JP3124550B2 - 内燃機関のための燃料の活性化種を使用する燃焼室及び燃焼方法 - Google Patents

内燃機関のための燃料の活性化種を使用する燃焼室及び燃焼方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明の背景 1.本発明の分野 本発明は、内燃機関の分野、特にそのような機関のた
めのピストン、に関する。
2.関連技術の説明 内燃機関に於ける注入された燃料の点火及び燃焼に関
する改良された制御を具現するためのピストン構造、及
びそのような機関の燃焼室内での燃料の活性化種（radi
cal species）の生成及び運用によって制御された点火
及び燃焼を具現するための方法は、1990年２月６日に認
可された米国特許第4,898,135号明細書に説明されてい
る。当該の特許によると、スパークか或いは加圧で点火
され得る内燃機関のためのピストンは、機関の各燃焼サ
イクルの間の各注入物の大部分を受容するための中央の
凹みと、凹部に隣接し、各注入物の燃料及び空気の一部
を受容するための反応室とを具備する。各燃焼サイクル
の間、反応室内に配分された注入物の部分は低温炎反応
して、燃焼室に入れられる次の注入物に種付け（seed）
をするための次に続く燃焼サイクルで排出される燃料の
活性化種を生成する。
上記の特許の教示によると、活性化種の生成及び運用
は、各注入物の燃料及び空気が反応室内に入れられるよ
り方と、更に反応室から燃焼領域へガスの排出のやり方
を制御することを要求する。先行特許によると、決定的
な寸法を有する連続するスロット状のオリフィスは、主
として各燃焼サイクルの加圧中に絞られた流れの状態で
燃料及び空気を反応室の中へ入れることと、同じく絞ら
れた流れの状態で、その室のガスの主燃焼室へ排出可能
にすることとを行い、それによって燃料の活性化種の供
給は、反応室の排ガスの遅延によって次の燃焼サイクル
で使用するために各燃焼サイクルの間保存されるように
提供される。先行特許の教示によると、オプションで、
１つ以上の分離独立したオリフィスが、ピストンの凹み
と反応室との間を連絡させるために具備されて、燃料を
反応室へ入れるのにより良い制御を具現することができ
る。
先行特許で説明されるピストンの形状によって与えら
れる長所を完璧に説明するために、及び燃料の活性化種
が上記で説明された形状を有するピストンによって生成
され且つ運用される様子をより完璧に説明するために、
先行特許の説明文及び図面について言及しなければなら
ない。基本的に、当該の特許は、内燃機関で点火する前
に燃料の注入物を制御して種付けすることは、信頼でき
予想可能な点火と、さもなくば点火改善器無しに点火す
るのが困難であると考えらるか或いは使用される機関の
型によっては、或る機関運転状態中にノックを起こすで
あろう燃料のノックの無い燃焼を行うのとに利用され得
ることを記述している。先行特許によると、燃焼室内で
活性化物の供給を行い且つ運用して、そのような活性化
物で燃料注入物に活性化種を作ることの認識された利点
を具現することは、機関の主燃焼室と反応室との間を制
御して連絡するシステムでピストンの凹みに隣接して配
置される反応室を使用することを必要とする。
適切な寸法の連続するスロット状オリフィスの使用
は、従来の技術では主燃焼室と反応室との間の制御され
た連絡を具現するために適切な手段であると考えられて
いたが、最近になって連続するスロット状オリフィスが
ピストンのクラウンの領域に於て熱伝達の問題を提供し
得て、更に反応室に入れられる空気及び燃料の制御を可
能にするのに或る困難をもたらすことが発見された。空
気及び燃料の成分を反応室に入れられることをより厳密
に制御すること、及び従来は連続するスロットのオリフ
ィスに委ねられていた領域内でのピストンのクラウン部
分と、ピストンの主本体との間のより良い熱伝達を可能
にすることが非常に望ましいであろうということが認め
られた。
本発明の簡単な説明 本発明は、参考としてここで引用された米国特許第4,
898,135号明細書で説明されたシステム及び方法を改良
したものである。基本的に、各注入物の主に燃料部分を
反応室に制御して入れるのを意図した少なくとも１つの
分離独立したオリフィス、及び第１の分離独立したオリ
フィスから幾何学的に分離した反応室への空気を入れる
ことを主に制御するために配置された少なくとも１つの
分離独立したオリフィスを得ることで連続するスロット
のオリフィスは削除される。
基本的に、本発明の好ましい実施例によると、米国特
許第4,898,135号明細書で説明されたものに類似したピ
ストンの凹みの軸方向に延在する側壁は、各燃焼サイク
ルの間、主に燃料を反応室へ入れることを制御すること
を意図した少なくとも１つの分離独立したオリフィス
と、主に空気の反応室へ入れることを制御するために配
置された少なくとも１つの分離した、物理的に分離独立
したオリフィスとを具備する。オリフィスの形を適合さ
せ、それらの位置を調節して反応室内の流体の循環と熱
伝達状態を最適にすることによって、燃料の活性化種の
生成の最適化が具現される。同じように、オリフィスの
位置が主燃焼領域への活性化種の注入に寄与するので、
次の燃焼サイクルの間（即ち、吸気の間）に主燃焼室へ
の活性化種の排気による排出もより制御されたやり方で
も具現される。
連続するスロットのオリフィスの削除によって、反応
室を取り囲むピストンのクラウンの領域とピストンの主
本体との間の熱伝達は向上し、ピストンのクラウンの過
剰な加熱な防止され、反応室の側壁の温度はより良く制
御される。反応室の全体的な形状は、特許番号第4,898,
135号明細書で説明されたものと同じである；即ち、こ
の室はトロイド型であるか、或いは少なくとも断面が曲
線から成る側壁を有するものであり、分離独立したオリ
フィスは曲線から成る側壁に対して接線方向で反応室と
連絡して、反応室内に渦巻状の渦を誘起するものである
ことが好ましい。空気及び燃料の渦巻き状の混合物は、
反応室内に望ましい冷炎反応と、渦巻き状のガス体と反
応室の側壁との間の良好な熱伝達と促す。反応室は、も
ちろん、ピストンのクラウンの領域に密接に隣接して配
置されるので、それはピストンのクラウンの領域の温度
にはぼ近い温度になる。
活性化種生成の注入物の燃料及び空気の成分を反応室
へ入れることを制御する別々の分離独立したオリフィス
の使用も、主燃焼室内の注入物の高速の渦巻きを有して
る利点を燃焼室で与えることが発見された。更に、別々
のオリフィスの使用によって中間及び高い燃焼室の圧力
（BMEP）で作動する燃焼室内での燃焼はより一層良く制
御される。別々のオリフィスは、各燃焼サイクル中に燃
料及び空気の成分間で幾分層状にされる反応室内の注入
物が、反応室内の燃料／空気の混合物の均一化の割合、
従って反応室内の燃料の反応の速さを更に制御すること
を可能にする。
本発明の圧縮点火に伴う煙りをより少ない発生となる
燃焼方法を容易にすることに基く改良点と他の長所は、
例えば如何なる与えられた機関でも、その熱放出の割合
をより良く制御することである。
図面の説明 添付の図面を参照すると： 図１は、従来の技術で製造された直接注入型の圧縮点
火内燃機関の燃焼室部分の垂直方向断面略図を示す。
図２は、本発明に基いて変形された、図１に対応する
燃焼室を示す図である。
図３は、図４の線III−IIIに沿って採られたピストン
のクラウンの部分の拡大等角断面図を示す。
図４は、本発明に基いて製造された反応室の好ましい
実施例に対応するピストンのクラウンの部分の略平面図
を示す。
図５は、本発明に基いて製造された反応室の代替実施
例を示す。
図６は、ピストンの凹み部分とそれに結合された反応
室との間のオリフィスの部分の代替実施例を示す拡大詳
細図である。
図７は、反応室及びピストンのクラウンの部分と連絡
しているオリフィスの部分の別の実施例の詳細図を示
す。
図8a−8dは、本発明の反応室と結合したオリフィスの
開口部の色々な実施例を示す。
図９は、スパーク点火型機関の本発明の実施例を示
す。
図10は、ピストンの凹み及び反応室の形状の別の型を
示す好ましい代替実施例の略図である。
図11は、燃料及び空気の分離独立したオリフィスを具
備するピストンのクラウンの部分と燃料の衝突部分とを
示す好ましい代替実施例の略図である。
図12は、反応室と連絡している燃料及び空気の分離独
立したオリフィスの色々な列を示す好ましい代替実施例
の略図である。
図13は、図12の線13−13に沿って採られた断面図であ
る。
図14は、本発明の別の好ましい実施例を示す。
図15は、図14の線15−15に沿って採られた断面図を示
