JP2019527792A - 内燃機関吸気パワーブースターシステム - Google Patents

Abstract

内燃機関は、周囲流体に流体的に結合され、内部断面積を有する吸気導管と、吸気導管に流体的に結合されている機関シリンダと含んでいる。流体増幅器は、吸気導管内に配置され、周囲流体と機関シリンダに流体的に結合されている。増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、１次流体と周囲流体の少なくとも一部分とを機関シリンダにもたらすように構成されている。【選択図】６

Description

著作権表示
[0001] 本開示は、米国著作権法および国際著作権法の下で保護されている。２０１７Ｊｅｔｏｐｔｅｒａ。著作権所有。本特許文献の開示の一部分は、著作権保護を受ける資料を含む。著作権者は、特許文献または特許開示が特許商標庁特許ファイルまたは記録に記載されるので、何者かによる特許文献または特許開示の複写に対する異議を持たないが、他の場合は、いかなる著作権もすべて保有する。

優先権の主張

[0002] 本願は、２０１６年８月５日に出願された米国仮出願番号第６２／３７１，６１２号への優先権を主張し、その内容は、ここに完全に記載されているかのように、参照によりその全体がここに組み込まれている。

背景

[0003] 内燃機関（ＩＣＥ）は、空気ポンプと比較されることが多い。馬力は、システムを通して循環される空気の流れの量と共に増加する。所定の機関体積に対して、より多くの空気がそこ供給され、より多くの動力が抽出され、その効率性が増加する。さらに、排出ガスの流れがより流線形にされると、排出ガスを押し出す際に、より少ない動力が消費され、したがって、推進のためのより多くの動力が利用可能になる。

[0004] したがって、馬力生産に対する制限要因は、機関を通して流れる空気の体積である。例えば、２７ｃｕ．ｉｎ．（４４２．４５０７ｃｍ^３）（１５ｏｚ（４２５．２４３ｇ））のガソリンを燃焼させるために、約２６２，０００ｃｕ．ｉｎ．（約４２９３４１１ｃｍ^３）の空気を必要とする。空気流を５０%増加させることができる場合、燃料流量を５０％の増加させるように取り扱うことは比較的容易であり、なぜなら、後者は、システム中に吸引される空気の量よりも分量がずっと少ないものであり、液体形状、すなわち非圧縮性であるからである。吸気および濾過性能は、自動車のアフターマーケットの重要な部分である。

[0005] 空気を機関に押し込む先行技術の方法は、ターボ過給機または過給機のように高価である。押し込まれた誘導により、いくつかのエネルギーが、排出流、または、クランクシャフトのいずれかからとられ、誘導システム（気化器／絞り弁本体、多岐管および入口ポート）を通してより多くの空気をシリンダに押し込むために使用される。従来、吸引機関は、空気フィルタから入口弁の向こう側への誘導軌道を通して気流を最適化することに依存していた。

[0006] アフターマーケットの吸気は、一般的に、（ｉ）より良いフィルタと製造プロセスの間にとられるより多くの注意とにより、標準部分よりも良く流れ、（ｉｉ）電荷の密度を増加させるための冷気を感知する。これらの吸気は、約２００ドルのコストに対して漸進的向上（約５％)を与える。他のオプションは、ターボ／過給であり、これは、はるかに多くの動力（約２倍）をもたらすが、部品が約４５００ドルのコストである（そして作業は別料金である）。例は、
http://www.fastforwardsuperchargers.com/miata-supercharger-kit.htmlで見つけることができる。さらに、ターボ過給と過給の両方が、吸気の温度を上昇させる。結果として、複雑さと費用の別の階層（layer）を追加する、温度を低下させるための中間冷却器もなければならない。

[0007] 図１は、従来のＩＣＥ吸気（吸引とも知られている）システム１０１における空気を、簡略化した方法で図示している。入口１５０は、（示していない）空気フィルタの下流に位置付けられてもよい。吸気導管１４０は、吸気弁１３０に向けて、シリンダ１２０中へと空気を流線形にする。ピストン１１０が下側に移動することにより、吸気弁１３０が開き、空気がシリンダ１２０中にもたらされる。もたらされる空気の量は、典型的に、機関の設計のパラメータ（例えば、効果的なエリア、動作パラメータ、シリンダおよびピストン形状等）とともに、圧力分布と吸気システム１０１の進化に依存する。吸気ストロークの終わりに、吸気弁１３０が閉じ、圧縮が開始する。吸気弁１３０は、排出ストロークの最後にだけ再度開く。

