JP2002521608A - 準等温ブライトンサイクルエンジン - Google Patents

準等温ブライトンサイクルエンジン

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JP2002521608A JP2000562637A JP2000562637A JP2002521608A JP 2002521608 A JP2002521608 A JP 2002521608A JP 2000562637 A JP2000562637 A JP 2000562637A JP 2000562637 A JP2000562637 A JP 2000562637A JP 2002521608 A JP2002521608 A JP 2002521608A
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Abstract

(57)【要約】 １つのエンジンが開示されている。本発明の１つの実施の形態によれば、該エンジンは、コンプレッサと、燃焼装置と、膨張装置とを備えている。コンプレッサは周囲空気を圧縮する。燃焼装置は、圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生させる。膨張装置は燃焼装置から排ガスを受け取り且つその排ガスを膨張させる。コンプレッサは、ジェロータコンプレッサ又は無駄容積の可変制御装置を有するピストンコンプレッサとすることができる。膨張装置は、ジェロータ膨張装置又は無駄容積の可変制御装置を有するピストン膨張装置とすることができる。別の実施の形態において、エンジンは、ピストンコンプレッサと、燃焼装置と、ピストン膨張装置と、圧力タンクとを備えている。ピストンコンプレッサは周囲空気を圧縮する。燃焼装置は、圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生させる。ピストン膨張装置は、燃焼装置から排ガスを受け取り且つその排ガスを膨張させる。圧力タンクは、コンプレッサから圧縮した空気を受け取り且つ貯蔵する。別の実施の形態において、ジェロータコンプレッサ又はジェロータ膨張装置は、内側ジェロータと、外側ジェロータとを備えている。内側ジェロータ及び外側ジェロータは、これらジェロータが接触しないように駆動される。ジェロータは片持ち型又は非片持ち型とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、全体として、動力装置の分野、特に、準等温ブライトンサイクル（
Ｑｕａｓｉ−Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｃｙｃｌｅ）動力装置に
関する。
【０００３】
【関連技術の説明】
自動車又はトラックのような、可動の適用例の場合、全体として、以下の特徴
を有するヒートエンジンを使用することが望ましい。
【０００４】 ・熱交換器の必要性を少なくする内燃 ・効率を向上させる完全燃焼 ・等温圧縮及び膨張 ・高出力密度（高パワー密度） ・高効率であるように、高温膨張 ・部分負荷状態に対してエンジンを効率的に「絞る」能力 ・高バーナ負荷調整範囲（ｔｕｒｎ−ｄｏｗｎ ｒａｔｉｏ）（すなわち、
大幅に変化する速度及びトルクにて作動する能力） ・低汚染 ・自動車業界が慣れた標準部品を使用すること ・多種燃料の可能性 ・蓄熱型ブレーキ 現在、各々がそれ自体の特徴及びサイクルを有する幾つかの型式のヒートエン
ジンがある。これらのヒートエンジンは、オットーサイクルエンジン、ディーゼ
ルサイクルエンジン、ランキンサイクルエンジン、スターリングサイクルエンジ
ン、エリクソンサイクルエンジン、カルノーサイクルエンジン及びブライトンサ
イクルエンジンを含む。以下に、各エンジンについて簡単に説明する。
【０００５】 オットーサイクルエンジンは、かなり低効率である低廉な低圧縮の内燃機関で
ある。このエンジンは、自動車の作動のため広く使用されている。 ディーゼルサイクルエンジンは、トラック及び列車の作動のため広く使用され
ている高効率でやや高価格の高圧縮の内燃機関である。
【０００６】 ランキンサイクルエンジンは、一般に、発電所にて使用されている外燃機関で
ある。水は、最も一般的な作用流体である。 エリクソンサイクルエンジンは、一定圧力の熱伝導による等温圧縮及び膨張を
使用する。このエンジンは、外燃又は内燃サイクルの何れかとして具体化するこ
とができる。実際には、等温膨張及び圧縮は、大型の工業的装置内にて容易に実
現されないため、完全なエリクソンサイクルは、実現することが難しい。
【０００７】 カルノーサイクルエンジンは、等温圧縮及び断熱圧縮並びに膨張を使用する。
カルノーサイクルは、外燃又は内燃サイクルの何れかとして具体化することがで
きる。このサイクルは、低出力密度（低パワー密度）、機械的複雑さ、及び実現
が困難な一定温度のコンプレッサ及び膨張装置を特徴とする。
【０００８】 スターリングサイクルエンジンは、一定容積の熱伝導による等温圧縮及び膨張
を使用する。このエンジンは、略常に、外燃サイクルとして具体化される。この
エンジンは、カルノーサイクルよりも出力密度が高いが、熱交換を行うことが難
しく、また、一定温度の圧縮及び膨張を実現することが難しい。
【０００９】 スターリング、エリクソン及びカルノーサイクルは、等温膨張の間、熱は均一
な高温度Ｔhotにて供給され、等温圧縮中、均一な低温Ｔcoldにて放出されるた
め、自然に許容されるように効率的である。これら３つのサイクルの最大効率η max は、次式で表わされる。
【００１０】 ηmax＝１−Ｔcold／Ｔhot この効率は、エンジンが「可逆式」である、すなわち、エンジンは無摩擦であ
り、温度又は圧力勾配は何ら生じないときにのみ実現可能である。実際には、現
実のエンジンは、「不可逆式」である、すなわち、摩擦及び温度／圧力勾配に関
係した損失を伴う。
【００１１】 ブライトンサイクルは、全体としてタービンを備えて具体化される内燃機関で
あり、全体として、航空機及び幾つかの発電所を作動させるために使用される。
ブライトンサイクルは、極めて高出力密度であることを特徴とし、通常、熱交換
器を使用せず、その他のサイクルよりも低効率である。しかし、蓄熱器がブライ
トンサイクルに追加されるならば、サイクル効率は向上する。従来、ブライトン
サイクルは、軸流多段コンプレッサ及び膨張装置を使用して具体化されている。
これらの装置は、全体として、航空機が略一定の速度にて飛行する航空分野にて
適しているが、これらは、全体として、大幅に変化する速度にて運転しなければ
ならない自動車、バス、トラック及び列車のような、殆どの輸送手段の用途には
適していない。
【００１２】 オットーサイクル、ディーゼルサイクル、ブライトンサイクル及びランキンサ
イクルの全ては、等温圧縮ステップ及び膨張ステップを使用しないため、その効
率は最大効率よりも劣る。更に、オットー及びディーゼルサイクルエンジンは、
高圧のガスを完全に膨張させず、単に、排ガスを雰囲気中に絞るだけであるから
、効率を損失する。
【００１３】
【発明の概要】
このため、可動エンジン及び静止エンジンの双方に対する上述し且つその他の
特徴に適合する装置の必要性が生じている。
