(57)【要約】内燃エンジンでの圧縮点火（及び／又はスパーク補助式または燃料補助式の圧縮点火）を達成するためのマルチゾーン式燃焼チャンバ（及び／又は複数の燃焼チャンバ）を利用するためのシステムおよび方法が提供される。さらに、「サイアミーズ(Siamese)シリンダ」内燃エンジンでの圧縮点火（及び／又はスパーク補助式または燃料補助式の圧縮点火）を達成し及び／又は制御するための改善した装置、システムおよび方法が提供される。
2019505731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内に設置され、中央突起を含むピストンと、
前記シリンダ内にある前記ピストンを囲むシリンダヘッドであって、前記中央突起と関連した中央凹部を含むシリンダヘッドと、
前記中央凹部内に設置された弁とを備え、
前記シリンダ、シリンダヘッドおよび中央凹部は、燃焼チャンバを画定する、内燃エンジン。
【請求項２】
前記中央凹部および前記突起は、前記燃焼チャンバ内に、少なくとも１次チャンバおよび２次チャンバを画定する、請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記吸気弁は、前記燃焼チャンバ内のトラップ容積を減少させるのに役立つ、請求項２記載のエンジン。
【請求項４】
前記吸気弁は、カーボン堆積及び／又は壊滅的な干渉を防止及び／又は低減する、請求項３記載のエンジン。
【請求項５】
前記吸気弁は、前記燃焼チャンバ内の均質な混合物を確保するのに役立つ、請求項２記載のエンジン。
【請求項６】
前記１次チャンバおよび前記２次チャンバは、前記シリンダ内の前記ピストンの全体行程の際、互いに一定の流体連通状態にある、請求項２記載のエンジン。
【請求項７】
前記１次チャンバ内で圧縮点火が生ずる、請求項６記載のエンジン。
【請求項８】
前記ピストンが前記行程の上死点を通過した後、前記２次チャンバ内の点火が生ずる、請求項７記載のエンジン。
【請求項９】
前記中央突起を通る１つ以上のポートをさらに備える、請求項６記載のエンジン。
【請求項１０】
前記１つ以上のポートは、前記流体連通を支援する、請求項９記載のエンジン。
【請求項１１】
前記１つ以上のポートは、前記流体連通を制御する、請求項９記載のエンジン。
【請求項１２】
前記シリンダヘッドを通って、前記中央突起と前記シリンダの内部との間に延びる１つ以上のポートをさらに備える、請求項６記載のエンジン。
【請求項１３】
前記１つ以上のポートは、前記流体連通を支援する、請求項１２記載のエンジン。
【請求項１４】
前記１つ以上のポートは、前記流体連通を制御する、請求項１２記載のエンジン。
【請求項１５】
前記中央凹部に設置された可変圧縮比ピストンをさらに備える、請求項１記載のエンジン。
【請求項１６】
前記中央突起の外周と前記中央凹部の内壁との間に、流体連通を可能にするのに充分な間隙をさらに備える、請求項１記載のエンジン。
【請求項１７】
シリンダと、
前記シリンダ内に設置され、突起を含むピストンと、
前記シリンダ内にある前記ピストンを囲むシリンダヘッドであって、前記突起と関連した凹部を含むシリンダヘッドとを備え、
前記シリンダ、シリンダヘッドおよび凹部は、燃焼チャンバを画定し、
前記凹部および前記突起は、前記燃焼内に、少なくとも１次チャンバおよび２次チャンバを画定し、
前記１次チャンバおよび前記２次チャンバは、前記シリンダ内の前記ピストンの全体行程の際、互いに一定の流体連通状態にある、内燃エンジン。
【請求項１８】
前記突起と前記凹部との間に、前記一定の流体連通を可能にするのに充分な間隙をさらに備える、請求項１７記載のエンジン。
【請求項１９】
シリンダと、
前記シリンダ内に設置され、中央突起を含むピストンと、
前記シリンダ内にある前記ピストンを囲むシリンダヘッドであって、前記中央突起と関連した中央凹部を含むシリンダヘッドと、
前記中央突起の場所付近で前記ピストンに装着されたロッドとを備え、
前記シリンダ、シリンダヘッドおよび中央凹部は、燃焼チャンバを画定する、内燃エンジン。
【請求項２０】
シリンダと、
前記シリンダ内に設置されたピストンと、
前記シリンダ内にある前記ピストンを囲むシリンダヘッドと、
ホットスポットが位置する、前記シリンダの壁に沿った場所において、前記シリンダを通って延びる弁とを備える、内燃エンジン。
【請求項２１】
前記弁は、エンジンの中心線に沿って設置される、請求項２０記載のエンジン。
【請求項２２】
前記中心線からオフセットした、エンジンの対向側にそれぞれ位置する２つの追加弁をさらに備える、請求項２１記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同時係属する仮米国特許出願第６２／２７８９１９号（２０１６年１月１４日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／２８６７９５号（２０１６年１月２５日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／２９５４４５号（２０１６年２月１５日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／３２６５９４号（２０１６年４月２２日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／３３７７２７号（２０１６年５月１７日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／３４４２３０号（２０１６年６月１日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／４１７８９７号（２０１６年１１月４日出願）、同時係属する仮米国特許出願第６２／４４２３３６号（２０１７年１月４日出願）について優先権の利益を請求するものであり、その全体開示内容は、参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明概念は、一般に、内燃エンジンでの圧縮点火（及び／又はスパーク補助式または燃料補助式の圧縮点火）を達成するための装置、システムおよび方法に関する。詳細には、本発明概念は、内燃エンジンでの圧縮点火（及び／又はスパーク補助式または燃料補助式の圧縮点火）を達成するために、マルチゾーン式燃焼チャンバ（及び／又は複数の燃焼チャンバ）を利用するための装置、システムおよび方法に関する。さらに本発明概念は、「サイアミーズ(Siamese)シリンダ」内燃エンジンでの圧縮点火（及び／又はスパーク補助式または燃料補助式の圧縮点火）を達成し、及び／又は制御するための改善した装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
実際、内燃エンジンの発明から、人々は効率を増加させ、排出量を低減する努力を行っている。内燃エンジンの２つの共通カテゴリが、スパーク点火および圧縮点火である（ここで使用するように、語句「圧縮点火」は、これに必ずしも限定されないが、ディーゼル／層状供給圧縮点火（ＳＣＣＩ）、均質供給圧縮点火（ＨＣＣＩ）、均質圧縮点火（ＨＣＩ）、スパーク点火を用いた均質供給（ＨＣＳＩ）、ガス直接圧縮点火（ＧＤＣＩ）、ディーゼルおよび他の燃料、そして、異なるタイプの燃料として気化及び／又は注入された燃料混合物、燃料混合物圧縮点火、スパーク補助式点火、燃料補助式点火などを含む）。
【０００４】
スパーク点火エンジンは、スパークプラグからのスパークを利用して、エンジンの燃焼チャンバ内で空気−燃料混合物の燃焼プロセスを点火する。これに対して圧縮点火は、燃焼チャンバ内での空気−燃料混合物の温度および濃度(density)の増加を利用して、燃焼プロセスを自動点火する。スパーク点火は、典型的には圧縮点火エンジンよりかなり低い効率を有する。炎が点火ポイント（即ち、スパーク）から伝搬するため、不完全な燃焼をもたらす。圧縮点火エンジンにおいて、火炎前面が存在せず、その代わり燃焼が増加した圧力によって開始するため、点火は均一化され、及び／又は、燃焼チャンバ内で複数の場所で起こり、空気−燃料混合物全体に渡ってほぼ同時／即時の点火を生じさせ、より完全な燃焼をもたらす。従来の圧縮点火エンジンは、上死点(top dead center)の直前に燃焼を提供し、燃焼チャンバの中に注入される（典型的には、燃焼サイクルを制御するために直接注入される）燃料のタイミングを考慮して、燃焼が生ずるのが早すぎた場合にエンジンへの壊滅的な損害を回避するように慎重に設計する必要がある。
【０００５】
