(57)【要約】【課題】内燃機関を提供する。【解決手段】本明細書は、約３インチ未満の直径を有する少なくとも１つのシリンダを備えるエンジンハウジングを備える内燃機関を提供する。燃料噴射器は、少なくとも１つのシリンダ内に少なくとも部分的に配置されて設けられ、約５０ミクロン〜約１１０ミクロンの直径を有する複数の出口孔を備える。さらに、本明細書は、内燃機関を動作させる方法を提供する。本方法は、１分当たり約５０００回転超の速度でエンジンのエンジンクランク軸を回転させる工程と、各シリンダ内に所定量の燃料を噴射する工程と、平方インチ当たり少なくとも約２００ポンドのブレーキ平均有効圧力を得るのに十分な量の噴射燃料を、ピストンの少なくとも４行程毎に燃焼させる工程とを含む。【選択図】図２
2006250148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約３インチ未満の直径を有する少なくとも１つのシリンダを備えるエンジンハウジングと、
約５０ミクロン〜約１１０ミクロンの直径を有する複数の出口孔を有し、前記少なくとも１つのシリンダ内に少なくとも部分的に配置される燃料噴射器とを備える内燃機関。
【請求項２】
前記エンジンハウジングは、複数のシリンダを備える請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記複数のシリンダは、少なくとも８個のシリンダを備える請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
複数のピストンを備え、前記ピストンの各々は、前記複数のシリンダの１つの内部に少なくとも部分的に配置され、約２インチ〜約３インチの行程距離を有する請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記複数のシリンダの各々は、約２．５インチ〜約３．０インチの直径を有する請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
複数の燃料噴射器を備え、前記燃料噴射器の各々は、前記複数のシリンダの１つの内部に少なくとも部分的に配置されており、約６０ミクロン〜約９０ミクロンの直径を有する複数の出口孔を備える請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記複数のシリンダは、Ｖ字形のパターンに配置された１２個のシリンダを備え、前記シリンダの各々が約２．５インチ〜約２．８インチの直径を有しており、
前記複数のピストンは、１２個のピストンを備え、前記ピストンの各々が約３．０インチ未満の行程距離を有しており、
前記複数の燃料噴射器は、１２個の燃料噴射器を備え、前記燃料噴射器の各々が約１０個より多い出口孔を有する請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
内燃機関を動作させる方法であって、
約３インチ未満の直径を有するエンジンシリンダ内で各々が少なくとも部分的に往復動可能となされる複数のピストンと連結されるエンジンクランク軸を、１分当たり約５０００回転を超える速度で回転する工程と、
シリンダに関連するピストンの４行程毎に少なくとも１回、所定量の液体燃料を各シリンダ内に噴射する工程と、
平方インチ当たり少なくとも約２００ポンドのブレーキ平均有効圧力を得るのに十分な量の液体燃料を、各シリンダ内でピストンの少なくとも４行程毎に燃焼させる工程とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、一般に、内燃機関に関し、より詳しくは、小さい出口孔を有する燃料噴射器を用いる小口径の直接噴射内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、幅広い応用例において電源として長く用いられている。また、内燃機関は、比較的小さな携帯型の電動工具から、船舶に用いられる非常に大きなディーゼルエンジンや発電所に亘るまで、幅広い大きさのものがある。一般的には、エンジンが大きいほど、より出力も大きく、一方、エンジンが小さいほど、出力も小さい。エンジン出力は、次の式で計算することができる。ここでは、「ＢＭＥＰ」は、ブレーキ平均有効圧力であり、従来の４行程ピストンエンジンの出力行程中における平均シリンダ圧力である。
