JP2010539384A - 固定カムシャフトに基づく空気圧ハイブリッド内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストンロッドを介してクランクシャフトに機械的に相互接続されるピストンが内部に配置されるシリンダから構成される、少なくとも１つの燃焼室（３）を有する空気圧ハイブリッド内燃機関に関する。吸気バルブ（１７）及び排気バルブ（１９）はいずれもバルブギアを介してクランクシャフトに機械的に相互接続される。内燃機関は、該内燃機関を４サイクル空気圧モードで動作させることができるように完全可変方式でチャージバルブアクチュエータによって作動される少なくとも１つのチャージバルブ（１８）を更に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、添付の特許請求の範囲のプリアンブルに係る４サイクル空気圧モードで動作できる改良された内燃機関に関する。

例えば車両で使用されるような内燃機関（以下、エンジンとも称する）の全体の効率を高めるため、１００年を超える開発において数多くの提案及び特許がなされてきた。

エンジン駆動車両の効率を高めるためのかなり古い一般概念は、さもなければ摩擦ブレーキにおいて失われる車両制動エネルギの回復に向けられている。これは、圧縮空気を圧力容器内に蓄えるコンプレッサとしてエンジンを使用することによって行なうことができる。これにより、その後、通常の加熱モードと関連して、すなわち、燃料燃焼時に、あるいは、燃料燃焼を伴うことなく所謂空気圧モード（または、空気モータモード）と関連して、エンジンの空気圧推進のために圧縮空気を使用することができる。この形態は、１つ以上の燃焼室（すなわち、シリンダ）を可変作動バルブによって圧力容器に接続することにより達成される。そのようなシステムの更なる利点は、停止後にエンジンを空気圧的に再始動できる能力にある。

空気圧モードは、１エンジン回転（２サイクル）を使用して達成できる。しかしながら、そのような動作においては、圧力容器用のバルブがそれらの作動において完全可変である必要があるだけでなく、燃焼機関の吸気バルブ及び排気バルブが同じ基準を満たさなければならない。完全可変バルブは、今日の製造設備及び確定技術から懸け離れた非常に高価な、信頼できない構造をもたらす。通常の加熱動作においては、吸気バルブ及び排気バルブの高い可変性が必要ないため、この解決策は必要以上に複雑である。

米国特許第３９５８９００号は、Ｔａｋａｈｉｒｏ Ｕｅｎｏの名において出願されて１９７６年に公開された。この文献は、完全に機械的な複合エンジン及びエアコンプレッサ装置について記載しており、この場合、エンジン作用及び空気圧縮作用は、吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングを純粋に機械的な方式で変えることにより互いに切り換えられる。動作においてバルブタイミング及びバルブ制御に必要な柔軟性を得るためには、バルブの開放を制御するべく３つの調整可能なカムシャフトを有する非常に複雑な機構が予見される。入手できる情報に基づくと、このエンジンは商業的に全く成功しなかった。

Ｌｏｔｕｓ Ｃａｒｓ Ｌｉｍｉｔｅｄに譲渡された国際公開第０４１０６７１３Ａ１号は、圧縮空気を蓄えるためのリザーバに接続される燃焼室を有する内燃機関に関するものである。ガス流量を制御する電気液圧バルブが燃焼室とリザーバとの間に配置され、それにより、燃焼室内で加圧される空気を中継してリザーバを充填することができ、また、加圧空気を燃焼室へ供給してピストンを駆動させることができる。燃焼室は、燃料の燃焼のためにも使用される。また、開示内容は、加圧空気の流れを燃焼室とリザーバとの間で制御するためのバルブ機構にも関している。バルブ機構は、バランス力をガス流制御バルブに対して加えて、バルブの背面に加えられる圧力から生じるバルブに作用する力をキャンセルする。チャージバルブだけでなく、吸気バルブ及び排気バルブも、電気液圧方式で作動される。

Ｆｒｏｌｏｆｆ等の国際公開第０５０７９４１８号（米国特許第２００６／００５２９３０号としても公開された）は、内燃機関の４つの典型的な行程を切り離すとともに、シリンダ部品を電子的に制御できるバルブとして含むエンジンシリンダ部品、燃料注入、及び空気燃料混合物点火を電子的に管理するための、プログラム可能コンピュータプロセッサ制御されるエンジン部品から構成され、それにより、更なるエンジンシリンダユニット部品状態、したがって、シリンダストロークをコンピュータ制御によって独立に変更し或いは並べ直して、交互エンジン動作モードを与えることができるようにする、動的に再構成可能なマルチストローク内燃機関を開示している。交互エンジンモードは、シリンダによって発生される圧縮空気を受けるための圧縮空気蓄積リザーバの付加によって容易化される。更なるモードでは、圧縮空気がシリンダユニットへと移動されて、エンジン出力及び効率又はユーティリティが向上される。前述した装置は、個々のシリンダ部品状態の制御によってエンジンストロークを管理するために非常に複雑なセンサ入力・オンデマンド要件ドライブ制御論理を有する。

