JP5848250B2 - 熱機関 - Google Patents

Description

本発明は、熱機関（熱エンジン）の分野に関し、特に、効率を改良された容積式内燃機関（内燃エンジン）に関する。

内燃エンジンは、作動流体がしばしば空気または排気産出物と混ざった空気のガスであり、作動流体の中に、燃焼プロセスによるサイクル中に熱が直接加えられる酸素の一部を含む熱エンジンである。

電力グリッドへの接続によって満たされることができない機械動力にとっての大半の要求は、内燃エンジンによって満たされる。自動車、大型運送車両、鉄道の、海洋のおよび航空のエンジンを含む輸送所要動力は周知である。しかし、さまざまなスケールの電力発電、農業、林業、建築および土木工学において使用する動力ツール、水、油および天然ガスのポンピングを含む多くの他のものがある。エンジンは、若干の用途においてバッテリを交換するために開発されているわずか２、３グラムの重さのマイクロマシンから、２３００メートルトンの重さの海洋推進装置までの大きさにわたる。

化石燃料の世界供給は、その後は減少する供給を得るための激しい競争があってよい油のピークに接近していると考えられる。多くの生物燃料は導入されたかまたは開発中である。しかし、これらのいくつかは食料収穫と農業土地利用を争う。加えて、大気への炭素の放出の環境に対する影響は、現在、気候変動の原因であると広く認められている。したがって、この懸念の組み合わせからの圧力のせいで、内燃エンジンの効率を改善することに対する大きい関心がある。

現在の技術のエンジンが、燃料において利用可能なエネルギーの約１／３を役立つ仕事に変換することが可能なだけであることは、この分野では周知である。残りの２／３のうち、ピストンエンジンではおよそ１／３が、排気熱としてエンジンから去るサイクル損失である。他の１／３は冷却−損失である。そしてそれは、作業ガスからエンジンの材料へと移される熱である。そしてそれは、したがって、サイクルに無関係であり、そして、エンジンの材料およびプロセスを保護するために冷却フィンまたは液体充填ラジエータによって消されなければならない。効率の改良は、したがって、この分野の多くの労働者によって探求される目的である。そして、サイクル損失および冷却損失の領域は、先行技術の改良の目標である。本発明は、両方の領域において相当な改良を提供する。

１８２４年、Ｓａｄｉ Ｃａｒｎｏｔは、熱エンジンが１００％の効率を達成できないことを示した。すべてのエンジンは、より高い絶対温度Ｔｈで熱を受け入れて、より冷たい絶対温度Ｔｃで熱を遮断する。周知のカルノー方程式：

この式は、エンジンが達成することができる最高効率ηがこれらの温度の比率によって制限されることを示す。しかしながら、それはまた、約２８００Ｋの一般の燃料の断熱的な燃焼温度と約３００Ｋの周囲温度との間のエンジン作動が、ほとんど９０％の効率限界を有することができることも示す。現在のエンジンは、温度のこの範囲を役立てることができない。

本発明は、温度のこの範囲を完全に役立てる。そして、効率のカルノー限界は、したがって非常に高い。

内燃エンジンは、容積式マシンおよび動的フローマシンに現在分けられる。容積式マシンは、ピストンエンジンおよびバンケルエンジンを含み、一方、動的フローマシンはガスタービンを含む。容積式マシンは、それらが、容積（ボリューム）の変更および熱の追加および遮断を含むサイクルを通してとられるガスの別々の作業容積（作業ボリューム）を引き込んで処理することに特徴がある。

それらは、２ストロークまたは４ストロークサイクルで作動する火花点火および圧縮点火エンジンに分けられる。これらのエンジンの全ては、共通して圧縮原理を有する。この原理は、１８６２年に出版されたパンフレットにおいて、Ａｌｐｈｏｎｓｅ Ｂｅａｕ ｄｅ Ｒｏｃｈａｓによって最初に述べられた。これは、４ストロークエンジンの作動原理を正確に記載した。１８７６年、Ｄｒ Ｎｉｋｏｌａｕｓ Ｏｔｔｏは、この原理を再発見して、成功したエンジンを作り上げた。そのとき以降、圧縮原理は普遍的であった。オットーサイクルを支配する効率方程式、およびガスタービンにあてはまるジュール−ブレイトンサイクルは、この分野では非常によく知られている。

ここで、ηは効率である。ｒ_ｖは圧縮比と一般に呼ばれる容積比である。γは作業ガスの比熱の比率であって、２５００Ｋで１．２９に低下する周囲温度で１．４の値を有する。

ガスタービンにあてはまるジュール−ブレイトンサイクルは、類似の効率方程式を有する。

この方程式において、ｒ_Ｐは圧縮比である。

これらの方程式の明白な意味は、効率が高圧縮比によって改善されることであり、そしてさらに、圧縮しない（すなわちｒ＝１）エンジンはゼロの効率を有することである。内燃エンジンの初期の歴史の研究で、これが明らかに当てはまらないことが分かった。圧縮エンジンの発明の前に、非圧縮ガスエンジンは作られて、商業的に販売された。Ｅｔｉｅｎｎｅ Ｌｅｎｏｉｒは、１８６０年に非圧縮エンジンの特許権をとり、そして約６００台の装置は販売された。Ｎｉｋｏｌａｕｓ Ｏｔｔｏは、Ｅｕｇｅｎｅ Ｌａｎｇｅｎとともに会社を設立した。そして、１８６２年からより良い信頼性およびより高い効率を有する改良された非圧縮エンジンを販売した。これらのエンジンの基礎となった熱力学原理の分析で、上記の方程式は、圧縮および膨張の比率が等しいエンジンサイクルのアーチファクトであることが分かった。さらに、実際には膨張が結果として熱を機械動力へと変換するときに、用語「圧縮比」は、まぎらわしく圧縮を強調する。

１７１０年、Ｔｈｏｍａｓ ＮｅｗｃｏｍｅｎおよびＪｏｈｎ Ｃｏｗｌｅｙは、大気中の蒸気エンジンを発明した。低圧の蒸気は、シリンダを満たすことができた。水をともなう冷却による蒸気の次の凝縮は、大気のストロークを介して機械動力を作成するために用いた。それにより、生じる真空によって大気圧がシリンダのピストンを押し下げることができた。この手段によって、大気の仕事（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｗｏｒｋ）は取り出された。熱力学的には、大気の原理は、それによってエンジンが低温で熱を遮断することができるので、理にかなっている。熱いおよび冷たいプロセスが同じエンクロージャにおいて実行されて、多くの熱がエンジンの材料に失われたので、エンジンは低い効率を有した。この課題は、バルブを有するパイプによって熱いシリンダを別々の冷たいチャンバに接続したＪａｍｅｓ Ｗａｔｔによって、後に述べられた。低圧でではあるが、Ｗａｔｔもアップストローク上の出力を発生するために蒸気の正圧を使用し始めた。

１８２３年、Ｓａｍｕｅｌ Ｂｒｏｗｎは、大気の原理に基づいて内燃エンジンを開発した。彼は、大気がピストンを駆動することができる部分真空を作成するために散水によって残留するガスを冷やす前に、大部分のガスを排出するためにシリンダ内のガス−空気混合気の高速燃焼を使用した。この時点で、利用可能な材料の低くてかつ信頼できない引張強さのせいで、仕事を生成するために正圧を使用するために磁気抵抗があってもよかった。燃焼によって生成した正圧が大気中に排気されたので、エンジンは車両を推進するために用いたが、低い効率を有した。

ＬｅｎｏｉｒおよびＯｔｔｏの非圧縮エンジンは、空気および灯用ガスの混合気を引き込むためにそのストロークの一部によりピストンを動かすことによって、それから混合気を発火することによって作動した。温度の増加は、そのストロークの残りの部分のためのピストンを動かす圧力を増加させた。蒸気用途から周知だったロッドおよびクランク機構は、使われなかった。オットー−ランゲン・エンジンにおいて、ピストンは、その重量と、大気圧との平衡点を通り越してそれを担持していたピストンの慣性の結果としてそれの後で発現した部分真空との組み合わせによって休息する位置にもたらされるまで、垂直シリンダの上で燃焼圧によって動かされた。この部分真空は、それから、ガスを散水で冷やすことによって増加した。大気圧は、ピストンをシリンダに下降させた。それが下降したので、それは一方向クラッチを有するフライホイール軸上で動くピニオンと係合するラックを介してフライホイールを駆動した。このエンジンは、したがって、圧力原理および大気の原理の両方を利用した。熱いおよび冷たいプロセスが同じシリンダにおいて起こるので冷却損失が高くて、したがって本発明とは異なるにもかかわらず、それは広い温度範囲を通じて作動した。

