(57)【要約】本発明は空気圧ピストンエンジンの運転方法と構成に関する。前記空気圧ピストンエンジン（１）は、クランク（４）を経てクランクシャフト（５）に運動結合されたピストン（３）を内蔵したシリンダ（２）と、圧縮エア供給手段（７）および圧縮エア排出手段（８）を備えた作動チャンバ（６）とを含んでいる。圧縮エアの供給開始は、エンジン速度に応じ、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内の領域にピストン（３）がある間に実現され、供給終了は、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内の領域にピストン（３）がある間に実現される。エンジン速度が２．１２ｓ-1の特別なケースにおいて、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点前２°の位置にピストン（３）があるときに圧縮エア供給が開始され、ピストン（３）が上死点後５°の位置にあるときに圧縮エア供給が終了する場合に、最適な運転態様が達成される。本発明は燃料消費率をほぼ５〜６の率で低下させると同時にピストン比出力の向上を実現する。
2004534173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧ピストンエンジンのシリンダ（２）の作動チャンバ（６）への圧縮エア供給とピストン（３）が下死点領域にある間の作動チャンバ（６）からの後続のエア排出とを含む空気圧ピストンエンジン（１）の運転方法において、エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に圧縮エアの供給開始が実現され、前記クランクシャフトの前記クランクの回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に供給終了が実現されることを特徴とする、空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項２】
前記方法は付加的に少なくとも１つの後続する空気圧ピストンエンジンの運転段階を含んでおり、こうして多段階空気圧ピストンエンジン（１０）の運転方法を形成するものであって、該運転方法において、
−  先行段階のピストン（１６）のパワーストローク中に、該ピストンがまだ下死点領域に達していない間に、各先行段階の作動チャンバ（１４）から後続段階の作動チャンバ（２１）へのエアの流入が実現され、
−  前記後続段階のうちの最終段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、パワーストローク中に、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に実現され、
−  各後続段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、ピストン（２２）が下死点領域にある間に実現されることを特徴とする、請求項１に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項３】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、大気中へと行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項４】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、エアの再利用を可能とする形で行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項５】
前記エンジン（１，１０）の運転が、前記シリンダへの圧縮エアの両側供給方式によって実現されることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項６】
作動流体として圧縮エアを使用し、クランク（４）を経てクランクシャフト（５）に運動結合されているピストン（３）を内蔵した１本のシリンダ（２）と、１個の圧縮エア供給手段（７）ならびにピストン（３）が下死点領域にある間にエアを排出する１個のエア排出手段（８）を備えた１つの作動チャンバ（６）とを含んだ空気圧ピストンエンジン（１）において、前記の圧縮エア供給手段（７）が、エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に供給を開始する能力と、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に圧縮エア供給を終了する能力とを備えて構成されることを特徴とする、空気圧ピストンエンジン。
【請求項７】
少なくとも１本の順次連結された付加的なシリンダ（１２）を含み、こうして多段階エンジン（１０）を形成する空気圧ピストンエンジンであって、該エンジンにおいて、
−  前記付加シリンダ（１２）が、クランク（２７）を経てクランクシャフト（２８）に運動結合されたピストン（２２）と、ピストン（２２）が下死点領域にある間にエアを排出するエア排出手段（２９）を備えた作動チャンバ（２１）とを含み、
−  前記多段階エンジン（１０）の各先行シリンダ（１１）が、前記先行シリンダのピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に、前記先行シリンダの作動チャンバ（１４）から後続付加シリンダ（１２）の作動チャンバ（２１）へエアを流出させる手段を有し、
−  一連の付加シリンダのうちの最後のシリンダ（１２）が、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間にエアを排出するための手段（２３）を有し、
−  すべてのシリンダ（１１，１２）のピストン（１６，２２）が１本の共通のクランクシャフト（２８）に運動結合されていることを特徴とする、請求項６に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項８】
前記シリンダ（１１，１２）のうちの少なくとも一方において、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間にエアを排出するための前記エア排出手段（１５，２９）が、排出されたエアを再利用し得るように構成されていることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項９】
前記先行シリンダ（１１）の前記作動チャンバ（１４）から前記後続付加シリンダ（１２）の前記作動チャンバ（２１）へエアを流入させる前記手段が内部に逆止め弁（１８）を備えたバイパス路（１７）として実現されており、バイパス路（１７）の入口が先行シリンダ（１１）の作動チャンバのバイパス口（１９）と連結され、前記バイパス口（１９）がピストン（１６）の下死点領域上方に配置され、バイパス路（１７）の出口が付加シリンダ（１２）の作動チャンバの流入口（２０）と連結されていることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項１０】
請求項６から請求項９までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンと圧縮エア源とを含んでいることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方法を実現するためのパワープラント。
【請求項１１】
空気圧ピストンエンジンで発生させられた出力の一部が圧縮エア源の駆動装置に供給されることを特徴とする、請求項１０に記載のパワープラント。
【請求項１２】
請求項７から請求項９までのいずれかに記載の多段階空気圧ピストンエンジンを含み、該エンジンにおいて、各後続シリンダの内径と該シリンダのピストンの直径とが先行シリンダの場合のそれらよりも大きく形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方法を実現するためのパワープラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械工業分野、特にエンジン製造、すなわち空気圧ピストンエンジン（Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ（ＰＰＥ））分野に関する。本発明は、輸送において、動力駆動および動力発生に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
