(57)【要約】  エンジン１１０は複数の燃焼チャンバーを有していて、各々が点火チャンバー１１４と第１燃焼チャンバー１３０に分離している。チャンバー１１４と１３０が通路１５２を形成する移送チューブ１５０によって連結されていて、前記通路１５２は、前記点火チャンバー１１４と前記第１燃焼チャンバー１３０との連絡を容易にする。バルブ１５４は、前記通路１５２を選択的に開閉するために装備されている。チューブ１５０が、その中間部に取り付けられた開口部１６４と共に装備されていて、燃料を燃料噴射器１３８から通路１５０内へと噴射する。エンジン１１０のピストンの圧縮行程における第１段階では、第１容積の燃料が噴射器１３８から開口部１６４を経て通路１５０内へと噴射される。この時、バルブ１５４は開いているので、燃料と共に空気がチャンバー１４４内へと吹き飛ばされる。この圧縮行程における第２段階では、バルブ１５４が、閉じているので、チャンバー１４４がチャンバー１３０から隔離される。また、第２容積の燃料が噴射器１３８から通路１５２内へと噴射される。  この圧縮行程における第３段階では、スパークプラグ１４８が作動してスパークを引き起こすことによって、チャンバー１４４内で燃料と空気の燃焼が開始される。この圧縮行程における第４段階では、バルブ１５４が急速に開いて、燃焼している燃料と空気をチャンバー１４４から通路１５２内へと通して、前記通路１５２内では、混合されて、制限された燃料が燃焼する。上記による生成物は、チューブ１５０の開口部１６２を経て第１燃焼チャンバー１３０内へと、音速で噴出する。そして、前記第１燃焼チャンバー１３０内で、空気と混合して、燃焼が完結する。
2005509803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ制御された内燃機関エンジンであって、
キャビティーと、
前記キャビティー内の可動本体であって、前記キャビティーと共に第１燃焼チャンバーを形成する可動本体と、
点火チャンバーを形成して、前記点火チャンバーから前記第１燃焼チャンバーへ延びている移送チューブを装備する点火セルであって、前記移送チューブは、一端で第１開口部によって前記点火チャンバーと通じていて、他端で第２開口部によって前記第１燃焼チャンバーと通じていて、前記第１開口部と前記第２開口部との間に第３開口部を装備している点火セルと、
前記第３開口部を通して前記移送チューブ内へ燃料を噴射する燃料噴射器と、
前記バルブが前記第１開口部を通して流動体に高いインピーダンスを供給する第１の位置と、前記バルブが前記第１開口部を通して流動体を実質上妨げない第２の位置との間で可動なバルブと、
前記点火チャンバー内で燃料と空気の混合気を点火する点火手段とを有するバルブ制御された内燃機関エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンであって、前記第２開口部がジェットオリフィスを有するエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジンであって、前記ジェットオリフィスが、複数のジェットオリフィスのうちの１つであるエンジン。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のエンジンであって、前記本体の圧力行程中に前記燃料噴射器が、第１容積の燃料と第２容積の燃料とを前記移送チューブ内へ各々別に噴射するエンジン。
【請求項５】
請求項４に記載のエンジンであって、前記本体の圧縮行程の第１段階において、前記バルブが前記第２の位置へ移動して、前記噴射器が第１容積の燃料を噴射することによって、前記第１容積の燃料は前記シリンダーに現存する空気と共に前記移送チューブを通り抜けて前記点火チャンバー内へと流れ込むエンジン。
【請求項６】
請求項５に記載のエンジンであって、前記圧縮行程の次の第２段階において、前記第２容積の燃料の噴射時または噴射後に前記バルブが前記第１の位置へ移動するエンジン。
【請求項７】
請求項６に記載のエンジンであって、前記圧縮行程の次の第３段階において、前記点火手段が、前記点火チャンバー内で前記燃料を点火して、点火された燃料と空気の混合気を生成するように作動するエンジン。
【請求項８】
請求項７に記載のエンジンであって、前記圧縮行程の次の第４段階において、前記バルブが前記第２の位置へ移動することによって、前記点火された燃料と空気の混合気が、前記第２容積の燃料と共に移送チューブを通り抜けて前記第１燃焼チャンバー内へと噴射されるエンジン。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載のエンジンであって、前記エンジンが、少なくとも前記移送チューブを囲むほどの長さのエアギャップを有するエンジン。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のエンジンであって、前記点火された燃料と空気の混合気が、前記移送チューブから前記第２開口部を通り抜けて、音速で噴出するエンジン。
【請求項１１】
請求項５から１０の何れかに記載のエンジンであって、前記本体が往復動ピストンであるとき、前記圧縮行程の前記第１段階は、前記圧縮行程の開始時から上部死点より２５°前までであるエンジン。
【請求項１２】
請求項６から１１の何れかに記載のエンジンであって、前記本体が往復動ピストンであるとき、前記圧縮行程の前記第２段階は、上部死点より２５°前から１５°前までであるエンジン。
