JP2016534267A - 自冷式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高強度圧縮スワール（ＨＩＣＳ）が、燃焼ストロークの終わりに生成され、効率的な燃料燃焼及び最大エネルギーの即時の解放を可能とする。【解決手段】シリンダと、そのシリンダの内側で自由に往復動するターボピストンを備えるシリンダヘッドを有する自冷式エンジン。シリンダヘッドは、そのシリンダ内への混合気の周方向吸い込みを達成するバルブを有する。バルブ機構は、カムシャフトによる円筒状カムによって閉鎖および開放される。混合気の周方向吸い込みは、シリンダが自己を冷却し、エネルギーセンタで燃料を効果的に燃焼することを可能とする。混合気の吸入ストリームは、シリンダ壁を冷却するファンとして働く、ピストン上のインペラーを回転する。インペラーブレードは、炎がシリンダ壁に到着することから逸らせ、エネルギーセンタとシリンダ壁との間に熱障壁として働く。

Description

本出願は、２０１３年９月２５日に出願された米国仮特許出願第６１／８８２，５２９号の優先権を主張し、本明細書の一部を構成するものとして、内容を援用する。

本主題の技術は、概して、輸送、発電及び産業用途に関し、特に、複雑な冷却システムを必要とすることなくエネルギーを発生させる技術に関する。

内燃機関の燃焼効率は、主に、混合気の品質に依存する。ａ）吸気マニフォルド、ｂ）シリンダヘッド、ｃ）ピストンの頂部でスワールを発生することは、良好な熱力学効率を達成することにおいて極めて重要な役割を果たす。スワールは、渦流、タンブル流、スキッシュ及び乱流のような異なる形態で発生する。スパーク点火（ＳＩ）エンジンでは、混合気のスワーリング（スワール発生）は、吸気ストローク中に達成され、吸気マニフォルド又はピストン上の特別に形成されたコンターで発生する吸気スワールと呼ばれる。

圧縮点火（ＣＩ）エンジンでは、スワーリングは、圧縮ストロークの終わりに達成され、シリンダヘッドに発生される圧縮スワールと呼ばれる。球形のスワール室は、ディーゼル燃料が噴射されるシリンダヘッドに形成される。圧縮ストローク中、圧縮空気を球形スワール室に押し込むことで、噴射燃料を完全に混合し、効率的な燃焼を達成できる。これらの技術によって引き起こされるスワールは、有害なエミッションを生成すると共に、燃料効率における僅かな向上を達成するに過ぎないシリンダやシリンダヘッドの小さな領域に局所化される。

冷却媒体に対する熱損失は、ピストンへの有効な働きよりも多い。消費燃料の全熱の三分の一以上が冷却媒体及び冷却システム付属物に失われる。従来の技術では、冷却媒体に対する熱損失の防止に関して、好適な結果を得られていない。

ＣＩエンジンは、発生された熱の三分の一を超える熱がシリンダ壁に移行されるという、より大きな落とし穴に悩まされる。燃焼プロセス中に、炎は、全ての方向へ突然伝搬し、且つシリンダ壁を介して冷却媒体に大量の熱を伝導する。燃焼室がジルコン系セラミックで被覆されて周囲に対する熱損失を７％まで防止する遮熱型（ＬＨＲ）エンジンは、１９８０年代に開発された。ガソリンエンジンにおいて、セラミック材料を使用することによって、吸気の過加熱を引き起こし、高付加動作における望ましくないエンジンノックとなる。これらの理由のために、ＬＨＲエンジンの研究が中断された。

上述の困難から見て、本願の主題の技術は、内燃機関（１００）のシリンダ壁を介する熱損失を排除するための手段を提供するためになされた。また、本技術は、不完全な燃焼に起因するエミッションを無視できるほど僅かにするための、燃料の効率的な燃焼を達成する。

本主題の技術は、シリンダへの混合気の周方向吸気を許容するために円筒形カムによって動作される吸気バルブとしてサンフラワーバルブを含み、このバルブが、シリンダ壁とエネルギーセンタとの間の熱障壁として働く。このように、冷却媒体への実質的な熱損失が防止される。

吸気ストローク中に、混合気は、渦を巻き、シリンダ壁から熱を一掃する。また、ターボピストンアセンブリを有するシリンダは、完全混合器の理想的な燃焼を確実にする。インペラーブレードは、燃焼ストローク中にシリンダの中心で高負荷圧縮スワール（ＨＩＣＳ）を発生するためにスワーリング（渦巻き）運動を激化させる。高負荷圧縮スワールは、効果的な燃焼プロセスに必要な多数の衝突を全ての燃料分子が受けることにより、燃焼効率の向上を確実にする。

高負荷圧縮スワール（ＨＩＣＳ）は、使用される燃料に依存して、ダイレクトスワールであってもよいしカウンタースワールであってもよい。

一実施形態は、サンフラワー機構、排気バルブ機構及びストロークを介してシリンダ中に移動可能な往復動ピストンアセンブリを備えるシリンダヘッド本体を含むエンジンに関する。

