(57)【要約】【課題】【解決手段】  この内燃機関は、圧力下において連続運転される燃焼器（８）または大気圧で運転される燃焼器（１３）からなる。いずれの場合も、燃焼器（８／１３）は、後続の排気ガスタービン（３８）を備え、この排気ガスタービン（３８）の後に、内燃機関に流入する全ての気体状および液体状の媒体に排気ガスからの廃熱を物理的最大レベルまで伝達する排熱回収式熱交換器（１）を備える。予熱された燃焼空気または排気ガスは、その後、機械的な圧縮過程を用いることなしに蒸気噴射ポンプ（３０）のみによって圧縮される。前記のことは、動作蒸気が、熱交換器（２）内で加熱された後に蒸気過熱器（１１または２１）内で燃焼器（８または１３）からの熱により過熱されるとともに、その後、ラバルノズル（２２）内の等エントロピー膨張時において、燃焼器（８／１３）からの熱により常に更新され、かつ過熱されることによって達成される。本発明のさらに他の実施例では、前記内燃機関は、従来式ターボ過給機に代わるものとして、かつ制動エネルギーの再生使用（４３）を用いた自動車用エンジンとして適する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続燃焼により生じる高温空気が排気ガスタービン（３８）で圧力緩和されるとともに、必要な高温ガス過圧がエゼクタポンプ（３０）と排気ガスから残留熱を流入媒体に伝達する排気ガスタービン（３８）の下流側の排熱回収式熱交換器（１）とを用いて部分的に生じている内燃機関において、
駆動蒸気が、ラバルノズル（２２）で膨張時に前記エゼクタポンプ（３０）の外側から蓄熱器からの熱伝達によって連続的に更新するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記駆動蒸気が、前記ラバルノズル（２２）で膨張時に燃焼器（８または１３）からの熱を用いて更新した状態で加熱された後にノズル出口（２６）から漏出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載された内燃機関。
【請求項３】
前記排気ガスタービン（３８）へ流れるガス混合物が、前記エゼクタポンプ（３０）によって圧縮されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された内燃機関。
【請求項４】
前記向流式熱交換器として設計された排熱回収式熱交換器（１）における内燃機関に流入する熱交換部（３、４、５、６）の全ての液体状および気体状の媒体が、流出する排気ガス混合物（２）の方へ導かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項５】
前記排熱回収式熱交換器（１）中の排気ガス混合物が、排気ガス出口（７）へ到達する前に前記流出する排気ガス混合物の蒸気の凝縮温度まで冷却されていることを特徴とする請求項４に記載された内燃機関。
【請求項６】
前記駆動蒸気が、ラバルノズル入口（２５）より手前において、前記排気ガスタービン（３８）の後で排気ガスから再び熱を取り出す排熱回収式熱交換器（１）を介して導かれた後に燃焼器（８）または下流側に接続される煙管（１９）から熱を吸収する蒸気過熱器（１１または２１）を介して任意に導かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項７】
前記燃焼器（８）または下流側に接続する煙管（１９）への熱接続部（１２）が、前記ラバルノズル（２２）で駆動蒸気の更新と前記蒸気過熱器（１１または２１）で駆動蒸気の過熱とに用いる熱を伝達するように構成されていることを特徴とするとする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項８】
ポンプ送りされる媒体の予熱に用いる全熱が、インジェクタ（３１）で圧縮される前に前記排熱回収式熱交換器（１）または燃焼器（１３）で媒体に伝達するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項９】
前記エゼクタポンプ（３０）が、前記燃焼器（１３）から略大気圧の煤煙ガスを吸い出すとともに前記インジェクタ（３１）で圧縮した後に排気ガスタービン（３８）へ送り込むように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１０】
前記燃焼空気と駆動蒸気とが、前記液体状、気体状または固体状の燃料を用いて動作する燃焼器（１３）からの残留熱を有するとともに、前記排熱回収式熱交換器（１）で加熱されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１１】
前記煤煙ガスが、前記排気ガスタービン（３８）と燃焼室（１４）との間に接続する煤煙ガスフィルタ（２０）によって清浄されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載された内燃機関。
【請求項１２】
前記ラバルノズル（２２）の熱交換面が、推進ジェット蒸気をより多数の平行に配向されているラバルノズル（２２）に分割させ、各々のラバルノズル（２２）に全蒸気の一部分を吸収させることによって増大するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１３】
前記ラバルノズル（２２）の熱交換面が、入口部分（２９）を扁平化することによって増大するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１４】
前記ラバルノズル（２２）の熱交換面が、末広ノズル部分（２４）の開口角（２７）を３°未満に扁平化するとともに、前記末広ノズル部分（２４）の長手軸（２８）を相応に長くすることによって増大するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１５】
前記ラバルノズル（２２）が、加熱された状態で従来の内燃ピストン機関（５８）での給気の予圧に用いられていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１６】
