(57)【要約】  本発明は、内燃機関（２）に強制吸気をもたらすための装置（２０）を提供する。この装置は、当該装置が取り付けられて使用される内燃機関からの排気ガスによって駆動される容積型の第１の装置（２４）、および当該装置が取り付けられて使用される機関へと供給される燃焼ガスを圧縮するように動作できる容積型の第２の装置（２２）を有している。前記容積型の第１および第２の装置が、使用時に前記容積型の第１の装置（２４）が駆動されて前記容積型の第２の装置（２２）を動作させるように結合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に強制吸気をもたらすための装置であって、
・当該装置が使用時に取り付けられる内燃機関に関し、当該内燃機関からの排気ガスによって駆動される容積型の第１の装置、および
・当該装置が使用時に取り付けられる機関に関し、当該機関へと供給される燃焼ガスを圧縮すべく動作できる容積型の第２の装置
を有しており、
前記容積型の第１および第２の装置が、使用時に前記容積型の第１の装置が駆動されて前記容積型の第２の装置を動作させるように結合されている装置。
【請求項２】
前記容積型の第１および第２の装置が、共通の回転軸で結合されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
当該装置が使用時に取り付けられる機関に関し、当該機関のエンジン・クランク軸へと前記容積型の第１および／または第２の装置を結合するための駆動結合を有している請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記容積型の第１および第２の装置の少なくとも一方が、突出部付きのロータおよび凹部付きのロータを有しており、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが回転するときに、該突出部付きのロータからの突出部が該凹部付きのロータの凹部へと進入して、それぞれ排気ガスの圧縮または燃焼ガスの膨張のための体積可変の部屋を規定するように構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記凹部および前記突出部が、それぞれのロータの回転軸に平行な方向に真っ直ぐに延びている請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記凹部および前記突出部が、それぞれのロータの回転軸に平行な方向に螺旋状に延びている請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記体積可変の部屋の最大体積を制御できるように構成されている請求項４〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記容積型の第１および第２の装置の少なくとも一方について前記体積可変の部屋の最大体積を変化させるため、前記容積型の第１の装置の出力に基づいて生成されるフィードバック信号に従って制御される制御装置を、前記容積型の第１および第２の装置の少なくとも一方に組み合わせて有している請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記容積型の第１の装置および前記容積型の第２の装置のそれぞれが、突出部付きのロータおよび凹部付きのロータを有しており、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが回転するときに、該突出部付きのロータからの突出部が該凹部付きのロータの凹部へと進入して体積可変の部屋を規定するように構成されている請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記容積型の第１および第２の装置の両者が、対応する制御装置を自身に付随させて有している請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記容積型の第１の装置への入力における圧力を検出して、前記制御装置または各制御装置を制御すべく該圧力に基づく信号を供給するため、圧力センサを前記容積型の第１の装置への入力に取り付けて有している請求項８〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記容積型の第２の装置から出力される燃焼ガスの圧力を検出して、前記制御装置または各制御装置を制御すべく該圧力に基づく信号を供給するため、圧力センサを前記容積型の第２の装置の出力に取り付けて有している請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記体積可変の各部屋について可能な最大の体積を制御するため、前記圧力センサからの信号を受信して、前記制御装置または各制御装置へと制御信号を供給するように構成されたコントローラを有している請求項１１または１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
