(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのシンリダと、制御手段とを備えた２行程内燃機関であって、前記または各シリンダが前記シリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、前記または各燃焼室が前記燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料がそこを通して前記燃焼室内へ噴射される燃料噴射器と、前記燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、前記制御手段は、多少の排気ガスが前記燃焼室内に捕捉され圧縮されるように、実質的に前記ピストンが上死点に達する前にかつ実質的に前記空気吸込弁が開口する前に前記排出弁が閉じるように、前記ピストンの運動に関連して前記空気吸込弁および前記排出弁を制御する、２行程内燃機関。
【請求項２】
前記排出弁が閉止した後、上死点の前に少量の燃料を前記燃焼室内に噴射するように、前記制御手段を構成した、請求項１に記載の機関。
【請求項３】
前記燃焼室内でシリンダヘッドまたはピストン頂面に凹所を設け、前記ピストンがその行程の頂部付近にきたときに燃料を前記凹所内に方向付ける、請求項１または２に記載の機関。
【請求項４】
前記凹所が前記ピストンの上面のピストンボウルである、請求項３に記載の機関。
【請求項５】
燃焼が開始される前に前記空気吸込弁が閉止しないように、前記燃焼室内の燃焼に関連して前記空気吸込弁を制御するように前記制御手段を構成した、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の機関。
【請求項６】
少なくとも１つのシリンダを備えた２行程内燃機関を作動させる方法であって、前記または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、前記または各燃焼室が前記燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料噴射器と、前記燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、
前記排出弁を開口するステップと、
前記ピストンを前記燃焼室内に移動させて排気ガスを前記燃焼室から押し出すステップと、
前記ピストンが上死点に達する前に前記排出弁を閉止して、一部の排気ガスを前記燃焼室内に捕捉するステップと、
前記ピストンのさらなる移動によって前記排気ガスを圧縮するステップと、
前記空気吸込弁の開口を始動するステップと、
前記燃焼室内の温度が燃料に点火してそれを燃焼させ、ピストンに対して仕事をするように高温燃焼ガスを膨張させるのに充分となる程度まで前記排気ガスが圧縮された後、前記燃焼室内に燃料を導入するステップと、を繰り返すことを含む方法。
【請求項７】
前記燃料が天然ガスである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
圧縮空気の貯蔵器および加熱器をさらに備えた請求項１に記載の機関を始動する方法であって、前記圧縮空気貯蔵器からの空気を加熱するステップと、前記高温圧縮空気を前記または各燃焼室内に供給するステップと、前記ピストンを前記燃焼室から外に移動させるために前記高温圧縮空気を前記または各圧縮室内で膨張させるステップとを含む、機関の始動方法。
【請求項９】
少なくとも１つのシリンダと、制御手段とを備えた２行程内燃機関であって、前記または各シリンダが前記シリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、前記または各燃焼室が前記燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料がそこを通して前記燃焼室内へ噴射される燃料噴射器と、前記燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、
前記制御手段は、燃焼が開始される前に前記空気吸込弁が閉止しないように、前記燃焼室内の燃焼に関連して前記空気吸込弁を制御する、２行程内燃機関。
【請求項１０】
少なくとも１つのシリンダを備えた２行程内燃機関を作動させる方法であって、前記または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、前記または各燃焼室が前記燃焼室内への流れを制御する空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料噴射器と、前記燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、
前記排出弁を開口するステップと、
前記ピストンを前記燃焼室内に移動させて排気ガスを前記燃焼室から押し出すステップと、
前記排出弁を閉止するステップと、
燃料を噴射し、前記空気吸込弁の開口を開始し、かつ燃焼を開始するステップと、
燃焼が開始される前に前記空気吸込弁が閉止しないように、その後前記空気吸込弁を閉止するステップと、を繰り返すことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は２行程内燃機関に関する。さらに詳しくは、本発明はそのような機関における燃料点火および燃焼のプロセスに関する。
【０００２】
