JP2003507610A - 高効率エアーボトミングエンジン - Google Patents

高効率エアーボトミングエンジン

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JP2003507610A
JP2003507610A JP2001510715A JP2001510715A JP2003507610A JP 2003507610 A JP2003507610 A JP 2003507610A JP 2001510715 A JP2001510715 A JP 2001510715A JP 2001510715 A JP2001510715 A JP 2001510715A JP 2003507610 A JP2003507610 A JP 2003507610A
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チャールズ エル ジュニア グレイ
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ユナイテッド ステイツ エンバイロメンタル プロテクション エージェンシー
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】 自動車への使用に適したエアーボトミングパワートレインは、内燃機関と、ガス状の作動流体を受け入れ、それを高圧に圧縮するコンプレッサと、コンプレッサを等温運転するためのクーラと、圧縮ガスから仕事を引き出すエキスパンダと、圧縮された作動流体と内燃機関からの排気ガスとの間で間接的な熱交換を行うために、圧縮ガス管路に配設された熱交換器とを含む。エキスパンダは、内部に複数のシリンダを円形に配置し、一端面は開口させられ、該一端面は弁板によってシールされ閉ざされるシリンダ胴を有する。シリンダ胴と弁板は相対回転できるようになっており、コンプレッサからの圧縮ガスによって駆動されて出力軸を駆動する。他のエキスパンダとして、出力軸の両側において軸方向に整列された複数組のシリンダを備えたスコッチヨークピストン原動機がある。スコッチヨークピストン原動機において、各シリンダは、熱ブレーキによって断熱外方部と冷却内方部とに軸方向に分割され、同様に、各ピストンは、熱ブレーキにより冷却内方セクションと断熱外方セクションとに軸方向に分割される。

Description

【発明の詳細な説明】
（技術分野） 本発明は、自動車用の内燃機関、特に、通常、内燃機関の排気中に破棄される
熱を高効率で機械的仕事に変換し、総合的な燃料利用効率を増加させる熱エネル
ギーの利用に関する。
【０００１】 （背景技術） 自動車の利用が多くなるのに伴って、大気中の窒素酸化物、二酸化炭素等の温
室効果ガスを含む各種の汚染物質が更に増加している。
【０００２】 内燃機関においては、一般に、圧縮、点火、膨張及び排気から成る熱力学サイ
クルが利用され、燃料を燃焼させることによって燃料エネルギーから機械的な仕
事を生成するようになっている。膨張は、燃焼によって生成される高圧をピスト
ンに作用させ、放出される燃料エネルギーの一部を機械的な仕事に変換するプロ
セスである。このプロセスの効率は、本サイクルの熱力学的な効率で決まり、こ
の熱力学的な効率は、燃焼混合気体が移動するピストンに対して仕事を行いなが
ら、膨張によって到達される最終の圧力及び温度で決まる。
【０００３】 一般に、膨張行程の最後に到達する圧力及び温度が低いほど、引き出される仕
事の量は大きくなる。従来のエンジンの設計においては、燃焼ガスが膨張し、な
おピストンに対して仕事を行うことができる容積は有限であるので、膨張はシリ
ンダの固定最大容積によって制限される。このため、周囲の圧力及び温度付近ま
で膨張することができなくなり、代わりに大量のエネルギーが残存することにな
り、該残存したエネルギーは通常、排気と一緒に廃棄される。燃焼ガスの最初の
膨張による仕事量は、一般に「トッピング」といわれ、一旦（いったん）膨張し
たガスから仕事を抽出するサイクルを「ボトミングサイクル」という。
【０００４】 ボトミングサイクルは、一般に、汽力発電所の複合サイクル運転の一部として
用いられる。この技術分野における出願時の技術水準を表すものとして、「ガス
タービン・エアボトミング複合システムの性能分析」（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｉｒ−Ｂｏｔｔｏｍｉ
ｎｇ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ）、エネルギー変換管理（Ｅｎｅｒｇｙ
Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）、ｖｏｌ．３７、ｎｏ．４、
ｐｐ．３９９−４０３、１９９６、及び「エアーボトミングサイクル：ガスター
ビン廃熱の発電への利用」（Ａｉｒ Ｂｏｔｔｏｍｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ：Ｕｓｅ
ｏｆ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ
Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、ＡＳＭＥエンジニアリングジャーナル − ガスタ
