(57)【要約】  スロットル調整可能な水素と空気との混合ガスを内燃機関（１０７）に供給するミキシングブロック（１００）は、空気取入口側面（１０２）とエンジン吸気口（１０４）との間で、ミキシングブロック（１００）を貫通する孔（１０６）を含む。スライダチャンバ（２０２）は孔と直交して交差するように配置され、孔を少なくとも部分的に塞ぎ、しかし付勢を上回ってスロットル調整可能で孔の閉塞を減少させる付勢された可動のスライダ（３３０）を収容する。ジェットチャンバ（２１２）はスライダチャンバ（２０２）と並行して相交わっており、スライダチャンバから離れる方向に流量コントローラ（３４０）を収容するのに十分な距離を延びており、流量コントローラ（３４０）は一つの側においてスライダに接続されて、スライダチャンバ（２０２）内をスライダ（３３０）が移動するにつれて、ジェットチャンバ内を移動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットル調整可能な水素と空気との混合物を内燃機関に供給するのに適合したミキシングブロックであって、
空気取入口側面とエンジン吸気口側面との間でミキシングブロックを貫通する孔を備え、
前記孔と直交して交差するスライダチャンバを備え、前記スライダチャンバは、少なくとも前記孔を部分的に塞ぐために付勢されているが、前記付勢を上回って且つ前記孔の閉塞を減少させるべくスロットル調整可能な可動のスライダを収納しており、
前記スライダチャンバと並列して相交わっており、前記スライダチャンバから離れる方向に流量コントローラを収容するのに十分な距離を延びているジェットチャンバを備え、前記スライドチャンバ内を前記スライダが移動するにつれて、前記ジェットチャンバ内で前記流量コントローラが移動するように、前記流量コントローラが一方の側において前記スライダに接続されており、
前記スライダチャンバとは実質的に反対の位置において前記ジェットチャンバと交差する水素吸気口を備えているミキシングブロック。
【請求項２】
バキューム・スイッチをさら備え、前記バキューム・スイッチは、前記孔内の少なくとも部分的なバキュームを感知したときに前記バキューム・スイッチを介して電気的な接続を許容する請求項１に記載のミキシングブロック。
【請求項３】
電気信号が与えられると前記水素吸気口から前記ジェットチャンバへの水素の流れを選択的に許容するために配置されたソレノイドと、バキューム・スイッチとを更に備え、  前記バキューム・スイッチは、前記内燃機関からの少なくとも部分的なバキュームを感知したときに、前記バキューム・スイッチを介して電気的な接続が確立するように、前記孔と連通し、
前記ソレノイドは前記バキューム・スイッチと電気的に直列接続されている請求項１に記載のミキシングブロック。
【請求項４】
前記流量コントローラは、水素の流量を計測する成形ニードルからなり、且つ前記可動のスライダは前記内燃機関内に入る空気の流量を調量する請求項１に記載のミキシングブロック。
【請求項５】
エンジン吸気口を有する内燃機関と、
前記エンジン吸気口に接続されたミキシングブロックと、
ジェットチャンバと、
前記ジェットチャンバと選択的に燃料が連通する加圧水素源とからなり、
前記ミキシングブロックは、
空気取入口側面とエンジン吸気口との間の孔と、
前記孔と交差するスライドチャンバとからなり、前記スライドチャンバは、前記空気取入口側面と前記エンジン吸気口との間の前記孔内の流体連通を少なくとも部分的に遮るために付勢されるスライダを収容し、前記スライダは付勢を上回って移動可能であり、
前記ジェットチャンバは、前記スライダチャンバと並列して相交わって、前記スライダチャンバから離れる方向に成形ニードルを収容するのに十分な距離を延びており、前記スライダが前記スライダチャンバ内を移動するにつれて前記ジェットチャンバ内を前記成形ニードルが移動するように、前記成形ニードルが前記スライダに一つの側で接続されている機械。
【請求項６】
前記ミキシングブロックは、前記空気取入口側面と前記エンジン吸気口との間の前記孔内の流体の連通を少なくとも部分的に遮るために前記スライダを付勢するスプリングをさらに備えている請求項５に記載の機械。
【請求項７】
前記ジェットチャンバに選択的に流体が連通する前記加圧水素源は、
電力源と、
前記電力源に電気的に直列接続され、前記内燃機関から少なくとも部分的なバキュームを感知したときに電気的に非導通の状態から電気的に導通の状態へ変化するバキューム・スイッチと、
前記電力源及び前記バキューム・スイッチに電気的に直列接続されたソレノイドとからなり、前記ソレノイドは、前記バキューム・スイッチが電気的に非導通の状態から電気的に導通の状態へ変化したときに加圧水素が前記ジェットチャンバ内に流れることを許容する請求項５に記載の機械。
【請求項８】
前記ソレノイドは、前記内燃機関内の真空度が低下すると加圧水素が前記ジェットチャンバ内に流れることを妨げる請求項７に記載の機械。
【請求項９】
