JPH09511809A - 低圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ピストンの上死点におけるドエルを長くして完全燃焼を促進し、より大きな出力を発生する低圧縮比の内燃機関。高温高圧の燃焼物は、予備燃焼室（１０）から内燃機関のシリンダ（１２）へ流入する。

Description

【発明の詳細な説明】 低圧縮比内燃機関 技術分野 本発明は、回転機械に関わり、特に、回転出力を発生させる直線ピストン運 動を生じさせ得る内燃機関に関するものである。 背景技術 本発明は、国際特許出願PCT/AU89/00275、PCT/AU91/00244、PCT/AU94/00529 、及びPCT/AU94/00569に関わる開発であって、本出願の出願人によってなされた 開発に関係する。上記の国際特許出願の内容は、スプリットサイクル配置と称さ れるものであり、ここで参考までにその内容を説明する。直線状のピストン運動 を回転出力運動に変換する手段としてのローブシャフトを使用することによって 、単にローブ（突出部）の形状を変えることにより広範囲の可変ピストン運動を 行うことができる。シャフトのローブの輪郭を適切に設計することにより、特に 優れた効果を奏し、すなわち、ピストン運動の制約によるだけでなく、上死点と 下死点との間の任意の位置で、ドエル時間を変えることができるようにピストン を制御できる。 特に、上死点でのピストンのドエル時間を長くして供給燃料の燃焼を促進す る一方、ピストンを上死点に留めることによってピストンへのエネルギ伝達を最 大にして、機関の出力及びトルクへの燃焼エネルギの最大限の変換を可能とする ときに、顕著な効果を奏する。 既に開示されたこの種の回転機械は、直径が５０ｍｍでストロークが６ｍｍ のピストンを使用するように設計されている。典型的には、内燃機関又は機械の ヘッドとシリンダとの範囲であるピストンの上死点上の容積、つまり燃焼室の大 きさは、口径が５０ｍｍで高さが２ｍｍである。 直径５０ｍｍのピストンを６ｍｍのストロークで使用する場合、ピストン運 動の各サイクルにおける行程容積は約１１．８ｃｃである。一方、ピストンが上 死点にある位置でのシリンダのヘッド容積は、約４０００立法ミリメートルであ る。ピストンが上死点に向けて移動し、シリンダーの側面の排気ポートスリット を閉鎖した後のシリンダー内の行程容積、つまりシリンダの有効容積は、例えば １０．３ｃｃである。 発明の開示 内燃機関の従来技術では、内燃機関の性能を向上するために、高圧縮比とオ ーバースクェアエンジンの設計と組み合わせてきた。一方、この発明の開発では 、上死点の位置でのドエル時間を適切に設計し、かつ圧縮比を減少することによ り、内燃機関の出力を向上することができることを発見した。ドエル時間は、ス プリットサイクル内燃機関のローブシャフトのローブの形状を変えることにより 、簡単に変更することができる。 一実施例において、圧縮比を４対１から１．７５対１に変えたところ、内燃 機関の性能を顕著に向上することができた。 直径５０ｍｍのピストンで燃焼室の高さを２ｍｍとした６ｍｍのストローク の実施例において、上死点での燃焼室の高さを８ｍｍに変更した場合、上死点の ドエルを従来のクランク型内燃機関の７２°のクランク角と等価にすることで圧 縮比は４対１から１．７５対１に変化した。この実施例において、内燃機関の性 能を顕著に向上することができた。 上述した実施例の分析により、低圧縮比内燃機関の燃料及び空気の充填容積 は、４対１の圧縮比の内燃機関における４０００立方ミリメートルの充填容積に 比べて、１．７５対１の圧縮比を有する内燃機関における約１６０００立方ミリ メートルの上死点での充填容積になることが分かる。一方、上死点におけるシリ ンダ圧力は、４対１の圧縮比の内燃機関における１平方インチ当たり８０ポンド から１．７５対１の圧縮比の内燃機関における１平方インチ当たり５０ポンドま で減少することが分かる。そして、１．７５：１の圧縮比の内燃機関と４：１の 圧縮比の内燃機関との充填容積の割合は７：４であり、この７：４の割合は、ピ ストンが下死点に位置する場合のシリンダとヘッドとで組み合わされた容積の割 合である。 これらの説明における相違の機能的動作の分析から、低圧縮比の内燃機関の 一点火当たりに、高圧縮比に匹敵するほどのかなり多くの燃料が供給されている ことが分かる。そして、付加的な燃料はピストンを介して効率良く作動力に変換 され、内燃機関の出力シャフトにおいて高圧縮比の内燃機関にくらべてより大き なトルクをもたらしていることが分かる。 本発明は、供給燃料の燃焼中のピストンにおけるドエル時間の制御を組み合 わせることにより、通常のクランク型ピストン内燃機関にくらべて実質的に圧縮 比を低減することが、前述した内燃機関の予期しないトルクの増加をもたらすこ とを確証した。 本発明の企図する圧縮比の範囲は、前述した我々の国際特許出願の一又はそ れ以上の出願に開示されている発明に対応した構成の内燃機関における１：１か ら４：１の範囲である。 本発明の第１の形態における低圧縮比内燃機関は、内燃機関の出力を向上さ せることができが、低圧縮によるスキッシュ効果の不足及び乱れの不足は各供給 燃料の完全燃焼に必要な上死点における各ピストンのドエルを長くすることを要 する。 