ービンと電力（ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆ
ｏｒ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ）、ｖｏｌ．１１８、ｐ
ｐ．３５９−３６８、Ａｐｒｉｌ １９９６がある。一次ガスタービン（トッピ
ングサイクル）からの廃熱は、水を加熱して蒸気を発生させるのに使用され、発
生させられた蒸気は二次蒸気タービン（ボトミングサイクル）内で膨張させられ
る。この場合、ボトミングサイクルの作動流体は蒸気であるが、より好ましい物
理的又は熱力学的な特性を有する他の流体、例えば、アンモニア・水混合媒体、
又はガスを使用することもできる。
【０００５】 ところで、水／蒸気、又はその他の再循環媒体を作動流体として使用するボト
ミングサイクルにおいては、再循環及び浄化のために機械設備を配設する必要が
ある。例えば、蒸気系プラントは、ボイラ、複雑な蒸気タービン、復水器、無機
物の析出及び付着を防ぐための浄化システム、ポンプ等を必要とする。このため
、ボトミングサイクルは、実際には公共発電設備、産業プラント等の据付け方式
の利用に限られ、自動車等の移動体への利用は行われない。
【０００６】 今日、世界における全エネルギー使用量の大部分を自動車による使用が占めて
いるが、据付け型の発電所と自動車用の動力装置との間には違いがある。第一に
、自動車は、通常、トッピング段階でタービンを使用せず、したがって、排気ガ
スの流量は一定になりにくい。第二に、自動車の場合、ボトミングサイクルに用
いる機器は低コストで、運転、保守等が比較的に簡単で、重量が軽いものである
必要がある。第三に、自動車におけるボトミングサイクルの作動流体は安全でな
くてはならず、大規模な再循環設備を必要としてはならない。
【０００７】 据付け型の発電設備において空気を作動流体として使用することが研究されて
いる。米国特許４，７５１，８１４「エアーサイクル熱力学変換システム」（Ａ
ｉｒ Ｃｙｃｌｅ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙ
ｓｔｅｍ）においては、ガスタービントッピングサイクルがエアータービンボト
ミングサイクルと組み合わされている。この場合、空気は、空気温度をできる限
り低く保つ中間冷却多段圧縮システムにおいて圧縮される。タービン排気の熱は
対向流型の熱交換器によって圧縮空気に伝達され、加熱された圧縮空気は、ター
ビンを通過しながら膨張し、少なくともコンプレッサを駆動することができる仕
事、好ましくは、他の目的にも使用することができる仕事を生成する。このシス
テムは、作動流体が再循環されても複雑な作動流体（大気）の浄化、処理等を必
要とせず、大規模な蒸気取扱機器を不要である。しかし、このシステムには、従
来の自動車への利用には適さないタービンによるトッピング装置及びボトミング
装置が用いられている。
【０００８】 ところで、ピストン（又はシールされた可動面を有する他の手段）を用いたコ
ンプレッサ及びエキスパンダは、圧縮及び膨張の各プロセスについては高効率を
発揮するが、同じサイズの（つまり、同様のガス流量で作動する）ガスタービン
に比べて一般に大きい摩擦を伴う。しかし、ガスタービン（特に、道路を走る車
両において必要とされる一層小さいサイズのもの）のプロセス効率は、タービン
翼（可動面）の端部がシールされておらず、該端部付近でガス漏洩が生じるので
、所望の効率より低い。
【０００９】 また、ガスタービンは非常に高速（しばしば、１００，０００〔ｒｐｍ〕を超
える。）で運転され、自動車で使用できる速度（例えば、６，０００〔ｒｐｍ〕
未満）で機械的な動力を提供するのに必要な減速機は高価で効率が悪い。
【００１０】 したがって、本発明は、自動車での使用に適したボトミングサイクルを含むパ
ワートレインを提供することを目的とする。
【００１１】 本発明は、さらに、ボトミングサイクルにおいて空気を作動流体として使用す
るパワートレインを提供することを目的とする。
【００１２】 本発明は、さらに、圧縮及び膨張を最小の摩擦で行うことができ、正味効率が
ガスタービンにおいて達成される正味効率よりかなり高く、シールされた可動面
を有するコンプレッサ及びエキスパンダ設計を提供することを目的とする。
【００１３】 本発明は、さらに、６，０００〔ｒｐｍ〕より低い速度で効率よく作動するコ
ンプレッサ及びエキスパンダ設計を提供することを目的とする。
【００１４】 （発明の開示） そのために、本発明のエアーボトミングパワートレインにおいては、燃焼排気
ガスの供給源、例えば、自動車の内燃機関（ＩＣＥ）と、ガス状の作動流体を受
け入れ、それを高圧に圧縮するコンプレッサと、等温圧縮に近い圧縮を行うため
に前記コンプレッサを冷却するクーラと、複数のシリンダから成り、各シリンダ
に、往復動可能に配設され、膨張行程及び排出行程を含む２行程サイクルで動作
して出力軸を駆動するピストンを備えたエキスパンダと、圧縮されたガス状の作
動流体をコンプレッサからエキスパンダに供給するための圧縮ガス管路と、圧縮
されたガス状の作動流体を圧縮ガス管路からエキスパンダの各シリンダに順次導
