JP2000508037A

JP2000508037A - 低温・近断熱機関

Info

Publication number: JP2000508037A
Application number: JP09531733A
Authority: JP
Inventors: チャールズエル．ジュニアグレイ
Original assignee: ユー．エス．インバイロンメンタルプロテクションエージェンシー
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2000-06-27
Also published as: DE69635495D1; AU5636596A; AU714703B2

Abstract

(57)【要約】シリンダ、シリンダの一方の端部を閉じるシリンダヘッド、および、シリンダ内を滑動自在に設けられたピストンを有し、ピストンが通常の方法でシリンダ内部を往復運動し、その往復運動を、例えば従来のクランクシャフトによって回転運動に変換する新規な内燃機関である。ピストンの頂部、シリンダヘッド、およびシリンダがシステム室を形成する壁部として作用し、システム室の壁部の一つに形成された凹部が燃焼室の作用をなしてその中で局部燃焼を行う。開示された一実施態様において、シリンダは、熱バリヤとして作用する断熱材によって２つの部分に分割され、熱バリヤはその２つの部分の間に配置され、ピストンは中空内部を有し、該中空内部には１つ以上の熱シールドが張り渡される。運転方法には、ピストンヘッド、シリンダヘッド、およびシリンダで形成された燃焼室内の制限領域、例えば前述のごとき凹部に対する燃料噴射が含まれる。燃焼室内の空気および／または排気ガスが局部燃焼を行う制限領域を囲むことによって、断熱作用をなし、シリンダ壁を保護する。運転は９００−１１００℃のピークガス温度で、かつ５００−１０００ｐｓｉのピークガス圧で行われるのが好ましい。化学量論的酸素量の４−５倍の量を得られる空気が導入される。

Description

【発明の詳細な説明】低温・近断熱機関発明の背景１．発明の分野高燃料エネルギー使用効率で低温作動する新規の内燃機関に関する。２．従来の技術自動車の使用が非常に増えるにともない、二酸化炭素のような温室ガスを含む、種々の汚染物が大気中に増大している。このような状況において、自動車用駆動源の燃料使用効率を改善するための方法が求められている。乗用車に使用される従来の内燃機関の平均的熱効率は、市内走行で約１５％、ピーク効率で約３５％である。現行の内燃機関は、ピーク効率でさえ、供給される熱エネルギーの殆ど３分の２を、すなわち機関の冷却系および排気ガスを介して捨てている。燃料に含まれる化学的エネルギーは、機関内で燃焼されるときに熱エネルギーに変換される。この燃焼は閉鎖空間（機関の燃焼室）で発生するので、燃焼ガスの温度は上昇し（そしてある場合には、反応物に比して燃焼ガスのモル数が増える）、その系の圧力が高くなる。燃焼室の容積が膨張するにつれて、例えばピストンが移動し、仕事を行う。従来の内燃機関は使うことのできる熱エネルギーの多くを無駄にしている。第一に、燃焼室は液体または空気によって冷却され、そのため圧力が低くなり、仕事の潜在的能力が低下する。第二に、膨張比は通常圧縮比によって制限されるので、膨張行程において、全的に膨張することができない、すなわち、燃焼室にて発生した圧力の全てを使用することはできない。第三に、かなりの量の熱が排気ガスに残存している。発明の要約したがって、本発明の目的は、燃料効率能力が非常に大きな内燃機関を提供することである。本発明の設計上では５０〜１００％の潜在的能力が改善される。本発明の他の目的は、窒素酸化組成物の放出を実質的に低減することを本質的になすことのできる内燃機関を提供することである。また、本発明の他の目的は、燃焼系のピークガス温度を下げることによって熱損失を減少させた内燃機関を提供することである。さらに、本発明の目的は、シリンダヘッドとピストンとの間の空間の残部内における空気−欠乏領域から物理的に分離された内部燃焼室内にガスの空気−濃縮領域を供給し、空気−欠乏領域は内部燃焼室の回りに隔離「外部円環体」を形成し、それによって、良好な燃焼を可能とする一方で、系の全体的質量を増大させ、そしてさらに系の温度を下げ、熱損失を少なくする内燃機関を提供することである。