(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンであって、
空燃混合気が導入される第１の室と、動力伝達部材がある第２の室と、のガスが互いに動的に移動可能な２つの室と、
エンジンサイクル中の予め定められた点において自動点火が開始するように、前記第１の室を予め定められた容積にすることよって前記空燃混合気の点火点を変更する第１の手段と、
点火の際に、前記２つの室の間でガスを移動させて、前記第２の室におけるガス圧の上昇速度を制御して、前記動力伝達部材へ加わる力を制御する第２の手段と、
を有している、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジン。
【請求項２】
前記第１の室内へ前記空燃混合気が導入され、該第１の室内で燃焼が起きる、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項３】
弁が、前記第１の室と前記第２の室との間にある、請求項１または２に記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記弁は一方向弁である、請求項３に記載の内燃エンジン。
【請求項５】
前記第２の手段は、前記２つの室の間の通路と、燃焼が起こり前記第２の室内の圧力が増加するとき、前記第２の室は、第１の室から高い度合で隔離させられるように前記通路を選択的に塞ぐ手段と、を有し、前記通路を塞ぐ手段は、前記第２の室から前記第１の室にガスが進むように動かされる、請求項１または２に記載の内燃エンジン。
【請求項６】
空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンであって、
該エンジンの複数の燃焼容積のそれぞれが２つの室を有し、該２つの室のうち一方の燃焼室は、容積が可変であり、自動点火するような圧縮比の前記空燃混合気を燃焼室に補給する手段を備えている燃焼容積と、
前記各燃焼容積を動的に変更することができ、エンジンサイクル中の予め定められた点において自動点火が開始するように、前記燃焼室を予め定められた容積に動的に変更することによって前記空燃混合気の点火点を変更する第１の手段と、
点火の際に、前記２つの室の間でガスを移動させて、前記２つの室のうち他方の動力伝達部材がある室におけるガス圧の上昇速度を制御して、前記動力伝達部材へ加わる力を制御する第２の手段と、
を有している、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジン。
【請求項７】
前記２つの室はそれぞれシリンダであり、前記燃焼室は前記燃焼容積の圧縮比の動的な変更を行うピストンを有し、前記動力伝達部材がある室は前記空燃混合気を圧縮し、点火後にクランクシャフトへ動力を伝達する動力伝達ピストンを有している、請求項６に記載の内燃自動点火エンジン。
【請求項８】
前記第２の手段は、前記動力伝達ピストンへの圧力の伝達を制御するように前記燃焼室に発生した圧力によって開かれることができる弁を有している、請求項７に記載の内燃自動点火エンジン。
【請求項９】
前記２つのシリンダの間の通路と、燃焼が起こり前記燃焼室内の圧力が増加するとき、前記燃焼室を、前記動力伝達ピストンが配置されている室から高い度合で隔離させられるように前記通路を選択的に塞ぐ手段と、を有し、
前記通路を塞ぐ手段は、前記燃焼室から前記動力伝達ピストンがある室に前記圧力が進むように動かされる、請求項６から８のいずれか１項に記載の内燃自動点火エンジン。
【請求項１０】
前記通路を選択的に塞ぐ手段は、前記通路を事実上塞ぐ位置と前記通路を事実上開く位置との２つの位置の間を移動可能なブレードと、動力を伝達するピストンへの前記空燃混合気の燃焼によって得られた圧力の伝達を制御するために前記ブレードの位置を制御する手段である、請求項９に記載の内燃エンジン。
【請求項１１】
前記ブレードは、前記通路が、排気行程および吸気行程の間は事実上開き、圧縮行程の大部分の間には、圧縮が自動点火のための圧縮に近づくに従って閉じる位置にある、請求項１０に記載の内燃エンジン。
【請求項１２】
前記通路内に前記ブレードを迂回するバイパス通路を有し、該バイパス通路は前記動力伝達ピストンがある室から前記燃焼室へガスを移動させることができる一方向弁を含んでいる、請求項１０または１１に記載の内燃エンジン。
【請求項１３】
前記通路を選択的に塞ぐ手段は、シリンダヘッド内に設けられた前記通路が通る凹部を含んでおり、前記凹部は前記凹部を通過するガスの流れを制限する絞りと、前記凹部に入り、ピストンが上死点に向かい上死点を通っている間に前記通路を塞ぐ、ピストンの頂部上に設けられた突出部とを有しており、前記通路を選択的に塞ぐ手段はまた、ガスが前記動力伝達ピストンがある室から燃焼室へ通ることはできるが燃焼室から隙間容積に通ることはできない、前記突出部内に設けられた一方向弁を含んでいる、請求項９に記載の内燃エンジン。
