JP2013079647A - アクティブ型膨張チャンバーを有する圧縮空気又は気体及び／又は追加エネルギーを用いるエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】メイン駆動ピストン、作動クランクシャフト及びアクティブ型膨張チャンバーのピストンを有するエンジンの構成を単純化するとともに、その利点を維持する。
【解決手段】クランクシャフト５を駆動するメイン駆動ピストン１と、仕事を生じさせる容積が変化可能であるとともに、駆動シリンダー２の内部に含まれる容積と通路６によって連通される少なくとも１つのアクティブ型膨張チャンバー１３と、を備えるエンジンを提案し、前記通路６は、前記アクティブ型膨張チャンバーを死容積から独立又は死容積に連通した状態にするシャッター７を備えることを特徴とし、エンジンは、仕事なしの等温膨張段階と、仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階と、仕事を伴うポリトロープ膨張段階と、大気圧での排気段階と、の４段階の熱力学サイクルに従って作用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に圧縮空気又はその他の圧縮気体を用いて作動する、アクティブ型膨張チャンバーを有するエンジンに関する。

発明者は、都市及び郊外で完全にクリーンな作動を行うため、気体、特に圧縮空気を用いた推進システム及びその設備に関するいくつかの特許を、国際公開第９６／２７７３７号パンフレット、国際公開第９７／３９２３２号パンフレット、国際公開第９７／４８８８４号パンフレット、国際公開第９８／１２０６２号パンフレット、国際公開第９８／１５４４０号パンフレット、国際公開第９８／３２９６３号パンフレット、国際公開第９９／３７８８５号パンフレット、国際公開第０１／６９０８０号パンフレット及び国際公開第０３／０３６０８８号パンフレットで出願している。

国際公開第９９／３７８８５号パンフレットの国際特許出願では、記述される内容として、使用可能及び利用可能のエネルギーの量を増加させる解決手段が提供されている。圧縮空気は、貯蔵タンクから直接燃焼及び／又は膨張チャンバーに導入される前、又は、環境熱エネルギー回収装置である単数又は複数の熱エクスチェンジャーを通った後で燃焼チャンバーに導入される前に、熱ヒータに移送される。この結果、温度は上昇し、エンジンの燃焼及び／又は膨張チャンバーに導入される前に、圧縮空気の圧力及び／又は容積はさらに増加する。これにより、前記エンジンによって行われる性能は再びかなり向上する。

利点として、再熱ヒータ（thermal reheater）の使用により、化石燃料を用いているにもかかわらず、汚染物質の排出を微小にすることを目的とした周知の手段によって触媒処理され又は汚染が除去される、クリーンな連続燃焼を用いることができる。

利点として、熱ヒータの使用により、実際に化石燃料を用いているにもかかわらず、微小レベルの汚染物質の排出を目的とした周知の手段によって触媒による変換又は汚染が除去される、クリーンな連続燃焼を適用できる。

発明者は、国際公開第０３／０３６０８８号パンフレットの特許出願を出願し、その内容は、前述したことが実現でき、単一及び複数のエネルギーで作動する追加圧縮空気を噴射するモータコンプレッサ−モータ発電機セットに関する。

圧縮空気で作動し、圧縮空気貯蔵タンクを備えるこの型のエンジンでは、膨張する圧縮空気は非常に高圧でタンク内に貯蔵されているが、タンク内が空になるにつれて圧力が減少する。圧縮空気が単数又は複数のエンジンシリンダーで用いられる前に、作用容器として知られているバッファ容器の内部で、最終使用圧力として知られている一定の中間圧力に膨張させる必要がある。シャッター型及びばね型等の周知の典型的なレギュレータは流量（flow rate）が低く、そのような適応に用いることは扱いにくく低性能な装置を必要とする。さらに、このようなレギュレータは、膨張の間に冷却される空気中の湿気によるアイシングに対して感度が高い。

本課題を解決するため、発明者は国際公開第０３／０８９７６４号パンフレットの国際特許出願を出願している。ここで記述される内容は、流量が可変の動的レギュレータ及び圧縮空気が噴射されるエンジンの分配システムに関し、高圧圧縮空気タンクと、作用容器と、を備える。

また、発明者は２つの別の容器から構成される容積可変の膨張チャンバーに関する国際公開第０２／０７０８７６号パンフレットの特許出願を出願している。２つの容器の一方は圧縮空気取込み口と連通していて、他方はシリンダーと一体に設けられている（twinned with）。容器は互いに連通または独立した状態で配置されている。排気サイクルの間、圧縮空気でこれらの容器の一方である第１の容器をチャージすることができ、この際第２の容器内部に圧力が発生する。排気が終わった直後のピストンが上死点（top dead centre）で静止している間で、ストロークを再び開始する前は、２つの容器は連通したままであり、パワーストロークを行うため一体に膨張する。２つの容器の少なくともいずれか一方には容積を変化させる手段が設けられていて、同一の圧力で合成（resultant）エンジントルクが変化するようになっている。

