JP2007502389A - 圧縮空気による作動を含む複数の作動モードを有するエンジン - Google Patents

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Abstract

本発明は（図１を参照）、燃焼チャンバ（１２）が圧縮空気を貯蔵するためのリザーバ（１６）に接続可能な内燃機関に関する。ガス流制御弁手段（１５）が燃焼チャンバ（１２）とリザーバ（１６）との間の流量を制御するため、燃焼チャンバ（１２）で加圧された空気をリザーバ（１６）へと中継して充填できるとともに、ピストン（１０）を駆動するために加圧空気を燃焼チャンバ（１２）へと供給することができる。燃焼チャンバ（１２）はまた、燃料の燃焼のためにも使用される。本発明はまた、燃焼チャンバ（１２）とリザーバ（１６）との間の加圧空気の流量を制御するための弁機構にも関し、この弁機構では、ガス流制御弁（１１５）に平衡力を加えることにより、弁（１１５）の背面に加えられる圧力によって生じる弁（１１５）への力を相殺する。

Description

本発明は、内燃機関として動作可能であるとともに、圧縮空気を発生させる圧縮機としても動作可能で、且つ、あらかじめ発生されて貯蔵された圧縮空気を用いて動力を発生することができるエンジンに関する。
これまでも、例えば、市街地における交通条件といった特定の作動条件において排出ガスがゼロとなるようなエンジンを有する車両の開発のためにかなりの研究が行われてきた。それらの研究の多くは、内燃機関と電気モータとを組み合わせて使用することに重点を置いており、市街地以外では内燃機関を使用して電力を発生させてその電力を蓄えて、後に、車両の市街地走行において電気モータを作動させるために使用するというものであった。電気モータが単独で動作している場合は、排出ガスがゼロとなる。
本発明は、異なった方法によって排出ガスがゼロとなるように作動するエンジンを提供するという課題に取り組む。
本発明の第１の態様は、エンジンであって、容積可変チャンバと、当該容積可変チャンバ内への給気の流入を制御する吸気弁手段と、前記容積可変チャンバへ流入した給気と燃料とを混合させるために燃料を供給するための燃料供給手段と、前記容積可変チャンバ内における燃料と流入した給気との燃焼により生じる燃焼済みガスの前記容積可変チャンバから大気への排出を制御するための排気弁手段とを備え、当該エンジンが、前記吸気弁手段が前記容積可変チャンバ内へと給気を流入させて、流入した給気と混合させるために前記燃料供給手段が燃料を供給し、燃料と給気の混合気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、圧縮された燃料と給気の混合気が燃焼し、燃焼済みガスが膨張して前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した燃焼済みガスが前記排気弁手段を介して前記容積可変チャンバから大気へと排出されることからなる第１の作動モードを有し、当該エンジンが更に、前記容積可変チャンバに接続された圧縮空気を貯蔵するためのリザーバと、前記容積可変チャンバと圧縮空気を貯蔵するための前記リザーバとの間の空気の流量を制御するためのガス流制御弁手段とを備えることを特徴とし、当該エンジンが更に少なくとも２つの作動モード、すなわち、前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させ、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバ内に貯蔵するために前記容積可変チャンバから前記リザーバへと流出させることからなる第２の作動モードと、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバから前記容積可変チャンバへと流出させた後、膨張させて前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した空気がその後大気へと排出されることからなる第３の作動モードとを有することを特徴とするエンジンを提供する。
本発明の第２の態様は、エンジンであって、複数の容積可変チャンバと、当該容積可変チャンバ内への給気の流入を制御する吸気弁手段と、前記容積可変チャンバへ流入した給気と燃料とを混合させるために燃料を供給するための燃料供給手段と、前記容積可変チャンバ内における燃料と流入した給気との燃焼により生じる燃焼済みガスの前記容積可変チャンバから大気への排出を制御するための排気弁手段とを備え、当該エンジンは、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つを複数の異なる作動モードで作動させることができ、当該エンジンは各容積可変チャンバを、前記吸気弁手段が前記容積可変チャンバ内へと給気を流入させて、流入した給気と混合させるために前記燃料供給手段が燃料を供給し、燃料と給気の混合気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、圧縮された燃料と給気の混合気が燃焼し、燃焼済みガスが膨張して前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した燃焼済みガスが前記排気弁手段を介して前記容積可変チャンバから大気へと排出されることからなる第１の作動モードで作動させることができ、当該エンジンが更に、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つに接続された圧縮空気を貯蔵するためのリザーバと、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つと圧縮空気を貯蔵するための前記リザーバとの間の空気の流量を制御するためのガス流制御弁手段とを備えることを特徴とし、該エンジンが更に、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つを少なくとも２つの作動モード、すなわち、前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させ、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバ内に貯蔵するために前記容積可変チャンバから前記リザーバへと流出させることからなる第２の作動モードと、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバから前記容積可変チャンバへと流出させた後、膨張させて前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した空気がその後大気へと排出されることからなる第３の作動モードとで作動させることができることを特徴とするエンジンを提供する。