Ｍｉｃｈａｅｌ Ｓｃｈｅｃｈｔｅｒの米国特許第６２２３８４６号は、車両の運動エネルギ及び車両のエンジンにより供給されるエネルギの一部を、後に車両推進を助けるために使用されるべき圧縮空気のエネルギへ変換するための方法及びシステムについて記載している。可変のバルブタイミング及びバルブ不作動を使用するバルブのシステムは、エンジンと空気−温度制御が維持される空気リザーバとの間の圧縮空気の２方向流れを実施して制御するために使用される。圧縮空気支援を伴う動作中、エンジンは、各シリンダでのそれぞれのサイクル中にエアモータ及び内燃機関の両方として動作する。エンジンは、４サイクル内燃機関として或いは２サイクル内燃機関として選択的に、置き換え可能に動作できる。

Ｍｉｃｈａｅｌ Ｓｃｈｅｃｈｔｅｒの米国特許第７２３１９９８は、様々なエンジンシリンダが異なる動作モードで動作できるようにするバルブのシステムを有する車両エンジンに関するものである。制動中、一部のエンジンシリンダは、大気中の空気を受けて、それを圧縮し、その空気を中間エア容器へ移送する。他のシリンダは、中間エア容器から圧縮空気を受けて、それを更に圧縮し、その空気を蓄積するために高圧エアリザーバへと移送する。加速中、一部のエンジンシリンダは、高圧エアリザーバから圧縮空気を受けて、それを下位圧力レベルまで膨張させ、その空気を中間エア容器へと移送する。他のシリンダは、中間エア容器から空気を受けて、それを更に膨張させ、その空気を内燃サイクルで燃焼のために使用する。短い停止中、停止の継続期間にわたってエンジンが停止され、その後、圧縮空気を用いてエンジンが再始動される。走行中、エンジンは、従来の内燃機関のように動作する。

Ｐｅｕｇｅｏｔ Ｃｉｔｒｏｅｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ＳＡに譲渡された仏国特許第２８３６１８１号は、幾つかの動作モードを有する燃焼機関について記載している。減速及び制動中、１つ以上のシリンダのバルブは、フラップバルブと逆止弁との組み合わせを介して圧縮ガスをガスリザーバへ供給するコンプレッサとしてシリンダを働かせるように制御される。加圧下で蓄えられたガスは、プレナムを通じてエンジンへ戻され、エンジン性能を高めるように作用する。ガスリザーバへの接続部がシリンダから離れて配置され、そのため、効率がかなり低下する。

Ｐｅｕｇｅｏｔ Ｃｉｔｒｏｅｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ＳＡに譲渡された欧州特許第１３０８６１４号は、ガス吸入システム及び排気システムを有する内燃機関を備える出力システムについて記載している。加圧ガスアキュムレータが制御ユニットに結合される。アキュムレータは、ガスを元のエンジンへ注入するターボコンプレッサにバルブを介して接続される出口を有する。ガスアキュムレータの吸気口は、アキュムレータ及び主排気パイプに接続される２方向バルブを介してエンジンの排気システムに接続され、２方向バルブとアキュムレータとの間に逆止弁を伴う。また、ここでは、リザーバの充填に関連する全てのバルブがエンジンシリンダの外側に配置される。

Ｄａｖｉｄ Ｍｏｙｅｒの米国特許第５５２９５４９号は、１９９９年に公開されており、圧縮空気をリザーバに蓄えることにより燃料の節約を改善して内燃機関の排出量を減少するための方法及び装置について記載している。コンピュータは、エンジンと燃焼室の外側に離れて配置される分配バルブとによってエンジンのエネルギ変換機能を制御し、これにより、効率が低下して、可能な動作モードが制限される。過給エンジン機能は、リザーバ内に蓄えられる圧縮空気を利用することにより可能である。

オルレアン大学に譲渡された仏国特許第２８６５７６９号は、内燃機関を空気圧モードで動作させるためのプロセスに関するものである。プロセスは、低トルクでの４サイクル内燃機関の動作中に付加的な量の空気をエアブレーキリザーバからエンジンの通常のサイクルの圧縮段階中の燃焼室内に注入することを伴う。リザーバは、チャージバルブを使用して燃焼室に接続される。空気は、所望のエンジントルクを即座に得るように注入される。更に、空気圧ハイブリッドエンジンとターボコンプレッサとの組み合わせが記載されている。

チャージバルブは電磁アクチュエータによって作動される。記載されるポンプサイクル（仏国特許第２８６５７６９Ａ１号、１０頁、６行目以下を参照）は、４つの段階を伴う単なる２ストロークサイクルである。記載されたサイクルは、排気行程が存在しないため、４ストロークタイプのものではない。したがって、エンジンは、２ストロークモードと４ストロークモードとの間を切り換えることが可能になるように、吸気バルブ及び排気バルブのための可変アクチュエータを備えていなければならない（例えば、記載されるサイクルを行なうために排気バルブをＯＦＦに切り換える必要がある）。１１頁の１〜５行目には、４サイクル加熱吸気不足モードが記載されている。