【請求項１４】
前記通路を選択的に塞ぐ手段は貫通する開口を有する部材であり、前記開口の面積は燃焼ガスの圧力に応じて前記開口を通過する燃焼ガスの流量を制御するために可変である、請求項９に記載の内燃エンジン。
【請求項１５】
開口面積の変化は自動的であり、前記開口面積に作用する圧力の変化に対応する、請求項１４に記載の内燃エンジン。
【請求項１６】
入口弁および排気弁が前記動力伝達ピストンがある室内に配置されている、請求項６から１５のいずれか１項に記載の内燃エンジン。
【請求項１７】
燃料が直接噴射によって燃焼室内に導入される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項１８】
燃料は、吸入された空気が前記動力伝達ピストンがある室内に引き込まれる前に前記空気内へ導入される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項１９】
燃料は、直接噴射によって燃焼室内へ導入され、かつ吸入された空気が前記動力伝達ピストンがある室内に引き込まれる前に前記空気内へ導入される、請求項１６に記載の内燃エンジン。
【請求項２０】
燃焼室内に直接噴射される燃料は、自動点火を引き起こすために十分な圧縮が達成される前に、前記燃料を吸入された空気と均一に混合することができるように、吸気行程の間、または圧縮行程の早期に導入される、請求項１７または１９に記載の内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、希薄混合気を用いて高圧縮比で動作し、所定のパラメータが満たされたときに点火が生じるように構成されている自動点火エンジンに関する。
【０００２】
希薄混合気の燃焼と高い圧縮比は、エンジンを、従来のエンジンよりも熱力学的に良くすることができるパラメータである。エンジンは、均質の、または予混合された給気の燃焼を生じさせる手段として、点火タイミングを制御する手段として、点火遅延時間を考慮にいれた上でエンジンサイクルの適切な点で給気の自動点火を引き起こすように、給気に温度と充分な大きさを持つ圧力を与える装置と結合している、自動点火の現象を用いている。
【０００３】
この燃焼過程の点火タイミングを制御することとは別に、検討すべき燃焼過程に関する他の幾つかの考慮すべき事項がある。
【０００４】
これらの考慮事項のうちの主な２つは、エンジンノッキングと圧力上昇の速度である。
【０００５】
本発明のエンジンは圧縮点火エンジンではあるが、燃料の供給、点火タイミング装置、および燃焼方式が非常に異なっているので、本発明のエンジンをディーゼル圧縮点火エンジンと混同してはならない。
【０００６】
本発明のエンジンは、従来型の火花点火エンジンとディーゼルエンジンが相互に異なるように、これらの２つのエンジンの何れとも異なる新しい型のエンジンであり、そのようなエンジンの一般的な動作は、「内燃エンジン」という発明の名称で本発明者の係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９８／００７２８およびその指定国における国際特許出願に記載されている。
【０００７】
火花点火エンジンをディーゼル圧縮点火エンジンと区別するものは、異なる燃焼方式とタイミング装置である。本発明のエンジンの燃焼方式とタイミング装置と動作の熱力学的原理は、火花点火エンジンとディーゼルエンジンの何れにとも異なっているので、それは、それ特有のカテゴリー内にある。
【０００８】
本発明の目的は、そのようなエンジンを提供することにある。
【０００９】
最も広い態様として、本発明者は、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンであって、エンジンの複数の燃焼容積のそれぞれが前記空燃混合気が自動点火するような圧縮比を有しており、前記エンジンの現時点における特定の動作パラメータの下で給気点火遅延時間を生じさせるために、エンジンサイクル中の予め定められた点において自動点火が開始するように、前記エンジンの各燃焼容積の圧縮比を動的に変更することによって前記空燃混合気の点火点を変更することを含んでおり、ガス圧の上昇速度を制御し、それによって前記燃焼容積に連結されている動力伝達部材へ加えられる、燃焼による力を制御する手段を有している、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンを提供する。
【００１０】
