(57)【要約】蒸気増強式デュアルピストンサイクル機関は、取り入れおよび圧縮ストロークだけを実行する第一のピストンを内部に収容する第一のシリンダ、第二のシリンダの内側内部チャンバを形成する内側パワーピストンを収容する第二のシリンダおよび内側パワーピストンを包囲し、第二のシリンダの外側内部チャンバを形成し、機関熱をさらなる仕事に変換するように構成されたリング形の外側パワーピストンおよび／またはさらなる仕事に変換される蒸気を発生させるように構成された外側ボイラを含む独自のデュアルピストン装置を利用する。2008537060.tif 000003
2008537060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り入れおよび圧縮ストロークだけを実行する第一のピストンを内部に収容する第一のシリンダと、
パワーおよび排気ストロークだけを実行する第二のピストンを内部に収容する第二のシリンダと、
同様に第二のシリンダに収容され、第二のピストンに結合され、第二のピストンによって生成された熱エネルギーを利用してさらなるパワーストロークを実行する第三のピストンと
を含む、燃焼機関で使用するためのデュアルピストン装置。
【請求項２】
第二のピストンが、横方向円柱面を含みかつ第二のシリンダ内に第一の内部チャンバを形成するディスク形の内燃焼ピストンを含み、
第三のピストンが、第二のピストンの横方向円柱面を包囲し、第二のシリンダ内に第二の内部チャンバを形成するリング形の外側パワーピストンを含み、
第二の内部チャンバが第一の内部チャンバを少なくとも部分的に包囲する、請求項1記載の装置。
【請求項３】
第一のシリンダが第二のシリンダから熱的に隔離され、動作中、第一のシリンダが第二のシリンダよりも低い温度に維持される、請求項1記載の装置。
【請求項４】
燃料混合物が第一のシリンダに入ることを可能にするための、第一のシリンダに結合された取り入れ弁と、
排ガスが第二のシリンダから出ることを可能にするための、第二のシリンダの前記第一の内部チャンバに結合された燃焼排気弁と、
第一のシリンダの内部チャンバを第二のシリンダの前記第一の内部チャンバに結合する段間弁と
をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項５】
燃料混合物が第一のシリンダに入ることを可能にするための、第一のシリンダに結合された取り入れ弁と、
第一のシリンダの内部チャンバを第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに結合し、圧縮空気、液体または気体を第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに移送する接続弁と、
一定量の空気、液体または気体が第二のシリンダの第二の内部チャンバから出ることを可能にするための、第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに結合された出口弁と
をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項６】
液体または気体を第二のシリンダの前記第二の内部チャンバ内に噴射するための、第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに結合された噴射ノズルをさらに含む、請求項5記載の装置。
【請求項７】
燃料混合物が第一のシリンダに入ることを可能にするための、第一のシリンダに結合された取り入れ弁と、
液体または気体を第二のシリンダの前記第二の内部チャンバ内に噴射するための、第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに結合された噴射ノズルと、
液体または気体が第二のシリンダの第二の内部チャンバから出ることを可能にするための、第二のシリンダの前記第二の内部チャンバに結合された出口弁と
をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項８】
前記液体または気体がそれぞれ水または蒸気を含む、請求項7記載の装置。
【請求項９】
前記噴射される液体または気体が水、蒸気、アンモニア、フレオンまたはエタノールの少なくとも一つを含む、請求項8記載の装置。
【請求項１０】
前記第二のシリンダハウジングの外面に配置された外側排気シェルをさらに含み、外側排気シェルが、第二のシリンダを高温に維持するように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項１１】
前記外側排気シェルが、
熱隔離層と、
覆われた排気管と
を含み、該覆われた排気管が、前記第二のシリンダハウジングの外面の周囲で覆われており、第二のピストンによって放出された排ガスによって与えられる熱を利用して第二のシリンダをさらに加熱するための複数の排気加熱通路をさらに含む、請求項10記載の装置。
【請求項１２】
覆われた排気管の下方で第二のシリンダハウジングの外面の周囲を覆うボイラ層と、
ボイラ層に結合された、流体がボイラ層に入ることを可能にするための入口と
をさらに含み、高温によって流体が気体に転換される、請求項11記載の装置。
【請求項１３】
第二のシリンダハウジングの高温によって流体を気体に転換するための、第二のシリンダのハウジングに結合されたボイラ層をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項１４】
取り入れおよび圧縮ストロークだけを実行する、
第一のシリンダの内側内部チャンバを形成するディスク形の内側圧縮ピストンと、
ディスク形の内側圧縮ピストンに結合され、それを包囲し、第一のシリンダの外側内部チャンバを形成するリング形の外側圧縮ピストンと、
を含む第一のピストンを内部に収容する第一のシリンダと、
パワーおよび排気ストロークだけを実行する第二のピストンを内部に収容する第二のシリンダと
を含む、燃焼機関で使用するためのデュアルピストン装置。
【請求項１５】
第二のピストンが、
第二のシリンダの内側内部チャンバを形成するディスク形の内側燃焼ピストンと、
ディスク形の内側圧縮ピストンに結合され、それを包囲し、第二のシリンダの外側内部チャンバを形成するリング形の外側パワーピストンと
を含む、請求項14記載の装置。
【請求項１６】
燃料混合物が第一のシリンダに入ることを可能にするための、第一のシリンダに結合された取り入れ弁と、
排ガスが第二のシリンダから出ることを可能にするための、第二のシリンダの前記内側内部チャンバに結合された燃焼排気弁と、
第一のシリンダの前記内側内部チャンバを第二のシリンダの前記内側内部チャンバに結合する段間弁と
をさらに含む、請求項15記載の装置。
【請求項１７】
燃料混合物が第一のシリンダに入ることを可能にするための、第一のシリンダに結合された取り入れ弁と、
第一のシリンダの前記外側内部チャンバを第二のシリンダの前記外側内部チャンバに結合し、気体または液体の少なくとも一つを含む一定量を第二のシリンダの前記外側内部チャンバに移送する接続弁と、
一定量の気体が第二のシリンダの外側内部チャンバから出ることを可能にするための、第二のシリンダの前記外側内部チャンバに結合された出口弁と
をさらに含む、請求項15記載の装置。
【請求項１８】
第一のシリンダの前記外側内部チャンバの容積が第一のシリンダの前記内側内部チャンバの容積と異なる、請求項15記載の装置。
【請求項１９】
第二のシリンダハウジングの高温によって流体を気体に転換するための、第二のシリンダハウジングに結合されたボイラ層をさらに含む、請求項14記載の装置。
【請求項２０】
ディスク形の内側圧縮ピストンおよびリング形の外側圧縮ピストンを収容する第一のシリンダであって、前記内側および外側圧縮ピストンが取り入れおよび圧縮ストロークだけを実行し、前記内側圧縮ピストンが第一のシリンダの内側内部チャンバを形成し、前記外側圧縮ピストンが第一のシリンダの外側内部チャンバを形成するものである第一のシリンダと、
ディスク形の内側燃焼ピストンおよびリング形の外側パワーピストンを収容する第二のシリンダであって、前記内側燃焼ピストンおよび外側パワーピストンがパワーおよび排気ストロークだけを実行し、前記内側燃焼ピストンが第二のシリンダの第一の内部チャンバを形成し、前記外側パワーピストンが第二のシリンダの第二の内部チャンバを形成するものである第二のシリンダと
を含む、燃焼機関で使用するためのデュアルピストン装置。
【請求項２１】
内側圧縮ピストンに結合された第一の一次クランクシャフトと、
内側燃焼ピストンに結合された第二の一次クランクシャフトと、
第一および第二の一次クランクシャフトに結合され、第一および第二の一次クランクシャフトの間で動きを変換するように構成された一次クランクシャフト接続機構と
をさらに含む、請求項20記載の装置。
【請求項２２】
外側圧縮ピストンに結合された第一の二次クランクシャフトと、
外側パワーピストンに結合された第二の二次クランクシャフトと、
第一および第二の二次クランクシャフトに結合され、第一および第二の二次クランクシャフトの間で動きを変換するように構成された二次クランクシャフト接続機構と
をさらに含む、請求項21記載の装置。