前記シリンダヘッド本体は：吸気マニフォルドと排気マニフォルドが前記シリンダヘッド本体の前記円筒状表面に配置されること；サンフラワーバルブ上部ガイドロック、サンフラワーバルブロック、サンフラワーバルブ下部ガイドロック、サンフラワーバルブアセンブリカバー及び円筒状カムを収容するための、前記シリンダヘッド本体の前記円筒状表面上のバルブロックハウジング；ブラケットが前記カムシャフトとプッシュロッドに対するベアリング支持を提供すること；前記シリンダ軸に沿う前記サンフラワーバルブアセンブリの移動を停止するための前記排気室の前記外側円筒状表面上に配置された環状突起；前記シリンダ軸に沿う前記サンフラワーバルブアセンブリの移動を停止するために前記排気室の前記外側円筒状表面上に配置されたサンフラワーアセンブリサークリップを受容する、前記環状突起の下方の凹所；及びインジェクターと点火プラグを受容するための前記シリンダヘッド本体の前記頂表面のねじ切り穴を備える。

前記吸気マニフォルドに隣接して配置される前記サンフラワーバルブ機構即ち吸気バルブ機構は：吸気ストローク中に混合気を案内するためにエンジンシリンダ軸と同軸的に配置される複数の半径方向チャネルを有するサンフラワーバルブ上部ガイドであって、前記サンフラワーバルブ上部ガイドは、シリンダ軸回りの回転を防止するためにシリンダヘッド本体に固定されていること；混合気をシリンダに案内して周方向スワールを発生するために、エンジンシリンダ軸と同軸的に配置される前記サンフラワーバルブ上部ガイドと一列になっている、複数の螺旋形状の半径方向チャネルを有するサンフラワーバルブ下部ガイドであって、前記サンフラワーバルブ下部ガイドは、シリンダ軸回りの回転を防止するためにシリンダヘッド本体に固定されること；サンフラワーバルブは、前記吸気ストローク中に混合気の流れを許容するためにエンジンシリンダ軸と同共軸的に配置される複数の半径方向チャネルを有することであって、前記サンフラワーバルブは、円筒状カムフォロワーに固定されること、前記カムフォロワーは、前記サンフラワーバルブに対する角運動を提供すること；前記サンフラワーバルブに対する角運動を与えるために前記円筒状カムプロファイルに追従するように前記サンフラワーバルブロックの前記頂表面に配置される前記円筒状カムフォロワー；角度付きスロットが、角度パスに前記円筒状カムフォロワーを案内するために前記シリンダヘッド本体の前記サンフラワーバルブロックハウジングに形成されること；及び前記サンフラワーバルブを閉鎖位置に保つためにサンフラワーバルブスプリングシートに配置されるコイルスプリングを備える。

前記排気バルブ機構は、燃焼ガスを前記シリンダから排出するために排気バルブカム、プッシュロッド、調節可能ロッカーアーム及び排気バルブを備える。

前記カムシャフトは、前記カムシャフトの前記円筒形表面に排気バルブと円筒形カムが配置されること；往復運動をプッシュロッドに与えるための排気バルブカム；及び前記円筒形カムフォロワーに及び前記サンフラワーバルブに角運動を与えるための円筒状カムを備える。

前記ターボピストンアセンブリは、前記ピストンの頂表面に回転可能に配置されるインペラーであって、前記インペラーは、シリンダ軸回りに吸気混合気の力によって回転されること、前記インペラーは、前記シリンダ軸に沿う移動を防止するために前記ピストンに固定されること；及び往復運動を回転運動に変換するための接続ロッドを備える。

実施形態のサンフラワー機構において、サンフラワーバルブがサンフラワーバルブ上部ガイドとサンフラワーバルブ下部ガイドとの間でシリンダ軸回りに回転可能である一方、前記サンフラワーバルブは、吸気ストローク中に前記シリンダへの混合気流を許容するようにサンフラワーバルブ上部ガイドとサンフラワーバルブ下部ガイドの半径方向チャネルを覆わないこと；及びサンフラワーバルブ下部ガイドの半径方向の螺旋チャネルが前記シリンダ内で周方向スワールを発生するために前記混合気流を周方向へシリンダ内に向けること；前記サンフラワー機構によって発生される周方向スワールがエンジンシリンダの前記壁を冷却すすること；前記サンフラワー機構によって発生される周方向スワールが爆発ストローク中にエンジンシリンダの前記壁への炎の伝搬を防止する。

前記ターボピストンアセンブリは、前記エネルギーセンタで高負荷圧縮スワールを引き起こすために、圧縮ストローク中に上方へ移動し、前記高負荷圧縮スワールは、前記エネルギーセンタで混合気を完全に燃焼させる。

従って、本主題の技術の目的の内の一つは、冷却媒体及び排ガスへの熱損失を排除し、引き続いて内燃機関のシリンダに対する冷却システムの必要性を排除する内燃機関の提供である。本主題の技術の他の一つの目的は、内燃機関のシリンダ内の燃料燃焼の効率を向上することである。

本願技術は、制限することなく、現在既知の及び将来開発される用途に対するプロセス、装置、システム、デバイス、方法として含む多くの方法で実施及び利用することができる。
本明細書で開示される技術のこれら及び他の独自な特徴は、以下の記載及び添付の図面からより容易に明らかとなる。

