(57)【要約】エアエンジンシステムは、エアエンジンの速度を制御するためにエアエンジンの駆動シャフトに結合されるモータを含む。エアエンジンは、エアコンプレッサによって供給される圧縮エア源からの圧縮エアを使用する。エアエンジンは車両で使用されてもよく、それにより、清浄な環境に優しい移動手段がもたらされる。従来の内燃機関は、圧縮エアで動作するようにレトロフィットされる場合がある。内燃機関の部品の多くは、ヘッドを含めて、エアエンジンとなるようにレトロフィットした後は不要になる。ヘッドは、吸気機能および排気機能の両方をシリンダに与えるソレノイドに結合されるヘッドプレートに置き換えられ、それにより、ヘッドのバルブが置き換えられる。キットは、圧縮エアで動かすべく既存の内燃機関をレトロフィットするための部品および取扱説明書を与える。【選択図】図１
2013530342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
エアタンクと、
前記電源に電気的に結合されて、圧縮エアを前記エアタンクに供給するエアコンプレッサと、
エアエンジンであって、
駆動シャフトに動力を与える複数のピストンを複数のシリンダ内に含むエンジンブロックと、
前記エンジンブロックに結合されてエアポートを有する少なくとも１つのヘッドプレートと、
前記エアタンク内の圧縮エアからのエア入力を前記ヘッドプレートの前記エアポートを通じて前記エンジンブロックの前記複数のシリンダへと供給するとともに、前記エンジンブロックの前記複数のシリンダからの排気エアを前記ヘッドプレートの前記エアポートを通じて供給するために、前記ヘッドプレートのエアポートに結合される複数のエアソレノイドと、
前記複数のエアソレノイドを作動させて、動力を前記駆動シャフトへ与えるタイミング機構と、
を備えるエアエンジンと、
前記駆動シャフトに機械的に結合されるとともに、前記電源に電気的に結合され、その速度が前記駆動シャフトの速度を決定するモータと、
前記モータに電気的に結合されて当該モータの速度を制御する加速器と、
を備える装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記電源が複数の直流（ＤＣ）バッテリを備える装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記タイミング機構は、前記エアエンジンの状態を検出するセンサを備える装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記モータおよび前記加速器に電気的に結合されるとともに、前記加速器からの入力を受けてそれに応じて前記モータの速度を決定する速度コントローラを更に備える装置。
【請求項５】
エアエンジンを制御するための方法において、
（Ａ）電源を設ける工程と、
（Ｂ）エアタンクを設ける工程と、
（Ｃ）前記電源に電気的に結合されて、圧縮エアを前記エアタンクに供給するエアコンプレッサを設ける工程と、
（Ｄ）エアエンジンを設ける工程であって、前記エアエンジンが、
（Ｄ１）前記エアタンクから圧縮エアを受ける工程と、
（Ｄ２）駆動シャフトに動力を与えるために複数のエアソレノイドを作動させるタイミング機構によって制御される前記複数のエアソレノイドの制御下で前記エアエンジンの吸気口へ圧縮エアを導入する工程と、
を行う工程と、
（Ｅ）前記駆動シャフトに機械的に結合されるモータを設ける工程と、
（Ｆ）前記エアエンジンの前記駆動シャフトの速度の設定に前記モータを関与させる工程であって、前記モータの関与により前記エアエンジンを回転させることにより、前記タイミング機構が、前記エアタンクからの圧縮エアを前記エアエンジンの前記吸気口へ供給し、それにより、前記エアエンジンが回転する工程と、
（Ｇ）前記モータの速度を変えて、前記エアエンジンの速度を変える工程と、
を備える方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、
前記モータに電気的に結合される速度コントローラを設ける工程と、
前記モータの速度を決定する前記速度コントローラに電気的に結合される加速器を設ける工程と、
を更に備え、
前記工程（Ｇ）が前記加速器を変えることにより行われる方法。
【請求項７】
請求項５記載の方法において、
前記電源が複数の直流（ＤＣ）バッテリを備える方法。
【請求項８】
請求項５記載の方法において、
前記タイミング機構は、前記エアエンジンの状態を検出するセンサによって駆動される電子タイミング機構を備える方法。
【請求項９】
請求項５記載の方法において、
前記駆動シャフトに機械的に結合されるとともに、前記電源に電気的に結合され、前記駆動シャフトにより回転されるときに前記電源を充電する充電器を設ける工程を更に備える方法。
【請求項１０】
２つのヘッドを有する内燃機関を圧縮エアで作動するようにレトロフィットするための方法において、
前記内燃機関のエンジンブロックから前記２つのヘッドを除去する工程と、
前記２つのヘッドのそれぞれの代わりに前記エンジンブロックに２つのヘッドプレートを設置する工程であって、前記各ヘッドプレートが複数の冷却剤出力ポートと複数のエアポートとを含む工程と、
前記２つのヘッドプレートの前記複数のエアポートに複数のエアソレノイドを設置する工程であって、前記複数のエアソレノイドのそれぞれが、圧縮エア源に結合される第１の入力ポートと、エア排気ラインに結合される第２の入力ポートと、前記ヘッドプレートの前記複数のエアポートに結合される出力ポートとを有し、前記複数のエアソレノイドのそれぞれが、コイルが励磁されるときに前記第１の入力ポートを前記出力ポートに接続するとともに、コイルが励磁されないときに前記第２の入力ポートを前記出力ポートに接続する工程と、
前記複数のエアソレノイドの前記コイルを選択的に励磁するためにタイミング機構を設置する工程と、
冷却剤ラインを前記２つのヘッドの前記複数の冷却剤出力ポートに接続する工程と、
冷却剤が冷却剤源から前記エンジンブロックと前記２つのヘッドの前記冷却剤出力ポートとを通じて冷却剤源へと流れるようにする電気的な送水ポンプを接続する工程と、
前記エンジンブロックの駆動シャフトをモータに機械的に結合する工程であって、前記モータの速度が前記駆動シャフトの速度を決定し、当該モータの速度を変えることにより前記エアエンジンの速度を変える工程と、
を備える方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記内燃機関の以下の構成要素、すなわち、
排気マニホールド、
排気パイプ、
マフラー、
触媒コンバータ、
排気クランプおよびスタッド、
スパークプラグ、
スパークプラグ配線、
ディストリビュータ、
ディストリビュータキャップ、
ディストリビュータロータ、
コイル、
燃料タンク、
燃料ライン、
燃料フィルタ、
燃料ポンプ、
ガスキャップ、
ガスネックおよびホース、
吸気口、
スロットル本体／キャブレター／噴射システム、
点火システムを制御するための電子制御モジュール、
エアフィルタアセンブリ、
エアフィルタ、
ラジエータ、
冷却ファン、
ファンクラッチ、
ラジエータシュラウド、
機械的な送水ポンプ、
ラジエータキャップ、および
サーモスタット、
のそれぞれを除去する工程を更に備える方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法において、
以下のそれぞれ、すなわち、
複数のバッテリを備える電源と、
電気的な油ポンプと、
エアエンジンによって回転されて前記複数のバッテリに充電電流を供給する充電器と、
前記モータの速度を決定する速度コントローラと、
前記モータの速度を決定する前記速度コントローラに結合される加速器と、
を設置する工程を更に備える方法。
【請求項１３】
既存の内燃機関を圧縮エアで作動するようにレトロフィットするためのキットにおいて、
前記内燃機関から除去するための構成要素のリストであって、当該内燃機関のヘッドを含むリストと、
除去されたヘッドに取って代わるように構成され、それぞれが複数の冷却剤出力ポートと複数のエアポートとを含む複数のヘッドプレートと、
第１の入力ポートと、第２の入力ポートと、出力ポートとをそれぞれが有する複数のエアソレノイドであって、前記複数のエアソレノイドのそれぞれが、前記エアソレノイドのコイルが励磁されるときに前記第１の入力ポートを前記出力ポートに接続するとともに、前記コイルが励磁されないときに前記第２の入力ポートを前記出力ポートに接続する、複数のエアソレノイドと、
を備えるキット。
【請求項１４】
請求項１３記載のキットにおいて、
必要とされるバッテリの数およびタイプに関する仕様と、
前記複数のエアソレノイドを励磁するためのタイミング機構と、
モータと、
前記モータのための速度コントローラと、
前記モータの速度を決定する前記速度コントローラのための加速器と、
前記既存の内燃機関の駆動シャフトを前記モータのシャフトに機械的に結合するためのカプラと、
エアコンプレッサと、
エアタンクと、
充電器と、
を更に備えるキット。
【請求項１５】
請求項１３記載のキットにおいて、
