(57)【要約】  スプリットサイクルエンジン用の排熱回収システムは、熱交換ユニットを備える。空気圧縮装置が熱交換ユニットと連通している。排熱入力部は、エンジンからの排熱を受け取り、熱交換ユニットと流体連通している。空気圧縮装置に接続された外気取り入れ口は空気を空気圧縮装置の中に引き込む。空気圧縮装置上の、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダと流体連通する圧縮空気排出口は、圧縮空気を空気圧縮装置からエンジン内へと運ぶ。エンジンの排熱は熱交換ユニットに伝えられ、排熱からのエネルギーが空気圧縮装置を駆動し、これによって空気圧縮装置は外気取り入れ口から外気を取り込んで圧縮し、圧縮空気を圧縮空気排出口からエンジンへと供給する。
2009533582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮シリンダと、パワーシリンダと、圧縮シリンダとパワーシリンダを相互接続するガス流路を有するスプリットサイクルエンジンのための排熱回収システムであって、
熱交換ユニットと、
熱交換ユニットと流体連通する空気圧縮装置と、
エンジンから排熱を受け取り、熱交換ユニットと流体連通する排熱入力部と、
空気圧縮装置に接続され、空気を空気圧縮装置に取り込むための外気取り入れ口と、
空気圧縮装置上にあり、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダと流体連通し、空気圧縮装置からの圧縮空気をエンジンに供給するための圧縮空気排出部材と、
を備え、
エンジン排熱は熱交換ユニットに伝えられ、排熱からのエネルギーが空気圧縮装置を駆動するために使用されることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排熱回収システムであって、
エンジン冷却液サブシステムが熱交換ユニットと連通しており、エンジン冷却液はエンジンから熱交換ユニット内に循環させられることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項３】
請求項１に記載の排熱回収システムであって、
エンジン排気サブシステムが熱交換ユニットと連通しており、エンジン排ガスを熱交換ユニットに受け渡すことを特徴とする排熱回収システム。
【請求項４】
請求項１に記載の排熱回収システムであって、
熱交換媒体を熱交換ユニットと空気圧縮装置の間で循環させるための循環ラインを備えることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項５】
請求項４に記載の排熱回収システムであって、
前記熱交換媒体は冷媒か水のいずれか一方であることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項６】
請求項４に記載の排熱回収システムであって、
循環ラインに動作的に接続された復水器を備えることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項７】
請求項４に記載の排熱回収システムであって、
循環ラインに動作的に接続され、熱交換媒体を循環ライン内に送り出すポンプを備えることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項８】
請求項１に記載の排熱回収システムであって、
スプリットサイクルエンジンは貯気タンクを備え、圧縮空気は貯気タンク内に保存されることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項９】
請求項８に記載の排熱回収システムであって、
貯気タンクへの流入を制御する第一の弁と、貯気タンクからの流出を制御する第二の弁と、ガス流路内の流れを制御する第三の弁を備え、貯気タンクへの流入と貯気タンクからの流出を制御する第一と第二の弁が開状態で、ガス流路内の流れを制御する第三の弁が閉状態のときに、圧縮空気は貯気タンクに導入されるのと同時に、パワーシリンダを駆動することを特徴とする排熱回収システム。
