(57)【要約】少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つの補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介してメインノズルチャンバ（２３）に接続され、不安定な作動条件の下でも、改善された作動及び制御特性を備えるアキシャルピストンエンジン（１）を提供するため、プレバーナー（３）のプレノズルチャンバ（３３）が少なくとも１つの補助高温ガス供給（４０）を有している。【選択図】図１
2014504694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つの補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記プレバーナー（３）の前記プレノズルチャンバ（３３）が少なくとも１つの補助高温ガス供給（４０）を有していることを特徴とするアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項２】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、
アイドリング及び少なくとも１つの部分負荷、ならびに前記メインバーナー（２）のメインノズル（２２）及び前記プレバーナー（３）のプレノズル（３２）を特徴とし、前記メインノズル（２２）及び前記プレノズル（３２）が制御装置によって互いに連結されている、特に請求項１に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項３】
少なくとも１つの圧縮機段（１１）、少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに主要燃料流（２４）のある少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに補助燃料流（３４）のある少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続され、さらに、前記圧縮機段（１１）と前記メインバーナー（２）の主要混合管（２７）との間にある少なくとも１つのメインエアダクト（２５）、及び前記圧縮機段（１１）と前記プレバーナー（３）の補助混合管（３７）との間にある少なくとも１つのプレエアダクト（３５）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記圧縮機段（１１）と前記メインバーナー（２）との間にある少なくとも１つの二次エアダクト（２０）を特徴とし、前記二次エアダクト（２０）は、前記主要燃焼室（２１）に接して及び／又は前記主要燃焼室（２１）の下流で前記メインバーナー（２）に接続されている、特に請求項１及び２のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項４】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続され、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）が、メインノズル（２２）によってメインノズルチャンバ（２３）の中に送り込まれる、アキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記主要燃料流（２４）が前記メインノズル（２２）の上流で熱媒体を有していることを特徴とする、特に請求項１に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項５】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナ（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続され、前記プレバーナーはプレバーナー軸（５２）を、前記高温ガス供給（３０）は供給軸（５３）を、ならびに前記メインバーナー（２）はメインバーナー軸（５１）を有する、アキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記プレバーナー軸（５２）及び／又は前記供給軸（３０Ａ）が少なくとも投影面において前記メインバーナー軸と７５°〜１０５°の角度をなし、前記投影面は、前記メインバーナー軸（５１）とも平行に、前記プレバーナー軸（５２）及び／又は前記供給軸（５３）とも平行に調整されていることを特徴とする、特に請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項６】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記メインノズルチャンバ（２３）のプレバーナー側に、リングスペース（３０Ａ）が設けられていることを特徴とする、特に請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項７】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナ（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、前記メインノズルチャンバ（２３）のプレバーナー側に、前記メインノズルチャンバ（２３）内への前記高温ガス供給（３０）のためのリングノズル（２３Ａ）が設けられていることを特徴とする、特に請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項８】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記メインバーナーが主要混合管（２７）のメインノズルチャンバ側にリングノズル（２５Ａ）を有していることを特徴とする、特に請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項９】
少なくとも１つの主要燃焼室（２１）ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナ（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が少なくとも１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続されているアキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記補助燃焼室（３１）及び／又は前記プレノズルチャンバ（３３）が外壁に断熱材を有していることを特徴とする、特に請求項１〜８のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項１０】
少なくとも１つの燃料ノズル（４２）及び該燃料ノズル（４２）に接続された少なくとも１つの燃料ライン（４１）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）であって、前記燃料ライン（４１）が、前記燃料ノズル（４２）の上流で少なくとも部分的に、少なくとも１つの熱伝達装置（４３）の熱吸収チャンバとして形成されていることを特徴とする、特に請求項１〜９のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項１１】
前記熱伝達装置（４３）の、熱を放出する少なくとも１つのチャンバが、少なくとも部分的に排気ガスライン（４４）として、クーラントライン（４５）として、及び／又は潤滑剤ライン（４６）として形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項１２】
排気ガス流及び該排気ガス流から分離された作用ガス流を有し、前記排気ガス流からの熱を前記作用ガス流に伝達する熱伝達装置を備え、該熱伝達装置が長手方向軸を有し、該熱伝達装置が長手方向軸に沿って通る作用ガスチャンバを有する、アキシャルピストンエンジン（１）であって、
前記熱伝達装置のハウジング、前記作用ガスチャンバ及び／又は前記排気ガスチャンバがそれらの長手方向範囲の第１の端部に機械的に固定的に連結され、それらの長手方向範囲の第２の端部に機械的に弾性があるように互いに連結されていることを特徴とする、特に請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のアキシャルピストンエンジン（１）。
【請求項１３】
少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）の排気ガス流が加えられる方法であって、
前記プレバーナー（３）の補助燃料流（３４）に排気ガス流が加えられることを特徴とする方法。
【請求項１４】
少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）の排気ガス流が加えられる方法であって、
アイドリング及び少なくとも１つの部分負荷を特徴とし、アイドリングから低い部分負荷への負荷変動の間、前記メインバーナー（２）が前記主要燃料流（２４）を使って点火され、前記プレバーナー（３）の補助燃料流（３４）は、前記負荷変動の間、前記主要燃料流（２４）の少なくとも半分の流量分が低減される、特に請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの圧縮機段（１１）、少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記圧縮機段（１１）が前記メインバーナー（２）に主要空気流（２６）を供給し、前記プレバーナー（３）に補助空気流（３６）を供給し、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）からの排気ガス流が加えられる方法であって、
前記主要燃料流（２４）に加えられる前記排気ガス流が、前記補助空気流（３６）と補助燃料流（３４）とから形成されることを特徴とする、特に請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの圧縮機段（１１）、少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記圧縮機段（１１）が前記メインバーナー（２）に主要空気流（２６）を供給し、前記プレバーナー（３）に補助空気流（３６）を供給し、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）からの排気ガス流が加えられる方法であって、
補助燃料流と前記補助空気流との間の空燃比、及び前記主要燃料流と前記主要空気流との間の空燃比が一段階調整されることを特徴とする、特に請求項１〜１５のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの圧縮機段（１１）、少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記圧縮機段（１１）が前記メインバーナー（２）に主要空気流（２６）を供給し、前記プレバーナー（３）に補助空気流（３６）を供給し、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）からの排気ガス流が加えられる方法であって、
前記主要燃料流（２４）と前記主要空気流（２６）とが主要燃焼室（２１）の上流で混合されることを特徴とする、特に請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つ主要燃焼室（２１）ならびに主要燃料流（２４）のある少なくとも１つのメインノズルチャンバ（２３）を有する少なくとも１つのメインバーナー（２）、及び少なくとも１つ補助燃焼室（３１）ならびに補助燃料流（３４）のある少なくとも１つのプレノズルチャンバ（３３）を有する少なくとも１つのプレバーナー（３）を備え、前記補助燃焼室（３１）が、１つの高温ガス供給（３０）を介して前記メインノズルチャンバ（２３）に接続され、さらに前記メインバーナー（２）のための主要空気流（２６）ならびに前記プレバーナー（３）のための補助空気流（３６）を有する空気流を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であって、
