(57)【要約】内燃エンジンは、一側面において、加圧作動媒体の供給源とエキスパンダとを含む。エキスパンダは、筐体と、筐体内にそれに対し移動可能に搭載され、回転運動および往復運動のうちの１つを行い、各完結した回転運動または往復運動は、エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定するピストンとを有する。また、エキスパンダは、筐体内に搭載され、筐体とピストンとに対し移動可能であるためにそれらと連動して、サイクルの第１と第２との角度範囲にわたって、吸入ポートと排気ポートとから分離される作動チャンバを画定する隔壁を含む。燃焼は、少なくともサイクルの第１の角度範囲にわたって生じ、作動媒体への熱提供によって、その圧力を上昇させる。作動チャンバは、サイクルの第２の角度範囲にわたって容積を膨張させる一方、ピストンは、その圧力上昇の結果、作動媒体から筐体に対し相対的な力を受け、筐体に対し相対的なピストンの運動を生じさせる。
2009545699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンであって、
被加圧作動媒体の供給源と、
エキスパンダであって、
筐体と、
ピストンであって、該筐体内にそれに対して移動可能に搭載されて、回転運動および往復運動のうちの１つを行い、完結した回転運動または往復運動の各々は、該エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定する、ピストンと、
吸入ポートであって、該供給源と該筐体との間に連結され、該筐体内への該作動媒体の流入を可能にする、吸入ポートと、
排気ポートであって、該筐体に連結されて、該筐体内からの消費された作動媒体の流出を可能にする、排気ポートと、
隔壁であって、該筐体内に搭載され、該筐体および該ピストンに対して移動可能であることによって、それらと連動して、該サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、該吸入ポートおよび該排気ポートから分離される作動チャンバを画定する、隔壁と
熱入力であって、該作動媒体に熱を提供するために、少なくとも該サイクルの該第１の角度範囲にわたって、該作動媒体と連結されて、その圧力を上昇させる、熱入力と
を含み、
該作動チャンバは、該サイクルの該第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方で、該ピストンは、その圧力上昇の結果として、該作動媒体から該筐体に対する力を受け、該力は該筐体に対する該ピストンの運動を生じさせる、エキスパンダと
を備える、エンジン。
【請求項２】
前記ピストンおよび前記隔壁は、少なくとも前記サイクルの前記第１および第２の角度範囲にわたって、排気チャンバを同時に画定し、該排気チャンバは、前記吸入ポートから分離されるが、前記排気ポートには連結される、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記供給源は、ポンプを含む、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記エキスパンダに連結される燃料源をさらに備え、
前記作動媒体は、（ｉ）該燃料源からの燃料が、前記サイクルの過程において独立して付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）該燃料源からの燃料が、該サイクルの過程外において混合される酸素含有ガスとのうちの１つを含み、
前記熱入力は、少なくとも前記第１の角度範囲にわたる該燃料の酸化からのエネルギー放出であり、
それにより、前記エンジンは、内燃エンジンである、請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記作動チャンバは、前記第１の角度範囲にわたって、実質的に一定である容積を有する、請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記被加圧作動媒体の供給源と前記作動チャンバとの間の流体路内に配置される乱流誘導の幾何形状をさらに備え、該作動媒体内の乱流形成を促進する、請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記燃料源と前記エキスパンダとの間に連結される燃料弁アセンブリと、
該燃料弁アセンブリに連結されるコントローラであって、該コントローラは、エンジンサイクル位置情報を取得するためにも連結され、燃料付加が必要ないとき、該燃料弁アセンブリを作動させて、前記サイクルの一部の間、該エキスパンダへの燃料の流れを遮断する、コントローラと
をさらに備える、請求項５に記載のエンジン。
【請求項８】
前記被加圧作動媒体の供給源と前記エキスパンダとの間に連結される空気弁アセンブリと、
該空気弁アセンブリに連結されるコントローラであって、該コントローラは、エンジンサイクル位置情報を取得するためにも連結され、作動媒体の付加が必要でない時に、該弁アセンブリを作動させて、前記サイクルの一部の間、該エキスパンダへの該作動媒体の流れを遮断するコントローラと
をさらに備える、請求項５に記載のエンジン。
【請求項９】
前記空気弁アセンブリは、逆止弁を含む、請求項８に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記吸入ポートから前記作動チャンバ内への前記加圧作動媒体の導入は、前記燃料−作動媒体混合物の温度が、該混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで、該作動チャンバ内の作動媒体の圧力を継続的に上昇させるという条件下において、該作動媒体圧力の一時的な低下と、該作動媒体と該作動チャンバ内に導入された燃料との効率的混合とを生じさせる、請求項４に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記吸入ポートから前記作動チャンバ内への前記加圧作動媒体の導入は、前記燃料−作動媒体混合物の温度が、該混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで、該作動チャンバ内の作動媒体の圧力を継続的に上昇させ、そのような燃焼が、該作動媒体内の圧力の上昇を生じさせて、前記逆止弁を自動的に閉鎖させるという条件下において、該作動媒体の圧力の一時的な低下と、該作動媒体と該作動チャンバ内に導入された燃料との効率的混合とを生じさせる、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記空気弁アセンブリは、また、前記コントローラに連結される第２の弁を含む、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記空気弁アセンブリは、また、前記コントローラに連結された前記逆止弁上にラッチを含むことによって、該コントローラによって指示を受けると、該逆止弁を閉鎖位置に維持する、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記エンジンの一部のサイクルの間、前記エキスパンダへの燃料の流れを中断させるように構成されることによって、該エンジンは、１００％未満のデューティサイクルで駆動する、請求項７に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記エンジンの一部のサイクルの間に、前記エキスパンダへの燃料の流れの中断を生じさせる前記コントローラの動作は、該エキスパンダへの作動媒体の供給の実質的減少をもたらさないことによって、該エキスパンダへの燃料の流れが中断する時に該エキスパンダへ供給される作動媒体は、該エンジンを冷却するように機能し、そして、該コントローラは、該エンジンに冷却を提供するために、１００％未満のデューティサイクルにおける正常な条件下において、該エンジンを作動するように構成される、請求項１４に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記ピストンは、カムであって、前記隔壁は、該カムに対して係合可能なカム従動ロッカである、請求項５に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記供給源を前記吸入ポートに連結するための容器をさらに備え、該容器は、加圧作動媒体を保存するための容積を含む、請求項４に記載のエンジン。
【請求項１８】
前記容器は、前記筐体の外部位置に配置される空気タンクを含む、請求項１７に記載のエンジン。
【請求項１９】
前記第１および第２の角度範囲は、少なくとも部分的に重複する、請求項４に記載のエンジン。
【請求項２０】
前記第１および第２の角度範囲は、全く重複しない、請求項４に記載のエンジン。
【請求項２１】
前記作動媒体は、酸素含有ガスであって、前記エンジンは、前記供給源から前記筐体内の領域への流体路内に配置される燃料噴射器をさらに備える、請求項４に記載のエンジン。
【請求項２２】
前記燃料噴射器は、前記吸入ポート内に配置される、請求項２１に記載のエンジン。
【請求項２３】
前記エンジンは、改良型軸方向羽根ロータリーエンジンであって、
前記隔壁は、固定子リングであって、
前記ピストンは、該固定子リング内の軸方向往復運動のために搭載される羽根であって、
前記筐体は、該固定子リングに対し回転する回転式カムリングであって、該羽根が、前記第１の角度範囲にわたって、固定子リングに対し静止している停留期間を画定する平坦領域を含む、請求項５に記載のエンジン。
【請求項２４】
前記ピストンは、往復運動翼であって、
前記隔壁は、該ピストンが摺動可能に搭載される円形断面を有するハブであって、
前記筐体は、該ハブの周囲に同心円状に配置され、該ハブに対し回転し、該ハブ回りにでの該筐体の回転運動の過程において、該ハブとの密封接触を維持する第１の内側円形壁部と、該第１の内側壁部と連続する第２の壁部とを含み、該壁部は、該翼と該ハブとともに、前記第１および第２の角度範囲にわたって、作動チャンバを画定する、請求項５に記載のエンジン。
【請求項２５】
内燃エンジンを作動する方法であって、該方法は、
筐体内に回転可能に搭載されたカムと、該筐体内に搭載され、該筐体に対し移動可能であるカム従動子とを使用して、エンジンサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定することであって、該作動チャンバは、該第１の角度範囲にわたって実質的に一定の容積を有する、ことと、
該作動チャンバ内に燃料を導入することと、
該燃料作動媒体混合物の温度が、該混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで、該作動チャンバ内の作動媒体の圧力を継続的に上昇させ、該燃焼は、該カムの回転運動を生じさせる、該作動媒体の圧力上昇を生じさせ、該燃焼は、該第１の角度範囲内で開始する、という条件下において、加圧作動媒体の供給源から該吸入ポートを通る流体路を越えて、該作動チャンバ内に加圧作動媒体を導入することであって、それによって、該作動媒体の圧力の一時的な低下と、該作動媒体と該作動チャンバ内に導入された燃料との効率的混合とを生じさせる、ことと
を包含する、方法。
【請求項２６】
前記作動チャンバ内の圧力が前記加圧作動媒体の供給源の圧力を上回る時に、該加圧作動媒体の供給源と該作動チャンバとの間の前記流体路内の弁を閉鎖することをさらに包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記カムと前記カム従動子とを同時に作動し、少なくとも前記サイクルの前記第１および第２の角度範囲にわたって、前記吸入ポートからは分離されるが、前記排気ポートには連結される排気チャンバを画定することをさらに包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
内燃エンジンであって、
加圧作動媒体の供給源と、
エキスパンダであって、
筐体と、
該筐体内にそれに対し回転可能に搭載されるカムであって、該カムの各完全に１回の回転は、該エンジンの少なくとも一部のサイクルを画定する、カムと、
該供給源と該筐体との間に連結されて、該筐体内への作動媒体の流入を可能にする吸入ポートと、
該筐体に連結されて、該筐体内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする排気ポートと、
該筐体内に搭載され、該筐体および該カムに対し移動可能であることによって、それと連動して、該サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、該吸入ポートおよび該排気ポートから分離される作動チャンバを画定するカム従動ロッカと
を含み、
該作動媒体は、（ｉ）燃料が該サイクルの過程で付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含み、
少なくとも該第１の角度範囲にわたって、該燃料の酸化が生じ、該作動チャンバは、実質的に一定の容積を有し、そのような酸化は、該作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させ、
該作動チャンバは、該サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方で、該カムは、その圧力上昇の結果として、該作動媒体から、該筐体に対し相対的な力を受け、該カムの回転運動を生じさせる、エキスパンダと
を含む、内燃エンジン。
【請求項２９】
前記カムおよび前記ロッカは、少なくとも前記サイクルの前記第１および第２の角度範囲にわたって、排気チャンバを同時に画定し、該排気チャンバは、前記吸入ポートからは分離されるが、前記排気ポートには連結される、請求項２８に記載のエンジン。
【請求項３０】
内燃エンジンであって、
筐体の内側表面によって画定される、概して円形の断面を伴う内部領域を有する筐体であって、該概して円形の断面はロッカ搭載領域によって中断され、そして、一対の側面を有する、筐体と、
該筐体の中に回転可能に搭載され、該内部領域内の円形路上を動くカムであって、該カムは、該筐体の該側面と密封接触し、該カムの前縁が該ロッカ搭載領域に隣接しない時に、該筐体の該内側表面と密封接触する、カムと、
該ロッカ搭載領域内に搭載され、該筐体の該側面と密封接触するカム従動ロッカであって、少なくとも該カムの前縁が該ロッカ搭載領域に隣接しない時に、該カムと密封接触し、概して、該カムの前縁が該ロッカ搭載領域に隣接する時に、該筐体の該円形断面の連続を画定する座位を有し、枢動端で枢動し、該カムの該円形路に対しほぼ半径方向に、遊離端で移動することによって、該枢動部の該遊離端が、該座位と最大非座位との間を往復運動し、該カムが該作動領域の周囲を１回転すると、往復運動サイクルの１回を完了する、ロッカと、
該ロッカの該遊離端に隣接する該ロッカ搭載領域に近接する該筐体内に形成され、開口部を有し、該開口部は、該カムの回転運動の第１の角度範囲にわたって、閉塞される燃焼チャンバと、
加圧作動媒体を提供するために、該燃焼チャンバに連結され、該作動媒体は、（ｉ）燃料が該第１の角度範囲の内または前において付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含む吸入ポートと、
燃焼が該第１の角度範囲内で生じることによって、該燃焼チャンバ内に実質的に一定の容積の燃焼を提供し、
