JP2008531916A - 改善されたシリンダヘッド組立体 - Google Patents

Abstract

シリンダヘッドとピストンを含むシリンダヘッド組立体が開示されている。シリンダヘッドは、くびれ部で結合された第１及び第２の丸い部分を含んだ凹んだ弁領域を備えており、第１の丸い部分は吸気弁を収容しており、第２の丸い部分は排気弁を収容しており、シリンダヘッドは更に弁領域において吸気ポートと吸気弁との間に緩やかな輪郭を描く吸気ポート通路と、弁領域において排気ポートと排気弁との間に緩やかな輪郭を描く排気ポート通路とを備えている。ピストンは、シリンダヘッドの凹んだ弁領域に実質的に適合する凹み領域を含んでいる。関連するオーバーホールキットと改善されたシリンダヘッド組立体を作る方法がさらに開示される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概して内燃エンジンに係り、特に動力航空機に使用される往復内燃エンジンに関する。

この国際出願は、著作権による保護を受ける内容を含んでいる。著作権者は、明らかに特許商標庁が保管し記録する際に、特許の開示をするいずれかの者のファクシミリによる複製に異議を唱えないが、そうでない場合は全ての著作権を全てを保有する。この国際出願は、２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第１１／０６５，３４８号に基づく優先権を主張し、その開示内容全体は引用されてここに取り込まれる。

航空機用の内燃エンジンにおいて、高効率且つ高出力の要求が継続的に存在している。エンジンをより効率的でより高出力にすることは妥協の実証である。なぜなら、多くの競合する変数がエンジンの性能に影響を及ぼすからである。

例えば、火花点火式内燃エンジンの効率と出力は、火花タイミングと燃焼室内における圧縮特性の両方によって直接影響を受ける。不十分な設計のシリンダヘッドは、吸気と排気ガスがシリンダヘッドを通して適切に流れるのを妨げ、これにより流れ損失及び／又はシリンダヘッド及び排気マニホルド内での背圧を引き起こす。特に、これらの変数は火花点火式内燃エンジンの全体の出力と効率の一因となり、すなわちこれらを低下させる。

シリンダヘッド内での燃焼やエンジンの究極の効率や出力を改善するための従来の技術は、未燃の燃料／空気混合気、すなわち最終ガスの温度、圧力および化学的滞留時間を増大させることを含んでいる。しかし、これらの技術は、全面的なエンジン性能を著しく低下させるエンジンノッキングの起こりやすさをしばしば増大させる結果となる。ノッキングは、火花点火式内燃エンジンの燃焼室の内部表面に対してぶつかる高圧波面に伴う音である。その高圧波面は、意図しない瞬時の点火及び燃焼、すなわち点火に先立つ燃料／空気混合気の自己着火を引き起こす。もしピストンが上死点（ＴＤＣ）に到達する前に発生した場合、実際には高圧波面は圧縮行程中にピストンを押し、これにより出力行程における利用可能なエネルギを低減させ、極端に出力を低下させてしまう。圧縮比の増大、点火プラグの偏心配置および緩慢燃焼室の取り入れのような、効率及びシリンダヘッドにおける完全な燃焼を向上させるための他の従来技術は、望まないエンジンノッキングの可能性が増大する方向に導いてしまう。

高速燃焼室は、エンジンノッキングを低減するのと共に高燃費を提供するのに役立つ。従来の高速燃焼室の特徴は、高旋回吸気ポートと、回転運動すなわちシリンダ軸からずれた位置での混合気取り入れによる充填時の旋回の利用と、２つあるいはそれ以上の点火プラグの使用を含む。高速燃焼室は、ピストンヘッドの一部が上死点においてシリンダヘッドに近づくように、燃焼室内での小さな規模の乱れを引き起こし、これにより、この領域での充填を小さく、燃焼室のより高圧縮の領域へ、そして点火プラグ先端に向けてスカッシュ(squish)する。しかし、高速燃焼室は、シリンダヘッドの他の要素の動作を妨げる。

高速燃焼室を製造するための１つの従来方法は、燃料／空気混合割合の増大、すなわち燃焼のために要求される化学量論よりも高い燃料リッチを作り出すことである。燃料リッチ状態は、過剰な燃料の膨張および蒸発がエネルギを吸収するような、低温の運転エンジンを提供しながら、燃費は低下する。

