(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの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１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ピストンであって、クランクシャフトの１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
圧縮シリンダーと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、圧力チャンバーを間に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、
該クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より低いときに開くようにタイミング付けられていることを特徴とする分割サイクルエンジン。
【請求項２】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも５bar低いときに開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項３】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも１０bar低いときに開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項２に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項４】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも１５bar低いときに開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項３に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項５】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも１.５度クランク角で開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項６】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも３.０度クランク角で開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項５に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項７】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも４.５度クランク角で開くようにタイミング付けられていることを特徴とする請求項６に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項８】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーから外方に開くことを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
【請求項９】
エンジンの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１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ピストンであって、クランクシャフトの１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
圧縮シリンダーと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、圧力チャンバーを間に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、
を含む分割サイクルエンジンを運転する方法であって、
クロスオーバー圧縮バルブを、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より低いときに開くようにタイミング付けることを備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも５bar低いときに開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも１０bar低いときに開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも１５bar低いときに開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも１.５度クランク角で開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも３.０度クランク角で開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
クロスオーバー圧縮バルブが、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力に達する前の少なくとも４.５度クランク角で開くようにタイミング付けることを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
クロスオーバー圧縮バルブを、圧縮シリンダーから外方に開くことを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００７年８月７日に出願された米国特許仮出願第６０／９６３，７４２号の利益を主張している。
【０００２】