該カムおよび該ロッカは、弓形の開口部が閉塞されていない時に、第２の角度範囲にわたって、膨張領域を提供するように構成され、
使用済み作動媒体を除去するために、該ロッカの該遊離端に隣接する該ロッカ搭載領域に近接する該筐体内に形成される排気ポートと
備える、内燃エンジン。
【請求項３１】
内燃エンジンであって、
筐体と、
該筐体内にそれに対し往復運動するように搭載されるピストンであって、各１回の往復運動は、該エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定し、該ピストンの各行程は、該筐体の作動チャンバ内でのその変位を画定する、ピストンと、
該ポンプと該作動チャンバとの間に連結され、該作動チャンバ内への該作動媒体の流入を可能にする吸入ポートであって、該作動媒体は、（ｉ）該サイクルの過程において燃料が付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含む、吸入ポートと、
該作動チャンバに連結され、該作動チャンバ内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする排気ポートと、
該ピストンに連結されるカムであって、該サイクルの角度範囲の関数として、該ピストンの変位を画定する、カムと
を備えており、
少なくとも該サイクルの第１の角度範囲にわたって、該燃料の酸化が生じ、該カムは、実質的に該ピストンの変位を生じさせない形状を有することによって、該作動チャンバは、実質的に一定の容積を有し、該酸化は、該作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させ、
該作動チャンバは、該サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方で、該ピストンは、その圧力上昇の結果、該作動媒体から、該筐体に対して相対的な力を受け、該相対的な力は該ピストンの変位を生じさせる、内燃エンジン。
【請求項３２】
仮想ピストンアセンブリであって、該アセンブリは、
少なくとも１つの流体ダイオードを含む本体と、
該本体内に回転可能に搭載される部材であって、少なくとも１つの流体ダイオードを含む、部材と
を備え、
該部材は、該本体に関連して配置され、該本体は、それに対応して成形された内部を有することによって、該部材の回転運動に伴って変化する容積を有する仮想チャンバを形成する、アセンブリ。
【請求項３３】
前記部材は、円盤形である、請求項３２に記載の仮想ピストンアセンブリ。
【請求項３４】
前記部材は、円筒形である、請求項３２に記載の仮想ピストンアセンブリ。
【請求項３５】
前記部材は、円錐形である、請求項３２に記載の仮想ピストンアセンブリ。
【請求項３６】
ポンプであって、
筐体と、
該筐体内にそれに対し回転可能に搭載されるカムであって、該カムの各１回の回転運動は、ポンピングサイクルの少なくとも一部を画定する、カムと、
該ポンプと該筐体との間に連結され、流体の流入を可能にする吸入ポートと、
該筐体に連結され、該筐体内からポンピングされた流体の流出を可能にする排気ポートと、
該筐体内に搭載され、該筐体と該カムとに対し移動可能であるカム従動ロッカであって、それらと連動して、該サイクルの第１の角度範囲にわたって、該吸入ポートおよび該排気ポートから分離される作動チャンバを画定する、カム従動ロッカと
を備える、ポンプ。
【請求項３７】
前記ポンプは、コンプレッサであって、前記作動チャンバは、圧縮チャンバである、請求項３６に記載のポンプ。
【請求項３８】
前記圧縮チャンバは、第２の角度範囲にわたって、前記吸入ポートから分離されるが、前記排気ポートには連結されたままである、請求項３７に記載のポンプ。
【請求項３９】
前記ロッカおよび前記カムは、少なくとも前記第１の角度範囲にわたって、吸入チャンバを同時に画定し、該吸入チャンバは、前記排気ポートから分離され、かつ、前記吸入ポートに連結される、請求項３６に記載のポンプ。
【請求項４０】
内燃エンジンであって、
加圧作動媒体の供給源であって、選択的にポンプである、供給源と、
燃料源と、
エキスパンダであって、
筐体と、
該筐体内にそれに対し移動可能に搭載されるピストンであって、回転運動および往復運動のうちの１つを行い、該完結した回転運動または往復運動の各々は、該エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定する、ピストンと
該供給源と該筐体との間に連結され、該筐体内への該作動媒体の流入を可能にする吸入ポートと、
選択的に、該加圧作動媒体の供給源と該作動チャンバとの間の流体路内に配置され、該作動媒体内の乱流形成を促進する乱流誘導の幾何形状と、
該筐体に連結され、該筐体内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする排気ポートと、
該筐体内に搭載され、該筐体および該ピストンに対し移動可能であることによって、それらと連動する隔壁であって、該サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、該吸入ポートおよび該排気ポートから分離される作動チャンバを画定し、該作動チャンバは、該第１の角度範囲にわたって、実質的に一定の容積を有し、該ピストンおよび該隔壁は、少なくとも該サイクルの該第１および第２の角度範囲にわたって、該吸入ポートから分離されるが、該排気ポートに連結される排気チャンバを同時に画定する、隔壁と
を含み、
該作動媒体は、（ｉ）該燃料源からの燃料が、該サイクルの過程で別個に付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）該燃料源からの燃料が、サイクルの過程外で混合される酸素含有ガスとのうちの１つを含み、該燃料は、少なくとも該第１の角度範囲にわたって、該作動チャンバ内で燃焼を受け、そのような燃焼は、該作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させ、
該作動チャンバは、該サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方で、該ピストンは、その圧力上昇の結果、該作動媒体から、該筐体に対し相対的な力を受けて、該相対的な力は、該筐体に対し相対的な該ピストンの運動を生じさせる、エキスパンダと、
該燃料源と該エキスパンダとの間に連結される選択的な燃料弁アセンブリと、
該加圧作動媒体の供給源と該エキスパンダとの間に連結される選択的な空気弁アセンブリであって、選択的に、逆止弁を含む、選択的な空気弁アセンブリと、
該選択的な燃料弁アセンブリおよび該選択的な空気弁アセンブリに連結される選択的なコントローラであって、そのようなコントローラはエンジンサイクル位置情報を取得するために連結され、また、該コントローラは、作動媒体の付加が必要ない時に、該選択的な空気弁アセンブリを作動し、該サイクルの一部の間、該エキスパンダへの該作動媒体の流れを中断し、燃料付加が必要ない時に、該選択的な燃料弁アセンブリを作動し、該サイクルの一部の間、該エキスパンダへの燃料の流れを中断する、選択的なコントローラと
を備えており、
選択的に、該コントローラは、該エンジンの一部のサイクル間、該エキスパンダへの燃料の流れを中断させるように構成されることによって、該エンジンは、１００％未満のデューティサイクルで駆動し、また、選択的に、該エンジンの一部のサイクルの間、該エキスパンダへの燃料の流れを中断させる該コントローラの動作は、該エキスパンダへの作動媒体の供給の実質的減少をもたらさないことによって、該エキスパンダへの燃料の流れが中断される時に、該エキスパンダに供給される作動媒体は、該エンジンを冷却するように機能し、該コントローラは、１００％未満のデューティサイクルにおける正常な条件下において、該エンジンを作動するように構成されることによって、該エンジンに冷却を提供し、
選択的に、該ピストンは、カムであって、該隔壁は、該カムに対し係合可能なカム従動ロッカであり、
選択的に、該吸入ポートから該作動チャンバ内への該加圧作動媒体の導入は、該燃料−作動媒体混合物の温度が、該混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで、該作動チャンバ内の作動媒体の圧力を継続的に上昇させ、そのような燃焼が、該作動媒体内の圧力の上昇を生じさせて、該逆止弁を自動的に閉鎖させるいう条件下において、該作動媒体圧力の一時的な低下と、該作動媒体と該作動チャンバ内に導入された燃料との効率的混合とを生じさせる、内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６０／８３４，９１９号（２００６年８月２日出願）、および同第６０／９００，１８２号（２００７年２月８日出願）の優先権を主張するものであり、これらの内容は、参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の技術分野）
本発明は、エンジンに関し、具体的には、ハイブリッドサイクルロータリーエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
非常に大型の船舶ディーゼルを除き、現代の内燃エンジン（ＩＣＥ）の典型的な最大効率は、わずか約３０〜３５％である。この効率は、狭帯域の負荷（通常、全負荷に近い）においてのみ達成可能であって、ほとんどの車両は、典型的には、常に、７０％乃至９０％付近の部分的負荷で作動するため、全体的な、すなわち「油井から自動車までの」効率は、典型的な中型車両では、市街走行に対してわずか１２．６％、ハイウェイ走行に対して２０．２％であることは驚くに足りない。
【０００４】
内燃エンジンの効率を改善することを提案する、均質予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ；ＨＣＣＩ）サイクルという従来技術がある。しかしながら、既存のエンジンに対しいくつかの利点を提案する一方、同様に、最大効率を提供する点を達成できない。加えて、ＨＣＣＩサイクルエンジンは、また、汚染を及ぼし（粒子状物質）、着火イベントは自発性であって、圧力、温度、排ガス濃度、水蒸気量等の非常に多くの変数に依存するため、制御が困難かつ高コストである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、本発明は、エンジンを提供する。本実施形態のエンジンは、加圧作動媒体の供給源と、エキスパンダとを含む。エキスパンダは、筐体と、ピストンと、吸入ポートと、排気ポートと、隔壁と、熱入力とを含む。ピストンは、筐体内およびそれに対し移動可能に搭載され、回転運動および往復運動のうちの１つを行う。各完結した回転運動または往復運動は、エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定する。吸入ポートは、源と筐体との間に連結され、筐体内への作動媒体の流入を可能にする。排気ポートは、筐体に連結され、筐体内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする。隔壁は、筐体内に搭載され、筐体およびピストンに対し移動可能であることによって、それと連動して、サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定する。熱入力は、少なくともサイクルの第１の角度範囲にわたって、作動媒体に連結され、作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させる。本実施形態では、作動チャンバは、サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方、ピストンは、その上昇圧力の結果、作動媒体から、筐体に対し相対的な力を受け、筐体に対し相対的なピストンの運動を生じさせる。
【０００６】
さらなる関連実施形態では、ピストンおよび隔壁は、少なくともサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートから分離されるが、排気ポートに連結される排気チャンバを同時に画定する。あるいはまたは加えて、供給源は、ポンプを含む。あるいはまたは加えて、エンジンは、また、エキスパンダに連結される燃料源を含む。本実施形態では、作動媒体は、（ｉ）燃料源からの燃料が、サイクルの過程で別個に付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）燃料源からの燃料が、サイクルの過程外で混合される酸素含有ガスとのうちの１つを含み、熱入力は、少なくとも第１の角度範囲にわたる燃料の酸化からのエネルギー放出であることによって、エンジンは、内燃エンジンである。さらなる関連実施形態として、作動チャンバは、第１の角度範囲にわたって、実質的に一定の容積を有する。選択的に、エンジンは、また、加圧作動媒体の供給源と作動チャンバとの間の流体路内に配置され、作動媒体内の乱流形成を促進する乱流誘発の幾何形状を含む。選択的に、エンジンは、また、燃料源とエキスパンダとの間に連結される燃料弁アセンブリと、燃料弁アセンブリに連結されるコントローラとを含む。また、コントローラは、エンジンサイクル位置情報を取得するために連結され、コントローラは、燃料付加が必要ではない場合、燃料弁アセンブリを作動し、サイクルの一部の間、エキスパンダへの燃料の流れを中断する。また、選択的に、エンジンは、加圧作動媒体の供給源とエキスパンダとの間に連結される空気弁アセンブリと、空気弁アセンブリに連結されるコントローラとを含む。また、コントローラは、エンジンサイクル位置情報を取得するために連結され、コントローラは、作動媒体の付加が必要ではない場合、弁アセンブリを作動し、サイクルの一部の間、エキスパンダへの作動媒体の流れを中断する。さらなる関連実施形態では、空気弁アセンブリは、逆止弁を含む。
【０００７】
さらなる関連実施形態では、吸入ポートから作動チャンバ内への加圧作動媒体の導入は、作動媒体圧の一時的低下と、作動媒体と作動チャンバ内に導入される燃料との効率的混合とを生じさせ、作動チャンバ内の作動媒体の継続的上昇圧力の条件下、燃料−作動媒体混合物の温度が、混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで継続する。選択的に、そのような燃焼は、作動媒体内の圧力の上昇を生じさせ、それによって、逆止弁を自動的に閉鎖させる。
【０００８】
さらなる関連実施形態では、空気弁アセンブリは、また、コントローラに連結される第２の弁を含む。選択的に、空気弁アセンブリは、また、コントローラに連結される逆止弁上にラッチを含み、コントローラによって指示を受けると、逆止弁を閉鎖位置に維持する。選択的に、コントローラは、エンジンの一部のサイクルの間、エキスパンダへの燃料の流れを中断させるように構成されることによって、エンジンは、１００％未満のデューティサイクルで駆動する。選択的に、エンジンの一部のサイクルの間、エキスパンダへの燃料の流れの中断を生じさせるコントローラの動作は、エキスパンダへの作動媒体の供給の実質的減少をもたらさないことによって、エキスパンダへ供給される作動媒体は、エキスパンダへの燃料の流れが中断される場合、エンジンを冷却する機能をし、コントローラは、１００％未満のデューティサイクルにおける正常条件下、エンジンを作動するように構成されることによって、エンジンに冷却を提供する。
【０００９】
