JP2008546953A - 燃焼機関 - Google Patents

Abstract

本発明は，少なくとも１つの燃焼室（１１）と，１５：１〜２５：１の範囲で最大の圧縮比を提供するために，燃料と空気との混合物を圧縮する前記燃焼室（１１）内に可動に配置されたピストン（２）と，前記燃焼室（１１）で前記燃料と空気との混合物の総量を受容するために前記燃焼室内に配置された吸入口（４）と，前記燃焼室（１１）内の前記ピストンの上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１５°の範囲のクランクシャフト（９）の角度の位置で，前記燃焼室（１１）内に受容された前記燃料と空気との混合物を点火するために前記燃焼室（１１）内に配置された点火装置（３）とを含み，前記燃焼室及び前記ピストンが高温部分のリスクを低減するために配置され，前記燃料の９０％が１５°〜４０°のクランク角度の位置で燃焼する燃焼率を有するよう構成される，可燃性の燃料と空気との混合物によって動作するピストンタイプの内燃機関に関する。本発明はさらに，方法又は燃焼，本発明の燃焼機関を含む車両，船又は動力装置に関する。

Description

本発明は，ピストン型のスパーク点火された内燃機関に関するものであり，特に上死点後の点火起動による燃焼周期を有する機関に関するものである。

燃焼機関は，過去２００年間に広範囲にわたって開発されてきたが，全体的な基本原理は，最も普及している内燃機関のタイプの１つであるオットー型(Otto type)機関と同じである。オットー型機関は，空気／燃料の混合物をシリンダ内で圧縮するピストンを有し，空気／燃料の混合物が上死点（シリンダ内のピストンの変向点；ＴＤＣ(turning point of the piston inside the cylinder)）で，大部分が圧縮される際に，電気スパークが混合物を点火し，爆発はシリンダ内部で圧力を増やし，ピストンをＴＤＣから下方に動かし，例えば車両の駆動輪に，機関に関する工程又は対象を駆動して利用され得る力をかける。点火周期タイミングは，上死点に関する程度に，クランクシャフトの角度の位置に関連する，０°が頂部静止位置である場合，ピストンがＴＤＣにできるだけ遠い位置にある場合が１８０°である。

点火タイミング周期に関する最も一般的な市販のソリューションは，ＴＤＣに存在し得る高圧縮による燃料の自己着火のリスクを減らすために，及び，最大のブレーキ・トルク（ＭＢＴ; maximum brake torque）を達成するために，ピストンがＴＤＣに存在する前に開始する。これらの機関は，高い機関回転数のＴＤＣ及びより低い機関回転数でＴＤＣに向かって閉じる前に，２５°の点火位置で，クランクシャフトの角度に関して可変点火位置を有する。これは複雑な点火制御を必要とする。

機関の構成要素を伝達する力の消耗を減らすために，複数のシリンダ機関は，様々なシリンダに関する特定の点火順序を有することを必要とする，例えば，６つのシリンダ機関は，しばしばシリンダ１，５，３，６，２，４のタイミングの順序を有し，このことは，全周期が完了するまでに，シリンダ１は，初めにシリンダ１の後のシリンダ５及びシリンダ５の後のシリンダ３を点火することを意味する。この機関の設計のソリューションは，機関の設計を複雑にし，産生コストの増加を導く。

しばしば，燃焼機関は，燃焼室において，空気／燃料の混合物の内部の自己着火のリスクを減らすために，１０：１の圧縮比で動作する。しかし，経験則では，圧縮比が高くなればなるほど，機関の効率は高くなる。したがって，適切な圧縮比を見つけるバランスがある。

いわゆるラムダ値は，排気の測定に関して得られる。ラムダ値は，焼却工程の効率上の基準であり，空気／燃料の初めの比率により決定され，機関がどのように動作するかに依存し，様々な値が測定から得られ，１の値は，酸素及び燃料の同等の量を有するラムダの最適理論値である。

機関の通常運転に関する初期の発火点のために，幾つかの部品は，機関の寿命を下げ得る相当な消耗を被る。これらの機関部品の消耗を減らすためにＴＤＣ後の後続の発火点を有することは有利である。しかし，これは，より高い圧縮比及びより高い排ガス温度のために，自己着火の問題によって分けられるカウンターである。

米国特許第５，４８７，３６２号は，ＴＤＣ後（ＡＴＤＣ；after the TDC）約４°の遅い発火点を利用した，ガスで動作する置換されたディーゼル機関を開示する。存在するソリューションは，高圧縮による空気／燃料の混合物の自己着火のリスク，及び，燃焼中に存在する自己着火及び／又は高温によるシリンダへの損傷の形の幾つかの短所を有する。このソリューションの機関も，燃料としてガス（液体プロパンガス；ＬＰＧ(Liquid Propane Gas)）でのみ運転可能である。

発明の要約
本発明の目的は，前記の幾つかの問題を解消し，様々な燃料の機関に転用するために必要な僅かな改変により，多くのタイプの燃料で動く有効な機関を提供することにある。