出力＝（ＢＭＥＰ）×（エンジン排気量）×（ＲＰＭ）×（１／７９２，０００）（英語圏諸国単位系）
【０００３】
また、エンジンは、より大きくなるほど、出力が大きくなり得るものだが、出力対重量、又は、大きさ比、又は、「出力密度」は、通常、より小さいエンジンの場合よりも小さくなる。エンジン出力は、所定のスケール因子の二乗で変化するが、一方、エンジンの重量及び体積は、スケール因子の三乗で変化する。エンジンの寸法を２倍に大きくすると、例えば、シリンダの内径を２倍とし、通常のエンジンのピストン行程を２倍とすることにより、その他の全てが同一の状態では、エンジン出力が約４倍に増大する。しかしながら、エンジンの大きさ及び重量は、約８倍に増大する。このため、「出力密度」は、２分の１に減少し得る。一般に、同じような原理がエンジンの大きさを小さくしようとする際にも適用可能である。通常のエンジンの内径を２分の１に減少する場合には、エンジン出力は、４分の１に減少し、エンジンの大きさ及び重量は、８分の１に減少する。このため、エンジンが小さいほど、利用可能な動力出力が比較的少なくなり、理論上の出力密度は、大抵の場合には、類似のより大きなエンジンよりも大きくなる。
【０００４】
出力密度に関係する他の関連因子は、特定のエンジンにおけるピストンの行程距離である。多くのエンジンでは、行程距離とＲＰＭとの間の兼ね合いがある。比較的長い行程のエンジンでは、より大きいトルクとより低いＲＰＭをとる傾向にあるが、一方では、比較的短い行程のエンジンでは、より低いトルクとより大きいＲＰＭをとる傾向がある。短い行程のエンジンと長い行程のエンジンが同一の馬力を有している場合においてさえも、より短い行程のエンジンは、より短くより小さいエンジンとなり得るため、より大きな出力密度をとり得る。
【０００５】
多くの応用例では、より小さく、より大きな出力密度のエンジンが望ましいものとなり得る。例えば、多くの航空機では、比較的少ないシリンダしか有していない大きなエンジンよりもむしろ、比較的多数のシリンダを有している比較的小型で軽量で且つ高出力密度のエンジンを用いる方が望ましい。しかしながら、多くの内燃機関を所定の限界よりも小型化しようとする試みは、特に、直接噴射圧縮着火機関に関しては、ほとんど成功していない。多くのより小型で、理論上より大きな電力密度を有するエンジンでは、より高い出力需要を満たすのに十分な各出力行程あたりの燃料を、比較的小さなシリンダで完全に燃焼することができない。
【０００６】
例えば、従来のエンジンでは、より低い温度及びブーストで稼働すると、比較的少量の燃料が各サイクル毎に噴射されるが、より多くの出力がエンジンに求められる場合には、より多量の必要な燃料を燃やすことができないために、エンジンの動力出力が限定されてしまう。より多量の燃料をより長い噴射回数に亘って噴射すると、液体燃料噴霧は、それがシリンダ側の新鮮な空気の供給と適切に混合する機会を持つ前に、「壁面付着」などの当分野で知られた、ピストン面や他の任意の燃焼室面に接触する可能性がある。この問題は、特に、より小口径のエンジンで深刻である。このため、壁面付着は、不完全燃焼、及び高濃度の炭化水素、並びに粒子状物質の排気を生じる傾向にあるため、直感的に本来の可能出力となり得るものよりも、より低い出力及びより悪い排気となるように小口径のエンジンを限定しかねない。
【０００７】
温度及びシリンダの内圧が比較的より高い状態においては、壁面付着は、それほど問題ではない。しかしながら、不適切に燃料と空気が混合すると、燃焼する前に過度な煙を生じることになり、理論的な出力限界に達するかなり前にエンジン出力を限定する可能性がある。これらの限定の理由の１つとしては、より高いＲＰＭでは、各シリンダにおいて燃料を噴射及び着火するには比較的短時間しかないためである。
【０００８】
