JPH07504010A - 可変燃焼室を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は様々なスロットル比率で燃料−空気の点火圧力を最適化する可変容積燃 焼室を有し、また効率を高めるために長い膨張行程を有する内燃機関に関する。

発明の背景 内燃機関の圧縮比を増大すると熱力学的効率が高まることは長いこと知られてき た。ここで採用された仮定は、理想的なサイクルに関しては普通に吸入するエン ジンは大気圧の下でシリンダの完全充填を達成するということである。この場合 、（燃焼室単独に対してシリンダ＋燃焼室を比較した）幾何学的な容積比は、正 常運転における高温領域でガソリンエンジンの推奨燃料の自動点火圧力より少し 低い予燃焼圧力を与えるように設計される。しかしながら全負荷より少ない負荷 で運転されるこれらのエンジンに関しては、シリンダを充填する混合気圧力は大 気圧より低い。この結果、幾何学的な比率は一定に維持されるが、圧力比は低下 して、全スロットルにて得られるよりも低い圧力の混合気が燃焼室内に生じるこ とになる。全予燃焼圧力を回復する（すなわち所望圧力比を達成する）１つの方 法は、燃焼室の容積を変化させることである。これを達成するための設計は多数 あるか、その殆とは実施のための設計の簡素化および頑丈さに欠けている。従来 技術の成るものは以下に概説される。

ペールソン氏による米国特許第７４１８２４号明細書は、カム作動排気バルブお よび真空圧作動吸気バルブを備え、また最大予燃焼圧力を得るために、燃焼室容 積を手動変化させるように使用される主シリンダ径の補助ピストンを備えた４ス トロ一ク内燃機関を記載している。この補助ピストンの位置は吸気バルブの移動 限界を定める。

シュミット氏による米国特許第１１６７０２３号明細書には、燃焼室容積を変化 させるために補助シリンダおよびピストンを主シリンダ上方に備えた通常の４ス トロークエンジンが開示されている。この補助ピストンの位置はばねで制御され 、また燃焼負荷は作動流体圧力で吸収される。従って補助ピストンの位置は、補 助ピストン上方（またはその上部半休）に対するオイルの供給および流出の速度 がオイルボートを通して流入または流出できる速度によって制限されて、負荷に 応答する。出口ボートはプリセット（変更可能）圧力のリリーフ装置を有するバ ルブを備えている。燃焼圧力がこの圧力を超えるとオイルは圧力室から押出され 、補助ピストンは最外位置に向って移動して燃焼室容積を増大させる。負荷設定 が低下されると、また燃焼圧力がこの値より低くなると、オイルは出口から解放 されないが人口チェックバルブを通して依然として流入され、主シリンダへ向け たピストン運動を引き起して予燃焼圧力を高める。

ウィルソン氏は米国特許第１６３９４７７号明細書て、作動ピストンより上方に 補助シリンダおよび多数のクラウン付ピストンが配置された通常の４ストローク エンジンを開示している。この補助ピストンの位置は、吸気マニホルド内の圧力 により、作動流体圧力で作動される第２補助ピストンを経て制御される。エンジ ンが運転されていないときに補助ピストンを最外位置に移動させるためにばねが 使用されている。

ワグナ−氏による米国特許第２１４２４６６号明細書には、スロットル付吸気装 置および可変容積の燃焼室を備えた通常の４ストロ一ク圧縮点火エンジンか記載 されている。補助ピストンはタイミングが可変角度で与えられるカムシャフトに より駆動されて往復動作される。

リスホルム氏による米国特許第２３４４９９３号明細書には、唆気行程時の吸気 バルブ閉止を行ってアトキンソンサイクルを実行する通常の４ストロ一ク火花点 火または圧縮点火エンジンか開示されている。バルブ閉止時のピストン速度が早 いと、エンジン高速運転にてエンジンの掃気効率は低下する。これに代えて圧縮 行程で吸気バルブか閉じられるならば、エンジン高速運転にて掃気効率が高まり 、必然的に低速運転では掃気効率か低下する。吸入行程の後で吸気バルブを閉じ ることにより、また圧縮行程で非常に短時間だけ吸気バルブを開くことにより、 この特許はほぼ一定した掃気効率を生むこと、すなわちエンジン運転速度にょる 掃気効率の殆ど全ての所望曲線を適合できることを請求している。圧縮点火エン ジンでは、燃料が未だ噴射されていないときに圧縮行程で開くバルブは排気バル ブとされることができる。この発明は過給エンジンに最も適することを示してお り、従って実際にこの効率を非強制吸入エンジンのレベルまたはそれより僅かに 高いレベルまで高める。

ローゼーン氏による米国特許第２４６７５６８号明細書には、作動流体圧力で制 御される可変容積燃焼室を備えた通常の４ストロークエンジンが開示されている 。これは補助ピストンがオイルを充填されると見られる。

ハンフリー氏は米国特許第２７６９４３３号で、作動ピストンより上方に補助シ リンダおよびピストンか配置された通常の２ストロークまたは４ストロークエン ジンを開示している。この補助ピストンはエンジンの潤滑装置により供給される 作動流体によって支持される。燃焼時に到達する最大圧力が流出機構に強制され たプリセット値を超えると、オイルは補助ピストンの後部チャンバーから流出て きる。

ヘイスリング氏は米国特許第２８８３９７４号で、作動ピストンより上方に配置 され、可変容積の燃焼室を形成することを目的とした補助シリンダおよびピスト ンを備えた通常の４ストロークエンジンを開示している。補助ピストンの位置は 作動流体により制御され、流体圧力によって作動も行われる。第２実施例は移動 シリンダスリーブを使用する。この発明の持つとも強調される箇所は理想的な作 動を行わせる制御機構にある。

