JP7220668B2 - スプリットサイクル内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、スプリットサイクル内燃エンジンの分野に関する。

ディーゼルやオットーサイクルを用いた従来の内燃エンジンは、通常、同一シリンダ内で圧縮と燃焼／膨張との両方を行う。一方、スプリットサイクル内燃エンジンは、別々のシリンダ内で圧縮段と燃焼／膨張段とを行う。このようなエンジンでは、空気が圧縮された状態で、流体は、圧縮シリンダ内に噴射され得る。これは、圧縮ストロークの間に生成された熱の一部が吸収されて、圧縮が少なくとも準等温と見なされ得るようになるという効果が得られる。

ＷＯ ２０１０／０６７０８０ Ａ１は、液体窒素が冷却剤として機能するために、液体窒素を圧縮シリンダ内に噴射するように構成される、スプリットサイクル往復ピストン式エンジンを開示している。

本発明の各態様は、独立請求項に示され、任意選択の特徴は、従属請求項に示される。本発明の態様は、互いに関連付けて提供され得て、ある態様の特徴を別の態様に適用され得る。

本発明の各実施形態を、以下の添付の図面を参照しながら、例示として説明する。
スプリットサイクル内燃エンジン装置の一例の模式図である。 スプリットサイクル内燃エンジン装置の一例の模式図である。 図１，２のエンジンでの使用に適した使用方法を示すフローチャートである。 図１，２のエンジンでの使用に適した噴射装置の模式図である。 図１，２のエンジンでの使用に適したフィルタシステムの模式図である。 図１，２のエンジンに使用される液体冷却剤槽の一例の模式図である。 図１，２のエンジンに使用される液体冷却剤槽の一例の模式図である。 図１，２のスプリットサイクルエンジン装置に使用される、図６ａ，６ｂにより説明および図示される液体冷却槽の別の構成を示す図である。 例えば、図１，２のスプリットサイクルエンジン装置などの、スプリットサイクルエンジン装置の圧縮シリンダ内に液体冷却剤の一例として水と液体窒素とを導入することによる、仕事量と量との変化の仕方を示すグラフである。 空気対液体窒素比０．１と空気対水比０．２との場合の圧縮シリンダ１０に入る空気の供給温度の変化による影響を示すグラフである。

図１は、異なる２種類の液体冷却剤を使用するように構成されるスプリットサイクル内燃エンジン装置１００を示す。２種類の液体冷却剤は、異なる熱特性を有するもので、かつ、この２種類の液体冷却剤の組合せを用いることでエンジン性能の向上が得られるように選択される。少なくとも一方の液体冷却剤は、冷却処理を経て液相に圧縮されている。このスプリットサイクル内燃エンジンは、制御部を備える。同制御部は、動作時に、圧縮ストロークの間に液体冷却剤が気相へと蒸発し、圧縮ストロークにより生じる温度上昇が冷却剤による熱吸収によって制限されるように、少なくとも１つのエンジンパラメータの指標を受信し、同指標を用いて少なくとも一方の液体冷却剤のスプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダへの液体状態での供給（例えば、直接噴射による供給）を制御する。そのため、制御部は、例えば、エンジンについての要求に基づいて選択可能な冷却剤の組合せを供給するように構成される。例えば、少なくとも一方の液体冷却剤は、液体冷却剤の相変化（例えば、液体冷却剤が気化する際の気化潜熱）が、圧縮ストロークにより生じる温度上昇を制限するように選択される。これにより１回の圧縮ストロークにおける空気量が増して、エンジン効率を高めることができる。エンジン効率の向上には明らかな環境上の利点がある

図１は、圧縮シリンダ１０と燃焼シリンダ２０とを備えたスプリットサイクル内燃エンジン装置１００を示す。圧縮シリンダ１０は、連結ロッド５２を介してクランクシャフト７０の一部で各クランクに接続された圧縮ピストン１２を備える。燃焼シリンダ２０は、連結ロッド５４を介してクランクシャフト７０の一部で各クランクに接続された燃焼ピストン２２を備える。圧縮シリンダ１０は、レキュペレータ３０を介して燃焼シリンダ２０に接続される。圧縮シリンダ１０は、エンジンの外側から空気を受ける吸気口８と、レキュペレータ３０に接続された排気口９と、を備える。排気口９は、圧縮空気が圧縮シリンダ１０に逆流できないように、逆流防止弁を備える。燃焼シリンダ２０は、レキュペレータ３０に接続された吸気口１８と、排気ガスを燃焼シリンダ２０から排気管９５に送る排気口１９と、を備える。これらの連結部は、レキュペレータ３０を介した圧縮シリンダ１０と燃焼シリンダ２０との間の空気の流路を形成する。

スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、さらに、第１液体冷却剤槽４０と、第２液体冷却剤槽５０と、制御部６０と、燃料槽８０と、を備える。第１液体冷却剤槽４０は、第１噴射装置１４を介して圧縮シリンダ１０に接続され、それにより第１液体流路が画定される。第２液体冷却剤槽５０は、第２噴射装置１６を介して圧縮シリンダ１０に接続され、それにより第２液体流路が画定される。燃料槽８０は、第３噴射装置８２を介して燃焼シリンダ２０に接続され、それにより燃料槽８０と燃焼シリンダ２０との間に流体流路が画定される。

スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、制御部６０に接続された複数のセンサ（黒点で表示）を備える。しかし、当然のことながら、図示のセンサは単に一例であり、数や設置個所が異なるセンサでもよいことが理解されよう。例えば、吸気口８が温度センサを備えてもよい。センサは、有線または無線で制御部６０に接続され得る。図１に示される例では、圧縮シリンダ１０内に圧縮センサ１１がある。例えば、このセンサは、吸気口８、もしくは噴射装置１２，１４のいずれかまたは両方に近接して搭載される。図１に例示されるスプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、さらに、燃焼シリンダ２０内に燃焼センサ２１と、レキュペレータ３０内にレキュペレータセンサ３１と、を備える。さらに、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、クランクシャフト７０に搭載されたクランクセンサ７１と、燃焼シリンダ２０の排気口１９の下流に位置した排気センサ９１と、を備える。いくつかの例では、第１液体冷却剤槽４０と、第２液体冷却剤槽５０とは、例えば、第１液体冷却剤槽４０と、第２液体冷却剤槽５０とに含まれた液体の量（質量など）を測定するセンサをそれぞれ備える。

制御部６０は、これらセンサと、第１噴射装置１４と、第２噴射装置１６と、のうち少なくとも一つに接続されている。図１に示される例では、制御部６０は、第１噴射装置１４と第２噴射装置１６との両方と、第３噴射装置８２と、に接続されている。

センサは、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００に関連する少なくとも１つのパラメータの指標となる少なくとも１つの信号を制御部６０に送るように構成される。例えば、図１に示される例では、圧縮センサ１１は、圧縮シリンダ１０に関連する少なくとも１つのパラメータを計測するように構成される。燃焼センサ２１は、燃焼シリンダ２０に関連する少なくとも１つのパラメータを計測するように構成される。レキュペレータセンサ３１は、レキュペレータ３０に関連する少なくとも１つのパラメータを計測するように構成される。さらに、クランクセンサ７１は、エンジンのＲＰＭを計測するように構成される。排気センサ９１は、燃焼シリンダ２０の排気口１９から排出される排気ガスに関する少なくとも１つのパラメータを計測するように構成される。

スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、空気が圧縮シリンダ１０の吸気口８から圧縮シリンダ１０に吸引されるように構成される。圧縮ピストン１２はこの空気を圧縮し、その圧縮段階の間に液体冷却剤が圧縮シリンダ１０内に加えられる。レキュペレータ３０は、排気口９から圧縮空気を受け、その圧縮空気を吸気口１８から燃焼シリンダ２０内に送る。スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、さらに、第３噴射装置８２を介して燃料槽８０からの燃料を燃焼シリンダ２０内の圧縮空気に添加して、燃料と圧縮空気との混合気を（例えば、不図示の点火源の動作により）燃焼させ、クランクシャフト７０の回転を介して有効な仕事を抽出する。

燃料槽８０は、制御部６０に接続され、制御部６０が燃焼シリンダ２０内への燃料の供給を制御する。いくつかの例では、制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００の少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、噴射される燃料の量を決定するように構成される。例えば、制御部６０は、排気センサ９１から受信した信号を介して少なくとも１つのパラメータの指標を取得する。