ＡＶＬ Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｆｕｒ Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇｓｋｒａｆｔｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕに譲渡されたＤＥ３９０３４７４は、クランクシャフトの所定の角度範囲でガスがそれぞれのシリンダから除去される内燃機関を動作させるための方法について記載している。除去されるガスは、一時リザーバへ供給された後、クランクシャフトの他の角度範囲で元のシリンダへ供給される。ガスは、燃焼の終了後にシリンダから除去され、その後、圧縮の開始前に一時格納部から戻される。目的は、新鮮な空気の充填量を同一に維持しつつ燃焼室内の全充填量を変えられるようにすることである。それにより、可変有効圧縮率を得ることができる。

内燃機関の燃料効率は、エンジンを小型化する良く知られた原理によって向上させることができる。他の手法は、空気圧ハイブリッド化と内燃機関を小型化する良く知られた原理との組み合わせに基づいている。出力の損失を補償するため、エンジンは、そのピーク出力を維持するべく従来のターボチャージャによって過給される。この技術は、自動車製造メーカの間でうまく確立されている。しかしながら、この技術に内在する１つの問題は、過渡エンジン動作中の所謂ターボラグである。

一般的な燃焼機関の１つの問題は、部分負荷状態でのそれらの効率の低さである。この問題を克服するため、ハイブリッド推進システムの形態、例えば電気ハイブリッド又は空気圧ハイブリッドの形態を成す補助システムによってエンジンの動作ポイントを移動させることができる。しかしながら、これらの試みの全ては、非常に複雑なセットアップを有し、したがって、比較的高価になりがちである。

燃焼機関の更なる問題は、低温始動中の高い排出量に起因する。特にガソリンエンジンは、それらの３元触媒コンバータが依然として冷たく、したがって、ＣＯ、ＮＯｘ、及びＨＣなどの放出を変換できないという事実に起因して、低温始動中に高いパーセンテージのそれらの排気管排出量を生み出す。

本発明の目的は、ハイブリッド推進システムのための改良された、操作が更に容易な、費用効率の高い解決策を提供することである。また、本発明の目的は、標準的な４サイクル燃焼機関に採用され得る改良された空気圧推進システムを提供することである。更に、本発明の更なる目的は、内燃機関の燃料節約を改善するための新規な手法を提供することである。

本発明は、簡単で更に効率的なセットアップを有する空気圧ハイブリッド内燃機関に関する。従来技術から知られるシステムとは異なり、本発明は、２サイクルモードと４サイクルモードとの間を切り換える必要がないという点で、現在入手できるハイブリッド内燃機関に固有の複雑なセットアップを回避できる。

１つの実施形態において、空気圧ハイブリッド内燃機関は、燃焼室からの圧縮空気を受けて蓄えるのに適した第１の圧力容器と、燃焼サイクルからの圧縮された熱い排ガスを受けて蓄えるのに適した第２の圧力容器とを備える。ガス交換は、ガスを圧力容器のうちの一方へ方向付ける低速切り換えバルブに相互接続される燃焼室の近傍又は燃焼室の内側に配置される高速（可変的）切り換えチャージバルブによって、又は、燃焼室の近傍又は燃焼室の内側に圧力容器毎に配置される少なくとも１つの高速切り換えチャージバルブによって制御される。燃焼室毎に少なくとも１つのチャージバルブが燃焼室の近傍又は燃焼室の内側に配置されるという点で、効率を高めることができる。幾つかの燃焼室からのガスを一緒に、幾つかの開口を有する収集導管を介して燃焼室に相互接続される１つのジョイント圧力容器内に蓄えることができる。

一般に、車両及びそれらの燃焼機関は、通常、異なる運転状態、例えば、トラクションモード（内燃機関がトルクを生み出さなければならない）、ブレーキングモード（内燃機関が車両の車輪によって推進され、したがって、内燃機関がエネルギを取り出すことができる）、惰走モード（内燃機関がトルクを生み出す或いは受ける必要がない）、静止状態（内燃機関が回転しない）、又は、加速モード（ドライバが車両の急速な加速を命じる）に晒される。

以下、ガソリン内燃機関の一例に基づき、先の運転状態に関連する内燃機関の異なる動作モードについて説明する。しかしながら、これらの概念はディーゼルエンジンにも有効である。エンジンの適用分野及び構造に応じて、全てのシリンダにおいて同時に異なる動作モードを使用することができ、又は例えば必要とされるエンジントルク及び圧力タンクの状態に応じて、異なるシリンダを異なるモードで動作させることができる。以下の動作モードは、単独で又は組み合わせて使用することができる。

従来の加熱モード：燃料−空気混合物が圧縮されて点火され、トルクが生み出される。チャージバルブが閉じられる。

過給加熱モード：圧縮行程中、第１の圧力タンク（冷却ガスタンク、新鮮空気タンクのそれぞれ）内に蓄えられる加圧空気は、シリンダ圧力がタンク圧力に達する前に、チャージバルブを介してシリンダ内へ導入される。等圧で、チャージバルブが閉じられる。それにより、より多くの燃料を注入することができ、また、高いトルクを生み出すことができる。このモードは、一時的な高加速段階中に使用できる。

排ガス蓄積加熱モード：圧縮後又は圧縮終了付近で、チャージバルブが開放され、燃焼済みガスが第２の圧力タンク（排ガスタンク）内へ導入される。チャージバルブは、通常、シリンダ圧力が排ガスタンク圧力レベルのレベルまで下がる前に閉じられる。

