(57)【要約】  改善された内燃往復動エンジンが、熱再生を用いてその効率とパワーを向上させる。再生は、交互流の熱交換器を用いて行なわれる。一実施形態では、エンジンは、一対の対向するピストン（１２、１１２、１４、１１４）、すなわち静止型再生器（２８、１２８）によって隔離された高温ピストン（１４、１１４）および低温ピストン（１２、１１２）を収容する１つまたは複数のシリンダ（１０）からなる。エンジンには、ガスまたは液体燃料を前記高温容積（３２、１３２）内に導入するための手段、新鮮な作業流体を導入するための手段、および排気ガスを低温容積（３０、１３０）から除去するための手段が設けられている。一実施形態では、シリンダ（１０）から外への排気流体の流れを可能にする１つまたは複数の排気ポート（４０、１４０）が、低温ピストン（１２、１１２）と熱再生器（２８、１２８）との間に配置され、シリンダ（１０）内への新鮮な作業流体の流れを可能にする１つまたは複数の吸気ポート（３８、１３８）が低温ピストン（１２、１１２）と排気ポート（４０、１４０）との間に配置される。本エンジンによって、圧縮よりも大きい膨張がもたらされ、従来のエンジンに対する重要な向上が大幅にもたらされる。
2005509795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）は、往復運動し、パワー出力シャフト（１６）に接続される、シリンダ（１０）と、
前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置され、前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８、１２８）であって、前記高温容積（３２、１３２）は、前記再生器（２８、１２８）と前記高温ピストン（１４、１１４）との間に配置され、前記低温容積（３０、１３０）は、前記再生器（２８、１２８）と前記低温ピストン（１２、１１２）との間に配置される、熱再生器（２８、１２８）と、
前記シリンダ（１０）から外への排気流体の流れを可能にする、前記シリンダ（１０）上の少なくとも１つの排気ポート（４０、１４０）であって、前記低温ピストン（１２、１１２）と前記熱再生器（２８、１２８）との間に配置される排気ポート（４０、１４０）と、
前記シリンダ（１０）内への新鮮な作業流体の流れを可能にする、前記シリンダ（１０）上の少なくとも１つの吸気ポート（３８、１３８）であって、前記低温ピストン（１２、１１２）と前記排気ポート（４０、１４０）との間に配置される吸気ポート（３８、１３８）と、を備える再生内燃エンジン。
【請求項２】
前記シリンダ低温容積（３０、１３０）が、前記再生器（２８、１２８）に近接する第１の端部と、前記再生器（２８、１２８）から遠い位置の第２の端部とを有し、前記少なくとも１つの排気ポート（４０、１４０）は、前記第１のシリンダ端部に配置され、前記少なくとも１つの吸気ポート（３８、１３８）は前記第２のシリンダ端部に配置される請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記少なくとも１つの吸気ポート（３８、１３８）が、前記低温ピストン（１２、１１２）が前記第２の端部にあるときに前記低温容積（３０、１３０）と連絡するように構成され、前記低温ピストン（１２、１１２）が前記第１の端部にあるときに前記低温容積（３０、１３０）と連絡しないように構成される請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記排気ポート（４０、１４０）を覆いおよび覆わないスリーブ弁（４２）をさらに備える請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記１つまたは複数の吸気ポート（３８、１３８）と前記１つまたは複数の排気ポート（４０、１４０）とを開口および閉鎖することができるポペット弁（１５２、１５４）をさらに備える請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）が、前記出力シャフト（１６）に、１つまたは複数のバレル・カム（２２、２６）を介して接続される請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
燃料噴射器（４４）をさらに備える請求項１に記載のエンジン。
【請求項８】
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）は、往復運動し、パワー出力シャフト（１６）に１つまたは複数のバレル・カム（２２、２６）を介して接続される、シリンダ（１０）と、
前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置され、前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８、１２８）であって、前記高温容積（３２、１３２）は、前記再生器（２８、１２８）と前記高温ピストン（１４、１１４）との間に配置され、前記低温容積（３０、１３０）は、前記再生器（２８、１２８）と前記低温ピストン（１２、１１２）との間に配置される、熱再生器（２８、１２８）と、
前記シリンダ（１０）から外への排気流体の流れを可能にする、前記シリンダ（１０）上の少なくとも１つの排気ポート（４０、１４０）と、
前記シリンダ（１０）内への新鮮な作業流体の流れを可能にする、前記シリンダ（１０）上の少なくとも１つの吸気ポート（３８、１３８）と、を備える再生内燃エンジン。
【請求項９】
固定された再生器（２８、１２８）を有する内燃エンジンを操作する方法であって、
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、さらに前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置されて前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８、１２８）を備えるシリンダ（１０）と、
１つまたは複数の吸気ポート（３８、１３８）と、
１つまたは複数の排気ポート（４０、１４０）と、
１つまたは複数の燃料噴射器（４４）と、を備える内燃エンジンを用意するステップと、
主に前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体を圧縮し、作業流体を前記低温容積（３０、１３０）から前記高温容積（３２、１３２）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して送るステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内へ燃料を噴射し、燃焼を開始し、前記高温容積（３２、１３２）内の燃焼流体を膨張させるステップと、
作業流体の一部を前記低温容積（３０、１３０）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して移すステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の前記作業流体の一部を膨張させるステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体の一部を前記排気ポート（４０、１４０）を通して放出するとともに、追加の作業流体を前記高温容積（３２、１３２）から前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内の作業流体の残りの大部分を、前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記吸気ポート（３８、１３８）と前記排気ポート（４０、１４０）とを介して、作業流体を部分的に置換するステップと、を含む方法。
【請求項１０】
作業流体を部分的に置換するステップがさらに、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置に保持するか、またはその位置まで移動させて保持するステップと、