火花点火式内燃エンジン効率および出力を低下させるのに影響を与える従来のシリンダヘッドの他の特徴は、シリンダヘッドへの空気流れおよびシリンダヘッドからの空気流れである。シリンダヘッドへの最適な吸気及びシリンダヘッドからの最適な排気ガス流れは、とりわけ吸気ポートおよび排気ポートが正確な寸法となっているかどうかに依存する。もし、吸気ポート又は排気ポートの何れかがエンジンから要求される流量に対応した寸法にされていない場合、制限された空気流れとエンジンの低下した効率と出力の結果を生むこととなる。従来のシリンダヘッドにおいて、吸気ポートと排気ポートは、一般的に広く円形に設計されている。意図しない流れ抵抗の可能性を低減するための従来の技術は、円形の吸気ポートと排気ポートの寸法を増大させることである。しかし、吸気ポートと排気ポートを大きくすることは、コストがかかり、性能に影響を与える。

このようなことから、本発明は、従来技術の制限及び欠点に起因する一又はそれ以上の問題を実質的に解決する、改善されたシリンダヘッド組立体を目指すものである。改善されたシリンダヘッド組立体は、より高燃費及び／又は増大された出力をもたらす。以下説明する本発明の特徴を有する新しいシリンダヘッド組立体を持つことが必要である。また、認定された状態を維持しながら既存のＦＡＡ認定エンジンに適合できるオーバーホールキットを持つか、或いは本発明の特徴及び効率を備える実験的エンジンのためのキットを持つかである。

本発明の更なる特徴および利点は、以下の説明に記載されており、部分的にはその説明から明らかとなるであろうし、本発明の実施によって学び取れるであろう。本発明の様々な利点は、添付された図面と共に、記載された説明および特許請求の範囲において特に指摘されている構造によって実現され、成し遂げられるであろう。

本発明は、火花点火式内燃エンジンの改善された燃費と増大された出力の両方に寄与できる特徴の組み合わせに関係している。本発明の第１の実施形態において、それらの特徴を備えた新しいＯＥＭエンジンは、従来構造のエンジンに比べて、効率や出力を例えば１０％程度改善できる。本発明の第２の実施形態において、認定されたエンジンの安全性や信頼性を維持しながら、高い燃焼効率および燃料削減を成し遂げるためのこれらの新しい特徴を備えたシリンダヘッド組立体を改造するためのオーバーホールキットが開示されている。ＦＡＡ規則は、従来の関連システムでの確実な出力増大を妨げている。従って、認定されたエンジンのためのある形式のオーバーホールキットは、認定された状態を維持しながら、認定されたエンジンにおける燃費に好適に取り組むが、本発明は認定されていない実験的エンジンの出力と性能を向上させる実施形態に適合することができる。

以下に開示されるように、様々な特徴の組み合わせは、従来のシリンダヘッド組立体を装備しているエンジンと比較して、出力を倍増し効率を上げるために用いることができる望ましい結果を生み出す。本発明の最初の特徴は、実質的に「ピーナッツ」のような形状を有する弁領域を取り囲む改善されたスカッシュエリアである。弁領域は、接続領域すなわちくびれ部(waist)によって接合された第１及び第２の丸い部分を有している。スカッシュエリアと弁領域は、適当な方法、例えば比較的平坦なシリンダヘッドに対する機械加工によって形成される。スカッシュエリアは、実質的に弁領域を取り囲み、実質的にピストンのクラウンの周辺の回りまで広がっている。その結果、燃焼の大部分は燃焼室内の弁領域の比較的小さな領域で起こる。

本発明の第２の特徴は、火花が燃焼領域のピーナッツ状の領域内で反対方向に発生するように、弁領域のくびれ部の両側に２つの点火プラグが位置決めされている。点火プラグの位置決めは、短い燃焼距離とピーナッツ形状の燃焼室の反対側からの炎前線の迅速な進行を促す。

本発明の第３の特徴は、改善された空気流れを実現する改良された吸気ポート及び排気ポートである。従来のエンジンに比較して、スカッシュ領域を低くすることは、シリンダヘッド機構内で、僅か（例えば、１／４インチ（約６．３５ｍｍ））に吸気ポートと排気ポートを長くすることになり、これにより流れ半径を増大させ、各ポート内での流路の傾斜をより緩やかにする。傾斜している流路は、従来構造の比較的鋭い角度のものと比較して、流速に負の影響を及ぼすことなく、また反対の圧力(adverse pressure)を生じさせることなく、大量の空気を吸気弁に入れる事を可能にする。

