JP5421369B2 - 双数の噴霧目標燃料噴射を備える分割サイクルエンジン - Google Patents

双数の噴霧目標燃料噴射を備える分割サイクルエンジン Download PDF

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Description

本発明は内燃機関に関する。より詳しくは、本発明は双数の噴霧パターンを生じさせる燃料インジェクターを有する分割サイクルエンジンに関する。
明確化の目的のために、本出願で用いられるとき、用語「従来のエンジン」とは、周知のオットーサイクルの全ての４つのストローク(すなわち、吸気、圧縮、膨張及び排気のストローク)が、エンジンのピストン／シリンダーの組み合わせの各々に包含されている内燃機関を意味している。各ストロークはクランクシャフトの半回転(１８０度のクランク角(ＣＡ))を要し、そして、従来のエンジンの各シリンダーで全オットーサイクルを完遂するにはクランクシャフトの完全な２回転(７２０度ＣＡ)が必要である。
また、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願に言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供される。
分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動すべくクランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張(動力)ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべくクランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含むクロスオーバー通路、
を含んでいる。
２００３年４月８日にCarmel０ J. Scuderiに許可された特許文献１（Scuderi特許）及び２００５年１０月１１日にDavid P. Brany０n 他に許可された特許文献２(Brany０n特許)は、それぞれ、分割サイクル及び同様なタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を含んでいる。加えて、特許文献１及び２は、さらなる開発から成る本発明のエンジンの先行バージョンの詳細を開示している。これらの全体は参照によってここに組み入れられている。
図１を参照するに、特許文献１及び特許文献２に記載されたのと同じ形式の先行技術の分割サイクルエンジンが、概して、符号８によって示されている。分割サイクルエンジン８は、従来のエンジンの２つの隣接するシリンダーを１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組み合わせに置き換えている。シリンダーヘッド３３が、これらシリンダーを覆いシールすべく、膨張及び圧縮シリンダー１２、１４の開口端部上に一般に配置されている。
オットーサイクルの４つのストロークは、圧縮シリンダー１２がその関連する圧縮ピストン２０と共に、吸気及び圧縮ストロークを遂行し、膨張シリンダー１４がその関連する膨張ピストン３０と共に、膨張及び排気ストロークを遂行するように、２つのシリンダー１２及び１４に亘って「分割」されている。したがって、オットーサイクルは、クランクシャフト１６のクランクシャフト軸線１７回りの１回転(３６０度ＣＡ)に１回、これらの２つのシリンダー１２、１４によって完成される。
吸気ストロークの間、吸入空気はシリンダーヘッド３３に配置された吸気ポート１９を介して圧縮シリンダー１２に吸込まれる。内開き(シリンダー内方に向けて開く)のポペット型吸気バルブ１８が吸気ポート１９と圧縮シリンダー１２との間の流体の連通を制御する。
圧縮ストロークの間、圧縮ピストン２０は充填空気を加圧し、そして、該充填空気を典型的にはシリンダーヘッド３３に配置されているクロスオーバー通路(又はポート)２２に押し出す。このことは、圧縮シリンダー１２及び圧縮ピストン２０はクロスオーバー通路２２に対する高圧ガス源であり、クロスオーバー通路２２は膨張シリンダー１４のための吸気通路として作用することを意味する。ある実施形態では、２つ以上のクロスオーバー通路２２が、圧縮シリンダー１２と膨張シリンダー１４とを相互に接続する。
分割サイクルエンジン８(及び分割サイクルエンジン一般について)の圧縮シリンダー１２の容積測定の圧縮比が、ここで、分割サイクルエンジンの「圧縮比」と称される。分割サイクルエンジン８(及び分割サイクルエンジン一般について)の膨張シリンダー１４の容積測定の圧縮比が、ここで、分割サイクルエンジンの「膨張比」と称される。シリンダーの容積測定の圧縮比は、シリンダー内を往復するピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置にあるときにシリンダー内に囲繞される容積(すなわち、クリアランス容積)に対し、前記ピストンがその下死点(ＢＤＣ)位置にあるときにシリンダー(全ての凹部を含む)内に囲繞（捕捉）される容積の比として、この技術分野では周知である。特に分割サイクルエンジンのためにここに定義されるように、圧縮シリンダーの圧縮比は、XovrCバルブが閉じられているときに決定される。同じく、特に分割サイクルエンジンのためにここに定義されるように、膨張シリンダーの膨張比はXovrEバルブが閉じられているときに決定される。
極めて高い圧縮比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１、又はそれ以上)の故に、圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２への流れを制御するために、外開き(シリンダーから外方に離れて開く)ポペット型クロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４がクロスオーバー通路の入口２５に用いられている。極めて高い膨張比(例えば、２０対１、３０対１、４０対１、又はそれ以上)の故に、クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４への流れを制御するために、外開きのポペット型クロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６がクロスオーバー通路２２の出口２７に用いられている。より詳細に論じられるように、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６の作動の割合及び位相は、オットーサイクルの４つのストロークの全ての間にクロスオーバー通路２２内の圧力を高い最小圧力(典型的には全負荷運転中２０bar（＝１０５Ｐａ)以上の絶対圧)に維持するべく、タイミング付けられている。
少なくとも１つの燃料インジェクター２８が、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する少し前に起こるXovrEバルブ２６の開きに合わせて、クロスオーバー通路２２の出口端部において加圧された空気に燃料を噴射する。空気／燃料の充填は、ある運転状態の下ではＴＤＣの僅か前に入ろうとし始めるけれども、通常、膨張ピストン３０がその上死点(ＴＤＣ)位置に到達した少し後に膨張シリンダー１４に入る。ピストン３０がその上死点位置からその下降を開始したとき、かつ、XovrEバルブ２６がまだ開いている間に、シリンダー１４内に突出している点火栓先端３９を含む点火栓３２が点火栓先端３９の周りの領域で燃焼を開始すべく点火される。燃焼は、膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１ないし３０度ＣＡの間で開始され得る。より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて、５ないし２５度ＣＡの間で開始されてもよい。さらに、より好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１０ないし２５度ＣＡの間で開始されてもよい。最も好ましくは、燃焼は膨張ピストンがその上死点(ＴＤＣ)位置を過ぎて１０ないし２０度ＣＡの間で開始されてもよい。加えて、燃焼は、グロープラグ、マイクロ波着火装置又は他の圧縮着火方法によるような、他の着火装置及び／又は方法によって開始され得る。