【請求項１０】
圧縮シリンダとパワーシリンダを有するスプリットサイクルエンジンのための排熱回収システムであって、
エンジン排熱からの熱エネルギーを、排熱側と熱交換媒体側を有する熱交換ユニットに伝えるための熱交換ユニットを備え、
熱交換ユニットの排熱側はエンジンからの排熱を受け取る排熱入力部を有し、
熱交換ユニットの熱交換媒体側は熱交換媒体を受けるための熱交換媒体注入口を有し、
熱交換ユニットの排熱側に接続された排熱排出口と、
熱交換ユニットの熱交換媒体側に接続された熱交換媒体排出口と、
以下を備える空気圧縮装置、
熱交換ユニットの熱交換媒体排出口と連通する熱交換媒体注入口、
熱交換ユニットの熱交換媒体注入口にループ方式で動作的に接続された熱交換媒体排出口、
外気を空気圧縮装置に取り入れるための外気取り入れ口、
スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダの吸気口に接続され、圧縮空気をエンジンに供給するための圧縮空気排出口、
とを備え、
排熱交換媒体から抽出されたエネルギーが空気圧縮装置を駆動することを特徴とする排熱回収システム。
【請求項１１】
圧縮シリンダとパワーシリンダを備えるスプリットサイクルエンジンからの排熱を回収する方法であって、
空気圧縮装置を有する空気圧縮システムを設置するステップと、
エンジンからの排熱を空気圧縮システムに供給するステップと、
排熱からのエネルギーを利用して空気圧縮装置の動力とするステップと、
空気圧縮装置からの、排熱から生成された圧縮空気をスプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダに供給するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、
排熱を利用して、熱交換媒体を液相から気相に変換する熱交換ユニットを設置するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
エンジンからの排熱を空気圧縮システムに供給するステップは、
エンジン冷却液をエンジンと熱交換ユニット内に循環させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、
エンジンからの排熱を空気圧縮システムに供給するステップは、
エンジンの排ガスにエンジンから熱交換ユニット内へと通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
排ガスが熱交換ユニットを通過した後に、排ガスをエンジン排気システムから大気中に排出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、
熱交換媒体を熱交換ユニットと空気圧縮装置内に循環させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
熱交換媒体を循環させるステップは、
熱交換媒体をポンプで送り込むステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、
空気圧縮装置の下流に復水器を設置して、熱交換媒体を気相から液相に変換するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、
復水器からの余分な熱を大気中に排出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１１に記載の方法であって、
外気取り入れ口から空気圧縮装置に外気を取り込むステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１１に記載の方法であって、
排熱から生成された圧縮空気を、エンジン吸気口に動作的に接続された圧縮空気排出口からエンジンに供給するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１１に記載の方法であって、
