JP2023519023A - 分割サイクル内燃エンジンを備えるエンジン・システム - Google Patents

Abstract

エンジン・システムに分割サイクル内燃エンジンが備えられ、前記分割サイクル内燃エンジンは、エンジン・ブロックと、複数の膨張シリンダと、前記エンジン・ブロックの第１の部分によって支持され、かつ前記膨張シリンダによって作動される回転駆動シャフトとを有する膨張セクションと、を有し；前記エンジンが、さらに、体積圧縮機を有する圧縮セクションを有し；前記エンジン・システムが、さらに、前記膨張シリンダ（１６ｂ）から排気ガスを排出する排気ライン（４）と、圧縮された空気を前記体積圧縮機（１２）から前記膨張シリンダ（１６ｂ）へ渡す少なくとも１つの通路（１３，１４）と、前記排気ライン（４）から前記通路（１３，１４）へ熱を引き渡すといった位置において前記エンジン（２）と結合される熱交換器（５５）を備える。

Description

関連出願の相互参照
本件特許出願は、２０１９年１２月９日に出願されたイタリア特許出願第１０２０１９００００２３３５８号の優先権を主張するものであり、当該出願の開示のすべては、参照によりこれに援用される。

本発明は、分割サイクル内燃エンジンが備えられたエンジン・システムに関する。

周知のとおり、分割サイクル・エンジンは、酸化をもたらす空気の圧縮に専用化された少なくとも１つの圧縮シリンダと、サイクル毎に圧縮空気のチャージを燃料噴射とともに受け取るように１つ以上の吸気バルブを通して圧縮シリンダと連通する少なくとも１つの燃焼シリンダまたは膨張シリンダと、を包含する。膨張シリンダは、基本的に２ストローク・エンジンに似た形で作用するように空気／燃料混合気の燃焼と、機械的なエネルギを生成する燃焼ガスの膨張と、前記ガスの排出とに専用化されており、一方においてはこれが圧縮シリンダを駆動する。

膨張シリンダと圧縮シリンダは、概して直列に配され、すなわちそれらは、同一の回転シャフトに沿って互いに整列される位置に配される。

このタイプのエンジンに関しては多くの研究が行われて来ており、数年にわたりいくつかのプロトタイプも建造され、それらは、主としてエネルギ生成の分野における使用をねらいとしているが、自動車産業における応用に対するニーズもまた存在する。この産業においては、すでに広まっている車両のエンジン・コンパートメント内の利用可能な空間およびレイアウトと互換性のある解決策が必要とされている。

特に、エンジンによって生み出される廃熱からのエネルギの再生を可能にする効率的な解決策が必要とされている。

さらにまた、パフォーマンスの向上および／または消費および汚染物質の放出を抑えるためにこのエンジンを分割サイクル・エンジンで置き換えることが可能となるような、同時にエンジン・コンパートメント内のそのほかの構成要素に対して行われる変更を抑えるため、より一般的には、この車両取り付けから生じるコストを抑えるためにも比較的コンパクトな、すでに存在している４ストローク・エンジンの取り付けのために車両内においてすでに利用可能な空間に匹敵することが可能な寸法を有する解決策も必要とされている。

さらにまた、通常の車両用の４ストローク・エンジンを製造するためにすでに標準的に使用されているテクノロジおよびナレッジを可能な限り使用し、かつエンジン自体の種々のデバイス、アクセサリ、ダクト、構成要素等の修正を可能な限り少なくする製造が可能な分割サイクル・エンジンが必要とされている。

