JP3140061B2 - 往復ピストン型火花点火式内燃機関 - Google Patents

往復ピストン型火花点火式内燃機関

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、灯油ベースのデイーゼル燃料を使用したピ
ストンエンジンの冷間起動および運転を可能にするチヤ
ージ調節装置を備えた往復ピストン型火花点火式内燃機
関に関する。より詳しくは、チヤージ吸気管、該吸気管
と連通しかつシリンダの閉止端壁、シリンダ側壁及び往
復ピストンにより画定されている少なくとも１つの可変
容積の燃焼室、液体燃料源、該液体燃料源からの燃料を
受容しかつチャージを形成するために前記吸気管に流れ
る空気に燃料を供給するための吸気管に接続されるチヤ
ージ調節装置、前記燃焼室内に配設された火花点火器及
び前記吸気管内に設けられた流れ制御弁を含む往復ピス
トン型火花点火式内燃機関に関する。
〔従来の技術〕
種々の型の機関（エンジン）が異なる用途に使用され
しかも単一の燃料のみがすべての型のエンジンに供給さ
れかつ蓄えられる条件下で火花点火の、ピストンエンジ
ン用のガソリンに代えて、灯油ベースの燃料、すなわち
JP−５ないしＤ−２に及ぶ燃料を使用するのが望まし
い。かかる条件は代表的には航空機のジエツトエンジ
ン、車両エンジン、固定または可動エンジン発電機装置
等の使用を包含し得る軍事環境において遭遇される。か
かる条件下で、通常ガソリンを燃焼する火花点火の２ま
たは４ストロークピストンエンジンが必要とされている
基本エンジンに対して最小の変更でデイーゼル燃料で運
転するように変換され得るため、すべてのエンジンに関
して単一型の燃料、とくにデイーゼル型の燃料を使用す
ることができるのが好都合と見なされる。非軍事状態は
バスおよび補助エンジン、キヤンプ用自動車および補助
エンジン、および灯油燃料が利用し得るがガソリンでは
ない場合に使用される小型のポータブルエンジンを包含
することができる。
しかしながら、デイーゼル（すなわち灯油ベースの）
燃料での使用に向けられた２または４ストロークサイク
ルの火花点火のピストン型内燃機関は代表的には寒冷周
囲条件下でエンジンを起動するのに特別な配置を必要と
し、かつさらに、運転中、かかるエンジンは燃料の不完
全燃焼により点火プラグの汚れおよび高炭化水素（HC）
および煙放出の傾向がある。デイーゼルエンジンを起動
するのに代表的に使用される予熱プラグはバツテリまた
は他の電源がプラグを付勢するのに利用し得ない場合に
宛にすることができず、そして余熱プラグの使用が可能
であるとしても、火花点火エンジンの低い圧縮比が予熱
プラグが使用されるとき冷間起動条件中点火を信頼可能
に保証するためにチヤージに十分に高い温度を発生しな
い。
JP−５および軽い灯油燃料は氷点下の温度により自由
に流れる一方、より重いデイーゼル燃料はかかる燃料中
のワツクスの沈澱により曇りかつ凍る傾向があり、極端
に寒冷条件下で重いデイーゼル燃料の使用を不確定にす
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
したがつて、バツテリ供給電気エネルギによりまたは
それなしに寒冷周囲条件下で信頼し得るエンジンの起動
を可能にしかつエンジンの運転中点火プラグの汚れなし
に燃料の綺麗な燃焼を保証する火花点火の、往復ピスト
ン型の灯油ベースの燃料を使用するデイーゼルエンジン
には、チヤージ調節装置を必要とする。
本発明の目的は、極端な寒冷環境下でも通常の使用環
境と同様に信頼し得る起動および清浄な運転を保証する
デイーゼル燃料火花点火エンジン用の起動および運転装
置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、上記目的は、第１のチャージの少な
くとも燃料成分を該燃焼室内での点火前に加熱及び蒸発
させるための前記火花点火器以外の第１加熱装置と、前
記燃焼室の壁、前記往復ピストン及び前記火花点火器以
外の該燃焼室内に配置されかつ最初のチャージを点火し
た後に該燃焼室内に供給される新たなチャージを加熱す
るための第２加熱装置とからなる往復ピストン型火花点
火式内燃機関により達成される。
本発明はまたエンジンに供給されたデイーゼル燃料チ
ヤージの連続清浄点火および燃焼を容易にするために燃
焼の熱を貯蔵する燃焼室加熱発電機装置およびエンジン
運転中燃焼室の点火プラグ電極を清潔にするために高速
の熱いガス噴流を利用する点火プラグ吹き付け装置を含
む。
種々の加熱装置が本発明を実行するのに使用され得る
が、本明細書に記載されかつクレームされるさらに他の
発明の概略によれば、かかる加熱装置はエンジン用気化
器のアイドルまたは起動回路から引き出される燃料と熱
交換関係において予熱プラグ；加熱により手で活性化さ
れかつ再循環され得る化学加熱器；開放燃焼燃料予熱器
および蒸発器；電気抵抗セラミツクヒータ、および電気
−化学またはセラミツクヒータの形の燃焼室加熱器、ま
たは熱交換器を利用することも可能である。本明細書で
説明される種々の加熱器は本発明の実施例のいずれかに
おいて個々にまたは互いに組み合わせて使用され得る。
チヤージ蒸発器または予熱器を使用する起動装置の種
々の実施例が本明細書に記載され、そして予め定めた時
間周期が燃料またはチヤージ加熱サイクルの開始から経
過した後エンジンを起動するときを知らせるタイミング
表示をオペレータに供給する簡単な信号装置から、プロ
グラムが開始された後自動的にエンジン用電気始動モー
タに自動的に係合すべく配置されたマイクロプロセツサ
駆動のコントローラに依って、複雑な燃料蒸発感知装置
からの燃料蒸発信号に従って、マイクロエレクトロニク
スプログラムされた起動サイクルへ変化する。
本発明を以下で詳細に説明および例示する。
〔実施例〕
添付の図面を参照して、往復動ピストン、２ストロー
クサイクル、火花点火の単気筒エンジンが符号10で示さ
れかつエンジンブロツクまたはハウジング12、シリンダ
ヘツド14、クランクケース16およびエンジン出力軸18に