前記タイミング機構は、複数のセンサを有する固定プレートと、少なくとも１つの磁石を有する回転プレートとを備え、前記各センサは、磁石が前記センサに近接しているときに信号を送るキット。
【請求項１６】
請求項１４記載のキットにおいて、
フライホイールと、
電気的な送水ポンプと、
前記複数のヘッドプレートの前記冷却剤出力ポートを冷却剤源に接続するための取付具およびチューブと、
を更に備えるキット。
【請求項１７】
請求項１６記載のキットにおいて、
電気的な油ポンプと、
排気エアを受けるための排気タンクと、
前記複数のヘッドプレートから排気エアを引き抜いて、排気エアを前記排気タンクへ押し込む電気的な真空ポンプと、
を更に備えるキット。
【請求項１８】
請求項１７記載のキットにおいて、
前記内燃機関用の当初のモータマウントに取って代わるための剛体モータマウントと、
前記モータを装着するためのブラケットと、
前記充電器を装着するためのブラケットと、
複数のバッテリを接続するためのケーブルおよびコネクタと、
を更に備えるキット。
【請求項１９】
請求項１３記載のキットにおいて、
前記内燃機関から除去するための構成要素のリストは、
排気マニホールド、
排気パイプ、
マフラー、
触媒コンバータ、
排気クランプおよびスタッド、
スパークプラグ、
スパークプラグ配線、
ディストリビュータ、
ディストリビュータキャップ、
ディストリビュータロータ、
コイル、
燃料タンク、
燃料ライン、
燃料フィルタ、
燃料ポンプ、
ガスキャップ、
ガスネックおよびホース、
吸気口、
スロットル本体／キャブレター／噴射システム、
点火システムを制御するための電子制御モジュール、
エアフィルタアセンブリ、
エアフィルタ、
ラジエータ、
冷却ファン、
ファンクラッチ、
ラジエータシュラウド、
機械的な送水ポンプ、
ラジエータキャップ、および
サーモスタット、
を更に含むキット。
【請求項２０】
複数の直流（ＤＣ）バッテリと、
エアタンクと、
前記複数のＤＣバッテリに電気的に結合されて、圧縮エアを前記エアタンクに供給するエアコンプレッサと、
エアエンジンであって、
駆動シャフトに動力を与える複数のピストンを複数のシリンダ内に含むエンジンブロックと、
前記エンジンブロックに結合される少なくとも１つのヘッドプレートと、
前記ヘッドプレートのエアポートに結合されて、前記エアタンク内の圧縮エアからのエア入力を前記エアポートを通じて前記エンジンブロックの前記複数のシリンダへと供給するとともに、前記エンジンブロックの前記複数のシリンダからの排気エアを前記エアポートを通じて供給する、複数のエアソレノイドと、
前記複数のエアソレノイドを作動させて、車両の車輪に動力源を与える前記駆動シャフトに対して動力を与えるタイミング機構と、
を備えるエアエンジンと、
前記駆動シャフトに機械的に結合され、その速度が当該駆動シャフトの速度を決定するモータと、
前記モータに電気的に結合され、加速度の位置にしたがって当該モータの速度を決定する速度コントローラと、
を備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0003]本開示は、一般にエンジンに関し、特に圧縮エアエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0005]圧縮エアで作動するエンジン（エアエンジン）は、１世紀以上にもわたって存続してきた。一部のエアエンジンは特定用途で使用されてきたが、様々な技術的難題が様々な異なる用途でのエアエンジンの幅広い使用を妨げてきた。１つのそのような難題は、エアエンジンの速度を制御することである。エアエンジンの速度を制御するために多くの方式が提案されてきた。殆どの方式は、エンジンへ入力されるエア流量およびエア圧力を変化させて、エアエンジンの速度を変える。これらの方式の一部は２つの異なるエア圧縮段階と加速器バルブとを必要とし、これらがシステムの複雑さおよびコストを増大させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0006]エアエンジンシステムは、エアエンジンの速度を制御するためにエアエンジンの駆動シャフトに結合される電気モータを含む。加速器は電気モータの速度を制御し、電気モータはエアエンジンの速度を制御する。エアエンジンは、エアコンプレッサにより供給される圧縮エア源からの圧縮エアを使用する。エアエンジンは車両で使用されてもよく、それにより、清浄な環境に優しい移動手段がもたらされる。
【０００４】
[0007]従来の内燃機関は、本明細書中に開示されるように圧縮エアで動作するようにレトロフィットされる場合がある。内燃機関の部品の多くは、ヘッドを含めて、エアエンジンとなるようにレトロフィットした後は不要になる。ヘッドは、吸気機能および排気機能の両方をシリンダに与えるソレノイドに結合されるヘッドプレートに置き換えられ、それにより、ヘッドのバルブが置き換えられる。キットは、圧縮エアで動かすべく既存の内燃機関をレトロフィットするための部品および取扱説明書を与える。
【０００５】
[0008]前述のおよび他の特徴および利点は、添付図面に示されるような以下の更に特定の説明から明らかとなる。
【０００６】
[0009]同様の符号が同様の要素を示す添付図面を参照して、本開示について説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】エアエンジンシステムのブロック図である。
【図２】図１のエアエンジンの第１の特定の実施のブロック図である。
【図３】図１のエアエンジンの第２の特定の実施のブロック図である。
【図４】図１のエアコンプレッサの１つの特定の実施のブロック図である。
【図５】図１のエアソレノイドの第１の特定の実施のブロック図である。
【図６】図１のタイミング機構に関する第１の特定の実施のブロック図である。
【図７】図１のタイミング機構に関する第２の特定の実施のブロック図である。
【図８】図１の加速器に関する１つの特定の実施のブロック図である。
【図９】図１の電源に関する１つの特定の実施のブロック図である。
【図１０】図１のエアエンジンシステムを動作させるための方法のフロー図である。
【図１１】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されたエアエンジンのエアフロー図である。
【図１２】図１１のエアエンジンの冷却剤フロー図である。
【図１３】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されるエアエンジンのための図１に示されるタイミング機構１５０に適する第３の実施を示す図である。
【図１４】図１３のマグネット１３５０の形状の１つの想定し得る変形を示す図である。
【図１５】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されるエアエンジンのための図１のエアソレノイドの第２の特定の実施のブロック図である。
【図１６】内燃機関のヘッドに取って代わるヘッドプレートの平面図である。
【図１７】機械部品を示すエアエンジンのブロック図である。
【図１８】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されるエアエンジンのための図１７に示されるエンジンブロック１１２０の端面図である。
【図１９】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されるエアエンジンにおける冷却剤およびエアのための接続を示すヘッドプレートの平面図である。
【図２０】既存の内燃機関をレトロフィットすることにより形成されるエアエンジンのための電気系統のブロック図である。
【図２１】圧縮エアで動かすべく既存の内燃機関をレトロフィットするためのレトロフィットキットのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0031]エアエンジンシステムは、エアエンジンの速度を制御するためにエアエンジンの駆動シャフトに結合されるモータを含む。エアエンジンは、バッテリ駆動のエアコンプレッサによって供給される圧縮エア源からの圧縮エアを使用する。モータの速度は、速度コントローラへ入力される加速器によって制御される。モータの速度はエアエンジンの速度を決定する。エアエンジンは車両で使用されてもよく、それにより、清浄な環境に優しい移動手段がもたらされる。
【０００９】
[0032]従来の内燃機関は、本明細書中に開示されるように圧縮エアで動作するようにレトロフィットされる場合がある。内燃機関の部品の多くは、ヘッドを含めて、エアエンジンとなるようにレトロフィットした後は不要になる。ヘッドは、吸気機能および排気機能の両方をシリンダに与えるソレノイドに結合されるヘッドプレートに置き換えられ、それにより、ヘッドのバルブが置き換えられる。キットは、圧縮エアで動かすべく既存の内燃機関をレトロフィットするための部品および取扱説明書を与える。
【００１０】
