(57)【要約】  エンジンはクランクスローを有するクランクシャフトを含み、クランクシャフトはクランクシャフト軸線を中心に回転する。圧縮ピストンは圧縮シリンダー内に摺動可能に収納されクランクシャフトと作動可能に連結され、圧縮ピストンは、クランクシャフトが一回転する間に４行程サイクルの吸気行程および圧縮行程を通して往復運動をする。膨張ピストンは膨張シリンダー内に摺動可能に収納される。コネクティングロッドが圧縮ピストンと枢動可能に連結される。膨張ピストンがクランクシャフトの同じ回転の間に起こる４行程サイクルの膨張行程および排気行程を通して往復運動をするよう、機械的連結機構は、コネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転するようにクランクスローをコネクティングロッドに連結する。コネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線を周回する機械的連結機構により経路ができる。経路のある点において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線とクランクシャフト軸線との間の距離が有効クランクスロー半径を規定する。膨張シリンダー内の燃焼事象の少なくとも一部において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が通過する第１有効クランクスロー半径から第２有効クランクスロー半径までの第１移行領域を、経路は含む。
2006528741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクスローを有し、クランクシャフト軸線を中心として回転するクランクシャフトと、
該クランクシャフトの１回転中に４行程サイクルの吸気行程と圧縮行程を通して往復するように、圧縮シリンダー内に摺動可能に設けられると共にクランクシャフトに作動可能に連結された圧縮ピストンと、
膨張シリンダー内に摺動可能に設けられた膨張ピストンと、
膨張ピストンと枢動可能に連結されたコネクティングロッドと、
膨張ピストンがクランクシャフトの上記同一回転中に４行程サイクルの膨張行程と排気行程を通して往復するように、コネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転可能にクランクスローをコネクティングロッドに連結する機械的連結機構と、
コネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線回りで移動する機械的連結機構により設定される経路であって、経路の全ての点において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線とクランクシャフト軸線との間の距離が有効クランクスロー半径を規定し、膨張シリンダー内の燃焼事象の少なくとも一部において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が通過する、第１有効クランクスロー半径から第２有効クランクスロー半径までの第１移行領域を含む経路と、
を備えることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域の少なくとも一部を通過しているとき、膨張ピストンの速度が減速す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】
膨張ピストンの速度は、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域に最初に入ったときに減速し、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域を出るときに加速す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】
第１有効クランクスロー半径は第２有効クランクスロー半径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
第１移行領域は上死点を過ぎたクランク角の所定度数ＣＡで始ま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】
経路は第２有効クランクスロー半径から第１有効クランクスロー半径に移行する第２移行領域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７】
機械的連結機構は、
コネクティングロッドに取り付けられ、その中心線としてコネクティングロッド／クランクスロー軸線を有するクランクピンと、
クランクスロー内に配置されたスロットであって、クランクピンを摺動可能に保持し、クランクシャフト軸線に対してクランクピンの半径方向の動きを許容できる大きさとされているスロットと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項８】
機械的連結機構は、
エンジンの固定部分に取り付けられた型板であって、型板はクランクピンが延在するクランクピントラックを含み、クランクピントラックはコネクティングロッド／クランクスロー軸線が経路を介して案内されるようにクランクピンを可動的に保持する型板を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
機械的連結機構は、
クランクシャフトの対向する一対のクランクシャフト・ジャーナルから延びる一対のクランクスローであって、各クランクスローにはスロットが配置されている一対のクランクスローと
クランクピンがクランクシャフトと平行であるが、それからオフセットされる向きに配置されるように、スロットによって摺動可能に保持されたクランクピンと、
を備えることを特徴とする請求項８に記載のエンジン。
【請求項１０】
機械的連結機構は、
対向する一対の型板であって、各々が、クランクピンを移動可能に保持し、経路を介してコネクティングロッド／クランクスロー軸線を案内するクランクピントラックを有する型板を備えることを特徴とする請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
クランクスローを有し、クランクシャフト軸線を中心として回転するクランクシャフトと、
該クランクシャフトの１回転中に４行程サイクルの吸気行程と圧縮行程において往復するように、圧縮シリンダー内に摺動可能に設けられると共にクランクシャフトに作動可能に連結された圧縮ピストンと、
膨張シリンダー内に摺動可能に設けられた膨張ピストンと、
膨張ピストンと枢動可能に連結されたコネクティングロッドと、
膨張ピストンがクランクシャフトの上記同一回転中に４行程サイクルの膨張行程と排気行程を通して往復するように、コネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転可能にクランクスローをコネクティングロッドに連結する機械的連結機構と、
コネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線回りで移動する機械的連結機構により設定される経路であって、経路の全ての点において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線とクランクシャフト軸線との間の距離が有効クランクスロー半径を規定し、経路は上死点を過ぎた所定度数ＣＡで始まる第１移行領域を含み、第１移行領域は、膨張シリンダー内の燃焼事象の少なくとも一部において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が通過する、第１有効クランクスロー半径から大きい方の第２有効クランクスロー半径に移行する経路と、
を備えることを特徴とするエンジン。
【請求項１２】
コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域の少なくとも一部を通過しているとき、膨張ピストンの速度が減速することを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
膨張ピストンの速度は、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域に最初に入ったときに減速し、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が第１移行領域を出るときに加速することを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
経路は第２有効クランクスロー半径から第１有効クランクスロー半径へ移行する第２移行領域を含むことを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１５】
機械的連結機構は、