１８７６年の（クランクおよびロッド機構を使用した）圧縮エンジンのＯｔｔｏの次の発明の後、非圧縮エンジンの開発は、ほぼ完全に断念された。彼の特許が彼にその製造の独占を与えたと信じて、オットーは圧縮原理を重く進めた。Ｇｏｔｔｌｉｅｂ ＤａｉｍｌｅｒおよびＷｉｌｈｅｌｍ Ｍａｙｂａｃｈとともに働いて、彼は、彼の革新を製造へと導く産業的な能力を有した。Ｂｅａｕ ｄｅ Ｒｏｃｈａｓによるパンフレットが明るみに出るときに、彼の特許はしかしながら１８８６年に切れた。これは、他の製造業者に対して彼らが自身の製品を導入するのためパスを明白なままにした。

それ以来、スパークまたは圧縮点火を有する４ストロークまたは２ストロークの外見において、最高の圧縮エンジンは主流であった。ピストンおよびシリンダは、出力対重量比が燃料節約よりも重要である用途において侵入しているバンケルエンジンとともに、まだ支配的な可変容積機構（可変ボリューム機構）である。これらのエンジンは、全て共通して、サイクルにおけるすべてのプロセスが同じエンクロージャ内において起こり、したがって本発明とは異なる、非常に類似した圧縮ベースの熱力学サイクルおよび特徴を有する。

サイクル損失を減少する周知の方法は、熱再生である。排ガスの熱は、集められて、サイクルの一部に戻される。そこでは、その影響が加熱を燃料と置き換えることができて、これにより、必要な燃料の量を減らすことができる。再生は、１８１６年にＤｒ Ｒｏｂｅｒｔ Ｓｔｉｒｌｉｎｇによって特許権を得る熱い空気エンジンにおいて、最初に示された。リジェネレータは、熱いガスの一時的なストリームが固体マトリクスを通って流れてそれを加熱する、気体と固体の熱交換器である。逆流における冷たいガスの一時的なストリームは、それから熱を回復する。この技術は、加熱ガスおよび被加熱ガスが同じ量であり、同じ状況においてかつ同じ温度限界間でそれぞれ冷やされておよび加熱されてるサイクルにおいて、最も有益である。この技術は、ガスタービンにおいてある程度の成功を経験した。これらのエンジンの連続フロー性質のせいで、熱は、ガス対ガス熱交換または回転マトリクス熱交換によって移されることができる。この技術の利点は、周囲温度に対してタービン排気を冷却することが必要であるので、すべての排気熱が抽出されることが理想サイクルにおいてさえ不可能であるという事実によって制限される。熱はコンプレッサの出口で空気へ移されなければならないので、そしてこの空気は断熱圧縮プロセスおよび等エントロピー損失によって加熱されて、したがって周囲温度を上回る数百度程度であるので、これは可能でない。したがって、熱の一部だけは回復されることができる。圧縮プロセスにおいて中間冷却が使われる場合、この状況は改善されることができる。

この分野の多くの労働者は、容積式内燃エンジンに再生を適用する方法を提案した。これらは、内燃スターリングエンジン；シリンダ再生を追加したオットーエンジン；そして、吸入、圧縮、燃焼および排気が別々のシリンダ内において起こり、これらのシリンダ間において再生が生じるスプリットサイクルエンジン；に分類することができる。

スターリングエンジンにおいて、熱いおよび冷たいボリュームは、リジェネレータを介して永久に連絡していて、したがって本発明とは異なる。空気は、熱いスペースへと移動して、リジェネレータから熱を得る。それはその後膨張して仕事をして、一方、熱はその温度を維持して空気に移される。内燃スターリングエンジンにおいて、この熱は、熱いスペースにおける燃料の燃焼によって供給される。サイクルの熱い温度は、したがって、リジェネレータおよび熱いシリンダの材料限界に限られる。この温度は燃料の断熱的な燃焼温度よりも非常に低いので、スターリングサイクルがそのカルノー限界に近づくことが理論的に可能であるにもかかわらず、限界は断熱的な燃焼温度に対して仕事をすることができるサイクルよりも小さい。

オットーサイクルにおいて、すべてのプロセスは１つのシリンダにおいて起こる。これは単純性の利益を有して、ピストンおよびシリンダが比較的低い温度のままであることを許容する一方、同時に、サイクルの最高温度は燃料の断熱的な燃焼温度である。不利な点は、サイクル効率が燃焼温度と排気温度との比率の関数であることである。排気温度は周囲温度よりも非常に高い。そして、サイクル効率はしたがって、同じ高温度を使用するエンジンのカルノー効率よりも低い。また、封じ込め（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）を含む材料はプロセスそのものよりも非常に冷たいので、冷却損失は高い。シリンダの範囲内に可動するリジェネレータを配置することが試みられた。これは燃焼プロセスを複雑にする。そして、圧縮からの温度上昇のせいで、熱の一部が再生されることが可能なだけである。冷却損失の課題は、対処されない。

スプリットサイクルエンジンは、熱いプロセスとは別のシリンダにおいて冷たいプロセスがなされることを許容する。そして、リジェネレータはシリンダ間のパスにおいてありえる。圧縮の使用は燃焼圧が高いことを意味する。そして、流れを制御するためにポペットバルブを用いる。これらは、バルブの背後に必要な曲がった通路のせいで重要なデッドボリュームを作成する効果を有する。圧縮温度の上昇は、再生の一部を制限する。これらのサイクルは、何とかして冷却損失を減らすことに向かう。しかし、ピストンの従来の油潤滑が使われる場合、これは壁の温度を摂氏３００以下に制限する。乾燥潤滑の使用は、示唆された。この方法は、燃焼領域への光学窓を特徴とする特別な研究用エンジンから公知である。摩擦損失は非常に高くて、この特別な用途において受け入れることができても、実用的なエンジンでは受け入れることができない。

これまで提案された改良のいずれも、理想サイクルにおいてさえ、排気熱の全てを回復することができるというわけではない。さらに、改良型のエンジンのいずれも、冷却損失の重要な節減を提供しない。この理由で、それらは、再生なしのエンジンと比較して通常１０〜１５％の効率の改良を主張する。７０〜８０％の全体効率をとる３０〜４０％の非常に大きい改良を達成することは、本発明の目的である。これは、実質的にすべての排気熱を回復して、同時に冷却損失を著しく減らすことによって達成される。

本発明は、ラビリンスシールまたはリニア空気軸受を含む非接触シール技術を使用してよい。圧力流体がエンクロージャの中に封じ込められなければならなくて、一方同時にエンクロージャへの回転またはリニア運動の機械式トランスミッションが必要であるときに、多くの場合は工学にある。大部分の場合に、ある程度の摩擦損失を課すと共に流体の流れを制限するかまたは防止するために、相対運動における１つの表面上および滑らかな表面に対する軸受に載置される対応するシールは、用いることができる。この種の中実のシールが、高速運動、高温のせいで、または若干の圧力損失が摩擦損失の減少と引きかえに許容されることができるという理由で可能でない状況が、しかしながらある。これらの場合に、非接触シールが用いられる。

ラビリンスシールにとって、相対運動の表面は、小さいクリアランスによって分離される。間隙を通るガスの流れは、最大流れ抵抗を作成するように設計された表面上の特徴を作成することによって最小化される。ラビリンスピストンは、ピストンロッド上に堅固に載置されたピストンである。このロッドは、リニア軸受によって拘束されて、シリンダ壁と接触せずにシリンダの上下にピストンを導く。ピストンは、間隙を通る流体の流れに対する抵抗を引き起こすその側面に、畝状の隆起をつけられた輪郭を有する。この技術は、油潤滑の使用が除外される低温で作動するポンプにおいて、スイスのＢｕｒｃｋｈａｒｄｔ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ＡＧによって首尾良く用いられる。低い膨張係数を有する材料は、維持される最小のクリアランスを許容するように温度にともなうピストンの直径の変化を最小にするために用いられる。

使用されるリニア空気軸受にとって、圧縮空気の供給は、ピストンの側面周辺で多くの位置で現れるようにダクトに通される。ピストンは、ピストンに対して軸力を適用しないピストンロッドによって再び作動される。ピストンは、それがシリンダボアの一側に接近するときに空気の支持力がピストンを中央により寄せるように、シリンダボア内において接触せずに案内される。

