JPH08501133A - 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

Abstract

(57)【要約】 内燃機関のためのピストンが、燃焼サイクル中に次ぎに続く燃焼サイクル中に使用するための活性化物燃料種を生成するための反応室を具備する。反応室はピストンのクラウンの凹みに隣接して配置され、燃料の注入されるエンジンのために反応室への燃料及び空気の供給を別々に制御することと、燃料吸入エンジン内の反応室の機能を高めることとが意図された個別のオリフィスによってエンジンの主燃焼室と連絡している。個別の燃料及び空気の制御オリフィスは、高速の渦動で、直接に注入される燃焼室で使用するのに特に有益である。

Description

【発明の詳細な説明】 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 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 内燃機関に於ける燃料チャージ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（ radical 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チャージの大部分 を受容するための中央の凹みと、凹部に隣接し、各チャージ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 されたチャージの部分は低温炎反応して、燃焼室に入れられる次のチャージに種 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、各チャージの燃料及 び空気が反応室内に入れられるやり方と、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チョークをかけられた流れ状 態で燃料及び空気を反応室の中へ入れることと、同じくチョークをかけられた流 れ状態で、その室のガスを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つ以上の個別のオリフィスが、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チャージ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 化物で燃料チャージ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、各チャージの主に燃 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つの個別のオリフィ ス、及び第１の個別の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つの分離した個別のオリフ 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つの個別のオリフィスと、主に空気を反応室へ入れる 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、物理的に分離した 個別の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 ンの過剰な加熱は防止され、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、個別の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ほぼ近い温度になる。 活性化種生成のチャージの燃料及び空気の成分を反応室へ入れることを制御す る別々の個別のオリフィスの使用も、主燃焼室内のチャージ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チャージが、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、燃料及び空気の個別の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個別の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、従来の吸気バルブ22及び 排気バルブ24は吸気口26と排気口28との間を連絡させ、全体的に参照番号30で示 される燃焼室は閉鎖される。通常バルブ22、24は、内燃機関技術に於て、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部分の間に圧縮さ 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チャージの圧縮 、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、制御モジュー ル40によるエンジンスピード制御装置（即ち、アクセル・ペダル38）の制御を受 けて、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 縮部分中にピストン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／空気のチャージ の適切な供給が、燃焼サイクルの圧縮部分のほぼ最後で、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部分 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、チャージが上昇した圧力及び温度 を受ける結果、チャージの燃焼が単独で始められ、それによってチャージの同期 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、各チ ャージ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 に個別のオリフィス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、次に入ってくるチャージ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チャージに与える。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続けると、ピストン14は燃焼室30の容積Ｖ_Aの殆ど に相当することを意図されらクラウンの領域内の凹み42を具備する。［容積Ｖ_A 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（Ｖ_C）からオリ フィスの領域を含む反応室44内の容積Ｖ_B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Ｖ_A中の各チャージ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。反応室44がブロック53内に作られ、ブロック 53はピストンの下方部分14に組付けられるブロック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を通って反応室44内へ、及び選択的に個別のオリフィス48を通 って直接入れられた。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、その代りに唯個別の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。“個別のオリフィス”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、個別のオリフィス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 個別のオリフィス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 ）と交差する別々の個別のオリフィス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44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交差する。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 成る側壁に接して交差するように示される。しかし、反応室44の側壁に接しない 方向で交差して、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内へ入れられるチャージの渦の動きの方 向を示す。