JP2013500435A - 空気タンクバルブを有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジン - Google Patents

Abstract

分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンが圧縮シリンダ内に摺動可能に受容される。クロスオーバ通路は圧縮シリンダおよび膨張シリンダを相互接続する。クロスオーバ通路は、クロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含む。空気貯留器がクロスオーバ通路に作用可能に接続される。空気貯留器バルブは、空気貯留器内への、および空気貯留器からの空気の流れを選択的に制御する。エンジン点火（ＥＦ）モードにおいては、空気貯留器バルブは閉じた状態に保たれる。空気膨張機（ＡＥ）モード、および、空気膨張機および点火（ＡＥＦ）モードにおいては、ＸｏｖｒＥバルブが開放事象にある期間と少なくとも同じ長さの期間、空気貯留器バルブは開いた状態に保たれる。空気圧縮機（ＡＣ）モード、および、点火および充填（ＦＣ）モードにおいては、空気貯留器バルブは選択的に開閉される。

Description

本発明は、分割サイクル（split-cycle）エンジンに関し、特に、空気ハイブリッドシステムを組み込んだかかるエンジンに関するものである。

明確化のために、本出願において用いられる「従来エンジン」という用語は、エンジンの各ピストン／シリンダセット（piston/cylinder combination）に公知のオットーサイクルの全４ストローク（すなわち、吸気（ないしは吸入）、圧縮、膨張（ないしは動力）および排気のストローク）が含まれる内燃機関として参照される。各ストロークは、クランクシャフトの１／２回転（１８０度のクランク角（ＣＡ））を要し、クランクシャフトの２回の完全な回転（７２０度のＣＡ）が、従来エンジンの各シリンダにおいてオットーサイクル全体を完了させるのに必要である。

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のまわりに回転可能なクランクシャフトと、
圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続される圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて往復するようにされた圧縮ピストンと、
膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続される膨張（ないしは動力）ピストンであって、クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて往復するようにされた膨張ピストンと、
圧縮シリンダおよび膨張シリンダを相互接続するクロスオーバ通路（ポート）であって、内部に配置された少なくとも１つのクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含む、より好ましくは、間に圧力室（pressure chamber）を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含むクロスオーバ通路と、
を具える。

２００３年４月８日にScuderiに許可された特許文献１および２００５年１０月１１日にBranyonらに許可された特許文献２は、その双方を参照によってここに含まれるものとするが、分割サイクルおよび同様なタイプのエンジンについての広範囲にわたる議論が含まれている。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に空気貯留器および種々の制御部を組み合わせたものである。この組み合わせによって、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンが、圧縮空気の形態にて空気貯留器内にエネルギを蓄えることが可能となる。空気貯留器内の圧縮空気は、後にクランクシャフトに動力を供給する膨張工程において使用される。

ここで参照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のまわりに回転可能なクランクシャフトと、
圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続される圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて往復するようにされた圧縮ピストンと、
膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続される膨張（ないしは動力）ピストンであって、クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて往復するようにされた膨張ピストンと、
圧縮シリンダおよび膨張シリンダを相互接続するクロスオーバ通路（ポート）であって、内部に配置された少なくとも１つのクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含む、より好ましくは、間に圧力室（pressure chamber）を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含むクロスオーバ通路と、
クロスオーバ通路に作用可能に接続され、圧縮シリンダからの圧縮空気を蓄えるべく、および圧縮空気を膨張シリンダに供給するべく、選択的に作動可能な空気貯留器と、
を具える。

２００３年４月８日にScuderiらに許可された特許文献３は、その参照によってここに含まれるものとするが、分割サイクル空気ハイブリッドおよび同様なタイプのエンジンについての広範囲にわたる議論が含まれている。加えて、これらの特許文献は従来のハイブリッドシステムを詳細に開示しており、本願の開示では、そのさらなる展開について詳述される。

分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、通常の動作すなわち点火（ＮＦ）モード（一般にエンジン点火（ＥＦ）モードとも称されている）および４つの基本的な空気ハイブリッドモードで作動可能である。ＥＦモードにおいてエンジンは、その空気貯留器を使用することなく動作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モードにおいては、空気貯留器へのクロスオーバ通路に作用可能に接続されるタンクバルブは閉鎖されたままであり、空気貯留器は分割サイクルエンジンから絶縁される。

分割サイクル空気ハイブリッドエンジンは、その空気貯留器を使用し、４つのハイブリッドモードで動作する。４つのハイブリッドモードとは、
１）燃焼を伴わずに空気貯留器内に圧縮空気のエネルギを用いることを含む空気膨張機（Air Expander；ＡＥ）モード、
２）燃焼を伴わずに空気貯留器に圧縮空気のエネルギを蓄えることを含む空気圧縮機（Air Compressor；ＡＣ）モード、
３）燃焼を伴って空気貯留器からの圧縮空気のエネルギを用いることを含む空気膨張機および点火（Air Expander and Firing；ＡＥＦ）モード、および
４）燃焼を伴って空気貯留器内に圧縮空気のエネルギを蓄えることを含む点火および充填（Firing and Charging；ＦＣ）モード
である。

