(57)【要約】【課題】回転するクランクシャフトを介して動力出力を得るピストン作動型内爆エンジンを提供する。【解決手段】回転クランクシャフトを介してパワー出力を供給する、４ストロークピストン作動型内爆（ＩＥ）エンジン。ＩＥエンジンは、作動ピストンを受入れるように形成されたパワーシリンダを備えたエンジンブロックと、クランクシャフトを支持するベアリング手段と、ベアリング手段内に支持されかつエンジンブロックの外部に延びている出力端と複数のオフセットパワークランクとを備えているクランクシャフトとを有している。ＩＥエンジンは更に、パワークランクに作動可能に連結されかつパワーを作動ピストンから伝達してクランクシャフトを回転させるように構成されたコネクティングロッドと、パワーシリンダ内に受入れられかつパワークランクに作動可能に連結された作動ピストンとを有している。【選択図】図１
2015072016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのパワークランクを備えた回転クランクシャフトを介してパワー出力を供給するピストン作動型内爆エンジンにおいて、
作動ピストンを受入れるように形成されたパワーシリンダを備えたエンジンブロックと、
前記パワークランクに作動可能に連結されておりかつパワーを前記作動ピストンから伝達して前記クランクシャフトを回転させるように構成されたコネクティングロッドとを有し、前記作動ピストンは前記パワーシリンダ内に支持されかつ前記パワークランクに作動可能に連結されており、
シリンダヘッドに隣接する前記作動ピストンのヘッド端により少なくとも一部が形成された圧縮チャンバを有し、前記作動ピストンは、前記圧縮チャンバ内に実質的に入れられた、デトネートされかつ圧縮された体積の空気／燃料混合気の爆発からパワーを受入れかつ受入れたパワーを前記コネクティングロッドに伝達するように構成され、
前記圧縮された体積の空気／燃料混合気は、圧縮ストローク中の前記作動ピストンの上死点位置前の少なくとも２０°の前記回転クランクシャフトの角度位置から、パワーストローク中の前記作動ピストンの前記上死点位置後の少なくとも２０°の角度位置およびデトネーション前の位置まで、実質的に一定の所望圧縮比に保持されて、前記爆発の時点で爆発性の急速膨張反応を行うことを特徴とするピストン作動型内爆エンジン。
【請求項２】
前記圧縮チャンバの体積比は、少なくとも一部が、前記回転クランクシャフトの角度位置および前記作動ピストンの対応リニア位置にしたがって変化し、前記可変体積比は、前記作動ピストンの前記上死点位置を含む前記回転クランクシャフトの一定範囲の角度位置に亘って実質的に一定に保持され、前記可変体積比は截頭正弦パターンによりグラフで表わすことができることを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項３】
前記パワーシリンダに流体連通している浮動ピストンシリンダと、
前記圧縮チャンバ内の種々の圧力に応答して前記浮動ピストンシリンダ内で移動できる浮動ピストンと、
該浮動ピストンをシーリング位置に向かって押圧できる押圧要素とを更に有し、前記浮動ピストンは前記圧縮チャンバおよび浮動ピストンシリンダをシールし、前記浮動ピストンは前記浮動ピストンシリンダを前記パワーシリンダから分離し、
前記作動ピストンの圧縮ストローク中に、前記浮動ピストンは、前記所望圧縮比に到達した前記圧縮チャンバ内の閾圧力に応答して変位され、前記閾圧力は前記押圧要素に打勝って、前記デトネーション前に、前記空気／燃料混合気の少なくとも一部を前記パワーシリンダ内に戻すことを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項４】
前記パワークランクのジャーナルに形成されたカム面と、
前記コネクティングロッドに形成されたフォロワ面とを更に有し、
前記カム面と前記フォロワ面との間の移動する相互作用関係が、前記作動ピストンを、前記クランクシャフトの前記角度位置間の最上方リニア移動位置に保持し、この位置で、前記シリンダヘッドと前記作動ピストンとの間にデッドスペース体積が確立されることを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項５】
前記パワーシリンダは、前記デッドスペース体積の少なくとも一部を形成する半球形上面を備えたヘッドを有していることを特徴とする請求項４記載の内爆エンジン。
【請求項６】
前記カム面は前記パワークランクのピッチ線に沿って截頭されており、前記フォロワ面は、リニア移動の最上方位置で前記作動ピストンの回りでピボット運動する前記コネクティングロッドのピッチ線を形成することを特徴とする請求項４記載の内爆エンジン。
【請求項７】
パワー出力を供給するピストン作動型内爆エンジンにおいて、
パワーシリンダと、
該パワーシリンダ内で移動できかつパワーストローク中に仕事を遂行すべく作動できる作動ピストンと、
該作動ピストンにより少なくとも一部が形成された圧縮チャンバと、
前記パワーシリンダに流体連通している浮動ピストンシリンダと、
該浮動ピストンシリンダ内で変位できる押圧型浮動ピストンと、
圧縮された空気／燃料混合気のダイナミック体積とを有し、該ダイナミック体積は、前記空気／燃料混合気のデトネーション時に、爆発的急速膨張反応を行うべく前記浮動ピストンの変位により前記パワーシリンダと浮動ピストンシリンダとの間での移行が引き起こされ、
圧縮された空気／燃料混合気の前記体積は実質的に一定に保持され、デトネーション前の圧縮ストロークおよびパワーストロークの両ストロークに亘って生じる前記作動ピストンの上方範囲のリニア位置に亘って所望の圧縮比が維持され、前記範囲は前記作動ピストンの上死点位置を含むことを特徴とするピストン作動型内爆エンジン。
【請求項８】
前記浮動ピストンシリンダおよび浮動ピストンはまた、前記圧縮チャンバの少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項９】
前記作動ピストンの圧縮ストローク中、前記浮動ピストンは、前記所望圧縮比に対応する前記圧縮チャンバ内の閾圧力に応答して前記圧縮チャンバから離れる方向に変位し、前記圧縮された空気／燃料混合気は少なくとも一部が前記浮動ピストンシリンダ内に受入れられ、前記作動ピストンの逆方向への連続変位時でかつ前記デトネーションの前に、前記浮動ピストンは前記圧縮チャンバに向かって変位し、前記空気／燃料混合気の少なくとも一部を前記パワーシリンダ内に押し戻すことを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１０】
前記作動ピストンはコネクティングロッドに作動可能に連結され、
前記連結ロッドはクランクシャフトのパワークランクに作動可能に連結されかつ前記作動ピストンからのパワーを伝達して前記クランクシャフトを回転させるように構成されており、前記内爆エンジンは前記回転するクランクシャフトを介してパワー出力を供給することを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１１】
水を前記圧縮チャンバ内に導入して前記空気／燃料混合気と結合させる水インジェクタを更に有し、前記水は、ピーク圧力を増大させかつ前記爆発的急速膨張反応から生じるピーク温度を低下させることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１２】
前記圧縮された空気／燃料混合気の前記デトネーションは、前記作動ピストンの前記上死点位置を通過後約２０°と約３５°との間の前記パワーストロークの時点で生じることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１３】
前記圧縮された空気／燃料混合気の前記デトネーションは、前記作動ピストンおよび浮動ピストンを互いに逆方向に変位させて、前記圧縮チャンバを逆方向に急速に膨張させることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１４】
急速増大体積比および所定のピーク体積比を更に有し、該ピーク体積比は、前記維持された所望圧縮比および前記作動ピストンの上方範囲のリニア位置を通る圧縮された空気／燃料混合気の前記体積の前記移行に対応することを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１５】
前記浮動ピストンシリンダはシーリング面を有し、前記浮動ピストンは対応するシーリング面を有し、前記浮動ピストンは、前記浮動ピストンシリンダ内への前記空気／燃料混合気の前記移行前、前記パワーシリンダ内に前記空気／燃料混合気を戻した後、およびデトネーション前に前記圧縮チャンバから前記浮動ピストンシリンダをシールするシーリング位置を有し、前記シーリング面は前記浮動ピストンのシーリング可能性を向上させることを特徴とする請求項９記載の内爆エンジン。
【請求項１６】
前記シーリング位置でのソフトランディングを行うため前記浮動ピストンを減衰させる手段を更に有していることを特徴とする請求項９記載の内爆エンジン。
【請求項１７】
前記減衰手段は、前記浮動ピストンが前記シーリング位置に近づくときに前記浮動ピストンの段部と前記浮動ピストンシリンダの対応段部との間に形成される空気ポケットからなり、該空気ポケットは前記浮動ピストンを減速させることを特徴とする請求項１６記載の内爆エンジン。
【請求項１８】
前記浮動ピストンは、前記浮動ピストンの上方の浮動ピストンシリンダ内のスペースの体積を充填する加圧ガスを用いて押圧されることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項１９】
前記浮動ピストンは少なくとも１つのスプリングまたはスプリング組立体を用いて押圧されることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項２０】
前記浮動ピストンの変位距離を制限する手段を更に有していることを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項２１】
前記デトネーション時に、前記浮動ピストンは、前記パワーストローク中に前記作動ピストンに放出される仕事エネルギに後で変換される過剰の潜在エネルギを変位させかつ蓄積することを特徴とする請求項７記載の内爆エンジン。
【請求項２２】
パワーシリンダ内で移動可能な作動ピストンと、圧縮チャンバとを有する内爆エンジン内爆エンジン内で爆発性急速膨張反応を発生させる方法において、
一定体積の空気／燃料混合気を圧縮チャンバ内に噴射する段階と、
前記作動ピストンの圧縮ストローク中に前記圧縮チャンバ内で前記体積の空気／燃料混合気を圧縮して点火のための所望圧縮比を達成する段階と、
前記空気／燃料混合気の圧縮された体積を実質的に一定に保持し、かつ圧縮ストロークおよびパワーストロークの両方に亘って生じる前記作動ピストンのリニア位置の上方範囲を通して前記所望圧縮比を維持する段階とを有し、前記範囲は前記作動ピストンの上死点位置を含み、
前記作動ピストンのパワーストローク中、作動ピストンが前記上死点位置を通過した位置で、前記圧縮された体積の空気／燃料混合気をデトネートする段階を更に有することを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記圧縮された体積の空気／燃料混合気を実質的に一定に保持しかつ前記所望圧縮比に維持する段階は、前記圧縮された体積の空気／燃料混合気の少なくとも一部を、前記パワーシリンダとこれに流体連通している浮動ピストンシリンダとの間で移行させる段階を含み、前記浮動ピストンシリンダは、前記所望圧縮比に到達した前記圧縮チャンバ内で生じる閾圧力に応答して変位できる押圧された浮動ピストンを有し、前記閾圧力は前記押圧された浮動ピストンに打勝つことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記浮動ピストンに作用する押圧力を操作して、前記上死点位置前の作動位置の立上がり位置から前記上死点位置後の前記作動ピストンのデトネーティングまで、前記浮動ピストンシリンダへのおよび該浮動ピストンシリンダからの前記圧縮された体積の空気／燃料混合気の前記移行タイミングおよび移行期間を変える段階を更に有することを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記作動ピストンが前記上死点位置を２０°通過した位置と６０°通過した位置との間にあるときに、前記圧縮された体積の空気／燃料混合気をデトネートする段階を更に有することを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
デトネーション前に前記圧縮チャンバ内に水を導入して、ピーク圧力を増大させかつ前記デトネーションから生じるピーク温度を低下させる段階を更に有することを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記デトネーションからのガスを膨張させる波先を発生させる段階を更に有し、前記波先は逆方向に膨張して前記作動ピストンおよび浮動ピストンの両方を変位させ、前記浮動ピストンシリンダ内には潜在エネルギが蓄積され、次に該潜在エネルギは、前記パワーストローク中に作動ピストンに放出される使用可能な仕事エネルギに変換され、一定体積の前記圧縮チャンバが異なる方向に膨張することを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２８】
非円形のローブ外面を備えたオフセットパワークランクと、非円形のジャーナル内面を備えた前記パワークランクと作動できるコネクティングロッドとを有する内爆エンジン内で、前記圧縮された体積の空気／燃料混合気を実質的に一定に保持しかつ前記圧縮比を維持する段階は、前記ジャーナル面と前記ローブ面との間に移動する一定関係を確立する段階を含み、前記一定関係は、前記作動ピストンを、前記第１角度位置から、シリンダヘッドと前記作動ピストンとの間にデッドスペースが確立される第２角度位置までのリニア移動の最上方位置に保持することを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２９】
ローブを備えた回転クランクを有するクランクシャフトと、
コネクティングロッドとを有し、該コネクティングロッドは、前記ローブと係合して前記クランクとコネクティングロッドとを連結するハブを備え、
前記コネクティングロッドに作動可能に連結されかつ前記クランクの回転に対応してリニアに変位できる作動ピストンと、
