(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張ピストン、
膨張シリンダーからの空気の流れを選択的に制御する排気バルブ、
圧縮及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、
当該クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、及び
当該空気貯留器への、及びそれからの空気の流れを選択的に制御する空気貯留器バルブ、を備える分割サイクル空気ハイブリッドエンジンであって、
当該エンジンは、空気圧縮機（ＡＣ）モードで運転可能であり、
当該ＡＣモードでは、当該XovrEバルブバルブが当該クランクシャフトの全回転中において閉じられて保たれ、及び当該排気バルブは当該クランクシャフトの前記全回転の少なくとも２４０ＣＡ度の間、開かれて保たれ、且つ、
当該ＡＣモードでは、当該排気バルブの閉成位置及び当該排気バルブの開成位置が膨張ピストンの上死点位置に関して対称で、プラス又はマイナス１０ＣＡ度内であることを特徴とする分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項２】
当該ＡＣモードにおいて、排気バルブは当該クランクシャフトの前記全回転の少なくとも２７０ＣＡ度の間、開かれて保たれることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項３】
当該ＡＣモードにおいて、排気バルブは当該クランクシャフトの前記全回転の少なくとも３００ＣＡ度の間、開かれて保たれることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項４】
当該ＡＣモードにおいて、当該排気バルブの閉成位置における残りの圧縮比が２０対１以下であることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項５】
当該ＡＣモードにおいて、当該排気バルブの閉成位置における残りの圧縮比が１０対１以下であることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項６】
当該ＡＣモードにおいて、排気バルブの閉成位置及び排気バルブの開成位置は 膨張ピストンの上死点位置に関して対称で、プラス又はマイナス５ＣＡ度内であることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項７】
当該ＡＣモードにおいて、排気バルブの閉成位置及び排気バルブの開成位置は 膨張ピストンの上死点位置に関して対称で、プラス又はマイナス２ＣＡ度内であることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項８】
当該ＡＣモードにおいて、当該圧縮ピストンは当該空気貯留器に蓄えられる吸入空気を引き込み、そして圧縮することを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項９】
当該ＡＣモードにおいて、空気貯留器バルブはクロスオーバー通路内の空気圧力が空気貯留器内の空気圧力よりも高いときに開かれることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項１０】
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張ピストン、
膨張シリンダーから及び排気ポートへの空気の流れを選択的に制御する排気バルブ、
圧縮及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、
当該クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、及び
当該空気貯留器への、及びそれからの空気の流れを選択的に制御する空気貯留器バルブ、を備える分割サイクル空気ハイブリッドエンジンであって、
当該エンジンは、空気圧縮機（ＡＣ）モードで運転可能であり、当該ＡＣモードでは、当該XovrEバルブが当該クランクシャフトの全回転中において閉じられて保たれ、及び当該排気バルブは膨張シリンダー内の圧力が排気ポート内の圧力におよそ等しい位置で開かれることを特徴とする分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項１１】
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張ピストン、
膨張シリンダーから及び排気ポートへの空気の流れを選択的に制御する排気バルブ、
圧縮及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、
当該クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、及び
当該空気貯留器への、及びそれからの空気の流れを選択的に制御する空気貯留器バルブ、を含む分割サイクル空気ハイブリッドエンジンであって、
当該エンジンが空気圧縮機（ＡＣ）モードで運転可能である、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを作動させる方法であって、
当該ＡＣモードでは、
当該クランクシャフトの全回転中に当該XovrEバルブを閉じて保つステップ、
当該クランクシャフトの前記全回転の少なくとも２４０ＣＡ度の間、当該排気バルブを開いて保つステップ、及び
当該排気バルブの閉成位置及び当該排気バルブの開成位置を、当該膨張ピストンの上死点位置に関して対称で、プラス又はマイナス１０ＣＡ度内に保つステップを含み、