本発明の第３の態様は、その各々が気筒内を往復するピストンによって画定された複数の容積可変チャンバを有し、前記ピストンがエンジンの出力を供給するための共通の機構に接続されているエンジンを作動させる方法であって、当該方法は前記エンジンを複数の異なる作動モードで作動させる方法であって、燃料と空気の混合気が各容積可変チャンバ内で燃焼され、燃焼済みガスの膨張が前記ピストンを動かし、膨張した燃焼済みガスが大気へ排出されることからなる第１の作動モードを含み、当該方法は、燃料と空気の混合気が少なくとも第１の容積可変チャンバ内で燃焼され、燃焼済みガスの膨張が関連するピストンを動かし、膨張した燃焼済みガスが大気に排出され、且つ、少なくとも第２の容積可変チャンバ内の空気が圧縮された後、圧縮空気が圧縮空気のリザーバに供給されて貯蔵されることからなる第２の作動モードと、前記リザーバ内に貯蔵された圧縮空気が少なくとも１つの容積可変チャンバ内への流入を許可され、流入を許可された圧縮空気が膨張を許可され、膨張した空気がその後大気へ排出されることからなる第３の作動モードとを含むことを特徴とする、エンジンを複数の異なる作動モードで作動させる方法を提供する。
本発明の第４の態様は、内燃機関のエンジン気筒内への加圧ガスの流量を制御するための弁機構であって、当該機構が、加圧ガス源と気筒との間におけるガスの連通を可能にする移送ポートの開閉のためのポペット弁であって、バルブヘッドとバルブステムを有するポペット弁と、前記ポペット弁を駆動することにより前記移送ポートを開放させるために前記バルブステムに作用する駆動手段と、前記ポペット弁を付勢することにより前記移送ポートを閉鎖させるためのばね手段とを備え、前記バルブステム上には、内燃機関内に設けられたバルブステムチャンバ内を摺動可能なピストンが取り付けられていることと、前記バルブステムチャンバは、加圧ガス源に接続されていることを特徴とし、それにより、前記バルブステムチャンバ内の加圧ガスによりピストンに力が加えられ、この力は、エンジン気筒とは逆向きのバルブヘッドの背面を加圧ガス源の加圧ガスに露出することにより、前記ポペット弁に加えられる力に対抗することを特徴とする弁機構を提供する。
次に、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１には、気筒１１内を往復し、容積可変燃焼チャンバ１２を気筒１１とともに画定するピストン１０が図示されている。２つの吸気弁１３および１４が、燃焼チャンバ１２への吸気の流量を制御する。ガス流制御弁１５が、後述のとおり、圧力容器１６への加圧空気の流入および圧力容器１６からの流出を制御する。排気弁１７は、燃焼チャンバからの燃焼済みガスの流出を制御し、ここから排出されたガスは排気流路１８を通過して大気に放出される。インジェクタ３３は、燃料を燃焼チャンバ内へと供給すると共に、点火プラグを含む。
４つの弁１３、１４、１５、１７は、各々４つの液圧アクチュエータ１９、２０、２１、２２に接続されており、このアクチュエータ１９、２０、２１、２２が、これらのアクチュエータの一つに対し一つ結合された４つの電気作動式制御弁２３、２４、２５、２６の制御の下、弁１３、１４、１５、１７を開閉する。各制御弁２３、２４、２５、２６は、加圧された作動流体の発生源２７（例えばポンプ）と排出先（例えば、ポンプによって作動流体がくみ上げられる液だめ）の両方に接続されている。制御弁２３、２４、２５、２６は全て、電子制御装置２９が生成する電気信号によって制御される。電子制御装置２９が生成する制御信号は、複数のエンジン作動パラメータ（複数の図示されないセンサによって検出される）に関連すると共に、気筒１１内のピストン１０の位置に関連する。このピストンの位置は、ピストン１０に接続されたコネクティングロッド３２に駆動されて回転するクランクシャフト３１に接続された回転センサ３０によって検出される。
制御弁２３などの各制御弁は、それぞれに対応したアクチュエータ１９などのアクチュエータの上部チャンバを、ポンプ２７から加圧流体を受け入れるように接続し、同時に、アクチュエータの下部チャンバを液だめ２８に流体を戻すように接続することができる。これにより、関連する弁、例えば弁１３が駆動されて開弁する。これに対し、制御弁２３などの各制御弁は、ぞれぞれに対応したアクチュエータ１９などのアクチュエータの下部チャンバを、ポンプ２７から加圧流体を受け入れるように接続し、同時に、アクチュエータの上部チャンバを液だめ２８に流体を戻すようにも接続することができる。これにより、関連する弁、例えば弁１３が駆動されて閉弁する。
ピストン１０および気筒１１が位置するエンジンは、例えば、更に３つの気筒とその中で往復する３つのピストンを有する。それらのピストンは全て、共通のクランクシャフト３１に接続されており、その各々が上記のような液圧作動式弁を有し、全ての弁が共通の電子制御装置２９に制御される。
次に、上記エンジンの自動車における使用について説明する。
通常の作動条件では、エンジンの各気筒は標準的な４工程サイクルに従い作動する。吸気工程では、給気を燃焼チャンバへ流入させるために吸気弁１３および１４が開かれ、インジェクタ３３が給気中に燃料を噴射する。吸気行程に続く圧縮行程において、燃料と空気の混合気が圧縮された後、点火プラグ３３によって点火される。次に、点火された気体は膨脹工程で膨張し、続く排気工程においては、燃焼済みガスを燃焼チャンバから排出するために排気弁１７が開弁される。４工程運転を通じて、制御装置２９によりガス制御弁１５は閉弁状態に保持される。