コネクティングロッドに取り付けられ、その中心線としてコネクティングロッド／クランクスロー軸線を有するクランクピンと、
クランクピンを摺動可能に保持するクランクスロー内に配置されたスロットであって、クランクピンを摺動可能に保持し、クランクシャフト軸線に対してクランクピンの半径方向の動きを許容できる大きさとされているスロットと、
エンジンの固定部分に取り付けられた型板であって、型板はクランクピンが延在するクランクピントラックを含み、クランクピントラックはコネクティングロッド／クランクスロー軸線が経路を介して案内されるようにクランクピンを可動的に保持する型板と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１６】
機械的連結機構は、
クランクシャフトの対向する一対のクランクシャフト・ジャーナルから延びる一対のクランクスローであって、各クランクスローにはスロットが配置されている一対のクランクスローと
クランクピンがクランクシャフトと平行であるが、それからオフセットされる向きに配置されるように、スロットによって摺動可能に保持されたクランクピンと、
対向する一対の型板であって、各々が、クランクピンを移動可能に保持し、経路を通るコネクティングロッド／クランクスロー軸線を案内するクランクピントラックを有する型板と、
を備えることを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１７】
クランクスローを有するクランクシャフトであって、クランクスローにはスロットが設けられ、クランクシャフト軸線を中心として回転するクランクシャフトと、
該クランクシャフトの１回転中に４行程サイクルの吸気行程と圧縮行程を通して往復するように、圧縮シリンダー内に摺動可能に設けられると共にクランクシャフトに作動可能に連結された圧縮ピストンと、
膨張シリンダー内に摺動可能に設けられた膨張ピストンと、
膨張ピストンと枢動可能に連結されたコネクティングロッドと、
コネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転するようにクランクスローをコネクティングロッドに連結し、膨張ピストンがクランクシャフトの上記同一の回転において４行程サイクルの膨張行程および排気行程を通して往復できるのを許容するクランクピンであって、クランクシャフトに対するクランクピンの半径方向の動きを許容するようにクランクスロー内のスロットにより摺動可能に保持されたクランクピンと、
エンジンの固定部分に取り付けられた型板であって、型板はクランクピンが延在するクランクピントラックを含み、クランクピントラックはコネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線を中心にした経路を介して案内されるようにクランクピンを可動的に保持する型板と、
を備えることを特徴とするエンジン。
【請求項１８】
経路の全ての点でコネクティングロッド／クランクスロー軸線とクランクシャフト軸線との間の距離が有効クランクスロー半径を規定し、経路が第１有効クランクスロー半径から第２有効クランクスロー半径までの第１移行領域を備えることを特徴とする請求項１７に記載のエンジン。
【請求項１９】
第１有効クランクスロー半径は第２有効クランクスロー半径よりも小さいことを特徴とする請求項１８に記載のエンジン。
【請求項２０】
第１移行領域は上死点を過ぎた所定度数ＣＡで始まることを特徴とする請求項１９に記載のエンジン。
【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。より詳しくは、本発明は、一対のピストンを有する分割サイクルエンジンであって、一方を吸気と圧縮行程用ピストンとして、他方を膨張（または動力）と排気行程用ピストンとして用い、４行程のそれぞれがクランクシャフトの１回転で完結する分割サイクルエンジンに関する。膨張ピストンをクランクシャフトに作動可能に連結する機械的連結機構が、固定ピンによる連結を介してクランクシャフトと枢動可能に連結されたコネクティングロッドを有するピストンの下降運動と比べると、燃焼期間の一部で同じピストンのより遅い下降運動の期間をもたらす。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、燃焼の反応体、例えば酸化剤と燃料、及び燃焼の生成物が機関の作動流体として機能する一群の装置のひとつである。内燃機関の基本構成は、この技術分野でよく知られており、エンジンブロック、シリンダーヘッド、シリンダー、ピストン、バルブ、クランクシャフトおよびカムシャフトを含む。シリンダーヘッド、シリンダーおよびピストン頂面は、通常、燃焼室を構成し、燃料と酸化剤（例えば空気）が燃焼室に導入され、燃焼が行われる。このような機関は、非反応作動流体、例えば酸化剤・燃料混合物の燃焼中に放出される熱からエネルギーを得る。このプロセスはエンジン内で生じ、装置の熱力学サイクルの一部である。すべての内燃機関において、有用な仕事は、ピストンの頂面すなわちクラウン等の機関の可動表面に直接作用する燃焼の熱い、気体状の生成物から発生される。一般的には、ピストンの往復運動は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換される。
【０００３】
内燃（ＩＣ）機関は、火花点火（ＳＩ）機関と圧縮着火（ＣＩ）機関とに分類できる。ＳＩ機関、すなわち典型的にはガソリン機関では火花を用いて空気と燃料の混合気を点火させるが、ＣＩ機関、すなわち典型的にはデイ―ゼルエンジンでは空気と燃料の混合気が圧縮熱で着火される。
【０００４】
最も普通の内燃機関は４行程サイクル機関であり、その基本設計のコンセプトは１００年以上前から変化していない。これは、陸上輸送およびその他の産業における原動力としてのその簡素性および優れた性能のためである。４行程サイクル機関では、１つのピストンの４つの異なるピストン運動（行程）の燃焼プロセスから動力を回収する。従って、ここでは、４行程サイクル機関とは、膨張（または動力）行程毎に、つまり、動力をクランクシャフトに伝達する行程毎に、多くのピストンの１つが４つの完全な行程を要する機関として定義される。
【０００５】
図１から図４では、従来技術の４行程サイクル内燃機関の模範的実施例を１０で示す。エンジン１０は、内部を貫通するシリンダー１４を有するエンジンブロック１２を含む。シリンダー１４は、その中に往復ピストン１６を収容する大きさである。シリンダー１４の上部には、インレットバルブ２０およびアウトレットバルブ２２を含むシリンダーヘッド１８が取り付けられる。シリンダーヘッド１８の底部と、シリンダー１４と、ピストン１６の頂部（即ち、クラウン２４）とが燃焼室２６を形成する。吸気行程において（図１）、燃料・空気混合気は、吸気通路２８およびインレットバルブ２０を介して燃焼室２６に吸入され、この燃焼室で混合気は点火栓３０によって点火される。燃焼の生成物は、その後、排気行程（図４）においてアウトレットバルブ２２および排気通路３２を介して排出される。コネクティングロッド３４は、その頂部末端部３６がピストン１６に枢動可能に取り付けられる。クランクシャフト３８はクランクシャフトスロー４０と称する機械的オフセット部を有し、このクランクシャフトスロー４０はコネクティングロッド３４の底部末端部４２に枢動可能に取り付けられる。ピストン１６とクランクシャフトスロー４０に対するコネクティングロッド３４の機械的連結は、ピストン１６の（矢印４４によって示されるような）往復動作をクランクシャフト３８の（矢印４６によって示されたように）回転運動に変換するように作用する。クランクシャフト３８はインレットカムシャフト４８およびアウトレットカムシャフト５０に機械的に連結（図示なし）され、インレットバルブ２０およびアウトレットバルブ２２のそれぞれの開閉を正確に制御する。シリンダー１４は中心線（ピストンシリンダー軸線）５２を有し、これがピストン１６の往復動作の中心線にもなる。クランクシャフト３８は回転中心（クランクシャフト軸線）５４を有している。
【０００６】
図１を参照するに、インレットバルブ２０が開口した状態で、ピストン１６は、まず、吸気行程において（矢印４４で示す方向に）下降する。燃料（たとえば、ガソリン蒸気）と空気の爆発性混合気の所定量は、この下降により生じた部分負圧によって燃焼室２６に吸入される。ピストンは、その下死点（ＢＤＣ）、すなわち、ピストンがシリンダーヘッド１８からもっとも離れた点、に達するまで下降し続ける。
【０００７】
図２を参照するに、インレットバルブ２０およびアウトレットバルブ２２の両方とも閉じており、圧縮行程において（矢印４４で示す方向に）ピストン１６が上昇するにつれて、混合気が圧縮される。圧縮行程の終わりが上死点（ＴＤＣ）、即ちピストン１６がシリンダーヘッド１８にもっとも近接する点に近づくと、混合気の容積は、この実施例では、（圧縮比が８分の１なので）初期の容積の８分の１にまで圧縮される。ピストンがＴＤＣに接近すると、点火栓（３０）のギャップに電気火花が発生されて燃焼が開始される。