これにより、当該膨張シリンダー内の空気に当該膨張ピストンによって遂行されるポンプ仕事を低減すべく当該膨張シリンダーが不活動化されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
当該ＡＣモードでは、排気バルブの閉成位置及び排気バルブの開成位置を、膨張ピストンの上死点位置に関して対称で、プラス又はマイナス５ＣＡ度内に保つことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
当該ＡＣモードでは、圧縮シリンダー内に吸入空気を引き込み、当該吸入空気を圧縮し、そして圧縮空気を空気貯留器内に蓄えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
当該ＡＣモードでは、クロスオーバー通路内の空気圧力が当該空気貯留器内の空気圧力よりも高いとき、空気貯留器バルブを開くステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、分割サイクルエンジン、より詳しくは、空気ハイブリッドシステムを組み入れたかかるエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
明瞭化の目的のために、本出願に用いられている用語「従来のエンジン」は、周知のオットーサイクルの４つのストロークの全て(すなわち、吸入(又は入口)、圧縮、膨張(又は動力)及び排気のストローク)がエンジンの各ピストン/シリンダーの組合せ内に包含されている内燃機関を意味する。各ストロークはクランクシャフトの半回転(１８０度クランク角（ＣＡ))を要し、そして、従来のエンジンの各シリンダー内で全体のオットーサイクルを完了するためには、クランクシャフトの完全な２回転(７２０度ＣＡ)が必要である。
【０００３】
また、明瞭化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され得、かつ本出願で言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、次の定義が提供される。
【０００４】
ここに言及される分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、を備えている。
【０００５】
２００３年４月８日にScuderiに許可された特許文献１（United States Patent No. ６,５４３,２２５ ）及び２００５年１０月１１日にBranyon et alに許可された特許文献２（United States Patent No. ６,９５２,９２３）の両者は、参照によってここに組み入れられるが、分割サイクル及び類似のタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を包含している。加えて、これらの特許は、本開示がさらなる展開を詳述する、エンジンの先行バージョンの詳細を開示している。
【０００６】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、分割サイクルエンジンと空気貯留器及び種々の制御装置を組み合わせている。この組合せは、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが圧縮空気の形で空気貯留器内にエネルギーを蓄えることを可能にしている。空気貯留器内の圧縮空気は、後で、クランクシャフトに動力を与えるべく膨張シリンダーで用いられる。
【０００７】
ここに言及される分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、及び
クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、を備えている。
【０００８】
２００８年４月８日に Scuderi その他に許可された特許文献３（United States Patent No. ７,３５３,７８６）は、参照によってここに組み入れられるが、分割サイクル空気ハイブリッド及び類似のタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を包含している。加えて、この特許は本開示がさらなる展開を詳述する先行するハイブリッドシステムの詳細を開示している。
【０００９】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、通常の運転すなわち点火燃焼（ＮＦ)モード(一般に、エンジン点火燃焼(ＥＦ)モードとも呼ばれている)及び４つの基本的な空気ハイブリッドモードで走行され得る。ＥＦモードでは、エンジンは空気貯留器の使用を伴わずに作動する非空気ハイブリッド分割サイクルエンジンとして機能する。ＥＦモードでは、クロスオーバー通路を空気貯留器に作用可能に連結するタンクバルブが、基本の分割サイクルエンジンから空気貯留器を隔離すべく閉じられたままである。
【００１０】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、その空気貯留器の使用と共に４つのハイブリッドモードで作動する。当該４つのハイブリッドモードは、
１)燃焼を伴わずに空気貯留器からの圧縮空気エネルギーを用いる空気膨張機（ＡＥ）モード、
２)燃焼を伴わずに空気貯留器に圧縮空気エネルギーを蓄える空気圧縮機（ＡＣ）モード、
３)燃焼を伴って空気貯留器からの圧縮空気エネルギーを用いる空気膨張機及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、及び
４)燃焼を伴って空気貯留器に圧縮空気エネルギーを蓄える点火燃焼及び充填（ＦＣ）モードである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６,５４３,２２５号明細書
