな
どを回転させるターボチャージド機関は、機関のクラン
クシャフトと協働する。これらの排気タービンを用いる
従来技術の内燃機関では、排気ガスの絞りにより非常に
大きな割合の不可逆圧力損失があり、また、減圧した高
温排気ガスがタービンに通され、それらのエネルギを与
える以前の他の不可逆損失があった。予め調査して判明
した従来技術の代表的な発明は次のような米国特許に示
されている。第995,348号は関連はないがダイナミック
２サイクルモータを記載しており、それには、掃気用ホ
イールが用いられて排気ガスを取り除くのを助けてい
る。第1,504,187号は関連はないが燃料が気化されて空
気と混ぜ合わされる内燃機関の気化法を記載している。
第1,921,907号は関連はなく、ただコンパクトな構成を
得るための部品の構成に関連しているだけであって、熱
力学的な考慮は何ら記されていない。第1,963,780号は
内燃機関動力体用のターボコンプレッサを示すものであ
り、それは、排気ガスタービンを駆動して給気のみ行程
の終に給気あるいは燃料空気混合物を圧縮するのであ
る。第2,245,163号は関係していないが、タービンが内
燃機関の排気側に作動的に接続されていて、航空用内燃
機関のコンプレッサを駆動するか、或いは、内燃機関と
協働するか、或いは、その両方を行なう航空機の動力装
置を記載している。第2,858,666号は２サイクル機関の
ターボチャージャを駆動するため排気ガスエネルギをよ
り効率よく使用することにいくらか関連している。第2,
982,087号は、関連していないが、ただフリーピストン
ガス発生器とコンプレッサに関係するものである。第3,
029,594号は、関連していないが合致したターボチャー
ジド機関を示すものである。第3,673,798号は、良好な
設計配置を示すものであるが排気ガスからエネルギを回
復させることにおける取り除けない損失という問題点に
は関連していない。第3,913,542号は関連していないが
簡素化したターボチャージャ制御に関するものである。
これらの特許から、排気ガスのエネルギを回収する際の
損失の不可逆性の問題を従来技術があまり取扱っていな
いことがわる。ただ１つ第2,858,666号は、タービンか
らそして、ターボチャージの２サイクル機関のためにだ
けより多くのエネルギ出力を得るという要望をとり上げ
ている。さらに、内燃機関の設計、理論的機関サイクル
及び理想的サイクルと行程、コンプレッサ、排気タービ
ンと熱交換器と機器部材に関するテキストは、これらの
不可逆の損失の解決の必要性を記載した。エドワード
オベルト（Edward Obert）は、彼のテキスト『内燃機関
と空気汚染、「理想的サイクルと行程」ハーパーとロー
（Harper and Rowe）、ニューヨーク、1973年』におい
て、「実際の内燃機関では、排出作業の一部分（約20
％）だけが実現化される。なぜならば実際の行程は逆転
不能であるから・・・」と書いている。チャールズテ
イラー（Charles Taylor）は彼のテキスト、「理論と実
践における内燃機関、第二版、MIT プレス、マサチュ
ーセッツ、1967年、第一巻、386ページ」において「理
論的な排出エネルギを適度な部分以上に実現化すること
は以下の理由で困難である。

1.タービンを通る流れの不安定性 2.排気弁または排気口における圧力損失 3.排気弁とタービンとの間の熱損失、」と書いている。テイラーは第二巻では、利益は可能であ
るということを認めているが、以下に記載する解決策を
叙述していない。

かくしてわかるように、従来技術のものは問題点を確認
していたが、排気ガスの全エネルギを回収し、大部分を
有用な動力に変換する際の非効率性をもたらすこれらの
不可逆損失を減少させる実用的な解決策は提示されてい
ない。

従って、本発明の目的は、これまで可能ではなかったと
ころの、内燃機関の排気ガスから比較的高い割合の有効
エネルギを回収することができる装置を提供することで
ある。

特に本発明の目的は、不可逆損失は少なくし、従来技術
の装置で回収されるよりも、非常に高い率の排気ガス中
の有効エネルギを回収することができるように構成され
そして、それぞれのシリンダと接続され１つまたはそれ
以上のタービンを提供することである。