【００１４】 また、上記及びその他の難点を解決する装置の必要性も生じている。 １つのエンジンが開示される。本発明の１つの実施の形態によれば、このエン
ジンは、コンプレッサと、燃焼装置と、膨張装置とを備えている。このコンプレ
ッサは周囲空気を圧縮する。燃焼装置は、圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを
発生させる。膨張装置は、燃焼装置から排ガスを受け取り且つその排ガスを膨張
させる。コンプレッサは、無駄容積の可変制御装置（ｖａｒｉａｂｌｅ−ｄｅａ
ｄ−ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）を有するジェロータ（ｇｅｒｏｔｏｒ）コ
ンプレッサ又はピストンコンプレッサとすることができる。膨張装置は、無駄容
積の可変制御装置を有するジェロータ膨張装置又はピストン膨張装置とすること
ができる。
【００１５】 別の実施の形態において、エンジンは、ピストンコンプレッサと、燃焼装置と
、ピストン膨張装置と、圧力タンクとを備えている。ピストンコンプレッサは、
周囲空気を圧縮する。燃焼装置は、圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生さ
せる。ピストン膨張装置は、燃焼装置から排ガスを受け取り且つその排ガスを膨
張させる。圧力タンクは圧縮した空気をコンプレッサから受け取り且つ貯蔵する
。
【００１６】 別の実施の形態において、ジェロータコンプレッサは、内側ジェロータと、外
側ジェロータとを備えている。内側ジェロータ及び外側ジェロータは、そのジェ
ロータが接触しないように駆動される。これらのジェロータは、片持ち型又は非
片持ち型とすることができる。
【００１７】 別の実施の形態において、ジェロータ膨張装置は、内側ジェロータと、外側ジ
ェロータとを備えている。内側ジェロータ及び外側ジェロータは、そのジェロー
タが接触しないように駆動される。これらのジェロータは、片持ち型又は非片持
ち型とすることができる。
【００１８】 本発明のエンジンは、機関車、船舶用、トラクタ及び／トレーラ、バス及び自
動車を含む、多くの可動の動力用途に適用可能である。また、本発明のエンジン
は、特に、発電機、及び工業的装置用の動力源を含む、多数の静止型の動力用途
にも適用可能である。
【００１９】 本発明の技術的利点の１つは、コンプレッサ及び膨張装置が、従来のピストン
／シリンダの線形動作を回転動作に変換することに伴うコスト、複雑さ、重量及
び寸法を回避する回転動作を有する点である。
【００２０】 本発明の別の技術的利点は、コンプレッサ及び膨張装置が「バーナ負荷調節範
囲（ターンダウン比）」が大きいこと、すなわち、これらが高速度及び低速度の
双方にて効率的に作動可能である点である。
【００２１】 本発明の更に別の技術的利点は、コンプレッサ及び膨張装置が、これらが低動
力の用途にて低速度で作動することを許容する定容積形装置である点である。 本発明の別の技術的利点は、ジェロータコンプレッサ及び膨張装置が完全に釣
合っており、このことが振動を実質的に解消する点である。
【００２２】 本発明の別の技術的利点は、エンジンがその小さい寸法及び軽重量のため、ワ
ンケル（Ｗａｎｋｅｌ）エンジンと全く同様に、極めて応答性に富み且つ迅速に
加速する点である。
【００２３】 本発明の別の技術的利点は、ジェロータコンプレッサが堅牢であり、圧縮中、
冷却のため液体水を噴霧することを許容する点である。 本発明の別の技術的利点は、可動の適用例において、膨張装置を駆動トレーン
から独立的に切り離して、コンプレッサを車の運動エネルギにて作動させること
により蓄熱型ブレーキを許容する点である。
【００２４】 本発明の更に別の技術的利点は、可動の適用例において、コンプレッサを駆動
トレーンから独立的に切り離して、膨張装置がその動力の全てを車の加速に利用
し、始動中、車に対し動力のブースト力を提供することを許容する点である。
【００２５】 本発明の別の技術的利点は、管状燃焼装置が高効率であるため、放出される汚
染物質が殆どない点である。 本発明の別の技術的利点は、管状燃焼装置が略全ての燃料を燃焼し得る点であ
る。
【００２６】 本発明の別の技術的利点は、エンジンの始動のため、貯蔵した圧縮空気を使用
することができるため、始動電気モータが不要な点である。 本発明の別の技術的利点は、ガスが約１気圧にて膨張装置から出るため、エン
ジンが静粛な点である。マフラーは不要である。
【００２７】 本発明の別の技術的利点は、オイルのようなエンジン潤滑剤は、不完全燃焼生
成物の吹出しがないため、長時間、有効な点である。 本発明の別の技術的利点は、可動部品が極めて少なく、このことは、エンジン
が長寿命にて極めて高信頼性であることを許容する点である。
【００２８】 本発明の別の技術的利点は、エンジンが極めて効率的であり、カルノー効率の
良い可逆式エンジンである、エリクソンサイクルに近似する点である。 本発明のその他の技術的利点は、好ましい実施の形態の形態の以下の詳細な説
明及び添付図面を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。
【００２９】 本発明により充足される課題及びその特徴並びに利点について本発明をより完
全に理解し得るようにするため、次に、添付図面に関して以下に説明する。
【００３０】
【好ましい実施の形態の詳細な説明】
幾つかの図面の同様で且つ相応する部品を同様の参照番号で表示する、図１乃
至図１４を参照することにより、本発明の実施の形態及びその技術的利点が一層
良く理解されよう。
【００３１】 図１を参照すると、本発明の１つの実施の形態による準等温ブライトンサイク
ルエンジン１００の全体的なブロック図が開示されている。周囲空気１０２はコ
ンプレッサ１０６内に受け入れられ且つコンプレッサ１０６内にて圧縮され、次
に、排ガスからの熱エネルギを使用して蓄熱器１０８内で向流状態に加熱される
。燃焼装置１１２内で、燃料１１０が予め加温した空気内に導入され且つ着火さ
れる。高圧の燃焼ガスが膨張装置１１４内に流れ、この膨張装置１１４内で、仕
事量ＷOUTが発生される。
【００３２】 空気が膨張装置１１４内で膨張した後、高温の空気が蓄熱器１０８を通って流
れ、コンプレッサ１０６から燃焼装置１１２に流れる空気を予熱する。その空気
は蓄熱器１０８から排ガス１１６として出る。
【００３３】 コンプレッサ１０６に必要な仕事量を最小にするため、噴霧した液体水１０４
を周囲空気１０２内に噴霧し、コンプレッサ１０６内で圧縮する間に周囲空気１
０２を冷却する。コンプレッサ１０６からの出口温度は入口温度と略等しく、こ
のため、その圧縮は「準等温」と見なされる。
【００３４】 図２には、輸送装置で具体化された準等温ブライトンサイクルエンジンの概略
図が図示されている。安定状態、ブレーキ状態及び始動状態間のエンジン２００
の作動について説明する。
【００３５】 安定状態の作動中、水ミスト１０４がコンプレッサ１０６の周囲空気１０２に
噴霧される。その結果、出口空気の温度は入口空気の温度に略等しくなり、圧縮
程度が「準等温」状態となる。
【００３６】 準等温コンプレッサの利点を実現するため、水を噴霧することが必要となろう
。１つの実施の形態において、水は極めて微細に噴霧されるため、その水は、コ
ンプレッサ内に止まる数ミリ秒内で完全に蒸発する。