各センサは制御部６０にそれぞれ信号を送り、制御部６０は受信した信号に基づいて、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との少なくとも一方の供給の制御を決定するように構成される。制御部６０は、圧縮ピストン１２の圧縮ストロークの間に液体冷却剤が気相へと蒸発し、圧縮ストロークにより生じる温度上昇が液体冷却剤による熱吸収によって制限されるように、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との少なくとも一方の供給それぞれを制御する。例えば、制御部６０は、第１噴射装置１４と第２噴射装置１６とが、例えば、クランクセンサ７１により計測されたクランク角により定まる、圧縮シリンダ１０内の圧縮ピストン１２の位置に基づいて、圧縮シリンダ１０内に液体を投入するように制御する。いくつかの例では、これに加えて、または、これに代えて、制御部６０は、少なくとも一方の液体冷却剤の圧縮シリンダ１０への供給を制御するために、各液体冷却剤槽４０，５０内の１つ以上のポンプを作動させるように構成される。

制御部６０と噴射装置１４，１６とは、低圧（例えば、１０ＭＰａ未満、５ＭＰａ未満、４．６ＭＰａ未満、１．３ＭＰａ未満、０．３ＭＰａ未満など）で液体冷却剤を圧縮シリンダ１０内に直接噴射するように構成される。これにより、液体冷却剤を圧縮シリンダ１０内に圧入する専用のクライオポンプを必要としないという利点がもたらされる。液体冷却剤は、液相の状態、かつサイズが大きく分布した液滴噴霧形式で直接圧縮シリンダ１０内に噴射されることができる。液滴のサイズ分布が大きいことは、圧縮ピストン１２の圧縮ストロークの間に液体冷却剤が蒸発して気相になる温度および／または時間の範囲が広がるため、熱力学的に好ましい。

第１液体冷却剤は、冷却処理を経て液相に圧縮された液体冷却剤でもよい。例えば、第１液体冷却剤は、液体窒素（ＬＮ２）などの低温液体でもよい。第２液体冷却剤は、水でもよい。しかし、当然のことながら、例えば、空気、酸素、アルゴンなどの冷凍処理を経て液化させたガスなどのその他の非酸化性で非燃焼性の各種液化ガスが第１液体冷却剤および／または第２液体冷却剤として使用可能であることが理解されよう。燃料は、ガソリン、水素、液化天然ガス、圧縮天然ガスなどの点火源（例えば、点火源は、燃焼シリンダ内のスパークプラグでもよい）を要する燃料でもよい。あるいは、燃料は例えば、ディーゼルなどの圧縮点火式燃料などの点火源を要さないものでもよい。

制御部６０は、少なくともひとつの液体冷却剤の供給要件を決定し、その供給要件を満たすように噴射装置を制御するように構成される。供給要件は、冷却剤源が維持されるために、例えば、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００の目下の動作条件（負荷や動作温度など）、または槽１４，１６のそれぞれにおける液体冷却剤の量に基づいている。制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００に関連する少なくとも１つのパラメータの指標の受信し、それに応じて供給要件を決定するように構成される。例えば、制御部６０は、少なくとも１つのルックアップテーブル（ＬＵＴ）を備え、センサからの少なくとも１つのデータ値を含む受信信号に基づくと共に、ルックアップテーブル内の当該受信データ値との比較に基づいて供給要件を決定するように構成されてもよい。指標の受信は、複数のセンサのうち、１つ以上のセンサからの信号などの帰還信号を受信する形式でもよい。種々のエンジンパラメータが制御部６０により監視されることは、本開示に照らして明らかである。上記パラメータは、液体冷却剤の温度、圧力、飽和度などの、圧縮シリンダ１０に関するパラメータを含んでもよく、これらはスプリットサイクル内燃エンジン装置１００全体における複数の箇所で測定される。

いくつかの例では、圧縮センサ１１は、圧縮シリンダ２０内の圧力および／または温度を測定するように構成される。燃焼センサ２１は、燃焼シリンダ１０内の圧力および／または温度を測定するように構成される。レキュペレータセンサ３１は、レキュペレータ内の酸素濃度レベルと、水分飽和度レベルと、圧力と、温度と、を測定するように構成される。また、クランクセンサ７１は、クランクシャフト７０のＲＰＭを測定するように構成される。排気センサ９１は、排気ガスの圧力および／または温度、および／または排気ガスの組成（例えば、排気ガス中の二酸化炭素、二酸化窒素、または他のガスや微粒子などの濃度）を測定するように構成される。その他にも、制御部６０には、圧縮シリンダ１０および／または燃焼シリンダ２０の目下の動作毎分回転数（ＲＰＭ）などの、複数の情報が入力される。また、制御部６０は、目下のエンジンに対する要求レベルを示す要求信号や、液体冷却剤および／または燃料の使用法に影響を及ぼすその他の各種指標を受信する。

動作時には、圧縮ピストン１２が下死点（ＢＤＣ）に達するまで、クランクシャフト７０の回転による圧縮シリンダ１０内での圧縮ピストン１２の下降運動を介して、空気が圧縮シリンダ１０の吸気口８から圧縮シリンダ１０内に吸引される。クランクシャフト７０が回転し続け、圧縮ピストンをＢＤＣから上死点（ＴＤＣ）に向けて押し戻す。圧縮ピストン１２がＴＤＣに向かって移動すると、圧縮ピストン１２は、吸引された空気を圧縮する。制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００内のセンサからスプリットサイクル内燃エンジン装置１００の少なくとも１つのパラメータの指標を受信し、それに応じて、噴射装置１４，１６からの液体噴霧の形で、液相で圧縮シリンダ１０内に噴射することにより、圧縮段階の間に少なくともひとつの液体冷却剤の供給を制御する。圧縮ピストン１２がＴＤＣに向かって移動を続けると、噴射された液体冷却剤は蒸発して気相になり、気化潜熱は少なくとも部分的に、圧縮シリンダ１０内の空気の圧縮に起因する該空気の温度上昇を制限する。

次いでレキュペレータ３０は、圧縮シリンダ１０から排気口９を介して圧縮流体（蒸発した液体冷却剤からなる流体）を受け、吸気口１８を通して燃焼シリンダ２０内にその圧縮流体を送る。このプロセスにおいて、レキュペレータ３０は、圧縮空気を所望の温度に加熱し、例えば、燃焼シリンダ１０内の燃焼プロセスを促進する。次いで制御部６０は、燃料を燃焼シリンダ２０内の圧縮空気に供給するように第３噴射装置８２を作動させ、クランクシャフト７０の回転を介して有効な仕事を抽出するために、燃料と圧縮空気との混合気および気化した液体冷却剤（例えば、不図示のスパークプラグなどの点火源の作動による気化）を燃焼させる。

以下に述べる数種の例において、制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００の少なくとも１つのパラメータの指標を受信し、該それに応じて、少なくともひとつの液体冷却剤の圧縮シリンダ１０への供給を制御する。

第１例では、第１冷却剤は冷却処理を経て液化された液体窒素などの液体であり、第２冷却剤は水であり、少なくとも１つのパラメータは水分飽和度レベルである。水分飽和度レベルは、吸気口８を通じて圧縮シリンダ１０内に入る空気の温度と圧力との測定値に基づいて検出される。圧縮シリンダ１０内の空気の圧力と温度を用いることで、圧縮シリンダ１０に含まれた空気のモル数が決定される場合がある。なお、当然のことながら、上記空気の量は、センサ７１により計測されるクランク角により決定される圧縮ピストン１２の位置に応じた既知の量である。ドルトンの分圧の法則を適用すると、添加された媒体の圧力は、モル濃度に比例する。したがって、制御部６０は、水が沸騰するか否かを（例えば、制御部６０内のルックアップテーブルに保存された、圧力に依存する水の沸騰温度の既知の値に基づいて）決定することができると共に、噴射装置１６を介して圧縮シリンダ１０内に噴射された水の量を（例えば、流量計を用いて）測定することにより、水分飽和度レベルを決定することができる。

制御部６０は、圧縮シリンダ１０中の水分飽和度の決定に応じて、液体冷却剤の噴射量を決定し、水分飽和度レベルに基づいて液体窒素および／または水のいずれかを噴射するように噴射装置１４，１６を作動させるように構成されてもよい。例えば、制御部６０は、水分飽和度が閾値レベルに達するまで、冷却剤として水のみを使用する。この閾値レベルを超えると、第２液体冷却剤（液体窒素）のみが圧縮シリンダ１０内に噴射されてもよく、水は噴射されなくてもよい。これに加えて、または、これに代えて、制御部６０は、所望の水分飽和度に達するために、水と液体窒素との組合せを使用するように構成されてもよい。例えば、制御部６０は、水分飽和度レベルに基づいて、圧縮シリンダ１０内に噴射される２種類の液体冷却剤の比率を調整するように構成されてもよい。

