(57)【要約】改良された効率を備える分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが開示され、そこでは、当該エンジンがＶ型構成を有するように、圧縮シリンダーの中心線が膨張シリンダーの中心線に関してゼロではない角度に位置されている。一実施形態において、それぞれのシリンダーの中心線は、クランクシャフトの回転軸に平行であるがそれからオフセットされている軸に交差している。モジュール式のクロスオーバー通路、クロスオーバー通路マニホールド、及び関連する空気貯留器バルブアセンブリ及び熱調節システムもまた開示されている。
2013538980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張シリンダーの中心線に関して、ゼロではない角度に位置されている中心線を有している圧縮シリンダーを備えることを特徴とするＶ型の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項２】
当該ゼロではない角度は、約１０度から約３０度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
当該ゼロではない角度は、約３０度、約４５度、及び約６０度からなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
圧縮シリンダーに連結された第１のシリンダーヘッドと、
膨張シリンダーに連結された第２のシリンダーヘッドと、
当該第１及び第２のシリンダーヘッドに対して外付けで形成され、そして当該第１及び第２のシリンダーヘッドの間で流体を選択的に移送すべく構成されている少なくとも１つのクロスオーバー通路と、
を備えることを特徴とする分割サイクルエンジン。
【請求項５】
当該エンジンは空気ハイブリッドエンジンであり、当該少なくとも１つのクロスオーバー通路は、空気貯留器を第１又は第２のシリンダーヘッドに選択的に流体連通状態にさせる空気貯留器バルブを備えていることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
当該少なくとも１つのクロスオーバー通路は第１及び第２のクロスオーバー通路を備え、その各々は、クロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブを有していることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
当該クロスオーバー圧縮バルブ及び当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開くことを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
当該空気貯留器バルブは外方に開くことを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項９】
クランクシャフト軸の回りに回転するクランクシャフト、
圧縮シリンダーであって、オフセット軸と交差する中心線を有しており、当該オフセット軸はクランクシャフト軸に平行で、そしてそれからオフセットされている圧縮シリンダー、
当該オフセット軸と交差する中心線を有している膨張シリンダー、を備え、
当該圧縮シリンダーの中心線が当該膨張シリンダーの中心線に関して、ゼロではない角度に位置されていることを特徴とする分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項１０】
当該オフセット軸は、クランクシャフト軸に対して圧縮シリンダー及び膨張シリンダーと反対に位置されていることを特徴とする請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
クランクシャフト軸の回りに回転するクランクシャフト、
第１のシリンダーであって、当該第１シリンダーの中心線がクランクシャフト軸に交差しないようにオフセットされている第１のシリンダー、及び
中心線を有している第２のシリンダーであって、第１のシリンダーの中心線が第２のシリンダーの当該中心線に関してゼロではない角度に位置されている第２のシリンダー、
を備えることを特徴とする分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【請求項１２】
当該第１のシリンダーは圧縮シリンダーであることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
当該第１のシリンダーは膨張シリンダーであることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
当該第２のシリンダーは、当該第２のシリンダーの中心線がクランクシャフト軸に交差しないようにオフセットされていることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１５】
圧縮シリンダーに連結された第１のシリンダーヘッドと、
膨張シリンダーに連結された第２のシリンダーヘッドと、
当該第１及び第２のシリンダーヘッドの間で流体を選択的に移送させるべく構成されたマニホールドであって、少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路と少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路を含むマニホールドと、を備えることを特徴とする分割サイクルエンジン。
【請求項１６】
当該マニホールドは、エンジンの運転状態に応じて、当該少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路又は当該少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路のいずれかを介して流体を選択的に方向転換すべく構成された複数のバルブを含むことを特徴とする請求項１５に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項１７】
エンジン冷却剤が流れる１つ以上の流体ジャケットであって、少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路に近接して配置されている１つ以上の流体ジャケットをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１８】
少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路の周りに配置された断熱材料をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１９】
当該断熱材料はセラミックであることを特徴とする請求項１８に記載のエンジン。
【請求項２０】
少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路は加熱されていることを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１０年１０月１日に出願された米国仮特許出願第６１／３８８,７１６号の優先権の利益を主張し、その全内容は参照によりここに取り込まれている。
【０００２】
本発明は分割サイクルエンジンに関し、より詳しくは、Ｖ型形態を有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
明確化の目的のために、本出願において用いられるとき、用語「従来のエンジン」とは、周知のオットーサイクルの４つのストロークの全て(すなわち、吸気、圧縮、膨張、及び排気のストローク)が、エンジンのピストン／シリンダーの組み合わせの各々に包含されている内燃機関を意味している。また、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願において言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供されている。
【０００４】
ここに言及されるように、分割サイクルエンジンは、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、及び圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、を備えている。
【０００５】