また、さらなる関連実施形態では、ピストンは、カムであって、隔壁は、カムに対し係合可能なカム従動ロッカである。選択的に、エンジンは、供給源を吸入ポートに連結するための容器を含む。容器は、加圧作動媒体を保存するための容積を含む。選択的に、容器は、筐体外部の位置に配置される空気タンクを含む。また、選択的に、第１および第２の角度範囲は、少なくとも部分的に重複する。あるいは、第１および第２の角度範囲は、全く重複しない。選択的に、作動媒体は、酸素含有ガスであって、エンジンは、供給源から筐体内の領域への流体路内に配置される燃料噴射器をさらに含む。選択的に、燃料噴射器は、吸入ポート内に配置される。
【００１０】
また、さらなる関連実施形態では、エンジンは、改良型軸方向羽根ロータリーエンジンであって、隔壁は、固定子リングであって、ピストンは、固定子リング内の軸方向往復運動のために搭載される羽根であって、筐体は、固定子リングに対し回転し、第１の角度範囲にわたって、羽根が固定子リングに対して定常である停留期間を画定する平坦領域を含む、回転式カムリングである。
【００１１】
本発明によるエンジンのさらに別の関連実施形態では、
ピストンは、往復運動翼であって、隔壁は、ピストンが摺動可能に搭載される円形断面を有するハブである。筐体は、ハブの周囲に同心円状に配置され、ハブに対し回転し、ハブの周囲の筐体の回転運動の過程において、ハブとの密封接触を維持する第１の内側円形壁部と、第１の内側壁部と連続する第２の壁部とを含む。壁部は、第１および第２の角度範囲にわたって、翼およびハブによって、作動チャンバを画定する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、内燃エンジンを作動する方法を提供する。本実施形態の方法は、筐体内に回転可能に搭載されるカムと、筐体内に搭載され、筐体に対し移動可能であるカム従動子とを使用して、エンジンサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定するステップを含む。本実施形態では、作動チャンバは、第１の角度範囲にわたって、実質的に一定の容積を有する。本方法は、加えて、作動チャンバ内に燃料を導入するステップと、加圧作動媒体の供給源から吸入ポートを通る流体路を介して、作動チャンバ内に加圧作動媒体を導入することによって、作動チャンバ内の作動媒体の継続的上昇圧力の条件下、作動媒体圧の一時的低下と、作動媒体と作動チャンバ内に導入される燃料との効率的混合とを生じさせるステップとを含む。加圧作動媒体の導入は、燃料作動媒体混合物の温度が、混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで継続する。燃焼は、作動媒体内の圧力の上昇を生じさせ、圧力の上昇は、カムの回転運動を生じさせる。燃焼は、第１の角度範囲内で開始する。
【００１３】
さらなる関連実施形態では、本方法は、また、作動チャンバ内の圧力が、加圧作動媒体の供給源の圧力を上回る場合、加圧作動媒体の供給源と作動チャンバとの間の流体路内の弁を閉鎖するステップを含む。選択的に、本方法は、カムおよびカム従動子を同時に作動し、少なくともサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートから分離されるが、排気ポートに連結される排気チャンバを画定するステップをさらに含む。
【００１４】
別の実施形態では、本発明は、加圧作動媒体の供給源と、エキスパンダとを含む、内燃エンジンを提供する。エキスパンダは、筐体と、カムと、吸入ポートと、排気ポートと、カム従動ロッカとを含む。カムは、筐体内およびそれに対し回転可能に搭載される。カムの各完結した回転運動は、エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定する。吸入ポートは、供給源と筐体との間に連結され、筐体内への作動媒体の流入を可能にする。排気ポートは、筐体に連結され、筐体内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする。カム従動ロッカは、筐体内に搭載され、筐体およびカムに対し移動可能であることによって、それと連動して、サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定する。作動媒体は、（ｉ）燃料がサイクルの過程で付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含む。少なくとも第１の角度範囲にわたって、燃料の酸化が生じ、作動チャンバは、実質的に一定の容積を有する。そのような酸化は、作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させる。作動チャンバは、サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方、カムは、その上昇圧力の結果、作動媒体から、筐体に対し相対的な力を受け、カムの回転運動を生じさせる。
【００１５】
さらなる関連実施形態では、カムおよびロッカは、少なくともサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートから分離されるが、排気ポートに連結される排気チャンバを同時に画定する。
【００１６】
別の実施形態では、本発明は、筐体と、カムと、カム従動ロッカと、筐体内に形成される燃焼チャンバと、吸入ポートと、排気ポートとを含む、内燃エンジンを提供する。筐体は、筐体の内表面によって画定されるほぼ円形断面を伴う内側領域を有し、ほぼ円形断面は、ロッカ搭載領域によって断続される。また、筐体は、一対の側面を有する。カムは、筐体内に回転可能に搭載され、内側領域内の円形路を掃引する。カムは、筐体の側面と密封接触し、また、カムの前縁がロッカ搭載領域に隣接しない場合、筐体の内表面と密封接触する。カム従動ロッカは、ロッカ搭載領域内に搭載され、筐体の側面と密封接触し、少なくともカムの前縁がロッカ搭載領域に隣接しない場合、カムと密封接触する。ロッカは、概して、カムの前縁がロッカ搭載領域に隣接する場合、筐体の円形断面の連続を画定する座位を有する。ロッカは、枢動端で枢動され、カムの円形路に対しほぼ半径方向に、遊離端で移動することによって、枢動部の遊離端は、座位と最大非座位との間を往復運動する。ロッカは、カムが作動領域の周囲を１回転すると、往復運動サイクルの１回を完了する。燃焼チャンバは、ロッカの遊離端に隣接するロッカ搭載領域に近接する筐体内に形成され、開口部を有する。開口部は、カムの回転運動の第１の角度範囲にわたって、閉塞される。吸入ポートは、加圧作動媒体を提供するために、燃焼チャンバに連結される。作動媒体は、（ｉ）燃料が第１の角度範囲内または前に付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含む。燃焼は、第１の角度範囲内で生じることによって、燃焼チャンバ内に実質的に一定の容積の燃焼を提供する。カムおよびロッカは、弓形開口部が閉塞されない場合、第２の角度範囲にわたって、膨張領域を提供するように構成される。排気ポートは、使用済み作動媒体を除去するために、ロッカの遊離端に隣接するロッカ搭載領域に近接する筐体内に形成される。
【００１７】
さらに別の実施形態では、本発明は、筐体と、ピストンと、吸入ポートと、排気ポートと、カムとを含む、内燃エンジンを提供する。ピストンは、筐体内およびそれに対し相互に搭載される。ピストンの各完全な１回の往復運動は、エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定し、ピストンの各行程は、筐体の作動チャンバ内のその変位を画定する。吸入ポートは、ポンプと作動チャンバとの間に連結され、作動チャンバ内への作動媒体の流入を可能にする。作動媒体は、（ｉ）燃料がサイクルの過程で付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）酸素含有ガス燃料混合物とのうちの１つを含む。排気ポートは、作動チャンバに連結され、作動チャンバ内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする。カムは、ピストンに連結され、サイクルの角度範囲の関数として、ピストンの変位を画定する。本実施形態では、少なくともサイクルの第１の角度範囲にわたって、燃料の酸化が生じ、カムは、実質的にピストンの変位を生じさせない形状を有することによって、作動チャンバは、実質的に一定の容積を有する。そのような酸化は、作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させる。作動チャンバは、サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方、ピストンは、その上昇圧力の結果、作動媒体から、筐体に対し相対的な力を受け、ピストンの変位を生じさせる。
【００１８】
別の実施形態では、本発明は、少なくとも１つの流体ダイオードを含む本体と、本体内に回転可能に搭載される部材とを含む、仮想ピストンアセンブリを提供する。部材は、少なくとも１つの流体ダイオードを含む。部材は、本体に関連して配置され、本体は、それに対応して成形された内側を有することによって、部材の回転運動に伴って変化する容積を有する仮想チャンバを形成する。
【００１９】
さらなる関連実施形態では、部材は、円盤形である。別の関連実施形態では、部材は、円筒形である。さらに別の関連実施形態では、部材は、円錐形である。
【００２０】
別の実施形態では、本発明は、筐体と、カムと、吸入ポートと、排気ポートと、カム従動ロッカとを含む、ポンプを提供する。カムは、筐体内およびそれに対し回転可能に搭載される。カムの各完結した回転運動は、揚水サイクルの少なくとも一部を画定する。吸入ポートは、ポンプと筐体との間に連結され、流体の流入を可能にする。排気ポートは、筐体に連結され、筐体内から揚水された流体の流出を可能にする。カム従動ロッカは、筐体内に搭載され、筐体およびカムに対し移動可能であることによって、それと連動して、サイクルの第１の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定する。
【００２１】
さらなる関連実施形態では、ポンプは、コンプレッサであって、作動チャンバは、圧縮チャンバである。選択的に、圧縮チャンバは、第２の角度範囲にわたって、吸入ポートから分離されるが、排気ポートに連結されたままである。選択的に、ロッカおよびカムは、少なくとも第１の角度範囲にわたって、排気ポートから分離され、吸入ポートに連結される吸入チャンバを同時に画定する。
【００２２】
さらに別の実施形態では、本発明は、加圧作動媒体の供給源と、燃料源と、エキスパンダとを含む、内燃エンジンを提供する。燃料源は、選択的に、ポンプである。エキスパンダは、筐体と、ピストンと、吸入ポートと、排気ポートと、隔壁とを含む。ピストンは、筐体内およびそれに対し移動可能に搭載され、回転運動および往復運動のうちの１つを行う。各完結した回転運動または往復運動は、エンジンのサイクルの少なくとも一部を画定する。吸入ポートは、供給源と筐体との間に連結され、筐体内への作動媒体の流入を可能にする。選択的に、乱流誘発の幾何形状は、加圧作動媒体の供給源と作動チャンバとの間の流体路内に配置され、作動媒体内の乱流形成を促進する。排気ポートは、筐体に連結され、筐体内からの使用済み作動媒体の流出を可能にする。隔壁は、筐体内に搭載され、筐体およびピストンに対し移動可能であることによって、それと連動して、サイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバを画定する。また、作動チャンバは、第１の角度範囲にわたって、実質的に一定の容積を有し、ピストンおよび隔壁は、少なくともサイクルの第１および第２の角度範囲にわたって、吸入ポートから分離されるが、排気ポートに連結される排気チャンバを同時に画定する。作動媒体は、（ｉ）燃料源からの燃料が、サイクルの過程で別個に付加される酸素含有ガスと、（ｉｉ）燃料源からの燃料が、サイクルの過程外で混合される酸素含有ガスとのうちの１つを含む。燃料は、少なくとも第１の角度範囲にわたって、作動チャンバ内で燃焼を受ける。燃焼は、作動媒体に熱を提供することによって、その圧力を上昇させる。作動チャンバは、サイクルの第２の角度範囲にわたって、容積を膨張させる一方、ピストンは、その上昇圧力の結果、作動媒体から、筐体に対し相対的な力を受け、筐体に対し相対的なピストンの運動を生じさせる。選択的に、本実施形態は、燃料源とエキスパンダとの間に連結される燃料弁アセンブリを含む。また、選択的に、本実施形態は、加圧作動媒体の供給源とエキスパンダとの間に連結される空気弁アセンブリを含む。空気弁アセンブリは、選択的に、逆止弁を含む。選択的に、本実施形態は、選択的な燃料弁アセンブリと、選択的な空気弁アセンブリとに連結されるコントローラを含む。また、コントローラは、エンジンサイクル位置情報を取得するために連結され、作動媒体の付加が必要ではない場合、選択的な空気弁アセンブリを作動し、サイクルの一部の間、エキスパンダへの作動媒体の流れを中断し、燃料付加が必要ではない場合、選択的な燃料弁アセンブリを作動し、サイクルの一部の間、エキスパンダへの燃料の流れを中断する。また、選択的に、コントローラは、エンジンの一部のサイクルの間、エキスパンダへの燃料の流れを中断させるように構成されることによって、エンジンは、１００％未満のデューティサイクルで駆動する。また、選択的に、エンジンの一部のサイクルの間、エキスパンダへの燃料の流れを中断させるコントローラの動作は、エキスパンダへの作動媒体の供給の実質的減少をもたらさないことによって、エキスパンダへ供給される作動媒体は、エキスパンダへの燃料の流れが中断される場合、エンジンを冷却する機能をし、そのような場合、コントローラは、１００％未満のデューティサイクルにおける正常条件下、エンジンを作動するように構成されることによって、エンジンに冷却を提供する。選択的に、ピストンは、カムであって、隔壁は、カムに対し係合可能なカム従動ロッカである。選択的に、吸入ポートから作動チャンバ内への加圧作動媒体の導入は、作動媒体圧力の一時的低下と、作動媒体と作動チャンバ内に導入される燃料との効率的混合とを生じさせ、作動チャンバ内の作動媒体の継続的な圧力上昇の条件下、燃料作動媒体混合物の温度が、混合物の燃焼をもたらす着火温度に達するまで継続し、そのような燃焼は、作動媒体内の圧力の上昇を生じさせ、それによって、逆止弁を自動的に閉鎖させる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ハイブリッドサイクルロータリーエンジン（ＨＣＲＥ）の例示的概略図を示す。
【図２】図２は、一特定の実施形態による、ＨＣＲＥの３次元図である。
【図３】図３は、ＨＣＲＥの内部構造の種々の詳細を示す。
【図４】図４は、ＨＣＲＥ内のコンプレッサとエキスパンダの内部アセンブリおよび機能の種々の側面を示す。
【図５】図５Ａ〜５Ｉは、カムの完全な１回の回転にわたるコンプレッサの動作を示す。
【図６】図６Ａ〜６Ｉは、カムの完全な１回の回転にわたるエキスパンダの動作を示す。
【図７】図７は、ロッカの縁を通過するカムを示す。
【図８】図８は、代替実施形態における、ロッカの作用を調節するために使用可能な溝カムを示す。
【図９】図９は、代替実施形態において使用可能な両側カムのレイアウトを提供する。