【請求項１３】
請求項７から１２の何れかに記載のエンジンであって、前記本体が往復動ピストンであるとき、前記圧縮行程の前記第３段階は、上部死点より１５°前から上部死点まで、あるいは、その上部死点にくる僅かに前までであるエンジン。
【請求項１４】
請求項８から１３の何れかに記載のエンジンであって、前記本体が往復動ピストンであるとき、前記圧縮行程の前記第４段階は、おおよそ上部死点にきた時であるエンジン。
【請求項１５】
請求項１から１４の何れかに記載のエンジンであって、前記本体が往復動ピストンであるとき、前記ピストンはヘッドを有していて、前記燃焼チャンバーが前記ピストンヘッドに形成された溝を含むエンジン。
【請求項１６】
請求項１５に記載のエンジンであって、前記ピストンが上死点に達した時、前記移送チューブが前記溝内へ延びているエンジン。
【請求項１７】
請求項１４または１５に記載のエンジンであって、前記第２開口部から出された点火された燃料と空気の混合気が二つの流れに分割されて、二つの流れの各々が反対方向に回転するように、前記溝が形成されて、且つ、前記移送チューブが配置されるエンジン。
【請求項１８】
キャビティー内に保持されている可動本体によって一部が区画される第１燃焼チャンバーと、点火チャンバーと、前記第１燃焼チャンバーと前記点火チャンバーとの間に流体の連絡路を提供する移送チューブと、前記移送チューブ内へ燃料を噴射する燃料噴射器と、前記点火チャンバー内で燃料に点火するスパークを引き起こすために装備されたスパークプラグと、前記点火チャンバーと前記燃焼チャンバー間でバルブが流動体に高いインピーダンスを供給する第１の位置と、前記点火チャンバーと前記燃焼チャンバー間で前記バルブが流動体を実質上妨げない第２の位置との間で可動なバルブとを有するエンジンの操作方法であって、
前記方法は、前記本体の圧縮行程の第１段階において、前記バルブを前記第２の位置に配置して、前記燃料噴射器が第１容積の燃料を前記移送チューブ内へ噴射するように操作する工程を有し、前記本体の動きにより前記燃料が前記燃焼チャンバー内の空気と共に前記点火チャンバー内へ押し込められるようになっている
方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記圧縮行程の次の第２段階では、前記バルブを前記第１の位置へ移動して、前記燃料噴射器を操作することによって前記移送チューブ内へ第２容積の燃料を噴射する方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、前記圧縮行程の次の第３段階では、スパークプラグを装備してスパークを引き起こすことによって、前記点火チャンバー内で前記燃料と空気を点火して、点火された燃料と空気の混合気を生成する方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、前記圧縮行程の次の第４段階では、前記バルブを前記第２の位置へ移動することによって、前記点火された燃料と空気の混合気を前記移送チューブ内へ噴射して、第２容積の燃料と混合して、その後、前記第２容積の燃料を前記第１燃焼チャンバー内へ吹き飛ばす方法。
【請求項２２】
内燃機関エンジンの点火セルであって、キャビティーと、前記キャビティーと共に第１燃焼チャンバーを形成する前記キャビティー内の可動本体と、前記エンジン内へ燃料を噴射して燃焼を引き起こす燃料噴射器とを有する点火セルであって、
前記内燃機関エンジンに隣接して、点火チャンバーを形成するハウジングと、
前記点火チャンバーから前記第１燃焼チャンバーへ延びている移送チューブであって、前記移送チューブは、一端で第１開口部によって前記点火チャンバーと通じていて、他端で第２開口部によって前記第１燃焼チャンバーと通じていて、前記第１開口部と前記第２開口部との間に第３開口部を装備していて、前記燃料噴射器によって噴射される燃料が入るように配置されている移送チューブと、
バルブが前記第１開口部を通して流動体に高いインピーダンスを供給する第１の位置と、前記バルブが前記第１開口部を通して流動体を実質上妨げない第２の位置との間で可動なバルブと、
前記点火チャンバー内で燃料と空気の混合気を点火する点火手段とを有する点火セル。
【請求項２３】
請求項２２に記載の点火セルであって、前記第２開口部がジェットオリフィスを有する点火セル。
【請求項２４】
請求項２３に記載の点火セルであって、前記本体の圧縮行程の第１段階において、前記バルブが前記第２の位置に移動して、前記噴射器が第１容積の燃料を噴射することによって、前記第１容積の燃料が、前記キャビティー内に現存する空気と共に前記移送チューブを経て前記点火チャンバー内へ流れる点火セル。
【請求項２５】
請求項２４に記載の点火セルであって、前記圧縮行程の次の第２段階において、前記燃料噴射器から前記第３開口部内へ第１容積の燃料を噴射する間または噴射した後に前記バルブが、前記第１の位置へ移動する点火セル。
【請求項２６】
請求項２５に記載の点火セルであって、前記圧縮行程の次の第３段階において、前記噴射手段が、前記燃料を前記点火チャンバー内へ噴射するように作動して、点火した燃料と空気の混合気を生成する点火セル。
【請求項２７】
