(57)【要約】シリンダ（４）に入る可燃混合気が、燃焼室に入る可燃混合気の容積が通常の供給量よりも多くなるように、入口（６）が先に閉鎖されている間に形成された圧力パルスを有する内燃機関が開示されている。機関への充填中における特定の形態では、可燃混合気の一部は燃焼室を通って排気（５）に至り、排気系内の先の燃焼で形成された圧力パルスによって燃焼室内に引き戻され、入口ポートと出口ポートが閉まり圧縮がおこなわれる前に燃焼室を効率的に過給する。本発明は２ストローク機関に特に適合するが、４ストローク機関やラムジェット機関、スクラム機関などの他の機関にも適用できる。
2005507048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に流入する可燃混合気の量が通常の供給量よりも多くなるように、シリンダに流入する可燃混合気が圧力パルスを有する内燃機関。
【請求項２】
前記圧力パルスは前行程での入口の急速な閉鎖によって形成され、前記可燃混合気が保持される空間は、前記入口が再び開いたときに前記パルスが該入口に戻るような寸法である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記可燃混合気の一部は、前記機関への充填中に前記燃焼室を通って排気され、その後先行する燃焼によって形成された排気系内の圧力パルスによって該燃焼室内に戻され、これによって、入口ポートと排気ポートとが閉鎖され圧縮と燃焼とが行なわれる前に、前記燃焼室を効率的に過給する、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記機関の前記排気系は、前記燃焼室を通って前記排気系に入った可燃混合気が前記パルスの圧力によって前記燃焼室に引き込まれるように、前記排気ポートが閉まる前に少なくとも前記排気ポートの近くまで戻る少なくとも１つの圧力パルスを発生させるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記排気口と前記入口とが開いたときに、前記燃焼室からの排気ガスの最初の動きが、前記圧力パルスが戻る前に、可燃混合気を前記燃焼室内に引き込み、前記燃焼室を通過させるように作用する、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記可燃混合気は、前記燃焼室に入る前に、該燃焼室の容積よりも大きな空間の中に入る、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記機関は２ストローク機関であり、前記可燃混合気は、前記燃焼室に引き込まれる前に、該可燃混合気が前記燃焼室に入る際に該燃焼室に入り該燃焼室を通過することのできる可燃混合気が制限されないように前記燃焼室の充填に必要な容積よりも大きな容積を有しているサンプに入る、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記サンプは、入口が次の行程のために開いているときに該入口に戻るパルスが、該入口が閉まったときに該サンプ内に形成され、該圧力パルスは、前記可燃混合気が前記燃焼室に迅速に充填され、該可燃混合気の一部が前記燃焼室を通って前記排気口へ排出されることを促するように物理的に構成されている、請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記機関は２ストローク機関であり、前記可燃混合気は、該可燃混合気が前記燃焼室に入る際に該燃焼室に入り該燃焼室を通過することのできる可燃混合気が制限されないように前記燃焼室の充填に必要な容積よりも大きな容積を有しているアキュムレータに入る、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記アキュムレータは、入口が次の行程のために開いているときに該入口に戻るパルスが、該入口が閉まったときに該アキュムレータ内に形成され、該圧力パルスは、前記可燃混合気が前記燃焼室に迅速に充填され、該可燃混合気の一部が前記燃焼室を通って前記排気口へ排出されることを促するように物理的に構成されている、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記機関は２ストローク機関であり、前記可燃混合気は、前記燃焼室の充填に必要な容積よりも大きな容積を有しているアキュムレータに入り、そこから、前記燃焼室に引き込まれる前に、該可燃混合気が前記燃焼室に入る際に該燃焼室に入り該燃焼室を通過することのできる可燃混合気が制限されないように同様に前記燃焼室の充填に必要な容積よりも大