特開 2024-120163 ２×３ストロークの内燃機関の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120163

(43)【公開日】2024-09-04

(54)【発明の名称】２×３ストロークの内燃機関の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F02B 75/02 20060101AFI20240828BHJP

   F02B 75/04 20060101ALI20240828BHJP

   F02B 25/04 20060101ALI20240828BHJP

   F02B 3/06 20060101ALI20240828BHJP

【ＦＩ】

F02B75/02

F02B75/04

F02B25/04

F02B3/06 A

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024021948

(22)【出願日】2024-02-16

(31)【優先権主張番号】10 2023 104 487.7

(32)【優先日】2023-02-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(71)【出願人】

【識別番号】524062168

【氏名又は名称】テクニカル ユニバーシティ オブ クルージュ ナポカ

【氏名又は名称原語表記】Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｌｕｊ－Ｎａｐｏｃａ

【住所又は居所原語表記】Ｓｔ． Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍｕｌｕｉ ２８， ４００１１４ Ｃｌｕｊ－Ｎａｐｏｃａ， Ｃｌｕｊ， Ｒｏｍａｎｉａ

(74)【代理人】

【識別番号】100202647

【弁理士】

【氏名又は名称】寺町 健司

(72)【発明者】

【氏名】アンドレ コップ

(72)【発明者】

【氏名】オヴィディウ バラク－ズバルチャ

(72)【発明者】

【氏名】ニコラエ ヴラド バルネテ

【テーマコード（参考）】

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G023AA01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】２×３ストロークの内燃機関の運転方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の運転方法は、Ａ：第２の上死点ＯＴ”から第１の下死点ＵＴ’までの間に、シリンダ１０の燃焼室１４に燃料混合ガスを供給する。Ｂ：第１の下死点ＵＴ’から第１の上死点ＯＴ’までの間に、シリンダ１０の燃焼室１４内の空気・燃料混合ガスを圧縮する。Ｃ：第１の上死点ＯＴ’から第２の下死点ＵＴ”までの間に、空気・燃料混合ガスを燃焼させる。Ｄ：第２の下死点ＵＴ”から第１の上死点ＯＴ’までの間に、燃焼室１４内に存在する混合ガスを圧縮する。Ｅ：第１の上死点ＯＴ’から第１の下死点ＵＴ’までの間に、混合ガスを燃焼させる。Ｆ：第１の下死点ＵＴ’から第２の上死点ＯＴ”までの間に、燃焼室１４内の混合ガスを排気する。更に、ピストン２０が第２の下死点ＵＴ”を通過する際に、燃焼室１４内の混合ガスの一部を燃焼室１４から掃気する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の運転方法であって、
作動サイクルが、内燃機関のクランクシャフト（６０）の３回転を含み、
前記内燃機関のピストン（２０）は、１回の作動サイクルの間に、第１の上死点（ＯＴ’）に２回、及び第２の上死点（ＯＴ”）に１回到達し、並びに、第１の下死点（ＵＴ’）に２回、及び第２の下死点（ＵＴ”）に１回到達するものであり、
前記第１の上死点（ＯＴ’）或いは前記第１の下死点（ＵＴ’）は、前記第２の上死点（ＯＴ”）或いは前記第２の下死点（ＵＴ”）よりも前記クランクシャフト（６０）から離れており、
前記作動サイクルは以下のストローク：
（Ａ）前記第２の上死点（ＯＴ”）から前記第１の下死点（ＵＴ’）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、シリンダ（１０）の燃焼室（１４）に燃料混合ガスを供給するストロークと、
（Ｂ）前記第１の下死点（ＵＴ’）から前記第１の上死点（ＯＴ’）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、前記シリンダ（１０）の前記燃焼室（１４）内の空気・燃料混合ガスを圧縮するストロークと、
（Ｃ）前記第１の上死点（ＯＴ’）から前記第２の下死点（ＵＴ”）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、空気・燃料混合ガスを燃焼させるストロークと、
（Ｄ）前記第２の下死点（ＵＴ”）から前記第１の上死点（ＯＴ’）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、この時点において前記燃焼室（１４）内に存在する混合ガスを圧縮するストロークと、
（Ｅ）前記第１の上死点（ＯＴ’）から前記第１の下死点（ＵＴ’）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、混合ガスを燃焼させるストロークと、
（Ｆ）前記第１の下死点（ＵＴ’）から前記第２の上死点（ＯＴ”）までの前記ピストン（２０）の運動の間に、前記燃焼室（１４）内に存在する前記混合ガスを排気するストロークと、含み、
前記ピストン（２０）が前記第２の下死点（ＵＴ”）を通過する際に、前記燃焼室（１４）内に存在する前記混合ガスの少なくとも一部を前記燃焼室（１４）から掃気する、方法。