これらの“チャージ膨張”エンジンの作動において、膨張チャンバーの内部では、常に装置の全体効率に不利となる仕事を伴わない膨張が行われている。

前述した課題を解決するため、発明者はアクティブ型チャンバーを備えるエンジンについて記述した国際公開第２００５／０４９９６８号パンフレットの特許出願を出願している。このエンジンでは、膨張チャンバーは仕事を生じさせる手段を備える変化可能な容積を有するとともに、メインピストンの上方の空間と一体に設けられ、通路を介して連通している。

国際公開第２００５／０４９９６８号パンフレット（仏国特許出願公開第２８６２３４９号明細書）は圧縮空気単一（１重）エネルギーモードで作動する４段階熱力学サイクルを示し、
・仕事なしの等温膨張段階
・仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階
・仕事を伴うポリトロープ膨張段階
・大気圧での排気段階
を特徴とする。

エンジンは上述した熱力学サイクルで作動し、典型的な連結ロッド／クランク配置が用いられている。作用容器として周知のバッファ容器を通って高圧貯蔵タンク内部に含まれる圧縮空気又はその他の圧縮気体が供給されることが好ましい。２重エネルギーモードの作用容器は、追加エネルギー（化石又はその他のエネルギー源）によって供給される空気を加熱する装置を備え、通過する空気の温度及び／又は圧力を増加させるようになっている。

国際公開第２００５／０４９９６８号パンフレット（仏国特許出願公開第２８６２３４９号明細書）では、このような熱力学サイクルの作動は、メイン駆動ピストン、作動クランクシャフト及びアクティブ型膨張チャンバーのピストンを接続する力学的手段によって取得される。

本発明の目的は、このようなエンジンの構成を単純化するとともに、前述したすべての利点を維持することにある。

このため、本発明は以下のエンジンを提案する。このエンジンは、高圧貯蔵タンクの内部に含まれる圧縮空気又はその他の圧縮気体が供給され、
典型的な連結ロッド／クランク配置でクランクシャフトを駆動する、駆動シリンダーの、内部をスライドする少なくとも１つのメイン駆動ピストンと、
仕事を生じさせる手段を備える変化可能な容積を有するとともに、駆動ピストンが上死点にある際に、駆動シリンダーの内部の駆動ピストンの上方部分である死容積と呼ばれる容積と通路によって連通される少なくとも１つのアクティブ型膨張チャンバーと、
を備える。このエンジンは、
通路が、アクティブ型膨張チャンバーを死容積から独立又は死容積に連通した状態にするシャッターを備え、
エンジンは、アクティブ型膨張チャンバーに対して開いていて、エンジンに圧縮空気又は圧縮気体を供給させる取込みダクトを備え、
膨張チャンバーの容積が最小の際に、圧縮空気又は圧縮気体が膨張チャンバーの内部に入り、圧縮空気の押圧で容積が増加することにより、仕事が生じ、
膨張チャンバーが略最大容積で、かつ、駆動ピストンが略上死点の際に、取込みダクトが閉じ、アクティブ型膨張チャンバーが駆動シリンダーと連通し、アクティブ型膨張チャンバーの内部に含まれる圧縮空気又は圧縮ガスが膨張し、駆動ピストンを押して、駆動ピストンが下方向に向かって移動することにより、仕事が供給され、
膨張の間、アクティブ型膨張チャンバーの体積は、新しいサイクルを始めるため、最小に戻ること、
を特徴とする。エンジンは、以下の４段階の熱力学サイクルに従って作動する。
・仕事なしの等温膨張段階
・仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階
・仕事を伴うポリトロープ膨張段階
・大気圧での排気段階
本発明のその他の特徴として以下のことが挙げられる。

前記死容積は機械的許容範囲で許される最小値まで減少され、アクティブ型膨張チャンバーが死容積と連通した際に、仕事のない膨張を防止するようになっている。

圧縮空気又は圧縮気体はいわゆる作用容器であるバッファ容器を通って供給され、作用容器には貯蔵タンク内部に含まれる高圧圧縮空気が供給されるとともに、圧縮空気は前記作用容器の内部で、好ましくは動的レギュレータを通って、いわゆる作用圧力である中間圧力に膨張する。好都合なことに、このエンジンは、いわゆる動的レギュレータである国際公開第０３／０８９７６４号パンフレットの国際特許出願に従った流量が変化可能なレギュレータを備え、等温型の仕事のない膨張を行うことによって、高圧タンクから圧縮空気が使用圧力で供給されるようになっている。

