JP2013524077A

JP2013524077A - ロー・スペシフィック・エミッション分解

Info

Publication number: JP2013524077A
Application number: JP2013502922A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー・エス．・マンガス; ジョナサン・アンソニー・スミス
Original assignee: ファイアースターエンジニアリング，エルエルシー
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2013-06-17
Also published as: CN102933524A; US20110239962A1; EP2552859A4; WO2011123867A1; EP2552859A1

Abstract

機関内における燃焼を代替するかまたはそれに追加されるものは、一酸化二窒素が窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１である割合で分解することである。この分解により、熱エネルギーが放出され、その熱エネルギーは、捕捉して有用な仕事に変換することが可能である。従来の燃焼機関は、燃料の完全燃焼を達成するときの酸化剤と燃料との比率に近い酸化剤／燃料比に限定される。本明細書に開示されている技術によれば、酸化剤／燃料比が、すべての従来の燃焼機関のそれより高い値に増加するとともに、主に一酸化二窒素の分解により、有用な動力取出しが依然として達成される。機関内において一酸化二窒素が窒素と酸素とに分解されることにより、窒素と酸素とが、窒素２、酸素１の割合で生成され、これは、酸素が濃い大気にほぼ相当する。炭化水素系燃料と酸素を含む酸化剤との燃焼に比較すれば、一酸化炭素および他の有害な化学組成物の排出が抑制される。
【選択図】図２

Description

本出願は、米国仮特許出願第６１／３２０，６７３号の優先権の利益を主張しており、その出願は、「Low Specific Emission Fuel Blends（ロー・スペシフィック・エミッション混合燃料、仕事量当たりの有害物質の放出量であるスペシフィック・エミッション（比エミッション、排出係数）が低い燃料ブレンド）」を発明の名称として、２０１０年４月２日に出願されており、この出願は、自身が開示するかまたは教示する事項のすべてについて、引用により本出願に合体することが特記される。

燃焼機関(combustion engines)は、燃料成分を酸化剤成分によって燃焼させることによって作動する。その燃焼は、化学的には、それの構成成分である燃料および酸化剤を、複数の低エネルギー状態に変化させ、それにより、熱を放出する。例えば、典型的な自動車は、内燃機関を有する可能性があり、その内燃機関は、ガソリンまたはディーゼル燃料という成分を、大気中に存在する酸化剤によって燃焼させる。その内燃機関のシリンダ内に発生する熱は、通常、それのガス圧が当該内燃機関内の機械的表面に対して仕事を行うことを可能とすることにより、回転を行う機械的エネルギーに変換される。そのガスが、前記機械的表面との相互作用によって膨張するにつれて、そのガスが冷却され、熱エネルギーが効率よく機械的エネルギーに変換される。この機械的エネルギーは、多数の用途であって移動体(vehicle)の推進を含むもののために使用することが可能である。

自動車および他の移動交通手段であって燃焼機関を用いるものは世界中に普及しているため、それら移動体の排気放出物(exhaust emissions、排気放出量)が大気環境の質に全体的に及ぼす影響が増加しつつある。多くの先進国においては、特に有害な排気成分（例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、イオウ酸化物（ＳＯｘ）、粒子性物質、および未燃焼炭化水素）の規制が強化されており、それらの成分を化学的に、有害性が少ないかまたは全くないと一般的に考えられている化合物（例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ））に変換することにより、それらの成分の排出を制限するための解決策（例えば、触媒コンバータ）が開発されてきた。

しかし、二酸化炭素は、今や、「温室効果ガス」（すなわち、大気中のガスであって、熱赤外線領域内の多くの放射線を吸収して放出するもの）として認識されている。その結果、二酸化炭素は、世界中に普及している多数の燃焼機関から発生する二酸化炭素の合計量が多量であるという事実を考慮すると、有害である(undesirable、望ましくない）。燃焼プロセス中に発生する二酸化炭素の量を減少させるかまたは最小化するための対策が燃費向上のために行われてきており、このことは、結果的に、二酸化炭素の排出量を減少させる。しかし、燃費向上に限界があり、なぜなら、炭素系燃料自体を用いる燃焼プロセスでは、その燃料の種類の如何を問わず、二酸化炭素を発生させるからである。他のプロセスが、二酸化炭素を捕捉して地中空洞内に隔離したり、固体炭酸塩という形態で捕捉して隔離するために試行される。しかし、隔離は、非常に高価であり、エネルギーを必要とし、多くの場合、自然災害の悪影響を受け、そして、未だ開発段階の域を出ない。

本明細書に記載されるとともに特許請求の範囲の欄に記載されているいくつかの実施態様は、前述の問題を取り扱い、そのために、一酸化二窒素(nitrous oxide)と燃料との混合物の分解および燃焼から仕事を取り出す機関を提供し、前記混合物内の前記一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１となる割合で分解し、また、前記混合物の燃焼および分解から発生した使用済ガス(spent gasses)は、１ｋＷｈの仕事量当たり０．７ｋｇ以下の二酸化炭素を含有する。

本明細書に記載されるとともに特許請求の範囲の欄に記載されている別のいくつかの実施態様は、前述の問題を取り扱い、そのために、一酸化二窒素(nitrous oxide)と燃料との混合物を提供し、当該混合物は、一酸化二窒素を、質量で表現すると(by mass)、燃料１ごとに(for every one part of fuel)、一酸化二窒素が９となる割合より大きい割合（一酸化二窒素が９より大きい数字で表されることとなる割合）で含有し、前記混合物内の前記一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１となる割合で分解するとともに、エネルギーを放出する。

本明細書に記載されるとともに特許請求の範囲の欄に記載されているさらに別のいくつかの実施態様は、前述の問題を取り扱い、そのために、ある方法を提供し、その方法は、一酸化二窒素(nitrous oxide)と燃料との混合物を機関に供給する工程と、前記燃料を前記機関内において点火して燃焼させる工程と、前記一酸化二窒素を前記混合物内において分解する工程と、前記分解する一酸化二窒素と前記燃焼する燃料から仕事を取り出す工程と、１ｋＷｈの仕事量当たり０．７ｋｇ以下の二酸化炭素を含有する使用済ガス(spent gasses)を排出する工程とを含んでいる。

他のいくつかの実施態様も本明細書に記載されるとともに特許請求の範囲の欄に記載されている。

図１は、例示的な低エミッション(low emission、低排出ガス、低排出、低公害、排出ガス中に占める有害ガス成分の量が少ない）・一酸化二窒素分解型機関（nitrous oxide decomposition engine)であって標準的な地表大気化学組成で作動するものを示している。

図２は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関（N₂O-fuel decomposition / combution engine)であって吸入行程にあるものを示している。