これらの目的は、以下の図面にもとづく記載から明らか
とされるであろう。

本発明によれば、従来の内燃機関との組合せにおける改
良品を提供する。承知のように、内燃機関はシリンダを
有し、各シリンダは、シリンダヘッドとピストンとの間
でシリンダ内部に形成された燃焼室を有する。各給排気
マニホルド装置が設けられている。入ってくる燃料を酸
素含有気体と混合するための気化装置などが設けられて
いる。シリンダ内部の燃焼室から、高温、高速燃焼生成
物を定期的に排出するための排気口が設けられている。
本改良品は、少くとも１つのそれぞれのノズル装置を有
し、全ての実践的目的にかなうようにその入口はシリン
ダ壁に隣接しまたその出口はタービンに隣接しており、
ノズルの入口においては高温高圧のシリンダからの排出
ガスをタービンの入口に最少のエネルギ損失、最大の速
度で送るようにして、それによってタービンへの運動力
の入力を最大にするようになっている。特に、シリンダ
の排出ガスは従来技術で出来たことにより非常に不可逆
損失が低くて残余エネルギを与えることとなる。

わかるように、特別な構造体は、各シリンダからの排出
口を取り囲むノズル装置に対する入口を有し、また、実
際の可能性内でタービンの入口通路と隣接する排出端を
有する。前に示唆したように、タービンを通る燃焼生成
物がより効率良くそしてより一定に近い流れをするよう
に単一のタービンがそれぞれ複数のノズル装置と接続し
た複数の入口を有するようにしてもよい。一方では、単
一の内燃機関内に複数のそれぞれタービンを用いて各々
が、燃焼生成物を効率良く動力使用するように選択した
シリンダのノズル装置の排出端と接続された入路をもつ
ようにしてもよい。「燃焼生成物」という語は本文で
は、二酸化炭素、水および一酸化炭素のような燃焼の生
成物を包含し、また窒素、窒素酸化物などのような、シ
リンダから排出される時その上昇温度と圧力のために上
昇エンタルピーを有するその他の高温ガスを包含する排
気、排出生成物を指摘する意味で用いれらている。本文
で燃焼生成物と同意義で用いられているその他の語は排
気ガス、および排出生成物を包含する。

前述の目的の中に含まれているように、本発明は、シリ
ンダ排気ガスを、できるだけ可逆の断熱（等エントロピ
ー）に近い過程でシリンダの内部状態から大気圧まで効
率よく膨張させて、それによって、推進力を補い付属品
を駆動し、あるいは、他の動力の要求に応ずる補助シャ
フトを駆動するように連結された、主クランクシャフト
の動力を補うように連結されているような機械的シャフ
ト動力によって回収される二次エネルギを最大にする装
置を示している。タービンを機械的に内燃機関のクラン
クシャフトに接続することは速度差の特性によって機械
的に簡単なことではないが、以下、図面にもとづいて詳
細にそれを説明する。

本発明の種々の実施例を検討する前に理論的な考察をい
くらか反復し強調することが有用であると思われる。よ
り低い圧縮および膨張比（圧縮比はオクタン要求によっ
て制限されている）の性質のため、火花点火式内燃機関
は、全エネルギの大部分を内燃機関の排気中に捨ててい
る。これらの特性のために、本発明の設計におけるよう
に大気圧への十分で有用な膨張を効率よく用いること
は、ディーゼルにおけるよりも火花点火式内燃機関によ
り大きく関係する改良をもたらすことになる。もちろん
それはディーゼルにも有利に用いることができる。

留意すべきことは、内燃機関は通常共通のクランクシャ
フトと連結された複数のそれぞれのシリンダとピストン
を用いるということである。しかしながら、本発明の説
明と理解を簡単にするため、第１図及び第２図には、単
一の、シリンダ、ピストン、ノズル、弁、およびタービ
ンを示す簡単な例が図示され、説明されている。

内燃機関の一般的説明のため第１図及び第２図を参照す
ると、組合せ体11は内燃機関13を包含する、すなわち、
少くとも１つのそれぞれの往復動ピストン15と、シリン
ダ18と、少くとも１つの、それぞれシリンダに設けられ
またシリンダの端部を包囲してピストンの燃焼室を形づ
くっているそれぞれのシリンダヘッド17と、少くとも酸
素含有ガスを送るようシリンダと連結された吸込マニホ
ルド装置19と、酸素含有ガスと導入燃料とを混合する装
置と、燃料と酸素含有ガスを燃やして動力を生じさせる
点火装置と、シリンダから高温、高圧燃焼生成物を定期
的に排出する排気口21とを包含しており、排気口は燃焼
室のそれぞれの境界壁の頂部あるいは底部に配置されて
いる。境界壁は第１図のようにシリンダヘッドであって
もよいし、また、第２図のようにシリンダ壁でもよい。