制御部６０は、水分飽和度の閾値を規定する保存データを、例えば、ルックアップテーブルの形で備えてもよい。この閾値は、複数の方法で規定可能である。しかしながら、燃焼シリンダ２０内の水分として液体水分は含まず、水蒸気の形の水分のみ含むなど、燃焼シリンダ２０内の液体水分の量を減らすことが好ましい。これに応じて、水分飽和度の閾値は、１００％絶対湿度未満と決定され得る。

制御部６０は、酸素量や、温度や、圧力などの他のエンジンパラメータがエンジンの機能や水の沸点に影響を与えるため、これらのパラメータに基づいて閾値を決定するように構成されてもよい。

第２例では、制御部６０は、圧縮センサ１１からの信号を通じて受け取った指標に基づいて、圧縮シリンダ１０内の温度を判定するように構成されてもよい。制御部６０は、圧縮センサ１１から受信した指標に基づいて、圧縮シリンダ１０内の温度が閾値より低いと判定すると、それに応じて第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との両方の圧縮シリンダ１０への供給量を減らすように構成される。このような状況は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００が起動された直後で比較的低温である場合に生じ得る。逆に、制御部６０は、例えば、エンジンがウォームアップして、および／または高負荷要求下にあって、または高ＲＰＭで回転していて、該温度が閾値より高いと判断すると、それに応じて第１液体冷却剤および／または第２液体冷却剤の圧縮シリンダ１０への供給を増やすように構成される。

いくつかの例では、制御部６０は、目下の温度値と閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、判定するように構成される。例えば、制御部６０は、目下の温度値と閾値との比較結果に基づいて、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との少なくともひとつの供給を（例えば、質量比で）制御するための判定をするように構成される。例えば、制御部６０は、閾値との差が増えるにしたがって供給される液体冷却剤の量（例えば、質量）が多く（または少なく）なるように、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との少なくともひとつの供給を閾値との差に応じて制御するように構成される。

第１液体冷却剤および／または第２液体冷却剤の供給が変化する度合いは、圧縮シリンダ１０内の温度（例えば、圧縮センサ１１により測定される温度）と閾値温度（例えば、制御部６０内に保存された閾値温度）との温度差に比例する。圧縮シリンダへの液体冷却剤の供給を増やす必要があるとの判定に応じて、制御部６０は、（水分）飽和度が閾値に達するまで、該液体冷却剤（例えば、水）のうちひとつのみを液体冷却剤として使用してもよい。同様の手法は、圧縮シリンダ１０内の圧力などの、他のエンジンパラメータに適用されてもよい。

第３例では、制御部６０は、レキュペレータセンサ３１からの信号を通じて受け取ったパラメータの指標に基づいて、レキュペレータ３０内の酸素飽和度を決定してもよい。制御部６０は、酸素飽和度が閾値を超えた場合に、より多くの液体冷却剤が圧縮シリンダ１０内に噴射されるように構成される。液体冷却剤の噴射は、前述の手法にしたがって行われ得る。

第４例では、制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００に対する要求に基づいて、少なくともひとつの液体冷却剤の供給を制御するように構成される。例えば、制御部６０は、エンジンからの所望の出力（例えば、所望のトルク、ＲＰＭ、エネルギ出力など）を示す信号を受信する。この例では、第１液体冷却剤は液体窒素などの冷却処理を経て液化された液体であり、第２液体冷却剤は水である。制御部６０は、要求が大きい場合（エンジンが高温で回転している場合）は、第１液体冷却剤が第２液体冷却剤よりも多量に圧縮シリンダ１０内に噴射され、要求が小さい場合（エンジンが低温で回転している場合）は、第２液体冷却剤が第１液体冷却剤よりも多量に噴射されるように、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との供給を制御する。以上のように、圧縮シリンダ１０内の圧縮空気の温度をより精密に制御して燃焼効率を高めることでスプリットサイクル内燃エンジン装置１００の効率を高めることができる。

いくつかの例では、噴射装置１４，１６，８２もセンサとして機能して、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００に関連した少なくとも１つのパラメータの指標となる信号を制御部６０に送信するように構成されてもよい。噴射装置１４，１６，８２は、例えば、噴射装置の温度、噴射装置の構成部品（噴射装置に液体を噴射させるように動作可能な誘導コイルなど）の抵抗、および／または噴射装置１４，１６，８２を介して噴射される液体の量（例えば、質量）を示す測定値の少なくとも１つを示す信号を送信するように構成される。これら噴射装置は、液体冷却剤を直接噴射および／またはコモンレール噴射により噴射するように構成されてもよいが、低温になることもあり得るため、少なくとも１つの噴射装置１４，１６，８２は、圧電式駆動素子を含まず、例えば、１００ケルビン未満の低温で動作するように構成されてもよい。

いくつかの例では、制御部６０は、ある液体冷却剤の供給速度を別の液体冷却剤を基準として決定および制御するように構成される。例えば、制御部６０は、圧縮シリンダ１０内に噴射される冷却剤の割合を制御するために、複数の開制御ループまたは閉制御ループを備えてもよい。これらのフィードバックループは、排気ガスの温度と、エンジンの負荷と、所望のレベルの差温と、流体密度との測定手段を含む。例えば、制御部６０は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラである。図１に示される例では、制御部６０は、第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との比を制御する。あるいは、制御部６０は、一方の冷却剤を主に使用し、閾値に達したときなどの、所定の状況でのみ他方の冷却剤を使用するように構成されてもよい。この制御は、一方の冷却剤が不足しかけているときなどに、その冷却剤源を保つことに役立つ。上記の例においては、制御部６０は、一方の冷却剤の噴射量をある選択された値に保持し、制御部６０が圧縮シリンダ１０に加える液体冷却剤の量を増やす必要があると判定すると、それに応じて、閾値条件に達するまで、同じ液体冷却剤槽からのみ液体冷却剤を加えるように構成される。閾値に達すると、制御部６０は、他方の槽からのみ液体冷却剤が加えられるように、槽を切り替えるように構成されてもよい。

いくつかの例では、噴射装置１４，１６による液滴のスプレ噴射は、圧縮ストローク時の安定した熱吸収と、シリンダ１０内の空気と液体冷却剤とのスムーズな熱伝達と、を行うために、（例えば、制御部６０により）サイズ分布のある液滴が供給されるように制御される。またいくつかの例では、この制御が液滴サイズ分布を（例えば、制御部６０により）決定することを含む。この液滴サイズ分布は、圧縮ストロークにおいて熱吸収を、例えば、圧縮ストロークの一部または全体（例えば、ＢＤＣからＴＤＣまで）にもたらす。冷却処理を経て液化された液体冷却剤の場合、液体冷却剤は、低温の状態で低圧で噴射される。この低温と低圧との組合せは、エンジン温度が高い場合でも、液体冷却剤が液相で圧縮シリンダ１０内に噴射されることを意味する。

いくつかの例では、液体冷却剤は、液流の形で圧縮シリンダ１０内に噴射される。またいくつかの例では、制御部６０は、液体冷却剤による熱吸収が液体冷却剤とシリンダ１０内の周囲空気との瞬間的温度差と同等になるよう、少なくとも一方の液体冷却剤の供給速度を制御するように構成される。

いくつかの例では、吸気口８は、圧縮シリンダ１０に入る空気が充填されているように、ターボチャージャまたは任意の他の強制誘導装置に接続されるように構成されてもよい。またある例では、吸気口８は、これに加えて、または、これに代えて、充填された空気を冷却するために、インタークーラに接続されてもよい。このように空気を充填して冷却することもまた、吸気口８を介して圧縮シリンダ１０に入る空気の圧力と温度との測定値がより正確に判定され得ることを意味する。

いくつかの例では、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００は、第３液体冷却剤槽と、第３液体冷却剤槽に接続され、圧縮シリンダ１０やレキュペレータ３０などのスプリットサイクル内燃エンジン装置１００の一部に第３液体冷却剤を噴射するように構成される別の液体冷却剤噴射装置と、を備える。第３液体冷却剤は、第１液体冷却剤および第２液体冷却剤と異なる冷却剤であってもよく、例えば、冷却処理を経て液化されて液相にされた、非酸化性かつ非燃焼性のガスであってもよい。