図３は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関であってパワー行程(power stroke)にあるものの断面を示している。

図４は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関であって排気行程にあるものの断面を示している。

図５は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される主要な複数の排気ガス成分(pieces)のそれぞれの量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図６は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される主要な複数の排気ガス成分(pieces)であって、通常、地表大気内では高濃度で存在しないもののそれぞれの量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図７は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関およびＮ_２Ｏ−燃料貯蔵システムについての仕事貯蔵密度(specific work storage density、単位貯蔵媒体の重さ当たりの仕事貯蔵量）が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図８は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関の内部のピーク・ガス温度および排気ガス温度が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図９は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの比ＣＯ_２排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図１０は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの比ＣＯ排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図１１は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの複数の比ＮＯｘ排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフである。

図１２は、低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から仕事を取り出すための複数の例示的な工程(operations)を示している。

この燃焼機関は、燃料（例えば、化石燃料）が酸化剤（例えば、空気）により燃焼チャンバ内で燃焼する機関である。一般の燃焼機関においては、燃焼によって生成される高温高圧ガスの膨張が、当該機関のうちの少なくとも一つの部品に直接力を作用させ、そのような部品は、例えば、少なくとも一つのピストン、少なくとも一つのタービン・ブレードまたは少なくとも一つのノズルである。その力は、前記少なくとも一つの部品をある距離にわたり移動させ、有用な機械的エネルギーを発生させる。いくつかの機関においては、燃焼が間欠的に行われ、そのような機関は、例えば、４ストローク・ピストン機関および２ストローク・ピストン機関であり、これに付随する同様ないくつかの変形として、例えば、ワンケル(Wankel）・ロータリ機関がある。他のいくつかの機関においては、燃焼が連続的に行われ、そのような機関は、例えば、タービン機関もしくはロケット機関または蒸気機関である。本明細書に開示されている技術は、いかなる種類の燃焼機関に対して適用することが可能である。さらに、本明細書に開示されている技術は、いくつかの非燃焼型（non-combustive)熱機関に対して適用することも可能であり、そのような機関は、例えば、分解性の(decomposing)過酸化水素(hydrogen peroxide)を用いるロケット機関である。

その燃料は、例えば、ガソリン、ディーゼル燃料、液化石油ガス(autogas)、圧縮天然ガス、エタン、エチレン、アセチレン、ジェット燃料、航空燃料、燃料油(fuel oil, 重油）、種々のアルコール（例えば、エタノール、メタノールおよびブタノール）、廃やし油／廃植物油、および種々のバイオ燃料（例えば、バイオ・ブタノール、バイオ・エタノール、バイオ・メタノール、バイオ・ディーゼル、バイオ・ガス）であるのうちの少なくとも１つを含有する。一般的に、その燃料は、少なくとも炭素成分と水素成分より成る化学組成物を含有するであろう。さらに、前記酸化剤は、例えば、空気、酸素、ニトロ・メタン（ＣＨ_３ＮＯ_２），一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、塩素（Ｃｌ_２）、およびフッ素（Ｆ_２）のうちの少なくとも１つを含有する。炭化水素燃料(carbon-hydrogen fuel)と、酸素を含有する酸化剤との燃焼による典型的な副生物は二酸化炭素であり、これは、温室効果ガスであるため、有害である。

機関内の燃焼を代替するかまたはそれに追加されるものは、次の関係に従い、一酸化二窒素が窒素、酸素および熱エネルギーに分解されることである。
２Ｎ_２Ｏ→２Ｎ_２＋Ｏ_２＋エネルギー（１）

一実施態様においては、その取り出されるエネルギーは、１ｋｍｏｌ当たり８１．６ＭＪにほぼ等しい。

本明細書において述べられているように、酸化剤／燃料比（すなわち、Ｏ／Ｆ比）は、与えられたシステムにおいて、酸化剤の質量の、燃料の質量に対する比率である。従来の燃焼機関は、使用される燃料および酸化剤につき、化学量論比(stoichiometric ratio、理論空燃比)(すなわち、燃料と酸化剤との混合比であって、前記燃料の完全燃焼を達成するもの）に近いＯ／Ｆ比に制限される。本明細書に開示されている技術は、主に、一酸化二窒素の分解であって、燃料を酸化剤で燃焼することに追加されるかまたはそれを置き換えるものにより、Ｏ／Ｆ比を、従来のすべての燃焼機関のＯ／Ｆ比より高くなるように増加させるとともに、依然として、利用可能な動力の取出しを達成することを目的とする。

大気は、体積で表現すれば、約７８％の窒素、約２１％の酸素、および１％未満の他の気体であって二酸化炭素を有するものを含有する。機関内において一酸化二窒素が窒素および酸素に分解することにより、窒素および酸素が２：１の割合で発生し、これは、高濃度酸素の大気にほぼ匹敵する。二酸化炭素および他の有害な化学組成物の排出が、炭化水素系燃料と、酸素を含む酸化剤との燃焼に比較すれば、防止される。

図１は、例示的な一酸化二窒素分解型機関（nitrous oxide decomposition engine)１００であって標準的な地表大気化学組成で作動するものを示している。上述のように、大気１０２は、窒素と酸素を約２：０．５４の割合で含有し、さらに、体積で表現すると、１％未満の他の気体を含有し、その他の気体は二酸化炭素を含有する。分解型機関１００は、一酸化二窒素を貯蔵タンク１０４から取り入れる。その一酸化二窒素は、貯蔵タンク１０４内に、液体および／または気体の状態で収容することが可能である。分解型機関１００は、一酸化二窒素が窒素と酸素に分解するときにその一酸化二窒素から放出されるエネルギー１０６を利用する。エネルギー１０６は、例えば、移動体を推進させたり、発電機に動力を与えることを目的としてシャフトを回転させるために使用することが可能である。分解型機関１００は、上述のように、種々の内燃機関または外燃機関に類似した形態を有することが可能である。

一酸化二窒素が窒素と酸素に分解することにより、窒素と酸素が２：１の割合で発生する。大気１０２が窒素を酸素を約２：０．５４の割合で含有し、さらに、体積で、１％未満の他の気体を含有するために、分解型機関１００の排気ガスの化学組成は、（酸素を高濃度に含有するが）大気１０２の化学組成に類似している。その結果、分解型機関１００の如き機関が普及しても、酸素の量が増加することを除くと、大気に対する影響がほとんど与えられない。さらに、分解型機関１００の排気ガスは、温室効果ガスとして識別される化学的組成物を含有しない。一実施態様においては、エネルギー生成プラントが、本明細書に記載されている低エミッション・一酸化二窒素分解型機関に使用されるために一酸化二窒素内にエネルギーを生成して貯蔵することを目的として、大気から窒素と酸素を回収することが可能である。この種の実施態様においては、大気中の過剰な酸素があれば、その酸素を、低エミッション・一酸化二窒素分解／燃焼型機関を普及させることによって除去したりほぼ相殺することが可能である。