圧縮シリンダからの、排熱から生成された圧縮空気をスプリットサイクルエンジンの貯気タンクに保存するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１１に記載の方法であって、
スプリットサイクルエンジンの貯気タンクに、圧縮シリンダからの排熱により生成された圧縮空気を導入するステップと、
同時に、貯気タンクからの、排熱により生成された圧縮空気でパワーシリンダを駆動するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスプリットサイクルエンジンに関し、より詳しくは、この種のエンジンの排熱回収に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願において使用するスプリットサイクルエンジンという言葉にはまだ、エンジン分野の熟練者に一般的に知られる確定的な意味がない。したがって、明確を期すために、先行技術で開示されたエンジンに適用され、本願でいうスプリットサイクルエンジンとの用語の定義を以下のように提案する。
【０００３】
本願でいうスプリットサイクルエンジンは、
クランクシャフト軸を中心に回転可能なクランクシャフトと、
パワーシリンダの中にスライド可能に受けられ、クランクシャフトが１回転する間に動力（または膨張）行程(stroke)と排気行程を１往復するようにクランクシャフトに動作的に接続されたパワーピストンと、
圧縮シリンダの中にスライド可能に受けられ、クランクシャフトが１回転する間に吸気行程と圧縮行程を１往復するようにクランクシャフトに動作的に接続された圧縮シリンダと、
パワーシリンダと圧縮シリンダを相互に接続するガス流路であって、吸気弁と排気（またはクロスオーバー）弁を有し、それらの弁の間に圧力チャンバが画定されるガス流路と、
を備える。
【０００４】
いずれも本願の譲受人に譲渡されている米国特許第６，５４３，２２５号、第６，６０９，３７１号、第６，９５２，９２３号は、本願で定義するスプリットサイクル内燃機関の例を開示している。これらの特許には、その特許査定の中で背景として引用された米国ならびに外国の多数の特許と公開公報のリストが含まれている。「スプリットサイクル」との用語がこれらのエンジンについて用いられているが、これは、従来の圧力／容積オットーサイクルの４つの行程（つまり、吸気、圧縮、動力、排気）を２つの専用シリンダに文字通り分割するからであり、これらの専用シリンダとは、１つが高圧圧縮行程専用、１つが高圧動力行程専用である。
【０００５】
従来、内燃機関は使用しなかったエネルギーを熱として周辺環境中に放出する。しかしながら、この熱エネルギーの一部は再度捕捉され、使用される場合がある。このように熱エネルギーを利用することは、エンジンにより放出されるエネルギーの再利用だけでなく、燃料消費量の削減およびそれによるエンジン効率の改善を可能にする。
【０００６】
【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６，６０９，３７１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，９５２，９２３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スプリットサイクル型エンジンの例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３（スクデリ特許）において開示されており、参照により各特許の全体を本願に援用する。
【０００８】
スプリットサイクルエンジンは一般にエンジンブロックを備え、その中に第一のシリンダとこれに隣接する第二のシリンダが延びる。クランクシャフトがブロック内に軸支され、クランクシャフト軸を中心として回転する。シリンダの上端は、シリンダヘッドによって閉じられる。
【０００９】
第一と第二のシリンダは内部軸受面を画定し、その中にそれぞれパワーピストンと圧縮ピストンが受けられ、往復運動する。シリンダヘッド、パワーピストンおよび第一のシリンダは、パワーシリンダ内に可変容量燃焼室を画定する。シリンダヘッド、圧縮ピストンおよび第二のシリンダは、圧縮シリンダ内に可変容量圧縮室を画定する。シリンダヘッドはまた、吸入されたガスを吸気流路から圧縮シリンダ内に伝えるために圧縮シリンダに接続された吸気口を有する。