いくつかの例では、レキュペレータ３０は、液体冷却剤槽に接続された噴射装置を備える。例えば、レキュペレータ３０は第２液体冷却剤槽に接続された噴射装置も備えてもよく、制御部６０は圧縮シリンダ１０から燃焼シリンダ２０に流れる圧縮流体の温度を、例えば、レキュペレータセンサ３１を介して監視するように構成されてもよい。制御部６０は、吸気口１８を介して燃焼シリンダ２０に入るガスの温度を選択された範囲内に調整するために、一定量の液体冷却剤が必要か否かを判定する。選択範囲は、効率的な燃焼が得られるように選択されて、制御部６０のメモリに保存される。例えば、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００が激しく回転している場合は、例えば、大きな要求がエンジンに課されたため、圧縮シリンダ１０内への第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との噴射が、圧縮シリンダ１０から燃焼シリンダ２０に向かう圧縮空気の温度を選択範囲内に保つ上で十分でない場合がある。そのため、制御部６０は、圧縮空気をさらに冷却して空気温度が選択範囲内になるように、レキュペレータ３０内への液体冷却剤の供給を噴射装置の動作を通じて制御する。

いくつかの例では、制御部６０は、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００の燃焼効率を高めるために、または、例えば、大きな要求がスプリットサイクル内燃エンジン装置１００に課された場合に、液体空気を圧縮シリンダ１０に供給する。

図２は、スプリットサイクル内燃エンジン装置の他の例であるスプリットサイクル内燃エンジン装置２００を示す。図１と同一または類似の部分については同一の符号が使用されている。

図２のスプリットサイクル内燃エンジン装置２００は、第２液体冷却剤槽５０がレキュペレータ３０に接続されている点が図１のスプリットサイクル内燃エンジン装置１００と異なる。制御部６０は、第２液体冷却剤がレキュペレータ３０と圧縮シリンダ１０との内部に噴射されるように、第２液体冷却剤槽５０からの液体冷却剤の供給を制御するように構成される。また、クランクシャフト７０は、圧縮ピストン１２と燃焼ピストン２２とが異なるＲＰＭで動作するように構成されるギア機構７５も含む。

さらに、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００は、排気ガスが燃焼シリンダ２０に入る圧縮空気と熱交換関係になるように、燃焼シリンダ２０からの排気が排気口１９を通過した後レキュペレータ３０を通って帰還されるように構成される。このようにして、エンジンがより効率的な動作温度で動作するように、圧縮シリンダ１０から燃焼シリンダ２０に向かうガスの温度が制御されてもよい。

さらに、レキュペレータ３０は、第２液体冷却剤の一部が排気から抜き取られて第２液体冷却剤槽５０に戻されるように、圧縮部を備える。次いで、排気は、レキュペレータ３０から排気管９５を介して周囲環境に放出される。図２に示される例では、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００は、制御部６０に接続される放出センサ９２をさらに備える。放出センサ９２は、例えば、レキュペレータ３０の下流の排気流路に位置する。放出センサ９２は、排気管９５を通って出ていくガスおよび／または微粒子の濃度を計測し、これらパラメータのいずれかの指標を含む信号を制御部６０に送るように構成されてもよい。

図１のスプリットサイクル内燃エンジン装置１００とのさらなる相違点は、連結ロッド５２，５４を介してそれぞれ２つのピストン１２，２２が取り付けられるクランクシャフト７０の２つの部分が、一体接続されておらず同一速度では回転しないことである。その代わりに、これら２つの部分はギア機構７５を介して接続されている。ギア機構７５は、例えば、変速比が選択的に変化するトランスミッションシステムやギアボックスなどである。これに加えて、または、これに代えて、ギア機構７５は、切断クラッチなどのクラッチを含むんでもよい。

図２のスプリットサイクル内燃エンジン装置２００の動作は、図１のスプリットサイクル内燃エンジン装置１００における前述の動作とほぼ同様であるが、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００の未だ説明していない部分の動作について図２を参照して説明する。

レキュペレータ３０内の圧縮部は、燃焼シリンダ２０からの排気を冷却するように構成される。例えば、第２液体冷却剤が水である場合、この水は冷却されて圧縮され、第２液体冷却剤槽５０に戻される。これにより第２液体冷却剤槽５０の小型化が可能になる。このことは、無制限に水が利用できないため水循環を採用している自動車でエンジンを使う場合に好適である。排気からの余剰の熱は、圧縮シリンダ１０から放出されて燃焼シリンダ２０に入る圧縮空気と熱交換関係にある熱交換器などの、レキュペレータ内の空気の加熱機構を形成するために使用されてもよい。例えば、制御部６０は、圧縮シリンダ１０から燃焼シリンダ２０に向かう圧縮空気が選択範囲内に入るように、レキュペレータ３０の動作を制御するように構成されてもよい。例えば、制御部６０は、圧縮空気の温度が選択された閾値より低い場合（例えば、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００が低温で回転している場合や、始動直後である場合）、圧縮空気を加熱し、選択された閾値より高い場合（例えば、高い要求がスプリットサイクル内燃エンジン装置２００に課せられた場合）は、圧縮空気を冷却する。制御部６０は、第２液体冷却剤槽５０からの第２液体冷却剤の供給を、例えば、レキュペレータ３０の噴射装置の動作を通じて制御することにより、レキュペレータ３０内の空気を冷却してもよい。

いくつかの例では、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００は、燃焼シリンダ２０の排気ガスからエネルギを抽出することによりエンジン効率を高める、ターボチャージャまたは他の適当な装置をさらに含んでもよい。

いくつかの例では、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００は、スプリットサイクル内燃エンジン装置２００に供給される空気の圧力または密度を高める、スーパーチャージャまたは他の適当な装置をさらに含んでもよい。スーパーチャージャへのエネルギは、クランクシャフト、電池、または任意の他の適当な手段により供給される。

いくつかの例では、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００，２００が公知のブレイトン／ジュール／トムソン型の液体窒素発生装置を備えてもよい。この液体窒素発生装置はロータリコンプレッサを備え、このロータリコンプレッサのシャフトはタービンエキスパンダと可変比トランスミッションシステムの出力部とに接続される。可変比トランスミッションシステムの入力部は、クランクシャフト７０に接続される。この液体窒素発生装置は、２つの熱交換器と扇形アフタークーラとも含む。使用時には、空気がコンプレッサにより吸気口を通して液体窒素発生装置内に吸引され、圧縮、膨張を経て熱交換器を通過した後、液体窒素が生成されて第１液体冷却剤槽４０に送られる。

図３を参照して冷却剤の使用量を決定する方法を説明する。

図３において、ステップ１０００でプロセスが始まる。ステップ１００２，１００４で、エンジンへの要求とエンジンのＲＰＭとがそれぞれ判定され、それによりステップ１０１０で、制御部６０が、燃料槽８０から燃焼シリンダ２０内に噴射される燃料の必要量を算出する。ステップ１０１２で、制御部６０は、例えば、圧縮センサ１１とレキュペレータセンサ３１から受信した信号に基づいて、圧縮シリンダ１０から燃焼シリンダ２０に供給される圧縮空気の測定された諸状態を使用し、それによりステップ１０２０で、所望の燃焼効果を得るために必要な酸素量を決定する。ステップ１０３０で、冷却剤の最大量が決定される。この例では、第１冷却剤は液体窒素であり、第２冷却剤は水である。

ステップ１０４０で、制御部６０は、受信したセンサ信号に基づくデータ値を保存されたルックアップテーブルと比較することにより、酸素レベルが閾値より高いか否かを、いずれかのセンサからの指標に基づいて判定する。酸素レベルが閾値より高いと判定されると、本方法はステップ１０５０に進み、ステップ１０５０で、制御部６０は、水分飽和度が閾値に達したか否かを判定する。一方、酸素レベルが閾値より低い場合は、本方法はステップ１０４５に進み、ステップ１０４５で、制御部６０は、圧縮シリンダに加えられる水と液体窒素との量を減らす。

制御部６０は、例えば、エンジンの熱力学的性質に基づく所望の燃焼に必要な既知の酸素量を含むルックアップテーブルを用いて、燃料負荷に基づく酸素の必要量を決定するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、２つ以上の酸素源が存在し得て、例えば、空気中の酸素と、液体冷却剤として圧縮シリンダ１０内に噴射される液体酸素または液体空気の形の酸素と、である。したがって、制御部６０は、エンジン内の酸素レベルを判定するように構成され、酸素レベルが選択範囲内に確実に保たれるように、圧縮シリンダ１０内に噴射される液体冷却剤の量を調整する。