一酸化二窒素は、標準的な大気状態において化学的に安定している。その結果、一酸化二窒素は、窒素と酸素に分解するとともにエネルギー１０６を放出することを目的として、かなり加熱および／または加圧することが必要である。一実施態様においては、一酸化二窒素が、約８００℃まで圧縮加熱されると、自発的に分解することが可能である。別の実施態様においては、一酸化二窒素が、着火源（ignition source、発火源、着火のための熱源)により、圧縮されて着火させられることが可能である。別の実施態様においては、一酸化二窒素が、前記機関からの廃熱（waste heat)によって予熱され、それにより、圧縮加熱、スパーク点火またはグロー・プラグ点火によって点火することを容易にすることが可能である。圧力、温度および点火エネルギーのそれぞれの値の多くの組合せを、一酸化二窒素を分解型機関１００内で分解させるために用いることが可能である。一実施態様においては、燃料が一酸化二窒素に添加され、それにより、その一酸化二窒素が急速に分解することが容易となる。その燃料は、一酸化二窒素の分解によって発生する過剰な酸素と反応することも行い、それにより、分解型機関１００が利用可能な化学的エネルギーが増加する。

図２は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関２００であって吸入行程にあるものを示している。この機関２００は、分解／燃焼チャンバ２１４を有し、そのチャンバ２１４の底部はピストン２０８によって仕切られ、そのチャンバ２１４の側部はシリンダ２１０によって仕切られ、そのチャンバ２１４の頭部はシリンダ・ヘッド２１２によって仕切られる。ピストン２０８は、シリンダ２１０内において往復運動するとともに、コネクティング・ロッド２１６を介してクランクシャフト（図示しない）に連結されるように構成されている。ピストン２０８の往復運動により、クランクシャフトが回転して仕事が生成される。

機関２００は、さらに、吸入ポート２１８であってそれに対応する吸入バルブ２２０を有するものと、排気ポート２２２であってそれに対応する排気バルブ２２４を有するものとを備えている。ピストン２０８が吸入行程にある状態で図示されているため、吸入バルブ２２０は開いている（すなわち、シリンダ・ヘッド２１２から離れる向きに延び出している）が、排気バルブ２２４は閉じている（すなわち、シリンダ・ヘッド２１２に着座している）。さらに、ピストン２０８が、シリンダ・ヘッド２１２から離れる向きに運動し、それにより、チャンバ２１４の容積を拡大させる。一酸化二窒素が吸入ポート２１８および開状態にある吸入バルブ２２０を経由してチャンバ２１４内に流入する。さらに、機関２００は、燃料取入れポート２２６を有する。その燃料取入れポート２２６は、図示されているように、燃料を吸入ポート２１８内にインジェクトする（inject、射出する、注入する、噴射する）ことが可能である。別の実施態様においては、燃料取入れポート２２６が、燃料をシリンダ２１０内に直接インジェクトすることが可能である。さらに別の実施態様においては、燃料取入れポート２２６が、一酸化二窒素と燃料をインジェクトすることが可能である。さらにまた別の実施態様においては、吸入ポート２１８を、燃料を機関２００内にインジェクトするために使用するとともに、燃料取入れポート２２６を、一酸化二窒素を機関２００内に直接インジェクトするために使用することが可能である。

一酸化二窒素は、高い蒸気圧で貯蔵される。例えば、室温（例えば、約２０℃から約２９℃）の近傍では、一酸化二窒素の蒸気圧は、５００ｐｓｉａより高い。一酸化二窒素が比較的高い圧力下で貯蔵されるため、いくつかの実施態様においては、その一酸化二窒素を、パワー工程（図３参照）の直前において一酸化二窒素の密度を高めるための圧縮行程を必要とすることなく、機関２００内に直接インジェクトすることが可能である。同様に、天然ガス、エタン、エチレンのように、高い蒸気圧を有する燃料を、そのための圧縮行程を省略するために使用することが可能である。圧縮行程およびポンプは、機関２００から機械的エネルギーを奪い、よって、パワー工程に先立って、一酸化二窒素を圧縮することを省略して、燃料チャージ（投入）を行うことが望ましい可能性がある。低い蒸気圧を有する他の燃料を、機関２００へのインジェクションに先立ち、ポンプを用いて予圧（pre-pressurize)することが可能である。

二元推進剤・燃焼／分解型機関においては、燃料および一酸化二窒素が、図２に示すように、燃焼チャンバ２１４内において燃焼のために燃料と酸化剤とが混合される着火点(point of iginition)まで、分離された状態で維持される。単元推進剤・燃焼／分解型機関（図示しない）においては、燃料と一酸化二窒素が予め混合され、その後、燃焼チャンバ２１４内において燃焼のために着火点まで移動させられる。本明細書に開示されている技術は、二元推進剤を用いる機関および単元推進剤を用いる機関の双方に適用することが可能である。

図３は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関３００であってパワー行程(power stroke)にあるものの断面を示している。この機関３００は、分解／燃焼チャンバ３１４を有し、そのチャンバ３１４の底部はピストン３０８によって仕切られ、そのチャンバ３１４の側部はシリンダ３１０によって仕切られ、そのチャンバ３１４の頭部はシリンダ・ヘッド３１２によって仕切られる。ピストン３０８は、シリンダ３１０内において往復運動するとともに、コネクティング・ロッド３１６を介してクランクシャフト（図示しない）に連結されるように構成されている。ピストン３０８の往復運動により、クランクシャフトが回転して仕事が生成される。

機関３００は、さらに、吸入ポート３１８であってそれに対応する吸入バルブ３２０を有するものと、排気ポート３２２であってそれに対応する排気バルブ３２４を有するものとを備えている。ピストン３０８がパワー行程にある状態で図示されているため、吸入バルブ３２０も排気バルブ３２４も閉じている（すなわち、シリンダ・ヘッド３１２に着座している）。さらに、チャンバ３１４内にチャージ（投入）された一酸化二窒素と燃料との混合物の分解および燃焼によって発生する高い圧力に応答して、ピストン３０８が、シリンダ・ヘッド３１２から離れる向きに運動している。その高い圧力がピストン３０８を押し、熱エネルギーを、膨張するとともに冷却されるガスから取り出すことが可能となる。

