JP2022548479A - スロットル代替装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スロットル機能を代替して内燃機関のエネルギーロスを減らすことができる装置を提案する。【解決手段】内燃機関に取り付けることができる圧縮機型装置は、所定の時間におけるエンジンの要求される負荷に基づいて、そのシリンダを通って内燃機関に到達する空気量を制御する装置であり、このようにしてスロットル装置の機能を置き換える装置である。このようにして、スロットル装置なしの内燃機関を創造する。この圧縮機型装置はさまざまな方法で構築でき、クランクシャフト、ギアボックス、又はその他の手段を介してエンジンに直接取り付けられた１つ又は複数のユニットとして機能できる。【選択図】図６ａ

Description

この出願は同出願人の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２０／０５３１６０からの国内処理への移行である。
この出願は、優先日である２０１９年１０月１日に出願された米国特許出願第１６５８９７７２号の出願日の利益を主張している。
本発明は、内燃機関の分野に関する。
内燃機関の効率は、運転中の熱エネルギー損失のために大部分が制限される。その効率は、スロットル装置のような特定の装置を使用してエンジンを部分負荷の条件で運転するとき、さらに低下する。
スロットルは、知られているように、要求される負荷に基づいて内燃機関の空気量（吸気量）を制限する。
スロットル装置は、その使用によって生じるポンピング及び熱損失のために内燃機関の効率をさらに低下させることがあり、その使用によって約０％～１４％以上の損失が生じることがある。ほとんどの場合、エンジンはこのような部分負荷の条件で動作するため、スロットルでのエネルギーロスはほとんど常に８％から１４％存在する。負荷が低いほど、ポンピングロスが大きくなる。
本発明は、内燃機関におけるスロットル機能を代替し、それによりエネルギーのロスを減らすことができる装置を提案する。提案する装置は、内燃機関に追加できる特定の独自の圧縮機型装置（以下単に圧縮機と呼ぶ）である（図１を参照）。
圧縮機は、さまざまな方法で動作するように構築でき、単一の圧縮機又は複数の圧縮機として構築できる。圧縮機は、その動作がシリンダを通って内燃機関に流れる空気の流量を制御するように機能し、この方法でスロットル装置の機能に取って代わる。
圧縮機が空気量を制御する方法の１つを図１に示す。図１は、吸入された空気の一部を再び排気することで空気量を制御する圧縮機ユニットを示し、このプロセスは、吸気バルブ、排気バルブ、及び余剰空気のパージバルブを特定の方法で操作することで達成される。
もう一つの方法は、図６に示す圧縮機で、この圧縮機は、吸気バルブと排気バルブを異なる方法で操作することで、吸気プロセス中に圧縮機内の空気流量を制限するものである。
ここで述べた目的のために、圧縮機が空気の流量を制御する他の方法も考えられる。
圧縮機のバルブは、電子的、機械的、空気圧的、圧力差、又はその他の手段で操作できる。
図１、図２、図３、図４、図５、図６には、説明のために単体圧縮機のみを示している。
図１ａと図１ｂを含む図１は、内燃機関のスロットル装置に代わる圧縮機ユニットを示す図である。それは３つのバルブを含む圧縮機の主要要素を示している。圧縮機は、エンジンのクランクシャフトに直接取り付けられたクランクシャフト又はギアボックスを介して内燃機関に接続できる。図１ａはまた、圧縮機の３つのバルブすべての動作におけるクランクシャフトの回転角の部分を示している。 図１ａと図１ｂを含む図１は、内燃機関のスロットル装置に代わる圧縮機ユニットを示す図である。それは３つのバルブを含む圧縮機の主要要素を示している。圧縮機は、エンジンのクランクシャフトに直接取り付けられたクランクシャフト又はギアボックスを介して内燃機関に接続できる。図１ａはまた、圧縮機の３つのバルブすべての動作におけるクランクシャフトの回転角の部分を示している。 