JP2012530203A - 高い残りの膨張比を備える分割サイクルエンジン - Google Patents

高い残りの膨張比を備える分割サイクルエンジン Download PDF

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Abstract

エンジンは、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。膨張ピストンは、膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。クロスオーバー通路が圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結している。当該クロスオーバー通路はその内部に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含んでいる。エンジンの点火燃焼(ＥＦ)モードでは、当該エンジンがXovrEバルブの閉成のときに１０.０対１以上の大きさ、より好ましくは、１５.７対１以上である残りの膨張比を有している。

Description

この発明は、分割サイクルエンジン、より詳しくは、高い残りの膨張比を有し、そして選択肢的に空気ハイブリッドシステムを組み入れた、かかるエンジンに関する。
明瞭化の目的のために、本出願に用いられている用語「従来のエンジン」は、周知のオットーサイクルの４つのストロークの全て(すなわち、吸入(又は入口)、圧縮、膨張(又は動力)及び排気のストローク)がエンジンの各ピストン/シリンダーの組合せ内に包含されている内燃機関を意味する。各ストロークはクランクシャフトの半回転(１８０度クランク角（ＣＡ))を要し、そして、従来のエンジンの各シリンダー内で全体のオットーサイクルを完了するためにはクランクシャフトの完全な２回転(７２０度ＣＡ)が必要である。
また、明瞭化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され得、かつ本出願で言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について次の定義が提供される。
ここに言及される分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、を備えている。
２００３年４月８日にScuderiに許可された特許文献１（United States Patent No. ６,５４３,２２５ ）及び２００５年１０月１１日にBranyon et alに許可された特許文献２（United States Patent No. ６,９５２,９２３）、両者は参照によってここに組み入れられるが、分割サイクル及び類似のタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を包含している。加えて、これらの特許は、本開示がさらなる展開を詳述する、エンジンの先行バージョンの詳細を開示している。
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、分割サイクルエンジンと空気貯留器及び種々の制御装置を組み合わせている。この組合せは、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが圧縮空気の形で空気貯留器内にエネルギーを蓄えることを可能にしている。空気貯留器内の圧縮空気は、後で、クランクシャフトに動力を与えるべく膨張シリンダーで用いられる。
ここに言及される分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、
クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置された少なくともクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含み、より好ましくは、両者間に圧力室を画成するクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)及びクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、及び
クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、を備えている。
２００８年４月８日に Scuderi その他に許可された特許文献３（United States Patent No. ７,３５３,７８６）は参照によってここに組み入れられるが、分割サイクル空気ハイブリッド及び類似のタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を包含している。加えて、この特許は本開示がさらなる展開を詳述する先行するハイブリッドシステムの詳細を開示している。
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、通常の作動ないしは点火燃焼（ＮＦ)モード(一般に、エンジン点火燃焼(ＥＦ)モードとも呼ばれている)及び４つの基本的な空気ハイブリッドモードで走らされ得る。ＥＦモードでは、エンジンは空気貯留器の使用を伴わずに作動する非空気ハイブリッド分割サイクルエンジンとして機能する。ＥＦモードでは、クロスオーバー通路を空気貯留器に作用可能に連結するタンクバルブが、基本の分割サイクルエンジンから空気貯留器を隔離すべく閉じられたままである。