内燃機関であって、
・燃料および空気の混合物を受け取るための１つ以上の掃引体積室、および
・前記掃引体積室に強制吸気をもたらすための装置であって、当該機関からの排気ガスを受け取るための膨張器と、該膨張器によって駆動されて前記１つ以上の掃引体積室へと供給される空気を圧縮する圧縮機とを有している装置
を有しており、
前記膨張器および前記圧縮機が、それぞれ容積型の装置である内燃機関。
【請求項１５】
前記膨張器および前記圧縮機が、共通の回転軸によって接続されている請求項１４に記載の機関。
【請求項１６】
前記共通の回転軸が、当該機関の出力軸へと、当該機関の出力軸への駆動力の提供および当該機関の駆動軸からの駆動力の受領を選択的に行なうことができるように接続されている請求項１４に記載の機関。
【請求項１７】
或る装置を自身に取り付けて有している機関であって、
該装置が、当該機関に強制吸気をもたらすための装置であって、当該機関の１つ以上の掃引体積室からの排気ガスによって駆動される膨張器と、該膨張器によって駆動されて当該機関の前記１つ以上の掃引体積室へと供給される空気を圧縮する圧縮機とを有しており、
当該機関によって生成される排気ガスが前記膨張機を駆動するために不充分であるときに、前記圧縮機を駆動するために当該機関から出力を取り出すことができ、充分な排気ガスが生成されているときには、該装置から当該機関の出力軸へと出力を提供することができるよう、該装置と当該機関の出力軸との間に接続が設けられている機関。
【請求項１８】
前記容積型の第１および第２の装置の少なくとも一方が、突出部付きのロータおよび凹部付きのロータを有しており、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが回転するときに、該突出部付きのロータからの突出部が該凹部付きのロータの凹部へと進入して、それぞれ排気ガスの圧縮または燃焼ガスの膨張のための体積可変の部屋を規定するように構成されている請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン、およびエンジンに強制吸気をもたらすための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、燃料の燃焼のための１つ以上の燃焼室を有している。燃焼室のそれぞれが、或る体積が空気／燃料混合物を圧縮するための部材によって掃引される掃引体積室に関連付けられている。このような機関の一例は、ピストン・エンジンであり、使用時、空気が燃料と一緒にピストン・エンジンのシリンダへと導入される。ピストン・エンジンの場合には、シリンダが掃引体積室である。空気／燃料混合物が、ピストンによって圧縮され、次いでガソリン・エンジンの場合には点火プラグによって、ディーゼル・エンジンの場合には圧縮によって燃焼室内で点火され、燃焼ガスの膨張が生じる。燃焼ガスの膨張が、ピストンに出力ストロークをもたらす。出力ストロークの後、燃焼ガスは排気系を介して大気へと排出される。
【０００３】
エンジンの所与のサイズからの出力密度、すなわちエンジンのシリンダ内の所与の掃引体積から得られる出力を、最大にすることが望ましい。
【０００４】
いくつかの文献において、用語「スーパーチャージャ(supercharger)」が、内燃機関の掃引体積室へと大気圧よりも高い圧力で空気を供給すべく圧縮機を駆動するために、エンジンの出力軸からの出力を利用する装置を意味して使用されている。本明細書においては、用語「スーパーチャージャ」に、使用時に内燃機関の掃引体積室へともたらされる空気の圧力を高めるように機能するあらゆる装置、すなわち使用時に強制吸気をもたらす装置という、他のより包括的な意味を与える。
【０００５】
本明細書において、用語「ターボチャージャ(turbocharger)」は、タービンによって排気ガスから回収されるエネルギーを使用して、内燃機関の掃引体積室へと大気圧よりも高い圧力で空気を供給すべく圧縮機を駆動する装置を意味する。
【０００６】
ターボ過給、すなわちターボチャージャの使用は、ピストン・エンジンの出力密度を向上させるための主たる技法となっている。ターボチャージャの好評は、燃料効率を損なうことなく吸気口の充填圧力を高めるべく燃焼ガスにさらなる圧縮をもたらすというターボチャージャの能力ゆえである。従来からのターボチャージャは、タービンをエンジンの排気管に配置して有している。このタービンが何らかのやり方で圧縮機に接続され、タービンが回転するとき、圧縮機が燃焼室へと渡される吸入空気を圧縮すべく動作するように構成されている。換言すれば、エンジンの排気管を通過する膨張する排気ガスから回収されたエネルギーが、利用されている。ターボチャージャがない場合、このエネルギーはすべて無駄に捨てられる。