前記クランクの前記ローブに形成されたカム面と、
前記クランクの前記回転中に前記カム面と相互作用する前記コネクティングロッドの前記ハブに形成されたフォロワ面とを更に有し、
前記相互作用中に、前記作動ピストンの前記リニア変位が滞留しかつ実質的に静止状態を保持して、前記クランクが一定範囲の角度位置に亘って回転を続ける間に作動ピストンを静止させ、
前記作動ピストンの前記リニア変位は、前記フォロワ面からの前記カム面の解放時に再開されることを特徴とするピストン組立体。
【請求項３０】
前記パワーシリンダは、半球形体積を形成するヘッドキャビティを備えたシリンダヘッドを更に有していることを特徴とする請求項２９記載の内爆エンジン。
【請求項３１】
前記作動ピストンはパワーシリンダ内で作動して、内爆エンジンに圧縮チャンバの少なくとも一部を形成でき、前記静止は、前記クランクの前記範囲の角度位置に亘って前記圧縮チャンバ内での圧縮された空気／燃料混合気の一定体積の維持および所望圧縮比の維持を容易にし、前記圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションは、前記作動ピストンが前記静止後にそのリニア変位を再開するほぼその時点で生じることを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３２】
前記パワーシリンダに流体連通している浮動ピストンシリンダと、
該浮動ピストンシリンダ内で変位できる押圧された浮動ピストンとを更に有し、
前記デトネーション時に、前記浮動ピストンは変位し、かつ前記パワーストローク中に前記作動ピストンに放出されて実質的に仕事エネルギに変換される過剰の潜在エネルギを蓄積することを特徴とする請求項３１記載のピストン組立体。
【請求項３３】
前記内爆エンジン内で作動できるバルブカムおよび対応する吸気バルブを備えた第１バルブ組立体と、バルブカムおよび対応する排気バルブを備えた第２バルブ組立体とを更に有し、前記各バルブカムが、前記静止中に前記吸気バルブおよび排気バルブを同時に開くことができるハーモニックローブプロファイルを有していることを特徴とする請求項３１記載のピストン組立体。
【請求項３４】
前記クランクの前記静止および角度位置の範囲は、作動ピストンの上死点位置並びに前記作動位置の前記上死点位置に対応する前記クランクの角度位置の前および後に生じる前記クランクの種々の角度位置を含んでいることを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３５】
前記クランクの静止および角度位置の前記範囲は、前記作動ピストンの上死点位置の近くに中心を有し、前記作動ピストンの前記リニア変位は、前記上死点位置前の前記クランクの角度位置の所定範囲に亘り第１方向に停止しかつ前記上死点位置後の前記クランクの角度位置の所定範囲に亘り第２方向に再開することを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３６】
前記カム面は截頭型ピッチカム面からなり、前記フォロワ面は、前記截頭型ピッチカム面と係合する対応截頭型ピッチフォロワ面からなりピッチ線経路に沿う運動を行い、前記截頭型ピッチカム面およびフォロワ面の各々の形状がそれぞれの揺動位置から幾何学的に配向されており、前記コネクティングロッドは、垂直通過後所定角度で揺らされ大きい角度を形成することを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３７】
前記カム面は、並んで重ねられた円形カムコンポーネントおよびハーモニックカムコンポーネントから形成されており、前記フォロワ面は実質的にハート型の面からなり、前記円形カムコンポーネントは前記コネクティングロッド内の対応スロットと係合して、コネクティングロッドを左右に振動させ、前記ハーモニックカム面は前記ハート型フォロワ面を追跡し、前記コネクティングロッドは、垂直通過後所定角度で揺らされ大きい角度を形成することを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３８】
前記クランクの角度位置の範囲は、合計で約３０°と７０°との間の移動範囲からなることを特徴とする請求項２９記載のピストン組立体。
【請求項３９】
クランクを少なくとも１つの全回転サイクルに亘って回転させて作動ピストンをリニアに変位させる段階を有し、前記クランクはカム面を備えかつフォロワ面を備えたコネクティングロッドと協働し、
前記カム面とフォロワ面とが相互作用するときに、前記作動ピストンの第１方向のリニア変位を滞留させる段階と、
前記作動ピストンを静止位置に保持して、前記クランクが一定範囲の角度位置に亘って回転を続ける間に静止させる段階と、
前記フォロワ面からカム面が解放されると、前記作動ピストンの第２方向のリニア変位を再開することを特徴とするピストン組立体の作動方法。
【請求項４０】
前記静止中に多くのバルブを同時に開くことができるようにバルブシーケンスを操作すべく、バルブカムのサイクロイドローブプロファイルを構成する段階を更に有することを特徴とする請求項３９記載の作動方法。
【請求項４１】
ローブを備えた回転クランクを有するクランクシャフトと、
コネクティングロッドとを有し、該コネクティングロッドは、前記ローブと係合して前記クランクとコネクティングロッドとを連結するハブを備え、
前記コネクティングロッドに作動可能に連結されかつ前記クランクの回転に対応してリニアに変位できる作動ピストンと、
前記クランクの前記ローブに形成されたカム面と、
前記クランクの前記回転中に前記カム面と相互作用する前記コネクティングロッドの前記ハブに形成されたフォロワ面とを更に有し、
前記相互作用中に、前記作動ピストンの上死点変位位置が、前記回転クランクの回転上死点位置の後まで実質的に遅延することを特徴とするピストン組立体。
【請求項４２】
前記カム面が軸線方向に隣接しかつ半径方向にオフセットした２つの円形面からなり、前記フォロワ面が、前記オフセットした２つの円形面と交互に係合する軸線方向に隣接した２つの垂直スロットからなり、前記回転クランクの前記回転上死点位置後まで作動ピストンの前記リニア上死点変位位置を遅延させ、前記コネクティングロッドが、垂直通過後所定角度で揺らされ、大きい角度を形成することを特徴とする請求項４１記載のピストン組立体。
【請求項４３】
前記クランクの前記カム面が、クランクシャフトの回転方向に対して反時計回り方向にオフセットしており、前記コネクティングロッドのシャフトが前記ハブに対して半径方向にオフセットしており、前記回転クランクの前記回転上死点位置後まで作動ピストンの前記リニア上死点変位位置を遅延させ、前記コネクティングロッドが、垂直通過後所定角度で揺らされ、大きい角度を形成することを特徴とする請求項４１記載のピストン組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、「高効率内燃エンジン（High Efficiency Internal Explosion Engine）」の名称に係る２００８年２月２８日付米国仮特許出願第６１/０６７，６３８号の優先権を主張する。尚、この米国仮特許出願は本願に援用する。
【０００２】
本発明の分野は、広くは往復動ピストンエンジンすなわち内燃エンジン（internal combustion engine）に関し、より詳しくは往復動ピストンの内爆エンジン（internal explosion engine）に関する。
【背景技術】
【０００３】
最も伝統的な内燃エンジン（internal combustion (“ＩＣ”)engine ）は、エンジンが、ピストン（単一または複数）およびクランクシャフトが上死点（top-dead-center（“ＴＤＣ”））位置にあるときに空気/燃料混合気の従来の点火を行うように構成されている点で意見が固有に二分されている。この位置は燃焼にとって最高の条件となるが、ピストンおよびクランクシャフトの力学に関する燃焼については最悪の条件である。ハイドロカーボンの燃焼の物理学または化学に関し、例えばＴＤＣでの点火は最も理にかなっていると思われる。なぜならば、ＴＤＣは、空気／燃料混合気の最高の圧縮が実現されるクランクシャフトレバーの回転位置およびピストンのリニア位置だからである。揮発性空気／燃料混合気の点火および次の燃焼にとってのこの見せかけの最適回転位置は、所与の量の燃料について計算されたエネルギ量を発生することが判明している。
【０００４】
多くの従来のＩＣエンジンでは、ＴＤＣは圧縮比がピークにあるため燃焼効率にとって最高の回転位置であるが、クランクおよびコネクティングロッドがＴＤＣで瞬間的に垂直に整合して、リンケージを本質的に「ロック」してしまい、ＴＤＣでは最小のトルクを実現できるに過ぎないため、ＴＤＣは機械的に最も非効率な回転位置でもある。この状態は、クランクシャフトがＴＤＣを通過して、より大きいモーメントアームを有する角度位置まで回転する機会を得るまで続く。したがって、燃焼時に発生される潜在エネルギ（利用可能エネルギ）の大きい部分が機械的仕事として利用できず、それどころか、エンジンの冷却システムにより吸収されるか不必要に廃棄され、かつ熱い排気ガスとして排出される。回収されない熱による極端なエネルギ損および動力損の結果として、ＩＣエンジンの現在の４ストローク機能をＴＤＣ近傍での点火に適用すると、周知のように、狭いＲＰＭ帯域幅を除く大きい割合のトルクが利用できなくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術に特有の問題および欠点の観点から、本発明は、例えば、回転するクランクシャフトを介して動力出力を得るピストン作動型内爆エンジン（piston-powered internal explosion (ＩＥ)engine）を提供することにより上記問題および欠点を解消することを目的とする。ＩＥエンジンは、複数の作動ピストンを受入れるように形成された複数のパワーシリンダを備えたエンジンブロックを有し、複数の作動ピストンは、ベアリング手段内に支持されたそれぞれのクランクシャフトと作動可能であり、クランクシャフトはエンジンブロックの外部に延びかつ複数のオフセットパワークランクと作動可能な出力端を備えている。ＩＥエンジンは更に、パワークランクに作動可能に連結されておりかつパワーを作動ピストンから伝達してクランクシャフトを回転させるように構成された複数のコネクティングロッドと、複数のパワーシリンダ内に受入れられておりかつパワークランクに作動可能に連結された作動ピストンとを有している。各作動ピストンは、圧縮チャンバを形成すべくシリンダヘッドに隣接して配置されたヘッド端を有しかつ圧縮チャンバ内に入れられた、圧縮された体積の空気／燃料混合気の爆発からパワーを受入れかつ受入れたパワーをコネクティングロッドに伝達するように構成されている。ＩＥエンジンは更に、圧縮された体積の空気／燃料混合気が実質的に一定であり、かつ圧縮ストロークのＴＤＣ位置前の少なくとも２０°の回転クランクシャフトの角度位置から、パワーストロークのＴＤＣ位置後の少なくとも２０°の角度位置およびデトネーションまたは点火前の位置までピーク圧縮比が維持されるように構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書において具現されかつ広く説明するように、本発明の実施形態はまた、回転するクランクシャフトを介してパワー出力を得るピストン作動型内爆（ＩＥ）エンジンにある。ＩＥエンジンは、複数の作動ピストンを受入れる複数のパワーシリンダが形成されたエンジンブロックと、クランクシャフトを支持するベアリング手段と、該ベアリング手段内に支持されかつエンジンブロックの外部に延びている出力端および複数のオフセットパワークランクを備えているクランクシャフトとを有している。ＩＥエンジンは更に、作動ピストンからのパワーを伝達してクランクシャフトを回転させるように構成されたパワークランクに作動可能に連結されたコネクティングロッドと、複数のパワーシリンダ内に受入れられかつパワークランクに作動可能に連結された作動ピストンとを有している。各作動ピストンは、圧縮チャンバを形成すべくシリンダヘッドに隣接して配置されたヘッド端を有し、かつ圧縮チャンバ内に入れられた、圧縮された体積の空気／燃料混合気の爆発からのパワーを受入れかつ受入れたパワーをコネクティングロッドに伝達するように構成されている。ＩＥエンジンは更に、各パワーシリンダが、作動ピストンのリニア移動の最上方位置においてシリンダヘッドと作動ピストンのヘッド端との間のデッドスペースの体積により形成される圧縮リザーバすなわちチャンバを有するように構成されている。この場合、作動ピストンのヘッド端のリニア運動は、リニア移動の最上方位置にある間およびクランクシャフトの複数の角度位置に亘って一定時間滞留される。換言すれば、ＩＥエンジンは、クランクシャフトが予め定められた複数の角度位置を通って回転するときに、作動ピストンが最上方位置（ピーク圧縮が生じる位置）に保持されるように構成できる。確かに、クランクシャフトの運動は滞留することはなく、その種々の意図したサイクルまたは回転を通して連続的に回転される。
【０００７】
また、本明細書で具現されかつ広く説明するように、本発明の実施形態はまた、回転するクランクシャフトを介してパワー出力を得るピストン作動型内爆エンジンにあり、ここで、ＩＥエンジンは、クランクシャフトを支持するベアリング手段を備えたエンジンブロックと、作動ピストンのヘッド端とパワーシリンダのシリンダヘッドとの間の圧縮チャンバを備えた作動シリンダ／作動ユニットを形成する作動ピストンを受入れるパワーシリンダとを有している。ＩＥエンジンは更に、ベアリング手段内に支持されかつエンジンブロックの外部に延びている出力端および複数のオフセットパワークランクを備えているクランクシャフトと、作動ピストンからのパワーを伝達してクランクシャフトを回転させるように構成されたパワークランクに作動可能に連結されたコネクティングロッドと、複数のパワーシリンダ内に受入れられかつパワークランクに作動可能に連結された作動ピストンとを有している。作動ピストンは、圧縮チャンバ内に入れられた、圧縮された体積の空気／燃料混合気の爆発からのパワーを受入れかつ受入れたパワーをコネクティングロッドに伝達するように構成されている。
【０００８】