しかしながら、効率を高め、エミッションを低減するために、これらのモード（ＥＦ、ＡＥ、ＡＣ、ＡＥＦおよびＦＣ）のさらなる最適化が要望されている。

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

本発明は、可能性のあるいかなる車両のいかなる駆動サイクルに対しても、点火（ＥＦ）モード、空気膨張機（ＡＥ）モード、空気圧縮機（ＡＣ）モード、空気膨張機および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードの使用が最適化される分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを提供するものである。

特に、本発明に係る分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの例示的な実施形態は、クランクシャフト軸のまわりに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンが圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続されることで、クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて圧縮ピストンが往復するようにされる。膨張ピストンが膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続されることで、クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて膨張ピストンが往復するようにされる。クロスオーバ通路は圧縮シリンダおよび膨張シリンダを相互接続する。クロスオーバ通路は、間に圧力室を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含む。空気貯留器がクロスオーバ通路に作用可能に接続され、圧縮シリンダからの圧縮空気を蓄えるべく、および膨張シリンダに圧縮空気を供給するべく、選択的に動作する。空気貯留器バルブは、空気貯留器内への、および空気貯留器からの空気の流れを選択的に制御する。エンジンは、エンジン点火（ＥＦ）モード、空気膨張機（ＡＥ）モード、空気圧縮機（ＡＣ）モード、空気膨張機および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードの１つ以上で動作可能である。ＥＦモードにおいては、クランクシャフトが全回転する間、空気貯留器バルブは閉じた状態に保たれる。ＡＥモードおよびＡＥＦモードにおいては、ＸｏｖｒＥバルブが開放事象（opening event）にある期間と少なくとも同じ長さの期間、空気貯留器バルブは開いた状態に保たれる。ＡＣモードおよびＦＣモードにおいては、クランクシャフトの単一回の回転中に、空気貯留器バルブは選択的に開放および閉鎖される。

分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを作動させる方法もまた開示される。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のまわりに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンが圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続されることで、クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて圧縮ピストンが往復するようにされる。膨張ピストンが膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、クランクシャフトに作用可能に接続されることで、クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ピストンが膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて往復するようにされる。クロスオーバ通路は圧縮シリンダおよび膨張シリンダを相互接続する。クロスオーバ通路は、間に圧力室を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含む。空気貯留器がクロスオーバ通路に作用可能に接続され、圧縮シリンダからの圧縮空気を蓄えるべく、および膨張シリンダに圧縮空気を供給するべく、選択的に動作する。空気貯留器バルブは、空気貯留器内への、および空気貯留器からの空気の流れを選択的に制御する。エンジンは、エンジン点火（ＥＦ）モード、空気膨張（ＡＥ）モード、空気圧縮（ＡＣ）モード、空気膨張および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードの１つ以上で動作可能である。ＥＦモードにおいては、クランクシャフトが全回転する間、空気貯留器バルブは閉じた状態に保たれる。ＡＥモードおよびＡＥＦモードにおいては、ＸｏｖｒＥバルブが開放状態（opening event）にある期間と少なくとも同じ長さの期間、空気貯留器バルブは開いた状態に保たれ、蓄えられた圧縮空気の使用が許容される。ＡＣモードおよびＦＣモードにおいては、クランクシャフトの単一回の回転中に、空気貯留器バルブは選択的に開放および閉鎖され、蓄えるために圧縮空気が空気貯留器に流入することが許容される。

本発明のこれらの特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ次に述べる本発明の詳細な説明からより十分に理解されることになる。

本発明に係る例示的な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。 分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの例示的な空気タンクの側面図である。 図２の空気タンクの斜視図である。

参考のために、以下の頭辞語の用語解説及びここに用いられる用語の定義を提供する。

一般
特にことわらない限り、すべてのバルブ開放および閉鎖タイミングは、膨張ピストンの上死点以後（ＡＴＤＣｅ）のクランク角度で測定される。
特にことわらない限り、すべてのバルブの期間はクランク角度（ＣＡ）である。

空気タンク（すなわち空気貯蔵タンク）：圧縮空気の貯蔵タンク。

ＡＴＤＣｅ：膨張ピストンの上死点以後。

Ｂａｒ：圧力の単位であり、１ｂａｒ＝１０⁵Ｎ／ｍ²である。

圧縮機：分割サイクルエンジンの圧縮シリンダおよびそれに関連する圧縮ピストン。

膨張機：分割サイクルエンジンの膨張シリンダおよびそれに関連する膨張ピストン。

流量調節バルブ：管（pipework）に挿入されるデバイスであって、管内の流量を制御可能である。

リードバルブ：圧力により作動するバルブであり、制御エレメントが、固定されたハウジングを封止して進行方向の流れを阻止する可撓性プレートである。プレートの裏側に作用する圧力が高まると、プレートが偏向して開き、裏側への流れが許容される。

