(57)【要約】  ２サイクルのユニフローフル拡張内燃（ＩＣ）機関は、シリンダ壁と、排気口と前記排気口に配置された排気弁と燃料噴射装置とシリンダヘッドを貫いて配置される点火手段とを有するシリンダヘッドと、前記シリンダに取り付けられ、上死点（ＴＤＣ）と下死点（ＢＤＣ）との間を圧縮行程と動力行程を経ながら往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動に応じて塞がれたり開放されたりする、前記シリンダの最下部で前記シリンダ壁を貫いて通る旋回吸気口と、を有する複数のシリンダを含む。前記シリンダは、前記ピストンの前記圧縮行程運動の一部の間に前記排気口を開放位置に維持するサイクルを介して動作し、前記シリンダサイクルの圧縮段階の開始時に遅延を提供する。【選択図】図１０
2014503740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダサイクルを繰り返すことを含む、２サイクルユニフローフル拡張内燃（ＩＣ）機関を動作する方法であって、前記シリンダサイクルが、
ａ）開放された旋回吸気口を介して加圧された吸気をシリンダ内に流入させ、前記吸気を前記シリンダ内で接線方向乱流に旋回させるステップと；
ｂ）前記旋回吸気口が開放され、前記吸気によるシリンダの掃気が行われている間、前記排気口を開放位置に保持するステップと；
ｃ）前記吸気口を塞ぐように前記ピストンを上向きに進めるステップと；
ｄ）前記ピストンが上死点に向かう行程運動の大部分で、前記排気口をさらに開放位置に維持するステップと；
ｅ）前記排気口を閉鎖するステップと；
ｆ）前記吸気を前記ピストンと前記シリンダとの間で上死点方向に圧縮するステップと；
ｇ）前記圧縮行程の終わり近くに、燃料を希薄燃焼の空気燃料混合比で噴射するステップと；
ｈ）動力行程を開始するために、空気燃料混合物に点火し、燃焼させるステップと；
ｉ）加圧された燃焼ガスを排気するために、前記動力行程の終わり近くに前記排気口を開放するステップと；
ｊ）前記ピストンがその動力行程の最下部に近付くとき、前記排気口を開放するステップと、
を有する２サイクルユニフローフル拡張内燃機関を動作する方法。
【請求項２】
前記排気口が、下死点位置と上死点位置との間のクランクサイクルの大部分の間開放している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮行程の開始時のシリンダ容積の圧縮比と上死点位置における燃焼室容積の圧縮比が高圧縮比である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記動力行程が前記圧縮行程よりも長い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料噴射装置が、前記１つの旋回吸気口の吸気方向と同一の接線方向に燃料を噴射するように配置され、かつ、前記点火手段が前記燃料噴射装置の噴射流の下流に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ピストンが上死点に向かう前記行程運動の大部分の間、前記排気口をさらに開放位置に維持する前記ステップが、前記シリンダサイクルの前記圧縮段階の開始時に遅延を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記シリンダサイクルの前期圧縮段階の開始時における前記遅延が、前記ピストンが、前記吸気口が完全に塞がれる吸気口密閉位置と、上死点で前記行程の最上部にある上死点位置との間の、前記シリンダ内の圧縮開始位置に到達するまで、前記排気口を開放位置に維持することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
シリンダを含む２サイクルユニフローフル拡張内燃（ＩＣ）機関であって、前記シリンダが、シリンダ壁と、１つ以上の排気口と前記排気口内に配置された排気弁と燃料噴射装置とシリンダヘッドを貫いて配置される点火手段とを有する前記シリンダヘッドと、前記シリンダ内に組み込まれ、上死点（ＴＤＣ）位置と下死点（ＢＤＣ）位置との間を圧縮行程と動力行程を経ながら往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動に応じて塞がれたり開放されたりする、前記シリンダの最下部で前記シリンダ壁を貫いて通る旋回吸気口と、前記ピストンの前記行程位置に連動して、前記排気口を開閉する排気口閉鎖機構であって、前記ピストンの前記圧縮行程動作の一部分の期間、前記排気口の開放を維持するように構成された排気口閉鎖機構と、を含む、２サイクルユニフローフル拡張内燃機関。
【請求項９】
前記排気口閉鎖機構が、前記排気弁を持ち上げるためのカムを有するカム軸を含み、前記カムが約１４０°から約１８０°クランク角の持ち上げ持続時間を有する、請求項８に記載の２サイクルユニフローフル拡張内燃機関。
【請求項１０】
前記排気口閉鎖機構が、前記排気弁を持ち上げるためのカムを有するカム軸を含み、前記カムが約１６０°クランク角の持ち上げ持続時間を有する、請求項９に記載の２サイクルユニフローフル拡張内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来のオットー・サイクル内燃機関では、ガソリン燃料が吸気マニホールド内に噴射されて空気と混合され、吸気行程の間に吸気弁を介してシリンダ内に導入される。空気流量と機関出力は、機関出力が低下すると閉鎖する空気流弁により制御され、これが、特に低出力状態において、吸気マニホールド内の高い圧力損失を引き起こす。燃料流量は、あらゆる動作条件において、理論比に非常に近い燃料空気比をもたらすように計測される。旋回流による高乱気流レベルがなければ、この混合気は完璧ではなく、排気には、多少の望ましくない未燃炭化水素や一酸化炭素が含まれる。また、あらゆる動作条件で理論空燃比により生成される高い火炎温度は、高濃度の窒素酸化物の排出およびシリンダの大幅な電熱損失を引き起こす。さらに、従来のオットー・サイクル内燃機関の圧縮比およびそれに関連する機関効率は、機関に重大なダメージを及ぼす可能性のあるデトネーションおよびプリイグニッションの発生により制限される。高温によって引き起こされるシリンダの過熱とガソリン機関内のピストンの焼き付きを防ぐためには、高レベルの熱エネルギー損失を伴う精巧な冷却システムが必要となる。機関クランク室内とシリンダヘッド内に鋳造成形された水冷路を有する、従来の典型的な４ストロークのオットー・サイクル機関は、非常に重く、かつ、高価である。
