JPH02501941A - 可変サイクル往復動内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本願は、１９８７年１月２８日に出願された米国特許出願節０７７００７．９５ １号の一部継続出願である。

本発明は、一般に可変サイクル内燃機関に関し、特に吸気の流量および圧力、排 気ガスの背圧および流量、ならびに１対のクランク軸の位相関係を選択的に変更 して、それにより複式クランク軸対向ピストン機関の時期（タイミング）および 圧縮比を選択的に変更して設計状態および排設計状態での機関効率を高めかつ機 関の出力を増大する装置に関する。

２、関連技術の説明 一般に、内燃機関のサイクル作動パラメータの多くは製造時に決定される。これ らのパラメータは、しばしば機関の所定の幾何学的形状または種々の機構の間の 調時（タイミング）関係、例えば、弁の調時、点火時期調整または燃料噴射スケ ジュールにより設定される。これらの関係および数値は、しばしば機関の出力お よび速度のすべての範囲にわたって合理的に良好な運転を行うことができるよう に選択されているが、作動点のいずれにおいても最適ではない。その他の機関は 、ただ一つまたは二つの狭い作動方式に有利であるように選択されたそれぞれの 関係を有しているが、しかし、その他の作動設計点においては著しく不十分であ る。例えば、機関の圧縮比および吸気口／排気口の開閉時期は、機関の形状およ びアクチュエータ集成体により一般に決定される。機関がその全作動範囲にわた って作動するときに、点火温度、ピークシリンダ圧力および掃気レベルをそれら の最適な相対レベルに同時に保つことはできない。

最大出力レベルに対して設計された機関は、低速において効率的に運転すること ができない。パラメータ、例えば、最大出力レベルにおけるピークシリンダ温度 や圧力、または高い運転速度におけるポート掃気は、低出力および低速度設定に おいて効率が悪くかつ不適当である圧縮比および掃気口時期となる。

二十世紀初めに、ドイツにおいて、ユンカース機関が開発されかつ航空機用機関 として使用された。この機関は、複数のシリンダ内に装着されかつ１対の同期歯 車クランク軸によって制御される複数組の対向ピストンを含んでいた。このユン カース機関については、ボール・エッチ・ウィルキンソン氏（Ｐａｕｌ　Ｈ，Ｗ ｌｌｋｉｎｓｏｎ）著の「エヤクラフトディーゼル」と題する論文の第１０章に ューヨーク州、ニューヨーク、ピットマン・パブリッシング・コーポレーション ）に詳細に記載されている。

１９４６年にプリンス氏（Ｐｒ１ｎｃｅ）に発行された米国特許第２．４０１， １８８号明細書には、圧縮比が可変である内燃機関が示されている。対向ピスト ン内燃機関のそれぞれのピストン駆動軸には１対のスプロケットが固定されてい る。これらのスプロケットのまわりには弛んだチェーンが巻きつけられてスプロ ケットを連結している。クランク軸の位相関係を変更して圧縮比を変更するため に、一つのフレームが上側または下側のチェーン要素のゆるみを選択的に引き締 めるようになっている。

バンドリック・ジュニア氏（Ｂｕｎｄｒｉｃｋ、Ｊｒ、）に発行された米国特許 第４，３１２．３０６号および第４．４１９．９６９号の各明細書には、到達距 離（ｔｈｒｏｗｓ）が異なるクランクと連結された１対の対向ピストンを有する 内燃機関が示されている。これらのピストンは、可撓性のシリンダヘッドを形成 するために対向して直線移動するように調節可能である。

したがって、内燃機関を改良する必要性がある。機関の決定された幾何学的形状 の制限と、その結果機関がその全運転範囲にわたって作動するときに生ずる効率 の悪いサイクル作動パラメータをなくすことが望ましい。同様に、機械的設計の 限界を越えることなく最も有効な作動を可能とするために、機関に対して、運転 中にサイクル作動パラメータを連続して調整できるようにすることが望ましい。

また、吸気状態および排気状態を同時に制御して、それにより寄生的な動力の損 失を減少し、かつシリンダ内に供給する空気の密度を必要に応じて高めることが 望ましい。また、吸気／排気の動力取出装置を効果的に適用し、かつ機関の幾何 学的形状の変化を吸気／排気の変化と調和させることが望ましい。

発明の概要 本発明は、機関の全運転範囲にわたって最適の熱力学的な効率を得るために、機 関の幾何学的形状、吸気および排気の流量および圧力、ならびに臨界的な機関サ イクル運転状態を同時に調節することができる内燃機関を含む。本発明の機関は 、機関の機械的な負荷制限値を超えないで最適の値を得るために、圧縮比、燃料 噴射時期、吸気口および排気口の開閉時期、シリンダ内に吸入される空気の密度 および質量、ならびに掃気貫流速度を同時に変更し、かつ吸気の流量および圧力 ならびに排気ガスの背圧および流量を制御することができる。

本発明は、その好ましい態様においては、ブロック内に１対の対向ピストンを有 する内燃機関を含む。各々のピストンはそれぞれのクランク軸と連結されている 。歯車列がクランク軸の速度およびその間の相対的な角度関係を同期させる。該 歯車列と連結されかつ係合したタイミングアクチュエータが、ピストン間のヘッ ドスペースを連続して選択的に調節し、かつパラメータ、例えば、吸気口および 排気口の時期（タイミング）ならびにシリンダを通して流れる空気の流量を変更 することができる。

