JP2004162705A - クランクケース内部にある改良された空気・燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ピストンエンジンは、燃料をクランクケースに供給するノズル−ディフーザを内蔵する。そのノズルディフューザは、入口端と出口端を有し、この入口端と出口端の間に喉部を有し、その断面は入口または出口端の断面積よりも小さく、その喉部の吸入ポートの内表面はテーパ状になっている。このノズル−ディフューザはクランク軸に内蔵しても良い。
【効果】空気・燃料供給の速度、圧力、温度が変化し、燃料と空気との混合は更に均一な供給になり、その結果、エンジンの出力向上、燃費改善、排気ガスエミッションの減少効果をもたらす。
【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関分野に関するもので、より詳しくはクランクケースに送り込まれた空気・燃料が燃焼室に通じる２ストロークエンジン（以下２サイクルエンジンという）に関する。

最近のエンジン応用にとって長時間にわたって運転できる耐久性の重要性が増加している。例えば標的機又は無人偵察航空機に使用される内燃機関は24時間連続使用を要求される。これはエンジンの耐久性に関する問題を増大している。エンジンがガソリン、ディーゼル油、重油など、如何なる種類の燃料でも効率よく運転出来るエンジンの供給が望まれている。更には、２サイクルエンジンの燃焼効率を改善し、燃料経済性を改善してエミッション（有害廃棄物）を減少することが一般に望まれている。

この目的のために過去において幾つかの方法がとられてきている。燃焼室の表面に断熱セラミック層を利用することで、エンジンの燃焼を改良したことは知られている。例えば米国特許番号4,852,542 又は5,820,976 にそれが紹介されている。これはエンジンをより加熱して燃焼を改良する一方、増加された熱のため、エンジン要素をより早く壊したりする原因になる。加えて、この方法では空気吸入の温度を増し、見かけの空気―燃料比と容積効率を変える。

この問題に対してターボ過給とか燃料噴射システムをエンジンに付加することが提案されるかもしれないが、このようなシステムはエンジンのサイズ、重量、コストを増加させる。更には、ターボ過給機はエンジン内部の温度、圧力を高めるためエンジンの磨耗を一般に増加させる。燃焼室表面への断熱層を付加する結果は、長時間連続に運転しなければならないエンジンには適切でなくなる。更に従来のターボ過給とか燃料噴射システムを付加することはエンジンの重量、サイズ、価格の点から受け入れ難いレベルまで押し上げる。

また、エンジンの有害排気物を減少させることが望まれている。２サイクルエンジンは４サイクルエンジンより一般に効率が良い反面、２サイクルエンジンの吸入口と排気口のタイミング特性のため、燃料噴射又はターボ過給をしなければ、空気取り込み即ち、吸入特性が非常に悪い。空燃比(A/F) 供給が直接燃焼室に行く時には排気口の一部分はまだ開口している。そして２サイクルエンジンの空気・燃料は良く混合していないので、直ちに燃焼されない。この燃焼遅れは一部開口された排気口と相まって、空気燃料の一部がこの排気口を通って逃げることになる。或る場合には未燃燃料がこの排気口から逃げる量は、もともと投入した燃料の60 %に迄至る。これが環境を廃棄燃料で汚損する。

その結果、野外で動力を使うメーカは２サイクルエンジンを４サイクルエンジンに変えて環境に優しい製品にしている。

このような各種の２サイクルエンジンにおいて、好ましくは出力が大きく、燃料はより少なく、軽量で低価格の、しかもエミッションの特性が改善されたエンジンが望まれている。

本発明のピストンエンジンは、クランクケースに空気・燃料を供給するノズル−ディフーザを持っている。このノズル−ディフューザは入口端、出口端を持っており、それらの間に入口端または出口端の断面積より小さい断面積の喉部を有し、その喉部の吸入ポートの内側表面はテーパ状になっている。このノズル−ディフューザは、その空気・燃料供給の速度、圧力、温度が変化する。その結果、燃料と空気の混合が更に均一化されて供給され、エンジンの燃料経済性が改良され、排気ガスのエミッション（有害廃棄物）は減少する。このようなノズル−ディフューザは、クランク軸に内蔵することも出来る。

ノズル−ディフューザは、次の２つの効果を有する。先ず、空気・燃料供給の流通の乱流化を促進し、それを燃焼室に導く前に、供給気体どうしの混合を良好にする。第２は、空気・燃料の速度と圧力を増加し、それを燃焼室に導く前に、あたかも空気・燃料供給のターボ過給化とか昇圧化に類似した状態とする。次いでその燃焼の結果、エンジンの平均有効圧が高まり、出力は増加し、僅かな補助着火で重油燃料（圧縮着火燃料）の燃焼も可能になる。そしてエンジンの効率は空気・燃料の混合を良くすることで増加する。更にこれらの結果は、従来のターボ過給とか燃料噴射システムを使うこと無しに可能となり又、エンジンの重量とか価格の多少の上昇も無しに、達成出来る。