【請求項２３】
第二の二次クランクシャフトが第二の一次クランクシャフトとは異なる速度で動く、請求項22記載の装置。
【請求項２４】
第一および第二の二次クランクシャフトが外側圧縮ピストンと外側パワーピストンとの間に位相差を与えるように構成されている、請求項22記載の装置。
【請求項２５】
第一および第二の一次クランクシャフトが内側圧縮ピストンと内側燃焼ピストンとの間に位相差を与えるように構成されている、請求項21載の装置。
【請求項２６】
第二のシリンダハウジングの高温によって流体を気体に転換するための、第二のシリンダハウジングに結合されたボイラ層をさらに含む、請求項20記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般に、内燃機関に関し、より具体的には、従来の燃焼機関よりも効率的である蒸気増強式ダブルピストンサイクル機関(SE-DPCE)に関する。
【０００２】
関連出願
本発明は、2006年3月9日出願の「DOUBLE PISTON CYCLE ENGINE (DPCE)」と題する同一出願人による米国特許出願第11/371,827号の一部継続出願に関し、前記出願は、参照により本明細書に組み入れられ、2005年3月11日出願の「DOUBLE PISTON CYCLE ENGINE (DPCE)」と題する仮出願第60/661,195号に関し、前記出願は参照により本明細書に組み入れられる。本出願はまた、参照により本明細書に組み入れられる、2005年4月18日出願の「STEAM ENHANCED DOUBLE PISTON CYCLE ENGINE (SE-DPCE)」と題する米国仮出願第60/672,421号に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
今日、内燃機関は至るところにあり、100年余りにわたり使用されていると考えられる。典型的には、内燃機関は一つまたは複数のシリンダを含む。各シリンダは、一般に取り入れ、圧縮、燃焼／パワーおよび排気ストロークと呼ばれる四つのストロークを実行する単一のピストンを含み、これらのストロークがいっしょになって従来のピストンの一つの完全なサイクルを形成する。
【０００４】
従来の内燃機関に関する主要な問題は低い燃料効率である。従来の機関によって生成される潜在的な燃料熱エネルギーの半分超が、有用な機械的仕事を成すことなく、機関構造を通って放散すると推定される。この熱廃棄の主な理由は、従来の機関に不可欠な冷却要件である。冷却システム(たとえばラジエータ)だけでも、有用な仕事へと実際に変換されるすべての熱よりも大きな量をより高い速度で放散する。従来の内燃機関に関するもう一つの問題は、より高い燃焼温度を与えるための熱再生またはリサイクル法を使用する間、効率を高めることができないことである。
【０００５】
従来の機関が効率の問題を抱えるもう一つの理由は、取り入れおよび圧縮ストローク中のシリンダ内の高温がピストン動作をより困難にし、ひいてはそれらのストローク中に効率を下げるからである。
【０００６】
既存の内燃機関に伴うもう一つの欠点は、燃焼温度および圧縮比をさらに高めることができないことである。しかし、パワーストローク間のチャンバ温度を上げ、圧縮比を高めることが効率を改善するであろう。
【０００７】
従来の機関に関するもう一つの問題は、有害な排気放出物を生じさせるその不完全な化学燃焼プロセスである。
【０００８】
これらの装置は、それらが対処しようとする特定の目的には適しているかもしれないが、ピストンの従来の四つのストロークを、デュアルピストンの各ピストンによって実行される二つの低温ストローク(取り入れおよび圧縮)と二つの高温ストローク(パワーおよび排気)とに分ける温度差別化デュアルシリンダを使用しながら、高温ストロークによって発生する熱をさらに利用して蒸気を発生させ、その蒸気を使用してさらなる熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する本発案のSE-DPCEほど効率的ではない。
【０００９】
以前に開示されたデュアルピストン燃焼機関構造は他にもあるが、いずれも、本発明の実質的な効率および性能改善を提供するものではない。たとえば、Casadayへの米国特許第1,372,216号は、シリンダおよびピストンがそれぞれの対として配設されているデュアルピストン燃焼機関を開示している。燃焼シリンダのピストンは圧縮シリンダのピストンに先行して動く。Thurstonらへの米国特許第3,880,126号は、2ストロークサイクル分割シリンダ内燃機関を開示している。誘導シリンダのピストンがパワーシリンダのピストンに半ストローク未満ほど先行して動く。誘導シリンダは装荷を圧縮し、装荷をパワーシリンダに移送し、そこで装荷は前サイクルからの燃焼生成物の残留装荷と混合され、さらに圧縮されたのち点火される。Scuderiへの米国特許出願第2003/0015171A1は4ストロークサイクル内燃機関を開示している。第一のシリンダ内のパワーピストンがクランクシャフトに接続されており、4ストロークサイクルのパワーおよび排気ストロークを実行する。第二のシリンダ内の圧縮ピストンもまたクランクシャフトに接続されており、クランクシャフトの同じ回転中に同じ4ストロークサイクルの取り入れおよび圧縮ストロークを実行する。第一のシリンダのパワーピストンは第二のシリンダの圧縮ピストンに先行して動く。Suhらへの米国特許第6,880,501号は、クランクシャフトに接続されたピストンをそれぞれが含むシリンダの対を有する内燃機関を開示している。一方のシリンダは取り入れおよび圧縮ストロークに適合されている。他方のシリンダはパワーおよび排気ストロークに適合されている。Brackettへの米国特許第5,546,897号は、2、4またはディーゼル機関パワーサイクルを実行することができるマルチシリンダ往復ピストン内燃機関を開示している。
【００１０】
しかし、これらの引用例は、シリンダ温度を差別化して燃焼(パワー)シリンダを圧縮シリンダおよび周囲環境から効果的に隔離する方法を開示していない。これらの引用例はさらに、シリンダと周囲環境との間の相互の温度影響を最小化する方法を開示していない。加えて、これらの引用例は、従来の燃焼機関シリンダよりも燃焼シリンダの温度をさらに高め、圧縮シリンダの温度をさらに下げて機関効率および性能を高める機関改良を開示していない。具体的には、圧縮シリンダの温度を最低限にすることは圧縮仕事投資の削減を可能にする一方、パワーシリンダの温度を上げることは熱再生の増大を可能にする。加えて、これらの引用例で開示されている別個のシリンダはすべて、シリンダ間に「デッドスペース」容積を生じさせるある種の切換え弁または中間通路によって接続されており、シリンダ間にガスを蓄積させ、機関の効率をさらに下げてしまう。さらには、上記の従来技術引用例のいずれも、シリンダどうしを隔離してシリンダ間に改善された温度差を維持しながらもシリンダ間のデッドスペースを最小限にする対向型またはV型シリンダおよびクランクシャフト構造を教示していない。最後に、これらの従来技術引用例のいずれも、燃焼／パワーチャンバを二つの別個のチャンバに分け、外側チャンバの蒸気エネルギーをさらなる機関効率および仕事のために利用することを開示していない。さらには、従来技術引用例のいずれも、高温チャンバによって発生する過剰な熱エネルギーをさらなる運動エネルギーに変換する、一次燃焼チャンバを包囲する二次システムを開示または示唆していない。
【００１１】
Clarkeへの米国特許第5,623,894号は、デュアル圧縮およびデュアル膨張内燃機関を開示している。2個のピストンを含む内部ハウジングが外部ハウジング内で移動して、圧縮のためのチャンバと膨張のためのチャンバとを別個に形成する。しかし、Clarkeは、機関ストロークのすべてを実行する単一のチャンバを含み、本発明で開示されるようなシリンダの隔離および／または改善された温度差別化を妨げる。Clarkeはまた、過剰な機関熱によって発生するさらなるエネルギー(たとえば熱風または蒸気)を利用するための別個のチャンバを形成することを開示していない。
【００１２】
Thomasへの米国特許第3,959,974号は、パワーピストンを含み、別のピストンを含む比較的低温を維持するリング区分に接続されたリングレス区分における高温に耐えることができる材料で部分的に形成された燃焼シリンダを含む燃焼機関を開示している。しかし、Thomas機関全体における高温は、燃焼および排気ストロークを通して存在するだけでなく、圧縮ストロークの一部の間にも存在する。さらに、Thomasは、対向型またはV型構造において機関シリンダを隔離して、改善された温度差別化を可能にする方法を開示しておらず、シリンダどうしを接続する取り入れ口内部に実質的なデッドスペースを含む機関を開示している。最後に、Thomasはまた、過剰な機関熱によって発生するさらなるエネルギー(たとえば熱風または蒸気)を利用するための別個のチャンバを形成することを開示していない。
【００１３】
これらの点で、本発明のSE-DPCEは、従来技術の通常概念および設計を実質的に逸脱したものであり、その際、従来の内燃機関よりも効率的である劇的に改良された内燃機関を提供する。
【発明の開示】
【００１４】