[0008] 図１は、従来のＩＣＥ吸気システムを図示している。 [0009] 図２は、本発明の１つの実施形態を図示している。 [0010] 図３は、本発明の１つのさらに別の実施形態を図示している。 [0011] 図４は、本発明の１つのさらに別の実施形態を図示している。 [0012] 図５は、本発明の実施形態にしたがう流体増幅器の上半分の断面図を図示している。 [0013] 図６は、吸気管の内側に配置された、本発明の増幅器の１つの実施形態による、吸気システムを図示している。

好ましい実施形態の詳細な説明

[0014] 本出願は、本発明の１つ以上の実施形態を説明することを意図している。「〜しなければならない」、「〜であろう」およびこれらに類するもののような、絶対的用語ならびに特定の分量の使用は、このような実施形態のうちの１つ以上に適用可能であると解釈されるべきであるが、必ずしもすべてのこのような実施形態に適用されるとは限らないことが理解されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、このような絶対的用語の文脈で説明される１つ以上の特徴または機能性を省略してもよいし、その修正を含んでもよい。さらに、本出願における見出しは、参照目的にすぎず、本発明の意味または解釈に決して影響しない。

[0015] 本願で開示している本発明の１つ以上の実施形態は、独立してまたはともに作用して、流体増幅器として機能する。本発明の実施形態は、例えば内燃機関（ＩＣＥ）と共に使用されるとき、オプション的に有利な特徴を有している。

[0016] 本発明の実施形態を使用して、新規の流体増幅器を逆に取り付けることを介して、シリンダへの気流を増加させることができ、これは、従来の手段よりも安価であることがある。１つの実施形態では、エジェクタ装置は、空気フィルタと絞り弁本体／気化器との間の誘導軌道に統合されることができる。この実施形態では、例えば、連続モードで、非常に小型の排出駆動ターボ、又は、古い空気噴射放出ポンプに類似したものから、あるいは、パルス状の方法で、高圧で、排出ガスを使用することにより、高圧空気を供給することができる。

[0017] 図２は、本発明の実施形態にしたがうシステム２０１を図示している。エジェクタ２４３のような流体増幅器は、内部断面積を有する導管２４０中に配置され、吸気２５０からシリンダ２２０への空気１の流れを増大させる。図６、および、実施形態において、最もよく図示されているように、空気１の少なくとも一部分が吸気導管内でエジェクタの周りを流れることができるように、エジェクタ２４３は、吸気導管２４０の内部断面積未満を占めている。さまざまな実施形態では、エジェクタ２４３は、（図示していない）気化器／絞り弁本体の上流又は下流に配置されてもよい。高圧空気／原動力となる流体は、導管２４２を介して供給源２４１からエジェクタ２４３に供給され、原動力となるストリーム２４４を生成する。エジェクタ２４３への原動力となる流体の導入は、エジェクタの前の静圧の大幅な低減を生成することにより、機関吸気流１を増大させることができ、これは、供給源２４１からの原動力となる流体がエジェクタ２４３に送出される間中、より多くの空気を周囲から導管２４０に送出することを可能にする。

[0018] ピストン２１０が下方に移動している間、シリンダ２２０には、吸気弁２３０を介して空気がたまる。弁２３０が開くときのみまたは予め定められた頻度で、原動力となるストリーム２４４の流れが向上するおよび／または生成されるように、供給源２４１は、流れを変調して、エジェクタ２４３のパルス動作を生成する。他の実施形態では、動作は連続的であり、パルス状でないことがある。