高い動力消費が、現今の輸送の主たる問題である。こうした理由から、輸送技術分野の専門家は、最新の要件に適合した速度を実現すると同時にエンジンのピストン比出力の向上と燃料消費率の低減を図るという課題に直面している。
【０００３】
内燃機関（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ（ＩＣＥ））は、現今の輸送のエンジンの大半を形成している。輸送速度の向上にはエンジン出力密度の向上が必要である。ただし、現今の各種内燃機関ＩＣＥにおけるエンジン出力密度の引き上げは、エンジンの信頼性の低さと耐久寿命の短さのみならず、エンジン作動チャンバ内の高温とそれから生ずる熱応力とによっても妨げられている。内燃機関ＩＣＥのその他の短所のうちの一つは、エンジン作動チャンバ用に燃料供給システム、冷却システムおよびターボチャージャシステムが必要とされるその複雑な構造にあるといえよう。
【０００４】
主エンジンとして内燃機関ＩＣＥ（ディーゼルエンジン）を使用した舶用推進システムの重大な限界は、船舶動力装置が故障すると主エンジン（ディーゼルエンジン）が停止するということである。これは船舶の遭難の原因となり得、それゆえに、内燃機関ＩＣＥの信頼性は船舶残存力の要因である。鉄道輸送についても、発電機の故障が列車の非常停止を意味することからして、内燃機関ＩＣＥの役割は同様に重要である。
【０００５】
空気圧ピストンエンジン（ＰＰＥ）は、オートメーションにおける制御・実行ユニット、車両のエンジンブレーキ、鉱業分野の各種鉱業機械用およびコンベア用の駆動装置として使用されている。各種ＰＰＥエンジンは環境負荷の面から見てクリーンであるが、それらの効率の低さが輸送ならびに動力発生分野におけるそれらの利用の障害となっている。
【０００６】
空気圧ピストンエンジンの性能ならびに効率を向上させる下記のような種々の方法が公知である：
−  発明者証ＳＵ１５５３７３１号（１９９０年）による、圧縮エアへの燃料の添加と作動チャンバ内ピストン上部空間での混合気の燃焼。
−  発明者証ＳＵ１７８３１２７号（１９９２年）による、推進システムにおける、液体空気の使用；液体空気の蒸発、加熱および熱の回収。
【０００７】
しかしながら、これらのよく知られた方法によっても、ＰＰＥエンジン出力の本質的な向上と同時に効率の付与、すなわち同時的な燃料消費の低減を実現することはできない。
【０００８】
本発明に最も近いものは発明者証ＳＵ６６３８５８号（１９７９年）による空気圧ピストンエンジンの運転方法と空気圧ピストンエンジンの構成であり、これは、エンジン作動チャンバへの圧縮エアの供給と、続いての、ピストンが下死点Ｂｏｔｔｏｍ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ（ＢＤＣ）領域にある間の、作動チャンバからの圧縮エア残の排出とを含んでいる。この公知の方法において、作動チャンバへの圧縮エアの供給は、ピストンが上死点Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ（ＴＤＣ）領域にあるときに開始し、ピストンが下死点領域にあるときに終了する。効率向上のため、エンジン作動チャンバへの圧縮エアの供給前に、３〜４％の水素・酸素混合気がエアに添加され、こうして得られた混合気が触媒酸化チャンバを通過させられる。ここでエア温度は１７０〜２２０℃に上昇し、その結果、エア体積は１．６〜１．８倍に膨張する。これにより、エンジンのピストン比出力を不変としたままでエア消費と管路断面積を相対的に減少させるか、又は、エア消費を高めることなくピストン比出力を向上させることができる。しかしながら、これによっても、最新の輸送・推進システムに要される高出力を達成すると同時に効率を付与することはできない。
【特許文献１】
発明者証ＳＵ１５５３７３１号（１９９０年）
【特許文献２】
発明者証ＳＵ１７８３１２７号（１９９２年）
【特許文献３】
発明者証ＳＵ６６３８５８号（１９７９年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の点に鑑み、本発明の目的は、高出力と共に高運転効率を実現する、すなわちＰＰＥエンジンのピストン比出力を向上させると同時に燃料消費率を低減させるＰＰＥエンジンの運転方法を創作することである。本発明のもう一つの目的は、新しい運転方法の実現を可能にする新しいＰＰＥエンジンを創作することである。また、前記の方法を実現するための空気圧ピストンエンジンを含んだ新しいパワープラントを創作することも、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的は、本発明により、シリンダ作動チャンバへの圧縮エアの供給と、ピストンが下死点領域にある間の、作動チャンバからの後続のエアの排出とを含む空気圧ピストンエンジンの運転方法によって達成され、該運転方法において、
−  圧縮エアの供給は、エンジン速度に応じ、ピストン（３）がクランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内の涼気にある間に開始し、
−  圧縮エアの供給は、ピストン（３）がクランクシャフトのクランクの回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内の領域にある間に終了する。
【００１１】
この場合、達成さるべき効率の点から見て、圧縮エアは短時間パルス式供給されるのが好適である。
【００１２】
本発明の目的の達成を明らかにするため、ＰＰＥエンジンで発生させられる表示出力（ＮiE）とＰＰＥエンジン運転に要される圧縮エアを発生させるエアコンプレッサに供給される表示出力（ＮiC）との比較計算が行われた。この場合、エアコンプレッサは内燃機関ＩＣＥで駆動されることが考慮されている。エンジンパラメータならびに寸法諸元が同一の本発明によるＰＰＥエンジンと公知のＰＰＥエンジンとに関して、エンジン速度が２．１２ｓ-1に等しくかつピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ前２°の位置にあるときに圧縮エアの供給が開始される特別なケースについて、計算が行われた。本発明によるＰＰＥエンジンについては、以下の２種のエンジン運転態様について計算が行われた：
−  第一の運転態様：  ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後５°の位置にある間に圧縮エア供給が終了するケース、および
−  第二の運転態様：  ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後９０°の位置にある間に圧縮エア供給が終了するケース。
公知のＰＰＥエンジンに関しては、ピストンが下死点ＢＤＣ領域にある間に圧縮エア供給が終了する運転態様について計算が行われた。
ＰＰＥエンジンとエアコンプレッサに関する出力計算は以下に記載してある（「計算」の項、参照）。
【００１３】
近似計算の結果、ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後５°の位置にある間に圧縮エア供給手段が閉鎖するケースでは、本発明によるＰＰＥエンジンで６６３０ｋＷの出力を得るために、ＰＰＥエンジンに圧縮エアを供給するエアコンプレッサにはほぼ１１０８ｋＷの出力が供給されること、すなわち、このケースでは燃料消費率はコンプレッサの駆動装置として使用される内燃機関ＩＣＥに比較して、すなわちいずれの内燃機関ＩＣＥと比較しても、ほぼ６の率で減少することが明らかとなった（「計算」の項、参照）。
他方、ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後９０°の位置にある間に圧縮エア供給手段が閉鎖するときには、本発明によるＰＰＥエンジンで１７００２ｋＷの出力を得るために、ＰＰＥエンジンに圧縮エアを供給するエアコンプレッサにはほぼ８５１６ｋＷの出力が供給されることとなり、すなわち、このケースでは、燃料消費率は、内燃機関ＩＣＥに比較してほぼ２の率で減少する（「計算」の項、参照）。
【００１４】
公知のＰＰＥエンジンにおいては、エンジン速度が２．１２ｓ-1で、公知の運転方法による場合、下死点ＢＤＣ領域で圧縮エア供給手段が閉鎖するとき、空気圧エンジンで発生させられる出力は２５４８３ｋＷに等しく、それにもかかわらず、エアコンプレッサにはほぼ同じ２５５４８ｋＷの出力が供給されるという点に注目すべきである。したがって、公知のＰＰＥエンジン運転方法を使用する場合には、燃料消費率の低減効果は、内燃機関ＩＣＥに比較してゼロに等しい（「計算」の項、参照）。
【００１５】