【０００７】
従来からのターボチャージャは、ラジアル・フローのタービンをエンジンの排気管内に配置して有している。排気ガスが排気管を通過するとき、タービンが回転させられ、組み合わせられている圧縮機を駆動する。ラジアル・フローのタービンは、典型的には５０，０００ｒｐｍなどのしきい値を上回る限られた範囲の回転速度においてのみ有効である。したがって、ラジアル・フローのタービンをその動作速度範囲まで加速するために充分な排気ガスの流れが存在するよう、エンジンを最小臨界速度を上回って運転する必要がある。この臨界速度しきい値未満では、有益な効果は不可能であり、実際に、このしきい値未満では、自然吸気によって達成されるエンジン性能を超える有意なエンジン性能の改善は、得られない。
【０００８】
さらに、ラジアル・フローのタービンは、効率的に動作する回転速度の上限も有している。したがって、ひとたびラジアル・フローのタービンが上述のしきい値回転速度以上で回転を始めると、タービンの動作を効率的な動作範囲に保つため、余分な排気ガス圧力を、ウェストゲートによってラジアル・フローのタービンから逸らさなければならない。
【０００９】
従来からのターボチャージャにおけるさらなる問題は、「ターボ・ラグ」として知られている。これは、エンジンの速度または負荷の増大と、これに対応する関連のターボチャージャの動作の向上との間の遅延に与えられた呼び名である。これは、従来からのターボチャージャに使用されているラジアル・フローのタービンが、エンジンとは別個独立に回転するという事実に起因して生じる。エンジンの速度または負荷が増すとき、排気ガスの流れが増大するが、これによって速やかにターボ過給効果の増大が生じるわけではない。なぜならば、ターボの過給効果が達成される前に、まずタービンが加速されなければならず、その後にタービンに組み合わせられた圧縮機が動作しなければならないためである。
【００１０】
エンジンのシリンダへと届けられる空気の圧力を高めるための他の種類の装置は、エンジンの出力軸（以下では、エンジン・クランク軸と称する）に接続され、さらに圧縮機にも接続されているベルトを有している。エンジン・クランク軸の回転が、ベルトを回転させ、次いでベルトが、圧縮機を駆動する。次いで圧縮機が、エンジンのシリンダへと供給される空気の圧力に、過給をもたらす。ベルトが、エンジン・クランク軸から直接出力を得ているため、エンジンの効率に悪影響がもたらされる可能性がある。
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号
【特許文献２】米国特許第６１７６６９５Ｂ1号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、内燃機関に強制吸気をもたらすための装置であって、当該装置が取り付けられて使用される内燃機関からの排気ガスによって駆動される容積型の第１の装置、および当該装置が取り付けられて使用される機関へと供給される燃焼ガスを圧縮すべく動作できる容積型の第２の装置を有しており、前記容積型の第１および第２の装置が、使用時に前記容積型の第１の装置が駆動されて前記容積型の第２の装置を動作させるように結合されている装置が提供される。
【００１２】
本発明は、内燃機関に強制吸気をもたらすための装置を提供する。この装置は、互いに結合された容積型の第１および第２の装置を有している。容積型の第１の装置は、使用時に排気ガスによって駆動されるように構成されている。容積型の第２の装置は、使用時、前記容積型の第１の装置が駆動されたときに動作するように構成されている。この装置は、当該装置において容積型の第１および第２の装置が使用されているという事実の結果として、当該装置が取り付けられて使用されるエンジンの動作速度の範囲の全体にわたって、効果的な性能を達成することができる。これは、この装置が、シリンダまたはさらに一般的には内燃機関の掃引体積室と同様に、容積型の装置であるためである。従来のターボチャージャの場合には、装置が動作できるまでに大きな排気ガスの流量が最低限必要であるが、そのような必要がない。
【００１３】