部分負荷または低負荷条件では、４つの気筒のうち２つしか、上記の標準的な４工程サイクルの作動をしない。気筒１１と同じ、他の２つの気筒は、次に説明するとおり、圧縮機となる。まず第一に、制御装置２９が受け取る様々な信号によって、適切な部分負荷条件であるかが検出される。次に、制御装置２９は、ピストン１０の各下降ストロークにおいて吸気弁１３および１４が開弁して、燃焼チャンバ１２内に空気を吸い込むことができるよう、アクチュエータ１９、２０、２１、２２を制御する。各上昇ストロークにおいて、インジェクタ３３が作動しない状態にして、ピストン１０が燃焼チャンバ１２内の吸入空気のみの給気を加圧する。制御装置２９はまた、上昇ストロークにおいてガス制御弁１５を開弁して、燃焼チャンバ１２内の加圧された空気が加圧空気を貯蔵するリザーバ１６に排出されるようにする。
２つの気筒が空気の圧縮を行うようにエンジンが作動する場合、４工程サイクルに従って作動する残りの各気筒は、空気の圧縮を行っている気筒に対して仕事をする。燃焼を行う気筒の仕事の負荷を上げることで、全ての気筒が部分負荷状態で通常の４工程サイクルで作動する場合と比較して、ＮＯｘおよび炭化水素の排出が改善される。制御装置２９は、一定の作動条件に対してエンジンからどれだけの出力が必要かを評価して、全気筒数より少ない数の気筒を作動させて所要の出力が得られるか否かを決定する。
エンジンが減速中でエンジンブレーキを必要とする際、電子制御装置２９は、全ての気筒が上記のように圧縮機として作動するモードへと切り替えることができる。各ピストンは、各下降ストロークで空気を取り込み、それに続く上昇ストロークで空気を加圧し、加圧された空気はリザーバ１６に排出される。車両の慣性が、空気の圧縮を行うためのエネルギーを供給する。空気の圧縮が車両の運動エネルギーを吸収し、それにより車両を非常に効率良く減速させる。
圧力センサ３４は、燃焼チャンバ１２内の気体の圧力を測定する。圧力センサ３５は、リザーバ１６内に貯蔵された圧縮空気の圧力を測定する。圧力センサ３４および３５は、測定された信号を電子制御装置２９に伝達し、制御装置２９は、容積可変チャンバ（例えば１２）内の圧縮空気の圧力がリザーバ１６内の圧力よりも大きいときにのみ、各ガス制御弁（例えば１５）を開く。リザーバ１６が完全に加圧されているとき、電子制御装置２９はガス制御弁（例えば１５）を閉弁状態に保持した上で、特定の気筒の全ての吸気および排気弁も閉弁状態に保持し、空気を閉じ込めた状態にして容積可変チャンバをガススプリングのように機能させるか（これは、例えば、２つの気筒が稼働していて２つの気筒が稼働していないような部分負荷条件において望ましい）、あるいは、制御装置２９は、空気を圧縮し、その後、圧縮空気を排出するために吸気および排気弁を開弁するように作動する（これは車両の減速条件において望ましい）。更に、この圧縮空気は清浄な空気であるため、吸気弁（例えば１３、１４）を制御して、吸気系を介して大気に排出することができる。これには、冷気がエンジンの排気系内にある触媒コンバータを通過し、触媒コンバータの温度を作動温度以下に下げてしまうのを回避するという利点がある。
本エンジンが作動している車両は、自動変速装置を有することが望ましい。エンジンの回転速度を上げて空気を圧縮するために費やされる仕事量を増加させ、それによって回生制動効果を増加させるために、車両制動中に変速機は自動的に低速側または最低速ギア比に変更される。車速に合わせて連続的にギア比を変えられるので、無段変速機を採用するのが理想的である。電気制御による変速機を使用可能であるが、どのような自動変速装置であっても十分である。
四輪駆動の変速装置の場合、エネルギ伝達の割合が、１つの車軸の車輪がロックしてしまう力を上回るときは、制動エネルギを他の車軸でも受け持つことができ、エンジンは圧縮機として機能する。また、無段変速機は、ブレーキがかけられた際により多くの回生制動力を伝達するように、（電子管理システムの制御の下）ギア比を変化させるよう構成することができる。
制動時にエンジンが圧縮機として機能している際は、２工程サイクルが使用される。気筒内のピストンの各下降ストロークとともに各稼働気筒内に空気が引き込まれ、気筒内のピストンの各上昇ストロークとともに圧縮空気が排出される。
一旦、リザーバ１６内に圧縮空気が蓄積されると、圧縮空気を、エンジンに動力を供給するために使用することができる。車両が始動する際、もしくは車両が周囲の流れに合わせてのろのろ運転している際にこれを行うことも可能である。係る作動モードにおいてエンジンは、圧縮空気エンジンとして作動する。制御装置２９は、各気筒の吸気弁（例えば１３、１４）を閉弁状態に保持した後、ガス流制御弁１５および排気弁１７の開閉を制御して、圧縮空気がチャンバ１２内にリザーバ１６から流入してピストン１０を下方へ押し下げるようにする。それに続く上昇ストロークにおいて、膨張した空気がチャンバ１２から排気路１８へと排出される。または、清浄な膨張した空気を、吸気弁（例えば１３、１４）の制御の下、吸気系を介して大気へと排出することもできる。
圧縮空気の貯蔵エネルギーは永久的に利用可能であるため、車両を始動させるために圧縮空気を使用してエンジンを始動させることが理想的である。通常、エンジンの始動時の排ガス性能は悪いため、これは排ガス性能の改善に役立つ。更に、貯蔵された圧縮空気により、車両をクラッチレスで始動させることも可能である。一般の車両を駆動するためには、内燃機関自身まず点火され、回転しなければならないのに対して、このエンジンにおいては、圧縮空気を使用して駆動すると、始動時にそのピストンを駆動軸に接続した状態とすることができ、クラッチを使用した操作が不要となる。
車両が静止状態から動き出す際、エンジンを圧縮空気モードで始動し、その後、２つの気筒が空気圧で作動していて他の２つの気筒が内燃機関の４工程サイクルで作動している部分負荷条件に移行し、車両の速度が増加するのに伴い全ての気筒を内燃機関の４工程サイクルで作動させることが考えられる。
本発明のエンジンを使用すれば、エンジンアイドリングの必要性を排除することができる。車両が停止すれば、エンジンも停止できる。車両を再始動する必要があるときは、上記のとおり、エンジンをまず圧縮空気モードで作動させることができる。これにより、エンジンのアイドリングを排除することができ、全体として非常に燃料効率が良くなる。
電子制御装置２９はリザーバ１６内の貯蔵ガスのレベルを連続的に監視し、貯蔵量が減少したと認められた場合には、エンジンの作動を変更して圧縮ガスをリザーバに供給する。
リザーバ１６は、１０−２０バール（１−２ＭＰａ）の範囲の加圧空気を収容できる軽量プラスチック製圧力容器とすることが考えられる。容器は、３から５マイル（５から８ｋｍ程度）の範囲の車両航続距離に対して十分な圧縮ガスを貯蔵できる大きさに作られる。典型的なリザーバは、１４０リットルの圧縮空気を貯蔵する。