それゆえ、エンジン速度が２．１２ｓ-1で、本発明による方法で運転されるＰＰＥエンジンの場合、好適な運転態様は、ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後５°の位置にある間に圧縮エア供給手段が閉鎖する、短時間（パルス式）圧縮エア供給である。計算結果が明らかにしているところによれば、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後９０°を超える領域にピストンがある間に本発明によるＰＰＥエンジンの作動チャンバ給気を終了することは不適である。
【００１６】
総じて、本発明は、好適な技術的効果の達成、すなわち、公知の背景技術に比較して、エンジン軸回転エネルギーへの圧縮エアエネルギーの転換効率の向上を実現する。本発明によるＰＰＥエンジンの使用により、燃料消費率が低下すると共にＰＰＥエンジンに供給される圧縮エア圧力を顕著に向上させることが可能になることから、同一のエンジンパラメータを有した背景技術から公知のＰＰＥエンジンに比較して、ＰＰＥエンジン比出力の著しい向上が生じる。
【００１７】
したがって、本発明は、エンジン運転効率の向上を実現する空気圧ピストンエンジンの新しい運転方法と空気圧ピストンエンジンの構成を創作するという課題を解決する。
【００１８】
本発明の説明においては、圧縮エアの短時間供給の利点はエンジン速度２．１２ｓ-1の場合について明確に示されているが、これはその他のエンジン速度時の本発明によるＰＰＥエンジンについても同じく当てはまる。その場合、圧縮エア供給に関する好適な条件は、本発明の各請求項の範囲内で、エンジン速度に応じて相違するものである。
【００１９】
空気圧エンジンにおいては、内燃機関ＩＣＥとは反対に、熱応力が生じないことが知られており、この点から、ＰＰＥエンジンの作動チャンバに供給される圧縮エアの圧力を、エンジン材料の強度範囲内で、内燃機関ＩＣＥと同程度もしくはそれ以上にまで、大幅に高めることができる。
【００２０】
圧縮エアの高いポテンシャルエネルギーを利用するためのさらに好適な方法は、本発明による空気圧ピストンエンジン運転方法において、付加的なさらに少なくとも１つの後続する空気圧ピストンエンジン運転段階を含む多段階運転方法を形成する方法であり、この場合、
−  先行段階のピストンのパワーストローク中に、該ピストンがまだ下死点領域に達していない間のピストン位置において、各先行段階の作動チャンバから後続段階の作動チャンバへのエアの流入が実現され、
−  後続段階のうちの最終段階の作動チャンバからのエアの排出は、当該ピストンのパワーストローク中に、該ピストンがまだ下死点領域に達していない間のピストン位置において実現され、
−  各後続段階の作動チャンバからのエアの排出は、当該ピストンが下死点領域にある間に実現される。
【００２１】
前記のエア流入により、ピストン行程の長さを大幅に延長することなく、圧縮エアの高いポテンシャルエネルギーを利用することが可能になるが、これはエンジン寸法が限られている場合にきわめて重要な事柄である。
【００２２】
本発明によるエンジンのいずれの段階の作動チャンバからも、当該ピストンが下死点領域にある間にエアを直接大気中に排出することが有用である。これによってピストンの自由なバックストロークが可能となる。
【００２３】
この場合、本発明によるエンジンにおいて、ピストンが下死点領域にある間の各段階の作動チャンバからのエア排出をエアの再利用を可能とする形で行うのがさらに好適である。これによりＰＰＥエンジン運転のエネルギーロスが減少する。
【００２４】
この場合、本発明によるＰＰＥエンジンの運転方法をシリンダへの圧縮エアの両側供給方式として実現するのがさらに有用である。
【００２５】
本発明による空気圧ピストンエンジンの運転方法を実現するため、作動流体として圧縮エア（ガス）を使用し、クランクを経てクランクシャフトに運動結合されているピストンを内蔵した１本のシリンダと、１個の圧縮エア供給手段ならびにピストンが下死点ＢＤＣ領域にある間にエアを排出する１個のエア排出手段を備えた１つの作動チャンバとを含んだ空気圧ピストンエンジンにおいて、前記の圧縮エア供給手段は、エンジン速度に応じ、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ前４０°から上死点ＴＤＣ後２５°までの範囲内の領域にピストンがある間に供給を開始する能力と、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点ＴＤＣ後０°から９０°までの範囲内の領域にピストンがある間に圧縮エア供給を終了する能力とを備えて構成されている。
【００２６】
さらに好適なエンジンは、少なくとも１本の順次連結された付加的なシリンダを含み、こうして多段階エンジンを形成する、本発明による空気圧ピストンエンジンであり、該エンジンにおいて、
−  付加シリンダは、クランクを経てクランクシャフトに運動結合されたピストンと、該ピストンが下死点ＢＤＣ領域にある間にエアを排出するエア排出手段を備えた作動チャンバとを含み、
−  多段階ＰＰＥエンジンの各先行シリンダは後続付加シリンダの作動チャンバにエアを流出させる手段を有し、一連の付加シリンダのうちの最後のシリンダはエア排出手段を有しており、前記の双方の手段は、当該シリンダのピストンがまだ下死点ＢＤＣ領域に達していない位置にある間に作用する能力を備えて構成され、
−  すべてのシリンダのピストンは１本の共通のクランクシャフトに運動結合されている。
【００２７】
本発明による空気圧ピストンエンジンにおいて、多段階エンジンの少なくとも１本のシリンダにつき、ピストンが下死点ＢＤＣ領域にあるときにエアを排出する手段は排出されたエアを再利用し得るように構成されているのが好適である。
【００２８】
本発明による空気圧ピストンエンジンにおいて、先行シリンダの作動チャンバから後続する付加シリンダの作動チャンバへエアを流入させる前記手段は、内部に逆止め弁を備えたバイパス路として形成されることができ、その際、該バイパス路の流入口は先行シリンダの作動チャンバのバイパス口と連結され、このバイパス口はピストンの下死点領域上方に配置され、該バイパス路の出口は、後続する付加シリンダの作動チャンバの流入口と連結されることとなる。
【００２９】
本発明による方法の実現を意図したパワープラントは、本発明による空気圧ピストンエンジンと圧縮エア源とを含んでいるのが好適である。これにより、ＰＰＥエンジンをベースとしたシステムにおいて、高い出力の実現と同時に低い燃料消費率を達成することが可能である。
【００３０】
この場合、本発明によるパワープラントにおいて、空気圧ピストンエンジンで発生させられる出力の一部は、圧縮エア源の駆動装置に直接向けられるのが好適である。
【００３１】
この場合、本発明による方法の実現を意図したパワープラントは、本発明による多段階空気圧ピストンエンジンを含み、その際、各後続シリンダの内径とそれらのピストンの直径とが先行シリンダの場合のそれらよりも大きく形成されているのも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面および線図を参照して、本発明を詳細に説明するものとする。
図１は、本発明による、一段階片側供給式ＰＰＥエンジンの構造を概略的に示した図である。
図２は、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後５°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
図３は、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後９０°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
図４は、ピストンが上死点領域にある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、公知のＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である（比較用）。
図５は、本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるパワーストロークとを概略的に示した図である。
図６は、本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるバックストロークとを概略的に示した図である。
図７は、内燃機関ＩＣＥ運転の、インジケータ線図である（比較用）。
【００３３】