制御部６０は、いずれかのセンサを用いて酸素レベルを判定するように構成されてもよい。ラムダメータ（酸素センサ）が、例えば、レキュペレータ３０内の酸素濃度の測定に使用されてもよい。過度に低い酸素レベルは、排気管内のススの蓄積や燃焼シリンダ内のスリップを引き起こすため、酸素レベルが低くなり過ぎないようにすることが好ましい。

ステップ１０５０で、例えば、いずれかのセンサからの指標に基づいて、水分飽和度レベルが制御部６０により判定される。水分飽和度レベルが選択された水分飽和度の閾値に達している場合、本方法は、次いでステップ１０６０に進み、ステップ１０６０で、制御部６０は圧縮シリンダ１０内に噴射される液体窒素の量を増やす。この工程で、制御部６０は、水分飽和度レベルが閾値より低くなるまで、圧縮シリンダ１０内にそれ以上水を噴射しなくてもよい。ステップ１０５０で、水分飽和度レベルが閾値より低い場合、本方法は、次いでステップ１０５５に進み、ステップ１０５５で、制御部６０は圧縮シリンダ１０内に噴射される水の量を増やす。この工程で、制御部６０は、水分飽和度が閾値に達するまで、圧縮シリンダ１０内に液体窒素を噴射しなくてもよい。

ステップ１０４５，１０５５，１０６０のいずれの後も、本方法は、ステップ１０７０に進む。ステップ１０６２で、排気ガスの熱が、例えば、排気センサ９１または放出センサ９２のいずれかを用いて測定され、ステップ１０７０で、その情報がステップ１０６２から引き出される。ステップ１０７０で、制御部６０は、レキュペレータ３０内の温度、圧力、酸素量のうち、少なくとも１つを測定する。例えば、この測定は、レキュペレータセンサ３１を用いて行われる。ステップ１０７０で、温度と、圧力と、酸素飽和度と、水分飽和度との一連の測定が開始され、制御部６０がこれらの測定パラメータに基づく信号を受信し、それに応じて冷却剤の供給を調整する。

ステップ１０８０で、制御部６０は、いずれかのセンサから得た温度測定値に基づいて、圧縮シリンダ１０内の温度が閾値より高いか否かを判定する。この温度が十分に高い（例えば、閾値より高い）場合は、本方法はステップ１０９０に進み、ステップ１０９０で、制御部６０は、圧縮シリンダ２０内の圧力が閾値より高いか否かを判定する。この圧力が十分に高い（例えば、閾値より高い）場合は、前述のとおり本方法は、ステップ１０４０に進む。ステップ１０８０，１０９０，１０４０のいずれの場合も、閾値に達していないと、本方法はステップ１０４５に進み、ステップ１０４５で制御部６０は両方の冷却剤の供給量を減らす。

図４は、前述のスプリットサイクル内燃エンジン装置１００，２００などの、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダ１０内に液体冷却剤を噴射する液体冷却剤噴射装置１５０を示す。装置１５０は、前述の制御部６０などの制御部であって、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００，２００に関連する少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との少なくとも一方の供給を制御するように構成され得る制御部により、操作される。

図４に示される冷却剤噴射装置１５０は、フィルタ１１０と第１液体冷却剤噴射装置１４とを介して、スプリットサイクルエンジンの圧縮シリンダ１０に接続された第１液体冷却剤槽４０を備える。第１液体冷却剤槽４０は、フィルタ１１０を通って第１液体冷却剤噴射装置１４まで伸びた液体冷却剤流路と流体連通している。第１液体冷却剤噴射装置１４は、圧縮シリンダ１０と直接に接続される。

第１液体冷却剤槽４０は、液体冷却剤流路を通じてフィルタ１１０に液体冷却剤を供給するように動作可能である。フィルタ１１０は、液体冷却剤から固形混入物を除去して、ろ過された液体冷却剤が第１液体冷却剤噴射装置１４に流れることを可能にするように動作可能である。第１液体冷却剤噴射装置１４は、圧縮シリンダ１０内への液体冷却剤の噴射を制御するように動作可能である。

一例として、図４のシステムの動作を説明する。第１液体冷却剤槽４０は、液体空気や、水や、冷却処理を経て液相に圧縮されたその他の液体などの、液体冷却剤を貯蔵する。この例では、液体冷却剤は、液体窒素である。

図６ａ，６ｂに示されるように、第１液体冷却剤槽４０は、第１液体冷却剤槽４０内の圧力を高めることができるドライバを含み、このドライバにより、液体窒素が液体冷却剤流路に沿って圧送される。ドライバは、第１液体冷却剤槽４０と液体冷却剤流路１１８との間に圧力差を生み出すことができる、加熱部２９および／またはポンプ３１を備える。例えば、加熱部２９は、制御部６０からの制御信号に応答して、第１液体冷却剤槽４０の一部を加熱するように動作可能である。これにより、第１液体冷却剤槽４０内に圧力差が生じて、液体窒素の一部が圧縮シリンダ１０に向かって流される。加熱部２９は、排気管を通してエンジンからの熱を再利用してもよく、または加熱を行うために、電位差が印加される抵抗器を備えてもよい。いくつかの例では、第１液体冷却剤槽４０は、第１液体冷却剤槽４０の過加圧を防ぐために、圧力解放弁をさらに備える。この圧力解放弁は、第１液体冷却剤槽４０の圧力が選択された閾値を超えた場合に、加熱部により生じた窒素ガスが放出することを可能にする。この閾値は、例えば、液体冷却剤噴射システム１５０の上方の動作圧力に基づいて、例えば、制御部６０により決定される。また、第１液体冷却剤槽４０内に加熱部２９を備えることは、第１液体冷却剤槽４０内の圧力が大気圧より低くなることを防ぎ得る。大気圧より低くなると、外気が第１液体冷却剤槽４０内に吸引されて、氷結し、望ましくない氷の結晶が生じる恐れがあるため、好ましくない。

図６ａ，６ｂを参照して上述した方法と装置とを用いて、第１液体冷却剤槽４０内に圧力差が生じると、この圧力差起因して、液体窒素は圧縮シリンダ１０に向かって流れる。液体冷却剤の流路は、液体窒素から固形混入物を取り除くフィルタ１１０を通過する。

このフィルタリング工程は、摩耗により液体冷却剤噴射装置１４を損傷する恐れのある、水や二酸化炭素の結晶などの窒素ガス中の不純物を顕著に除去することに役立つ。

フィルタ１１０を通過した後、液体窒素は、圧力差により、液体冷却剤流路に沿って液体冷却剤噴射装置１４まで流れ続ける。液体冷却剤噴射装置１４は、制御部６０からの制御信号により動作して、所定の量の液体窒素を圧縮シリンダ１０内に噴射するように動作可能である。この液体窒素の供給は、図１－３との関連で前述された、受信されたパラメータに基づいて制御部６０により制御されてもよい。

図５は、液体冷却剤流路から固形混入物を取り除くフィルタ装置１１０の一例を示す。フィルタ装置１１０は、例えば、図４に関連して前述された冷却剤噴射装置１５０に使用される。フィルタ１１０は、それぞれの端部が吸入路１１８と排出路１１９とに並列接続される２つの液体冷却剤流路１２０，１３０を備える。フィルタ１１０は、２つの部分１１３，１１５を備え、一方のフィルタ部分１１３は吸入路１１８と排出路１１９との間の第１液体冷却剤流路１２０に沿って位置し、他方のフィルタ部分１１５は吸入路１１８と排出路１１９との間の第２液体冷却剤流路１３０に沿って位置する。図５に示される例では、さらに、フィルタ部分１１３，１１５の各片側に１つずつ２つのダイバータ１１１、１１２が備わり、これらダイバータ１１１，１１２は吸入路１１８と２つの流路１２０，１３０との継ぎ目、および排出路１１９と２つの流路１２０，１３０との継ぎ目にそれぞれ位置する。さらに、図５に示される例では、フィルタ部分１１３，１１５にそれぞれ接続された２つの加熱要素１１４，１１６が備わっている。加熱要素１１４，１１６とダイバータ１１１，１１２とは、制御部６０に接続される。この制御部６０は、図１－４に関連して前述した制御部６０と同一である。