【特許文献２】米国特許第６,９５２,９２３号明細書
【特許文献３】米国特許第７,３５３,７８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらのモード、ＥＦ、ＡＥ、ＡＣ、ＡＥＦ、及びＦＣのさらなる最適化が、効率及びエミッションの低減を増進するために望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、空気圧縮機（ＡＣ）モードの使用が、改善された効率のために、如何なる駆動サイクルにおいても潜在的に全ての車両に対して最適化される分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを提供する。
【００１４】
より詳しくは、本発明に従う分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの模範的実施形態は、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。膨張ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。排気バルブが膨張シリンダー外への空気の流れを選択的に制御する。クロスオーバー通路が圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結している。当該クロスオーバー通路は、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含んでいる。空気貯留器が当該クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄えるために選択的に作動可能である。空気貯留器バルブは当該空気貯留器への及びそれからの空気流れを選択的に制御する。当該エンジンは、空気圧縮機（ＡＣ）モードで運転可能である。当該ＡＣモードでは、XovrEバルブがクランクシャフトの全回転中に閉じられて保たれ、そして排気バルブが当該クランクシャフトの同じ回転の少なくとも２４０ＣＡ度の期間は開けられて保たれる。
【００１５】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを運転する方法もまた、開示されている。分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。膨張ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。排気バルブが膨張シリンダー外への空気の流れを選択的に制御する。クロスオーバー通路が圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結している。当該クロスオーバー通路は、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含んでいる。空気貯留器が当該クロスオーバー通路に作用可能に連結され、そして圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄えるため、かつ圧縮空気を膨張シリンダーに配送するあめに選択的に作動可能である。空気貯留器バルブは、当該空気貯留器への、及びそれからの空気流れを選択的に制御する。当該エンジンは空気圧縮機（ＡＣ）モードで運転可能である。本発明に従う方法は、以下のステップを含んでいる。すなわち、XovrEバルブをクランクシャフトの全回転中に閉じて保ち、そして排気バルブをクランクシャフトの同じ回転の少なくとも２４０ＣＡ度の期間は開けて保ち、これにより膨張シリンダーで膨張ピストンにより空気に対し遂行されるポンプ仕事を低減すべく、当該膨張シリンダーが不活動化されるのである。
【００１６】
本発明のこれらの及び他の特徴及び有利な点は、添付図面をもとになされる以下の本発明の詳細な説明からより十分に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による模範的な分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの側断面図である。
【図２】本発明によるエンジン速度に対するポンプ負荷（負のＩＭＥＰに関して）のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の頭辞語の用語解説及びここに用いられる用語の定義が参照用に提供される。
【００１９】
一般
他に特に規定のない限り、全てのバルブの 開及び閉のタイミングは膨張ピストンの上死点後(ＡＴＤＣe)のクランク角度で測定されている。
他に特に規定のない限り、全てのバルブの期間はクランク角度(ＣＡ)である。
【００２０】
空気タンク(又は空気貯留タンク):圧縮空気の貯留タンクである。
【００２１】
ＡＴＤＣe:膨張ピストンの上死点後である。
【００２２】
Bar:圧力の単位であり、１ bar = １０5 N/m2である。
【００２３】
ＢＭＥＰ:ブレーキ平均有効圧力である。用語「ブレーキ」は、摩擦損失（ＦＭＥＰ）が考慮された後のクランクシャフト(すなわち、出力シャフト)にもたらされる出力を意味する。ブレーキ平均有効圧力(ＢＭＥＰ)は、平均有効圧力（ＭＥＰ）値に関して表現されるエンジンのブレーキトルク出力である。ＢＭＥＰはエンジン排気量で除したブレーキトルクに等しい。これは摩擦による損失後に取られる性能パラメーターである。従って、ＢＭＥＰ=ＩＭＥＰ−摩擦である。この場合、摩擦はまた、通常、摩擦平均有効圧力(すなわち、ＦＭＥＰ)として知られているＭＥＰ値に関して表現されている。
【００２４】
圧縮機:分割サイクルエンジンの圧縮シリンダー及びその関連する圧縮ピストンである。