開示された技術が属する通常の技術を有する人々は、その技術を作りそれを使用する方法をより容易に理解するように、以下の図面が参照される。

図１は、本願主題の技術に係るエンジンの断面図である。

図２は、図１のエンジンのための吸気マニフォルドと排気マニフォルドを示すシリンダヘッド本体である。

図３は、図１のエンジンのためのサンフラワー機構と排気バルブ機構を示すシリンダヘッド本体である。

図４は、図１のエンジンのためのシリンダヘッドアセンブリの底面図である。

図５は、図１のエンジンのための露出されたサンフラワー上部ガイドロックとサンフラワーバルブロックを有するカムとフォロワーの拡大図である。

図６は、図１のエンジンのためのサンフラワーバルブを開放及び閉鎖するために角度付きスロット内で移動する円筒状カムフォロワーである。

図７は、図１のエンジンのためのシリンダヘッドの完全な断面図である。

図７Ａは、サンフラワーバルブアセンブリストッパー、排気バルブシート及びサンフラワーバルブアセンブリサークリップを受容するための凹所の拡大図である。

図８は、図１のエンジンのためのサンフラワーバルブ機構の分解図である。

図９は、図１のエンジンのためのサンフラワーバルブとサンフラワーバルブガイドと嵌合するバルブロックのセレーションである。

図１０は、図１のエンジンのためのサンフラワーバルブとインペラーの重要な寸法を示す。

図１１は、図１のエンジンのための閉鎖位置のサンフラワーバルブ機構である。

図１２は、図１のエンジンのための開放位置にあるサンフラワーバルブ機構である。

図１３は、図１のエンジンのためのサンフラワーバルブ上部ガイドの平坦な表面に沿うシリンダヘッドアセンブリの断面図であり、カムシャフト軸に関する円筒状カムフォロワーの位置を示す。

図１４は、図１のエンジンのためのターボピストンアセンブリの分解図である。

図１５は、図１のエンジンのためのターボピストンの断面図である。

図１６は、図１のエンジンのための捩じり圧縮負荷に耐えるための接続ロッドのＯ−ポジティブ構造体である。

図１７は、図１のエンジンのための吸気ストローク中のエンジンであり、矢印は、吸気マニフォルド、吸気室及びサンフラワーバルブ機構を介する混合気の流れを示す。

図１７Ａは、エンジンシリンダ内への混合気流を示すサンフラワーバルブアセンブリの部分的拡大図である。

図１８は、図１のエンジンのための圧縮ストローク中のエンジンであり、エネルギーセンタの矢印は、圧縮の結果としての増強スワール（ＨＩＣＳ）を示す。

図１９は、図１のエンジンのための爆発ストローク中のエンジンであり、エネルギーセンタでの円盤状の炎としてのガスの燃焼を示す。

図２０は、図１のエンジンのための排気ストローク中のエンジンであり、矢印は、燃焼ガスが排気マニフォルドを介してシリンダを出ること示す。

図２１は、図１のエンジンのためのダイレクトスワールエネルギーセンタ（ＤＳＥＣ）であり、エネルギーセンタの矢印は、ＨＩＣＳの方向を示す。

図２２は、図１のエンジンのためのカウンタースワールエネルギーセンタ（ＣＳＥＣ）であり、エネルギーセンタの矢印は、ＨＩＣＳの方向が周方向スワールに対向すること示す。

図２３は、サンフラワーバルブガイドロックとサンフラワーバルブロックを有さないサンフラワーバルブ機構の分解図である。

本主題の技術は、内燃（ＩＣ）機関のサンフラワー機構、即ち吸気バルブ機構及びターボピストンアセンブリに関し、特に、冷却損失を排除し、燃焼効率を向上し且つ有害なエミッションを減少する方法に関する。本明細書で開示されるシステムの利点及び他の特徴は、本発明の代表的実施形態を記述する図面と併せられる特定の好適な実施形態の以下の詳細な記述から当業者にとってより容易に明白になり、ここでは、同様な参照番号は、類似の構造要素を同定する。

左、右、上及び下のような本明細書における全ての相対的記載は、図面を参照するものであり、制限する意味はない。加えて、明瞭化のために、共通のアイテムは、当業者によって理解されるように、図面には含まれていない。別段の定めがない限り、図示の実施形態は、特定の実施形態の変化する細部の例示的特徴を提供するものとして理解されることができ、従って、別段の定めがない限り、寧ろ、図示の特徴、コンポーネント、モジュール、要素、及び／又は態様は、本開示のシステム又は方法から実質的に離れることなく、組み合わされる、相互接続される、順序付けられる、分離される、相互交換される、位置決めされる、及び／又は再配置されることができる。加えて、コンポーネントの形状及びサイズは、また、例示的であり、且つ別段の定めがない限り、それらは、開示された技術に実質的に影響を及ぼす或いはそれを制限することなく変更することができる。

以降、より十分に記載されるように、本自冷式エンジンは、シリンダ壁を冷却し且つシリンダ内での燃料の完全な燃焼を確実にするエンジン設計を提供する。この主題の技術は、別途の冷却システムの必要性を排除し、それによって、冷媒ポンプ、サーモスタット及び大量のエンジン出力を消費するファンのようなアクセサリーを排除する。

図１を参照すると、エンジンの断面図が示され、概して参照番号１００によって参照される。エンジン１００は、シリンダヘッド本体（８）、ロッカーアーム（６）、サンフラワーバルブ機構（３）、排気バルブ機構（２）、燃料インジェクター、点火プラグ（２５）、吸気マニフォルド（２９）、排気マニフォルド（１２）、エンジンシリンダ（３０）及びターボピストンアセンブリ（４）を備えるシリンダヘッドアセンブリ（１）を含む。