さらに、本発明の目的は、膨張比が圧縮比より大きい内燃機関を提供することである。最後に、本発明の目的は、内燃機関と、この内燃機関の近断熱状態での運転方法を提供することである。そこで、上記目的をさらに促進するため、本発明によって、近断熱運転を行う、空気と供給燃料の超希薄化内燃機関が提供される。さらに詳しくは、本発明は、シリンダ、シリンダの一方の端部を閉じるシリンダヘッド、および、シリンダ内に取付けられて上死点と下死点の間を往復運動するピストンを含む内燃機関（ＩＣＥ）を提供することである。ピストン、シリンダ、およびシリンダヘッドによってその間に内部室を形成する。凹部をシリンダヘッドあるいはピストン頂部のいずれかの中央に配置することによって、燃焼を内部室の一領域内に隔離し、その凹部は燃料と空気とを受け入れ局部燃焼を行う。ピストンは、従来の方法でピストンロッドを介してクランクシャフトに連結され、ピストンの往復運動を回転出力に変換する。バルブがシリンダヘッドに設けられ、燃焼用空気をシステム室に導入し、また燃焼生成物を排出する。従来のフユエル・インジェクタがシリンダヘッドに取付けられ、燃料を、燃焼用凹部によって形成された局所化された燃焼室に導入する。ここで一般的に用いられる”空気”は、空気と、大気中の空気および再循環排気ガスの混合との両方をいう。さらに、ここで用いられる”化学量論的酸素量” とは、大気中の空気と、大気中の空気および再循環排気ガスの等価質量体との両方を含む。ピストンへの側圧が要素となるような大きさのピストンヘッドを採用する実施例において、ガイド手段は、例えば、後述する第１の実施例における第２ピストンとピストンシリンダの組み合わせのように、ピストンヘッドとクランクシャフトとの間に介装できる。シリンダは、二つの部分に分割でき、その間に断熱材が設けられ、熱バリアを形成する。そのような熱バリアがある場合、ある位置におけるピストンスカート部の下部にてオイル潤滑が行われる。ここである位置とは、ピストンが上死点にあるとき、オイルリングが熱バリアによって燃焼室から分離されるような位置である。好適な実施態様においては、ピストンは、熱シールドを備えた中空構造であって、中空内部には熱シールドが張り渡される。本発明は、また、ピストンの頂部、ピストンシリンダおよびシリンダヘッドの間に形成された大きなシステム室に連通した局部燃焼室内において近断熱状態で燃焼を行う方法を提供する。空気が噴射燃料と共に燃焼室に導入され、システム室内の空気が燃焼室の周囲を囲み、シリンダを燃焼室から熱的に遮断した状態で、局部燃焼が行われる。燃焼生成物は、通常の方法で、１つ以上のバルブを通り燃焼室とシステム室から排気される。好適な実施態様においては、空気は、一般的には４倍から５倍の化学量論的酸素量が供給されるように、燃焼室に導入される。燃焼は、従来の温度より低い温度、すなわち、ピーク、平均ガス温度が好適には９００−１１００℃の範囲内で行われる。好適な実施態様においては、燃焼室内のピーク圧は一般的に５００− １０００ｐｓｉである。図面の簡単な説明図１は、”理想”気体における圧縮比対温度のグラフである。図２は、本発明における燃焼ガス室に供給される種々の空気と希薄化空気における温度対圧縮比のグラフである。図３は、本発明の装置の第１の実施態様における部分断面正面図である。図４は、本発明の装置の第２の実施態様における部分断面正面図である。好適な実施態様の説明燃料に含まれる化学的ネルギーを”熱”機関の機械的仕事に変換する最適な手段は、系の圧力・体積変化を最大化することにある。実際上は、燃料は空気内で燃焼し、燃焼ガスの温度が上昇し、その結果、圧力が大きくなり、移動する所定面積の面に作用し、仕事をする。系の体積変化は系の膨張比が大きくなることによって増大する。一般に、可能である場合だが、最大圧力は系（燃焼生成物と窒素）の温度を最大化することによって得られる。所定の系においては、最高温度はその系の熱損失を最小化することによって達成される。従来の内燃機関の効率は、燃焼温度が非常に高温なので、周囲に散逸するかなりの熱がなければ、比較的高い。また、この非常に高い温度は、物質的制約があるため、実際問題として扱いが困難である。