空気圧ポンプモード（４サイクル）：車両がブレーキングモードにあるとき、内燃機関が動力伝達装置によって推進される。このモードにおいて、空気は、吸気行程で吸引されるとともに、圧縮行程で圧縮され、圧縮中、チャージバルブは、開放されるとともに、上死点付近で（シリンダがその最高位置に達したときに）再び閉じられる。下死点付近で（シリンダがその最下位置に達したときに）、排気バルブが開放し、排気行程が行なわれる。燃焼室後の排ガストラックに切り換えバルブが存在する場合には、排気行程中に、排出空気の向きを周囲へと向け直し、触媒をバイパスすることができ、それにより、マイナスの酸素溢れを回避できる。低いエンジン速度では、１８０°の圧縮行程中にチャージバルブを２回開閉することにより高い制動トルクを得ることができる。

空気圧モータモード（４サイクル）：このモードは、車両のトラクションモードのためのものであり、内燃機関を静止状態から始動させるためにも使用される。内燃機関は、負荷制御の手段としてスロットルを利用できる吸気行程で空気を吸引する。空気は、圧縮行程で圧縮される。ピストンが下方へ再び移動すると、排ガスタンク内に蓄えられる排ガスがチャージバルブを介してシリンダ内へ導入される。チャージバルブは、圧縮行程又はその後の爆発行程のいずれかにおいて、シリンダ圧力が排ガスタンク圧力と同等になるときに開放する。入口圧力を減少させ、それにより、吸気行程の終端において下死点で空気量を減少させるためにスロットルが使用されてもよい。これにより、作動温度に応じて、高いトルクが得られるとともに、効率が高まる。チャージバルブは、排気バルブが開放して排気行程が行なわれる前に、内燃機関の所要負荷にしたがって再び閉じられる。あるいは、新鮮空気タンク内に蓄えられる新鮮な空気を使用することができる。

吸気不足モード：このモードでは、チャージバルブの使用によって従来の加熱モードが変更される。空気の圧縮中にチャージバルブが開放され、圧縮空気が新鮮空気タンクへ移送される。更に圧縮行程中にチャージバルブが閉じ、適切な量の燃料が注入されて燃焼される。この方法は、例えばディーゼルエンジンで使用されるように、非常に遅い直接注入を必要とする。このモードは、スロットル無しで行なわれることが好ましい。この方法は、内燃機関の動作ポイントを移動させるための動作モードである。

一般に、前述した動作モードは、時間ベース（特定の時間間隔にわたって全てのシリンダが常に同じモード）で、又は、シリンダベース（異なるシリンダによって異なるモードが同時に使用される）で組み合わせることができる。

排ガス蓄積モード及び空気圧モータモード：低負荷状況中、いわゆるデューティサイクリングを行なうことが効率的な場合がある。動作モードは、排ガス蓄積モードと空気圧モータモードとの間で切り換えられる。切り換えは、時間ベースで又はシリンダベースで、又はその組み合わせで行なわれてもよい。それにより、従来の加熱モードを使用するのと比べて、全体の効率が高くなる。しかしながら、時間ベースのデューティサイクリングが動作パラメータの特定の範囲に制限されることが分かってきた。シリンダベースの切り換えにおいては、幾つかのシリンダの個別のスロットリングを行なうことが有益となり得る。

排ガス蓄積モード及び空気圧ポンプモード：１つ以上のシリンダが排ガス蓄積モードを行ない、一部のシリンダが空気圧ポンプモードを行なう。シリンダベースのみである。

従来の非スロットル加熱モード及び空気圧ポンプモード：シリンダベースのみである。

吸気バルブ及び排気バルブもチャージバルブのように完全可変に設計されると、第１（低温）及び第２（高温）の圧力タンクを２サイクルモードとして有する内燃機関で２つの純粋な空気圧モードを行なうことができる。１つの欠点は、吸気バルブ及び排気バルブの作動のかなり複雑なセットアップと、かなり高い製造コストとに起因する。しかしながら、そのような内燃機関は、前述したような第１及び第２の圧力タンクの存在による利益を依然として享受する。

低温始動動作：ＣＯ、ＮＯｘ、及びＨＣの高い低温始動排気管放出を回避するため、以下のように低温エンジン始動が行なわれてもよい。速度ゼロからのエンジン始動は、第１の圧力タンクからの新鮮な空気を使用することにより空気圧モータモードで行なわれる。燃焼室から排出する空気は周囲へと方向付けられる。その後、内燃機関は、排ガス蓄積加熱モードへ切り換えられる。それにより、エンジン排ガスの少なくとも一部が第２の排ガスタンク内に蓄えられる。残りの排ガスは（三元）触媒へと方向付けられる。この段階中、触媒は、排気ガスによってだけではなく、例えば電気ベース又は燃料ベースの外部加熱によっても、動作温度まで加熱されてもよい。触媒がその理想的な動作温度に達した後、蓄えられた排気ガスを使用して、車両を推進させることができる。その後、現時点で処理されていない排ガスの処理が、暖められた三元触媒によって効率的に行なわれる。低温始動の前述した方法は、低温始動における排気管放出をかなり減らすことができる。これは、ガソリン内燃機関において特に非常に重要であり、放出に伴うそれらの唯一の問題が低温始動中の放出である。