請求項２６に記載の点火セルであって、前記圧縮行程の次の第４段階において、前記バルブが前記第２の位置へ移動した後に前記第１の位置へ戻ることによって、前気点火した燃料と空気の混合気と共に第２容積の燃料が、前記移送チューブを経て、前記第１燃焼チャンバー内へ噴射される点火セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンおよびその操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、バルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンは、１以上の燃焼チャンバーを有する内燃機関エンジンであって、各々の燃焼チャンバーが、第１燃焼チャンバーと点火チャンバーに分割されている。前記第１燃焼チャンバーと点火チャンバーは、バルブによって選択的に開閉する通路を経て互いに通じている。
【０００３】
上記のような、周知のバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンは、二つの異なる燃料噴射器を要する。即ち、一方は、燃料を第１燃焼チャンバーに直接噴射して、他方は、燃料を点火チャンバーに直接噴射する。前記エンジンが作動すると、バルブが閉じて、前記燃焼チャンバーと前記点火チャンバー間の流体連路をふさぐ間に、前記内燃エンジンが作動すると、最初に燃料が点火チャンバーに噴射されて、スパークによって点火される。前記バルブが閉じているので、点火チャンバー内の燃焼圧力は、急速に上昇する。第１燃焼チャンバーを形成するシリンダー内のピストンが、上死点に達した際にバルブが開いて、燃焼生成物（プラズマとみなされ得る）が前記通路を経て前記第１燃焼チャンバーへと流れる。燃料が第１燃焼チャンバーに噴射される。前記燃料が前記第１燃焼チャンバーに入ると、プラズマと共に移動するように適切に調節されて、混合、気化、および次の燃焼を促進する。この種のエンジンは、比較的低級な燃料の実用を助成するので、熱効率および機械効率において従来のディーゼル手段よりも優れている。
【０００４】
本発明は、前記バルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンを更に改良した発明である。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、バルブ制御された内燃機関エンジンであって、
キャビティーと、
前記キャビティー内の可動本体であって、前記キャビティーと共に第１燃焼チャンバーを形成する可動本体と、
点火チャンバーを形成して、前記点火チャンバーから前記第１燃焼チャンバーへ延びている移送チューブを装備する点火セルであって、前記移送チューブは、一端で第１開口部によって前記点火チャンバーと通じていて、他端で第２開口部によって前記第１燃焼チャンバーと通じていて、前記第１開口部と前記第２開口部との間に第３開口部を装備している点火セルと、
前記第３開口部を通して前記移送チューブ内へ燃料を噴射する燃料噴射器と、
前記バルブが前記第１開口部を通して流動体に高いインピーダンスを供給する第１の位置と、前記バルブが前記第１開口部を通して流動体を実質上妨げない第２の位置との間で可動なバルブと、
前記点火チャンバー内で燃料と空気の混合気を点火する点火手段とを有するバルブ制御された内燃機関エンジンを提供する。
【０００６】
好ましくは、前記第２開口部がジェットオリフィスを有する。
【０００７】
好ましくは、前記ジェットオリフィスが、複数のジェットオリフィスのうちの１つである。
【０００８】
好ましくは、前記本体の圧力行程中に前記燃料噴射器が、第１容積の燃料と第２容積の燃料とを前記移送チューブ内へ各々別に噴射する。      
【０００９】
好ましくは、前記本体の圧縮行程の第１段階において、前記バルブが前記第２の位置へ移動して、前記噴射器が第１容積の燃料を噴射することによって、前記第１容積の燃料は前記シリンダーに現存する空気と共に前記移送チューブを通り抜けて前記点火チャンバー内へと流れ込む。
【００１０】
好ましくは、前記圧縮行程の次の第２段階において、前記第２容積の燃料の噴射時または噴射後に前記バルブが前記第１の位置へ移動する。
【００１１】
好ましくは、前記圧縮行程の次の第３段階において、前記点火手段が、前記点火チャンバー内で前記燃料を点火して、点火された燃料と空気の混合気を生成するように作動する。
【００１２】
好ましくは、前記圧縮行程の次の第４段階において、前記バルブが前記第２の位置へ移動することによって、前記点火された燃料と空気の混合気が、前記第２容積の燃料と共に移送チューブを通り抜けて前記第１燃焼チャンバー内へと噴射される。
【００１３】
好ましくは、前記エンジンが、少なくとも前記移送チューブを囲むほどの長さのエアギャップを有する。
【００１４】
好ましくは、前記点火された燃料と空気の混合気が、前記移送チューブから前記第２開口部を通り抜けて、音速で噴出する。
【００１５】
好ましくは、前記本体が往復動ピストン（エンジンが往復動ピストンエンジンなど）であるとき、前記圧縮行程の前記第１段階は、前記圧縮行程の開始時から上部死点より２５°前までである。
【００１６】
好ましくは、前記圧縮行程の第２段階は、上部死点より２５°前から１５°前までである。
【００１７】
好ましくは、前記圧縮行程の第３段階は、上部死点より１５°前から上部死点にくる僅かに前までである。
【００１８】
好ましくは、前記圧縮行程の第４段階は、おおよそ上部死点にきた時である。
【００１９】
好ましくは、前記ピストンはヘッドを有していて、前記燃焼チャンバーが前記ピストンヘッドに形成された溝を含む。