仮想的熱機関の熱効率（すなわち、使用される燃料エネルギー量当たりの仕事量ω）を最大化するには、（１）周囲への熱損失量ｑを最小にしなければならず、（２）排気温度と圧力（Ｔ１、Ｐ１）をできだけ周囲の温度、圧力（Ｔ２、Ｐ２）に近付けなければならず、（３）排出される排気ガスの質量率ｍを、機関に要求される出力を考慮して、できるだけ小さくしなくてはならない。排気ガスの温度と圧力の最小化は、２つの別のプロセスとして考察することができ、従って、両方において、熱損失は最小化されるべきである。下記にて説明される本発明の実施態様において、熱損失を最小化する新規な手段が提供され、ある場合においては、排気ガスの圧力をも最小化する新規な手段が提供される。熱損失の最小化によって、所定の膨張率においてより高圧の系が得られ、より大きな膨張からはより大きい利益が得られる。周囲への熱損失量ｑは、つぎの等式から求められる。ｑ＝Ｋ×Ａ×ΔＴここで、Ｋ＝全熱伝達係数（表面積と時間単位の温度差当たりの伝達エネルギーの単位）、例えば、ＢＴＵ／ｆｔ²×⁰Ｆ×ｈｒＡ＝熱伝達表面積 ΔＴ＝系のガスと周囲の温度差燃焼・膨張室を断熱することによって（もしくは、現在の手法のようにこれらの面を冷却せずに）熱伝達率を下げることが、熱損失を小さくすることは明らかである。しかしながら、（２０００℃を超えるまで）温度を上げると、従来の燃焼室材の最小強度に対する温度しきい値（そして実際上の溶融点）を超えてしまう。例えば、使用可能な金属合金の最高温度は一般に８００℃以下である。伝熱面積を減らすことは望ましいが、それは燃焼・膨張室に必要な容積に基づいた制約がある。面積・容積比を最小とすることは方向性としては好ましい。しかしながら、本発明においては、事実上、面積を減らすことはなく、容積（したがって伝熱面積）を大きくする。例えば、従来の機関に比較して所定のパワーレベルにおいて、容積で約５倍、面積で約３倍である。本発明において、系のガスのピーク温度（平均温度も同様に）は下げられ、熱損失に対する熱勾配すなわち”駆動力”が小さくなる。この点については、本発明は、ピーク温度を最高にする従来の手法とは対照的であり、さらに、下記の目標を目指している。すなわち、（１）熱損失の低減（換言すると、断熱機関へのアプローチ）、これは一般に熱損失を低減することにより温度が高くなると言われているからである。また、（２）高熱効率の達成、これは一般に高温は高効率を意味すると言われているからである。熱量を吸収して最高温度Ｔ_maxに到達し、そして低い温度Ｔ_lowで”残りの”熱を排出する従来の熱機関は、吸収した熱の一部のみしか仕事に変換しないことがよく知られている。このことは、”理想的条件”のもとで作動する（あるプロセスによって定義されるような）”理想機関”にさえ適用される。カルノーサイクルは、”理想機関”においてさえ、吸収熱の一部のみしか仕事に変換することができず、この一部が、作用温度Ｔ_maxとＴ_lowによって決定され、かつこのサイクルに比べて、運転される機関の特性と全体的に無関係であることを示すのによく用いられる。カルノーサイクルは、ある温度で吸収され、より低い温度で放出される熱量から引き出しうる最大仕事を行う。カルノーサイクルにおいてなされる仕事は、高温で吸収された熱から低温で周囲に発散された熱を引いた全熱量に等しい。熱力学的効率は、単純には、この仕事を全吸収熱量によって割ったものである。理想気体に対するカルノーサイクルの熱力学的効率は、Ｔ_maxマイナスＴ_l _ow をＴ_maxで割ったものに等しい。それが、サイクル効率がＴ_maxに直接的に依存する”理想機関”、理想気体のカルノーサイクル分析の閉システムの特性であることを強調することは重要である。”カルノー機関より効率のよい機関がない” ことは事実であるが、実際上Ｔ_max、２０００℃で運転されるカルノー機関もなかった。したがって、現在の手法が熱効率を上げるために系ガスのピーク温度を上げることに努力しているのは驚くべきことではなく、これは、もし非理想的（すなわち現実の）系におけるより高い温度によって、より大きな率の熱損失がもたらされるのでなければ、望ましいものである。説明する本発明の実施態様のあらましを理解するためには、カルノーサイクルは、初期膨張行程では等温膨張（すなわち、熱の入力）を行うが、４行程のうち３行程は熱損失がないことに注意すべきである。初期圧縮行程だけが熱を周囲に放出する。前述のように、現在のもしくは従来の機関は、燃焼および膨張時の熱損失によって潜在的熱効率のほとんどを失うが、カルノーサイクルではそのどちらでも熱損失がない。