【００１０】
ガス流路（またはクロスオーバ流路）は、パワーシリンダと圧縮シリンダを相互接続する。ガス流路には吸気口と排気口がある。ガス流路の吸気口は圧縮シリンダに接続され、ガス流路の排気口はパワーシリンダに接続される。
【００１１】
クランクシャフトには、軸方向に移動され、角度的に偏移された第一と第二のクランクスローが設けられ、その間に位相差がある。第一のクランクスローは第一の接続ロッドによってパワーピストンに枢動可能に連結され、第二のクランクスローは第二の接続ロッドによって圧縮ピストンに枢動可能に連結されて、ピストンをそれぞれのシリンダの中で、そのクランクスローの角度偏移とシリンダ、クランク、ピストンの幾何学的関係によって決定されるタイミング関係で往復させる。
【００１２】
希望に応じて、ピストンの運動とタイミングを関係付けるための別のメカニズムも利用できる。タイミングはスクデリ特許の開示内容と同様でも、あるいは希望に応じて異なっていてもよい。
【００１３】
内燃機関（ＩＣＥ）動作モードは一般に、スプリットサイクルエンジンの通常動作モードである。従来のピストンエンジンサイクルの吸気、圧縮、動力、排気行程は、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダとパワーシリンダの間で分割される。ＩＣＥモードでは、圧縮ピストンが吸入外気を取り込み、これをパワーシリンダで使用するために圧縮する。圧縮空気は、パワーピストンが膨張行程の開始時に上死点（ＴＤＣ）の位置に到達した直後に燃料と共にパワーシリンダの中に送られる。燃料と空気の混合物はその後、パワーピストンの同じ膨張行程で点火、燃焼、膨張させられ、それによって動力をクランクシャフトに伝える。燃焼生成物は排気行程で排出される。
【００１４】
本発明による、圧縮シリンダと、パワーシリンダと、圧縮シリンダおよびパワーシリンダを相互接続するガス流路を有するスプリットサイクルエンジンのための排熱回収システムは、熱交換ユニットと、熱交換ユニットと流体連通する空気圧縮装置を備える。このシステムはまた、熱交換ユニットと流体連通し、エンジンからの排熱を受け、これを熱交換ユニットに供給する排熱入力部(waste heat input)も備える。空気を空気圧縮装置に取り込むために、外気取り入れ口が空気圧縮装置に接続されている。空気圧縮装置の、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダと流体連通する圧縮空気排出部材により、圧縮空気が空気圧縮装置からエンジンに供給される。エンジンの排熱は熱交換ユニットに伝えられ、排熱からのエネルギーは空気圧縮装置の駆動に使用され、それによって空気圧縮装置は外気取り入れ口から外気を取り込み、外気を圧縮し、圧縮空気を圧縮空気排出口からエンジンに供給する。
【００１５】
ある実施例において、エンジン冷却液サブシステムが熱交換ユニットと連通していてもよく、エンジン冷却液は、エンジンから熱交換ユニット内に循環される。さらに、エンジン排気サブシステムが熱交換ユニットと連通してエンジンの排ガスを熱交換ユニットに受け渡してもよい。システムは、熱交換ユニットと空気圧縮装置の間で熱交換媒体を循環させるための循環ラインを備えていてもよい。熱交換媒体は、冷媒か水のいずれかとすることができる。復水器が循環ラインに動作的に接続されていてもよい。熱交換媒体を循環ライン内に送り込むためのポンプが循環ラインに動作的に接続されていてもよい。
【００１６】
スプリットサイクルエンジンは貯気タンク(air storage tank)を備えていてもよく、圧縮空気が貯気タンクに保存されてもよい。第一の弁は貯気タンクへの流入を制御し、第二の弁は貯気タンクからの流出を制御し、第三の弁はガス流路内の流れを制御し、それによって貯気タンクへの流入と貯気タンクからの流出を制御する第一と第二の弁が開状態で、ガス流路内の流れを制御する第三の弁が閉状態のときに、圧縮空気は貯気タンクに導入されるのと同時に、パワーシリンダを駆動する。