【請求項2】

前記第２の下死点（ＵＴ”）から前記第１の上死点（ＯＴ’）までの前記ピストン（２０）の運動の際の前記圧縮するストロークの間において、特に前記ピストン（２０）が前記第２の下死点（ＵＴ”）を通過した直後の掃気中に、燃料混合ガスを前記燃焼室（１４）内に噴射する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ピストン（２０）が前記第２の下死点（ＵＴ”）を通過する間に、排気弁（１３）を開く、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

内燃機関のシリンダアセンブリ（１）であって、
シリンダ（１０）内を並進的に往復運動し、前記シリンダ（１０）内に燃焼室（１４）を画定するように形成されたピストン（２０）と、
連結要素（４２）によって前記ピストン（２０）を遊星歯車（４０）に連結されるように形成されたコンロッド（３０）と、を備え、
前記連結要素（４２）は前記遊星歯車（４０）上に偏心して配置され、前記遊星歯車（４０）は内歯車（５０）と噛み合ってその中において回転し、更にクランクシャフト（６０）にも連結されており、更に、
前記遊星歯車（４０）の寸法、及び連結要素（４２）の偏心配置は、前記内歯車（５０）内における前記遊星歯車（４０）の３回転中に、前記ピストン（２０）が第１の上死点（ＯＴ’）に２回、及び第２の上死点（ＯＴ”）に１回到達し、並びに、第１の下死点（ＵＴ’）に２回、及び第２の下死点（ＵＴ”）に１回到達するように形成されており、
前記第１の上死点（ＯＴ’）及び前記第１の下死点（ＵＴ’）は、前記第２の上死点（ＯＴ”）或いは前記第２の下死点（ＵＴ”）よりも前記内歯車の軸から離れている、シリンダアセンブリ（１）。

【請求項5】

前記シリンダ（１０）は、前記第１の下死点（ＵＴ’）と前記第２の下死点（ＵＴ”）との間に、前記燃焼室（１４）から混合ガスを排出するために形成された少なくとも１つの掃気開口部（１１）を有する、請求項４に記載のシリンダアセンブリ（１）。

【請求項6】

コンロッド（３０）と遊星歯車（４０）との間の前記連結要素（４２）は、偏心して配置された、特に円筒形の要素によって形成されており、この要素は、前記コンロッド（３０）の端部に配置されたコンロッド大端部（３１）によって囲まれている、請求項４又は５に記載のシリンダアセンブリ（１）。

【請求項7】

前記燃焼室（１４）内に燃料・空気・混合ガスを供給するための少なくとも１つの吸気弁（１２）と、前記燃焼室（１４）から混合ガスを排気するための少なくとも１つの排気弁（１３）と、を備えている、請求項４又は５に記載のシリンダアセンブリ（１）。

【請求項8】

前記内歯車（５０）は、前記クランクシャフト（６０）の周りに回転可能に配置されている、請求項４又は５に記載のシリンダアセンブリ（１）。

【請求項9】

前記内歯車（５０）の外側に、前記内歯車（５０）を前記クランクシャフト（６０）の周りに回転させるために形成された外ねじ（５１）が配置されている、請求項８に記載のシリンダアセンブリ（１）。

【請求項10】

少なくとも１つの、請求項４又は５に記載のシリンダアセンブリ（１）を備えた内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、それぞれ３つの異なるストロークからなる２つの交替する（交互に起こる）ストロークシーケンスの内燃機関（エンジン）の運転方法、及び本発明による方法を実施するためのシリンダアセンブリに関する。

【背景技術】

【0002】

現代の内燃機関のエネルギー効率及び類似するテーマに関して、その内燃機関に対する要求が絶えず高まっていることを背景として、この点において内燃機関の運転を最適化することに、絶え間ない努力がなされている。

