JP2013538979A

JP2013538979A - 分割サイクルエンジンのための排気バルブのタイミング

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Publication number: JP2013538979A
Application number: JP2013531774A
Authority: JP
Inventors: エー．フィリップスフォード
Original assignee: スクデリグループインコーポレイテッド
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-10-17
Also published as: WO2012050902A2; AU2011314055A1; WO2012050902A3; EP2622189A2; BR112013007071A2; EP2622188A1; CA2813319A1; RU2013117688A; CN103228888A; RU2013117687A; CN103717854A; KR20130086227A; AU2011314063A1; MX2013003518A; US20120073553A1; WO2012050910A1; MX2013003516A; BR112013007058A2; EP2622189A4; JP2014515068A

Abstract

ここに開示されているエンジン、エンジン構成要素及び関連する方法は、空気及び／又は燃料の新気充填物が膨張シリンダーへ供給されるクロスオーバー膨張バルブを開く前に、排気ガス及び他の燃焼生成物が膨張シリンダーから排出される排気バルブを閉じることを、概ね、含んでいる。排気バルブは、燃焼事象の後、できるだけ遅く、しかし、クロスオーバー膨張バルブが開く前に十分な余裕をもって、そして内方に開く排気バルブの場合には、バルブ対ピストンの接触が起こる前に、閉じられるのが好ましい。好ましくは、排気バルブはクロスオーバー膨張バルブが開かれる前、約０度ＣＡないし約１５度ＣＡに閉じられる。

Description

この出願は、２０１０年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６１/４０４,２３９号の優先権の利益を主張し、その全内容は参照によりここに取り込まれている。

本発明は内燃機関に関する。より詳しくは、本発明は分割サイクルエンジンのための排気バルブのタイミングに関する。

明確化の目的のために、本出願において用いられるとき、用語「従来のエンジン」とは、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、吸気、圧縮、膨張、及び排気のストローク）がエンジンのピストン／シリンダーの組み合わせの各々に包含されている内燃機関を意味している。各々のストロークは、クランクシャフトの１/２回転（１８０度クランク角（ＣＡ））を必要とし、従来のエンジンの各々のシリンダーにおいて全て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、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願において言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供されている。

分割サイクルエンジンは、概ね、
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。

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（また、共通に空気タンクとも称される）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。

一般に、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、
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（XovrE）バルブを含み、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（XovrC）バルブ及びクロスオーバー膨張（XovrE）バルブ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。

図１は、先行技術の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの１つの模範的実施形態を図解している。当該分割サイクルエンジン１００は、従来のエンジンの２つの隣接するシリンダーを１つの圧縮シリンダー１０２と１つの膨張シリンダー１０４との組合せに置き換えている。当該圧縮シリンダー１０２及び当該膨張シリンダー１０４は、クランクシャフト１０６が回転可能に設けられているエンジンブロック内に形成されている。シリンダー１０２、１０４の上端部は、シリンダーヘッド１３０によって閉じられている。当該クランクシャフト１０６は、軸方向に変位され、且つ角度的にオフセットされた第１及び第２のクランクスロー１２６、１２８を含み、それらの間に位相角を有している。当該第１のクランクスロー１２６は、第１のコネクティングロッド１３８によって圧縮ピストン１１０に旋回可能に連結され、且つ第２のクランクスロー１２８は、第２のコネクティングロッド１４０によって膨張ピストン１２０に旋回可能に連結されており、クランクスローの角度的なオフセット及びシリンダー、クランク及びピストンの幾何学的な関係によって決定されるタイミング関係で、それらのそれぞれのシリンダー１０２、１０４内でピストン１１０、１２０を往復させる。もしも望まれるなら、ピストンの運動及びタイミングに関係する代替的な機構が用いられてもよい。クランクシャフトの回転方向、及び下死点（BDC）位置近傍でのピストンの相対的運動は、それらの対応する構成部品と共に、図面において関連する矢印によって指示されている。

オットーサイクルの４つのストロークは、かくて、当該圧縮シリンダー１０２が吸入及び圧縮ストロークを包含し、そして当該膨張シリンダー１０４が膨張及び排気ストロークを包含するように、２つのシリンダー１０２及び１０４に亘って「分割」されている。したがって、オットーサイクルはクランクシャフト１０６の１回転（３６０度ＣＡ）毎に、これら２つのシリンダー１０２，１０４で完了される。