より特定の形態として、本発明者は、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンであって、該エンジンの複数の燃焼容積のそれぞれが２つの室を有し、燃焼室は前記空燃混合気を燃焼室に補給する手段を有し、かつ、前記空燃混合気が自動点火するような圧縮比を有しており、前記エンジンの現時点における特定の動作パラメータの下で給気点火遅延時間を生じさせるために、エンジンサイクル中の予め定められた点において自動点火が開始するように、前記エンジンの各燃焼容積の圧縮比を動的に変更することによって前記空燃混合気の点火点を変更することを含んでおり、ガス圧の上昇速度を制御し、それによって動力伝達部材へ加えられる、燃焼による力を制御する手段を有している、空燃混合気を用いる内燃自動点火エンジンを提供する。
【００１１】
本エンジンの一態様においては、これは、第１のピストンはコネクティングロッドによってクランクシャフトに連結され、他のピストンは、第１のピストンの要求される位置において給気の点火を確実に行うために、複合点火容積に対する実効的な圧縮比をもたらすエンジン制御装置によって作動される装置によってシリンダ内において可動である、関連づけられた２つのシリンダと２つのピストンによって達成される。
【００１２】
燃焼は、前記の他のピストンを有するシリンダ内で起こることが好ましい。
【００１３】
２つの容積は、点火およびそれに続く燃焼によって形成されたガスの、該容積間の移動が制御されるように相互に連結することができることが望ましい。
【００１４】
本発明のエンジンは、低負荷範囲（すなわち、０−６０ｋｍ／ｈ）で約４０％−４５％だけ、かつ最高動力負荷で３０％まで（通常の火花点火エンジンに比較して）燃料消費を低減することができる。これは、火花点火モデル燃料（すなわち石油）を用いた火花点火エンジンと比較されている。自家用車の運転者は、都市を移動している間には、そのような燃料消費の低減によって、その運転者が現在移動することができる約２倍のキロメータ／リッターを移動することができるようになる。このことは、温室効果ガスの放出が都市移動負荷において同じ約４０％−４５％だけ、かつ最大動力負荷で約３０％だけ減少するであろうことを意味する。他の排気放出物、すなわち窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素もまた実質的に減少する。
【００１５】
超希薄混合気で非常に高い圧縮比で動作するエンジンは、火花点火エンジンよりも効率的である。火花点火エンジンは、主として不点火によって理論混合比の約０．８すなわち、８０％以下の混合比では適正に機能しない。さらに、石油は、特に高負荷においてエンジンにノッキングを起こす傾向があることから、火花点火エンジンにおいては約１０：１よりも高い圧縮比とすることを許容できない。
【００１６】
本発明のエンジンは、超希薄混合比で非常に高い圧縮比で石油（および考えられる他の燃料）を燃焼しながら動作するエンジンである。事実、エンジンがこれらの状況の下で動作することができるということは、炭化水素の自点火の現象と点火遅延時間として知られている関連する現象とに関係がある。
【００１７】
自動点火は、もし、空燃給気が充分な大きさの温度と圧力に上昇させられたならば起こる、空燃給気の自発的点火である。点火遅延時間は、空気と燃料の給気が自動点火を起こすために充分に高い温度と圧力に上げられた後、点火が実際に起こるまでに経過する期間である。点火遅延時間は非常に短い期間であるが、適応性のある自動点火エンジンの実現において利用されることができる期間である。
【００１８】
石油または特定のオクタン価をもつ燃料の点火遅延時間の期間および開始を決定する主要な３つのパラメータは、温度、圧力、および混合比である。温度と圧力の制御を行う望ましい方法は、可変圧縮比装置を使用することである。エンジンまたは任意の圧縮過程に関して、圧縮比（占められた当初の体積と最終体積との間の比）は圧縮の完了時に温度と圧力がどのような値になるかを決定する。
【００１９】
圧縮比の増加によって、圧縮の後段および最後は、強制的に、温度および圧力の上昇を生じる。圧縮比の減少によって、圧縮の後段および最後は、強制的に、温度および圧力の下降を生じる。したがって、圧縮比の変化は点火遅延時間の期間およびその開始を変化させる変化を生じる。したがって、圧縮比を要求通りに変化させるためには点火タイミングの制御が要求される。
【００２０】
一定の燃料供給で２０００ｒｐｍで運転するエンジン（道路上を６０ｋｍ／ｈでの走行している自動車）を考える。また、上死点前（ＢＴＤＣ）５度で点火が起こることが望ましいと仮定する。２０００ｒｐｍのとき、エンジンクランクは毎ミリ秒あたり１２度のクランク角を掃引する。もし、そのときの燃料混合比に対する点火遅延時間が１ミリ秒ならば、点火がＢＤＴＣ（上死点前）５度で起こるためには、圧縮比は、ピストンが上死点（ＴＤＣ）に到達する１ミリ秒前に自動点火を引き起こす温度と圧力が必ず達成されているように設定されなければならない。すなわち、その混合気は、ピストンがＢＴＤＣ１７度のクランク角、すなわち点火が実際に起こる位置の１２度前と一致する点を通過する時に、これらの条件に達していなければならない。
