JP2003097305A - 対向一次および二次ピストンを備えた内燃機関 - Google Patents

対向一次および二次ピストンを備えた内燃機関

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JP2003097305A JP2002247749A JP2002247749A JP2003097305A JP 2003097305 A JP2003097305 A JP 2003097305A JP 2002247749 A JP2002247749 A JP 2002247749A JP 2002247749 A JP2002247749 A JP 2002247749A JP 2003097305 A JP2003097305 A JP 2003097305A
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ビー．ファイブランド スコット
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 対向一次および二次ピストンを備えた内燃機
関を提供する。 【解決手段】 作業機械での使用に特に適している内燃
機関は、端部に燃焼弁カバーを備えている。一次ピスト
ンは燃焼シリンダ内に往復運動するように配置される。
燃焼シリンダの端部における弁カバーは、燃焼シリンダ
と連通している二次シリンダを含む。二次ピストンは二
次シリンダ内に往復運動するように配置される。アクチ
ュエータは、一次ピストンの位置に応じて二次ピストン
の位置を制御するための二次ピストンに連結される。二
次ピストンの動作は、燃焼シリンダ内での燃料および空
気の混合物の着火シーケンスを間接的に制御し、圧縮比
を増加させ、燃焼温度を、故に約０．４程度の率までＮ
ＯＸ生成物を低減し、煤煙の形成を低減し、ミスファイ
ヤを低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に関し、
より詳しくは、内燃機関内のピストン配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関は、１つまたはそれ以上の燃焼
シリンダ内で燃料と空気との混合物を燃焼させ、燃焼プ
ロセスからのエネルギーを機械的出力エネルギーに変換
する。クランク軸式エンジンの場合には、１個またはそ
れ以上のピストンがクランク軸に旋回可能に接続され、
クランク軸を駆動する。自由ピストンエンジンの場合に
は、各ピストンは、対応する燃焼シリンダ内で独立して
摺動可能であり、軸方向に延びる軸に連結されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】予混合圧縮自己着火
（ＨＣＣＩ）燃焼に関する最近の研究は、有望そうに思
われるが、ＨＣＣＩ燃焼概念に伴う幾つかの課題が残っ
ている。その多くは、ＨＣＣＩ概念が、着火タイミング
を、直噴式（Ｄ．Ｉ．）ディーゼルエンジン内の燃料噴
射によって間接的に、またはスパーク着火式（Ｓ．
Ｉ．）エンジンのスパークによって直接的に制御できな
いという２つの燃焼制御形態を放棄するという事実から
生ずる。さらに、発熱速度を、Ｄ．Ｉ．エンジン内の燃
料噴射速度によるか、またはＳ．Ｉ．エンジン内の有限
乱流火炎伝搬によって制御できない。その結果、着火事
象を制御することは、ＨＣＣＩエンジンのより高負荷に
おいて広く知られる問題となる。
【０００４】現在、天然ガスＨＣＣＩ燃焼原理は、吸気
マニホールド温度の上昇を通じて着火を促進することに
頼っている。模擬実験は、着火タイミングがマニホール
ド温度に非常に敏感であることを示している。つまり、
熱移動のばらつきや乱流などに起因する電荷温度の僅か
な揺動が、着火タイミングを１０クランク角度まで変化
させてしまう。
【０００５】本発明は、上述の問題の１つまたはそれ以
上を克服することに向けられている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の一形態におい
て、内燃機関は、ヘッド端を有する燃焼シリンダを備え
ている。一次ピストンは、燃焼シリンダ内で往復運動す
るように配置される。燃焼シリンダのヘッド端における
シリンダヘッドは、燃焼シリンダと連通している二次シ
リンダを含む。二次ピストンは、二次シリンダ内で往復
運動するように配置される。アクチュエータは、一次ピ
ストンの位置に応じて二次ピストンの位置を制御するた
めの二次ピストンに連結されている。
【０００７】本発明の他の形態において、内燃機関を動
作させる方法は、ヘッド端を有する燃焼シリンダ内で一
次ピストンを往復運動させるステップと、ヘッド端に近
接した燃焼シリンダと連通している二次シリンダ内で二
次ピストンを往復運動させるステップとを備え、この往