前記アキシャルピストンエンジン（１）のアイドリング及び／又は部分負荷の間、しかし少なくともアイドリングから最も低い部分負荷への負荷変動時に、前記空気流から少なくとも１つの二次空気流（２０）が取り出され、該二次空気流（２０）は、前記主要燃焼室（２１）の下流及び／又は前記主要燃焼室（２１）の内部で排気ガス流に供給されることを特徴とする、特に請求項１〜１７のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つのメインバーナー（２）及び少なくとも１つのプレバーナー（３）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記メインバーナー（２）の主要燃料流（２４）に前記プレバーナー（３）の排気ガス流が加えられる方法であって、
前記プレバーナー（３）の前記排気ガス流が、リングスペース（３０Ａ）から前記メインノズルチャンバ（２３）の中に接線方向に通されることを特徴とする、特に請求項１〜１８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの燃料ノズル（４２）及び少なくとも１つの燃料ライン（４１）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記燃料ライン（４１）が前記燃料ノズル（４２）に燃料流を供給する方法であって、
前記燃料流が前記燃料ノズル（４２）の上流で加熱されることを特徴とする、特に請求項１〜１９のうちいずれか一項にも記載の方法。
【請求項２１】
少なくとも１つの燃料ノズル（４２）及び少なくとも１つの燃料ライン（４１）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記燃料ライン（４１）が前記燃料ノズル（４２）に燃料流を供給する方法であって、
前記燃料ライン（４１）内の前記燃料流が、前記燃料ノズル（４２）の上流で、前記燃料ライン（４１）の外側を流れる流体によって加熱されることを特徴とする、特に請求項１〜２０のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの燃料ノズル（４２）及び少なくとも１つの燃料ライン（４１）を備えるアキシャルピストンエンジン（１）の作動方法であり、前記燃料ライン（４１）が前記燃料ノズル（４２）に燃料流を供給する方法であって、
前記燃料ライン（４１）内の前記燃料流が、前記燃料ノズル（４２）の上流で、前記アキシャルピストンエンジン（１）の熱流によって加熱されることを特徴とする、特に請求項１〜２１のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアキシャルピストンエンジンならびにアキシャルピストンエンジンの作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アキシャルピストンエンジンは従来技術からすでに知られており、内部連続燃焼を備えるエネルギー変換機械として特徴づけられる。この場合、ドライブシャフトに対して軸方向に配置された振動ピストンを備える、アキシャルピストンエンジンの圧縮機段が、圧縮された空気を、同様にドライブシャフトに対して軸方向に配置された振動ピストンを備える膨張機段へと送る。機械的駆動エネルギーは、次にアキシャルピストンエンジンのアウトプットシャフトへ供給され、一方、圧縮空気には圧縮機段と膨張機段との間で燃料が供給され、この燃料と空気の混合物が燃焼し、このことから生じる排気ガスを用いて、膨張機段の範囲内で容量拡張を行いながらポジティブなピストン動作が提供される。
【０００３】
例えば、まだ公開されていない国際特許／独国特許第２０１０／０００８７４号明細書（特許文献１）は、この作用原理に従って動作する動力機械を示している。この場合、燃料の放熱は、断続的に動作する動力機械の場合と同様に、終了したチャージの燃焼によってシリンダの内部で行われるのではなく、連続的に動作するバーナーの内部で行われる。アキシャルピストンエンジンに使用されているこのバーナーは、燃焼室に接続されているミキシングパイプを有し、このミキシングパイプ内で、燃焼させる燃料と圧縮機段から送られる空気とが混合され、定常火炎を形成しながらミキシングパイプの終端で燃焼する。燃焼を安定化させるため、さらに、従来技術によるアキシャルピストンエンジンはプレバーナーを有しており、このプレバーナーによって、ほぼ不活性の高温ガスがミキシングパイプの中に入る前に燃料に加えられる。このことにより、燃料の状態調節が生じる。
【０００４】
従来技術では、例えばグロープラグのような熱媒体によるバーナー内部における燃料の状態調節も知られているが、実際には、例えばλ≦０のすでに燃焼した空気又はガスなど、ほぼ不活性の高温ガスの追加が適していることが実証されている。この場合、ほぼ不活性の高温ガスを生成するために、アキシャルピストンエンジンのバーナーにはもう１つのプレバーナーが上流に接続され、このプレバーナーは、燃料と外気とを連続的に燃焼し、このことから生じる高温ガスを本来のメインバーナーとして使用されるバーナーに供給する。この点について、まだ公開されていない国際特許／独国特許第２０１０／０００８７４号明細書（特許文献１）は、プレバーナーに供給される燃料自体を、あらかじめグロープラグなどによって状態調節することが有利であることを開示している。
【０００５】
調整能に対する要求がより高い場合、及び特にメインバーナーとプレバーナーとから成る全体配置の範囲内で脈動が生じる場合、その脈動は、連続燃焼にもかかわらず、膨張機段内でのチャージ交換により発生するが、上述の従来技術によるプレバーナーとメインバーナーとを備える配置は、火炎安定性の面で欠点がある。バーナー又はアキシャルピストンエンジンの脈動作動又はその他の不安定な作動条件においては、しかしまた作動点ジャンプの場合にも、プレバーナー及びメインバーナーのそれぞれの火炎の消失を引き起こす状態がプレバーナー及びメインバーナー内で発生するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際特許／独国特許第２０１０／０００８７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、不安定な作動条件の下でも改善された作動及び制御特性を備えるアキシャルピストンエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、少なくとも１つの主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つの補助燃焼室ならびに少なくとも一つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナー、を備えるアキシャルピストンエンジンによって解決され、この場合、少なくとも１つの高温ガス供給を介して補助燃焼室がメインノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、補助燃焼室のプレノズルチャンバが少なくとも１つの補助高温ガス供給を有していることを特徴とする。
【０００９】
この場合、補助高温ガス供給は、プレノズルチャンバの範囲内で補助混合管に送られる燃料の流れを状態調節することができるため、ほぼ安定した火炎が補助混合管の出口で発生し、従って、このプレバーナーは、一方で、燃料の状態調節によって有害物質の少ない作動が可能であり、他方では、補助燃焼室での脈動ならびに作動状態の変動に対する感受性が極めて低い。
【００１０】
さらに、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、メインバーナーの主要燃料流にプレバーナーの排気ガス流が加えられ、この方法は、プレバーナーの補助燃料流に排気ガス流が加えられることを特徴とする。この場合も、前述したように、より安定した火炎形成および明らかに良好な有害物質特性が達成される。
【００１１】
アキシャルピストンエンジンのメインバーナー、ならびにプレバーナーでも安定した火炎を形成するため、またアキシャルピストンエンジンの良好な有害物質特性のため、アキシャルピストンエンジンの前述の実施形態及び作動方法に対する代替又は追加として、少なくとも１つの圧縮機段、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンのもう１つの作動方法が提案され、この場合、圧縮機段はメインバーナーに主要空気流を供給し、プレバーナーには補助空気流を供給し、メインバーナーの主要燃料流にはプレバーナーからの排気ガス流が加えられ、この方法は、主要燃料流に加えられる排気ガス流が、補助空気流と補助燃料流とから形成されることを特徴とする。
【００１２】
さらに、代替又は追加の方法として、少なくとも１つの圧縮機段、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、圧縮機段はメインバーナーに主要燃料流を供給し、プレバーナーには補助空気流を供給し、この場合、メインバーナーの主要燃料流にはプレバーナーからの排気ガス流が加えられ、この方法は、補助燃料流と補助空気流との間の空燃比、及び主要燃料流と主要空気流との間の空燃比が一段階調整されることを特徴とする。有利なことに、この種のプロセスにおいて、一方では、メインバーナー及びプレバーナーには流体技術的に最適化された燃焼室が１つしか必要ではなく、他方では、一段階の燃焼が行われるこのプロセスにより、メインノズルチャンバのミキシングゾーンには不完全に燃焼した反応物をもつ排気ガスが供給されないか、又は望ましくない高い割合の残留酸素を含む排気ガスが供給されることが確実になる。好ましくは、メインノズルチャンバ又は主要燃料流には残留酸素のない排気ガスが供給される。
【００１３】
「一段階」とは、この関連において、それぞれの化学量論的比率を設定するために用いられる全ての空気が、唯一の混合プロセスにおいてそれぞれの燃料流に加えられることを意味している。従って、時間的に互いに続いている、断続的な混合プロセスをもつ多段階の燃焼も起こらず、さらなる空気の混合によって発生する排気ガスの希薄化も起こらない。
【００１４】
この関連において、不活性又はほぼ不活性の高温ガスが、ここでは、必ずしもヘリウムなどの不活性ガスを意味しているのではなく、燃焼に直接関係はないものの、必要に応じて逐次反応に関係する高温ガスも含まれていることが判明している。従って、特に燃焼排気ガスは、燃焼の後に生じる反応でこれらのガスがまだ反応するとしても、この意味で不活性高温ガスとして理解することができる。
【００１５】
冒頭に述べた課題を解決する前述の方法の代替又は追加として、少なくとも１つの圧縮機段、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、圧縮機段がメインバーナーに主要空気流を供給し、プレバーナーに補助空気流を供給し、メインバーナーの主要燃料流にプレバーナーからの排気ガス流が加えられ、本方法は、主要燃料流と主要空気流とが主要燃焼室の上流で混合されることを特徴とする。このことから、結果的に、主要燃料流中の燃料と主要空気流の酸素とが、混合区間を通過する間に、発生する混合気内で均一に配分され、その直後に続く燃焼ゾーン又はその直後に続く燃焼室内では、とりわけ有害物質の少ない、同時に効率的な燃焼を起こすことができる。
【００１６】
すぐに明らかなように、混合区間を備える方式では、混合気内において同様に均質に配分された状態でプレ反応が生じる可能性があり、このことから、次に続く燃焼では高い温度勾配が生じないため、有害物質形成が増加する明らかな濃度ゾーンも発生することはない。「温度勾配」とは、主要燃料流と主要空気流との前述した混合方法の意味において、流れの方向に対して垂直、すなわち火炎前面に沿って形成される温度変動を意味していることは明らかである。均等に形成された火炎前面は、結果的に、混合区間内における均質な混合の有利な結果である。
【００１７】
もう１つの有利な方式は、主要燃料流と主要空気流とが主要混合管の中で混合される場合に生じる。前述した方法に対して主要混合管を用いることは、形成される混合区間の形状決定を有利にする。従って、主要混合管の壁によって混合区間を設定することにより、主要燃料流と主要空気流との混合に具体的な影響を与えることができる。
【００１８】