前記排気ポート（４０、１４０）を閉じるステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置まで移動させて、これによって新鮮な作業流体をシリンダ（１０）内に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して取り入れるステップと、を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
作業流体の一部を放出するステップと、作業流体の残りの大部分を移すステップと、作業流体を部分的に置換するステップとが、実質的に互いにオーバーラップする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
作業流体の一部を放出するステップと、作業流体の残りの大部分を移すステップと、作業流体を部分的に置換するステップとが、実質的に同時のステップである請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記吸気ポート（３８、１３８）と前記排気ポート（４０、１４０）とに、ガス置換を容易にするための適切な弁が取り付けられている請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記吸気ポート（３８、１３８）と前記排気ポート（４０、１４０）とが、低温ピストン（１２、１１２）の動作によって主に制御される請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記吸気ポートと前記排気ポート（４０、１４０）とが、低温ピストン（１２、１１２）の動作によっておよびシリンダ（１０）外部の弁（４２）によって制御される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記吸気ポート（３８、１３８）と前記排気ポート（４０、１４０）とを介して作業流体を部分的に置換する前記ステップを、
前記排気ポート（４０、１４０）を開けるステップと、
前記吸気ポート（３８、１３８）を開けるステップと、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置付近にほぼ静止させた状態で保持し、前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置付近に保持するステップと、
新鮮な加圧作業流体が前記シリンダ（１０）に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して入ることを可能にするかまたは引き起こし、作業流体を前記シリンダ（１０）から前記排気ポート（４０、１４０）を通して強制的に出すステップと、のスカベンジング・プロセスによって行なう請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
作業流体を部分的に置換するステップがさらに、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置に保持するか、またはその位置まで移動させて保持するステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置から内側の位置まで移動させて、これによって作業流体を前記排気ポート（４０、１４０）から強制的に出すステップと、
前記排気ポート（４０、１４０）を閉じて、前記吸気ポート（３８、１３８）を開けるステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置まで移動させて、これによって新鮮な作業流体をシリンダ（１０）内に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して取り入れるステップと、を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記排気ポート（４０、１４０）を閉じて前記吸気ポート（３８、１３８）を開けるステップがさらに、前記排気ポート（４０、１４０）を、前記吸気ポート（３８、１３８）を開ける前に閉じることを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
作業流体を圧縮するステップがさらに、前記低温ピストン（１２、１１２）を、その最も外側の位置付近からその最も内側の位置付近まで移動させる一方で、前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置にまたはその付近に保持することを含む請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記高温容積（３２、１３２）内の作業流体を膨張させるステップがさらに、前記高温ピストン（１４、１１４）を、その最も内側の位置付近からその最も外側の位置まで移動させる一方で、前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も内側の位置にまたはその付近に保持することを含む請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
作業流体の残りの大部分を移すステップを、前記吸気ポート（３８、１３８）と前記排気ポート（４０、１４０）とを介して作業流体を部分的に置換するステップの前に完了させる請求項９に記載の方法。
【請求項２２】
作業流体の残りの大部分を移すステップを、前記吸気ポートと前記排気ポート（４０、１４０）とを介して作業流体を部分的に置換するステップの間に、部分的にまたは完全に行なう請求項９に記載の方法。
【請求項２３】
前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）を出力シャフト（１６）に接続する１つまたは複数のバレル・カム（２２、２６）を設けるステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
固定された再生器（２８、１２８）を有する内燃エンジンを操作する方法であって、
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、さらに前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置されて前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８、１２８）を備えるシリンダ（１０）と、
１つまたは複数の吸気ポート（３８、１３８）と、
１つまたは複数の排気ポート（４０、１４０）と、
１つまたは複数の燃料噴射器（４４）と、を備える内燃エンジンを用意するステップと、
主に前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体を圧縮し、作業流体を前記低温容積（３０、１３０）から前記高温容積（３２、１３２）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して送るステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内へ燃料を噴射し、燃焼を開始し、前記高温容積（３２、１３２）内の燃焼流体を膨張させるステップと、
作業流体の一部を前記低温容積（３０、１３０）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して移すステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の前記作業流体の一部を膨張させるステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内の作業流体の残りの大部分を、前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記排気ポート（４０、１４０）を開けるステップと、
前記吸気ポート（３８、１３８）を開けるステップと、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置付近にほぼ静止させた状態で保持し、前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置付近に保持するステップと、