当該吸入ストローク中、吸入空気が、当該圧縮シリンダー１０２内に内方に開く（シリンダー内にピストンに向かって開く）ポペット吸気バルブ１０８を介して吸引される。圧縮ストローク中、圧縮ピストン１１０は空気充填物を加圧し、そして膨張シリンダー１０４に対する吸気通路として作用するクロスオーバー通路１１２を介して、当該空気充填物を押し込む。エンジン１００は１つ以上のクロスオーバー通路１１２を有してもよい。

分割サイクルエンジン１００の圧縮シリンダー１０２の容積測定（すなわち、幾何学的な）圧縮比が、（分割サイクルエンジンについて一般に）ここで分割サイクルエンジンの「圧縮比」と呼ばれる。エンジン１００の膨張シリンダー１０４の容積測定（すなわち、幾何学的な）圧縮比が、（及び分割サイクルエンジンについて一般に）ここで当該分割サイクルエンジンの「膨張比」と称される。シリンダーの容積測定の圧縮比は、前記ピストンがその上死点（ＴＤＣ）位置にあるときに、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）に対しての、そこを往復するピストンがその下死点位置にあるときに、（全ての凹みを含む）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、当該技術分野では周知である。具体的に言うと、分割サイクルエンジンについては、ここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は、XovrCバルブが閉じられているときに決定される。また、具体的に言うと、分割サイクルエンジンについては、ここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比は、XovrEバルブが閉じられるときに決定される。

圧縮シリンダー１０２内での極めて高い容積測定の圧縮比（例えば、２０対１、３０対１、４０対１、又はそれ以上）のせいで、圧縮シリンダー１０２からクロスオーバー通路１１２への流れを制御するのに、クロスオーバー通路１１２の入口で外方に開く（シリンダー及びピストンから外方に離れて開く）ポペットクロスオーバー圧縮（XovrC）バルブ１１４が用いられている。膨張シリンダー１０４内での極めて高い容積測定の圧縮比（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１１２から膨張シリンダー１０４への流れを制御するのに、クロスオーバー通路１１２の出口で外方に開くポペットクロスオーバー膨張（XovrE）バルブ１１６が用いられている。当該XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６の作動割合及び位相付けは、クロスオーバー通路１１２内の圧力をオットーサイクルの４つのストローク全ての間に高い最低圧力（典型的には、全負荷で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つのフュエルインジェクター１１８が、XovrEバルブ１１６の開きに連携して、クロスオーバー通路１１２の出口端部で加圧空気内に燃料を噴射する。代わりに、又は付加的に、燃料が当該膨張シリンダー１０４に直接に噴射されてもよい。燃料-空気充填物は、膨張ピストン１２０がそのＴＤＣ位置に到達後直ぐに、当該膨張シリンダー１０４内に十分に入る。膨張ピストン１２０がそのＴＤＣ位置からの下降を開始するとき、そしてXovrEバルブ１１６がまだ開いている間に、１つ以上の点火プラグ１２２が点火され、（典型的には、膨張ピストン１２０のＴＤＣ後の１０乃至２０度ＣＡの間で）燃焼を開始させる。燃焼は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置通過後の１乃至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ＴＤＣ位置通過後の５乃至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ＴＤＣ位置通過後の１０乃至２０度ＣＡの間にある間に開始されてもよい。加えて、燃焼は、グロープラグ、マイクロウエーブ点火装置によるような、又は圧縮着火方法によるような他の点火装置及び／又は方法によって、開始されてもよい。

その後、XovrEバルブ１１６は、結果としての燃焼事象がクロスオーバー通路１１２に進入する前に閉じられる。当該燃焼事象は、動力ストロークにおいて膨張ピストン１２０を下方に駆動する。排気ガスは、内方に開くポペット排気バルブ１２４を介して排気ストローク中に当該膨張シリンダー１０４から排出される。