主要燃料流と主要空気流との混合方法にとって特に有利であるのは、プレバーナーの排気ガス流が、主要燃料流と主要空気流との混合前に主要燃料流に加えられることである。複数の気体成分をもつ流れの中で、段階的な混合が、個々の混合段階において明らかに良好な結果をもたらすことはすぐに明らかである。従って、主要燃料流とプレバーナーの排気ガス流とを事前に完全に混合することは、次の主要空気流の混合に非常に有利な影響を与える。特に、前述したように、酸素の添加が時間的にずれて行われる場合、反応時間に適切に影響を与えられることから、主要燃料流の中で開始される反応は、段階的な混合によって特にうまくコントロールされる。
【００１９】
使用される燃料の反応特性を改善するため、主要燃料流と主要空気流との混合方法にとってさらに有利であるのは、主要燃料流が主要空気流とリングノズルで混合される前に、主要燃料流が混合ノズルを通過する場合である。この方法の実施形態でも、燃料のプレ反応に適切に影響を与えられることによって、前述のように、改善された燃焼プロセスがもたらされる。有利に形成された混合ノズルの使用は、反応時間に作用する可能性の他にも、形状的な流れの変化を生み、従って主要燃料流と排気ガス流との空間的な混合特性とを形成する可能性を提供する。従って、このことが必要だと思われる場合、混合ノズルの部分で流れにねじれを引き起こすことができるか、又はすでにねじれがある場合には、ほぼねじれのない主要燃料室の流れを確保することができる。
【００２０】
前述の解決方法の代替又は追加として、さらに、冒頭に述べた課題を解決するため、アキシャルピストンエンジンが、少なくとも１つの主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つの補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、その際、少なくとも１つの高温ガス供給を介して、補助燃焼室がメインノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、アイドリング及び少なくとも１つの部分負荷、ならびにメインバーナーのメインノズル及びプレバーナーのプレノズルを特徴とし、これらのノズルはコントロールユニットによって互いに連結されている。
【００２１】
従って、作動条件の変動によって、メインバーナーならびにプレバーナーの様々な燃料流及び空気流を、これらの様々な作動条件に合わせて適合させなければならない場合、メインノズル及びプレノズルの連結を、アキシャルピストンエンジンの制御全体に有利に用いることができる。
【００２２】
この方法の代替又は追加として、前述の課題は、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法によって解決され、この場合、メインバーナーの主要燃料流にプレバーナーの排気ガス流が加えられ、この方法は、アイドリングから低い部分負荷への負荷変動の間、メインバーナーが主要燃料流を使って点火され、プレバーナーの補助燃料流は、この負荷変動の間、主要燃料流の少なくとも半分の流量分が、好ましくは主要燃料流の流量分が低減されることを特徴とする。
【００２３】
コントロールユニットによるメインノズルとプレノズルとの連結、又はメインバーナー点火時の補助燃料流の低減は、本発明のその他の特徴とは無関係に、アイドリングから低い部分負荷への負荷変動が、できるだけ均等に行われ、かつアキシャルピストンエンジンのアウトプットトルクに大きな差異がないように行われることによって、バーナー全体の燃料特性の安定に対して有利に作用する。従って、アキシャルピストンエンジンの下流に接続されている駆動系にとって、及びアキシャルピストンエンジンを搭載した自動車の走行快適性にとって不利となる負荷変動を軽減することができる。
【００２４】
ここでは、アイドリング中でも、好ましくはすでにプレバーナーが十分なバーナー性能を供給することにより、アキシャルピストンエンジンが安定して駆動される。より高い負荷が要求され、それによってメインバーナーがオンにされると、とりわけ均等かつ連続した全バーナーの出力上昇が達成されるが、それは、上述したように、補助燃料流が、好ましくはほぼ主要燃料流の流量分を低減することにより、まず、燃料流全体が一定に保たれることによる。しかし、実際の試験で判明しているように、補助燃料流の低減は、アキシャルピストンエンジンの均等な負荷変動にとって、使用している主要燃料流の半分の流量でも十分である。すぐに明らかなように、その他のそれぞれの条件、又はプレノズルとメインノズル間の連結、従って補助燃料流と主要燃料流との間のその他のそれぞれの連結も調整することができる。
【００２５】
本発明の前述の実施形態の代替又は追加として、冒頭の課題を解決するために、少なくとも１つの圧縮機段、少なくとも１つの主要燃焼室ならびに主要燃料流のある少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、少なくとも１つの補助燃焼室ならびに補助燃料流のある少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナー、及び圧縮機段とメインバーナーの主要混合管との間にある少なくとも１つのメインエアダクトならびに圧縮機段とプレバーナーの補助混合管との間にある少なくとも１つのプレエアダクト、を備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この場合、少なくとも１つの高温ガス供給を介して補助燃焼室がメインノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、圧縮機段とメインバーナーとの間にある少なくとも１つの二次エアダクトを特徴とし、この二次エアダクトは、主要燃焼室に接して及び／又は主要燃焼室の下流でメインバーナーに接続されている。
【００２６】
これに対応して、前述した方法の代替又は追加として、冒頭の課題を解決するため、少なくとも１つのメインバーナー、少なくとも１つのプレバーナー及び空気流を備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、メインバーナーが少なくとも１つの主要燃焼室ならびに主要燃料流のある少なくとも１つのメインノズルチャンバを有し、プレバーナーが少なくとも１つの補助燃焼室ならびに補助燃料流のある少なくとも１つのプレノズルチャンバを有し、高温ガス供給を介して補助燃焼室がメインノズルチャンバに接続されており、空気流がメインバーナーのための主要空気流ならびにプレバーナーのための補助空気流を有し、本方法は、アキシャルピストンエンジンのアイドリング及び／又は部分負荷の間、しかし少なくともアイドリングから低い部分負荷への負荷変動時に、この空気流から少なくとも１つの二次空気流が取り出され、この二次空気流は、主要燃焼室の下流及び／又は主要燃焼室の内部で排気ガス流に供給されることを特徴とする。
【００２７】
前述のこの二次エアダクト又は二次空気流によって、有利には、アイドリング中、部分負荷時、及び特にアイドリングから部分負荷への負荷変動時でも、すなわち負荷変動が発生しようとしているという制限の下でも、アキシャルピストンエンジンの作動状態をとりわけ均等かつ安定的に保つことができる。
【００２８】
この場合、有利には、二次エアダクトならびにメインエアダクトとプレエアダクトは、圧縮機段に接続されている共通の全エアダクトの平行な部分エアダクトであってもよく、このことから、エンジンの制御が本発明のその他の特徴とは無関係に単純化され、その結果、有利には、この二次エアダクトがメインバーナーに供給される燃焼エアを削減するため、メインバーナー内の燃料流も、希薄燃焼限界を維持しなければならないという理由から同様に削減することができる。
【００２９】
主要空気流を削減しないで主要燃料流を削減すると、希薄燃焼限界を下回った場合、すぐに明らかなように、メインバーナー内の火炎が消えることになるだろう。従って、二次エアダクトがあれば、二次エアダクトがない場合よりも、一定の空燃比を維持しながらバーナーの出力をより低く調整することができる。次に、この二次空気は、燃焼室内の主要混合管の燃焼ゾーンの後ろで、再び通常の空気及び排気ガス流に加えられ、この点に関してはさらなる排気ガスの希薄化を引き起こすが、それでもなお、このバーナー、詳細にはメインバーナーは、前述した理由から安定した燃焼によって、有害物質の発生を少なくして作動することができる。
【００３０】
この関連において、「希薄燃焼限界」は、火炎がまだ消えない程度の安定した火炎で、バーナー又はメインバーナーが作動できるような空燃比を示している。
【００３１】
「アイドリング」とは、アキシャルピストンエンジンのアウトプットシャフトでの出力が全く発生しないか、又は僅かしか発生せず、アキシャルピストンエンジンが安定した最小回転数で作動できるような、アキシャルピストンエンジンの作動点を示す。これとは反対に、「部分負荷」とは、アイドリングと全負荷との間にあるその他の各作動点を示し、その際、「全負荷」は、任意の回転数においてそれぞれ発生する最大トルクを示している。従って、この「全負荷」は、明らかに最大の出力発生点を示していない。これに応じて、「最小部分負荷」は、メインバーナー作動及びアイドリング回転数の下で、アキシャルピストンエンジンがアイドル時の出力を上回る、最小限可能なポジティブな出力を発生している、アキシャルピストンエンジンの特性曲線の点である。すでに述べたように、アイドリング時には、アキシャルピストンエンジンをプレバーナーによってのみ作動させることも考えられる。
【００３２】
上述した実施形態によるアキシャルピストンエンジンにとって、さらに、プレノズルチャンバが補助高温ガス供給を介して補助燃焼室に接続されている場合は有利である。このことにより、プレノズルチャンバ内に噴射される燃料の状態調節を、補助燃焼室から取り出される排気ガスによって簡単かつ確実に可能にする方法が提供される。この場合、補助燃焼室からプレノズルチャンバ内への排気ガスのリターンフローによって、内部の排気ガス再循環がプレバーナーの範囲内で実現される。
【００３３】
通常、少なくとも１つのメインバーナーと、少なくとも１つの補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーと、を備えるアキシャルピストンエンジンにとっては、さらに、プレノズルチャンバが補助高温ガス供給を介して補助バーナーに接続されている場合は、本発明のその他の特徴とは無関係に有利である。これにより、補助燃焼室から排気ガス流を取り出すことなく、排気ガス又は高温の不活性ガスをプレノズルチャンバに供給するもう１つの方法が提供される。この関連において、その他の各不活性ガス、ほぼ不活性のガスを高温ガスとしてプレノズルチャンバに供給することも考えられる。このガスは、例えば、加熱した窒素、二酸化炭素、加熱した希ガス又は水蒸気であってもよく、その際、特に水蒸気は、燃焼中の有害物質軽減又は燃焼の安定化に用いることができる。
【００３４】
「不活性」という用語は、燃焼空気又は燃焼した空気との関連における特に混合気を説明しており、この混合気は、ほぼ０に近い反応酸素の割合を有しており、従って、一方では、その他の混合される燃料との反応は起こり得ず、他方では酸素の不足のために、例えば窒素酸化物の形成といった有害物質の生成も起こり得ないことに留意されたい。その際、窒素酸化物はその不活性により、すでに不活性ガスとして理解される。従って、「不活性」という用語は、希ガス及び窒素だけではなく、酸素濃度がほぼ０に近い排気ガスにも用いられる。
【００３５】
アキシャルピストンエンジンは、主要燃焼室への入口前の主要燃料流が気体であるように、及び／又は燃料の沸点範囲の最も高い沸騰温度を上回る温度を有しているように形成することもできる。さらに、アキシャルピストンエンジンについては、補助燃料流が補助燃焼室への入口まで気体であること、及び／又は燃料の沸点範囲の最も高い沸騰温度を上回る温度を有していることも、同様に可能であり、有利でもある。この場合、このような種類のアキシャルピストンエンジンの実施形態は、混合気形成に必要な気化エンタルピーが燃焼中の反応熱によってではなく、燃焼空気への燃料の配分前にすでに提供されるという利点を提供する。このことから、特に、煤のない燃焼を可能にする方法が提供される。なぜなら、すでに気体になっている燃料での燃焼温度は、液体燃料が燃焼する場合の温度よりもはるかに高いからである。
【００３６】