前記駆動蒸気が、給水と液体燃料との均質混合物によって任意に構成され、該混合物が、前記排熱回収式熱交換器（１）を介するとともに、次に前記蒸気過熱器（１１）を通って、さらに前記ラバルノズル（２２）を介して送られていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１７】
前記燃焼器へと流れるガス流が、可変寸法の制御弁（４４）によって該ガス流と並列に接続した加熱されるバイパス蓄熱器（４３）を介して導かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項１８】
前記バイパス蓄熱器（４３）が、発電機（４６）において電流に変換される自動車の制動エネルギーにより加熱されるとともに、自動車用駆動エンジンと同じ態様で用いられていることを特徴とする請求項１７に記載された内燃機関。
【請求項１９】
前記排熱回収式熱交換器（１）を経て存在する排気ガス中の残留熱が、加熱用熱交換器（５６）を介して加熱（５７）またはプロセス熱として用いられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載された内燃機関。
【請求項２０】
前記燃焼器（８）または煙管（１９）が、自身の内面上に表面積拡大溝（６１）を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載された内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼により連続的に生成される高温ガスが、排気ガスタービン（exhaust  gas  turbine）で圧力緩和されるとともに、必要な高温ガスの過剰圧（overpressure）が、排気ガスタービンより前方において少なくとも部分的にエゼクタポンプを用いることによって生じる内燃機関に関するものである。
排気ガスタービンの下流側には、排気ガスの残留熱を内燃機関に流入する媒体に伝達する排熱回収式熱交換器（recuperator-heat  exchanger）が配置されている。
【背景技術】
【０００２】
このような内燃機関は、米国特許第５６８７５６０Ａ１号により周知である。
この内燃機関は、連続運転される上流側の燃焼室を有する排気ガスタービンと２段式排気タービン（two  level  exhaust turbine）とを備えている。
この機械的な圧縮過程（mechanical  compaction  level）を有する排気ガスタービンには、その後に燃焼室へ流入する燃料が予熱される第１熱交換器が設けられている。
そして、第２熱交換器において、熱は、排気ガスから取り出されるとともに、すでに第１熱交換器で冷却された燃焼空気に伝達されるようになっている。
このような方法では、圧縮がジェットポンプを用いずに行われているので、排気ガスタービンは機械的な圧縮過程を備えている。
【０００３】
また、英国特許第６４２１１８Ａ号によれば、熱交換器が下流側に接続され、燃焼空気が予熱されて排気ガスタービン内で連続燃焼される内燃機関が周知である。
そして、蒸気発生器の蒸気は、前記熱交換器内で発生するようになっている。
オイルと蒸気との混合物は、燃焼器のノズルに送られるが、圧縮は、同様にジェットポンプを用いずに行なわれるので機械的な圧縮過程が必要である。
【０００４】
さらに、英国特許第１２８２５５５号によれば、外部熱源が蒸気発生用にラバルノズル（Laval-nozzle）の前方に設計されることを理解することができる。
この方策の目的は、高真空減圧ポンプを開発することにある。
蒸気発生用外部熱源をラバルノズルの手前に設計することは、より高い負圧を得るのに役立つ。
【０００５】
基本的に、廃熱の再生使用を用いた多数のガスタービンが周知である。
同様に、このような装置における蒸気プロセスの利用も周知である。
引用文献には、最先端技術の例である独国特許第６９５２８８７１Ｔ２号および独国特許第６９４３２１９１Ｔ２号および独国特許第６９２３１９８Ｔ２号が示されている。
しかし、これらのいずれの方法も、本発明のようなガスタービン内のインジェクタと廃熱の再生利用とを同時に用いるものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、連続燃焼と最大限可能な物理的廃熱の再生利用とを用いる内燃機関を開発するとともに、エゼクタポンプのみを用いた燃焼空気の圧縮を達成することである。
これにより、機械的な圧縮過程を用いることを完全に排除できるようになっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のラバルノズルは、従来のラバルノズルとは完全に異なっている。
本発明におけるラバルノズルの駆動蒸気は、通常のインジェクタと比較して過剰に高い運動エネルギーを噴射穴において有していなければならない。
この駆動蒸気は、燃焼空気または本発明の実施例における煤煙ガスを機械的な圧縮過程と同じ程度に圧縮することができなければならない。
【０００８】
比較として、燃焼空気の圧縮に必要な本発明で改良されたエゼクタポンプを使用せず、従来のエゼクタポンプを使用した場合には、こうした過剰な駆動蒸気が燃焼空気の十分な圧縮力を達成するために必要となり、逆に、排熱回収式熱交換器の後方の排気ガス中に不可逆的に失われる多量の残留熱が存在するため、実用可能な内燃機関の効率が達成されなくなってしまう。
さらに、この過剰な蒸気が燃焼室へ多量の水分を持ち込むため、炎点火が不可能になってしまう。
【０００９】
本発明によれば、内燃機関に流入する全ての液体状および気体状の媒体は、排気ガス用排熱回収式熱交換器へ導かれ、最大限可能な物理的廃熱が、排気ガスから取り出されて前記流動媒体に伝達するようになっている。
【００１０】
このような向流式熱交換器（counter  current  heat  exchanger）は、熱交換面の大きさが、排気ガスから得ることができる全残留熱を駆動蒸気に伝達するように設計されていなければならない。