ナカムラ氏による米国特許第３９６４４５２号では、主シリンダおよびピストン の上方位置に補助シリンダおよびピストンが配置され、この補助シリンダおよび ピストンは主シリンダおよびピストンと通じている。ばね付勢ピストンが補助シ リンダ内を摺動でき、燃焼時に成るプリセットされた高圧力に到達した後でこの 摺動が行われるようにされ得る。第１の目的は燃焼時の圧力および温度を制限す ることであり、それ故にＮＯ８の生成か制限されることを保証しつつ熱効率を高 めることである。希薄充填はＣＯおよびＨＣの排出量の低減をもたらすが、これ はまた失火および燃焼変動を生じる。

ルリア氏による米国特許第４０３３３０４号には、可動の補助ピストンおよびシ リンダを備え、該ピストンが流体圧作動手段で制御される一定の予燃焼圧力を達 成した内燃機関が記載されている。この発明は可変の吸気バルブタイミングによ り７１−キンソンサイクルを実行する。吸気バルブは混合気を吸気系統に戻すよ うに抽気するために下死点（ｒＢＤｃ」）を超えて開き状態に保持される。補助 ピストンは排気行程時に補助シリンダ容積かその最小値となって掃気を助成する ようにばね付勢される。

オートウー氏による米国特許第４１８７８０８号には、主ピストンの上方に補助 ピストンおよびシリンダが配置された通常の４ストロークエンジンが開示されて いる。焦点は、補助ピストンの機械的な作動に対するあらゆる負荷を低減するた めに使用された流体圧作動バルブ動作にある。主シリンダ内の圧力が低下される と、補助ピストンは主シリンダへ向けて内方へ移動して、燃焼室容積を減少させ て燃焼ガスの掃気を助成するように設計されている。

ナカハラ氏による米国特許第４５１６５３７号は、主ピストンおよびシリンダよ り上方のヘッド内に補助シリンダおよびピストンか配置された通常の４ストロー クエンジンを開示している。補助ピストンは加圧された作動流体によって移動さ れる。この発明の主な推進点は、負荷を均一に分布させるためにオイル圧力装置 に衝撃を与えるような燃焼による過大圧力を生じないで、補助ピストンの位置を 制御する実施可能な手段を構成することである。

バルコ氏による米国特許第４７９８１８４号は、圧縮よりも膨張の継続時間を長 くするために圧縮行程にて吸気バルブか閉止される２ストロークまたは４ストロ ークデイーゼルエンジンを開示している。バルブ作動手段は詳細に説明されてい ないが、この特許は作動時に固定されまたは可変とされ得ることを示している。

延長された膨張は上死点（ｒＴＤｃ」）に於いてまたはその後も燃焼が生じ得る ようにし、エンジン負荷を低減し、また冷却装置に熱が失われることを可能にす る。膨張の増大に対するこの有用な利点は、ガスの膨張および排気温度の低下に よって一層の働きを生むことである。

燃焼室容積を変化させるためのこれらの従来技術の方法は４つの主要なカテゴリ ーに分けることかでき、このカテゴリーの各々は利点および欠点を有する。すな わち、 （１）　ヘッド中心と平行に走る線に対してクランクシャフトの中心線を移動さ せる。これは、従来の燃焼室形状および容積が使用できる利点を存する。欠点は 、この装置かクランクシャフトおよびそのクランクケース、およびエンジンの残 りの部分の相対運動を正確に制御するために装置が複雑化せざるを得ないことで ある。オイル漏れに対する機構のシールが困難である。この設計はＶ形エンジン ブロックに問題を引き起しかねず、ロータリーまたは軌道エンジン設計では作動 しない。

（２）　長さが変化できるようにコネクティングロッドを割る。この考えには２ つの主変形例があり、一方は長さを流体圧制御するものでスロー／　ｌ−ル設定 の変化でのみ調整され、また他方はコネクティングロッドの２部分間にばねを備 えるものである。何れの場合もエンジンの往復運動する質量を増大し、部材のバ ランス取りを一層困難にする。ばねを備えたコネクティングロッドはバランス問 題を悪化させ、エンジンにかなりの振動をもたらす。このような設計の利点は（ １）の場合と同じである。これはロータリーまたは軌道エンジン設計では作動し ない。

（３）　コネクティングロッドと殆と同じように、クランクシャフト中心からピ ストンクラウンまでの距離か変化するようにピストンを割る。これは割コネクテ ィングロッドと同様な問題および同様な利点を存する。

（４）　燃焼室の形状を変化させる手段を備え、ピストン、コネクティングロッ ドおよびクランクシャフトを従来エンジンにおけるものと同じに残す。

容積を変化させる手段は補助シリンダおよびピストン、または可撓性ダイヤフラ ムを含む。ダイヤフラムの欠点は、可撓性材料の加工硬化を生じ、エンジンか正 しく作動することを阻害する不具合がもたらされることである。補助シリンダお よびピストンは幾つかの形態を有する。これらには、真っ直ぐな機械的作動（正 しい位置を検出する手段を考えない）、燃焼圧力を吸収することにも作用する流 体圧作動、および流体圧による衝撃吸収を行う機械的／を気的作動が含まれる。

ここに挙げた３形態の少なくとも１つか最も正確な位置決め手段を与え、燃焼時 に作用する力からその機構の適当な保護を達成する（第２手段と共に）。

発明の要約 本発明は燃焼室容積を変化させて燃焼生成物が一層太き（膨張できるようにする ことでエンジン効率を高める装置である。本発明は多数の重要な作動パラメータ に合致しつつこれを達成するのであり、これらのパラメータには以下のものが含 まれる。