【０００８】
図３を参照するに、続いて、バルブ２０およびバルブ２２の両方とも閉じたままの状態で、動力行程が起きる。燃焼ガスが膨張しピストン１６のクラウン２４を押圧するため、下死点（ＢＤＣ）に向かって（矢印４４で示すように）下方に、ピストン１６が動かされる。一般的に、従来のエンジン１０では、ピストン１６がＴＤＣに到達する直前に燃焼を開始することにより、効率を上げている。ピストン１６がＴＤＣに到達するとき、シリンダーヘッド１８の底部とピストン１６のクラウン２４との間にかなりのクリアランス容積６０が存在している。
【０００９】
図４を参照するに、排気行程において、ピストン１６が上昇して、開口しているアウトレット（排気）バルブ２２を介して燃焼生成物を押し出す。そして、このサイクルが繰返される。この先行技術の４行程サイクルエンジン１０においては、各ピストン１６の４行程、即ち吸気、圧縮、膨張および排気行程とクランクシャフト３８の２回転とが、１サイクルを完結するために、即ち１つの動力行程をもたらすために必要とされる。
【００１０】
問題としては、典型的な４行程サイクルエンジン１０の全熱力学的効率が約３分の１に過ぎないことである。即ち、燃料エネルギーのおよそ３分の１が有効仕事としてクランクシャフトに伝わり、３分の１は熱損失となり、そして３分の１は排気として失われる。
【００１１】
図５を参照するに、上述した従来の４行程エンジンの代りが、分割サイクル４行程エンジンである。この分割サイクルエンジンは、スカデリへの「分割式４行程内燃機関」として２００１年７月２０日出願された米国特許第６，５４３，２２５号に、略開示されており、本明細書においてこの参照によりその全文が開示に含まれるものとする。
【００１２】
分割サイクルエンジン・コンセプトの模範的実施形態が７０で示されている。分割サイクルエンジン７０では、従来の４行程エンジンの隣接する２本のシリンダーに替えて、１本の圧縮シリンダー７２と１本の膨張シリンダー７４とを一体にしている。これら２本のシリンダー７２、７４は、クランクシャフト７６の一回転ごとに、それぞれの機能を一回果たす。一般的なポペット型バルブ７８を介して、圧縮シリンダー７２内に吸気チャージが引き込まれる。圧縮シリンダーピストン７３はこのチャージを加圧し、膨張シリンダー７４用の吸気口であるクロスオーバ通路８０を介してチャージを排出する。インレットのチェックバルブ８２を用いて、クロスオーバ通路８０からの逆流を防ぐ。クロスオーバ通路８０のアウトレットのバルブ（複数）８４は、加圧された吸気チャージの膨張シリンダー７４への流れを制御する。吸気チャージが膨張シリンダー７４に入ると、点火栓８６は直ぐに点火され、その結果の燃焼が膨張シリンダーピストン７５を下方に動かす。排気ガスはポペットバルブ８８を介して膨張シリンダーの外部に排出される。
【００１３】
分割サイクルエンジンのコンセプトでは、圧縮シリンダーおよび膨張シリンダーの幾何学的エンジンパラメータ（すなわち、ボア、行程、コネクティングロッドの長さ、圧縮比等）は、一般的には、それぞれ独立である。例えば、各シリンダーのクランクスロー９０、９２の半径は異なっていてもよく、また、圧縮シリンダーピストン７３の上死点（ＴＤＣ）に先立って、膨張シリンダーピストン７５のＴＤＣが生じるように互いに位相が異なるようにしてもよい。この独立性により、分割サイクルエンジンには、上で説明した、より典型的な４行程エンジンよりも高い効率を達成できる可能性がある。
【００１４】
しかし、分割サイクルエンジンには、多くの幾何学的パラメータおよびパラメータの組み合わせがある。したがって、これらのパラメータをさらに最適化することが、エンジンの性能と効率とを最大限に活用するために必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、固定ピン連結を介してクランクシャフトに枢動可能に連結されたコネクティングロッドを有するピストンの下降運動に対して、同じピストンの下降運動をより遅くする、すなわちドエルする期間を実現するように、クランクシャフトに膨張ピストンを作動可能に連結する機械的連結機構を有する分割サイクルエンジンを提供することにより、先行技術に優る利点および代替を提供する。このドエル運動の結果、膨張シリンダーの膨張比または圧縮シリンダーのピーク圧力を上げることなく、燃焼中に膨張シリンダーのピーク圧力が高くなる。したがって、ドエル型分割サイクルエンジンは熱効率の向上が期待できる。
【００１６】
これらと他の利点は、クランクスローを有し、クランクシャフト軸線を中心に回転するクランクシャフトを含むエンジンを提供することにより本発明の例示の実施形態で達成されている。圧縮ピストンは、クランクシャフトが一回転する間に４行程サイクルの吸気行程と圧縮行程を通して往復動するように、圧縮ピストンは圧縮シリンダー内に摺動可能に収容され、クランクシャフトと作動可能に連結されている。膨張ピストンは膨張シリンダー内に摺動可能に収容される。コネクティングロッドは膨張ピストンと枢動可能に連結されている。機械的連結機構は、膨張ピストンがクランクシャフトの同じ回転中に４行程サイクルの膨張行程と排気行程を通して往復するように、クランクスローをコネクティングロッドにコネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転すべく連結する。経路は、コネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線回りを移動する機械的連結機構により設定される。経路の全ての点での、コネクティングロッド／クランクスロー軸線とクランクシャフト軸線との間の距離が、有効クランクスロー半径を規定する。経路は、膨張シリンダー内の燃焼事象の少なくとも一部において、コネクティングロッド／クランクスロー軸線が通過する第１有効クランクスロー半径から第２有効クランクスロー半径までの第１移行領域を含む。
【００１７】
本発明の代替の例示的実施形態では、経路は上死点を過ぎた所定度数ＣＡで始まり、そして、第１有効クランクスロー半径は第２有効クランクスロー半径よりも小さい。
【００１８】
本発明のさらに別の例示的実施形態が提供するエンジンは、クランクスローを有するクランクシャフトを含み、クランクスローにはスロットが設けられ、クランクシャフトはクランクシャフト軸線を中心として回転する。圧縮ピストンが該クランクシャフトの１回転中に４行程サイクルの吸気行程と圧縮行程を通して往復するように、圧縮ピストンは圧縮シリンダー内に摺動可能に設けられると共にクランクシャフトに作動可能に連結されている。膨張ピストンは膨張シリンダー内に摺動可能に設けられている。コネクティングロッドは膨張ピストンと枢動可能に連結されている。クランクピンは、コネクティングロッド／クランクスロー軸線を中心に回転可能にクランクスローをコネクティングロッドに連結して、膨張ピストンがクランクシャフトの同じ回転において４行程サイクルの膨張行程および排気行程を通して往復できるようにする。クランクピンはクランクスロー内のスロットに摺動可能に保持され、クランクシャフトに対するクランクピンの半径方向の動きを許容している。型板がエンジンの固定部分に取り付けられている。型板はクランクピンが延在するクランクピントラックを含んでいる。クランクピントラックは、コネクティングロッド／クランクスロー軸線がクランクシャフト軸線を中心にした経路を案内されるように、クランクピンを可動的に保持している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ｉ．概要
スカデリグループは、テキサス州サンアントニオ在のＳｏｕｔｈｗｅｓｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（登録商標）（ＳｗＲＩ（登録商標））に、２件のコンピュータによる研究を依頼した。その第１の研究は、分割サイクルエンジンの様々な実施形態を代表する、コンピュータ化したモデルを構成することを含み、このモデルがサイクルごとに同じ取り込みマス（塊）を有する従来の内燃機関をコンピュータ化したモデルと比較された。この第１研究の最終報告書（「分割サイクル４行程エンジン・コンセプトの評価」２００３年６月２４日付けＳｗＲＩ（登録商標）プロジェクト番号０３．０５９３２号）は、この参照によりその全文が本願の開示に含まれる。第１研究の結果は、Ｂｒａｎｙｏｎ他の「分割サイクル４行程エンジン」として２００４年６月９日に出願された米国特許出願番号１０／８６４７４８号がなされ、これもこの参照により開示に含まれる。第１の研究が確認したのは、具体的なパラメータ（例えば、圧縮比、膨張比、クロスオーバ弁の継続時間、位相角、および、クロスオーバ弁事象と燃焼事象とのオーバーラップ）であり、これらは、適切な構成で適用すると、分割サイクルエンジンの効率に多大な影響を及ぼす。
【００２０】