上記のシステムの変形では、二次的なポンプを使用することにより圧縮ガスの圧力を、圧縮空気モードで作動しているエンジンから供給される２０バール（２ＭＰａ）から、２００バール（２０ＭＰａ）に増圧することができる。しかしながらこのためには、より重いの貯蔵容器（例えば、スチール製）が必要になったり、エンジンで駆動される別体の圧縮機が必要になるなど、更なる複雑さを伴う。
空気が気筒から送出された後に空気圧を上げるために二次的なポンプを使用する代わりに、エンジン駆動過給機（もしくは電動過給機）を使用してエンジンの気筒内で空気が圧縮される前に空気を圧縮することもできる。
上記の圧縮空気により作動するエンジンの説明において各作動気筒は、作動気筒内のピストンの各下降ストロークで圧縮空気が膨張し、膨張した空気が作動気筒内のピストンの各上昇ストロークで排出される、２工程サイクルで作動するものとして説明してきた。しかしながら、各作動気筒の各吸気工程において吸気弁が開き、吸気弁を介して導入された給気が圧縮工程において圧縮され、加圧された空気が膨脹工程において作動気筒内に導入されて膨張する、４工程サイクルも利用可能である。最終的には、膨張した空気は排気工程において作動気筒から排出され、排気弁を介して排気管へと行くか、吸気弁を介して吸気系へと行く。４工程サイクルを使用することにより、エンジン効率を高めることができる。
燃料が作動気筒内に直接供給されて気筒内の空気と混合される燃料直噴システムが使用されることを前提として、リザーバ内に貯蔵された加圧空気を気筒内において膨張させるのではなく、気筒内において燃焼に利用することも可能である。これには、本発明のエンジンによって作動する車両の静止状態からの始動の性能を向上させる可能性がある。また、エンジンがターボチャージャ付の場合、リザーバからの加圧空気を使用することにより、ターボチャージャー付エンジン特有のラグを低減することができる。この可能性を可能にするためにエンジンは、各吸気工程において給気が気筒内にガス制御弁を介して加圧空気のリザーバから導入される４工程サイクルで作動可能でなくてはならない。給気の全てをリザーバから供給することも可能であるが、吸気工程の開始時に吸気弁を開いた後、吸気工程の後半でガス制御弁が開くのに伴って吸気弁を閉じることにより、加圧された空気を導入することも可能である。吸気弁とガス制御弁は、同時には開弁しない。充填空気の全てが加圧空気のリザーバから供給される場合、吸気弁は各吸気工程の全工程を通して閉弁状態に保持される。
多気筒エンジンを使用すれば、２回または３回の多段の圧縮または膨張を行うことができる可能性がある。複数の気筒がその外側の流路によって適切な方法で接続されている場合、第１の気筒内で第１のレベルまで空気を圧縮し、第２の気筒内で第２のより高いレベルまで圧縮し、第３の気筒内で更に高いレベルまで圧縮することができる。同様に、リザーバからの圧縮空気は、１つの気筒内で第１の程度まで膨張させた後排出させ、排出された空気を再度他の気筒内で第２のより高い程度まで膨張させて、最終的には、２度排出された空気を再度、更に別の気筒内で更に高い第３の程度まで膨張させることができる。これは、作動中のピストンの位相が特定の方法で設定されたエンジンでのみ可能であるが、可能な場合は効率を上げる。
上記において本発明は、ピストンエンジンにおける実施例について説明したが、本発明は、例えばロータリーエンジン（ヴァンケルエンジンなど）などのいずれの回転装置にも使用できる他、容積可変チャンバを有する他のエンジンであっても、燃焼チャンバまたは圧縮室として使用することができる。したがって、説明および請求項における「ストローク」への言及は、例えばロータリーエンジンなどの気筒内で摺動するピストンを有さないエンジンにおいては、チャンバの容積増加の増加期間と容積減少の期間を含むものとして理解されるべきである。「下降ストローク」は、ピストンを有さないエンジンにおいては、容積可変チャンバの容積増加期間を含むものとして理解されるべきである。「上昇ストローク」は、ピストンを有さないエンジンにおいては、容積減少期間を含むものとして理解されるべきである。
本発明に係るエンジンによって駆動される車両と、内燃機関と電気モータとの組み合わせで駆動される車両を比較してみると、本発明には単純さという利点がある。発電機や、電気モータ、バッテリストレージが不要である。これらのアイテムはかなり高額でもあるため、本発明には、低コストという利点もある。
図３は、上記の内燃機関内での使用に好適な弁機構であり、容積可変燃焼チャンバ（例えば１２）から圧力容器１６への加圧ガスの流量を制御するためのものである。
バルブヘッド１１５ａの背面に働く空気圧に対抗してポペット弁（図３における１１５）を閉弁状態に保持するためのばね荷重をあまり高くする必要なく、加圧ガスの流量を制御するための弁機構を提供することが課題である。
弁機構は、バルブステム１１５と共に動くようにバルブステム上に取り付けられたバランスピストン１１６を含む。バランスピストン１１６は、シリンダヘッド１１８内に備えられたバルブステムチャンバ１１７内を摺動可能である。ばね１１９がバルブステムチャンバ１１７内に備えられており、このばね１１９は、チャンバ１１７の下面とバランスピストン１１６の間で作用することにより、ポペット弁１１５を移送ポートを閉じる位置に付勢する。この位置は、ポペット弁１１５が、空気がチャンバ１１２と空気リザーバ（図３に図示せず）との間を流れるのを防止するための位置である。
図３にはまた、液圧アクチュエータのアクチュエータピストン１２０が図示されており、このピストン１２０は、バルブステム１１５ｂの端部に突き当たることができ、ポペット弁１１５を開いて燃焼チャンバ１１２と空気リザーバとの間に移送路１２１に沿って空気が流れるのを可能にする。図示されているシール１２２は、空気がバルブステムチャンバ１１７からバランスピストン１１６を越えて流出するのを防止する。
バルブステムチャンバ１１７は、連絡路１２３を介して移送路１２１に接続されており、連絡路１２３内には電子制御装置（図示せず）によって作動が制御される遮断弁１２４が位置する。
バルブヘッド１１５の背面にかかる力は、Ｐｘ（ＶＳ付加圧力）とポペットバルブ１１５の背面の面積、すなわちＡｖとの積に等しい。この力は、バランスシステム１１６に付加される平衡力によって機構内で相殺される。この平衡力は、供給圧力Ｐｘとバランスピストンの面積Ａｐとの積である。したがって、バランスピストンの面積Ａｐは、面積Ａｖと等しい、または概ね等しくなるように選択される。したがって、バランスピストン１１６にかかる力が、ポペット弁１１５の背面にかかる力を相殺、または概ね相殺する。