【００３７】 膨張装置又は熱交換器内に塩付着物が全く存在しないようにするため、塩分無
しの水をコンプレッサ内に噴射することが好ましい。塩分無しの水は燃料よりも
遥かに低廉であるため、水噴射に伴い燃料を節約するという経済的な利点が得ら
れる。しかし、任意の箇所にて塩分無しの水を得ることには幾つかの補給上の制
約がある。別の実施の形態において、通常の水道水を使用しても良い。この実施
の形態において、余剰の水をコンプレッサ内に噴射する。コンプレッサの出口は
デミスタと接触して全ての余剰の水を除去する。この余剰水は、水の多くはコン
プレッサ内で蒸発するため、入口水よりも塩分の濃度は高いであろう。
【００３８】 コンプレッサ１０６は周囲空気を高圧まで圧縮する。１つの実施の形態におい
て、周囲空気は、約１０気圧の圧力まで圧縮することができる。圧縮した空気に
対するその他の圧力も使用可能である。
【００３９】 １つの実施の形態において、コンプレッサ１０６は、シリンダ内への小型のピ
ストン２３９から成る無駄容積の可変装置２３８を備えている。電気サーボモー
タのようなアクチュエータ（図示せず）によりシリンダ内のピストンの位置が設
定される。図面に図示するように、ピストン２３９が右方向に配置されるならば
、該ピストンはチャンバ１０９内に無駄容積２３７を形成する。主ピストン１０
７が上方に動くと、余剰な無駄容積は圧力が高圧となるのを防止する。これと逆
に、小型のピストン２３９が左方向に配置されるならば、このピストンはチャン
バ１０９内の無駄容積２３７を減少させる。主ピストン１０７が上方に動くと、
この少ない無駄容積は圧力が高圧となるのを許容する。このようにして圧縮比を
調節することにより、顕著な不可逆性を導入することなく、エンジンの動力出力
を調節することが可能となる。
【００４０】 別の実施の形態において、コンプレッサ１０６は、ジェロータコンプレッサで
ある。かかるコンプレッサについて、以下に更に詳細に説明する。 図３ａ及び図３ｂには、ジェロータコンプレッサ３００の基本的要素が図示さ
れている。図３ａを参照すると、ジェロータコンプレッサ３００は、内側ジェロ
ータ３０２と、外側ジェロータ３０４とを備えている。内側ジェロータ３０２は
、外側ジェロータ３０４よりも歯数が１つだけ少なく、その結果、空隙３０６の
ような複数の空隙を有する。また、外側ジェロータ３０４は、内側ジェロータ３
０２よりも迅速に回転する。
【００４１】 図３ｂを参照すると、ジェロータコンプレッサは弁板３１０を備えている。弁
板３１０は、少なくとも１つのガス入口３１２と、少なくとも１つのガス出口３
１０という少なくとも２つの開口部を備えている。図３ｂにおいて、２つの開口
部のみが図示されているが、コンプレッサの効率及び作動を最適にし得るように
、これら開口部の形状及び寸法が変更可能であることを理解すべきである。
【００４２】 ジェロータ３０２、３０４が回転すると、空隙３０６は開放し、空気のような
ガスを弁板３０８の入口３１０を通じて吸引する。一度び、空隙３０６がその全
容積に達すると、弁板３０８は空隙３０６を密封し、ガスを捕捉する。ジェロー
タ３０２、３０４が回転を続けると、空隙３０６の容積が縮小し、捕捉したガス
を圧縮する。最終的に、圧縮したガスが弁板３０８の出口３１２に運ばれ且つ追
い出される。この過程は連続的であり、図３ｃ乃至図３ｌに図示するように、ジ
ェロータ３０２、３０４の間に形成された複数の空隙内にて生じる。
【００４３】 図４は、ジェロータコンプレッサ４００の概略図的な断面図である。内側ジェ
ロータ４０２は片持ち型であり（その基部からの伸びる支持突起を有する）、内
側ジェロータベアリング４０４により支持されている。外側ジェロータ４０６も
片持ち型であり、また、外側ジェロータベアリング４０８により支持されている
。ジェロータ４０２、４０６の歯は、ガスの噴出しを防止し得るように緊密な隙
間を有するが、これら歯は潤滑及び磨耗の問題点を防止し得るように互いに接触
しない。
【００４４】 ジェロータ４０２、４０６は、第一の歯車４１０及び第二の歯車４１２により
作動される。第一の歯車４１０及び第二の歯車４１２は、ジェロータ４０２、４
０６と等しい比を有することが好ましい。第一の歯車４１０及び第二の歯車４１
２は、ジェロータ４０２、４０６が接触せずに互いに対して動くようにジェロー
タ４０２、４０６を駆動する。この相対的な動作の１つの利点は、ジェロータ４
０２、４０６を潤滑することが全く不要な点である。その代わり、歯車４１０、
４１２は潤滑され、このことは、全体としてより容易であると考えられる。この
潤滑に関して、以下により詳細に説明する。
【００４５】 ガスはガス出口４２２にてジェロータコンプレッサ４００に入る。圧縮したガ
スは、出口４２４にてジェロータコンプレッサから出る。 １つの実施の形態において、ジェロータ４０２、４０６は、セラミックにて製
造することができ、また、冷却は不要である。セラミックを使用することの１つ
の欠点は、材料が高コストである点である。このため、別の実施の形態において
、金属を使用することができる。金属への損傷を防止するため、その金属は、循
環させることのできる冷却液４１４で冷却することが可能である。全てのジェロ
ータは回転するため、スリップリング４１６、４２０を使用して冷却液４１４を
ジェロータの全体に循環させる必要がある。
【００４６】 別の実施の形態において、コアが冷却した金属で出来ており、外側が冷却液４
１４への熱損失を軽減する断熱セラミックにて被覆されたハイブリット装置とす
ることが可能である。
【００４７】 第一の歯車４１０及び第二の歯車４１２は、オイルのような適当な潤滑剤で潤
滑することができる。ガスが潤滑剤に入るのを防止するため、面シール４１８を
採用することができる。面シール４１８は、高度に研磨した表面に対して回転す
るばね負荷式黒鉛リングを備えることができる。内側ジェロータ４０２と外側ジ
ェロータ４０６との間の相対的回転は僅かであるため、面シール４１８が顕著に
磨耗することがない。
【００４８】 必要であるならば、第一の歯車４１０及び第二の歯車４１２を潤滑するために
使用した潤滑剤は、冷却液４１４に対して使用するものと同様のスリップリング
（図示せず）を使用して循環させることができる。
【００４９】 代替的な実施の形態において、内側ジェロータ４０２及び外側ジェロータ４０
６は片持ち材を使用せずに支持することができる。図５を参照すると、非片持ち
型のジェロータコンプレッサ５００の側面図が図示されている。非片持ち型ジェ
ロータコンプレッサにおいて、内側ジェロータ５０８及び外側ジェロータ５０６
は、それぞれその端部にて支持されている。このため、片持ち材は何ら、存在し
ない。
【００５０】 図５において、静止型の非回転軸５０２、５２６は、ジェロータコンプレッサ
５００の中間に配置されている。「クローク」５０４が２つの軸線を画成する。
外側ジェロータ５０６は１つの軸線の上で回転し、内側ジェロータ５０８は他方
の軸線の周りで回転する。静止軸５２６は、高圧管５１２に接続された弁板５１
０に添着されている。高圧管５１２はハウジング５１４に添着されている。
【００５１】 回転軸５１６は外側ジェロータ５０６に接続されている。外側歯車５１８は、
内側ジェロータ５０８に接続された内側歯車５２０を駆動する外側ジェロータ５