従来の往復内燃機関の圧縮行程はかなりの量のエネルギを必要とすることが長年認識されており、それはある程度、機関の性能低下の寄生的原因とみなすことができる。この理由の１つは、従来の機関に誘導される空気が高温シリンダヘッド、ライナ、およびピストンとの接触によって加熱されることである。圧縮機の仕事は、温度を上昇させるプロセスによって著しく増加する。
【０００３】
圧縮の仕事は、燃焼が起こるシリンダよりずっと冷温にすることができる別個のシリンダ内で空気を圧縮することによって低減することができる。空気の外部圧縮のさらなる利点は、圧縮された空気を高温エンジン排気ガスで予熱することによって、燃料を節約することが可能なことである。そのような構成は、圧縮された空気が貯蔵タンクから燃焼シリンダへ供給される２行程または４行程機関を記載した米国特許第４，３００，４８６号に開示されている。空気は機関の外部の供給源からの動力を用いて効率的に圧縮される。
【０００４】
この考え方の発展は、各燃焼シリンダの入口への圧縮空気の一定供給を達成するために機関のクランクシャフトに機械的に連結された往復圧縮機を持つ米国特許第４，４７６，８２１号に開示されている。
【０００５】
米国特許第４，０４０，４００号は、燃焼が２段階プロセスとして行われ、効率を改善するために２つの段階の間で中間冷却を行う、同様の構成を開示している。
【０００６】
前記の概念は、強い水噴霧を噴射する空気圧縮シリンダを含み、その後に下流水分離器が続く復熱式２行程機関を開示したＷＯ９４／１２７８５でさらに１段階先に進んだ。水噴霧は、圧縮の仕事を最小化するために圧縮中に空気を冷却するだけでなく、従来の往復空気圧縮機で達成できるより高い圧縮比をも可能にする。これは、必要な圧縮段階の数を低減する。実際、通常１段階だけが必要とされる。
【０００７】
外部空気圧縮および空気予熱がある全ての往復内燃機関では、高温の圧縮空気を燃料と混合し、機関の燃焼シリンダ内で混合物に点火することが必要である。燃料の種類によって、これは安定的かつ信頼できる方法で達成することは容易でない場合がある。特に、燃料が高い点火温度および比較的長い点火遅延を有する天然ガスである場合には、信頼できる自動点火および燃焼を達成するのに充分に空気を予熱することは非常に難しい。言うまでもなく、実際的な空気予熱温度で点火するパイロット燃料を使用することによって天然ガスの点火を達成することは可能である。実際、従来の混焼機関およびガスディーゼルはこの方法を使用するが、余分な装備およびパイロット燃料の貯蔵の費用に関して弱点がある。また、窒素酸化物の排出の増加におけるパイロット燃料の影響も著しい。
【０００８】
天然ガス混合物に点火する別の一般的方法は火花点火を使用するものであるが、これは通常、天然ガスがシリンダ内に入る前にすでに空気と混合されている場合にのみ使用される。事前混合された空気と燃料の火花点火は、近化学量論的空気燃料比を有する小型機関ではうまくいくが、低減されたＮＯｘの排出を達成するために希薄混合気燃焼を採用している現代の大型機関では、達成することがより難しい。この場合、小さい予燃室での点火を使用することによって、火花のエネルギを補足する必要がある。予燃室内の混合気は希薄ではなく、化学量論的割合に近く、したがって火花によって点火して、主混合気に点火するのに充分なエネルギを持つ燃焼ガスの噴射を発生させることができる。予燃室の余分な複雑さとは別に、火花点火の使用は予燃室の環境はスパークプラグに対して非常に有害であり、それらは頻繁な間隔で交換しなければならない。
【０００９】
したがって本発明は、信頼できる燃焼を提供し、低保守の単純な構造を持ち、天然ガスのように点火しにくいものを含めて広範囲の可燃性燃料を使用することができる外部空気圧縮付き２行程内燃機関において、事前混合されていない燃料に点火する方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明では、２行程内燃機関は、少なくとも１つのシリンダであって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料がそこを通して燃焼室内へ噴射される燃料噴射器と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有して成るシリンダと、多少の排気ガスが燃焼室内に捕捉され圧縮されるように、実質的にピストンが上死点に達する前にかつ実質的に空気吸込弁が開く前に排出弁が閉じるように、ピストンの運動に関連して空気吸込弁および排出弁を制御するための制御手段とを備える。
【００１１】
排気ガスは本質的にすでに高温である（通常５００〜８００℃）。空気吸込み弁が閉じた状態で排出弁が閉じると、ピストンは上死点まで移動し続け、燃焼室内の排気ガスを圧縮する。所定の圧力比に対して、圧縮後の絶対温度は圧縮の開始時の絶対温度に比例する。適切な圧力比を選択することによって、圧縮排気ガスは、天然ガスなど低発火性の燃料さえも点火させることのできる充分高い温度にまで上昇させることができる。
【００１２】
本発明は、火花点火、予燃室、またはパイロット燃料を必要とすることなく実行することができる。したがって、機関の構造を単純にしておくことができ、保守の必要性は低減される。
【００１３】
