(57)【要約】  分割サイクル水噴射エンジンは、クランクシャフト軸を中心として回転するクランクシャフトを含む。動力ピストンは動力／膨張シリンダー内に摺動可能に収容されると共にクランクシャフトに作用的に連結されている。圧縮ピストンは圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共にクランクシャフトに作用的に連結されている。クロスオーバー通路は圧縮シリンダーと動力／膨張シリンダーとの間に作動可能に連結され、エンジンの運転の間にクランクシャフトに動力を伝達する際の使用のために、該圧縮シリンダーから圧縮された空気を受け入れ、圧縮された空気を該動力／膨張シリンダーへ配送するべく選択的に作動可能である。バルブは圧縮シリンダー及び動力／膨張シリンダーへの、及びそれらからのガスの流れを選択的に制御する。水インジェクターが圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、及び動力／膨張シリンダーの少なくとも１つに、エンジンの運転の際に水を噴射すべく関連つけられ且つ適合されている。
2010519462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフト軸を中心として回転するクランクシャフト、
クランクシャフトの１回転中の膨張行程と排気行程を通して往復するように、動力／膨張シリンダー内に摺動可能に収容されると共にクランクシャフトに作用的に連結された動力ピストン、
クランクシャフトの１回転中の吸気行程と圧縮行程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クランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
圧縮シリンダーと動力／膨張シリンダーとの間に作動可能に連結され、エンジンの運転の間にクランクシャフトに動力を伝達する際の使用のために、該圧縮シリンダーから圧縮された空気を受け入れ、圧縮された空気を該動力／膨張シリンダーへ配送するべく選択的に作動可能なクロスオーバー通路、
圧縮シリンダー及び動力／膨張シリンダーへの、及びそれらからのガスの流れを選択的に制御するバルブ、及び
圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、及び動力／膨張シリンダーの少なくとも１つに、エンジンの運転の際に水を噴射すべく関連つけられ且つ適合された水インジェクター、
を備えることを特徴とする分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項２】
該水インジェクターは、加熱された液体又は蒸気の形態で水を噴射するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項３】
該水インジェクターは、圧縮シリンダーに関連付けられていることを特徴とする請求項２に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項４】
該水インジェクターは、クロスオーバー通路に関連付けられていることを特徴とする請求項２に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項５】
該水インジェクターは、動力／膨張シリンダーに関連付けられていることを特徴とする請求項２に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項６】
水は、動力／膨張シリンダーでの燃焼の開始後に動力／膨張シリンダーに噴射されることを特徴とする請求項５に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項７】
水は、少なくとも３０％の燃焼事象が起こった後に噴射されることを特徴とする請求項６に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項８】
水は、少なくとも５０％の燃焼事象が起こった後に噴射されることを特徴とする請求項７に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項９】
水は、少なくとも９０％の燃焼事象が起こった後に噴射されることを特徴とする請求項８に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項１０】
水の噴射は、動力ピストンが膨張行程において上死点後の少なくとも３０度に到達したときに、始まることを特徴とする請求項５に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項１１】