前記ミキシングブロックは、スロットルケーブルを支持し、前記スライダを移動させて前記内燃機関への空気及び水素の増加をもたらすことにより、ユーザが前記内燃機関のスロットルを調整できるようにするスロットルケーブルを支持するために、スロットルケーブルステーを更に備えている請求項５に記載の機械。
【請求項１０】
前記内燃機関に接続されて駆動される負荷を更に備え、前記負荷が、発電機、オルタネータ、トランスミッション又はポンプから選ばれたものである請求項５乃至９のいずれか１項に記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、２０１１年４月１日に出願された米国特許仮出願第６１／４７０，８０２号、及び２０１１年９月１９日に出願された第１３／２３６，２６３号の利益を主張する。
【０００２】
内燃機関(internal combustion)技術においては、エンジン寿命や、ガス排出量の削減や、より不安定な貿易相手国からの燃料又は原材料の依存度低減を改善する必要性が高まっている。これらの一部又は全てを達成する、現在入手可能な内燃機関(internal combustion engine)に対する改良について、以下詳述する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
添付図面は、明細書に組み込まれ、その一部を構成するものであるが、さまざまなシステム例、方法その他を図示しており、これらは本発明の一面におけるさまざまな実施形態の一例を図示するものである。当然のことながら、図中で図示された要素の境界（例えば枠(boxes)、枠の群(group of boxes)、その他の外形）は、境界の一例を表す。当業者であれば、一つの要素は複数の要素として設計でき、あるいは複数の要素を一つの要素として設計できることは理解できるであろう。他の要素の内部部品として示された一つの要素は、外部部品として実現でき、その逆も同様である。さらに、図中の要素は原寸に比例しているとは限らず、ここに開示したものの原理を明確に図説するために、むしろ強調されていることがある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】ミキシングブロックの一例の斜視図である。
【図２】ミキシングブロックの一例の横断面図である。
【図３】スライダアセンブリの実施例の分解図である。
【図４】図３のIV-IV線に沿って見た底面図である。
【図５】図３のV-V線に沿って見た平面図である。
【図６】ミキシングブロックの一例の平面図である。
【図７】内燃機関システムの図である。
【図８】実例となる内燃機関におけるRPMの一例に対する水素使用量（立方フィート／時）の表である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１を参照すると、水素−空気ミキシングブロック１００の一例が示されている。ミキシングブロック１００は、空気取入口側面１０２を備えるように、機械加工、鋳造、射出成形又はその他の手段で形成される。空気取入口側面１０２は、ミキシングブロック内に侵入する粒子その他の汚染物質を減少させる空気フィルタ(図示していない)のアタッチメントとして構成することができる。またミキシングブロック１００はエンジン吸気口側面１０４を備えることができる。エンジン吸気口側面１０４は、内燃機関(図示していない)の空気／燃料吸気口に接続するように構成されている。空気取入口側面１０２とエンジン吸気口側面１０４との間には、ミキシングブロック１００を貫通して孔１０６が形成されている。ミキシングブロック１００は加圧水素ガス源に接続するためのガス吸気口１０８をさらに含んでいる。より詳細に後述されるが、ミキシングブロック１００はさらに、図１において電気的に制御されるソレノイド１１０として示されている水素ガス断続器(a hydrogen gas interrupter)、すなわち燃料遮断部(a fuel shut off)を含んでいる。
【０００６】
図２を参照すると、ミキシングブロック２００の一例の横断面図が示されている。ミキシングブロック２００内にはスライダチャンバ２０２が形成されており、より詳細に後述されるスライダアセンブリ(図示していない)を収納するように成形されている。スライダチャンバ２０２はミキシングブロックの第１の上面２０４から延び、部分的にミキシングブロック本体を通って連続し、空気取入口側面とエンジン吸気口側面との間を延びる孔２０６と交差する。ミキシングブロックの上面２０４にはスライダキャップ２０８が接続されている。スライダキャップ２０８は、より詳細に後述する内部エレメントを保持するとともに、スライダキャップ２０８に螺入されたステー２１０を通るスロットルケーブルの通過を許容する。また、ミキシングブロック２００内にはジェットチャンバ２１２が形成されており、ジェットチャンバ２１２は、以下により詳細に説明する成形ニードルのようなガス流量制御デバイス(図示していない)を収容するべく成形されている。ジェットチャンバ２１２はスライダチャンバ２０２及び加圧水素ガス源に接続しており、これらの間で流体を連通させる。