本発明は、４つのストロークの各々がクランクシャフトの１回転で完了される状態で、１つのピストンが吸気及び圧縮のストロークのために用いられ、及びもう１つのピストンが膨張(すなわち、動力)及び排気のストロークのために用いられる、一対のピストンを有する分割サイクルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
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。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ている。
【０００４】
ここに言及される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(ポート)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（ここで、「Scuderi」と云う）は、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、該特許は、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。
【０００６】
図１を参照するに、特許文献１に記載されたタイプの先行技術分割サイクルエンジンの概念の例示的な実施形態が概括的に数字１０で示されている。この分割サイクルエンジン１０は、従来の４ストロークエンジンの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の組合せに置き換えている。これらの２つのシリンダー１２及び１４は、クランクシャフト１６の１回転毎にそれらのそれぞれの機能を遂行する。吸入空気及び燃料の充填物が典型的なポペット型の吸気バルブ１８を介して、圧縮シリンダー１２内に引き込まれる。圧縮ピストン２０が充填物を加圧し、及び、膨張シリンダー１４に対して吸気通路として作用する、クロスオーバー通路２２を通して充填物を後押しする。
【０００７】
クロスオーバー通路の入口において、阻止型のクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４がクロスオーバー通路２２から圧縮シリンダー１２への逆流を防止するために用いられている。すなわち、該チェックバルブ２４は圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への一方向の流れのみを許容する。
【０００８】
クロスオーバー通路２２の出口においては、クロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６が、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達した直後に充填物が十分に膨張シリンダー１４に進入するように、加圧された吸気充填物の流れを制御する。点火プラグ２８は、吸気充填物が膨張シリンダー１４に進入した後、直ぐに点火され、結果として生じる燃焼が膨張ピストン３０を下方に駆動する。排気ガスはポペットの排気バルブ３２を介して膨張シリンダーの外に排出される。
【０００９】
図２を参照するに、分割サイクルエンジン３３の代替的な先行技術の設計がSuhその他への特許文献２（ここで、「Suh」と云う)に開示されている。図２(「Suh」の図４aに相当)に示されるように、分割サイクルエンジン３３は、クロスオーバー通路３６によって相互に連結された圧縮シリンダー３４及び膨張シリンダー３５を含む。圧縮ピストン３７及び膨張ピストン３８は、シリンダー３４及び３５内で、それぞれ、往復する。内開きのポペット型のXovrCバルブ３９及び内開きのクロスオーバーバルブ４０が、クロスオーバー通路３６を介しての膨張シリンダー３５への圧縮された燃料/空気充填物４１の流れを制御し、膨張シリンダー３５で点火プラグ４２により充填物４１が着火される。
【００１０】
「Suh」の分割サイクルエンジン３３は、「Scuderi」の分割サイクルエンジン１０と少なくとも２つの方法で異なる。すなわち、
１）燃料/空気の充填物４１は、膨張ピストン３８のTDC位置の後よりもむしろ、膨張ピストン３８がそのTDC位置に到達する前に着火される(「Suh」の１４欄、３９乃至４１行を見よ)。
２）「Suh」のXovrCバルブ３９は、チェックバルブというよりもむしろ、内開きのポペットバルブである(「Suh」の１４欄、２９乃至３０行を見よ)。
【００１１】
図３(「Suh」の図５に相当)を参照するに、XovrCバルブ３９を遅く開く、すなわち、シリンダー３４から通路３６へ正の差動圧力が存するときに開くようにタイミング付けることによって、クロスオーバー通路３６から圧縮シリンダー３４への逆流を防いでいる点において、「Suh」は「Scuderi」と一致している。グラフ４３は、圧縮シリンダーの圧力(線４５)、さらに、クロスオーバーバルブの開き(線４６)、クロスオーバーバルブの閉じ(線４７)、XovrCバルブの開き(線４８)、及びXovrCバルブの閉じ(線４９)のタイミングとの対比で、クロスオーバー通路の圧力(線４４)の関係を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【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６,７８９,５１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
XovrCバルブは、圧縮シリンダーの圧力４５がクロスオーバー通路の圧力４４より大きいときの、圧縮ピストン３７のTDC前約６０度でのみ開くようにタイミング付けられているので、クロスオーバー通路３６から圧縮シリンダー３４への逆流は防止されている。
【００１４】
