(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクケースと、前記クランクケースに接続されたシリンダと、前記クランクケース及び前記シリンダ間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムと、前記シリンダ内を往復するピストンヘッドと、を有する内燃エンジンであって、
前記圧縮空気補助式燃料噴射システムは、燃料及び圧縮空気噴射ポートを形成する前記シリンダ内へ開口する第１の開口部と、圧縮空気入口および吹き出しポートを形成すると共に前記シリンダ内のピストンヘッドの位置に応じて前記クランクケース内に連通可能な第２の開口部と、を備えた導管を有し、前記導管には燃料計量装置の燃料供給口が接続されており、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記第１の開口部から前記導管に入ることができ、
前記ピストンヘッドが上死点位置に向かって動く際の所定位置において、前記ピストンヘッドは前記第２の開口部を開けるのとほぼ同時に前記第１の開口部を閉じ、前記第２の開口部は、前記ピストンヘッドが上死点位置に到り下死点位置へ向けて所定距離動くまで開いたままであることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記第１の開口部は、単一の噴射サイクルにおいて前記第１の開口部を出る空気全体が加圧され、前記第１の開口部が閉じた後に圧縮空気が前記導管内に残るように、前記第１の開口部を通る空気の流れを抑制することを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記ピストンヘッドは１つの穴をさらに有し、前記穴は、前記第１の開口部に整列配置することができ、前記燃料内の潤滑剤を前記第１の開口部から前記穴内へ通して、前記ピストンヘッドをピストンロッドに接続する軸受を潤滑することができることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項４】
前記シリンダは、前記ピストンヘッドが上死点位置にあるときに、前記第１の開口部から前記ピストンヘッドの後端を通り過ぎた位置までシリンダ内壁に沿った潤滑チャネルを含むことを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項５】
前記潤滑チャネルは前記シリンダの側壁に設けられた空気取入口に連通することを特徴とする請求項４記載のエンジン。
【請求項６】
上死点位置へ向かう前記ピストンヘッドの前進ストロークの間に燃料が前記導管内に負圧吸引され且つ前記ピストンヘッドの後進ストロークの間に空気が前記導管内に圧縮導入されるように、前記クランクケースが負圧の間は、前記第１の開口部は閉じられ、前記第２の開口部は開けられることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項７】
前記導管は前記第１の開口部用の反射パイプを形成し、前記導管は、前記第１の開口部から前記シリンダ内へ燃料を送出する期間の後半に、燃焼生成圧縮波を反射して当該反射波を前記第１の開口部へ戻すことを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項８】
前記第２の開口部は前記シリンダの底部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項９】
クランクケースとエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンであって、
前記シリンダ内を往復するピストンヘッドが設けられ、前記圧縮空気補助式燃料噴射システムは、第１の開口部及び第２の開口部を有する導管を備え、前記第１の開口部は前記シリンダ上部へ開口し、前記第２の開口部は前記シリンダ下部へ開口して前記クランクケースからの圧縮空気を前記導管に導入することができ、前記圧縮空気補助式燃料噴射システムは前記導管に連通する燃料供給口を有する燃料計量装置を有し、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記第１の開口部から前記導管に入ることができ、前記第１の開口部は、前記圧縮空気が前記第１の開口部から前記シリンダに入る噴射期間の間に、前記圧縮空気全体が加圧されるように、前記圧縮空気の流れが前記シリンダ内に入るのを抑制し、前記第２の開口部は、前記ピストンヘッドが上死点位置へ向けて動くときに、前記ピストンヘッドの後ろで開くことを特徴とするエンジン。
【請求項１０】
前記ピストンヘッドは穴を有し、前記穴は、前記第１の開口部に整列配置することができ、燃料内の潤滑剤を前記第１の開口部から前記穴内へ通して、前記ピストンヘッドをピストンロッドに接続する軸受を潤滑することができることを特徴とする請求項９記載のエンジン。
【請求項１１】
前記シリンダは、前記ピストンヘッドが上死点位置にあるときに、前記第１の開口部から前記ピストンヘッドの後端を通り過ぎた位置までシリンダ内壁に沿った潤滑チャネルを含むことを特徴とする請求項９記載のエンジン。
【請求項１２】
前記潤滑チャネルは、前記クランクケース内へ開口する空気取入口に連通することを特徴とする請求項１１記載のエンジン。
【請求項１３】
前記導管は、前記第１の開口部から前記シリンダ内へ燃料および空気を送出する期間の後半に、前記燃焼生成圧縮波を反射し当該反射波を前記第１の開口部へ戻す反射パイプを形成することを特徴とする請求項９記載のエンジン。
【請求項１４】
クランクケースとエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンであって、
前記圧縮空気補助式燃料噴射システムは、前記クランクケースと前記シリンダとの間に導管を有し、前記導管は、前記シリンダ内へ連通する第１の開口部及び第２の開口部を有し、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記第１の開口部から前記導管に入ることができ、前記圧縮空気補助式燃料噴射システムは前記導管に連通する燃料供給口を有する燃料計量装置を有し、前記エンジンは、前記第１および第２の開口部を開閉する手段を有し、前記第２の開口部は前記第１の開口部が開いているときに閉じられ、前記シリンダ内のピストンヘッドが上死点位置へ向けて動くときは、前記第１の開口部が閉じているときの大半の間に開かれることを特徴とするエンジン。
【請求項１５】
前記第１および第２の開口部を開閉する手段は前記シリンダ内を往復する前記ピストンヘッドであることを特徴とする請求項１４記載のエンジン。
【請求項１６】
前記第２の開口部は開かれると前記クランクケース内に連通することを特徴とする請求項１４記載のエンジン。
【請求項１７】
前記導管は前記第２の開口部が閉じられると前記第１の開口部用の反射パイプを形成し、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記導管に入り、前記第１の開口部が開いている後半の間に前記圧縮波は前記閉じられた第２の開口部により反射されて前記第１の開口部へ戻されることを特徴とする請求項１４記載のエンジン。
【請求項１８】
前記導管は、当該反射された圧縮波を長くするための拡張チャンバ部を含むことを特徴とする請求項１７記載のエンジン。
【請求項１９】
前記第１の開口部は、前記第１の開口部が閉じた後に圧縮空気が前記導管内に残るように、前記第１の開口部を通る空気の流れを抑制することを特徴とする請求項１４記載のエンジン。
【請求項２０】
前記第２の開口部は、前記第１の開口部が閉じた後に前記導管内の前記圧縮空気の圧力が前記クランクケース内に解放されるように、前記クランクケース内に連通することができることを特徴とする請求項１９記載のエンジン。
【請求項２１】
前記クランクケース内が負圧の間は、前記ピストンヘッドの前進ストロークの間に燃料が前記導管内に負圧吸引され且つ前記ピストンヘッドの後進ストロークの間に空気が前記導管内に圧縮導入されるように、前記第１の開口部は閉じられ、前記第２の開口部は開けられることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項２２】
前記導管は、前記シリンダ内の燃焼後に前記第１の開口部から入る圧縮波を反射する反射パイプを形成し、且つ、前記第１の開口部から前記シリンダ内へ燃料を送出するのを補助するために所定の期間に前記第１の開口部へ前記反射圧縮波を送出することを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項２３】