（１）　補助ピストンの面に作用する燃焼力は作動機構に対して損傷または重大 な磨耗を発生させない。

（２）　点火装置がスイッチを切られ、エンジンか運転されておらず、または制 御機構の不具合かある場合、最大燃焼室容積を与えるために補助ピストンが引出 せる。

（３）　エンジンオペレーターかアイドルから全負荷へ負荷設定を変更できるの と同時期に補助ピストンの引出しが達成できる。

（４）　補助ピストンの位置決定に関する入力情報が燃料噴射を制御するために 使用されたセンサーから容易に得られる。

（５）　流体圧作動の場合、燃料供給装置は燃焼室の高圧力か残る流体装置に影 響することを防ぐためにチェックバルブを存する（エンジンオイルまたは別の供 給物質であろうとも）。

（６）　ピストンが最上位置に引上げられたときに補助ピストンおよびシリンダ の間に捕捉されたオイルのクッションがある。これはピストンおよびシリンダの 衝突を防ぐ。

（７）　補助ピストンの背面側か冷却される。これは、ピストンおよびそのシリ ンダの間の室内で潤滑油を連続循環させて達成される。

（８）　一定負荷の下で、補助ピストンおよび位置決めロフトの間に固定的な接 触か生じる前に燃焼圧力か低下するように、オイルは長いオリフィスを通して排 出できる。

（９）　このような長いオリフィスはあらゆるバイパスガスを抽気できるように 補助シリンダ内の最高位置に位置決めできる。

（ｌＯ）　不具合発生時に補助ピストンが作動シリンダ内に侵入することを防ぐ ために、作動シリンダに面する補助シリンダの端部にストップがある。

このような設計は簡単で、最少限の移動部材を含んで構成される。補助ピストン は負荷設定およびエンジン状態の変化に応じてシリンダヘットを通って燃焼室に 出入するよう移動する。補助ピストンの後方には作動流体を充填されたキャビテ ィがある。本質的ではないか燃焼力を緩衝するために使用されたこの作動流体は 潤滑ポンプで供給されるエンジンオイルとされることが好ましい（殆ど全ての自 動車は加圧下で潤滑される滑り軸受を使用しているということが与えられる）。

この流体は３つの目的、すなわち燃焼力から作動機構（それが流体でないならば ）を保護する、補助ピストンを冷却するように作用する、および補助ピストンの 潤滑を行うという目的を満たす。エンジンが停止されたときに補助ピストンを引 込める目的は、エンジンの始動に必要な圧力仕事を最小限にすることである。

この室にはオイルの連続供給か行われ、同様に連続的な漏れも生じる。スクリュ ーねし構造が補助ピストンを位置決めするために使用されており、シャンクは燃 焼から伝達される力を制限するために十分に小さくされる。作動ボルト端部およ びピストンの間にばねか配置される。このばねは非常に限られた移動範囲を有し 、燃焼により発生した力か成る容積のオイルを出口抽出ホールに通して押出すよ うにする作用を吸収するようになされる。アイドルからフルパワーへ非常に短時 間で負荷が変化される筋書のために、ピストンの上下動を制御する同じモーター によって作動させることができる安全バルブかある。これは補助シリンダの大き な出口ポートを開くことかでき、従ってこの作動モーターはオイルをポンプ推進 し、同様にピストンを移動させるエネルギーを費やす必要はない。

更に、ピストンが下降移動を完了する前の吸気行程にてバルブか閉じるように吸 気バルブタイミングか変更される。

図面の簡単な説明 第１図は、通常の火花点火式の内燃機関の燃−空サイクルに関する圧力−容積の グラフ。

第２ａ図は、本発明の効果を示す圧力−容積のグラフ。

第２ｂ図は、フルスロットルでの本発明の効果を示す圧力−容積のグラフ。

第２ｃ図は、ハーフスロットルでの本発明の効果を示す圧力−容積のグラフ。

第２ｄ図は、アイドルでの本発明の効果を示す圧力−容積のグラフ。

第３図は、本発明により構成されたエンジンシリンダの横断面図を示す。

第４図は、通常のエンジンおよび本発明により構成されたエンジンのカムシャフ ト形状を示す。

第５図は、本発明の他の見地によるシリンダの横断面図を示す。

第６図は、通常のエンジンおよび本発明に関するシリンダヘッドのスパークプラ グ、および吸気および排気バルブの構造を示す。

第７図は、本発明による２ストロークエンジンを示す。

発明の詳細な説明 第１図は通常のエンジンの理想化された燃−空サイクルのための圧力−容積の線 図を示す。これは４ストロークの火花点火式エンジンである。ここに示した圧縮 比は９：１であり、これは今日の通常の吸入式自動車エンジンにおける典型的な 値である。３つの曲線は全負荷、半負荷およびアイドルに関するものである。

横座標は容積を未変更燃焼室の容積の倍数で示す。縦座標は圧力を大気圧で示す 。

点ｌは全負荷運転に関する圧縮行程の開始点である（実線）。可燃混合気は１大 気圧圧力にあり、容積は燃焼室の容積の９倍である。理想的なサイクルにおいて 、圧縮は点１から点２まで断熱的に行われる。点２において、圧力は約１７，４ 大気圧であり、点１ての容積の１／９である。燃焼は断熱的且つ一定容積にて行 われ、圧力は約７０大気圧へ上昇して点３に至る。次ぎに点３から点４へ断熱膨 張が行われる。この点にて、排気行程が（約４．０大気圧のシリンダ圧力で）開 始され、圧力は大気圧へ降下する。（理想のエンジンでは、排気および吸気行程 は１大気圧の近くて行われるが、第１図には示されていない）。

点１−２−３−４−１で囲まれる面積部分は燃料の燃焼によるエネルギーの（理 想的な）解放を示す。実際のエンジンで有効仕事に利用される量は、摩擦、熱損 失、時間損失、排気ブローダウンおよび完全燃焼によりこの値よりも小さい。