ダイバータ１１１，１１２は、液体冷却剤を液体冷却剤流路に沿って流れさせるように動作可能であり、制御部６０により制御される。これらのダイバータは、液体冷却剤流路を変更してフィルタ部分１１３，１１５を交替させるバルブでもよい。制御部６０は、選択されたルーチン（例えば、制御部６０に保存されたルーチンなど）に従って、ダイバータ１１１，１１２を動作させ、フィルタ部分１１３，１１５を交替させる前に各フィルタ部分１１３，１１５が選択された時間間隔で液体冷却剤流路内に位置することを可能にする。これにより、例えば、液体冷却剤は、選択された第１時間間隔で第１液体流路１２０を通って流れ、次いで、選択された第２時間間隔で第２液体流路１３０を通って流れる。

あるいは、制御部６０は、液体冷却剤流の性質の判定に使用可能なセンサデータを含む信号を受信する。例えば、フィルタ装置１１０は、液体冷却剤流路１２０，１３０沿いに位置する圧力センサ、吸入路１１８および排出路１１９内のセンサ、および／または第１液体冷却剤槽４０内のセンサと、フィルタ装置の排液路１１９に接続された噴射装置の入力部におけるセンサと、を含む。

例えば、制御部６０は、フィルタ部分１１３，１１５に閉塞が起きているか否かを判定し、その判定に応じて、ダイバータ１１１，１１２と、加熱要素１１４，１１６と、を動作させるように構成されてもよい。例えば、フィルタの入力部１１８と噴射装置の入力部との圧力差が選択された閾値を超えている場合は、第１フィルタ部分１１３内の固形混入物が飽和量に近く、液体冷却剤流路１２０内に顕著な閉塞が生じていることを示す。そのため、制御部６０は、閉塞状態が存在すると判定し、ダイバータ１１１，１１２を制御して液体を第１液体流路１２０から迂回させて、第２フィルタ部分１１５を経て第２液体流路１３０のみを通すようにする。第１液体流路１２０と第１フィルタ部分１１３とを通過する液体冷却剤は存在しないため、第１フィルタ部分１１３は、周囲温度により（かつ、冷たい液体冷却剤が内部を流れていないため）自然に温度が上昇するか、または、例えば、融解および／または気化により固形混入物を除去するために、加熱要素１１４を制御する制御部６０により加熱される。固形混入物が除去されると、ダイバータ１１１，１１２は、一度に液体流路１２０，１３０の両方または一方のみを通して液体冷却剤を戻すように作動する。

さらなるオプションとして、フィルタ部分１１３，１１５の温度の検出が含まれてもよい。フィルタが混入物で「目詰まり」すると、フィルタ部分１１３，１１５の局所温度が高まる場合があり、目詰まり状態になる。この状態は、熱電対などの温度センサにより検出され、センサ信号を介して制御部６０に報告されることができる。制御部６０は、この受信したセンサ信号に基づいて、フィルタ部分１１３，１１５を交替させる必要があると判定する。

いくつかの例では、制御部６０は、フィルタ部分１１３，１１５の温度上昇を起こすために、フィルタ１１０を通る液体冷却剤の流量を下げるように構成されてもよい。

図５の実施形態では、フィルタ部分１１３，１１５は、固形混入物を捕獲するが、液体冷却剤は通過させることが可能な銅メッシュである。銅メッシュは、導電性であるため有用であり、加熱部１１４，１１６が液体冷却剤流路の外側に設置され得る誘導コイルとしても所望の加熱効果を得ることを可能にする。フィルタ部分１１３，１１５が交替すると、非稼働のフィルタ部分は、「目詰まり」して、大量の固形混入物を溜め込む恐れがある。加熱部１１４，１１６により、銅メッシュが加熱されることで固形混入物を気化または融解させることができる。気化または融解した混入物は、圧力解放弁を用いてフィルタ１１０から放出され得る。

固形混入物を除去する加熱処理の利用に加えて、フィルタは、例えば、各液体冷却剤流路１２０，１３０内にＵベンド管を含んでもよい。これにより、水などの完全には気化しない液体が、蓄積して液体冷却剤流により運ばれることから抑制され、スプリットサイクル内燃エンジン装置１００，２００が損傷を受ける恐れが軽減される。Ｕベンド管は、バルブをさらに含んでもよい。このバルブは、例えば、制御部６０の動作またはユーザにより選択された間隔で、Ｕベンド管を排水できるように構成される。

別の実施形態では、前述の加熱手段とは異なる加熱手段が使用され得る。この手段では、フィルタ部分１１３，１１５を加熱するために、スプリットサイクルエンジン１００，２００の排気ガスから回収した熱を使用することが含まれてもよい。これには追加の加熱システムを要しないという利点があり、また回収熱を利用するため、より効率的である。周辺装置の発熱次第で、フィルタ部分１１３，１１５は、能動的加熱装置を要することなく簡単に周囲温度まで加温することができ、フィルタ１１０から固形混入物を取り除くにはこれで十分である。

加熱手段に加えて、フィルタ部分１１３，１１５の材料が変更されてもよい。例えば、上記例における銅に代えて、フィルタ部分１１３，１１５をアルミニウムメッシュからなるものとしてもよく、この場合も誘導加熱により加熱されることができる。カーボンファイバなどの他の材料も使用可能である。

図７は、図１，２のスプリットサイクルエンジン装置に使用される、図６ａ，６ｂにより説明および図示された液体冷却剤槽の別の構成を示す。液体冷却剤槽４０，５０は、例えば、冷凍処理を経て液相に圧縮された冷凍剤（例えば、液体窒素）などの液体冷却剤７０３を封入するように構成される断熱タンク７０１を含む。図６ａ，６ｂに関連して前述したドライバなどのように、ドライバ２９は、タンク７０１内に圧力差を生み出すように、タンク７０１の底に配置される。図示される例におけるドライバ２９は、電流が流れるとき、ある一定の抵抗加熱を液体冷却剤にもたらすように構成される抵抗要素である。タンク７０１は、図面と関連して前述のとおり、フィルタ１１０と噴射装置１４とを通る断熱ライン７１８を介して、図１，２のエンジンなどのスプリットサイクルエンジン１００の圧縮シリンダ１０に接続される。

断熱ライン７１８は、タンク内の液体冷却剤のレベルが低い場合でも液体冷却剤を抜き取ることができるように、タンク７０１の壁を貫通してタンク７０１の底に向かって下方に延在する。当然のことながら、断熱ライン７１８は、タンク７０１の内部では断熱される必要はないことが理解されよう。断熱ライン７１８は、バルブ７０５と、タンク７０１の充填用のガス帰還弁７０７と、を介してタンク７０１に接続される。タンク７０１は、タンク７０１内の圧力が危険レベルに達しないように、さらに２つの圧力解放弁７０９を有する。図示される例では、フィルタ装置１１０もまた２つの圧力解放弁７１１を有する。例えば、圧力解放弁７０９，７１１の一方は装置の標準動作圧に設定され、他方は標準動作圧より高いが最大安全動作圧よりは低い圧力に設定される。

ある例では、図７に示されるとおり、断熱ライン７１８は、例えば、バルブ７０５に近接した独立供給ライン７２２に接続されている。しかしながら、別の例では、断熱ライン７１８が供給ラインとして機能することもあることが理解されよう。図７に示される例では、オプションのスプレバー７２０が断熱ライン７１８とタンク内の供給ライン７２２とに接続される。スプレバー７２０は、液体冷却剤（例えば、前述のレキュペレータ３０から回収した回収液体冷却剤）をタンク７０１に保存された液体冷却剤７０３上にスプレ状に供給し、保存された液体冷却剤７０３を冷却する。

図７に示されるタンク７０１は、トラップされた液体冷却剤が全く存在しないため、第１液体冷却剤槽４０内の圧力が大気圧より低くならないように構成される。ある例では、例えば、ライン７１８上に２つのバルブが並列に配置され、一方が氷結した場合にトラップされた液体冷却剤が全く存在せず、かつ第１液体冷却剤槽４０内の圧力が増えないようになっている。また、タンク７０１は、熱のリークパスの発生数を減らすようにされると共に、タンク７０１の底付近から液体冷却剤を取り出すように構成される。