【０００７】
図３を参照すると、スライダアセンブリ３００が示されている。図示の実施形態においては、スライダアセンブリはスプリングのような付勢機構３１０、保持具３２０、スライダ３３０、及び成形ニードルのような流量コントローラ３４０を含んでいる。ミキシングブロック内に組み入れる際に、付勢機構３１０の第１側３４２はミキシングブロックに接続されたスライダキャップによって機械的に保持される。保持具３２０は、付勢機構の第１側３４２とは反対の第２側３４４上に配置される。図示の実施形態においては、保持具３２０は第２側３４４において付勢機構と係合するための環状リップ３４６を含む。保持具３２０はさらに、スライダ３３０に形成された固定穴３４８内に緊密に嵌合する。一つの実施形態においては、保持具３２０は、保持具から離れる方向に延びる突起３５２を含んでおり、突起３５２はスライダ３３０内の相補凹部(図示していない)内に緊密に嵌合するように成形されている。流量コントローラ３４０はスライダ３３０を通り抜けて流量コントローラ接続部３５４において保持具３２０に接続されている。保持具３２０と流量コントローラ３４０とは一体に製造されていても、又は取り付け具、ネジ等により接続されていてもよい。付勢がなされていることにより、スライダ３３０は孔の空気取入口側面とエンジン吸気口側面との間の孔を少なくとも部分的に遮断して、空気のエンジンへの通過を減少又は阻止し、同時に流量コントローラ３４０がジェットチャンバ中に配置されて、エンジンへの水素の通過を減少又は阻止する。他の実施形態においては、スライダ３３０と、相補的な形状のスライダチャンバ２０２及び／又は孔１０６とは、図示のように円筒形状でも、長方形でも円錐形でも、あるいは他の形状でもよく、また形状の組み合わせでも所望も機能をもたらすことができる。
【０００８】
図４を参照すると最もよく理解できるように、保持具３２０は、半径方向中心向きに部分的に延びて保持具本体を貫通する割り込み部４１０を含んでおり、スロットルケーブルが保持具を通過できるようになっている。また保持具３２０は、スライダを係合してスロットルケーブルを保持する突起３５２と、流量コントローラ接続部３５４とを含む。
【０００９】
図５を参照すると最もよく理解できるように、スライダ３３０はスロットルケーブル保持部５１０を含む。図示の実施の形態においては、スロットルケーブル保持部５１０は鍵穴形状よりなり、スロットルケーブルのケーブルキーパー端を受け入れる。組み立ての際には、ケーブル端は大径部５２０を通って挿入され、小形部５３０にスライドしてケーブル端を保持する。いったん位置決めされると、保持具３２０の突起３５２は大径部５２０中に嵌合して、スライダ中にケーブルが保持される。
【００１０】
図６を参照すると、ミキシングブロック６００は付加的に燃料供給連動システムを含む。一つの実施形態において、燃料供給連動システムは、ユーザが操作してシステムを安全な状態、すなわち電気接続の切れた状態にできるユーザスイッチ６２０に接続された電力源６１０を含む。ユーザスイッチ６２０はトグル型スイッチ、キー、押しボタンあるいは他の電気回路遮断器の形態をとることができる。バキューム・スイッチ(vacuum switch)６３０はミキシングブロックのエンジン吸気口側面に配置され、内燃機関が動いている間に生じるバキューム(vacuum)を感知する。バキュームが感知されると、バキューム・スイッチ６３０が閉じて、スイッチを通じた電気的接続が確立される。バキューム・スイッチ６３０はソレノイド６４０に電気的に直列に接続されており、次に接地されて回路が完成する。電力が与えられると、ソレノイド６４０が作動してミキシングブロック６００内に加圧水素ガスを導くことができる。
【００１１】
図７を参照すると、内燃機関７００はミキシングブロック７２０に流体連通する水素源７１０を含む。ミキシングブロックはスロットル７３０の設定を含むユーザ入力に基づいて水素／空気校正(hydrogen/air calibration)を定める。さらに内燃機関は、内燃機関により動力を与えられるあらゆる既知及び将来における多様な機械７５０に接続できるクランク出力シャフト又はドライバ７４０を含む。機械７５０には、限定的ではないが、自動車に原動力を供給するトランスミッション、バッテリーシステム又は電動装置に電力を供給するオルタネータ又は発電機、水あるいは他の流体の動力装置のポンプを含む。他の実施形態においては、ミキシングブロックはガソリン又はディーゼルのような炭化水素燃料源のための入力装置と、水素燃料源の両方を含んでいてもよい。
【００１２】
実験的なミキシングブロックが複数の内燃機関に適用され、産業用グレードの燃料源、商業的に入手可能な水素を用いた４００時間以上の運転が積み重ねられてきた。いくつかの実施例を示す。
【００１３】
実施例１−高圧洗浄機用に構成された６馬力エンジン
【表１】