そこで、本発明はピーク燃焼温度を下げることによって熱損失を減らし、かつ効率を上げる新規の手法を提供する。ピーク温度を下げることによって、（１）温度駆動力（ピークガス温度とシリンダ温度との温度差）を小さくすることによって直接的に熱損失を減らし、また、（２）断熱しうる物質と機関形態とを用いることによって間接的に熱損失を減らし、よって、近断熱設計を達成する。本発明のピークガス温度は、９００−１１００℃の範囲内にあることが有利である。公知の気体からなる断熱系を仮定すると、所定熱量（例えば、燃料燃焼エネルギー）の吸収時における温度上昇は、そのときの各気体のモルとそれらのモル熱容量に直接に関連している。従って、本発明の方法においてピーク温度を下げるには、吸収される所定熱量に対する気体質量を増加することが必要となる。吸収される所定熱量の系質量を増加すること、および／または、低圧縮比を用いることによってピーク温度を下げる方法の場合、概念を機械的に実現する際には、高圧縮比で、ほとんど希薄化されることなく作動する従来の機関と等しい出力を出すためには、熱発生点により大きな容積（すなわち、より大きな燃焼室）がなければない。そこで、本発明において、充填燃料の”超希薄化”は、空気（および適宜排気ガス）を、好ましくは、λ＝４−５の所定量の空気を、従来のインテーク・マニホルドを介し、従来の方法で、燃焼室に導入することによって達成される。ここで、λは化学量論的酸素量を含む空気量をいう。従って、本発明の内燃機関は同じ出力を有する従来の機関のピストン直径の２−３倍のピストンを使用し、また燃焼室（ピストンが下死点にあるときの）は従来の内燃機関の４−６倍の容積を有する。ピーク温度も初期の系温度の影響を直接受ける。従って、充填物（例えば、空気と燃料の質量体）を加熱しない（または冷却する）ことによってもピーク温度は最低温度まで下がる。ピーク温度は充填物の圧縮比にも直接影響を受け、圧縮比が大きくなればなるほど、仕事が充填物になされてからのピーク温度はより高くなる。本発明の内燃機関は、従来の内燃機関の気体ピーク圧が１５００−２０００ｐｓｉなのに対して、気体ピーク圧５００−１０００ｐｓｉで作動するように企図されている。図１には、断熱的かつ可逆的に発生する”理想気体”の体積変化における、圧縮比（体積減少率、ＣＲ）と、初期温度とに対応する温度が示されるが、一定圧力での熱容量（すなわち、一定圧力の温度におけるエンタルピーの変動率）の一定容積での熱容量に対する比（すなわち、一定容積の温度における内部エネルギーの変動率）、Ｃｐ／Ｃｖ、１．４０を用いて窒素ガスをシミュレートしたものである。初期温度Ｔ１に対する目標温度Ｔ２の一般式は下記のとおりである。数式１ピーク温度を下げるために、所定の吸収熱容量に対して系質量を増す方法について、メタノールの燃焼を用いて説明する。２５℃の液体メタノール１グラムモルが燃焼すると約１７３，６７０カロリーの熱エネルギーが発生する。”単純化空気”内における１モルのメタノールの化学量論的燃焼は、下記の式にて示される。ＣＨ₃ＯＨ（１）+（３／２）Ｏ₂（ｇ）+６Ｎ₂（ｇ）→ ＣＯ₂（ｇ）+２Ｈ₂Ｏ（１）+６Ｎ₂（ｇ）物理的状態を調整し、一定容積でかつ断熱系を仮定すると、約１５１，７４０カロリーは、気体”燃焼生成物”を２５℃（この温度での燃焼を仮定して）からそれより高い温度まで加熱するのに利用できる。このピーク温度は下記の式により近似できる。［Ｃｖ（ＣＯ₂）＋２Ｃｖ（Ｈ₂Ｏ）＋６Ｃｖ（Ｎ₂）］ΔＴ＝１５１，７４０この式において、Ｃｖは、℃、グラムモル当たりのカロリーにおける温度範囲を超える平均熱容量である。近似熱容量を用いると、［１１．０５＋２（７．８６）＋６（５．５）］ΔＴ＝１５１，７４０従って、 ΔＴ＝２５３９℃ である。同じ温度で、全ての”再循環”排気生成物で５０％希薄化された初期供給物の場合、ΔＴ＝１２６９℃であり、７５％希薄化の場合、ΔＴ＝６３５℃である。図２には、前述の仮定において、圧縮比、初期供給温度および系質量増加に対する相対温度が示される。従って、本発明の方法の実施態様としては、（１）所定の吸収熱容量に対する系質量の増加（通常、排気ガスと過空気の種々の組み合わせが用いられる）、（２）圧縮比の最小化、および（３）初期系温度の最小化、の種々の組み合わせが用いられる。