発明の概要
従来技術に現存する公知のタイプの内燃機関に固有の前記欠点を考慮して、新たに発案された本発明は、従来の燃焼機関よりも効率的なやり方で燃料をエネルギーまたは仕事に変換し、過剰な機関熱をさらなる有用な仕事に変換する温度差別化シリンダを利用するSE-DPCE燃焼機関を提供する。
【００１５】
本発明の一つの態様で、蒸気増強式ピストンサイクル機関(SE-DPCE)は、参照により本明細書に組み入れられる米国仮出願第60/661,195号に記載のように、従来の燃焼機関よりも効率的なやり方で燃料をエネルギーまたは仕事に変換する温度差別化シリンダを利用し、さらに、機関熱を利用して蒸気エネルギーを生成し、それをさらなる有用な機関仕事に変換することによってDPCE装置を増強する。
【００１６】
本発明の一つの態様で、機関は、第二のシリンダに結合された第一のシリンダ、第一のシリンダ内に配置され、取り入れおよび圧縮ストロークを実行するように構成された第一のピストン、および第二のシリンダ内に配置され、パワーおよび排気ストロークを実行するように構成された第二のピストンを含む。または、第一および第二のシリンダを、単一のシリンダの中で互いに結合された二つの別個のチャンバを有し、第一のピストンが第一のチャンバ内に存在し、第二のピストンが第二のチャンバ内に存在する単一のシリンダとみなすこともできる。
【００１７】
さらなる態様で、機関はさらに、第一のシリンダに結合された取り入れ弁、第二のシリンダに結合された排気弁および第一のシリンダの内部チャンバを第二のシリンダの内部チャンバに結合する段間弁を含む。
【００１８】
さらなる態様で、機関は、2個のピストン連接棒、圧縮クランクシャフト、パワークランクシャフトおよび2個のクランクシャフト連接棒を含む。連接棒は、それぞれのピストンをそれぞれのクランクシャフトに接続する。圧縮クランクシャフトは、回転運動を第一のピストンの往復運動に変換する。パワークランクシャフトは、第二のピストンの往復運動を機関回転出力運動に変換する。クランクシャフト連接棒は、パワークランクシャフトの回転を圧縮クランクシャフトの回転に伝達する。
【００１９】
さらなる態様で、機関は、燃料噴射装置、水／蒸気入口弁および水／蒸気排気弁を含む。第一の圧縮シリンダは圧縮ピストン、取り入れ弁および段間弁の一部を収容する。第二のパワーシリンダは2個の別個のシリンダ、すなわち外側シリンダおよび内側シリンダを含む。外側および内側シリンダ内には、デュアルピストン、すなわちディスク形の内側ピストンおよびリング形の外側ピストンがある。加えて、第二のパワーシリンダは、排気弁、外側排気シェル(覆われた排気管)、熱隔離層、段間弁の一部、燃料噴射装置、スパークプラグ、蒸気／水弁(および／または噴射装置)および蒸気／水／空気排気弁を含む。第一の圧縮ピストンは取り入れおよび圧縮機関ストロークを実行する。内側パワーピストンは燃料燃焼パワーストロークおよび排気(燃焼済みガス)逃がしストロークを実行する。外側パワーピストンは、パワーを発生させ、高温の圧縮空気を場合によっては蒸気／水とともに利用することによって機関の過剰な熱を吸収する。連接棒が圧縮ピストンおよび両パワーピストンをそれぞれのクランクシャフトに接続する。圧縮クランクシャフトが回転運動を圧縮ピストンの往復運動に変換する。パワークランクシャフトが内側および外側パワーピストンの往復運動を機関回転出力運動に変換する。クランクシャフト連接棒がパワークランクシャフトの回転を圧縮クランクシャフトの回転に伝達する。
【００２０】
もう一つの態様で、機関取り入れ弁は、大部分の4ストローク機関で使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトを含む。排気弁は、大部分の4ストローク機関で使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトを含む。段間弁(好ましい態様における)は、円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。
【００２１】
もう一つの態様で、燃焼機関効率を改善する方法は、取り入れおよび圧縮チャンバ(クールストローク)を燃焼および排気チャンバ(ホットストローク)から切り離し、そのようにして取り入れおよび圧縮ストローク中の温度低下ならびに燃焼ストローク中の温度上昇を可能にし、それによって機関効率を高めることを含む。
【００２２】
さらなる態様では、機関効率を改善する方法は、取り入れおよび圧縮ストローク中の温度を最低化または低下させることを含む。取り込まれて圧縮される空気／装荷温度が低くなればなるほど、機関効率は高くなる。
【００２３】
さらに別の態様では、機関効率を改善する方法は、排気熱エネルギーを再生し、利用することを含む。
【００２４】
さらなる態様では、外部冷却要件を大幅に減らし、それが他方でパワーストローク中の熱出力仕事変換に利用可能な保有熱を増し、燃料をより効率的に燃焼させ、それによって有害な放出物を減らすデュアルピストン燃焼機関が提供される。
【００２５】
もう一つの態様では、改善された効率の燃焼機関を提供する方法は、第一のシリンダで取り入れおよび圧縮を実行し、第二のシリンダでパワーおよび排気ストロークを実行することを含み、第一のシリンダが第二のシリンダよりも低い温度に維持される。さらなる態様では、方法はまた、圧縮空気および燃料混合物を第一のシリンダから第二のシリンダ内に噴射して、それによって第二のシリンダを冷却することを含む。
【００２６】
もう一つの態様で、蒸気増強式デュアルピストン燃焼機関はさらに、過剰な機関熱を利用して圧縮された気体および／または液体を受けてさらなるパワーを生成し、機関効率を高めるために、リング形のチャンバを燃焼シリンダ内に含む。さらなる態様で、蒸気増強式デュアルピストン燃焼機関はさらに、蒸気チャンバへの圧縮気体および／または液体の効率的な移送を促進するために、リング形のチャンバを圧縮シリンダ内に含む。さらなる態様では、蒸気増強式デュアルピストン燃焼機関は、2個の別個のパワー発生システムを含み、一次システムが燃料−空気燃焼を利用し、二次システムが過剰な機関熱を蒸気パワー生成に利用する。
【００２７】
発明の詳細な説明
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。各図を通じて同種の要素を同様な符号で参照する。図面は、必ずしも原寸に比例して描かれておらず、また、必ずしも例示する様々な例示的態様のすべての詳細を示すものでもないことが理解されよう。むしろ、本発明の例示的な態様の説明を可能にする特定の特徴および要素を示すだけである。
【００２８】
図1を参照すると、本発明の一つの態様にしたがって、DPCEシリンダは、圧縮シリンダ01、パワーシリンダ02、圧縮ピストン03、パワーピストン04、2個の連接棒それぞれ05および06、圧縮クランクシャフト07、パワークランクシャフト08、クランクシャフト連接棒09、取り入れ弁10、排気弁11および段間弁12を含む。圧縮シリンダ01は、圧縮ピストン03、取り入れ弁10および段間弁12の一部を収容するピストン機関シリンダである。パワーシリンダ02は、パワーピストン04、排気弁11、段間弁12の一部およびシリンダ02内の燃焼チャンバに対面するパワーピストン04の面の前に位置するスパークプラグ(図示せず)を収容するピストン機関シリンダである。圧縮ピストン03は、機関の取り入れおよび圧縮ストロークのために働く。パワーピストン04は、パワーおよび排気ストロークのために働く。連接棒05および06は、それぞれのピストンをそれぞれのクランクシャフトに接続する。圧縮クランクシャフト07は、回転運動を圧縮ピストン03の往復運動に変換する。パワーピストン04の往復運動がパワークランクシャフト08の回転運動に変換され、それが他方で機関回転運動または仕事に変換される(すなわち、クランクシャフト08はDPCE出力シャフトとして働く)。クランクシャフト連接棒09は、パワークランクシャフト08の回転を圧縮クランクシャフト07の回転に転換する。
【００２９】
一つの態様では、取り入れ弁10は、大部分の従来の4ストローク機関の取り入れ弁に使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。排気弁11は、大部分の従来の4ストローク機関の排気弁に使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。段間弁12もまた、円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。
【００３０】
