(57)【要約】  本発明は、膨張／動力シリンダー内での燃料分配、及び点火栓周りの空燃比を改善するために、分割サイクルエンジンの膨張ピストンの頂部（又は冠部）に凹部を設けた。
2011528087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフト軸線(１７)の回りに回転可能なクランクシャフト(１６)、
中心軸線(６２)を含む膨張シリンダー(１４)、
該膨張シリンダー(１４)内に摺動可能に収容された膨張ピストン(３０)であって、クランクシャフト(１６)の単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフト(１６)に作用的に連結され、頂表面(５０)及び外周部(７４)を含んでいる膨張ピストン（３０）、
シリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)が膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に面するように膨張シリンダー(１４)を覆って配置されたシリンダーヘッド(３３)であって、そこに配置されたクロスオーバー通路の出口(２７)及び排気ポートの入口(５３)を含み、排気ポートの入口(５３)及びクロスオーバー通路の出口(２７)の各々が膨張シリンダー（１４）に近接しているシリンダーヘッド(３３)、
高圧ガス源(１２/２０)を、クロスオーバー通路の出口(２７)を経由して膨張シリンダー(１４)に連結しているクロスオーバー通路(２２)、
クロスオーバー通路の出口(２７)に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrEバルブ)(２６)であって、膨張ストロークの一部分の間にクロスオーバー通路(２２)と膨張シリンダー(１４)との間の流体の連通を許容すべく作用可能なXovrEバルブ(２６)、
排気ポート入口(５３)に配置された排気バルブ(３４)であって、排気ストロークの一部分の間に排気ポート入口(３１)を経由しての膨張シリンダー（１４）への、又は膨張シリンダー（１４）からの流体の連通を許容すべく作用可能な排気バルブ(３４)、
膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に配置された凹部(６０)であって、底表面(６４)を含む凹部(６０)、
膨張ピストン(３０)がその上死点(ＴＤＣ)位置にあるとき、膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)とシリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である膨張ピストンクリアランス(８０)、
凹部(６０)の底表面(６４)と膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である凹部深さ(８２)、
膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積に対する、膨張ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積の比である膨張比、を備え、
凹部(６０)の一部分がクロスオーバー通路出口(２７)の一部分に重なり、
排気ポート入口(３１)の一部分は凹部(６０)の如何なる部分にも重ならず、及び
凹部深さ(８２)が膨張ピストンクリアランス(８０)の１.０ないし３.０倍の間であることを特徴とするエンジン（１０）。
【請求項２】
膨張比が、少なくとも２０対１、好ましくは少なくとも３０対１、及びより好ましくは少なくとも４０対１であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項３】
エンジン(１０)は、膨張ピストン(３０)がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向けて下降している間、好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２５度の回転の間、より好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２０度の回転の間に、膨張シリンダー(１４)内において燃焼事象を開始すべく運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項４】
凹部(６０)の部分は、排気ポート入口(３１)の如何なる部分にも重なっていないことを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項５】
凹部(６０)の部分は、少なくとも１つの着火装置(３２)、好ましくは、少なくとも２つの着火装置(３２)に重なっていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項６】
凹部深さ(８２)は、膨張ピストンクリアランス(８０)の２.０ないし３.０倍であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項７】
排気ポート入口(３１)の全面積の２０%以下、好ましくは、１０%以下が凹部(６０)に重なっていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン(１０)。
【請求項８】
クランクシャフト軸線(１７)の回りに回転可能なクランクシャフト(１６)、
中心軸線(６２)を含む膨張シリンダー(１４)、
該膨張シリンダー(１４)内に摺動可能に収容された膨張ピストン(３０)であって、クランクシャフト(１６)の単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフト(１６)に作用的に連結され、頂表面(５０)及び外周部(７４)を含んでいる膨張ピストン（３０）、
シリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)が膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に面するように膨張シリンダー(１４)を覆って配置されたシリンダーヘッド(３３)であって、そこに配置されたクロスオーバー通路の出口(２７)及び排気ポートの入口(５３)を含み、排気ポートの入口(５３)及びクロスオーバー通路の出口(２７)の各々が膨張シリンダー（１４）に近接しているシリンダーヘッド(３３)、
高圧ガス源(１２/２０)を、クロスオーバー通路の出口(２７)を経由して膨張シリンダー(１４)に連結しているクロスオーバー通路(２２)、
クロスオーバー通路の出口(２７)に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrEバルブ)(２６)であって、膨張ストロークの一部分の間にクロスオーバー通路(２２)と膨張シリンダー(１４)との間の流体の連通を許容すべく作用可能なXovrEバルブ(２６)、
排気ポート入口(５３)に配置された排気バルブ(３４)であって、排気ストロークの一部分の間に排気ポート入口(３１)を経由しての膨張シリンダー（１４）への、又は膨張シリンダー（１４）からの流体の連通を許容すべく作用可能な排気バルブ(３４)、
膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に配置された凹部(６０)であって、底表面(６４)を含む凹部(６０)、
膨張ピストン(３０)がその上死点(ＴＤＣ)位置にあるとき、膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)とシリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である膨張ピストンクリアランス(８０)、
凹部(６０)の底表面(６４)と膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である凹部深さ(８２)、
膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積に対する、膨張ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積の比である膨張比、を備え、
膨張比が少なくとも２０対１であり、及び
凹部深さ(８２)が膨張ピストンクリアランス(８０)と等しいか、またはより大きいことを特徴とするエンジン（１０）。
【請求項９】
凹部(６０)の一部分がクロスオーバー通路出口(２７)の一部分に重なり、かつ
排気ポート入口(３１)の一部分は凹部(６０)の如何なる部分にも重なっていないことを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１０】
凹部深さ(８２)は、膨張ピストンクリアランス(８０)の１.０ないし３.０倍、好ましくは、２.０ないし３.０倍の間であることを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１１】
膨張比は、少なくとも３０対１、好ましくは、少なくとも４０対１であることを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１２】
エンジン(１０)は、膨張ピストン(３０)がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向けて下降している間、好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２０度の回転の間に、膨張シリンダー(１４)内において燃焼事象を開始すべく運転可能であることを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１３】
凹部(６０)の部分は、排気ポート入口(３１)の如何なる部分にも重なっていないことを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１４】
凹部(６０)の部分は、少なくとも１つの着火装置(３２)、好ましくは、少なくとも２つの着火装置(３２)に重なっていることを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【請求項１５】
排気ポート入口(３１)の全面積の２０%以下、好ましくは、１０%以下が凹部(６０)に重なっていることを特徴とする請求項８に記載のエンジン(１０)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ピストンの頂部の凹部に関する。より詳しくは、本発明は、分割サイクルエンジンの膨張ピストン頂部の三日月形凹部に関する。
【背景技術】
【０００２】
明確化の目的のために、本出願で用いられるとき、用語「従来のエンジン」とは、周知のオットーサイクルの全ての４つのストローク(すなわち、吸気、圧縮、膨張及び排気のストローク)が、エンジンのピストン/シリンダーの組み合わせの各々に包含されている内燃機関を意味している。各ストロークはクランクシャフトの半回転(１８０度のクランク角(ＣＡ))を要し、そして、従来のエンジンの各シリンダーで全オットーサイクルを完遂するにはクランクシャフトの完全な２回転(７２０度ＣＡ)が必要である。
【０００３】
また、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願に言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供される。
【０００４】
分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張(動力)ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含むクロスオーバー通路、
を備えている。
【０００５】
２００３年４月８日にCarmelo J. Scuderiに許可された特許文献１（Scuderi特許）及び２００５年１０月１１日にDavid P. Branyon 他に許可された特許文献２(Branyon特許)は、それぞれ、分割サイクル及び同様なタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を含んでいる。加えて、特許文献１及び２は、さらなる開発から成る本発明のエンジンの先行バージョンの詳細を開示している。これらの全体は参照によってここに組み入れられている。
【０００６】
図１を参照するに、特許文献１及び特許文献２に記載されたのと同じ形式の先行技術の分割サイクルエンジンが、概して、番号８によって示されている。分割サイクルエンジン８は、従来のエンジンの２つの隣接するシリンダーを１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組み合わせに置き換えている。シリンダーヘッド３３が、これらシリンダーを覆いシールすべく、膨張及び圧縮シリンダー１２、１４の開口端部上に一般に配置されている。
【０００７】
オットーサイクルの４つのストロークは、圧縮シリンダー１２がその関連する圧縮ピストン２０と共に、吸気及び圧縮ストロークを遂行し、膨張シリンダー１４がその関連する膨張ピストン３０と共に、膨張及び排気ストロークを遂行するように、２つのシリンダー１２及び１４に亘って「分割」されている。したがって、オットーサイクルは、クランクシャフト１６のクランクシャフト軸線１７回りの１回転(３６０度ＣＡ)に１回、これらの２つのシリンダー１２、１４によって完成される。
【０００８】
吸気ストロークの間、吸入空気はシリンダーヘッド３３に配置された吸気ポート１９を介して圧縮シリンダー１２に吸込まれる。内開き(シリンダー内方に向けて開く)のポペット型吸気バルブ１８が吸気ポート１９と圧縮シリンダー１２との間の流体の連通を制御する。
【０００９】
圧縮ストロークの間、圧縮ピストン２０は充填空気を加圧し、そして、該充填空気を典型的にはシリンダーヘッド３３に配置されているクロスオーバー通路(又はポート)２２に押し出す。このことは、圧縮シリンダー１２及び圧縮ピストン２０はクロスオーバー通路２２に対する高圧ガス源であり、クロスオーバー通路２２は膨張シリンダー１４のための吸気通路として作用することを意味する。ある実施形態では、２つ以上のクロスオーバー通路２２が、圧縮シリンダー１２と膨張シリンダー１４とを相互に接続する。
【００１０】