圧縮点火エンジンの燃焼チャンバ内の空気−燃料混合物全体のほぼ瞬間的な点火に起因して、膨大な量の圧力が燃焼チャンバ内で一度に生成され、炎がスパーク点火エンジンの燃焼チャンバを通って伝搬する際に生成される圧力のより緩やかな増加とは反対である。この即時の圧力増加は、均質供給圧縮点火（ＨＣＣＩ）エンジンにおいて特に高い。このようにエンジン製造者は、圧縮点火エンジンを慎重に制御することが要求されており、そのためエンジンのピストンが上死点にあり、または上死点から下方に移動する場合に点火は生ずるようになる。さもなければ、もしピストンが上死点に到達する前に点火が生じた場合、壊滅的なエンジン故障が生ずることになる（即ち、これに限定されないが、曲がったピストンロッド、崩壊したピストンスカート、吹き飛ばされたヘッドガスケットなど）。それでもこうした正確な制御要求は、極端に厳しい設計パラメータを必要とし、こうしたエンジンについて圧縮比及び／又は動作温度を制限する。高すぎる圧縮比は、上死点前の自動点火を生じさせることがある。しかしながら、圧縮比を減少させることは、自動点火を達成するのに必要な温度を増加させ、エンジンが低温環境で動作するのを困難にする。
【０００６】
米国特許第６５５７５２０号（ロバーツ・ジュニア(Roberts,Jr.)）（その全体開示内容は参照によりここに組み込まれる）は、マルチゾーン式燃焼チャンバおよび、圧縮点火エンジンで生成される即時の燃焼圧力サージ(surge)を制御するのに役立つ、圧縮点火エンジンでの燃焼制御のための方法を開示する。ロバーツ・ジュニアは、ピストンおよびシリンダヘッドの段差(stepped)形状設計により、燃焼チャンバを、複数のより小型な封止されたチャンバ（例えば、１次チャンバおよび少なくとも２次チャンバ、そして可能ならば３次チャンバ、またはさらに続くチャンバ）に物理的に隔離する。詳細には、図１を参照して、ロバーツ・ジュニアは、ピストンの円周突起壁１４２部分によって包囲された中央凹部１４１を有するカップ形状のピストン１４０を開示する。ロバーツ・ジュニアのシリンダヘッド１３２は、ピストンのカップ形状を嵌合的に(matingly)受け入れ、円周凹部１３４によって包囲された中央突起１３３を有するように構成される。ピストンの中央凹部１４１は、ヘッドの中央突起１３３を摺動的に(slidingly)受け入れるように構成され、円周突起壁１４２は、ピストンシリンダ１３０、中央突起１３３および凹部１３４の間に摺動的に受け入れられるように構成される。図２〜図８は、ロバーツ・ジュニアのエンジンの内部燃焼プロセスの多相的シーケンスを示しており、１次チャンバ１４３内で燃焼が開始するとともに、２次チャンバ１４４内での燃焼を遅延させる。
【０００７】
図２は、第１相を示し、これは通常の吸入行程の後に開始し、空気が燃焼チャンバ１４６の中に導入される。燃料は、弁４１及び／又は燃料噴射器６２を経由して燃焼システムの中に供給され混合される。
【０００８】
図３は、燃焼チャンバ１４６の圧縮行程での後の第２相を示す。この相は、圧縮加熱に起因して、１次チャンバ１４３および２次チャンバ１４４での未燃焼の燃料／空気集団１５０，１５１内の化学反応の開始を示す。この相において、燃焼チャンバ１４６は、ピストンの設計および動きおよび燃焼チャンバの設計に起因して、２つの個別の燃焼チャンバ（１次チャンバ１４３および２次チャンバ１４４）に分離される。
【０００９】
図４は、１次チャンバ１４３内にトラップされた燃料／空気集団１５０が圧縮点火プロセスを受ける第３相を示す。圧縮点火が始まると、１次チャンバ１４３での燃料／空気集団１５０の急速な燃焼が生ずる。１次チャンバ１４３のサイズは、１次チャンバ１４３内にトラップされたエネルギー量を調節し、そのため燃料／空気集団１５０が点火すると、達成される圧力および温度が設計を通じて制御できる。燃料／空気集団１５０を点火するのに必要な圧力は、熱力学的相互作用の関数である。１次チャンバ１４３および２次チャンバ１４４は異なる圧縮比値を有し、そのため２次チャンバ１４４内の燃料／空気集団１５１は、ピストンからの圧縮に起因して自動点火することにはならない。
【００１０】
図５は、圧縮点火プロセスが１次チャンバ１４３内で急速な燃焼プロセスに進行する第４相を示す。１次チャンバ１４３は、２次チャンバ１４４のための点火制御として利用されるため、ＴＤＣ後のタイミングは必要ではない。
【００１１】
図６は、燃料／空気集団１５０が、１次チャンバ１４３内で高圧高温の燃焼ガス１５０Ａに変換される第５相を示す。ロバーツ・ジュニアにおいて、ピストン１４０が下向き行程４４の方向に移動する場合、第５相はＴＤＣ後に発生する。この第５相において、燃焼ガス１５０Ａは、膨張し続けて、２次チャンバ１４４に残留する燃料／空気集団１５１（または残留する可燃性ガス）から隔離されたままである。
【００１２】
図７は、ピストン１４０が予め定めた位置に移動して、１次チャンバ１４３および２次チャンバ１４４の隔離が除去される第６相を示す。ピストンが下向き行程４４の方向に移動し続けて、第６相はＴＤＣ後に生ずる。この相において、２次チャンバ１４４に残留する燃料／空気集団１５１の燃焼が開始する。図７は、２次チャンバ１４４の残留する燃料／空気集団１５１と熱力学的に連通し、残留する燃焼ガス１５１Ａに変換される、１次チャンバ１４３からの燃焼ガス１５０Ａを示す。１次チャンバ１４３および２次チャンバ１４４が隔離解消され、１次チャンバ１４３の燃焼ガス１５０Ａが２次チャンバ１４４と連通するのが許容された後、１次チャンバ１４３の燃焼ガス１５０Ａおよび１次チャンバ１４３の熱力学的状態は、２次チャンバ１４４での残留する燃焼ガス１５１Ａのための点火源として使用される。
【００１３】
図８は、２次チャンバ１４４の残留する燃料／空気集団１５１の全てが点火され、燃焼ガス１５１Ａに変換される第７相を示す。２次チャンバの点火は、圧縮点火、直接炎接触またはこれらの組合せによって可能である。
【００１４】
ロバーツ・ジュニアの多相燃焼プロセスは、燃焼プロセスがピストンによって生ずる圧縮によって開始するのを可能とし、反応の正確な制御を要求することなく、ピストンが上死点に、またはそれを過ぎたときにそれが生ずることを確保する。代わりに、燃焼チャンバの隔離は、ピストンが１次チャンバ内だけで自動点火を引き起こすことが可能になり、１次チャンバは２次チャンバより高い圧縮比を有する。１次燃焼チャンバの比較的小さい容積は、ピストンでの下向き力を低減し、たとえピストンがその上向き行程にあっても、エンジンへの損傷のリスクを低減する。ピストンがその下向き行程になり、１次燃焼チャンバと２次燃焼チャンバとの間のシール／バリア（ピストンおよびヘッド形状によって生成される）が除去されるまで、残りの燃焼は生じない。
【００１５】
多相燃焼プロセスによって提供される利点にも関わらず、ロバーツ・ジュニアの装置および方法は、幾つかの不具合に悩まされる。例えば、ピストン中央凹部１４１およびヘッドの円周凹部１３４の設計は、トラップ容積エリアを生成し、そこでは、均質な空気−燃料混合物（以下で使用されるように、排気、排気再循環（ＥＧＲ）、吸気および燃料が均質な方法で全て混合されることを意味する）を得ることが困難である。これは、エンジンの性能および効率を著しく低減させることがある。さらに、ピストンの中央凹部１４１は、ロッドのピストンを接続するリストピンの位置を低下させる。こうした設計は、ピストンクレードルのロック／ピストンスラップ(slap)の減少した制御、そしてピストンでの著しい応力のエリアでの減少した強度に起因して、エンジン故障の可能性を増加させる。さらに、１次燃焼チャンバと２次燃焼チャンバ（３次なども）との間に生成される物理的シールは、均質な空気−燃料混合物を生成する困難さを増やし、エンジンノック(knock)を制御するのを困難にする。従って、ＲＰＭの範囲のある大きさ、温度、及び／又は複数の負荷(load)（ブースト、例えば、過給(supercharge)、ターボなどの有り無し）での圧縮点火についての制御を有するために、トラップ容積を減少させ、エンジンノックを減少させ、及び／又はエンジン故障の可能性を低減する多相圧縮点火を達成するためのシステムおよび方法を提供することは有益であろう。
【００１６】