物理的な理由から、排気ガスの蒸気中に含まれる凝縮熱の一部分は、流入する給水が流出する蒸気よりもはるかに高い圧力を有していなければならないため、伝達不能となっている。
流入する給水を蒸気に変換するための気化熱は、１００°をはるかに超える温度でしか吸収されない一方で、流出する蒸気は、大気圧で約１００°の適切な凝縮熱を放出するようになっている。
【００１１】
本発明の他の実施例において、冒頭に記載したような内燃機関は、固体燃料をピースグッズ（piece goods）として燃焼するために用いられている。
ピースグッズとしての固体燃料は、大気圧に近い燃焼器の内圧でのみ燃焼できるようになっている。
そして、本発明における排気ガスタービンは、このような燃焼に供せられるようになっている。
また、この排気ガスタービンは、気体と液体燃料を用いる場合も大気圧に近い燃焼器の内圧で固体燃料を用いる場合と同程度に使用可能でなければならない。
【００１２】
本発明の他の実施例において、冒頭に記載したような内燃機関は、自動車の制動エネルギーを再生可能な態様で使用するとともに、自動車に動力を供給するために供することができなければならない。
自動車の制動エネルギーは、蓄熱器に熱の形態で保存されている。
必要に応じて、この制動エネルギーを再び内燃機関に供給可能でなければならない。
【００１３】
本発明におけるさらなる他の実施例において、冒頭に記載したような内燃機関は、排気ターボ過給器の効果のように、従来のような内燃ピストン機関の燃焼空気を予圧するために供することができるものでなければならない。
この内燃機関は、従来の機械式ターボ過給器にも取って代わり、いかなる機械的に動作する部分を用いることなく蒸気のみを用いて燃焼空気を予圧している。
【００１４】
これらの要件は、ラバルノズル内の膨張時にエゼクタポンプの駆動蒸気がインジェクタの外側および水タンクからの熱伝達により連続的に更新されることによって満たされている。
【００１５】
従来のラバルノズルとは対照的に、本発明のように加熱されるラバルノズル内では、蒸気の等エントロピー膨張が起こらず、外部から加熱されるラバルノズル内で少なくとも略等温の膨張が起こるようになっている。
この加熱されたラバルノズル内におけるポリトロープ（略等温の）膨張は、ラバルノズルから到来する蒸気が従来のラバルノズルの場合のように不均一に部分的に凝縮されるか、または部分的に氷に変換されるのではなく、均一な過熱媒体としてより軽い過熱蒸気として脱出するという効果を有している。
【００１６】
加熱されるラバルノズルから脱出する過熱蒸気は、従来のようなラバルノズルから脱出する蒸気と比較して大幅に高い速度を有している。
本発明のラバルノズルから脱出する過熱蒸気は、その速度が高められることによって、従来のラバルノズルから脱出する蒸気と比較して適切に増加した速度インパルスを有するようになっている。
このようにして達成される蒸気の速度は、従来のラバルノズルでは物理的条件により、決して達成することができない。
【００１７】
本発明のような入口から出口まで連続的に圧力を降下させながら少なくともほぼ定温で（等エントロピー膨張まで外側からの熱供給により）加熱されるラバルノズル内の蒸気は、少なくとも定温での圧力降下に対応する体積増加を起こすようになっている。
このため、蒸気エンタルピーは、ラバルノズル内の膨張時に増加するとともに、同時に有害なエントロピー転換が防がれるようになっている。
従来のラバルノズルでは、蒸気の膨張時に多数の有害なエントロピー転換である多数の衝撃部分のような凝縮転換が起こっている。
【００１８】
本発明のような加熱されるラバルノズルから脱出する高加速蒸気分子は、ポンプ送りされる媒体へのその後のパルス伝達時および燃料と媒体との混合物における圧力の達成時に、少なくとも廃熱の再生使用を用いる従来のような二段形ＩＳＯ規格ガスタービンの効率に対応する効率で一段形ガスタービンを動作させるほどの大きな運動エネルギーを有している。
これは、従来の加熱されないラバルノズル、または、蒸気過熱器のみを上流側に接続された従来のラバルノズルでは不可能である。
【００１９】
ラバルノズル内の膨張時に、熱によって更新される駆動蒸気は、この熱を直接的または間接的に燃焼器から引き出すようになっている。
ラバルノズルの被覆は、この熱をラバルノズルを介して流れる駆動蒸気に伝達するようになっている。
ラバルノズルは、燃焼器または煙管に直接取り付けられている。
燃焼器または煙管の蓄熱槽の温度は、恒久的に駆動蒸気の温度を数百度だけ上回っている。
このようにすると、駆動蒸気は、自身の膨張に係わりなく過熱状態を維持して連続的に更新されるとともにノズル出口で過熱されて脱出する。
【００２０】
駆動蒸気は、ラバルノズルに流入する前に、排気ガスタービンの後で排気ガスから再び熱を取り出す排熱回収式熱交換器によって加熱される。
その後、駆動ガスは、燃焼器または下流側の煙管での燃焼終了点から熱を吸収する蒸気過熱器によって過熱される。
【００２１】
蒸気過熱器内の蒸気は、定圧で、かつ、自身の亜音速流量を無関係に増加させて、温度上昇に対応する体積増加を起こす。
この熱供給形態は、エンタルピーの定圧増加を表している。
【００２２】
燃焼器または煙管からラバルノズルの方を向く材料は、高い熱伝達率を有している。
これらの材料は、高い熱伝導性と適切な耐熱性とを有する金属によって構成されることのが好ましい。
【００２３】
ラバルノズル内における駆動蒸気の蒸気更新、および、蒸気過熱器内における駆動蒸気を過熱するための熱伝達は、こうした燃焼器との熱伝導性接続部または下流側の煙管との熱伝導性接続部上で行なわれている。
【００２４】
排気ガスタービンの方へと流れる燃焼空気または煤煙ガスの圧縮は、機械的な圧縮機を全く必要とすることなく、専ら本発明のエゼクタポンプのみによって行なわれている。
【００２５】
従来式ラバルノズルでは、水蒸気がラバルノズル内で飽和段階に達し、蒸気圧の増大時に、いくつかのショック部分で凝縮転換が起こるようになっている。
これらは、多数の小さなエントロピー転換である。