これは，自己着火の危険性を低減し，温度及び高圧縮効果を下げるために，燃焼室の慎重な設計を有する機関によって設けられる。

本発明の第一の態様は，少なくとも１つの燃焼室と，１５：１〜２５：１の範囲で最大の圧縮比を提供するために，燃料と空気との混合物を圧縮する前記燃焼室内に可動に配置されたピストンと，前記燃焼室で前記燃料と空気との混合物の総量を受容するために前記燃焼室内に配置された吸入口と，前記燃焼室内の前記ピストンの上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１５°の範囲のクランクシャフトの角度の位置で，前記燃焼室内に受容された前記燃料と空気との混合物を点火するために前記燃焼室内に配置された少なくとも２５ｋＶの点火電圧からスパークを提供する点火装置とを含み，前記ピストンが，１５：１〜２５：１の範囲で最大の圧縮比を提供するために，前記燃料と空気との混合物を圧縮する前記燃焼室内に可動に配置され，前記燃焼室及び前記ピストンが，高温部分のリスクを低減するために配置され，前記燃料の９０％が１５°〜４０°のクランク角度の位置で燃焼する燃焼率を有するよう構成される，可燃性の燃料と空気との混合物によって動作するピストンタイプの内燃機関を提供することにある。

前記圧縮比は，好ましくは１７：１〜２０：１，より好ましくは１７．５：１〜１８．５：１の範囲である。

前記クランク角度は，好ましくは０°〜５°の範囲であり，最も好ましくは，上死点後（ＡＴＤＣ）２°である。

前記燃焼室内の縁部の略全体が，少なくとも０．５ｍｍの半径で丸みが付けられる。前記縁部の半径は約２ｍｍである。

点火装置はスパークプラグを含み，前記スパークプラグは，前記燃焼室内の前記スパークプラグの入口と前記スパークプラグ上のスパーク発生ユニットとの間に実質的に滑らかな表面を含む。

前記ピストンの前記縁部は，少なくとも０．５ｍｍの半径で丸みが付けられる。

この内燃機関は，前記燃料と空気との混合物の比率を制御するための手段を有する制御装置をさらに含み，さらに，酸素センサ，例えば排気口導管内の前記燃焼室の後に位置するラムダセンサをさらに含み，前記制御装置は，前記酸素センサからの信号を読み取り，前記信号が前記空気と燃料との混合物の比率を測定するために使用されてもよい。

前記制御装置は，空気と燃料との調整可能な比率の制御要素の位置を制御してもよい。

前記制御装置は，約１のラムダ値を保つよう配置されてもよい。

前記クランクシャフトの角度の点火位置は，前記機関の操作の間，固定した状態に保たれてもよい。

前記クランクシャフトの角度が，動力出力及び／又は回転に応じて，ＡＴＤＣ１０°〜ＡＴＤＣ０°の間で調節されてもよい。

前記点火装置が，好ましくは２５ｋＶを超える点火電圧，より好ましくは，３０ｋＶを超える電圧で動作するスパークプラグを含んでもよい。

前記内燃機関は，０．８バール，好ましくは０．４バールの最大ターボ圧力を提供するターボをさらに含んでもよい。

前記燃料が，石油（ガソリン），アルコール（例えばメタノール又はエタノール），ＬＰＧ（液体プロパンガス），天然ガス，バイオガス及び都市ガスの少なくとも１つであってもよい。

クランクシャフトの角度に関する点火地点を制御するための手段をさらに含んでもよい。

前記内燃機関はさらに，関圧搾高さが少なくとも０．７ｍｍで配置されてもよい。前記内燃機関はさらに，前記吸入口が例えば少なくとも１０％の圧縮段階の間に開口されるよう配置されてもよい。

本発明の別の態様は，空気と燃料とが混合装置の中で混合される燃焼機関を提供することであって，ベンチュリ装置と，吸気口と，燃料取入口構造とを含み，弁の位置は調整可能であり，前記空気／燃料の混合物の割合の調整を提供する。

本発明のさらに別の態様は，以下のステップを含む燃焼機関の燃焼方法であって，ピストンを有する燃焼室を含む燃焼機関を提供し，前記燃焼室及び前記ピストンの双方が，高温部分を削減するために配置され，９０％の前記燃料が，１５°〜４０°のクランク角度の位置の範囲で燃焼する高い燃焼率を提供するために前記燃焼機関を構成し，圧縮段階の間に前記吸入口を閉じ，前記空気／燃料の混合物の最大の圧縮比が，１５：１〜２５：１の範囲にあり，ピストンのクランク角度位置が上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１５°の範囲である際，前記空気／燃料の混合物に点火するステップとを含む方法である。