２００３年４月８日にScuderiに許可された特許文献１（United States Patent No. ６,５４３,２２５）、及び２００５年１０月１１日にBranyon et al. に許可された特許文献２（United States Patent No. ６,９５２,９２３）は、両者は参照によってここに組み入れられており、分割サイクルエンジン及び同種のエンジンについて詳しく論じている。加えて、これらの特許は、本開示がさらなる開発を詳述するエンジンの先行バージョンを詳述している。
【０００６】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、分割サイクルエンジンと空気貯留器及び種々の制御装置を組み合わせている。この組合せは、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが、圧縮空気の形で空気貯留器内にエネルギーを蓄えることを可能にしている。空気貯留器内の圧縮空気は、後で、クランクシャフトに動力を与えるべく膨張シリンダーで用いられる。
【０００７】
ここに言及される分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含むクロスオーバー通路、及びクロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、を備えている。
【０００８】
２００８年４月８日にScuderi et al.に付与された特許文献３（United States Patent No. ７,３５３,７８６）は、参照によりここに組み入れられるが、分割サイクル空気ハイブリッド及び同種の形式のエンジンの克明な議論を包含している。加えて、この特許文献３は、本開示がさらなる発展を詳らかにする先行のハイブリッドシステムの詳細を開示している。
【０００９】
図１を参照するに、模範的な先行技術の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが概略的に数字１０で示されている。当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、従来のエンジンの２つの隣り合うシリンダーを１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組み合わせに置き換えている。オットーサイクルの４つのストロークは、かくて、当該圧縮シリンダー１２がその関連する圧縮ピストン２０と共に、吸入及び圧縮ストロークを遂行し、そして当該膨張シリンダー１４がその関連する膨張ピストン３０と共に、膨張及び排気ストロークを遂行するように、２つのシリンダー１２及び１４に亘って「分割」されている。したがって、オットーサイクルは、クランクシャフト軸１７の回りのクランクシャフト１０６の１回転(３６０度ＣＡ)毎に、これら２つのシリンダー１２，１４で完了される。
【００１０】
当該吸入ストローク中、吸入空気が、シリンダーヘッド３３内に配置された吸気ポート１９を介して当該圧縮シリンダー１２内に吸引される。内方に開く(シリンダー内にピストンに向かって開く)ポペット吸気バルブ１８が、吸気ポート１９及び圧縮シリンダー１２の間の流体連通を制御する。
【００１１】
圧縮ストローク中、圧縮ピストン２０は空気充填物を加圧し、典型的には、シリンダーヘッド３３内に配置されるクロスオーバー通路（ポート）２２に当該空気充填物を押し込む。ある実施形態においては、２つ以上のクロスオーバー通路２２が圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４を相互に連結している。
【００１２】
分割サイクルエンジン１０(及び、分割サイクルエンジンについて一般に)の圧縮シリンダー１２の容積測定(すなわち、幾何学的な)圧縮比が、ここで分割サイクルエンジンの「圧縮比」と呼ばれる。エンジン１０の膨張シリンダー１４の容積測定(すなわち、幾何学的な)圧縮比が、(及び分割サイクルエンジンについて一般に)ここで当該分割サイクルエンジンの「膨張比」と称される。シリンダーの容積測定の圧縮比は、前記ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置にあるときに、シリンダー内に囲われた容積(すなわち、クリアランス容積)に対しての、そこを往復するピストンがその下死点位置にあるときに、(全ての凹みを含む)シリンダー内に囲われた（すなわち、捕捉された）容積の比として、である当該技術分野では周知である。具体的に言うと、分割サイクルエンジンについては、ここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は、XovrCバルブが閉じられているときに決定される。また、具体的に言うと、分割サイクルエンジンについては、ここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比は、XovrEバルブが閉じられているときに決定される。
【００１３】
圧縮シリンダー１２内での極めて高い容積測定の圧縮比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１、又はそれ以上)のせいで、圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への流れを制御するのにクロスオーバー通路２２の入口で外方に開く(シリンダー及びピストンから外方に離れて開く)ポペットクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４が用いられている。膨張シリンダー１４内での極めて高い容積測定の圧縮比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１、又はそれ以上)のせいで、クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への流れを制御するのにクロスオーバー通路２２の出口で外方に開くポペットクロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６が用いられている。当該XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の作動割合及び位相付けは、クロスオーバー通路２２内の圧力をオットーサイクルの４つのストローク全ての間に高い最低圧力(典型的には、全負荷で２０bar以上)に維持するように、タイミング付けられている。
【００１４】
少なくとも１つのフュエルインジェクター２８が、XovrEバルブ２６の開きに連携して、クロスオーバー通路２２の出口端部で加圧空気内に燃料を噴射する。代わりに、又は付加的に、燃料が当該膨張シリンダー１４に直接に噴射されてもよい。燃料-空気充填物は、膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置に到達後直ぐに当該膨張シリンダー１４内に十分に入る。膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からの下降を開始するとき、そしてXovrEバルブ２６がまだ開いている間に、１つ以上の点火プラグ３２が点火され、(典型的には、膨張ピストン３０のＴＤＣ後の１０乃至２０度ＣＡの間で)燃焼を開始させる。燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置通過後の１乃至３０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。より好ましくは、燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置通過後の５乃至２５度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。最も好ましくは、燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置通過後の１０乃至２０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。加えて、燃焼は、グロープラグ、マイクロウエーブ点火装置によるような、又は圧縮着火方法によるような他の点火装置及び／又は方法によって、開始されてもよい。
【００１５】