本発明の他の側面によれば、機関が可変サイクル機関において得られる改良され た熱力学的サイクルを使用することができるようなある設計上の特徴が組み込ま れている。これらの特徴は、シリンダの燃焼室内に高いレベルの乱流を発生させ るための吸気旋回装置と、ブロックの排気が流れる部分番高温の排気の流れから 熱絶縁するための排気マフラと、高い比出力可変サイクル機関内に発生した増大 した量の熱を放散するように案内するための衝突冷却されるシリンダヘッドとを 含む。さらに、本発明は、改良されたハイブリッドピストンと、空気の流量およ び圧力を制御するための流れ制限プラグおよび可変エアタービンとを使用するこ とを教示する。

図面の簡単な説明 本発明のその他の特徴および利点は、好ましい実施例に関する以下の詳細な説明 、添付した請求の範囲ならびに添付図面からさらに十分に明らかになろう。

添付図面において、第１図は本発明の内燃機関の部分断面側面図、 第２図は本発明の内燃機関の部分上面図、第３図は第１図および第２図の機関に 使用される調和歯車駆動集成体の略図、 第４図は第３図の集成体の一実施例の上面図、第５図は第１図および第２図の機 関に使用される別のタイミングアクチュエータの上面図、 第６図は第１図および第２図の機関に使用される第２の別のタイミングアクチュ エータの端面図、第７図は第６図の別のタイミング変更アクチュエータの上面図 であり、明瞭に示すために第１歯車部材を除去して示した図、 第８図は本発明の機関に使用される別の歯車列およびタイミングアクチュエータ の部分上面図、第９図は第８図のタイミングアクチュエータの詳細断面図、 第１０図は第１図および第２図の機関の吸気装置に使用される吸気旋回装置の断 面図、 第１１図は第１図および第２図の機関の排気装置に使用される排気マフラの断面 図、 第１２図は第１図および第２図の機関の吸気装置に使用される吸気プラグの側面 図、 第１３図は第１図および第２図の機関の排気装置に使用される排気プラグの側面 図、 第１４図は第１図および第２図の機関の吸気装置に使用される可変吸気用エアタ ービンの側面図、第１５図は第１図および第２図の機関の排気装置に使用される 可変排気用エアタービンの側面図、第１５Ａ図は第１３図の排気プラグを使用し た第１図および第２図の機関に使用される排気ガスエネルギ回収装置の側面図、 第１６図は第１図および第２図の機関に使用されるハイブリッドピストンの断面 図、 第１７図は第１図および第２図の機関に使用される衝突ジェット冷却水ジャケッ トの拡大断面図、そして第１８図は本発明の機関に発生する速度に対する吸気口 および排気口の開口部の重なり合いの変化をグラフで表わした図である。

さて、添付図面に一例を例示した本発明の好ましい実施例について以下に詳細に 説明する。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図には、全体を符号２０で示した本発明の内燃機関を示しである。シリンダ 壁部２２Ａにより形成されたシリンダ室２２が、ブロック２４内に良く知られて いる態様で設けられている。連結棒２６は、その第１端部においてシリンダ２２ 内の第１ピストン、すなわち、吸気ピストン２８を駆動するために該ピストン２ ８と枢着されている。連結棒２６は、その第２端部においてクランク軸３６と連 結されている。連結棒３０は、その第１端部においてシリンダ２２内の第２ピス トン、すなわち、排気ピストン３２を駆動するために該ピストン３２と連結され ている。連結棒３０は、その第２端部においてクランク軸４０と連結されている 。可燃性の燃料をシリンダ２２内に良く知られた態様で供給するために、燃料噴 射器３４が設けられている。

吸気ピストン２８が第１図において右方に往復動せしめられるときに、吸気口２ ５が露出され、それにより吸込マニホルド２７から流入する空気がシリンダ２２ 内に流入する。排気ピストン３２が第１図において左方に往復動せしめられると きに、排気口が露出゛され、それによりシリンダ２２内の排気ガスが排気マニホ ルド３３を通して排出する。

第２図に示したように、歯車列４２が吸気ピストンクランク軸３６と排気ピスト ンクランク軸４０との間の回転および相対角度関係を同期させる。第２図の歯車 列４２の実施例は、例示のみの目的のために、４個の歯車部材４３．４４．４５ および４６を含む。クランク軸３６は、歯車部材４６とかみ合わされた延長部４ ９を含む。クランク軸４０は、同様に歯車部材４３とかみ合わされた延長部４０ Ａを含む。歯車部材４４および４５は、それぞれの支持軸４４Ａおよび４５Ａに 装着されている。機関の出力軸（図示せず）は歯車列４２により駆動され、かつ 歯車列４２と任意の好適な態様で連結することができる。歯車列のその他の構成 も本発明の範囲内にある。クランク軸３６および４０を同期作動させることによ り、シリンダ２２内のピストン２８および３２の往復動が直接に制御される。