きな容積を有しているサンプに入る、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記可燃混合気が前記サンプとブーストポートの両方から前記燃焼室に入ることができるように、前記アキュムレータから前記サンプへと同様、前記アキュムレータから前記燃焼室へのブーストポートが設けられている、請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記機関は４ストローク機関であり、吸気マニホールドは、前記可燃混合気が前記燃焼室に入る際に該燃焼室に入り該燃焼室を通過することのできる可燃混合気が制限されないように前記燃焼室の充填に必要な容積よりも大きな容積を有し、パルスが入口弁の急速な閉止によって該吸気マニホールド内に形成されたとき、該パルスまたはその高調波は、該入口弁が次の行程のために開いたときに該入口弁に戻るように伝播されるような寸法を有している、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記可燃混合気が前記燃焼室に入るときに前記パルスが戻らされることによって、前記燃焼室内に入る前記可燃混合気の容積が通常供給される容積よりも確実に大きくされる、請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記機関は、燃焼ガスのパルスが、燃焼ガスの一部が点火領域に戻り、前記可燃混合気の完全燃焼を確実にするように該可燃混合気を燃焼領域に保持するように作用するように構成されたラムジェット機関である、請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調波同調システムに関し、特に内燃機関に用いられるようにされた調波同調システムに関するが、様々なタイプのジェット機関にも用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
２ストローク内燃機関は、いうまでもなく広くよく知られており、その特徴は、まず、可燃混合気を機関のサンプに引き込むことによって吸気がおこなわれ、次に、排気ガスのシリンダからの迅速な掃気と可燃混合気による置換とが確実におこなわるために、排気ポートと吸入ポートとが開いたときにシリンダ内に流入する可燃混合気の圧力がシリンダ内の全体的な圧力を増やすように、ピストンの動力行程中にピストンの動きがその下方の容積を減少させ、サンプを加圧し、また、掃気と置換の両動作はピストンが十分に上昇して入口ポートを閉める前に完了するように構成された、サンプとシリンダとの間の相互連絡が生じることにある。
【０００３】
２ストローク機関には、通常、可燃混合気のクランクケースへの流入を制御するよう作動でき、ピストン入口に取り付けられる、ロータリー弁、リード弁、またはその他の形態の弁が設けられている。
【０００４】
便宜上、本明細書では可燃混合気の用語は、空気と可燃性霧化燃料との混合物という通常の意味だけでなく、燃焼室への燃料の直接噴射がおこなわれる場合においては、空気のみの意味を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、機関の運転中に、機関のより効率的な運転と効率的な過給とが実現される手段を有する内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
説明の容易さのために、本発明を、２ストローク火花点火機関への適用例で説明するが、本発明は、後述するように、他の機関に対しても同様に良好な適合性を有することを改めて理解されたい。
【０００７】
本発明は、最も広義には、燃焼室に流入する可燃混合気の量が通常の供給量よりも多くなるように、シリンダ内に流入する可燃混合気が圧力パルスを有する内燃機関である。
【０００８】
本発明の一態様では、可燃混合気の一部が、機関への充填中に燃焼室を通って排気され、その後排気系内の圧力パルスによって燃焼室内に戻され、これによって、入口ポートと排気ポートとが閉鎖され圧縮と燃焼が行なわれる前に、燃焼室を効率的に過給する内燃機関が提供される。
【０００９】
２ストローク機関においては、アキュムレータ内の可燃混合気が動力行程中のピストンの下降につれて圧縮され、可燃混合気が燃焼室に流入可能になったときに、可燃混合気は排気ガスを掃気するように作用し、可燃混合気の一部は、各ポートが閉まったときのシリンダ内の可燃混合気が自然吸気による通常の供給量よりも相当多くなるように流れをシリンダ内に戻す排気パルスが作用している排気ポートを通過するように作用するように、調波同調機、すなわち空気ばねとして作用することができるアキュムレータを用いる。アキュムレータは機関のサンプでもよい。