本発明はクランクケースを通って気筒内への吸入ポートを有する２サイクルエンジンのようなエンジンに使われる。その吸入空気・燃料供給はノズル−ディフューザを通ってクランクケースへと通じる。そのノズル−ディフューザは入口端と出口端を持つ空気・燃料ポートであって、その入口端、出口端の間に喉部を有し、喉部の断面積は入口端または出口端より小さい断面積を有する。その喉部の入口ポートの内部表面はテーパ状になっている。

図１において、ノズル−ディフューザ101 は外形が円柱状で、入口端103と、出口端104とを持つ。さらに選択的に、１個又は複数個の半径方向にのびる出口ポート102 を持つ。このノズル−ディフューザは、２サイクルエンジンの空気・燃料がクランクケースに入れるような位置に取り付けられる。一つの具体例では、空気・燃料供給はクランク軸の軸方向内の空洞を通すことも出来る。図２に示すように、クランク軸202 は空気・燃料入口面201 を有し、ノズル−ディフューザ101 はクランク軸202 に摩擦結合かキー止めされても良く、入口端103 は空気・燃料入口端201 に隣接する。

出口端104は一般的にカウンターウェイト203 の表面に面一である。図３に示す如く、カウンターウェイト203 には、ノズル−ディフューザの出口ポートと整合する１個又は複数個の空気・燃料出口端204 を有する事も出来る。この形状では空気・燃料はノズル−ディフューザの出口端104 を通ることは勿論、出口ポート204をも通じて流れる。

図４に示す如く、ノズル−ディフューザのノズル寸法はセンチメートルで示されている。ノズルを通る空気の速度を増速すると同時に、温度、圧力は入口速度のマッハ数１以下であれば減少する。
速度のマッハ数が１. ０以下であれば図の通りになる。

図６，図７，図８の各部寸法と、その角度は、各種特定のエンジンのノズル−ディフューザの設計のために使われる。ノズルとディフューザの組合せ中のノズル部分の基本的な機能は空気・燃料流入の速度を加速し、圧力と温度を減少さすことである。
この場合、速度が増えるのは断面積の変化に基因し、空気流れが大きな面積から小さな断面積へと流れるのに伴い、空気流れの空力パラメータが変化して吸気供給速度は上昇する。

その空気速度は、次の連続の式から計算される：
空気速度は連続の式から計算される：

空気圧力は次の方程式から計算される：

エネルギー方程式は：

空気温度は次の式から計算される：

これらの式を使って速度は次の計算式で求まる：

形状変化の下で速度は次の計算式で求まる：

次に、図９に示すような具体例では、ノズル−ディフューザはクランクケース内の可動エンジン要素、例えばコネクティングロッドに向けて空気・燃料を直接供給出来るような位置に設置出来る。空気・燃料供給をクランクケースへ連結する方法を高揚するために、コネクティングロッド302 に開口部を設けることが出来る。この改良は図１１と図１２との比較図で明らかにされている。

図１１と図１２は又、クランクハウジング305 に内蔵されたクランクケース304 内のエンジン要素のコネクティングロッド302 とカウンターウェイト203 の相対的位置を示している。従来の数多くの２サイクルエンジンと同じく、空気・燃料供給は、往復するピストン306 内の燃焼室と弁を通して連結されている。別の具体図では、クランク軸202 のカウンターウェイト203 は半径方向の開口部204 を有し、クランク軸の中心からカウンターウェイトの一番外側迄通路がある。

本発明の１つの具体例としては、従来の２サイクル飛行機エンジン、例えばMagnum 0.4 XL リング無しエンジンに適用して、その改良が加えられる。このエンジンは米国カリフォニア州のFountain Valley にあるMagnum Service社から入手することが出来る。このエンジンに本発明のノズル−ディフューザを使用したときの性能改善は著しいものであった。例えば、本発明を実施する前のエンジンの出力は0.349 HP、燃費0.540 lbs/hrであった。本発明の特徴を組み入れた改良エンジンでは出力0.461 HP、燃費0.540 lbs/hrを得た。これは燃料量一定で３２％の出力HP改善を得ている。

ノズルのみでクランク軸に使用するテストでは約１７. １％の出力（基本エンジン＝0.349 HP対0.410 HP）の改良と燃費約１５％の改善を見た。クランク軸にノズル−ディフューザを付加した場合は出力HPで0.426 HP、即ち約２１. ７％の出力HPの増加を見た。燃料消費はノズル出口の喉部に依存して変化するが、本発明による改良は燃費で１５から２０％の改善があった。