シリンダヘッド本体（８）は、二つの同心円筒状ブロックの形態であり、そこでは、外側の円筒状ブロックは吸気室（２７）と呼ばれ、且つ内側の円筒状ブロックは排気室（２６）と呼ばれる。吸気マニフォルド（２９）は、サンフラワーバルブ機構（３）を含む吸気室（２７）に接続される。サンフラワーバルブ機構（３）は、シリンダヘッド本体（８）の環状空間内に同軸的に配置される。排気室（２６）は、排気バルブ機構（２）を含み、排気マニフォルド（１２）に接続される。排気バルブスプリング（７）は、シリンダヘッド本体（８）の段付き穴（９）に着座する。ロッカーアーム（６）は、シリンダヘッド本体（８）の頂表面に配置され、排気バルブスプリング（７）によって閉鎖位置に排気バルブ（１１）を保つ。

排気マニフォルド（１２）と排気室（２６）は、シリンダヘッド本体（８）の一体部分であるエルボー（図７に最も良く示される）の形態である。排気室（２６）は、排気バルブスプリング（７）の力に抗して排気バルブシート（１６）に着座される排気バルブ（１１）を備える。シリンダヘッド本体（８）のねじ切り穴は、連続するスパークを供給する点火プラグ（２５）と燃料を吸気室（２７）に注入する燃料インジェクター（３１）を受容する。吸気マニフォルド（２９）軸と排気マニフォルド（１２）軸との間の角度は、７０°から９０°の範囲である。図２、図３及び図４は、より良い理解と明瞭化のためのシリンダヘッドアセンブリの異なる図である。

エンジン１００において、周方向吸気は、サンフラワーバルブ機構（図８の分解図にも良く示されている）によって達成される。サンフラワーバルブ機構（３）は、サンフラワー（ひまわり）のペタル（花弁）に似ている。サンフラワーバルブ機構（３）は、円筒状カム（２６）によって動作されてサンフラワーバルブ機構（３）を開放及び閉鎖するように角運動を提供する。排気バルブ（１１）は、従来のローブカムである排気バルブカム（３４）と排気バルブフォロワー（３３）（図５と図６に最も良く示されている）によって動作される。排気バルブカム（３４）と円筒状カム（３８）の両方は、カムシャフト（１３）上に形成される。

サンフラワーバルブ（１８）は、サンフラワーバルブ上部ガイド（１７）とサンフラワーバルブ下部ガイド（１９）との間に挟まれている。サンフラワーバルブ上部及び下部ガイド（１７，１９）は、サンフラワーバルブ上部ガイドロック（３５）とサンフラワーバルブ下部ガイドロック（４９）によってシリンダヘッド本体（８）内に固定されて静止したままである。サンフラワーバルブ下部ガイド（１９）は、螺旋形状の半径方向チャネル（１９ａ）を有し、それは、螺旋方向に空気の進入のための吸気通路を混合気に提供する。ガイドロック（３５，４９）上のセレーション（５１）は、サンフラワーバルブガイド（１７，１９）に嵌り、サンフラワーバルブ（１８）が運動中の時にサンフラワーバルブガイド（１７，１９）の回転を防止する（図９に最も良く示される）。サンフラワーバルブアセンブリは、サンフラワーバルブアセンブリカバー（５０）によって底部で閉鎖される。

サンフラワーバルブ機構は、サンフラワーバルブアセンブリストッパー（４２）とサンフラワーバルブアセンブリサークリップ（４５）との間に保持される（図７Ａの拡大図に最も良く示される）。サンフラワーバルブアセンブリストッパーは、サンフラワーバルブ機構（３）の上方への移動を停止するための排気室の外側の環状突起であり、且つ下方への軸方向移動を防止するためにサンフラワーバルブアセンブリサークリップ（４５）によって固定される。サンフラワーバルブ下部ガイド（１９）は、吸入空気のより滑らかなパスとサンフラワーバルブ機構（３）へのより少ない熱伝達を提供するために、サンフラワーバルブ上部ガイド（１７）の高さ（ｈ１）に比較してより大きな高さ（ｈ３）を有する。サンフラワーバルブ機構（３）へのより少ない熱伝達は、最小の熱膨張とより滑らかな動作を確実にする。サンフラワーバルブ上部ガイド（１７）の高さ（ｈ１）とサンフラワーバルブ（１８）の高さ（ｈ２）は、等しく且つサンフラワーバルブ下部ガイド（１９）の高さ（ｈ３）よりも小さい。ガス圧に起因する上方へのスラストは、嵌合表面の摩耗及び裂け目に関係なく気密シールを保証する。それは、サンフラワーバルブガイド（１７，１９）の全ての嵌合表面に必要であり、サンフラワーバルブ（１８）は、完全にラップされて最小の力がそれ（サンフラワーバルブ（１８））を起動するために要求される。

本エンジンで使用されるサンフラワーバルブ（１８）は、３６個のペタルを有する（サンフラワーバルブ機構の専門用語である。図１０を参照）。サンフラワーバルブ機構（３）は、４°のポート角度（θ）に対して６°のペタル角度（φ）を有し、それによって、サンフラワーバルブ（１８）は、１°のオーバーラップ角度を持って半径方向チャネルを完全に覆うことができる。５°の全角運動は、円筒状カム（３８）と円筒状カムフォロワー（３９）によってサンフラワーバルブ機構（３）を開放するために必要とされる。円筒状カム（３８）の角度的遊びは、サンフラワーバルブ（１８）におけるペタルの数を増加することによって減少させることができる。