上記の限定の結果として、まさに２つの一般等級の小型ディーゼルエンジンが挙げられる。すなわち、比較的より高いＢＭＥＰでより低いＲＰＭで動作するエンジンと、比較的より低いＢＭＥＰでより高いＲＰＭで動作するエンジンである。しかしながら、何れの種類のエンジンも、通常、その大きさ及び重量に相応の好ましい出力密度を提供することができない。小口径のディーゼルエンジンの一例としては、独国のレムシャイト（Ｒｅｍｓｃｈｅｉｄ）にあるＤｒ．シュリック社（Ｄｒ．Ｓｃｈｒｉｃｋ  ｃｏｍｐａｎｙ）により設計された、商品名ＴＫＤＩ６００がある。このＴＫＤＩ６００は、６０００ＲＰＭで３４ＫＷ、つまり約４６ｈｐの出力があるものといわれている。ＴＫＤＩ６００の口径は、約７６ｍｍ、つまり約３インチをとり得るものであり、ピストン行程は、約６６ｍｍ、つまり２．６インチをとり得る。ＴＫＤＩ６００は、小型の無人航空機などの特定の応用例に利用されるものといわれているが、利用可能なＢＭＥＰは、約１６９ＰＳＩの比較的低いものであり、よって、エンジンは、利用可能な全動力出力、更にはこのために出力密度がいくらか限定されてしまう。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，０７０，８１３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本明細書は、上述した問題又は欠点のうちの１つ以上に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一形態において、本明細書は、内燃機関を提供するものである。本内燃機関は、約３インチ未満の直径を有する少なくとも１つのシリンダを有するエンジンハウジングを備える。さらに、本内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ内に少なくとも部分的に配置される燃料噴射器を備える。この燃料噴射器は、約５０ミクロン〜約１１０ミクロンの直径を有する複数の出口孔を有する。
【００１２】
本発明の他の形態においては、本明細書は、内燃機関を動作させる方法を提供するものである。本方法は、１分当たり約５０００回転を超える速度でエンジンクランク軸を回転する工程を含む。ここで、エンジンクランク軸は、約３インチ未満の直径を有するエンジンシリンダ内で各々が少なくとも部分的に往復動可能となされる複数のピストンと連結されている。さらに、本方法は、シリンダに関連するピストンの４行程毎に少なくとも１回、所定量の液体燃料を各シリンダ内に噴射する工程を含む。また、本方法は、平方インチ当たり少なくとも約２００ポンドのブレーキ平均有効圧力を得るのに十分な量の液体燃料を各シリンダ内で着火する工程を含む。
【００１３】
本発明のさらに他の形態においては、本明細書は、内部に少なくとも１つのシリンダを配置して備えるエンジンハウジングを備える内燃機関を提供するものである。本内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ内に少なくとも部分的に配置された少なくとも１つのピストンをさらに備え、約２５立方インチ未満の排気量を画定する。さらに、本内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ内に燃料を噴射可能であり、約５０ミクロン〜約１１０ミクロンの直径を有する複数の出口孔を備える少なくとも１つの燃料噴射器を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照するに、本明細書の一実施形態によるエンジン１０の概略が示されている。エンジン１０は、その中に複数のシリンダ１４を有するエンジンハウジング１２を備える。燃料噴射器１６は、各シリンダ１４内に少なくとも部分的に配置され、内部の液体燃料を直接噴射するように動作可能となされる。各燃料噴射器１６は、関連するシリンダに延びる燃料噴射先端部２０を備え得るものであり、各燃料噴射先端部２０は、複数の出口孔２２を有する。さらに、エンジン１０は、各々がシリンダ１４の１つの内部に少なくとも部分的に配置され、その中で移動可能となされた複数のピストン２１を備え、各ピストンは、ピストンロッド２３を介してクランク軸３０に連結される。また、エンジン１０は、さらに加圧燃料源１７を備え得るものであり、この燃料源は、例えば、高圧ポンプ、又はカム稼働の燃料加圧器を備え得る。加圧燃料源１７は、高圧フィードライン又は共通レール１９、及び複数の供給通路２６を介して、各燃料噴射器１６と流体接続され得る。また、加圧燃料源１７は、少なくとも約１５０ＭＰａまで燃料を加圧するものと予期されるが、本明細書は、これに限定されるものではない。幾つかの例では、比較的より高い圧力により、噴射された燃料が容易に噴霧化されるものと示されるが、実際の圧力は、特定のエンジンの様々な所望の動作特性と実現可能性に基づいて、選択され得るものである。また、エンジン１０は、例えば、ディーゼルエンジンなどの圧縮着火機関か、例えば、ガソリンを用いる火花点火機関のいずれかとし得る。