入し、圧縮されたガス状の作動流体を膨張行程（ストローク）における第１の部
分の間に各シリンダへ連続的に導入して一定の圧力を保持するエキスパンダバル
ブとを有する。熱交換器は、圧縮されたガス状の作動流体と排気ガスとの間で間
接的な熱交換を行うために、圧縮ガス管路に配設され、前記熱交換器を貫通する
排気ガス管路を介して排気ガスが供給される。
【００１５】 好ましくは、エキスパンダは、内部に円形状に配置された複数のシリンダを備
え、一端面が開口させられ、他方の端面が閉じられたシリンダ胴を備える。弁板
は、圧縮ガスの入口及び排気ガスの出口を備え、シリンダ胴の一端をシールして
閉ざす。シリンダ胴と弁板とは相対的に回転するように設置され、相対的な回転
によって出力軸を駆動する。好ましくは、エキスパンダは、曲がり軸構造を有し
、総排気容量は、シリンダ胴と出力軸との角度の変化に伴い変化する。弁板は、
シリンダ胴に対してシールする面に弧状の溝を備え、該弧状の溝は、排気ガスの
出口と連通させられ、円形状にシリンダが配置される円と位置が一致させられる
。
【００１６】 エキスパンダの第２の好ましい実施の形態は、出力軸の両側において軸方向に
整列させられた複数組のシリンダ、及びシリンダ内において往復動可能に配設さ
れ、前記出力軸に、出力軸を駆動することができるように接続されたピストンと
を有するスコッチヨークピストン原動機である。各シリンダは、軸方向において
断熱外方部と冷却内方部とに分割され、断熱外方部は熱ブレーキによって冷却さ
れた内方部から分離され、さらに、各ピストンは、中空の外方セクションと冷却
内方セクションとに軸方向に分割され、冷却内方セクションは、シリンダの冷却
内方部とでシールを行うオイルリングを外表面に装着し、中空の外方セクション
は熱ブレーキにより冷却内方セクションから熱的に分離されている。
【００１７】 本発明は、自動車の排気ガスの流れへの使用によく適合する独自の多シリンダ
のピストンコンプレッサ・エキスパンダに関連したエアーボトミングサイクルを
利用する。
【００１８】 図１に、望ましいエアーボトミング熱力学サイクルの理想的な形態が示される
。線ａｂは作動流体のコンプレッサへの取込を表す。線ｂｃは作動流体の等温圧
縮を表す。線ｃｄは定圧膨張中の定圧での作動流体による熱の吸収を表す。線ｄ
ｂは、加熱された圧縮ガスが周囲の条件と等しくなるように断熱膨張し、最大の
可能な仕事を発生させる様子を表す。線ｂａは次のサイクルが開始する前の膨張
空気の排出を表す。
【００１９】 本発明は次の五つの異なる相から成るエアーボトミングサイクルを実施する。
（１）コンプレッサ内の空気等のガス状の作動流体を冷却することによって、比
較的等温状態で行われる圧縮によって、場合によっては、サージタンクに圧縮さ
れた空気流を保留させて熱交換器への流れの変動を減少させる。（２）内燃機関
の排気から熱を回収する対向流型の熱交換器等の装置を介し、比較的定圧で圧縮
された作動流体に熱を追加する。（３）加熱され、圧縮された作動流体をほぼ定
圧で初期的に膨張させる。（４）部分的に膨張させられた作動流体から、比較的
断熱状態における最終膨張で、最大量の仕事を発生させる。（５）膨張させられ
た作動流体を、エキスパンダから排出するか、又は内燃機関の吸気口等の適当な
転送先に転送する。
【００２０】 この場合、冷却されたコンプレッサは、空気等の作動流体を比較的等温で圧縮
する。この等温圧縮は、最大限の熱回収を行うために、熱交換器への流入の前に
、実施可能な最低の温度で行う必要がある。等温圧縮付近の圧縮は、次の一つ又
は複数の方法を用いて行われる。すなわち、水系の冷却材、空気、又はその他の
冷却流体を用いて、コンプレッサのチャンバ壁を冷却する方法、流入させられた
作動流体の乱れを増加させて熱伝達率及びチャンバ内の混合を増加させる方法、
チャンバ壁の荒さを増加させて、境界層の乱れに伴って熱伝達率を増加させ、か
つ、熱伝達面積を増加させる方法、及び液体を圧縮中の作動流体に注入し、注入
された液体の相変化（蒸発作用）を利用して、圧縮に伴う熱を抽出する方法であ
る。本発明の独自の特徴の一つは、必要に応じて、液体の燃料（圧縮中の空気の
冷却を補助するため）が注入される点である。前記燃料は、ボトミングサイクル
の最後に排出された空気と混合され、その後、燃焼機関に送られる。そして、該
燃焼機関は高温の排気ガスを「燃料の供給」を行うためにボトミングエンジンに
供給する。メタノール又はエタノールは、水と簡単に混合させて最適な混合物を
作ることができるので、この使用に特に適した燃料である。
【００２１】 圧縮された作動流体は、適宜配設されたサージタンクを介して対向流型の熱交
換器に流入させられる。そして、作動流体の温度は上昇させられ、既に圧縮され
ているガスにエネルギーが付加される。このとき、加熱され、圧縮された作動流
体は、熱がガスの圧力を上昇させるのと等しい割合で膨張室に流入させられるの
で、圧力は比較的一定になり、したがって、初期の定圧膨張相が達成される。吸
入弁が閉じられた後、膨張は膨張行程の最後まで継続し、それに伴って、機械的
な仕事を発生させる。なお、エキスパンダから排出された周囲の圧力の付近の圧
力を有する空気は、大気へ放出することもできるが、内燃機関の吸気口へ供給す
ることもできる。あるいは、エキスパンダからの排出ガスは、サイクル全体の効