排気ストローク中、排気ガスはシリンダーヘッド３３に配置された排気ポート３５を介して膨張シリンダー１４から排出される。排気ポート３５の入口３１に配置された内開きのポペット排気バルブ３４が、膨張シリンダー１４及び排気ポート３５の間の流体連通を制御する。当該排気バルブ３４及び排気ポート３５は、クロスオーバー通路２２から分離されている。すなわち、当該排気バルブ３４及び排気ポート３５は、クロスオーバー通路２２に接触していない。
【００１６】
分割サイクルエンジンのコンセプトによれば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の幾何学的なエンジンパラメータ(すなわち、ボア、ストローク、コネクティングロッド長さ、容積測定の圧縮比、その他)は概ね互いから独立である。例えば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４についてのクランクスロー３６、３８は、それぞれ、異なる半径を有してもよく、そして膨張ピストン３０の上死点（ＴＤＣ)が圧縮ピストン２０のＴＤＣの前に起こるように互いから離れて位相付けられてもよい。この独立性は、分割サイクルエンジンが一般の４ストロークエンジンよりもより高い効率レベル及びより大きなトルクを潜在的に達成すること可能にしている。
【００１７】
分割サイクルエンジン１０におけるエンジンパラメータの幾何学的な独立性はまた、前に述べたように、クロスオーバー通路２２内に圧力が維持され得る主な理由の一つである。詳しくは、膨張ピストン３０はその上死点位置に、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する僅かな位相角(典型的には１０ないし３０の間のクランク角度)だけ前に、到達する。この位相角は、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の適切なタイミングと伴って、分割サイクルエンジン１０がその圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間にクロスオーバー通路２２内を高い最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０bar以上)に維持することを可能にしている。すなわち、分割サイクルエンジン１０は、XovrC及びXovrEバルブ２４，２６の両者が膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に降下し、そして圧縮ピストン２０が同時にそのＢＤＣ位置からそのＴＤＣ位置に向けて上昇する間のかなりの期間(すなわち、クランクシャフトの回転期間)開くように、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６をタイミング付けて作動可能である。クロスオーバーバルブ２４、２６の両者が開いている期間(すなわち、クランクシャフトの回転)中、（１)圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２へ、及び(２)クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へほぼ等しい空気質量（マス）が移送される。従って、この期間中、クロスオーバー通路内の圧力は所定の最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０、３０又は４０bar)より低く低下するのが防がれる。さらに、エンジンサイクルの実質的な部分(典型的には、全エンジンサイクルの８０％以上)の間、XovrCバルブ２４及び  XovrE バルブ２６の両者は、クロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量（マス）をほぼ一定のレベルに維持するために、閉じられている。結果として、クロスオーバー通路２２内の圧力は、エンジンの圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間、所定の最小圧力に維持される。
【００１８】
ここでの目的のため、ほぼ等しいガスの質量（マス）をクロスオーバー通路２２へ、又はそれから同時に移送させるために、膨張ピストン３０がＴＤＣから降下し、そして圧縮ピストン２０がＴＤＣに向けて上昇している間にXovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６を開く方法が、ここでガス移送のプッシュプル方法と称される。分割サイクルエンジン１０のクロスオーバー通路２２内の圧力が、エンジンが全負荷で運転しているとき、エンジンのサイクルの全４つのストロークの間に典型的には、２０bar以上に維持されるのを可能にしているのがプッシュプル方法である。
【００１９】
前に論じたように、排気バルブ３４は、シリンダーヘッド３３の排気ポート３５内にクロスオーバー通路２２から離れて配置されている。排気バルブ３４の構造配列はクロスオーバー通路２２内に配置されておらず、そしてそれ故にクロスオーバー通路２２と共通部分を共有していない排気ポート３５は、排気ストローク中に、捕捉されたガスの質量（マス）をクロスオーバー通路２２内に維持するためには、好ましい。従って、当該クロスオーバー通路内の圧力を所定の最小圧力より下にするかもしれない大きな圧力の周期的な低下は防止される。
【００２０】
当該XovrEバルブ２６は、当該膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する直前に開く。この時点で、膨張シリンダー１４内の圧力に対するクロスオーバー通路２２内の圧力の圧力比は、当該クロスオーバー通路内の最小圧力が、典型的には、２０bar絶対圧以上で、且つ排気ストローク中の膨張シリンダー内の圧力が、典型的には、約１から２bar絶対圧であるという事実によって、高い。換言すると、当該XovrEバルブ２６が開いたとき、クロスオーバー通路２２内の圧力は膨張シリンダー１４内の圧力よりも大幅に高い(典型的には、２０対１のオーダー以上)。この高い圧力比は、空気及び／又は燃料充填物の初期流れが膨張シリンダー１４内へ高い速度で流れることを生じさせる。これらの高い流れ速度は、音速流と称される音の速度に到達することができる。この音速流は当該分割サイクルエンジン１０にとって特に有利である。というのも、それは、当該膨張ピストン３０がその上死点位置から下降している間に点火が開始されたとしても、当該分割サイクルエンジン１０が高い燃焼圧力を維持することを可能にする急速燃焼事象を生じさせるからである。
【００２１】
当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０はまた、空気貯留器タンクバルブ４２を介してクロスオーバー通路２２に作用可能に連結されている空気貯留器（タンク）４０を含んでいる。２つ以上のクロスオーバー通路２２を備える実施形態は、共通の空気貯留器４０につながる各々のクロスオーバー通路２２のためのタンクバルブ４２を含んでもよく、全てのクロスオーバー通路２２を共通の空気貯留器４０に連結する単一のバルブを含んでもよく、又は各々のクロスオーバー通路２２が別々の空気貯留器４０に作用可能に連結してもよい。
【００２２】
当該タンクバルブ４２は、典型的には、クロスオーバー通路２２から空気タンク４０まで延在している空気タンクポート４４内に配置されている。当該空気タンクポート４４は、第１の空気タンクポート区分４６及び第２の空気タンクポート区分４８に分けられている。当該第１の空気タンクポート区分４６は当該空気タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結し、そして第２の空気タンクポート区分４８は当該空気タンクバルブ４２を空気タンク４０に連結している。
【００２３】
当該第１の空気タンクポート区分４６の容積は、当該空気タンクバルブ４２が閉じられているとき、当該タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結する全ての付加的な凹部の容積を含んでいる。好ましくは、当該第１の空気タンクポート区分４６の容積は第２の空気タンクポート区分４８に比べて小さい。より好ましくは、当該第１の空気タンクポート区分４６は実質的には無きに等しく、すなわち、当該タンクバルブ４２は、最も好ましくは、クロスオーバー通路２２の外壁に対して面一となるように配置されている。
【００２４】
当該タンクバルブ４２は、適切なバルブ装置又はシステムであってもよい。例えば、当該タンクバルブ４２は、種々のバルブ作動装置(例えば、空圧、液圧、カム、電気式など)によって動作される能動バルブであってもよい。加えて、当該タンクバルブ４２は、２つ以上の作動装置でもって動作される２つ以上のバルブを備えるタンクバルブシステムを備えてもよい。
