(57)【要約】いくつかの実施形態において、低需要期間中に太陽光や風力発電システムなどの再生可能なエネルギー源から生成された電力が、空気ハイブリッド分割サイクルエンジンを回転させる電動モータを駆動するために使用されるシステムが提供されている。分割サイクルエンジンは、貯留タンク内に空気を圧縮するためのこの時間の間、ＡＣモードで動作する。その後、高需要期間中には、タンクに貯留された圧縮空気及び添加された燃料が分割サイクルエンジンに供給され、ＡＥＦモードで動作する。分割サイクルエンジンによって発生された仕事は、電力を生成すべく発電機を回す。貯留タンクに貯留された圧縮空気の供給が枯渇した場合、分割サイクルエンジンは、バックアップ発電機として機能すべくＮＦモードで動作でき、又は同時に空気貯留タンクを再充填しながら、バックアップ発電機として機能すべくＦＣモードで動作できる。
2015513045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気エネルギー貯留システムであって、
分割サイクルエンジン、
当該分割サイクルエンジンのクランクシャフトに作動可能に連結された電動モータ/発電機、及び
当該分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路と流体連通する空気貯留タンク、を備え、
当該システムは、少なくとも、電力網から供給されるエネルギーで、空気貯留タンク内に圧縮空気を保存するために当該分割サイクルエンジンを回転させる電動モータ/発電機を駆動する、エネルギー蓄積モード、及び
空気貯留タンク内に貯留された圧縮空気が燃料と共に分割サイクルエンジンに供給されて燃焼され、電動モータ/発電機を駆動し、そして電力網に電力を供給する、エネルギー変換モードでも動作可能であることを特徴とする圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項２】
当該分割サイクルエンジンは、システム動作のエネルギー蓄積モード中にＡＣモードで動作することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項３】
当該分割サイクルエンジンは、システム動作のエネルギー変換モード中にＡＥＦモードで動作することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項４】
燃料は、天然ガス及びバイオガスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項５】
当該システムはまた、当該分割サイクルエンジンが電力網に電力を供給するための電動モータ/発電機を駆動すべくＮＦモードで動作している、バックアップエネルギー発生モードで動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項６】
当該システムはまた、当該分割サイクルエンジンが電力網に電力を供給するための電動モータ/発電機を駆動すると同時に、空気貯留タンク内に圧縮空気を貯えるＦＣモードで動作している、バックアップエネルギー生成及び再充填モードで動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項７】
当該システムは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えるときには、エネルギー蓄積モードで動作することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項８】
当該システムは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに圧縮された空気があるときには、エネルギー変換モードで動作することを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項９】
当該システムは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに貯留された圧縮空気がないとき、バックアップエネルギー発生モードで動作することを特徴とする請求項５に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項１０】
当該電力網は、再生可能エネルギー源を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項１１】
当該再生可能エネルギー源は、風力発電システム、太陽光発電システム、水力発電システム、及び地熱発電システムの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項１０に記載の圧縮空気エネルギー貯留システム。
【請求項１２】
圧縮空気エネルギー貯留システムを作動させる方法であって、
エネルギー蓄積モードにおいては、空気貯留タンク内に圧縮空気を保存するために分割サイクルエンジンを回すべく電力網からのエネルギーで電動モータ/発電機を駆動し、そして
エネルギー変換モードでは、電動モータ/発電機を駆動して電力網に電力を供給するために、燃料と空気貯留タンクから供給される圧縮空気との混合物を当該分割サイクルエンジンにおいて燃焼させること、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
システム動作のエネルギー蓄積モード中に、当該分割サイクルエンジンをＡＣモードで作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
システム動作のエネルギー変換モード中に、当該分割サイクルエンジンをＡＥＦモードで作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
燃料は、天然ガス及びバイオガスの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
バックアップエネルギー発生モードにおいて、電力網に電力を供給するために電動モータ/発電機を駆動すべく当該分割サイクルエンジンをＮＦモードで作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
バックアップエネルギー生成及び再充填モードにおいて、電力網に電力を供給し、同時に、圧縮空気を空気貯留タンク内に貯留するために、電動モータ/発電機を駆動すべく当該分割サイクルエンジンをＦＣモードで作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
当該エネルギー蓄積モードは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えたときに使用されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
当該エネルギー変換モードは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンク内に貯えられた圧縮空気があるときに、使用されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
当該バックアップエネルギー生成モードは、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに貯留された圧縮空気がないときに、使用されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
当該電力網は、再生可能エネルギー源を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
当該再生可能エネルギー源は、風力発電システム、太陽光発電システム、水力発電システム、及び地熱発電システムの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
気筒休止システムであって、
分割サイクルエンジンの圧縮ピストンに連結された第１のクランクスローを有する第１のクランクシャフト、
分割サイクルエンジンの膨張ピストンに結合された第２のクランクスローを有する第２のクランクシャフト、
当該第１のクランクシャフトを搭載された第１のプーリを有する第１のプーリシャフトに選択的に連結すべく構成された第１のクラッチ、
当該第２のクランクシャフトを搭載された第２のプーリを有する第２のプーリシャフトに選択的に連結すべく構成された第２のクラッチ、
搭載された出力プーリを有する出力シャフト、及び
連結は、第１のプーリ、第２のプーリ、及び出力プーリの各々の間に回転を伝達するように構成されたリンケージ