ＩＥエンジンは更に、各作動シリンダ／ピストンユニットが、シリンダヘッドと協働する浮動ピストンシリンダを有するように構成できる。浮動ピストンシリンダは開端部および閉端部を有し、開端部は、圧縮チャンバと流体連通しておりかつ圧縮チャンバに関連しているシーリング面を有している。浮動ピストンは浮動ピストンシリンダ内に配置され、かつ圧縮チャンバ内の圧力に応答して開端部と閉端部との間で移動しかつ燃焼チャンバから浮動ピストンシリンダをダイナミックに分離するように構成されている。浮動ピストンをシーリング面に対して閉位置に向けて押圧する押圧装置を構成できる。ＩＥエンジンは更に、作動ピストンのヘッド端とシリンダヘッドとの間に、浮動ピストンシリンダの体積より小さい一定体積のデッドスペースを有し、これにより、作動ピストンの上方への変位により圧縮チャンバ内に発生される上昇圧力が押圧力に打勝つか、或いは圧縮された体積の空気／燃料混合気の大部分が浮動ピストンシリンダ内にダイナミックに移動しかつ受入れられるように構成できる。これにより圧縮チャンバ内の圧力が低下されることにより、空気／燃料混合気の圧縮された体積の大部分が圧縮チャンバ内に戻される。有利なことは、このダイナミックな移動が生じると、圧縮された空気／燃料混合気が浮動ピストンシリンダ内に流入および流出するときに、圧縮体積およびピーク圧縮比が、デトネーションまたは点火前に実質的に一定に維持される。また、上記のように変位されると、空気／燃料混合気の増強された混合が生じる。
【０００９】
本発明の特徴および長所は、本発明の特徴を示す添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。これらの図面は、単に本発明の代表的実施形態を示すものであり、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではない。また、これらの図面に概略的に示された本発明のコンポーネンツは、広範囲の種々の形態に配置できかつ設計できるものであることは容易に理解されよう。それにもかかわらず、添付図面を用いて本発明をその付加的特異性および細部とともに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の代表的実施形態による内爆（ＩＥ）エンジンの下方エンジンブロックを示す分解斜視図である。
【図２】図１の実施形態による上方エンジンブロックを示す分解斜視図である。
【図３ａ−３ｃ】図１の実施形態による、組立てられたエンジンブロックを示す正面断面図および側面断面図である。
【図４ａ−４ｅ】図１の実施形態によるＩＥエンジンの連続する４つのストロークを示す一連の断面図である。
【図５ａ−５ｉ】本発明の他の代表的実施形態によるＩＥエンジンの連続する圧縮ストロークおよびパワーストロークを示す一連の断面図である。
【図６】図５の実施形態による、圧縮ストロークおよびパワーストローク中のＩＥエンジンの浮動ピストン変位とクランク角との関係を示すグラフである。
【図７】図５の実施形態による、圧縮ストロークおよびパワーストローク中のＩＥエンジンの体積比とクランク角との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の種々の実施形態による、パワーストローク中のＩＥエンジンの圧縮チャンバ内の内部圧力とクランク角との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の種々の実施形態による、パワーストローク中のＩＥエンジンの圧縮チャンバ内の内部温度とクランク角との関係を示すグラフである。
【図１０】ピストンの正弦運動中のＩＥエンジンのトルクとクランク角との関係を示すグラフである。
【図１１ａ−１１ｄ】図５の実施形態によるＩＥエンジンの浮動ピストンの連続運動を示す一連の断面図である。
【図１２ａ−１２ｄ】本発明の他の代表的実施形態によるＩＥエンジンの連続する圧縮ストロークおよびパワーストロークを示す一連の断面図である。
【図１３ａ−１３ｄ】本発明の更に別の代表的実施形態によるＩＥエンジンの連続する圧縮ストロークおよびパワーストロークを示す一連の断面図である。
【図１４ａ−１４ｂ】本発明の他の代表的実施形態による、「ＣＲＡＭ」リンケージ（このＣＲＡＭリンケージについて定義する必要がある。また、ＣＲＡＭは大文字で書くべきものであるか？）を備えた組立てられたＩＥエンジンブロックを示す一連の断面図である。
【図１５ａ−１５ｂ】図１４の実施形態による代表的ＣＲＡＭリンケージを示す斜視図である。
【図１６ａ−１６ｉ】図１４の実施形態によるＩＥエンジンの連続する圧縮ストロークおよびパワーストロークを示す一連の断面図である。
【図１７ａ−１７ｄ】本発明の他の代表的実施形態によるＩＥエンジンの連続する圧縮ストロークおよびパワーストロークを示す一連の断面図である。
【図１８ａ−１８ｆ】本発明の一実施形態によるＩＥエンジンの他の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す斜視図、および連続する圧縮ストロークおよびパワーストローク中の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す断面図である。
【図１９ａ−１９ｆ】本発明の一実施形態によるＩＥエンジンの更に別の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す斜視図、および連続する圧縮ストロークおよびパワーストローク中の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す断面図である。
【図２０ａ−２０ｆ】本発明の一実施形態によるＩＥエンジンの他の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す斜視図、および連続する圧縮ストロークおよびパワーストローク中の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す断面図である。
【図２１ａ−２１ｆ】本発明の一実施形態によるＩＥエンジンの更に別の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す斜視図、および連続する圧縮ストロークおよびパワーストローク中の代表的ＣＲＡＭリンケージを示す断面図である。
【図２２ａ−２２ｃ】本発明の代表的実施形態によるバルブカムを示す側面断面図である。
【図２３ａ−２３ｃ】図２２の代表的実施形態によるバルブカムおよびバルブ組立体を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の以下の詳細な説明は添付図面を参照して述べるものであり、添付図面は、本発明の一部を構成しかつ本発明を実施できる例示実施形態を示すものである。同時に、これらの代表的実施形態は、当業者が本発明を実施できるように充分詳細に説明されている。他の実施形態を実現することもできかつ本発明の精神および範囲から逸脱することなく本発明に種々の変更を加えることができることは理解すべきである。したがって、本発明の代表的実施形態についての以下のより詳細な説明は、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の特徴を説明し、かつ当業者が本発明を充分に実施できるように例示することのみを目的とするものである。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ定められるべきである。
【００１２】
代表的実施形態では、本発明は、エンジンのクランクシャフトが機械的により有利な位置、例えば爆発型反応（explosive-type reaction）を促進しかつ容易にする位置に回転するまで、燃焼型反応（combustive-type reaction）および内爆（ＩＥ）エンジンの作動ピストンへの反応生成物の次の作用の開始を遅延させるシステムおよび方法を開示する。内爆（ＩＥ）型反応は、より大きいトルクを発生できかつ上死点（ＴＤＣ）で燃焼を開始する伝統的な内燃（ＩＣ）エンジンよりも大きい燃料のＢＴＵ当たり仕事を遂行し、したがって、エンジンの動力出力および効率を増大させる。
【００１３】
他の代表的実施形態では、本発明は、作動ピストンが上死点位置を通過しかつエンジンクランクが機械的により有利な位置、すなわち発生した爆発反応生成物がＴＤＣで燃焼する従来のＩＣエンジンと比較してより大きい仕事を遂行しかつより大きいトルクを発生することができる位置に回転するまで、往復動ピストンエンジンの圧縮された空気／燃料混合気を、クランク位置の範囲を通して一定体積圧縮比、例えばピーク圧縮比に維持し、かつ圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションを遅延させるシステムおよび方法を含んでいる。一態様では、空気／燃料混合気の圧縮体積を一定体積および所望圧縮比に維持するシステムおよび方法は、浮動ピストンシリンダおよび浮動ピストンを有している。他の態様では、システムおよび方法は、半球形パワーシリンダヘッドすなわち「ヘミ（hemi）」パワーシリンダヘッドを備えた「ＣＲＡＭ」リンケージを有している。更に別の態様では、これらのシステムは一体に組合わされ、これらの各々については以下により詳細に説明する。
【００１４】
他の代表的実施形態では、本発明は、浮動ピストンシリンダ内へのデトネーションにより生じた反応生成物を一時的に蓄積し、次に、クランクが機械的に有利な一定範囲の位置に亘って回転する間に反応生成物をパワーシリンダ内に戻して排出し、爆発反応のピーク圧力および温度を低下させかつパワーストローク中に発生される仕事およびトルクを更に増大させるシステムおよび方法を含んでいる。一態様では、反応生成物を蓄積するシステムおよび方法には、浮動ピストンシリンダと一緒に移動できかつ対向するガスチャージにより押圧される浮動ピストンが設けられる。他の態様では、システムおよび方法には、浮動ピストンシリンダと一緒に移動できかつ機械的スプリングにより押圧される浮動ピストンが設けられる。
【００１５】
他の代表的実施形態では、本発明は、ピーク圧力を更に増大させかつ反応生成物のピーク温度を低下させて、パワーストローク中に発生される仕事およびトルクを更に増大させるため、デトネーション前に空気／燃料混合気と一緒に微小水滴を噴射させるシステムおよび方法を含んでいる。
【００１６】
他の代表的実施形態では、本発明は更に、バルブが開閉する速度および時間を変更しかつ１つ以上のバルブを一度に開くことができるようにすべく、バルブリフタを押圧して吸気バルブおよび排気バルブを作動させかつバルブが開かれている時間すなわちアンギュラウィンドウを伸ばすべく作用する種々のバルブカムのプロファイルを変更するシステムおよび方法を含んでいる。
【００１７】
本発明の内爆エンジンの各実施形態は、従来の関連往復動ピストンＩＣエンジンに比べて大きい長所が得られ、これらの長所の幾つかをここに引用しかつ以下の詳細な説明において説明する。例えば、作動ピストンが上死点を通過しかつエンジンクランクが機械的により有利な位置（例えば、ＴＤＣを通過後３５°の位置）に回転するまで圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションを遅延させることにより、パワーリンケージ（例えば、作動ピストン、コネクティングロッドおよびパワークランク）の抵抗を、空気／燃料混合気の標準燃焼型反応が爆発型反応に変形される点まで低減できる。この迅速膨張するより完全な形式の反応は、従来のＩＣエンジンおよびこれらのごく普通の燃焼型反応に比べて、より低い温度でかつ燃料のＢＴＵ当たりより少ない廃棄生成物で大きい動力（例えば、圧力）を発生させることができる。本発明の爆発（ＩＥ）エンジンにより得られる機械的に有利な位置は、標準のＩＣエンジンに比べて、更に、より大きい仕事を遂行する反応生成物を発生させかつ燃料のＢＴＵ当たりより大きいトルクを発生させることができる。
【００１８】
本明細書で使用される用語「燃焼（combustion）」とは、酸素と、液体ハイドロカーボンの小滴またはハイドロカーボン蒸気とが混合し、その後に、膨張（expansion）が瞬時には不可能な物理的環境内で点火が行われる従来のプロセスをいう。
【００１９】
本明細書で使用される用語「爆発（explosion）」とは、酸素と、液体ハイドロカーボンの小滴またはハイドロカーボン蒸気（および水滴または蒸気）との混合および膨張が容易かつ可能である物理的環境内で混合物のデトネーションを行うことを意味する。
【００２０】
本明細書で広く使用されている用語「内爆エンジン（internal explosion engine）」すなわち「ＩＥエンジン」は、ピストンがＴＤＣ位置を充分に通過したときにデトネーションが生じるように構成された往復動ピストンエンジンをいい、容易に移動できる作動ピストンに対する生成ガスの迅速膨張を可能にして、低い温度で大きい圧力を発生させる爆発型迅速膨張反応を生じさせる。ＴＤＣ機械的ロックがなくかつパワーリンケージのより好ましいモーメント角により、ピストンヘッドの比較的小さい抵抗が、燃焼チャンバ内からのほぼ瞬間的な膨張を生じさせる機会を作る。
【００２１】
ＩＣ反応からＩＥ反応への変換に続く原理を以下に説明する。４ストローク往復動ピストンＩＣエンジンの下降吸気ストローク中、燃料および空気は、吸気マニホルドを通って供給されかつキャブレータまたは燃料噴射システムにより一体混合され、吸気バルブが開くときに真空によりシリンダ内に吸引される。吸気ストロークの終時でかつ圧縮ストロークの開始時に、作動ピストンはシリンダ内で下死点（以下、「ＢＤＣ」ともいう）に位置する。次の上方に向かう圧縮ストロークの間、空気／燃料混合気は、作動ピストンの上面とパワーシリンダの閉ヘッドとの間の体積の減少により圧縮される。パワーシリンダのヘッドは、「燃焼チャンバ」として知られている小さい物理的領域すなわち体積領域を形成し、ガソリンエンジンの場合、この燃焼チャンバは、作動ピストンがＢＤＣにあるとき、通常、シリンダの押し退け体積の約１／１０である。クランクシャフトがその正弦経路に沿って１８０°回転すると、作動ピストンはそのリニア経路に沿ってＴＤＣに向かって往復動（traverse）し、ここで、空気／燃料混合気はその完全圧縮状態、すなわち約１０気圧すなわちその元の大気圧の体積の１０倍（産業界では「圧縮比」として知られている）に達する。高性能ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの圧縮比はより高くできるのに対し、７：１より小さい比率の空気／燃料混合気は点火しても燃焼しないか、仮に燃焼したとしても、生じる膨張圧力はピストンに作用しても有効でない。
【００２２】