分割サイクルエンジン、特に、膨張ピストンがその上死点位置に到達した後に充填物を着火させる(「Scuderi」のような)分割サイクルエンジンにとっては、クロスオーバーバルブの動的な作動に厳しい要求がある。これは、「Scuderi」のエンジン１０のクロスオーバーバルブ２４及び２８が、通常、１８０から２２０度のクランク角内でバルブを作動させる従来のエンジンに比べて、極めて短い期間のクランクシャフトの回転(一般に、約３０度のクランク角)で燃料-空気の充填物を完全に移送するために、十分なリフトを達成しなければならないからである。このことは、「Scuderi」のクロスオーバーバルブが従来のエンジンのバルブよりも約６倍の速さで作動されることができねばならないことを意味する。
【００１５】
増大されたバルブリフト及び/又は増大されたバルブ作動の持続期間は、流れの制約及びポンピング仕事を減少させるので、一般的に、エンジン性能を向上させる。しかしながら、バルブリフト及び作動期間は、ポンピング仕事を増大させ、エンジン性能を低下させ得る逆流の可能性によって、一般的に、制限される。加えて、バルブリフト及び作動期間は、バルブ列の動力学及びバルブの衝撃よって制限される。これは、特に、速く作用するクロスオーバーバルブを備えた分割サイクルエンジンの場合にそう云える。それ故に、分割サイクルエンジンのクロスオーバーバルブについて、リフト及び/又は作動の持続期間を増大させる必要性が存する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による分割サイクルエンジンは、エンジンの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１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する圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に膨張ストローク及び排気ストローク通して往復する膨張ピストン、及び、
圧縮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を含み、クロスオーバー通路は、両者の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バルブ(XovrE)を含み、
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より低いときに開くべく、タイミング付けられている。
【００１７】
エンジンの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１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する圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に膨張ストローク及び排気ストローク通して往復する膨張ピストン、及び、
圧縮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を含み、クロスオーバー通路は、両者の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バルブ(XovrE)を含む分割サイクルエンジンの運転方法は、
圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー圧縮バルブにおいてクロスオーバー通路の上流圧力より低いときに、クロスオーバー圧縮バルブを開くべくタイミング付けるステップを含んでいる。
【００１８】
追加の特徴は、以下を含む。
【００１９】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー通路の上流圧力より少なくとも５乃至１５bar低いときに開くべくタイミング付けられ得る。
【００２０】
クロスオーバー圧縮バルブは、圧縮シリンダーの圧力がクロスオーバー通路の上流圧力に到達する前の少なくとも１.５乃至４.５度のクランク角で開くべくタイミング付けられ得る。
【００２１】
本発明のこれらの、及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共になされる本発明の以下の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のエンジンに関連する先行技術の分割サイクルエンジンの横断面図である。
【図２】他の先行技術の分割サイクルエンジンの概略的表示である。
【図３】図２のエンジン表示についての圧力プロットである。
【図４】本発明による例示的な分割サイクルエンジンの横断面図である。
【図５】燃料インジェクターが重ね合わされた状態の、図４の５-５線を通って採られた図４の分割サイクルエンジンの頂断面図である。
【図６】一定のピークリフトでの種々のクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブの開きクランク角において、図４及び図５のエンジンについて予測される指示及びブレーキトルクのグラフである。
【図７】一定のピークリフトでの基準及び早開きクロスオーバーバルブについての、クランク角に対するXovrCバルブのリフトのグラフである。
【図８】初期逆流を有する本発明の早開きXovrCバルブについての、クランク角に対する質量空気流量のグラフである。
【図９】一定のピークリフトでの種々のバルブ開きタイミング値についての、XovrCバルブ開きクランク角に対する空気流れのグラフである。
【図１０】一定のピークリフトでの種々のXovrCバルブ開きタイミング角における、圧縮及び膨張シリンダーの最大圧力のグラフである。
【図１１】可変のピークリフトで、基準及び早開きクロスオーバーバルブについての、クランク角に対するXovrCバルブのリフトのグラフである。
【図１２】圧縮シリンダーピストンのストローク及び移動の範囲に亘る、基準及び増大されたXovrCバルブリフトを比較する平均有効シリンダー圧力のグラフである。