図２、図３、図４に示したインジケータ線図は、エンジン速度２．１２ｓ-1の特定の場合に関するＰＰＥエンジン運転を示したものである。ただし原理的にいって、各線図に示したような、本発明によるＰＰＥエンジンの運転メカニズムは、その他のエンジン速度に関するＰＰＥエンジン運転についても当てはまる。
【００３４】
（発明の実施態様）
（一段階ＰＰＥエンジンの説明）
図１に示した一段階片側供給式空気圧ピストンエンジンは、以下の構造要素から成っている：  １−ＰＰＥエンジン、２−シリンダ、３−ピストン、４−クランク、５−クランクシャフト、６−作動チャンバ（上部シリンダ空間）、７−圧縮エア供給手段（吸気弁）、８−エア排出手段（排気弁）、９−下部シリンダ空間。
【００３５】
図１に示したＰＰＥエンジンは、クランク４を経てクランクシャフト５に運動結合されたピストン３を含むシリンダ２と、作動チャンバ６（上部シリンダ空間）とから成っている。作動チャンバ６は、吸気弁として形成された、作動チャンバに圧縮エアを供給するための手段７と、排気弁として形成された、ピストンが下死点領域にある間にエアの排出を行うための手段８とを有している。下部シリンダ空間９は外気とつながっている。圧縮エア供給手段７は外部の圧縮エア源と連結されていてよい。
【００３６】
本発明による装置は以下のように運転される。
【００３７】
図２と図３に示したインジケータ線図によって、ＰＰＥエンジンの運転が具体的に示されている。これらの線図は、クランクシャフト５のクランク４の回転角（(°）で見たピストン３の位置に応じた、エンジン１のシリンダ２内における圧縮エア（ガス）の圧力（ｐ）の変化を表したものである。
【００３８】
ＰＰＥエンジン１（エンジン速度が２．１２ｓ-1の場合）において、作動チャンバへの圧力ｐmaxの圧縮エアの供給は、ピストン３がクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点前２°の位置（図２および図３における点ａ）にあるときに作動チャンバへの圧縮エア供給手段７が開放し始める時点までに開始する。この時点までに、エア排出手段８は完全に閉じている。ピストン３がクランクシャフト５のクランク４の回転角で見て上死点後５°に対応する位置に到達する時点までに、チャンバ内圧力は値ｐmax（図２および図３の点ｂ）に達する。ピストンのパワーストロークが開始する。
【００３９】
本発明によるＰＰＥエンジンの第一の好適な運転態様において(図２)、作動チャンバ内圧力がクランクシャフト５のクランク４の回転角で見て上死点後５°のピストン位置に対応する値ｐmaxに到達する時点までに、圧縮エア供給手段７は閉鎖し、圧縮エアの供給は停止する。ピストン３は下降しながら仕事を行い、ピストンのパワーストロークが進行する。ピストン３が下死点領域を通過する間に、チャンバ内圧力が若干気圧（１．５〜３ａｔｍ）の値に下降すると、大気へのエア排出手段８が開放し（点ｃ）、作動チャンバ内圧力が大気圧ｐatmに等しい値まで下降し（点ｄ）、ピストン３は自由に上昇する。ピストンの自由なバックストロークが行われる（区間ｄ−ａ）。ピストン３が図２の点ａに対応する位置に接近する時点までに、エア排出手段８は再び閉鎖し、圧縮エア供給手段７が開放し始め、エンジンの作動サイクルが反復される。圧縮エアの供給中、ピストンはほぼ７°のクランクシャフトのクランク回転角度に相当する距離を移動する。したがって、この運転態様の場合において、エンジンの作動チャンバに対する圧縮エアの供給はピストン行程の極めて短い一部（区間ａ−ｂ）において、いわゆる「パルスモード」にて行われる。
【００４０】
本発明によるＰＰＥエンジン運転の第二の変形実施態様（図３）の場合において、圧縮エアｐmaxの供給手段７は、ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後９０°の位置（点ｂ’）にあるときに閉鎖する。この時までにピストンはピストン行程の半分に等しい距離（区間ｂ−ｂ’）を移動する。またエア排出は下死点（点ｃ）領域で行われ、チャンバ内圧力は大気圧まで下降し（点ｄ）、ピストンの自由なバックストロークが行われる（区間ｄ−ａ）。
【００４１】
比較のため、背景技術から公知の方法によるＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図を示してあるが、この場合、圧縮エアｐmaxの供給はピストンのパワーストローク全体にわたって行われ、下死点（図４の点ｃ）領域で終了する。圧縮エア供給周期の全体にわたって作動チャンバ内の圧力はｐmaxのレベルに保たれる。インジケータ線図の面積は、１作業サイクル中にエンジンシリンダ内で圧縮エアによって生み出された仕事を表している（面積が大きくなればなるほど、シリンダ内で生み出されるパワーはそれだけ大きい）。図２から、好適な態様の場合における本発明によるエンジン運転のインジケータ線図の面積は、背景技術から公知の方法によるエンジン運転の場合（図４）に比較して、その３．８４の率で小さいことが見てとれる。この場合、エンジンシリンダ内で生み出されるパワーは、公知のＰＰＥエンジンの場合に比較して、その３．８４の率で小さい。図３と図４に示した線図の比較から、本発明によるＰＰＥエンジンの第二の運転態様によってシリンダ内で生み出されるパワーが、公知のＰＰＥエンジン運転態様の場合に比較して、１．５の率で小さいことが明らかである。
【００４２】
したがって、本発明によるＰＰＥエンジンの場合、各請求項によって明記されたエンジン運転サイクルの範囲内で、所望の結果に応じて圧縮エアを供給することが可能である。特に、本発明によるエンジンにつき、エンジン速度２．１２ｓ-1の場合の好適な運転態様は、圧縮エアの短時間供給が行われ、圧縮エア供給手段の閉鎖が上死点後５°のクランクシャフト回転角で実行される、前記の第一の運転態様である。この点で、本発明によるＰＰＥエンジンの作動チャンバへの圧縮エアの供給は、クランクシャフトのクランク回転角が９０°を越える場合には不適である。
【００４３】
本発明利用の効果予測は、エンジン速度２．１２ｓ-1のケースにつき「ＰＰＥエンジンおよびコンプレッサに関する出力計算」（「計算」の項、参照）を用いて検証された。
【００４４】
本発明によるＰＰＥエンジンが異なったエンジン速度（５ｓ-1、８．３３ｓ-1、等）で運転される場合には、好適な圧縮エア供給条件は本発明の各請求項の範囲内で種々相違するものである。
【００４５】
（多段階ＰＰＥエンジンの説明）
本発明による多段階ＰＰＥエンジンの運転は、二段階片側供給式ＰＰＥエンジンを例として示してあり、これは以下の構造要素から成っている（図５および図６）：
１０−二段階空気圧ピストンエンジン、１１−第一段階シリンダ（先行）、１２−第二段階シリンダ（付加および／又は後続）、１３−第一段階シリンダの作動チャンバに対する圧縮エア供給手段（吸気弁）、１４−第一段階シリンダの作動チャンバ、１５−第一段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排気弁）、１６−第一段階シリンダのピストン、１７−バイパス路、１８−逆止め弁、１９−バイパス流出口、２０−第二段階シリンダの作動チャンバ流入口、２１−第二段階シリンダの作動チャンバ、２２−第二段階シリンダのピストン、２３−ピストンがまだ下死点ＢＤＣ領域に達しない間の第二段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排出口）、２４−第一段階シリンダの下部シリンダ空間、２５−第二段階シリンダの下部シリンダ空間、２６，２７−クランクシャフトのクランク、２８−クランクシャフト、２９−ピストンが下死点ＢＤＣ領域にある間の第二段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排気弁）。
【００４６】
二段階ＰＰＥエンジンは、第一段階シリンダ１１と第二段階シリンダ１２とから成っている。第一段階シリンダ１１は、図１に示した一段階エンジン１のシリンダ２と同様に、吸気弁として形成された、エンジンの作動チャンバ１４に対する圧縮エアｐmaxの供給手段１３と、排気弁として形成された、ピストン１６が下死点領域を通過する間にエアを作動チャンバ１４から大気中に排出する手段１５とを有している。吸気弁１３は、外部の圧縮エア源と連結することが可能である。第一段階シリンダ１１は、内部に逆止め弁１８を備えたバイパス路１７を経て、第二段階シリンダ１２と連結されている。バイパス路１７の流入口は、シリンダ１１のバイパス流出口１９と連結しており、このバイパス流出口１９は作動チャンバ１４内におけるピストン１６の下死点領域上方に配置されている。バイパス路１７の流出口は、第二段階シリンダ１２の作動チャンバ２１の流入口２０と連結されている。第二段階シリンダ１２は、排出口として形成されたエア排出手段２３を有し、該手段は作動チャンバ内におけるピストン２２の下死点領域上方に配置されている。排出口２３と双方のシリンダの下部シリンダ空間２４および２５とは、外気とつながっている。双方の段階のシリンダのピストン１６および２２は、共通のクランクシャフト２８のクランク２６および２７と運動結合されている。シリンダ１２の作動チャンバには、ピストンが下死点領域にある間のエア排出手段２９が設けられており、該手段は排気（排出）弁として形成されている。