接続される適切なスタータギヤ機構（図示せず）に接続
される始動用始動モータ20を含んでいる。エンジン10は
また排気管22および吸気管24を含んでいる。気化器装置
26が吸気管24と連動されかつエンジン10の起動時、吸気
管24に入れられる燃料／空気チヤージの調節を可能にす
る従来のいずれの形状からなっても良い。気化器26はエ
アホーン28およびエンジン10の作動中、吸気管24を通る
空気および燃料の流れを調整するための通常の空気絞り
弁（第１図には示されない）を含んでいる。電気作動の
起動用始動モータ20が示されるが、出力軸18または他の
回転エンジン部分と連係する簡単な手動の引っ張りコー
ド起動装置が起動のために設けられ得る。
第１図に示した本発明の実施例において、エンジン10
はまた該エンジン10のシリンダヘツド14に取着されかつ
エンジンの燃焼室（第１図には示されない）に延びる火
花点火装置30を含む。電気付勢予熱プラグ32がまた以下
で詳細に説明される理由のために設けられことができ、
予熱プラグは同様にエンジン10のヘツド14に固定されか
つエンジンの燃焼室に延びる。エンジンヘツド温度セン
サ34がまた第１図に示した本発明の実施例にしたがつて
設けられる。
バツテリ装置36が示されかつそれは火花点火装置30、
予熱プラグ32、始動モータ20、およびエンジンの他の電
気付勢要素またはエンジンの付属品を付勢するエンジン
10と組み合わせて設けられる。リレー38は次に説明され
る方法においてバツテリ36からモータ20および他の付勢
装置への電気エネルギの伝送を制御する。
エンジン10の種々の構造的細部および後で記載される
エンジンと連係する構成要素は本質的に内燃機関用燃料
噴射ノズル技術の分野において通常のかつ公知の装置で
ある。エンジン10がそれがガソリンを利用できないとき
または単一燃料が軍事環境に於ける場合と同じである種
々のエンジン用途に使用されるとき利用され得るように
JP5ないしD2燃料に及ぶ灯油をベースにした燃料を利用
することが考えられる。
良く知られているように、往復動ピストン、２ストロ
ークエンジン燃焼灯油型燃料は標準の灯油型燃料より多
く揮発する起動燃料組成物または燃料がエンジンの燃焼
室に入る前に燃料を蒸発させるための加熱装置を使用す
ることなく起動するのが難しい。本発明は上述された燃
料のごとき灯油型燃料を使用する内燃機関を、とくに低
温運転条件下での良好な起動を可能にする独創的な燃料
予熱器装置または燃焼室加熱装置を提供する。
本発明の１実施例によれば、少なくとも２段階の燃料
またはチヤージ加熱装置が設けられ、それにより液体燃
料が燃料供給管および／または吸気管と連係する加熱装
置によりまず加熱されかつ蒸発され、そして、その燃料
により形成されるチヤージが火花点火器以外の加熱器に
よりエンジンの燃焼室内において加熱される。燃料蒸発
およびチヤージ加熱装置のこの実施例は、以下の説明に
記載されたように行われる。
第１図ないし第３図を参照して、気化器26は好ましく
はそれが液体燃料供給源から吸気管内の絞り弁の下流の
吸気管へ液体燃料を導く起動回路を有するように選択さ
れる。エンジンの通常の起動時、液体燃料は燃焼用燃料
を供給するように起動回路を介して供給される一方絞り
弁が実質的に閉止されるかまたはほぼ閉止される。もち
ろん、絞り弁の開放はエンジンの吸気管を通る空気の流
れを増加しかつ燃料は次いで気化器内の空気による燃料
の通常の吸引によりエンジンチヤージ吸気へ供給され
る。
本発明のこの例において、気化器26は、第２図により
詳細に示される燃料蒸発器装置40へ液体燃料を導く適切
なポートまたは管と連通する液体燃料起動回路を含んで
いる。
とくに、第３図に示されるごとく、気化器26は液体燃
料収容室42および該室42から蒸発器40内の蒸発室46へ延
びるアイドルまたは起動燃料導管44を含んでいる。室42
は適宜な燃料供給源（図示せず）から燃料を受容する燃
料ライン48から受容される液体燃料供給と連通してい
る。
気化器26は単に略示されそしてフロートボウル、燃料
レベル確立要素、開口、ベンチユリおよび吸気管への燃
料の流れを制御する一方空気がエンジン運転の結果とし
て管を通って移動している気化器と連係する他の手段を
含んでいる、気化器装置と連係する通常の特徴を示して
いない。しかしながら、本発明に使用のために選択され
るべき代表的な好適な気化器は第３図に符号50で示され
るごとき流れ制御または絞り弁または同等物の下流の吸
気管の位置に液体燃料を運ぶための導管を含んでいる。
内燃機関により通例であるような、絞り弁50はエンジン
に課せられた動力要求に応じてエンジン10の速度を制御
するのに利用される。
第２図に見られるように、導管44は蒸発器40の蒸発室
46に延びる。好ましくは電気的に付勢される加熱要素52
は蒸発室46内に配置される。上方に延びる加熱要素52を
密接に取り囲んでいるのは順次吸気管24の内部と連通す
る導管58と連通するその上方端において開口56を含む熱
絶縁壁54である。
導管58が管24と交差する直ぐ下流の吸気管24内に、加
熱要素52により室46内で蒸発されかつ導管58を通って放
出される燃料を含んでいる、吸気管24を通って移動する
燃料および空気（すなわち、チヤージ）を加熱するため
に吸気管24を横切って延びる第２の加熱要素60が任意に
設けられる。
図示例における加熱要素52および60は好ましくは適宜
な電気源、例えばバツテリ36から電気的に付勢される。
導線62および64がそれぞれ電気要素52および60を下でよ
り詳細に説明される方法において電気エネルギ源に接続
する。
加熱要素52および60は、加熱要素50の場合に、エンジ
ン10により使用される液体燃料を蒸発させるのに十分な
熱を作り出すかまたは発生するように、または加熱要素
60の場合に、エンジン10の起動を可能にするのに十分な
温度にチヤージを加熱するようにエンジン起動手順の開
始時オペレータによつて選択的に付勢されるかまたはま
たは自動的に付勢されるいずれの型からなつても良い。
特別な例として、加熱要素50はデイーゼルエンジンを起