す。
図16は、反応室が球形である本発明の別の実施例を示
す。
図17は、図16の線17−17に沿って採られた断面図を示
す。
図18は、球形の反応室を使用した本発明の別の実施例
を示す。
図19は、燃料及び空気の個々のオリフィスの色々な配
列を使用した本発明の更に別の実施例を示す。
好ましい実施例の詳細な説明 図１は、従来の技術の原理にもとづいて、特に特許番
号第4,898,135号明細書に基いて製造された直接噴射
の、圧縮点火（ディーゼル）型内燃機関10の略側断面図
を示す。機関10はシリンダ12を具備し、ピストン・ピン
即ちクロスヘッド・ピン18によってピストン・ロッド14
に取付けられたコネクティング・ロッド16を介して出力
クランク・シャフト（図示されていない）に連結される
往復ピストン14が、公知の原理に基いて下死点（BDC）
と上死点（TDC）との間を往復運動して、ピストンの上
側部と機関のヘッド20との間に可変容積の燃焼室を提供
する。図１ではピストン14は上死点にあり、その時に
は、吸気口26及び排気口28と全体的に参照番号30で示さ
れる燃焼室の間を連絡している従来の吸気バルブ22と排
気バルブ24は閉鎖される。通常バルブ22、24は、内燃機
関技術に於いて、バルブ22、24の同期する開放及び閉鎖
が、少なくとも空気が、空気清浄機Ａ及び吸気口26を通
って燃焼室へ吸引され、燃焼サイクルの吸気及び圧縮の
期間の間に圧縮されることを可能にするために一般的に
使用されるどんな従来のシステムでも作動される。燃料
は、燃料噴射器32を通して直接に、調時された噴射によ
って入れられる。それから燃焼室内の注入物の圧縮、燃
焼、及び膨脹が生じ、燃焼生成物は、機関の燃焼サイク
ルの排気部分の間に排気口28を通って排出される。上記
で述べられたように、燃料は、エンジンスピード制御装
置（即ち、アクセル・ペダル38）の制御の下に、制御モ
ジュール40により、噴射ポンプ・システム36を介して供
給体34から燃料を受容する燃料噴射ノズル32を通って燃
料室内へ直接に噴射され、その結果燃料は、燃焼サイク
ルの圧縮期間中にピストン14が上死点へ近付く時に、ス
プレーの形状で燃焼室内へ噴射される。何等かの適切な
燃料噴射器システムはこの燃焼システムに基いて使用さ
れ得て、内燃機関の燃料噴射技術の当業者は、“スロッ
トル”或いはアクセル・ペダル38の制御を受けて、燃焼
サイクルとの同期性を有するエンジンの燃焼室内へ燃料
の調時された噴射を行うことができ、それによって燃料
／空気の注入物の適切な供給が、燃焼サイクルの圧縮期
間のほぼ最後で、燃焼室30内へスプレーで噴射され、通
常、ピストンの上死点位置を越えて、燃焼室の膨脹が生
じる期間の間継続する、適切なシステム及び構成要素を
熟知しているであろうということが推測される。
図１に示される圧縮点火システムに於ては、注入物が
上昇した圧力及び温度を受ける結果、注入物の燃焼が単
独で始められ、それによって注入物の同期する点火が所
望する時に行われる。通常の方法では、火花プラグ（図
示されていない）は、エンジンのスタート時に燃焼を起
こすのに利用される。
図１に示されるシステムの更なる説明は、米国特許第
4,898,135号明細書を参照されたい。
図１に示される従来の技術のシステムに関して、各燃
焼サイクルの間に、各注入物の燃料及び空気の一部は、
連続するスロット状オリフィス46、及び選択的に分離独
立したオリフィス48を経由して、一般的にトロイド型或
いは断面が曲線から成る反応室44の中へ入れられる。特
に、連続するスロット46とオリフィス48の両方とも燃料
を直接に受容するように意図されており、何れのオリフ
ィスも主燃焼室から主に空気だけを受容しないように配
置されている。反応室44内の燃料及び空気は、各燃焼サ
イクル中に、部分的に反応させられて、次に続く燃焼サ
イクル中に、次に入ってくる注入物に種付けするのに使
用される燃料及び酸素の活性化種（“燃料活性化種”）
を生成して、それによって次の燃焼サイクル中に、所望
の点火及び熱放出の特性を出すための条件を次の注入物
に与える。図１に示される燃焼室の形状に伴う活性化物
燃料種の生成及び処理に関するより詳細な説明のため
に、上述の特許第4,898,135号明細書を参照されたい。
図１の従来の技術の説明を受けると、ピストン14は燃
焼室30の容積VAの殆どに相当することを意図されるクラ
ウンの領域内の凹み42を具備する。［容積VAは、ピスト
ン14がTDCにある時の燃焼室30内の全内容の容積（VC）
からオリフィスの領域を含む反応室44内の容積VBを差し
引いたものと規定される］。従って、この内燃機関の形
状によると、点火点で、各燃焼サイクル中の圧縮行程の
完了の際、凹み42は燃焼室の容積VA中の各注入物の燃料
部分の殆どを含む。特許第4,898,135号明細書でより完
璧に説明されているように、反応室44は単一の環状の反
応室を具備し得るか、或いは凹み42の周囲で離間して配
置された複数の反応室を具備し得る。凹み42は横方向に
延在している底部の壁50及び軸方向に延在している側壁
54によって形成される。図１の例によると、側壁54は、
連続するスロット型のオリフィス46が側壁54と底壁50と
の交差部を中断する所で切れている。
製造の単純化のために、図１に示される実施例は、そ
の中に反応室44が作られており、且つ凹み42の側壁54と
ピストンのクラウンの領域55とを具備する環状のクラウ
ン・ブロック53を具備する。ブロック53は、固着具56に
よってピストン14の上方側部に固定される。勿論、当業
者によって公知の或る適切な製造方法は、ピストン14及
びその反応室44を作るのに使用され得る。技術的障害を
克服して、トロイド型の反応室44を作ることが必要であ
り得るが、より実際的な方法では、ブロック53がピスト
ン14の上部に組み立てられる前に、室の都合の良い製造
或いは成形を可能にする断面の更に単純な曲線で囲まれ
た側壁を有する反応室44が作られ或いは形成され得る。
図１に示される従来の技術の例によると、噴射器32か
らの液体燃料の一部は連続するスロット46を通って、及
び選択的に分離独立したオリフィス48を通って反応室44
へ直接入れられる。この例が次の燃焼作業で使用するた
めの活性化物燃料種を生成する目的を達成する一方で、
或る状況の下で、ブロック53とピストン14との間の熱伝
達は、連続するスロット46があるために不十分であると
いうことと、オリフィス48を有する或いは有さない連続
するスロット46は、反応室44内に入れられる空気及び燃
料の含有量を別々に制御することで問題を提示すること
とが認められた。
別の実験の結果、本発明の好ましい例は、図１に示さ
れる従来のシステムの或る欠点を克服すると思われる。
本発明の１つの好ましい実施例は図２乃至４に示され
る。尚ここでは図１に示される要素に対応する同一の要
素に同じ参照番号が使用されている。本発明によると、
連続するスロット状オリフィス46は完全に削除され、そ
の代りに唯分離独立したオリフィスだけが凹んだ主燃焼
室30と反応室44の内部との間の連絡を提供するために使
用される。“分離独立したオリフィス”という言葉は、
連続する或いは細長い開口スロット或いは間隙に対し
て、囲まれたほぼ対称或いは均一な幾何学的形状（例え
ば、円形、正方形、等）を有する開口部或いは穴を、区
別することを意図している。
本発明のこの実施例によると、分離独立したオリフィ
ス58、60は、主に燃料及び空気を夫々、反応室44内への
吸入を別々に制御するように具備される。この実施例の
分離独立したオリフィス58は、ピストン14内にオリフィ
ス42の軸方向に延在する側壁54に配置される。オリフィ
ス58は、燃料噴射器32から噴射されたスプレー・パター
ンによって直に当てられるように配置されて、各燃焼サ
イクルで反応室44への燃料の直接供給を確実にするる。
該実施例によると、ピストン14のクラウンの領域55（ブ
ロック53の上方表面）に開口する別々の分離独立したオ
リフィス60は、反応室44内への空気の吸入を主に制御す
るために具備される。オリフィス58及び60は互いから空
間的に離隔され、その結果噴射器32からの燃料のスプレ
ー状のものが、空気のオリフィス60が配置されている領
域に当たらないということが認められるであろう。従っ
て、オリフィス58は室44への燃料の吸入を主に制御し、
一方オリフィス60は室44への空気の吸入を主に制御する
ということが分かるであろう。
好ましくは、オリフィス58及び60はブロック53の外壁
から室44へ向って内側へ通されて、室44の曲線から成る
側壁に接してか、或いは少なくとも室44内に渦巻き形の