【００２５】
排気（又はＥＸＨ）バルブ：膨張シリンダーからのガスの出口を制御するバルブである。
【００２６】
膨張機:分割サイクルエンジンの膨張シリンダー及びその関連する膨張ピストンである。
【００２７】
ＦＭＥＰ:摩擦平均有効圧力である。
【００２８】
ＩＭＥＰ:図示平均有効圧力である。用語「図示」は、摩擦損失（ＦＭＥＰ）が考慮される前にピストンの頂面にもたらされる出力を意味する。
【００２９】
入口(又は吸入):入口バルブである。また、一般に、吸入バルブと称される。
【００３０】
入口空気(又は吸入空気):吸入(又は、入口)ストロークに圧縮シリンダーに吸い込まれる空気である。
【００３１】
入口バルブ(又は吸入バルブ):圧縮シリンダーへのガスの吸入を制御するバルブである。
【００３２】
ポンプ仕事(又はポンプ損失):ここでの目的のために、ポンプ仕事(しばしば負のＩＭＥＰとして表現される)は、エンジン内への燃料及び空気充填物の誘導及び燃焼ガスの排出に費やされるエンジン動力のその部分に関連する。
【００３３】
圧縮シリンダーの不活動化中の残りの圧縮比:(b)圧縮ピストンが丁度その上死点位置に到達したときに圧縮シリンダー内に捕捉される容積(すなわち、クリアランス容積)に対する(a)吸入バルブが丁度閉じたときの位置において圧縮シリンダー内に捕捉される容積の比(a/b)である。
【００３４】
ＲＰＭ:１分間当りの回転数である。
【００３５】
タンクバルブ:Xovr通路を圧縮空気貯留タンクに連結しているバルブである。
【００３６】
ＶＶＡ:可変バルブ作動である。バルブのリフト曲線の形状又はタイミングを変更すべく作動可能な機構又は方法である。
【００３７】
Xovr(又はXover)バルブ、通路又はポート:圧縮及び膨張シリンダーを連結し、圧縮シリンダーから膨張シリンダーへガスを流すクロスオーバーバルブ、通路、及び／又はポートである。
【００３８】
XovrＥ(又はXoverＥ)バルブ:Xovr通路の膨張機端部におけるバルブである。
【００３９】
XovrE-clsd-ＥＸＨ-open:完全に閉じられたXovrEバルブ及び完全に開いた排気バルブである。
【００４０】
XovrE-clsd-ＥＸＨ-std:完全に閉じられたXovrEバルブ及び標準タイミングを有する排気バルブである。
【００４１】
XovrE-open-ＥＸＨ-clsd:完全に開いたXovrEバルブ及び完全に閉じられた排気バルブである。
【００４２】
XovrE-open-ＥＸＨ-std:完全に開いたXovrEバルブ及び標準タイミングを有する排気バルブである。
【００４３】
XovrE-std-ＥＸＨ-std:標準タイミングを有するXovrEバルブ及び標準タイミングを有する排気バルブである。
【００４４】
図１を参照するに、模範的分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが概略的に符号１０で示されている。当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、従来のエンジンの２つの隣り合うシリンダーを１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組合せに置き換えている。シリンダーヘッド３３が、シリンダーを覆いそしてシールすべく膨張シリンダー１２及び圧縮シリンダー１４の開口端上に典型的に配置されている。
【００４５】
オットーサイクルの４つのストロークは、圧縮シリンダー１２がその関連する圧縮ピストン２０と共に吸入及び圧縮ストロークを実行し、そして膨張シリンダー１４がその関連する膨張ピストン３０と共に膨張及び排気ストロークを実行するように、２つのシリンダー１２及び１４に亘って「分割」されている。それ故に、オットーサイクルは、クランクシャフト軸１７の回りにクランクシャフト１６が１回転(３６０度ＣＡ)すると、これらの２つのシリンダー１２、１４内で完成される。
【００４６】
吸入ストローク中に、吸入空気はシリンダーヘッド３３に配置されている吸入ポート１９を介して圧縮シリンダー１２内に吸い込まれる。内開きの(シリンダーの内方にピストンに向かって開く)ポペット吸入バルブ１８が、吸入ポート１９と圧縮シリンダー１２との間の流体の連通を制御する。
【００４７】
圧縮ストローク中に、圧縮ピストン２０は空気充填物を圧縮し、そして該空気充填物を典型的にはシリンダーヘッド３３に配置されているクロスオーバー通路(又はポート)２２に押し出す。このことは、圧縮シリンダー１２及び圧縮ピストン２０が膨張シリンダー１４に対して吸入通路として作用するクロスオーバー通路２２への高圧ガス源であることを意味する。ある実施形態においては、２つ以上のクロスオーバー通路２２が圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４を互いに連結している。
【００４８】
分割サイクルエンジン１０(及び一般に分割サイクルエンジン)の圧縮シリンダー１２の幾何学的な(すなわち、容積的な)圧縮比は、ここで一般に、分割サイクルエンジンの「圧縮比」と称される。分割サイクルエンジン１０(及び一般に分割サイクルエンジン)の膨張シリンダー１４の幾何学的な(すなわち、容積的な)圧縮比は、ここで一般に、分割サイクルエンジンの「膨張比」と称される。シリンダーの当該幾何学的な圧縮比は、前記ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置のときにシリンダー内に囲われる容積(すなわち、クリアランス容積)に対する、シリンダー内で往復するピストンがその下死点（ＢＤＣ)位置のときに(全てのリセスを含んで)シリンダー内に囲われる(すなわち、捕捉される)容積の比として、この技術分野において周知である。特に、分割サイクルエンジンのために、ここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は当該XovrCバルブが閉じられるときに決定される。また、特に、分割サイクルエンジンのために、ここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比は当該XovrEバルブが閉じられるときに決定される。
