請求の範囲
1 内燃機関に用いられるための作動端部を有し
たピストンであつて、この内燃機関が一端で閉じ
上記ピストンを密接嵌合かつ往復運動の関係でピ
ストンの上記作動端部とこの閉止端との間で空気
含有燃料の燃焼を成すための可変容積の作動室を
規定して収納するための軸方向孔を有しており、
また、このピストンは作動端部から軸方向に離間
し主直径Dを有した下部案内部と、下部案内部内
の溝に嵌合された周辺シールリングと、上記下部
案内部と上記作動端部との間の中間減少周辺部と
を含んでおり、上記作動端部は上記下部案内部と
比較して減少した横断面積を有しており、主直径
Dとピストンの作動端部の減少横断面積の直径の
大きさとの差の2分の1には間隙が形成されてお
り、この間隙は、呼び幅g、周の長さ、水平横断
面積S、軸方向長さL、S×Lに等しいギヤツプ
容積Vg、ギヤツプ容積Vg及び上記中間減少周辺
部と上記中間減少周辺部に重ねられる仮想シリン
ダ状面との間に位置した残存容積を含む容積VB
を有しており、上記仮想シリンダ状面はピストン
と同心的になるとともに実質的に主直径Dと等し
く、上記容積VBは以下の式によりD,g,S及
びLに表わされる。
VB=SC2/(L+Kg)(2πFB)2cm3
ここで、(式中、メートル単位を用いている)
Cはピストンと協働した作動室内の圧縮充填物
のほぼ自己点火温度でのVBの音速(cm/sec)で
あり、
Kは、ギヤツプの軸方向端限界の幾何形状に基
づいて決定された0.6から0.85までの間のヘルム
ホルツ補正係数であり、
FBは以下の式で与えられた空気室B内のヘル
ムホルツ周波数であり、
FB=(K/D)Hz
ここで、Kは43000から51000までの値を有した
定数であり、
Lは、火災伝播がギヤツプを介して作動室と空
気室との間に防止される程十分な長さであつてギ
ヤツプの最小長さに少なくとも等しいものであ
り、
容積VB及びVgを規定する最大直線状大きさは
燃焼又は膨脹の間の空気室の温度でのFBの波長
の4分の1以下であり、
Sは、+0.050cmから−0.025cmの誤差範囲で以
下の式によつて呼びギヤツプ幅gを仮定すること
により計算される
g=0.01072D+0.1143
ことを特徴とするピストン。
2 上記L,VB,g及びSの間の関係が以下の
式を満足するClaim 1: A piston having a working end for use in an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine closes at one end and connects the piston in a close-fitting and reciprocating relationship with the working end of the piston. and an axial hole for defining and accommodating a variable volume working chamber for combustion of air-containing fuel between the end and the combustion chamber.
The piston also includes a lower guide portion axially spaced apart from the working end and having a major diameter D, a peripheral seal ring fitted in a groove in the lower guide portion, and a peripheral seal ring that is connected to the lower guide portion and the working end portion. an intermediate reduced periphery between the working end and the working end having a reduced cross-sectional area compared to the lower guide, the main diameter D and the reduced cross-sectional area of the working end of the piston A gap is formed in half of the difference between the diameter and the diameter, and this gap has a gap equal to the nominal width g, circumference length, horizontal cross-sectional area S, axial length L, and S×L. Volume Vg, gap volume Vg, and volume V B including the remaining volume located between the intermediate decreasing periphery and the virtual cylindrical surface superimposed on the intermediate decreasing periphery.
, the virtual cylindrical surface is concentric with the piston and substantially equal to the main diameter D, and the volume V B is expressed as D, g, S, and L by the following equations. V B = SC 2 / (L + Kg) (2πF B ) 2 cm 3 where (in the formula, metric units are used) C is the temperature at approximately the autoignition temperature of the compressed charge in the working chamber in cooperation with the piston. V B is the sound velocity (cm/sec), K is the Helmholtz correction factor between 0.6 and 0.85 determined based on the geometry of the axial end limits of the gap, and F B is the following equation: is the Helmholtz frequency in a given air chamber B, F B = (K/D) Hz, where K is a constant with a value between 43000 and 51000, and L is the frequency at which fire propagation occurs through the gap. between the working chamber and the air chamber and is at least equal to the minimum length of the gap, the maximum linear extent defining the volumes VB and Vg being during combustion or expansion. is less than one-fourth of the wavelength of FB at the air chamber temperature of A piston characterized in that g=0.01072D+0.1143. 2 The relationship between L, V B , g and S above satisfies the following formula
【化】
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のピス
トン。
3 上記ギヤツプは一様であるとともに主ピスト
ン体と同心的であることを特徴とする請求の範囲
第1項または第2項に記載のピストン。
4 上記ギヤツプはピストンの全周辺まわりに延
びていることを特徴とする請求の範囲第3項に記
載のピストン。
5 上記容積VBのギヤツプ容積Vgを含まない部
分は、概して横方向に延びた面、径方向側に集束
した集束面及び横方向に離間した両面によつて少
なくとも部分的に規定され、上記ギヤツプに最も
近接した集束表面は鋭端に沿つて上記ギヤツプに
交差することを特徴とする請求の範囲第2項に記
載のピストン。
6 上記ピストンは作動室に隣接した上記ピスト
ンの作動端部の端での作動面を含んでおり、上記
作動面は傾斜端に沿つて上記ギヤツプに交差して
おり、上記傾斜端は上記中間減少周辺部に向かつ
て傾斜されていることを特徴とする請求の範囲第
5項に記載のピストン。
7 上記ギヤツプに最も近接した集束面は、軸方
向及び径方向に突出した複数のフインを含んでい
ることを特徴とする請求の範囲第6項に記載のピ
ストン。
発明の分野
本発明は内燃機関、特に内燃ピストン機関用の
ピストン形状に関する。
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
て同一の日に出願された下記の特許出願、即ち、
米国出願第535336号の発明の名称「燃焼波周波数
に共振して駆動されるピストン内の空気室を用い
た内燃ピストン機関」、米国出願第535338号の発
明の名称「往復運動をするピストン内の共振空気
室を用いて燃焼室内に閉じた音管共振を誘発する
内燃機関用燃焼工程」、米国出願第535339号の発
明の名称「力学的可変圧縮比内燃機関」、及び米
国出願第535340号の発明の名称「内燃機関の燃焼
効率を高める方法」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
運転サイクル内の燃焼又は膨脹が行なわれている
時に、内燃ピストン機関の空気室を共振させる燃
焼波エネルギ−を用いて空気室に予め蓄えられて
いた空気を完全に受動的に燃焼室内に文字通り力
学的に充填する工程が含まれている。このような
充填効果は、空気室と燃焼室との間の全平均圧の
差とは別個に生じている。この工程は、一般に、
海軍兵学校による熱平衡エンジン(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・トライデント・スカラー・レポ
ート第112号(United States Naval Academy
Trident Scholar Report No.U.S.N.A.−TSPR
No.112)(1981年)に記載の「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
Utilizing 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)に記載の「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 Internal
Combustion Engine Flow Field)」(ポーリング
(Pouring)及びランキン(Rankin)著(1980年
11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−10−
78号(United States Naval Academy
Progress Report No.EW−10−78)に記載の
「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)がある。
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充
填することを例示しているが、上記各文献に記載
されている従来のNAHBE機関におけるピスト
ン、燃焼室、及び充填制御システムは、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たもので
ある。多くの場合、燃焼燃料調査(CFR)機関
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、希には商業生産用の
多気筒機関が用いられ、そして様々な変数の下に
実験が行なわれた。エンジン・ピストンやシリン
ダに附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どのよ
うにしたら、面倒で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。更に面倒なことには、
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だしたとしても、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、及びピストンおよび燃焼
室に用いられる充填物の管理及び制御システムの
改善、並びに他の様々なエンジンやエンジン群と
共に作動する際に試行錯誤の実験の繰返しが最少
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は、燃
料と空気の混合物の管理には関心を払わなかつ
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。なぜなら、充填物
を自動的に管理する実際的な方法が未だ明らかに
されていないからである。実験的NAHBEエン
ジンでは、エンジンが恒常的に作動するように弁
が操作されることによつて、充填は管理される。
発明の簡単な説明
本発明は内燃機関用ピストンの形状に関し、こ
の内燃機関では、燃焼波の相互作用が生じ、燃焼
中燃焼室と空気室との間の結合した共振効果を通
じて空気室から作動室内への空気の供給が制御し
て得られる。
更に詳細にいえば、本発明は、内燃機関に用い
られるための作動端部を有したピストンであつ
て、この内燃機関が一端で閉じ上記ピストンを密
接嵌合かつ往復運動の関係でピストンの上記作動
端部とこの閉止端との間で空気含有燃料の燃焼を
成すための可変容積の作動室を規定して収納する
ための軸方向孔を有している。また、このピスト
ンは作動端部から軸方向に離間し主直径Dを有し
た下部案内部と、下部案内部内の溝に嵌合された
周辺シールリングと、上記下部案内部と上記作動
端部との間の中間減少周辺部とを含んでおり、上
記作動端部は上記下部案内部と比較して減少した
横断面積を有している。主直径Dとピストンの作
動端部の減少横断面積の直径の大きさとの差の2
分の1にはギヤツプが形成されており、このギヤ
ツプは、呼び幅g、周の長さ、水平横断面積S、
軸方向長さL、及びS×Lに等しいギヤツプ容積
Vgを有している。容積VBは上記中間減少周辺部
と仮想シリンダ状面との間に位置しており、この
仮想シリンダ面は容積VBに重ねられてピストン
と同心的になるとともに実質的に主直径Dと等し
い。上記容積VBは以下の式によりD,g,S及
びLに表わされる。
VB=SC2/(L+Kg)(2πFB)2cm3
ここで、(式中、メートル単位を用いている)
Cはピストンと協働した作動室内の圧縮充填物の
ほぼ自動点火温度でのVBの音速(cm/sec)であ
り、
Kは、ギヤツプの軸方向端限界の幾何形状に基
づいて決定された0.6から0.85までの間のヘルム
ホルツ補正係数であり、
FBは以下の式で与えられた空気室B内のヘル
ムホルツ周波数であり、
FB=K/DHz
ここで、Kは43000から51000までの値を有した
定数であり、
Lは、火炎伝播がギヤツプを介して作動室と空
気室との間に防止される程十分な長さであつてギ
ヤツプの最小長さに少なくとも等しいものであ
り、
容積VB及びVgを規定する最大直線状大きさは
燃焼又は膨脹の間の空気室の温度でのFBの波長
の4分の1以下であり、
Sは、+0.050cmから−0.025cmの誤差範囲で以
下の式によつて呼びギヤツプ幅gを仮定すること
により計算される。
g=0.01072D+0.1143
さらに、L,VB,g及びSの間の関係が以下
の式を満足する。The piston according to claim 1, characterized in that: 3. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the gap is uniform and concentric with the main piston body. 4. A piston according to claim 3, wherein the gap extends around the entire circumference of the piston. 5. The portion of said volume V B that does not include the gap volume Vg is defined at least in part by a generally laterally extending surface, a radially convergent focusing surface and laterally spaced surfaces, and 3. A piston according to claim 2, wherein the focusing surface closest to intersects said gap along a sharp edge. 6 said piston includes a working surface at the end of a working end of said piston adjacent to a working chamber, said working surface intersecting said gap along a sloped end, said sloped end forming said intermediate reduction; 6. Piston according to claim 5, characterized in that it is inclined towards the periphery. 7. The piston of claim 6, wherein the focusing surface closest to the gap includes a plurality of axially and radially projecting fins. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to internal combustion engines, particularly piston shapes for internal combustion piston engines. CROSS REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS The subject matter disclosed in this application is incorporated herein by reference to the following patent applications filed on the same date by the applicant:
The title of the invention in U.S. Application No. 535336 is "Internal combustion piston engine using an air chamber in a piston driven in resonance with a combustion wave frequency," and the title of the invention in U.S. Application No. Combustion Process for Internal Combustion Engines Using Resonant Air Chambers to Induce Closed Sound Tube Resonance in the Combustion Chamber'', Title of Invention ``Dynamically Variable Compression Ratio Internal Combustion Engine'' of U.S. Application No. 535339, and U.S. Application No. 535340 It is related to the title of the invention: "Method for increasing combustion efficiency of an internal combustion engine." BACKGROUND OF THE INVENTION Description of the Prior Art The combustion process on which the present invention is based involves the generation of combustion wave energy that causes the air chamber of an internal combustion piston engine to resonate during combustion or expansion within the engine's operating cycle. It involves literally dynamically filling the combustion chamber completely passively with the air previously stored in the air chamber using a combustion engine. This filling effect occurs independently of the total average pressure difference between the air chamber and the combustion chamber. This process is generally
Thermal Balance Engine (Naval) by the Naval Academy
Academy Heat Balanced Engine
(NAHBE)) has already been described in published literature. For example, United States Naval Academy Trident Scholar Report No. 112
Trident Scholar Report No.USNA−TSPR
No. 112) (1981), "Optimizing the NAHBE Piston Cap Design Utilizing Screen Photography Methods and Applications of the Helmholtz Theory" Cap Design
Utilizing Schlieren Photography Methods
and Applications of the Helmholtz Theory)”
(William H. Johnson)
Johnson) (June 2, 1981), United
States Naval Academy Progress
Report No. EW-13-80 (United States
Naval Academy Progress Report No.EW−13
-80) “Time Dependent Analytical and Optical Studies of Heat Balance Internal Combustion Engine Flow Field”
Studies OF Heat Balanced Internal
Combustion Engine Flow Field” by Pouring and Rankin (1980)
(November)), and United States Naval
Academy Progress Report No. EW-10-
No. 78 (United States Naval Academy
Progress Report No. EW-10-78) Investigation of the Non-
Steady Combustion and Flow Process of the
Naval Academy Heat Balanced Engine
(NAHBE)” (June 1978). While the NAHBE project exemplifies the controlled charging of air into the combustion chamber of an internal combustion engine using combustion wave energy, the piston, combustion chamber, and filling in the conventional NAHBE engine described in the above-mentioned documents are Control systems are created experimentally by iteratively redesigning them until a model that operates according to, or at least approximates, theoretical possibilities is achieved. Often single-cylinder engines are used, which are experimental engines used in laboratories such as Combustion Fuel Research (CFR) engines, but more rarely multi-cylinder engines for commercial production are used, and various Experiments were conducted under variables. How to determine the optimal dimensions of the geometrical variables associated with engine pistons and cylinders, as well as the appropriate ratio of air to fuel, is a tedious, time-consuming, expensive, and inaccurate trial and error process. It is unclear whether a decision can be made without doing so. Even more troublesome,
Even if we find the optimum dimensions and optimum mixture proportions for one engine or group of engines, there are no geometrical dimensions or variables that will allow us to obtain the same effect in the next engine or group of engines as we did in the first engine. It turns out that it is not possible to estimate. The present invention provides improvements in engines consisting of piston and combustion chamber geometries and charge management and control systems used in pistons and combustion chambers, as well as in operation with various other engines and groups of engines. The purpose is to minimize the number of repeated experiments due to errors. The idea of using wave interaction to improve the combustion chamber in a NAHBE engine is only experimental, so engine designs to date have not focused on managing the fuel-air mixture. Ta. Furthermore, the formation of a layer in the combustion chamber before compression begins (making the gas mixture very thin near the piston, where the air chamber is located, and making the gas mixture rich near the opposite side of the combustion chamber) is not done. Furthermore, no attempt is made to operate the engine as economically as possible (eg, to make the gas mixture as lean as possible) while still delivering the full power output. Although theoretical studies show that the efficiency and power of NAHBE engines are superior to Otto engines and diesel engines, the best way to improve commercial engines in this way does not yet exist. This is because a practical method for automatically managing the filling has not yet been revealed. In the experimental NAHBE engine, charging is managed by operating valves to keep the engine running permanently. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to the shape of a piston for an internal combustion engine, in which the interaction of combustion waves occurs and during combustion, from the air chamber to the working chamber through the coupled resonance effect between the combustion chamber and the air chamber. A controlled supply of air is obtained. More particularly, the present invention relates to a piston having an actuating end for use in an internal combustion engine, the engine closing at one end and closing the piston in a close fit and reciprocating relationship. It has an axial bore for defining and receiving a variable volume working chamber for combustion of air-containing fuel between the working end and the closed end. The piston also includes a lower guide portion axially spaced apart from the working end and having a major diameter D, a peripheral seal ring fitted in a groove in the lower guide portion, and a peripheral seal ring that is connected to the lower guide portion and the working end portion. and an intermediate reduced periphery between the working end and the lower guide, the working end having a reduced cross-sectional area compared to the lower guide. 2 of the difference between the main diameter D and the diameter size of the reduced cross-sectional area of the working end of the piston
A gap is formed in one half of the
Axial length L and gap volume equal to S x L
It has Vg. A volume V B is located between said intermediate reduced periphery and an imaginary cylindrical surface, which imaginary cylindrical surface is superimposed on the volume V B and is concentric with the piston and substantially equal to the main diameter D. . The above volume V B is expressed by D, g, S and L according to the following formula. V B = SC 2 / (L + Kg) (2πF B ) 2 cm 3 where (in the formula, metric units are used)
C is the sound velocity (cm/sec) of V B at approximately the autoignition temperature of the compressed charge in the working chamber in cooperation with the piston, and K is determined based on the geometry of the axial end limits of the gap. is the Helmholtz correction factor between 0.6 and 0.85, and F B is the Helmholtz frequency in air chamber B given by: F B = K/DHz where K is a value between 43000 and 51000. L is a constant having a length that is sufficient to prevent flame propagation through the gap between the working chamber and the air chamber and is at least equal to the minimum length of the gap, and L is a volume The maximum linear magnitude defining V B and Vg is less than one quarter of the wavelength of F B at the temperature of the air chamber during combustion or expansion, and S has an error of +0.050 cm to -0.025 cm. The range is calculated by assuming the nominal gap width g using the following formula. g=0.01072D+0.1143 Furthermore, the relationship between L, V B , g and S satisfies the following equation.