を備えることを特徴とする気筒休止システム。
【請求項２４】
第１のクラッチを作動させると、膨張ピストンは出力シャフトを駆動すべく往復運動する一方、圧縮ピストンは静止して留まるように、当該第１のクランクシャフトを第１のプーリシャフトから切り離すことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
第２のクラッチを作動させると、圧縮ピストンは出力シャフトが外部から駆動されるにつれ往復運動する一方、膨張ピストンは静止して留まるように、当該第２のクランクシャフトを第２のプーリシャフトから切り離すことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
当該リンケージは、ベルト及びチェーンの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
空気膨張機であって、
シリンダー、
当該シリンダー内に往復運動可能に配置され、クランクシャフトに連結されたピストン、
当該―シリンダーと空気貯留タンクとの間の流体連通を制御するように構成された吸気バルブ、
当該シリンダーと排気通路との間の流体連通を制御するように構成された排気バルブ、を備え、
当該空気膨張機は、
空気貯留タンクに貯留された圧縮空気と添加された燃料がシリンダーに供給され、ピストンを下方に駆動してクランクシャフトを回転させるべく燃焼される第１のストロークと、そして
排気生成物が、ピストンによってそれがシリンダー内で上昇するとき、開いた排気バルブを介して強制的に排出される第２のストロークとを含む、
ＡＥＦモードで動作可能であることを特徴とする空気膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１２年４月１３日に出願された米国仮特許出願番号６１／６２３，８５０の優先権の利益を主張し、参照により全体の内容がここに組み入れられている。
【０００２】
本発明は、圧縮空気エネルギー貯留システム及び関連する方法に関する。いくつかの実施形態において、本発明は、分割サイクルの内燃機関を含んでいる圧縮空気エネルギー貯留システム及び関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
エンジン技術
明確化の目的のために、本出願において使用される用語「従来のエンジン」とは、周知のオットーサイクルの４つの行程（吸気、圧縮、膨張及び排気のストローク）全てがエンジンのピストン/シリンダーの各組み合わせ内に含有されている内燃機関を指している。各ストロークは、クランクシャフトの半回転（１８０度のクランク角（「ＣＡ」））を必要とし、そして、従来のエンジンの各気筒内でオットーサイクル全体を完了するためには、クランクシャフトの２つの完全な回転（７２０度ＣＡ）が必要とされる。
【０００４】
また、明確化の目的のために、先行技術に開示されているエンジンに適用され，且つ本願において言及することができるように、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る。
【０００５】
分割サイクルエンジンは、一般的に、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が１回転する間の吸気行程と圧縮行程を通して往復動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動可能に連結された圧縮ピストン、当該クランクシャフトが１回転する間の膨張行程と排気行程を通して往復動するように膨張（動力）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動可能に連結された膨張ピストン、及び圧縮シリンダー及び膨張（動力）シリンダーを相互に接続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（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、を備えている。
【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（一般に、空気タンクと呼ぶ）及び各種の制御装置を組み合わせている。この組み合わせは、エンジンが空気タンク内に圧縮空気の形でエネルギーを貯留するのを可能にする。空気タンク内の圧縮空気は、後にクランクシャフトに動力を供給するために膨張シリンダー内で使用される。
【０００７】
一般に、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が１回転する間の吸気行程と圧縮行程を通して往復動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動可能に連結された圧縮ピストン、当該クランクシャフトが１回転する間の膨張行程と排気行程を通して往復動するように膨張（動力）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動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（動力）シリンダーを相互に接続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動可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を貯留し、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】
図１は、先行技術の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの例示的な一実施形態を示す。分割サイクルエンジン１００は、従来のエンジンの２つの隣接するシリンダーを１つの圧縮シリンダー１０２と１つの膨張シリンダー１０４の組み合わせで置き換えている。圧縮シリンダー１０２及び膨張シリンダー１０４は、クランクシャフト１０６が回転可能に搭載されているエンジンブロックに形成されている。シリンダー１０２、１０４の上端部は、シリンダヘッド１３０によって閉じられている。クランクシャフト１０６は、軸方向に偏移され、角度的にオフセットされて、間に位相角を有する第１及び第２のクランクスロー１２６、１２８を含んでいる。第１のクランクスロー１２６は第１のコネクティングロッド１３８によって圧縮ピストン１１０に旋回可能に連結され、第２のクランクスロー１２８は第２のコネクティングロッド１４０によって膨張ピストン１２０に旋回可能に連結され、それぞれのシリンダー１０２,１０４の中でピストン１１０、１２０が、クランクスローのオフセット角度とシリンダー、クランク及びピストンの幾何学的関係との関係によって決定される時間的関係（タイミング）で、往復運動する。所望であれば、ピストンの運動とタイミングを関連付けるための代替メカニズムを利用することができる。クランクシャフトの回転方向とその下死点（ＢＤＣ）位置付近でのピストンの相対運動が、それらの対応する構成要素と共に関連した矢印で図面に示されている。
【０００９】
オットーサイクルの４つの行程は、圧縮シリンダー１０２が吸気及び圧縮ストロークを包含し、膨張シリンダー１０４が膨張と排気ストロークを包含するように、２つのシリンダー１０２及び１０４に亘って，このように「分割」されている。オットーサイクルは、したがって、クランクシャフト１０６の１回転（３６０°ＣＡ）毎に一度、これら二つのシリンダー１０２、１０４で完了される。
【００１０】
吸気行程の間、吸気は、内方開口（シリンダー内に、ピストンに向かって内方に開く）ポペット吸気バルブ１０８を介して圧縮シリンダー１０２内に引き込まれる。圧縮行程中に、圧縮ピストン１１０は空気充填物を加圧し、膨張シリンダー１０４に対して吸気通路として作用するクロスオーバー通路１１２を介して空気充填物を駆動する。エンジン１００は、１つ以上のクロスオーバー通路１１２を有することができる。
【００１１】