作用容器は、化石燃料又はその他のエネルギーである追加エネルギーを用いて圧縮空気又は圧縮気体を加熱する加熱装置を備え、加熱装置は通過する空気の温度及び／又は圧力を上昇させる。この配置により、アクティブ型膨張チャンバーに導入される前に、性能及び／又は範囲が向上するように圧縮空気又は気体の温度の温度が上昇し、圧力及び／又は容積が上昇することで、使用可能及び利用可能なエネルギーの量を増加させることができる。熱ヒータは、エネルギーとしてガソリン、ディーゼルのような化石燃料、又は、代わりとして乗り物用のＬＰガス、天然ガス（ＮＧ）を用いることができる。生物燃料又はアルコール燃料を用いてバーナーにより温度を上昇させる外燃を伴う２重エネルギー作動を行ってもよい。

圧縮空気又は圧縮気体中で化石又は生物の燃料を直接的に燃焼することによって圧縮空気又は圧縮気体を加熱される。この場合、エンジンはいわゆる内外燃エンジンである。

熱ヒータは、例えば液体アンモニアを気体にし、塩化カルシウム、塩化マンガン、塩化バリウム等のような塩等の固体試料と反応させる等、エバポレータの内部に含まれる反応流体の蒸発による変換を基礎とした熱化学固体方式気体反応を用いた熱ヒータであり、気体と固体試料との化学反応により熱が発生するとともに、反応の終了後、エバポレータの内部で再び凝縮するアンモニアを脱着するため、反応手段に熱を供給することにより気体及び固体試料を再生する。好都合なことに、例えば欧州特許出願公開第０３０７２９７号明細書及び欧州特許第０３８２５８６号明細書で使用し、記述したような熱化学法を使用し、システムは熱電池のように作動する。

エンジンは追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動し、２重エネルギーモードの熱力学サイクルは、作用容器の内部でエネルギーが保存された状態で行われる仕事なしの等温膨張段階と、化石エネルギーを用いて加熱することによる空気又は気体の温度の上昇段階と、続いて起こる仕事を伴ういわゆる準等温の微小膨張段階と、駆動シリンダー内部での仕事を伴うポリトロープ膨張段階と、最後の大気圧での排気段階と、を特徴とし、５つの連続する段階を以下に示す。
・等温膨張段階
・温度の上昇段階
・仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階
・仕事を伴うポリトロープ膨張段階
・大気圧での排気段階
エンジントルク及びエンジン速度は、前記作用容器の圧力を制御することによって制御される。好都合なことに前記制御は動的レギュレータによって実現される。

エンジンは、追加エネルギーを伴う２重エネルギー作動モードで作動し、２重エネルギーモードの間、電気制御ユニットが、圧縮空気又は圧縮気体の圧力、すなわち前記作用容器の内部に導入される空気の量に基づいて供給される追加エネルギーの量を制御する。

アクティブ型膨張チャンバーの前記変化可能な容積は、シリンダーの内部をスライドし、連結ロッドによってエンジンのクランクシャフトに連結される、いわゆるチャージピストンであるピストンから構成される。

エンジンに高圧タンクの内部に含まれる圧縮空気又は圧縮気体が供給され、及び／又は、エンジンは追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動するとともに、圧縮空気又は圧縮気体貯蔵タンクが空の際、及び、追加のエネルギーを用いる際に、独立作動を行うように、アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンが、高圧圧縮空気又は圧縮気体貯蔵タンクに圧縮空気又は圧縮気体を供給させる空気又は気体コンプレッサに連結されている。

前記コンプレッサは直接作用容器に提供する。この場合、エンジン制御はコンプレッサの圧力を制御することにより行われ、高圧貯蔵タンクと作用容器との間に配置される動的レギュレータが閉じたままである。

連結（coupled）コンプレッサは、貯蔵タンク及び作用容器と、に組み合わせて提供する。

エンジンは、化石燃料、植物性燃料等の単一エネルギーモードで作動し、作用容器の内部に含まれる加熱される空気又は気体は、連結コンプレッサのみによって圧縮され、この際高圧空気又は気体貯蔵タンクは省略されている。

