JP2004522042A - 燃焼機関 - Google Patents

Abstract

本発明は燃焼機関に関する。この燃焼機関は、一端をヘッド（４１）によって区切られ、第２の端をピストン（１）によって区切られ、ピストンはピストンピン（２）によって連接棒（３）の上に配列された少なくとも１つの燃焼室（４０）、ピストンピン（２）に関して移動可能であり、前記燃焼室（４０）の中で可変の容積を容易にする区切り面（８Ａ）を有するボデー（１、８、５２）、燃焼室（４０）の方向で前記面（８Ａ）へばね力を働かせる圧縮ばね（１０）、供給ダクト（１２、１３）を介して圧力源から作動油を供給される圧力室（１１）であって、燃焼圧力に依存して燃焼室のサイズを調整可能にする目的で作動油によって前記移動可能区切り面（８Ａ）の移動に影響するように配置された圧力室（１１）を含み、前記圧力室（１１）は入口ダクト（１３）と連通し、該入口ダクト（１３）は、圧力室（１１）内の圧力（Ｐ２）が供給ダクト（１３）内の圧力（Ｐ１）の下へ降下するとき、常に前記圧力源から圧力室（１１）へ作動油の補給を容易にすること、および前記圧力室（１１）は、少なくとも１つの制限装置（１４Ａ）と連通する出口（１４）を設けられ、前記制限装置は、圧力室（１１）内の圧力（Ｐ２）が前記出口（１４）内の圧力（Ｐ３）を超過する場合に圧力室（１１）からの作動油の流出を継続的に容易にし、それによって前記区切り面（８Ａ）を有する前記ボデーの移動の制動が動作中に得られることを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端をヘッドによって区切られ、第２の端をピストンによって区切られ、ピストンはピストンピンによって連接棒の上に配列された少なくとも１つの燃焼室、ピストンピンに関して移動可能であり、前記燃焼室の中で可変の容積を容易にする区切り面を有するボデー、燃焼室の方向で前記面へばね力を働かせる圧縮ばね、供給ダクトを介して圧力源から作動油を供給される圧力室であって、燃焼圧力に依存して燃焼室のサイズを調整する目的で作動油によって前記移動可能区切り面の移動に影響するように意図された圧力室を含む燃焼機関に関する。本発明の使用が意図される機関は、特に、様々な型の自動車機関、たとえばディーゼル機関およびガソリン機関、並びに主として過給が起こるこの種の機関である。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃焼機関は、よく知られている。それらの機関は様々なバージョンを有するが、様々な型の４ストロークエンジンが最も一般的である。全ての機関の共通点は、１つまたは複数のシリンダを含み、ピストンがシリンダの中で上下に動き、燃焼室内の圧力に依存して、ピストンが連結されているクランクシャフトを駆動できることである。燃焼室内の圧力は真空と非常に高い瞬間圧力との間で変化する。ピストンは、通常、横方向のいわゆるピストンピンを設けられ、その周りに連接棒が回転可能に支持される。連接棒は他端でクランクシャフトの周りに支持され、クランクシャフトを駆動する。シリンダ室の中には潤滑油があり、潤滑油は約４〜５バールの圧力で送り出され、相互に滑る全ての面を潤滑する。
【０００３】
燃焼機関は駆動エネルギーを発生する。その場合、燃料と空気との混合物が、圧力によりピストンの上の燃料室の中へ吸引または導入され、火花が燃料空気混合物を点火し、燃料空気混合物は迅速に燃焼して高い圧力を生成し、この高い圧力はピストンを押し下げる。ピストンの下降移動はクランクシャフトの回転運動へ変換される。機関のパワータッピング（power tapping）は、燃料空気混合物の組成および点火前の機関内の圧力に高度に依存する。燃料空気混合物がピストンの上昇運動によって圧縮されるとき、機関内の温度は増加し、火花が現れる前に混合物が点火され、所望されない燃焼プロセスを生成する危険が存在する。この早期点火はノッキングと呼ばれ、機関の外部から容易に聞くことができる。この問題は、燃料空気混合物が吸気される代わりに強制されるターボ過給機関で特に大きい。燃料空気混合物を供給するときノッキングなどを避けるため、極端に低い圧縮比からスタートすることが必要である。たとえば、通常の大通りで低負荷のターボ過給自動車を駆動するとき、吸気マニホルドの中に真空が存在するであろう。真空および最初から機関内に低圧縮比が存在する事実は、燃料が実際に提供することのできる最適燃焼および経済性が得られないことを意味する。