したがって、本発明は、上に論じられている必要性を単純かつ経済的な態様で充足する分割サイクル内燃エンジンが備えられたエンジン・システムを提供することを目的とする。

本発明によれば、請求項１に定義されているとおりの分割サイクル内燃エンジンが備えられたエンジン・システムが提供される。

本発明は、次に挙げる添付図面を参照した非限定的な例を用いて提供される以下の好ましい実施態様の詳細な説明の閲読により、もっとも良好に理解されることになるであろう。

本発明の好ましい実施態様に従った分割サイクル内燃エンジンが備えられたエンジン・システムを示した図である。 より高い明瞭性のために部品が取り除かれた図１の図に示されている分割サイクル・エンジンを示した斜視図である。 図２の分割サイクル・エンジンを略図的な部品とともに単純化した態様で示した背面図である。 図２の分割サイクル・エンジンを略図的な部品とともに単純化した態様で示した側面図である。 図４の切断線Ｖ－Ｖに従った断面図である。 図４の切断線ＶＩ－ＶＩに従った断面図である。

図１に示されている概略図を参照するが、参照番号１は、車両（図示せず）、特に自動車または農業機械のエンジン・コンパートメント内に、当該車両を駆動するために取り付けられるべく設計されたエンジン・システムを示す。

システム１は、分割サイクル内燃エンジン２と；エンジン２へ空気を供給するライン３と；エンジン２から排気システムまたは後処理システム（図示せず）へ向かって排気ガスを運ぶライン４と；エンジン２内へ燃料を供給する噴射システム５と；を包含する。さらにまた、システム１は、エンジン２へ供給される空気を圧縮するようにライン３に沿って取り付けられ、かつたとえば、ライン４に沿って配され、エンジン２によって発せられる燃焼ガスにより作動されるタービン７によって駆動される過給圧縮機６と；圧縮機６によって圧縮された空気を冷却するように、ライン３に沿って圧縮機６とエンジン２の間に配される、たとえば、いわゆるインタークーラによって定義される熱交換器８と；を好ましくは包含する。

エンジン２は、圧縮セクション１０ａと、膨張セクション１０ｂと、からなり；圧縮セクション１０ａは、ライン３から到来する空気の圧縮に専用化され、特に往復運動するピストン圧縮機によって定義される体積圧縮機１２を包含する。圧縮機１２は、好ましくは、７０バールを超える圧力において動作可能でなければならない。

これに対し、膨張セクション１０ｂは、１つ以上の接続ダクト１３および吸気マニフォールド１４（図４）を通じて圧縮セクション１９ａから圧縮された空気を受け取る。セクション１０ｂは、システム５によって供給される燃料も受け取り、かつ膨張セクション１０ｂが基本的に２ストローク・エンジンに似た態様で作用するように空気／燃料混合気の燃焼と、当該燃焼によって生み出されるガスの膨張と、当該ガスの排出と、に専用化されている。セクション１０ｂがこれらの過程に専用化されていることから、有意な温度変化を伴うことなく燃焼が生じ、したがって、４ストローク・エンジンと比較して放出物のレベルが低減される。

図４を参照すると、圧縮機１２は、１つ以上の圧縮シリンダ１６ａを包含している。たとえば、３つのシリンダ１６ａを備える。各シリンダ１６ａは、それぞれのライナ１７ａとそれぞれのピストン１８ａとを包含し、それらの間において、ライン３の１つ以上の吸気バルブ２０ａ（図１）を通じて空気流を受け取るべく設計された圧縮チャンバ１９ａを画定する。ピストン１８ａには、毎サイクルに伴って、圧縮チャンバ１９ａ内へ空気が流れ込む吸気行程と、空気が圧縮され、その後、圧縮チャンバ１９ａから１つ以上の引き渡しバルブ２１ａ（図１）を通じて対応するダクト１３内へ流れ出る圧縮行程と、を実行できるように往復運動が提供される。圧縮機１２は、さらに、ピストン１８ａに前述の往復運動を提供する、特にクランクシャフトによって定義される回転シャフト２３ａを包含する。

