JP2010529356A - 螺旋のクロスオーバー通路を備える分割サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

エンジンはクランクシャフトを有している。圧縮シリンダー内の圧縮ピストンは、吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに連結されている。膨張シリンダー内の膨張ピストンは、膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに連結されている。クロスオーバー通路が圧縮シリンダーと膨張シリンダーを相互に連結している。クロスオーバー通路は、クロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブを含んでいる。ランナー区分は螺旋のクロスオーバー通路の下流部分にあり、そして螺旋の端部区分がランナー区分に一体的に連結されている。螺旋の端部区分は、クロスオーバー膨張バルブのバルブステムの周りに渦巻くファネルを有している。ファネルは、シリンダーの空気／燃料充填物の乱流運動エネルギーを促進すべく、入ってくる空気が膨張シリンダーに入る前に、バルブステムの周りで旋回するのを強制する。

Description

この出願は、２００７年８月７日に出願された米国特許仮出願第６０／９６３，７４２号の利益を主張している。

本発明は内燃機関に関する。より詳しくは、本発明は圧縮シリンダー及び２つの接線方向螺旋のクロスオーバー通路によって相互に連結された膨張シリンダーを有する分割サイクルエンジンに関する。

明確化の目的のために、本出願で用いられるとき、用語「従来のエンジン」とは、周知のオットーサイクルの全ての４つのストローク(すなわち、吸気、圧縮、膨張及び排気のストローク)が、エンジンのピストン/シリンダーの組み合わせの各々に包含されている内燃機関を意味している。また、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願に言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供されている。

ここに言及される分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張(動力)ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路(ポート)であって、間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含むクロスオーバー通路、
を備えている。

２００３年４月８日にCarmelo J. Scuderiに許可された特許文献１は、分割サイクル及び同様なタイプのエンジンの広範囲に亘る議論を含んでいる。加えて、該特許は、さらなる開発から成る本発明のエンジンの先行バージョンの詳細を開示している。

図１を参照するに、特許文献１に記載されたタイプの先行技術分割サイクルエンジンの概念の例示的な実施形態が概括的に数字１０で示されている。この分割サイクルエンジン１０は、従来の４ストロークエンジンの２つの隣接するシリンダーを、１つの圧縮シリンダー１２及び１つの膨張シリンダー１４の組合せに置き換えている。これらの２つのシリンダー１２及び１４は、クランクシャフト１６の１回転毎にそれらのそれぞれの機能を遂行する。吸入空気及び燃料の充填物が典型的なポペット型の吸気バルブ１８を介して、圧縮シリンダー１２内に引き込まれる。圧縮ピストン２０が充填物を加圧し、及び、膨張シリンダー１４に対して吸気通路として作用する、クロスオーバー通路２２を通して充填物を後押しする。

クロスオーバー通路の入口において、阻止型のクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ２４がクロスオーバー通路２２からの逆流を防止するために用いられている。クロスオーバー通路２２の出口においては、クロスオーバー膨張(XovrE)バルブ２６が、膨張ピストン３０がその上死点位置に到達した直後に充填物が十分に膨張シリンダー１４に進入するように、加圧された吸気充填物の流れを制御する。点火プラグ２８は、吸気充填物が膨張シリンダー１４に進入した後、直ぐに点火され、結果として生じる燃焼が膨張ピストン３０を下方に駆動する。排気ガスはポペットの排気バルブ３２を介して膨張シリンダーの外に排出される。

分割サイクルエンジンの概念では、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーの幾何学的なエンジンパラメーター(すなわち、ボア、ストローク、連結ロッドの長さ、圧縮比等)は一般に互いに独立している。例えば、各シリンダーについてのクランクスロー３４及び３６は異なる半径を有してもよく、及び膨張ピストン３０の上死点(TDC)が圧縮ピストン２０のTDCの前に生ずる状態で、互いに位相がずれていてもよい。この独立性は、典型的な４ストロークエンジンよりも、より高い効率レベル及びより大きなトルクを分割サイクルエンジンが達成することを可能にしている。