水の噴射は、動力ピストンが膨張行程において上死点後の少なくとも５０度に到達したときに、始まることを特徴とする請求項５に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項１２】
水の噴射は、動力ピストンが膨張行程において上死点後の少なくとも９０度に到達したときに、始まることを特徴とする請求項５に記載の分割サイクル水噴射エンジン。
【請求項１３】
該エンジンは分割サイクルの空気ハイブリッドエンジンであり、
さらに、圧縮シリンダーと動力／膨張シリンダーとの間に作動可能に連結され、エンジンの運転の間にクランクシャフトに動力を伝達する際の使用のために、該圧縮シリンダーから圧縮された空気を受け入れ、圧縮された空気を該動力／膨張シリンダーへ配送するべく選択的に作動可能なクロスオーバー通路に作動可能に連結された空気貯留部と、圧縮シリンダー、動力／膨張シリンダー及び空気貯留部への、及びそれらからのガスの流れを選択的に制御するバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分割サイクルエンジン、より詳しくは、改良された出力及び／又は運転のために水噴射が組み込まれたそのようなエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
明瞭化の目的のために、先行技術で開示されたエンジンに適用され、且つ本出願で言及され得るように、分割サイクルエンジンという用語について、次の定義が提供される。
【０００３】
ここに言及される分割サイクルエンジンは、クランクシャフト軸を中心として回転するクランクシャフト、該クランクシャフトの１回転中の動力（すなわち、膨張）行程と排気行程を通して往復するように、動力シリンダー内に摺動可能に収容されると共に該クランクシャフトに作用的に連結された動力ピストン、該クランクシャフトの１回転中の吸気行程と圧縮行程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該クランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、及び該圧縮シリンダーと該動力シリンダーとを相互に連結するガス通路であって、両者間に圧力チャンバーを画成する入口及び出口（すなわち、クロスオーバー）のバルブを含むガス通路、を備えている。
【０００４】
本発明の譲受人に全て譲渡されている特許文献１、特許文献２及び特許文献３（スクデリ特許）は、ここに定義されたような分割サイクルの内燃機関の例を開示している。これらの特許は、これらの特許が許可される際に背景として引用された、米国及び外国の特許及び出版物の広範囲なリストを含んでいる。用語、「分割サイクル」はこれらのエンジンについて用いられてきた。というのも、これらは、従来の圧力／容積オットーサイクルの４つの行程（すなわち、吸入、圧縮、動力、排気）を、２つの専用のシリンダー（すなわち、一のシリンダーは高圧の圧縮行程に、他のシリンダーは高圧の動力行程に専用される）によって、文字通り分割するからである。
【０００５】
最近、かなりの研究が、空気ハイブリッドエンジンに向けられている。空気ハイブリッドは、ハイブリッドシステムの利益をもたらすために、従来のエンジンの機能と共に、圧縮機と空気モータの機能を組み込んでいるエンジンに加えられる空気圧貯留器の追加のみを必要とする。これらの機能は、制動の間に加圧された空気を貯蔵すること、及び、次の始動及び加速の際に、エンジンを駆動するために加圧された空気を使用することを含んでいる。
【０００６】
従来の４ストロークの内燃機関のシリンダーの中へ水を噴射することは、過去に、過給されたエンジンにおいてノック制御のために適用されていたが、しかし、ブレーキ熱効率又はブレーキ動力を改善するために用いられることは知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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６，６０９，３７１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，９５２，９２３号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、ブレーキ動力出力及び／又は効率を増大するために、分割サイクルエンジンへの水又は蒸気の噴射の適用におけるコンピューターモデリング研究に起因する。ディトネーション（ノック）制御、及びＮＯｘエミッションの低減の可能性ある結果もまた考察された。研究の要約された結論は次の通りである。