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１０２及び膨張シリンダー１０４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１０２及び膨張シリンダー１０４についてのクランクスロー１２６、１２８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１２０の上死点（ＴＤＣ）が圧縮ピストン１１０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１００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１１２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、膨張ピストン１２０はその上死点位置に、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する僅かな位相角（典型的には１０ないし３０の間のクランク角度）だけ前に、到達する。この位相角は、XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６の適切なタイミングと伴って、分割サイクルエンジン１００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１１２内を高い最小圧力（典型的には、全負荷運転中に絶対圧で２０bar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１００は、XovrC及びXovrEバルブ１１４，１１６の両者が、膨張ピストン１２０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１１０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１１４及びXovrEバルブ１１６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１１４、１１６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１０２からクロスオーバー通路１１２へ、及び（２）クロスオーバー通路１１２から膨張シリンダー１０４へほぼ等しい空気質量（マス）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１１４及びXovrEバルブ１１６の両者は、クロスオーバー通路１１２内に捕捉されているガスの質量（マス）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１１２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（マス）をクロスオーバー通路１１２へ、又はそれから同時に移送させるために、膨張ピストン１２０がＴＤＣから降下し、そして圧縮ピストン１１０がＴＤＣに向けて上昇している間にXovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６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１００のクロスオーバー通路１１２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。

クロスオーバーバルブ１１４、１１６は、１つ以上のカム（不図示）を含んでいるバルブトレインによって作動される。一般に、カムに駆動される機構は、機械的にクランクシャフトにリンクされているカムシャフトを含んでいる。１つ以上のカムがカムシャフトに設けられ、各々がバルブ事象（すなわち、バルブ作動中に生ずる事象）のバルブリフト曲線を制御する成形表面を有している。XovrCバルブ１１４及びXovrEバルブ１１６の各々は、それ自体のそれぞれのカム及び／又はそれ自体のそれぞれのカムシャフトを有してもよい。XovrC及びXovrEカムが回転すると、その偏心部分がロッカーアームに運動を伝え、それが順に運動をバルブに伝え、それによってバルブをそのバルブシートから離してリフトさせる（開く）。カムが回転を継続すると、偏心部分がロッカーアームを通過し、そしてバルブの閉じが許容される。

当該分割サイクル空気ハイブリッドエンジン１００はまた、空気貯留器タンクバルブ１５２を介してクロスオーバー通路１１２に作用可能に連結されている空気貯留器（タンク）１４２を含んでいる。２つ以上のクロスオーバー通路１１２を備える実施形態は、共通の空気貯留器１４２につながる各々のクロスオーバー通路１１２のためのタンクバルブ１５２を含んでもよく、全てのクロスオーバー通路１１２を共通の空気貯留器１４２に連結する単一のバルブを含んでもよく、又は各々のクロスオーバー通路１１２が別々の空気貯留器１４２に作用可能に連結してもよい。

当該タンクバルブ１５２は、典型的には、クロスオーバー通路１１２から空気タンク１４２まで延在している空気タンクポート１５４内に配置されている。当該空気タンクポート１５４は、第１の空気タンクポート区分１５６及び第２の空気タンクポート区分１５８に分けられている。当該第１の空気タンクポート区分１５６は当該空気タンクバルブ１５２をクロスオーバー通路１１２に連結し、そして第２の空気タンクポート区分１５８は当該空気タンクバルブ１５２を空気タンク１４２に連結している。当該第１の空気タンクポート区分１５６の容積は、当該空気タンクバルブ１５２が閉じられているとき、当該タンクバルブ１５２をクロスオーバー通路１１２に連結する全ての付加的な凹部の容積を含んでいる。好ましくは、当該第１の空気タンクポート区分１５６の容積は第２の空気タンクポート区分１５８に比べて小さい。より好ましくは、当該第１の空気タンクポート区分１５６は実質的には無きに等しく、すなわち、当該タンクバルブ１５２は、最も好ましくは、クロスオーバー通路１１２の外壁に対して同一面となるように配置されている。

当該タンクバルブ１５２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１５２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１５２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１４２は、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１００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対して、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。