新鮮な加圧作業流体が前記シリンダ（１０）に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して入ることを可能にするかまたは引き起こし、作業流体を前記シリンダ（１０）から前記排気ポート（４０、１４０）を通して強制的に出すステップと、を含む方法。
【請求項２５】
固定された再生器（２８、１２８）を有する内燃エンジンを操作する方法であって、
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、さらに前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置されて前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８）を備えるシリンダ（１０）と、
１つまたは複数の吸気ポート（３８、１３８）と、
１つまたは複数の排気ポート（４０、１４０）と、
１つまたは複数の燃料噴射器（４４）と、を備える内燃エンジンを用意するステップと、
主に前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体を圧縮し、作業流体を前記低温容積（３０、１３０）から前記高温容積（３２、１３２）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して送るステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内へ燃料を噴射し、燃焼を開始し、前記高温容積（３２、１３２）内の燃焼流体を膨張させるステップと、
作業流体の一部を前記低温容積（３０、１３０）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して移すステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の前記作業流体の一部を膨張させるステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体の一部を前記排気ポート（４０、１４０）を通して放出するとともに、追加の作業流体を前記高温容積（３２、１３２）から前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内の作業流体の残りの大部分を、前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置に保持するか、またはその位置まで移動させて保持するステップと、
前記排気ポート（４０、１４０）を閉じるステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置まで移動させて、これによって新鮮な作業流体をシリンダ（１０）内に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して取り入れるステップと、を含む方法。
【請求項２６】
固定された再生器を有する内燃エンジンを操作する方法であって、
少なくとも１つのシリンダ（１０）であって、可動の高温ピストン（１４、１１４）によって一端が閉じ、可動の低温ピストン（１２、１１２）によって他端が閉じ、さらに前記シリンダ（１０）内で前記ピストン（１２、１１２、１４、１１４）間に配置されて前記シリンダ（１０）を高温容積（３２、１３２）と低温容積（３０、１３０）とに分割する熱再生器（２８、１２８）を備えるシリンダ（１０）と、
１つまたは複数の吸気ポート（３８）と、
１つまたは複数の排気ポート（４０）と、
１つまたは複数の燃料噴射器（４４）と、を備える内燃エンジンを用意するステップと、
主に前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体を圧縮し、作業流体を前記低温容積（３０、１３０）から前記高温容積（３２、１３２）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して送るステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内へ燃料（４４）を噴射し、燃焼を開始し、前記高温容積（３２、１３２）内の燃焼流体を膨張させるステップと、
作業流体の一部を前記低温容積（３０、１３０）へ、前記再生器（２８、１２８）を通して移すステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の前記作業流体の一部を膨張させるステップと、
前記高温容積のサイズをほぼ一定に保持しながら、前記低温容積（３０、１３０）内の作業流体の一部を前記排気ポート（４０、１４０）を通して放出するとともに、追加の作業流体を前記高温容積（３２、１３２）から前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記高温容積（３２、１３２）内の作業流体の残りの大部分を、前記再生器（２８、１２８）を通して前記低温容積（３０、１３０）内へ移すステップと、
前記高温ピストン（１４、１１４）をその最も内側の位置に保持するか、またはその位置まで移動させて保持するステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置から内側の位置まで移動させて、これによって作業流体を前記排気ポート（４０、１４０）から強制的に出すステップと、
前記排気ポート（４０、１４０）を閉じて、前記吸気ポート（３８、１３８）を開けるステップと、
前記低温ピストン（１２、１１２）をその最も外側の位置まで移動させて、これによって新鮮な作業流体をシリンダ（１０）内に前記吸気ポート（３８、１３８）を通して取り入れるステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃往復動エンジンの改善に関する。本エンジンでは、熱再生を用いてその効率およびパワーを向上させる。再生は、交互流の熱交換器（以後、再生器と言い、レキュペレータと呼ぶこともある）を用いることによって行なう。エンジンは、静止型再生器によって隔離された一対の対向するピストンを収容する１つまたは複数のシリンダから構成される。ピストンは、１つまたは複数のパワー出力シャフトに好適に接続されている。再生器の一方の側の容積、すなわち再生器と一方のピストンとの間の容積を、高温容積と言う。再生器と他方のピストンとの間の容積を、低温容積と言う。エンジンには、ガスまたは液体燃料を前記高温容積中に導入するための手段が備え付けられている。また新鮮な作業流体を導入し、排気ガスを低温容積から除去するための手段が装備されている。このエンジンは、再生オットまたはディーゼル・サイクルによって近似される熱力学サイクルを行なう。それによって、圧縮よりも大きい膨張、および他の独特な動作上の特徴がもたらされ、従来のエンジンに対する重要な向上が大幅にもたらされる。
【背景技術】
【０００２】
熱再生とは、熱力学サイクル（または何らかの熱力学サイクルで動作する熱エンジン）から熱エネルギーを捕らえること、およびそのエネルギーをサイクルまたはエンジンで用いて、サイクルまたはエンジンの性能を向上させることである。これは、多くの熱エンジン、たとえばスターリング・エンジン、ガス・タービン、およびランキン・サイクル装置で、広く行なわれていることである。ガス・タービンは、圧縮機、燃焼器、およびタービンから構成されるが、ここではタービンを出て行く空気の温度の方が、圧縮機を出て行く空気の温度よりも高い場合が多い。タービン排気中のエネルギーを、圧縮機を出て行く空気に移すことができれば、空気温度を所要のタービン入口温度まで上げるだけの熱（燃料）を燃焼器内に加える必要がなくなる。これは、行なう仕事量は同じなのに、使用する燃料は少ないことを意味する。こうしてこのように熱再生されたガス・タービンの一定の燃料消費量が改善される。ガス・タービンの熱再生は、エネルギーを排気ガスから圧縮空気へ移す交互流の熱交換器を用いることによって広く行なわれている。
【０００３】