これにより、凝縮物の氷点が部分的に切り下げられ、氷晶が発生するようになっている。
蒸気の不均衡効果は、結局のところ、ラバルノズル内における駆動蒸気の大幅なエントロピー増加を招くことになる。
前記ノズルの効率は、排気ガスタービン用の機械的な圧縮過程の代わりにラバルノズルを使用することが可能になる値をはるかに下回って低下している。
【００２６】
他方、ラバルノズルを加熱することにより、ラバルノズル内の水蒸気は、決して飽和段階に達することはなく、蒸気圧の増大時に凝縮転換が起こることはなくなっている。
蒸気の不均衡効果は、完全に消滅するようになっている。
逆に、駆動ガスの加熱は、ラバルノズル内における駆動蒸気のエンタルピーの大幅な増加をもたらしている。
前記ラバルノズルの効率は、排気ガスタービン用の機械的な圧縮過程の代わりにラバルノズルを使用することが可能になる値になっている。
【００２７】
ポンプ送りされる媒体の予熱に用いられる全熱が、排熱回収式熱交換器または燃焼器内でポンプ送りされる媒体に供給された後に、この媒体はインジェクタで圧縮されるようになっている。
推進材とポンプ送りされる媒体との間でパルス伝達としてインジェクタ内で行なわれる圧縮は、ポンプ送りされる空気を圧縮前にすでに加熱しておくことを可能にしている。
【００２８】
このエゼクタポンプのポンピング力を用いて、加熱空気は、排気ガスタービンにも必要とされる程度まで圧縮できるようになっている。
高温空気は、いかなる効率の損失をも伴うことなしに、低温空気のようにポンプ送りできるようになっている。
燃焼空気は、大気圧かつ周囲温度で排熱回収式熱交換器へ導かれて、最大限の熱を吸収した後に、パルス伝達によって圧縮できるようになっている。
媒体の温度上昇が、効率に関して有害な役割を果たすことはない。
このことを以下に説明する。
【００２９】
全ての機械的な圧縮器の場合は、より高い反対圧力が、圧縮される媒体の温度上昇とともに圧縮機ピストン上において発生する。
これとは正反対に、インジェクタは、反対圧力による反作用は生じ得ないようになっている。
駆動蒸気の駆動圧力は、ラバルノズル内において達成されるとともに、加速される推進材の速度に全面的に変換されるようになっている。
これにより、ラバルノズルは、非制動状態のまま、かつ圧縮される媒体の温度とは完全に無関係な状態となっている。
【００３０】
推進ジェットの分子は吸気管への自由飛行に備え、この吸気管において、前記分子は、吹出しノズルから遠く離れて、推進材の分子とごく少しずつ衝突するようになっている。
このような態様で衝突する分子そのもののブラウン分子運動が強いか弱いか、すなわち推進材が高温か低温かは全く重要ではない。
有利な点として、圧縮プロセスは、単に、パルス伝達として行なわれている。
【００３１】
内燃機関に流入する全ての気体状および液体状の媒体は、適切な熱交換部において向流式熱交換器として設計される排熱回収式熱交換器から流出する排気ガス混合物に対向して導かれている。
流入する媒体の有効熱容量は、本質的に、流出する排気ガス混合物に対応している。
したがって、給水と燃料と燃焼空気とによって構成される流入媒体全体は、流出する蒸気の凝縮熱を除いて、流出媒体の全残留熱を吸収できるようになっている。
【００３２】
各媒体は、いかなる損失も伴うことなく自身の圧縮前に何らかの量の熱を吸収しておくことができるため、再生的に取り出すことのできる全ての廃熱が、実際に内燃機関に供給できるようになっているという結論に達する。
この内燃機関の効率は、残留熱の再循環を高めることによって適切に向上するようになっている。
【００３３】
排熱回収式熱交換器における熱交換面の寸法が適切に設計されると仮定すれば、その温度は、排気ガスが排出されるまでに、流出する混合物中に含まれる蒸気の凝縮温度、すなわち、１００°Ｃに低下するようになっている。
排気ガスのさらなる冷却は、流出する混合物の圧力は大気圧であるが、給水の圧力がはるかに高圧でなければならないため、不可能である。
このため、給水は、１００°をはるかに上回る温度で気化し、大気圧で流出する蒸気の凝縮熱から気化熱を吸収することができない。
したがって、この凝縮熱の残留熱は、内燃機関において不可逆的に失われる。
【００３４】
エゼクタポンプは、インジェクタ内部で、本発明の一実施例ではほぼ大気圧で動作する燃焼器から煤煙ガスを排出させる負圧を生じさせている。
この煤煙ガスは、次に、インジェクタのディフューザ内部で圧縮された後に、排気ガスタービンへと送られるようになっている。
その後、圧縮された排気ガスは、一段形排気ガスタービンで圧力緩和するようになっている。
【００３５】
本発明における燃焼器は、特に現在までいかなる技術装置も知られていなかったため、大気圧で燃焼器内部に発生した、排気ガスタービンの駆動に直接供せられうる煤煙ガスを生じる木材ピースグッズを用いて運転されなければならない。
燃焼器は、木材の代わりに、液体状、気体状またはその他の固体燃料により運転できるようになっている。
いずれの場合も、燃焼器へ流入する燃焼空気は、排熱回収式熱交換器によって事前に加熱されている。
【００３６】
木材または石炭の燃焼による煤煙ガスは、燃焼室と排気ガスタービンとの間に接続される煤煙ガスフィルタを用いて清浄化されていなければならない。
特に、この燃焼による灰は、燃焼室内に維持されていなければならない。
これらの灰が熱交換器および排気ガスタービンに排気ガスとともに到達すると、熱交換器および排気ガスタービンは、使用不能となるかまたは徐々に劣化することになる。
したがって、煤煙ガスは、燃焼室と排気ガスタービンとの間でフィルタによって煙灰及びすすを除去され、格子により灰を分離させる灰だめが、燃焼手段の下部に内蔵されている。
【００３７】
いかなる残留物も生じずに気化される液体燃料が用いられる場合は、この燃料は、ポンプを用いることにより給水とともに均質混合物として排熱回収式熱交換器を介して、その後、蒸気過熱器を通過し、ラバルノズルを介して圧力燃焼器へ送ることができるようになっている。
この燃料は、水蒸気と気化燃料とによって構成される混合物の燃焼器への流量が気化燃料の燃焼流量を下回って低下することがないため、発火しないようになっている。