内燃機関13は、今までに述べたように任意のものでも良
く、また、２サイクル又は４サイクルのいずれでもよ
い。一般的には、内燃機関は、点火プラグなどを有し、
燃料と空気の混合気の燃料を点火して動力を生じさせる
ガソリン内燃機関である。所望ならば、ディーゼルサイ
クル機関におけるように、圧力および温度が充分高くな
ったときに、燃焼を始めるのを助けるグロープラグある
いは触媒をもったまたはもたない、圧縮点火型機関でも
よい。燃料を点火する点火プラグ、燃料と空気を混合す
る気化装置、あるいはまた、圧縮空気内に燃料を噴射す
る圧力噴射装置は、全て従来周知で具体的に示されてい
るので本文では具体的に記載する必要はない。従ってそ
れらについては簡潔化のために図面から省略した。

シリンダ18は、内燃機関が用いられる技術分野（航空
機、自動車、鉄道、船、定置機関など）で周知の内燃機
関のシリンダのうちの任意のもので良い。それは空気冷
却されるものでも液体冷却されるものでもよい。それぞ
れのシリンダとシリンダヘッドおよびそれらのガスケッ
ト、植込ボルトなどとの密封相互連関は全て周知のもの
であって本文では詳しく説明する必要がない。それぞれ
の通路が従来でも本発明でも冷却流体、潤滑油などのた
めに設けられている。

同様に、吸気マニホルド装置が、少くとも酸素含有ガス
および酸素含有ガスの燃料混合気、すなわち火花点火式
内燃機関における燃料空気混合気を燃焼室に導入し、動
力行程で点火したときに動力を生じさせるように、設け
られている。空気および燃料をシリンダ内に送りこむ従
来の任意の吸気マニホルド装置を本発明で用いることが
できる。第１図および第２図に示されているように、吸
気マニホルドは、シリンダヘッドに形成され、またポペ
ット弁を有し、これはカムシャフトなどによって行動さ
れるカムによって指示された適時に開いて燃料空気混合
気を入れる。

同じようにして、排気口21はシリンダの上部又は下部に
設けられて燃焼後の燃焼生成物を排出する。４サイクル
機関では、通常或る種の弁装置が排気口に設けられてそ
れか開いて燃焼生成物が排気マニホルド内へと流れ出る
ことができるようになっている。一方、２サイクル機関
では、排気口21はしばしばピストン15の下降運動によっ
て開かれむき出しにされる。この側口は４サイクル機関
でも同様に備えることができ、かかる設計は第２図に示
されている。

燃焼生成物から驚くほど高い割合の有用なエネルギ回収
を得るという本発明の独自の利点が活かされているのは
この点においてである。

第１図を参照すると、２つの排気弁が設けられている。
第１の排気弁は、組合せノズル・弁31であり、これは、
枢動弁、すなわち、枢動弁要素51と、ハウジングとを有
し、ピストンが動力行程（膨張）の終りに近づいたとき
に開く。組合せ吹き出し弁・ノズル、すなわち、組合せ
ノズル・弁は、排気ガスをシリンダから各タービンに入
れる。この組合せは、枢動弁要素51が作動ロッド56によ
って回動され、ガスの流路の反対側でハウジングに当た
るときに、ガスの流路を閉じることによって弁を構成す
る。枢動弁要素51は、在来のポペット弁を作動させるの
に使用されるものと同じ内燃機関駆動式カム及びばねに
よって作動する。この組合せはまた、枢動弁要素51がハ
ウジングから離れるように回動する開放シーケンス中、
破線53によって種々の位置で示された可変形状ノズルを
構成する。この組合せノズル・弁は、燃焼室37の境界壁
35に連続し、燃焼ガスを最小の乱流で入れるように形作
られてた入口端33と、最小の乱流とエネルギー損失でガ
スをタービンに円滑に入れるようにタービンの入口41と
連結された排出端39とを有する。弁要素51及び作動カム
は、弁開放シーケンスと同時に起こる吹き出し中の燃焼
生成物の変圧に適合する、弁開放中の効率的な可変ノズ
ル形状をもたらすように形作られている。提供されたノ
ズルの形状は、吹き出し中、超音速流を作りだすため初
期の高い圧力が必要とする先細末広がりのノズル形状で
始まり、完全に開いて、音速流を作りだす単純な先細の
ノズル形状になるように変化し、このとき、圧力がター
ビン内の圧力の約２倍であり、圧力が最終的に大気圧に
減圧するにつれて低くなるのが有利である。このように
行うに当たっては、ノズルは、吹き出し工程全体を通じ
て、ガスを可能な限り速い速度に効率的に加速させ、こ
れによって、吹き出しタービンは、運動エネルギの回収
を最大にすることができる。ハウジングを備えた枢動弁
要素51は、カム作動によって開かれるときに、このよう
な可変のノズルの形状を可能にする１つの方法であるこ
とがわかる。