再び図1を参照すると、圧縮シリンダ01の内キャビティB内には圧縮ピストン03がある。圧縮ピストン03は、圧縮シリンダ01に対し、図示する矢印によって示す方向に動く。パワーシリンダ02の内キャビティC内にはパワーピストン04がある。パワーピストン04は、パワーシリンダ02に対し、図示する矢印によって示す方向に動く。圧縮シリンダ01と圧縮ピストン03とがチャンバBを画定する。パワーシリンダ02とパワーピストン04とがチャンバCを画定する。好ましい態様では、パワーピストン圧力面は、チャンバCを補足し、燃焼中にさらなる燃焼チャンバ容積として機能する成形された空洞26(同じく図12を参照)を有している。チャンバBは、段間機械的動作弁12を介してチャンバCと流体連通している。圧縮シリンダ01は取り入れ弁10を有している。チャンバBは、取り入れ弁10を介して気化燃料／空気装荷Aと流体連通している。パワーシリンダ02は排気弁11を有している。チャンバCは、排気弁11を介して周囲の空気Dと流体連通している。排気弁11は、開放位置にあるとき、排ガスを放出させることができる。燃焼ストローク中、パワーピストン04がパワー連接棒06を押して、パワークランクシャフト08を時計回りに回転させる。排気ストローク中、慣性力(図示しないフライホイール質量によって誘発される)がパワークランクシャフト08をしてその時計回り回転を続けさせ、パワー連接棒06をしてパワーピストン04を動かすと、それが他方で、燃焼済み燃料排気を弁11から放出する。クランクシャフト連接棒09を介するパワークランクシャフト08の回転は、圧縮クランクシャフト07を同期回転のために統合する(すなわち、両クランクシャフトが同じ速度および動的角度で回転する)。一つの態様で、両ピストン、すなわちパワーピストン04および圧縮ピストン03は、それらの上死点(TDC)位置および下死点(BDC)位置を同時に通過する。代替態様で、所望のタイミング構造に依存して、パワーピストン04と圧縮ピストン03との相対位置は、所望の量だけ位相シフトされてもよい。一つの態様では、DPCEデュアルシリンダ装置は、従来の加圧冷却およびオイル潤滑法およびシステム(図示せず)を利用する。本発明の態様では、パワーチャンバCの構造部品(たとえばシリンダ02およびピストン04)は、従来の燃焼機関よりもはるかに高い温度を維持するが、一つの態様では、パワーチャンバCの構成部品は、冷却システムを使用して温度制御される。そのうえ、構成部品のいくつかまたは全部を耐高温性材料、たとえばセラミックス、炭素またはステンレス鋼で製造することもできる。さらなる態様では、DPCE装置は、周知の高電圧タイミングおよびスパークプラグ電気システム(図示せず)ならびに電動スタータモータを利用してスパークプラグ点火、タイミングおよび機関初期回転を制御することができる。
【００３１】
図1〜9に示すように、電動スタータがDPCE出力シャフト6'(図15)と係合すると、両クランクシャフト07および08がそれぞれの時計回り回転を開始し、両ピストン03および04がそれぞれの往復運動を開始する。図5に示すように、圧縮ピストン03およびパワーピストン04は、チャンバBおよびチャンバCの容積を増す方向に動く。取り入れ弁10はその開放位置にあり、この段階でチャンバBの容積が一定に増すため、気化燃料または新鮮な空気装荷(燃料噴射システムを使用する場合)がA地点(たとえば気化器出力ポートを表す)から取り入れ弁10を介してチャンバBに流れ込む。図6〜8それぞれに示すように、燃料−空気装荷が流れ込むときチャンバB容積は増大する。圧縮ピストン03がそのBDC点に達すると、取り入れ弁10が閉じて、チャンバBの空気−燃料装荷内容物を閉じ込める。クランクシャフトの時計回り回転が続く間、図9および図1〜3それぞれに示すように、チャンバBの容積は減り、その今や閉じ込められた空気−燃料装荷の温度および圧力が高まる。圧縮ピストン03が所定の点(図3)に近づくと、段間弁12が開き、チャンバBの空気−燃料装荷がチャンバCに流れ込む。圧縮ピストンがそのTDC点に近づくと(態様によっては、いくらかの遅延または先行を導入してもよい)、段間弁12が同時に閉じ、スパークプラグの点火が起こる。
【００３２】
図5〜8はパワーストロークを示す。燃焼が起こると、チャンバCの圧力が増大してパワーピストン04を強く押し、それが他方で連接棒06を動かして、DPCE出力シャフト06'に結合されているパワークランクシャフト08を回転させる。その間、圧縮ピストン03がそのTDC位置から押し戻されると、取り入れ弁10が再び開いて、新たな空気燃料装荷AをチャンバB内に吸い込むことができる。
【００３３】
排気ストロークは、パワーピストン04がそのBDC点(図8)に達したときに起こる。排気弁11が開き、チャンバCの容積が減ると、燃焼済みの排ガスが、開放した排気弁11を介してチャンバCから周囲環境Dに押し出される。
【００３４】
このように、DPCE機関は、従来の燃焼機関の単一のピストンおよびシリンダによって実行されるストロークを二つの熱的に差別化されたシリンダに分け、各シリンダが4ストロークサイクルの半分を実行する。「コールド」シリンダが取り入れおよび圧縮ストロークを実行し、熱的に隔離された「ホット」シリンダが燃焼および排気ストロークを実行する。従来の機関に比べて、この革新的なシステムおよび方法は、DPCE機関をより高い燃焼チャンバ温度ならびにより低い取り入れおよび圧縮チャンバ温度で作動させることを可能にする。低めの取り入れおよび圧縮温度を維持しながらより高い燃焼温度を使用すると、機関冷却要件が軽減され、圧縮エネルギー所要量が減少し、ひいては、機関効率が向上する。さらには、パワーシリンダを外部環境から熱的に隔離することは、外部熱損失を抑制し、同じ熱エネルギーを次のストロークで再使用することを可能にし、各サイクルでより少ない燃料しか燃やさない。
【００３５】
一つの態様で、圧縮シリンダ01は、圧縮ピストン03、取り入れ弁10および段間弁12の一部を収容する従来のピストン機関シリンダに類似している。圧縮シリンダ01は、圧縮ピストン03とともに作動して、送り込まれる空気および／または燃料装荷を吸い込み、圧縮する。好ましい態様では、圧縮シリンダは冷却される。図10は、熱吸収および放散リブ20を有する空冷圧縮シリンダを示す。図11は、冷却液通路22を有する液冷圧縮シリンダを示す。好ましい態様では、冷却空気源または冷却液源は、従来技術で周知のものと同じであることができる。好ましい態様では、圧縮シリンダ01およびパワーシリンダ02は、互いおよび周囲環境から熱的に隔離されるべきである。図26は、2個のシリンダが異なる面に構築され、それにより、シリンダ間の往復運動性伝熱を最小限にする態様を示す。
【００３６】
パワーシリンダ02は、パワーピストン02、排気弁11、段間弁12の一部およびスパークプラグ(図示せず)を収容するピストン機関シリンダである。パワーシリンダ02は、パワーピストン04とともに機能してシリンダ02のチャンバ内で圧縮空気／燃料混合物を燃焼させ、得られたエネルギーを機械的仕事としてパワークランクシャフト08に伝達する。その往復運動サイクルの第二の半分の間、パワーピストン04は、排ガスを排気弁11を介してシリンダ02から放出または押し出すように作用する。パワーシリンダ02は、シリンダ02内の燃焼チャンバに対面するパワーピストン04の面の正面に位置するスパークプラグを収容する。図12に示すように、一つの態様で、パワーピストン04は、燃焼チャンバとして働く、成形された空洞26を有する。排気ストローク中、パワーピストン04が燃焼済みガスを排気弁11を介してシリンダ02から押し出す。
【００３７】
一つの好ましい態様では、パワーシリンダ02は、外部に対して熱的に隔離されることに加え、排気加熱される。図10および11は、呼気流中に、排ガスが熱をパワーシリンダ加熱通路24内に伝えるときの排気熱利用を示す。
【００３８】
上記で説明したように、圧縮連接棒05は、圧縮クランクシャフト07を圧縮ピストン03と接続してピストン03をシリンダに対して往復運動的に移動させる。パワー連接棒06は、パワークランクシャフト08をパワーピストン04と接続する。燃焼段階では、パワー連接棒06がピストン04の動きをパワークランクシャフト08に伝達してそれを回転させる。排気段階では、パワークランクシャフト08の回転および運動量がパワーピストン04を圧縮シリンダ01の方向に押し戻すと、それが燃焼済みガスを排気弁を介して放出させる(排気ストローク)。
【００３９】
図13を参照すると、圧縮クランクシャフト07が、回転運動を圧縮ピストン03の往復運動に変換している。圧縮クランクシャフト07は圧縮連接棒05(図1)をクランクシャフト連接棒09と接続する。クランクシャフト連接棒09の動きが圧縮クランクシャフト07を回転させる。圧縮クランクシャフト07の回転が圧縮連接棒05の移動を生じさせ、それが他方で圧縮ピストン03をそのシリンダハウジング01に対して往復運動的に移動させる。
【００４０】
本発明の様々な態様で、圧縮クランクシャフト07およびパワークランクシャフト08の構造形態は、所望の機関構造および設計にしたがって変えることができる。たとえば、いくつかのクランクシャフト設計要因は、デュアルシリンダの数、相対的なシリンダ配置、クランクシャフトギヤ機構および回転方向である。たとえば、圧縮クランクシャフト07およびパワークランクシャフト08が同じ方向に回転するならば、クランクシャフト07および08の軸は、図13に示すように、互いに180°に配置されるべきである。または、圧縮クランクシャフト07とパワークランクシャフト08とが反対方向に回転するならば、両クランクシャフト軸は、図14に示すように、互いに同相に配置されるべきである。
【００４１】