【図１０】図１０は、代替実施形態において使用可能な二重ロッカ配列のレイアウトを提供する。
【図１１】図１１は、摺動翼を使用する代替実施形態による、ＨＣＲＥの３次元図である。
【図１２】図１２は、摺動翼を使用する代替実施形態による、ＨＣＲＥ内のエキスパンダの内部構造を示す。
【図１３】図１３Ａ〜１３Ｃは、摺動翼を使用する代替実施形態による、ＨＣＲＥ内のエキスパンダの機能的レイアウトを示す。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｈは、摺動翼を使用する代替実施形態による、ハブの完全な１回の回転にわたるＨＣＲＥ内のエキスパンダの動作を示す。
【図１５】図１５Ａ〜１５Ｅは、いくつかの代替実施形態による、エキスパンダを示す。
【図１６】図１６Ａ〜１６Ｂは、枢動翼を伴う代替実施形態による、エキスパンダを示す。
【図１７】図１７は、軸方向羽根の概念に基づく代替実施形態による、エキスパンダを示す。
【図１８】図１８Ａ〜１８Ｆは、軸方向羽根の概念に基づく代替実施形態による、１サイクルにわたるエキスパンダの動作を示す。
【図１９】図１９は、隠蔽式翼技術に基づく代替実施形態による、ＨＣＲＥを示す。
【図２０】図２０Ａ〜２０Ｅは、種々の実施形態において実践される、いくつかの密封モードを示す。
【図２１】図２１Ａ〜２１Ｆは、摺動翼を使用する代替実施形態において実践される、水封の実装を示す。
【図２２】図２２Ａ〜２２Ｃは、代替実施形態において実践される、密封技術の実装を示す。
【図２３】図２３Ａ〜２３Ｃは、コンプレッサのための代替設計に基づくいくつかの変形例を示す。
【図２４】図２４は、２つの翼と１つのチャンバとを使用する、コンプレッサのための代替設計を示す。
【図２５】図２５は、ＨＣＲＥサイクルを実装するための代替設計を示す。
【図２６】図２６は、代替実施形態による、排ガスから熱をリサイクルするための技術を示す。
【図２７】図２７Ａ〜２７Ｂは、摺動翼を使用する代替実施形態による、密封配列を示す。
【図２８】図２８は、高効率ハイブリッドサイクルと、オットーおよびディーゼルサイクルとの圧力−容積特性を比較したグラフである。
【図２９】図２９は、均質予混合刺激着火サイクルと、オットーおよびディーゼルサイクルとの圧力−容積特性を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
定義。本発明を実施するための最良の形態および付随の請求項で使用されるように、以下の用語は、文脈上異なる解釈を要する場合を除き、以下に示される意味を有するものとする。
【００２５】
２つの部材の「密封接触」は、部材が、直接または１つ以上の密封構成要素を介して、十分な近接性を有することによって、２つの部材間の容認可能な小量の漏出を有することを意味するものとする。密封接触は、部材が、互いに対し常に近接しない場合、断続的であることが可能である。
【００２６】
ポートは、サイクルの間、少なくとも一時的に、チャンバと連通する場合、チャンバに「連結される」。
【００２７】
座位と最大非座位との間を往復運動するロッカの「往復運動サイクル」の１回は、３６０度の主シャフトの行程を含み、そのような位置のうちの１つから別のそのような位置への行程は、１８０度の主シャフトの行程に相当する。
【００２８】
「作動媒体」は、作動チャンバ内に有効に噴射され得る種々の物質を説明する。内燃エンジンの場合、「作動媒体」は、単独で（その場合、燃料は、サイクルの過程内で付加される）、またはサイクルの過程外で燃料と混合される酸素含有ガスを含む。酸素含有ガスは、単独で、または、例えば、水、加熱水、および窒素のうちの１つ以上と混合される、空気または酸素を含んでもよい。
【００２９】
エンジンの「作動チャンバ」は、集合的に、その一部に関連し、（ｉ）熱入力を受容し（内燃エンジンの場合、燃焼チャンバである）、（ｉｉ）熱の送達による上昇圧力によって生じる膨張を使用して、エンジン内で往復運動または回転運動するピストンを駆動する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態による、ハイブリッドサイクルロータリーエンジン（ＨＣＲＥ）１０００の概略図である。圧縮空気モジュール（カム）１００は、大気３０３を取り込み、比較的高圧に圧縮し、（選択的に）外部空気タンク１０７内に保存し、条件付けを行い（すなわち、併用分配器／調節器１０９内で圧力および／または温度を調節する）、空気弁アセンブリ１１８を介して、発電モジュール（ＰＧＭ）２００に送出する。空気弁アセンブリは、一方向逆止弁を含み、燃焼の際、空気の逆流を防止する。コントローラ３１９は、空気弁アセンブリに連結され、空気付加が必要ない場合、サイクルの一部の間、空気供給をオフ位置に維持する。コントローラは、第２の弁によって、または逆止弁を閉鎖位置に掛止することによって、アセンブリに作用する。
【００３１】
ＰＧＭ２００は、カム１００から圧縮空気３０５と、燃料供給部３０４から燃料とを受ける。ＰＧＭ２００は、実質的に定積条件下で燃料を燃焼し、エキスパンダ２０１（図２に図示）内の燃焼生成物を膨張させ、それによって、燃焼生成物の熱エネルギーを機械力３０８に変換する。この機械力３０８は、最初に、カム１００を駆動するために使用され、残りの仕事量３０８は、外部負荷３０９によって使用される。水３０６が、ＰＧＭ２００に流入し、ＰＧＭ２００を冷却、密封、潤滑化し、さらにＮＯｘ形成を抑制するためのオプションが存在する。選択的な復水ユニット３００は、排ガス３０７内に含有される蒸気を復水し、復水３０６を水ループ３１７に戻す。我々は、燃料供給部３０４からの燃料の流入のための選択的な経路を示す。燃料は、サイクルの過程で、圧縮空気３０５から別個に燃焼チャンバ内に直接噴射されてもよく、その場合、左側の点線矢印が、燃料路に該当する。あるいは、燃料は、サイクルの過程外で、燃焼チャンバ内に導入される前に圧縮空気３０５と混合されてもよく、その場合、右側の点線矢印が、燃料路に該当する。また、予混合空気燃料混合物を燃焼チャンバ内に流入させ、また、同一または異なる燃料を燃焼チャンバ内に直接噴射することによって、前述の両方の方法を使用することも可能である。
【００３２】
燃料供給部３０４からの燃料の流入は、燃料弁アセンブリ３１８によってゲート制御される。燃料が、ちょうど記載された左側の点線路をとる場合、燃料弁アセンブリ３１８は、噴射器弁として実装されてもよい。加えて、コントローラ３１９は、燃料付加が必要ではない場合、燃料弁アセンブリ３１８の動作を生じさせ、サイクルの一部の間、燃料供給部をオフ位置に維持する。加えて、コントローラ３１９を使用して、「動作のデジタルモード」に関連して後述される「オフサイクル」の間、燃料中断を維持する。コントローラ３１９は、種々のエンジンパラメータおよびユーザ入力を有する。エンジンの出力シャフト等の位置からサイクル位置情報を取得し、この位置情報を使用して、燃料弁アセンブリ３１８を制御する。さらに、コントローラは、所望の出力（自動車において使用されるエンジンの場合、アクセルペダル位置に相当する）、エンジン速度、エンジン壁温度、さらに他の選択的なパラメータに関するユーザ入力を取得し、サイクルを点火（オン）すべきか、またはスキップ（オフ）すべきか、さらに燃料のみ中断すべきか、または燃料および空気の両方を中断すべきかを決定する。あるいはまたは加えて、コントローラは、各サイクルに供給される燃料量を判断するように構成される。
【００３３】
コントローラは、完全に機械的に動作してもよく（例えば、初期のディーゼルエンジンにおける燃料噴射の制御は、完全な機械的制御によって達成されていた）、必要な制御を達成するために、この異なる背景において、類似技術が採用されてもよい。あるいは、コントローラは、当技術分野において周知の態様で、好適なプログラムによって動作するマイクロプロセッサを使用し、弁アセンブリの電子制御を提供してもよく、そのような状況下における弁アセンブリは、例えば、コントローラに対し応答するソレノイド作動弁を含んでもよい。
【００３４】
次に、図２〜４を参照して、エンジン１０００の構造が記載される。カム１００は、大気３０３を取り込み、比較的に高圧に圧縮し、三方向弁１０８を通して、選択的な小型空気緩衝器１０５または選択的な外部空気タンク１０７に送出するコンプレッサ１０１から成る。選択的な空気緩衝器１０５が使用されない場合、空気は、直接ＰＧＭ２００に送出される。空気緩衝器１０５の容積は、典型的には、対応するＰＧＭ燃焼チャンバ２１２（後述）の容積の１０乃至３０倍、すなわち、ＰＧＭ燃焼チャンバ２１２に実質的に一定の圧力の供給を支持するために十分な容積である。カム１００およびＰＧＭ２００は、同一エンジン筐体壁内に物理的に配置されても、または配置されなくてもよい。カム１００および／またはＰＧＭ２００は、必要に応じて、切断され、制動エネルギーを回収または即時利用可能な動力を増加することが可能である。
【００３５】
図２は、コンプレッサ１０１およびエキスパンダ２０１の両方のための単一本体を示す。外部空気タンク１０７から流出する圧縮空気３０５は、選択的に、調節器１０６によって条件付けされ、圧力を最適値に低減し、圧縮空気３０５の温度を上昇／低下させることが可能である。この温度上昇は、熱交換器を使用することによって、ＰＧＭの排気からの熱を交換することによって、または特殊ヒータの手段によって、達成可能である。コンプレッサ１０１は、効率的、かつ好ましくは、単一段階において、高圧縮比約１５乃至３０以上を供給可能である限り、回転式、ピストン式、スクロール式、または任意の他の種類であることができる。このエンジンの例示的実施形態は、エキスパンダ２０１と同一原理で作用するコンプレッサ１０１を含むであろう。
【００３６】
カム１００の主要要素であるコンプレッサ１０１は、図３および４に示される以下の構成要素から成る。コンプレッサ筐体１０２、ピストン型コンプレッサカム（Ｃカム）１０３、隔壁として機能するコンプレッサロッカ（Ｃロッカ）１０４、シャフト２５０、およびベアリング２０７。筐体１０２は、空気吸入ポート１１１と排気ポート１１６とを含む。ベアリング２０７は、「流体膜」（静水、動水、または空気）ベアリングとして、あるいは永久潤滑式セラミックベアリングまたは従来のベアリングとして実装可能である。筐体１０２と、分離板３０１（図３〜４）と、Ｃカム１０３と、Ｃロッカ１０４との間の空間は、コンプレッサチャンバを画定する。
【００３７】
次に、図５を参照して記載される、コンプレッサ１０１内の２種類のチャンバが存在する。吸入チャンバ１１２は、Ｃロッカ１０４と、Ｃカム１０３と、吸入ポート１１１との間に画定される（図５Ａ参照）。圧縮チャンバ１１０は、Ｃロッカ１０４と、Ｃカム１０３と、排気ポート１１６との間に画定される（図５Ａ参照）。この場合、ＰＧＭ２００は、単に、エキスパンダ筐体２０２と、エキスパンダカム（Ｅカム）２０３と、エキスパンダロッカ（Ｅロッカ）２０４と、シャフト２５０と、ベアリング２０７と、コンプレッサ１０１から空気を流入させる弁（図示せず）と、空気緩衝器１０５と、または外部空気タンク１０７とから成るエキスパンダ２０１である。
【００３８】
筐体２０２と、分離板３０１（図３〜４）と、Ｅカム２０３と、Ｅロッカ２０４との間の空間は、種々のエキスパンダチャンバを画定する（後述の実施形態では、Ｅロッカは、カム従動子であって、枢動可能に搭載される。あるいは、ロッカは、摺動可能に搭載されてもよい）。次に、図６を参照して記載される、エンジン１０００内の３種類のチャンバが存在する。燃焼チャンバ（ＣｂＣ）２１２は、封入された一定の最小容積チャンバ空間（図６Ａ〜Ｂ参照）として画定される。膨張チャンバ２１０は、封入された膨張容積チャンバ空間として画定される。最小膨張容積は、燃焼チャンバ容積に匹敵する一方、最大膨張容積は、膨張チャンバ２１０内の圧力が、ほぼ周囲（大気）圧力（図６Ｈ）まで低下する際に生じる。排気チャンバ２１３は、周囲空気に開放されるように画定され、収縮容積チャンバ空間である。
【００３９】
次に、図４および５を参照して、コンプレッサ１０１の動作が記載される。サイクルの開始時、圧縮チャンバ１１０は、Ｃカム１０３とＣロッカ１０４（図３の筐体１０２と分離板３０１）との間に形成される（図５Ａ）（後述の実施形態では、Ｃロッカは、カム従動子であって、枢動可能に搭載される。あるいは、ロッカは、摺動可能に搭載されてもよい）。Ｃカム１０３は、筐体１０２内で回転運動することによって、圧縮チャンバ１１０のサイズが減少する（図５Ｂ〜Ｃ）。圧縮チャンバ１１０内の空気が、一定レベルの圧縮に達すると、空気は、排気ポート１１６から、空気緩衝器１０５、外部空気タンク１０７、またはエキスパンダ２０１内に移動を開始する（図５Ｄ）。Ｃカム１０３の継続的な回転に伴って、排気ポート１１６を通過し、空気の移動が完了する（図５Ｅ）。この時点から、サイクルが完了し、新しい圧縮チャンバ１１０が形成されるまで、圧縮チャンバ１１０内に空気は残留しない（図５Ｇ〜Ｉ）。また、圧縮と同時に吸入チャンバ１１２内で吸入が生じることを留意されたい。これによって、エンジン１０００を非常にコンパクトにする際に役立つ。
【００４０】
次に、図６を参照して、エキスパンダ２０１の動作が記載される。燃焼チャンバ２１２は、Ｅカム２０３と筐体２０２（および分離板３０１）との間に形成される。Ｅカム２０３を回転させることによって、実質的に一定の容積で燃焼チャンバ２１２を継続して画定する（図６Ａ〜Ｂ）。作動媒体、例えば、圧縮空気３０５および燃料供給部３０４からの燃料は、燃焼チャンバ２１２内に噴射され、自発性着火が生じ、燃焼が開始し、燃焼チャンバ２１２が存続する間、実質的に完了するまで継続する。いくつかの実施形態では、一部の燃焼は、若干の効率の損失ではあるが、膨張期の間、継続してもよい。Ｅカム２０３上のシャフト毎分回転数（ＲＰＭ）および大径円形セグメントの長さは、燃焼チャンバ２１２の存続期間を画定する。図６Ｂに示される時点で、燃焼チャンバ２１２は、膨張チャンバ２１０に変換する。燃焼ガスによって付与される力に応じたＥカム２０３の回転に伴って、膨張チャンバ２１０は、膨張し、ガスを冷却し、膨張チャンバ２１０内の圧力を低下させる（図６Ｃ〜Ｈ）。Ｅカム２０３が排気ポート２１１の開口部を通過すると、膨張は終了し、このサイクルにおいて燃焼された燃焼ガスの排気が開始する。膨張行程と同時に、前の膨張行程からの燃焼ガスは、排気ポート２１１に連結された排気チャンバ２１３内に存在し、燃焼ガスの排気を可能にすることに留意されたい。コンプレッサ１０１と類似の性質と同様に、再び、これは、エンジン１０００のコンパクト性に寄与する。
【００４１】
空気３０５が、空気緩衝器１０５から燃焼チャンバ２１２内に噴射されると、最初に、減圧（および冷却）され、次いで、燃焼チャンバ２１２内の圧力が、空気緩衝器１０５内の圧力に達すると、再圧縮（および再加熱）される。空気緩衝器００５と圧縮チャンバ２１２（最初は、周囲圧力である）との間の大きな圧力差によって、燃焼チャンバ２１２内に流入する空気３０５は、高ｒｐｍで回転する超音速旋回を形成する。乱流形成は、燃焼チャンバ内に確立される好適な構造の使用によって促進されてもよい。気化器設計において使用されるＨｉｌｓｃｈ渦管の説明は、米国特許第２６５０５８２号に記載されており、参照することによって本願に援用される。例えば、燃焼チャンバ２１２とほぼ同一幾何形状を有する渦管は、１，０００，０００ｒｐｍに匹敵する渦に対応することで知られており、渦管内への入力圧は、ＨＣＲＥの８００〜９００ｐｓｉと比較して、僅か１００ｐｓｉである。渦形成は、乱流を増加させ、混合を促進する。燃料供給部３０４から圧縮空気３０５と同時に低圧環境内に噴射される燃料は、気流によって圧縮チャンバ２１２内に引き込まれ、空気と非常によく混合され、極めて迅速に蒸発するであろう。温度および圧力が自動着火点に達すると、燃料３０４は、全容積内で着火するであろう（ＨＣＣＩエンジンに類似）。この時点で、圧縮空気３０５の作動媒体および燃料供給部３０４からの燃料の吸入は、停止する。