【０００３】
ディーゼル機関（圧縮点火機関とも呼ばれる）とは、燃焼室内に噴射される燃料を燃焼させるための点火開始に圧縮熱を使用する内燃機関である。これは、混合気の点火に点火プラグを使用する、ガソリン機関や（ガソリンではなく気体燃料を使用する）ガス機関などの火花点火機関とは対照的である。
【０００４】
ディーゼル機関は、その圧縮比が非常に高いために、その他のあらゆる通常の内燃あるいは外燃機関の中で最も高い熱効率を有する。（全体の機関重量がそれほど問題にならない船舶などに使用される）低速ディーゼル機関では、熱効率はしばしば50％を超える。
【０００５】
ディーゼル機関は２サイクルと４サイクルが製造されている。これらの機関は潜水艦や船舶、機関車、トラック、重機、そして電気発電所に使用されてきたが、ついには自動車、オンロード車およびオフロード車にも使用されている。
【０００６】
ディーゼル内燃機関は、燃料の点火にスパークプラグを使用せずに高圧の熱気を使う（火花点火ではなく圧縮点火である）点でガソリン動力のオットー・サイクルとは異なる。実際のディーゼル機関では、空気だけが最初に燃焼室に導入される。空気は、その後、通常１５：１から２２：１の間の圧縮比で圧縮され、ガソリン機関の８から１４バール（０．８０から１．４メガパスカル；約２００ポンド毎平方インチ）に比べて、４０バール（４．０メガパスカル；５８０ポンド毎平方インチ）の圧力となる。この高圧縮で空気を５５０℃（１，０２２°Ｆ）に加熱する。圧縮行程のほぼ頂点で、燃料が燃焼室中の圧縮空気に直接噴射される。機関の設計に応じて、燃料は、ピストンの上部にある（通常、トロイダルの）空間か、またはプレチャンバーに噴射される。燃料噴射装置は、燃料が確実に小さい液滴に分解し、かつ、均一に分散されるように噴射する。圧縮空気の熱が液滴の表面から燃料を気化させる。気化ガスは燃料室内の圧縮空気の熱によって点火され、液滴は次第に小さくなりながら、液滴中の燃料がすべて燃え尽きるまで表面からの気化と燃焼を続ける。気化の始まりに点火時の遅延期間が生じ、また、気化ガスが発火温度に達する際にディーゼル特有の”ノッキング”音が発生し、これによりピストン上の圧力が急激に増加する。燃焼ガスの急速な膨張により、ピストンが下向きに稼動し、クランク軸に動力を供給する。
【０００７】
ディーゼル機関の高圧縮比は、別個の点火システムなしに機関効率を大きく高める。シリンダへのエントリの前に燃料と空気を混合する火花点火機関では、有害なプリイグニッションを防止する必要性から、その圧縮比の増加は制限される。実際のディーゼル機関では、空気だけがディーゼル機関内で圧縮され、燃料は上死点（ＴＤＣ）の直前になるまでシリンダ内に導入されないため、早期デトネーションは問題とならず、圧縮比は非常に高い。
【０００８】
今日使用されているディーゼル機関は、圧縮空気を使わずに、圧力によって作動する噴射装置を介して燃料を極圧で直接燃焼室に噴射する機械式ポンプを使用する。このような燃料噴射装置は、通常そのノズル内に４〜１２の小さいオリフィスを有する。初期の空気噴射ディーゼルでは、燃焼中に圧力が急激に増加することなく、常に優れた燃焼性を見せた。空気噴射を利用した噴霧法により、分散を改善し液滴サイズを減少することができる。
【０００９】
ディーゼル機関は、燃料供給率を制御することにより機関のアイドリング速度と最大速度を調節する、機械式または電子式の調速機を使用する。ディーゼル機関では、オットー・サイクル機関とは異なり、流入空気がスロットルで調節されていないため、調速機なしには安定したアイドリング速度を保つことができず、すぐに過速度になってしまい、破損に繋がる。機械制御燃料噴射システムは、機関の歯車列によって稼動する。これらのシステムでは、負荷と速度の両方に応じて燃料供給を制御するために、バネと錘の組み合わせを使用する。最新の電子制御ディーゼル機関は、電子制御モジュール（ＥＣＭ）又は電子制御ユニット（ＥＣＵ）を用いて燃料供給を制御する。ＥＣＭ／ＥＣＵは、機関速度信号および吸気マニホールド圧力や燃料温度などのその他の動作パラメータをセンサから受信し、出力と効率を最大限にし、かつ、排出量を最小限に抑えるために、アクチュエータを介して燃料量および噴射タイミングの開始を制御する。シリンダ内への燃料の噴射開始（ＳＯＩ）のタイミングを制御することにより、排出量を最小限に抑え、機関の燃費（効率）を向上させることができる。タイミングは上死点前のピストンのクランク角度で測定される。例えば、ピストンが上死点前１０度でＥＣＭ／ＥＣＵが燃料噴射を開始する場合、噴射開始またはタイミングはＢＴＤＣ１０°であるとする。最適なタイミングは、機関の設計だけでなく、その速度と負荷によって決定される。
【００１０】
噴射開始を早める（ピストンがＳＯＩからＴＤＣに到達する前に噴射する）ことにより、シリンダ内圧力と温度が高まり、より高い効率が得られるが、同時に機関音も高くなり、高い燃焼温度に起因する窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量も増加する。噴射開始を遅らせると、不完全燃焼を起こし、燃料効率が低下し、相当量の粒子状物質および未燃炭化水素を含有する排気煙が増加する。
【００１１】
昨今のディーゼル機関は、（機関クランク軸によって稼動する）高圧燃料ポンプを具備する、（クランク軸の半分の速度で回転する）カム軸リフトの機械式シングルプランジャーを使用する。プランジャーは、各シリンダの燃料量を測定し、それぞれの噴射のタイミングを決定する。これらの機関は、特定の燃料圧力で開閉する非常に精密なバネ付き弁からなる噴射装置を使用する。各シリンダで、プランジャーポンプが高圧燃料経路で噴射装置に接続されている。一回の燃焼に要する燃料量は、わずか数度だけ回転して圧力を解放する、プランジャー内の傾斜した溝によって制御され、また、ばねとレバーによって制約される機関速度で回転する錘からなる機械式調速機によって制御される。噴射装置は、燃料圧力によって開放されたままになる。高速機関では、プランジャーポンプは１つのユニットに纏められる。各燃料経路は、同一の圧力遅延を得るために同一の長さにされる。
【００１２】
６気筒未満の高速機関の複雑でない構成では、各シリンダの弁と経路に燃料を提供する１回転ポンププランジャから成る、アキシャルピストンディストリビュータポンプを使用する（機能的にはガソリン機関のポイントとデスビキャップに類似する）。別の方法では、コモンレール（共通の単一燃料経路）により各燃料噴射装置に高圧で常に燃料を供給する単一の燃料ポンプを使用する。各燃料噴射装置は、電子制御装置によって動作するソレノイドを有し、これにより、機関回転数や負荷などの他の制御条件に左右される噴射装置開時間のより正確な制御が可能となり、良好な機関性能と燃費を提供する。この構造は、ポンプと弁を結合した構造よりも機械的に単純であり、通常、機械的に同等の機関に比べてより信頼性が高く、かつ、音も静かである。