０６に添着されている。内側ジェロータ５１８及び外側ジェロータ５２０は、内
側ジェロータ５０６及び外側ジェロータ５０８が接触せずに回転するのを許容し
、これにより、ジェロータ表面上に潤滑剤があることを不要にする。歯車５１８
、５２０は、オイルで潤滑することができる。面シール５２２が内側ジェロータ
５０８の表面に引込んだ平滑な円形面に乗り上げる。回転シール５２４が中心軸
５２６に対して密封する。
【００５２】 低圧のガスは弁板５１０の入口穴５１１を通って入る（図６ｃ及び図６ｄ参照
）。低圧のガスは、上述したように、ジェロータ内で圧縮され且つ排気ポート５
９０を通って高圧ガスとして排気される。
【００５３】 スリップリング５２８は、潤滑オイル及び冷却水を提供し、該潤滑オイル及び
冷却水は、外側ジェロータ５０６の内部通路（図示せず）、軸５０２、５２６及
びクローク５０４を通って内側ジェロータ５０６及び外側ジェロータ５０８に分
配することができる。スリップリング５３０は流体を内側ジェロータ５０８に分
配することを許容する。
【００５４】 非片持ち型ジェロータコンプレッサ５００の幾つかの断面図が図６ａ乃至図６
ｇに図示されている。 図７に図示した１つの代替的な実施の形態において、ハウジングは省略されて
いる。この実施の形態において、外側ジェロータ７０２は、静止型であり、内側
ジェロータ７０４はベーン板７０６を回転させることにより駆動されるときに回
転する。内側ジェロータ７０４が回転すると、歯車７０８、７１０により該内側
ジェロータは旋回動作にてスピンする。
【００５５】 ジェロータコンプレッサ及び非片持ち型ジェロータコンプレッサの実施の形態
は、コンプレッサとして上記に説明したが、これらは、膨張装置としても等しく
機能することが当業者には認識されよう。膨張装置として使用される場合、その
作動方向は逆となる。例えば、膨張装置において、ジェロータは反対方向に回転
し、ガスは高圧にてジェロータに入り、仕事（すなわち、膨張）を行い、低圧の
ガスとして排気される。
【００５６】 再度、図２を参照すると、コンプレッサ１０６は、ベルト２０４のような駆動
手段により、コンプレッサクラッチ２０２を介して、当該技術分野にて公知の方
法で駆動することができる。
【００５７】 コンプレッサ１０６からの圧縮空気は、熱交換器又は蓄熱器１０８を通って流
れ、この熱交換器又は蓄熱器１０８にて予熱される。１つの実施の形態において
、圧縮空気は約１０３９Ｋの公称温度に加熱される。
【００５８】 重量を節減し且つコストを削減するため、熱交換器１０８は、一定速度の公道
の走行（自動車の場合、通常、約１５ｈｐ出力動力）に関係する熱負荷を取り扱
い得る寸法とすることができる。コンプレッサ１０６及び膨張装置１１４は、加
速目的のため、遥かに高い動力出力（例えば、約１５０ｈｐ）にて作動する能力
を備えている。このエンジンは、全体として、これらの動力が急激に増大する間
、効率が低下するが、動力の急激な増大は、通常、作動サイクルの僅かの部分に
しか過ぎないため、装置の全体的な効率に対するその効果は最小である。
【００５９】 １つの実施の形態において、熱交換器１０８は、向流型熱交換器とすることが
できる。別の実施の形態において、熱交換器１０８は、その一例を図８に図示し
たスピニングホイール蓄熱器とすることができる。スピニングホイール８００は
、金属又はセラミック或いは同様の材料で出来たポーラスなメッシュ８０５を備
え、ガスがこのポーラスなメッシュを通って流れるようにすることができる。静
止型分割器８１０は、高温のガス８１５が低温のガス８２０から分離するのを許
容する。高温のガス８１５がポーラスなメッシュ８０５を通って流れるとき、こ
のガスはメッシュ８０５を加熱する。スピニングホイール８００が回転すると、
加熱されたメッシュ８０５は、低温のガス８２０に接触し、低温のガス８２０を
高温にする。スピニングホイール８００がスピンし続けると、低温となったメッ
シュ８０５は、再度、高温のガス８１５と接触し、この高温のガスにより再度、
加熱される。
【００６０】 予熱され且つ圧縮された空気は、熱交換器１０８から出て、更に、入口弁２３
２が開放したとき、燃焼装置１１２まで流れ、この燃焼装置にて、燃料１１０が
補充され且つ空燃混合体は着火装置２１８により着火される。
【００６１】 １つの実施の形態において、燃焼装置１１２は管状燃焼装置とすることができ
る。当該技術分野の当業者に公知である管状燃焼装置の全体的な概念は、ペンシ
ルベニア大学のスチュアートチャーチル（Ｓｔｕａｒｔ Ｃｈｕｒｃｈｉｌｌ）
教授が開発したものである。図９を参照すると、本発明の１つの実施の形態によ
る管状燃焼装置９００の概略図的な断面図が図示されている。管状燃焼装置９０
０は、燃焼装置壁９１０を有する。１つの実施の形態において、燃焼装置の壁は
セラミックとすることができ、このことは、管状燃焼装置９００内の温度が、空
燃混合体を完全燃焼させる約２２００Ｋに達することを許容する。また、高温金
属のようなその他の適当な材料を使用することもできる。
【００６２】 作動時、空燃混合体９１２は、入口９０２から燃焼装置９００に入り且つ輻射
及び対流により燃焼室壁９１０によって加熱される。一度びガスが着火温度に達
すると、火炎面９０８が形成される。始動時、火炎面９０８は点火プラグ（図示
せず）のような着火装置により形成することができる。管状燃焼装置９００がセ
ラミックで出来ている場合、火炎面９０８は極めて高温度であり、このため、全
ての燃料は完全に着火する。セラミック製管状燃焼装置９００から出る未燃焼の
炭化水素は何ら存在しない。燃焼した空燃混合体は、燃焼装置９００の出口９０
４から排ガス９１４として出る。
【００６３】 図１０には、管状燃焼装置９００の軸線に沿った測定温度プロファイルが図示
されている。安定状態の可能な７つの温度プロファイルが存在する。スチュアー
トチャーチルの研究を通じて、これら７つの温度プロファイルの全ては、コンピ
ュータシミュレーションにより予測したものであり、その後、その７つの温度プ
ロファイルの全ては実験的に測定した。
【００６４】 管状燃焼装置内の高温度により、最初に一酸化炭素が形成される。しかし、余
剰の空気が多量に存在するため、ガスが冷却すると、二酸化炭素が形成される。
このため、約０．５ｐｐｍの一酸化炭素の濃度にて本発明のエンジンを作動させ
ることが可能である。
【００６５】 管状燃焼装置は、従来のバーナに優る幾つかの利点がある。例えば、従来のバ
ーナは、空燃混合体をその着火温度まで予熱するため、故意に後方混合を使用す
る。残念なことに、後方混合はガスの残留時間を増すため、ＮＯXの形成を促進
する。これに反して、管状燃焼装置は後方混合を行わない。すなわち、ガスは管
状燃焼装置を通って閉塞流れ状態で流れる。残留時間は極めて短い（約７ミリ秒
）、すなわち、ＮＯXの形成が極めて少ない状態で管状燃焼装置を作動させるこ
とが可能である。
【００６６】 図１１には、当量比が０．６以下の場合、ＮＯX濃度が僅か約２ｐｐｍにしか
過ぎないことが示してある。当量比Φは、ストイクメトリック燃料の必要な補充
量と比べた燃料の実際の補充量として規定される。供給分として室温の空気を使
用するならば、当量比が０．６の場合、管状燃焼装置から出るときの温度は約１
３００Ｋである。
【００６７】 当量比がより大きい場合、燃焼温度は上昇し、これによりエンジンの効率が増