図２ａと図２ｂを含む図２は、吸気バルブ８のみの動作を示している。吸気バルブ８は、圧縮機の設計、気体温度、慣性に応じて、約０°で開き、１８０°を過ぎて約１９０°又はそれ以上で閉じて作動する。 図２ａと図２ｂを含む図２は、吸気バルブ８のみの動作を示している。吸気バルブ８は、圧縮機の設計、気体温度、慣性に応じて、約０°で開き、１８０°を過ぎて約１９０°又はそれ以上で閉じて作動する。 図３(図３a、図３ｂ)は、約１８０°で開き、エンジン負荷に応じて１８０°～３２０°で閉じる余剰空気のパージバルブ１０のみの動作を示している。 図３(図３a、図３ｂ)は、約１８０°で開き、エンジン負荷に応じて１８０°～３２０°で閉じる余剰空気のパージバルブ１０のみの動作を示している。 図４（図４ａと図４ｂ）は、１８０°よりかなり早く開き、エンジン負荷に応じて１８０°から３２０°の間で閉じる余剰空気のパージバルブ１０の代替ケースを示している。 図４（図４ａと図４ｂ）は、１８０°よりかなり早く開き、エンジン負荷に応じて１８０°から３２０°の間で閉じる余剰空気のパージバルブ１０の代替ケースを示している。 図５（図５a、図５b）は、エンジン負荷に応じて１８０°～３２０°で開き、約３６０°で閉じる空気の排気バルブ９のみの動作を示している。 図５（図５a、図５b）は、エンジン負荷に応じて１８０°～３２０°で開き、約３６０°で閉じる空気の排気バルブ９のみの動作を示している。 図６（図６ａ、図６ｂ）は、クランクシャフトの回転角度で０°で開き、４０°～３２０°で閉じるよう吸気バルブ８の動作を操作して、空気量を制御する圧縮機を示している。 図６（図６ａ、図６ｂ）は、クランクシャフトの回転角度で０°で開き、４０°～３２０°で閉じるよう吸気バルブ８の動作を操作して、空気量を制御する圧縮機を示している。
図１(図１ａと図１ｂ)に示すように、スロットルに代わる圧縮機は内燃機関１３に取り付けられ、次のもので構成されている。シリンダ２、ピン２０付きピストン３、連結棒４、エンジンクランクシャフトに直接又はギアボックス（図示せず）を介して接続可能なクランクシャフト５、トップカバー、吸気パイプ又はマニホールド７、余剰空気のパージパイプ又はマニホールド１１、排気パイプ又はマニホールド６、及び３つの特定のバルブ。圧縮機を作動させるバルブは次のとおりである、「吸気バルブ８」、「パージバルブ１０」（余剰空気の除去バルブ）、及び「排気バルブ９」。各タイプのバルブは、単数でも複数でもかまわない。
圧縮機のこれら３種類のバルブは、以下に説明する方法で機能する。
吸気バルブ８は、ピストン３がクランクシャフトの角回転位置の約Ａ°又はＴＤＣ（上死点）にあるときに開き、図２（図２ａ及び図２ｂ）を参照、ピストンが下死点（ＢＤＣ、１８０°）に向かって下向きに移動し、ほぼＢＤＣ又は必要に応じて最大吸引を可能にするＢＤＣ付近、約１９０°（Ｂ°）又はその前後で閉じるが、この角度は、圧縮機の設計で、圧縮機のクランクシャフト５の回転角度、及びエンジンが吸気又は吸引プロセスでフルパワーを生成するときに使用できる可能な全空気量によって異なる。
この時点で、吸気バルブ８は圧縮機内で通常の圧縮機と同様に閉じられ、エンジンの負荷運転によって、その時点でエンジンが必要とする圧縮機シリンダ内に閉じ込めらる空気量が決定され、残りの２つのバルブ（余剰空気のパージバルブ１０と排気バルブ９）の動作が決まる。
エンジンが部分負荷で運転する必要があり、エンジンの運転に必要な空気の一部だけが必要な場合は、図３（図３a及び図３b）のパージバルブ１０が開くプロセスは、圧縮機のクランクシャフト５の回転角のおよそ１８０°(Ｃ°)又はほぼＢＤＣ付近で発生し、吸気バルブ８は上記のようにＢ°又はその近傍で閉じるところである、図２(図２ａ)を参照。
ちょうどＢＤＣを過ぎた時に排気バルブ９は閉じたままである、図５（図５ａ）を参照。その時点で排気バルブ９が閉じており、吸気バルブ８がその直後に閉じるところであり、又は閉じようとするので、空気は余剰空気のパージバルブ１０から排出される、図３b、図３a参照。、