【００２１】
エンジンが、同一の燃料供給で約１５００ｒｐｍに減速するとき、（車は、アクセルペダルを変化させないで丘を上がっている）。エンジンは、このとき、クランク角で毎ミリ秒あたり９度の掃引をするであろう。もし、点火が同じＢＴＤＣ５度の点で起こらなければならず、点火遅延時間がやはり１ミリ秒であるならば、適正な温度と圧力はＢＴＤＣ５＋９度で給気に対して与えられなければならない。すなわち、圧縮比は、ピストンがＢＴＤＣ１４度のクランク角に一致する点を通るとき、適正な温度と圧力が給気に与えられるように低減されなければならない。前と同様に、圧縮比の設定は、クランク角の角度に換算された、点火の発生前１ミリ秒のタイムラグを考慮している。
【００２２】
エンジンが、同一の燃料供給で約２５００ｒｐｍまで加速するとき、（車は、アクセルペダルを変化させないで丘を下がっている）。エンジンは、このとき、クランク角で毎ミリ秒あたり１５度の掃引をするであろう。点火が同じＢＴＤＣ５度の点で起こらなければならず、点火遅延時間がやはり１ミリ秒であるならば、適正な温度と圧力はＢＴＤＣ５＋１５度で給気に対して与えられなければならない。すなわち、圧縮比は、ピストンがＢＴＤＣ２０度のクランク角に一致する点を通るとき、適正な温度と圧力が給気に与えられるように増加されなければならない。
【００２３】
この説明においては、点火遅延時間は、圧縮比が変化しても一定のままであると仮定している。厳格に言えば、これは事実ではなく、遅延時間は変化する。しかし、この仮定は説明のためには適当であるが、実際には、圧縮比の変化に起因する点火遅延時間の長さの変化は補償を必要とする。
【００２４】
燃料供給が減少するならば、点火遅延時間は増加し、従って、圧縮比はエンジンスピードの変化に対処するために比較的高い値の範囲で変化しなければならない。同様に、燃料供給が増加するならば、点火遅延時間は減少し、圧縮比はエンジンスピードの変化に対処するために比較的低い値を採用しなければならない。
【００２５】
エンジンの、各々の主シリンダに関連するシリンダヘッドに副シリンダと副ピストンとを設置することにより、副ピストンの位置の制御によって、２つのシリンダ／ピストン組立体の圧縮比が設定され、従って、点火タイミングが制御される。
【００２６】
副ピストンの位置を適正に制御する多くの方法がある。そのような方法の１つは、最大圧力、最大温度、アクセルの設定、エンジンスピード等の一連のパラメータを調整することである。すると、プログラムされたエンジン制御装置を用いて、主ピストンの要求された位置において自動点火を起こすためにパラメータ値に基づいて電子制御によって駆動されるアクチュエータによって、副ピストンの位置を設定することができる。
【００２７】
他の考えられる方法として、圧縮比を低い設定値から高い設定値に動かして燃料供給をその圧縮比に追随させることによる方法がある。適正な圧縮比を負荷要求（燃料供給）、エンジン回転数、およびその他の任意の支配パラメータに適合させる任意の装置を使用することができることが分かる。
【００２８】
主要なことは、混合比とエンジン回転数に対して給気の温度と圧力を制御することによって、点火タイミングを制御することである。したがって、エンジンに対する要件は、給気の温度と圧力に対する適正な制御を保証する任意の構成または装置によって実現することができる。
【００２９】
エンジンに関する他のいくつかの構成と装置を、温度と圧力の適正な制御を行うために用いることができる。これらは、バルブタイミングが可変で、変位が可変で、圧縮比が可変であるピストン（すなわち、ピストン、すなわち主ピストンクラウンにおける副ピストンの可変圧縮高さ）、給気の質量供給の調整、コネクティングロッドの、ガジョンに近い小さい端部上、またはコネクティングロッドの、主軸受けに近い大きい端部上に偏心器を用いることにより長さが可変であるコネクティングロッドである。
【００３０】
エンジンが実用的な装置であるならば満たさなければならない多くの基準がある。第１の事項は、燃焼過程が適当であるということである。
【００３１】
適当な燃焼および動作の過程は、特に、次の要件を必要とする。
１）点火がエンジンサイクルの適切な点（すなわち、タイミング）で起こること、
２）圧力上昇の速度が、エンジンの構成部材に有害な効果を与えないようなものであること、およびエンジンの騒音が通常の動作条件の下で出来るだけ小さくされること、および
３）エンジンノッキングが排除され、またはエンジンノッキングがエンジンの構成部材またはエンジンの実用上の動作に対して有害な影響を与えないこと。