加する。しかし、このことはまた、ＮＯXの発生量を増すことになる。このよう
に、別の実施の形態において、ＮＯXの量を少なくするため触媒変換器が使用さ
れる。可能な還元剤は、特に、アンモニア、尿素及び燃料を含む。液体アンモニ
アの通常の消費量は、公道運転時、約２ｍＬ／ｈとすることができる。
【００６８】 管状燃焼装置は、主として、多くの始動／停止サイクルを経験しないであろう
という想定の下に、静止型発電用として主として設計されている。始動前、セラ
ミックは低温であるから、使用前にセラミックを加熱しなければならない。この
ため、１つの実施の形態において、セラミックは、燃料を導入する前にセラミッ
クを予熱し得るように抵抗ヒータ（図示せず）にて包み込むことができる。その
他の適当な予熱装置及び技術を使用することもできる。
【００６９】 別の実施の形態において、管状燃焼装置は、該管状燃焼装置とシリンダとの間
に環状の空間が存在するようにシリンダ内に配置することができる。この環状の
空間は吸収性材料で充填することができる。１つの実施の形態において、吸収性
材料が水素を吸収し、またその過程中、熱を発散する。このことは、管状燃焼装
置を予熱する働きをする。
【００７０】 別の実施の形態において、環状の空間は負圧とし、多層の極めて薄い（約２５
．４μｍ（１／１０００インチ））のニッケルプレートを充填することができる
。１つの実施の形態において、１００の層が使用される。高度に研磨した多ニッ
ケル層は不良導体であり、相当な時間、作動による熱を保つ。このため、エンジ
ンを頻繁に（例えば、毎日）運転するならば、管状燃焼装置は、その作動に伴う
幾分かの熱を保つことになる。
【００７１】 再度、図２を参照すると、着火装置２１８は、従来の点火プラグとすることが
できる。別の実施の形態において、着火装置２１８は「レールガン」点火プラグ
である。このレールガン点火プラグは、始動中、空燃混合体を着火し得るように
燃焼装置１１２の中心に沿って下方に「発火電圧」を送る。
【００７２】 着火装置２１８による着火量、着火タイミング及び着火持続時間は変更可能で
ある。１つの実施の形態において、着火装置２１８は、火炎面を発生させ得るよ
うに１回だけ発火させればよい。一度び、空燃混合体が最初に着火されたならば
、補充された空燃混合体は火炎面を保ち、着火装置２１８からの更なる発火を不
要にする。別の実施の形態において、最大燃焼量を最小燃焼量にて割った値とし
て規定された、燃焼装置のバーナ負荷調整範囲（ターンダウン比）を増し得るよ
うに、着火装置２１８は最初の始動後、発火を続行する。ピストン膨張装置の場
合、このタイミングは、ピストンの定期的な膨張と一致させることができる。ジ
ェロータ膨張装置の場合、この着火は、連続的に行うことができる。
【００７３】 燃焼後、高圧で高温のガスは膨張装置１１４を通って流れ、この膨張装置は、
軸の動力を発生させる。膨張装置１１４は、以下により詳細に説明する、スリー
ブ２２０と、キャップ２２２とを備えることができる。
【００７４】 膨張の開始時、入口弁２３２は開放しているため、圧力は一定である（例えば
、約１０気圧）。入口弁２３２が閉じると、膨張は、断熱膨張状態にて続行し、
これにより、仕事が為されるのに伴ってガスは冷却する。１つの実施の形態にお
いて、冷却されたガスを壁２３６から絶縁するためにセラミックスリーブ２２０
及びセラミックキャップ２２２を使用することができる。セラミックキャップ２
２２は、壁２３６との接触点が存在せず、このため、潤滑剤を供給する必要はな
い。また、キャップ２２２及び壁２３６の熱膨張を考慮する必要もない。セラミ
ックスリーブ２２０は、壁２３６に接着する必要はなく、スリーブ２２０と壁２
３６との間に僅かな空隙を配置し、これにより、セラミック及び壁材料が異なる
熱膨張をすることを許容する。ガスはセラミックスリーブ２２０と壁２３６との
間を自由に流れるため、セラミックスリーブは、その壁を亙る圧力差に耐え得る
必要はない。
【００７５】 別の実施の形態において、膨張装置１１４は無駄容積の可変装置２４０を備え
ることができる。無駄容積の可変装置２４０は、上記のコンプレッサ１０６に関
して説明した、無駄容積の可変装置２３８と同様に機能する。
【００７６】 別の実施の形態において、膨張装置１１４は、ジェロータ膨張装置とすること
ができる。ジェロータ膨張装置は、逆に作動する点を除いて上述したジェロータ
コンプレッサと全く同様に作用する。例えば、高圧のガスが図３ｂの小さいポー
ト３１２を通って入り且つ大きいポート３１０を通って出る。膨張装置が加熱す
ると、その構成要素の寸法が増大する。このことは、構成要素を冷却することに
より最小にすることができる。冷却剤への熱損失を最小にするため、ジェロータ
は、絶縁セラミックにて被覆してもよい。
【００７７】 図２に図示した膨張装置１１４の別の実施の形態において、セラミックスリー
ブ２２０及びセラミックキャップ２２２に代えて、従来の金属製ピストン及びシ
リンダを好んで使用することができるが、この場合、壁への熱の損失はより大き
くなる。別の実施の形態において、金属に代えて、セラミック製ピストン及びシ
リンダを使用することができる。
【００７８】 ワンケル膨張装置のような、その他の適当な膨張装置の設計も使用可能である
。 図２に図示するように、膨張装置１１４は、膨張装置とクラッチ２０８を駆動
する。該クラッチは、車を駆動し得るように、車輪のような駆動手段に最終的に
接続する、伝動装置２１６及び駆動軸２０６を駆動する。更に、コンプレッサ１
０６を作動させる動力は、ベルト２０４又はその他の適当な駆動機構を介して提
供される。
【００７９】 膨張が完了すると、排気弁２３４が開放し、ガスが膨張装置１１４から出るの
を許容する。膨張装置１１４から出るガスは高温であり、熱交換器１０８を通っ
て流れ、この熱交換器にて、そのガスは供給されるガスを予熱し、最終的に、排
ガス１１６として雰囲気中に排出される。
【００８０】 エンジントルクは、絞り及び可変圧縮比を含む幾つかの方法にて調節すること
ができる。絞りアプローチ法は、オットーサイクルエンジンが制御される場合の
方法と同様である。エンジンは一定の圧縮比を有するが、空気入口は遮断されて
いるため、コンプレッサの入口は負圧状態にある。コンプレッサは負圧状態から
始動するため、コンプレッサにより実現される最大圧力は低く、その結果、エン
ジンのトルク出力が減少する。スロットルと関係した不可逆性のため、このアプ
ローチ法は、エネルギ効率の点で好ましくないが、具体化が極めて簡単である。
【００８１】 １つの実施の形態において、１ストロークにて補充される燃料の量が変更可能
である。燃料がより多量であれば、温度が上昇し、これにより圧力が上昇し、そ
の結果、１ストローク当たりの仕事量が増す。このアプローチ法の不利益な点は
、低トルクにて作動することがエンジン温度が低温であり、このため効率が低下
することを意味する点である。
【００８２】 可変圧縮比のアプローチ法は、コンプレッサ及び膨張装置の双方の圧縮比を変
化させる。ジェロータコンプレッサ／膨張装置の場合、弁板における開口部の形
状を変化させることにより、可変コンプレッサは実現可能である。ジェロータコ
ンプレッサの排出ポート及びジェロータ膨張装置の入口ポートを拡張することに