XovrEバルブ２６は、燃焼が開始された後で、結果としての燃焼事象がクロスオーバー通路２２に入ることができる前に閉じられる。燃焼事象は、動力ストロークにおいて膨張ピストン３０を下方に押し下げる。
排気ストロークの間、排気ガスは、シリンダーヘッド３３に配置された排気ポート３５を介して膨張シリンダー１４外に排出される。排気ポート３５の入口３１に配置されている内開きのポペット型排気バルブ３４が、膨張シリンダー１４と排気ポート３５の間の流体の連通を制御する。
分割サイクルエンジンのコンセプトによれば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４の幾何学的エンジンパラメーター(すなわち、ボア、ストローク、コネクティングロッド長さ、容積測定の圧縮比等)は、一般に、互いから独立している。例えば、圧縮シリンダー１２及び膨張シリンダー１４のためのクランクスロー３６、３８は、それぞれ、異なる半径を有し、膨張ピストン３０の上死点(ＴＤＣ)が圧縮ピストン２０のＴＤＣより前に起こるように、互いから離れて位相付けられてもよい。この独立性は、分割サイクルエンジン８が典型的な４ストロークエンジンよりも、より高い効率レベルと、より大きなトルクとを潜在的に達成することを可能にしている。
分割サイクルエンジン８におけるエンジンパラメーターの幾何学的独立性はまた、前に論じたように、何故に圧力がクロスオーバー通路２２内に維持され得るのかの主な理由の１つである。具体的には、膨張ピストン３０は、控えめな位相角(典型的には、１０ないし３０度ＣＡ)によって、圧縮ピストンがその上死点位置に到達する前に、その上死点位置に到達する。この位相角は、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６の適切なタイミングに伴って、分割サイクルエンジン８がその圧力／容積サイクルの４つのストロークの全ての間に、クロスオーバー通路２２内に高い最小圧力(全負荷運転中に、典型的には２０bar（＝１０５Ｐａ)以上の絶対圧)の圧力を維持することを可能にしている。すなわち、分割サイクルエンジン８は、XovrCバルブ及びXovrEバルブの両者が、膨張ピストン３０がそのＴＤＣ位置からそのＢＤＣ位置に向って下降し、そして、圧縮ピストン２０が同時にそのＢＤＣ位置からそのＴＤＣ位置に向って上昇している間の実質的な期間(すなわち、クランクシャフトの回転期間)に亘り開くように、XovrCバルブ２４とXovrEバルブ２６とをタイミング付けるべく作動可能である。クロスオーバーバルブ２４及び２６の両者が開いているこの期間(すなわち、クランクシャフトの回転)の間、(１)圧縮シリンダー１２からクロスオーバー通路２２へ、及び(２)クロスオーバー通路２２から膨張シリンダー１４へ、ほぼ等しいガス質量が移送される。したがって、この期間の間、クロスオーバー通路内の圧力は所定の最小圧力(全負荷運転の間、典型的には２０、３０、又は４０bar（＝１０５Ｐａ)の絶対圧)以下に低下するのが防止される。さらに、吸気ストローク及び排気ストロークの実質的な部分(典型的には、吸気ストローク及び排気ストローク全体の９０%以上)の間には、XovrCバルブ２４及びXovrEバルブ２６は両者とも、クロスオーバー通路２２内に捕捉されているガスの質量を実質的に一定のレベルに維持すべく閉じられている。結果として、クロスオーバー通路２２の圧力は、エンジンの圧力／容積サイクルの４つのストロークの全ての間に所定の最小圧力に維持される。
XovrEバルブ２６は、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達する少し前に開く。この時点では、クロスオーバー通路内の最小圧力が、典型的には、２０bar（＝１０５Ｐａ)以上の絶対圧であり、排気ストローク中の膨張シリンダー内の圧力は、典型的には、約１から２bar（＝１０５Ｐａ)の絶対圧であるという事実の故に、膨張シリンダー１４内の圧力に対するクロスオーバー通路２２内の圧力の比は高い。換言すると、XovrEバルブ２６が開くとき、クロスオーバー通路２２内の圧力は膨張シリンダー１４内の圧力よりも実質的に高い(典型的には、２０対１より大きなオーダーである)。この高い圧力比が、空気及び／又は燃料充填の膨張シリンダー１４への高速での流れの初期流れを生じさせる。これらの高い流れ速度は、音速流と称される音の速度に達することができる。この音速流は、分割サイクルエンジン８にとって特に有利である。というのも、それは、膨張ピストン３０がその上死点位置から下降している間に着火が開始されたとしても、分割サイクルエンジン８が高い燃焼圧力を維持することを可能にする、急速な燃焼事象を生じさせるからである。
米国特許第６、５４３，２２５号明細書 米国特許第６、９５２，９２３号明細書
燃料インジェクター２８は、燃料インジェクター２８のノズル端部に配置された複数の噴霧孔を有し、それらは１つ以上の概ね円錐状噴霧パターンを生成するように目標付けられている。しかしながら、燃料インジェクター２８及び目標付けている噴霧孔の種々のパラメーターは、膨張シリンダーへの適切な燃料配分を保証するためにも重大である。そこでは、これらのパラメーターの変動が最適な燃料配分より劣る結果に帰することになる。これらのパラメーターのいくつかは、限定はされないが、噴霧孔の数及び大きさ(すなわち、直径)、噴霧孔の噴霧孔目標の数及び位置、インジェクターの作動圧及び温度、噴霧孔により生成される燃料の液滴大きさ、及びインジェクターのタイミングを含む。
本発明は、エンジンの燃料インジェクターの噴霧孔がエンジン性能を高める燃料噴霧を生成するためにある目標に向けられている、エンジンに燃料を噴射する装置及び方法を提供する。
より詳しくは、本発明によるエンジンの例示的実施形態は、クランクシャフト軸線の回りを回転可能なクランクシャフトを含む。膨張ピストンは、膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、及びクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ピストンが膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結されている。壁を含むクロスオーバー通路が高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続している。クロスオーバー膨張バルブ(XovrE)は、クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能である。XovrEバルブは、バルブヘッドと該バルブヘッドから延びるバルブステムとを含む。燃料インジェクターはクロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能である。該燃料インジェクターは、燃料インジェクターのノズル端部に配置され、かつ噴霧孔から放出する燃料が少なくとも１つの噴霧パターンを形成すべく向けられる少なくとも１つの目標に向けられている複数の噴霧孔を含んでいる。該少なくとも１つの目標は、XovrEバルブヘッドの着座位置の上方で、かつクロスオーバー通路の壁とXovrEバルブステムとの間に位置されている。
