JP2014515068A - 分割サイクルエンジンのための大きさのクロスオーバー通路 - Google Patents

分割サイクルエンジンのための大きさのクロスオーバー通路 Download PDF

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Abstract

分割サイクルエンジン及び空気ハイブリッド分割サイクルエンジンにおいて、クロスオーバー通路の寸法決めはエンジン効率にとって重大である。効率は、シリンダーの容積に対して、特に、圧縮シリンダーの容積に対して、クロスオーバー通路の容積を小さく寸法決めすることによって改善され得る。これはクロスオーバー通路から膨張シリンダーへの音速流れの継続期間を延長し、且つ燃焼圧力を上昇させる、クロスオーバー通路内のより高い圧力を可能にするという効果がある。ここに開示された方法、システム及び装置は、一般に、効率を改善するために、分割サイクルエンジン又は空気ハイブリッド分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路、シリンダー、又は他の構成要素を寸法決めすることを含んでいる。

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。この出願はまた、２０１１年３月１４日に出願された米国特許出願第１３/０４６,８４０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大きさのクロスオーバー通路に関する。
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要素と共に、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。
ここでの目的のために、バルブ事象（又はバルブ開き事象）とは、バルブリフトが起こる間のクランクシャフトの回転に対しての、そのバルブシートから離れた初期開きからそのバルブシートへ閉じて戻るまでのバルブリフトとして定義される。 また、ここでの目的のために、バルブ事象の継続期間は、所与のエンジンサイクル内で起こるべきバルブ事象のために要求される時間又は度ＣＡの継続期間である。バルブ事象は、一般に、エンジン運転サイクルのトータルの継続期間（例えば、従来の4ストロークエンジンサイクルについては７２０度ＣＡ、及び分割サイクルエンジンについては３６０度ＣＡ）のただ一部であることに留意することが重要である。
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は実質的にはないに等しく、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つの基本的な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
分割サイクルエンジン,及び空気ハイブリッド分割サイクルエンジンにおいて、クロスオーバー通路の寸法決めはエンジン効率にとって重大である。効率は、シリンダーの容積に対して、特に、圧縮シリンダーの容積に対して、クロスオーバー通路の容積を小さく寸法決めすることによって改善され得る。これはクロスオーバー通路から膨張シリンダーへの音速流れの継続期間を延長し、且つ燃焼圧力を上昇させる、クロスオーバー通路内のより高い圧力を可能にするという効果がある。ここに開示された方法、システム及び装置は、一般に、効率を改善するために、分割サイクルエンジン又は空気ハイブリッド分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路、シリンダー、又は他の構成要素を寸法決めすることを含んでいる。
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、及び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、を含むエンジンが提供されている。当該エンジンはまた、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１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。当該圧縮シリンダーの最大容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも2倍大きい。
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、そこで当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも４倍大きい、少なくとも６倍大きい、及び／又は少なくとも８倍大きい。
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、そこで当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも９．５倍大きい。
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、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
本発明の少なくとも１つの実施形態の他の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、及び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を含むエンジンが提供されている。当該エンジンはまた、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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも２倍大きい。
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、そこで当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも４倍大きい、少なくとも６倍大きい、及び／又は少なくとも８倍大きい。
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、そこで当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも約８．７倍大きい。
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、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