リリーフされた排気は、連結コンプレッサの取込み側に再循環される。

圧縮空気単一エネルギーモードで作動し、エンジンは、シリンダー容量が増加するいくつかのステージから構成されるとともに、それぞれのステージは仕事を生じさせる手段を備える変化可能な容積から構成されるアクティブ型膨張チャンバーを備え、それぞれのステージの間に前のステージから排気された空気を加熱するエクスチェンジャーが設けられている。

エンジンは、追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動し、それぞれのステージの間に配置されるエクスチェンジャーは追加エネルギー加熱装置を備える。

エクスチェンジャー及び加熱装置は、一体又は分離して、同一のエネルギー源を用いる複数ステージ装置に組み込まれている。

本発明の熱力学サイクルは、動的レギュレータによって行われる仕事のない等温膨張段階が行われ、続いて作用容器内に含まれる空気又は気体の圧力を用いた第１の仕事を伴う微小準等温膨張を伴う移送段階が行われ、例えば３０００ｃｍ^３の容積が３０５０ｃｍ^３の容積となる。この間に、アクティブ型膨張チャンバーは満たされる。続いて第２の仕事を伴う駆動シリンダー内部への膨張チャンバーのポリトロープ膨張段階が行われ、最後に大気中に膨張空気を排気する温度低下段階を行うことを特徴とする。

本発明の別の形態によると、アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、バーナー等が設けられる熱ヒータと、前述したタイプの熱化学ヒータと、を備える。これらのヒータは、熱化学ヒータの段階１の間は、一緒に又は連続して用いられる。反応手段を加熱することによって熱化学ヒータが空になった際には、バーナーが設けられる熱ヒータは熱化学ヒータを再生し（段階２）、ユニットはバーナーヒータを用いて作動を継続する。

燃焼ヒータを使用する場合、本発明のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、いわゆる外燃エンジンである外燃チャンバーを備えるエンジンである。しかし、前記ヒータが内部で燃焼して火炎が直接的に作動圧縮空気に接触するか、又は、前記ヒータが外部で燃焼して作動空気がエクスチェンジャーを通して加熱されるかのいずれかである。前者の場合エンジンはいわゆる“内外燃エンジン”であり、後者の場合エンジンはいわゆる“外外燃エンジンである。

追加エネルギーを伴って作動するモードでは、熱力学サイクルは前述した５つの段階を備える。

例えば乗り物が都市を走っている圧縮空気モードの作動の間、高圧タンク内部の圧縮空気の圧力のみが走行に用いられる。例えば乗り物が高速道路を走っている、化石又はその他のエネルギーを用いた追加エネルギーモードでの作動の間、作用容器の加熱が必要となり、作用容器を通る空気の温度、すなわち容積及び／圧力を上昇させることができる。そして、アクティブ型膨張チャンバーのチャージの仕事及び膨張に用いられる。

アクティブ型膨張チャンバーを備える２重エネルギーエンジンは、２つのモードを用いて作動する。例えば乗り物が町を走っているゼロ汚染モードでは、高圧貯蔵タンク内部に含まれる圧縮空気で作動する。例えば高速道路を走っている追加エネルギーモードでは、化石エネルギー又はその他の形のエネルギーを熱ヒータに供給して作動する。同時に、高圧貯蔵タンクには空気コンプレッサによって空気が再供給される。

本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備える２重エネルギーエンジンは、以下に示す作動の３つのメインモードを有する。
・圧縮空気単一エネルギーモード
・圧縮空気及び追加エネルギーの２重エネルギーモード
・追加エネルギー燃料単一エネルギーモード
アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、上述のように連結される空気コンプレッサが作用容器に提供する際に、化石燃料又はその他の燃料の単一エネルギーバージョンが生じてもよい。この際、高圧圧縮空気貯蔵タンクは省略される。

圧縮空気単一エネルギーエンジンの場合、第1のシリンダーでの膨張により温度が低下する。好都合なことに、周囲環境とエネルギーを交換する空気−空気エクスチェンジャーの内部で空気は加熱される。

２重エネルギーエンジンが追加エネルギーモードで作動する場合、空気は、例えば化石燃料の追加エネルギーを用いて熱ヒータ内部で加熱される。

本配置の別の形態では、それぞれのステージの後、排気空気は単一の複数ステージヒータに向かう。これにより、用いる燃焼源が１つのみとなる。

熱エクスチェンジャーは、空気−空気又は空気−液体エクスチェンジャー又は所望の効果を発生させるその他の装置又はガスである。

本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、陸、海、線路、空のすべての乗り物で用いることができる。また、好都合なことに本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、バックアップゼネレータセット（back-up generator set）及び電気と熱を発生し、環境制御を実現する多くの過程のコジェネレーション適応（cogeneration application）に適応される。