[0033]図１を参照すると、エアエンジンシステム１００は、エアコンプレッサ１２０に給電する電源１１０を含む。電源１１０は、ディープサイクル車両バッテリなどの１つ以上のバッテリによって形成される直流（ＤＣ）電源であることが好ましい。エアコンプレッサ１２０は、その吸気口で外気を受けて、その出力で圧縮エアをエアタンク１３０へ出力する。エアタンク１３０は、エアコンプレッサ１２０によって与えられる圧縮エアのための格納容器である。エアタンク１３０からのエアは１つ以上のエアソレノイド１４０へ与えられる。各エアソレノイドは、タイミング機構１５０によって制御される電気作動のエアゲートである。エアソレノイド１４０は、タイミング機構１５０により作動されると、エアタンク１３０内の圧縮エアをエアエンジン１６０の吸気口へ供給する。エアエンジン１６０は、エアソレノイド１４０から入力される圧縮エアを受けるとともに、該圧縮エアを使用して、圧縮エアのエネルギーを変換し、駆動シャフト１６２を駆動させる。エアエンジン１６０には燃焼が存在しないため、エアエンジンからの排ガスは、炭化水素放出がゼロで大気へ排出され得るエアである。
【００１１】
[0034]タイミング機構１５０は、エアエンジン１６０の状態にしたがってエアソレノイド１４０を作動させる。タイミング機構１５０は、機械的に動作されてもよく、電子的なタイミング機構であってもよく、あるいは、機械的機構と電子的機構との任意の適した組み合わせであってもよい。タイミング機構１５０は、圧縮エアを適した時間点でエアエンジン１６０へ供給してパワーストロークをエアエンジン１６０に与える。タイミング機構１５０に関する更なる詳細については以下で与えられる。
【００１２】
[0035]エアエンジン１６０は駆動シャフト１６２を駆動させる。駆動シャフト１６２は、機械的作用をもたらすためにパワードライブ１９６を備える。エアエンジンシステム１００が車両で使用される場合、パワードライブ１９６は、一般に、変速装置と、車両の車輪のうちの１つ以上に対して動力を与える差動装置とを含む。
【００１３】
[0036]エアエンジン１６０の駆動シャフト１６２は、適したカプラ１９４を使用して電気モータ１９０のモータシャフト１９２に結合される。電気モータ１９０は直流（ＤＣ）モータであることが好ましい。カプラ１９４は、剛体カプラであってもよく、あるいは、ユニバーサルジョイントなどのフレキシブルなカプラであってもよい。１つの特定の実施において、エアエンジン１６０およびモータ１９０は、駆動シャフト１６２およびモータシャフト１９２がカプラ１９４と直接に結合され得るようにそれらの長手方向軸に沿って一直線となるように位置される。別の実施において、カプラ１９４は、モータ１９０のモータシャフト１９２にチェーンを介して結合される駆動シャフト１６２上のギアであってもよい。また、カプラ１９４は、駆動シャフトおよび／またはモータシャフトの回転速度を増大させあるいは減少させるのに適したギアボックスなどの手段を含むことができる。カプラ１９４は、モータシャフト１９２の速度が駆動シャフト１６２の速度を制御するように駆動シャフト１６２をモータシャフト１９２に機械的に結合させるために任意の適した態様にまで及ぶ。
【００１４】
[0037]モータ１９０は、加速器１７０に結合される速度コントローラ１８０により駆動される。速度コントローラ１８０は、加速器１７０の状態にしたがってモータ１９０の速度を設定する。加速器１７０は、エアエンジンシステム１００の操作者が加速器１７０の状態を変えることによりエアエンジン１６０の速度を増大させあるいは減少させることができるようにし、加速器１７０の状態を変えることにより、速度コントローラ１８０は、モータ１９０を所望の速度で駆動させる。１つの適した実施では、加速器１７０が可変抵抗器であり、速度コントローラ１８０は、可変抵抗器の抵抗に対応する速度でモータ１９０を駆動させる。加速器１７０および速度コントローラ１８０は、モータ１９０の速度を決定するように任意の適した態様にまで及ぶ。
【００１５】
[0038]エアエンジンシステム１００は、１つ以上のソーラーパネル１０８、フライホイール１６４、充電器１９８、および、エアタービン１６６を含む随意的な構成要素を含んでもよい。ソーラーパネル１０８は電源１１０を充電するために使用される。フライホイール１６４は、エンジンがその速度を様々な負荷にわたって維持できるようにエンジンからのエネルギーを蓄えるために使用される。充電器１９８は、電源１１０を充電するために駆動シャフト１６２により給電される。エアタービン１６６は、エアエンジン１６０からのエア排気経路内に配置されて、エアエンジンから出る排ガスからのエネルギーを回転エネルギーへと変換し、回転エネルギーは、電源１１０を充電するために電気へと変換される。ソーラーパネル１０８およびエアタービン１６６は、更なるエネルギーを電源１１０へ供給することによってエアエンジンシステム１００の動作時間を延ばす。
【００１６】
[0039]図１のエアエンジン１６０に適した１つの実施が図２に示される。エアエンジン２００は、エアソレノイド１４０からエアエンジンのスパークプラグポート２３０へとエアを入力する。この特定の実施において、エアエンジン２００は、内部燃焼を全く伴わずに圧縮エアで動作するように変換された内燃機関である。エアエンジン２００内で燃焼がないため、スパークプラグが不要である。吸気バルブ２１０が閉じられる。吸気バルブが常に閉じられたままとなるようにする１つの方法は、通常は吸気バルブを開放するカムシャフトのローブを除去することである。タイミング機構１５０は、適時にエアソレノイド１４０を作動させて、エアソレノイド１４０を通じた圧縮エアをスパークプラグポート２３０を介してシリンダ２４０へと供給する。タイミング機構は、シリンダ２４０内のピストンが上死点またはその近傍にあるときにエアソレノイド１４０を作動させることが好ましい。結果として、圧縮エアは、シリンダを押し下げて、エアエンジンのパワーストロークを与える。排気バルブ２２０は、シリンダ２４０から排気エアを放出するために開放する。シリンダ内で燃焼がないため、タイミング機構１５０は、ピストンの各サイクルによりエアソレノイドを作動させてもよく、ピストンの各サイクルで排気バルブ２２０を同様に作動させてもよく、これにより、ピストンのすべてのストロークがエアエンジン２００においてパワーストロークとなる。ピストンの各サイクルで排気バルブ２２０を作動させるための１つの適した方法は、排気バルブ２２０を作動させるカムシャフトを２つのローブを含むように改変することである。この態様では、排気バルブ２２０は、ピストンの１つおきのサイクルではなく、ピストンの各サイクル中の適した時に開放する。図２のエアエンジン２００は、単一のエアソレノイド１４０、吸気バルブ２１０、排気バルブ２２０、スパークプラグポード２３０、および、シリンダ２４０を含むように示されているが、当業者であれば分かるように、これらは、シリンダの数にしたがってエンジンで複製される。
【００１７】
[0040]図１のエアエンジン１６０に関する別の実施が図３に示されている。エアエンジン３００では、エアソレノイド１４０が、エアタンクからの圧縮エアをエアエンジンの吸気バルブ３１０へ入力する。スパークプラグポート３３０が閉じられる。スパークプラグポートを塞ぐための１つの適した方法は、スパークプラグを点火配線に接続されない場所にとどめておくことである。他の適した方法は、スパークプラグにおけるものと同じネジを有するプラグを使用することである。エアエンジン３００は、図２のエアエンジン２００との類似性を幾つか有する。タイミング機構１５０は、ピストンの各サイクルで吸気バルブ２１０および排気バルブ３２０を作動させて、各サイクルでパワーストロークをもたらすことが好ましい。タイミング機構１５０が吸気バルブ３１０および排気バルブ３２０を各ストロークで作動させるための１つの方法は、吸気バルブのための２つのローブと排気バルブのための２つのローブとを備えるようにカムシャフトを改変することである。無論、タイミング機構１５０を電子的機構にすることもできる。
【００１８】
[0041]図１のエアコンプレッサ１２０の１つの適した実施が図４に示されている。エアコンプレッサ１２０は、外気を受けてその外気を直流（ＤＣ）コンプレッサ機構４３０へ入力する吸気口４１０を含み、ＤＣコンプレッサ機構４３０は、図１の電源１１０に適した１つの実施であるＤＣ電源４４０により給電される。ＤＣコンプレッサ機構４３０は、エアタンク１９０に結合されるその圧縮エア出力４２０へ圧縮エアを出力する。ＤＣ電源４４０に適した１つの実施は、レクリエーショナルビークルで使用されるような１つ以上のディープサイクルバッテリである。
【００１９】
[0042]図１に示されるエアソレノイド１４０に適した１つの実施が図５にエアソレノイド５００として示される。エアソレノイド５００は、エアゲート５２０を作動させる電気入力を受けるコイル５１０を含むことが好ましい。電圧がコイル５１０に供給されると、エアゲートは、エア入力５３０をエア出力５４０に接続するように作動する。電圧がコイル５１０から除去されると、エアゲートは、エア入力５３０をエア出力５４０から切断するために閉じる。このように、エアソレノイド５００は、所望時に圧縮エアをエアエンジンに供給するためにタイミング機構１５０によってＯＮされてＯＦＦされる電気的に制御されるエアスイッチである。前述したエアソレノイドは、通常は閉じられており、適した電圧がコイルに接続されるときにエアゲートを開放するが、もう一つの方法として、タイミング機構１５０が適時に適した電圧をコイルに供給する場合には、電圧がコイルに接続されるときにエアゲートを閉じる常時開のエアソレノイドを使用することができる。