前記第２の開口部は、前記反射パイプを形成するために閉じられることを特徴とする請求項２２記載のエンジン。
【請求項２４】
前記第２の開口部は、前記導管を前記クランクケースに連通するために開くことができることを特徴とする請求項２３記載のエンジン。
【請求項２５】
前記導管は、前記反射された圧縮波を長くするための拡張チャンバ部を含むことを特徴とする請求項２２記載のエンジン。
【請求項２６】
前記所定の期間は、前記第１の開口部が開いている期間の後半に含まれることを特徴とする請求項２２記載のエンジン。
【請求項２７】
前記噴射システムは、単一の噴射サイクルの間に、第１の量の燃料および圧縮空気を第１の圧力で前記シリンダ内に噴射し、次の第２の量の燃料および圧縮空気をより高い第２の圧力で前記シリンダ内に噴射することを特徴とする請求項２２記載のエンジン。
【請求項２８】
前記第１の開口部が閉じた後に前記圧縮空気は前記導管内に残り、前記第２の開口部は、その後開いて前記導管内部の圧力を解放することを特徴とする請求項２２記載のエンジン。
【請求項２９】
エンジンのシリンダに連通する第１の開口部とクランクケースに連通する第２の開口部を備えた導管を有する内燃エンジンの圧縮空気補助式燃料噴射システムであって、
前記燃料噴射システムは前記導管に連通する燃料噴射口を有する燃料計量装置を有し、前記シリンダ内には往復運動するピストンヘッドが設けられ、前記第１及び第２の開口部は、前記第１の開口部から前記導管に入る前記シリンダ内燃焼により生ずる圧縮波が、前記導管内を進み反射して前記第１の開口部に戻るように選択的に前記ピストンヘッドにより閉じられ、前記導管は、当該反射された圧縮波が前記第１の開口部から前記シリンダ内へ燃料を送出するのを補助することを特徴とするシステム。
【請求項３０】
前記第２の開口部は、前記導管を前記エンジンの前記クランクケースに連通するために開けることができることを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
前記導管は、前記反射された圧縮波を長くするための拡張チャンバ部を含むことを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項３２】
前記導管は、単一の噴射サイクルの間に、第１の量の燃料および圧縮空気を第１の圧力で前記シリンダ内に噴射し、次の第２の量の燃料および圧縮空気をより高い第２の圧力で前記シリンダ内に噴射することを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項３３】
前記導管の長さは、前記第１の開口部が開いている期間の後半の間に、前記反射された圧縮波を前記第１の開口部へ送出する長さであることを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項３４】
前記導管の長さは、前記エンジンのピストンヘッドが下死点位置を通り過ぎた後に、前記反射された圧縮波を前記第１の開口部へ送出する長さであることを特徴とする請求項２９記載のシステム。
【請求項３５】
空気および燃料を内燃エンジンのシリンダ内へ噴射する方法であって、前記内燃エンジンはクランクケースとシリンダを有し、前記シリンダ内ではピストンヘッドが往復運動し、前記クランクケースとシリンダを繋ぐ導管が設けられており、前記導管は前記シリンダに連通する噴射ポートと前記クランクケースに連通する吹き出しポートとを有しており、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記噴射ポートから前記導管に入ることができ、前記内燃エンジンは前記導管に連通する燃料供給口を有する燃料計量装置を備えており、前記方法は、
前記クランクケースから前記導管内へ空気を圧縮導入するステップと、
前記噴射ポートを開いて、前記導管から当該圧縮された空気を前記シリンダ内へ噴射すると共に前記燃料計量装置からの燃料を前記噴射ポートから前記シリンダ内へ噴射するステップと、
前記噴射ポートを閉じるステップと、
前記吹き出しポートを開けて前記導管から残りの圧縮空気の圧力を前記クランクケースへ解放するステップと、を有することを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記空気を圧縮導入するステップは、前記吹き出しポートを開けて、圧縮空気が前記クランクケースから前記吹き出しポートを通って前記導管に入るのを可能にするステップを含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記噴射ポートを開閉するステップと前記吹き出しポートを開けるステップは、前記シリンダ内で往復運動するピストンヘッドが前記噴射ポート及び前記吹き出しポートを開閉することによりなされることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記噴射ポートから前記エンジンのピストンヘッドの穴内へ潤滑剤を通らせて、前記ピストンヘッドとピストンロッドとの間の軸受を潤滑するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３９】
前記シリンダの内壁にあるチャネルに沿って前記噴射ポートから前記ピストンヘッドの後端を通り過ぎた位置へ潤滑剤を通らせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４０】
前記噴射ポートが開いているときに前記吹き出しポートを閉じることにより、前記導管を閉鎖端反射パイプとするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４１】
クランクケースとエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンであって、
前記シリンダ内には往復運動するピストンヘッドが設けられており、前記燃料噴射システムは、前記クランクケースから圧縮空気が導入される導管を有し、前記導管には燃料計量装置の燃料供給口が接続されており、前記導管は前記燃料計量装置からの燃料及び圧縮空気を前記シリンダ内に噴射する噴射ポートを有し、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記噴射ポートから前記導管に入ることができ、前記噴射システムは、前記噴射ポートが前記ピストンヘッドによって閉じられ且つ前記ピストンヘッドが上死点位置へ向けて動いているときの大半の間に、前記導管内の圧縮空気圧力を前記クランクケースに解放するための解放手段を有し、前記解放手段は、前記導管と前記クランクケースとの間に、前記圧縮空気の入口として機能すると共に前記圧縮空気圧力を解放するポートとして機能する１つの開口部を備え、前記１つの開口部は前記シリンダの底部に設けられることを特徴とするエンジン。
【請求項４２】
クランクケースとエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンであって、
前記燃料噴射システムは、前記シリンダ内へ開口する第１の開口部と前記シリンダの比較的低い位置に開口する第２の開口部との間に導管を有し、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波は前記第１の開口部から前記導管に入ることができ、前記導管には燃料計量装置の燃料供給口が接続されており、前記エンジンは、前記第１および第２の開口部を直接開閉するピストンヘッドを有し、前記ピストンヘッドは前記シリンダ内を往復運動し、前記第２の開口部は、前記第１の開口部が開いているときの大半の間に前記ピストンヘッドによって閉じられ、前記第２の開口部は、前記第１の開口部が前記ピストンヘッドによって閉じられているときの大半の間に開いていることを特徴とするエンジン。
【請求項４３】
エンジンのシリンダに接続された補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンであって、
前記シリンダ内には往復運動するピストンヘッドが設けられ、前記シリンダにはクランクケースが接続されており、前記補助式燃料噴射システムは前記シリンダ内へ開口する噴射ポートと前記クランクケースへ開口する第２のポートとを備えた導管を有し、前記導管には燃料計量装置の燃料供給口が接続されており、前記導管は前記第２のポートが閉じられると反射パイプとなり、前記シリンダ内の燃焼により生ずる圧縮波が前記噴射ポートから前記導管へ入ると当該圧縮波を反射するすることができ、且つ、前記燃料計量装置の燃料供給口から前記噴射ポートを介して前記シリンダ内へ燃料を送出するのを補助するために所定周期で前記噴射ポートへ前記反射された圧縮波を送出することを特徴とするエンジン。