【００１０】
アキュムレータは、入口が次の行程のために開いているときに入口に戻るパルスが、入口が閉まったときにサンプ内に形成され、圧力パルスは、可燃混合気が燃焼室に迅速に充填され、可燃混合気の一部が燃焼室を通って排気口へ排出されることを促するように、物理的に構成されている。
【００１１】
４ストローク機関の場合、アキュムレータは、吸気行程中に、可燃混合気がシリンダの必要充填容積よりも相当大きい空間からシリンダに入り、混合気がシリンダ内に入るときの流れによって、通常の場合よりも多くの可燃混合気をシリンダに効率的に流入させるフローパターンが発生するように、吸気系に備えられる。
【００１２】
このフローパターンは、入口弁が閉じられたときに発生する圧力波（およびその高調波）を有しており、アキュムレータの寸法は、弁が次の行程のために開いたときに圧力波や高調波が入口ポートに戻り、加圧された可燃混合気が燃焼室に入ることができるように設定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明がより容易に理解されるように、２ストローク機関に適用された本発明の一つの特定の形態を、他の用途における本発明の適用についての説明とともに述べる。
【００１４】
一般的な意味では、本機関は、シリンダ側壁とのシールを行なうピストンリングを備えたピストンが設置されたシリンダを有しており、また、シリンダのヘッド内にスパークプラグを有しており、比較的従来技術に近い形態といえよう。
【００１５】
可燃混合気の入口を設けることが可能である。便宜上、可燃混合気の用語が用いられているが、燃料と空気の混合物、または、燃料の直接噴射が用いられる場合においては空気だけのいずれをも含む。入口は後述するようにサンプその他につながっている。
【００１６】
サンプからシリンダへの移送手段を設けることが可能である。移送手段はピストンの頂部に設けられた弁でもよいが、サンプからシリンダへのポートでもよい。また、ピストンが下死点近くにあるときだけ露出される排気ポートが、シリンダ壁に設けられている。
【００１７】
本明細書において、向きに関する用語は便宜上用いられるので、シリンダが下向きまたは水平のときには正しい向きを考慮可能であることを理解されたい。
【００１８】
以上の範囲では、本機関は従来技術と同様と考えられよう。
【００１９】
また、コンロッドによってピストンと連結されているクランクシャフトが設けられている。所定の形状のバランサが、ピストンの作動を考慮して設けられていてもよく、バランサは、単シリンダ機関の場合には、通常、ピストンの往復運動のバランスをとるカウンターウエートである。
【００２０】
排気ポートはほぼ従来技術と同様でよく、入口ポートと排気ポートは、排気がシリンダから排出可能となり可燃混合気がシリンダ内に入る前に、ピストンが動力行程を効果的に完了するように、ともにピストンの下死点付近にあるのが望ましい。
【００２１】
サンプ、すなわち通常ピストンの下方にある空間は、アキュムレータとして作動することができ、通常は、従来技術の２ストローク機関のサンプより大きく、燃焼室を満たす必要容積よりも相当大きいこともあり得る可燃混合気容積を受け入れるようにされている。
【００２２】
機関はまた、キャブレターやその他の燃料計量装置が接続されることができ、一方がサンプに入る入口ポートに、他方はシリンダに直接つながるブーストポートに分岐する分岐を有する外部ポートが、入口側に設けられるように構成されてもよい。
【００２３】
運転時、排気ポートは、ピストンが着火後下死点近くまで来た後に開く。排気側は相対的に圧力が低く、シリンダ内と入口側は相対的に圧力が高いので、排気ガスは排気ポートを通って排気系に排出される。
【００２４】
可燃混合気はサンプからシリンダに流入し、可燃混合気は、供給されていれば、さらにブーストポートからもシリンダに直接流入する。可燃混合気は、排気ガスの掃気を促し、排気ガスをシリンダから完全にまたはほぼ完全に排気するように動く。
【００２５】
本発明は、全充填量以上の可燃混合気がこのときシリンダ内に入り、その一部は排気ガスに続いて排気ポートを通過するように構成されている。
【００２６】
この構成は、サンプの適切な構成によって補われる。流入が相対的に急速に止まると、入口の閉止により圧力パルスが発生し、圧力パルスは戻らされたときに、サンプの壁に当たるまでサンプ内を反射して戻る。もし、入口が開いたときに、パルスまたは高調波が入口に到着すれば、流入する可燃混合気の圧力は静圧よりも大きくなり、こうして、燃焼室に入る可燃混合気の容積は増加する。
