(57)【要約】  燃焼エンジンは、ピストンを有さない燃焼室を含み、燃焼し、膨張した空気は燃焼室を出て、ギアポンプまたはラジアルベーンポンプのような第１の置換ポンプに流入する。置換ポンプは負荷を駆動し、他の小さい第２の置換ポンプは、外気を圧縮し、フィードバックループを介して燃焼室内に外気を送り込む。ガソリン又は他の燃料は燃焼室内に導入され、初期点火の後に燃焼し続ける。小さい方のポンプに対する大きい方のポンプの比率は、燃焼室内の空気の膨張比率に影響を受ける。追加の実施形態は、燃焼室内にバッファの負荷を調節するバネを含むことができる。
2011508845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンであって、
ａ）燃焼室と、
ｂ）前記燃焼室内に燃料を導入するノズルと、
ｃ）燃料−空気混合気が燃焼する前記燃焼室内に空気を導入する吸気導管と、
ｄ）出力軸と、
ｅ）前記出力軸に固定された第１の回転力手段、および前記出力軸に操作可能に関連付けられた第２の回転力手段と、
ｆ）前記燃焼室から排出された排気ガスを前記第１の回転力手段に導いて回転させる導管と、を備え、
ｇ）前記第１の回転力手段の回転動作は、前記第２の回転力手段を回転させ、
ｈ）前記第２の回転力手段の回転は、前記燃焼室内に空気を送り込むフィードバックループ内に空気を送り込むことを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第１の回転力手段は大きいタービンであり、前記第２の回転力手段は、これよりも小さいタービンである、内燃エンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第１の回転力手段は、前記第２の回転力手段の容積の約１５０％の容積を有する、内燃エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃エンジンであって、前記第１の回転力手段は、前記第２の回転力手段に比べて半径方向に大幅に大きい、内燃エンジン。
【請求項５】
請求項３に記載の内燃エンジンであって、前記第１の回転力手段は、前記第２の回転力手段に比べて置換量が大幅に大きい、内燃エンジン。
【請求項６】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第１の回転力手段は、相互係合する歯を有し、前記燃焼室から燃焼ガスを積極的に排出する一対のギアを備える、内燃エンジン。
【請求項７】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室内に配置され、ガスと空気の混合気を圧縮するバッファを有する、内燃エンジン。
【請求項８】
請求項７に記載の内燃エンジンであって、出力側の前記バッフルに付与される張力を変える調整手段が設けられている、内燃エンジン。
【請求項９】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室内に配置され、燃焼室内に流入するガスと空気の混合を促進する入口バッファを有する、内燃エンジン。
【請求項１０】
請求項９に記載の内燃エンジンであって、前記入口バッフルは、前記燃焼室の底面から上方に延びるものと、前記燃焼室の天面から下方に延びるものとからなり、これらの上方および下方に延びるバッファは、燃焼室に流入する空気の流れのために蛇行経路を区画するため分散されている、内燃エンジン。
【請求項１１】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室の外部を覆う断熱材を有する、内燃エンジン。
【請求項１２】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室から排気ガスを導く導管と前記燃焼室用の吸気導管との間を接続する熱交換器を備える、内燃エンジン。
【請求項１３】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室から排気ガスを排出させる導管と前記燃焼室用の吸気導管との間に延びるバイパスループを備える、内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃エンジンに関し、特には、圧力下にて、フィードバックループを介して、エンジンの燃焼室内に外気を導入するギアまたは回転ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内部で発生する爆発に応答するピストンを有する燃焼室を備え、出力軸に動作可能に関連するピストンを駆動して、車両への動力付与のような仕事を行う内燃エンジンは既知である。このようなエンジンは、エンジンの各種の部品の動作を調整するタイミングベルト、燃焼室内に燃焼や空気を取り入れるバルブ、およびスパークプラグのような点火装置等を必要とする。
【発明の概要】
【０００３】
この発明は、簡易化され、なおかつ効率的であり、既知の内燃エンジンに関連したピストン、タイミングベルト、バルブ、マフラー等を必要としない内燃エンジンに関する。これにより、製造、取り付けおよびメンテナンスの潜在的なコストを低減することができる。