一酸化二窒素は、ひとたびチャンバ３１４内に投入（注入、インジェクト）されると、加熱され、加圧され、および／または点火させられ、それにより、一酸化二窒素の分解が誘発される。例えば、チャンバ３１４は、極度に高温であるととも熱伝導的であるため、一酸化二窒素がチャンバ３１４内に注入されると、その一酸化二窒素を急速に加熱することが可能である。さらに、機関３００の圧縮行程（図示しない）も、図３に示すパワー行程に先立ち、チャンバ３１４内の一酸化二窒素を圧縮するために利用することが可能である。さらに、機関３００は、一酸化二窒素の分解の開始をさらに助けるために、スパーク・プラグ、グロー・プラグまたは他の点火源（図示しない）をチャンバ３１４内に有することが可能である。一酸化二窒素の分解により、チャンバ３１４内において圧力が急速に上昇し、それにより、ピストン３０８に大きな下向きの力が発生する。必要な仕事を生成するために、機関３００内において一酸化二窒素が分解するという現象は、予定された用途につき、２ストローク、３ストローク、４ストロークまたはそれらより多数のストロークを有する機関サイクルを用いて達成することが可能である。

さらに、機関３００は、燃料取入れポート３２６を、一酸化二窒素と燃焼との混合のために有する。機関３００において燃料を使用すると、チャンバ３１４内における一酸化二窒素の分解に加えて、燃料の燃焼も行われる。燃料の燃焼は、一酸化二窒素の分解を誘発する温度、圧力および／または着火の実現を助けることが可能である。一実施態様においては、前述のスパーク・プラグ、グロー・プラグまたは他の点火源（図示しない）を、チャンバ３１４内における燃料の燃焼を誘発するために使用することが可能である。その燃焼により、その後、チャンバ３１４内における温度および／または圧力が、一酸化二窒素の分解を誘発するのに十分な高さまで上昇する。燃料を用いるいくつかの実施態様においては、一酸化二窒素の、燃料に対する比率が、二酸化炭素、一酸化炭素、水および他の排出物（例えば、ＮＯｘ排出物）が最小化されるように、選択される。他のいくつかの実施態様においては、機関３００が、燃料を吸入するためのポートを有せず、動力取出しのために、一酸化二窒素の分解のみに依存する。一酸化二窒素および燃料を燃焼チャンバ３１４内に注入するとともに、使用済みガスを燃焼チャンバ３１４から排出するための吸入・排気構造部の説明は、例示のみを目的としている。一酸化二窒素と燃料とのうちのいずれか一方または両方を燃焼チャンバ３１４内に直接インジェクトすることを可能にする他の構造部も、本明細書に適用される対象である。

一酸化二窒素の分解を誘発するのに必要な極度の高温は、チャンバ３１４を包囲する断熱性材料であってチャンバ３１４内の熱に耐えられるとともにその熱を保持できるものの効果として得ることが可能である。例えば、断熱性のピストン３０８であれば、チャンバ３１４から負のｙ方向（下向きのピストン軸方向）に伝播する熱流に対する耐熱性を実現し、断熱性のシリンダ３１０であれば、ｙ軸に対して直角な方向であって、チャンバ３１４から離れる向きにおいて耐熱性を実現し、また、断熱性のシリンダ・ヘッド３１２であれば、正のｙ方向（上向きのピストン軸方向）において耐熱性を実現する。機関についての種々の用途においては、上述の断熱性のピストン３０８、シリンダ３１０およびシリンダ・ヘッド３１２のうちの少なくとも１つを用いることが可能である。それら断熱性のピストン３０８、シリンダ３１０およびシリンダ・ヘッド３１２のすべてを用いる一実施態様においては、チャンバ３１４が、すべての方向において断熱され、それにより、そのチャンバ３１４が、一酸化二窒素の分解のために非常に高い作用温度(operating temperatures)に到達することが可能となる。

高断熱性材料(highly insulative materials)は、高気孔率(high-porosity)を有することも可能である。その結果、ピストン３０８、シリンダ３１０および／またはシリンダ・ヘッド３１２であってそれぞれチャンバ３１４に隣接するものを構成するその高断熱性材料は、低気孔率シール構造体によって被覆し、それにより、チャンバ３１４内の化学的成分(chemical components)がそれらピストン３０８、シリンダ３１０および／またはシリンダ・ヘッド３１２内に浸透(permiate)しないようにすることが可能である。さらに、チャンバ３１４内の化学的成分は、上述の断熱性材料および／または低気孔率シール構造体に対する反応性が高いものであることも可能である。その結果、それらピストン３０８、シリンダ３１０および／またはシリンダ・ヘッド３１２であってそれぞれチャンバ３１４に隣接するものを、低反応性(low-reactivity)被膜をも含むことが可能である。

例えば、それらピストン３０８、シリンダ３１０および／またはシリンダ・ヘッド３１２は、高気孔率断熱性材料（例えば、炭素発泡体(carbon foam)、高気孔率シリコン・カーバイド発泡体(high-porosity silicon carbide foam)）の固まりであって低気孔率シール構造体（例えば、金属および／または酸化セラミック（例えば、酸化アルミニウム(aluminum oxide)、酸化マグネシウム(magnesium oxide)、酸化ジルコニウム(zirconium oxide)）、炭素繊維強化炭素(carbon fibre-reinforced carbon)、熱分解黒鉛(pyrolytic graphite, 黒鉛結晶）、炭化珪素（silicon carbide, シリコン・カーバイド）、種々の耐熱金属、タンタル(tantalum)、ニオブ(niobium)、タングステン(tungsten)、レニウム(rehenium)、モリブデン(molybdenum)、コーディエライト(cordierite)、およびアルミナジルコニア(alumina zirconium oxide)）を有する。それらピストン３０８、シリンダ３１０および／またはシリンダ・ヘッド３１２は、さらに、低反応性被膜（例えば、耐酸化性耐熱金属(oxidation resistant refractory metals)、イリジウム(iridium)もしくはイリジウム／レニウム共融（共晶）混合物(iridium/rhenium eutectic mixtures）、ハフニウム・カーバイド(hafnium carbide)、金属酸化物化学気相(metal oxide chemical vapors)、および／またはシリコン・カーバイド）を有することが可能である。その被膜は、さらに、上述の複数の材料のうちの少なくとも１つから成る２またはそれより多数のレイヤを有することが可能である。他の材料であって、前述の断熱材料、シール構造体および／または被膜のために望ましい構造的性質、断熱性、浸透性および反応性を有するものを、それら断熱材料、シール構造体および／または被膜のために用いることが可能である。

図４は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関４００であって排気行程にあるものの断面を示している。この機関４００は、分解／燃焼チャンバ４１４を有し、そのチャンバ４１４の底部はピストン４０８によって仕切られ、そのチャンバ４１４の側部はシリンダ４１０によって仕切られ、そのチャンバ４１４の頭部はシリンダ・ヘッド４１２によって仕切られる。ピストン４０８は、シリンダ４１０内において往復運動するとともに、コネクティング・ロッド４１６を介してクランクシャフト（図示しない）に連結されるように構成されている。ピストン４０８の往復運動により、クランクシャフトが回転して、シャフトが回転する仕事が生成される。