本発明のその他の目的、利点及び特徴は、添付の図面とともに、発明の詳細な説明で、実施形態に制限することなく記述する。

アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン及び高圧（ＨＰ）空気供給装置を概略的に示す縦断面図。 図１のエンジンの作動のある段階を概略的に示す縦断面図。 図１のエンジンの作動の図２とは別の段階を概略的に示す縦断面図。 図１のエンジンの作動の図２及び図３とは別の段階を概略的に示す縦断面図。 圧縮空気単一エネルギーモードの熱力学サイクルを示すグラフ。 燃焼によって空気を加熱する装置を備える、アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン及びＨＰ空気供給装置を概略的に示す断面図。 圧縮空気及び追加物の２重エネルギーモードの熱力学サイクルを示すグラフ。 独立作動される空気コンプレッサが連結された、アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを概略的に示す断面図。 貯蔵タンク及び作用容器に供給するコンプレッサが連結された、アクティブ型膨張チャンバーを概略的に示す断面図。 化石燃料単一モードの、アクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを概略的に示す断面図。

発明の詳細な説明

図１は、本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを示す図である。駆動シリンダー２の内部ではメイン駆動ピストン１がスライドし、メイン駆動ピストン１はシリンダー２の内部をスライドし、連結ロッド３を介してクランクシャフト５のクランクピン４に連結されている。

駆動シリンダー２は、上端近傍で、シャッター７を備える通路６を介してアクティブ型膨張チャンバー１３と連通している。アクティブ型チャンバー１３の内部ではチャージピストンと呼ばれるピストン１４がスライドし、ピストン１４は連結ロッド１５によってクランクシャフト５上でクランクピン１６に、駆動シリンダーのクランクピン４と略反対側の１８０°離れた位置に連結されている。

弁１８によって制御される取込み（inlet）ダクト１７は、アクティブ型膨張チャンバーシリンダー１３に対し開いていて、エンジンに作用チャンバー１９から圧縮空気を供給させるようになっている。作用チャンバー１９は作用圧力に保たれていて、作用チャンバー１９には高圧貯蔵タンク２２から動的レギュレータ２１によって制御されるダクト２０を通って圧縮空気が供給される。

シリンダー１の上端部には、排気弁２４によって制御される排気ダクト２３が形成されている。

アクセルペダルによって制御される装置は、作用チャンバー内部の圧力を規制し、エンジンを制御するため、動的レギュレータ２１を制御するようになっている。

図２は、取込み段階の際の本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを示す図である。駆動ピスト１は、上方向に向かって動き、前のサイクルの際に膨張した空気を、排気弁２４が開いた状態のダクト２３を通して、排気するようになっている。取込み弁１８は開いていて、作用容器（capacity）１９内部に収容される空気の圧力がチャージピストン１４を駆動して下方向に向かって動かすようになっている。同時に、アクティブ型膨張チャンバー１３のシリンダーが満たされ、これよって第１の仕事が行われ、連結ロッド１５を介してクランクシャフト９が回転する。準定圧、すなわちほとんどリリーフ（relief）なしで行われるため、第１の仕事は重要である。

回転し続けると、駆動ピストン１は略上死点（top dead centre）に到達する（図３参照）。同時に、排気弁２４と取込み弁１８とが再び閉じ、連結ダクト６のシャッター７が開く。アクティブ型膨張チャンバー１３内部に収容される圧縮空気のチャージ又は量は膨張し、駆動ピストン１は押し戻され下方向に向かって移動する。そして、第２の仕事が行われ、第２の仕事によりクランクシャフトが回転する。駆動ピストン１の下方向への移動の間、チャージピストン１４は上死点に向かって移動し続ける。

回転し続けると、駆動ピストン１は下死点に到達し、チャージピストン１４は上死点に到達する（図４参照）。この際、シャッター７は再び閉じ、取込み弁１８及び排気弁が開く。これにより、次のチャージがアクティブ型膨張チャンバー１３の内部に入り、駆動シリンダー２の内部に膨張した前のチャージが大気に向かって排気されるようになっている。

図５は、圧縮空気単一エネルギーモードにおけるエンジン作動の熱力学サイクルを示すグラフである。図５では、本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを構成する様々な容器内部でのサイクルの様々な段階を（横座標軸に沿って）示し、圧力を縦座標軸で示している。

第１の容器は貯蔵タンク２２であり、ここでは貯蔵圧力Ｐｓｔから初期作用圧力ＰＩＴまで変化する等温曲線の集合体が存在する。タンクが空になるにつれて、貯蔵圧力は低下する。一方、圧力ＰＩＴは、本実施例では１０バールと３０バールの間である、最小作動圧力と最大作動圧力との間の所望トルクに従って制御されている。