米国特許第６,５４３,２２５号明細書

従来の内燃機関と比べて分割サイクルエンジン１０の相違点の１つは、その充填動作が、膨張ピストン３０がTDCに到達した後で膨張シリンダー１４における膨張ストロークの間に開始しなければならないことである。一方、従来のエンジンにおいては、充填動作が膨張ストロークの上死点前(BTDC)の凡そ３６０度のクランク角(CA)(すなわち、吸気ストロークの始まり)で始まる。これは、従来のエンジンに、分割サイクルエンジンに比べてより多くの時間を許容し、燃料/空気の混合及び燃焼を支援する適切な充填動作を発現させる。

充填動作は、満足な火花点火(SI)燃焼のために必要である。したがって、分割サイクルエンジンにおいて、上死点後(ATDC)、凡そ１５ないし２０°に起こる燃焼の開始の前に、燃料/空気の充填物を急速に混合し且つ適切に分配するために、充填動作を急速に発生させる必要性がある。加えて、適切な燃料/空気の運動は、運転条件に依存して、ATDCの凡そ２０ないし４０°CAである、燃焼の主局面の間に、生じなければならない。

本発明による分割サイクルエンジンは、
エンジンのクランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復する圧縮ピストン、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に膨張ストローク及び排気ストローク通して往復する膨張ピストン、及び、
圧縮及び膨張シリンダーを相互に連結する螺旋のクロスオーバー通路を備え、
当該螺旋のクロスオーバー通路は、
両者の間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブと、
該螺旋のクロスオーバー通路の下流部分の概ね直線状のランナー（通路）の区分と、
ランナー区分に一体的に連結され、及びバルブステムとヘッドとを有するクロスオーバー膨張バルブの上方に配置された螺旋の端部区分であって、バルブステムの回りに渦巻いているファネルを囲い、該ファネルは、膨張シリンダーに配送された空気／燃料の充填物での乱れ運動エネルギー及びスワールの発達を促進するために、入ってくる空気が膨張シリンダーに進入する前にバルブステムの回りを旋回するように強制する螺旋の端部区分と、
を含んでもよい。

追加の特徴は、膨張シリンダーの周囲に対して、接線方向か半径方向の位置にある、直線状のランナー区分の向き、時計回り、反時計回り及び指向位置にあるクロスオーバー通路端部区分の向き、を含み得る。

本発明のこれらの、及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共になされるある例示的な実施形態の以下の説明から、より完全に理解されるであろう。

本発明のエンジンに関連する先行技術の分割サイクルエンジンの横断面図である。 ポペットバルブの上方に配置された螺旋形通路の直線状のランナーの部分及び下流部分の螺旋形端部の部分を、螺旋形端部の側から見た描画である。 直線状のランナーの側から見た、図２と同様の図である。 本発明による螺旋形のクロスオーバー通路を備える例示的な分割サイクルエンジンの、図５の４-４線から見た横断面図である。 図４の分割サイクルエンジンの頂面図である。 内部の排気ポート及びクロスオーバー通路の下流部分、及びバルブを備える膨張シリンダーヘッドの内部面の描画である。 時計回り及び反時計回りの螺旋形端部を備える接線方向の直線状ランナー部分を含む、膨張シリンダーにおける例示的なクロスオーバー通路の下流部分の頂面図である。 時計回り及び反時計回りの螺旋形端部を備える半径方向の直線状のランナー部分を含む、膨張シリンダーにおける例示的なクロスオーバー通路の下流部分の頂面図である。 直接的端部の部分を備える接線方向及び半径方向の直線状のランナー部分を含む、膨張シリンダーにおける例示的なクロスオーバー通路の下流部分の頂面図である。 ３６種の２つのクロスオーバー通路の組合せについての、スワール比及び乱流運動エネルギーの予測値を指示するグラフ及び説明的格子である。 種々の代替的クロスオーバー通路の形態の１つを例示する、図５と同様の頂面図である。