これらの損失はここでは論じない。

密なドツト曲線は半負荷サイクルを示す。可燃混合気の初期圧力は約０．７大気 圧であり、その温度は全負荷の場合よりも僅かに低い。断熱圧縮が圧力および温 度を全負荷サイクルにおける圧力および温度よりも低い値まで上昇させる。

（圧力は圧縮行程の終りて焼＜１２大気圧である。）この燃焼行程は全負荷サイ クルで到達したそれらの値よりも低い圧力および温度を生じる。ピーク圧力は約 ４５大気圧である。次ぎに断熱膨張か生じて圧力は約２．６大気圧へ低下する。

排気行程は約１大気圧にて行われ、吸気行程は０．７大気圧で行われる。この曲 線で囲まれた面積部分は全負荷時の約６５％である。

粗なドラ］・曲線は理想的なアイドルサイクルを示す。このサイクルの予燃焼圧 力は５．８大気圧で、燃焼後の圧力は２２大気圧である。膨張後、圧力は１．　 ３大気圧となる。この吸気行程は約０．３大気圧で行われる。この曲線で囲まれ た面積部分は全負荷の場合の約３０％である。更に、エンジンが燃料の化学的エ ネルギーをアイドルでエンジンの有効な機械的仕事に変換する効率はゼロである 。

この結果、アイドル曲線の面積部分は実際のエンジンにおける損失の生の推定と みなすことができる。（理想的な曲線の面積部分が全および班負荷曲線の両方か ら差引かれるならば、半負荷曲線によって囲まれた面積部分は全負荷曲線の場合 の５０％となる。） 標準サイクルの熱効率を高めるために２つの方法がある。第１の方法は予燃焼圧 力を常に火花点火の前に自動点火より少し低い最高圧力に保証することである。

これは、与えられた容積圧縮比に関して全負荷の下に標準燃焼室で達成される所 望圧力である。（これは全負荷で効率の上昇は全くないことを暗示する。）第２ の方法は燃焼ガスが標準サイクルにおけるよりも更に膨張できるようにすること である。これはアトキンソンサイクルとして知られている。

第２ａ図はこれらの２つの概念を組入れた圧力−容積の線図での効果を示す。

第１図の場合と同じ３つの負荷レベルが示されている。全負荷より低い負荷では 、与えられたエンジン状態に関して予燃焼混合気を所望の圧力値とするために、 燃焼室容積は減少される。容積の減少は半負荷およびアイドル曲線が全負荷曲線 の左側へ移動することで明らかである。

全ての負荷レベルにお、いて、膨張行程は標準行程を超える容積にまで延長され る。第２ａ図、第２ｂ図、第２Ｃ図および第２ｄ図において、膨張行程は標準サ イクルの２倍として示されている。（圧縮に対する膨張比は標準サイクルの１＝ １から３＝１まで変化し得る。）圧縮比の標準的定義を使用すれば（燃焼室の容 積に対する全容積）、前記比はここでは１７：１として示される。第２ａ図で膨 張は、全負荷運転に関しては点３から４、モして５へと進む。吸気行程（図示せ ず）は行程長さの半分だけ吸気バルブか開いて行われる。従って、半行径では吸 気バルブか閉じているので可燃混合気は第２ａ図の点６である行程の終点まで断 熱膨張される。この断熱膨張での膨張仕事は圧縮行程において点ｌで示される吸 気行程で生じるバルブの閉止と同し位置にピストンが到達する時間によって回収 される。次ぎに通常は点２まて圧縮が進む。

第２ｂ図は陰影を付した面積部分を含み、この部分は全負荷において燃焼したガ スか標準サイクルの容積の２倍に膨張する効果を示している。この面積部分は点 １−４−５−７−１で囲まれる。（面積部分１−７−６−１は吸気バルブが閉じ た後に混合気を膨張させるために必要な膨張仕事を表し、これはポンプ推進仕事 に正味の変化を生しないで圧縮時に回収されるので、含められていない。）この 標準サイクルを超える面積部分の増大は１５％である。延長された膨張の終点に おいて、シリンダ圧力は１．　８大気圧となる。アイドルの面積部分を損失の近 似として除去することは、ちょうと２０％を超える標準サイクルを上回る面積部 分の増大を生じる。

第２Ｃ図は半負荷で達成される増大面積部分に関する陰影面積部分を含む。膨張 行程の終点におけるシリンダ圧力は１．　２大気圧である。燃焼室容積はここで は減少され、予燃焼圧力の増大により燃焼は標準サイクルの面積部分の約２７％ である。延長された膨張の増大は１１％であり、約３８％の組合わされた増大を 与えている。アイドル面積部分は標準サイクルを超える約６７％の増大を生じる 。

第２ｄ図は本来のエンジンのアイドルレベルにおいて達成された増大面積部分に 関する陰影面積部分を含む。可変容積の燃焼室の寄与はちょうと８０％を超え、 一方では延長された膨張行程はゲインを８％減少する。（ここでの表示は圧縮に 対する膨張比２：１は一般的な使用では高すぎる。）膨張行程の終点におけるシ リンダ圧力はたったの０．　６大気圧に落ち、従って成る量のポンプ推進仕事か この膨張行程を完結するために供給されねばならない。標準サイクルのアイドル 面積部分を除去して面積ゲインを比較することは無意味である。利益はアイドル 運転を持続するためにエンジンに少ない燃料か必要とされることである。

選定された圧縮に対する膨張比はエンジンの意図された使用によって決る。大き な比率（３に近い）は、低レベルでの効率低下を犠牲にして、高負荷レベルでの 効率を改善する。小さな比率（ｌに近い）は軽負荷での効率を高めるが、高負荷 では殆と寄与しない。消費される燃料の量が負荷レベルと共に増大すれば、おそ ら（大きな比率が好まれよう。