より、低圧縮比が実現される。これと逆に、ジェロータコンプレッサの排出ポー
ト及びジェロータ膨張装置の入口ポートを収縮させることにより、高圧縮比が実
現される。これを実現する機構は、参考としてその開示内容の全体を引用し、本
明細書に含めた、１９９８年７月３１日付で出願されたホルツザップル（Ｈｏｌ
ｔｚａｐｐｌｅ）及びその他の者による「蒸気圧縮蒸発型空調装置及び構成要素
（Ｖａｐｏｒ−Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ Ａｉｒ Ｃ
ｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）」と
いう名称の米国特許出願第０９／１２６，３２５号に記載されている。
【００８３】 低圧縮比の場合、エンジンが発生するトルクは小さく、またより大きい圧縮比
のとき、エンジンはより大きいトルクを発生する。従来のブライトンサイクルと
異なり、準等温ブライトンサイクルエンジンのエネルギ効率は、圧縮比に依存せ
ず、このため、エンジンのトルク出力を変化させる極めて効率的な方法が得られ
る。
【００８４】 ピストンコンプレッサ／膨張装置の場合、コンプレッサ１０６及び膨張装置１
１４の双方にて無駄容積の可変装置２３８、２４０を使用することにより、可変
の圧縮比が実現可能である。コンプレッサ１０６の無駄容積を増大させると、出
力圧力が降下し、その結果、エンジントルクが減少する。これと逆に、コンプレ
ッサ１０６の無駄容積を縮小させると、出力圧力が上昇し、その結果、エンジン
トルクが増大する。コンプレッサ１０６の圧力が低圧であるとき、膨張装置１１
４は、低膨張比を必要とし、このため、より多くの無駄容積が使用される。コン
プレッサ１０６の圧力が高いとき、膨張装置１１４は、より大きい圧縮膨張比を
必要とし、そのため、使用される無駄容積がより少なくなる。
【００８５】 本発明の装置は、蓄熱型ブレーキを採用することができる。図２を参照すると
、１つの実施の形態は、弁２１０、２１１、２１２と、圧力タンク２１４と、当
該技術分野にて公知の任意の適当なクラッチとすることができるクラッチ２０８
、２０２とを使用する。圧力タンク２１４は、球状及び円筒状の形状のような多
くの可能な形状とすることができる。この圧力タンクは、ポリマー中に埋め込ん
だ黒鉛繊維のような複合材料又は金属にて形成することができる。この圧力タン
クは任意の適当な寸法とすることができる。
【００８６】 安定状態の作動中、弁２１２を閉じ、弁２１０、２１１を開放し、圧縮空気が
コンプレッサ１０６から燃焼装置１１２に直接、流れるのを許容する。ブレーキ
作用中、膨張装置クラッチ２０８は非係合状態となるが、コンプレッサクラッチ
２０２は係合したままである。弁２１０、２１２が開放している間、弁２１１は
閉じられ、コンプレッサ１０６から排出された空気を圧力タンク２１４内に貯蔵
することを許容する。常用のブレーキ作用中、車の運動エネルギは、圧縮空気と
して、後で使用し得るように回収することのできる圧力タンク２１４内に蓄えら
れる。急激な停止の場合、当該技術分野にて公知の摩擦ブレーキ（図示せず）を
作用させ、熱のような車の運動エネルギを放散させることができる。
【００８７】 車が停止位置から始動すると、コンプレッサクラッチ２０２は非係合状態とな
り、膨張装置クラッチ２０８は係合する。弁２１０は閉じられる一方、弁２１１
、２１２は開放したままである。圧力タンク２１４内に蓄えられた高圧空気は、
向流型熱交換器１０８を通って流れ、この熱交換器内で予熱され、燃焼装置１１
２に入り、膨張装置１１４を通って流れ、向流型熱交換器１０８から出る。始動
中、圧縮ガスとして蓄えられたエネルギは解放され、車が加速することを許容す
る。始動時の間、圧縮した負荷が除去されるため、膨張装置１１４からの全ての
軸動力を駆動軸に供給することができる。このことは、顕著な（例えば、約３０
％）の動力ブースト力を提供することができる。
【００８８】 高圧空気は圧力タンク２１４内に蓄えられ、このため、エンジンを始動させる
ために外部の動力を使用する必要はない。始動時の間、コンプレッサクラッチ２
０２及び膨張装置クラッチ２０８の双方が非係合状態とされる。弁２１１、２１
２が開放し、弁２１０は閉じられる。一度び、燃焼装置１１２が高温となり、膨
張装置１１４がある速度に達すると、弁及びクラッチは安定状態の作動が可能で
あるように設定される。
【００８９】 別の実施の形態において、圧力タンク２１４は提供されず、このため、エンジ
ンを始動させるため外部の動力源が使用される。 本発明のエンジンは、多くの適用例が可能である。例えば、本発明のエンジン
は、機関車にて使用することができる。機関車のエネルギ消費量は多量であるた
め、全てのエネルギ効率的な機能（蓄熱型ブレーキ、向流型熱交換器、水の注入
、可変圧縮比の制御）が正当化される。圧縮空気タンクは機関車の後方近くに配
置された高圧のタンクカーとすることができる。経済的な研究の結果、１日当た
り５回以上停止する列車はかかる空気タンクの費用を正当化することが可能であ
ることが明らかとなっている。
【００９０】 船舶業界において、ボート及び船は蓄熱型ブレーキを必要としない。しかし、
その他のエネルギ効率的な機能（向流型熱交換器、水の注入、可変圧縮比の制御
）を正当化することができる。
【００９１】 エンジンは、トラクタ／トレーラと共に使用することができる。トラクタ／ト
レーラのエネルギ消費量は多量であるため、エネルギ効率的な全ての機能（蓄熱
型ブレーキ、向流型熱交換器、水の注入、可変圧縮比の制御）を正当化すること
ができる。圧縮空気のタンクは、トレーラの下流に配置してもよい。
【００９２】 エンジンはバスと共に使用してもよい。バスのエネルギ消費量は多量であるた
め、エネルギ効率的な全ての機能（蓄熱型ブレーキ、向流型熱交換器、水の注入
、可変圧縮比の制御）を正当化することができる。圧縮空気タンクは、バスの下
側に配置することができる。停止が頻繁であるため、摩擦ブレーキのメンテナン
スは都市バスの最大の費用の１つであり、蓄熱型ブレーキ装置は、この費用を大
幅に軽減することになろう。
【００９３】 自動車において、スペースは最重要であり、安全が極めて重要な関心事である
。一部の自動車設計者は、高圧空気タンクを車内に設けることは気が進まないか
ら、蓄熱型ブレーキ作用は、自動車に具体化することはできないであろう。しか
し、その他のエネルギ効率的な機能（向流型熱交換器、水の注入）は、多くの負
担を伴わずに使用可能である。簡略化のため、可変圧縮比ではなくて、絞り作用
を使用してエンジンの制御を行うことができる。
【００９４】 発電のような静止型動力の適用例又はポンプ、コンプレッサ、ブロワー等のよ
うな工業的機械の作動のために準等温ブライトンサイクルエンジンを使用するこ
ともできる。この場合、蓄熱型ブレーキを除いて、向流型熱交換器、水の注入、
可変圧縮比の制御のような全てのエネルギ効率的な機能を使用することができる
。
【００９５】 実施例 本発明をより完全に理解し易くするため、以下に、一例を掲げる。しかし、単
に説明のみを目的とするこの実施例に開示された特定の実施の形態にのみ本発明
の範囲は限定されるものではない。
【００９６】 エネルギ効率 以下の表１には、本発明のエンジンの１つの実施の形態の効率分析の結果がま