分割サイクルエンジン８(及び分割サイクルエンジン一般について)の圧縮シリンダー１２の容積測定の圧縮比が、ここで、分割サイクルエンジンの「圧縮比」と称される。分割サイクルエンジン８(及び分割サイクルエンジン一般について)の膨張シリンダー１４の容積測定の圧縮比が、ここで、分割サイクルエンジンの「膨張比」と称される。シリンダーの容積測定の圧縮比は、シリンダー内を往復するピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置にあるときにシリンダー内に囲繞される容積(すなわち、クリアランス容積)に対し、前記ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときにシリンダー(全ての凹部を含む)内に囲繞（捕捉）される容積の比として、この技術分野では周知である。特に分割サイクルエンジンのためにここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は、XovrCバルブが閉じられているときに決定される。同じく、特に分割サイクルエンジンのためにここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比はXovrEバルブが閉じられているときに決定される。
【００１１】
極めて高い圧縮比(例えば、４０対１、８０対１又はそれ以上)の故に、圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への流れを制御するために、外開き(シリンダーから外方に離れて開く)ポペット型クロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４がクロスオーバー通路の入口２５に用いられている。極めて高い膨張比(例えば、４０対１、８０対１又はそれ以上)の故に、クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への流れを制御するために、外開きのポペット型クロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６がクロスオーバー通路２２の出口２７に用いられている。より詳細に論じられるように、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６の作動の割合及び位相は、オットーサイクルの４つのストロークの全ての間にクロスオーバー通路２２内の圧力を高い最小圧力(典型的には全負荷運転中２０ bar（＝１０５Pa)以上の絶対圧)に維持するべく、タイミング付けられている。
【００１２】
少なくとも１つの燃料インジェクター２８が、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する少し前に起こるXovrEバルブ２６の開きに合わせて、クロスオーバー通路２２の出口端部において加圧された空気に燃料を噴射する。
【００１３】
空気/燃料の充填は、ある運転状態の下ではＴＤＣの僅か前に入ろうとし始めるけれども、通常、膨張ピストン３０がその上死点(ＴＤＣ)位置に到達した少し後に膨張シリンダー１４に入る。ピストン３０がその上死点位置からその下降を開始したとき、かつ、XovrEバルブ２６がまだ開いている間に、シリンダー１４内に突出している点火栓先端３９を含む点火栓３２が点火栓先端３９の周りの領域で燃焼を開始すべく点火される。燃焼は、膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１ないし３０度ＣＡの間で開始され得る。より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて５ないし２５度ＣＡの間で開始されてもよい。さらに、より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１０ないし２５度ＣＡの間で開始されてもよい。最も好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１０ないし２０度ＣＡの間で開始されてもよい。加えて、燃焼は、グロープラグ、マイクロ波着火装置又は他の圧縮着火方法によるような、他の着火装置及び／又は方法によって開始され得る。
【００１４】
XovrEバルブ２６は、燃焼が開始された後で結果としての燃焼事象がクロスオーバー通路２２に入ることができる前に閉じられる。燃焼事象は、動力ストロークにおいて膨張ピストン３０を下方に押し下げる。
【００１５】
排気ストロークの間、排気ガスは、シリンダーヘッド３３に配置された排気ポート３５を介して膨張シリンダー１４外に排出される。排気ポート３５の入口３１に配置されている内開きのポペット型排気バルブ３４が、膨張シリンダー１４と排気ポート３５の間の流体の連通を制御する。排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２から分離されている。すなわち、排気バルブ３４及び排気ポート３５はクロスオーバー通路２２と連絡していない。
【００１６】
分割サイクルエンジンのコンセプトによれば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の幾何学的エンジンパラメーター(すなわち、ボア、ストローク、コネクティングロッド長さ、容積測定の圧縮比等)は、一般に、互いから独立している。例えば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４のためのクランクスロー３６、３８は、それぞれ、異なる半径を有し、膨張ピストン３０の上死点(ＴＤＣ)が圧縮ピストン２０のＴＤＣより前に起こるように、互いから離れて位相付けられてもよい。この独立性は、分割サイクルエンジン８が典型的な４ストロークエンジンよりも、より高い効率レベルと、より大きなトルクとを潜在的に達成することを可能にしている。
【００１７】
分割サイクルエンジン８におけるエンジンパラメーターの幾何学的独立性はまた、前に論じたように、何故に圧力がクロスオーバー通路２２内に維持され得るのかの主な理由の１つである。具体的には、膨張ピストン３０は、控えめな位相角(典型的には、１０ないし３０度ＣＡ)によって、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する前に、その上死点位置に到達する。この位相角は、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６の適切なタイミングに伴って、分割サイクルエンジン８がその圧力/容積サイクルの４つのストロークの全ての間に、クロスオーバー通路２２内に高い最小圧力(全負荷運転中に、典型的には２０ bar（＝１０５Pa)以上の絶対圧)の圧力を維持することを可能にしている。すなわち、分割サイクルエンジン８は、XovrCバルブ及びXovrEバルブの両者が、膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向って下降し、そして、圧縮ピストン２０が同時にそのＢＤＣ位置からそのＴＤＣ位置に向って上昇している間の実質的な期間(すなわち、クランクシャフトの回転期間)に亘り開くように、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６とをタイミング付けるべく作動可能である。