エンジン１００は、典型的には、通常の運転すなわち点火燃焼（ＮＦ）モード（また、通例、エンジン点火燃焼（ＥＦ）モードと呼ばれている）と４つの基本的名空気ハイブリッドモードの１つ以上とで作動する。ＥＦモードにおいて、エンジン１００は詳しく前述したように普通に機能し、当該空気タンク１４２の使用なしで作動する。ＥＦモードにおいて、空気タンクバルブ１５２は、空気タンク１４２を基本の分割サイクルエンジンから隔離すべく閉じられたままである。４つの空気ハイブリッドモードにおいては、エンジン１００は当該空気タンク１４２の使用を伴って作動する。

当該４つの基本的な空気ハイブリッドモードは、
１）燃焼を伴わずに、空気タンク１４２からの圧縮空気エネルギーを用いることを含む空気膨張機（ＡＥ）モード、
２）燃焼を伴わずに、空気タンク１４２に圧縮空気エネルギーを蓄えることを含む空気圧縮機（ＡＣ）モード、
３）燃焼を伴って、空気タンク１４２からの圧縮空気エネルギーを用いることを含む空気膨張機及び点火燃焼（ＡＥＦ）モード、及び
４）燃焼を伴って、空気タンク１４２に圧縮空気エネルギーを蓄えることを含む点火燃焼及び充填（ＦＣ）モード、を含んでいる。

分割サイクルエンジンのさらなる詳細は、分割４ストロークサイクル内燃機関という名称で２００３年４月８日に発行された特許文献１（United States Patent No. ６,５４３,２２５）、及び分割サイクル４ストロークエンジンという名称で２００５年１０月１１日に発行された特許文献２（United States Patent No. ６,９５２,９２３）に見いだされ、その各々は、参照によってここに組み入れられている。

さらに、空気ハイブリッドエンジンの詳細は、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンという名称で２００８年４月８日に発行された特許文献３（United States Patent No. ７,３５３,７８６）、分割サイクル空気ハイブリッドエンジンという名称で、２０１０年７月１８日に出願された特許文献４（U.S. Patent Application No. ６１/３６５,３４３）、及び分割サイクル空気ハイブリッドエンジンという名称で、２０１０年３月１５日に出願された特許文献５（U.S. Patent Application No. ６１/３１３,８３１）に記載されており、その各々は、参照によってここに組み入れられる。

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号明細書米国特許出願第６１/３６５,３４３号米国特許出願第６１/３１３,８３１号米国仮出願第６１/４３６,７３５号

図１のエンジン１００において、膨張シリンダー１０４からの排気ガスの不適切な排出は、当該膨張シリンダー内の温度が極めて高く残ることを生じさせる。この高い温度は、後の膨張ストロークのために当該膨張シリンダーに加えられた燃料の望ましくない早期着火への引き金となり得る。排気ガスの不適切な排出はまた、エンジン１００の効率を低減させる。なぜなら、当該膨張シリンダー１０４内に捕捉された排気ガスが、排気ストロークの一部の間に不必要に圧縮されるからである。したがって、改善された排気バルブのタイミングによって特徴付けられる、エンジン、エンジン構成要素及び関連する方法に対する必要性が存在する。