この水蒸気と気化燃料との混合物は、燃焼器のディフューザ内で初めて燃料の発火流量に達するようになっている。
【００３８】
このように、前述したような実施例では、燃料は、推進材として給水とともに用いることができるようになっている。
このため、有利な態様で、給水を相応に減らして、ある一定の圧力に到達させることができる。
給水の減量は、排熱回収式熱交換器の後に蓄積する不可逆的廃熱となる残留熱が減少することを意味する。
内燃機関の効率が高まり、本実施例は、示された全ての実施例と比べて最も良好な効率を達成するようになっている。
【００３９】
加熱されるラバルノズルの末広部分では、必要か否かにかかわりなく、いかなる場合でも超音速を得ることができるようになっている。
超音速で流れる気体状の媒体は、ラバルノズル内において線流中心線で折り曲げられることによって、極めて有害な圧縮転換が起りガスのエントロピーが増加して有害な効果が生じるため、いかなる状況下でもラバルノズル内において線流中心線で折り曲げられてはならない。
【００４０】
これにより、ラバルノズルの熱交換面を完全に線形に設計するとともに、多量の熱が駆動蒸気に伝達されなければならないため、駆動蒸気の方を向くラバルノズルの熱交換面を従来のラバルノズルと比べて複合的に増大させる必要がある。
当初から熱交換面として設計されたわけではない従来のようなラバルノズルの熱交換面は、本発明のラバルノズルと比べてｘ倍も小さすぎることになる。
【００４１】
本発明によれば、こうしたラバルノズルにおける熱交換面の増大は、特に、駆動蒸気をより多くの平行に配列されたラバルノズルに分配し、各々のラバルノズルが全蒸気流の一部分を吸収することによって達成される。
したがって、全蒸気流は、ガス分流としてより多くのラバルノズルに分配されるようになっている。
【００４２】
したがって、ノズル断面を扁平にするとともにノズル高さを相応に減少させることにより、ラバルノズルの周が円形断面のラバルノズルと比べて増大するため、ラバルノズルにおける熱交換面の増大が可能となっている。
【００４３】
ラバルノズルにおける熱交換面のさらなる増大は、末広ノズル部分の立上り角度を小さくして３°未満にすることによって達成される。
これにより、末広ノズル部分の長手軸の適切な延長がもたされるので、熱交換面が増大するようになっている。
このように、ラバルノズルの末広部分は、熱交換面の増大を達成するために大幅に扁平化されなければならない。
【００４４】
本発明における他の実施例では、加熱されるラバルノズルが、従来のような内燃ピストン機関の給気の予圧に用いられている。
駆動蒸気は、蒸気過熱器で事前に過熱されるとともに、加熱されるラバルノズルを介して送られ、燃焼空気は、従来の内燃機関に流入する前にラバルノズルによって予圧されている。
この機能は、燃焼空気を予圧する従来の排気ガス過給器に取って代わるものである。
【００４５】
本発明の他の実施例では、ガス流が、加熱されるラバルノズルおよびインジェクタの後に、加熱されるバイパス蓄熱器を介して導かれている。
このガス流は、拡大、縮小または遮断することができる制御弁を用いることによって調節可能となっている。
【００４６】
鉱物により製造される前記バイパス蓄熱器は、発電機において電流に変換される自動車の制動エネルギーにより加熱されることが好ましい。
発電機は、自動車の１個以上の車輪により駆動されている。
したがって、バイパス蓄熱器は、外部エネルギー源を用いて電気的に加熱できるようになっている。
燃焼器の方へと流れる流量制御された駆動ガスは、このバイパス蓄熱器を介して導かれている。
このようにして、ガス混合物は、加熱され、このガス混合物によりバイパス蓄熱器から熱が吸収されうる分だけ、燃費、すなわち、燃料を節減できるようになっている。
【００４７】
また他の熱交換器を介して、内燃機関に流入する全ての液体状および気体状の媒体が送り込まれた排熱回収式熱交換器の後の残留熱の一部分は、加熱用またはプロセス熱として利用できるようになっている。
排熱回収式熱交換器では、残留熱は、物理的な最大限度までプロセスに再利用されているだけではなく、排気ガス中の蒸気の使用不能な凝縮熱も加熱に用いられている。
【００４８】
前述した実施例において、蒸気過熱器およびラバルノズルが圧力燃焼器または煙管に取り付けられており、この圧力燃焼器または煙管内の熱交換面は、長手流路形状に形成されている溝を有することによって増大しているのが好ましい。
熱伝達率は、平滑な溝なし熱交換面が増大される分だけ増加するようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下の図面に示す本発明の実施例によって、本発明の更なる利点と詳細とを説明する。
【００５０】
図１に、この内燃機関において、いかなる機械的な圧縮過程も用いずに、エゼクタポンプ３０のみを用いて、どのように燃焼空気を圧縮するかを示している。
このようなエゼクタポンプ３０を用いる圧縮は、付加的に機械式圧縮器の予圧器として有意義に使用可能であった。
単独の圧縮過程として従来のような蒸気ジェット圧縮器は、燃焼空気中に過剰な蒸気を混入するようになっている。
過度に多くの回収されない凝縮熱が失われるので、達成効率は低くなってしまう。
これに代わる方法として駆動蒸気の量を許容可能な程度まで減少させると、圧縮圧力が技術的に適用不能なレベルまで低下するので、この方法は実行不能である。
【００５１】
本発明によれば、十分な圧力と最小限の給水量とを用いる燃焼空気の圧縮は、最初に、図示されるように、蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１内で蒸気を過熱するとともに、その後、等エントロピー圧力緩和時に蒸気をラバルノズル２２内で加熱することによって達成される。
この恒久加熱は、それぞれ燃焼器８または煙管１９からラバルノズル２２および蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１へ伝達される補足的な飽和熱流量の供給によって行なわれている。