前述の関連において、液体燃料については、この液体燃料がその燃料沸点範囲の最高温度に近い温度を有し、このことから、燃料の少なくとも揮発性の高い成分が気体の物理的状態の中にすでに存在する場合は有利である。「沸点範囲」とは、この場合、沸騰中の残留物又は損失を考慮しない、燃料の沸騰曲線の部分を意味する。従って、「沸点範囲」という用語は沸騰曲線の不変の曲線部分を示している。さらに、「液体燃料」は、室温および大気圧において、すなわち２０℃、１ｂａｒ（絶対圧）で液状の形態にある燃料を示している。
【００３７】
必要に応じて、このことから、エンジンの有害物質排出をさらに低下させる、燃料の化学的又は物理的分解をすでに前提とすることができる。
【００３８】
燃料の物理的状態に対する前述の関連において、アキシャルピストンエンジンの作動方法では、排気ガス流の混合中に排気ガス流からの気化熱が主要燃料流に供給され、主要燃料流が気体の物理的状態に移行する場合はさらに有利である。同様に、排気ガス流の混合中に排気ガス流からの気化熱が補助燃料流に供給され、補助燃料流が気体の物理的状態に移行する場合も有利である。これらの方法は、混合前の排気ガスが高い温度であることを前提としているか、又は要求しており、この温度は、混合の間、少なくとも燃料の気化に十分であるような温度である。すでに前述したように、燃料と空気の混合物の燃焼中に、バーナーの混合管内、例えばプレバーナーの補助混合管又はメインバーナーの主要混合管内で解放された燃焼熱は、この方法によって、もはや燃料の気化には用いられず、結果的に、燃焼における煤の形成を少なくする。なぜなら、実際の燃焼をより高い温度レベルで行うことができるからである。
【００３９】
さらに、燃料の熱の状態調節と関連して、アキシャルピストンエンジンに液体燃料だけを使用する必要はない。同様に、特に前述した実施形態によるアキシャルピストンエンジンには、気体燃料を使用することもさらに有利である。なぜなら、この燃料は、同様に、気化エンタルピーを加える必要がなくても、分子レベルでのプレ反応による熱の状態調節によって分解されるため、有害物質の非常に少ない燃焼を行うことができるからである。
【００４０】
気体か液体かという燃料の物理的状態とは無関係に、アキシャルピストンエンジンの作動方法にとってさらに有利であるのは、一方で排気ガス流の混合の間、主要燃料流に排気ガスからの熱が伝達され、主要燃料流の少なくとも１つの成分が少なくとも部分的に熱乖離されること、及び／又は他方では排気ガス流の混合の間、補助燃料流に排気ガスからの熱が伝達され、補助燃料流の少なくとも１つの成分が少なくとも部分的に熱乖離されることである。従って、アキシャルピストンエンジンにおけるこの種の方式は、気化熱の提供により温度レベルが引き上げられる場合だけではなく、すでに混合気形成前に燃料が状態調節され、この燃料内ですでにプレ反応が発生する場合でも、煤の形成を低減する可能性を提供する。従って、窒素酸化物などのその他の有害物質を防止又は最小化する可能性が提供される。なぜなら、発生したプレ反応により、全体として燃焼に必要な燃料と空気の反応時間を大幅に縮小することができ、ならびに窒素酸化物の形成が抑制されるからである。熱によって形成される窒素酸化物は、例えばゼルドヴィッチ機構に基づいて形成されるが、すぐに明らかなように、前述の実施形態によって、十分な量の窒素酸化物が形成されるには滞留時間が十分ではない。
【００４１】
アキシャルピストンエンジンの作動方法にとっては、すでに言及した理由から、補助燃料流に供給される排気ガス流が補助燃焼室から取り出される場合、及び／又は補助燃料流に供給される排気ガス流が補助バーナーから取り出される場合は、さらに有利である。この関連において、アキシャルピストンエンジンの作動方法にさらに有利であるのは、主要燃料流に供給される排気ガス流が補助燃焼室から取り出される場合である。この実施形態の利点もすでに前述しており、高温の排気ガス又はそれぞれの高温の不活性ガスの燃料流への配分によって、出来る限り有害物質の少ない、安定した、素早い燃焼に有利な燃料の状態調節が可能になる。
【００４２】
その他に、プレバーナー又はメインバーナー内の燃料の状態調節を有利に実現するため、１つの方法についてさらに有利であるのは、補助燃料流内への排気ガス流の混合が、補助空気流内への補助燃料流の混合前に行われる場合、及び／又は主要燃料流内への排気ガス流の混合が、主要空気流内への主要燃料流の混合前に行われる場合である。これらの実施形態により、同様に、前述した燃料の熱による状態調節が可能になるため、混合の間、それぞれの混合管内において燃料がすでに気体の状態になっていること、又は燃料が燃焼中間体を有することもできる。
【００４３】
前述した特徴が、本発明のその他の全ての特徴とは無関係に、アキシャルピストンエンジンに有利であることは明らかである。
【００４４】
冒頭の課題を、本発明の残りの特徴に対して選択的又は追加的に解決するため、少なくとも１つの主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つの補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この場合、少なくとも１つの高温ガス供給を介して補助燃焼室がメインノズルチャンバに接続されており、メインバーナーの主要燃焼流がメインノズルによってメインノズルチャンバ内に送り込まれ、このアキシャルピストンエンジンは、主要燃料流がメインノズルの上流に熱媒体を有していることを特徴としている。
【００４５】
アキシャルピストンエンジンの課題に基づいた良好な調整、及び課題に基づいた安定した作動特性は、上述の熱媒体により、混合気の状態調節が、この熱媒体を介して供給される熱量によって改善され、支援されることによって保障される。特に、スタートプロセスのすぐ後に生じる可能性のある温度損失を、これは冷えた燃焼室の壁によって生じると考えられるが、熱媒体によって補正することができる。バーナーでの短時間の高い負荷要求にも、バーナーの燃焼特性がこの負荷要求を満たさない場合は、追加の熱媒体によって確実に対応することができる。
【００４６】
有利な実施形態では、主要燃料流の加熱に使用される熱媒体が電気的な熱媒体であってもよい。特に、この熱媒体はグロープラグであることができる。電気的な熱媒体の使用又は熱媒体としてのグロープラグの使用により、加熱に提供される熱流が、アキシャルピストンエンジンのそれぞれの負荷及び作動状態に左右されないことになる。従って、すでに前述したように、電気的な熱媒体又はグロープラグは、好ましくはアキシャルピストンエンジンのコールドスタート時又はコールドスタート後に主要燃料流を加熱するために使用することができる。
【００４７】
該当する熱媒体は、補助燃料流にも、又はそれぞれのその他の可燃物質流又は燃料流にも使用することができる。
【００４８】
従って、熱媒体のもう１つの実施形態では、可燃物質流又は燃料流を加熱するために熱伝達装置が使用され、この熱伝達装置はアキシャルピストンエンジンの排気ガス流の中に配置されている。この場合、好ましくは、排気ガスが特に高い温度レベルを有するアキシャルピストンエンジンの膨張機段の直後に、この熱伝達装置を使用することができる。
【００４９】
さらに、「可燃物質」及び「燃料」が同義的に使用されること、及び可燃物質又は燃料が、それぞれ液体の、しかしまた気体の炭化水素又は炭化水素の混合物、しかしまた、空気と発熱反応するその他のエネルギー含有物質を含むことができるのは明らかである。また、反応物としては必ずしも空気でなくてもよく、燃料に適合するその他の媒体も使用できることは自明である。
【００５０】
熱媒体の使用は、さらに、この熱媒体が電気的熱媒体である場合は特に、この熱媒体がメインノズル又はその他の燃料ノズルのすぐ近くに配置される場合は有利である。従って、熱媒体からメインノズル又は代替の燃料ノズルまでの流れの距離が特に短くなることによって熱損失が低減され、結果的に、それぞれの燃料流を最小のエネルギー消費だけで望ましい温度まで加熱することができる。この燃料の望ましい温度は、設けられている燃焼室又は混合室、例えばメインノズルチャンバ内への入口の燃料が有するべき温度から結果として生じるものであり、燃料が熱媒体で直接加熱される温度から生じるものではない。
【００５１】
可燃物質又は燃料の加熱に対する前述の特徴は、本発明のその他の特徴とは無関係に、アキシャルピストンエンジンに有利であることもできる。
【００５２】
冒頭に述べた課題を解決するため、本発明の前述の特徴に対する代替又は追加の方法として、少なくとも１つの主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つの補助燃焼室並び少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この場合、補助燃焼室は少なくとも１つの高温ガス供給を介してメインノズルチャンバに接続されており、プレバーナーはプレバーナー軸を、高温ガス供給は供給軸を、ならびにメインバーナーはメインバーナー軸を有し、このアキシャルピストンエンジンは、プレバーナー軸及び／又は供給軸が少なくとも投影面においてメインバーナー軸と７５°〜１０５°、好ましくは８５°〜９５°、最も好ましくは９０°の角度をなしていることを特徴とし、投影面は、メインバーナー軸とも、プレバーナー軸及び／又は供給軸とも平行に調整されている。
【００５３】
この関連において、「プレバーナー軸」、「メインバーナー軸」及び「供給軸」という用語は、それぞれ、各コンポーネントへの主要な流れの方向によって決定され、通常はこれらのコンポーネントの基本形状に該当する軸を示し、プレバーナー軸及びメインバーナー軸は、通常、補助燃焼室又は主要燃焼室の主要対称軸に該当し、一方、供給軸は、通常、高温ガスをメインバーナーに供給するダクトの軸に該当する。すなわち、高温ガス供給が多数のダクト又は１つのリングノズルによって行われるために、高温ガス供給を主要方向に割り当てることができない極端な場合には、「供給軸」という用語は、この関連において、メインバーナー又はメインノズルチャンバ内への入口までの主要な流れ方向を描いている面も含むことができる。次に、この面の投影により軸が生じ、この軸に基づいて、前述のように角度を決定することができる。
【００５４】
前述した軸のほぼ直角の配置により、高いレベルの混合が生じるが、それは、主要燃料流が高温ガスを取り込まなければならないからである。これにより、高温ガスは、特に良好にその効果を広げることができ、このことは、主要燃料流がほぼ直線的又は主要燃焼室に対して同軸に通される場合に、とりわけ有効である。
【００５５】
課題を解決する前述の軸の配置とは無関係に、本発明のその他の特徴の代替又は追加として、少なくとも１つ主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つ補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この場合、補助燃焼室が少なくとも１つの高温ガス供給を介してプレノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、メインノズルチャンバのプレバーナー側にリングスペースが設けられている。この関連において、リングスペースは、同心に配置された２つの壁部分、すなわち内部壁と外部壁を特徴とし、これらの壁部分によって、リングスペースを通過するガスは強制的に非常に均質に動くことができる。このことから、本発明のその他の特徴とは無関係に、高温ガスと主要燃料流との非常に良好な均質性が生じる。
【００５６】
このリングスペース及び軸の配置は、個々においても、しかし、とりわけ相互作用の中で、メインノズルチャンバ内にある流体の強制ガイドを生じ、煤の形成を有利にすることができる不均質の混合気ゾーンを抑制する。さらに、燃料及び排気ガス又は高温ガスから成る、特に均質に混合された流体は、メインバーナーの後続の燃焼プロセスに特に有利に作用する。
【００５７】