［先行技術］
非特許文献１は、大気蒸気エンジンを論証する。
特許文献１のタイトルは、「Ｅｆｆｅｃｔｉｎｇ ａ ｖａｃｕｕｍ ａｎｄ ｔｈｕｓ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｐｏｗｅｒｓ」である。この特許は、内燃大気エンジンを開示した。
特許文献２は、熱再生原理を組み込んだ空気エンジンを開示する。
特許文献３は、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｍｏｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｏｒ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｈｅｒｅｉｎ」というタイトルであり、非圧縮内燃エンジンを開示する。
特許文献４は、非圧縮燃焼および冷やされた大気のストロークの組み合わせから出力を引き出すエンジンを開示する。
特許文献５は、オットーの１８６３年のエンジンの改良版を開示する。
特許文献６は、内燃スターリングサイクルエンジンを開示する。興味深い特徴は、耐火性のライニングが施された熱いシリンダと、この熱いシリンダ内での燃料の自然燃焼である。水スプレー冷却が、冷たいシリンダ内で用いられる。このエンジンにおいて、大部分の作業ガスは、熱いシリンダと冷たいシリンダとの間でリジェネレータを通して前後に循環する。少量の新鮮な空気と燃料は、熱いシリンダにポンプで注入される。結果として生じる燃焼は、熱いシリンダの温度を維持する。耐火性のライニングを提供するこの方法は、エンジンを低速度作動に制限した。等温の燃焼は、断熱的な燃焼温度よりも非常に低いサイクルの最高温度Ｔｈを提供する。したがって、サイクルがそのカルノー効率に潜在的に近づくことができるにもかかわらず、カルノー効率は本発明よりも低くて、その作動は完全に異なるサイクルに基づく。
特許文献７は、シリンダヘッドに組み込まれるリジェネレータを有する内燃エンジンを開示する。
特許文献８は、再生によってエンジンが低圧縮比で効率的であるかもしれないことを正しく示唆するが、しかし非圧縮エンジンを示唆しない。開示されるエンジンは、圧縮ストロークの前に排気熱が加えられる以外、従来の４ストロークサイクルを有する。伝熱の前に圧縮加熱がないので、これは良好な熱回収を許容する。残念なことに、それを出力に変換する方法がないので、サイクルのこの位置に熱を加えることの利点がない。そうすることは、冷却および燃焼プロセスを確実に難しくする。
特許文献９のエンジンは、圧縮機シリンダが膨張シリンダよりも小さいスプリットサイクルエンジンである。再生の前に圧縮加熱を最小にする必要は、ポリトロープ指数を低下させるために圧縮シリンダに高い内表面を提供することによって承認される。熱力学の十分な知識は論証されるが、しかし今日の標準による小さいバルブ通過面積は線図に示される。出力シリンダを冷やす課題は、対処されない。
特許文献１０に開示されるエンジンは、圧縮プロセスをほぼ等温にするために、スプレー冷却を有する非常に高い圧縮度を用いて、Ｋｏｅｎｉｇの考えを発展させる。これは廃熱回収の良好なレベルを促進するが、しかし、使用する例外的に高い圧力は、冷却損失を減らす対策に対して不利に作用する。開示されるエンジンは、大きい発電用途を狙うものであり、そしてそれ自体として、いくつかの熱交換器をともない非常に複雑である。それらは、したがって、より小さい用途で経済的でありそうにない。
特許文献１１および特許文献１２もまた、再生するエンジンにおける低圧縮の利益を確認するが、非圧縮エンジンを示唆する。それらは、再生を有するがしかし、冷却損失を減らす対策を有しないエンジンを開示する。
特許文献１３は、燃焼が別々のチャンバにおいて起こり、膨張の生成物がフラップバルブを介してシリンダに入るという点で、特許文献３のエンジンと異なる非圧縮エンジンを開示する。これは、ピストンストロークの全体が膨張のために使われることを可能にする。別々の燃焼室は高い冷却損失を有して、そしてフラップバルブは非常に熱くなる。再生は使われず、そして高い効率に対する主張はなされない。
特許文献１４は、非圧縮エンジンを開示する。これは、実質的に、ロッドおよびクランク機構を取り付けた特許文献３のエンジンである。再生が使われず、そして高い効率に対する主張はなされない。
特許文献１５：この特許は、燃焼プロセスがシリンダから圧縮空気を供給される主に自動車で使用するための非圧縮エンジンの使用を示唆する。したがって、エネルギー生成プロセスはまだ圧縮サイクルを使用する。しかし、圧縮のためのエネルギーが車両で運ばれる燃料から来ないように、プロセスは分割される。再生プロセスの使用の示唆は、ない。それは、したがって、本発明とは異なる。
特許文献１６：ピストンエキスパンダは、燃料および液体オキシダント（例えば大気の空気を用いない過酸化水素または液体酸素）の爆発反応によって駆動される。圧縮の必要は、したがって、ない。再生の使用の示唆は、ない。それは、したがって、本発明とは異なる。
特許文献１７：従来のタービンおよびロータリーコンプレッサの代わりにガス再循環システムを有するジェットエンジンは、提案される。このシステムの目的が圧縮を提供することであることは、しかしながら請求項１から明白である。再循環したガスからの熱が有益な熱回収効果を提供することも主張される。しかしながら、特許文献８と同様に、熱は、その影響が逆効果である圧縮段階の前にシステムに加えられる。これは、したがって、圧縮エンジンである。

したがって、上記のいずれにおいても、先行技術は、開示される再生手段を有する非圧縮エンジンの組み合わせではない。

特許第４８７４号（Ｓａｍｕｅｌ Ｂｒｏｗｎ．１８２３年） 特許第５４５６号（Ｒｏｂｅｒｔ ａｎｄ Ｊａｍｅｓ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ．１８２７年） 特許第３３５号（Ｌｅｎｏｉｒ．１８６０年） 特許第２０９８号（Ｎｉｋｏｌａｕｓ Ｏｔｔｏ．１８６３年） 特許第４３４号（Ｅｕｇｅｎｅ Ｌａｎｇｅｎ ａｎｄ Ｎｉｋｏｌａｏｕｓ Ｏｔｔｏ．１８６６年） 米国特許第１５５，０８７号（Ｈｉｒｓｃｈ．１８７４年） 特許第２５０４号（Ｃ．Ｗ．Ｓｉｅｍｅｎｓ．１８８１年） 米国特許第７２０１１５６号（Ｗａｉｔ） 米国特許第１，１１１，８４号（Ｋｏｅｎｉｇ） 米国特許出願公開第２００３０４９１３９号（Ｃｏｎｅｙ ｅｔ ａｌ） 米国特許第７００４１１５号（Ｐａｔｔｏｎ） 米国特許第７２１９６３０号（Ｐａｔｔｏｎ） 米国特許第３７２９９２７号（Ｇｒａｖｅｓ．１９７２年） 国際特許出願公開第ＷＯ／１９８３／０００１８７号（ＷＩＤＥＮ，Ｋａｒｌ−Ｏｌｏｆ，Ｍａｇｎｕｓ） 米国特許第４，３００，４８６号（Ｌｏｗｔｈｅｒ，１９７９年） 日本国特許第１４３９４４６号（日産自動車，１９７３年） 米国特許第７，１１１，４４９Ｂ１号（Ｓｔｅｂｂｉｎｇｓ，２００６年）

Ｔｈｏｍａｓ Ｎｅｗｃｏｍｅｎ ａｎｄ Ｊｏｈｎ Ｃｏｗｌｅｙ ｉｎ １７１０

先行技術の課題を少なくともある程度軽減することは、本発明の目的である。

本発明の第１の態様によれば、サイクルにおいて作動するように構成され、かつエネルギー再生手段を含む非圧縮エンジンは、提供される。

非圧縮エンジンは、サイクルにおいて作動するように構成される可変ボリューム手段を有してよい。エネルギー再生手段は、可変ボリューム手段から去るエネルギー一部が可変ボリューム手段に戻るように構成されてよい。非圧縮エンジンは、ガスの作業ボリュームをエンジンに引き込むための手段を含んでよい。

エネルギー再生手段は、ガスの前記作業ボリュームに実質的に一定ボリュームで熱を供給するように構成されてよい。エネルギー再生手段は、可変ボリューム手段のサイクルにおいて作業ガスからエネルギーをとり、そして可変ボリューム手段のその後のサイクルにおいて熱としてそれを戻すように構成されてよい。

可変ボリューム手段は、燃焼−エキスパンダを含んでよい。非圧縮エンジンは、燃焼−エキスパンダ内へのその中での燃焼用の燃料の導入のために位置する燃料入口を含んでよい。燃焼−エキスパンダは、ピストンおよびシリンダを備えてよい。燃焼−エキスパンダは、ラビリンスシールまたはその可動部間の空気軸受手段を有してよい。燃焼−エキスパンダは、タービン羽根車にノズル経由で接続される燃焼室を備えてよい。燃焼−エキスパンダは、ステンレス鋼、高温合金およびエンジニアリングセラミックスを含むグループから選択される耐熱材料から作られてよい。

非圧縮エンジンは、エネルギー再生手段へのまたはからの前記作業ガスの流れを制御するためのバルブシステムを含んでよい。バルブシステムは、その上に位置する前記エネルギー再生手段を有する可動部材を含んでよい。可動部材は、燃焼−エキスパンダに入る作業ガスにエネルギーを供給する第１位置と、燃焼−エキスパンダから去る作業ガスから熱をとる第２位置との間で、エネルギー再生手段の回転移動を提供するように構成される回転可能なディスクを備えてよい。