このようにすると、飽和蒸気の有害な蓄積が、ノズル２６から漏出するまで完全に防止できる。
一般に、インゼクタ（injector）の効率は、駆動蒸気中に凝縮物が蓄積する割合分だけ低下する。
【００５２】
図示される２つの蒸気過熱器１１とラバルノズル２２とによって、ラバルノズル２２の出口２６における駆動蒸気の速度を従来のラバルノズルと比較して２倍にすることが達成される。
基本的には、蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１を任意に排除することもできるが、この場合は、ラバルノズル２２を相応に大型化して製作しなければならず、必要な熱流量の伝達を達成するためにさらに甚大な努力を伴うことになる。
【００５３】
蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１とラバルノズル２２とを加熱するために供給する追加熱は、燃焼器８または燃焼器１３から熱を取り出すことにより発生するようになっている。
このため、蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１とラバルノズル２２とは、図示するように、燃焼器８または煙管１９に可能な限り接近させて十分に熱接触するように取り付けられている。
【００５４】
従来の（加熱されない）ラバルノズルでは、蒸気の温度が、噴射穴に達するまでに、ラバルノズル内の等エントロピー圧力緩和時に駆動蒸気の凝縮温度まで低下する。
【００５５】
従来のラバルノズルと相違して、本発明のラバルノズル２２は、出口ノズル２６における７００°Ｃの出口蒸気温度が、燃焼器８または煙管１９内の例えば１０００°Ｃの燃焼温度の排気ガスからの連続的な熱供給によって達成できるようになっている。
【００５６】
そして、ラバルノズル２２および蒸気過熱器１１または蒸気過熱器２１内における蒸気のエンタルピーを増加させるために燃焼器８または燃焼器１３から取り出される熱は、その後の駆動蒸気のエントロピーとともに、インジェクタ３１を介して再び燃焼器８または燃焼器１３内に戻されるようになっている。
また、燃焼器８または燃焼器１３から取り出される熱も、内部サイクルで常に約１００％の割合で燃焼器８または燃焼器１３に戻されるようになっている。
【００５７】
換言すれば、燃焼器８または燃焼器１３からのエンタルピーを用いて、ポンプ送りされる媒体の圧力を増加させるが、このエンタルピーは、エンジン内の密閉回路において約１００％の割合で再び原点である燃焼器８または燃焼器１３に戻るようになっている。
【００５８】
排熱回収式熱交換器１は、このような向流式熱交換器を介して送られる媒体と、これによって選択される圧力とに関して、最も多様な選択肢を提供し、これらは使用される燃料の特性によって具体化するようになっている。
【００５９】
図１は、効率が最良の事例を示しており、残留物がない気化可能な燃料（アルコール、ベンジン等）を用いる場合に、給水は、単圧ポンプ５３の手前で液体燃料と混合されて、高圧下において一緒に熱交換器６を介して、かつ蒸気過熱器１１を通って、さらに加熱されるラバルノズル２２を介して送ることができるようになっている。
燃料を駆動蒸気の一部分として用いることによって、給水の所要量は減少するようになっている。
【００６０】
給水需要量の減少と同様の効果により、排熱回収式熱交換器１からの排気７の後に必要とされる凝縮熱が減少し、内燃機関の効率は、示された全実施例の中で可能な最大値に達する。
【００６１】
図示された排熱回収式熱交換器１を介する排気ガスのサイクル後に、排気ガスは、駆動蒸気の凝縮温度に対応する約１００°Ｃの温度を示している。
駆動蒸気の凝縮物には、依然として、運動エネルギーへの変換に用いることができない、すなわち不可逆的な凝縮熱の最大部分が存在している。
【００６２】
この残留熱は、プロセス熱として放熱器５７を介して加熱に利用できるようになっている。
この目的のために、排気ガスは、追加の熱交換器５６内で給水の凝縮温度未満に冷却されている。
排気蒸気中で凝縮する水分は、このサイクル後に水分離器５１内で熱交換器２を通る排気ガスから分離されて、続いてフィルタ５０によって燃料燃焼による不純物を除去されている。
その後、再生された給水は、給水タンク４９に流入するようになっている。
給水には燃焼による水分が蓄積されるため、結果的に余剰が生じ、この余剰はタンク４９から排出されるようになっている。
【００６３】
インジェクタ３１の円錐状吸気管３４の後に、一定な断面を有する直線状の混合管３５が、下流側に接続されている。
この混合管は、ガス混合物を燃焼器８に送り返すエルボ管３６内部に開口している。
また他の混合管３５が、エルボ管３６の後に配設されている。
【００６４】
そして、ガス混合物が燃焼器８のディフューザ９内に流入すると、このガス混合物は、急激に減速するようになっている。
燃焼空気の燃料／蒸気／混合物の流量は、燃焼速度未満に低下する。
逆に、圧力は、可能な最大レベルに増加する。
このように、燃料が駆動蒸気および燃焼空気と混合される実施例では、混合物がこのディフューザ９の入口で点火するようになっている。
【００６５】
可燃性の混合物は、吸引室、混合管３５、エルボ管３６のいずれの内部においても事前に発火することはあり得ず、その理由は、これらの構成要素の断面が常に、燃焼ガス混合物の流量が該ガス混合物の燃焼速度を恒久的に上回るような態様に選択されているためである。
【００６６】
図２は、本発明において、大気圧で燃焼させられ、好ましくは固体燃料が用いられる場合を示している。
燃焼は、灰をほとんど生じることなく行なわれている。
排熱回収式熱交換器１内において、燃焼器１３と排気ガスタービン３８との間に挿入されるフィルタ２０により煙灰とすすとを除去された煤煙ガスが流れている。
【００６７】
駆動蒸気の給水は、圧水ポンプ５２によって最大圧力下で排熱回収式熱交換器１を介し、かつ蒸気過熱器２１を通って、さらに加熱されるラバルノズル２２を介して圧送されている。
【００６８】