プレバーナー軸及び／又は供給軸がリングスペースの接線となっている場合は、メインノズルチャンバで発生した混合気の均質化が特に有利な影響を受ける。前述の軸がリングスペースの接線となっている実施形態では、高温ガスがリングスペースの中に、特に均等に流れ込むため、結果的に、ガスが停滞する好ましくない死角領域を回避することができる。この関連において指摘できるのは、高温ガス供給が円筒形、円錐形又は少なくとも実質的に一次元の変化を有していない場合、プレバーナー軸の方向と供給軸の方向とを別々にできることである。この場合、高温ガス供給は、その長手方向において曲線状または弓状の変化を有することもできる。そのような場合、前述した供給軸は、高温ガス供給が直接メインノズルチャンバ又はリングスペースの中に合流する地点に限定される。同様に、プレバーナー軸及び供給軸は、高温ガス供給がこれらの軸に沿って明らかな延長を有していない、すなわち非常に短い長さを有している場合、これらの軸が一致していることはすぐに明らかである。
【００５８】
リングスペースに対する接線として形成されているプレバーナー軸又は供給軸は、有利には、間隔をあけてリングスペースに接することができ、その際、この間隔は平均リング半径に該当する。「平均リング半径」は、実質的に、リングスペースがメインバーナー軸に対して同軸に配置されている場合、リングスペースの軸又はメインバーナー軸に対するリングスペースの最大半径と最小半径の算術平均に該当する。高温ガス供給が、リングスペースの厚さよりも小さな直径を有する場合、その際、「厚さ」とは、リングスペースの最小半径と最大半径との間の数学的な差異を意味しているが、すぐに明らかなように、プレバーナー軸又は供給軸間の間隔は、平均のリング半径よりも大きくても、又は小さくてもよい。この場合、高温ガス供給の表面上を通る直線は、リングスペースの外側表面との接線として形成され得るため、高温ガス供給は、少なくとも１つの点で常にリングスペースの表面に移行し、その部分では、流れの失速が起きる可能性のあるエッジが形成されない。
【００５９】
もちろん、「接線となっている」という用語は、厳格に数学的意味で定義されていない。その場合、リングスペースに接する軸はその最大半径でリングスペースに数学的に接触していなければならないだろう。前述したように、リングスペースの最大半径に関して、接線となっている軸は割線として理解することができ、この場合、先に定義された平均半径又はこの平均半径によって形成される全円は、数学的意味においても軸との接線構造を形成することができる。平均半径との関連においても、軸は、接線、割線であってもよく、また円の外側にある線であってもよい。特に、「接線となっている」という用語は、非半径方向及び非軸方向として理解することができる。
【００６０】
平均リング半径は、好ましくは、メインバーナー軸と同軸に配置されているため、高温ガスと燃料とから成る混合物を特に均質に形成することができる。
【００６１】
前述の特徴に対する代替又は追加として、冒頭の課題を解決するため、少なくとも１つのメインバーナー及び少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、メインバーナーの主要燃料流にプレバーナーの排気ガス流が加えられ、この場合、この方法は、プレバーナーの排気ガス流がリングスペースからメインノズルチャンバの中に接線方向に通されることを特徴とする。
【００６２】
すでに前述したように、このことから、流れ込む排気ガスが全リングスペース内に均等に広がり、この中にある燃料、すなわち主要燃料流と均質に混合することができる場合は、特に衝撃の少ない排気ガスのリングスペース又はメインノズルチャンバへの流れが達成される。リングスペース又はメインノズルチャンバ内に流入する際の、衝撃を伴う排気ガス流の方向転換は、状況によっては死角領域及び失速流を引き起こす可能性があり、その際、そこでは良好な混合が不足することにより煤形成が生じるおそれがある。
【００６３】
すぐに明らかなように、「死角領域」という用語は、液体媒体における流れのためだけにあるのではなく、同様に気体媒体の流れの変化における渦巻き及び障害も示している。
【００６４】
さらに、前述の方法は、プレバーナーの排気ガス流が、リングスペースの対称軸に対して間隔をあけてメインノズルチャンバ内に通されるように改善することもできる。このもう１つの実施形態も、前述したように、排気ガスの均等な引込みと、主要燃料流との良好な混合を生じるが、それは、高温ガス供給からリングスペースへの均等な移行又は均等な流れが可能になるからである。この方法の実施形態により、混合を阻害する流れをリングスペースに発生させることなく、高温ガス供給内に最大の流路断面を形成することが可能である。なぜなら、例えばコーナーのエッジなどによる表面の流れを、この方法によって最小化することができるからである。
【００６５】
代替又は追加の方法として、少なくとも１つ主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つ補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが前述の課題を解決し、補助燃焼室が少なくとも１つの高温ガス供給を介してプレノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、メインノズルチャンバのプレバーナー側に、メインノズルチャンバ内への高温ガス供給のためのリングノズルが設けられていることを特徴とする。この種のリングノズルは、高温ガスと燃料との混合の均質化に有利に作用するため、燃料はより良好に広がるか、又は状態調節されることができる。
【００６６】
これに対する代替又は追加の方法として、少なくとも１つ主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つ補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが前述の課題を解決し、補助燃焼室が少なくとも１つの高温ガス供給を介してメインノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、メインバーナーが主要混合管のメインノズルチャンバ側にリングノズルを有していることを特徴とする。前述のリングノズルが高温ガスと燃料との素早い混合に用いられ、それによって熱及び物質の輸送に有利に作用する一方、有利な実施形態においては、主要空気流を主要混合管内に供給するために設けられているリングノズルが、素早い物質輸送及び送り込まれた空気の素早い混合のために用いられる。このことから、あらかじめ状態調節された燃料の素早い燃焼が、有毒物質の発生を最小限に抑える形で行われる。なぜなら、一方で酸素の少ない燃焼ゾーンが回避され、それによって煤を防ぎ、他方では、窒素酸化物を形成する反応時間が僅かしか残らないからである。
【００６７】
好ましくは、このリングノズルが、メインバーナー軸に対して同軸に、及び／又はメインノズルの主要入射方向に対して同軸に配置され、これに応じて、このことは極めて均質な火炎を発生させることにつながる。
【００６８】
このアキシャルピストンエンジンのもう１つの有利な実施形態では、リングノズルが、４５°より小さい円錐角を備える円錐形に形成された少なくとも１つの外側面を有している。鋭角に主要混合管の中に送られる流れ、例えば主要空気流の流れは、有利には、死角領域を発生することなく、互いに送り込まれる２つのガス流を良好に混合する。結果的に、リングノズルのこの実施形態は、煤の形成を阻止するもう１つの可能性を提供する。
【００６９】
「円錐形に形成されている外側面」とはリングノズルの表面を意味し、リングノズルによって噴射されるガスがその面に沿って流れる。さらに、ここでは、部分的に円錐形に形成されている面だけを意味しており、その際、ノズルは、必ずしも円錐全体を示しているのではなく、ガスを送る表面として円錐台も有している。従って、「円錐角」は、円錐表面上を通る直線と円錐の対称軸とによって作られる角度である。さらに、リングノズルの２つの異なる表面が円錐形に形成され、これらの円錐が異なる円錐角を備えることももちろん可能である。
【００７０】
本発明の前述の特徴に対する代替又は追加として、冒頭に述べた課題を解決するため、少なくとも１つ主要燃焼室ならびに少なくとも１つのメインノズルチャンバを有する少なくとも１つのメインバーナー、及び少なくとも１つ補助燃焼室ならびに少なくとも１つのプレノズルチャンバを有する少なくとも１つのプレバーナーを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この場合、補助燃焼室が少なくとも１つの高温ガス供給を介してメインノズルチャンバに接続されており、このアキシャルピストンエンジンは、補助燃焼室及び／又はプレノズルチャンバが外壁に断熱材を有していることを特徴とする。また、前に説明したリングスペースも該当する断熱材を有してもよい。
【００７１】
この断熱材は、有利にはすでに言及しているチャンバ又は燃焼室の内側の外壁にも配置することができ、壁の熱損失及びこの壁の熱損失と一緒に発生する熱効率損失を最小化するのに貢献することができる。この措置によって熱効率が上昇し、アキシャルピストンエンジンの効率全体も最適化できることはすぐに明らかである。
【００７２】
アキシャルピストンエンジンの場合、例えば国際特許第２００９／０６２４７３号明細書に開示されているように、セラミック層による燃焼室壁の断熱材がすでに知られている。しかし、補助燃焼室及び／又はプレノズルチャンバ内に断熱材を使用することは、従来技術による主要燃焼室内での使用に比べ、明らかな利点を提供する。なぜなら、メインバーナーによって負荷調整が行われる限り、流速が同じ場合に、プレバーナー内をほぼ定常状態に設定することができるからである。従って、使用される断熱材は発生する熱流に、より適切に適合することができ、このことから、機械的異常に対するより高い安全性を達成することができる。
【００７３】
さらに、驚くべきことに、２段階又はマルチステージのプレバーナーの制御が用いられる場合、すなわち、特にプレバーナーによる負荷制御の場合、非定常状態条件でも断熱材によってアキシャルピストンエンジンには利点がもたらされる。この場合、実際の試験で明らかになったことは、プレバーナーの断熱材が、場合によって生じる不安定な熱特性をほとんど抑制し、それによってプレバーナーの安定した火炎温度と、しかしまた安定した排気ガス特性との両方を達成することができる。プレバーナーで実現されるこれらの利点は、下流に接続されているメインバーナーに同じ品質の高温ガスを供給しなければならない場合は特に重要である。一方で、プレバーナーの安定した作動の結果、メインバーナーも同様に安定した範囲で作動することができ、他方では、メインバーナーの調整が非常に簡単になる。なぜなら、メインバーナーの調整に作用する、プレバーナーの不安定な作動状態によって生じるような幾つかの外乱変数がなくなるからである。従って、カスケード制御又は複雑な状態空間による制御を省略することができるため、結果的にもっと簡単な制御回路を使用することができる。
【００７４】
アキシャルピストンエンジンにとって、断熱材がセラミックで形成されている場合は特に有利である。これにより、特に小さな熱伝導性によって断熱が有利になる。さらに明らかなように、断熱材に使用する材料の溶融温度がそれぞれの燃焼室又はノズルチャンバ温度よりも高い場合は、代替の材料を断熱材として使用することもできる。従って、例えば高合金オーステナイト鋼は、非合金鋼に比べ、３分の２低い熱伝導性を提供する。この関連において、別の代替の材料、例えばチタンなども考えられる。
【００７５】
本発明の前述した特徴に対する代替又は追加の方法として、冒頭に述べた課題を解決するため、少なくとも１つの燃料ノズル及びこの燃料ノズルに接続された少なくとも１つの燃料ラインを備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、これは、燃料ラインが、燃料ノズルの上流で少なくとも部分的に、少なくとも１つの熱伝達装置の熱吸収チャンバとして形成されていることを特徴とする。この実施形態は、燃料ノズルを使って噴射される燃料が噴射前に加熱され、それによって燃料と空気の混合物の形成がアキシャルピストンエンジン又はアキシャルピストンエンジンの燃料室の範囲内で明らかにより均質かつ迅速に行われる場合、アキシャルピストンエンジンにとって利点となり、この利点は、冷えた燃料を噴射する場合よりも、はるかに有害物質の少ない燃焼によって示すことができる。このために使用される熱伝達装置は、この目的のために、言及した熱を吸収するチャンバと熱を放出する別のチャンバを有することができ、これらのチャンバを介して、燃料を加熱するための高温の流体が送られる。
【００７６】