燃焼室内の縁部の略全体は，少なくとも０．５ｍｍの半径を有する。

この燃焼制御方法においては，前記圧縮比は，好ましくは１７：１〜２０：１の範囲，及び，より好ましくは１７．５：１〜１８．５：１の範囲にある。

前記クランク角度の位置は好ましくは０°〜５°の範囲であり，最も好ましくは，上死点後（ＡＴＤＣ）２°であってもよい。

前記半径の前記縁部が約２ｍｍである。

前記方法は，前記燃焼室の後で酸素値の信号を得るステップと，制御装置に前記信号を送るステップと，前記信号を制御値として使用する前記燃焼室に提供された前記空気／燃料の混合物の比率を制御するステップとをさらに含む。

前記制御装置は，近似値的なラムダ＝１に前記酸素値を保つ。

本発明のさらに別の態様は，前記ピストンタイプの燃焼機関を含む車両，船又はパワープラントである。

本発明のこれら及び他の態様は，以下の実施形態の説明を参照することにより明瞭かつ明確となるであろう。

本発明の詳細を，添付図面に示された典型的な実施形態を参照して，以下に非限定的に説明する。

発明の詳細な説明
図１は，シリンダ１内のピストン２の位置の１箇所（上死点（ＴＤＣ；a top dead center））で吸入口４から噴射される空気／燃料の混合物を圧縮する，シリンダ１の２つの位置の間で可動なピストン２を有する機関内のシリンダ１を示す。ＴＤＣに位置するスパークプラグ３（又は同様の点火装置）は，空気／燃料の混合物に点火し，燃料の燃焼は，頂部位置から離れてピストン２を駆動したシリンダ１内の圧力を増やす。燃焼の後，結果として生じる排ガスは排気口５へ排出される。入口開口部及び出口開口部は，それぞれの弁６，７によって制御される。本発明は１つのシリンダにつき２つの弁に限定されていないが，当業者によって理解されている様に，あらゆる適当な数の弁が使用され得る。ピストン２，シリンダ１３の内層，及び，シリンダの頂端部（すなわち，スパークパークプラグ３が配置される端部）によって画定される体積は燃焼室１１である。

ピストンの動きは，クランクシャフト９に連結しているコネクティング・ロッド８に対して，動作可能かつ機械的に連結されており，同様に，機関が動力を提供するシステムの他の部分に対しても機械的に連結されている。

当業者によく理解されている様に，この機関は，これに限定されないがポンプ，クーラー，電気的配線，電気点火システムを含む多くの他の部品及び態様と，機関の機械的操作のための多くの詳細とを含む。本発明の理解のための基本的詳細のみが，この文書内で説明される。

空気／燃料の混合物の圧縮が最大である場合，ピストンは，シリンダの頂端部及び変向点（上死点（ＴＤＣ））へ動く。本発明では，使用される燃料に応じて，圧縮比は１５：１〜２５：１までの範囲であり，ＬＰＧ（液体プロパンガス）においては，その範囲は１７：１：１〜２０：１，より好ましくは１７．５：１〜１８．５：１である。最も適切な圧縮範囲は，使用される燃料に応じて変化する。本機関は，従来の機関と比較して３〜４倍迄動作し得る。

ピストン２がＴＤＣにある際に０°である場合，クランクシャフト９の回転角度の位置に関する点火タイミングは，クランクシャフト９の回転角度の上死点後（ＡＴＤＣ）で，好ましくは０°〜２５°，より好ましくは０°〜１５°，さらに好ましくは０°〜５°，最も好ましくは２°で固定される。これは，機関の操作の間，機関の回転及び／又は動力出力に応じて動的に変化し得る。例えば，点火は，機関の起動の間，ＡＴＤＣ１０°で始まり，中間のステップとしてＡＴＤＣ５°，全動力でＡＴＤＣ２°である。しかし，本発明による機関のこのタイプの操作は，点火の複雑な制御及び空気／燃料の混合物の送出を必要とするが，さらにより静かな機関が，ボーナス効果として得られる。この文書における点火タイミングは，実際のスパークを参照するが，点火システムに応じて様々な遅延が存在し得るので，スパークの発生を開始する信号を制御するのではないことを理解されたい。

ノックセンサは，クランクシャフトの位置に関して点火起動をさらに制御するために使用され得る。

図２は，燃焼室１１の圧力対（ＴＤＣに関する）クランク角度の位置のグラフを示す。図２ではＡＴＤＣ約０°で点火が始まる。図３は点火周期のより大きい部分を示し，最大圧力はＡＴＤＣ約２０°で得られる。これは，急速な燃焼が達成され，ＡＴＤＣ約２０°のクランクシャフトの位置で最大圧力を受け，クランクシャフトが底部の行き止まりに到達する前に，全体の焼却工程が終わることを示すための概念図に過ぎない。