【００２０】
好ましくは、前記ピストンが上死点に達した時、前記移送チューブが前記溝内へ延びている。
【００２１】
好ましくは、前記第２開口部から出された点火された燃料と空気の混合気が二つの流れに分割されて、二つの流れの各々が反対方向に回転するように、前記溝が形成されて、且つ、前記移送チューブが配置される。
【００２２】
本発明は、キャビティー内に保持されている可動本体によって一部が区画される第１燃焼チャンバーと、点火チャンバーと、前記第１燃焼チャンバーと前記点火チャンバーとの間に流体の連絡路を提供する移送チューブと、前記移送チューブ内へ燃料を噴射する燃料噴射器と、前記点火チャンバー内で燃料に点火するスパークを引き起こすために装備されたスパークプラグと、前記点火チャンバーと前記燃焼チャンバー間でバルブが流動体に高いインピーダンスを供給する第１の位置と、前記点火チャンバーと前記燃焼チャンバー間で前記バルブが流動体を実質上妨げない第２の位置との間で可動なバルブとを有するエンジンの操作方法であって、
前記本体の圧縮行程の第１段階において、前記バルブを前記第２の位置に配置して、前記燃料噴射器が第１容積の燃料を前記移送チューブ内へ噴射するように操作する工程を有し、前記本体の動きにより前記燃料が前記燃焼チャンバー内の空気と共に前記点火チャンバー内へ押し込められるようになっている方法を含む。
【００２３】
好ましくは、前記方法において、
前記圧縮行程の次の第２段階では、前記バルブを前記第１の位置へ移動して、前記燃料噴射器を操作することによって前記移送チューブ内へ第２容積の燃料を噴射する。
【００２４】
好ましくは、前記方法において、
前記圧縮行程の次の第３段階では、スパークプラグを装備してスパークを引き起こすことによって、前記点火チャンバー内で前記燃料と空気を点火して、点火された燃料と空気の混合気を生成する。
【００２５】
好ましくは、前記方法において、
前記圧縮行程の次の第４段階では、前記バルブを前記第２の位置へ移動することによって、前記点火された燃料と空気の混合気を前記移送チューブ内へ噴射して、第２容積の燃料と混合して、その後、前記第２容積の燃料を前記第１燃焼チャンバー内へ吹き飛ばす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本願発明の実施形態を添付する図面に結びつけられた実施例によって説明する。
図１は、従来のバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンの概略図、  
図２は、ある実施形態におけるバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンの概略図、
図３は、図２に示す実施形態に組み込まれたピストンのクラウンの平面図、
図４は、本願発明のある実施形態に組み込まれたピストンの他の実施形態におけるクラウンの平面図、
図５Ａは、本発明のエンジンに組み込まれた更に他のピストンのクラウンの平面図、
図５Ｂは、図５Ａに示すクラウンの断面５ｂを示す断面図、
図５Ｃは、図５Ａに示すクラウンの断面５ｃを示す断面図である。
【００２７】
図１は、従来のバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジン１０の概略を示す。エンジン１０は、エンジンブロック１２を有していて、前記エンジンブロック１２は、シリンダー１４（１個のみ図示）の形をした複数のキャビティーを形成するように規格化されている。各々の前記シリンダー１４は、往復動ピストン１６の形をした可動な本体を収容する。従来の方法でシールするように間に配置されたガスケット２０によって、シリンダーヘッド１８は、前記ブロック１２へ留められている。前記ヘッド１８は、エキゾーストマニホールドとインテークマニホールドを通じさせるだけでなく、従来のインレットとエキゾーストバルブ２２と、ロッカー組立体２４と、カム軸２６とを収容している。前記ロッカー組立体２４は、ロッカーカバー２８によって閉ざされている。
【００２８】
第１の又は主要な燃焼チャンバー３０が、エンジン１０内で、溝又は凹部３５が装備されているピストン１６のクラウン３４の表面３２と、シリンダー１４の上部との間に形成されて、ヘッド１８の表面３６に隣接する。燃料噴射器３８が、従来のようにヘッド１８に取り付けられて、直接燃料を第１容積の燃料チャンバー３０に噴霧する。
【００２９】
点火セル４０はヘッド１８に連結していて、噴射器３８によって噴射された燃料に点火源を供給する。前記点火セル４０は、点火チャンバー４４を形成するハウジンング４２を有している。他の燃料噴射器４６およびスパークプラグ４８は、ハウジング４２に収容されて、且つ、連結されていて、それぞれが燃料および点火スパークを点火チャンバー４４へと運ぶ。チューブ５０は、点火チャンバー４４から延びていて、通路５２を形成して、第１容積の燃料チャンバー３０および点火チャンバー４４間の流体の連絡を容易にする。
【００３０】
ハウジング４２内のバルブ５４は、点火チャンバー４４に隣接した通路５２のスロート５６を選択的に開閉する。前記バルブ５４はバルブ軸５８を有していて、前記バルブ軸５８は末端部にヘッド６０を有している。前記ヘッド６０は、前記スロート５６の形に基本的に相補的な形状を有していて、且つ、前記スロート５６を通じて流体の流れに高いインピーダンスを供給する第１の場所と、前記スロート５６を通じて流体の流れを実質的に妨げない第２の窪んだ場所との間で可動である。前記バルブ軸５８は、スコッチヨークドライブ６１によって駆動する。