一実施形態において、吸気ポートは、弁ヘッドの周りの流れをバランスさせるために、低渦(low-swirl)ポートとして構成される。従来の実施状況は、混合気が燃焼室内に入った時に、混合気内の渦運動を作り出す弁ヘッドの一方側に流れを向けるポートを提供する。低渦ポートでは、混合気は、シリンダヘッド内での混合気の回転運動を低減する弁ヘッドの周りで均等に燃焼室に入る。

加えて、本発明の改善に付随する、狭くされ且つ概ね底が平坦にされた「スクワット」(squat)通路は、性能を更に高めることが分かった。本質的に、従来のポートの床面は平坦にされ、各側面が膨らんでいるが、通路の全体としての直径は狭くなっている。排気ガスが乱れて旋回する解法空間が確実となる。この乱れが形成される機会が失われ、緩やかに傾斜するカーブは、排気ポート内で比較的短い滞留時間で、通路においてその乱流からの僅かなエネルギ移転だけで、排気ガスが迅速に出ることを許容する。この通路は、大きくてより開放されたポートよりも通過するガスを少なくするのは本質的に明らかである。しかし、この通路形状は実際に、ポートの断面積を増大させることなく、排気ガスの流れを改善する。

一実施形態において、シリンダヘッド組立体は、シリンダヘッドとピストンを備えている。シリンダヘッドは、第１及び第２の丸い部分を備えている凹んだ弁領域を備えており、第１の丸い部分は吸気弁を収容し、第２の丸い部分は排気弁を収容している。また、シリンダヘッドは、弁領域における吸気ポートと吸気弁の間に緩やかな輪郭の流路を有する吸気ポート通路と、弁領域における排気ポートと排気弁の間に緩やかな輪郭の流路を有する排気ポート通路とを備えている。このピストンは、シリンダヘッドの凹んだ弁領域に実質的に対応する凹み部を備えている。一特徴として、第１及び第２の丸い部分は、実質的にピーナッツ形状を有する燃焼室を形成する。

一特徴として、シリンダヘッド組立体は更に、実質的に弁領域を取り囲むシリンダヘッドに第１の平坦領域を備え、更に、実質的に凹み領域を取り囲むピストンに第２の平坦領域を備えている。第１及び第２の平坦領域は、スカッシュ領域を形成するために、実質的にシリンダヘッドに整合している。第１の平坦領域は概ね弁領域の周縁の周りに広がっており、第２の平坦領域は概ね凹み領域の周縁の周りに広がっている。

一特徴として、シリンダヘッド組立体は、更に燃焼室内に第１の点火プラグ先端を位置決めするための第１点火穴と、燃焼室内に第２の点火プラグ先端を位置決めするための第２点火穴とを備えている。第１及び第２の点火プラグ穴はネジが形成されており、弁領域の中心軸線すなわちくびれ部に対して互いに反対側にある。

一特徴として、排気ポートは上方部分と下方部分とを備えており、上方部分は実質的に円形状を有しており、下方部分は実施的に楕円形を有している。
他の実施形態において、航空機エンジンのシリンダヘッドのためのオーバーホールキットは、シリンダヘッドとピストンを備えている。シリンダヘッドは、第１と第２の丸い部分を備えている凹んだ弁領域であって第１の丸い部分が吸気弁を収容しており第２の丸い部分が排気弁を収容している弁領域と、上記弁領域において吸気ポートと吸気弁との間との間に緩やかな輪郭を描く流路を有する吸気ポート通路と、弁領域において排気ポートと排気弁との間に緩やかな輪郭を描く流路を有する排気ポート通路とを有する。ピストンは、シリンダヘッドの弁領域に概ね対応する凹んだ領域を備えている。一特徴として、第１及び第２の丸い部分は、実質的にピーナッツ状の形状を有する燃焼室を形成する。オーバーホールキットは、特定の実施形態において、ＦＡＡで認定されたエンジンをオーバーホールするために使用される。