率を増加させ、内燃機関の給気用インタークーラとして機能する「相変化熱機関
」を介して内燃機関の吸気口に（任意のブースト圧力で）供給することができる
。また、排気ガスを、別の構成に組み込まれている「相変化熱機関」の熱エネル
ギー源とすることもできる。前記「相変化熱機関」は、本出願と同日に出願した
本発明者の同時係属中の出願に開示されており、その内容を本明細書の一部を構
成するものとして援用する。
【００２２】 サージタンクを使用することにより、コンプレッサの出口流れの変動を和らげ
、コンプレッサのピストン数を減らすことができ、各圧縮行程中における温度の
上昇が減少させられる傾向がある。
【００２３】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】 図２は、曲がり軸設計による冷却された固定容量型又は可変容量型の多シリン
ダピストン式のコンプレッサ１、必要に応じて配設されたサージタンク２、対向
流型の熱交換器３、及び曲がり軸設計による固定容量型又は可変容量型の多シリ
ンダピストン式のエキスパンダ４から成る本発明の好ましい実施の形態を示す。
エキスパンダ４は独自の設計により、サイクルの定圧熱付加段階において一定の
圧力が保持される。
【００２５】 図２を参照して説明すると、外気又は他のガス状の作動流体は、周囲の圧力及
び温度で、又は増圧状態でコンプレッサの吸入口５を介してコンプレッサ１に流
入する。増圧によりコンプレッサのサイズを小さくすることができ、エキスパン
ダについても小さくすることができる可能性がある。「ひと塊り」の圧縮ガスが
、各圧縮行程ごとに、コンプレッサの排出ポート６を通ってコンプレッサ１から
排出され、サージタンク２に流入し、所定のタンク圧力を保持する。また、冷却
装置１６をコンプレッサ１に作用させることができる。好ましい実施の形態の冷
却装置は、各シリンダの周囲の空間、及びヘッドを通って循環する水系冷却液、
並びに、圧縮中のガスに液体を注入し、注入された液体の相変化によって、圧縮
に伴う熱を抽出するための手段（図示されない）を備える。一方、内燃機関又は
同様の装置１８からの高温の排気ガスが、熱交換器３の排気ガスの吸入口９を介
して熱交換器３に流入させられ、熱交換器３の排出口８から流出する。同時に、
熱交換器３の吸入口７から流入し、熱交換器３内を作動流体の排出ポート１０に
向かう作動流体に、排気ガスに含まれる熱の大部分が与えられる。そして、エキ
スパンダ４への吸入ポート１３が定期的に開かれ、エキスパンダ４が膨張行程に
入ると、エキスパンダ４の膨張室１４の容積が増大する。該膨張室１４が拡大す
るにつれ、作動流体が、容積の拡大している膨張室（シリンダ）１４に、吸入ポ
ート１３が閉じられるまで、ほぼ一定の圧力で流入させられる。吸入ポート１３
が閉じられると、ガスは膨張室１４内で膨張し続け、ピストン１５に対して機械
的な仕事を行い、出力軸１２に伝達する。膨張後、ほぼ周囲の圧力と等しくなっ
た空気は、エキスパンダ４の排出ポート１１から排出され、大気に放出される。
なお、内燃機関の吸気口に供給されるようにしてもよい。
【００２６】 図３、図４Ａ及び図４Ｂは、曲がり軸構造を有する原動機を用いた本発明のエ
キスパンダの第１の実施の形態を示す。エキスパンダ４は、多シリンダを組み込
んだシリンダ胴４０１を備える。なお、ここではシリンダは４０２〜４０９で表
す８個である。各シリンダ４０２〜４０９には、ピストンが装着され、各ピスト
ンによって出力軸が駆動される。可変容量型の構成にするために、出力軸の平面
に対するシリンダ胴の角度が傾けられ、エキスパンダ４の原動機の総排気容量を
変えることができるようになっている。シリンダ胴４０１と出力軸の平面とが平
行になったとき、排気容量は最小又は零（０）になる。一方、排気容量は、その
角度が増加するにつれ増加し、所定の最大角度で、所定の最大の排気容量になる
。
【００２７】 吸入ポート４１０及び排出ポート４１２は、各サイクルの所定の臨界部におい
てピストン・膨張室４０２〜４０９と連通させられ、前記一定の圧力による作動
を可能とする。シリンダ胴４０１が、例えば、矢印のように反時計回りに回転す
るにつれ、各ピストンも、またＴＤＣ（上死点）とＢＤＣ（下死点）との間を往
復し、吸入ポート４１０及び排出ポート４１２が適宜の時間に各ピストンと重な
り合う。
【００２８】 第１の実施の形態のエキスパンダの動作について、図４Ａ及び図４Ｂを参照し
ながら説明する。図において、例えば、ピストン・膨張室４０２が、１サイクル
中のいくつかの臨界ポイントを通過する様子を示す。ここでは、シリンダ胴４０
１は反時計回りに回転し、弁板２０は固定されている。位置、すなわち、ポイン
トａでは、ピストンはＴＤＣに近づいており、排出ポート４１２を通過したとこ
ろで、膨張室４０２はシールされている。このポイントａにおいて、膨張室４０
２には、エキスパンダ４の出口の周囲の圧力及び温度に近い圧力及び温度で、残
存する作動流体が閉じ込められている。ポイントｂに近づくにつれ、膨張室はそ
の容積が減少し続け、したがって、閉じ込められた作動流体は圧縮される。位置
ｂで、ピストンはＴＤＣに到達し、シールされた膨張室４０２内の作動流体は最
大に圧縮されている。膨張室４０２はＴＤＣの直前でシールされるので、閉じ込