【００１５】
また、図２を参照するに、図１のエンジン１０の一部を拡大した図が示されている。このエンジン１０は、ピストン２１が内部で移動自在に配置されたシリンダ１４を備える。エンジン１０の各シリンダ１４は、約３インチ未満の直径Ｄ１を有し、約２インチ〜約３インチの間をとり得る。ここで、約３とは、２．５〜３．５を意味し、約２．５とは、２．４５〜２．５５を意味する。これらの例によれば、本明細書との関連で、約Ｘという句により意味するものを正確に決定することが可能である。特定の実施形態では、Ｄ１は、約２．５インチ〜約２．８インチであり、また、実用的な一実施形態では、約２．７インチをとり得る。エンジン１０は、唯一の単一シリンダ及び単一ピストンを備えるように構成され得るものと予期されるが、大抵の実施形態では、複数のシリンダ及びピストン、通常少なくとも８つのシリンダ及びピストンを備える。また、本実施形態においては、エンジン１０は、応用例に応じて、１２個のシリンダ、又は１６個以上のシリンダまでを備えることも予期される。エンジン１０内のシリンダの配置は、例えば、Ｖパターン、直列形、放射状、対向形などの任意の既存の構成をとり得る。多くの実施形態では、大きさ及び空間は、重要視されるものであり、このため、例えば、Ｖパターンのエンジンは、実用的な設計となり得る。
【００１６】
エンジン１０は、４行程サイクルが実用的な実現策となることが予期されるが、２行程又は４行程エンジンのいずれでも良い。この目的のため、燃料は、４ピストン行程毎に少なくとも約１回、燃料噴射器１６を介して噴射される。各ピストン２１は、通常、約２インチ〜約３インチの行程距離「Ｌ」を有し、本実施形態においては、各ピストン２１の行程距離が約２．５インチとなるように予期されている。また、各ピストン２１の典型的な行程距離とすると、エンジン１０の各シリンダ１４の総排気量は、通常、約２５立方インチ未満であり、約６立方インチ〜約２５立方インチとなり得る。また、本実施形態においては、各シリンダ１４の総排気量は、約７立方インチ〜約２５立方インチとなり、例えば、約１４立方インチとし得る。
【００１７】
各燃料噴射器１６の出口孔２２の少なくとも一部は、図２に示される直径Ｄ２が約５０ミクロン〜約１１０ミクロンをとり得る。特定の実施形態においては、出口孔２２の幾つか又は全てが、約６０ミクロン〜約９０ミクロンであり、また、これら幾つか又は全ては、約８５ミクロンをとり得る。出口孔２２は、燃料噴射先端部２０の外側を各燃料噴射器１６のノズル室２４と接続する穴を、燃料噴射先端部２０にレーザドリルで穿孔することにより形成され得る。１つの適切なレーザドリル処理が、本願特許出願人と共同所有の、ダルハイム（Ｄｕｒｈｅｉｍ）に付与された（特許文献１）に教示されている。出口孔２２のレーザドリルは、実行可能な方策であると予期されるが、極端に小さな噴射孔を形成する他の方法を用いても良い。例えば、出口孔２２は、より大きな穴を所望の直径に被膜又はめっきする方法や、中に小さいワイヤを入れたセラミック噴射ノズルを投入し、ノズルの硬化中にワイヤを燃焼させる方法などの既存の方法か、あるいは、他の任意の現在知られた又は今後発見されるであろう噴射器の孔形成技術を介して形成され得る。
【００１８】
また、出口孔２２の数は、変更し得るものであり、大抵の実施形態では、極端に小さい出口孔２２は、約８個より多く、通常、約１０〜約３０個とし得る。流れ面積は、オリフィス直径のスケール因子の二乗に伴って変化する。このため、例えば、従来の１６０ミクロンの孔の直径の約半分の直径を有する燃料噴射孔を有するエンジンを設計すると、各８０ミクロンの孔に対して、１６０ミクロンの孔の４分の１である流れ面積が得られる。このため、本実施例では、少なくとも４つの小穴が、より大きな１つの孔の流れ面積の能力と等価となるのに必要である。
【００１９】