【００１７】
別の実施例において、圧縮シリンダとパワーシリンダを有するスプリットサイクルエンジンのための排熱回収システムは、エンジンの排熱からの熱エネルギーを熱交換媒体に伝えるための熱交換ユニットを備える。熱交換ユニットには、排熱側と熱交換媒体側がある。熱交換ユニットの排熱側には、エンジンからの排熱を受け取り、受け取った排熱を熱交換ユニットに供給する排熱入力部がある。熱交換ユニットの熱交換媒体側には、熱交換媒体を受け取るための熱交換媒体注入口がある。排熱排出口が熱交換ユニットの排熱側に接続され、熱交換媒体排出口が熱交換ユニットの熱交換媒体側に接続されている。このシステムはまた、熱交換ユニットの熱交換媒体排出口と連通する熱交換媒体注入口を有する空気圧縮装置と、熱交換ユニットの熱交換媒体注入口にループ方式で動作的に接続された熱交換媒体排出口と、空気圧縮装置の中に外気を取り入れる外気取り入れ口と、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダの吸気口に接続され、圧縮空気をエンジンに供給する圧縮空気排出口を備える。熱交換媒体から抽出されたエネルギーは空気圧縮装置を駆動し、外気取り入れ口から外気を取り入れて、圧縮空気をエンジンへと排出する。
【００１８】
圧縮シリンダとパワーシリンダを有するスプリットサイクルエンジンから排熱を回収する方法は、空気圧縮装置を有する空気圧縮システムを設置するステップと、エンジンからの排熱を空気圧縮システムに供給するステップと、排熱からのエネルギーを利用して、空気圧縮装置に圧縮空気を生成させるための動力とするステップと、空気圧縮装置からの、排熱から生成された圧縮空気をスプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダに供給するステップと、を含む。
【００１９】
この方法のある実施例において、熱交換媒体を液相から気相に変換するために利用される熱交換ユニットが設置されてもよい。エンジンから空気圧縮システムに排熱を供給するステップは、エンジン冷却液をエンジンと熱交換ユニットの中で循環させるステップを含んでいてもよい。また、エンジンから排熱を空気圧縮システムに供給するステップは、エンジンからのエンジン排ガスを熱交換ユニットに受け渡すステップを含んでいてもよい。排ガスが熱交換ユニットに受け渡された後、排ガスはエンジン排気システムから大気中に放出される。
【００２０】
この方法はさらに、熱交換媒体を熱交換ユニットと空気圧縮装置内で循環させるステップを含んでいてもよい。熱交換媒体を循環させるステップは、熱交換媒体をポンプで送り込むステップを含んでいてもよい。空気圧縮装置の下流に、熱交換媒体を気相から液相に変換するための復水器を設置してもよい。復水器からの余分な熱は、大気中に放出されてもよい。空気圧縮装置は、外気取り入れ口から外気を取り込んでもよい。排熱から生成された圧縮空気は、エンジン空気取り入れ口に動作的に接続された圧縮空気排出口からエンジンに供給されてもよい。排熱から生成された圧縮空気はまた、スプリットサイクルエンジンの貯気タンクに保存されてもよい。さらにスプリットサイクルエンジンの貯気タンクには圧縮シリンダからの、排熱により生成された圧縮空気が導入され、これと同時に、パワーシリンダが貯気タンクからの、排熱により生成された圧縮空気で駆動されてもよい。
【００２１】
本発明の上記およびそれ以外の特徴と利点は、付属の図面および以下の本発明の詳細な説明から、さらに理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ここで、図面を詳細に参照すると、番号１０は一般に、スクデリ方式のスプリットサイクルエンジンのようなスプリットサイクルエンジンを示している。図３に示すように、スプリットサイクルエンジン１０は、少なくとも１つの圧縮シリンダ１２とこれとペアとなる隣接するパワーシリンダ１４を有するエンジンブロックを備える。エンジン１０は、圧縮シリンダとパワーシリンダのペアをいくつ備えていてもよい。ガス流路１６（クロスオーバー流路ともいわれる）は、各ペアの圧縮シリンダ１２とパワーシリンダ１４を相互接続する。ガス流路は入口と出口を有し、その間に圧力チャンバが画定される。ガス流路の入口は圧縮シリンダ１２に接続され、ガス流路の出口はパワーシリンダ１４に接続される。
