JPH0584366B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 空気吸入内燃ピストン機関の可変容積作動室
内での空気中の炭化水素のラジカル向上燃焼反応
を成すための方法であつて、この方法では、吸
入、圧縮、燃焼又は膨脹、及び排気工程が空気吸
入内燃ピストン機関の作動サイクルになつてお
り、この方法は： (a) 各作動サイクルに燃料と空気との混合物を作
動室に供給する工程と、 (b) 各圧縮行程前にほぼ空気のみがピストンに隣
接するように作動室内の各混合物を軸方向に層
状にする工程と、 (c) 圧縮行程の間、小量の燃料を含有した混合物
の空気部粉（即ち、燃焼を維持できる最小量を
なすのに不十分な燃料の量）を、ピストンの作
動端の円周長回りに配置された制限ギヤツプオ
リフイスを介して作動室に連通してピストン内
ですぐ隣接してその作動面と熱交換関係で配置
されたヘルムホルツ共振空気室に移動させ、共
振室をピストンの作動端の円周長回りに配置さ
れた制限ギヤツプオリフイスを介して作動室に
連通させる工程と、 (d) 作動室内に燃料の燃焼反応を生起させ、出力
運転時には約16：１の空燃費で、経済運転時に
は、約20：１の空燃費で燃焼行程をなす工程
と、 (e) ラジカル向上自己点火温度の僅かに下から上
記温度の僅かに上までの範囲の混合物の温度で
作動室内に燃焼を生起させ、また、吸入混合物
の空気−燃料比を変えることにより混合物の温
度を上記範囲内で制御する工程と、 (f) 空気を空気室から作動室に充填するように燃
焼衝撃波の相互作用による空気室のヘルムホル
ツ共振周波数で空気室を励起させることにより
燃焼又は膨脹の行程を通じて加熱された空気を
空気室から作動室に移動させる工程と、 (g) 排気行程の間、燃焼により生じた高温ラジカ
ルを空気室に移動させる工程と、 (h) 次の空気吸入行程の間、空気室からの高温ラ
ジカルを備え次に吸入されて軸方向に層状にさ
れた混合物を噴霧する工程と、 (i) ピストンによるラジカル噴霧されかつ軸方向
に層状にされた混合物を圧縮し、一方、工程(c)
に従つてラジカルと小量の燃料とを含有した空
気部分を空気室に移動させ、かつ前の燃焼又は
膨脹行程から次の燃焼行程の開始までの高温で
ピストンの作動端部の熱移動により空気室内の
上記空気部分を加熱する工程と、 (j) 次の燃焼又は膨脹行程を通じて工程(e)に従つ
て前の燃焼行程から供給されたラジカルと空気
とを新しい予燃焼ラジカルと一諸に空気室から
作動室にポンピングして次の連続した燃焼又は
膨脹行程をなす工程と、 (k) 上述の工程を繰返し、内燃ピストン機関の有
効な仕事出力を得る工程と、 から成つている。 ２ 請求の範囲第１項に記載の方法であつて、こ
の方法では、燃焼開始の混合物の温度はラジカル
向上自己点火温度の範囲内であり、また、作動サ
イクルま圧縮比５：１乃至９：１の間でなされて
いる。 ３ 請求の範囲第１項に記載の方法であつて、こ
の方法では、上記ピストンは、ピストン内の割れ
目に形成され空気室の下方に近接離間した複数の
溝内にオイルシールリング及び圧力シールリング
を含んでおり、この方法は、排気行程の間に割れ
目から加熱された空気室に未反応の燃料及び気化
したオイルをガス抜きして予燃焼の炭化水素ラジ
アルを形成し、かつ少なくとも次の吸入行程の開
始までに上記空気室内のガス抜きの結果として生
じた少なくとも上記ラジカルの部分を保持する工
程を含んでいる。 ４ 請求の範囲第１項に記載の方法であつて、こ
の方法では、燃焼は、最良のRQIが得られる燃料
に対する空気の比で生起される。 ５ 請求の範囲第１項に記載の方法であつて、こ
の方法では、燃焼は以下の式に応じた空気室の容
積でなされる。 V_B＝SC²／（Ｌ＋K_g）（2πF_B）²cm³ ここで、（式中メートル単位を用いている） V_Bは共振空気室の容積であり、 Ｓはギヤツプオリフイスの横断面積であり、 Ｃは作動室内の圧縮充填物のほぼ自己点火温度
での共振空気室内の音速（cm／sec）であり、 Ｋは0.6から0.85までの間のヘルムホルツ補正
係数であり、 ｇはギヤツプの横方向幅であり、ギヤツプの外
周長さにわたり一様であると仮定して、ギヤツプ
幅は以下の式により表わされる。 ｇ＝0.01072B＋0.1143＋0.050cmから−0.025cm
の誤差範囲であり、上記ギヤツプは、各圧縮工程
の圧縮ストロークの少なくともほん少しの間に空
気室と作動室との間の閉塞の流れを生じるような
幅を越えることのない最大実幅を有しており、 F_Bは以下の式で与えられた周波数であり、 F_B＝Ｋ／ＢHz ここで、Ｂはボアの直径、Ｋは43000から51000
までの値を有した定数である。 ６ 請求の範囲第５項に記載の方法であつて、こ
の方法では、上記Ｌ，V_B，ｇ及びＳの間の関係
が以下の式を満足している。

【化】 ７ 請求の範囲第６項に記載の方法であつて、こ
の方法は、上記内燃ピストン機関の作動速度範囲
の35パーセント以上の間、空気室と作動室との間
のギヤツプを横切るチヨーク流れを有して圧縮行
程をなす工程を含んでおり、これにより、上記内
燃ピストン機関がその速度範囲の35パーセント以
上で作動されると、上記内燃ピストン機関の圧縮
比が効率的に増加される。 ８ 請求の範囲第６項に記載の方法であつて、こ
の方法は、作動室内の圧力が空気室内の圧力以下
に下がると、排気行程の少なくとも一部の間に空
気室と作動室との間にチヨーク流れを生起する排
気行程をなす工程を含んでいる。 ９ 請求の範囲第６項に記載の方法であつて、こ
の方法は、作動室が最小容積と最大容積との間に
ある間、作動室内の閉じたオルガン管を誘発する
工程を含んでいる。 １０ 吸気、圧縮、燃焼／膨脹、排気からなる動
作サイクルを有する吸気内燃ピストン機関の可変
容量作動室内における空気内の炭化水素燃料をラ
ジカル増加燃焼反応を行う燃焼方法において、 (a) 各動作サイクルにおいて空気および燃料を上
記作動室に供給する行程と； (b) 各圧縮行程の前に、略空気のみがピストンの
近傍に位置するように作動室内における空気お
よび燃料を軸方向に層状化する行程と； (c) 圧縮行程の間、供給された空気の一部を少量
の燃料（一様な燃焼が可能な混合物を作るには
不充分な量の燃料）と共にヘルムホルツ共振空
気室に送る行程と、上記空気室はピストン内で
その作動面に隣接して、かつ作動室と熱交換可
能に設けられているとともに、ピストンの作動
端外周の回りに位置した規制ギヤツプオリフイ
スを介して作動室に連通し、上記空気室上方の
上記ピストンの作動端はピストンキヤツプを構
成している、と； (d) ラジカル増加自己点火温度領域内の温度でか
つ５：１〜９：１の圧縮比で空気および燃料を
自己点火して作動室内における燃焼を開始する
行程、上記ピストンキヤツプは、供給される燃
料により作動サイクルの最高の出力を生み出す
キヤツプ作動温度を提供する熱伝達係数を有し
ている、と； (e) 燃焼／膨脹行程の間、上記空気室から作動室
へ空気を吸引する燃焼衝撃波の相互作用によつ
て空気室をヘルムホルツ共振周波数で励起する
ことにより空気室から作動室へ加熱された空気
を送る行程と； (f) 排気行程の間、燃焼により生じた高温ラジカ
ルを空気室へ送る行程と； (g) 次の吸気行程の間、続いて供給されてくる層
状の空気および燃料を上記高温ラジカルと共に
空気室から散布する行程と； (h) 上記ラジカル並びに層状の空気および燃料を
ピストンにより圧縮し、上記行程(c)に応じて空
気の一部をラジカルおよび少量の燃料と共に空
気室に送り、燃焼／膨脹行程から次の燃焼行程
まで、高温のピストンの作動端部からの熱伝達
により上記空気、ラジカルおよび少量の燃料を
加熱する行程と； (i) 次の燃焼／膨脹行程の間、上記行程(e)に応じ
て、空気および前回の燃焼行程により得られた
ラジカルを新しい予燃焼ラジカルと共に空気室
から作動室へ吸引しながら燃焼／膨脹を行う行
程と； (j) 上記行程を周期的に繰返して有効な作動出力
を作り出す行程と；を備えていることを特徴と
する燃焼方法。 １１ 上記ピストンは、上記空気室の下方でピス
トンに亀裂を形成している溝と、この亀裂内に設
けられたオイルおよび圧力封止リングとを有し、
上記排気行程の間、上記亀裂から加熱された空気
室へ未反応燃料および気化オイルを排出し、上記
排気により生じたラジカルの少なくとも一部を少
なくとも次の吸気行程が開始されるまで空気室内
に残す行程を備えていることを特徴とする特許請
求の範囲第１０項に記載の燃焼方法。 発明の分野 この発明は内燃機関、特に内燃機関の燃焼工程
に関する。 関連出願に関する相互参照 本願に開示されている内容は、本出願人によつ
て本願と同一の日に出願された下記の特許出願、
即ち、出願第535336号発明の名称「燃焼波周波数
に共鳴して駆動するピストン内の空気室を用いた
内燃ピストン機関」、出願第535337号発明の名称
「内燃機関用ピストン」、出願第535338号発明の名
称「往復運動をするピストン内の共鳴空気室を用
いて燃焼室内に閉じた音管共鳴を誘発する内燃機
関用燃焼工程」、及び出願第535339号発明の名称
「力学的可変圧縮比内燃機関」と関連している。 発明の背景 先行技術の説明 本発明の基となつている燃焼工程には、機関の
運転サイクルにおける燃焼又は膨脹時に、空気室
に予め蓄えておいて完全に受動的な空気を内燃ピ
ストン機関の空気室を共鳴させる燃焼波エネルギ
ーを用いて燃送室内に文字通り力学的に注入する
工程が含まれる。このような注入効果は、空気室
と燃焼室との間の全平均圧応差とは別個でも生じ
る。この工程は、一般に、海軍兵学校熱収支機関
（Naval Academy Heat Balanced Engine
（NAHBE））に関する刊行文献に既に記載され
ている。例えば、ユナイテド・ステーツ・ネイバ
ル・アカデミー・プログレス・レポート第EW8
−76号（United States Naval Academy
Progress Report No.EW8−76）に掲載されて
いる「ネイバル・アカデミー・ヒート・バラン
ス・エンジン（Naval Academy Heat
Balanced Engine（NAHBE））」ブレイザー
Blaser）、ポーリング（Pourin）、キーテイング
（Keating）及びランキン（Rankin）著（1976
年）、ユナイテド・ステーツ・ネイバル・アカデ
ミー・トライデント・スカラー・レポート第
TSPR第112号（United States Naval
Academy Trident Scholar Report No.TSPR
No.112）（1981年）に掲載されている「オプテイ
マイジング・ザ・NAHBE・ピストン・キヤツ
プ・デザインユーテイライジング・スクリエレ
ン・フオトグラフイ・メソード・アンド・アプリ
ケーシヨン・オブ・ザ・ヘルムホルツ・セオリ
（Optimizin the NAHBE Piston Cap Design
Utillizing Schlieren Photography Methods
and Applications of the Helmholtz Theory）」
ウイリアム・エイチ・ジヨンソン（William H.