コンピュータによる第２の研究では、第１の研究において最適化したパラメータを有する分割サイクルエンジンのモデル、すなわち、ベースライン型を、同様に最適化したパラメータに加えてユニークなピストン運動を有する分割サイクルエンジン、すなわち、ドエル型と比較した。このドエル型は、この特許で示されるような機械的装置により実現可能な簡素化した運動を行うものとして作られた。提示したドエル型は、ベースライン型より４．４％の熱効率の向上を示した。（この研究では、摩擦作用は考慮されなかった。）この第２研究の最終報告書（「分割サイクル４行程エンジン・コンセプトのためのドエルピストン運動の評価  フェーズ８０１」２００３年７月１１日付けＳｗＲＩ（登録商標）プロジェクト番号０３．０５９３２号）は、この参照によりその全文が本願の開示に含まれ、本発明の基礎を構成する。
【００２１】
（この報告書において、「パーセント」（または％）で述べる効率向上は、デルタ・パーセント型の値、すなわち、最初の効率で除算した効率の変化を意味する。「パーセントポイント」（または「ポイント」）で述べる効率向上は、熱効率のその量分の実際の変化、または、構成ごとの熱効率の変化を意味する。３０％の基本熱効率に対して、熱効率３３％への向上は、３ポイントまたは１０％増ということなる。）
ベースライン型とドエル型との基本的な熱力学的な差はピストン運動にあり、スライダ-クランク機構の運動には拘束されない。この運動は、膨張ピストンのコネクティングロッドとクランクスローとの間の連結機構を介して達成可能なものとして意図された。ベースライン型では、運動は標準型の固定クランクピンを介してコネクティングロッドと枢動可能に連結されるクランクスロー（つまり、コネクティングロッド／クランクスロー連結機構）を意味し、この場合、クランクスローの半径（すなわち、コネクティングロッド／クランクスロー軸とクランクシャフト軸線との間の距離）は略一定である。ドエル型の運動では、ユニークな運動プロファイルを得るために、コネクティングロッドおよびクランクスロー間の連結が異なる必要がある。換言すれば、クランクピンが機械的連結機構に置き換えられ、この機械的連結機構は、クランクスローが上死点（ＴＤＣ）を過ぎて所定のクランク角度数回転した後に、有効なクランクスローの半径を第１の小さい半径から第２の大きい半径に移行させ得るのである。ドエル型のピストン運動は、ベースライン型の膨張ピストンの下方運動に比べて、燃焼期間（つまり、燃焼事象）の一部において、膨張ピストンの下降運動がより遅い期間を提供する。
【００２２】
下方へのピストン運動を遅くすることにより、シリンダー圧力は、燃焼事象の間に上昇するのにより長い時間が与えられる。これにより、動力シリンダーの膨張比または圧縮シリンダーのピーク圧力を増加させることなく、動力シリンダーのピーク圧力が高くされる。したがって、ドエル型分割サイクルエンジンの熱効率全体が著しく向上し、例えば、略４％向上する。
【００２３】
II．  用語解説
ここで用いられる頭字語および用語の定義の用語解説を参考のために以下に示す。
・空燃比：吸気チャージにおける空気の燃料に対する割合。
・下死点（ＢＤＣ）：シリンダーヘッドから最も離れたピストンの位置であり、燃焼室の容積がサイクル中で最大になる。
・クランク角（ＣＡ）：クランクシャフト・スローの回転角度であり、一般的にはシリンダーボアと整列されているときのその位置をいう。
・クランクピン（またはロッド・ジャーナル）：コネクティングロッドの底部が取り付き、クランクシャフトの中心線を周回するクランクシャフトの部分。これは、ドエル型では、実際のところ、クランクシャフトではなくコネクティングロッドの一部でもよい。
・クランクシャフト・ジャーナル:軸受け内で回動する回転クランクシャフトの部分である。
・ベースライン型のクランクスロー：クランクシャフトのクランク腕とクランクピンであり、クランクピンはコネクティングロッドの下側端部を支持する。
・ドエル型のクランクスロー（またはクランク腕）：ドエル型では、クランク腕とクランクピンは別個のものであるので、ここではクランクシャフトへの言及はクランク腕を指す。
・燃焼継続時間：この説明では、燃焼事象の開始から１０％と９０％ポイントとの間のクランク角期間として定義される。
・燃焼事象：典型的にはエンジンの膨張室内で燃料を燃やすプロセス。
・圧縮比：ＴＤＣ時の圧縮シリンダー容積に対するＢＤＣ時の圧縮シリンダー容積の比。
・クロスオーバー弁の閉弁（ＸＶＣ）
・クロスオーバー弁の開弁（ＸＶＯ）
・シリンダーオフセット：ボアの中心線とクランクシャフト軸線との間の直線距離。
・排気量：ピストンがＢＤＣからＴＤＣまで変位する容積として定義される。数学的には、ＢＤＣからＴＤＣまでの距離としてストロークが定義されると、排気量はπ／４×ボア２×ストロークに等しい。
・有効クランクスロー半径：クランクスローの回転軸（コネクティングロッド／クランクスロー軸線）とクランクシャフト軸線との間の瞬間的な距離。ベースライン型エンジン１００の場合は、膨張ピストンの有効クランクスロー半径は略一定であるが、ドエル型エンジンでは、有効クランクスロー半径は膨張ピストンについて変わる。
・排気バルブの閉弁（ＥＶＣ）
・排気バルブの開弁（ＥＶＯ）
・膨張比：圧縮比と同等の用語であるが、膨張シリンダー用である。ＴＤＣ時のシリンダー容積に対するＢＤＣ時のシリンダー容積の比である。
・図示動力：摩擦損失が考慮される前に、ピストンの頂面に配分される動力出力。
・図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）：Ｐ−ｄＶ曲線の内側領域の積分であり、排気量で除算した図示エンジントルクにも等しい。実際、すべての図示トルクおよび動力値はこのパラメータの導関数である。この値はまた、実際の圧力曲線と同じエンジン出力をもたらすことになる、膨張行程に亘る一定の圧力レベルを表す。正味の図示平均有効圧力（ＮＩＭＥＰ）または総量としての図示平均有効圧力（ＧＩＭＥＰ）として特定することができるが、充分に特定されていない場合には、ＮＩＭＥＰが想定されている。
・図示熱効率（ＩＴＥ）：燃料エネルギー入力率に対する図示動力出力の比。
・図示トルク：摩擦損失が考慮される前に、ピストンの頂面に配分されるトルクの出力。
・吸気バルブの閉弁（ＩＶＣ）
・吸気バルブの開弁（ＩＶＯ）
・ピークシリンダー圧力（ＰＣＰ）：エンジンサイクルの間に燃焼室内で得られる最大圧力。
・火花点火式（ＳＩ）：燃焼室内の電気火花によって燃焼事象を開始するエンジンを指す。
・上死点（ＴＤＣ）：サイクル全体を通してピストンが到達するシリンダーヘッドに最も近い位置であり、燃焼室の容積は最小となる。
・ＴＤＣ位相（これはまた、ここでは、圧縮シリンダーと膨張シリンダーとの間の位相角（図６の参照番号１７２参照）とも称される）：２本のシリンダーのクランクスロー間の度数での回転オフセットのこと。ゼロ度オフセットならばクランクスローが同一直線上にあることを意味し、１８０度オフセットならばクランクスローがクランクシャフトを挟んだ両側（つまり、一方のピンが頂部にあり、他方が底部にある）にあることを意味する。
・バルブの継続時間（またはバルブ事象の継続時間）：開弁と閉弁間でのクランク角期間。
・バルブ事象：役目を果たすためにバルブを開閉するプロセス。
【００２４】
III．コンピュータによる第２の研究に起因するドエル型分割サイクルエンジンの実施形態
図６Ａおよび６Ｂを参照するに、１００および１０１は、それぞれ、本発明によるベースライン型およびドエル型分割サイクルエンジンの模範的な実施形態を全体として示す。エンジン１００および１０１は、それぞれ、内部を貫通する膨張（または動力）シリンダー１０４と圧縮シリンダー１０６とを有するエンジンブロック１０２を備える。クランクシャフト１０８は枢動可能に接続され、クランクシャフト軸線１１０（この用紙平面に直交して延びる）を中心として回転する。
【００２５】
エンジンブロック１０２は、エンジン１００および１０１の主たる構造部材であり、クランクシャフト１０８からシリンダーヘッド１１２との接合部へ向かって上方に延びる。エンジンブロック１０２は、エンジン１００および１０１の構造上の枠として機能し、通常取り付けパッドを有し、このパッドによってエンジンは、シャシー（図示せず）に支持される。エンジンブロック１０２は、一般には機械加工された、適切な表面とシリンダーヘッド１１２やエンジン１００および１０１の他のユニットを装着するためのねじ穴とを有する鋳造品である。
【００２６】
シリンダー１０４と１０６は、通常全体として円形断面の開口であり、エンジンブロック１０２の上部を貫通して延びる。シリンダー１０４および１０６の直径は、ボアとして知られる。シリンダー１０４と１０６の内壁は、くりぬかれ、磨かれて第１膨張（動力）ピストン１１４と第２圧縮ピストン１１６をそれぞれ収容する大きさの、滑らかで、正確な支持面を形成する。
【００２７】
