(57)【要約】さらなる膨張作業、すなわち超膨張作業のための大量の熱エネルギを含む低級燃焼ガスを開発すること。【解決手段】超膨張４行程内燃機関は、シリンダ（１）とピストン（２）とを備え、パワー必要条件を満たす進入空間（Ｖ２）の圧縮度を圧縮行程の最後で１．８〜５Ｍｐａに維持し、燃焼温度および圧力を上昇する条件を設定し、有効作動圧によって達成できる超膨張率により、シリンダの作業量（Ｖ）を進入空間（Ｖ２）よりも大きく設定し、それによって燃焼ガスの定容膨張作業の後に残る熱エネルギを、断熱状態でのさらなる膨張のために利用して、超膨張作業条件を設定することが可能となる。燃焼室（５）およびシリンダ（１）の上部には冷却水ジャケット（６）がいくつか配置されるが、シリンダ（１）の下部には冷却水ジャケットは設けられず、断熱手段（７）がそれに適用され、それによって、超膨張作業のプロセスにおける熱損失を回避して、超膨張作業効果を改良する。吸気弁（３）の直径を低減し、排気弁（４）の直径を増大し、排気進行角度を減少させて超膨張効果を向上させる。本発明は、熱効率をかなり増大し、燃料消費を削減し、環境汚染を低減することが可能となる。2008500481.tif 000003
2008500481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超膨張４行程内燃機関において、
シリンダ（１）とピストン（２）とを備え、
パワー必要条件を満たす進入空間（Ｖ２）の圧縮度を圧縮行程の最後で１．８〜５Ｍｐａに維持し、燃焼温度および圧力を上昇する条件を設定し、
有効作動圧によって達成できる超膨張率により、シリンダの作業量（Ｖ）を進入空間（Ｖ２）よりも大きく設定し、
それによって燃焼ガスの定容膨張作業の後に残る熱エネルギを、断熱状態でのさらなる膨張のために利用して、超膨張作業条件を設定することが可能となることを特徴とする超膨張４行程内燃機関。
【請求項２】
着火を延期した際に定容レベルおよび圧縮度が下降しないように維持するための可変圧縮度／定容レベル補償手段をさらに備え、
それによって上死点（Ｓ）後方の１０度〜２０度の範囲で最高燃焼温度および圧力が生じることを特徴とする請求項１に記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項３】
前記可変圧縮度／定容レベル補償手段が補償ピストン（９）を備え、
前記補償ピストン（９）が、
燃焼室（５）と連通する補償室（８）において上下動可能であることを特徴とする請求項２に記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項４】
燃焼室（５）とシリンダ（１）の上部には冷却水ジャケットが搭載されており、
シリンダ（１）の下部には、冷却水ジャケットを設けず、断熱手段（７）を設けることを特徴とする請求項１に記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項５】
排気弁（４）の直径が、
吸気弁（３）の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項６】
前記内燃機関がスパーク着火内燃機関であり、
前記ピストン（２）が上死点（Ｓ）に到達する際、ガスの圧縮度が１．８〜３Ｍｐａとなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項７】
吸気弁（３）の閉鎖角度（α1）がクランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点（
Ｘ）前方の１０度〜２０度であり、
排気弁（４）の開放角度（β）がクランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点（Ｘ）前方の１５度〜２５度であることを特徴とする請求項６に記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項８】
前記内燃機関が圧縮着火内燃機関であり、
前記ピストン（２）が上死点（Ｓ）に到達する際、ガスの圧縮度が３〜５Ｍｐａとなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超膨張４行程内燃機関。
【請求項９】
吸気弁（３）の閉鎖角度（α1）がクランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点（
Ｘ）前方の１０度〜２０度であり、
排気弁（４）の開放角度（β）がクランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点（Ｘ）前方の１５度〜２５度であることを特徴とする請求項８に記載の超膨張４行程内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関し、特に極端な膨張下で作業し、低温で排気するモードで動作する超膨張４行程内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００年以上にわたる開発および変更により、内燃機関の機械的効率は、ほぼ限界に達している。
近年の電子技術のおかげで、燃焼効率は増大しているが、本来の作業モードが制限されているため、作業効率の向上は難しい。その理由は以下の通りである。
【０００３】
(１)  内燃機関は、定容作業モードで動作する。すなわち、内燃機関は既存の内燃機関の理論上のサイクルで発明されており、吸気、圧縮、燃焼、排気の４つの行程が等量（等行程）であり、ピストンの燃焼作業行程は、吸気行程に等しい（シリンダの作業量は吸気量に等しい）ためである。