本発明における他の重要な点は、燃焼室の壁のピーク温度が８００℃、もしくはそれ以上の温度になることを考慮した、ピストン・リングの潤滑付与手段にある。このことは、従来の液体冷却では約２５０℃までの運転しか許容されないことから、特に重要である。７５％希薄化（例えば、５０％の”再循環”排気ガス、２５％の過空気および２５％の化学量論的空気／燃料混合）、初期供給温度０ ℃、および８対１の圧縮比でさえ、断熱燃焼ピーク温度は１３００°Ｋ（１０２７℃）である。（図２参照のこと。）しかしながら、シリンダ壁のピーク温度も、燃焼室の設計、燃焼タイミング、および他の手段によって最小化することができる。図３には、フォア・ストローク・サイクルを用いた、本発明の一実施例が示される。数字１０にて示される内燃機関（ＩＣＥ）が、上部２１と下部２２とに分割されたシリンダ２０を含むように示されている。ピストン２４が上死点と下死点との間を往復動するようにシリンダ２０内に滑動自在に取付けられている。シリンダ２０の上端はシリンダ・ヘッド２６によって閉止され、シリンダ・ヘッド２６は、ピストン２４およびシリンダ上部２１と協働してシステム室２８を形成している。シリンダ・ヘッドは従来の方法で作動する空気吸入弁６６と排気弁６７を含んでいる。断熱材３０のガスケットがシリンダ上部２１とシリンダ下部２２との間に熱バリアを形成している。断熱ガスケットは、フィラー付きまたはフィラーなしの非金属セラミック・ファイバーのマットが好適である。好適なガスケット材が３Ｍコーポレーションから商品名”ＩＮＴＥＲＡＭ”で市販されている。ピストン２４は頂部、すなわちプレート３２と、頂部３２から垂下したスカート部３４を有している。ピストン２４のプレート３２の頂部には、その中心に、中央に位置するフュエル・エンジェクタ３８からの燃料を受ける半球状の凹部３６を具備し、それによって、凹部３６は局部燃焼領域を形成する。ピストンの頂部プレート３２とスカート部３４は、従来の内燃機関のピストンと比較して小さな質量の内部中空部分を形成する。ドーム部材４０がピストン２４の内部中空部分内に設けられ、また、ピストンの頂部プレート３２を構造的に補強するため、凹部３６の金属シートの底部に固定されている。ピストンの頂部プレート３２、スカート部３４、凹部３６およびドーム部材４０は、構造的必須強度を有する好適な耐熱材、例えばチタン鋼ですべて形成される。ドーム部材４０は、ピストンの頂部プレート３２に向けて熱を跳ね返すための熱反射遮蔽物としても作用する。２つの付加的熱遮蔽物４１と４２もピストンの内部に張り渡され、頂部プレート３２に向けて熱を跳ね返す作用を行う。ドーム部材４０と同様に、熱遮蔽物４１と４２はチタン鋼のシートあるいはメンブレンとしてもよい。前述のように、本発明は、従来の内燃機関の気体ピーク圧よりも実質的に低い圧で作動するように企図されている。圧力を下げることによってピストンの質量を小さくできるが、もしピストン領域を大きくしなければ、圧力が低くなることによって、仕事は減少する。従って、本発明のピストンは、同じ出力の従来の内燃機関のピストンより非常に大きな直径を備えることとなる。例えば、内径７０−８０ｍｍの従来の小さな内燃機関の出力を得るには、本発明のピストンでは、約１５０−２５０ｍｍの直径となる。ピストン２４のスカート部３４は図中４４と４５で示される複数のオイルリングを備えている。オイルリングは、頂部プレート３２から最も離れた領域のスカート端部に配置され、ピストンの長さとオイルリングの位置は、ピストンの頂部プレート３２とオイルリング４４と４５が、ピストン２４が上死点にあるとき、ガスケット３０によって形成された熱バリアに関して反対側になるようにされる。オイルリング４４と４５の潤滑の確実さ（従来の方法でクランクケースから潤滑される）は、従来のように、ジャケット４６と下部シリンダ２２の間に形成された空間を通る冷却媒体の循環によってさらに増すことができる。図３に示すように、ピストン３４はピストンロッド５２の一端に取付けられ、ピストンロッド５２の他端は、ガイドシリンダ５０内を往復動可能に取付けられたガイドピストン４８に連結されている。ガイドピストン４８はピストンロッド５４によってクランクシャフト５６に連結され、それによってピストン２４と４８の往復運動は、従来のように、回転出力に変換される。ガイドシリンダ５０とピストン４８の組み合わせは、側圧がピストン２４に作用しないように意図したものである。