分割サイクルエンジン１００（及び一般に、分割サイクルエンジンについて）の圧縮シリンダー１０２の容積測定の（すなわち幾何学的）圧縮比は、ここで、分割サイクルエンジンの「圧縮比」と称される。分割サイクルエンジン１００（及び一般に、分割サイクルエンジンについて）の膨張シリンダー１０４の容積測定の（すなわち幾何学的）圧縮比は、ここで、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、そこを往復するピストンが、そのＢＤＣ位置にあるときにシリンダ−（全ての凹部を含んでいる）内に囲まれる（又は捕捉される）容積に対しての、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まれた容積（すなわち、隙間容積）の比として当技術分野で周知である。特に、分割サイクルエンジンのためにここで定義されるように、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。同じく、特に、分割サイクルエンジンのためにここで定義されるように、膨張シリンダーの膨張比はXovrEバルブが閉じているときに決定される。
【００１２】
圧縮シリンダー１０２内の非常に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１０２からのクロスオーバー通路１１２への流れを制御するために、クロスオーバー通路１１２の入口において、外方開口（シリンダー及びピストンから外方に離れて開く）のポペットクロスオーバー圧縮（XovrC）バルブ１１４が使用されている。膨張シリンダー１０４内の非常に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の出口において、外方開口のポペットクロスオーバー膨張（XovrE）バルブ１１６がクロスオーバー通路１１２から膨張シリンダー１０４への流れを制御する。XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６の作動速度と位相とは、オットーサイクルの４つの行程の全てにおいてクロスオーバー通路１１２内の圧力を高い最小圧力（通常、全負荷で２０バール以上）に維持するように調節されている。
【００１３】
少なくとも１つの燃料インジェクター１１８が、XovrEバルブ１１６の開きと連携して、クロスオーバー通路１１２の出口端において加圧された空気に燃料を噴射する。あるいは、又は加えて、燃料が膨張シリンダー１０４内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１２０がそのＴＤＣ位置に到達した直後に完全に膨張シリンダー１０４に入る。ピストン１２０がそのＴＤＣ位置からその下降を開始し、XovrEバルブ１１６がまだ開いている間（典型的には、膨張ピストン１２０のＴＤＣ後，１０〜２０度ＣＡの間）に、一つ以上のスパークプラグ１２２が燃焼を開始するために点火される。燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置通過して１〜３０度ＣＡにある間に、開始され得る。より好ましくは、燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置を通過して５〜２５度ＣＡにある間に、開始され得る。最も好ましくは、燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置を通過して１０〜２０度ＣＡにある間に開始され得る。さらに、燃焼は、グロープラグ、マイクロ波着火装置によるような他の点火装置及び/又は方法を介して又は圧縮着火方式を介して開始されてもよい。
【００１４】
XovrEバルブ１１６は、結果としての燃焼事象がクロスオーバー通路１１２に入る前に閉じられている。燃焼事象は、動力ストロークにおいて膨張ピストン１２０を下方に駆動する。排気ガスは、排気行程中に内方に開口するポペット排気バルブ１２４を介して膨張シリンダー１０４から排出される。
【００１５】
分割サイクルエンジンのコンセプトでは、圧縮及び膨張シリンダー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の長さ、圧縮比等）は、一般的に互いに独立している。例えば、圧縮シリンダー１０２及び膨張シリンダー１０４のためのクランクスロー１２６、１２８は、それぞれ、異なる半径を有しており、そして圧縮ピストン１１０のＴＤＣの前に膨張ピストン１２０のＴＤＣが起こる状態に互いに位相付けられている。この独立性は、分割サイクルエンジンが、典型的な４ストロークエンジンよりもより高い効率レベルでより大きなトルクを潜在的に達成することを可能にしている。
【００１６】
分割サイクルエンジン１００のエンジンパラメータの幾何学的な独立性はまた、前述したように、圧力がクロスオーバー通路１１２内に何故に維持され得るかの主な理由の一つである。具体的には、膨張ピストン１２０は、離散的な位相角（典型的には１０〜３０クランク角度）だけ、圧縮ピストン１１０がそのＴＤＣ位置に到達する前にそのＴＤＣ位置に到達する。この位相角は、XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６の適切なタイミングと一緒に、分割サイクルエンジン１００が、その圧力/容積サイクルの全ての４つのストローク中にクロスオーバー通路１１２内の圧力を高い最小圧力（全負荷運転時に典型的には２０バール絶対圧以上）に維持するのを可能にしている。つまり、分割サイクルエンジン１００は、膨張ピストン１２０がその上死点位置からその下死点位置に向けて下降し、且つ圧縮ピストン１１０が同時に下死点位置からその上死点位置に向かって上昇する間に、XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６がかなりの時間の期間（又はクランクシャフトの回転の期間）共に開くように、XovrCバルブ１１４とXovrEバルブ１１６を時間（タイミング）付けるべく動作可能である。クロスオーバーバルブ１１４、１１６が両方とも開いている期間（又はクランクシャフトの回転期間）中に、ガスの実質的に等しいマス（質量）が（１）圧縮シリンダ１０２からクロスオーバー通路１１２へ，及び（２）クロスオーバー通路１１２から膨張シリンダー１０４へ転送される。したがって、この期間に、クロスオーバー通路内の圧力が所定の最小圧力（典型的には全負荷運転時に、２０、３０、又は４０バール絶対圧）以下に低下することが防止される。また、吸気及び排気のストロークの実質的な部分（典型的には、全体の吸気及び排気ストロークの９０％以上）の間、XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６は、クロスオーバー通路１１２内に閉じ込められたガスのマス（質量）を実質的に一定のレベルで維持するために、両方共、閉じられている。その結果、クロスオーバー通路１１２の圧力は、エンジンの圧力/容積サイクルの４つの全てのストローク中に所定の最小圧力に維持される。
【００１７】
ここでの目的のために、膨張ピストン１２０が上死点から下降し、圧縮ピストン１１０がＴＤＣに向かって上昇している間に、実質的に等しいガスのマス（質量）をクロスオーバーの通路１１２に及びそれから同時に移送するために、XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６を開ける方法は、ガス移送の「プッシュプル」法と呼ばれている。これは、エンジンが全負荷で動作しているとき、エンジンのサイクルの全ての４つのストロークの間、エンジン１００のクロスオーバー通路１１２の圧力が典型的には２０バール以上に維持されるのを可能にするのがプッシュプル法である。
【００１８】
クロスオーバーバルブ１１４、１１６は、一つ以上のカム（図示せず）を含むバルブトレイン（動弁機構）によって作動される。一般的には、カム駆動機構は、クランクシャフトに機械的に連結されたカムシャフトを含む。一つ以上のカムが、それぞれ、バルブ事象（すなわち、バルブ作動中に発生する事象）のバルブリフトプロファイルを制御する輪郭表面を有し、カムシャフトに取り付けられている。当該XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６はそれぞれが、独自のそれぞれのカム及び/又は独自のそれぞれのカムシャフトを有することができる。XovrC及びXovrEのカムが回転すると、それらの偏心部が、ロッカーアームに運動を与え、それは次いでバルブに運動を与え、そのことにより、その弁座からバルブをリフト（開口）する。カムが回転し続けると、偏心部は、ロッカーアームを通過し、バルブが閉じるのが許容される。
【００１９】
分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１００はまた、空気貯留タンクバルブ１５２によってクロスオーバー通路１１２に作動可能に接続された空気貯留器（タンク）１４２を含んでいる。二つ以上のクロスオーバー通路１１２を備える実施形態は、共通の空気貯留器１４２に接続する各クロスオーバー通路１１２のためのタンクバルブ１５２、全てのクロスオーバー通路１１２を共通の空気タンク１４２に接続する単一のバルブを含むことができ、又は各クロスオーバー通路１１２が別々の空気貯留器１４２に作動可能に接続してもよい。