【０００４】
従って、燃焼作業の最後で、シリンダ内の燃焼ガスの温度および圧力は高いままであり、排気ガスが火炎状で放出される。
この定容膨張作業および高温排気モードで生じる熱損失が、熱全体の約３５％となる。これは、既存の内燃機関には避けられないことである。
【０００５】
その理由としては、既存の内燃機関の構造によって、シリンダの作業量が吸気量に等しいかどうかを決定することが挙げられる（排気進行角度が５０度〜６０度であるため、制限された作業行程はさらに低減され、実際には、作業行程は吸気行程よりも短い）。
【０００６】
高温排気現象は、ピストンが下死点に到達した後は連続して作動しないという事実によって生じ、かなりの熱エネルギを含む排気ガスが廃棄ガスとして放出できるのみである。
(２)  内燃機関の過熱現象が現れないようにするために、循環冷却を強制することによって、シリンダ本体を冷却する必要があり、冷却システムによって奪われた熱は、熱全体の約３０％である。
【０００７】
高温排気の作動原理によると、定容作業モードで動作する内燃機関は、たとえ熱保存および断熱手段を適用して動作温度を高め、その結果、排気温度を上げたとしても、その熱効率を向上することはできない。
【０００８】
その理由は、熱エネルギ変換モードでの本質的な変更は行われておらず、冷却システムによって奪われていない熱エネルギを排気システムによって奪われることになるためである。
【０００９】
(３)  既存の内燃機関は、スパーク着火内燃機関と圧縮着火内燃機関とを備え、圧縮率を用いて、ピストンが圧縮終了に到達する際のガスの圧縮度を示す。
圧縮率は、初期の内燃機関に対してはかなり低く、スパーク着火内燃機関においては５〜８対１であり、圧縮着火内燃機関では１０〜１８対１であるため、熱効率は低い。
【００１０】
近年、約０．７〜１Ｍｐａの圧縮度に対応してスパーク着火内燃機関に対しては８〜１１対１、約１．５〜２Ｍｐａの圧縮度に対応して圧縮着火内燃機関に対しては１６〜２２対１まで上昇するため、熱効率は著しく改良される。
【００１１】
圧縮率の大きさが内燃機関の熱効率と近い相互関係にあることは、明らかである。その理由は、より高い圧縮率によって圧縮温度および圧力がより高くなり、ピストンにかかる平均作動圧が上昇し、それによって熱効率が向上するためである。
【００１２】
しかし、既存の内燃機関の圧縮率は、内燃機関のデトネーション現象や機械的構造の強度が制限されているため、これ以上増大するのが難しい。
(４)  既存の内燃機関の理論上の圧縮率は、固定されている。
【００１３】
低回転速度および高負荷（すなわち最大吸気量）の動作条件で作動する際、内燃機関は、指示された圧縮度に到達する可能性がある。
高回転速度および低負荷（すなわち少ない吸気量）の動作条件で作動する際、理論上の圧縮率が変化しなかったとしても、実際の圧縮度は上死点で低減し、それによって熱効率が減少することになる。
【００１４】
従って、熱効率は、異なる動作条件においては全く異なることになる。これは、主として物質制御内燃機関の熱効率が量制御内燃期間の熱効率よりも高いという理由による。
(５)  既存の内燃機関においては、着火またはオイル噴射時間が上死点前方では約２０度〜３０度に設定され、物理および化学反応プロセス後の主たる燃焼期間に混合ガスが進入する。
【００１５】
最高燃焼温度および圧力は、着火時間を制御することにより、上死点より約６度後方で生じる。実際にこの範囲で生じる温度および圧力は、それらの高さに関係なく、強度という概念に関連するのみである。
【００１６】
上死点付近を通過する際、圧力は最高であるが、ピストンの速度はほぼ“ゼロ”に近いため、僅かな作動しか行われない。
さらに、燃焼ガスがピストンリングから漏れることも避けられない。この段階では、熱量が集中しており、温度は最高で、しかも熱損失も最高となる。そのため、この時に漏れ出した「物質」は、無視できないものである。
【００１７】
例えば、自転車をこぐ時、（上死点に対応して）ペダルの頂部に前方への力をいかに加える努力をしたとしても無駄であり、ある一定の角度に曲がった後のみ、作動するための力のモーメントを生じることが可能となる。この事実を考慮すると、内燃機関の着火時間を延期して、上死点後に約１５度で最高燃焼温度および圧力が生じるようにするべきである。
【００１８】
既存の内燃機関は、すべての動作条件において、事前に着火するか、またはオイルを噴射させておく。
そのため、一部の燃料は、上死点前方で燃焼し始め、熱エネルギを放出して、温度および圧力を急速に高める。それによって、負の圧縮作業が増大し、動作を荒くするデトネーション現象を生じる可能性がある。
【００１９】
既存の内燃機関が着火およびオイル噴射を延期しない基本的理由としては、上死点においてのみ圧縮度および定容度が最高であり、燃焼温度および圧力が最高であることが挙げられる。
【００２０】
これは、最良の着火時間であるが、最良の作業時間ではない。最良の作業時間は上死点後１５度であるため、着火時間を延期しなければならない。
しかし、着火を延期することによって、圧縮度および定容レベルが低減する可能性があり、ピストンが上死点を通過した後、ピストンの動作が緩慢になるため、燃焼していない
ガスが膨張し、それによって圧縮度が低減し、熱効率が低下する。
【００２１】
上記現象に鑑み、例えば特許文献１（中国特許第１４１７４６３号公報）および特許文献２（中国特許第１３８８３０７号公報）等、多くの技術的解決策が次々発表されており、その全ては、最初の内燃機関に基づいて提案されており、最初の構造を変更することなく修正が行われており、ピストンの作動行程は、省燃料効果に到達するように吸気量を減少させるか、シリンダの作業量を増大することによって増大される。