【００４９】
圧縮シリンダー１２内での極めて高い圧縮比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１又はそれ以上)のせいで、クロスオーバー通路入口２５において、外開きの（シリンダー及びピストンから離れて外方に開く)ポペットのクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)２４が、圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への流れを制御するために用いられている。膨張シリンダー１４内での極めて高い膨張比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１又はそれ以上)のせいで、クロスオーバー通路２２の出口２７において、外開きのポペットのクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)２６が、クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への流れを制御している。XovrC及びXovrEバルブ２４、２６の作動速度及び位相付けは、オットーサイクルの４つのストロークの全ての間にクロスオーバー通路２２の圧力を高い最小圧力(典型的には全負荷時に２０bar以上)に維持するようにタイミング付けられている。
【００５０】
少なくとも１つの燃料噴射器２８が、クロスオーバー通路２２の出口端において、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する直前に起こる当該XovrEバルブ２６の開きに対応させて、加圧された空気内に燃料を噴射する。空気/燃料の充填物は、膨張ピストン３０がその上死点位置に近付いたとき、膨張シリンダー１４に入る。ピストン３０がその上死点位置から下降し始め、当該XovrEバルブ２６がまだ開いている間に、シリンダー１４内に突出している点火栓先端３９を含んでいる点火栓３２が点火され、点火栓先端３９の周りの領域で燃焼を開始する。燃焼は、膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後１及び３０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後の５及び２５度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。最も好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後の１０及び２０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。加えて、燃焼は、他の点火装置及び／又は方法によって、例えば、グロープラグ、マイクロ波点火装置、又は圧縮着火方法によって開始されてもよい。
【００５１】
排気ストロークの間に、排気ガスはシリンダーヘッド３３に配置されている排気ポート３５を介して膨張シリンダー１４の外に送出される。排気ポート３５の入口３１に配置されている内開きのポペット排気バルブ３４は、膨張シリンダー１４と排気ポート３５との間の流体の連通を制御する。排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２から分離されている。すなわち、排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２に接触せず、すなわち、クロスオーバー通路２２内に配置されていない。
【００５２】
分割サイクルエンジンのコンセプトによれば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の幾何学的なエンジンパラメータ(すなわち、ボア、ストローク、コネクティングロッド長さ、容積測定の圧縮比、その他)は概ね互いから独立である。例えば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４についてのクランクスロー３６、３８は、それぞれ、異なる半径を有してもよく、そして膨張ピストン３０の上死点（ＴＤＣ)が圧縮ピストン２０のＴＤＣの前に起こるように互いから離れて位相付けられてもよい。この独立性は、分割サイクルエンジン１０が一般の４ストロークエンジンよりもより高い効率レベル及びより大きなトルクを潜在的に達成すること可能にしている。
【００５３】