復運動ステップは、二次ピストンが、燃焼シリンダ内の
一次ピストンの位置に依存して二次シリンダ内に位置を
有するように実行される。
【０００８】
【発明の実施の形態】さて、図面を参照するに、特に図
１および２において、オンロード車両、オフロード車
両、トラクタ、掘削機などのような作業機械内に組み込
まれる本発明の内燃機関１０の一実施形態が示されてい
る。作業機械は、破線１４で概略的に示されるように、
内燃機関１０を支持するフレーム１２を含む。内燃機関
１０は、示された実施形態においては圧縮着火方式エン
ジンとし、一般にシリンダヘッド１６、一次ピストン１
８、弁カバー２０、二次ピストン２２、およびアクチュ
エータ２４を含む。
【０００９】シリンダヘッド１６は、１つまたはそれ以
上の燃焼シリンダ２６を定め、典型的に複数の燃焼シリ
ンダを定め、その内の１つだけが図面での説明の簡略の
ために示されている。燃焼シリンダ２６は、弁カバー２
０が連結される端部２８を含む。シリンダヘッド１６は
典型的に、破線１４で示されるように、エンジンマウン
トなどを介してフレーム１２に間接的に接続されてい
る。
【００１０】一次ピストン１８は、燃焼シリンダ２６内
に往復運動するように配置され、弁カバー２０に近接し
た上死点位置（図１で示されるように）と燃焼シリンダ
２６の対向端の下死点位置との間で移動可能である。一
次ピストン１８は、一次ピストン１８に弁カバー２０と
反対側で連結されたロッド３０を含む。クランク軸方式
エンジンの場合には、ロッド３０は一次ピストン１８に
旋回可能に連結される。自由ピストンエンジンの場合に
は、ロッド３０は典型的に一次ピストン１８と固く連結
される。
【００１１】一次ピストン１８はまた、燃焼シリンダ２
６内に噴射される燃料と空気との混合物の混合を促進す
る定義済みの輪郭を有する冠状部３２を含む。冠状部３
２の特定の輪郭は、特定用途により異なる。一次ピスト
ン１８はまた、その外周に各々がそれぞれのピストンリ
ング３６を備えた１本またはそれ以上の環状ピストンリ
ング溝３４を含む。ピストンリング３６は、公知のごと
く、燃焼サイクル中の燃焼生成物のブローバイを防止す
る。一次ピストン１８はまた、特定の用途によっては、
ピストンリング溝３４およびピストンリング３６を用い
ずに構成されても良い。
【００１２】弁カバー２０は、上述のように、端部２８
においてシリンダヘッド１６と連結される。弁カバー２
０は典型的に複数の燃焼シリンダ２６をカバーするが、
説明の簡略化のために図１ではたった１つの燃焼シリン
ダ２６をカバーしているところしか示されていない。弁
カバー２０は、燃焼シリンダ２６と連通している二次シ
リンダ３８を含む。弁カバー２０はまた、一対の吸気ポ
ート４０および排気ポート４２を含み、対応する対の吸
気弁４４および排気弁４６がその中で往復運動するよう
に配置される。吸気弁４４および排気弁４６は、一次ピ
ストン１８が上死点位置と下死点位置との間、およびそ
の逆に往復運動するとき内燃機関１０の動作中に公知の
方法で作動される。
【００１３】二次シリンダ３８は、示された実施形態で
は略円形状を有し、燃焼シリンダ２６および一次ピスト
ン１８と略同心に位置付けられるのが好ましい。但し、
特定の用途に応じて、一次ピストン１８の長手方向軸に
対してオフセットさせて二次シリンダ３８を位置付ける
ことも可能である。とにかく、二次シリンダ３８は、一
次ピストン１８が図１に示されるように上死点位置、ま
たはその近くにあるときに燃焼プロセス中の燃料および
空気の混合物の流体力学および化学的反応性に影響を及
ぼすように燃焼シリンダ２６の端部２８に近接して位置
付けられる。
【００１４】二次ピストン２２は、二次シリンダ３８内
に往復運動するように配置され、燃焼シリンダ２６の端
部２８に近接した上死点位置（図１に示されるように）
と二次シリンダ３８の反対端における下死点位置との間
で移動可能である。二次ピストン２２は、特定の用途に
応じて、定義済みの輪郭を備えた冠状部４８を含む。示
された実施形態においては、冠状部４８は、略平面状で
あっても良いが、特定の用途に応じて、湾曲表面、また
は複合湾曲面を有することもある。二次ピストン２２
は、一対のピストンリング５２をそれぞれ備えた一対の
ピストンリング溝５０を含む。ピストンリング５２は、
燃焼シリンダ２６内の燃料および空気の混合物の燃焼中
の燃焼生成物のブローバイを抑制するように構成され
る。ロッド５４は、二次ピストン２２に連結され、線５
６で示されるようにアクチュエータ２４と直接または間
接的に連結される。二次ピストン２２は、一次ピストン
１８が燃焼シリンダ２６内での圧縮行程とリターン行程
との間で往復運動するとき、二次シリンダ３８内に往復
運動させられて燃焼シリンダ２６内の燃料および空気の
混合物の燃焼タイミングに影響を及ぼす。