分割サイクル空気ハイブリッドエンジンはその空気貯留器の使用と共に４つのハイブリッドモードで作動する。当該４つのハイブリッドモードは、
１)燃焼を伴わずに空気貯留器からの圧縮空気エネルギーを用いる空気エキスパンダー（ＡＥ）モード；
２)燃焼を伴わずに空気貯留器に圧縮空気エネルギーを蓄える空気圧縮機（ＡＣ）モード;
３)燃焼を伴なって空気貯留器からの圧縮空気エネルギーを用いる空気エキスパンダー及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード;及び
４)燃焼を伴なって空気貯留器に圧縮空気エネルギーを蓄える点火燃焼及び充填（ＦＣ）モードである。
米国特許第６,５４３,２２５号明細書 米国特許第６,９５２,９２３号明細書 米国特許第７,３５３,７８６号明細書
しかしながら、これらのモード、ＥＦ、ＡＥ、ＡＣ、ＡＥＦ、及びＦＣのさらなる最適化が効率及びエミッションの低減を増進するために望まれている。
本発明は、エンジン点火燃焼(ＥＦ)モードの使用が、改善された効率のために如何なる駆動サイクルにおいても潜在的に全ての車両に対して最適化される分割サイクルエンジンを提供する。
より詳しくは、本発明に従うエンジンの模範的実施形態は、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。膨張ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。クロスオーバー通路が圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結している。当該クロスオーバー通路はその内部に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含んでいる。当該エンジンはエンジン点火燃焼(ＥＦ)モードで運転可能である。当該ＥＦモードでは、当該エンジンがXovrEバルブの閉成のときに１０.０対１以上の大きさ、より好ましくは、１５.７対１以上である残りの膨張比を有している。
エンジンを運転する方法もまた、開示されている。当該エンジンは、クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。膨張ピストンは、当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結されている。クロスオーバー通路が圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結している。当該クロスオーバー通路はその内部に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含んでいる。当該エンジンはエンジン点火燃焼(ＥＦ)モードで運転可能である。本発明に従う方法は、以下のステップを含んでいる。すなわち、圧縮ピストンでもって入口空気を吸込みそして圧縮し、膨張ストロークの始まりにおいて、圧縮シリンダーからの圧縮空気を燃料と共に膨張シリンダーに導入し、該燃料は着火され、燃焼され、そして当該膨張ピストンの同じ膨張ストロークで膨張されて、動力をクランクシャフトに伝達し、そして燃焼生成物が排気ストロークで排出され、そしてXovrEバルブの閉成のときに１０.０対１以上、より好ましくは、１５.７対１以上である残りの膨張比を維持する。
本発明のこれらの及び他の特徴及び有利な点は、添付図面をもとになされる以下の本発明の詳細な説明からより十分に理解されよう。
本発明による模範的分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの側断面図である。 本発明に従い、クロスオーバー膨張バルブ(XovrE)の閉じる角に対しての残りの膨張比の好ましい模範的範囲(すなわち、効果的な容積膨張比)のグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関しての入口バルブの開きタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関しての入口バルブの閉じタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関しての入口バルブ期間のグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してのクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)の開きタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してのクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)の閉じタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してのXovrCバルブ期間のグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)の開きタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)の閉じタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関してXovrEバルブ期間のグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関して排気バルブの開きタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関して排気バルブの閉じタイミングのグラフ図である。 エンジン速度及び負荷に関して排気バルブ期間のグラフ図である。