一般に、燃料噴霧の侵入深さは、孔の大きさと直線的に関連する。所定のシリンダにおいてピストン面への噴射燃料の壁面付着及び噴霧の可能性及び程度は、通常、燃料噴霧の侵入深さと関連する。したがって、シリンダの内径が小さいほど、大きな口径よりもより容易く壁面付着を受けやすい傾向にあるため、一般に、比較的より小さなシリンダ内径を有する場合には、比較的より小さな孔を用いることが望ましくなり得る。例えば、Ｄ１が２インチに比較的近似している一実施形態では、５０ミクロンに比較的近似した直径Ｄ２を有する孔が適切となり得る。また、逆のことが、例えば、３インチに近似したより大きな大きさのシリンダで１１０ミクロンに近似した燃料噴射孔を有する場合に適用可能となり得る。
【００２０】
特定の一実施例では、エンジン１０は、少なくとも約１５０ＭＰａの燃料噴射圧力、幾つかの例では、少なくとも約２４０ＭＰａの燃料噴射圧力を運ぶことが可能な燃料システムを用いるものと予期される。なお、燃料噴射圧力の増加が、シリンダ内に噴霧化された燃料の侵入深さに実質的に影響することなく、燃料と空気の混合を向上することが発見されている。スケール因子の平方根を有する燃料の流量のスケールは、噴射圧力を倍にすると、所定の孔大きさにおいて、当初の流量の約√２倍の流量増となる。
【００２１】
さらに、本明細書は、内燃機関を動作する方法を提供するものである。本方法は、エンジン１０のクランク軸３０を、約５０００ＲＰＭを超える回転数で、特に特定の実施形態又は特定の動作状況では、約６０００ＲＰＭを超える回転数で、又は更に約６５００ＲＰＭを超える回転数で回転させる工程を含み得る。さらに、本方法は、各シリンダ１４にて噴射された十分な量の燃料を燃焼し、平方インチ当たり（ＰＳＩ）少なくとも約２００ポンドのブレーキ平均有効圧力（ＢＭＥＰ）が得られる工程を含み、また、特定の実施形態によっては、又は特定の動作状況下では、少なくとも約２５０ＰＳＩ、更には少なくとも約３５０ＰＳＩのＢＭＥＰを得られるのに十分な燃料を燃焼する工程を含み得る。
【００２２】
また、図３を参照するに、本明細書によるエンジンの３つの特定の実施形態では、Ｗ、Ｖ、及びＦは、全て、以下に示す本明細書によるエンジンの動作領域Ｚ内に割り当てられて表される。エンジンＷ、Ｖ、及びＦの特定の仕様は、従来のエンジンＭ及びＵと比べて、下記の表に示される。これらエンジンＷ、Ｖ及びＦの全ては、約５０ミクロン〜約１１０ミクロンの上記所定の範囲内で直径Ｄ２を有する複数の噴射出口孔２２を備える。本明細書で記載されるように、出力密度は、出力対質量／体積の比率である。当業者であれば、特定のエンジンの口径寸法がエンジンの質量／体積に関連するものと理解する。このため、一般的には、エンジンＭの６インチの口径は、エンジンＦの３インチの口径に対して２倍に拡大されている。出力は、スケール因子の二乗に伴って変化するため、スケール因子が２の場合には、エンジンＭの出力は、シリンダ当たりのエンジンＦの出力の約４倍となる。しかしながら、エンジンＭの質量及び体積は、質量及び体積がスケール因子の３乗と共に変化するため、シリンダ当たりエンジンＦの質量及び体積の約８倍となる。このため、エンジンＦは、エンジンＭよりも高出力密度である。
【００２３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００２４】
典型的な４行程サイクル中では、各ピストン２１が従来の方法でピストンの４行程毎に上死点に又はその近傍に位置する際に、主な燃料噴射が生じる。加えて、より小さな試験的噴射及び／又は噴射後には、主な各噴射を伴い得る。エンジン１０の圧縮着火型では、圧縮空気、及び噴霧化された噴射燃料は、着火及び燃焼し、対応するピストン２１の各々を駆動し、クランク軸３０を回転する。火花点火型の設計では、通常、点火を効果的に行うため、良く知られた方法で点火プラグを用いる。
【００２５】