在来のポペット弁設計の第２排気弁46は、破線45によっ
て第１図に概略的に示されたもう１つの流路を提供し、
有用な排気ガスエネルギの大部分がノズル31及びタービ
ン43を通って消費された後、クランクシャフトの回転に
遅れた或る位置で開く。第２排気弁は、比較的低い圧力
の残りのガスを、排気マニホールドとして役立つ排気管
47に直接排出し、一方、この部分の工程中、ノズル弁
は、シリンダとタービンとの間の導管を閉じることにな
る。

以下に説明するシーケンス開放を採用して、在来のポペ
ット弁、スリーブ弁、或いは、その他のタイプの弁を使
用する上方シリンダヘッドの第２排気弁の他の構造が可
能である。

タービン43は、この種の燃焼生成物の間欠流を効率的に
使用することができるいかなるタービンであっても良
い。通常、吹き出しタービン設計は、圧力タービンの内
燃機関のポンプ損失を無くし、不可逆流損失を最小にす
るこの適用が最良である。本発明の構成要素は、従来技
術の管の摩擦不可逆流損失が本発明の有効な作動を妨げ
ないように、タービンをシリンダの排気ポートにできる
だけ接近させる（好ましくは、ノズルの長さだけ離す）
ように設計されている。

第１図の実施例では、入口端が一体部分を形成し、且
つ、シリンダヘッドによって形成された境界壁に連続し
ているノズルが示されている。２サイクル機関などのよ
うな多くの内燃機関では、例えば、第２図に示すよう
に、ノズル入口端がシリンダなどの側壁の一部を形成
し、且つ、これに連続するようにすることができ、通常
多くの２サイクル機関で使われる排気側口はこのように
形成される。本発明では、側口21が、形づくられ、ノズ
ル31のための一体的なスムースな入口端を形成し、燃焼
生成物をシリンダからノズル31を介して、ノズルの排出
端39で、隣接したタービン43に対して効率よく排出する
ように寸法決めされている。第２図に示すように、シリ
ンダの下方部分に排気ポートとノズル弁を備えた４サイ
クル機関の場合、ピストンの上方移動が下方排気ポート
を閉じた後、残りの排気ガスの掃気を可能にするために
は、第１図に示すようにシリンダヘッドに第２排気弁が
必要とされる。

これらの側口設計の利点は、タービンを、すでに混みあ
ったヘッドの位置ではなく、内燃機関のブロックの側に
配置することができるという設計構成が簡単なことにあ
る。タービン及びその他の内燃機関の設計の構成体の配
置は、しかしながら、ヘッド領域において、排気弁や排
気口の必要性が小さいことを利用して、特にそれによっ
て吸気弁や吸気口のために利用可能となる増大したスペ
ースを利用することができるように、最適にする必要が
ある。これにより、空気流れの容量も増大させることに
よって内燃機関の作動や吸気の設計が改良させる。もう
１つの重要な利点は、このことが、通常のポペット弁の
絞り作用やその加熱および冷却という問題をなくして、
シリンダからの燃焼生成物の吹き出し路を簡単かつ、は
っきりとさせることである。高温、高速の吹き出し燃焼
生成物のほとんどが上方のシリンダ燃焼室には存在しな
くなるので、その重要な領域はより低温で運転され、こ
れにより、一定の燃料オクタン価でより高い圧縮比を用
いることができ、従って他では得られなかった他の効率
上の改良を生り出すことになる。