この代替又は追加の方法として、燃料ライン自体がアキシャルピストンエンジンの高温のコンポーネントを経由又は通過するように取り回すこともできる。
【００７７】
しかし、熱伝達装置の使用は、とりわけ、燃料を加熱するために、例えば排気ガスなど、いずれにしてもアキシャルピストンエンジンから流出する熱流が加えられる流体を用いる場合は有利となる。
【００７８】
熱伝達装置による燃料の加熱に関連して、熱伝達装置の、熱を放出する少なくとも１つのチャンバが、少なくとも部分的に排気ガスラインとして、クーラントラインとして、及び／又は潤滑剤ラインとして形成されている場合は有利である。この方法は、すぐに分かるように、安定した、有害物質の少ない燃焼を行うアキシャルピストンエンジンを提供するばかりでなく、アキシャルピストンエンジンから排出されるエネルギーを回収してアキシャルピストンエンジンの循環プロセスの中に再接続することにより、効率の高いアキシャルピストンエンジンを提供することを可能にする。
【００７９】
前述した特徴に対する代替又は追加の方法として、冒頭の課題を解決するため、少なくとも１つの燃料ノズル及び少なくとも１つの燃料ラインを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、燃料ラインが燃料ノズルに燃料流を供給し、この方法は、燃料流がこの燃料ノズルの上流で加熱されることを特徴とする。
【００８０】
さらに、本発明のその他の特徴に対する代替又は追加として、冒頭に述べた課題を解決するため、少なくとも１つの燃料ノズル及び少なくとも１つの燃料ラインを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、燃料ラインが燃料ノズルに燃料流を供給し、この方法は、燃料ライン内の燃料流が、燃料ノズルの上流で、この燃料ラインの外側を流れる流体によって加熱されることを特徴とする。この関連において、さらに、燃料を加熱する流体は、アキシャルピストンエンジンの排気ガス流、クーラント流及び／又は潤滑剤流であってもよい。
【００８１】
さらに、前述の特徴に対する代替又は追加として、冒頭に述べた課題を解決するため、少なくとも１つの燃料ノズル及び少なくとも１つの燃料ラインを備えるアキシャルピストンエンジンの作動方法が提案され、この場合、燃料ラインが燃料ノズルに燃料流を供給し、この方法は、燃料ライン内の燃料流が、燃料ノズルの上流で、アキシャルピストンエンジンの熱流によって加熱されることを特徴とする。
【００８２】
燃料の加熱又は燃料の加熱方法のための前述の実施形態は、すでに説明したように、一方で、燃料がすでに噴射の前に加熱され、燃料が空気によって燃焼する間、高温で素早い燃料により煤粒子及び窒素酸化物の発生を防止できるような温度レベルにまで引き上げられるという利点を提供する。
【００８３】
燃料を加熱するための前述の方法は、アキシャルピストンエンジンの利用されない排熱を再びアキシャルピストンエンジンの循環プロセスの中に戻し、それによってアキシャルピストンエンジンの熱力学的効率を高めるという可能性も提供する。
【００８４】
熱流によって燃料を加熱する前述のケースでは、特に、直接及び／又は間接的にアキシャルピストンエンジンの摩擦力、排熱流及び／又は排気ガス流から熱流を取り出すことができる。動力機械の可動部品の間で発生する摩擦力は、内燃機関のドライブの大部分の実施形態において潤滑剤流によって運び出され、この潤滑剤流は熱伝達装置を通過して、摩擦によって発生した潤滑剤流の熱が周辺に排出される。この場合、いずれにしても存在する潤滑剤流の使用と、この潤滑剤流においていずれにしても存在する熱伝達装置の使用とは、燃料の加熱に特別な利点を提供する。なぜなら、使用される構成部品及び取り付けスペースに関して追加の経費を省略することができるからである。
【００８５】
「排熱流」とは、この場合、動力機械の通常の全熱流の合計を意味しており、この全熱流の合計は、動力機械表面の放射エネルギーに反映されるか、又はクーラント回路の加熱によっても反映される。同様に存在するクーラント回路に関して、冷却回路又は冷却水回路を用いて燃料ラインを熱伝達装置によって加熱することは、この場合にも、特に簡単かつ有利である。
【００８６】
前述の熱又は流体回路に対する追加又は代替の方法として、燃料を加熱するために排気ガス流を使用することも提案され、特に、供給された空気を加熱するためにすでに熱伝達装置が設けられている場合は、排気ガスシステムの中に追加の熱伝達装置を組み込むことができる。
【００８７】
好ましくは、燃料を加熱するために排気ガス流を用いることができ、それは、動力機械の排気ガスが、通常、特に高い温度を有している、すなわち燃料に対して特に高い温度落差を有しているからである。しかし、１つの質量流又は熱流を燃料の加熱に使用することによって、その他の質量流又は熱流の使用が排除されることはない。従って、燃料を加熱するための言及した全ての方法を組み合わせて、最初にオイル回路又は水の回路によって燃料を予熱し、次に排気ガスによって希望する温度まで加熱することも可能である。
【００８８】
アキシャルピストンエンジンの作動方法にとって有利であるのは、燃料を加熱するために、燃料流の温度が７００℃よりも高く、好ましくは９００℃よりも高く、さらに好ましくは１１００℃よりも高くまで加熱することができることである。この方法により、燃料が気体で存在するばかりではなく、燃料ラインの範囲内でもすでに、燃焼空気とより良好に反応する燃料分子が分解される。
【００８９】
冒頭の課題を解決するため、本発明の前述の特徴に対する代替又は追加として熱伝達装置を備えるアキシャルピストンエンジンが提案され、この熱伝達装置は排気ガス流及びこの排気ガス流から分離された作用ガス流を有し、排気ガス流からの熱を作用ガス流に伝達し、長手方向軸を有し、この長手方向軸に沿って通る作用ガスチャンバを有しており、この熱伝達装置を備えるアキシャルピストンエンジンは、熱伝達装置のハウジング、作用ガスチャンバ及び/又は排気ガスチャンバがそれらの長手方向の範囲の第１の端部に機械的に固定連結され、それらの長手方向の範囲の第２の端部に機械的に弾性があるように互いに連結されていることを特徴とする。この弾性的な連結には、さらに金属ダイヤフラムを有することができる。
【００９０】
アキシャルピストンエンジン及びこのアキシャルピストンエンジンと一緒に使用される熱伝達装置の前述した実施形態の利点は、排気ガス流が特に高い温度レベルにある場合も、又は排気ガス流と作用ガス流との間の温度差が非常に高い場合にも、確実かつ漏れがないように両方の流体の熱伝達を可能にする熱伝達装置の特別な能力から生じる。この高い温度レベルは、予想されるように熱伝達装置内に不均等な線膨張を生じ、この不均等な線膨張はハウジング又は熱伝達装置の両方のチャンバに特に高い熱応力を発生させるおそれがある。この熱応力は、最悪の場合、熱伝達装置の故障を引き起こし、このことはアキシャルピストンエンジンの機能停止につながる。
【００９１】
一方で固定連結された熱伝達装置のチャンバ又はハウジングと固定連結された熱伝達装置のチャンバは、熱伝達装置の他方の端部、すなわち長手方向範囲の第２の端部に接続されているそれぞれの構成部品に様々な線膨張を生じさせる。熱伝達装置の長手方向範囲のこの第２の端部には、すでに言及した弾性のあるダイヤフラムが設けられており、このダイヤフラムは、熱伝達装置の作用ガスチャンバ、排気ガスチャンバ及び／又はハウジングを互いに、周辺に対して漏れがないように密閉しており、その弾性特性によって、許容できないような高い熱応力を発生させることなく、互いに連結されている構成部品の機械的な長さ調整を可能にする。
【００９２】
もちろん、熱交換器の場合でも熱伝達装置の長手方向範囲の第１の端部にダイヤフラムによる弾性連結を用いることも可能であり、熱伝達装置は様々な材料から製造されていないため、熱伝達装置の範囲内では様々な線膨張を予想することはできない。従って、熱伝達装置内の不均等な温度分布により、弾性連結に対するダイヤフラムの有利な使用を必要とする。
【００９３】
好ましくは、弾性連結が熱交換器の低温側に設けられており、それは、特に高温になった場合に、弾性連結にネガティブな熱の影響が及ぶのを最小化できるからである。
【００９４】
前述又は請求項で説明されている解決方法の特徴は、必要に応じて組み合わせられ、それらの利点を合わせた形で実施することができるのは当然である。
【００９５】
本発明のその他の利点、目的及び特徴を、以下の添付図の説明に基づいて述べる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】メインバーナーとプレバーナーとを備えるアキシャルピストンエンジンのバーナーの断面図である。
【図２】図１によるアキシャルピストンエンジンのプレバーナーの断面図である。
【図３】図１及び２によるプレバーナーを上から見た図である。
【図４】技術背景を説明するための、従来技術に基づくバーナーを備えたアキシャルピストンエンジンの断面図であり、図１〜３によるバーナーと同様に作用するコンポーネントには同一の符号が付けられている。
【図５】メインノズルチャンバとしてリングスペースを備えるアキシャルピストンエンジンのメインバーナーの断面図である。
【図６】プレバーナーを備える、図５によるメインバーナーの別の断面図である。
【図７】メインバーナーとプレバーナーから成る、図６に示されている配置を上から見た図である。
【図８】アキシャルピストンエンジン用燃料ヒータを備える熱伝達装置の断面図である。
【図９】別の燃料ヒータを備える、図６によるメインバーナーとプレバーナーから成る配置である。
【図１０】図９の燃料ヒータの詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００９７】
図１〜３に示されているアキシャルピストンエンジン１用のバーナーは、メインバーナー２及びプレバーナー３を有している。
【００９８】
高温ガス供給３０を介してメインバーナー２のメインノズルチャンバ２３に接続されているプレバーナー３は、さらに燃料と空気の混合物を形成するために、プレエアダクト３５及びプレノズル３２を有している。この場合、プレエアダクト３５は補助混合管３７内に通じ、プレエアダクト３５は補助空気流３６をこの補助混合管３７の中に供給する。
【００９９】
さらに、補助混合管３７には、プレノズルチャンバ３３が割り当てられており、この中にプレノズル３２を介して補助燃料流３４が送り込まれる。補助混合管３７内で準備された燃料と空気の混合物は、アキシャルピストンエンジン１の作動中にこの補助混合管３７の出口においてほぼ定圧で燃焼し、補助燃焼室３１に供給される。
【０１００】
燃料と空気の混合物の燃焼は、この場合、特に、補助混合管３７と補助燃焼室３１との間の移行部にある補助燃焼ゾーン３８において行われ、補助燃焼室３１には高温の排気ガスが送り込まれる。プレバーナー３で発生した排気ガスは、好ましくは化学量論的排気ガスであり、この排気ガスは、補助燃焼室３１内へ入った後、高温ガス供給３０を介してメインバーナー２へ供給される。
【０１０１】
補助燃焼室壁３９によってさらに限定され、冷却される補助燃焼室３１は、好ましくはシリンダ形に形成されており、高温ガス供給３０は、この実施形態では補助燃焼室３１と同心に配置されている。
【０１０２】
シリンダ形の補助燃焼室壁３９は、補助燃焼室３１の反対側に追加の中空チャンバを有しており、これらの中空チャンバは、プレバーナー３の周辺に対する追加の断熱材として作用する。このために補助燃焼室壁３９に設けられた空洞部には、空気、排気ガス、補助空気流３６又は冷却水を送り込むことができる。補助燃焼室壁３９の空洞部に補助空気流３６を通過させることは、さらに、補助燃焼室壁３９で放出される熱のエネルギー回収に働き、この熱はプレエアダクト３５を介して再びプレバーナー３に供給される。
【０１０３】
これとは逆に、補助混合管３７及び特に補助燃焼ゾーン３８は、補助燃焼室３１の左右対称軸外に配置されている。補助混合管３７の左右対称軸又は回転軸は、この実施形態では高温ガス供給３０の範囲内で補助燃焼室３１の回転軸と交差している。
【０１０４】
補助混合管３７と補助燃焼室３１との非対称的配置により、プレバーナー３の作動中、発生した排気ガスの循環は、結果的に、排気ガス流が常に補助高温ガス供給４０の入口に当たるように実施される。この補助高温ガス供給４０は再び、この実施形態ではプレノズルチャンバ３３に接続され、それによってプレバーナー２の範囲内で内部の排気ガス再循環を形成している。
【０１０５】
