(57)【要約】  分割サイクルエンジンは、クロスオーバー通路で相互に連結されている別々の圧縮及び膨張シリンダーを含んでいる。クロスオーバー圧縮及び膨張バルブは、クロスオーバー通路内の両者の間に、膨張シリンダーへのタイミング付けられた配送の前に加圧されたガスを貯留するための圧力チャンバーを画成する。点火プラグのよな１つ以上の着火源が、着火後の膨張シリンダーにおける急速燃焼を助長し、燃焼ガスの進入を回避するために、燃焼ガスがクロスオーバー膨張バルブが実質的に閉じる前にそこに到達するのを防ぐべく、クロスオーバー膨張バルブから十分に離れて位置されている。
2010529354.tif 000002
【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、
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、及び
膨張シリンダーの端部を閉じ、クロスオーバー膨張バルブを着座させるクロスオーバー膨張バルブポートを有するシリンダーヘッド、及びクロスオーバー膨張バルブのポートの最も近い周囲縁から離間された着火源中心を有する着火源であって、膨張シリンダー内で燃焼ガスの火炎前面を確立するために、規定された着火タイミングで空気／燃料混合気を着火させる着火源を含み、ここで、着火源中心は、エンジンの運転速度の少なくとも一部分に亘る前記バルブの実質的な閉じの前の燃焼ガスの前記クロスオーバー膨張バルブポートへの移行を避けるために、決められた「安全な距離」と少なくとも同じ大きさである、クロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁からある距離に位置され、そして、安全な距離「S」は次式で表されることを特徴とする内燃機関。
「S(mm) = 燃焼速度(mm/クランク角度)×（着火からクロスオーバー膨張バルブの閉じまでのクランク角度）」
【請求項２】
安全な距離「S」は、一般的に、１９(mm)以上であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
安全な距離「S」は、一般的に、１９mmから３５mmの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
４０００rpmでの安全な距離「S」は、一般的に、１４００rpmでの安全な距離の少なくとも１.８倍であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
着火タイミングは、所与のエンジン運転速度での最適な値から遅角されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
着火源の中心は、着火後の火炎の冷却及び消炎を回避すべくシリンダー壁から十分に離れ、且つ、充填物の燃焼を過剰に延ばし、及び火炎前面を越える未燃焼の充填物の圧縮及び放射熱から自己着火を起こさないように離れ過ぎずに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
着火源の中心は、膨張シリンダーの閉じられた端部に隣り合う膨張シリンダーの壁のいかなる部分から、膨張シリンダー直径の６０％を超えずに位置されていることを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
着火源の中心は、膨張シリンダーの閉じられた端部に隣り合う膨張シリンダーの壁から、シリンダー直径の少なくとも２０％に位置されていることを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
【請求項９】
シリンダーヘッドは、排気バルブが着座する排気ポートを含み、及び着火源の中心は、着火源に隣り合う膨張シリンダー壁の適度な冷却のための空間を許容すべく、排気ポートの最も近い周囲縁から少なくとも１２mmに位置されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項１０】
クロスオーバー圧縮及びクロスオーバー膨張のバルブは、シリンダーから外に離れて開くことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項１１】
膨張シリンダー当たり少なくとも２つの着火源を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項１２】
着火源は、各々がクロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁から少なくとも安全な距離「S」にある着火源中心を有している、一対の着火源であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項１３】
２つの着火源、及び２つのクロスオーバー膨張バルブポートを含み、各々の着火源はクロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁から少なくとも安全な距離「S」にある着火源中心を有し、
着火源の中心は、中心的に位置された着火源の中心から各クロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁までの距離よりも、クロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁からさらに離れていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【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仮出願第６０/９６３,７４２号の利益を主張している。