【００１３】
最新のディーゼル機関は直接噴射方式を使用する。１つのタイプは、燃焼室の頂部に取り付ける直噴噴射装置であり、噴射タイミング、燃料量、排気再循環（ＥＧＲ）およびターボ過給を電子制御することで、これらのパラメータをより正確に制御できるため、微調整が容易で排出量も低くなる。燃料噴射装置とポンプを１つのユニットに組み合わせ、カム軸によって制御される各シリンダ上に配置するユニット直接噴射は、燃料を機関のシリンダ内に直接噴射する。各シリンダが固有のユニットを有することで、高圧燃料経路が不要となり、より安定した噴射を達成できる。
【００１４】
２サイクルディーゼル機関では、シリンダのピストンが下死点に近づくと、排気口または弁が開放し、大部分の過剰圧力が放出され、その後、吸気ボックスとシリンダ間の経路が開き、空気がシリンダ内に流れ込む。この空気流が残りの燃焼ガスをシリンダから吹き出す‐これが掃気過程である。ピストンが下死点を通過して上昇を始めると、経路が閉鎖して圧縮が開始され、燃料噴射および点火が始まる。
【００１５】
現在のディーゼルはターボチャージであり、ターボチャージとスーパーチャージの両方を使えるタイプもある。ディーゼルでは、燃焼が開始される前にシリンダ内に燃料が入っていないため、過早点火することなく１バール（１００キロパスカル）以上の空気をシリンダ内に注入できる。ターボチャージャー付き機関は、シリンダ内により多くの空気を充填できるのでより多くの燃料の燃焼が可能となり、結果的により多くの動力が生み出されるため、同様の構成の自然吸気機関に比べてはるかに多くの動力を生産することができる。スーパーチャージャーは機関のクランク軸で機械的に駆動するが、ターボチャージャーは機関排気で稼動し、機械式動力を要しない。ターボ過給は、排気からの廃熱を再生し、空気過剰係数を高め、摩擦損失に対する機関出力の比率を増やすことにより、ディーゼル機関の燃費を向上することができる。
【００１６】
２サイクル機関は、個別の排気装置および吸気行程を有していないため、自己吸引することはできない。従って、すべての２サイクル機関には、シリンダに空気を充填して、シリンダから排気ガスを追い出すのを助ける、掃気と呼ばれる行程を行う送風機または圧縮機が装備される。一部の例では、その出力が送風機の吸気口に連結するターボチャージャーを具備する機関もある。設計によっては、ハイブリッドターボチャージャーをシリンダの掃気と充填に使用し、この装置は、クランキングおよび低速で機械的に稼動され送風機として機能する。
【００１７】
層状給気機関は、ディーゼルサイクルに多少類似する内燃機関の一種であるが、通常のガソリンで稼働する。層状給気機関という名前は、シリンダに供給する燃料と空気の混合気を層状にすることに由来する。従来のオットー・サイクル機関では、燃料と空気がシリンダの外で混合され、吸気行程中にシリンダ内に吸い込まれる。空燃比は、燃料の完全燃焼に必要な空気の正確な量として定義される、理論空燃比に非常に近い値に維持される。この混合気は速やかに着火し、円滑に燃焼する。この構造の問題点は、燃焼プロセスの完了後、燃焼の熱により酸素（Ｏ２）分子と窒素（Ｎ２）分子が空中で分裂した結果、排気流にかなりの量の酸素と窒素の自由単原子を含まれることである。これらの原子は直ちに互いに反応して亜鉛化窒素（ＮＯｘ）という汚染物質となる。最新の車両では、排気システム内に設置された触媒コンバータがＮＯｘをＯ２とＮ２に再結合させる。
【００１８】
これに対して、直噴ディーゼル機関はシリンダ内に直接（より重く、気化に対して耐性のある）ディーゼル燃料を噴射し、かつ、燃焼室はピストンの頂部にある。この構成は、早期の自発燃焼‐燃料と空気の混合物が高圧で事前爆発した場合に、オットー・サイクル機関に発生する、デトネーションまたはノッキングとして知られる問題‐を回避できる利点があり、このためディーゼルはより高い圧縮率での稼働が可能となる。これにより、さらに低燃費の機関となり、通常、トラックや工業用発電所など長時間稼動されるものに利用される。
【００１９】
しかしながら、ディーゼル機関にも問題がある。燃料が高圧空気中に直接噴霧され、適切に混合される時間はほとんどない。この結果、給気には、そのほとんどが空気からなる部分と、そのほとんどが酸素不足に起因する未燃燃料からなる部分とが含まれる。この不完全燃焼により、部分的に燃焼した燃料や未燃燃料、すなわち、多環芳香族炭化水素やはっきりと目に見える排気煤のような他の汚染物質も排出される。燃料が予燃焼室に噴射される間接噴射ディーゼル（リカルド・コンサルティング・エンジニアーズ社のリカルドコメット型が最もよく知られている）では、予燃焼室着火からの火炎前面が、空気と燃料の混合をより良好にし、シリンダ内の燃焼を円滑にし、ディーゼルノックを減少させる。間接噴射ディーゼルは層状給気機関の一種である。これらの利点には、直接噴射ディーゼルに比べて、効率が１０％低下するという代償がある。
【００２０】
層状給気構造は、両方の燃料の問題解決を試みる。この構造は、ディーゼルのように、効率的な高圧で稼働する特有の能力を有する、直噴システムを使用する。しかしながら、この層状給気構造は、オットーのように、旧来の直噴機関に見られた不完全燃焼を避けるために、迅速かつクリーンに混合するガソリンの能力に依存する。このため、燃料噴射装置はシリンダの一箇所だけに、多くの場合、主シリンダの最上部または表面にある小さい「副シリンダ」だけに、燃料を噴射し、その領域に点火し易く迅速かつ円滑に燃焼する上質の給気を提供する。燃焼プロセスが開始し、混合気の非常に希薄な（しばしば空気だけの）領域、火炎前面が急速に冷却され、有害なＮＯｘがほとんど形成されない領域へと移動する。希薄な給気内の追加の酸素は、任意の一酸化炭素（ＣＯ）と結合して有害性の少ない二酸化炭素（ＣＯ２）を形成する。この技術は最新の電子制御式直噴ディーゼル機関にも適用されている。これらの機関の燃料噴射システムでは、良好な燃料/空気混合とディーゼルノックの減少を確保するために、多段噴射バーストで燃料を供給する。層状給気ガソリン機関のよりクリーンな燃焼により、触媒コンバータを使う必要がなくなり、より希薄な（空気に対する燃料の割合が低い）混合気で、少ない燃料を使用しての機関の稼働が可能となる。これは、ディーゼル機関の性能にも同様の効果を上げている。今日のディーゼルは、以前と同様の燃費を維持しながら、よりクリーンであり、かつ、以前の二倍強力である。