タンクバルブ：Ｘｏｖｒ通路を圧縮空気貯蔵タンクに接続するバルブ。

ＶＶＡ：可変のバルブ作動。バルブのリフト曲線のプロフィール（lift profile）の形状またはタイミングを変更するべく作動可能な機構または方法。

Ｘｏｖｒ（またはＸｏｖｅｒ）バルブ、通路またはポート：圧縮シリンダおよび膨張シリンダを接続するクロスオーババルブ、通路および／またはポートであり、これを通って気体が圧縮シリンダから膨張シリンダまで流れる

ＸｏｖｒＣ（またはＸｏｖｅｒＣ）バルブ：Ｘｏｖｒ通路の圧縮機側端にあるバルブ。

ＸｏｖｒＥ（またはＸｏｖｅｒＥ）バルブ：クロスオーバ（Ｘｏｖｒ）通路の膨張機側端にあるバルブ。

図１を参照するに、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの例が全体的に符号１０で示されている。分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１０は、従来エンジンの隣接する２つのシリンダを、１つの圧縮シリンダ１２および１つの膨張シリンダ１４に置き換えたものである。シリンダヘッド３３は、典型的には膨張シリンダおよび圧縮シリンダの開放端に配置され、これらのシリンダを覆って封止する。

オットーサイクルの４ストロークは２つのシリンダ１２および１４にわたって「分割」され、関連付けられた圧縮ピストン２０とともに圧縮シリンダ１２が吸気ストロークおよび圧縮ストロークを実行し、関連付けられた膨張ピストン３０とともに膨張シリンダ１４が膨張ストロークおよび排気ストロークを実行する。従ってオットーサイクルは、クランクシャフト１７のまわりにクランクシャフト１６が回転する（３６０度ＣＡ）毎に、これら２つのシリンダ１２，１４内で完了する。

吸気ストロークの過程で、吸引された空気はシリンダヘッド３３に配設された吸気ポート１９を介して圧縮シリンダ１２内に引き込まれる。内開きの（シリンダの内方に、ピストンに向かって開く）ポペット吸気バルブ１８は、吸気ポート１９と圧縮シリンダ１２との流体連通を制御する。

圧縮ストロークの過程で、圧縮ピストン２０は空気の充填を行うべく加圧し、典型的にはシリンダヘッド３３に配設されるクロスオーバ通路（またはポート）２２内に空気充填物を押し出す。これは、圧縮シリンダ１２および圧縮ピストン２０がクロスオーバ通路２２（膨張シリンダ１３に対する吸気通路として作用する）に対する高圧気体源であることを意味する。いくつかの実施形態においては、２以上のクロスオーバ通路２２が圧縮シリンダ１２および膨張シリンダ１４を相互接続する。

分割サイクルエンジン１０（および概して複数の分割サイクルエンジンについて）の圧縮シリンダ１２の幾何学的（ないしは容積的）圧縮比は、ここでは分割サイクルエンジンの「圧縮比」として一般に参照される。分割サイクルエンジン１０（および概して複数の分割サイクルエンジンについて）の膨張シリンダ１４の幾何学的（ないしは容積的）圧縮比は、ここでは分割サイクルエンジンの「膨張比」として一般に参照される。シリンダの幾何学的圧縮比は、ピストンが上死点（ＴＤＣ）位置にあるときのシリンダに包囲された容積（すなわちクリアランス容積）に対する、ピストンがシリンダ内を往復する際に下死点（ＢＤＣ）位置にあるときのシリンダ（窪み（recess）のすべてを含む）に包囲された（すなわち捕捉された）容積の比を表すものとして、技術分野においてよく知られている。具体的には、ここで定義される分割サイクルエンジンに対しては、圧縮シリンダの圧縮比はＸｏｖｒＣが閉鎖されているときに決定される。また、具体的には、ここで定義される分割サイクルエンジンに対しては、膨張シリンダの膨張比はＸｏｖｒＥが閉鎖されているときに決定される。

圧縮シリンダ１２の内部が非常に高い（例えば２０：１、３０：１、４０：１、あるいはそれを超えるほどの）圧縮比であると、クロスオーバ通路入口２５にある、外開きの（シリンダから外方に離れて開く）ポペットクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブ２４が、圧縮シリンダ１２からクロスオーバ通路２２内への流れを制御するべく用いられる。膨張シリンダ１４の内部が非常に高い（例えば２０：１、３０：１、４０：１、あるいはそれを超えるほどの）膨張比であると、クロスオーバ通路２２の出口２７にある、外開きのポペットクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブ２６が、クロスオーバ通路２２から膨張シリンダ１４内への流れを制御する。ＸｏｖｒＣバルブ２４およびＸｏｖｒＥ２６の作動速度および位相付け（phasing）は、オットーサイクルの４ストロークのすべてを通じて、クロスオーバ通路２２内の圧力が高い最小圧力（典型的には全負荷（full load）で２０ｂａｒ以上）に維持されるように調節（time）される。