排熱回収式熱交換器１を介した排気ガスの前述したサイクルによれば、この排気ガスは、駆動蒸気の凝縮温度に対応する約１００°Ｃの温度を示している。
しかし、運動エネルギーへの変換に用いることができない大部分の凝縮熱が、依然として駆動蒸気の凝縮物中に存在している。
そして、この熱は、不可逆的に失われる。
【００６９】
逆に、燃焼空気と給水とは、目標とされる最大限の技術的レベルまで加熱されている。
予熱された給水は蒸気過熱器２１へ流入し、予熱された燃焼空気は燃焼器１３へ流入している。
燃焼空気の吸引は、インジェクタ３１の吸引室３３の吸引効果によって行なわれる。
この吸引室３３内で、負の輸送圧力が、駆動蒸気の排出によって創出されている。
【００７０】
排気ガス中の残留熱は、排気ガス熱交換器２を経た後、プロセス熱として、図示されるように加熱用熱交換器５６と放熱器５７とを介して加熱に利用できるようになっている。
このため、前記排気ガスは、排気ガス熱交換器２において、給水の凝縮温度未満に冷却される。
【００７１】
また、給水は、排気ガス熱交換器２を介したサイクル後に、水分離器５１内で排気ガスから分離されて、フィルタ５０内で燃料燃焼の不純物を除去される。
その後、再生された給水は、給水タンク４９内に流入して、再利用される。
給水とともに、燃焼による水分も蓄積されるため、結果的に余剰が生じ、この余剰分はタンク４９から排出されるようになっている。
【００７２】
一定な断面を有する直線状の混合管３５が、インジェクタ３１の円錐状吸気管３４に後続した下流側に接続されている。
この混合管３５は、ディフューザ３７内に開口している。
ここで、混合物の圧力は、可能な最大レベルまで増加している。
インジェクタ３１を経た蒸気／排気ガス混合物は、排気ガスタービン３８へ流入するようになっている。
【００７３】
灰が落下して排気ガスがほとんど灰を伴わずに流れる燃焼器１３を用いることにより、固体燃料を用いて排気ガスタービン３８を運転することができる。
加えて、煤煙ガスは、燃焼器１３と排気ガスタービン３８との間に挿入された煤煙ガスフィルタ２０によって煙灰とすすとを除去される。
【００７４】
排気ガス中にさびが存在すると、排気ガスタービン３８は、さび粒子の漸進的な効果により、やがて損傷されてしまう。
煙灰が排気ガス熱交換器２および排気ガス熱交換器５６内に付着することは、極めて不利であり、これによって排気ガス熱交換器２および排気ガス熱交換器５６の動作容量が低下してしまう。
【００７５】
エゼクタポンプ３０を介して高温の排気ガスをポンプ送りするという物理的な形態は、全てのその他のポンプ実施例とは大幅かつ決定的に相違している。
気体状の媒体は、いかなる場合も、この媒体の温度と無関係に、特定の利用可能な推進ジェット技術を用いて、同様の圧力まで圧縮できるようになっている。
【００７６】
これに対して、たとえば、ピストン圧縮機、ターボ圧縮機等の場合は、ポンプ作用力は、推進材の温度または体積の増加に比例して増加する。
【００７７】
推進ジェットの分子は、ラバルノズル２２から自由飛行して円錐状吸気管３４に至り、この円錐状吸気管３４において、吹出しノズル２６から遠く離れて、混合管３５内の推進材の分子とごく少しずつ衝突する。
ここで、このような態様で衝突する分子そのもののブラウン分子運動が強いか弱いか、すなわち推進材が高温か低温かは全く重要ではない。
【００７８】
圧縮プロセスは、有利な点として、単にパルス伝達として行なわれている。
この推進材とポンプ送りされる媒体との間におけるパルス伝達は、大きく膨張した高温の排気ガスが低温のガスと同じようにして輸送することができる。
【００７９】
このエゼクタポンプ３０のポンプ力を用いれば、加熱された排気ガスを、この排気ガスの温度に係わりなく圧縮することができるようになっている。
ポンプ送りは、パルス伝達として行なわれるため、混合管３５を、ポンプ送りされるガスの体積が低温のガスと比べて増加する分だけ長くするだけでよい。
この混合管３５の長尺化により、推進分子と輸送対象の高温分子とが衝突する確率は、輸送対象の低温分子の場合の確率と等しくなっている。
【００８０】
図３は、排気ガスタービン３８の機能を従来のような内燃機関５８、例えば、内燃ピストン機関５８に採用できることを示している。
これらのエンジン５８は、機能的に、機械的な圧縮過程を有するため、エゼクタポンプ３０の機能は、燃焼空気の予圧に限定されている。
【００８１】
エゼクタポンプ３０は、可動部品を有さず、かつより高い予圧力を生じさせることができるという利点を有しているという点で、従来のターボ過給器に取って代わる。
これにより、従来のターボ過給器と比較して、エンジンの寿命が長くなり、かつ費用が節減されることは自明である。
図示された実施例において、給水は、排熱回収式熱交換器１により加熱されるようになっている。
【００８２】
図４は、鉱物塊のバイパス蓄熱器４３が外部エネルギー源を用いて電気的に加熱することができる本発明の特別な実施例を示している。
それが必要である場合は、燃焼器８の方へと流れる駆動ガスは、流量が増加または減少するように制御４４されて、このバイパス蓄熱器４３を介して送られている。
ガス混合物は、バイパス蓄熱器４３により加熱されるとともに、ガス混合物がバイパス蓄熱器４３から熱を吸収しうる分だけ燃費、すなわち、燃料が節減されている。
【００８３】
外部エネルギー源とは、バイパス蓄熱器４３の加熱器４５に用いるために、駆動歯車４７に結合された発電機４６により電気エネルギーを発生させる自動車の制動エネルギーをいう。
逆に、これらの駆動歯車４７は、駆動動作時には内燃機関により駆動されている。
【００８４】
実際に、２０００°Ｃの温度まで加熱される５０ｋｇの重い鉱物（たとえば、マグネサイト）のバイパス蓄熱器４３は、５００ｍの下り坂において３０トンのトラックの全制動エネルギーを吸収することができる。
この蓄積されたエネルギーは、下り坂の通過後に再び自動車の作動に用いることができる。
【００８５】
図４は、全ての液体状および気体状の媒体が別々の熱交換器へ導かれる排熱回収式熱交換器１の実施例を示している。