【００２７】
図はこの構成を示している。シリンダ４は、コンロッド１２によってクランクシャフト１１と連結されるピストン９を有しており、図示の通りバランスウエートを有している。スパークプラグ２がシリンダヘッド内に設けられている。
【００２８】
入口２０には、この場合にはガソリンと空気の混合物である可燃混合気の流量制御を可能とするバタフライ弁２１等が設けられていてもよい。
【００２９】
入口は、可燃混合気を通路２２を通ってサンプ１０に流入させ、後述されるブーストポート６をさらに備えた出口を有する同期室１につながっている。
【００３０】
サンプ１０は、シリンダ内の掃気容積と比べ相当大きい。
【００３１】
ピストン９は、その上部表面上に移送ポート７を有している。
【００３２】
シリンダは、また、その壁を貫通する排気ポート５を有している。
【００３３】
この機関の運転は以下の説明のように効率的である。
【００３４】
機関の運転中に、ピストン９がブーストポート６および排気ポート５の上方まで来ると、可燃混合気はシリンダ内で圧縮され、上死点またはその近傍でスパークプラグ２が可燃混合気を着火させ、膨張させて、ピストン９と、最終的にはクランクシャフトの回転に対し下向き力を与える。
【００３５】
ピストンが排気ポートを通過すると、排気ガスはただちに排気ポート５から排出され、可燃混合気の、一部は移送ポート７経由での、一部は直接ブーストポート６を通っての導入を促し、可燃混合気はシリンダ内に流入する。
【００３６】
また、サンプ内の可燃混合気は前の行程における入口の急速閉止による圧力パルスを有しており、また、そのパルスまたはその高調波は、サンプの物理的構造によって、入口が開いたときに入口に到達するため、燃焼室に入る可燃混合気の容積は増加する。
【００３７】
このような全体的な構成により、急速な流入が促され、ピストンが下方部分を動いている間にシリンダに流入する可燃混合気の量は、実際、シリンダの容積よりも大きくなり、一定比率は排気ポート５を通って流出する。
【００３８】
排気系は、系内にパルスを有し、そのパルスのタイミングは、排気ポートが閉められる直前にパルスが排気ポートに戻り、いったん排気系に入った可燃混合気をシリンダ内に戻し、さらに排気ポート５とブーストポート６とがともに閉められと、シリンダ内の可燃混合気は、すでに、自然吸気と比べてより多くの可燃混合気が存在する圧力となっているように構成されている。
【００３９】
可燃混合気は、次に、ピストンの動きによってさらに圧縮され、最後には燃焼する。
【００４０】
この特定の実施形態においては、外部チャンバ１と拡大されたサンプ１０の両方を示したが、機関の開発は、特定の用途の要求に応じて、これらの両方を用いても、いずれかを用いても可能であることを理解されたい。
【００４１】
排気ガスは、排気ポートを通って排気系に流れるので、排気が排気ポートを出て排気系に流れるときに圧力降下を生じるパルスであると考えることができ、排気系は、排気系内にパルスの反射が発生し、最終的に排出される前に、排気ガスが後方に向けて、または排気ポートに向けて上流側に動くように構成されることができる。
【００４２】
実際、多くの排気の反射が生じているであろうが、次行程でさらに排気され、全体としては、燃焼ガスが外側へ流れパルスが排気ポートへ戻る流れが形成され、排気が適切に調整されれば、これらのパルスの反射は機関の運転と同調することを理解されたい。
【００４３】
排気系は、可燃混合気の燃焼室への戻りが最適化されるように、圧力パルスが、排気ポートが閉まる直前に、排気ポートの近くに戻るように構成される。
【００４４】
このように、移送ポートを通る可燃混合気と、ブーストポートからの可燃混合気と、排気系から戻る可燃混合気の通常の動きの効果を合成することは、シリンダ内の可燃混合気の量は、２ストローク機関のシリンダに通常吸気される量よりも相当多くなり、したがって、機関は、機械的すなわちターボ式の過給機を備える必要なく過給されることができることを意味している。
【００４５】
可燃混合気の質量が最大になると、排気ポートと入口ポートはともに閉まり、圧縮と着火がおこなわれるように構成される。本発明の機関を用いることで、入口弁は通常よりも長時間開状態に維持できる。
【００４６】
これと同時に、それまで吸気系のブーストポートを通っていた吸気が第２の流路を経由してアキュムレータに向けられる。
【００４７】
アキュムレータは、動力行程と動力工程との間に空間に入った可燃混合気の全量を吸収する容量を有するように構成されている。
【００４８】