膨張ピストン３０がその上死点位置に達する直前に行われるＸｏｖｒＥバルブ２６の開放に対応させて、少なくとも１つの燃料噴射器２８が、クロスオーバ通路２２の出口端で加圧空気に燃料を噴射する。膨張ピストン３０がその上死点位置に近づいたときに、空気／燃料の充填物（charge）が膨張シリンダ１４に進入する。ピストン３０がその上死点位置から下降を始める一方、ＸｏｖｒＥバルブ２６が開いたままである間に、シリンダ１４内に突出する点火栓先端（spark plug tip）３９を含む点火栓３２が点火を行うと、点火栓先端３９の周囲の領域内で燃焼が始まる。膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ）位置を過ぎて１〜３０度のＣＡにある間に、燃焼が開始されてもよい。膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ）位置を過ぎて５〜２５度のＣＡにある間に、燃焼を開始できるようにすることがより好ましい。膨張ピストンがその上死点（ＴＤＣ）位置を過ぎて１０〜２０度のＣＡにある間に、燃焼を開始できるようにすることが最も好ましい。加えて、グロープラグ、マイクロ波点火装置などの他の点火デバイスおよび／または方法を通じて、あるいは圧縮着火方法を通じて、燃焼が開始されるようにすることもできる。

排気ストローク中には、排気ガスは、シリンダヘッド３３に配設された排気ポート３５を通して膨張シリンダ１４から排出される。排気ポート３５の入口３１に配設された内開きのポペット排気バルブ１８は、膨張シリンダ１４と排気ポート３５との流体連通を制御する。排気バルブ３４および排気ポート３５はクロスオーバ通路２２から離れている。すなわち、排気バルブ３４および排気ポート３５は、クロスオーバ通路２２に接触せず、すなわち、クロスオーバ通路２２に配設されてはいない。

分割サイクルエンジンの概念によれば、圧縮シリンダ１２および膨張シリンダ１４の幾何学的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の長さ，容積的圧縮比（volumetric compression ratio）など）は、概して互いに独立している。例えば、圧縮シリンダ１２および膨張シリンダ１４のクランクスロー（crank throw）３６，３８は、それぞれ異なる半径を有したものとすることができ、また、互いに離れた位相とすることができ、それによって膨張ピストン３０の上死点（ＴＤＣ）が圧縮ピストン２０のＴＤＣに先立って生じるようにすることができる。この独立性により、一般的な４ストロークエンジンよりも、分割サイクルエンジンの効率レベルをより高くし、より大きなトルクを潜在的に実現することが可能となる。

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、先述したようにクロスオーバ通路２２内で圧力が何故維持できるか、ということの主な理由の１つである。具体的には、圧縮ピストンがその上死点に到達する前に、膨張ピストン３０は僅かな（discreet）位相角（典型的には１０〜３０クランク角度）だけその上死点に到達する。この位相角は、分割サイクルエンジン１０が、ＸｏｖｒＣバルブ２４およびＸｏｖｒＥバルブ２６の適切なタイミングとともに、圧力／容積サイクルの全４ストロークを通じ、クロスオーバ通路２２内の圧力が高い最小圧力（典型的には全負荷中に絶対圧で２０ｂａｒ以上）を維持することを可能にする。すなわち、分割サイクルエンジン１０は、ＸｏｖｒＣバルブおよびＸｏｖｒＥバルブを調節（time）すべく作動可能であり、それにより、膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からＢＤＣ位置に向けて下降し、同時に圧縮ピストン２０がそのＢＤＣ位置からＴＤＣ位置に向けて上昇する実質的な期間（すなわちクランクシャフトの回転期間）について、ＸｏｖｒＣバルブおよびＸｏｖｒＥバルブがともに開放されるようになる。クロスオーババルブ２４，２６がともに開放されている期間（すなわちクランクシャフトの回転）中、実質的に等しい質量の空気が、（１）圧縮シリンダ１２からクロスオーバ通路２２内に移送されるとともに、（２）クロスオーバ通路２２から膨張シリンダ１４へと移送される。従って、この期間を通じ、クロスオーバ通路内の圧力が所定の最低圧力（典型的には全負荷運転中に絶対圧で２０、３０または４０ｂａｒ）より低くなることが防止される。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）を通じ、ＸｏｖｒＣバルブ２４およびＸｏｖｒＥバルブ２６はともに閉鎖され、クロスオーバ通路２２内に捕捉されたガスの質量は実質的に一定レベルに維持される。この結果、エンジンの圧力／容積サイクルの全４ストロークを通じ、クロスオーバ通路２２内の圧力は所定の最低圧力に維持される。

これを考慮した目的に対し、実質的に等しい質量のガスがクロスオーバ通路２２内へと、およびクロスオーバ通路２２から、同時に移送されるようにするために、膨張ピストン３０を上死点から下降させ、圧縮ピストン２０を下死点から上昇させる間にＸｏｖｒＣバルブ２４およびＸｏｖｒＥバルブ２６を開放させておく方法を、ここではガス移送のプッシュプル方法として参照する。エンジンを全負荷で運転するときに、エンジンのサイクルの全４ストロークを通じて、分割サイクルエンジン１０のクロスオーバ通路２２内の圧力を２０ｂａｒ以上に維持することを可能にするのがプッシュプル方法である。