チャージの渦が燃焼室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個別のオリフィス58は、燃焼室内及び凹み42内のチャージの 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、個別のオリフィス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・バ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、追加的な個別の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 の追加の個別のオリフィス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の領域 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、いつもチョークをかけ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の側壁の何れかとの交差点で、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、チャージの燃料部分が空気と共に吸引され、チャージがスパーク点火 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ンク・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144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内のチャージ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 側壁を通って個別のオリ フィス158と連絡し、個別のオリフィス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。 チャージ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1 26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13 1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チャージを準備する。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、各チャージは、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1 22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、チャージの燃 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 内のチャージの軸方向の 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、比較的に薄いチャー ジが凹み142内の燃焼室130の底部により近付いて供給され、一方でチャージの比 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チャ ージの場合、オリフィス158及び160の両方は各チャージ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158、160の位置は、所望であれば、 各チャージの燃料部分が、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、チョークをかけ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、個別のオリフィス58、158及び60、16 0の容積を含むことが意図された容積Ｖ_Bを有するということに留意されたい。Ｖ_A （全燃焼室の内容容積）とＶ_B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、Ｖ_AとＶ_B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チャージの燃料部分が吸込まれ、 そして圧縮中に、特にチャージ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60、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チャージの 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チョークをかけられた流れのオリフィス58、15 8、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チョークをかけられた流 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部分中に、約０．５ ３の臨界圧力比で、チョークをかけ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チョークをかけられた状態より下 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44、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 縮行程の部分中のチョークをかけらした流れ状態は、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。このチョークをかけ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： ここで： Ｒ_OUT.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； Ｒ_GEN.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； Ｒ_INは、種付けされたチャージ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； Ｒ_RET.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； Ｒ_CRIT.は、各燃焼サイクル中に燃焼室内でチャージをむらなく種付けして、 与えられたエンジンのためのチャージ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（-population ）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、入来するチャージを種 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、燃料のチャージの点火の開始が、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、チャージ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チャージの種付 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44、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（Ｒ_CRIT.）が、燃焼室内のチャージの適切な条件付け（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 チャージと共に、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、個別のオリフィス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内の圧力が個別のオリフィス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 サイクルの膨脹部分の中に始まるチョークをかけ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、チョークをかけた流れの状態の 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部分と排気部分を過ぎて続き、次の続くチャージを含 む燃焼サイクルの吸気部分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チャージ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。圧縮を受けているチャージが、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、チャージの燃料部分を受容 しない可能性がある時、吸気行程中の最初の方でチャージ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、入来するチャージを種付けして、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 点のために燃料のチャージに条件を付けをすることでは重要でない。