本発明の少なくとも１つの実施形態の他の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、及び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を含むエンジンが提供されている。当該エンジンはまた、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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きい。
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、そこで当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積より少なくとも10倍大きい、及び／又は少なくとも1５倍大きい。
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、そこで当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積より少なくとも１７．７倍大きい。
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、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
本発明の少なくとも１つの実施形態の他の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、及び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を含むエンジンが提供されている。当該エンジンはまた、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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の少なくとも８倍より大きい。
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エンジンを提供し、そこで当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の少なくとも１０倍より大きい、及び／又は少なくとも１５倍より大きい。
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エンジンを提供し、そこで当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の約１８．９倍より大きい。
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エンジンを提供し、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
本発明の少なくとも１つの実施形態の他の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、及び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を含むエンジンが提供される。当該エンジンはまた、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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の4倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこで有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の３倍より小さい、及び／又は２倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこで有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の１．５倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
本発明の少なくとも１つの実施形態の他の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、及び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を含むエンジンが提供される。当該エンジンはまた、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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を含んでいる。当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の4倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも１０倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の３倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこで当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも１５倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の２倍より小さい。
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、上述のようなエンジンを提供し、そこでクロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなる。１つの実施形態において、複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得る。
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。 効率を改善するためにシリンダー容積に対してクロスオーバー通路容積の大きさが定められた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。 複数のクロスオーバー通路を有する分割サイクルエンジンの一実施形態の概略構成図である。 複数のクロスオーバー通路を有する分割サイクルエンジンのもう１つの実施形態の概略構成図である。 分割サイクルエンジンの一模範的実施形態において、膨張ピストンの上死点後のクランク角度の関数としての、圧縮シリンダー容積、膨張圧縮シリンダー容積、クロスオーバー通路容積、及び全クロスオーバー通路とシリンダーとの容積のグラフ図である。
