(57)【要約】      （修正有）【課題】革新的な火花点火機関を提供する。すなわち、その火花点火機関は、一連のいくつかの既存の技術的解決手段から設計されるが、それらは初めて組み合わされ、コンパクト性、コスト、および耐久性に関して競争力を維持しながら、エネルギー性能に関して画期的な製品を構成するように相互に作用する。【解決手段】少なくとも２つのシリンダを有する内燃機関であって、そのシリンダの内部を燃焼室に関連するピストンが移動する内燃機関に関する。その燃焼室が、単一の吸気弁と、単一の排気弁と、単一の燃料噴射装置と、２つのプラグと、燃焼室内に「スワンブル」流れを生成する手段と、を有している。【選択図】図１
2019082169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのシリンダを有する内燃機関であって、前記シリンダの内部を燃焼室に関連するピストンが移動する内燃機関において、前記燃焼室が、単一の吸気弁（ＳＡ）と、単一の排気弁（ＳＥ）と、燃料を直接噴射する単一の燃料噴射装置（ＩＤ）と、２つのプラグ（ＡＩ）と、前記燃焼室内に「スワンブル」流れを生成する手段、すなわち、前記シリンダの軸に垂直な軸を中心とした回転運動と結合された前記シリンダの軸を中心とした空気の回転運動を生じさせる手段と、を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
３つのシリンダを有する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記「スワンブル」流れを生成する手段が、前記弁と前記噴射装置の少なくとも一方の相対的な配置と、前記シリンダの軸に垂直な軸を中心とした回転運動と結合された前記シリンダの軸を中心とした空気の回転運動を引き起こすように構成された前記燃焼室の吸気管の形状との少なくとも一方を有する、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
シリンダヘッドパターンが、シリンダヘッドスクリューの軸（ＸＸ’）を通る平面に対する対称性によって実現されている、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】
排気マニホールド（ＣＩ）がシリンダヘッドに一体化されている、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】
前記噴射装置および前記点火プラグが、導水管または導油管を貫通していない、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】
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃焼機関をミラーサイクルまたはアトキンソンサイクルで動作するために使用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接噴射式の火花点火内燃機関の分野に関する。特に、本発明は、道路輸送または航空輸送の分野、あるいは、例えば発電設備などの固定設備の分野で使用可能な機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、このようなタイプの機関は、少なくとも１つのシリンダと、このシリンダ内で往復直線運動を行うようにスライドするピストンと、酸化剤の吸気手段と、燃焼ガスの排気手段と、燃焼室と、可燃物を燃焼室内に噴射する噴射手段と、を有している。
【０００３】
公知のように、機関の設計にあたり、性能、汚染物質の排出量、および燃焼室の機械的強度に関する目的がますます厳しくなっているが、それらを満たすための手段は互いに対立する場合がある。
したがって、一般に、性能の向上は、排出量の増加につながり、機械的応力の増加につながる。
このような制約を克服し、機関の動作範囲全体にわたって汚染物質の排出量を少なくして十分な機械的強度を得るためには、燃焼室内の燃料混合物（酸化剤／可燃物）ができるだけ均一であることが極めて重要である。
【０００４】
米国特許第６２６７１０７号明細書および米国特許出願公開第２００５／２４１６１２号明細書には、少なくとも１つのプラグによって点火が生じ、場合によってはＬＩＶＣ（吸気弁遅閉じ）が行われる直接噴射式の高スキッシュ燃焼室が記載されている。フィリピン特許出願公開第２０１００００１８６号および米国特許第３６５８０４６号明細書には、二重点火装置に連結されたほぼ楕円である特定の形状によってスキッシュを生成する燃焼室も記載されている。しかしながら、いずれの文献にも、燃焼、点火、および供給手段と、機械的工業部品との最適化された組み合わせを有する本発明による機関の構成については記載されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本発明は、少なくとも２つのシリンダを有する内燃機関であって、そのシリンダの内部を燃焼室に関連するピストンが移動する内燃機関に関する。本発明によれば、その燃焼室が、単一の吸気弁と、単一の排気弁と、単一の燃料噴射装置と、２つのプラグ（ＡＩ）と、燃焼室内に「スワンブル」流れを生成する手段と、を有している。
【０００６】
好ましくは、内燃機関が、３つのシリンダを有していてもよい。
【０００７】