慣用の機関においては、クランク軸３６および４０の間のタイミングは製造時に 選択された値に設定される。

本発明の機関２０においては、クランク軸３６および４０の間のタイミングは、 機関の運転中に、タイミングアクチュエータ５０により選択的にかつ連続的に変 更することができる。タイミングアクチュエータ５０は、第２図に例示しかつ以 下に説明するように、クランク軸延長部４９および歯車４６と協働する。制御人 力４７がアクチュエータ５０を作動させて歯車部材４３に対する歯車部材４６０ 回転および角度の位相関係を選択により変更する。この位相関係の変化により、 ピストン２８および３２の間のヘッドスペースが変更され、吸気口２５および排 気口３１の開閉タイミングを変更する。また、所望されれば、アクチュエータ５ ０を歯車部材４３と共に使用するように適応させることができることは理解され よう。

アクチュエータ５０の機能は、多数の方式で効果的に発揮させることができる。

タイミングアクチュエータ５０の好ましい第１実施例の略図は第３図に例示しで ある。

全体を符号５１で示した調和歯車駆動集成体は、外周のまわりに複数個のスプラ イン歯５３を有する可撓性の楕円形歯車５２と、入力波発生器５４とを含む。楕 円形歯車５２は、クランク軸延長部４９のスプライン４９Ａに装着されている。

スプライン歯５３は、歯車部材４６の内歯５６と係合せしめられる。軸受組立体 ６０が入力波発生器５４を楕円形歯車５２と連結している。スプライン歯５３の 数は、歯車部材４６の内歯５６の数よりも少ない。制御人力４７は、回転を入力 波発生器５４に伝達する。スプライン歯５３は、回転中、内歯５６から離脱し、 前進しかつ内歯５６と再び係合する。このような歯の相互作用により、歯車部材 ４６および４３とクランク軸３６および４０との間に角位相の変化が生ずる。ス プライン歯５３の数は所望の波形の発生により左右される。

前述した型式の調和歯車駆動集成体は、米国特許第２，９０６．１４３号の明細 書に開示されており、この米国特許の内容は本明細書に引用加入する。

調和歯車駆動集成体５１の上面は第４図に示しである。

楕円形歯車５２は、内側スプライン（図示せず）を有するフランジ付き中央部分 ５２Ａを含む。中央部分５２Ａは、クランク軸延長部４９のスプライン４９Ａ（ 図示せず）とかみ合っている。外側エルボ部分５２Ｂは、前述したように、スプ ライン歯５３において終端している。

入力波発生器５４が軸受集成体６０により楕円形歯車５２のエルボ一部分５２Ｂ と連結されている。入力波の発生中に半径方向の力を減少させるために、エルボ 部分５２Ｂに符号５２Ｃで示した半径方向のスロットを設けることが望ましい。

歯車延長部８７が慣用の差動歯車８８と任意の好適な方法で連結されている。ま た、歯車延長部８７は入力波発生器５４とファスナー８６により連結されている 。

歯車部材の回転を差動歯車８８のスパイダー８８Ａに対してクロック制御するた めの装置が設けられている。

り０−／り（ｃｌｏｃｋｉｎｇ）集成体８１は、減速歯車８２と、クロック（ｃ ｌｏｃｋｉｎｇ）部材８３とを含む。減速歯車８２は、好ましい一実施例におい ては、軸８２Ｃにより相互に連結された第１歯車部材８２Ａおよび第２歯車部材 ８２Ｂを含む。軸８２Ｃは軸受８２Ｄにより支持されている。

軸受８２Ｄは、ファスナー８２Ｆにより、固定部８２Ｈに固定されている。歯車 部材４６は歯車部材８２Ａとかみ合わされている。歯車部材８２Ｂはクロック部 材８３とかみ合わされている。例えば、歯車部材４６からクロック部材８３への 回転速度の１／２回転の減少を減速歯車８２により達成することができる。その 他の型式のクロック構造も本発明の範囲内にある。

選択された制御入力運動が、軸８９を介して差動歯車８８に供給され、入力波発 生器５４を所望どおりに回転させる。前述したように、スプライン歯５３を離脱 し、前進しかつ再び係合することにより、クランク軸延長部４９と歯車部材４６ との間の位相関係の変化が生ずる。

第５図において、タイミングアクチュエータ５０の好ましい第２実施例が全体的 に符号７０で示しである。歯車部材４６が、クランク軸延長部４９のスプライン ４９Ａと係合され、かつ該スプライン４９Ａ上に装着されている。歯車部材４６ の外側歯車の歯／スプライン４６Ａは、歯車部材４５のスプライン４５Ｂとかみ 合わされている。

スプライン４６Ａのピッチは、スプライン４５Ｂに対して選択された角度だけ異 なっている。外側ヨーク７２が、内側ヨーク７４と軸受７６を介して連結されて いる。内側ヨーク７４は、歯車部材４６と任意の好適な態様で連結されている。

内側ヨーク７４は歯車部材４６と共に回転する。外側ヨーク７２は、矢印７９で 示す方向に、軸延長部４９に平行に直線移動するように作動せしめられる。外側 ヨーク７２の直線状の作動は、軸受７６およびヨーク７４により歯車部材４６に 伝達される。歯車部材４６がクランク軸延長部４９のスプライン４９Ａに沿って 摺動するときに、歯の角度の差異によりクランク軸延長部４９と歯車列４２の残 りの構成部分との間に相対回転が生ずる。この相対回転により、前述したように 、クランク軸３６および４０との間の角位相が変化する。