機関４００は、さらに、吸入ポート４１８であってそれに対応する吸入バルブ４２０を有するものと、排気ポート４２２であってそれに対応する排気バルブ４２４を有するものとを備えている。ピストン４０８が排気行程にある状態に図示されているため、吸入バルブ４２０は閉じている（すなわち、シリンダ・ヘッド４１２に着座している）が、排気バルブ４２４は開いている（すなわち、シリンダ・ヘッド４１２から離れる向きに延び出している）。さらに、ピストン４０８が、シリンダ・ヘッド４１２に接近する向きに運動し、それにより、チャンバ４１４の容積を減少させる。一酸化二窒素の分解から形成される窒素および酸素であって、窒素が２、酸素が１の割合のものは、排気ポート４２２と、開いている排気バルブ４２４を通過してチャンバ４１４から排出されることが可能である。機関４００内における一酸化二窒素の分解であって有用な仕事を生成するためのものは、予定された用途につき、２ストローク、３ストローク、４ストロークまたはそれより多数のストロークを有する機関サイクルを用いて達成することが可能である。

さらに、機関４００は、燃料取入れポート４２６を有する。機関４００において燃料を使用すると、チャンバ４１４内における一酸化二窒素の分解に加えて、燃料の燃焼も行われる。燃料の燃焼は、一酸化二窒素の分解を誘発する温度、圧力および／または着火の実現を助けることが可能である。燃料を用いるいくつかの実施態様においては、一酸化二窒素の、燃料に対する比率が、二酸化炭素、一酸化炭素、水および他の排出物（例えば、ＮＯｘ排出物）が最小化されるように、選択される。他のいくつかの実施態様においては、機関４００が、燃料を吸入するためのポートを有せず、動力取出しのために、一酸化二窒素の分解のみに依存する。

一酸化二窒素の分解を誘発するのに必要な極度の高温は、チャンバ４１４を包囲する断熱性材料であってチャンバ４１４内において熱に耐えられるとともにその熱を保持できるものの効果として得ることが可能である。機関についての種々の用途においては、上述の断熱性のピストン４０８、シリンダ４１０およびシリンダ・ヘッド４１２のうちの少なくとも１つを用いることが可能である。それら断熱性のピストン４０８、シリンダ４１０およびシリンダ・ヘッド４１２のすべてを用いる一実施態様においては、チャンバ４１４が、すべての方向において断熱され、それにより、そのチャンバ４１４が、一酸化二窒素の分解のために非常に高い作用温度(operating temperatures)に到達することが可能となる。

しばしば、高断熱性材料(highly insulative materials)は、高気孔率(high-porosity)を有することも可能である。その結果、ピストン４０８、シリンダ４１０および／またはシリンダ・ヘッド４１２であってそれぞれチャンバ４１４に隣接するものを構成するその高断熱性材料は、低気孔率シール構造体によって被覆し、それにより、チャンバ４１４内の化学的成分(chemical components)がそれらピストン４０８、シリンダ４１０および／またはシリンダ・ヘッド４１２内に浸透(permiate)しないようにすることが可能である。さらに、チャンバ４１４内の化学的成分は、上述の断熱性材料および／または低気孔率シール構造体に対する反応性が高いものであるようにすることも可能である。その結果、それらピストン４０８、シリンダ４１０および／またはシリンダ・ヘッド４１２であってそれぞれチャンバ４１４に隣接するものを、低反応性(low-reactivity)被膜をも含むことが可能である。

前述のように、従来の燃焼機関は、使用される燃料および酸化剤につき、化学量論比(stoichiometric ratio)(すなわち、燃料と酸化剤との混合比であって、前記燃料の完全燃焼を達成するもの）に近いかまたはそれより低い（燃料過剰(fuel-rich、高濃度燃料、燃料が濃い)）Ｏ／Ｆ比に制限される。本明細書に開示されている技術は、主に、一酸化二窒素の分解であって、燃料を酸化剤で燃焼することに追加されるかまたはそれを置き換えるものにより、すべての従来の燃焼機関のＯ／Ｆ比より高いＯ／Ｆ比を実現するとともに、依然として、利用可能な動力の取出しを達成することを目的とする。

続いて、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関のサイクルにつき、１次サイクル解析(first-order cycle analysis、first-order logic（第１階論理）という手法により、当該機関の燃焼・分解サイクルを解析すること)が、次の仮定のもとに行われる。そのＮ_２Ｏ−燃料サイクルは、パワー行程（power stroke, パワー出力行程）と排気行程とを有する２ストローク・サイクルである。Ｎ_２Ｏ−燃料は、上死点(TDC)近傍位置において、往復シリンダ機関のシリンダ内に急速にインジェクトされると仮定される。そのＮ_２Ｏ−燃料は、ある密度、すなわち、そのＮ_２Ｏ−燃料が等積状態（非常に高速な燃焼反応機構(combustion kinetics、燃焼速度）を模擬する）で燃焼すると、最大シリンダ圧（熱損失はない）が３０００ｐｓｉａとなる密度でインジェクトされる。急速燃焼は、よい（妥当な）仮定であり、なぜなら、一酸化二窒素／燃料混合物（一酸化二窒素混合燃料）が、ピストン４０８の運動に比較すれば、急速反応機構（rapid kinetics, 高速度）を有するである。この解析は、さらに、燃焼および分解のためのチャンバが十分な断熱性を有するとも仮定されて行われ、これにより、利用可能な仕事に変換され得る、利用可能な化学エネルギーに対して上限が設定される。このサイクルから得られる仕事の計算値は、パワー行程（power expansion stroke、膨張行程）中に、圧力が１バール（標準大気圧よりわずかに高い）に低下するまで、等エントロピー（機械的エネルギーの損失も熱損失も存在しない）状態で膨張すると仮定して求められる。排気行程は、無視できる圧縮損失であって、それがあると当該サイクルから生成される純仕事(net work)が減少することになるものを有すると仮定されている。排気ガスの排気ポートにおける化学組成は、圧力が１バールであって、排気ガス温度が上述の膨張行程を経験していることに関連する化学的平衡状態(chemical equilibrium conditions、燃焼ガスが完全に燃焼したかまたは完全に分解した状態)のもとにあると仮定される。