分割サイクルエンジン１０におけるエンジンパラメータの幾何学的な独立性はまた、前に述べたように、クロスオーバー通路２２内に圧力が維持され得る主な理由の一つである。詳しくは、膨張ピストン３０はその上死点位置に、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する僅かな位相角(典型的には１０ないし３０の間のクランク角度)だけ前に到達する。この位相角は、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の適切なタイミングと伴って、分割サイクルエンジン１０がその圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間にクロスオーバー通路２２内を高い最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０bar以上)に維持することを可能にしている。すなわち、分割サイクルエンジン１０は、XovrC及びXovrEバルブの両者が膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に降下し、そして圧縮ピストン２０が同時にそのＢＤＣ位置からそのＴＤＣ位置に向けて上昇する間のかなりの期間(すなわち、クランクシャフトの回転期間)開くように、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６をタイミング付けて作動可能である。クロスオーバーバルブ２４、２６の両者が開いている期間(すなわち、クランクシャフトの回転)中、(１)圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２へ、及び(２)クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へほぼ等しい空気質量（マス）が移送される。従って、この期間中、クロスオーバー通路内の圧力は所定の最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０、３０又は４０bar)より低く低下するのが防がれる。さらに、エンジンサイクルの実質的な部分(典型的には、全エンジンサイクルの８０％以上)の間、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の両者は、クロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量（マス）をほぼ一定のレベルに維持するために、閉じられている。結果として、クロスオーバー通路２２内の圧力は、エンジンの圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間、所定の最小圧力に維持される。
【００５４】
ここでの目的のため、ほぼ等しいガスの質量（マス）をクロスオーバー通路２２へ、又はそれから同時に移送させるために、膨張ピストン３０がＴＤＣから降下し、そして圧縮ピストン２０がＴＤＣに向けて上昇している間にXovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６を開く方法が、ここでガス移送のプッシュプル方法と称される。分割サイクルエンジン１０のクロスオーバー通路２２内の圧力が、エンジンが全負荷で運転しているとき、エンジンのサイクルの全４つのストロークの間に典型的には、２０bar以上に維持されるのを可能にしているのがプッシュプル方法である。
【００５５】
前に述べたように、排気バルブ３４は、クロスオーバー通路２２から別けられてシリンダーヘッド３３の排気ポート３５内に配置されている。排気バルブ３４がクロスオーバー通路２２内に配置されていない、そしてそれ故に、排気ポート３５がクロスオーバー通路２２と共通部分を共有していないという排気バルブ３４の構造的配列は、排気ストロークの間にクロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量（マス）を維持するためには好ましい。従って、クロスオーバー通路内の圧力を所定の最小圧力以下に低下させるかもしれない大きな周期的な圧力低下が防止される。
【００５６】
XovrEバルブ２６は膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する直前に開く。このとき、膨張シリンダー１４内の圧力に対するクロスオーバー通路２２内の圧力の圧力比は、クロスオーバー通路内の最小圧力が典型的には絶対圧で２０bar以上であり、膨張シリンダー内の圧力は排気ストロークの間に絶対圧で約１ないし２barであるという事実の理由で、高い。換言すると、XovrEバルブ２６が開くとき、クロスオーバー通路２２内の圧力は実質的に膨張シリンダー１４内の圧力よりも(典型的には、２０対１のオーダーで)高い。この高い圧力比は、空気及び／又は燃料充填物の初期流れが高速度で膨張シリンダー１４内に流れるのを生じさせる。これらの高速流れは音速に到達し、音速流と称される。この音速流は分割サイクルエンジン１０にとって特に有利である。というのも、それは、膨張ピストン３０がその上死点位置から降下している間に着火が開始されたとしても、分割サイクルエンジン１０が高い燃焼圧力を維持することを可能にする急速燃焼事象を生じさせるからである。
【００５７】
当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０はまた、空気貯留器(タンク)バルブ４２によってクロスオーバー通路２２に作用可能に連結されている空気貯留器(タンク)４０を含んでいる。２つ以上のクロスオーバー通路２２を備える実施形態は、クロスオーバー通路２２の各々に共通の空気貯留器４０に連結させるタンクバルブ４２を含んでもよく、又は代わりに、各クロスオーバー通路２２が別々の空気貯留器４０に作用可能に連結してもよい。
【００５８】
タンクバルブ４２は、典型的には、クロスオーバー通路２２から空気タンク４０まで延在する空気貯留器（タンク）ポート４４に配置されている。当該空気タンクポート４４は、第１の空気貯留器(タンク)ポート区分４６及び第２の空気貯留器(タンク)ポート区分４８に分けられている。第１の空気タンクポート区分４６は空気タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結し、そして第２の空気タンクポート区分４８は空気タンクバルブ４２を空気タンク４０に連結している。第１の空気タンクポート区分４６の容積は、タンクバルブ４２が閉じられているとき、タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結する追加のポート及びリセスの全ての容積を含む。  当該タンクバルブ４２は、適切なバルブ装置又はシステムであってもよい。例えば、当該タンクバルブ４２は、種々のバルブ作動装置(例えば、空圧、液圧、カム、電気式など)によって動作される能動バルブであってもよい。加えて、当該タンクバルブ４２は、２つ以上の作動装置でもって動作される２つ以上のバルブを備えるタンクバルブシステムを備えてもよい。