ここに開示されているエンジン、エンジン構成要素及び関連する方法は、空気及び／又は燃料の新気充填物が膨張シリンダーへ供給されるクロスオーバー膨張バルブを開く前に、排気ガス及び他の燃焼生成物が膨張シリンダーから排出される排気バルブを閉じることを、概ね、含んでいる。排気バルブは、燃焼事象の後、できるだけ遅く、しかし、クロスオーバー膨張バルブが開く前に十分な余裕をもって、そして内方に開く排気バルブの場合には、バルブ対ピストンの接触が起こる前に、閉じられるのが好ましい。好ましくは、排気バルブはクロスオーバー膨張バルブが開かれる前、約０度ＣＡないし約１５度ＣＡに閉じられる。より好ましくは、排気バルブはクロスオーバー膨張バルブが開かれる前、約３度ＣＡないし約１０度ＣＡに閉じられる。さらにより好ましくは、排気バルブはクロスオーバー膨張バルブが開かれる前、約３度ＣＡないし約５度ＣＡに閉じられる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の１アスペクトにおいて、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、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、内部に配置された少なくとも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、及び排気バルブであって、それを通して排気ガスが膨張シリンダーから排出される排気バルブ、を含むエンジンが提供されている。当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約０度ＣＡ及び約１５度ＣＡの間に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約１０度ＣＡの間に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約５度ＣＡの間に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約４度ＣＡに開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、クロスオーバー通路と当該膨張シリンダーとの間の流体の流れを制御する。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開く。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは内方に開く。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで排気バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達前に閉じられる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達した後に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態のもう１つのアスペクトにおいて、分割サイクルエンジンを作動させる方法が提供され、その方法は、排気ガスが排気バルブを通してエンジンの膨張シリンダーから排出されるように、排気ストローク中にエンジンの排気バルブを開くことを含んでいる。その方法はまた、排気ストローク中で、且つ当該膨張シリンダーに配置された膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に、当該排気バルブを閉じることを含んでいる。その方法はまた、エンジンのクロスオーバー膨張バルブを、空気がエンジンのクロスオーバー通路から当該クロスオーバー膨張バルブを通って当該膨張シリンダー内に流れるように、当該排気バルブを閉じた後の約０度ＣＡ及び約１５度ＣＡの間に開くことを含んでいる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約１０度ＣＡの間に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約５度ＣＡの間に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約４度ＣＡに開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開く。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該排気バルブは内方に開く。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に開かれる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の関連するアスペクトは、例えば上述のような方法を提供し、そこで当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達した後に開かれる。

本発明はさらに、特許請求されたような、装置、システム、及び方法を提供する。

本発明は、添付の図面と共になされる以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろう。
先行技術の分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの概略構成図である。改良された排気バルブのタイミングを有する分割サイクル空気ハイブリッドエンジンの一模範的実施形態の概略構成図である。膨張ストローク中の図２の分割サイクルエンジンの膨張側の概略構成図である。排気ストローク中の図２の分割サイクルエンジンの膨張側の概略構成図である。図３Ｂに示されたのより遅い時点で排気ストローク中の図２の分割サイクルエンジンの膨張側の概略構成図である。図３Ｃに示されたのより遅い時点で排気ストローク中の図２の分割サイクルエンジンの膨張側の概略構成図である。図３Ｄに示されたのより遅い時点で排気ストローク中の図２の分割サイクルエンジンの膨張側の概略構成図である。改良された排気バルブのタイミングを有する分割サイクルエンジンの一模範的実施形態のバルブ開閉タイミングのグラフ図である。図４Ａの分割サイクルエンジンのバルブ開閉タイミングのグラフ図である。図４Ａ−４Ｂの分割サイクルエンジンのバルブ開閉タイミングのグラフ図である。

ここに開示される方法、システム、及び装置の構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解をもたらすべく、いくつかの模範的実施形態が、今、説明される。これらの実施形態の１つ以上の実施例が添付図面に図解されている。当業者は、ここに具体的に説明され、そして添付図面に図解されている方法、システム、及び装置は非限定の模範的実施形態であり、そして本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定められるということを理解しよう。一模範的実施形態に関連して図解ないしは説明されている特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされてもよい。かかる修正及び変更は、本発明の範囲内に含まれるべく意図されている。

用語、「空気」とは、ここで、空気、及び空気と他の燃料又は排気生成物のような物質との混合物の両者を意味するべく用いられている。用語、「流体」とは、液体及び気体の両者を意味するべく用いられている。他の図において示された特徴と同じ又は類似の、特定の図において示された特徴は、同じ参照番号によって指示されている。

ここでの目的のために、バルブ開成事象とは、バルブ開き領域を通る無視できない流れを可能にするべくバルブが十分に開いた時点である。初期のバルブの運動及びバルブの開きを通る結果としての流体流れの開始は極めて緩やかであるので、バルブリフトが見込の最大ピークバルブリフトの５-７%にまで増えるクランク角が、バルブの開成についての基準クランク角として利用されている。

また、ここでの目的のために、バルブ閉成事象とは、バルブ開き領域を通る無視できない流れを停止させるべくバルブが十分に閉じている時点である。終期のバルブの運動及びバルブの開きを通る結果としての流体流れの停止は極めて緩やかであるので、バルブリフトが見込の最大ピークバルブリフトの５-７%にまで減少するクランク角が、バルブ閉成についての基準クランク角として利用されている。