【００２５】
空気タンク４０は、圧縮空気の形でエネルギーを蓄え、そしてクランクシャフト１６に動力を与えるためにその圧縮空気を後で用いるべく利用されている。この潜在的なエネルギーを蓄える機械式の手段は、現在の技術水準に対して多数の潜在的有利性を提供している。例えば、当該分割サイクルエンジン１０は、ディーゼルエンジン及び電気ハイブリッドシステムのような市場における他の技術に対して、比較的低い製造及び廃棄物処理コストで、燃料効率利得及びＮＯｘエミッション低減での多くの有利性を潜在的に提供することができる。
【００２６】
空気ハイブリッド分割サイクルエンジン１０は、典型的には通常の運転モード(エンジン点火燃焼(ＥＦ)モード、又は、通常の点火燃焼（ＮＦ)モードと呼ばれている)と４つの基本空気ハイブリッドモードとで作動する。ＥＦモードにおいて、エンジン１０は、詳しく前述したように普通に機能し、当該空気タンク４０の使用なしで作動する。ＥＦモードにおいて、空気タンクバルブ４２は、空気タンク４０を基本の分割サイクルエンジンから隔離すべく閉じられたままである。
【００２７】
４つの空気ハイブリッドモードにおいては、当該エンジン１０は空気タンク４０の使用を伴って作動する。当該４つの基本的な空気ハイブリッドモードは、
１)燃焼を伴わずに、空気タンク４０からの圧縮空気エネルギーを用いることを含む空気膨張機（ＡＥ）モード、
２)燃焼を伴わずに、空気タンク４０に圧縮空気エネルギーを蓄えることを含む空気圧縮機（ＡＣ）モード、
３)燃焼を伴って、空気タンク４０からの圧縮空気エネルギーを用いることを含む空気膨張機及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、及び
４)燃焼を伴って、空気タンク４０に圧縮空気エネルギーを蓄えることを含む点火燃焼及び充填（ＦＣ）モード、を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【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６,９５２,９２３号明細書
【特許文献３】米国特許第７,３５３,７８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
当該分割サイクルエンジン１０において、圧縮及び膨張シリンダー１２，１４は互いに一列に並んで位置され、クロスオーバー通路２２が形成されている共通のシリンダーヘッド３３を共有している。加えて、当該共通のヘッド３３は、圧縮シリンダー１２、膨張シリンダー１４及びクロスオーバー通路２２から熱を除去するために、ヘッド３３を通してエンジン冷却剤が圧送されるのを可能にする幾つかの冷却用通路(不図示)を含まねばならない。クロスオーバー通路２２はシリンダーヘッド３３に一体に形成されているので、シリンダー１２、１４に対するクロスオーバー通路２２(及びその中の流体)の温度を独立して制御するのは極めて困難である。
【００３０】
また、シリンダーヘッド３３における利用可能空間の相対的欠如が、当該クロスオーバー通路(複数)２２及び空気貯留器制御バルブ(複数)４２について、望ましくない寸法及び形状の制約を負わせている。例えば、クロスオーバー通路２２、又はバルブ４２をクロスオーバー通路２２に接続している第１の空気タンクポート区分４６は、種々の冷却用通路を通り抜けること又はそれらに近づき過ぎることを回避するために曲げられねばならないかもしれない。当該曲げられたクロスオーバー通路は、必要以上に長くなるであろうし、その中の熱損失を増大させ、そして効率を低下させるであろう。当該曲げられた第１のタンクポート区分４６は、当該クロスオーバー通路の容積と望ましくなく組み合わさって当該クロスオーバー通路内の圧力を低下させ、そしてまた、効率を低下させるであろう。その上、当該共通のヘッドはとくに混雑することになるので、冷却用通路を通り抜けるか近づき過ぎること無しに、タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に接続することは、(事実上不可能ではないにしても)極めて困難になるかもしれない。
【００３１】
またさらに、シリンダーヘッド３３内にクロスオーバー通路２２を形成するために典型的に用いられる鋳造法は、クロスオーバー通路２２内の空気の流れを邪魔し、そして当該クロスオーバー通路(複数)２２の形状及び寸法を望ましくなく制限する生成物を製造後に残す。従って、改良された分割サイクルエンジン構成に対する必要性が存している。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
改良された効率の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが開示され、そこでは、エンジンのシリンダーがＶ型構成を有するように、圧縮シリンダーの中心線が膨張シリンダーの中心線に関して、ゼロではない角度に位置されている。それぞれのシリンダーの中心線は、それらが典型的には互いに交差しないので、実際には「Ｖ」を形成していない。むしろ、中心線は、通常、クランクシャフトの軸方向に互いから(すなわち、各々のシリンダーのそれぞれのクランクスローの厚みを収容するために)離間されている。しかしながら、クランクシャフトの回転軸に沿って視たとき、中心線は「Ｖ」の外見を有している。一実施形態において、それぞれのシリンダーの中心線は、「Ｖ」の頂点がクランクシャフトの回転軸で形成されるように、クランクシャフトの回転軸と交差している。
【００３３】
もう１つの実施形態において、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーの一方又は両方は、中心線がクランクシャフトの回転軸に交差しないことを意味する「オフセットされた」中心線を有している。この実施形態において、シリンダーの中心線は、クランクシャフトの回転軸の下方に位置される(すなわち、クランクシャフトの回転軸に対してシリンダーの反対側に位置される)線(すなわち、その上にＶの頂点が形成される)に交差することが好ましい。Ｖの頂点が形成される線は、選択肢として、クランクシャフトの回転軸に平行に形成されてもよい。モジュール式のクロスオーバー通路、クロスオーバー通路マニホールド、熱調節システム、及び関連する空気貯留器バルブアセンブリもまた開示されている。
【００３４】
本発明の少なくとも１つの実施形態の１つのアスペクトにおいて、膨張シリンダーの中心線に関して、ゼロではない角度に位置されている中心線を有している圧縮シリンダーを備えるＶ型の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが提供されている。一実施形態において、当該ゼロではない角度は、約１０度から約１２０度の範囲内である。当該ゼロではない角度はまた、約３０度、約４５度、及び約６０度からなる群から選ばれてもよい。
【００３５】
本発明の少なくとも１つの実施形態のもう１つのアスペクトにおいて、圧縮シリンダーに連結された第１のシリンダーヘッドと、膨張シリンダーに連結された第２のシリンダーヘッドと、当該第１及び第２のシリンダーヘッドに対して外付けで形成され、そして当該第１及び第２のシリンダーヘッドの間で流体を選択的に移送すべく構成されている少なくとも１つのクロスオーバー通路と、を含んでいる分割サイクルエンジンが提供される。
【００３６】
一実施形態において、当該エンジンは空気ハイブリッドエンジンであり、少なくとも１つのクロスオーバー通路は、空気貯留器を第１又は第２のシリンダーヘッドに選択的に流体連通状態にさせる空気貯留器バルブを含んでいる。当該少なくとも１つのクロスオーバー通路は、第１及び第２のクロスオーバー通路を備え、その各々は、クロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブを有している。当該クロスオーバー圧縮バルブ及び当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開いてもよい。一実施形態において、当該空気貯留器バルブは外方に開く。
【００３７】
本発明の少なくとも１つの実施形態のもう１つのアスペクトにおいて、クランクシャフト軸の回りに回転するクランクシャフト、及び圧縮シリンダーであって、オフセット軸と交差する中心線を有しており、当該オフセット軸はクランクシャフト軸に平行で、そしてそれからオフセットされている圧縮シリンダーを含む分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが提供されている。当該エンジンはまた、オフセット軸と交差する中心線を有する膨張シリンダーを含み、及び当該圧縮シリンダーの中心線は、オフセット軸に沿って視たとき、当該膨張シリンダーの中心線に関してゼロではない角度に位置されている。