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。
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、種々のエンジン構成要素（例えば、エンジンシリンダーの容積に対するクロスオーバー通路の容積）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。
圧縮シリンダー２０２は、圧縮ピストン２１０の頂面、圧縮シリンダー２０２のシリンダー内側壁、及びシリンダーヘッド２３０のファイヤーリングデッキによって画成される容積ＶＣを有している。圧縮シリンダーの容積ＶＣはかくて、圧縮ピストン２１０の位置に依存して変化する。特に、容積ＶＣは、圧縮ピストン２１０がそのＴＤＣ位置にあるときの最小値ＶＣMINから、圧縮ピストン２１０がそのＢＤＣ位置にあるときの最大値ＶＣMAXにまで亘る。ここでの目的のために、圧縮シリンダーの容積ＶＣは、吸入バルブ２０８及びクロスオーバー圧縮バルブ２１４が、もちろん、これらのバルブはエンジンサイクルにおいて種々の時点で開き且つ閉じるけれども、あたかも常に閉じられた位置にあるかのようにして特定される。このように、容積ＶＣは、当該クロスオーバー通路の容積を含まない。
膨張シリンダー２０４は、膨張ピストン２２０の頂面、膨張シリンダー２０４のシリンダー内側壁、及びシリンダーヘッド２３０のファイヤーリングデッキによって画成される容積ＶＥを有している。膨張シリンダーの容積ＶＥはかくて、膨張ピストン２２０の位置に依存して変化する。特に、容積ＶＥは、膨張ピストン２２０がそのＴＤＣ位置にあるときの最小値ＶＥMINから、膨張ピストン２２０がそのＢＤＣ位置にあるときの最大値ＶＥMAXにまで亘る。ここでの目的のために、膨張シリンダーの容積ＶＥは、排気バルブ２２４及びクロスオーバー膨張バルブ２１６が、もちろん、これらのバルブはエンジンサイクルにおいて種々の時点で開き且つ閉じるけれども、あたかも常に閉じられた位置にあるかのようにして特定される。このように、容積ＶＥは当該クロスオーバー通路の容積を含まない。
図２のエンジン２００において、クロスオーバー通路２１２は、その内側表面によって画成される固定された容積ＶＸを有している。ここでの目的のために、クロスオーバー通路の当該容積ＶＸは、クロスオーバー圧縮バルブ２１４、クロスオーバー膨張バルブ２１６、及び空気タンクバルブ２５２が、もちろん、これらのバルブはエンジンサイクルにおける種々の時点で開き且つ閉じるけれども、あたかも常に閉じられた位置にあるかのようにして特定される。図示された実施形態では、クロスオーバー通路の容積ＶＸは固定されているけれども、クロスオーバー通路の容積ＶＸはまた、可変であってもよいことが理解されよう。例えば、図３に示されるように、エンジン２００’は、第1及び第２のクロスオーバー通路２１２Ａ、２１２Ｂを含み、各々が全体のクロスオーバー通路容積を変えるために選択的に不作動化され得る、クロスオーバー通路を有することができる。クロスオーバー通路２１２Ｂを不活動化することによって（例えば、それに関係する1つ以上のバルブを不活動化することによって）、全体のクロスオーバー通路容積が５０%だけ減少される。さらなる例として、図４に示されるように、エンジン２００”は、第1、第2、及び第３のクロスオーバー通路２１２Ｃ、２１２Ｄ、２１２Ｅを含むクロスオーバー通路を有することができる。この実施形態において、クロスオーバー通路の各々は異なる容積を有し、そして、最小容積（例えば、クロスオーバー通路２１２Ｅのみが活動化されているとき）から最大容積（例えば、３つのクロスオーバー通路２１２Ｃ、２１２Ｄ，２１２Ｅが活動化されているとき）の間の容積の範囲に亘って、クロスオーバー通路の容積を変えるために、（例えば、それに関係する1つ以上のバルブを活動化又は不活動化することによって）選択的に活動化され又は不活動化され得る。
ここに開示された実施形態のいずれにおいても、個々のクロスオーバー通路の各々はまた、例えば、２０１０年１０月２１日に発刊された「分割サイクルエンジンの可変容積クロスオーバー通路」という名称の特許文献７（U.S. Publication No. 2010/0263646）、参照によってその全内容はここに組み込まれている、に記載されたような調節可能及び／又は可変の容積を有している。
図２を再度参照するに、圧縮シリンダー２０２の容積ＶＣ及び膨張シリンダー２０４の容積ＶＥは、それらのそれぞれのピストン２１０，２２０の位置に基づいて変わるということが理解されよう。結果として、シリンダー容積の集合ＶＣＥ = ＶＣ + ＶＥは、クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥ = ＶＣ + ＶＥ + ＶＸが変化するのと同じように、エンジンサイクルに亘って変化する。
ここでの目的のために、エンジンの「有効ＴＤＣ」とは、クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥが最小であるクランクシャフト位置である。図２のエンジン２００において、有効ＴＤＣは、膨張ピストン２２０のＴＤＣと圧縮ピストン２１０のＴＤＣとの間のほぼ中間で起こる。換言すると、クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥは、図２のエンジン２００において、圧縮ピストン２１０が上昇中でそのＴＤＣ位置に到達する直前で、そして膨張ピストン２２０が下降中でそのＴＤＣ位置に到達した直後であるときに、最小である。
また、ここでの目的のために、エンジンの「有効ＢＤＣ」とは、クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥが最大のクランクシャフト位置である。図２のエンジン２００において、有効ＢＤＣは、膨張ピストン２２０のＢＤＣと圧縮ピストン２１０のＢＤＣとの間のほぼ中間で起こる。換言すると、クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥは、図２のエンジン２００において、圧縮ピストン２１０が下降中でそのＢＤＣ位置に到達する直前で、そして膨張２２０が上昇中でそのＢＤＣ位置に到達した直後であるときに、最大である。
また、ここでの目的のために、エンジンの有効圧縮比は、最小クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMINに対する最大クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXの比（有効ＴＤＣでの全クロスオーバー通路及びシリンダー容積に対する有効ＢＤＣでの全クロスオーバー通路及びシリンダー容積）として定義される。一実施形態において、エンジンの有効圧縮比は約15:1である。