【００４２】
前述のように、種々のチャンバが、筐体１０２、２０２、分離板３０１、カム１０３、２０３およびロッカ１０４、２０４間に形成される。これらの全構成要素間に密封シールを有することは、エンジン１０００の効率的動作にとって有利である。バンケル型面およびアペックスシール３１０は、図７の動作に示されるように、カム１０３、２０３およびロッカ１０４、２０４上で使用可能である一方、流体型および液体シールもまた、実行可能である。高圧ガスに曝されると、ロッカ１０４、２０４の表面上の正味の力は、ロッカ１０４、２０４の回転運動の中心を通過し、したがって、ロッカ１０４、２０４の運動に影響を及ぼさないことに留意されたい。したがって、ロッカ１０４、２０４は、カム１０３、２０３に対し常に押圧され、チャンバからのガスの漏出を排除するはずである。ロッカ１０４、２０４に対し圧力を印加する最も単純な方法は、好適なねじりコイルバネまたは定荷重バネによるものである。または、バンケル型アペックスシールが使用される場合、ロッカ１０４、２０４は、カム１０３、２０３と比較的小さい間隔、すなわち、約０．００１インチ乃至０．００３インチに維持されるべきである。あるいは、ロッカ１０４、２０４の反対側の制御空気圧、もしくは別個の電気ソレノイドまたはモータ、あるいは外部カムによるロッカ１０４、２０４の制御運動が、同様に使用可能である。これは、ロッカ１０４、２０４に、カム１０３、２０３上に非常に微量の圧力を印加させ、したがって、摩耗を低減または排除する機会を与え得る。
【００４３】
エンジン１０００は、従来の手段、すなわち、水冷構造および空気冷却筐体壁１０２、２０２内の定常構成要素に水３０６を通過させることによって冷却されてもよい。あるいは、エンジン１０００は、多量の熱に遭遇するエンジン１０００の種々の構成要素間に形成されるチャネルに水３０６を通過させることによって冷却可能である。最後に、冷却は、「動作のデジタルモード」に関連して後述されるように、１００％未満のデューティサイクルで駆動することによって、全体または部分的に達成されてもよい。
【００４４】
本発明の実施形態におけるように、ＨＣＲＥエンジンは、従来のＨＣＣＩサイクルエンジンとは大幅に異なる。例えば、現代のＨＣＣＩエンジンは、エンジンの動的動作を達成する問題を抱える。制御システムは、燃焼を誘導する条件を変更しなければならない。現時点では、非常に複雑、高価、かつ常に信頼性があるわけではない制御が使用され、可変負荷条件に応じて、エンジン性能の限界変動に作用する。燃焼を誘導するための制御下の変数は、圧縮比、誘発ガス温度、誘発ガス圧、および残存または再誘導排気量を含む。
【００４５】
ＨＣＲＥでは、燃焼刺激手段（ＣＳＭ）と称される、複雑な制御機構を必要としない付加的制御手段が存在する。ＣＳＭは、燃焼チャンバ２１２内の空気および燃料の条件付けされた作動媒体の燃焼を刺激または誘導するための対策であって、以下の１つ以上を含むが、それらに限定されない。条件付けされた作動媒体の圧力、条件付けされた作動媒体の温度、条件付けされた作動媒体内の排ガス再循環（ＥＧＲ）の濃度、条件付けされた作動媒体内の水蒸気の濃度、燃焼チャンバ２１２内の触媒表面（すなわち、触媒で被覆された壁または燃焼チャンバ２１２内に載置された触媒）、燃焼チャンバ２１２内に載置された触媒バーナ（ニッケルメッシュまたはセラミック発泡体等）、高燃焼チャンバ壁温度、燃焼チャンバ２１２内部のタングステン線状発熱体、再誘導排気３０７（単独または水蒸気との混合物において、熱化学復熱装置として、燃料供給部３０４からの燃料内の水性転化反応を誘導し得る）、および燃焼チャンバ２１２内へ噴射または導入される付加燃料。この付加燃料は、燃料供給部３０４からの燃料、すなわち、触媒の存在下、おそらくは、水素および酸素への放電によって助長される水（蒸気）分子の解離によって生成される燃料と同一燃料であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。これは、エンジン１０００の熱を利用する燃焼チャンバ２１２自体の範囲内の水（または蒸気）の電解によって生成可能である。空気／燃料混合物圧縮の際に生成される熱は、そのような解離に必要とされるエネルギーの大部分を供給してもよい。解離のプロセス中に生成される水素は、燃焼の際に使用される。したがって、このプロセスの正味の効果は、圧縮熱の部分的回復である。
【００４６】
前述のように、ＨＣＣＩサイクル下で駆動するエンジンは、特に部分負荷下では、非常に制御が困難である。燃料量、圧力、温度、ＥＧＲの量等の調節の標準的制御手段は、依然として利用可能であるが、ＨＣＲＥ（「動作のデジタルモード」と称される）を制御するためのより洗練された方法が利用可能であって、全サイクルを全負荷で駆動するが、時として、サイクルをスキップする。例えば、各８サイクル中３サイクルをスキップすることによって、全出力の５／８を下回って駆動することが可能となり、各８サイクル中６サイクルをスキップすることによって、全出力の１／４を下回って駆動することが可能となる。
【００４７】
デジタルモードで動作するためには、特に、１つ以上のサイクルをスキップするためには、圧縮空気３０５および燃料供給部３０４の両方を中断する、または燃料供給部３０４のみを中断することが可能である。図１と関連して前述のように、燃料供給部３０４からの燃料は、コントローラ３１９によって制御される燃料弁アセンブリ３１８によってゲート制御されることによって、燃料供給の中断を生じさせる。同様に、圧縮空気モジュール１００からの空気は、同様にコントローラ３１９によって制御される空気弁アセンブリ１１８によってゲート制御される。加えて、コントローラは、エンジン負荷信号を受信するように連結されてもよい。そのような信号は、種々の方法によって派生されてもよい。一つの方法において、エンジン速度は、燃料消費またはエンジン速度指示に関連して監視される（自動車の場合、アクセルペダルの位置等）。エンジン負荷信号から明らかとなる軽負荷条件において、コントローラは、１００％未満のデューティサイクルでエンジンを駆動するように構成されることによって、エンジンは、正規な数のサイクル後のサイクルの燃焼部分をスキップしてもよい。したがって、コントローラへのエンジン負荷信号によって、コントローラは、正規な数のサイクル後のエキスパンダへの燃料を遮断する。実施例として、一つのモードにおいて、エンジンは、約２５％の出力および燃料消費を減少するために、４サイクル毎のエキスパンダへの燃料供給遮断とともに動作してもよい。別のモードでは、エンジンは、約５０％の出力および燃料消費を減少するために、１サイクル毎のエキスパンダへの燃料供給遮断とともに動作してもよい。エキスパンダから燃料供給が遮断される場合、圧縮空気３０５は、燃焼チャンバ２１２内で、アイドル時間の間、燃焼チャンバ壁によって加熱されるため、コンプレッサ１０１によって提供された圧縮空気３０５は、次に、エネルギーを大幅に損失せずに、エキスパンダ２０１内で膨張するであろう。動作するエンジンのサイクルは、燃料供給部３０４が遮断される後者の場合においては「オフサイクル」と称され、対称的に、空気および燃料の両方が送達されて燃焼イベントが生じる場合は「オンサイクル」と称される。この動作の付加的効果は、燃焼チャンバ２１２の壁およびエンジン１０００全体を冷却することである。エンジンは、その動作寿命の一部に対してのみ、最大負荷で動作するのが一般的であるため、この特徴によって、そのようなエンジンを全く冷却せずに動作させる、すなわち、冷却がこの「オフサイクル」の間に自然に生じることを可能にするであろう。そのようなエンジンを最大出力で動作させるために（「オフサイクル」がゼロに向かって減少する場合）、エンジン１０００は、最初、必要以上に大きくすることは可能であるが、なんらかの最大事前設定出力レベル、例えば、８０％（すなわち、８０％デューティサイクル）を上回って動作することは許容されない。出力デューティサイクルの残りの２０％は、冷却のために使用される。このアプローチは、エキスパンダ２０１のサイズを幾分増加させるが、巨大な冷却システム構成要素の排除によって、エンジンサイズの全体的な縮小につながり得る。そのようなアプローチに関して、さらなる実施形態では、コントローラは、エンジン温度信号を受信し、そのような信号を使用して、最大デューティサイクルに制限を設けてもよい。すなわち、温度を使用して、最大デューティサイクルを制限することによって、最大エンジン出力を一時的に強く要求する条件下においては、比較的大きいデューティサイクルの瞬間的使用を許容してもよい。空気がオフサイクルの間に遮断される場合、一般的には、通気弁または他の好適な装置を介して、作動チャンバを通気することが必要となるであろう。
【００４８】
関連実施形態では、複数のエキスパンダが採用されてもよい。そのような場合、各エキスパンダに対し、別個の弁アセンブリ３１８が採用されてもよいが、弁アセンブリは、共通コントローラ３１９によって制御されてもよい。エキスパンダは、異なる角度配向で共通シャフト上に搭載されることによって、シャフト回転運動の過程を通して、発電を円滑にするために、互いに位相不一致の状態で動作してもよい。あるいは、例えば、一対のエキスパンダは、共通の角度配向で搭載されるが、所与の時間、一方のエキスパンダが発電を行っている間、他方のエキスパンダは、オフサイクルを有するように、交番オフサイクルで動作してもよく、このようにして、エンジン全体は、概して、動作の均衡モードを呈するであろう。また、はずみ車を使用して、エンジン動作を円滑にしてもよい。
【００４９】
エンジン１０００が、外部タンク１０７とクラッチ２６１とを装備している場合（図１１参照）、エンジン１０００は、コンプレッサ１０１が少しの間、切断されて、約２５％の出力の増大を可能にし得る。空気３０３の圧縮のための量のエネルギーを消費することがないためである。あるいは、制動エネルギーは、エンジン１０００を切断することと車両の運動量を適用して車輪を回転させることとによって、コンプレッサ１０１を回転させ、それによって、次に空気３０３を圧縮し、それを弁を通って外部空気タンク１０７内に押入れることによって、部分的に回収することが可能である。さらに、コンプレッサ１０１およびエキスパンダ２０１の両方の小型化によって、車輪格納部内に部分的または全体的に配置することが可能となるであろう。したがって、前輪格納部は、エキスパンダを内包し、後輪格納部は、コンプレッサを内包することが可能である。そのような実施形態では、エキスパンダとコンプレッサとを接続するシャフトは必要ではなく、この機能は、車道によって実行されるであろう。これは、車両設計のための非常にコンパクトかつ柔軟な配列をもたらし得ると同時に、ある程度の冗長性を許容する。
【００５０】
また、外部タンク１０７は、電気スタータの代わりに、またはそれに加え、エンジン１０００を始動することが可能であって、あるいはエキスパンダ２０１は、圧縮空気３０５または液体窒素で動く空気モータとして機能することが可能である。
【００５１】
熱力学の第１法則から、環境に排気される熱が少ない程、より多くの熱が有効仕事量に変換され得るということになる。熱は、２つの機構を介して、内燃エンジンから環境に排気される。１つは、高温排ガスによる熱力学的損失であって、もう１つは、エンジン構成要素を冷却するための必要性による工学的損失である。低熱排気（ＬＨＲ）エンジンは、高温構成要素を使用して、これらの２つ目を解決する。
【００５２】
理論的には、ＬＨＲエンジンは、より高い熱力学上の効率を呈するはずである。しかしながら、実際には、その結果は、最善の場合でも、決定的ではなく、最悪の場合は、予想に反するものとなる。これは、比較的高いエンジン温度による不完全燃焼によって、燃料が空気と混合するための時間を保有する前に、早期着火が強いられるためである。また、比較的高い燃焼温度は、より高い排気温度をもたらす。したがって、工学的損失の低減は、熱力学的損失の増加を代償として達成される。
【００５３】
エンジン１０００の設計は、損失の両構成要素を同時に解決する機会を提示する。本アプローチは、以下の対策の一部または全部を含むが、それらに限定されない。
【００５４】
選択肢の１つは、セラミック構成要素、種々のコーティング、または他の絶縁材料を使用することによって、エンジンを環境から熱的に絶縁することである。別の選択肢は、構成要素（筐体１０２、２０２、ベアリング２０７、カバー２１６、および翼２１４）から余剰熱を除去することによって、これらの構成要素の温度上昇を抑制することである。壁から熱を除去し、冷却液および熱交換器（ラジエータ）を介して、環境へと転移させる従来のエンジンと異なり、エンジン１０００は、構成要素間に水３０６を噴射することによって冷却可能である。図１に示される、水３０６が噴射されて水封（ｗａｔｅｒ  ｓｅａｌ）が形成される態様の実施例として、図２０Ｂを参照されたいが、水封は、要素３１１として示される。超高圧でこれらの構成要素に供給される水３０６は、蒸気となり、膨張チャンバ２１０内に流出し、膨張プロセスの際の燃焼生成を助長し、したがって、エンジン１０００の効率を増加させることになる。したがって、熱冷却損失の部分的回収を達成する一方、同時に、排ガス３０７の温度を低下させる。水蒸気は、図１に示される従来の復水器３００を介して、回収可能である。しかしながら、これは、大きなスペースと付随のコスト（例えば、耐食性を有する必要があるため）を必要とし得る。あるいは、復水は、遠心式復水器を介して達成されてもよい。別の選択肢は、図２８〜２９に示されるように、大気圧に達するまで、さらに膨張プロセスを延長することである。排ガス３０７の温度をさらに低下させ、こうして、熱力学的構成要素の損失を低減することになる。正味の結果として、エンジン１０００は、従来のエンジンよりも非常に高効率を呈することが予想される。
【００５５】
例示的実施形態の設計上の多くの変形例が可能であって、それらは当業者には明白である。本発明の種々の実施形態の実施例が、後述される。
【００５６】
カム１０３、２０３は、いくつかの代替例に従って、実装されてもよい。カム１０３、２０３は、種々の形状で実装されてもよく、円筒形表面は、円錐形、半球形、または湾曲の表面と置換が可能である。カム１０３、２０３の機能は、図８に示される溝カム１１４等の変形例を使用することによって充足可能であって、カム従動子１１３は、溝カム１１４内の溝を通る経路を辿り、シャフトの作用は、それによって調節される。また、単一カム設計は、図９に示されるもの等の、二重カム設計によって置換可能である。図９に示される設計変形例は、両側カム１１５と、単一のロッカ１０４とを採用する。この設定上の変形例は、同様に、複数のロッカを含むことも可能である。
【００５７】
例示的実施形態において使用される動作の原理に従って、組み合わせコンプレッサ／エキスパンダ３０２（図１０参照）を構築することによって、両機能は、２つの別個の本体ではなく、単一本体内に存在することが可能である。そのような可能な設計変形例の１つは、単一の回転カム２０３と、２つのロッカ２０４とを使用する図１０に示される。他の設計は、３つのロッカ、複数のカム、またはこれらの変形例の組み合わせを含むことが可能である。
【００５８】