【００２２】
吸気量を減少させる方法は、（１）絞り弁を絞って実施する工程と、（２）吸気プロセスにおいて事前に吸気弁を閉鎖して実施する工程と、（３）圧縮行程の始めに排気弁を開き、一部の空気を排出した後に排気弁を閉じて実施する工程などを備える。
【００２３】
これらの解決策は、理論上は燃料を節約することも可能である。その理由は以下の通りである。
シリンダの吸気量が減少すると、すなわちシリンダ内の作動物質が減少すると、作動の初期段階（すなわち、定容作動段階）で、最初の燃焼温度および圧力が維持され、作動の後半段階（利得段階を得るために望ましい。
【００２４】
理論上、この段階では燃焼ガス内に３０％〜３５％の熱エネルギが存在する）、シリンダのガス内にかなりの熱エネルギが存在し、問題は、熱エネルギの等級がかなり低いことであり、（その等級を増進するための手段を採用した場合のみ）実際に僅かな作業しか行われない。
【００２５】
重要な点は、シリンダに進入する作動物質が減少した後、熱全体も低減し、シリンダの消散面積が増大し、熱消散容量が比較的増大するが、水ジャケットによって冷却されたシリンダ内のガスに圧力がかかり、効率的な作動は行われず、理論上増大した行程によって得られた作動は、機械的損失で打ち消される。
【００２６】
特に、高回転速度および高効率作動条件の場合には、負の作業が正の作業を超え、利得も多少得られる。従って、これは、単に吸気量の低減またはピストンの行程の増大への依存には不適切であるため、改良した内燃機関が、パワーを与えられた状態で実質的価値を失うことになる。
【特許文献１】中国特許第１４１７４６３号公報
【特許文献２】中国特許第１３８８３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明の目的は、さらなる膨張作業、すなわち超膨張作業のための大量の熱エネルギを含む低級燃焼ガスを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
超膨張作業を実施するために、超膨張作業条件を設定することだけで十分なわけではなく、大量の熱エネルギを含む燃焼ガスの等級を改良し、しかも超膨張作業の必要条件と一致する熱力学的サイクルモードを確立しなければならず、加熱エネルギ変換プロセスにおける冷却損および排気損を低減することが可能となり、それによって、熱効率が向上する。
【００２９】
本発明は、低温の超膨張および排気下での作業モードで動作する、新たに設計された４行程内燃機関を提供する。
圧縮度をかなり増大して、燃焼温度および圧力をより高め、有効作動圧によって達成可
能な超膨張率に従って、シリンダの作動容量を進入空間Ｖ２よりも大きく設計し、燃焼ガスの定容作業後に残った熱エネルギを、断熱状態でのさらなる作業のために十分利用することも可能である。
【００３０】
本発明は、既存の４行程内燃機関の作動原理を拡張し、開発する。
熱効率を向上させる手段は以下の内容を備える。
１．圧縮度を増大させ、着火およびオイル噴射を延期し、最高の燃焼温度および圧力を上死点から１０度〜２０度、最良のものとしては約１５度後方で生じさせること、
２．排気ガス内の熱エネルギを利用する断熱状態でのさらなる作業、いわゆる超膨張作業、
３．燃焼室およびシリンダの上部に冷却水ジャケットを載置し、シリンダの低部には冷却水ジャケットを設けず、断熱手段を設けて膨張作業のプロセスにおいて熱損失を低減し、超膨張作業効果を増大させること、
４．吸気弁の直径を小さくし、制限空間内の排気弁の直径を大きくして排気進行角度を低減し（吸気弁の直径全体は、既存の内燃機関の排気弁の直径よりも大きい）、超膨張作業の行程を増大する。
【００３１】
本発明の目的は、以下の技術的解決策に従って達成される。
本発明の超膨張４行程内燃機関は、シリンダとピストンとを備え、パワー必要条件を満たす進入空間の圧縮度を圧縮行程の最後で１．８〜５Ｍｐａに維持し、燃焼温度および圧力を上昇する条件を設定し、有効作動圧によって達成できる超膨張率により、シリンダの作業量を進入空間よりも大きく設定し、燃焼ガスの定容膨張作業の後に残る熱エネルギを、断熱状態でのさらなる膨張のために利用して、超膨張作業条件を設定することが可能となる。
【００３２】
着火を延期した際に定容レベルおよび圧縮度が下降しないように維持するための可変圧縮度／定容レベル補償手段をさらに備え、それによって上死点（Ｓ）後方の１０度〜２０度の範囲で最高燃焼温度および圧力が生じる。
【００３３】
前記可変圧縮度／定容レベル補償手段が補償ピストンを備え、前記補償ピストンが、燃焼室と連通する補償室において上下動可能である。
燃焼室とシリンダの上部には冷却水ジャケットが搭載されており、シリンダの下部には、冷却水ジャケットを設けず断熱手段を設ける。
【００３４】
排気弁の直径が、吸気弁の直径よりも大きい。
本発明では、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ２が、圧縮行程の終わりで１．８〜５Ｍｐａに維持され、燃焼温度および圧力を増大する状態を形成する。
【００３５】
着火時間を延期して、最高の燃焼温度および圧力を上死点の１０度〜２０度後方で生じさせなければならない。有効作動圧によって達成できる超膨張率に従ってシリンダＶの作業量を設定し、断熱状態下でさらに膨張して超膨張作業状態を形成するために、燃焼ガスの定容膨張作業の後に残る熱エネルギを利用することも可能である。