[0019] 圧縮流体／空気の供給源２４１は、機械的及び／又は電気的に駆動される圧縮機であってもよい。供給源２４１はまた、システム内の他の何らかの格納されているまたは発生させた高圧供給源であってもよい。１つの実施形態では、供給源２４１からの圧縮空気の８ｃｆｍのパルス状のストリームが、導管２４２を介してエジェクタ２４３に放出され、付加的な流れの少なくとも３倍のエントレインメント係数（すなわち、２４ｃｆｍ）をシリンダに発生させ、そうでなければ、従来の吸引システムを用いてより少ない空気を受け取るであろう。従来の吸引システム吸気は、せいぜいＲＰＭ４００ｃｆｍである。結果として、本発明の実施形態は、最大ＲＰＭで、システムに６％のより多くの空気を押し込むことができ、機関は、より多くの動力を生成することができる。エジェクタ２４３に原動力を有する空気が供給されないと、自然に吸引された流れ以外の流れがシリンダに入ることはない。

[0020] 図３は、図２中に図示したシステムを描いているが、ストリーム２４４は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）のような付加的化学物質、または、空気と燃料の混合を向上させる燃料、または、予混合を介して燃焼を向上させる、吸気弁の上流に噴出させる燃焼を含んでいてもよい。付加的化学物質または燃料は、加圧タンクおよび送出システム２４５を介して、原動力となるストリーム２４４に噴射されてもよい。

[0021] 図４は、図２中に図示したシステム２０１と類似したシステム３０１を描いており、原動力となる流体は、排出弁が開いた直後、排出多岐管３４１からの圧力で、排出ガス３３５のごく一部（１〜５％）を備えている。さまざまな実施形態において供給源２４１からの圧縮空気を補完または完全に置き換えてもよい排出ガス３３５は、排出多岐管３４１から、導管３４２を介して８０ｐｓｉを越えるまたは８０ｐｓｉまでの圧力および高温で、エジェクタ３４３にルーティングされ、吸気の間、シリンダ３２０への流れのうちの少なくとも５％の類似の増大を生成する。導管３４２を介した圧力における排出ガス３３５の長さ及び送出の調整は、ＲＰＭと吸気段階に一致する。自然に吸引される新鮮な空気と排出ガス３３５の増大された部分プラスごく一部は、結果として、吸気における酸素含有量を低下させる。このように、ごく一部がシステム３０１中で連続的に再循環され、最終的に、結果として、制限された排出ガス再循環（ＥＧＲ）による機関の安定化された動作となり、シリンダ３２０の端部のピーク温度とともに、高温ゾーンに関連するＮＯｘ放出を低下させる。

[0022] 図５中に図示されて実施形態において、エジェクタ２４３の上半分のみが、断面図で示されている。図５中に図示されており、ここで以下に説明する流体は、左から右に流れる。例えば、燃焼ベースの機関から、周辺より熱い空気（すなわち、加圧されている原動力となるガスストリーム）がプレナム３１１に供給される。矢印６００により示されている、この加圧されている原動力となるガスストリームは、１次ノズル３０３のような少なくとも１つの導管を介して、エジェクタ２４３の内部へともたらされる。より具体的には、１次ノズル３０３は、壁ジェット（ｗａｌｌ ｊｅｔ）として凸状のコアンダ表面３０４の真上で原動力となる流体ストリーム６００を変動可能な予め定められた所望の速度へと加速させるよう構成されている。コアンダ表面３０４は、そこに形成された１つ以上の凹部５０４を有していてもよい。さらに、１次ノズル３０３は、流体ストリーム６００の調節可能なボリュームを提供する。この壁ジェットは、次に、静止している、または、矢印１により示されている方向から零でないスピードでエジェクタ２４３に接近してもよい、矢印１により示されている、吸気２５０からの吸気のような２次流体を、吸気構造３０６を通して取り込む役割を果たす。さまざまな実施形態において、ノズル３０３は、整列して、湾曲した向き、渦巻の向き、および／または、ジグザグの向きに配置されてもよい。

[0023] ストリーム６００及び吸気１の混合は、エジェクタ２４３のスロートセクション３２５において純粋に軸方向に移動してよい。拡散器３１０のような、拡散構造における拡散を通して、混合及び円滑排出プロセスが続き、エジェクタ２４３の軸方向における温度８００及び速度７００のプロファイルはスロートセクション３２５に存在している高い及び低い値をもはや有さないが、拡散器３１０の終端１００においてより均等になっている。ストリーム６００及び吸気１の混合が終端１０１の出口平面に近づくにつれて、温度及び速度のプロファイルが殆ど均等である。特に、排出パイプの内側に残っている任意の燃料の自動点火を回避するために、混合の温度は十分に低く、気化ゾーンにおける残存時間を低減させるために、速度は十分に高い。本発明のこの実施形態の使用は、ＩＣＥの吸気への空気の質量流量を増大させる。