渦を引き起こすであろう方向に開口する。渦巻き形の渦
の方向は、流体の流れがオリフィス58、60を通って外へ
戻るように移動しないようにするというよりも、むしろ
反応室44内に閉込められたまま留まるのに役立つであろ
う。図２に見られるように、オリフィス58及び60の両方
は、好ましくは反応室44の曲線から成る側壁に接して開
口するように示される。しかし、反応室44の側壁に接し
ない方向に開口して、反応室44内に望ましい流れパター
ンを具現することが望ましいものであり得るということ
に留意されたい。
反応室44は、図４に示されるような、別々の、個別の
室のとしてピストンのクラウンの領域内に具備され得る
か、或いは図５に示されるような連続する環状の室の形
状を取り得る。単一の室か或いは複数の室かの選択は、
ピストン及び燃焼室の形状か、或いは製造の要件によっ
て決まるであろう。
図４の実施例に於て、矢印Ｆは、何等かの適切なシス
テム、例えば吸気バルブ或いは吸気口の形状、によって
燃焼室30内へ入れられる注入物の渦の動きの方向を示
す。注入物の渦が燃焼室30内へ導かれる時、主に燃料の
入ることを制御することを意図する分離独立したオリフ
ィス58は、燃焼室内及び凹み42内の注入物の渦の動きの
方向Ｆの上流の方向でその夫々の反応室44の端部に配置
される。他方で、分離独立したオリフィス60は、通常反
応室の他方の端部に配置されるか、或いは燃料噴射器32
によって入れられる燃料の流れに当らないように少なく
とも燃料制御オリフィス58から離間されて配置される。
この実施例に於て、空気制御オリフィス60は、燃料制御
オリフィス58が配置されている反応室44の反対側の端部
のピストンのクラウンの領域内に具備される。ピストン
の凹み内の渦の方向Ｆに対して室44の上流の端部に燃料
制御オリフィス58を配置することは、燃料の反応室44内
への吸入に関する制御を具現するのに重要であるという
ことが認められた。燃焼室内の渦巻きの程度に関係な
く、エンジンの大抵の運転状態の間、燃料が、オリフィ
ス58に当たるようにオリフィスを配置するのが非常に望
ましい。或る実験は、オリフィス58が少なくともエンジ
ン運転の重要な変化の間、噴射器32のスプレー・パター
ン内にあるように、オリフィスを精密に配置することを
要求する。空気制御オリフィス60の配置は、燃料のオリ
フィス58から離間するようにされなければならないが、
空気制御オリフィス60の配置は、色々なエンジンによっ
て変えられることができ、且つピストンの凹みの軸方向
の側壁54上に配置されることさえもできる。
選択的に、追加的な分離独立した空気制御オリフィス
60′がピストンのクラウンの領域に具備されて、夫々の
反応室44との連絡をもたらすことができる。オプション
の追加の分離独立したオリフィス60′は、オリフィス60
のように、あらゆる与えられたエンジンのための反応室
44内での最良の活性化種の生成及び運用の条件の具現を
示すであろう実験の或いはパラメータの研究に基いてピ
ストンのクラウン領域或いは側壁54に沿うどの場所でも
配置され得る。従ってオリフィス60′と60とは、各燃焼
サイクルに対して反応室44内での最良の空気の含有量と
流れの状況を提供することを意図して組合わせられる。
何れの場合でも、オリフィス58、60、及び60′を通る流
れは、各燃焼サイクル中の夫々圧縮及び膨脹をしている
間の或る点で、いつも流れを絞られた状態に達して、次
の燃焼サイクルで種付けするための活性化種を保存す
る。
本発明によると、ピストンのクラウンの領域、凹み42
の側壁54、或いは反応室44の側壁の何れかへの開口部
で、オリフィス44を旨く形成することによって反応室44
へ入るまたは出る流体の流れの状態を精密に調節するこ
とが非常に望ましい。従って、図６−8dに示されるよう
に、反応室44へ入るまたは出る流れに好都合であるよう
な、それらの末端領域の変移部を持ったオリフィス58及
び60が説明される。
図６に示されるように、オリフィス58は凹み領域42か
ら反応室44へ向かう流体の流れに好都合であるような、
ほぼ円錐形のテーパの付いた吸込み口領域62を具備す
る。図７に示される実施例によると、反応室44からの活
性化種の流れは、それが反応室44の側壁を横切るオリフ
ィス60の先端部の円錐形の変移部64のおかげで、ピスト
ンのクラウンの領域内のオリフィス60から外側方向に都
合良く行われるであろう。
同じように、図8a−8dは矢印66の方向っへ向う流体の
流れに好都合な色々な他の形状を示す。図8a−8dに示さ
れる実施例はオリフィス58を示しているが、オリフィス
60は同じ風に、オリフィスを通る流体の流れの特定の方
向を都合良くすることに関して同じ結果をもたらすよう
に形成され得る。
図９は、注入物の燃料部分が空気と共に吸引され、注
入物がスパーク点火器によって点火される本発明の実施
例を説明する。図９に示されるエンジン100は図１及び
２に示されるエンジンの形状とほぼ同じであり、ここで
シリンダ112内のピストン114は、それがピストン・ピン
118の所で連結されているコネクティング・ロッド116を
経由して出力クラウン・シャフトに連結されている。ピ
ストンのクラウン153は反応室114を具備し、燃焼室130
はピストン114の上方端部とエンジンのヘッド120との間
に配置される。吸気口126及び排気口128は、吸気バルブ
122及び排気バルブ124によって閉鎖され、電気エネルギ
ーの適切な源に連結されるスパーク点火器141、143は、
燃焼室130内の注入物に点火するのに利用される。単数
或いは複数の反応室144は凹み142と連絡しており、同時
に凹み142の側壁を通って分離独立したオリフィス158と
連絡し、分離独立したオリフィス160はピストンのクラ
ウンの領域を介して燃焼室130と連絡している。
混合気の注入はアクセル或いは他のエンジン速度制御
装置129に制御されて吸気口126の上流で用意される。燃
料は燃料供給体Ｆにより、ポンプＰ及び燃料ライン131
を経由し、吸気マニホルド139に連結される気化器127へ
供給され、ここで燃料と空気は混合されて、吸気口126
に供給される均質の注入物を準備する。燃料は、吸気口
126の上流で噴射されるかまたは吸込まれ得るか、或い
は公知の原理に従って吸気口領域126内へ直接に噴射さ
れ得る。
所望するならば、各注入物は、例えば、吸込みクリー
ナー135及び導管137を通って吸気バルブ122に隣接する
吸気マニホルド139の中へ空気を入れる第２の空気バル
ブ133を使用することによって、燃焼室130内で軸方向に
層状にされ得る。そのような第２の空気バルブ133は、
各吸気行程の最後に向って吸気バルブ122のすぐ上流の
吸気開口126の中へ空気を入れる単純なフラッパ・バル
ブの形状で具備され得て、その結果バルブが閉鎖する
時、非常に薄い混合物が吸気バルブ122の上流に供給さ
れる。次の吸気行程中にバルブが開放すると、注入物の
燃料の濃厚な部分が気化器127を経由して燃焼室130へ到
達する前に、非常に薄い混合物がこの室内へ吸込まれ
る。このように、燃焼室130内の注入物の軸方向の層状
化が具現され得て、それによって圧縮行程の終了時に、
比較的に薄い注入物が凹み142内の燃焼室130の底部によ
り近付いて供給され、一方で注入物の比較的に濃厚な部
分はスパーク点火器143の点火点141に隣接して配置され
る。
勿論、軸方向の層状化が利用されるならば、通常の吸
入及び圧縮の行程中に、オリフィス160は圧縮行程の始
めにまで空気を吸気行程中に最後にオリフィスに到達す
る燃料と共に受容する。オリフィス148はより濃厚な混
合物或いは先ず空気のみを受容するように配置され得
る。軸方向の層状化が行われない等質の注入物の場合、
オリフィス158及び160の両方は各注入物の空気及び燃料
の一部を受容するだろうが、しかし夫々のオリフィス15
8、160の位置は、所望であれば、各注入物の燃料部分
が、例えばオリフィス160の反対側のオリフィス158へ向
って集中され得るように配置され得る。図２に示される
本発明の実施例のように、オリフィス158及び160の寸法
は、絞られた流れの状態が、エンジンの燃焼サイクルの
圧縮、膨脹、及び排気の行程中に或る点でオリフィスを
通って生じるように選択される。
実施例の全てに於て、反応室44、144は、分離独立し
たオリフィス58、158及び60、160の容積を含むことが意
図された容積VBを有するということに留意されたい。VA
（全燃焼室の内容容積）とVBとの間の関係は、特定のエ
ンジンの形状に於て重要であるということが認識され
た。本発明は、VAとVBとの関係が下記の式を満たす時、