【図１３】本発明の早開きXovrCバルブタイミングを備える自然吸気最適化分割サイクルエンジンの予測された圧力及びタイミングのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
用語解説
ここに用いられる用語の頭字語及び定義の以下の用語解説が参照のために提供される。
ポンピング仕事(すなわち、PV仕事):  ポンピング仕事とは、吸気及び排気のガスをシリンダー内及びシリンダー外に、バルブ及びガスの流れでの他の全ての制限によって起こされる圧力低下を越えて、移動させるのに費やされる仕事として定義される。それは、一般的に、圧力低下に容積流れが乗じられた積分として計算され、かくて、この計算は、通常、「PV仕事」と略称される。
早期XoyrCバルブ開き:  早期クロスオーバー圧縮バルブ開きとは、バルブを越えて正の圧力が発生する前の、バルブの開きとして定義される。
エンジン全負荷すなわち１００%エンジン負荷:  所与の速度で、エンジンが発生し得る最大トルクである。
指示（図示）トルク:  エンジンの機械的摩擦及び補助システムの損失の作用の前に計算された、エンジンのピストンクラウンでのトルク出力である。
ブレーキトルク:  エンジンの出力軸でのトルク出力である。
自然吸気エンジン:  自然吸気エンジンとは、ターボチャージャー、スーパーチャージャーなどによりブーストされていない吸気ストロークを備えるエンジンである。
ブレーキ平均有効圧力:  平均有効圧力値に関して表わされたエンジンのブレーキトルク出力である。それはエンジン排気容積で除されたブレーキエンジントルクに等しい。
指示平均有効圧力:  それはエンジン排気容積で除された指示エンジントルクに等しい。
上死点:  ピストンがサイクルを通して到達する、シリンダーヘッドへ最も近い位置であり、最も小さいシリンダー容積を提供する。
バルブの開き:  ここでの目的のためには、バルブの開きは少なくとも０.０６mmのバルブリフトとみなされる。
クランク角:  クランクシャフトの回転角度である。
【００２４】
説明
さて、図面の図４及び５を詳細に参照するに、数字５０は、本発明によるクロスオーバー通路７８に早開きのクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ８４を有する分割サイクルエンジンの例示的な実施形態を概括的に指示している。ここでより詳細に論じられるように、早開きのXovrCバルブ８４は、圧縮シリンダー６６の圧力がクロスオーバー通路７８の圧力より低い(すなわち、XovrCバルブ８４を越えて負の差動圧力がある)ときに開くようにタイミング付けられている。有利なことに、早開きXovrCバルブ８４は、高められた分割サイクルエンジン５０の性能に帰す、より大きなバルブ作動の期間、及びより大きなバルブリフトをもたらす。
【００２５】
エンジン５０は、クランクシャフト軸線５４の回りを、図面に示されるように、時計回り方向に回転するクランクシャフト５２を含んでいる。クランクシャフト５２は、連結ロッド６０、６２にそれぞれ連結され、隣合う角度的に変位された先行及び従属のクランクスロー５６、５８を含んでいる。
【００２６】
エンジン５０は、一対の隣り合うシリンダーを画成するシリンダーブロック６４をさらに含む。特に、エンジン５０は、クランクシャフト５２と反対のシリンダー端部においてシリンダーヘッド７０により閉鎖された圧縮シリンダー６６及び膨張シリンダー６８を含んでいる。
【００２７】
圧縮ピストン７２は圧縮シリンダー６６に収容され、そして上死点(TDC)及び下死点(BDC)の位置の間でのピストン７２の往復のために、従属の連結ロッド６２に連結されている。膨張ピストン７４は膨張シリンダー６８に収容され、そして同様のTDC/BDCの往復のために、先行する連結ロッド６０に連結されている。
【００２８】
シリンダーヘッド７０は、シリンダー６６及び６８へ、シリンダー６６及び６８から、及びシリンダー６６及び６８の間のガスの流れのための構造を提供している。ガスの流れの順において、シリンダーヘッド７０は、吸入空気が圧縮シリンダー６６に引き入れられる吸気通路７６、圧縮シリンダー６６から膨張シリンダー６８に圧縮された空気が移送される、一対のクロスオーバー(Xovr)通路７８、及び費やされたガスが膨張シリンダー６８から排出される排気通路８０を含んでいる。クロスオーバー通路７８の各々はまた、クロスオーバーバルブが閉じられたとき加圧されたガスが貯留される圧力チャンバー８１を画成している。
【００２９】
圧縮シリンダー６６へのガスの流れは、内開きのポペット型の吸気バルブ８２によって制御される。クロスオーバー通路７８の各々への、及びそれらからのガスの流れは、一対の外開きのポペットバルブ、すなわち、クロスオーバー通路の入口端部におけるクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ８４、及びクロスオーバー通路の出口端部におけるクロスオーバー膨張(XovrE)バルブ８６によって制御され得る。排気通路８０の外の排気ガスの流れは、内開きのポペット型の排気バルブ８８によって制御される。これらのバルブ８２、８４、８６及び８８は、機械式に駆動されるカム、可変バルブ作動技術などのような適切な方法で作動されてもよい。
【００３０】
各クロスオーバー通路７８は、それに配置された少なくとも１つの高圧燃料インジェクター９０を有している。燃料インジェクター９０は、クロスオーバー通路７８の圧力チャンバー８７内の圧縮された空気充填物に燃料を噴射するべく作用する。
【００３１】
エンジン５０はまた、１つ以上の点火プラグ９２又は他の着火装置を含む。点火プラグ９２は、混合された燃料及び空気の充填物が着火され、及び膨張ストロークの間に燃焼し得る、膨張シリンダー６８の端部の適切な位置に配置されている。
【００３２】