第６図および第７図には、全体的に符号９０で示したタイミングアクチュエータ ５０の好ましい第３実施例を例示しである。歯車インサート９２が、クランク軸 延長部４９および軸線方向に固定された歯車部材４６（第７図では明瞭に例示す るために取り外されている）と摺動可能に係合されている。歯車インサート９２ のスプラインとクランク軸延長部４９のスプライン４９Ａとの間に選択された値 の差異が与えられている。内側ヨーク９４は、歯車インサート９２と任意の好適 な態様で連結されている。外側ヨーク９６は、内側ヨーク９４と軸受９７により 連結されている。外側ヨーク９２は、矢印９８で示す方向に作動せしめられて歯 車インサート９２の移動を生ずる。歯車部材４６に対する歯車インサート９２の 位置の変化により、クランク軸３６および４０の間の角位相関係に選択された変 化が生ずる。

第８図においては、クランク軸３６および４０の間の角度関係を同期させるため に、別の歯車列９９が使用されている。歯車列９９において、歯車部材４３Ｃ， ４４Ｃ。

４５Ｃおよび４６Ｃの各々はかさ歯車である。歯車部材４３Ｃおよび４４Ｃは垂 直にかみ合わされ、かつ歯車部材４５Ｃおよび４６Ｃは垂直にかみ合わされてい る。伝達軸１０１Ａおよび１０１Ｂは、歯車４４Ｃおよび４５Ｃとそれぞれ連結 されている。

全体を符号１００で示したタイミングアクチュエータ５０の好ましい第４実施例 は、第８図および第９図に例示した歯車列９９と共に使用される。第９図のみに 示したように、各々の軸１０１Ａおよび１０１Ｂは、互いに異なる角ピッチを有 するスプラインを切った部分１０２　Ａおよび１０２Ｂのそれぞれに終端してい る。例えば、スプライン１０２Ａは斜めに切ってあり、一方スプライン１０２Ｂ は真直ぐに切っである。その他のスプラインの構成も本発明の範囲内にある。シ フター（ｓｈｉｆ’ｔｅｒ）１０３は、斜めに切つたスプライン１０２Ａと相補 的な内側スプライン部分と、真直ぐに切ったスプライン１０２Ｂと相補的な内側 スプライン部分とを含む。ヨーク１０４は、シフター１０３と軸受１０６により 連結されている。ヨーク１０４が矢印１１０で示したいずれかの方向に移動せし められるときに、伝達軸１０１Ａおよび１０１Ｂとの間の角位相関係が選択的に 変更され、それによりクランク軸３６および４０の間の位相関係を変更する。

作動中、吸込マニホルド２７（第１図参照）からシリンダ２２の中に空気が吸入 される。シリンダ２２内の空気の運動を高めるために、各々の吸気口２５と隣接 して空気旋回装置１１２が設けられている。複数個の湾曲した羽根１１４が、第 １０図に例示したように吸込ダクト１１３の開口部１１５と隣接して設けられて いる。各々の吸気口２５は、シリンダ壁２２に形成された複数個の開口部２５Ａ を備えている。羽根１１４は、吸込ダクト１１３の両側に設けられ、かつ一方の 内面に沿った羽根１１４を反対側の面の羽根１１４と反対側に湾曲させて渦流動 を高め、かつ流入する空気に矢印１１８で示した旋回運動を発生するように配置 されている。羽根１１４の曲率は、その他の機関設計パラメータを補足するよう に選択されている。羽根１１４が吸込ダクト１１３の内面から長さが増すように 外方に突出し、それにより（曲率の方向に関して）前側の羽根１１４Ａが後側の 羽根１１４Ｂよりも吸込ダクト１１３により接近することが望ましい。この構造 により、旋回装置１１２のノズルの吐出面積が最大になる。

また、排気口３１から排出される排気を制御する装置を備えることが望ましい。

排気マフラ１２０がシリンダ２２の排気部分に排気口３１を囲繞している。各々 の排気マフラ１２０は、第１１図に最も明瞭に例示したように、耐熱金属から構 成された外側ダクト１２４を含む。

各々の排気口３１は、シリンダ壁部に形成された複数個の開口部３１Ａを備えて いる。矢印１２８で示した排気ガスは、開口部３１Ａを通って流出する。外側ダ クト１２４が排気ガスを排気マニホルド３３に導き、それにより排気ガスがブロ ック２４の壁部と直接に衝突することを阻止する。

また、特に機関の低速運転時においてシリンダ２２内の掃気圧力および流量を制 御することが望ましい。第１２図は吸気口２５の上流側の吸気制限装置１３１に 設けられた制限プラグ１３０を例示している。定容積掃気ポンプ（図示せず）を 使用することができるという事実にもかかわらず、吸気の圧力および吸気の総質 量流量を減少させるために、プラグ１３０が吸気制限装置１３１の内外に矢印１ ３２に沿って移動せしめられる。プラグ１３０により吸気の流量を制限すること により、掃気ポンプによりなされる仕事、すなわち、負荷およびシリンダ圧力が 減少する。初期のシリンダ圧力のこの減少は、前述したタイミングアクチュエー タ５０により機関の圧縮比を変更して、それにより高い熱効率を維持することに より補正することができる。同様に、第１３図に例示した制限プラグ１４０が排 気口１４１内で矢印１４２の方向に移動せしめられて、掃気圧力および流量を制 御する。したがって、掃気の総質量流量および圧力の正確な制御を維持すること ができ、それによりシリンダ内に初期に充填される空気の密度（そしてその結果 生ずる機関の比出力密度）を自由に変更することが可能になる。タイミングアク チュエータ５０により圧縮比および吸気口２５および排気口３１の開閉時期を変 更する能力を組み合わせたときに、速度、出力、ブースト空気圧力および排気ガ スの広範囲に変化する状態の下で機関の高い熱効率を維持することができる。