【００２０】
タンクバルブ１５２は、典型的には、クロスオーバー通路１１２から空気タンク１４２に延びている空気タンクポート１５４内に配置されている。空気タンクポート１５４は、第１の空気タンクポート区分１５６及び第２空気タンクポート区分１５８に分割されている。第１の空気タンクポート区分１５６は、クロスオーバー通路１１２に空気タンクバルブ１５２を接続し、第２の空気タンクポート区分１５８は、空気タンクバルブ１５２を空気タンク１４２に接続する。第１の空気タンクポート部１５６の容積は、タンクバルブ１５２が閉じられているときにクロスオーバー通路１１２にタンクバルブ１５２を接続する全ての追加の凹部の容積を含んでいる。好ましくは、第１の空気タンクポート部１５６の容積は、第２の空気タンクポート部１５８に比べて小さい。より好ましくは、第１の空気タンクポート部１５６は、実質的に非存在、すなわち、タンクバルブ１５２が、最も好ましくは、クロスオーバー通路１１２の外壁に対して面一になるように配置されている。
【００２１】
タンクバルブ１５２は、任意の適切なバルブ装置又はシステムであってもよい。例えば、タンクバルブ１５２は、種々のバルブ作動装置（例えば、空気圧、油圧、カム、電気等）によって起動される能動バルブであってもよい。さらに、タンクバルブ１５２は、２つ以上の作動装置によって起動される２つ以上のバルブを備えるタンクバルブシステムを含むことができる。
【００２２】
空気タンク１４２は、圧縮空気の形でエネルギーを保存し、クランクシャフト１０６に動力を供給するために、その圧縮空気を後で使用するために利用される。ポテンシャルエネルギーを貯留するためのこの機械的手段は、当技術分野の現在の状態に対し、多数の潜在的な利点を提供する。例えば、分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１００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との関係において、比較的低い製造及び廃棄物処理コストで燃料効率の向上とNOx排出量の削減に、多くの利点を潜在的に提供することができる。
【００２３】
エンジン１００は、一般的に、通常の点火（着火）燃焼（ＮＦ）モード（また、普通にはエンジン点火燃焼（ＥＦ）モードとも呼ばれる）及び４つの基本的な空気ハイブリッドモードの１つ以上で作動する。ＥＦモードにおいて、エンジン１００の機能は、先に本明細書で詳細に説明されたように。通常、空気タンク１４２を使用しない動作である。当該ＥＦモードでは、空気タンク１４２を基本的な分割サイクルエンジンから隔離するために、空気タンクバルブ１５２が閉じられて残る。４つの空気ハイブリッドモードでは、当該エンジン１００は、空気タンク１４２を用いて動作する。
【００２４】
４つの基本的な空気ハイブリッドモードは、以下を含んでいる。
１）  燃焼を伴わずに、空気タンク１４２からの圧縮空気エネルギーを使用す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１４２に圧縮空気エネルギーを貯える空気圧縮機（ＡＣ）モード、
３）  燃焼を伴って、空気タンク１４２からの圧縮空気エネルギーを使用することを含む空気膨張機及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、そして
４）  燃焼を伴って、空気タンク１４２に圧縮空気エネルギーを貯えることを含む点火燃焼及び充填（ＦＣ）モード。
【００２５】
分割サイクルエンジンに関するさらなる詳細は、分割４ストロークサイクル内燃機関の名称で、２００３年４月８日に発行された特許文献１（米国特許第６、５４３、２２５号）及び分割サイクル４ストロークエンジンの名称で２００５年１０月１１日に発行された特許文献２（米国特許第６、９５２、９２３号）に見出すことができ、その各々は、ここに参照により全体が繰り入れられている。
【００２６】
空気ハイブリッドエンジンに関するさらなる詳細は、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの名称で、２００８年４月８日に発行された特許文献３（米国特許第７、３５３、７８６号）、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの名称で２０１０年７月１８日に出願された特許文献４（米国特許出願第６１/３６５３４３号）、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの名称で２０１０年３月１５日に出願された特許文献５（米国特許出願第６１/３１３８３１号）に開示されており、その各々は、ここに参照により全体が繰り入れられている。
【００２７】
電力システム
太陽光や風力などの再生可能エネルギー源から電力を生成するために、多数のシステムが提案され、開発されてきた。一般に、このようなシステムからの出力電力の需要は、入力エネルギーの供給とほとんど一致しない。常に、出力電力が接続された負荷に供給するのには不十分である、低日光、低風量、又は高需要の期間、又は、システムが接続された負荷が必要とするよりも多くの出力電力を生成する、高日光、高風量、又は低需要の期間が存する。
【００２８】
圧縮空気エネルギー貯留（ＣＡＥＳ）システムは、低需要/高供給の期間中に圧縮空気などの余剰エネルギーを貯留した後、高需要/低供給の期間中に蓄積されたエネルギーを供給することによって、この問題に対処しようとする試みにおいて提案されている。例示的なＣＡＥＳシステムでは、低需要期間中に発生された電力は、圧縮機タービンに連結された電動モータを回すために使用される。圧縮機タービンによって圧縮される空気は、圧縮空気の貯留を容易にするために密封されている大規模な地下洞窟に格納されている。その後、高需要期間中、洞窟に格納された圧縮空気が、電力を生成するための発電機に結合されているガス燃焼タービンに供給される。
【００２９】
これらのシステムは、いくつかの有望さを示しているが、それらは特定の欠点がある。例えば、これらのシステムは非常に特異的な地質を必要とする（すなわち、非常に高い圧力（いくつかの例では７０バール以上）で貯留される空気を保持することが可能な非常に大きな容積を有する密閉式の洞窟）。その結果、これらのシステムは、通常、遠隔山岳地帯に建設され、そして最終的な負荷に発生されたエネルギーを輸送するための重大なインフラストラクチャを必要としている。これは、システムの全体的な効率を低下させる多数の輸送損失をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【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
【特許文献４】米国特許出願第６１/３６５３４３号明細書
【特許文献５】米国特許出願第６１/３１３８３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
加えて、これらのシステムは、一般的に規模が巨大である必要がある。このようなシステムを構築する莫大なコストは小規模な用途に対して経済的に非実用的にするので、これは部分的である。タービンの大きさが小さくなるにつれ、タービン効率の損失の大部分が導入され、ファンブレードとシュラウドとの間の隙間は比例的に大きくなる。したがって、必要な効率を維持するために非常に大きなタービンが必要とされる。上記に鑑み、改善された効率を有し、且つより小さな用途にも適合可能なＣＡＥＳシステムについての必要性があるのである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
小規模な用途により用いられ得、既存のシステムよりもより高い効率で作動することができる圧縮空気エネルギー貯留（ＣＡＥＳ）システムが、ここに開示される。
【００３３】
いくつかの実施形態において、低需要期間中に太陽光や風力発電システムなどの再生可能なエネルギー源から生成された電力が、空気ハイブリッド分割サイクルエンジンを回転させる電動モータを駆動するために使用されるシステムが提供される。分割サイクルエンジンは、この時間の間に、貯留タンク内に空気を圧縮するために、ＡＣモードで動作する。その後、高需要期間中には、タンクに貯留され及び燃料が追加された圧縮空気が分割サイクルエンジンに供給され、それはＡＥＦモードで動作する。分割サイクルエンジンによって生成された仕事は、電力を生成する発電機を回す。貯留タンクに貯留された圧縮空気の供給が枯渇した場合、分割サイクルエンジンは、バックアップ発電機として機能すべくＮＦモードで動作することができ、又は同時に空気貯留タンクを再充填しながら、バックアップ発電機として機能するＦＣモードで動作することができる。