有用なシャフト出力を補うタービンを連結することは従
来技術に、例えば米国特許第2,245,163号に示されてい
る。連結成分における高い慣性負荷が避けられるように
またタービンが決してパラシチック（内燃機関の動力を
消費すること）にならないように効果的に２つのものの
連結は本発明を含めて、複式タービン内燃機関を実際に
実施する基本的問題のうちの２つである。従来の往復動
内燃機関とそれらの排気駆動タービンとのもっている特
性の速度が類似していないために問題が生ずる。経済的
および効果的な見地から好ましいとされる２つを機械的
に単に直接結びつけることはタービンにとって大きな割
合でギヤスピートを減少する装置が必要になる。そのよ
うな連結は、自動車に採用した時に顕著である（そして
航空機や船では程度が少ない）急激な速度変化によって
もたらされる高い慣性負荷というもともとの問題を有す
る。これらの急激な変化は大きな速度率の歯車作用によ
って増巾される。これらの急激な変化は、負荷なしの力
を急激にかけること、負荷を急激にかけること、および
伝達ギヤチェンジでもって典型的に生ずる。従って、高
い慣性負荷を損うのを避けるためにある手段によって柔
軟な連結をもたらすことが必要である。本発明の１つの
実施例によるタービンを内燃機関のシャフトに連結する
１つの手段が第３図に示されている。それにおいては、
ＡおよびＢは、内燃機関のクランクシャフトを出力シャ
フト75に接続している減速歯車装置73とタービンシャフ
ト79をシャフト75に接続している減速歯車装置77との中
間にある２つの異なったタイプのクラッチである。クラ
ッチＡおよびＢの位置は具体例としてのみ示されている
もので限定されるものではない。クラッチＡは定方向ク
ラッチでそれはトルクを１つの方向にのみ伝え、そして
充分にそして自動的に反対方向において自然に解放する
ようになっている。このようなタイプのクラッチはいろ
いろなテキストにみられる。例えば、「DESIGN OF MACH
INE MEN BERS」Vallance and Doughtie,ニューヨークマ
グローヒル社刊、第４版 1964年発行の262ページ第198
図の一方向クラッチ（overrding clutch）を参照。この
クラッチは、タービンによる内燃機関の動力の消費とそ
のトルク方向における慣性衝撃負荷の可能性を全てとり
除いている。

クラッチＢは、よくある設計のものである限定トルクク
ラッチである。例えば、限定トルククラッチＢは乾式あ
るいは湿式のプレート摩擦クラッチ、円盤タイプクラッ
チ、ドラムクラッチ、ハンドクラッチ、あるいは磁気ク
ラッチを包含してもよい。また、粘性または流体圧カプ
リングは用いられる限定トルク設計のたま１つの例であ
る。このクラッチは、過剰な慣性負荷が存在する時のみ
スリップするよう設計されており、一定方向クラッチＡ
に一体化されてもよい。タービンの背後の出力シャフト
を内燃機関のクランクシャフトまたは共通シャフトに接
続するためにできるその他のことは次のようなことであ
る。すなわち1.慣性負荷を支えるのに充分な強度、弾性
および制動をもった直接の歯車装置、2.ライトの複合タ
ービンに用いられたような歯車装置および流体カプリン
グ、3.過剰トルクを防ぐための歯車装置と迅速な連接取
外し装置、連結取外し装置はある制御器によって、ある
いはトルク容量を損うより元来ほとんどもたないために
スリップすることによって取外されるクラッチを包含す
る。この構成体は第３図に示したものにほとんど同じで
ある。発電機／モータ装置は交流（AC）あるいは直流
（DC）を用いて使われる。交流の場合には、必要な速度
変化の部分は、タービン／交流発電機（高速）にはわず
かな数の磁極を使用し、モータ（低速）には多数の磁極
を用いる設計によって行なわれる。そのような構成は、
それらの固有のスリップとは非同期の機械として効率良
く運転するように設計されている。そのような発電機／
モータ体は、磁気カプリングを有する単一集合体かある
いは一方では永久磁気部材を組入れまた他方では可変数
の電磁極を組入れてもよい。5.整流機蓄電池、および直
流モータをもった発電機または交流発電機を用いる発電
機タイプの構成体が用いられるが、この構成体は効果的
でないかもしれない。同様に、蓄圧室をもったあるいは
もたないタービン／流体圧およびはずみ車がエネルギを
蓄積しそのエネルギを必要性に合わせることができるよ
うに用いられる。