図３を参照すると、膨張セクション１０ｂは、複数の膨張シリンダ（または、燃焼シリンダ）１６ｂを包含している。たとえば、シリンダ１６ｂの排気量は、シリンダ１６ａのうちの１つの２乃至３倍である。各シリンダ１６ｂは、それぞれのライナ１７ｂとそれぞれのピストン１８ｂとを包含し、それらの間において、１つ以上の吸気バルブ２０ｂを通じてマニフォールド１４から、および／またはダクト１３から空気を、システム５によって噴射された燃料とともに受け取るべく設計された燃焼チャンバ１９ｂを画定する。ピストン１８ｂは、空気および燃料が燃焼チャンバ１９ｂ内へ流れ込んで混合気を形成し、それが、その後に燃焼されたガスの膨張を生み出して機械的なエネルギを発生するために（コントロールされた態様または自然発生的に）着火される膨張行程と；燃焼されたガスが１つ以上の排気バルブ２１ｂ（図１）を通じてライン４内へ排出される排気行程と、を有する往復運動を作り出す。

ピストン１８ｂは、クランクシャフトによって定義されシャフト２３ａに回転を生じさせる回転ドライブ・シャフト２３ｂを作動させる。ここには図示されていない代替実施態様によれば、圧縮機１２のシャフト２３ａが、ジェネレータによって生み出された電流によって電力供給される電気モータによって駆動されるが、一方においては、当該ジェネレータ自体もまた、直接または間接的にドライブ・シャフト２３ｂによって駆動される。

シャフト２３ａおよび２３ｂは、それぞれの、互いに空間的に離されて明確に区別され、特に平行であるとする軸４１ａおよび４１ｂ周りに回転する。ピストン１８ａおよび８ｂは、それぞれの軸４２ａおよび４２ｂに沿って摺動し、それらが、好ましくは、それらの間にたとえば、０°から３０°までの範囲の角度Ａを形成するように互いに関して傾斜されている。同時に、エンジン２は、圧縮機１２が統合されたエンジン・ブロック４３を包含する。言い換えると、図５および６によれば、エンジン・ブロック４３は、２つの部分４３ａおよび４３ｂを包含し；部分４３ａは、圧縮シリンダ１６ａを収容し、かつシャフト２３ａを支持し、部分４３ｂは、膨張シリンダ１６ｂを収容し、かつシャフト２３ｂを支持する。より詳細に述べれば、図６から、部分４３ａおよび４３ｂが、ライナ１７ａおよび１７ｂをそれぞれ収容し、かつシャフト２３ａおよび２３ｂとそれぞれのピストン１８ａおよび１８ｂを接続するコンロッドのシャンクの通過を可能にするような中空部であることが明らかになる。

シリンダ１６ａは、シリンダ１６ａと一直線上にない；実際、部分４３ａは、軸４１ｂおよび４２ｂと直交する方向４４に沿って部分４３ｂの脇に配される。ここに示されている具体的な例においては、エンジン・ブロック４３が、単一の（キャスティングによって製造される）モノリシックな部品を定義する。ここには図示されていない変形によれば、部分４３ａおよび４３ｂが、それぞれ明確に区別され、互いに固定される、キャスティングによって製造された部品を定義することが可能である。

図５によれば、シャフト２３ａおよび２３ｂが、それぞれのシート４４ａおよび４４ｂと係合するそれぞれのメイン・ベアリングを介して回転可能な態様でエンジン・ブロック４３に結合される。部分４３ａおよび４３ｂは、シート４４ａおよび４４ｂの上側部分を定義する。ここに示されている特定の例においては、エンジン２が、さらに、ここには図示されていない周知の態様でエンジン・ブロック４３に固定されてシート４４ａおよび４４ｂの下側部分を定義する下側エンジン・ブロック４５を包含し、好ましくはそれが、（キャスティングによって製造される）モノリシックな部品によって定義される。

図３を参照すると、エンジン２は、さらに、シャフト２３ｂからシャフト２３ａへ動きを伝達する機械式のトランスミッション４８、たとえばギア式トランスミッションを包含する。トランスミッション４８は、特に、エンジン２の後端のエリア内の適切なハウジング内においてエンジン・ブロック４３の外側に配される（これにおいて、『前端』は、外部の冷却空気を運び入れるファン４９が一般的に取り付けられる端部を意味し、それに対して『後端』は、ここには図示されていないフライホイールが一般的にマウントされる端部を意味する）。ここには図示されていない変形によれば、トランスミッション４８が、反対側の位置、すなわちシャフト２３ａおよび２３ｂの前端にマウントされる。