【００２１】
長年の試行錯誤の結果、この設計では配置が容易でないことが明らかとなった。このシステムは、低速走行工業用途において長期にわたって使用されているが、通常、自動車の機関としては開発されていない。特にヴァンケル機関に適用するため、長年の間多くの試みが成されてきたが、唯一日本の自動車メーカーだけがピストン機関の開発を推し進めている。
【００２２】
通常の自動車の内燃機関では、燃料中の利用可能な熱エネルギーの約２５％のみが回収される。大量のエネルギーが冷却システムで失われ、さらに、動力行程の最後に多くののエネルギーが排気弁を介して大気に放出される。また、従来の機関は非常に重く、複雑で高価である。
【００２３】
米国特許第6,848,416号および第7,114,485号明細書には、吸気および排気弁と予め圧縮した空燃混合気を用いた、２サイクル過膨張予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）機関が記述されており、これらの開示は、本明細書中でその全体が参考として援用される。
【００２４】
燃費が良く、窒素酸化物、炭化水素、および一酸化炭素の排出量が低く、かつ、多様な燃料で稼働できる低コストの内燃機関を提供するという非常に重要なニーズが依然として残っている。燃料消費量をほぼ半分に減らすことができる機関は、温室効果ガスの排出および本国の石油輸入への依存度を大幅に削減することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、２サイクルのユニフローフル拡張シリンダ、および、複数の２サイクルのユニフローフル拡張シリンダを含む内燃機関を提供する。
【００２６】
本発明は内燃機関用のシリンダであって、シリンダ壁と、１つ以上の排気口と前記排気口に配置された排気弁と燃料噴射装置とシリンダヘッドを貫いて配置された点火手段とを有する前記シリンダヘッドと、上死点（ＴＤＣ）位置と下死点（ＢＤＣ）位置との間を圧縮行程と膨張行程を経て往復運動する前記シリンダ内に設置されたピストンと、前記シリンダの底部で前記シリンダ壁を貫く旋回吸気口であって、少なくともその１つが前記ピストンの往復運動に応じて塞がれたり開放されたりする旋回吸気口と、前記ピストンの前記行程位置に応じて前記排気口を開閉し、前記ピストンの圧縮行程動作の一部分の間は前記排気口を開放したままにするように構成された排気口の閉鎖機構と、を有するシリンダを提供する。
【００２７】
本発明はさらに、反復シリンダサイクルを具備する２サイクルのユニフローフル拡張内燃機関の稼動方法であって、前記サイクルがａ）ピストンがシリンダ内の往復行程で最下部に最も近づくとき、開放された旋回吸気口を介して加圧吸気をシリンダ内に入れ、前記シリンダ内で前記吸気を接線方向乱流に旋回させるステップと、ｂ）前記シリンダを吸気で掃気するために前記旋回吸気口が開放されるとき、前記排気口を開放位置に維持するステップと、ｃ）前記吸気口を塞ぐように前記ピストンを上昇させるステップと、ｄ）前記ピストンの上死点に向かう前記行程動作の大部分の期間、前記排気口をさらに開放位置に維持するステップと、ｅ）前記排気口を閉鎖するステップと、ｆ）前記ピストンと前記シリンダヘッドとの間の吸気を上死点の方向に圧縮するステップと、ｇ）前期圧縮行程の終わり近くに、希薄燃焼空燃比で燃料を噴射するステップと、ｈ）動力行程を開始するために前記空気燃料混合物に着火し燃焼させるステップと、ｉ）加圧燃焼ガスを排出するために前期動力行程の終わり近くに前記排気口を開放するステップと、ｊ）前記ピストンが前記動力行程の最下部に近づくとき、前記旋回吸気口を開放するステップと、を含む２サイクルのユニフローフル拡張内燃機関の稼動方法を提供する。
【００２８】
ピストンの行程動作の大部分の期間、排気口をさらに開放位置に維持する前記ステップは、シリンダサイクルの圧縮段階の開始を遅らせ、ピストンが、吸気口が完全に塞がれる吸気密閉位置と上死点でサイクルの最上部の上死点位置との間のシリンダ内の圧縮開始位置、に到達するまで排気口を開放位置に維持することを含む。前記ピストンの圧縮開始位置は、排気口が閉鎖され、シリンダ室内の吸気ガスの圧縮が開始されるときのピストン位置である。圧縮が開始すると、密閉されたシリンダ室内の吸気は、シリンダが圧縮開始位置から上死点位置へと進むにつれて圧縮される。圧縮段階の終わりには、シリンダは上死点あるいはその近くに達し、ピストンとシリンダヘッドの間に残った空隙が燃焼室と呼ばれる。
【００２９】
一般的に、圧縮開始位置は吸気密閉位置と上死点位置との間にあり、通常の全圧縮行程のほぼ半分の距離であるが、幾分ずれることもある。圧縮開始位置は、シリンダ内の圧力が、燃焼後の動力行程の終わりに、かつ、燃焼ガスを排出するために排気弁が開放する直前に、大気圧に近づくように選択される。これにより、燃焼加圧シリンダ内に残るエネルギーの排気システムへの損失が最小限に抑えられる。
【００３０】
本発明は、シリンダ作動サイクルの動力段階でのピストンのフル拡張を提供し、かつ、動力段階の持続時間に対するシリンダサイクルの圧縮段階の持続時間を制限する、内燃機関の操作および排気口閉鎖機構を提供する。
【００３１】
本発明の一実施態様では、シリンダは、新鮮な燃焼用空気を高速で均一にかつ渦巻状にシリンダ内に導入するための１つのまたは複数の旋回吸気口を有する。
【００３２】
本発明の別の実施態様では、シリンダが、可燃燃料の流れを、空気流と同一の接線方向で旋回乱流の吸気に提供し、これにより、高速で明確な層状給気と、密接な空燃混合、層状給気燃焼、および、燃焼遅延時間の大幅な短縮がもたらされる。前記燃料の流れは、液体燃料の飛沫の分散、スプレー、または噴霧であってもいいし、蒸気燃料の流れであってもよい。
【００３３】
本発明の別の実施態様では、シリンダの稼動が、早期着火または異常燃焼を起こさずに、機関の高圧縮比を提供する。シリンダの圧縮比は、１０：１と２５：１程度、より一般的には、１５：１から２２：１程度であり、例としては、２０：１程度である。シリンダの圧縮比は、燃焼室の容積に対する、圧縮開始時のシリンダ室内の容積の比である。
【００３４】
本発明の別の実施態様は、単シリンダ、２シリンダ、３以上のシリンダ、偶数シリンダ、奇数シリンダ、直列配置シリンダ、対向配置および／または水平配置シリンダ、Ｖ型配置シリンダ、あるいは、放射状配置シリンダを有する内燃機関である。