エンジン２００の運転中、クロスオーバー膨張バルブ２１６は膨張ピストン２２０がそのＴＤＣ位置に到達する僅か前に開く。この時点で、膨張シリンダー２０４における圧力に対するクロスオーバー通路２１２における圧力の圧力比は、クロスオーバー通路２１２における最小圧力が、典型的には、２０bar絶対圧以上であり、そして排気ストローク中の膨張シリンダー２０４における圧力が、典型的には、約１から２bar絶対圧であるという事実に起因して、高い。換言すると、クロスオーバー膨張バルブ２１６が開いたとき、クロスオーバー通路２１２における圧力は、膨張シリンダー２０４における圧力よりも大幅に高い（典型的には、２０対１以上のオーダーである）。この高い圧力比は、空気及び／又は燃料充填物の初期の流れが、クロスオーバー通路２１２から膨張シリンダー２０４内に高い速度で流れるのを生じさせる。これらの高い流れ速度は音速に到達することができ、それは音速流れと称される。この音速流れは、エンジン２００において特に有利である。というのも、急速で効率的な燃焼に繋がる良好な空気／燃料の混合を促進する強いタービュレンスに導くからである。
エンジン２００の効率を最適化するためには、この音速流れの継続期間を最大化することが望ましい。膨張シリンダー２０４に入る空気の音速は、クロスオーバー膨張バルブ２１６が最初に開かれたとき、クロスオーバー通路２１２内の圧力を、排気ストローク中の膨張シリンダー２０４における圧力よりも高いレベルに維持することによって達成される。音速流れ比は、音速流れを達成するのに必要である、膨張シリンダー２０４における圧力に対するクロスオーバー通路２１２内の圧力の比として定義される。
エンジン２００のＡＥＦ及びＡＥモードにおいて、クロスオーバー通路２１２内の高い圧力が、空気タンク２４２内の圧力を、５bar、好ましくは７bar、より好ましくは１０bar以上に保つことによって、維持される。エンジン２００のＥＦ及びＦＣモードにおいては、クロスオーバー通路２１２内の高い圧力が、上述のプッシュプル式ガス移送法を用いることによって維持される。しかしながら、クロスオーバー通路２１２内の圧力は、エンジン２００の種々の構成要素を適切に寸法決めすることによって、さらに上昇させることができる。
例えば、クロスオーバー通路容積ＶＸは、最大圧縮シリンダー容積ＶＣMAXに比べて小さく作られてもよい。好ましくは、圧縮シリンダー２０２の最大容積ＶＣMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも２倍大きい。より好ましくは、圧縮シリンダー２０２の最大容積ＶＣMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも４倍大きい。さらにより好ましくは、圧縮シリンダー２０２の最大容積ＶＣMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも６倍大きい。さらにまた好ましくは、圧縮シリンダー２０２の最大容積ＶＣMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも８倍大きい。圧縮シリンダー２０２の最大容積ＶＣMAXがクロスオーバー通路容積ＶＸに比べて大きいときは、吸入空気充填物が圧縮ストローク中により高い程度にまで圧縮され、それによってクロスオーバー通路２１２内の圧力を上昇させる。換言すると、有効圧縮比が高く、結果として、音速流れのより長い継続期間、及びエンジン効率における相応の改善をもたらす。
さらなる例として、クロスオーバー通路容積ＶＸは、最大膨張シリンダー容積ＶＥMAXに比べて小さく作られてもよい。好ましくは、膨張シリンダー２０４の最大容積ＶＥMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも２倍大きい。より好ましくは、膨張シリンダー２０４の最大容積ＶＥMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも４倍大きい。さらにより好ましくは、膨張シリンダー２０４の最大容積ＶＥMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも６倍大きい。さらにまた好ましくは、膨張シリンダー２０４の最大容積ＶＥMAXは、クロスオーバー通路２１２の容積ＶＸよりも少なくとも８倍大きい。
もう1つの実施例として、クロスオーバー通路容積ＶＸは、最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAXに比べて小さく作られてもよい。好ましくは、最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも８倍大きい。より好ましくは、最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも１０倍大きい。さらにより好ましくは、最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも１５倍大きい。
さらなる例として、クロスオーバー通路容積ＶＸは、最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXに比べて、小さく作られてもよい。好ましくは、最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも８倍大きい。より好ましくは、最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも１０倍大きい。さらにより好ましくは、最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXは、クロスオーバー通路の容積ＶＸより少なくとも１５倍大きい。
シリンダー容積の集合ＶＣＥ、及びクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥは重要である。というのも、プッシュプル法において、空気質量（マス）がクロスオーバー通路２１２を通って移送されるとき、クロスオーバー圧縮バルブ２１４及びクロスオーバー膨張バルブ２１６の両者が、開かれているからである。それ故に、圧縮シリンダー２０２及び膨張シリンダー２０４の両者の容積は、エンジンサイクルのプッシュプルの間、クロスオーバー通路２１２に同時に連通している。このプッシュプルの期間中、最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAXに対して、及び／又は最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAXに対して小さい容積ＶＸを有しているクロスオーバー通路２１２は、圧縮シリンダー２０２と膨張シリンダー２０４との間で、空気が膨張シリンダー２０４に入るときにその速度における劇的な上昇を発生させる、流れ制限として基本的には作用する。