【００５９】
空気タンク４０は、前述の特許文献３に記載されたように、圧縮空気の形でエネルギーを蓄え、そしてクランクシャフト１６に動力を与えるためにその圧縮空気を後で用いるべく利用されている。この潜在的なエネルギーを蓄える機械式の手段は、現在の技術水準に対して多数の潜在的有利性を提供している。例えば、当該分割サイクルエンジン１０は、ディーゼルエンジン及び電気ハイブリッドシステムのような市場における他の技術に対して、比較的低い製造及び廃棄物処理コストで、燃料効率利得及びＮＯｘエミッション低減での多くの有利性を潜在的に提供することができる。
【００６０】
空気タンクバルブ４２の開成及び／又は閉成の選択的な制御、そしてそれによる空気タンク４０とクロスオーバー通路２２との連通の制御によって、当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、エンジン点火燃焼(ＥＦ)モード、空気膨張機（ＡＥ）モード、空気圧縮機（ＡＣ）モード、空気膨張機及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、及び点火燃焼及び充填（ＦＣ）モードにおいて作動可能である。当該ＥＦモードは、上述のように空気タンク４０の使用無しでエンジンが作動する非ハイブリッドモードである。当該ＡＣ及びＦＣモードは、エネルギー貯蔵モードである。当該ＡＣモードは、制動中のエンジンを含み、車両の運動学的エネルギーを利用することによるような、膨張シリンダー１４内で起こる燃焼を伴わずに(すなわち、燃料の費消無く)圧縮空気が空気タンク４０に蓄えられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＦＣモードは、エンジン全負荷より小さい(例えば、エンジンのアイドル、定速度での車両の惰航)のときのような、燃焼のためには必要でない余剰の圧縮空気が空気タンク４０に蓄えられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＦＣモードでは、圧縮空気の貯蔵がエネルギーのコスト（ペナルティ）を有している。それ故に、その後になって圧縮空気が用いられるときに正味の利得を有するのが望ましい。当該ＡＥ及びＡＦモードは、貯蔵されたエネルギーの使用モードである。当該ＡＥモードは、膨張シリンダー１４内で起こる燃焼を伴わずに(すなわち、燃料の費消無く)、空気タンク４０に貯蔵された圧縮空気が膨張ピストン３０を駆動するために用いられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＡＥＦモードは、空気タンク４０に貯蔵された圧縮空気が膨張シリンダー１４内での燃焼のために利用される空気ハイブリッド運転モードである。
【００６１】
当該ＡＣモードにおいては、膨張シリンダー１４が、好ましくは、当該膨張シリンダーにおいて膨張ピストン３０により遂行されるポンプ仕事(負のＩＭＥＰの観点から)を最小にする又は実質的に低減すべく不活動化される。ここにさらに詳細に説明されるように、当該膨張シリンダー１４を不活動化する最も効率的な方法は、クランクシャフト１６の全回転に亘ってXovrEバルブ２６を閉じて保ち、そして理想的には、当該クランクシャフトの全回転に亘って排気バルブ３４を開いて保つことである。
【００６２】
排気バルブが外方に開くエンジンの実施形態においては、当該排気バルブはクランクシャフトの全回転に亘って開いて保たれ得る。しかしながら、この模範的実施形態は、排気バルブ３４が内開きであるより典型的な構成を図解している。それ故に、当該膨張ピストンのストロークの頂部での膨張ピストン３０の排気バルブ３４との接触を避けるためには、排気バルブ３４は、上昇するピストン３０が内開きのバルブ３４に接触する前に閉じられねばならない。
【００６３】
加えて、過剰な温度及び圧力の蓄積を避けるために、排気バルブの閉じる角度から膨張ピストンのＴＤＣまでに捕捉された空気が過剰に圧縮されないことを確実にすることも重要である。一般に、これは、排気バルブ３４が閉じる点での残りの圧縮比が２０対１以下、より好ましくは、１０対１以下であるべきことを意味する。模範的なエンジン１０においては、膨張ピストン３０のＴＤＣ前の約６０ＣＡ度の排気バルブ３４の閉じ角度(位置)において、残りの圧縮比は約２０対１である。排気バルブの閉じがＴＤＣ前６０ＣＡ度であるときは、排気バルブの開きはＴＤＣ後６０ＣＡ度であることが(ここでより詳しく説明されるように)極めて望ましい。
【００６４】
したがって、空気の温度及び圧力の過剰な蓄積無しで膨張シリンダー１４を不活動化するためには、排気バルブ３４がクランクシャフト１６の少なくとも２４０ＣＡ度の回転に亘り開いて保たれることが好ましい。さらに、排気バルブ３４がクランクシャフト１６の少なくとも２７０ＣＡ度の回転に亘り開いて保たれることがより好ましく、排気バルブ３４がクランクシャフト１６の少なくとも３００ＣＡ度の回転に亘り開いて保たれることが最も好ましい。
【００６５】