同じエンジンで更に改良を加えて、コネクティングロッドに開口部を付加すると燃費の改善が確かめられた。組合せた効果で燃費は２０％から２８〜３０％迄上昇した。

カウンターウェイト内部の穴にディフューザを内蔵すると性能は一段と安定になった。従来エンジンへの抽気送風を行った際に起った不安定が、この穴を持つと、よりスムーズで、より正確に運転されるようになった。カウンターウェイトのこの穴の最適はエンジンの性能を３％から５％迄改良すると思われ、コネクティングロッドに開口部301 を設けた場合、その強度を低下させるので、そのような不都合が許容できない場合に採用できる。

ノズルディフューザのパラメータはエンジン出力増加レベルの極め手になると考えられる。そして喉部の面積が燃料割合の極め手になる。喉部を小さくとると、燃料割合が少なくなり燃費がより良い方向になる。喉部が極めて小さくなると出力HP低下の原因になる。

別の行ったテストで、大阪にあるエンジン（商品名ＯＳエンジン）の製造会社から入手したOS Max 0.50 in３．ＳＸエンジンの結果は次表で要約されている：

燃料消費量はlbs/hr、ＢＳＦＣは比制動馬力燃費率（単位lbs/HP-hr）

エンジンはニトロメタン、アルコール、ガソリン燃料で動かされ得るので、２- サイクルエンジンの多種類燃料エンジンは可能である。各々の燃料には最良の性能を求める最適化を行う必要がある。

本発明の種々の詳細な設計は本発明の技術思想の範囲から逸脱すること無しに変更出来ることはいうまでもない。更に、前述の記述は例示であり、本発明は特許請求の範囲で定義したものであって、前記例示に限定されるものではない。例えばノズル−ディフューザの断面は非円形であっても良いし、ノズル−ディフューザは、クランクケースの別の位置に空気・燃料供給装置を置いても良い。

下記に掲げる参考リスト及びこの仕様に引用した参考資料は付録、説明、教育手法と技術の背景に及ぶ範囲の資料としてここに包括される：
米国特許No.4,362,122、No．4,860,699 、No．5,261,359 、No．5,967,103 、No．6,216,649 、No．6,267,088 と特許出願公開No.2002/26,912A 。

３個の付加出口ポートを持つノズル−ディフューザの一例を示す側面図。 図１のノズル−ディフューザが挿入されるエンジン・クランク軸の斜視図。

図２のクランク軸の側面図であって、カウンターウェイトの中にある空気・燃料出口を示している。 １個のノズル内部寸法の代表的な例で、このノズルを通過する時の空気・燃料供給の速度、圧力、温度の変化を示している。

ノズル−ディフューザの内部寸法の代表的な例で、このノズル−ディフューザを通過する時の空気・燃料供給速度、圧力、温度の変化を示している。 ノズル−ディフューザの相対的な寸法パラメータを示す図。

ディフューザの相対的な寸法パラメータを示す図。 ノズルの相対的な寸法パラメータを示す図。

図２のクランク軸の正面図。 ２個の（異なる）ピストンの側面図で、そのうち１個はコネクティングロッドに開口部を有している。

開口部を持たないコネクティングロッドを有するエンジンの外観図。 開口部のあるコネクティングロッド付エンジンの斜視図で、ノズルディフューザを流出する空気・燃料がコネクティングロッドの開口部を通って流れるものを示したものである。

Claims (5)

1. 次の構成部品を有するピストンエンジンであって、
   クランクケースと、燃焼室と、そのクランクケースに空気・燃料を供給するノズル−ディフューザとを具備し、
   そのノズルディフーザの構成部品は、入口端と出口端とを有し、これらの入口端と出口端の間に入口ポートの内側表面がテーパ状になっている喉部を有し、その喉部の断面積が入口端または、出口端の面積より小さい断面積を持ち、
   前記クランクケースは、燃焼室とバルブで連結されていることを特徴とする。
2. 請求項１において、
   更に、クランク軸にノズル−ディフューザが内蔵されたピストンエンジン。
3. 請求項２において、
   更に、クランク軸にピストン・カウンターウェイトが連結され、
   前記ノズル−ディフューザの出力端からカウンターウェイトを通ずる空気・燃料管路が少なくとも一つ延長されたピストンエンジン。
4. 請求項３において、
   更に、コネクティングロッドに、ノズル−ディフューザの出口端から流出する空気・燃料が通過出来るような開口部を有するピストンエンジン。
5. 請求項２において、
   更に、コネクティングロッドに、ノズル−ディフューザの出口端から流出する空気・燃料が通過出来るような開口部を有するピストンエンジン。

Images