【0003】

その際、従来技術によれば、本質的に内燃機関には２つの異なるタイプの作動サイクルが知られており、これらは、同時に、内燃機関又はシリンダアセンブリに異なる構造を要求する。その場合、作動サイクル（サイクル）は複数のストロークに分割され、その際、１ストロークはクランクシャフトの半回転中のピストンの運動によって規定される。そのため、クランクシャフトが１回転するのに２ストロークが必要となる。その２ストロークが１回転に応じて繰り返される場合は２ストロークエンジンといわれ、他方、サイクルが２回転、すなわち４ストロークに応じて繰り返される内燃機関は４ストロークエンジンといわれる。そのため、２ストロークエンジンにおいては１回転に応じて１サイクルが終了し、他方、４ストロークエンジンにおいては２回転に応じて１サイクルが終了する。

【0004】

２ストロークエンジンにおいては、まず第１ストロークにおいて、シリンダとその中を並進運動するピストンとによって形成される燃焼室に混合ガスが入り、燃焼室において下死点から上死点へのピストン運動によって圧縮される。その際、下死点とは、燃焼室が最大容積を有するピストンの位置として規定される。対応して、上死点は、燃焼室が最小容積を有するピストンの位置として規定される。流入する混合ガスは，この場合、すでに燃料と空気の混合ガスあり得、又は、しかしながら単に新気であり得る。ピストン運動の上死点付近においては、燃料が、吸気された混合ガスにまだ含まれていない場合には、燃焼室に噴射され、混合ガスが点火される。本出願の範囲において，混合ガスという用語は、空気・燃料混合ガスのみを指すのではなく，単に任意の組成のガスを指す。例えば，すでに燃焼された、空気・燃料混合ガスも、空気のみの場合と同様に，混合ガスということができる。ガソリンエンジンの場合には、点火はスパークプラグによって行われる。混合ガスの点火によって混合ガスが燃焼し、それによって燃焼室内の圧力が大幅に上昇する。ディーゼルエンジンの場合には、点火は、最大圧縮領域の高温と、導入された自己着火燃料とによって引き起こされる。

【0005】

これによって、ピストンは第２ストロークにおいて下死点方向に加速され、それによって出力放出はコンロッドを介してクランクシャフトに伝達される。ピストンが下死点に向かう途中において排気口に到達し、排気口を開放すると、点火又は燃焼した混合ガスがこの排気口を介して排出され、燃焼室内の圧力が低下する。下死点に向かう途中において、ピストンは吸気口も開放し、そこから新気が燃焼室に入り、燃焼した混合ガスを排気口から完全に、又は部分的に押し出す。この過程は、掃気（Ｓｐｕｅｌｅｎ）ともいう。出力放出の残留運動量によってピストンが再び上死点に向かい、２ストロークエンジンの作動サイクルが完了し、第１ストロークが再開される。

【0006】

２ストロークエンジンの利点は、クランクシャフトが１回転するごとに出力放出が発生し、それによって高出力を引き出せることである。しかしながら、欠点として、大きな摩耗、燃料消費、及び排出ガス、並びに、熱的及び機械的負荷が大きいために部品の耐久性が比較的低いこと、が挙げられる。

【0007】

これらの欠点を解消するために、現在、少なくとも自動車では最も使用されている４ストロークエンジンが開発された。その際、第１ストロークは、混合ガス（ここにおいても、後の燃料噴射を伴う新気、又は空気・燃料混合ガス）の吸気弁による吸気によって特徴付けられる。これは、ピストンが上死点から下死点へ運動の間に行われる。燃焼室容積が最大に達し、ピストンが反転点（この場合は下死点）に達すると、吸気弁が閉じられ、燃焼室内に閉じ込められた混合ガスが、ピストンの下死点から上死点への運動によって圧縮される。それによって第２ストロークが特徴付けられる。この場合においても混合ガスは上死点の領域、すなわち最大圧縮領域において点火される。それによって、燃焼室内に過剰圧力が発生し、再びその過剰圧力がピストンを下死点方向に加速し、その結果、クランクシャフトに出力放出する（第３ストローク）。

【0008】

４ストロークエンジンは、２ストロークエンジンに比べて排気ガスと燃料消費を大幅に削減し、エンジンの信頼性と耐久性を大幅に向上させることを可能にした。もっとも、クランクシャフトの２回転の間に単に１回の出力放出が行われるため、出力放出は低下する。

【0009】

従来技術において、更に、内燃機関の運転のための他の方法、及び対応する内燃機関も知られている。例えば、特許文献１は、互いに向かって接近、又は互いから離間するように、クランクシャフトによって互いに連結された２本のコンロッドを有する３ストローク内燃機関を開示している。この場合、クランクシャフトの１回転中に、排気／充填ステップ、圧縮ステップ、及び膨張ステップが実行される。シリンダ内の開口部はクランクシャフトの近くに配置されている。