もう1つの実施例として、当該最小のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMIN（例えば、有効ＴＤＣにおけるクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合）は、クロスオーバー通路容積ＶＸを大きくは超えないように、最小化されてもよい。換言すると、クロスオーバー通路２１２内に高い圧力を維持するために、有効ＴＤＣにおける圧縮シリンダー２０２、膨張シリンダー２０４、及びクロスオーバー通路２１２の合計容積は、当該クロスオーバー通路の容積の４倍、好ましくは、当該クロスオーバー通路の容積の３倍、そしてより好ましくは、当該クロスオーバー通路の容積の２倍より小さくてもよい。一実施形態において、有効ＴＤＣにおけるクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMINは、当該クロスオーバー通路２１２の容積に近づいている。何故なら、圧縮及び膨張ピストン２１０、２２０の実際のＴＤＣにおいては、圧縮及び膨張シリンダー２０２，２０４の容積は極めて小さいからである。換言すると、圧縮シリンダー２０２の幾何学的圧縮比は約95:1であり、及び膨張シリンダー２０４の幾何学的膨張比は約50:1であり、ピストンのそれぞれのＴＤＣ位置における圧縮及び膨張ピストン２１０、２２０とシリンダーヘッド２３０（特に、ヘッドのファイヤーデッキ）との間には、小さくて緊縮したクリアランスが存在することを意味している。当該それぞれのピストン２１０、２２０のＴＤＣにおけるこれらの狭いクリアランス空間は、クロスオーバー通路容積ＶＸを大幅には超えない、有効ＴＤＣにおけるクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMINに変わる。
上述のように、種々のエンジンの構成要素を寸法決めすることによって得られるクロスオーバー通路内の圧力の上昇は、膨張シリンダーに入る空気の質量（マス）の音速流れ期間の増大に帰し、それによってエンジンの効率を増大させることが理解されよう。
図5は、エンジンの運転サイクル（膨張ピストンの上死点後のクランク角度「deg AＴＤＣ-e」を単位として表されている）に亘ってプロットされた分割サイクルエンジンの１つの模範的実施形態（立法ｃｍ「cc」を単位として表されている）のそれぞれの構成要素の容積を示している。
図示されているように、圧縮シリンダーは、約１６０deg ＡＴＤＣ-eにおいて、約５９０ccの最大容積を有している。圧縮シリンダーは、約２０deg ＡＴＤＣ-eにおいて、約６ccの最小容積を有している。膨張シリンダー（すなわち、「動力シリンダー」）は、約１８０deg ＡＴＤＣ-eにおいて、約５４０ccの最大容積を有している。膨張シリンダーは、約０deg ＡＴＤＣ-eにおいて、約１１ccの最小容積を有している。クロスオーバー通路（又は「クロスオーバーポート」は、全エンジンサイクルに亘り約６２ccの固定容積を有している。クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合は、約-１７０deg ＡＴＤＣ-e （有効ＢＤＣ）において、約１１７０ccの最大値を有している。クロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合は、約１０．８deg ＡＴＤＣ-e （有効ＴＤＣ）において、約９０ccの最小値を有している。
このように、図５のエンジンにおいては、最大圧縮シリンダー容積ＶＣMAX は、クロスオーバー通路容積ＶＸよりも、約９．５倍大きい。最大膨張シリンダー容積ＶＥMAXは、クロスオーバー通路容積ＶＸよりも、約８．７倍大きい。最大のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMAX は、クロスオーバー通路容積ＶＸよりも、約１８．９倍大きい。最小のクロスオーバー通路及びシリンダー容積の集合ＶＸＣＥMIN は、クロスオーバー通路容積ＶＸよりも、約１．５倍大きい。最大のシリンダー容積の集合ＶＣＥMAX は、当該クロスオーバー通路の容積よりも、約１７．７倍大きい。これらの寸法決めパラメータを用いることで、図5のエンジンは、エンジンサイクルを通して、音速流れの期間を増大させ、且つ全般のエンジン効率の改善を生じさせる、高いクロスオーバー通路圧力を達成している。
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 (35)

  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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の4倍より小さいことを特徴とするエンジン。
  2. 当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも１０倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の３倍より小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  3. 当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも１５倍大きく、そして、有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の２倍より小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  4. 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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも２倍大きいことを特徴とするエンジン。