弁機構内で力が平衡となるようにされているため非常に低いばね力が使用でき、したがって、ポペット弁１１５を作動させるために液圧アクチュエータから要する仕事は少なくて済む。
図３にはまた、遮断弁１２４が図示されている。この弁は、バルブステムチャンバ１１７内の空気圧を保持するために使用できる。遮断弁１２４を使用して、バルブヘッド１１５ａの背面に加えられる開放力とバランスピストン１１６の下面に作用する閉弁力の平衡を修正することができる。しかしながら、この遮断弁は選択肢の１つであって、管路１２３がバルブステムチャンバ１１７と移送路１２１との間の接続を永久的に保持してもよく、その結果、バルブヘッド１１５Ａの背面とバランスピストン１１６とには常に同一の圧力が働く。
上記のとおり、２つの空気シール１２２が必要である。一方のシールは、バランスピストン１１６と周囲のチャンバ内径との接触面上を摺動する。他方のシールは、ポペット弁１１５、コレット１２５、およびバランスピストン１１６のアッセンブリ内に固定されている。
図３の機構の主な利点は、液圧アクチュエータ１２０がばね１１９の予荷重に対抗して弁を開弁するために、より低い液圧（したがって、少ない力）で済むということである。したがって、（例えば制動中に）より多くのエネルギーを液圧アクチュエータシステム内で無駄にすることなく回収できる。
上記のとおり、理想的には、ポペット弁１１５は気筒１１２内の圧力Ｐｐが移送路１２１の空気圧Ｐｘと等しいときに開弁され、スロットリング（したがって、ポンピング）による損失を最小限に抑えるとともに、エネルギー回収を最大化する。
本発明に係る多気筒の内燃機関の、１つの気筒の概略図である。 図１に示した内燃チャンバの上面の概略図である。 図１または図２に示した内燃機関内での使用に好適な弁機構である。

Claims (51)

  1. エンジンであって、
    容積可変チャンバと、
    前記容積可変チャンバ内への給気の流入を制御する吸気弁手段と、
    前記容積可変チャンバへ流入した給気と燃料とを混合させるために燃料を供給する燃料供給手段と、
    前記容積可変チャンバ内における燃料と流入した給気との燃焼により生じる燃焼済みガスの前記容積可変チャンバから大気への排出を制御する排気弁手段と、
    を備え、
    当該エンジンが、前記吸気弁手段が前記容積可変チャンバ内へと給気を流入させて、流入した給気と混合させるために前記燃料供給手段が燃料を供給し、燃料と給気の混合気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、圧縮された燃料と給気の混合気が燃焼し、燃焼済みガスが膨張して前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した燃焼済みガスが前記排気弁手段を介して前記容積可変チャンバから大気へと排出されることからなる第１の作動モードを有し、
    当該エンジンが、更に、
    前記容積可変チャンバに接続された圧縮空気を貯蔵するためのリザーバと、
    前記容積可変チャンバと圧縮空気を貯蔵するための前記リザーバとの間の空気の流量を制御するためのガス流制御弁手段と、
    を備え、
    当該エンジンが更に少なくとも２つの作動モードである、
    前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させ、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバ内に貯蔵するために前記容積可変チャンバから前記リザーバへと流出させることからなる第２の作動モードと、
    前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバから前記容積可変チャンバへと流出させた後、膨張させて前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した空気がその後大気へと排出されることからなる第３の作動モードと、
    を有することを特徴とするエンジン。
  2. 請求項１に記載のエンジンであって、膨張した空気が前記排気弁手段を介して大気へと排出されることを特徴とするエンジン。
  3. 請求項１に記載のエンジンであって、膨張した空気が前記吸気弁手段を介して大気へと排出されることを特徴とするエンジン。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させて、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記排気弁手段が圧縮空気を大気へと排出させることからなる第４の作動モードを有することを特徴とするエンジン。
  5. 請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させて、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記吸気弁手段が圧縮空気を大気へと排出させることからなる第４の作動モードを有することを特徴とするエンジン。
  6. 請求項４または５に記載のエンジンであって、前記吸気弁手段、前記排気弁手段および前記ガス流制御弁手段の全てを閉鎖することにより空気または燃焼済みガスを前記容積可変チャンバ内に捕捉し、捕捉された空気もしくは燃焼済みガスを含む前記容積可変チャンバがガススプリングとして機能することからなる第５の作動モードを有することを特徴とするエンジン。
  7. 請求項６に記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第５の作動モードで作動中は前記燃料供給手段が作動されないことを特徴とするエンジン。
  8. 請求項４、５、６または７のいずれかに記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第４の作動モードで作動中は前記燃料供給手段が作動されないことを特徴とするエンジン。