一特徴において、オーバーホールキットは更に、弁領域を概ね取り囲むシリンダヘッドの第１平坦領域と、更に凹み領域を概ね取り囲むピストンの第２平坦領域とを備えている。第１及び第２の平坦領域は、スカッシュ領域を形成するために、シリンダヘッドに実質的に整合されている。第１の平坦領域は、実質的に弁領域の周縁の周りに広がり、第２の平坦領域は、実質的に凹み領域の周縁の周りに広がっている。

一特徴として、オーバーホールキットは更に、燃焼室内で第１の点火プラグ先端部を位置決めする第１点火穴と、燃焼室内で第２の点火プラグ先端部を位置決めする第２点火穴を備えている。第１及び第２の点火プラグ穴はネジが形成されており、例えば弁領域の中心軸線すなわちくびれ部に関して反対側にある。一特徴として、排気ポートは上方部分と下方部分を備えており、上方部分は実質的に円形形状を有しており、下方部分は実質的に楕円形状を有している。

他の実施形態において、ピストンエンジンのための改善されたシリンダヘッドを作る方法は、シリンダヘッドにスカッシュ領域を形成し、シリンダヘッドに実質的にピーナッツ状形状の凹みを有する燃焼室を形成し、第１の点火プラグを吸気弁に向け、第２点火プラグを排気弁に向け、概ね滑らかで緩やかな輪郭を描く吸気ポートと排気ポート通路を設け、シリンダヘッドに実質的に平坦にされた床を有する排気ポートを形成する。一特徴として、その方法は更に、実質的にピストンのクラウン周縁の周りにスカッシュ領域を広げる段階を備えている。一特徴として、その方法は更に、第２の点火プラグに対して、実質的にピーナッツ形状の凹部の反対側に第１のプラグを位置決めする段階を備えている。一特徴として、その方法は更に、より長い吸気及び排気ポート流路を提供するために、燃焼室を低くする段階を備えている。このピストンエンジンは、ＦＡＡの認定済みエンジンあるいは実験的エンジンである。一特徴として、その方法は、ピストンのクラウンに、実質的にピーナッツ形状の凹部領域を形成する段階を備えている。一特徴として、その方法は更に、実質的に円形の上部と実質的に長方形の下部を持つために排気ポートを形成する段階を備えている。

上記した一般的な説明と、以下の詳細な説明の両方は、例示であり且つ説明の便宜にためのものであり、請求の範囲の発明の更なる説明を提供しようとするものであると理解されたい。

添付図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、この明細書に組み込まれ且つその一部を構成し、本発明の少なくとも１つの原理を説明するための役割を有する記載と共に、本発明の一実施形態を示している。

本発明の望ましい実施形態を詳細に参照するが、その具体例は添付図面に示されている。
本発明は、航空機用エンジンのための改善されたシリンダヘッド組立体を目指すものである。ここに説明され図示されているシリンダヘッド組立体は、多気筒内燃エンジンにおける単一のシリンダ組立体を例示していることは、当該技術分野の当業者に理解されるであろう。しかし、内燃エンジンは、どんなシリンダの構成を有していてもよい。

本発明の内燃エンジンシリンダ組立体は、特に以下の構成要素、すなわちシリンダ胴体、シリンダヘッドそしてピストンを備えている。一般的に、シリンダヘッドとピストンクラウンを有するピストンは、エンジンに動作中においては、燃料の充填、すなわち燃焼室への空気／燃料混合気に着目し、それはシリンダヘッドとピストンクラウンの特別な構造によって画定される。

本発明は、改善されたシリンダヘッド組立体とそれに付随する方法に向けた実施形態を提供する。第１の実施形態は、内燃エンジンのための新しいシリンダヘッド組立体を提供する。第２の実施形態は、既存のシリンダヘッド組立体に本発明の構造を組み付けるためのオーバーホールキットを提供する。第３の実施形態は、改良されたシリンダヘッド組立体の製造方法を提供する。本発明の新しいシリンダヘッド組立体とオーバーホールキットは、火花点火式の内燃エンジンに対して、良好な燃費、燃料のオクタン価要件を低くし、そして／または後述の特徴の組み合わせによる出力の増大を提供する。

図１を参照すると、本発明の改善された特徴を有するシリンダヘッド１００が示されている。その特徴は、限定されるものではないが、改善されたスカッシュ領域、位置が変更されたプラグそして改善された吸気及び排気流れを含んでいる。