かくて、バルブは、バルブがそのシートから離れてピークリフトの５-７%に移動したときに、参照の目的のためには「開かれた」ことになり、かつバルブは、バルブがそのシートに向かってピークリフトの５-７%内に移動したときに、参照の目的のためには「閉じられた」ことになる。簡単にするために、ミリメートルの（十分の一の）一桁の１０進数字に四捨五入される基準バルブリフト数値が選ばれてもよい。例えば、（クロスオーバーバルブのような）３-４mmの見込最大ピークバルブリフトでは、バルブ開成及び閉成のクランク角についての基準リフトとして、０.２mmが選ばれてもよい。同様に、（吸気及び排気バルブのような）８-１０mmの見込最大ピークバルブリフトに対しては、バルブ開成及び閉成のクランク角についての基準リフトとして、０.５mmが選ばれてもよい。

排気バルブをできる限り遅く閉じることは、排気ストローク中に膨張シリンダーから排出される熱い排気ガスの量を最大化する。これは、有利にも、当該膨張シリンダー内の残存熱が新鮮な流入燃料充填物の早期着火を生じさせるのを防止する。さらに、排気バルブをできる限り遅く閉じることは、クロスオーバー膨張バルブが後続的に開かれたときに、クロスオーバー通路と当該膨張シリンダーとの間の圧力差を最大にする助けとなり、それによって当該膨張シリンダー内での空気/燃料の混合を改善する。

排気ストローク中に排気バルブをできる限り遅く閉じることは、一般に、望ましいけれども、クロスオーバー膨張バルブを開く前に排気バルブを閉じることもまた望ましい。これは、膨張シリンダーに入っている新鮮な空気及び／又は燃料充填物が排気バルブを通って逃げる、「吹き抜け」を防止する。吹き抜けは、エンジンの全体的効率を低減する寄生圧力損失を生じさせ得る。加えて、吹き抜けは排気システムに入る未燃燃料に帰し、エミッションを悪化させ、かつ燃料経済性を低下させる。内方に開く排気バルブの場合には、ピストン対バルブの接触が生ずる前に排気バルブが閉じられねばならない。

図２は、本発明による空気ハイブリッド分割サイクルエンジン２００の一模範的実施形態を図解している。エンジン２００の構造及び作動の詳細な説明は、簡潔さのために省略されており、エンジン２００の構造及び作動は、図１のエンジン１００のものとここに説明されるのを除き同じであることが理解されよう。図２のエンジン２００は、図１のエンジン１００と、特に、クロスオーバー膨張バルブ及び排気バルブの開成及び閉成事象のタイミングに関して異なっている。

エンジン２００は、圧縮ピストン２１０が往復動自在に配置されている圧縮シリンダー２０２及び膨張ピストン２２０が往復動自在に配置されている膨張シリンダー２０４を含んでいる。シリンダー２０２，２０４の上端部は、シリンダーヘッド２３０によって閉じられている。吸入ストローク中、吸入空気が吸気バルブ２０８を通して圧縮シリンダー２０２内に引き込まれる。圧縮ストローク中、圧縮ピストン２１０は空気充填物を加圧し、そして、膨張シリンダー２０４のための吸気通路として作用するクロスオーバー通路２１２を通して、空気充填物を押し出す。エンジン２００は、１つ以上のクロスオーバー通路２１２を有してもよい。外方に開くクロスオーバー圧縮バルブ２１４が、当該クロスオーバー通路２１２の入口において、当該圧縮シリンダー２０２から当該クロスオーバー通路２１２への流れを制御すべく用いられている。外方に開くクロスオーバー膨張バルブ２１６は、当該クロスオーバー通路２１２の出口において、当該クロスオーバー通路２１２から膨張シリンダー２０４内への流れを制御する。

少なくとも１つのフュエルインジェクター２１８が、当該クロスオーバー通路２１２の出口端部で、加圧空気に、及び／又は当該膨張シリンダー２０４に直接に燃料を噴射する。膨張ピストン２２０がそのＴＤＣ位置からその下降を始めるとき、１つ以上の点火プラグ２２２が、動力ストロークで膨張ピストン２２０を下方に駆動する燃焼を開始させるべく点火される。排気ガスは、排気ストローク中に、排気バルブ２２４を通して膨張シリンダー２０４から送り出される。エンジン２００は、好ましくは、空気タンク２４２を含むことができ、かくて、上述の空気ハイブリッドモードのいずれにおいても作動可能である。