空気／燃料混合装置は，空気と燃料の適当な混合物を混合するために，シリンダ１の吸入口４の前に配置され，このような混合装置は，燃料４２０と，燃料フロー制御室４０３への取入口４１２を含む，図４ａ及び図４ｂに示すベンチュリ装置４００でもよい。弁４０１又は同様の装置は，燃料の流れを制御し得る。制御装置４１６によって順に制御され得る起動装置４１５（例えばステッパモータ又は当業者によってよく理解されている他の適切な起動装置）により，弁が起動される。装置を制御する燃料フローは，連結ポート４０５を介して混合装置４０６に連結される。燃料は，１つ又は複数のポート孔４０９の形の燃料取入口構造を介して，混合室４０７を含むベンチュリ装置４０８と連結した室４０４内に投入される。空気４０２（又は他のいかなる酸化剤も）は吸気口４１８から入り，フロー・ディスターバ４１１を使用して乱流に押し込まれる。空気と燃料は混合室４０７内で混合され，燃焼室１１に続く。ベンチュリ装置４０８は，燃料及び／又は空気の緊密な関係を提供する１又は複数のＯリング４１３を有する混合装置４０６に連結される。したがって，ベンチュリ装置４０８は，使用される燃料に応じて容易に交換できる。

燃料は，燃料配管系及び燃料取入口４１２を経て燃料タンクから供給される。ポート孔４０９は，さらに混合効果を高めるために，様々な形状又は構造のノズル又は孔によって提供され得る。これらのノズル又は孔４０９の構造，数及び寸法は，適切な量の燃料及び適切な塗布性質等を送出するために，使用される燃料に応じて異なってもよい。

基礎的理論に基づく適切な空気／燃料の比率を得るために，燃料取入口構造４０９の入手可能な総面積，最小領域，構造のタイプ及び平衡領域は，燃料に応じ異なる。したがって，第２の起動装置（図示せず）は，燃料取入口４０９の構造及び／又は空気／燃料比率の基本開始点を変えるために提供され得る。

幾つかの噴射装置では，燃料は波動され，幾つかの噴射装置では，燃料は連続的に供給され，双方の場合では，燃料は，空気と良好に混合するために，層流ではなく，むしろ乱流を有することが重要である。

図５は，本発明による燃焼機関システム５００の概略図であり，燃料が燃料タンク５０１から提供され，燃料配管系５０３を経て空気／燃料混合装置５０２に到達する。空気は空気／燃料混合装置５０２に取り込まれ，混合物は，分注装置５０５を使用して燃焼システム５０４に分注される。分注装置５０５は，例えば，シリンダ１に入ることが可能となる空気／燃料の混合物の量を制御するためのスロットルであってもよい。

図１において，燃焼システムは，シリンダ，ピストン及び他の機械部品を含み，駆動される工程５０６に動力を提供する。燃焼システム５０４の後は，センサ５０７が，（いわゆるラムダ値，すなわち空気／燃料の混合物の比率を得るための）排出物の測定の酸素含有量のために，排気配管系５０８内で元の位置に提供され，これは，焼却工程の効率を上げる。このセンサ５０７は，例えばラムダセンサであってもよい。任意に，触媒コンバータ５０９は所望により，又は調整態様に応じて提供され得る。制御装置５１０は，機関システム５００の様々な構成要素を制御して提供され得る。

動力出力に関する機関の燃焼効率をさらに制御するために，ラムダセンサからの信号は，空気／燃料混合物の比率を制御するために使用される制御信号を提供する。センサ５０７からの信号は，制御装置５１０に読みとられる。制御装置５１０は，電子ステアリング装置６００を含むことができる。このような電子ステアリング装置６００は，演算装置６０１（例えばマイクロプロセッサ），メモリ手段６０２（揮発性又は不揮発性）の少なくとも１つ，及び，任意に少なくとも１つのセンサ調節装置６０３及びセンサコネクタ６０７を含むことができる。電子ステアリング装置６００は，内部機関部品及び／又は機関に関する部品（例えば，当業者によって認識されている車両部品，例えば燃料モニター，車輪の速度，機関に取り付けられる工程でかけられるトルク等）と通信するための少なくとも１つの通信接続部６０８，データを貯蔵するための不揮発性メモリ６０４，外部診断システム又は分析システムと通信するための通信接続部６０５をさらに含んでもよい。他のオプション装置６０６は，機関の適用領域に応じて提供され得る。通信接続部６０５，６０７，６０８は，無線通信システム（例えば，無線ローカルエリアネットワーク（例えば８０２．１１ベースの無線システム），無線パーソナルエリアネットワーク（例えばブルートゥース(Bluetooth)）等）のみならず，これに限定されないが，イーサネット(Ethernet)，ＣＡＮバス，Ｉ２Ｃバス，ＭＯＳＴバス，インテリバス(Intellibus)を含むあらゆる適切なタイプであってもよい。

制御装置５１０は，例えば起動装置（図示せず），例えばステッパモータを操縦し，弁４０１の位置を制御し，したがって，燃料フロー制御室４０３を制御する燃料フローにより移送される燃料の量の制御を提供することにより，空気／燃料比率を制御する。好ましくは，空気／燃料比率を変えることによって，制御装置は，ステアリング値としてのラムダセンサからの信号を使用し，１．０でラムダ値を保持しようとする。本発明による有効な焼却工程のために，１のラムダ値を得て，保つことは可能である。燃料噴射装置において，制御装置５１０は噴射される燃料の量，したがって，燃焼室の空気／燃料の混合物の比率を制御する。