クロスオーバーバルブ２４及び２６の両者が開いているこの期間(すなわち、クランクシャフトの回転)の間、(１)圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２へ、及び(２)クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へ、ほぼ等しいガス質量が移送される。したがって、この期間の間、クロスオーバー通路内の圧力は所定の最小圧力(全負荷運転の間、典型的には２０、３０、又は４０ bar（＝１０５Pa)の絶対圧)以下に低下するのが防止される。さらに、吸気ストローク及び排気ストロークの実質的な部分(典型的には、吸気ストローク及び排気ストローク全体の９０%以上)の間には、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６は両者とも、クロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量を実質的に一定のレベルに維持すべく閉じられている。結果として、クロスオーバー通路２２の圧力は、エンジンの圧力/容積サイクルの４つのストロークの全ての間に所定の最小圧力に維持される。
【００１８】
ここでの目的のため、クロスオーバー通路２２に、及びそれからほぼ等しいガス質量を同時に移送するために、膨張ピストン３０がＴＤＣから下降し、かつ、圧縮ピストン２０がＴＤＣに向って上昇している間にXovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６を開く方法は、ここでプッシュ‐プルガス移送方法と称される。分割サイクルエンジン８のクロスオーバー通路２２内の圧力が、エンジンが全負荷で作動しているとき、エンジンのサイクルの４つのストロークの全ての間に、典型的には２０ bar（＝１０５Pa)以上に維持されるのを可能にするのがプッシュ‐プル方法である。
【００１９】
前に論じたように、排気バルブ３４は、クロスオーバー通路２２から分離されて、シリンダーヘッド３３の排気ポート３５内に配置されている。排気ストローク中にクロスオーバー通路２２内に捕捉されたガス質量を維持するためには、排気バルブ３４の構造的な配列がクロスオーバー通路２２内に配置されずに、そしてそれ故に、排気ポート３５がクロスオーバー通路２２と共通の部分を共有しないことが好ましい。したがって、クロスオーバー通路内の圧力を所定の最小圧力以下に下げるべく作用するかもしれない大きな周期的な圧力低下が防止される。
【００２０】
圧縮シリンダー１２内の高い圧縮比及び膨張シリンダー１４内の高い膨張比は、とりわけ、頂部が平たい圧縮ピストン２０及び頂部が平たい膨張ピストン３０をそれぞれ用いて達成される。すなわち、先行技術の分割サイクルエンジンでは、圧縮ピストン２０及び膨張ピストン３０の各々の頂部(すなわち、頂表面)、(すなわち、シリンダーヘッド３３に向けて面する概ね円形の側)はほぼ平坦な表面である。シリンダーヘッド３３はまた、典型的には、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の各々に面する平たい底表面(すなわち、圧縮及び膨張ピストンの頂表面に向けて面するシリンダーヘッド３３の表面)を有しており、その結果、これらのシリンダーの容積は、ピストン２０、３０がそれぞれの上死点(ＴＤＣ)位置にあるとき、最小にされる。
【００２１】
XovrEバルブ２６は、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する少し前に開く。この時点では、クロスオーバー通路内の最小圧力が、典型的には、２０ bar（＝１０５Pa)以上の絶対圧であり、排気ストローク中の膨張シリンダー内の圧力は、典型的には、約１から２bar（＝１０５Pa)の絶対圧であるという事実の故に、膨張シリンダー１４内の圧力に対するクロスオーバー通路２２内の圧力の比は高い。換言すると、XovrEバルブ２６が開くとき、クロスオーバー通路２２内の圧力は膨張シリンダー１４内の圧力よりも実質的に高い(典型的には、２０対１より大きなオーダーである)。この高い圧力比が、空気及び／又は燃料充填の膨張シリンダー１４への高速での流れの初期流れを生じさせる。これらの高い流れ速度は、音速流と称される音の速度に達することができる。この音速流は、分割サイクルエンジン８にとって特に有利である。というのも、それは、膨張ピストン３０がその上死点位置から下降している間に着火が開始されたとしても、分割サイクルエンジン８が高い燃焼圧力を維持することを可能にする、急速な燃焼事象を生じさせるからである。
【００２２】
しかしながら、膨張シリンダー１４への高速(及び、部分的に音速)の流れは、膨張ピストン３０の頂表面を横断して空気/燃料の充填を移動させる、圧力波を創造する。該圧力波は、膨張シリンダー１４の壁又はその近傍に圧力及び／又は温度のピークを生じさせ得る。圧力及び／又は温度におけるこのピークは、火花点火の前の空気/燃料の充填の早期デトネーション(すなわち、早期着火)を引き起こすような悪影響を及ぼし得る。早期着火の危険性は、仮に、圧力波が排気バルブ３４の近くで最大になると悪化される。というのも、排気バルブ３４は膨張シリンダー１４内で最も熱い表面の１つを有しているからである。したがって、分割サイクルエンジンにおいて、圧力及び／又は温度におけるピークが早期着火を生じさせないように、圧力波によって運ばれる空気/燃料の充填を案内する必要性が存する。
【００２３】
図２を参照するに、分割サイクルエンジン８の膨張ピストン３０がほぼその上死点位置にあるときの、XovrEバルブ２６の位置が図示されている。XovrEバルブ２６は概してディスク形状のバルブヘッド４０を含み、それから概して円柱状のバルブヘッドステム４１が外方に延びている。ピストン３０がＴＤＣ位置に到達するとき、XovrEバルブ２６のヘッド４０はシリンダーヘッド３３内でその閉鎖(すなわち、着座)位置の上方に上昇される。カーテン領域４２及び４４は、流体が流れることができる局部的な最小断面積である。換言すると、カーテン領域４２及び４４は、膨張ピストン３０がその上死点位置又はその近傍にあるとき、クロスオーバー通路２２と膨張シリンダー１４との間で、空気/燃料の流れにとって最も潜在的に制限された領域である。
【００２４】
クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へ流れる空気/燃料の充填は、XovrEバルブ２６のヘッド４０とシリンダーヘッド３３の間の截頭円錐形状(以後、「截頭円錐」形)のカーテン領域４２を通過しなければならない。クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へ流れる空気/燃料の充填の多くはまた、膨張ピストン３０とシリンダーヘッド３３との間の円柱形状のカーテン領域４４を通過しなければならない。截頭円錐形のカーテン領域４２とクロスオーバー通路２２の出口２７との間の領域は、XovrEバルブ２６のバルブポケット４６として知られている。もっと正確に言えば、バルブポケット４６は、XovrEバルブ２６のヘッド４０、シリンダーヘッド３３、截頭円錐形のカーテン領域４２、及びクロスオーバー通路２２の出口２７によって境界された領域である。
【００２５】