ピストンがＢＤＣからＴＤＣに上方に移動する間には余剰空気のパージバルブ１０が開いたままである。余剰空気のパージバルブ１０から排出された空気は、大気中に排気したり、エンジンエアフィルタハウジング（図示せず）に戻して引き続く圧縮機の吸気（吸引）プロセスを行うことができる。
図３のバルブ角動作図１４に示すように（図３a、図３b）、余剰空気のパージバルブ１０は圧縮機クランクシャフト５の回転角Ｃ°又はＢＤＣ近傍の間で操作（開放）される。上記のようにバルブが開き、ピストンが上に移動するときにＤ°で閉じるが、その圧縮機クランクシャフト５の回転角の位置は、約ＢＤＣ、又は約１８０°にあるＣ°／ ＤＭｉｎ°、とＤＭａｘ°（これは約２７０°以上、ＴＤＣ／３６０°未満になる）の間の位置にある。
余剰空気のパージバルブ１０がＤ°=Ｃ°／ＤＭｉｎ°で開いた直後に閉じると、空気が全くパージされないことを意味し、エンジンは最大出力で動作する。余剰空気のパージバルブ１０がＤ°=ＤＭａｘ°（約２７０°以上３６０°未満）で閉じると、吸気プロセス中に吸入された大部分の空気は余剰空気のパージマニホールド１１によって再び排出され、圧縮機シリンダーに残ったいくらかの空気だけがエンジンで消費されるためにエンジンは最小出力で動作する。
別の設計では、余剰空気のパージバルブ１０はＣ°で動作する（開く）が、Ｃ°が１８０°よりはるかに小さく、ＴＤＣ又は０°と１８０°の間にあり、図４（図４ａ）を参照、そして上記に述べたように閉じる。
最後のバルブである排気バルブ９、図５（図５a及び図５b）の動作は、余剰空気のパージバルブ１０の動作の後に続く、図３（図３a、図３ｂ）と図５（図５a、図５b)を参照。排気バルブ９は、余剰空気のパージバルブ１０を閉じるとすぐに開き、３６０°／０°（Ｆ°又はＴＤＣ）付近で閉じ、圧縮機シリンダー内の残りの排気マニホールド６を通過させ、内燃機関１３に吸気管又はマニホールド１２を介して燃焼プロセスのために供給する。
つまり、排気バルブ９は、余剰空気のパージバルブ１０が閉じるのに続き、すなわちほぼＤ°と同じ(Ｄ°～Ｅ°)点Ｅ°で作動して開く、その範囲は約ＢＤＣの近く又は約１８０°（ＥＭａｘ°）と（ＥＭｉｎ°）の間にある。そしてピストンがＴＤＣにあるとき、すなわちクランクシャフトの回転角度が３６０°／０°(Ｆ°又はＴＤＣ)で閉じられる、図５(図５a)を参照。
上で説明したように、Ｅ°=ＥＭａｘ°（約１８０°）又はＢＤＣ付近で、余剰空気のパージバルブ１０が閉じられたほぼ同じ時及び位置で排気バルブ９が開くと、これは最大エンジン出力に相当する。この場合、余剰空気のパージバルブ１０を介して空気が大気中に排気されたり、エアフィルタハウジングに戻されたりすることはなく、吸入された空気全体が排気バルブ９と排気エアマニホールド６を通過しエンジンの吸気パイプ又はマニホールド１２を通ってエンジン１３に至る。
Ｅ°=EＭｉｎ°（約２７０°～３６０°）又はその周辺で排気バルブ９が開くことは、余剰空気のパージバルブ１０がほぼ同じ時間と位置で閉じたことに続き、これは最小エンジン出力（又はエンジンのアイドリング）に対応し、それは大部分の空気が大気中に排気されるか、余剰空気のパージバルブ１０を介してエアフィルタハウジングに戻されるためである。
余剰空気のパージバルブ１０を閉じ、排気バルブ９を開くことを、圧縮機のクランクシャフトの回転角度でＢＤＣ／１８０°以上でそしてＦ°とほぼ等しいか未満とする圧縮機運転の他のケースは、部分負荷エンジン運転に対応する。
バルブ操作のＥＭｉｎ°、ＥＭａｘ°、ＤＭｉｎ°、ＤＭａｘ°の回転角の値は、エンジンの設計特性、エンジンのアイドル動力要件、及びその他の要因によって異なることに注意されたい。
図６（図６ａ、図６ｂ）は、スロットル装置と代替可能な別タイプの圧縮機を示している。バルブ動作図１４は、圧縮機の吸気バルブ８が約Ａ°（０°）又はＴＤＣで開き、Ｂ°で閉じるが、その位置は約ＢＭｉｎ°（約ＢＤＣ、０°以上ＢＤＣまで）とＢＭａｘ°（約２７０°より大きいが３６０°又はＴＤＣ以下）、の間にあり、圧縮機内の空気量をこのように制限することを示している。