エンジンの運転範囲を通じて予燃焼圧力を変化させることは、燃焼室の容積がダ イナミックに変化されることを必要とする。これを達成する１つの実施例が第３ 図に示されている。ピストンリングを装嵌した補助ピストン８がエンジンヘット に位置された補助シリンダ９の中を摺動される。ピストン８の位置はねじを付さ れてここに示されている調整可能ロッド１０で直接に制御される。エンジンの負 荷、温度およびシリンダ中に流入する可燃混合気の質量に応答して、必要な燃焼 室容積は制ｉ１１ｗＬ子装置（燃料噴射制御装置など）で演算され、調整可能ロ ッドｌＯが必要に応じて昇降される。

補助ピストン８に作用する燃焼圧力はねしおよび（または）位置決め機構を損傷 するので調整可能ロッド！０に伝達されない。従って、補助ピストン８および補 助シリンダ９の間のキャビティ１１は非圧縮性の作動流体を充填される。（エン ジンオイルが、容易に入手でき且つ別個の流体回路を必要としない理由で好まし い。）この作動流体は補助ピストン８の背面側の冷却も行わねばならないので、 チャンバー１１のヰに導かれた作動流体供給ダクト１２、およびチャンバー１１ から小さい槽１４に至る出口通路を形成する長いオリフィス１３が備えられる。

長いオリフィスの幾何学形状は、常に作動シリンダ内の圧力よりも高い供給圧力 の下で最少限の作動流体循環速度を許容するようになされる。長いオリフィス１ ３に対する円形人口１５はチャンバー１１の最高位置に配置され、全てのブロー バイガスを抽出てきるようになされる。作動流体供給ダクト１２の一方向チェッ クバルブ１６は燃焼圧力が前記供給ダクト内に背圧を生じることを防止する。

ばね１７はピストン８と調整可能ロッドＩＯとの間の僅かな相対運動を許容する ようにして、両者を連結する。調整可能ロッド１０の基部はそのロッドがばね１ ７に対して相対回転できるようにするために回転可能な軸受１８を保有する。

ばね１７の強さは、作動流体の供給がそれを移動させることは殆どないが、燃焼 圧力がピストン８に作用したとき、およびチャンバー１１内の作動流体がこれら の圧力と同等値に達する前に、ばね１７が前記圧力から調整可能ロッドを緩衝よ うな強さである。長いオリフィス１３のデザインは、作動流体圧力の急上昇が排 出勤率に何等の変化も生じさせないようなデザインである。従って流量の増大は 低循環圧およびピーク圧力の間のピーク圧力比の平方根となる。これはほぼ３に 近い係数である。

補助ピストン８がばね１７を僅かな移動量だけ移動させる時点まで、チャンバー 日内の作動流体圧力は燃焼圧力に見合うように上昇し、調整可能ロッＦ′Ｎ。

に作用するばね荷重を解放する。作動シリンダ内の圧力は、それ以上の流体がオ リフィス１３を通して流出されない値まで低下する。その後作動流体の供給量が 排出オイルに置き換えられる。少量が槽１４から長いオリフィス１３の上方に戻 される。オリフィス１３に至るテーパー形の出口に加えて、小さな槽１４内の作 動流体の容積は、流体か噴出するのを十分に防止する。

ピストン８がその移動の上方限界を超えて引上げられると、前記ピストン上のラ ン口９はプラグ２０をばね２１に対抗して押圧する。前記プラグか摺動するガイ ドボスト２２は前記プラグを長いオリフィス１３に対する円形人口１５の中に締 り嵌合させることを保証する。前記プラグ２０は長いオリフィスＩ３に対する入 口を遮断し、あらゆる燃焼圧力か作用する作動流体の捕捉緩衝を保証する。

中空で穿孔を存するガイドロッド２３は、ピストン８が補助シリンダ９の軸線の まわりの配向に関して正確に位置決めされることを保証する。補助シリンダ９の 壁部に機械加工して形成されたランド２４は補助ピストン８が補助シリンダ９の 頂部またはその構成部材と直接に接触されることを防止する。

掃気バルブ２５はエンジン負荷が急激に増大する場合のために備えられている。

作動流体が長いオリフィス１３を通して抽出できるよりも早くピストンが引上げ られるべきことを制御装置か検出したとき、またはノックセンサーがプレイグニ ツシヨンを検出したときは、前記バルブ２５は制御装置により作動されて流体の ための自由流出を可能にする。（この作動機構は図示されていないが、何れの適 当なプランジャーがこれを行い得る。）何れかの回転機構により調整可能なねじ 付ロッド１０を作動させるために、上端部は軸線方向に機械加工されたスプライ ン２６を存する。このスプライン２６上をカラー２７か摺動する。前記カラー２ ７はロッド上のスプライン２６と組合う内側スプライン、および図示していない 手段で駆動される外歯歯車を組付けられている。摺動可能なカラー２７は舌部２ ８により位置決めされる。調整可能ロッド１０はスプラインカラー２７か回転す る際に自由に昇降移動する。一対のロックナツト２９か補助ピストン８の最内位 置に関する微細調整を可能にする。スプライン付カラー２７にはスパイラルはね ３０か取付けられている。このばねの機能は、補助ピストン８が最上位置から降 下されるときは常にロッド１ｏに張力を付与することである。

スナップリング３１は補助シリンダ９の下側開口に機械加工されている溝内に配 置されて示されている。このスナップリングの目的は、不具合発生時に補助ピス トンが作動シリンダの中に落下してしまうことを防止ことである。