先述したように、排気バルブ３４は、クロスオーバ通路２２から離して、シリンダヘッド３３の排気ポート３５内に配設されている。排気バルブ３４がクロスオーバ通路２２内に配設されておらず、従って排気ポート３５がクロスオーバ通路２２と共通の部分を共有していないという構造的な配置は、排気ストロークを通じてクロスオーバ通路２２内に捕捉された質量のガスを維持する目的で好ましいものである。従って、クロスオーバ通路内の圧力を所定の最低圧力未満とさせ得るような、圧力の大きな周期的低下が防止される。

ＸｏｖｒＥバルブ２６は膨張ピストン３０がその上死点位置に達する直前に開く。このとき、クロスオーバ通路内の最低圧力が典型的には絶対圧で２０ｂａｒ以上であり、排気ストロークを通じた膨張シリンダ内の圧力が典型的には絶対圧で約１〜２ｂａｒであるという事実により、膨張シリンダ１４内の圧力に対するクロスオーバ通路２２の圧力の圧力比は高いものとなっている。換言すれば、ＸｏｖｒＥバルブ２６が開くとき、クロスオーバ通路２２内の圧力は膨張シリンダ１４内の圧力よりも実質的に高くなっている（一般には２０：１以上のオーダ）。この高い圧力比が空気および／または燃料の充填物の初期流れを生じさせ、膨張シリンダ１４内に高速で流入させる。これらの高流速は音速にも達し得るものであり、音速流として参照される。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。迅速な燃焼事象（combustion event）を生じさせ、この事象により、たとえ膨張ピストン３０がその上死点位置から下降する間に点火が開始されても、分割サイクルエンジン１０を高燃焼圧に維持することが可能となるからである。

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）４０を含み、これは空気貯留器（タンク）バルブ４２によってクロスオーバ通路２２に作用可能に接続されている。２以上のクロスオーバ通路２２をもつ実施形態では、それぞれのクロスオーバ通路２２がタンクバルブ４２を含み、共通の空気貯留器４０に接続するようにするか、あるいは、それぞれのクロスオーバ通路２２が各別の空気貯留器４０に接続されるようにすることができる。

タンクバルブ４２は、典型的には、クロスオーバ通路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に配設される。空気タンクポート４４は、第１の空気貯留器（タンク）ポート区域４６と、第２の空気貯留器（タンク）ポート区域４８とに分けられる。第１の空気タンクポート区域４６はタンクバルブ４２をクロスオーバ通路２２に接続させ、第２の空気タンクポート区域４８はタンクバルブ４２を空気タンク４０に接続させる。第１の空気タンクポート区域４６の容積には、タンクバルブ４２が閉鎖されたときにタンクバルブ４２をクロスオーバ通路２２に接続するすべての付加的なポートおよび窪みの容積が含まれる。

タンクバルブ４２は適切ないかなる装置あるいはシステムであってもよい。例えば、タンクバルブ４２は種々のバルブ作動装置（例えば空圧式、油圧式、カム式、電気式など）によって作動させられる能動的なバルブであってもよい。加えて、タンクバルブ４２は２以上の作動装置で作動する２以上のバルブをもつタンクバルブシステムを備えていてもよい。

空気タンク４０は、Scuderiらに許可された前述の特許文献３に記載されているように、圧縮空気の形態にてエネルギを蓄え、後に圧縮空気をクランクシャフト１６に動力を与えるために利用される。潜在的なエネルギを蓄えるためのこの機械的手段は、技術分野の現状を超える多くの潜在的な利点を提供する。例えば、分割サイクルエンジン１０は、ディーゼルエンジンや電気ハイブリッドシステムなど市場における他の技術に対し、製造費用および廃棄処分費用が比較的低廉でありながら、燃料効率利得およびＮＯｘエミッション低減の点で多くの利点を潜在的に提供することができる。