  9. 請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記ガス流制御弁手段が前記エンジンの上昇ストローク時に圧縮空気を前記リザーバから容積可変チャンバ内へと流入させて前記燃料供給手段により供給された燃料と混合させ、燃料と圧縮空気の混合気を容積の減少する前記容積可変チャンバで更に圧縮し、更に圧縮された混合気が燃焼した後、膨張して前記容積可変チャンバの容積を増加させ、膨張した燃焼済みガスを前記排気弁手段を介して大気へと排出することからなる第４の作動モードを有することを特徴とするエンジン。
  10. 請求項９に記載のエンジンであって、当該エンジンの吸気工程中の前記第４の作動モードにおいて、吸気工程の初期部分において吸気弁手段が開弁して給気を前記容積可変チャンバ内へと取り込み、その後、前記吸気弁手段が閉弁して、続いて前記ガス流制御弁手段が開弁して圧縮空気を前記容積可変チャンバ内へと流入させて、前記吸気弁手段を介してあらかじめ流入された空気と混合することを特徴とするエンジン。
  11. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第３の作動モードで作動中は、各下降ストロークにおいて前記ガス流制御弁が圧縮空気を前記容積可変チャンバ内へと流入させる、２工程サイクルで作動することができることを特徴とするエンジン。
  12. 請求項１１に記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第３の作動モードで作動中は、吸気工程において前記吸気弁手段が新鮮な給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させ、圧縮工程において前記吸気弁手段を介して流入した給気が圧縮されて、爆発工程において前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記容積可変チャンバ内へと流入させることによって圧縮工程においてあらかじめ圧縮された空気を補足して、排気工程において膨張した空気が前記容積可変チャンバから排出されることからなる４工程サイクルで作動させることができることを特徴とするエンジン。
  13. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第２の作動モードで作動中は前記燃料供給手段が作動されないことを特徴とするエンジン。
  14. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、当該エンジンが前記第３の作動モードで作動中は前記燃料供給手段が作動されないことを特徴とするエンジン。
  15. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、当該エンジンの前記第２の作動モードにおいて前記容積可変チャンバ内で圧縮される空気は１０から２０バールの範囲の圧力へと圧縮されることを特徴とするエンジン。
  16. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記リザーバが軽量プラスチック製圧力容器を備えることを特徴とするエンジン。
  17. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のエンジンであって、該エンジンを動力源とするポンプを更に備え、該ポンプは前記容積可変チャンバから排出された圧縮空気を受け取り、圧縮空気がリザーバに供給される前にその空気を更に圧縮することを特徴とするエンジン。
  18. 請求項１０に記載のエンジンであって、前記ポンプが圧縮空気の圧力を、初期圧力である１０から２０バールの範囲から更に高圧の１００から１００バールに昇圧することを特徴とするエンジン。
  19. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のエンジンであって、エンジン駆動過給機を更に備え、当該過給機は前記吸気弁手段を介して前記容積可変チャンバ内へと流入した給気を加圧することを特徴とするエンジン。
  20. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のエンジンであって、電動のターボチャージャーを更に備え、当該ターボチャージャーは前記吸気弁手段を介して前記容積可変チャンバ内へと流入した給気を加圧することを特徴とするエンジン。
  21. 請求項１７から２０のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記リザーバがスチール製の圧力容器を備えることを特徴とするエンジン。
  22. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記容積可変チャンバがピストンと周囲の気筒との間に画定され、該ピストンは気筒内を往復するとともに前記エンジンのクランクシャフトに接続されていることを特徴とするエンジン。
  23. 上記の請求項のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記吸気弁手段、前記排気弁手段および前記ガス流制御弁手段の各々が個々の油圧アクチュエータにより作動される弁を備え、全ての油圧アクチュエータは共通の電子制御装置によって制御され、エンジンの作動モード間での作動を切り替えるために、前記電子制御装置が複数のセンサから信号を受け取って前記油圧アクチュエータの作動を変化させ、それに従って、前記弁の作動を変化させることを特徴とするエンジン。
  24. 請求項２３に記載のエンジンを備える車両であって、前記複数のセンサが、車両の運動に関するパラメータを測定するセンサと、前記リザーバに貯蔵された空気の圧力を測定するセンサとを含み、前記電子制御装置は、前記リザーバの枯渇中に車両が減速していることを検出すると同時に、前記油圧アクチュエータの作動を変化させて前記エンジンが前記第２の作動モードで作動するようにすることを特徴とする車両。
  25. 請求項２４に記載の車両であって、ギア比可変の自動変速装置を有し、車両の減速時にエンジンの回転速度を増加させるためにギア比を下げるよう、前記電子制御装置が前記変速装置を制御することを特徴とする車両。
  26. 請求項２４または２５に記載のエンジンを備える車両であって、前記複数のセンサが車両の運動に関するパラメータを測定するセンサと前記リザーバに貯蔵された空気の圧力を測定するセンサとを含み、前記電子制御装置は、前記リザーバの満杯時に車両が減速していることを検出すると同時に、前記油圧アクチュエータの作動を変化させて前記エンジンが前記第４の作動モードで作動するようにすることを特徴とする車両。