動するのに使用される通常の予熱プラグにすることが可
能であり、一方加熱要素60はセラミツク要素の温度が電
気付勢時増加するので減少する電気抵抗率を有するセラ
ミツクから形成される格子からなつても良い。すなわ
ち、加熱要素60を構成するセラミツク材料はそれへの電
気エネルギの印加時該材料を通る電気エネルギの通過に
対する材料の抵抗により加熱するが、例えば、予め選択
された温度で電流の流れに対するその減少された抵抗に
より予め定めた温度を維持する不十分な導体である。か
かるセラミツク材料はいわゆる家庭用セラミツク加熱器
装置において良く知られている。
他の実施例において、吸気管と連係する加熱要素はス
リーブが任意に加熱要素60と同一の材料から形成される
第４図および第５図に示される環状スリーブ66からなる
ことも可能である。理解されるべきことは、本発明の最
も広い範囲において、電気抵抗要素、化学的加熱要素、
発熱反応要素、触媒要素または同等物を含む、適切な加
熱要素が加熱要素50,60および62と置き換えられ得ると
いうことである。しかしながら、新規性および独創性は
記載された型のセラミツク加熱器の使用にあると思われ
る。
第５図に示されるように、加熱要素68がエンジン10の
燃焼室に入れられるチヤージに熱を伝送するのに設けら
れる。加熱要素68は同様に電気加熱セラミツクまたはラ
イン69を介して付勢される他の材料から形成され得るか
またはエンジン10の燃焼室壁を形成する材料より大きい
度合いに連続燃焼サイクル間の熱を維持する単に熱保持
要素であつても良い。例えば、シリンダ壁またはヘツド
材料がアルミニウムであるならば、要素68は鋼にするこ
とができる。
さらに他の変更がエンジン10の燃焼室に延びる予熱プ
ラグ32がチヤージ予熱器として設けられる第１図に示さ
れる。予熱プラグは第３図に示されないが、例えば予熱
プラグを受容するために適宜にネジが切れるポート70に
接続される。点火プラグまたは他の通常の火花点火器30
がネジ付きポート70に設けられる。適宜な電気リード線
が通常の技術にしたがつて予熱プラグ32および火花点火
器30に接続される。第５図に示した実施例の場合におい
て、もちろん、予熱プラグは加熱要素68の使用の代わり
に利用されずそして点火プラグはポート74に挿入され
る。
理解されるべきことは、上述された種々の加熱装置は
灯油ベースの燃料を使用するように設計されたエンジン
用冷間起動装置において互いに組み合わせてまたは独立
して使用され得るということである。好ましくは、少な
くとも２つの加熱装置がこの発明によつて意図された冷
間起動装置において使用される。かくして、燃料蒸発器
はエンジンの入口導管と連係する格子またはスリーブ加
熱器60,66と組み合わせてまたは図面の第５図および第
７図に示されるごとく燃焼室加熱器と組み合わせて使用
され得る。後述されるような燃料および／またはチヤー
ジおよび燃焼室を蒸発させるための化学加熱装置が同様
にこれまで説明された加熱器のいずれかと組み合わせて
または単独で使用され得る。したがつて、理解されるべ
きことは、燃料および／またはチヤージ予熱器または本
明細書で開示された燃焼加熱器／予熱器のいずれかの配
置が単独でまたは冷間起動条件に適合させられるような
特別なエンジン用途に依存して本明細書で説明された他
の加熱装置と組み合わせて使用可能であるということで
ある。
本発明は簡単な表示器および信号装置またはマイクロ
プロセツサ制御のエンジン起動装置を収容し得る制御ボ
ツクス84（第１図）として略示される起動制御装置を企
図する。簡単な信号装置の場合において、適切なスイツ
チ86が、要素52,60,66,32または68のごとき、電気的に
活性化される加熱要素の活動を開始するのに設けられ
る。要素が電気的に付勢されるならば、例えば、適切な
リード線88がバツテリ36から制御ユニツト84へ設けられ
かつ適切な回路が電気エネルギを導線62,64,33および69
（後述される）へ向けるためにユニツト84内に収容され
る。加熱要素68（第５図）が電気的に付勢されるなら
ば、適切なリード線69が要素68の付勢を制御するために
要素68と制御ユニツト84との間に設けられる。加熱要素
52,60および32の付勢は吸気管24内の蒸発された燃料の
利用性が保証されるまで継続する。これは実験から決定
され得る予め選択された時間周期だけ電気加熱要素を活
性化しかつ蒸発された燃料が管24内で利用し得ることを
事実上常に保証する制御ユニツト84内の簡単なタイマを
利用することにより達成される。予め選択された時間間
隔の満了時、制御ユニツト84上の表示器ランプがエンジ
ンが引っ張り起動スタータであるならばエンジンを起動
するようにまたはモータが設けられるならば電気始動モ
ータ20へバツテリ36を接続するためにリレー38を活動さ
せるようにエンジンのオペレータへ信号を伝える。本発
明の他のモードによれば、制御ユニツト84は自動的にリ
レー38を活動させてバツテリ36を始動モータ20へ接続し
蒸発された燃料が吸気管24内に存在した後自動的にエン
ジン10を始動する。
マイクロプロセツサが利用されるならば、起動モード
シーケンスの運転は、例えばスイツチ86の活動によりオ
ペレータにより開始され、それに続いてマイクロプロセ
ツサが燃焼室上の予熱プラグ32を活動させ、予め定めた
時間だけ蒸発器中の予熱プラグ52を活動させかつ次いで
適宜な信号が信頼し得る起動条件を示すマイクロプロセ
ツサにより受信されたとき始動モータ20を起動させる。
このために、温度または蒸発燃料センサ90が吸気管24
（第１図）に設けられかつライン92を介して制御ユニツ
ト84に接続されて吸気管温度条件または燃料蒸気の存在
を示す信号をマイクロプロセツサに供給する。要求され
るように、エンジンのシリンダヘツドの温度は同様に、
図示のごとく、制御ユニツト84のマイクロプロセツサに
センサ34によつて供給されて自動スロツトル制御が利用
されかつリード線93を介して制御される場合にマイクロ
プロセツサがエンジンアイドルを制御するのを可能にす