「TRANSACTIONS OF SOCIETY OF AUTO MOTIVE ENGINEER
S」（SAE）の62巻1954年刊における資料では、海面条件
における「テイクオフ動力」で操作するライトの複合タ
ービンは内燃機関のクランクシャフトによって回復され
るネットピストン力の79％（パーセント）の量になる排
気ガスで得られる運動力を有することを示している。排
気タービンはネットピストン力の18.2％の量になる力を
回復し、これは得られる運動力のたった23％であった。
全負荷で操作する自然に吹きこまれる内燃機関に大体等
しい「巡航出力」においては、得られる排気ガスの運動
力はピストン力の55％であった。タービンによって回復
された正味量は得られる運動力の9.5％またはたった17.
4％であった。これらの数字は従来の排気ポペット弁を
もった、むしろ曲折したそして従来の「損失しやすい」
排気管やマニホルドを介して各々供給する６つのシリン
ダをもった３つの吹き出しタービンを使用する18シリン
ダ径航空内燃機関にもとづいている。海面操作条件にお
いては、排気弁絞りに属したエネルギ損失割合は約テイ
クオフの36％およびクルーズピストン力の31％で、これ
は得られる運動力のそれぞれ45％および57％であった。
本発明の目的はこれらの損失を有益な出力に効果的に換
えることである。上記のデータを見安くするために表１
にまとめてみる。

与えられたデータは複合タービンの利点を支持してい
る。しかしながら、本発明の設計は、示された高い損失
を大きく減らし、回復されるネットタービンエネルギの
割合を目立って増し、損失をネットタービン出力部類内
に移動させることによって報告された結論に改良を与え
た。

前述したように火花点火式内燃機関は本発明の最も大き
な利益を実現している。重要なことは本発明は所望であ
れば、複合作用と共に過給作用との組合せを包含するこ
とができるということを認めることである。そのような
過給作用は内部冷却をもってあるいはそれなしで従来の
実施におけるように１つまたはそれ以上の圧縮段階後な
され得るものである。

作動の後、従来の内燃機械では、燃料および空気の吸込
混合体は、インレットマニホルド装置19を介して、開い
た吸込ポペット弁27を介して取り入れられ、そして、ピ
ストン15が下方に動くにつれ燃焼室内に吸引される。そ
の後、ピストンはその動きを逆にして上方に動き燃料と
空気の混合気を圧縮する。上死点前のある角度位置で、
燃料と空気の混合気は、火花プラグ（図示せず）の点火
によって燃焼される。火花プラグは、従来の装置を用い
て点火されるのであるが、この装置においては、一次コ
イルなどの装置が二次コイルに高電圧をひきおこし、火
花プラグのギャップ間に電気アークを生じさせる。とも
かく、条件を支えている燃焼下の空気中における燃料の
燃焼により、熱動力を生じさせ、高圧を引き起こす。そ
れによって強制的にピストンを下方に移動させ、内燃機
関のクランクシャフト25を回転させて、内燃機関のシャ
フト動力の出力を生じさせる。その後、排気口21は開か
れて、高温燃焼生成物を、それらの圧力が上昇した状態
でノズル31内に直接排出し、従来技術の内燃機関におい
てこの行程に関連していた不可逆圧力損失および冷却損
失を発生させることなく、タービン43の入口内になめら
かに排出する。排気ガスはタービンを通って流れ、ター
ビン刃を強制的に回し、動力を生じさせてタービンシャ
フト79を回転させるのである。タービンシャフトの出力
は次いで望みに応じて用いられる。このことは、第３図
に示したような内燃機関のクランクシャフトと連結させ
るか、または、米国特許第3,673,798号のような従来技
術に示されるように、圧縮機を回転させることによって
もよい。もちろん、望むならば、動力を利用するのに両
方に用いることができ、前述したように他の動力の用途
に用いることもできる。

前にも示したように、低圧、低速の消費された排気ガス
は次いでタービン43の排出路を通って従来の排気機構へ
といくのである。

このサイクルはそれぞれのシリンダごとに繰り返され
る。繰り返しのタイミングはそれが２サイクル機関か４
サイクル機関かによる。さらに、弁作用などのための最
良の構成は、それが２サイクル機関か４サイクル機関か
による。