図解されているクロスオーバー膨張バルブ２１６は外方開き、そして図解されている排気バルブ２２４は内方開きであるが、如何なる形式のバルブも本発明の範囲を逸脱することなしに用いられ得る。例えば、両バルブ共に内方開きであり、両バルブ共に外方開きであり、又は排気バルブ２２４は外開きであるが、クロスオーバー膨張バルブ２１６が内方開きであってもよい。当該クロスオーバー膨張バルブ２１６及び排気バルブ２２４の一方、又は両方が、各々のバルブの開きタイミング、開きレート、閉じタイミング、及び／又は閉じレートが調節可能なように、可変バルブ作動システムによって作動され得る。模範的な可変バルブ作動システムは、２０１１年１月２７日出願の「カムフェーザを備えるロストモーション可変バルブ作動システム」という名称の特許文献６（米国仮出願第６１/４３６,７３５号）に開示され、その全内容は参照によりここに組み込まれている。

図３Ａ-３Ｅは、膨張ストローク及びその直後に続く排気ストローク中の種々の時点における、エンジン２００の膨張側を図解している。

図３Ａに示されるように、クロスオーバー膨張バルブ２１６及び排気バルブ２２４は、両者共、膨張シリンダー２０４が実質的に密封された燃焼チャンバー２３２を画成し、及び燃焼の力が膨張ピストン２２０を図示の矢印方向に押し下げるように、膨張ストローク中には閉じられている。膨張ピストン２２０がその下死点位置に近づくとき、当該膨張シリンダー２０４は、熱い排気ガス及び他の燃焼生成物でもって充満されている。

図３Ｂに示されるように、膨張ピストン２２０がその下死点位置に到達する時又はその付近において、クロスオーバー膨張バルブ２１６は閉じられたままで排気バルブ２２４が開かれ、そして膨張ピストン２２０が排気ストロークにおいて上昇し始める。当該排気ストローク中に、燃焼事象中に発生された熱いガスは、上昇しているピストン２２０によって、開いている排気バルブ２２４を通して当該膨張シリンダー２０４から押し出される。排気バルブ２２４はまた、膨張ピストン２２０がその下死点位置に到達する前に、例えば、約６０度ＣＡ早目に開いてもよい。

エンジン２００は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるとき、膨張ピストン２２０とシリンダーヘッド２３０のファイヤーリングデッキとの間に、極めて低いクリアランススペースを有している。この低いクリアランススペースは、当該膨張シリンダー２０４にクロスオーバー通路２１２から入る空気及び／又は燃料の有効膨張比を最大化し、それによって、エンジン２００の効率を増大させる。この小さなクリアランススペースの結果として、しかしながら、膨張ピストン２２０と内方に開く排気バルブ２２４との間の接触を回避するために、バルブ開成及び閉成のタイミングが注意深く選定されねばならない。

したがって、図３Ｃに示されるように、排気バルブ２２４は、上昇している膨張ピストン２２０がバルブヘッドに接触する直前に、閉じ始める。好ましくは、図３Ｄに示されるように、上昇している膨張ピストン２２０が上昇している排気バルブ２２４を「追いかける」ように、排気バルブ２２４の閉成事象の開始は接触がなされる直前に生じる。換言すると、排気バルブ２２４は、当該膨張シリンダー２０４から排出される排気ガスの量を最大化すべくできるだけ長く開いて保持される。

図３Ｅに示されるように、一旦、排気バルブ２２４が閉じられると、短期の遅延後に、クロスオーバー膨張バルブ２１６が、後続する膨張ストロークのために空気及び／又は燃料の新気充填物を膨張シリンダー２０４に供給するべく、開かれる。