る。蒸発燃料センサ90がまた簡単な起動表示器装置にお
いて使用され、それにより制御ユニツト84は吸気管24内
の燃料蒸気の存在を示すセンサ90からの信号を受信しか
つ燃料条件がエンジンを始動するのに正しいことを示す
エンジンオペレータへの可聴または可視信号を供給す
る。
適宜なマイクロプロセツサがこの用途に利用されるこ
とが可能でそしてマイクロプロセツサに入力された種々
の信号に応答してエンジン10の起動を開始するのに必要
とされるプログラミングがコンピユータおよびエンジン
技術に見識のある者の熟練内で十分である。
制御装置84は点火プラグ30の作動を制御する点火装置
と一体にされ得るかまたは簡単なマグネツト装置が利用
されそのさいエンジンの作動が点火プラグ30に電気的に
接続される適宜なマグネツト（例示されない）を介して
火花エネルギを創出する。
前述されたように、エンジン10はチヤージ調節用の自
然吸気気化器装置26を利用する２ストロークサイクルエ
ンジンからなるように企図される。かかるエンジンにお
いて使用のためのピストン第１図〜第５図に示された実
施例には示されてないが、しかし、ピストンは通常、第
６図に関して続くような説明から明らかであるように、
入口ポート94、チヤージ伝送ポート96および排気ポート
98を周期的に被覆および解除する。
エンジンがノツクなしにかつ許容し得る放出で起動後
運転可能である燃焼室形状を利用することが非常に望ま
しい。任意の熱保持器または加熱要素68を包含する、第
６図に示されるような燃焼室ジオメトリがこれに関連し
て利用され得る。かかる燃焼室ジオメトリは参考として
本明細書に組み込まれるアメリカ合衆国特許第4,788,94
2号に示される。したがつて、クランクケース100に延び
る連続ロツド108に取着されるピストン102の上方端はピ
ストンTDC位置において燃焼室104がシリンダヘツド内の
ピストン102の上方端および／または突起103において隆
起または上昇部分130により２つの室126,128に有効に分
割されるように本質的に形作られる。火花装置132はは
各チヤージの点火が各燃焼サイクルの間中開始される主
燃焼室126に延びる。ピストン102の隆起130およびシリ
ンダの閉止端78（または突起103）間に存在するギヤツ
プは特許第4,788,942号に記載された原理にしたがつて
選択され、それにより室104はシリンダの閉止端78とピ
ストン10の隆起または突起130との間のギヤツプにより
画成される縮減通路により主点火室126から分離された
共鳴室を構成する。該共鳴室104はピストン102の上死点
（TDC）位置でまたはその近傍でのみ有効に存在するが
この時間は特許第4,788,942号に記載されるような共鳴
室104の有益な効果が得られるように十分な存続時間か
らなる。
その特許にさらに記載されるように、点火の瞬間に実
質上各チヤージの燃料のすべてが点火室126内に収容さ
れる一方共鳴室は燃焼用の不十分な燃料を収容するかま
たは実質上燃料を収容しない。点火時、燃焼波エネルギ
により室104内に誘起される共鳴は空気ポンプ作用を生
じそれにより室104内に収容される空気は、すべて特許
第4,788,942号に記載されるように、室126内の瞬時の平
均圧力が室104内の平均瞬時圧力より高いとしても点火
室126に汲み上げられる。燃焼室104の作動についてのさ
らに他の説明に関しても上記特許が参照されるべきであ
る。
第６図の実施例において、クランクケース加熱器110
が任意にエンジンの冷間起動の間中入口ポート94を通っ
て引き込まれるチヤージを予熱するために設けられ得
る。適宜な導線112が加熱器110へ電気エネルギを供給す
るのに設けられる。
第６図に示したエンジン形状は、もちろん、シリンダ
78内のピストン102の往復動がピストンが周期的に吸気
ポート94、チヤージ伝送ポート96および排気ポート98を
被覆および被覆解除するときクランクケース100内の圧
力の周期的変化を生じる２ストローク、火花点火エンジ
ンの代表的な配置である。ピストン102が下方に動くと
き、該ピストンは燃焼室104内に真空をそしてクランク
ケース100内に圧力を創出する。ピストン102の先行の上
方ストロークの間中、チヤージは１またはそれ以上の予
熱器要素52（第２図）、60（第１図）、66（第５図）ま
たは以下で記載されるような化学予熱器によつて予熱さ
れ得る吸気ポート94を通ってクランクケースに入れられ
た。ピストンがチヤージ伝送ポート96の下に降下すると
き、クランクケース100内のチヤージがチヤージ伝送ポ
ートを介してピストン102の上方の燃焼室区域にまで引
き出されまたは汲み上げられる。ピストン102の上向運
動は次いでピストンの頂部とシリンダ78を閉止するヘツ
ド14との間でチヤージを圧縮する。任意に、加熱器68
が、電気的に活性化されるならば、第５図に関連して上
述された実施例にしたがつて燃焼室を予熱するように何
時でも活性化され得る。ピストン102の下方への次のス
トローク時、排気ポート98は代表的には最初に被覆解除
されそしてその後直ぐにチヤージ伝送ポート96が次のサ
イクルを開始するように開放される。
本発明の他の実施例が第７図および第８図に示され、
そのさい空冷の、ピストン型、２ストローク、火花点火
の内燃機関140が略示される。エンジン140はシリンダ14
2を含み、該シリンダ内でピストン（図示せず）が吸気
ポート144、チヤージ伝送ポート96および排気ポート146
を周期的に露出するように往復動してシリンダ142へ周
期的にチヤージを許容しかつ排気ポート146を介して燃
焼生成物を排気する。気化器または他の適宜なチヤージ
調節装置148が絞り弁150または第１図に示したエンジン
と同一の方法において吸気管152を通る空気（および吸
引された燃料）の流れを調整するための同等物を包含す
る。第１図の実施例と同様に、気化器148は液体燃料が
それに供給される室154および第３図の導管44に対応す
る燃料導管156を含むアイドルまたは起動回路を含んで
いる。第１図の蒸発器40に対応する燃料蒸発器は第７図