【０００９】
圧縮シリンダーの中への水噴射は、ブレーキ動力と効率を増大させると予測される。クロスオーバー通路の中への水噴射は、出力又は効率の利益を有さないかもしれないが、しかし、ＮＯｘ及びディトネーション作用を著しく減らすことができる。全ての加えられる水は、廃熱加熱の形式を用いて外部的に加熱されると仮定されている。
【００１０】
圧縮シリンダーの中への蒸気噴射は、中立の効果を有すると予測されるが、しかし、クロスオーバー通路の中への蒸気噴射は、エンジン出力と効率を増大させるはずである。全ての加えられる蒸気は、廃熱加熱を用いて外部的に生成されると仮定されている。
【００１１】
膨張シリンダーの中への水噴射は、エンジンのピストン又はシリンダーヘッドの部分を冷却しつつ蒸気を生成するために、もし噴射された水がこれらのピストン又はシリンダーヘッドに衝突するようになされ得るなら、ブレーキ動力及び効率の両方を著しく改善すると予測される。
【００１２】
予測方法は、水及び蒸気の噴射を伴うＳＩエンジンについてよく知られ、そして非常に重要である、改善されたディトネーション抵抗性及び低減されたＮＯｘエミッションに関連する付加的な利益をシミュレートしていない。仮定された水／蒸気の噴射量は、燃料噴射量の１から２倍までの範囲であった。
【００１３】
全ての予測についてのもう１つの重要な仮定は、全ての噴射された水はシリンダー又はクロスオーバー通路に入るや否や直ちに蒸発することが可能であるということである。これは実際にはありそうもなく、そして水噴射の利益は、水が蒸発され得る速度に著しく依存するであろう。内燃機関の時定数は、水が非常に細かい飛沫形式で存在して大きい表面積をもたらし、そして望ましくはその沸点に近くにないのであれば、圧縮シリンダー内での蒸発を達成することは難しいほどである。
【００１４】
水又は蒸気の噴射の利益は魅力的であるように見えるけれども、顕著には、付加されるハードウェアの複雑さ、水の消費、凍結防護、オイル汚染、及び腐食の可能性などの重大な実用的な問題がある。外部で蒸気を生成することは、主要なハードウェア費用であるであろう。他方、分割サイクルエンジンは、圧縮機への水噴射により４ストロークのエンジンよりも多くの利益を得る。というのも、圧縮機の仕事、及び再膨張の損失は４ストロークのエンジンよりも大きいからである。蒸気の噴射は、膨張シリンダー内では難しいかもしれないけれども、それはクロスオーバー通路内ではより容易であり、クロスオーバーの壁温を制御する助けとなり得る。
【００１５】
報告の要約された結論が、水噴射を用いている分割サイクルエンジンのいくつかの実施形態の概念に導いた。これらは以下を含む：
圧縮シリンダーへの直接の水噴射を伴う分割サイクルエンジン；
圧縮空気の膨張シリンダーへの排出の前に、クロスオーバー通路への直接の水噴射を伴う分割サイクルエンジン；
圧縮空気の膨張シリンダーへの排出の前に、クロスオーバー通路への直接の蒸気噴射を伴う分割サイクルエンジン；
膨張シリンダーへの直接の水噴射を伴う分割サイクルエンジン；
膨張シリンダーへの直接の蒸気噴射を伴う分割サイクルエンジン；
圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、及び膨張シリンダーの１つに直接に水／蒸気の噴射伴う分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
【００１６】
追加の変形例及びサブグループが同じく企図される。
【００１７】
本発明のこれらと他の特徴及び利点は、添付の図面と共になされる以下の本発明の詳細な説明からいっそう完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、及び膨張シリンダーを有する先行の分割サイクルエンジンの例示的実施形態の図式的な図である。
【図２】図１と同様の図であるが、圧縮シリンダーに直接に水又は蒸気を噴射することを特徴とする本発明の第１の実施形態を示している。
【図３】図１と同様の図であるが、クロスオーバー通路に直接に水又は蒸気を噴射することを特徴とする本発明の第２の実施形態を示している。
【図４】図１と同様の図であるが、膨張シリンダーに直接に水又は蒸気を噴射することを特徴とする本発明の第３の実施形態を示している。
【図５】図１と同様の図であるが、圧縮空気貯留タンクを含み、圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、及び膨張シリンダーの１つ又はそれ以上に、水又は蒸気を噴射することを含む追加の実施形態を特徴とする空気ハイブリッドエンジンを示している。
【図６Ａ】圧縮シリンダーへの水／蒸気の噴射についてのコンピューターモデルである。
