特表 2024-520248 酸素濃縮装置を備えた内燃機関、並びに酸素濃縮装置を備えた内燃機関を動作させるための方法、プログラム製品、及びコンピュータ可読媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-24

(54)【発明の名称】酸素濃縮装置を備えた内燃機関、並びに酸素濃縮装置を備えた内燃機関を動作させるための方法、プログラム製品、及びコンピュータ可読媒体

(51)【国際特許分類】

   F02D 21/02 20060101AFI20240517BHJP

   F02M 33/00 20060101ALI20240517BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20240517BHJP

【ＦＩ】

F02D21/02

F02M33/00 C

F02D13/02 L

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023547637

(86)(22)【出願日】2021-12-27

(85)【翻訳文提出日】2023-10-02

(86)【国際出願番号】 HU2021050074

(87)【国際公開番号】W WO2022248896

(87)【国際公開日】2022-12-01

(31)【優先権主張番号】P2100202

(32)【優先日】2021-05-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】HU

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523297619

【氏名又は名称】カルパティ，イストバン

(74)【代理人】

【識別番号】110003487

【氏名又は名称】弁理士法人東海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】カルパティ，イストバン

(72)【発明者】

【氏名】カルパティ，ステファン

【テーマコード（参考）】

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G092AB18

3G092FA15

(57)【要約】

発明の解決策は、内燃機関で通例使用される圧縮行程の代わりに、酸素濃縮装置を動作させる吸入行程が使用される酸素濃縮装置を備えた内燃機関である。発明の本質は、シリンダ空間（１５）と酸素濃縮装置（８０）の１つ又は複数のセルとが、機関の各吸入行程中に一時的に透過性にされることである。吸気行程中にシリンダ空間（１５）に取り込まれ、吸入行程中にピストン（５）によって押し出されたガスが、酸素濃縮装置（８０）の１つ又は複数のセル（４１Ａ～４１Ｚ、５１Ａ～５１Ｚ）をチャージし、セル（４１Ａ～４１Ｚ、５１Ａ～５１Ｚ）内の窒素の大部分を分離した後、コンプレッサ（３３）を通る酸素富化ガスが、動力行程の開始時に噴射器（１１）によってシリンダ空間（１５）に噴射される。燃料も、動力行程の開始時に噴射器（１９）によってシリンダ空間（１５）に導入される。点火は、スパーク点火、自己点火（熱点火）、又はそれらの荷重依存、速度依存、若しくは電力要件依存の動的組み合わせであってもよい。発明の主題はまた、酸素濃縮装置を備えた内燃機関を動作させる方法、コンピュータプログラム製品、及びコンピュータ可読媒体である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのシリンダ壁（１）、ピストン（５）、及びシリンダヘッド（１７）によって囲まれるシステムを備える内燃機関を動作させる方法であって、
（ａ）前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムが、吸気行程、吸入行程、動力行程、及び排気行程によって動作し、
（ｂ）前記吸入行程中に、前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムから前記ピストン（５）によって押し出されるガスが使用されて、酸素濃縮装置（８０）を動作させ、
（ｃ）前記酸素濃縮装置（８０）によって抽出される酸素富化ガスが、酸素富化ガス噴射器（１１）によって、コンプレッサ（３３）を通じて前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに噴射され、
（ｄ）前記燃料が、燃料噴射器（１９）によって、前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに噴射される、方法。

【請求項2】

前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに噴射される前記酸素富化ガスと前記燃料との混合物が、スパーク点火によって点火される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに噴射される前記酸素富化ガスと前記燃料との混合物が、自己点火によって点火される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに噴射される前記酸素富化ガスと前記燃料との混合物が、スパーク点火と自己点火の荷重依存、速度依存、及び電力依存の動的組み合わせによって点火される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記酸素濃縮装置（８０）が、二セル又は多セル吸収式ガス分離酸素濃縮装置（８１）である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記酸素濃縮装置（８０）が、単セル又は多セル膜式ガス分離酸素濃縮装置（８２）である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