第１４図には、掃気圧力を制御する別の一つの好ましい方法を例示しである。吸 気口２５の上流側の吸気制限装置１３１内にエアタービン１５０が装着されてい る。

所望の吸気流量および圧力を得るために、可変吸気羽根１５２が開閉されてエア タービン１５０の両端間の総圧力降下を変更する。第１５図に例示したように、 掃気の背圧および流量を制御するために、可変羽根１６２を有するエアタービン １６０を排気口３１の下流側の排気制限装置内に装着することができる。タービ ン１５０および１６０の利点は、吸気の流れおよび排気ガスの流れ内で利用可能 な過剰圧力から得られる付加的な仕事を含む。

さらに詳述すると、第１５Ａ図に示すように、吸気圧縮機１６５がターボ過給機 の設計の一定ノズル面積を有する排気ガスタービンにより駆動されるときに、機 関２０用の可変排気ガス背圧制御を使用することができる。第１５Ａ図には遠心 圧縮機および半径流入タービンが示されているが、その他の圧縮機およびタービ ンの構造も同様に使用できることは当業者には理解されよう。この実施例におい ては、排気ガスの背圧を変更して、それによりタービン１６７を通しての修正さ れたガス流量を圧力の変化により変更するために、排気制限プラグ１４０が排気 制限装置１４１内で移動せしめられる。修正されたガスの流量を変更することに より、タービン１６７の両端間の圧力降下が制御され、それによりタービンの仕 事を制御する。排気ゲートが排気ガスの一部分をタービンのまわりにバイパスさ せてタービンを通しての修正されたガス流量を変更する慣用のターボ過給機制御 と対比して、すべての排気ガスがタービン１６７を通過し、かつすべての潜在的 な排気ガスの仕事が吸気圧縮機１６５を駆動するために利用される。

この改良されたターボ過給機制御装置を使用することにより、タービンおよび圧 縮機の運転点を制御することが可能になり、両方の構成部分をそれらのそれぞれ の最適の運転点に向かって同時に駆動することが可能になる。

これは、吸気圧縮機１６５をより好ましい運転点に整合し、かつその状態を保持 し、一方、タービンの修正流量パラメータが同時に調節されて吸気圧縮機１６５ をその運転点まで駆動するために必要な動力を供給することを可能ならしめる可 変背圧の特徴に起因している。

また、この実施例は、排気ゲート制御により得られる制限された運転点よりもむ しろ、広範囲の安定した機関パージ用空気流量レベルおよび吸気圧力が許容され る。

それ故に、すべての潜在的な排気ガス動力を使用することができるので、排気ガ スの流量および温度をはるかに広い範囲まで制御することができる。その結果、 排気ガスによるより多量の仕事を機関のサイクルに有効に再び投入することがで き、それにより排気ゲートにより制御されるターボ過給機よりもさらに効率良く 機関を運転することができる。これは、慣用の一定の面積を有するターボ過給機 が排気ガスの流量に対して大き過ぎる面積を有するノズルと不整合になる、機関 の部分出力において特に重要である。

この実施例のさらに一つの利点は、吸気の過給圧力のレベルがより高く、その結 果吸気の密度が高くなり、それにより任意の所定の機関の回転速度において機関 からより大きい馬力が得られることである。機関に付随する馬力の損失は機関の 回転速度に大幅に依存するので、上記により所定の馬力出力に対してより高い熱 効率および機械効率が得られる。

また、第１６図に例示したようなハイブリッドピストン１７０を機関２０に使用 することが好ましい。このハイブリッドピストン１７０は、好ましくはアルミニ ウムまたは別の軽金属から構成されたベース１７４にねじ込まれた耐高温金属製 の端末キャップ１７２を含む。端末キャップ１７２がベースにねじ込まれること が好ましい。

このようなねじ込みにより、慣用のハイブリッドピストンに見られる別個のファ スナーを使用する必要がなくなる。

第１７図に例示した水ジャケット１８０は、衝突冷却として知られている慣用の 方法を使用することにより、シリンダ２２Ａの温度を下げる。冷却液を入口１８ ２から複数個の空洞部１８４を通して出口１８５まで循環させるようになってい る。各々の空洞部１８４は、シリンダ壁部２２Ａの外面と隣接しかつ該外面を包 囲している。