また、本明細書で記載した所定の直径範囲の出口孔２２を介してシリンダ１４内に燃料を直接噴射することにより、従来の燃料噴射孔を用いた設計におけるよりも、より多量でより多くの比率の噴射燃料を着火し、より好ましく又はより効果的に燃焼可能とすることができる。この能力には、幾つかの利点がある。まず、潜在的なＢＭＥＰがより高いことである。各シリンダでのより高いＢＭＥＰは、対応するシリンダ１４における各ピストン２１を駆動し、クランク軸３０を回転するような力をより多く提供しながら、全体に亘るより大きな平均圧力が各ピストン２１に作用可能となることを意味する。また、出口孔２２から噴霧化され、従来の大きさの孔からの液滴よりもより小さな大きさの燃料液滴は、従来の設計におけるより大きな燃料液滴と比較して、着火及び全体の燃料を向上させるものと考えられる。各噴射器の孔からの噴霧パターンは、充填された空気との混合がより迅速に行われるような散布角度及び内部燃料／空気比率となされ得る。したがって、これにより、より多量な絶対量の燃料が燃焼可能となり、且つ、この燃料がより迅速に燃焼し、より容易く着火可能となり得る。また、早期の設計よりも、より多くの比率の噴射燃料を燃焼可能とし得る。より高い噴射圧力は、より小さな孔と組み合わせて用いられることが予想されるが、より小さい孔の低流量を補償するのに役立ち、しかも、実質的に燃料の侵入深さに影響せずに燃料／空気の混合を手助けする。このため、一般に、より小さな孔とより高圧の組み合わせによれば、壁面付着に達し、これに関連する燃焼の劣化を生じる前に、より好ましい燃焼が可能となる。
【００２６】
第２に、噴射燃料を燃焼する時間が本来限定されていると、燃料液滴が比較的より小さくなり、またエンジン１０内で利用可能な柱状の燃料噴霧の噴出内の燃料／空気比率が低くなることにより、燃料着火及び燃焼がより迅速に生じ得るようになり、比較的速いピストン行程速度、及びこれに対応するより大きなエンジンのＲＰＭが可能となる。また、エンジン１０は、比較的より大きなＢＭＥＰとより高いＲＰＭとの組み合わせによって、比較的高い出力で、且つ、それ故に従来の多くの利用可能な小さいシリンダ内径のエンジン設計よりも、より高度な出力密度で稼働可能となる。
【００２７】
また、特定の早期の小さいシリンダ内径のエンジンでは、エンジン１０において出来るだけＢＭＥＰに近づけることができたが、他の動作パラメータにおいて欠点がない状態にはならなかった。多くの早期のエンジンでは、通常、より高いＢＭＥＰを実現すべく各出力行程で十分な燃料を燃やすために、エンジン１０よりも低いＲＰＭで稼働していた。また、幾つかの既存の動作スキームでは、各着火行程で各シリンダ内により多くの燃料を詰め込んだり、ＢＭＥＰを増加しようとするために、過度な燃料が各シリンダに運ばれる。しかしながら、過度な燃料が利用可能となされる場合には、不完全燃料の炭化水素、すす、及び他の汚染物質の量が多量となり、多くの環境において、動作が望ましくない非効率的なものとなり得る。例えば、特定の軍事用応用例においては、目に見える「煙の痕跡」は望ましくない。
【００２８】
同様に、特定の早期な小口径のエンジン設計では、エンジン１０と近いＲＰＭで動作することが知られているが、独自の一連の代償がないわけでもない。例えば、このような比較的より高いＲＰＭエンジンでは、燃料噴射量が小さいほど、過度な煙や燃料の浪費を回避するように噴射されるため、ＢＭＥＰがより低くなる傾向にある。その結果、このようなエンジンは、比較的高度なＲＰＭで動作し得るが、各出力行程中には、不十分な燃料が燃焼され、より高いＢＭＥＰに達する可能性がある。以前の設計／スキームのいずれかにおいても、エンジンの利用可能な出力は、より大きな大きさの類似のエンジンよりも比較的より低くなっており、かかるより小さなエンジンの出力密度は、理論上、比較的より小さな大きさが与えられているものよりも、より低くなる傾向にある。
【００２９】
エンジンの馬力は、ＲＰＭ及びＢＭＥＰの両方に正比例しており、そのため、エンジン１０が比較的高いＲＰＭ及びＢＭＥＰで動作可能であると、エンジン１０の利用可能な総出力が以前の既存の設計におけるよりもはるかに大きくなり得る。また、エンジン１０が比較的小型であると、その出力密度は、実際の大きさに、より相応可能となり、エンジン１０が以前のエンジンよりも小さい寸法設計の利点をより十分に利用可能となる。
【００３０】
エンジン１０は、既存の設計と比べて、出口孔２２を通して噴射された燃料の着火のし易さの向上に関連する利点をさらに有する。多くの既存の圧縮着火機関では、常温始動状況中に、初期に動作を始動するために、外部の熱源や、エーテルなどの可燃性化合物の添加を利用している。エンジン１０の圧縮着火型では、柱状の燃料噴霧の噴出において、燃料液滴がより小さく、また燃料／空気比率がより低いと、着火がより迅速に起こる傾向にあるため、かかる及び類似の始動補助の必要性を、早期の設計と比べて減少又は無くし得る。