図１１を参照すると、サンフラワーバルブ（１８）は、サンフラワーバルブスプリングシート（４８）上に着座されたサンフラワーバルブスプリング（３７）の力によって閉鎖位置にある。図１２を参照すると、サンフラワーバルブ（１８）は、サンフラワーバルブスプリング（３７）の力に抗して開放位置にある。図１３は、カムシャフト軸（１４）に関して円筒状カムフォロワー（３９）の位置を参照している。閉鎖位置（３９ｂ）にある円筒状カムフォロワーと開放位置（３９ｄ）にある円筒状カムフォロワーは、円筒状カムフォロワー（３９）の移動の端点にある。カムフォロワー中間位置（３９ｃ）は、カムシャフト軸と円筒状カムフォロワー軸（３９ａ）が一致する時の点である。円筒状カムフォロワー（３９）が円筒状パス内を移動すると、フォロワー軸（３９ａ）は、カムシャフト軸（１４）からシフトし、それは、フォロワーオフセットと呼ばれる。フォロワーオフセットは、最小であるべきであり、それによって、円筒状カム（３８）が最大の力を円筒状カムフォロワー（３９）に発揮することができる。このオフセットを減少するために、円筒状カムフォロワーのスイング角度（３９ｅ）は、フォロワー中間位置（３９ｃ）から等しいように分割されるべきである。

点火プラグ（２５）は、エンジンを始動すると連続するスパークを発生し、且つ時間を定められない。点火プラグ（２５）の目的は、ガスタービンで使用される燃焼器と同様の始動時の燃焼を開始することである。複数シリンダのエンジンの場合、単一の点火プラグが使用されてもよい。インジェクターは、吸気ストローク中に吸気室に燃料を注入する。

図１４は、ターボピストンアセンブリ（４）とクランクシャフトの分解図を示す。図１５を参照すると、インペラー（２０）は、インペラーの一体部分であるインペラーシャフト（２０ａ）を使用してピストンに取付けられ、且つインペラーサークリップ（５４）によって固定される。インペラー（２０）は、吸入混合気の力で自由に回転することができる。インペラーが高速で回転すると、捩じり力が圧縮負荷と共にピストン（２２）に働き、従って、ターボピストンアセンブリ（４）は、捩じり−圧縮負荷を受ける。このタイプの負荷に耐えるために、従来の「Ｉ」断面接続ロッドは、丸の中に十字形がある（Ｏ−ポジティブとして読まれる）接続ロッド（２３）で置き換えられる（図１６）。インペラーブレードに働く負荷は、安全にＯポジティブ接続ロッドに伝達され、従って、より高速時でのエンジンの安定性が向上する。

エンジン（１００）において、混合気は、周方向吸い込みと呼ばれるシリンダ中に周方向から吸い込まれる。混合気のスワール流は、吸気ストローク中にシリンダ壁から熱を一掃する。圧縮ストローク中に、混合気の圧縮されたスワーリングは、エネルギーセンタ（２１）で効果的に燃料分子を燃焼する。

シリンダの周囲での混合気のスワーリングストリームは、周方向スワール（５６）と呼ばれる。周方向スワール（５６）は、シリンダ壁を冷却すること並びに炎がシリンダ壁に触れることができないように炎を逸らせることを担う。また、周方向スワール（５６）は、シリンダ壁を冷却するためのファンとして働くインペラー（２０）を回転させる。インペラーは、ターボピストンアセンブリと呼ばれるピストンに取り付けられる。ターボピストンアセンブリは、高負荷圧縮スワール即ちＨＩＣＳ（５７）を発生するために圧縮ストローク中にスワーリング動作を更に激化させる。

ＨＩＣＳを発生するためのスワーリングを強化するプロセスは、スワーリング激化と呼ばれる。ＨＩＣＳにおいて、分子は高速で非常に密に移動しているので、分子同士の衝突確立が増加する。周方向スワール（５６）は、より少ない量の燃料がエネルギーセンタを活性化してピストンに対して有用な仕事を実行するので、シリンダ壁への炎の伝搬を防止して、効率を向上する。

インペラーの中央部は、エネルギーセンタ（２１）と呼ばれる。これは、混合気のスワーリングがＨＩＣＳ（５７）を引き起こすために激化されるインペラーの内空間である。この空間において、高速分子は、短い期間内で最大エネルギーを解放するために複数の衝突を行う。ＨＩＣＳ（５７）の方向に依存して二つのタイプのエネルギーセンタがある。ダイレクトスワールエネルギーセンタとカウンタースワールエネルギーセンタである。

エネルギーセンタにおいて、分子は、分子量に依存して角運動量の保存の法則に基づく軌跡を移動し、より軽い分子は、より小さな軌跡を取り、より重い分子は、より大きな軌跡を取る。分子がエネルギーセンタに入ると、分子は、より小さい分子に分割され、より小さな軌跡を取る。エネルギーの解放は、分子が可能とする最小の軌跡に達する又は最大エネルギーを解放するまで生じる。

掃引ファクタは、シリンダの効果的冷却を達成するための重要な基準である。掃引ファクタは、ボア直径の有効シリンダ長さ（隙間長＋ストローク長）に対する比率である。
掃引ファクタ＝ボア直径／有効シリンダ長（ｄ／Ｌ）であり、そこでは、Ｌ＝ｃ＋１である。

スワーリング激化は、ＨＩＣＳ（５７）を引き起こすために混合気のスワーリング動作を強化するプロセスである。スワーリング激化は、掃引ファクタ、周方向スワール角度（α）及びインペラースワール角度（β）に依存する。