【００３８】
本発明の少なくとも１つの実施形態のもう１つのアスペクトにおいて、クランクシャフト軸の回りに回転するクランクシャフト、第１のシリンダーであって、当該第１シリンダーの中心線がクランクシャフト軸に交差しないようにオフセットされている第１のシリンダー、及び中心線を有している第２のシリンダーであって、第１のシリンダーの中心線が第２のシリンダーの当該中心線に関してゼロではない角度に位置されている第２のシリンダー、を含む分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが提供される。第１のシリンダーは圧縮シリンダー、又は第１のシリンダーは膨張シリンダーであってもよい。一実施形態において、当該第２のシリンダーは、当該第２のシリンダーの中心線がクランクシャフト軸に交差しないようにオフセットされている。
【００３９】
本発明の少なくとも１つの実施形態のもう１つのアスペクトにおいて、圧縮シリンダーに連結された第１のシリンダーヘッドと、膨張シリンダーに連結された第２のシリンダーヘッドと、当該第１及び第２のシリンダーヘッドの間で流体を選択的に移送させるべく構成された熱調節クロスオーバーマニホールドとを含む分割サイクルエンジンが提供されている。当該マニホールドは、少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路と少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路を含んでいる。一実施形態において、当該マニホールドは、エンジンの運転状態に応じて、当該少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路又は当該少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路のいずれかを介して流体を選択的に方向転換すべく構成された複数のバルブを含んでいる。当該エンジンはまた、エンジン冷却剤が流れる１つ以上の流体ジャケットであって、少なくとも１つの冷却されるクロスオーバー通路に近接して配置されている１つ以上の流体ジャケットを含んでもよい。少なくとも１つの断熱されたクロスオーバー通路の周りに配置された断熱材料もまた設けられてもよい。一実施形態において当該断熱材料はセラミックである。当該断熱されたクロスオーバー通路はまた加熱されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明は、添付の図面と共になされる以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろう。
【図１】先行技術の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明による分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの一実施形態の透視的断面図である。
【図３】図２の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの断面輪郭図である。
【図４】図３の４−４線に沿ってとった、図２及び３の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの断面平面図えある。
【図５】本発明によるオフセットされたシリンダー中心軸を有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジンのもう１つの実施形態の断面輪郭図である。
【図６】図４における６−６線に沿ってとった図４の空気貯留器バルブアセンブリの部分断面輪郭図である。
【図７】図４における７−７線に沿ってとった図４の空気貯留器バルブアセンブリの斜視図である。
【図８】本発明による熱調整されるクロスオーバーマニホールドを有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジンのもう１つの実施形態の透視的断面図である。
【図９】クロスオーバー通路及び第１の構成における制御バルブの組を有する図８のエンジンの熱調整されるクロスオーバーマニホールドの概略断面図である。
【図１０】第２の構成における制御バルブの組を備える図８のエンジンのクロスオーバーマニホールドの概略断面図である。
【図１１】本発明による熱調整されるクロスオーバーマニホールドを有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジンのもう１つの実施形態の透視的断面図である。
【図１２】クロスオーバー通路及び第１の構成における制御バルブの組を有する図１１のエンジンの熱調整されるクロスオーバーマニホールドの概略断面図である。
【図１３】第２の構成における制御バルブの組を備える図１１のエンジンのクロスオーバーマニホールドの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
ここに開示される方法、システム、及び装置の構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解をもたらすべく、いくつかの模範的実施形態が、今、説明される。これらの実施形態の１つ以上の実施例が添付図面に図解されている。当業者は、ここに具体的に説明され、そして添付図面に図解されている方法、システム、及び装置は非限定の模範的実施形態であり、そして本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定められるということを理解するであろう。一模範的実施形態に関連して図解ないしは説明されている特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされてもよい。かかる修正及び変更は、本発明の範囲内に含まれるべく意図されている。
【００４２】
図２−４は、本発明による分割サイクル空気ハイブリッドエンジン２００の１つの模範的な実施形態を図解している。当該エンジン２００は、一般に、エンジンブロック２０２、クランクシャフト軸(すなわち、回転軸)２２８の回りを回転するクランクシャフト２０４、第１及び第２のシリンダーヘッド２０６、２０８、第１及び第２のクロスオーバー通路２１０、２１２、及び空気貯留器２１４を含んでいる。
【００４３】
図３に示されるように、エンジンブロック２０２は、少なくとも１つの圧縮シリンダー２１６及び少なくとも１つの膨張シリンダー２１８を画成している。図示されるように、圧縮及び膨張シリンダー ２１６、２１８の中心線は、クランクシャフト軸２２８に沿って視たとき、当該エンジン２００がＶ型構成に向かわされるように、互いに対してゼロでない角度Ａに位置されている。角度Ａは、約０.１度と約１８０度の間、約５度と約１５０度の間、約１０度と約１２０度の間、約１５度と約９０度の間、約３０度と約６０度の間、約１０度と約３０度の間、約６０度と約９０度の間、及び／又は約 ４５度と約５５度の間であってもよい。例えば、角度Ａは、０，１度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度、１０５度、１２０度、１５０度、又は１８０度であってもよい。図解されている実施形態において、圧縮及び膨張シリンダー ２１６、２１８は、互いに関して約５４度の角度Ａで方向付けられている。
【００４４】
当該エンジン２００は、実質的に如何なる数の圧縮及び／又は膨張シリンダーを含んでもよく、そして圧縮シリンダーの数が必ずしも膨張シリンダーの数に等しくある必要はないということが理解されよう。この実施形態において、当該エンジン２００は、１つの圧縮シリンダー及び１つの膨張シリンダーを含んでいる。オットーサイクルの４つのストロークは、圧縮シリンダー２１６が 吸入及び圧縮ストロークを包含し、そして膨張シリンダー２１８が膨張及び排気ストロークを包含するように、圧縮及び膨張シリンダーに亘って「分割」されている。それ故に、オットーサイクルは、圧縮及び膨張シリンダー ２１６、２１８においてクランクシャフトの一回転(３６０度ＣＡ)毎に完了される。
【００４５】