Johnson）著（1981年６月２日）、ユナイテド・
ステーツ・ネイバル・アカデミー・プログレス・
レポート第EW−13−80号（United States
Naval Academy Progress Report No.EW−13
−80）に掲載されている「タイム・デイペンダン
ト・アナリテイカル・アンド・オプテイカル・ス
タデイズ・オブ・ヒート・バランス・インターナ
ル・コンバスチヨン・エンジン・フロー・フイー
ルド（Time Dependent Analytical and
Optical Studies of Heat Balanced Intermal
Combustion Engine Flow Field）」ポーリング
（Pouring）及びランキン（Rankin）著（1980年
11月）、ユナイテド・ステーツ・ネイバル・アカ
デミー、プログレス・レポート第EW−10−78号
（United States Naval Academy Progress
Report No.EW−10−78）に掲載されている
「プレリミナリ・インベステイゲーシヨン・オ
ブ・ザ・ノンステデイ・コンバスチヨン・アン
ド・フロー・プロセス・オブ・ザ・ネイバル・ア
カデミー・ヒート・バランス・エンジン
（Preliminary Investigation of the Non−
Steady Combustion and Flow Process of the
Naval Academy Heat Balanced Engine
（NAHBE）」1978年６月）、及びユナイテド・ス
テーツ・ネイバル・アカデミー・プログレス・レ
ポート第EW−12−79号（United States Naval
Academy Progress Report No.EW−12−79）
に掲載されている「バラメトリツク・バリエーシ
ヨン・オブ・ア・ヒート・バランス・エンジン
（Parametric Aariations of ａ HEAT
Balanced Engine」フエイラ（Failla）、ポーリ
ング（Pouring）、ランキン（Rankin）及びキー
テイング（Keation）著（1979年９月）を参照さ
れたい。 NAHBEプロジエクトは燃焼波エネルギーを
用いて制御しながら空気を内燃機関の燃焼室に注
入することを例示しているが、上記各文献に記載
されているHAHBE機関のピストン、燃焼室、
及び注入制御システムは、理論的可能性に基づい
て作動するモデル又は少なくとも理論的可能性に
近いモデルが完成するまで繰返し設計し直すこと
によつて実験的に作成されれたものである。たい
ていは燃焼燃料調査（CFR）機構のような実験
室で用いられる実験用機関である一気筒の機関が
用いられるが、たまには商業用の多気筒機関を用
いて様々な変数の下に実験が行なわれている。し
かしながら、どのようにしたら面倒でも時間及び
費用がかかり、しかも不正確な試行錯誤を行なわ
ずに、エンジンのピストンやシリンダに付随して
いる幾何学的変数を構成する最適の寸法、並びに
空気と燃料との適切な比率を決定することができ
るかは、不明である。更に面倒なことに、あるエ
ンジンまたはエンジン群で最適の寸法及び最適な
混合割合を見出したとしても、最初のエンジンで
得たのと同様な効果を次のエンジン又はエンジン
群で得ることのできる幾何学的寸法又は変数を推
定することはできないということが判明した。本
発明は、ピストン及び燃焼室の幾何学的配置より
成るエンジン、並びにこのようなピストン及び燃
焼室に用いられる注入物管理制御システムの改
善、並びに注入物管理制御システムを他の様々な
エンジンやエンジン群と共に作動させる際に試行
錯誤の実験の繰返しが最小限で済むようにするこ
とを目的とするものである。 波の相互作用を用いてNAHBEエンジン内の
燃焼室を改善するという考えは、実験的なものに
過ぎないので、これまでのエンジンの設計では、
燃料と空気の混合物の管理には関心が払われなか
つた。ましてや、圧縮が始まる前に燃焼室内に層
を形成すること（空気室を有するピストン付近で
は混合気体を非常に薄くし、燃焼室の反対側付近
では混合気体を濃くすること）は行なわれておら
ず、また、パワーを完全に出力する一方で、でき
るだけ経済的にエンジンを作動させること（例え
ば、混合気体をできるだけ薄くすること）は試み
られていない。理論研究によればNAHBEエン
ジンの効率及びパワーはオツトー機関やデイーゼ
ル・エンジンよりも優れているが、実際の商業的
エンジンをこのように改良する最適の方法は今の
ところまだ存在していない。これは、注入物を自
動的に管理する実際的な方法が未だ明らかにされ
ていないためである。実験的NAHBEエンジン
では通常弁操作で注入物を管理してエンジンが恒
常的に作動するようにしている。 発明の簡単な記載 この発明は、内燃機関の燃焼室に供給された吸
入充填物をばらまく概念に基づくものであり、こ
の内燃機関は予備燃焼の加熱された混合物及びポ
スト火炎燃料ラジカルを有し、空燃比を制御する
ことによつて、また、低い圧縮比での圧縮点火内
燃機構においてはピストンの作用端の温度を制御
することによつて、ラジカル増加自己点火領域の
両側において充填物の点火ポイントを制御する。
ピストンの作用端には空気室が備えられ、この空
気室はNAHBE概念に関して従来技術に開示さ
れた一般的なタイプのものである。従つて、その
作用端において、ピストンはキヤツプの下側に位
置付けられ、好ましくは上側ピストンリングの直
上における縮径されたキヤツプの周縁下の環状室
内の空気室を有するキヤツプ構造に似ている。こ
の構造は前のサイクルからのポスト燃焼ラジカル
を蓄えるばかりでなく、ピストンリング溝及び他
の隙間領域のガス抜きによつて得られるプレ燃焼
炭化水素ラジカルを生成、保護及び保持する新規
な方法を提供する。プレ燃焼ラジカルはピストン
上方の作動室内での直接な燃焼効果から保護され
ており、これに対し、前のサイクルのポスト火炎
ラジカルは次の吸入充填物のまきちらしに使用さ
れるために空気室内において所望の温度に保持さ
れている。 内燃機関において、このラジカル管理のプロセ
スはラジカルを使用する燃焼工程に亙つて正確な
制御を許容し、これにより、所定の圧縮比を有す
る所定の内燃機関での所定の充填物のラジカル増
加自己点火ポイントに対し高精度にして、充填物
の点火を実施することができる。この発明によれ
ば、充填物の点火はこの充填物の温度を調整する
ことで正確に制御することができ、これにより、
同じ燃料を使用する同じ内燃機関においてね所定
の燃料の点火は自己点火か又は火花点火でもつて
選択的に開始される。５〜９：１の低圧縮比でも
つて自己点火を実施することが可能であり、ま
た、圧縮された充填物の温度に関する臨界制御は
ある範囲内で空燃比を正確に制御することによつ
て得ることができ、この制御はラジカル増加自己
点火ポイントの両側に対して圧縮された充填物の
温度を調整する。 自己点火モードにおいて、５〜９：１の低い圧
縮比で規制正しく作動するように構成された内燃
機関の場合、例えば、ピストンの作用端の温度、
特に空気室上方のキヤツプ領域の温度が内燃機関
の如何なる圧縮比又如何なる燃料においても臨界
となることが発見されている。異なる熱的な熱伝
達係数を有する異なるキヤツプの材料、並びにキ
ヤツプ及びピストン機構の熱伝達特性を変える異
なるキヤツプ構造は、ピストンの作用面及びこの
作用面下側の空気室の温度効果に起因して、ラジ
カルがまかれた充填物の自己点火ポイントにすべ
て影響を及ぼす。所定の圧縮比を有し、所定の燃
料を使用する内燃機関にとつて、この内燃機関か
ら最適化された最大の出力を得るような材料でキ
ヤツプを構成するか及び／又はキヤツプをピスト
ンボデイに取付けることにより、ラジカル増加自
己点火の適切なタイミングを得ることができる。 図面の説明 第１図は本発明を組み込んだ内燃機関用ピスト
ンの正面図であり、第２図は、エンジンの円筒状
ボア内に配置された第１図のピストンの正面図で
あり、第３図は、第１図のピストンが組み込ま
れ、空気燃料比制御システムを有する燃料吸気内
燃機関の概略図であり、第４図は、燃料噴射器を
用いてエンジンの作用室に物質を直接注入する第
３図と同様の内燃機関の概略図であり、第５図は
本発明に基づいて構成されたピストン・ギヤツプ
の実施例を示す平面図であり、ピストン内の空気
室とエンジン作用室との間のこのギヤツプはピス
トンの頂部の周囲が均一であり、第６図はギヤツ