膨張ピストン１１４は、第１膨張ピストンシリンダー軸１１３に沿って往復動作し、圧縮ピストン１１６は、第２圧縮ピストンシリンダー軸１１５に沿って往復動作を行なう。これらの実施形態では、膨張シリンダー１０４および圧縮シリンダー１０６は、クランクシャフト軸線１１０に対してオフセットされている。つまり、第１と第２のピストンシリンダー軸１１３，１１５はクランクシャフト軸線１１０と交差せず、クランクシャフト軸線１１０の互いに反対側を通る。しかし、ピストンシリンダー軸がオフセットされていない分割サイクルエンジンもまた本発明の範囲内にあることを、当業者は認めるに違いない。
【００２８】
ピストン１１４と１１６は通常、鉄、鋼又はアルミニウム合金からなる円筒形鋳造品または鍛造品である。動力ピストン１１４と圧縮ピストン１１６の上方の閉端、即ち頂部は、夫々第１および第２のクラウン１１８および１２０である。ピストン１１４と１１６との外表面は全体として機械加工され、シリンダーボアにきちんと嵌まるように収容され、ピストンとシリンダー壁との間隙を密封するピストンリング（図示せず）を設けるための溝が、通常、形成されている。
【００２９】
シリンダーヘッド１１２は、膨張シリンダー１０４および圧縮シリンダー１０６を相互接続する気体クロスオーバ通路１２２を含む。クロスオーバ通路は、圧縮シリンダー１０６の近傍の、クロスオーバ通路１２２の端部内に位置されたインレットチェックバルブ１２４を含む。また、ポペット型のアウトレット・クロスオーバ・バルブ１２６が、膨張シリンダー１０４の上部の近傍の、クロスオーバ通路１２２の反対側の端部内にも配置されている。チェックバルブ１２４およびクロスオーバ・バルブ１２６は、その間に圧力室１２８を区画する。チェックバルブ１２４は、圧縮シリンダー１０６から圧力室１２８への圧縮ガスの一方向の流れを許容する。クロスオーバ・バルブ１２６は、圧力室１２８から膨張シリンダー１０４への圧縮ガスの流れを許容する。チェックバルブおよびポペット型バルブは、それぞれ、インレットチェックバルブ１２４およびアウトレット・クロスオーバ・バルブ１２６として説明したが、使用に適した設計のバルブを代わりに用いられてもよく、例えば、インレットバルブ１２４はポペット型でもよい。
【００３０】
シリンダーヘッド１１２は、圧縮シリンダー１０６の頂部の上に配置されたポペット型の吸気バルブ１３０と、膨張シリンダー１０４の頂部の上に配置されたポペット型の排気バルブ１３２とを含む。典型的には、ポペットバルブ１２６、１３０および１３２は、バルブ開口を閉鎖するように取付けられたディスク１３６を一端部に備える金属シャフト（すなわちステム）１３４を有する。ポペットバルブ１３０，１２６および１３２のシャフト１３４の他端部は、それぞれ、カムシャフト１３８，１４０および１４２と機械的に連結されている。カムシャフト１３８，１４０および１４２は、通例、全体的に卵形のローブを備える丸型ロッドであり、エンジンブロック１０２内またはシリンダーヘッド１１２に位置されている。
【００３１】
カムシャフト１３８、１４０および１４２は、通例、歯車、ベルトまたはチェーンリンク（図示せず）を介して、クランクシャフト１０８と機械的に連結されている。クランクシャフト１０８がカムシャフト１３８、１４０および１４２を回転させるとき、カムシャフト１３８，１４０および１４２のローブは、バルブ１３０、１２６および１３２にエンジンサイクルの正確な時点で開閉を行わせる。
【００３２】
圧縮ピストン１１６のクラウン１２０と、圧縮シリンダー１０６の壁部と、シリンダーヘッド１１２とは圧縮シリンダー１０６の圧縮室１４４を構成する。膨張ピストン１１４のクラウン１１８と、膨張シリンダー１０４の壁部と、シリンダーヘッド１１２とは膨張シリンダー１０４の別の燃焼室１４６を構成する。点火栓１４８は膨張シリンダー１０４上のシリンダーヘッド１１２内に配置され、制御装置（図示せず）により制御され、燃焼室１４６内の圧縮空気混合気の点火を正確なタイミングで行う。
【００３３】
ベースライン型エンジン１００とドエル型エンジン１０１との構造は、膨張ピストンの運動において熱力学的に異なる。この運動は、本明細書で述べるような膨張ピストンのコネクティングロッドおよびクランクスロー間の連結機構を介して達成し得るものとして意図された。したがって、エンジン１００および１０１のコネクティングロッド／クランクスロー連結機構は、別途、後述する。
【００３４】
図６Ａにおいて、ベースライン型分割サイクルエンジン１００は第１膨張コネクティングロッド１５０および第２圧縮コネクティングロッド１５２を含み、コネクティングロッド１５１および１５２は、それぞれの上端部がピストンピン１５４および１５６を介して、動力ピストン１１４および圧縮ピストン１１６に枢動可能に取り付けられている。クランクシャフト１０８は一対の機械的オフセット部、すなわち、第１膨張クランクスロー１５８および第２圧縮クランクスロー１６０を含み、クランクスロー１５８および１６０は、それぞれ、クランクピン１６２および１６４を介して、コネクティングロッド１５０，１５２の反対側の下端部に枢動可能に取り付けられる。ピストン１１４，１１６およびクランクスロー１５８，１６０に対するコネクティングロッド１５０および１５２の機械的連結機構には、各ピストンの（膨張ピストン１１４については方向矢印１６６が示すような、また圧縮ピストン１１６については方向矢印１６８が示すような）往復運動をクランクシャフト１０８の（方向矢印１７０で示すような）回転運動に変換する機能がある。
【００３５】
なお、重要なことは、ドエル型エンジン１０１とは違って、ベースライン型エンジン１００における圧縮ピストン１１６および膨張ピストン１１４双方のクランクスロー半径、すなわち、クランクピン１６２，１６４とクランクシャフト軸線１１０との間の中心から中心までの距離は概ね一定のままである。したがって、ベースライン型エンジン１００のクランクシャフト軸線１１０を周回するクランクピン１６２および１６４の軌跡は、ほぼ円形である。
【００３６】
図６Ｂを参照すると、ドエル型分割サイクルエンジン１０１における圧縮ピストン１１６のクランクシャフト１０８に対するコネクティングロッド／クランクスロー連結機構は、ベースライン型エンジン１００のものと同じである。したがって、２つのエンジン１００および１０１において、同様の構成要素には同じ参照番号をそのまま用いる。つまり、ドエルエンジン１０１は、上端部が圧縮ピストンピン１５６を介して圧縮ピストン１１６に枢動可能に取り付けられている圧縮コネクティングロッド１５２を含む。クランクシャフト１０８は圧縮クランクスロー１６０を有し、クランクスロー１６０は圧縮クランクピン１６４を介して圧縮コネクティングロッド１５２の反対側の下端部に枢動可能に取り付けられている。したがって、ドエル型エンジン１０１のクランクシャフト軸線１１０を周回するクランクピン１６４の軌跡は、ほぼ円形である。
【００３７】
図７Ａおよび７Ｂを参照するに、全体を２００で示されるのは、ドエル型エンジン１０１における膨張ピストン１１４のクランクシャフト１０８に対するコネクティングロッド／クランクスロー連結機構の拡大正面図および拡大側面図である。連結機構２００は、クランクシャフト１０８の一区分を構成する対向する一対の主クランクシャフト・ジャーナル２０２を含み、クランクシャフトの主ジャーナルは共にクランクシャフト軸線（すなわち、中心線）１１０と整列されている。主ジャーナル２０２の内側端部には、クランクスロー（または、クランク腕）２０６が取り付けられている。クランクスロー２０６は主ジャーナル２０２から半径方向に突出する全体的に長円形板状のアタッチメントである。ロッド・ジャーナル（またはクランクピン）２１０は、クランク腕（またはスロー）２０６内に配置された一対の半径方向スロット２１２間に摺動可能な状態で保持されており、クランクピン２１０が主ジャーナル２０２、２０４と平行な向きで、クランクシャフト軸線１１０からは半径方向にオフセットされるようになされている。スロット２１２のサイズは、クランクシャフト軸線１１０に対してクランクピン２１０の半径方向の移動を許容できる大きさである。
【００３８】
膨張コネクティングロッド２１４の上端部は、膨張ピストンピン２１６を介して膨張ピストン１１４に枢動可能に取り付けられている。膨張コネクティングロッド２１４の反対側の下端部（または大端部）はクランクピン２１０に枢動可能に取り付けられている。代わりに、クランクピン２１０および膨張コネクティングロッド２１４は単一部品として一体的に取り付けられてもよい。
【００３９】
ベースラインエンジン１００との明確な違いは、クランクシャフト１０８の回転につれて、ドエル型エンジン１０１のクランクピン２１０はクランクスロー２０６の半径方向スロット２１２に沿って自由に動き、このように動くことにより、クランクシャフト軸線１１０からクランクピン２１０の（両頭矢印２１８で示す）有効クランクスロー半径を変えることができることである。本実施形態において有効クランクスロー半径２１８はクランクシャフトの回転軸１１０とクランクピン中心２２０の位置との間の瞬間的な距離である。ベースライン型エンジン１００では、膨張ピストン１１４についての有効クランクスロー半径はほぼ一定であるが、ドエル型エンジン１０１では、有効クランクスロー半径２１８は膨張ピストン１１４について変わる。