【００３６】
上記吸気容量Ｖ２は、パワー必要条件を満たす進入空間でなければならず、本発明のマニホルド、絞り弁および吸気弁の循環断面積の最大進入空間はＶ２で達成される。
上記圧縮度の増大は、既存の内燃機関の圧縮度よりも高く、これは、本発明の超膨張作業を達成するためには重要な条件である。
【００３７】
上記可変圧縮度／定容レベル補償手段は、着火の延期を保証するべきであるが、定容レベルを低減せず、最高燃焼温度および圧力を上死点後方から１０度〜２０度、例えば、最
良作業時間としては約１５度で生じさせ、基本的には、圧縮度の増大とデトネーション現象の開始との矛盾や、着火延期と定容レベルの低減との矛盾を解決する。
【００３８】
上記排気弁の直径の増大、吸気弁の直径の低減、排気進行角度の低減および作業行程の増大は、本発明の超膨張作業の構成要素である。
燃焼室およびシリンダ上部には冷却水ジャケットを載置するが、シリンダ下部には冷却水ジャケットを設けず、超膨張４行程内燃機関の断熱手段を設けて、超膨張作業のプロセスにおける熱損失を回避する。これは、超膨張作業の効果を増大するための技術的手段である。
【００３９】
超膨張４行程内燃機関は、スパーク着火内燃機関と圧縮着火内燃機関とを備える。この理論上の作動サイクルは、吸気、圧縮、膨張、超膨張作業の４工程である。
前記内燃機関がスパーク着火内燃機関である場合には、前記ピストンが上死点に到達する際、ガスの圧縮度が１．８〜３Ｍｐａとなる。
【００４０】
吸気弁の閉鎖角度がクランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点前方の１０度〜２０度であり、排気弁の開放角度がクランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点前方の１５度〜２５度である。
【００４１】
前記内燃機関が圧縮着火内燃機関である場合、前記ピストンが上死点に到達する際、ガスの圧縮度が３〜５Ｍｐａとなる。
吸気弁の閉鎖角度がクランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点前方の１０度〜２０度であり、排気弁の開放角度がクランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点前方の１５度〜２５度である。
【００４２】
上記パワー必要条件を満たす進入空間はＶ２である。
圧縮度は１．８〜５Ｍｐａである。既存の内燃機関よりも高い温度および圧力は、着火燃焼後、上死点の１０度〜２０度後方で生じる。
【００４３】
燃焼ガスがピストンをＶ２に押すと、進入空間の定容膨張作業が完了する。既存の内燃機関が作業を完了すると、シリンダ内のガスの温度および圧力は、排気の温度および圧力に等しくなる。
【００４４】
従って、ピストンの行程は、断熱状態で低度の熱エネルギを利用する超膨張作業行程となる。
例えば、着火燃焼後にピストンが作業容量の半分まで移動すると、シリンダの作業容量は定容進入空間の２倍となり、シリンダ内のガスの温度は、進入空間が定容膨張作業を完了した時の温度となる。
【００４５】
また、ピストンの行程の残り半分は、断熱条件下の超膨張作業行程と等しくなる。シリンダの作業容量が定容進入空間の３倍である場合、超膨張作業行程が２倍になる。
従って、超膨張４行程内燃機関の圧縮度が高くなればなるほど、超膨張作業行程は長くなり、熱保存および断熱手段はより良くなり、排気温度はより低くなり、得られる利得はより高くなる。
【００４６】
超膨張４行程内燃機関は、パワー必要条件や超膨張率を満たす進入空間Ｖ2や、シリン
ダの作業容量の設計、例えば超膨張Ｖ＝Ｖ2×３の２倍の設計に基づいて設計されるべき
である。
【００４７】
本発明は、超膨張作業原理に従ってシリンダ、ピストン、冷却水ジャケット、ガス分配
システム、燃焼室、弁システム、吸気弁、排気弁、電気噴射部の絞り、吸気マニホルド、排気マニホルド、自動着火またはオイル噴射延期／進行手段、可変圧縮度／定容レベル補償手段を設計して、超膨張作業の技術的必要条件を満たすはずである。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の利点は、以下の通りである。
１．圧縮度はかなり増大する。燃焼温度および圧力がより高くなる可能性がある。断熱条件下で超膨張作業および低温排気を実施することにより、現実的に作業性が向上することになる。
【００４９】
熱効率を高める方法として、さらなる作業のための、燃焼ガスの定容作業の後に残る熱エネルギを利用することが挙げられ、より高い利得が得られる。熱エネルギの増大は、単位作業における燃料消費を減少させるだけではなく、単位作業における排気も減少させることを意味する。
【００５０】
２．圧縮度がかなり増大し、出力パワーおよび効率が増大する。
本発明は、低回転速度および高負荷の動作状態では着火時間が上死点後に延期する際のデトネーション現象の発生を回避するために実時間制御着火またはオイル噴射進行／延期に対するＥＣＵ（図示せず）を特徴とする。
【００５１】
本発明は、デトネーション現象の発生を回避するための着火またはオイル噴射の延期を特徴とし、着火延期後の定容度を補償し、上死点の１０度〜２０度後方で最高燃焼温度および圧力を生じさせる定容補償手段を特徴とし、それによって構造上の強度に影響を与えず、動作を荒くさせないようにする。
【００５２】
３．燃焼室およびシリンダ上部には冷却水ジャケットを載置するが、シリンダ下部には冷却水ジャケットを設けず、燃焼ガスの超膨張作業のプロセスにおける熱損失を回避し、超膨張作業の効果を増大し、超膨張作業原理に従う熱力学的サイクルシステムを確立するための断熱手段を設ける。