  27. 請求項２４に記載のエンジンを備える車両であって、前記複数のセンサが車両の運動に関するパラメータと運転者の要件に関するパラメータとを測定するセンサを含み、前記電子制御装置は、車両が静止状態にあり、運転者が該車両を始動させたいと希望していることを検出すると同時に、前記油圧アクチュエータの作動を制御して前記エンジンが初めは前記第３の作動モードで作動するようにし、その後、車両速度の増加に伴い、前記油圧アクチュエータの作動を変化させて前記エンジンを前記第１の作動モードに切り替えることを特徴とする車両。
  28. 請求項２７に記載の車両であって、該車両がクラッチの使用なしで運動を開始することを特徴とする車両。
  29. エンジンであって、
    複数の容積可変チャンバと、
    前記容積可変チャンバ内への給気の流入を制御する吸気弁手段と、
    前記容積可変チャンバへ流入した給気と燃料とを混合させるために燃料を供給するための燃料供給手段と、
    前記容積可変チャンバ内における燃料と流入した給気との燃焼により生じる燃焼済みガスの前記容積可変チャンバから大気への排出を制御するための排気弁手段とを備え、
    当該エンジンは、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つを複数の異なる作動モードで作動させることができ、
    当該エンジンは各容積可変チャンバを、前記吸気弁手段が前記容積可変チャンバ内へと給気を流入させて、流入した給気と混合させるために前記燃料供給手段が燃料を供給し、燃料と給気の混合気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、圧縮された燃料と給気の混合気が燃焼し、燃焼済みガスが膨張して前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した燃焼済みガスが前記排気弁手段を介して前記容積可変チャンバから大気へと排出されることからなる第１の作動モードで作動させることができ、
    当該エンジンが、更に、
    前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つに接続された圧縮空気を貯蔵するためのリザーバと、
    前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つと圧縮空気を貯蔵するための前記リザーバとの間の空気の流量を制御するためのガス流制御弁手段と、
    を備え、
    当該エンジンが更に、前記複数の容積可変チャンバの少なくとも１つを少なくとも２つの作動モードである、
    前記吸気弁手段が給気を前記容積可変チャンバ内へと流入させ、流入した給気が容積の減少する前記容積可変チャンバにより圧縮されて、前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバ内に貯蔵するために前記容積可変チャンバから前記リザーバへと流出させることからなる第２の作動モードと、
    前記ガス流制御弁手段が圧縮空気を前記リザーバから前記容積可変チャンバへと流出させた後、膨張させて前記容積可変チャンバの容積を増加させて、膨張した空気がその後大気へと排出されることからなる第３の作動モードと、
    で作動することができることを特徴とするエンジン。
  30. 請求項２９に記載のエンジンであって、前記第３の作動モードにおいて、膨張した空気が前記排気弁手段を介して大気へ排出されることを特徴とするエンジン。
  31. 請求項２９に記載のエンジンであって、前記第３の作動モードにおいて、膨張した空気が前記吸気弁手段を介して大気へと排出されることを特徴とするエンジン。
  32. 請求項２９から３１のいずれか１項に記載のエンジンであって、第１の前記容積可変チャンバを前記第１の作動モードに従って作動させると同時に、第２の前記容積可変チャンバを前記第２の作動モードに従って作動させることができ、これにより、前記第１の容積可変チャンバ内の燃焼済みガスの膨張によって得られた仕事の一部を、前記第２の容積可変チャンバ内の空気を圧縮するために使用できることを特徴とするエンジン。
  33. 請求項２９から３２のいずれか１項に記載のエンジンであって、各容積可変チャンバが固定要素と可動要素との間に画定され、全ての可動要素が共通の出力機構に接続されており、これにより、燃焼済みガスの膨張によって得られた仕事を前記エンジンから出力できると同時に前記可動要素間で移動させることができることを特徴とするエンジン。
  34. 請求項３３に記載のエンジンであって、前記固定要素がシリンダブロック内のシリンダであって、前記可動要素が各シリンダ内を往復するピストンであって、前記出力機構が、全てのピストンが接続されたクランクシャフトを備えることを特徴とするエンジン。
  35. 請求項２９から３４のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記吸気弁手段、前記排気弁手段および前記ガス流制御弁手段の各々が個々の油圧アクチュエータにより作動される弁を備え、全ての油圧アクチュエータは共通の電子制御装置によって制御され、前記エンジンの各容積可変チャンバの作動モードを制御するために、前記電子制御装置が複数のセンサから信号を受け取って前記油圧アクチュエータの作動を変化させ、それに従って、前記弁の作動を変化させることを特徴とするエンジン。
  36. 請求項３５に記載のエンジンであって、前記複数のセンサが、前記エンジンへの負荷に関するパラメータを測定するセンサと、前記リザーバ内に貯蔵された空気の圧力を測定するセンサとを含み、前記エンジンが部分負荷状態にあり、且つ、前記リザーバが枯渇していることを前記電子制御装置が検出すると同時に、前記電子制御装置は前記油圧アクチュエータの作動を制御して、少なくとも第１の容積可変チャンバが前記第１の作動モードで作動して前記エンジンからの出力を供給し、少なくとも第２の容積可変チャンバが前記第２の作動モードで作動して前記リザーバに供給するための空気を圧縮するようにすることを特徴とするエンジン。