コンプレッサ１０１と異なり、エンジン１０００の効率は、空気３０３が、圧縮プロセスの際に、冷却ではなく加熱される場合に上昇することが分かるであろう。したがって、効率を増進するためには、排ガス３０７からの熱の一部は、圧縮される空気３０３へと転移され得る。それは、カム１０３が吸入ポート１１１を閉鎖する時の時間点から、圧縮により温度が排ガス３０７の最大温度（マイナス〜２０°Ｃ）に達する時の空間点まで、断続的に行われなければならない（図２６参照）。加えて、排ガス３０７（〜８００°Ｋにおける）が使用されて、燃焼チャンバ２１２を冷却することが可能であるが、燃焼中の温度は、２６００°Ｋを超え得る（これが、セラミック壁またはコーティングが、燃焼チャンバ２１２において使用されるべき理由である）。この温度は、長期のエンジン動作を可能にするためには、低下されなければならない。これは、従来の水シュラウドによって、燃焼チャンバ２１２および／または膨張チャンバ２１０内への水噴射によって、または冷却媒体として排ガス３０７を利用するガス冷却によって達成可能である。排ガス３０７は、〜１２００°乃至１３００°Ｋまで温度を上昇させるであろう。これは、圧縮行程中に空気３０３を加熱するための排ガス熱の利用をさらにより魅力的ものとするであろう。あるいは、または前述に加えて、冷却は、前述のような「オフサイクル」ＷＭ膨張を利用することによっても達成可能である。動作のデジタルモードを利用する冷却の付加的効果は、工学的熱損失（すなわち、構造上の目的のために、構成要素を冷却する必要性のため）が、「オフサイクル」の中のこの熱の利用によって低減されることである。
【００５９】
燃焼チャンバ２１２が受ける極度の熱が与えられると、燃焼チャンバ２１２近傍では、より大きな冷却作用が行われ、エキスパンダの終端においては、冷却作用はより小さくなり得る。同様に、燃焼チャンバ２１２の付近では、より大きな圧力が存在するため、壁を厚くすべき場所となる。また、他の可能な変形例は、偏心円盤形カムを有する摺動ロッカと、固定および定常燃焼チャンバとを含む。さらに別の変形例は、分離板またはロッカ、あるいはそれらのいくつかの組み合わせの中に、燃焼チャンバを配置する。
【００６０】
設計アイディアを実装可能な種々の方法を示す基本的エンジン設計の一変形例は、標準回転カムの代わりに、摺動翼２１４を使用する設計である（図１４参照）。図１１は、そのような設計が完全に組み立てられた場合を示す。この構成では、コンプレッサ１０１は、任意のクラッチ２６１を介して、ベルト駆動２５１によって駆動される。あるいは、ＰＧＭ２００によって直接的に駆動することを含み、ギア、チェーン駆動、または任意の他の好適な手段によって駆動可能である。クラッチ２６１が使用される場合、コンプレッサ１０１は、必要に応じて、オンとオフとの切替可能である。例えば、エンジン１０００が、車両内で使用されている場合、車両の制動エネルギーを回収するために、クラッチ２６１を介してＰＧＭ２００をオフにし、車両の回転している車輪またははずみ車からのみコンプレッサ１０１を駆動することが可能である。コンプレッサ１０１によって圧縮される空気３０３は、三方向弁１０８を介して、外部タンク１０７に誘導されるであろう。あるいは、本明細書に記載の実施形態を採用する車が、より大きな出力を必要とする場合、コンプレッサ１０１は、クラッチ２６１を介して、完全に動作解除されて、外部タンク１０７の中に保存される圧縮空気３０５は、ＰＧＭ２００の動作のために使用される。これによって、車両に対して、最大の柔軟性および出力管理を可能にするであろう。
【００６１】
次に、図１２および１３を参照して、摺動翼の実施形態によるＰＧＭ２００の実装が記載される。図示される実装では、エキスパンダ２２２の筐体壁２２１は、静止した内部ハブ２２０の周囲を回転する。あるいは、他の構成は、回転するハブと、静止した筐体とを採用してもよい。ＰＧＭ２００は、筐体２２１と、カバー２１６と、ハブ２２０（２つの半円筒形ガイド２１５と、２つのベアリング２０７とから成る）と、摺動翼アセンブリ２１４と、空気吸入ポート２１７（吸入ポートとして機能）と、水流入接続具２１８と、水流出接続具２１９とを含む。
【００６２】
ハブ２２０、筐体壁２２１、摺動翼アセンブリ２１４、ベアリング２０７、およびカバー２１６の間の空間は、エンジンチャンバを画定する。図１３に示されるように、３種類のチャンバが存在する。例示的実施形態におけるように、これらのチャンバは、燃焼チャンバ２０６、膨張チャンバ２０８、および排気チャンバ２０９である。（図示されないが、排気ポートは、排気チャンバ２０９に連結される）。この図から、筐体は、要素１３１として符号が付される第１の内側円形壁部を含むことが分かるであろう。本部分は、概して、参照番号１３１に付随する基準線によって識別される２つの位置の間に存在する。この部分は、ハブの周囲の筐体の回転運動の過程で、ハブとの密封接触を維持する。また、筐体は、第１の内側壁部と連続する第２の内側部分を含む。本部分は、翼とハブと組み合わせて、図１３（Ａ）、１３（Ｂ）、および図１４に示されるように、エンジンサイクルの関連部分において、空気吸入ポートおよび排気ポートから分離される作動チャンバ（すなわち、燃焼チャンバ２０６および膨張チャンバ２０８）を画定する。
【００６３】
次に、図１４を参照して、本実施形態におけるエキスパンダの動作２２２が記載される。サイクルは、図１４Ａから開始し、エンクロージャが、筐体壁２２１を回転させて燃焼チャンバ２０６を形成することによって、形成される。図１４Ｂ〜Ｄでは、燃焼チャンバ２０６は、既に形成されている。燃焼チャンバ２０６は、筐体壁２２１内の２つの一定半径のセグメント上を同時に動く摺動翼アセンブリ２１４が、半円筒形ガイド２１５に対し静止している時間枠の間存在し、半円筒形ガイド２１５は、筐体壁２２１およびベアリング２０７の円筒形セグメントとともに、燃焼チャンバ２０６の容積を画定する。図１２を参照すると、摺動翼アセンブリ２１４の左側が、一定半径のセグメントから抜け出ると、膨張チャンバ２０８が形成される。図１４Ｅ〜Ｇでは、膨張行程は、膨張チャンバ２０８内で開始し、同時に、排気行程は、排気チャンバ２０９内で開始する。
【００６４】
空気３０５等の作動媒体（ＷＭ）は、ベアリング２０７内に位置する電子制御弁（図示されないが、空気弁アセンブリ１１８の一部に対応）を通って、燃焼チャンバ２０６に流入する。あるいは、または電子制御弁に加えて、ＷＭは、ベアリング２０７内に位置する一方向弁（図示されないが、空気弁アセンブリ１１８の一部に対応）を通って、燃焼チャンバ２０６に流入する。燃焼が開始し、圧力が急上昇すると、一方向弁は閉鎖し、燃焼チャンバ２０６内に空気３０５を捕捉する。
【００６５】
条件付けされた空気が使用される場合、燃料供給部３０４からの燃料は、ベアリング２０７内に位置する燃料噴射器によって噴射される。条件付けされた空気または空気／燃料混合物が使用される場合、燃焼は、燃焼刺激手段によって誘引される燃焼チャンバ２０６内で自発的に生じる。条件付けされた空気／燃料混合物が使用される場合、空気／燃料混合物は、任意の均質予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）サイクルと同様に希薄であるため、燃料供給部３０４からの燃料量は、ある程度まで、エンジン１０００の出力レベルを制御することが可能である。しかしながら、そのような制御は、不確実であって、非常に複雑である。ＨＣＣＩサイクルを駆動する現代の全エンジンは、この課題に悩まされている。さらなる実施形態では、前述の制御スキームに加えて、またはその代わりに、各サイクルの間、全出力でエンジン１０００を駆動する、すなわち、一定の空気／燃料混合下で駆動する。しかしながら、エンジン１０００の出力レベルは、サイクルの一部をスキップする、例えば、動作のデジタルモードを実行することによって、制御されるであろう。
【００６６】
筐体壁２２１の温度、水蒸気量、前のサイクルから燃焼チャンバ２０６内に残留する排ガス２０７の量等に応じて、燃焼イベントは、筐体壁２２１に対し、摺動翼アセンブリ２１４の異なる位置で生じ得るが、常に、燃焼チャンバ２０６内で開始するであろう。燃料供給部３０４からの燃料が、燃焼チャンバ２０６内で十分に予混合され、燃焼が、燃焼チャンバ２０６の全地点で同時に開始するため、燃焼イベントが非常に迅速であることによって、イベントは、非常に迅速であって、燃焼は、ガスが膨張を開始する前に、一定容積の中で生じる。
【００６７】
全部ではないにしても、本明細書に記載の本発明のほとんどの実施形態におけるエンジンは、後述のＨＥＨＣ（高効率ハイブリッドサイクル）、改良型ＨＥＨＣ（燃焼が、第１に等積条件、第２に等圧条件で生じる場合）、および／または均質予混合刺激着火（ＨＣＳＩ）を含む、種々のサイクルを使用して駆動可能である。さらに、高圧燃料噴射器が使用される場合、エンジンの動作中に、「フライ」上のこれらのサイクルの間で切替可能である。
【００６８】
したがって、本発明のさらなる実施形態では、エンジン１０００は、参照することによって本願に援用される、我々の公開された国際公開第０５／０７１２３０号に記載のＨＥＨＣを実行するように構成される。〜５０乃至７０バール以上の圧力で中間緩衝器内に保存され得る圧縮された作動媒体は、サイクルの第１の角度範囲中に形成され、前のサイクルからの排ガスを周囲圧力で含有する完全に封入された一定容積の作動チャンバへ流入する。例えば、空気であり得る作動媒体は、逆止弁と、第２の弁またはラッチ型逆止弁とを含む、図１の空気弁アセンブリ１１８を通って、この燃焼チャンバへ流入する。その後、高圧燃料噴射器は、燃焼チャンバ内に燃料を噴射してもよく、燃焼は、従来のディーゼルエンジンと同様の方法で進行するが、燃焼は、一定容積の空間内で生じる。着火が生じると、空気の供給は、空気弁アセンブリ１１８によって停止されるが、逆止弁と、電子制御弁またはラッチ型逆止弁とを含むことによって、中間緩衝器内への流動が防止され得る。このサイクルの性能特性は、図２８に示される。
【００６９】
燃料噴射は、第２の角度範囲（膨張段階）を通じて、すなわち、膨張チャンバ２０８内で継続してもよい。この段階では、エンジンは、より高い膨張比を除き、ディーゼル様性能を実証するであろう（アトキンソンサイクル）。この理由から、このサイクルを改良型ＨＥＨＣと称する。
【００７０】
ＨＥＨＣまたは改良型ＨＥＨＣサイクルに加え、全部ではないにしても、本明細書に記載の本発明のほとんどの実施形態は、周知の均質予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）の変形例である均質予混合刺激着火（ＨＣＳＩ）と称されるものを駆動可能である。
【００７１】
ＨＣＣＩエンジンでは、希薄燃料／空気混合は、エンジンのシリンダ内において高圧縮比（〜１８乃至２０）で圧縮される。燃料は、既に、ＨＣＣＩエンジンの燃焼チャンバ内で十分に予混合されているため、均質な混合気を形成し、次いで、圧縮による温度上昇によって着火する。故に、ＨＣＣＩと称される。オットーエンジンと異なり、ここでは、非常に希薄な燃料／空気混合の使用によって、そのような高比率に圧縮可能である。一方、ディーゼルエンジンと異なり、燃焼は、非常に迅速、すなわち、ほぼ瞬時であり、したがって、実質的に一定容積で生じる。これらのエンジンは、高効率を有し、任意の燃料で動作し得る。これらのエンジンに本質的に必要とされるものは、任意のピストン往復エンジンにも当てはまるが、着火が上死点（ＴＤＣ）またはその近傍で生じなければならないことであり、着火は、燃料対空気比、圧縮比、空気温度および湿度、ＥＧＲ速度、シリンダ壁温度等の非常に多くのパラメータに依存しているため、判断基準は着火の正確な瞬間を制御することにおいて非常に困難な課題をもたらす。この理由から、この設計のエンジンは、市販化されていない。また、希薄混合物のために出力密度は低い。（混合物内の全空気を使用せず、同一出力に対してより大きなシリンダ容積を必要とする）。
【００７２】
対照的に、本明細書に記載の本発明の実施形態によるエンジンは、ＨＣＣＩ原理の変形において作動すると考えられ得るが、独特のエンジン幾何形状の使用によって、着火時間はあまり重要でなくなり、このことは後述される。圧縮作動媒体（空気）が、中間緩衝器から燃焼チャンバ内に噴射されると、最初に、減圧（および冷却）され、次いで、燃焼チャンバ内の圧力が、中間緩衝器の圧力に達すると、再圧縮（および再加熱）される。中間緩衝器と、最初は周囲圧力である燃焼チャンバとの間の非常に大きな圧力差によって、非常に高速（１，０００，０００ＲＰＭ以上）で回転する空気の超音速の渦または渦巻が、燃焼チャンバへ流入する空気によって形成される。空気と同時に低圧環境内に噴射される燃料は、液体燃料である場合、気流によってチャンバ内に引き込まれ、空気と非常に良く混合し、非常に速く蒸発するであろう。次いで、燃料供給部は、コントローラ３１９によって生成される信号から、燃料弁アセンブリ３１８によって中断される一方、空気は、燃焼チャンバの充填を継続し、圧力の上昇を維持する。したがって、ピストンを移動することによって、空気を圧縮する従来のピストン往復エンジンと異なり、ＨＣＲＥエンジンは、空気自体によって、空気／燃料混合物を圧縮する。温度および圧力が、自己着火点に達すると、燃料は、ＨＣＣＩエンジンと同様の方法で、全容積内で着火することになる。この時点で、燃焼チャンバ内に蓄積された圧力は、空気弁アセンブリ１１８の逆止弁を閉鎖させ、その後、コントローラ３１９による作動の結果、補助空気弁を閉鎖する。したがって、ちなみに我々の計算によれば、燃焼チャンバに流入する空気の減圧および再圧縮に付随するエネルギー損失は、僅か約０．５％を占めるにすぎず、高効率の燃料／空気混合器へと変換される。この状況は、ディーゼルエンジンによって達成不可能な性能である、高ｒｐｍ速度におけるＨＣＳＩサイクル下のＨＣＲＥ動作の駆動を可能にする。
【００７３】
さらに、燃料対空気比、圧縮比、空気温度および湿度、ＥＧＲ速度、シリンダ壁温度等のＨＣＣＩエンジンにおいて使用されるものと同一の平均値をすべて利用することによって、また、空気と燃料との噴射の相対的なタイミング、燃焼チャンバ内の触媒の存在等の付加的な制御手段を付加することによって、着火イベントの加速を可能とする。
【００７４】
さらに、この説明から、逆止弁は、燃焼チャンバ内の圧力が圧縮空気供給部内の圧力を上回る瞬間に、自動的に空気供給を正確に中断させることが分かるであろう。この状況は、ピストンの上死点との燃焼の臨界的な同期化に対する必要性（従来のピストンエンジンにおける）を省略するエンジン幾何形状とともに、燃焼点の複雑な計算の必要性を排除する。さらに、本発明の実施形態では、燃料／空気混合物は、作動チャンバ内への空気の流入の際に形成され、自動着火点を下回る温度である。したがって、燃焼のタイミングが、シリンダ内のピストンの位置に必然的に依存するＨＣＣＩエンジンと異なり、本発明の実施形態では、エンジン幾何形状は、ほとんど問題ではなく、したがって、燃焼は、常に、我々の制御下にあり、他の条件が最適化されているサイクル内の地点である、空気および燃料の噴射点またはその近傍で生じ得る。
【００７５】