一般的な自動車或いはトラックのエンジンに最適に具体
化される： 或るエンジンに於て燃焼サイクルの吸入中に注入物の燃
料部分が吸込まれ、そして圧縮中に、特に注入物が等質
であるならば空気及び燃料がオリフィス58、158及び6
0、160の両方を夫々通って室44、144内へ入れられるで
あろう。勿論、オリフィスの大きさ及び方向は、反応室
44、144内の燃料及び空気の適切な望ましい混合物を具
現するように調節されるであろう。更に、色々な層状に
する計画は、燃焼サイクルの圧縮部分の間に燃焼室内で
軸方向に吸込まれた注入物の濃さを変化させるのに利用
され得て、その結果オリフィス58、158、及び60、160
は、直接噴射燃焼室に類似したやり方で反応室44、144
内の燃料及び空気の望ましい割合を具現するのに利用さ
れ得る。つまり、オリフィス58、158が室44、144内への
燃料の大部分の吸入を制御して、オリフィス60、160が
主に空気の吸入を制御するように指向されるであろう。
本発明の全ての実施例に於て、オリフィス58、158、及
び60、160は、燃焼室30、130の前で前進する燃焼炎が、
反応室44、144に到達する前に効果的に消されるように
形成される。
各燃焼サイクル中に具現された絞られた流れのオリフ
ィス58、158、及び60、160内での状態の説明のために、
特許第4,898,135号明細書を参照しなければならないで
あろう。しかしオリフィスを横切る絞られた流れの状態
はオリフィスを横切る限界圧力比が、約0.53の比と等し
いか或いはそれよりも少ない時に、古典的な圧縮可能な
流体の仕組みで生じる。従って、燃焼サイクルの圧縮期
間中に、約0.53の臨界圧力比で、流れの絞られた状態が
到達する、即ちオリフィスを横切る圧力比が上昇し、対
応するそこを通る流れの速さが古典的な流体の仕組みの
法則に従って限定されるまで、オリフィス58、158、及
び60、160を通って反応室44、144に到達しようとしてい
る燃焼室30、130内の益々上昇するより高い圧力のガス
は、オリフィスを通ってより速く流れるであろう。この
状態は室44、144内の圧力が、オリフィスを横切る圧力
比が臨界の流れの絞られた状態より下に下がる点まで上
昇するまで続き、その結果、燃焼室30、130と反応室4
4、144との間の圧力はオリフィスを通る流れによって均
等にされるであろう。従って、圧縮行程の期間中の絞ら
れた流れの状態は、エンジンのほぼ全ての通常の運転速
度で生じることが意図され、その結果反応室内の圧力の
変動は燃焼室内の圧力の変動がより遅れる。この絞られ
た流れの状態は、膨脹（出力行程即ち燃焼行程）の少な
くとも一部分及び排気行程中にも生じ、室間の圧力差の
ために反応室と燃焼室との間の上述の圧力遅延状態を更
に続ける。
特許第4,898,135号明細書の原理によると、反応室か
らの活性化物の流出、室内での活性化物の生成率、燃焼
室から反応室への活性化物の流入率、及び反応室内に留
められる活性化物の割合の間の関係は、下記の式に基
く： ＲOUT.＝ＲGEN.＋RIN−ＲRET.ＲCRIT. ここで： ＲOUT.は、反応室からピストンの凹みの中へ排出され
る活性化物の量であり； ＲGEN.は、反応室内で各燃焼サイクルの間に生成され
る活性化物の量であり； RINは、種付けされた注入物の圧縮中に燃焼室から反
応室へ戻される種付けされた活性化物の量であり； ＲRET.は、各燃焼サイクルで反応室内に留められる活
性化物の量であり； ＲCRIT.は、各燃焼サイクル中に燃焼室内で注入物を
むらなく種付けして、与えられたエンジンのための注入
物の予め選択された点火及び燃焼の特性を具現するのに
要求される反応室内の活性化物種の最小固体数（−popu
lation）である。
圧縮点火式エンジンのための本発明の全体的な目的
は、入来する注入物を種付けして、その結果活性化物種
の効果的な集中或いは固体数が、燃焼室30、130内、特
にピストンの凹み領域42、142内に存し、その結果普通
の圧縮比で低セタンの燃料を含む、燃料の注入物の点火
の開始が、予想可能で信頼できるやり方で行われるであ
ろうということに留意されたい。勿論、圧力及び温度の
条件を含む、点火を開始するための適切な物理的環境
は、適切な圧縮率、構成材料、及び冷却システムの選択
によって燃焼室内にもたらされるであろうと仮定され
る。しかし本発明の利点は、信頼できるむらのない圧縮
−点火が、注入物の活性化物を種付けをすることによっ
て、低セタン値を有するものを含む、色々な燃料で具現
できるということである。
上記の式は、各燃焼サイクルでの活性化物の生成及び
入来する注入物の種付けが、主燃焼室30、130内の燃焼
をむらなく確実に起こすのに及び／或いはスパーク点火
のエンジンでガソリン燃料のノック無しの燃焼を可能に
するのに十分な割合に等しいか或いはそれを越す必要が
あることを示す。勿論、室14、144内での活性化物を生
成する絶対量は、使用される燃料、圧縮比、運転条件、
及び各エンジンの運転に伴う他の可変のものに応じて、
各エンジンごとに変化するであろう。しかし、ここで説
明された原理を利用して、室44、144内の活性化物の生
成の臨界の割合（ＲCRIT.）が、燃焼室内の注入物の適
切な条件付け（即ち、種付けすること）を具現して、圧
縮点火のエンジンでのむらのない信頼できる随時の点火
及び煙り無しの燃焼、或いはスパーク点火のエンジンで
のノック無しの燃焼を実現するためはどのようになくて
はならないかを実験によって何時でも決定され得る。
式から、室44、144内で生成される活性化物の量に、
圧縮を受けている現在の注入物と共に、室内へ再び入れ
られた活性化物の量を加えて、現在の燃焼サイクル中に
室44、144内に留められた活性化物の量を差引いたもの
が、分離独立したオリフィス58、158、60、160を通って
最終的な排出のために室44、144内で利用できるであろ
う活性化物の臨界量に等しいか或いは越えなければなら
ないということが分かるであろう。排出は、燃焼室30、
130内の圧力が分離独立したオリフィス58,158、60、160
を横切って存在する臨界の圧力比で、反応室44,144内の
圧力より下に落ちる時に、燃焼サイクルの膨脹期間の中
に始まる絞られた流れの状態で大体行われる。放出は、
サイクルの吸気部分が始まるまで、絞られた流れの状態
のもとで排気行程を通して続き、その結果時間的な遅れ
が、燃焼室30、130と反応室44、144との圧力変動の間に
存在する。これは、室44、144からの活性化物の放出
が、燃焼サイクルの膨脹期間と排気期間を過ぎて続き、
次の続く注入物を含む燃焼サイクルの吸気期間まで継続
するであろうということを確実にする。これは、燃焼室
30、130へ十分な量の活性化物を供給して、どんな与え
られたエンジンでも圧縮を受けている注入物に望ましい
点火及び燃焼を行うという特性を得ることを確実にす
る。圧縮を受けている注入物が、サイクルの圧縮部分中
の末期まで、例えば燃料が燃焼室内へ直接噴射される
時、注入物の燃料部分を受容しない可能性がある時、吸
気行程中の最初の方で注入物の空気の部分に活性化物を
種付けすることによって望ましい結果を具現するであろ
う。その理由は、望ましい活性化物の固体数が、燃料の
噴射時に燃焼領域内に存在するであろうからである。
プレフレーム或いは冷炎反応の結果、生成された燃料
の活性化物種（即ち、“プレコンバッション”の活性化
物）は、入来する注入物を種付けして、本発明によって
求められる望ましい信頼できる点火及び燃焼の特性を獲
得することに留意することが重要である。燃焼の後に、
且つ燃焼サイクルの排出部分の後に残された燃料の酸化
反応による色々な生成物の存在は、信頼でき且つ制御可
能な点火点のために燃料の注入物に条件を付けをするこ
とでは重要ではない。従って、本発明によると、前記の
式に基いて燃焼前に活性化物が生成されて、保存され、
且つ燃焼室に制御可能なように供給されることが重要で
ある。十分な活性化物は、各燃焼サイクルで生成され、
燃焼領域で獲得されて、如何なるエンジンに対しても注
入物の望ましい点火及び／或いは燃焼の特徴の具現を確
実にする。これは本発明により、連絡オリフィス58、15
8、及び60、160を横切って流れが絞られて、排気行程を
越えて一定量の燃焼前の燃料の活性化物を保存し、且つ
次の燃焼サイクルで制御された状態の下で臨界量の保存
された活性化物を燃焼領域に供給するような風に、ピス
トンの凹み42、142に隣接し、ピストンの凹みと連絡す
る反応室44、144を準備することによって具現される。
本発明の如何なる実際的な実施例に於ても、或る設計