【０００２】
本発明は、内燃機関に関する。より詳しくは、本発明は、クロスオーバー膨張バルブの閉鎖タイミングの前に、１つ以上のクロスオーバー通路のクロスオーバー膨張バルブポートに、燃焼している空気／燃料の混合気が進入するのを避けるための、分割サイクルエンジンの膨張シリンダー内での着火源の配置に関する。
【背景技術】
【０００３】
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からの逆流を防止するために用いられている。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。
【０００８】
分割サイクルエンジンの概念では、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーの幾何学的なエンジンパラメートル(すなわち、ボア、ストローク、連結ロッドの長さ、圧縮比等)は一般に互いに独立している。例えば、各シリンダーについてのクランクスロー３４及び３６は異なる半径を有してもよく、及び膨張ピストン３０の上死点(TDC)が圧縮ピストン２０のTDCの前に生ずる状態で、互いに位相がずれていてもよい。この独立性は、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及びより大きなトルクを分割サイクルエンジンが達成することを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６、５４３，２２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
クロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６は、圧縮シリンダーピストンのストロークの完了の前に加圧された空気／燃料の混合気を膨張シリンダー内に排出するのには、短い時間(約３０°クランク角)のみを有しているので、クロスオーバー膨張バルブの閉鎖が空気／燃料の充填物の着火の後に起こる。バルブの長寿命化のためには、バルブの閉鎖タイミングを短縮することなく、燃焼している燃料混合気のクロスオーバー膨張バルブへの進入を避けることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による分割サイクルエンジンでは、点火プラグ、又は複数のプラグが、膨張シリンダー内でクロスオーバー膨張(XovrE)バルブから、着火点から燃える混合気がXovrEバルブの実質的な閉鎖の前にそれらに到達しない、「安全な距離」に配置されている。このことは、エンジン速度の範囲内でのシリンダー火炎速度の設計プロセスでの考察のみならず、従来のエンジンでの点火プラグの配置についての他の考察を要求する。
【００１２】
本発明によるエンジンは、
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、
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、
膨張シリンダーの端部を閉じ、クロスオーバー膨張バルブを着座させるクロスオーバー膨張バルブポートを有するシリンダーヘッド、及びクロスオーバー膨張バルブのポートの最も近い周囲縁から離間された着火源中心を有する着火源であって、膨張シリンダー内で燃焼ガスの火炎前面を確立するために、規定された着火タイミングで空気／燃料混合気を着火させる着火源を含み、ここで、着火源中心は、エンジンの運転速度の少なくとも一部分に亘る前記バルブの実質的な閉じの前の燃焼ガスの前記クロスオーバー膨張バルブポートへの移行を避けるために、決められた「安全な距離」と少なくとも同じ大きさである、クロスオーバー膨張バルブポートの最も近い周囲縁からある距離に位置され、そして、安全な距離「S」は次式で表される。「S(mm) = 燃焼速度(mm/クランク角度)×（着火からクロスオーバー膨張バルブの閉じまでのクランク角度）」
追加の特徴は以下を含む。
【００１３】
着火源中心は、着火後の火炎の冷却及び消炎を避けるために、十分にシリンダー壁から離され、及び充填物の過剰に延長された燃焼時間及び火炎前面を越えての自己着火を起こさないようにシリンダー壁から離される。
【００１４】
着火源の中心は、着火源に隣接するシリンダー壁の適度な冷却のための空間を許容するために、シリンダーヘッドで排気バルブの最も近い周囲縁から少なくとも１２mmに位置されている。
【００１５】
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】
【００１６】
【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】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３】燃料インジェクターが重ね合わされた状態の、図２の３-３線を通って採られた分割サイクルエンジンの頂断面図である。
【図４】バルブ及び着火源の相対的配置で主要な寸法を示しているシリンダーヘッドの底面図である。
【図５】バルブが閉じるとき、２５度ATDCでのXovrＥバルブシートへの火炎の侵入の図解である。
【図６】エンジン速度に対する、着火源の中心とXovrCバルブポートの最も近い周囲縁との間の予測される「安全な距離」の線グラフである。
【図７】１４００rpmで、１４度ATDCでの着火から２３度ATDCまでの演算された火炎進行を示す二次元ダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