可変ボリューム手段は、吸気バルブを有する誘導−ディスプレーサを含んでよい。誘導−ディスプレーサは、ピストンおよびシリンダを備えてよい。

バルブシステムは、燃焼−エキスパンダ、誘導−ディスプレーサおよびエネルギー再生手段の間の連絡を制御するように構成されてよい。

可変ボリューム手段は、大気のストローク手段を含んでよい。大気のストローク手段は、大気−冷却器を含んでよい。大気−冷却器は、熱を取り除くために前記ガスへと液体を吹付けるためのスプレーシステムを含んでよい。液体は、水でよく、添加物を含んでもよい。大気−冷却器は、ピストンおよびシリンダを備えてよい。大気−冷却器は、大気と連絡する排気バルブを有してよい。

非圧縮エンジンは、誘導−ディスプレーサ、燃焼−エキスパンダおよび大気−冷却器を駆動するように構成されるクランクシャフトを含んでよい。燃焼−エキスパンダおよび大気−冷却器は、互いに１８０°異なる位相で駆動されてよい。誘導−ディスプレーサは、燃焼−エキスパンダおよび大気−冷却器よりも短いストロークを有してよい。非圧縮エンジンは、誘導−ディスプレーサを制御するためにクランクシャフトによって駆動可能な正面カムおよびカムフォロワを含んでよい。非圧縮エンジンは、閉じるときにデッドボリュームを除去するためにカムシャフトによって変位モードにおいて作動可能なバルブを含んでよい。

バルブシステムは、燃焼−エキスパンダ、誘導−ディスプレーサ、エネルギー再生手段および大気−冷却器の間の連絡を制御するように構成されてよい。

エネルギー再生手段は、エネルギーを蓄積して、保存して、与えるように構成されて、作業ガスが流れることのできるフローパスを組み込んだリジェネレータエレメントを含んでよい。

本発明の目的は、内燃エンジンの効率を向上させることである。出発点は、非常に高いサイクル効率を有するエンジンおよび冷却損失の相当な減少につながる多くの利点を与える非圧縮エンジンである。圧縮を取り除くことは、作業ガスが最初に周囲温度であり、したがって、高い割合の排気熱を受け入れることができることを意味する。この熱から利益を得るために、熱の再生中にガスを一定ボリュームで閉じ込めることが必要である。冷却損失を回避するために、冷たい（ｃｏｏｌ）誘導プロセスは、熱い（ｈｏｔ）プロセスから分離した封じ込め（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）においてされなければならない。熱いプロセスの封じ込めは、理想的には、再生温度と周囲温度との間の温度で稼働できなければならない。これは、最高の設計温度および使用する膨張比率に応じて１０００Ｋおよび２０００Ｋの間にある。本発明のこの第１実施形態の徹底的な分析で、それが排気熱の全てを再生させる理想的な目的に対処することがまだできないことが分かった。これの理由は、リジェネレータを通って大気への排気は一定圧力のプロセスであり、一方、ガスの再生する加熱は一定ボリュームのプロセスであるからである。一定ボリュームのガスの熱容量は一定圧力の熱容量のわずか７０％であるので、マスフローおよび温度限界が同じであるにもかかわらず、移されるエネルギーは異なる。リジェネレータは、したがって、完全には冷やされなくて、したがって、周囲温度まで排気を冷却することが可能でない。したがって、若干のサイクル損失がある。

本発明の第２実施形態は、上で確認される不足を果たす。変位がこのとき一定ボリュームで発生するように、膨張後に、ガスは、リジェネレータを通って等しいボリュームのさらなる可変ボリューム機構内に移動する。再生は、現在終了していることがありえる。さらに、ガスは、現在まだその膨張したボリュームにあるが、周囲温度に戻っている。圧力は、したがって、大気圧以下になってよい。大気の仕事（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｗｏｒｋ）は、大気の力がガスを縮小させることができることによってなされ得る。しかしながら、これがなされる場合、排気が周囲温度を上回る結果、ガスは断熱的な加熱を受ける。これは、シリンダを冷やすことによって、ある程度減らすことができる。ガスが縮小するように水がガスへとスプレーされる場合、縮小は、しかしながらほぼ等温を示すことができる。この手段によって、サイクルにおける熱遮断のイベントは、カルノー効率を最大化する実質的に周囲温度である。例えば、廃棄物発電の電力で駆動される冷凍システムまたは冷却塔の蒸発冷却の使用によって給水を周囲温度以下に冷やす機会がある場合、効率のさらなる改良は得られることができる。

現在の技術のエンジンよりも効率的であるにもかかわらず、本発明の第１実施形態は、本発明の第２実施形態よりも効率的でないエンジンを提供する。この種のエンジンは、最小限のコストおよびサイズがきわめて重要である領域において用途を見つけることができる。

縮小ガスの水スプレー冷却は、それがさらなる圧力低下を生じさせる水素を含んだ燃料の燃焼によって形成される水を凝縮する付加的な利点を有する。熱いエンジンは、高温燃焼中に形成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を非常に制限することを要求される。これらのガスは冷水の限られた可溶性を有するので、プロセスは排気の洗浄において若干の利点を有する。これは、添加試薬によって改良されてよい。含硫黄燃料が燃焼する場合に発生することもできる硫黄酸化物は、冷水に非常に溶解する。若干の二酸化炭素は、冷水に溶ける。あるいは、水酸化アルカリ液は、排気からＣＯ_２を除去するために用いることができる。結果として生じる炭酸塩は、炭素隔離スキームにおいて処理されることができる。ＮＯｘの生成を封じ込める他の戦略は、エンジンが部分負荷で、したがって減じた燃料供給で作動するときに、過剰酸素がないことを確実にすることである。これは、排ガスを吸気と制御可能に混合することによってなされることができる。このプロセスは、エンジンを去る排ガスは冷たいという事実によって単純化される。あるいは、ＮＯｘの生成は、燃焼の最高温度を制限することによって減少することができる。実質的に１７００Ｋ以下の温度で、ＮＯｘは生じない。そして、それは最高２０００Ｋまで限界量において生成される。この対応温度は効率を低下させる影響を有する、しかし、この影響は熱遮断の異常に冷たい温度のせいで制限される。排気がごくわずかなエネルギーしか含まなくて、したがって、全く静かにエンジンを出ることは、明白である。上記の対策の結果として、冷たい排気になり、したがって、サイクル損失が最小化されることが確実になる。

冷却損失の課題は、熱い燃焼および膨張プロセスと封じ込めを形成する材料との間の温度の違いのせいで、残る。この温度差は、温度差に比例して材料への熱の対流を引き起こす。放射フローは、ガスのフォース力（ｆｏｒｔｈ ｐｏｗｅｒ）と壁の温度との間の違いに比例する。封じ込めの表面温度は、通常、可変ボリューム機構の範囲内でスライドシールを提供する必要性によって制限される。油潤滑については、壁の温度は、通常摂氏１５０〜３００の間にある。このために、高温耐性材料を使用する必要性が、ない。これは、従来のエンジンにおいて、サイクルの全ての熱い部分の全体にわたって熱いプロセスから熱が流出することを意味する。非圧縮プロセスから生じるより低い圧力は、非接触型シールの使用を可能にする。これは、材料の高温特性に限定要因を作っているスライドシールによって課される温度限定を除去する。温度が増加するにつれて、大部分の材料はより低い強度を有する。しかし、またも低圧レジームでは、非圧縮エンジンは、より高い圧力で作動するエンジンまたは遠心荷重が非常に高いタービンマシンと比較して、材料のより軽い要求をする。

アルミナおよび炭化硅素を含む技術的なセラミック材料は、高温および低膨張係数で強度を含む好ましい特性を有する。熱応力およびサーマルショックは、重要な設計考慮事項である。これらの材料を従来のエンジンに適用することは、しかしながら、そしてこれらの材料の特性と非圧縮エンジンの要求との間により大きい相乗効果があることは、この分野の多くの労働者の目的であった。薄い壁の構造物はこれらの状況において好ましい。そして、非圧縮エンジンのさらなる利点は、作動圧が薄い壁の封じ込めを可能にする圧縮エンジンよりも低いほぼ１桁であるということである。本発明は、現在のエンジンにおいて知られたサイズの範囲全体の用途を有してよい。熱い封じ込めコンポーネントが比較的小さい場合、それらを完全にセラミックから作ることは好ましい。それらがより大きい場合、セラミックライニング金属構造は好ましい。この手段によって、摂氏１４００の領域における閉じ込め（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）の壁の温度は、可能である。ガスから壁への伝熱は、したがって、著しく減少する。別の実施形態は、Ｈａｙｎｅｓ １１８、Ｈａｙｎｅｓ ２３０、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ ＸまたはＦｅｃｒａｌｌｏｙを含むステンレス鋼材あるいは熱い封じ込めのためのタングステンまたはタンタルを含む耐火性材料を含む高温合金を使用することができる。