【請求項４４】
複数の開口部を備えた導管を有する内燃エンジン用補助式燃料噴射システムであって、前記複数の開口部のうちの第１開口部が前記内燃エンジンのシリンダに開口し、前記シリンダ内には往復運動するピストンヘッドが設けられ、前記導管には燃料計量装置の燃料供給口が接続されており、
前記複数の開口部は、前記第１開口部から前記導管に入る前記シリンダ内燃焼により生ずる圧縮波が、前記導管内を進み反射して前記第１開口部に戻るように選択的に閉じることができ、前記導管は、当該反射された圧縮波が前記燃料計量装置の燃料供給口から前記第１開口部を介して前記シリンダ内へ燃料を送出するのを補助する反射パイプを形成することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃エンジンの燃料噴射システムに関し、特に、２ストロークエンジンの制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
噴射に使用される加圧された空気の数種類の代替例が知られている。すなわち、別個のエアポンプが使用されてもよく、圧縮または膨張ストローク中にエンジンのシリンダから空気源が導出されてもよく、または、空気はエンジンのクランクケースポンピングから導出されてもよい。低コスト用途において、別個のエアポンプの追加のコストおよび複雑さを回避するために、クランクケースまたはシリンダからの空気源を使用することが望ましい。大型シリンダサイズのエンジン、一般に排気量が５０ｃｃよりも大きなエンジンに対する空気噴射の用途において、噴射用に高気体圧力を得ることができるため、シリンダ圧力から導出された噴射圧力を使用することが一般に望ましい。小型エンジンにおいて、このタッピングは、シリンダ給気ガスの不相応な量を使用し、したがって、エンジンの性能に悪影響を与える。したがって、そのような場合には、クランクケースポンプ源を使用することがより実際的である。
【０００３】
ピストンの下死点近傍でまたはそのすぐ後でシリンダ内に燃料を噴射することがもっとも有利である。この噴射タイミングは、シリンダ掃気の早い時期に燃料を導入することを回避し、したがって、排気への短絡損失を回避する。さらに、シリンダ内の圧力が大気圧に近いときに燃料がシリンダ内に導入され、限定された噴射圧力を最良に使用して噴霧することができ、したがって、燃料チャージを噴霧化する。したがって、ピストンの下死点近傍で空気噴射タイミングを有することが好ましく、このタイミングは速度およびスロットル位置または負荷等のエンジン操作パラメータを変えても比較的一定している。
【０００４】
噴射バルブを操作する数種類の方法が先行技術に教示されている。米国特許第４,６９３,２２４号には、噴射バルブを操作する電子ソレノイドの使用が教示されている。これは、一般に、バルブを操作するエンジン制御ユニットが必要であり、また、高速ソレノイドを駆動するために比較的高い動力が必要であり、両方ともエンジンのコストを極端に上げるため、小型高速エンジンへ適用するには受け入れることができない。先行技術で教示されているように、バルブを操作するもっとも一般的な方法は、エンジンのクランクシャフトから駆動される動的バルブ結合の何らかの形態を使用することである。これらのバルブは、ユニバーシタ・ディ・ピサ（Universita di Pisa）のＳＡＥ９４０３９７の論文「２ストロークエンジン用プロ・ジェクト空気補助式燃料噴射システム（Pro-Ject Air-Assisted Fuel Injection System For Two-Stroke Engines）」に記載された「プロ・ジェクト（PRO-JECT）」と称されるシステム、および、ＳＡＥ８８０１７６のドゥレ（Duret）等による論文「高効率低放出用途のための圧縮空気補助式燃料噴射を備えた新規２ストロークエンジン（A New Two-Stroke Engine With Compressed Air Assisted Fuel Injection For High Efficiency Low Emissions Applications）」に記載されたリンスティチュート・フランセ・ドゥ・ペトローレ（L'Institut Francais du Petrole）のシステム等によって教示された、カムによって駆動された往復バルブの形態、または、ＳＡＥ９７２０７７の、イシバシ（Ishibashi）による論文「層状掃気活性化ラジカル燃焼エンジンの実験的研究（An Experimental Study of Stratified Scavenging Activated Radical Combustion Engine）」でホンダ（Honda）が教示した回転型バルブの形態をとる。動的駆動バルブのすべての形態には、バルブの封止部材と駆動の走行部分との両方のために、精密な表面および高品質の材料が必要であるため、問題がある。燃焼ガスに露出されるように装着されたバルブはまた、高価な耐熱材料から作られなくてはならない。さらに、多くの部品が潤滑剤を必要とするが、これは、現在、簡易な２ストロークエンジンには利用されていない。したがって、機械型のバルブ配列は、エンジンの構造に多大なコストおよび複雑さを加える。したがって、安価な材料から製造され、高精度に製造する必要のない噴射制御バルブを製造することが望ましく、バルブおよび駆動機構は、高温特性または追加潤滑剤を必要としないことがもっとも好ましい。
【０００５】
さらに、高速エンジンに往復バルブを適用するには、さらなる問題が存在することが一般に知られている。問題は、エンジン速度が上がると、きわめて大きな駆動力が必要となることである。一定のバルブ開口の振幅または上昇距離に対して、バルブの必要加速は、バルブ開口の周波数、したがってエンジン速度の二乗に比例して増加する。さらに、バルブを駆動するのに必要な力は、加速に比例して増加する。したがって、バルブを駆動するのに必要な力は、エンジン速度の二乗に比例して増加する。単一作用バルブ列、すなわち、一方向のみに作用的に駆動されるバルブに対して、これらの高駆動力は、バルブの慣性力を克服し、バルブが浮動するのを防ぐために大きな戻りばねを使用する必要が生じ、結果としてより高い駆動力を必要とする。バルブを両方向に駆動し、すなわち、開閉し、大きなばね部材および関連する高駆動力の使用を回避しながら、依然として高速動作を達成することが望ましい。機械的手段を適用してバルブを両方向に駆動することができるが、これは、より高度な精密さを必要とし、エンジンのコストが高くなり、複雑性が増す。
【０００６】
噴射バルブを駆動する最後の方法は、バルブを空気的に動作させることである。空気動作は、ピストンの２つの対向する面間の気体圧力差を使用してピストンを駆動することによって作用される。このピストンは、次に、バルブを駆動する。空気動作の使用は、流れレギュレータ等の装置およびスプールバルブ等の流れ制御バルブにおける気体流れ制御においては、一般的である。エンジン動作において、空気制御されたバルブは、一般に、流れ制御のためのキャブレター動作、圧力の規制、および、液体噴射の駆動および追加フロー開口等の様々な動作に使用される。そのような使用の例は、米国特許第５,３７７,６３７号、第５,３５３,７５４号、第５,１９７,４１７号、第５,１９７,４１８号、第４,８４６,１１９号および第４,８１３,３９１号に示されている。限定された動きが必要であるエンジンへの適用において、ピストンはダイヤフラムの形態であることが多く、ピストンシールとして作用し、ダイヤフラムプレートは駆動ピストンとして機能する。
【０００７】
空気噴射システムを制御するために空気バルブ動作を使用することは、国際特許出願公開第９６／０７８１７号および欧州特許出願公開第０７８９１３８Ａ１号に教示されている。これらのシステムは、燃焼室のヘッドに置かれ、エンジンの様々な位置から導出されてバルブの動きに影響を与える圧力によって作動される噴射バルブを使用している。
【０００８】
クランクケースから掃気された圧縮された空気の導入を制御するカムを使用するＩＡＰＡＣ直接燃料噴射システムが、過去に使用され、２ストロークエンジンの汚染物放出および燃料消費を減少した。欧州特許出願公開第０７８９１３８号には、カムレスＩＡＰＡＣシステム（現在ではＳＣＩＰとして知られている）が開示されており、バルブに接続されたダイヤフラム、ばね、エンジンクランクケースからの圧力、および、燃焼室内の燃焼膨張ガスからの圧力を使用して、バルブの運動を遅延する。