【００１５】アクチュエータ２４は、一次ピストン１８
の位置に応じて、二次ピストン２２の往復運動位置を制
御する。アクチュエータ２４は、特定の用途に応じて、
カムアクチュエータ、液圧アクチュエータ、または電気
アクチュエータとして構成されても良い。カムアクチュ
エータ（概略的に図３に示された）として構成される場
合、アクチュエータ２４は、二次ピストン２２を上死点
位置にとどまらせて、それにより所定期間上死点位置に
「固定」させる平カム輪郭２４Ｂを有するカム２４Ａを
含む。カム２４Ａは、一次ピストン１８の運動に応じて
カム２４Ａを回動できるように、好ましくは一次ピスト
ン１８と関連付けられたカム軸（図示せず）との相互連
結を介して、軸５８の回りで回転可能に駆動される。
【００１６】上述のように、アクチュエータ２４はま
た、液圧アクチュエータとして構成されても良い。液圧
アクチュエータとして構成される場合、軸５４はゆえ
に、上死点位置と下死点位置との間で二次ピストン２２
を往復運動させるプランジャ軸の働きをする。液圧アク
チュエータとして構成される場合、二次ピストン２２が
二次シリンダ３８内の任意の所望位置まで、または任意
の所望位置を通じて移動されても良いことが理解されよ
う。ゆえに、二次ピストン２２の上死点位置と下死点位
置とが変わっても良い。二次ピストン２２の上死点位置
を変更することによって、一次ピストン１８と燃焼室２
６の有効圧縮比も同様に変更されても良い。
【００１７】図１〜３に示された実施形態においては、
二次ピストン２２および二次シリンダ３８は、それぞれ
略円形状（すなわち、略円形断面形状）を有する。但
し、特定の用途に応じて、異なる断面形状を有し、しか
も尚も二次シリンダ内での二次ピストンの有効往復運動
を可能にする二次ピストン２２および二次シリンダ３８
を構成することも可能である。
【００１８】（産業上の利用可能性）使用時、一次ピス
トン１８は、図１に示されるように、下死点位置と上死
点位置との間で、およびその逆に燃焼室２６内で往復運
動させられる。一次ピストン１８が下死点位置から上死
点位置まで移動すると、吸気弁４４が作動されて燃焼空
気および／または空気および燃料の混合物を燃焼シリン
ダ２６内に吸い込む。個別の燃料噴射器（図示せず）が
提供されても良い。一次ピストン１８が上死点位置また
はその近くに、好ましくは上死点位置直前にあるとき、
二次ピストン２２が同様に作動され、燃焼シリンダ２６
のヘッド端２８に近接した上死点位置まで移動される。
これは、一次ピストン１８と弁カバー２０との間の燃焼
シリンダ２６内の燃焼室の容積サイズを効果的に高速減
少させる。圧縮着火の場合では、十分なエネルギーが燃
焼シリンダ２６内の燃料および空気の混合物に加えられ
て燃料および空気の混合物を燃焼させる。二次ピストン
２２は、所定期間上死点位置に保持されて燃焼シリンダ
２６内の燃焼室の容積を最小限に維持するのが好まし
い。アクチュエータ２４がカムアクチュエータとして構
成される場合、これは、カム２４Ａの平カム輪郭２４Ｂ
を介して達成される。液圧アクチュエータとして構成さ
れる場合、二次ピストン２２は、十分な液圧圧力をロッ
ド５４に加えることによって上死点位置に簡単に保持さ
れる。
【００１９】燃焼後、一次ピストン１８は、上死点位置
から下死点位置に向かって移動される。二次ピストン２
２は、同時にその下死点位置に向かって移動されて燃焼
シリンダ２６内の燃焼室の容積を効果的に増加する。液
圧アクチュエータ２４の場合では、二次ピストン２２の
下死点位置はまた、変更され、次いで内燃機関１０の圧
縮比を変えても良い。このプロセスは、下死点位置と上
死点位置との間、およびその逆の一次ピストン１８のサ
イクルごとに反復する。二次ピストンはまた、下死点位
置に移動され、次いで所定位置に保持されてサイクル間
の圧縮比を変更する。
【００２０】一次ピストン１８が下死点位置に向かって
移動すると、排気弁４６が作動されて排気ガスを燃焼シ
リンダ２６内の燃焼室から排出させる。
【００２１】さて、図４を参照するに、燃焼シリンダ２
６、二次シリンダ３８、および二次ピストン２２によっ
て起こる重ね合わされた容積の容積輪郭の図形的表示が
示される。明らかなように、二次ピストン２２が作動さ
れ、上死点位置に移動されると、一次ピストン１８の冠
状部３２に近接した燃焼シリンダ２６内の燃焼室の容積
の急激な減少が起こる。二次ピストン２２のタイミング
を変えることによって、燃焼シリンダ２６内で起こる燃
焼シーケンスのタイミングを変えることも同様に可能で
ある。二次ピストン２２は、燃料および空気の混合物の
燃焼が図４で示されるように、クランク角度０度を丁度
過ぎた（すなわち、一次ピストン１８の上死点位置を丁
度過ぎたところ）組み合わされたトレースの僅かな突出
部分で示されるように一次ピストン１８の上死点位置を