本発明による機関が動作する際，該機関はガスにより動作する基本設計である。他の燃料によるこの機関の動作は，より最適に機関を運転するために，構造設計の変更及び機関の電子式ステアリングを要求し得る。例えば，燃料と空気とをより良く混合するために，液体燃料は精細に広げられることが求められ，噴射工程の終わりで，燃料噴射機関において，燃料噴射入口から燃料を除去するために，少量の空気が燃料の後で入ることができ，燃料／空気比は燃費効率に応じて変更されてもよく，点火タイミングが変更されてもよい。

様々なタイプの燃料，これに限定されないが，石油（ガソリン），アルコール（例えばメタノール又はエタノール），ＬＰＧ（液体プロパンガス），天然ガス，（できる限り精製した形の）様々なタイプのバイオガス及び都市ガスが，本発明において使用され得る。燃料に応じて，他の噴射装置が必要となる。燃料噴射とクランクシャフトの角度との間のタイミング，すなわち，燃料噴射のタイミングはクランクシャフトの角度を用いてこれに関連して制御される。

遅い点火（ＡＴＤＣ約２°）タイミング及び高い圧縮比により，従来の機関と比較して，局所的に高い温度が得られる。適切に機能するために，高温に耐える（例えば，特殊な材料から成る及び／又は冷却される）スパークプラグが使用され，点火電圧は３０ｋＶより高く，好ましくは４０ｋＶである。低すぎる電圧は失弧又は逆弧となるが，このシステムは２５ｋＶから使用され得る。増加した電圧は，より高い電圧を扱うために，強い点火コイル及び最適に配置された点火システムを必要とする。従来の点火システムよりも約２，３オーム程度低いインピーダンスを有する点火システムを使用することに関心がもたれるであろう。高圧縮比及び温度増加のリスクのために，スパークプラグに存在するあらゆる鋭い縁部を減らすための注意が必要となり，例えば，あらゆる可視ねじ山も，燃焼室１１のスパークプラグ入口とスパークプラグの実際のスパーク発生部との間の燃焼室１１内にあってはならない。１つのスパークアークを有する標準のスパークプラグソリューションの電圧が示される。しかし，重要なエネルギー放出であるため，他のスパークプラグ設計において，他の電圧が印加され，例えば，幾つかのスパークアークを有するスパークプラグは，燃焼室において，より小さい電圧で同じエネルギーを放出できる。

高電圧及び高圧縮を有することによって，燃焼室１１及び周囲の材料内で熱を発生する代わりに，化学エネルギーがピストン２の運動のエネルギーに変えられるので，燃焼工程は高速となり，それは重要である。

鋭い縁部は，これらの高温部分から自然着火が生じるのに十分な程度に熱くなる。しかし，小さい燃焼室内の高い圧力によって提供される高速燃焼のために，周囲壁に対する熱貫流は低下し，排気温度も低下する。

鋭い縁部を除去するためのこの要求を，燃焼室１１内の略全ての部品に適用する。例えば，ピストン２は丸みが付けられる円周辺縁１２を有することを必要とする。この端部の半径は０．５ｍｍ以上の範囲，好ましくは約２ｍｍである。

燃焼室における副作用をさらに低減するために，ピストン内にキャビティが形成されてもよい。このキャビティは，燃焼室の内壁の燃焼から衝撃を低減するために，少なくとも２つの好ましい効果を有する。
１．燃焼の大部分がこのキャビティ内で発生するので，燃焼室１１の内壁，すなわちシリンダの内層１３上の熱露出が，（少なくとも燃焼工程の開始段階の間は）大幅に減少する。
２．燃焼工程の間に放出されるエネルギーが，より大きい表面積に堆積され（キャビティは，ピストンの表面積を増やす），それにより，温度の上昇が抑えられる。

図７は本発明によるピストン７００の断面図を示し，この図においては，キャビティ７０１はピストン７００の頂部で形成される。キャビティの形状は，例示するものに限定されないが，当業者に理解されているように，深さと幅との間の様々な態様比，様々な形状及び様々な数を有し得る。燃焼工程が進むにつれて，火炎前面はこのキャビティ７０１内で，おそらく火炎前面の略球状の球として最初に生じ，圧力の実質的な部分及びキャビティ７０１の内部及びシリンダの内層上の小さい部分への熱効果を発揮する。ピストン７００はシリンダの内層の頂部よりも容易に冷却され，したがって，より簡単な冷却は得られる。同様のキャビティも，ピストンの代わり，又はピストン内のキャビティと共に，シリンダの「ルーフ」内に形成される。

ピストンがその上死点の位置にある際の，ピストンの頂部とシリンダの「ルーフ」との間の高さ，すなわち，いわゆる圧搾高さも重要であり，小さい圧搾により，燃焼工程の間に，燃焼率はさらに向上し，高速の燃焼工程は本発明にとって有利である。しかし，より大きい圧搾高さは，燃焼室内で高温部分のリスクを減らす。圧搾は有利には少なくとも０．７ｍｍ以上であり得る。圧搾は，図７に関して記載されるあらゆるキャビティ部からではなく，ピストンの頂点から測定される。