【００４７】
多段階のエンジンは、以下のようにして運転される。
【００４８】
圧力ｐmaxの圧縮エアが、図１に示した一段階のエンジン１の場合と同様に、ピストン行程のごく短い一部区間の間に吸気弁１３を通ってシリンダ１１の作動チャンバ１４に供給される（図５）。ピストン１６のパワーストローク中、ピストンがシリンダ１１のバイパス流出口１９を通り過ぎ、ただし、まだ下死点領域に達していないときに、バイパス路１７は短時間、シリンダ１１の作動チャンバ１４に対して開放される。残存圧力ｐresの圧縮エアはバイパス路１７に流出し、逆止め弁１８を開き、こうしてエアは第二段階シリンダ１２の作動チャンバ２１に流入する。その際、双方のシリンダの作動チャンバ内の圧力レベルは平準化し、ｐresよりも小さなｐres’の値に等しくなり、逆止め弁１８が閉じて作動チャンバ２１からのエアのエスケープが阻止される。
【００４９】
下死点領域を通過した後、シリンダ１１のピストン１６はバックストロークを行う（図６）。ピストン１６が下死点領域を通過する間に、シリンダ１１から外部にエアを排出するための排気弁１５が開放し、ピストン１６は自由な上昇行程を行う。第二段階シリンダのピストン２２は仕事行程を行う。この場合、逆止め弁１８は閉じられている。
【００５０】
上昇行程中、ピストン１６はバイバス流出口１９を通過し、バイパス路１７は外気とつながったシリンダ１１の下部シリンダ空間２４に対して開放される。シリンダ１１側から逆止め弁１８に作用するエア圧は大気圧（ｐatm）に等しくなる。シリンダ１２側から弁１８に作用するエア圧はｐres’に等しく、これはｐatmを上回っていることから、第一段階ピストン１６のバックストロークの間、弁１８は閉じたままである。
【００５１】
パワーストローク中に、ピストン２２はシリンダ１２内で排出口２３を通過し、作動チャンバ２１は外気とつながる。これにより、圧力ｐres’’のエアが大気中に排出され、シリンダ１２の作動チャンバ内の圧力は大気圧ｐatmに等しくなる。ここで、逆止め弁１８の両側に作用する圧力は同一で、ｐatmに等しく、ピストン１６と２２との当該ストローク中この値のままである。逆止め弁１８は、第一段階ピストン１６が次のパワーストロークの間にバイバス流出口１９を通過するまで閉じたままである。次いでその後に、第二段階シリンダ１２の作動チャンバ内に、ｐres’の値に等しい圧力が再び造成される。
【００５２】
上昇中、ピストン２２は排出口２３を通過し、シリンダ１２の作動チャンバは外気から遮断される。次いでピストン２２は、さらに上昇を続ける間に、このチャンバ内のエア（その初期圧力は大気圧ｐatmに等しい）を圧縮する。これは二段階エンジンのシステム全体の効率を低下させる。このロスを回避するため、シリンダ１２は、ピストン２２が下死点領域にあるときに圧縮エア残を大気中に排出するための（排気弁１５と同様な）手段２９を有している。これによってピストン２２は自由な上昇運動が可能となる。この手段２９は、シリンダ１１から次のエアが流入する前に閉鎖する。
【００５３】
段階数が２を越える場合には、すべての中間介在段階に排出バルブ２９が設けられる。多段階ＰＰＥエンジンにおいて、すべてのシリンダのピストンは１本の共通のクランクシャフトに連結される。
【００５４】
この場合、本発明によるＰＰＥエンジンにおいて、ピストンが下死点領域にあるときに排出されるエアを再利用し、たとえばそれをコンプレッサの吸気に供給することが可能である。これはＰＰＥエンジン運転のエネルギーロスを減少させることとなる。
【００５５】
（計算）
（ＰＰＥエンジンおよびエアコンプレッサに関する出力計算）
以下、本発明ならびに既知の方法に基づく運転によるＰＰＥエンジンの出力およびエア消費の比較計算を示す。ＰＰＥエンジンの発生出力（ＮiE）とＰＰＥエンジン運転に要される所要量の圧縮エアを得るための内燃機関ＩＣＥ駆動エアコンプレッサ供給出力（ＮiC）とが計算された。
【００５６】
計算は、ＰＰＥエンジンのエンジン速度が２．１２ｓ-1に等しくかつピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点前２°に対応する位置にある間に圧縮エアの供給開始が実現される特別なケースについて行われた。
計算は、本発明によるＰＰＥエンジンの前記の２種の運転態様、すなわち
−  ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後５°に対応する位置にあるときに圧縮エア供給が終了するケースと、
−  ピストンがクランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後９０°に対応する位置にあるときに圧縮エア供給が終了するケースとについて行われた。
比較のため、圧縮エア供給が下死点領域で終了する公知のＰＰＥエンジンに関する計算も行われた。
【００５７】
（圧縮エア供給終了条件が相違する場合の）ＰＰＥエンジンおよびエアコンプレッサの比較出力計算は、以下の同一のＰＰＥエンジンパラメータで行われた：
シリンダ数  ５、
シリンダ内径  ０．４８ｍ、
ピストン行程  ２ｍ、
エンジン速度  ２．１２ｓ-1、
圧縮エア圧力  ３．７３・１０6Ｐａ。
【００５８】
ＰＰＥエンジン発生出力の計算式：
【００５９】
【数１】
2004534173.tif 000003
【００６０】
ここに：
ＮiE  ＰＰＥエンジンの表示出力（ｋＷ）、
ｐi  平均表示圧力（Ｐａ）、
Ｄ  シリンダ内径（ｍ）、
ｎ  エンジン速度（ｓ-1）、
Ｓ  ピストン行程（ｍ）、
ｉ  シリンダ数。
【００６１】
ＰＰＥエンジンの運転に要される所要量の圧縮エアを得るためのエアコンプレッサ供給出力の計算式は以下のとおりである：
【００６２】
ＮiC＝ｐi・ＶS                      （２）
【００６３】
ここに：
ＮiC  エアコンプレッサの表示出力（ｋＷ）、
ｐi  ＰＰＥエンジンの平均表示圧力に等しいエアコンプレッサの平均表示圧力（Ｐａ）、
ＶS  エアコンプレッサによって発生させられる毎秒エア量（ｍ3／ｓ）。
【００６４】
コンプレッサによって発生させられ、ＰＰＥエンジン内で消費される毎秒エア量ＶSの計算は以下のようにして行われる。
【００６５】
ＰＰＥエンジンの１本のシリンダの作動チャンバ容積は以下の式によって与えられる。
【００６６】
【数２】
2004534173.tif 000004
【００６７】
ここに：
Ｄ    シリンダ内径（Ｄ＝０．４８ｍ）、
Ｈ  作動チャンバに対する圧縮エア供給が終了する時点のピストン行程長さ（ｍ）、
【００６８】
エンジンの全シリンダにおいて、クランクシャフト１回転あたりにＰＰＥエンジン内で消費されるエア量は以下に等しい。
【００６９】
Ｖ1・ｉ（ｍ3）
【００７０】
ここに、ｉはシリンダ数である（ｉ＝５）。
【００７１】
ＰＰＥエンジン内での毎秒エア消費量は以下の式によって与えられる。
【００７２】
ＶS＝［Ｖ1・ｉ］・ｎ（ｍ3／ｓ）
【００７３】
ここに、ｎはエンジン速度２．１２ｓ-1である。
【００７４】
したがって、
【００７５】
【数３】
2004534173.tif 000005
【００７６】
ピストンが下死点領域にあるときに作動チャンバへの圧縮エア供給が終了する公知のＰＰＥエンジンについては、供給終了時点でのピストン行程Ｈの長さは２ｍであり、したがって、
【００７７】
ＶS＝１．９１８・２＝３．８３６（ｍ3／ｓ）  である。
【００７８】
ピストンが上死点後９０°に対応する位置にあるときに圧縮エア供給が終了するケースの本発明によるＰＰＥエンジンについては、供給終了時点でのピストン行程Ｈの長さは１ｍであり、したがって、
【００７９】
ＶS＝１．９１８・１＝１．９１８  （ｍ3／ｓ）  である。
【００８０】
ピストンが上死点後５°に対応する位置にあるときに圧縮エア供給が終了するケースの、本発明によるＰＰＥエンジンについては、供給終了時点でのピストン行程Ｈの長さは０．１６６ｍである。この場合、計算を明確化ならしめるため、デッドスペースを考慮した、２に等しい損率が導入されて、作動チャンバ容積とエア消費が２倍されたことから
【００８１】