指数が、反応室の容積と燃焼室の容積と個別のオリフィ
スの総合したオリフィスの面積との間の関係を確立する
のに重要であるということが発見された。特に、現在、
下記の関係が成立する時、本発明は最も良く具現される
ということが信じられる。
及びここで： Ｉ＝設計指数 VC＝個々の反応室の容積 AP＝個々の反応室と連絡している全ての個別のオリフ
ィスの面積の総計 VTDC＝上死点の燃焼室の総容積 VCT＝反応室の総容積 上記の“I"に対する値は、如何なるエンジンに対して
も設計の計算結果を与えて、与えられたエンジン内の如
何なる与えられたピストン及び反応室の分離独立したオ
リフィス58、158、60、160の初期のオリフィスの全ての
面積を得させる。最初は如何なる与えられた室に対する
オリフィスも全て大きさが等しいと考えられ得るので、
オリフィスの全ての面積は、オリフィスの数で単純に割
算されて如何なる反応室にも提供される。設計指数“I"
の値は、燃焼室、オリフィス、及び反応室の色々な組合
わせを使って、どの組合わせがもっとも良いエンジンの
特性をもたらすかを決定する色々なエンジンの形状の特
性を測定することによって実験的に決定される。多くの
実験を通して、設計指数、ノンディメンションの値であ
るが、如何なる与えられたエンジンに対しても大体16乃
至26の間にあるべきであることが決定された。この“I"
の値を始点として使って、単数或いは複数の反応室の容
積が如何なる与えられたエンジンに対しても最初に設計
され得て、全ての分離独立したオリフィスのオリフィス
の全て面積が決定され得る。それからオリフィスの全て
の面積が、分離独立したオリフィスの所望する数によっ
て割算されて、燃料の吸入の制御のため、及び空気の吸
入の制御のためにまず利用される。反応室の大きさと配
置によって、最初にオリフィスの全ての面積を２つに分
け、１つを燃料の制御オリフィスに１つを空気の制御オ
リフィスに提供することによって始め得る。しかし、よ
り一般的には、幾つかの燃料の制御オリフィスと幾つか
の空気の制御オリフィスとが反応室に沿って別々の場所
に具備され得る。オリフィスは、如何なる与えられたエ
ンジンに対しても最大の運転の質指標（Run Quality In
dex）（RQI）が保証される申し分のない場所に配置され
る。更に、個別のオリフィスの寸法及び場所は、エンジ
ンの設計者が、個々のエンジンの特性、例えば個々の出
力、トルク、或いは排気の特徴を獲得することを望む場
合に、如何なる決められたエンジンの対しても熱放出の
率を特別の仕様に従って変更することができる。
RQIの説明のために、1986年６月３日に特許された米
国特許第4,592,318号明細書を引用する。該特許で説明
されている様に、RQIはエンジンの図示馬力（IHP）とそ
の図示燃料消費率（indicated specific fuel consumpt
ion）（ISFC）と、エンジンの排出流を通って放出され
る不燃焼炭化水素（UHC）と、排気流内に含まれる一酸
化炭素（CO）との関係を示すノンディメンションの値で
ある。式で表せば（Ｋは定数）： 最大のRQIで、エンジンは、如何なる速度と荷重ででも
それの最大実効率で運転されると考えられるが、認識さ
れるであろうように、同じ条件のもとで、必ずしもエン
ジンの理論的最大効率と同じではない。最大のRQIの曲
線は、注入物の空気と燃料の割合を確立するための目
標、及び実際のエンジンの運転中の適切な点火時期を確
立することを意図されるものである。
オリフィス58及び60は、反応室44の向い合った端部の
所に夫々配置されるということが図４から認められるで
あろう。この好ましい実施例に於て、反応室44内で非対
称（即ち、カオス）の状態を作って、次の燃焼サイクル
中に、燃料の活性化物種の生成を及び主燃焼室内への活
性化物種の排出をより良く制御することが望ましいであ
ろう。しかし、如何なる与えられたエンジンでもオリフ
ィス58、158、及び60、160の精密な場所は、個々のエン
ジンの燃焼室、エンジンの運転状態、エンジン内で起こ
っている燃焼サイクルの種類、及び恐らく他の要因によ
って示されるであろう。燃料噴射式のエンジンに於て、
例えば、特に燃焼サイクルで圧縮点火が利用される場
合、室44内へ燃料を入れることは主としてオリフィス58
によって制御され、空気は主としてオリフィス60によっ
て制御されるであろう。オリフィス58、60の離間したこ
の配置は、燃料と空気の混合物の或る程度の制御と、反
応室内で生じる冷炎反応とをもたらす。更に、離間した
オリフィスの使用によって、室44内での渦動のより良い
制御が可能となって、室44とピストンのクラウン材料と
の間の熱伝達をより良く制御する。
反応室44、144は、反応物質のその腔中での滞留時間
が短いために化学的統計（振り子）或いは化学的振動子
と考えられ得ると信じられる。この化学的振動子の反応
時間は、不均一（表面活性の）触媒作用と自触媒作用
（反応生成物の１つによる化学反応の触媒作用）の両方
によって変えられ得る。従って、互いに離間した別々の
燃料の吸気制御オリフィスと空気の吸気制御オリフィス
とを使用し、且つ室内で接線方向の渦流を使用すること
によって具現される室内に於ける（均一なものからカオ
スへの）内部の流れの制御に加えて、室内の反応速度に
関する別の制御が、室44内で適切な触媒材料或いは被覆
体68を使用した表面の触媒作用によって、更に室内で自
触媒作用に頼ることによっても行われ得る。
本発明に基いて作られた燃焼室及び反応室は、エンジ
ン、特にディーゼル（圧縮点火、直接噴射の）エンジン
に於ける熱放散に関するより良い制御を行う。事実、与
えられた出力に対する排気（煙りを含む）と燃料消費と
の間の最も良い組合わせを提供する熱放散率曲線の形状
によってエンジン特性を最も良くすることができる。本
発明は、高価な電子式燃料噴射制御システムに頼る必要
無しに、熱放散率を調節するための自己内蔵の制御シス
テムを提供する。
反応室44と結合したピストン14のクラウン領域は、燃
焼室30と反応室44との間の熱伝達を高めるか或いは制御
するための色々な材料から作られ得る。従って、アルミ
ニウム、ニレジスト（高ニッケル、35％の鋳鉄）、複合
材料、セラミックス、カーバイド、ゼオライト、及びそ
れらに類似するもの等の、色々な材料から選択すること
ができる。勿論、素材の選択は、燃焼室30内の温度及び
圧力の状態、エンジン負荷、エンジン速度、エンジンの
冷却、及び他の代表的なエンジンの運転条件及び形状に
よるであろう。
図10は、ピストン200が、半径方向外側に傾斜して、
燃料噴射器232から射出される燃料を受容するためのポ
ケット領域を与える凹み242を具備する、本発明の好ま
しい代替実施例を示す。この実施例によると、曲線から
成る上方壁245を有する反応室244はピストン200の上方
部分に取付けられたブロック253内に室を形成すること
によってピストン200のクラウン領域内に具備される。
勿論、適切な形成技術が使用されて反応室244を作るな
らば、ピストン200及びブロック253の両方は、単一要素
として一体構成にされるので、室244はピストン200内に
一体構成で形成され得る。当業者に公知の如何なる適切
な製造方法も、曲線から成る側壁245を具備する反応室2
44を作るのに利用され得る。この実施例に於て、単一の
分離独立したオリフィス258は、反応室244内への燃料の
吸入を主として制御するのに使用される。この結果を具
現するために、分離独立したオリフィス258は噴射器232
から放出される燃料のスプレー・パターンの中心に配置
されるか、或いは矢印Ｆによって指示される方向での渦
の動きを考慮して、その中心から僅かに偏心し得る。別
々の、幾何学的に離間している分離独立したオリフィス
260は、凹み242の側壁254で使用されて、反応室244への
空気の吸入を主として制御する。この実施例に於て、反
応室244への空気の吸入を制御するためのオリフィス260
は、オリフィス258から円周に沿って離れており、反応
室244に対してより高い或いはより低い点に配置され
て、反応室244内での流体の望ましい循環を具現し得
る。
図11では、反応室344への空気及び燃料の進入を制御
するために使用される分離独立したオリフィスの列の別
の好ましい実施例が示される。燃料衝突領域Ａは、実際
にピストン300の凹みの側壁領域上に見られる一連の同
心円によって示されるということが見られるであろう。
分離独立したオリフィス358は、衝突領域Ｓの中心領域
内に配置されているので、それは燃料噴射器（図示され
ていない）によってピストン300上の燃焼室内へスプレ
ーされる燃料を受容する。図11は、ピストン300の中心