非圧縮エンジンの比較的低い作動圧によって与えられるさらなる利点は、ガスをエキスパンダの範囲内に閉じ込めるためにポペットバルブを使用することが本質ではないことである。ポペットバルブには、バルブガイドが通路壁の中に支持されることができるために、それらが背後に曲がった通路を有しなければならない不利な点がある。この手段は、サイクルプロセスが複数の封じ込めで起こるエンジンにおいて特定の不利な点であるガスの相当なデッドボリュームである。一方または両方の部材の相対的な移動によりラメラ部材の範囲内でポートを制御可能に整列配置することによって作動するバルブが、非圧縮エンジンにおいて発生する圧力で用いられることができる。移動は、リニアでありえるか、回転することでありえるか、あるいはカムプレート、リンク機構、サーボ機構または他の任意の周知の手段によって定義されるより複雑なパスをたどることがありえる。回転機構は、円形の非接触シールが圧力を封じ込めるために用いることができる利点がある。従来の潤滑方法にとってはコンポーネントがあまりに熱いので、これは役立ってよい。低圧力および装置がストローク手段の膨張中に加圧されるだけであるという事実は、非接触型シールが容認できない損失を招かずに使われることができる。レース手段は、回転を容易にするために用いてよい。

あるいは、デッドスペースを最小化するように設計されるバルブシステムが使用されてよい。バルブを開閉する可動部がシリンダ内のピストンと類似のハウジングの横断面における締りばめを有する場合、これは達成可能である。バルブフェースがバルブを閉じるためにそのシート上へ低下するときに、バルブ内のガスはピストン運動によって移動する。このシステムは、静的リジェネレータの使用を可能にする。これは、動きによって生じる応力を維持するために充分な強さが材料の範囲内に残ることを確実にするために、リジェネレータ基材の使用可能な温度が制限されなければならないかもしれないという可動リジェネレータの不利な点のうちの１つを取り除く。

本発明のさらなる利点は、燃焼条件が従来のエンジンと異なることである。従来の圧縮点火エンジンにおいて、燃料は、圧縮によって加熱されたガスにスプレーされる。蒸気圧がガスの圧力を上回るにつれて、液滴は加熱されて、蒸発し始める。ガス圧が非常に高いので、燃料の沸点も高い。さらに、非常に冷たくて、燃焼上の急冷効果を有する封じ込め壁の隣に、空気の層がある。本発明において、ガスの温度は、従来の圧縮点火エンジンと同程度またはより高く、一方圧力は非常に低い。燃料は、したがって、より急速に蒸発する。さらに、高い壁の温度は、この領域の急冷効果を除去する。若干の用途における粉末固体燃料を含む広範囲にわたる燃料で作動するようにエンジンを設計することは、したがって可能である。

非圧縮エンジンのさらなる利点は、それらが高い仕事比を有することである。これは、仕事ストローク上の仕事量と比較したエンジンの正味の仕事出力の比率である。圧縮エンジンにおいて、仕事比は、圧縮仕事の必要によって減少する。高い仕事比を有するエンジンの利点は、低い仕事比を有するエンジンと比較して、実際的な効率が理論効率により近い傾向があるということである。

非圧縮エンジンの低圧に起因するさらなる利点は、封じ込め壁をより薄いできることである。これは、特に輸送用途においてそれ自体の利点でありさらに熱量をも減らす、エンジンの質量を減らす利点を有する。エンジンが断続的な要求に対して用いられる場合、これは、エンジンの質量を加熱することに関係する損失が最小化されることを意味する。加えて、簡単な始動は、結果として圧縮ストロークによりエンジンを回す必要がなくなり、それは出力が必要でない期間中はエンジンを止めて、これによりアイドリングの無駄なプロセスを実質的に減らすことをより便利にする。これがギアボックスの必要性を除去するので、海洋推進力のような若干の用途において、エンジンを随時逆方向に動かすことは便利である。バルブおよび誘導−ディスプレーサのための作動機構が正しく設計されるならば、これは可能である。説明は、ここまで、従来の単一シリンダエンジンに相当するシングル作動モジュールに向いていた。本発明は、従来の複数シリンダエンジンに相当するマルチモジュールデザインに等しくあてはまる。マルチモジュールユニットは、より滑らかな出力送出の、および往復動式コンポーネントから慣性力をキャンセルすることの利点を提供して、そして自己スタートに設計することができる。下記の詳述から、エンジンがモジュールごとに２つか３つの可変ボリューム機構を有する点に注意される。マルチモジュールユニットにおいて、異なる数の各タイプの可変ボリューム機構を有することは、パッケージの理由のために便利でもよい。例えば、１つの誘導−ディスプレーサは、複数の燃焼−エキスパンダを扱ってよい。

圧縮エンジンの望ましくない特性は、エンジンが最低回転数以下で作動する場合、それは圧縮ストロークを完了することが可能でなくて、失速が発生することである。非圧縮エンジンは、等価な特性を有しない。それがその速度を維持するその能力を越えて負荷を掛けられる場合、それはスムーズに減速して最終的に停止する。

使用するコンポーネントの多数は、表面上は先行技術エンジンで使用するコンポーネントと類似する。機能はしかしながら異なるので、混乱を避けるために、以下の条件は定められる。

［非圧縮エンジン］
非圧縮エンジンは、容積式エンジンであり、ガスのサイクリックベースの個別的な量がエンジンへと引き込まれて、それから、圧縮プロセスにおいて減少されるボリュームを最初は有しないでその圧力を増加させるために加熱される。

［再生エンジン］
再生エンジンは、膨張後にガスに残っている熱が捕えられて、その熱効果を燃焼によって必要とされる熱の量を減らすために用いることができる位置で次のサイクルに戻すエンジンである。これは、燃料の要求を減らして、したがって効率を上昇させる。

［再生手段］
再生手段は、熱の再生を容易にすることができる任意の構成のコンポーネントである。機械動力を生成することができるすべての熱力学サイクルは、サイクルにおける１つの相でより高い温度で熱を受け入れて、そしてサイクルのその後においてより低い温度で熱を遮断する。遮断された熱のいくらかまたは全ては、したがって、それに続くサイクルの加熱イベントまで、暫時格納されなければならない。下で定められるリジェネレータは、これを達成する好適な方法である。代替法は、流れのガスの２つの量が、広い領域を有してかつより熱い流れからより冷たい流れまで熱を伝えることが可能な固体表面によって切り離される熱交換器である。熱の遮断および受け入れイベントとの間の時間的不一致は、複数のモジュールを有するエンジンを有することによって対処することができる。熱の遮断イベントが熱の受け入れイベントと同時に起こるように、そして、一方のモジュールにおいて遮断された熱が他方において受け入れられることができるくらい流れが相互接続するように、２台のモジュール間の相差は構成される。

［可変ボリューム機構］
可変ボリューム機構は、その内部ボリュームを変化させることができる機構である。バルブシステムと連動して使われるときに、ボリューム変化はガスを機構内へとまたはそれから移動させることがありえる。バルブシステムがガスを可変ボリューム機構内に閉じ込めるときに、機構のボリュームを変化させることは、ガスのボリュームを変化させる。多くの他の可変ボリューム機構が公知であり、本発明はこれらに等しくあてはまるにもかかわらず、シリンダ内において移動するピストンは、最も周知の可変ボリューム機構であって、本発明にとって好適な機構である。好ましくは、最小限のボリュームまたはクリアランスボリュームは、デッドボリュームを減らすためにできるだけ小さくされなければならない。

［誘導−ディスプレーサ］
誘導−ディスプレーサは、あるボリュームのガスを引き込んで閉じ込める可変ボリューム機構である。それはその後、このガスを実質的に一定ボリュームで燃焼−エキスパンダへと移す。

［燃焼−エキスパンダ］
燃焼−エキスパンダは、誘導−ディスプレーサよりも２〜２０倍、好ましくは５〜１２倍大きい最大ボリュームの可変ボリューム機構である。それはそのストロークの最初の部分中に、誘導−ディスプレーサから前記ボリュームのガスを受け取る。そこにおいて、増加するボリュームの割合は、誘導−ディスプレーサにおいて減少するボリュームの割合と実質的に同様にされる。ガスは、したがって、実質的に一定のボリュームで残る。燃焼プロセスが、変位中にまたは変位の直後に燃焼−エキスパンダにおいて起こる。それは、その後、熱いガスが膨張して熱の一部を仕事に変換することができるそのストロークを完了する。戻りストロークは、その後、ガスを燃焼−エキスパンダから大気−冷却器へと移す。