図１ａを参照すると、吸気ポート１１０と排気ポート１２０を有する図１のシリンダヘッドの拡大図が示されている。排気ポート１２０はさらに、燃焼室を出るガス流を改善することによってエンジン出力を増大させる構造を備えている。大変な大きさの圧力が存在するが、排気ポート１２０は吸気ポート１１０よりも小さな断面積を有している。圧力を勘案して円形の排気ポートの寸法を増大させるよりもむしろ、排気ポート１２０は平坦な底面の「スクワット」通路を提供するように狭く且つ再構成されている。本質的に、床面１３０は従来の排気ポートよりも小さなカーブで、通路の開口が狭くなっている。排気ポート１２０の構造は、排気が乱流を生成するような、従来の排気ポートの底部における開放空間を無くす。この乱流が形成される機会を無くし、傾斜した通路を提供することで、通路内で乱流によるものではあるが比較的小さなエネルギ損失での迅速なガス排出を実現する。排気ポート１２０の形状を変更することで、流れの制約は低くなり、背圧を補正する。結果として、改善された構造の排気ポートは、燃焼室に対して増大した質量流量を実現させる。ガスの迅速な排出および処理は、本発明の改善が施された火花点火式内燃エンジンの高い出力と燃費を実現する。この特徴（例えば、平坦な底面の「スクワット」通路を提供すること）は、吸気ポート１１０にも追加的に応用し、あるいは吸気ポート１１０に代替的に応用してもよい。

［スカッシュ領域］
改良されたシリンダヘッド組立体の一つの特徴は、改良されたスカッシュ領域である。図２を参照すると、シリンダヘッド２１０の燃焼室が示されている。弁領域２２０は、例えばフライス加工された(milled)シリンダヘッド２１０の実質的に平坦な面２３０から形成されている。弁領域２２０は、吸気弁２３０と排気弁２４０とを備え、それぞれ吸気弁座２３５および排気弁座２４５内に中心位置決めされている。接続領域２５０は、二つの丸い部分を有する形状のピーナッツ状の弁領域２２０を形成するために、吸気弁２３０と排気弁２４０の間に例えば機械加工で形成される。角度のある壁２６０は、弁領域の周りから平坦面２７０まで延びている。弁領域２２０の外の平坦面２７０は、スカッシュ領域を画定する。従来のシリンダヘッドとは異なり、吸気弁２３０と排気弁２４０を通る改善された空気流のための隙間を除き、スカッシュ領域２７０は実質的に弁領域２２０を取り囲み、実質的にシリンダヘッド２１０の周縁の周りまで延びている。燃焼室に入るピストンは、スカッシュ領域と同じようにに形状が作られている。

図３を参照すると、ピストンクラウン３００は平坦面３２０に凹んだ領域を有しており、それは図２のシリンダヘッド２１０の弁領域２２０と実質的に整列されている。凹んだ領域３１０は、例えば機械加工(machining)などの適切な方法で形成され、第１および第２のまるい部分によってピーナッツ形状を有している。凹み部３１０の第１及び第２の部分、例えば大きいそして小さい丸い部分は、図２の弁領域２２０の大きいそして小さい丸い部分に対応している。凹み部３１０の外側の平坦面３２０は、スカッシュ領域を画定する。スカッシュを最大にするために、平坦なスカッシュ領域３２０は凹み部３１０を取り囲み、ピストンクラウン３００の周縁の周りに広がっている。

最大化されたスカッシュ領域は、燃料／空気混合気のより効率的な燃焼を可能にする。燃焼室の壁によって制限される燃料／空気混合気は、比較的狭い領域に強制的に入れられ、乱流を起こす。結果として、燃料と酸素がより効率的に混合される。加えて、増大された乱流は炎がより均一かつ迅速に拡大するのを可能にする。

点火、すなわち火花のタイミングは要件に応じて選択される。なぜなら、本発明の実施形態は、燃料／空気混合気が迅速に燃焼するのを可能とし、点火プラグは、従来技術と比較してエンジンの行程での早い時期に点火を提供する必要が無いからである。例示的な実施形態において、点火タイミングは上死点前２０°あるいはそれ以上遅らされる。

結果としての性能は、理想的な体積／圧力行程に近づく。炎が高速で移動し、そして燃料／空気混合気が燃えると、本発明を組み込んでいる火花点火式内燃エンジンの作動サイクルは、理想的なオットーサイクルにより近似する。理想的なサイクルとの類似性は、高い効率および結果としての高燃費を示すことになる。