XovrEバルブは、外方に開くバルブであってもよい。該噴霧孔は、複数の噴霧パターンを形成すべく複数の噴霧目標に向けられてもよく、該目標は、噴霧パターンがXovrEバルブのバルブステムを跨ぐように位置されている。噴霧孔の各々は、それを貫通して延びる中心線を有し、複数の噴霧孔は、噴霧孔の中心線が噴霧孔から放出する燃料が向けられる少なくとも１つ目標を通過するように方向付けられている。少なくとも１つの目標の１つは、XovrEバルブがその着座位置の上方に所定の目標リフト距離だけ持ち上げられたとき、中心線がXovrEバルブヘッドの最大外側直径に交差する複数の噴霧孔の１つの噴霧孔の中心線上の一点に位置される外側直径目標であってもよい。目標リフト距離は、最大のXovrEバルブリフトの１０から６０パーセントの範囲内、好ましくは最大のXovrEバルブリフトの１５から４０パーセントの範囲内、より好ましくは最大のXovrEバルブリフトの２０から３０パーセントの範囲内であってもよい。
噴霧孔の中心線は、実質的に独立して方向付けられてもよい。噴霧パターンの数は、噴霧目標の数に等しくてもよい。
クロスオーバー通路は、XovrEバルブを覆って配置されたヘリカル端部区分を含むヘリカルクロスオーバー通路であってもよい。少なくとも１つの目標が、該ヘリカル端部区分内に位置されてもよい。該ヘリカル端部区分は時計回り又は反時計回り方向の１つに渦巻いてもよい。
高圧ガスの源は、摺動可能に収容された圧縮ピストンを含んでいる圧縮シリンダーであってもよく、該圧縮シリンダーは、圧縮ピストンがクランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動すべく作用するように、クランクシャフトに作動可能に連結されている。クロスオーバー通路は、膨張及び圧縮シリンダーを相互に連結している。
もう１つの例示的実施形態において、本発明によるエンジンは、クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフトを含んでいる。膨張ピストンは膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、膨張ピストンがクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結されている。クロスオーバー通路は高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続している。クロスオーバー膨張バルブ(XovrE)は、クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能である。XovrEバルブはバルブステムを含んでいる。燃料インジェクターはクロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能である。該燃料インジェクターは、燃料インジェクターのノズル端部に配置された複数の噴霧孔を含んでいる。該複数の噴霧孔は噴霧孔から放出する燃料が少なくとも２つの燃料噴霧を形成すべく向けらる２つ以上の目標に向けられている。該少なくとも２つの燃料噴霧はXovrEバルブのバルブステムを跨いでいる。
噴霧孔の各々はそれを貫通して延びる中心線を有している。該複数の噴霧孔は、噴霧孔の中心線の各々が、燃料が向けられた１つの前記目標を通過するように、方向付けられていてもよい。１つの噴霧パターンを形成する噴霧孔の中心線は、もう１つの噴霧パターンを形成する噴霧孔の中心線が方向付けられている目標から区別できる目標に方向付けられていてもよい。
XovrEバルブは、バルブステムの一端に配置されたバルブヘッドを含んでもよい。XovrEバルブはまた、外方に開くバルブであってもよい。目標の１つは、XovrEバルブがその着座位置の上方に所定の目標リフト距離だけ持ち上げられたとき、中心線がXovrEバルブヘッドの最大外側直径に交差する少なくとも１つの噴霧孔の中心線上の一点に位置される外側直径目標であってもよい。該目標リフト距離は、最大のXovrEバルブリフトの１０から６０パーセントの範囲内、好ましくは最大のXovrEバルブリフトの１５から４０パーセントの範囲内、より好ましくは最大のXovrEバルブリフトの２０から３０パーセントの範囲内であってもよい。
クロスオーバー通路は、XovrEバルブを覆って配置されたヘリカル端部区分を含むヘリカルクロスオーバー通路であってもよい。２つ以上の目標が、該ヘリカル端部区分内に位置されてもよい。該ヘリカル端部区分は時計回り又は反時計回り方向の１つに渦巻いていてもよい。
高圧ガスの源は、摺動可能に収容された圧縮ピストンを含んでいる圧縮シリンダーであってもよく、該圧縮シリンダーは、圧縮ピストンがクランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動すべく作用するように、クランクシャフトに作動可能に連結されている。クロスオーバー通路は、膨張及び圧縮シリンダーを相互に連結している。
もう１つの例示的実施形態では、エンジンに燃料を噴射する方法が開示されている。エンジンは、クランクシャフト軸線の回りを回転可能なクランクシャフトを含む。膨張ピストンは、膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、及びクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ピストンが膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結されている。壁を含むクロスオーバー通路が高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続している。クロスオーバー膨張バルブ(XovrE)がクロスオーバー通路の出口端部に配置され、クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能である。XovrEバルブは、バルブヘッドと該バルブヘッドから延びるバルブステムとを含む。燃料インジェクターはクロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能である。該燃料インジェクターは、燃料インジェクターのノズル端部に配置された複数の噴霧孔を含んでいる。噴霧孔の各々は、噴霧孔から放出する燃料が２つの噴霧パターンを形成すべく向けられる２つのの目標の１つに向けられている。該２つの目標は、XovrEバルブヘッドの着座位置の上方で、かつ噴霧パターンがXovrEバルブステムを跨ぐようにクロスオーバー通路の壁とXovrEバルブステムとの間に位置されている。燃料の噴射は、燃料インジェクターから出口端部クロスオーバー通路の出口端部に向けて開始される。XovrEバルブが開かれる。燃料の噴射は開かれたXovrEバルブが閉じる前に終了される。
XovrEバルブは、膨張シリンダーに対して外方に開かれてもよい。燃料の噴射は、XovrEバルブが開く前、又はXovrEバルブが開いた後に開始されてもよい。方法はさらに、開いたXovrEバルブを通してのクロスオーバー通路から膨張シリンダーへ空気流を確立すること、単一の結合噴霧を概して形成すべく、噴霧パターンの１つがXovrEバルブステムを超え、かつ横切って引かれ、他の噴霧パターンに併合されるように、２つの噴霧パターンを空気流に吹き寄せること、及び該結合噴霧をクロスオーバー通路出口端部の縁部に向って引き、それにより、該結合噴霧がXovrEバルブを通ってクロスオーバー通路を出るステップを含んでもよい。燃料噴射の開始から燃料噴射の終了までの噴射事象の継続時間は、凡そ４５度のクランク角以下、好ましくは４０度のクランク角以下、及びより好ましくは３５度のクランク角以下であってもよい。