この装置は、使用時に、とりわけ、２または４ストロークのディーゼル・エンジン、２または４ストロークのガソリンまたは気体燃料の火花点火エンジン、あるいはオットーまたはディーゼル熱力学サイクルによるヴァンケル式または他の種類のエンジン、およびここでの言及によってその全内容が本明細書に取り入れられたものとする国際公開番号ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号に開示のエンジンなど、任意の適切な種類のエンジンに接続することができる。この装置は、可変の体積容量を備えず、あるいは限られた可変の体積容量しか備えずに動作できる掃引体積室を有する任意の種類のエンジンへの接続に適している。
【００１４】
好ましくは、前記容積型の第１および第２の装置の少なくとも一方が、突出部付きのロータおよび凹部付きのロータを有しており、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが、該突出部付きのロータおよび該凹部付きのロータが回転するときに、該突出部付きのロータからの突出部が該凹部付きのロータの凹部へと進入して、両者の間に作動ガスの圧縮または膨張のための体積可変の部屋を規定するように、あらかじめ定められた構成に配置されている。
【００１５】
突出部付きおよび凹部付きのモータを有する好ましい容積型の装置が、国際公開番号ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号および米国特許第６１７６６９５Ｂ1号の両者に大まかに説明および図示されている。しかしながら、他の適切な容積型の装置も、使用可能である。例としては、ルーツ・ブロアおよびスクリュ圧縮機が挙げられる。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、内燃機関であって、燃料および空気の混合物を受け取るための１つ以上の掃引体積室、および前記掃引体積室に強制吸気をもたらすための装置を有しており、該装置が、当該機関からの排気ガスを受け取るための膨張器と、該膨張器によって駆動されて前記１つ以上の掃引体積室へと供給される空気を圧縮する圧縮機とを有しており、前記膨張器および前記圧縮機が、それぞれ容積型の装置である内燃機関が提供される。
【００１７】
本発明の第３の態様によれば、或る装置を自身に取り付けて有している機関であって、該装置が、当該機関に強制吸気をもたらすための装置であって、当該機関の１つ以上の掃引体積室からの排気ガスによって駆動される膨張器と、該膨張器によって駆動されて当該機関の前記１つ以上の掃引体積室へと供給される空気を圧縮する圧縮機とを有しており、当該機関によって生成される排気ガスが前記膨張器を駆動するために不充分であるときに、前記圧縮機を駆動するために当該機関から出力を取り出すことができ、充分な排気ガスが生成されているときには、前記圧縮機を駆動するのに不要な余分な出力を当該機関の出力軸へと提供することができるよう、該装置と当該機関の出力軸との間に接続が設けられている機関が提供される。
【００１８】
次に、本発明の実施形態のいくつかの例を、添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態によるエンジン２の一例の概念図を示している。エンジン２は、複数のシリンダ４Ａ〜４Ｄを有しており、各シリンダが、内部にピストン６Ａ〜６Ｄをスライド可能に配置して有している。
【００２０】
それぞれの連接棒８Ａ〜８Ｄが、各ピストン６Ａ〜６Ｄを共通の出力軸１０（以下では、エンジン・クランク軸１０と称する）へと接続するために設けられている。各シリンダ４Ａ〜４Ｄは、吸気管１６を介して空気を受け取るための開口１２を有している。さらに、各シリンダ４Ａ〜４Ｄは、それぞれのシリンダ４Ａ〜４Ｄ内で生成される排気ガスに出口をもたらすための排気開口１４を有している。排気管１８が、排気ガスにシリンダ４Ａ〜４Ｄから関連の排気システム放出管路３２までの経路をもたらすべく、設けられている。
【００２１】
さらに、燃料入力が、各シリンダ４Ａ〜４Ｄへと設けられている。任意の適切な種類の燃料入力システムを、使用することができる。使用される種類は、例えばエンジンの種類によって決まる。燃料入力システムは、図１には示されていない。
【００２２】
このエンジンは、従来からの４ストローク内燃機関であるため、その動作についての説明は、ここでは省略する。
【００２３】
装置２０が、排気管１８を介して排気ガスを受け取り、圧縮された空気を吸気管１６へと供給すべく設けられている。換言すれば、この装置は、エンジンに強制吸気をもたらすことができる装置であるため、先に包括的に定義したスーパーチャージャである。
【００２４】
装置２０は、圧縮機２２および膨張器２４を、膨張器が排気ガスによって駆動されたときに圧縮機２２の動作が生じるようなやり方で、互いに接続して有している。図示の特定の例においては、膨張器と圧縮機との間の接続が、共通の駆動軸２６を介している。
【００２５】