シリンダー２１６、２１８の上端部は、それぞれのシリンダーヘッド２０６、２０８で閉じられている。圧縮及び膨張シリンダー２１６、２１８は、往復用に、圧縮ピストン２２０及び膨張(又は「動力」)ピストン２２２をそれぞれ受け入れている。当該第１のシリンダーヘッド２０６、圧縮ピストン２２０、及び圧縮シリンダー２１６は、圧縮シリンダー２１６内に可変容量の圧縮チャンバー ２２４を画成している。当該第２のシリンダーヘッド２０８、膨張ピストン２２２、及び膨張シリンダー２１８は、膨張シリンダー２１８内に可変容量の燃焼チャンバー２２６を画成している。
【００４６】
シリンダーヘッド２０６、２０８をＶ型構成に方向付けて分離することは、クロスオーバー通路２１０、２１２への良好なアクセスを許容し、空気貯留器バルブ２６０のそれへの取り付けをより容易にし、それによって空気貯留器２１４の構築を促進させる。
【００４７】
この構成はまた、共通のシリンダーヘッド３３内にクロスオーバー通路を形成する必要性を回避し、以下に詳細に論ずるように、圧縮及び膨張シリンダーに対しての当該クロスオーバー通路の独立した温度制御を可能にする。エンジン２００の当該Ｖ型構成は、当該クロスオーバー通路２１０、２１２の実体部分が、例えば、分離したクロスオーバー通路マニホールド(不図示)のように、第１及び第２のシリンダーヘッド２０６、２０８の外側に位置されるのを可能にする。従って、丁度、当該クロスオーバー通路用に分離した冷却用通路が設計され得、当該クロスオーバー通路の周りの領域をより開けて利用しやすくすることができる。このことは、当該クロスオーバー通路がより直線状でより短く作られることが可能で、熱損失を低減し且つエンジン効率を向上させるであろうことを意味している。加えて、１つ以上の空気貯留器バルブ２６０が、冷却用通路に当たるとか過剰に近接するとかの構造的問題無しに、当該クロスオーバー通路２１０、２１２により容易に取り付けられ、そして空気貯留器２１４に接続される。その上、空気貯留器２１４への接続が直線状にでき、そして空気貯留器バルブ(複数)２６０が当該クロスオーバー通路２１０、２１２の外表面に対して同一面に取り付けられ得、クロスオーバー通路圧力及びエンジン効率をさらに増大させる。
【００４８】
クランクシャフト２０４は、クランクシャフト軸２２８の回りの回転のためにエンジンブロック２０２に軸支され、そして軸方向に変位され且つ角度的にオフセットされている第１及び第２のクランクスロー２３０、２３２（その間に位相角を有している）を含んでいる。当該第１のクランクスロー２３０は、ピストン２２０、２２２を、それぞれ、それらのそれぞれのシリンダー２１６、２１８内で、クランクスロー２３０、２３２の角度的オフセットによって決定されているタイミング関係、及びシリンダー２１６、２１８とクランクシャフト２０４とピストン２２０、２２２との幾何学的関係で往復させるべく、第１のコネクティングロッド２３６によって圧縮ピストン２２０に旋回可能に連結され、そして当該第２のクランクスロー２３２は、第２のコネクティングロッド２３８によって膨張ピストン２２２に旋回可能に連結されている。もしも望まれるなら、当該ピストン２２０、２２２の運動及びタイミングを関係付ける代替の機構が、用いられてもよい。
【００４９】
シリンダーヘッド２０６、２０８は、分割サイクル空気ハイブリッドエンジン２００の所望の目的を達成するのに適した種々の通路、ポート及びバルブを含んでいる。図解された実施形態において、吸気ポート２４２と圧縮シリンダー２１６との間の流体の流れを制御するための内方に開く吸気バルブ２４０を含んでいる、第１の、圧縮側シリンダーヘッド２０６が設けられている。当該シリンダーヘッド２０６はまた、それぞれのクロスオーバー通路２１０、２１２の入口に、それぞれ、当該圧縮シリンダー２１６と当該クロスオーバー通路２１０、２１２との間の流体の流れを制御するための第１及び第２の外方に開くポペット型クロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４４、２４６を含んでいる。
【００５０】
吸気ストローク中、吸入空気は、吸気ポート２４２を通して圧縮シリンダー２１６内に吸気バルブ２４０を経由して引き込まれる。圧縮ストローク中、圧縮ピストン２２０が当該空気充填物を加圧し、そして当該空気充填物を、膨張シリンダー２１８にとって吸気通路として作用する当該クロスオーバー通路２１０、２１２に押し出す。
【００５１】
当該図解されているエンジン２００はまた、第２の、膨張側シリンダーヘッド２０８を含んでいる。当該ヘッド２０８は、当該クロスオーバー通路２１０、２１２と当該膨張シリンダー２１８との間の流体の流れを制御する、第１及び第２の外方に開くポペット型クロスオーバー膨張( XovrE )バルブ２４８、２５０をそれぞれのクロスオーバー通路２１０、２１２の出口に、含んでいる。当該ヘッド２０８はまた、膨張シリンダー２１８と排気ポート２５４との間の流体の流れを制御するために、内方に開くポペット型排気バルブ２５２を含んでいる。
【００５２】
１つ以上のフュエルインジェクター(不図示)が、当該XovrEバルブ２４８、２５０のそれぞれの開きに一致して、当該クロスオーバー通路２１０、２１２の出口端部で当該加圧された空気に燃料を噴射する。代わりに、又は追加して、燃料が、膨張シリンダー２１８に直接に、及び／又は当該クロスオーバー通路２１０、２１２の一方又は両方に直接に噴射されてもよい。当該燃料−空気の充填物は、膨張ピストン２２２がそのＴＤＣ位置に到達した僅か後に膨張シリンダー２１８内に十分に入る。当該XovrEバルブ２４８、２５０の１つ以上が開いたままで、当該ピストン２２２がそのＴＤＣ位置からその下降を開始したとき、１つ以上の点火プラグ(不図示)が、燃焼を開始させるべく(典型的には、膨張ピストン２２２のＴＤＣ後１０乃至２０度ＣＡの間で)点火される。当該点火プラグ(複数)は、点火制御器(不図示)によって精確な時に空気燃料充填物を着火するために、電極が燃焼チャンバー２２６内に延びた状態で、シリンダーヘッド２０８に取り付けられている。当該エンジン２００はまた、ディーゼルエンジンであってもよく、点火プラグ無しに作動され得るということが理解されるべきである。その上、当該エンジン２００は、往復ピストンエンジン用に適した水素又は天然ガスのような如何なる燃料ででも作動するように設計され得る。
【００５３】
点火プラグが点火された後、結果としての燃焼事象がクロスオーバー通路２１０、２１２に入る前に、XovrEバルブ２４８、２５０は閉じられる。当該燃焼事象は、動力ストロークにおいて、膨張ピストン２２２を下方に駆動する。排気ガスは、排気ストローク中に、排気ポート２５４を通って排気バルブ２５２を経由して、膨張シリンダー２２２から送出される。
【００５４】
当該クロスオーバー通路２１０、２１２は、種々の構成を有することができる。当該図解されているエンジン２００は、２つのクロスオーバー通路２１０、２１２を含んでいるが、それはまた、単一のクロスオーバー通路のみ、又は２つ以上のクロスオーバー通路を有することができる。
【００５５】
当該図解されているクロスオーバー通路２１０、２１２は、一般に、当該クロスオーバー通路２１０、２１２をシリンダーヘッド２０６、２０８に取り付けるための取付けフランジ２５６がいずれかの端部に形成されている細長くて中空の流れ管を含んでいる。当該クロスオーバー通路２１０、２１２はまた、以下にさらに詳細に論じられるように、少なくとも１つの空気貯留器バルブ２６０(図３を見よ)を収容する少なくとも１つの空気貯留器バルブアセンブリ２５８を含んでいる。図解された実施形態において、当該クロスオーバー通路２１０、２１２は、本発明の範囲から逸脱すること無しに実質的には如何なる断面形状が用いられてもよいけれども、概ね円形断面を有している。例えば、当該クロスオーバー通路は、楕円断面を有することができる。当該クロスオーバー通路２１０、２１２は、一般に、図示されるように直線状であってもよく、又は、１つ以上の曲がりないしはベンド（bend)を含んでもよい。一実施形態において、当該クロスオーバー通路は、それらが異なるエンジン負荷領域のための流れに対応して異なる内部容積を有するように、寸法付けられ且つ形状付けられている。例えば、クロスオーバー通路２１０は、クロスオーバー通路２１２の容積の約半分の容積を有するように寸法付けられてもよい。従って、小さい容積の通路２１０は、主としてエンジン負荷領域の下側3分の1のために用いられ、大きい容積の通路２１２は、主としてエンジン負荷領域の中間の3分の1のために用いられ、そして組み合わされた通路２１０、２１２は主としてエンジン負荷領域の上側の3分の1のために用いられ得る。
【００５６】