エンジンアイドリング：本発明の１つの実施形態において、エンジンアイドリングは、冷気（分割モード）及び／又は排ガスによって少なくとも１つの圧力タンクを満たすことにより蓄えるべく使用される。このエネルギは、その後、必要なとき、例えば加速中（過給モード）又は内燃機関の始動中に取り出される。空気圧始動が直ちに必要なとき、例えば停止して発進する際には、内燃機関を再始動するのに排ガス蓄積モードが適している。過給モードが想定される場合には、従来のモードと空気圧ポンプモードとを組み合わせて新鮮な空気が蓄えられる。

本発明は、空気圧ハイブリッド内燃機関の技術において大きな利点を与える。本発明に係る内燃機関は、簡略化されたセットアップの他、燃料消費量が少ない。同じ定格出力を有する従来の燃焼機関と比べて、最大３０％の燃料の節約を実現できる。実施形態に応じて、これは、始動／停止能力、制動エネルギの回復、内燃機関の小型化、及び内燃機関の動作ポイントの移動によって達成される。また、内燃機関が化学量論動作で動作されるという点で、排気量をかなり減少させることができる。第２の切り換え通気孔により、空気が排ガス処理システムへ向けて方向付けられることが回避される。更に、圧力タンクからの空気を更に必要とすることなく内燃機関に過給できる十分高い速度にターボチャージャが達するまで、一時的動作で過給モードを使用することにより、操縦安定性を高めることができる。１つの大きな利点は、他の空気圧ハイブリッド又は電気ハイブリッドと比べて低いコスト設計において見られる。更なる利点は、全体の重量がわずかしか増大しないことに起因する。

以下の節は、既知の空気圧ハイブリッドシステムよりも優れた本システム構造の利点について記載する。例外なく２サイクル空気圧モードに基づく従来技術から知られる空気圧ハイブリッド内燃機関とは異なり、４サイクル空気圧モードは大きな利点を与える。従来技術から知られる空気圧ハイブリッド内燃機関において、追加費用の大部分は、全てのバルブ（吸気バルブ及び排気バルブ）において必要とされる完全可変のバルブ作動のセットアップ及び設計に起因する。さもなければ、内燃機関は動作できない。この余分なコストのかなりの部分は、通常の燃焼機関から知られるように吸気バルブ及び排気バルブが共通のセットアップを有し、チャージバルブだけが間然可変セットアップを有するという点において減らすことができる。４サイクル空気圧モードの効率は、既知の２サイクル空気圧モードと比べるとほんの僅かだけ低い（仮に、完全可変システムを用いて全てのバルブを作動させるために必要なバルブ作動エネルギを考慮したとしても）。また、４サイクルモードの得られるトルク（マイナス又はプラス）は、想定される用途において十分である。更に、空気圧モータモードにおいては、必要に応じてトルクを増大させるためにスロットルバルブを使用できる。エンジン速度が低い空気圧ポンプモードにおいては、制動トルクを更に増大させるために、１８０°の圧縮行程中にチャージバルブを数回開閉することができる。

従来の燃焼機関において、従来の加熱モードは、低い部分負荷効率での絞り損失に起因するだけでなく、排気バルブが開放されて高圧高温の排ガスが排気管を通じて吹き出される場合には吹き出しにも起因する。それとは異なり、内燃機関が高い出力を供給しなければならないときには、これらのガスがターボチャージャのタービンを加速するために使用され、また、吸気で空気を圧縮するために、タービンチャージャのコンプレッサが効率的に使用される。部分負荷時に限られた大きさの出力が必要とされる場合には、排ガス蓄積加熱サイクルが前述した所謂デューティサイクリングを可能にする。このデューティサイクリングの使用は、システムの全体の効率を更に増大させる。

ガスの内部エネルギが高くなればなるほど、温度も高くなる。空気圧モータモードを使用すると、ガスの高い内部エネルギにより、より多くのエネルギを推進のために利用でき、したがって、燃料消費量が減少される。排ガスタンクは、通常、内部エネルギを特定の期間にわたって高いレベルに維持するために断熱される。それとは対照的に、新鮮空気タンクは、通常、例えば気流冷却又は液体冷却によって冷却される。これは、内燃機関を増速するために空気が好ましくは過給モードで使用されるようになっているからである。高トルクでの内燃機関の過給時には、更なる燃料が燃焼されるため、破壊的なモータノッキングの危険を考慮しなければならない。モータノッキングが起こる１つの主な理由は、内燃機関内の混合物の高い温度である。冷気をシリンダ内へ注入することによりモータノッキングの危険を減らすことができる。過給モードにおいては、付加的に入れられる空気量だけが対象である。これは、化学量論的な燃料／空気比率が想定されるからである。