最も標準的なＩＣエンジンの点火は、混合気の最も効率的な「燃焼」を確保するため、作動ピストンがＴＤＣに位置しかつ空気／燃料混合気が完全に圧縮された瞬間に行われる。しかしながら、前述のように、化学的点火のためには、ＴＤＣで見出される最小燃焼チャンバの体積が最も好ましいが、ＴＤＣでのピストンおよびクランクの角度位置は、仕事を取出すには最悪の機械的整合が生じる。これは、パワーリンケージのピボット継手の全てが垂直方向に整合してしまうため、パワーリンケージのコンポーネンツに破壊を生じさせない圧縮圧力の強さの如何にかかわらず、運動が全く実現されない本来的な大きい抵抗すなわち有効な「ロック」が生じることによる。当業者には理解されようが、エンジン内の使用可能な仕事はパワーリンケージの運動なくしては行われず、したがって、燃焼エネルギを取り出す前に、クランクがより好ましい「モーメント角」まで回転するのを待たなくてはならない。
【００２３】
標準のＩＣエンジンで仕事を生じさせるプロセスはさらに窮屈になる。なぜならば、クランクがその正弦経路に沿ってより好ましい「モーメント角」まで移動するのに必要な時間は、空気／燃料混合気の燃焼中に生じる有効圧力スパイクの継続時間よりはるかに長い。仕事に本来的に利用できる潜在エネルギの推定７０-７５％は、クランクがより好ましいモーメント角に回転するのを待機する間に喪失され、これは、特に、エンジンアイドリング中のように低い回転速度でいえることである。したがって、標準エンジンすなわち従来のＩＣエンジンは、燃焼の多くの潜在エネルギすなわち利用できるエネルギを、使用可能な仕事エネルギに変換できないため、効率は低いものである。それどころか、利用できる仕事エネルギは熱および廃棄として喪失され、このため、ＩＣエンジンはより高い温度で作動され、かつより高い割合のエネルギが仕事に変換される場合に比べて、発生される出力またはトルクは小さい。より詳しくは、仕事に膨張されないエネルギは、過剰な熱に変換されかつエンジンの冷却システムを介して消散されるか、高温排気ガスの形態で排出される。また、不完全燃焼および過剰の熱は両方とも混合気中の窒素を酸化して窒素酸化物を形成し、かつ１２００°Ｆを超える温度に数ミリ秒間保たれる「閉」チャンバ内に保持されるハイドロカーボン化学物質の結果として、好ましくない過剰の一酸化炭素の生成をもたらす。
【００２４】
また、ＴＤＣでエンジンのパワーリンケージに伝達される機械的応力および熱応力およびＴＤＣで生じる機械的ロックは非常に大きく、一定時間が経過すると、早期摩耗、ベアリングの故障、コネクティングロッドの曲りおよび作動ピストンの破壊が生じる。
【００２５】
当業者ならば、ハイドロカーボン燃料が酸素と結合し、かつ瞬間的な機械的膨張が点火の瞬間に可能であるときは、燃焼ではなく爆発しまたは爆発型反応をする。ガス状ハイドロカーボンまたは霧化された液体ハイドロカーボンのデトネーション時または点火時には、燃焼の制限された物理的条件に比べて非常に大きい圧力を発生させることができ、燃料は、急速膨張する爆発反応中に全体として一層自己消費されるようになる。また、爆発型化学反応は燃焼型反応に比べて非常に短い時間で生じることも理解されよう。例えば、デトネーション時に自由に膨張できる酸素と気化されたハイドロカーボンとの爆発性混合気は、マイクロ秒または或る場合にはナノ秒で測定される圧力および温度のスパイクを実現できる。これとは異なり、気化されたハイドロカーボン小滴の点火は、ミリ秒で測定される「燃焼時間」を有し、これは数百分の１から数千分の１倍短い時間である。この比較は、「蒸気爆発（vapor explosion）」対「小滴燃焼（droplet combustion）」と呼ぶことができる。
【００２６】
標準ＩＣエンジンのコンポーネンツは、ＴＤＣでのパワーリンケージのピボット継手の一時的かつ有効な「ロック」整合のため、高速燃焼または爆発型反応からのダメージを一層受け易い。その結果、空気／燃料混合気の緩やかな燃焼を容易にしてエンジンの応力レベルを低下させかつ機械的コンポーネンツの長期信頼性を高めるべく、エンジン製造工業の熟練工により燃焼スキームが開発されている。これは、標準ＩＣエンジンでは、通常、液体ハイドロカーボン燃料を、完全に気化されたハイドロカーボン蒸気分子より数千倍大きい小滴に気化または霧化することにより達成される。
【００２７】
標準ＩＣエンジンとは異なり、本発明のＩＥエンジンは、第１ピストンのＴＤＣ位置の後の所与のクランク位置範囲に亘って一定の圧縮体積／所望圧縮比（例えばピーク圧縮比）の両方を維持し、かつ作動ピストンがＴＤＣ位置を通過しかつエンジンクランクおよびコネクティングロッドが機械的により有利な位置に移動するまで、圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションまたは点火を遅延させる。パワーリンケージのこの改善された整合は、エンジンが瞬間的に応答することおよび爆発反応エネルギを仕事に変換することを可能にし、これにより、爆発型反応で作られる初期ピーク圧力および温度が燃焼型反応に存在するであろう初期ピーク圧力および温度より実質的に高くても、機械的コンポーネンツに伝達される応力は低下される。
【００２８】
かくして、本発明は、第１に、複数のクランク位置に亘って維持された空気／燃料混合気の高圧縮または均一ピーク圧縮（even peak compression）からの燃焼チャンバの瞬間膨張を可能とすることにより、（比較的）ゆっくりとしたバーニング燃焼から急速膨張クイックバーン爆発へと変換できる。第２に、デトネーションの瞬間時のＩＥエンジンのパワーリンケージの改善された整合により、大きい反応エネルギを有効な仕事に瞬時にかつ有利に変換して、低温でかつ機械的コンポーネンツに作用する応力を低レベルに維持して、大きい動力（例えば圧力）を発生できる。
【００２９】
本発明の幾つかの実施形態の他の長所は、圧縮チャンバ内空気／燃料混合気のデトネーション時に、反応生成物を浮動ピストンシリンダ内に一時的に蓄積しておくことである。浮動ピストンシリンダ内への圧縮チャンバからの反応ガスのこの蓄積により、例えば、作動ピストンへの反応エネルギの一時的貯蔵および遅延放出、急速膨張中に発生する高圧への高い適応性、圧縮された空気／燃料混合気の爆発型反応、および付加膨張の結果としてのピーク圧力および反応温度等の多くの利益が得られる。当業者ならば理解されようが、このような蓄積は、上記空気／燃料混合気シナリオの遅延デトネーション／一定（例えばピークまたは所望の）圧縮比／一定体積と同時に適用すると、長いモーメントアームに加えられる大きい圧力により、ＩＥエンジンからより大きいトルクおよび出力を得ることができる。
【００３０】
上記長所の各々は、本発明の要素および特徴が全図に亘って参照番号で示されている添付図面を参照することにより最も良く理解されよう。これらの長所はいかなる意味においても限定することを意味するものではない。実際に、当業者ならば、本発明の実施時に、本明細書で特に述べたもの以外の長所を実現できることは理解されよう。
【００３１】
図１、図２および図３ａ-図３ｃを参照すると、ここには、本発明の代表的な一実施形態による高効率内爆（ＩＥ）エンジン１０が示されている。図１にはＩＥエンジンのエンジンブロック２０の一部を分解した斜視図が示され、図２にはエンジンヘッド５０の一部を分解した斜視図が示されている。図３ａ-図３ｃに示すように、主要パワーコンポーネンツ、すなわちクランクシャフト３０、コネクティングロッド４４および作動ピストン４０を一緒に集めかつ多くの補助エンジンコンポーネンツを設けるならば、エンジンブロック２０およびエンジンヘッド５０を一体に組立てて、代表的な３気筒４サイクル内爆エンジン１０を形成できる。図示および試験の目的では有効であるが、図１、図２および図３ａ-図３ｃに示す３気筒４サイクルＩＥエンジン形態はいかなる意味においても制限的なものではなく、本発明のＩＥエンジンは、任意数のシリンダを有する２サイクルまたは４サイクルのバリエーションからなる往復動ピストンエンジンに首尾よく適用できる。
【００３２】
ここで図１を参照すると、エンジンブロック２０は、主として、クランクシャフト３０を受入れるベアリング面２２、およびコネクティングロッド４４を介してクランクシャフト３０に連結された１つ以上の作動ピストン４０を受入れるための１つ以上の正確な円筒状隔室を備えた構造体として機能する。図示のように、代表的ＩＥエンジン１０は、多くのスローすなわちパワークランク３２を有し、各クランク３２は、コネクティングロッド４４の下端部に形成されたロッドベアリング４６に連結されるジャーナル面３４を備えている。コネクティングロッド４４の上端部内にはリストピン４８を形成し、作動ピストン４０およびコネクティングロッド４４を一体に取付けることができる。作動ピストン４０の頂面すなわち頂表面４２は圧縮チャンバ６０の下方境界を形成する。クランクシャフト３０には更に多数のカウンタウェイト３６を設けることができる。カウンタウェイト３６は、パワークランク３２とは反対側の位置で、クランクシャフト３０と一体に形成されるか、別体としてクランクシャフトに取付けることができ、オフセットクランク、往復動するコネクティングロッド４４および作動ピストン４０をバランスさせる。エンジンの下方ブロック２０の底には、流体気密オイルシールを介して共通のオイルパンカバー２８が取付けられ、エンジンブロック内に必要な潤滑流体を収容する。
【００３３】
作動ピストン４０の頂面４２、パワーシリンダ隔室２４およびシリンダヘッド５４（図３ａ参照）は、それぞれ、爆発反応が生じる圧縮チャンバ６０の底面、側面および頂面を形成すべく機能する。また、作動ピストン４０、コネクティングロッド４４およびオフセットパワークランク３２は一体として、各エンジンのスローすなわちシリンダのパワーリンケージ１８を形成し、該パワーリンケージ１８は、エネルギおよびパワーを爆発反応から回転クランクシャフト３０に伝達すべく機能する。当業者ならば、パワークランク３２、コネクティングロッド４４、作動ピストン４０および円筒状隔室角度位置２４の１つ以上が、より詳細に後述するようにＩＥエンジンの特定実施形態にしたがって変えられることは理解されよう。
【００３４】
エンジンブロック２０はパワーコンポーネンツを支持するケーシングとして機能するが、図２に示すエンジンヘッド５０は、幾つかの補助エンジンコンポーネンツの支持および収納を行う構造体として機能できる。これらのコンポーネンツとして、吸気ポート６４および吸気バルブ６２、排気ポート６８および排気バルブ６６、燃料インジェクタ７２、自由回転カムシャフト７０、ヘッドボディ５２の頂部に取付けられるヘッドカバー５６、およびスパークプラグ５８がある。ＩＥエンジン（図４ｅ参照）の他の補助コンポーネンツとして、クランクシャフト３０に取付けられるスプロケットプーリまたはギアプーリ９２、カムシャフト７０に取付けられるスプロケットプーリまたはギアプーリ９４、および正しいタイミング比（例えば図示の４サイクルＩＥエンジン１０の場合には２：１）でカムシャフトおよびバルブシリンダを駆動すべく、クランクシャフトおよびカムシャフトのスプロケットまたはギアプーリと自由に噛み合うチェーンまたはギアベルト９６がある。
【００３５】
エンジンヘッド５０には、本発明に特有の付加コンポーネンツが組込まれる。図２および図３ａ−図３ｃに示すように、これらのコンポーネンツとして、エンジンブロック２０に設けられた作動ピストンの円筒状隔室２４へのポート型交点（ported intersection）すなわち共通交点を形成するように配置されたヘッド内の浮動ピストンの円筒状隔室８４と、ヘッドの円筒状隔室８４内に配置されかつ自由に往復動（traverse）できる、駆動されないピストン（以下、「浮動ピストン」という）８０と、ブロックの作動ピストンの円筒状隔室２４とヘッドの浮動ピストンの円筒状隔室８４とを連結するハードパイプ８８と、吸気バルブ６２の近傍でこれに隣接してヘッドの側壁に取付けられた燃料インジェクタ７２と、吸気マニホルド６４に取付けられた水インジェクタ７６として使用される燃料インジェクタと、ヘッドボディ５２に取付けられた、各浮動ピストン８０用の鋳鉄ライナ８２と、燃料インジェクタに液体燃料を供給する燃料レール（横断面で示されている）７４と、水インジェクタに水を供給する水レール７８とが含まれる。
【００３６】
ＩＥエンジンの全体的機能に寄与すると考えられる他の種々のコンポーネンツおよび部品として、例えばジャーナル、ベアリング、ピン、ライナ、スリーブ、ガイド、リング、シール、シート、ガスケット、ファスナ、およびキャブレーションコンポーネンツおよび他の組立体等がある。これらのコンポーネンツの幾つかは図示されているが、理解が容易なものは図示されていない。
【００３７】
図４ａ−図４ｄには、４サイクル爆発エンジンの４ストロークの各々における代表的ＩＥエンジンの活動コンポーネンツが概略的に示されている。例えば図４ａは、圧縮ストローク中に、パワーリンケージ１８のカウンタウェイト３６が下方に回転し、同時にピストン４０がパワーシリンダ隔室２４内でリニアに上方に移動しているところを示す。燃料と空気（更に水も可能である）との混合気は、圧縮チャンバ６０の減少する体積内で急速に圧縮される。圧縮チャンバ６０の頂は、エンジンヘッド５０の固定ヘッド面５４と、浮動ピストンシリンダ８４の底に位置する浮動ピストン８０とにより境界が形成されている。加圧ガス（例えば排気ガス）の予め定められたチャージが、浮動ピストン８０の上方の浮動ピストンシリンダ８４の体積を充填し、かつ圧縮チャンバ６０内の上昇圧力に応答して浮動ピストンが移動しないように維持する反作用力を加えるべく、充分にかつ選択的に加圧される。
【００３８】
図４ｂにはパワーストロークが示されており、ここでは、圧縮チャンバ６０内の燃料および空気の爆発的点火に応答してピストンが下方に押される。爆発で発生される圧力は、浮動ピストン８０の上方の体積を充填する加圧ガスのチャージに打勝つのに充分大きく、このため、浮動ピストン８０は浮動ピストンシリンダ８４内へと上方に変位して、平衡状態が浮動ピストンの上下面すなわち両面に作用する圧力間に到達するまでチャージガスを圧縮し、この後に、浮動ピストンは作動ピストンとほぼ同期した態様で下方に移動する。
【００３９】
図４ｃには、排気ストローク中のＩＥエンジンの活動コンポーネンツが示されており、ここでは、カムシャフト７０のローブ（丸突出部）が下方に回転して排気バルブ６６を押し開いており、同時に作動ピストンは上方に移動して、排気ガスを排気ポート／マニホルド６８から強制排出している。図４ｄでは、カムシャフト７０がクランクシャフトと同期して回転し続け、排気バルブを解放しかつ吸気バルブ６２を開いている。このとき作動ピストン４０がパワーシリンダ隔室２４内で下方に移動して、ガスおよび液体燃料／水の懸濁小滴を圧縮チャンバ６０内に吸引するので、燃料および空気（および水も可能である）の新鮮チャージが吸気マニホルド／ポート６４を通って流入できる。