[0024] 図６は、本発明の１つの実施形態を有する吸気システムの断面を示しており、エジェクタ２４３は導管２４０のような吸気管の内側に配置されている。図６中に図示されている実施形態にしたがうと、ストリーム２４４の局所出口流は、エジェクタ２４３の存在しない流入吸気１の速度よりも高いスピードである。これは、エジェクタ２４３の前の局所静圧を低下させることによる、矢印６０１で示すように、高い速度でエジェクタ２４３に取り込まれる、ＩＣＥの吸気２５０から到来する流入空気１の大部分によるものである。矢印６０２で示すように、空気１のごく一部がエジェクタ２４３をバイパスし、エジェクタ２４３の周りを流れ、エジェクタを導管２４０の中心に位置付ける機械的サポート５５０を越える。エジェクタ２４３は、高い取り込み率で流れる流入吸気１により、空気／ガス供給源２４１（例えば、圧縮機）によって提供される、より熱い原動力となるストリーム、または、ＩＣＥの排出多岐管によって供給される、加圧排出ガス３３５を勢い良く混合する。この混合物は、エジェクタ２４３の熱い原動力となるストリーム２４４の温度を、シリンダ２２０への吸気の前に、エジェクタの空気と燃料混合下流に点火しないであろう混合温度プロフィール８００に増加させるのに十分均質である。エジェクタ２４３を出るストリーム２４４の速度プロフィール７００は、吸気管２４０の下流部分における滞留時間を減少させる一方で、好ましくは、ピストン２１０の動作に相関する適切なタイミングで、気団流量を少なくとも１０％及び５０％まで増大させる。

[0025] 本発明の好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、上記で着目したように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によっては限定されず、代わりに、後に続く特許請求の範囲を参照することにより、発明は完全に決定されるべきである。

[0025] 本発明の好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、上記で着目したように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。したがって、発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によっては限定されず、代わりに、後に続く特許請求の範囲を参照することにより、発明は完全に決定されるべきである。

以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 内燃機関であって、
周囲流体に流体的に結合され、内部断面積を有する吸気導管と、
前記吸気導管に流体的に結合されている機関シリンダと、
前記吸気導管内に配置されている流体増幅器と、を備え、
前記増幅器は、前記周囲流体と機関シリンダに流体的に結合され、前記増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、前記増幅器は、前記１次流体と前記周囲流体の少なくとも一部分とを前記機関シリンダにもたらすように構成されている、機関。
［２］ 前記増幅器は、前記吸気導管の前記内部断面積未満を占める、［１］に記載の機関。
［３］ 前記増幅器は、
凸状表面と、
前記凸状表面に結合される拡散構造と、
前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び周囲流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、［１］に記載の機関。
［４］ 前記凸状表面が複数の凹部を含む、［３］に記載の機関。
［５］ 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、［１］に記載の機関。
［６］ 前記１次流体が前記機関シリンダからの排出ガスを備えるように、前記１次流体供給源は、前記機関シリンダに流体的に結合されている排出多岐管を備える、［１］に記載の機関。
［７］ 前記１次流体供給源に流体的に結合されている容器をさらに備え、前記容器は、燃焼向上燃料または化学物質のうちの少なくとも１つを含む、［１］に記載の機関。
［８］ 前記１次流体供給源は、機械的またはタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える［１］に記載の機関。
［９］ 内燃機関の性能を向上させる方法であって、
前記機関は、周囲流体に流体的に結合されている吸気導管を有し、内部断面積を有し、
前記機関は、前記吸気導管に流体的に結合されているシリンダをさらに有し、
前記方法は、
流体増幅器が前記周囲流体と機関シリンダに流体的に結合されるように、前記吸気導管内に前記増幅器を位置付けることと、
１次流体の供給源を前記増幅器に流体的に結合することと、のステップを備え、
前記増幅器は、前記１次流体と前記周囲流体の少なくとも一部分とを前記機関シリンダにもたらすように構成されている、方法。
［１０］ 前記増幅器は、前記吸気導管の前記内部断面積未満を占める、［９］に記載の方法。
［１１］ 前記増幅器は、
凸状表面と、
前記凸状表面に結合される拡散構造と、
前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び周囲流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、［９］に記載の方法。
［１２］ 凸状表面が複数の凹部を含む、［９］に記載の方法。
［１３］ 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、［９］に記載の方法。
［１４］ 前記１次流体が前記機関シリンダからの排出ガスを備えるように、前記機関の排出多岐管を前記吸気導管に流体的に結合するステップをさらに備える、［９］に記載の方法。
［１５］ 容器を前記１次流体供給源に流体的に結合するステップをさらに備え、前記容器は、燃焼向上燃料または化学物質のうちの少なくとも１つを含む、［９］に記載の方法。
［１６］ 前記１次流体供給源は、機械的またはタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える［９］に記載の方法。