僅かに過ぎたところで起こるように作動されるのが好ま
しい。ゆえに、二次ピストン２２を使用して燃焼シリン
ダ２６内の燃料および空気の混合物の燃焼シーケンスを
間接的に制御することも可能である。
【００２２】本発明は、燃焼シリンダ内の一次ピストン
の上死点位置またはその近くにある二次シリンダ内に往
復運動するように配置された二次ピストンを提供する。
二次ピストンの往復運動は、燃焼シリンダ２６内の燃料
および空気の混合物の着火シーケンスを間接的に制御で
きるように制御される。ゆえに、着火事象を一次ピスト
ン１８の上死点位置直後の時点に移動することも可能で
ある。シリンダ弁は、サイクル中またはサイクル間に変
更される。さらに、二次ピストン２２の位置を制御する
ことによって、圧縮比が増加されるが、二次ピストン２
２によって上死点位置において与えられるものまでのみ
限定される。入口温度は、二次ピストン２２が一次ピス
トン１８の上死点位置直後の可燃性条件を間接的に高め
るので僅かに低減される。容積効率の線形変化であるパ
ワーも、ゆえに改良される。燃焼シリンダ２６内の燃焼
温度をも下げる希薄燃料と空気との混合物を使用するこ
とも可能である。従って、ＮＯＸ生成物は、０．４程度
の等価率まで低減される。低温も、増加された熱効率を
有する高効率比熱比となる。希薄予混合燃焼はさらに煤
煙形成を低下させる。二次ピストン２２の運動と関連付
けられた容積輪郭は、条件が、上死点前に、メタン燃料
に関しては典型である１１００°Ｋ閾値となるのを防
ぐ。二次ピストン２２が所定の均一滞留時間上死点にと
どまるように一次ピストンの容積上に二次ピストンの容
積輪郭を重ね合わせることによって、燃料および空気の
混合物が着火状況内により長時間曝され、ミスファイヤ
が減少することとなる。
【００２３】この発明の他の態様、目的、および利点
は、図面、明細書、および特許請求の範囲を検討するこ
とによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】作業機械内の本発明の内燃機関の一実施形態の
部分断面図である。
【図２】図１の線２−２についての断面図である。
【図３】二次ピストンに連結されたカムアクチュエータ
の概略図である。
【図４】一次および二次ピストンの運動と関連付けられ
た体積曲線のグラフである。
【符号の説明】
１０ 内燃機関 １２ フレーム １６ シリンダヘッド １８ 一次ピストン ２０ 弁カバー ２２ 二次ピストン ２４ アクチュエータ ２６ 燃焼シリンダ ２８ 端部 ３０ ロッド ３２ 冠状部 ３４ ピストンリング溝 ３６ ピストンリング ３８ 二次シリンダ ４０ 吸気ポート ４２ 排気ポート ４４ 吸気弁 ４６ 排気弁 ４８ 冠状部 ５０ ピストンリング溝 ５２ ピストンリング ５４ ロッド ５８ 軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スコット ビー．ファイブランド アメリカ合衆国 61615−2842 イリノイ 州 ピオリア ウエスト キャロウセル レーン 4111 Ｆターム(参考） 3G092 AA02 AA12 AB08 AC05 BA08 DD08 DG01 DG05 DG07 FA15

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】端部を有する燃焼シリンダと、 前記燃焼シリンダ内に往復運動するように配置された一
    次ピストンと、 前記燃焼シリンダの前記端部における弁カバーであっ
    て、前記シリンダヘッドは前記燃焼シリンダと連通して
    いる二次シリンダを含む、弁カバーと、 前記二次シリンダ内に往復運動するように配置された二
    次ピストンと、 前記二次ピストンに連結され、前記一次ピストンの位置
    に応じて前記二次ピストンの位置を制御するアクチュエ
    ータと、を備える内燃機関。
  2. 【請求項２】 前記アクチュエータは、カムアクチュエ
    ータ、ソレノイドアクチュエータ、および液圧アクチュ
    エータのうちの1つを含む請求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】 前記アクチュエータは、平カム輪郭を有
    するカムアクチュエータを含む請求項２に記載の内燃機
    関。
  4. 【請求項４】 前記二次ピストンは、略円形状を含む請
    求項１に記載の内燃機関。
  5. 【請求項５】 前記二次ピストンは、少なくとも１本の
    ピストンリング溝と、各前記ピストンリング溝内にそれ
    ぞれ備えられた少なくとも１本のピストンリングとを有
    する請求項４に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】 前記シリンダヘッドは少なくとも１つの