膨張ピストン３０のバルブ３４への接触を避けるのに応じて排気バルブ３４が単独で閉じられるとき、空気の圧縮(したがって、負の仕事)が、ピストン３０がその上死点位置(ＴＤＣ)に向かって上昇するにつれて生じるであろう。効率を最大にするために、主要な狙いはそれ故に、膨張シリンダー１４内の圧力が排気ポート３５内の圧力に等しいとき(すなわち、膨張シリンダー１４と排気ポート３５との間の圧力差が実質的にゼロのとき)のタイミングで排気バルブ３４を再び開くことである。理想的なシステムにおいて、排気バルブ３４の開きタイミングは膨張ピストン３０の上死点に関して排気バルブ３４の閉じタイミングと対称であろう。しかしながら、実際には、膨張ピストン３０の膨張ストローク中に排気バルブ３４が閉じた後に、膨張シリンダー１４内の圧力及び温度は上昇し始める。発生された熱のいくらかは、シリンダーー壁、ピストン冠面、及びシリンダーヘッドのようなシリンダー構成部品へと失われる。したがって、膨張シリンダー１４及び排気ポート３５内の圧力は、膨張ピストン３０の膨張ストロークよりも排気ストロークにおいて(上死点に対して)僅かに早いタイミングで等しくされる。加えて、排気ポート３５における波動効果及び排気バルブ３４の(流れが低バルブリフトでまさに制限されるという事実のような)流量特性が、上死点に関して真の対称であることから僅かに外れる排気バルブ３４の最適な閉じ及び開きタイミングの結果をもたらす。
【００６６】
したがって、出来るだけ多くの圧縮仕事をクランクシャフト１６に戻すためには、バルブ３４の閉じ位置(タイミング)及び開き位置(タイミング)をピストン３０のＴＤＣに関して実質的に対称(すなわち、プラス又はマイナス１０ＣＡ度内)に保つことが重要である。例えば、仮に、排気バルブ３４が膨張ピストン３０に衝突されるのを避けるべく膨張ピストン３０のＴＤＣ前の実質的に２５ＣＡ度で閉じられるとすると、その後、バルブ３４はピストン３０のＴＤＣ後の実質的に２５ＣＡ度に開くべきである。このようにして、当該圧縮空気は空気ばねとして作用し、そして、ピストン３０がＴＤＣから離れて降下するとき空気が膨張しかつ膨張ピストン３０を押し下げるので、圧縮仕事の大半をクランクシャフト１６に戻すことになる。
【００６７】
したがって、膨張ピストン３０のバルブ３４への接触を避け、そして出来るだけ多くの圧縮仕事を復すためには、バルブ３４の閉じ及び開き位置(タイミング)が膨張ピストン３０のＴＤＣに関して対称であり、プラス又はマイナス１０ＣＡ度内である(例えば、仮に、排気バルブ３４がＴＤＣ前２５ＣＡ度で閉じるなら、その後、それはピストン３０のＴＤＣ後の２５プラス又はマイナス１０ＣＡ度で開かねばならない)ことが好ましい。しかしながら、バルブ３４の閉じ及び開き位置がピストン３０のＴＤＣに関して対称でプラス又はマイナス５ＣＡ度内であることがより好ましく、そしてバルブ３４の閉じ及び開き位置がピストン３０のＴＤＣに関して対称でプラス又はマイナス２ＣＡ度内であることが最も好ましい。
【００６８】
また、当該ＡＣモードにおいては、空気タンクバルブ４２は、好ましくは、クロスオーバー通路２２内の空気圧力が空気タンク４０内の空気圧力よりも高いときに、開かれる。これは、圧縮空気が空気タンク４０内に蓄積用に流れること、及び圧縮空気が空気タンクから外に漏れるのが実質的に防止されることを保証する。当該圧縮ピストン２０は吸入空気を圧縮シリンダー１２内に引き込み、及び吸入空気を圧縮する。圧縮空気はその後空気タンク４０内に蓄えられる。
【００６９】
XoverE_open_ＥＸＨ_clsdとラベル付けられた図２のグラフに示されるように、最大のポンプ損失(負のＩＭＥＰの観点から)は、仮に、当該XovrEバルブが開いて保たれ、そして排気バルブが閉じて保たれるなら、当該ＡＣモードにおいて起こる。この配列における当該ポンプ仕事はまた、一般に、エンジン速度と共に増大する。
【００７０】
XoverE_std_ＥＸＨ_std、XoverE_clsd_ＥＸＨ_std、及びXoverE_open_ＥＸＨ_stdとラベル付けられた図２のグラフを参照するに、仮に、(i)XovrEバルブ及び排気バルブが標準のタイミング(例えば、ＥＦモードのために用いられるタイミング)で運転されるか、(ii)XovrEバルブが閉じて保たれ、そして排気バルブが標準のタイミングで運転されるか、又は(iii)XovrEバルブが開いて保たれ、そして排気バルブが標準のタイミングで運転されるかのいずれかであるなら、当該ポンプ損失はXoverE_open_ＥＸＨ_clsd配列からほとんど等しい量に低減される。
【００７１】
XoverE_clsd_ＥＸＨ_openとラベル付けられた図２のグラフを参照するに、前に述べたように、仮に、当該XovrEバルブを閉じ、かつ排気バルブを開いて保つことにより当該膨張シリンダーが不活動化されるなら、当該ポンプ損失はさらにもっと(低いエンジン速度ではほとんどゼロまで)低減される。この配列では、膨張ピストンはそれの動力ストローク中に排気ポートから排気空気を引き込み、そしてそれの排気ストローク中に排気ポート内に空気を押し戻す。排気バルブ３４は膨張ピストン３０との接触を避ける対応でのみ閉じられているので、最小量の圧縮仕事が行われる。加えて、圧縮仕事の大半は、排気バルブ３４の開及び閉のタイミングが膨張ピストン３０のＴＤＣに対して実質的に対称であるときは可逆的である。従って、膨張シリンダーの不活動化は、ＡＣモードにおいて当該膨張ピストンにより遂行されるポンプ仕事を最小にし、及び実質的に低減することは明らかである。
【００７２】
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、説明された発明のコンセプトの趣旨及び範囲内で多数の変更がなされ得ることが理解されるべきである。従って、本発明は説明された実施形態に限定されず、それは以下の請求項の語句によって定められる全部の範囲を有することが意図されている。
【図１】
0005508529.tif 000002
【図２】
0005508529.tif 000003