さらに、「サイアミーズ(Siamese)シリンダ」エンジンでの圧縮点火の使用は、制御するのが困難または不可能であった。「サイアミーズシリンダ」エンジンは、マルチシリンダエンジンであり、循環する水または他の冷却剤のために、隣接するシリンダ間のシリンダ壁にチャネルを有さないようにエンジンシリンダが配置される。こうした配置は、制限されたサイズのエンジンブロックを有することが要望される場合、またはシリンダボアの安定性が関心事である場合（例えば、レース用エンジン）、典型的に使用される。冷却剤の欠如は、隣接するシリンダが互いに交差する場所におけるホットスポットを生じさせ、圧縮点火の制御を困難にする。従って、「サイアミーズシリンダ」内燃エンジンでの圧縮点火（スパーク補助式及び／又は燃料補助式圧縮点火を含む）を達成し、及び／又は制御するための装置、システムおよび方法を提供することは有益であろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明概念は、ロバーツ・ジュニアに記載されたものと類似の方法で多相圧縮点火を達成するための装置、システムおよび方法を備えるとともに、トラップ容積を低減／最小化／除去し、カーボン堆積を低減し、エンジンノックを低減し、ロバーツ・ジュニアの設計に固有であるエンジン故障の可能性を低減し、ＲＰＭの範囲のある大きさ、温度、及び／又は複数の負荷（ある種の吸気のブーストの有り無し）での圧縮点火についての制御を提供する。発明概念は、シリンダヘッドでの中央凹部（または複数の凹部）と嵌合する略中央突起（または複数の突起）を含む段差付きピストンを含み、エンジンの燃焼チャンバを複数のより小型なチャンバ（例えば、１次チャンバおよび少なくとも２次チャンバ、そして可能ならば３次チャンバ、またはさらに続くチャンバ）に物理的に隔離する。幾つかの実施形態において、燃焼チャンバ間の流体連通は、１次燃焼チャンバと２次燃焼チャンバ（３次なども）／点火源との間に一定の流体連通が存在する多相ダイナミック圧縮点火燃焼プロセスを通じて制御される。こうした実施形態において、多相ダイナミックプロセスは、均質な空気−燃料混合物を生成するのを支援し、点火を減速させ、完全な点火が生ずる（例えば、１次チャンバ、２次チャンバなどを含む燃焼チャンバ全体に渡って）前に、ピストンが上死点を通過することが可能になる。
【００１８】
本発明概念の種々の実施形態は、これに限定されないが、ディーゼル／層状供給圧縮点火、均質供給圧縮点火、均質圧縮点火（ＨＣＩ）、スパーク点火を用いた均質供給、ガス直接圧縮点火（ＧＤＣＩ）、ディーゼルおよび他の燃料、そして、異なるタイプの燃料として気化及び／又は注入された燃料混合物、燃料混合物圧縮点火、スパーク補助式点火、燃料補助式点火などを含む、現在既知であり、または今後発見されるいずれのタイプの圧縮点火エンジン技術に関連して利用されることになることは理解されよう。本発明概念の実施形態は、２サイクルおよび４サイクル技術の両方、ミラーサイクル、アトキンソンサイクル、ロータリエンジン、変更したピストンエンジン（例えば、オフセット楕円ピストン、または他の渦巻き形状のピストン）、タービンファン、対向ピストン、スクデリ(Scuderi)または他のスプリットサイクルエンジン、現在既知でありまたは今後開発される他のエンジン技術を含む。幾つかの２サイクル実施形態において、吸気弁および排気弁は、ヘッドに含まれる。他の実施形態において、排気は、側面に設置され、ピストンは、排気を制御する排気弁として機能する。幾つかの好ましい実施形態において、少なくとも１つの吸気弁がヘッドに設置され、トラップ容積を最小化するのに役立つ。幾つかの実施形態において、バタフライ（または他の適切な弁アセンブリ）が排気内に含まれる。こうした実施形態において、弁は、燃焼チャンバの内側での熱及び／又は排気ガスをトラップするために利用され、次の燃焼サイクルを窒息（または部分的に窒息）させ、エンジンでの圧縮点火を支援する。幾つかのこうした実施形態において、トラップされた熱は、次の燃焼サイクルのための触媒として機能する。種々の実施形態において、バタフライ排気弁は、いずれか所定時間に開放、閉止または調整され、圧縮点火プロセスを制御することは理解されよう。幾つかの実施形態において、バタフライ弁は、より高いＲＰＭでさらに開放され、より低いＲＰＭでより閉止される。発明概念のバタフライ排気弁は、ここで（例えば、ここで開示した多相ダイナミック圧縮点火燃焼エンジン）、単独または他の特徴との組合せで、そして他の２サイクル、４サイクルまたは他のエンジンタイプの先行技術および今後発見されるもの（例えば、多相ダイナミック圧縮点火燃焼を利用しないエンジン）と関連して、エンジン実施形態のいずれにも利用されることは理解されよう。
【００１９】
図示していないが、発明概念の種々の実施形態は、燃焼チャンバの周りに種々の場所に設置されて、所望の均質な空気／燃料／ＥＧＲ混合物を燃焼チャンバ全体に提供する燃料噴射器を含む。幾つかの実施形態において、噴射器は、種々の角度および向きに設置され、燃料／空気の所望の混合物を燃焼チャンバの中に提供する。幾つかの実施形態において、燃料が燃焼チャンバの中に直接注入されず、代わりに燃料は、予備吸気エリア（例えば、吸気弁を経由して燃焼チャンバに入る前）において空気の中に混合される。種々の実施形態において、空気−燃料混合物は、高いまたは低い圧力ポート、スロットル本体（スロットル本体の中に接続された上流リニアＥＧＲ、及び／又は、空気／燃料及び／又はＥＧＲ混合のより良い噴霧化を支援する下流燃料噴射を含む）、順次的な支援ポート、直接または間接噴射またはその任意の組合せを介して達成される。さらに他の実施形態において、空気−燃料混合物またはその一部を達成するためにキャブレタが使用される。幾つかの実施形態において、スロットル本体のための層状(stratified)クラウド噴射が利用され、９０ＰＳＩまたはそれ以上の燃料圧力が電気または機械ポンプを経由して生成され、高い噴霧化能力で細かい霧(mist)を生成する。他の低圧噴射の実施形態において、１０ＰＳＩまたはそれ以上の燃料圧力が利用される。幾つかの実施形態は、シングル、ツイン、トリプル、クワッド(quads)などのスロットルの高圧クラウドスロットル本体を含む。高い圧力は、燃料を噴霧化し、ＨＣＣＴのための改善した均質な燃料−混合をもたらす。幾つかの実施形態において、発明概念は、複数のノズルを介して高圧燃料噴射を利用し、クラウド噴射を生成する。
【００２０】
幾つかの実施形態において、標準的なスロットル制御が利用され、エンジンの吸気ガスを制御する。幾つかの実施形態において、バタフライスロットル制御が利用され、吸気ガスを制限する。幾つかの実施形態において、エンジン吸気に入る空気／燃料の量を制御するために、バタフライアセンブリを備えたスロットル本体、及び／又は、調整可能な希薄／濃縮制御機能を備えたキャブレタが利用される。幾つかの実施形態において、電子制御が濃縮化(enrichment)ニードルと関連して利用され、希薄／濃縮機能を制御し、いずれか所定の時間に吸気での燃料の量を制御する。幾つかの実施形態において、希薄／濃縮機能の電子制御は、キャブレタの一部である。幾つかの実施形態において、キャブレタは、吸気ガスのスロットル制御を含む。
【００２１】
幾つかの実施形態において、点火を支援するために、スパークプラグまたはグロープラグが利用される。例えば、幾つかの実施形態において、スパークプラグは、低温、低いＲＰＭまたはエンジン始動の状況において利用される。スパークプラグの角度および場所は、エンジンの所望の性能に基づいて変化する。幾つかの実施形態において、スパークプラグは、吸気弁との干渉を防止するために、ピストンに対して４５度の角度に位置決めされる。幾つかの実施形態において、スパークプラグは、１次チャンバに設置される。幾つかの実施形態において、スパークプラグは、２次チャンバ（３次など）に設置される。幾つかの実施形態において、スパークプラグは、１次チャンバおよび２次チャンバの両方に設置される。
【００２２】
本発明概念の幾つかの実施形態は、上述したものと類似した方法で、「サイアミーズシリンダ」内燃エンジンでの多相圧縮点火を達成するための装置、システムおよび方法を含む。幾つかの実施形態において、発明概念は、シリンダヘッドでの中央凹部と嵌合する略中央突起を含む段差付きピストンを含み、エンジンの燃焼チャンバを複数のより小型なチャンバ（例えば、１次チャンバおよび少なくとも２次チャンバ、そして可能ならば３次チャンバ、またはさらに続くチャンバ）に物理的に隔離する。幾つかの実施形態において、段差付きピストンは、燃焼チャンバを複数のチャンバに物理的に隔離するが、分離チャンバは、互いに物理的に封止されておらず、これらの間で流体連通を許容する。幾つかのこうした実施形態において、燃焼チャンバ間の流体連通は、１次燃焼チャンバと２次燃焼チャンバ（３次なども）／点火源との間に一定の流体連通が存在する多相ダイナミック圧縮点火燃焼プロセスを通じて制御される。こうした実施形態において、多相ダイナミックプロセスは、均質な空気−燃料混合物を生成するのを支援し、点火を減速させ、完全な点火が生ずる（例えば、１次チャンバ、２次チャンバなどを含む燃焼チャンバ全体に渡って）前に、ピストンが上死点を通過することが可能になる。
【００２３】
前述および他の目的は、発明概念の説明であることを意図しており、限定する意味では意味しない。発明概念の多くの可能な実施形態が行われてもよく、下記の明細書およびその一部を含む添付図面の検討の際に容易に明らかになるであろう。発明概念の種々の特徴およびサブコンビネーションは、他の特徴およびサブコンビネーションを参照することなく採用してもよい。発明概念の他の目的および利点は、発明概念の実施形態およびその種々の特徴を例示および例として記述される添付図面に関連して下記説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