さらに装置２０は、圧縮機２２へと空気の供給をもたらすための吸入空気供給ダクト３０を備えている。排気システム放出管路３２が、膨張器２４からの排気ガスの出口をもたらしている。
【００２６】
図１に示した例では、共通の駆動軸２６が、直接駆動の結合２８を介して所望の固定の速度比でエンジン駆動軸１０にも接続されている。この直接駆動の結合は、複数の歯車２８Ａ〜２８Ｃで構成されている。後述するように、直接駆動の結合を設けることで、エンジンによって生み出される排気ガスの量が圧縮機２２による所望の量の圧縮をもたらすために充分でない場合に、圧縮機を駆動すべくエンジン駆動軸１０から動力を取り出すことができる。
【００２７】
中間の動力源を備える電動機／発電機を介するなど、代案となる装置２０とエンジン駆動軸１０との間の直接的でない結合を、設けてもよい。
【００２８】
圧縮機２２および膨張器２４は、それらの性能および流体押出量が、ピストン・エンジンの場合と同様に回転速度に直接関係するよう、両装置の主たる特徴が容積型の装置の特徴であるように選択される。それらのそれぞれの回転速度は、エンジン内のピストンもまた容積型の装置であるため、エンジンの回転速度に関係している。エンジンの速度にかかわらず、エンジンが運転しているならば排気ガスが生成される。膨張器が容積型の装置であるため、生成されたすべての排気ガスが膨張器を動作させ、結果として圧縮機を動作させる。
【００２９】
これは、圧縮機２２および膨張器２４が、エンジンの動作速度の範囲の全体にわたって効果的な性能を達成できるという利点をもたらす。これは、エンジンの動作速度のすべてにおいては動作できない従来からのターボチャージャと対照的である。すでに説明したように、ターボチャージャは、生成される排気ガスの流れが不十分である場合には、エンジンの性能向上をまったくもたらさない。
【００３０】
容積型の装置の例としては、ルーツ・ブロアおよびスクリュ圧縮機が挙げられる。しかしながら、この装置において使用するために最も好ましい種類の膨張器および圧縮機は、公開番号ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７４号を有する国際特許出願に示されて、詳しく説明されているような形式の膨張器および圧縮機である。この開示の内容は、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。
【００３１】
図２Ａは、この形式の圧縮機の端面図を示している。この圧縮機は、突出部付きのロータ３および凹部付きのロータ５を、それぞれの軸７および９上で回転するように配置して有している。突出部付きのロータ３および凹部付きのロータ５が、それらのそれぞれの軸７および９を中心として回転するとき、突出部付きのロータ３からの突出部１１が、凹部付きのロータ５からの凹部１３に進入する。体積が減少する一時的な部屋Ｒが、突出部１１と凹部１３との間に規定される。この一時的な部屋Ｒが、作動ガス（この場合には、空気）が圧縮される場所である。図２Ｂは、本発明の一実施形態の一例による装置において使用するための膨張器の例を示している。この場合において、ロータが図２Ｂの矢印によって示される方向（突出部付きのロータが反時計方向であり、凹部付きのロータが時計方向である）に回転を続けるとき、一時的な部屋Ｓの体積が増加することを理解できるであろう。
【００３２】
このような突出部付きおよび凹部付きのロータが使用される場合には、装置２０の上述の共通軸２６は、好ましくは各装置の突出部付きのロータの軸に接続される。これは、突出部付きのロータの軸が、凹部付きのロータ軸に比べてより速い速度で（この例では、３：２の比で）動作するためである。
【００３３】
次に、エンジン２および装置２０の動作および機能を、図１および３を参照してさらに詳しく説明する。この説明の目的のため、膨張器および圧縮機がそれぞれ図２Ａおよび２Ｂに示した形式のものであると仮定する。
【００３４】
膨張器２４が、膨張器２４によって受け取られる排気管１８からの排気ガスによって駆動される。排気管を通過して膨張器２４へと進入すると、排気ガスは膨張し、膨張器２４内のロータを回転させる。次いでこれが、突出部付きのロータの軸２６を回転させ、結果として、圧縮機２２内に設けられたロータを回転させる。この結果、圧縮機２２から吸気管１６を介して燃焼室４へと供給される空気が、圧縮される。
【００３５】
この例において、圧縮機２２および膨張器２４は、共通の駆動軸２６によって一体に結び付けられている。実際、この例においては、軸２６が両装置２２および２４の突出部付きのロータの軸を実際に接続している。膨張器が排気ガスによって駆動されるときに膨張器が次いで圧縮機２２を駆動するような圧縮機と膨張器との間の他の任意の適切な結合も、使用可能である。適切な結合の例としては、歯車、ベルト、発電機および電動機を介する電気駆動、などが挙げられる。