冷却液は、一つの空洞部１８４から一連の配向ダクト１８６を通して次の空洞部 １８４まで加圧状態で流れる。

配向ダクト１８６は、流入する流体を空洞部１８４の最も内側の壁部に向ける。

各々の空洞部１８４の間に多数のダクト１８６が設けられている。矢印１８７で 表わした冷却液が各々の空洞部内で旋回するときに、冷却効果が高められ、かつ 冷却液内に存在する熱境界層が破断される。この方法は従来衝突冷却として知ら れている。好適なシール材料から構成されたライナ１８８は、各々の空洞部１８ ４を外側部からまた隣接した空洞部１８４からシールし、かつ冷却液の漏洩を阻 止する。衝突冷却法は、それに匹敵する対流冷却よりも数倍冷却効果が大きい。

空洞部１８４の各々の壁部は、冷却水のダクト１８６の通過によっても冷却され る１０ 第３図ないし第９図のアクチュエータ５０．７０．９０または１００のいずれか により惹き起こされるクランク軸３６および４０の間の相対位相角の変化により 、ピストン２８および３２の間のヘッドスペースが変化し、かつピストン２８お よび３２の相互間の相対位置が変化する。ヘッドスペースの変化により、機関２ ０の有効圧縮比が変化する。

また、クランク軸３６および４０の間の相対位相角の変化により、吸気口２５お よび排気口３１の啓開（開口）期間および両者間の関係も変化する。その結果、 掃気サイクルの量および期間もまた、第１８図に例示したように機関の種々の速 度において調節することができる。すなわち、低速においては、掃気期間が減少 せしめられ、それにより掃気流量およびそれに起因する掃気仕事量も減少する。

高速および高出力においては、掃気期間が増大せしめられ、かつ吸気口２５が開 く前の排気口３１の先開きが増大せしめられ、それにより吸気口２５が開く前の 相対排気期間が長くなる。その結果、このような運転のために必要な付加的な掃 気期間が得られる。掃気期間の変更により、特に低速における機関の効率が高め られる。この作用は、ピストン２８および３２が吸気口および排気口をそれぞれ 通過するときの排気ピストン３２に対する吸気ピストン２８の相対位置の変化に 起因している。

以上、本発明をニサイクル対向ピストン複式クランク軸機関に使用するものとし て説明した。しかしながら、タイミングアクチュエータ５０は任意のニサイクル または四サイクル内燃往復動機関に応用することができる。

そのうえ、吸気／排気の流量および圧力の制御、吸気旋回装置１１２、排気マフ ラ１２０、ハイブリッドピストン１７０および衝突冷却ジャケット１８０はその 他の機関にも適用することができる。

本発明の機関２０は、慣用の内燃機関に優るいくつかの利点を有している。タイ ミングアクチュエータ５０により、ピストン２８および３０の間のヘッドスペー スを選択的に変更することができる。このヘッドスペースの変更により、吸気口 ２５および排気口３１の開閉時期を変更し、それによりシリンダ室２２の掃気量 を高めまたは制限し、かつ機関２０を通しての空気の流量を制御する。吸気口２ ５および排気口の開閉時期の変化を圧縮比と調和させて機関２０の効率を高める ことができる。そのうえ、圧縮比ならびに吸気口２５および排気口３１の開閉時 期を吸気の圧力および流量と同期させて、必要な機関出力および設計負荷の制限 を満足させると共に、付随的な掃気動力損失を低減することができる。

種々の燃料を機関に使用できるようにするために、圧縮比の調節を行うことがで きる。シリンダ室２２Ａに燃料を送入するために、噴射装置または気化装置を使 用することができる。所望されれば、圧縮比を可燃性の燃料および火花点火操作 に適当な値に調節することにより、本発明の機関２０に火花点火装置を使用する ことができる、。

クランク軸３６および４０の間の位相関係の変更により、ピストン２８および３ ２０間の圧縮を減少しまたはなくして、それにより機関の始動に必要な動力を減 少することができる。引用したクランク軸、例えば、３６と燃料ポンプ噴射器３ ４の噴射時期との間の位相関係は、燃料を噴射した瞬間とピストン２８および３ ２が最も接近したときとの間に適正な関係を維持するための調時機構により選択 的に変更することができる。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者はその形態および細 部の変更を本発明の精神および範囲から逸脱することな〈実施することができる ことを認識することができよう。