められ、圧縮されたガスの体積、したがって、必要な仕事量及びクランク角は最
小になる。位置ａと位置ｂの間のクランク角は、排出ポート４１２に対するシー
ルが良好に行われるように計算される。ＴＤＣにおいては、非行程容積は最小に
なり、膨張室４０２を加圧するのに必要な熱交換器から流入するガスの量は最小
になる。また、ポイントｂでは、吸入ポート４１０が膨張室４０２に露出されよ
うとしており、この露出により、加熱され、圧縮された作動流体が膨張室４０２
に流入する通路が提供される。ポイントｂを通過し、ＢＤＣに向かって移動する
と、膨張室４０２の容積が増大し始め、作動流体を受け入れて仕事を生成する。
ポイントｂ’は、この段階での典型的な位置を表し、膨張室４０２の容積を増加
させており、吸入ポート４１０を介して加熱され、圧縮された作動流体が膨張室
４０２を充満すべく流入させられる。なお、このとき、膨張室４０２の容積は増
加するが、吸入ポート４１０を介して加圧された作動流体が供給されるので、圧
力は比較的一定である。加熱され加圧された作動流体は、ポイントｃに到達して
吸入ポート４１０が膨張室４０２から外れるまで、流入させられ続ける。ポイン
トｃからポイントｄにかけて、ポイントｂとポイントｃとの間で流入させられ、
加熱され、圧縮された作動流体（及び初期の残留圧縮ガス）の断熱膨張が行われ
、断熱仕事が行われる。ポイントｄで、ピストンはＢＤＣに到達し、ガスは周囲
の圧力付近まで減圧される。そして、前記ポイントにおいて、排出ポート４１２
が膨張室４０２と重なり、ピストンがＴＤＣに向かって再び上昇し始め、容積が
減少し始めるので、廃流体が排出される。ポイントｄ’及びポイントｄ”は、排
出サイクルの開始及び終了の付近に位置する膨張室４０２の位置を示す。最終的
にピストンがポイントａに到達し、再び膨張室４０２がシールされて膨張室４０
２内に残留する作動流体の圧縮が開始され、同じサイクルが繰り返される。ポイ
ントａは、エキスパンダ４の機能を変更することなくポイントｂまでずらすこと
ができる。８シリンダエキスパンダにおいては、例えば、８個のピストンのすべ
てが、段階的に連続してこのサイクルを行い、エキスパンダ４の出力軸１２に対
して円滑に仕事を行う。
【００２９】 ところで、図４Ａにおいて、角（ｉ）は圧縮相、角（ii）は定圧吸入・膨張相
、角（iii ）は断熱膨張相、角（iv）は排出相を表す。
【００３０】 角（ii）と角（iii ）とは合わせて１８０〔°〕であり、膨張行程に対応する
。角（ii）は、約１８〔°〕から約４５〔°〕の範囲で変化する。すなわち、定
圧吸入・膨張相は、通常、膨張行程の全体の１０〔％〕から２５〔％〕である。
【００３１】 曲がり軸構造を有するので、エキスパンダ４及びコンプレッサ１はいずれも可
変容量にすることができ、エキスパンダ４及びコンプレッサ１の速度を独立して
変化させることができるだけでなく、本システムによって質量の流量及び圧力を
正確に制御することができ、安定で、かつ、熱力学的に高効率の運転を確保する
ことができる。
【００３２】 第１の実施の形態において、（１）固定シリンダ胴と回転弁板、（２）固定シ
リンダ胴と個々のタイミングで作動させられるバルブ、（３）傾斜面を備え、ピ
ストンが、ピストンの基部に配設された摺（しゅう）動パッドを介して傾斜面に
作用したときにトルクを発生させ、出力軸を駆動する斜板又はウォーブル（wobb
le）について設計を変更することは当業者には明らかである。
【００３３】 図５は車両の内燃機関（ＩＣＥ）１８及び駆動輪６０が統合されたボトミング
サイクルエンジンを示す。周囲の空気がコンプレッサ１にポート５を介して導入
される。エキスパンダ４から延びる軸１９はコンプレッサ１を駆動する。圧縮空
気はポート６を介してコンプレッサ１から熱交換器３に排出され、加熱され、圧
縮された空気が熱交換器３から流出させられ、ポート１０を介してエキスパンダ
４に流入させられる。エキスパンダ４は、前記加熱され、圧縮された空気を膨張
させることによって、コンプレッサ１を駆動するための動力を発生させるととも
に、正味動力を発生させる。そして、該正味動力は、エクスパンダ４と連結され
た歯車６２を介してＩＣＥと連結された歯車６４を駆動し、ＩＣＥ１８から出力
された動力と組み合わされる。なお、膨張した空気はポート１１を介してエキス
パンダ４から排出される。ＩＣＥからの動力とボトミングサイクルエンジンから
の動力とを組み合わせた動力は、トランスミッション６３を介して車輪６０に伝
達される。
【００３４】 図６及び７は、第１の好ましい実施の形態の曲がり軸構造に代えて、案内軸受
付きのクランクループ又は「スコッチヨーク」クランク機構の設計をコンプレッ
サ及び／又はエキスパンダとして使用する第２の好ましい実施の形態を示す。こ
の第２の実施の形態は、十分に一定な通過フローを確保するために、膨張室の容
積、シリンダ数、弁タイミング等を適宜決定して定圧運転を近似的に達成するよ
うにしている。
【００３５】 第２の実施の形態においては、曲がり軸構造に代えて、ピストンに加わる横力
を減少させ、ピストンの「コッキング（cocking ）」を防ぐ案内軸受を用いたク
ランクループ又は「スコッチヨーク」設計が、コンプレッサ及びエキスパンダに
採用される。この設計は、１８０〔°〕の角度で対向させて固定し、接続された