【００４０】
有効クランクスロー半径２１８がクランクスロー２０６のスロット２１２を介して可変にされているが、その他の手段を利用して半径２１８を変えてもよいことを当業者は認めるに違いない。たとえば、半径方向スロットがコネクティングロッド２１４に設けられ、一方、クランクピン２１０がクランクスロー２０６に固定的に取り付けられてもよい。
【００４１】
スロット２１２内でのクランクピン２１０の位置は、エンジン１０１の固定エンジン構造物（図示せず）に固定された一対の型板２２２によって制御される。型板２２２は全体的に円形板で、クランクスロー２０６から軸方向に外側に位置する。型板２２２はクランクシャフト１０８に対して概ね半径方向平面として配向され、クランクシャフト１０８および関連するハードウェア（図示せず）を通せるほどの大きさの穴を中央に含む。
【００４２】
クランクピン２１０を案内するクランクピン・トラック２２４が型板２２２に設けられ、クランクピン２１０はクランクスロー２０６を通り型板２２２に突出している。トラック２２４は、クランクピン２１０がクランクシャフト軸線１１０を中心に回転するにつれ、クランクピン２１０が必ず追従する（矢印２２６で示す）所定の経路を区画している。
【００４３】
さらに詳細に説明するように（項目VI．「ドエル・ピストン運動コンセプト」参照）、機械的連結機構２００により、燃焼期間において、ベースライン型分割サイクルエンジン１００の膨張ピストンと比較すると、膨張ピストンの下降運動をより遅く、すなわち、「ドエル」する期間をもたらしている。このドエル運動により、膨張シリンダーの膨張比または圧縮シリンダーのピーク圧力を上げることなく、シリンダーピーク圧力が高くなる。したがって、ドエル型エンジン１０１は、ベースライン型エンジン１００より約４％高い熱効率向上を実証した。
【００４４】
IV．基本ベースラインおよびドエルエンジンの動作
膨張ピストン１１４のコネクティングロッド／クランクスロー連結機構２００を除き、ベースライン型エンジン１００およびドエル型エンジン１０１の動作は、ほぼ同じである。したがって、エンジン１００および１０１の両方の動作をドエル型エンジン１０１のみを参照して説明する。
【００４５】
図６Ｂは、下死点（ＢＤＣ）位置に到達し、まさに（矢印１６６で示すように）上昇して排気行程をはじめたときの膨張ピストン１１４を示す。圧縮ピストン１１６は吸気行程の下降（矢印１６８）中であり、膨張ピストン１１４に遅れている。
【００４６】
動作中において、膨張ピストン１１４は位相角１７２だけ圧縮ピストン１１６より進んでいる。位相角１７２は、膨張ピストン１１４がその上死点位置に到達した後に、圧縮ピストン１１６がその上死点位置に到達するために、クランクシャフト１０８が回転しなければならないクランク角（ＣＡ）回転の角度によって決められる。コンピュータによる第１の研究（項目Ｉ．「大要」参照）で決められたように、適切な熱効率レベルを維持するためには、位相角１７２が典型的にはおよそ２０度に設定される。さらに、位相角は５０度以下が好ましく、より好ましくは、３０度以下であり、最も好ましいのは２５度以下である。
【００４７】
インレットバルブ１３０が開いて、燃料と空気の可燃混合気の所定量を圧縮室１４４に引き入れ、閉じ込める（つまり、図６Ｂのドットで示す閉じ込めたマス（塊））。排気バルブ１３２も開いて、ピストン１１４に燃焼後の生成物を燃焼室１４６から排出させる。
【００４８】
クロスオーバ通路１２２のチェックバルブ１２４およびクロスオーバ・バルブ１２６は閉じており、２つの室１４４および１４６間で着火性燃料および燃焼後生成物が移動することを防いでいる。さらに、排気行程および吸気行程中において、チェックバルブ１２４およびクロスオーバ・バルブ１２６は、圧力室１２８を密閉し、前回の圧縮行程および動力行程からそこに閉じ込められていたガスの圧力を略維持する。
【００４９】
図８を参照するに、閉じ込めたマス（塊）の圧縮が進行中である。すなわち、インレットバルブ１３０は閉じており、圧縮ピストン１１６は空気／燃料混合気を圧縮するように上死点（ＴＤＣ）位置方向に上昇（矢印１６８）中である。同時に、排気バルブ１３２は開いて、膨張ピストン１１４も燃焼後の燃料生成物を排出するように上昇（矢印１６６）中である。
【００５０】
図９を参照するに、閉じ込めたマス（塊）（ドット）はさらに圧縮され、チェックバルブ１２４を介してクロスオーバ通路１２２に入り込み始めている。膨張ピストン１１４は上死点（ＴＤＣ）位置に到達し、下降して（矢印１６６で示す）膨張行程に入ろうとしている一方で、圧縮ピストン１１６はまだ（矢印１６８で示す）圧縮行程による上昇の最中である。このとき、チェックバルブ１２４は部分的に開いている。クロスオーバ・アウトレットバルブ１２６、吸気バルブ１３０および排気バルブ１３２は、全て閉じている。
【００５１】
ピストン１１４がＢＤＣに位置するときの膨張シリンダー（つまり燃焼室１４６）容積の、ピストンがＴＤＣに位置するときの膨張シリンダー容積に対する比が、ここでは、膨張比と定義されている。コンピュータによる第１の研究（項目Ｉの「大要」参照）において決定されたように、有益な効率レベルを維持するためには、膨張比は典型的にはおよそ１２０対１に設定される。さらに、膨張比は２０対１以上が好ましく、さらに好ましくは４０対１以上、最も好ましいのは８０対１以上である。
【００５２】
図１０を参照するに、閉じ込めたマス（塊）（ドットで示した部分）の燃焼開始が示されている。クランクシャフト１０８は、膨張ピストン１１４のＴＤＣ位置を通過後さらに所定角度回転し、その点火位置に達する。この時点で、点火栓１４８が点火され、燃焼が始まる。圧縮ピストン１１６はちょうどその圧縮行程を終了しつつあり、そのＴＤＣ位置近くにいる。この回転の最中に、圧縮シリンダー１１６内の圧縮ガスは、チェックバルブ１２４を全開させる閾値圧力に達する一方、カム１４０はクロスオーバ・バルブ１２６をも開くべくタイミング付けられている。したがって、膨張ピストン１１４が降下し圧縮ピストン１１６が上昇するにつれ、圧縮ガスの略等しいマス（塊）が圧縮シリンダー１０６の圧縮室１４４から膨張シリンダー１０４の燃焼室１４６に移動される。
【００５３】
クロスオーバ・バルブ１２６のバルブ継続時間、すなわち、クロスオーバ開弁（ＸＶＯ）とクロスオーバ閉弁（ＸＶＣ）との間でのクランク角間隔（ＣＡ）は、吸気バブル１３０および排気バルブ１３２のバルブ継続時間と比較すると、非常に小さい。バルブ１３０、１３２の典型的なバルブ継続時間は、通例、１６０度ＣＡを超える。コンピュータによる第１の研究で確定されたように、有益な効率レベルを維持するためには、クロスオーバ・バルブ継続時間は典型的にはおよそ２５度ＣＡに設定される。さらに、クロスオーバ・バルブ継続時間は６９度ＣＡ以下が好ましく、さらに好ましくは５０度ＣＡ以下、最も好ましいのは３５度ＣＡ以下である。
【００５４】
さらに、コンピュータによる第１の研究で確定されたように、クロスオーバ・バルブ継続時間と燃焼継続時間とが、燃焼継続時間の所定の最低パーセンテージ分、重なる場合には、燃焼継続時間は実質的に減少する（閉じ込めたマス（塊）の燃焼率が実質的に上がる）。具体的には、クロスオーバ・バルブ１５０は、好ましくは、クロスオーバ・バルブ閉弁前に、全燃焼事象（つまり、燃焼の０％ポイントから１００％ポイント）の少なくとも５％、より好ましくは全燃焼事象の１０％、さらに最も好ましいのは全燃焼事象の１５％の間、開いたままにしておくべきである。クロスオーバ・バルブの閉弁前の膨張シリンダー内の著しい圧力上昇により、膨張シリンダーからクロスオーバ通路内に戻るマス（塊）の損失および／またはクロスオーバ通路内への火炎の伝播を避けるということについて、コンピュータによる第１の研究において述べたようにそのほかの予防措置が採られたと仮定して、空気／燃料混合気の燃焼（つまり、燃焼事象）中にクロスオーバ・バルブ１２６の開く期間をより長く維持できるほど、燃焼率と効率レベルは益々向上する。
【００５５】
ピストン１１６がＢＤＣに位置するときの圧縮シリンダー（つまり燃焼室１４４）容積の、ピストンがＴＤＣに位置するときの圧縮シリンダー容積に対する比が、ここでは、圧縮比と定義されている。再度、コンピュータによる第１の研究において確定されているように、有益な効率レベルを維持するためには、通例、圧縮比は典型的にはおよそ１００対１に設定される。さらに、圧縮比は２０対１以上が好ましく、さらに好ましくは４０対１以上、最も好ましいのは８０対１以上である。
【００５６】
図１１を参照するに、閉じ込めたマス（塊）での膨張行程を示す。空気／燃料混合気が燃焼するにつれ、熱いガスが膨張ピストン１１４を下方に動かす。同時に吸気プロセスが圧縮シリンダーにおいて開始している。
【００５７】