［点火プラグ位置］
シリンダヘッド組立体の他の特徴として、燃焼チャンバの最も遠い延びた部分から点火プラグ先端までの距離を最小にするように、２つの点火プラグが弁領域の両側に配置される。図２を参照すると、点火プラグが対応する弁に最も近接するように、点火プラグ（図示略）の先端を挿入するための第１及び第２の点火プラグ穴２８０、２９０が壁２６０に示されている。第１の点火プラグ穴２８０は、吸気弁２３０に隣接している。第２点火プラグ穴２９０は、排気弁２４０に隣接している。第１及び第２の点火プラグ穴２８０，２９０は、燃焼チャンバの弁領域２２０のくびれ部２５０の両側に位置決めされている。例えば、第１及び第２の点火プラグ穴２８０，２９０は、図示のように、くびれ部２５０に関して対角線上に位置決めされている。点火プラグは、図示のように、シリンダヘッド組立体内でも角度がついているが、これは融通のきく設計パラメータである。

図４を参照すると、シリンダヘッド４００の側面図が示されている。点火プラグは、凹部４１０に配置され、吸気弁に向けられている。図４ａを参照すると、点火プラグが吸気弁４２０を向くように、Ａ−Ａ線におけるシリンダヘッド４００と凹部４１０の断面図が示されている。

第２点火プラグは、シリンダヘッドの反対側に配置されている。図５を参照すると、シリンダヘッド５００の対向する側面図が示されている。点火プラグは凹部５１０に配置され、排気弁に向けられている。図５ａを参照すると、点火プラグが排気弁５２０を向くように、Ｄ−Ｄ線におけるシリンダヘッド５００と凹部５１０の断面図が示されている。

［ポート内の空気流れ］
本発明に係るシリンダヘッド組立体のための望ましい構成は、燃焼チャンバの吸気及び排気のための改善された空気流れを有している。特定の実施形態として、弁ヘッドはシリンダヘッド内で低くされ、例えば、従来のシリンダヘッドにける弁ヘッド位置の下、約１．２５インチ（約３２ｍｍ）である。結果として、ポート流れ半径は大きくなる。弁が開いた時、燃焼チャンバの壁に対する気体流として生成される弁の近くの乱流は最小化される。乱流は、バルブを通る質量流量を低下させ、背圧の原因となるので、望ましくない。

望ましくは、圧縮比、すなわちピストンが上死点にある時のシリンダの体積に対するピストンが下死点にある時のシリンダの体積が、従来のシリンダヘッドで用いられる圧縮比と同等である。本発明の一特徴としては、同じ燃料を使い、且つデトネーションの余裕を維持ながら、圧縮比は増大する。結果として、本発明に係る改良されたシリンダヘッドを有するエンジンにとって、出力と燃費は向上する。本発明の第２の特徴としては、従来の或いは既存のシリンダヘッドで用いられる圧縮比を維持しながら、低いオクタン価の燃料や鉛無しの燃料を利用できることである。本発明の第３の特徴としては、従来のシリンダヘッドで用いられているものよりも、低い圧縮比であるということである。従って、本発明に係るシリンダヘッド組立体で使用される場合に、鉛無しの自動車用ガソリンのようなより低オクタン価の燃料の使用を許容しながら、既存のたとえばＦＡＡ認定のエンジンの最低出力は維持される。

特定の実施形態において、スカッシュ領域はピストンクラウンに向かって低くなっており、それは吸気及び排気ポート流路を広げようとする。吸気及び排気ポート流路の拡大は、最小流れ半径を増大させ、ガス流路での突然の変化から生じる流れ損失を最小にする。本発明のより穏やかな流路は、吸気および排気ガスの流れを改善し、エンジンの効率及び／又は出力を高める。

図６を参照すると、シリンダヘッド６００の断面図が示されている。スカッシュ領域６１０と弁６２０は、上死点距離（ピストンが上死点にあるとき、ピストンクラウンの上面（すなわちシリンダヘッドに面している）がシリンダヘッドから離れている距離に対応する）が小さくなるように、シリンダヘッド６００内で低くされる。代替案としては、（ＦＡＡ認定エンジンのような）エンジンを改造することで、ピストンクラウンが他のシリンダヘッドから上死点距離よりも小さい距離で離れるように、エンジンのシリンダヘッドは実際に他のシリンダヘッドに置き換えられる。図７を参照すると、シリンダヘッド７００の断面がしめされている。低くされた弁ヘッドにより、吸気ポート流路７１０と排気ポート流路７２０は、増大された最小流れ半径を持つ拡大された流路を有する。