クロスオーバー通路２１０、２１２の空気貯留器バルブアセンブリ２５８は、当該クロスオーバー通路２１０、２１２と空気貯留器２１４との間の流体の流れを制御する。空気貯留器２１４は、圧縮ピストン２２０の複数の圧縮ストロークからの圧縮空気エネルギーを受け取って蓄え、そして以下に説明されるように、当該エンジン２００の種々の空気ハイブリッドモードでの運転を促進するように寸法付けられている。クロスオーバー通路２１０、２１２の各々は、それ自体のそれぞれの空気貯留器に連結されてもよく、及び／又は図示されるような、単一の共通の空気貯留器２１４に連結されてもよいことが理解されよう。
【００５７】
当該エンジン２００におけるバルブ(すなわち、吸気バルブ２４０、XovrCバルブ２４４、２４６、XovrEバルブ２４８、２５０、排気バルブ２５２、空気貯留器バルブ２６０等)は、典型的には、それぞれ直接に又は１つ以上の中間エレメントを経由して、バルブを作動させ且つ係合するカムローブを有しているカムシャフト(不図示)によって作動される。各々のバルブは、それ自体のカム及び／又はそれ自体のカムシャフトを有することができ、又は２つ以上のバルブは、共通のカム及び／又はカムシャフトによって作動されてもよい。代わりに、バルブの１つ以上が、機械的に、電子的に、空力学的に、及び／又は油圧式に可変作動されてもよい。
【００５８】
当該エンジン２００は、前述の空気ハイブリッドモード(すなわち、ＡＥ、ＡＣ、ＡＥＦ、及びＦＣモード)のいずれでも運転可能である。
【００５９】
既存の分割サイクルエンジンにおいて、膨張及び圧縮シリンダーのそれぞれの中心線は、一般に、互いに平行であり、そして図１に示されるように、クランクシャフトの回転軸に交差している。図３のエンジン２００においては、圧縮シリンダー２１６の中心線２６２及び膨張シリンダー２１８の中心線２６４は、互いには平行ではないが、クランクシャフト２０４の回転軸２２８に交差している。しかしながら、これは常にそうでなければならないということではない。換言すると、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーの一方又は両方は、それらの中心線がクランクシャフトの回転軸に交差しないことを意味する「オフセットされ」てもよい。かかる実施形態において、シリンダーの中心線は、クランクシャフトの回転軸の下方に位置されている(すなわち、クランクシャフトの回転軸に対してシリンダーと反対側に位置されている)線(すなわち、その線上にＶ型の頂点が形成されている)に交差するのが好ましい。線上にＶ型の頂点が形成されている当該線は、選択肢としてクランクシャフトの回転軸に平行であってもよい。例えば、図５は、圧縮及び膨張シリンダー２１６'、２１８'の中心線２６２'、２６４'が、クランクシャフト軸２２８’に交差しない分割サイクル空気ハイブリッドエンジン２００'を図解している。むしろ、当該中心線２６２’、２６４’は、クランクシャフト軸２２８’に平行であるがそれからオフセットされているオフセット軸２６６’に交差している。このことは、有利なことに、ピストンスカートとシリンダー壁との間の摩擦を軽減する。加えて、このことは、Ｖ型のエンジンブロック２０２'の角度Ａ'が減少されるのを許容し、回りまわって、より短いクロスオーバー通路２１０'、２１２'を可能にする。より短いクロスオーバー通路２１０'、２１２'によれば、通路全域での圧力低下及び熱損失が少なく、エンジン効率を向上させる。種々のオフセット(すなわち、クランクシャフト軸２２８’と当該オフセット軸２６６'との間の距離)が本発明の範囲から逸脱すること無しに用いられてもよい。
【００６０】
図６−７は、本発明による空気貯留器バルブアセンブリ２５８の一実施形態を図解している。図示されるように、当該バルブアセンブリ２５８は、一般に、クロスオーバー通路(すなわち、クロスオーバー通路２１０、２１２)と一列に並んで置かれるべく構成されている長手方向管状部分２６８を含んでいる。一実施形態において、当該バルブアセンブリ２５８は当該クロスオーバー通路と一体に形成されている。代わりに、当該クロスオーバー通路が第１及び第２の部分を含み、その各々が、当該バルブアセンブリ２５８の長手方向管状部分２６８のそれぞれの端部に連結されてもよい。当該管状部分２６８は、空気貯留器バルブ２６０のヘッド２７２とシール係合を形成するためのバルブシート２７０を含んでいる。図解された実施形態において、当該空気貯留器バルブ２６０は、外方に開く(すなわち、当該管状部分２６８の内部から外方に離れて開く）バルブヘッド２７２及びバルブステム２７４を有しているポペット型バルブである。バルブステム２７４は、当該管状部分２６８から上方に離れて延びている、当該バルブアセンブリ２５８の横断部分２７６を通って延在している。横断部分２７６の内部と当該管状部分２６８の内部との間の流体の連通が、空気貯留器バルブ２６０を作動させることによって、選択的に確立される。当該管状部分２６８から反対側の横断部分２７６の端部は、空気貯留器(不図示)に、直接に、又は管体、バルブのような１つ以上の中管構造体を介して連結されている。
【００６１】
当該バルブステム２７４は、横断部分２７６の外側に配置されたカム又は他のバルブアクチュエータによって直線運動が授けられるように、摺動可能な配列でもって、横断部分２７６の側壁を通って延在している。横断部分２７６内の加圧された流体がバルブステム２７４の表面周りを漏れるのを許さずに、当該バルブステム２７４が横断部分２７６に関して摺動するのを可能にするためのシール特性が、当該技術分野で知られているように、与えられている。当該空気貯留器を１つ以上のクロスオーバー通路と流体の連通状態に選択的に置くためには、種々の他のバルブ及び／又はハウジングの形式が用いられ得るということが理解されるであろう。
【００６２】
上で述べたように、クロスオーバー通路をシリンダー ヘッドに対し外付けで形成すると、有利なことに、当該クロスオーバー通路の独立した熱調節が可能になる。図８は、分割サイクル空気ハイブリッドＶ型エンジン３００の一実施形態を図解しており、そこでは、種々のエンジン運転パラメータに応じて当該クロスオーバー通路の温度を調節するための熱制御システムが用いられている。図示されるように、当該エンジン３００は、４つのクロスオーバー通路３８０、３８２、３８４、３８６が形成されて熱調整されるクロスオーバー通路マニホールド３７８を含んでいる。かかるクロスオーバー通路マニホールドを用いることは、Ｖ型の分割サイクルエンジンに限定されることなく、そしてここに説明されるマニホールドはまた、直列の分割サイクルエンジンにも用いられ得るということが理解されよう。当該マニホールド３７８の各通路は、それ自体の空気貯留器バルブアセンブリ３５８を有している。再度、図解されているクロスオーバー通路及び空気貯留器バルブの数は、単に、模範的なものであり、如何なる数のクロスオーバー通路及び／又は空気貯留器バルブが、本発明の範囲から逸脱すること無しに用いられてもよい。クロスオーバー通路３８０、３８２は、共通のXovrCバルブ３４４及び共通のXovrEバルブ３４８を共有している。同様に、クロスオーバー通路３８４、３８６は、共通のXovrCバルブ３４６及び共通のXovrEバルブ３５０を共有している。他の実施形態においては、各クロスオーバー通路は、それ自体の固有のXovrC及び／又はXovrEバルブを含んでおり、又は単一のXovrC又はXovrEバルブが２つの以上のクロスオーバー通路によって共有されている。
【００６３】
図９は、クロスオーバーマニホールド３７８の断面図を図解している。図示されるように、当該マニホールド３７８の両端部は、第１及び第２のシリンダーヘッド３０６、３０８にボルト付けされている。当該マニホールド３７８は、流体の流れが、XovrCバルブ３４４、３４６によって、それぞれ、制御される第１及び第２のXovrC入口３８８、３９０を含んでいる。当該マニホールド３７８はまた、流体の流れが、XovrEバルブ３４８、３５０によって、それぞれ、制御される第１及び第２のXovrE出口３９２、３９４を含んでいる。調節可能なボールバルブ３９１、３９５が、当該マニホールドの入口３８８、３９０に、それぞれ、配置され、そして調節可能なボールバルブ３９３、３９７が、当該マニホールド出口３９２、３９４に、それぞれ、配置されている。当該ボールバルブ３９１、３９３の構成は、当該入口３８８に入ってくる流体をクロスオーバー通路３８０又はクロスオーバー通路３８２のいずれかに選択的に向けるべく、調節可能である。同様に、当該ボールバルブ３９５、３９７の構成は、当該入口３９０に入ってくる流体をクロスオーバー通路３８４又はクロスオーバー通路３８６のいずれかに選択的に向けるべく、調節可能である。当該技術分野で知られている種々の手段のいずれも、機械式、油圧式、電磁式、及び／又は空力式のアクチュエータを含む、当該ボールバルブ３９１、３９３、３９５、３９７の構成を変更するために用いられてもよい。加えて、当該図解されているボールバルブは、本発明に用いられ得るバルブの単に１つの模範的な形式であり、当業者は、種々の既知のバルブ形式も全て本発明の範囲から逸脱すること無しに用いられ得ることを理解するであろう。当該バルブ３９１、３９３、３９５、３９７は、選択肢として、２位置バルブであってもよい。一実施形態において、クロスオーバー通路間の切替は、複数のエンジンサイクル(すなわち、数ダース、数百、など)に亘って生じ得、このことは、当該バルブ３９１、３９３、３９５、３９７が必ずしも高速作動である必要はなく、そして代わりに、遅くて、耐久性があり廉価な種類であってもよいことを意味している。