本発明のこれらの、及び他の特徴、及び有利な点は、添付の図面と共になされる以下の本発明の詳細な説明から、より十分に理解されるであろう。
従来の分割サイクルエンジンの断面図である。 入口マニホールドをエンジンシリンダーヘッドの入口バルブへ繋ぐヘリカル通路の斜視図である。 通路ヘリカル通路の他の斜視図である。 図５の４-４線で採った、本発明による分割サイクルエンジンの例示的実施形態の断面図である。 図４の分割サイクルエンジンの平面図である。 シリンダーヘッドの内部及びエンジンの通路を図解する、分割サイクルエンジンの一部の斜視図である。 分割サイクルエンジンの燃料インジェクターの斜視図である。 図７の８-８線から視たときの燃料インジェクターの前面図である。 図の８の９-９線に沿って採った燃料インジェクターの断面図である。 噴霧インジェクターの噴霧孔を通して燃料を噴出することで形成された燃料噴霧パターンを図解する、燃料インジェクターの斜視図である。 エンジン通路内への燃料の噴射を図解する、分割サイクルエンジンの一部の斜視図である。 エンジンの膨張シリンダー上に重ね合わされた三次元デカルト座標系のＹ−Ｘ平面を図解する斜視図である。 図１２の１３-１３線に沿って採った、デカルト座標系のＹ−Ｚ平面を図解する断面図である。 図１２の１４-１４線に沿って採った断面図である。 外側直径(ＯＤ)目標及び火炎デッキ目標のデカルト座標を図解する噴霧目標配置プロットの例示的実施形態である。 膨張シリンダーの内部及びエンジンの関連する通路を図解する分割サイクルエンジンの一部の平面図である。 エンジンクロスオーバー通路のヘリカル端部区分への燃料噴霧の噴射開始を概略的に図解する、図１６のエンジンの平面図である。 通路内の空気流が燃料噴霧の軌跡に影響し始めるように、通路内のエンジンバルブの開きを概略的に図解する平面図である。 燃料噴霧が空気流内に吹かれたときの燃料噴霧軌跡のゆがみを概略的に図解する平面図である。 バルブステムを横切って引かれ、かつ他の燃料噴霧と合併し始めている燃料噴霧を概略的に図解する平面図である。 ヘリカル端部区分の遠端縁部に引かれている合併された燃料噴霧を概略的に図解する平面図である。
図２及び３を参照するに、明瞭化の目的のために、(ここで述べられる)ヘリカル通路３８は、典型的には、従来のエンジンのシリンダーヘッドの入口バルブに入口マニホールドを繋いでいる接続通路(ポート)である。ヘリカル通路３８の下流部分は、入口バルブ４１を覆って配置されているヘリカル端部区分４０に一体に接続されている、概ね直ぐなランナー区分３９を含んでいる。入口バルブ４１は、ステム４２及びヘッド４３を含み、該ヘッド４３はシリンダー(不図示)に開く。ヘリカル端部区分４０内の流れ領域は、端部区分４０のボア４６内に担持されたバルブステム４２の周りの、円周及び下向きのファンネル（じょうご状のもの）４４内に配置されている。ファンネル４４は、バルブステム４２の回りで少なくとも１／３周、好ましくは、１／２周と３／４周との間で渦巻き、その結果、入ってくる空気がシリンダーに入る前にバルブステム４２の回りで旋回することが強制される。ファンネル４４のルーフ４７は、ファンネル４４がバルブステム４２の回りに渦巻くにつれ高さを減じている。
ランナー区分３９は、選択肢として、シリンダーに対して接線方向又は半径方向に向けられてもよく、このような方向は燃料／空気の充填物がシリンダー内に入るときに、その大きな流れ方向を決定する。また、選択肢として、ヘリカル端部区分４０の各々は、時計回り又は反時計回り方向に渦巻いていてもよく、かかる旋回方向は、燃料／空気の充填物がシリンダー内に入るときに、それが有するであろう回転又はスピンの方向を決定する。
図４及び５を参照するに、符号５０は、本発明による分割サイクルエンジンの例示的実施形態を概ね指示し、双数の接線型ヘリカルクロスオーバー通路７８を有し、その各々のクロスオーバー通路７８の下流部分に燃料インジェクター９０が配置されている。分割サイクルエンジン５０は、図１に図解かつ説明されたような先行技術の分割サイクルエンジン８に機能的及び構造的にも類似している。
エンジン５０は図に示されるように、クランクシャフト軸線５４の回りに時計回り方向に回転可能なクランクシャフト５２を含んでいる。クランクシャフト５２は、隣り合い、角度的に変位された主従のクランクスロー５６、５８を含み、そのそれぞれはコネクティングロッド６０、６２に連結されている。
エンジン５０は、隣接するシリンダーの対を規定するシリンダーブロック６４をさらに含んでいる。詳しくは、エンジン５０は、クランクシャフト５２と反対側のシリンダーの上端部で、シリンダーヘッド７０で閉じられている圧縮シリンダー６６及び膨張シリンダー６８を含んでいる。
圧縮ピストン７２は圧縮シリンダー６６内に受け入れられ、ピストン７２の上死点(ＴＤＣ)及び下死点(ＢＤＣ)位置の間での往復動のために、従のコネクティングロッド６２に連結されている。膨張ピストン７４は、膨張シリンダー６８内に受け入れられ、同様なＴＤＣ／ＢＤＣの往復動のために、主のコネクティングロッド６０に連結されている。
シリンダーヘッド７０は、シリンダー６６、６８への、からの、及び両者間のガスの流れのための構造を提供している。ガスの流れの順において、シリンダーヘッド７０は、吸入空気が圧縮シリンダー６６に引き込まれる吸気通路７６、圧縮シリンダー６６から膨張シリンダー６８へ圧縮された空気が移送される一対の接線型ヘリカルクロスオーバー(Xovr)通路７８、及び膨張シリンダー６８から費やされたガスが排出される排気通路８０を含んでいる。
圧縮シリンダー６６へのガスの流れは、内方に開くポペット型吸気バルブ８２によって制御される。ヘリカルクロスオーバー通路７８の各々への、及びその各々からのガスの流れは、一対の外方に開くポペットバルブ、すなわち、ヘリカルクロスオーバー通路の入口端部におけるクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ８４、及びヘリカルクロスオーバー通路の出口端部におけるクロスオーバー膨張バルブ(XovrE)８６によって制御され得る。クロスオーバーバルブ８４、８６の各対は、それらのそれぞれのクロスオーバー通路内でそれらの間に圧力チャンバー８７を画成している。排気通路８０の外への排気ガスの流れは、内方に開くポペット型排気バルブ８８によって制御される。これらのバルブ８２、８４、８６、及び８８は、機械的駆動カム、可変バルブ作動技術などのような適切な方法で作動され得る。
ヘリカルクロスオーバー通路７８の各々は、そこに配置された少なくとも１つの高圧燃料インジェクター９０を有している。燃料インジェクター９０は、ヘリカルクロスオーバー通路７８の圧力チャンバー８７内の圧縮された空気充填物へ燃料を噴射すべく作動する。
エンジン５０はまた、１つ以上の点火栓９２又は他の着火装置を含んでいる。点火栓９２は膨張シリンダー６８の端部の適当な位置に配置され、そこで膨張ストロークの間に混合された燃料及び空気充填物が着火されて燃焼する。
図６を参照するに、シリンダーヘッド７０及び排気通路８０及び双数の接線型ヘリカルクロスオーバー通路７８の下流部分を含む通路の内部拡大図が示されている。燃料インジェクター９０がクロスオーバー通路７８の下流部分の各々に配置され、XovrEバルブ８６が作動されるとき、空気流に燃料を噴射する。ここにより詳細に論じられるように、インジェクター９０からの燃料噴霧(不図示)は、膨張シリンダー６８内への燃料／空気の充填物の流れ及び分配を最適化するために目標付けられている。