膨張ピストン３０がその上死点位置又はその近傍にあるとき、膨張ピストンのクリアランス４８(すなわち、膨張ピストン３０の頂表面５０と膨張シリンダー１４の内部に面しているシリンダーヘッド３３の底表面(すなわち、火炎デッキ)５２との間のクリアランス深さ)は、極めて小さい(例えば、１.０、０.９、０.８、０.７、又は０.６ミリメーター以下)。XovrEバルブ２６がその着座位置から離れて開く距離は、XovrEバルブ２６のバルブリフトとして知られている。とりわけ、膨張ピストンのクリアランス４８はXorvEバルブ２６のリフトに匹敵し、又はそれより小さくもある。このことは、円柱状のカーテン領域４４が截頭円錐形のカーテン領域４２に面積において匹敵し、又はそれより小さくもあることを意味する。かかる小さな円柱状のカーテン領域４４は、実質的な圧力低下及び流れの減少を生じさせ得る。換言すると、円柱状のカーテン領域４４が截頭円錐形のカーテン領域４２に面積において匹敵するときは、円柱状のカーテン領域４４は妥当な時間的制約内に妥当な量の空気/燃料の充填が膨張シリンダー１４に入るのを妨げ得る。この状況は、円柱状のカーテン領域４４が截頭円錐形のカーテン領域４２よりも小さいときに顕著である。というのも、この場合、円柱状のカーテン領域４４は、膨張ピストン３０が上死点又はその近傍にあるとき、クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への空気/燃料の流れにおいて最も制限された面積であるからである。
【００２６】
上述の圧力低下及び／又は流れにおける減少は、それらがエンジン効率を低下させるという点において問題である。したがって、大きくすることから得られる効率の増加が膨張シリンダーの結果としての膨張比の減少によって生じる効率の損失よりも大きい限り、分割サイクルエンジンの膨張ピストンとシリンダーヘッドとの間に形成されるカーテン領域４４の大きさを増大させる必要性が存する。
【００２７】
XovrEバルブ２６は、通常、１８０ないし２２０度ＣＡ内でバルブを作動させている、従来のエンジンの期間に比べて極めて短い期間のクランクシャフト１６の回転(概して、約３０ないし６０度ＣＡの範囲内)で空気/燃料の充填を十分に移送させるべく、十分なリフトを達成しなければならない。このことは、XovrEバルブ２６が、従来のエンジンのバルブよりも約４ないし６倍の速さで作動しなければならないことを意味する。燃料は、XovrEバルブ２６の作動のタイミングに同期して、クロスオーバー通路２２の出口端部内に噴射される。点火栓３２が、その後すぐに燃焼を開始させるべく点火される(好ましくは、膨張ピストン３０の上死点後１ないし３０度ＣＡの間、より好ましくは、膨張ピストン３０の上死点後５ないし２５度ＣＡの間、最も好ましくは、膨張ピストン３０の上死点後１０ないし２０度ＣＡの間)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】米国特許第６，５４３，２２５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９５２，９２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
上述の制約を前提とすると、空気/燃料の混合及び膨張シリンダー１４全体の分配は、極めて短い時間(又は、クランクシャフト回転)内に起こらねばならない。膨張シリンダー１４全体への燃料の適切な分配、及び点火栓(複数)３２を覆う最適な空燃比が、改善された着火、及び燃やされる可能な燃料をより多くすることに帰すべきである。したがって、分割サイクルエンジンにおいて、燃料を膨張シリンダーの全体に亘り適切に分配し、かつ、点火栓を覆う空燃比を改善すべく、燃料分配を案内する必要性が存する。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、分割サイクルエンジンにおける上述の圧力波の案内及び燃料分配の案内の課題への解決方法を提供し、膨張ピストンとシリンダーヘッドの間のカーテン領域の大きさを増大させる。より詳しくは、本発明は、分割サイクルエンジンの膨張ピストンの頂部に凹部を設けることによってこれらの課題を解決している。
【００３１】
これらの、及び他の利点は、本発明の例示的な実施形態において、下記のエンジン(１０)の提供によって達成されている。このエンジン(１０)は、
クランクシャフト軸線(１７)の回りに回転可能なクランクシャフト(１６)、
中心軸線(６２)を含む膨張シリンダー(１４)、
該膨張シリンダー(１４)内に摺動可能に収容された膨張ピストン(３０)であって、クランクシャフト(１６)の単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフト(１６)に作用的に連結され、頂表面(５０)及び外周部(７４)を含んでいる膨張ピストン（３０）、
シリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)が膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に面するように膨張シリンダー(１４)を覆って配置されたシリンダーヘッド(３３)であって、そこに配置されたクロスオーバー通路の出口(２７)及び排気ポートの入口(５３)を含み、排気ポートの入口(５３)及びクロスオーバー通路の出口(２７)の各々が膨張シリンダー（１４）に近接しているシリンダーヘッド(３３)、
高圧ガス源(１２/２０)を、クロスオーバー通路の出口(２７)を経由して膨張シリンダー(１４)に連結しているクロスオーバー通路(２２)、
クロスオーバー通路の出口(２７)に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrEバルブ)(２６)であって、膨張ストロークの一部分の間にクロスオーバー通路(２２)と膨張シリンダー(１４)との間の流体の連通を許容すべく作用可能なXovrEバルブ(２６)、
排気ポート入口(５３)に配置された排気バルブ(３４)であって、排気ストロークの一部分の間に排気ポート入口(３１)を経由しての膨張シリンダー（１４）への、又は膨張シリンダー（１４）からの流体の連通を許容すべく作用可能な排気バルブ(３４)、
膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に配置された凹部(６０)であって、底表面(６４)を含む凹部(６０)、
膨張ピストン(３０)がその上死点(ＴＤＣ)位置にあるとき、膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)とシリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である膨張ピストンクリアランス(８０)、
凹部(６０)の底表面(６４)と膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である凹部深さ(８２)、
膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積に対する、膨張ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積の比である膨張比、を備え、
凹部(６０)の一部分がクロスオーバー通路出口(２７)の一部分に重なり、
排気ポート入口(３１)の一部分は凹部(６０)の如何なる部分にも重ならず、及び