パワークランクシャフト08はパワー連接棒06をクランクシャフト09と接続する。燃焼が起こると、パワーピストン04の動きが、そのパワー連接棒06を介して、同じく機関出力シャフト(図示せず)に結合されているパワークランクシャフト08を回転させ、それが連接棒09をして圧縮クランクシャフト07を回転させ、圧縮ピストン03の往復運動を生じさせる。
【００４２】
クランクシャフト連接棒09がパワークランクシャフト08を圧縮クランクシャフト07と接続し、それにより、両クランクシャフトに同期回転を与える。図15は、本発明の一つの態様にしたがって各クランクシャフト07および08に結合されたクランクシャフト連接棒09の斜視図を示す。クランクシャフト連接棒09の機能は、パワークランクシャフト08と圧縮クランクシャフト07とを連結することである。特定の設計では、両クランクシャフト07および08は、それぞれが互いに対して同期的に(同じ方向、同じ角度で)回転することができる。他の設計では、2個のクランクシャフト07および08は、所定の位相角の有無にかかわらず、反対方向に回転することもできる。
【００４３】
図17は、各クランクシャフト07および08に結合された連接棒09の斜視図を示す。各クランクシャフトは、他方、それぞれのピストン連接棒05および06に結合されて、クランクシャフト07および08が、そうでなければ同期的なピストン03および04の動きの間に所定の位相差を与えるように互いに配向している。所定の位相差とは、図4に示す圧縮ピストンTDC位置とパワーピストンTDC位置との間に時間差を達成するために、相対的なピストン位相遅延または先行をいずれかのピストンに導入することができることをいう。図17は、ピストン03および04がそれぞれのTDC位置に達するまでの時間の間に所望の位相遅延または先行を与えるように、ピストン連接棒05および06の互いの位相がずれている状態を示す。一つの態様では、位相遅延は、パワーシリンダのピストンが圧縮シリンダのピストンよりもわずかに先行して動いて、圧縮された装荷をほぼ完全な圧縮ストロークの下で送り込むことを可能にし、パワーピストンが完全な排気ストロークを完了することを可能にするように導入される。圧縮ピストンに通じるパワーピストンに関する位相遅延のこのような利点は、Casadayへの米国特許第1,372,216号およびScuderiの米国特許出願第2003/0015171A1号にも記載されている。代替態様では、圧縮ピストンがパワーピストンに先行して動き、パワーピストンが圧縮シリンダからの装荷を点火前にさらに圧縮するように、反対の位相遅延が導入される。この手法の利点は、Thurstonらへの米国特許第3,880,126号およびThomasへの米国特許第3,959,974号で論じられている。
【００４４】
さらなる態様で、圧縮クランクシャフト07およびパワークランクシャフト08の適切な回転方向を実施するため、図16に示すように、第二のクランクシャフト連接棒13が利用される。
【００４５】
図18を参照すると、一つのクランクシャフト連接棒14をタイミングベルトまたはチェーン機構15と組み合わせて有することにより、クランクシャフト07および08の回転方向を確立するための代替手段を実施することができる。図19に示すように、もう一つの態様では、チェーン機構またはタイミングベルト機構15そのものが、上述したクランクシャフト接続機構のいずれかに対する代替として働くことができる。
【００４６】
図20および21は、クランクシャフト連接棒09に代わる代替機構を示す。図20は、互いに係合した3個の歯車32を含むクランクシャフト接続歯車機構30を示す。この態様では、両クランクシャフト07および08は一方向だけに回転する(3個の歯車を利用する)。図21は、偶数個の歯車32を有し、それにより、クランクシャフト07および08を反対方向に回転させるように構成された歯車機構40および42を接続するクランクシャフトの二つの態様を示す。
【００４７】
一つの態様では、取り入れ弁10は、大部分の4ストローク機関で取り入れ弁として使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。取り入れ弁10は、周囲空気または気化空気／燃料装荷が圧縮シリンダ01に入るときそれらを制御する。圧縮シリンダ01は少なくとも一つの取り入れ弁を有する。好ましい態様では、圧縮ピストン03の瞬間的位置に対して、取り入れ弁の位置、機能、タイミングおよび動作は、従来の4ストローク内燃機関の取り入れ弁と同様または同一であることができる。
【００４８】
一つの態様では、排気弁11は、大部分の4ストローク機関の排気弁に使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。パワーシリンダ02上に位置する排気弁11は燃焼済みガス排出流を制御する。パワーシリンダ02は少なくとも一つの排気弁を有する。好ましい態様では、排気弁位置、機能、タイミングおよび動作方法は、周知の従来の4ストローク燃焼機関で見られる排気弁と同様または同一であることができる。
【００４９】
図22を参照すると、一つの態様で、段間弁12は、円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。段間弁は、圧縮シリンダ01内の容積Bからの圧縮気流または圧縮気化空気／燃料装荷(本明細書でまとめて「燃料」または「燃料混合物」という)がパワーシリンダ02内の容積Cに押し込まれるときそれを制御する。段間弁12はまた、容積Cから容積Bへの燃料の逆流を防ぐ。段間弁12は、開放位置にあるとき、圧縮燃料が圧縮シリンダ01からパワーシリンダ02に流れ込むことを可能にする。燃焼中およびパワーストロークを通して、段間弁12は閉じたままである。一つの態様では、段間弁の動作機構は、周知の燃焼機関の取り入れまたは排気弁の機構と同様または同一であることができる。段間弁12の閉止または開放位置は、動的なDPCEシャフト／部品の一つ(たとえばピストン03)と結合または係合する機械的連結によって操作される。また、正確な弁動タイミングは多くのエンジニアリング設計考慮事項に依存するということが理解されよう。ただし、通例として、段間弁12は、排気弁11が閉じるころに開き、パワーストロークおよび排気ストロークの少なくとも大部分の間、閉じたままであるべきである。
【００５０】
図23を参照すると、もう一つの態様で、予荷重ばね作動式逃がし弁17が段間弁12として働く。この態様は、連結ベースの作動機構を要しない自動弁を提供する。取り入れおよび仕事ストローク中、作動圧および予荷重ばね16がバルブステム17を強制的に閉止かつシールされた状態にさせる。圧縮および排気ストローク中、容積B中の増大した圧縮燃料圧が容積C中の低下した排気圧とともに弁の予荷重ばね16の力に打ち勝ち、ひいてはバルブステム17を開かせ、それにより、圧縮燃料がパワーシリンダ02のチャンバCに流れ込むことを可能にする。
【００５１】
図24は、燃焼チャンバEと、プラグ弁19を包囲する円柱形またはリング状部分を有する弁18を含む独自の半自動段間弁との組み合わせを示す。この態様では、燃焼チャンバEは、弁18によって圧縮チャンバBからシールされ、弁19によって作動チャンバCからシールされる。ばね20が両方の弁18および19を同時にそれらの対応する閉止位置へと押す。スパークプラグ21が燃焼チャンバEの空洞の内部に位置している。燃焼チャンバEおよび段間弁の動作は以下のとおりである。図示するように、段階Jで、初期圧縮および排気ストローク中、ばね20がバルブステム18およびバルブステム19を押して両弁をシールされた閉止位置にとどまらせる。段階Hで、圧縮ストロークが進行すると、その圧縮空気／装荷圧が上昇し、一定の段階で、弁18に作用する上昇圧がばね20の予荷重力に打ち勝ち、それにより、弁18を開かせると、圧縮空気／装荷が燃焼チャンバEに流れ込む。段階Gで、圧縮およびワークピストンがそれらのTDC位置に接近すると、スパークプラグ21が点火され、パワーピストン22の突出部分23が弁19と機械的に係合して、それを動かし、弁19をシール解除(開放)させると、その弁が他方で弁18と係合し、それをその閉止位置へと押す。さらには、上昇する燃焼容積圧がパワーピストンとともに作用して弁18を強制的に閉止させる。段階Fで、燃焼が起こると、チャンバEの圧力が激烈かつ速やかに上昇し、弁18がすでに閉止されており、高温の燃焼流が弁19を通って流れ、パワーピストン22を押して弁19から離れさせる。
【００５２】
パワーピストン22が後退しても(パワーストローク中)、弁19は、チャンバCの高い燃焼圧と、今やその取り入れ段階にあるチャンバB内に存在するはるかに低い圧力との間に存在する圧力差のために、開いたままである。パワーストロークが終了するとともに燃焼チャンバおよび段間弁サイクルは終了する。そして、パワーピストン22がその排気ストロークを開始するとき、ばね20が弁19をその閉止位置に押し戻す。
【００５３】
図25は、本発明の一つの態様の、過給能力を有するDPCEデュアルシリンダ構成を示す。図25に示すように、圧縮シリンダ部50はパワーシリンダ部52よりも大きく、したがって、より多量の空気／燃料混合物を圧縮チャンバB内で受け、圧縮することを可能にする。圧縮ストロークが完了すると、圧縮チャンバB中の圧縮空気／燃料混合物(すなわち「過給」燃料混合物)のより大きな体積および増大した圧力が段間弁12を介して燃焼チャンバC内に噴射される。したがって、より多量および／またはより高圧の燃料混合物をパワーシリンダ52の燃焼チャンバC内に噴射して、パワーストローク中、より大きな爆発、ひいてはより多くのエネルギーおよび仕事を与えることができる。