基本的には、どんな内燃エンジンも熱再生することができる。これは熱を、膨張行程の終わりでのガスから、圧縮行程の終わりでの次のサイクルへ移すことによって行なうことができる。その結果得られる利益は相当なものである。再生ガス・タービンの場合と同様にして、燃料消費量は少なくなる。
【０００４】
加えて再生内燃エンジンは、ガス温度を上げることが熱力学的に可能である。その結果、効率およびパワーがさらに大きく向上する。往復動エンジンがこのような高い温度を経るのはほんの短い時間なので、往復動エンジンはこのような高い温度にある程度耐えることができる。再生の利益は、温度が制限されるガス・タービンの場合よりも、内燃エンジンの場合の方がさらに大きい。 熱再生されたガソリンまたはディーゼル・エンジンの利点は、容易に明らかであり相当に大きい。残念ながら、このことを行なえる実用的で効果的な手段は、これまで開示も開発もされてこなかった。
【０００５】
再生ガス・タービンの場合と同様に、内燃エンジンたとえば往復動エンジン内での再生式熱伝達は、交互流の熱交換器を用いることで最も良く行なうことができる。このアプローチは、外燃スターリング・エンジンで広く適用されており、再生内燃往復動エンジンに対して種々の形態で提案されている。２つの基本的なアプローチが存在する。（１）作業流体を強制的に、静止型再生器を通過させる、または（２）再生器をガスの中を移動させる。
【０００６】
この分野の発明者の多くが、前者のアプローチ、すなわち静止型再生器を取った。この結果、多くのアプローチ、たとえば（特許文献１）ヒルシュ（Ｈｉｒｓｃｈ）、（特許文献２）マーチンカ（Ｍａｒｔｉｎｋａ）、（特許文献３）パッタス（Ｐａｔｔａｓ）、（特許文献４）ブランド（Ｂｌａｎｄ）、（特許文献５）ペフェーレ（Ｐｆｅｆｆｅｒｌｅ）、（特許文献６）コーワンス（Ｃｏｗａｎｓ）、（特許文献７）ストックトン（Ｓｔｏｃｋｔｏｎ）、（特許文献８）ウェバ（Ｗｅｂｂｅｒ）、（非特許文献１）および（非特許文献２）に見られるものがなされた。これらのアプローチにはすべて、少なくとも２つのシリンダが含まれており、通常は１番目で圧縮が起こり、２番目で燃焼および膨張が起こる。これらのシリンダを接続する流れ経路に、またはシリンダの一方に、再生器を含む静止型透過性材料が存在する。再生器は、交互流の熱交換器である。膨張した燃焼ガスが、再生器を通過して、熱エネルギーを再生器に移す。次のサイクルの間、圧縮空気が強制的に再生器を通されて、このエネルギーを吸収する。こうして熱が、高温の排気ガスから圧縮空気へ移される。これが熱再生の骨子である。
【０００７】
残念なことに、静止型再生器を用いて再生内燃往復動エンジンを実行するこれら以前のアプローチはどれも、成功していない。これは、これまでの発明者には明らかでなかった多くの原因があったためである。たとえば、発明者が一般に利用できる計算能力が不十分であったこと、このようなエンジンを適切に分析するには非常に長い時間が必要であったこと、または両方である。本発明者らは、再生エンジンの詳細なコンピュータ・モデルを開発して、実行されるプロセスに対する新しい見識をもたらし、本明細書で開示される再生エンジンの改善を実証した。
【０００８】
これら以前の静止型再生器エンジンのデザインとの主な違いは、それらに、サイクル中の適切な時点で再生器を通してガスを移動させる能力がないということである。これは、非常に重要なことであり、大部分動かないエンジンと高い燃料経済性およびパワー密度を有するエンジンとの間の違いのすべてを形成し得るものである。本発明の主な新しい特徴の１つは、ピストンのほぼ最適な動作を認識して特定することである。また、このような動作を行なうことができる手段ももたらす。
【０００９】
以前の再生エンジン・デザインのうち最も有望なものの１つにおいては、単一シリンダを静止型再生器によって２つの部分に分割している。再生器は、ディスク形状をした多孔質の高温材料で、その直径はシリンダ内径に等しい。シリンダの端部は、駆動メカニズムを介してパワー出力シャフトに接続されるピストンによって閉じている。一方のピストンと再生器との間の容積を低温容積と言い、この低温容積内の作業流体を置換するための手段が隣接している。再生器と他方の容積との間の容積を高温容積と言い、高温容積内に燃料を噴射するための手段が隣接している。高温容積内のピストンを高温ピストンと言い、低温容積内のピストンを低温ピストンと言う。
【００１０】
静止型再生器エンジンでは、ピストンの作用によって強制的に作業流体を再生器に通す。エンジン性能は、正確なピストンの動作計画に大きく依存する。これまでの再生エンジンの発明者は誰も、所要のピストン動作をもたらすことができるメカニズムを提案していなかった。またこれまでの発明者は誰も、所要のピストン動作を、適切な駆動メカニズムを選択または開発できる程に十分詳細には特定していなかった。たとえば、（特許文献３）では、エンジン内のピストン位置を制御するピストン駆動メカニズムとしての従来のクランクおよび偏心機構が開示されている。このようなメカニズムでは、再生サイクルに必要な極めて独特な非正弦タイプの動作をもたらすことは不可能である。後述するように、はるかにフレキシブルなデザイン・アプローチがピストン動作メカニズムには必要である。
【００１１】
ピストン動作を制御するためのこのような典型的な実施形態の１つは、バレル・カム、あるいは軸カムまたは円筒カムとして知られるものを有するエンジンである。この目的に有用な対向するピストン・カムエンジンが、（特許文献９）ローウィ（Ｌｏｗｉ）に開示されている。なおこの文献は、本明細書で開示されているかのごとく、その全体が参照により取り入れられている。
【００１２】
以前のデザインの多くは、満足のいくピストン動作をもたらすことも特定することもできないだけでなく、特定するピストン動作が不正確または不十分な動作であった。たとえばパッタスの提案は、高温ガスが高温側で膨張した後に、高温ガスが再生器を通して強制的に戻されるように、高温ピストンを移動させなければならないというものである。すなわち、「低温ガス部分のシリンダ内に作業媒体が溜まったら、低温ピストンを再生器から離すように移動させて、低温ガス部分を膨張させる」。本発明者らの分析によれば、このタイプの動作では性能が極めて不十分であることが明らかである。低温ピストンをその完全に外側位置付近の位置まで移動させることでガスを十分に膨張させて、高温ピストンの内側行程を行なう前にシリンダを「ブロー・ダウン」する方が、はるかに有利である。本明細書で開示するエンジンでは、ピストンのほぼ最適な動作をもたらすことによって、またこれらの動作を実行できるピストン駆動メカニズムをもたらすことによって、この障害を避けている。
【００１３】
最後に、本明細書で開示するエンジンには、本来的に、圧縮よりも大きい膨張、すなわちプロセスとしては、「ミラー・サイクル」と言われ、より一般的には、より完全な膨張サイクルとして知られるプロセスをもたらす能力がある。この特徴によって、燃料効率およびパワーを劇的に向上させることができる。
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願第１５５，０８７号明細書
【特許文献２】米国特許出願第２，２３９，９２２号明細書
【特許文献３】米国特許出願第３，７７７，７１８号明細書
【特許文献４】米国特許出願第３，８７１，１７９号明細書
【特許文献５】米国特許出願第３，９２３，０１１号明細書
【特許文献６】米国特許出願第４，００４，４２１号明細書
【特許文献７】米国特許出願第４，０７４，５３３号明細書
【特許文献８】米国特許出願第４，６３０，４４７号明細書
【特許文献９】米国特許出願第５，３７５，５６７号明細書
【非特許文献１】ＳＡＥペーパー９３００６３（ルイズ（Ｒｕｉｚ））、１９９３
【非特許文献２】カーマイケル（Ｃａｒｍｉｃｈａｅｌ）（クルジャピン・マスタ（Ｃｈｒｊａｐｉｎ  Ｍａｓｔｅｒ）学位論文（ＭＩＴ、１９７５））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の主な目的は、高効率の再生内燃エンジンを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、非常に高いブレーキ平均有効圧力を有するエンジンを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、オットまたはディーゼル・サイクル・エンジンの再生から得られる高い利益を用いることである。