このようにすると、排気ガス２と燃焼空気３と給水または駆動蒸気４と燃料５との各々に用いられる熱交換部が得られる。
【００８６】
図５は、ラバルノズル２２の末広ノズル部分２４の開口角２７を３°未満に扁平化することにより、ラバルノズル２２を何倍も拡大させることができ、駆動蒸気に対するラバルノズル２２の熱交換面をその分だけ増大することができることを示している。
【００８７】
図６は、駆動ガスの全駆動流をより多くの相応に縮小されたラバルノズル２２に分配することによって、全熱交換面が増大することを示している。
その際に、より多くの小さいラバルノズル２２を用いるほど、熱交換面の拡大効果は高くなる。
【００８８】
図７は、ラバルノズル２２が、燃焼空気の輸送だけでなく、煙管１９からの煤煙ガスの輸送にも用いることができる実施例を示している。
駆動蒸気出口２６から漏出する駆動蒸気は、煙ガスとともにインジェクタ３１の吸引室３３へ流れ、混合管３５を通過した後に、下流側の排気ガスタービン３８からのインジェクタディフューザ３７内で圧縮されるようになっている。
【００８９】
図８は、従来のようなラバルノズルの丸いノズル部分を扁平化して、拡幅されるが逆に縮小された扁平部分２９にすると、熱交換面が大幅に増大することを示している。
【００９０】
煙管１９または燃焼器８内に示されている溝は、燃焼器８または煙管１９の平滑面と反対の面を増大させるのと同じ程度に熱交換面を増大させている。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】気化可能な燃料と残留熱とを用いる内燃機関の断面図であって、密閉サイクルでの給水の使用も示す概略図。
【図２】固体燃料と大気圧燃焼とを用いる場合の内燃機関の断面図。
【図３】排気ガスタービン３８の代わりに、ターボ過給器のようにインジェクタ３１を用いて燃料供給される従来の内燃機関５８が用いられる内燃機関の断面図。
【図４】制動エネルギーの再生中間蓄熱器を備えた自動車に用いた内燃機関の断面図。
【図５】末広ノズル部分２４における開口角２７の扁平化によるラバルノズル内の熱交換面の増大を示す縦断面図。
【図６】ラバルノズル２２の多重化によるラバルノズル内の熱交換面の増大を示す縦断面図。
【図８】増大させた面を有する燃焼器８または増大させた面を有する煙管１９と燃焼器８上または煙管１９上の多重ノズル２２との断面図であって、ラバルノズル２２の吸入部２９を扁平化したラバルノズル２２の熱交換面の増大を示す概略図。
【符号の説明】
【００９２】
１  ・・・排熱回収式熱交換器
２  ・・・排気ガス熱交換器
３  ・・・燃焼空気熱交換器
４  ・・・給水熱交換器
５  ・・・燃料熱交換器
６  ・・・排熱回収式熱交換器１の燃料−給水混合物熱交換器
７  ・・・排気ガス熱交換器２の排気ガス出口
８  ・・・燃焼器（過圧）
９  ・・・燃焼器８の吸入／入口ディフューザ
１０  ・・・燃焼器８の燃焼室
１１  ・・・燃焼器８の蒸気過熱器
１２  ・・・ラバルノズル２２または蒸気過熱器２１への燃焼器８または煙管１９の熱接続部
１３  ・・・燃焼器（大気圧）
１４  ・・・燃焼器１３の燃焼室
１５  ・・・燃焼器１３内のさび
１６  ・・・燃焼器１３の燃焼室扉
１７  ・・・燃焼器１３の灰／スラグ扉
１８  ・・・燃焼器１３の燃焼空気入口
１９  ・・・燃焼器１３上の煙管
２０  ・・・煙管１９内の煤煙ガスフィルタ
２１  ・・・煙管１９上の蒸気過熱器
２２  ・・・燃焼器８または１３上のラバルノズル（加熱）
２３  ・・・ラバルノズル２２の先細ノズル部分
２４  ・・・ラバルノズル２２の末広ノズル部分
２５  ・・・先細ノズル部分２３の駆動蒸気入口
２６  ・・・末広ノズル部分２４の駆動蒸気出口
２７  ・・・末広ノズル部分２４の開口角
２８  ・・・ノズル部分２４の長手軸
２９  ・・・ラバルノズル２２の扁平部分
３０  ・・・蒸気過熱器８または煙管１９とラバルノズル２２とインジェクタ３１とにより構成されるエゼクタポンプ
３１  ・・・インジェクタ
３２  ・・・インジェクタ３１上の吸入穴
３３  ・・・インジェクタ３１の吸引室
３４  ・・・インジェクタ３１の円錐状吸気管
３５  ・・・インジェクタ３１の混合管
３６  ・・・インジェクタ３１の混合管エルボ
３７  ・・・インジェクタ３１のインジェクタディフューザ
３８  ・・・排気ガスタービン
３９  ・・・排気ガスタービン３８上の圧力ガス入口
４０  ・・・排気ガス熱交換器２へのバイパス
４１  ・・・排気ガスタービン３８の排気ガス出口
４２  ・・・排気ガスタービン３８の駆動軸
４３  ・・・バイパス熱交換器
４４  ・・・バイパス熱交換器４３の制御弁
４５  ・・・電気加熱
４６  ・・・バイパス熱交換器４３用発電機
４７  ・・・発電機４６の駆動歯車
４８  ・・・給水ポンプ
４９  ・・・給水タンク
５０  ・・・給水フィルタ
５１  ・・・給水分離器
５２  ・・・燃料ポンプ
５３  ・・・燃料／給水ポンプ
５４  ・・・燃料タンク
５５  ・・・排気管
５６  ・・・加熱用熱交換器
５７  ・・・放熱器
５８  ・・・従来式内燃機関
５９  ・・・放熱器５７の排気管上の熱交換器
６０  ・・・包括的断熱部
６１  ・・・燃焼器８または煙管１９内の溝
【図１】
2008533353.tif 000003
【図２】
2008533353.tif 000004
【図３】
2008533353.tif 000005
【図４】
2008533353.tif 000006
【図５】
2008533353.tif 000007
【図６】
2008533353.tif 000008
【図７】
2008533353.tif 000009
【図８】
2008533353.tif 000010
【国際調査報告】
2008533353.tif 000011
2008533353.tif 000012
2008533353.tif 000013
2008533353.tif 000014
2008533353.tif 000015
2008533353.tif 000016