【化】
この発明の他の詳細は以下の詳述から明らかに
なる。
図面の説明
第1図は、本発明の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・ギヤツプがシリンダ・ボア内に同心に配置
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、排気一酸化
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当
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と、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との間に跨がる想像円筒面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
間のクリアランス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の概念を
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と、
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、ピストン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
面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VB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VBは正し
く計算され、この容積VBはギヤツプgの容積Vg
を含んでいる。この容積Vg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46の周囲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VB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VCを含ん
で計算される。しかし、隙間容積VC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
る化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。
慣例に例えば、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「VB」として簡単に示
され、VBに対するVA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が取付けられなる出力軸30に連結する適当
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
燃料からなる混合気が絞り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図の概略的な実施は共通
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)は適切に調節即ち制
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、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(燃料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、燃焼が開始するとき、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4
0,44の幾何学的形状により、空気室38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40)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ている。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
エクタ74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か又はこれら
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に立ち、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に
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、ヘルムホ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ヘルム
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振され
るとともに、比較的小さな入力エネルギーでもつ
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、これらは室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ーに
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
ルギーは第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、.6と.85との間のヘルムホル
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の音速に近
い速度で伝達される周期的な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A周波数により、その固有振動
数FB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3
8、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。
VB=SC2/(L+Hg)(2πFB)2cm3
ここで(全ての次元はメートル単位を使用す
る)、
VB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の音速;
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、.6と.85との
間の適当なヘルムホルツ無次元補正因子;
FB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=.01072B+.1143で表わされ、
その公差は+.050から−.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
との間の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、VB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FA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
VBの式を満足する寸法を「調整」するのに使用
されている。Other details of the invention will become apparent from the detailed description below. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a front view of a piston for an internal combustion engine incorporating the present invention; FIG. 2 is a front view of the piston of FIG. 1 disposed within a cylindrical bore of the engine; 3 is a schematic diagram of a fuel-intake internal combustion engine incorporating the piston of FIG. 1 and having an air-fuel ratio control system, and FIG. 4 shows a direct injection of substances into the working chamber of the engine using a fuel injector; 5 is a schematic diagram of an internal combustion engine similar to FIG. 3, and FIG. 5 is a plan view showing an embodiment of a piston gap constructed according to the present invention, in which the air chamber in the piston and the engine working chamber are This gap between the air chamber and the working chamber is uniform around the top of the piston, and FIG. 6 is a plan view showing another embodiment of the gap;・It is formed by the gap being arranged concentrically within the cylinder bore, and the seventh
The figure shows yet another embodiment of the gap formed according to the present invention, in which the gap is non-uniform and divided and arranged around the piston. 2 shows a detailed cross-section of the piston of FIG. 1 having an alternative shape,
FIG. 9 is a front view of the cross section of the piston in FIG. 1 showing another structure of the piston cap, and FIG. 10 is a front view of a cross section of the piston shown in FIG. 1, showing another structure of the piston cap, and FIG. FIG. 11 is a schematic diagram showing the similarity to the chamber; FIG. 11 is a diagram schematically showing the closed sound tube resonance induced in the working chamber by a resonant piston chamber; FIG. 12 (a-b) 13 is a diagram depicting the operating cycle of an engine incorporating the present invention, and FIG. 13 is for illustrating the horsepower of an engine constructed according to the present invention.
A series of graphs of the air-to-fuel ratio of the injectate delivered to the working chamber of the same engine, including specific fuel consumption, unburned exhaust hydrocarbons, exhaust carbon monoxide (volume percent), and the engine's "run" ratio. Figure 14 shows the pressure and temperature of the combustion chamber, the spontaneous ignition region of the injected material in the combustion chamber, and the rapidly increased spontaneous ignition region of the injected material in the combustion chamber. FIG. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION With reference to the drawings, and in particular to FIGS. 1-3, the present invention has a cylinder 12 and a piston 14 reciprocating within the cylinder 12, and has a suction filling stroke, a compression stroke, and a combustion stroke. / It is intended to improve an internal combustion engine 10 operated with an operating cycle consisting of an explosion stroke and an exhaust stroke. In internal combustion engines, naturally aspirated, supercharged (intake air is pressurized), mixed, and fuel-injected, or a combination of these, it is usually appropriate to All of these are well known in the field of internal combustion engines. Although the particular preferred embodiment illustrated is a reciprocating piston type internal combustion engine, the inventive concepts disclosed and claimed herein are equally readily applicable to rotary piston type internal combustion engines. considered to be applicable. As shown in FIGS. 1 and 2, a piston 14 constructed in accordance with the present invention is disposed within cylinder 12. As shown in FIGS. As piston 14 reciprocates, piston 14 defines a variable volume working chamber 16 (designated as a "combustion chamber") between the top of piston 14 and the closed end of cylinder 12. The piston 14 has a conventional guide or skirt 20, a seal ring groove 22 for a seal ring 24, and a piston pin bearing 26 at the connection point between the piston 14 and a connecting rod 28. A connecting rod 28 connects the piston 14 to an output crankshaft 30 of the internal combustion engine 10. Piston 14 is cylinder 1
2 with a clearance CL (Fig. 2), the piston 14 is fitted with a clearance CL (Fig.
and top dead center (TDC). A piston 14 constructed according to the invention has a working end which is connected to a crown or cap 3.
It has 2. The cap 32 has a diameter dimension, the diameter of the cap 32 being smaller than the diameter of the skirt portion 20. The cap 32 usually has a symmetrical body, the diameter d of which is equal to the skirt portion 2.
The diameter is reduced compared to the main diameter D of 0 (see FIG. 1). If only the radius is considered, cap 3
2 is shown as having a reduced radius r compared to the major radius R of the skirt portion 20 (FIG. 1). As shown in FIG.
is placed in the cylinder 12, it is clear that the width of the gap g is indicated by the difference between R+CL and r. For example, as shown in FIG. 1, when the piston 14 is viewed independently from the cylinder 12, the gap g is the width between the imaginary cylindrical surface 34 and r that spans between the skirt portion 20 and the cap 32. It can be defined by the directional dimension. The imaginary cylindrical surface 34 has a diameter substantially equal to the bore B of the cylinder 12 (or the diameter D of the skirt 20 of the piston 16 if the clearance CL can be ignored). The imaginary cylindrical surface 34 can be viewed as the locus of the bore of the cylinder 12 that receives the piston 14, or, if the above-mentioned clearance can be ignored, as the locus of the curved surface defining the upper part of the skirt portion 20. In the following description and claims, the clearance CL between the piston 14 and the bore will be referred to in the calculation of various mathematical relationships and geometries in order to avoid complicating the description of the invention. are largely ignored. If the clearance CL cannot be ignored, taking into account the dimensions of the clearance CL will be easily understood by those skilled in the art in making such calculations. As shown in FIGS. 5, 6 and 7,
Cap 32 can be configured in different shapes. For example, the cap 32 shown in FIG. 5 is a protrusion extending concentrically from the piston 14, and there is a uniform gap around the entire circumference of the cap 32. The cap 32 shown in FIG. 6 is an eccentric but symmetrical projection, and the gap g around the cap 32 varies uniformly. Further, as another shape that satisfies the geometrical requirements of the present invention, there is, for example, the shape shown in FIG. The cap 32 in FIG. 7 is shaped to divide the gap into two regions, and the gap has a width that varies circumferentially around the piston 14 or bore. Various shapes of the gap and cap result from the application of the invention to various types of internal combustion engines and are necessary to match the desired operating cycle. However, as will be apparent from an understanding of the concept of the invention described below, the piston (including the cap) and combustion chamber embodying this invention all depend on the various parameters of the internal combustion engine to which this invention is applied. and related by certain mathematical relationships involving dimensions. The piston 14 having the above-mentioned NAHBE type piston characteristics is provided with a reduced diameter portion 36 below the cap 32 and above the skirt portion 20, that is, the seal ring groove 22. This reduced diameter portion 36 forms an air chamber 38 below the cap 32 and above the seal ring 24.