前に論じたように、燃料／空気の充填物はクロスオーバー通路７８から膨張シリンダー６８へ流れねばならず、ここで、膨張ストロークの間に燃焼され、且つ最終的に燃焼の生成物が排気ストロークの間に排気通路８０を介して排出される。燃焼の前に、燃料／空気の充填物は急激に混合され、かつ膨張シリンダー６８内に十分に分散されねばならない。
両方のクロスオーバー通路７８は、ポペット型クロスオーバー膨張バルブ８６を覆って配置された時計回りのヘリカル端部区分１０２に一体に連結されている、概ね真直ぐな接線型ランナー区分１００を備えて構成されている。
図６の実施形態では、時計回りのヘリカル端部区分１０２の各々は、外方に開くクロスオーバー膨張バルブ８６の各々のバルブステムが延在している、渦巻き状のボア１０８に支持されたバルブステム１０６の回りで時計回り方向に渦巻いているファンネル１０４を含んでいる。渦巻き状のファンネル１０４は、入っている空気が膨張シリンダー６８に入る前に、バルブステム１０６の回りを旋回するように強いる。バルブステムは、外方に開くバルブヘッド１０９を支持しており、これはバルブが着座されているときに、部分的に圧力チャンバー８７の圧力によって閉保持されている。
ランナー区分１００の各々は、膨張シリンダー６８の周辺に接線方向である。すなわち、ランナー区分１００の各々は、膨張シリンダー６８の周辺のバルブステムに最も近い点を通って延びる接線に対して凡そ平行(すなわち、好ましくは、＋／−２０度、より好ましくは、＋／−１０度、及び最も好ましくは、＋／−５度)である流れ経路内で、ファンネル１０４に空気流を向ける。バルブステム１０６は、外方に開くバルブヘッド１０９を支持しており、これはバルブが着座されているときに、部分的に圧力チャンバー８７の圧力によって閉保持されている。この両方のヘリカル端部区分１０２が同じ方向に渦巻いている双数の接線型ヘリカルクロスオーバー通路７８の組合せは、分割サイクルエンジン５０において、急速な空気／燃料の混合を大いに促進させるということが判明した。この実施形態は、両方のヘリカル端部区分１０２が時計回り方向に渦巻いているのを示したが、しかしながら、代替の実施形態において、両方のヘリカル端部区分１０２が反時計回り方向に渦巻いているのが好ましいかもしれない。
図７、８及び９を参照するに、インジェクター９０の斜視図が図７に示され、インジェクター９０の関連するインジェクター先端１２０の拡大前面図が図８(図７の８-８線から視たとき)に示され、及び図８の９-９線に沿って採った断面である、先端１２０の拡大側面が図９に示されている。この例示的実施形態において、インジェクター先端１２０は、インジェクター先端中心１２４(図８に最もよく見られる)の周りに周方向に配置された、複数の６つのインジェクター噴霧孔１２２を有している。この実施形態においては、６つのインジェクター孔が図解されているが、インジェクター先端１２０には合理的な数の孔が配置されてもよい(例えば、１ないし８以上)。インジェクター噴霧孔１２２の各々は、直径及び／又は長さにおいて変わってもよく、かつ孔１２２の各々がそれを通って延びる噴霧孔中心線１２６を有している(図９に最もよく見られる)。
孔１２２の噴霧孔中心線１２６の各々は、エンジン５０のジオメトリー内で、燃料を別の個々の目標又は複数の共通の目標に向わせるべく、実質的に独立して方向付けられ（狙われ）てもよいことに留意することが重要である。すなわち、燃料インジェクター９０がエンジン５０に取付けられたとき、各々の孔１２２の延長された中心線１２６がエンジン５０のジオメトリー内で、孔１２２から放出する燃料が向けられるであろう特定の目標を概ね通過するように、孔１２２は向けられてもよい。孔１２２と同じだけの目標、又は全ての孔１２２が向けられる唯一でしかない目標、又はそれらの間の種々の孔の群が向けられる数の目標が存在し得る。図１０を参照し、かつ図８及び９を再度参照するに、インジェクター９０の噴霧孔１２２の各々は、燃料が噴霧孔１２２から離れて縦走（トラバース）するとき、燃料噴霧に作用する外力(例えば、強い空気流)が存しないことを条件に、概して円錐形の燃料噴霧パターン(又は、燃料噴霧)に扇形に拡がるであろう燃料を放出する。円錐状噴霧パターンの数は、孔１２２が向けられている目標の数に等しい。この例示的実施形態では、２つの目標(不図示)が存し、第１のグループの３つの孔は２つの目標の第１のものに向けられ、及び第２のグループの３つの孔は２つの目標の第２のものに向けられている。その結果、孔の２つのグループの各々からの噴霧は、２つの区別できる概して円錐形の噴霧パターン１２８及び１３０を形成するように結合する。噴霧パターン１２８、１３０の各々は、それぞれ、各々の目標に向けられた噴霧パターン中心線１３２、１３４を有している。すなわち、中心線１３２、１３４は、概して、各々のインジェクター先端１２０のインジェクター先端中心１２４から目標に向けて、且つ、目標を通って延在している。さらに、噴霧孔１２２の中心からインジェクター先端中心１２４までの小さな距離を除けば、円錐状噴霧パターン１２８、１３０の各々の中心線１３２、１３４は、同じ目標に向けられた噴霧孔１２２の各々の中心線１２６の各々にほぼ整列されている。
当業者は、複数の噴霧孔１２２(及びそれらの中心線１２６)が狙いを向けられた目標は、共に近接していてもよいので、複数の孔１２２の各々からの燃料噴霧が、単一の区別できる概して円錐状噴霧パターンを形成すべく結合するであろうことを認識するであろう。ここでの目的のために、噴霧が単一の噴霧パターンを形成すべく結合するときは、孔１２２は同じ目標に狙いを向けられているとみなされる。
図１１を参照するに、シリンダーヘッド７０及び通路の内部が示された図６に類似する斜視図は、排気通路８０、及び双数の接線型ヘリカルクロスオーバー通路７８の下流部分を含んでいる。燃料インジェクター９０はクロスオーバー通路７８の下流部分に配置されている。燃料インジェクター９０は、クロスオーバー通路７８のヘリカル端部区分１０２を横切る双数の燃料噴霧１２８、１３０を放出するように作動される。双数の燃料噴霧１２８、１３０は、XovrEバルブ８６のバルブステム１０６を跨ぐように向けられている。該インジェクターは、典型的には、高圧(例えば、２０から２００bar（＝１０５Ｐａ)）のガソリン用に設計されている。このように、それらはクロスオーバーポート７８の高圧及び高温環境下で作動するように設計されている。
膨張シリンダー６８への最適な燃料／空気の流れ及び分配のために、インジェクターからの燃料噴霧を目標付けるときには、幾つかのファクターが考慮されねばならない。概して、燃料噴霧１２８、１３０は、冷たい表面にはわずかに衝突するように目標付けられ、及び最大の空気流の領域にできるだけ多く向けられるべきである。エンジン５０の場合には、避けるべき相対的に冷たい表面は、クロスオーバー通路７８(ヘリカル端部区分１０２を含む)の壁部、及びXovrEバルブ８６のバルブステム１０６である。XovrEバルブのヘッド１０９は、相対的に熱い表面を有している。しかしながら、XovrEバルブのヘッド１０９が着座されたときには、それらは、概して、ヘリカル区分１０２内で渦巻いている空気の主な流れ経路から離れて位置されるので、回避されるべきである。したがって、燃料噴霧１２８、１３０は、バルブヘッド１０９の着座位置の上方で、及びヘリカル端部区分１０２の壁とバルブステム１０６との間に位置された目標に向けられている。
加えて、燃料液滴の大きさは燃料／空気の流れを最適化する際の、他の重要なファクターである。概して、大きな燃料液滴は、より大きな運動量を有するが、小さな燃料液滴よりも、よりゆっくりと蒸発する。燃料液滴が過剰に大きいと、それらは主な空気流経路内に達するが、十分に迅速には蒸発せず、ヘリカル端部区分１０２の冷たい壁に衝突する。そこでは、それらは液体燃料として集塊し、適切に燃焼しない。燃料液滴が過剰に小さいと、それらは迅速に蒸発するが、主な空気流経路内に達して、膨張シリンダー６８に入るのに十分な運動量を有していない。また、概して、所与の燃料充填量（質量）のための、噴霧パターンの数が多くなればなるほど、噴霧孔１２２の直径は小さく、及び液滴の大きさも小さくなる。