【００４０】
図５ａ−図５ｉは、上記代表的ＩＥエンジンの圧縮ストロークおよびパワーストロークの進行を詳細に説明する一連の連続断面図である。より詳しくは、図５ａ−図５ｉは、往復動ピストンエンジンの圧縮された空気／燃料混合気を、一定範囲すなわちクランク１１２の複数の位置に亘って一定体積および所望の選択的圧縮比（例えばピーク圧縮比またはピークより幾分小さい圧縮比）に維持し、かつ作動ピストン１２０が上死点位置を通過しかつ燃焼チャンバの急速膨張によりエンジンクランクが機械的により有利な位置（従来のＩＣエンジンに比べてより大きい仕事を遂行しかつ付加トルクを発生するように爆発反応生成物を発生できる位置）に回転するまで、圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションまたは点火を遅延させるための本発明の１つの代表的実施形態１００を説明する。
【００４１】
ＩＥエンジンのこの実施形態１００は、「スイッチング」プロセスにより、圧縮された空気／燃料混合気を、一定範囲のクランク位置に亘って一定体積に維持しかつ所望の選択的圧縮比に維持すべく作動できる。これは、ＩＥエンジンに、上記のように、浮動ピストン１４０と、作動ピストンの円筒状隔室１０４に流体連通している浮動ピストンシリンダ１４４とを設けることにより、およびエンジンヘッド１０８の底面に形成された燃焼室のデッドスペース体積を無くすか、実質的に小さくすることにより達成される。従来のＩＣエンジンと比べて、これは、クランクシャフト１１０のスロー１１２の再位置決めおよびコネクティングロッド１１４に対する調節を必要とする。
【００４２】
標準ＩＣエンジンの作動に詳しい技術者ならば理解されようが、作動ピストンは、ＴＤＣにおいて、エンジンヘッドの底面に接触する直前で、圧縮チャンバ１２６の体積のほぼ１／１０であるデッドスペース体積（例えば燃焼チャンバ）を残して停止する。このデッドスペース体積が本発明のＩＥエンジン１００で無くされるか、実質的に小さくされることにより、クランク１１２がＴＤＣより前（例えば３５°前）の回転位置に到達したとき、燃焼チャンバが依然としてエンジンヘッド１０８内に存在するならば、作動ピストンの頂面１２２より上の圧縮体積が、ＴＤＣにおける圧縮体積とほぼ同じ圧縮体積になる。作動ピストン１２０がそのシリンダ１０４内でＴＤＣに向かって移動し続け、圧縮チャンバ１２６の体積が連続的に加圧されると、圧縮された空気／燃料混合気が、作動ピストンシリンダ１０４と浮動ピストンシリンダ１４４との間の共通ポートすなわち共通孔１４２を通って強制的に移動されかつ浮動ピストン１４０が上方に後退しかつ圧縮チャンバ１２６から離れるときに浮動ピストンシリンダ１４４内に蓄積すなわち一時的に貯蔵される。
かくして、作動ピストン１２０がＴＤＣに到達すると、殆どまたは全く圧縮比または圧力が変化しないで（例えば、シフティングが生じるときの圧縮比が維持される）、かつ浮動ピストンが最初に変位し始めたときから体積が実質的に変化しないで、ほぼ全てまたは少なくとも大部分の圧縮された空気／燃料混合気が、浮動ピストンシリンダ１４４内に受入れられるか、浮動ピストンシリンダ１４４にシフトされる。この移送すなわちシフトは、クランクの所定の回転位置および作動ピストンのリニア位置で生じるように、浮動ピストンを戦略的に加圧しまたは押圧して空気／燃料混合気を浮動ピストンシリンダ１４４にポーティング（ポートを通して移送）することにより可能になる。
【００４３】
クランクシャフト１１０が回転を続けると、コネクティングロッド１１４がその正弦経路に沿って更に移動し、クランクシャフトがＴＤＣを通過した所定位置に到達するまで、作動ピストン１２０がＴＤＣから離れる方向に移動しかつシリンダ１０４を下降して戻る。その後空気／燃料混合気は作動ピストンのシリンダに戻され、デトネーションが開始される。このシフティングフェーズ中、空気／燃料混合気の体積は、変動的であるが、ＴＤＣ前の特定位置から、ＴＤＣ通過時および点火が生じるときはＴＤＣ後の特定位置まで、実質的に一定に維持されることに留意されたい。
【００４４】
また、空気／燃料混合気（ここでは１０気圧下）の一シリンダから次のシリンダへの急速シフティング移動はより良い「混合」を補助し、スパーク点火の瞬間にハイドロカーボンのより完全な爆発および自己消費を生じる。
【００４５】
浮動ピストン１４０は、浮動ピストンシリンダ１４４から圧縮チャンバ１２６をシールして、空気／燃料混合気の完全圧縮を可能にするため、圧縮ストロークの大部分の間、浮動ピストンシリンダ１４４の底部に座合した状態に維持される。これを達成するため、加圧空気または排気ガスが浮動ピストンの上方の浮動ピストンシリンダの体積を充填して浮動ピストンシリンダに予負荷を加え、両チャンバ間の共通ポートすなわち共通孔１４２を通って作動ピストンシリンダ１０４から受入れられる圧縮された空気／燃料のガス状混合気とカウンタバランスすなわち等しくなるようにする。一態様では、図３に示すように、排気バルブが開く前のＢＤＣで、作動ピストンシリンダ内に存在する消費されたガスの一部を通気することにより、および連結ライン（例えばハードパイプ連結８８）を介して加圧ガスを浮動ピストンシリンダの頂部または圧縮チャンバにポーティングすることにより加圧排気ガスのチャージを供給できる。ハードパイプ８８の両端部にはチェックバルブを配置して、例えば１０：１の圧縮比で浮動ピストンシリンダ内のチャージ圧力が空気／燃料混合気の圧力に等しくなるように制御する。他の態様では、チャージガスを浮動ピストンシリンダに供給するのに、オフライン圧力源または独立圧力源（例えば空気圧縮機からの圧縮空気）を使用することもできる。
【００４６】
図５ａ−図５ｆには、パワークランク１１２および作動ピストン１２０が、ＴＤＣ前-１３５°の角度位置からＴＤＣ後+３５°の角度位置まで一緒に回転する代表的スイッチングプロセスが示されている。-１３５°の角度位置（図５ａ）では、作動ピストンは、パワーシリンダ１０４内で上方に移動して圧縮チャンバ１２６内に収容された空気／燃料混合気を圧縮するプロセスにあり、浮動ピストン１４０は、浮動ピストンシリンダ１４４の上方部分内に収容された浮動ピストンの反対側に作用する加圧チャージガスにより孔１４２上に確実に座合されている。
【００４７】
燃焼チャンバのデッドスペース体積が無いため、作動ピストンは、ＴＤＣ位置前約−３５°の位置（図５ｂ）でピーク圧縮比または所望圧縮比（例えば１０：１）に到達でき、この時点で、浮動ピストン１４０は下方の圧縮された空気／燃料混合気と上方の加圧ガスチャージとの間で平衡している。圧縮ストロークを完了する間、作動ピストンは上昇し続けるので、浮動ピストンが孔１４２から持ち上がり、圧縮された空気／燃料混合気が浮動ピストンシリンダ１４４内に流入し始める。これは図５ｃに示されており、ここでは、クランクがＴＤＣ前約-２４°の位置に回転されている。ＴＤＣ（図５ｄ）では、混合気の大部分が浮動ピストンシリンダ内に受入れられ、この間、実質的に一定の圧縮比で圧縮された実質的に一定体積の空気／燃料の形成を続ける。
【００４８】
浮動ピストン１４０が上方に移動されると、加圧されたガスチャージは僅かに圧縮され、この圧力上昇は下の圧縮された空気／燃料混合気にも伝達されると考えられる。しかしながら、浮動ピストンより上方の残りの体積は浮動ピストンにより押し退けられた体積に比べて非常に大きいので、空気／燃料混合気の全体的圧縮から見れば、この僅かな圧力上昇は無視できると考えられる。また、ＴＤＣ通過後は作動ピストンが下方に移動し続けるので、浮動ピストンも下降し始め、空気／燃料混合気を圧縮チャンバ内に押し戻す（図５ｅ、ＴＤＣ後+２４°）。これにより、クランクがＴＤＣ位置後約３５°の位置に到達すると（図５ｆ）、浮動ピストンが再び孔１４２上に座合するまで僅かな圧力上昇をもたらし、浮動ピストンは、下のピーク圧縮された空気／燃料混合気と上の加圧ガスチャージとにより再び平衡状態になる。
【００４９】
スイッチングプロセス中の浮動ピストンの運動が、図６に曲線１５０で更に示されている。図６に示すように、浮動ピストンは、浮動ピストンシリンダへの空気／燃料混合気の流入および流出移動に応答して上方に移動しかつ下方に戻る。図１-図５に示す代表的ＩＥエンジンでは、作動ピストンのストロークを、ＢＤＣからＴＤＣまで約３”（インチ）にすることができる。浮動ピストンシリンダの体積がＢＤＣでの圧縮チャンバの体積に実質的に等しい場合、より小さい直径の浮動ピストンは、スイッチングプロセスまたはシフティングプロセス中に約０．５インチの変位を受ける。しかしながら、浮動ピストンの実際の変位は任意の特定ＩＥエンジンの幾何学的形状に基づいて大きく変わるので、運動のスケール（縮尺）は図示の目的のためだけであり、いかなる形態でも制限されないと考えるべきである。
【００５０】
図７には、体積比の変化（例えば、圧縮チャンバ１２６の体積の変化）がグラフで示されており、ここでは、破線１６０は標準のＩＣエンジンのシリンダ内の体積比を表わし、一方実線１６２−１６８は種々の実施形態のＩＥエンジンのシリンダ内で生じる体積比の変化を表わす。図示のように、体積比は、両エンジン形式について、−１８０°位置および＋１８０°位置（これは、それぞれ、圧縮ストロークの開始時の位置およびパワーストロークの終時の位置である）で１：１（すなわちゼロ圧縮）である。
【００５１】
体積比が簡単な正弦波パターンを描きかつＴＤＣで閉じられた圧縮チャンバ１２６で最大圧縮（例えば最小体積）に到達する標準のＩＣエンジン１６０とは異なり、図５ａ−図５ｆに示す代表的ＩＥエンジンは、シフティングが開始する所定の時点でピーク体積比すなわち最大体積比に到達するまで急速に増大する体積比を有している（閉じられた体積が減少するからである）。図示の代表的実施形態では、この位置は、ラインセグメント１６２により示すようにＴＤＣ前-３５°の位置にある。ＴＤＣ前−３５°の位置とＴＤＣ後＋３５°の位置との間で、体積比は、ラインセグメント１６４により示すように実質的に一定に留められる。次に、ＴＤＣ後＋３５°の位置でデトネーションが生じ、その後ＩＥエンジンの体積比は、より詳細に後述するように、ＩＥエンジンの構成に基づいてそれぞれのラインセグメント１６６または１６８に示すようになる。
【００５２】
また、図７でいう体積比は、作動ピストン１２０の頂面１２２と、パワーシリンダ１０４と、シリンダヘッド１０６とにより境界が定められた圧縮チャンバ１２６の実際の体積の変化、および孔１４２を通してパワーシリンダチャンバ１０４と流体連通している浮動ピストン１４０の下の浮動ピストンシリンダ１４４の体積の変化を示している。図７の体積比は、空気／燃料混合気が圧縮およびデトネーションを受けるときの空気／燃料混合気の圧縮比の変化（この変化は図７に示す変化より非常に大きい）をいうのではない。
ＴＤＣ前−３５°の位置からＴＤＣ後＋３５°の位置までのシフティングは１つの有利な形態であると考えられるが、他のシフティング範囲および開始／終了角度位置も可能でありかつ本発明の範囲内に含まれると考えられる。例えば、浮動ピストンの上方に加圧のためのチャージガスを供給し、これにより、立上がりを遅延させかつシフティングの期間をＴＤＣ前-２０°の位置からＴＤＣ後約＋２０°の位置まで短縮できる。同様に、浮動ピストンの上方に小さい圧力のチャージガスを供給し、これにより、立上がりをスピードアップさせかつシフティングの期間をＴＤＣ前約−６０°の位置からＴＤＣ後約＋６０°の位置まで延長できる。このような変化は、燃焼型反応から爆発型反応への移行並びにデトネーションまたは点火の後に達成されるピーク圧力および温度に影響を与えることができる。また、代表的な一実施形態では、開始／終了角度位置およびシフティング範囲は、浮動ピストンの上方の浮動ピストンシリンダ内のチャージガスの圧力と一緒にデトネーションまたは点火の角度タイミングを積極操作することにより、ダイナミックに制御できる。
【００５３】
図５ｆおよび図５ｇに戻って説明すると、空気／燃料混合気のデトネーションは、クランクの角度位置が前述の機械的に有利な所望位置（この場合には、ＴＤＣ後約＋３５°の位置）に到達したときに生じる。実際に、最大トルク条件（例えばＴＤＣ通過後９０°の位置）で発生したトルクの５０％より大きいトルクが、＋３５°の位置で実現される（図８参照）。この整合でのパワーリンケージの小さい抵抗は、燃焼チャンバ１２６の瞬間膨張を可能にして特に高い圧縮比が達成されかつ維持されるので、（比較的）スローバーニング燃焼から、急速膨張クイックバーン爆発への変換を促進する。クランクには大きさが変化する荷重が常に存在しかつトランスミッションおよび駆動トレーンからの抵抗に比例するが、これらの荷重は、従来のＩＣエンジンがＴＤＣで遭遇する「ロック」されて動かないパワーリンケージ状態に比べて比較的小さい。したがって、クランクに作用する大きい荷重でも、ＴＤＣ通過後約＋３５°の回転位置での空気／燃料混合気の爆発パワーと比較して抵抗は小さく、空気／燃料混合気のデトネーションまたは点火が爆発型反応に進行することを可能にする。
【００５４】
デトネーション時または点火時に膨張することができる酸素装置と気化されたハイドロカーボンとの爆発性混合気は、同様な量の燃料チャージでの燃焼型反応より、非常に短い時間で非常に高い圧力および温度のスパイクを実現できる。この現象は図８および図９にグラフで示されている。これらの図面で、標準のＩＣエンジンの燃焼チャンバ内で遭遇するガス圧力および温度変化は、それぞれ破線１９０および１９２で示されており、ＴＤＣ位置またはＴＤＣ後約＋３５°の位置でのデトネーションによる、本発明のＩＥエンジンの反応チャンバ内で遭遇するガス圧力および温度の変化は、それぞれ実線１９６ａおよび１９８ａで示されている。理解されようが、爆発性反応により、短時間に亘って非常に高い圧力および温度を発生でき、かつ燃料混合気は、急速膨張爆発反応中に最小の副生物でより完全に消費される。
【００５５】
クランクのＴＤＣ後＋３５°の角度位置は、燃焼型反応から爆発型反応への変換と、パワーストロークの残り全体に亘る作動エネルギの連続抽出を行う機械的てこ比との間の最適バランスが得られることが見出されている。しかしながら、廃棄副生物の低減および排気ガスの温度の低下により明らかなように、ＴＤＣ後+２０°以下のクランク角で、反応プロセスの部分的変換が生じる。また、機械的てこ比は、ＴＤＣ後約６０°の位置まで有利であり続ける。このため、ＩＥエンジンでの空気／燃料混合気のデトネーションの有効範囲は、ＴＤＣ後約＋２０°からＴＤＣ後+６０°の位置に拡大される。
【００５６】