とめてある。ステンレス鋼、高合金及びセラミック製の３つの向流型熱交換器を
検討した。共に、容易に実現可能である２つのアプローチ温度を検討した（５０
及び１００Ｋ）。また、０．７及び０．８という２つのコンプレッサ／膨張装置
の効率を検討した（注：完全な水の蒸発を想定するのに必要な理論上の可逆的動
力を必要とされる実際の動力で割った値としてコンプレッサの効率を計算する。
膨張装置の効率は、実際の動力発生量を断熱膨張装置により発生される理論上の
可逆的動力で割った値として計算する）。この想定に依存して、エンジンの効率
は０．４４乃至０．６４の範囲にある。
【００９７】
【表１】
【００９８】 寸法 図１２ａ及び図１２ｂには、本発明の実施の形態により、３０００ｒｐｍ及び
１０，０００ｒｐｍという２つの回転速度における、１００ｋＷエンジンに対す
るジェロータコンプレッサ及び膨張装置のそれぞれ略寸法が図示されている。そ
の双方の速度において、その寸法は極めてコンパクトであることを認識すべきで
ある。
【００９９】 図１３には、本発明の１つの実施の形態による向流型熱交換器の略寸法が図示
されている。１つの場合、熱交換器は、全負荷（１００ｋＷ）にて作動するエン
ジンに対し熱を伝導し得る寸法とされている。この場合、エンジンは可変圧縮比
アプローチ法を使用して制御されると考えられる。この制御方法の場合、所定の
回転速度において、エンジンを通る空気の流れは、トルク出力に関係なく同一で
あり、このため、熱交換器は最大の動力出力に合うように寸法を設定しなければ
ならない。別の場合、エンジンはエンジン動力を減少させるため絞ることになろ
う。このことはエンジンを通る体積流量を減少させ、その結果、向流熱伝導の量
が減少することになる。図１３には、１０ｋＷの動力を発生させるのに必要な絞
った体積流量に相応する寸法が図示されている。
【０１００】 図１４には、本発明の１つの実施の形態による蓄熱型ブレーキ用として使用さ
れる圧縮空気タンクの略寸法が図示されている。これら寸法は、車の重量が３０
００ｌｂ（１３６４ｋｇ）に対するものである。４５乃至０ｍｐｈ及び６０乃至
０ｍｐｈに対する２つの蓄熱型ブレーキのオプションが示してある。高速度ブレ
ーキ作用は一般的でないため、より低速度で十分であろう。１つの概念において
、空気タンクは、車の下方に配置される救命いかだと同様に接続される。これら
タンクは、自動車の構造体の一体の部品として使用することが可能である。これ
と代替的に、使用される圧縮空気はシリンダ又は球状体内に貯蔵してもよい。
【０１０１】 準等温コンプレッサが必要とする動力は、真の等温コンプレッサよりも僅か１
．４％しか多くないため、このコンプレッサは等温コンプレッサに極く近似する
。このコンプレッサが必要とするエネルギは、断熱コンプレッサよりも２２％少
なく、このため、そのエネルギ節約の程度は顕著である。コンプレッサのエネル
ギ必要量が少ないため、準等温ブライトンサイクルエンジンの燃料消費量は、蓄
熱器を備える従来のブライトンサイクルよりも２２％少ない。このエネルギ効率
を実現するためには、燃料１リットル当たり約２リットルの水を必要とするが、
エンジンはオットーサイクルエンジンよりも約３倍以上より効率的であるため、
車に搭載しなければならない流体の総量は、従来の車に現在搭載されている量に
略等しい。
【０１０２】 準等温ブライトンサイクルエンジンは、その他のエンジンのアプローチ法に対
する１つの代替的手段を提供する。このエンジンは、燃料セルに典型的な汚染及
び効率の特徴を示すが、簡略であるため、資本コストは従来のオットーエンジン
及びディーゼルエンジンと同程度である。
【０１０３】 本発明は好ましい実施の形態及び実施例に関して説明したが、本発明の範囲か
ら逸脱せずに、上述した好ましい実施の形態のその他の変更及び改変例は具体化
可能であることが当該技術分野の当業者には、理解されよう。本明細書及び本明
細書に開示した本発明の実施を検討することにより、当業者には、その他の実施
の形態が明らかになるであろう。本明細書は単に一例にしか過ぎず、本発明の真
の範囲及び精神は、特許請求の範囲の記載により判断されることを意図するもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施の形態による準等温ブライトンサイクルエンジンのブロッ
ク図である。
【図２】 本発明の１つの実施の形態による輸送装置にて具体化された準等温ブライトン
サイクルエンジンの概略図である。
【図３】 ３ａは、本発明の１つの実施の形態によるジェロータコンプレッサの作動状態
を示す図である。 ３ｂは、ジェロータコンプレッサの図３ａと異なる作動状態を示す図である。 ３ｃは、ジェロータコンプレッサの図３ｂと異なる作動状態を示す図である。 ３ｄは、ジェロータコンプレッサの図３ｃと異なる作動状態を示す図である。 ３ｅは、ジェロータコンプレッサの図３ｄと異なる作動状態を示す図である。 ３ｆは、ジェロータコンプレッサの図３ｅと異なる作動状態を示す図である。 ３ｇは、ジェロータコンプレッサの図３ｆと異なる作動状態を示す図である。 ３ｈは、ジェロータコンプレッサの図３ｇと異なる作動状態を示す図である。 ３ｉは、ジェロータコンプレッサの図３ｈと異なる作動状態を示す図である。 ３ｊは、ジェロータコンプレッサの図３ｉと異なる作動状態を示す図である。 ３ｋは、ジェロータコンプレッサの図３ｊと異なる作動状態を示す図である。 ３ｌは、ジェロータコンプレッサの図３ｋと異なる作動状態を示す図である。
【図４】 本発明の１つの実施の形態によるジェロータコンプレッサの概略図的な断面図
である。
【図５】 本発明の１つの実施の形態による非片持ち型ジェロータコンプレッサの概略図
である。
【図６】 ６ａは、図５の非片持ち型ジェロータコンプレッサの断面図である。 ６ｂは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ａと異なる断面図である。 ６ｃは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ｂと異なる断面図である。 ６ｄは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ｃと異なる断面図である。 ６ｅは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ｄと異なる断面図である。 ６ｆは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ｅと異なる断面図である。 ６ｇは、非片持ち型ジェロータコンプレッサの図６ｆと異なる断面図である。
【図７】 本発明の別の実施の形態による非片持ち型ジェロータコンプレッサの概略図で
ある。
【図８】 本発明の１つの実施の形態によるスピニングホイール蓄熱器の概略図である。
【図９】 本発明の１つの実施の形態によるセラミック製管状燃焼装置の概略図的な断面
図である。
【図１０】 本発明の１つの実施の形態による管状燃焼装置の軸線に沿った測定温度プロフ
ァイルの図である。
【図１１】 ＮＯX濃度対当量比のグラフである。
【図１２】 １２ａは、本発明の１つの実施の形態による１００ｋＷエンジン用のコンプレ
ッサの略寸法を示す図である。 １２ｂは、図１２ａのエンジン用の膨張装置の略寸法を示す図である。