アトキンソンサイクルの膨張を延長されたエンジンの運転は、吸気行程の途中で 吸気バルブを閉じるカムシャフト形状によって達成できる。第１図を参照された い。（この吸気バルブの掃気閉止はエンジンの掃気効率を低下するが、燃焼室容 積は変化できるならば熱力学的効率は殆ど影響されない。）吸気バルブの開きは 通常のエンジンと殆ど同じ方法で行われる。排気バルブは通常のエンジンと本質 的に同じタイミングで作動される。

エンジンの作動は次の通りである。始動において、補助ピストン８は補助シリン ダ内の最上位置に位置される。エンジンか点火されると、作動流体の圧力は作動 レベルにまで上昇し、補助ピストン８は下方位置へ向けて押圧されて、エンジン 負荷、温度および空気特性に応じて燃焼室容積を減少する。エンジン負荷が増大 すると、調整可能ロッドｌＯは回転されて補助ピストンを所望位置へ支援させる ようにする。長いオリフィスＩ３が作動流体を抽出させるようにエンジン負荷が 早く増大し過ぎると、補助ピストン８が上昇移動を止めるまで掃気バルブ２５か 開かれる。

各々の４ストロークサイクルにおいて、チャンバー１１内の作動流体の圧力は流 体供給源に近い値から燃焼室内のピーク燃焼圧力より多少低い圧力にまで変化す る。燃焼圧力が突然上昇すると、補助ピストン８はばね１７に対抗して上方へ押 圧され、また長いオリフィス１３を通る作動流体流量が増大するように強制する 。オリフィス１３を通る流量が増大する間、チャンバー１１内の圧力は補助ピス トン８て付与される力の殆どをばね１７て緩衝する。（圧縮に対する膨張の比率 に応じて）クランクシャフトの４５°内の回転で、全負荷時の燃焼圧力はチャン バー１１のレベル値に近いレベルまで降下し、その後両者は降下し、オリフィス １３を通る作動流体のＩＪＦ出は減少される。圧力が更に低下すると、ばね１７ は補助ビス！・ン８を本来位置へ戻し、作動流体を作動流体供給ダクト１２から 、および＄９１４からも一部をチャンバー＋１へ戻すように引出す。圧縮行程の 間、調整可能ロッド１０の同様な保護が必要となり得る。

第」図は、ピストン下死点に到達するより前にカムが吸気バルブを閉じる形状と された４ストロークエンジンのカムシャフト形状を示す。カムシャフト（または 複数のカムシャフト）が通常のように配置されているが、図示したように形状を 改修されている。

第５図は可変容積の燃焼室を！ｆｉ付けた４ストロークエンジンの横断面図を示 している。作動ピストン３２はシリンダ３３の中に示され、吸気バルブ３４およ び排気バルブ３５が示されている。

第６図は、可変容積の燃焼室およびアトキンソンサイクルの両方を組入れた通常 エンジンの占めるバルブ面積部分が如何に補助ピストンおよびシリンダとともに 収容されるかを示している。この図面で、左側の燃焼室の親図は最近の４バルブ エンジンのヘッドをＣ’１ＭＢ的に）示しており、シリンダは８６ｍｍのボアー （想像の４サイクル、２リツトルエンジン）を有し、８６ｍｍストロークのスフ ウェアー形式の設計である。燃焼室は２つの３５ｍｍ吸気バルブ、および２つの ３０ｍｒｎｆＪＦ気バルブを組付けられている。点火装置は中央に配置されてい る。右側の燃焼室は１１０ｍｍボアーｘ１０５ｍｍストロークのエンジン（４リ ットル４シリンダエンジン）の１ものである。これは左側の燃焼室におけるのと 同じ寸法のバルブを備え、また５５ｍｍ径の補助ピストンを備えている。（補助 ピストンのストロークは約１５ｍｍで、通常の９＝１の容積圧縮比用となされて いる。）標準の圧縮に対する膨張比（１：　ｌ）のために、かなりオーバースフ ウェアーな設計がこれを達成できるが、利用空間内におけるバルブおよび補助シ リンダの配置か困難である。

４サモ ４ストロークのロータリーおよび軌道エンジンにも等しく適用できる。

２ストロークエンジンに対する可変容積燃焼室の応用は上述したことと同様な方 法て達成できる。アトキンソンサイクルの実施は、２ストロークエンジンがガス の交換を急いで行うという特徴のために、別の方法で達成できる。第７図は本発 明かクランクケース圧縮の回転バルブ吸入エンジンに如何にして応用できるかを ａ３ｆｌ’Ｊに示している。作動ピストン３６はシリンダ３７内を摺動する。ピ ストン３６の上昇中に可燃混合気がその上側で圧縮される。ピストンの下側では 、空気かクランクハウジング３８および回転バルブ３９に形成されたボートを通 してクランクチャンバー４０の中に吸入される。所望の掃気比率は圧縮に対する 適当な膨張の比率、および吸気ボート３８．３９の面積および継続時間により定 まる。

吸気ボートはピストンが上死点（ＴＤＣ）に達する前に塞がれ、吸入された空気 のほぼ断熱的な膨張か行われる。（４ストロークの吸入ストロークに関する限り は、このポンプ推進仕事はピストン３６の降下として回収される。）一方、ピス トン３６の上方では、上死点では燃焼か行われており、ピストン３６はパワース トロークとして降下を開始し、この間同時にクランクチャンバー４０内に吸入さ れたガスを圧縮する。（補助ピストン８の位置は燃焼室チャンバーの容積を変化 させるために、負荷設定およびエンジンパラメータにより決定されている。）ピ ストン３６が下死点（ＢＤＣ）に接近すると、先ず最初に掃気ボート４２が塞ぎ 状態から解放され、燃焼したガスを排気系統の圧力にまで膨張できるように　′ し、そのまさに直ぐ後に移送ボート４１か塞ぎ状態を解放されて、ピストン３６ の下方の圧縮空気か残存する燃焼ガスの殆どを排出するようになされる。ピスト ン３６は再び上昇を開始し、移送ボートおよび排気ボートの両方を塞ぐ。この段 階で、補助のロータリー空気抽出バルブ４３がシリンダ壁にて開口する。これは クランクケースに至る吸気マニホルドに連結されている。このバルブ４３の目的 は、４ストロークの実施例における吸気バルブの早期の閉じが例えばシリンダ内 に流入するガス量を制限することと殆ど同じ方法で、シリンダ３７の内部に導入 された空気の一部を取り出せるようにすることである。このバルブ４３の位置は 、圧縮に対する所望の膨張比率によって決る。（補助バルブ４３は、出口通路の 位置か偏倚しているために、パワーストロークでは開かない。これはピストン３ ６か標準長さを超えて膨張して、延長した膨張を達成することを可能にする。） ビストン３６か補助抽気ボートをシールするや否や燃料力埴接に噴射され、圧縮 および燃焼行程か行われる。このサイクルはその後繰返される。