以下の頭辞語の用語解説及び用語の定義が参照用に提供される。
一般
他に特に規定のない限り、全てのバルブの開及び閉のタイミングは膨張ピストンの上死点後である。(ＡＴＤＣe)のクランク角度で測定されている。
他に特に規定のない限り、全てのバルブの期間はクランク角度(ＣＡ)である。
空気タンク(又は空気貯留タンク):圧縮空気の貯留タンクである。
ＡＴＤＣe:膨張ピストンの上死点後である。
Ｂａｒ:圧力の単位であり、１ bar = １０５ N/m2である。
ＢＭＥＰ:ブレーキ平均有効圧力である。用語「ブレーキ」は、摩擦損失（ＦＭＥＰ）が考慮された後にクランクシャフト(すなわち、出力シャフト)にもたらされる出力を意味する。ブレーキ平均有効圧力(ＢＭＥＰ)は、平均有効圧力（ＭＥＰ）値に関して表現されるエンジンのブレーキトルク出力である。ＢＭＥＰは、エンジン排気量で除したブレーキトルクに等しい。これは摩擦による損失後に取られる性能パラメーターである。従って、ＢＭＥＰ=ＩＭＥＰ-摩擦である。この場合、摩擦はまた、通常、摩擦平均有効圧力(すなわち、ＦＭＥＰ)として知られているＭＥＰ値に関して表現されている。
コンプレッサー:分割サイクルエンジンの圧縮シリンダー及びそれに関連する圧縮ピストンである。
排気(又はＥＸＨ)期間:排気バルブ期間である。
排気(又はＥＸＨ)バルブ:エキスパンダーシリンダーからのガスの出口を制御するバルブである。
エキスパンダー:分割サイクルエンジンの膨張シリンダー及びその関連する膨張ピストンである。
ＩＭＥＰ:図示平均有効圧力である。用語「図示」は、摩擦損失（ＦＭＥＰ）が考慮される前にピストンの頂面にもたらされる出力を意味する。
ＲＰＭ:１分間当りの回転数である。
タンクバルブ:Xovr通路を圧縮空気貯留タンクに連結しているバルブである。
バルブ期間:バルブの開成の始まりとバルブの閉成の終わりとの間のクランク角度区間である。
ＶＶＡ:可変バルブ作動である。バルブのリフト曲線の形状又はタイミングを変更するべく作動可能な機構又は方法である。
Xoyr(又はXover)バルブ、通路、又はポート:圧縮及び膨張シリンダーを連結し、圧縮シリンダーから膨張シリンダーへガスを流すクロスオーバーバルブ、通路、及び／又はポートである。
XoyrC(又はXoverC)バルブ:Xovr通路のコンプレッサー端部におけるバルブである。
XoyrC期間:XovrCバルブの開成の始まりとXovrCバルブの閉成の終わりとの間のクランク角度区間である。
XoyrE(又はXoverE)バルブ:クロスオーバー(Xovr)通路のエキスパンダー端部におけるバルブである。
XoyrE期間:XoyrEバルブの開成の始まりとXovrEバルブの閉成の終わりとの間のクランク角度区間である。
図１を参照するに、模範的分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが概略的に符号１０で示されている。当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、従来のエンジンの２つの隣り合うシリンダーを１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組合せに置き換えている。シリンダーヘッド３３が、シリンダーを覆いそしてシールすべく膨張シリンダー１２及び圧縮シリンダー１４の開口端上に典型的に配置されている。オットーサイクルの４つのストロークは、圧縮シリンダー１２がその関連する圧縮ピストン２０と共に吸入及び圧縮ストロークを実行し、そして膨張シリンダー１４がその関連する膨張ピストン３０と共に膨張及び排気ストロークを実行するように、２つのシリンダー１２及び１４に亘って「分割」されている。それ故に、オットーサイクルは、クランクシャフト軸１７の回りにクランクシャフト１６が１回転(３６０度ＣＡ)すると、これらの２つのシリンダー１２、１４内で完成される。
吸入ストローク中に、吸入空気はシリンダーヘッド３３に配置されている吸入ポート１９を介して圧縮シリンダー１２内に吸い込まれる。内開きの(シリンダーの内方にピストンに向かって開く)ポペット吸入バルブ１８が、吸入ポート１９と圧縮シリンダー１２との間の流体の連通を制御する。
圧縮ストローク中に、圧縮ピストン２０は空気充填物を圧縮し、そして該空気充填物を典型的にはシリンダーヘッド３３に配置されているクロスオーバー通路(又はポート)２２に押し出す。このことは、圧縮シリンダー１２及び圧縮ピストン２０が膨張シリンダー１４に対して吸入通路として作用するクロスオーバー通路２２への高圧ガス源であることを意味する。ある実施形態においては、２つ以上のクロスオーバー通路２２が圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４を互いに連結している。