【図６Ｂ】図６Ａについての項目定義のリスティングである。
【図７Ａ】クロスオーバー通路への水／蒸気の噴射についてのコンピューターモデルである。
【図７Ｂ】図７Ａについての項目定義のリスティングである。
【図８】圧縮シリンダーへの水及び蒸気の噴射についての予測を要約したグラフである。
【図９】クロスオーバー通路への水及び蒸気の噴射についての予測を要約したグラフである。
【図１０Ａ】膨張シリンダーへの水／蒸気の噴射についてのコンピューターモデルである。
【図１０Ｂ】図１０Ａについての項目定義のリスティングである。
【図１１】テーブルＡｌからの水噴射有り及び無しの場合の、クランク角に対するシリンダー圧力のグラフである。
【図１２】水噴射を伴うシリンダー内部温度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Ｉ．概観
スクデリグループ有限会社は、テキサス州サンアントニオのサウスウエスト研究所（ＳｗＲＩ（登録商標））に、コンピューター化された研究を行うべく委託した。研究は、エンジンの圧縮シリンダー、クロスオーバー通路、又は膨張シリンダーの中に水及び／又は蒸気を直接に噴射する、分割サイクルの４ストロークエンジンの運転における予測された効果を決定するのに用いられるコンピューターモデルを構成することを包含していた。コンピューター化された研究は、分割サイクルのエンジンに関しての模範的な実施形態を通して、ここに説明される本発明をもたらした。
【００２０】
ＩＩ．用語集
次の頭字語の用語集とここに用いられる用語の定義が参照のために与えられる。
ＡＴＤＣ：上死点後；
自己着火：スパークプラグによって開始される制御された着火の前の、空気／燃料混合気の一部の制御されない着火；
Ｂａｒ（バール）：圧力の単位、１bar ＝ ０．１Ｎ／ｍｍ2；
基準：特許文献３（米国特許第６,９５２,９２３号）で確立されて、そして後の比較のための基準として用いられる、ＧＴパワーのモデルステータス；
ブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）：エンジンの１サイクルに亘り一様にピストンに加えられるとき、計測される（ブレーキ）動力出力を生じさせるであろう平均の（平均）圧力。本質的に、エンジン排気量により標準化されたエンジントルク；
ブレーキ動力（Brake Power）：出力軸で、例えば、動力計（ブレーキ）により計測されるエンジン動力；
ブレーキ熱効率（ＢＴＥ）又はブレーキ効率：エンジンの出力軸で計測される、機械的エネルギーに変換される燃料エネルギーの割合；
ＣＩエンジン：圧縮着火（例えば、ディーゼル）エンジン；
燃焼事象：典型的にはエンジンの膨張チャンバーにおいて燃料を燃焼させるプロセスであり、その継続期間は典型的にはクランク角（ＣＡ）の度数により計測される；
圧縮機仕事：圧縮機ピストンを移動させるときクランクシャフトにより費やされるエネルギー；
クランク角（ＣＡ）：クランクシャフトのスローの回転角度であり、典型的にはシリンダーボアに整列されたときのその位置が基準とされる；
エンタルピー：熱容量；
膨張機仕事：クランクシャフトを移動させるとき膨張ピストンにより費やされるエネルギー；
全負荷：所与の速度でエンジンが発生し得る最大トルク。また、エンジン速度範囲を横切るこれらの点の一団に沿うエンジンの特性を意味する；
ＧＴパワー：ガンマテクノロジー社（Gamma Technologies Inc）からのエンジンシミュレーションツール；
噴射期間：燃料又は水の噴射事象の継続期間であり、通常クランクシャフトの回転の度数で計測される；
ノック限界：トルクをさらに増大させるとエンジンにノック（極めて急峻な圧力上昇を伴う制御不能の燃焼であり、自己着火により開始され、潜在的に損傷を与える）を起こさせる状態；
蒸発の潜熱：温度の変化無しに、液体と気体間で物質が相変化をするのに必要とされるエネルギーの量；
NOｘ：窒素酸化物；
ポンピングロス：エンジンを介して気体をポンピングするのに伴う摩擦損失；
ＳＩエンジン：火花点火（例えば、オットー）エンジン；
噴射タイミングの開始点（ＳＯＩ）：燃料又は水が噴射開始されるクランクシャフトの位置であり、通常、上死点に対するクランク角の度数で表される；
化学量的な（Stoichiometric）：燃料の完全燃焼が起こる燃料対空気の比。ガソリンについては、化学量的比は重量比で１４．７：１である；
蒸気比：液体と対照した場合の蒸気である流体の割合。
【００２１】
III．コンピューター化された研究に起因する分割サイクルのエンジンの実施形態
まず、図面の図１を詳細に参照するに、数字１０は、先の特許文献３の図６に開示されるように、分割サイクルの４ストローク内燃機関の模範的な実施形態を概ね指示している。