  37. 請求項３５に記載のエンジンであって、前記複数のセンサが、前記エンジンへの負荷に関するパラメータを測定するセンサと、前記リザーバ内に貯蔵された空気の圧力を測定するセンサとを含み、前記エンジンが部分負荷状態にあり、且つ、前記リザーバが満杯であることを前記電子制御装置が検出すると同時に、前記油圧アクチュエータの作動を制御して、第１の容積可変チャンバが前記第１の作動モードで作動して前記エンジンからの出力を供給するようにし、第２の容積可変チャンバに特有の前記吸気弁手段、前記排気弁手段および前記ガス流制御弁手段を閉鎖することにより少なくとも第２の容積可変チャンバを不活性化し、空気もしくは燃焼済みガスが前記第２の容積可変チャンバに捕捉されることにより、前記第２の容積可変チャンバがガススプリングとして機能することを特徴とするエンジン。
  38. 請求項２９から３１のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記複数の容積可変チャンバが管路手段によって相互接続されており、前記エンジンが前記第２の作動モードで作動中において、前記容積可変チャンバに流入を許可され該容積可変チャンバ内で圧縮される給気は、前記ガス流制御弁手段によりチャンバからの流出が許可されると、少なくとも第２の容積可変チャンバに流れ、該第２の容積可変チャンバ内で該空気は更に圧縮された後、前記容積可変チャンバへと流れてその中に貯蔵されることを特徴とするエンジン。
  39. 請求項２９から３１のいずれか１項に記載のエンジンであって、前記複数の容積可変チャンバが管路手段によって相互接続されており、前記エンジンが前記第３の作動モードで作動中には、前記容積可変チャンバ内で膨張した空気が前記排気弁手段を介して少なくとも第２の容積可変チャンバへと排出されて、前記第２の容積可変チャンバ内で空気は更に膨張された後、大気へと排出されることを特徴とするエンジン。
  40. その各々が気筒内を往復するピストンによって画定された複数の容積可変チャンバを有し、前記ピストンがエンジンの出力を供給するための共通の機構に接続されているエンジンを作動させる方法であって、当該方法は前記エンジンを複数の異なる作動モードで作動させる方法であって、
    燃料と空気の混合気が各容積可変チャンバ内で燃焼され、燃焼済みガスの膨張が前記ピストンを動かし、膨張した燃焼済みガスが大気へ排出されることからなる第１の作動モードを含み、
    当該方法は、
    燃料と空気の混合気が少なくとも第１の容積可変チャンバ内で燃焼され、燃焼済みガスの膨張が関連するピストンを動かし、膨張した燃焼済みガスが大気に排出され、且つ、少なくとも第２の容積可変チャンバ内の空気が圧縮された後、圧縮空気が圧縮空気のリザーバに供給されて貯蔵されることからなる第２の作動モードと、
    前記リザーバ内に貯蔵された圧縮空気が少なくとも１つの容積可変チャンバ内への流入を許可され、流入を許可された圧縮空気が膨張を許可され、膨張した空気がその後大気へ排出されることからなる第３の作動モードと、
    を含むことを特徴とする、エンジンを複数の異なる作動モードで作動させる方法。
  41. 請求項４０に記載の方法であって、前記第１の作動モードにおいて４工程サイクルが実施されることを特徴とする方法。
  42. 請求項４０または４１に記載の方法であって、前記第３の作動モードにおいて２工程サイクルが実施されることを特徴とする方法。
  43. 請求項４０から４２のいずれか１項に記載の方法であって、高負荷時には前記エンジンが前記第１の作動モードで作動され、部分負荷時には前記第２の作動モードで作動されることを特徴とする方法。
  44. 請求項４０から４３のいずれか１項に記載の方法であって、前記エンジンの始動時は前記第３の作動モードに従ってエンジンが作動され、その後、作動モードが前記第１または前記第２の作動モードに切り替えられることを特徴とする方法。
  45. 内燃機関のエンジン気筒内への加圧ガスの流量を制御するための弁機構であって、当該機構が、
    加圧ガス源と気筒との間におけるガスの連通を可能にする移送ポートの開閉のためのポペット弁であって、バルブヘッドとバルブステムを有するポペット弁と、
    前記ポペット弁を駆動することにより前記移送ポートを開放させるために前記バルブステムに作用する駆動手段と、
    前記ポペット弁を付勢することにより前記移送ポートを閉鎖させるためのばね手段と、
    を備え、
    前記バルブステム上には、内燃機関内に設けられたバルブステムチャンバ内を摺動可能なピストンが取り付けられていることと、
    前記バルブステムチャンバは、加圧ガス源に接続されている、
    ことを特徴とし、
    それにより、前記バルブステムチャンバ内の加圧ガスによりピストンに力が加えられ、この力は、エンジン気筒とは逆向きのバルブヘッドの背面を加圧ガス源の加圧ガスに露出することにより、前記ポペット弁に加えられる力に対抗する、
    ことを特徴とする弁機構。
  46. 請求項４５に記載の弁機構であって、加圧ガスが前記ピストンを越えて流出するのを防止するために、前記ピストンと前記バルブステムチャンバとの間にシーリング手段が設けられたことを特徴とする弁機構。
  47. 請求項４５または４６に記載の弁機構であって、前記バルブステムチャンバと前記加圧ガス源とを選択的に接続および切断するよう動作可能な遮断制御弁を備えることを特徴とする弁機構。
  48. 請求項４４から４７のいずれかに記載の弁機構であって、前記ばね手段が、前記バルブステムチャンバ内に位置して、前記バルブステムに取り付けられた前記ピストンに作用するばねを備えることを特徴とする弁機構。
  49. 請求項４４から４８のいずれかに記載の弁機構であって、前記内燃機関が、加圧ガス源からエンジン気筒へと繋がり前記移送ポートを介してエンジン気筒に開口する移送路を有し、前記バルブステム気筒が前記移送路に接続されていることを特徴とする弁機構。
  50. 請求項４４から４９のいずれかに記載の弁機構であって、前記駆動手段が、電子制御装置によって制御される油圧アクチュエータを備えることを特徴とする弁機構。
  51. 請求項１から３９のいずれか１項に記載の内燃機関であって、前記ガス流制御弁手段が、請求項４４から５０のいずれか１項に記載の弁機構を備えることを特徴とする内燃機関。
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