請求項１の方法を適用し、少なくとも１つのシリンダ壁（１）、ピストン（５）、及びシリンダヘッド（１７）によって囲まれるシステムと、少なくとも１つの前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに接続される吸気弁（７）及び排気弁（１４）とを備える、内燃機関であって、
少なくとも１つの前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムがチャージ弁（９）を備え、
前記チャージ弁（９）が、チャージマニホルド（８）を通じて酸素濃縮装置（８０）の入力（５８）に接続され、
前記酸素濃縮装置（８０）の第１の出力（３０）が、コンプレッサ（３３）の入力に接続され、
前記コンプレッサ（３３）の出力が、酸素富化ガス噴射器（１１）の入力に接続され、
前記酸素富化ガス噴射器（１１）の出力が、少なくとも１つの前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システム内にあり、
燃料噴射器（１９）の出力が、少なくとも１つの前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及び前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システム内にあり、
前記酸素濃縮装置（８０）の第２の出力（３０）が、真空ポンプ（３８）の入力に接続され、
前記真空ポンプ（３８）の出力が、開放雰囲気中にあり、
前記酸素富化ガス噴射器（１１）及び前記燃料噴射器（１９）が、制御モジュール（５０）によって動作させられる、内燃機関。

【請求項8】

スパークプラグ（１２）の出力が、少なくとも１つの前記シリンダ壁（１）、前記ピストン（５）、及びａ前記シリンダヘッド（１７）によって囲まれる前記システムに接続され、
前記スパークプラグの入力が、スパークモジュール（６５）の出力に接続され、
前記スパークモジュール（６５）が、前記制御モジュール（５０）によって動作させられる、請求項７に記載の内燃機関。

【請求項9】

前記酸素濃縮装置（８０）が、二セル又は多セル吸収式ガス分離酸素濃縮装置（８１）である、請求項７又は請求項８に記載の内燃機関。

【請求項10】

前記酸素濃縮装置（８０）が、単セル又は多セル膜式ガス分離酸素濃縮装置（８２）である、請求項７又は請求項８に記載の内燃機関。

【請求項11】

コンピュータによって実行される請求項１に記載の方法の工程を実行する命令を含む、コンピュータプログラム製品。

【請求項12】

コンピュータによって実行される請求項１に記載の方法の工程を実行する命令を含む、コンピュータ可読媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の目的は、酸素濃縮装置を備えた内燃機関であり、酸素濃縮装置を動作させるための吸入工程を使用することによって、機関の効率を向上させ、汚染物質の排出を低減する。発明の適用分野は、内燃機関が使用される全てのエネルギー変換分野である。発明の目的はまた、酸素濃縮装置を備えた内燃機関を動作させるための方法、プログラム製品、及びコンピュータ可読媒体である。

【背景技術】

【0002】

内燃機関における汚染物質の排出物を低減するためのいくつかの解決策が既知である。解決策のうちの１つによれば、燃料を燃焼させるためのガスの酸素濃度は周囲空気の酸素濃度よりも高いため、燃料の燃焼を向上させ、炭化水素及び窒素酸化物排出物を低減する。中国特許第１３０９２３７号明細書は、このような解決策を記載している。同特許の発明の本質は、導入されたガスの窒素成分の一部を分離する多セルゼオライト含有膜式又は吸収式酸素濃縮装置が使用され、酸素富化ガス生成物が機関に導入されることである。燃料は、機関の燃焼室内のこのガス生成物で燃焼される。

【0003】

言及する特許出願の両方の酸素分離システムは、外部コンプレッサを使用する。コンプレッサが故障した場合、機関は、燃料を燃焼させるのに必要な酸素含有ガスを有していないため、動作可能でなくなる。

【0004】

米国特許第９１４９７５７号明細書は、膜式吸収酸素分離システムを記載している。このシステムは上述の特許出願と同様のシステムについて説明しているが、このシステムは、酸素分離システムが動作不能になった場合のためのバイパス路を有する。このシステムの欠点は、酸素分離システムの動作中、コンプレッサの出力空気流を、機関のガス質量要件に合わせて動的に調節しなければならず、このことは面倒であり、コンプレッサの早期の故障を招く場合がある。