【００１８】
本発明の他の目的は、バレル・カムを用いて達成できるピストン動作中の高い自由度を用いることで、再生エンジンに必要な極めて非従来的なピストン動作をもたらすことである。
【００１９】
本発明の別の目的は、良好な性能をもたらすようにピストン動作がデザインされた静止型再生器を用いる再生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】
【００２０】
本発明は、類似する複数の作業ユニット（多くの場合、シリンダと言われる）から構成される内燃往復再生エンジンである。各作業ユニットは、パワー出力シャフトに接続される可動ピストンによって各端部が閉じられるシリンダからなる。シリンダに出入りする作業流体の流れを可能にしおよび制御して、シリンダ内へ燃料を噴射する手段が設けられている。交互流の熱交換器（再生器と言われる）が、シリンダ内でピストン間に配置されている。次のプロセスが起こるように、ピストンが移動し、他の手段が装備される。すなわち（１）作業流体の圧縮、（２）作業流体の再生加熱、（３）加熱された作業流体中での燃焼、（４）作業流体の膨張、（５）作業流体の再生冷却、および（６）作業流体の一部の置換、である。これらのプロセスは連続的に起こり、ある程度オーバーラップしている。本発明の主なそして最も特有の特徴は、これらのプロセスが、最適なパワーおよび燃料効率をもたらすように、適切な仕方およびタイミングで行なわれることである。
【００２１】
本発明の一実施形態では、このエンジンの熱力学サイクルに必要な独特な仕方でピストンを移動させられる手段として、バレル・カムを用いる。
【００２２】
他の目的、利点、および新しい特徴は、以下に示す発明の詳細な説明を添付の図面と関連させて考慮することから明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、静止型再生器を用いる再生往復動内燃エンジンである。このエンジンは、ガス置換、圧縮、再生加熱、膨張、および再生冷却のプロセスからなる従来のガス置換サイクルによって動作することができる。またこのエンジンは、同じプロセスを行なう拡張ガス置換サイクルによって動作することもでき、拡張ガス置換サイクルは別個の吸気および排気プロセスを用いるものである。
【００２４】
このエンジンの例示的な実施形態で用いることが予想される作業流体は、空気である。しかし燃料との発熱化学反応を受けるものであれば、ガスおよび液体のどんな混合物も用いることができる。燃料は、作業流体と反応できるものであれば、どんな固体燃料、液体燃料（たとえばディーゼル燃料またはガソリン）、またはガス燃料（たとえば天然ガスまたはプロパン）であっても良い。
【００２５】
図１に、本発明の第１の実施形態を示す。この実施形態は、低温ピストンの動作が大部分ないガス置換プロセスを用いるこのエンジンの単一シリンダ１０を含む。シリンダ１０は、対向するピストン１２および１４によって両側が閉じている。第１の低温ピストン１２はパワー出力シャフト１６に、ピストン・ロッド１８と、低温ピストン１２の直線運動をパワー出力シャフト１６の回転運動に変換する適切な駆動メカニズムとを介して、接続されている。例示した実施形態では、駆動メカニズムは、ローラ・フォロア２０とバレル・カム２２とを含むピストン・ロッド・ローラ・アセンブリから構成される。ローラ・フォロア２０は、バレル・カム２２の外面またはリムに沿って回転する転動体（たとえばホイール）である。このバレル・カム２２のリムがその軸方向位置をバレル・カム２２の周囲に沿って変えることで、ピストン１２の位置が変化する。当業者に知られる他の方法を用いて、ピストン１２の直線運動をシャフト１６の回転運動に変換することもできる。またこのような駆動メカニズムの変形は、本発明の一般的なコンセプトの中に包含されている。
【００２６】
第２の高温ピストン１４がパワー出力シャフト１６に、他のピストン・ロッド２４と、高温ピストン１４の直線運動をパワー出力シャフトの回転運動に変換する駆動メカニズムとを介して、接続されている。例示した実施形態では、この駆動メカニズムは、ピストン・ロッド・ローラ・アセンブリ２１とバレル・カム２６とから構成される。
【００２７】
また高温および低温ピストン用の駆動メカニズムは同じである必要はないことが明らかである。たとえばバレル・カムを一方のピストンに使用し、代替的な駆動メカニズムを他方に用いても良い。高温および低温ピストンの動作および負荷の違いによって、このようなアプローチが好ましい場合がある。
【００２８】
シリンダは、再生器２８によって２つの部分に分割されている。再生器は、シリンダ内に配置された多孔質材料であり、再生器の一方の側から再生器の他方の側へ移動する作業流体はどれも、前記再生器を通過しなければならないようになっている。低温ピストン１２と再生器２８との間の可変サイズの容積を、低温容積３０と言う。再生器２８と高温ピストン１４との間の可変サイズの容積を、高温容積３２と言う。低温容積３０を囲むシリンダ部分を低温シリンダ３４と言い、高温容積を囲むシリンダ部分を高温シリンダ３６と言う。
【００２９】
作業流体を流入および流出させるための手段が、１つまたは複数の吸気ポート３８および排気ポート４０によって、それぞれ装備されている。図１の典型的な実施形態では、排気ポート４０の開閉は、スリーブ弁４２によって行なうことができる。後述するように、いくつかの実施形態では、排気ポート４２の開閉を、低温ピストン１２で覆う／覆わないによって行なうことができる。吸気ポート３８の開閉は、低温ピストン１２で覆う／覆わないによって、またはスリーブ弁内のポートによって、または両方によって行なう。吸気ポート３８は、新鮮な作業流体の供給源に接続されており、ターボチャージャ、スーパーチャージャ、またはクランク室掃気手段（通常２つの小さい行程エンジンに適用される）によって加圧しても良い。新鮮な作業流体を適切なタイミングでシリンダ内に導入することができるとともに、排気ガスを除去することができる他の弁メカニズム、たとえばポペット弁、ロータリー弁、スライド弁、バタフライ弁、スリーブ弁、またはボール弁を用いることもできる。これらの弁メカニズムは、シリンダ壁またはピストンを通して、低温容積３０と連絡する。シリンダ壁の外に位置するスリーブ弁、および回転、往復運動、または両方を行なうスリーブ弁も、適用することができる。
【００３０】
静止型ポートが低温ピストンによって完全に制御されるポート式デザインも、可能である。このような例の１つは、２行程サイクル・エンジン技術では「ループ」スカベンジングとして、一般的に知られている。このようなポーティングは、流れのタイミングをさらに最適化するために、外部弁を、吸気および排気ヘッダの一方または両方に対して用いても良い。たとえば、自動の一方向リード弁を入口ダクト内に取り入れて、入口ポートが開の場合かつ吸気圧がシリンダ圧を超えた場合にのみ流れが通過できるようにしても良い。その結果、排気ガスの逆流を防ぐことができる。他の例は、当該技術分野においてＭＡＮスカベンジングとして知られるものである。ここでは、排気ポートが吸気ポートよりも高く、そのためピストンがその外側行程にあるときに、排気ポートが先に開き、その結果、吸気システムがシリンダ圧にさらされる前に、排気ガスが排気ガス・マニフォールドを通ってブロー・ダウンすることができるものである。そして、過剰なスカベンジ空気流を防いでシリンダのスーパーチャージングを可能にするために、排気ポートがピストンの到達によって閉じる前に、排気ポートを外部の機械的動作弁たとえばバタフライまたはロータリー弁によって閉じる。最後に、シリンダに作用する軸方向の力が小さいため、ガス置換用に開口部を設ける必要がある場合に、シリンダを引き離すことができるように、低温容積内のシリンダを「分断」することができる。
【００３１】