「スワンブル」流れを生成する手段が、弁と噴射装置の相対的な配置と、燃焼室の吸気管の形状との最適化を有していてもよい。
【０００８】
シリンダヘッドパターンが、シリンダヘッドスクリューの軸を通る平面に対する対称性によって実現されていてもよい。
【０００９】
排気マニホールドがシリンダヘッドに一体化されていてもよい。
【００１０】
噴射装置および点火プラグが、導水管または導油管を貫通していなくてもよい。
【００１１】
単一の燃料噴射装置が、燃料を直接噴射するために燃焼室内に配置されていてもよい。
【００１２】
本発明の燃焼機関が、ミラーサイクルまたはアトキンソンサイクルで動作するために使用されてもよい。
【００１３】
本発明は、高効率な火花点火機関用に特に開発された内燃機関の新規の構成概念について説明する。
【００１４】
本発明による装置の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら示す、非制限的な例として与えられる以下の実施形態の説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】分配則に対する燃焼率の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の一実装形態に係る燃焼室を示す図である。
【図３】シリンダヘッドパターンの一実施形態を示す図である。
【図４】シリンダヘッドの「蛇行」シール経路を含む全体図である。
【図５】一体型排気マニホールドを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ヨーロッパおよび世界全体において汚染防止基準がますます厳しくなっているため、機関の製造業者は、航空産業または道路産業向けの機関であるか否かにかかわらず、新しい概念を導入することにより内燃機関を常に改良する必要がある。圧縮点火機関は、より高効率であることから、長い間ユーザに支持されてきたが、現在では、公衆衛生上の理由からイメージが悪化している。したがって、火花点火機関が再び内燃機関の発展における重要な要素として位置づけられている。火花点火機関が厳しい基準の変化に適合するには、さらに多くの技術および新しい概念を組み込まなければならない。
【００１７】
本発明は、以下の点で革新的な火花点火機関を提供する。すなわち、その火花点火機関は、一連のいくつかの既存の技術的解決手段から設計されるが、それらは初めて組み合わされ、コンパクト性、コスト、および耐久性に関して競争力を維持しながら、エネルギー性能に関して画期的な製品を構成するように相互に作用する。
【００１８】
この機関の特徴の１つは、広い動作範囲にわたってミラーサイクルでの動作を可能にするという初期制約に従って開発されたことである。ミラーサイクルは、ピストンが下死点に到達する前に吸気弁が閉じられることを特徴とする。これにより、導入された負荷の冷却が可能になるだけでなく、仕事の回収をより大きくすることが可能になり、したがって、機関の全体効率を良好にすることが可能になる。しかしながら、このようなタイプのサイクルは、従来の火花点火機関には非常に限られた範囲でしか使用できず、それは、燃料混合物の空気力学的特性に対してかなりの影響があるためであり、より詳細には、点火時の乱流運動エネルギーの急激な低下により燃焼率が著しく低下するためである。
点火時に乱流が生じないことを解消するために、燃焼室および空気力学的吸気構造がいわゆる「スワンブル」と呼ばれる流れを形成する手段を有する機関が設計されている。この「スワンブル」は、「スワール」（縦渦）と「タンブル」（横渦）からなる。
「スワール」は、シリンダの軸と同一線上にある軸を中心とした燃料混合物の巨視的な回転運動であり、吸気プロセスの間、より詳細には、ピストンが上昇する間、運動が良好に保存されることを特徴とする。「スワール」は、一般に圧縮点火内燃機関で用いられる巨視的な空気力学的運動であるが、圧縮点火内燃機関にとっては、燃料混合物を均一化することが効果的である。
「タンブル」も燃料混合物の巨視的な回転運動であるが、シリンダの軸に実質的に垂直な軸を中心とした運動である。「タンブル」は、ピストンが上昇する際に乱流を形成する微視的な空気力学的運動に変化するという特有の特徴を有している。「タンブル」は、一般に火花点火内燃機関に用いられる巨視的な空気力学的運動であるが、火花点火内燃機関にとっては、許容される燃焼率を実現することが効果的である。さらに、この運動は、広がりおよび最大リフト高さの点で、燃焼室の形状とリフト法則とにかなり敏感である。
したがって、「スワンブル」は、シリンダの軸に垂直な軸を中心とした回転運動と結合されたシリンダの軸を中心とした空気の回転運動として定義することができる。「スワンブル」を用いることで、現時点で最良の火花点火機関で観測されるよりも高レベルの吸気段階時の乱流のために、上記で詳述した２つの空気力学的構造の利点から恩恵を受けることができ、したがって、優れた均一化とより良好な燃焼率の恩恵を受けることができる。
こうして、ミラーサイクルの使用範囲が大幅に広げられる。
【００１９】
このような特有の「スワンブル」型吸気を高いコンパクト性および低いコストと組み合わせるために、本発明の機関は、シリンダ当たり２つの弁、すなわち、吸気弁および排気弁を有しているにすぎず、直接噴射は１回、点火点は２つである。噴射装置および点火装置の相対位置だけでなく、吸気管および燃焼室の形状も、「スワンブル」型吸気を実現するための主要な手段である。実際、これらの部材は、シリンダの軸に垂直な軸を中心とした回転運動と結合されたシリンダの軸を中心とした回転運動を引き起こすように構成されていてもよい。