補助高温ガス供給による内部の排気ガス再循環は、排気ガスが十分に高い温度を有している限り、プレノズルチャンバ３３の範囲内で補助燃料流３４の少なくとも加熱、及び好ましくは気化を生じる。
【０１０６】
特に図３に示されているように、プレバーナー３は、補助燃焼室３１とプレノズルチャンバ３３との間に３つの個別の補助高温ガス供給４０を備えている。図２による切断面では、これらの補助高温ガス供給４０が左右対称に配置されており、補助高温ガス供給４０の数が増えると、排気ガス流量を増加させることになる。
【０１０７】
この関連において、追加の補助高温ガス供給４０を制御可能に実施することも考えられ、それによってプレノズルチャンバ３３に供給された排気ガス流の量又は質量を調整することが可能になる。補助高温ガスセンサ４は、この場合、温度又は圧力センサであるか、もしくは排気ガス組成を測定するラムダセンサであってもよく、この調整目的のために、必要に応じて用いられる。
【０１０８】
排気ガス温度が十分に高い場合、例えば７００℃の温度では、プレノズルチャンバ３３に戻された排気ガスは、補助燃料流３４の拡散及び気化の他に、補助燃料流３４の範囲内で第１の解離プロセス又は初期反応も生じる。ここで、「初期反応」とは燃料のあらゆる反応、特に酸素が関与していない反応も意味していることが強調される。
【０１０９】
従って、プレバーナー３のこの実施形態は、結果として、補助燃焼ゾーン３８における特に効率的な、高温の素早い燃焼を生じ、このことにより、とりわけ煤の形成及び窒素酸化物の形成も防止される。煤の形成は、非常に高い燃焼温度を用いて燃焼するこの実施形態によって阻止される。
【０１１０】
燃料と空気の混合物が燃焼する際の高い温度は、ゼルドヴィッチ機構の下で、非常に高濃度の窒素酸化物を生じるおそれがある。そのため、特に高温燃焼であっても、当業者側では窒素酸化物の排出低下をまず予想することはない。しかし、プレノズルチャンバ３３内およびメインノズルチャンバ２３内での熱による燃料の状態調節は、一見したところ、有利には、すでに生じている燃料の分子崩壊も発生させるため、燃焼反応を明らかに促進し、それによって窒素酸化物の発生を阻止するラジカルの形成も増加するように思われる。
【０１１１】
ほとんどの燃焼プロセスの反応速度は、周知のように、燃焼中の温度及び圧力に左右される。従って、前述の実施形態で実現されているように、燃焼温度又は燃焼圧力が高くなると、燃焼成分と空気との反応は桁違いに速く行われる。
【０１１２】
燃焼遊離体、すなわち空気と燃料とが予め十分に加熱され、燃焼の連鎖化開始ならびに連鎖分岐が、燃料と燃焼空気との混合直前又は混合の間、すなわち実際の反応ゾーンの前ですでに始まっている場合、同様に前述した燃料の状態調節が行われた後では、高温レベルでの燃焼中、熱による窒素酸化物が形成される時間は僅かしか残っていない。この関連において、特に有利であるのは、熱による窒素酸化物が形成されないか、又はゼルドヴィッチ機構に基づく熱による窒素酸化物形成のための可逆反応が特筆すべきような熱変換を有しない温度にまで、燃料及び／又は燃焼空気が予め加熱される場合である。
【０１１３】
従って、特に好ましくは、プレノズルチャンバ３３内の補助燃料流３４も、メインノズルチャンバ２３の主要燃料流２４も、特筆すべき窒素酸化物の熱変換が始まらない温度、約１０００℃まで予め加熱される。補助混合管３７又はメインバーナー２の主要混合管２７内の燃料が混合される間に、燃料に対する燃焼空気の温度が低いために、温度が１０００℃を大幅に下回った場合も、プレノズルチャンバ３３又はメインノズルチャンバ２３内の燃料はより高い温度を有することができるのはすぐに明らかである。
【０１１４】
プレバーナー３の範囲内における制御及び調整プロセスのため、プレバーナー３は、さらに点火プラグ８ならびに補助高温ガスセンサ４ならびに高温ガスセンサ５を備えている。点火プラグ８は、すぐに明らかなように、プレバーナー３のスタートプロセスに用いることができる一方で、補助高温ガスセンサ４によって温度と圧力か、もしくは補助高温ガス供給４０内に送られた排気ガスの組成か、のいずれかを測定することができる。同様の方法で、高温ガス供給３０によってメインバーナー３に送られる排気ガスを点検する高温ガスセンサ５も用いることができる。
【０１１５】
プレバーナー３内の排気ガスがプレノズルチャンバ３３に供給されるのと同様の方法で、メインバーナー２においても、前述したように、メインノズル２２によって噴射される主要燃料流２４の状態調節が行われる。
【０１１６】
この場合、すぐに明らかなように、プレバーナー３は、メインバーナー２の外部の高温ガス供給装置として働き、このメインバーナーは、この実施例では内部の排気ガス再循環を有していない。
【０１１７】
メインノズルチャンバ２３は、プレノズルチャンバ３３とは異なり、主要混合管２７と主要燃焼室２１と共に１つの軸上に配置されている。メインノズルチャンバ２３及び主要燃焼室２１又は主要混合管２７を非対称的に配置することも考えられる。主要空気流２６によって主要混合管２７に供給される燃焼空気は、側面でリングダクトを介して主要混合管２７の中に流れ込み、そこで放熱しながら反応し、主要燃焼ゾーン２８内で定圧になって、排気ガスとしてまず主要燃焼室２１の中に合流する。主要空気流２６はメインエアダクト２５を介してメインバーナー２の主要混合管２７に送られ、メインエアダクト２５は、プレエアダクト３５と共にアキシャルピストンエンジン１の圧縮機段１１（図示されていない）に接続され、このことは従来技術で周知であり、図４に示されている。
【０１１８】
メインバーナー２内にも、燃焼及び出力調整の目的で制御装置用のセンサが設けられている。従って  メインノズルチャンバ２３には、ノズルチャンバセンサ６が設けられており、このセンサを使って、温度、圧力及び／又は排気ガス組成をメインノズルチャンバ２１の範囲内で検知することができる。さらに、主要混合管２７には混合管センサ７が備えられ、このセンサは、主要燃焼ゾーン２８において主要燃焼ゾーン２８内の組成、温度、又は必要に応じて圧力を調べ、制御装置に転送することができる。
【０１１９】
補助燃焼室３９の空洞部が補助燃料流３４又は主要燃料流２４の加熱にも用いることができるのはすぐに明らかである。補助燃焼室壁の中空チャンバを通って燃料が送られる場合、この燃料は、プレノズルチャンバ３３又はメインノズルチャンバ２３内に噴射される前にすでに熱エネルギーを吸収し、この熱エネルギーは、混合物形成エネルギーが空気との混合プロセス前にすでに燃料に供給されることにより、噴射中の噴霧形成又は液滴崩壊にポジティブな影響を及ぼす。補助燃料流３４又は主要燃料流２４は、特定の作動条件下で、例えばアキシャルピストンエンジン１が全負荷の場合、燃料ライン４１内において、あるいは、圧力低下が生じる理由からプレノズルチャンバ３３又は主要燃焼室２３への噴射中にも、気体の物理的状態に移行するように加熱しておくこともできる。すぐに明らかなように、前述の補助燃焼室壁３９の実施形態は、主要燃焼室壁２９にも適用することができる。
【０１２０】
図１〜３に基づいて説明したアキシャルピストンエンジン１のバーナー配置では、補助燃料流３４と補助空気流３６との混合後に、メインノズルチャンバ２３内で発生した、主要燃料流２４と高温ガス又はプレバーナー３の排気ガスとから成る混合物が、主要混合管２７に供給されるまで、燃焼空気の次の供給が行われない燃焼方法がさらに適用される。主要空気流２６の混合は、従来技術とは異なり、主要混合管２７の中で行われるか、又は主要混合管２７の直前で行われ、主要燃焼室２１では行われない。この場合適用される、特にプレバーナー３での一段階の燃焼は、残留酸素含有量の調整可能性に有利に働き、この含有量はほぼゼロに調整される。従って、主要燃料流２４と一緒に送り込まれる燃料の状態調節は、酸化が始まらないうちにメインノズルチャンバ２３において行われる。従って、供給される高温ガス内に残留酸素がないこの方法により、例えば窒素酸化物の形成など、有害物質の生産が阻止される。
【０１２１】
圧縮機段１１を備える従来技術によるアキシャルピストンエンジン１の実施形態を、技術的な背景を説明するために、以下で、図４に基づいて説明する。
【０１２２】
互いに平行に配置されている圧縮ピストン１３を備える圧縮機段１１は、圧縮機制御装置１５によって周辺から空気を吸引し、圧縮した後でこの空気をエアダクト（図示されていない）に送り、このエアダクトは、図１によるバーナーでは少なくともメインエアダクト２５及びプレエアダクト３５の中に通じている。
【０１２３】
図４によるアキシャルピストンエンジン１は、さらに、従来技術によるメインバーナー２及びプレバーナー３を備え、このプレバーナーは、主要燃焼室２１で発生した排気ガスによって、膨張機ピストン１４を備える膨張機段１２を作動又は駆動するが、この点については、図１〜３によるバーナーも直接用いることができる。この目的のため、主要燃焼室２１から流出する排気ガスは、それぞれ射管１８を介してそれぞれ膨張機ピストン１４のいずれかに転送され、この膨張機ピストンは、ポジティブなピストン動作の下では出力をアキシャルピストンエンジン１のアウトプットシャフト１０に送り出す。膨張した排気ガスは、この排気ガスが膨張機インレットバルブ１７を介して膨張機ピストン１４に供給された後、膨張機アウトレットバルブ１６を介して排出ガスライン４４に送られる。
【０１２４】
図１によるメインバーナー２の実施形態とは異なり、図４によるメインバーナー２では、アキシャルピストンエンジン１で使用を省略することもできるラバルノズル９は装備されず、燃焼室フロア１９が装備され、この上にメインバーナー２から流出する排気ガスが当たるか、又はこの燃焼室フロアを介して排気ガスが射管１８の中に迂回して送られる。
【０１２５】
この点において、本発明に基づく図１によるプレバーナー３及びメインバーナー２のもう１つの利点が明らかとなる。なぜなら、この実施形態は、その幾何学形状により、両方の部分バーナーの範囲内で脈動がより小さくなるからである。従来技術によるメインバーナー２には、主要空気流２６が主要燃料流２４に供給される主要混合管２７も装備されていない。その代わりに、図４に示されているアキシャルピストンエンジン１には主要燃焼ゾーン２８が装備され、これは主要燃焼室２１の中に大きく突き出している。しかし、本発明に基づくアキシャルピストンエンジン１の実施形態との大きな違いは補助燃焼室３の中にあり、従来技術の補助燃焼室には補助高温ガス供給４０がなく、従ってプレバーナー３内の安定した火炎形成も起こらない。
【０１２６】
図５による代替の実施形態は、前述した実施形態とは異なり、リングスペース３０Ａによって取り囲まれているメインノズルチャンバ２３を配置している。このリングスペース３０Ａには、高温ガス供給３０が通じており、この高温ガス供給３０の供給軸５３は、図５の表示に使用されている投影面において、主要燃焼軸５１と９０°に近い角度で交差している。この主要燃焼軸５１は、同時に、図示されている主要燃焼室２１、主要混合管２７及びメインノズルチャンバ２３ならびにリングスペース３０Ａの左右対称軸でもある。リングスペース３０Ａと同様に、主要空気流２６をガイドするメインエアダクト２５も、主要混合管２７への入口の少し前でリングスペースとして形成されている。リング形のメインエアダクト２５のこの実施形態もまた、主要混合管２７の範囲内でのほぼ均質な混合気形成につながり、このことから、主要燃焼ゾーン２８で均質な燃焼が行われる。
【０１２７】
壁の熱損失を回避するために使用される主要燃焼室壁２９は、該当する作用機序が、メインバーナー２の本実施形態に従ってリングスペース３０Ａ内にも適用される。このために、リングスペース３０Ａには、リングスペース３０Ａの外壁にシリンダ形に取り付けられる断熱材６１が装備されている。断熱材６１は、主要燃焼室壁２９と同様にセラミック材料から製造され、リングスペース３０Ａ内にある高温の排気ガスのメインバーナー２の残りのハウジングへの熱誘導を軽減する。排気ガスは、主要混合管２７に入る前に、メインノズル２２によってプレノズルチャンバ２３に供給される主要燃料流２４とリングノズル２３Ａを介して混合される。
【０１２８】
メインバーナー２の作動中、メインノズルチャンバ２３のリング形の実施形態により、高温ガス供給３０によって供給される排気ガスが主要燃焼軸５１の周囲を循環することが可能となり、このことから、メインノズルチャンバ２３の範囲内、あるいはまた高温ガス供給３０の範囲内においても死角範囲が大幅に回避され、従って、煤の形成、少なくとも混合に由来する煤の形成を抑制することができる。