アクティブ型膨張チャンバー１３のチャージの間、作用容器１９では圧力が略一定に保たれる。取込み弁が開くとすぐに、作用容器の内部に収容される圧縮空気はアクティブ型膨張チャンバー内部に移送され、圧力のわずかな低下を伴う仕事が行われる。例えば、３０００ｃｍ^３の作用容器及び３５ｃｍ^３のアクティブ型膨張チャンバーでは、圧力低下は１．１６％であり、すなわち、本実施例で３０バールの初期作用圧力では、実際の作用圧力は２９．６５バールとなる。

この際、駆動ピストンがポリトロープ（polytropic）膨張を伴って下方向に向かって移動を開始し、排気弁が開くまで（例えば略２バール）、圧力の低下を伴う仕事が起こる。そして、新しいサイクルが始まる前の排気ストロークの間に、大気圧に戻る。

図６は、２重エネルギーバージョンのエンジン全体を示す図である。図６に示すように、作用容器１９の内部には、追加のエネルギーを供給することによって圧縮空気を加熱する加熱装置が、概略的に示されていて、本実施例では加熱装置はバーナー２５であり、ガスシリンダー２６によって供給される。すなわち、図６で示される燃焼は内外燃であり、貯蔵タンクからの圧縮空気の容積及び／又は圧力がかなり増加する。

図７は、追加エネルギーの２重エネルギーモードの熱力学サイクルを示すグラフである。図７では、本発明に係るアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンを構成する様々な容器内部での様々な段階を、縦座標を圧力として示している。

第１の容器は貯蔵タンクであり、ここでは貯蔵圧力Ｐｓｔから初期作用圧力ＰＩＴまで変化する等温曲線の集合体が存在する。タンクが空になるにつれて、貯蔵圧力は低下する。一方、圧力ＰＩＴは、例えば１０バールと３０バールの間である、最小作動圧力と最大作動圧力との間の所望トルクに従って制御されている。

作用容器１９の内部では、圧縮空気を加熱することにより、初期圧力ＰＩＴから最終作用圧力ＰＦＴまで圧力がかなり増加する。例えば、３０バールのＰＩＴでは、略３００℃の温度で略６０バールのＰＦＴまで増加する。作用容器の内部に収容される圧縮空気はアクティブ型膨張チャンバー内部に移送され、圧力のわずかな低下を伴う仕事が行われる。例えば、３０００ｃｍ^３の作用容器及び３５ｃｍ^３のアクティブ型膨張チャンバーでは、圧力低下は１．１６％であり、すなわち、本実施例で６０バールの初期作用圧力では、実際の作用圧力は５９．３０バールとなる。

この際、駆動ピストンがポリトロープ（polytropic）膨張を伴って下方向に向かって移動を開始し、排気弁が開くまで（例えば略２バール）、圧力の低下を伴う仕事が起こる。そして、新しいサイクルが始まる前の排気ストロークの間に、大気圧に戻る。

本発明の別の形態によると、貯蔵タンク２２に供給する圧縮空気コンプレッサ２７を駆動した際に、化石又は植物性の追加エネルギーとして知られているエネルギーを独立して用いる、２重エネルギーモードでアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンが作動する（図８参照）。

装置全体の作動は、前述した図１乃至図４の態様と同様である。しかし、この配置により、追加のエネルギーを用いた作動が行われる間に貯蔵タンクが再び満たされる。一方、コンプレッサによる相対的な実質上のエネルギー損失が起こる。

本発明の別の態様によると（図示しない）、空気コンプレッサは作用容器に直接供給する。本態様の作動では、動力レギュレータ２１は閉じた状態で保たれ、コンプレッサ２７は圧縮空気を作用容器に供給する。そして、この作用容器の内部で加熱装置によって空気が加熱され、前述の態様で述べたようにアクティブ型膨張チャンバー１３の内部に供給するため圧力及び／又は容積が増加する。また、本態様の作動では、エンジンの制御はコンプレッサを用いて直接圧力を規制することによって行われ、コンプレッサによるエネルギー損失は前述の態様よりもはるかに低い。

最後に、本発明の別の態様によると（図９参照）、コンプレッサは、エネルギーの要求に従って、同時に又は連続して、高圧貯蔵タンク２２及び作用タンク１９に供給する。２方向弁２８により、貯蔵タンク２２又は作用容器１９のいずれか一方、又は、両方同時に空気が供給される。選択は、コンプレッサのエネルギー要求に対するエンジンのエネルギー要求に依存する。エンジンの要求が比較的低い場合、高圧タンクに供給される。エンジンのエネルギー要求が高い場合、作用容器にのみ供給される。