【００２２】
図示のように、エンジンは、それを通って延在している第１のシリンダー１４、及び隣接する第２のシリンダー１６を有しているエンジンブロック１２を含んでいる。クランクシャフト１８は、図面の平面に直交して延在するクランクシャフト軸２０の回りを回転すべくブロック１２で軸受されている。シリンダー１４、１６の上端部はシリンダーヘッド２２によって閉じられている。
【００２３】
第１及び第２のシリンダー１４、１６は、それぞれ、第１の動力ピストン２４、及び第２の圧縮ピストン２６が往復運動のために受け入れられる内部の軸受面を画成している。シリンダーヘッド２２、動力ピストン２４及び第１のシリンダー１４は、動力シリンダー１４において、可変容積の燃焼チャンバー２５を画成している。シリンダーヘッド２２、圧縮ピストン２６及び第２のシリンダー１６は、圧縮シリンダー１６において、可変容積の圧縮チャンバー２７を画成している。
【００２４】
クランクシャフト１８は、軸線方向に変位され、そして角度的にオフセットされた第１及び第２のクランクスロー２８、３０を含み、これらはその間に位相角３１を有している。第１のクランクスロー２８は、第１の連接棒３２によって第１の動力ピストン２４に旋回可能に連結され、そして第２のクランクスロー３０は、第２の連接棒３４によって第２の圧縮ピストン２６に旋回可能に連結されており、それらのシリンダーにおけるピストンを、それらのクランクスローの角度的オフセット量と、シリンダー、クランク及びピストンの幾何学的関係とによって決定される時間的関係で往復させる。
【００２５】
もし望まれるなら、ピストンの動きとタイミングとに関する代わりの機構が利用されてもよい。タイミングは、スクデリ特許の開示と同様であるか、又は望みに応じて変えられてもよい。クランクシャフトの回転方向、及び下死点（BDC）位置の近傍でのピストンの相対運動は、図面において、それらの対応する構成部品に関連付けられた矢印によって示されている。
【００２６】
シリンダーヘッド２２は、分割サイクルエンジン１０の所望の目的を達成するのに適した、種々の通路、ポート、及びバルブの何れをも含んでいる。図解された実施形態では、シリンダーヘッドは第１及び第２のシリンダー１４、１６を相互に連結しているガスクロスオーバー通路３６を含んでいる。当該クロスオーバー通路は、第２のシリンダー１６の閉じられた端部に開口している入口ポート３８、そして第１のシリンダー１４の閉じられた端部に開口している出口ポート４０を含んでいる。第２のシリンダー１６はまた、従来の吸気ポート４２に接続し、そして第１のシリンダー１４はまた、従来の排気ポート４４に接続している。
【００２７】
シリンダーヘッド２２におけるバルブは、入口逆止バルブ４６と、３つのカム作動のポペットバルブ、出口バルブ（すなわち、クロスオーバーバルブ）５０、第２のシリンダー吸気バルブ５２、及び第１のシリンダー排気バルブ５４とを含んでいる。逆止バルブ４６は、第２の（圧縮）シリンダー１６からリザーバの入口ポート３８への一方向の圧縮された空気の流れのみを許容する。リザーバの出口バルブ５０は、クロスオーバー通路３６から第１の（動力）シリンダー１４への高圧の空気の流れを許容すべく開けられる。ポペットバルブ５０、５２、５４は、バルブを作動させるべく、バルブ５０、５２、５４にそれぞれ係合しているカムローブ６６、６８、７０を有しているカムシャフト６０、６２、６４のような、適当な装置によって作動されてもよい。
【００２８】
点火プラグ７２はまた、不図示の点火制御装置により正確な時期に空気 - 燃料充填物を点火するために、電極が燃焼チャンバー２５の中に延在する状態で、シリンダーヘッドに取り付けられている。もし望まれるなら、エンジンがディーゼルエンジンとして作られ、そして、点火プラグなしで運転されてもよいことが理解されるべきである。さらに、エンジン１０は、水素あるいは天然ガスのような、一般的に往復運動をするピストンエンジンに適したどのような燃料ででも作動すべくデザインされてもよい。
【００２９】
図１のエンジンの運転の方法は、特許文献３、及び修正された、あるいは改善された実施形態を説明している他のスクデリ特許に詳細に説明されている。図面の図２ないし５は、図１の模範的な分割サイクルエンジン及び他の同様なエンジンが、本発明が起因するコンピューター化された研究の結論に従って、水又は蒸気を利用すべく修正され得る概念を図解している。
【００３０】
図２は、本発明の第１の実施形態を開示しているエンジン７４を図解し、そこで、エンジンの基本的な構造は図１の実施形態に基づいており、同一の数字は同一の部品を示している。エンジン７４は、エンジンの圧縮チャンバー内に加熱された液体又は蒸発された水（蒸気）を直接に噴射するための水又は蒸気噴射システムを追加している点で、先の開示とは異なっている。