【０１２９】
主要混合管２７への供給ラインは、さらに混合ノズル２７Ａとして形成され、この混合ノズル内で、主要燃料流２４と排気ガスから成る流れとを主要混合管に入る前に再度調整することができる。従って、図示されている円錐形の実施形態では、ガス流の加速を引き起こし、一方では、主要燃料流２４と排気ガスとの混合特性にポジティブに作用し、他方では、リングノズル２５Ａから流出する主要空気流とのさらなる混合を有利にするエジェクタフローをリングノズル２５Ａ部分に発生させる。
【０１３０】
リングノズル２５Ａは、混合管２７の前で、半径方向に周囲を取り囲むように配置され、状態調節された燃料流に主要空気流２６を均等に供給する。リングノズル２５Ａの、円錐形に形成された２つのノズル表面２５Ｂは、この場合、一方の鋭角が混合管２７の中に通っているため、例えば流れの失速による死角範囲がここでも回避される。リング表面２５Ｂの平坦な入口角により、驚くべきことに、吹き出された空気と燃料の均質化がさらに有利に行われ、このことから、迅速かつ均質な燃焼により有害物質が回避される。リングノズル２５Ａ内で存在する流速を最適に形成するため、リングノズル２５Ａの両方のノズル表面２５Ｂは異なる円錐で実施されている。
【０１３１】
図６及び７に従って、高温ガス供給３０の上流に接続されているプレバーナー３は、前述の実施形態でも同様に、化学量論的排気ガスを発生させ、これを可能な限り接線方向にリングスペース３０Ａの中に送り込む。この実施形態では、高温ガス供給３０はシリンダ形の管として、プレバーナー３または補助燃焼室３１と同軸上に実施されているため、プレバーナー軸５２と高温ガス供給軸５３とは互いに重なり合っている。
【０１３２】
プレバーナー３又は高温ガス供給３０がメインノズルチャンバ２３に対して接線方向に配置されていることにより、図７に従って時計回りに誘導される流れが生じ、この流れは、主要燃料流２４とプレバーナーの排気ガス流とを可能な限り均質に混合する。リングノズル２３Ａも補足的に同様のことを引き起こす。
【０１３３】
この実施形態では、補助燃焼室３１にもセラミックで形成されている補助燃焼室壁３９が装備され、熱損失を回避し、アキシャルピストンエンジン１の効率を高めている。補助混合管３７ならびに補助燃焼ゾーン３８は、メインバーナー２の該当する実施形態とは異なり、プレバーナー軸５２に対して極めて小さな角度で配置されている。この異なる配置により、メインバーナー２内とは異なり、図６による投影面の範囲内での循環が有利になるため、補助燃焼ゾーン３８から排出される排気ガスは、部分的に補助高温ガス供給４０上に当たり、ここを介してプレノズルチャンバ３３に供給することができる。プレノズルチャンバ３３において、又はプレノズルチャンバ３３のすぐ下流で、補助燃料流３４と補助空気流３６との、前述の実施例から周知である配分が、それぞれのプレノズル３２とプレエアダクト３５によって行われる。
【０１３４】
アキシャルピストンエンジン１で発生する温度を熱伝達装置８１の範囲内で制御するため、図８による熱伝動装置８１には金属ダイヤフラム８６が装備され、これは熱伝達装置８１の長手方向範囲の一方の端部で、ハウジング８２又は排気ガスチャンバ８３を機械的に、またガス漏れがないように作用ガスチャンバ８４と接続している。図示されている実施形態では、作動ガス低温流７９を熱伝達装置８１の中に送る作用ガスチャンバ入口８９がダイヤフラム８６を通り抜けている。この作用ガス低温流７９は、排気ガスチャンバ８３の中に送られる排気ガス中間流７７が作用ガスチャンバ８４を通過する際にその熱を吸収する。熱伝達が正常に終了すると、作用ガスチャンバ出口９０で作用ガス高温流８０が熱伝達装置８１から再び流出するが、この作用ガス高温流はアキシャルピストンエンジン１の膨張機段１２の次のプロセス経過及びメインバーナー２及びプレバーナー３に供給される。作用ガス低温流７９は、すでに前述したように、アキシャルピストンエンジン１の膨張機段１２から取り出される。さらに、排気ガスチャンバ８３には、膨張した排気ガス中間流７７又は膨張した排気ガス高温流７６（別の実施例の場合）が直接流入する排気ガスチャンバ入口８７、及び膨張して冷却された排気ガス低温流７８が周辺に排出される排気ガスチャンバ出口８８が装備されている。
【０１３５】
排気ガス中間流７７が熱伝達装置８１に送られる前に、燃料熱伝達装置７０内では燃料低温流７４への熱伝達がすでに部分的に行われる。燃料低温流７４は、作用ガス低温流７９と同様に、排気ガス高温流７６によって提供された熱を吸収し、燃料高温流７５への移行後にこの熱をアキシャルピストンエンジン１に回生的に戻す。燃料熱伝達装置７０又は熱伝達装置８１を使用しないならば、排気ガス内で使用可能な熱量が利用されないまま周辺に排出され、これにより、図示された配置はアキシャルピストンエンジン１の熱力学的効率を上昇させることになるであろう。
【０１３６】
すでに説明したように、熱伝達装置８１には、長さ調整のためにも設けられているダイヤフラム８６が装備され、このダイヤフラムにより、排気ガスチャンバ８３、ハウジング８２及び作用ガスチャンバ８４の間の不均等な線膨張が初めて可能になる。前述のチャンバと、このケースでは排気ガスチャンバ８３に該当するハウジング８２とは、ダイヤフラム８６の反対側にある熱伝達装置８１の端部では互いに固定的に連結されている。この連結はボルト接続８５によって行われ、両方のチャンバは相互に、また周辺に対してもガス漏れがないように閉鎖されている。
【０１３７】
この関連において「固定的に」とは、このボルト接続８５によって接続されている構成部品のボルト接続８５での長さ調整が全く不可能であるか、もしくはほとんど不可能であることを意味している。熱交換器左右対称軸９１に対する横方向の長さ調整については、この構造形状がダイヤフラム８６を用いて長手方向に必要であるような度合いの調整は必要ない。この熱伝達装置８１は、横方向の膨張に比べ、数倍も高い長手方向の膨張を有しているため、排気ガスチャンバ８３、作用ガスチャンバ８４及び必要に応じてハウジング８２の不均等な線膨張がまず発生する。特に、この実施例においてはダイヤフラム８６によって実施されている弾性連結により、ハウジング８２、ならびに排気ガスチャンバ８３と作用ガスチャンバ８４間の隔壁の長手方向の膨張の相違を調整することができる。熱伝達装置の低温の端部に弾性連結を設けることにより、アキシャルピストンエンジン１で生じるような高温を制御しなければならない場合でも、この箇所の弾性を継続的に保障することができる。
【０１３８】
図９及び１０によって実施されているメインバーナー２には、グロープラグ７１として形成されているもう１つの燃料ヒータが装備されている。このグロープラグ７１は燃料ライン７２の範囲内にあり、この燃料ライン７２は、加熱スペース７３を形成しながらグロープラグ７１の加熱される端部の周囲を通り、希望する燃料温度まで加熱される。燃料ライン７２を介してこの加熱スペース７３に供給される主要燃料流は、定常作動においては燃料熱伝達装置７０の燃料高温流７５から取り出すことができる。しかし、コールドスタートの場合、燃料熱伝達装置７０内の熱が十分に燃料に供給されないため、メインノズル２２から供給される主要燃料流２４が図示されているグロープラグ７１によって加熱される。必要に応じて、グロープラグ７１による温度調整を行うことができる場合、燃料熱伝達装置７０は省略されるか、又は燃料熱伝達装置７０は基本エネルギーのみを提供する。
【０１３９】
前述の実施形態によるグロープラグ７１の特殊な配置は自由に選択可能であり、メインバーナー軸５１に関してこの配置は必ずしも必要ではないことはすぐに明らかである。アキシャルピストンエンジン１で計画される取付けスペースに有利であるのは、グロープラグ７１の図示されている配置が、メインバーナー軸５１に対して９０°の角度であり、この配置はアキシャルピストンエンジンの全長にネガティブな影響はほとんど与えない。
【０１４０】
この関連において、加熱スペース７３を流れる燃料を希望の温度まで加熱するため、代替の熱媒体も考えられる。つまり、グロープラグ７１の代わりに、加熱スペース７３の中に、又は加熱スペース７３の表面に沿って熱線を通すこともできる。
【０１４１】
さらに、加熱スペース７３の図示されている実施形態は、必ずしも熱媒体のこの実施形態に縛られていない。したがって、グロープラグの形状に近づけられている加熱スペース７３も、シリンダ形の形状でなくてよい。特に、加熱スペース壁の中に埋め込まれる熱源と関連して加熱スペース７３の効果的な表面が拡大できるような場合には、加熱スペース７３のシリンダ形の実施形態を変更することもできる。
【符号の説明】
【０１４２】
１            アキシャルピストンエンジン
２            メインバーナー
３            プレバーナー
４            補助高温ガスセンサ
５            高温ガスセンサ
６            ノズルチャンバセンサ
７            混合管センサ
８            点火プラグ
９            ラバルノズル
１０            アウトプットシャフト
１１            圧縮機段
１２            膨張機段
１３            圧縮機ピストン
１４            膨張ピストン
１５            圧縮機制御装置
１６            膨張機アウトレットバルブ
１７            膨張機インレットバルブ
１８            射管
１９            燃焼室フロア
２１            主要燃焼室 
２２            メインノズル 
２３            メインノズルチャンバ 
２３Ａ            リングノズル 
２４            主要燃料流 
２５            メインエアダクト 
２５Ａ            リングノズル 
２５Ｂ            ノズル表面 
２６            主要空気流 
２７            主要混合管  
２７Ａ            混合ノズル 
２８            主要燃焼ゾーン 
２９            主要燃焼室壁 
３０            高温ガス供給 
３０Ａ            リングスペース 
３１            補助燃焼室 
３２            プレノズル
３３            プレノズルチャンバ
３４            補助燃料流
３５            プレエアダクト
３６            補助空気流
３７            補助混合管
３８            補助燃焼ゾーン
３９            補助燃焼室壁
４０            補助高温ガス供給
４４            排出ガスライン
５１            主要燃焼室軸
５２            プレバーナー軸
５３            供給軸
６１            断熱材
７０            燃料熱伝達装置
７１            グロープラグ
７２            燃料ライン
７３            加熱スペース
７４            燃料低温流
７５            燃料高温流
７６            排気ガス高温流
７７            排気ガス中間流
７８            排気ガス低温流
７９            作用ガス低温流
８０            作用ガス高温流
８１            熱伝達装置
８２            ハウジング
８３            排気ガスチャンバ
８４             作用ガスチャンバ 
８５             ボルト接続 
８６            ダイヤフラム
８７             排気ガスチャンバ入口 
８８             排気ガスチャンバ出口 
８９             作用ガスチャンバ入口 
９０            作用ガスチャンバ出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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