このようなパワフル反応はＴＤＣで点火する標準のＩＣエンジン内でも行われるが、機械的に有効にロックされかつ動かないパワーリンケージに伝達される荷重は種々のコンポーネンツの材料限度を急激に超えてしまい、ベアリング、コネクティングロッドおよび作動ピストン等の破損および早期故障を招く。しかしながら、デトネーションの瞬間（図５ｇ）でのＩＥエンジンのパワーリンケージの改善された整合は、ピストンが下方に移動するときに爆発反応エネルギを瞬時にかつ有利に有効な仕事に変換し（図５ｈ）、これにより、爆発型反応で発生される圧力および温度が非常に大きくても、機械的コンポーネンツに伝達される応力が低減される。この結果、利用できる大部分のエネルギが回転するクランクシャフト１１０に伝達され、排気ガス温度が、標準のＩＣエンジンにより排出される温度の数分の１に低減されるという付加的利益も得られる（図９参照）。
【００５７】
本発明の他の代表的実施形態では、ピーク圧力を増大させかつピーク温度を低下させるべく、爆発反応生成物中に水を噴射することにより、ＩＥエンジンのパワー出力を増大させることができる。これは、燃料インジェクタ７４により供給される燃料の小滴または蒸気と瞬時に混合される水の小滴を、水インジェクタ７６（図３ｃ）を用いて吸気マニホルド内に供給することにより達成される。水の小滴および空気／燃料混合気は、吸気バルブ６２が開き始めるときに作動ピストンが下降することにより発生される真空によりシリンダ内に一緒に吸引され（図４ｄ参照）、水の小滴は、デトネーションまたは点火が開始されるときに、クランク角がＴＤＣ後の位置（例えば、ＴＤＣ後約＋３５°の位置）に到達するまで、次の圧縮ストロークにより空気／燃料混合気と一緒に圧縮される。
デトネーションの瞬間に、爆発気化された燃料／空気混合気により発生される高温ガスは、水の小滴と反応されかつ冷却され、次に高圧流中に噴出される。高圧流は、燃焼するハイドロカーボン燃料混合気（例えば８００：１）と比較して、高い比（例えば１，６００：１）で膨張することを理解されたい。かくして、約３００°Ｆのパワフルな膨張流は、利用できるパワーを増大できると同時に、爆発燃料により発生される高温スパイクを冷却できる。
【００５８】
一般的なＩＣエンジンのチャンバ内で点火が行われると、膨張ガスの波先（wavefront）が発生される。本発明のＩＥエンジンでも、爆発型反応中に同様な波先が発生され、この波先は、ピストンが瞬時に応答するシリンダ内で比例的に早く移動する。したがって、水の噴射および蒸気を用いない構成または実施形態でも、ハイドロカーボン空気燃料混合気の８００：１の膨張は、燃焼のみで実現される高速で、波先に沿って移動できる。また、水の小滴の存在下で空気／燃料混合気のデトネーションまたは点火により発生される波先は、付加高速膨張流と結合されて、作動ピストンに付加力を加える。
【００５９】
ＩＥエンジンの燃焼チャンバまたは反応チャンバ内への水の噴射の効果が図８および図９にグラフで示されている。これらの図面で、水噴射によるガスの圧力は図８において実線１９６ｂで示されており、水噴射によるガスの温度は図９において実線１９８ｂで示されている。理解されようが、パワー出力（例えば圧力）は爆発型反応中に水噴射を行うことにより増大され、これと同時にピーク温度は低下される。付加的利益として、水噴射はまた、高温でのガス状混合時間が短縮されることにより、窒素酸化物および一酸化炭素廃棄副生物の形成が大幅に低減されるか、無くすことができることがある。
【００６０】
図５ａ−図５ｉに示すＩＥエンジンの代表的実施形態では、ＴＤＣでの機械的ロックおよびデトネーションでのより好ましいモーメント角がない場合に、クランクシャフト１１０に作用する比較的小さい抵抗が、ほぼ中間の膨張を形成する。点火後にクランクシャフトに作用する大きい荷重による、膨張中の任意の過剰の残留物理的抵抗が、次に、浮動ピストン１４０を介して潜在エネルギに向けられかつ変換される。換言すれば、圧縮チャンバ１２６内での圧力の急速増大が、作動ピストン１２０および浮動ピストン１４０の両方に同時に作用し、これらを互いに離れる方向に移動させる。膨張中、ＴＤＣ後のより好ましい位置にある作動ピストン１２０は、荷重に基づいて可能であるときはクランクシャフト１１０に仕事を与え、浮動ピストン１４０は、膨張のバランスを吸収すると同時に浮動ピストンシリンダ１４４の上方部分内に捕捉されたガスのチャージを圧縮する。浮動ピストンの上方のチャージガスを加圧するプロセスは蓄積として知られており、図５ｇに示されている。この蓄積された圧力は、圧縮チャンバ１２６内に収容された反応生成物の体積に高圧ヘッドを維持している間に浮動ピストンチャンバの上方のチャージガスの圧縮された体積が膨張するので、次に、パワーシリンダ１０４および作動ピストン１２０を介してクランクシャフト１１０に残留的に戻る機械的仕事を作るべく作用する。
【００６１】
デトネーションおよび蓄積の後、クランクシャフトは、作動ピストンが下方に移動する間にＢＤＣに向かって回転を続け、作動ピストン１２０と浮動ピストン１４０との間の体積を、圧力低下に対応して増大させる。同時に、浮動ピストンの上方のチャージガスの高圧体積は、下の低下する圧力との平衡を求めて、浮動ピストンを下方に押しやる。クランクシャフト１１０のオフセットクランク１１２は、ＴＤＣ後+９０°の位置を通るその正弦経路に沿って回転を続け（図５ｈ）、ここでは、トランスミッションおよび駆動トレーンにより求められる抵抗はクランクのモーメント角により最小化される。これは、依然として高い圧力に加圧されたガスにより作動ピストン１２０に加えられている仕事の有利さの増大をもたらし、チャージガスが加圧される間に圧力として前に貯蔵された潜在エネルギは、ＴＤＣ位置の充分後に、浮動ピストンを介して下降する作動ピストンに戻されるときに作動エネルギに変換される。
【００６２】
２つのシリンダ間の圧力は、両ピストンが下方に移動するときに低下し続ける（図５ｉ）。圧力および温度の低下期間の後、エネルギはクランクシャフトの回転を通して作動ピストンにより抽出されるので、温度は、作動ピストンがＢＤＣに到達する時点までほぼ大気状態まで低下し、この時点で排気バルブが開かれ、残留排気ガス圧力を大気に通気させる。
【００６３】
蓄積は、図６においてラインセグメント１５２によりグラフで示されている。図６は、デトネーション時に浮動ピストンシリンダの頂に向かう浮動ピストンの瞬間的変位を示し、この場合、チャージガスの体積は薄い層に圧縮される。この後、チャージガスの圧縮された体積が膨張するのでよりゆっくりした下方への移動１５４が続き、圧縮チャンバ１２６内に収容されたガスに高圧ヘッドが維持される。
【００６４】
蓄積はまた、図６においてラインセグメント１６６によりグラフで示されている。図６には、浮動ピストンシリンダ１４４の体積の付加による圧縮チャンバ１２６の体積の瞬間膨張が示されている。浮動ピストン１４０の下の浮動ピストンシリンダ１４４の体積が作動ピストンシリンダ１０４の体積より大きいかほぼ等しい場合には、体積比は１：１基準ライン（ラインセグメント１６６ａ）を超えかつＢＤＣで徐々に１：１に移動できる。同様に、浮動ピストンの下の浮動ピストンシリンダの体積が作動ピストンシリンダの体積より小さい場合には、浮動ピストンシリンダの体積が圧縮体積１２６に付加されるので、部分的ジャンプが見られ（ラインセグメント１６６ｂ）、これは次にＢＤＣで１：１へと上方に徐々に移動する。
【００６５】
図１１ａ−図１１ｄは、浮動ピストンが蓄積後に垂直下方に往復動するときの浮動ピストンの機能を詳細に示しかつ燃焼チャンバ近くのパワーストロークの端部で減速を行う方法を特徴付ける一連の断面図である。
【００６６】
パワーストローク中、浮動ピストンは、デトネーション時または点火時に浮動ピストンの移動限度の底位置から頂近くまでリニアに往復動し、次に孔１４をシールすべく戻る。図１１ａは、デトネーション後の浮動ピストンチャンバ１４４の頂近くの浮動ピストンの位置を示し、一方図１１ｂは、底位置に向かって中央で下方にリニアに往復動する浮動ピストンを示す。図１１ｃは、底位置の数ミリメートル以内にあって、浮動ピストンの段付き面１４６と鋳鉄ライナ１４８の段付き面との係合を開始する浮動ピストンを示している（これを「ソフトランディング」特徴と呼ぶことができる）。両段付き面の初期係合の結果として小さい環状空気ポケット１４９が形成され、および浮動ピストンが底位置に向かうその移動を完了するとき、小さいポケット内に捕捉された空気が圧縮され、浮動ピストンの移動方向とは逆の抵抗を与える。小さいソフトランディング空気ポケット１４９内の圧力増大から引き起こされる抵抗は、浮動ピストンに対する力を発生し、慣性を減衰させ、かつ浮動ピストンの重量および下降速度の運動量に打勝つ。図１１ｄは、減速後に底位置に休止する浮動ピストンを示している。
【００６７】
図１２ａ−図１２ｄは上記ＩＥエンジンの一変更形態の作動を示すものであり、この変更形態では加圧ガス浮動ピストンが、圧縮スプリング１７６を備えた截頭スプリング負荷型ピストン１７０で置換されている。圧縮スプリングは、浮動ピストンシリンダ１４４の長さ方向に延びておりかつ圧縮ストロークの早期部分からＴＤＣ前−３５°クランク位置を含む部分までの間浮動ピストンシリンダ１４４から作動ピストンシリンダ１０４を分離する孔内にスプリング負荷型ピストン１７０を座合させる予荷重を付与している（図１２ａ）。スプリング負荷型ピストンの外面１７８（図１２ｄ）には段が形成されていて、鋳鉄ライナの段付き内面をシールするシーリング面を形成している。
【００６８】
前述のガス充填型ピストンと同様に、スプリング負荷型ピストンは、クランクがＴＤＣ前−３５°の位置からＴＤＣを通り（図１２ｂ）、ＴＤＣ後＋３５°の位置（図１２ｃ）まで移動するときに、浮動ピストンシリンダへの空気／燃料混合気の出入りを切換えて、圧縮ストロークおよびパワーストロークの上方範囲に亘って一定圧縮比を維持すべく変位できる。スプリング負荷型ピストン１７０の反対側に配置され抵抗を付与する圧縮スプリング１７６は、１０：１の圧縮比でガスの圧力を収容するのに必要な力を与えかつ反作用するように製造できる。
【００６９】
ＴＤＣ後約＋３５°の位置でのデトネーションに応答して、スプリング負荷型ピストンは、浮動ピストンシリンダの頂に向かって上方に変位して、過剰の潜在エネルギを圧縮スプリング１７６内に吸収すなわち蓄積する。このエネルギは、次に、クランク１１２がパワーストロークの残りの間に下方に回転を続けるときに、作動ピストン１２０に放出される（図１２ｄ）。スプリングを用いることの重要な特徴は、シリンダ内の圧縮空気を無くすことができることである。但し、圧縮空気は、図３ｂに示すハードパイプ連結により供給して、全体的効率を高めることができる。
【００７０】
図１３ａ−図１３ｄは、上記ＩＥエンジンの他の変更形態の作動を示すものであり、この変更形態では、加圧ガス浮動ピストンが、圧縮スプリング１８６により分離された２つの截頭スプリング負荷型ピストン１８０、１８２で置換されている。圧縮スプリングは、浮動ピストンシリンダ１４４の長さ方向に延びており、下方のスプリング負荷型ピストン１８０が孔１４２内に座合しかつ上方のスプリング負荷型ピストン１８２が浮動ピストンシリンダの頂に当接するように予荷重を付与している。下方のスプリング負荷型ピストン１８０は、鋳鉄ライナの段付き内面に対してシールするシーリング面を形成する段付き外面１８８（図１３ｃ）を有しかつＴＤＣ前−３５°のクランク位置まで、圧縮ストロークの早期部分の間浮動ピストンシリンダ１４４から作動ピストンシリンダ１０４をシールすべく機能できる（図１３ａ）。
【００７１】
前述のガス充填型浮動ピストンと同様に、下方のスプリング負荷型ピストン１８０は、クランクがＴＤＣ前−３５°の位置からＴＤＣを通り（図１３ｂ）、ＴＤＣ後＋３５°の位置（図１３ｃ）まで移動するときに、浮動ピストンシリンダへの空気／燃料混合気の出入りを切換えて、圧縮ストロークおよびパワーストロークの上方範囲に亘って一定圧縮比を維持すべく変位できる。スプリング負荷型ピストン１８０の反対側に配置され抵抗を付与する圧縮スプリング１８６は、１０：１の圧縮比でガスの圧力を収容するのに必要な力を与えかつ反作用するように製造できる。
【００７２】
しかしながら、ＴＤＣ後＋３５°の位置でのデトネーションに応答して、截頭スプリング負荷型ピストン１８０の移動は、上方のスプリング負荷型ピストン１８２（図１３ｄ）に接触する前に、浮動ピストン圧縮チャンバ内の空気の小さい体積を圧縮するのに充分な小さい長さでよい。この状態では、ごく限られた量のエネルギが蓄えられるに過ぎず、幾分かの効率が喪失される。デトネーション後の膨張により発生される仕事エネルギの大部分は、クランクシャフトに直接作用する。
【００７３】
図１４ａおよび図１４ｂには本発明の他の代表的実施形態２００が示されている。この実施形態は、往復動ピストンエンジンの圧縮された空気／燃料混合気を、一定範囲のクランク位置に亘って、一定体積およびピーク圧縮比のような所与の圧縮比に維持し、かつ作動ピストンが上死点位置を通過しかつエンジンクランクがより多くの仕事を行いかつ付加トルクを発生するように爆発反応生成物が得られる機械的により有利な位置に回転するまで、圧縮された空気／燃料混合気のデトネーションを遅延させることができる。
「スイッチング」プロセスを遂行するのに浮動ピストンおよび浮動ピストンシリンダを用いる代わりに、このＩＥエンジンの実施形態２００は、ユニークなパワーリンケージ２０８（以下、「ＣＲＡＭ」パワーリンケージまたは「ＣＲＡＭ」と呼ぶ。ＣＲＡＭは、用語「ＣＲankcＡＭ」の頭字語である）を用いて、一定範囲のクランク位置に亘って、圧縮された空気／燃料混合気を一定体積およびピーク圧縮比に維持する。ＣＲＡＭもまた、標準のＩＣエンジンに、パワークランク２１２、コネクティングロッド２１６、およびパワーシリンダ２０６のヘッド端２３０を含む幾つかの大きい変化を与える。また、圧縮された空気／燃料混合気を一定体積およびピーク圧縮比に維持するのに使用されないが、浮動ピストン２４０および浮動ピストンシリンダ２４４にも、デトネーションが行われた後に蓄積を行うためＣＲＡＭの実施形態２００を設けることができる。
【００７４】
図１４ａおよび図１４ｂは、本発明のＩＥエンジンの代表的実施形態を形成すべく一体に組立てられたエンジンブロック２０２およびエンジンヘッド２０４を示す断面図である。ＩＥエンジン２００の各パワーシリンダには、クランクシャフト２１０と、カムシャフト２１２と、コネクティングロッド２１６と、作動ピストン２２０と、ヘッドキャビティ２３２と、浮動ピストン２４０／浮動ピストンシリンダ２４４からなるアキュムレータとを設けることができる。ヘッドキャビティ２３２は、パワーシリンダのヘッド端２３０に形成された凹部であり、該凹部は、作動ピストン２２０がＴＤＣ位置にあるときに作動ピストンの頂面２２２とエンジンヘッド２０６との間にデッドスペース体積を形成し、圧縮された燃料／空気混合気のリザーバとして機能する。また、吸気および／または排気バルブ２３６も示されている。該バルブはバルブカム２３８の回転中の適当な時点でヘッドキャビティ２３２内に突出して吸気および／または排気ポート２３４を開き、ガスが圧縮チャンバ２２６内に流入しかつ圧縮チャンバ２２６から流出できるようにする。これらのバルブは自由に開くことができるが、移動はヘッドキャビティの空間内に制限される。より詳細に後述するように、ヘッドキャビティ２３２は平らな上面を備えた円筒状に形成するか、一般に「ヘミ（hemi）」として知られた半球形体積を形成すべく周辺を丸く形成できる。