他のガイド機構も同じ目的のために好適に用いられ、例えば、スライダ、ローラ・ベアリングもしくはロンビック・ドライブ（ロンビック・ドライブはまたクランクシャフトと置き換えられる）である。しかしながら、種々の形態においては、ガイド機構全体を不要とすることが可能である。例えば、本発明をツー・ストローク・サイクルに適用することによって、すぐ後に説明するように、図３に示された本実施例のガイド部材４８と５０が不要となる。上述のように、シリンダ下部２２は、従来のように、空間６０を通る機関冷却媒体の循環によって冷却される。またシリンダ上部２１にもその周囲に空間５４を形成するジャケット５８が設けられている。空間６４内の空気によってあるいは空間６４内に適当な断熱材を設けることによって断熱がなされる。空間６２はピストン２４の底部に連通しており、この空間内の空気もピストンを冷却する作用をなす。半球状の凹部３６は、ピストンの頂部プレートすなわち表面３２内の凹部として形成され、断熱材６９のインサートが裏張りされている。インサート６９はセラミック材が好適である。作動においては、吸入行程時、空気・排気ガス希薄化供給物が、ピストン２４がその上部ストローク位置（上死点）から下部ストローク位置（下死点）に移動するに従って、吸入弁６６を通り、システム室２８に導入される。吸入弁６６は、ピストン２４がその底部ストローク位置に到達したときに閉じる。ピストンがその上部ストローク位置に移動するに伴い、圧縮が生じる。燃料がフユエル・インジェクタ３８を介して噴射され、圧縮温度もしくは点火プラグ、グロープラグまたは他の手段（不図示）によって点火される。圧力の増した系が膨張し、ピストンがその下部ストローク位置に移動するに従い、軸出力を発生する。ピストンがつぎに上部位置に移動するに伴い、排気弁６７が開き、膨張した気体を排出する。ついでこのサイクルを繰り返す。燃焼ピーク温度は、主に前述のように排気ガスおよび／または過空気による系の希薄化によって制御される。しかしながら、これから捨てられるであろう熱エネルギーの多くは、空間６４の断熱材によって実質的に熱損失が減少するにしても、シリンダ上部２１の壁部を通過してしまう。従って、さらに、システム室の壁の温度を最小化することは有益であり、そして、これは、凹部３６（実際上は燃焼室）とシリンダ２１の壁との間の排気ガスおよび空気の円環体が断熱作用を行うように、ピストンの頂部プレート３２の中心近傍における凹部３６内の燃焼を局部化することによって達成される。さらに、燃焼室を、ピストン内のコンパクトな柱状体に（もしくは別法として、バルブ間におけるヘッド２６の中心近傍の凹室に）配置することも有益である。これによって、高温断熱インサート６９をピストンに設けることが可能となる。ピストン・インサート６９によって、ピストンに直接的に伝わる熱伝導が減少し、これをピストン内に配置することによって、最高温度のガスからシステム室の冷却壁部を遮断し、輻射熱の該壁部への伝導を減少させる。ツー・ストローク・サイクルを用いた、本発明の第２の実施例が図４に示される。作動において、ピストン１００の頂部ストローク位置の近くで（ピストンがその底部ストローク位置から頂部ストローク位置に移動するに伴なって生じる排気／圧縮ストロークの後）、加圧空気（機関駆動のピストン圧縮機を含む、種々の手段によって供給できる）が、空気弁１０２が開くにつれて、空気弁１０２を介して燃焼室１１０に噴射される。空気は空気供給管１０６を通って燃焼室１１０に流入する。十分な空気が供給された後、ピストン１００がまだ上死点の近傍にある状態で、吸気弁１０２は閉じられる。ついで燃料がフユエル・インジェクタ１０８を介して燃焼室１１０内の空気に対して噴射され、圧縮温度、または点火プラグ、グロー・プラグあるいは他の手段（不図示）によって点火される。別法として、フユエル・インジェクタ１０９を空気供給管１０６内に取付けてもよい。ピストンがその底部ストローク位置に移動するに伴い、圧力の増した系が膨張し、軸出力が発生する。ピストンが底部ストローク位置から頂部ストローク位置に移動するに従って、排気弁１１２と１１３が開く。（１つ以上の排気弁が使用される。）膨張した系のガスは、排気弁が閉じるまでに、例えば、ピストンの、頂部ストローク位置までの行程の中心点近くまでに、排気弁１１２と１１３から排出される。