  5. 当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも４倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  6. 当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも６倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  7. 当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  8. 当該圧縮シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも９．５倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  9. クロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  10. 複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得ることを特徴とする請求項９に記載のエンジン。
  11. 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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも２倍大きいことを特徴とするエンジン。
  12. 当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも４倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  13. 当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも６倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  14. 当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  15. 当該膨張シリンダーの最大の容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８．７倍大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
  16. クロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
  17. 複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得ることを特徴とする請求項１６に記載のエンジン。
  18. 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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積よりも少なくとも８倍大きいことを特徴とするエンジン。
  19. 当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積より少なくとも10倍大きいことを特徴とする請求項１８に記載のエンジン。
  20. 当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積より少なくとも1５倍大きいことを特徴とする請求項１８に記載のエンジン
  21. 当該圧縮シリンダー及び当該膨張シリンダーの最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積より少なくとも1７．７倍大きいことを特徴とする請求項１８に記載のエンジン。
  22. クロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなることを特徴とする請求項１８に記載のエンジン。
  23. 複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得ることを特徴とする請求項２１に記載のエンジン。
  24. 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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の少なくとも８倍より大きいことを特徴とするエンジン。
  25. 当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の少なくとも１０倍より大きいことを特徴とする請求項２４に記載のエンジン。
  26. 当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の少なくとも１５倍より大きいことを特徴とする請求項２４に記載のエンジン。
  27. 当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の最大の集合容積は、当該クロスオーバー通路の容積の約１８．９倍より大きいことを特徴とする請求項２４に記載のエンジン。
  28. クロスオーバー通路は、複数のクロスオーバー通路からなることを特徴とする請求項２４に記載のエンジン。
  29. 複数のクロスオーバー通路の各々は、当該クロスオーバー通路の全体の容積を減らすべく選択的に不作動化され得ることを特徴とする請求項２８に記載のエンジン。
  30. 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、少なくとも１つのバルブを含むクロスオーバー通路を備え、
    有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の4倍より小さいことを特徴とするエンジン。
  31. 有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の３倍より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のエンジン。
  32. 有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の２倍より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のエンジン。
  33. 有効上死点における当該圧縮シリンダー、当該膨張シリンダー及び当該クロスオーバー通路の組み合わされた容積は、当該クロスオーバー通路の容積の１．５倍より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のエンジン。
  34. クロスオーバー通路は、第1のクロスオーバー通路及び第２のクロスオーバー通路を備えることを特徴とする請求項３０に記載のエンジン。
  35. 当該第1及び第２のクロスオーバー通路は各々、当該クロスオーバー通路の容積を減らすべく選択的に不作動化され得ることを特徴とする請求項３４に記載のエンジン。
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