分割サイクルエンジン１０(及び一般に分割サイクルエンジン)の圧縮シリンダー１２の幾何学的な(すなわち、容積的な)圧縮比は、ここで一般に分割サイクルエンジンの「圧縮比」と称される。 分割サイクルエンジン１０(及び一般に分割サイクルエンジン)の膨張シリンダー１４の幾何学的な(すなわち、容積的な)圧縮比は、ここで一般に分割サイクルエンジンの「膨張比」称される。シリンダーの当該幾何学的な圧縮比は、前記ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置のときにシリンダー内に囲われた容積(すなわち、クリアランス容積)に対する、シリンダー内で往復するピストンがその下死点（ＢＤＣ)位置のときに(全てのリセスを含んで)シリンダー内に囲われた(すなわち、捕捉された)容積の比として、この技術分野において周知である。特に、分割サイクルエンジンのために、ここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は当該XovrCバルブが閉じられているときに決定される。また、特に、分割サイクルエンジンのために、ここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比は当該XovrEバルブが閉じられているときに決定される。
圧縮シリンダー１２内での極めて高い圧縮比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１又はそれ以上)のせいで、クロスオーバー通路入口２５において、外開きの（シリンダー及びピストンから離れて外方に開く)ポペットクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)２４が圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への流れを制御するために用いられている。
膨張シリンダー１４内での極めて高い膨張比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１又はそれ以上)のせいで、クロスオーバー通路２２の出口２７において、外開きのポペットクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)２６がクロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への流れを制御している。XovrC及びXovrEバルブ２４、２６の作動速度及び位相付けは、オットーサイクルの４つのストロークの全ての間にクロスオーバー通路２２の圧力を高い最小圧力(典型的には全負荷時に２０bar以上)に維持するようにタイミング付けられている。
少なくとも１つの燃料噴射器２８が、クロスオーバー通路２２の出口端において、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する直前に起こる当該XovrEバルブ２６の開きに対応させて、加圧された空気内に燃料を噴射する。空気/燃料の充填物は、膨張ピストン３０がその上死点位置に近付いたとき、膨張シリンダー１４に入る。ピストン３０がその上死点位置から下降し始め、当該XovrEバルブ２６がまだ開いている間に、シリンダー１４内に突出している点火栓先端３９を含んでいる点火栓３２が点火され、点火栓先端３９の周りの領域で燃焼を開始する。燃焼は、膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後１及び３０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後５及び２５度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。最も好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ)位置通過後１０及び２０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。加えて、燃焼は、他の点火装置及び／又は方法によって、例えば、グロープラグ、マイクロ波点火装置、又は圧縮着火方法によって開始されてもよい。
排気ストロークの間に、排気ガスはシリンダーヘッド３３に配置されている排気ポート３５を介して膨張シリンダー１４の外に送出される。排気ポート３５の入口３１に配置されている内開きのポペット排気バルブ３４は、膨張シリンダー１４と排気ポート３５との間の流体の連通を制御する。排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２から分離されている。すなわち、排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２に接触せず、すなわち、クロスオーバー通路２２内に配置されていない。