【００３１】
図２は、例として、エンジンのシリンダーヘッド２２に取り付けられ、好ましくは圧縮行程の間に、圧縮チャンバー２７の中に予熱された水又は蒸気を噴霧すべく目指された、水又は蒸気インジェクター７６を示している。水は、微細な噴霧で圧縮ピストン２６の方向に直接に向けられることができ、それはピストンを冷却して、水を蒸発させる助けとなり得る。改善された出力及び効率と同様、ノックの制限及びＮＯｘエミッションの低減がこの配置によって得られる。
【００３２】
図３では、図１に類似しているエンジン７８に、シリンダーヘッド２２に取り付けられた水又は蒸気インジェクター８０が設けられている。インジェクターは、予熱された水又は蒸気を微細な噴霧で、入口逆止バルブ４６及び出口すなわちクロスオーバーバルブ５０の両方が閉じられている期間に、クロスオーバー通路３６の中に直接に噴霧する。
【００３３】
図４は、点火プラグ７２に隣接してシリンダーヘッド２２に取り付けられた水又は蒸気インジェクター８４が設けられている、図１に類似のエンジン８２を示している。インジェクターは、予熱された水又は蒸気を直接に燃焼チャンバー２５の中に噴霧する。水噴霧は、チャンバー表面の冷却のみしか望まれないなら、エンジンの排気行程の間を除くエンジンの運転中の何時にでも噴射されてよい。
【００３４】
燃焼との干渉を避けるために、燃焼の開始後の水噴射が望ましいようである。動力ピストン２４が上死点後の３０、５０あるいは９０度クランク角に到達する後まで、又は燃焼が少なくとも３０、５０あるいは９０パーセント完了するときまでに水噴射を遅らすことは、出力の程度の増大と効率の改善とをもたらし得る。
【００３５】
図５は、水／蒸気の噴射が、数字８６によって示された空気ハイブリッド分割サイクルエンジンに適用され得る方法を図解している。エンジン８６は、概ねエンジン１０に類似しているが、空気圧力貯留チャンバーすなわちタンク８８が追加されている点において異なっている。タンクは、ダクト９０によってクロスオーバー通路９２に連結されている。ソレノイドバルブ９４、９６が、クロスオーバー通路とタンクとの間、及びクロスオーバー通路と燃焼／膨張チャンバー２５との間の空気の流れを制御する。
【００３６】
本発明によれば、別個の水／蒸気インジェクター１００、１０２、１０４がシリンダーヘッドに取り付けられ、そして、それぞれ、圧縮チャンバー２７、クロスオーバー通路９２及び燃焼チャンバー２５の中に直接に、水／蒸気を噴霧すべく接続されている。インジェクターは、さまざまなエンジン運転状態の下でそれぞれの状態に望まれる有効性を得るべく、共に又は個別に、所望のように作動されてもよい。開発が最も有益であると知るとき、３つの水／蒸気の噴射位置の１つだけを用いるエンジンの修正された実施形態もまたもたらされることがあり得よう。
【００３７】
ＩＶ.  コンピューター化された研究
１．０  スクデリの分割サイクルエンジンでの水又は蒸気の噴射の使用
１.１  遂行要約
GTパワーのコンピューターモデルが、４０００ｒｐｍ／全負荷にて、水又は蒸気の噴射条件についてある仮定を伴うが、しかし重要な水蒸発時間、ＮＯｘ及びディトネーションのアスペクトを除いて、スクデリの分割サイクル（ＳＳＣ）エンジンの圧縮、クロスオーバー通路及び膨張の要素の中への水又は蒸気の噴射の潜在的な性能及び燃料効率の利益を調べて、そして予測するために用いられた。要約された結論は次の通りである。
【００３８】
圧縮シリンダーの中への水噴射はブレーキ動力と効率を増大させると予測されるが、しかし、クロスオーバー通路の中への水噴射は、重大である可能性のあるＮＯｘ及びディトネーション効果以外に利益を有さない。全ての加えられる水は、廃熱加熱などの形式を用いて外部的に加熱されると仮定されている。
【００３９】
圧縮シリンダーの中への蒸気噴射は、中立の効果を有すると予測されるが、しかし、クロスオーバー通路の中への蒸気噴射はエンジン出力と効率を増大させるはずである。全ての加えられる蒸気は、廃熱加熱を用いて外部的に生成されると仮定されている。
【００４０】
膨張シリンダーの中への水噴射は、エンジンのピストン又はシリンダーヘッドの部分を冷却しつつ蒸気を生成するために、もし噴射された水が、これらのピストン又はシリンダーヘッドに衝突すべくなされ得るなら、ブレーキ動力及び効率の両方を著しく改善すると予測される。
【００４１】
予測方法は、水及び蒸気の噴射を伴うＳＩエンジンについてよく知られ、そして非常に重要である、改善されたディトネーション抵抗性及び低減されたＮＯｘエミッションに関連する付加的な利益をシミュレートしていない。仮定された水／蒸気の噴射量は、燃料噴射量の１から２倍までの範囲であった。