本発明の重要な要素は燃焼率であり，機関の形状は急速な燃焼率を目標とし，前記燃焼率は，燃料の９０％が、クランク角度の位置の関数として燃焼工程に使用された際に定義される。本発明では、０％〜９０％燃焼した燃料／空気の混合物の全体的な燃焼角度(burning angle)は、回転、燃料及び／又は機関のタイプに応じて、約１５°〜４０°程度のクランク角度である。点火装置における燃焼工程の開始タイミングに応じて，燃焼工程のピークは変化し得る。

弁をセットするタイミングを調整する方法は重要である。好ましくは，シリンダの入口４と出口５との間の開放弁が重なっていないのが好ましい，すなわち，入口弁４が開いている場合，出口弁５は閉じていなければならならず，逆もまた同様である。また，燃焼工程の後で効率的に排出物を除去するために，出口弁５を絞らなければならず，むしろ，機関は燃焼室１１から排出物を急速に除去するために，「自由に呼吸する」ことが可能でなければならない。しかし，幾つかの状況で，弁開口の間に幾つかの重複部分が存在してもよい。

機関の一実施形態では，燃焼工程が高温であるために，機関の制御されたステアリングが要求され，したがって，ディーゼル機関から置換された本発明のガス機関は，ターボを使用せずに好適に動作するが，充電された機関ターボを動作する場合，このターボのターボ圧力は，最大で０．８バール，最適な運転性能のために，好ましくは０．４バールに設定されなければならない。しかし，他のターボ圧力設定も適用され得る。燃焼室１１内の温度が上昇しないように，弁の重なりが無いことは興味深い。

従来の機関と比較した本発明の利点の一部は，以下の通りである。
−高い効率。
−高い動力出力。
−不要な生成物による燃焼室の汚染が少ない。
−機関細部の摩耗が少ない。
−高いトルク出力。
−静かな運転。
−修理回数の減少，すなわち，修理間隔の延長。
−燃料消費量の減少。
−環境を損なう排出物の放出の減少。
−二方向の触媒コンバータ。機関は二方向の触媒コンバータにより動作されてもよいが，触媒工程は三方向のコンバータによってより有効であり得る。
−少ない振動。
−低い排出温度。

燃焼工程が開始した際に，クランクシャフトはすでに上死点を越えて有利な位置にあるため，構成要素上の機械的応力が低減する。この効果は前記利点の幾つかを導く。

本発明の機関は少ない回転数（例えば１３００回転数／分（ＲＰＭ；revolutions per minute））で十分又は略十分なトルクに達し，その後，最大有効回転数まで略静的なトルク曲線を有するという効果がある。

機関を傾きモード，すなわち１．０より大きいラムダ値を意味する化学量論的な空気／燃料の比率（１４．７：１）と比較して酸素が超過した状態で運転することが可能である。しかし，このモードで機関を運転することは，機関構造，例えば，燃料／空気の混合装置，クランクシャフトの角度に関する発火点のタイミング等の幾つかの変更を必要とする。

様々な弁開閉タイミングの設定は，機関構造，燃料及び運転モードに応じて使用され得る。例えば，本発明は，圧縮の（時々ディーゼル機関に使用されるミラー周期と比較して）減少したエネルギー量及び，燃焼混合物の均質化を得るために，入口弁は遅延して閉じられることにより利益を得ることができ，燃焼室に入った燃焼混合物の一部は，入口弁の前に燃焼混合物の管の上流側体積に出て行き得る。その後，この均質化された燃焼混合物は，次の燃焼周期のための入口弁に，確実に移送中の燃焼混合物体積に作用する。したがって，取込弁は，一部の圧縮周期，すなわち圧縮段階の少なくとも１０％の間に開口されるよう配置される。例えば，本発明の一実施形態では，取込弁は上死点の前で１３５°で閉じる。燃焼混合物を均質化することは，より急速な燃焼率を導く燃焼工程を容易にし，このことは，例えば，液状ベースの燃料，例えば石油，すなわち通常の温度及び圧力の液体を使用するシステムにおいて利点があり得る。

本発明による機関の構成要素上の消耗が低減するため，特に力伝達構成要素に関して，従来の機関用の別のシリンダのタイミングの順序を有することは可能である。例えば，従来の機関の６つのシリンダ機関は，しばしばシリンダ１，５，３，６，２，４のタイミングの順序を有し，一方，本発明では，他の順序，これに限定されるものではないが，例えば１，２，３，４，５，６も可能である。