（用語解説）
ここで用いられる用語の頭字語及び定義の以下の用語解説が参照のために提供される。
螺旋通路(又は螺旋ポート):
図２及び３を参照するに、螺旋通路３８は、従来のエンジンのシリンダーヘッド内の入口バルブに入口マニホールドを典型的には結び付ける、連結通路(ポート)である。螺旋通路３８の下流部分は、ステム４２及びシリンダー(不図示)に開くヘッド４３を有している入口バルブ４１を覆って配置されている、螺旋の端部区分４０に一体的に連結される概ね直線状のランナー区分３９を含んでいる。螺旋の端部区分４０内の流れ領域は、端部区分４０のボア４６内に支持されたバルブステム４２の周りの外周で下向きのファネル４４内に配置されている。該ファネルは、入ってくる空気がシリンダーに入る前にバルブステム４２の回りに旋回するのが強制されるように、一巻きの少なくとも１／３、好ましくは、一巻きの１／２から３／４の間で、バルブステム４２の回りに渦巻いている。ファネル４４のルーフ４７は、ファネル４４がバルブステム４２の回りに渦巻くにつれ、その高さは減少している。
スワール:
(空気)充填物のシリンダー軸線回りの組織化された回転。より詳しくは、エンジンのシリンダー内で空気又は燃料/空気の混合気の「バルク」スワールは、空気又は燃料/空気の混合気の主体部、すなわち、「バルク」の、導入(すなわち、吸気)ストロークに亘り計測される、シリンダーの中心線回りの回転である。バルクスワールは、導入の間にシリンダー内で起こる真の変動空気運動のパラメーター概念、すなわち、平均したものである。バルクスワールの概念に従えば、スワールは、シリンダーの周辺で最大のスワール速度を有し、主シリンダー軸線の回りに中心付けられた渦である。
スワール比(SR):
導入（すなわち、吸気)ストロークに亘り計測され、及びエンジンの回転速度に関係付けられた、空気又は燃料/空気の混合気の主体部、すなわち、「バルク」のシリンダー中心線回りの概念的な回転度数の計数、すなわち、
「スワール比 = シリンダー内の空気回転度数／エンジン速度」、である。
乱れ及び微小乱れ:
通常、空気の極めて小さな個々の部分に関連された小規模の渦運動。乱れ及び微小乱れの渦の周波数は、１０〜１０,０００Hz以上に亘り、一方、微小乱れの直径は、周波数に反比例してシリンダーの小部分（数ミリメーター）からミクロンまで変わる。高周波数の乱れは、通常、粘性散逸の故に、極めて短い期間、例えば、２〜５度のクランク角、持続するのみである。
乱流運動エネルギー(TKE):
エンジンの乱流空気流れ内で、渦に関連付けられた単位空気質量当たりの平均運動エネルギー。

説明
図面の図４及び５を詳しく参照するに、数字５０は、本発明による２つの接線方向の螺旋クロスオーバー通路７８を有する分割サイクルエンジンの例示的な実施形態を概括的に指示している。ここにより詳細に論じられるように、螺旋のクロスオーバー通路７８の下流部分は、分割サイクルエンジン５０の膨張ストロークの間での急速な燃料/空気の混合を有利に促進する、螺旋の端部区分１０２に一体的に連結されている接線方向のランナー区分１００を含んでいる。

エンジン５０は、図面に示すように、クランクシャフト軸線５４の回りを時計回り方向に回転可能なクランクシャフト５２を含む。クランクシャフト５２は、連結ロッド６０及び６２に、それぞれ、連結された、隣り合う角度的に変位された先行及び従属のクランクスロー５６及び５８を含んでいる。

エンジン５０は、一対の隣接するシリンダーを画成するシリンダーブロック６４をさらに含んでいる。特に、エンジン５０は、クランクシャフト５２と反対のシリンダーの上端部においてシリンダーヘッド７０で閉じられた、圧縮シリンダー６６及び膨張シリンダー６８をさらに含んでいる。

圧縮ピストン７２は圧縮シリンダー６６に収容され、そして上死点(TDC)及び下死点(BDC)の位置の間でのピストン７２の往復のために従属の連結ロッド６２に連結されている。膨張ピストン７４は膨張シリンダー６８に収容され、そして同様のTDC/BDCの往復のために先行する連結ロッド６０に連結されている。

シリンダーヘッド７０は、シリンダー６６及び６８へ、シリンダー６６及び６８から、及びシリンダー６６及び６８の間のガスの流れのための構造を提供している。ガスの流れの順において、シリンダーヘッド７０は、吸入空気が圧縮シリンダー６６に引き入れられる吸気通路７６、圧縮シリンダー６６から膨張シリンダー６８に圧縮された空気が移送される、一対の接線方向の螺旋クロスオーバー(Xovr)通路７８、及び費やされたガスが膨張シリンダー６８から排出される排気通路８０を含んでいる。