プの別の実施例を示す平面図であり、空気室と作
用室との間のギヤツプは均一ではなく、円形ピス
トン・キヤツプがシリンダ・ボア内の同心に配置
されることによつて形成されたものであり、第７
図は本発明に基づいて形成されたギヤツプの更に
別の実施例で、ギヤツプは不均一で、ピストンの
周囲に分割されて配置されているものであり、第
８図はピストン空気室の上面の別の形状を有する
第１図のピストンの断面を詳細に示す図であり、
第９図はピストン・キヤツプの別の構造を示す第
１図のピストンの断面の正面図であり、第１０図
は古典的理論であるヘルムホルツの共鳴室と本発
明に基づいて構成されたピストン空気室との類似
性を示す概略図であり、第１１図は共鳴ピストン
室によつて作用室内に誘発される閉じた音管共鳴
を概略的に示す図であり、第１２図ａ−ｂは本発
明を組み込んだエンジンの動作サイクルを描写し
た図であり、第１３図は、本発明に基づいて構成
されたエンジンの馬力を示すためのもので、同エ
ンジンの作用室に供給される注入物質の空気と燃
料との比率に関する一連のグラフであり、特定の
燃料消費、不燃焼排気炭化水素、排気−酸化炭素
（体積パーセント）並びにエンジン用「ラン・ク
オリテイ・インデツクス」（RQI）相関を示すも
のであり、第１４図は、燃焼室の圧力と温度、燃
焼室内の注入物の自然発火領域、及び燃焼室内の
注入物の急激に増加した自然発火領域間の相関を
示す図である。 発明の好適な実施例の記載 図面、特に第１図乃至第３図に関し、この発明
はシリンダ１２と、このシリンダ１２内で往復動
するピストン１４とを有し、吸入充填行程、圧縮
行程、燃焼／爆発行程及び排気行程からなる作動
サイクルで作動される内燃機関１０の改良を意図
している。内燃機関においては、自然に吸気さ
れ、過給され（吸気が加圧され）、混合され、そ
して燃料噴射がなされるか、又は、これらの組合
わせがなされ、そして、吸入されるのは通常適切
な炭化水素燃料と空気との混合気であつて、これ
ら全てのことは内燃機関の分野において良く知ら
れたことである。図示された特定の好適する実施
例は往復動ピストン形の内燃機関であるが、しか
し、ここに開示され、権利を主張するこの発明の
概念はロータリーピストン形の内燃機関にも同様
にして容易に適用できるように考慮されている。 第１図及び第２図に示されるように、この発明
により構成されるピストン１４はシリンダ１２内
に配置されている。ピストン１４が往復動すると
き、このピストン１４はピストン１４の頂部とシ
リンダ１２の閉塞端との間にその容積を可変可能
な作動室１６（「燃焼室」として示される）を形
成する。ピストン１４は通常のガイド部即ちスカ
ート部２０を、シールリング２４のためのシール
リング溝２２と、ピストン１４とコネクテイング
ロツド２８との間の連結ポイントのピストンピン
軸受２６とを備えており、コネクテイングロツド
２８はピストン１４を内燃機関１０の出力クラン
ク軸３０に連結する。ピストン１４はシリンダ１
２内にクリアランスCL（第２図）を存して嵌合さ
れており、ピストン１４は全て公知の原理に従
い、内燃機関の周期的作動中、下死点（BDC）
と上死点（TDC）との間を往復動する。 この発明により構成されたピストン１４は作用
端部を備え、この作用端部は冠部即ちキヤツプ３
２を有している。このキヤツプ３２は直径寸法を
有し、キヤツプ３２の直径はスカート部２０の直
径よりも小さい。キヤツプ３２は通常対称的なボ
デイを有し、このボデイの直径ｄはスカート部２
０の主直径Ｄ（第１図参照）と比較して縮径され
ている。半径のみを考慮するならば、キヤツプ３
２はスカート部２０の主半径Ｒ（第１図）と比較
して縮径された半径ｒを有するものとして示され
ている。第２図に示されるように、ピストン１４
がシリンダ１２内に配置されると、ギヤツプｇの
幅はＲ＋CLとｒとの間の差によつて示されるこ
とが明らかである。例えば、第１図に示されるよ
うに、ピストン１４をシリンダ１２から独立して
見ると、ギヤツプｇはスカート部２０とキヤツプ
３２との間に跨る想像円筒面３４とｒとの間の横
方向寸法によつて規定することができる。想像円
筒面３４はシリンダ１２のボアＢ（又はクリアラ
ンスCLを無視できるならば、ピストン１６のス
カート部２０の直径Ｄ）に実質的に等しい直径を
有している。想像円筒面３４はピストン１４を受
け入れるシリンダ１２のボアの軌跡としてみるこ
とができ、又、上記クリアランスを無視できるな
らば、スカート部２０の上部を規定する曲面の軌
跡としてみることができる。以下の記載及び権利
範囲の請求において、ピストン１４とボアとの間
のクラアランスCLは、この発明の記載が複雑に
なるのを避けるため、種々の数学的関係及び幾何
学的形状を計算する上においては大部分無視され
る。クリアランスCLを無視できない場合、クリ
アランスCLの寸法を考慮に入れることについて
は、この種の計算をなす当業者にとつて容易に理
解できるものである。 第５図、第６図及び第７図に示されるように、
キヤツプ３２は異なる形状で構成することができ
る。例えば、第５図に示されるキヤツプ３２はピ
ストン１４から同心的に突出された突出部であ
り、キヤツプ３２の全周囲には均一なギヤツプが
存している。第６図に示されるキヤツプ３２は偏
心されてはいるが対称的な突出部であり、キヤツ
プ３２の周囲のギヤツプｇは一様に変化してい
る。又、この発明の幾何学的要求を満足する他の
形状としては、例えば第７図に示される形状があ
る。この第７図のキヤツプ３２はギヤツプを２つ
の領域に分割する形状となつており、このギヤツ
プはピストン１４又はボアの周囲において、その
周方向に沿つて変化する幅を有している。ギヤツ
プ及びキヤツプの種々の形状は種々の形態の内燃
機関にこの発明を適用する上で生じるものであ
り、所望の作動サイクルに合せるために必要であ
る。しかしながら、後述されるこの発明は概念を
理解することで明らかなように、この発明を具体
化する（キヤツプを含む）ピストン及び燃焼室の
全ては、この発明が適用される内燃機関の種々の
パラメータ及び寸法を含むある数学的関係によつ
て関係付けられる。 先のNAHBEタイプのピストン特性を有する
ピストン１４は、キヤツプ３２の下側であつてス
カート部２０つまりシールリング溝２２の上側に
縮径部３６を備えている。この縮径部３６はキヤ
ツプ３２の下側であつて、シールリング２４の上
側に空気室３８を形成しており、この空気室３８
はギヤツプｇのみを介して作動室１６に連通して
いる。つまり、空気室３８はその径方向において
最も内側の部位である縮径部３６と、径方向にお
いて最も外側の部位であるシリンダ１２のボア即
ち想像円筒面３４と、軸方向に離間するとともに
径方向に収束する上側及び下側面４０，４２は、
ギヤツプ長Ｌと、トツプシールリングの上側の隙
間（LR）の長さとによつて完全に規定される。
好適する実施例において、空気室３８から作動室
１６へ外側に向かつて流れる所望の動的なガスの
流れに関連して後述する理由により、ビストン１
４の作用端部に近接した上側面４０は鋭いエツジ
４４（第２図）に沿つてピストン１４のキヤツプ
３２の周縁と交差する。 キヤツプ３２の周縁領域には軸方向面４６が含
まれ、この軸方向面４６は軸方向長さＬを有して
いる。この軸方向長さＬはギヤツプの長さを規定
している。この好適する実施例において、軸方向
４６は傾斜面４８づたいにピストンの作用面と交
差している。この発明によれば、ギヤツプｇの軸
方向長さＬはギヤツプの幅ｇ、空気室３８の容積
V_B及び上側及び下側面４０，４２の幾何学的寸
法とともに重要な寸法である。容積V_Bは正しく
計算され、この容積V_Bはギヤツプｇの容積V_gを
含んでいる。この容積V_gはギヤツプの面積（ピ
ストン回りのギヤツプの周方向長さ（第５図乃至
第７図を参照）をギヤツプの幅分だけ積分して得
られる）にギヤツプの軸方向長さＬを掛けて求め
られ、この軸方向長さＬはキヤツプの軸方向面４
６の周面に沿つて測定される。このような長さ及
び容積の決定は型にはまつた数学的原理によつて
なされ、労力を必要としない。また、第１図に示
されるように、空気室３８の容積V_Bはピストン
１４とボア１２（想像円筒面３４）との間におい
て、隙間面５０に沿いトツプシールリング溝２２
の上側の周縁にまで至る隙間容積V_Cを含んで計
算される。しかし、隙間容積V_Cについては、そ
の意義が特に重要となる特定の場合を除き、この