【0005】

米国特許第４２４０３８１号明細書は、任意選択的に、酸素富化ガスが、電力需要が一定速度走行状況の場合よりも高くなる動力行程の前に燃焼室に噴射される直接燃料噴射機関を示している。このシステムの欠点は、酸素富化圧縮ガスが、機関から独立した装置で生成されることで、上記装置の故障に由来して機関の信頼性を低下させることである。

【発明の概要】

【0006】

発明の目的は、信頼性及び燃料効率が高く、かつ汚染物質の排出が少ない内燃機関を提供することである。

【0007】

発明の解決策は、内燃機関で通例使用される圧縮行程の代わりに、酸素濃縮装置を動作させるための吸入行程が使用される、酸素濃縮装置を備えた内燃機関である。発明の本質は、シリンダ空間と酸素濃縮装置の１つ又は複数のセルとが、機関の各吸入行程中に一時的に透過性にされることである。吸気行程中にシリンダ空間に取り込まれ、吸入行程中にピストンによって押し出された空気が酸素濃縮装置の１つ又は複数のセルをチャージし、セル内の窒素の大部分を分離した後、酸素富化ガスが、動力行程の開始時に噴射器によってコンプレッサを通じてシリンダ空間に導入される。燃料も、動力行程の開始時に噴射器によってシリンダ空間に導入される。点火は、スパーク点火、自己点火（熱点火）、又はそれらの荷重依存、速度依存、若しくは電力要件依存の動的組み合わせであってもよい。発明の目的は、請求項１に定義される方法、請求項７に定義される装置、請求項１１に記載のコンピュータプログラム製品、及び請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体によって達成されている。発明の好ましい実施形態は、従属請求項に定義される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

酸素濃縮装置を有する内燃機関の発明を、図面を参照して以下に詳細に説明する。

【図1】本発明による、内燃機関の１つのシリンダ、酸素濃縮装置、及びコンプレッサの接続を示す。

【図2】本発明による、吸気行程の開始時（排気行程の終了時）の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図3】本発明による、吸入行程の開始時の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図4】本発明による、チャージ弁の開放時の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図5】本発明による、動力行程前の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図6】本発明による、動力行程の開始時の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図7】本発明による、排気行程の開始時の内燃機関の１つのシリンダを示す。

【図8】本発明による、吸収式ガス分離を伴う多セル酸素濃縮装置を示す。

【図9】本発明による、膜式ガス分離を伴う多セル酸素濃縮装置を示す。

【図10】本発明による、酸素濃縮装置を備えた内燃機関の制御モジュールを示す。

【図11】本発明による、吸収式ガス分離を伴う多セル酸素濃縮装置の周期的動作を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、本発明による、内燃機関の１つのシリンダ７０、酸素濃縮装置８０、及びコンプレッサ３３の接続を示す。シリンダ７０のチャージマニホルド８が酸素濃縮装置８０の入力に接続され、酸素濃縮装置８０の出力がコンプレッサ３３の入力に接続され、コンプレッサ３３の出力が噴射器１１に接続される。燃料は、噴射器１９を通ってシリンダ７０に送達される。酸素濃縮装置８０の入力は、ピストンによってシリンダ空間から押し出されるチャージガスであり、機関を動作させるために使用される酸素濃縮装置８０の出力における酸素ガス濃度は、空気の酸素濃度よりも高く、雰囲気に放出されるガスの窒素濃度は、空気の窒素濃度よりも高い。

【0010】

図２～７は、本発明による内燃機関の１つのシリンダ７０のシリンダ壁１を示しており、これは、クランクケース２と、及びクランクケース２に組み込まれたクランクシャフト３と、クランクシャフト３上のピストンロッド４を通じてピストン５と、に接続されている。シリンダ空間１５は、ピストン５の上面によって底部から、シリンダ壁１によって側部から、シリンダヘッド１７によって上部から区切られる。シリンダヘッド１７は、クランクシャフト３と同期して動作する吸気弁７、排気弁１４、及びチャージ弁９と、酸素富化ガス噴射器１１と、酸素富化ガス噴射器１１に接続された酸素富化ガス供給源１０と、燃料噴射器１９と、燃料噴射器１９に接続された燃料供給源１８と、並びにスパーク点火の場合のスパークプラグ１２と、を備える。