【００７５】
ＩＥエンジンの実施形態２００では、図１５ａおよび図１５ｂにより詳細に（かつ効果を誇張して）示すように、ＣＲＡＭのクランクまたはスロー２１２のジャーナル面すなわち「ローブ」に形成されたカム面２１４およびＣＲＡＭのコネクティングロッド２１６の係合ベアリングボア内に形成されたフォロワ面２１８により、空気／燃料混合気の一定体積およびピーク圧縮比が、一定範囲のクランクシャフトの角度位置に亘って維持される。パワースロー２１２の所定の回転位置で、カム面２１４およびフォロワ面２１８が相互作用してコネクティングロッドの本来の正弦運動を変え、これにより、作動ピストンのリニア運動を変えることができる。別の言い方をするならば、クランクシャフトおよびパワースローが回転を続けていても、この相互作用により、作動ピストン２１０のリニア移動に静止または一時的停止を生じさせることができる。カム面およびフォロワ面が正しく形成されているならば、この静止はＴＤＣの近くに中心を有し、このため作動ピストンは、ＴＤＣより前の所定角度に亘って上方へのリニア移動を停止し、かつＴＤＣより後の所定角度位置に到達するまでその下降リニア運動が遅延される。
【００７６】
この結果、ＣＲＡＭのパワーリンケージ２０８により、クランクシャフト２１０が所与の回転位置例えばＴＤＣ前−３５°の位置に到達すると、作動ピストン２２０のリニア運動を停止させ、次に、クランクシャフトがＴＤＣに向かっておよび角度的により有利な位置例えばＴＤＣ後＋３５°の位置を越えて移動する間、作動ピストンを静止状態に「保持」する。この位置において、デトネーションまたは点火を生じさせ、前述のような爆発型反応を開始させることができる。図１６ａ−図１６ｉには、作動ピストンが上死点位置を通過するまでガスのデトネーションを遅延させるべく、ＣＲＡＭのリンケージを用いて、圧縮された空気／燃料混合気を一定体積およびピーク圧縮比に維持する事象のシーケンスがより詳細に示されている。
【００７７】
図１６ａ（ＴＤＣ前−１３５°の位置）に示すように、圧縮ストロークの第１部分の間、クランクシャフト２１０のスローローブ２１２の部分ラジアル面は、コネクティングロッド２１６の部分ラジアル面と同心状に作動する。ＴＤＣ前−３５°の位置では、クランクシャフトのスローローブのカム面２１４およびコネクティングロッドのフォロワ面２１８は、作動ピストン２２０により加えられる下方への圧力により一緒に押される。両面２１４、２１８は相互作用を開始して、作動ピストンがパワーシリンダ２０６内でその運動を停止されかつパワーシリンダ２３０のヘッド端２３０から一定距離に維持される物理的状態を形成する。この間隔は、クランクシャフト２１０の次の７０°のラジアル回転に亘って維持される（図１６ｃ−図１６ｅ）。クランクシャフトがＴＤＣを通過して移動しかつＴＤＣ後+３５°のラジアル回転位置に到達したときは（図１６ｆ）、カム２１４の面およびフォロワ２１８の面がこれらの楕円往復動を完了しかつ同心状の回転を続け、その後、クランクシャフトのパワークランクすなわちスロー２１２により、５５-６０％の最適モーメント角すなわち「モーメントアーム」効率で、ＴＤＣ後＋３５°の位置（図１６ｇ）においてデトネーションが行われる（図１０参照）。
【００７８】
図１６ａ−図１６ｆに示すように、浮動ピストン２４０は、デトネーションが生じてしまった後まで、パワーシリンダ２０６と浮動ピストンシリンダ２４４との間の孔の上の座合位置から移動することはない。これは、作動ピストンの頂面２２２が、パワーシリンダのヘッド端２３０に形成されたヘッドキャビティ２３２の下方境界に停止しておりかつ圧縮チャンバ２２６内に収容された、圧縮された空気／燃料混合気の全体積が今やヘッドキャビティ凹部内に押しやられているためである。ヘッドキャビティ２３２の体積のサイズは、作動ピストン２２０がＢＤＣにあるときの圧縮チャンバ２２６の体積の１／１０にすることができ、これにより、クランクシャフト２１０のスロー２１２がＴＤＣ後＋３５°の位置に向かって回転するとき、作動ピストンが停止している全期間、高い圧縮比（例えば１０：１）が達成されかつ維持される。浮動ピストンの上方に、１０：１以上の圧縮比に加圧されたガスを充填することにより、浮動ピストンは、デトネーションの後まで座合状態が維持され、ヘッドキャビティ２３２の一体性を維持する。
【００７９】
ＣＲＡＭリンケージは、図１４および図１６に示すように、円筒状ヘッド形状または「ヘミ」ヘッド形状を有するヘッドキャビティ２３２と組合せることができる。近年では、ガスの膨張を燃焼チャンバの中心に向けすなわち反射させ、これにより、力を作動ピストンの頂面２２２の中心に向けてより完全に合焦させることにより燃焼効率を高めるため、ヘミとして一般に知られているポピュラーな形式のヘッドキャビティが標準のＩＣエンジンにおいて開発されている。本発明のＩＥエンジン２００もまた、爆発反応で発生されたエネルギを更に方向変換しかつ合焦させるため、ヘッドキャビティ２３２をヘミ形状にしたことに特徴を有している。
【００８０】
ＣＲＡＭのパワーリンケージ２０８がＴＤＣ後約＋３５°の機械的に有利な位置にありかつスローローブ２１２の部分ラジアル面がコネクティングロッド２１６の部分ラジアル面と同心状に再び作動することにより、空気／燃料混合気のデトネーションが、上記実施形態１００のデトネーションと同じ効果で開始される。また、浮動ピストン２４０および浮動ピストンシリンダ２４４もアクティブになり、前述のようにパワーストロークの残部について蓄積の付加利益を与える（図１６ｇ−図１６ｉ）。浮動ピストン２４０および浮動ピストンシリンダ２４４がＣＲＡＭのパワーリンケージと組合わされると、体積比対圧縮チャンバのクランク角が、図７に示すラインセグメント１６６に再び従うことができる。しかしながら、ＣＲＡＭのパワーリンケージが別々に、かつパワーストローク中に蓄積が含まれないように浮動ピストン２４０／浮動ピストンシリンダ２４４を用いないで使用される場合には、体積比対圧縮チャンバのクランク角は、作動ピストンがＢＤＣに戻るときにラインセグメント１６８に従うことができる。
【００８１】
かくして、本発明にしたがって作られたＩＥエンジンの設計者は、エンジンクランクが、爆発型反応例えば浮動ピストンシリンダと一緒の浮動ピストンおよびＣＲＡＭのパワーリンケージを促進する機械的により有利な位置まで回転するまで、圧縮された空気／燃料混合気を一定体積および圧縮比に維持する種々の機構を設けた。各機構は別々に機能して、燃焼型反応から爆発型反応への化学反応の変換を促進するが、２つの機構を組み合わせることも可能でありかつこのことは本発明の範囲内に包含されることは理解されよう。
図１７ａ−図１７ｄは、ＣＲＡＭＩＥエンジンの変更形態２５０を示し、この変更形態では、加圧ガス浮動ピストンが圧縮スプリング２５６を備えた截頭スプリング負荷型ピストン２５２に置換されている。図１２ａおよび図１２ｂに示した前述のスイッチング実施形態の変更形態と同様に、圧縮スプリングは浮動ピストンシリンダ２４４の長さ方向に延びている。しかしながら、この変更形態では、スプリングは、ＴＤＣ後＋３５°のクランク位置まで全圧縮ストロークおよびパワーストロークの早期部分に亘って、スプリング負荷型ピストン２５２を、作動ピストンシリンダ２０６を浮動ピストンシリンダから分離する孔内に座合させるべく、予荷重が加えられている（図１７ａ−図１７ｃ）。
【００８２】
ＴＤＣ後＋３５°の位置でのデトネーションに応答して、スプリング負荷型ピストン２５２は次に、浮動ピストンの頂に向かって上方に変位し、圧縮スプリング２５６内の過剰の潜在エネルギを吸収すなわち蓄積する。このエネルギは、次に、パワーストロークの残部の間にクランプ１２が回転を続けるときに、作動ピストン２２０に放出されて戻される（図１７ｄ）。スプリングの使用によりシリンダ内の圧縮空気を無くすことができる。しかしながら、前述のように、全体的効率を高めるため、圧縮空気または消費した排気ガスを図３ｂに示すハードパイプ連結により供給することができる。
【００８３】
図１８ａおよび図１８ｂには、パワークランクすなわちスロー１１２のローブに形成されたタンジェンシャル／ピッチカム表面を備えたＣＲＡＭパワーリンケージの代表的実施形態２６０が示されている。用語「ピッチ」は、クランクシャフトのローブ２６２の円形部分の截頭形状２６４と、コネクティングロッド２１６のクランクハブ内部に形成されたベアリングすなわちボア２６６の円形部分の対応截頭形状２６８とによるものである。これらの截頭面は、それぞれ、カムおよびカムトラックとして作動するように配置されかつ係合される。クランクシャフトのローブのカム面２６４はクランクシャフトのスローの幾何学的同心性と同心でありかつ接しており、一方、ロッドのクランクハブの端部内のカムトラック面２６８は、ロッドのピストンハブの反対側端部でその中心に源をもつ幾何学的同心性と同心状でありかつ接している。
【００８４】
タンジェンシャル／ピッチＣＲＡＭ２６０（図１８ｃ−図１８ｆ）の作動中、それぞれクランクシャフトおよびロッド内のカム面２６４およびカムトラック面２６８は、クランクシャフトがＴＤＣ前−３５°の位置に到達すると係合を開始する。これらの形状がそれぞれの「揺動点」から幾何学的に配向されると、ＴＤＣ後＋３５°のクランクシャフト回転に到達するまでピストン２２０の往復運動が正弦運動から静止状態に変換される。ＴＤＣ前、ＴＤＣまでおよびＴＤＣ後のこの７０°回転中、ピストンは、２つの係合ギアのピッチ線係合と同様に、カムおよびカムトラックにより続けられる「ピッチ線」経路による移動しない静止状態をエンジョイできる。
【００８５】
タンジェンシャル／ピッチＣＲＡＭは、ＴＤＣ前−３５°の位置からＴＤＣ後＋３５°の位置までピストンの静止中に高度の効率を発揮する。この時点で、ピストンは、３２５°（または−３５°）に到達するまで、通常の往復動回転パターンを続ける。クランク位置が+３５の位置にあるとき、コネクティングロッドはそのＴＤＣ垂直位置から「スウェージ」されかつ約１１°を獲得したことに留意されたい。図１０のトルクグラフに示すように、クランクシャフトの＋３５°の角度位置で約５７５ｆｔ／ｌｂｓトルク（１，０００ｆｔ／ｌｂｓトルクも可能である）を利用できる。しかしながら、クランクに加えられる７１０ｆｔ／ｌｂｓのトルク（１，０００ｆｔ／ｌｂｓは不可能）に対し、約４６°のより大きい角度を形成すべく、更に１１°の角度を付加できる。
【００８６】
図１９ａおよび図１９ｂには、パワースロー１１２のローブ２７２に形成された幾分「ハート型」に似たカム面を有するＣＲＡＭパワーリンケージの他の代表的実施形態２７０が示されている。用語「ハート」は、所望の運動を発生させることができるコネクティングロッドのベアリング２７６に配置されたカムトラックフォロワ２７９のハート形状によるものである。ハートＣＲＡＭの実施形態２７０は、クランクシャフトローブのＴＤＣ位置の前および後の約３０°の位置でピストン２２０を静止させるカム形状を用いている。パワースロー２１２のローブ２７２には、２つのカムコンポーネンツ（１つは円形の形状２７４を有し、他はハーモニック形状２７５を有している）が互いに並べて重ねられている。
【００８７】
ハートＣＲＡＭ２７０（図１９ｃ−図１９ｆ）の作動中、円形カムはフォロワの対応スロット２７８と係合しかつコネクティングロッド２１６を押して、クランクシャフトの通常の回転中に左右振動パターンで（標準エンジンでのロッド運動と同様に）移動させる。この通常振動の間、ハーモニックカム２７５が回転しかつロッドベアリング２７６に配置された外側のハート型カムトラック２７９にしたがってピストンの通常の往復動に所望の静止変化を生じさせるように押し付けられる。ハート型カムトラックにハーモニックカム２７５が係合すると、燃焼チャンバの頂に対するピストンの不動位置が維持され、点火の前に燃料／空気混合気の所望の圧縮が行われる。
【００８８】
ハートＣＲＡＭの実施形態２７０の作動ピストン２２０は、ＴＤＣでの静止をエンジョイし、これはＴＤＣ後−３０°から＋３０°続き、その後ピストンは、３３０°（すなわち−３０°）の位置に到達するまで通常の往復回転パターンを続ける。クランク位置がＴＤＣ後＋３０°の位置にあるとき、ロッドはそのＴＤＣ垂直位置から左右に「スウェージ」されかつ約１０°増大することも理解されよう。図１０のトルクグラフに示すように、クランクシャフトの＋３０°の角度位置で、約５００ｆｔ／ｌｂｓのトルク（１，０００ｆｔ／ｌｂｓは不可能）を利用できる。しかしながら、更に１０°を付加して、約４０°の大きい角度を形成でき、全部で６４３ｆｔ／ｌｂｓのトルク（すなわち６４％）をクランクに加えることができる（１，０００ｆｔ／ｌｂｓは不可能である）。
【００８９】
図２０ａおよび図２０ｂには、ＣＲＡＭパワーリンケージの他の代表的実施形態が示されており、この実施形態では、パワークランクすなわちスロー１１２のローブ２８２に「クロス」カム面が形成されている。用語「クロス」は、単一カムトラックが２つの円形ローブで置換されており、パワースロー２１２の回転中にピストンヘッドが静止ではなく修正された正弦経路を通るため、前述のタンジェンシャル／ピッチ実施形態とは異なっていることによる。
【００９０】
ローブ２８２は２つの円形コンポーネンツに分割される。すなわち、第１コンポーネント２８４はクランクシャフトのローブのスローの通常位置と同心状であり、第２コンポーネント２８５は第１コンポーネントから１３°だけオフセットしている。コネクティングロッド２１６のベアリングボア２８６にも２つのスロットが形成されており、第１スロット２８８はロッドの長さ方向に垂直に配向され、第２スロット２８９は第１スロットに対して垂直であるか、ロッドの長さ方向に水平である。これらの各スロットはベアリングボアの厚さの１／２に形成されており、クランクシャフトの各ローブコンポーネンツ２８４、２８５の厚さに比例的に対応している。
【００９１】