【００３５】
本発明の別の実施態様は、シリンダの構造とその動作が、希薄燃焼と、吸気に対する直接燃料噴射と、低空燃比の採用をもたらし、これにより火炎温度が低下し、その結果、燃焼熱エネルギー損失が減少し、低窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量も減少する。希薄燃焼の空燃比は、約０．０４から約１の範囲であり、より一般的には約０．２から約０．８の間であり、例を挙げれば、約０．６であるが、非常動力が必要になった場合には、時間を限定してより高い割合で稼動することができる。
【００３６】
本発明の別の実施態様は、燃焼熱エネルギー損失をさらに減少させるために、シリンダヘッドおよびピストン冠の内側に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を使用することである。 
【００３７】
本発明の別の実施態様は、シリンダ壁を介して熱エネルギーを減少させる空冷式が可能な２サイクル内燃機関であり、これにより、通常は重い機関ブロックに鋳造される、従来の水冷装置の重量と複雑さ、費用を解消することができる。
【００３８】
本発明の別の実施態様は、シリンダヘッド内の吸気弁または吸気口、および前記吸気弁を開閉するための関連装置を具備しない２サイクル内燃機関である。これにより、機関の重量、複雑さ、費用が削減される。
【００３９】
本発明の別の実施態様は、外気を吸入し、圧縮し、吸気マニホールドに排出する、低圧縮比の吸気スーパーチャージャーを使用する２サイクルのユニフローフル拡張内燃機関である。前記低圧縮比の吸気スーパーチャージャーは、軸出力により駆動し、機関回転数に比例する大量の吸気を提供する容積式圧縮機を有する。
【００４０】
本発明の別の実施態様は、機関運転パラメータを僅かに調整するだけで、低価格ガソリンを含むガソリンや、低オクタン価燃料、ディーゼル、アルコール、ケロシン、ジェットＡ、そしてバイオディーゼルなどを含む幅広い種類の燃料を、単独で、間欠的に、または混合して使用することができる。
【００４１】
本発明の別の実施態様は、熱損失を低減するために内燃機関の燃焼露出成分を作るためにセラミック母材複合（ＣＭＣ）材料を使用する。
【００４２】
本発明の機関は、小型機、無人航空機（ＵＡＶ）、自動車、トラックだけでなく、軍用車両、ヘリコプター、そして船舶などを含む、多種多様な用途で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】低圧容積式圧縮機を含む、ユニフローでフル拡張の内燃機関の正面斜視図である。
【図２】図１のユニフローで、フル拡張の内燃機関の底面側から見た背面斜視図である。
【図３】図１のユニフローでフル拡張の内燃機関の平面図である。
【図４】吸気および掃気状態にある、ユニフローのフル拡張内燃シリンダの縦断面図である。
【図５】図４のシリンダの５‐５線に沿った水平断面図である。
【図６】図４のシリンダのヘッドを６‐６線に沿った水平断面図である。
【図７】本発明のフル拡張シリンダの熱力学サイクルの圧力 - 体積線図である。
【図８】ピストンがサイクルサイクルの下死点位置にあり、旋回吸気口および排気口の両方が開放しているクランク角位置を示す、ユニフローシリンダの概略図である。
【図９】ピストンが旋回吸気口を閉鎖し、排気口は開放されているクランク角位置を示すユニフローシリンダの概略図である。
【図１０】ピストンが圧縮行程の半ばに差し掛かり、排気口が閉鎖し、圧縮が開始するクランク角位置を示すユニフローシリンダの概略図である。
【図１１】ピストンが圧縮行程の終わりに差し掛かり、燃料が噴射されるクランク角位置を示すユニフローシリンダの概略図である。
【図１２】ピストンが上死点に近づき、点火手段が点火し、燃焼および動力行程が開始するクランク角位置を示すユニフローシリンダの概略図である。
【図１３】ピストンが動力行程の終わりのフル拡張に近づき、排気口が開放するクランク角位置を示すユニフローシリンダの概略図である。
【図１４】旋回吸気口が開き始め、排気口は開いたままで、燃焼ガスの排気が開始されるクランク角度位置を示すユニフローシリンダの模式図である。
【図１５】シリンダサイクルの圧縮、燃料噴射、燃焼、動力、排気、そして掃気の位相を通してのクランク角の概略図である。
【図１６】本発明の機関に用いる排気口の閉鎖構造のカムである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
定義：
本明細書中で使用するとき、層状給気とは、高圧噴射装置からの燃料噴霧が、噴霧の中心部で燃料が濃く、点火装置が濃混合気比かつ希薄混合気比で点火できる噴霧パターンを有することをいう。
【００４５】
本明細書中で使用するとき、点火手段とは、燃焼のためにシリンダ内の混合気に点火する手段を含み、点火プラグ、火炎、加熱管、レーザー、およびマグネト発電機を含む。
【００４６】
本明細書中で使用するとき、燃焼遅延時間とは、燃料の噴射と燃料の燃焼による温度上昇の完了との間の時間差をいう。
【００４７】
本明細書中で使用するとき、掃気効率とは、シリンダ内に未掃気の燃焼ガスを一部残して排気弁が閉鎖するときのシリンダ容積内の新しい空気の割合をいう。
【００４８】
本発明は、ピストンの動力行程を拡張することにより、燃焼（排気）エネルギーの大部分を回収できるシリンダサイクルで動作するように構成された内燃機関の２サイクルユニフローフル拡張シリンダを提供する。より具体的には、ピストンの圧縮行程動作の一部として、通常の圧縮行程段階の一部の期間、排気口を開放位置で開けた状態に維持することにより、ピストンの動力行程が、吸気の圧縮中にピストンが通過するシリンダの長さ方向に沿ってシリンダの長さ以上に拡張する。それにもかかわらず、排気弁が閉じると、シリンダの圧縮行程中の容積変化が、高圧縮比を提供するように構成される。圧縮比を増加させる手段は、燃焼室の容積を減少させるためにシリンダヘッド内に空隙を作り出す行程を含む。
【００４９】