圧縮シリンダー６６へのガスの流れは、内開きのポペット型の吸気バルブ８２によって制御される。螺旋のクロスオーバー通路７８各々への、及びそれからのガスの流れは、一対の外開きのポペットバルブ、すなわち、螺旋のクロスオーバー通路の入口端部におけるクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ８４、及び螺旋のクロスオーバー通路の出口端部におけるクロスオーバー膨張(XovrE)バルブ８６によって制御され得る。クロスオーバーバルブ８４及び８６の各対は、それぞれのクロスオーバー通路内で両者間に圧力チャンバー８７を画成している。排気通路８０の外の排気ガスの流れは、内開きのポペット型の排気バルブ８８によって制御される。これらのバルブ８２、８４、８６及び８８は、機械式に駆動されるカム、可変バルブ作動技術などのような適切な方法で作動されてもよい。

各螺旋のクロスオーバー通路７８は、それに配置された少なくとも１つの高圧燃料インジェクター９０を有している。燃料インジェクター９０は、螺旋のクロスオーバー通路７８の圧力チャンバー８７内の圧縮された空気充填物に燃料を噴射するべく作用する。

エンジン５０はまた、１つ以上の点火プラグ９２又は他の着火装置を含む。点火プラグ９０は、混合された燃料及び空気の充填物が着火され、及び膨張ストロークの間に燃焼し得る、膨張シリンダー６８の端部の適切な位置に配置されている。

図６を参照するに、シリンダーヘッド７０と排気通路８０及び２つの接線方向の螺旋クロスオーバー通路７８の下流部分とを含む通路の内部の拡大図が示されている。前に論じたように、燃料/空気の充填物は、クロスオーバー通路７８から、充填物が膨張ストロークの間に燃焼され、最後に、排気通路８０を介して排気ストロークの間に排出される、膨張シリンダー６８へと流れねばならない。燃焼の前に、燃料/空気の充填物は急速に混合され、且つ、膨張シリンダー６８内に十分に分配されねばならない。

両クロスオーバー通路７８は、外開きのポペット型クロスオーバー膨張バルブ８６の上方に配置された、反時計回りの螺旋端部区分１０２に一体的に連結されている概ね直線状の接線方向のランナー区分１００を備えて構成されている。選択肢として、各々のランナー区分１００は、膨張シリンダー６８に対して接線方向、又は半径方向に向けられてもよく、かかる向きは燃料/空気の充填物がシリンダー６８に進入するときの、そのバルク流れの方向を決定する。また、選択肢として、各々の螺旋端部区分１０２は時計回り又は反時計回り方向に捩れてもよく、かかる回転の方向は燃料/空気の充填物がシリンダー６８に進入するときにそれが有する回転又は（もし、あれば）スピンの方向を決定する。

代わりに、クロスオーバー通路７８の端部区分が螺旋スパイラルを含まないなら、クロスオーバー通路は、燃料/空気の充填物が膨張シリンダー６８に進入するときにそれが特定の回転スピンを有さないが、バルク流れ又はスワールを決定し得る、指向されたクロスオーバー通路（すなわち、指向されたクロスオーバーポート）として知られている。

図６の実施形態では、各々の反時計回りの螺旋端部区分１０２が、各外開きのクロスオーバー膨張バルブ８６のバルブステムが延在しているボア１０８内に支持されたバルブステム１０６の回りで反時計回り方向に渦巻いている、ファネル１０４を含んでいる。渦巻状のファネル１０４は、入ってくる空気が膨張シリンダー６８に入る前に、バルブステム１０６の回りを旋回するように強制する。バルブステムは、バルブが着座されているときに部分的に圧力チャンバー８７内の圧力によって閉じ状態に保持される、外開きのバルブヘッド１０９を支持している。