通常の実施によれば、内燃機関は空気または、水あるい
はジエチレングリコールの水溶液などの循環流体によっ
て冷却される。内燃機関はそれぞれの潤滑通路（図示せ
ず）を介して従来の潤滑循環装置によって潤滑される。

前述のことからわかるように、本発明は、理論的な利用
可能なエネルギの驚くほど高い効率回収を有する改良さ
れた複合タービン機関を提供する。すなわち、本発明
は、前述した目的を達成している。

以上本発明についての特徴をある程度述べたが、それら
は本発明の単なる例であって本発明の精神を逸脱するこ
となく変化変形することはもちろん可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、残余ガスを排気するために第２の従来弁とと
もに枢動弁、すなわち、可変ノズルスロート弁によって
供給される、本発明によるタービンを示す部分断面図で
あり、第２図は、本発明の実施例のシリンダ側口における、枢
動弁、すなわち、可変ノズル・ネック・弁を示す図であ
り、第３図は、本発明の一実施例によるより大きな動力出力
のため排気タービンシャフトと内燃機関のクランクシャ
フトを接続する装置を示す概略図である。 13……内燃機関、15……ピストン 17……シリンダヘッド、18……シリンダ 19……吸気マニホルド装置、21……排気口 25……クランクシャフト、27……ポペット弁 29……ノズル弁、31……タービンノズル 33……入口端、35……境界壁 37……燃焼室、39……排出端 41……入口（インレット）、43……タービン 45、46……弁、47……排気管（排気マニホルド） 51……枢動弁要素（枢動弁） 55……ピポットシャフト、59……ばね

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】往復動ピストンを有する少なくとも１つの
シリンダと、前記少なくとも１つのシリンダに設けら
れ、前記ピストンに対して燃焼室を構成するため前記シ
リンダの端部を閉じるシリンダヘッド閉止部と、前記シ
リンダと連通された、少なくとも酸素含有ガスを前記シ
リンダに運ぶための吸気マニホルド装置と、導入燃料を
酸素含有ガスと混合するための装置と、動力を発生させ
るため、酸素含有ガス中の燃料を点火するための、圧縮
熱を含む点火装置と、前記シリンダから高温、高圧の燃
焼生成物を周期的に排出する排気口と、該排気口と連通
していて、高温、高圧の燃焼生成物を、加速させて、前
記シリンダからタービンに運ぶためのノズル装置とを有
する内燃機関において、前記ノズル装置はそのスロート部の一部をなす枢動弁を
備え、前記枢動弁が、前記ノズル装置の前方での不可逆弁絞り
を損失を除去し、吹出し工程全体にわたって、ノズル装
置の排出端のガス速度を最大にするため、前記ノズル装
置の先細末広がり形状を変える開弁作用を有することを
特徴とする内燃機関。
【請求項２】内燃機関の回転と同期して回転する、前記
枢動弁を作動するためのカムを更に有する、特許請求の
範囲第１項記載の内燃機関。
【請求項３】前記内燃機関が４サイクル機関であり、各
シリンダが、少なくとも２つの排気弁を有し、前記弁の
一方が、前記ノズル手段の形状により前記タービンに直
接排出するため早く開く前記枢動弁であり、第２の排出
弁は、ピストンが上昇したときに低圧の残余ガスを排出
するため遅く開く、特許請求の範囲第１項記載の内燃機
関。
【請求項４】前記内燃機関が２サイクル機関であり、前
記排気口が、ピストンの行程の或る部分の間、前記ピス
トンの側面によって被覆され、前記ピストンの行程の別
の部分の間、前記ピストンの前記側面によって被覆され
ないように、前記シリンダ壁の下半部に配置された側排
気口であり、前記枢動弁が前記側排気口及び前記タービ
ンと隣接している、特許請求の範囲第１項記載の内燃機
関。
【請求項５】前記枢動弁が、ピストンの行程の或る部分
の間、前記ピストンの側面によって被覆され、前記ピス
トンの行程の下方部分の間、前記ピストンの前記側面に
よって被覆されないように、シリンダ壁の下部に配置さ
れた側排気口にあり、前記枢動弁が前記側排気口及び前
記タービンと隣接している、特許請求の範囲第３項に記
載の内燃機関。