【００３１】
さらに、エンジン１０の利点は、特定の予期される実施形態において静止して燃料と空気とを混合する能力に関連する。このようなやり方は、新鮮な空気の供給を噴射燃料と混合するのに「渦巻き状の」混合が必要であった、全てとはいえないが多くの早期の小さなシリンダ内径の設計とは対照的である。渦巻き状の混合は、吸気システム又はターボ過給機、及びシリンダポートの主に適切な幾何学的配置を介して、シリンダに運ばれる空気の充填を渦巻状とすることが必要となる。これに対して、静止混合は、より大きなエンジンの設計で一般に用いられるものであり、ここでは、渦を巻いていない空気中に燃料を単に噴霧することにより、十分な混合が得られる。この静止混合は、燃焼中には、燃焼空間からシリンダ壁面、ヘッド、及びピストンへと熱がほとんど伝達しないという利点があり、このため、より多くの熱エネルギーが、シリンダ壁面、ヘッド、及びピストンを通して冷媒に伝達されるというよりもむしろ、軸の馬力に変換され得る。
【００３２】
更なる利点は、排気が比較的より低量であるという点と同様に、エンジン１０の燃費に関連する。すなわち、噴射燃料をより多く燃焼することにより、エンジン１０から放出された相対量の未燃炭化水素が減少可能となり、利用可能となされた燃料の利用度が向上する。幾つかの予期される実施形態では、例えば、特定の航空機においては、重量が最も重要な要素となり得る。このため、エンジン１０では、エンジン自身の重量及び大きさが比較的より小さいだけでなく、所定の走行範囲に運搬されねばならない燃料の量が低減される。加えて、燃焼燃料が比較的より高い比率であると、動作中に放出された煙を低減することができる。ディーゼルエンジンは、しばしば、比較的多量の目に見える煙を放出するものと認識されている。美的感覚に基づいた、環境的な、及び場合によっては軍用車などの戦術的な関心によって、目に見える煙を最小限とすることが、望ましい又は必須となる可能性がある。エンジン１０は、通常、例えば、過渡動作の場合には、ボッシュ煙測定器の数値３以下を示しており、定常状態動作の場合には、数値２以下を示す実質的に煙のない動作を可能とする。エンジンの排気中の煙の量を定量化する１つの手段としては、英国、スタッフス（Ｓｔａｆｆｓ）、ビダルフ（Ｂｉｄｄｕｌｐｈ）が住所である、イクウィップメント・サプライズ・ビダルフ（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｓｕｐｐｌｉｅｓ  Ｂｉｄｄｕｌｐｈ）社、及び他の商業用供給者から入手可能な、商品名がボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）ＥＳＡ１１０−コンピュータ制御煙測定器などの排気不透明度「煙測定器」が挙げられる。
【００３３】
図３を参照するに、エンジン１０の動作領域Ｚ及び前述の表のエンジンＭ及びＵの近似位置と比較して、従来の幾つかの異なる組のディーゼルエンジンにおける動作領域のプロットが示されている。Ｙ軸は、ＢＭＥＰを表しており、Ｘ軸は、ＲＰＭを表す。図１では、設定されたＰは、約２５０ＰＳＩ〜約３２５ＰＳＩのＢＭＥＰを有する比較的高馬力ディーゼルエンジンの一群を表している。Ｐに設定されたエンジンとしては、小型の発電機などの比較的小型のディーゼルエンジン、トラックやオフハイウェイの作業機械に見られる中型のエンジン、及び大型のディーゼル船用エンジン又は発電エンジンが挙げられる。Ｐに設定されたエンジンのＲＰＭの範囲は、約１０００ＲＰＭ〜約２５００ＲＰＭとなる傾向にある。Ｑに設定されたエンジンとしては、Ｐに設定されたエンジンよりも、比較的高いＲＰＭだが、ＢＭＥＰが低い商業用ピックアップトラックで知られるエンジンを含む。Ｒに設定された対象は、約３５０ＰＳＩ〜約４００ＰＳＩのＢＭＥＰと、約３０００〜約４０００のＲＰＭを有する特定の軍用車などのエンジンを含む。順に見ていくと、Ｓに設定されたエンジンは、多くのヨーロッパ製乗用車に用いられるエンジンを含む。また、Ｔに設定されたエンジンは、ＢＭＥＰが約１５０ＰＳＩ〜１７５ＰＳＩであり、ＲＰＭが約５５００〜約６０００である、特定の軍用オートバイエンジンなどのエンジン、及び無人航空機用に考案されたエンジンを含む。図３に示したように、エンジン１０の動作領域は、他の既存のエンジン種類や群の何れよりも高いＢＭＥＰ及びＲＰＭを組み合わせて含んでいる。このため、エンジンのＲＰＭ限界を、既存のエンジン、特にディーゼルエンジンのそれよりも高く押し上げ、本明細書で記載したような達成可能なＢＭＥＰを持ち上げることによって、比較的小型で軽量且つ強力なエンジンを提供することができる。図３の点Ｖは、約４００ＰＳＩ以上のＢＭＥＰであり、約６０００〜約６５００のＲＰＭを可能とする、本明細書の実現可能な一実施形態を表している。