【００５４】
上述したように、図26は、本発明の一つの態様の、圧縮シリンダ60がパワーシリンダ62からオフセットされて、2個のシリンダ間の熱伝熱性を最小限にしている代替DPCEデュアルシリンダ構成を示す。この態様では、段間弁12は、2個のシリンダ間の小さな重複区域に位置している。
【００５５】
図27は、本発明のさらなる態様の、両シリンダが互いに対して平行に構築され、両ピストンが並行に動くDPCEデュアルシリンダ構成を示す。この態様では、取り入れ、排気および段間弁は、上記と同じ方法で作動することができる。しかし、図27に示すように、段間弁は、第一および第二のシリンダを結合する横方向導管内に位置している。
【００５６】
本発明の代替態様では、蒸気増強式ダブルピストン機関(SE-DPCE)は、燃焼チャンバ内の過剰な熱を使用して、加えられた水を蒸気に変換して機関効率および出力を高めるように構成されている。上記のDPCEと同様に、圧縮ストローク位置をパワーストローク位置から分けることが、有意に高い燃焼チャンバ温度の発生を可能にする。この態様では、上記のDPCEが、燃焼チャンバと排気通路との間に位置する独自のリング形の蒸気シリンダをさらに含むように拡張されている。SE-DPCEは、燃焼チャンバと、燃焼ピストンシリンダの周囲を覆う排気管シェルの内面との間に位置する区域に存在する集中熱を利用する。
【００５７】
図28は、本発明の一つの態様にしたがって、上記の類似した多くの特徴、すなわち、圧縮シリンダ01、パワーシリンダ02、圧縮ピストン03、パワーピストン04、2個の各連接棒05および06、圧縮クランクシャフト07、パワークランクシャフト08、クランクシャフト連接棒09、取り入れ弁10、燃焼排気弁11および段間弁12の一部を含むSE-DPCEの断面図を示す。圧縮シリンダ01は、圧縮ピストン03、取り入れ弁10および段間弁12を収容するピストン機関シリンダである。パワーシリンダ02は、パワーピストン04、排気弁11および段間弁12の一部を収容するピストン機関シリンダである。パワーシリンダ02はさらに、内側シリンダ02aおよび外側シリンダ02bを含む。パワーピストン04はさらに、ディスク形の内側ピストン04aおよびリング形の外側ピストン04bをさらに含むデュアルヘッドピストンをさらに含む。パワーシリンダ02はまた、外側パワーシリンダ02b内に位置し、圧縮シリンダ01まで延びる圧縮空気弁16、外側パワーシリンダ02b内に位置する蒸気／空気排気弁13、覆われた排気管14を含む外側排気シェルおよび熱隔離層15を含む。一つの態様では、パワーシリンダ02、02aおよび02bは、さらなる熱エネルギー利用のために高伝導性材料を使用して製造される。
【００５８】
一つの好ましい態様では、圧縮ピストン03は、機関の取り入れおよび圧縮ストロークのために働く。内側パワーピストン04aは、燃料燃焼パワーおよび排気(燃焼済み気体)ストロークのために働く。外側パワーピストン04bは、さらなるパワーを生成し、同時に、高温の圧縮空気を場合によっては蒸気／水とともに利用して、機関の過剰な熱の吸収によってチャンバcおよびパワーピストン04aを冷却するように働く。連接棒05および06は、圧縮ピストン03および両パワーピストン04aおよび04bをそれぞれのクランクシャフト07および08に接続する。圧縮クランクシャフト07は回転運動を圧縮ピストン03の往復運動に変換する。パワークランクシャフト08は内側および外側パワーピストン04aおよび04bの往復運動を機関回転出力運動に変換する。クランクシャフト連接棒09がパワークランクシャフト08の回転を圧縮クランクシャフト07の回転に伝達する。機関取り入れ弁10は、大部分の4ストローク機関で使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。排気弁11は、大部分の4ストローク機関で使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。段間弁12は、円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。
【００５９】
図29は、パワーシリンダ02：内側シリンダ02a内に位置するスパークプラグ22、内側シリンダ02a内に位置する燃料噴射ノズル20および外側シリンダ02b内に位置する水／蒸気噴射ノズル／弁21の断面斜視図を示す。さらなる態様では、SE-DPCE装置はさらに、電動スタータ、加圧潤滑システム、水量、圧力および温度を制御するための制御された水／蒸気システム、周知の高電圧タイミングおよびスパークプラグ電気システムならびに出力シャフトフライホイールを利用することができる。燃焼排気弁11は、大部分の4ストローク機関に使用されているものと同じ円錐形のシール面を有するシャフトを含む。開放時、弁11は、燃焼済みの高温気体を燃焼チャンバから出し、覆われた排気シェル14に流れ込ませることができる。段間弁12は、円錐形のシール面を有するシャフトで構成されている。開放時、段間弁12は、圧縮された装荷(燃料空気混合物)を圧縮チャンバから燃焼チャンバに押し込むことができる。蒸気／水出口弁13は、機械的に開閉するように構成されている。開放時、弁13は、膨張した蒸気水混合物をパワーピストン4bによって押し出して二次パワーチャンバEから放出して給水閉ループシステム(図示せず)に戻すか、あるいは機関から完全に出すことができる。
【００６０】
パワーシリンダ02はさらに、同じく機械的に開閉するように構成されている圧縮空気接続弁16を含む。開放時、弁16は、圧縮された高温空気を機関圧縮チャンバから二次パワーチャンバEに押し込むことができる。熱隔離層15は、熱エネルギーの脱出を防ぐ外部熱隔離シールドである。このシールド15を利用することにより、機関の過剰な熱の大部分を強制的に機関内部構造内にとどまらせ、ひいては二次パワーチャンバEによってさらなる有用な仕事に変換される。燃焼噴射ノズル20は、燃料噴霧ノズルを含む機械的に作動する弁である。一つの態様では、所定の機関サイクル時間バンドを通して作動する直接加圧燃料噴射システムが燃料を燃焼チャンバに押し込む。このシステムの使用は、燃料が、送り込まれる給気中に事前に噴霧されるか、機関圧縮ストローク中に噴霧されるかのいずれかである通常の気化器燃料供給システムに代わるものである。
【００６１】
パワーシリンダ02はさらに、機械的に開閉するように構成され、水噴霧ノズルをさらに含む水噴射弁21を含む。所定の機関サイクル時間バンドを通して作動する加圧水噴射システムが水を二次パワーチャンバEに押し込む。水は蒸発して加圧高温蒸気になり、したがって、高い圧力を発生させ、同時にシリンダ2aを冷却する。燃料空気圧縮混合物爆発を開始するためにスパークプラグ22が使用される。最後に、図29は、さらなる熱を維持し、パワーシリンダに与えるために二次パワーシリンダ周囲を覆う排気通路23の断面図を示す。
【００６２】
再び図28を参照すると、圧縮ピストン03およびパワーピストン04がいずれもTDC位置にあるとき、シリンダ01のチャンバB中の利用可能な容積が最小限になる。TDCでは、シリンダ02aおよび02bもまた、それぞれの収容されたチャンバCおよびEにおいて最小限の容積を有する。一つの態様では、パワークランクシャフト08は時計回りに回転し、連接棒09を動かし、圧縮クランクシャフト07を時計回りに回転させる。クランクシャフト07および08の回転がピストン03および04を作動させて対称な同期的往復運動を行わせ、圧縮ピストン03およびパワーピストン04が内外方向に等しく対称的に動く。本発明の代替態様では、圧縮ピストン03および内側パワーピストン04aまたは外側パワーピストン04bのいずれかまたは両方の相対的位置の間に位相遅延または位相先行を導入することもできる。
【００６３】
本発明の一つの態様では、SE-DPCEサイクルは、圧縮ピストンがそのTDCを通過し、取り入れ弁10が開くと同時に始まる。周囲の空気が圧縮シリンダ01のチャンバBに流れ込む。圧縮クランクシャフト07が回転し、圧縮ピストン03がそのBDCに達するまで動き、BDCに達すると、その時点で取り入れ弁10は閉じる。次に、圧縮ピストン03は、TDCに向けて戻るその往復運動を実行し、チャンバB内の空気圧および温度を上昇させる。様々な所定の時点で、段間弁12および接続弁16の一方または両方が開く。接続弁16は、圧縮空気を比較的高圧のチャンバBからより低圧の燃焼チャンバCおよびリング形の空気／水／蒸気チャンバEに押し込むことを可能にする。一つの態様で、圧縮ピストン03およびパワーピストン04がそのTDCに達するとき、圧縮空気はパワーシリンダ02に実質的に移される。圧縮空気がパワーシリンダ02に移され終えるころ、段間弁12および圧縮空気弁16が閉じる。燃料が燃料噴射ノズル20を介してチャンバC内に噴射され、温度制御された水が水噴射弁21(図29)を介してチャンバE内に噴霧および／または噴射される。温度制御された水は、弁12および16が閉じ終わる前、その最中またはその後でチャンバE内に加えることができる。スパークプラグ22(図29)が点火して燃焼を生じさせ、それが内側パワーピストン04aをそのBDCに向けて強く押しやる。同時に、チャンバE内の噴射された水および圧縮空気が膨張し、蒸発して蒸気になり、それが他方でチャンバE中の圧を劇的に高める。この増大した圧が外側パワーピストン04bをBDCに向けて強く押しやる。水から蒸気への転換(相変化)中、チャンバC中で燃焼の間に発生する機関の過剰な熱はチャンバEへと効率的かつ生産的に除去される。