領域から外側半径方向に採られた図であるので、ピスト
ン300の中心の凹みを形成する軸方向の壁354の内側を見
ることができる。ピストンの凹み内の渦動方向は、矢印
Ｆによって示される。反応室344が、より高いエンジン
速度でもたらされる高速度渦動の燃料でさえをも常に受
容するのを確実にするために、第２の燃料制御用の分離
独立したオリフィス358′が、渦の方向Ｆに対して燃料
のスプレー・パターンの下流側の燃料のスプレー・パタ
ーンＳの外側領域に具備されて、渦動が燃料を第２の燃
料のオリフィス358′に向かって吹き流すのに役立つ。
既に説明された本発明を別の実施例のように、第１の燃
料制御オリフィス358と第２の燃料制御オリフィス358′
は、渦の流れの方向Ｆに対して室344の上流の端部に配
置されるということも認められるであろう。他方で、空
気制御オリフィス360及び360′は渦の流れの方向Ｆに対
して反応室344の下流の端部へ向って配置される。空気
制御オリフィスは、燃料が側壁354に当るスプレー・パ
ターンＳの外側にも配置され、その結果燃料及び空気の
進入が、主として燃料制御オリフィス358、358′及び空
気制御オリフィス360及び360′の配置と寸法によって制
御され得る。４つのオリフィスだけがこの実施例で説明
されたが、如何なる数の分離独立した燃料及び空気の制
御オリフィスであっても、設計指標“I"に対して上記で
与えられた式が使用され得る。実験によって、渦の流れ
の方向Ｆに対する並びに反応室344の形状及び位置に対
するオリフィスの最適な寸法及び位置を決められるであ
ろう。
反応室344は、図示されるように円周300の周りに部分
にのみ延在するが、室344はピストン300の凹み領域を取
囲む単一の環状の室344であり得るということにも留意
されたい。本発明のそのような実施例に於て、同じ原理
が燃料のスプレー・パターンに対する燃料及び空気のオ
リフィスの配置に関して適用されるであろう。
図12及び13を参照すると、本発明の別の実施例は、燃
料制御オリフィス406及び空気制御オリフィス408、410
を経由してピストンの凹み領域404と連絡している反応
室402を有するピストン400で具体化される。空気制御オ
リフィスをピストン400の仮想の長手方向対称中心線に
垂直に且つ半径方向に延在する仮想面内にあるように配
置するのが良いということが発見されている。２つの空
気制御オリフィス408、410が図示されているが、或る応
用例に於て、燃料オリフィス406から第２のオリフィス4
08があるであろうよりも幾分遠くに配置されるオリフィ
ス410のおかげでオリフィス408を削除することができ
る。複数の空気制御オリフィス408、410等が使用される
ならば、それらを反応室402を通って斜めに延在してい
る仮想線（そのような仮想線はＹ−Ｙで示される）に沿
って延在している列に沿って配置するのが好ましいであ
ろう。
或る応用例に対しては、空気制御オリフィス408、410
を反応室402の向い合う端部に、更に加えてピストンの
中心線に平行する方向で図11及び12に示されるように垂
直方向に、離間して配置して、反応室402内に幾らか無
秩序な乱流状態を発生させ室402内に燃料種のより良い
熱伝達を促し、且つ室402内で入来する液体の燃料と空
気とを混合するのが良いということが発見された。別の
方法では、上記で説明された色々な設計のパラメータ及
び考えが、図12及び13に説明される本発明の実施例に同
様に適用される。
図14及び15は、ピストン500が、燃料制御オリフィス5
06及び空気制御オリフィス508、510を経由して凹み504
と連絡している反応室502を具備する、本発明の代替実
施例を示す。或る応用例では、決められたエンジン及び
燃焼室の設計に対する実験結果によって、単一の空気制
御オリフィスが好ましいであろう。
図12及び13に示される実施例に類似した様式で、空気
制御オリフィス508、510は、ピストン500の長手方向中
心線に垂直に且つそれを横切って延在している仮想面に
配置される。即ち、それらは燃料のオリフィス504のよ
うに或る角度で延在しない。この実施例に於て、反応室
502はピストン500の長手方向に延在している周囲の壁51
4に旨い具合に溶接或いは固着される挿入体512を利用す
ることによって形成され得る。
全ての実施例に於て、空気制御オリフィスの長さＬ
は、特に或るエンジンへの応用に対しては反応室502か
ら凹み504内の燃焼領域への活性化物の流出の適切なタ
イミングを達成するのに重大であり得るということに留
意されたい。勿論、本発明の如何なる実施例に対して
も、空気制御オリフィスの寸法は常に、燃焼領域から反
応室へ向う燃焼火炎の前面の消炎を達成するように考慮
されなければならない。加えて、或る応用に対しては、
長さＬも、活性化物の反応室502を出るタイミングを調
整して、本発明に基いて作られたピストンを具備するエ
ンジンの燃焼室内で次ぎに入来する注入物の種付けを具
現するようにされ得る。
図16及び17は、反応室602が横長の形というよりもむ
しろほぼ球形である、本発明の別の好ましい実施例を示
す。実際、本発明の球形の実施例は、例えば図２の実施
例に示される横長の形或いはトロイド形と較べて、単に
小さい反応室を有するだけということが理解されるであ
ろう。或る実施例で、複数の最小容積の反応室がより大
きな反応室よりもより良く機能するということが認めら
れた。更に、より小さい容積の反応室は、ピストンの上
方領域の色々な場所に配置される、如何なる数の分離し
た反応室も利用できるようにする。例えば、図16は４つ
の対称的に配置された反応室602だけを示すが、如何な
る望ましい数の反応室でも中央の凹み604の周りの色々
な場所に配置されることができ、中央の凹み604それ自
身はピストン600の長手方向の中心線に偏心して配置さ
れ得るということも理解されたい。
図18は、中央の凹み704を有するピストン700が近くに
隣接するか即ち境界を共にして隣接する場所で凹み704
に開口する燃料制御オリフィス706を経由して球形の反
応室702と連絡している、実施例を示す。空気の制御オ
リフィス708は燃料制御オリフィス706の出口端部から周
囲の方向で離間して、空気制御オリフィスの近くに燃料
が当るのを防ぐ。
図18の実施例では凹み704内のガスの渦の方向は燃料
制御オリフィス706での燃料のスプレーの衝突に影響を
及ぼさないであろう。その理由は渦の流れは少なくとも
１組の燃料制御オリフィス及び１組の反応室で衝突を起
させるからである。
図19の実施例によると、ピストン800は、燃料制御オ
リフィス806と空気制御オリフィス808とを経由して凹み
領域804と連絡している複数の中型の反応室802を具備す
る。この実施例に於て、燃料の衝突は常に反応室802と
結合する少なくとも１つの燃料制御オリフィス806に対
して保証されるであろうから、凹み領域804内の渦の方
向はシステムの特性に不利に影響を及ぼさないであろ
う。更に、図18に示される実施例の場合にも当てはまる
ように、燃料制御オリフィス806が互いに十分近くに配
置されるならば、それらは両方とも燃料の単一のジェッ
トのスプレー・パターンから液体燃料を受容し得る。
上述の説明は、本発明の好ましい実施例を例示するこ
とを意図したものであり、全く本発明を制限することは
意図していない。当業者には、開示された実施例に対す
る色々な変形実施例が、請求の範囲で規定される本発明
の趣旨及び範囲から逸脱することなしに作られ得るとい
うことが明白であろう。
フロントページの続き (72)発明者 ネイダン、テオドア・ピー アメリカ合衆国、メリーランド州 21146、セバーナ・パーク、ビショップ ス・テラス 436 (72)発明者 フェイラ、チャールス・シー アメリカ合衆国、メリーランド州 21401、アナポリス、サークル・ドライ ブ 1507 (72)発明者 ポーリング、アンドリュー・エー アメリカ合衆国、メリーランド州 21037、エッジウォーター、タラゴン・ レーン 120 (72)発明者 マッコーワン、ウイリアム・ピー アメリカ合衆国、メリーランド州 21658 ― 9529、クイーンスタウン、 ボックス 398エイチ、ルート ２ (72)発明者 ボップ、ブラッド・アール アメリカ合衆国、メリーランド州 21401、アナポリス、スワン・ドライブ 1299 (56)参考文献 実開 平２−101027（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−130025（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4898135（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02F 3/28 F02B 23/06 F02F 3/26