図１２を参照するに、閉じ込めたマス（塊）での排気行程を示す。膨張シリンダーがＢＤＣに到達し、再び上昇を始めるにつれ、燃焼ガスは開いたバルブ１３２の外に排出され次のサイクルを始める。
【００５８】
上記実施形態では、膨張ピストン１１４および圧縮ピストン１１６は、それぞれ、コネクティングロッド２１４および１５０を介してクランクシャフト１０８に直接に連結されているが、他の手段を用いてピストン１１４，１１６をクランクシャフト１０８に作動可能に連結させることも本発明の範囲内である。たとえば、第２のクランクシャフトを使って、ピストン１１４および１１６を第１のクランクシャフト１０８に機械的に連結してもよい。
【００５９】
本実施形態は火花点火（ＳＩ）エンジンに関して説明したが、圧縮着火（ＣＩ）エンジンもこのタイプのエンジンの範囲に入ることは当業者も認めるに違いない。さらに、本発明による分割サイクルエンジンを利用して、ガソリン以外の、たとえば、ディーゼル、水素ガスや天然ガスなどの様々な燃料で走行することもできる。
【００６０】
Ｖ．コンピュータによる第２の研究において用いたドエルおよびベースライン分割サイクルエンジンのパラメータ
コンピュータによる第１および第２の研究は、イリノイ州ウエストモント在のＧａｍｍａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社所有のＧＴパワーと呼ばれる市販のソフトウェア・パッケージを用いて行われた。ＧＴパワーとは、エンジンのシュミレーションを行うために産業界では一般的に用いられている一次元計算の流体解法である。
【００６１】
コンピュータによる第１の研究の主な目的は、ドエル動作のないベースライン型分割サイクルエンジン１００と比較して、ドエル型分割サイクルエンジン１０１の性能について、ユニークな膨張ピストンの「ドエル」運動（または動作）の効果を評価することであった。ここで述べる模範例の実施形態では、膨張シリンダー１１４のコネクティングロッド／クランクシャフト・アセンブリ、すなわち、コネクティングロッド／クランクスロー連結機構に付加された機械的連結機構２００によって、ドエル運動が生起される。機械的連結機構２００は、燃焼の期間中に、ベーライン型分割サイクルエンジン１００の膨張ピストンと比較し、膨張ピストンのより緩やかな下降運動、すなわち、「ドエル」の期間を実現する。ユニークなピストン運動プロファイルを使うのは、そのようなメカニズムが起こし得るという運動を意図したものであり、熱効率レベルが高くなるばかりでなく、膨張シリンダーの膨張比または圧縮シリンダーのピーク圧力を上げることなくシリンダーピーク圧力を高くする。
【００６２】
ベースライン型１００およびドエル型１０１間の正当な比較を確実にするためには、注意をもって両エンジンのパラメータを選択しなければならなかった。テーブル１は、ベースラインエンジン１００およびドエルエンジン１０１の比較に用いた圧縮パラメータを示す（なお、ドエルコンセプトの圧縮シリンダーには変更を加えなかった）。テーブル２は、ベースラインエンジン１００の膨張シリンダーのために用いたパラメータを示す。ドエルエンジン１０１の膨張シリンダーに用いたパラメータについては、テーブル４を参照のこと。
【００６３】
【表１】
2006528741.tif 000003
【００６４】
【表２】
2006528741.tif 000004
【００６５】
テーブル３は、圧縮ピストンのＴＤＣを基準にした吸気バルブ事象を除いて、膨張ピストンのＴＤＣ基準でバルブ事象と燃焼パラメータをまとめたものである。これらのパラメータはベースライン型エンジン１００およびドエル型エンジン１０１の両方に使った。
【００６６】
【表３】
2006528741.tif 000005
【００６７】
VI．ドエルピストン運動コンセプト
図１３を参照するに、クランクシャフト軸線１１０を中心にしてクランクピン２１０がたどる経路２２６の拡大図が示されている。経路２２６は、ドエル型エンジン１０１の（図７Ａおよび７Ｂで最もよくわかる）クランクピン２１０を案内する機械的連結機構２００のクランクピン・トラック２２４により規定されている。
【００６８】
経路２２６は、第１の有効クランクスロー内径２３２を有する内側円２３０から第２の有効クランクスロー外径２３６を有する外側円２３４まで、クランクピン２１０を移動させる第１の移行領域２２８を含んでいる。移行領域２２８は、上死点後の所定角度ＣＡで始まり、燃焼事象の少なくとも一部の間および膨張ピストン１１４の下方向へのストロークの間に起こる。次いで、経路２２６は、膨張ピストン１１４の下方向への残りのストロークおよび上方向へのストロークの大部分の間、外側円２３４上に留まる。さらに、経路２２６は、外側円２３４から膨張ピストン１１４の上方向へのストロークの終点近くの内側円２３０までクランクピン２１０を移動させる第２の移行領域２３８を含む。コンピュータによる第２の研究のための基本ドエル型エンジン１０１の膨張ピストンのクランクピン２１０の運動は、以下のように設定された。
【００６９】
１．  ピストンＴＤＣからＴＤＣ後の２４度ＣＡまで、クランクピン２１０は内側円２３０上にある。
【００７０】
２．  ＴＤＣ後の２４度ＣＡからＴＤＣ後５４度まで、クランクピン２１０は、有効クランクスロー内径２３２から有効クランクスロー外径２３６までクランク角に対して直線的に第１移行領域２２８を通過する。
【００７１】
３．  ＴＤＣ後５４度から、残りの下方向へのストロークおよび上方向へのストロークの大部分を経て、ＴＤＣ前５４度まで、クランクピン２１０は外側円２３４上にある。
【００７２】
４．  ＴＤＣ前５４度ＣＡからＴＤＣ前２４度までクランクピン２１０は、有効クランクスロー外径２３６から有効クランクスロー内径２３２までクランク角に対して直線的に第２移行領域２３８を通過する。
【００７３】
５．  ＴＤＣ前２４度ＣＡからＴＤＣ後２４度ＣＡまでクランクピン２１０は内側円２３０上にある。
【００７４】
上記経路２２６がコンピュータによる第２の研究に利用されたが、様々な分割サイクルエンジン用に様々なコネクティングロッド／クランクスロー連結機構が、多数の他の形状の経路およびドエル膨張ピストンの動作を実現できるように設計できることを当業者は認めるに違いない。
【００７５】
経路２２６をたどりながら、ベースラインエンジン１００と同じストロークおよび相対的ピストン位置を維持するために、有効クランクスロー内径２３２は、（テーブル２で示すように）２．７５インチの基線から２．５０インチに減らし、有効クランクスロー外径２３６を２．７５インチから３．００インチに増やした。さらに、コネクティングロッドの長さを９．２５インチ（テーブル２）から９．５０インチに増やした。テーブル４は、ドエルエンジン１０１の膨張シリンダー１０４のために使ったパラメータをまとめたものである。
【００７６】
【表４】
2006528741.tif 000006
【００７７】
図１４を参照するに、ベースラインエンジン１００のクランクピンの運動と比較したドエルエンジン１０１の結果としての膨張ピストンのクランクピン２１０運動が示されている。グラフ２４０はドエルエンジンのクランクピン運動を表し、グラフ２４２はベースラインエンジンのクランクピン運動を表している。
【００７８】
図１５を参照するに、ベースラインエンジンの膨張ピストンの運動と比較した結果としてのドエルエンジン１０１の膨張ピストンの運動が示されている。グラフ２４４はドエルエンジンの膨張ピストン運動を示し、グラフ２４６はベースラインエンジンの膨張ピストン運動を示す。
【００７９】
図１６を参照するに、ベースラインエンジンの膨張ピストンの速度と比較した結果としてのドエルエンジン１０１の膨張ピストンの速度が示されている。グラフ２４８はドエルエンジンの膨張ピストンの速度を示し、グラフ２５０はベースラインエンジンの膨張ピストンの速度を示す。
【００８０】
グラフ２４８と２５０を比較すると、ベースライン型の膨張ピストン（ベースラインピストン）およびドエル型の膨張ピストン（ドエルピストン）は共に、ＴＤＣポイント２５１とＢＤＣポイント２５２とでは基本的に速度ゼロで動いていることがわかる。ベースラインピストンおよびドエルピストンは共に、ＴＤＣから最初はほぼ同じスピードで下方向に動く（マイナス記号は下方向の速度を表し、プラス記号は上方向の速度を表す）。しかし、ドエルピストンがドエルグラフ２５３の第１移行セクションに入ると（約２４度ＡＴＤＣ）、最初、ドエルグラフの第１移行セクション２５３のほとんど垂直な部分２５４が示すように、ドエルピストンの下方向の速度は急速に減速する。これは、ドエルクランクピン２１０が有効クランクスロー内径２３２から有効クランクスロー内径２３６までクランクスロースロット２１２に沿って半径方向に動き始めるので、ドエルピストンの下方向への運動が実質的に遅くなるためである。さらに、移行領域２５３全体に関して、ドエルピストンの下方向への速度は、ベースラインピストンよりかなり遅い。
【００８１】