内燃機関の吸込弁および排出弁の開閉運動は注意深く制御する必要がある。これは、弁の着座が速すぎる場合、接触が急激すぎると、有意の損傷または急速な摩耗が発生することがあるためである。さらに、弁は一般的にカムによって動作し、再び、カムと弁との間に接触に関して注意を払わなければならない。この理由から、排出弁または吸込弁のリフトプロファイルは、リフトの開始時には、弁作動器が損傷無く弁を動かし始めることを可能にするために緩やかな上昇勾配を示す。同様に、弁が閉じるときには、弁が静かに着座するように、緩やかな下降勾配が提供される。傾斜部はピストンサイクルのかなりの部分を占めることができる（一般的に２０°のクランク角）。しかし、そのような時間中、弁要素を通過する流れはほとんど発生しない。したがって、どの点から見ても、この時間中、弁要素は、たとえ物理的には完全に着座していなくても閉じている。したがって、疑いを回避するために、本書では、弁はそれがその最大リフトの５％に達するまでは開いているとはみなさない。同様に、弁は、それがその同じ位置まで戻ったときに、閉じたとみなされる。この定義は、本明細書全体を通して請求の範囲および説明に同様に適用される。したがって、弁の開口時の言及は全て、弁が５％のリフト位置を超えて開いた時を指す。同様に、弁の閉止時の言及は、弁が閉止時に５％の位置に達した時点を指す。
【００１４】
排出弁の閉止と空気吸込弁の開口とピストン位置との間の関係は、機関および燃料の幾つかの特性に依存する。これらは、ピストンが上死点にあるときのシリンダ内の残留量、吸込空気の温度および圧力、使用する燃料の種類、排気ガスの温度、燃料の発火性、および圧縮後の排気ガスの所望の温度を含む。それでもなお制御手段は好ましくは、排出弁の閉止と空気吸込弁の開口との間のギャップが、ピストンを駆動する基準クランクシャフトのクランク角で少なくとも１０°、より好ましくは少なくとも１５°、最も好ましくは少なくとも２０°となるように構成する。排出弁は好ましくは、ピストンを駆動する基準クランクシャフトのクランク角でピストンの上死点より少なくとも１０°、より好ましくは少なくとも１５°、最も好ましくは２０°前に閉止する。制御手段は空気吸込弁を実質的に上死点で開口するように構成することができる。しかし、空気吸込弁の開口は、上死点の直前（例えばクランク角で３°前）で始まることが好ましい。空気の初期流入は、ピストンによってすでに部分的に行われていた排気ガスの再圧縮を完了させるので、この弁開口位置は有利である。ピストンが再圧縮の全てを行うように設計すると、シリンダ内の圧力は吸込口に供給される空気のそれを超え、弁を通る流れを逆流させるおそれがある。これを避けるために多少の余裕を与える方がよい。実際、プロセスのシミュレーションは、再圧縮の最終段階を空気に完了させる方がわずかにより効率的でもあることを示している。流入する空気による再圧縮は、ピストンによる再圧縮と非常によく似た効果を持つが、１つの大きい相違があり、それは、流入する空気が圧縮ガスと混合するので、混合無しで達成される場合より温度上昇が低くなることである。ピストンによる代わりに流入する空気によって行われる再圧縮が多すぎると、温度上昇は特定の燃料に点火するのに充分でなくなる。
【００１５】
流入する空気に再圧縮を完了させるさらなる利点は、空気吸込弁が上死点でより大きい開口を達成することである。
【００１６】
制御手段は、機関が機関の状態の変化に応じて作動している間に、排出弁の開口を変化させるように構成することができるが、動作中に調整されない排出弁の開口の最適設定を見出す方が簡単である。
【００１７】
制御手段は、圧縮空気が燃焼室内に導入されるのと実質的に同時に、燃料を燃焼室内に噴射するように構成することが好ましい。制御手段は、燃料噴射のタイミングおよび燃料の流量プロファイルを制御することが好ましい。さらに、制御手段は排出弁が閉じた後、上死点まで、少量の燃料を燃焼室内に噴射することが有利であることが明らかになっている。少量の燃料は高温圧縮排気ガスと混合し、燃焼を開始する。この点火プロセスは、従来のパイロット燃料を使用して低発火性の燃料に点火するものとは、開始機構が異なるためだけではなく、本発明の状況では燃焼を開始する燃料と主燃料との間に相違が無いためにも、異なる。また、本発明の状況では、同一燃料噴射器が燃焼を開始する燃料および主燃料の両方を噴射する。高温排気ガスは、前サイクルで消費されなかった多少の酸素を含む。上死点より前に空気吸込弁を通してシリンダ内に入る高温空気から多少の追加酸素が得られるが、これはプロセスに不可欠ではない。排気ガスの再圧縮によって発生する高温と結合された酸素の利用可能性は、事前噴射された燃料の点火を、有限であるが受け入れられる遅延で引き起こす。
【００１８】
燃焼室に供給される圧縮空気は、圧縮空気の貯蔵器から提供することができる。しかし、圧縮空気は圧縮機による要求に応じて生成されることが好ましく、圧縮機は、該または各ピストンによって、好ましくはクランクシャフトを介して駆動される往復圧縮機であることが好ましい。
【００１９】
最大効率のためには、圧縮機は等温圧縮機とし、圧縮空気を加熱するための手段を圧縮空気吸込口の上流に設ける。加熱のための手段は外部加熱器とすることができるが、燃焼室からの排気ガスを供給され、圧縮機から燃焼室に流れる圧縮空気に熱を放出する熱交換器とする方がより効率的である。
【００２０】
等温圧縮機は、さらなるピストンがその中で往復運動可能であって圧縮室を画定するシリンダと、圧縮質内への流れを制御するための吸込弁付き空気吸込口と、圧縮室から出る流れを制御するための出口弁付き圧縮空気出口と、さらなるピストンの圧縮行程中に液体を圧縮室内に噴霧するための手段と、液体を圧縮空気から分離するために圧縮空気出口の下流に設けられた分離器とを含む種類であることが好ましい。液体を噴霧するための手段は、圧縮中に熱が実質的に液体の蒸発無しに顕熱として液滴に伝達されるように構成すると、圧縮中に空気の温度をより低温にすることができるので、好ましい。
【００２１】