【００２０】
[0043]タイミング機構１５０に適した１つの実施が図６に示される。タイミング機構６００は、タイミングベルトまたはチェーンを介してカムシャフトを回転させるクランクシャフトを含む。カムシャフトは、カムシャフト６２０が回転するときにバルブ６４０を機械的に開閉するリフタ６３０を作動させるローブを含む。カムシャフト６２０は、ポイント６６０を作動させるプッシュロッド６５０も作動させる。ポイント６６０は電圧Ｖ＋をエアソレノイドのコイルに供給し、それにより、ポイント６６０によって決定される時にエアエンジンへ圧縮エアが注入される。マルチシリンダエンジンでは、プッシュロッド６５０がカムシャフト６２０により駆動されるディストリビュータに取って代えられ、ディストリビュータは、適時にすべてのシリンダのためのエアソレノイドを駆動させるためにポイント６６０を駆動させる。
【００２１】
[0044]タイミング機構１５０に適した第２の実施が図７に示されている。タイミング機構７００は、クランクシャフト７１０の回転を検出するセンサ７２０を含む。センサは電子タイミング機構７３０へ信号を供給し、電子タイミング機構７３０は駆動信号をエアソレノイドのコイルへ供給する。複数のシリンダを含むエアエンジンでは、センサ７２０が、各シリンダのためのそれぞれのエアソレノイドを作動させるべきときに信号を電子タイミング機構７３０へ送るべくクランクシャフト７１０の異なる位置を検出できることに留意されたい。別の方法では、センサ７２０は、電子タイミング機構７３０へ送るクランクシャフト７１０の単一の位置を検出でき、その後、電子タイミング機構７３０は、すべてのエアソレノイドのコイルへと適したタイミング信号を次々に発生させることができ、それにより、クランクシャフトの１つの位置を検出するだけで、マルチシリンダエンジンのすべてのシリンダが駆動される。図１３に示されるような他の別の方法では、シリンダに対応するエアソレノイドをそれぞれが制御する複数のセンサを設けることができる。
【００２２】
[0045]なお、タイミング機構１５０は、機械的機構であろうが、電子的機構であろうが、あるいは、２つの何らかの組み合わせであろうが、エンジンの速度が変化するにつれてエアソレノイドを作動させるためのタイミングを変えるタイミング調整機構を含んでもよい。旧来の内燃機関では、エンジン速度が増大するときに、ディストリビュータを推進する真空がタイミングを調整する。電子点火装置を含む最新の内燃機関では、エンジンの検出された速度にしたがって、スパークプラグの点火が電子的に調整される。これらの機構のいずれも、エアエンジンの速度が変化するにつれてエアソレノイドの作動を調整するために使用され得る。言うまでもなく、タイミング機構１５０は、エアエンジンの速度が変化するにつれてエアソレノイドの作動のタイミングを変えるために任意の適した手段にまで及ぶ。
【００２３】
[0046]図１の加速器１７０に適した１つの実施が図８に示される。加速器８１０は、速度コントローラに結合される適した可変抵抗器（または、レオスタット）である。この実施の速度コントローラは、加速器８１０の抵抗にしたがってモータ１９０の速度を変える。エアエンジンシステム１００が車両で使用される場合には、加速器１７０がリニアプランジャを有する可変抵抗器であることが好ましく、リニアプランジャは、車両のドライバがフットペダルを押すときにモータの速度を増大させるべく抵抗が変化するとともに、車両のドライバがペダルから足を離すときにモータがエアエンジンをアイドル回転数で駆動させるようにする抵抗に対応するその非押下位置へとリニアプランジャをスプリングが戻すように、フットペダルをリニアプランジャに結合できるようにする。このようにすると、リニア可変抵抗器は、既知の車両の既知の加速器ペダルと同様の態様で機能できる。
【００２４】
[0047]電源９１０に適した１つの実施が、レクリエーショナルビークルで使用されるものと同様の４つの１２ボルトディープサイクルバッテリを含むように図９に示される。図９に示される特定の構成では、２つのディープサイクルバッテリが並列に接続され、他の２つが並列に接続された後、それらの２つの組が直列に接続される。これは、２４ボルトＤＣ電源とともに、２つの１２ボルトＤＣ電源を与える。
【００２５】
[0048]図１０を参照すると、エアエンジンを動作させるための方法１０００は、エアエンジンの速度の設定にモータを関与させることによって始まる（工程１０１０）。エアエンジンの回転によってタイミング機構１５０がエアソレノイド１５０を作動させ、それにより、エアエンジン１６０がモータにより決定される速度で作動する。その後、モータの速度は、エアエンジンの速度を変えるために加速器を使用して変えられてもよい（工程１０２０）。
【００２６】
[0049]既知のエアエンジンは、複数の圧縮段階とエンジンへのエア入力を変えるための加速器バルブなどの手段とを含む、エアエンジンの速度を制御するための複雑な手段を使用する。エアエンジンへのエア圧力およびエア流量を変えてエアエンジンの速度を制御するには、エアエンジンの複雑さおよびコストを増大させる高性能で複雑な制御器が必要である。本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンシステム１００は、エアエンジンの外部のモータに給電してエアエンジンの速度を設定することにより、エアエンジンの速度を制御するための複雑な手段を回避する。モータがエアエンジンの速度を決定すると、エンジンの速度を変えるためにエンジンへのエア流量を変えようとすることなく、その速度で、エアタンクから直接に、エアがパワーストロークをエアエンジンに与えることができる。その結果、モータは、かなりの量の電力を電源から引き出すことなく回転する。これは、動力の大部分がエアエンジンによって供給されるからである。動力を供給するためのエアエンジンとエアエンジンの速度を容易に設定するためのモータとの組み合わせは、エアエンジンに結合されるモータの速度を制御する加速器を使用してエアエンジンの速度を容易に変えることができるエアエンジンシステムをもたらす。モータは、良好なローエンドトルクを有するが、高速ではかなり低いトルクを有する。一方、エアエンジンは、不十分なローエンドトルクを有するが、高速では大きなトルクを与える。したがって、モータを使用してエアエンジンを始動させるとともにエアエンジンの速度を制御することにより、モータは、エアエンジンが通常の動作速度で仕事の大部分を与えることができるようにしつつ、エアエンジンの速度を制御できる。なお、モータはエアエンジンのためのスターターとしても作用し、そのため、従来のスターターを使用する必要性が排除される。
【００２７】
試作品
[0051]本明細書中に開示されるエアエンジンシステムの構造を検査するために試作品が形成された。試作品のエアエンジンの構成は図６に示される構成と同様である。ゴルフカートのエンジンは、Ｋｏｈｌｅｒ  Ｋ−１８１シリーズ１気筒８馬力（ｈｐ）内燃機関であった。カムシャフトは、吸気バルブを駆動させるローブを除去して排気バルブのための更なるローブを付加するように改変された。その結果、図２に示されるように吸気バルブが常に閉じられ、一方、排気バルブはピストンのすべてのサイクル中に開放する。使用されるエアソレノイドは、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ，６０３５  Ｐａｒｋｌａｎｄ  Ｂｌｖｄ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ  ４４１２４から入手できる２４ボルトコイルを有するＰａｒｋｅｒエアソレノイド、部品番号Ｎ３５５３９０４５５３であった。エアソレノイドは、１つの入力と、２つの出力とを有しており、使用されない出力が塞がれている。使用されるエアコンプレッサは、１５０ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）で１０．１立方フィート／分（ＣＦＭ）を与えるＯａｓｉｓ  ２４ボルトＤＣエアコンプレッサ、部品番号ＸＤ４０００−２４であった。ＤＣモータは、２４ボルトで作動するＯａｓｉｓ１．７ｈｐモータである。エアコンプレッサおよびモータは、Ｏａｓｉｓ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２３０１１  Ａｌｃａｌｄｅ  Ｄｒ．，Ｓｕｉｔｅ  Ｐ，Ｌａｇｕｎａ  Ｈｉｌｌｓ，ＣＡ  ９２６５３から入手できる。速度コントローラは、Ｌｅｅｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｒａｆｔｏｎ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ  ５３０２４によって製造された２４ボルト入力を有する部品番号１７４２９８．００Ｄ０９である。加速器は、０〜１Ｋオームの可変抵抗を伴う速度コントローラを搭載し且つゴルフカートのドライバがそれを手で容易に回転させることができるようにシートの下側に装着された可変抵抗器（レオスタット）である。エアタンクは２５．５インチ×１４．７５インチ×５．５インチであり、それにより、約２０７０立方インチの総容量が与えられる。使用されるバッテリは、１２ボルト電力および２４ボルト電力の両方を供給するために図９に示されるように接続される４つのディープサイクルバッテリである。選択されるエアソレノイドは回路を閉じることによって作動される必要があるため、また、ポイントは、通常は閉じられており、エアソレノイドを作動させる必要があるときに開放するため、通常は開放してエアソレノイドを作動させる必要があるときに閉じるようにＫｏｈｌｅｒエンジンのファクトリーポイントに取って代わるべくカスタムポイントが設計されて形成された。