【０００４】
理想は、全ての速度および機関負荷において、ノッキング限界に近い圧縮圧力を有することであろう。こうして、全ての条件、すなわち、低いパワータッピングを伴う高い圧縮比、および高いパワータッピングを伴ってターボ過給を許す低い圧縮比で、最適燃焼を得ることができる。これは、可変圧縮室を使用して達成されることができる。油圧調整を使用して、動作中に、そのように圧縮比を変更／最適化することは、既にＤＥ３７１４７６２から知られている。クレイム１は、この既知の従来技術によって限定される。しかし、ＤＥ３７１４７６２は、厳格な油圧調整、すなわち、動作中に圧縮比の自動瞬間調整を可能にしない調整を利用する。既に、ＵＳ４，２８６，５５２から、瞬間調整を容易にする装置の使用が知られている。この瞬間調整は、燃焼室内の逆圧に依存してピストンの可動限定面の位置に作用するばねによって達成される。しかし、ＵＳ４，２８６，５５２による解決法は大きな欠点を有する。すなわち、或る動作条件では好ましくない振動が生じ、この振動は最悪の場合に全体の破壊をもたらす。したがって、そのような解決法は不可能ではないが、実用的実現は非常に困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明によれば、前述した問題は、前記圧力室を取り入れダクトと連通させ、圧力室内の圧力が供給ダクト内の圧力より下に降下するとき取り入れダクトが常に前記圧力源から圧力室へ作動油を補給するようにし、少なくとも１つの制限装置と連通する出口を前記圧力室に設け、圧力室内の圧力が前記出口内の圧力を超過するとき前記制限装置が連続的に圧力室から作動油を流出させるようにし、前記区切り面を有する前記ボデーの移動の制動が動作中に得られるようにすることによって、解決または少なくとも最小化された。
【０００６】
本発明は、以下で、同封された図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。
【０００７】
図１は、燃焼機関内のピストン１を示し、ピストンピン２はピストンの下方部分によってピストン１の中へ挿入され、ピストンピンの周りに連接棒３がはめ込まれる。これらの要素自身は知られており、詳細に説明されない。連接棒３は連続ダクト４を有し、それを通して圧力下の油がピストンピン２内のキャビティ５の中へ流れる。油の圧力源は機関の潤滑油槽であり、この潤滑油槽は、通常、動作中に４〜５バールの圧力を加えられる。したがって、油がピストンピン２の中へ流れることができるように、孔６がピストンピン２の中に含まれる。ピストン１の外側の上端に、ピストンリングを受け取る溝７が設けられる。
【０００８】
ピストン１の中で、その上方側から凹所が作られ、本発明に従ってピストン１の中でボデー／調整ピストン８が配列される。この調整ピストン８は、底で下方シーリング９Ａによってシーリングされる。下方シーリング９Ａは、前記凹所の円筒内部に対して底で調整ピストン８をシーリングする。上部では、調整ピストン８は更なるシーリング９Ｂを設けられる。シーリング９Ｂは、スリーブ形部分７０の内側に対して調整ピストン８をシーリングする。スリーブ形部分７０は、前記凹所の内側で上部に固定される。調整ピストン８は、その下方側に凹所を設けられ、その凹所の中にコイルばね１０が挿入されている。ばね１０は、この凹所の底およびピストン１内の凹所の底に対向して置かれる。したがって、このコイルばね１０は、調整ピストン８をその上方位置へ移動しようと努め、このコイルばね１０内のばね力は、調整ピストン８が下方へ押されるためには、燃焼圧力によって克服されなければならない。