本発明は，特定の例示された空気／燃料混合装置５０２及びスロットル５０５のソリューションに限定されていないが，当業者に理解されるあらゆる別のタイプのもの，例えば，一般的なレールソリューション(rail solution)を含む，キャブレターに基づいたシステム又は燃料噴射システムも利用され得る。石油で駆動する機関用の一般のソリューションにおいて，好適な操作圧力は約２００バールであり得るが，略全体が圧縮された燃焼室に燃料／空気の混合物を噴射しないよう注意が必要である。むしろ，上死点前（ＢＴＤＣ; before top dead center）−２７０°〜−９０°の範囲で，上死点前に燃料を噴射するのが好まれる。好ましくは，個々に制御された噴射が各々のシリンダに提供され，燃焼室に入る前に，燃料が空気と混合される。個々に制御されたこのようなシステムにおいて，フィードバックパラメータとして測定されたラムダ値による焼却工程を制御することは，興味深い。

前記のように，機関による直接的な燃料噴射を使用することは可能であるが，当業者に理解されるように，燃料送出構成要素及び空気／燃料混合方式は，それに応じて変わる。勿論，このことは，他の燃料送出システムにも該当する。

センサ５０７は，例えば，制御装置５１０への直接的な結合の代わりに，しばしば車両において利用できる一般的な通信リンクシステムを使用する，外付け構成要素及び／又は制御装置５１０（６００）を使用して，予め調整され得ることは，当業者によって理解されるだろう。

前記のように，本発明の機関は，あらゆるタイプの車両，例えば，これに限定されないが，自動車，オートバイ，トラック，フォークリフト，バス及び他の重い商業用自動車にも使用され得る。この機関は，例えば動力装置内の発電装置における，又は，スパーク点火（ＳＩ; Spark ignited）機関を含むあらゆるタイプの対象物における，様々なタイプの機械的操作を駆動するために，船舶、例えば船，チェーンソー、動力発生装置にも使用される。

用語「含む(comprising)」は，他の要素又はステップの存在を除外せず，「１つの(a)」，「１つの(an)」，「第一の」，「第二の」等の参照は複数を排除しない。請求項の参照符号は，単に明確な例としてのみ提供され，いかなる形であれ請求の範囲を制限するものとして解釈されない。あらゆる参照符号は特許請求の範囲を限定せず，幾つかの「手段」は，ハードウェアの同じアイテムにより示され得ることをさらに理解されたい。

前記の及び開示された実施形態は，例としてのみ示され，本発明を限定するものではない。下記の特許請求の範囲に記載の発明の範囲内の他のソリューション、使用、目的，機能は、当業者にとって明らかである。

本発明の機関のシリンダを示す。 本発明の圧力対クランク角度の概略図である。 本発明の圧力対クランク角度の概略図である。 本発明の空気／燃料混合装置の概略図である。 本発明の機関の概略図である。 本発明の制御装置の概略図である。 本発明のキャビティを有するピストンの概略図である。

Claims (35)