二つのピストンの組を複数配設し、その組の中心にある軸受を介してクランクシ
ャフト３６、４５を駆動することによって、ピストンに加わる横力を減少させて
いる。「スコッチヨーク」型のエンジンは、摩擦が非常に少ないことで知られて
おり、追加の案内軸受と組み合わせることによって、その「クランク機構」は本
発明のピストンコンプレッサ及び／又はエキスパンダとして好適に用いられる。
従来の技術では、横力が多少残っているが、本実施の形態においては、案内ブッ
シュ又は軸受を用いて横力、及びピストンの「コッキング」を排除し、性能を更
に向上させ、摩擦を更に減少させることができる。膨張室の容積、シリンダ数、
弁タイミング等を適宜決定することにより、近似的に定圧運転が達成され、十分
に一定な通過フローを確保することができる。
【００３６】 図６を参照して説明すると、外気又は他のガス状の作動流体が、周囲の圧力及
び温度で、又は増圧状態でコンプレッサ３０の吸入口２５を介してコンプレッサ
３０に流入する。なお、第１の実施の形態と同じように、増圧によりコンプレッ
サ３０のサイズを小さくすることができ、エキスパンダ４０のサイズを小さくす
ることができる。２行程のサイクルのコンプレッサ３０の場合、作動流体は、Ｔ
ＤＣからＢＤＣへの行程で吸入され、ＢＤＣからＴＤＣへの行程で圧縮及び排出
される。各種の設計の吸入弁及び排出弁（図示されない）を利用して、コンプレ
ッサ３０への作動流体の流入及び流出のタイミングを制御することができる。
【００３７】 第２の実施の形態においては、コンプレッサ３０及びエキスパンダ４０のいず
れも、クランクループ又は「スコッチヨーク」設計のクランク機構３１、４１を
採用している。これらのクランク機構３１、４１は、図７の端面図に示される。
更に詳しい説明は、機関誌記事「コンパクトで運転の滑らかな乗用車用原動機と
してのスコッチヨークエンジン」（Ｔｈｅ Ｓｃｏｔｃｈ Ｙｏｋｅ Ｅｎｇｉ
ｎｅ ａｓ ａ Ｃｏｍｐａｃｔ ａｎｄ Ｓｍｏｏｔｈ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｍ
ｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ）、ＭＴＺ Ｍｏｔ
ｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ５８（１９９７）６に掲
載されており、本記事の内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。
【００３８】 再び図６を参照して説明すると、コンプレッサ３０及びエキスパンダ４０のい
ずれも、案内ブッシュ又は軸受３２、４２を利用してピストンの「コッキング」
又は横力から保護されている。また、案内ブッシュ又は軸受３２用のオイルサプ
ライ３４が示される。オイルは、また、等温圧縮に近づけるために、ポート３５
を介して、コンプレッサ３０のピストン３３に送られ、ピストン３３を冷却する
。
【００３９】 各圧縮行程ごとに、「ひと塊り」の圧縮ガスが、コンプレッサ３０の排出ポー
ト２６を介してコンプレッサ３０から排出され、サージタンク２１に流入する。
等温圧縮に近い圧縮を保持するのを補助するために、冷却装置１６をコンプレッ
サ３０に作用させることができる。内燃機関又は同様の装置５０からの高温の排
気ガスが、熱交換器２３の排気ガスの吸入口２９を介して熱交換器２３に流入さ
れ、熱交換器２３の排出口２８から流出される。同時に、熱交換器２３の吸入口
２７から流入され、熱交換器２３内を排出ポート２２に向かう作動流体に、排気
ガスに含まれる熱の大部分が与えられる。エキスパンダ４０への吸入ポート２３
が定期的に開かれ、エキスパンダ４０が膨張行程に入ると、前記膨張室４４の容
積が増大する。エキスパンダ４０の膨張室４４が拡大するにつれ、作動流体が容
積の拡大している膨張室４４に、吸入ポート２３が閉じるまでほぼ一定の圧力で
流入する。吸入ポート２３が閉じた後、ガスはエキスパンダ４０の膨張室４４内
で膨張し続け、ピストン４３に対して機械的な仕事を行い、出力軸４５に伝達す
る。膨張後、ほぼ周囲の圧力と等しくなったガスは、エキスパンダ４０の排出ポ
ート２４から排出され、大気へ放出される。なお、内燃機関５０の吸気口に供給
するようにしてもよい。
【００４０】 この場合、効率を最大にするため、エキスパンダ４０をできるだけ断熱に近い
状態で運転することが特に重要である。そのために、エキスパンダ４０の膨張室
４４は断熱させられる。ところで、ピストン４３のリングを、冷却され油潤滑さ
れた面上で移動させる必要性があるので、シリンダ４７は冷却されている。そこ
で、該シリンダ４７と断熱された膨張室４４とを分離させるために、熱ブレーキ
４６が配設される。また、個々のピストン４３は、上部に、高温の膨張室４４内
を移動させられる高温部４８を備え、高温の膨張ガスが、冷却されたシリンダ４
７内に著しく流入しないようにしている。ピストン４３の質量を最小にし、ピス
トン４３の下部の冷却部への伝熱を減らすために、前記高温部４８の空洞は最大
にされる。最終的には、熱ブレーキ４９が高温部４８を冷却された下部から分離
している。前記高温部４８は、好ましくは断熱セラミックで被覆された高温材の
金属合金によって形成されるが、全体がセラミックで作られた部品、全体が炭素