調整ピストンの下端に、シーリング９を支持するフランジ８Ｂが配列される。調整ピストンのフランジ８Ｂとスリーブ形ボデー７０との間に環状ギャップ空間が形成される。この空間は一種の圧力室を形成する。この空間／圧力室１１は、調整ピストン８の上下の運動を制動する油を保持するように意図される。この油は、ダクト１２および逆止め弁１３Ｂを介してピストンピン２内の空間５から圧力室１１へ供給される。空間１１からの油の出口として（空間１１の内部で或る圧力を超過したとき）、制限装置１４Ａおよび逆止め弁１４Ｂを含む出口１４が存在する。油が出口１４を出たとき、それはピストン１の外側へ流れ出る。機関内に油圧が存在するとき、空間１１は油で満たされるであろう。
【０００９】
図１Ａは、原理的には、図１と同じ型の解決法を示すが、幾つかの設計上の相違がある。第１に、図１Ａに従った設計は、ただ１つの逆止め弁１３Ｂを有する。すなわち、入口部分、すなわち圧力室１１の前に、ただ１つの逆止め弁を設けることで全く十分である。他の相違は、この実施形態に従った取り入れダクト１２自身も、サプライライン内で制限装置１３Ａを形成することである。更に、調整ピストン８は、底８Ｂおよび上部８Ｃの双方でフランジ部分を設けられる。スリーブ形ボデー７０は、ピストン１内の凹所を通して全体へ延長されることによってこの設計に適合化され、内側へ向いたフランジ型部分７０Ａを中央部分に有する。したがって、このフランジ形部分７０Ａと調整ピストンの上方フランジ８Ｃとの間に、圧力空間１１が形成される。フランジ形部分７０Ａの中に、圧力室１１を出口室１４Ｄへ連結する連結ダクト１４Ｃが置かれる。出口室１４Ｄは出口１４Ａと直接連通する。更に、出口１４Ａは、制限装置を含むダクトを設けられる。シーリング９Ｂとピストンの内側との間のダクト６０は、余分の油が排出されて戻されることを可能にする。図１Ｂは、図１Ａで示される実施に従ったスリーブ形ボデー７０を上方から見た図である。ボデー７０は複数の垂直ダクト１４Ｃを設けられ、ダクト１４Ｃは圧力室１１と出口室１４Ｄとの間の連通を可能にすることが明らかである。
【００１０】
図２は、本発明の更なる実施形態を示す。この実施形態において、図１および図１Ａと同じ参照符号が同じ要素に適用される。
【００１１】
実施形態の間の重要な相違は、図２によれば、全体のピストンケーシング１がピストンピン２に関して移動可能に配置されることである。更に、圧力室１１はピストンピン２の下の部分へ移動されているが、他の点では図１Ａに示される原理に従って構成される。更なる相違は、コイルばね１０の代わりに、ここではカップばねが使用されることである。
【００１２】
このように、本発明は、機関内の燃焼の瞬間圧力が、機関の作業サイクルの非常に短い期間の間、調整ピストン８の上へ下方に作用するように機能する。調整ピストン８の上下運動は、圧力室１１との間の流入および流出について、それぞれ制限装置１３Ａおよび１４Ａのおかげで油によって制動される。
【００１３】
残りの時間、機械ばねは、調整ピストンを上昇させるように努める。ばねは、実際の燃焼プロセスに対して時間動作するので、ばね力は、上部死点、すなわち、ばねの最小圧縮位置において、５〜２０Ｎ／ｃｍ^２（意図される面は、ピストンの全上面である）であれば十分である。
【００１４】
ここで、機能的平衡状態は、多数の作業サイクルの後に達成される（大きな損失を生成する強い振り子運動が除かれる）。調整ピストン８は、機関の充填レベルに対応する位置へ自分自身を自動的に調整するであろう。（増加した充填レベルは、たとえば、増加した機関速度と対照的に、特定の作業サイクルの間、ピストン面への圧力に影響する。）これは、調整ピストン８が、特定の作業サイクルに許される燃料空気混合物の可変量が充填レベルと等しくなる場合に、単にその位置を変化させることを意味する。
【００１５】