凹部深さ(８２)が膨張ピストンクリアランス(８０)の１.０ないし３.０倍の間であることを特徴とする。
【００３２】
膨張比は、少なくとも２０対１、好ましくは少なくとも３０対１、及びより好ましくは少なくとも４０対１であってもよい。エンジン(１０)は、膨張ピストン(３０)がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向けて下降している間、好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２５度の回転の間、より好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２０度の回転の間に、膨張シリンダー(１４)内において燃焼事象を開始すべく運転可能であってもよい。凹部(６０)の部分は、排気ポート入口(３１)の如何なる部分にも重なっていなくてもよい。凹部(６０)の部分は、少なくとも１つの着火装置(３２)、好ましくは、少なくとも２つの着火装置(３２)に重なっていてもよい。凹部深さ(８２)は、膨張ピストンクリアランス(８０)の２.０ないし３.０倍であってもよい。排気ポート入口(３１)の全面積の２０%以下、好ましくは、１０%以下が凹部(６０)に重なっていてもよい。
【００３３】
本発明の他の例示的実施形態では、エンジン（１０）が、
クランクシャフト軸線(１７)の回りに回転可能なクランクシャフト(１６)、
中心軸線(６２)を含む膨張シリンダー(１４)、
該膨張シリンダー(１４)内に摺動可能に収容された膨張ピストン(３０)であって、クランクシャフト(１６)の単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフト(１６)に作用的に連結され、頂表面(５０)及び外周部(７４)を含んでいる膨張ピストン（３０）、
シリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)が膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に面するように膨張シリンダー(１４)を覆って配置されたシリンダーヘッド(３３)であって、そこに配置されたクロスオーバー通路の出口(２７)及び排気ポートの入口(５３)を含み、排気ポートの入口(５３)及びクロスオーバー通路の出口(２７)の各々が膨張シリンダー（１４）に近接しているシリンダーヘッド(３３)、
高圧ガス源(１２/２０)を、クロスオーバー通路の出口(２７)を経由して膨張シリンダー(１４)に連結しているクロスオーバー通路(２２)、
クロスオーバー通路の出口(２７)に配置されたクロスオーバー膨張バルブ(XovrEバルブ)(２６)であって、膨張ストロークの一部分の間にクロスオーバー通路(２２)と膨張シリンダー(１４)との間の流体の連通を許容すべく作用可能なXovrEバルブ(２６)、
排気ポート入口(５３)に配置された排気バルブ(３４)であって、排気ストロークの一部分の間に排気ポート入口(３１)を経由しての膨張シリンダー（１４）への、又は膨張シリンダー（１４）からの流体の連通を許容すべく作用可能な排気バルブ(３４)、
膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)に配置された凹部(６０)であって、底表面(６４)を含む凹部(６０)、
膨張ピストン(３０)がその上死点(ＴＤＣ)位置にあるとき、膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)とシリンダーヘッド(３３)の底表面(５２)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である膨張ピストンクリアランス(８０)、
凹部(６０)の底表面(６４)と膨張ピストン(３０)の頂表面(５０)との間で、中心軸線(６２)に平行な線に沿って最短距離である凹部深さ(８２)、
膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積に対する、膨張ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときに膨張シリンダー内に囲まれる容積の比である膨張比、を備え、
膨張比が少なくとも２０対１であり、及び
凹部深さ(８２)が膨張ピストンクリアランス(８０)と等しいか、またはより大きいことを特徴とする。
【００３４】
凹部(６０)の一部分がクロスオーバー通路出口(２７)の一部分に重なり、かつ排気ポート入口(３１)の一部分は凹部(６０)の如何なる部分にも重なっていなくてもよい。凹部深さ(８２)は、膨張ピストンクリアランス(８０)の１.０ないし３.０倍、好ましくは、２.０ないし３.０倍の間であってもよい。膨張比は、少なくとも３０対１、好ましくは、少なくとも４０対１であってもよい。エンジン(１０)は、膨張ピストン(３０)がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向けて下降している間、好ましくは、膨張ピストン(３０)のＴＤＣ位置を過ぎてのクランクシャフト(１６)の１０ないし２０度の回転の間に、膨張シリンダー(１４)内において燃焼事象を開始すべく運転可能であってもよい。凹部(６０)の部分は、排気ポート入口(３１)の如何なる部分にも重なっていなくてもよい。凹部(６０)の部分は、少なくとも１つの着火装置(３２)、好ましくは、少なくとも２つの着火装置(３２)に重なっていてもよい。排気ポート入口(３１)の全面積の２０%以下、好ましくは、１０%以下が凹部(６０)に重なっていてもよい。
【００３５】
本発明のこれらの及び他の利点は、添付の図面と共になされる以下の本発明の詳細な説明からより十分に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】先行技術の分割サイクルエンジンの例示的実施形態の断面図である。
【図２】膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置にあるときのクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)の断面図である。
【図３】本発明による分割サイクルエンジンの膨張シリンダーの一部切り欠き斜視図である。
【図４】分割サイクルエンジンの膨張シリンダーの中心軸線に直交する投影面への図３の分割サイクルエンジンの構成要素の正投影図である。
【図５】図３の分割サイクルエンジンの膨張シリンダーの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図３、４及び５は、本発明による分割サイクルエンジン１０の例示的実施形態の種々の図又は投影図である。分割サイクルエンジン１０は、図１及び２に示され、かつ説明された先行技術の分割サイクルエンジン８に類似している。したがって、分割サイクルエンジン８及び１０の間の比較の目的のために、同一の参照番号は同一の構成要素を表わしている。
【００３８】