空気圧モータモード中に処理システム後の触媒が酸素と共に溢れ出るのを避けるため、英国特許第２４０２１６９号は、空気を入口へ向けて排気することを提案している。これは、吸気バルブ及び排気バルブに関して完全可変バルブ作動を必要とし、したがって、非常に困難なセットアップを必要とする。本明細書中に開示される本発明では、２つの手段を使用して問題を解決できる。すなわち、空気圧モータモードは、触媒によって処理できる化学量論的排ガスを使用して行なわれるのが好ましい。新鮮な空気を使用して空気圧ポンプモード又は空気圧モータモードを行なう場合には、残存量の新鮮な空気が依然として排気管から出る。これを回避するため、周囲へ向けて漏れるガスの向きを変える切り換えバルブを排気バルブの後に位置付けることができると予見される。燃料をシリンダ内へ直接に注入するためのシステムは通常は不要である。

本発明の一実施形態において、課題は、幅広く流通される標準的な内燃機関を備える空気圧ハイブリッド推進システムによって解決される。標準的な内燃機関は、通常、シリンダヘッドを有するエンジンブロックと、燃焼の発熱化学プロセスによって得られるエネルギをピストンロッドを介してカムシャフトへ伝えるための少なくとも１つの移動ピストンとを備える。ここでは、気流は、燃焼室の吸入領域に配置される共通のスロットルバルブによって制御される。燃料節約を向上させるため、図示の実施形態にはターボチャージャが設けられ、このターボチャージャにより、外気が少なくとも１つの吸気バルブを介して燃焼室へ導入される前に、外気が圧縮される。吸気バルブは、従来技術から知られる簡単な機械的なクランクシャフトドライブによって作動される。従来技術により知られる解決策とは異なり、本発明は、複雑な完全可変の吸気・排気バルブ作動を必要としない。前述した実施形態において、吸気バルブ及び排気バルブは、内燃機関のクランクシャフトに強固に相互接続される１つの共通のカムシャフト又は２つの異なるカムシャフト（吸気バルブ及び排気バルブに関して１つずつ）によって駆動される。１つの共通のカムシャフトは、一般に、費用効率が高く、チャージバルブの配置のためのより多くのスペースを与える。適切な場合には、吸気バルブ及び排気バルブのタイミングを変えることが予期され得る。吸気バルブ及び排気バルブは、バルブヘッドがバネ荷重に抗して燃焼室内へ押し込まれるという点で作動される標準的なポペットバルブとして形成される。

内燃機関は、完全可変であり、強固に結合された吸気バルブ及び排気バルブとは独立に電子制御手段により作動可能なチャージバルブを更に備える。内燃機関それ自体が規格化されたセットアップを有し、チャージバルブだけが完全可変なものとして形成されるという点において、前述した発明と市場で入手できるほぼ任意の標準的な内燃機関とを該内燃機関を劇的に変更することなく組み合わせることができるようになる。チャージバルブは、収集導管及び第１の切り換えバルブを介して、燃焼室と第１及び第２の圧力タンクとを相互接続する。第１の圧力チャンバは、圧縮空気を受けて蓄えるように形成されており、また、第２の圧力タンクは、燃焼済みガスを燃焼室から受けるように形成される。第１の圧力タンクは例えば水冷却又は気流によって冷却されてもよいが、第２の圧力タンクは、熱損失を回避し、第２のタンク内に蓄えられた内容物を大気温度及び大気圧を上回るように維持するために断熱される。第２の切り換えバルブは、必要に応じてサイクル毎及びエンジン回転毎にそれぞれ数回開閉できるチャージバルブと比べて比較的遅い。

排気バルブは、前述した実施形態では、内燃機関のクランクシャフトに相互接続される原則的に固定されるカムシャフトによって機械的に駆動される。排気バルブは、燃焼済みガス又は空気を燃焼室の外側へ排出する。第２の切り換えバルブは、加熱モードでは、燃焼室から漏れるガスをターブチャージャのタービンへと方向付ける。漏れるガスは、圧力が減少され、排気システムへ向けて外部へと方向付けられる。通気モードにおいて、第２の切り換えバルブは、ターボチャージャのタービンをバイパスすることにより、燃焼室から逃げるガスを外側へと直接に方向付ける。セットアップを簡略化するため、第２の切り換えバルブを避けることができる。しかしながら、それにより、効率が低下される場合がある。

更なる実施形態は、１つのチャージバルブ及び１つの第１の切り換えバルブの代わりに、第１及び第２の圧力タンクを第１及び第２の導管を介して個別に燃焼室に相互接続する２つの完全可変チャージバルブを備える。これにより、圧力タンクを更に柔軟に作動させることが可能になる。

少なくとも１つのチャージバルブが燃焼室に直接に隣接して、又は燃焼室内に配置されるという点において、デッドボリュームが減少され、全体の効率が向上される。また、スイッチバルブが存在する場合には、大きなデッドボリュームを避けるため、チャージバルブに可能な限り近接させてスイッチバルブを配置すべきである。