【００２０】
本発明を現時点で最良の火花点火機関と比較して評価した。図１は、燃焼時間に対するリフト法則の影響を示すことで本発明の付加価値を示したものである。
図１のグラフでは、横軸が吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を示している。負の値は、ピストンが下死点（ＰＭＢ）に到達する前に閉じられることに相当し、一方、正の値は、ピストンが上昇する際に閉じられることに相当する。縦軸は、燃焼率の代表的な値である熱発生率（Ｒ０ＨＲ）に相当する。最後の変数は、リフト法則の広がり（Ｌｉｆｔ  Ｄｕｒ）である。限られた広がり（°ＣＡをクランク角としたとき、１３５°ＣＡおよび１６５°ＣＡ）は、ミラーサイクルに特有のリフト法則に相当し、一方、通常の広がり（１８５°ＣＡ）は、従来のリフト法則に相当する。どのようなリフト法則が選択されても、燃焼率Ｖｃｏｍｂが同じであることがわかる。特に、ミラーサイクルと従来のサイクル（アトキンソンサイクル）とで燃焼率が同じであり、このことは、ミラーサイクルに「スワンブル」を有する本発明の機関の構成の有意性を示している。
【００２１】
燃焼時間が分配則の広がりとタイミングに左右されないことがわかるが、これは現時点で最良の火花点火機関では見られないものである。このことは、本発明の内燃機関の全体効率が顕著に改善されていることを示している。
【００２２】
図２から図５は、本発明の様々な特徴を示している。
図２は、酸化剤の吸気弁ＳＡと、排気弁ＳＥと、２つの点火プラグＡＩと、噴射点ＩＤとを有する燃焼室の非制限的な実施形態を表している。
【００２３】
構成をコンパクトにするために、選択されたシリンダヘッドパターンは非常に独特であり、それにより、２つのプラグＡＩ、噴射装置ＩＤ、２つの弁ＳＡ，ＳＥなど、すべての付属部品の組み込みが可能になり、良好な熱機械的挙動が実現される（図３）。シリンダヘッドパターンは、付属部品を備えた熱機関の燃焼室を熱機関のシリンダヘッド上に表したものと考えられる。大多数のシリンダヘッドでは、パターンが各シリンダを単に平行移動させることで実現されるが、それとは異なり、ここでは、連続する２つの燃焼室を分離する平面（例えば、シリンダヘッドスクリューの軸を通る平面）に対する対称性、すなわち、図３の軸ＸＸ’に対する対称性によって実現されるシリンダヘッドパターンＣＵが用いられる。換言すると、連続する２つのシリンダの場合、付属部品の配置は、ここではシリンダヘッドスクリューの軸に相当する平面ＸＸに対して対称である。
その結果、シリンダヘッドと本発明に特有の「蛇行」シリンダヘッドカバーとの間のシール経路が得られる。実際、スリーブの設計を回避し、したがって、著しい重量、コスト、およびサイズを回避するために、プラグと噴射装置のどちらも、ウォーターコアまたはオイルコアを貫通していない。したがって、シール経路は、それらを迂回する必要がある。図４は、線ＪＳによって視覚化された「蛇行」シール経路を示している。
コンパクト性および性能のために、内燃機関は３つのシリンダを有している。しかしながら、本発明の内燃機関は少なくとも２つのシリンダを有している。
【００２４】
図４および図５は、性能、コンパクト性、およびコストの問題に対処することが可能な一体型排気マニホールドＣＩをシリンダヘッドに実装する技術選択を示している。この排気マニホールドは、シリンダヘッドに一体化されていると見なされるが、その理由は、シリンダヘッドと排気マニホールドから構成された組立体が、単一の部材から構成されているためである。排気弁ＳＥが燃焼室（図示せず）を一体型排気マニホールドＣＩに接続している。この図は、噴射手段ＩＤの位置を示している。実際、この技術選択により、排気管の周りの熱的条件が良好に制御されることに起因して、これらの利点を得ることが可能になる。したがって、特にターボ過給が存在する場合、タービン入口における排気ガスの熱的条件が良好に制御される。さらに、シリンダヘッドと一体型のマニホールドＣＩは、特定のスクリューに必要な連結長さを考慮する必要がある従来の解決手段に比べて、よりコンパクトである。最終的に、（熱抵抗用の）特定のステンレススチール製のマニホールドとその締結部材がないことでコストが低減される。
この好ましい構成では、本発明は、２つの同心のカムシャフトと共にストッパを使用する弁装置による解決手段を提供する。しかしながら、２つの別個のカムシャフトを有する構成も十分に可能である。
【００２５】
最後に、この好ましい実施形態では、機関は、機械式ターボ過給機によって過給される３つのシリンダを有しているが、少なくとも２つのシリンダを有する構成でも非常に良好に動作可能であり、かつ過給空気またはそれ以外の空気の供給ループに対しても非常に良好に動作可能である。
【図１】
2019082169.tif 000003
【図２】
2019082169.tif 000004
【図３】
2019082169.tif 000005
【図４】
2019082169.tif 000006
【図５】
2019082169.tif 000007
【外国語明細書】
2019082169000001.pdf