分割サイクルエンジンのコンセプトによれば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の幾何学的なエンジンパラメータ(すなわち、ボア、ストローク、コネクティングロッド長さ、容積測定の圧縮比、その他)は概ね互いから独立である。例えば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４についてのクランクスロー３６、３８は、それぞれ、異なる半径を有してもよく、そして膨張ピストン３０の上死点（ＴＤＣ)が圧縮ピストン２０のＴＤＣの前に起こるように互いから離れて位相付けられてもよい。この独立性は、分割サイクルエンジン１０が一般の４ストロークエンジンよりもより高い効率レベル及びより大きなトルクを潜在的に達成すること可能にしている。
分割サイクルエンジン１０におけるエンジンパラメータの幾何学的な独立性はまた、前に述べたように、クロスオーバー通路２２内に圧力が維持され得る主な理由の一つである。詳しくは、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する前に僅かな位相角(典型的には１０ないし３０の間のクランク角度)だけ膨張ピストン３０がその上死点位置に到達するこの位相角は、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の適切なタイミングと伴って、分割サイクルエンジン１０がその圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間にクロスオーバー通路２２内を高い最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０ ba以上)に維持することを可能にしている。すなわち、分割サイクルエンジン１０は、XovrC及びXovrEバルブの両者が膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に降下し、そして圧縮ピストン２０が同時にそのＢＤＣ位置からそのＴＤＣ位置に向けて上昇する間のかなりの期間(すなわち、クランクシャフトの回転期間)開くように、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６をタイミング付けて作動可能である。クロスオーバーバルブ２４、２６の両者が開いている期間(すなわち、クランクシャフトの回転)中、(１)圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２へ、及び(２)クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へほぼ等しい空気質量（mass）が移送される。従って、この期間中、クロスオーバー通路内の圧力は所定の最小圧力(典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０、３０又は４０bar)より低く低下するのが防がれる。さらに、エンジンサイクルの実質的な部分(典型的には、全エンジンサイクルの８０％以上)の間、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６の両者は、クロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量（mass）をほぼ一定のレベルに維持するために、閉じられている。結果として、クロスオーバー通路２２内の圧力は、エンジンの圧力／容積サイクルの全４つのストロークの間、所定の最小圧力に維持される。
ここでの目的のため、ほぼ等しいガスの質量（mass）をクロスオーバー通路２２へ、又はそれから同時に移送させるために、膨張ピストン３０がＴＤＣから降下し、そして圧縮ピストン２０がＴＤＣに向けて上昇している間にXovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６を開く方法が、ここでガス移送のプッシュプル方法と称される。分割サイクルエンジン１０のクロスオーバー通路２２内の圧力が、エンジンが全負荷で運転しているとき、エンジンのサイクルの全４つのストロークの間に典型的には、２０bar以上に維持されるのを可能にしているのがプッシュプル方法である。
前に述べたように、排気バルブ３４は、クロスオーバー通路２２から別けられてシリンダーヘッド３３の排気ポート３５内に配置されている。排気バルブ３４がクロスオーバー通路２２内に配置されていない、そしてそれ故に、排気ポート３５がクロスオーバー通路２２と共通部分を共有していないという排気バルブ３４の構造的配列は、排気ストロークの間にクロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量（mass）を維持するためには好ましい。従って、クロスオーバー通路内の圧力を所定の最小圧力以下に低下させるかもしれない大きな周期的な圧力低下が防止される。
XovrEバルブ２６は膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する直前に開く。このとき、膨張シリンダー１４内の圧力に対するクロスオーバー通路２２内の圧力の圧力比は、クロスオーバー通路内の最小圧力は典型的には絶対圧で２０bar以上であり、膨張シリンダー内の圧力は排気ストロークの間に絶対圧で約１ないし２barであるという事実の理由で、高い。換言すると、XovrEバルブ２６が開くとき、クロスオーバー通路２２内の圧力は実質的に膨張シリンダー１４内の圧力よりも(典型的には、２０対１のオーダーで)高い。この高い圧力比は、空気及び／又は燃料充填物の初期流れが高速度で膨張シリンダー１４内に流れるのを生じさせる。これらの高速流れは音速に到達し、音速流と称される。この音速流は分割サイクルエンジン１０にとって特に有利である。というのも、それは、膨張ピストン３０がその上死点位置から降下している間に着火が開始されたとしても、分割サイクルエンジン１０が高い燃焼圧力を維持することを可能にする急速燃焼事象を生じさせるからである。