本発明の１つあるいはそれ以上の特徴を組み込んだ結果、内燃エンジンは向上した燃費、燃料のオクタン価要件の低下、そして出力のうちの１つ又はそれ以上を含む利点を実現する。例示的な実施形態において、燃費及び出力は、本発明の特徴を有しない従来のシリンダヘッドに比べて５から１０1％程度改善する。他の例示的な実施形態においては、自動車のオクタン価基準で、燃料のオクタン価要件を５から１０ポイント程度低減しながら、燃費をおよそ２％改善し、出力をおよそ５％改善する。

高スカッシュ燃焼室で実現される高速燃焼は、僅かに遅延される点火タイミングを許容し、与えられた圧縮比／出力のための燃料のオクタン価要求を低下させる。代替的には、当初のデトネーションの余裕を維持しながら出力を増大されるために圧縮比は僅かに高められる。例示的な実施形態は、直径が５．１２５インチ（約１３０mm）のボアの平行弁シリンダヘッドであるが、本発明のポート構造や高スカッシュ技術は、５．３１８インチ（約１３５mm）のボアの大きなシリンダヘッドのような、どのようなボアにも適用できる。加えて、本発明は、上方排気下方吸気あるいは下方排気上方吸気のような、様々なポート構成を有する「傾斜弁」シリンダヘッドと呼ばれるものにも容易に適用できる。

本発明の一実施形態において、特徴は航空機用内燃エンジンに据え付けられるシリンダヘッド組立体に組み合わせられる。例えば、それらの特徴は新しい内燃エンジンを提供する場合に、ＯＥＭによってシリンダヘッドの組み込まれる。

代替的実施形態において、本発明の特徴は従来の航空機用エンジンのためのオーバーホールキットに組み込まれる。ＦＡＡ認定済みの航空機で動作するエンジンは、ＦＡＡは承認した形式の設計に合致する部品の取り替えだけで航空に耐える条件を維持しなければならない。これらの認証された部品に対するエンジン出力の増大、エンジン重量あるいはその他の決められた特徴が変化した場合、ＦＡＡの規則は、エンジンが据え付けられる認定された航空機の設計を要求し、またエンジンの改良に対するＦＡＡ設計承認を受ける。

結果として、本発明のシリンダヘッドは、燃費を高め且つ燃料のオクタン価要求を低減する利益を提供しながら、規則で定められた特徴を維持するように構成されている。実験機に分類される航空機や自作航空機などのような、ＦＡＡ管轄外の航空機で作動するエンジンに対しては、オーバーホールキットがＯＥＭエンジンのための前記実施形態における全ての特徴を組み込んで提供される。

本発明は詳細が説明され、その具体的実施形態が参照されたが、当業者には明らかなように、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、様々な変更および改良が可能である。従って、本発明は添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で改良および変形例を含もうとするものである。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドである。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの拡大図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼室である。 本発明の一実施形態に係るピストンのクラウンである。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの側面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドのＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの側面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドのＤ−Ｄ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの断面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの断面図である。

Claims (20)