communicates with the working chamber 16 only via the gap g. In other words, the air chamber 38 has a reduced diameter portion 36 which is the innermost portion in the radial direction, and a bore or imaginary cylindrical surface 34 of the cylinder 12 which is the outermost portion in the radial direction. upper and lower surfaces 40, 42 that converge;
It is completely defined by the gap length L and the length of the upper gap (LR) of the top seal ring.
In the preferred embodiment, the piston 1
4 intersects the periphery of the cap 32 of the piston 14 along a sharp edge 44 (FIG. 2). The peripheral region of the cap 32 includes an axial surface 46 having an axial length L. This axial length L defines the length of the gap. In this preferred embodiment, the axial surface 46 intersects the working surface of the piston along an inclined surface 48. According to the invention, the axial length L of the gap g is an important dimension along with the width g of the gap, the volume V B of the air chamber 38 and the geometric dimensions of the upper and lower surfaces 40, 42. The volume V B is calculated correctly, and this volume V B is the volume V g of the gap g
Contains. This volume V g is obtained by multiplying the area of the gap (obtained by integrating the circumferential length of the gap around the piston (see Figures 5 to 7) by the width of the gap) and the axial length L of the gap. The axial length L is measured along the circumference of the axial face 46 of the cap. Such length and volume determinations are made by formal mathematical principles and require no effort. Further, as shown in FIG. 1, the volume V B of the air chamber 38 is located between the piston 14 and the bore 12 (imaginary cylindrical surface 34), along the gap surface 50 and at the upper peripheral edge of the top seal ring groove 22. It is calculated including the gap volume V C that reaches up to However, regarding the gap volume V C ,
It will be largely ignored for purposes of explanation and description of this invention, except in specific cases where its significance is particularly important. In FIG. 2, the upper and lower surfaces 40, 42 of the air chamber 38 are shown to be smooth, but in the modification of FIG. 8, at least the upper surface 40 has radially and axially projecting fins. It is shown. These fins assist in heat exchange between the air circulating within air chamber 38 and the underside of cap 32 during operation of the internal combustion engine, as will be explained in more detail below. Furthermore, the structure of the piston 14 in another embodiment is illustrated in FIG.
Reference numeral 2 designates a separation member 54 that is assembled to the main body of the piston via a suitable fixing member 56 or via other suitable fixing mechanisms including brazing or welding. The upper and lower surfaces 40, 42 are also coated with a suitable catalytic material 58 to promote radicals in the air chamber 38 or to assist in controlling the force of chemical reactions occurring within the air chamber 38. You can also. Conventionally, for example, in an internal combustion engine 10 that uses a piston similar to piston 14, the determination of its compression ratio is determined by the ratio of the total volumes of the working chamber and air chambers 16 and 38, respectively, when the piston is at BDC and This can be easily done by comparing the volumes of the working chamber and air chamber at TDC. The volume of the working chamber when the piston is at TDC is conventionally designated as the "free" volume of the working chamber. For convenience,
The volume of the air chamber is often simply designated as "V B ", and the ratio of V A to V B is conventionally designated as the "equilibrium ratio" from the early theoretical "thermal equilibrium cycle" terminology. In this theoretical "thermal equilibrium cycle" terminology, heat is considered to be added to the theoretical air cycle at "equilibrium". If additional information is desired regarding the theoretical thermal equilibrium cycle that provides the background for this invention, reference may be readily made to the various publications containing the term theoretical "thermal equilibrium cycle" mentioned above. A typical internal combustion engine system employing the present invention is shown in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 schematically shows a typical fuel-breathing internal combustion engine, and FIG. 4 shows a typical fuel-injection internal combustion engine. Each internal combustion engine includes a piston 14 of the shape shown in FIGS. 1 and 2, and a suitable functional mechanism for connecting the piston 14 to an output shaft 30 to which a flywheel 60 is attached. In FIG. 3, the intake type internal combustion engine has an intake manifold 62 through which a mixture of combustible air and fuel is supplied to an intake port 64 of the internal combustion engine under the main control of a throttle 66. Ru. In a preferred embodiment of the invention, fuel is added to the first air stream 68 that is supplied to the intake manifold, and the second air stream 70 is provided with its own separate control system. This control system will be described below in connection with the description of FIG. The schematic implementation of FIG. 3 shows the first and second air streams connected to a common manifold. The first supply to the working chamber of the internal combustion engine
Separate manifolds are utilized, along with other equipment, to separately provide and control the and second air streams. In all cases, the first and second air flows (along with the necessary fuel) are suitably regulated or controlled, so that only air or a very small proportion of fuel fills the working chamber during each intake stroke. Air containing air (which is insufficient for fuel continuation) is first drawn into the working chamber and, after a delay, a rich mixture of fuel from the main side of the charging source. Therefore, when combustion begins, virtually only air is in the vicinity of the piston, and all of the fuel in the total charge (including all air and fuel in the working chamber when the intake port is closed) is It is included on the end side of the working chamber opposite to the piston. As the compression of the charge proceeds, the air containing very little fuel is transferred via the gap g to the air chamber 38 below the piston cap 32, where it is compressed together with the rest of the charge in the working chamber. and heated. The geometry of the air chamber 38, in particular the upper and lower sides 4
Due to the geometry of the air chamber 38, the air moved into the air chamber 38 swirls rapidly in an annular swirl pattern on the underside of the cap 32, which causes this air to flow into the upper and lower sides 40, 42. It is circulated through direct heat exchange between the The heat exchange that takes place between the displaced air and the piston cap (particularly the upper side 40) is very important. This is believed to be the basis for improving the efficiency of the working cycle in the present invention compared to engine and diesel cycles with conventional piston geometries. Essentially, the heat exchange that takes place during the subsequent compression stroke between the cap heated by the previous compression/explosion stroke and the air moved below this cap creates a regenerative effect, and this The regenerative effect reduces the total waste heat during each cycle for a given amount of fuel compared to conventional engine or diesel cycles. Therefore, if necessary, the eighth
The use of fins and catalyst surfaces as illustrated in FIGS. It can be done. Normally, a small amount of fuel is carried into the air chamber 38 with the air, so that some hydrocarbon radical generation occurs in the air chamber 38 as well as in the working chamber 16. Radical-generating reactions of hydrocarbon fuels under high pressure and high temperature conditions are described, for example, in U.S. Pat.
It is known from reference No. 4317432 and
The phenomenon is described here. The generation and treatment of radicals generated within the air chamber 38 and how they are used to contribute to the main reaction within the working chamber 16 is illustrated in FIGS. 12a to 12.
Discussed below in conjunction with the description of p-diagrams. In FIG. 4, an internal combustion engine 72 uses a similar piston 14. However, for the fuel intake system illustrated in FIG. 3, fuel is injected by using an injector 74.
Injectors 74, shown as supplying high-pressure fuel directly to the working chamber of the internal combustion engine, or alternative fuel injection devices are utilized, which provide axial stratification in the working chamber at the beginning of the compression stroke. Guarantee. Also, although indirect fuel injection in the area of the intake port gives rise to the necessary layer control, the invention is not limited to a method based on a given injector system.