図８は、スプリットサイクルエンジン装置（例えば、前述のスプリットサイクルエンジン装置）の圧縮シリンダ内での（液体冷却剤の一例としての）水と液体窒素との導入に伴う仕事量と量との変化の仕方を示すグラフである。ポイントＡでは、ＬＮ２も水も添加されない。Ｙ軸上の開始点の交わりは、２つのグループからなる。Ａの上方は、コンプレッサのストローク毎に圧縮されたパーセント量であり、液体窒素（ＬＮ２）の量が水の増加を示す各ラインに比例して増加する。いずれの場合も、圧縮シリンダ内に流入される空気の量は、一定である。

Ａの下方のグラフは、上記と同様の水とＬＮ２の量との増加を表しているが、比仕事量がどのように変化するかを示す。特定されたポイントは、１回のストローク当たりの圧縮量は１５０％に達するが、液体窒素も水も添加されない場合はこのために必要な比仕事量は約６５－７０％でしかないポイントである。このポイントは、圧縮シリンダをエンジンから完全に切り離して、従来の６気筒エンジンと等量の比仕事量を生み出しつつ摩擦とポンプ損失とを低減する６気筒エンジンにとって重要なポイントになる。

注目すべきは、上記ポイントでＯ２モル濃度が標準空気の６５％に減少されている（標準条件下）ことである。負荷ポイントに応じて、燃料負荷の増大を助長するために、ＬＮ２の代わりに液体空気の使用か、または液体酸素の添加のいずれか行われることが望ましい。通常、過剰の酸素が存在するが、エンジンへの要求が大である場合に、酸素の添加量をより増やす必要があることもある。

いくつかの実施形態では、圧縮シリンダ１０内に吸引される空気は、先ず、中間冷却される。これにより空気の密度が増えるが、圧縮シリンダ１０内の空気がより冷たくなるため（燃焼には非効率であるため）、熱損失が結果的に生じる。エンジンは、空気が圧縮シリンダ１０に入る前に、流入空気が液体冷却剤の一方（例えば、水）と熱交換関係になり、圧縮シリンダ１０内への噴射前に空気が冷却されて水が温められるように構成される。

図９は、圧縮シリンダ内に吸引される空気の供給温度と、液体冷却剤として圧縮シリンダ内に噴射される水の供給温度と、を変えることによる影響を示す。図９では、流入空気は、圧縮シリンダ１０内に吸引される前に、冷却され、それにより水が温められる。より冷たい空気を供給することにより、空気密度が増して、圧縮シリンダ１０内に送給される空気の量を増加させ得る。空気の量が増すことは酸素の量が増すことであり、燃焼にとって望ましい。図９は、より冷たい空気、または、より高密度の空気を用いたときに、１回のストロークでより大きいパーセント量の作動流体が得られることを示す。

圧縮シリンダ１０内に供給する空気の量を増やすこと、および／または水を予備加温することの効果は、圧縮シリンダ１０内の水の沸点を上昇させることである。これにより気化する前の水の熱吸収を増やすことが可能となる。

図面全体を参照して、模式的機能ブロック図は、本明細書に記載されるシステムと装置との機能を示すために使用されていることが理解されよう。しかしながら、これらの機能は、前述のとおりに分割されていなくてもよく、また、前述の構造および後述の特許請求の範囲の構造以外のいかなる特定のハードウェアの構造を意味するものでもない。各図に示される１つ以上の要素の機能は、さらに２次分割可能、および／または本明細書の装置全体に分散可能である。ある実施形態では、各図に示される１つ以上の要素の機能は、１つの機能ユニットに統合されてもよい。

２種または３種の液体冷却剤の使用を参照して説明したが、これは限定的なものとは見なされず、より多くの液体冷却剤が使用可能であることは本開示に照らして明らかである。さらに、これら液体冷却剤は、圧縮シリンダ１０内に同時に噴射される前に事前混合されてもよく、別々に噴射されてもよい。制御部６０は、要求内容とエンジンの熱力学的変数とに基づいて、冷却剤の混合物を判定する。例えば、制御部６０は、圧縮シリンダ１０に加えられる酸素の量を増やす必要があると判定すると、酸素を含有した冷却剤と他の冷却剤とを選択された割合（酸素の要求量が満たされる割合）で事前混合させる。

冷却剤の事前混合を可能にするために、制御部６０で制御可能な、液体冷却剤槽間の接続部が備えられてもよい。あるいは、噴射装置は２つの流体吸入路を含んでもよく、制御部６０は、混合物中の冷却剤の選択された割合を満たすように、噴射装置内への各流体の流れを制御してもよい。したがって、冷却剤は、噴射前に選択比で混合物と事前混合されてもよい。この混合物の選択比は、制御部６０により決定および制御可能である。

いくつかの例では、１つ以上のメモリ素子は、本明細書に記載される操作を実行するために使用されるデータおよび／またはプログラム命令を格納することができる。本開示の実施形態は、プロセッサをプログラミングし、本明細書に記載および／または請求される方法の任意の１つ以上を実施し、および／または本明細書に記載および／または請求されるデータ処理装置を提供するように操作可能なプログラム命令を含む、有形の非一時的記憶媒体を提供する。

本明細書で概説した諸機能と装置とは、論理ゲートのアセンブリなどの固定論理や、プロセッサにより実行されるソフトウェアおよび／またはコンピュータプログラム命令などのプログラマブルロジックを用いて実行されてもよい。他の種類のプログラマブルロジックは、プログラマブルプロセッサ、プログラマブルデジタル論理（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ））、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または、任意の他の種類のデジタルロジック、ソフトウェア、コード、電子的命令、フラッシュメモリ、光ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、電子的命令の格納に適した他の種類の機械可読媒体、または、これらの任意の適当な組合せを含む。

図面に示される実施形態は、単なる例示であり、本明細書に記載され、特許請求の範囲に示されたとおり、一般化されてもよく、除去されてもよく、または、交換されてもよい特徴を含むことが、前述の説明から理解されよう。本開示の観点で、本明細書に記載される装置と方法との他の例と変形例とは、当業者には明らかであろう。

Claims (37)