本願主題の技術のシリンダのエネルギーセンタ（２１）は、燃料を燃焼する方法において従来の燃焼室と異なっている。排気ストローク中に、エネルギーセンタには余りの炎が常にある。余りの炎は、引き続くサイクルのためのかなりのエネルギーを有する。燃料は、エネルギーセンタのエネルギーレベルを維持するために余りの炎を補う目的で追加される。

図１７は、吸気ストロークを示し、そこでは、吸入された混合気が吸気マニフォルド（２９）を介して入り、排気室（２６）に衝突してそれを冷却する。点火プラグ（２５）は、連続するスパークを発生し且つ燃料が吸入室（２７）に注入される。吸気マニフォルドを通る空気流は、吸入室に沿って二股に分かれ、吸気ストローク中に、サンフラワーバルブ（１８）を通ってシリンダ内に注入された燃料とスパークを活性化させる。サンフラワーバルブ下部ガイドのチャネルは、渦巻き状に湾曲されてノズルとして働き、空気を高速で周方向にスワールさせる。空気のスワーリング流は、インペラー（２０）を回転させるインペラーブレードに衝突する。これは、周方向スワール（５６）と呼ばれ、燃料は、効果的な燃焼を確実にするために十分に霧化される。

図１８は、圧縮ストロークを示し、そこでは、サンフラワーバルブと排気バルブが閉鎖される。周方向スワールは、インペラーの中心で高密度圧縮スワール即ちＨＩＣＳ（５７）を引き起こすように激化される。高密度圧縮スワール（５７）は、即座に最大エネルギーを解放するために全ての分子が複数の衝突を行うことが確実となる。

図１９は、爆発ストロークを示し、そこでは、燃焼の熱いガスがピストンを下方へ移動せしめて熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する。炎は、円盤形状の炎（５８）で発生される。炎は、以下の理由で、シリンダ壁に到達できない。
・ボア直径は、ストローク長よりも大きい。ピストン移動は、非常に短い時間に止まり、従って、炎がシリンダ壁に到達するのに十分な時間がない。
・インペラーブレードは、シリンダ壁に到達しないように炎を逸らせる。
・供給燃料は、エネルギーセンタで燃焼するのに丁度十分である。

図２０は、排気ストローク示し、そこでは、排気バルブを開放し（５９）且つ燃焼生成物がシリンダ（３０）から外へ排除される。ある量の熱いガスは、余りのエネルギーを有するシリンダ内に残る。この余りのエネルギーは、引き続くサイクルのために有用であり、それによって、より少ない燃料の供給で、エネルギーセンタのエネルギーレベルを維持できる。

図１８は、ディーゼルスワールエネルギーセンタ（ＤＳＥＣ）を示し、そこでは、ＨＩＣＳの方向は、周方向スワールと同じである。これは、分子が側面衝突に巻き込まれる単純なエネルギーセンタである。

図１９は、カウンタースワールエネルギーセンタ（ＣＳＥＣ）を示し、そこでは、ＨＩＣＳ（５７）の方向は、周方向スワール（５６）の方向とは反対である。インペラーブレードは、カウンタースワールを発生するために負のスワール角度を有する。インペラー（２０）は、空気流を反対方向へ逸らしてＨＩＣＳ（５７）を生じさせるためにより多くの運動エネルギーを有するべきである。燃料分子は、それが高衝突速度でエネルギーセンタに入ると正面衝突に巻き込まれる。これによって、強力に接合された原子がこれらの分子を奪う或いはそれらの原子から電子さえ奪うことを可能とする。この種のエネルギーセンタは、低オクタン価燃料を燃焼するために使用することが可能である。

図２１は、ディーゼルスワールエネルギーセンタ（ＤＳＥＣ）であり、エネルギーセンタの矢印は、図１のエンジンに対するＨＩＣＳの方向を示している。

図２２は、カウンタースワールエネルギーセンタ（ＣＳＥＣ）であり、エネルギーセンタの矢印は、ＨＩＣＳの方向が図１のエンジンに対する周方向スワールとは反対であることを示している。

図２３は、サンフラワーバルブガイドロックとサンフラワーバルブロックを有さないサンフラワーバルブ機構の分解図である。関連技術の当業者によって理解されるように、図２３のサンフラワーバルブ機構は、上述の図１〜図２２のサンフラワーバルブ機構と同様の原理を利用する。従って、同様の参照番号は、同様の要素を示すために使用される。図２３のサンフラワーバルブ機構の主な違いは、サンフラワーバルブ上部ガイドロック（３５）、サンフラワーバルブロック（３６）、及びサンフラワーバルブ下部ガイドロック（４９）が夫々のリング（１７）、（１８）、（１９）と一体化されていることである。このように、隆起（ｂａｎｋｉｎｇ）表面（６１）、（６２）は、夫々表面（６３）、（６４）に抗して隆起して、ロック（３５）、（４９）の回転を防止する。

従って、本願主題の技術は、エンジンを冷却するシリンダを有する自冷式エンジンを提供し、且つ既存のエンジンよりも効率的な燃焼を提供することが理解される。これらの理由で、本願主題の技術は、実質的に商業上の利益を有する技術における顕著な利点を奏する。