【0011】

図８は、本発明による、吸収式ガス分離によって動作する多セル酸素濃縮装置８１を示し、吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚの材料は、セルに送達される大気圧よりも高いガスのうち酸素よりも多く窒素成分を吸収する。吸収式ガス分離セルの材料は、典型的にはゼオライトである。吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚのチャージは、電磁弁２３を介した内燃機関のチャージマニホルド８からの内燃機関のピストン５の移動の結果として、シリンダ空間１５からガスを押し出し、任意選択的にフィルタ２１及びインタークーラ２２を挿入し、瞬間的電力要件に応じて、リザーバ４０に保管された酸素富化ガスの量と酸素濃度の関数としてチャージ毎に１つ又は複数の吸収式ガス分離セルをチャージすることによって、実行される。チャージ後に特定の時間が経過すると、吸収式ガス分離セルの雰囲気は酸素富化ガスを含有するが、窒素は吸収式ガス分離セルの材料に吸収される。次いで、酸素富化ガス用の電磁弁２９が開放され、酸素富化ガスが、吸収式ガス分離多セル酸素濃縮装置８１の第１の出力３０、及び任意選択的にフィルタ３１と任意選択的にインタークーラ３２とを通って酸素富化ガスのコンプレッサ３３に至り、使用されるまで高圧酸素富化ガスはリザーバ４０内に保管される。吸収式ガス分離セルの材料の吸収能力は、吸収された窒素の量に相反する。飽和した吸収式分離セルの再生中、電磁弁３７は開放され、真空ポンプ３８は、真空を提供することによって、吸収式ガス分離多セル酸素濃縮装置８１の第２の出力４２を通じて吸収式ガス分離セルの材料から窒素を除去する。窒素は再生工程後も、すなわち、電磁弁３７の閉鎖後も解放されるが、吸収式ガス分離セル内の圧力は、酸素富化ガスがセルから引き出される前の圧力よりも低い。吸収式ガス分離セルは、再生工程後に酸素富化ガスを提供する準備が整っている。吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚは、任意選択的に、酸素センサ２６Ａ～２６Ｚ、圧力センサ２７Ａ～２７Ｚ、及び温度センサ２８Ａ～２８Ｚによって監視されてもよい。

【0012】

図９は、本発明による、膜式ガス分離によって動作する単セル又は多セル酸素濃縮装置８２を示し、膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚは、セルに送達される大気圧よりも高いガスのうち酸素成分を透過させる一方、送達された窒素成分は膜の端に残る。膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚの材料は、典型的には、ポリスルホン酸塩（ＰＳＯ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリ（２，６－ジメチル－１，４－フェニレンオキシド）（ＰＰＯ）、又はゼオライトである。吸収式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚのチャージは、電磁弁２３を通じて内燃機関のチャージマニホルド８から上死点への内燃機関のピストン５の上方移動の結果として、シリンダ空間１５から押し出されるガスによって実行され、任意選択的にフィルタ２１及びインタークーラ２２を挿入する。膜式ガス分離セル５１を透過した酸素富化成分は、膜式ガス分離セル５１の酸素富化ガス蓄積出力５４上で、任意選択的にフィルタ３１及び任意選択的にインタークーラ３２を通じて、チューブ５６を介して膜式ガス分離単セル又は多セル酸素濃縮装置８２の第１の出力３０に至り、使用時まで高圧酸素富化ガスがリザーバ４０内に保管される。膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚの窒素富化出力５５Ａ～５５Ｚは、チューブ５７Ａ～５７Ｚ及び膜式ガス分離単セル又は多セル酸素濃縮装置８２の第２の出力４２を通じて真空ポンプ３８に接続される。膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚは、任意選択的に、酸素センサ２６Ａ～２６Ｚ、圧力センサ２７Ａ～２７Ｚ、及び温度センサ２８Ａ～２８Ｚによって監視されてもよい。