【０００９】
カム駆動ＩＡＰＡＣシステムでは、追加された構成要素がエンジンのコストを増加するという問題がある。ＳＣＩＰシステムでは、燃焼室の点火不良（ミスファイヤ）が、燃焼膨張ガスがないためバルブの運動を遅延する結果を招くという問題がある。２ストロークエンジンの点火不良は、３ピストンサイクルごとに１度という頻度で発生する可能性がある。したがって、ＳＣＩＰシステムを使用して燃料および空気を燃焼室に噴射することは、かなりの数の、すなわち約１／３の時間の早期噴射を生じる。
【００１０】
国際特許出願公開第９６／０７８１７号には、エンジンのクランクケースから導出された噴射圧力が、バルブ閉鎖ばねからの圧力およびクランクケースから導出された遅延圧力波を克服するときに開く空気バルブが教示されている。そのようなシステムには、クランクケースから導出された噴射圧力がエンジン動作状態に大いに依存するという問題がある。小型の２ストロークエンジンのクランクケースによって達成されたピーク圧力は、スロットル位置によって変動する。広く開いたスロットル（ＷＯＴ）では、ピーク圧力は、６乃至７ポンド／平方インチ大気圧上（psig）に達し、一方、低スロットル開口では、ピーク圧力は、１．５乃至２psigにしか達しない。したがって、バルブを開けるのに利用可能な噴射圧力は、動作状態に大いに依存し、したがって、噴射タイミングは、動作状態に依存する。さらに、小型高速エンジンにおいて、バルブの領域は、エンジンの利用可能なスペースによって厳しく制限される。この小さな領域およびその領域に作用する利用可能な比較的低い噴射圧力のため、バルブを開けるための利用可能な力は小さい。これは、先に述べた高速で必要とされる高い力の現象と共に、小型高速用途における使用を厳しく制限する。したがって、噴射圧力にはほとんど依存しないバルブ作動システムを有することが望ましく、さらに、バルブ動作がバルブ領域にはほとんど依存しないように、最初の運動力はダイヤフラムまたは駆動ピストンから導出されることが望ましい。
【００１１】
さらなる問題は、国際特許出願公開第９６／０７８１７号に存在する。噴射を制御するのに使用される波は、長い「遅延」ラインを通ってクランクケース圧力から導出される。遅延ラインを使用して、圧力波がバルブに到着する時間を制御する。圧力波の秒単位での通過時間はかなり一定しているが、クランクシャフト位置にある、したがってピストン位置による通過および到着のタイミングは、エンジン速度に大いに依存する。したがって噴射タイミングは、エンジン速度に大いに依存する。さらに、遅延ラインは圧力波を減衰させるようにも作用し、この減衰は、エンジン速度が増加すると、より急になる。比較的弱いクランクケース波に連結した減衰は、高速／高負荷動作において不適切な制御圧力をかける。エンジン速度にはほとんど依存しないバルブ制御システムを作ることが望ましい。
【００１２】
先行技術の他の実施態様は、制御クランクの「両側板（チーク）」および追加の遅延ラインを使用して、圧力波をさらに制御することを教示する。これらの制御チークは、バルブ制御に関連した小さな流れを制御するために精密なバルブ表面として作られなければならず、したがって、エンジンに多大なコストを加える。追加の遅延ラインがさらに、噴射タイミングに依存した速度を与える。
【００１３】
国際特許出願公開第９６／０７８１７号のこれらの欠点は、欧州特許出願公開第０７８９１３８Ａ１号でも指摘されている。欧州特許出願公開第０７８１３８Ａ１号は、先の特許と同様のバルブの使用を教示し、噴射を遅延するために使用される波は、シリンダ膨張ガスから導出される。膨張波は、遅延ラインを通って再度バルブ制御ダイヤフラムに送出される。実施態様によっては、利用可能な開口力は、シリンダ膨張ガスかまたはクランクケース波かのいずれかからのより長い遅延ラインを使用することによって高められ、作動ダイヤフラムの反対側に送出される。この実施態様は開口力を高め、クランクケース波の低圧力の問題を改良するが、エンジン速度に大いに依存するという噴射タイミングの欠点が、さらに導入される。したがって、噴射の状態は、特定のエンジン速度用に最適化されるのみである。
【００１４】
さらなる且つ重大な欠点が、バルブの動きを制御するために膨張ガスを使用することによって導入される。小型２ストロークエンジンは、たいてい不良な燃焼特性を呈し、ストロークの２回に１回は点火不良または部分燃焼が発生する。点火不良の間には、噴射を遅延するために使用される燃焼膨張ガスはない。さらに、リングシールの漏れのため、点火不良後の通常膨張ストロークの間の圧力は、大気圧以下であることが多く、したがって、噴射タイミングをさらに進める。したがって、ストロークの３回に１回は、シリンダのフレッシュエアー掃気時またはその前に、噴射が発生し、それによって、点火不良ストロークからの未燃焼チャージと次のストローク用に早く噴射されたチャージの大部分との両方を短絡する。したがって、個別ピストンサイクルの燃焼からの燃焼膨張ガスにほとんど依存しない噴射制御システムを作ることが望ましい。
【００１５】
上記の公報の両方において、バルブを閉じるための最初の運動力は、ダイヤフラムチャンバに位置されたばねである。このばねは、低噴射圧力または利用可能なダイヤフラム駆動力によってバルブを開けることができるように、十分に低い力でなければならない。この低い力は、高速でバルブの増加する慣性力と組み合わされて、バルブを閉じるのをだんだん遅くし、結局はバルブを浮動させる。また、確実な方法でバルブを開閉するように駆動する二重作動バルブ駆動システムを作ることが望ましい。
【００１６】
小型２ストロークエンジンの通常の特徴は、別個の潤滑システムがないことである。潤滑剤は一般に、燃料と混合されて、クランクケースコンポーネントおよびピストンシリンダユニットへ送出される。空気式噴射エンジンを含む先行技術の直接噴射エンジンにおいて、潤滑剤を含まない燃料が燃焼室に送出される。これは、クランクケースおよびピストンシリンダユニット用に別個の潤滑供給ポンプおよびシステムを加えることを必要とし、したがって、エンジンに追加コストがかかり複雑になる。したがって、追加の複雑さまたはコストを制限しつつ、噴射システムに、限られているが多大な量の燃焼オイル混合物をクランクケースへ供給させて、エンジンの潤滑要求条件に合致させることが望ましい。
【００１７】
ＳＡＥ論文９４１６７８号、題名「遅延チャージ：２ストロークエンジン特性を改良する手段（Delayed Charging: A Means to Improve Two-Stroke Engine Characteristics）」ロチェル（Rochell）著、および、ＳＡＥ論文９５１７８４号、題名「遅延チャージを使用する２ストロークエンジンにおける放出および燃料消費の減少（Emission and Fuel Consumption Reduction in a Two-stroke Engine Using Delayed-Charging）」ロチェル著は、サージタンクの使用によって、試みられた一定フロー圧力の使用を開示しているが、これは、ピストンとシリンダとの間に燃料の漏れを促進し、これにより炭化水素の放出が増加する可能性がある。ロチェルは、本発明が回避する点である、サージタンクを通ってクランクケースと燃焼室との間に物理的に開いた通路を有する。ロチェルは、音響効果も無視している。
【００１８】
【発明の概要】
本発明の１つの実施態様によれば、クランクケースと、クランクケースに接続されたシリンダと、クランクケースとシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムと、を有する内燃エンジンが提供される。往復ピストンヘッドが、シリンダ内に位置する。圧縮空気補助式燃料噴射システムは、燃料及び圧縮空気噴射ポートを形成するシリンダ内への第１の開口部と、圧縮空気入口および吹き出しポートを形成するクランクケース内への第２の開口部と、を備えた導管システムを有する。ピストンヘッドはシリンダ内を往復するときに、ピストンヘッドが２つのポートを開閉する。第１および第２の開口部は互いに対して間隔をおかれ、ピストンは、ピストンヘッドが実質的に同時に、圧縮空気入口および吹き出しポートを開き、燃料及び圧縮空気噴射ポートを閉じるような大きさおよび形状であり、ピストンヘッドが上死点位置へ向けて動き且つこれを通るときに、吹き出しポートは開いたままである。