エンジン２は、さらに、２つのシリンダ・ヘッド５０ａおよび５０ｂを包含し、これらは、図３に略図的に示されているが、互いに明確に区別され、それぞれセクション１０ａおよび１０ｂの部分であり、ここには図示されていない周知の態様でエンジン・ブロック４３に固定される。言い換えると、シリンダ・ヘッド５０ａは、部分４３ａに固定され、かつバルブ２０ａおよび２１ａを担持し、シリンダ・ヘッド５０ｂは、部分４３ｂに固定され、かつバルブ２０ｂおよび２１ｂを担持する。エンジン・ブロック４３の部分４３ａおよび４３ｂ、およびシリンダ・ヘッド５０ａ、５０ｂは、ここには図示されていない、エンジン２の冷却および潤滑を行う適切な内部チャンネルを有する。特に、部分４３ａおよび４３ｂは、同一の潤滑系によって潤滑されるが、それらが、同一の冷却系を共有すること、または独立した系によって冷却されることも可能である。

略図的な態様で図１および４に示されている本発明の側面によれば、システム１が、熱交換器５５を包含し、それが、ライン４から、セクション１０ａによって圧縮された空気が流れるダクト１３および／またはマニフォールド１４へ熱を引き渡すといった位置においてエンジン２に固定されている。特に、熱交換器５５は、タービン７の下流に配され、適切な分配器５６（図２）を通じて圧縮機１２から空気を受け取る。熱交換器５５は、膨張シリンダ１６ｂ内へ導入される空気塊がより高い温度に到達することを可能にするために排気ガスからエネルギを回収することから、『レキュペレータ』とも呼ばれる。

特に、図３によれば、熱交換器５５がシリンダ・ヘッド５０ａの上方に、より詳細に述べれば、方向４４と平行なシリンダ・ヘッド５０ｂの脇の位置に配される。熱交換器５５は、好ましくはシリンダ・ヘッド５０ｂだけに固定される。

上記に起因するエンジン２およびシステム１の利点は、この分野の当業者に明らかである。第一に、好ましくはシリンダ・ヘッドに直接固定される熱交換器またはレキュペレータ５５が、バルブ・コントロール・システムを通じて圧縮シリンダ１６ａから膨張シリンダ１６ｂへ渡されるすでに圧縮されている空気塊に、より高い温度を獲得させるために排気のエネルギを回収することである。特に、この加熱により、膨張シリンダ１６ｂ内への空気塊の導入前におけるさらなる圧力の増加を、圧縮シリンダ１６ａ内の圧縮行程に影響を及ぼすことなく導くこと、および／または膨張シリンダ１６ｂ内における燃焼の向上を導くことが可能である。特に、このレイアウトにおいては、熱交換器５５および圧縮機１２が、可能な限りコンパクトな空気のチャネリングを確保するように配置される。

さらにまた、ドライブ・シャフト２３ｂから圧縮機１２のシャフト２３ａが分離され、かつ間隔が離されるという事実が、圧縮セクション１０ａの構成要素の設計におけるより大きな自由度を、また専用化された態様で圧縮機１２を冷却する可能性を膨張シリンダ１６ｂとは独立に可能にする。より詳細に述べれば、方向４４に沿って膨張セクション１０ｂの脇に圧縮セクション１０ａが配置されるという事実は、自動車産業のエンジン・コンパートメント内において利用可能な空間と互換性のある寸法を伴った極めてコンパクトな解決策を導き、それと同時に、現在の内燃エンジンの製造にすでに使用されているものに類似するテクノロジおよび／または生産ラインを使用した製造を可能にする。