発明概念の好ましい実施形態は、本出願人が原理を適用することを想定した最良の形態の例示であり、下記の説明において記述され、図面において示される。
【００２５】
【図１】先行技術のマルチゾーン燃焼チャンバ圧縮点火エンジンの断面図を示す。
【図２】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図３】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図４】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図５】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図６】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図７】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図８】図１の先行技術エンジンでの燃焼の複数の相を示す。
【図９】本発明概念の実施形態のマルチゾーン燃焼チャンバ圧縮点火エンジンの断面図を示す。図９において、ピストンは、燃焼チャンバが隔離されないように位置決めされる。換言すると、１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバ（およびいずれか後続のもの）は全て互いに完全に流体連通している。
【図１０】図９のエンジンの断面図を示し、ピストンは、燃焼チャンバが１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバに隔離されるように位置決めされる。
【図１１】図９の断面ライン１１−１１に沿った図９および図１０のピストンの断面平面図である。
【図１２】図９の断面ライン１２−１２に沿った図９および図１０のヘッドの断面底面図である。
【図１３】本発明概念の他の実施形態のマルチゾーン燃焼チャンバ圧縮点火エンジンの断面図を示す。図１３において、ピストンは、燃焼チャンバが隔離されないように位置決めされる。換言すると、１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバ（およびいずれか後続のもの）は全て互いに完全に流体連通している。さらに図１３において、ピストンにポートが含まれており、多相ダイナミック圧縮点火燃焼を提供する。さらに、ヘッドにポートが含まれており、自動点火時、及び／又はその前後に燃焼チャンバ内にスピン回転(spin)を生成することによって、均質な空気−燃料混合物を生成するのを支援する。
【図１４】図１３のエンジンの断面図を示し、ピストンは、燃焼チャンバが１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバに隔離されるように位置決めされる。図１４に示すように、燃焼チャンバが隔離された場合でも、これらは互いに封止されていない。
【図１５】図１３の断面ライン１９−１９に沿った図１３および図１４のピストンの断面平面図である。
【図１６】図１３の断面ライン１８−１８に沿った図１３および図１４のヘッドの断面底面図である。
【図１７】図９および図１０のエンジンの代替の実施形態の断面図を示し、ピストンは、燃焼チャンバが１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバに隔離されるように位置決めされる。
【図１８】図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは、発明概念の実施形態の多段式噴射器の代表的な断面平面図を示す。
【図１９Ａ】発明概念の２サイクルエンジンの実施形態を示し、ピストンは、排気弁および吸気弁として機能し、さらに排気出口内にバタフライ弁を含み、燃焼チャンバの内側で熱および排気ガスをトラップして、圧縮点火を支援する。
【図１９Ｂ】発明概念のエンジンの他の実施形態を示し、排気出口内にバタフライ弁を含み、燃焼チャンバの内側で熱および排気ガスをトラップして、圧縮点火を支援する。
【図１９Ｃ】発明概念のエンジンの他の実施形態を示し、排気出口内にバタフライ弁を含み、燃焼チャンバの内側で熱および排気ガスをトラップして、圧縮点火を支援する。
【図２０】３シリンダ式サイアミーズシリンダエンジンの代表的な平面図を示し、発明概念の実施形態のシリンダおよび弁の配置を描く。
【図２１】図２０のエンジンの断面正面図を示す。
【図２２】発明概念の複数の突起を含む３シリンダ式サイアミーズシリンダエンジンの他の実施形態の代表的な平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
必要に応じて、本発明概念の詳細な実施形態をここに開示する。しかしながら、開示した実施形態は、発明概念の原理の単なる例示であり、種々の形態で具現化できることを理解すべきである。従って、ここで開示される特定の構造的および機能的な詳細は、限定的として解釈されるべきではなく、単に請求項のための基礎として、また、当業者が、実質的に何れかの適切に詳細な構造で本発明概念を種々に採用することを教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００２７】
図９〜図１２を参照して、発明概念の例示の実施形態が、シリンダ３００のボア内で軸方向に往復するように構成されたピストン１００を含み、ピストンは、上部位置と下部位置との間で移動可能なようにしている。ヘッド５００がシリンダの上部に連結され、ピストンが上部位置にある場合、ピストンの上面がヘッドの下面に接近している。幾つかの実施形態において、ヘッドの下面およびピストンの上面は、ピストンが上部位置にある場合、ピストンとヘッドとの間に位置決めされた１つ以上の空間の特定の容積を定義するように構成される。
【００２８】
幾つかの実施形態において、略中央突起１１０がピストンの本体の上部から延びており、ピストンの上面が、ピストンの本体の上面によって部分的に、そして突起の上面によって部分的に画定される。幾つかのこうした実施形態において、シリンダヘッド５００は、突起が係合構成にある場合、ピストンの突起１１０を嵌合的に(matingly)受け入れるように構成された略中央凹部５１０を含む。ピストンの中央突起１１０は、初期の係合構成と完全係合構成との間で移動する際、ヘッドの中央凹部５１０に摺動的に(slidingly)受け入れるように構成され、突起の完全係合構成は、ピストンの上部位置に一致する。ピストンが下部位置から上部位置（しばしば上死点と称される）に向けて移動すると、ピストンの中央突起１１０は、離脱(disengaged)構成から初期の係合構成に移動し、これはヘッドの凹部によって最初に受け入れられたピストンの突起に一致する。ピストンが上部位置に向けて移動し続けると、突起は、ヘッドの中央凹部５１０の中に摺動して、１次燃焼チャンバ６００および２次燃焼チャンバ７００を生成する。１次燃焼チャンバ６００は、突起の上面と凹部の上面との間の空間によって画定される。２次燃焼チャンバ７００は、ピストンの本体の上面とヘッドの下面との間の１つ以上の空間によって画定される。
【００２９】
幾つかの実施形態において、１次燃焼チャンバ６００および２次燃焼チャンバ７００の個々の容積は、１次燃焼チャンバ６００の圧縮比が２次燃焼チャンバ７００より高くなる（他の実施形態において、逆も真実である）ように設計される。こうしてピストンが上死点に到達した時またはその前後に、２次燃焼チャンバ７００での自動点火が生じないように、燃料−空気混合物の自動点火が１次燃焼チャンバ６００で得られる。ピストンが上部位置から遠くに移動すると、突起１１０は、係合構成から、突起がヘッドの凹部５１０から変位する離脱構成に向けて移動し、１次燃焼チャンバ６００内の燃焼によって生成された圧力が２次燃焼チャンバ７００の中に膨張可能になり、２次燃焼チャンバ７００内の燃焼、燃焼点火及び／又は点火を開始する。
【００３０】
図１０を参照して、幾つかの実施形態は、突起が係合構成にある場合、突起１１０の外周と凹部５１０の内壁との間に間隙８００を規定する。幾つかのこうした実施形態において、１つ以上の間隙充填機構、例えば、リングが突起１１０と連結し、及び／又は凹部５１０内に固定され、流体が間隙８００を通って流れるのを防止または抑制する。幾つかのこうした実施形態において、間隙充填機構は、突起が係合構成にある場合、１次燃焼チャンバ６００と２次燃焼チャンバ７００との間に気密シールを生成する。しかしながら、他の実施形態において、間隙充填機構、例えば、リング（または他のシール）は利用しておらず、間隙８００のサイズは、充分な圧力が１次燃焼チャンバ６００内で生成されて、自動点火を生成できるようにし、ピストンがその下向き行程になる前にピストンが上部位置にある場合は、充分な圧力が間隙８００を通って逃げて、２次燃焼チャンバ７００内で点火を生成するのを許容しないように設計されるためである。さらに幾つかの実施形態において、後述するように、１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバは、多相ダイナミック圧縮点火燃焼を生成する目的のために、互いに一定の流体連通状態にある。幾つかの実施形態において、間隙８００は、ピストン行程の際に常に１次燃焼チャンバと２次燃焼チャンバとの間でこうした一定の流体連通を提供するのに充分である。