−炭素で作られた部品、又は低伝熱特性を有するその他の適当な高温材でもよい
。
【００４１】 熱ブレーキは、断熱セラミック又はその他の従来の断熱材から成るガスケット
によって構成される。
【００４２】 一つの変形例では、サージタンクが削除され、エキスパンダの速度がコンプレ
ッサの速度の複数倍に固定される。更に他の実施の形態では、サージタンクが配
設され、この場合、コンプレッサの速度が変更される。
【００４３】 更に他の変形例では、膨張空気を排出するのではなく、再循環させるか、又は
内燃機関の吸気口に供給する。この場合、内燃機関に対して増圧となる圧力で膨
張空気を供給するようにしてもよい。
【００４４】 他のタイプのシールされた可動面をコンプレッサ及びエキスパンダに用いるよ
うにしたその他の変形例は、前記二つの好ましい実施の形態の説明から当業者に
は明らかであろう。
【００４５】 本発明はその精神、又は必須の特徴から逸脱することなく、他の様々な形態で
実施することができる。したがって、本実施の形態はあらゆる点において例示で
あり、限定的なものではなく、本発明の範囲は上記説明ではなく、特許請求の範
囲により示され、その結果、特許請求の範囲の趣旨及び均等の範囲に含まれるす
べての変更は本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明において利用される理想的なエアーボトミング熱力学サイクルを表す図で
ある。
【図２】 本発明に係わるパワートレインの第１の実施の形態の概略図である。
【図３】 図２に示される第１の実施の形態のコンプレッサ及び／又はエキスパンダの好ま
しい実施の形態の端面図である。
【図４Ａ】 好ましい実施の形態のコンプレッサ及び／又はエキスパンダの概略端面図であり
、１サイクル中の異なる動作相を表す図である。
【図４Ｂ】 図３及び図４Ａに示される実施の形態の側面図である。
【図５】 図２の実施の形態の駆動装置におけるコンプレッサとエキスパンダの駆動シャフ
トとの接続を示す図である。
【図６】 コンプレッサ及びエキスパンダの好ましい第２の実施の形態を組み込んだ、本発
明に係るパワートレインの第２の実施の形態の概略図である。
【図７】 図６に示されるエキスパンダの好ましい実施の形態における一対の対向するピス
トンの概略図である。
【符号の説明】
１、３０ コンプレッサ ３、２３ 熱交換器 ４、４０ エキスパンダ １２、４５ 出力軸 １４、４７ シリンダ １６ クーラ ２０ 弁板 ４０１ シリンダ胴 ４０２〜４０９ シリンダ
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年５月１０日（２００１．５．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】 第１の実施の形態において、（１）固定シリンダ胴と回転弁板、（２）固定シ
リンダ胴と個々のタイミングで作動させられるバルブ、（３）傾斜面を備え、ピ
ストンが、ピストンの基部に配設された摺（しゅう）動パッドを介して傾斜面に
作用したときにトルクを発生させ、出力軸を駆動する斜板又はウォーブル（wobb
le）について設計を変更することは当業者には明らかである。 図５は車両の内燃機関（ＩＣＥ）１８及び駆動輪６０が統合されたボトミング
サイクルエンジンを示す。周囲の空気がコンプレッサ１にポート５を介して導入
される。エキスパンダ４から延びる軸１９はコンプレッサ１を駆動する。圧縮空
気はポート６を介してコンプレッサ１から熱交換器３に排出され、加熱され、圧
縮された空気が熱交換器３から流出させられ、ポート１０を介してエキスパンダ
４に流入させられる。エキスパンダ４は、前記加熱され、圧縮された空気を膨張
させることによって、コンプレッサ１を駆動するための動力を発生させるととも
に、正味動力を発生させる。そして、該正味動力は、エクスパンダ４と連結され
た歯車６２を介してＩＣＥと連結された歯車６４を駆動し、ＩＣＥ１８から出力
された動力と組み合わされる。なお、膨張した空気はポート１１を介してエキス
パンダ４から排出される。ＩＣＥからの動力とボトミングサイクルエンジンから
の動力とを組み合わせた動力は、トランスミッション６３を介して車輪６０、６
５に伝達される。 図６及び７は、第１の好ましい実施の形態の曲がり軸構造に代えて、案内軸受
付きのクランクループ又は「スコッチヨーク」クランク機構の設計をコンプレッ
サ及び／又はエキスパンダとして使用する第２の好ましい実施の形態を示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ｂ】
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年５月１８日（２００１．５．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼排気ガスの供給源と、 ガス状の作動流体を受け入れ、それを高圧に圧縮するコンプレッサと、 等温圧縮に近い圧縮を行うために前記コンプレッサを冷却するクーラと、 複数のシリンダを有するエキスパンダであって、各シリンダは往復動可能に配
    設され、膨張行程及び排出行程を含む２行程サイクルで動作するピストンを備え