排気バルブ９の動作、特に圧縮機のクランクシャフトの回転角度に関してそれが開く部位は、圧縮機の吸気空気圧（大気圧かも知れずそうでないかもしれない）、圧縮機シリンダー内の空気圧、排気マニホールド６内の空気圧（エンジンが部分負荷運転時のその圧力は大気圧よりも低いかもしれない）、及びバルブの制御方法の関数であり、しかしそれは約３６０°又はＴＤＣで閉じる。
圧縮機バルブの開閉角度は概算であり、エンジンの設計と要件によって変わることがある。
本発明の好ましい実施形態は、例示の目的で開示されているが、当業者は、付随する特許請求の範囲で定義される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの追加、修正及び置換が可能であることを理解するであろう。
上死点(ＴＤＣ)という用語は、ピストンのシリンダーヘッドに最も近い位置を意味し、下死点(ＢＤＣ)という用語は、ピストンのシリンダーヘッドから最も遠い位置を意味する。

Claims (4)

  1. エンジンの要求される負荷に基づいて内燃機関に吸入される空気量を制御し、それにより前記内燃機関におけるスロットル装置に取って代わる圧縮機型装置であって、
    前記圧縮機型装置は、１つ以上の圧縮機シリンダ（２）であって、前記圧縮機シリンダのそれぞれはシリンダ容積（１７）、トップカバー（１８）及び上死点（ＴＤＣ）、底孔（１９）及び下死点（ＢＤＣ）を有し、
    前記圧縮機シリンダはいずれもピン（２０）により連結棒（４）を介してクランクシャフト（５）に機械的に連結された軸方向に往復するピストン（３）を備えており、それぞれの前記圧縮機シリンダが前記内燃機関に直接又はギヤボックス（１５）を介してエンジンクランクシャフト（１６）に接続されるよう構成され、
    そこでそれぞれの前記圧縮機シリンダは、前記ピストンが前記圧縮機シリンダの前記クランクシャフトの回転角度位置の前記上死点（ＴＤＣ）から前記下死点（ＢＤＣ）に向かって軸方向に移動する間に吸気プロセスを実行し、
    前記内燃機関がそれに比例して最大出力を生成するのに必要な量の吸入空気を引き込み、
    そこで前記吸気プロセスの後にパージプロセスが続き、そのパージプロセスの間に、前記ピストンが前記下死点（ＢＤＣ）から前記上死点（ＴＤＣ）に向かって上方に移動し、前記ピストンが前記上死点（ＴＤＣ）に向かって軸方向に移動するときに吸入された空気の余剰分を前記圧縮機シリンダーからパージ又は排出し、
    そして前記パージプロセスの後に前記ピストンが前記上死点（ＴＤＣ）に近づくにつれて排気プロセスが続き、前記排気プロセスの間に、前記圧縮機シリンダー内の前記吸入された空気のその時点でのエンジンの要求される負荷に基づいた残りが前記内燃機関に送られる
    圧縮機型装置。
  2. 請求項１に記載の圧縮機型装置であって、さらに１つ以上の吸気バルブ、１つ以上のパージバルブ、及び１つ以上の排気バルブを備え、前記吸気バルブ（８）が前記吸気プロセスを制御し、前記パージバルブ（１０）が前記パージプロセスを制御し、そして前記排気バルブ（９）が前記排気プロセスを制御するように構成されている圧縮機型装置。
  3. 請求項１に記載の圧縮機型装置であって、さらに１つ以上の前記吸気バルブ（８）と１つ以上の前記排気バルブ（９）とを備え、前記吸気バルブ（８）が前記吸気プロセスを制御し、前記排気バルブ（９）が前記排気プロセスを制御するように構成されている圧縮機型装置。
  4. 請求項１に記載の圧縮機型装置であって、前記内燃機関のスロットル機能に取って代わる目的で、前記吸気プロセスにおいて、前記圧縮機シリンダ（２）内の空気量を制御する圧縮機型装置。
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