    吸気弁と少なくとも１つの排気弁とを含む請求項１に記
    載の内燃機関。
  7. 【請求項７】 作業機械であって、 フレームと、 前記フレームによって支持された内燃機関であって、 燃焼シリンダと、 前記燃焼シリンダ内に往復運動するように配置された一
    次ピストンと、 前記燃焼シリンダの端部におけるシリンダヘッドであっ
    て、前記シリンダヘッドが前記一次シリンダと連通して
    いる二次シリンダを含む、シリンダヘッドと、 前記二次シリンダ内に往復運動するように配置された二
    次ピストンと、 前記二次ピストンに連結され、前記一次ピストンの位置
    に応じて前記二次ピストンの位置を制御するアクチュエ
    ータと、を含む、内燃機関と、を備える作業機械。
  8. 【請求項８】 前記アクチュエータは、カムアクチュエ
    ータおよび液圧アクチュエータのうちの1つを含む請求
    項７に記載の作業機械。
  9. 【請求項９】 前記アクチュエータは、平カム輪郭を有
    するカムアクチュエータを含む請求項８に記載の作業機
    械。
  10. 【請求項１０】 内燃機関を動作させる方法であって、 端部を有する燃焼シリンダ内で一次ピストンを往復運動
    させるステップと、 前記端部に近接し、前記燃焼シリンダと連通している二
    次シリンダ内で二次ピストンを往復運動させるステップ
    であって、前記往復運動ステップは、前記二次ピストン
    が、前記燃焼シリンダ内の前記一次ピストンの位置に依
    存して前記二次シリンダ内に位置を有するように実行さ
    れるステップと、を含む方法。
  11. 【請求項１１】 前記一次ピストンを往復運動させる前
    記ステップは、前記燃焼シリンダ内の上死点位置に前記
    一次ピストンを移動させ、前記一次ピストンが前記上死
    点位置またはその近くにあるときに、前記燃焼シリンダ
    内で燃料および空気の混合物を燃焼させることを含む請
    求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記二次ピストンを往復運動させる前
    記ステップは、前記一次ピストンが前記対応上死点位置
    またはその近くにあるときに、前記二次シリンダ内の上
    死点位置に前記二次ピストンを移動させることを含む請
    求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記燃焼サブステップは、前記一次ピ
    ストンが前記対応上死点位置を僅かに過ぎるときに起こ
    る請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記燃焼サブステップは、前記燃料お
    よび空気の混合物を１７００°Ｋ未満の温度で燃焼させ
    ることを含む請求項１１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記燃焼サブステップは、前記燃料お
    よび空気の混合物を１１００°Ｋ未満の温度で燃焼させ
    ることを含む請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記燃焼サブステップは、圧縮着火に
    よって前記燃料および空気の混合物を燃焼させることを
    含む請求項１１に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記二次ピストンを往復運動させる前
    記ステップは、前記二次ピストンに連結され、前記二次
    ピストンの上死点位置と関連付けられた平カム輪郭を有
    するカムアクチュエータを用いて実行される請求項１０
    に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記二次ピストンを往復運動させる前
    記ステップは、前記二次ピストンに連結された液圧アク
    チュエータを用いて実行され、前記液圧アクチュエータ
    は、前記一次ピストンおよび前記燃焼シリンダに可変圧
    縮比を提供する請求項１０に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記一次ピストンが対応上死点位置ま
    たはその近くにあるときに前記二次ピストンを前記上死
    点位置に保持するサブステップを含む請求項１８に記載
    の方法。
  20. 【請求項２０】 前記端部に弁カバーであって前記二次
    シリンダを含む弁カバーを提供するステップを含む請求
    項１０に記載の方法。
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