２サイクルのユニフローフル拡張内燃機関の一実施形態を水平対向、空冷２シリンダ機関１として図１から図３に示す。従来の車両は、通常４シリンダ４サイクル機関を使用するが、２つの２サイクルシリンダを使用する本発明の機関では、シリンダの直径が少し大きいために動力行程に比較して圧縮行程の長さが短くなり、同等の動力を提供する。機関クランク軸３５に連動する低圧力比過給機３は、吸気管２を介して周囲の吸気を引き込み、シリンダの吸気管５に前記吸気を排出する。オプションの空気冷却器を使用できる。前記低圧力比過給機は、４：１までの圧縮比（排気：吸気）を提供できるが、より一般的には、約３：１までであり、例えば約２：１あるいは１．５：１の場合もありうる。低圧過給機の一例は、リショルム２軸過給機であり、Vortech Engineering社で入手できる。機関の各シリンダ１４はシリンダの底部近くに位置する接線方向吸気口８を有する。排気ガスは、シリンダヘッド１６内のシリンダ上部にある排気弁２０を介し、かつ、機関排気排出管１９を介して、機関シリンダ１４から排出される。クランクケースはクランク軸３５を収納し、依存オイルパン３３を含む。本発明によるフル拡張機関は、従来の同等の内燃機関に比べて、より効率的で、軽く、小さく、費用を節約できる。燃料消費は、他の条件がすべて等しい状態で、従来機関に比べて少なくとも約３５〜４０％、また、従来のループ掃気２サイクル機関に比べて少なくとも約５０％少なくなることが期待される。
【００５０】
シリンダの１つの機械要素の概略を図４に示す。燃料は燃料噴射装置１８によりシリンダヘッド１６を介して噴射され、点火手段１７が燃料に点火する。図４および図５は、それぞれ、機関１のシリンダ１４の１つの垂直断面図と水平断面図を示す。シリンダ１４は、ピストン９とシリンダヘッド１６との間の容量可変のシリンダ室２１を画定するシリンダ壁１５を含み、外面冷却フィンを有する。シリンダヘッド１６内には高エネルギー点火プラグ１７と燃料噴射装置１８が配置される。排気弁２０は、図４に示すように、排気弁２０が排気口台座から持ち上がる開放位置と、図９に示すように前記弁が台座に接する閉鎖位置との間で軸方向に動作し、シリンダ室２１および排気口１９と排気口ダクト６との間に流体連結を提供する。直径Ｄのピストン９は、シリンダ５内でストローク長さＬの往復運動をし、シリンダ室の容積変位を画定する。ピストン９は連接棒およびクランクアーム／ピン（周知の手段につき、図示せず）を介してクランク軸３５（図２）を動作させる。
【００５１】
Ｌ：Ｄの比は、通常は約１．０か、あるいはそれをわずかに前後する程度である。しかしながら、本発明のフル拡張機関では、この比はいくぶん大きくなり、通常１．３：１から１．４：１程度であり、圧縮行程の期間を減少させ（図７の１ｃから２サイクル点）、動力行程の期間を増加させる（図７の３から４サイクル点）。
【００５２】
図４および図５に示すように、各ピストン９は、ピストン頂面１１と、ピストン９の側壁にある環状溝に配置されたピストンリング１０を具備する。ピストン頂面１１は、シリンダ室２１内を上向きに旋回する掃気の乱れを増加させるために、ピストンの中心から放射状に配置され、かつ、単一旋回口８（または複数の旋回口）の方向に直角に配置された複数の補助ベーン２４を備える。補助ベーンの数は、旋回口８が複数使用される場合はその数と同じであってもよく、異なっていてもよいが、通常は８から１２であり、等間隔に配置される。補助ベーンは、空気燃料混合のための乱流の生成を助ける、ピストン頂面１１の近接端から軸方向に延び、かつ、半径方向に延びる細長い側壁２５を有する。
【００５３】
図５は、シリンダ１４の壁１５の内面に接線方向に配置された旋回口２７を示す。吸気口５の中心線１０３は、図５に示すようにある程度湾曲していてもいいし、あるいは、直線であってもよい。旋回口８の断面積は、シリンダ室２１に入る空気の速度を上げるために、通常は吸気口５の断面積よりも小さくなっている。シリンダに入る空気の標準平均速度は、秒速１５２．４メートル（５００フィート）程度であり、吸気全圧の約４％の圧力損失がある。シリンダを通る平均上昇気流速度に対する旋回速度の比として定義される旋回速度比の増加は、ユニフロー掃気シリンダ設計で達成された、機関効率の増加をもたらす、最大シリンダ圧力の大幅な増加（図７の３サイクル点）と相関する実験データに示される。図５はまた、ピストン９の最上部にある小半径突起２４を示す。空気の旋回方向に直角に交わるこれらの突起は、噴射燃料と旋回空気の混合を改善する、強力な小規模乱流を生成し、燃焼遅延時間を減少させる。
【００５４】
米国特許第8,051,830号明細書に記載されているように、別の実施形態では、空気吸入は、シリンダ壁の外側の周りを一方向に延び、シリンダ壁に配置された１つの吸気口と複数の旋回口を有し、かつ、シリンダの軸方向の中心線に対して接線方向にシリンダ室に入る渦巻プレナムを備えており、上述した出願の開示は、その全体が参照として本明細書中に組み込まれる。１つの旋回口または複数の旋回口の設計およびサイズは、数値流体力学（ＣＦＤ）を使用して、特定の機関設計及び燃料源用に指定できる。旋回口８の数と対応する吸気ベーン７の数は、１００個まで設定できるが、通常は、１２個から４８個の間である。高速度の接線旋回口は、燃焼遅延時間を非常に短くし、シリンダ内の平均有効圧力（ＭＥＰ）を高め、かつ、機関効率を増加させる。  
【００５５】
燃料噴射装置１８が、ベクトルパス５０に沿って（中心線１００に並行に）垂直からλ角で、シリンダ内に直接燃料を噴射パターン５６に噴射し、接線経路５２沿いに非常に乱流の旋回気流５４が下方に流れ、層状燃料給気を提供し、希薄燃焼が空燃比を非常に低くする。本発明の一実施態様では、希薄燃焼混合気を提供し、さらに効率的な燃料の希薄燃焼と改善された熱効率を通して、燃料効率および動力生成を改善する。一般的に、燃料の希薄燃焼の利点は、燃料効率の改善、低排気ガス、および低熱損失にある。理論的な希薄混合気は０．０４まで低くできる。好ましい希薄燃焼の範囲は、約０．２から約０．８であり、０．３、０．４、０．５、０．６および０．７を含む。
【００５６】
燃焼室の高圧で燃料を噴射するために、燃料噴射装置は、通常、約４０００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の圧力で燃料を提供する。燃料噴射装置の例としては、米国特許第5,392,745号明細書および米国特許第6,349,706号明細書のいずれかに記載の装置を含み、上記の出願の開示は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
【００５７】
本発明の内燃機関は、希薄燃焼を達成するために、シリンダ室内の吸気の量に対する、燃料供給の量とタイミングを制御する、電気制御モジュールまたは電気制御ユニットを具備する。電気制御モジュール／電気制御ユニットは、センサから、機関速度信号および吸気マニホールド圧力と燃料温度などの他の動作パラメータを受信し、動力と効率を最大にし、排気を最小限に抑えるように、アクチュエータを介して燃料量および噴射開始のタイミングを制御する。