排気ガスの圧縮は、シリンダの壁およびヘッドならびにピストンの頂面の間に画定される燃焼室内で行われる。平坦な頂部のピストンを持つその最も単純な形態では、最終透き間容積は本質的に非常に短い円筒空間である。そのような空間は高い表面積対容積比を持ち、排気ガスの圧縮によって生じる熱の有意の部分を喪失し得る。また、そのような平坦な幅の広い透き間容積では燃料を捕捉された排気ガスと混合することが難しくなり得る。したがって、シリンダヘッドまたはピストン頂面に凹所を設け、ピストンがその行程の頂部近くにあるときは、該凹所内に燃料を指し向けることが好ましい。この凹所は、ピストンの上部表面にピストンボウルによって設けることが最も好都合である。
【００２２】
ピストンボウルは、従来のディーゼル機関で燃料と空気の混合を助長して燃料の燃焼を改善するために使用される。大型ディーゼル機関では、ボウルは霧状液体噴霧の蒸発のために流動長を増大する。燃焼シリンダ内での空気圧縮を使用するディーゼル機関は、この空気全部のための充分な空間をピストンの上に残さなければならない。したがって、ピストン頂部と上死点位置のシリンダヘッドとの間の捕捉容量は、外部空気圧縮付きの機関より必然的に大きくなければならない。ディーゼル機関のピストンボウルの形状は点火プロセスに対して比較的小さい影響しか持たないが、それは点火後の燃焼の進行のために重要である。
【００２３】
外部空気圧縮付きの機関にのみ適用される本発明で使用するときのピストンボウルの主要目的は、天然ガスなどの燃料の燃焼ではなくむしろ、点火プラグ、予燃室、または別個のパイロット燃料を使用することなく点火を助長することである。これは部分的には、より低い表面積対容積比によって生じる単位質量の排気ガス当たりの熱損失の低減によって、かつ部分的には、排気ガスが圧縮段階中に周囲の透き間からボウル内に急激に押し込まれるときの混合の増強によって達成される。実際的には、点火の達成と矛盾しない最少量の残留排気ガスを再圧縮することが好ましいので、上死点位置における捕捉容量はほとんどのディーゼル機関の場合よりずっと小さい。実際、ピストンボウルの容量はこの要件によって決定される。上死点位置におけるシリンダ内の捕捉容量はピストンボウルおよび全ての透き間を含めて、下死点位置の全シリンダ容量の３％未満になることが好ましく、２％未満になることがさらに好ましい。対照的に、大型の従来のディーゼル機関では、上死点位置のシリンダ内の捕捉容量は、下死点位置のシリンダ容量の５％以上となる。ピストンボウルを設けた場合、全く無駄にこの容量内のガスに追加の圧縮仕事を行わなければならないので、ピストンボウルによって占められない捕捉容量の量を低減するためにあらゆる試みを行わなければならない。しかし、実際的に、（上死点位置での）ボウル外の捕捉ガスの量は、ボウル内部で捕捉されるものと同程度とすることができるようである。
【００２４】
空気吸込弁とピストンとの間の接触を防止し、かつ同時に、上死点におけるデッドスペースを最小化するために、空気吸込弁は燃焼室内に突出することなく開口するように構成することが好ましい。空気吸込弁がポペット弁である場合、これは、弁が燃焼室から離れる方向に開口しなければならないことを意味する。他方、排出弁はピストンが上死点に近いときに閉じるので、従来の内側に開口する弁とすることができる。
【００２５】
本発明の第２態様では、少なくとも１つのシリンダを備えた２行程内燃機関を作動させる方法であって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料噴射器と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、排出弁を開口するステップと、ピストンを燃焼室内に移動させて排気ガスを燃焼室から押し出すステップと、ピストンが上死点に達する前に排出弁を閉止して一部の排気ガスを燃焼室内に捕捉するステップと、ピストンのさらなる移動によって排気ガスを圧縮するステップと、空気吸込弁の開口を始動するステップと、燃焼室内の温度が燃料に点火してそれを燃焼させ、ピストンに対して仕事をするように高温燃焼ガスを膨張させるのに充分となる程度まで排気ガスが圧縮された後、燃焼室内に燃料を導入するステップとを繰り返すことを含む方法を提供する。
【００２６】
この方法は、可燃性燃料に使用することができるが、天然ガスなど低発火性の燃料に最もよく適している。
【００２７】
機関を始動するために、最初に、該または各ピストンをそのシリンダ内で運動させることが必要である。次いで、最初の点火前には圧縮のための排気ガスが得られないので、燃焼室内で燃料に点火する何らかの代替法を提供することが必要である。
【００２８】
例えばグリッド電源からの電力が利用できる発電設備で、外部動力源が都合よく利用可能である場合、これを使用してピストン運動を始動することができる。他方、そのような外部動力源が得られない場合、機関はピストンを運動させるそれ自体の手段を持たなければならない。好ましくは、機関はさらに圧縮空気の貯蔵器および加熱器を備え、機関を始動する方法は、圧縮空気貯蔵器からの空気を加熱するステップと、高温圧縮空気を該または各燃焼室内に供給するステップと、ピストンをシリンダ内で下降させるために該または各圧縮室で高温圧縮空気を膨張させるステップとを含む。
【００２９】
ピストンが運動するようになったら、次に燃料に点火することが必要である。前記の通り燃焼室内で膨張してピストンに対して仕事をする高温圧縮空気は、燃料の燃焼によって熱が追加されないので、ピストンが下死点にくる時間までに実質的に冷却する。排出弁が閉じた後燃焼室内に残ったこの空気の一部分のその後の圧縮により、空気は再びその元の温度に近いあたりまで加熱されるが、これは燃料に点火するのに充分な高温ではないかもしれない。天然ガスなど特に低発火性の燃料で機関を始動させるためには、再圧縮前のシリンダ内の低圧空気が、供給される高圧空気と同様の温度であることを確実にすることが必要である。