Claims (29)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料と空気の混合物である注入物が周期的
    に供給され且つ閉鎖端部を持つシリンダ内で往復運動す
    るピストンによって形成される可変容積の燃焼室内でお
    こなわれる燃焼サイクルが、吸気、圧縮、燃焼、膨脹、
    及び排気の期間を有し、前記燃焼室が最小容積である
    時、ピストンのクラウンが注入物の大部分を収容する凹
    みを具備する内燃機関のための往復運動するピストンに
    於て： 前記ピストンが、ピストンのクラウン領域内で前記凹み
    の周囲の近くに配置され断面が曲線から成る側壁を有す
    る少なくとも１つの反応室と、前記凹みと反応室との間
    を専用に連絡させる夫々が分離独立したしたオリフィス
    の列と、を具備し、 前記反応室及びオリフィスは、 各燃焼サイクルの圧縮期間中に注入物の一部が、圧縮期
    間の少なくとも一部分の期間の間流れを絞られた状態の
    注入物に幾分かのガス状の部分の流れを伴って、前記オ
    リフィスを通って反応室内へ入る様に、 反応室に入れられる注入物が、反応室の側壁にぴったり
    と接触する渦巻きの形に渦動されて、入れられる注入物
    への熱伝達を促し注入物の部分的な酸化反応を行って、
    燃料の活性化種を作る様に、 全てのオリフィスは燃焼室から反応室へ伝搬する全ての
    火炎を前面で消炎する様に、又 各燃焼サイクル中に反応室から燃焼室内へ向う活性化種
    を含む圧縮可能なガスのオリフィスを通って流出する流
    れが、各燃焼サイクルの膨脹並びに排気の期間の少なく
    とも一部分の期間の間絞られる様に、 形及び寸法が決められ； 前記の様に反応室及びオリフィスの形及び寸法が決めら
    れる事により、又前記オリフィスの列を形成し前記反応
    室に向かって開口しており各燃焼サイクルの注入物の中
    の燃料を直接受容して主に反応室への燃料の流入を制御
    する様に配置される少なくとも１つの夫々が分離独立し
    たオリフィス（“燃料制御オリフィス”）と、前記オリ
    フィスの列を形成し前記燃料制御オリフィスとは別の場
    所で前記反応室に向かって開口しており各燃焼サイクル
    の注入物の中の燃料を殆ど受領せず各燃焼サイクルの吸
    気及び圧縮の期間中に主に空気を受容するように配置さ
    れて主に反応室への空気の流入を制御する様に配置され
    る少なくとも１つの別の夫々が分離独立したオリフィス
    （“空気制御オリフィス”）と、各燃焼サイクルの注入
    物中の燃料の一部を燃料制御オリフィスの方向に向けて
    放出するための手段とにより、燃焼サイクルの燃焼、膨
    脹、及び排気の期間中に燃料の活性化種が反応室内で生
    成され反応室内に一時的に保持され、前記排気期間の終
    了の後で且つ次ぎの燃焼サイクルの圧縮期間の前迄に、
    燃焼室内の次ぎの注入物を適当な状態にして前記注入物
    に予め選択された点火及び燃焼の特性を与えるのに十分
    な量の燃料の活性化種がピストンの凹みの中に放出され
    る、改良器具。
  2. 【請求項２】前記各燃焼サイクルの注入物中の燃料の一
    部を燃料制御オリフィスの方向に向けて放出するための
    手段がピストンの凹み内へ液体の燃料を直接噴射して注
    ぐように配置され且つ噴射ノズルから噴射される前記燃
    料の一部を前記燃料制御オリフィスの方向に向けるよう
    に配置される前記噴射ノズルを備えた燃料噴射器を具備
    する請求項１記載の改良器具。
  3. 【請求項３】前記燃料制御オリフィスと前記反応室との
    間を連絡させ、前記燃料制御オリフィスに結合される通
    路の方向が前記燃料噴射器から１つの前記燃料制御オリ
    フィスへ向って燃料が衝突する角度にほぼ対応する、請
    求項２記載の改良器具。
  4. 【請求項４】前記燃料及び空気の制御オリフィスが、ピ
    ストンの凹みの周りで周辺を取り巻く様に間隔を採って
    配置され、各燃焼サイクル中にピストンの凹みの中でほ
    ぼ円形の渦動をする様に各流入する注入物を渦動させる
    ための手段を具備しており、且つ前記燃料制御オリフィ
    スが空気制御オリフィスに対して渦動の流れの方向の上
    流に配置されている、請求項１乃至３の何れか１項記載
    の改良器具。
  5. 【請求項５】前記凹みが、ほぼ軸線の方向に延在してい
    る側壁によって範囲を設定され、前記燃料制御オリフィ
    スが、前記反応室と前記ほぼ軸線の方向に延在する側壁
    の一部との間を連絡させるように配置される、請求項１
    乃至３の何れか１項記載の改良器具。
  6. 【請求項６】総反応室容積（VB）と燃焼室容積（VA）と
    の間の関係が、式： ここで、VAは、ピストンが上死点にある時の燃焼室の総
    内容容積からVBを差し引いたものである、 に基く、請求項１記載の改良器具。
  7. 【請求項７】反応室内に配置され、前記燃料の活性化種
    の生成を促進する触媒材料を具備する、請求項１或いは
    ２の何れか１項記載の改良器具。
  8. 【請求項８】前記触媒物質が反応室の壁表面上に塗布さ
    れる、請求項７記載の改良器具。
  9. 【請求項９】前記燃料制御オリフィスに密接に隣接して
    配置される第２の燃料制御オリフィスを具備し、前記各
    燃焼サイクルの注入物中の燃料の一部を燃料制御オリフ
    ィスの方向に向けて放出するための手段が、少なくとも
    或る予め決められたエンジンの運転状態中では、各注入
    物の燃料の一部を前記第２の燃料制御オリフィスへ向っ
    ても放出する、請求項１或いは２の何れか１項記載の改
    良器具。
  10. 【請求項１０】各燃焼サイクル中に主に空気を受容し燃
    料を受容しないような位置に配置される、少なくとも１
    つの第２の空気制御オリフィスを具備する、請求項１記
    載の改良器具。
  11. 【請求項１１】各燃焼サイクル中に主に空気を受容し燃
    料を受容しないような位置に配置される、少なくとも１
    つの第２の空気制御オリフィスを具備する、請求項９記
    載の改良器具。
  12. 【請求項１２】前記ピストンがクラウン領域を具備し、
    前記空気制御オリフィスが前記ピストンのクラウン領域
    に向けて開口している、、請求項１記載の改良器具。
  13. 【請求項１３】燃料と空気の混合物である注入物が周期
    的に供給され且つ閉鎖端部を持つシリンダ内で往復運動
    するピストンによって形成される可変容積の燃焼室内で
    おこなわれる燃焼サイクルが、吸気、圧縮、燃焼、膨
    脹、及び排気の期間を有し、前記燃焼室が最小容積であ
    る時、ピストンのクラウンが注入物の大部分を収容する
    凹みを具備する、内燃機関のための往復運動するピスト
    ンに於て： 前記ピストンが、ピストンのクラウン領域内で前記凹み
    の周囲の近くに配置され断面が曲線から成る側壁を有す
    る少なくとも１つの反応室と、前記凹みと反応室との間
    を独占的に連絡させる夫々が分離独立したしたオリフィ
    スの列と、を具備し、 前記反応室及びオリフィスは、 各燃焼サイクルの圧縮期間中に注入物の一部が、圧縮期
    間の少なくとも一部分の期間の間流れを絞られた状態の
    注入物に幾分かのガス状の部分の流れを伴って、前記オ
    リフィスを通って反応室内へ入る様に、 反応室に入れられる注入物が、反応室の側壁にぴったり
    と接触し放射方向に広がる渦巻きの形に渦動されて、入
    れられる注入物への熱伝達を促し注入物の部分的な酸化
    反応を行って、燃料の活性化種を作る様に、 全てのオリフィスは燃焼室から反応室へ伝搬する全ての
    火炎を前面で消炎する様に、又 各燃焼サイクル中に反応室から燃焼室内へ向う活性化種
    を含む圧縮可能なガスのオリフィスを通って流出する流
    れが、各燃焼サイクルの膨脹並びに排気の期間の少なく
    とも一部分の期間の間絞られる様に、 形及び寸法が決められ； 前記の様に反応室及びオリフィスの形及び寸法が決めら