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 もチャージ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、158、及び60、160を横切って流れがチョーク をかけられて、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 Ｖ_C＝個々の反応室の容積 Ａ_p＝個々の反応室と連絡している全ての個別なオリフィスの面積の総計 Ｖ_TDC＝上死点の燃焼室の総容積 Ｖ_CT＝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個別の 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、 全ての個別の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、個別の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 Qualily Index）（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4,592,31 8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 consumption ）（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（ＵＨ Ｃ）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、チャー ジ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時計 （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244を 作るのに利用され得る。この実施例に於て、単一の個別のオリフィス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、個別のオリフィス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 いる個別のオリフィス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 個別の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。個別のオリフィス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3 00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の燃料制御個別のオリフィス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35 8′に向かって吹き流すのに役立つ。既に説明された本発明の別の実施例のよう 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36 0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、如何なる数の個別の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34 4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40 6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408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506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514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チャージ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と交差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8 04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 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ (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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼サイクルが、燃料と空気のチャージが周期的に供給され、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、そのサイクルは、吸気、圧縮、燃焼、膨脹、及び排気の部分を有し 、燃焼室が最小容積である時、ピストンのクラウンがチャージの大部分を収容す る凹みを具備する往復運動するピストンの内燃機関のためのピストンに於て、： 前記ピストンが、凹みの周囲の近くのピストンのクラウン領域内に配置され、 曲線から成る断面の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 との間を単独で連絡させる個別の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部分中にチャージの一部が少なくとも圧縮行 程の一部分中にチョークをかけられるチャージの何等かのガス状の部分の流れと 共に前記オリフィスを通って反応室内へ入れられるような形にされ且つ寸法が決 められ；反応室に入れられる前記流体が、反応室の側壁にぴったりと接触する渦 巻き形に渦動されて、入れられるチャージへの熱伝達及びそれの部分的な酸化反 応を行って、燃料の活性化種を作り；燃焼室から反応室へ向っているどんな前面 火炎も消炎され；各燃焼サイクル中に反応室からオリフィスを通って燃焼室内へ 向う活性化物を含む圧縮可能なガスの流出の流れが、各燃焼サイクルの少なくと も膨脹並びに排気の部分の一部分中にチョークがかけられ；その結果、燃料の活 性化物が生成され、且つ燃焼サイクルの燃焼、膨脹、及び排 気の部分中に反応室内に一時的に留保され、少なくとも次ぎに続く燃焼サイクル の圧縮部分に先立つ前記排気部分の終了に続いて、燃焼室内の次ぎに続くチャー ジに予め選択された点火及び燃焼の特性のための適当な状態にするのに十分な量 を、また各燃焼サイクル中に主に反応室へ燃料を入れることと制御するように配 置される前記列内の少なくとも１つの個別のオリフィス（“燃料制御オリフィス ”）と、各燃焼サイクル中に主に反応室へ空気を入れることを制御するように配 列される前記列内の少なくとも１つの別の個別のオリフィス（“空気制御オリフ ィス”）により、ピストンの凹みの中に排気され、前記夫々の燃料及び空気の制 御オリフィスが別々の場所で反応室と交差しており、各チャージの燃料の一部を 方向付けるための手段が燃料制御オリフィスの方を向いており、前記空気制御オ リフィスが各燃焼サイクルの各チャージの吸気及び圧縮の部分中に主に空気を受 容するように配置される、改良器具。 ２．燃料制御オリフィスへ向って各チャージの燃料の一部を方向付けるための前 記手段が、ピストンの凹み内へ液体燃料を直接に注入するように配置され、且つ 燃料の一部を前記燃料制御オリフィスの方向に噴射ノズルから噴出して、方向付 けるように配置される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．前記燃料制御オリフィスと前記反応室とを連絡させ、前記燃料制御オリフィ スに結合されるチャンネルを具備し、そのチャンネルの方向は前記燃料噴射器か ら前記１つの燃料制 御オリフィスへ向って燃料の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．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囲に沿っ て離間して配置され、各燃焼サイクル中にピストンの凹みの中のほぼ円形の通路 内で各入来するチャージを渦動させるための手段を具備しており、また燃料制御 オリフィスが空気制御オリフィスに対する渦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．前記凹みが、ほぼ軸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．式： ここで： Ｒ_OUT は、反応室からピストンの凹みの中へ排出される活性化種の量であり； Ｒ_GEN.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； Ｒ_INは、種付けされたチャージ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； Ｒ_RET.は、各燃焼サイクルで反応室内に保留される活性化物の量であり； Ｒ_CRIT.は、各燃焼サイクル中に燃焼室内でチャージをむ らなく種付けして、チャージの望ましい予め選択された点火及び燃焼の特性を獲 得するのに要求される反応室内の活性化種の最少量である、に基いて、各燃焼サ イクル中に、反応室内で活性化種の生成を行うための手段を具備する、請求項１ 乃至３の何れか１項記載の改良器具。 ７．総反応室容積（Ｖ_B）と燃焼室容積（Ｖ_A）との間の関係が、式： ここで、Ｖ_A は、ピストンがＴＤＣにある時の総燃焼室の内容容積からＶ_B 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。 ８．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。 ９．前記触媒物質が反応室の壁表面上に塗布される、請求項８記載の改良器具。 １０．