当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０はまた、空気貯留器(タンク)バルブ４２によってクロスオーバー通路２２に作用可能に連結されている空気貯留器(タンク)４０を含んでいる。２つ以上のクロスオーバー通路２２を備える実施形態は、クロスオーバー通路２２の各々に共通の空気貯留器４０に連結させるタンクバルブ４２を含んでもよく、又は代わりに、各クロスオーバー通路２２が別々の空気貯留器４０に作用可能に連結してもよい。
タンクバルブ４２は、典型的には、クロスオーバー通路２２から空気タンク４０まで延在する空気貯留器（タンク）ポート４４に配置されている。当該空気タンクポート４４は、第１の空気貯留器(タンク)ポート区分４６及び第２の空気貯留器(タンク)ポート区分４８に分けられている。第１の空気タンクポート区分４６は空気タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結し、そして第２の空気タンクポート区分４８は空気タンクバルブ４２を空気タンク４０に連結している。第１の空気タンクポート区分４６の容積は、タンクバルブ４２が閉じられているとき、タンクバルブ４２をクロスオーバー通路２２に連結する追加のポート及びリセスの全ての容積を含む。
当該タンクバルブ４２は、適切なバルブ装置又はシステムであってもよい。例えば、当該タンクバルブ４２は、種々のバルブ作動装置(例えば、空圧、液圧、カム、電気式など)によって動作される能動バルブであってもよい。加えて、当該タンクバルブ４２は、２つ以上の作動装置でもって動作される２つ以上のバルブを備えるタンクバルブシステムを備えてもよい。
空気タンク４０は、前述の特許文献３に記載されたように、圧縮空気の形でエネルギーを蓄え、そしてクランクシャフト１６に動力を与えるためにその圧縮空気を後で用いるべく利用されている。この潜在的なエネルギーを蓄える機械式の手段は、現在の技術水準に対して多数の潜在的有利性を提供している。例えば、当該分割サイクルエンジン１０は、ディーゼルエンジン及び電気ハイブリッドシステムのような市場における他の技術に関して、比較的低い製造及び廃棄物処理コストで、燃料効率利得及びNOxエミッション低減での多くの有利性を潜在的に提供することができる。
空気タンクバルブ４２の開成及び／又は閉成の選択的な制御、そしてそれによる空気タンク４０とクロスオーバー通路２２との連通の制御によって、当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、エンジン点火燃焼(ＥＦ)モード、空気エキスパンダー（ＡＥ）モード、空気圧縮機（ＡＣ）モード、空気エキスパンダー及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、及び点火燃焼及び充填（ＦＣ）モードにおいて作動可能である。当該ＥＦモードは、上述のように空気タンク４０の使用無しでエンジンが作動する非ハイブリッドモードである。当該ＡＣ及びＦＣモードは、エネルギー貯蔵モードである。当該ＡＣモードは、制動中のエンジンを含み、車両の運動学的エネルギーを利用することによるような、膨張シリンダー１４内で起こる燃焼を伴わずに(すなわち、燃料の費消無く)圧縮空気が空気タンク４０に蓄えられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＦＣモードは、エンジン全負荷より小さい(例えば、エンジンのアイドル、定速度での車両の惰航)のときのような、燃焼のためには必要でない過剰の圧縮空気が空気タンク４０に蓄えられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＦＣモードでは、圧縮空気の貯蔵がエネルギーのコスト（ペナルティ）を有している。それ故に、その後になって圧縮空気が用いられるときに正味の利得を有するのが望ましい。当該ＡＥ及びＡＦモードは、貯蔵されたエネルギーの使用モードである。当該ＡＥモードは、膨張シリンダー１４内で起こる燃焼を伴わずに(すなわち、燃料の費消無く)、空気タンク４０に貯蔵された圧縮空気が膨張ピストン３０を駆動するために用いられる空気ハイブリッド運転モードである。当該ＡＥＦモードは、空気タンク４０に貯蔵された圧縮空気が膨張シリンダー１４内での燃焼のために利用される空気ハイブリッド運転モードである。
ＥＦモードでは、空気タンクバルブ４２が空気タンク４０をエンジン１０の残部から隔離するために、クランクシャフト１６の全回転に亘って閉じられて保たれる。従って、圧縮空気は空気タンク４０内に受け入れられず、貯蔵されている圧縮空気も空気タンクから解放されない。圧縮ピストン２０及び膨張ピストン３０は、それらのそれぞれ圧縮及び動力モードにあり、圧縮ピストン２０が膨張シリンダー１４で使用するための入口空気を吸込み、圧縮し、そして膨張ストロークの始まりにおいて、圧縮空気が燃料と共に膨張シリンダー１４に導入され、それが着火され、燃焼され、そして膨張ピストン３０の同じ膨張ストロークで膨張されて、動力をクランクシャフト１６に伝達し、そして燃焼生成物は排気ストロークで排出される。