【００２３】
圧縮ピストン１３が圧縮シリンダ１２の中に受けられる。同様に、パワーピストン１５がパワーシリンダ１４の中に受けられる。クランクシャフト軸を中心に回転可能なクランクシャフトが、圧縮ピストン１３とパワーピストン１５に動作的に接続される。圧縮ピストン１３は、クランクシャフトが１回転する間に吸気行程と圧縮行程を往復し、パワーピストン１５は、クランクシャフトが１回転する間に動力（または膨張）行程と排気行程を運動する。
【００２４】
圧縮シリンダ１２は、吸気流路２３から外気等の吸入ガスを圧縮シリンダ１２の中へと伝達するための吸気口１７を備える。パワーシリンダ１４は、パワーシリンダ１４から排ガス２０を排気流路２５へと放出するための排気ポート１９を備える。
【００２５】
内燃機関（ＩＣＥ）の動作モードは一般に、スプリットサイクルエンジン１０の通常動作モードである。従来のピストンエンジンサイクルの吸気、圧縮、動力および排気行程は、スプリットサイクルエンジン１０の圧縮シリンダ１２とパワーシリンダ１４の間で分割される。ＩＣＥモードにおいて、圧縮ピストン１３は吸気流路２３から取り入れ外気を取り込み、パワーシリンダ１４で使用するためにこれを圧縮する。圧縮空気と燃料ライン２２を通じて燃料タンク２７から伝達された燃料は、パワーピストン１５が膨張行程開始時にその上死点（ＴＤＣ）の位置に到達した直後に、ガス流路からパワーシリンダ１４に供給される。あるいは、燃料は、燃料ライン２２を通じてパワーシリンダ１４に直接噴射されてもよい。その後、燃料と空気の混合物はパワーピストン１４の同じ膨張行程中に点火、燃焼、膨張され、動力をクランクシャフトに伝える。燃焼生成物は、排気行程で排気流路２５から放出される。
【００２６】
任意で、エンジン１０は貯気タンク２４を備えていてもよく、これは一般に、エアハイブリッドスプリットサイクルエンジン２６と呼ばれることがある。エアハイブリッドスプリットサイクルエンジン２６は、スプリットサイクルエンジン１０の構成部品のすべてを備える。エアハイブリッドであるため、スプリットサイクルエンジン２６は、圧縮空気を貯気タンク２４に保存し、後の使用に備えることができる。貯気タンク２４の中に保存された圧縮空気は、パワーシリンダ１２の中の燃焼のために燃料と混合される取り入れ空気分(intake air charge)として使用される。
【００２７】
あるいは、貯気タンク２４からの圧縮空気は、パワーシリンダ内で燃焼が起こらないように、燃料と混合されずにパワーシリンダ１４に供給されてもよい。この動作モードでは、貯気タンク２４に保存された圧縮空気を使って、パワーシリンダ１４の中のパワーピストン１４を駆動することができる。この動作モードは一般に、エアモータリングモード(air motoring mode)と呼ばれる。
【００２８】
本発明は、スプリットサイクルエンジン１０のための排熱回収システム３０を提供する。図１に示すように、排熱回収システム３０は、スプリットサイクルエンジン１０により生成され、熱交換ユニット４６と流体連通する１つまたは複数の排熱入力部３４によって回収される排熱を利用する。排熱入力部３４は一般に、排ガスまたはエンジン冷却液等の流体からエンジン排熱を受け取る。排熱から変換されるエネルギーは、空気圧縮システム３２の動力として使用される。空気圧縮システム３２は、外気取り入れ口１８から取り込まれる外気を圧縮するための、ポンプ、タービンその他の圧縮装置のような空気圧縮装置４８を備える。圧縮空気は、空気圧縮装置４８の圧縮空気排出口３６からスプリットサイクルエンジン１０の圧縮シリンダ１２に伝達される。圧縮空気はさらに、エンジンがＩＣＥモードで動作している際、スプリットエンジン１０の動力としてすぐに使用するために、圧縮シリンダ１２の中で圧縮されてもよい。あるいは、圧縮空気を貯気タンク２４に保存し、エンジン１０に動力を供給するための、後の燃焼工程で使用するのに備えてもよい。保存された圧縮空気はまた、パワーシリンダ１４内での燃焼を必要とせずにエンジン１０の動力として使用することもできる（エアモータリングモード等）。その結果、この排熱回収システム３０はそうでなければ廃棄されるエンジンの熱を利用し、燃料消費量を削減することによって、エンジン１０の燃料効率を改善する。