【００３１】
図９と図１０に示すように、吸気弁４００が、シリンダの凹部５１０内に設置され、燃焼チャンバ内のトラップ容積（及び／又は濃縮空気ポケット、及び／又は１次チャンバと２次チャンバとの間の不均衡燃焼）を減少及び／又は除去し、そして燃焼チャンバ全体（１次チャンバおよび２次チャンバ）内で均質な空気／燃料／ＥＧＲ混合を確保する。他の実施形態において、トラップ容積が存在し、及び／又は空気／燃料／ＥＧＲ混合が望ましい（例えば、２次燃焼チャンバ内）他の場所に追加の吸気弁が含まれることは理解されよう。例えば、３次以上の燃焼チャンバを備えた実施形態において、吸気弁は各燃焼チャンバに含まれる。幾つかの実施形態において、吸気弁４００（及び／又は他の吸気弁）が、排気行程の少なくとも一部において（及び／又は、幾つかの実施形態において動力行程及び／又は圧縮行程の少なくとも一部において）開放されて、トラップ容積を除去することはさらに理解されよう。幾つかのこうした実施形態において、弁は、排気行程の上部で開放される。幾つかの実施形態において、排気弁（不図示）が２次燃焼チャンバ内に設置される。さらに幾つかの実施形態において、排気弁（不図示）が、凹部５１０、及び／又は燃焼チャンバ内の他の所望の場所に含まれており、トラップ容積を除去するのに役立つ。トラップ容積を除去することによって、発明概念は、等しい空気／燃料を生成し、ＥＧＲ、炭化水素、一酸化炭素を排出し、低いＮＯｘ排出を維持するのに役立つことは理解されよう。発明概念は、例えば、上述したロバーツ・ジュニアなどの先行技術に存在しない２サイクル掃気(scavenging)を可能にする。
【００３２】
図９と図１０を参照して、ピストン１００の設計は、突起１１０がピストン１００の中心に設置され、ピストンの増加した厚さの場所（突起に起因して）にリストピン２１０がロッド２００をピストンに装着するのを可能にする。これは、増加した応力下にある場所において強度を増加させる。さらに、ピストンでの比較的高い接続は、ピストンがシリンダ内で上下移動する際、ピストンのより大きい制御および減少したピストンスラップを可能にする。
【００３３】
図１３〜図１６を参照して、幾つかの実施形態は、ヘッド５００の一部によって画定され、これを通って延びる１つ以上のヘッドポート５２０を含む。幾つかのこうした実施形態において、突起が初期の係合構成にある場合、各ヘッドポート５２０は、１次燃焼チャンバ６００と２次燃焼チャンバ７００との間で延びている。幾つかの実施形態において、ポートは、ピストン１００がシリンダ内で往復する際に、循環またはスピン回転の気流を生成し、及び／又は、燃焼チャンバへの気流を揺動(roll)及び／又は転回(tumble)させて、一定混合の空気／燃料を生成するように設計される。これは、燃焼チャンバ内のトラップ容積を除去または最小化するのに役立つ。幾つかの実施形態において、図１３〜図１６に示すように、突起１１０は、弁として動作し、突起が完全係合構成にある場合、ヘッドポートを閉止する。幾つかのこうした実施形態において、突起が完全係合構成から遠くへ移動すると、ヘッドポートは再び開放する。他の実施形態において、ヘッドポートの開口は凹部内に位置決めされ、突起の位置に関わらず、１次チャンバ６００がヘッドポート５２０の少なくともいくつかを経由して、２次チャンバ７００との連続的な流体連通状態になる。幾つかの実施形態において、図１３〜図１６に示すように、ポート５２０は、上部から下部に約４５度で示される。ポート５２０の他の角度、サイズ、形状、長さなどが種々の実施形態において利用されて、燃焼チャンバ内／間で所望の循環を生成することは理解されよう。さらに、ポート５２０の数および位置、および出口／入口角度は、所望の循環を得るために実施形態の間で変化することになる。幾つかの実施形態において、間隙８００は、ピストン行程の際に常に１次チャンバ６００と２次チャンバ７００との間で一定の流体連通を提供するのに充分である。
【００３４】
幾つかの実施形態において、図１３〜図１６に示すように、突起は、突起の上面から突起の側面へ延びる１つ以上のポート１３０を画定する。幾つかのこうした実施形態において、単一の中央ポート１２０が突起の上面の中心から突起の中に軸方向に延びており、複数の横方向ポートが中央ポートから突起の側面へ延びている。幾つかのこうした実施形態において、各横方向ポートは、中央ポートに対してある角度で延びており、中央ポートおよび横方向ポートのいずれか１つを通るいずれかの通路の長さは、中央ポートおよび他の横方向ポートのいずれか１つを通る通路の長さと実質的に同じ距離であるようにする。
【００３５】
幾つかの実施形態において、図１４に示すように、横方向ポートの少なくともいくつかの開口が突起の外面に沿って位置決めされ、横方向ポートは、突起が係合構成にある場合、突起が初期の係合構成または完全係合構成にあるかに関わらず、２次燃焼チャンバ７００と流体連通する。こうして１次燃焼チャンバ６００と２次燃焼チャンバ７００との間の一定で連続的な流体連通を維持することが可能であり、多相ダイナミック圧縮点火燃焼を支援する。幾つかの実施形態において、ポートは、ピストン１００がシリンダ内で往復する際に、燃焼チャンバへの循環またはスピン回転の気流を生成するように設計される。これは、燃焼チャンバ内のトラップ容積を除去または最小化するのに役立つ。幾つかの実施形態において、図１３〜図１６に示すように、ポート１２０，１３０は、上部から下部に突起１１０の周りに種々の角度で示される。ポート１２０，１３０の他の角度、サイズ、形状、長さなどが種々の実施形態において利用されて、燃焼チャンバ内／間で所望の循環を生成することは理解されよう。さらに、ポート１２０，１３０の数および位置、および出口／入口角度は、所望の循環を得るために実施形態の間で変化することになる。幾つかの実施形態において、図１５に示すように、ポート１３０は、ポート１２０を略接線方向に外れて、燃焼チャンバ内に循環流を生成するのに役立つようにする。
【００３６】
図１７を参照して、図９および図１０のエンジンの代替の実施形態の断面図が示され、ピストンは、燃焼チャンバが１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバに隔離されるように位置決めされる。図１７に示す実施形態において、ピストン１００の突起１１０は、突起１１０の外周の周りに溝１１５を含む。類似する溝及び／又は窪み(indentation)が、これに限定されないが、上記図１〜図１６に関して示した種々の実施形態を含む、ここで議論するものに類似した本発明の種々の実施形態に含まれることは理解されよう。幾つかの実施形態において、複数の溝／窪みが利用される。溝／窪みは、摩擦を生成し、燃焼チャンバ内で速度渦／乱流を生成するのに役立つ。
【００３７】
幾つかの実施形態において、２次燃焼チャンバ７００で発生する２次点火の前に、初期点火が１次燃焼チャンバ６００で発生する。他の実施形態において、初期点火が２次燃焼チャンバ７００で発生し、２次点火が１次燃焼チャンバ６００で発生することは理解されよう。こうした実施形態において、ピストン１００、突起１１０、ヘッド５００および中央凹部５１０は、より高い圧縮比が１次チャンバ６００よりも２次チャンバ７００で得られるように構成される。
【００３８】
幾つかの実施形態において、弁４００のためのハウジング及び／又は他の適切な構造が、凹部５１０内に位置決めされ、凹部５１０内の容積を変化させるように構成される。こうして弁４００のハウジングは、１次燃焼チャンバ６００内の圧縮比を調整して、性能のレベルを変化させることが可能になり、及び／又は種々の動作条件を調節することが可能である。幾つかの実施形態において、米国出願公開第２００７／０８４４２８号（その全体開示内容は参照によりここに組み込まれる）に示したものに類似したピストン配置が利用され、凹部５１０内の容積を変化させる。図９と図１０を参照して、例示の可変圧縮比ピストン９００は、弁４００を収納して、ピストン９００は、開放位置と閉止位置との間で移動可能であり、これにより可変圧縮比ピストン９００が凹部５１０内の容積を変化させることを可能にする。幾つかの実施形態において、可変圧縮比ピストンが油圧式（「油圧式可変圧縮比ピストン」）であり、一方、他の実施形態において、ピストン変位は、電気機械油圧式、圧電機械油圧式、または現在既知であり、または今後開発されるいずれか他の変位形態である。幾つかの実施形態において、可変圧縮比ピストンは、電気モータおよびねじ歯車アセンブリを介して移動される。幾つかのこうした実施形態において、エンジンＲＰＭが増減すると、ねじ歯車アセンブリは可変圧縮比ピストンを上下に調整する。幾つかの実施形態において、ねじ歯車アセンブリは、可変圧縮比ピストンのほぼ「より遅い」調整のために利用され、可変圧縮比ピストンは、ピストンの複数の行程について一定の場所に維持され、そのため可変圧縮比ピストンは、各行程で異なる比率に変位されない。幾つかの実施形態において、可変圧縮比ピストンは、接続ロッドおよびカムアセンブリを介して上下に移動される。幾つかのこうした実施形態は、可変圧縮比ピストンのかなり「より速い」変位を可能にし、これにより可変圧縮比ピストンが各行程で異なる比率に変位できるようになる。幾つかのこうした実施形態において、可変圧縮比ピストンは、発明概念のピストン１００の突起の往復運動に対向または相対する燃焼サイクル毎に往復する。幾つかのこうした実施形態は、１次燃焼チャンバでの最大燃焼を可能にし、これにより弁列(train)を経由してクランクにエネルギーを発生しつつ、予備燃焼を可能にする。