交差ＣＲＡＭ２８０の作動中（図２０ｃ−図２０ｆ）、第１ローブコンポーネント２８４はクランクシャフトの回転中にロッドの左右の揺れ（swag）を生じさせ、一方第２ローブコンポーネント２８５は、「スコティッシュヨーク（Scottish yoke）」機構により与えられる運動と同様な態様すなわちパターンで、クランクシャフトの回転中にピストンの通常の往復動に打切り（truncation）を行う。この正弦形態の結果として静止しないことも可能であるが、第２ローブ２８５の偏心オフセットにより、ピストン２２０自体は、クランク２１２がその回転ＴＤＣ位置を通過するまでＴＤＣに到達しない。かくして、ピストンの短時間の「ほぼ静止」運動が実現される。
【００９２】
クランクが＋３０°の回転位置に到達するとき、垂直からのローブ２８２の角度は１８°である。コネクティングロッドの揺れは、全部で２５°すなわち４２２ｆｔ／ｌｂｓのトルク（１，０００ｆｔ／ｌｂｓは不可能である。図１０参照）について更に７°を付加する。また、この「ほぼ静止」の状態中、２つの固定クランクシャフトのローブ２８４、２８５へのロッドの２つのクロス型スロット２８８、２８９の係合により、燃焼チャンバの頂への距離に対する作動ピストン２２０の「ほぼモーションレス」位置が得られ、デトネーション前の燃料／空気混合気の所望の圧縮を容易にする。
【００９３】
図２１ａおよび図２１ｂには、ＣＲＡＭパワーリンケージの他の代表的実施形態２９０が示されており、この実施形態は、カムトラックが全く存在しないこと、およびコネクティングロッドが円形ローブ２９２およびベアリングボア２９６を介してクランクシャフトに永久連結されていることから「固定ローブ」として設計されている。しかしながら、標準のパワースローとは異なり、固定ローブＣＲＡＭのローブ２９２は、クランクシャフトの回転方向の反時計回り方向に約１３°だけオフセットしており、ローブの中心はパワースロー２１２のピッチ線に保持されている。また、コネクティングロッド２１６は僅かにオフセットしかつ弧状になっており、作動ピストン２２０がＴＤＣを通過するときに下向きの力をより良く誘起する。
【００９４】
固定ローブＣＲＡＭ２９０の作動中（図２１ｃ−図２１ｆ）、固定ＣＲＡＭの実施形態は、標準エンジンと同様に通常の正弦経路に従動する。この正弦形態の結果として静止は全く不可能であるが、ローブ２９２がオフセットしているため、ピストン２２０自体は、クランク２１２が回転ＴＤＣ位置を通過するまでＴＤＣに到達しない。ピストンの短時間の「ほぼ静止」運動が得られる。クランクが+３０°の回転位置に到達するとき、垂直からのローブの角度は１８°である。コネクティングロッド２１６の揺れは、全部で２５°すなわち４２２ｆｔ／ｌｂｓ（１，０００ｆｔ／ｌｂｓは不可能である。図１０参照）に対し更に７°を付加する。この「ほぼ静止」状態中、固定クランクシャフトローブ２９２へのコネクティングロッド２１６の円形ボア２９６の係合により、燃焼チャンバの頂への距離に対するピストンの「ほぼモーションレス」位置が得られ、デトネーション前の燃料／空気混合気の所望の圧縮を容易にする。
【００９５】
図２２ａ−図２２ｃおよび図２３ａ−図２３ｃは、本発明の他の代表的実施形態３００によるＩＥエンジンのバルブカムおよびバルブ組立体を示す側断面図である。この実施形態３００は、吸気バルブおよび排気バルブ３０２を作動させるためバルブリフタ３０４を押圧する種々のバルブカム３１０のプロファイルを修正するシステムおよび方法を有している。
【００９６】
図２２ａおよび図２２ｂには、それぞれ、標準ＩＣエンジンのバルブカムのカム／バルブ組立体およびサイクロイドローブプロファイルが示されている。エンジン技術の当業者ならば理解されようが、サイクロイドローブプロファイル３１２は、できる限り迅速に円形面からローブ面に移行すると同時に吸気ストロークおよび／または排気ストロークの１８０°以内に吸気バルブおよび／または排気バルブ３０２を完全に作動（例えば開閉）させるため、鋭いピークをもつように形成されている。このような鋭いピークをもつローブプロファイルは、大きい圧力角を生じかつ回転カムとバルブリフタとの間に強い抵抗力を発生させる。
【００９７】
図１４ａおよび図１４ｂおよび図１６ａ−図１６ｉに示したＩＥエンジンのＣＲＡＭ実施形態２００では、ＴＤＣの近くに中心をもつ作動ピストンのリニア運動の静止すなわち一時休止は、排気バルブおよび／または吸気バルブ３０２が作動される角運動時間を延長するのにも使用できることが観察されている。これは、作動ピストンのリニア移動の静止がまた、排気ストロークと吸気ストロークとの間のＴＤＣ位置並びに圧縮ストロークとパワーストロークとの間のＴＤＣ位置でも生じることによる。したがって、バルブカム３１０のサイクロイドローブプロファイル３１２は、バルブが開いているアンギュラウィンドウを拡大するか、バルブが開閉する速度を変えるべく修正し、したがって１つ以上のバルブを同時に開くことができるようにバルブシーケンスを修正することができる。
【００９８】
図２２ｂのサイクロイドローブプロファイル３１２を修正する代表的システムは、正弦曲線の物理学的特徴に基づいた図２２ｃのハーモニックローブプロファイルであり、該ハーモニックローブプロファイルは、小さい圧力角をもつ非常に丸いプロファイルを採用している。ハーモニックローブプロファイルの１つの利益が図２３ａ−図２３ｃに示されており、これらの図面から、この形状のローブ３２２が水平後１３°の位置（図２２ｂ）でバルブリフタ３０４と最初に係合し、一方、サイクロイドローブ３１０は水平後３１°の位置（図２３ａ）まで係合しないことを観察できる。かくして、ハーモニックローブ３１２がサイクロイドローブの水平位置後３１°の位置に到達するときまでに、バルブ３０２は既に開いていて、ガスがバルブポート３０６に流入または流出している。ＣＲＡＭリンケージにより与えられるこのようなバルブタイミング機会は、ＩＥエンジンの燃焼チャンバに流入および流出するガスの流量および混合を改善できる。また、スプリングのような「より負荷が小さい」コンポーネンツを代用でき、したがってクランクシャフトおよび関連システムへの応力および摩耗を低減できる。
【００９９】
上記詳細な説明は、特定の代表的実施形態に関連して本発明を説明したものである。しかしながら、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更をなし得ることは理解されよう。詳細な説明および添付図面は単なる例示であって制限的なものではない。また、例え何らかの変更がある場合でも、このような全ての変更は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内に包含されるものである。
【０１００】
より詳しくは、本発明の図示の代表的実施形態をここに説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、上記詳細な説明に基づいて当業者が気づくであろう（例えば種々の実施形態の）修正、省略、組合せ、適用および／または変更を有する任意のおよび全ての実施形態を包含するものである。特許請求の範囲の記載における制限は特許請求の範囲の記載に用いられた言語に基づいて広く解釈すべきであり、上記詳細な説明に記載された例に限定されるものではない。これらの例は排他的ではないと解釈すべきである。例えば、本願の開示では、用語「好ましくは」は排他的ではなく、限定しない「好ましい」ことを意味するものである。全ての方法またはプロセスで列挙される全ての段階は任意の順序で実行できるものであり、特許請求の範囲に記載された順序に限定されるものではない。手段プラス機能の限定または段階プラス機能の限定は特定の特許請求の範囲の記載に用いられるに過ぎず、次の全ての条件は、制限ａ）「・・・のための手段」または「・・・のための段階」は特に列挙したものであり、ｂ）対応する機能は特に列挙したものである。手段プラス機能をサポートする構造、材料または作用は、本願での説明に特に列挙したものである。したがって、本発明の範囲は、上記説明および例により定められるものではなく、特許請求の範囲の記載およびその法的均等物のみによって定められるべきものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  内爆エンジン
２０  エンジンブロック
２４  パワーシリンダ隔室
３０  クランクシャフト
３２  パワークランク（スロー）
４０  作動ピストン
４４  コネクティングロッド
６０  圧縮チャンバ
７６  水インジェクタ
８０  浮動ピストン
８４  浮動ピストンシリンダ
８８  ヘッドパイプ
【図１】
2015072016.tif 000003
【図２】
2015072016.tif 000004
【図３ａ−３ｃ】
2015072016.tif 000005
【図４ａ−４ｅ】
2015072016.tif 000006
【図５ａ−５ｉ】
2015072016.tif 000007
【図６】
2015072016.tif 000008
【図７】
2015072016.tif 000009
【図８】
2015072016.tif 000010
【図９】
2015072016.tif 000011
【図１０】
2015072016.tif 000012
【図１１ａ−１１ｄ】
2015072016.tif 000013
【図１２ａ−１２ｄ】
2015072016.tif 000014
【図１３ａ−１３ｄ】
2015072016.tif 000015
【図１４ａ−１４ｂ】
2015072016.tif 000016
【図１５ａ−１５ｂ】
2015072016.tif 000017
【図１６ａ−１６ｉ】
2015072016.tif 000018
【図１７ａ−１７ｄ】
2015072016.tif 000019
【図１８ａ−１８ｆ】
2015072016.tif 000020
【図１９ａ−１９ｆ】
2015072016.tif 000021
【図２０ａ−２０ｆ】
2015072016.tif 000022
【図２１ａ−２１ｆ】
2015072016.tif 000023
【図２２ａ−２２ｃ】
2015072016.tif 000024
【図２３ａ−２３ｃ】
2015072016.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月15日(2015.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローブを有する少なくとも１つのパワークランクを備えた回転クランクシャフトを介してパワー出力を供給するピストン作動型内爆エンジンにおいて、
前記ローブは、弧状面及び同心状面を備え、前記内爆エンジンは、
作動ピストンを受入れるように形成されたパワーシリンダを備えたエンジンブロックであって、前記作動ピストンが前記パワークランクの回転でリニアに変位するようになっている前記エンジンブロックと、
前記パワークランクに作動可能に連結されており且つパワーを前記作動ピストンから伝達して前記クランクシャフトを回転させるように構成されたコネクティングロッドと、を有し、前記作動ピストンは、前記パワーシリンダ内に支持されかつ前記パワークランクに作動可能に連結されており、前記コネクティングロッドのハブの弧状面が、前記パワークランクの回転中の前記ローブの前記弧状面と相互作用し、この相互作用中に、前記作動ピストンのリニアの変位が一時的に静止状態を保持して、前記パワークランクが所定の角度位置の範囲で回転を継続し、
前記内爆エンジンは、更に、シリンダヘッドに隣接する前記作動ピストンのヘッド端により少なくとも一部が形成された圧縮チャンバを有し、前記作動ピストンは、前記圧縮チャンバ内に実質的に入れられた、デトネートされかつ圧縮された体積の空気／燃料混合気の爆発からパワーを受入れ且つこの受入れたパワーを前記コネクティングロッドに伝達するように構成され、
前記圧縮された体積の空気／燃料混合気は、圧縮ストローク中の前記作動ピストンの上死点位置前の少なくとも２０°の前記回転クランクシャフトの角度位置から、パワーストローク中の前記作動ピストンの前記上死点位置後の少なくとも２０°の角度位置およびデトネーション前の位置まで、実質的に一定の所望圧縮比に保持されて、前記爆発の時点で爆発性の急速膨張反応を促進することを特徴とするピストン作動型内爆エンジン。
【請求項２】
前記圧縮チャンバの体積比は、少なくとも一部が、前記回転クランクシャフトの角度位置および前記作動ピストンの対応リニア位置にしたがって変化し、前記可変体積比は、前記作動ピストンの前記上死点位置を含む前記回転クランクシャフトの一定範囲の角度位置に亘って実質的に一定に保持され、前記可変体積比は截頭正弦パターンによりグラフで表わすことができることを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項３】
前記パワーシリンダに流体連通している浮動ピストンシリンダと、
前記圧縮チャンバ内の種々の圧力に応答して前記浮動ピストンシリンダ内で移動できる浮動ピストンと、
該浮動ピストンをシーリング位置に向かって押圧できる押圧要素と、を更に有し、
前記浮動ピストンは前記圧縮チャンバおよび浮動ピストンシリンダをシールし、前記浮動ピストンは前記浮動ピストンシリンダを前記パワーシリンダから分離し、
前記作動ピストンの圧縮ストローク中に、前記浮動ピストンは、前記所望圧縮比に到達した前記圧縮チャンバ内の閾圧力に応答して変位され、前記閾圧力は前記押圧要素に打勝って、前記空気／燃料混合気の少なくとも一部を前記浮動ピストンシリンダ内に移動させ、前記作動ピストンのパワーストローク中に、前記押圧要素が前記作動ピストンをシール位置に向かって押圧し、前記デトネーション前に、前記空気／燃料混合気の少なくとも一部を前記パワーシリンダ内に戻すことを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項４】
前記パワークランクのジャーナルに形成されたカム面と、
前記コネクティングロッドに形成されたフォロワ面と、を更に有し、
前記カム面と前記フォロワ面との間の移動する相互作用関係が、前記作動ピストンを、前記クランクシャフトの前記角度位置間の最上方リニア移動位置に保持し、この位置で、前記シリンダヘッドと前記作動ピストンとの間にデッドスペース体積が確立されることを特徴とする請求項１記載の内爆エンジン。
【請求項５】
前記パワーシリンダは、前記デッドスペース体積の少なくとも一部を形成する半球形上面を備えたヘッドを有していることを特徴とする請求項４記載の内爆エンジン。
【請求項６】
前記カム面は前記パワークランクのピッチ線に沿って截頭されており、前記フォロワ面は、リニア移動の最上方位置で前記作動ピストンの回りでピボット運動する前記コネクティングロッドのピッチ線を形成することを特徴とする請求項４記載の内爆エンジン。