例示的な分割サイクルエンジン１０は、本発明に従い、膨張ピストン３０の頂表面５０に配置された革新的な凹部６０を含んでいる。ここに、より詳細に論じられるように、凹部６０は、クロスオーバー通路(複数)２２から膨張シリンダー１４への流れを、両者間の流れの制約を解除することによって、促進する。さらに、凹部６０は空気/燃料の混合気をほぼ点火栓(複数)３２の方向に案内し、及び空気/燃料の混合気の流れを排気バルブ３４から、かつ膨張シリンダー１４のシリンダー壁から実質的に離して向ける。加えて、凹部６０は、結果としての促進された流れの利益を上回るに十分な膨張比を減少させることなく、膨張ピストン３０とシリンダーヘッド３３との間に形成される円柱状のカーテン領域４４を増大させる。
【００３９】
図３は、例示的分割サイクルエンジン１０の膨張シリンダーの一部切り欠き斜視図である。分割サイクルエンジン１０は、２つのクロスオーバー通路２２を含んでいる。２つのクロスオーバー通路２２の各々は、クロスオーバー通路入口２５(図１に最もよく見られる)を介しての圧縮シリンダー１２(図１に最もよく見られる)とクロスオーバー通路２２の間の流体の連通を制御する、図１に見られる形式のXovrCバルブ２４を含んでいる。２つのクロスオーバー通路２２の各々はさらに、クロスオーバー通路出口２７を介してのクロスオーバー通路２２と膨張シリンダー１４との間の流体の連通を制御するXovrEバルブ２６を含んでいる。２つのXovrEバルブ２６の各々は、バルブヘッド４０及びバルブステム４１を含んでいる。
【００４０】
分割サイクルエンジン１０は、一対の着火装置(この場合、点火栓)３２をさらに含み、各々はシリンダーヘッド３３に配置されている。着火装置３２の各々は、膨張シリンダー１４内に延び、燃焼プロセスを開始させるに必要なエネルギーを発生する着火装置先端３９を含んでいる。もっと正確に言えば、この場合、点火栓先端３９は、典型的に、１つ以上の側部(すなわち、接地)電極を含んでいる。点火栓先端３９は、典型的には、燃焼事象を開始させるために電子を放出すべく設計された中心電極４３(図４に最もよく見られる)(陰極)をさらに含んでいる。代替の実施形態は、点火栓３２以外の着火方法又は装置を利用することができる。例えば、代替の実施形態は、例えば、グロープラグ、マイクロ波着火装置、ディーゼル燃焼用の圧縮着火方法(そこでは、着火装置は必要とされない)、又は他の適切な着火方法又は装置を利用することができる。
【００４１】
シリンダーヘッド３３は、単一の排気ポート３５を含み、排気バルブ３４がこの単一の排気ポート３５の入口３１内に配置されている。概ね三日月形の凹部６０が膨張ピストン３０の頂表面５０に配置されている。膨張シリンダー１４の中心軸線６２が膨張シリンダー１４の中心を通って垂直に延在し、及びこれは膨張ピストン３０が往復動する作動線である。
【００４２】
図４は、膨張シリンダー１４の中心軸線６２に直交する投影面への、分割サイクルエンジン１０の構成要素の正投影図である。例示的実施形態では、かかる投影面が膨張ピストン３０の頂表面５０に平行又は実質的に平行である。
【００４３】
凹部６０は、概して中心軸線６２に直交する平面に沿って存する底表面６４を含んでいる。凹部６０は、垂直方向に延在する壁６８(図５に最もよく見られる)を含んでいる。凹部６０は、底表面６４及び垂直方向に延在する壁６８を一体に連結する湾曲した移行部６６(図５に最もよく見られる)を含んでいる。垂直方向に延在する壁６８は、凹形のエッジ部７０及び凸形のエッジ部７２を含んでいる。
【００４４】
頂表面５０は、典型的には、平坦であり、膨張シリンダー１４の中心軸線６２にほぼ直交する平面に沿って存する。頂表面５０は、概して円形の外周部７４を含んでいる。頂表面５０はさらに、(１)頂表面５０の外周部７４と(２)凹部６０の壁６８の凸形のエッジ部７２との間に配置された境界領域７６を含んでいる。
【００４５】
ここでの目的のために、第１の構成要素、例えば、凹部、出口、通路、表面、周辺部、境界領域、エッジ部、移行部、壁、バルブ、点火栓、ピストン等(又はその部分)と、第２の構成要素(又はその部分)とは、当該第１の構成要素(又はその部分)及び当該第２の構成要素(又はその部分)が上述の投影面で同じ座標を共有するときは、重なり合う。その結果として、図４は、互いに重なり合う、分割サイクルエンジン１０の構成要素(又はその部分)を詳しく示している。
【００４６】
各クロスオーバー通路２２のクロスオーバー通路出口２７の部分は、凹部６０の部分に重なっている。より詳しくは、出口２７の部分は、底表面６４、移行部６６、及び壁６８の各々の部分に重なっている。各クロスオーバー通路２２の出口２７の部分はまた、頂表面５０の部分に重なっている。より詳しくは、各出口２７の部分は頂表面５０の境界領域７６の部分に重なっている。
【００４７】
排気ポート３５の入口３１は膨張ピストン３０の頂表面５０の部分に重なっている。しかしながら、入口３１の部分は凹部６０の如何なる部分にも重なっていない。代替の実施形態では、凹部６０の部分と入口３１の部分との間にある小量の重なりが許されるかもしれない。排気ポート３５の入口３１の全面積の例えば、２５%、２０%、１５%、１０%、又はそれ以下が、凹部６０に重なることが許されるかもしれない。しかしながら、かかる代替の実施形態において、当業者は、入口３１(典型的には、排気バルブ３５の中心及び／又は入口３１の中心)に配置された排気バルブ３５の最も熱い部分が、凹部６０の如何なる部分にも重なることを防ぐという望ましさ(例えば、早期着火を避ける)を理解するであろう。
【００４８】
各着火装置３２の少なくとも一部分は凹部６０の部分に重なる。より好ましくは、各着火装置先端３９の全体が凹部６０に重なる。特に、この場合、点火栓先端３９の各々の全体が凹部６０に重なる。より好ましくは、中心電極４３の各々の全体が凹部６０に重なる。点火栓以外の着火方法又は着火装置を採用する代替の実施形態においては、当業者は、凹部６０の部分と燃焼が開始される領域との間で重なりをもたらすことの望ましさを理解するであろう。
【００４９】
図５を参照するに、膨張ピストン３０がその上死点(ＴＤＣ)位置にあるときの、膨張シリンダー１４及びいくつかの周囲の構成要素(例えば、２つのクロスオーバー通路２２の１つ)の側面が示されている。膨張ピストンクリアランス８０は、膨張ピストンがそのＴＤＣ位置にあるとき、膨張ピストン３０の頂表面５０とシリンダーヘッド３３の底表面(すなわち、火炎デッキ)５２との間で、最も短い距離(膨張シリンダー１４の中心軸線６２に平行な線に沿って測って)である。例示的な実施形態における膨張ピストンクリアランス８０は、好ましくは、極めて小さい(例えば、１.０、０.９、０.８、０.７、０.６ミリメーター以下)。
【００５０】
凹部の深さ８２は、凹部６０の底表面６４と膨張ピストン３０の頂表面５０との間の最短距離(膨張シリンダー１４の中心軸線６２に平行な線に沿って測って)である。円柱状のカーテン領域４４の大きさを増大し、かつ、クロスオーバー通路２２と膨張シリンダー１４との間の流れの制約を著しく低減するためには、凹部の深さ８２が、好ましくは、膨張ピストンクリアランス８０の半分(０.５x)以上に設計され、より好ましくは、凹部の深さ８２が膨張ピストンクリアランス８０に等しいか１倍(１.Ox)以上、２倍(２.Ox)、２．５倍(２.５x)、又は３倍(３.Ox)である。しかしながら、凹部の深さ８２は、凹部の深さ８２を増大することによりもたらされる効率の増大が、結果として減少される膨張比によって引き起こされる効率での損失を上回るように、十分に小さく維持されねばならないのに留意することが重要である。好ましくは、凹部の深さ８２は、２０対１以上、より好ましくは３０対１以上、及び最も好ましくは４０対１以上の膨張比をもたらすように、十分に小さくあるべきである。