膨張ストロークの始まり(膨張ピストン３０が上死点から降下するとき)における当該XovrEバルブ２６の閉じるタイミングは、当該エンジン１０のＥＦモードにおける効率に対して重要である。これは、当該XovrEバルブ２６が開いているときは、クロスオーバー通路２２の容積は燃焼が起こる場所であるピストン上方のクリアランス空間の一部であるからである。さらに実際には、燃料の全ては膨張シリンダー１４内にあり、そしてクロスオーバー通路２２内にはそれはない。一旦、当該XovrEバルブ２６が閉じられると、全燃焼プロセスは膨張シリンダー１４に限定され、そして燃料と空気の膨張している燃焼質量（mass）が最も効果的にピストン３０を働かせることができる。
当該XovrEバルブ２６が遅ければ遅く閉じるほど、残りの(すなわち、効果的な容積測定の)膨張比はより小さくなり、この膨張比は、(b)当該XovrEバルブ２６が閉じたときに丁度、膨張シリンダー１４内に捕捉される容積に対する、(a)膨張ピストン３０が下死点にあるときに、膨張シリンダー１４内に捕捉される容積(すなわち、当該シリンダー１４の壁、膨張ピストン３０の頂部、及びシリンダーヘッド３３の底部によって概ね画成されるチャンバーの容積)の比(a/b)として定義される。膨張ピストン３０の膨張ストロークの間に、一旦、当該XovrEバルブ２６が閉じられると、膨張シリンダー１４内には膨張している捕捉された質量（マス）が存在するのみで、質量（マス）が膨張するにつれ仕事が行われる。明らかに、当該XovrEバルブ２６が遅く閉じるほど、膨張ピストン３０は上死点からより遠く、従って、残りの膨張比はより小さく、かつ、膨張ストロークの間、より少ない仕事が行われる。
図２に示されるように、ＥＦモードでのエンジン効率における重大な低下を回避するためには、当該残りの膨張比が１０.０:１以上に大きくあるべきである。より好ましくは、残りの膨張比が１５.７:１以上に大きくあるべきである。この模範的な実施形態において、１０.０:１以上の残りの膨張比を達成するためには、当該XovrEバルブが凡そ３０度以下ＡＴＤＣeで閉じられ、より好ましくは、２２度以下ＡＴＤＣeで閉じられるべきである。
図３ないし１４は、エンジン速度(１０００〜４０００ｒｐｍ)及びエンジン負荷(１〜５bar ＩＭＥＰ)の範囲にわたっての模範的なバルブタイミング及びバルブ期間(開きから閉じまでの時間)のグラフ図である。例えば、凡そ２５００ｒｐｍかつ３bar ＩＭＥＰでは、(i)入口バルブ１８は約３６度ＡＴＤＣeで開かれ、そして約１０２度ＡＴＤＣeで閉じられ、その結果、約６６度の入口バルブ開き期間となり、(ii)XovrCバルブ２４は約-１８度ＡＴＤＣeで開かれ、そして約２４度ＡＴＤＣeで閉じられ、その結果、約４２度のXovrCバルブ開き期間となり、(iii)XovrEバルブ２６は約-１４度ＡＴＤＣeで開かれ、そして約２２度ＡＴＤＣeで閉じられ、その結果、約３６度のXovrEバルブ開き期間となり、かつ、(iv)排気バルブ３４は約１４８度ＡＴＤＣeでで開かれ、そして約-１３度ＡＴＤＣeで閉じられ、その結果、約１９９度の排気バルブ開き期間となる。
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、説明された発明のコンセプトの趣旨及び範囲内で多数の変更がなされ得ることが理解されるべきである。従って、本発明は説明された実施形態に限定されず、それは以下の請求項の語句によって定められる全部の範囲を有することが意図されている。

Claims (12)

  1. クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
    当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
    当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張ピストン、及び
    圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、内部に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)を含むクロスオーバー通路、
    を備えるエンジンであって、
    当該エンジンはエンジン点火燃焼(ＥＦ)モードで運転可能であり、当該ＥＦモードでは、当該エンジンがXovrEバルブの閉成のときに１０.０対１以上の大きさの残りの膨張比を有することを特徴とするエンジン。