サイクルの性能特性は、図２９に示される。このサイクルと前述のＨＥＨＣとの間の差異は、システムが、条件付けされた空気の代わりに、条件付けされた空気／燃料混合物を使用することによって、燃料対空気比は希薄傾向となり、着火は、前述のように、燃料噴射によって生じるのではなく、燃焼誘導手段によって誘引されることである。多数の科学者およびエンジニアグループによって現在開発中であるＨＣＣＩサイクルに類似するが、ＨＣＳＩエンジンは、ＨＣＣＩサイクルと異なり、複雑なコンピュータ制御を必要としない。その理由は、燃焼イベントが、一方向弁を有することによって、燃焼チャンバ２０６が存在する時間の間（ハブ２２０の９０乃至１８０度の旋回）の任意の瞬間に生じ得るからであって、この一方向弁は、燃焼イベントの瞬間から、燃焼チャンバ２０６内の圧力が空気／燃料供給部内の圧力を上回るか、あるいは代替の機械的または電気機械的な弁が燃料供給を遮断するまで、燃焼チャンバ２０６を空気／燃料供給部から分離する。
【００７６】
次に、図１５を参照して、ＰＧＭ２００の設計上のいくつかの他の可能な変形例が記載される。図１５Ａは、ＰＧＭ２００が、２つの同一直線上の翼２５５とともに構成され得る様子を示す。これらの翼２５５は、前述の摺動翼アセンブリ２１４と同様に作用するが、この構成では、ハブ２２０は、例えば、燃料供給部３０４からの燃料および空気３０５を通過させる中心孔を提供可能である。この設計では、筐体壁２２１は、静止したままである一方、ハブ２２０および翼２５５は、ハブ２２０の中心および孔を通過する固定軸の周囲を回転する。
【００７７】
別の変形例では、図１５Ｂ〜Ｃに示されるように、平行であるが、同一直線上にない２つの翼２５６が使用可能である。この構成では、並列の翼２５５の場合よりも長い翼２５６が使用されてもよく、膨張領域は、同一直線状にある場合よりも大きくなり、出力増大を提供することを意味する。図１５Ｂでは、これは、翼２５６の先端上のローラ２２４を使用して実装され、摩擦を低減する。図１５Ｃは、摩擦が、ローラではなく、密封および潤滑問題についてセクションにおいて後述されるように、任意の数の代替物を使用して低減される構成を示す。
【００７８】
変形例（図示せず）は、参照することによって本願に援用される、我々の国際公開第０５／０７１２３０号において使用されるようなものに類似する独立型の燃焼チャンバ２２５を使用する。このアプローチの潜在的利点は、燃焼時間が、２つ、３つ、またはそれ以上の燃焼空洞２２５を用いることによって延長可能であることである。これらの燃焼空洞２２５のうちの１つは、切欠図において、下方チャンバ内に組み込まれて示される。
【００７９】
図１５Ｅおよび図１６は、摺動翼の代わりに、枢動翼２２６を使用する変形例を示す。翼２２６は、枢動点で回転ハブ２２７に接続される。燃焼チャンバ２２８は、ハブ２２７内に位置し、翼２２６で密封される一方、翼２２６は、ハブ２２７に対して静止した（アイドリング）位置内にある。この翼のアイドリングの間、条件付けされた空気／燃料混合物は、一方向弁（図示せず）を通って、空気緩衝器２０５から燃焼チャンバ２２８に流入し（また、条件付けされた空気燃料混合物を燃焼チャンバ２２８に流入させる弁も図示せず）、ＣＳＭイベントの際に着火する。ハブ２２７内の中心孔は、空気緩衝器として機能してもよい。翼２２６は、筐体２２１の壁上を動く、密封を提供する任意のローラ２２４を有してもよい。あるいは、ローラの代わりに、バンケル型アペックスシールを使用可能であって、または摩耗耐性の材料ならびに筐体で生成される場合、全く密封を使用しなくてもよい。
【００８０】
エンジン１０００の全く異なる変形例は、図１７〜１８に示される。参照することによって本願に援用される米国特許第４，４０１，０７０号、および以前の従来の技術において検討された軸方向羽根ロータリーエンジン（ＡＶＲＥ）構成に基づいている。この構成は、ＨＥＨＣの下で動作するように実装可能である。
【００８１】
ＨＥＨＣ−ＡＶＲＥのエキスパンダ２３５の構成は、図１７〜１８に示される。平面に示されているが、実際は、展開された円筒形本体を見ていることが分かるはずである。構造においては従来の技術に類似するが、エンジン１０００の動作は非常に異なる。空気３０３は、別個のコンプレッサによって圧縮される。ＨＥＨＣエンジンの任意の他の構成にも当てはまるが、コンプレッサ部品は、空気３０３を高圧縮比（１５〜４０）に圧縮可能である限り、ほぼ同一の設計、あるいは本発明に記載または市販の任意の他の設計であることができる。また、コンプレッサの吸入量は、アトキンソンサイクルの利点を取り入れ、エキスパンダ２３５の膨張チャンバの約半分であるべきである。
【００８２】
エキスパンダ２３５は、固定子リング２３６と、保持羽根２３７とから成り、軸方向に摺動する。翼とリング２３６との間の摩擦を抑制するローラ２３８を有してもよい。また、固定子リング２３６は、後述される燃焼チャンバ２４０を格納する。加えて、固定子リング２３６は、既に膨張した燃焼ガスを排気する排気ポート２３９を格納する。これらのガスは、後述される回転式カムリング（ＲＣＲ）２４１の運動および形状によって押し出される（図１７参照）。
【００８３】
燃焼ガスを膨張させることによって駆動されるＲＣＲ２４１は、軸の周囲を回転し、出力シャフト（および、おそらくコンプレッサ）を駆動する。また、断続的な往復運動の軸運動を羽根２３７に付与する。ＲＣＲ２４１の重要な特徴は羽根２３７が、固定子リング２３６に対し静止している間、羽根２３７に停留期間を提供し、したがって、一定容積の燃焼チャンバ２４０を形成することである。この静止期間の間に、圧縮空気３０５は、適切に制御された弁（図示せず）を介して、その時点において周囲圧力である燃焼チャンバ２４０の中に受け入れられる。空気３０５と同時に、または一定の遅延を伴って、燃料供給部３０４からの燃料は、燃焼チャンバ２４０内に噴射される。極度の乱流旋回によって、燃料供給部３０４からの燃料は、空気３０５と十分に混合される。混合物は、自発的に着火し、完了するまで燃焼するが、その間は依然として、停留期間下、または一定容積の燃焼条件下にある。
【００８４】
羽根２３７は、固定子リング２３６内を摺動する。羽根２３７の唯一の機能は、燃焼ガスが膨張チャンバから流出しないように阻止することである。羽根２３７は、何らかの密封機構を有し、この機能を可能にするべきである。密封機構は、バンケル型アペックスおよび面シール、または本書および本著者による以前の特許出願において論じられた何らかの他の密封アプローチを利用してもよい。
【００８５】
前述の構成のいくつかの変形例が可能であって、それらは当業者に自明であることに留意されたい。例えば、固定子リング２３６は、回転式であってもよい一方、カムリング２４１は、固定式であってもよい。燃焼チャンバ２４０は、リング２３６内ではなく、羽根２３７の中の切欠によって形成されてもよい。排気ポート２３９は、カムリング２４１内に位置してもよい。図面中の羽根２３７は、単一の本体として表されるが、バネ、摺動翼シール等によって支持される２つ以上の摺動部品から成ることも可能である。
【００８６】
前述のすべてと根本的に異なる別の変形例は、隠蔽式翼技術（ＣＢＴ）エンジンである。図１９の要素２４９として示されるＣＢＴの背後にあるアイディアは、従来の構成における翼および／またはピストンの一部または全部を仮想チャンバで置換することであって、この仮想チャンバーは、一方向の流動に抵抗し、他方向の流動を許容する流体ダイオード２４２、または半径方向に位置するスロットとともに実装される。流体ダイオードは、逆止弁として、我々の米国特許第７，１９１，７３８号に開示されており、参照することによって本願に援用される。その中の第８欄の第４５〜５０行、および図３（ａ）を参照されたい。また、密封機構としても、我々の国際公開第０５／０７１２３０号に開示されており、参照することによって本願に援用される（４６ページ第１５７段落から４７ページ第１６３段落、および付随の図面を参照されたい）。Ｎｉｋｏｌａ  Ｔｅｓｌａによって発明された流体ダイオードは、第１の方向の流動を促進するが、反対方向の流動の場合は、その中に載置される好適な構造である１つ以上の傾斜スロットの使用によって、流動を妨害する１つ以上の渦を生成する物理的構造である。また、Ｔｅｓｌａの米国特許第１，３２９，５５９号を参照されたいが、参照することによって本願にも援用される。本明細書に記載の実施形態では、各ダイオードは、我々の米国特許第７，１９１，７３８号の図３（ａ）、ならびに我々の国際公開第０５／０７１２３０号の図４３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）におけるように、僅か１つの傾斜スロットとともに実装されてもよいが、Ｔｅｓｌａの特許は、同時に使用される多数の傾斜スロットを示す。特に、本明細書では、同様に、１つ以上の流体ダイオードを含む本体に対し回転する円盤内に、半径方向に配置された１つ以上の流体ダイオードを使用する。ダイオードは、相互に関連して構成されることによって、本体に対する円盤の回転運動は、互いに近接するにつれて、２つのダイオード間の空気を捕捉する。空気は、本体、円盤、および２つの流体ダイオードの間に形成される「仮想チャンバ」と称されるものの中に補足される。したがって、本配置は、コンプレッサを確立するために使用可能な仮想ピストンを確立する。あるいは、仮想ピストンを使用して、燃焼からの圧力を利用するためのエキスパンダを確立することが可能である。前述のように、本実施例における円盤は、本体に対して回転する部材であるが、他の形状が使用されてもよい。例えば、回転部材は、円筒形であってもよく、または円錐形であってもよく、いずれの場合も、本体の内側は、回転部材の形状に一致する。
【００８７】
さらに図１９を参照すると、燃焼チャンバ空洞は、回転ロータの流体ダイオード２４２（隠蔽式翼）の後、または静止ロータの前にある。本実施形態は、テスラ円盤またはテスラタービンの改良として考えられ得るが、本明細書では、内燃エンジンに変換される。したがって、図１９は、機械設計によるタービンと、熱力学的サイクルにおよび容積膨張エンジンの定義よるピストンエンジンとを示す。エンジンは、本体２４７内に回転可能に搭載される回転円盤である要素２５７を利用する。円盤および本体の両方に、流体ダイオード２４２が装着される。捕捉効果は、したがって、圧縮であって、エンジンのコンプレッサ領域に関連する半径方向のバンドにおいて利用される。次いで、コンプレッサ領域からの作動媒体（空気または他の酸素含有ガスを含み得る）は、同様に、一方向逆止弁を組み込む弁アセンブリを介して、コンプレッサ排気ポート２４５から本体２４７内に配置された緩衝器領域内に供給される。次いで、作動媒体は、緩衝器領域から、本体２４７内に形成され、回転円盤の領域によって被覆されるほぼ固定された容積燃焼チャンバ内に移動する。サイクルのこの時点において、そこが作動媒体の一部ではなかった場合、燃料が導入され、着火および燃焼が生じ、熱を生成し、したがって、作動媒体の圧力を上昇させる。このサイクル部分に続き、円盤のさらなる回転運動によって、上昇圧力における作動媒体をエンジンの別個の半径バンドに付随するエキスパンダチャンバに流入させ、エンジンの本体に対し相対的な円盤の回転運動を生じさせる。さらに本サイクルでは、もはや消費された作動媒体は、排気ポートを介して、エンジンから流出可能となり、排気ポートは、作動媒体がエキスパンダチャンバ内に存在する間、作動媒体とアクセスすることが可能である。流体ダイオード２４２に加えて、図１９に示されるものは、コンプレッサセグメント２４３と、エキスパンダセグメント２４４と、吸入ポート２４６と、排気ポート２４５と、本体２４７と、カバー２４８と、外部シャフト２５０である。前述の説明から、互いに対し回転可能に搭載される部材内で使用される流体ダイオードは、コンプレッサまたはエキスパンダを提供するために採用可能であることは明白である。実際、流体ダイオードを使用するコンプレッサまたはエキスパンダの構成は、類似する。この構成に対し可能な変形例は、外部独立型の円筒形燃焼チャンバの追加、独立型のコンプレッサおよび独立型のエキスパンダの使用（すなわち、二重円盤構成）、コンプレッサが片側にあり、エキスパンダが反対側にある両面構成、複数の積層型円盤の使用、外部「パイプ」の内径（ＩＤ）および内部「パイプ」の外径（ＯＤ）上に流体ダイオードを有する円盤対円筒対円錐構成（「パイプ−イン−パイプ」）、「パイプ−イン−パイプ−イン−パイプ」構成、およびパイプ−イン−パイプ構成を有する円盤構成の組み合わせ（円錐または直線）を含む。
【００８８】
ＨＣＲＥエンジンでは、本明細書に記載の本発明の種々の実施形態によって、翼は、筐体壁、ベアリング、カバー、およびハブに対し移動する。そして、ベアリングを有するハブは、筐体壁およびカバーに対し移動する。低コスト製造を可能にするために、ＨＣＲＥの設計は、エンジンガスの吹き抜けを可能にするように熱膨張を考慮後においては、種々の可動構成要素間の約０．００１インチ〜０．００３インチの公差空隙に適合すべできある。これは、吹き抜けの量が小量であるならば、エンジン翼、筐体にガス潤滑および一定の冷却を提供するために許容可能であり得る。しかしながら、エンジンのより優れた性能のためには、燃焼チャンバおよび膨張チャンバは、可能な限り漏出がない一方で、依然として、潤滑および冷却を提供することが望ましい場合がある。エンジン内の可動要素は、ほぼ矩形断面を有するため、エンジン構成要素の密封およびトライボロジに対して特別な注意が必要である。
【００８９】
燃焼チャンバおよび膨張チャンバを密封するいくつかの方法が存在する。これらは、摩耗性熱スプレーコーティング、アペックスおよび面密封、水封、流体ダイオード密封、およびストリップ密封を含む。実践的解決法は、後述の１つ以上の密封装置とともに見られる。摩耗性熱スプレーコーティングは、密封タービン翼を密封するために使用される同一技術を表す。これらのコーティングは、１２００℃の温度まで耐え、厚さ２ｍｍに適用可能である。翼／ハブ運動によって、筐体内のコーティングあるいは翼またはハブ内に経路が刻設されるであろう。結果として、構成要素間の０．００１インチ乃至０．００３インチの製造空隙は、ほぼゼロに減少することが可能であって、それによって、燃焼チャンバおよび膨張チャンバからの漏出を低減する。
【００９０】
図２０Ａおよび図２０Ｃ〜Ｄに示される漏出を最小限にする別のアプローチは、アペックスシール３１０の使用である。これは、摺動翼２１４の縁上に位置する、および／または面シールとして使用され得る。アペックスシール３１０は、翼２１４と筐体壁２２１との間の小空隙（〜０．００１インチ乃至０．００３インチ）を閉鎖するバネ負荷摺動羽根を利用する。バネは、図示されていない。摺動羽根は、通常、セラミック、窒化ホウ素等の高摩耗材料から成る。また、パッキングシールとして実装される、一体型膨張グラファイトシートまたは「ロープ」（糸）等のカーボンまたはグラファイト材料の種々の形態から成るシールを取り付けることも可能である。アペックスシールの概念は、図２０Ｄに示されるローラ２２４を伴って、または伴わずに、翼２１４に適用可能である。
【００９１】
さらに別の代替密封配列は、我々の国際公開第０５／０７１２３０号に記載され、図２０Ｂ、図２０Ｅ、および図２１を参照して、ＨＣＲＥ１０００に照らして本明細書で詳述される水封の概念を利用することによって達成可能である。水封の概念によると、高圧水３１１は、図２０Ｂに示される可動部品内のチャネルに流入し、部品間の極小空隙（約０．００１インチ乃至０．００３インチ）を充填する。水３１１は、可動部品によって引き込まれ、空隙を占有して、この空隙を貫通する、この薄層の正面のガスに抵抗する薄膜として拡散する。水を送達するチャネル近傍の可動部品の表面は、鋸歯状であって、空隙内の水膜の円滑な流動のためのバリアを形成する。エンジン１０００では、部品は非常に高温であって、一部の水は蒸発して、流体固着現象を形成し、水３１１が空隙から噴出するのを防止する。蒸発冷却は、通常の水流冷却と比較して、蒸発のためには比較的少量の水しか必要としないため、エンジン構成要素を冷却するのに非常に効率的な方法を提供する。これは、水の蒸発熱が、流動水の対応する熱容量よりも大幅に高いためである。しかしながら、この蒸発冷却は、従来の水流冷却手段が有用および必要である場合には、従来の水流冷却手段の使用を排除するわけではないことに留意されたい。