高温シリンダ１４には、燃料を導入するための手段が設けられている。たとえば１つまたは複数の燃料噴射器４４がシリンダ１４に載置されていて、細かく分散された燃料を高温容積３２中にエンジン・サイクルの適切な時に導入するようになっている。典型的な実施形態の高温容積３２は通常、従来のディーゼルまたはガソリン・エンジンよりも、はるかに高温である。このような高温および結果として生じる熱損失のため、高温ピストン１４の面に、高温シリンダ３６の壁に、または両方に、熱障壁を設けることが有利であると考えられる。これらの熱障壁は、高温に耐えることができて熱伝導率が低い材料からなるコーティング、プレート、シート、または他の構造から構成することができる。使用できる熱障壁材料の例は、ジルコニアなどのセラミックスである。高温ピストンおよび高温シリンダを冷却することもできる。
【００３２】
シリンダは、断面が一定である必要はない。すなわち高温シリンダ３６の内径は、低温シリンダ３４の内径と同じである必要はない。また２つのピストン１２および１４の行程は通常、同じではない。最後に、円筒型の高温および低温容積の軸を軸合わせする必要は、まったくない。すなわちシリンダを再生器の場所で曲げることができ、その結果、シリンダが、軸合わせされていない２つのシリンダから構成され、これらはその端部で結合されて、その結合部分に再生器が含まれることになる。最後に、再生器を正確に円板状にする必要はない。再生器を、一方向に曲げることができ、すなわち凹凸状にすることができ、または円錐状もしくは他の形状にすることもできる。しかしピストン面の表面は、最も近い再生器面と一致していることが好ましい。こうすることで、各ピストンの最も内側の位置において、再生器とピストンとの間の容積が最小になる。
【００３３】
図２Ａ〜２Ｈに、このエンジンの従来のガス置換サイクルからなる一連のプロセスを示す。これらの図は、図１に例示したエンジン・デザインに基づいている。図２Ａ〜２Ｈの略図ではスリーブは示していない。またポートは、開のときまたは参照されるときにのみ示している。しかし当業者であれば、スリーブをどのように用いてポートを開閉するかを理解するであろう。他のデザイン・アプローチ、たとえば直径が異なるシリンダが高温および低温容積３０および３２を囲んでいるもの、または異なるバルブ・アプローチを、これらの基本的なプロセスを変えることも発明のコンセプトから逸脱することもなく、用いることができる。実際には、機械的な制約があるために、通常はこれらのプロセスには多少の重複がある。以下に示すこの図の説明では、用語内側は、再生器に向かう動作を指し、用語外側は、再生器から離れる動作を指す。
【００３４】
図２Ａは、圧縮行程の開始時のエンジン構成を示す。低温ピストン１２が、再生器２８に向かって動き始めたところである。吸気ポート３８は、ピストン、スリーブ、または両方で覆うことで閉じており、排気ポート４０はスリーブによって閉じている。これらのポートを閉じる正確かつ最適なタイミングおよび順番は、吸気および排気マニフォールド圧ならびに他の因子に依存する。高温ピストン１４は再生器２８に近接している。高温ピストン１４が再生器２８に再近接する位置では、ギャップはほんのわずかで、エンジン・コンポーネントの許容誤差の変動による必然的な分だけであり、これによって高温ピストン１４が再生器２８から隔離されている。
【００３５】
図２Ｂでは、低温ピストン１２は、再生器２８に近接する位置まで移動しており、高温ピストン１４は、再生器２８に再近接する位置でまたはこの位置に非常に近い所で、大部分静止した状態のままである。これは、シリンダ内のガス圧縮が最大になる時点である。この最大圧縮の時点での低温ピストン１２の位置は、その内側移動の限界であり得る（すなわち、再生器２８からの隔離が最小限）、または所要の圧縮比に依存して、その位置からわずかに外側であり得る。
【００３６】
図２Ｂと２Ｃとの間では、低温ピストン１２は、再生器２８との再近接距離になければ内側動作を続け、高温ピストン１４は再生器２８から離れるように移動し始める。これによって圧縮作業流体が強制的に、低温容積３０から高温容積３２へと再生器２８を通過させられ、再生器２８の高温内面からエネルギーを吸収する。これを、再生式加熱プロセスと言う。この再生式加熱プロセスの間に、高温容積３２内への燃料噴射が開始される。図２Ｃでは、低温ピストン１２が、再生器２８との最近接位置に到達していて、ギャップはほんのわずかである。ギャップは、エンジン・コンポーネントの許容誤差の変動による必然的な分だけであり、これによって高温ピストン１２が再生器２８から隔離されている。
【００３７】
図２Ｃ〜２Ｄそして２Ｅに示すように、低温ピストン１２は大部分静止した状態のままであり、高温ピストン１４は再生器２８から離れる動作を続けて、高温容積３２を膨張させる。そのうち燃料噴射を開始した直後に（図２Ｄ）、高温容積３２内の非常に高温の作業流体によって燃料が点火する。燃料が消費されるにつれ、高温ピストン１４は外側に移動して、再生器２８からの隔離が最大になる。これが高温側膨張または高温ピストン動力行程である。図２Ｅに、この高温側膨張の終了を示す。
【００３８】
次のステップは、本発明の有利な点の１つを強調するものである。他の再生エンジン（たとえばパッタス）では、高温ピストンは再生器に向かって移動し、同時に低温ピストンは再生器から離れるように移動する。発明者らの分析によれば、このアプローチでは、エンジン燃料の経済性が最大にならない。図２Ｅおよび図２Ｆに示すように、高温ピストン１４をその最も外側の位置にほぼ静止させた状態のままで、低温ピストン１２をその最も外側の位置に移動させることによって、作業流体をより十分に膨張させることが好ましい。しかし本発明は、この高温そして低温のピストン膨張プロセスのみに特定的に依存するわけではない。と言うのは、ピストンが同時に移動して膨張するプロセスが好ましい用途またはエンジン動作条件（たとえば非常に負荷の軽いエンジン）がいくらかは存在すると考えられるからである。
【００３９】
典型的な実施形態のある用途において、作業流体を十分に膨張させる前述のアプローチを用いる理論的根拠は、以下の内容から明らかである。高温側の膨張の後（図２Ｅ）、シリンダ内には相当な圧力が依然として存在している。高温ピストン１４を内側に（再生器に向かって）移動させると同時に、低温ピストン１２が外側に（再生器から離れるように）移動している場合には、高温ピストン１４によってシャフトから仕事量が取り去られると同時に、低温ピストン１２は仕事量を加えている。しかし最初に低温ピストン１２が移動する場合には、仕事量が作業流体から抽出されてシャフトへ移される。低温ピストン１２がその最も外側の位置に近づくにつれて（図２Ｆ）、排気弁４０が開いてブローダウンが起こる。低温側の膨張およびブローダウンによってシリンダ内の圧力が低下した後に、高温ピストン１４が再生器２８に向かって移動する。今回は圧力が非常に小さいので、高温ピストン１４を内側に移動させるために必要なエンジン仕事量は小さい。そのため、抽出される正味の仕事量が多い。この一連のプロセスによって、一般に「ミラー・サイクル」と言われるものがもたらされる。その結果、作業流体は、圧縮よりも大きい膨張を受けるため、性能がさらに向上する
【００４０】
図２Ｆに、低温ピストン１２がその外側の位置に近づくにつれて、排気ポート４０が開く様子を示す。この結果、シリンダ・ガスのブローダウンが起こる。低温容積３０での膨張の間、およびブローダウンの間、作業流体の一部が高温容積３２から低温容積３０へ移動して、再生器２８を通過する。通過するにつれて、ガスによって熱エネルギーが再生器２８へ移される。これを、再生式冷却プロセスの第１の部分と言う。また図２Ｅと２Ｆとの間に示す低温ピストン１２のこの動作を、低温側膨張とも言う。
【００４１】
図２Ｆと２Ｇとに示す位置の間で、高温ピストン１４がその外側の位置からその最も内側の位置まで移動して、再生器２８に隣接する。この動作によって、再生器２８を通るさらなるマス・フローおよび再生器２８への熱伝達が生じる。この高温ピストン行程を、再生式冷却プロセスの第２の部分と言う。高温ピストン１４がこの行程を行なう前または行なう間に、吸気ポート３８が開いてスカベンジングが始まる。スカベンジングの間、作業流体の一部が、強制的に排気ポート４０から出されて、吸気ポート３８からの新鮮な作業流体と置換される。
【００４２】
スカベンジングを終了した後にスーパーチャージング・プロセスを用いることも有利であると考えられる。図２Ｈに、このプロセスを示す。ここでは、排気ポート４０を閉じることによって、シリンダを吸気ポートから、吸気ポート３８を閉じる前に加圧する。その代わりに、吸気ポート３８と排気ポート４０との両方を、よりほぼ同時に閉じることが、満足のいくまたは好ましいものであると考えられる。これが有利であるかどうかは、吸気および排気マニフォールド内での相対圧力、弁またはスリーブのタイミング能力、および他の因子に依存する。吸気マニフォールド圧が排気マニフォールド圧よりもはるかに高い場合には、シリンダをスーパーチャージングすることが一般に有利である。