【００３１】
エンジン１０は、下記のように作動する。下記のピストン１６の燃焼行程の始めには、バルブ５４が第２の場所に配置される。前記第２の場所では、空気がピストン１６の上昇によって圧縮されて、通路５２からスロート５６そして点火チャンバー４４内へと流れる。上死点（ＴＤＣ）の約２５°前で、バルブ５４は閉じて、点火チャンバー４４内の気圧が実質的に更に増加するのを防止する。前記バルブ５４を閉じる時期は、点火セル４４内の圧縮レベルが約８：１から１０：１になったときである。これは、典型的に約１４：１から１５：１である第１燃焼チャンバー３０内の最大圧縮比よりも低い。
【００３２】
次に、燃料が噴射器４６によって点火チャンバー４４内へ噴射される。燃料は圧縮熱によって気化して、チャンバー４４内で空気と混合して、均質な燃料と空気の混合気を形成する。前記混合気は、概して燃料が相対的に豊富であるが、スパーク用の点火混合比としての信頼度は高い。このような燃料リッチである混合気は、点火セル内に生じる燃焼生成物（プラズマとみなされ得る）の点火性を高める。そして点火することによって、第１チャンバー３０内で生じる燃焼を促進する。
【００３３】
圧縮サイクルの次の段階において、スパークプラグ４８は、スパークを引き起こすように作動して、点火チャンバー４４内で燃料と空気の混合気を燃焼する。前記燃焼によって点火チャンバー４４内の圧力が急速に増加して、ピストン１６がＴＤＣに達した時、前記圧力が第１燃焼チャンバー３０内の最大圧力を超える。
【００３４】
ＴＤＣに達した時、又はその少し前に噴射器３８は多量の燃料を第１燃焼チャンバー３０内に噴射する。バルブ５４も更に第２の（開いている）場所へ移動して、点火チャンバー４４と通路５２との間に実質的に防がれていない流体の連絡路を提供する。圧力の差によって、点火チャンバー４４から点火された燃料と空気の混合気が、スロート５６と通路５２内を通り抜けて、第１容積の燃料チャンバー３０内へ流れ込む。前記第１容積の燃料チャンバー３０内では、前記混合気が気化して、混合して、燃料噴射器３８を経て前記チャンバー３０内へ噴射された燃料の燃焼を引き起こす。
【００３５】
本発明の実施形態を図２に示す。前記図２では、図１の従来発明の実施形態の説明において用いられた参照符号の前に数字の「１」を加えた参照符号が、同じ又は類似の形状を示すのに用いられる。
【００３６】
本発明のバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジン１１０の実施形態は、多数の構成部品を装備している。エンジンブロック１２、シリンダー１１４、ピストン１１６、ヘッド１１８，ガスケット１２０、バルブ１２２、ロッカー組立体１２４、カム軸１２６、ロッカーカバー１２８を含むそれらの構成部品は、第１実施形態の構成部品と同じまたは酷似している。本実施形態のエンジン１１０および従来のエンジン１０の相違は、以下のように要約できる。
【００３７】
本実施形態１１０が要する燃料噴射器１３８は、１個のみである。本実施形態の燃料噴射器１３８は、ヘッド１１８内に嵌められているが、従来の噴射器とは異なる方向を向いている。本実施形態のエンジン１１０では、噴射器１３８が装備されているので、燃料をチューブ１５０の長さの中間部に送る事ができる。以下で更なる詳細を記すが、噴射器１３８は、圧縮行程において２回作動して、点火チャンバー１１４および第１燃焼チャンバー１３０に燃料を供給する。従来発明と同様にエンジン１１０のピストン１１６は、クラウン１３４内に溝１３５を有する。点火セル１４０のチューブ１５０は、ヘッド１１８の表面１３６を越えて延びているので、ピストン１１６が上死点（ＴＤＣ）に達した時は、チューブ１５０の一部が溝１３５内へ伸びている。通路５２のスロート１５６はチューブ１５０の第１開口部とみなされて、第２開口部１６２はチューブ１５０の末端部に形成されて、溝１３５内に向けて開いている。第２開口部１６２は、ジェットオリフィスを形成している又は、ジェットオリフィスとして設計されている。第３開口部１６４は、チューブ１５０内の第１および第２開口部１５６、１６２の中間部で、噴射器１３８と並置される。従って噴射器１３８内から噴射された燃料は、前記開口部１６４を経て通路１５２内へ入り込む。チューブ１５０の下方外面とチューブ１５０が内部で延びているヘッド１１８内の穴１６８との間にエアギャップ１６６が見られる。前記エアギャップ１６６の用途は、エンジン１１０における通常の冷却ジャケットや冷却機構から通路１５２を熱的に隔離することである。チューブ１５０近辺のヘッド１１８の表面１３６は、従来発明のエンジン１０内の表面３６よりも実質的に平坦である。
【００３８】
従来発明のエンジン１０では、本実施形態のバルブ１５４は、スコッチヨークドライブ１６１によって操作されている。
【００３９】
エンジン１１０の作動について以下、説明する。
【００４０】