外開きのXorvCポペットバルブ８４のタイミングを含み、分割サイクルエンジン５０の種々の幾何学的なパラメートルを最適化するために、コンピューターでの検討が利用された。XovrCバルブ８４の最適化に関しては、事実上、全ての分割サイクルエンジン技術が、最適な性能のためには逆流の防止が要求されることを、以前に論じられた先行技術の「Scuderi」及び「Suh」の特許に例示されるように、教示している。
【００３３】
加えて、逆流、特に、XovrCバルブ８４をよぎる逆流と分割サイクルエンジンの性能(例えば、トルク、圧力、質量流れ等)との関係は以前には知られていなかった。さらに、分割サイクルエンジン５０の性能への逆流の作用についての不確実性の程度は複雑であった。というのも、エンジン５０は、圧縮シリンダー６６から離れて開く外開きのXovrCバルブ８４を含んでおり、一方、他の先行技術の分割サイクルエンジンは、XovrCバルブのために、(「Scuderi」におけるような)チェックバルブ又は(「Suh」におけるような)内開きのポペットバルブのいずれかを利用しているからである。したがって、これらの不知の故に、コンピューターでの検討は、XovrCバルブ８４について逆流を誘発する種々の早開きタイミングの走査を含んだ。このコンピューターでの検討は、ここに詳細に説明される予期し得ない結果を生み出した。
【００３４】
図６を参照するに、グラフ１００は、４０００ｒｐｍ及び１００%エンジン負荷での自然吸気の分割サイクルエンジン５０のサイクルシミュレーションのための、一定のピークリフトにおけるクロスオーバー圧縮バルブ８４の開きクランク角に対する、分割サイクルエンジン５０についての、「指示トルク」及び「ブレーキトルク」のコンピューター検討の予測された結果を示している。プロットされた線１０２は、ニュートンメートルでの「指示トルク」を表わし、及びプロットされた線１０４はニュートンメートルでの「ブレーキトルク」を表わしている。トルクは、膨張ピストン７４のTDC位置に対して、上死点前(BTDC)の１８.５度のクランク角(CA)(すなわち、上死点後(ATDC)の-１８.５度CA)からBTDCの５度CAまで、各々１.５度のクランク角(CA)の増分で、計算された。
【００３５】
クロスオーバー圧縮バルブ８４の開きの基準タイミングは、膨張ピストンの上死点前(BTDC)の９.５度CA(すなわち、指示トルクについては参照点１０６、及びブレーキトルクについては参照点１０８)である。すなわち、BTDCの９.５度CAで、XovrCバルブ８４が少し早目に開くようにタイミング付けられ、XovrCバルブを越える逆流は検出されたが最小であった。
【００３６】
予期されたように、遅いタイミングはトルクの低下をもたらした。しかしながら、意外に、早いタイミングは、膨張ピストン７４の１４度BTDC(参照番号１１８及び１２０)より早いまでは、無視し得る効果を有した。すなわち、予測された「指示トルク」及び「ブレーキトルク」は、XovrCバルブ８４が、膨張ピストン７４のBTDCの９.５度CAの基準に対して、少なくとも１.５度CA早く(参照点１１０及び１１２)、少なくとも３.０度CA早く(参照点１１４及び１１６)、又は少なくとも４.５度CA早く(参照点１１８及び１２０)開かれたとき、著しくは変わらなかった。
【００３７】
図７を参照するに、グラフ１２２は、BTDC９.５度CAの基準点で作動が開始されたとき(曲線１２４)、及び４.５度CA早く作動が開始されたとき(曲線１２６)の、XovrCバルブ８４の一定ピークリフトでのバルブリフトプロフィールを示している。ここで留意すべきは、曲線１２６の下の面積は曲線１２４の下の面積よりも大きく、これは、早めに作動されたXovrCバルブ８４のより大きな作動期間中に空気質量流れが通過するための、より開いた容量が存在することを意味することである。
【００３８】
図８を参照するに、グラフ１２８は、４.５度CAだけ進角された早開きタイミングのXovrCバルブ８４について、クランク角に対しての質量流量のプロットを示している。曲線１３０にプロットされているように、XorvCバルブ８４を越える圧力デルタが負(すなわち、圧縮シリンダー６８の圧力がクロスオーバー通路７８の圧力より低い)である、膨張ピストン７４のBTDC１４から９.５度CAの間では著しい逆流がある。一旦、BTDC９.５度CAの点が到達されると、圧力デルタは正(すなわち、圧縮シリンダー６８の圧力がクロスオーバー通路７８の圧力を超える)になり、及び質量流量は前方の方向へと戻る。
【００３９】
図９を参照するに、グラフ１３２は、一定ピークリフトでのXovrCバルブ８４の開きタイミングに対する空気流れのプロットである。再度、XovrCバルブは、曲線１３４に示されるように、膨張ピストン７４のBTDC５度CAからBTDC１８.５度CAまでで１．５度の増分で段階付けられた。曲線１３４は、早期のバルブ開きタイミングによる初期の逆流にもかかわらず、全体の空気流れがBTDC９.５度CA(参照点１３６)の基準タイミングと同じである。すなわち、XovrCバルブ８４が、ちょっと早く(参照点１３６)、１.５度CA早く(参照点１３８)、３.０度CA早く(参照点１４０)、又は４.５度CA早く(参照点１４２)開かれるか否かにかかわらず、空気流れは凡そ１３２kg/hrであった。
【００４０】
図１０を参照するに、グラフ１４４は、一定ピークリフトでBTDC９.５度から１４度にタイミングを進角させると、圧縮シリンダーにより大きく作用して、両シリンダーのピークシリンダー圧力を低下させることを示している。すなわち、タイミングがBTDC９.５度から１４度に進角されたとき、ピーク圧縮シリンダー圧力(曲線１４５で示される)は、５２barから約４８.５bar間で低下し、一方、ピーク膨張シリンダー圧力(曲線１４６で示される)は凡そ４４.５barから４３barまで低下した。シリンダー圧力を低下させることはシリンダー摩擦を減少させ、これは、逆向きの初期の流れの増大されたポンピングを伴っても、何故にタイミングの進角によるトルクの損失がないかを説明し得よう。