分割サイクルエンジン５０の例示的実施形態において、液滴大きさを最適化することに関して、２つの区別できる目標を有する双数の燃料噴霧パターン１２８、１３０は最もよく機能した。すなわち、単一の噴霧パターンは過剰に大きく、ヘリカル端部区分１０２の冷表面に過剰に衝突する液滴を生成するであろう。代わりに、３つ以上の噴霧パターンは、過剰に小さく、ヘリカル端部区分１０２を横切って達し、及び膨張シリンダー６８に入る主な空気流経路と混合するに十分な運動量を有していないであろう。
図１２及び１３を参照するに、三次元デカルト座標系(Ｘ，Ｙ及びＺ座標を有している)がエンジン５０に、より詳しくは、膨張シリンダー６８に重ね合わされている。図１２は、座標系のＹ−Ｘ平面(すなわち、ここではＺ＝０)を図解している。図１３は図１２の線１３-１３に沿って採った断面図であり、及び図１３は、座標系のＹ−Ｚ平面(すなわち、ここではＸ＝０)を図解している。このＹ−Ｚ平面は、膨張シリンダー６８の中心線１３８のみならず排気バルブ８８の中心線１３９をも通り抜けている。座標系の原点１３６(すなわち、Ｘ，Ｙ及びＺ座標が０に等しい点)は、膨張シリンダー６８の中心線１３８(図１３に最もよく見られる)とシリンダーヘッド７０(同じく、図１３に最もよく見られる)の底表面１４０(一般に、火炎デッキ又は炎面として知られている)との交差点に位置されている。
図１２を参照するに、インジェクター９０から放出される噴霧パターン１２８及び１３０のそれぞれの中心線１３２及び１３４は、XovrEバルブステム１０６とヘリカル端部区分１０２の壁部との間に位置された目標に向けられていることが分かる。これは、ヘリカル端部区分１０２の壁部及びXovrEバルブ８６のバルブステム１０６は相対的に冷表面を有し、インジェクター９０から放出された燃料の蒸発の速さを阻害するからである。また、噴霧パターン１２８及び１３０のそれぞれの中心線１３２及び１３４がXovrEバルブステム１０６及びヘリカル端部区分１０２の壁部の間に狙いを向けられているなら、関連する噴霧パターン１２８及び１３０の各々を形成するために結合する噴霧孔１２２の中心線１２６もまたそうであることに留意されたい。
図１２の線１４-１４に沿って採った断面図である図１４を参照するに、簡明化の目的のために、インジェクター９０から放出される２つ噴霧パターン１２８及び１３０のうちの、単一の噴霧パターン１３０のみが示されている。前に論じたように、噴霧パターン１３０はインジェクター先端１２０の中心１２４から始まり、エンジン５０のジオメトリー内に位置された目標に狙いを向けられた(すなわち、通過する)関連する中心線１３４を有している。また、前に論じたように、噴霧パターン１２８及び１３０を形成するために結合する噴霧孔１２２の中心線１２６は同じ目標に狙いを向けられていることに留意されたい。
この実施形態においては、２つの代替的な形式の目標が用いられている。第１の目標の形式はここで、外側直径(ＯＤ)目標１４２と称され、及び第２の目標の形式はここで火炎デッキ目標１４４と称される。ＯＤ目標１４２及び火炎デッキ目標１４４の両者は、延長された中心線１３４が通過するであろう点に位置されている。
両目標１４２、１４４は、バルブヘッド１０９がその着座位置にあるときの、XovrEバルブヘッド１０９の上方の中心線１３４を狙う。すなわち、両目標１４２、１４４は、ヘッド１０９の最大の外側直径が当該狙われた中心線１３４に交差する前に、バルブ８６が所定の目標リフト距離１４６だけその着座位置の上方に上昇されるべきことを要求している。XovrEバルブのヘッド１０９の着座位置の上方に噴霧中心線１３４を狙う目標を選択する主な理由の１つは、空気／燃料の混合及び分配を促進するために、最大空気流に近い領域内に噴霧パターン１３０を噴射するためである。
ＯＤ目標１４２の場合、当該目標１４２の位置は、XovrEバルブ８６がその目標リフト距離１４６に到達したときの、XovrEバルブヘッド１０９の最大の外側直径と狙われた中心線１３４との間で、ほぼ実際に交差する点である。火炎デッキ目標１４４の場合には、当該目標１４４の位置は、ＯＤ目標１４２に交差した後に狙われた中心線１３４が通過するであろうシリンダーヘッド７０の実質的に火炎デッキ１４０上の点である。
目標リフト距離１４６は、好ましくは、XovrEバルブ８６の最大リフトのあるパーセンテージの範囲内に位置される。目標リフト距離１４６は、XovrEバルブ８６の最大リフトの１０から６０パーセントの範囲内であることが好ましい。目標リフト距離１４６は、XovrEバルブ８６の最大リフトの１５から４０パーセントの範囲内であることがより好ましい。目標リフト距離１４６は、XovrEバルブ８６の最大リフトの２０から３０パーセントの範囲内であることが最も好ましい。
例として、XovrEバルブ８６の最大リフト(すなわち、XovrEバルブ８６がその着座位置から最も遠くに離れた点)は３０及び３.６ミリメータ(mm)の間であり、及び目標リフト距離１４６が０.９mmに設定されているとすれば、リフト距離１４６はXovrEバルブ８６の最大リフトの２５から３０パーセントの望ましい範囲内に設定されている。これは、噴霧パターン１３０を、バルブ８６が開いたときにクロスオーバー通路７８の下流部分に生ずる強い空気流によって吹き寄せられる良好な位置に置くであろう。
図１５を参照するに、噴霧目標位置プロットの例示的実施形態が提示され、エンジン５０のジオメトリー内のＯＤ目標１４２、１４８、１５０及び１５２の各々と、火炎デッキ目標１４４、１５４、１５６及び１５８の各々のデカルト座標(Ｘ、Ｙ、Ｚ)を示している。加えて、インジェクター噴霧の原点(すなわち、インジェクター先端中心１２４)についての座標もまた示されている。この例示的実施形態については、目標リフト距離１４６が外方に開くバルブ８６の着座面の上方０.９mmに設定されている。
目標位置に加えて、XovrEバルブ８６のヘッド１０９の最大の外側直径(ＯＤ)及びステム１０６が、膨張シリンダー６８に関するそれらの位置に対して示されている。加えて、噴霧パターン１２８及び１３０のそれぞれの中心線１３２及び１３４が示され、インジェクター先端中心１２４(すなわち、インジェクター噴霧原点)から延び、かつそれらの関連するＯＤ目標１４２、１４８、１５０及び１５２と火炎デッキ目標１４４、１５４、１５６及び１５８を通過している。
この座標系では、Ｚ＝０の平面が火炎デッキ(すなわち、火炎面)１４０(図１３に最もよく見られる)の位置である。したがって、火炎デッキ目標１４４、１５４、１５６及び１５８は全てゼロのＺ座標を有している。
また、この実施形態については、XovrEバルブ８６が着座されたとき、ヘッド１０９の最大のＯＤは火炎デッキ１４０の２.６mm上方に位置される。そのようなものとして、ヘッド１０９の最大のＯＤが０.９mmの目標リフト距離だけ持ち上げられたとき、最大のＯＤは火炎デッキ１４０より３.５mm上方に位置される。かくて、ＯＤ目標１４２、１４８、１５０、及び１５２は全て３.５mmのＺ座標を有している。
ＯＤ目標１４８はその関連するヘッド１０９の周辺上に、直接には位置していないことに留意されたい。これは、この特有なヘッドを囲んでいるヘリカル端部区分１０２内の幾何学的な障害物の故である。したがって、中心線１３２はヘリカル端部区分１０２のより冷たい壁表面から離れ、かつより熱いステム１０６により近づいて向きを変えねばならなかった。技術的には、これは、投射された中心線１３２がヘッド１０９の最大のＯＤと所望の０.９mmの目標リフト距離よりも僅かに小さい点において交差することを意味する。しかしながら、目標リフト距離１４６における犠牲は小さく、バルブ８６の最大リフトの１０から６０パーセントの間という好ましい良好な範囲内にある。