【００３０】
したがって、始動方法は、シリンダ圧力が低いときに高温圧縮空気を、制限アパーチャを通して燃焼室内に抽気することを含むことが好ましい。制限アパーチャはスロットリング効果をもたらし、スロットリングは等エンタルピプロセスであるので、それはスロットリング後の温度を本質的に変えずに維持させる。シリンダの容量が膨張するようにピストンがその下降行程にある場合でさえも、シリンダ内の空気圧は全プロセス中低いままであるので、抽気流はピストンに対して有意の仕事を行わない。圧力が依然として低い間シリンダ内への空気を絞る目的を達成することで、始動中の高温空気噴射のタイミングを選択することができる。排出弁が開く前、それが開いている期間中、および／または排出弁が閉じた直後に、空気を流入させることができる。始動中の高温空気噴射のタイミングの選択は、高温圧縮空気がシリンダ内で膨張もしているかどうかによって影響されるかもしれない。前記の通り、高温圧縮空気の膨張は、始動中に機関を回転させる方法として使用することができる。しかし、機関を回転させる他の手段が利用可能である場合でも、高温圧縮空気をシリンダに流入させ、単に配管および機関を暖気する手段として膨張させることができる。どんな理由でも高温圧縮空気をシリンダ内で膨張させる場合、抽気は冷温の膨張した空気と混合するので、膨張中にシリンダ内への抽気を絞ることは意味が無い。始動に使用される高温空気の量を節約する観点から、排出弁を閉じる間および閉じた直後の高温抽気の流入は、機関を回転させるためにどちらの方法が使用されようと、最も魅力的な選択肢であろう。
【００３１】
始動中に点火に使用される高温圧縮空気はどんな供給源からでも供給することができるが、始動中に機関を回転させるためにも高温圧縮空気が使用される場合には、両方とも同一圧縮空気貯蔵器および加熱器構成から供給することが好ましい。
【００３２】
制限アパーチャはシリンダヘッドの絞り弁によって、あるいは空気吸込弁がその通常リフトの一部によって開口するように構成されている場合には空気吸込弁と弁座との間の間隙によって提供することができる。
【００３３】
始動動作中、排出弁は通常通りに開閉して、ピストンは上死点に近づくときにすでに高温の抽気を圧縮し、したがってその温度をさらに高める。プロセスを確立し、システムを暖気するために、最初の燃料が噴射される前に、ピストンの数行程が実行され、各行程で抽気が再圧縮される。
【００３４】
ひとたび機関が点火すると、制限アパーチャが閉じ、それによって抽気流が遮断される。絞り弁を制限アパーチャとして使用する場合、これは単に弁を閉止するだけのことである。空気吸込弁と弁座との間の間隙を使用する場合、間隙は、空気吸込弁が主投入量の空気を流入させるために開口することが必要になるまで空気吸込弁を完全に着座させることによって、空気吸込弁を単にその通常動作に戻すことによって閉じられる。
【００３５】
制限アパーチャは、機関が点火し始めるとすぐに閉じることができる。しかし、制限アパーチャが徐々に閉じられる場合、抽気は停止されるまで徐々に減少し、これは始動と通常動作との間の円滑な遷移をもたらすことができ、それにより始動プロセスの信頼性が改善される。
【００３６】
通常動作時には、従来の往復機関の場合と同様の定容燃焼を達成するために、空気吸込弁が閉じた後で、各連続サイクルで燃料の燃焼を始動することができる。しかし、燃焼が開始される前に空気吸込弁が閉じないように、燃焼室内の燃焼に関連して空気吸込弁を制御するように制御手段を構成することが好ましいことが明らかになっている。
【００３７】
これは、結果的に燃焼室内の圧力の多少の損失を生じるので、従来の教えに反する。しかし、この欠点は、これにより燃焼プロセスのための時間が得られるという事実によって相殺されてなお余りがあることが明らかになった。また、定容燃焼を持つ従来の応報は結果的に、燃焼室内の急激な圧力上昇を発生させ、それは燃焼ガスの温度およびしたがってＮＯｘの排出を増加させる。圧力上昇を低下させて燃焼を開始する結果、ＮＯｘの排出がその後低減される。
【００３８】
制御手段は、通常の動作条件下で、燃焼の開始と閉止された吸込弁との間の間隙が、ピストンを駆動する基準シャフトのクランク角で少なくとも１５°、好ましくは少なくとも２５°、さらに好ましくは少なくとも３０°となるように構成することが好ましい。
【００３９】
この特定の特徴は本発明の独立態様を形成し、それは広義で、少なくとも１つのシリンダであって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料がそこを通して燃焼室内へ噴射される燃料噴射器と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有して成るシリンダと、燃焼が開始される前に空気吸込弁が閉じないように、燃焼室内の燃焼に関連して空気吸込弁を制御するための制御手段とを備えた２行程内燃機関と定義することができる。
【００４０】
空気吸込弁を閉じる前に燃焼を開始することによって得られる利点を増強するために、通常の動作条件下で、燃焼の開始と閉止された空気吸込弁との間の間隙が、ピストンを駆動する基準クランクシャフトのクランク角で少なくとも１５°、好ましくは少なくとも２５°、さらに好ましくは少なくとも３０°となるように、制御手段を構成する。