【００３４】
所与の出力電力については、これらのシステムは、既存のＣＡＥＳシステムの半分以下のスペースを必要とすることができ、より効率的に、より低い圧力（例えば、７０バール以上の貯留圧力とは対照的に、約３０バールの貯留圧力）で動作することができる。このことは、最終の負荷に近接して配置され、且つ、小規模で経済的に構築することができ、小さな設置面積のデザインが可能になる。
【００３５】
本発明の少なくとも１つの実施形態の一態様では、圧縮空気エネルギー貯留システムは、分割サイクルエンジン、当該分割サイクルエンジンのクランクシャフトに作動可能に連結された電動モータ/発電機、及び分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路と流体連通する空気貯留タンクを含んで提供されている。当該システムは、電力網（power grid）から供給されるエネルギーで、空気貯留タンク内に圧縮空気を保存するため、分割サイクルエンジンを回転させる電動モータ/発電機を駆動する、少なくともエネルギー蓄積モードで動作可能である。当該システムはまた、空気貯留タンク内に貯留された圧縮空気が燃料と共に分割サイクルエンジンに供給されて燃焼され、電動モータ/発電機を駆動し、そして電力網に電力を供給する、少なくともエネルギー変換モードでも動作可能である。
【００３６】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、分割サイクルエンジンが、システムの動作のエネルギー蓄積モード中に、ＡＣモードで動作するシステムを提供する。
【００３７】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、分割サイクルエンジンが、システムの動作のエネルギー変換モード中に、ＡＥＦモードで動作するシステムを提供する。
【００３８】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、燃料が天然ガスやバイオガスの少なくとも１つを含むシステムを提供する。
【００３９】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、システムがまた、分割サイクルエンジンが電力網に電力を供給するための電動モータ/発電機を駆動すべくＮＦモードで動作している、バックアップエネルギー発生モードで動作可能であるシステムを提供する。
【００４０】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、システムがまた、分割サイクルエンジンが電力網に電力を供給するための電動モータ/発電機を駆動すると同時に、空気貯留タンク内に圧縮空気を貯えるＦＣモードで動作している、バックアップエネルギー生成及び再充填モードで動作可能であるシステムを提供する。
【００４１】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えるときには、システムがエネルギー蓄積モードで動作するシステムを提供する。
【００４２】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述したように、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに圧縮された空気があるときには、システムがエネルギー変換モードで動作するシステムを提供する。
【００４３】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに貯留された圧縮空気がないとき、システムがバックアップエネルギー発生モードで動作するシステムを提供する。
【００４４】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、電力網が風力発電システム、太陽光発電システム、水力発電システム、及び地熱発電システムの少なくとも一つのような再生可能エネルギー源を含んでいるシステムを提供する。
【００４５】
本発明の少なくとも１つの実施形態の別の態様では、圧縮空気エネルギー貯留システムを動作させる方法が提供される。当該方法は、エネルギー蓄積モードにおいては、空気貯留タンク内に圧縮空気を保存するために分割サイクルエンジンを回すべく電力網からのエネルギーで電動モータ/発電機を駆動することを含んでいる。当該方法はまた、エネルギー変換モードでは、電動モータ/発電機を駆動して電力網に電力を供給するために、燃料と空気貯留タンクから供給される圧縮空気との混合物を当該分割サイクルエンジンにおいて燃焼させることを含んでいる。
【００４６】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、システム動作のエネルギー蓄積モード中に、当該分割サイクルエンジンをＡＣモードで作動させることを含む方法を提供している。
【００４７】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、システム動作のエネルギー変換モード中に、当該分割サイクルエンジンをＡＥＦモードで作動させることを含む方法を提供している。
【００４８】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該燃料が、天然ガス及びバイオガスの少なくとも１つを含む方法を提供している。
【００４９】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、バックアップエネルギー発生モードにおいて、電力網に電力を供給するために電動モータ/発電機を駆動すべく当該分割サイクルエンジンをＮＦモードで作動させることをさらに含む方法を提供している。
【００５０】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、バックアップエネルギー生成及び再充填モードにおいて、電力網に電力を供給し、同時に、圧縮空気を空気貯留タンク内に貯留するために、電動モータ/発電機を駆動すべく当該分割サイクルエンジンをＦＣモードで作動させることをさらに含む方法を提供する。
【００５１】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該エネルギー蓄積モードが、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えたときに使用される方法を提供する。
【００５２】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該エネルギー変換モードが、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンク内に貯えられた圧縮空気があるときに、使用される。
【００５３】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該バックアップエネルギー生成モードが、電力網から供給されるエネルギーがエネルギー需要を超えず、且つ空気貯留タンクに貯留された圧縮空気がないときに、使用される方法を提供する。
【００５４】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該電力網が、風力発電システム、太陽光発電システム、水力発電システム、及び地熱発電システムの少なくとも１つのような、再生可能エネルギー源を含む方法を提供する。
【００５５】
本発明の少なくとも１つの実施形態の別の態様では、分割サイクルエンジンの圧縮ピストンに連結された第１のクランクスローを有する第１のクランクシャフト、及び分割サイクルエンジンの膨張ピストンに結合された第２のクランクスローを有する第２のクランクシャフトを含む、気筒休止システムが提供される。当該システムはまた、当該第１のクランクシャフトを搭載された第１のプーリを有する第１のプーリシャフトに選択的に連結すべく構成された第１のクラッチ、及び当該第２のクランクシャフトを搭載された第２のプーリを有する第２のプーリシャフトに選択的に連結すべく構成された第２のクラッチを含んでいる。当該システムはまた、搭載された出力プーリを有する出力シャフト、及び第１のプーリ、第２のプーリ、及び出力プーリの各々の間に回転を伝達するように構成されたリンケージを含んでいる。