Fuel in the figure is supplied via an injection controller 79 which is responsive to the position of throttle 79'. In both the internal combustion engine embodiments of FIGS. 3 and 4, an exhaust port 80 is connected to an exhaust manifold 82 for exhausting combustion products from the working chamber 16. Third
In the figure, a spark igniter 84 serves to initiate the combustion reaction within the working chamber 16 in the conventional manner and is supplied with a high energy electrical potential via a distributor 86. Thereby, sparks can be generated within the working chamber 16 at a timing related to the movement of the piston 14. In the embodiment of FIG. 4, ignition is either compression induced or spark driven. According to the invention, it is desirable to use shock wave energy for ignition of the combustion chamber charge in order to operate the air chamber as a Helmholtz resonator. Helmholtz resonators are generally well known and widely described in the literature. The classic discussion of the Helmholtz resonator in the combustion chamber environment of an internal combustion engine began in 1951.
A. on October 30th. G. U.S. Patent Granted to ADBodine, Jr.
It can be seen in No. 2573536. This patent relates to a process for weakening or eliminating detonation waves in combustion processes. In FIG. 10, the upper part of the figure shows a classical Helmholtz resonator comprising a chamber 90 containing gas at a predetermined temperature, the chamber 90 having a restricted aperture or neck 92.
have. This net 92 has a length Ln,
It has geometric orifices at both ends.
When the air in the network 92 is given an excitation frequency corresponding to the natural resonance frequency of the gas in the chamber 90, a resonance condition is generated in the chamber 90, and the gas in the chamber 90 is oscillated at the Helmholtz resonance frequency and , the transmitting state is maintained even with relatively small input energy. The diameter, cross-sectional area and length Ln of the net 92 and the volume of the chamber 90 are variable and determine the oscillation state of the chamber 90, but the Helmholtz resonator theory
It is quite general regarding the actual shape of 0 itself. Accordingly, the present invention provides a method for generating the pressure wave shown in FIG. 1 or FIG. It is based on the assumption that the air chamber 38 of the designed piston structure can react exactly like the Helmholtz resonant chamber 90. When the members constituting the Helmholtz resonance chamber have a suitable shape, the input pressure wave energy whose frequency coincides with the Helmholtz resonance frequency of the gas in the chamber 38 at the temperature of the chamber 38 is as shown in the upper part of FIG. A resonant condition is induced in the air chamber 38 in a manner similar to the system depicted in FIG. The similarity between the classical Helmholtz resonator configuration and the Helmholtz resonator obtained by the shape of the piston 14 is illustrated at the top and bottom of FIG.
In calculating the resonant frequency of the Helmholtz resonant chamber 90 or 38, the length Ln of the net is important, and the length Ln of the net is determined by an appropriate parameter depending on the geometry of the entrance and exit ends of the net. must be adjusted by dimensional constants. For example, a flanged inlet provides the neck with one effective length, while the angled inlet shown at the bottom of FIG. 10 provides the neck with a different effective length.
In practice, for the inclined inlet shown in the lower chamber configuration of FIG. 6 and. A Helmholtz correction factor between
It is given to adjust the actual neck length to obtain a valid neck length. If optimum efficiency and operation of the piston and combustion chamber is to be achieved, an important aspect of this invention is to provide periodic shock frequencies and frequencies that are transmitted at a velocity close to the speed of sound in the combustion chamber at its combustion temperature. To find a certain relationship that necessarily exists between the ignition of the charge and the expansion frequency of the explosion; the geometrical dimensions of the cylinder; the volume of the air chamber; the width of the gap; the length and cross-sectional area; and the combustion temperature. Furthermore, when applying the present invention to different types of internal combustion engines,
It is important to understand these relationships and to set the shapes and volumes of the piston, combustion chamber, gap, and air chamber. As mentioned above, this method uses an air chamber that responds to the interaction of combustion waves.
Although the NAHBE internal combustion engine is already in practical use,
Optimization of actual internal combustion engines to reach the theoretical efficiency limits suggested by the "thermal equilibrium" or "regeneration" theory is not yet readily available in practical applications. The invention is therefore based on a more recent discovery that it is possible to mathematically define the shape of the piston, the compression ratio and its movement in an internal combustion engine using a given fuel and having a given cylinder bore. , thereby ensuring a Helmholtz resonance condition and obtaining optimal internal combustion engine operation. In particular, assuming that the ignition of the charge in the working chamber 16 creates a periodic vibrational shock wave of frequency A that is transmitted within the working chamber at a speed close to the speed of sound.
The air chamber is configured to operate at Helmholtz resonance under its natural frequency F B by frequency A like a Helmholtz resonator during the combustion/explosion phase of the cycle. On the other hand, cylinder bore, air chamber 3
8. The geometric ratio of gap g, axial gap length and gap cross-sectional area is established by the following equation. V B = SC 2 / (L + H g ) (2πF B ) 2 cm 3 where (all dimensions use metric units), V B is the volume of the air chamber 38; S is the cross-sectional area of the gap g; C is the the sound velocity in the air chamber 38 at approximately the autoignition temperature of the compressed charge in the working chamber 16; L is the gap length; K is for adjusting the effective length of the gap based on the shape of the end regions of the gap; 6 and. a suitable Helmholtz dimensionless correction factor between
A number between 43000 and 51000, B is the diameter of the bore (or piston diameter if clearance is ignored); and g is g=. 01072B+. represented by 1143,
The tolerance is +. From 050-. It is in the range of 025cm. If the gap g varies around the piston, a uniform gap with the above dimension g exhibits a cross-sectional area s. The actual gap area must satisfy the area value related to the gap shape. The maximum width of the non-symmetrical gap cannot exceed the dimension that occurs when a choke flow (critical pressure ratio) is obtained between the air chamber and the working chamber during at least some strokes of the working cycle of the internal combustion engine. Therefore, when the oscillation frequency A is applied to the working chamber, the total gap area and volume must satisfy the requirements of a Helmholtz resonator. Furthermore, the gap length L is initially selected to always cut off any flame propagation between the working chamber and the air chamber. (Assuming there is a pocket or region of combustible mixture in the air chamber, i.e. assuming that the air chamber is filled with fuel before the flame front travels through the combustion chamber) Assuming that this L is related to the absolute temperature of combustion in the working chamber and the pressure in the working chamber, it is conventionally determined by the flame propagation cutoff theory of the following equation. L∝(K)(T A ) 1/2 /P A where K is a constant; T A is the combustion temperature of the fuel in the working chamber; P A is the pressure in the working chamber; Also, in the above equation for V B , the maximum linear dimension of the gap and air chamber in any direction is the resonant frequency within the air chamber 38 at the temperature of the air chamber 38 during the combustion/explosion stroke of the internal combustion engine's operating cycle. It is assumed to be smaller than 1/4 wavelength of B. It is desired to obtain a reasonably wide frequency response between F A in the air chamber and the resonant condition, or what is called the "Q" response, and the following equation is
Used to "adjust" dimensions to satisfy VB formulas.