圧縮行程の開始に先だって、ピストン１１６が誘導行程の間動くことによりシリンダー１１４内へ新たな空気を引き込むことによって次の行程の動力にすると効果的である。ピストン１１６の圧縮行程が開始されると前もってシリンダー１１４内に誘導されていた空気が圧縮される。圧縮行程の開始段階では、バルブ１５４が第２の（または、開いた）位置に移動して、バルブヘッド１６０がスロート１５６から間隔を置いて配置される。この時、第１燃焼チャンバー１３０と点火チャンバー１４４との間の流体の連絡路が提供される。ピストン１１６の上昇によって圧縮された空気は通路１５２から点火チャンバー１４４内へ押し上げられる。この段階で第１容積の燃料が、開口部１６４を経てチューブ１５０内に噴射される。前記第１容積の燃料の量は、同じ容積の従来のガソリンエンジンをアイドリングさせるのに要する一般的な燃料の量の１／３である。この燃料は、点火チャンバー１４４内へ流れ込んでいる圧縮空気によって、点火チャンバー１４４内へ効果的に吹き飛ばされている。
【００４１】
ピストン１１６の圧縮行程において、次の第２段階では、通常約２５°上死点の前（ＢＴＤＣ）で開始して、バルブ１５４が第１の（閉じている）位置、即ちスロート１５６内に移動して、スロート１５６を経て流動体に高いインピーダンスを与える。バルブ１５４のヘッド１６０とスロート１５６は、相補的な形状を有しているので、バルブ１５４は、第１または閉じている場所に配置されている時にスロート１５６またはチューブ１５０の他の部位に物質的に接触しない。前記バルブ１５４を約２５°ＢＴＤＣで閉じることによって、点火チャンバー１４４内の圧縮比は、通常８：１から１０：１である。しかしながらバルブ１５４を閉じる時期は、点火チャンバー１４４内の圧縮比を制御するために変化し得る。
【００４２】
この圧縮行程の第２段階においては、更に、燃料噴射器１３８が再度作動して、チューブ１５０内の開口部１６４を経て、第２容積の燃料を通路１５２に噴射する。ピストン１６６の動きによって、またバルブ１５４が第２または閉じている位置に配置されることによって、第２容積の燃料は概して通路１５２内に保持される。エアギャップ１６６の存在によって、チューブ１５０は通常周囲のヘッド１１８よりも熱くなるが、現状では、前記チューブ１５０は従来の冷却ジャケット／機構によるエアギャップによって熱的に隔離される。この補足的な熱は、第２噴射燃料が気化するのを助長する。前記気化過程は、ピストン１１６がＴＤＣに向かって動くにつれて通路１５２内に噴射される圧縮された熱気を混入することによって、さらに助長される。これによって、燃料リッチである混合気が通路１５２内に形成される。
【００４３】
ＴＤＣに達するまで、通路１５２内の燃料リッチである蒸気が、角度をなしたジェットオリフィス１６２を経て入り込む高度に熱せられた圧縮空気と共に継続的に供給されると、さらに効果的である。
【００４４】
ピストン１１６の圧縮行程において、次の第３段階では、通常約１５°ＢＴＤＣで開始して、スパークプラグ１４８はスパークを引き起こすために作動して、点火チャンバー１４４内で燃料と空気の混合気の燃焼を開始する。燃料と空気の混合気が燃焼すると燃焼チャンバー１４４内の圧力が急速に上昇して、ピストン１１６がＴＤＣに達した時に通常第１点火チャンバー１３０内の最大圧縮比を大幅に越える。
【００４５】
この圧縮行程において、次の第４段階では、通常ＴＤＣに達した時またはその直前にて、バルブ１５４が急速にその第２（即ち、開いている）位置へと移動した後に閉じている位置へと戻る。その結果として、点火チャンバー１４４からの点火した燃料と空気の混合気は、スロート１５６から高速で抜けて、通路１５２内を流れる。通路１５２の比較的狭い容積および現存の燃料によって、生じる混合気は、燃料リッチな状態だが、爆発可能範囲からはずれる。点火チャンバー１４４からの燃焼生成物は、通路１５２内で燃料の蒸気と強く結合する。これによって自然に現存する全ての液化炭化水素燃料全の自己点火温度を十分に上回るレベルまで温度が上昇する。従って、通路１５２内へ噴射された燃料によって燃焼が開始されて、より豊かな第２のプラズマを形成する。結果として前記第２のプラズマは、音速で、ジェットオリフィス１６２を経て主要燃焼チャンバー内へ流れて、酸素と混合して燃焼過程を完結する。前記プラズマが燃焼チャンバー１３０内へ音速で入り込むにも関わらず、プラズマの酸化は一定期間を要するので、制御されていない熱の隔離を回避して、適切な燃焼を引き起こすことができる。
【００４６】
燃焼しているプラズマを音速で第１燃焼チャンバー１３０内へ供給する過程は音速プラズマ誘導燃焼（ＳＰＥＣ：Sonic Plasma Enhanced Combustion）として知られている。この過程の補足によって、ＴＤＣに達した時に第１燃焼チャンバー１３０内で主な燃焼を始めることができる。前記燃焼は、迅速、且つ制御されていて、影響を受けにくい。これは、燃焼圧力の上昇が主要な燃焼チャンバー内で生じて、前記上昇が、ピストン１１６が動力行程を開始すると同時に好ましい状態で急速に生じるためである。
【００４７】
ジェットオリフィス１６２のサイズは、通路１５２から第１燃焼チャンバー１３０内へのプラズマ移動の制御に用いられ得るので、前記ジェットオリフィス１６２は前記チャンバー１３０内の燃焼の速度を制御する装置を提供している。より低い圧力では、オリフィスを通り抜けるガスの流量は、圧力のいかなる増加にもほぼ比例する。しかしながら、ガスの圧力が一度約１４７psiに達して音速になると、オリフィスで前記音速乱流の特徴が活動を始める。この乱流が一度生じると流れを制限するので、例えば、一定時間で流量を増加させるためには、このような燃焼方法によって得ることのできる圧縮レベルでは及ばない十分な圧縮レベルを要する。これによって、オリフィス内の乱流を制御する。
【００４８】