  2. 当該ＥＦモードでは、当該XovrEバルブの閉成のときの残りの膨張比が１５.７対１以上であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  3. 当該ＥＦモードでは、当該XovrEバルブは膨張ピストンの上死点後(ＡＴＤＣe)３０度以下で閉じられることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  4. 当該ＥＦモードでは、当該XovrEバルブは膨張ピストンの上死点後(ＡＴＤＣe)２２度以下で閉じられることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  5. 当該クロスオーバー通路は内部に配置されたクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)を含み、当該クロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)とクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)が両者間に圧力室を画成していることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  6. クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器、及び
    当該空気貯留器へ及びそれからの空気流れを選択的に制御する空気貯留器バルブ、を含み、
    当該ＥＦモードでは、当該空気貯留器バルブが閉じられることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
  7. 当該ＥＦモードでは、当該圧縮ピストンが当該膨張シリンダーで使用するための入口空気を吸込み、圧縮し、そして膨張ストロークの始まりにおいて圧縮空気が燃料と共に当該膨張シリンダーに導入され、それが着火され、燃焼され、そして当該膨張ピストンの同じ膨張ストロークで膨張されて、動力を当該クランクシャフトに伝達し、そして燃焼生成物が排気ストロークで排出されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  8. クランクシャフト軸回りに回転可能なクランクシャフト、
    当該クランクシャフトの単一の回転中の吸入ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように圧縮シリンダー内に摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された圧縮ピストン、
    当該クランクシャフトの単一の回転中の膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように膨張シリンダーに摺動可能に収容されると共に、当該クランクシャフトに作用可能に連結された膨張(動力)ピストン、及び
    圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、内部に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)、
    を含むエンジンを運転する方法であって、
    当該エンジンはエンジン点火燃焼(ＥＦ)モードで運転可能であり、
    当該方法は、
    圧縮ピストンでもって入口空気を吸込みそして圧縮し、
    膨張ストロークの始まりにおいて、圧縮シリンダーからの圧縮空気を燃料と共に膨張シリンダーに導入し、該燃料は着火され、燃焼され、そして当該膨張ピストンの同じ膨張ストロークで膨張されて、動力をクランクシャフトに伝達し、そして燃焼生成物が排気ストロークで排出され、そして
    XovrEバルブの閉成のときに１０.０対１以上の残りの膨張比を維持するステップを含むことを特徴とする方法。
  9. XovrEバルブの閉成のときの残りの膨張比を１５.７対１以上に維持するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 当該XovrEバルブを膨張ピストンの上死点後(ＡＴＤＣe)３０度以下で閉じるステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 当該XovrEバルブを膨張ピストンの上死点後(ＡＴＤＣe)２２度以下で閉じるステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  12. 当該エンジンは、内部に配置されたクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)であって、当該クロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)とクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)が両者間に圧力室を画成しているクロスオーバー圧縮バルブ(XovrC)と、クロスオーバー通路に作用可能に連結され、圧縮シリンダーからの圧縮空気を蓄え、及び圧縮空気を膨張シリンダーに配送すべく選択的に作動可能である空気貯留器と、当該空気貯留器へ及びそれからの空気流れを選択的に制御する空気貯留器バルブとを含み、
    当該方法は、エンジンがＥＦモードで運転されているとき、当該空気貯留器バルブを閉じて保持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
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