吸入行程中、可燃混合気には慣性が形成され、この慣性は入口ポートの閉鎖後も持続し、アキュムレータ内の可燃混合気の質量はピストンの圧縮行程中増え続け、こうしてアキュムレータ内の圧力を増加させることを理解されたい。
【００４９】
動力行程がおこなわれ、２つの入力ポートがともに開くと、この質量は相当増加し、サイクルが再び始まる。
【００５０】
発明者は、このタイプのエンジンの出力は、特に、出て行く排気が相当量の可燃混合気を燃焼室を通って引っ張り、排気ポートに戻る圧力パルスがその可燃混合気の大部分をパルスの圧力下で確実に燃焼室に引き戻す排気系で選択された適切なパラメータに依存しつつ、１０％から１００％増加することを見出した。
【００５１】
これらのパラメータはまた、アキュムレータの寸法および容積と、可燃混合気の質量とを含んでいる。
【００５２】
これまで述べたことから理解されるであろうが、計量装置から供給される燃料／空気の混合物は、機関の運転中常に流れていることができるため、いかなる形式の入口弁を設けることも不要である。弁は、機関の始動を補助するために必要となることもあるが、いったん運転を始めればこの弁はもはや使用されない。
【００５３】
アキュムレータは、排気と入口のパルスが独立して作用できるように働くが、吸気系と排気系がともに開かれたときにはそれらを同期させる。
【００５４】
本発明は、通常このタイプの機関に伴う問題点、すなわち種々のパラメータがすべて適正であるのに、運転範囲の相対的に狭い部分でしか適正でないときに「パイプに乗る(come on the pipe)」とか「パワー帯をたたく(hit the power band)」として知られ、機関を「ピーキー」なものにするという問題点を最小化する。
【００５５】
本発明のシステムは、利用できる可燃混合気が燃焼室を満たす必要量より大きい、４ストローク機関の吸気側にも適用することができ、排気系は、可能であれば排気マニホールドに、充填気体の一部が入り込むことができ、排気パルスを受けるとその充填気体がシリンダに戻らされる拡張されたチャンバを有していることが望ましい。このような構成は、これまで４ストローク機関ではまったく用いられたことがなかった。すべての第２のパルスをなくすために、反転防止コーン(anti-reversion cone)をシリンダの下流側に追加してもよい。また、排気行程の終わりと吸気行程の最初のときだけ、入口弁と出口弁がともに開いていることから、そのときだけ可燃混合気の戻りが生じるようにしてもよい。
【００５６】
これらは勿論、このような機関では、２ストローク機関のように毎サイクルではなく、１つおきのピストンサイクルで燃焼が生じている点を考慮している。
【００５７】
この場合、最大の長所は入口側で得られることになろう。この場合、入力弁の閉鎖で形成されたパルスがアキュムレータの内部を伝播し、入力弁が開いたときにそのパルスまたは高調波が入力弁に戻るような寸法のアキュムレータが入力側に設けられている。４ストローク機関の吸入口は２回転に１回しか開かないため、パルスは、入口弁が次に開く前に、アキュムレータの端から端へ１回以上移動するであろうから、入口が開いているとき、好ましくは開いたときにパルスが入口弁に到達することが重要である。
【００５８】
本発明は、また、ラムジェット機関やスクラムジェット機関のジェットの入口部と排気部との間に適用されることができ、ジェットが亜音速から超音速さらには超超音速まで連続運転できるように、可変運転パラメータを提供するように構成されてもよい。
【００５９】
本明細書で、発明者は本発明の一つの特定の望ましい形態を説明したが、本形態の中で種々の変形が可能であり、また、本発明の他の用途への適用も可能であり、これらは本発明の要旨および範囲の中にあることを理解されたい。
【国際公開パンフレット】
2005507048.tif 000003
2005507048.tif 000004
2005507048.tif 000005
2005507048.tif 000006
2005507048.tif 000007
2005507048.tif 000008
2005507048.tif 000009
2005507048.tif 000010
2005507048.tif 000011
2005507048.tif 000012
2005507048.tif 000013
2005507048.tif 000014
2005507048.tif 000015
2005507048.tif 000016
2005507048.tif 000017
2005507048.tif 000018
2005507048.tif 000019
【国際調査報告】
2005507048.tif 000020
2005507048.tif 000021