【００３９】
幾つかの実施形態において、発明概念の可変圧縮比ピストンは、いずれの弁からも分離した構造であり、可変圧縮比ピストンの唯一の機能は、凹部５１０内の容積を変化させることであることは理解されよう。幾つかの実施形態において、可変圧縮比ピストンは、ピストンの内部にまたはその一部として吸気弁を含み、弁はピストンとともに変位する。他の実施形態において、弁は、ピストンから分離しており、弁は静止場所に留まりながら、ピストンは変位する。
【００４０】
幾つかの実施形態において、突起１１０の上面は、凹面形状を画定する。幾つかのこうした実施形態において、凹部５１０の上面が、対応する凸面形状を画定する。他の実施形態において、突起１１０の上面は、凸面形状を画定する。幾つかのこうした実施形態において、凹部５１０の上面が、対応する凹面形状を画定する。
【００４１】
幾つかの実施形態において、ピストン１００の本体の上面が凸面形状を画定し、一方、他の実施形態において、ピストン１００の本体の上面は凹面形状を画定する。幾つかのこうした実施形態において、ヘッド５００の下面が凹面形状を画定し、それはピストンの本体の上面の凸面形状に対応するように構成される。幾つかのこうした実施形態において、ヘッド５００の下面が凸面形状を画定し、それはピストンの本体の上面の凹面形状に対応するように構成される。発明概念の種々の実施形態は、上述した凹面および凸面との組合せで、略平坦な表面とともに互いに組み合わせた凹面形状および凸面形状の全ての変形例再配列を含むことは理解されよう。更なる実施形態において、非湾曲形状が利用される。例えば、幾つかの実施形態において、突起は、対向する三角形またはピラミッド形の凹部と係合する三角形またはピラミッド形の突起を含む。他の実施形態において、正方形または矩形のニップルおよび凹部が利用される。幾つかの実施形態において、突起１１０は、テーパー形状を含み、幅が、突起１１０の上部から、ピストン１００の残りと交差するポイントで、突起１１０の下部に向けてより狭い幅に狭くなるようにする。こうしたテーパー形状は、シリンダーヘッドとの干渉によって生ずるカーボン堆積を低減または防止するのに役立つ。
【００４２】
幾つかの実施形態において、ピストン及び／又はヘッドの種々のエッジが、丸く面取り(fillet)され、面取り(chamfer)され、または湾曲され、空気を移動して、１次ピストンの吹き抜け(blow-by)から「ドーナツ」効果を生成し、及び／又は、燃焼チャンバ内の揺動および転回を支援する。例えば、図９での場所１１４は、幾つかの実施形態において、丸く面取りされる。幾つかの実施形態において、エッジ１０４は丸く面取りされる。幾つかの実施形態において、エッジ１１２は丸く面取りされる。幾つかの実施形態において、ヘッドのエッジ５０２は丸く面取りされる。幾つかの実施形態において、ピストン１００の上面１０２は、突起１１０を包囲し、凹面形状であり、例えば、カップを形成する。他の実施形態において、表面１０２は凸面形状である。
【００４３】
種々の突起１１０および対応する中央凹部５１０の寸法および形状は、所望の圧縮比および性能を提供するために、本発明の実施形態で変化することは理解されよう。幾つかの実施形態において、複数の突起が利用され、そのサイズおよび形状は変化して、異なる燃焼チャンバ、例えば、１次、２次、３次などを生成する。こうした実施形態において、容積は、異なる圧縮比を提供するために変化する。幾つかの実施形態において、複数の突起は、異なる寸法を有することになるが、等しい容積を有し、等価な圧縮比を提供することなる。幾つかの実施形態において、中央突起は１次燃焼チャンバを生成し、一方、中央突起を包囲する他の突起は２次（または３次など）燃焼チャンバを生成し、燃焼チャンバ（例えば、チャンバ７００）の残りは、３次（または次の）燃焼チャンバである。他の実施形態において、中央突起を包囲する１つ以上の突起は、１次燃焼チャンバになる。ボア、ストロークおよび他のエンジン設計パラメータは、異なるタイプの燃料についての設計を最適化し、低減しまたは増加させるために変化することは理解されよう。
【００４４】
発明概念の幾つかの実施形態は、上述したものに類似した対向ピストン設計を含む。幾つかのこうした実施形態において、幾つかの実施形態において、全て単一シリンダ内で１次ピストンと嵌合する、上述した可変圧縮比ピストンと組み合わせた単一の１次ピストンがある。他の実施形態において、対向ピストンが、別個の対向シリンダ内で動作する。幾つかのこうした実施形態において、可変圧縮比ピストンも利用される。
【００４５】
発明概念の実施形態は、ピストンがヘッドから遠くに移動して容積を増加させる際、圧縮点火を１次燃焼チャンバで生成し、燃焼が２次チャンバに伝搬できるようにすることによって、オンデマンド(on demand)炎及び／又は圧力伝搬を生成する。
【００４６】
ここで開示した多相および多相式のダイナミック圧縮点火燃焼エンジンの実施形態が、変化する数（例えば、１，２，４，６，８など）のシリンダおよび変化するシリンダ変位を含むことは理解されよう。本発明の幾つかの実施形態において、より低い数のシリンダが利用され（例えば、２つのシリンダ）、より高い数のシリンダエンジン（例えば、８つのシリンダ）で典型的に見られるものと同じエンジン変位を提供する。発明概念は、完全圧縮点火燃焼、及び／又はオンデマンド炎、及び／又は圧力伝搬を可能にするため、シリンダのボアサイズは、排出物の増加または効率の減少を伴うことなく、必要に応じて拡大縮小できる。幾つかの実施形態において、対向する２つのシリンダ構造が利用され、より高い変位（例えば、４．０リットルなど）エンジンを設計する。こうした構造は、エンジンのより小型な全体サイズをもたらし、そして製造時の材料および労力の節約をもたらす。
【００４７】
発明概念の幾つかの実施形態において、蓄熱媒体が、ピストンの上部に、例えば、発明概念の突起の上部に、及び／又は、シリンダヘッドに、例えば、シリンダの上部の中心近くに含まれる。幾つかの実施形態において、蓄熱媒体は、熱を保持するように設計され、シリンダまたはピストンの壁より熱くなる。幾つかのこうした実施形態において、蓄熱媒体の増加した熱は、圧縮された供給(charge)の中に散逸し、蓄熱媒体の近くの自動点火を支援する。幾つかの実施形態において、蓄熱媒体は、比較的小さい金属片または、上述した自動点火を支援するための熱を保存し放出するのに適した熱力学的特性を有する他の材料である。幾つかの実施形態において、蓄熱媒体は、ピストン及び／又はヘッドの表面に塗布されるコーティングである。
【００４８】
幾つかの実施形態において、空気／燃料及び／又はエンジンに入る水を加熱して、始動および性能を支援するために、吸気マニホールド(manifold)にまたはこれと関連して、予備ヒータが含まれる。
【００４９】
幾つかの実施形態において（例えば、図２０〜図２２を参照）、発明概念のエンジンが、ピストンの中央突起およびその関連した凹部と関連して、中央弁の周りに位置決めされたオフセットの吸気弁および排気弁を含む。幾つかのこうした実施形態において、排気弁は、エンジンの右側および左側に設置され、吸気弁は、クランクと一直線にある。幾つかのこうした実施形態において、排気ポートは、排気弁から上に延びており、個々の排気弁の右または左に向けて延出している。吸気弁に対する排気弁のオフセット場所は、燃焼チャンバ内の均衡した温度を可能にする。弁の場所は、幾つかの実施形態において、より大きい均衡を可能にし、燃焼からの熱がシリンダの中心および吸気から引き出されるのを可能にする。幾つかの実施形態において、引き出された熱は、吸気を予備加熱するために使用される。他の実施形態において、熱は、吸気を予備加熱するために使用されない。それでも他の実施形態において、オフセット弁設計を利用して、吸気弁および排気弁の場所を置き換えることは理解されよう。幾つかの実施形態において、中央弁は、吸気弁および排気弁の両方として機能する。幾つかの実施形態において、全ての弁の場所は、シリンダ内の所望のフロー特性に応じて、吸気、排気のいずれか、及び／又は吸気と排気の両方でも可能である。種々の実施形態において、各弁の開閉の順序、期間、及び／又はタイミングは変化し、シリンダ内で所望のフロー特性を達成するように設計される。発明概念のオフセット弁設計が、圧縮点火、そして従来の点火エンジンを備えた種々の実施形態で利用されることは理解されよう。