【００４１】
制御手段は、上死点より前に少量の燃料を燃焼室内に噴射するように構成することが好ましい。
【００４２】
代替的に、本発明の態様は、少なくとも１つのシリンダを備えた２行程内燃機関を作動させる方法であって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付き圧縮空気吸込口と、燃料噴射器と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付き吐出口とを有しており、排出弁を開口するステップと、ピストンを燃焼室内に移動させて排気ガスを燃焼室から押し出すステップと、排出弁を閉止するステップと、燃料を噴射し、空気吸込弁の開口を開始し、かつ燃焼を開始するステップと、その後、燃焼が開始される前に空気吸込弁が閉止しないように空気吸込弁を閉止するステップとを繰り返すことを含む方法と定義することができる。
【００４３】
従来の大型ディーゼル機関では、燃料は通常中心多孔噴射器を通して燃焼室内に噴射され、孔は噴射器の周縁に対照的に配設される。そのような機関では、燃料は通常下向きの角度でピストンのボウル内に向けられる。しかし、コンピュータによる燃焼挙動の研究から、この種のノズル構成は、空気を外部で圧縮しかつ加熱し、その後燃料の噴射と本質的に同時にシリンダ内に導入される上述した種類の機関には適さないことが示されている。問題は、上死点の後、空気吸込弁から流入する空気が、下方に移動するピストンによって形成される容積の大部分に急激に充填し、空気、燃焼ガス、および燃料の混合物を燃焼室の奥の方に移動させることである。流入する空気と予め存在するガスおよび燃料の混合は不足し、燃焼は比較的緩慢である。
【００４４】
この問題を克服するために、該または各吸込弁が空気吸込口に関連し、該または各空気吸込口が、吸込口の面積をピストンの往復方向に並進することにより形成される包絡線として定義される想像柱に関連し、燃料噴射器が燃料の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、さらに好ましくは１００％を該柱（単数または複数）の方向に向かわせるように構成されることが好ましい。
【００４５】
これは、本発明の前の態様と共にまたはそれらから独立して使用することができ、少なくとも１つのシリンダであって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が、燃焼室内への流れを制御するための関連空気吸込弁付きの少なくとも１つの圧縮空気吸込口と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付きの少なくとも１つの吐出口と、燃料がそこを通して燃焼室内に噴射される燃料噴射器とを有し、該または各空気吸込口はピストンが往復する方向の吸込口の面積の並進によって形成される包絡線として定義される想像柱に関連付けられ、燃料噴射器は燃料の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、さらに好ましくは１００％を該または各空気吸込弁に向かってではなく該柱（単数または複数）の方向に向かわせるように構成されて成るシリンダを備えた２行程内燃機関として広義に定義される本発明の独立態様を形成する。
【００４６】
代替的に、本発明のこの態様は、少なくとも１つのシリンダを備えた２行程内燃機関を作動させる方法であって、該または各シリンダがシリンダ内で往復運動可能でありかつ燃焼室を画定するピストンを持ち、該または各燃焼室が燃焼室内への流れを制御するための空気吸込弁付きの少なくとも１つの圧縮空気吸込口と、燃焼室から出る流れを制御するための排出弁付きの少なくとも１つの吐出口と、燃料を燃焼室内に噴射するための燃料噴射器とを有しており、各空気吸込口はピストンが往復する方向の吸込口の面積の並進によって形成される包絡線として定義される想像柱に関連付けられ、燃料の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、さらに好ましくは１００％を該または各空気吸込弁に向かってではなく該柱（単数または複数）の方向に噴射するステップを含む方法と定義することができる。
【００４７】
本構成により、燃料の一部または全部が、柱（単数または複数）によって画定される該または各空気吸込口の真下の領域内に向けられる。この領域は本質的に、空気吸込弁が開口した状態で生成される空気噴流を有する領域である。燃料は乱空気流内に入り、その内部に分散され、次いで空気と共に燃焼室のあらゆる部分に運ばれる。これは流入する空気の動きに大きく依存して燃料を分配させる。この方法によって達成される燃料と空気の急速な混合は、空気と燃料を燃焼の前に予め混合することで燃料が余剰の空気およびガスで希釈され、かつ温度の上昇が緩和されるので、ＮＯｘの発生の観点からも有利である。これは、燃焼が近定圧で行われるときに特に効果的である。
【００４８】
乱空気流を使用して燃料を分散させる効果を増強するために、燃料はシリンダヘッドに対して浅い角度で噴射することが好ましい。燃料噴射器は燃料をシリンダヘッドに対して１０°未満、好ましくは５°未満の角度で噴射することが好ましい。
【００４９】
各燃焼室が２つ以上の吸込口を持つ場合、これらはシリンダヘッドの片側に配設し、反対側には吐出口を配設する。これは、管接続口およびシリンダ外部の配管の幾何学的形状のために重要である。この場合、燃料の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％が、シリンダの空気吸込口を含む側に向かって噴射される。