【００１９】
本発明の他の実施態様によれば、圧縮空気源とエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンが提供される。噴射システムは、圧縮空気アキュムレータと、噴射システムの燃料及び圧縮空気噴射ポートがエンジンのピストンヘッドによって閉じられ且つピストンヘッドが上死点位置へ向けて動いているときの大半の間に、アキュムレータ内の圧縮空気圧力を解放するための手段と、を有する。
【００２０】
本発明の他の実施態様によれば、圧縮空気源とエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンが提供される。噴射システムは、圧縮された空気のチャージを提供するためのアキュムレータと、アキュムレータからシリンダ内への開口部とを含む。開口部は、エンジンの燃料および圧力空気噴射期間全体の間中に、チャージ全体が加圧されるように、チャージの流れがシリンダ内に入るのを抑制する大きさである。
【００２１】
本発明の他の実施態様によれば、圧縮空気源とエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンが提供される。噴射システムは、圧縮空気源とシリンダとの間に導管を有する。導管は、シリンダ内への第１の開口部と、第２の開口部とを有する。エンジンは、第１および第２の開口部を開閉する手段を有する。第１の開口部が開いているときに第２の開口部は閉じ、第１の開口部が閉じているときの大半の間に第２の開口部は開いている。
【００２２】
本発明の他の実施態様によれば、クランクケースとエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンが提供される。噴射システムは、クランクケースとシリンダとの間に導管を有する。噴射システムは、導管内への燃料出口を備えた燃料計量装置も有する。エンジンのピストンヘッドは、シリンダおよびクランクケースから導管へのアクセスを開閉する。クランクケースが真空圧力の間中は、ピストンヘッドの前進ストロークの間に燃料が導管内に真空吸引され且つピストンヘッドの後進ストロークの間には空気が導管内に圧縮されるように、シリンダと導管との間のアクセスは閉じられ、クランクケースと導管との間のアクセスは開けられる。
【００２３】
本発明の他の実施態様によれば、圧縮空気源とエンジンのシリンダとの間に接続された圧縮空気補助式燃料噴射システムを有する内燃エンジンが提供される。噴射システムは、シリンダ内への噴射ポートを備えたアキュムレータ導管を有する。アキュムレータ導管は、シリンダ内の燃焼後に噴射ポートの開口から噴射ポートへ入る圧縮波を反射し、且つ、噴射ポートからシリンダ内へ燃料を送出するのを補助するために所定の期間に噴射ポートへ反射された圧縮波を送出するための調整された反射パイプを形成する長さおよび形状を有する。
【００２４】
本発明の他の実施態様によれば、エンジンのシリンダとクランクケースとにそれぞれ位置する２つの開口部を備えたアキュムレータ導管を有する内燃エンジンの圧縮空気補助式燃料噴射システムが提供され、アキュムレータ導管は所定の長さを有し、開口部は、開口部の第１の開口部で導管に入るシリンダの燃焼からの圧縮波が導管を通って第１の開口部に反射して戻るように、選択的に閉じることができ、反射された圧縮波は第１の開口部からシリンダ内へ燃料を送出するのを補助するように、導管は第１の開口のために調整された反射パイプを形成する。
【００２５】
本発明の１つの方法によれば、空気および燃料を内燃エンジンのシリンダ内へ噴射する方法が提供され、この方法は、空気をアキュムレータ内へ圧縮するステップと、シリンダ内への噴射ポートを開けて、アキュムレータからの圧縮された空気と噴射ポートからの燃料とをシリンダ内へ噴射するステップと、噴射ポートを閉じるステップと、アキュムレータの吹き出しポートを開けて残りの圧縮された空気の圧力をアキュムレータから解放するステップと、を含む。
【００２６】
本発明の他の方法によれば、内燃エンジンを製造する方法が提供され、この方法は、シリンダに噴射ポートを設けるステップと、圧縮空気補助式燃料噴射システムをシリンダに接続するステップと、を含む。噴射システムは、燃料計量装置と圧縮空気アキュムレータとを有する。圧縮空気アキュムレータは、エンジンのピストンヘッドが下死点位置を通り過ぎた後に、噴射ポートで受け取られた圧縮波を噴射ポートへ反射して戻す長さおよび形状を有する。
【００２７】
本発明の他の方法によれば、空気を圧縮空気補助式燃料噴射システムから内燃エンジンのシリンダ内へ送出する方法が提供され、この方法は、空気を噴射システムのアキュムレータ内へ圧縮するステップと、第１の量の圧縮された空気をアキュムレータから、噴射ポートを通り第１の圧力のシリンダ内へ解放するステップと、次の第２の量の圧縮された空気をアキュムレータから、噴射ポートを通り第１の圧力よりも高い第２の圧力のシリンダ内へ解放するステップと、を含む。
【００２８】
本発明の他の方法によれば、燃料および空気を圧縮空気補助式燃料噴射システムから内燃エンジンのシリンダ内へ送出する方法が提供され、この方法は、噴射システムに、エンジンのクランクケースとシリンダとの間にチャネルを有する圧縮空気アキュムレータを設けるステップと、第１の量の燃料および圧縮された空気をチャネルからシリンダ内へ送出するステップと、次の第２の量の燃料および圧縮された空気をより速い速度でチャネルからシリンダ内へ送出するステップと、を含み、第１および第２の量を送出するステップは、単一の噴射サイクルで生ずる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の前述の態様および他の特徴は、添付の図面を参照して、下記の記載により説明される。
図１Ａを参照すると、本発明の特徴を有する内燃エンジン１０の概略図が示される。本発明は、図面に示された実施態様を参照して説明されるが、本発明は、実施態様の多くの代替形態で実現することができる。さらに、いずれの適切な構成要素の大きさ、形状またはタイプ、あるいは材料を使用することができる。
【００３０】
エンジン１０は、シリンダ１２と、ピストン１４と、クランクシャフト１６と、クランクケース１８と、燃料噴射システム２２と、を有する２ストロークエンジンである。本発明は、内燃エンジンにおける低圧噴射の制御に関する。本発明の特定の適用分野は、２ストローク内燃エンジンである。記載される特定の適用は、小型の高速２ストロークエンジンに対するものであり、たとえば、噴射式落ち葉掃除機、ストリングトリマおよびヘッジトリマ等のハンディタイプの動力機器、また、小型バイク、オートバイクおよびスクータ等の車輪自動車、および、小型船外船舶エンジンに使用されるものである。小型の２ストロークエンジンは、多くの望ましい特性を有し、そのため上記した応用に利用でき、たとえば、構造の簡易さ、低い製造コスト、高い動力対重量比、高速動作性能、とりわけ、簡易な設備でメンテナンスが容易であることが挙げられる。
【００３１】
簡易な２ストロークエンジンの顕著な欠点は、掃気過程の間に、シリンダからの新しい未燃焼燃料チャージの一部が損失となることである。これによって燃費が悪くなり、もっとも重要なことには、多量の未燃焼炭化水素が放出され、したがって、簡易な２ストロークエンジンは、ますます厳しくなる政府の環境汚染規制に合致することができなくなる。この欠点は、シリンダをフレッシュエアーで掃気することを、シリンダに燃料を充填することから分離することによって緩和することができる。この分離は、液体燃料をシリンダ内に噴射することによって、また、より好ましくは、フレッシュエアー掃気とは別個の加圧された空気源を使用して燃料をシリンダ内へ噴霧することによって、燃料チャージを噴射することによって達成することができる。本発明の好適な実施例において、エンジンの排気量は、約１６ｃｃ乃至約１００ｃｃであるが、これより大きくても小さくてもよい。このサイズのエンジンは、ストリングトリマー、チェーンソー、噴射式落ち葉掃除機、および、他のハンディタイプの動力工具等のものに使用される。このエンジンは、芝刈機、噴射式除雪機またはモータボート用船外機等の工具にも使用することができる。シリンダ１２は、シリンダの頂部に接続されて底部がクランクケース１８に接続される点火プラグ（図示しない）と、空気取入口２４と、燃焼室２６と、排気口２８と、燃焼室内への噴射ポートまたは噴射口３０と、を有する。燃料計量システム２０は、キャブレターまたは電子式燃料噴射機等のいずれの適切な型のシステムであってもよい。しかし、本システムの利点は、燃料計量システムに対して高精度のタイミングまたは噴霧品質が不必要であることである。燃料を滴下させる比較的簡易な計量システムを使用することもできる。図１Ａに示される実施例において、噴射ポート３０は、開口型のポートであり、すなわち、燃焼室２６内への流れチェックバルブを備えていない。しかし、米国特許出願第０９／０６５,３７４号に開示されているように、噴射ポートに流れチェックバルブを有する代替実施態様が設けられてもよく、この特許出願は、その内容全体を本願明細書に引用するものとする。しかし、いずれの適切なチェックバルブを使用することもできる。噴射ポート３０は、シリンダ１２の側壁に位置し、燃料および空気をシリンダヘッドの頂部に向けて上方向に入れる形状である。しかし、代替実施態様においては、入口は、シリンダヘッドの頂部に位置してもよく、または、燃料をピストン１４の頂部へ向ける形状であってもよい。