【００３６】
すでに説明したとおり、１つの例においては、装置２０の駆動軸２６とエンジン２の駆動軸１０との間に、直接駆動の結合２８が設けられている。したがって、最小レベルの排気ガスの膨張が生じるようにエンジン２が運転される場合、膨張器２４がこのエネルギーを回収して、圧縮機２２を介して吸入空気に所定の圧力上昇をもたらすことができる。エンジンの負荷がこの最小値を超えて増大する場合に、出力の増加を共通軸２６から得ることができる。吸入空気を圧縮するための必要とされる出力を超える過剰な出力が、装置によって生み出される場合、この余剰分が、共通軸２６から直接駆動の結合２８を介してエンジン出力軸１０へともたらされる。この結果、エンジンの出力への直接的な追加の寄与がもたらされる。これが、等価なターボ過給のエンジンに比べ、性能および燃料経済性の向上をもたらす。対照的に、生成される排気ガスが、膨張器を駆動して圧縮機を動作させるためには不充分である場合、圧縮機への動力を、結合２８を介して機関の出力軸から取り出すことができる。
【００３７】
図３は、図１に示して図１を参照しつつ説明したような装置２０を、制御システムとともにさらに詳しく示している。各構成部品には、図１に示して図１を参照しつつ説明した対応する構成部品と同じやり方で、番号が付されている。これらに加え、装置２０は、制御システム３４を自身に組み合わせて有している。
【００３８】
制御システム３４は、圧力センサ３６および３７を、それぞれ排気管１８および吸気管１６のそれぞれに接続して有しており、さらに可動壁ユニット３８および４０を、膨張器２４および圧縮機２２にそれぞれ接続して有している。圧力センサ３６および３７、ならびにユニット３８および４０はそれぞれ、コントローラ４２へと接続されている。コントローラ４２は、マイクロプロセッサまたはそのような任意の他の適切な装置によって具現化することができる。随意により、さらなる圧力センサ３９を、排気システム放出管路３２に設けてもよい。
【００３９】
ユニット３８および４０は、圧縮機２２および膨張器２４の両者における一時的な部屋について、可能な最大体積の制御をもたらすために機能する。後述されるように、通常の使用において、一時的な部屋が圧縮機２２および膨張器２４の内部に規定される。これら一時的な部屋は、周期的に変化する体積を有している。例えば、圧縮機の場合には、一時的な部屋が最初は比較的大きい。動作時、或る量の空気が、この比較的大きい部屋へと受け入れられる。圧縮機の動作とともに一時的な部屋の体積が減少し、これによって一時的な部屋の内部の空気が圧縮される。ユニット３８および４０は、圧縮機および膨張器のそれぞれの一時的な部屋について、可能な最大体積の制御を提供する。そのような制御を提供するために適したシステムが、米国特許第６１７６６９５Ｂ号に開示されており、その内容の全体が、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。
【００４０】
膨張器および圧縮機のそれぞれの一時的な部屋について、可能な最大体積の制御をもたらすために適切なシステムの例を、以下で図４および５を参照して説明する。一般には、使用時に、排気管１８に配置された圧力センサ３６が、排気管１８内の圧力によって決まる可変の信号をコントローラ４２へともたらすように構成されている。同様に、排気システム放出管路３２に配置された圧力センサ３９が、管路３２内の圧力によって決まる可変の信号をコントローラ４２へともたらすように構成されている。
【００４１】
プロセッサ４２は、圧力センサ３６および３７のいずれかまたは両者から受信した信号、ならびに他のエンジン管理用制御データに基づいて、ユニット３８および４０へと制御信号を供給する。後述するように、プロセッサ４２によってユニット３８および４０へと供給される信号が、膨張器２４および圧縮機２２内の一時的な部屋について可能な最大体積を変化させるべく、ユニットの応答を生じさせるように機能する。これによって、吸気管１６内の圧力の正確な制御をもたらすことができる。
【００４２】
膨張器２４内の一時的な部屋について、可能な最大体積の能動的な制御が、フィードバック監視・制御システムによって達成される。一実施形態においては、フィードバック監視・制御システムが、膨張器２４内の一時的な部屋について可能な最大体積を、完全に膨張した流体（排気ガス）の圧力が可能な限り大気圧に近くなるように、連続的に調節する。これにより、エンジンが軽い負荷で運転しているとき、少量である排気ガスの流れが過剰に膨張させられることがなく、すなわち大気圧を下回る圧力にまで膨張させられることがないように保証される。このようにしない場合、結合３８を介してエンジンからさらなる負荷を得る必要が生じるであろう。
【００４３】