ＶS＝１．９１８・０．１６６・２＝０．６３７（ｍ3／ｓ）  である。
【００８２】
前記の式（１）と（２）によるＰＰＥエンジン出力（ＮiE）およびエアコンプレッサ出力（ＮiC）の比較近似計算の結果が、以下に表示されている。
【００８３】
【表１】
2004534173.tif 000006
【００８４】
（内燃機関ＩＣＥ運転および本発明によるＰＰＥエンジン運転に関する燃料消費の計算）
本発明による空気圧ピストンエンジン運転の出力および経済性を最新の輸送エンジンに求められる要件と比較し、このＰＰＥエンジンを現今の内燃機関と並ぶ強力なエンジンとして適用し得る可能性を評価するため、ＰＰＥエンジンの運転パラメータと寸法諸元とが現今の内燃機関ＩＣＥと同一のケースに関して、本発明によるＰＰＥエンジン運転が考察される。
【００８５】
ＰＰＥエンジンの運転パラメータ：
シリンダ数  ５、
シリンダ内径  ０．４８ｍ、
ピストン行程  ２ｍ、
エンジン速度  ２．１２ｓ-1、
圧縮エア圧力  １３．７３ＭＰａ、
出力（ＮiE）  ６６３０ｋＷ、
平均表示圧力（ｐi）  １．７４ＭＰａ、
【００８６】
比較のため、ＳＵＬＺＥＲ、ＲＴＡ  ４８  Ｔ型の舶用固定段階式プロペラのための内燃機関ＩＣＥ（ディーゼルエンジン）運転が選択された。
【００８７】
内燃機関ＩＣＥの運転パラメータ：
シリンダ数  ５、
シリンダ内径  ０．４８ｍ、
ピストン行程  ２ｍ、
エンジン速度  ２．１２ｓ-1、
燃焼圧力      １３．７３・１０6Ｐａ、
出力（ＮiICE）  ５１００ｋＷ、
平均表示圧力（ｐi）  １．３４ＭＰａ、
【００８８】
エンジン速度２．１２ｓ-1の場合の本発明によるＰＰＥエンジンの好適な運転態様のインジケータ線図（図２）と内燃機関ＩＣＥのインジケータ線図（図７）との比較から、両者は類似しているが、ＰＰＥエンジンの場合には圧縮行程が欠けており、これが線図面積を増大させ、したがって、平均表示圧力を高め、出力を少なくとも３０％だけ高めていることが認められよう。
【００８９】
内燃機関ＩＣＥの場合の、１時間当たりの燃料消費の計算式：
【００９０】
ＭICE  ＝  ｑICE・Ｎi
【００９１】
ここに：
ＭICE  １時間当たりの燃料消費（ｋｇ／ｓ）、
ｑICE  内燃機関ＩＣＥの燃料消費率（ｋｇ／ｋＷ・ｓ）、
ｑICE＝５・１０-5  ｋｇ／ｋＷ・ｓ、
Ｎi  エンジン表示出力（ｋＷ）。
【００９２】
したがって、５１００ｋＷの出力を発生する内燃機関ＩＣＥの場合、所要燃料消費は次のとおりである：
【００９３】
ＭICE＝５・１０-5ｋｇ／ｋＷ・ｓ・５１００ｋＷ＝０．２５５ｋｇ／ｓ
【００９４】
前記の「ＰＰＥエンジンおよびエアコンプレッサに関する出力計算」によれば、出力ＮiE＝６６３０ｋＷを発生する、好適な運転態様の場合における本発明によるＰＰＥエンジン（速度２．１２ｓ-1）において、エアコンプレッサには６の率で減少の、ほぼ１１０８ｋＷに等しい出力ＮiCを供給することが必要である。
【００９５】
したがって、本発明に基づく方法によるＰＰＥエンジン運転を利用する場合の燃料消費率（ｑ）は
【００９６】
ｑE＝５・１０-5ｋｇ／ｋＷ・ｓ：６＝８．３３３・１０-6ｋｇ／ｋＷ・ｓ
【００９７】
であり、そのときの燃料消費（Ｍ）は以下のようになるものである：
【００９８】
ＭE＝８．３３３・１０-6ｋｇ／ｋＷ・ｓ・６６３０ｋＷ  ＝０．０５５ｋｇ／ｓ
【００９９】
あらゆる損失、誤差および仮定を考慮しかつ実際には広範囲におよぶＰＰＥエンジン寸法諸元およびパラメータならびにさまざまなエアコンプレッサが使用されるであろうことを念頭に入れた上で、ＰＰＥエンジンにおいて内燃機関ＩＣＥと同じ軸出力を得るために要される燃料の量は少なくとも５の率で減少、すなわち本発明によるＰＰＥエンジンの場合の燃料消費率は、内燃機関ＩＣＥの場合の少なくとも５の率で減少すると断言することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明による空気圧ピストンエンジンは、公知の技術を使用し、かつ、公知の最新の材料および装置を利用して構成することができる。本発明による空気圧ピストンエンジンにおいて、エア以外に、必要な程度にまで圧縮可能で、かつ、安全なエンジン運転および環境負荷の点から見てクリーンなエンジン運転を可能とする特性を有するその他のガスも使用することができる。
【０１０１】
本発明の変形実施態様は、前記に制限されるものではなく、本発明の各請求項の範囲内で、構成の種々の改良を含むものである。
【０１０２】
本発明による空気圧ピストンエンジンは、鉄道輸送のエンジンとしてだけでなく、自動車用エンジンおよび舶用主エンジンとして使用することができる。現在これらの分野では、出力限界に達しかつ環境基準に不適合な内燃機関ＩＣＥが使用されている。本発明により、高性能で経済性に優れ、環境負荷の面から見てさらにクリーンな種々の等級の輸送エンジンを製造することが可能である。本発明を基礎として、各種パワープラントを実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明による、一段階片側供給式ＰＰＥエンジンの構造を概略的に示した図である。
【図２】クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後５°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
【図３】クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後９０°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
【図４】ピストンが上死点領域にある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、公知のＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である（比較用）。
【図５】本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるパワーストロークとを概略的に示した図である。
【図６】本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるバックストロークとを概略的に示した図である。
【図７】内燃機関ＩＣＥ運転の、インジケータ線図である（比較用）。
【符号の説明】
【０１０４】
１  ＰＰＥエンジン
２  シリンダ
３  ピストン
４  クランク
５  クランクシャフト
６  作動チャンバ（上部シリンダ空間）
７  圧縮エア供給手段（吸気弁）
８  エア排出手段（排気弁）
９  下部シリンダ空間
１０  二段階空気圧ピストンエンジン
１１  第一段階シリンダ（先行）
１２  第二段階シリンダ（付加および／又は後続）
１３  第一段階シリンダの作動チャンバに対する圧縮エア供給手段（吸気弁）
１４  第一段階シリンダの作動チャンバ
１５  第一段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排気弁）
１６  第一段階シリンダのピストン
１７  バイパス路
１８  逆止め弁
１９  バイパス流出口
２０  第二段階シリンダの作動チャンバ流入口
２１  第二段階シリンダの作動チャンバ
２２  第二段階シリンダのピストン
２３  ピストンがまだ下死点ＢＤＣに達しない間の第二段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排出口）
２４  第一段階シリンダの下部シリンダ空間
２５  第二段階シリンダの下部シリンダ空間
２６  クランクシャフトのクランク
２７  クランクシャフトのクランク
２８  クランクシャフト
２９  ピストンが下死点ＢＤＣ領域にある間の第二段階シリンダの作動チャンバからのエア排出手段（排気弁）。
【国際公開パンフレット】
2004534173.tif 000007
2004534173.tif 000008
2004534173.tif 000009
2004534173.tif 000010
2004534173.tif 000011
2004534173.tif 000012
2004534173.tif 000013
2004534173.tif 000014
2004534173.tif 000015
2004534173.tif 000016
2004534173.tif 000017
2004534173.tif 000018
2004534173.tif 000019
2004534173.tif 000020