２ストロークエンジンの別の形状が多数ある。本発明が請求する前述した利点を 達成するために必要な特徴は、詳述した可変容積の燃焼室、および吸入空気の一 部を圧縮ストロークの前に吸気マニホルドへ戻すように抽出する手段である。

この抽出は吸気マニホルドと通じたエンジンヘッドのバルブとされ得る。

圧力 圧か

Claims (38)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関における燃焼室容積を可変にするための組立体であって、燃焼室と 通じたチャンバーを有するハウジング、燃焼室の容積を調整するためにハウジン グチャンバー内に摺動可能且つ調整可能に延在するピストン、および燃焼室の圧 力からピストンを緩衝するクッション手段を含んで構成された組立体。
2. ２．請求項１の組立体であって、クッション手段が作動流体を含む組立体。
3. ３．請求項２の組立体であって、クッション手段がピストンの燃焼室とは反対側 に該ピストンおよびハウジングで実質的に囲まれた作動流体チャンバーを含む組 立体。
4. ４．請求項３の組立体であって、作動流体チャンバーからその外側へ向けて延在 し、それらの間を作動流体の制御された流れが流動できるようにした作動流体チ ャンネルをクッション手段が更に含む組立体。
5. ５．請求項４の組立体であって、作動流体チャンネルがそれを通して作動流体が 乱流流れを生じるような寸法である組立体。
6. ６．請求項４の組立体であって、燃焼室内での燃焼で生じたピストン圧力の増大 によって作動流体チャンバーの内側からその外側へ作動流体チャンバーを通して 作動流体が流れる組立体。
7. ７．請求項６の組立体であって、燃焼および燃焼ガスの膨張時に作動流体チャン バー内の作動流体の圧力が該チャンバーの外側の作動流体圧力よりも高くなるよ うに作動流体チャンネルが寸法決めされた組立体。
8. ８．請求項７の組立体であって、作動流体チャンバーの内側からその外側へ至る 作動流体ポートをクッション手段が更に含み、前記作動流体ポートは開閉作動可 能な作動バルブを有し、作動流体チャンネルを通る流量よりかなり多量の流量を 可能にする該チャンネルより実質的に大きい寸法の組立体。
9. ９．請求項８の組立体であって、作動流体チャンバーの外側からその内側へ至る 作動流体入口をクッション手段が更に含み、前記作動流体入口は作動流体チャン ネルを通る流量より実質的に多量の流量を可能にする該チャンネルより実質的に 大きい寸法の組立体。
10. １０．請求項９の組立体であつて、作動流体入口が該入口を通して作動流体チャ ンバーへ作動流体が一方向にのみ流れることができるようにする一方向バルブを 内部に配置されて有する組立体。
11. １１．請求項４の組立体であって、燃焼室の容積を調整するためにハウジングチ ャンバーを通してピストンを調整可能に摺動できるようにする手段を更に含む組 立体。
12. １２．請求項１１の組立体であって、前記調整手段がハウジングを通して延在し てその長手方向軸線がピストンの摺動軸線と平行なスクリュー、スクリュー駆動 手段およびスクリューをピストンに連結する手段を含む組立体。
13. １３．請求項１２の組立体であって、スクリュー駆動手段がスクリュー上に歯車 を含む組立体。
14. １４．請求項１２の組立体であって、連結手段がピストン上に作用する燃焼圧力 の一部を吸収するためにスクリューおよびピストン間にばねを含む組立体。
15. １５．請求項４の組立体であって、ハウジング内でのピストンの摺動を制限する ための制限手段を更に含む組立体。
16. １６．請求項１５の組立体であって、ピストンが予め定めた切りを作動流体チャ ンバー内へ摺動したとき、作動流体チャンネルに組合ってそれを塞ぐようにピス トンの作動流体チャンバー側に蓋を制限手段が含む組立体。
17. １７．請求項１６の組立体であつて、作動流体チャンネルがピストンと反対側の ハウジング壁部に形成され、蓋は該チャンネルの外側にあってピストンへ向けて ばねで押圧されるようになされた作動流体チャンネルと組合うプラグを含む組立 体。
18. １８．請求項１５の組立体であって、前記制限手段はハウジングにランドを含み 、作動流体チャンバーのピストン側のハウジングはピストン移動軸線から半径方 向に第１距離および第２距離だけ延在し、第１距離は第２距離より大きく、第１ 距離および第２距離はそれらの間にランドを有して、このランドを超えてピスト ンと対向する作動流体チャンバー壁へ向う移動からピストンを停止させるように なされた組立体。
19. １９．請求項１５の組立体であつて、制限手段が作動流体チャンバーから離れて 燃焼室の中へ向かうピストンの摺動を制限する手段を含む組立体。
20. ２０．請求項１９の組立体であって、作動流体チャンバーから離れて燃焼室の中 へ向かうピストンの摺動を制限する前記手段が、ハウジングからピストンの移動 路内に突出するピストンの燃焼室側のハウジング上のストップを含む組立体。
21. ２１．請求項２０の組立体であって、前記ストップがリングである組立体。
22. ２２．請求項４の組立体であって、移動軸線に対するピストンの傾きを制限する 手段を更に含む組立体。