【００２９】
図１から３を参照すると、排熱回収システム３０は通常、空気圧縮システム３２を備える。熱交換器等の熱交換ユニット４６と連通する１つまたは複数の排熱入力部３４から受け取ったエンジン排熱は、一般的にはエンジン冷却液、排ガスといった流体からエンジン排熱を受け取り、排熱のエネルギーを使って、外気を圧縮する空気圧縮システム３２の動力とする。圧縮空気と熱が空気圧縮システム３２から排出される。圧縮空気は、スプリットサイクルエンジン１０の圧縮シリンダ１２に供給され、エンジンによって使用されるか、あるいは後に使用するために貯気タンク２４に保存されてもよく、その詳細を以下に説明する。
【００３０】
エンジン１０によって生成されるエンジン排熱には、エンジン冷却液の熱とエンジン排ガス中の熱の両方が含まれる。エンジン冷却液サブシステム４０において、当業界で周知のように、エンジン冷却液はエンジンブロックから熱を吸収して、エンジンブロックを冷却する。エンジン冷却液サブシステム４０のエンジン冷却液は、空気圧縮システム３２に伝えられ、エンジン冷却液サブシステム還流部(return)４１を通じてエンジンに戻される。詳しくは、高温のエンジン冷却液は空気圧縮システム３２の中を循環させられて、高温のエンジン冷却液からの熱エネルギーを熱交換媒体に伝え、その後、熱交換媒体が空気圧縮システム内の循環ライン４４を通じて循環ループで流れ、エンジン冷却液を冷却する。同様に、排ガスサブシステム２０は、エンジン１０内での燃焼工程で生成された排ガスを受ける。排ガスサブシステム２０は、排ガスを空気圧縮システム３２に伝える。より詳しくは、排ガスサブシステム２０の中の高温の排ガスは、空気圧縮システム３２を通過し、熱エネルギーを熱交換媒体に伝え、排ガスを排ガス排出口４２から大気中に送り出す前に、排ガスの中の熱エネルギーを回収する。
【００３１】
エンジン冷却液サブシステム４０と排ガスサブシステム２０は、熱交換ユニット４６の排熱入力部３４と流体連通している。エンジン冷却液とエンジン排ガスからの熱は、熱交換ユニット４６を通じて熱交換媒体に伝えられる。熱交換ユニット４６は、空気圧縮システム３２の中に含められる。熱交換ユニット４６には、排熱側と熱交換媒体側がある。排熱入力部３４はエンジンからの流体（冷却液、排ガス等）を熱交換ユニット４６の排熱側へと受ける。排熱排出口４７は、熱交換ユニット４６の排熱側に接続され、流体を熱交換ユニットの排熱側の外に出す。熱交換ユニット４６の熱交換媒体側には、熱交換媒体を熱交換ユニットへと受けるための熱交換媒体注入口４９がある。熱交換媒体排出口５１は、熱交換媒体側に接続され、熱交換媒体を熱交換ユニット４６の外に出す。
【００３２】
熱交換ユニット４６は、蒸発器、ボイラまたはその他の適当な熱交換装置とすることができる。熱交換媒体は、冷媒、水またはその他、本発明の空気圧縮システム３２に適した同様の熱交換媒体とすることができる。熱交換ユニット４６において、熱交換媒体は加熱され、液相から気相へと変換される。
【００３３】
熱交換ユニット４６を通過しながら、熱交換媒体はエンジン排熱を吸収し、蒸発し、気相に変換される。膨張する気体の熱交換媒体は、熱交換ユニット４６から排出口５１を通って空気圧縮装置４８の熱交換媒体注入口５３に伝えられる。気体の熱交換媒体は空気圧縮装置４８の動力として使用され、空気圧縮装置は取り入れ口１８から外気を取り込み、圧縮空気を排出口３６から排出する。
【００３４】
熱交換媒体は、熱交換媒体排出口５５を通じて空気圧縮装置４８から出て、復水器５０に至り、ここで液化され、液相に戻る。復水器５０において、熱交換媒体４４によって余分な熱が保持されていれば、この熱は捕捉され、排気口等の熱排出口３８を通じて大気中に放出される。熱交換媒体は次に、ポンプ５２によって熱交換ユニット４６に送り戻され、流体の流れのループが完了し、そのサイクルが再び開始される。