【００２８】
[0052]試作品ゴルフカートが動作されると、エアタンクを１５０ＰＳＩの圧力まで圧縮エアで満たすためにエアコンプレッサが最初に作動される。エアタンクが１５０ＰＳＩまで加圧されると、エアコンプレッサは、エアの圧力が１００ＰＳＩに降下するまでＯＦＦになり、１００ＰＳＩに降下するとコンプレッサがＯＮに戻る。トグルスイッチが電力を速度コントローラへ供給する。加速器ノブが最小位置にある場合には、トグルスイッチが切り換えられ、それにより、速度コントローラは、加速器ノブにより規定される最小速度までモータを駆動させる。モータを用いてエアエンジンを回転させることにより、ポイントが閉じ、それにより、エンジンを通じたエアの流れが始まる。エア流により、エンジンは、モータの最小速度により決定される速度でアイドリング運転する。モータのための可変抵抗器（加速器）ノブは、エアエンジンの速度を直接に制御するモータの速度を設定するべく回転されてもよい。エアエンジンが高速で作動していると、圧縮エアが動力の大部分を与え、一方、モータは、バッテリから多量の電力を消費することなく所望の速度で回転する。エアエンジンの速度は、加速器として作用する可変抵抗器のノブを回転させることによって容易に変えることができる。ノブを時計回りに回転させると、モータおよびエアエンジンの速度が増大し、一方、ノブを反時計回りに回転させると、モータおよびエアエンジンの速度が減少する。その結果、簡単で効果的な速度制御を行うとともに８ｈｐ内燃機関よりもかなり良好なエネルギー消費量をもたらす非常に簡単なエアエンジンが得られる。エアエンジンの速度を制御するためのモータを備えることで、エアエンジンの速度を変えるために圧縮エアの圧力またはエア流量を変える必要なく、図示して前述した簡単なシステムによりエアエンジンの動力を供給できる。したがって、この構造は、非常に簡単で洗練されており、非常に低いコストで非常に良好な性能をもたらす。
【００２９】
実測性能
[0054]ゴルフカート試作品は５３度の外気温度で作動された。バッテリの開始電圧は２５．３ボルトであった。加速器ノブがその最大値に設定され、それにより、モータがエアエンジンを約２７００回転／分（ＲＰＭ）で回転させた。ゴルフカートは、バッテリが放電される前に１時間１０分にわたって作動され、放電時のバッテリを測定すると２４．３ボルトであった。検査の終わりのエアエンジンヘッド温度はカ氏１５１度であり、エアエンジン排気温度はカ氏１０７度であった。
【００３０】
[0055]ここで、その内燃機関を使用するゴルフカートと、本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンシステムを用いて改変されたゴルフカートとを比較することができる。８ｈｐ１気筒エンジンは、負荷を受けた状態で、１時間当たり約１ガロンのガソリンを消費する。ガソリンの１ガロン当たりの価格が＄２．７５であると仮定すると、このことは、ガソリンを使用してゴルフカートに動力を与えるための燃料コストが１時間当たり約＄２．７５であることを意味する。前述したエアエンジンシステムを有する試作品ゴルフカートに関しては、最大モータ電流が２４ボルトで９０アンペアであり、最大エアコンプレッサ電流が２４ボルトで９０アンペアである。その結果、２４ボルトで１８０アンペアの理論最大値が得られ、それにより、１８０アンペア×２４ボルト、すなわち、４３２０ワット／時の理論最大電力消費量がもたらされる。バッテリを再充電するために８５％の充電効率を有する高効率充電器が使用されると仮定すると、また、９０％のバッテリ効率を仮定すれば、このことは、４３２０ワットを供給するために必要とされる総エネルギーが（４３２０／（０．８５×０．９０））＝５６５０ワットであることを意味する。１キロワット時当たり＄０．１０のコストでは、これにより、エアエンジンゴルフカート試作品に動力を与えるために必要とされるエネルギーが１時間当たり＄０．５７となる。なお、この概算値は、エアコンプレッサおよびモータの理論最大電流引き込みに基づいている。検査実行中、エアコンプレッサは、ＯＮおよびＯＦＦを繰り返し、絶えずＯＮの状態ではなかった。モータはエアエンジンの速度を設定するために常に駆動されていたが、動力の大部分はエアエンジン駆動シャフトによって供給された。そのため、モータからの電流引き込みは、モータに関して定められる９０アンペア最大値よりもかなり低くなると概算される。しかし、コンプレッサおよびモータの両方による最大電流引き込みを仮定した場合であっても、ゴルフカートは、依然として、同じゴルフカートの同じエンジンをガソリンで動作させるコストの０．５７／２．７５、すなわち、２１％となるコストをもたらす。更なる試験においても、定められた最大値よりもかなり低いエアエンジンシステムへの電力入力を示し、それにより、エアエンジンシステムの効率が更に高められると考えられる。また、ガソリンの価格が増大するにつれて、エアエンジンの利点が益々明らかとなる。
【００３１】
車両
[0057]本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンシステムは、車両に動力を与えるために使用することができる。無論、複数のシリンダを有するエンジンにおいては、物事が必然的に拡大する。バッテリの数が必然的に増大し、モータ、エアコンプレッサ、および、エアタンクのサイズも必然的に増大する。しかし、ゴルフカート試作品から得られる検査結果に基づき、簡単な１つのシリンダ試作品に関して証明された概念は、４つ、６つ、あるいは、８つのシリンダ（あるいはそれ以上）を有するエンジンにまでうまく拡大すると考えられる。結果は、化石燃料を燃やすことなく内燃機関のエネルギーコストの一部分だけで走行できる車両である。したがって、結果として得られるエアエンジンシステムは、車両の駆動に際してかなりの省エネをもたらすための環境に優しい方法を提供する。
【００３２】
[0058]従来の車両の内燃機関は、本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンとして作動するようにレトロフィットされてもよい。３５０ｃｃエンジンと７００Ｒオートマチックトランスミッションとを有する１９９４１／２トンシボレー二輪駆動ピックアップトラックが、圧縮エアで作動するようにレトロフィットされた。図１１−図２０の詳細は、どのようにしてこの車両が圧縮エアで作動するようにレトロフィットされたかを示しており、図２１は、レトロフィットで使用される構成要素を含むレトロフィットキットを示している。
【００３３】
[0059]図１１は、レトロフィットされたシボレーピックアップトラックのためのエアフローシステム１１００を示している。エアコンプレッサ１１６０は１つ以上の排気タンク１１５０からエア入力を受ける。エアコンプレッサ１１６０は、図１のエアコンプレッサ１２０に適した一例である。エアコンプレッサ１１６０は、１７５ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）で４３立方フィート／分（ＣＦＭ）の能力を有するとともに９６ボルトの直流（ＤＣ）で作動するＡｉｒｂａｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓコンプレッサ型番４２−５６である。エア入力からのエアは、エアコンプレッサ１１６０により、バルクエアタンク１１７０Ａ内へと圧縮される。エアコンプレッサ１１６０およびバルクエアタンク１１７０Ａはピックアップトラックの荷台に配置された。補助エアタンク１１７０Ｂがエンジン室内のフードの下側に置かれた。ラインがバルクエアタンク１１７０Ａから運転室内の放出バルブ１１７２を経て補助エアタンク１１７０Ｂへと延ばされた。放出バルブ１１７２はエアタンク１１７０Ａ，１１７０Ｂの減圧を可能にする。試作品が手動放出バルブを伴って形成されたが、図１１に示される放出バルブ１１７２は手動であっても自動であってもよい。例えば、放出バルブ１１７２は、圧力が何らかの特定の閾値を超える場合にエアタンク１１７０Ａ，１１７０Ｂからエアを自動的に放出する自動過圧バルブであってもよい。なお、エアタンク１１７０Ａ，１１７０Ｂを互いに組み合わせることは、図１のエアタンク１３０における１つの特定の実施である。