【００３２】
本発明のエンジンに関する燃焼および動作の過程は、前掲の考察の各々を考慮に入れている。
【００３３】
エンジンに関する圧力上昇の速度を扱うとき、火花点火エンジンおよびディーゼル圧縮点火エンジンにおける圧力上昇を考察することは有益である。火花点火エンジンとディーゼル圧縮点火エンジンは、燃料と空気が燃焼する速度を制御することによって圧力上昇の速度を調節する。
【００３４】
火花点火エンジンでは、スパークプラグで点火された炎が制限された速度で可燃性の混合気を介して移動する。炎の速度は可燃性混合気の消費率を左右するので、圧力の上昇は炎の速度に比例する。
【００３５】
ディーゼル圧縮点火エンジンでは、燃料噴射速度と給気の運動は、燃料と空気との混合速度を左右し、従って、可燃性混合気の消費率を左右する。この場合においても、圧力上昇は、可燃性混合気の消費率に比例する。
【００３６】
本発明のエンジンに関して、空燃混合気の燃焼速度の制御はほとんど行われず、事実、燃焼速度は非常に速い。したがって、圧力上昇の速度を別の仕方で処理することが必要である。
【００３７】
エンジンの容積は掃引容積と隙間容積とから成っている。往復移動するピストンの構成においては、隙間容積はピストンクラウンとシリンダヘッドの燃焼表面との間にある。エンジン内の圧力上昇の速度を制御するために、隙間容積はできるだけ小さくされ、燃焼室の主要部分は、主燃焼室と呼ばれる別個の容積である。シリンダ毎にいくつかの燃焼室が存在し得ることが分かる。主燃焼室は、分割部材に設けられた開口を通って、または連結通路を通って隙間容積と連通するように完全に仕切られることができる。主燃焼室は、圧縮比を変化させるために用いられる副シリンダ／副ピストン構成と一体であり、またはこれに連結されることができる。主燃焼室は主ピストンまたは副ピストン内にあることができる。
【００３８】
燃料の全てまたは大部分は、燃料の大部分が圧縮過程の間に主燃焼室内へ圧縮されるように、主燃焼室内への直接噴射によるか、または吸気給気を層状化することによって主燃焼室内に給気される。
【００３９】
燃料が直接噴射される場合には、この噴射は、サイクルの圧縮部分が終了するまでに燃料が気化され、実質的に均一に近くなることを保証するために、サイクルの吸入または圧縮部分の間のできるだけ早期に起こることが望ましい。
【００４０】
いくつかの応用において、特に、最大出力が要求される場合には、直接噴射と、取り入れられた空気と混合された給気との組み合わせを用いることができる。
【００４１】
主燃焼室と隙間容積との間の連通装置の外形は、均一または予混合された給気の自動点火によって広がった非常に速い燃焼に関連付けられた主ピストンが受ける圧力上昇の速い速度を低減するような形状であろう。その構成は、主燃焼室が副シリンダ／副ピストン構成と一体であるようなものであることが望ましい。すなわち、その構成は、副ピストンと隙間容積への連通装置との間の容積を形成するであろう。隙間容積と主燃焼室との間の連通装置は、圧力差が過大になるなら２つの容積間の質量流速度を適当に制限する長さと流れ面積をもつ通路である。
【００４２】
この装置の動作は次の通りである。
【００４３】
望ましい態様においては、圧縮空気のみが主ピストン上にあり、すべての燃料は主燃焼室内の予混合給気中にある。燃焼速度は極端に速いので、圧力上昇は、燃焼時に、燃焼室と隙間容積との間に大きな圧力差（約４０−５０バール（約４−５Ｍｐａ））を生じさせる（これは、理論混合比に近い空燃混合気の場合に該当する）。本発明においては、主燃焼室から出る高い圧力のガス、および、隙間容積内へ入る高い圧力のガスを、エンジンの実用上の動作に適した速度で、計量して給気することが必要である。すなわち、圧力上昇速度は、エンジンの構成部材へのダメージを生じないでノイズを出来るだけ少なくするような速度である。
【００４４】
その装置が受けるさらなる制約は、主燃焼室の給気および排気が、より高いエンジン回転数（４０００−５０００回転）において明白には妨げられないことである。隙間容積と主燃焼室との間の連通装置を適当な大きさにし、適当な形状にすることによって、これらの２つの主要な制約は満たされる。
【００４５】
連通装置の大きさと形状は、エンジンサイクルの間に最適の動作をもたらすように変わることができ、または変更されることができる。
【００４６】
バッフルの設置と、絞り開口、外部から操作される弁、静的および動的なバルブ式ベンチュリ、ブラッフボディ、フローレジム沈降形状(flow regime precipitation shapes)を含む弁の設置は、これら２つの目標を達成するために、容積やそれらの連通装置の何れにも用いることができることが分かる。
【００４７】
隙間容積と主燃焼室との間の連通装置は、全エンジンサイクルを通じて実用的な動作をもたらす必要があるということが理解されるであろう。