エンジンが全負荷で運転している場合、一時的な部屋について可能な最大体積を、膨張する排気ガスから得ることが可能なエネルギーのすべてを回収するように、増加させることができる。圧縮機２２を駆動するために必要なエネルギーを超えて得られるエネルギーは、すでに述べたように、結合２８によってエンジン・クランク軸へと伝えられる。これらの利点は、この装置がディーゼル、ガソリン、および他の火花点火のエンジンのいずれについて使用される場合にも、得ることができる。
【００４４】
装置２０とエンジン駆動軸１０との間に直接的でない結合が設けられる場合には、余分な出力を電気として回収することも可能である。
【００４５】
圧縮機２２内の一時的な部屋について、可能な最大体積を制御することができるという能力は、ディーゼル・エンジンに適用された場合に、特に有用な利益をもたらすことができる。圧縮機２２内の一時的な部屋について可能な最大体積の制御を、現在の動作状態および所望の排出物／経済性の基準によって課せられた制約に従って吸入空気圧の上昇の程度を変化させるように、関連のエンジン管理システムによって加えることができる。すなわち、例えば低速で断続的に運転されるディーゼル・エンジンは、燃焼室の温度が比較的低いため、火炎の収束が早すぎて炭素粒子が過剰に排出されがちであるという問題を抱えている。このような場合、エンジンがこれらの条件下で運転されているときに過給圧のレベルをより高く設定することで、より高い圧縮温度がもたらされ、火炎の伝播が改善されて、結果として粒子状排出物がより少なくなる。
【００４６】
また、圧縮機内の一時的な部屋についての可能な最大体積の制御は、スロットルを通常は使用する火花点火のエンジンへの適用においても、大きな利点を有している。エンジンへの空気の供給の制御におけるスロットルの機能を、圧縮機２２内の一時的な部屋について可能な最大体積を制御することで、達成することができる。これは、軽い負荷から吸入空気圧が最大レベルまで高められている最大出力までのエンジンの動作の制御を、エンジンの動作範囲の全体にわたる任意のエンジン速度において達成できることを意味している。実際、この場合には、スロットル装置は不必要になる。
【００４７】
次に、圧縮機および膨張器内のそれぞれの一時的な部屋について、可能な最大体積の制御をもたらすために適切な装置の一例を、図４および５を参照して詳しく説明する。図４は、図１〜３のいずれかに示されている圧縮機２２として使用するために適した装置の一例について、端面投影図を示している。膨張器として機能する装置は図示されていないが、凹部および突出部が図２Ｂに示したような形状であることを、理解できるであろう。以下の説明は、圧縮機に関している。
【００４８】
２つのロータ４４および４６が設けられている。第１のロータ４４は、外周に等角度で離間して位置する３つの凹部を有しており、凹部のそれぞれは、第１のロータ４４の曲面４８によって境界付けられている。第２のロータ４６は、直径において対向する突出部５０を第２のロータ４６から延伸させて有しており、突出部５０のそれぞれは、第２のロータ４６の曲面５２によって境界付けられている。突出部５０が、第１のロータ４４の凹部に嵌まり込み、第１のロータ４４の凹部と協働する。この圧縮機の基本構造は、国際公開番号ＷＯ‐Ａ‐９１／０６７４７号に開示のロータリー装置の構造に類似しており、この国際公開の内容の全体は、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。
【００４９】
ロータ４４および４６が図４に示した位置にあるとき、一時的な部屋５７が、第２のロータ４６の曲面５２、第１のロータ４４の曲面４８、およびハウジング５４の各部によって規定されている。ロータ４４および４６の回転サイクルのこの段階において、部屋５７へとガスが導入されると、ロータが図示の矢印の方向（ロータ４４が時計方向であり、ロータ４６が反時計方向である）へと回転を続けるにつれ、ガスが圧縮される。
【００５０】
圧縮機２２は、ロータ４４および４６を収容すべく構成されたハウジング５４を有している。ハウジング５４の少なくとも一部または部位５６が、アーチ形の凹所５８および６０を定めるとともに、ロータ４４および４６の回転軸と平行に可動である。ハウジング５４のこの可動部位は、第１のロータ４４の凹部の後縁６６の軸方向の全長および対応する第２のロータ４６の突出部の先端または前縁６８の軸方向の全長に対し、それぞれに同時にほぼ一致するように形作られた外縁６２および６４を有している。
【００５１】