23. ２３．請求項２２の組立体であって、ピストンの傾きを制限する手段が穿孔のあ る中空ロッドを含み、該ロッドの一端がピストンの作動流体チャンバー側に取付 けられ、他端がピストンの反対側のハウジング壁に摺動可能に取付けられた組立 体。
24. ２４．シリンダ、該シリンダ内に往復移動するように取付けられた作動ピストン 、シリンダに流入および流出するガスの流れを制御する１組のバルブ、ピストン の往復動作とタイミングを有してバルブを作動させる手段であって、これにより シリンダ内の燃焼室容積内の圧縮ガスが点火されて膨張し、ピストンをパワース トロークにて駆動すると共にその後シリンダ外部へ排出され、またピストンが吸 気行程を完結する前に吸気バルブが閉じられるようにする前記手段、および部材 をシリンダの中に挿入することで燃焼室容積を変化させる手段を含む４ストロー ク内燃機関。
25. ２５．請求項２４のエンジンであって、容積を変化させる手段が燃焼室容積と通 じたシリンダ内に摺動可能に取付けられた容積変化ピストンであるエンジン。
26. ２６．シリンダ、シリンダに流入および流出するガスの流れを制御する１組のバ ルブ、ピストンの往復動作とタイミングを有してバルブを作動させる手段であっ て、これによりシリンダ内の燃焼室容積内の圧縮ガスが点火されて膨張し、ピス トンをパワーストロークにて駆動すると共にその後シリンダ外部へ排出され、ま た或る量の吸気ガスが燃焼前に排出されるようにする前記手段、および部材をシ リンダの中に挿入することで燃焼室容積を変化させる手段を含む４ストローク内 燃機関。
27. ２７．請求項２６のエンジンであって、バルブが燃焼前にシリンダから或る量の ガスを逃すようにする抽気バルブを含むエンジン。
28. ２８．請求項２７のエンジンであって、抽気バルブがシリンダから燃焼室または 吸気マニホルドにガスを抽気するエンジン。
29. ２９．シリンダ、該シリンダ内に往復移動するように取付けられた作動ピストン 、シリンダに流入および流出するガスの流れを制御する１組のバルブ、およびシ リンダの往復動作とタイミングを有してバルブを作動する手段を有し、これによ りピストンでガスが燃焼室容積へ向けて圧縮され、また点火且つ膨張されてピス トンをパワーストロークにて駆動すると共にその後シリンダ外部へ排出されるよ うになされる４ストローク内燃機関を運転する方法であって、ピストンが吸気行 程の低点に達する前に吸気バルブを閉じ、またエンジンのスロットル位置に基づ いて燃焼室容積を調整して該燃焼室容積が低スロットル状態に関しては減少され るようになされる方法。
30. ３０．請求項２９の方法であって、燃焼室容積を調整する前記段階が、部材を燃 焼室の中に調整可能に挿入することを含む方法。
31. ３１．請求項３０の方法であって、前記部材はシリンダに取付けられたハウジン グ内に摺動可能に取付けられた容積調整ピストンであり、該容積調整ピストンお よびハウジングは作動流体チャンバーを囲んでシリンダ内のガスの燃焼で容積調 整ピストンに作用する圧力を緩衝するようになされた方法。
32. ３２．請求項３１の方法であって、シリンダ内のガスの燃焼により容積調整ピス トンに圧力が作用して作動流体チャンバーから作動流体が制御下で排出できるよ うにすること、およびこの燃焼圧力の伝達により前記排出された作動流体を制御 下で置き換えることを更に含む方法。
33. ３３．請求項３２の方法であって、作動流体の排出および置き換えの前記制御が 作動流体チャンバーからその外側に至る抽出チャンネルの使用を含み、作動流体 をそれに通して流すようにする方法。
34. ３４．請求項３３の方法であって、前記容積調整ピストンの調整がスクリューを 回転させて行われ、スクリューの一端はピストンに取付けられ他端はハウジング を貫通して螺合されている方法。
35. ３５．請求項３４の方法であって、スクリューおよびピストン間のばねで容積調 整ピストンに作用する燃焼圧力の一部を更に吸収する方法。
36. ３６．請求項３３の方法であって、作動流体抽出チャンネルを通るよりも実質的 に速い作動流体の流れを可能にするために、作動流体チャンネルよりも実質的に 大きい寸法を有する作動流体ポートを開くことによって、作動流体チャンバーの 中に容積調整ピストンを急激に引出せるように作動流体チャンバーを急激に排出 することを更に含む方法。
37. ３７．シリンダ、該シリンダ内に往復移動するように取付けられた作動ピストン 、シリンダに流入および流出するガスの流れを制御する１組のバルブ、およびシ リンダの往復動作とタイミングを有してバルブを作動する手段を有し、これによ りピストンでガスが燃焼室容積へ向けて圧縮され、また点火且つ膨張されてピス トンをパワーストロークにて駆動すると共にその後シリンダ外部へ排出されるよ うになされる２ストローク内燃機関を運転する方法であって、燃焼の前に吸入ガ スの一部を排出し、エンジンスロットル位置に基づいて燃焼し容積を調整し、こ れにより燃焼室容積が低スロットルに関して減少されるようになされる方法。
38. ３８．請求項３７の方法であって、吸入ガスの排出がシリンダから吸気マニホル ドまたは圧縮チャンバーへ抽出バルブを通して行われる方法。