Claims (16)

1. 内燃機関であって、
   周囲流体に流体的に結合され、内部断面積を有する吸気導管と、
   前記吸気導管に流体的に結合されている機関シリンダと、
   前記吸気導管内に配置されている流体増幅器と、を備え、
   前記増幅器は、前記周囲流体と機関シリンダに流体的に結合され、前記増幅器は、１次流体の供給源にさらに流体的に結合され、前記増幅器は、前記１次流体と前記周囲流体の少なくとも一部分とを前記機関シリンダにもたらすように構成されている、機関。
2. 前記増幅器は、前記吸気導管の前記内部断面積未満を占める、請求項１に記載の機関。
3. 前記増幅器は、
   凸状表面と、
   前記凸状表面に結合される拡散構造と、
   前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
   前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び周囲流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、請求項１に記載の機関。
4. 前記凸状表面が複数の凹部を含む、請求項３に記載の機関。
5. 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、請求項１に記載の機関。
6. 前記１次流体が前記機関シリンダからの排出ガスを備えるように、前記１次流体供給源は、前記機関シリンダに流体的に結合されている排出多岐管を備える、請求項１に記載の機関。
7. 前記１次流体供給源に流体的に結合されている容器をさらに備え、前記容器は、燃焼向上燃料または化学物質のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の機関。
8. 前記１次流体供給源は、機械的またはタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える請求項１に記載の機関。
9. 内燃機関の性能を向上させる方法であって、
   前記機関は、周囲流体に流体的に結合されている吸気導管を有し、内部断面積を有し、
   前記機関は、前記吸気導管に流体的に結合されているシリンダをさらに有し、
   前記方法は、
   流体増幅器が前記周囲流体と機関シリンダに流体的に結合されるように、前記吸気導管内に前記増幅器を位置付けることと、
   １次流体の供給源を前記増幅器に流体的に結合することと、のステップを備え、
   前記増幅器は、前記１次流体と前記周囲流体の少なくとも一部分とを前記機関シリンダにもたらすように構成されている、方法。
10. 前記増幅器は、前記吸気導管の前記内部断面積未満を占める、請求項９に記載の方法。
11. 前記増幅器は、
    凸状表面と、
    前記凸状表面に結合される拡散構造と、
    前記凸状表面に結合され、前記１次流体を前記拡散構造へもたらすように構成されている吸気構造と、を備え、
    前記拡散構造は、もたらされた前記１次流体及び周囲流体のための前記増幅器からの出口を提供するよう構成されている終端を備える、請求項９に記載の方法。
12. 凸状表面が複数の凹部を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記増幅器は、予め定められた周波数で、パルス状の方法で、前記１次流体をもたらすように構成されている、請求項９に記載の方法。
14. 前記１次流体が前記機関シリンダからの排出ガスを備えるように、前記機関の排出多岐管を前記吸気導管に流体的に結合するステップをさらに備える、請求項９に記載の方法。
15. 容器を前記１次流体供給源に流体的に結合するステップをさらに備え、前記容器は、燃焼向上燃料または化学物質のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記１次流体供給源は、機械的またはタービン駆動圧縮器のうちの少なくとも１つを備える請求項９に記載の方法。

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