1. −少なくとも１つの燃焼室（１１）と，１５：１〜２５：１の範囲で最大の圧縮比を提供するために，燃料と空気との混合物を圧縮する前記燃焼室（１１）内に可動に配置されたピストン（２）と，
   −前記燃焼室（１１）で前記燃料と空気との混合物の総量を受容するために前記燃焼室内に配置された吸入口（４）と，
   −前記燃焼室（１１）内の前記ピストンの上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１５°の範囲のクランクシャフト（９）の角度の位置で，前記燃焼室（１１）内に受容された前記燃料と空気との混合物を点火するために前記燃焼室（１１）内に配置された点火装置（３）とを含み，
   前記燃焼室及び前記ピストンが高温部分のリスクを低減するために配置され，前記燃料の９０％が１５°〜４０°のクランク角度の位置で燃焼する燃焼率を有するよう構成される，
   可燃性の燃料と空気との混合物によって動作するピストンタイプの内燃機関。
2. 前記圧縮比が，好ましくは１７：１〜２０：１，より好ましくは１７．５：１〜１８．５：１の範囲である請求項１記載の内燃機関。
3. 前記クランクシャフト（９）の角度が，好ましくは０°〜５°の範囲であり，最も好ましくは，上死点後（ＡＴＤＣ）２°である請求項１記載の内燃機関。
4. 前記燃焼室（１１）内の縁部が，少なくとも２ｍｍの半径で丸みが付けられる請求項１記載の内燃機関。
5. 前記燃焼室（１１）内の縁部が，少なくとも０．５ｍｍの半径で丸みが付けられる請求項１記載の内燃機関。
6. 前記ピストン（２）が，前記ピストン（２，７００）の頂部に少なくとも１つのキャビティ（７０１）を含む請求項１記載の内燃機関。
7. 点火装置（３）がスパークプラグを含み，前記スパークプラグが，前記燃焼室（１１）内の前記スパークプラグ（３）の入口と前記スパークプラグ（３）上のスパーク発生ユニットとの間に実質的に滑らかな表面を含む請求項１記載の内燃機関。
8. 前記点火装置に面する前記ピストン（２）の一部の縁部（１２）が，少なくとも０．５ｍｍの半径で丸みが付けられる請求項１記載の内燃機関。
9. 前記点火装置に面する前記ピストン（２）の一部の縁部（１２）が，約２ｍｍの半径で丸みが付けられる請求項１記載の内燃機関。
10. 前記燃料と空気との混合物の比率を制御するための手段を有する制御装置（４１６，５１０，６００）をさらに含む請求項１記載の内燃機関。
11. 酸素センサ（５０７），例えば排気口導管（５０８）内の前記燃焼室（１１）の後に位置するラムダセンサをさらに含む請求項１０記載の内燃機関。
12. 前記制御装置（４１６，５１０，６００）が，前記酸素センサからの信号を読み取り，前記信号が前記空気と燃料との混合物の比率を測定するために使用される請求項１１記載の内燃機関。
13. 前記制御装置（４１６，５１０，６００）が，空気と燃料との調整可能な比率の制御要素（４０１）の位置を制御する請求項１２記載の内燃機関。
14. 前記制御装置（４１６，５１０，６００）が，約１のラムダ値を保つよう配置される請求項１２記載の内燃機関。
15. 前記クランクシャフトの角度の点火位置が，前記機関の操作の間，固定した状態に保たれる請求項１記載の内燃機関。
16. 前記クランクシャフトの角度が，動力出力及び／又は回転に応じて，ＡＴＤＣ１０°〜ＡＴＤＣ０°の間で調節される請求項１記載の内燃機関。
17. 前記点火装置（３）が，少なくとも２５ｋＶの点火電圧からスパークを提供するために配置される請求項１記載の内燃機関。
18. 前記点火装置（３）が，好ましくは３０ｋＶを超える電圧で動作するスパークプラグを含む請求項１記載の内燃機関。
19. ０．８バール，好ましくは０．４バールの最大ターボ圧力を提供するターボをさらに含む請求項１記載の内燃機関。
20. 前記燃料が，石油（ガソリン），アルコール（例えばメタノール又はエタノール），ＬＰＧ（液体プロパンガス），天然ガス，バイオガス及び都市ガスの少なくとも１つである請求項１記載の内燃機関。
21. クランクシャフト（９）の角度に関する前記点火を制御するための手段をさらに含む請求項１記載の内燃機関。
22. 圧搾高さが少なくとも０．７ｍｍである請求項１記載の内燃機関。
23. 前記吸入口が少なくとも１０％の圧縮段階の間に開口されるよう配置される請求項１記載の内燃機関。
24. ベンチュリ装置（４０８）と，
    吸気口（４１８）と，
    燃料取入口構造（４０９）とを含む，空気と燃料とを混合するための混合装置（４００）をさらに含み，
    前記混合装置（４００）内の弁（４０１）の位置は調整可能であり，前記空気／燃料の混合物の割合の調整を提供する請求項１記載の内燃機関。
25. 以下のステップを含む燃焼機関の燃焼方法であって，
    − ピストンを有する燃焼室を含む燃焼機関を提供し，前記燃焼室及び前記ピストンの双方が，高温部分を削減するために配置され，
    − ９０％の前記燃料が，１５°〜４０°のクランク角度の位置の範囲で燃焼する高い燃焼率を提供するために前記燃焼機関を構成し，
    − 吸入口（４）を介して前記燃焼室（１１）に空気／燃料の混合物を提供し，
    − 圧縮段階の間に前記吸入口を閉じ，
    − 前記空気／燃料の混合物の最大の圧縮比が，１５：１〜２５：１の範囲にあり，ピストン（２）のクランク角度位置が上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜１５°の範囲である際，前記空気／燃料の混合物に点火するステップとを含む方法。
26. 前記圧縮比が，好ましくは１７：１〜２０：１の範囲，及び，より好ましくは１７．５：１〜１８．５：１の範囲にある請求項２５記載の燃焼制御方法。
27. 前記クランク角度の位置は好ましくは０°〜５°の範囲であり，最も好ましくは，上死点後（ＡＴＤＣ）２°である請求項２５記載の燃焼制御する方法。
28. 燃焼室（１１）内の縁部の略全体が少なくとも０．５ｍｍの半径を有し，頂部に少なくとも１つのキャビティ（７０１）を有するピストン（２）を含む請求項２５記載の方法。
29. 前記半径の前記縁部が約２ｍｍである請求項２８記載の方法。
30. ２５ｋＶを超える電圧によって発生するスパークによって点火が生じる請求項２５記載の方法。
31. − 前記燃焼室（１１）の後で酸素値の信号を得るステップと，
    − 制御装置（５１０，６００）に前記信号を送るステップと，
    − 前記信号を制御値として使用する前記燃焼室（１１）に提供された前記空気／燃料の混合物の比率を制御するステップとをさらに含む請求項２５記載の方法。
32. 前記制御装置（５１０，６００）は，近似値的なラムダ＝１に前記酸素値を保つ請求項３１記載の方法。
33. 請求項１〜２４いずれか１項記載の内燃機関を含む車両。
34. 請求項１〜２４いずれか１項記載の内燃機関を含む船。
35. 請求項１〜２４いずれか１項記載の内燃機関を含む動力装置。

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