上述のいくつかの仮定のもと、Ｎ_２Ｏ−エチレン混合物についてあるＯ／Ｆ比が与えられた状態で、比仕事量および排気ガス排出物の化学組成(specific work（単位体積当たりまたは単位重量当たりの仕事量）and exhaust gas emission chemistry)を推定することを目的として、Ｎ_２Ｏ−燃料の密度の初期推定値が、化学平衡論解析（ＣＥＡ）のコード(code、ソフトウエア）内にロードされる。ＣＥＡは、等積燃焼中の圧力、温度およびエントロピーを推定するために用いられる。このプロセスは、Ｎ_２Ｏ−燃料の密度が、最大シリンダ圧である３０００ｐｓｉａを生成することが判明するまで、反復される。パワー行程における膨張プロセスを模擬するため、この燃焼化学組成が、その後、ＣＥＡに、あるエントロピーとある圧力についてロードされ、そのエントロピーは、燃焼後プロセスと同じであるが、その圧力は、排気ガス圧を模擬する１バールの圧力にすぎない。この排気状態での化学組成および温度が記録される。取り出された比仕事量（specific work)は、排気ガスの内部エネルギーの、インジェクトされたＮ_２Ｏ−燃料の投入量に対する差である。排気バルブが開いている状態での圧縮による仕事損失量は、無視できると仮定される。

図５は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成された主要な複数の排気ガス成分(pieces)のそれぞれの量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ５００である。図５は、上述のいくつかの仮定および解析結果を組み込んでいる。図５は、上述の主要な複数の排気ガス成分のすべてであって、Ｎ_２Ｏ−エチレンを用いた前述の機関から生成されるものを示している。約１０：１であるＯ／Ｆ比より高い場合には、二酸化炭素の排出量が急速に減少する一方、窒素および酸素の排出量が増加する。

図６は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成された主要な複数の排気ガス成分(pieces)であって、通常、地表大気内では高濃度で存在しないもののそれぞれの量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ６００である。それら排気ガス成分は、大気に多量に追加されることになる汚染物質すなわち有害な化学的成分であると考えられる。例えば、二酸化炭素ＣＯ_２は、自然界に存在するが、温室効果ガスである。この主要な排気ガス成分が大気に放出される濃度をかなり低下させるためのいくつかの試行が行われている。約１０：１（ＮＯ_２を酸化剤として用いる場合には、約１５：１）より高いＯ／Ｆ比のもと、すべての汚染成分の排出量が急速に減少する。

図７は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関およびＮ_２Ｏ−燃料貯蔵システムについての仕事貯蔵密度(specific work storage density、仕事貯蔵媒体の重さ当たりの仕事貯蔵量）が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ７００である。その仕事貯蔵密度は、例示的なＮ_２Ｏ−エチレン・エネルギー貯蔵システムから取り出される機械的な仕事を、Ｎ_２Ｏ−エチレン・エネルギー貯蔵媒体の質量で割り算した値である。Ｎ_２Ｏ−燃料についての例示的な(exemplary、模範的な）仕事貯蔵密度は、リチウム・イオン電池セル（１４５Ｗｈｒ／ｋｇのエネルギー貯蔵容量と、９０％の変換効率とを有すると想定される）と、より伝統的なガソリン自動車用機関（その燃料内の４５ＫＪ／ｋｇという初期エネルギー貯蔵量(raw energy storage)と、２２％の変換効率とを有すると想定される）と比較される。前記Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関の仕事貯蔵密度は、リチウム・イオン電池セルと、より伝統的な自動車用ガソリン機関との間に存在する。

図８は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関の内部のピーク・ガス温度および排気ガス温度が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ８００である。このグラフ８００は、一酸化二窒素／燃料という作動流体の燃焼後、およびその作動流体の膨張後、圧力が１バール（約１ａｔｍ)に低下するまで、酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じた変化を表している。約３９７０Ｋ（ケルビン）というピーク燃焼ガス温度が、Ｏ／Ｆ比が約７であるときに発生している。約２１４０Ｋ（ケルビン）というピーク排気ガス温度が、Ｏ／Ｆ比が約９．５であるときに発生している。それら温度は、上述の、関連する化学組成と一緒に、当該機関であって、高温燃焼ガスを、燃焼シリンダまたはそれと同等のものおよび排気システム内に収容するものの熱設計に影響を与える。

図９は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの比ＣＯ_２排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ９００である。このグラフ９００は、前述のＮ_２Ｏ−燃料サイクルについて表している。Ｏ／Ｆ比が約９．５：１であるとき、二酸化炭素の仕事量当たり排出量（単位仕事量当たりのＣＯ_２排出量、比ＣＯ_２排出量、ＣＯ_２排出係数）が、約０．２７ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒに等しい。それらの仕事量当たり二酸化炭素排出量（比ＣＯ_２排出量）の数字は、最も効率が高い、空気／炭化水素を用いるコンバスタ（燃焼室、燃焼器）にさえ匹敵し、そのコンバスタは、最も効率が高い個人住宅サイズの船舶用ディーゼル機関であって、約０．５０５ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒにあるもの、通常の自動車用ガソリン機関であって、約０．７２ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒと約０．８９ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒとの間にあるもの、および、現代のターボプロップ型航空機であって、１．７ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒというように高いものに及んでいる。

図１０は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの比ＣＯ排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ１０００である。このグラフ１０００は、前述のＮ_２Ｏ−燃料サイクルについて表している。Ｏ／Ｆ比が１０未満であるとき、一酸化炭素の仕事量当たり排出量（単位仕事量当たりのＣＯ排出量、比ＣＯ排出量、ＣＯ排出係数）が、この例示的なＮ_２Ｏ−燃料サイクルについては、急激に上昇し、米国ＥＰＡ（連邦環境保護庁）のＣＯ排出規制値（約０．０５ｋｇＣＯ／ｋＷ・ｈｒ）を簡単に超えることが可能である。

図１１は、例示的な低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から生成される、機械的エネルギーの出力の１単位当たりの複数の比ＮＯｘ排出量が酸化剤−燃料（Ｏ／Ｆ）質量比に応じて変化する様子を表す例示的なグラフ１１００である。このグラフ１１００は、前述のＮ_２Ｏ−燃料サイクルについて表している。このサイクルについては、ピークＮＯｘ排出量が、Ｏ／Ｆ比が約９と約３０との間の領域で発生する。燃焼ガスの反応機構（kinetics, 動態、動特性、速度）のために、当該機関内で形成されるＮＯｘが完全に平衡状態にならない場合には、より多いＮＯｘ排出量が発生し得る。図１１に示すＮＯｘ排出量は、米国ＥＰＡの排出規制値より低いが、実際のＮＯｘ排出量は、その排出規制値より多い可能性がある。そのように多いＮＯｘ排出量は、それが、図１１に示す値よりかなり多い場合には、標準的な炭化水素−空気型機関においてＮＯｘ排出量を制御するために用いられるメカニズム（例えば、触媒コンバータ、空気を排気ガス内に混入させることなど）と同様なものを用いて対処することが可能である。