【００５８】
本発明のフル拡張機関は、油溜め、油ポンプ、油フィルタ、および機関全体にわたる典型的な油路を用いて圧力給油を提供することにより、通常の２サイクル機関とは異なる。
【００５９】
火花点火装置１７は、（図６の経路５２に沿って反時計回りで）噴射装置のすぐ下流の噴射燃料５６の進路に配置される。火花点火装置１７は、噴射燃料最前部の到着とともに、あるいは到着後に層状燃料に点火し、これにより、急速に混合する層状燃料給気の燃焼遅延時間を短縮する。図示の実施形態では、火花点火装置１７は、噴射燃料５６の噴射点から弧のβ角に配置され、β角は約１５°から４５°である。点火は、全体的に見れば、低い（希薄な）空燃比であるにもかかわらず、旋回する空気中に高い（濃厚な）燃料濃度において発生する。この一連の燃料給気、空気混合および点火方法は、異なる燃料揮発度を有する様々な種類の燃料の使用を可能にし、また、異常燃焼または過早点火の問題なしに、高圧縮比で非常に希薄な混合気（低燃料流量）の使用を可能にする。機関出力は燃料流量によって制御されるため、空気流量制御弁による吸気マニホールド圧力損失を取り除き、その結果、低出力状態における機関効率が大幅に改善される。
【００６０】
従来の内燃機関では、均質の理論空燃比を提供するために、燃料は吸気弁の前方にある吸気マニホールドに噴射され、その結果、冷却媒体への高い熱損失を伴う高温燃焼および高濃度の窒素酸化物排出に繋がる。希薄燃焼出力設計は、熱損失を大幅に削減し、窒素酸化物の排出もまた大幅に削減する。本発明の機関は、非常に低い空燃比で動作可能なため、機関の出力は燃料流量により制御される。これにより、吸入空気流量を測定して動力を制御する際に生じる吸気マニホールド内の大量の圧力損失を解消することができる。
【００６１】
排気弁による排気口の開閉を決定するために、排気口閉鎖機構が設けられる。本発明はまた、１つまたは複数の排気口およびそれと同数の排気弁の使用を検討する。本発明の一実施形態では、排気口閉鎖機構は、ピストンの往復行程中の適切な時期に排気弁を開閉する機関のクランク軸に機械的に連結されるカム軸である。排気弁は、従来のカム軸作動を使用して開閉する従来型のポペット弁を使用できる。クランク軸との機械的連結は、従来通りでよく、歯車機構を介する直接連結でも、あるいは、タイミングベルトまたはタイミングチェーンと呼ばれるベルトまたはチェーンを介する間接連結でもよい。カムは、排気口開放の持続時間を長くするように構成される。持続時間、または滞留時間とは、排気弁が排気口の台座から持ち上がり、排気口を開放している間の機関回転のクランク軸の度数である。カム軸のリフトは、結果として排気弁がその台座から持ち上がる正味の値を示す。図１６は、排気口の閉鎖機構に使用できるカム８０を示す。カム８０は、排気弁を排気口の台座からリフト位置に持ち上げる持ち上げ部８２と、排気弁が排気口を全開するリフト位置に留まる（滞留する）場所である滞留部８４と、排気弁を下げてその台座に戻す引き下げ部８６とを備える。カムの持続時間は、通常、約１４０°から１８０°クランク角であり、より典型的には、クランク角約１５５°から約１６５°であり、例を挙げれば、約１６０°クランク角である。持ち上げ部と引き下げ部は、其々、通常、約１４°から約１７°クランク角である。吸気口の閉鎖後に排気口が開放位置に留め置かれる持続期間には、通常、約５０°から６０°クランク角であるが、多少前後することもある。
【００６２】
電気機械弁制御は、排気弁の開閉をより迅速に調整し制御するために使用できる。排気弁の可変開放および／または閉鎖を達成するための装置の例は、米国特許第6,257,190号明細書、米国特許第6,053,134号明細書、米国特許第5,537,961号明細書、および、米国特許第5,103,779号明細書に記載されており、これらの開示は、その全体が参照として本明細書中に組み込まれる。さらに、初期シリンダ圧縮圧力を減少させる常温始動時に、各シリンダ内の排気弁２０を全開にするために、プログラムされたソレノイドを使用することができる。
【００６３】
ソレノイド駆動で作動する排気弁を含む、当業者が想起可能な排気口の開閉に関するその他の手段および方法を採用することができる。
【００６４】
セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）は、シリンダ壁と、シリンダヘッドと、排気弁と、ピストンとを含む、シリンダを構成するために使うことができる。ＣＭＣは、繊維性材料に埋め込まれたセラミック材料からなる行列である。典型的な繊維性材料には、炭素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム及びムライトが挙げられる。酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムおよび炭化ケイ素は、主にマトリックス成分として使用される。ＣＭＣ材料および内燃機関の部品の製造におけるその使用例は、米国特許第5,888,641号明細書および米国特許第5,947,094号明細書に記載されており、これらの開示はその全体が参照として本明細書中に組み込まれる。
２サイクル
【００６５】
本発明の２サイクルフル拡張シリンダのサイクルは、吸気段階と、圧力行程と、燃料噴射段階と、点火および燃焼段階と、動力行程と、排気および掃気段階とを含む。本発明の図示された実施形態では、全サイクルは、シリンダ内のピストンの２行程と、ピストンロッドがピストン９に結合するクランク軸３５の１回転とを含む。本発明は、毎秒数十回から数百回のシリンダサイクルを繰り返す、内燃機関の作動方法を提供する。
２サイクルユニフローフル拡張シリンダのためのサイクル
【００６６】
図７は、熱力学作動サイクルを圧力‐体積線図として示し、図８から図１４は、シリンダ行程サイクルの各動作段階における機関のクランク位置を示す。図７の縦軸は、機関動作点でのシリンダ内部のガス圧を示し、横軸は、シリンダ壁１５、シリンダヘッド１６およびピストン９によって境界を決定された、シリンダ内部のオープン容積を示す。図１５は、シリンダサイクルの全段階を通してのクランク軸角の概略図を示す。
【００６７】