に示されないがかかる蒸発器はこの実施例においては設
けられなくても良くそして第５図に示した環状加熱器要
素66に対応する任意の加熱器装置または要素160内でま
たはそれに密接して燃料吸気管152と連通する第４図の
導管58に対応する蒸発された燃料導管を含んでいる。
燃料蒸発器と組み合わせてまたは単独で有用である第
７図に示した実施例に示される他の加熱器要素はスパー
クプラグ166の火花電極164に隣接してシリンダ142の閉
止端に取り付けられた熱維持要素162である。
この実施例による熱維持要素162はシリンダ142の上方
端内に嵌合するように形状において円形でありかつ第８
図に線VIII−VIIIに沿って平面図で示される。
熱維持要素162は好ましくは、エンジン140の燃焼室壁
の材料、とくにシリンダ壁およびヘツドの材料の熱伝導
性より比較的低い熱伝導性を有する材料から形成され
る。熱維持要素162に横たわる概念は燃焼サイクル間の
燃焼の熱を維持するエンジン140の燃焼室内にインサー
トまたは永久固着具を設けることである。したがつて、
熱維持要素162はエンジン140のシリンダ壁および／また
はヘツドが例えばアルミニウムにより形成されるならば
鋼またはセラミツクから形成されることができる。かか
る熱維持要素は最初の数燃焼サイクルによつて加熱され
そしてその後エンジン140との使用が企図される低い揮
発性の灯油ベースの燃料の蒸発を助けるために１燃焼サ
イクルから次の燃焼サイクルへ非常に加熱された状態に
留まる。
要素162はスパークプラグ166の火花電極164に隣接し
てエンジン140の燃焼室内で一般に周辺に延びる１また
はそれ以上の室168を画成するように形作られる。室168
は該室168とエンジンのピストンの上方のシリンダ142の
内部容積との間の縮減された開口170を介して主燃焼室
と連通している。室168は吸気ポート144を通って受容さ
れかつエンジンのピストンによつて圧縮されそしてさら
に燃焼室68において燃焼により圧縮された圧縮チヤージ
を受容し、そして室68内の燃焼時、加圧ガスを室169か
らギヤツプ170を通って主燃焼室へ、ピストンがそのTDC
位置から後退しているとき室68内の燃焼ガスのより急速
な膨張により排出する。室168からのガスの高速排出は
火花電極164を清浄に保持するために該火花電極を横切
って縮減された開口170に向けられる。
熱維持要素162、室168および縮減された開口170はす
べて第７図に示した型のエンジンにおいてエンジンノツ
クおよび汚れたスパークプラグを低減するのに有益な効
果を生じるために合体すると思われる。
第８図から注目されるのは、縮減された開口170が実
質上要素162の幅を横切って室168と主燃焼室との間の良
好な連続連通を設けるように実質上室168の周辺長さと
一致する距離延びるということである。第８図におい
て、区域170aは熱維持要素162が第７図に示されるごと
くエンジン140内に置かれるとき縮減された開口170を設
けるように要素162の残りの部分の平面から押し下げら
れる。開口170はまた燃焼室から開口に衝突するどのよ
うな炎前部も消滅させるように形作られる。
熱維持要素62と連係する室168の最小容積は燃焼室の
上死点容積の約５％にすべきであり、シリンダの閉止端
と表面170aとの間の縮減された開口170の高さはほぼ0.0
05〜0.020インチ（0.127〜0.508mm）であると思われ
る。しかしながら、また第８図示されるごとき２つの室
168が利用されそのさい室168の容積はエンジン140の燃
焼室のTDC容積のほぼ12％になる。室（１または複数）1
68の容積の適宜な範囲は燃焼室のTDC容積の５％から20
％になつている。
本発明の他の実施例が第９図に示され、そのさいピス
トン型、火花点火の、２ストローク、空冷内燃機関が吸
気ポート位置でまたは燃料吸気管において燃料噴射され
る。第９図の実施例によれば、エンジン174は吸気管176
および排気管178および点火プラグ180を含んでいる。ピ
ストン（図示せず）は通常の方法において出力軸182を
駆動するためにエンジン174内で往復動する。燃料レー
ルまたは他の圧力下の液体燃料源に接続される燃料噴射
器184が略示されかつ燃料を吸気管176を通ってエンジン
により引き込まれる空気に供給するように吸気管176に
接続される。燃料噴射器184は、もちろん、エンジン174
の吸気弁を通って許容されるべき適宜なチヤージを調節
する。
蒸発器40と同様な燃料蒸発器188がエンジンを冷間起
動するための第２吸気管192に設けられる。
第１吸気管176内の制御弁194は、起動時、燃料噴射器
が、所望ならば、不活性化されることができ、一方燃料
がエンジン174への起動チヤージを供給するために解放
された弁196により燃料蒸発器188から供給されるように
第２導管192内の空気流れ制御弁196と関連して使用され
得る。起動時、選択が噴射器184を通って供給された燃
料と蒸発器188からの第２燃料との間でなされるかまた
は合計の燃料供給が燃料噴射器184を介してなされ得
る。実際に、観察されることは、第２空気流れ導管192
が事実上他の方法では通常運転の間中間燃料噴射される
エンジンの起動を可能にするために蒸発された燃料を供
給するためのエンジン174用の起動回路であるというこ
とである。かかる起動回路はエンジン174と連係する特
別な燃料噴射装置に拘わらず利用され得る。例えば、同
様な起動回路は燃焼室に直接燃料噴射されるエンジンに
利用され得る。もちろん、本明細書で説明された第２チ
ヤージ／燃焼室加熱装置が所望ならば燃料蒸発器188と
組み合わせて使用されることができる。
加えて、第９図のエンジンの実施例は第５図の加熱要
素と同様な燃焼室の加熱要素または第10図に関連して以
下で説明されるような化学予熱器を含み得る。チヤージ
予熱器190はさらにまた以下で説明される第12図に関連
して示される型の化学予熱器を含むことも可能である。
第７図に示された加熱要素162に対応する加熱要素は同