【0013】

図２はシリンダ７０の吸気行程の開始時を示し、チャージ弁９が閉鎖され、排気弁１４が部分的に開放され、吸気弁７が完全に開放されることによってシリンダ７０のチャージを促進する。ピストン５が上死点から下死点に向かって始動するとすぐに、排気弁１４が閉鎖され、吸気弁７は下死点に到達するまで開放されたままである。

【0014】

図３は、シリンダ７０の吸入行程の開始時を示し、排気弁１４及びチャージ弁９が閉鎖され、吸気弁７が完全に開放されている。ピストン５が下死点から上死点に向かって始動するとすぐに、吸気弁７が閉鎖される。

【0015】

図４は、チャージ弁９の開放時のシリンダ７０を示し、排気弁１４及び吸気弁７が閉鎖されているときに、ピストン５は上死点に向かって移動する。チャージ弁９の開放は、ピストン５の特定の位置で、又はシリンダ空間１５の圧力が酸素濃縮装置８０の入力５８上の圧力センサ６６によって読み取られる圧力よりも高いときに可能となる。

【0016】

図５は、チャージ弁９の閉鎖時のシリンダ７０を示し、このとき排気弁１４及び吸気弁７は閉鎖され、チャージ弁９は閉鎖されている。この時点で、ピストン５は依然として上死点の前にある。

【0017】

図６は、燃焼開始時のシリンダ７０を示す。この時点で、排気弁１４、吸気弁７、及びチャージ弁９は閉鎖されており、ピストン５は依然として上死点の前にある。噴射器１１は、必要な機関出力の機能として、加圧酸素富化ガスライン１０からシリンダ空間１５へ酸素富化圧縮ガスを噴射する。噴射器１９は、必要な機関出力の機能として、加圧燃料ライン１８からシリンダ空間１５へ燃料を噴射する。燃料と酸素富化圧縮ガスの混合物は、スパーク点火の場合、スパークプラグ１２によって点火される。燃料と酸素富化圧縮ガスの混合物は、自己点火の場合、燃料が噴射されたときに点火される。ピストン５は、シリンダ７０内で上死点から下死点に向かって移動しており、燃料の燃焼から生成されるエネルギーの一部を機械エネルギーに変換する。

【0018】

図７は、排気行程の開始時のシリンダ７０を示す。この時点で、排気弁１４は開放され、吸気弁７及びチャージ弁９は閉鎖されている。ピストン５は、シリンダ７０において下死点から上死点に向かって移動し、排気弁１４及び排気マニホルド１３を通じて排気ガスの大半を除去している。

【0019】

シリンダ７０の排気行程の最後は、シリンダ７０の吸気行程の最初と同一であって、図２に示されている。シリンダ７０の動作は、機関を動作させる条件（クランクシャフトの回転エネルギー、燃料供給、酸素供給、スパーク点火の場合の点火、熱及び排気ガスの除去）が提供される限り、図２～図７に示される工程を繰り返すことによって連続的である。

【0020】

図１０は、本発明による、酸素濃縮装置８０を備えた内燃機関の制御モジュール５０を示す。制御モジュール５０は、クランクシャフト位置センサ１６、カムシャフト位置センサ２０、酸素センサ３４、圧力センサ３５、温度センサ３６、酸素センサ２６Ａ～２６Ｚ、圧力センサ２７Ａ～２６Ｚ、温度センサ２８Ａ～２８Ｚ、圧力センサ６６、並びに任意選択的に、荷重センサ６１、タコメータセンサ６２、及びペダル位置センサ６３の入力、入力電磁弁２３Ａ～２３Ｚ、出力電磁弁２９Ａ～２９Ｚ、電磁弁３７Ａ～３７Ｚ、真空ポンプ３８、コンプレッサ制御装置３９、酸素富化ガス噴射器１１、酸素富化ガス噴射器１１に接続された酸素富化ガス供給源１０、燃料噴射器１９、及び点火制御出力６４を有する。点火制御出力６４は点火制御モジュール６５に接続され、点火制御モジュール６５はスパークプラグ１２に接続される。