たとえば、既存の（約９リットルの排気量を伴う）６気筒の４ストローク・ディーゼル・エンジンから開始して獲得された６つの膨張シリンダを有する分割サイクル・エンジンに関し、当該分割サイクル・エンジンの６つの膨張シリンダ（１６ｂ）が前記４ストローク・エンジンの６つのシリンダと（寸法、位置、構造等の意味において）同じであると仮定していくつかの予備的な研究が実行され；当該分割サイクル・エンジンは、６つの既存のシリンダの脇に単純に圧縮セクション１０ａを統合するように修正された。特に、１５０ｋＷの出力を伴う往復運動する体積圧縮機が使用され、それの排気量は３リットルであった。本発明に従ったレイアウトを用いると、修正されたエンジンより３５％大きな排気量を伴う『伝統的な』ディーゼル内燃エンジンと類似の出力およびトルクを獲得することが可能であり、しかも有利な消費、重量、寸法、および／または放出物を伴う。

変更は、比較的単純であり、必要となることはわずかである。同時に、分割サイクル・エンジンを製造するために、すでに使用されているものと同じ生産ラインを使用することが可能である。

上に述べられているそのほかの特徴を考慮する限りにおいて、軸４２ａおよび４２ｂの配置が寸法の最適化を助け；トランスミッション４８の後方配置が、ねじれ振動の制限を可能にし；１つの単一部品としてエンジン・ブロック４３が製造されるという事実は、１つの単一の動作において部分４３ａが部分４３ｂとともに、エンジン・ブロックの製造に通常に使用されているものと同じキャスティング・テクノロジを使用して製造されることを可能にする。

さらにまた、上に述べられているとおり、膨張セクション１０ｂの脇とする圧縮セクション１０ａの配置は、熱交換器５５を、全体のシステム１のレイアウトをコンパクトに維持する好都合な位置に配置することを可能にする。

上記に起因してシステム１が、この理由のために、付随する特許請求の範囲の中で示されている保護範囲を超えることなく、変更および変形を受け得ることは明らかである。

特に、圧縮機１２を、好ましい例として示されている往復運動式のもの以外の体積圧縮機によって定義することが可能であるが、いずれにしても、エンジン・ブロック４３によって支持され、かつそれと統合されるそれ独自の動作シャフトを有する。

シャフト２３ａへ動きを引き渡すトランスミッション４８は、この中に示されているものと異なることが可能であり、たとえばそれが、圧縮機１２がエンジン２の前端のエリア内に配されるのであれば、チェーン式トランスミッションまたはコグベルト式トランスミッションを包含することが可能である。

システム１は、圧縮機１２のチャンバ１９ａ内へ液状物質を噴射するシステムを有することが可能である；この方法においては、圧縮の間に、空気の温度がそれの沸騰温度を超えることが防止されるように、この物質が蒸発し、相変化に起因して熱を吸収する。

１ システム
２ 分割サイクル内燃エンジン、エンジン
３ ライン
４ ライン
５ 噴射システム、システム
６ 過給圧縮機、圧縮機
７ タービン
８ 熱交換器
１０ａ 圧縮セクション、セクション
１０ｂ 膨張セクション
１２ 圧縮機
１３ 接続ダクト、ダクト
１４ マニフォールド、吸気マニフォールド
１６ａ シリンダ、圧縮シリンダ
１６ｂ シリンダ、膨張シリンダ
１７ａ ライナ
１７ｂ ライナ
１８ａ ピストン
１８ｂ ピストン
１９ａ チャンバ、圧縮チャンバ
１９ｂ 燃焼チャンバ
２０ａ バルブ、吸気バルブ
２０ｂ バルブ、吸気バルブ
２１ａ 引き渡しバルブ
２１ｂ 排気バルブ
２３ａ シャフト、回転シャフト
２３ｂ シャフト、ドライブ・シャフト
４１ａ、４１ｂ 軸
４２ａ、４２ｂ 軸
４３ ブロック、エンジン・ブロック
４３ａ 部分
４３ｂ 部分
４４ 方向
４４ａ、４４ｂ シート
４５ 下側エンジン・ブロック
４８ トランスミッション
４９ ファン
５０ａ シリンダ・ヘッド
５０ｂ シリンダ・ヘッド
５５ 熱交換器、レキュペレータ
５６ 分配器
Ａ 角度