【００３４】
[0060]補助エアタンク１１７０Ｂが乾燥器１１８０に接続される。乾燥器１１８０は、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ乾燥器、部品番号Ｐ３ＮＲＡ９８ＢＮＴであり、エアソレノイドへと流れるエアを乾燥状態に維持する。乾燥器１１８０は、エア入力をヘッドプレート１１１０へ供給するエアソレノイド１１９０に接続される。ヘッドプレート１１１０はエンジンの従来のヘッドに取って代わり、このヘッドプレートについては以下で更に詳しく説明する。エアは、各シリンダ内に適時に圧縮エアを供給してシリンダ内のピストンにパワーストロークを与えるタイミング機構の制御下で、エアソレノイド１１９０により、ヘッドプレート１１１０を通じてエンジンブロック１１２０のシリンダ内へ導入される。エアは、シリンダからヘッドプレート１１１０を通じてＤＣ真空ポンプ１１３０へと排出される。任意の適した真空ポンプを使用できる。１つの適した真空ポンプは、Ｃｏｍｐ  Ｃａｍｓ電気ブレーキブースタ５５００真空ポンプである。ＤＣ真空ポンプは、シリンダからの排気エアを１つ以上の排気タンク１１５０内へと引き込むために真空圧を与える。エアが排気タンク１１５０からＤＣ真空ポンプ１１３０の出口へと逆流しないようにするために、ＤＣ真空ポンプ１１３０と排気タンク１１５０との間にチェックバルブ１１４０が配置される。その後、排気タンク１１５０がエア入力をエアコンプレッサ１１６０へ与える。
【００３５】
[0061]図１に示されるシステムと比べた図１１に示されるシステムの利点のうちの１つは、閉じられたシステム内でのエア流れである。図１では、エアコンプレッサ１２０への吸気が大気からであり、タービン１６６を介したエアエンジン１６０からの排気が大気へと向かう。図１１に示されるエアフローシステム１１００では、エアが閉じられたシステム内で何度も繰り返して再循環され、そのため、乾燥器１１８０は、エアを乾燥状態に維持するために、かなりの量の水分を含む場合がある大気を取り込んでいるシステムと比べて過酷に働く必要がない。エアフローシステム１１００は複数の排気タンク１１５０の使用をもくろむ。そのようなシステムにおいて、チェックバルブ１１４０の出力は、複数の排気タンク１１５０へのエアの流れを制御するエアソレノイドへと経路付けられる。例えば、ＤＣ真空ポンプ１１３０は、第１の排気タンクへエアを排出し始めることができる。第１の排気タンク内の圧力が何らかの所定の閾値に達すると、エアソレノイドは、ＤＣ真空ポンプ１１３０を第２の排気タンクに接続させるように作動され得る。第２の排気タンク内の圧力が何らかの所定の閾値に達すると、エアソレノイドは、ＤＣ真空ポンプを第３の排気タンクに接続させるように作動され得る。その後、制御システムにより、エアコンプレッサ１２０は、ＤＣ真空ポンプ１１３０が異なる排気タンクを加圧している間に、既に所定の圧力に達した排気タンクからエア入力を受けることができる。言うまでもなく、本明細書中の開示および特許請求の範囲は、排気タンクの任意の適した数にまで及ぶとともに、排気タンクとエアコンプレッサのエア入力との間を切り換えるための任意の適した機構および真空ポンプの出力と排気タンクとの間を切り換えるための任意の適した機構にまで及ぶ。エアエンジン内で燃焼がないため、排気エアとしてエアエンジンから出るエアは、エアソレノイドを介してエアエンジンに入るエアと質が著しく異ならない。内燃機関を用いる場合のように排気エアが炭化水素汚染物質を含まないため、排気エアをエアコンプレッサのエア入力へと直接に再循環させることができる。
【００３６】
[0062]図１２は、レトロフィットシボレーピックアップトラックにおける冷却剤システム１２００を示している。従来のラジエータが除去される。エアエンジンによって発生される熱は、内燃機関によって発生される熱よりもかなり少なく、そのため、ラジエータ要件がかなり減少される。したがって、内燃機関用の大型のラジエータが、オートマチックトランスミッション液を冷却するために一般に使用されるラジエータなどの非常に小さいラジエータ１２２０に取って代えられてもよい。このとき、冷却剤システム１２００のための充填ポイントとして内燃機関用のオーバーフローリザーバ１２１０が使用されてもよい。リザーバ１２１０はＤＣ送水ポンプ１２３０に接続され、ＤＣ送水ポンプ１２３０はラジエータ１２２０に接続される。ＤＣ送水ポンプ１２３０は、冷却剤をリザーバから引き出して、冷却剤をラジエータ１２２０を介してエンジンブロック１１２０へ圧送する。冷却剤は、エンジンブロック１１２０およびヘッドプレート１１１０を通じて流れる。冷却剤はヘッドプレート１１１０からリザーバ１２１０へと流れる。１つの適したＤＣ送水ポンプは、１２ＶＤＣで作動するＳｕｍｍｉｔ  Ｒａｃｉｎｇ  １２−００１８電気送水ポンプであるが、当業者に知られて入手できる多くのＤＣ送水ポンプが存在する。なお、水および冷却剤という用語は、本明細書では置き換え可能に使用される。これは、当業者であれば分かるように、水が冷却剤であり、水とプロピレングリコール（不凍液）などの他の化学物質との様々な組み合わせも適した冷却剤を形成するからであり、エンジンの送水ポンプが適した冷却剤として作用する任意の液体を圧送するように形成されるからである。
【００３７】
[0063]図１３は、レトロフィットされたピックアップトラックのための図１のタイミング機構１５０を構成する２つの円形プレートを示している。固定プレート１３１０はエンジンブロック１１２０に固定され、そのため、その位置が変化しない。固定プレート１３１０は、エンジンのクランクシャフトが通過する中心穴１３３０を含む。中心穴１３３０の直径は、クランクシャフトが回転するときにクランクシャフトが固定プレート１３１０と接触しないように十分に大きい。また、固定プレート１３１０は、好ましくはエンジンのシリンダごとに１つずつ、センサ１３２０を含む。したがって、図１３に示されるように、レトロフィットされたピックアップトラックの８気筒エンジンの場合には、固定プレートの周囲に等間隔で離間された８個のセンサ１３２０が存在する。なお、センサのうちの２つだけに参照番号１３２０が付されるが、他の６個のセンサも同じタイプのセンサであることは言うまでもない。１つの実施では、センサ１３２０が磁気リードスイッチであり、この磁気リードスイッチは、通常は開放しており、磁石に近づくと閉じる。なお、固定プレート１３１０の周囲のセンサ１３２０の位置は、エアがヘッドプレートを通じてシリンダ内へ導入される時期を決定し、したがって、センサは、各ピストンのストローク中にエアソレノイドにエアを適時に各シリンダ内へ注入させるように位置される。
【００３８】
[0064]図１３は回転プレート１３４０も示している。回転プレート１３４０は、エンジンのクランクシャフトが通過する中心穴１３６０を含む。中心穴１３６０は、クランクシャフトの回転が固定プレート１３１０へ近接する回転プレート１３４０の回転を引き起こすようにクランクシャフトと係合するべく構成される。回転プレート１３４０は、回転プレート１３４０が回転するときにセンサ１３２０が通過する磁石１３５０を含む。なお、磁石１３５０のサイズおよび形態は、磁気リードスイッチが閉じられる時間の長さを決定する。図１３には円形磁石が１３５０で示されているが、図１４は磁石１３５０に関する別の形態を示しており、この磁石１３５０は、図１４に示される長さｄを有する弓形の細長い構造を含む。磁石１３５０の長さｄは、エアソレノイドを開放する必要がある時間の長さにしたがって変えられてもよい。したがって、より大きな磁石は、各シリンダ内への圧縮エアの更に長いバーストをもたらし、一方、より短い磁石は、各シリンダ内への圧縮エアの更に短いバーストをもたらす。そのため、図１４の磁石１３５０の長さｄは、最適な動力伝達をエアエンジンでもたらすように選択されてもよい。
【００３９】