換言すると、ハウジング５４のこの可動部位が、第１のロータ４４の後縁６６の全長に整列する壁セグメント縁６２、および同時に第２のロータ４６の突出部の先端または前縁６８の全長に整列する壁セグメント縁６４を有している。ハウジング５４の可動部位５６が、ロータ４４および４６の軸と平行に往復運動すると、ロータ４４、４６ならびにアーチ状の凹所５８および６０の間に定められている一時的な部屋５７について、可能な最大の体積が変化する。
【００５２】
次に、膨張器および圧縮機内のそれぞれの一時的な部屋について、可能な最大体積を変化させるべく制御できるユニット３８および４０の考えられる一実施形態の例を、図５を参照して説明する。可動部位５６が、側壁７０の対応する凹所へと出入りする往復運動のため、直線ベアリング６８上に取り付けられている。制御装置７２および７４が、可動部位５６の往復運動を制御すべく設けられている。制御装置は、機械式または電気機械式の装置であってよく、実際のところ、膨張器および圧縮機内のそれぞれの一時的な部屋について可能な最大体積の制御をもたらすことができる任意の種類の装置であってよい。図示の例では、制御装置が、ねじ棒７４を備えており、このねじ棒７４が、ハウジング５４の可動部位５６に固定された対応するねじ付きのブロック７２へと回転できる。他の任意の適切な制御装置も、利用可能である。
【００５３】
使用時、排気管１８の圧力センサ３６（図３を参照）が排気管１８内の圧力の上昇を検出すると、対応する信号がコントローラ４２へと送信される。次いで、コントローラ４２が、制御ユニット３８へと補正信号を送信する。ここで図４および５を参照すると、制御ユニット３８から補正信号を受信したとき、ねじ棒７４が回転させられ、ねじ付きのブロック７２およびブロック７２に固定されている可動部位５６の全体が移動する。棒７４の回転方向に応じて、ロータ４４および４６の間の一時的な部屋について可能な最大の体積を、増加または減少させるべく制御することができる。この例においては、排気管１８内に過大な圧力が存在する場合に、一時的な部屋について可能な最大の体積が増やされる。
【００５４】
同様に、吸気管１６の圧力センサ３７が圧力の変化を検出すると、対応する信号が圧力センサ３７からコントローラ４２へと送信される。次いで、コントローラ４２が、圧縮機に組み合わせられている制御ユニット４０へと制御信号を送信し、圧縮機のロータ間の一時的な部屋の可能な最大体積の調節を実行させる。
【００５５】
本発明の実施形態を、図示の例を特に参照しつつ説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲において、ここに説明した例について変種および変形が可能であることを、理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態の一例によるエンジンの概念図を示している。
【図２】図２Ａは、本発明の一実施形態による装置において使用するための圧縮機の例を示している。図２Ｂは、本発明の一実施形態による装置において使用するための膨張器の例を示している。
【図３】図１のエンジンにおいて使用するための制御システムの一例の概略のブロック図を示している。
【図４】本発明の一実施形態による装置において使用するために適した圧縮機の端面投影図を示している。
【図５】図４の圧縮機の上方からの斜視図を示している。
【符号の説明】
【００５７】
２     エンジン
３     ロータ
４     燃焼室
４Ａ-４Ｄ     各シリンダ
５     ロータ
６Ａ-６Ｄ     各ピストン
７     軸
８Ａ-８Ｄ     連接棒
１０   エンジン駆動軸（出力軸）
１１   突出部
１２   開口
１３   凹部
１４   排気開口
１６   吸気管
１８   排気管
２０   装置
２２   圧縮機
２４   膨張器
２６   共通軸
２８   結合
２８Ａ-２８Ｃ 歯車
３０   吸入空気供給ダクト
３２   排気システム放出管路
３４   制御システム
３６   圧力センサ
３７   圧力センサ
３８   可動壁ユニット
３９   圧力センサ
４０   制御ユニット
４２   コントローラ
４２   プロセッサ
４４   ロータ
４６   ロータ
４８   曲面
５０   突出部
５２   曲面
５４   ハウジング
５６   可動部位
５６   部位
５７   部屋
５８   凹所
６２   壁セグメント縁
６４   壁セグメント縁
６６   後縁
６８   前縁
６８   直線ベアリング
７０   側壁
７２   ブロック
７２   制御装置
７４   ねじ棒
【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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【国際調査報告】
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