【００４１】
図１１を参照するに、グラフ１４７は、クロスオーバー圧縮バルブ８４の開きの持続期間における増大がまた、ピークバルブリフトにおける２.４３mm(曲線１４８)から２.６０mm(曲線１４９)への追加の増大を許容したことを示している。すなわち、バルブリフト曲線１４８及び１４９に対して同じ加速度及び減速度が与えられるとすると、基準のバルブ曲線１４８についての２.４３mmのピークリフトよりも、より高い２.６０mmのピークリフトがより大きな開き持続期間を有する早開きのバルブ曲線１４９で得られるであろう。
【００４２】
図１２を参照するに、２.６０mmのより高いピークバルブリフトの故の、結果として生じる制限の減少が、より長い圧縮シリンダーピストンのストローク及びより大きい排気量へ拡大する増加でもって、ポンピング仕事を減少させ、及び平均有効圧力を増大させた。これは、２.４３のバルブリフト(曲線１５２)及び２.６０のバルブリフト(曲線１５４)についての、圧縮シリンダーピストンのストロークに対するブレーキ平均有効圧力をプロットしているのみならず、２.４３のバルブリフト(曲線１５６)及び２.６０のバルブリフト(曲線１５８)についての、圧縮シリンダーピストンのストロークに対する指示平均有効圧力をプロットしている、グラフ１５０に図示されている。空気流れ、すなわち、最大トルクの損失なしでの、シリンダー圧力の低下、及び結果として生じる、往復するピストンの摩擦の減少が、本発明の分割サイクルエンジン５０の運転において、向上された性能という予期しない利益を提供している。
【００４３】
図１３を参照するに、グラフ１６０は、４０００RPM、１００%(全)エンジン負荷で、自然吸気最適化分割サイクルエンジン５０のサイクルシミュレーションのための、クランク角に対する、予測された、クロスオーバー通路７８、圧縮シリンダー６６、及び膨張シリンダー６８の圧力を示している。XovrCバルブ８４、XovrEバルブ８６、点火プラグ９２の着火、インジェクター９０の噴射開始(SOI)の範囲、インジェクター９０の噴射終了(EOI)の範囲、及び圧縮ストロークの終わり、についてのタイミングが示されている。線１６２は圧縮シリンダー６６の圧力を表わしている。線１６４はクロスオーバー通路の上流圧力(Xovr上流圧力)、すなわち、クロスオーバー通路７８においてXovrCバルブ８４のポペットヘッドの正に隣に位置される点で取られた圧力を表わしている。線１６６はクロスオーバー通路の下流圧力(Xovr下流圧力)、すなわち、クロスオーバー通路においてXovrEバルブのポペットヘッドの正に隣に位置される点で取られた圧力を表わしている。最後に、線１６８は膨張シリンダーの圧力を表わしている。
【００４４】
留意すべきは、XovrCバルブが早く開くタイミング線１７０では、XovrCバルブ８４をよぎって凡そ２０barの差動負圧があるということである。すなわち、膨張シリンダーピストンのBTDC１４度CA(すなわち、ATDC-１４度CA)(タイミング線１７０)では、圧縮シリンダー圧力１６２はクロスオーバー通路の上流圧力１６４より凡そ２０bar低い。
【００４５】
それ故に、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダー圧力１６２がXovrCバルブにおいて少なくとも５bar、クロスオーバー通路の上流圧力１６４より低いとき(タイミング線１７０の参照点１７２)に開くのが好ましい。加えて、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダー圧力１６２がXovrCバルブにおいて少なくとも１０bar、クロスオーバー通路の上流圧力１６４より低いとき(タイミング線１７０の参照点１７４)に開くのがより好ましい。さらに、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダー圧力１６２がXovrCバルブにおいて少なくとも１５bar、クロスオーバー通路の上流圧力１６４より低いとき(タイミング線１７０の参照点１７６)に開くのが最も好ましい。
【００４６】
再度、図６及び９を参照するに、エンジントルク及び空気流れの両者は、XovrCバルブの開きタイミングが膨張シリンダーのBTDC９.５度からBTDC１４度までの範囲に維持されているときは、本質的に一定に留まっている。上で留意されたように、XovrCバルブのタイミングを進角することは増大されたXovrCバルブの開き期間から結果として生じる利益を有する。
【００４７】
したがって、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダーの圧力１６２がXovrCバルブ８４においてクロスオーバー通路の上流圧力１６４に達する前の少なくとも１.５度クランク角で開くことが好ましいということが明らかである。加えて、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダーの圧力１６２がXovrCバルブ８４においてクロスオーバー通路の上流圧力１６４に達する前の少なくとも３.０度クランク角で開くことがより好ましい。さらに、XovrCバルブ８４は、圧縮シリンダーの圧力１６２がXovrCバルブ８４においてクロスオーバー通路の上流圧力１６４に達する前の少なくとも４.５度クランク角で開くことが最も好ましい。
【００４８】
本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、多数の変更が説明された本発明概念の趣旨及び範囲内でなされ得ることが理解されるべきである。したがって、本発明は説明された実施形態に限定されないが、しかし以下の請求項の言語で定義された全範囲を有していることが意図されている。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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