【００９２】
水封３１１は、ローラを伴うか、または伴わない枢動翼アセンブリ２２６に、あるいは筐体２２１に適用可能であって、その場合、図２０Ｅに示されるように、筐体２２１とハブ２２７との間、または筐体２２１と筐体２２１内のローラ２２４との間に直接適用可能である。次いで、ローラ２２４は、筐体との空隙を密封する。
【００９３】
図１２のエキスパンダ２２２では、水３０６（図１参照）は、水流入接続具２１８を通って流入し、ベアリング２０７、２つの半円筒形ガイド２１５、および摺動翼アセンブリ２１４内に戦略的に位置する水チャネルを通過し、水流出接続具２１９を通って流出する。また、この水３０６は、流体膜静圧／流体ベアリングを提供するベアリング２０７のベアリング表面に流入し、従来のベアリングの必要性を排除する。しかしながら、従来のベアリングは、依然として、この用途において使用可能である。
【００９４】
図２１は、水封の概念のエンジン１０００への適用のさらなる詳細を提供する。図２１Ａ〜Ｃは、エキスパンダの種々の要素内に形成されるチャネル内の水路を示す。また、これらのチャネルは、図２１Ｄのベアリング２０７、図２１Ｅの摺動翼２１４、および図２１Ｆのベアリング２０７内にも示される。図２１Ｃ内の矢印は、流入および流出方向を示す。
【００９５】
したがって、エンジン１０００内の水は、密封、冷却、潤滑、およびＮｏｘ低減（燃焼チャンバ温度を低下させるので）機能を有する。加えて、前述のように、通常、冷却損失によって失われるエネルギーの一部は、超高温高圧の蒸気の形態でシステム内に戻されるため、水は、エンジン１０００の効率を倍増するであろう。
【００９６】
１つの興味深い可能性は、前述の概念における水を、より優れた潤滑性を有し、非腐食性であって、復水ユニットを必要としないディーゼルまたはディーゼル様の燃料と置換することである。閉鎖される空隙は、非常に小さいため、消費は僅かであるはずである。さらに、蒸発燃料が、燃焼チャンバおよび膨張チャンバ内で燃焼させられるため、膨張段階の際の消費は有用である。さらに別の代替例は、メタノールを水混合物に付加し、水の凍結を防止することである。メタノールは、燃焼チャンバ内に流入すると燃焼するであろう。
【００９７】
また、液体導管とともに液体を使用することが可能である。水、油、液体燃料等は、液体として使用可能である一方、パイプまたはロープの形態から成り、図２１Ａ〜Ｃに示されるものに類似するチャネル内に載置される小径（２〜５ｍｍ）カーボン／グラファイトまたは金属メッシュは、液体導管として使用可能である。高圧液体は、これらの導管を通して揚水され、導管はそこを通る水の漏出は、蒸発して、冷却、密封、および潤滑を促進するので、防水である必要はないであろう。
【００９８】
適用可能な別の密封の概念は、流体ダイオードシールである。この概念は、我々の国際公開第０５／０７１２３０号に詳細に論じられ、参照することによって本願に援用されている。
【００９９】
ストリップシール３１６は、ハブおよび／または翼の両方において使用することが可能である。図２２Ａ〜Ｃに示されるように、金属の細片から成り、ストリップ３１６上の圧力による正味の力が小さく、かつ筐体壁２２１へと誘導されるように、翼アペックスシールと同様に設計される。正味の力が小さいことによって、ストリップ３１６および壁２２１の両方における摩耗が少量となることが保証される。力の方向によって、ストリップ３１６は、壁２２１と一定の接触状態にある一方、ハブ２２０または翼２５６との漏出のない接触を維持することが保証される。
【０１００】
図２２Ｃ内の矢印は、燃焼生成物による圧力を表す。翼２５６は、翼２５６上の圧力による正味の力が、ローラの使用にかかわらず、小さく、筐体壁２２１へと誘導されるように設計される。正味力が小さいことによって、翼２５６および壁２２１の両方における摩耗が少量となることが保証される。力の方向によって、翼２５６は、壁２２１と一定の接触状態にあり、したがって、少なくともこの特定の界面における漏出のない動作を確実にすることが保証される。
【０１０１】
エンジン１０００の設計の根底にある基本的概念は、他のエンジン構成に同様に適用することが可能である。図２３は、コンプレッサ１０１のためのいくつかの代替設計を示す。図２３Ａでは、翼ピストン２１４は、中心ハブ２２０内に位置し、互いに対し相対的に回転するハブ２２０または筐体２２１は、サイクル毎に２つの行程において圧縮を生成するであろう。図２３Ｂでは、この設計は、第１と平行に、第２の翼ピストン２１４をハブ２２０内に配置することによって改良される。また、例示的目的のため、翼２２４の先端上にローラ２２４を使用して実装される設計が示される。この構成は、１段階で構成される場合、各翼、合計４つに対して、サイクル毎に２つの圧縮行程となり、または２段階構成を使用する場合、サイクル毎に２つの圧縮パルスとなるであろう。そして、図２３Ｃでは、互いに対して垂直な軸上に配置される２組の平行翼から成る、４つの翼２１４を有するように、再び改良された設計が示される。この構成は、再び、コンプレッサが、１段階または２段階動作に構成されるか否かに応じて、サイクル毎に４つまたは８つの圧縮パルスとなるであろう。
【０１０２】
図２４では、単一ユニット内にピストン型コンプレッサ２５３を有する回転羽根エキスパンダ２５２の実施例が示される。ハブ２２０内へのピストン２１４の侵入によって、圧縮を生じさせる一方、膨張領域を通る翼２１４の運動は、膨張チャンバを画定する。
【０１０３】
また、図２５に示されるように、従来のピストンは、ロータリーエンジン内にＨＥＨＣの熱力学的サイクルを実装するように適合可能である。ハブ２２０および／または筐体２２１は、互いに対し相対的に回転するため、ピストン２５４は、ハブ２２０内外へと周期運動する。クランクシャフトを伴わない動作では、エンジンは、カムリング（図示せず）によって駆動され、カムプロファイルは、アトキンソンサイクルに対応する。
【０１０４】
本発明の種々の例示的実施形態が開示されたが、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点の一部を達成する種々の変更および修正がなされ得ることを当業者は理解されたい。
【図１】
2009545699.tif 000003
【図２】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図５（Ａ）】
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【図５（Ｂ）】
2009545699.tif 000010
【図５（Ｃ）】
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【図５（Ｄ）】
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【図５（Ｅ）】
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【図５（Ｆ）】
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【図５（Ｇ）】
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【図５（Ｈ）】
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【図５（Ｉ）】
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【図６（Ａ）】
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【図６（Ｂ）】
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【図６（Ｃ）】
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【図６（Ｄ）】
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【図６（Ｅ）】
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【図６（Ｆ）】
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【図６（Ｇ）】
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【図６（Ｈ）】
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【図６（Ｉ）】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３（Ａ）】
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【図１３（Ｂ）】
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【図１３（Ｃ）】
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【図１４（Ａ）】
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【図１４（Ｂ）】
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【図１４（Ｃ）】
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【図１４（Ｄ）】
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【図１４（Ｅ）】
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【図１４（Ｆ）】
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【図１４（Ｇ）】
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【図１４（Ｈ）】
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【図１５（Ａ）】
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【図１５（Ｂ）】
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【図１５（Ｃ）】
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【図１５（Ｄ）】
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【図１５（Ｅ）】
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【図１６（Ａ）】
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【図１６（Ｂ）】
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【図１７】
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【図１８（Ａ）】
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【図１８（Ｂ）】
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【図１８（Ｃ）】
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【図１８（Ｄ）】
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【図１８（Ｅ）】
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【図１８（Ｆ）】
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【図１９】
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【図２０（Ａ）】
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【図２０（Ｂ）】
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【図２０（Ｃ）】
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【図２０（Ｄ）】
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【図２０（Ｅ）】
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【図２１（Ａ）】
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【図２１（Ｂ）】
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【図２１（Ｃ）】
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【図２１（Ｄ）】
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【図２１（Ｅ）】
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【図２１（Ｆ）】
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【図２２】
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【図２３（Ａ）】
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【図２３（Ｂ）】
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【図２３（Ｃ）】
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【図２４】
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【図２５（Ａ）】
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【図２５（Ｂ）】
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【図２５（Ｃ）】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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