【化】
L,g,Sの寸法がVB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、作動サイクルの膨張
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である。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、作動室を作動さすよ
うに、ほぼ周波数B(作動室は元の燃焼温度より
も冷却されているので、Aに対していくらか異な
つた固有周波数)もと空気室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、膨張行程多数のポイントで、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
にその基本音管周波数において長さLWを有して
いる。
各作動サイクル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。FBがFA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)に適当な試験台(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、不燃炭化水素及び一酸化炭素)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、これら曲線は一炭化
水素(CO)、不燃炭化水素(UHC)、図示燃料消
費量(ISFC)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
つ得にれるピストン及び燃焼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
燃料及び空気配分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を得る必要が
ある。
前述した内燃機関の測定中において、各内燃機
関のRPM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)
には制御機構が備えられ、この制御機構はいろい
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りて応答する。
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
から、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、最適な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対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
される内燃機関においては、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、空気室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VBと作動室容積VA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、チヨーク流れ
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の速度範
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れるものである。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、ギヤツプを横切る臨界圧力比を生起
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張は一瞬
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Bが前
述したように作動室の固有振動数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れる燃
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をこの空気室のヘルムホル
ツ共振周波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張波の相互作用は、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張を
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、空気の移動は膨張によ
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張するときに進行す
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張
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/膨張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化学的な
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ルドで作動するなら
ば、点火タイミングが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張し始め(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
物と反応可能である。
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のガス
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VB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張及び動揺を引
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
る流れが逆になると、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12l図において、排気行程の終期
間が近付くと、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、空気室内に於ける隙間の蒸気の最終
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
られるものにし「予備火炎」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12n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(燃焼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。この発明によれ
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
の僅かな増加又は現象が為遂げられ、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ツ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)はまたは全体のプロ
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。[Chemical formula] When the dimensions of L, g, and S satisfy both the VB and Q equations, an appropriate dimensional relationship according to the present invention is established. Appropriate balance ratios, gap geometry, and air chamber volumes are provided for a given fuel, compression ratio, bore size, and stroke of the internal combustion engine. Another aspect of the invention is that, with appropriate "adjustment" of the variables mentioned above, combustion of the working chamber at the end of the expansion stroke of the working cycle is achieved by "sound tube" oscillation of the working chamber on the working surface of the piston. This is the discovery that intense mixing occurs in the region. The principle of sound tube resonance in a closed tube is well known, and its fundamental resonant frequency depends only on the length of the tube and the speed of sound at the gas temperature within the tube. In this invention, a frequency of approximately B (which is somewhat different from A , since the working chamber is cooled below the original combustion temperature) is used to actuate the working chamber in sound tube resonance for at least a small period of time. When the piston reaches BDC by using the resonant gas in the original air chamber (natural frequency), it induces a fundamental or harmonic tube resonance in the cylinder bore above the piston. However, theoretically, it should be possible to operate the working chamber at multiple points in the expansion stroke during sound tube resonance. The principle of sound tube resonance is illustrated in FIG. 11A, where the piston 14 has reached BDC and the air chamber 38 is
It resonates at or near this frequency. This air chamber 38 causes the working chamber to oscillate at temperature T A and has a length LW at its fundamental tube frequency, as shown schematically by dashed line 94 . It is important to emphasize the significance of the heat exchange that occurs between the cap 32 and the air in the chamber 38 during the latter part of the compression stroke of each operating cycle. The previous cycle's heat storage in the cap contributes significantly to the overall efficiency of the cycle, so the temperature of the cap is important. The temperature of the cap is controlled by selecting suitable materials for the cap and by coupling the cap to the main piston body to achieve and maintain the desired cap temperature during operation of the internal combustion engine. I can do it. To ensure that F B matches F A , the temperature of the air chamber 38 is controlled by the pressure at the time of fuel ignition to obtain the desired Helmholtz resonance, which is important for satisfying the operation of the system of this invention. It must be. Furthermore, in a spark ignition internal combustion engine,
It is important to maintain the temperature of the air chamber 38 at its pressure below the detonation or "knock" temperature of the fuel in the working chamber, thereby avoiding engine knock under all operating conditions of the internal combustion engine. Additionally, the temperature of the air chamber 38 must be controlled so that the generation of radicals within the chamber 38 and the The maintenance of introduced (or already included) radicals is important from the standpoint of promoting combustion of internal radicals.
This is ensured by maintaining the temperature of the chamber below such a temperature that it will not react with the required compound. In addition to obtaining suitable piston and combustion chamber geometries for a given internal combustion engine according to the above-described formulas, the present invention also provides a method for supplying the working chamber of an internal combustion engine using the piston and chamber of the present invention. The present invention seeks to obtain an internal combustion engine regulation system that is applied to control the air-fuel ratio of the charge.
If spark ignition is used to initiate combustion, the advance setting of the ignition timing is controlled in addition to the air/fuel ratio. As a starting point, the internal combustion engine 10 or 72 (FIG. 3 or 4) is completely "measured" on a suitable test stand (not shown) and the air/fuel ratio of the internal combustion engine; ignition timing; indicated horsepower; Fuel consumption; engine speed; load; fuel flow rate; emissions (especially non-combustible hydrocarbons and carbon monoxide) are determined. As shown in Figure 13, a set of curves is obtained from the engine's measurement procedure, which curves include monohydrocarbon (CO), uncombustible hydrocarbon (UHC), indicated fuel consumption (ISFC) and its total operating 1 shows indicated horsepower (IHP) for internal combustion engine air-fuel ratios over a range of air-fuel ratios. Empirical experiments in the laboratory have shown that when the piston and combustion chamber geometries obtained according to the equations described above are utilized, the air-fuel ratio at maximum power is uniformly approximately equal for all internal combustion engines. 16:1, and also indicates that the most economical case air/fuel ratio is approximately 20:1. Thus, a variable range of air-fuel ratios varying from 16:1 at maximum power to 20:1 in the most economical case is obtained, as well as an opening for internal combustion engines with pistons and combustion chambers according to the invention. A fuel and air distribution system is established. However, the problem of controlling the air-fuel ratio under other operating conditions of the internal combustion engine remains, in order to obtain the maximum efficiency allowed for the internal combustion engine. In order to achieve the maximum permissible efficiency, the invention provides that at various operating speeds of the internal combustion engine:
Recently developed characteristic curves for CO, UHC, ISFC and IHP for air-fuel ratio are used.
“Run Quality Index”
The curve called "Index)" or RQI is calculated mathematically using the following formula. RQI=(IHP)K/(ISFC)(UHC)(CO) The RQI curve is also illustrated as curve 106 with its ordinate on the right side of FIG. Therefore, in reality, a curve 106 with a sharp peak indicates the optimum air-fuel ratio for optimum running of the internal combustion engine.
To obtain the RQI curve, the RQI curve relates to what is supplied to the combustion chamber and exhausted to the exhaust stream. It is clear that at maximum RQI, the internal combustion engine actually operates at maximum efficiency at any speed and load condition. Of course, this efficiency need not be equal to the theoretical maximum efficiency under similar conditions. The maximum RQI curve is the target for achieving the charged air-fuel ratio as well as proper ignition timing during actual internal combustion engine operation. However, in all operating conditions of the internal combustion engine, the air-fuel ratio and ignition timing (assuming spark ignition) are controlled so that the composition of the charge can be adjusted in the direction of obtaining the maximum RQI of the internal combustion engine. It is necessary to obtain suitable control means that can do this. During the internal combustion engine measurements described above, the optimal air-fuel ratio and ignition timing that yields the optimal RQI in the RPM test for each internal combustion engine is determined and assumed.
Still further, in accordance with the present invention, the air-fuel ratio of the initial charge flow supplied to the intake manifold 62 of the fuel-breathing internal combustion engine shown in FIG. The secondary air is adjusted to approximately twice the economical air-fuel ratio, and the secondary air is adjusted to balance the overall air-fuel ratio. Secondary air (indicated by 70 in Figure 3)
is provided with a control mechanism which controls the air-fuel ratio supplied to the internal combustion engine intake manifold to provide an air-fuel ratio that operates the internal combustion engine at an optimum RQI under various internal combustion engine load and speed conditions. Next, constantly adjust the amount of air. According to the invention, the secondary air is provided by Irvin and Michael
By using a "lean limit control" system, such as that disclosed in U.S. Pat.
It is only controlled by modifying the system described above to seek a "lean limit" corresponding to the RQI. Of course, the patented system seeks a minimum misfire lean limit for the internal combustion engine regardless of RQI operation. However, by appropriately adjusting its measurements, the system determines the optimal air-fuel ratio for the internal combustion engine to operate at optimal RQI, thereby providing maximum
A "misfire" situation can be seen on either side of the RQI. The system responds by adjusting the air/fuel ratio toward maximum RQI. Thus, referring to FIG. 3, secondary airflow is controlled by a restrictor plate or valve 110 which is controlled by a servo motor 112. Referring to FIG. This servo motor 112 is
It is controlled by a central control unit of a lean limit control system similar to that described in No. 4,368,707. The lean limit control system described in the above patent instantaneously detects the output of the internal combustion engine by instantaneously magnetically detecting the angular velocity of the flywheel 60 using the pickup 116. The pick-up 116 instantaneously detects the passing speed of the teeth of the flywheel in the vicinity of the pick-up 116. After receiving the sensor signal via line 118, the speed signal is processed in central control unit 114 to generate an instantaneous acceleration (or deceleration) signal. The central control unit 114 ``interprets'' the instantaneous acceleration or deceleration signal as an instantaneous power reading of the internal combustion engine and directs the servo motor 112 to the ``lean side''.
Or command the "rich side", thereby valve 11
0 is operated open or closed to obtain a lean or rich condition. The predetermined air-fuel ratio determined by the control system 14 is determined by the curve 106 in FIG.
corresponds to the air-fuel ratio that produces the optimal RQI, as shown by . In this respect, it is recognized that the internal combustion engine operates with an optimal balance between the fuel supplied to it and the power required, and that the internal combustion engine operates at the maximum efficiency it can obtain. But it works. Of course. If a misfire is detected by sensor 116, this indicates to central control unit 14 that the air/fuel ratio is inappropriate and must be further adjusted to obtain the required power output of the internal combustion engine. Instruct. However, when the sensor 116 recognizes that the misfire limit has been reached and the central control unit 114 determines that the secondary air controller 112 is set to produce an air/fuel ratio that matches the optimum RQI. , it can be easily recognized that the internal combustion engine operates at maximum efficiency available. Preferably, an ignition timing controller 120 is provided which controls the advance/retard settings of the distributor at the request of the central control unit 114, so that the spark timing controller 120 controls the advance/retard settings of the distributor in accordance with the appropriate settings determined by the aforementioned internal combustion engine measurement tests. , each as recognized by the flywheel sensor 116.