2004534173.tif 000021
2004534173.tif 000022
2004534173.tif 000023
2004534173.tif 000024
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2004534173.tif 000029
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2004534173.tif 000031
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2004534173.tif 000035
2004534173.tif 000036
2004534173.tif 000037
2004534173.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月16日(2003.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
以下、図面および線図を参照して、本発明を詳細に説明するものとする。
図１は、本発明による、一段階片側供給式ＰＰＥエンジンの構造を概略的に示した図である。
図２は、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後５°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
図３は、クランクシャフトのクランク回転角で見て上死点後９０°の位置にピストンがある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、図１に示したＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である。
図４は、ピストンが下死点領域にある間に圧縮エア供給手段が閉じる場合の、公知のＰＰＥエンジン運転のインジケータ線図である（比較用）。
図５は、本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるパワーストロークとを概略的に示した図である。
図６は、本発明による二段階片側供給ＰＰＥエンジンの構造と、第一段階シリンダにおけるバックストロークとを概略的に示した図である。
図７は、内燃機関ＩＣＥ運転の、インジケータ線図である（比較用）。


【手続補正２】
【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】
空気圧ピストンエンジンのシリンダ（２）の作動チャンバ（６）への圧縮エア供給とピストン（３）が下死点領域にある間の作動チャンバ（６）からの後続のエア排出とを含む空気圧ピストンエンジン（１）の運転方法において、エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に圧縮エアの供給開始が実現され、前記クランクシャフトの前記クランクの回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内の領域に前記ピストン（３）がある間に供給終了が実現されることを特徴とする、空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項２】
前記方法は付加的に少なくとも１つの後続する空気圧ピストンエンジンの運転段階を含んでおり、こうして多段階空気圧ピストンエンジン（１０）の運転方法を形成するものであって、該運転方法において、
−  先行段階のピストン（１６）のパワーストローク中に、該ピストンがまだ下死点領域に達していない間に、各先行段階の作動チャンバ（１４）から後続段階の作動チャンバ（２１）へのエアの流入が実現され、
−  前記後続段階のうちの最終段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、パワーストローク中に、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に実現され、
−  各後続段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、ピストン（２２）が下死点領域にある間に実現されることを特徴とする、請求項１に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項３】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、大気中へと行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項４】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、エアの再利用を可能とする形で行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項５】
前記エンジン（１，１０）の運転が、前記シリンダへの圧縮エアの両側供給方式によって実現されることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項６】
作動流体として圧縮エアを使用し、クランク（４）を経てクランクシャフト（５）に運動結合されているピストン（３）を内蔵した１本のシリンダ（２）と、１個の圧縮エア供給手段（７）ならびにピストン（３）が下死点領域にある間にエアを排出する１個のエア排出手段（８）を備えた１つの作動チャンバ（６）とを含んだ空気圧ピストンエンジン（１）において、前記の圧縮エア供給手段（７）が、公称エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲で任意に選択された固定値に対応する位置に前記ピストン（３）がある間に供給を開始する能力と、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て、上死点後０°から９０°までの範囲で任意に選択された固定値に対応する位置に前記ピストン（３）がある間に圧縮エア供給を終了する能力とを備えて構成されていることを特徴とする、空気圧ピストンエンジン。
【請求項７】
少なくとも１本の順次連結された付加的なシリンダ（１２）を含み、こうして多段階エンジン（１０）を形成する空気圧ピストンエンジンであって、該エンジンにおいて、
−  前記付加シリンダ（１２）が、クランク（２７）を経てクランクシャフト（２８）に運動結合されたピストン（２２）と、ピストン（２２）が下死点領域にある間にエアを排出するエア排出手段（２９）を備えた作動チャンバ（２１）とを含み、
−  前記多段階エンジン（１０）の各先行シリンダ（１１）が、前記先行シリンダのピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に、前記先行シリンダの作動チャンバ（１４）から後続付加シリンダ（１２）の作動チャンバ（２１）へエアを流出させる手段を有し、
−  一連の付加シリンダのうちの最後のシリンダ（１２）が、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間にエアを排出するための手段（２３）を有し、
−  すべてのシリンダ（１１，１２）のピストン（１６，２２）が１本の共通のクランクシャフト（２８）に運動結合されていることを特徴とする、請求項６に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項８】
前記シリンダ（１１，１２）のうちの少なくとも一方において、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間にエアを排出するための前記エア排出手段（１５，２９）が、排出されたエアを再利用し得るように構成されていることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項９】
前記先行シリンダ（１１）の前記作動チャンバ（１４）から前記後続付加シリンダ（１２）の前記作動チャンバ（２１）へエアを流入させる前記手段が内部に逆止め弁（１８）を備えたバイパス路（１７）として実現されており、バイパス路（１７）の入口が先行シリンダ（１１）の作動チャンバのバイパス口（１９）と連結され、前記バイパス口（１９）がピストン（１６）の下死点領域上方に配置され、バイパス路（１７）の出口が付加シリンダ（１２）の作動チャンバの流入口（２０）と連結されていることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項１０】