発明の説明及び記載に関して大部分無視する。 第２図において、空気室３８の上側及び下側面
４０，４２は滑らかであるように示されている
が、第８図の変形例では少なくとも上側面４０に
径方向及び軸方向に突出するフインが示されてい
る。これらフインは、以下により詳細に説明され
るように、内燃機関の作動中、空気室３８内を循
環する空気とキヤツプ３２の下側部との間の熱交
換をなす上での助けとなる。 更に、他の実施例におけるピストン１４の構造
が第９図に図示されており、ここではキヤツプ３
２はピストンの主ボデイに適当な固定部材５６を
介し、又ろう付けや溶接を含む他の適当な固定機
構を介して組付けられる分離部材５４である。ま
た、上側及び下側面４０，４２に、空気室３８の
ラジカルを促進させるか又は空気室３８内に生じ
る科学的反応の作用力を制御する上で助けとなる
ように適当な触媒物質５８を被覆することもでき
る。 慣例に従えば、ピストン１４と同様なピストン
を使用する内燃機関１０において、その圧縮比の
決定は、ピストンがBDCにあるときの作動室及
び空気室１６及び３８夫々の全容積の比と、ピス
トンがTDCにあるときの作動室及び空気室の容
積とを比較することにより容易になされる。ピス
トンがTDCにあるときの作動室の容積は慣習上
作動室の「遊び」容積として示される。便宜上、
空気室の容積はしばしば「V_B」として簡単に示
され、V_Bに対するV_Aの比は初期の理論的「熱平
衡サイクル」用語から「平衡比」として慣習上示
されている。この理論的「熱平衡サイクル」用語
において、熱は「平衡」状態で理論的空気サイク
ルに加えられるものと考えられる。この発明の背
景となる理論的熱平衡サイクルについて付加的な
情報が望まれるならば、上述した理論的「熱平衡
サイクル」用語を含む種々の出版物を容易に参照
することができる。 この発明を使用する典型的な内燃機関のシステ
ムは第３図及び第４図に示されている。第３図に
おいては典型的な燃料吸入形の内燃機関が概略的
に図示されており、第４図には典型的な燃料噴射
形の内燃機関が図示されている。各内燃機関は第
１図及び第２図に示された形状のピストン１４を
備えるとともに、ピストン１４をフライホイール
６０が取付けられてなる出力軸３０を連結する適
当な機能的機構を備えている。第３図において、
吸入形内燃機関は吸気マニホルド６２を有し、こ
の吸気マニホルド６２を通じて燃焼可能な空気及
び燃料がなる混合気が絞り６６の主制御の下、内
燃機関の吸気ポート６４に供給される。 この発明の好適する実施例において、燃料は吸
気マニホルドに供給される第１空気流６８に加え
られ、又、第２空気流７０はそれ自身のための分
離された制御システムに備えられている。この制
御システムについては第１３図の記載に関連して
以下に説明される。第３図の概略的な実例は共通
のマニホルドに接続された第１及び第２空気流を
示している。内燃機関の作動室に供給される第１
及び第２空気流の供給並びに制御を分離してなす
には分離されたマニホルドが他の装置とともに利
用される。全ての場合において、第１及び第２空
気流（必要な燃料とともに）は適切に調整即ち制
御され、これにより、作動室に充填される各吸入
行程中では、これにより、作動室に充填される各
吸入行程中では、空気のみ若しくは非常に小さな
割合の燃料を含んだ空気（燃焼の継続には不十分
である）が先ず作動室に吸入され、そして、遅れ
て充填供給源の主の側から燃料の濃い混合気が吸
入される。従つて、燃料が開始するとき、実質的
に空気のみがピストンの近傍にあり、全充填物
（吸気ポートが閉じられたとき、作動室中の全空
気及び燃料を含む）中の燃料の全部がピストンと
は反対側の作動室の端部側に含まれる。充填物の
圧縮が進行するとき、非常に僅かな燃料を含んだ
空気はギヤツプｇを介してピストンキヤツプ３２
の下側の空気室３８に移動され、ここで、作動室
内の残りの充填物とともに圧縮され且つ加熱され
る。空気室３８の幾何学的形状、特に上側及び下
側面４０，４４の幾何学的形状により、空気室３
８に移動された空気はキヤツプ３２の下側におい
て、環状の渦巻きパターンで急速に渦を巻き、こ
れにより、この空気は上側及び下側面４０，４２
との間で直接的な熱交換をなして循環される。移
動された空気とピストンキヤツプ（特に上側面４
０）との間でなされる熱交換は非常に重要であ
る。何故なら、このことは慣用的なピストン形状
を有するオツトー及びデイーゼルサイクルと比較
して、この発明における作動サイクルの効率を改
善する根拠になるものと考えられる。本質的に、
前の圧縮／爆発行程によつて加熱されたキヤツプ
とこのキヤツプの下に移動された空気との間にお
いて後の圧縮行程中に行われる熱交換は再生的効
果を生起させ、この再生的効果は慣用的なオツト
ー若しくはデイーゼルサイクルと比較して、与え
られた燃料の量での各サイクル中におけるトータ
ル的な排熱を小さくする。従つて、必要ならば、
第８図及び第９図に図示されたようなフイン及び
触媒面を使用して、空気室３８に移動された空気
とピストンにおける作用端でのキヤツプ３２との
間でなされる渦巻き式熱交換を最適になすことが
できる。 通常、僅かな燃料が空気とともに空気室３８に
運ばれることから、作動室１６内と同様に空気室
３８内においても、ある炭化水素のラジカル生成
作用が生じる。高圧及び高温状態の下での炭化水
素燃料のラジカル生成反応は、例えば米国特許第
4317432号を参照することで公知であるとともに、
ここにその現象が記載されている。空気室３８内
に発生されるラジカルの生成及びその処理並びに
これらが作動室１６内での主反応に対して貢献す
るように使用される様子は第１２ａ図乃至第１２
ｐ図の説明と関連して以下に論ずる。 第４図において、内燃機関７２は同様なピスト
ン１４を使用している。しかし、第３図に図示さ
れた燃料の吸入システムに対して、燃料はインジ
エクト７２を使用することによつて噴射される。
内燃機関の作動室に直接高圧の燃料を供給するも
のとして示されたインジエクタ７４か又はこれの
代わりの燃料噴射装置が利用され、これらは圧縮
行程の開始において作動室での軸方向の層化を保
証する。また、吸気ポートの領域での間接的な燃
料の噴射は必要な層の制御を生じさせるが、しか
し、この発明は所定のインジエクタシステムを基
礎とした方法に制限されるものではない。第４図
での燃料は絞り７９′の位置に応答する噴射コン
トローラ７９を介して供給される。第３図及び第
４図の両内燃機関の実施例において、排気ポート
８０は作動室１６から燃焼生成物を排出するた
め、排気マニホルド８２に接続されている。第３
図において、火花点火器８４は通常通りに作動室
１６内での燃焼反応を開始するのに役立ち、この
点火器８４にはデイストリビユータ８６を介して
高エネルギの電気的ポテンシヤルが供給される。
これにより、ピストン１４の動きに関係したタイ
ミングで作動室１６内に火花を生起することがで
きる。第４図の実施例において、点火は圧縮によ
り誘起されるか、又は火花によつてなされる。 この発明によれば、ヘルムホルツ
（Helmholtz）共振器として空気室を作動させる
ため、燃焼室の充填物の点火に衝撃波エネルギを
使用することが望ましい。ヘルムホルツ共振器は
一般に良く知られており、また文献に広く記述さ
れている。内燃機関の燃焼室という環境におい
て、ヘルムルツ共振器の古典的な論議は1951年10
月30日にエー・ジー・ボーデイン、ジユニア
（A.D.Bodine，Jr）に許可された米国特許第
2573536号に見ることができる。この特許は燃焼
プロセスでの爆発波を弱めるか若しくは無くすプ
ロセスに関するものである。 第１０図において、図の上部は古典的なホルム
ホルツ共振器を示しており、このヘルムホルツ共
振器は所定温度のガスが入れられた室９０を備
え、この室９０は制限された開孔即ちネツク９２
を有している。このネツク９２は長さLnを有し、
その両端に幾何学的なオリフイスを有している。
ネツク９２内の空気に、室９０内におけるガスの
固有共振周波数に相当する励起周波数Ｆが与えら
れると、室９０内に共振状態が生起され、この室
９０のガスはヘルムホルツ共振周波数で発進され
るとともに、比較的小さな入力エネルギでもつて
発信状態が維持される。ネツク９２における直
径、断面積及び長さLnと室９０の容積は可変可
能であつて、これには室９０の発振状態を決定す
るが、しかし、ヘルムホルツ共振器の理論は室９
０自体の実際の形状に関して全く一般的なもので