各ランナー区分１００は、膨張シリンダー６８の周囲に対して接線方向である。すなわち、各々のランナー区分１００は、バルブステムに最も近い、膨張シリンダー６８の周囲の点を通り延在する接線方向の線にほぼ平行(すなわち、好ましくは、±２０度、より好ましくは、±１０度、及び最も好ましくは、±５度)である流れ経路内で空気の流れをファネル１０４に向ける。バルブステムは、バルブが着座されているときに部分的に圧力チャンバー８７内の圧力によって閉じ状態に保持される、外開きのバルブヘッド１０９を支持している。この両螺旋端部区分１０２が同じ方向に渦巻いている２つの接線方向の螺旋クロスオーバー通路７８の組合せは、分割サイクルエンジン５０において急速な空気／燃料の混合を大幅に促進させるということが判明した。

図７ないし９を参照するに、６つの接線方向又は半径方向のランナー区分の組合せ、加えて、反時計回りの螺旋、時計回りの螺旋又は指向された端部区分が図示されている。図７では、クロスオーバー通路１１０は、前に図６に示されたように、反時計回り(ccw)の螺旋区分１１４を備える接線方向(tan)のランナー区分１１２を含み、そしてクロスオーバー通路１１６は、時計回り(cw)の螺旋区分１２０を備える接線方向のランナー区分１１８を含んでいる。

図８では、クロスオーバー通路１２２は、反時計回りの螺旋区分１２６を備える半径方向(rad)のランナー区分１２４を含み、そしてクロスオーバー通路１２８は、時計回りの螺旋区分１３２を備える半径方向のランナー区分１３０を含んでいる。半径方向のランナー区分１２４及び１３０は、それぞれ、膨張シリンダー６８の中心に対して、凡そ半径方向(すなわち、好ましくは、±２０度、より好ましくは、±１０度、及び最も好ましくは、±５度)である流れ経路内で空気の流れを螺旋区分１２６及び１３２のファネルに向ける。

図９では、クロスオーバー通路１３４は、指向された(dir)端部区分１３８を備える半径方向のランナー区分１３６を含み、そしてクロスオーバー通路１４０は、指向された端部区分１４４を備える接線方向のランナー区分１４２を含んでいる。指向された端部区分１３８及び１４４は、燃料/空気の充填物が膨張シリンダー６８に進入するとき、それに特定の回転方向のスピンを付与しない。しかしながら、充填物のバルク流れの経路はランナー１３６及び１４２の向き、すなわち、半径方向のランナー１３６については膨張シリンダー６８の中心に向かう方向、及び接線方向のランナー１４２についてはシリンダー６８の周囲に沿う接線方向によって、なお決定される。

従来のエンジンにおいては、燃焼のための適切な空気の運動を達成させるのに容認される方法は、スワール及び乱れとして知られている、２つの別の現象に大きく依存している。スワールは、外側の直径がシリンダーボアの直径によって境界された状態の大きな回転渦流のような、シリンダー内のバルク空気の回転運動であり、結果として、空気中に相当な運動エネルギーがある。このバルクスワール運動は、後の段階の圧縮中に乱れへと変換される。より詳細には、スワール運動は極めて小さな規模の「微小乱れ」、すなわち、シリンダー直径の１/１００,０００から１/１００のオーダーの多数の小さな渦に変換される。これらの微小乱れの渦は、火炎が広がる、すなわち、未燃焼の燃料及び空気にアクセスするために、それらが大きな面を生成すべく火炎前面に皺を形成できるように、理想的には適切な時点での燃焼の領域内にあることである。

従来のエンジンでは、入口ポート(すなわち、通路)が、吸気ストロークの間のバルクスワールの発生に責任を果たし、一方、ピストンクラウンのTDC付近でのシリンダーヘッドへの接近がスワールの乱れへの変換に責任を果たしている。入口通路は、それ故に、エンジン速度に対する渦流の速度に関する、用語「スワール比」(SR)で評価される、スワールを発達させる能力について開発される。スワール比は、特別な流れリグ（rig）を用いて計測され得、又は、より最近は、コンピュータ流体動力学(CFD)技術を用いて計算され得る。CFDを用いると、ヘッド及び/又はピストンでの燃焼室の特徴の形状に大きく影響される、スワールから乱れへの後続の変換をモデル化することも可能である。乱れのレベルを評価するために用いられるパラメーターの１つは、乱流運動エネルギー(TKE)であり、大小全ての渦流の総計モーメントの測定である。