調整ピストン８の連続上下運動に起因して、調整ピストンの側面壁のドライアウト（膠着）の危険は減少する。このいわゆるドライアウトは、知られた問題であり、ドライアウト区域の増大した摩耗がその結果である。
【００１６】
図３は、本発明に従った燃焼空間の更なる実施形態を示す。この実施によれば、ピストン１は通常の配列を含む。したがって、ピストン１の上に可動部分は存在せず、連接棒３の内部に圧力ダクト４は存在しない。その代わりに、円筒形ケーシング５１を含み、その内部に、別個のピストン５２が移動可能に配置され、更に燃焼空間４０の一部分を区切る下面８Ａを有する調整装置５０が、燃焼室４０の上端、すなわち、シリンダヘッド４１の中に置かれる。区切り面８Ａはピストン５２によって移動可能である。ピストン５２は前記ケーシング５１の内部で転置可能である。調整ピストン５２は、圧力室１１の生成を容易にするシーリング５３を設けられ、圧力室１１は逆止め弁１３Ｂを介して作動油を供給されるように入口１２へ連結される。調整ピストン５２は、その上端に更なるシーリング５４を設けられる。シーリング５４は、ケーシング５１の上部から油が漏れるのを防止する。圧力室１１は制限装置１４Ａを介して出口１４と連通し、作動油は出口１４を介して圧力室１１から排出されることができる。固定停止部５５と調整ピストンの上端５２Ａとの間に、圧縮ばね１０が配置され、圧縮ばね１０が燃焼室４０へ向かって調整ピストン５２を下方へ連続的に転置するように努める。実施は、全体的に、図１および図２で説明した原理に従って機能するが、例外は、調整装置の運動がピストン１に従わないことである。
【００１７】
前述したように、調整ピストン８の位置は、機関の作業力に依存して自動的に調整される。この位置／平衡状態は、ばね１０によって生じる対向力に依存することが認められる。調整ピストン８は、機関破壊の危険なしに、油圧の或る低減を許容する。
【００１８】
本発明に従った機関のシミュレートされた例において、直径８０ｍｍ、すなわち約５０ｃｍ^２のピストン面を有する火花点火機関ピストンが使用される。ここで、圧縮比は１：８と１：１７との間である。様々な寄与変数に依存して、スタート位置／上部死点における最適ばね力は少なくとも４００Ｎであり、或る場合の最大圧縮位置では、４０００Ｎまでが所望の仕事率を与える。制動要件、すなわち制限効果は、調査された例で、２００ｋＮｓ／ｍへ大きく一定に保たれた。制動が低くなれば、位置決めは敏速になり、制動が高くなれば、振動損失は小さくなる。本発明に従った機関では、大きな利点を得ることができる。圧縮比を１：１０．５から１：１８へ増加することによって、シミュレートされた１．６リットル機関内の仕事率は、部分負荷の下で８．２から１１．０ｋＷへ増加した。
【００１９】
もし小さなターボ過給機関からスタートすれば、可変圧縮によって非常に良好なパフォーマンス、すなわち高いトルクおよび３０〜４０％の燃料節約を得ることができる。部分負荷の下で圧縮比を増加するだけで、１０〜１５％の燃料節約が達成される。
【００２０】
本発明は、示された実施形態に限定されず、クレイムの範囲内で異なった態様へ変更されることができる。特に、異なった型のばねを使用できること、およびこれらのばねを、異なった用途で異なった態様に最適化できることが認められる。更に、ばね１０からの対向力を、或る用途では有利に調整できることが認められる。図５の実施によれば、これは、単に、たとえばサーボモータまたは油圧式調整弁によって、停止部５５を移動可能／調整可能にすることによって達成される。代替的には、空気ばね装置を使用して達成される。調整は、コンピュータによって、所望の制御データ、たとえば負荷、速度、排出値、空気温度、機関温度などに基づいて最良に制御され、これらのデータに起因して平衡状態を瞬間的に適合化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態を軸方向断面で示す。
【図１Ａ】好ましい実施形態の軸方向断面を示す。
【図１Ｂ】図１ＡのＲ−Ｒに沿った径方向断面を示す