ある。従つて、この発明は、ピストンがボア内に
配置されたとき、作動室からギヤツプｇを介して
この空気室に与えられる周期的圧力波エネルギに
応答して、第１図又は第２図に示されたピストン
構造の空気室３８がヘルムホルツ共振室９０のよ
うに正確に反応することができるという仮定に基
づいている。ヘルムホルツ共振室を構成する部材
が適当な形状をなしているとき、室３８の温度に
おいて、室３８内のガスのヘルムホルツ共振周波
数に対してその周波数が一致する入力圧力波エネ
ルギは第１０図の上部に描かれたシステムと同様
にして空気室３８に共振状態を誘起する。古典的
なヘルムホルツ共振室形態とピストン１４の形状
によつて得られたヘルムホルツ共振器との間の類
似は第１０図の上部及び下部に図示されている。
ヘルムホルツ共振室９０（即ち３８）の共振周波
数を計算する上では、ネツクの長さLnが重要で
あるとともに、このネツクの長さLnはネツクの
入口及び出口端の幾何学的形態に応じて適切な無
次元定数によつて調節されなければならない。例
えば、フランジが付けられた入口はネツクにある
有効な長さを与え、一方、第１０図の下部に示さ
れた傾斜入口はネツクに異なる有効長さを与え
る。実際上、第１０図の下側の室形態で示された
傾斜入口にとつて、0.6と0.85との間にヘルムホ
ルツ補正因子は共振システムによつて「示され
る」有効なネツク長さを得るため、実際のネツク
長さを調整するように与えられる。 ピストン及び燃焼室の最適な効率及び作動が達
成されるようにするならば、この発明の重要な局
面は、その燃焼温度において燃焼室では音速に近
い速度で伝達される周期的に衝撃周波数と充填物
の点火及び爆発の膨脹周波数との間に必ず存在す
るある関係を発見すること；シリンダの幾何学的
寸法；空気室の容積；ギヤツプの幅；長さ及び断
面積；燃焼温度である。さらにまた、この発明を
異なる形態の内燃機関に適用する場合において、
これらの関係を理解することやピストン、燃焼
室、ギヤツプ及び空気室における形状及び容積を
設定することが重要である。前述したように燃焼
波の相互作用に応答する空気室を利用した
NAHBE内燃機関が既に実用に供されているが、
「熱平衡」即ち「再生」理論によつて示される理
論的効率の限界に達するための実際の内燃機関の
最適化は実用の形態では未だ容易に得られていな
い。従つて、この発明はより最近の発見に基づい
ており、所定の燃料を使用し、所定のシリンダボ
アを有する内燃機関のピストンの形状、圧縮比及
びその移動を数学的に規定することが可能であ
り、これにより、ヘルムホルツ共振状態が保証さ
れ、そして最適な内燃機関の作動を得ることがで
きる。 特に、作動室１６内の充填物の点火により、作
動室内に音速に近い速度で伝達される周波数F^A
の周期的な振動衝撃波が生起されると仮定する
と、空気室はサイクルの燃焼／爆発行程中ヘルム
ホルツ共振器のようにF_A周波数により、その固
有振動数F_Bの下、ヘルムホルツ共振で作動され
る形状に構成される。一方、シリンダボア、空気
室３８、ギヤツプｇ、軸方向ギヤツプ長さ及びギ
ヤツプの断面積の幾何学的比率は次式により確立
される。 V_B＝SC²／（Ｌ＋K_g）（2πF_B）²cm³ ここで（全ての次元はメートル単位を使用す
る）、 V_Bは空気室３８の容積； Ｓはギヤツプｇの断面積； Ｃは作動室１６内で圧縮された充填物のほぼ自
己着火温度での空気室３８の温速； Ｌはギヤツプ長さ； Ｋはギヤツプの両端領域の形状に基づきギヤツ
プの有効長さを調整するため、0.6と0.85との間
の適当なホルムヘルツ無次元補正因子； F_Bは（Ｋ／Ｂ）Hzに等しく、ここで、Ｋは
43000と51000との間の数値であり、Ｂはボアの径
（クリアランスが無視されるならば、ピストンの
直径）； また、ｇは、ｇ＝0.01072B＋0.1143で表わさ
れ、その公差は＋0.050から−0.025cmの範囲にあ
る。 ギヤツプｇがピストンの周囲で可変するなら
ば、上記寸法ｇを有する均一なギヤツプは断面積
Ｓを示す。実際のギヤツプ面積はギヤツプ形状に
関連した面積値を満足しなければならない。対称
的ではないギヤツプの最大幅は、内燃機関の作動
サイクルの少なくとも幾つかの行程中、空気室と
作動室との間にチヨーク流（臨界圧力比）が得ら
れるときに生じる寸法を越えることはなく、そし
て、作動室に発振周波数F_Aが与えられたとき全
ギヤツプ面積及び容積はヘルムホルツ共振器の要
求を満足しなければならない。 さらにまた、ギヤツプ長さＬは作動室と空気室
との間に如何なる火炎の伝播も常に断つように初
期に選択される。（空気室に燃焼可能な混合気の
ポケツト若しくは領域が存在すると仮定した場
合、即ち、火炎の先端が燃焼室を走る前に空気室
に燃料が入つていると仮定した場合）上記Ｌの計
算は、このＬが通常作動室における燃焼の絶対温
度及び作動室の圧力に関係あるとして、慣例的に
次式の火炎伝播遮断理論によつて求められる。 Ｌ∝（Ｋ）（TA）^1/2／PA ここで、 Ｋは定数； TAは作動室の燃料の燃焼温度； PAは作動室の圧力； である。 また、V_Bに対する上述の式において、如何な
る方向でもギヤツプ及び空気室の最大の線形寸法
は、内燃機関の作動サイクルの燃焼／爆発行程
中、空気室３８の温度においてこの空気室３８内
の共振周波数F_Bの1/4波長よりも小さいと仮定さ
れている。 空気室でのF_Aと共振条件との間の適度に広い
周波数応答、つまり「Ｑ」と呼ばれている応答を
得ることが望まれており、また、次の式は前述の
V_Bの式を満足する寸法を「調整」するのに使用
されている。

【化】 Ｌ，ｇ，Ｓの寸法がV_B及びＱの両式を満足す
るとき、この発明に従う適切な寸法関係が確立さ
れる。適切な平衡比、ギヤツプの幾何学的形状及
び空気室の容積が内燃機関の所定の燃料、圧縮
比、ボアの寸法並びに内燃機関のストロークに対
して与えられる。 この発明の他の局面は、上述した変数の適切な
「調整」のもと、ピストンの作用面上における作
動室の「音管」発振により、作動サイクルの膨脹
行程での終期において作動室の燃焼領域に激しい
混合を生起するという発見がある。閉塞管の音管
共振の原理は良く知られており、その基本共振周
波数は管の長さ及び管内のガス温度での音速のみ
に依存する。この発明では、少なくとも僅かな時
間の間の音管共振において、作動室を作動させる
ように、ほぼ周波数F_B（作動室は元の燃焼温度よ
りも冷却されているので、F_Aに対していくらか
異なつた固有周波数）もと空気数の共振ガスを使
用することでピストンがBDCに達するとき、ピ
ストン上方のシリンダボア内に基本又は調和音管
共振を誘起する。しかしながら、理論的には音管
共振時に、膨脹行程中多数のポイントで、作動室
を作動可能であるべきである。第１１Ａ図におい
ては音管共振の原理が図示されており、ここで
は、ピストン１４がBDCに達しており、空気室
３８はF_A周波数又はこの周波数の近傍で共振し
ている。この空気室３８は温度TAで作動室を発
振させるとともに、波線９４によつて概略的に示
されるように基本音管周波数において長さLWを
有している。 各作動サイルクの圧縮行程の後期において、キ
ヤツプ３２と室３８の空気との間に係わる熱交換
の意義を強調することが重要である。キヤツプに
おける前サイクルの蓄熱はサイクルの全効率にと
つて大きく貢献し、それ故、キヤツプの温度は重
要である。キヤツプの温度はキヤツプの為に適当
な材料を選択することにより、また、内燃機関の
作動中、所望のキヤツプ温度を達成して維持すべ
くこのキヤツプを主ピストンボデイに連結するこ
とで制御することができる。F_BがF_Aに一致する
のを確保するため、空気室３８の温度は、この発
明のシステムの作動を満足させるのに重要な所望
のヘルムホルツ共振を得るため、燃料の点火時の
圧力で制御されなければならない。 さらにまた、火花点火形の内燃機関において、
空気室３８の温度をその圧力において作動室の燃
料の爆発温度以下、即ち「ノツク」温度以下に維
持することが重要であり、これにより、内燃機関
の全ての作動状態においてエンジンノツクが避け
られる。また、第１２ａ図乃至第１２ｐ図に関連
して以下に詳細に説明されるように、空気室３８
の温度は制御されなければならず、これにより、
室３８内のラジカルの生成及び室３８内に移入さ
れた（又は既に入つている）ラジカルの維持は、
その内部のラジカルが燃焼を増進させる見地か
ら、必要な複合物と反応しないような温度以下に