燃焼をより効率的に制御し且つ各供給燃料の実質的な完全燃焼を達成するた めに、ピストンを駆動させるために点火するすべての、又は一部の燃料／空気の 混合ガスをそれぞれ供給する各シリンダに隣接した高燃焼室を設けることが好ま しい。 本発明の他の実施形態は、内燃機関の各シリンダに隣接する燃焼部を有する 高燃焼室を備えた上記種類の低圧縮比内燃機関を企図するものである。この実施 形態においては、可燃性の燃料／空気の混合ガスは燃焼部で点火され、この混合 ガスはシリンダ内に膨張し、燃焼部内で燃焼してシリンダ内のピストンに圧力を 伝える。 高燃焼室の燃焼部での燃焼は予想通り低圧縮条件下で徐々に始まり、上死点 のピストンドエル中に激しくなる。ピストンが上死点から離れるにつれ、燃焼ガ スはベンチュリを通じてそれらガスの速度及び乱れを増しつつシリンダ内に膨張 する。火炎前面の速度が増加し、実質的な完全燃焼が達成される。 この実施形態では、ピストンを収容するシリンダに層状給気が付加されても よい。そのような給気は、当業者が理解する低品位燃料と空気との混合ガス、噴 霧水、又は過剰空気その他の混合物を含んでいてもよい。 本発明は、供給燃料の燃焼中におけるピストンドエル時間の制御と、通常の クランク型ピストン内燃機関と比較して実質的に低い圧縮比とを組み合わせるこ とにより決定される。これらは、従来は予想できなかった内燃機関のトルクの増 加をもたらす。 図面の簡単な説明 次に、本発明を以下の図面に関する実施例に基づいて説明し、 図１は、本発明に関係する内燃機関におけるシングルシリンダー−ピストン の概略断面図、 図２は図１と同様の略断面図であり、本発明による圧縮比を表すための概略 断面図、 図３は本発明の第２実施形態の実施例を表す機関のヘッドの平面図、 図４は図３のヘッド及び上部シリンダのIV−IV線の断面図、 図５は本発明の第２実施形態における他の実施例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 図１及び２の双方において、上死点に位置するピストンを実線で示し、下死 点に位置するピストンを破線で示す。図１及び２で示すピストンのストロークは 、ともに６ｍｍである。吸気及び排気のためのシリンダー壁のスリットポートは 図示していない。 図３及び４の実施例において、燃焼部１０を有する高燃焼室は、ヘッド１１ の頂上に設けられ、ベンチュリ１４を通じてピストン１３を収容したシリンダ１ ２に接続されている。加圧された燃料及び空気は、通路１６を通じて燃焼室１０ 内に供給され、スパークプラグがねじ穴１５を介して設けられている。シリンダ １２は排気スリット１７を備えている。 図５は、本発明の第２実施形態における他の実施例を示す概略図であり、図 ３及び４と同様の部分には図３及び４で用いた同じ番号を付している。この実施 例では、ピストン１３及びシリンダ１２は、スプリットサイクルの直線運動のサ イクルの力を回転運動の力に変換する伝達機構３０上に設けられている。この実 施例の動作は図４の実施例と同様である。つまり、スパークプラグ３１が設けら れた高燃焼室の燃焼部１０に、入口３２を通じて加圧空気が供給され、インジェ クタ３３を通じて燃料が供給される。 インジェクタ３３を通じて燃焼部１０内に供給された比較的引火点が低い燃 料、例えばガソリンが点火され、火炎前面及び燃焼混合ガスがベンチュリ１４を 通じてシリンダ１２内に流入する。シリンダ１２は、インジェクタ３５を通じて 供給される低品位で引火点の高い燃料と、吸気口３４を通じて供給される加圧空 気とで充填され、例えば２０ｐｓｉとなる。そのように充填された低品位燃料、 例えばディーゼルは、ベンチュリ１４を通じて流入する燃焼混合ガスによって着 火される。そのような配置により、実質的な完全燃焼を達成する一方、低品位燃 料を低圧縮比で燃焼させることができる。 広義に説明した本発明の思想及び範囲を逸脱せずに、すでに説明した特定の 実施例の発明に変形及び／又は改良を加えることは、当業者ならば容易に認識す ることができるであろう。したがって、本実施例はすべての点において、例証で あって限定されるものではないと考えられる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．上死点の位置で長いピストンドエルを有するスプリットサイクル内燃機関に おいて、 圧縮比は１：１から４：１の間の範囲にあるスプリットサイクル内燃機関。 ２．請求項１記載のスプリットサイクル内燃機関において、 燃焼混合ガスは大気圧より大きい圧力の状態で内燃機関のシリンダに供給さ れるスプリットサイクル内燃機関。 ３．請求項１又は２記載のスプリットサイクル内燃機関において、 内燃機関の各シリンダに近接した高燃焼室を有し、各燃焼室はそれぞれのシ リンダに燃焼物を供給するように設けられているスプリットサイクル内燃機関。 ４．請求項３に記載のスプリットサイクル内燃機関において、 各高燃焼室で生成された燃焼物は、高燃焼室で点火された燃料よりも引火点 の高い低品位の燃料と空気の混合ガスを点火するために各シリンダに供給される スプリットサイクル内燃機関。 ５．請求項４に記載のスプリットサイクル内燃機関において、 圧縮空気は、燃料と空気の混合ガスの一部として各シリンダに供給されるス プリットサイクル内燃機関。 ６．前記請求項のいずれか１記載のスプリットサイクル内燃機関において、 上死点における各ピストンのドエルは、一般のクランク型内燃機関の７０° のオーダーのクランク角と等価であるスプリットサイクル内燃機関。