【００５０】
本発明にしたがって構成された機関について、今から、添付の図面を参照しながら説明する。
【００５１】
機関は、例えば各々が往復ピストンを持ちかつ２行程サイクルで燃料を内部で燃焼する３つのシリンダの形の燃焼器を含む。３つのシリンダを図１に、単一のシリンダ１および往復ピストン２によって模式的に表す。ピストン２の上面には、燃料噴射器５に隣接して配置されたピストンボウル２Ａが設けられている。３つの燃焼シリンダのピストン２は、従来の構成である共通クランクシャフト（図示せず）に接続される。各シリンダは２つの圧縮空気吸込弁３と、２つの排出吐出弁４と、燃料噴射器５を有する（図１には各種の弁が１つずつ示されているだけであることに注意されたい）。
【００５２】
燃焼シリンダ１は高温圧縮空気の供給を受ける。これは、ピストンがシリンダ内で往復して圧縮を生じさせる往復圧縮機６である等温圧縮機で生成される。圧縮ピストンは、燃焼シリンダ１と同じクランクシャフトに接続することができる。圧縮プロセス中に、圧縮プロセスをできるだけ等温近くに維持するために、等温圧縮機６内に水が噴射される。等温圧縮を達成するためのノズルの適切な構成が、ＷＯ  ９８／１６７４１に開示されている。
【００５３】
冷温圧縮空気および水は次いで分離器７に供給され、そこで水の大部分が圧縮空気から分離される。今や実質的に水を含まない圧縮空気は管路８に沿って回収熱交換器９を介して供給され、そこでそれは、燃焼シリンダ１の１つに入る前に燃焼シリンダ１からの排気ガスから熱を受け取る。ピストンボウル２Ａを除き、これまで記載した機関の要素は全てＷＯ  ９４／１２７８５の図４に存在する。
【００５４】
本発明の独自の特徴は、有利な点火プロセスを達成するために燃焼器の弁のタイミングの制御にある。弁のタイミングの制御は、例えばカム突出部が必要なタイミングを達成するのに適したプロファイルを持つカムシャフトにより行われる。弁が電磁式、液圧式、または気圧式に作動する場合、適切な制御回路により同じ効果を達成することができる。
【００５５】
シリンダの圧力、燃料供給、吸込弁の開口、および排出弁の開口のタイミングが図２に示されており、この図面に基づいて、単一の燃焼シリンダの完全な２行程サイクルについて今から説明しよう。幾つかの燃焼シリンダの場合、各々が位相を適切に遅らせて同一プロセスに従う。
【００５６】
排出弁は、下死点に達する時点までに実質的な開口が行われるように、上死点より２０クランク角度前に開口し始める。この時点でシリンダの急速な減圧または排出が行われる。シリンダ圧力が回収熱交換機の圧力と均衡すると、減圧は停止する。ピストンの上向行程の大部分で、シリンダ圧力は回収熱交換機の低圧側のそれと同様である一方、ピストン２が排出弁４を通して排気ガスをシリンダ１から押し出す。
【００５７】
排出弁はピストンの上向行程中に閉止し始め、図２Ｄに示すように上死点より約２５°前に実効的閉止（すなわち５％未満のリフト）に達し、燃焼室内の残留排気ガスを捕捉する。この点に達する前でさえも、多少の温度上昇があり、この点の後に、圧力は空気吸込口に供給される空気の圧力の約６０％まで実質的にさらに増加する。この圧力上昇は図２Ａに示されている。圧力上昇は実質的な温度上昇を随伴する。吸込空気の圧力までの最終圧力上昇は、吸込弁が開口し始める上死点の直前に非常に急激に発生する。この最終圧力上昇もまた、捕捉された排気ガスの温度のさらなる上昇を引き起こし、それは点火プロセスをさらに助長する。他方、この最終再圧縮を引き起こす流入空気はより冷温であるので、混合平均温度はあまり上昇しない。この時点で、図２（Ｂ）に示すように、燃料噴射器が少量の燃料を噴射するために短時間開口し、それは高温排気ガス内の未燃焼酸素と結合して、排気ガスの圧縮によって生じた高温環境で点火する。
【００５８】
吸込弁３は、図２（Ｃ）に実線で示すように上死点の直前に開口し始めて、高温圧縮空気を燃焼シリンダ１内に流入させる。同時に、燃料噴射器が図２（Ｂ）に示すようにボウル２Ａへの、主投入量の燃料を噴射する。燃料噴射プロセスは、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように空気吸込弁が閉止する少し前に終了することができ、あるいは空気吸込弁の閉止の少し後に終了することができる。これは機関負荷、燃焼器膨張の圧力比、機関の速度、および燃料噴射と燃焼との間の時間遅延に依存する。高温圧縮空気と主投入量の燃料との混合物は、先に噴射された燃料の自己点火の結果発生する火炎によって点火される。ピストン２が動力行程で下方に駆動されるにつれて、高温燃焼ガスは膨張し、仕事を行う。図２Ａに示すように、膨張が進むにつれて燃焼シリンダ１内の圧力が低下する。下死点の直前に、排出弁は、図２（Ｄ）に示すように次の行程に備えて開口し始める。
【００５９】
機関を低発火性の燃料で始動するための機構について今から説明する。機関が外部の機械的または電気的動力によって駆動できる場合、燃焼器の空気吸込口上流の配管を加圧するために、これを用いて等温圧縮機を駆動する。外部駆動が利用できない場合には、図１に示す貯蔵圧縮空気の貯蔵器１０を用いて配管を加圧することができる。機関が正常に作動しているときには、回収熱交換器の上流の配管は高温になりすぎないので、圧縮空気貯蔵器は回収熱交換器の上流に配置することが好ましい。これにより、非常に高温に耐えることのできる弁を設計する必要性が回避される。
【００６０】