【００３５】
空気圧縮システム３２は、スプリットサイクルエンジン１０の専用圧縮シリンダ１２に連結される。空気圧縮システム３２からの圧縮空気は、圧縮シリンダの吸気流路２３から圧縮シリンダ１２に供給される。外気もまた、吸気口１７から圧縮シリンダ１２に取り込まれ、圧縮シリンダで圧縮される。圧縮空気はその後、ガス流路１６を通ってパワーシリンダ１４に移動するかもしれない。あるいは、圧縮空気は、後にエンジン１０によって使用されるために貯気タンク２４に保存されてもよい。圧縮空気は、ガス流路１６を分岐させるポート５４を通じて貯気タンク２４の中に入ってもよい。
【００３６】
燃料は、パワーシリンダ１４の中に直接噴射され、圧縮空気３６と混合されて、動力を作り出すためにパワーシリンダの中で点火される燃焼混合物を形成してもよい。あるいは、燃料は分岐ポート５４の下流のガス流路１６の中に噴射されるポート燃料(port fuel)で、パワーシリンダ１４に入る前に圧縮空気と混合されてもよい。
【００３７】
パワーシリンダ１４内の燃焼は、高温の排ガスを生成し、これは前述のように排ガスサブシステム２０を通じて空気圧縮システム３２に供給される。さらに、エンジン１０内の燃焼がエンジンブロックを加熱する。エンジン冷却液サブシステム４０の中のエンジン冷却液は、前述のように、ポンプ５６によってエンジンブロック内の空気圧縮システム３２へと、またここから循環され、エンジンブロックを冷却する。
【００３８】
エアモータリング動作モードでは、スプリットサイクルエンジン１０は、空気圧縮システム３２によって生成され、貯気タンク２４の中に保存された圧縮空気を使って、パワーシリンダ１４の中のパワーピストン１５を駆動する。圧縮空気がパワーシリンダ１４の中で膨張した後に、空気は排気流路２５を通じて排出される。このモードにおいて、圧縮シリンダ１２はアイドル状態となり、パワーシリンダ１４の中で燃焼が起こらない。
【００３９】
次に、図４を参照すると、エアハイブリッドスプリットサイクルエンジン１２６の別の実施例において、圧縮シリンダ１１２からの圧縮された外気は、ポート１５４に接続された進入路１５８を通じて貯気タンク１２４中に入る。保存された空気は、ポート１６２に接続された排出路１６０を通じて貯気タンク１２４から出る。弁１６４，１６６はタンク１２４への流入とここからの流出を制御し、弁１６８はガス流路１１６内の流れを制御する。制御弁１６４，１６６が開状態で弁１６８が閉状態のとき、排熱から生成された圧縮空気は、排出路１６０を通じてパワーシリンダ１１４を駆動するのと同時に、流入路１５８を通じてタンク１２４に導入される。さらに、この構成において、弁１６４，１６６，１６８は、貯気タンク１２５と、圧縮シリンダ１１２かパワーシリンダ１１４のいずれかとの間の流れをさらに制御するために利用してもよい。これ以外の面では、スプリットサイクルエアハイブリッドエンジン１２６は、スプリットサイクルエアハイブリッド２６と同じ機能を有し、類似した参照番号は同様の機能を示す。
【００４０】
本発明について、特定の実施例を参照しながら説明したが、本願に記載の発明性のあるコンセプトの精神と範囲の中で、さまざまな変更を加えることができると理解するべきである。したがって、本発明は、上記の実施例に限定されるのではなく、以下の特許請求範囲の文言により定義される全範囲を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】スプリットサイクルエンジンのための排熱回収システムを全体的に表す概略図である。
【図２】空気圧縮サブシステムとエンジン排熱サブシステムを詳細に示す、図１の排熱回収システムの概略図である。
【図３】排熱回収システムを利用するスプリットサイクルエンジンの概略図である。
【図４】排熱回収システムを利用するスプリットサイクルエンジンの別の概略図である。
【図１】
2009533582.tif 000003
【図２】
2009533582.tif 000004
【図３】
2009533582.tif 000005
【図４】
2009533582.tif 000006