【図２】本発明の他の実施形態を軸方向断面で示す。
【図３】本発明の第３の実施形態を軸方向断面で示す。
【符号の説明】
【００２２】
１ ピストン
２ ピストンピン
３ 連接棒
４ 連続ダクト
５ キャビティ
８ ボデー／調整ピストン
８Ａ 区切り面、下面
８Ｃ 上部、上方フランジ
９Ａ 下方シーリング
９Ｂ シーリング
１０ コイルばね
１１ 空間／圧力室
１２ ダクト
１３Ａ 制限装置
１３Ｂ 逆止め弁
１４ 出口
１４Ａ 制限装置
１４Ｃ 連結ダクト
１４Ｄ 出口室
４０ 燃焼空間
４０Ａ
６０ ダクト
７０ スリーブ形部分
７０Ａ フランジ形部分

Claims (10)

1. 一端をヘッド（４１）によって区切られ、第２の端をピストン（１）によって区切られ、ピストンはピストンピン（２）によって連接棒（３）の上に配列された少なくとも１つの燃焼室（４０）、ピストンピン（２）に関して移動可能であり、前記燃焼室（４０）の中で可変の容積を容易にする区切り面（８Ａ）を有するボデー（１、８、５２）、燃焼室（４０）の方向で前記面（８Ａ）へばね力を働かせる圧縮ばね（１０）、供給ダクト（１２、１３）を介して圧力源から作動油を供給される圧力室（１１）であって、燃焼圧力に依存して燃焼室のサイズを調整する目的で作動油によって前記移動可能区切り面（８Ａ）の移動を起こすように配置される圧力室（１１）を含む燃焼機関であって、前記圧力室（１１）は入口ダクト（１３）と連通し、前記入口ダクト（１３）は、圧力室（１１）内の圧力（Ｐ２）が供給ダクト（１３）内の圧力（Ｐ１）の下へ降下するとき、常に前記圧力源から圧力室（１１）へ作動油の補給を容易にすること、および前記圧力室（１１）は、少なくとも１つの制限装置（１４Ａ）と連通する出口（１４）を設けられ、前記制限装置は、室（１１）内の圧力（Ｐ２）が前記出口（１４）内の圧力（Ｐ３）を超過する場合に圧力室（１１）からの作動油の流出を継続的に容易にし、それによって前記区切り面（８Ａ）を有する前記ボデーの移動の制動が動作中に得られることを特徴とする燃焼機関。
2. 前記出口（１４）が少なくとも１つの逆止め弁（１４Ｂ）を設けられることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼機関。
3. 前記供給ダクト（１３）が少なくとも１つの逆止め弁（１３Ｂ）を設けられることを特徴とする、請求項２に記載の燃焼機関。
4. ばね力が機械ばねによって達成され、前記機械ばねは、スタート位置／上部死点でピストン面のｃｍ^２当たり５〜２０Ｎ、好ましくは７〜１５Ｎ／ｃｍ^２の範囲でばね力を働かせることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼機関。
5. 前記区切り面（８Ａ）が前記ピストン（１）の上に設けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼機関。
6. 前記移動可能な区切り面（８Ａ）がピストン（１）の上面の一部分のみを形成することを特徴とする、請求項５に記載の燃焼機関。
7. 燃焼室に対向したピストン（１）の面の中の凹所に移動可能ボデー（８）が配列され、該移動可能ボデーは前記移動可能区切り面（８Ａ）を有することを特徴とする、請求項６に記載の燃焼機関。
8. 各々の制限装置（１３Ａ、１４Ａ）が１つまたは複数のキャビティを含み、前記キャビティがピストン面のｃｍ^２当たり２〜２０ｋＮｓ／ｍ、好ましくは５〜１５ｋＮｓ／ｍ／ｃｍ^２の制動を提供することを特徴とする、請求項２に記載の燃焼機関。
9. 前記移動可能区切り面（８Ａ）がヘッド（４１）の上に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の燃焼機関。
10. 最大圧縮位置にある前記ばね（１０）が、ピストン面のｃｍ^２当たり４０〜１４０Ｎ、好ましくは６０〜１２０Ｎ／ｃｍ^２の範囲のばね力を働かせることを特徴とする、請求項４に記載の燃焼機関。