[0065]エアソレノイド１４０の第１の適した例が図５に示されるが、第２の適した例が図１５に１５１０で示される。エアソレノイド１５１０は、図１に示されるエアソレノイド１４０に適した第２の例である。エアソレノイド１５１０は、２つのエア入力ポート１５３０，１５３２と、１つのエア出力ポート１５４０とを含む。第１のエア入力ポート１５３０は、図１１の乾燥器１１８０からのエア入力に接続される。第２のエア入力ポート１５３２は、ＤＣ真空ポンプ１１３０の入力へと延びるエア排気ラインに接続される。エア出力１５４０は、ヘッドプレートの下側でシリンダに接続されるヘッドプレートの対応するエアポートに接続される。エアソレノイド１５１０のコイル１５５０が励磁されると、エアゲート１５２０が第２のエア入力１５３２をエア出力１５４０に接続する。エアソレノイドのコイル１５５０が励磁されると、エアゲート１５２０が第１のエア入力１５３０をエア出力１５４０に接続し、それにより、圧縮エアがシリンダへ供給される。したがって、エアソレノイド１５１０は吸気機能および排気機能の両方を与える。回転プレート１３４０上の磁石１３５０が固定プレート１３１０上のセンサ１３２０に位置合わせされると、センサ１３２０が閉じ、それにより、センサ１３２０に対応するエアソレノイド１５１０のコイル１５５０が励磁される。コイル１５５０を励磁することにより、圧縮エアは、第１のエア入力１５３０からエア出力１５４０へと送られて、シリンダに対応するヘッドプレート上のエアポートを通じて、シリンダへ送られる。センサが開放するように磁石１３５０がセンサ１３２０を通り過ぎた後は、コイル１５５０はもはや励磁されず、そのため、第２のエア入力１５３２がエア出力１５４０に接続され、それにより、シリンダからの排気エアがエア出力１５４０を通過して第２のエア入力１５３２を介してエア排気口へと向かうための経路が形成される。したがって、シリンダが圧縮エアを受けていないときは常に、エアソレノイドは排気モードである。そのため、エアソレノイド１５１０は、内燃機関の従来のヘッドの吸気バルブおよび排気バルブの両方に取って代わることができる。エアソレノイド１５１０に適した１つの例は、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎにより１２ＶＤＣコイルを含む部品番号Ｂ５Ｖ７ＢＤＱ４５Ｃ  ３  ＷＡＹ  １２ＤＣとして製造される。
【００４０】
[0066]ヘッドプレート１１１０に適する１つの実施が図１６に示される。なお、特定の形態はレトロフィットされるべき内燃機関によって決まるが、ほぼすべてのヘッドに当てはまる一般概念が存在する。ヘッドプレート１１１０は、除去されるヘッドの代わりにヘッドプレート１１１０をエンジンブロック上に設置できるようにするネジが切られていない穴である穴Ａを含む。適したヘッドガスケットがエンジンブロック上に配置され、ヘッドプレート１１１０は、従来のヘッドをエンジンブロックに固定するための製造メーカーの仕様に合わせてトルクが与えられる複数のボルトを使用して所定位置に固定される。ネジ穴Ｂの第１の組が、下側のシリンダに接続されるとともに、各エアソレノイドのエア出力１５４０からシリンダまでの接続を行う。穴Ｂのネジは、該穴およびエアソレノイドの出力ポート１５４０に対してネジ付きコネクタを接続できるようにする。
【００４１】
[0067]ヘッドプレート１１１０の穴Ｃは、ネジ付きの冷却剤出力ポートである。これにより、冷却剤は、エンジンブロックからヘッドプレート１１１０の貫通穴Ｃを通じて流れることができる。穴Ｃは、これらのポートを冷却剤ラインに接続できるようにネジが切られている。３つの更なるネジが切られていない穴Ｄもヘッドプレート１１１０に設けられ、これらの穴Ｄは、ヘッドプレート１１１０が所定位置にボルト固定される前にヘッドプレート１１１０がエンジンブロック上の適切な位置にあるようにするためにエンジンブロックのダボを受ける直径を有する。
【００４２】
[0068]図１７は、シボレーのレトロフィットされたピックアップトラックにおける構成要素の配置の機械的な図を示している。内燃機関のための従来のモータマウントが、フレーム１７２０に剛体マウント１７１０と置き換えられた。剛体マウントは、モータ１７８０に対するエアエンジン１７００の位置を固定するために必要とされる。なお、エアエンジン１７００は図１のエアエンジン１６０に適した１つの実施であり、モータ１７８０は図１のモータ１９０に適した１つの実施である。この特定のエンジンのためのクランクシャフトである駆動シャフト１６２が図１７に示されている。固定プレート１３１０がエンジンブロックに取り付けられ、一方、回転プレート１３４０は、駆動シャフト１６２に取り付けられて、駆動シャフト１６２の回転に伴って回転する。プーリ１７４０が駆動シャフト１６２に接続される。プーリ１７４０は、ベルト１７３０を介して、充電器１９８の対応するプーリ１７５０に動力を与える。ベルト１７３０は、Ｖベルト、溝付きベルト、切り欠き付きベルト、あるいは、任意の他の適したベルトであってもよい。図１７にはプーリおよびベルトが示されているが、エアエンジンにより充電器１９８に動力を与えるための任意の適した方法が、スプロケットおよびチェーン等を含めて、本明細書中の開示の範囲内および特許請求の範囲内である。
【００４３】
[0069]フライホイール１６４が駆動シャフト１６２に取り付けられる。フライホイールは任意の適したサイズおよび重量となり得る。小さくて軽いフライホイールは大きくて重いフライホイールよりも少ないエネルギーを蓄え、そのため、フライホイールのサイズおよび重量を車両の性能ニーズにしたがって調整できる。駆動シャフト１６２は磁気クラッチ１７６０にも接続される。磁気クラッチは、駆動シャフトとモータとの間の結合が必要に応じて滑ることができるようにする。例えば、車両が信号でアイドリング状態にあり、その後、信号が緑に変わってドライバが加速する場合には、加速器の位置にしたがって磁気クラッチの係合を変えることによって非常にスムーズな加速を行うことができる。なお、図１７に示される磁気クラッチ１７６０は随意的である。
【００４４】
[0070]カプラ１９４は、レトロフィットされたシボレーピックアップトラックのモータ１７８０のモータシャフト１９２とエアエンジンとの間の固定的な結合を行う。適したハイブリッド型のカプラは、Ｒ＋Ｗ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｌ．Ｐ．，１１２０  Ｔｏｗｅｒ  Ｌａｎｅ，Ｂｅｎｓｅｎｖｉｌｌｅ，ＩＬ  ６０１０６によって製造されるＥＫ２シリーズ４５０カプラとＥＫ６シリーズ４５０カプラとを組み合わせることにより形成され得る。このハイブリッドカプラは、レトロフィットされた車両に必要とされる性能を与えるはずである。レトロフィットされたピックアップトラックのモータ１７８０は、Ｗａｒｆｉｅｌｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．，１７５  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｖｅ．，Ｆｒａｎｋｆｏｒｔ，ＩＬ  ６０４２３によって製造されるＷａｒＰ  ９モータ、部品番号００−０８２１９である。ＷａｒＰ  ９モータは７２〜１４４ＶＤＣで作動できる。車両レトロフィット用途に必要な１分当たりの回転数（ＲＰＭ）を達成するため、ＷａｒＰ  ９モータは、図２０に示されるような１４４ＶＤＣ電源から給電される。モータは、図２０に示される加速器ペダル２０６０と冷却ファン２０２０とを備える。モータ１７８０は、除去された工場ラジエータの場所の近傍でフレーム１７２０にボルト固定されるブラケット１７７０に装着されるのが好ましい。図１７に示されるこの形態により、エンジンブロック１１２０およびモータ１７８０を車両のフレーム１７２０に強固に接続でき、それにより、剛体カプラ１９４を使用できる。ＷａｒＰ  ９モータ１７８０により生み出される高いトルクに起因して、剛体カプラの使用は、フレキシブルなカプラの使用よりもかなり簡単であり、振動を低減する。なお、駆動シャフトは、図１７に示されない変速装置へ向けてエンジンブロック１１２０の左側へ延びる。この場合、変速装置は、動力をエアエンジン１７００から車両の２〜４個の車輪へと伝える。
【００４５】
[0071]図１８は、図１７の１８−１８線に沿うエアエンジン１６０の背面図である。エンジンブロック１１２０はＶ−８エンジンブロックであり、そのため、図１８に示されるＶの脚のそれぞれに４つのシリンダが存在する。それぞれの側が対応するヘッドプレート１１１０を有する。充電器１９８はブラケット１８１０に装着されるのが好ましく、この場合、ブラケット１８１０はエンジンブロック１１２０にボルト固定される。ヘッドがヘッドプレート１１１０に置き換えられてしまっているため、エンジンブロックのプッシュロッドも除去された。しかしながら、油圧を保つためにリフタがエンジンブロックに残され、エンジンブロックのプッシュロッド開口を覆って小プレートがボルト固定された。また、エンジンブロック内の油圧を保持するためにカムシャフトが所定位置に残されたが、カムシャフトはエアエンジン１６０が作動するときに回転しない。
【００４６】
[0072]充電器１９８は、１４４ＶＤＣで少なくとも７００アンペアを供給できるアースマグネット充電器である。充電器の正確なサイズおよび形状は、所望の電圧電流にしたがって、および、充電器の所望の全体セイズにしたがって異なり得る。例えば、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎは、直径が１５インチで厚さが４インチのパッケージで先の電流仕様および電圧仕様を満たす充電器を製造できる。他の形態は、充電器の直径を減少させて充電器の長さを増大させることによって可能である。したがって、好ましい形態は細長い円柱である充電器であり、これにより、充電器はエンジン室内のフード下に更に容易に嵌合できる。
【００４７】