    、該ピストンは出力軸を駆動するエキスパンダと、 圧縮されたガス状の作動流体をコンプレッサからエキスパンダへ供給するため
    の圧縮ガス管路と、 圧縮されたガス状の作動流体を前記圧縮ガス管路から前記エキスパンダの個々
    のシリンダへ順次導入し、圧縮されたガス状の作動流体を膨張行程の第１の部分
    の間に各シリンダへ連続的に導入して一定の圧力を保持するエキスパンダバルブ
    手段と、 圧縮されたガス状の作動流体と排気ガスとの間で間接的な熱交換を行うために
    、前記圧縮ガス管路に配設された熱交換器と、 前記供給源からの排気ガスを前記熱交換器を介して供給する排気ガス管路とを
    有することを特徴とするエアーボトミングパワートレイン。
  2. 【請求項２】 前記排気ガスの供給源は、自動車用の内燃機関である請求項
    １に記載のパワートレイン。
  3. 【請求項３】 前記圧縮ガス管路に、前記コンプレッサと前記熱交換器との
    間に位置させてサージタンクが配設される請求項１に記載のパワートレイン。
  4. 【請求項４】 前記コンプレッサ及び前記エキスパンダのうちの少なくとも
    １つは曲がり軸ピストン装置である請求項１に記載のパワートレイン。
  5. 【請求項５】 前記エキスパンダはシリンダ胴及び弁板から成り、前記複数
    のシリンダは前記シリンダ胴内に円形に配設され、該シリンダ胴の一端面は開口
    させられ、前記シリンダ胴の他端面は閉じられ、前記弁板は、圧縮ガス入口及び
    排気ガス出口を備え、前記シリンダ胴の前記一端をシールして閉ざすとともに、
    前記弁板は前記シリンダ胴と前記弁板は相対的に回転するように配設され、相対
    的な回転によって出力軸を駆動する請求項１に記載のパワートレイン。
  6. 【請求項６】 前記エキスパンダは曲がり軸構造を有し、前記エキスパンダ
    の総排気容量は、シリンダ胴と出力軸との角度変化に伴い変化する請求項１に記
    載のパワートレイン。
  7. 【請求項７】 前記弁板は、前記シリンダ胴に対してシールされた面に弧状
    の溝を備え、該弧状の溝は前記排気ガス出口と連通させられ、前記円形配置の円
    と位置が一致させられる請求項５に記載のパワートレイン。
  8. 【請求項８】 前記シリンダ胴は中心軸回りに回転可能であり、前記弁板は
    固定される請求項５に記載のパワートレイン。
  9. 【請求項９】 前記エキスパンダは、出力軸の両側において軸方向に整列さ
    れた複数組のシリンダ、及び前記シリンダ内に往復動可能に配設され、前記出力
    軸に駆動的に接続されたピストンを備えたスコッチヨークピストン原動機であり
    、 各シリンダは、断熱外方部と冷却内方部とに軸方向に分割され、断熱外方部は
    熱ブレーキによって冷却内方部から分離され、 各ピストンは、断熱外方セクションと冷却内方セクションとに軸方向に分割さ
    れ、前記冷却内方セクションは、前記シリンダの前記冷却内方部と共にシールを
    行うオイルリングが外表面に装着され、前記断熱外方セクションは熱ブレーキに
    よって前記冷却内方セクションから熱的に分離される請求項１に記載のパワート
    レイン。
  10. 【請求項１０】 自動車用のパワートレインに使用されるエキスパンダにお
    いて、 内部に複数のシリンダが円形に配置され、一端面が開口させられ、他端面が閉
    じられるシリンダ胴と、 該シリンダ胴の前記一端をシールして閉ざすとともに、圧縮ガス入口及び排気
    ガス出口を備え、前記シリンダ胴と相対的に回転するように設置され、相対的な
    回転によって出力軸を駆動する弁板とを有することを特徴とするエキスパンダ。
  11. 【請求項１１】 曲がり軸構造を有し、総排気容量はシリンダ胴と出力軸と
    の角度変化に伴い変化する請求項１０に記載のエキスパンダ。
  12. 【請求項１２】 前記弁板は、前記シリンダ胴をシールする弧状の溝を備え
    、該弧状の溝は前記排気ガス出口と連通させられ、前記円形配置の円と位置が一
    致する請求項１０に記載のエキスパンダ。
  13. 【請求項１３】 前記シリンダ胴は中心軸回りに回転可能であり、前記弁板
    は固定される請求項１０に記載のパワートレイン。
  14. 【請求項１４】 自動車用のパワートレインに使用されるエキスパンダにお
    いて、該エキスパンダは、出力軸の両側において軸方向に整列された複数組のシ
    リンダ、及び前記シリンダ内に往復動可能に配設され、前記出力軸に駆動的に接
    続されたピストンを備えたスコッチヨークピストン原動機であり、 各シリンダは、断熱外方部と冷却内方部とに軸方向に分割され、断熱外方部は
    熱ブレーキによって冷却内方部から分離され、 各ピストンは、中空外方セクションと冷却内方セクションとに軸方向に分割さ
    れ、前記冷却内方セクションは、前記シリンダの前記冷却内方部と共にシールを
    行うオイルリングが外表面に装着され、前記中空外方セクションは熱ブレーキに
    よって前記冷却内方セクションから熱的に分離されることを特徴とするエキスパ
    ンダ。
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