ついで、系の残留ガスは、ピストン１００が頂部ストローク位置までの残り部分（すなわち、排気／圧縮行程）を移動するに伴い、圧縮される。そしてさらにこのサイクルが繰り返される。燃焼ピーク温度は、主に前述のように排気ガス（混合による）および／または過空気における系の希薄化によって制御される。しかしながら、本実施例では燃焼室１１０内で空気が濃縮される。システム室１０４の残容積内に前のサイクルで残留した使用済みの系ガスが主に含まれるので、残留した使用済み系ガスから混合空気が分離（すなわち層状化）することによって、全体的な使用済み系の希薄化が非常に大きくなり、従って、低温化がすすみ、さらに、濃縮混合空気の良好な燃焼が可能となる。第２の実施例も第１の実施例の幾つかの特徴、すなわち、システム室の断熱材１１４、コンパクトな燃焼室の中心、または中心近傍への配置（例えば１１０、ピストン内の）、および、燃焼室の高温断熱インサート１２０を含んでいる。第２の実施例は全体的な系の希薄化が大きく、特に、気体の外部円環体が主に、使用済み残留系ガスからなっているので、ピストンリング１１６と１１７を潤滑するのに高温液体潤滑剤が使用できるような低温に、システム室の壁部１０１と１０３が維持される。また、もし十分な耐久性が得られるのであれば、ピストンリングやシステム室の壁材を、液体潤滑を行わずに、用いてもよい。本実施例において、ピストン１００の側圧は実質的に低減されるので、ガイド機構（第１実施例の４８、５０）は除去できる。第２実施例は第１実施例よりも大きな比出力が得られるが、しかし分離加圧空気供給装置が必要となる。第２実施例では、残留使用済み系ガスの量と噴射空気量を調整することによって、膨張比を圧縮比よりも大きくすることができる。この特徴によって、膨張最終時の系の圧力と温度を低くできる（そして、前述のように、熱力学的効率を改善できる）。残留使用済み系ガスがより低温であることによってもシステム室の壁部温度が下がる。本発明の他の実施態様は、説明した２つの特定した構成から論理的に導きだせる。例えば、説明した第１実施例では、空気遮断と輻射熱の断熱材を含む一方で、従来のピストン設計のようにピストンの頂部近傍にピストンリングを設ける（例えば、第２実施例で説明したように）ようにしてもよい。しかし、ピストンの頂部近くのリングは乾潤滑する必要がある。すなわち、システム室の壁部は十分に冷却して高温液体潤滑剤を使用できるようにする必要がある。単純かつ低コストだが熱損失の増加をもたらすことの妥協点は、コスト利益分析、すなわち、省コストが効率低下を正当化するかということにある。本発明は、その精神もしくは本質的特性から逸脱することなく他の特定の形態に具現化できる。従って、本実施例は、説明のためと考えるべきであり、制限されるものではなく、本発明の範囲は、前述の説明によるよりも特許請求の範囲によって示され、従って、特許請求の範囲と同等の意味および範囲内の全ての変更は、その中に含まれる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｆ 1/10 Ｆ０２Ｆ 1/10 Ｚ 1/24 1/24 Ｄ 3/00 3/00 Ｂ３０２３０２Ｚ 3/26 3/26 Ｃ 5/00 5/00 Ｚ 11/00 11/00 Ｂ【要約の続き】 −１０００ｐｓｉのピークガス圧で行われるのが好ましい。化学量論的酸素量の４−５倍の量を得られる空気が導入される。

Claims

【特許請求の範囲】１．シリンダと、前記シリンダの一方の端部を閉じるシリンダヘッドと、前記シリンダ内に滑動自在に取付けられ、上死点と下死点との間を往復運動し、前記シリンダヘッドに面した頂部とその頂部から垂下して中空の内部を形成する円筒状スカート部とを有し、前記頂部と前記シリンダヘッドと壁として作用する前記シリンダヘッドの第１部分とによってシステム室を形成するピストンと、前記シリンダの前記第１部分の周囲を囲み、前記システム室からの熱損失を防ぐシリンダ断熱手段と、前記システム室の壁部内に配置され、燃料を受容し、その中で局部燃焼を行うための燃焼室をなす凹部と、前記システム室からの熱損失の防止するため、少なくとも前記凹部に面するピストン断熱手段と、前記ピストンの往復運動を回転出力に変換する手段と、空気をシステム室に導入し、かつ前記システム室から燃焼生成物を排気するための、前記ヘッドに設けられたバルブ手段と、燃料を前記凹部に噴射するための燃料噴射手段と、を有することを特徴とする内燃機関。