燃焼機関の効率を高めるため、流入される空気を冷却するべく、ターボチャージャと燃焼室との間に空気冷却器が設けられてもよい。

燃焼機関のレイアウトに応じて、燃料を吸入領域に、又は燃焼室内へ直接に注入することができる。

更に簡単な実施形態では、排ガスタンクが存在しない。その代わり、圧縮空気が１つ以上のタンクに蓄えられる。

本発明に係る空気圧ハイブリッド内燃機関は、通常、以下のセンサ（構造及び適用分野に応じて、全てのセンサが強制されるとは限らない）、すなわち、燃焼室に供給される空気の質量流、温度、及び圧力を決定するために吸気マニホールド内に配置される空気流量センサ、温度センサ、及び圧力センサ、クランク軸の速度を決定するためのクランク角速度センサ、各圧力タンクにおける排気中のガス、圧力、及び温度の定量的関係を測定するために排気システム内に配置されるラムダセンサ、ドライバの要求を決定するためにブレーキペダル及びガスペダルに相互接続される負荷需要センサ、車両の速度を決定するための速度センサ、少なくとも１つの燃焼室内の圧力を決定するための圧力センサ、少なくとも１つの圧力タンク内のラムダセンサ及び圧力センサ、排気システム及び触媒のそれぞれの温度を決定するための温度センサ、少なくとも１つのチャージバルブのためのセンサを備える。センサは、通常、特性図に基づいて最良の動作状態を決定するための制御装置に対して直接的に、又は間接的に相互接続される。

本発明に係る空気圧ハイブリッド燃焼機関は、通常、以下のアクチュエータ（内燃機関のタイプ及び構造に応じて、全てのアクチュエータが必要であるとは限らない）を備えており、又は下記のアクチュエータによって相互接続される。すなわち、スロットル、開閉動作及び所望のリフトを決定する少なくとも１つのチャージバルブ用のアクチュエータ、火花点火及びタイミングのためのアクチュエータ（ガソリンエンジン）、燃料注入のためのアクチュエータ（ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン）、燃料注入の量及びタイミング（ゼロであってもよい）を決定するためのアクチュエータ、どの圧力タンクが相互接続されるのかを決定するためのスイッチバルブ、排気管をバイパスするためのスイッチバルブ、ガスペダル及びブレーキペダル（ドライバ）、ターボチャージャのためのバイパスバルブ（排気ゲート）である。

本発明の１つの態様は、一般に規格化された燃焼機関をハイブリッド化のためのベースとして使用することに関するものであるため、少なくとも１つのチャージバルブは、特定の状態及び要件を満たさなければならない。一方、バルブの構造及び作動は、ピストンとの衝突が起こらないように行なわれなければならない。良好な結果は、チャージバルブが短い時間で大きな断面積を開放することができるポペットバルブとして形成されるという点において得られる。良好な結果は、本発明に係る空気圧ハイブリッド燃焼機関のポペットバルブが１０ｍｍ〜２５ｍｍの範囲の直径を有するという点において得られる。少なくとも１つのチャージバルブが１０ｍｓ以下の時間で開放し、又は閉じることができなければならないことが分かってきた。エンジンサイズ及び速度に応じて、この値が異なってもよい。過給モードにおいては、高い作動精度が必要とされる。これは、バルブをほんの僅かな距離だけ開放することにより達成できる。弁座（図１及び図２における参照符号２３）は、空気の流通のために利用できる断面積（図３）が開放の最初の数ミリにわたって比較的小さくなるように形成することができる（図２及び図３参照）。他の空気圧モードにおいては、流れに関して常に高い断面積が好ましい。したがって、チャージバルブ（参照符号１８）は、これらのモードにおいては常に、更に開放される。このようにすると、過給モードにおいて、より高い作動精度に達することができる。最初の数ｍｍ後は、流通面積が更に高い（図３参照）。少なくとも１つの圧力タンクと対応するチャージバルブとを相互接続する導管は、ポペットチャージバルブの断面の２／３よりも大きい断面を有していなければならないことが分かった。

排ガスタンクの温度レベルは、（スチール）圧力容器の溶融温度未満に維持されなければならないが、そうでなければ高く維持される。新鮮空気タンクの温度レベルは、タンクの用途に応じて、大気温度〜約５００℃の間で変化可能である。

圧力タンクは、断熱及び／又は冷却が保証される限り、様々な材料から形成することができる。性能は、良好な冷却が得られるように低温の圧縮空気を蓄えるための第１の圧力タンクが熱を非常に良く伝導する材料（例えばアルミニウム）から形成されるという点において向上させることができる。排ガスを蓄えるための第２の圧力タンクは、高温レベルで圧力に耐えるように形成されなければならない。良好な結果は、第２のタンクがスチールから形成されるという点において得ることができる。内容物の望ましくない冷却を避けるため、第２の圧力タンクが断熱されてもよい。

一実施形態において、少なくとも１つのチャージバルブは、電気液圧バルブ制御システムに関する市販のＢｏｓｃｈ ＥＨＶＳ Ｓｙｓｔｅｍバルブシステムに基づいている。これらのバルブは、空気圧ハイブリッド燃焼機関においてチャージバルブとして設計されておらず、むしろ、共通の燃焼機関のための吸気バルブ及び排気バルブとして設計されるが、これらのバルブは、本発明に係る実施形態において必要とされる要件を満たすように特定の方式で採用されなければならない。燃焼機関における通常の用途とは異なり、これらのバルブは、燃焼サイクル中に、通常よりも頻繁に開閉できなければならない。また、作動システムは、それがマイナスの損失を伴うことなく外圧を保持できるように設計されなければならない。このことは、従来技術と異なり、高い内圧に耐えるだけでなく少なくとも１つの圧力タンクからの外圧にも耐えるようにバルブを設計しなければならないことを意味する。したがって、それに応じて作動シリンダの設計が採用されなければならない。