第１移行セクション２５３は、燃焼事象の少なくとも一部と一致すべくタイミング付けられているので、第１移行セクション２５３におけるドエルピストンの遅くなった下方向への運動は、燃焼室容積の増加に対し、燃焼が広がって圧力を増すのにより多くの時間を提供する。その結果、より高い膨張シリンダーのピーク圧力が達成され、膨張シリンダー圧力は、ベースラインエンジン１００よりもドエル型エンジン１０１では長い時間維持される。したがって、ドエル型エンジン１０１はベースラインエンジン１００に対して効率、例えば、およそ４％、が著しく向上する。
【００８２】
第１移行セクション２５３の終点（約５４度ＡＴＤＣ）で、クランクピン２１０はスロット２１２の半径方向の外側端部に達し、有効クランクスロー内径２３２から有効クランクスロー外径２３６への移行は基本的に完了する。このとき、ドエルピストンが急速に（ほとんど垂直な線２５５が示すように）加速すると、その下方向への速度はベースラインピストンに急速に追いつき、これを超える。
【００８３】
有効クランクスロー外径２３６を有するクランクピンの経路２２６の部分に関して、ドエルピストン速度はベースラインピストン速度より基本的に高いままでいることになる。しかし、ドエルピストンがドエルグラフの第２の移行セクション２５６に入ると（約２４度ＢＴＤＣ）、最初、第２移行セクション２５６のほとんど垂直な部分２５７が示すように、ドエルピストンの上方向の速度は急速にベースラインピストンの速度以下に減速する。これは、ドエルクランクピン２１０が有効クランクスロー外径２３６から有効クランクスロー内径２３４まで、クランクスロースロット２１２に沿って半径方向に動き始めるので、ドエルピストンの上方向への運動がかなり遅くなるからである。
【００８４】
第２移行セクション２５６の終点（約５４度ＢＴＤＣ）で、クランクピン２１０はスロット２１２の半径方向の内側端部に達し、有効クランクスロー外径２３６から有効クランクスロー内径２３２への移行は基本的に完了する。このとき、ドエルピストンが急速に（ほとんど垂直な線２５８が示すように）加速すると、その上方向への速度はベースラインピストンにほとんど追いつく。そして、ドエルピストンおよびベースラインピストンの上方向への速度は、ＴＤＣに達しサイクルを再び始めるゼロまで落ちる。
【００８５】
VII．結果のまとめ
ピストンの下降運動を遅くすることにより、燃焼室容積の増加に対して燃焼事象の間にシリンダー圧力が上昇する時間を長くすることができる。これにより、膨張シリンダーの膨張比や圧縮シリンダーのピーク圧力を増加することなく、膨張シリンダーのピーク圧力を高くできる。したがって、ドエル型分割サイクルエンジン１０１の熱効率全体が非常に向上され、たとえば、ベースライン分割サイクルエンジン１００のおよそ４％以上になる。
【００８６】
テーブル６は、ベースライン型エンジン１００およびドエル型エンジン１０１の高性能動作の結果をまとめたものである。ドエル型エンジン１０１の図示熱効率（ＩＴＥ）は、ベースラインエンジン１００より高い１．７ポイントの増加が予想される。つまり、ドエル型エンジン１０１の予想ＩＴＥ４０．５％と比較して、ベースラインエンジン１００の予想ＩＴＥは３８．８％であった。これは、ベースライン型エンジンより高い４．４％（すなわち、１．７ポイント／３８．８％×１００＝４．４％）の予想増加を意味する。
【００８７】
【表５】
2006528741.tif 000007
【００８８】
図１７Ａおよび１７Ｂを参照するに、ドエルピストン運動対ベースラインピストン運動によって生じるシリンダー圧力対容積の変化が示されている。図１７Ａのグラフ２６２および２６４は、それぞれ、ベースラインの圧縮および膨張のピストン運動を表す。図１７Ｂのグラフ２６６および２６８は、それぞれ、ドエルの圧縮および膨張のピストン運動を表す。なお、ベースライン圧縮曲線（グラフ２６２）とドエル圧縮曲線（グラフ２６６）は略等しい。
【００８９】
図１８を参照するに、ベースライン型エンジン１００およびドエル型エンジン１０１のそれぞれの膨張シリンダー圧力対クランク角を、グラフ２７０および２７２で示す。グラフ２７０および２７２が示すように、ドエル型エンジン１０１は、ベースライン型エンジン１００と比べると、高いピーク膨張シリンダー圧力を得ることができ、また、クランク角の広い範囲でこの圧力を維持することができる。これはドエル型エンジンの予想効率向上に貢献した。
【００９０】
なお、グラフ２７０および２７２は、前回のテストよりも速い燃焼速度（または火炎スピード）で取ったものである。つまり、グラフ２７０および２７２は１６度ＣＡの燃焼継続時間を用いてプロットされたが、一方、コンピュータによる第２の研究の前回の性能計算およびグラフでは２２度ＣＡの燃焼継続時間を利用した。このようにしたのは、分割サイクルエンジンではこのように速い火炎スピードを得ることできるという可能性が予想されたためである。さらに、ベースライン型エンジン１００およびドエル型エンジン１０１の比較結果がより速い火炎スピードで損なわれるということを示すものは何もなかった。
【００９１】
様々な実施形態が示され、説明されたが、種々の変形や代替が本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに成されることができる。従って、本発明は例示によって説明されたものでそれに限定されないことは勿論のことである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】吸気行程中の先行技術の通常の４行程内燃機関の概略図である。
【図２】圧縮行程中の図１の先行技術エンジンの概略図である。
【図３】膨張行程中の図１の先行技術エンジンの概略図である。
【図４】排気行程中の図１の先行技術エンジンの概略図である。
【図５】先行技術の分割サイクル４行程内燃機関の概略図である。
【図６Ａ】吸気行程中の本発明によるベースライン型分割サイクル４行程内燃機関の模範的実施形態の概略図である。
【図６Ｂ】吸気行程中の本発明によるドエル型分割サイクル４行程内燃機関の模範的実施形態の概略図である。
【図７Ａ】図６Ｂのドエル型エンジンにおいて、クランクシャフトへの膨張ピストンのコネクティングロッド／クランクスロー連結機構の拡大正面図である。
【図７Ｂ】図６Ｂのドエル型エンジンにおいて、クランクシャフトへの膨張ピストンのコネクティングロッド／クランクスロー連結機構の拡大側面図である。
【図８】圧縮行程の圧縮途中での図６Ｂのドエル型分割サイクルエンジンの概略図である。
【図９】圧縮行程の完全圧縮時の図６Ｂのドエル型分割サイクルエンジンの概略図である。
【図１０】燃焼事象の開始中の図６Ｂのドエル型分割サイクルエンジンの概略図である。
【図１１】膨張行程中の図６Ｂのドエル型分割サイクルエンジンの概略図である。
【図１２】排気行程中の図６Ｂのドエル型分割サイクルエンジンの概略図である。
【図１３】図６Ｂのドエル型エンジンのクランクピンの運動の概略図である。
【図１４】図６Ａのベースライン型エンジンと図６Ｂのドエル型エンジンとのクランクピンの運動のグラフである。
【図１５】図６Ａのベースライン型エンジンと図６Ｂのドエル型エンジンとの膨張ピストンの運動のグラフである。
【図１６】図６Ａのベースライン型エンジンと図６Ｂのドエル型エンジンとの膨張ピストンの速度のグラフである。
【図１７Ａ】図６Ａのベースライン型エンジンの圧力対容積の図である。
【図１７Ｂ】図６Ｂのドエル型エンジンの圧力対容積の図である。
【図１８】図６Ａのベースライン型エンジンと図６Ｂのドエル型エンジンとの膨張シリンダー圧力対クランク角度のグラフである。
【図１】
2006528741.tif 000008
【図２】
2006528741.tif 000009
【図３】
2006528741.tif 000010
【図４】
2006528741.tif 000011
【図５】
2006528741.tif 000012
【図６Ａ】
2006528741.tif 000013
【図６Ｂ】
2006528741.tif 000014
【図７Ａ】
2006528741.tif 000015
【図７Ｂ】
2006528741.tif 000016
【図８】
2006528741.tif 000017
【図９】
2006528741.tif 000018
【図１０】
2006528741.tif 000019
【図１１】
2006528741.tif 000020
【図１２】
2006528741.tif 000021
【図１３】
2006528741.tif 000022
【図１４】
2006528741.tif 000023
【図１５】
2006528741.tif 000024
【図１６】
2006528741.tif 000025
【図１７Ａ】
2006528741.tif 000026
【図１７Ｂ】
2006528741.tif 000027
【図１８】
2006528741.tif 000028
【国際調査報告】
2006528741.tif 000029
2006528741.tif 000030