［大気−冷却器］
大気−冷却器は、燃焼−エキスパンダと実質的に同じ最大および最小ボリュームの可変ボリューム機構である。大気−冷却器は、そのボリュームを増加させるストロークの全体中に、実質的に一定のボリュームで燃焼−エキスパンダから移されるガスを受ける。大気−冷却器の壁は低温に維持される。そしてそれは、熱を取り除くためにガスに冷たい液体をスプレーすることができる内蔵スプレーシステムを取り付けてよい。冷やされたガスが大気圧以下であるにつれて、大気−冷却器のボリュームを減らすストロークは大気の仕事を生成する。一旦ガス圧が大気と釣り合うと、バルブは大気に対して開き、そして、ガスおよび任意の水は大気へとまたは排気システムへと移される。そしてそれは、ガスから水を分離することができて、ガスの一部を、必要であれば吸入プレナムにまたは適切な放出ポイントに導くことができる。別の実施形態において、膨張および結果として生じる機械的出力変換は、タービン羽根車のブレードに影響を与えるためにノズルを通ってガスを膨張させることによって達成されてよい。

［バルブシステム］
バルブシステムは、制御可能に開閉することができて、誘導−ディスプレーサと燃焼−エキスパンダとの間の、および燃焼−エキスパンダと大気−冷却器との間のガスフローを可能にする機構である。

［吸気バルブ］
吸気バルブは、大気からまたは誘導プレナムチャンバから誘導−ディスプレーサへのガスの流れを許容する制御されたまたは自己作動のバルブである。

［排気バルブ］排気バルブは、大気−冷却器から大気へのまたは排気システムへのガスの流れを許容する制御されたまたは自己作動のバルブである。

［リジェネレータ］
リジェネレータは、平行プレート配列、管状アレイまたはメッシュエレメントのスタックを含む、高い表面積を有する、そして好ましくは膨張後にガス中に残っている付加的な熱の量よりも大きい全体の熱容量を有する、微細に分かれた構造である。構造および材料は、例えば、ガスの温度および温度サイクルのサーマルショックに耐えるものである。バルブシステムは、リジェネレータを介して、誘導−ディスプレーサと燃焼−エキスパンダとの間に、および燃焼−エキスパンダと大気−冷却器との間に流れを作ることができる位置に据え付けられる。いくつかの実施形態において、それは、バルブシステムと一体化されてもよい。

本明細書において記載される本発明の実施形態は、非限定的である。

本発明の実施形態は、単に例としてのみ添付図面を参照して記述される。
図１は、本発明の第１実施形態のためのありうる構成を例示する。 図２は、本発明の第１実施形態の変位相の作動を例示する。 図３は、本発明の第１実施形態の燃焼相の作動を例示する。 図４は、本発明の第１実施形態の膨張相の作動を例示する。 図５は、本発明の第１実施形態の排気および誘導相の作動を例示する。 図６は、本発明の第２実施形態のためのありうる構成を例示する。 図７は、本発明の第２実施形態の作動の変位相を例示する。 図８は、本発明の第２実施形態の燃焼相の作動を例示する。 図９は、本発明の第２実施形態の膨張および排気相の作動を例示する。 図１０は、本発明の第２実施形態の大気の冷却相の作動を例示する。 図１１は、圧力対ボリュームおよび温度対エントロピー線図を示す本発明の第２実施形態の熱力学サイクルを視覚的に例示する。 図１２は、誘導−ディスプレーサ、燃焼−エキスパンダおよび大気−冷却器の全てが同じ方向から駆動される本発明の実施形態を例示する。

少なくとも１つの可変ボリューム機構および再生手段を有する非圧縮エンジンの組み合わせにおいて、ガスの作業ボリュームは前記エンジンに引き込まれる。前記ガスは、最初に圧縮を受けることなく実質的に一定のボリュームで熱を供給される。そして、熱の一部は、サイクルの初期において続くステージからの移動により再生手段によって前記ガスに供給される。

本発明の好ましい第１実施形態は、誘導−ディスプレーサ１および燃焼−エキスパンダ２の２つの可変ボリューム機構を備える。ガスの作業ボリュームは、誘導−ディスプレーサ１に引き込まれる。それは、次に、リジェネレータ５を通ってリジェネレータ５からガスへ移される熱とともに実質的に一定のボリュームで燃焼−エキスパンダ２内へと変位する。燃焼−エキスパンダ２のガスは、次に仕事を引き出すために膨張する燃料の燃焼によって、その後さらに加熱される。ガスは、その後、燃焼−エキスパンダ２からリジェネレータ５を通ってガスからリジェネレータ５へ熱を移しながら排気するために変位する。燃焼−エキスパンダ２の作動中、誘導−ディスプレーサ１は、ガスの次の作業ボリュームを引き込む。そして、サイクルはその後繰り返される。

本発明の好ましい第２実施形態は、誘導−ディスプレーサ１および燃焼−エキスパンダ２および大気−冷却器３のように３つの可変ボリューム機構を備える。ガスの作業ボリュームは、誘導−ディスプレーサ１に引き込まれる。それは、次に、リジェネレータ５を通ってリジェネレータ５からガスへ移される熱とともに実質的に一定のボリュームで燃焼−エキスパンダ２内へと変位する。燃焼−エキスパンダ２のガスは、次に作業を引き出すために膨張する燃料の燃焼によって、その後さらに加熱される。ガスは、その後、リジェネレータ５を通ってガスからリジェネレータ５へ熱を移しながら実質的に一定のボリュームで大気−冷却器３へと変位する。ガスは今や大気圧以下であり、大気の仕事をしながら大気−冷却器３において縮小される。任意に、大気−冷却器３の範囲内の散水は、縮小が実質的に等温を示すために用いてよい。大気−冷却器３の中のガスの圧力が大気の圧力と一旦釣り合うと、それは大気−冷却器３から排気される。燃焼−エキスパンダ２および大気−冷却器３の作動中、誘導−ディスプレーサ１は、ガスの次の作業ボリュームを引き込む。そして、サイクルはその後繰り返される。

本発明の両方の実施形態において、燃焼−エキスパンダ２は、ステンレス鋼、高温合金およびエンジニアリングセラミックスを含む高温材料からそれを作ることによって高温で作動するように設計されることが好ましい。そして、ボリュームのバリエーションを容易にするスライドシール機構は、ラビリンスシールまたは空気軸受手段を含む非接触タイプでなければならない。

図１に関連して、本発明の好ましい第１実施形態のエンジンは、より小さい作業ボリュームの少なくとも１つの可変ボリューム機構、およびより大きい作業ボリュームの少なくとも１つの可変ボリューム機構を備える。ピストンおよびシリンダは、可変ボリューム機構のよく知られた例である。しかし、羽根、ネジ、スクロールおよびダイアフラム機構ならびに、ピストン類似体が回転対称のボアの範囲内で円形パスに沿って、およびバンケルエンジンと類似の外トロコイドチャンバに基づいて、移動するかまたは往復運動する機構は、もっとたくさん知られている。より小さい可変ボリューム機構は、誘導−ディスプレーサ１である。より大きい可変ボリューム機構は、燃焼−エキスパンダ２である。可変ボリューム機構は、バルブシステム４を介して互いに制御可能な連絡状態にある。バルブシステム４は、リジェネレータ５を組み込み、そして、好ましくは最小限の内部ボリュームを有する。図では、バルブは、ガス通路を囲んでいるラビリンスシールを有するボールベアリングで動くディスクの形態をとる。より大きいスケールのそれらのようないくつかの実施形態では、リジェネレータ５を可動バルブシステム４コンポーネント上に載置することは適当でなくてもよく、バルブシステム４コンポーネントをリジェネレータ５から切り離す代わりの構成が好ましくてよい。ディスクの回転は、誘導−ディスプレーサ１または排気ポート１２からの通路と一直線上に、あるいは両方のポートが閉じる中間位置に、リジェネレータ５を移動することができる。誘導−ディスプレーサ１は、吸気バルブ６を介して大気と連絡状態にある。そして吸気バルブ６は、図示のように制御されてよいかまたは自己作用してよい。燃焼−エキスパンダ２は、制御可能なバルブシステム４を介して大気と連絡状態にある。そしてバルブシステム４は、リジェネレータ５を介して大気への排気ポート１２に燃焼ガスを導く。

誘導−ディスプレーサ１およびバルブシステム４は、タイミング機構２５（図１２参照）によって作動される。これらは、レバー、結合カムプレートまたはラックピニオンを含む機構によって往復動式コンポーネントに、あるいはカムシステムを含むさまざまな機構によって回転コンポーネントに、機械的に接続されてよい。あるいは、それらは、エンジン管理システムの制御中で、電気的に、油圧式に、または空気作用によりドライブされることができる。これは、広範囲にわたる負荷および速度状況を通じて作動しなければならないエンジンにおいて利点があってよい。