空気タンクバルブ４２の開放および／または閉鎖を選択的に制御して空気タンク４０とクロスオーバ通路２２との連通を制御することによって、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（ＥＦ）モード、空気膨張機（ＡＥ）モード、空気圧縮機（ＡＣ）モード、空気膨張機および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードで動作可能となる。ＥＦモードは非ハイブリッドモードであり、上述したように、エンジンは空気タンク４０を使用することなく動作する。ＡＣモードおよびＦＣモードはエネルギ貯蔵モードである。ＡＣモードは空気ハイブリッド生成モードであり、このモードでは、膨張シリンダ１４内に燃焼が生じることなく（すなわち燃料を消費することなく）、エンジン１０を含む車両の制動時における運動エネルギを利用するなどによって、空気タンク４０内に圧縮空気が蓄えられる。ＦＣモードは空気ハイブリッド動作モードであり、このモードでは、全エンジン負荷以下（例えばエンジンのアイドル状態、車両の定速走行状態）である場合など、燃焼に必要のない過剰な圧縮空気が空気タンク４０に蓄えられる。ＦＣモードにおける圧縮空気の貯蔵はエネルギコストの点で不利である。従って、圧縮空気がその後に使用されるときに純粋な利得（net gain）をを持つようにすることが望ましい。ＡＥモードは空気ハイブリッド動作モードであり、このモードでは、膨張シリンダ１４内に燃焼を生じることなく（すなわち燃料を消費することなく）、空気タンク４０に蓄えられた圧縮空気を使用して膨張ピストン３０を駆動する。ＡＥＦモードは空気ハイブリッド動作モードであり、このモードでは、空気タンク４０に蓄えられた圧縮空気が膨張シリンダ１４内で燃焼のために利用される。

空気タンクバルブ４２は完全に制御可能な可変作動型のバルブ（variably actuated valve）とすることができ、これは閉鎖状態を維持したり、開放状態を保持したり、または所望のタイミングで選択的に開閉したりすることができるものである。ＥＦモードにおいては、クランクシャフト１６が全回転する間に空気貯留器バルブ４２が閉鎖状態に維持されることで、空気貯留器４０はエンジンの残部から絶縁される。ＡＥモードおよびＡＥＦモードにおいては、ＸｏｒｖＥバルブ２６が開放状態にある期間と少なくとも同じ期間（ＣＡ度で）、空気貯留器バルブ４２が開放状態に保持されることで、予め蓄えられていた圧縮空気を膨張シリンダ１４内で使用することができる。特定の実施形態では、ＡＥモードおよびＡＥＦモードにおいては、クランクシャフト１６が全回転する間に空気貯留器バルブ４２を開放状態に保持することができる。ＡＣモードおよびＦＣモードにおいては、クランクシャフト１６の単一回の回転中に空気貯留器バルブ４２は選択的に開閉され、後の使用のために圧縮空気を蓄える目的で、圧縮空気を空気貯留器４０に流入させることができる。

ＥＦモードにおいては、圧縮ピストン２０が吸引を行い、そして膨張シリンダ１４において使用するために、吸引した空気を圧縮する。膨張ストロークの開始時に、圧縮シリンダ１２からの圧縮空気が燃料とともに膨張シリンダ１４内に入ることが許容され、膨張ピストン３０の同じ膨張ストロークにおいて点火され、燃焼および膨張が生じ、クランクシャフト１６に動力が伝達される。そして、燃焼生成物は排気ストロークにおいて排出される。ＥＦモードにおいては、圧縮空気は蓄えられず、空気タンク４０からの解放もされないので、空気タンクバルブ４２は閉鎖される。

ＡＥモードにおいては、空気タンク４０に蓄えられた圧縮空気が膨張ストロークの開始時に膨張シリンダ１４に入ることが許容される。このモードにおいては、少なくともＸｏｖｒＥバルブ２６と同じ長さの期間、空気タンクバルブ４２が開放状態に保持されるので、膨張シリンダ１４に流入する空気はＸｏｖｒＥバルブによって制御される。膨張ピストン３０の同じ膨張ストロークにおいて、その空気が膨張し、クランクシャフト１６に動力が伝達され、そして（膨張した）空気は排気ストロークで排出される。

ＡＥＦモードにおいては、膨張ストロークの開始時に、空気タンク４０に蓄えられた圧縮空気が燃料とともに膨張シリンダ１４に入ることが許容される。このモードにおいては、少なくともＸｏｖｒＥバルブ２６と同じ長さの期間、空気タンクバルブ４２が開放状態に保持されるので、膨張シリンダ１４に流入する空気／燃料混合物の流れはＸｏｖｒＥバルブ２６によって制御される。膨張ピストン３０の同じ膨張ストロークにおいて、空気／燃料混合物が点火され、燃焼および膨張が生じ、クランクシャフト１６に動力が伝達される。そして、燃焼生成物は排気ストロークにおいて排出される。

ＡＣモードにおいては、圧縮ピストン２０が吸引を行い、そして膨張シリンダ１４において使用するために吸引した空気を圧縮する。そして、空気タンクバルブ４２を選択的に開放し、その後閉鎖することによって、空気タンク４０内に圧縮空気が蓄えられる。

ＦＣモードにおいては、圧縮ピストン２０が吸引を行い、そしてクランクシャフト１６の単一回の回転中に膨張シリンダ１４において使用するために、吸引した空気を圧縮する。膨張ストロークの開始時に、圧縮シリンダ１２からの圧縮空気のいくらかは燃料とともに膨張シリンダ１４内に入ることが許容され、膨張ピストン３０の同じ膨張ストロークにおいて点火され、燃焼および膨張が生じ、クランクシャフト１６に動力が伝達される。そして、燃焼生成物は排気ストロークにおいて排出される。空気タンクバルブ４２を選択的に開放し、その後閉鎖することによって、クランクシャフト１６の同じ単一回の回転中に、空気タンク４０にも圧縮空気が充填される。