従って、本特徴は、定められたオリフィスの直径によって単位時間で通過し得る流量を制御する理想の方法を構成している。選択されたサイズのオリフィスによる流量は、圧力が１度約１４７psiを越えると、圧縮レベルによって作用されない。第１燃焼チャンバー１３０内へプラズマが入り込む速度の制御方法は、プラズマの燃料リッチな荷重の有効利用に影響を与え、それ故に、燃焼チャンバー１３０内で圧縮空気と結合する時の燃料の熱発散率に影響を与える。
【００４９】
従って主な燃焼速度は、前記流量と単一のまたは複数の適切な形状を有するオリフィスを用いることによって、比較的容易な方法で制御して、この目的を達成することができる。音速は、ミリセカンドにつき約３３０ｍｍの速さに相当する。
【００５０】
この速さは理想に近くて、迅速なので、単純な方法で燃焼速度を速めたり遅くしたりすることができる。
【００５１】
第１燃焼チャンバー１３０内の燃焼過程では、ピストンクラウン１３４の溝１３５の形状によってある程度制御され得る又は、影響され得る。
【００５２】
図３に示すように溝１３５は、分割リッジ１７２によって分離されて、２個の溝またはキャビティー１６８および１７０を形成し得る。前記分割リッジはクラウン１３４から伸びていて、オリフィス１６２から噴射されるプラズマの流れを２個の相互に回転するプラズマの渦に分割して、燃焼に用いる酸素の供給を得る。燃焼を完結させるために燃料リッチであるプラズマが一定の時間内に必要な酸素の量を獲得した時、上記のような作用は迅速だが制御された燃焼を引き起こす。エントラップメントによって空気が中心に向かって吹き付けられた時およびシリンダーの上面１３２にピストン１１６が接近した時に前記プラズマの渦は、平坦なピストンの外面で押しつぶすことによって拡大する。しかしながらこの押しつぶす作用は、押しつぶす領域をより均一化して、押しつぶした渦の生成を補完するように燃焼チャンバーを形成することによってより有益となる。
【００５３】
図４は、チューブ１５２、ピストンクラウン１３４、溝１３５の他の形状を示す。この実施形態では、溝１３５は本来はクラウン１３４内の単一の円盤状の窪みである。さらにチューブ１５０、詳細には、少なくともジェットオリフィス１６２が配置されていて、プラズマが、ピストンクラウンの直径に平行に、しかしピストンの中心から離れて注がれる。これによって、燃焼チャンバー１３０内のみで１方向のプラズマ回転又は渦が生じる。これは、燃焼スピードを減速させる効果があるが、乱流が前記のように１方向に流れるので、乱流パターンの寿命が延長されて、結果的に空気の利用を向上することができる。
【００５４】
図５Ａから図５Ｃは、さらに、ピストンクラウン１３４および溝１３５の進化した形状である。ここでは、ジェットオリフィス１６２は、ピストンクラウン１３４の直径に沿って配置されていて、且つ、クラウンの中心からは離れている。溝１３５は、さらに２個のキャビティー１６８および１７０に分割されていて、２個の相互に回転するプラズマの渦を引き起こす。溝１３５内のクラウン１３４の表面１３６は円錐形で、前記円錐形の頂点１７４は前記円錐形の基部と比較して高いので、溝１３５内の表面１３６において、シリンダー１１８に最も近い先端を形成する。前記ピストンクラウンの形状は、ドーナッツ型の乱流パターンを引き起こす。これは、燃焼チャンバー１３０の外縁を循環するプラズマの流れに交差する。この空気混合作用は、エンジンの速度が増すと共に燃焼過程および燃焼速度が自動的に促進されるので、適切なレベルで空気を利用できる。
【００５５】
本発明の上記実施形態は、従来の発明に関して、下記の利点および改良を提供する。
・各々のエンジンシリンダーにつき1個の燃料噴射器のみを要するのでコストが削減できて、信頼性が高まる。
・僅かな量の燃料が、図１に示す従来発明の噴射器によって噴射された時は、適切な自己洗浄または冷却作用はないが、全負荷燃料を噴射する本発明の噴射器１３８では、適切な自己洗浄または冷却作用がある。
・熱から隔離されたチューブ１５０内に点火セル燃料を噴射することによって、点火セルのための気化状態が改良されると共に、混合状態が改善される。
・点火セル内へ燃料を噴射する際に空気を供給すると、燃料の気化による潜熱が最大限利用されるので、制御バルブでの冷却力を高めることができる。
・この技術は、圧電気または磁気的に制限および制御された燃料噴射器を用いる新しい電子的に制御されたコモンレール高圧燃料供給システムの使用に適している。
・一般に使用されている電子的に制御された燃料供給システムは、各々のポンプがそれぞれ同一のパイプ内へ２種類の噴射をすることができる一方向の燃料送達バルブを有するので、単一のＣＡＶ微小噴射器と共に使用され得る。
・この方法は、第１燃焼チャンバー１３０内へ早期注入をすることなく、移送チューブ１５０の通路１５２内へ主な燃料を早期注入して準備をすることができる。
・移送チューブ１５０の通路１５２内の調節された蒸気である主要燃料を制約することによって、前記主要燃料の量が最小または最大の時、この閉じ込められた燃料は、点火セル内の音速プラズマの熱および圧力のエネルギーを回避することはできない。
・前記通路の燃料は、音速乱流を必須の構成要素とする通路のジェットオリフィス１６２を経て出力されなければならない。これによって、始動の際にいくらかの燃料が完全に気化していなかった場合は、前記ジェット乱流が、存続する燃料を微粉レベルにまで粉々にする。