【００６４】
クロスオーバー通路３８０、３８４は、そこに配設された又はそこを通過する流体の温度を概ね維持又は上昇させるための特徴部を含んでいる。図９の実施形態において、クロスオーバー通路３８０、３８４は、当該クロスオーバー通路３８０、３８４内のエンジン熱を維持するべく構成された断熱材３９６で包み込まれている。限定すること無しに、セラミックス、ケブラー（Kevlar）、プラスチックス、複合材料等を含む、種々の断熱材料のいずれもが、この目的のために用いられ得る。加えて、当該クロスオーバー通路３８０、３８４は、真空で覆われ(すなわち、内部に真空が生成されている外管内に配置され）てもよい。当該エンジン３００はまた、選択肢として、能動的加熱エレメントを含んでいてもよい。例えば、高温の排気ガスが、当該クロスオーバー通路３８０、３８４に並んで形成された空気通路を通して送られてもよく、又は当該クロスオーバー通路３８０、３８４に隣接して配置されている流体ジャケットを通して送り出され得るオイル又は他の流体を、加熱するために用いられる。一実施形態において、当該クロスオーバー通路３８０、３８４は、電熱コイルでもって包まれてもよい。
【００６５】
クロスオーバー通路３８２、３８６は、そこに配設された又はそこを通過する流体の温度を概ね下降させるための特徴部を含んでいる。図解されているように、流体ジャケット３９８が、当該マニホールド３７８内に当該クロスオーバー通路３８２、３８６に近接して形成されている。エンジン冷却剤ないしは他の流体が、当該クロスオーバー通路３８２、３８６を冷却するために、当該流体ジャケット３９８を通して送られている。当該冷却されるクロスオーバー通路３８２、３８６はまた、ヒートシンク又はファンのような他の冷却機構を含んでもよく、且つ選択肢として、熱を速やかに消散させると知られているアルミニウムのような材料から形成されてもよい。
【００６６】
当該エンジン３００はまた、熱制御コンピューター(不図示)及び種々の関連するセンサー、サーモスタット、アクチュエータ、及び／又は精確な温度制御を促進させるための他の制御器を含んでいる。
【００６７】
運転中には、当該ボールバルブ３９１、３９３、３９５、３９７は、圧縮シリンダーから膨張シリンダーへ流れる流体が、当該エンジン３００の効率を向上させるために必要とされる、断熱されるか、加熱されるか、又は冷却されるかのいずれかであるように、選択的に作動される。例えば、当該エンジン３００が最初にスタートされ、まだ作動温度に到達していないときは、バルブ３９１、３９３、３９５、３９７は、圧縮シリンダーで圧縮された流体が断熱されたクロスオーバー通路３８０、３８４を介して送られ、そして膨張シリンダーに入る前に加熱及び／又は断熱されるように、図９に示されるような第１の構成に置かれる。この構成における流体の流れは、図示の矢印で指示されている。この構成はまた、当該エンジン３００が低負荷の下に作動しているとき(例えば、エンジンが全負荷の約７０％より下で作動しているとき)に用いられる。入っている空気充填物が膨張シリンダーに到達する前にそれを加熱及び／又は断熱することによって、クロスオーバー通路の圧力が高いレベルに維持され、それによって全体の効率を向上させる。
【００６８】
当該エンジン３００が高負荷で作動しているとき(例えば、エンジンがその定格負荷の約７０％以上で作動しているとき)は、早期燃焼を防止し且つ出力を向上させるために、当該空気充填物が膨張シリンダーに入る前にそれを冷却することが望ましい。従って、当該バルブ３９１、３９３、３９５、３９７は、圧縮シリンダーで圧縮された流体を冷却されるクロスオーバー通路３８２、３８６を介して送るべく、図１０に示されるような、第２の構成に置かれる。この構成における流体の流れは、図示の矢印によって指示されている。入っている空気充填物が膨張シリンダーに到達する前にそれを冷却することによって、当該空気充填物の温度及び圧力が低減され、そのことは、有利なことに、過早点火及びノッキングを防止する。当該冷却されるクロスオーバー通路３８２、３８６は、選択肢として、空気貯留器バルブ３５８を有していない。何故ならば、当該冷却されるクロスオーバー通路３８２、３８６が用いられる運転状態の下では、空気ハイブリッドモードで作動させることが望ましくないかもしれないからである。
【００６９】
図１１は、分割サイクル空気ハイブリッドエンジン４００のもう1つの実施形態を図解し、そこでは、種々のエンジン運転パラメータに応じてクロスオーバー通路の温度を調節するために熱制御システムが用いられている。エンジン４００は、図８-１０に関して上に論じられたエンジン３００と、当該エンジン４００のマニホールド４７８がただ３つのクロスオーバー通路４８０、４８４、４９９を有するということを除いて、ほぼ同じである。換言すると、エンジン３００が、２つの冷却されるクロスオーバー通路３８２、３８６を含んでいる一方、エンジン４００は、代わりに、単一の冷却されるクロスオーバー通路４９９を有している。かくて、図１２に示されるように、エンジン４００は、第１及び第２の断熱されたクロスオーバー通路４８０、４８４、及び中央の冷却されるクロスオーバー通路４９９を含んでいる。エンジン４００は、代替的に、第１及び第２の冷却されるクロスオーバー通路を有することができ、そして断熱されたクロスオーバー通路は、代わりに、単一の通路に合流され得ることが理解されよう。
【００７０】
運転中には、エンジン４００は、上述のエンジン３００と実質的に同じように作動する。低負荷及び／又は低速運転中、又はエンジンの始動／暖機中には、一連のバルブ４９１、４９３、４９５、４９７は、図１２に示されるように、圧縮シリンダーからの流体を、当該流体が膨張シリンダーに入る前にそれを断熱又は加熱するために、断熱されたクロスオーバー通路４８０、４８４に向けるべく構成されている。高負荷及び／又は高速運転中には、当該バルブ４９１、４９３、４９５、４９７は、図１３に示されるように、圧縮シリンダーからの流体を中央の冷却されるクロスオーバー通路４９９に向けるべく構成され、それによって当該流体が膨張シリンダーに入る前にそれを冷却する。
【００７１】
ここに開示されたエンジン２００、２００'、３００、４００は、エンジン速度の広い範囲に亘って信頼性を有して作動するべく構成されている。ある実施形態において、本発明によるエンジンは、少なくとも約４０００rpm、及び好ましくは少なくとも約５０００rpm及びより好ましくは少なくとも約７０００rpmの速度まで作動可能である。
【００７２】
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、説明された発明のコンセプトの趣旨及び範囲内で多数の変更がなされ得ることが理解されるべきである。例えば、１つ以上のクロスオーバーバルブ又は空気貯留器バルブは内方に開くものであってもよい。また、４つ以上のクロスオーバーバルブ及び２つ以上のクロスオーバー通路があってもよい。加えて、ここに開示されたエンジンは、必ずしも空気ハイブリッドエンジンである必要はなく、むしろＶ型構成は、非ハイブリッド分割サイクルエンジンにも同じく適用され得る。これらの変更はただ例示的であり、他の変更も本発明の範囲から逸脱することなくなされ得る。従って、本発明は説明された実施形態に限定されず、しかし以下の請求の範囲の言葉によって定められる全範囲を有することが意図されている。
【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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【国際調査報告】
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