図４および図５に関連して、作動中に、空気は、大気から誘導−ディスプレーサ１内に吸い込まれて、吸気バルブ６によって閉じ込められる。図において、ピストンの移動方向は、矢印によって示される。図１に関連して、バルブシステム４は、それから、その熱い状態にあるリジェネレータ５を介して、誘導−ディスプレーサ１を燃焼−エキスパンダ２と連絡状態に置く。空気は、それから、リジェネレータ５を通って変位してそして熱くなり、一方リジェネレータ５は冷たくなる。誘導−ディスプレーサ１のボリュームが減少するのと同じだけ燃焼−エキスパンダ２のボリュームが増加するので、この変位は、実質的に一定のボリュームである。バルブシステム４は、それから、燃焼−エキスパンダ２の中でガスを隔離する閉位置へ移動する。可燃性の液体、気体または粉末固体でよい燃料は、少なくとも１つの噴射ノズル１０からホットガス中に注入される。その結果、燃焼が生じて、ガスはさらに加熱される。燃焼が一定ボリュームであるという利点がある反面、誘導−ディスプレーサ１が燃焼圧に従属するという不利点を有する変位中も、燃焼は、発生することができる。あるいは、誘導−ディスプレーサ１が燃焼圧に従属しないが、しかし、燃焼−エキスパンダ２内のボリュームを不連続な方法において変化させる機構が使用されない限り燃焼が一定ボリュームではないことを意味するバルブの閉鎖後に、燃焼は、発生してもよい。燃焼−エキスパンダ２は、それから、図４のようにガスを２〜２０倍の容積比まで膨張させる。仕事は、この膨張中に伝えられて、任意の既知の手段によって、機械的な、電気的な、油圧的な、または空気圧的な出力に変換されることができる。図では、クランク軸に接続されることができるコンロッド９は、示される。ピボットピン８およびピストンロッドの運動は、明確にするため示されないリニア軸受によって拘束されることに注意されたい。図５に関連して、膨張ストローク終了後、バルブシステム４は、その冷たい状態にあるリジェネレータ５を介して、燃焼−エキスパンダ２を大気と連絡させる。燃焼ガスは、その熱をリジェネレータ５に与えながら一定圧力で大気中へと変位する。そして、リジェネレータ５はその熱い状態に戻る。燃焼−エキスパンダ２の膨張および排気プロセスが起こる間に、誘導−ディスプレーサ１は、新たなガスを吸気する。サイクルは、その後繰り返される。

再生は、したがって、サイクル損失を実質的に減少させた。冷却損失は、燃焼−エキスパンダ２が非常に高い温度で作動することができることによって最小になる。これを容易にするために、燃焼−エキスパンダ２は、ステンレス鋼、高温合金またはエンジニアリングセラミックスを含むグループからの耐熱材料でできている。図６に関連して、スライドシールの油潤滑の問題は、コンポーネントを、図示されないリニア軸受によって案内されて、そしてラビリンスシールまたは空気軸受手段のいずれかを使用する小さいクリアランスで作動するように調整することによって、回避される。図は、シリンダ壁１４の近くにあってしかし接触していない畝状の隆起をつけられたピストンの側面１３を示す。他の実施形態において、畝状の隆起はシリンダ壁１４上に形成されてよく、一方、ピストンの側面１３は滑らかであるか、またはピストンの側面１３およびシリンダ壁１４の両方が畝状の隆起をつけられてよい。このアプローチは、ガスが圧力をかけられているサイクルおよびガスが加圧される程度の範囲内での延べ時間のせいで、圧縮エンジンでは実行不可能である。そしてそれは、容認できない圧力損失を生じさせる。この方法は、燃焼−エキスパンダにおいて摩擦損失を除去するさらなる利点を有する。サイクル損失および冷却損失の両方を最小化することによって、サイクルは、高い効率を有する。加えて、低圧力は、燃焼−エキスパンダ２が薄い壁の軽量構造を有することを可能にする。圧縮ストロークの欠如によってエンジンは始動するのが容易になり、そして、それはほとんどフライホイール効果を必要としない。

一旦エンジンがその作業温度であると、熱い再生ガスおよび白熱の封じ込めは、燃料を壁の近くで急冷効果なしに注入に応じて自発的に燃焼させる。それは、エンジンに広範囲にわたる燃料によって作動する能力を与える。しかしながら、冷寒時始動のために、点火システムは必要とされる。これは、グロープラグ、スパークプラグ、電気的に加熱されるリジェネレータ、シリンダの全部または一部を電気的に加熱することを含む任意の既知の手段によって、または燃焼によって、またはレーザーベースの点火システムによって、なされることができる。熱いエンジンでよく燃焼する若干の燃料は、作動の開始相にとって不適当でもよいので、この場合、補助的な開始時燃料システムは設けられる。

本発明の第１実施形態は、増加した複雑さの代価で効率向上に影響されやすい。リジェネレータ５は、すべての排気熱を捕獲することが理想的に可能でない。これは、誘導−ディスプレーサ１からリジェネレータ５を通って燃焼−エキスパンダ２への空気の流れが一定ボリュームで発生する一方、リジェネレータ５を通る排ガスの流れが一定圧力で発生することがその理由である。一定ボリュームの空気の熱容量は一定圧力の熱容量のわずか７０％であるので、リジェネレータ５は、誘導−ディスプレーサ１から移されるガスによって周囲温度まで完全には冷やされなくて、したがって、排気熱のわずか７０％を受け入れることが理想的に可能である。

本発明の第２の好ましい実施形態によれば、熱再生および追加の大気中のストロークを有する非圧縮内燃エンジンは、開示される。

図６に関連して、このエンジンは、３つの可変ボリューム機構の少なくとも１つのセットを備え、そのうちの１つは、他の２つの実質的に等しいサイズのものよりも小さい作業ボリュームを有する。より小さい可変ボリューム機構は、誘導−ディスプレーサ１である。第１のより大きい可変ボリューム機構は、燃焼−エキスパンダ２であり、第２のより大きい可変ボリューム機構は、大気−冷却器３である。３つの可変ボリューム機構は、リジェネレータ５を組み込み、かつ、最小限の内部ボリュームを有するバルブシステム４を介して、互いに制御可能な連絡状態にある。誘導−ディスプレーサ１は、制御されてよくまたは自動でよい吸気バルブ６を介して大気と連絡状態にある。

大気−冷却器３は、制御されてよくまたは自動でよい排気バルブ７を介して大気と連絡状態にある。

作動中の図９および図１０に関連して、空気は、大気から誘導−ディスプレーサ１内に吸い込まれて、吸気バルブ６によって閉じ込められる。図７に関連して、バルブシステム４は、それから、熱い（ｈｏｔ）状態にあるリジェネレータ５を介して、誘導−ディスプレーサ１を燃焼−エキスパンダ２と連絡させる。空気は、それからリジェネレータ５を通って移動して熱くなり、一方、リジェネレータ５は冷たくなる。燃焼−エキスパンダ２のボリュームが誘導−ディスプレーサ１のボリュームの減少と同じ率で増加するので、この変位は、実質的に一定のボリュームである。図８に関連して、バルブシステム４は、それから閉じて、ガスを燃焼−エキスパンダ２内に閉じ込める。液体、ガスまたは粉末固体でもよい燃料は、少なくとも１つの噴射ノズル１０を介して熱い（ｈｏｔ）ガス内に注入されて、それをさらに加熱する。これは、燃焼が一定ボリュームであるという利点がある反面、誘導−ディスプレーサ１が燃焼圧にさらされるという不利がある変位中も、発生する。あるいは、燃焼は、バルブが閉じたのち発生してよい。そしてそれは、誘導−ディスプレーサ１が燃焼圧にさらされない反面、燃焼が一定ボリュームでないことを意味する。図９において、燃焼−エキスパンダ２は、それから２〜２０倍の比率までガスを膨張させる。この膨張中に、仕事はコンロッド９に移される。膨張ストローク終了後の図１０に関連して、バルブシステム４は、冷たい（ｃｏｏｌ）状態にあるリジェネレータ５を介して、燃焼−エキスパンダ２を大気−冷却器３と連絡させる。この時、燃焼ガスは一定ボリュームで大気−冷却器３内へ移動して、その熱をリジェネレータ５に与える。ガスの最初のボリュームは、現在再び実質的に周囲温度であるが、しかし、圧力が現在部分真空である結果、非常に大きいボリュームである。図８および図９に関連して、バルブシステム４は、それから閉じる。そして、大気のストロークは、大気−冷却器３のボリュームがさらなる仕事を移しながら内外圧力が等しくなるまで大気圧によってドライブされて縮小することとして起こる。最高効率のために、散水１１は、その縮小を冷やしてそれを等温近くに示すために任意に用いてよい。これは、エンジン効率を約７％まで増加させることができる。一旦圧力が大気と等しくなると、排気バルブ７は開いて、ガスおよび水を放出する。水は、ガスから切り離されてよく、熱交換において冷却されてよく、再利用されてよい。