従来のエンジンについては、これらの２つの工程の発生は、エンジンの作動サイクルの異なる時点、すなわち、吸気ストロークの間のスワール、及び圧縮ストロークの間の乱流として起こるように、大きく別々に処置されている。しかしながら、分割サイクルエンジン５０では、クロスオーバー通路７８から膨張シリンダー６８への空気の流入は、TDCの極めて近くで生ずるので、クロスオーバー通路自体が両スワール及び乱流の発生に責任を果たさなければならない。

スワールの発生に適切である通路の配列は、従来のエンジンについては合理的に良好に確立されているが、しかしながら、これらと同様の配列が分割サイクルエンジン５０においても有効であるか否かは、以前には知られていなかった。加えて、分割サイクルエンジン５０でのスワールについての通路配列の効果の不確実性の程度が事態を悪化させた。何故ならば、エンジン５０は、膨張シリンダー６８から離れて開く外開きポペットの、XovrEバルブ８６を含み、一方、従来のエンジンは従来の膨張シリンダー内に開く内開きのポペットバルブをほとんど普遍的に利用しているからである。さらに、スワールの発生がどのようにTKEに関連されるのかは、以前には知られていなかったのである。

さらに、分割サイクルエンジン５０における、スワール及び乱流についての、図７ないし９に示されたクロスオーバー通路７８の６つの形態の各々の作用は、以前には知られていなかった。加えて、２つの個々のクロスオーバー通路７８があることから、各膨張シリンダー６８に対して、総計で少なくとも３６の可能なクロスオーバー通路の組合せ形態があり、また、２つのクロスオーバー通路形態の各々がどのようにスワール及び乱流に影響するのかも知られていなかった。

図１０を参照するに、したがって、分割サイクルエンジン５０のための最適な充填動作について、３６通りのクロスオーバー通路形態が比較されている、徹底的な予測CFD研究が遂行された。グラフ１５０は、その研究の結果を示している。グラフ１５０の底部に水平に延在し、３６の列と５つの行とに配列されているデータ格子１６６は、２つのクロスオーバー通路７８についての３６の可能なパラメーターの組合せを表している。相対的な乱流運動エネルギーの値は、グラフ１５０の左手側に沿って垂直に記され、一方、相対的なスワール比の値はグラフ１５０の右手側に沿って垂直に記されている。

格子１６６内で、行１５６は、２つのクロスオーバー通路７８の第１のもののランナー区分１００の接線方向(tan)又は半径方向(rad)の向きを表し、及び行１５８は、２つのクロスオーバー通路７８の第１のものの端部区分１０２の時計回り(cw)螺旋、反時計回り(ccw)螺旋、又は指向された(dir)形態を表している。また、格子１６６内で、行１６０は、２つのクロスオーバー通路７８の第２のもののランナー区分１００の接線方向(tan)又は半径方向(rad)の向きを表し、及び行１６２は、２つのクロスオーバー通路７８の第２のものの端部区分１０２の時計回り(cw)螺旋、反時計回り(ccw)螺旋、又は指向された(dir)形態を表している。行１６４は、参照の容易化のために、１から３６の種々のパラメーターの組合せを番号付けている。スワール比及び乱流運動エネルギーへの３６の組合せの各々の効果が、線１５２及び１５４に、それぞれ、プロットされている。

より高いスワール生成通路はまた、より高いレベルのTKEを発生させるという一般的な傾向が観察された。端部区分の旋回が同じ方向、すなわち、行１６４のパラメーターの組合せ１及び２を有する２つの接線方向の螺旋通路は、最高レベルのバルクスワール及び乱流運動エネルギーの両者を生成した。

該予測の仕事は、分割サイクルエンジン５０の膨張シリンダー６８に対するシリンダー内での充填運動を発生する有効な手段は、膨張シリンダー６８の周囲に対して接線方向に放出する接線方向のランナー区分１００及び同じ方向(時計回り又は反時計回りのいずれか)に旋回している２つの螺旋端部区分１０２と共に配列された、２つの接線方向の螺旋クロスオーバー通路７８(図６に最もよく見られる)を用いることであることを示した。したがって、各々の通路を去る空気の旋回の方向は同一方向である。このようにして、各々の通路からの新しく生じる空気の運動エネルギーは追加的であり、かくて、最高のシリンダー内バルク運動をもたらし、及び同時に、高いレベルのTKEを発生させる。