ＦＩＧ、＋３ 国際調査報告 ｌ所内−一−Ａ帥−側−ｌｉｅ、　ＰＣ〒／ＵＳ　ＩＩＲ／○○フＧ２国際調査 報告 ＵＳ　８８００２６８ ＳＡ　２０Ｂ４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）その内部に少なくとも一つのシリンダ室が配置されたブロックと、 （ｂ）前記シリンダ室内に装着された１対の対向ピストンと、 （ｃ）各々のクランク軸が前記ピストンの各々と連結されている回転する第１ク ランク軸および第２クランク軸と、（ｄ）前記クランク軸の少なくとも一方と連 結され、前記クランク軸の速度および相対位相関係を同期させる装置と、 （ｅ）前記同期装置と連結され、機関の運転中に前記クランク軸の間の回転位相 関係を選択的に調節するタイミングアクチュエータ装置を備えている可変サイク ル内燃機関。 ２．前記同期装置が、さらに複数個の歯車部材を有する歯車列を備え、前記歯車 列の第１歯車部材が前記第１クランク軸と連結され、前記第１クランク軸が前記 タイミングアクチュエータ装置と協働するスプライン軸延長部を有する請求項１ 記載の内燃機関。 ３．前記タイミングアクチュエータ装置が調和歯車駆動集成体を備えている請求 項２記載の内燃機関。 ４．前記調和歯車駆動集成体がさらに、（ａ）前記第１歯車部材の内歯とかみ合 う外歯を有し、かつ前記スプライン軸延長部とかみ合わされている可撓性の楕円 形歯車と、 （ｂ）軸受集成体により前記第１歯車部材上に支持された入力波発生器と、 （ｃ）前記入力波発生器を作動させ、それにより前記第１歯車部材に対して前記 楕円形歯車を回転して前記スプライン軸延長部に対して前記第１歯車部材を相対 回転させ、前記クランク軸の間に選択された位相関係の変化を生ずる制御入力装 置とを備えている請求項３記載の内燃機関。 ５．前記制御入力装置がさらに入力軸を有する差動歯車を備え、前記差動歯車が 前記第１歯車部材とクロック装置により連結され、かつ前記入力波発生器が前記 差動歯車と歯車延長部により連結されている請求項４記載の内燃機関。 ６．前記クロック装置がさらに、 （ａ）第１歯車要素において前記第１歯車部材とかみ合う減速歯車と、 （ｂ）前記減速歯車の第２歯車要素および前記差動歯車とかみ合うクロック部材 とを備えている請求項５記載の内燃機関。 ７．前記入力波発生器がさらに、 （ａ）前記クランク軸延長部とかみ合うフランジ付き中央部分と、 （ｂ）前記第１歯車部材とかみ合うスプライン歯において終端する外側エルボ部 分とを含む請求項５記載の内燃機関。 ８．入力波発生中に半径方向のカを軽減するために、前記入力波発生器の前記エ ルボ部分に隣接して半径方向のスロットが設けられている請求項７記載の内燃機 関。 ９．前記タイミングアクチュエータ装置がさらに、（ａ）前記クランク軸延長部 と摺動可能に係合され、かつ隣接した歯車部材のスプラインに対して選択された 角度差において円周方向のスプラインにより前記歯車列の隣接した歯車部材とか み合わされている第１歯車部材と、（ｂ）前記第１歯車部材と連結された内側ヨ ークと、（ｃ）軸受装置により前記内側ヨークと連結された外側ヨークと、 （ｄ）前記クランク軸延長部の軸線に平行に前記外側ヨークを直線的に作動させ る装置とを備え、それにより前記歯車部材間のスプラインピッチの前記の選択さ れた差異により前記クランク軌間の角位相の変化を生ずるようにした請求項２記 載の内燃機関。 １０．前記タイミングアクチュエータ装置がさらに、（ａ）前記クランク軸延長 部および前記第１歯車部材と摺動可能に係合され、かつ前記クランク軸延長部に 対して選択された角度差を有するスプラインを含む歯車インサートと、 （ｂ）前記歯車インサートと連結された内側ヨークと、（ｃ）軸受装置により前 記内側ヨークと連結された外側ヨークと、 （ｄ）前記クランク軸延長部の軸線に平行に前記外側ヨークを直線的に作動させ る装置とを備え、それにより前記歯車インサートと前記クランク軸延長部との間 のスプラインピッチの選択された差異により前記クランク軸間の角位相の変化を 生ずるようにした請求項２記載の内燃機関。 １１．さらに、 （ａ）複数個のかさ歯車部材と、垂直にかみ合う第１歯車部材および第２歯車部 材と、垂直にかみ合う第３歯車部材および第４歯車部材とを含み、それにより前 記第２歯車部材および第４歯車部材の軸線が直線状に延びている前記歯車列と、 （ｂ）前記第２歯車部材および第４歯車部材の各々から延び、選択された異なる 角度に向いたスプライン部分において終端する伝達軸と、 （ｃ）前記スプライン伝達軸と係合された相補的に形成されたスプライン部分を 有するシフターとを備え、それにより前記シフターを前記伝達軸の軸線に平行に 直線的に移動することにより前記クランク軌間の角位相の変化を生ずるようにし た請求項２記載の内燃機関。 １２．さらに、前記シリンダ室の吸気口に隣接した吸気ダクトの内面に沿って設 けられた複数個の湾曲した羽根を備えた吸気旋回装置を含む請求項１記載の内燃 機関。 １３．曲率の方向に関して前側の羽根が後側の羽根よりも前記吸気ダクトに接近 するように前記羽根の長さが増大している請求項１２記載の内燃機関。 １４．さらに、前記シリンダ室の各々の排気口に隣接して排気マフラを含み、各 々のマフラが排気ガスを前記ブロックから離れるように向ける外側ダクトを含む 請求項１記載の内燃機関。 １５．