さて、図面の図２及び３を詳細に参照するに、数字５０は、本発明によ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。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、隣り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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
例示的な実施形態では、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。
【００２１】
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。
【００２２】
図面の図２及び３を引き続き参照するに、例示のエンジン５０はまた、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、膨張シリンダーの端部の適切な位置に配置されている１つ以上の点火プラグ９０又は他の着火装置を含んでいる。
【００２３】
また、エンジンは、クロスオーバー通路７８及び圧力チャンバー８１の少なくとも１つ（又は、両方）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少なくとも１つの燃料インジェクター９２を必要としている。
【００２４】
図４を参照するに、火花点火(SI)の分割サイクルエンジン５０の実施形態は、図示されるように、XovrEバルブポート９８に着座する２つのクロスオーバー膨張(XovrE)バルブ９６を備えるシリンダーヘッド面９４を有しており、ここでXovrEバルブは膨張シリンダー６８(不図示)に対して外方に開く。
【００２５】
シリンダーヘッド面９４はまた、排気バルブポート１０２に着座する少なくとも１つの排気バルブ１００、及び、点火プラグ、グロープラグ、スイッチ付レーザー、又は、ある位置で燃焼の開始を確立させるために、その位置で燃料/空気の温度を十分に上昇させるいずれかの制御手段のような、少なくとも１つの着火源１０４を含んでいる。ここにより詳しく論じられるように、各着火源１０４の中心１０６は、各々のXovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０から安全な距離「S」(参照番号１０８で指示されている)に配置されている。XovrEバルブ９６、排気バルブ１００、及び着火源１０４の相対的位置は、
a)  良好な燃料混合を保証するため、
b)  シリンダー内での適度な充填運動を促進するため、
c)  燃焼火炎のクロスオーバー通路への侵入を回避するため、
d)  火炎が到達する前の燃料/空気混合気の自己着火(「デトネーション」)(デトネーションとは、未燃焼燃料及び空気のポケットの制御されていない自己着火の現象であり、多くの火花点火エンジンの運転において一般に避けるべきである)を避けるため、及び
e)  ピストンが余りに遠くに下降する前の適度に早い燃焼を達成するために、重要である。
【００２６】
対の着火源１０４を有することは、燃焼の速度が増大されるという点で利点があり、分割サイクルエンジン５０についてはより重要なことに、対の着火源１０４を用いることは、XovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０からの安全な距離１０８を実現させるのに、より柔軟性を提供することである。これは、単一の着火源は、全ての方向に等しい火炎経路移行をもたらし、かくてオフセットされた着火源に比べて比較的早い燃焼時間を提供するために、通常、シリンダーの中心に置かれるからである。しかしながら、中心の着火源は分割サイクルエンジン５０に対して理想的ではない。というのも、中心的に配置された着火源の中心は、対の着火源１０４の中心１０６よりもXovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁に、より近くなる傾向にあり、そしてそれ故に、最小の安全な距離基準を対の着火源に対して満たし難くなるからである。対の着火源１０４は、適度に早い燃焼時間を達成しつつ、シリンダーの中心、及びXovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁から、さらに移動され得る。
【００２７】
分割サイクルエンジン５０の着火源１０４の選択される配置に影響する３つの主なパラメートルがある。
【００２８】
パラメートル１.  XovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０への距離
図５を参照するに、分割サイクルエンジン５０においてTDCにできるだけ近くでの燃焼を達成するためには、着火がXovrEバルブ９６が閉じる前に起こることが必要である。しかしながら、火炎１１２がXovrEバルブポート９８に進入するのを避けることもまた、XovrEバルブ９６の耐久性、及び熱効率の損失の理由により、重要である。着火源１０４の中心１０６はそれ故に、火炎１１２がそれらに到達する前に実質的に閉じるのを許容するために、XovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０からXovrEバルブ９６が十分に遠くに位置されることが必要である。「実質的な」閉じは、実際のバルブ９６の閉じはATDC２５度であるけれども、火炎１１２の進入安全性に関する限り、上死点後(ATDC)２３度にとられるべきである。図５は、ATDC２３度において、火炎１１２が、到達し、進入し、及びバルブ９６に重なっていることを示しているが、しかし、これは、火炎がクロスオーバー膨張バルブポート９８の最も近い周囲縁１１０に到着したときに、バルブ／シートの間隙がATDC２３度において０.５mmより小さいなら容認可能とされる。