【００４３】
シリンダをスーパーチャージしようとしまいと、両ポートを、低温ピストンの内側行程（圧縮行程）の始まり付近で閉じる。こうしてサイクルが完了して、図２Ａに戻る。
【００４４】
図３は、本発明の再生エンジンの第２の例示的な実施形態のシリンダの概略的な図面である。この図面は、図１の図面ほど詳細ではないが、図１との実質的な違いは以下の通りだけである。（１）このエンジンは、吸気ポート１３８が、排気ポート１４０に隣接して再生器１２８の近くにある、（２）１つまたは複数の吸気ポペット弁１５２が、１つまたは複数の吸気ポートの開閉を制御するために用いられている、および（３）１つまたは複数の排気ポペット弁１５４が、１つまたは複数の排気ポートの開閉を制御するために用いられている。これらの吸気および排気ポート経路ならびに付随する弁は、スリーブ弁によって操作されるポートとすることもできるし、経路の流れを制御するために一般に用いられる他の手段とすることもできる。カバー弁を有する１つまたは複数のポートを、排気および吸気経路のそれぞれに対して用いても良い。最後に、シリンダに作用する軸方向の力が小さいため、ガス置換のために開口部を設ける必要がある場合に、シリンダを引き離すことができるように、低温容積内のシリンダを「分断」することができる。
【００４５】
図３には、本発明のこの実施形態に対する駆動メカニズムは示していないが、図１の場合のメカニズムと類似または同一であると考えられる。唯一の違いは、バレル・カムの表面形状であるが、これはどちらの図面にも示されてない詳細である。
【００４６】
図４Ａ〜４Ｉに、このエンジンの、拡張ガス置換モードでの動作を示す。この実施形態では、後述するように、低温ピストンが特定的に移動し、それは主に排気ポートからガスを強制的に出して吸気ポートを通してガスを中に取り入れるためである。従来のガス置換サイクル中のエンジン動作と、拡張ガス置換サイクル中のエンジン動作との主な違いは、低温容積内でのガス置換の向上を促進するために、拡張ガス置換サイクル中に２つの追加の低温ピストン行程が加えられていることである。したがって図４Ａ〜４Ｆに示した動作ステップは概ね、図２Ａ〜２Ｆに示したものと同様である。
【００４７】
図４Ａ〜４Ｉに示す典型的な実施形態では、図３のシリンダ構成が用いられて、ポートの開閉がポペット弁によって行なわれる。簡単にするために、図４Ａ〜４Ｉでは弁を示していない。ポートが開の場合は、シリンダ壁の開口部として示される。ポートが閉の場合は、示されない。図４Ａ〜４Ｉに示した拡張ガス置換サイクルは、スリーブ弁を用いて吸気および排気ポートを開閉するエンジン構造においても動作できることを理解されたい。さらに図２Ａ〜２Ｈに示す従来のガス置換サイクルは、図３のエンジン構造だけでなく図１のエンジン構造においても動作できる。
【００４８】
他のデザイン・アプローチ、たとえば異なる直系のシリンダが高温容積１３２および低温容積１３０を囲んでいるものまたは異なるバルブ・アプローチを、これらの基本的なプロセスを変えることも発明のコンセプトから逸脱することもなく、用いることができる。実際には、機械的な制約があるために、通常は図４Ａ〜４Ｉに示すこれらのプロセスには多少の重複がある。
【００４９】
図４Ａ〜４Ｆに示すエンジン構成は、図２Ａ〜２Ｆに示したものと同様である。図４Ａは、圧縮行程の開始時のエンジン構成を示す。図４Ｂは、再生器１２８に近接する低温ピストン１１２を示すが、高温ピストン１１４は、再生器１２８に最近接する位置でまたはこの位置に非常に近い所で、大部分静止した状態のままである。図２Ｂの場合と同様に、これは、シリンダ内のガス圧縮が最大になる時点である。図４Ｂと４Ｃとの間では、低温ピストン１１２がその内側動作を続け、高温ピストン１１４が再生器１２８から離れるように移動し始める。図２Ｂおよび２Ｃの場合と同様に、これを再生式加熱プロセスと言う。
【００５０】
図４Ｃ〜４Ｄそして４Ｅに示すように、低温ピストン１１２は大部分静止した状態のままであり、高温ピストン１１４は再生器１２８から離れる動作を続けて、高温容積１３２を膨張させる。そのうち燃料噴射を開始した直後に（図４Ｄ）、高温容積１３２内の非常に高温の作業流体によって燃料が点火し、高温側膨張または高温ピストン動力行程が起きる。図４Ｅに、この高温側膨張の終了を示す。
【００５１】
図２Ｅおよび２Ｆの場合と同様に、図４Ｅおよび４Ｆに、高温ピストン１１４をその最も外側の位置でほぼ静止させた状態のままで、低温ピストン１１２をその最も外側の位置に移動させる様子を示す。この場合もやはり、本発明は、この特有の高温そして低温のピストン膨張プロセスのみに特定的に依存するわけではない。と言うのは、ピストンが同時に移動して膨張するプロセスが好ましい用途またはエンジン動作条件（たとえば非常に負荷の軽いエンジン）がいくらかは存在すると考えられるからである。
【００５２】
図２Ｆと同様に、図４Ｆでは、低温ピストン１１２がその最も外側の位置に近づくにつれて、ポペット弁によって排気ポート１４０が開く様子を示す。この結果、シリンダ・ガスのブローダウンが起こる。低温容積１３０での膨張の間、およびブローダウンの間、作業流体の一部が高温容積１３２から低温容積１３０へ移動して、再生器１２８を通過する。通過するにつれて、ガスによって熱エネルギーが再生器１２８へ移される。これを、再生式冷却プロセスの第１の部分と言う。また図４Ｅと４Ｆとの間に示す低温ピストン１１２のこの動作を、低温側膨張とも言う。
【００５３】
図４Ｆと４Ｇとに示す位置の間で、高温ピストン１１４がその最も外側の位置からその最も内側の位置まで移動して、再生器１２８に隣接する。この動作によって、再生器１２８を通るさらなるマス・フローおよび再生器１２８への熱伝達が生じる。この高温ピストン行程を、再生式冷却プロセスの第２の部分と言う。この高温ピストン行程の間、低温ピストン１１２はその最も外側の位置に大部分静止した状態のままでいることができる。その代わりに低温ピストン１１２は、再生器１２８へ向かうその内側の移動を始めても良い。いずれかのピストンの内側の移動によって、排気ガスが強制的に排気ポート１４０から外へ出される。
【００５４】
次のステップ（図４Ｇ〜４Ｈ）は、排気行程を含む。低温ピストン１１２は、その最も外側位置の付近から、再生器１２８により近い位置まで移動する。高温ピストン１１４は、その最も内側の位置にすでに移動しているか、そうでなければ、低温ピストンの排気行程の間にその動作を終了する。低温ピストンの排気行程の終了までに高温ピストン１１４が再生器に非常に近づいて、高温容積から排気ガスをできるだけ除去することが重要である。その代わりに、余分に排気ガスを滞留させる必要がある場合には（たとえばＮＯxを最小限にするため）、高温ピストン１１４はその最も内側の位置にいる必要はない。
【００５５】
低温ピストンの排気行程の間、排気ポート１４０は開いた状態のままである。この実施形態では、こうするために、排気ポペット弁が開いた状態のままでいる必要がある。吸気ポートは閉じている。こうして排気ガスは強制的にシリンダから外へ出ていく。低温ピストン１１２のこの排気行程は、全行程フル・ストローである必要はないこと、すなわち低温ピストンはその最も内側の位置まで完全に移動する必要はないことを、認識することが重要である。この実施形態のバレル・カム駆動メカニズムによって、低温ピストン１１２のこの排気行程を、その前の行程、図４Ａ〜４Ｂの圧縮行程よりも短くすることができる。そのため低温ピストン１１２は、吸気および排気ポート１３８および１４０を制御する内側開口ポペット弁にまで影響を及ぼさなくてすむ。
【００５６】