【００３４】
本明細書の記載は、単に例示を目的とするものであり、本明細書の幅を多少なりとも狭めるものと解釈されるべきではない。このため、本開示の実施形態について、本明細書の意図する趣旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変形を行うことができることは、当業者であれば、自明であろう。例えば、本明細書の実施形態の多くは、ＢＭＥＰとＲＰＭの両方が増加されたといった文脈で説明されているが、特定の応用例においては、ＲＰＭ又はＢＭＥＰのいずれかだけを従来のエンジンと比べて著しく増加させたエンジンを動作させることが望ましいこともあるということは、当業者であれば、自明であろう。なお、図３のＺに設定された対象は、ＢＭＥＰ及びＲＰＭの両方の比較的幅広い動作領域を包含していることに留意されたい。本明細書による小さいシリンダ内径のエンジンは、少なくとも約７５００の比較的高いＲＰＭだが、約２００ＰＳＩ以下のＢＭＥＰにおいても動作可能となるように設計され得る。同様に、他の応用例の場合には、より高いＢＭＥＰだが比較的低めのＲＰＭとなるエンジンが望ましいこともある。このように、ＲＰＭ及びＢＭＥＰの両方と出力との正比例関係によって、本明細書による比較的高出力密度で小さいシリンダ内径の直接噴射機関を設計することにおいては、実質的な自由度がある。更なる実施形態では、孔の大きさ、形状、方向などは変化するものであり、所定の噴射先端部における孔に合わせて孔を変化させることができることが予期される。これは、例えば、極端に小さい複数の孔を用いて、最良の全噴霧パターンを得るために単一又は複雑な孔配列を形成するように変化させた個別の幾何学的形状及び方向性によって、複数のより大きな従来寸法の孔を構成する工程を含む。また、このため、本明細書で記載したように、極端に小さな穴孔は、所望の動作特性を与えるほどの十分な数が設けられていれば、特別な大きさの選別や特定の数や配置のいずれも必要とはならない。なお、他の形態、特徴、及び利点は、添付の図面及び特許請求の範囲を検討することにより明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本明細書によるエンジンの概略を示す図である。
【図２】本明細書による燃料噴射器を備えるエンジンシリンダの一部を示す拡大側面断面図である。
【図３】ＢＭＥＰ及びＲＰＭに関連する多様な圧縮着火機関型のプロットを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  エンジン
１２  ハウジング
１４  シリンダ
１５  電子制御モジュール
１６  燃料噴射器
１７  加圧燃料源
１９  共通レール
２０  燃料噴射先端部
２１  ピストン
２２  出口孔
２３  ピストンロッド
２４  ノズル室
２６  供給通路
３０  クランク軸
Ｄ１  シリンダ直径
Ｄ２  孔直径
Ｌ  行程距離
Ｆ  本明細書によるエンジン
Ｐ  高馬力商業用ディーゼルエンジンの組
Ｑ  ピックアップトラックエンジンの組
Ｒ  軍用車のタンクエンジンの組
Ｓ  ヨーロッパ製乗用車エンジンの組
Ｔ  無人航空機及びオートバイエンジンの組
Ｖ  本明細書によるエンジン
Ｗ  本明細書によるエンジン
Ｘ  ＲＰＭ
Ｙ  ＢＭＥＰ
Ｚ  動作領域
【図１】
2006250148.tif 000004
【図２】
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【図３】
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