【0021】

制御モジュール５０を用いた内燃機関の動作は以下の通りである。

【0022】

制御モジュール５０は、クランクシャフト３とカムシャフトの位置を検出し、吸気行程中、ピストン５は、シリンダ壁１とシリンダヘッド１７によって包囲されたシリンダ空間１５に空気を引き込む。チャージ弁９は、吸入行程中に下死点位置の後ろの所与の位置で開放される。

【0023】

図８に示される吸収式ガス分離によって動作する多セル酸素濃縮装置８１を使用する場合、今度は、最後に使用され再生された吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚに属する電磁弁２３Ａ～２３Ｚが開放され、上死点に向かって移動するピストン５が、吸気行程の開始時に最後に使用され再生された吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚを、シリンダ空間１５に引き入れられた空気とシリンダ内に残る残留ガスでチャージする。最後の１つ前に使用され再生された吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚは、この吸入行程に続く次の吸入行程でチャージされる。図１１のセルの配置では、最後の吸収式ガス分離セル４１Ｚの隣に順に第１のセル４１Ａを置くことによってセルを円形に配置する場合、制御モジュール５０が、典型的には最後に使用され再生された吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚ（図１１では吸収式ガス分離セル４１Ｂ）から円の外周に沿った両方向から最も遠くに位置付けられたセル（図１１では吸収式ガス分離セル４１Ｎ）で以下の工程を実行する：ａ）吸収式ガス分離セル４１Ｎの電磁弁２９が開放され、酸素富化ガスが、任意選択のフィルタ３１、任意選択のインタークーラ３２、及び酸素富化ガス用のコンプレッサ３３を通じて、吸収式ガス分離によって動作する多セル酸素濃縮装置８１の第１の出力３０からリザーバ４０に至る、ｂ）吸収式ガス分離セル４１Ｎが、吸収式ガス分離セル４１Ｎの電磁弁３７Ｎを開放することによって再生相に至る。制御モジュール５０は、典型的には、最後に使用され再生されたセル４１Ａ～４１Ｚから見出されるセルの電磁弁３７Ｃ～３７Ｍを、円の外周に沿った両方向から最も遠くに位置付けられたセル４１Ａ～４１Ｚから最後の１つ前に使用され再生されたセルに向かう方向に開放し、それらのセルを再生相に保持する。吸収式ガス分離セル４１Ｃは次の吸入行程でチャージされ、生成された酸素富化ガスが使用され、電磁弁２９Ｏを開閉することによって吸収式ガス分離セル４１Ｏから除去され、電磁弁３７Ｏは、吸収式ガス分離セル４１Ｏが反復チャージされ、吸収式ガス分離セル４１Ｏが再生相に入るまで開放されたままである。最後に使用された吸収式ガス分離セルと最初に使用された吸収式ガス分離セルとの間の距離は、機関に必要な瞬間的な酸素富化ガスの量に応じて変更され得る、すなわち、酸素富化ガスの量の需要が高い場合、使用される再生相のセルの数を増やすことができ、酸素富化ガスの量の需要が低い場合、チャージ相のセルの数を増やすことができる。吸収式ガス分離多セル酸素濃縮装置８１を使用する場合、次のチャージに備えたセル４１Ａ～４１Ｚ内の圧力は大気圧未満であり、この低い圧力はピストン５の上方移動を助けるため、下死点の直後で、次のチャージに備えたセル４１Ａ～４１Ｚのうちの１つとチャージ弁９とに属する電磁弁２３Ａ～２３Ｚの１つを開放することが有利である。シリンダ空間１５に取り込まれた空気の体積変化に基づいて計算された瞬間的圧力が、圧力センサ６６の圧力読取り値以下であるとき、プロセスはこれによって更に最適化され得る。