【００４８】
図１を参照すると、適切なエンジンに適合することができる、本発明に従って作られたエンジンの装置構成が示されている。
【００４９】
この場合には、燃焼容積２０と隙間容積３０とは、さらに後述する通路４０によって相互に接続されている。
【００５０】
燃焼容積２０は、図に示されているように、連接棒３２によってエンジンのクランクシャフトへ連結されているピストン３１の運動の要求された位置において自動点火が開始されることが確実に行われるように燃焼室２０／隙間容積３０の圧縮比が選択されることを補償する位置にピストン２１が確実に位置するために、コンピュータ制御されることができるラム２３に連結されているリンク機構２２によって制御されるピストン２１を有している。
【００５１】
ピストン２１は「疑似的静止状態」にあるということができ、すなわち、ピストンは、エンジンの現在の動作パラメータに基づく正しい点火点を与えるために要求された位置にあるために必要な場合にのみ移動する。したがって、これを静止状態と呼ぶが、ピストンは要求されている状態を維持するために連続的に運動している。
【００５２】
また、ピストン２１は、潤滑を確実にして炭素の蓄積をできるだけ少なくするために「運動状態」にあることもでき、そのような装置の下では、ピストンは、各回転、各サイクルの間に、またはある数のサイクル後に、その要求されている位置に戻る前に、その行程の先端、すなわち、図示されているようにシリンダの下側部分へ移動することができる。
【００５３】
この運動は、リンク機構２２を介して動作するラム２３によって行われ、ラムの動作はエンジン管理装置によって行われる。
【００５４】
各々の場合において、点火の時点におけるピストンの位置が、給気点火遅延時間を補償するように点火が起こることを確実にするために必要な位置にあり、したがって、燃焼ガスが備えている能力をエンジンの最大利得を得るために用いることができるときに燃焼ガスが形成されることを確実にするようなときに燃焼が進行するという意味で、ピストンは「動的状態」にある。
【００５５】
隙間容積は、カム５２によって作動されるステムのまわりに弁ばね５１を有している、図示されている弁５０と、事実上同一であり、物理的に弁５０の背後に配置されることができる、図示されていない第２の弁との、少なくとも２つの弁を備えている。これらの弁をカムに間接的に連結することが可能である。これらの弁の１つは燃焼に使用される給気または空気用の入口弁であり、他の弁は排気弁である。
【００５６】
燃焼容積２０は、それと関連付けられている、通常はダイレクトインジェクタ２４である燃料混合気入口を有している。
【００５７】
図１を参照すると、燃焼室３０と隙間容積３０との間に通路４０が示されている。通路１１は、通常はシート１７と接触するように片寄らされている弁１６を備えている室１３内に終端している。
【００５８】
吸気行程の間、または、圧縮行程の極めて早期において、燃料は、インジェクタ２４によって燃焼容積内へ噴射され、これにより、燃料は、気化して、圧縮が開始する前、または圧縮の極めて早期の段階においてピストン３１が隙間容積３０の体積を減少させることによって動かされる通路４０を通って入ってきた吸入空気と均質になるための時間がある。燃料はこの混合を助長するために噴射の際に渦を巻くことができ、または、燃焼室内に入る空気が渦巻きを生じることができる。
【００５９】
望ましい動作では燃焼室内への直接燃料噴射を用いているが、２つの代替の燃料吸気装置がある。
【００６０】
第１の装置においては、燃料は、空燃混合気が吸気弁を通過する前に燃焼空気と混合されることができる。これは、隙間容積内のいかなる空気も燃料を含んでおり、これは、燃料の浪費を生じるばかりでなく制御されない燃焼があり得るため、一般に望ましくない。
【００６１】
しかし、最大能力が必要ならば、吸引された空気が燃料と混合するように、直接噴射と層状給気との組み合わせを用いることができる。このような場合において、吸引された空気中における燃料の量は、一般に、実質的に低い。
【００６２】
通路内に配置された部材４３は、任意の要求される形状であってもよいが、シリンダヘッド１２を通って延びるような棒または他の長い形のものであればよい。単に記述の目的のみのために、これを「ブレード」と呼ぶことにする。
【００６３】
通路４１の出口である開口４１はブレード４３の燃焼室側にあり、室１５と弁１６は隙間容積３０の側にある。
【００６４】
ブレードは、周りにはばね４６が取り付けられているステムを有し、また、その自由端に、カム４４とは逆に動作するカムフォロア４５を有している。ブレード４３は両極端の間を移動することができ、図１に示されている位置である、そのうちの１つの端位置においては、ブレード４３は通路４０を実質的に塞ぎ、他の端位置においては、ブレード４３は事実上、通路内に突出していない。