好ましくは、排気バルブ２２４は、当該クロスオーバー膨張バルブ２１６が開かれる前の約０度ＣＡないし約１５度ＣＡに閉じられる。より好ましくは、排気バルブ２２４は、当該クロスオーバー膨張バルブ２１６が開かれる前の約３度ＣＡないし約１０度ＣＡに閉じられる。より好ましくは、排気バルブ２２４は、当該クロスオーバー膨張バルブ２１６が開かれる前の約３度ＣＡないし約５度ＣＡに閉じられる。一実施形態において、排気バルブ２２４は、当該クロスオーバー膨張バルブ２１６が開かれる前の約４度ＣＡに閉じられる。

図解されている実施形態において、膨張ピストン２２０がそのＴＤＣ位置に到達する前に排気バルブ２２４は閉じられ、及びクロスオーバー膨張バルブ２１６は開かれる。しかしながら、他の実施形態においては、膨張ピストン２２０がそのＴＤＣ位置に到達した直後に、クロスオーバー膨張バルブ２１６は開くことができる。

上記から理解されるように、エンジン２００において、排気バルブ２２４は、できる限り遅く（例えば、膨張ピストン２２０のＴＤＣにできる限り近い、排気バルブと膨張ピストン間の接触が生ずる少し前）に閉じられる。一旦、排気バルブ２２４の閉じが開始されると、排気バルブ２２４は可及的速やかに閉じられる。当該クロスオーバー膨張バルブ２１６はその後、排気バルブ２２４の閉じから約１５度ＣＡ内に開かれてもよい。このバルブタイミングの関係は、有利にも、早期着火、ピストン対バルブの接触、及び吹き抜けを回避する一方、同時に、エンジン効率を改善する。

図４Ａ-４Ｃは、改善された排気バルブのタイミングを有する分割サイクルエンジンの一模範的実施形態のためのバルブ開成及び閉成タイミングをグラフ図解している。図４Ａにおいて、バルブリフトが、膨張ピストンの上死点のクランク角度「deg ＡＴＤＣ-e」の関数として、エンジンの運転サイクルの４２０度ＣＡの部分に亘りプロットされている。図４Ｂ及び４Ｃにおいては、エンジン内の４つの部位（圧縮機シリンダー、XovrC バルブ出口、XovrEバルブ入口、及び膨張機シリンダー）において観察された圧力が、エンジンの運転サイクルの９０度ＣＡの部分に亘り「deg ＡＴＤＣ-e」の関数としてプロットされている。図４Ｂ-４Ｃにおいて、ラベル付けされた垂直のダッシュ付線は、点火が生じるタイミング、及び種々のエンジンバルブが開き及び閉じるタイミングを指示している。図示されるように、排気バルブは、約 -１１deg ＡＴＤＣ-eで閉じ、クロスオーバー膨張バルブは約-７deg ＡＴＤＣ-eで閉じている。したがって、図解されている実施形態において、クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じた後のおおよそ４度ＣＡで開いている。

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

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、
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、内部に配置された少なくとも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
排気バルブであって、それを通して排気ガスが膨張シリンダーから排出される排気バルブ、を備え、
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約０度ＣＡ及び約１５度ＣＡの間に開かれることを特徴とするエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約１０度ＣＡの間に開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約５度ＣＡの間に開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約１０度ＣＡの間に開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約４度ＣＡに開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、クロスオーバー通路と当該膨張シリンダーとの間の流体の流れを制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開くことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
排気バルブは内方に開くことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
排気バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達前に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。
当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達した後に開かれることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
分割サイクルエンジンを作動させる方法であって、
排気ガスが排気バルブを通してエンジンの膨張シリンダーから排出されるように、排気ストローク中にエンジンの排気バルブを開き、
排気ストローク中で、且つ当該膨張シリンダーに配置された膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に、当該排気バルブを閉じ、そして
エンジンのクロスオーバー膨張バルブを、空気がエンジンのクロスオーバー通路から当該クロスオーバー膨張バルブを通って当該膨張シリンダー内に流れるように、当該排気バルブを閉じた後の約０度ＣＡ及び約１５度ＣＡの間に開くこと、
を備えることを特徴とする方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約１０度ＣＡの間に開かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約３度ＣＡ及び約５度ＣＡの間に開かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは、排気バルブが閉じられた後の約４度ＣＡに開かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは外方に開くことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該排気バルブは内方に開くことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達する前に開かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
当該クロスオーバー膨張バルブは、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置に到達した後に開かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。