【００３２】
燃料噴射システム２２は、圧縮空気補助式システムである。燃料噴射システム２２は、アキュムレータ３４を具備する。アキュムレータ３４は、この実施態様においては、クランクケース１８内部の圧力に接続可能な入口３８と、噴射ポート３０に出口とを有する。アキュムレータ３４は、圧縮空気用の収集器（コレクタ）および一時保管領域として機能する。この実施例において、圧縮空気源は、クランクケース１８から掃気された空気である。ピストン１４は、ピストンの下降ストロークでクランクケース１８内の空気を圧縮する。好適な実施態様において、２つの開口部３０、３８は、両方ともシリンダ１２内に設けられ、一方は空気取入口２４より上にあり、もう一方は空気取入口より下にある。好適な実施態様において、両方の開口部３０、３８は、ピストン開閉（ポート）される。換言すれば、ピストンヘッド４０はシリンダ１２を上下に往復し、開口部３０、３８を介するアクセスを開閉する大きさおよび形状にされている。アキュムレータ３４は、本実施態様においては、２つの開口部３０、３８の間の簡易なチャネルである。しかし、代替実施態様においては、下記の説明からさらに理解されるように、より複雑な形状が設けられてもよい。チャネル３４は、シリンダ１２の外側表面内に部分的に機械加工されてもよく、キャップは次いでシリンダに取り付けられて、２つの開口部３０、３８のみを備えてチャネル３４を形成し、これを取り囲む。しかし、アキュムレータは、シリンダ１２に取り付けられる別個の分離部材に設けることができる。好適な実施態様において、燃料計量システム２０からの出口は、噴射ポート３０に近いチャネル３４に位置する。
【００３３】
下記にさらに説明されるように、燃料噴射システム２２は、最小の可動部分を有する。すなわち、単に、可動部分は何であれ燃料計量システム２０内にある。さもなければ、燃料噴射システム２２は、ピストンヘッド４０を使用してそのポート３０、３８を開閉する。ポート３０、３８を開閉するタイミングは、シリンダ１２の長さ方向に沿ったポートの位置に依存する。図１Ａ乃至１Ｅおよび図２を参照して、噴射システムのシステムを以下に説明する。図２は、１回の全ピストンサイクル（クランクシャフト１６の３６０度回転から生じる）中に開口部３０、３８を開閉する一連の事象を示すよう意図され、３６０度チャートは、ピストン１４の上死点（ＴＤＣ）で開始するクランクシャフト１６の角度位置に基づいてピストンヘッドの位置に対応する。領域Ａは、ピストンヘッド４０が開口部３０をふさぐときを示す。領域Ｂは、ピストンヘッド４０が開口部３８をふさぐときを示す。上死点で、噴射口３０はピストンヘッド４０の側部によってふさがれる。上死点で、開口部３８は開いている。空気取入口２４は、上死点後（ＡＴＤＣ）約６０度である位置ＩＣでピストンヘッドによって閉じている。図１Ａは、図２の位置１Ａによって示される上死点後約９０度にあるピストンヘッド４０を示し、ピストンヘッドの上死点位置から離れて矢印Ｃによって示されるようにシリンダ１２内へ下方へ動く。ピストンヘッド４０は噴射口３０、排気口２８および空気取入口２４をふさぐが、開口部３８は開いている。ピストンヘッド４０がクランクケース１８へ向けて動くと、クランクケース１８内部からの空気は、矢印Ｄによって示されるように、開口部３８を通ってアキュムレータ３４内へ押し込まれる。図３も参照すると、単回ピストンサイクル中の圧力のグラフが、ゼロゲージ、すなわち１大気圧に対して示される。上死点で、クランクケース１８内の圧力Ｅと、アキュムレータ３４内の噴射口３０における圧力Ｆとは、実質的に同一である。それらは、ピストンヘッドが位置１Ａを通って動くときに、同一のままである。ピストンヘッド４０がシリンダ１２内を下方へ動き続けると、排気口２８はＥ０で開く。燃焼室２６内の圧力Ｇは、燃焼から気体が膨張することによって引き起こされるが、低下し始める。
【００３４】
図１Ｂに示されるように、ピストンヘッド４０が位置１Ｂへ向けて動くと、ピストンヘッド４０が開口部３０を覆わなくなるため、開口部３０は開き始め、ピストンヘッド４０が開口部３８をふさぎ始めるため、開口部３０は閉じ始める。ピストンヘッドは、上死点後（ＡＴＤＣ）、クランクシャフトの約１００度の回転で、噴射口３０を覆わなくなる。この実施態様において、トランスファー４２が開く位置ＴＯで、ピストンヘッド４０がトランスファーチャネル４２（図１Ｃ参照）に対するアクセスを開くのとほぼ同時に、ピストンヘッド４０は開口部３８を完全に閉じる。
【００３５】
図４Ａ乃至４Ｄも参照して、１Ｂと１Ｃとの間の期間中のアキュムレータ３４内の気体の圧力および運動をさらに説明する。図４Ａ乃至４Ｄは、アキュムレータ３４を閉じた端パイプとして概略的に例示する。これは、開口部３０が開いている一方、開口部３８が、実質的に全体的にピストンヘッド４０によって効果的に閉じられているからである。図４Ａは、位置１Ｂにほぼ対応する。この位置において、アキュムレータ３４は、圧縮された空気の一定量４４と、圧縮された空気および燃料の一定量４６と、燃焼ガスのわずかなバッファ４８の最初の部分とを有する。さらに、圧縮波５０が開口部３０からアキュムレータ３４に入り、矢印Ｈによって示される今は閉じられた開口部３８closedへ向けて音速でアキュムレータを下へ移動する。図３に見られるように、噴射口３０における圧力Ｆは、燃焼ガスが噴射口３０に入り且つ圧縮波５０が入るため、１Ｂで上昇する。
【００３６】
図４Ｂは、少し後の時間に対応する。燃焼ガスのバッファ４８は、噴射口３０内にさらに押し込む。バッファ４８は、噴射口３０を加熱するのを助け、アキュムレータ内の燃料が、排気口２８へ直接短絡するのを防ぐ助けをする。圧縮波５０は、さらにアキュムレータ３４の後方へ動く。図４Ｃは、トランスファー４２が位置ＴＯで開いた少し後の時間に対応する。図３に見られるように、噴射口３０における圧力Ｆは、今や、排気口２８を出る気体のため、燃料室の圧力Ｇよりも高い。したがって、バッファ４８は、シリンダ１２内に押し込まれ（空気および燃料４６が入る前の遅延として作用する）、空気および燃料４６がシリンダ１２内に入るのを開始する。圧縮波５０は、閉じられた開口部３８closeから反射され、より具体的には、開口部３８を覆うピストンヘッド４０の側部から反射される。したがって、圧縮波５０は、反射された圧縮波５０’になる。反射圧縮波５０’は、今や、矢印Ｈ’によって示されるように、アキュムレータ３４を上へ移動して、噴射口３０に向けて戻る。図４Ｄは、ピストンヘッドが下死点（ＢＤＣ）にあるときのほぼ位置１Ｃに対応する。これは、図１Ｃに示される下死点位置にほぼ対応する。反射圧縮波５０’は、噴射口３０に到着し、シリンダ１２内へ出る。これによって、図３に見られるように、噴射口３０における圧力Ｆの第２の上昇が発生する。圧力のこの第２の上昇が、加速した速度で燃料および空気をシリンダ１２内へ推進するのを助ける。圧縮波は、本質的に音響波である。したがって、波は、音速で移動する。反射圧縮波が噴射口３０へ戻る送出のタイミングは、アキュムレータ導管の長さを変更することによって変えることができる。アキュムレータ導管が短ければ短いほど、反射された波はより早く送出され、アキュムレータ導管が長ければ長いほど、反射された波はより遅く送出される。したがって、アキュムレータ導管３４の長さを選択して、いずれの適切な時間で反射圧縮波を噴射口３０へ戻すように送出することができる。図３に示されるように、噴射口３０を出てシリンダに入る空気および燃料の圧力の３つの総体群Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3があり、したがって、これら３つの圧力期間中に流れの３つの対応する速度がある。したがって、噴射口３０からの第１の量は、第１の速度でシリンダ１２に入り、次の第２の量は、より速い第２の速度でシリンダ１２に入り、次の第３の量は、より遅い第３の速度でシリンダ１２に入る。しかし、代替実施態様においては、アキュムレータは、噴射口３０が閉じようとするときに、反射圧縮波を期間１Ｄのより近くに送出するように構成することができる。したがって、２つの異なる速度期間のみを設ける必要がある。あるいは、アキュムレータは、アキュムレータに複数のチャネルまたは複数の反射面を設けること等によって、２つ以上の反射圧縮波を噴射口３０へ戻すように送出するように構成することができる。事実上、開口部３８を閉じて、閉じた開口部を反射領域として使用することによって、アキュムレータ３４は、圧縮波５０用の調整された反射パイプとして機能する。