【００６４】
パワーピストン04がTDCに向けて戻り始めると、SE-DPCEサイクルは終了する。同時に、排気弁11が開き、高温の燃焼産物が排気弁11からポート19内に送られ、次に、外側シリンダ02bの周囲を覆う管内に押し込まれ、区域Dを介して放出され、それによってシリンダ02bを加熱する。同時またはほぼ同時に、排気弁11が開き、蒸気出口弁13が開き、チャンバEの以前に抽出された生成物(蒸気、水、空気)が給水閉ループシステムにリサイクルされる。一つの態様では、蒸気出口弁13が開き、チャンバEの以前に抽出された生成物(たとえば蒸気、水、空気)は、さらなるエネルギー再生のために水または蒸気をリサイクルすることなく、機関から抜かれるか、放出される。代替態様では、エネルギーを節約するため、水および／または蒸気はリサイクルされ、チャンバE中のリサイクルされた液体は、噴射されてくる水を予熱するために使用されることができる。パワーピストン04がTDCに達する前に、排気弁11および蒸気出口弁13が再び閉じる。圧縮ピストン03がそのBDCに向けて後退し、取り入れ弁10が再び開くと、新たなサイクルが始まる。一つの態様では、SE-DPCE熱エネルギー損失を最小限にするため、外側パワーシリンダ02の外周は熱隔離材料層15によって覆われている。
【００６５】
図30に示す一つの態様では、ピストン04は、燃焼産物およびより高温のシリンダ面に隣接および／または直接接触している高温区分30を含む。高温区分30は、カーボンまたはセラミックのような耐熱材料で作られている。このピストン区分は縦方向の力だけを担持する。二次的なスライドディスク36がスライドする横方向摩擦力の大部分を受ける。区分30はピストン04の高温部分であり、少量の水および蒸気漏れを利用して冷却され、潤滑される。区分32はピストン04のより低温の部分であり、周知のピストン機関潤滑法を利用してさらに冷却され、潤滑される。ディスク38がオイル潤滑低温区分32をより高温のピストン蒸気潤滑区分30から切り離す。パワー連接棒06がピストンの耳状部34をパワークランクシャフト08に接続する。
【００６６】
図31は、本発明の一つの局面のパワーピストン04の構成および潤滑を示す。一つの態様では、燃焼プロセスと直接係わり合うパワーシリンダ02ならびにピストン04、04aおよび04b面はセラミックで補強されている。パワーシリンダ02ならびにピストン04、04aおよび04bのセラミック面は水／蒸気冷却され、潤滑される。外側パワーピストン04bがBDCに近づくにつれ、少量の蒸気がノズルを通ってパワーピストン04と内側および外側パワーピストン04aおよび04bとの間の区域に放出される。高温ピストン部の横方向力は、ピストンの横方向応力の大部分を担持し、周知の方法を使用してオイル潤滑されるさらなるピストンスライドディスク36によって吸収される。ピストンスライドディスク36はクランクシャフト08の周囲の区域をパワーシリンダ02内の残り区域から切り離し、シールする。このように、本発明の革新的な冷却および潤滑局面を利用することにより、SE-DPCEは、より高い温度の下で作動することができる。
【００６７】
オイル分離ディスク36は、機関クランクシャフトの回転中にピストン04の横滑り摩擦力の大部分を受け、機械油はシリンダ面48(シリンダ02とピストン04との間)に向けて流れることができる。一つの態様では、機関共通のシールリング42がディスク36の周囲に設置されてもよい。ピストンおよびシリンダ滑り面46および50は水および蒸気を冷却および潤滑液として使用し、そのような物質はドレンポート44を介してシリンダ02から抜き取られる。
【００６８】
図32は、SE-DPCEが分割圧縮ピストン03を含む本発明のもう一つの態様を示す。圧縮ピストン03は、内側圧縮ピストン03aと外側圧縮ピストン03bとに分割されている。内側圧縮ピストン03aは、取り入れ弁54を介して周囲の空気を場合によっては気化燃料とともに吸い込み、それを段間弁12に通して圧縮して燃焼チャンバCに入れる。外側圧縮ピストン03bは、取り入れ弁10を介して周囲の空気を吸い込み、それを接続取り入れ弁16に通して圧縮して空気−蒸気チャンバEに入れる。また、一つの態様では、水が空気取り入れチャンバFに加えられたのち、接続取り入れ弁16に通して圧縮されてチャンバEに入れられるか、または、水は、水噴射ノズル21(図29)を介して直接チャンバE内に噴射されることもできる。分割圧縮ピストン構造は、機関が、チャンバGに吸い込まれる気化燃料を利用することを可能にする。加えて、分割圧縮ピストンおよびチャンバ構造は、送り込まれる全空気をチャンバFとチャンバGとの間で容積的に分割し、各チャンバFおよびGの容積を独立して決定することができるようにSE-DPCEを設計することを可能にする。
【００６９】
図33は、SE-DPCEが、一次燃焼システムが燃料−空気燃焼プロセスを利用し、二次水−蒸気−空気システムが過剰な機関熱を利用する二つの別個のパワー発生装置を含む本発明のもう一つの態様を示す。この態様では、一次燃焼システムは、圧縮ピストン03a、パワーピストン04a、取り入れ弁54、排気弁11、段間弁12および出力シャフト08を含む。一つの態様で、排気弁11からの排気は、上記のように、シリンダ加熱ポート19に入力されてシリンダ02bを加熱する。二次水−蒸気−空気システムは、圧縮ピストン03b、パワーピストン04b、取り入れ弁10、段間弁16、蒸気／空気排気弁13および二次パワー出力シャフト60を含む。一次燃焼システムは、上記のように燃料および空気を機関仕事に変換する。一つの態様で、二次水−蒸気−空気システムは、一次燃焼システムと実質的に同一のピストン往復運動、連接棒運動およびクランクシャフト回転を利用する。しかし、二次水−蒸気−空気システムでは、加熱された空気、水および／または蒸気を使用して機関仕事を発生させることができる。各パワー発生システムはそれ自体の作動弁を作動させる。一次燃焼システムは、一つの態様では、弁54、12および11ならびに任意の燃焼噴射システムを作動させる。この態様では、二次システムは、弁16および13ならびに場合によっては水チャンバE直接噴射システム(ノズル24、図29)を作動させる。上記説明にしたがって、一部の態様では、一次圧縮ピストン03aおよび一次パワーピストン04aは、異なる時間でそれぞれのTDC位置に達するように位相差をもって作動するように構成されている。同様に、二次圧縮ピストン03bおよび二次パワーピストン04bはまた、互いに位相差をもって作動するように構成することもできる。
【００７０】
一つの態様では、SE-DPCEは、二次的なパワー出力のために働く以下の動的部品を利用する(さらなる機関パワー出力のために機関熱を利用する圧縮およびパワーピストン動)。二次的パワー出力は、リング圧縮ピストン03bおよびリング出力ピストン04bを含む2個のピストン、2個の圧縮接続ロッド70、圧縮クランクシャフト68、パワークランクシャフト60、パワークランクシャフト連接棒64およびクランクシャフト連接棒66を含む。連接棒はそれぞれのピストンをそれぞれのクランクシャフトに接続する。圧縮クランクシャフト68は回転動を圧縮リングピストン03bの往復運動に変換する。出力クランクシャフト60は、出力パワーリングピストン04bの往復運動を二次的出力60の回転運動に変換する。クランクシャフト接続棒66は、クランクシャフト62を使用して出力パワークランクシャフト60の回転を圧縮クランクシャフト68の回転に伝達する。
【００７１】
一つの態様では、一次シャフト08と二次シャフト60との間には機関内部係合はない。この態様では、各システムは独立しており、各シャフトのパワーおよび速度は機関動作条件および機関入力パラメータに依存する。さらなる態様では、SE-DPCEは、気化燃料／空気装荷を受け、燃焼の燃料噴射法を実行することができる。そして、さらに別の態様では、SE-DPCEは、空気および水ならびに水、それに続いて、チャンバE内に直接噴霧された水を受けることができる。本発明のもう一つの態様では、SE-DPCEは、機関温度、RPM、機関トルク、燃料消費、噴射水温および噴射水量をモニタする電子最適化管理コンピュータ(図示せず)を利用する。コンピュータは、これら種々の機関物理的パラメータを解析し、それに応じて、噴射水量、温度および噴射燃料量を最良な性能のために調節する。
【００７２】