For RPM, an optimal ignition setting with optimal RQI is established. Therefore, the central controller 114, in addition to the "lean limit control" system just discussed, includes a sensor that receives or derives the internal combustion engine RPM signal from the flywheel sensor 116, which sensor is connected via line 22 to the distributor. generates a signal responsive to the speed signal that controls the ignition advance mechanism 120 of the engine. In an internal combustion engine in which combustion is initiated by self-ignition, such as the internal combustion engine shown in Figure 4, which uses a compression ratio of 5 to 9:1, the optimum
To maintain RQI operation, a lean limit controller 114 is provided that controls a fuel injection control system 79 that adjusts the air-fuel ratio. The timing and amount of fuel delivered to each cylinder of a fuel-injected internal combustion engine is carefully controlled by control system 114 to obtain the precise air-fuel ratio necessary for optimal RQI operation of the internal combustion engine. Additionally, of course, the control system 114 ensures that no fuel is supplied into the working chamber 16 during the compression stroke, which would adversely affect the transfer of fuel-free air into the air chamber 38. In a preferred embodiment of the invention, at least in part of the high operating speed range of the internal combustion engine, during at least part of the compression stroke, the classical critical pressure ratio for producing a choke flow through the orifice is set to the air chamber volume V B A gap g is formed between the working chamber volume V A and the working chamber volume V A . By starting the ignition timing of the filling, the operation and air chambers 16,
Assuming that the pressures between 32 and 32 are not equal, the invention provides an internal combustion engine with a dynamically variable compression ratio that depends only on the speed of the internal combustion engine. As the speed of an internal combustion engine increases, its effective compression ratio also increases to increase power output. At low speeds, when no flow is induced, the piston of the internal combustion engine
The volume of the working chamber and the piston when it is at BDC are
According to the ratio between the volume of the working chamber when at TDC, it actually operates at a lower compression ratio in volumetric terms. Preferably, the gap g is selected such that choke flow is present over the upper 35% of the speed range of the internal combustion engine. However, the above-mentioned speed ranges may be varied to suit specific requirements. It can be seen that if the gap g is constant, the maximum width of the gap does not exceed the value necessary to obtain a choke flow between the air and the working chamber above the threshold speed, where the air flow through the gap g Due to the lack of pressure in the working chamber causing it to flow into chamber 32, the effective compression ratio begins to increase. Furthermore, it can be seen that when the pressure in the working chamber suddenly decreases, a choke flow between the air chamber and the working chamber is obtained at the moment the exhaust valve opens. When the exhaust valve is opened, expansion of the high pressure gas in the air chamber into the working chamber is momentarily delayed by appropriately selecting the gap width to create a critical pressure ratio across the gap. Thereby, the delivery of high-pressure, high-temperature air containing radicals from the air chamber to the exhaust system is maintained and controlled. Of course, the degree of heated air and radical retention will depend on the degree of throttling and other factors. For example, by providing a sharp edge 44 at the edge of the gap adjacent to the air chamber 33, the choke flow can be ensured at a practically normal gap width. 12a-12p, the operation of the present invention is schematically illustrated, where a Helmholtz resonance condition is shown which causes periodic pumping of air from the air chamber 38 into the working chamber 16. Uses; flow conditions between air and working chambers; sound tube resonance; coupled oscillators; and generation of radicals to improve and control the compression stroke of internal combustion engines.
including management. Starting from FIG. 12a, the piston 38 is
BDC, both valves (intake and exhaust) are closed,
Then, an axially layered filling is shown in the working chamber 16, with air and a very small amount of fuel on the side close to the piston, and a rich mixture near the closed end of the working chamber. It is represented. In all cases, at the beginning of the compression stroke, no or very little fuel-containing air is present in order to ensure that air is introduced into the air chamber 38 at least at the beginning of the compression stroke. Air must be present near the working end of the piston.
Such axial layers can be obtained using a variety of filling control devices, including, but not limited to, dual air supply intake manifolds containing air controls; Includes the intake valve mechanism, fuel injection control, intake manifold port mechanism, etc. The compression stroke begins and progresses as shown in Figures 12b and 12c, and is indicated by arrow 1 in Figure 12b.
Air enters the air chamber from the working chamber as indicated by 23. As the compression stroke progresses, a rolling vortex 124 is formed in the air chamber under the cap 32 due to the geometry of the gap g and the walls of the air chamber and the movement of the fluid within the chamber.
This roll vortex is important. This rolling vortex causes an intimate heat exchange between the air entering the air chamber and the underside of the cap 32, and after a few cycles the Helmholtz resonance frequency B of the air chamber operates as described above. The cap will be heated to the desired temperature to match the natural frequency A of the chamber. If the internal combustion engine is configured to have a dynamically variable compression ratio as described above, the operation and initiation of the flow between the air chambers 16, 32 will occur when the piston reaches its maximum speed. done at some point during the journey. Then, when the piston reaches TDC, the air in the air chamber 16 has been heated to such a point that its temperature matches the desired Helmholtz resonance frequency B , and ignition of the charge occurs (Figure 12d). The generation of radicals in the air chamber 38 is already underway before the ignition point of the fuel, which is determined by the pressure and temperature conditions of the air chamber and the nature of the fuel combusted by the internal combustion engine. However, since the fuel in the air chamber is very small, as will be explained repeatedly, the content of radicals generated from the small amount of fuel contained in the air is the same as that in the air chamber generated in the working chamber during the previous cycle. can be easily recognized to be smaller than the amount of radicals. In Figure 12d, the ignition has started and the shock wave preceding the flame tip has not yet reached the gap between the actuation and air chambers, and the shock wave from the ignition has not yet reached the gap, as shown in Figure 12e. It passes through this gap and drives the heated gas in the air chamber resonantly at the Helmholtz resonant frequency of the air chamber. The interaction of compression and expansion waves between the working and air chambers now generates a periodic oscillatory movement of air from the air chamber to the working chamber to participate in the combustion reaction of the fuel.
Of course, all the air in the room is not introduced at once, as this would adversely affect the combustion process. Rather, the air is released in a controlled manner through the critical gap in order to react with the fuel for a certain period of time in a manner dependent on the proportions adapted to the combustion process itself. The transfer of air from the air chamber to the working chamber proceeds like a pumping action even when the pressure in the working chamber increases and the overall average pressure in the working chamber is higher than that average pressure in the air chamber. It should be noted that The essence of the wave interaction process is that the rebound of the shock wave from the gap region creates a temporary and localized pressure drop in the vicinity of the gap, which allows the expansion of the Helmholtz oscillation from the air chamber into the combustion zone. . Therefore, air movement continues throughout the combustion stroke and causes an appropriate reduction in working chamber pressure, so that after the piston has moved a sufficient distance from the closed end of the cylinder, air movement will stop expanding. It is therefore not simply dependent on the air capacity of the air chamber to be discharged into the working chamber. As shown in Figure 12f, the movement of air from the air chamber to the working chamber occurs when the working chamber expands due to the movement of the piston while the air chamber is still oscillating at the Helmholtz resonance frequency B. Proceed to. As hot air from chamber 38 enters the combustion zone along the outer cylinder wall and expands centrally into the upper region of the working chamber of the cylinder, a reaction between the air and the fuel is observed. be done. Therefore, from the moment ignition proceeds, air is constantly supplied to the combustion zone due to the Helmholtz resonance in the air chamber and the interaction of the shock/expansion waves in the vicinity of the gap. This improves the combustion stroke so that all of the charged fuel reacts, since the device of the invention allows a long combustion time for all of the fuel elements to react. As is well known, oxidation of fuel (combustion) is a chemical process that breaks the bonds between hydrocarbon components and produces intermediate compounds with different bond strengths. By providing additional time for combustion with additional highly activated oxygen in the combustion zone, unstable compounds that require additional time for reaction can react with available oxygen. can. Of course, the flame tip in the working chamber never actually penetrates the gap and enters the air chamber.