1. 燃焼ピストンを収容する燃焼シリンダと、
   圧縮ピストンを収容し、前記燃焼シリンダに圧縮流体を供給するように構成され、第１液体冷却剤槽と第２液体冷却剤槽とに接続される圧縮シリンダと、
   スプリットサイクル内燃エンジンを制御するための少なくとも１つのパラメータの指標を受信し、前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づいて、前記第１液体冷却剤槽からの第１液体冷却剤と、前記第２液体冷却剤槽からの第２液体冷却剤と、のうち少なくとも一方の前記圧縮シリンダへの供給を制御し、それにより前記少なくとも一方の前記液体冷却剤が圧縮ストロークの間に気化して気相になり、かつ、前記圧縮ストロークに起因する温度上昇が前記液体冷却剤による熱吸収により制限されるように構成される制御部と、
   を有してなる、
   ことを特徴とするスプリットサイクル内燃エンジン装置。
2. 前記第１液体冷却剤は、
   冷却処理を経て液相に圧縮された液体冷却剤、
   を含み、
   前記第２液体冷却剤は、
   水、
   を含む、
   請求項１記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
3. 前記第１液体冷却剤は、
   液体窒素、
   を含む、
   請求項２記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
4. 前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤とのうち少なくとも一方の供給の制御は、
   前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づく、前記圧縮ピストンの位置に対する前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との少なくとも一方の供給のタイミングの制御と、
   前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づく、前記第２液体冷却剤に対する前記第１液体冷却剤の供給比の制御と、
   のうち少なくとも１つを含む、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
5. 前記制御部は、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との両方の前記圧縮シリンダへの供給を制御するように構成される、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
6. 前記燃焼シリンダは、前記燃焼シリンダ内での燃焼処理用の燃料を供給する第３液体槽にさらに接続される、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
7. 前記制御部は、前記スプリットサイクル内燃エンジンに関連する前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づいて、前記燃焼シリンダへの前記燃料の供給を制御するように構成される、
   請求項６記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
8. 前記制御部は、前記燃焼シリンダから放出される排気の温度に基づいて、前記燃焼シリンダへの前記燃料の供給を制御するように構成される、
   請求項７記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
9. 前記制御部は、前記燃焼シリンダの目下の動作毎分回転数（ＲＰＭ）に基づいて、前記燃焼シリンダへの前記燃料の供給を制御するように構成される、
   請求項６乃至８のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
10. 前記制御部は、要求信号を受信して、前記受信した要求信号に基づいて、前記燃焼シリンダへの燃料の供給を制御するように構成される、
    請求項６乃至９のいずれかに記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    水分飽和度レベル、
    を含み、
    前記制御部は、前記水分飽和度レベルが水分飽和度の閾値に達することに応じて、前記第２液体冷却剤に対する前記第１液体冷却剤の前記圧縮シリンダへの供給割合を増やすように構成される、
    請求項２または請求項２に従属するいずれかの請求項に記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
12. 前記制御部は、前記水分飽和度レベルが選択された水分飽和度の閾値より低いことに応じて、前記第１液体冷却剤に対する前記第２液体冷却剤の前記圧縮シリンダへの供給割合を増やすように構成される、
    請求項１１記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
13. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記圧縮シリンダ内の温度、
    を含み、
    前記制御部は、前記圧縮シリンダ内の前記温度が選択された温度の閾値より低いことを示す指標に応じて、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との前記圧縮シリンダへの供給を減らすように構成される、
    請求項１乃至１２のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
14. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記圧縮シリンダ内の圧力、
    を含み、
    前記制御部は、前記圧縮シリンダ内の前記圧力が選択された圧力の閾値より低いことを示す指標に応じて、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との前記圧縮シリンダへの供給を減らすように構成される、
    請求項１乃至１３のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
15. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    酸素飽和度レベル、
    を含み、
    前記制御部は、前記酸素飽和度レベルが選択された酸素飽和度の閾値より低いことを示す指標に応じて、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との前記圧縮シリンダへの供給を減らすように構成される、
    請求項１乃至１４のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
16. 前記圧縮シリンダは、
    空気の吸気口、
    を含み、
    前記制御部は、前記少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、前記第１液体冷却剤および／または前記第２液体冷却剤の割合に対する空気の割合を制御するために、前記吸気口の動作を制御するように構成される、
    請求項１乃至１５のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
17. 前記圧縮シリンダは、
    排気口、
    を含み、
    前記燃焼シリンダは、
    前記排気口から圧縮流体を受けるレキュペレータを介して前記圧縮シリンダの前記排気口に接続される吸気口、
    を含み、
    前記レキュペレータは、前記燃焼シリンダに供給された前記圧縮流体の温度を制御するように構成され、
    前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記レキュペレータ内の前記流体の温度と、圧力と、酸素濃度と、のうち少なくとも１つ、
    を含む、
    請求項１乃至１６のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
18. 前記燃焼シリンダは、第３液体冷却剤槽に接続され、
    前記制御部は、前記少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、前記スプリットサイクル内燃エンジンへの第３液体冷却剤の供給を制御するように構成される、
    請求項１乃至１７のいずれかに記載のスプリットサイクル内燃エンジン装置。
19. 燃焼ピストンを収容する燃焼シリンダであって、前記燃焼シリンダ内での燃焼処理用の燃料を供給する燃料槽に接続される燃焼シリンダと、
    圧縮ピストンを収容して、前記燃焼シリンダに圧縮流体を供給するように構成される圧縮シリンダであって、第１液体冷却剤槽から第１液体冷却剤を受けると共に、第２液体冷却剤槽から第２液体冷却剤を受けるように構成される圧縮シリンダと、
    を含み、
    前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤とのうち少なくとも一方は、
    冷却処理を経て液相に圧縮された液体冷却剤、
    を含む、
    ことを特徴とするスプリットサイクル内燃エンジン装置。
20. スプリットサイクル内燃エンジン装置の動作方法であって、
    前記スプリットサイクル内燃エンジンを制御するための少なくとも１つのパラメータの指標を受信する工程と、
    前記受信した指標に基づいて、前記スプリットサイクル内燃エンジンの圧縮シリンダ内に噴射する第１液体冷却剤と第２液体冷却剤との量を決定する工程と、
    前記決定に基づいて、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤とのうち少なくとも一方の前記圧縮シリンダへの供給を制御して、圧縮ストロークの間に前記少なくとも一方の液体冷却剤が気化して気相になり、前記圧縮ストロークにより生じる温度上昇が前記液体冷却剤による熱吸収によって制限されるようにする工程と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
21. 前記第１液体冷却剤は、
    冷却処理を経て液相に圧縮された液体冷却剤、
    を含み、
    前記第２液体冷却剤は、
    水、
    を含む、
    請求項２０記載の方法。
22. 前記第１液体冷却剤は、
    液体窒素、
    を含む、
    請求項２１記載の方法。
23. 前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤とのうち少なくとも一方の供給の制御は、
    前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づく、前記圧縮シリンダに収容された圧縮ピストンの位置に対する前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤とのうち少なくとも一方の供給のタイミングの制御と、
    前記少なくとも１つのパラメータの前記指標に基づく、前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との供給比の制御と、
    を含む、
    請求項２０乃至２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との両方の前記圧縮シリンダへの供給を制御することを含む、
    請求項２０乃至２３のいずれかに記載の方法。
25. 燃焼プロセス用の燃料の前記スプリットサイクル内燃エンジンの燃焼シリンダへの供給を制御することをさらに含む、
    請求項２０乃至２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記スプリットサイクル内燃エンジンに関連する少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、前記燃焼シリンダへの前記燃料の供給を制御することを含む、
    請求項２５記載の方法。
27. 前記燃焼シリンダから放出される排気の温度に基づいて、前記燃焼シリンダへの前記燃料の供給を制御することを含む、
    請求項２６記載の方法。
28. 前記燃焼シリンダの目下の動作ＲＰＭに基づいて、前記燃焼シリンダへの燃料の供給を制御することを含む、
    請求項２５乃至２７のいずれかに記載の方法。
29. 要求信号を受信して、前記受信された要求信号に基づいて、前記燃焼シリンダへの燃料の供給を制御することを含む、
    請求項２５乃至２８のいずれかに記載の方法。
30. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    水分飽和度レベル、
    を含み、
    前記方法は、
    前記水分飽和度レベルが水分飽和度の閾値に達したことに応じて、前記圧縮シリンダに供給される前記第１液体冷却剤の前記第２液体冷却剤に対する割合を増やすこと、
    を含む、
    請求項２０または請求項２０に従属するいずれかの請求項記載の方法。
31. 前記水分飽和度レベルが選択された水分飽和度の閾値より低いことに応じて、前記圧縮シリンダに供給される前記第２液体冷却剤の前記第１液体冷却剤に対する割合を増やすことを含む、
    請求項３０記載の方法。
32. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記圧縮シリンダ内の温度、
    を含み、
    前記方法は、
    前記圧縮シリンダ内の前記温度が選択された温度の閾値より低いことを示す指標に応じて、前記圧縮シリンダへの前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との供給を減らすこと、
    を含む、
    請求項２０乃至３１のいずれかに記載の方法。
33. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記圧縮シリンダ内の圧力、
    を含み、
    前記方法は、
    前記圧縮シリンダ内の前記圧力が選択された圧力の閾値より低いことを示す指標に応じて、前記圧縮シリンダへの前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との供給を減らすこと、
    を含む、
    請求項２０乃至３２のいずれかに記載の方法。
34. 前記少なくとも１つのパラメータは、
    酸素飽和度レベル、
    を含み、
    前記方法は、
    前記酸素飽和度レベルの指標が選択された酸素飽和度の閾値より低いことを示すことに応じて、前記圧縮シリンダへの前記第１液体冷却剤と前記第２液体冷却剤との供給を減らすこと、
    を含む、
    請求項２０乃至３３のいずれかに記載の方法。
35. 前記圧縮シリンダは、
    空気の吸気口、
    を含み、
    前記方法は、
    前記少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、前記第１液体冷却剤および／または前記第２液体冷却剤の割合に対する空気の割合を制御するために、前記空気の吸気口の動作を制御すること、
    を含む、
    請求項２０乃至３４のいずれかに記載の方法。
36. 前記圧縮シリンダは、
    排気口、
    を含み、
    前記燃焼シリンダは、
    前記排気口から圧縮流体を受けるレキュペレータを介して前記圧縮シリンダの前記排気口に接続される、
    吸気口、
    を含み、
    前記方法は、
    前記燃焼シリンダに供給された前記圧縮流体の温度を制御するために、前記レキュペレータを動作させること、
    を含み、
    前記少なくとも１つのパラメータは、
    前記レキュペレータ内の流体の温度と、圧力と、酸素濃度と、のうち少なくとも１つ、
    を含む、
    請求項２５乃至２９および請求項２５に従属する場合の請求項３２乃至３５のいずれかに記載の方法。
37. 前記少なくとも１つのパラメータの指標に基づいて、前記エンジンに第３液体冷却剤を供給することをさらに含む、
    請求項２０乃至３６のいずれかに記載の方法。

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