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、燃料制御オリフィスへ向って各チャージの燃料の一部を方向付 けるための前記手段が、少なくとも或る予め決められたエンジンの運転状態の中 に、各チャージ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方向付 ける、請求項１或いは２の何れか１項記載の改良器具。 １１．各燃焼サイクル中に主に空気を受容するように配置される、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。 １２．各燃焼サイクル中に主に空気を受容するように配置される、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10記載の改良器具。 １３．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と交差する、請求項１記載の改良器具。 １４．燃焼サイクルが、燃料と空気のチャージが周期的に供給され閉鎖端部を持 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、そのサイクルは、吸気、圧縮、燃焼、膨脹、及び排気の部分を有し 、燃焼室が最小容積である時、ピストンのクラウンがチャージの大部分を収容す る凹みを具備する往復運動するピストンの内燃機関のためのピストンに於て、； 前記ピストンが、凹みの周囲の近くのピストンのクラウン領域内に配置され、 曲線から成る断面の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 との間を唯一連絡させる個別の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部分中にチャージの一部が、少なくとも圧縮行 程の一部分中にチョークをかけられるチャージの何等かのガス状の部分の流れと 共に前記オリフィスを通って反応室内へ入れられるような形にされ且つ寸法が決 められ；反応室に入れられる前記流体が、反応室の側壁にぴっ たりと接触する放射状の渦巻き形に渦動されて、入れられるチャージへの熱伝達 及びそれの部分的な酸化反応を行って、燃料の活性化種を作り；燃焼室から反応 室へ向っているどんな前面火炎も消炎され；各燃焼サイクル中に反応室からオリ フィスを通って燃焼室内へ向う活性化物を含む圧縮可能なガスの流出の流れが、 各燃焼サイクルの少なくとも膨脹並びに排気の部分の一部分中にチョークがかけ られ；その結果、燃料の活性化物が生成され、且つ燃焼サイクルの燃焼、膨脹、 及び排気の部分中に反応室内に一時的に留保され、少なくとも次ぎに続く燃焼サ イクルの圧縮部分に先立つ前記排気部分の終了に続いて、燃焼室内の次ぎに続く チャージに予め選択された点火及び燃焼の特性のための適当な状態にするのに十 分な量をピストンの凹みの中に排気される、改良器具。 １５．前記凹みが、単数或いは複数のほぼ軸方向に延在する側壁によって範囲を 設定され、前記列が、前記側壁の一部と連絡している少なくとも１つの個別のオ リフィスを具備する、請求項14記載の改良器具。 １６．前記列が、前記凹みの外側のピストンのクラウンと連絡している、少なく とも１つの第２の個別のオリフィスを具備する、請求項15記載の改良器具。 １７．チャージ準備手段と、前記チャージ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、チャージを燃焼室へ周期的に入れるためのチャージ吸気制御 バルブ手段と、チャージ準備手段から燃焼室へ周期的に入れられるチャージに点 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 14或いは15の何れか１項記載の改良器具。 １８．燃焼室内でチャージを軸方向に層状にするための手段を具備する、請求項 17記載の改良器具。 １９．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。 ２０．前記反応室がほぼ球形である、請求項１記載の改良装置。 ２１．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と交差する、請求項20記載の改良装置。 ２２．前記反応室が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、周囲に沿って離間した場所で反応室と交差する、請求項１記載の 改良装置。 ２３．ピストンのクラウン領域の周りで周囲に沿って離間し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何れかの 側部に配置される、請求項１記載の改良装置。 ２４．前記反応室が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、反応室の向い合う端部に向って配置される、請求項４記載の改良装置 。 ２５．周囲に沿って離間して配置された、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24記載の改良装置。 ２６．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に 関して長手方向にも離間して配置されている、請求項25記載の改良装置。 ２７．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に関して 長手方向に離間して配置されている、請求項24記載の改良装置。 ２８．最小の容積の状態で燃焼室の容積の大部分を形成する、クラウン領域に凹 み領域を有するピストンと、反応室内に燃料を供給するように配置されて、吸気 、圧縮、燃焼、膨脹、及び排気の部分を含む燃焼サイクルを実行する燃料供給シ ステムとを具備する、空気呼吸型で往復動ピストン型内燃機関の燃焼室内のチャ ージの活性化の種付けをする方法であり： 凹みの周囲に隣接するピストンのクラウン領域内に曲線から成る断面の室の側 壁を有し、前記凹み領域の外側周囲を少なくとも部分で取り巻くように延在する 反応室を配置することと； 反応室と、前記曲線から成る室の側壁と凹み領域とに接線方向に交差する少な くとも１つのオリフィスにより単独で連絡させる個別のオリフィスの列を配置し て、その結果流体の流れが、ピストンの各圧縮ストローク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、放射状の渦動流が反応室内に 導入されるようにすることと； 各燃焼サイクル中に各チャージの燃料を個別のオリフィスの列の少なくとも１ つの個別のオリフィス（“燃料制御オリ フィス”）へ方向付けし、主に燃料の前記燃料制御オリフィスを通って反応室へ 入いることを制御し、燃料制御オリフィスから空間的に離間した個別のオリフィ 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入るのを制御することと； オリフィスの寸法、形状、及び配置を選択して、その結果燃焼室からの燃焼炎 が、それらが反応室内へ延在し得る前に、オリフィスによって消炎され、且つそ の結果反応室との間、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、及び圧縮の部分の一部中に、オリフィスを 横切って存在する色々な圧力状態に因ってチョークをかけられて、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、且つ燃焼サイクル中に反応室 内で生成される活性化物が、燃焼サイクルの燃焼、膨脹、及び排気の部分中に反 応室内に部分的に留保され、且つ次ぎに続く燃焼サイクルの圧縮部分のほぼ始め に凹み領域内に部分的に排出されることと； 混合物が室の側壁と密接に接触して渦巻き形に渦動される一方で、各サイクル 毎に少なくとも燃料のチャージの一部分を反応室内へ方向付け、反応室内でチャ ージを部分的に反応させて、活性化燃料種を生成し、且つ反応室内で生成される 活性化物の一部を先行するステップで引用されたチョークをかけられた流出状態 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； 式： ここで： Ｒ_OUT は、反応室からピストンの凹み領域の中へ排出された活性化種の量であ り； Ｒ_GEN.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； Ｒ_INは、チャージ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 種の量であり； Ｒ_RET. は、反応室内に留保される活性化種の量であり； Ｒ_CRIT. は、各燃焼サイクルで、チャージ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、反応室内の活性化種の生成を行い、且つ反応室内での活性化種の生成 を制御すること； から成る方法。 ２９．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部分を開始することとを含み、また予 め選択された点火の特性が、各燃焼サイクル中にむらのない予期できる点火のタ イミングを具備する、請求項28記載の方法。 ３０．前記燃料制御オリフィスへ向って噴射された液体燃料の一部を方向付ける 一方で、噴射された燃料の衝突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29記載の方法。