This is because the gap is constructed to prevent any flame front from reaching the air chamber. If the internal combustion engine operates in a self-ignition mode, the ignition timing is determined by the pressure and temperature in the working chamber, as is well known. However, according to the invention, the autoignition process is activated due to the presence of radicals pre-seeded by the filling as well as additional radicals supplied from the air chamber by the Helmholtz resonance effect. It is thought that this occurs at many points indoors. Ignition timing is controlled by constructing the cap of a material with a temperature coefficient that facilitates self-ignition at low compression ratios and optimizes the temperature of the cap for the fuel being combusted and the compression ratio of the internal combustion engine. It is possible. This will be discussed in more detail later when the process for controlling the timing of autoignition is described. In FIG. 12g, the piston approaches the BDC position and a sound tube resonance is generated within the working chamber as described above. The reaction of the remaining fuel near the cap continues and further heating of the cap occurs due to radiant heat. In FIG. 12h, the exhaust valve is opened and the combustion products immediately begin to be exhausted from the combustion chamber with the lowering of the working chamber. The oxygen and radicals left in the air chamber begin to expand across the gap (with a delay if the gap is configured to create a flow between the air chamber and the working chamber at this point); and combine with exhaust gas,
It is capable of reacting with hydrocarbon compounds within the working chamber to provide a thermal reactor that reacts with residual fuel or exhausts exhaust. During the exhaust stroke, degassing of non-combustible hydrocarbons and vaporized oil in the ring and clearance gaps occurs, and the presence of these compounds is likely to contribute significantly to the amount of non-combustible hydrocarbons in the exhaust gas in standard conventional internal combustion engines. Are known. In this invention, the degassing of hydrocarbons from the area of the gap and the ring is extended only into the air chamber adjacent to the gap. (As shown in FIG. 2, the length of the gap surface 50 between the bottom of the air chamber 38 and the top of the first ring seal is set as long as possible to minimize the volume of the gap area above the ring seal groove. On the other hand, the degassing of hydrocarbons and evaporated oil into the air chamber generates hydrocarbon radicals, which further contribute to the reaction between the oxygen obtained from the air chamber and the fuel in the working chamber. Some of the radicals generated by the venting of the interstitial region remain in the air chamber for later use. Therefore, the heated air chamber 38 on the underside of the cap 32
acts as a reactor area for the fuel molecules degassed from the piston clearance and ring gap, thereby reducing or eliminating the amount of UHC from the source in the exhaust stream. Incidentally, it should be noted that the bulk of the interstitial area is dimensionally too small to allow the generation of radicals within it, thereby reducing the volume of the larger and closer heated air chamber V B. Availability provides significant benefits in reducing the emission UHC generated by the degassing process. As the exhaust stroke progresses, the reaction occurring in the air chamber further causes the gas within this chamber to expand and agitate, and as the exhaust stroke progresses (see Figures 12i and 12j), the cylinder 12
This causes an acceleration of the cylinder of gas towards the closed end of the cylinder over the gap region within the cylinder, and a subsequent rebound of the cylinder of gas towards the piston, thereby creating significant turbulence and mixing within the working chamber. arise. As shown in Figure 12k,
In the middle of the exhaust stroke, when the flow across the gap region is reversed, the acceleration of the piston causes an instantaneous inflow of combustion products into the air chamber. However, in FIG. 12l, as the end of the exhaust stroke approaches, the deceleration of the piston and the low pressure in the working chamber causes a final depressurization of the air chamber and complete venting of the interstitial region of the piston. The final reaction of the interstitial vapor in the air chamber then produces various hydrocarbon radicals, which are present in the exhaust stream produced during the combustion process and are characterized as "post-flame" radicals. It is then characterized as a "pre-flame" radical. Of course, the pre-flame radicals are clearly somewhat different in chemical composition from the post-flame radicals. This is because these radicals do not take part in the high-temperature and high-pressure combustion reactions of the charged fuel, but arise only from the cracks of the low-pressure and low-temperature fuel molecules present in the air chamber during the exhaust stroke. Therefore, along with the air in the chamber 38, the remainder of the post-flame radicals from the combustion products in the exhaust gas as well as the pre-flame radicals from the interstitial venting are present in the chamber as a highly reactive mixture. Upon completion of the exhaust stroke, the exhaust valve is closed and the intake valve is opened (possibly with appropriate overlap to suit the requirements of a given internal combustion engine). The piston begins to move away from the closed end of the cylinder bore to begin the next intake of air into the working chamber. As the piston accelerates downward, as shown in Figure 12m, venting of air and radicals from the air chamber to the working chamber occurs due to the rapid piston movement and the reduced pressure in the working chamber. This generates a species of inhaled air containing highly reactive radical mixtures in the air chamber. Since the air in the working chamber is much cooler than the air in the air chamber, the hot radicals are "cooled" and diluted. This further substantially retards the reaction of the radicals within the air chamber until they are reactivated during the next compression and combustion stroke. In Figure 12n, the piston is nearing the end of its intake stroke, but fuel has not yet been introduced into the working chamber. 12o and 12p, fuel is added to the intake port area of the working chamber (for a fuel-breathing internal combustion engine) and stratified in the desired axial direction before compression begins to begin the next cycle. Generate a filling that has formed. In order to avoid contaminating the air chamber with fuel except in very small quantities (sufficient for combustion), various procedures as described above are used to obtain an axially layered packing. can be used. When the next compression stroke begins (FIG. 12a) and ignition begins (FIG. 12d), the charge is a mixture of fresh fuel and radicals. This radical is generated during heating and compression of fresh fuel.
Post-flame radicals and pre-flame radicals are seeded from the previous compression cycle and the degassing of the fuel and air gap at the end of the previous cycle. Ignition is therefore sharply increased, whereby the autoignition pressure/temperature range is reduced according to known principles, as illustrated in FIG. 14. In FIG. 14, a typical compression ignition autoignition region 128 is shown in relation to the pressure and temperature within the working chamber 16. The region 130 is a self-ignition region where radicals increase, and the seeding effect of radicals is a self-ignition region and the Russian physicist N. N. It shows how this affects the phenomenon extensively investigated by NNSeminov. The shape of radical enrichment region 130 is sometimes referred to as a "Seminov Peninsula" in nature. Region 132 to the lower left of region 130 requires a spark or high temperature source to initiate combustion in a typical internal combustion engine. This is because ignition of the charge does not occur spontaneously. Therefore, the pressure within the working chamber is at least in the radical increase autoignition region 130.
The temperature of the charge is determined only by whether the ignition starts spontaneously or only by the induction of a spark, a high temperature source, as long as it is above the general horizontal leg of the area 130 and to the left of the vertical leg of this region 130. can recognize the 2
By controlling the temperature of the charge by adjusting the amount of sub-air, and by maintaining the temperature of the cap 32 below the detonation temperature, the combustion cycle of the present invention is independent of whether the ignition is self-ignition or spark ignition. Controlled to be selectively implemented. According to the invention, the temperature of the charge is close to the radical increase autoignition temperature with respect to the extreme pre-combustion temperature of the charge, which is varied by varying the air-fuel ratio through the control of the secondary air entering the working chamber. It is carried out at the temperature of the filling of the working chamber. In this way, a slight increase or phenomenon of the charge temperature within the self-ignition region (region 130 or region 132) and outside this region is achieved, and the combustion cycle is carried out selectively in spark-ignition or self-ignition mode. be done. Of course, in autoignition mode, the cycle is a low compression ratio (5-9:1) fuel intake cycle. Due to the controlled supply of Helmholtz resonant air from the air chamber to the combustion zone 16 throughout the combustion stroke and the long combustion time provided by the piston and combustion chamber geometry, violent detonations and knocks are avoided even with gasoline fuels. It is believed that the radical type (pre-flame) imparted to the working chamber enhances the entire process and allows close control of ignition on both sides of the radical build-up region. In the case of fuel injection, such as the compression ignition internal combustion engine shown in FIG.
Optimum ignition timing is believed to be ensured by selecting the cap 32 with the thermal coefficient and construction that produces the highest power for that cycle when implemented in the 1st cycle. That is, the material of the cap and the construction of the cap are such that, depending on the fuel and compression ratio used in the internal combustion engine, the cap temperature will be such that the timing of self-ignition will take full advantage of the maximum power output of the internal combustion engine. selected to have a thermal coefficient of Only preferred embodiments of the invention have been described herein, and those skilled in the art may make various modifications to the described structure or process without departing from the concept of the invention as defined in the claims that follow. It is clear that this can be done.