【００５３】
４．シリンダの直径の制限空間において、排気弁の直径を増大することも可能であり、しかも吸気弁の直径を減少することも可能である。
目的は、排気進行角度を２５度以下まで減少させ、超膨張作業の行程を増加させることである（既存の内燃機関の排気進行角度は、５０度〜６０度であり、事前に排気によって奪われた熱は、排気損全体の４０％である）。
【００５４】
ようするに、本発明の方法は、超膨張作業を実施し、圧縮度を増大し、着火延期を実行し、断熱手段を設け、膨張プロセスにおける熱損失を低減し、排気進行角度を減少させ、それによって熱効率を上げ、燃料を節約し、放出を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
超膨張４行程内燃機関を一例として以下で述べる。
（実施例１）
吸気量を低減する方法によって既存の内燃機関を変更する。
【００５６】
本実施例では、吸気カム形成ライン、位相角を変更して下死点前方５０度で事前に吸気弁を閉じる方法によって、吸気相を変化させた。
これによって、吸気量が３５％減少した。理論上、燃焼室の容量の３５％を相対的に減少させて、最初の圧縮度を維持することにより、作業行程を３５％増大させた。排気相、吸気弁の直径、排気弁の直径、着火時間、冷却水ジャケットは、最初の状態を維持した。
本発明は、スパーク着火内燃機関を提供する。
【００５７】
内燃機関を車に搭載し、数百キロの定速オイル消費実験を実施した。同一条件下では、冷却水の温度は、変更する前の冷却水の温度よりも１０度低い。数百キロの定速（６０ｋｍ／時）オイル消費は、約２８％減少し、オイル節約効果は明白だった。
【００５８】
内燃機関にベンチテストを実施した。この実験の条件は、変更される前のものと比較して、オイル消費測定器、回転速度測定器、動力計の利用である。
ベンチテストの結果としては、パワーが３２％の減少、オイル消費率（ｋｗ？ｈ）ｇ曲線が挙げられる。低速で約１５％減少し、中速でもほとんど同じであり、高速では８％増加した。
【００５９】
本実施例の定速オイル消費実験およびベンチテストの結果によると、定速オイル消費が２８％減少した理由はパワーの低減にあり、これはパワー低減応用性に属するが、テスト条件は同一定速度であり、パワー保存は変更前より高く、パワーは変更後、減少し、パワー保存は低いため、オイル消費を低減した。
【００６０】
しかも、水の温度が減じた理由は、燃焼作業物質を減少した後、熱全体を低減し、熱放出率の領域が増大する。
本実施例における吸気量を低減する方法によって変更した内燃機関は、低回転速度でのオイル節約効果が明らかであり、高回転速度で機械的損失が増大し、ピストンに作用する平均有効圧力が低減し、作業の後半では、シリンダ内の圧力がかかるが、効果的な作業のためにピストンの押しが不十分であり、オイル節約効果が望み通りには達成できていない。
【００６１】
実際、本実施例の操作性は、最初の内燃機関の吸気量を減少させ、定量的圧縮比を増大させ、変更前の中間の僅かなパワーでの作業に対応して、吸気量の圧縮度を維持し（吸気量は減少し）、圧縮度は比較的増大した。これによって、中間の僅かなパワーで熱効率が改良された。
【００６２】
図１は、本発明のシリンダ１とピストン２とを備える超膨張４行程内燃機関の略図であり、ここでは、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ２の圧縮度が圧縮行程の最後で１．８〜５Ｍｐａに維持され、燃焼温度および圧力を上昇させる条件を設定する。
【００６３】
有効作動圧によって達成可能な超膨張率によれば、シリンダの作動容量Ｖは、進入空間（Ｖ２）よりも大きく設計され、燃焼ガスの定容量膨張作業の後に残った熱エネルギは、断熱条件下でさらに膨張するために利用して、冷却温度降下ではなく超膨張温度降下のみでの超膨張作業条件を設定する。
【００６４】
図２は、本発明の超膨張４行程内燃機関のデューティサークルを示す図である。
デューティサークルは、吸気、圧縮、燃焼作業（定容量膨張作業および超膨張作業を含む）、排気の４行程であり、クランク軸の０度〜７２０度の各々における理論上のデューティサークルが完了する。
【００６５】
吸気および圧縮行程は、クランク軸の０度〜３６０度で完了する。
（吸気行程）
吸気行程は、ピストン２が上死点Ｓから下死点Ｘまで移動する行程である。シリンダの作業容量Ｖは、進入空間Ｖ2の３倍（すなわち超膨張の２倍）に設計される。
【００６６】
図３を参照すると、進入空間Ｖ2は、吸気容量が大気圧でシリンダ内に占有されること
を意味する。
設計した吸気マニホルド、絞り弁および吸気弁の循環断面積の最大吸気容量は、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ2であり、進入空間Ｖ2に到達する吸気行程は、下死点前方の閉鎖角度α1で１０度〜２０度で終了する。
【００６７】
吸気が完了すると、下死点Ｘ（ほぼ１８０度）の付近に到達する、例えばクランク軸の７２０度サイクルで空中で４個のシリンダを均等に維持し、（例えば、事前に吸気弁を閉鎖することによって、短い負の圧力衝撃が生じ、その結果、吸気が不安定になる可能性がある）、吸気フローの安定性、測定の正確度、および空気燃料比の制御精度を容易に保証する。
（圧縮行程）
圧縮行程は、ピストンが下死点Ｘから上死点Ｓまで移動する行程である。
【００６８】
本発明では、ピストンが終了点に到達すると圧縮度を増大し、上死点Ｓでは、設定した圧縮度が１．８〜５Ｍｐａに到達する。これは、既存の内燃機関よりもずっと高い。