室の温度を維持することによつて保証される。 上述した式に従い、所定の内燃機関のために適
当なピストン及び燃焼室の幾何学的形状を得るに
付け加えて、この発明はまた、この発明のピスト
ン及び室を使用した内燃機関の作動室に供給され
る充填物の空燃比を制御するために適用される内
燃機関調整システムを得ようとするものである。
燃焼を開始するために火花点火が使用されるなら
ば、空燃比に加えて点火時期の進角セツテイング
が制御される。 出発点として、内燃機関１０又は７２（第３図
又は第４図）は適当な試験台（図示しない）上に
おいて完全に「測定」され、その内燃機関の空燃
比；点火タイミング；図示馬力；図示燃料消費
量；エンジン速度；負荷；燃料流量；排出物（特
に、不燃炭化水素及び−酸化炭素）が確定する。 第１３図に示されるように、一組の曲線がエン
ジンの測定手順から得られ、これら曲線は−炭化
水素（CO）、不燃炭水素（UHC）、図示燃料消費
量（ISEC）及びその全作動域に亙る内燃機関の
空燃比に関しての図示馬力（IHP）を示してい
る。試験所での経験的実験では、前述した式によ
つて得られるピストン及び燃料室の幾何学的形状
が利用されたとき、全ての内燃機関において一律
的に最大出力時での空燃比が約16：１であり、又
最も経済的な場合での空燃比が約20：１であるこ
とを示している。従つて、最大出力時で16：１、
また最も経済的な場合で20：１の範囲で変化する
空燃比可変域が得られるとともに、この発明のピ
ストン及び燃焼室を有する内燃機関のための冒頭
の燃料及び空気分配システムが確立される。しか
しながら、内燃機関に許容される最大の効率を得
るため、内燃機関の他の作動状態のもとで空燃比
を制御する問題は今だ残つたままである。 許容される最大の効率を達成するため、この発
明は、内燃機関のいろいろな作動速度において、
CO，UHC，ISFC及び空燃比に対するIHPに関
し、最近明らかにされた特性曲線を使用する。
「ランクオリテイ インデツクス（Run Quality
Index）」つまりRQIと呼ばれている曲線は次式
により数学的に計算される。 RQI＝（IHP）Ｋ／（ISFC）（UHC）（CO） また、RQI曲線は第１３図の右側にその縦座標
を有する曲線１０６として図示されている。従つ
て、実際には、内燃機関の最適な走行に関する最
適な空燃比を示す鋭いピークを有する曲線１０６
を得るため、RQI曲線は燃焼室に供給され、そし
て排気流に排出されるものに関する。最大RQIに
おいて、内燃機関が如何なる速度及び負荷状態で
も実際に最大の効率で作動することは明らかであ
る。勿論、この効率は同様な条件において、理論
上の最大効率と等しい必要はない。最大のRQI曲
線は実際の内燃機関の作動中において、充填され
る空燃比並びに適切な点火タイミングを達成する
ための目標となる。しかし尚、全ての内燃機関の
作動状態において、内燃機関の最大のRQIを得る
方向で充填物の組成を調整することができるよう
に、空燃比及び点火タイミング（火花点火と仮定
して）を制御できる適当な制御手段わ得る必要が
ある。 前述した内燃機関の測定中において、各内燃機
関のPRM試験での最適なRQIを生じる最適な空
燃比及び点火タイミングが決定されると仮定され
る。さらにまた、この発明によれば、例えば、第
３図に示された燃料吸入式内燃機関の吸気マニホ
ルド６２に供給される初期の充填流の空燃比は、
内燃機関の最大出力作動時での最適な経済的空燃
比の約２倍となるように調整され、そして、２次
空気は全体の空燃比がバランスするように調整さ
れる。２次空気（第３図において７０で示され
る）には制御機関が備えられ、この制御機関はい
ろいろな内燃機関の負荷及び速度状態において、
最適なRQIで内燃機関を作動させる空燃比を提供
するために、内燃機関の吸気マニホールドに供給
される２次空気の量を絶えず調整する。 この発明によれば、２次空気は、アイルビン
（Irvin）及びミツシエル レシユナー（Michael
Leshner）に許可された米国特許第4368707号に
開示されたような「リーン制限制御」システムを
使用することにより、つまり、内燃機関の最適な
RQIに相当する「リーン制限」を求める上記シス
テムを修正することによつてのみ制御される。勿
論、特許されたシステムは、RQI作動に拘らず、
内燃機関の最低の不点火リーン制限を求める。し
かしながら、このシステムはその測定を適切に調
整することにより、最適なRQIでの内燃機関の作
動に対し、最適な空燃比を求め、これにより、最
大RQIのいずれの側においても、「不点火」の状
況が見られる。上記システムは最大RQIに向かつ
て空燃比を調整することによつて応答する。 従つて、第３図を参照すれば、２次空気流は絞
りプレート即ち弁１１０によつて制御され、この
弁１１０はサーボモータ１１２によつて制御され
る。このサーボモータ１１２は上述の特許第
4368707号に記載されているのと同様なリーン制
限制御システムの中央制御ユニツトによつて制御
される。上記特許に記載されたリーン制限制御シ
ステムはピツクアツプ１１６により磁気的にフラ
イホイール６０の角速度を瞬時に検出することに
より内燃機関の出力を瞬時に検出する。ピツクア
ツプ１１６はこのピツクアツプ１１６に近接した
フライホイールの歯の通過速度を瞬時に検出す
る。速度信号はライン１１８を経てセンサ信号を
受取つた後、中央制御ユニツト１１４において瞬
時の加速（又は減速）信号を生起するために処理
される。中央制御ユニツト１１４は瞬時の加速又
は減速信号を内燃機関の瞬時の出力示度として
「解釈」し、サーボモータ１１２を「リーン側」
又は「リツチ側」に指令し、これにより、弁１１
０はリーン若しくはリツチ状態を得るために開作
動又は閉作動される。制御システム１４によつて
求められた所定の空燃比は第１３図の曲線１０６
によつて示されるように、最適なRQIを生起する
空燃比に相当する。この点において、内燃機関に
供給される燃料と要求される出力との間の最適な
バランスをとる状態で内燃機関の作動がなされる
と認められ、内燃機関は「得ることの出来る」最
大の効率でもつて作動する。勿論、不点火がセン
サ１１６によつて検出されたならば、このことは
空燃比が不適当であり、また更に内燃機関に要求
される出力を得るために調整しなければならない
ことを中央制御ユニツト１４に指示する。しかし
ながら、センサ１１６が不点火制限に達したこと
を認識したとき、また、中央制御ユニツト１１４
が最適RQIに一致する空燃比を生起するように設
定された２次空気コントローラ１１２を決定した
とき、内燃機関が得られる最大の効率で作動する
ことを容易に認識することができる。 好ましくは、中央制御ユニツト１１４の要求の
下、デストリビユータの進角／遅角の設定を制御
する点火時期コントローラ１２０が設けられ、こ
れにより、前述した内燃機関の測定試験により決
定される適切なセツテイングに従い、フライホイ
ールセンサ１１６によつて認識されるように各
RPMにとつて、最適、RQIの最適な点火セツテ
イングが確立される。従つて、中央コントローラ
１１４は、今議論している「リーン制限制御」シ
ステムに加えて、フライホイールセンサ１１６か
ら内燃機関のRPM信号を受取り、又は引出すセ
ンサを備え、このセンサはライン２２を経てデス
トリビユータの点火進角機構１２０を制御する速
度信号に応答した信号を発生する。 ５〜９：１の圧縮比を使用する例えば第４図の
内燃機関のように、自己点火によつて燃焼が開始
される内設機関においては、内燃機関の最適な
RQI作動を維持するため、空燃比を調整する燃料
噴射制御システム７９を制御するリーン制限コン
トローラ１１４が配置されている。燃料噴射形内
燃機関の各気筒に供給される燃料のタイミング及
び量は、内燃機関の最適なRQI作動に必要な正確
な空燃比を得るため、制御システム１１４によつ
て注意深く制御される。付け加えれば、勿論、制
御システム１１４は圧縮行程中、空気変３８内へ
の燃料を含まない空気の移送に悪影響を及ぼすよ
うな作動室１６内への燃料の供給がないように保
証する。 この発明の好適する実施例においては、内燃機
関の少なくとも高作動速度域の一部で、圧縮行程
の少なくとも一部分において、オリフイスを通る
チヨーク流を生起する古典的な臨界圧力比が空気
室容積V_Bと作動室容積V_Aとの間に生起するよう
に、ギヤツプｇが形成されている。充填物の点火
時期が開始されることで、作動及び空気室１６，