上述のように行われた分析は、エチレンを燃料として用いるために行われたが、それとは異なる前述の燃料および他の炭化水素型燃料を用いても、非常に似た結果が得られる。さらに、上述のように行われた分析は、例示的な２ストローク機関について行われたが、同様な熱力学的なサイクル分析を、他のサイクルについての比仕事量および排気ガス排出物特性(specific work（単位体積当たりまたは単位重量当たりの仕事量）and emission characteristics)を求めるために行うことが可能である。

一実施例においては、本明細書において説明されているように、一酸化二窒素／燃料混合物であって、Ｏ／Ｆ比が１０：１より低い（燃料が濃い）ものは、タンクが貯蔵できる体積もしくは質量が制限されている用途や、排気ガスの出力、特に、一酸化炭素の排出が、一酸化二窒素および燃料の混合物の単位質量当たりに生成されるエネルギー密度より関心が低い用途に適している。

しかし、Ｏ／Ｆ質量比が高い（燃料が薄い）場合に、多量のエネルギーが、非常に低い燃料消費量と、二酸化炭素および一酸化炭素についての非常に低い比排出量（排出係数、仕事量当たりの排出量）とを伴って生成される。その生成されたエネルギーは、主に、一酸化二窒素の化学組成に由来し、ここに、燃料は、一酸化二窒素が分解するのに最低限必要な活性化エネルギーを効果的に低下させることと、燃焼反応機構（combustion kinetics、燃焼速度）を高速化することとを主な目的として作用する。

再び図７を参照するに、Ｏ／Ｆ比が１０００に近い場合に、一酸化二窒素と燃料とが組み合せられた混合物のエネルギー密度は、漸近的に一酸化二窒素のみが分解する場合のエネルギー密度に接近する。Ｎ_２Ｏの熱分解から生成される初期化学エネルギー(raw chemical energy)は、約１．９ＭＪ／ｋｇである。その結果、いくつかの実施態様においては、Ｎ_２Ｏ／燃料混合物に対する希薄限界が、Ｎ_２Ｏ／燃料混合物からエネルギーを取り出す機関の温度限界および圧力限界である。機関が対応可能な圧力比が高いほど、初期化学エネルギーのうちのより大きな部分が、その機関によって取り出すことが可能となる。一実施例においては、熱力学的に、一酸化炭素の生成および二酸化炭素の生成はそれぞれ、１×１０^−５０ｋｇＣＯ／ｋＷ・ｈｒおよび５×１０^−６ｋｇＣＯ_２／ｋＷ・ｈｒである。

別の実施態様においては、一酸化窒素（nitric oxide)の生成が、それの初期生成段階に限り行われる(is limited during its initial production、当該機関の初期段階において減少させられる）。これは、機関が作動するときにその機関が置かれる作動温度を低下させることによって達成することが可能である。上述のＮ_２Ｏ／燃料型機関は、外部からの酸化剤（例えば、現在のＯ_２／燃料型コンバスタである場合には、空気）の供給なしで機能するため、燃焼温度を低下させるために不活性ガスを用いることが可能である。例えば、水（Ｈ_２Ｏ）は、一酸化二窒素の生成を制限するために作動温度を低下させるとともに、加熱状態におい、それ自身、優秀な作動流体となるという理由で、用いることが可能である。液体水を、一酸化二窒素と燃料の混合物（一酸化二窒素混合燃料）に加えると、水を蒸発させるとともにそれをフラッシュして蒸気にすることに関連するエネルギーが原因で、ピーク燃焼ガス温度が低下する。蒸気の密度が非常に低いものであることに比較し、燃焼直前の液体水の密度が高いため、液体水を用いる場合には、燃焼ガス温度の低下にもかかわらず、機関内のシリンダ圧が穏やかに減衰する(減衰が穏やかに低下する）。これは、よく知られているメカニズムであり、このメカニズムは、内燃機関において、シリンダ圧の多くの損失およびそれに対応する動力の多くの損失を招くことなく、ピーク燃焼ガス温度を低下させるために用いられる。低エミッション（排気ガス中における有害物質の割合が低い、低公害）・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関においては、同じ技術によれば、その機関が、かなり低い温度において、燃料経済性（燃料効率）の最も控えめな減衰を伴って、作動することが可能となる。そのように低い燃焼ガス温度は、機関設計を容易にするとともに、低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関の環境内で耐えられ得る（生き残り得る）材料のためのより多くの選択肢を設けることが容易にする。例えば、Ｎ_２Ｏと燃料の混合物は、水を、質量で表現すると、一酸化二窒素１００ごとに、水が３０未満となる割合で含有することが可能である。

図１２は、低エミッション・Ｎ_２Ｏ−燃料分解／燃焼機関から仕事を取り出すための複数の例示的な工程(operations、作動）１２００を示している。供給工程１２０５が、一酸化二窒素と燃料との混合物を当該機関に供給する。燃料に対する一酸化二窒素の比（質量比）は、一酸化二窒素しか存在しない（燃料が存在しない）状態から１０：１までの間の範囲内にある可能性がある。いくつかの特別な用途であって、一酸化炭素の排出が問題にならないものにおいては、Ｏ／Ｆ質量比の下限値は、４：１というように低い可能性がある。さらに、一酸化二窒素および燃料が、コンテナ（貯蔵部）において別々に貯蔵されて、機関に別々にインジェクトされる可能性がある。さらに、一酸化二窒素および燃料が、機関へのインジェクション（注入）の直前に、混合される可能性がある。さらにまた、一酸化二窒素および燃料が、単元推進剤に予混合されて、一つのタンクに貯蔵される可能性がある。その機関は、既存の燃焼機関の構成（例えば、往復ピストン型内燃機関）にならってパターン化される(patterned after、に似ているように設定される）可能性がある。往復ピストン型内燃機関の用途においては、一酸化二窒素および燃料の混合物が、当該機関内の燃焼チャンバ内に供給される。その燃料は、炭化水素である可能性がある。

点火工程１２１０が、当該機関内において一酸化二窒素および燃料の混合物を点火させる。点火は、電気的点火であるか、または、高温着火温度(auto-ignition temperature、自然発火温度)まで加熱することによる可能性がある。例示的な点火メカニズムとしては、スパーク・プラグを使用する方法、グロー・プラグを使用する方法、ガス圧縮を使用する方法、点火前もしくは点火中における推進剤の予熱(preheating)を使用する方法、および／または、それらの方法の組合せもしくはそれら方法に類似する複数の方法の組合せがあるが、それらに限定されない。燃料の燃焼により、温度および圧力が当該機関の内部（すなわち、往復ピストン型内燃機関内の燃焼チャンバ内）で上昇する。