図１６ないし２１を参照するに、クランク角回転の角度ごとの燃料配送事象が詳しく示されている。各々の図の右上における数字は、膨張ピストン７４の上死点後(ＡＴＤＣe)における膨張ピストン７４のクランク角回転の角度である。
インジェクター９０はヘリカル端部区分１０２の外側に取付けられているが、しかし、噴霧がヘリカル端部区分１０２を横切り、かつ回る空気流によって、ヘリカル端部区分１０２の内側に向かって運ばれるように、目標付けられている。そのようにして、空気-燃料混合気は多くがXovrEバルブ８６の開口を通り膨張シリンダー６８の中心に向かって抜け出て、そしてシリンダー６８を横切って運ばれる。
図１６を参照するに、-１４.５度ＡＴＤＣeにおいては、噴射事象はまだ開始されていない。加えて、XovrEバルブ８６は未だに着座位置にある。
図１７を参照するに、-１０.５度ＡＴＤＣeにおいて、噴射事象は、燃料噴霧１２８、１３０が、バルブ８６が開く前にヘリカル端部区分１０２を横切って移動するための時間が存するように、XovrEバルブ８６が開く前に開始する。噴射事象は、典型的には、XovrEバルブ８６が開く前に開始する(すなわち、燃料噴射のクロスオーバー通路７８への開始)けれども、XovrEバルブ８６が開くのを開始した後に、噴射事象が始まってもよいという運転条件もある。
図１８を参照するに、-６.５度ＡＴＤＣeにおいて、XovrEバルブ８６は十分にリフトし、その結果、実質的量の空気の流れが確立され、そして噴霧１２８及び１３０の軌跡に影響し始める。２つの噴霧１２８及び１３０は、まだバルブステム１０６を実質的に跨いでいる。
図１９を参照するに、-２.５度ＡＴＤＣeにおいて、２つの噴霧１２８及び１３０は、ヘリカル端部区分１０２をほぼ完全に横切って到達し、かつまだステム１０６を跨いでいる。しかしながら、それらがヘリカル端部区分１０２の周りに渦巻いている空気流内に吹き寄せられているとき、噴霧１２８及び１３０の軌跡にかすかな量のゆがみが存している。
図２０を参照するに、+１.５度ＡＴＤＣeにおいて、左側のインジェクターの噴霧パターン１２８は、空気流によってその関連するバルブステム１０６に丁度交差する点にまで引かれている。右側のインジェクターの噴霧パターン１２８は、その関連するステム１０６を完全に横切って引かれ、その関連する噴霧パターン１３０と合併し始めている。
図２１を参照するに、+５.５度ＡＴＤＣeにおいて、両方のインジェクター９０からの噴霧１２８及び１３０は渦巻いている空気流によってヘリカル端部区分１０２の遠端縁に引かれ、共に併合している。結合した燃料噴霧１２８及び１３０は、XovrEバルブ８６の開口を通って膨張シリンダー６８の中心に向かって抜け出し、かつシリンダー６８を横切って運ばれている。
噴射事象は、残りの空気流がXovrEバルブ８６を通して噴射された燃料の大部分を運びきるように、XovrEバルブ８６が閉じる前に終了する。典型的には、噴射事象の継続時間は、４５度以下のクランク角、好ましくは４０度以下のクランク角、及びより好ましくは３５度以下のクランク角である。これはまた、燃料がクロスオーバー通路７８内で部分的に燃焼する可能性を最小にするのを助ける。
本発明が特定の実施形態を参照することにより説明されたが、多数の変更が説明された本発明のコンセプトの趣旨及び範囲内でなされ得ることが理解されるべきである。したがって、本発明は説明された実施形態に限定されず、続く特許請求の範囲の文言によって定義される十分な範囲を有することが意図されている。

Claims (23)

  1. クランクシャフト軸線の回りを回転可能なクランクシャフト、
    膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、及びクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ピストンが膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結された膨張ピストン、
    壁を含むクロスオーバー通路であって、高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続しているクロスオーバー通路、
    クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能なクロスオーバー膨張(XovrE)バルブであって、XovrEバルブヘッドと該XovrEバルブヘッドから延びるXovrEバルブステムとを含み外方に開くバルブであるXovrEバルブ、及び
    クロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能な燃料インジェクター、を備え、
    該燃料インジェクターは、燃料インジェクターのノズル端部に配置された複数の噴霧孔であって、かつ該複数の噴霧孔から放出する燃料が噴霧パターン中心線を有する少なくとも１つの噴霧パターンを形成すべく向けられる少なくとも１つの目標に向けられている複数の噴霧孔を含み、
    そこで、該噴霧パターン中心線が向けられる該少なくとも１つの目標は、外方に開くXovrEバルブヘッドの着座位置の上方で、かつクロスオーバー通路の壁とXovrEバルブステムとの間に位置され、
    該複数の噴霧孔は、各々がそれぞれの噴霧パターン中心線を有する複数の噴霧パターンを形成すべく複数の噴霧目標に向けられ、該複数の噴霧目標の各々は、噴霧パターンのそれぞれの噴霧パターン中心線がXovrEバルブのXovrEバルブステムを左右に跨ぐように位置されていることを特徴とするエンジン。
  2. 噴霧孔の各々はそれを貫通して延びる中心線を有し、該複数の噴霧孔は、噴霧孔の中心線が噴霧孔から放出する燃料が向けられる少なくとも１つの目標を通過するように、方向付けられていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  3. 該少なくとも１つの目標の１つは、XovrEバルブがその着座位置の上方に所定の目標リフト距離だけ持ち上げられたときに、噴霧パターンの中心線がXovrEバルブヘッドの最大外側直径に交差する、１つの噴霧パターンの中心線上の一点に位置される外側直径目標であることを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
  4. 該目標リフト距離は、最大のXovrEバルブリフトの１０から６０パーセントの範囲内であることを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
  5. 該噴霧孔の中心線は、独立して方向付けられていることを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
  6. 該噴霧パターンの数は、噴霧目標の数に等しいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  7. 該クロスオーバー通路は、XovrEバルブを覆って配置されたヘリカル端部区分を含むヘリカルクロスオーバー通路であり、少なくとも１つの目標が、該ヘリカル端部区分内に位置されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  8. 該ヘリカル端部区分は時計回り又は反時計回り方向の１つに渦巻いていることを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