様に所望ならば第９図に示したエンジンに組み込まれ得
る。
第10図および第11図は再循環化学型加熱器が燃焼室に
供給される燃料またはエンジンの燃焼室それ自体を予熱
するのに利用され得る本発明の追加の実施例を示す。第
10図示されるごとく、活性体202を包含する化学予熱器2
00がエンジン208のヘツド206に設けられる。電極164を
含む点火プラグ166がまた第７図の実施例と同一の方法
において設けられ、そして熱保持器162が所望ならばこ
の実施例において任意に設けられる。活性体202を作動
するための手動アクチユエータ210または活性体202を作
動するための他の適宜な装置が設けられることができ、
独特の所定の特徴は化学加熱器中の発熱化学反応を開始
するための活性化過程の権能付与である。
化学加熱器200は当該技術において知られる適宜な化
学加熱器からなることもできるが、好ましくは手動操作
の加熱器が好適である。代表的には、予熱器200は、曲
げられるとき、僅かな金属粒子を発生する薄い柔軟な金
属シートまたは予熱器200の材料中で発熱沈澱反応（す
なわち、遷移の潜熱の放棄）を開始する他の沈澱源から
代表的になる活性体202の活性時溶質の沈澱により熱を
発生するナトリウムアセテートテトラハイトレートのご
とき超冷却食塩水溶液からなる。従来技術において開示
される代表的な熱パツクはアメリカ合衆国特許第4,872,
442号および同第5,058,563号に記載されている。第10図
に示される化学予熱器のごとき予熱器は第５図および第
６図に示した加熱器要素68および162の代わりにまたは
かかる加熱器要素と組み合わせて使用され得る。本明細
書に記載された化学加熱器は代表的には溶液を溶解する
のに十分に化学材料の温度を上昇しかつ冷却後加熱器の
再使用を可能にするようにエンジン自体の熱を使用して
溶液（現在沈殿物による）を加熱することにより再循環
される。エンジン10の冷間起動的燃料を蒸発させるため
に燃料吸気において使用される化学予熱器の代替の実施
例は第11図に示され、そのさい化学予熱器220は第１図
および第２図の実施例に関連して前に説明されたような
導管44および58と連通しているアイドル／起動回路導管
222中の燃料を加熱するのに利用される。第11図の例に
おいて、活性体224は、例えば第10図に関連して上述さ
れたような、公知の原理にしたがつて化学加熱器220の
活性化を生じるようなアクチユエータ226または同等物
によつて手動で作動され得る。化学加熱器220の活性化
時、起動回路44,222および58中の燃料は加熱されかつエ
ンジン10の起動を許容すべく蒸発させられる。化学加熱
器220は単独で、または本明細書で説明された他の燃
料、チヤージ、または燃焼室と組み合わせて使用される
ことができる。
本発明の他の実施例が第12図に示され、そのさい化学
予熱器228および関連のアクチユエータ／活性体229は第
５図に示した予熱器66と同様な方法においてチヤージを
予熱するためにエンジンの吸気管24に設けられる。化学
予熱器228は単独でまたは本明細書に記載された他の種
々の予熱器および燃焼室加熱器のいずれかと組み合わせ
て利用され得る。
エンジン10に関連して使用し得る燃料蒸発器のさらに
他の実施例は第13図に示されそして液体燃料シガレツト
ライターと同様な原理に沿って構成された開放燃焼装置
からなる。第12図によれば、起動回路導管44からの燃料
は芯材料230にしみ込ませるようにこの材料に入れられ
る。適宜な時に、衝撃子輪232が適宜なレバーまたはノ
ブ234によつて手動で回転させられて今や燃料がしみ込
まされている芯230に対して発火石236から火花を放出す
るかまたは点火が他の適宜な装置によつて発生される。
芯230中の燃料の燃焼を支持するための空気は、この例
において、エンジン10の主気化器中のチヨーク（図示せ
ず）が閉止されるとき、絞り弁240が開放され、かつそ
の逆も可能であるように適宜な機構242によつて作動さ
れる回転可能な弁240または同等物を同様に収容する空
気導管238によつて供給される。エンジン10の主気化器
の起動回路からの燃料は燃料含浸芯材料230の点火前に
室246を液体燃料で満たすために別個の導管244を通って
または導管44を介して供給され得る。
芯230中の燃料の点火時、燃焼は芯230の頂部で発生
し、煙突または導管248を通って上方に移動しかつエン
ジンの冷却フイン252に隣接してかつその下に開口250を
通って出る熱い燃焼生成物を作り出す。かくして、芯23
0中の燃料の燃焼により作り出された加熱ガスは室246中
の燃料を加熱しかつまた煙突248中の燃焼生成物の出口
ポート250に隣接してフイン250の区域を加熱する。もち
ろん、煙突248の材料は室246中に収容される燃料に良好
な熱伝導性を保証するように選択される。室246中で蒸
発された燃料は次いで前に記載された第１図ないし第５
図の実施例に関連して前述されたと同一の方法において
導管58を介してエンジン10の吸気マニホールドに前進す
る。
代替例として、触媒燃焼器要素（図示せず）が開放炎
状態を回避するために開放炎芯230に代えて使用され得
る。触媒燃焼器要素は、火花点火器を含む、適宜な手段
によつて活性化される。
第12図に示した開放炎予熱器は本明細書で開示された
第２または第３加熱器とともにまたはそれらなしで使用
され得る。本発明のすべての実施例において、灯油型燃
料を使用するときエンジンの冷間起動時液体燃料を少な
くとも蒸発するために少なくとも２段予熱器装置を使用
するのが好適である。加熱要素の特別な配置はエンジン
の特別な用途、とくにかかるエンジンの運転中遭遇され
ると思われる最も冷たい温度およびエンジンに使用され
る燃料の型に依存する。
第14図は本発明のさらに他の実施例を示す。とくに、
エンジン260はドーム型の燃焼室262、シリンダ266内で
往復動するピストン264;および燃焼室262を設けるため
にシリンダ266の上方端を閉止するシリンダヘツド268を
含んでいる。
エンジン260は燃料が公知の燃料噴射原理にしたがつ