燃焼作業および燃焼行程は、クランク軸の３６０度〜７２０度で完了する。
（燃焼作業工程）
燃焼作業行程は、ピストン２が上死点Ｓから下死点Ｘまで移動する行程である。
【００６９】
最良の着火またはオイル噴射時間は、上死点の約１５度後方で最高燃焼温度および圧力が生じるように、自動着火またはオイル噴射進行／延期手段によって保証できる。
燃焼ガスは、ピストン２を押して作動させ、ピストン２は、進入空間Ｖ２まで下降すると、その定容膨張作業行程を完了する；  Ｖ２から下死点Ｘ前方の開放角度βまでの行程は、断熱条件下の超膨張作業行程である。
（排気行程）
排気行程は、ピストンが下死点Ｘから上死点Ｓまで移動する行程である。
【００７０】
排気βの進行角度は、下死点Ｘ前方で１５度〜２５度である（排気βの進行角度  ＝  既存の内燃機関の５０度〜６０度）、ピストン２が下死点Ｘから上死点Ｓまで移動して、力で排気を行う。
【００７１】
図３は、本発明の超膨張４行程内燃機関の弁タイミングの略図である。
本発明の内燃機関の空気燃料比は、電気制御された燃料オイル噴射システムによってトラック制御されており、吸気マニホルドと吸気弁の循環断面積の最大吸気量は、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ2であり、吸気弁２の開放角度αと排気弁４の閉鎖角度β1は、重なってガスを一掃する。
【００７２】
吸気弁３の閉鎖角度α1は、クランク軸の０度〜３６０度サイクルで下死点前方の１０
度〜２０度である。
排気弁４の開放角度βは、超膨張作業行程を増大するために、クランク軸の３６０度〜７２０度サイクルで下死点前方の１５度〜２５度である。
【００７３】
図４は、本発明の超膨張４行程内燃機関の可変圧縮度／定容レベル補償手段を示す略図である。
上下動可能な補償ピストン９は燃焼室内にあり、補償ピストン９が移動する空間は補償室８であり、補償室８の容量は、燃焼室の容量Ｖ１の一部に属する。補償室の容量は、燃焼室の容量の約５分の１（補償室の容量を含む）である。
【００７４】
補償ピストン９は、補償カム１１および戻りばね１０によって駆動され、吸い上げ範囲を変更可能であり（従来技術の“可変弁吸い上げ、可変弁タイミング”を使用。不必要な
詳細は省略する）、また電磁弁、油圧、空気作動手段等によって駆動できる。
【００７５】
補償ピストン９の最低位置は、燃焼室５と同じ高さであり、この位置で停止すると、燃焼室が最小量となり、圧縮度が増加する可能性がある。最高位置で停止すると、補償室８を含む燃焼室５の容量が最高になり、正常作業動作状態となる。補償カム１１と戻りばね１０とによって駆動され、補償ピストン９が最高位置と最低位置との間で移動し、定容度補償を行う。
【００７６】
可変圧縮度／定容レベル補償手段の機能は以下の通りである。
最高位置（図形位置）で停止する補償ピストン９が、中間回転速度および中間負荷である場合、圧縮度を増大する必要はなく、定容度の正常作動状態を補償する必要はない。
【００７７】
最低位置で停止する補償ピストン９が、上記のように可変圧縮度機能を有する場合、内燃機関の理論上の圧縮率が固定され、高回転速度、低負荷またはアイドル速度の動作状態で作動する際には、吸気はほとんどなく、圧縮率が変化しなくても圧縮度は上死点において指示された圧縮度以下であることが明らかである。
【００７８】
従って、熱効率が減少する。この動作状態では、点火時間は上死点前方であり、定容度は低減せず、圧縮度を増大しなければならない。補償ピストン９は、圧縮度が上昇位置（すなわち、燃焼室と同じ最低位置）で止まる。
【００７９】
その理由は、補償室の容量が燃焼室の容量の一部に属し、それによって燃焼室の容量が低減し、圧縮度が上昇するからである。
負荷が徐々に増加し吸気が増大することによって、圧縮度がかなり上昇することによって発生するデトネーション現象を回避する際、着火時間が徐々に延期されて定容度を低減する。この時点で、補償ピストン９は停止状態から上下動を始め、その吸い上げ範囲が発火延期角度の増加と共に増大する。この時、可変圧縮機能は、定容補償機能となる。
【００８０】
補償ピストン９の上下動は、定容度補償機能である。
上記のように、低回転速度および高負荷の動作状態で作動する際、内燃機関は、最大吸気量で、その設定圧縮度に到達する可能性がある。この動作状態では、着火またはオイル噴射時間は、上死点の後方の地点まで延期できる。ピストン２が下降し始めると、燃焼していない混合ガスがピストン２の下降と共に膨張して圧縮度を低減する。
【００８１】
定容度の補償機能は、ピストン２が下降し始めると、補償ピストン９が、ピストン２と共に下降し、補償室８内の混合ガスを押し出し、補償ピストン２の下降量を補償することである。
【００８２】
補償カム１１の可変吸い上げ範囲の高さ、すなわち現在の着火の延期角度の大きさに従って必要となる補償容量（補償ピストン９が補償作業を行わないようにし、補償ピストンの負荷を低減するために、補償率は１００％未満でなければならない）、すなわちピストンがＥＣＵ（図示せず）によって下降する量を決定して、ピストン２の下降量が補償室８の容量によって補われ、着火を延期する際には、最初の圧縮度を上死点に設定し、上死点Ｓを越える際には低減し、定容補償効果を達成して、最高燃焼温度および圧力が上死点Ｓの約１５度後方で発生するようにしなければならない。
【００８３】
実用上、発火時間を徐々に延期して定容補償を行う際に、補償ピストン９の移動吸い上げ範囲が、ピストン２の圧縮行程において徐々に“ゼロ”から増大し、補償ピストン９が上昇し、ガスの一部が補償ピストン９と共に補償室８内に上昇する。