【００５６】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、第１のクラッチを作動させると、膨張ピストンは出力シャフトを駆動すべく往復運動する一方、圧縮ピストンは静止して留まるように、当該第１のクランクシャフトを第１のプーリシャフトから切り離すシステムを提供する。
【００５７】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、第２のクラッチを作動させると、圧縮ピストンは出力シャフトが外部から駆動されるにつれ往復運動する一方、膨張ピストンは静止して留まるように、当該第２のクランクシャフトを第２のプーリシャフトから切り離すシステムを提供する。
【００５８】
本発明の少なくとも１つの実施形態の関連する態様は、例えば、上述のように、当該リンケージが、ベルト及びチェーンの少なくとも１つを含むシステムを提供する。
【００５９】
本発明の少なくとも１つの実施形態の別の態様では、シリンダー、当該シリンダー内に往復運動可能に配置され、クランクシャフトに連結されたピストン、当該―シリンダーと空気貯留タンクとの間の流体連通を制御するように構成された吸気バルブ、当該シリンダーと排気通路との間の流体連通を制御するように構成された排気バルブ、を含む空気膨張機が提供される。当該空気膨張機は、空気貯留タンクに貯留された圧縮空気と添加された燃料がシリンダーに供給され、ピストンを下方に駆動してクランクシャフトを回転させるべく燃焼される第１のストロークと、そして排気生成物が、ピストンによってそれがシリンダー内で上昇するとき、開いた排気バルブを介して強制的に排出される第２のストロークとを含む、ＡＥＦモードで動作可能である。
【００６０】
本発明は、特許請求された装置、システム、及び方法をさらに提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
本発明は、添付の図面と併せてなされる以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
【図１】従来技術の空気ハイブリッド分割サイクルエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明の少なくとも１つの実施形態によるＣＡＥＳシステムの概略図である。
【図３】エネルギー蓄積モードで動作している図２のＣＡＥＳシステムの概略図である。
【図４】エネルギー変換モードで動作している図２のＣＡＥＳシステムの概略図である。
【図５】バックアップエネルギー発生モードで動作している図２のＣＡＥＳシステムの概略図である。
【図６】バックアップエネルギー発生及び再充填モードで動作している図２のＣＡＥＳシステムの概略図である。
【図７】ＡＥモードで動作している分割サイクルエンジンがエネルギー変換のために使用されているＣＡＥＳシステムの一実施形態のシミュレーションデータを示す図である。
【図８】ＡＣモードで動作している分割サイクルエンジンがエネルギー貯留のために使用されている図７のＣＡＥＳシステムのシミュレーションデータを示す図である。
【図９】ＡＥＦモードで動作している分割サイクルエンジンがエネルギー変換のために使用されているＣＡＥＳシステムの一実施形態のシミュレーションデータを示す図である。
【図１０】ＡＣモードで動作している分割サイクルエンジンがエネルギー貯留のために使用されている図９のＣＡＥＳシステムのシミュレーションデータを示す図である。
【図１１】分割サイクルエンジンで使用するための例示的な気筒休止システムの概略図である。
【図１２】ＣＡＥＳシステムにおいて使用するための例示的な空気膨張機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
特定の例示的な実施形態が、構造、機能、製造、及び、ここに開示される方法、システム、及び装置の使用の原理の全体的な理解を提供するために説明される。これらの実施形態の１つ以上の例が添付の図面に示されている。当業者は、ここに具体的に記載され且つ添付図面に示されている方法、システム及び装置は、非限定的で例示的な実施形態であり、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ規定されることを理解するであろう。例示的な一実施形態に関連して図示又は説明される特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。このような改変及び変更は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【００６３】
特定の方法及び装置は、分割サイクルエンジン及び/又は空気ハイブリッドエンジンとの関連でここに開示されているが、当業者は、ここに開示される方法及び装置は、非ハイブリッドエンジン、２ストローク及び４ストロークエンジン、従来のエンジン、天然ガスエンジン、ディーゼルエンジン等を制限なく含んで、多様な形態で任意に使用され得ることを理解するであろう。
【００６４】
システム
図２乃至６は、圧縮空気エネルギー貯留（ＣＡＥＳ）システム２００の１つの例示的な実施形態を示す。図２に示すように、システム２００は、空気貯留タンク２０４及び電力網２０６との間のエネルギーの流れを制御及び容易にするために、分割サイクルエンジン２０２を使用している。分割サイクルエンジン２０２と空気貯留タンク２０４は、一緒に、空気ハイブリッド分割サイクルエンジンと見なすことができる。一つの分割サイクルエンジン２０２と一つの空気貯留タンク２０４が示されているが、これは簡潔化のみのためであり、システムは、任意の数の分割サイクルエンジン又は空気貯留タンクを含むことができることが理解されるであろう。
【００６５】
図３に示すように、システム２００は、電力源２０６（例えば、再生可能エネルギー発電システム、太陽光発電システム、風力発電システム、地熱発電システム、水力発電システム等）からのエネルギー出力が、かかるエネルギーに対する需要を超えるときに、エネルギー蓄積モードで動作することができる。エネルギー蓄積モードにおいては、電力源２０６によって生成された過剰な電気エネルギーは、分割サイクルエンジン２０２のクランクシャフトに連結された出力シャフトを有する電動モータ２０８を駆動する。この時間中には、分割サイクルエンジン２０２は、空気貯留タンク２０４内に空気を圧縮するためにＡＣモードで動作するように制御される。いくつかの実施形態では、分割サイクルエンジン２０２は、圧縮シリンダーにおいて、非常に効率的な空気圧縮を可能にする高い幾何学的圧縮比（例えば、約９５：１）を有することができる。例示的な実施形態では、空気貯留タンク２０４は、約３０バール乃至約５０バールの間の圧力に充填することができる。
【００６６】
図４に示すように。電力源２０６からのエネルギー出力がかかるエネルギーに対する需要より小さく、且つ空気貯留タンク２０４が空でないとき、システム２００は、エネルギー変換モードで動作することができる。当該エネルギー変換モードでは、空気貯留タンク２０４に貯留された圧縮空気が、天然ガス２１０又はバイオガス２１２のような可燃性燃料と共に、分割サイクルエンジン２０２に供給される。バイオガスという用語は、一般的に、酸素の非存在下での有機物の生分解によって生成されたガスを指す。死んだ植物や動物の材料、動物の糞や生ごみなどのような有機性廃棄物は、バイオガスと呼ばれる気体燃料に変換することができる。この時間中に、分割サイクルエンジン２０２は、ＡＥＦモードで動作するように制御される。空気貯留タンク２０４から供給される圧縮空気及び可燃性燃料が着火されると、分割サイクルエンジン２０２は、当該分割サイクルエンジン２０２のクランクシャフトに連結された入力シャフトを有する発電機２１４を駆動する。発電機２１４は、順に、電力網２０６に供給される電力を生成する。図示のように、当該出力電力はまた、バイオガスの発生又は処理プラント２１２に電力を供給するために使用することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、分割サイクルエンジン２０２は、膨張シリンダーにおいて高い幾何学的圧縮比（例えば、約５０：１）を有することができ、そして非常に高い効率（例えば６０％以上）を達成することができる。当該分割サイクルエンジン２０２において、燃焼は、膨張ピストンが上死点に到達した後に生ずることが可能であり、これは、ＡＥＦモードにおいて加圧された空気が膨張シリンダーに入るときに、その加圧空気を再圧縮することを有利にも回避するのを可能にする。従来のエンジンにおいて、この有利な点を効率的に得ることは、構造的に不可能である。また、ＡＥＦモードで動作している分割サイクルエンジンにおける燃料と空気の燃焼は、電力への変換のために空気の膨張のみを使用するシステムにおいて必要とされるよりも、約５倍少ない空気を利用している。したがって、空気の膨張のみに依存しているシステムと比較して、システム２００においては、空気貯留タンク２０４が、貯留されたエネルギーの単位当たり、より小さな容積とより低い最大圧力とを有することができる。それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、分割サイクルエンジン２０２は、システム動作のエネルギー生成フェーズ中にＡＥＦモードの代わりにＡＥモードで動作することができる。