図１０は、化石燃料（代わりに、植物性燃料又はその他の燃料）で作動するアクティブ型膨張チャンバーを備える単一エネルギーエンジンを示す図である。エンジンは、作用容器１９に圧縮空気を供給するコンプレッサ２７に連結され、作用容器１９はガスシリンダー２６によってエネルギーが供給されるバーナー２５を備える。装置を作用させる全体の方法は前述したとおりである。

前述したアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンは、圧縮空気を用いて作動するが、前述した本発明の範囲内であれば、代わりに別の圧縮気体を用いてもよい。

Claims (19)

1. 高圧貯蔵タンク（２２）の内部に含まれる圧縮空気又はその他の圧縮気体が供給され、
   典型的な連結ロッド／クランク配置でクランクシャフト（５）を駆動する、駆動シリンダー（２）の内部をスライドする１つのメイン駆動ピストン（１）と、
   仕事を生じさせる手段を備える変化可能な容積を有するとともに、前記駆動ピストン（１）が上死点にある際に、前記駆動シリンダー（２）の内部の前記駆動ピストン（１）の上方部分である死容積と呼ばれる容積と通路（６）によって連通される少なくとも１つのアクティブ型膨張チャンバーと、
   を備えるエンジンにおいて、
   前記通路（６）は、前記アクティブ型膨張チャンバーを前記死容積から独立又は前記死容積に連通した状態にするシャッター（７）を備え、
   前記エンジンは、前記アクティブ型膨張チャンバー（１３）に対して開いていて、前記エンジンに圧縮空気又は圧縮気体を供給させる取込みダクト（１７）を備え、
   前記膨張チャンバーの容積が最小の際に、前記圧縮空気又は前記圧縮気体が前記膨張チャンバーの内部に入り、前記圧縮空気の押圧で容積が増加することにより、仕事が生じ、
   前記膨張チャンバーが略最大容積で、かつ、前記駆動ピストンが略上死点の際に、前記取込みダクト（１７）が閉じ、前記アクティブ型膨張チャンバー（１３）が前記駆動シリンダー（２）と連通し、前記アクティブ型膨張チャンバーの内部に含まれる前記圧縮空気又は圧縮ガスが膨張し、前記駆動ピストン（１）を押して、前記駆動ピストン（１）が下方向に向かって移動することにより、仕事が供給され、
   膨張の間、前記アクティブ型膨張チャンバー（１３）の体積は、新しいサイクルを始めるため、最小に戻ることを特徴とするエンジンであり、
   前記エンジンは、仕事なしの等温膨張段階と、仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階と、仕事を伴うポリトロープ膨張段階と、大気圧での排気段階と、の４段階の熱力学サイクルに従って作動する。
2. 前記死容積は機械的許容範囲で許される最小値まで減少され、
   前記アクティブ型膨張チャンバーが前記死容積と連通した際に、仕事のない膨張を防止するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
3. 前記圧縮空気又は前記圧縮気体はいわゆる作用容器（１９）であるバッファ容器を通って供給され、
   前記作用容器（１９）には前記貯蔵タンク（２２）内部に含まれる前記高圧圧縮空気が供給されるとともに、前記圧縮空気は前記作用容器（１９）の内部で、好ましくは動的レギュレータを通って、いわゆる作用圧力である中間圧力に膨張することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載のエンジン。
4. 前記作用容器（１９）は、化石燃料又はその他のエネルギーである追加エネルギーを用いて前記圧縮空気又は前記圧縮気体を加熱する加熱装置（２５）を備え、
   前記加熱装置は通過する前記空気の温度及び／又は圧力を上昇させることを特徴とする請求項３に記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
5. 前記圧縮空気又は前記圧縮気体中で化石又は生物の燃料を直接的に燃焼することによって前記圧縮空気又は圧縮気体を加熱し、
   前記エンジンはいわゆる内外燃エンジンであることを特徴とする請求項４に記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
6. 前記作用容器の内部に含まれる前記空気は、エクスチェンジャーを通して化石又は生物の燃料を燃焼することによって加熱され、火炎は前記圧縮空気又は前記圧縮気体と接触せず、
   前記エンジンはいわゆる外外燃エンジンであることを特徴とする請求項４のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
7. 前記熱ヒータは、例えば液体アンモニアを気体にし、塩化カルシウム、塩化マンガン、塩化バリウム等のような塩等の固体試料と反応させる等、エバポレータの内部に含まれる反応流体の蒸発による変換を基礎とした熱化学固体方式気体反応を用いた熱ヒータであり、
   前記気体と前記固体試料との前記化学反応により熱が発生するとともに、前記反応の終了後、前記エバポレータの内部で再び凝縮するアンモニアを脱着するため、反応手段に熱を供給することにより前記気体及び前記固体試料を再生することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