    れる事により、燃焼サイクルの燃焼、膨脹、及び排気の
    期間中に燃料の活性化種が反応室内で生成され反応室内
    に一時的に保持され、前記排気期間の終了の後で且つ次
    ぎの燃焼サイクルの圧縮期間の前迄に、燃焼室内の次ぎ
    の注入物を適当な状態にして前記注入物に予め選択され
    た点火及び燃焼の特性を与えるのに十分な量の燃料の活
    性化種がピストンの凹みの中に放出される、改良器具。
  14. 【請求項１４】前記凹みが、ほぼ軸線の方向に延在する
    単数或いは複数の側壁によって範囲を設定され、前記列
    が、前記側壁の一部分に開口している少なくとも１つの
    分離独立したオリフィスを具備する、請求項13記載の改
    良器具。
  15. 【請求項１５】前記オリフィスの列が、前記凹みの外で
    且つ前記ピストンのクラウン領域で開口している、少な
    くとも１つの第２の分離独立したオリフィスを具備す
    る、請求項14記載の改良器具。
  16. 【請求項１６】注入物準備手段と、前記注入物準備手段
    と前記燃焼室とを連絡させる吸気マニホルドと、注入物
    を燃焼室へ周期的に入れるための注入物吸気制御バルブ
    手段と、注入物準備手段から燃焼室へ周期的に入れられ
    る注入物に点火するための燃焼室内の火花点火装置とを
    具備する、請求項13或いは14の何れか１項記載の改良器
    具。
  17. 【請求項１７】燃焼室内で注入物を軸線方向に層状にす
    るための手段を具備する、請求項16記載の改良器具。
  18. 【請求項１８】前記ピストンが、長手方向中心線に関し
    て対称であり、前記空気制御オリフィスが、ピストンの
    長手方向中心線に垂直に半径方向に延在している仮想面
    内に延在する、請求項１或いは３の何れか１項記載の改
    良器具。
  19. 【請求項１９】前記反応室がほぼ球形である、請求項１
    記載の改良器具。
  20. 【請求項２０】複数の球形の反応室を具備し、隣接する
    反応室の燃料制御オリフィスが互いに密接に隣接してピ
    ストンの凹みに開口している、請求項19記載の改良器
    具。
  21. 【請求項２１】前記反応室が前記凹みの周囲に沿って細
    長い形をしており、前記燃料及び空気の制御オリフィス
    が、前記凹みの周囲に沿って間隔を採った位置で反応室
    に開口する、請求項１記載の改良器具。
  22. 【請求項２２】ピストンのクラウン領域の周りで周囲に
    沿って間隔を採って配置された複数の反応室を具備し、
    隣接する反応室の燃料制御オリフィスが互いに隣接して
    配置され、隣接する反応室の空気制御オリフィスが前記
    燃料制御オリフィスの両側に配置される、請求項１記載
    の改良器具。
  23. 【請求項２３】前記反応室が前記凹みの周囲に沿って細
    長い形にされ、前記燃料及び空気の制御オリフィスが、
    反応室の互いに反対側の端部に向って配置される、請求
    項４記載の改良器具。
  24. 【請求項２４】前記凹みの周囲に沿って間隔を採って配
    置された、少なくとも２つの空気制御オリフィスを具備
    する、請求項23記載の改良器具。
  25. 【請求項２５】前記空気制御オリフィスの少なくとも２
    つが、ピストンの長手方向の軸線に関して長手方向にも
    間隔を採って配置されている、請求項24記載の改良器
    具。
  26. 【請求項２６】前記燃料及び空気の制御オリフィスが、
    ピストンの長手方向の軸線に関して長手方向に間隔を採
    って配置されている、請求項23記載の改良器具。
  27. 【請求項２７】ピストンのクラウン領域にあり燃焼室の
    最小の容積の状態の時に燃焼室の容積の大部分を形成す
    る、凹み領域を有する前記ピストンと、燃焼室内に燃料
    を供給するように配置される燃料供給システムとを具備
    して、吸気、圧縮、燃焼、膨脹、及び排気の期間を含む
    燃焼サイクルを実行する、空気吹込み型で往復動ピスト
    ン型内燃機関の燃焼室内の注入物に活性化種を生じさせ
    る方法であり： 前記凹み領域の周囲に隣接するピストンのクラウン領域
    内に断面が曲線から成る側壁を有し、前記凹み領域の外
    側周囲を少なくとも部分的に取り巻くように延在する反
    応室を配置することと； 前記曲線から成る側壁に接線方向に開口する少なくとも
    １つのオリフィスにより反応室と前記凹み領域との間を
    専用に連絡させる夫々が分離独立したオリフィスの列を
    配置して、その結果流体の流れがピストンの各圧縮期間
    中に凹み領域から前記１つのオリフィスを通って反応室
    に導入される時、放射状に広がる渦動流が反応室内に誘
    起されるようにすることと； 各燃焼サイクル中に各注入物中の燃料を分離独立したオ
    リフィスの列の少なくとも１つの分離独立したオリフィ
    ス（“燃料制御オリフィス”）の方向に向けて放出して
    主に前記燃料制御オリフィスを通って反応室へ入いる燃
    料の流入を制御し、燃料制御オリフィスから空間的に離
    間し分離独立したオリフィスの列内の少なくとも１つの
    分離したオリフィス（“空気制御オリフィス”）を利用
    して、主に空気の反応室への流入を制御することと； オリフィスの寸法、形状、及び配置を、燃焼室からの燃
    焼炎が反応室内へ伝搬し得る前にオリフィスによって消
    炎され、且つ反応室と凹み領域との間を出たり入ったり
    する圧縮可能なガスの流れが、各燃焼サイクルの膨脹、
    排気、及び圧縮の期間の一部分の期間中に、オリフィス
    内に存在する色々な圧力状態に因って流れが絞られる様
    に選択する事により、反応室内の圧力の変動が燃焼室内
    の圧力の変動よりも常に遅れ、且て燃焼サイクル中に反
    応室内で生成される活性化種が燃焼サイクルの燃焼、膨
    脹、及び排気の期間中に反応室内に部分的に保持され、
    且つ前記活性化種の一部分が次ぎの燃焼サイクルの圧縮
    期間の始まりに近い時に凹み領域内に排出されること
    と； 注入物が反応室の側壁と密接に接触して渦巻き形に渦動
    される時に、各サイクル毎に少なくとも注入物の中の燃
    料の一部分を反応室内に向けて放出し、反応室内で注入
    物を部分的に反応させて、燃料の活性化種を生成し、且
    つ反応室内で生成される活性化種の一部分を、前のステ
    ップに於いて記述した流れを絞った流出状態で前記オリ
    フィスを通って凹みの中へ排出することによって、各燃
    焼サイクルを行うことと； 反応室内で活性化種の生成を行い、且つ 式： ROUT＝ＲGEN.＋RIN−ＲRET.ＲCRIT. ここで： ROUTは、反応室からピストンの凹み領域の中へ排出され
    る活性化種の量であり； ＲGEN.は、各燃焼サイクル中に反応室内で生成される活
    性化種の量であり； RINは、注入物の圧縮期間中に燃焼室から反応室へ戻さ
    れる種付けされた活性化種の量であり； ＲRET.は、反応室内に保持される活性化種の量であり； ＲCRIT.は、各燃焼サイクルで、注入物の予め選択され
    た点火及び燃焼の特性を獲得するのに必要とされる反応
    室内の活性化種の最少量である、 に基いて反応室内での活性化種の生成を制御すること； を具備する方法。
  28. 【請求項２８】各燃焼サイクルでピストンの凹み領域内
    へ液体燃料を直接噴射することと、圧縮点火によって各
    燃焼サイクルの燃焼期間を開始させることを含む方法で
    あり、前記方法による予め選択された各燃焼サイクル中
    の点火のタイミングの特性が信頼出来予め予測出来る点
    火のタイミングである、請求項27記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記燃料制御オリフィスの方向に向けて
    液体燃料の一部分を噴射し、噴射された燃料の衝突する
    領域の外側に前記空気制御オリフィスを保持することを
    含む、請求項28記載の方法。
JP06501575A 1992-06-17 1993-06-08 内燃機関のための燃料の活性化種を使用する燃焼室及び燃焼方法 Expired - Fee Related JP3124550B2 (ja)

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