【００８４】
補償ピストン９の吸い上げ範囲は、発火時間の延期と共に増大する。
その理由は、補償容量は燃焼室の容量に属し、補償室８に入ったガスは、一時的に補償室８に貯蔵され、その際、ピストン２は上死点Ｓを通過して下降し始め、圧縮度が低減し、定容度が減少し、補償カム１１によって押された補償ピストン９はピストン２に沿って下降し、補償室８内のガスを押し出して、下降するピストン２の容量を補償し、この時点でピストン２が下降しなくても着火燃焼までは燃焼室内のガスの圧縮度は低減しない。
【００８５】
図５は、本発明の超膨張４行程内燃機関の可変圧縮度／定容補償手段の補償カムの作業段階を示す略図である。
超膨張４行程内燃機関が中回転速度および中負荷で作動する際、補償ピストン９は最高位置にある。
【００８６】
高回転速度および高負荷の動作状態で作動する場合には、最低位置にある。
低回転速度、高負荷の作動状態では、着火時間が上死点Ｓの後方に延期され、定容度補償が必要となり、ピストン２の圧縮プロセスにおいて、補償カム１１が最初、位置δ１にあり、戻りばね１０によって駆動される補償ピストン９は上昇し始め、一部のガスは補償室８に入り、ピストン２が上死点に到達すると（すなわち、補償カム１１の位置のδ２）、補償ピストン９は下降し始め、ガスを補償室８から追い出し、定容度が補償される。
【００８７】
図６は、本発明の超膨張４行程内燃機関の冷却水ジャケットおよび断熱手段の分配を示す略図である。冷却水ジャケット６が、燃焼室５およびシリンダ１の上部に搭載されているが、シリンダ１の下部には、冷却水ジャケットが設けられてはおらず、断熱手段７が設けられている。膨張作業のプロセスにおける熱損失を低減することが目的である。
（実施例２）
上記シリンダのパワー必要条件を満たす進入空間Ｖ２は、３００ｍｌに設定されており、シリンダの作業容量Ｖは６００ｍｌに設定されており、作業容量Ｖは吸気容量の２倍である（超膨張作業行程に等しい）。
【００８８】
１．  作動する内燃機関が、スパーク着火内燃機関である場合、上記ピストン２が上死点Ｓに到達し、ガスの圧縮度が２Ｍｐａであり、上記シリンダの進入空間Ｖ２が３００ｍｌであり、燃焼室Ｖ１の容量との比率、すなわち理論上の圧縮比が２０：１であるとき、Ｖ１は３００÷２０＝１５ｍｌとなる。
【００８９】
本実施例では、スパーク着火内燃機関の絞り弁、吸気マニホルドおよび吸気弁の循環断面積の最大吸気フローが、パワー必要条件を満たす進入Ｖ2であり、吸気および排気弁の
折り曲げ角度を維持してガスを一掃する。
【００９０】
吸気弁３の開放進行角度αは、１０度であり、排気弁４の閉鎖延期角度β1は１２度で
ある。空気燃料比は、電子制御燃焼オイル噴射システムによってトラッキング制御される。
【００９１】
吸気弁３の閉鎖角度α1は、クランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点Ｘの前方
１５度である。排気弁４の開放角度βは、クランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点Ｘの前方２０度である。使用する排気弁４の直径は、吸気弁３の直径の１．８倍である。
【００９２】
２．  作動する内燃機関が圧縮着火内燃機関である場合、上記ピストン２が上死点Ｓに到達し、ガスの圧縮度が３Ｍｐａであり、上記シリンダの進入Ｖ２が３００ｍｌであり、燃焼室Ｖ1の容量との比、すなわち理論上の圧縮比が３０：１であるとき、Ｖ１は３００
÷３０＝１０ｍｌとなる。
【００９３】
本実施例では、圧縮着火内燃機関の吸気マニホルドおよび吸気弁の循環断面積の最大吸気フローが、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ2であり、オイル噴射の量はオイル噴射
システムによって制御され、吸気および排気弁の折り曲げ角度を維持して、ガスを一掃する。吸気弁３の開放進行角度αは、１５度であり、排気弁４の閉鎖延期角度β1は、１８
度である。
【００９４】
吸気弁３の閉鎖角度α1は、クランク軸の０度〜３６０度のサイクルでは下死点Ｘの前
方１５度である。排気弁４の開放角度βは、クランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルでは下死点Ｘの前方２０度であり、使用する排気弁４の直径は、吸気弁３の直径の２倍である。
（実施例３）
上記シリンダのパワー必要条件を満たす吸気量Ｖ2は、３００ｍｌに設定されており、
シリンダの作業容量Ｖは９００ｍｌであり、作業容量Ｖは進入空間Ｖ2の３倍である。こ
れは超膨張作業行程の２倍である。
【００９５】
１．  作動する内燃機関が、スパーク着火内燃機関である場合、上記ピストン２が上死点Ｓに到達し、ガスの圧縮度が２Ｍｐａであり、上記シリンダの進入空間Ｖ２と燃焼室Ｖ1の容量との比、すなわち理論上の圧縮比が２０：１であるとき、Ｖ１は３００÷２０＝
１５ｍｌとなる。
【００９６】
本実施例では、スパーク着火内燃機関の絞り弁、吸気マニホルドおよび吸気弁の循環断面積の最大吸気フローは、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ2であり、吸気および排気
弁の折り曲げ角度を維持してガスを一掃する。
【００９７】
吸気弁３の開放進行角度αは、１０度であり、排気弁４の閉鎖延期角度β1は１２度で
ある。空気燃料比は、電子制御燃焼オイル噴射システムによってトラッキング制御される。
【００９８】