【００６５】
ピストン３１がその圧縮行程上にあると、ブレード４３は、比較的制限されないガスの流れを隙間容積３０から燃焼容積２０に流すことができるように、非突出位置にある。圧力が増加して燃焼容積内の空燃混合気が点火に近づくにしたがって、ブレードは閉じ、その結果、事実上、通路を通るガスの流れがなくなる。しかし、その時点においてもまだガスの移動があるので、圧力の増加によって弁１６が開き、その結果、空気または空燃混合気が燃焼容積内へさらに流れ込むことができる。
【００６６】
シリンダ２０内の空燃混合気が点火して燃焼した後に、通路４０を下る燃焼ガスの移動がある。ブレードは隙間容積内へのガスの流れを開始させることを可能にするのに充分な面積を有することができ、また、ブレードは隙間容積内へのガスの流れを開始させることを可能にする面積を得るために僅かに動くことができる。このように、ブレードは、絞り効果を有し、燃焼ガスを隙間容積へ、したがってピストンのヘッドへ供給する圧力を制限する。ブレードは、燃焼室内の圧力が減少するのにしたがって、ピストン３１に作用するガスを隙間容積へより流れ易くするために開き始める。
【００６７】
ブレードは、出力行程、排気行程、および吸気行程の残りの間、開き続けることができる。
【００６８】
適正な面積がエンジンサイクルのある特定の点に同期するように自由流れ面積を変化させるために、カム４４の位相角がエンジンの回転数に応じて変更される。すなわち、毎分１０００回転のとき、ブレード４３は通路４０の中へその最遠の位置へ突出し、毎分２０００回転のとき、位相角のシフトが起こり、ブレード部材はその最遠の点に移動するが、そのエンジンサイクルの同じ所定の点でより大きな流れ面積が与えられるように、ブレード部材は引き込まれる。毎分３０００回転において、ブレード部材はその最遠の位置へ移動し、回転数を増加する場合等のより低い回転数のときよりも大きな距離だけ後退する。回転数を減少させると、位相角が逆方向へシフトし、所定の点で与えられる自由流れ面積を減少させる。
【００６９】
上記の装置は最も満足のいくものであるように見えるが、燃焼室へのガスの流れおよび燃焼室からのガスの流れを制御する他の方法を提供することも可能である。
【００７０】
１つの特別な形態において、ピストンのヘッドは、弁を含む延長部を有することができ、この延長部は、ピストンが上死点に近づくに従ってヘッドの凹部に入ることができる。ピストンが、上死点近傍の、かなり大きな実質的なクランクシャフト角にわたって、鉛直方向に極めて僅かに実際に動くということは、十分に理解されるべきである。この弁は、空気を隙間容積から燃焼容積へ移動することができる。凹部は、燃焼容積に連結されて絞りとして働く開口を有している。ピストン上の延長部が凹部内にある間は、その延長部はガスの制御されない移動を防止するように働き、上述したように、クランクシャフト角がおよそ３０°までの比較的長い期間、燃焼が起こっているときに燃焼室から隙間容積への燃焼生成物の移動はその延長部によって制限される。延長部が一旦凹部を離れると、より多量の燃焼生成物が隙間空間に向かって通過する。
【００７１】
凹部の開口の面積は、必要な面積をとるように、したがって、サイクルの種々の時点で必要な流れが通過するように、自動的に変更されることは望ましいことである。
【００７２】
これらの２つの形態の記載から、圧縮サイクル、燃焼サイクル、および膨張サイクルに重点をおいている、より一般的な表現で、エンジンの連通装置の基本的な要件と構成を説明することができる。
【００７３】
圧縮サイクルの間は、連通通路４０を経由する主室からの燃焼室２０の給気は、実用的な程度に制限されていない必要がある。このことを実務的に表現すると、連通通路の面積は実用的な程度に広くなければならず、排気係数ができるだけ大きい必要があるということである。
【００７４】
燃焼室から主室への排気を行う、燃焼サイクルの終わりにより近い膨張サイクルの間、または燃焼室と主室との間の圧力差が小さいとき、すなわち、膨張サイクルの大部分において、ガスの流れは実用的な程度に制限されていない必要がある。
【００７５】
燃焼サイクルの間、および主室と燃焼室との間の大きな圧力差が排気係数を上回るとき、連通通路の面積は圧縮サイクルおよび膨張サイクルにおける連通通路面積よりも制限されていなければならず、主室における圧力上昇速度が実用的であるように制限されていなければならない。質量流れ速度は時間依存的であり、エンジンの実用的な動作に対する要件は、エンジンの速度が毎分約１０００回転から５０００回転の範囲にわたるということであるから、エンジン回転数に与えられるような使用可能な時間に対処するために連通通路面積を変更することが必要である。毎分５０００回転のとき、連通通路の面積は、毎分１０００回転の場合に対して適切な面積よりも大きい必要があろう。この面積は、エンジンのスピードに応じて変更される必要があろう。このことは、前述している。