本明細書中に記載される発明は、添付の請求項に記載される本発明を限定するとみなされるべきではない添付図面及び以下に与えられる詳細な説明から更に十分に理解できる。

空気圧ハイブリッド燃焼機関のセットアップである。 弁座を示す図である。 ストロークと流通断面積との関係を示すグラフである。

図１は、本発明に係る燃焼機関の構造を概略的に示している。エンジンブロック（シリンダ）１、シリンダヘッド１４、及びピストン２は、可変容積を有する燃焼室３を取り囲んでいる。外気１０は、周囲から吸引されて、ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａによって圧縮される。図示の実施形態において、気流は、内燃機関の吸入領域に配置されるスロットル２２によって制御され、カムシャフト２０によって機械的に作動される吸気バルブ１７を介して燃焼室３内へ入ることができる。カムシャフト２０は、内燃機関のクランクシャフト（詳しく図示せず）によって機械的に相互接続されて駆動される。第１及び第２の圧力タンク４、６と燃焼室とを相互に接続するチャージバルブ１８は、完全可変態様でチャージバルブアクチュエータ１５によって作動される。このことは、吸気及び排気バルブ１７、１９がクランクシャフトに機械的に相互接続される一方で、チャージバルブをクランクシャフトとは完全に無関係に動作させることができることを意味する。チャージバルブアクチュエータ１５は、好ましい実施形態では、２つの正反対の側から液圧流体によって加圧され得るチャンバ内に配置されるピストンを有する電気液圧アクチュエータから成る。これにより、電気液圧アクチュエータのピストンに相互接続されるチャージバルブを非常に高速な、及び制御された方式で開閉させることができる。非加圧状態での損傷を回避するため、チャージバルブ１８が上側位置で例えばバネ荷重によって保持されてもよい。

チャージバルブアクチュエータは電子制御手段（詳しく図示せず）によって制御される。図示の実施形態において、チャージバルブ１８は、空気又は燃焼済みガス（排ガス）を切り換えバルブ１６を介して両方向で圧力タンク４、６へと流入させる。切り換えバルブ１６の状態に応じて、いずれかの燃焼済みガスが、ここでは断熱材７が設けられる第２の圧力タンク６内に熱い状態で蓄えられる。あるいは、新鮮な空気（僅かな燃焼済みガスのみを伴う）が低温レベルで第１の圧力タンク４内に蓄えられる。図示のように、第１の圧力タンク４には冷却用の熱交換手段５が設けられる。内燃機関（図示せず）のクランクシャフトに相互接続されるカムシャフト２１によっても機械的に駆動される排気バルブ１９は、燃焼済みガス又は減圧空気を燃焼室の外側へ送り出す。ターボチャージャ８及び／又は触媒をバイパスしてガスを周囲へ解放するために、更なる切り換えバルブ１３が予期されてもよい。加熱モード中、燃焼済みガス１１は、切り換えバルブ１３により、ターボチャージャ８のタービン８ｂへ向けて方向付けられる。燃焼済みガスは、そこで圧力が減少された後、処理システム後のガスを伴って、又は伴うことなく排気システム（矢印９により示される）へと方向付けられる。

更なる実施形態において、圧力タンク４、６のそれぞれは、前述した個々のチャージバルブを用いて、燃焼室と相互接続される。適用分野に応じて、高温ガス及び／又は低温ガス用の１つの圧力チャンバだけを設けることもできるが、全体の効率は低下する。

Claims (8)

1. ピストンロッドを介してクランクシャフトに機械的に相互接続されるピストンが内部に配置されるシリンダと、
   シリンダヘッドとによって画定される少なくとも１つの燃焼室を備え、いずれもバルブギアを介して前記クランクシャフトに機械的に相互接続される吸気バルブ及び排気バルブと、
   当該内燃機関を４サイクル空気圧モードで動作させることができるように完全可変方式でチャージバルブアクチュエータによって作動される少なくとも１つのチャージバルブと
   を備える、内燃機関。
2. 前記チャージバルブアクチュエータが、２つの正反対の側から液圧に晒されるピストンを備える電気液圧タイプのものであることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 第１の圧力タンク及び第２の圧力タンクを有し、前記第１の圧力タンクが低温レベルの圧縮空気を蓄えるようになっており、前記第２の圧力タンクが高温レベルの排ガスを蓄えるようになっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記第１の圧力タンク及び前記第２の圧力タンクが、チャージバルブ及び切り換えバルブを介して前記少なくとも１つの燃焼室に相互接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記第１の圧力タンク及び前記第２の圧力タンクが別個のチャージバルブによって前記燃焼室に相互接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
6. 前記第１の圧力タンクが冷却されること、及び／又は前記第２の圧力タンクが断熱されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記排ガスから取り出されるエネルギによって、吸入領域で前記空気を圧縮するためにターボチャージャが備えられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 前記排気バルブと触媒との間には、触媒をバイパスするためにバイパスバルブが配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関。

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