【００５０】
図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃを参照して、発明概念の幾つかの実施形態は、多段式直接噴射器を含む。噴射器は、その座面から少量だけ引き上げられ、第１の最低流量を可能にする第１段を開放する「段差付」噴射器ピンを含む。図１８Ａを参照して、噴射器ピン１０００は、ハウジング１２００内の着座位置にあり、そこでは流体フローが発生しない。図１８Ｂは、着座位置から移動して、流体ポート１１００の第１段を開放する噴射器ピン１０００を示す。噴射器ピン１０００がさらに引き上げられると、その段差付設計により連続的により大きい孔を開放し、第２、第３、第４、第５などの段を開放して、各段において流量を徐々に増加させる。図１８Ｃは、図１８Ｂの第１段から第２段に移動した後、追加の流体ポート１１００が開放されている噴射器ピン１０００を示す。図１８Ｃに示すように、流体ポート１１００の第３段が噴射器ピン１０００によって閉止したままである。幾つかの実施形態において、Ｏリングが噴射器の各段に沿って含まれており、封止を改善している。図１８Ａ、図１８Ｂおよび図１８Ｃに示す実施形態において、単一の燃料／流体ラインが噴射器に供給されるように示される。他の実施形態において、噴射器の各段が、別個の燃料ラインによって供給される。こうして噴射器は、幾つかの実施形態において利用され、各段を経由して異なる燃料タイプまたは他の流体を供給する。例えば、幾つかの実施形態において（例えば、ドラッグカーにおいて）、第１段がアルコールを噴射し、第２段が亜硝酸(nitrous)の第１段を噴射し、第３段が亜硝酸の第２段を噴射する。幾つかの実施形態において、発明概念の噴射器は、キャブレタ式エンジンと関連して利用され、一方、他の実施形態において、燃料噴射システムの一部として利用される。幾つかの実施形態において、発明概念の噴射器は、タービンファンで利用される。他の実施形態において、噴射器は、例えば、多段式のプラスチック射出成形のために、プラスチックインジェクタとして利用される。さらに他の実施形態において、噴射器は、オイル噴射器として利用される。
【００５１】
図１９Ａ、図１９Ｂおよび図１９Ｃを参照して、発明概念のエンジンの種々の実施形態が、燃焼チャンバ内の熱及び／又は排気ガスを選択的にトラップして、圧縮点火を支援するように設計されたバタフライ弁４６５を含むように示される。図１９Ａは、発明概念の２サイクルエンジンの実施形態を示し、ピストンは、排気弁および吸気弁として機能し、吸気４５０および排気出口４６０を選択的に閉鎖し、そして排気出口４６０内にバタフライ弁４６５をさらに含み、燃焼チャンバ内の熱および排気ガスを選択的にトラップし、圧縮点火を支援する。吸気弁４００がシリンダヘッドの凹部５１０内に設置され、燃焼チャンバの該部分内のトラップ容積を低減及び／又は除去する。図１９Ａに示すエンジンの実施形態において、単一の排気ポートが存在し、バタフライ弁４６５は、１００％閉止されない。代わりに、弁は、部分的に閉止され、排気の一部をトラップし、吸気を予備加熱する。他の実施形態において、複数の排気ポートまたはラインが存在し、バタフライ弁４６５は、排気の一部を１００％閉止し、所望のフロー制限及び／又は予備加熱効果を提供することができる。図１９Ｂは、ピストンが排気弁として機能し、別個の吸気弁４５０が弁４００とともに利用される実施形態におけるバタフライ弁４６５を示す。図１９Ｃは、排気弁が吸気弁４５０，４００とともにヘッド内に設置された、２サイクルまたは４サイクルエンジンの実施形態におけるバタフライ弁４６５を示す。他の実施形態において、バタフライ弁４６５が、図１９Ａ〜図１９Ｃに示す１次および２次（３次など）燃焼チャンバと比較して、単一の燃焼チャンバを含むだけであるエンジンで利用されることは理解されよう。さらに、図１９Ｂと図１９Ｃに示していないが、可変圧縮比ピストン９００が図１９Ｂと図１９Ｃの発明概念の種々の実施形態に含まれることは理解されよう。同様に、図１９Ａの発明概念の種々の実施形態が、ここで示した可変圧縮比ピストン９００なしで利用される。
【００５２】
ここで記載した本発明概念の種々の実施形態が含まれ、及び／又は、ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６４８６６（その全体開示内容は、参照によりここに組み込まれる。）で議論されたタイプの２シリンダスーパーチャージャ式エンジンにおいて多相ダイナミック圧縮点火燃焼を利用する。ここで開示した発明概念の種々の実施形態は、単一シリンダ、２シリンダ、および追加シリンダ（例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つなどのシリンダ）構造を含み、また吸気ブースト（例えば、スーパーチャージャ及び／又はターボチャージャ）のいずれかのタイプを備え、および備えない構造を含む（これに限定されないが、ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６４８６６に開示された構造を含む）ことが理解される。
【００５３】
図２０〜図２１を参照して、発明概念の例示の実施形態が、３シリンダ式サイアミーズ(Siamese)シリンダエンジンとして示され、これは、シリンダ３００（および３０１，３０２）内に３つのピストン１００を含み、これはピストンの本体の上部から突出する略中央突起１１０をそれぞれ含む。シリンダヘッド５００は、各シリンダのためのピストンの突起１１０を嵌合的に受け入れるように構成された略中央凹部５１０を各シリンダ内に含む。ピストンの中央突起１１０は、ヘッドの中央凹部５１０（および５１１，５１２）に摺動的に受け入れるように構成される。ピストンが上死点に向かって上に移動すると、ピストンの中央突起１１０は、ヘッドの中央凹部５１０（および５１１，５１２）に摺動して入り、１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバを生成する。幾つかの実施形態において、１次燃焼チャンバおよび２次燃焼チャンバの個々の容積は、１次燃焼チャンバの圧縮比が２次チャンバより高くなる（他の実施形態において、逆も真実である。）ように設計される。こうしてピストンが上死点に到達した時またはその前後に、２次燃焼チャンバでの自動点火が生じないように、自動点火が１次燃焼チャンバで得られる。ピストンが上死点から下に移動し、突起１１０がヘッドの凹部５１０（および５１１，５１２）から出ると、１次燃焼チャンバ内で燃焼によって生成された圧力が、２次燃焼チャンバの中に膨張することが許容され、２次燃焼チャンバ内の燃焼、点火及び／又は燃焼点火を開始する。幾つかの実施形態において、自動点火が、１次から２次燃焼チャンバへの吹き抜けを通じて圧力伝搬から開始される。
【００５４】
シリンダの各々に関して、中央吸気弁４００（および４０１，４０２）が、シリンダヘッドの凹部５１０（および５１１，５１２）に設置され、燃焼チャンバ内のトラップ容積を低減及び／又は除去し、燃焼チャンバ全体（１次チャンバおよび２次チャンバ）内で均質な空気／燃料／ＥＧＲ混合を確保する。図示した実施形態において、追加の吸気弁４１０（および４２０，４３０）ならびに４１２（および４２２，４３２）、そして排気弁４１５（および４２５，４３５）ならびに４１７（および４２７，４３７）が、２次燃焼チャンバエリアに設置される。図示した実施形態において、全ての吸気弁（４００，４０１，４０２，４１０，４１２，４２０，４２２，４３０，４３２）が、エンジンブロックの中心線に沿って位置決めされる。こうして吸気弁４１２，４２０，４２２，４３０は、隣接するピストンのシリンダ壁にごく近接して隣接して設置され、これらはホットスポットが生成される場所である。弁および弁を通じて生成される気流の場所は、熱が、隣接するシリンダの間でホットスポット場所から遠くに浸ることを可能にする。エンジン全体での改善した熱バランスは、圧縮点火のより良い制御および使用を可能にする。発明概念の熱の均衡化は、単一シリンダおよび他の複数のシリンダの実施形態（例えば、２シリンダ、４シリンダなど）との組合せで利用されることは理解されよう。
【００５５】