【００７６】
エンジン回転数と同様に、燃料の供給も、燃焼の間に必要な連通通路の面積に影響するであろう。一般に、隙間容積内の圧力上昇を制御するために燃料が多いほどその面積は小さい必要があり、制御装置はこのことを見越している。
【００７７】
圧縮サイクル、燃焼サイクル、および膨張サイクル全体を通して必要とされる質量流れの給気および排気を行う１つの特別な方法は、次のように説明される。燃焼室と主室との間の連通装置は、突き出し／後退妨害部材と一体構成の連通通路と、一方向流れ弁と結合されている補助通路とから成っている。幾つかの通路が含まれていてもよい。
【００７８】
妨害部材が通路中へ突出する距離は、連通通路の自由流れ面積を調節する。妨害部材はカムに結合されており、圧縮サイクルおよび膨張サイクルの大部分の間に妨害部材が後退させられ、したがって、連通通路が制限されなくなるように、タイミングが調整される。燃焼中は、妨害部材は通路内へ突出し、それによって自由流れ面積が減少する。
【００７９】
圧縮中に、妨害部材が通路を塞いでいるとき、すなわち圧縮サイクルの末期においては、一方向流れ弁に連結されている補助通路によって燃焼室の給気を継続することができる。燃焼中は、質量流れはその一方向流れ弁を通って逆流することはできない。
【００８０】
カムの輪郭は、エンジンサイクルの大部分の間に妨害部材がその休止位置、すなわちその後退位置にあり、圧縮サイクルの最後に近い時点で内方に急激に移動し、燃焼サイクルの終わり近くで出来るだけ早く完全に後退するように形成されている。妨害部材は、所望の動作を行うために、制御装置に接続された液圧アクチュエータまたは電磁アクチュエータに良好に結合されることができる。
【００８１】
前に略述したガス流れの要件を満たすものであれば、どのような弁装置でも使用可能であることが分かる。このことは、適切なガス流れ要件を達成するために、ガス流れ連通装置の排気係数を変更する弁または制御面を使用することを含んでいる。ガス流れ連通装置は、自己調整型または自律性の装置であってもよい。
【００８２】
潤滑を確実にし、カーボンの蓄積を防止するためにピストンをその行程の間で移動させることが可能であり、望ましいことは、前記した通りである。ピストン２１をピストン３１と同じ速度またはその半分の速度で往復運動させ、サイクルの適当な点で給気に対して適当な圧縮比が与えられるように位相角を変化させることによって圧縮比を達成することは可能である。
【００８３】
全てのエンジンにおいて、ノッキングに関する問題があり得る。ノッキングは、極端に高い空間的な圧力偏差がピストンの上に生じたときに発生する現象である。エンジンの構成部材は、エンジンから発散される可聴のガラガラ音やノッキング音を生じる振動状態に置かれる。火花点火エンジンにおいては、ノッキングは、圧力の偏差を生じる燃焼中に炎前線に先立って起こる末端ガスの自動点火の現象である。ディーゼル圧縮点火エンジンにおいては、ノッキングは、通常、噴射されたディーゼル燃料の極めて最初の部分の、点火の開始のときに発生する。
【００８４】
本発明のエンジンにおいては、ノッキングの現象は、吸入された燃料の不均一な混合と不完全な気化によってもたらされる給気の層状化によって主として起こると考えられる。
【００８５】
主燃焼室を隙間容積から分離すること、および圧縮された空気または非常に希薄な混合気のみが隙間容積内にあることを確実にすることによって生じる相乗作用によって、燃料と空気の異常爆発型の大きな圧力偏差は主ピストンクラウンの頂部の真上に起こりえない。したがって、ノッキングは隙間容積内で起こらないであろう。ノッキングは、ある状態の間に主燃焼室内で繰り返されるが、主燃焼室の寸法は主シリンダまたは隙間容積よりもずっと小さいので、主燃焼室はずっと堅固であり、それによって問題は少なくなる。
【００８６】
もし、ノッキングの原因が吸引された燃料または噴射された燃料の不均一な混合または不完全な気化にあるのであれば、主燃焼室の形状を更に円筒形にして表面積を更に小さくすることによって、特に、その表面の温度を僅かに、より高く維持することができるならば、これらの問題を改善できるはずである。主燃焼室内にバッフルを設けること、または渦を生成することは、必要に応じて用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構想概念を具体化しているエンジンの概略図である。
【図２】図１のエンジンにおける一方向バルブの一形態の図である。
【図１】
0004584523.tif 000002
【図２】
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