1. シリンダヘッドとピストンの組立体であって、
   前記シリンダヘッドは、
   第１及び第２の丸い部分を備える凹んだ弁領域であって、第１の丸い部分が吸気弁を収容し、第２の丸い部分が排気弁を収容する弁領域と、
   前記弁領域における吸気ポートと吸気弁との間で緩やかな輪郭を描く流路を有する吸気ポート通路と、
   前記弁領域における排気ポートと排気弁との間で緩やかな輪郭を描く流路を有する排気ポート通路と、を備えており、
   前記ピストンは、
   前記シリンダヘッドの凹んだ弁領域に実質的に合致する凹んだ領域を備えている、組立体。
2. 前記第１及び第２の丸い部分は、実質的にピーナッツ形状の凹部を形成する、請求項１に記載の組立体。
3. 更に、前記弁領域を実質的に取り囲むシリンダヘッドにおける第１の平坦領域を備えている、請求項１に記載の組立体。
4. 更に、前記凹んだ領域を実質的に取り囲む前記ピストン上の第２の平坦領域を備えている、請求項３に記載の組立体。
5. 前記第１及び第２の平坦領域は、スカッシュ領域を形成するために前記シリンダヘッドに実質的に整列されている、請求項４に記載の組立体。
6. 前記第１の平坦領域は、前記弁領域の周縁の周りに実質的に広がっている、請求項３に記載の組立体。
7. 前記第２の平坦領域は、前記凹んだ領域の周縁の周りに実質的に広がっている、請求項３に記載の組立体。
8. 前記吸気ポートは低渦ポートとして成形されている、請求項１に記載の組立体。
9. 更に、第１及び第２の点火プラグ先端を備え、前記第１の点火プラグ先端と第２の点火プラグ先端は、前記弁領域の中心軸線を横切って互いに反対にされている、請求項１に記載の組立体。
10. 前記排気ポートは上方部分と下方部分とを備え、前記上方部分は実質的に円形形状を有しており、前記下方部分は実質的に楕円形状を有している、請求項１に記載の組立体。
11. 航空機用エンジンのシリンダヘッドのためのオーバーホールキットであって、
    前記シリンダヘッドは、
    第１及び第２の丸い部分を備える凹んだ弁領域であって、第１の丸い部分が吸気弁を収容し、第２の丸い部分が排気弁を収容する弁領域と、
    前記弁領域における吸気ポートと吸気弁との間で緩やかな輪郭を描く流路を有する吸気ポート通路と、
    前記弁領域における排気ポートと排気弁との間で緩やかな輪郭を描く流路を有する排気ポート通路と、を備えており、
    前記ピストンは、
    前記シリンダヘッドの凹んだ弁領域に実質的に合致する凹んだ領域を備えている、オーバーホールキット。
12. 前記第１及び第２の丸い部分は、実質的にピーナッツ形状の凹部を形成する、請求項１１に記載のオーバーホールキット。
13. 更に、前記弁領域を実質的に取り囲むシリンダヘッド上の第１の平坦領域を備えている、請求項１１に記載のオーバーホールキット。
14. 更に、前記凹んだ領域を実質的に取り囲む前記ピストン上の第２の平坦領域を備えている、請求項１３に記載のオーバーホールキット。
15. 前記第１及び第２の平坦領域は、スカッシュ領域を形成するために前記シリンダヘッドに実質的に整列されている、請求項１４に記載のオーバーホールキット。
16. 前記第１の平坦領域は、前記弁領域の周縁の周りに実質的に広がっている、請求項１３に記載のオーバーホールキット。
17. 前記第２の平坦領域は、前記凹んだ領域の周縁の周りに実質的に広がっている、請求項１４に記載のオーバーホールキット。
18. 更に、第１及び第２の点火プラグ穴を備え、前記第１の点火プラグ穴と第２の点火プラグ穴は、前記弁領域のくびれ部の反対に配置されている、請求項１１に記載のオーバーホールキット。
19. 前記排気ポートは上方部分と下方部分とを備え、前記上方部分は実質的に円形形状を有しており、前記下方部分は実質的に楕円形状を有している、請求項１１に記載のオーバーホールキット。
20. 改良されたシリンダヘッドを製造するための方法であって、その方法は、
    実質的にピーナッツ形状の凹部を有する燃焼室をシリンダヘッドに形成する段階であって、その凹部がくびれ部によって結合された第１及び第２の丸い部分とを含んでいる、シリンダヘッド形成段階と、
    前記燃焼室を取り囲むスカッシュ領域を前記シリンダヘッドに形成する段階と、
    吸気弁に隣接する第１点火プラグ位置に第１の点火プラグ穴を配置する段階と、
    排気弁に隣接し且つ前記第１の点火プラグ位置に関してくびれ部の反対側の第２点火プラグ位置に、第２の点火プラグ穴を配置する段階と、
    前記シリンダヘッドに実質的に平滑で緩やかな輪郭を描く吸気及び排気ポート通路であって、吸気弁と排気弁のそれぞれ１つを受入れるように構成された各ポート通路を提供する段階と、
    前記シリンダヘッドに実質的に平坦な床を有する排気ポートを形成する段階と、
    を含む方法。

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