【００４２】
全ての予測についてのもう１つの重要な仮定は、全ての噴射された水はシリンダー又はクロスオーバー通路に入るや否や直ちに蒸発することが可能であるということである。これは実際にはありそうもなく、そして水噴射の利益は、水が蒸発され得る速度に著しく依存するであろう。内燃機関の時定数は、水が非常に細かい飛沫形式で存在して大きい表面積をもたらし、そして望ましくはその沸点に近くにないのであれば、圧縮シリンダー内での蒸発を達成することは難しいほどである。
【００４３】
水又は蒸気の噴射の利益は魅力的であるように見えるけれども、顕著には、付加されるハードウェアの複雑さ、水の消費、凍結防護、オイル汚染及び腐食の可能性などの重大な実用的な問題がある。外部で蒸気を生成することは、主要なハードウェアの費用であるであろう。他方、SSCは、圧縮機への水噴射により４ストロークのエンジンよりも多くの利益を得る。というのも、圧縮機の仕事及び再膨張の損失が４ストロークのエンジンよりも大きいからである。蒸気噴射は膨張シリンダー内では難しいかもしれないけれども、それはクロスオーバー通路内ではより容易であり、クロスオーバーの壁温を制御する助けとなり得る。
【００４４】
１.２  仕事の主な要素
１.２.１  圧縮シリンダーとクロスオーバー通路への水及び蒸気の噴射
水及び／又は蒸気の噴射は、インジェクターがエンジンの関連する部分、すなわち圧縮機（図６）の中に、あるいはクロスオーバー通路（図７）の中に挿入された状態でモデル化されている。
【００４５】
水又は蒸気のいずれもは、エンジンの構成部品に関連付けられた支配的な圧力条件で噴射されることができる。変数は、水／蒸気の温度、量、噴射タイミング、及び噴射の瞬間における水／蒸気の組成を含み、GTパワーモデルはまた、水と蒸気のスピーシーズを追跡することができる。
【００４６】
水噴射は、もし、蒸発のためのエネルギーが、水が噴射される作業流体から得られて、下流の温度と圧力条件が蒸気を維持するなら、選択可能な割合の水が直ちに蒸気へと蒸発され得ると想定している。（蒸発されなかった）水の残りの割合は、エンジンの非燃焼部分（圧縮機とクロスオーバー）に水として残るが、しかし、膨張機での燃焼の間に蒸発する。しかしながら、燃焼の後に（膨張機に）噴射された水は、蒸気部分が特定されないなら、水として残るであろう。
【００４７】
蒸気の噴射のためには、蒸発エネルギーが、支配している圧力条件で外部的に供給される。それで、これは廃熱源に依存するであろう。
【００４８】
これらのモデルからの要約された予測が、今、記述される。
結果
水／蒸気、及び蒸気の噴射の効果／利益は、クロスオーバー通路の中への噴射に対し、圧縮機の中への噴射について非常に異なっている。
【００４９】
蒸発を伴う、圧縮機の中への水噴射は、蒸発の程度の増大を伴って、改善された動力出力とブレーキ効率とをもたらす。動力及び効率の改善（図８）は、低減された圧縮機の仕事、より低いサイクル温度による膨張機での低減された熱損失、及び燃料質量とほぼ等しく噴射された水に関連する質量流量の増加の組み合わせによる。
【００５０】
圧縮機の中への蒸気噴射（図８での単一のポイント）は、動力及び効率についてはほぼ中立の効果を有する。これは、主に、増大された圧縮機のポンピングロスが、仕事出力における利得及び膨張シリンダーからの低減された熱損失を相殺しているからである。
【００５１】
逆に、クロスオーバー通路の中への蒸気噴射（図９での単一のポイント）は、ＳＳＣエンジンの動力と効率を増大やしている。この蒸気は、圧縮機の仕事に対しては無視し得るほどに作用し、そしてより高い圧力のおかげで、膨張機の仕事（図９）に対して単純に加わるからである。
【００５２】
他方、クロスオーバー通路の中への水噴射は、動力に対してはほとんど中立の効果を有するが、しかしブレーキ熱効率を著しく減少させる。これらの効果の両方は、水は圧縮機の仕事を著しくは減少させていないが、しかし、クロスオーバー通路の圧力を低減させることによって膨張機の仕事を減らし、この効果は膨張シリンダーにおいて減少された熱損失の利益を相殺することよりも大きいからである。
【００５３】
このGTパワーモデルは、ＮＯｘ又は自己着火モデルを有さないけれども、圧縮シリンダー及びクロスオーバー通路の中に水及び蒸気を噴射することの両者とも、ＳＳＣエンジンがノック制限されているなら、ＮＯｘ低減及び性能改善について重大な利益を有するであろうことはほとんど確かである。
【００５４】
１.２.２  膨張シリンダーの中への水及び蒸気の噴射