図および図３に示される例示的な実施形態において、空気タンクバルブ４２は、空気貯留器ポート４４に配設され、クロスオーバ通路２２に接続された外開きのポペットバルブである。空気タンクポート４４は角度のついたベンド（すなわちエルボ）を有し、これによりバルブ４２のステム４３をバルブヘッドから鉛直方向に延在させることができる。角度のついたベンドは概ね直角のベンドとして示されているが、Ｓ字状カーブあるいはその他の同様な形状のエルボであってもよい。空圧式、油圧式、電気式あるいは機械式、またはその他の同様なバルブ作動装置をステム４３の末端に配設することができる。外開きのポペットバルブとして空気タンクバルブ４２を例示したが、当業者であれば、空気タンクバルブは次のバルブ種類の１以上あるいはその組み合わせであってもよいことを理解するであろう。すなわち、内開きのポペットバルブ、回転バルブ、スリーブバルブ、ピントルバルブまたはその他のバルブであり、組み合わせにあたっては圧力により作動するバルブ（リードバルブなど）を含み得るものである。

具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、記載した発明概念の趣旨および範囲内において多くの変更を行い得ることを理解するべきである。従って、本発明は記載した実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲の文言によって全範囲が定義されることを企図している。

Claims (18)

1. クランクシャフト軸のまわりに回転可能なクランクシャフトと、
   圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、前記クランクシャフトに作用可能に接続される圧縮ピストンであって、前記クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて往復するようにされた圧縮ピストンと、
   膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、前記クランクシャフトに作用可能に接続される膨張ピストンであって、前記クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて往復するようにされた膨張ピストンと、
   前記圧縮シリンダおよび前記膨張シリンダを相互接続するクロスオーバ通路であって、間に圧力室を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含むクロスオーバ通路と、
   前記クロスオーバ通路に作用可能に接続され、前記圧縮シリンダからの圧縮空気を蓄えるべく、および圧縮空気を膨張シリンダに供給するべく、選択的に作動可能な空気貯留器と、
   前記空気貯留器内への、および前記空気貯留器からの空気の流れを選択的に制御する空気貯留器バルブと、
   を具え、
   エンジン点火（ＥＦ）モード、空気膨張（ＡＥ）モード、空気圧縮（ＡＣ）モード、空気膨張および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードの１つ以上で動作可能である分割サイクル空気ハイブリッドエンジンであって、
   前記ＥＦモードにおいては、前記クランクシャフトが全回転する間、前記空気貯留器バルブが閉じた状態に保たれ、
   前記ＡＥモードおよび前記ＡＥＦモードにおいては、前記ＸｏｖｒＥバルブが開放事象にある期間と少なくとも同じ長さの期間、前記空気貯留器バルブが開いた状態に保たれ、
   前記ＡＣモードおよび前記ＦＣモードにおいては、前記クランクシャフトの単一回の回転中、前記空気貯留器バルブが選択的に開放および閉鎖される、
   ことを特徴とする分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
2. 前記空気貯留器バルブが外開きのポペットバルブであることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
3. 前記空気貯留器バルブが完全に制御可能な可変作動型のバルブであることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
4. 前記クランクシャフトの全回転に対して前記空気貯留器バルブが開放状態に保たれることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
5. 前記ＡＥモードおよび前記ＡＥＦモードにおいては、前記膨張シリンダ内への空気の流れが前記ＸｏｖｒＥバルブによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
6. 前記ＥＦモードにおいては、前記圧縮ピストンが吸引を行い、前記膨張シリンダにおいて使用するために、吸引した空気を圧縮し、膨張ストロークの開始時に、圧縮空気は燃料とともに前記膨張シリンダ内に入ることが許容され、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて点火され、燃焼および膨張が生じ、前記クランクシャフトに動力が伝達され、燃焼生成物は前記排気ストロークにおいて排出されることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
7. 前記ＡＥモードにおいては、膨張ストロークの開始時に、前記空気貯留器からの圧縮空気が前記膨張シリンダに入ることが許容され、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて、前記空気が膨張し、前記クランクシャフトに動力が伝達され、前記空気が前記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に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
8. 前記ＡＥＦモードにおいては、膨張ストロークの開始時に、前記空気貯留器からの圧縮空気が燃料とともに膨張シリンダに入ることが許容され、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて点火され、燃焼および膨張が生じ、前記クランクシャフトに動力が伝達され、燃焼生成物は排気ストロークにおいて排出されることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