【００６８】
図５に示すように、システム２００は、空気貯留タンク２０４内の圧縮空気の供給が空乏化されたときに、当該システム２００が必要な電力出力を供給し続けることができるように、バックアップエネルギー発生モードで動作することができる。当該バックアップエネルギー発生モードでは、分割サイクルエンジン２０２は、大気から供給される空気と可燃性燃料（例えば、天然ガス２１０やバイオガス２１２）を使用して、ＮＦモードで動作するように制御される。燃料が着火されると、分割サイクルエンジン２０２は、電力網２０６に電力を提供するべく発電機２１４を駆動する。このように、システム２００は、圧縮空気が空気貯留タンク２０４内に残っているか否かに関係なく、電力網２０６にエネルギーを供給し続けることができる。有利には、分割サイクルエンジンの運転のＮＦモードは、天然ガスのようなより清澄で低排出ガス燃料を使用して。ディーゼルのような熱効率（例えば、約４４％を超える）と、ディーゼルのような比トルク（例えば、約３０バールよりも大きい）を提供する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、当該分割サイクルエンジン２０２は、所与の負荷に対して、ＡＥＦモードにおけるよりもＮＦモードにおいて２倍の大きさの出力電力を生成する。したがって、分割サイクルエンジン２０２が、ＡＥＦモードにおいて全負荷で動作するとき、所望の出力を満たすように寸法決めされたときには、同一の所望の出力が、ＮＦモードで約５０％だけの負荷で動作する間に満たされ得る。エンジンは、一般的に、部分負荷での運転時に比べて全負荷での運転時の方がより効率的であるので、これは、運転のバックアップエネルギー発生フェーズにおける効率の問題を取り入れることができる。
【００７０】
かかる問題に対処するための一つの方法は、システム２００を、図６に示すようなバックアップエネルギー生成及び再充填モードで動作させることである。当該バックアップエネルギー生成及び再充填モードでは、分割サイクルエンジン２０２は、大気から供給される空気と天然ガスやバイオガスなどの可燃性燃料とを使用して、ＦＣモードで動作するように制御される。これは、図５のバックアップエネルギー発生モードで使用されているＮＦモードとは対照的である。ＦＣモードでは、エンジン２０２の圧縮側によって圧縮された空気が空気貯留タンク２０４に貯留され、それによって圧縮空気の供給を再充填している。同時に、エンジン２０２の出力は、電力網２０６に電力を供給するために発電機２１４を駆動している。図６の動作モードを使用することで、当該分割サイクルエンジン２０２は、需要負荷を超えるエネルギーが全て、後の使用のために空気貯留タンク２０４内に空気を圧縮すべく代わりに使用されている状態で、動作のバックアップエネルギー生成フェーズ中に全負荷で動作させることができる。換言すると、分割サイクルエンジン２０２がバックアップ発電機として動作しているときは、それは、まだ、取付けられた負荷の電力需要を満たすために出力エネルギーの一部を使用し、且つ空気貯留タンク２０４を再充填するために出力エネルギーの残りの部分を使用して、全負荷で動作することができる。当該エンジン２０２は、このように、取付けられた負荷の電力需要がエンジン２０２の最大出力よりも小さい場合であっても、全負荷で高効率に動作できる。いくつかの実施形態において、システム２００は、空気貯留タンク２０４を繰り返しに排出及び充満するために、図４のエネルギー変換モードと図６のバックアップエネルギー生成及び再充填モードとの間を連続的に交番することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、エネルギー蓄積モードで使用される電動モータ２０８、及びエネルギー変換、バックアップエネルギー生成、及びバックアップエネルギー生成及び再充填モードで使用される発電機２１４は、同一の物理的な構成要素である。他の実施形態では、モータ２０８及び発電機２１４は、システム２００の別個の物理的な構成要素である。
【００７２】
幾つかの実施形態では、分割サイクルエンジン２０２を複数設けることができ、それぞれがシステム内の特定の機能を実行する。他の実施形態では、システム２００の動作モードの全てを実行する単一の分割サイクルエンジン２０２が提供されてもよい。これは、３つの機能が単一の機械（分割サイクルエンジン２０２）に統合されることを有利にも可能することができる。特に、エネルギー蓄積モードで必要な圧縮機の機能、エネルギー変換モードで必要な膨張機の機能、及びバックアップエネルギー生成モードで必要な発生の機能が全て、同じ分割サイクルエンジン２０２によって実行され得る。貯留及び変換の機能のためのタービンの別個のセットのみならず、バックアップ機能のための別個の発電機を必要とする従来のＣＡＥＳシステムとは対照的に、図２-６のシステム２００は、これらの各機能が、単一の小さくて廉価なパッケージで実施されることを可能にする。例示的な実施形態では、時間当たり１メガワットの電力を生成することが可能なシステムは、約１０メートル×５メートル×５メートル未満である設置箇所にパッケージすることができる。同じ出力容量を持つ伝統的なＣＡＥＳシステムは、はるかに大きな設置箇所を必要とする。
【００７３】
シミュレーション
図７乃至１０は、分割サイクルエンジンベースのＣＡＥＳシステムのため、様々な設計パラメータのマグニチュード推定法の大まかな順序から、シミュレーションデータを示す図である。ガソリン「スカデリ空気ハイブリッド分割サイクルエンジン」のためのエンジンマップを使用して、エンジンの排気量は、ＡＥＦモードでの全負荷での動作時に、時間当り１メガワットのインストール電力を達成すべく量られた。それは、わずか約２２バールのブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）（類似の天然ガスエンジンは、約３２バールのＢＭＥＰを実現することができる）を想定し、且つより大きなシリンダーボアから生じる効率向上を考慮していないので、２気筒エンジンについての７０リットルの結果の排気量は、保守的な推定値である。従って、天然ガスエンジンを使用すると、排気量はより小さく、例えば、約５０リットルにすることができる。シミュレーションでは、電動モータ/発電機は９４％の効率を有しており、エンジン速度は２０００rpmであると仮定された。いくつかの実施形態では、エンジン速度はより高い又はより低く、例えば、約１０００rpmであってもよい。また、分割サイクルエンジンについての全負荷ＢＭＥＰは、２２.２バール（ＮＦモードの場合）、９.１バール（ＡＥモードの場合）、１２.２バール（ＡＥＦモードの場合）、及び-５.３バール（ＡＣモードの場合）であると仮定した。
【００７４】
時間当り１メガワットのインストール電力を生成するのに必要な空気貯留タンクのサイズは、次に、当該分割サイクルエンジンがエネルギー変換フェーズ中にＡＥモードで動作しているシナリオ、及び当該分割サイクルエンジンがエネルギー変換フェーズ中にＡＥＦモードで動作しているシナリオにについて決定された。
【００７５】
図７に示すように、エネルギー変換のためにＡＥモードのみが使用されるシステムは、約１８００立方メートルの容積を有する空気貯留タンクを必要とする。２.２５メートルのタンク直径を仮定すると、これは、各々が１０メートルの長さで、４５個のタンクを必要とするであろう。図８に示すように、この同じシステムは、ＡＣモードを使用して、空気供給タンクを再充填するのに１３時間４０分を必要とするであろう。
【００７６】
図９に示すように、エネルギー変換のためにＡＥＦモードが使用されるシステムは、約１３１.４立方メートルの容積を有する空気貯留タンクのみを必要とし、より実用的である。２.２５メートルのタンク直径を仮定すると、これは、各々が長さ１０メートルで４つだけのタンクを必要とする。図１０に示すように、この同じシステムは、ＡＣモードを使用して空気供給タンクを再充填するのに、４８分のみを必要とする。
【００７７】
シミュレーション結果は、本発明の一実施形態による１メガワット時ＣＡＥＳシステムは、従来のＣＡＥＳシステムのために必要とされるものと比較して、小さい設置箇所に構成することができることを示している。