主題の技術は、シリンダ軸と同軸である複数の半径方向チャネルを有するサンフラワーバルブ下部ガイドを含む。これらのチャネルは、サンフラワーバルブ機構によって開放される又は閉鎖される。主題の技術は、ガソリン燃料を使用するが、圧縮比と掃引ファクタを増加することによって、ディーゼル燃料の使用が可能となる。サンフラワーバルブ機構は、空気がシリンダに吸い込まれると、空気の周方向流れを引き起こす。空気のこの周方向流れはシリンダを冷却し且つ燃料をエネルギーセンタで効果的に燃焼させる。吸入空気流は、ピストンのインペラーを回転して、インペラーは、シリンダ壁を冷却するためのファンとして働く。燃焼中に、インペラーブレードは、炎のシリンダ壁への到達を逸らせると共に、エネルギーセンタとシリンダ壁との間の熱障壁としても働く。

示されるように、本願主題の技術のエンジンは、以前に使用された冷却機構に起因する損失を排除して不完全燃焼を顕著に減少する。本願主題の技術のエンジンにおいて、燃料が瞬時にシリンダの中心で燃焼して力をピストンの中心に発揮する。シリンダは、吸気の新鮮な流れによって冷却され、それによって、内燃機関に現在使用されている複雑な冷却機構を排除する。圧縮ストロークの終わりに生成される高負荷圧縮スワール（ＨＩＣＳ）によって、燃料の全ての分子が燃焼に巻き込まれることが保証される。

本願主題の技術のエンジンは、サンフラワーバルブ機構とターボピストンを使用して空気の移動を流線形にすることによって高い度合いの均質な混合気を達成する。本願主題の技術の実施形態は、吸気ストローク中に吸気の新鮮な流れによってシリンダ壁を冷却できる自冷式エンジンを提供する。吸気は、シリンダ壁を横切って周方向にスワールしてシリンダを冷却する。燃料は、ピストンに対する有用な仕事を実行するためにのみ使用され、それによって、エンジンの効率を増加させる。また、燃料は、スワーリングプロセス中に完全に霧化されることにより、エネルギーセンタ（２１）において効果的に燃焼される。

本明細書で主題の技術を具体化するある特定の構造が示され且つ記述されたが、部品の種々の変更及び再配置は、基礎をなす発明の概念の精神と範囲から逸脱することなく行われ得ること、及び添付の特許請求の範囲によって指摘される場合を除き、それらの変更及び再配置が本明細書で示され且つ記述された特定の形態に制限されないことは、当業者には明白である。

１ シリンダヘッドアセンブリ
２ 排気バルブ機構
３ サンフラワーバルブ機構
４ ターボピストンアセンブリ
５ ロッカーアーム調節ネジ
６ ロッカーアーム
７ 排気バルブスプリング
８ シリンダヘッド本体
８ａ エンジンシリンダとシリンダヘッドアセンブリのための締結スタッドとボルト
９ 排気バルブスプリング用の段付き穴
１０ シリンダ軸
１１ 排気バルブ
１２ 排気マニフォルド
１３ カムシャフト
１４ カムシャフト軸
１５ 排気マニフォルド軸
１６ 排気バルブシート
１７ サンフラワーバルブ上部ガイド
１７ａ サンフラワーバルブ上部ガイド半径方向チャネル
１８ サンフラワーバルブ
１８ａ サンフラワーバルブ半径方向チャネル
１９ サンフラワーバルブ下部ガイド
１９ａ サンフラワーバルブ下部ガイド半径方向チャネル
２０ インペラー
２１ エネルギーセンタ
２２ ピストン
２３ 接続ロッド
２４ クランクシャフト
２５ 点火プラグ
２６ 排気室
２７ 吸気室
２８ 吸気マニフォルド軸
２９ 吸気マニフォルド
３０ エンジンシリンダ
３１ 燃料インジェクター
３２ プッシュロッド
３３ 排気バルブカムフォロワー
３４ 排気バルブカム
３５ サンフラワーバルブ上部ガイドロック
３６ サンフラワーバルブロック
３７ サンフラワーバルブスプリング
３８ 円筒状カム
３９ 円筒状カムフォロワー
３９ａ 円筒状カムフォロワー軸
３９ｂ 閉鎖位置の円筒状カムフォロワー
３９ｃ 中間位置の円筒状カムフォロワー
３９ｄ 開放位置の円筒状カムフォロワー
３９ｅ 円筒状カムフォロワースイング角度
４０ カムシャフトとプッシュロッドベアリング支持体のためのブラケット
４１ 円筒状カムフォロワー角運動のためのスロット
４２ サンフラワーバルブアセンブリストッパー
４３ サンフラワーバルブアセンブリサークリップを受容する凹所
４４ 排気バルブシートを受容する段付き穴
４５ サンフラワーバルブアセンブリサークリップ
４６ サンフラワーバルブロックハウジング
４７ サンフラワーバルブ角度遊びのための矩形溝
４８ サンフラワーバルブスプリングシート
４９ サンフラワーバルブ下部ガイドロック
５０ サンフラワーバルブアセンブリカバー
５１ バルブロック上のセレーション
５２ 円筒状カムフォロワーパス
５３ ピストンピン
５４ インペラーサークリップ
５５ 吸気ストロークにおける空気と燃料の流れ
５６ 周方向スワール
５７ 高負荷圧縮スワール（ＨＩＣＳ）
５８ ガスの燃焼
５９ 排気バルブ開
６０ 排気流
サンフラワーバルブとインペラーの寸法
Ｄ サンフラワーバルブの直径
ｄ サンフラワーバルブの内径
θ ポート角度
φ ペタル角度
ｈ１ サンフラワーバルブ上部ガイドの高さ
ｈ２ サンフラワーバルブの高さ
ｈ３ サンフラワーバルブ下部ガイドの高さ
α 周方向スワール角度
β インペラースワールの角度