8. 追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動することを特徴とし、
   ２重エネルギーモードの前記熱力学サイクルは、前記作用容器の内部でエネルギーが保存された状態で行われる仕事なしの等温膨張段階と、化石エネルギーを用いて加熱することによる前記空気又は前記気体の温度の上昇段階と、続いて起こる仕事を伴ういわゆる準等温の微小膨張段階と、前記駆動シリンダー（２）内部での仕事を伴うポリトロープ膨張段階と、最後の大気圧での排気段階と、を特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジンであり、
   前記熱力学サイクルは等温膨張段階と、温度の上昇段階と、仕事を伴ういわゆる準等温の移送微小膨張段階と、仕事を伴うポリトロープ膨張段階と、大気圧での排気段階と、の５つの連続する段階を示す。
9. エンジントルク及びエンジン速度は、前記作用容器の圧力を制御することによって制御されることを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれかに記載のアクティブ型燃焼エンジンを備えるエンジン。
10. 追加エネルギーを伴う２重エネルギー作動モードで作動し、
    ２重エネルギーモードの間、電気制御ユニットが、前記圧縮空気又は前記圧縮気体の圧力、すなわち前記作用容器（１９）の内部に導入される空気の量に基づいて供給される追加エネルギーの量を制御することを特徴とする請求項８に記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
11. 前記アクティブ型膨張チャンバー（１３）の前記変化可能な容積は、シリンダー（１３）の内部をスライドし、連結ロッド（１５）によって前記エンジン（９）の前記クランクシャフトに連結される、いわゆるチャージピストンであるピストン（１４）から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
12. 前記高圧タンク（２２）の内部に含まれる前記圧縮空気又は前記圧縮気体が供給され、及び／又は、追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動するとともに、
    前記圧縮空気又は圧縮気体貯蔵タンクが空の際、及び、追加のエネルギーを用いる際に、独立作動を行うように、アクティブ型膨張チャンバーを備える前記エンジンが、前記高圧圧縮空気又は圧縮気体貯蔵タンク（２２）に前記圧縮空気又は前記圧縮気体を供給させる空気又は気体コンプレッサ（２７）に連結されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
13. 前記コンプレッサ（２７）は直接前記作用容器（１９）に提供し、
    この際、エンジン制御は前記コンプレッサの圧力を制御することにより行われ、前記高圧貯蔵タンク（２２）と前記作用容器との間に配置される動的レギュレータ（２１）が閉じたままであることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかを請求項３と組み合わせたアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
14. 前記連結コンプレッサ（２７）は、前記貯蔵タンク（２２）及び前記作用容器（１９）と、に組み合わせて提供することを特徴とする請求項１２及び請求項１３に記載のアクティブ型膨張チャンバーを備えるエンジン。
15. 化石燃料、植物性燃料等の単一エネルギーモードで作動し、
    前記作用容器（１９）の内部に含まれる加熱される前記空気又は前記気体は、前記連結コンプレッサ（２７）のみによって圧縮され、この際前記高圧空気又は気体貯蔵タンクは省略されていることを特徴とする請求項１３と請求項１３とを組み合わせたエンジン。
16. リリーフされた前記排気は、前記連結コンプレッサの取込み側に再循環されることを特徴とする請求項６と請求項１２とを組み合わせたエンジン。
17. 圧縮空気単一エネルギーモードで作動し、
    前記エンジンは、シリンダー容量が増加するいくつかのステージから構成されるとともに、それぞれのステージは仕事を生じさせる手段を備える変化可能な容積から構成されるアクティブ型膨張チャンバーを備え、
    それぞれの前記ステージの間に前の前記ステージから排気された前記空気を加熱するエクスチェンジャー（２９）が設けられていることを特徴とする請求項１を組み合わせたエンジン。
18. 追加エネルギーを伴う２重エネルギーモードで作動し、
    それぞれの前記ステージの間に配置される前記エクスチェンジャーは追加エネルギー加熱装置を備えることを特徴とする請求項１７を組み合わせたエンジン。
19. 前記エクスチェンジャー及び前記加熱装置は、一体又は分離して、同一のエネルギー源を用いる複数ステージ装置に組み込まれていることを特徴とする請求項１７と請求項１８を組み合わせたエンジン。

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