最後に、低温ピストン１１２がその排気行程の終了に近づくにつれて、吸気ポペット弁が吸気ポート１３８を開け始め、排気ポペット弁が排気ポート１４０を閉じ始める。これらの動作にある程度のオーバーラップがあることが一般に、好ましいかまたは避けられない。次に図４Ｈ〜４Ｉに示すように、低温ピストン１１２は、その排気行程の最も内側の位置から外側に移動する。この低温ピストン行程を、吸気行程と言う。この吸気行程の前または初めに、排気弁が排気ポート１４０の閉鎖を完了し、吸気弁が吸気ポート１３８の開口を完了する。高温ピストン１１４は、吸気行程の間中、その最も内側の位置付近に留まる。低温ピストン１１２がこの吸気行程を行なうにつれ、新鮮な作業流体が、開口する吸気ポート１３８を通してシリンダ内に取り入れられる。最後に、低温ピストン１１２が吸気行程を終了させる時点近くで、吸気弁が吸気ポート１３８を閉じて、圧縮行程が始まる。この結果、図４Ａに示した状態に戻る。
【００５７】
これらの弁動作はすべて、本発明の基本的な教示から逸脱することなく、変えることができる。弁のオーバーラップの度合いは、変えることもできるし、なくすこともできる。作業流体の膨張の度合いを圧縮の度合いよりも大きくするために（すなわちミラー・サイクル）、広く用いられている仕方で、吸気弁の閉鎖を遅らせて作業流体の一部を部分的に放出しても良い。このエンジンを用いてミラー・サイクルを行なう他の方法は、吸気行程を小さくすることで、低温ピストンが、その内側の圧縮行程を始める前にその最も外側の位置に到達することがないようにすることである。
【００５８】
本発明の従来的なガス置換および拡張ガス置換の実施形態の両方に対して、燃料を高温容積内に導入する代替的な方法が使用でき、やはり本発明の範囲内にあることを理解されたい。たとえば、（１）燃料を高温容積内に直接噴射することができる、（２）燃料を低温容積内に噴射して、その後に再生器を通過させることができる、または（３）燃料を作業流体中に導入することを、作業流体がシリンダ内に入る前に行ない、その後に作業流体を再生器を通過させて高温容積内に入れることができる。本発明を実施するために用いる燃料噴射器には、燃料をシリンダ内に導入するいかなる装置も含まれ、たとえば気化、噴霧、流体圧、および空気圧装置である。
【００５９】
点火遅れの大きい一部の燃料に対して（たとえばプロパンおよび天然ガスなどの軽質炭化水素）および動作条件によっては（たとえば始動、アイドリング、および軽い負荷）、高温シリンダ内に点火源、たとえばスパーク・プラグまたはグロー・プラグを設けることが必要となるかまたは好ましい場合がある。状況および燃料によっては、再生器の高温表面、圧縮加熱、または両方を用いて、予め混合された燃料および空気混合物を点火することができる場合がある。
【００６０】
ここで開示される本発明の重要な特徴の１つは、ピストンの特定の動作である。実現可能なエンジンを形成しようとするならば、適切な動作が不可欠であり得る。たとえば高温ピストンは、圧縮プロセスの間、再生器に非常に近接した状態のままであることが好ましい。そうでないと、圧縮中に、ガスが強制的に再生器を通過させられて加熱される。この結果、エンジンに必要な圧縮仕事量が増加して、パワーおよび効率が低下する。同様に、高温ピストンの膨張行程の間、低温ピストンは再生器に非常に近接した状態のままであることが好ましい。低温ピストンが再生器から離れるように移動すると、高温ガスが再生器を通して取り入れられて低温容積内に入る。プロセス中に、これらの高温ガスは再生器によって冷却される。そのため熱エネルギーの抽出が早すぎて、非常に高温のガスが再生器内に取り入れられることになる。この結果、性能が低下して、おそらく再生器が破壊される。ここで開示される本発明では、重要なピストン動作を特定し、この動作を実行することができる１つの手段を提供する。
【００６１】
図５は、本発明のエンジン・アセンブリの一実施形態の長手方向の断面である。この特定の実施形態では、図２Ａ〜２Ｈを参照して前述した従来のガス置換サイクルを用いている。本開示で説明したように、図４Ａ〜４Ｉを参照して前述した拡張ガス置換サイクルでの動作に必要なのは、最小限の明白なデザイン変更のみである。この従来のガス置換の実施形態では、一対のバレル・カム２２および２６を用いて、このエンジンに必要な独特の極めて非正弦のピストン動作がもたらされる。非常にフレキシブルな動作がバレル・カムによってもたらされるために、バレル・カムを、特にこのエンジンで用いることに適用することができる。図５の実施形態では、４つのシリンダ、すなわちシリンダ１０および１１に加えて、断面図の紙面の外にある２つのシリンダを含む。図１のシリンダ１０を参照して前述したように、シリンダ１０および１１は、対向するピストン１２および１４によって、両側が閉じている。低温ピストン１２は、パワー出力シャフト１６に、ピストン・ロッド１８、ローラ・アセンブリ６２、およびバレル・カム２２を介して、接続されている。高温ピストン１４は、パワー出力シャフト１６に、別のピストン・ロッド２４、別のローラ・アセンブリ６４、およびバレル・カム２６を介して、接続されている。バレル・カム２２および２６を用いて、ピストン１２および１４の直線運動を、パワー出力シャフト１６の回転運動に変換する。図１に示すように、各シリンダは、再生器２８によって２つの部分に分割されている。それによって、低温ピストン１２と再生器２８との間の可変サイズの低温容積３０、および再生器２８と高温ピストン１４との間の可変サイズの高温容積３２を有している。
【００６２】
図６に、シャフト１６の反対端にあるバレル・カム２２および２６を含むカム・アセンブリ２０の斜視図を示す。カム２２および２６は、前述した周期的なピストン運動をもたらすような外形となっている。
【００６３】
図７は、カム・アセンブリ２０によってもたらされる特定の非正弦ピストン運動と位相整合とを示す概略的な平面図である。カム２２によって、低温ピストン１２とピストン・ロッド１８とに対する動作が、フォロア・アセンブリ２０を介してもたらされる。フォロア・アセンブリ２０は、ヨーク５０上に載置された負荷ローラ４６とスラック・サイド・ローラ４８とからなる。図の下部を左から右へ追うと、特定のカム形状を用いることで、再生器２８に対する低温ピストン１２の非常に特定的な位置が３６０度のシャフト角度を通してもたらされることが、分かる。同様に、図の上部には、カム２６によって、高温ピストン１４とピストン・ロッド２４とに対する動作が、フォロア・アセンブリ５２を介してもたらされることが示されている。なおフォロア・アセンブリ５２も、ヨーク上に載置された負荷ローラとスラック・サイド・ローラとを含む。シリンダの低温側の場合と同様に、図を左から右へ追うことで、カム２６の形状によって、再生器２８に対する高温ピストン１４の特定の動作が３６０度のシャフト角度を通してもたらされる様子が、示される。当業者であれば、ピストン１２および１４の一方または両方の動作を、カム２２および２６の形状をそれぞれ変えることで、どのようにして変えるかを理解するであろう。
【００６４】
バレル・カムは、再生サイクルに必要な極めて独特なピストン動作をもたらす優れた駆動メカニズムを含むが、同じかまたは非常に類似する動作を実現するための他の手段も存在する。本発明は、行程の各終わりで休止を有する非正弦ピストン動作をもたらす代替的な駆動メカニズムを用いて実施しても良い。
【００６５】
明らかに、本発明の多くの変更および変形が、前述の教示を考慮して可能である。したがって添付の特許請求の範囲内において、本発明を、ここで具体的に述べたこと以外で実施しても良いことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の例示的な実施形態の単一シリンダを示す概略的な断面図である。
【図２】図１の実施形態の動作シーケンスを示す図である。
【図３】本発明の第２の例示的な実施形態の単一シリンダを示す概略的な断面図である。
【図４】図３の実施形態の動作シーケンスを示す図である。
【図５】本発明のエンジン・アセンブリの一実施形態を示す長手方向の断面図である。
【図６】本発明で使用可能なカム・アセンブリを示す斜視図である。
【図７】本発明で使用可能なカム・アセンブリによってもたらされるピストン往復運動を示す概略的な平面図である。
【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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【国際調査報告】
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