分解／燃焼工程１２１５が、当該機関内において一酸化二窒素を分解するとともに、当該機関内において燃料を燃焼する。点火工程１２１０によって上昇させられた温度および圧力は、分解／燃焼工程１２１５にとっての触媒である。一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素分子（または原子）が２、酸素分子（または原子）が１の割合で分解する。酸素分子は、点火工程１２１０に戻る矢印１２１７によって図示するように、分解する作動流体内において別の燃料（未燃焼部分）を燃焼させるために作用することが可能である。さらに、一酸化二窒素の分解により、エネルギーが放出される。前記往復ピストン型内燃機関の用途においては、放出されたエネルギーが、燃焼チャンバ内において別の圧力および温度に変換される（燃焼チャンバ内においては、燃焼による圧力および温度の上昇に加えて、分解による圧力および温度の上昇が行われる）。

取出し工程１２２０が、分解／燃焼ガス内の圧力であって出口状態(outlet state)に対する相対的な圧力を利用することにより、分解／燃焼反応から仕事を取り出し、それにより、分解／燃焼ガスから熱および化学エネルギーを取り出すとともに、このエネルギーを、有用な形態（例えば、機械的な力）に変換する。前記往復ピストン型内燃機関の用途においては、分解工程１２１５によって生成される別の圧力（分解による圧力上昇分）が、クランクシャフトに連結されたピストンに押し当てられる。ピストン容積（シリンダ容積）が膨張すると、そのピストンのシリンダ内の燃焼ガスの温度が下降し、その際、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換される。ピストンの直線運動が、クランクシャフトの回転運動に変換される。そのクランクシャフトは、例えば、発電のために発電機を回転させたり、自動車を駆動させるために使用することが可能である。排気工程１２２５が、主に窒素分子と酸素分子とを含有する使用済ガスを排気する。一酸化二窒素が、窒素と酸素とに、窒素分子が２、酸素分子が１の割合で分解するとともに、一酸化二窒素と燃料との混合物の大部分が窒素酸化物であるという理由で、その排気ガスは、質量で見ると、二酸化炭素成分をほとんど含有しない。

以上説明した仕様、いくつかの例およびデータにより、本発明のいくつかの例示的な実施形態につき、構成および作用が完全に説明される。本発明の多くの実施形態を、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、実現可能であるため、本発明は、後続する特許請求の範囲の欄に記載される。さらに、記載された特許請求の範囲から逸脱することなく、それら互いに異なる複数の実施形態の構造的特徴を組み合せてさらに別の実施形態とすることが可能である。

Claims

一酸化二窒素と燃料との混合物の分解および燃焼から仕事を取り出す機関であって、
前記混合物内の前記一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１となる割合で分解し、
前記混合物の燃焼および分解から発生した使用済ガスは、１ｋＷｈの仕事量当たり０．７ｋｇ以下の二酸化炭素を含有する機関。
前記混合物は、前記一酸化二窒素を、質量で表現すると、燃料１ごとに、一酸化二窒素が１０より大きくなる割合で含有する請求項１に記載の機関。
前記混合物内の前記燃料の燃焼は、前記一酸化窒素が窒素と酸素とに分解することを助ける請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が１０より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が９より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が８より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が７より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が６より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が５より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素の、前記燃料に対する質量比は、燃料１につき、一酸化二窒素が４より大きくなる割合である請求項１に記載の機関。
当該機関は、それの動力のうちの５０％より多い部分を、前記一酸化二窒素の分解から取り出す請求項１に記載の機関。
前記燃料は、炭化水素である請求項１に記載の機関。
前記混合物は、さらに、水を、質量で表現すると、一酸化二窒素１００ごとに、水が３０未満となる割合で含有し、
前記水は、当該機関の作動温度を低下させる請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素および前記燃料は、互いに異なるコンテナ内に貯蔵されるとともに、当該機関へのインジェクションに先立って混合される請求項１に記載の機関。
前記一酸化二窒素および前記燃料は、別々に当該機関内にインジェクトされる請求項１に記載の機関。
自動車に組み込まれる請求項１に記載の機関。
回転シャフトの仕事を発生させる発電所に組み込まれる請求項１に記載の機関。
一酸化二窒素と燃料との混合物である一酸化二窒素混合燃料であって、
前記一酸化二窒素を、質量で表現すると、燃料１ごとに、一酸化二窒素が９より大きくなる割合で含有し、
前記混合物内の前記一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１となる割合で分解するとともに、エネルギーを放出するように構成される一酸化二窒素混合燃料。
前記混合物内の前記燃料の燃焼および前記一酸化二窒素の分解により、１ｋＷｈの仕事量当たり０．７ｋｇ未満の二酸化炭素が発生する請求項１８に記載の一酸化二窒素混合燃料。
前記混合物内の前記燃料の燃焼が、前記一酸化二窒素が窒素と酸素とに分解するための触媒として作用する請求項１８に記載の一酸化二窒素混合燃料。
前記燃料は、炭化水素である請求項１８に記載の一酸化二窒素混合燃料。
さらに、水を、質量で表現すると、一酸化二窒素１００ごとに、水が３０未満となる割合で含有する請求項１８に記載の一酸化二窒素混合燃料。
一酸化二窒素と燃料との混合物を機関に供給する供給工程と、
前記燃料を前記機関内において点火して燃焼させる点火／燃焼工程と、
前記一酸化二窒素を前記機関内において分解する分解工程と、
前記分解する一酸化二窒素と前記燃焼する燃料から仕事を取り出す取出し工程と、
１ｋＷｈの仕事量当たり０．７ｋｇ以下の二酸化炭素を含有する使用済ガスを排出する排出工程と
を含む方法。
さらに、窒素分子および酸素分子を含有する使用済ガスを排出する排出工程を含む請求項２３に記載の方法。
前記一酸化二窒素は、窒素と酸素とに、窒素は２、酸素は１となる割合で分解する請求項２３に記載の方法。
前記燃料の燃焼は、前記一酸化窒素が窒素と酸素とに分解することを助ける請求項２３に記載の方法。
前記燃料は、炭化水素である請求項２３に記載の方法。
前記混合物は、前記一酸化二窒素を、質量で表現すると、燃料１ごとに、一酸化二窒素が９より大きくなる割合で含有する請求項２３に記載の方法。
前記供給工程は、前記機関へのインジェクションに先立ち、前記一酸化二窒素と前記燃料とを混合する混合工程を含む請求項２３に記載の方法。
前記供給工程は、前記一酸化二窒素と前記燃料とを前記機関内に別々にインジェクトするインジェクション工程を含む請求項２３に記載の方法。