２．前記凹部は前記ピストンの頂部の中央部分に配置されたことを特徴とする請求項１の内燃機関。３．前記凹部は断面半球状であることを特徴とする請求項１の内燃機関。４．前記シリンダの前記第１部分は、前記シリンダの第２部分から軸方向に離れており、かつ断熱バリヤによって分離されていることを特徴とする請求項１の内燃機関。５．前記ピストンの前記スカート部上の溝に取付けられたオイルリングを有し、該オイルリングは前記シリンダに対してバネ付勢され、前記シリンダと密閉係合し、前記頂部と、前記頂部に最も近いオイルリングとの距離は、前記断熱バリヤと上死点との距離より大きいことを特徴とする請求項４の内燃機関。６．前記スカート部によって支持され、前記中空内部に掛け渡されて前記燃焼室からの熱を前記頂部表面に向けて反射するための少なくともひとつの熱シールドを有し、前記一つの熱シールドは前記頂部と前記オイルリングの間に配置されることを特徴とする請求項５の内燃機関。７．前記一つの熱シールドは平面状金属シートであることを特徴とする請求項６の内燃機関。８．前記スカート部によって支持され、前記中空内部に張り渡されて前記燃焼室からの熱を前記頂部に向けて反射するための少なくともひとつの熱シールド・メンブレンを有することを特徴とする請求項１の内燃機関。９．前記熱シールド・メンブレンは平面状金属シートであることを特徴とする請求項８の内燃機関。１０．前記ピストンの内部ドームを有し、該ドームは前記スカート部によって支持され、かつ、前記凹部の底部に固定されたピーク部まで延び、前記頂部を構造的に支持し、かつ前記燃焼室からの熱を前記頂部に向けて反射することを特徴とする請求項２の内燃機関。１１．燃焼室内にて近断熱状態で燃焼を行わせるための方法であって、前記燃焼室はシリンダと、前記シリンダの一方の端部を閉じ、かつ排気弁と吸気弁とを有するシリンダヘッドと、前記シリンダ内に取付けられその中を往復動するピストンとによって形成され、前記方法は、前記局部燃焼によって、９００−１１００℃のピーク、平均ガス温度を得る量の空気を前記吸気弁を介して燃焼室に導入し、前記燃焼室内の制限領域に燃料を噴射して前記制限領域内で局部燃焼をさせ、燃焼室内の空気で前記制限領域を取り囲み、前記局部燃焼から前記シリンダを熱的に遮断する作用を行い、そして、前記局部燃焼の生成物を前記燃焼室から前記排気弁を介して排出する、方法。１２．前記制限領域は前記ピストンの頂部の凹部によって形成されることを特徴とする請求項１１の方法。１３．前記凹部は断面半球状であることを特徴とする請求項１２の方法。１４．化学量論的酸素量の４倍から５倍の量の前記空気が燃焼室に導入されることを特徴とする請求項１１の方法。１５．前記局部燃焼から得られるピーク、平均ガス温度は９００−１１００℃であることを特徴とする請求項１４の方法。１６．前記局部燃焼から得られるピーク、平均ガス温度は９００−１１００℃であることを特徴とする請求項１１の方法。１７．燃焼室内のピーク圧は５００−１０００ｐｓｉであることを特徴とする請求項１１の方法。１８．燃焼室内のピーク圧は５００−１０００ｐｓｉであることを特徴とする請求項１５の方法。１９．空気が前記凹部に噴射され、前記局部燃焼のための濃縮混合空気が得られることを特徴とする請求項１１の方法。２０．前記排気弁を通過する前記排気は、ピストンが下死点から、下死点と上死点との約半分の距離の中心点まで移動する間に、発生し、前記ピストンが前記中心点に到達した時、前記排気弁は閉じ、前記吸気弁が開いて独立加圧手段からの空気が、前記開いた吸気弁を介して前記燃焼室に入り、ピストンがさらに上死点まで移動して空気と残留使用済みガスを圧縮し、一方、前記吸気弁が閉じられた状態で、燃料が噴射されて燃焼が生じ、そして、それによって、＋導入空気の圧力増加に応じた、圧縮比より大きい膨張比で、上死点から下死点間での膨張の間にピストンが移動することを特徴とする請求項１１の方法。２１．前記シリンダの前記第２部分を冷却するための冷却手段を有することを特徴とする請求項４の内燃機関。２２．前記シリンダの断熱手段は前記シリンダから離れたジャケットを有し、その間にエアギャップを形成することを特徴とする請求項１の内燃機関。２３．前記エアギャップには断熱材を含むことを特徴とする請求項２２の内燃機関。