本発明の種々の他の態様では、SE-DPCEは、いくつかのさらなる特徴のいずれかを有することができる。一つの態様では、水蒸気チャンバEは、圧縮空気ではなく水および／または蒸気で作動する。ピストンがTDCに達すると、水および／または蒸気がチャンバE内に噴射される。燃焼ピストン03は、圧縮空気を段間弁12を介してのみチャンバCに移送する。上記のような水冷および仕事発生機能は、チャンバE内に噴射される水およびそれに伴う蒸気への相変化で実施される。ピストン後退の間、ピストンがTDCに向けて動くとき、チャンバEの蒸気および／または水は蒸気／空気排気弁13を介して放出される。さらなる態様では、より良好な機関性能のために、蒸気はより高い温度まで加熱されることもできる。
【００７３】
もう一つの代替態様では、水および／または蒸気に代えて別の液体または気体、たとえばアンモニア、フレオン、エタノールまたは他の適当な膨張性液体(気体を含む)を用いてもよい。
【００７４】
さらなる態様では、水または蒸気ではなく圧縮空気のみがチャンバE内に噴射される。
【００７５】
もう一つの態様では、ボイラ層71が、流体および／または気体を内部に保持するための複数の通路71を含み、ボイラ層71は、燃焼チャンバハウジング02の少なくとも一部の周囲を覆っている。図34に示すように、一つの態様では、ボイラ層／通路71は、覆われた排気管14の通路14によって包囲され、それら両方が熱隔離／断熱層15によって包囲されている。通路71および14の断面図は、例示のためだけに、それぞれ正方形および円形として示されていることが理解されよう。実際の実施では、所望の形をこれらの通路に利用することができる。代替態様では、通路71および／または通路14は、それぞれ、流体および／または気体を内部に保持するための、燃焼チャンバハウジングの周囲を覆う単一の大きめの通路または経路として構成されることもできる。一つの態様では、外部供給源(図示せず)からの加圧された水または他の流体が水圧ポンプ(図示せず)によって入口72を介してボイラ通路71に押し込まれる。燃焼チャンバC、シリンダ02および内側の覆われた排気層14の温度は非常に高いため、入口72内に流入または噴射される水(または他の液体)は急速に高圧蒸気に変化する。一つの態様では、その後、高圧蒸気は蒸気出口74から外部蒸気ピストン機関(図示せず)または蒸気タービン(図示せず)に向けて送られ、これが、蒸気エネルギーをさらなる有用な機械的仕事、たとえば発電機を回転させたり、SE-DPCE主出力シャフト08と機械的に係合したりする仕事に変換する。熱隔離層15がSE-DPCE熱エネルギーの大部分を機関構造内に維持する。パワーピストン04がその排気ストロークを開始すると、高温燃焼ガスが排気弁11を通って入口排気ラップポート19内に流れ込み、それによって内側の覆われた排気層14を加熱する。それらの熱エネルギーの一部を水／蒸気ラップ管14に移したのち、排ガスが出力口Dを介して機関から放出される。
【００７６】
上記の方法および装置を実施することにより、SE-DPCE態様は、以前には使用されなかった熱エネルギーを使用することによって蒸気エネルギーを発生させ、利用する。そして、発生した蒸気エネルギーは、さらなる機械的仕事を生成するために使用される。一つの態様では、蒸気エネルギーは、補助的な蒸気機関または蒸気タービンによって利用され、その機関またはタービンが蒸気エネルギーをさらなる仕事に変換する。
【００７７】
当業者が本明細書を検討すると明らかであるように、機関取り入れおよび圧縮ピストンが燃焼および排気の高温の影響から物理的に切り離される他の態様が同じく可能である。本発明の様々な態様を例示し、説明したが、当業者は、態様の上記説明が例示的なものにすぎず、上記に開示した装置および技術を改変または変形して本発明を実施することもできることを理解するであろう。当業者は、通常の域を超えない程度の実験を使用して、本明細書に記載する発明の特定の態様に対する多くの等価物を知り、あるいは確かめることができるであろう。そのような改変、変形および等価物は、請求の範囲に述べる本発明の本質および範囲に入ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】クランクシャフト角が270°の状態で示されている本発明の一つの態様のDPCE装置の略側断面図である。
【図２】クランクシャフト角が315°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図３】クランクシャフト角が330°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図４】クランクシャフト角が0°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図５】クランクシャフト角が45°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図６】クランクシャフト角が90°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図７】クランクシャフト角が135°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図８】クランクシャフト角が180°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図９】クランクシャフト角が225°の状態で示されている図1のDPCE装置の略側断面図である。
【図１０】本発明の一つの態様の、空冷圧縮シリンダおよび排気加熱パワーシリンダを有するDPCE装置の略側断面図である。
【図１１】本発明の一つの態様の、水冷圧縮チャンバおよび排気加熱パワーチャンバを有するDPCE装置の略側断面図である。
【図１２】本発明の一つの態様のDPCE圧縮およびパワーピストンの三次元(3D)略図である。
【図１３】本発明の一つの態様のDPCE圧縮およびパワークランクシャフトの3D略図である。
【図１４】本発明の一つの態様のDPCE圧縮およびパワークランクシャフトの3D略図である。
【図１５】本発明の一つの態様の、クランクシャフト連接棒を示すDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図１６】本発明の一つの態様の、2個のクランクシャフト連接棒を有するDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図１７】本発明の一つの態様の、異なるクランクシャフト角を示すDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図１８】本発明の一つの態様の、1個のクランクシャフト連接棒をタイミングベルト(またはチェーンもしくはV字形ベルト)と組み合わせて有するDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図１９】本発明の一つの態様の、タイミングベルト(またはチェーンもしくはV字形ベルト)のみを有するDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図２０】本発明の一つの態様の、接続機構としてクランクシャフト歯車を有するDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図２１】本発明のもう一つの態様の、接続機構としてクランクシャフト歯車を有するDPCEクランクシャフトシステムの3D略図である。
【図２２】本発明の一つの態様の段間弁の略断面図である。
【図２３】本発明の一つの態様の段間逃がし弁の略断面図である。
【図２４】本発明の一つの態様の半自動段間弁の略断面図である。
【図２５】本発明の一つの態様の、過給能力を有するDPCE装置の略断面図である。
【図２６】本発明の一つの態様の、圧縮シリンダとパワーシリンダとを異なる面に有するDPCE装置の3D略図である。
【図２７】本発明の一つの態様の、両シリンダが互いに平行であり、両ピストンが並行に動くDPCE装置の3D略図である。
【図２８】本発明の一つの態様のSE-DPCE装置の略側断面図である。
【図２９】本発明の一つの態様の内側および外側パワーシリンダの3D略断面図である。
【図３０】本発明の一つの態様の内側および外側ピストンをさらに含むパワーピストンの3D略図である。
【図３１】本発明の一つの態様の内側および外側パワーシリンダならびに対応する内側および外側パワーピストンの3D略断面図である。
【図３２】本発明の一つの態様の、2個の別々の圧縮ピストンを有し、一方のピストンが燃焼プロセスのために働き、他方のピストンが水／蒸気チャンバのために働くSE-DPCE装置の略側断面図である。
【図３３】本発明の一つの態様の、燃焼プロセス区分が蒸気増強区分から係合解除されている、2個の別々の出力シャフトを利用するSE-DPCE装置の略側断面図である。
【図３４】本発明のもう一つの態様の、ボイラチャンバを含むSE-DPCE装置の断面図である。
【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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【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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