【0024】

膜式ガス分離によって動作する単セル又は多セル酸素濃縮装置８２を使用する場合、最後に使用された膜式ガス分離セル５１に属する電磁弁２３が開放され、上死点に向かって移動するピストン５は、吸気行程の開始時にシリンダ空間１５に引き込まれた空気とシリンダに残った残留ガスで、最後に使用された膜式ガス分離セル５１をチャージする。最後の１つ前に使用され再生された膜式ガス分離セル５１は、この吸入行程に続く次の吸入行程でチャージされる。再生工程は、膜式ガス分離によって動作する単セル又は多セル酸素濃縮装置８２を使用する場合には不要である。ピストン５によって押し出されたガスからの酸素の分離は継続的である。膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚの窒素富化出力５５Ａ～５５Ｚは、チューブ５７Ａ～５７Ｚ及び膜式ガス分離単セル又は多セル酸素濃縮装置８２の第２の出力４２を通じて真空ポンプ３８に接続される。膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚを透過した酸素富化成分は、膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚの酸素富化ガス蓄積出力５４Ａ～５４Ｚ上で、チューブ５６Ａ～５６Ｚを介して弁なしで膜式ガス分離単セル又は多セル酸素濃縮装置８２の第１の出力３０に至り、任意選択的にフィルタ３１と任意選択的にインタークーラ３２を通じて、及びコンプレッサ３３を通じて、高圧酸素富化ガスはリザーバ４０に至る。

【0025】

制御モジュール５０は、機関の調節可能なパラメータ、例えば、早期点火、酸素富化ガス及び燃料の量、並びに酸素センサ２６Ａ～２６Ｚ、酸素センサ３４、圧力センサ２７Ａ～２６Ｚ、圧力センサ３５、温度センサ２８Ａ～２８Ｚ、温度センサ３６、荷重センサ６１、タコメータセンサ６２、及びペダル位置センサ６３の入力の読取り値に基づく噴射の量、タイミング、及び長さを制御する。

【0026】

制御モジュール５０はまた、酸素センサ２６Ａ～２６Ｚ、酸素センサ３４、圧力センサ２７Ａ～２６Ｚ、圧力センサ３５、温度センサ２８Ａ～２８Ｚ、温度センサ３６、荷重センサ６１、タコメータセンサ６２、及びペダル位置センサ６３の入力の読取り値に基づいて、１つ以上前に選択された同じ吸収式セル４１又は次の吸収式セル４１をチャージする必要があるかどうかを判定する。

【0027】

本発明による機関の追加の利点は、コンプレッサ３３の動作不良の場合にチャージ弁９を閉鎖することによって、緊急モードで機関を更に動作させ得ることである。

【0028】

本発明の利点は、キャビティ２４Ａ～２４Ｚ又はキャビティ５３Ａ～５３Ｚの容積が、吸入行程中にシリンダ空間１５に追加されることである。したがって、本発明による機関は、吸収式ガス分離によって動作する多セル酸素濃縮装置８１を使用するか、又は膜式ガス分離によって動作する単セル又は多セル酸素濃縮装置８２を使用する場合には圧縮行程の代わりに吸入行程を使用するため、アトキンソン機関に比べて、本発明による機関では圧縮工程中に生じるエネルギー損失が低減される。吸入行程中にコンプレッサ３３及び真空ポンプ３８によって吸収式ガス分離セル４１Ａ～４１Ｚ又は膜式ガス分離セル５１Ａ～５１Ｚ内で生成される大気圧より低い圧力は、ピストン５の上方移動を更に助ける。

【0029】

本発明の追加の利点は、汚染排出物、何よりもＮｘＯｙ排出物が、従来の機関と比較して少ないことである。

【0030】

追加の利点は、空気によって燃料を燃焼させる機関よりも燃料がより完全に燃焼されるために、燃料消費量が少なくなることである。

【0031】

追加の利点は、ピストン、ピストンピン、ピストンロッド、及びクランクシャフトが、ピストンによる圧縮がないことで高トルクに晒されないために、従来の機関よりも機関の摩耗が少ないことである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】