図２１を参照して、デュアルオーバーヘッドカム配置を示す。中央吸気弁４００，４０１，４０２が、オーバーヘッドカムシャフト１６００によって制御される。２次燃焼チャンバの吸気弁４１０，４１２，４２０，４２２，４３０，４３２および排気弁４１７，４１７，４２５，４２５，４３５，４３７が、オーバーヘッドカムシャフト１６００の直ぐ上方に設置されたオーバーヘッドカムシャフト１７００によって全て制御される。ロッカーアーム７１５，７１０（不図示のシリンダ３０１，３０２と関連したロッカーアーム）が、カムシャフト１７００から排気弁４１５，４１７へそれぞれ延びている。他の実施形態において、単一のカムを利用して、全ての弁を制御する。さらに他の実施形態において、３つ以上のカムが利用される。幾つかの３カムの実施形態において、中央カムシャフトが中央吸気弁を制御し、エンジンの両側にあるカムがエンジンのその側にある個々の弁を制御する。さらに他の実施形態において、機械的、電子的及び／又は油圧的コントローラ及び／又はその組合せが、種々の弁を制御するために利用される。種々の実施形態におい、ここで示した幾つかまたは全ての排気弁が吸気弁として利用され、ここで示した幾つかまたは全ての吸気弁が排気弁として利用されることは理解されよう。さらに、幾つかの実施形態において、所望のエンジン性能に依存して、同じ弁が排気および吸気弁の両方として機能する。デュアルオーバーヘッドカムを図２１で示しているが、他の実施形態において、単一のカムを利用して、排気および吸気の両方を制御する。他の実施形態において、３つ以上のカムが利用される。さらに他の実施形態において、弁駆動のための他の機構が利用される。幾つかの実施形態において、吸気弁は電子的に駆動され、排気弁はカムによって機械的に駆動される。図２１に示していないが、幾つかの実施形態において、可変圧縮比ピストンが、図２１に示す構造との組合せで利用される。
【００５６】
幾つかの実施形態において、単一シリンダ内に示される複数の吸気弁（例えば、図２０）は、互い違い(staggered)パターンで開くように制御され、燃焼チャンバ内の空気／燃料／ＥＧＲ混合の揺動および転回を制御するのを支援する。吸気弁がカムによって制御される幾つかの実施形態において、開く弁は、互いに１〜２０度から交互配列される。
幾つかの実施形態において、１つの吸気弁が互い違いパターンで１回開く。他の実施形態において、複数の弁が、互い違いパターンで開いた他の弁と同時に開放する。パターンは、燃焼チャンバ内での所望の掃引(sweeping)運動、およびコンポーネントの物理的形状、サイズおよび設計に応じて、様々な実施形態において変化することは理解されよう。
【００５７】
図２１を参照して、図示した実施形態において、ピストン１００の設計は、突起１１０がピストン１００の中心に設置され、ピストンの増加した厚さの場所（突起に起因して）にリストピン２１０がロッド２００をピストンに装着するのを可能にする。これは、増加した応力下にある場所において強度を増加させる。さらに、ピストンでの比較的高い接続は、ピストンがシリンダ内で上下移動する際、ピストンのより大きい制御および減少したピストンスラップを可能にする。
【００５８】
図２０と図２１に示すエンジンの幾つかの実施形態において、吸気マニホールドおよび排気マニホールドは、排気ラインの少なくとも一部が吸気ラインに物理的接触するように、または少なくともごく近接するように設計される。こうして排気ラインは、吸気を予備加熱するために利用される。幾つかの実施形態において、図１９Ａ、図１９Ｂおよび図１９Ｃに示したものと類似するバタフライ弁が、排気ラインに接触／近接した排気マニホールドの一部から、吸気ラインから遠くに位置決めされた排気マニホールドの一部へ排気ガスを迂回させるために利用される。こうして弁を利用して、予備加熱を選択的に関与および不関与にできる。幾つかの実施形態において、弁は、マニホールドでの「Ｔ字部」に設置され、排気ラインが吸気ラインに対して略平行にポートから出てきて、「Ｔ字部」が吸気ラインから下に遠くへ排気を迂回させ、あるいは選択的に迂回しない場合、排気ガスが、吸気ラインに対して平行に（吸気ラインに接触またはごく近接して）続くマニホールドの一部を通って流れるのを許容する。幾つかの実施形態において、エンジンの両側から入る別個の吸気ラインが存在し、エンジンの両側にある排気ラインとともに、平衡化した熱伝達を提供する。幾つかの実施形態において、エンジンの両側にある吸気ラインおよび排気ラインは、隣り合っており（互いに物理的接触またはごく近接している）、エンジンの上部に向けて上向きに湾曲している。吸気ラインは、互いに出会い、エンジンの上部で共に接続し、幾つかの実施形態において、燃料噴射器が吸気の上部に設置される。幾つかの実施形態において、排気ラインは、互いに出会い、共に接続し、交差ポイントの近くで単一排気パイプの中で外側へ流れる。他の実施形態において、各排気ラインは、エンジンの上部で続いており、反対側で下がって、そこから起点となってエンジンから外側へ続く。幾つかの実施形態において、吸気および排気マニホールドは、エンジンヘッドの上でボルト固定される単一の成形品または鋳造品である。幾つかの実施形態において、吸気ラインがエンジンの上部で一緒になる。
【００５９】
図２２を参照して、発明概念の複数の突起を含む３シリンダ式サイアミーズシリンダエンジンの他の実施形態の代表的な平面図を示す。突起１１０（図２２では、凹部５１０ａ，５１１ａ，５１２ａと係合する）に加えて、他の突起がピストンの上部付近に突起１１０を囲むように設置され、凹部５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄ，５１０ｅ，５１１ｂ，５１１ｃ，５１１ｄ，５１１ｅ，５１２ｂ，５１２ｃ，５１２ｄ，５１２ｅと係合する。突起の数、サイズ、形状および場所は、異なる実施形態において変化することは理解されよう。幾つかの実施形態において、各突起は、異なる体積を有し、異なる圧縮結果を提供する（例えば、１次、２次、３次などの燃焼チャンバを生成する）。他の実施形態において、各突起の体積は等しく、各凹部内で同じ圧縮を提供する。
【００６０】
発明概念の上記実施形態で示し記載した弁は、種々の実施形態において、機械的、電気的、機械電気的、油圧式、これらの組合せ、及び／又は、現在既知でありまたは今後開発される駆動用の他の機構によって制御される。上記の幾つかの実施形態ではカムおよびロッカーアームアセンブリを示したが、他の実施形態において、ここに記載した発明概念の同じまたは類似の特徴と関連して、他の弁駆動機構が利用されることは理解されよう。種々の実施形態において、吸気弁および排気弁が、所望の設計および性能に応じて順番にまたは順不同に駆動される。
【００６１】
ここに図示し記載していないが、サイアミーズシリンダの発明概念の種々の実施形態は、ここで開示した圧縮点火の他のシステムおよび方法の種々の特徴、組合せおよびサブコンビネーションとともに採用されることは理解されよう。
【００６２】
前述の説明では、特定の用語が、簡潔さ、明瞭さおよび理解のために使用されているが、こうした用語は説明目的のために使用され、広く解釈されることを意図しているため、先行技術の要求を超えて、そこから不必要な限定を暗示するものではない。さらに、本発明の説明および図示は例示的であり、本発明の範囲は、図示または記載された正確な詳細に限定されない。
【００６３】
本発明の上述した詳細な説明は、例示の実施形態を参照して記載されており、本発明を実施するために想定される最良の形態が図示され記載されているが、特定の変化、変更または変形が、上記発明を具現化する際に行ってもよく、その構成において、ここで詳細に説明したもの以外に、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって達成でき、こうした変化、変更または変形は、本発明の全体範囲内にあると考えられることは理解されよう。従って、本発明およびここで開示され請求される根本的な原理の真の精神および範囲内に入る何れかおよび全ての変化、変更、変形または均等物を網羅することが想定される。その結果、本発明の範囲は、添付した請求項によってのみ限定されることを意図しており、上記説明に含まれ、添付図面に示される全ての事項は、例示的であると解釈すべきであり、限定する意味ではない。
【００６４】
ここでは本発明の特徴、発見および原理、本発明が構築され使用される方法、構築の特性、および得られた有利で新しい有用な結果を説明したが、新しい有用な構造、デバイス、エレメント、配置、部品および組合せは、添付した請求項に記述される。
【００６５】
下記の請求項は、ここで説明した本発明の一般的および具体的な特徴の全て、および言語の問題として、両者間に入ると言及されることがある本発明の範囲の全ての記述を網羅することが意図されると理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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