３２間の圧力が等しくならないと仮定すれば、こ
の発明は内燃機関の速度のみに依存した動的な可
変圧縮比を有する内燃機関を得る。内燃機関の速
度が上昇すると、出力を高めるようにその有効圧
縮比も増加する。低速時において、チヨーク流が
誘起されないとき、内燃機関はピストンがBDC
にあるときの作動室の容積とピストンがTDCに
あるときの作動室の容積との間の比に従い、実際
上容積測定における低い圧縮比で作動する。好ま
しくは、チヨーク流が内燃機関野速度範囲の上部
35％以上で存在するようにギヤツプｇは選択され
る。しかし、上述の速度範囲は所定の要求に適合
するように可変さるものである。ギヤツプｇが一
定であれば、ギヤツプの最大幅がしきい速度以上
で空気及び作動室間のチヨーク流を得るのに必要
な値を越えないことを理解でき、ここでは、ギヤ
ツプｇを介して空気室３２内に流出させるような
作動室の圧力不足のため、有効圧縮比は増加し始
める。 さらにまた、作動室の圧力が急激に低下したと
き、排気弁の開弁の瞬間に空気室と作動室との間
のチヨーク流が得られることが分る。排気弁が開
かれるとき、ギヤツプを横切り臨界圧力比を生起
するギヤツプ幅を適当に選択することにより、空
気室内の高圧ガスにおける作動室への膨脹は一瞬
遅らされる。これにより、空気室から排気系への
ラジカルを含む高圧高熱の空気の送出は保持且つ
制御される。勿論、加熱空気及びラジカルの保持
の度合いは絞り状態及び他の要因の程度に依存す
る。例えば、空気室３３に近接したギヤツプの端
縁に鋭いエツジ４４を設けることにより、チヨー
ク流は実際上通常のギヤツプ幅で確保することが
できる。 第１２ａ図乃至第１２ｐ図を参照すれば、この
発明の作動が概略的に図示されており、ここで
は、空気室３８から作動室１６への空気の周期的
なポンピングを生起するヘルムホルツ共振条件の
使用；空気及び作動室間のチヨーク流の状態；音
管共振；結合された発振器；及び内燃機関の圧縮
行程を改善及び制御するためのラジカルの発生／
管理とを含む。 第１２ａ図から始めると、ピストン３８は
BDCにあり、両弁（吸気及び排気）は閉じられ、
そして、ピストンに近接した側に空気と非常に僅
かな燃料と含み又作動室の閉塞端近傍にリツチな
混合気を含む状態で、軸方向に層状の充填物が作
動室１６内において絵的に表わされている。全て
の場合、圧縮行程の開始時においては、含まれて
いないか又は非常に僅かな燃料を含む空気は、空
気が圧縮行程の少なくとも初期に空気室３８に移
入されるのを保証するため、この空気はピストン
の作用端の近傍に存在していなければならない。
このような軸方向の層はいろいろな充填制御装置
を利用して得ることができ、この充填制御装置は
限定されるものではないけれども、空気制御を含
む２重の空気供給吸気マニホルドと、充填物吸入
弁機構と、燃料噴射コントロールと、吸気マニホ
ルドのポート機構等を含む。 圧縮行程は第１２ｂ図及び第１２ｃ図に示され
るように開始して進行し、第１２ｂ図中の矢印１
２３によつて示されるように作動室から空気室に
空気の移入を生じさせる。圧縮行程の進行に従
い、ギヤツプｇ及び空気室の壁の幾何学的形状並
びに室内の流体の運動に起因して、空気室内には
キヤツプ３２の下側にロール渦１２４を形成す
る。このロール渦は重要である。何故なら、この
ロール渦は空気室に入る空気とキヤツプ３２の下
側との間に密接な熱交換を生起させ、幾つかのサ
イクルの後、空気室のヘルムホルツ共振周波数
F_Bが前述したように作動室の固有振動数F_Aと一
致するように、キヤツプは所望の温度に加熱され
ることになる。内燃機関が前述したように動的に
可変される圧縮比を有するように構成されるなら
ば、作動及び空気室１６，３２間のチヨーク流の
開始はピストンが最大の速度に達したとき、圧縮
行程中のある時点でなされる。 そして、ピストンがTDCに達すると、空気室
１６の空気はその温度が所望のヘルムホルツ共振
周波数F_Bに適合する状態に加熱されており、そ
して、充填物の点火が生じる（第１２ｄ図）。空
気室３８内でのラジカルの生成は、空気室の圧力
及び温度の状態並びに内燃機関により燃焼させる
燃料の性質によつて決定される燃料の点火ポイン
ト以前に既に進行されている。しかしながら、空
気室内の燃料は非常に少ないので、繰返して説明
するように、空気中に含まれる僅かな量の燃料か
ら発生されるラジカルの含有量は前サイクル中に
作動室に生成された空気室のラジカルの量よりも
小さいことを容易に認識することができる。 第１２ｄ図において、点火が開始され、火炎の
先端に先立つ衝撃波はまだ作動及び空気室間のギ
ヤツプに達しておらず、そして、第１２ｅ図に示
されるようにイグニツシヨンからの衝撃波はギヤ
ツプに達してこのギヤツプを貫通し、そして、空
気室の加熱されたガスわこの空気室のヘルムホル
ツ共振周波は数でもつて共振駆動する。作動及び
空気室間での圧縮及び膨脹波の相互作用は、ここ
で、燃料の燃焼反応に関与するために空気室から
作動室への空気の周期的振動移動を発生させる。
勿論、燃焼行程に悪影響を及ぼすので、室内の全
ての空気が一度に移入されることはない。むし
ろ、空気は燃焼行程自体に適合する比率に依存す
るようにしてある時間燃料と反応するため、臨界
ギヤツプを介して制御的に放出される。空気室か
ら作動室への空気の移送は、作動室の圧力が増
し、また作動室の全体的な平均圧力が空気室のそ
の平均圧力よりも高いときにさえも、ポンプ作用
のように進行することに留意すべきである。ギヤ
ツプ領域からの衝撃波のはね返りがギヤツプ近傍
の一時的且つ局部的な圧力低下を生起し、これが
空気室から燃焼域へのヘルムホルツ発振の膨脹を
可能とすることが波の相互作用プロセスの本質で
ある。それ故、空気の移動は燃焼行程を完全に通
じて続き、適当な作動室の圧力の減少を引き起こ
すため、ピストンがシリンダの閉塞端から充分な
距離離れた後においては、空気の移動は膨脹によ
つて作動室に排出される空気室の空気能に単に依
存することはない。 第１２ｆ図に示されるように、空気室から作動
室への空気の移動は、空気室が未だヘルムホルツ
共振周波数F_Bで発振している状態で、ピストン
の動きに起因して作動室が膨脹するときに進行す
る。室３８からの高温の空気が外側のシリンダの
壁に沿つて燃焼域に入り、そして、この空気がシ
リンダの作動室の上部領域に中央に向かつて膨脹
するとき、空気と燃料との反応が観測される。 従つて、点火が進行する瞬間から、空気室内で
のヘルムホルツ共振並びにギヤツプ近傍における
衝撃／膨脹波の相互作用のため、空気は絶えず燃
焼領域に供給される。これにより、充填された燃
料の全てが反応するように燃焼行程は改善され
る、何故なら、この発明の装置は燃料要素の全て
を反応させる長時間の燃焼時間を許容するからで
ある。良く知られているように、燃料（燃焼）の
酸化は炭化水素成分間の結合を破壊し、異なる結
合強さを有する中間の化合物を生成する科学的な
プロセスである。燃焼領域に高活性化された酸素
を付加的に含む状態で燃焼の為に付加的な時間を
設けることにより、反応に付加的時間を要求する
不安定な化合物は有効な酸素と反応することがで
きる。勿論、作動室内の火炎の先端が実際ギヤツ
プを貫通して空気室内に入ることは決してない。
何故なら、ギヤツプは如何なる火炎の先端も空気
室に達するのを阻止するように構成されているか
らである。 内燃機関が自己点火モードで作動するならば、
点火タイミングは良く知られているように作動室
内の圧力及び温度によつて決定される。しかしな
がら、この発明によれば、充填物の充填によつて
予め種がまかれているラジカル並びにヘルムホル
ツ共振作用により空気室から供給される付加的な
ラジカルの存在に起因して、自己点火プロセスは
作動室内において多数のポイントで生じるものと
思われる。低い圧縮比での自己点火が円滑になさ
れ、燃焼される燃料及び内燃機関の圧縮比にとつ
てキヤツプの温度を最適にする温度係数を有した
材料でキヤツプを構成することにより、点火タイ
ミングは制御可能である。このことについては、
後に自己点火のタイミングを制御するためのプロ
セスが説明されるとき、更に詳細に論議される。 第１２ｇ図において、ピストンはBDC位置に
近付き、前述したように作動室内に音管共振が発
生される。キヤツプ近傍に残つた燃料の反応は続
き、キヤツプの加熱が放射熱によつて更に生じ
る。 第１２ｈ図において、排気弁が開かれ、そし
て、燃焼生成物は作動室の圧力の低下を伴つて燃