Claims (10)

1. エンジン・システム（１）であって、
   － 分割サイクル内燃エンジン（２）であって、
   （ａ）第１の部分および第２の部分（４３ｂ，４３ａ）を包含するエンジン・ブロック（４３）と、
   （ｂ）膨張セクション（１０ｂ）であって、
   （１）前記第１の部分（４３ｂ）内に配される複数の膨張シリンダ（１６ｂ）と、
   （２）前記第１の部分（４３ｂ）によって支持され、かつ前記膨張シリンダ（１６ｂ）によって駆動される回転ドライブ・シャフト（２３ｂ）と、
   を包含する膨張セクション（１０ｂ）と、
   （ｃ）回転ドリブン・シャフト（２３ａ）を有する体積圧縮機（１２）を包含する圧縮セクション（１０ａ）と、
   を包含する分割サイクル内燃エンジン（２）と、
   － 前記膨張シリンダ（１６ｂ）から排気および後処理システムへ向けて排気ガスを運ぶための排気ライン（４）と、
   － 圧縮された空気を前記体積圧縮機（１２）から前記膨張シリンダ（１６ｂ）へ渡すための少なくとも１つの通路（１３，１４）と、
   を包含し、
   さらに、前記排気ライン（４）から前記通路（１３，１４）へ熱を引き渡すといった位置において前記エンジン（２）と結合される熱交換器（５５）を包含することを特徴とする、
   エンジン・システム（１）。
2. 前記圧縮セクション（１０ａ）が、前記第２の部分（４３ａ）に固定されるシリンダ・ヘッド（５０ａ）を包含することと、
   前記熱交換器（５５）が、前記シリンダ・ヘッド（５０ａ）の上方に配されることと、
   を特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記膨張セクション（１０ｂ）が、前記第１の部分（４３ｂ）に固定されるさらなるシリンダ・ヘッド（５０ｂ）を包含することと、
   前記熱交換器（５５）が、前記さらなるシリンダ・ヘッド（５０ｂ）の脇に配されることと、
   を特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記回転ドリブン・シャフト（２３ａ）は、前記第２の部分（４３ａ）によって支持され、かつ前記回転ドライブ・シャフト（２３ｂ）と明確に区別され、かつそれから間隔が離されている、
   請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記第１の部分（４３ｂ）および前記第２の部分（４３ａ）は、前記回転ドライブ・シャフト（２３ｂ）の回転軸（４１ｂ）と直交する方向（４４）に沿って横並びに配される、
   請求項４に記載のシステム。
6. 前記回転ドライブ・シャフト（２３ｂ）および前記回転ドリブン・シャフト（２３ａ）の前記回転軸（４１ｂ，４１ａ）は、互いに平行である、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１および第２の部分（４３ｂ，４３ａ）は、モノリシックな部品を形成する、請求項４から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記エンジンは、さらに、前記回転ドライブ・シャフト（２３ｂ）から前記回転ドリブン・シャフト（２３ａ）への動きの引き渡しに適合され、かつ前記エンジンの端部に配される機械式トランスミッション（４８）を包含する、
   請求項４から７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記体積圧縮機（１２）が、前記第２の部分（４３ａ）内に配される少なくとも１つの圧縮シリンダ（１６ａ）を包含する往復運動する圧縮機であること、
   を特徴とする、請求項４から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記膨張シリンダ（１６ｂ）および前記少なくとも１つの圧縮シリンダ（１６ａ）が、角度（Ａ）を形成するように互いに関して傾斜されたそれぞれの軸（４２ｂ，４２ａ）に沿って移動可能なそれぞれのピストン（１８ｂ，１８ａ）を包含すること、
    を特徴とする、請求項９に記載のシステム。

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