【００７８】
気筒休止
上述のＣＡＥＳシステムで使用される分割サイクルエンジンは、一つ以上のシリンダが非活性化又はオフロードされたいくつかの空気ハイブリッドモードで動作することができる。例えば、膨張シリンダーは、典型的には、ＡＣモードで動作している間にオフロードされ、そして圧縮シリンダーは、典型的には、ＡＥ及びＡＥＦのモードで動作している間にオフロードされる。いくつかの実施形態では、圧縮シリンダーは、エンジンサイクル全体を通じて、吸気バルブを開いているか閉じているかに保持することによりオフロードさせることができる。同様に、膨張シリンダーは、エンジンサイクル全体を通じて、排気バルブを開いているか閉じているかに保持することによりオフロードさせることができる。これらの技術は、シリンダーをオフロードさせるのに有効であるが、ピストンと周囲のシリンダー壁との間に作用する摩擦力のせいで、オフロードされているシリンダー内でいくらかの効率は依然として失われる。
【００７９】
図１１は、一つ以上のピストンが選択的にエンジンの回転アセンブリから分離されることを許容し、それによって、同時に他の方法で生じるであろう摩擦抵抗と効率の損失を排除しながらシリンダーをオフロードさせる、分割サイクルエンジンで使用するための気筒休止システム３００の例示的な一実施形態を示している。いくつかの実施形態では、ＣＡＥＳシステムで使用される分割サイクルエンジンは、静止しており、例えば、自動車の分割サイクルエンジンと同じ有用性の考慮の対象とはならない。従って、一つ以上のピストンを連結解除するための完全な停止をエンジンにもたらすことが許容可能である。また、エンジンが回転し続けながら（すなわち、エンジンを停止せずに）、ピストンを切り離すことができることも理解されるであろう。
【００８０】
図１１に示すように、気筒休止システム３００は、圧縮ピストン（図示せず）が連結されるクランクスロー３０４を有する第１のクランクシャフト３０２含んでいる。当該第１のクランクシャフト３０２は、クラッチ３０８を介して第１プーリシャフト３０６に選択的に連結される。第１のプーリシャフト３０６は、第１のプーリ３１０を含んでいる。
【００８１】
当該システム３００はまた、膨張ピストン（図示せず）が連結されるクランクスロー３１４を有する第２のクランクシャフト３１２を含んでいる。当該第２のクランクシャフト３１２は、クラッチ３１８を介して第２プーリシャフト３１６に選択的に連結される。第２のプーリシャフト３１６は、第２のプーリ３２０を含んでいる。
【００８２】
システム３００はまた、一端に取り付けられた出力シャフトプーリ３２４を有する出力シャフト３２２を含む。出力シャフト３２２の他端は、電動モータ２０８の出力シャフト又は発電機２１４の入力軸のような、ＣＡＥＳシステムの他の構成要素に結合されてもよい。第１のプーリ３１０、第２プーリ３２０、及び出力シャフトプーリ３２４は、前記プーリのいずれかの回転が他のプーリの回転を引き起こすように、リンケージ３２６（例えば、ベルト又はチェーン）によって連繋されている。プーリ３１０、３２０、３２４のそれぞれは、同じ直径を有することができ、又はそれらは、一方のプーリの回転が他に変換される程度を量るべく変化する直径を有してもよい。
【００８３】
例えば、動作のＡＥ又はＡＥＦモード時には、第１のクランクシャフト３０２及び圧縮ピストンをエンジンの回転アセンブリの残りの部分から分離するために、当該クラッチ３０８が作動されてもよい。これは、圧縮ピストンと第１のクランクシャフト３０２が静止したままに留まるのを許容し、圧縮ピストンと圧縮シリンダ−との間の摩擦によって導入される効率損失を回避する。一方、第２のクランクシャフト３１２と膨張ピストンは、エンジンの出力シャフト３２２に連結されたままである。
【００８４】
例えば、動作のＡＣモード中には、第２のクランクシャフト３１２と膨張ピストンをエンジンの回転アセンブリの残りの部分から分離するために、クラッチ３１８が作動されてもよい。これは、膨張ピストンと第２のクランクシャフト３１２が静止したままに留まることを許容し、膨張ピストンと膨張シリンダーとの間の摩擦によって導入される効率損失を回避する。一方、第１クランクシャフト３０２と圧縮ピストンは、エンジンの出力シャフト３２２に連結されたままである。
【００８５】
したがって、図１１の気筒休止システム３００は、ＣＡＥＳシステムと共に使用される分割サイクルエンジンでの、より効率的な気筒のオフロードを許容することができることが理解されるであろう。
【００８６】
空気膨張機
図１２は、図４に関して上述したエネルギー変換モードで使用することができる、専用の空気膨張機４００の例示的な実施形態を示す。上述のシステムによって提供される主要な効率向上の一つは、圧縮空気として蓄積されたエネルギーを、動作のＡＥＦモードを使用して電気に変換する能力である。図１２の膨張機４００は、オフロードされた圧縮シリンダーによってもたらされる効率ドレンや気筒休止システムによってもたらされる追加的な複雑さ無しに、この動作のＡＥＦモードを可能にする。
【００８７】
図示のように、膨張機４００は、往復可能にその中に配置された膨張ピストン４０４を有する膨張シリンダー４０２を含んでいる。コネクティングロッド４０６が、膨張ピストン４０４をクランクシャフト軸線４１０を中心に回転するクランクシャフト４０８に連結している。膨張シリンダー４０２の上部は、燃料インジェクター４１８及び点火プラグ４２０と共に、その中に配置された吸気バルブ４１４と排気バルブ４１６を有するシリンダヘッド４１２によって閉じられている。吸気バルブ４１４は、空気貯留タンク４２２と膨張シリンダー４０２との間の流体連通を制御し、及び排気バルブ４１６は、膨張シリンダー４０２と排気通路４２４との間の流体連通を制御する。
【００８８】
動作においては、空気貯留タンク４２２に貯留された圧縮空気が、膨張ピストンが上死点に達するとき、吸気バルブ４１４を介して膨張シリンダー４０２に供給される。燃料インジェクター４１８は、その後、膨張シリンダー４０２内の圧縮空気充填物に燃料を加えるべく作動され、そして、点火プラグ４２０が、膨張ピストン４０４が上死点に達した直後に空気‐燃料混合気を着火させるべく点火される。その結果としての燃焼は、動力行程において膨張ピストン４０４を下方に駆動し、クランクシャフト４０８をクランクシャフト軸４１０の回りに回転させる。膨張ピストン４０４が下死点に到達してシリンダー４０２内で上昇を開始した後、排気バルブ４１６は、燃焼生成物が排気行程で上昇する膨張ピストン４０４によってシリンダー４０２から排出されるべく開かれる。排気バルブ４１６は、ピストン４０４が上死点に達する直前、及び次のサイクルで吸気バルブ４０４が開かれる前に閉じられる。動力（又は「膨張」）行程と排気行程のこのサイクルが、その後、繰り返される。
【００８９】
図１２の空気膨張機４００は、このように、ＡＥＦモード動作する能力を有し、最小限の複雑さと効率損失を有するシステムを提供している。上述した空気膨張機の構造及び機能は単なる例示であり、本発明の範囲内で多くの変形が可能であることが理解されるであろう。例えば、本出願の背景技術の項、及び参照によりここに組み込まれた開示における分割サイクルエンジンに関して説明された変形のいずれも、空気膨張機４００に適用することができる。
【００９０】
図示の空気膨張機４００は、上に開示されたようなＣＡＥＳシステムにおける用途を有するが、他の様々な状況においても用いられ得る。例えば、空気膨張機４００は、圧縮空気のタンクと共に、芝刈り機、ゴルフカート、造園トリマー、除雪機、又は内燃機関で駆動することができる、他の多様な機械のいずれをも動力付けるために使用することができる。このような用途では、圧縮空気のタンクは、例えば、スタンドアロンの空気圧縮機を介して、機械の使用の間に再充填されてもよい。
【００９１】
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、多くの変更が記載された発明の概念の精神及び範囲内でなされ得ることが理解されるべきである。従って、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、それは以下の特許請求の範囲の言語によって定義さ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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【国際調査報告】
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