【０００４】
さらに、本願発明は、燃料をより効率的に燃焼するとともに、ＣＯ２の含有量の少ないよりクリーンな排気を発生する内燃エンジンを実現するものである。
【０００５】
さらに、本願発明は、同等の馬力、トルクを有する既知の内燃エンジンに比べて軽量であり、この発明は、航空機、ボート、および全サイズの車両に適用できる。または、本願発明は、燃料を節約できる。
【０００６】
また、本願発明の内燃エンジンは、出力軸に対して垂直に取り付けられ、出力軸には、容積の異なる２つの回転ギアまたはポンプが取り付けられている。大きい方のギアまたはポンプは、燃焼室の排気配管から排出された高温ガスを受けて回転し、仕事をする。大きい方のギアの回転はまた、フィードバックループ内の空気を燃焼室内に送り込む小さい方のギアまたはポンプを回転させる。
【０００７】
本願発明の好適な実施形態では、共通の出力軸に取り付けられたサイズの異なる一対のギアまたは回転ポンプを用いるが、同じ性能を達成しつつ他の配置を採用してもよい。また、ラジアルベーンポンプまたは他の気密ポンプを用いてもよい。
【０００８】
しかも、本願発明は、既知の内燃エンジンに関連した爆発を伴うことなく、空気−燃料混合気を連続的に燃焼させることができる燃焼室を利用するものである。
【０００９】
これらの利点、ならびに他の利点および向上は、図面および次の詳細な説明から当業者に明らかとなる。図面は、以下で特定される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本願の内燃エンジンの概略図である。
【図２】図２は、共通の軸に取り付けられ、内燃エンジンの燃焼室からの排気によって駆動するいくつかのタービンを示す概略図である。
【図３】図３は、図１に示す燃焼室の代替的な実施形態の概略図である。
【図４】図４は、図１の実施形態の大きい方のタービンの出口を小さい方のタービンの入口に接続した代替的な配置を示す概略図である。
【図５】図５は、本願の内燃エンジンに用いられる大きい方のタービンと小さい方のタービンの代替的な実施形態を示す概略図である。
【図６】図６は、本願の内燃エンジンの大きい方のタービンに代えて用いることができる一対の相互係合ギアを示す図である。
【図７】図７は、本願の、２つの排気タービンと１つの吸気タービンを用いた内燃エンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、大抵は参照符号１０で特定される本願の内燃エンジンを示している。内燃エンジン１０は、空気を導入する吸気導管１４と、ガソリンのような燃料を導入するノズル１６とを含む燃焼室１２を有する。断熱材１８は、燃焼室１２の外部周りに延在し、熱ロスを低減する。
【００１２】
吸気バッファ２０は、入口１４と燃焼室１２の中央の拡張部との間に配置され、一方、排気バッファ２２は、燃焼室１２と出口または排気導管２４との間に配置されている。スパークプラグのようなイグナイター（図示省略）は、燃焼室１２内の空気燃料混合気の燃焼を開始するのに用いられる。その後、外部からのさらなる点火を必要とすることなく、燃焼は衰えずに継続する。
【００１３】
燃焼室１２内の燃料−空気混合気は燃焼し、体積の膨張した加熱空気は、導管２４を通って排出される。加熱空気は、出力軸３０に取り付けられた大きい方のタービン２８の吸気ポート２６に導かれる。第２番目の小さい方のタービン３２もまた出力軸３０に取り付けられている。加熱空気は大きいタービン２８を作動させるとともに小さい方のタービン３２も作動させる。出力軸３０は、車両を駆動したり発電機を駆動したりというような仕事をするために必要な力を発生する。大きい方のタービン２８を通る空気の移動は、排気ポート３４を通過し大気に放出される前に排気通路３６に入る。小さい方のタービン３２は、外気を集めるとともにこれを排気通路３６を通って吸気導管１４内に送り込み、燃焼室内に導入する。熱交換器３８は、排気通路３６に固定され、高温の空気を、配管４０および入口４２を介して吸気導管１４内に送り込み、吸気導管１４内に入ってくる循環空気温度を増大させる。
【００１４】
徐々にサイズが大きくなるタービン４４、４６、４８、５０、５２は、出力軸４３に固定されている。燃焼室を出た加熱空気は、排気導管５４内に流れ込み、開放されたバルブ５６を通ってタービン５２のハウジング内に流れ込む。タービン５２は回転し軸４３を駆動し、徐々に小さくなるタービンは、軸４３と共に回転する。
【００１５】
導管５４内を移動する加熱空気はまた、開放されたバルブ５８を通過しタービン５０に力を与える。同様に、導管５３内を移動する加熱空気は、開放されたバルブ６０を通過しタービン４６に力を与える。バルブ６２および６４は閉鎖され、導管５８内を移動する加熱空気はタービン４４、４８には到達しない。タービン４４、４８はその一方で、内燃エンジン内に設けられた１つまたはそれ以上の燃焼室の吸気導管内に外気を送り込むことが可能である。複数のバルブは、手動または自動で操作可能なコントローラ６５（点線で図示される）内に保持されている。コントローラ内での、開閉可能なバルブの多様な組み合わせは、既知のトランスミッションシステムを用いることなしに、無限に近い多様なパワー調節を可能とする。