[0073]図１９は、ヘッドプレート１１１０に対する様々なエアおよび冷却剤の接続を示している。冷却剤出力ライン１９１０，１９２０が図１６にＣの符号が付された冷却剤出力ポートに結合される。図１９のエアソレノイド１５１０の第１のエア入力ポート１５３０（図１５）がエア入力ライン１９３０に接続され、エア入力ライン１９３０は図１１に示される乾燥器１１８０から圧縮エアを供給する。エアソレノイド１５１０のエア出力ポート１５４０は、ヘッドプレート１１１０のポートＢを介してシリンダに接続されるが、これらの接続は図１９に示されない。図１９のエアソレノイド１５１０の第２のエア入力ポート１５３２がエア排気ライン１９４０に接続され、それにより、シリンダから図１１の真空ポンプ１１３０への排気経路が与えられる。
【００４８】
[0074]図２０は、レトロフィットされたピックアップトラックのための電気システムを示すブロック図である。電源２０１０は、図１の電源１１０の１つの適した例である。電源２０１０は、直列に接続される１２個の１２ＶＤＣバッテリにより供給される１４４ＶＤＣであることが好ましい。レトロフィットされたシボレーピックアップトラックでは、１２個のバッテリが荷台に設置された。１２個のバッテリは直列に配線されるため、１２個のバッテリ系列の任意の適したタップは、特定の電圧を必要とする装置に給電するために使用されてもよい。電源２０１０は、各バッテリに接続されるパワーマネージャ２０３０に接続されて、各バッテリの状態を監視し、バッテリが充電されるが過充電されないようにする。パワーマネージャ２０３０はレトロフィットピックアップトラックにおいては望ましい。これは、モータ１７８０が１４４ＶＤＣで作動するが、エアコンプレッサ１１６０が９６ＶＤＣで作動し、そのため、バッテリのうちの８個の放電速度が残りの４個のバッテリの放電速度よりも高いからである。また、多くの他の装置は１２ＶＤＣで作動する。その結果、バッテリは、１２個のバッテリ系列内でのそれらの位置に応じて様々な放電状態を有する。１２個のバッテリのそれぞれで独立して充電を維持できる任意の適したパワーマネージャが使用されてもよい。別の方法では、パワーマネージャ２０３０を完全に省くことができる。
【００４９】
[0075]１２ＶＣＤで作動する装置は、エアソレノイド１５１０、タイミング機構１５０、ＤＣ油ポンプ２０４０、ＤＣ送水ポンプ１２３０、ＤＣ真空ポンプ１１３０、および、モータ冷却ファン２０２０を含む。ＤＣ油ポンプ２０１０は、内燃機関の機械的な油ポンプを回転させるディストリビュータロータが除去されたため必要とされる。エアコンプレッサ１１６０は９６ＶＤＣで作動する。速度コントローラ２０５０およびモータ１７８０は１４４ＶＤＣで作動する。加速器２０６０は、モータ１７８０を備えており、適したケーブルおよびコネクタを使用して速度コントローラ２０５０に接続する。速度コントローラ２０５０は、図１に示される速度コントローラ１７０の１つの適した例である。レトロフィットされたシボレーピックアップトラックにおいて、速度コントローラは、２０４７  ４ｔｈ  Ａｖｅｎｕｅ  Ｓｏｕｔｈ，Ｓａｉｎｔ  Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ，ＦＬ  ３３７１２にあるｅｖｎｅｔｉｃｓ，ＬＬＣから入手できるＳｏｌｉｔｏｎ１速度コントローラである。磁気クラッチ１７６０は、磁気クラッチ１７６０がどの程度滑ることができるようにすべきかを決定するために加速器２０６０の状態を検出するのが好ましい。
【００５０】
[0076]本明細書中の開示および特許請求の範囲は、図２１に示されるレトロフィットキット２１００も含む。レトロフィットキット２１００は、特定の車両に固有のものであり、除去するための構成要素のリスト、バッテリの数およびタイプに関する仕様（例えば、レトロフィットされたピックアップトラックに関しては１２個の１２ＶＤＣディープサイクルバッテリ）、ヘッドプレート１１１０、エアソレノイド１５１０、タイミング機構１５０（そのうちの１つの実施が図１３，１４に示されている）、モータ１７８０、速度コントローラ２０５０、加速器２０６０、カプラ１９４、エアコンプレッサ１１６０、エアタンク１３０（そのうちの１つの実施が図１１に示される２つのエアタンク１１７０Ａ，１１７０Ｂを含む）、充電器１９８、パワーマネージャ２０３０、フライホイール１６４、ＤＣ送水ポンプ１２３０、ヘッドプレートを冷却剤源に接続するための取付具およびチューブ、ヘッドプレートをＤＣ送水ポンプに接続するための取付具およびチューブ、ＤＣ油ポンプ２０４０、放出バルブ１１７２、チェックバルブ１１４０、乾燥器１１８０、１つ以上の排気タンク１１５０、ＤＣ真空ポンプ１１３０、剛体モータマウント１７１０、モータ装着ブラケット１７７０、充電器装着ブラケット１８１０、バッテリを直列に接続するとともにパワーマネージャに接続するためのバッテリケーブルおよびコネクタを含むことが好ましい。除去するための構成要素のリストは、燃料システム、点火システム、および、排気システムに関連する任意のものを一般に含むため、広範囲に及ぶ。レトロフィットされた１９９２年式シボレーピックアップトラックにおいては、以下の部品：
排気マニホールド、
排気パイプ、
マフラー、
触媒コンバータ、
排気クランプおよびスタッド、
スパークプラグ、
スパークプラグ配線、
ディストリビュータ、
ディストリビュータキャップ、
ディストリビュータロータ、
コイル、
燃料タンク、
燃料ライン、
燃料フィルタ、
燃料ポンプ、
ガスキャップ、
ガスネックおよびホース、
吸気口、
スロットル本体／キャブレター／噴射システム、
点火システムを制御するための電子制御モジュール、
エアフィルタアセンブリ、
エアフィルタ、
ラジエータ、
冷却ファン、
ファンクラッチ、
ラジエータシュラウド、
機械的な送水ポンプ、
ラジエータキャップ、および
サーモスタット、
が除去された。
【００５１】
[0077]本明細書中に開示されるエアエンジンシステムは内燃機関よりもかなり効率的であるため、車両の範囲を広げるべく、バッテリを充電するために小型の内燃機関を設けることができる。しかしながら、車両を充電するために必要とされる内燃機関のサイズは、通常において車両に給電する内燃機関のサイズよりもかなり小さいことに留意されたい。したがって、業務用の長距離輸送トラックトラクタで使用される大型ディーゼルエンジンを前述したように圧縮エアで作動するように改造できると期待され、この場合、バッテリを充電するための小型ディーゼルエンジンの付加は、かなりの燃料を節約しつつ、適切な距離にわたってトラックを走行させるために必要なレンジを与える。
【００５２】
[0078]エアエンジンシステムの他の利点は燃焼の欠如であり、そのため、エアエンジンの寿命は、同様の内燃機関の場合よりもかなり長いはずである。エアエンジンの動作温度は、燃焼がないため、非常に低い。試作品ゴルフカートエアエンジンのエンジンオイルは１０ウェイトオイルであった。そのため、油を汚す燃焼がないことから、内燃機関のオイルよりもかなり長く持続するはずである。
【００５３】
[0079]本明細書中の説明は、エアエンジン、エアコンプレッサ、エアタンク等に関するものであるが、当業者であれば容易に分かるように、任意の適した気体を使用できる。本明細書中の開示および特許請求の範囲における用語「エア」は、言うまでもなく、空気、窒素、酸素、または、他の気体、あるいは、気体の組み合わせを含むがこれらに限定されない、圧縮され得る任意の適した気体にまで及ぶ。エアは、それが豊富であり無料であるため、好ましい圧縮気体である。
【００５４】
[0080]前述した特定の実施例はピストンエンジンに関するものであるが、本明細書中の開示および特許請求の範囲は、現在知られているかあるいは将来開発されるかにかかわらず、任意の適したタイプのエンジンにまで及ぶ。本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンは、エア圧力を駆動シャフトを駆動させるためのエネルギーへと変換するための任意の適した手段を含むことができる。また、従来の内燃機関は、駆動シャフトを駆動させる回転クランクシャフトの形態で回転エネルギーを与えるが、本明細書中に開示されて特許請求の範囲に記載されるエアエンジンは、直線的な移動または楕円形の動きを含む他の形態の機械的な仕事を含むこともできる。
【００５５】
[0081]当業者であれば分かるように、特許請求の範囲内で多くの変形が可能である。したがって、開示が特に図示されて前述されるが、当業者であれば分かるように、請求項の思想および範囲から逸脱することなく、形状および細部におけるこれらのおよび他の変更を成すことができる。
【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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【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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