図７の表のサイクル点１ａでは、ピストンが行程の最下部（図８で１８０°クランク角で示される下死点（ＢＤＣ））でシリンダヘッド１６から最も遠い位置にあり、排気弁が開放され、かつ、吸気口も開放されている。吸気は旋回しながらシリンダ内に入り、シリンダを掃気する。その後、ピストンは点１ｂに上昇し、旋回吸気口はピストンに塞がれて閉鎖し（図９）、（図１０に示すように）排気口は塞がれずに開放されている。サイクル点１ｂから１ｃまで排気口は開放しており、これはピストンの総上昇行程期間のかなりの部分であり、この期間に空気がピストンによってシリンダから押し出され、これにより、排気口がさらに冷却され、その結果、（最高９９％の）非常に高い掃気効率が得られる。この通常は圧縮行程の部分である期間、排気口は開放されたままになる。シリンダ最下部の高速旋回口を介してシリンダに入る低圧圧縮吸気の一部は、排気口が閉鎖する前に排気口から排出される。この現象により、少量の圧縮空気エネルギーが失われるが、動力行程におけるエネルギー利得のほうがはるかに大きく、また、より冷たい掃気吸気がシリンダ壁と排気口を冷却する。
【００６８】
ピストンの圧縮行程動作のおよそ半分ほどにある点１ｃで、排気口が閉鎖する（図１０）。図１１に示すように、排気口が閉鎖すると、シリンダ内に閉じ込められた空気は、点１ｃから２までのシリンダ体積の変化により圧縮される。圧縮行程は、点１ｃと２の間で継続し、機関圧縮比の設計値は、このシリンダ体積の変化と、シリンダヘッド１６とピストン９の上端との間の行程の最上部（上死点（ＴＤＣ））の体積によって決定される。ピストン行程のほぼ最上部で、噴霧の中心が燃料リッチな噴霧パターンで小さい燃料液滴を噴射する、高圧自動車燃料噴射装置による燃料噴射が行われる（図１１）。その直後、点２のＴＤＣ付近で、点火プラグ１７からの点火が行われ、その結果、ピストン行程の最上部近くで燃焼室に噴射された燃料の燃焼と、ほぼ一定容積で起こる、サイクル点２から３ａへの圧力の大幅な、ほぼ瞬間的な増加に繋がる。（サイクル点３は理論上の最大圧力状態である。点３ａは燃焼遅延に起因する実際の状態を表す。）機関動力行程は、圧力と温度のピーク値が燃焼遅延時間により決定されるサイクル点３ａで開始される。圧力と温度のパラメータのより高い値およびより高い機関効率は、燃焼遅延時間の減少により得られる。機関動力行程を示す、サイクル点３ａから４までの膨張時に、排気口は、本行程の終了にかけての高圧力を最大限に利用するために閉鎖したままであり、圧力はサイクル点４でほぼ大気圧まで下がる（図１３）。このプロセスは、オットー・サイクル用の燃料中に得られる化学エネルギーのほとんど全てを機関（動的）パワーに変換し、その結果、機関効率を大幅に向上する。
【００６９】
圧縮開始位置が通常の全圧縮行程の約半分の距離であり、かつ、動力行程の終了時、ピストンが旋回吸気口を開放する直前で、排気口は開放しているとき、動力行程の有効長は、実際の空気圧縮行程の有効長の約２倍である。動力行程の終了時（図１３であるが、排気口が開放される直前）、燃焼ガスはほぼ完全に膨張し大気圧へと下がるため、排気口が開いたときには、排気損失はほとんどなく、ほぼ１００％に近い掃気効率が得られる。燃料に対する過剰空気比および高効率掃気により、燃料は燃焼の開始時に迅速かつ効率的に酸素を発見する。通常、燃焼開始位置は、吸気口密閉位置と上死点位置の間で、通常の全圧縮行程の約半分の距離にあり、圧縮開始位置は、吸気口密閉位置と上死点位置との間で、通常の全圧縮行程の約２５％、約３０％、約３５％、約４０％、約４５％、約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、および約７５％でありうる。
【００７０】
従来の機関では、排気弁はサイクル点４ｃで示される体積で開放し、これは従来の機関構造では、ピストン行程の最下部であり、排気ガス圧力と温度はまだ高い状態である。
【００７１】
サイクルは続き、図７のサイクル点４では、排気口が開放し（図１３）、ピストン９は下降行程を続けるため、旋回吸気口の覆いが取れて開放され（図１４）、残った燃焼ガスの排出が始まり、シリンダがサイクル点１ａに戻るにつれて、シリンダ圧が吸気圧力へと急速に減少する。
フル拡張機関の有利な特徴
【００７２】
本発明は、同等のパワー出力を有する４サイクル機関が必要とするシリンダ排気量のほぼ２分の１の、ユニフローフル拡張２サイクル機関の構造を提供する。本発明の機関の動力行程は、通常は大気中に排出される圧力と熱エネルギーのほとんどを回収する。希薄燃焼およびシリンダヘッド内部とピストン冠上の遮熱コーティングにより、冷却損失が非常に低くなるため、本発明の機関は、通常は冷却媒体に奪われる（運動エネルギーに変換される）熱エネルギーのほとんどを保持し、実質的にオーバーヒートするリスクなしに空気冷却され得る。精巧な水冷システムのない小さい２サイクル機関では、重量もより軽く、製造費も安価である。希薄燃焼により燃焼温度が減少するため、窒素酸化物の排出も減少する。遮熱コーティングの高温面は、通常は未燃の燃焼生成物を燃やすことにより、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）の排出も減少させる。燃料を直接噴射することで、機関出力は、空気流量よりむしろ燃料流量によって制御され、これにより、空気制御弁、ベンチュリ、および、その他のすべての出力設定において吸気マニホールドに対する制限手段に起因する圧力損失を排除する。
【００７３】
上記の全ての利点及び特徴を備える、本発明の２サイクルフル拡張機関は、従来の４サイクル内燃機関のほぼ２倍の熱力学燃料効率を有し、かつ、燃焼汚染物質の排出を大幅に減少する。さらに、本発明の２サイクル機関は、吸気弁や弁機構、および液体冷却システムを使用しないため、従来の機関に比べ重量が大幅に軽減され、かつ低コストである。
【図１】
2014503740.tif 000003
【図２】
2014503740.tif 000004
【図３】
2014503740.tif 000005
【図４】
2014503740.tif 000006
【図５】
2014503740.tif 000007
【図６】
2014503740.tif 000008
【図７】
2014503740.tif 000009
【図８】
2014503740.tif 000010
【図９】
2014503740.tif 000011
【図１０】
2014503740.tif 000012
【図１１】
2014503740.tif 000013
【図１２】
2014503740.tif 000014
【図１３】
2014503740.tif 000015
【図１４】
2014503740.tif 000016
【図１５】
2014503740.tif 000017
【図１６】
2014503740.tif 000018
【国際調査報告】
2014503740.tif 000019
2014503740.tif 000020