吸気弁３の閉鎖角度α1は、クランク軸の０度〜３６０度のサイクルで下死点Ｘの前方
１５度である。排気弁４の開放角度βは、クランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルで下死点Ｘの前方２０度である。使用する排気弁４の直径は、吸気弁３の直径の１．８倍である。
【００９９】
２．  作動する内燃機関が圧縮着火内燃機関である場合、上記ピストン２が上死点Ｓに到達し、ガスの圧縮度が３Ｍｐａであり、上記シリンダの進入空間Ｖ２が３００ｍｌであり、燃焼室Ｖ1の容量との比、すなわち理論上の圧縮比が３０：１であるとき、Ｖ１は３
００÷３０＝１０ｍｌとなる。
【０１００】
本実施例では、圧縮着火内燃機関の吸気マニホルドおよび吸気弁の循環断面積の最大吸気フローは、パワー必要条件を満たす進入空間Ｖ2であり、オイル噴射の量はオイル噴射
システムによって制御され、吸気および排気弁の折り曲げ角度を維持して、ガスを一掃する。吸気弁３の開放進行角度αは、１５度であり、排気弁４の閉鎖延期角度β1は、１８
度である。
【０１０１】
吸気弁３の閉鎖角度α1は、クランク軸の０度〜３６０度のサイクルでは下死点Ｘの前
方１５度である。排気弁４の開放角度βは、クランク軸の３６０度〜７２０度のサイクルでは下死点Ｘの前方２０度であり、使用する排気弁４の直径は、吸気弁３の直径の２倍である。
【０１０２】
実施例２および３においては、冷却水ジャケットを燃焼室５およびシリンダ１の上部に搭載するが、シリンダ１の下部には冷却水ジャケットを設けず、断熱手段７を設ける。
膨張作業のプロセスにおける熱損失を低減し、膨張プロセスにおいて内燃機関に膨張温度を降下させ、冷却温度降下を回避することを目的とする。
【０１０３】
実施例２および３においては、圧縮度をかなり増大して、より高い燃焼温度および圧力を発生させ、着火およびオイル噴射を延期することによって、デトネーション現象を回避し、高回転速度および高負荷の動作状態で作動する際には、着火またはオイル噴射が好適に進行可能であり、低回転速度および高負荷の動作状態で作動する際には、着火またはオイル噴射を上死点の後方まで延期することが可能であり、上死点の約１５度後方で最高燃焼温度および圧力を発生させ、圧縮度の増大により、デトネーション現象を効果的に回避し、荒い動作を排除する。
【０１０４】
圧縮度は、低負荷、僅かな吸気および低圧縮度の動作状態での可変圧縮度／定容度レベル補償手段によって増大することが可能である。定容度は、高負荷、大量の吸気、高圧縮度、着火およびオイル噴射の延期の動作状態で補償できる。
【０１０５】
圧縮度の増大、可変圧縮度／定容レベル補償手段の適用、ならびに熱保存および断熱方法と排気進行角度の減少との組み合わせ効果により、超膨張４行程内燃機関の熱効率は約６０％に到達することが可能となる。
【０１０６】
本発明の超膨張４行程内燃機関を用いると、スパーク着火内燃機関のオイル消費率は１６０ｇ〜１９０ｇ（ｋｗ時）に達する（既存のスパーク着火内燃機関のオイル消費率は２６０ｇ〜３００ｇである）、圧縮着火内燃機関のオイル消費率は１５０ｇ〜１８０ｇ（ｋｗ時）に達する（既存の圧縮内燃機関のオイル消費率は２００ｇ〜２５０ｇである）。
【０１０７】
熱効率はかなり増加し、排気温度および圧力が見かけ上減少する。さらに、振動および騒音が明らかに弱まり、排気量が減少し、排気の質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】図１は、本発明の超膨張作業４行程内燃機関を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の超膨張４行程内燃機関のデューティサークルを示す図である。
【図３】図３は、本発明の超膨張４行程内燃機関の弁タイミングを示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の超膨張４行程内燃機関の可変圧縮度／定容レベル補償手段を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の超膨張４行程内燃機関の可変圧縮度／定容レベル補償手段の補償カムの作業段階の概略図である。
【図６】図６は、本発明の超膨張４行程内燃機関の冷却水ジャケットおよび断熱手段の配分を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１・・・シリンダ
２・・・ピストン
３・・・吸気弁
４・・・排気弁
５・・・燃焼室
６・・・冷却水ジャケット
７・・・断熱手段
８・・・補償室
９・・・補償ピストン
１０・・・戻りばね
１１・・・補償カム
Ｖ・・・シリンダの作業容量
Ｖ2・・・進入空間
Ｖ1・・・燃焼室容量
Ｓ・・・上死点
Ｘ・・・下死点
α・・・吸気弁３の開放角度（吸気進行角度）
α1・・・吸気弁３の閉鎖角度
β・・・排気弁４の開放角度（排気進行角度）
β1・・・排気弁４の閉鎖角度
δ1・・・補償ピストンが上昇し始める角度
δ2・・・補償ピストンが下降し始める角度
【図１】
2008500481.tif 000004
【図２】
2008500481.tif 000005
【図３】
2008500481.tif 000006
【図４】
2008500481.tif 000007
【図５】
2008500481.tif 000008
【図６】
2008500481.tif 000009
【国際調査報告】
2008500481.tif 000010
2008500481.tif 000011
2008500481.tif 000012
2008500481.tif 000013