開始時には、回収熱交換器から熱が得られないので、空気加熱器が必要である。燃焼器に供給される空気を加熱する簡便な方法は、回収熱交換器と燃焼器との間に走る配管を加熱することである。機関を始動する目的のために必要な熱入力は、空気の質量流量はずっと低いので、通常の動作中に回収熱交換器によって供給されるものよりずっと低い。これは、機関の回転速度が低いからであり、かつ圧縮機に供給される空気の圧力が大気圧に近く、かつ始動中にターボチャージャの動作によって上昇されないからである。図１に示すように、加熱器１１はこの配管付近に構成される。加熱器は様々な形の電気加熱器のいずれか１つとすることができ、あるいはガスまたは石油バーナとすることができる。
【００６１】
機関が始動中に外部動力によって駆動することができる場合には、ピストンはそのそれぞれのシリンダ内ですでに上下運動している。機関が外部動力によって駆動されない場合、同じく接続配管内で加熱される貯蔵器からの圧縮空気は、ピストンを運動させる動力を提供するために、シリンダ内で膨張する。
【００６２】
ひとたびピストンが運動すると、必要な高温を発生させるために再圧縮に利用可能な排気ガス無しで燃料に点火する必要がある。
【００６３】
これは、排出弁の閉止中の期間に圧縮空気の抽気流を提供することによって行われる。これは、燃焼室シリンダ１内に通じる制限オリフィスを通して行うことができるが、図１に示す事例では、これは、図２Ｃに破線で示すように、排出弁の閉止の最終段階中に（リフトが最大量の５％未満のとき）吸込弁３を短時間開口することによって行うことができる。始動中の機関の速度は通常の動作中よりずっと低いので、必要な空気を流入させるために必要に弁の開口は非常に小さいかまたは時間的に短く存在するだけかのいずれかであることが分かっている。弁が大きく開きすぎるか開いている時間が長すぎると、多すぎる空気が流入する。次いでこの空気は添加される燃料と共にその後、ピストンが上昇し続けるにつれて吸込口内に押し戻され、これは最も望ましくないことである。別の欠点は、同じく低速で作動しがちな圧縮機が必要な空気流量を維持できないことである。この時点で排出弁はまだ最終的に閉止されておらず、かつ機関速度が低く、吸込弁に供給される空気の圧力が高いので、弁の持続時間が長すぎると、かなりの量の空気が消費されるおそれがある。したがって、図２Ｃは、上死点より約２０°手前で発生する空気の短時間の流入を示している。
【００６４】
燃焼器シリンダが２つ以上の空気吸込弁を持つ場合には、１つの弁を始動中に短い空気噴射を提供するために使用し、残りの弁を上死点後に主空気流量を提供するために使用することが好都合であるかもしれない。これにより、１つの弁を始動サイクルで２回開閉する必要性が回避される。
【００６５】
低発火性の燃料を使用して機関を直接添加するための前記手順の代替法は、機関に軽ディーゼル燃料など高発火性の燃料で始動する機能を設けることであろう。機関は熱交換器を加熱させる充分な時間作動し、次いでそれは低発火性の燃料に切りかえられる。
【００６６】
燃焼室内への燃料の噴射について、今から図１および３を参照しながら説明しよう。図３はシリンダヘッド１２を示し、その片側に１対の圧縮空気吸込口１３があり、その各々が圧縮空気吸込弁３に関連付けられ、その反対側には１対の排気ガス吐出口１４があり、その各々が排出吐出弁に関連付けられる。燃料噴射器５は、燃料を圧縮空気吸込口１３に向かって矢印１６の方向に向かわせるように構成された１対の出口オリフィス１５を有する。図１から明らかな通り、燃料はシリンダヘッドに対してわずかに下向きの勾配に方向付けられる。しかし、燃料は代替的にシリンダヘッドに平行に方向付けることもできる。燃料噴射は、図２に示すように、空気が空気吸込口１３を通して燃焼室内に入ってくるときに燃料が噴射されるようにタイミングを合わせる。
【００６７】
図１および３は、１つの空気吸込口１３につき１つの噴射オリフィス１５で、全燃料がシリンダに入る空気噴流に噴射されることを示しているが、必ずしもこれが常に当てはまるわけではない。場合によっては、例えば空気噴流内に燃料を分配するために、あるいは燃料が空気噴流をまっすぐに貫通する可能性を回避するために、より多数のノズル穴を持つことが好ましいかもしれない。最適な構成は、噴射される燃料が気体か、それとも液体かによっても異なる。
【００６８】
図１および３に示すように、燃料噴射器５は通常ピストンボウル２Ａ内に突出し、したがってそれは噴射器付近に配置しなければならない。前記のように非対称に空気吸込口３に向かって燃料を直接噴射することは、燃料の大部分をボウル２Ａから逸失させ、したがって点火しにくい燃料の点火を達成する際のピストンボウルの効果を無効する、あるいは低減させると思われるかもしれない。しかし、それは当てはまらない。なぜなら、点火はピストン２がシリンダ１の頂部に非常に近づいたときに達成され、シリンダ内に存在する空気、ガス、および燃料の大部分が周囲の狭い透き間からピストンボウル２Ａ内に押し出されるからである。したがって、燃焼プロセスのこの早期段階で、ピストンボウルは、設計された機能を依然として果たす。
【図面の簡単な説明】
【図１】  機関の様々な要素の概略図である。
【図２】  シリンダ圧力、燃料噴射、吸込弁の位置および排出弁の位置をクランク角の関数として示す１組のグラフである。
【図３】  様々な構成部品の位置を示すシリンダヘッドの略平面図である。
【図１】
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【図２】
0004523221.tif 000003
【図３】
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