【００２９】
パラメートル２.  シリンダー壁６８への距離
第一に、シリンダー壁１６８(ボア)に余りに近い着火源１０４は火炎１１２の冷却及び消炎に帰し、早期の燃焼段階での燃焼を促進するのには理想的ではない。
【００３０】
第二に、シリンダー壁１６８のいずれもから余りに遠い着火源１０４は、火炎１１２が未燃焼の混合気に到達するのに延長された燃焼時間に帰す。これは、熱効率を悪くし、そして、未燃焼混合気の圧縮、及び未燃焼混合気の位置への火炎の到着前の火炎からの放射熱の伝達の故に、自己着火(デトネーション)に帰し得る。
【００３１】
第１の理由のために、第１及び第２の着火源１０４はまた、典型的には、シリンダーボア６８の周囲からシリンダーボア直径の少なくとも２０%である。第２の理由のために、単一の着火源１０４は、シリンダーボア６８の頂部において、シリンダー壁領域のいかなる部分からもシリンダーボア直径の６０%より大きくあるべきではない。
【００３２】
パラメートル３.  排気バルブポート１０２の最も近い周囲縁への距離
適切な冷却通路（不図示）が、シリンダーヘッドのウォータージャケット内で不図示の点火プラグのボスと、排気ポート１０２の開きとの間に必要である。最小の距離は、通常、可能である最小鋳造壁厚のみならず、冷却ジャケットを形成するのが可能な最小の砂中子部のような鋳造上の制約に支配される。この要求は、一般に、着火源１０４の中心１０６と排気バルブポート１０２の最も近い周囲縁との間に最小１２mmを必要としている。
【００３３】
図６を参照するに、グラフ１１４は燃焼計算流体力学(CFD)の予測結果に由来し、分割サイクルエンジン５０にとってのパラメートル１の重要性を示している。線１１６は、全負荷状態でのエンジン速度(グラフ１１４の水平軸)に対する、着火の開始から閉じているクロスオーバー膨張バルブ９６の点への火炎１１２により移動される距離(グラフ１１４の垂直軸)を描写している。仮に、XovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０からの着火源１０４の距離１０８が、線１１６で指示された値よりも大きいなら、この配列は、クロスオーバー膨張バルブ９６が閉じる前に火炎１１２がクロスオーバー膨張バルブポート９８に進入するのを回避し、「安全な距離(S)」と云ってもよい。仮に、距離が線１１６で指示された値よりも小さいなら、この配列は、クロスオーバー膨張バルブ９６が閉じる前に火炎１１２がクロスオーバー膨張バルブポート９８に進入することになる。グラフ１１４はまた、理論的に安全な距離は、１４００rpmで〜１９mm、火炎速度２.１４mm/度(点１１８)、及び４０００rpmで３５mm、火炎速度５.７４mm/度(点１２０)であることを示している。点１２２は、このグラフ１１４を生じさせたCFD分析でモデルとされた着火源１０４の実際の位置である。点１２２は、エンジン５０について１５００rpmで最適な着火を可能にするための安全な距離１９.８mmを表している。
【００３４】
線１１６の勾配は、各エンジン速度における燃焼速度(火炎１１２前面の速度)と、全負荷においてATDC１４から２０度まで変わる着火の開始から、ATDC２５度であるクロスオーバー膨張バルブ９６の閉じまでの時間との両者に依存する。従来の２及び４ストロークの燃焼については、主な燃焼速度は、増大するエンジン速度に伴って線形に増大する一方、燃焼が進行し且つ完了するのに利用できる時間は、増大するエンジン速度に伴って線形に減少し、これらの２つの要因は、結果としてエンジン速度の範囲に亘る完全な燃焼のためには凡そ一定の角度の期間に帰する。分割サイクルエンジン５０については、CFDの燃焼予測に基づけば、mm/クランク角度で定義される、シリンダーヘッド面９４の下の１mmまでの単一の面内では、４０００rpmでの燃焼速度は、１４００rpmでの燃焼速度より凡そ２.５倍高く、そして、着火源１０４とクロスオーバー膨張バルブ９６との間には、１４００rpmで要求される安全な距離よりも、４０００rpmでは凡そ１.８倍大きな距離が要求される。
【００３５】
４０００rpm及び１４００rpmでの、１.８倍の「安全な距離」と２.５倍の角度の燃焼速度との間の不一致は、おそらく幾つかの要因のせいである。
最も重大なのは、１４００rpmでの着火(１４度ATDC)からXovrEバルブ９６の安全な閉じ点(２３度ATDC)までのより長い角度期間(９度のクランク角)に対する、４０００rpmでの遅角された１７度ATDCの着火タイミングのせいでの４０００rpmで６度ATDCの同等の期間であり、後者は、クロスオーバーポート９８への火炎の進入を回避するために、着火タイミングの早い最良な判断であった。仮に、着火源中心１０６とクロスオーバー膨張バルブポート９８の最も近い周囲縁１１０との間の要求される安全な距離を達成することが物理的に不可能であれば、着火はTDC後のそのタイミングからさらに遅角されねばならず、これはエンジンの熱効率を悪くするであろう。
【００３６】