【図１３】 本発明の１つの実施の形態による熱交換器の略寸法を示す図である。
【図１４】 本発明の１つの実施の形態に従い蓄熱型ブレーキに使用される圧縮空気タンク
の略寸法を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ラブローカー，アンドリュー・ジー アメリカ合衆国テキサス州77840，カレッ ジ・ステイション，バックネル 213 【要約の続き】 と、外側ジェロータとを備えている。内側ジェロータ及 び外側ジェロータは、これらジェロータが接触しないよ うに駆動される。ジェロータは片持ち型又は非片持ち型 とすることができる。

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンにおいて、 周囲空気を圧縮するコンプレッサと、 該圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生させる燃焼装置と、 該燃焼装置から前記排ガスを受け取り且つ該排ガスを膨張させる膨張装置とを
    備え、 前記コンプレッサが、ジェロータコンプレッサと、無駄容積の可変制御装置を
    有するピストンコンプレッサとから成る群から選ばれる、エンジン。
  2. 【請求項２】 エンジンにおいて、 周囲空気を圧縮するコンプレッサと、 該圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生させる燃焼装置と、 該燃焼装置から前記排ガスを受け取り且つ該排ガスを膨張させる膨張装置とを
    備え、 前記膨張装置が、ジェロータ膨張装置と、無駄容積の可変制御装置を有するピ
    ストン膨張装置とから成る群から選ばれる、エンジン。
  3. 【請求項３】 エンジンにおいて、 周囲空気を圧縮するピストンコンプレッサと、 該圧縮した空気を燃焼させ且つ排ガスを発生させる燃焼装置と、 該燃焼装置から排ガスを受け取り且つ該排ガスを膨張させるピストン膨張装置
    と、 前記圧縮した空気を前記コンプレッサから受け取り且つ貯蔵する圧力タンクと
    を備える、エンジン。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、前記圧縮
    した空気と前記排ガスとの間にて熱交換を行う熱交換器を更に備える、エンジン
    。
  5. 【請求項５】 請求項４のエンジンにおいて、前記熱交換器がスピニングホ
    イール蓄熱器である、エンジン。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、圧縮前、
    前記空気を液体と共に噴霧する噴霧手段を更に備える、エンジン。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、前記コン
    プレッサの排出ポートの形状が、圧縮比の可変制御装置を使用して変化される、
    エンジン。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至３の何れかのエンジンにおいて、前記膨張装置
    の入口ポートの形状が、圧縮比の可変制御装置を使用して変化される、エンジン
    。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、前記燃焼
    装置が管状燃焼装置である、エンジン。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、点火プ
    ラグと、レールガン点火プラグとから成る群から選ばれる着火装置を更に備える
    、エンジン。
  11. 【請求項１１】 請求項１０のエンジンにおいて、前記着火装置が連続的に
    発火する、エンジン。
  12. 【請求項１２】 請求項１０のエンジンにおいて、前記着火装置が周期的に
    発火する、エンジン。
  13. 【請求項１３】 請求項１０のエンジンにおいて、前記燃焼装置が抵抗ヒー
    タを備える、エンジン。
  14. 【請求項１４】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、 前記圧縮した空気を前記コンプレッサから受け取り且つ貯蔵する圧力タンクを
    備える、エンジン。
  15. 【請求項１５】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、可動型
    である、エンジン。
  16. 【請求項１６】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、静止型
    である、エンジン。
  17. 【請求項１７】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、前記コ
    ンプレッサがセラミックから成る、エンジン。
  18. 【請求項１８】 請求項１乃至３の何れか１つのエンジンにおいて、ブライ
    トンサイクルエンジンである、エンジン。
  19. 【請求項１９】 請求項１８のエンジンにおいて、前記ブライトンサイクル
    が準等温型である、エンジン。
  20. 【請求項２０】 ジェロータコンプレッサにおいて、 内側ジェロータと、 外側ジェロータとを備え、 前記内側ジェロータ及び外側ジェロータが、該内側ジェロータ及び該外側ジェ
    ロータが接触しないように駆動される、ジェロータコンプレッサ。
  21. 【請求項２１】 請求項２０のジェロータコンプレッサにおいて、 潤滑剤中に浸漬させた歯車機構を更に備える、ジェロータコンプレッサ。
  22. 【請求項２２】 請求項２１のジェロータコンプレッサにおいて、 前記歯車機構に対する歯車ハウジングと、 該歯車ハウジング内で前記潤滑剤を絶縁するシールとを更に備える、ジェロー
    タコンプレッサ。
  23. 【請求項２３】 請求項２０のジェロータコンプレッサにおいて、前記ジェ
    ロータが片持ち型である、ジェロータコンプレッサ。
  24. 【請求項２４】 請求項２０のジェロータコンプレッサにおいて、前記ジェ
    ロータが非片持ち型である、ジェロータコンプレッサ。
  25. 【請求項２５】 ジェロータ膨張装置において、 内側ジェロータと、 外側ジェロータとを備え、 前記内側ジェロータ及び外側ジェロータが、該内側ジェロータ及び該外側ジェ
    ロータが接触しないように駆動される、ジェロータ膨張装置。
  26. 【請求項２６】 請求項２５のジェロータ膨張装置において、 潤滑剤中に浸漬させた歯車機構を更に備える、ジェロータ膨張装置。
  27. 【請求項２７】 請求項２６のジェロータ膨張装置において、 前記歯車機構に対する歯車ハウジングと、 該歯車ハウジング内で前記潤滑剤を絶縁するシールとを更に備える、ジェロー
    タ膨張装置。
  28. 【請求項２８】 請求項２６のジェロータ膨張装置において、前記ジェロー
    タが片持ち型である、ジェロータ膨張装置。
  29. 【請求項２９】 請求項２６のジェロータ膨張装置において、前記ジェロー
    タが非片持ち型である、ジェロータ膨張装置。
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