焼室から直ちに排出され始める。空気室に残つた
酸素及びラジカルはギヤツプを横切つて膨脹し始
め（ギヤツプがこの点において空気室と作動室と
の間のチヨーク流を生起するように形成されてい
るならば、遅れを以て）、そして、排気物と結合
するか、残つた燃料と反応するか又は排気物を排
出する熱反応器を提供するように作動室内の炭化
水素化合物の反応可能である。 排気行程中、リング及びクリアランス間隙の不
燃炭化水素及び蒸発した油のガス抜きが生起さ
れ、これら化合物の存在が標準の通常の内燃機関
において排ガス中の不燃炭化水素の量に大きく貢
献することが良く知られている。この発明におい
て、隙間及びリングの領域からの炭化水素をガス
抜きは、隙間に近接した空気室内にのみ拡大され
る。（第２図に示されるように、空気室３８の底
と第１リングシールの上部との間の隙間面５０の
長さは、リングシール溝上の隙間領域の容積を最
少とするため可能な限り短く維持されている。他
方、空気室内への炭化水素及び蒸発した油のガス
抜きは炭化水素のラジカルを生成し、このラジカ
ルは空気室から得られる酸素と作動室内の燃料と
の反応に更に貢献することができる。隙間領域の
ガス抜きによつて生成されたラジカルのいくらか
は後の使用のために空気室に残つている。従つ
て、キヤツプ３２の下側の加熱された空気室３８
はピストンのクリアランス及びリングの間隙から
ガス抜きされた燃料分子のための反応器領域とし
て機能し、これにより、排気流内における源から
のUHCの量を減少又は除去する。ついでに、大
部分の隙間領域がその内部でのラジカルの生成を
許容するため、寸法的にあまりにも小さいことに
留意すべきであり、これにより、より大きく且つ
接近した加熱空気室の容積V_Bの有用性はガス抜
きプロセスによつて発生される排出UHCの減少
において大きな利益を提供する。 排気行程が進行すると、空気室に生起される反
応は更にこの空気室内のガスの膨脹及び動揺を引
き起こし、そして、排気行程が進行するにつれ
（第１２ｉ図及び第１２ｊ図参照）、シリンダ１２
内のギヤツプ領域上でシリンダの閉塞端に向かう
円柱状のガスの加速を生じさせるとともに、続い
てピストンに向かう円柱状のガスのはね返りを生
じさせ、これにより、作動室内に大きな乱流及び
混合を生起する。第１２ｋ図に示されるように、
排気行程の中間部において、ギヤツプ領域を横切
り流れが逆になると、ピストンの加速は空気室内
への燃焼生成物の瞬時の流入を引き起こす。しか
しながら、第１２１図において、排気行程の終期
が近付くと、ピストンの減速及び作動室の低圧は
空気室の最終的な減圧並びにピストンの隙間領域
の完全なガス抜きを生じさせる。 このとき、空気室内における隙間の上記の最終
的な反応はいろいろな炭化水素のラジカルを生成
し、これらラジカルは燃焼行程で生じる排気流に
存在して「ポスト火炎」ラジカルとして特徴付け
られるものに対し「予備火災」ラジカルとして特
徴付けられる。勿論、プレ火炎ラジカルは明らか
にポスト火炎ラジカルとは化学組成においていく
らか異なつている。何故なら、これらラジカルは
充填された燃料の高温及び高圧の燃焼反応におい
て関係することはないが、しかし、排気行程中空
気室に存在する低圧及び低温の燃料分子の亀裂の
みから生じるためである。従つて、室３８内の空
気とともに排ガス中の燃焼生成物からのポスト火
炎ラジカルの残り並びに隙間のガス抜きからのプ
レ火炎ラジカルは高反応の混合物として室内に存
在する。 排気行程が完了すると、排気弁は閉じられ、そ
して吸気弁が開かれる（所定の内燃機関の要求に
適合するように多分適切にオーバーラツプした状
態で）。ピストンは作動室内への次の空気吸入を
開始するために、シリンダボアの閉塞端から離れ
るように移動し始める。第１２ｍ図に示されてい
るように、ピストンが下方に加速すると、空気室
から作動室への空気及びラジカルのガス抜きが急
速なピストンの動き及び作動室内の減少された圧
力のために生じる。このことは、空気室内に高反
応のラジカル混合物を含む吸入空気の種を発生す
る。作動室内の空気は空気室の空気よりも非常に
冷却されているので、高温のラジカルは「冷却さ
れ」そして稀薄化される。これにより、空気室内
でのラジカルの反応はさらに、これらが次の圧縮
及び燃焼行程中に再活性されるまで、実質的に遅
らされる。 第１２ｈ図において、ピストンは吸入行程の終
わりに近付くがしかし燃料はまだ作動室に導入さ
れていない。第１２ｏ図及び第１２ｐ図におい
て、燃料は（燃料吸入内燃機関にとつては）作動
室の吸気ポート領域に加えられ、そして次のサイ
クルを開始する圧縮が始まる前に、所望の軸方向
に層状をなした充填物を発生させる。非常に僅か
な量（燃料をなすには不十分な）を除いて燃料に
より空気室が汚染されるのを避けるため、軸方向
に層状の充填物を得るのには前述したようないろ
いろな手順を使用することができる。 次の圧縮行程が始まり（第１２ａ図）、そして
点火が始まると（第１２ｄ図）、充填物は新たな
燃料にラジカルを含む混合物である。このラジカ
ルは新たな燃料の加熱及び圧縮中に生成される。
ポスト火炎ラジカル及びプレ火炎ラジカルは前の
圧縮サイクル並びに前のサイクルの終わりでの燃
料及び空気の隙間のガス抜きからその種がまかれ
ている。従つて、点火が急激に高められ、これに
より、自己点火の圧力／温度領域は第１４図に図
示されているように、公知の原理に従つて低下さ
れる。第１４図において、典型的な圧縮点火の自
己点火領域１２８は作動室１６内の圧力及び温度
に関連して示されている。領域１３０はラジカル
が増加する自己点火領域であり、またラジカルの
種まき効果が自己点火領域及びロシアの物理学者
エヌ・エヌ・セミノフ（N.N.Seminov）によつ
て広範囲に調べられた現象にどのように影響する
かを示している。ラジカル増加領域１３０の形状
は事実上時々「セミノフ半島」として示されてい
る。領域１３０の左下側の領域１３２は通常の内
燃機関において燃焼を開始するための火花又は高
温源を要求する。何故なら、充填物の点火は自然
には起きないからである。従つて、作動室内の圧
力が少なくともラジカル増加自己点火領域１３０
の一般的な水平足の上側で且つこの領域１３０の
垂直足の左側にある限り、点火が自然に又は火
花、高温源の誘起のみで開始するかどうかで、充
填物の温度のみが決定されるのを認識できる。２
次空気の量を調整して充填物の温度を制御するこ
とにより、また、爆発温度以下にキヤツプ３２の
温度を維持することにより、この発明の燃焼サイ
クルはその点火が自己点火か火花点火かで選択的
に実施されるように制御される。この発明によ
ば、充填物の温度は、作動室に入る２次空気の制
御を介して空燃比を変えることで可変される充填
物の極限の予備燃焼温度に関し、ラジカル増加自
己点火温度に近い作動室の充填物の温度で実施さ
れる。このように、自己点火領域（領域１３０又
は領域１３２）内又この領域の外への充填物温度
の僅かな増加又は減少が為遂げられ、燃焼サイク
ルは火花点火又は自己点火モードで選択的に実施
される。 勿論、自己点火モードにおいて、サイクルは低
圧縮比（５−９：１）の燃料吸入サイクルであ
る。燃焼行程を通じ空気室から燃焼領域１６への
制御されたヘルムホルム共振空気の供給並びにピ
ストン及び燃焼室の形状によつて提供される長い
燃焼時間により、激しい爆発及びノツクはガソリ
ン燃料でさえも避けられる。作動室に与えられた
ラジカルタイプ（プレ火炎）はまた全体のプロセ
スを高め、そして、ラジカル増加領域の両側での
点火の密接な制御を可能とすることが信じられて
いる。 第４図に示された圧縮点火形内燃機関のような
燃料噴射の場合、自動点火が５：１と９：１との
間の低い圧縮比でもつてラジカル増加領域１３０
において実施されるとき、そのサイクルで最高の
出力を発生する熱係数及び構造を有したキヤツプ
３２を選択することにより、最適な点火タイミン
グが保証されるものと思われる。即ち、キヤツプ
の材料及びキヤツプの構造は、内燃機関に使用さ
れた燃料及び圧縮比に応じ、この内燃機関の最大
の出力を最大限に利用する自己点火のタイミング
を生じさせるようなキヤツプ温度を生起する熱係
数を有するように選択されている。 ここではこの発明の好適な実施例のみの記載で
あつて、この後の請求の範囲に規定されるこの発
明の概念から外れることなく、記載された構造又
はプロセスに対し当業者がいろいろな変形を施す
ことができるのは明らかである。