図７を参照するに、着火源１０４とクロスオーバー膨張バルブポート９８の最も近い周囲縁１１０との間の凡その火炎経路移動が、火炎前面が２０００度Kの輪郭線でとられた、燃焼の進行のCFD輪郭線を測ることにより、１４００rpmで推定されている。単一の中心着火についてである、図７の実施例では、１７度ATDCの輪郭線が単純な白い楕円１２４として近似され、クロスオーバーバルブの２５度ATDCにおける閉じの前に、燃焼がちょうどクロスオーバーバルブポートの最も近い周囲縁に到達している、２３度ATDCの輪郭線１２６に進行している。図７において、測定された距離は凡そ１９mmであり、これは、図６の１４００rpmでの安全な距離(点１１８)に対応する。
【００３７】
図６を参照するに、XovrEバルブ９６方向への１４００rpmでの燃焼速度は、２つの２０００度Kの火炎前面上の２つの位置の間で移動する距離を、１４００rpmでの各々の火炎前面の間における時間又は角度の増分で除すことから計算できる。これらの大まかに平均された１４００rpmでの燃焼速度は、１８(m/s)、すなわち、２.１４mm/crank度、一方、４０００rpmでの対応する値は、１３８m/s、すなわち、５.７４mm/crank度であり、これらの後者の両数値は、４０００rpmでのCFD計算においてリーン空燃比の使用について補正するために、測定された値から名目３０%だけ増大されている。
【００３８】
(図１及び図３に従う)ガソリン燃料用の分割サイクルエンジン５０の燃焼室配列については、パラメートル１により、安全な距離は３５mmより大きくあるべきであり、３５mmより小さい距離では４０００rpmでの熱効率の損失を伴うであろう。より低い速度については、安全な距離が、例えば、１４００rpmでの１９mmに低減でき、及び中間の速度についてはおそらく１９及び３５mmの間で按分される。例えば、１９.８mmである着火源中心１０６の位置とXovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０との間の距離についての設計値は、１５００rpm(図６の点１２２)まで、最適な着火を提供する。
【００３９】
４０００rpmまでの最適な着火タイミングを可能にするであろうより大きな安全距離のためには、着火源１０４が、(パラメートル２及び３により)排気バルブ１００に向けてより近くに動かされるべきであり、且つクロスオーバー膨張バルブ９６が着火源１０４からさらに動かされるべきである。制限されたシリンダーボア６８の大きさ、及び排気バルブ１００の大きさの故に、妥協がなされるべきであり、及び中心から余りに離れた着火配列は、速い燃焼及び多くの場合デトネーションに対し有害であることを思い起こすべきである。１９.８mmのような「不十分な」安全距離の利益は、絞られたエンジン運転の自然な結果としてより低い燃焼速度が期待されている部分負荷状態のために、より良好な燃焼時間が維持されるであろうということである。しかしながら、ハイブリッドの用途のためには、より全負荷運転が要求されるであろうし、及びこれはおそらく図６に示された安全な距離を要求するであろう。
【００４０】
分割サイクルエンジン５０についての燃焼速度のさらなる知識を受けて、着火源中心１０６とXovrEバルブポート９８の最も近い周囲縁１１０との間の、１４００から４０００rpmでの全負荷運転のための、予測された１９から３５mmの安全な距離は、ガソリン燃料で作動する分割サイクルエンジンについて、全てのシリンダーボアの大きさに適用可能な絶対的な数値であるということができる。安全な距離は、より高い葉状の燃焼速度を有する燃料が用いられるか、又は燃焼速度を増大させる何らかの手段、例えば、増大された乱流が見出されたら、変わるであろう。ディーゼル運転についての同様な安全距離もCFD予測の利用可能性をなぞって計算されよう。
【００４１】
要約すると、全ての分割サイクルエンジンについての安全な距離「S」は、一般に以下の関係により特定することができる。
「S」(mm)＝燃焼速度(ミリメートル/クランク角・度(mm/CAD))×（着火からXovrEバルブの閉じまでのクランク角・度）
【００４２】
より容易には、「S」は、エンジンの全負荷での運転速度範囲について、着火源から移動されたATDC２３度までの火炎の輪郭線距離、エンジンの期待されたデューティサイクルに従って選ばれた最高に安全な値の距離を示しているCFDの結果から測ることができ、この選ばれた速度より上では、XovrEバルブポート９８への燃焼の進入を回避するために、着火が遅角される。
【００４３】
上記の表現はまた、エンジン速度とクランク角とから計算されるように、m/sの燃焼速度及び秒の燃焼時間を有する同様の式で表現され得る。
【００４４】
パラメートル２によれば、着火源１０４の両中心１０６はシリンダーボア６８の周囲からボア直径の２０%にあるべきで、パラメートル３によれば、着火源１０４の両中心１０６は排気バルブポート１０２の最も近い周囲縁から少なくとも１２mmにあるべきである。
【００４５】
この配列は、クロスオーバー膨張バルブ９６が閉じる前に燃焼がクロスオーバー膨張バルブポート９８に進入するのを回避する燃焼システムを提供し、一方、シリンダー６８の内容物の完全な燃焼とデトネーションの回避との間の最適な相殺取引を達成する。
【００４６】
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】
2010529354.tif 000003
【図２】
2010529354.tif 000004
【図３】
2010529354.tif 000005
【図４】
2010529354.tif 000006
【図５】
2010529354.tif 000007
【図６】
2010529354.tif 000008
【図７】
2010529354.tif 000009
【国際調査報告】
2010529354.tif 000010