【００１６】
図１、２は、図１の軸３０や図２の軸４３のような共通の出力軸に取り付けられた２つもしくはそれ以上の協働タービンを示しているが、協働タービンは、２つの別個の軸に取り付けてもよい。別個の軸は、無端のベルトまたはチェーンによって連結することができ、これにより一致して回転する。オルタネータ（図示省略）は、別個のシャフトに配置された２つのタービンの間に固定することができる。
【００１７】
図３は、本願の内燃エンジンに用いられる燃焼室の他の実施形態を示している。吸気導管６２は、空気を燃焼室内に導入し、一方、ノズル６６は燃料を導入する。導管６２から入り込む空気は、上方へ延びるバッフル６８および下方に延びるバッフル７０によって区画された蛇行経路内を移動する。蛇行経路は、燃焼室６４内の空気の適度な予加熱を確実にし、燃焼効率を向上させる。
【００１８】
空気−燃料混合気が燃焼室６４内で燃焼した後、高温の空気は出口導管７２を通って排出される。出口バッフル７４は、燃焼室６４内の、出口導管７２の上流に配置されている。ノブ７６は、バネ７８の張力を調整し、出口バッフル７４の位置を調節できるよう回転可能である。バネは、燃焼室６４内の燃焼圧力に対して出口バッフルを付勢し、排出ガスの圧力を所望のレベルに維持する逆止弁として機能し、また、圧力サージを防止する。
【００１９】
図４は、加熱空気を大きい方のタービンから、図１の実施形態における小さい方のタービンの入口に移送する代替の方法を示している。排気管３６に到達する前に、タービン２８内の加熱空気の一部は配管８０を通過し、吸気導管１４と一直線に並べられた吸気管８２内に流入する。バルブ８４は、バイパス流の量を調整するよう調節される。この調節は、手動または自動により行うことができ、所定の加熱空気を導入して吸気導管１４内の冷たい空気と混合し、バルブ８４は高速で開放する一方で、閉位置へは低速で移動してバイパス流を制限する。突出部８５は、フィードバックループの有効距離を延長して排気ガスと流入空気との混合を十分に行い得るようバイパス流内まで延在させてもよい。
【００２０】
図５は、図１の実施形態で示した大きいタービン２８と小さいタービン３２の代替的な実施形態を示している。タービン２８、３２は、半径方向の寸法が異なるため、異なる量の空気を処理する。タービン２８、３２は、出力軸１３０に取り付けられたタービン１２８、１３２に置き換えてもよく、タービン１２８、１３２は、半径方向の寸法が等しい。しかしながら、タービン１３２は、タービン１２８に比べて軸線方向の長さが大きく、これに関連して容積が大きい。タービン１２８は、タービン１３２の容積の５０％〜９９％の範囲の容積を有している。この範囲の関係は、半径方向の寸法の異なるタービン２８、３２も同じである。
【００２１】
図６は、図１の実施形態における大きいタービンに代えて用いることができる一対のギア２００、２０３を示している。ギアは、入口２６を通過し、排気管３６を介して下流に排出される加熱空気によって力が与えられる。ギア２００、２０２の歯は相互に絡み合い、または係合し、漏れのないシールをもたらす。ギア２００、２０２は、２００３年３月１１日に特許が付与された米国特許第６，５３０，３６５号明細書および２００３年１０月１４日に特許が付与された米国特許第６，６３２，１４５号明細書に示されたタイプの積極駆動の流体置換ポンプに固定されている。
【００２２】
図７は、共通の出力軸に固定された２つの出力タービンおよび入力タービンを用いた出願人の基本発明の改良を示している。内燃エンジンは、参照符号３１０で特定される。内燃エンジン３１０は、燃焼室３１２、空気を導入する吸気導管３１４、およびガソリンのような燃料を導入するノズル３１６を有している。断熱材３１８は、燃焼室３１２の外部周りに延在し熱ロスを低減する。
【００２３】
燃焼室３１２内の燃料−空気混合気は燃焼し、体積の膨張した加熱空気は、導管３２４を通って排出される。加熱空気は、出力軸３３０に取り付けられた最大のタービン３２８の吸気ポート３２６に導かれる。中間の大きさの第２番目のタービン３３２もまた、出力軸３３０に取り付けられ、そして、タービン３２８、３３２に比べて寸法および容量の小さい第３番目のタービン３３４もまた、出力軸３３０に取り付けられている。
【００２４】
タービン３２８は負荷を駆動して有効な仕事をもたらす。タービン３３２は、燃焼室３１２への空気を吸気導管３１４に送り込む入力ポンプ３３２を駆動する。
【００２５】
図７に示す内燃エンジンは、自動車に適用してもよく、この場合、例えばタービン３２８は、車の一つの車輪に操作可能に関連付けられ、他のタービンは、車の他の車輪に操作可能に関連付けられる。タービンは、従来の差動メカニズムを用いることなしに、広範な動作範囲にわたって十分な動力をもたらし、自動車を駆動および制御する。
【００２６】
同業者であれば、種々の改良および変更を行うことができる。例えば、燃焼室１２または６４の対側に、逆止弁として、一組以上のバッファを用いてもよい。燃料は、単一のノズルを介して、または単一のインレットから分岐する複数のブランチを介して導入されるようにしてもよい。漏斗状の開口を、吸気導管と燃焼室との間に配置してもよく、漏斗は、吸入空気と燃料との接触を補助し、より完全な燃焼をもたらす。