・この主要燃料の準備方法は、極端に高い圧力の燃料噴射システムを用いることによって、非常に小さな小滴サイズを目標としている通常の直接的な燃料噴射方法と比べて、扱いやすく、且つコストもはるかに削減できる。
・ＳＰＥＣ（Sonic Plasma Enhanced Combustion）は、燃料を分子レベルにまで縮小して、その自己点火温度より高く熱する。これは、主要な燃焼チャンバーの空気内へ高速で取り入れられる前に成し遂げられる。
・燃料が、強力に熱せられて各々の分子にまで分割されると前記燃料は最適状態になって、急速に、且つ、完全に空中の酸素と結合して燃焼する。
・ＳＰＥＣプラズマ手法の主要な燃焼過程は、火炎伝搬に左右されず、また混合強度の影響も受けない。
・燃焼構成物およびその特徴は必要な燃焼を達成するのにほとんど影響を及ばさない。これは、燃料リッチであるプラズマを音速で大量に輸送することが、上記のような要因よりあらゆる点で優先されるためである。
・燃料リッチである燃焼プラズマは、燃焼を促進するためには、主要なチャンバー１３０内で燃料分子が必要な酸素分子を捜さなければならないので、制御されていない方法では燃焼できない。主要チャンバー内で酸素と結合しようとする前記働きは迅速だが、あらかじめ決められた時間を要する。
・主要チャンバーの燃焼速度はまた、ジェットオリフィスの大きさ、数、方位によっても制御できる。
・ＳＰＥＣ手法は、広範囲にわたるＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣに関連した未解決の排気問題に対して、多数の特有の解決法を提供する。
・通常のエンジン内での微粒子の排気の主因は、燃料の小滴が適切な酸素を得られないことである。前記ＳＰＥＣ手法は、前記燃料の小滴が含まれていないことを確保することによって、前記主因を排除する。
・ＳＰＥＣ手法によって提供される燃料は、多用性を有していて、軽留分型燃料を好むので、広範囲に及ぶこの導入方法は、通常のガソリンエンジンの燃料供給方法または使用方法には影響しない。
・ＳＰＥＣ手法は、通常の燃料にも作動できるので、安価な広く使用されている低級の燃料が一般的に受け入れられるようになる。
・ＳＰＥＣ手法を用いると、道路での燃料効率がかなり向上されて、現在の厳しい規格の高い生産コストが削減される。
【００５６】
上記のように本発明の実施形態の本質的な利益は、エンジンが、
ＬＮＧおよびＬＰＧのみならず第２容積の燃料（低級）でも作動する能力である。これは、いかなる動力行程においても燃焼する燃料の広量を調節することに起因する。これは、点火セル内の燃料の狭量を過早点火することによって燃料の広量を点火するプラズマソースを提供して、気化させるために燃料の広量をチューブ１５０内へ保持して、ＳＰＥＣ手法を組み合わせることに起因する。
【００５７】
本発明の実施形態が詳細に開示されたので、当業者によって、根本の発明の概念からそれることなく多数の変更および代替がなされ得ることは明確である。例えば、バルブ１５４は、スコッチヨークドライブによって操作されると説明されて、且つ、図示されている。しかしながら、電子的に制御された装置を含む他のあらゆる種類の伝動装置を用い得る。加えて、移送チューブ１５０は、単一のジェットオリフィス１６２を装備しているように図示されている。しかしながら、２以上のジェットオリフィスを装備していても良い。さらに、好ましい実施形態は往復動ピストンエンジンに関して記載しているが、ロータリー（ヴァンケル）エンジンのような異なった種類の燃焼エンジンを適用し得る。前記のような実施形態においては、キャビティーはシリンダ−よりもエンジンハウジング、可動本体はピストンよりもローターの形状を、各々有している。更に、ロータリーエンジンに適用する際は、
ピストンの圧縮行程段階に関して記載したタイミングは、対応するローターの角位置に変更しなければならない。
【００５８】
全ての変更や代替並びに、その他当業者に明らかであることは、本発明の範囲内であるとみなされる。前記本発明の本質は以上の記載および付随の請求項によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、従来のバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンの概略図である。
【図２】図２は、ある実施形態におけるバルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジンの概略図である。
【図３】図３は、図２に示す実施形態に組み入れられたピストンのクラウンの平面図である。
【図４】図４は、本願発明のある実施形態に組み込まれたピストンの他の実施形態におけるクラウンの平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明のエンジンに組み込まれた更に他のピストンのクラウンの平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに示すクラウンの断面５ｂを示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａに示すクラウンの断面５ｃを示す断面図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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2005509803.tif 000011