図４ないし６は、本発明の例示的な実施形態を示すものとして説明され、及び図７ないし１０は、最高のスワール比及び乱流運動エネルギー値を提供するのに、考察された種々のポート配列のどれが予測されるかを決定するために行われた大規模な研究を示すのに含まれているが、本発明の意図された範囲内に含まれた特徴を有する他の代替的なクロスオーバー通路の配列も利用され得ることが認識されている。

図１１は、図４ないし６に示されたのと同じ構成部品ないしは特徴を示すのに同じ参照番号が用いられている、かかる代替的配列の実施例を示す。図１１は、図４、特に、図５に示されるようなエンジン５０と概ね同様なエンジン１７０を示している。シリンダーブロック、ピストン、及びクランク機構は不図示であるが、エンジン５０のものと同じであってもよい。圧縮及び膨張シリンダーが破線６６、６８で図１１に示されている。

図１１のエンジン１７０は、吸気通路７６と吸気バルブ８２、排気通路８０と排気バルブ８８、及びエンジン５０のものと同様な点火プラグ９２を含むシリンダーヘッド７０をさらに含んでいる。２つのクロスオーバー圧縮バルブ８４及びクロスオーバー膨張バルブ８６もまた、エンジン５０ものと同様に位置されて含まれている。

エンジン１７０は、２つのクロスオーバーバルブが、クロスオーバーバルブ８４及び８６の間に共通の圧力チャンバー１７４を画成している変形されたクロスオーバー通路１７２によって連結されている点で異なっている。クロスオーバー通路１７２には、両クロスオーバー圧縮バルブ８４に連続的に連絡している、単一の通路部分１７６が形成されている。それから、通路部分１７６は少なくとも第１の分岐部１７８及び第２の分岐部１８０に分割されている。各分岐部は、接線方向のランナー区分１８２を介してクロスオーバー膨張バルブ８６の１つに別々に連結されている。ランナー区分１８２の各々は、エンジン５０のランナー区分１００及び端部区分１０２と同じであってもよい、螺旋の端部区分１８４に連結している。燃料インジェクター９０は、クロスオーバー通路１７２の別々の分岐部に、エンジン５０のように螺旋の端部区分１８４の近くで燃料を噴射すべく、位置されている。

種々の他の代替的実施形態がまた可能である。非限定の実施例として、クロスオーバー圧縮バルブは、分岐部が中央の、又は端部の通路部分で連結された状態である，Ｙ又はＸ形状の別々の分岐部に連結されてもよいであろう。圧縮及び膨張シリンダー対の異なる数のクロスオーバーバルブに共に連結するクロスオーバーマニホールドはまた、１つの可能性であり、例えば、１つ以上のクロスオーバー圧縮バルブと１つ以上のクロスオーバー膨張バルブとである。１つ以上のシリンダー対に連結するマニホールドもまた考慮され得る。また、望むなら、分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路の代わりに、膨張シリンダー内に直接に燃料を噴射するために、燃料インジェクターが取り付けられてもよい。さらに、分割サイクル圧縮着火エンジンへの直接の燃料噴射することは、本発明の範囲内である。

本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、多数の変更が説明された本発明概念の趣旨及び範囲内でなされ得ることが理解されるべきである。したがって、本発明は説明された実施形態に限定されないが、しかし以下の請求項の言語で定義された全範囲を有していることが意図されている。

Claims (16)

1. エンジンのクランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
   圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
   膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、及び
   圧縮シリンダーと膨張シリンダーを相互に連結する螺旋のクロスオーバー通路を備え、該螺旋のクロスオーバー通路が、
   圧力チャンバーを間に画成するクロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブと、
   該螺旋のクロスオーバー通路の下流部分の概ね直線状のランナー区分と、
   該ランナー区分に一体的に連結され、及び該クロスオーバー膨張バルブの上方に配置された螺旋の端部区分であって、クロスオーバー膨張バルブはバルブステムとヘッドとを有し、該螺旋の端部区分がバルブステムの周りに渦巻くファネルを囲っている螺旋の端部区分と、を含んでおり、
   該ファネルが、入ってくる空気が膨張シリンダーに入る前に、バルブステムの周りで旋回するのを強制することを特徴とする分割サイクルエンジン。
2. 螺旋のクロスオーバー通路は、一対の螺旋のクロスオーバー通路をさらに備え、螺旋のクロスオーバー通路の各対の螺旋の端部区分は同じ方向に渦巻いていることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
3. 該ランナー区分は、バルブステムに最も近い膨張シリンダーの周囲の点を通って延在する接線方向の線に対して、±２０度内で平行である流れ経路の螺旋端部区分のファネルに空気の流れを向ける、接線方向のランナー区分であることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
4. 該対の螺旋のクロスオーバー通路は、各バルブステムに最も近い膨張シリンダーの周囲の各点を通って延在する各接線方向の線に対して、±２０度内で平行である流れ経路の螺旋端部区分のファネルに空気の流れを向ける、一対の接線方向のランナー区分をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の分割サイクルエンジン。
5. 螺旋の端部区分の各々は、時計回り方向に渦巻いていることを特徴とする請求項４に記載の分割サイクルエンジン。
6. 螺旋の端部区分の各々は、反時計回り方向に渦巻いていることを特徴とする請求項４に記載の分割サイクルエンジン。
7. クロスオーバー膨張バルブは、外開きのポペットバルブであることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
8. クロスオーバー通路に配置された燃料インジェクターをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
9. クロスオーバー通路は、単一の通路部分から分かれる、少なくとも第１の分岐部及び第２の分岐部をさらに備え、
   該第１の分岐部は、ランナー区分とクロスオーバー膨張バルブの上方に配置された螺旋の端部区分とを含み、及び
   該第２の分岐部は、第２の端部区分に一体的に連結された第２のランナー区分を含み、該第２の端部区分は第２のクロスオーバー膨張バルブの上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分割サイクルエンジン。
10. 該第２の分岐部の第２の端部区分は、第１の分岐部の螺旋の端部区分と同じ方向に渦巻いている第２の螺旋の端部区分をさらに備えていることを特徴とする請求項９に記載の分割サイクルエンジン。
11. 第１の分岐部のランナー区分及び第２の分岐部のランナー区分は、一対の接線方向のランナー区分を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の分割サイクルエンジン。
12. エンジンのクランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
    圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に吸気ストローク及び圧縮ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、
    膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張ピストンであって、クランクシャフトの１回転の間に膨張ストローク及び排気ストロークを通して往復するように、クランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、及び
    圧縮シリンダーと膨張シリンダーを相互に連結する一対の螺旋のクロスオーバー通路を備え、該螺旋のクロスオーバー通路の各々が、
    圧力チャンバーを間に画成するクロスオーバー圧縮バルブ及びクロスオーバー膨張バルブと、
    各クロスオーバー膨張バルブの上方に配置された螺旋の端部区分であって、各クロスオーバー膨張バルブはバルブステムとヘッドとを有し、各螺旋の端部区分がクロスオーバー膨張バルブのバルブステムの周りに渦巻くファネルを有し、該ファネルが、入ってくる空気が膨張シリンダーに入る前に、バルブステムの周りで旋回するのを強制し、及び一対の螺旋のクロスオーバー通路の螺旋の端部区分が同じ方向に渦巻いている螺旋の端部区分と、
    バルブステムに最も近い膨張シリンダーの周囲の点を通って延在する接線方向の線に対して、±２０度内で平行である流れ経路の螺旋端部区分のファネルに空気の流れを向ける、各螺旋の端部区分に一体的に連結された接線方向のランナー区分と、
    を含むことを特徴とする分割サイクルエンジン。
13. 螺旋端部区分の各々は、時計回り方向に渦巻いていることを特徴とする請求項１２に記載の分割サイクルエンジン。
14. 螺旋端部区分の各々は、反時計回り方向に渦巻いていることを特徴とする請求項１２に記載の分割サイクルエンジン。
15. クロスオーバー膨張バルブの各々は、外開きのポペットバルブであることを特徴とする請求項１２に記載の分割サイクルエンジン。
16. クロスオーバー通路の各々に配置された燃料インジェクターをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の分割サイクルエンジン。

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