各後続シリンダの内径と該シリンダのピストンの直径とが先行シリンダの場合のそれらよりも大きいことを特徴とする、請求項７から請求項９までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項１１】
請求項６から請求項９までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンと圧縮エア源とを含むパワープラントにおける、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方法の使用。
【請求項１２】
空気圧ピストンエンジンで発生された出力の一部分が圧縮エア源の駆動装置に伝達されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法の使用。
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月11日(2003.11.11)
【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】
空気圧ピストンエンジン（１）のシリンダ（２）の作動チャンバ（６）への圧縮エア供給とピストン（３）が下死点領域にある間の作動チャンバ（６）からの後続のエア排出とを含む空気圧ピストンエンジン（１）の運転方法において、公称エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲内で任意に選択された固定値に対応する位置を前記ピストン（３）が通過するときに圧縮エアの供給開始が実現され、一方、必要な効率に応じて、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲内で任意に選択された固定値に対応する位置を前記ピストン（３）が通過するときに供給終了が実現されるとともに、前記の値が各エンジンに対して事前に固定されてエンジンの動作中は不変に維持されることを特徴とする、空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項２】
前記方法は付加的に少なくとも１つの後続する空気圧ピストンエンジンの運転段階を含んでおり、こうして多段階空気圧ピストンエンジン（１０）の運転方法を形成するものであって、該運転方法において、
−  先行段階のピストン（１６）のパワーストローク中に、該ピストンがまだ下死点領域に達していない間に、各先行段階の作動チャンバ（１４）から後続段階の作動チャンバ（２１）へのエアの流入が実現され、
−  前記後続段階のうちの最終段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、パワーストローク中に、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に実現され、
−  各後続段階の作動チャンバ（２１）からのエアの排出が、ピストン（２２）が下死点領域にある間に実現されることを特徴とする、請求項１に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項３】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、大気中へと行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項４】
少なくとも１つの運転段階の作動チャンバ（１４，２１）からのエアの排出が、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間に、エアの再利用を可能とする形で行われることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項５】
前記エンジン（１，１０）の運転が、前記シリンダへの圧縮エアの両側供給方式によって実現されることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンの運転方法。
【請求項６】
作動流体として圧縮エアを使用し、クランク（４）を経てクランクシャフト（５）に運動結合されているピストン（３）を内蔵した１本のシリンダ（２）と、１個の圧縮エア供給手段（７）ならびにピストン（３）が下死点領域にある間にエアを排出する１個のエア排出手段（８）を備えた１つの作動チャンバ（６）とを含んだ空気圧ピストンエンジン（１）において、前記の圧縮エア供給手段（７）が、公称エンジン速度に応じ、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点前４０°から上死点後２５°までの範囲で任意に選択された固定値に対応する位置に前記ピストン（３）があるときに供給を開始する能力と、一方、必要な効率に応じて、クランクシャフト（５）のクランク（４）の回転角で見て上死点後０°から９０°までの範囲で任意に選択された固定値に対応する位置に前記ピストン（３）があるときに圧縮エア供給を終了する能力とを備えて構成されているとともに、前記の値が各エンジンに対して事前に固定されてエンジンの動作中は不変に維持されることを特徴とする、空気圧ピストンエンジン。
【請求項７】
少なくとも１本の順次連結された付加的なシリンダ（１２）を含み、こうして多段階エンジン（１０）を形成する空気圧ピストンエンジンであって、該エンジンにおいて、
−  前記付加シリンダ（１２）が、クランク（２７）を経てクランクシャフト（２８）に運動結合されたピストン（２２）と、ピストン（２２）が下死点領域にある間にエアを排出するエア排出手段（２９）を備えた作動チャンバ（２１）とを含み、
−  前記多段階エンジン（１０）の各先行シリンダ（１１）が、前記先行シリンダのピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間に、前記先行シリンダの作動チャンバ（１４）から後続付加シリンダ（１２）の作動チャンバ（２１）へエアを流出させる手段を有し、
−  一連の付加シリンダのうちの最後のシリンダ（１２）が、ピストン（２２）がまだ下死点領域に達していない間にエアを排出するための手段（２３）を有し、
−  すべてのシリンダ（１１，１２）のピストン（１６，２２）が１本の共通のクランクシャフト（２８）に運動結合されていることを特徴とする、請求項６に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項８】
前記シリンダ（１１，１２）のうちの少なくとも一方において、ピストン（１６，２２）が下死点領域にある間にエアを排出するための前記エア排出手段（１５，２９）が、排出されたエアを再利用し得るように構成されていることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項９】
前記先行シリンダ（１１）の前記作動チャンバ（１４）から前記後続付加シリンダ（１２）の前記作動チャンバ（２１）へエアを流入させる前記手段が内部に逆止め弁（１８）を備えたバイパス路（１７）として実現されており、バイパス路（１７）の入口が先行シリンダ（１１）の作動チャンバのバイパス口（１９）と連結され、前記バイパス口（１９）がピストン（１６）の下死点領域上方に配置され、バイパス路（１７）の出口が付加シリンダ（１２）の作動チャンバの流入口（２０）と連結されていることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項１０】
各後続シリンダの内径と該シリンダのピストンの直径とが先行シリンダの場合のそれらよりも大きいことを特徴とする、請求項７から請求項９までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジン。
【請求項１１】
請求項６から請求項９までのいずれかに記載の空気圧ピストンエンジンと圧縮エア源とを含むパワープラントにおける、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方法の使用。
【請求項１２】
空気圧ピストンエンジンで発生された出力の一部分が圧縮エア源の駆動装置に伝達されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法の使用。
【国際調査報告】
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2004534173.tif 000040
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