て燃焼室262へ直接燃料を供給するための適宜な燃料噴
射器ポンプ（図示せず）に接続される燃料噴射器276を
通って許容される直接噴射エンジンとして示される。適
宜な点火源に接続される点火プラグ278は燃焼室262中の
チヤージの燃焼を開始するための火花付勢を提供する。
任意に、加熱器または熱保持器282が燃焼室262の上方端
の内壁に沿って設けられ得る。加熱器または熱保持要素
282は、設けられるならば、第５図に示したような加熱
器または熱保持器要素68に対応する。
第13図の実施例は公知の弁作動装置によつて作動し得
る、弁付き入口および排気ポート284,286を使用するよ
うに示されそして入口ポート284は、所望ならば、本明
細書に記載された燃料予熱器のいずれかを備え得る気化
器または他のチヤージ調節装置と連通している。任意
に、弁284,286はピストン264の往復動と周期的なタイミ
ングにおいて燃焼室262へ空気を供給するための他の手
段、例えば、ピストン264と同期して作動する第５図お
よび第６図のチヤージ伝送ポート96と同様な空気伝送ポ
ートのために除去され得る。
吹き出し室288がエンジン260のヘツド268に設けられ
かつ第７図に示される熱保持器162と連係する縮減開口1
70と一致すべく形作られる縮減開口290を通って燃焼室2
62と連通する。すなわち、縮減開口は0.005〜0.020（0.
127〜0.508mm）程度の最大断面寸法を有するように寸法
付けられそして燃焼室から室288に向かって動く炎前部
を消滅させる。開口290は点火プラグ278の電極279に向
かって狙いを定められてエンジンの運転の間中電極を清
浄に維持すべく計算された方向に室288から膨張するガ
スを向ける。
第14図に示される本発明の実施例の作動を次に説明す
る。ピストン264の下向ストロークは入口弁284（または
空気がエンジンのクランクケースを通ってまたは他の手
段により燃焼室に汲み上げられるならば適宜な空気伝送
ポート）を介して空気を引き込む。第２図、第４図、第
７図および第12図に示した、加熱器60,66,160,228と同
様な空気用の適宜な予熱器が所望ならば燃焼空気を予熱
するのに使用され得る。次の上向ストロークで空気は圧
縮されかつ適宜な瞬間に燃料が噴射器276を通して燃焼
室に直接噴射される。燃料空気チヤージの１部分が吹き
出し室288中で圧縮されかつ適切な時間で燃焼室262内の
チヤージが点火プラグ278により点火される。点火の前
に、加熱材料282がエンジンの冷間起動の間中燃焼室を
加熱するために活性化されることができるかまたは予熱
プラグが電気エネルギが利用可能である場合に利用され
得る。加熱器282の材料が熱再発生器、すなわち、符号1
63（第７図）で示されるようなサイクルからサイクルへ
燃焼室内で熱を維持する材料であるならば、その場合に
それはエンジンの最初の数燃焼サイクル後実施される。
ピストン264の動力ストロークの間中、燃焼室262はピ
ストン264が燃焼室中の圧力を増加することにより下方
に駆動されるので膨張する。燃焼生成物の膨張および冷
却による燃焼室中の圧力降下時、室288は燃焼室を排気
しかつその中で非常に圧縮されたガスは電極を清浄な状
態に維持するために点火プラグ278の電極279に対して高
速噴流として直接放出される。これは灯油ベースの燃料
を使用する火花点火エンジンにおいて点火プラグを汚す
傾向がある灯油ベースの燃料のごとき燃料を使用すると
きとくに有用である。
動力ストロークの終わり近くで、排気弁（またはポー
ト）が開放されかつ吸気弁が前のサイクルからの燃焼生
成物が排気されるとき新たなチヤージを導入するために
開放される。
エンジンは第14図の２つのストロークサイクル過程に
関連して説明されるけれども、装置が４ストロークエン
ジンによつても同様に作動し得ることは明らかであろ
う。室288は単一連続室であつてもまたは図示のごと 図面の簡単な説明 第１図は本発明を具体化している燃料蒸発およびチヤ
ージ予熱装置を有するピストン型、２ストローク火花点
火内燃機関を示す概略図； 第２図は、第３図の線II−IIに沿って取られる、この
発明による燃料蒸発室の正面部分断面概略図； 第３図は第２図の線III−IIIに沿って取られかつこの
発明のチヤージ加熱器要素を示す正面横断面図；第４図
は第５図の線IV−IVに沿って取られた第２図に示した装
置の変更実施例を示す部分断面図； 第５図は第４図の断面線Ｖ−Ｖに沿って取られた第４
図に示した本発明の変更実施例を示す断面図； 第６図は本発明とともに使用し得る燃焼室形状の例を
示す断面図； 第７図は熱保持要素を含む本発明の変更実施例を示す
概略図； 第８図は第７図の線VII−VIIに沿って取られた第７図
に示した熱保持要素の平面図； 第９図はエンジンが燃料噴射されるとき使用し得る本
発明の他の実施例の概略平面図； 第10図は化学予熱器装置の使用を示す本発明の他の実
施例を示す図； 第11図は燃料供給装置において化学予熱器を使用する
本発明のさらに他の実施例を示す図； 第12図はエンジンの吸気マニホールドに化学予熱器を
使用する本発明の他の実施例を示す図； 第13図は燃料予熱用の開放燃焼装置を利用する燃料予
熱器装置の他の実施例を示す図；そして 第14図はエンジンの頭部の小さい室が直接噴射の、火
花点火、２ストロークエンジンを備えている本発明の他
の実施例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｎ 11/08 Ｆ０２Ｎ 11/08 Ｙ 17/02 17/02 Ｄ (72)発明者 ポーリング，アンドリュウ・エー アメリカ合衆国 メリーランド州21037, エッヂウオーター，タラゴン・レイン 120 (72)発明者 ミルズ，ペーター・ワイ アメリカ合衆国 メリーランド州21619, チェスター，クイーンズ・ランディン グ，クイーン・ヴィクトリア・ウェイ 22ディー (56)参考文献 特開 昭57−171059（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185257（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−731（ＪＰ，Ａ) 米国特許5050571（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02N 17/04 F02M 31/18 F02M 31/04