モデル（図１０）は、ピストンクラウンが６００度K（３２７°Ｃ）であり、水がピストンとの衝突の後に６００度Kの過熱蒸気に蒸発すると仮定して、４０００ｒｐｍ／全負荷にてピストンからの蒸気発生による熱抽出の概念をシミュレートするために用いられた。５０及び９０°ＡＴＤＣでの「水」噴射（ＳＯＩ）の開始タイミングが調査された結果、水／蒸気は、５０°ＡＴＤＣまでに停止する燃焼とは干渉せず、そして、蒸発の後、蒸気は、燃料空気／混合気（例として、９０°ＡＴＤＣにおいて~２０００度K（１７２７°Ｃ））からの熱伝達によって過熱される。
【００５５】
当該モデルは、水の蒸発熱がピストンから与えられる、すなわち、水が噴射され、水はピストンによって蒸発させられる、そして蒸発された水蒸気状態から、シリンダー内の充填物の温度に一致する過熱状態の蒸気とするのに必要とされる熱が、シリンダー内の燃焼された充填物から抽出されるかのいずれかであると想定している。ピストンからの熱伝達は、水の蒸発熱と等しい量の分、その熱損失を減らすように手動で調整される。これは、水噴霧をピストンに衝突させることによって、シリンダーの燃料‐空気混合気からの熱伝達なしででも、物理的に達成されるかもしれない。より多くの熱は、シリンダーの他の内表面、例えば、排気バルブ及びシリンダーヘッドに水を噴霧することによって、抽出され得るであろう。
【００５６】
蒸気の噴射比率は、噴射された水の蒸発熱が、燃焼からピストンへ入力される周期的な熱に凡そ一致する（あるいは、倍数となりシリンダーヘッドからの熱伝達を許容する）ように、例えば燃料流れの〜１１６％及び２３２％が選ばれた。水噴射の供給ポンプ仕事も含まれている。水噴射の圧力は、噴射期間中に生じている支配的なシリンダー圧力のそれらに釣り合っている。
【００５７】
水の衝突／蒸気の蒸発潜熱により生ずる、ピストン温度における変化は、蒸発の潜熱はピストンの一部を冷却するのみで、ピストンの残部はそれほど重大でない部品の温度にあると仮定することによって凡そ評価されている。ピストンの冷却された部分は、むき出しのピストン質量の１０％であると任意的に仮定されるが、しかし容易に変えられ得る。
【００５８】
予測が、テーブルA1（蒸気１及び２対基準）に要約され、そしてピストンからの熱伝達によって蒸気への引続く蒸発を伴う水噴射は、１３ないし１８％のブレーキ動力とブレーキ熱効率を改善することができることを示している。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
噴射タイミング（ＳＯＩ）の５０°ＡＴＤＣ開始が、（より早いＳＯＩでより高くなる）膨張比と燃焼中／燃焼したガスからの熱伝達との間の好意的なトレードオフをもたらすべく選ばれている。
【００６１】
シリンダー圧力と温度ダイアグラム（図１１及び１２）は、シリンダー圧力が蒸気の発生に伴い上昇することを示すが、しかしシリンダー内部温度は初めに増加して、それからピストンの膨張に伴って低下する。
【００６２】
内部温度が低下しつつ内部圧力が上昇できるのは、一目で当惑させるかもしれない。示唆される説明は、（より冷たい）追加の質量が水噴射の期間中に最初のシリンダー内容物に加えられており、そしてこれが混合気の温度を低下させるが、しかしこれは蒸気のエンタルピーの蒸発性圧力要素の追加に対する埋め合わせでなくてはならないということである。
【００６３】
ピストン冷却
テーブルA１は、水の衝突に接触する領域、すなわち、おそらくはピストンのクラウンであると仮定されるが、むき出しのピストン重量の１０％において、見積もられた最大２.５-５.０°Ｃの低下を示している。もし蒸気の蒸発熱がピストンの塊のより大きい部分から引出されるのなら、ピストン温度低下は比例的に低下されるであろう。これらの温度低下の見積もりは非常に単純化されていて、そして可能性のある温度低下の大まかな案内を提供するのみである。
【００６４】
水噴射／蒸気蒸発は、排気バルブの頭部を冷却するために、シリンダーヘッドにも等しく適用され得る。
【００６５】
内部シリンダー温度（図１２）は、増加したシリンダーの大きさと、蒸気（〜６００度K）及び後の燃焼ガス（〜１８００-２４００度K）の間の熱交換作用とのトレードオフである。
【００６６】
発明がある特定の実施形態を参照して説明されたけれども、多数の変更が開示された本発明概念の趣旨と範囲内でなされ得ることが理解されるべきである。 したがって、本発明は説明された実施形態に限定されずに、次の請求項の文言によって定義された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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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