これは、サイクルが燃料の断熱的な燃焼温度で熱を受け入れて、周囲温度近くで熱を遮断して、実質的にすべての排気熱を再生させる利点がある。図１１に関連して、本発明の改良版のサイクルの特徴を描写する圧力対ボリュームおよび温度対エントロピー線図は、示される。当業者は、これらがオットーサイクル、ディーゼルサイクルおよびジュール−ブレイトンサイクル、あるいはスターリングまたはエリクソン・サイクルのような周知のサイクルと全く異なることに気づく。線図において、ＡからＢへのプロット（ＡからＲが再生する加熱である一方、ＲからＢが燃焼による加熱である）は、一定ボリュームの加熱を表す。ＢからＣへのプロットは、断熱膨張を表す。ＣからＤへのプロットは、リジェネレータ５への熱遮断を表す。ＤからＡへのプロットは、大気圧への等温縮小を表す。温度エントロピー線図は、Ｃ−Ｄ相において遮断される熱の限界温度が加熱相Ａ−Ｂによって完全に含まれることを示す。したがって、Ｃ−Ｄ相において遮断される熱の再生によってＡからＲまで熱を提供することは可能であり、そして、燃料の燃焼からの熱はＲからＢまでのみ必要である。一定ボリューム燃焼プロセスは可逆でないので、このサイクルは、カルノー限界に等しい効率を達成しない。しかしながら、材料が連続的に耐えることができる限度よりも上に行くことができる一過性の温度上昇は、カルノー限界がより高いので、全体の効率がより大きいことを意味する。

燃焼−エキスパンダ２が非常に高い温度で作動することが可能であるので、冷却損失は、本発明の第１実施形態において記載されたのと同じ手段によって最小にされる。コンポーネントの多くの配置は、本発明の意図の範囲内で可能である。示される配置は、熱い閉じ込めと冷たい閉じ込めとの間の伝熱を最小にするためにそれらを切り離す利点がある。好ましくは他の対策は、バルブシステム４およびリジェネレータ５の範囲内での断熱対策および放射熱を反射し含むシールドを含む燃焼−エキスパンダ２からの熱損失を最小にするためにとられなければならない。

別の実施形態は、図１２に示される。このバージョンにおいて、誘導−ディスプレーサ１、燃焼−エキスパンダ２および大気−冷却器３は全て、同じ方向から駆動される。燃焼−エキスパンダおよび大気−冷却器は、それらが１８０°異なる位相で駆動されるように、従来のクランクシャフト２４に接続される。誘導−ディスプレーサ１は、非常に短いストロークを有する。そして、不連続な運動は、カムフォロワ子２３に係合する正面カム２２によって制御される。シリンダ間のガスの流れは、一組のバルブ４によって制御される。そしてそれは、それらが閉じるときにそれらがデッドボリュームを除去するように変位モードで作動する。これらは、クランクシャフトに取り付けられるスプロケット２６からタイミングベルトまたはチェーン２５によって駆動されるカムシャフト２１によって制御される。本実施形態において、吸気バルブ６および排気バルブ７もまた、カムで作動される。

さらなる利点は、排気が実質的に大気圧および大気温度でエンジンを離れて、したがって、大きいサイレンサを必要とすることなく本質的に静かであるということである。散水オプションが用いられる場合、エンジンの効率を改善するだけでなく、それは、水および窒素酸化物または若干の燃料中に存在する硫黄を含む排気から可溶性のガスを除去する。窒素酸化物の生成は、燃焼プロセスがほとんどまたは全く過剰酸素を有しないことを確実にするために、排ガスと吸気との割合を制御可能に混合することによって制御することもできる。

本明細書において本発明の基礎を形成する大部分の原理は、当該技術にとって１世紀以上の間公知だった。しかしながら、開示される組み合わせおよび順序は、現代技術のエンジンの２つの大きいエネルギー変換損失モードについて新しくてかつ効果的に述べて、多くの付加的な利点を提供する。それは、したがって、相当なおよびこれまで実現されていない利点を提供する。

さまざまな修正は、特許法によって解釈されるように添付の請求の範囲によって定義される本発明の範囲内において、図示の実施形態に対してなされてよい。

Claims (25)

1. サイクルにおいて作動するように構成され、かつエネルギー再生手段を含む非圧縮エンジンであって、
   前記エンジンは、前記サイクルにおいて作動するように構成される可変ボリューム手段を有し、前記エネルギー再生手段は、前記可変ボリューム手段から去るエネルギーの一部が前記可変ボリューム手段に戻るように構成され、
   前記エンジンは、ガスの作業ボリュームを前記エンジンに引き込むための手段を含み、
   前記エンジンは、前記エネルギー再生手段へのまたはからの作業ガスの流れを制御するためのバルブシステムを含み、
   前記バルブシステムは、前記可変ボリューム手段、前記ガスの作業ボリュームを前記エンジンに引き込むための手段、および前記エネルギー再生手段の間の連絡を制御するように構成される、非圧縮エンジン。
2. 前記エネルギー再生手段は、ガスの前記作業ボリュームに実質的に一定ボリュームで熱を供給するように構成される、請求項１に記載の非圧縮エンジン。
3. 前記エネルギー再生手段は、前記可変ボリューム手段の前記サイクルにおいて作業ガスからエネルギーをとり、そして前記可変ボリューム手段のその後のサイクルにおいて熱としてそれを戻すように構成される、請求項１または２に記載の非圧縮エンジン。
4. 前記可変ボリューム手段は、燃焼−エキスパンダを含む、請求項１に記載の非圧縮エンジン。
5. 前記燃焼−エキスパンダ内へのその中での燃焼用の燃料の導入のために位置する燃料入口を含む、請求項４に記載の非圧縮エンジン。
6. 前記燃焼−エキスパンダは、ピストンおよびシリンダを備える、請求項４に記載の非圧縮エンジン。
7. 前記燃焼−エキスパンダは、ラビリンスシールまたはその可動部間の空気軸受手段を有する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の非圧縮エンジン。
8. 前記燃焼−エキスパンダは、タービン羽根車にノズル経由で接続される燃焼室を備える、請求項４に記載の非圧縮エンジン。
9. 前記燃焼−エキスパンダは、ステンレス鋼、高温合金およびエンジニアリングセラミックスを含むグループから選択される耐熱材料から作られる、請求項４に記載の非圧縮エンジン。
10. 前記バルブシステムは、その上に位置する前記エネルギー再生手段を有する可動部材を含む、請求項１に記載の非圧縮エンジン。
11. 前記可動部材は、燃焼−エキスパンダに入る作業ガスにエネルギーを供給する第１位置と、前記燃焼−エキスパンダから去る作業ガスから熱をとる第２位置との間で、前記エネルギー再生手段の回転移動を提供するように構成される回転可能なディスクを備える、請求項１０に記載の非圧縮エンジン。
12. 前記可変ボリューム手段は、吸気バルブを有する誘導−ディスプレーサを含む、請求項１に記載の非圧縮エンジン。
13. 前記誘導−ディスプレーサは、ピストンおよびシリンダを備える、請求項１２に記載の非圧縮エンジン。
14. 前記可変ボリューム手段は、大気のストローク手段を含む、請求項１に記載の非圧縮エンジン。
15. 前記大気のストローク手段は、大気−冷却器を含む、請求項１４に記載の非圧縮エンジン。
16. 前記大気−冷却器は、ピストンおよびシリンダを備える、請求項１５に記載の非圧縮エンジン。
17. 前記大気−冷却器は、熱を取り除くために前記ガスへと液体を吹付けるためのスプレーシステムを含む、請求項１５に記載の非圧縮エンジン。
18. 前記大気−冷却器は、大気と連絡する排気バルブを有する、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の非圧縮エンジン。
19. 誘導−ディスプレーサ、燃焼−エキスパンダおよび前記大気−冷却器を駆動するように構成されるクランクシャフトを含む、請求項１８に記載の非圧縮エンジン。
20. 前記燃焼−エキスパンダおよび前記大気−冷却器は、互いに１８０°異なる位相で駆動される、請求項１９に記載の非圧縮エンジン。
21. 前記誘導−ディスプレーサは、前記燃焼−エキスパンダおよび前記大気−冷却器よりも短いストロークを有する、請求項２０に記載の非圧縮エンジン。
22. 前記誘導−ディスプレーサを制御するために前記クランクシャフトによって駆動可能な正面カムおよびカムフォロワを含む、請求項２１に記載の非圧縮エンジン。
23. 閉じるときにデッドボリュームを除去するためにカムシャフトによって変位モードにおいて作動可能なバルブを含む、請求項２２に記載の非圧縮エンジン。
24. 前記バルブシステムは、燃焼−エキスパンダ、誘導−ディスプレーサ、前記エネルギー再生手段および前記大気−冷却器の間の連絡を制御するように構成される、請求項１５に記載の非圧縮エンジン。
25. 前記エネルギー再生手段は、エネルギーを蓄積して、保存して、与えるように構成されて、作業ガスが流れることのできるフローパスを組み込んだリジェネレータエレメントを含む、請求項１に記載の非圧縮エンジン。

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