Claims (8)

1. 少なくとも一つのシリンダを有するエンジンであって、
   サンフラワー機構と排気バルブ機構を備えるシリンダヘッド本体と、
   前記シリンダにおけるストロークを介して移動可能な往復動ターボピストンアセンブリと、を備えるエンジン。
2. 前記シリンダヘッド本体は、
   前記シリンダヘッド本体の円筒状表面に配置された吸入マニフォルド及び排気マニフォルドと、
   サンフラワーバルブ上部ガイドロック、サンフラワーバルブロック、サンフラワーバルブ下部ガイドロック、サンフラワーバルブアセンブリカバー及び円筒状カムフォロワーを収容する、前記シリンダヘッド本体の円筒状表面上のバルブロックアセンブリと、
   カムシャフトとプッシュロッドのためのベアリング支持を提供するブラケットと、
   前記シリンダ軸に沿うサンフラワーバルブアセンブリの移動を停止するために前記排気室の前記外側円筒状表面に配置される環状突起と、
   前記シリンダ軸に沿う前記サンフラワーバルブアセンブリの移動を停止するために前記排気室の前記外側円筒状表面上に配置されるサンフラワーアセンブリサークリップを受容する、前記環状突起の下方の凹所と、
   インジェクターと点火プラグを受容するための前記シリンダヘッド本体の頂表面上のねじ切り穴と、を備える請求項１に記載のエンジン。
3. 吸気マニフォルドに隣接して配置される前記サンフラワーバルブ機構又は吸気バルブ機構は、
   吸気ストローク中に混合気を案内するためにエンジンシリンダ軸と同軸に配置される複数の半径方向チャネルを有し、かつ前記シリンダ軸回りの回転を防止するためにシリンダヘッド本体に固定されるサンフラワーバルブ上部ガイドと、
   前記混合気を前記シリンダに案内して周方向スワールを発生させるために、前記エンジンシリンダ軸と同軸に配置される前記サンフラワーバルブ上部ガイドと一直線に複数の渦形状半径方向チャネルを有し、かつ前記シリンダ軸回りの回転を防止するためにシリンダヘッド本体に固定されるサンフラワーバルブ下部ガイドと、
   前記吸気ストロー中に混合気流を許容するために、エンジンシリンダ軸と同軸に配置される複数の半径方向チャネルを有し、かつ円筒状カムフォロワーに固定され、前記円筒状カムフォロワーは、前記サンフラワーバルブに対して角運動を提供することと；
   前記円筒状カムフォロワープロファイに従って角運動を前記サンフラワーバブルに付するために前記サンフラワーバルブロックの前記頂表面に配置される前記円筒状カムフォロワーと；
   角度付きスロットが、前記円筒状カムフォロワーを角度付きパスに案内するために、前記円筒状ヘッド本体の前記サンフラワーバルブロックハウジンに形成されることと；
   前記サンフラワーバルブを閉鎖位置に保つためにサンフラワーバルブスプリングシートに配置されるコイルスプリングと、を備える請求項１に記載のエンジン。
4. 前記排気バルブ機構は、前記シリンダから燃焼ガスを放出する請求項１に記載のエンジン。
5. 前記カムシャフトの構造体は：
   排気バルブカムと円筒状カムが前記カムシャフトの前記円筒状表面に配置されることと；
   往復運動を前記プッシュロッドに付すための排気バルブカムと；
   角運動を前記円筒状カムフォロワーに且つ前記サンフラワーバルブに付すための円筒状カムを備える請求項１に記載のエンジン。
6. 前記ターボピストンアセンブリの構造体は、
   前記ピストンの頂表面に回転可能に配置されるインペラーであって、前記インペラーがシリンダ軸回りに吸気混合気の力によって回転されることと、前記インペラーは、前記シリンダ軸に沿う移動を防止するために前記ピストンに固定されることと；
   往復運動を回転運動に変化するための接続ロッドを備える請求項１に記載のエンジン。
7. 前記サンフラワーバルブは、サンフラワーバルブ上部ガイドとサンフラワーバルブ下部ガイドとの間でシリンダ軸回りに回転可能であり、且つ前記サンフラワーバルブは、吸気ストローク中に前記シリンダ内への前記混合気の流れを許容するために、サンフラワーバルブ上部ガイドとサンフラワーバルブ下部ガイドの前記半径方向チャネルを覆わない；
   前記サンフラワーバルブ機構において、サンフラワーバルブ下部ガイドの半径方向のらせん状のチャネルは、前記シリンダ内で周方向スワールを発生するために前記混合気の流れを前記シリンダ内に周方向へ向け；
   前記サンフラワー機構によって発生された周方向スワールは、前記エンジンシリンダの壁を冷却し；
   前記サンフラワー機構によって発生された前記周方向スワールは、爆発ストローク中に前記エンジンシリンダの壁への炎の伝搬を防止する請求項３に記載のエンジン。
8. 前記ターボピストンアセンブリは、前記エネルギーセンタで高負荷圧縮スワールを引き起こすために圧縮ストローク中に上方へ移動し、前記高負荷圧縮スワールは、混合気を前記エネルギーセンタで完全に燃焼させる請求項５に記載のエンジン。

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