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】チヤージ吸気管（24,66,176）、該吸気管
    と連通しかつシリンダの閉止端壁、シリンダ側壁及び往
    復ピストンにより画定されている少なくとも１つの可変
    容積の燃焼室、液体燃料源（48,244）、該液体燃料源か
    らの燃料を受容しかつチャージを形成するために前記吸
    気管に流れる空気に燃料を供給するための吸気管に接続
    されるチヤージ調節装置（26,148）、前記燃焼室内に配
    設された火花点火器（30,166,180,278）及び前記吸気管
    内に設けられた流れ制御弁（50,150,196）を含む往復ピ
    ストン型火花点火式内燃機関において、 第１のチャージの少なくとも燃料成分を該燃焼室内での
    点火前に加熱及び蒸発させるための前記火花点火器以外
    の第１加熱装置（52,32,60,66,200）と、 前記燃焼室の壁、前記往復ピストン及び前記火花点火器
    以外の該燃焼室内に配置されかつ最初のチャージを点火
    した後に該燃焼室内に供給される新たなチャージを加熱
    するための第２加熱装置（68,162,282）とからなること
    を特徴とする内燃機関。
  2. 【請求項２】前記第１加熱装置（52,32,60,66,200）
    が、前記燃焼室内に配設された電気的に起動される予熱
    プラグ（32）であることを特徴とする請求項１に記載の
    内燃機関。
  3. 【請求項３】前記第１加熱装置（52,32,60,66,200）
    が、エンジンを起動するのに先立って液体燃料源（48,2
    44）からの燃料を蒸発させるように前記吸気管（24,66,
    176）内に配設された燃料蒸発手段（52,60,66）で構成
    されており、更に、前記エンジンのための電気的始動系
    が、前記吸気管内の蒸発燃料の存在を感知するための該
    吸気管に取着された蒸発燃料感知手段（90）と、そし
    て、蒸発燃料感知手段により感知された信号に応答して
    エンジン起動信号を発生する手段（84）とから成ること
    を特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】前記第２加熱装置（68,162,282）が、連続
    した２つの行程（サイクル）の間、燃焼熱を前記ピスト
    ンにより画成される燃焼室のシリンダ壁の温度より高く
    維持するところの、シリンダの閉止端壁に隣接して設け
    られかつ熱保持材料から形成された熱保持装置（68,16
    2）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内
    燃機関。
  5. 【請求項５】前記熱保持装置（68,162）が、制限された
    開口（170,290）を介して燃焼室と連通する少なくとも
    １つの第２の室（168,288）を画成していることを特徴
    とする請求項４に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】前記ピストンの上死点（TDC）での燃焼室
    の容積をＶとすると、前記第２の室（168,288）の１つ
    の容積が、約0.05〜0.20Vであり、 前記第２の室（168）が、シリンダ側壁全体によって周
    方向に沿って囲まれており、 前記制限された開口（170）が、前記室の周方向長さに
    概ね一致した周方向長さを有しておりかつ前記シリンダ
    側壁と平行に伸びる該開口の高さが、約0.127〜0.508mm
    （0.005〜0.020in）であることを特徴とする請求項５に
    記載の内燃機関。
  7. 【請求項７】前記制限された開口（170,290）が、少な
    くとも１つの前記第２の室（168,288）からかつ火花点
    火器（166,278）に向けて燃焼室内でチャージが順次着
    火するように燃焼ガス流を外方に向けて方向付けている
    ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
  8. 【請求項８】前記第１加熱装置が、エンジンの起動に先
    立って液体燃料源からの燃料を蒸発させるように前記吸
    気管内に配設された燃料蒸発手段（40）と、 エンジンの駆動用電源を構成するバッテリ装置（36）
    と、 該エンジンの電気始動装置を構成する始動モータ（20）
    と、 前記始動装置を起動させるために前記バッテリ装置と該
    始動モータとを接続する始動回路（38）と、 前記吸気管内の蒸発燃料の存在を感知するための該吸気
    管に取着された蒸発燃料感知手段及び蒸発燃料の信号を
    発生するための手段から成る自動エンジン起動制御装置
    （84）と、 前記バッテリ装置を始動モータに接続するための導線
    と、 エンジン起動信号を発生するための手動操作スイッチ
    （86）と、 少なくともエンジン起動信号と蒸発燃料信号とが入力さ
    れ、バッテリと始動モータとを接続するための起動回路
    を作動するプログラムに従って、始動モータ係合信号を
    出力するように設計されたマイクロプロセッサと、から
    成ることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
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