【００２７】
出願人の提案した図示例は、テストおよび検証に基くものであり、大きい方の回転ポンプの、小さい方の回転ポンプに対する比率を１．２５とすることで、加熱ガスを２５％膨張させることができる。同様に、加熱ガスを３５％まで膨張させる場合、大きい方のポンプは、小さい方のポンプに比べて容積を１．３５倍大きくする必要がある。より正確な比率および操作パラメータは、試作の内燃エンジンを作り、テストすることで知ることができる。
【００２８】
タービンという用語は、説明を目的として用いられており、ジェットエンジンに用いられるような非気密性のタービン、気密性および漏れが最小限のラジアルベーンタービン、ならびに本来の目的で流体を積極的に置換する漏れのない流体置換ポンプが包含されることを意図したものである。同様に、気密性のポンプを用いてもよく、または上述のポンプを組み合わせて用いてもよい。
【００２９】
このように、明細書および関連する図面を考慮して、当業者であれば他の変更および修正を行うことができる。そのため、添付の特許請求の範囲は、発明の本質を逸脱しない範囲で広範に解釈されるべきであり、文字通りの用語に限定されるものではない。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンであって、
第一および第二の積極駆動の流体置換ポンプと、
燃焼室であって、前記積極駆動の流体置換ポンプと前記燃焼室内に燃料を導入するよう配置されたノズルとの間に配置された燃焼室と、を備え、
前記第一の積極駆動の流体置換ポンプは、前記燃焼室からの排気ガスを受け、負荷を駆動するよう出力軸に接続され、
前記第二の積極駆動の流体置換ポンプは、前記燃焼室内に空気を導入することを特徴とする内燃エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一の積極駆動の流体置換ポンプの駆動部材は、前記出力軸に取り付けられている、内燃エンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記出力軸は、直接的または間接的に前記第二の積極駆動の流体置換ポンプに接続されてなる、内燃エンジン。
【請求項４】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一の積極駆動の流体置換ポンプは、前記第二の積極駆動の流体置換ポンプに比べて置換容量が大きい、内燃エンジン。
【請求項５】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一の積極駆動の流体置換ポンプは、前記燃焼室からの排気ガスを積極的に置換する、相互係合する歯をもった一対のギアを有する、内燃エンジン。
【請求項６】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一および第二の積極駆動の流体置換ポンプは、ポンプに異なる回転速度をもたらすギアまたはトランスミッションシステムを介して連結されてなる、内燃エンジン。
【請求項７】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室内に配置され、ガスと空気の混合気を圧縮するバッファを有する、内燃エンジン。
【請求項８】
請求項７に記載の内燃エンジンであって、前記バッフルに付与される張力を変える調整手段が設けられている、内燃エンジン。
【請求項９】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室の外部を覆う断熱材を有する、内燃エンジン。
【請求項１０】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記燃焼室から排気ガスを導く導管と前記燃焼室用の吸気導管との間を接続する熱交換器を備える、内燃エンジン。
【請求項１１】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一の積極駆動の流体置換ポンプから排気ガスを排出させる導管と前記第二の積極駆動の流体置換ポンプへの入口との間に延びるバイパスループを備える、内燃エンジン。
【請求項１２】
請求項１１に記載の内燃エンジンであって、前記バイパスループは、流量の調整が可能な導管である、内燃エンジン。
【請求項１３】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記流体置換ポンプは、積極駆動の流体置換ポンプである、内燃エンジン。
【請求項１４】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記流体置換ポンプは、ルーツブロワ型の回転ギアポンプである、内燃エンジン。
【請求項１５】
請求項１に記載の内燃エンジンであって、前記第一の積極駆動の流体置換ポンプは、前記燃焼室の出口と連通する複数の回転ポンプを含み、
前記複数の回転ポンプは、複数の異なる置換容量を有する、内燃エンジン。
【国際調査報告】
2011508845.tif 000010