さらに、前記シリンダ室の吸気口から上流側の吸気制限装置内に制限プラ グを含む請求項１記載の内燃機関。 １８．さらに、前記シリンダ室の排気口から下流側の排気制限装置内に制限プラ グを含む請求項１記載の内燃機関。 １７．さらに、シリンダ室の吸気口から上流側の吸気制限装置内に可変入口ノズ ルを有するエアタービンを含む請求項１記載の内燃機関。 １８．さらに、前記シリンダ室の排気口から下流側の可変入口ノズルを有する排 気ガスタービンを含む請求項１記載の内燃機関。 １９．各々のピストンが耐熱材料から構成された端末キャツプを備え、前記端末 キャップがピストンのベースにねじ込まれている請求項１記載の内燃機関。 ２０．さらに、冷却装置を含み、前記冷却装置が前記シリンダ室の外面に設けら れた複数個の空洞部を備え、各々の空洞部が冷却液を加速しかつ前記空洞部の最 も内側の壁部に向ける複数個のダクトにより接続され、前記冷却装置がさらに前 記空洞部をシールするライナを含む請求項１記載の内燃機関。 ２１．（ａ）クランク軸間の相対角関係を同期させるためにクランク軸とかみ合 った歯車列と、 （ｂ）クランク軸間の相対角関係を選択的にかつ連続的に調節するために該歯車 列と連結されたタイミングアクチュエータ装置とを備え、 シリンダ内に装着された１対の隔置された対向した往復動ピストンを有し、各々 のピストンがそれぞれのクランク軸と連結されている可変サイクル内燃機関。 ２２．前記タイミングアクチュエータ装置が調和歯車駆動集成体を備えている請 求項２１記載の内燃機関。 ２３．前記タイミングアクチュエータ装置がさらに、（ａ）前記クランク軸の一 方と摺動可能に係合され、かつ隣接した歯車部材のスプラインに対して選択され た角度差において円周方向のスプラインにより隣接した歯車部材とかみ合った歯 車列の第１歯車部材と、（ｂ）第１歯車部材と連結された内側ヨークと、（ｃ） 軸受により内側ヨークと連結された外側ヨークと、（ｄ）前記外側ヨークを前記 クランク軸の軸線に平行に直線的に作動させる装置とを備え、 それにより第１歯車部材と隣接した歯車部材との間のスプラインピッチの選択さ れた差異によりクランク軸間に角位相の変化を生ずるようにした請求項２２記載 の内燃機関。 ２４．前記タイミングアクチュエータ装置がさらに、（ａ）クランク軸のスプラ インに対して選択された角度差を有するスプラインを含み、かつ前記クランク軸 の一方と摺動可能に係合された歯車インサートと、（ｂ）該歯車インサートと連 結された内側ヨークと、（ｃ）軸受により前記内側ヨークと連結された外側ヨー クと、 （ｄ）前記外側ヨークをクランク軸の軸線に平行に直線的に作動させる装置とを 備え、それにより歯車インサートとクランク軸との間のスプラインピッチの選択 された差異により前記クランク軸間に角位相の変化を生ずるようにした請求項２ １記載の内燃機関。 ２５．（ａ）前記歯車列が、歯車列の歯車部材のうちの２個の歯車部材から延び る伝達軸を含み、前記伝達軸は直線状でありかつ選択された異なる向きのスプラ イン部分において終端し、 （ｂ）前記タイミングアクチュエータ装置が前記スプライン伝達軸と係合された 相補的なスプライン部分を有するシフターを備え、それによりシフターを伝達軸 の軸線に平行に直線的に移動することによりクランク軸間に角位相の変化を生ず るようにした請求項２１記載の内燃機関。 ２６．さらに、シリンダヘの空気の流量を変更する装置を含む請求項２１記載の 内燃機関。 ２７．さらに、シリンダからの排気ガスの流量および背圧を変更する装置を含む 請求項２１記載の内燃機関。 ２８．さらに、シリンダヘの空気の流れを旋回させる装置を含む請求項２１記載 の内燃機関。 ２９．さらに、シリンダを冷却する衝突冷却装置を含む請求項２１記載の内燃機 関。 ３０．（ａ）クランク軸間の相対角関係を同期させるためにクランク軸とかみ合 う歯車列と、 （ｂ）クランク軸間の角関係を選択的にかつ連続的に調節するためにクランク軸 において歯車列と連結されたタイミングアクチュエータ装置と、 （ｃ）シリンダヘの空気の流れを変更する装置と、（ｄ）シリンダからの排気の 流れを変更する装置と、（ｅ）シリンダヘの空気の流れを旋回させる装置と、（ ｆ）シリンダを冷却するための衝突冷却装置と、（ｇ）シリンダからの排気の流 れを収集する装置とを備えた、シリンダ内に装着された１対の隔置された対向往 復動ピストンを有し、各々のピストンがそれぞれのクランク軸と連結された可変 サイクル内燃機関。 ３１．（ａ）前記シリンダ室の排気口から下流側の排気ダクト内に配置された一 定のノズル面積を有する排気ガスタービンと、 （ｂ）前記排気ダクトと隣接しかつ前記シリンダ室の吸気口の上流側に配置され ていると共に、前記排気ガスタービンと連結され、かつ該排気ガスタービンによ り駆動される吸気圧縮機と、 （ｃ）前記機関の排気ガスの背圧を可変制御する装置を含み、それにより吸気圧 縮機の運転点が可変背圧により制御され、それにより前記タービンを通しての修 正されたガス流量が圧力の変化により変更され、かつタービンの仕事が前記ター ビンの両端間の圧力降下により制御されるようにした請求項１記載の内燃機関。 ３２．前記排気背圧制御装置が、前記排気制限装置内に前記タービンの上流側に 配置された可変排気制限プラグを備え、前記プラグが排気ガスの流量を制御する ように移動可能である請求項３１記載の内燃機関。