【００５１】
少なくとも２０対１以上の膨張比を維持しつつ、ピストンクリアランス８０の１倍以上の凹部深さ８２を有するという組み合わせは、凹部６０がピストン３０に配置されずに、膨張比が極めて大きい、例えば、４０対１、８０対１又はそれ以上である場合に限り可能である。これらの大きな膨張比は、従来のエンジンで達成するのは困難である。何故ならば、従来のエンジンのピストンがＴＤＣに到達する前に燃焼を適切に開始させるためには、実質的なクリアランス容積が維持されねばならないからである。しかしながら、分割サイクルエンジン１０は、膨張ピストンがＴＤＣに到達した後に燃焼が開始するのを可能にするべく、(前に説明したように)プッシュ‐プルガス移送方法を採用している。したがって、膨張シリンダー１４における大きなクリアランス容積の必要性は、分割サイクルエンジン１０には要求されず、且つ、それ故に、２０対１、４０対１、又はそれ以上の膨張比が、凹部６０深さがピストン３０に配置された状態でさえも、達成され得るのである。
【００５２】
凹部６０の湾曲した移行部６６及び垂直に延在する壁６８は図５に最もよく見られる。加えて、前に説明した、出口２７の部分と種々の他の分割サイクルエンジン１０の構成要素との間の重なりは、この側面図に、より詳しく見られる。頂表面５０の境界領域７６の部分はクロスオーバー通路２２の出口２７の部分に重なって示されている。有利なことに、境界領域７６と出口２７との間の重なりは、膨張ピストン３０がそのＴＤＣ又はその近傍にあるとき、流れを膨張シリンダー１４の壁から離し、かつ、点火栓３２に向ける傾向がある流れの制約を創造する。また、凹部６０の底表面６４の部分、湾曲した移行部６６、及び垂直に延在する壁６８が、クロスオーバー通路の出口２７の部分に重なって示されている。とりわけ、クロスオーバー通路の出口２７の部分と凹部６０の部分との間の重なりが示され、凹部６０内へ、かつ、点火栓３２へ向けての流れを促進すべく、円柱状のカーテン領域４４の大きさを増大させている。
【００５３】
エンジンの運転中、XovrEバルブ２６は、膨張ピストン３０の上死点の少し前(ＢＴＤＣ)(例えば、膨張ピストン３０の５〜２０度ＢＴＤＣ)に開く。排気バルブ３４は、XovrEバルブ２６が開くのと同時、極めて僅か後、又は少し前(例えば、膨張ピストン３０の５〜４５度ＢＴＤＣ)に閉じる。排気バルブ３４がＴＤＣの近傍で閉じた直後の膨張シリンダー１４内に残っている全てのガスの圧力は、２つのクロスオーバー通路２２内の空気/燃料の圧力よりも実質的に低いことになる。
【００５４】
(膨張ピストン３０のＴＤＣの近傍で)クロスオーバー通路出口２７を通って膨張シリンダー１４に入る空気/燃料の充填は、最も少ない抵抗の経路に従う。ここで、最も少ない抵抗の経路は凹部６０内へ、及び点火栓３２へ向っている。これは、クロスオーバー通路出口２７が、(１)頂表面５０の境界領域７６の部分、及び(２)凹部６０の部分の両者と重なっているからである。したがって、ピストン３０がその上死点位置の近傍にあるとき、凹部６０と出口２７との間で重なっている領域が、空気/燃料の充填の凹部６０内へ、及び点火栓３２に向けての流れを最初に方向付けるための最も制限された流れ経路を提供している。
【００５５】
凹部６０の部分は、膨張シリンダー１４のシリンダー壁の部分までは延びていない。加えて、凹部６０の部分は排気ポート３５の入口３１のいずれの部分にも重なっていない。結果として、膨張ピストンがＴＤＣの近傍にあるとき、流れがシリンダー壁の近くの領域、及び排気バルブの入口へ向けて移動するのが実質的に制限され、かつ、空気/燃料の充填がこれらの領域に蓄積するのが実質的に防止される。シリンダー１４の壁の近くに空気/燃料の充填が蓄積するのを実質的に防止することは重要である。というのも、このような状況は、空気/燃料の充填を着火させるのに非常に長くかかり、エンジン効率にとって不利であるからである。空気/燃料の充填が排気ポートの入口３１の近傍に蓄積するのを実質的に防止することは重要である。というのも、そこには排気バルブ３５が配置されているからである。排気バルブ３５(特にその中心)は膨張シリンダー１４内において最も熱い表面の１つであり、排気バルブ３５の近傍での空気/燃料の蓄積は早期着火の危険性を一層悪化させることを意味する。
【００５６】
ここでの目的のため、空気/燃料の混合気、すなわち空燃比(ＡＦＲ)は、燃焼時に存する燃料に対する空気の質量比である。また、ここでの目的のために、用語「化学量論の」（しばしば、「ストイキ」と略称される）とは、燃焼時に燃料の全てを完全に酸化された生成物に変換するのに丁度十分な(空気に含まれる)酸素が存するＡＦＲとして定義される。典型的には、ガソリン燃料について、約１４.７対１のＡＦＲが化学量論比を表わす。リッチＡＦＲとは、ストイキのために必要とされるよりもより多くの燃料が存する場合であり、及びリーンＡＦＲとは、ストイキのために必要とされるよりもより多くの空気が存する場合である。
【００５７】
ラムダ(λ)は、ＡＦＲを表わす代替の方法であり、ここではＡＦＲが特定の燃料の化学量論比に対し規格化されている。「１」のラムダはストイキを表わす。「１」より大きなラムダはリーン混合気を表わし、「１」より小さなラムダはリッチ混合気を表わす。例えば、ストイキが１４.７対１であるなら、
１)λ = １ は、１４.７０対１のストイキのＡＦＲを表わし、
２)λ = ０.８は、１１.７６対１のリッチＡＦＲを表わし、及び
３)λ = １.３は、１９.１１対１のリーンＡＦＲを表わす。
空気/燃料の混合気は、凹部６０の幾何学的配置によって概して案内され、着火の前に凹部６０のいたるところに層状の形態で分配する。分配の目標は、化学量論の(又は、化学量論の近傍の)空気/燃料混合気を点火栓(着火装置)３２の付近に、そして点火栓３２からさらに離れる領域に、よりリーンの空気/燃料混合気を連続させてもたらすことである。したがって、点火栓３２を取り囲む空気/燃料の混合気は、着火前に、０.６ないし１.３の範囲のラムダを有することが好ましい。より好ましくは、ラムダが０.７ないし１.２の範囲にあり、及び最も好ましくは、ラムダが０.８ないし１.１の範囲にあるべきである。
【００５８】
点火栓３２が作動されると、化学量論の(又は、化学量論の近傍の)空気/燃料混合気が急速に燃焼し、よりリーンの混合気を着火する触媒(すなわち、口火)として作用する。点火栓３２は、好ましくは、膨張ピストン３０のＴＤＣ後の１から３０度ＣＡ、より好ましくは、膨張ピストン３０のＴＤＣ後の５から２５度ＣＡ、及び最も好ましくは、膨張ピストン３０のＴＤＣ後の１０から２０度ＣＡの間に作動される。
【００５９】
ここに、種々の実施形態が示され、かつ説明されたが、多様な変更及び置換が本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなくなされ得よう。したがって、本発明が、限定ではなく、例示により説明されたということが理解されるであろう。
【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５】
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【国際調査報告】
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