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【００１４】
「ミキシングブロック内燃機関（ＩＣＥ）」と標記した列に、標準の内燃機関(stock ICE)との変化が示されている。キャブレターをミキシングブロックに置き換えたことは別として、その他に標準から変更されたのは、製造者の指示した点火プラグのギャップを大きくしたことである。この場合、我々はギャップを倍にした。加えて、我々はレギュレータを使用して、商業的な水素タンクからの圧力約２２００ｐｓｉ（約１５１６８ＫＰａ）を作動圧力［約５ｐｓｉ（約３４．５ＫＰａ）］に下げる調整をした。見て取れるように、ミキシングブロック改造内燃機関で計測された馬力は僅かながら減少した。第３列、特に「改造されたミキシングブロック内燃機関」において、その他の改造は性能の改善をもたらした。特に、ピストンとヘッドの交換を通じて圧縮比が１０．２：１に増やされ、点火時期調整を２°前進させた。これらの変更により、計測された馬力は１．５ＨＰ増加させることができた。我々は、圧縮比を１４：１に増加させることにより、さらに計測される馬力を増すことができると考えている。
【００１５】
実施例２−耕耘機用に設定された７．５馬力エンジン
【表２】
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【００１６】
実施例３−発電機用に設定された８馬力エンジン
【表３】
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【００１７】
実施例４−ガーデントラクタ用に設定された１３．５馬力エンジン
【表４】
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【００１８】
実施例５−ゴルフカート(商品名：EZ-Go)６人乗りシャトル用に設定された１３馬力エンジン
【表５】
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【００１９】
図８を参照すると、水素立方フィート／時で計測された燃料消費量を対応させて、例示的なＲＰＭ設定である１２００及び３１００における水素使用量が示されている。圧縮比９：１では、内燃機関は約１２００ＲＰＭのアイドリング設定で２９．５立方フィート／時（０．８３５立方メートル／時）(cubic feet of hydrogen/hour)の水素を使用した。仕事速度の一例である３１００ＲＰＭでは、エンジンは約４０．０立方フィート／時（約１．１３３立方メートル／時）の水素を使用した。内燃機関の圧縮を１０．２：１に上げると、著しい燃料の節約が達成された。例えば、選択されたアイドリング速度１２００ＲＰＭでは、エンジンは約１８．０立方フィート／時（約０．５１立方メートル／時）の水素を使用し、選択された仕事速度３１００ＲＰＭでは、エンジンは約２８．５立方フィート／時（約０．８０７立方メートル／時）の水素を使用した。我々は、より高い圧縮比では、さらに著しい燃料の節約が達成されるものと見込んでいる。
【００２０】
本明細書では、「接続(connection)」又は「接続された(connected)」は、直接、すなわち他の介在する要素や部品を伴わない場合、及び非直接、すなわち他の部品(component)や、「接続された(being connected)」と定義あるいは記述されたアイテム(items)の間に並置された部品(components)を伴う場合の両方を意味する。用語「含む(includes)」又は「含んだ(including)」は、詳細な説明及び請求の範囲で使用される限りでは、用語「なる(comprising)」に類似した方法で包括されることを意図するものであり、従って用語はクレーム内において変転する語として使用された場合には、そのように解釈される。さらに、用語「又は(or)」は、請求の範囲で使用される（例えばＡ又はＢ）限りでは、「Ａ又はＢもしくは両方」を意味することを意図するものである。出願人が「両方ではなくＡかＢの一方のみ」を示そうと意図する場合には、用語「両方ではなくＡかＢの一方のみ」が使用される。同様に、出願人がＡ、Ｂ又はＣのうち「一つ及びただ一つ」を示そうと意図する場合には、出願人は句「一つ及びただ一つ」を使用する。以上のように、ここでは用語「又は」は両立的(inclusive)であり、排他的(exclusive)ではない。Bryan A. Garner, A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d. Ed. 1995)参照のこと。
【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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【国際調査報告】
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