【００３７】
図５Ａ乃至５Ｃも参照すると、図４Ａ乃至４Ｄの点１、２、３における基準スケールの圧力チャートが時間に対して示されている。点１における圧力は、圧縮波が噴射口３０に入るときの図４Ａに対応する時間４Ａで増加する。点１における圧力は、それぞれ図４Ｂ、図４Ｃに対応する時間４Ｂ、４Ｃで次第に減少する。点１における圧力は、次いで、反射圧縮波が点１に到達する図４Ｄに対応する時間４Ｄで急激に上昇し、その後、時間４Ｄを過ぎると減少する。図５Ｂは、点２における圧力が、圧縮波５０が点２を通る直前に上昇し、下降して、次いで、反射圧縮波５０’が通過する時間４Ｃの直前に再度上昇し、次いで再度圧力が下降するのを示している。図５Ｃは、点３が、閉じた開口部３８closeから圧縮波の衝撃および反射から、単に１つの圧力上昇を有するのみであることを示している。
【００３８】
反射圧縮波５０’が噴射口３０を出るとき、反射圧縮波５０’は、シリンダ１２内の燃料および空気を大幅に乱し、事実上、衝撃波として作用する。これが、燃料を噴霧化するのを助け、空気の中に燃料をより良好に分配する。さらに、反射圧縮波５０’は、表面接着または表面張力によって噴射口３０の先端または縁に接着する可能性のある燃料滴を除去するのを補助する。圧縮波は、表面の燃料をシリンダ１２内へ送る衝撃を与える。圧縮された空気４４は、図１Ｄに示されるように再度ピストンヘッドによって閉じられるまで、噴射口３０を押し続ける。噴射口３０が閉じた後に、１Ｄの直後に、アキュムレータ３４内の残りの空気は、依然として加圧される。噴射口３０は、排気口２８がＥＣで閉じる直前に、完全に閉じる。開口部３８は、開口部３０が閉じるのと実質的に同時に開く。しかし、代替実施態様においては、開口部３８を開けることは、開口部３０が閉じる前に、あるいは、開口部３０が閉じた後に、起こるように構成されてもよい。開口部３８を開けることは、吹き出しポートとして機能して、図１Ｄの矢印Ｉによって示されるように、アキュムレータ３４内の圧縮された空気から残りの圧力をクランクケース１８内に戻すように解放する。噴射口３０が閉じているときにアキュムレータ３４から圧力を解放することは、過剰な量の燃料が、ピストンヘッド４０とシリンダ壁内部との間に押し込まれるのを防止し、さもなければ、そうしないと、炭化水素放出を上昇させる可能性がある。
【００３９】
図１Ｄの矢印Ｊによって示されるように、ピストンヘッド４０が上死点に向けて上昇すると、クランクケース圧力Ｅは、図３に見られるように、１気圧以下に低下する。したがって、開口部３０が開いているときに、アキュムレータ３４内の圧力が解放されるだけではなく、アキュムレータ３４内に真空圧力が形成される。この真空圧力を使用して、燃料計量システム２０から燃料を引き、したがって、燃料をアキュムレータ内に送出するのを補助する。図３に見られるように、アキュムレータ３４内の圧力Ｆは、今や、クランクケース１８内の圧力Ｅに再度ほぼ合致する。図１Ｅも参照すると、ピストンヘッド４０は、その上死点位置に示される。空気取入口２４は、点ＩＯで開いていた。この実施態様においては、シリンダ１２の内壁は、噴射口３０と取入口２４との間に溝６０を有する。これが、少量の燃料（潤滑剤を含む）用の通路を提供し、矢印Ｋによって示されるように、溝６０を通り、ピストンおよびクランクシャフトの軸受を潤滑する。しかし、溝を設けることは必須ではない。代替実施態様において、取入口２４と噴射口３０との間に穴が設けられ、これは、シリンダの内壁から間隔をおかれて、ピストンヘッドの後ろに潤滑剤を送出する。エンジン１０は、追加のまたは代替の潤滑システムを有してもよい。
【００４０】
小型２ストロークエンジンについて知られているように、１／３ほどの時間は、点火不良（すなわち、燃焼室内で燃焼が発生しない）が発生する可能性がある。点火不良がエンジン１０内で発生すると、圧縮波はアキュムレータ３４内へ入らない。図６を参照すると、点火不良があるときの、図３に類似した圧力ＥおよびＦのグラフが示される。Ｌは、噴射口３０が開いているときの噴射期間を示す。圧力Ｆは、噴射口３０が開くまで上昇し、次いで、アキュムレータ３４内の圧縮された空気が噴射口３０を出てシリンダ内に入るにつれ徐々に減少する。噴射口３０が閉じて開口部３８が開いた後、圧力Ｆは、クランクケース１８とほぼ同一の圧力Ｅまで戻る。本発明の１つの特徴は、噴射口開口部３０が、アキュムレータ３４が完全にシリンダ１２内に放出するのを防止する大きさであるということである。換言すると、アキュムレータ３４は、噴射口３０が開いているときには圧縮された空気が噴射口３０に連続して圧力をかけるように、噴射口３０が開いている間中はずっと加圧されているということである。これは、燃焼があろうと点火不良があろうと、発生する。ピストンヘッド４０がポート／チャネル２４、２８、３０、３８、４２のすべてを開閉するため、エンジン１０は、シリンダの長さ方向に沿って相対的に、且つ／または、シリンダのシリンダの長さ方向に沿って互いに、ポート／チャネル２４、２８、３０、３８、４２の位置を変えることによって、異なる性能特性を提供するように設計することが可能である。これは、アキュムレータをどれほどの時間クランクケースからの圧縮された空気で充填するか、どれほどの時間アキュムレータが吹き出すか、どれほどの時間アキュムレータがシリンダ内に噴射するか等のタイミングを変えることができる。これはまた、トランスファーチャネル、排気口または空気取入口が、ピストンサイクル内でより遅く又はより早く開かれるのであれば、圧力変化を変えることもできる。
【００４１】
本発明の上述の実施態様の特徴は、トランスファーチャネル４２の頂部の０．１インチ下に位置する７５度傾斜の噴射開口部と、トランスファーチャネルの底部の０．０５インチ上に位置する組み合わせ給気および吹き出し開口部と、開口空気取入口と、単一ダイヤフラム燃料ポンプを備えた１psi燃料圧力と、を有する２５ccエンジンで検査された。２４３０rpmの平均低速度の場合、エンジンは下記を生成した。
0004058240.tif 000002
ただし、ＨＣは炭化水素放出であり、ＨＣ ＦＩＤは、水素炎イオン化検出器によって測定されたＣ1Ｈ1.85等価物における合計炭化水素放出である。７４８７ｒｐｍの平均高速の場合、エンジンは下記を生成した。
0004058240.tif 000003
これは、３１．５９g／bhp*hr（グラム／ブレーキ馬力＊時）の合計ＨＣ放出、７７.２５g/bhp*hr（グラム／ブレーキ馬力＊時）の合計ＣＯ放出、および、１．４１g/bhp*hr（グラム／ブレーキ馬力＊時）の合計ＮＯｘ放出を生じた。平均高速（広く開いたスロットル）の場合、平均ＨＣ放出は２８．３８g/bhp*hrであり、平均ＦＣは０．７３１ｌb/hrであり、平均ＢＳＦＣは０．７６９ｌb/bhp*hrであった。ここで、ＦＣは燃料消費であり、ＢＳＦＣはブレーキ特定燃料消費である。
同一のエンジンの別の検査が、リッチ燃料設定で行われた。３５１３ｒｐｍの平均低速の場合、エンジンは下記を生成した。
0004058240.tif 000004
７４９６ｒｐｍの平均高速の場合、エンジンは下記を提供した。
0004058240.tif 000005
これは、４４．１８g/bhp*hrの合計ＨＣ放出を生じた。さらに、合計ＣＯ放出は１９８．１g/bhp*hrであり、合計ＮＯX放出は１．０９８g/bhp*hrであった。リーン設定では、２８．６９g/bhp*hrの合計ＨＣ放出が得られた。
さらなる検査については下記の通りであった。
0004058240.tif 000006