9. 前記ＡＣモードにおいては、前記圧縮ピストンが吸引を行い、吸引した空気を圧縮して、前記空気貯留器内に蓄えることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
10. 前記ＦＣモードにおいては、前記圧縮ピストンが吸引を行い、前記クランクシャフトの単一回の回転中に前記膨張シリンダにおいて使用するために、吸引した空気を圧縮し、膨張ストロークの開始時に、圧縮空気は燃料とともに前記膨張シリンダ内に入ることが許容され、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて点火され、燃焼および膨張が生じ、前記クランクシャフトに動力が伝達され、燃焼生成物は前記排気ストロークにおいて排出され、前記クランクシャフトの同じ単一回の回転中に、前記空気貯留器に圧縮空気が充填されることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクル空気ハイブリッドエンジン。
11. クランクシャフト軸のまわりに回転可能なクランクシャフトと、
    圧縮シリンダ内に摺動可能に受容され、前記クランクシャフトに作用可能に接続される圧縮ピストンであって、前記クランクシャフトの単一回の回転中に吸気ストロークおよび圧縮ストロークを通じて往復するようにされた圧縮ピストンと、
    膨張シリンダ内に摺動可能に受容され、前記クランクシャフトに作用可能に接続される膨張ピストンであって、前記クランクシャフトの単一回の回転中に膨張ストロークおよび排気ストロークを通じて往復するようにされた膨張ピストンと、
    前記圧縮シリンダおよび前記膨張シリンダを相互接続するクロスオーバ通路であって、間に圧力室を画成するクロスオーバ圧縮（ＸｏｖｒＣ）バルブおよびクロスオーバ膨張（ＸｏｖｒＥ）バルブを含むクロスオーバ通路と、
    前記クロスオーバ通路に作用可能に接続され、前記圧縮シリンダからの圧縮空気を蓄えるべく、および圧縮空気を膨張シリンダに供給するべく、選択的に作動可能な空気貯留器と、
    前記空気貯留器内への、および前記空気貯留器からの空気の流れを選択的に制御する空気貯留器バルブと、
    を具え、
    エンジン点火（ＥＦ）モード、空気膨張（ＡＥ）モード、空気圧縮（ＡＣ）モード、空気膨張および点火（ＡＥＦ）モード、および点火および充填（ＦＣ）モードの１つ以上で動作可能である分割サイクル空気ハイブリッドエンジンを動作させる方法であって、前記方法は、
    前記ＥＦモードにおいては、前記クランクシャフトが全回転する間、前記空気貯留器バルブを閉じた状態に保つ工程と、
    前記ＡＥモードおよび前記ＡＥＦモードにおいては、前記ＸｏｖｒＥバルブが開放事象にある期間と少なくとも同じ長さの期間、前記空気貯留器バルブを開いた状態に保つ工程と、
    前記ＡＣモードおよび前記ＦＣモードにおいては、前記クランクシャフトの単一回の回転中、前記空気貯留器バルブを選択的に開放および閉鎖することで、圧縮空気を蓄えるために前記空気貯留器内への圧縮空気の流れを可能にする工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記ＡＥモードおよび前記ＡＥＦモードにおいて、前記クランクシャフトが全回転する間、前記空気貯留器バルブを開いた状態に保つ工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ＡＥモードおよび前記ＡＥＦモードの１つを選択する工程と、
    前記ＶｏｖｒＥバルブを開閉することによって前記膨張シリンダ内への空気の流入を制御する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記ＥＦモードを選択する工程と、
    前記圧縮ピストンに吸引を行わせ、吸引した空気を圧縮させる工程と、
    膨張ストロークの開始時に、前記圧縮シリンダからの圧縮空気が燃料とともに前記膨張シリンダ内に入ることを許容し、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて前記燃料に点火し、燃焼および膨張を生じさせ、前記クランクシャフトに動力が伝達され、燃焼生成物を前記排気ストロークにおいて排出する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記ＡＥモードを選択する工程と、
    膨張ストロークの開始時に、前記圧縮シリンダからの圧縮空気が前記膨張シリンダ内に入ることを許容し、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて前記空気の膨張を生じさせ、前記クランクシャフトに動力を伝達し、前記空気を前記排気ストロークにおいて排出する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記ＡＥＦモードを選択する工程と、
    膨張ストロークの開始時に、前記空気貯留器からの圧縮空気が燃料とともに膨張シリンダに入ることを許容し、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて点火し、燃焼および膨張を生じさせる工程と、
    前記クランクシャフトに動力を伝達する工程と、
    燃焼生成物を排気ストロークにおいて排出する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 前記ＡＣモード選択する工程と、
    前記圧縮ピストンに吸引を行わせ、吸引した空気を圧縮させる工程と、
    当該圧縮空気を前記空気貯留器内に蓄える工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
18. 前記ＦＣモード選択する工程と、
    前記クランクシャフトの単一回の回転中に、前記圧縮ピストンに吸引を行わせ、吸引した空気を圧縮させる工程と、
    膨張ストロークの開始時に、圧縮空気が燃料とともに前記膨張シリンダ内に入ることを許容し、前記膨張ピストンの同じ膨張ストロークにおいて点火し、燃焼および膨張を生じさせ、前記クランクシャフトに動力を伝達させる工程と、
    前記クランクシャフトの前記単一回の回転中に、前記空気貯留器に圧縮空気を充填する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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