  9. 高圧ガスの源は、摺動可能に収容された圧縮ピストンを含んでいる圧縮シリンダーであり、該圧縮シリンダーは、圧縮ピストンがクランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動すべく作用するように、クランクシャフトに作動可能に連結されており、かつクロスオーバー通路は、膨張及び圧縮シリンダーを相互に連結していることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  10. クランクシャフト軸線の回りを回転可能なクランクシャフト、
    膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、及びクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ピストンが膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結された膨張ピストン、
    高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続しているクロスオーバー通路、
    クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能なクロスオーバー膨張(XovrE)バルブであって、XovrEバルブステムを含み外方に開くバルブであるXovrEバルブ、及び
    クロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能な燃料インジェクター、を備え、
    該燃料インジェクターは、燃料インジェクターのノズル端部に配置された複数の噴霧孔を含み、該複数の噴霧孔は噴霧孔から放出する燃料が噴霧パターン中心線を有する少なくとも２つの燃料噴霧を形成すべく向けられる２つ以上の目標に向けられており、
    そこで、該少なくとも２つの燃料噴霧のそれぞれの噴霧パターン中心線が向けられる噴霧目標の各々は、XovrEバルブのXovrEバルブステムを左右に跨ぐように配置されていることを特徴とするエンジン。
  11. 噴霧孔の各々はそれを貫通して延びる中心線を有し、該複数の噴霧孔は、噴霧孔の中心線が、燃料が向けられた１つの前記目標を通過するように、方向付けられていることを特徴とする請求項１０に記載のエンジン。
  12. １つの前記噴霧パターンを形成する噴霧孔の中心線は、もう１つの前記噴霧パターンを形成する噴霧孔の中心線が方向付けられている目標から区別できる目標に方向付けられていることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
  13. XovrEバルブは、XovrEバルブステムの一端に配置されたXovrEバルブヘッドを含み、及び
    該目標の１つは、XovrEバルブがその着座位置の上方に所定の目標リフト距離だけ持ち上げられたとき、
    前記噴霧パターンの前記中心線がXovrEバルブヘッドの最大外側直径に交差する、少なくとも１つの前記噴霧パターンの中心線上の一点に位置される外側直径目標であることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
  14. 該目標リフト距離は、最大のXovrEバルブリフトの１０から６０パーセントの範囲内であることを特徴とする請求項１３に記載のエンジン。
  15. 該クロスオーバー通路は、XovrEバルブを覆って配置されたヘリカル端部区分を含むヘリカルクロスオーバー通路であり、２つ以上の目標が、該ヘリカル端部区分内に位置されていることを特徴とする請求項１３に記載のエンジン。
  16. 該ヘリカル端部区分は時計回り又は反時計回り方向の１つに渦巻いていることを特徴とする請求項１５に記載のエンジン。
  17. 高圧ガスの源は、摺動可能に収容された圧縮ピストンを含んでいる圧縮シリンダーであり、該圧縮シリンダーは、圧縮ピストンがクランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動すべく作用するように、クランクシャフトに作動可能に連結されており、かつクロスオーバー通路は、膨張及び圧縮シリンダーを相互に連結していることを特徴とする請求項１０に記載のエンジン。
  18. エンジンに燃料を噴射する方法であって、
    該エンジンは、クランクシャフト軸線の回りを回転可能なクランクシャフト、膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、及びクランクシャフトの単一の回転の間に膨張ピストンが膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動すべく作用するようにクランクシャフトに作動可能に連結されている膨張ピストン、壁を含みかつ高圧ガスの源を膨張シリンダーに接続しているクロスオーバー通路、クロスオーバー通路の出口端部に配置され、クロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間の流体の連通を制御すべく作動可能であるクロスオーバー膨張 (XovrE)バルブであって、XovrEバルブヘッドと該XovrEバルブヘッドから延びるXovrEバルブステムとを含み外方に開くバルブであるXovrEバルブ、及びクロスオーバー通路内に燃料を噴射すべく作動可能である燃料インジェクターであって、燃料インジェクターのノズル端部に配置された複数の噴霧孔を含んでいる燃料インジェクターを含み、該方法は、
    噴霧孔の各々を、噴霧孔から放出する燃料が噴霧パターン中心線を有する２つの噴霧パターンを形成すべく向けられる２つの目標の１つに向け、ここで、該２つの目標は、XovrEバルブヘッドの着座位置の上方で、かつ噴霧パターンのそれぞれの噴霧パターン中心線がXovrEバルブステムを左右に跨ぐようにクロスオーバー通路の壁とXovrEバルブステムとの間に位置されており、
    燃料の噴射を、燃料インジェクターからクロスオーバー通路の出口端部に向けて開始し、
    XovrEバルブを開き、そして
    燃料の噴射を、開かれたXovrEバルブが閉じる前に終了することを備えることを特徴とする方法。
  19. 燃料の噴射は、XovrEバルブが開く前に開始されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 燃料の噴射は、XovrEバルブが開いた後に開始されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  21. 開いたXovrEバルブを通してのクロスオーバー通路から膨張シリンダーへ空気流を確立するステップ、
    単一の結合噴霧を概して形成すべく、噴霧パターンの１つがXovrEバルブステムを超え、かつ横切って引かれ、他の噴霧パターンに併合されるように、２つの噴霧パターンを空気流に吹き寄せる（sweeping）ステップ、
    を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  22. 該結合噴霧をクロスオーバー通路出口端部の縁部に向って引き、それにより、該結合噴霧がXovrEバルブを通ってクロスオーバー通路を出るステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  23. 燃料噴射の開始から燃料噴射の終了までの噴射事象の継続時間は、凡そ４５度のクランク角以下であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
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