図７を参照すると、エンジンの代替実施態様において２つのアキュムレータが開閉するときの図２に類似したグラフが示されている。このエンジンの実施態様において、圧縮された空気および燃料噴射用の開口部は、図１Ａに示されたものよりも、シリンダの頂部からさらに離れている。したがって、圧縮された空気および燃料噴射用の開口部は、ピストンヘッドのＢＤＣ位置により近い領域Ａ’およびＡ”で開閉する。トランスファーチャネルは、噴射ポートがＡ’で開く前にＴＯで開き、トランスファーチャネルは、噴射ポートがＡ”で閉じた後にＴＣで閉じる。これは、図６に示されるように、噴射期間Ｌ’を提供する。本発明では、両方の開きＡおよびＢは、単に、シリンダの長さ方向に沿ってそのそれぞれの開口部の位置に基づいて選択される。しかし、代替実施態様においては、代りのまたは追加の手段を使用して、２つのアキュムレータポートを開き、且つ／または、閉じてもよい。
【００４２】
図８を参照すると、エンジン用潤滑システムの代替実施態様が示される。この実施態様において、ピストンヘッド６２は、側壁を通って内部への穴６４を有する。穴６４は、燃料（潤滑剤を含む）が開口部３０から穴６４を通ってピストンヘッド６２の内部へ入ることができるように、噴射口開口部３０に整列配置することができる。ピストンヘッド６２は、軸受６８によってピストンロッド６６に接続されている。ピストンヘッド６２の内部へ通る潤滑剤は、クランクシャフトとピストンロッド６６との間の軸受を直接潤滑することもできる。この型の潤滑システムは、炭化水素の放出を増加させるが、この増加はきわめて小さく、したがって、エンジンは依然として政府の来たるべき新炭化水素放出基準を通ることができる。
【００４３】
図９を参照すると、アキュムレータ導管７０の代替実施態様のエンジンが示されている。上記のように、アキュムレータは、圧縮された空気アキュムレータおよび調整された反射パイプの両方として機能する。この実施態様において、アキュムレータ導管７０は、拡張チャンバ部７２を有し、これは、反射圧縮波の長さを、当初の圧縮波の長さに対して延ばすように適合される。したがって、反射圧縮波は、第２の圧力上昇のより長い時間にわたって広がり、これは、図３に示されるＦ2よりも時間が長い。アキュムレータ導管は、元々の圧縮波の調整パイプの向上を提供するようにいかなる適切な構成を有してもよい。
【００４４】
図１０を参照すると、アキュムレータ８０の他の代替実施態様のエンジンが示されている。この実施態様において、アキュムレータ８０は、エンジンの速度に基づいて連続して変化させることができる連続可変長の調整パイプを提供する。アキュムレータ８０は、回転可能な内側パイプ部材８２と、摺動シール８４と、噴射開口部３０と内側パイプ部材８２との間の第１のパイプ部分８６と、開口部３８と内側パイプ部材８２との間の第２のパイプ部分８８と、を有する。内側パイプ部材８は、矢印Ｍによって示されるように回転可能であり、２つの開口部３０、３８の間の有効パイプ長を変える。スロットルまたは電子制御装置への機械的接続等の、いずれの適切な手段を設けて、エンジンの速度に基づいて内側パイプ部材８２を回転することができる。他の代替実施態様において、摺動トロンボーン型の可変長のアキュムレータ導管を設けることができる。
【００４５】
上述のシステムは、数多くの新しい特徴を提供する。小型の噴射開口部３０によって、噴射サイクル直前に燃焼が発生するかどうかにかかわらず、持続的な噴射が可能である。アキュムレータは、反射目的用に噴射サイクルの間中は閉鎖端システムである。トランスファーチャネルは、燃料が燃焼室に導入される前に開けることができる。アキュムレータ内の圧力は、ピストンサイクルごとに解放または吹き出されるかし、それによって、噴射ポートからピストンヘッドとシリンダ壁との間への燃料漏れを減少する。噴射口３０に近いアキュムレータ内に燃料を真空吸引することによって、たとえば、簡易なダイヤフラム燃料ポンプの使用等によって、使用される燃料ポンプの型を簡略化することができる。アキュムレータ導管システムの長さおよび形状は、噴射口３０を通る圧縮された空気及び燃料供給を高めるために反射圧縮波を送出する圧縮波の送出を利用することができる。反射圧縮波は、噴射口３０で燃料を噴霧化し、噴射口３０を通る噴射をより速く押し込み、また燃焼室に準備されているすべての実質的に静的な空気に対して燃料を噴霧化することができる。したがって、本発明に固有である一部の燃料チャージの加速遅れ送出が提供される。この遅れ送出は、直接、排出２８へ短絡する未燃焼燃料の量および可能性を減少させる。したがって、炭化水素の放出が減少する。反射圧縮波は、ＢＤＣ後に掃気の最後で噴射開口部へ送出することができる。アキュムレータ導管は、２つの可変開口端および可変閉鎖端を有し、閉鎖端調整パイプ機能、さらに、圧縮空気アキュムレータ機能およびアキュムレータ吹き出し圧力解放機能を提供する。開口部３０、３８の開閉する性質のため、アキュムレータによってシリンダとクランクケースとの間に直接開口通路は提供されない。アキュムレータ導管の調整パイプの特徴は、拡張チャンバ等で、調整することができ、反射圧縮波を広げて、エンジンの速度変動を補償する。燃料トラップは約８０％乃至９５％に高められる。したがって、燃料トラップ損失は、ほんの５％ほどの低さでありうる。旧式のシステムでは、燃料閉じ込めは、約６０％乃至７０％でしかなかった。本システムは、燃焼損失が低いためより良好な燃料効率を有し、反射圧縮波による燃料混合が良好であるため、点火不良の発生が減少する。本発明は、アキュムレータ導管の調整パイプの特徴は過度の高速では合わなくなり、したがって、反射圧縮波の燃料押し込みの特徴の適切なタイミングでの送出を失う可能性があため、チェーンソー等のエンジンの速度超過を防止する自動調節作用として使用することもできる。
【００４６】
前述の記載は本発明を例示するためのみであると理解されるべきである。本発明から逸脱することなく、様々な代替例および改変例が、当業者によって考案されることが可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るるすべてのそのような代替例、改変例および変形例を包含するものであると意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  様々な異なる作動位置にピストンヘッドを備えた、本発明の特徴を有するエンジンの部分概略図である。
【図１Ｂ】  様々な異なる作動位置にピストンヘッドを備えた、本発明の特徴を有するエンジンの部分概略図である。
【図１Ｃ】  様々な異なる作動位置にピストンヘッドを備えた、本発明の特徴を有するエンジンの部分概略図である。
【図１Ｄ】  様々な異なる作動位置にピストンヘッドを備えた、本発明の特徴を有するエンジンの部分概略図である。
【図１Ｅ】  様々な異なる作動位置にピストンヘッドを備えた、本発明の特徴を有するエンジンの部分概略図である。
【図２】  クランクケースの回転および結果として得られたピストンヘッドの位置に基づいたアキュムレータの２つの開口部の開口位置および閉鎖位置を例示する図である。
【図３】  シリンダ内のピストンヘッドの位置に対する、クランクケース、燃焼室およびアキュムレータ内の圧力のグラフである。
【図４Ａ】  図１Ａに類似した、図２の１Ｂ及び１Ｃ間のピストンの位置に対する概略図であり、圧縮波および反射圧縮波の運動を示す。
【図４Ｂ】  図１Ａに類似した、図２の１Ｂ及び１Ｃ間のピストンの位置に対する概略図であり、圧縮波および反射圧縮波の運動を示す。
【図４Ｃ】  図１Ａに類似した、図２の１Ｂ及び１Ｃ間のピストンの位置に対する概略図であり、圧縮波および反射圧縮波の運動を示す。
【図４Ｄ】  図１Ａに類似した、図２の１Ｂ及び１Ｃ間のピストンの位置に対する概略図であり、圧縮波および反射圧縮波の運動を示す。
【図５Ａ】    アキュムレータ導管の長さ方向にそった３点に対する圧力図である。
【図５Ｂ】    アキュムレータ導管の長さ方向にそった３点に対する圧力図である。
【図５Ｃ】    アキュムレータ導管の長さ方向にそった３点に対する圧力図である。
【図６】    点火不良が起こった際の図３類似のグラフである。
【図７】    エンジンの代替実施態様の図２類似の図である。
【図８】    ピストンヘッドの断面図を備えた代替実施態様の図１０に類似した部分概略図である。
【図９】    アキュムレータの代替実施態様を備えたエンジンの部分概略図である。
【図１０】    アキュムレータの他の代替実施態様を備えたエンジンの部分概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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