【0010】

特許文献２は、３ストローク法の内燃機関を開示している。この方法は、掃気用の追加ストロークを有する２ストローク法に相当する。この場合、より徹底した掃気のための時間は、クランクピンの三角形状の動きによって達成される。これは例えば、直径比が１：３又は２：３の小歯車と回転内歯車を介して達成される。すなわち、クランクシャフトが３回転（１０８０°）する際に、ピストンが１回又は２回、完全に昇降する。

【0011】

特許文献３は、遊星歯車を有する電磁式の３ストロークピストンエンジンを開示している。特許文献４は、３ストローク原理の油圧エンジンを駆動するために、２つの互いに結合したピストンを有するフリーピストン内燃機関を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】国際公開第２０１０／０６９０２７号

【特許文献2】スイス国特許出願公開第７１４０７４号明細書

【特許文献3】中国特許出願公開第１１２９５３１１０号明細書

【特許文献4】国際公開第２０２２／０８７７５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上記した従来技術を背景として、本発明の課題は、２ストローク法と４ストローク法の利点を組み合わせ、それぞれの方法の欠点を可能な限り最小化した、内燃機関の新規な運転方法を提供することにある。また、本発明の課題は、対応するシリンダアセンブリ、ひいては本発明による方法を実施することができる内燃機関を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

この課題は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に含まれる。

【0015】

内燃機関を運転するための本発明による方法は、内燃機関のクランクシャフトが３回転する作動サイクル（全サイクル）を有する。この作動サイクルの間に、内燃機関のピストンは、第１の上死点を２回、及び第２の上死点を１回通過し、並びに、第１の下死点を２回、及び第２の下死点を１回通過する。その際、第１の上死点、或いは第１の下死点は、第２の上死点、或いは第２の下死点よりもクランクシャフトからより離れている。更に、本発明による方法は、以下のストローク：
（Ａ）第２の上死点から第１の下死点までのピストンの運動の間に、シリンダの燃焼室に燃料混合ガスを供給するストロークと、
（Ｂ）第１の下死点から第１の上死点までのピストンの運動の間に、シリンダの燃焼室内の空気・燃料混合ガスを圧縮するストロークと、
（Ｃ）第１の上死点から第２の下死点までのピストンの運動の間に、空気・燃料混合ガスを燃焼させるストロークと、
（Ｄ）第２の下死点から第１の上死点までのピストンの運動の間に、この時点において燃焼室内に存在する混合ガスを圧縮するストロークと、
（Ｅ）第１の上死点から第１の下死点までのピストンの運動の間に、混合ガスを燃焼させるストロークと、
（Ｆ）第１の下死点から第２の上死点までのピストンの運動の間に、燃焼室内に存在する混合ガスを排気するストロークと、を含む。

【0016】

更に、ピストンが第２の下死点を通過する際に、燃焼室内に存在する混合ガスの少なくとも一部を燃焼室から掃気する。第２の下死点の通過とは、その下死点まで一方向に運動し、その運動がその下死点において反対方向に反転するピストンの運動であると解される。

【0017】

第２の下死点の通過の際の燃焼室の掃気によって、方法ステップ（Ｃ）における空気・燃料混合ガスの燃焼は、掃気開始までしか行われず、その掃気は、好ましくは、第１の下死点を超えた時点から行われる。加えて、同様に、方法ステップ（Ｄ）による混合ガスの圧縮も、第２の下死点の通過の際の燃焼室の掃気が完了したときにのみ行われ、これは、好ましくは、同様に第１の下死点を、今回は逆方向に超えたときに行われる。

【0018】

方法ステップ（Ａ）において言及される燃料混合ガスという用語は、既に燃料・空気・混合ガスとしてシリンダの燃焼室内に噴射される、或いは、吸気弁を通して吸入される燃料混合ガスと、新気の吸気と燃料の噴射とによって初めて燃焼室内に形成される燃料・空気・混合ガスと、の両方を指す。それは、この場合、燃焼後に、燃焼して又は部分燃焼して燃焼室内に存在する残留ガスを指すこともあり得る。

【0019】

したがって、本発明による方法は、６つの個別ストロークを有する方法であり、その際、これらのストロークは、２つの３ストロークシーケンスに分割することができる。その場合、両３サイクルシーケンスはそれぞれ燃焼ストロークを有し、この燃焼ストロークにおいてクランクシャフトに出力放出が行われる。したがって、２つの複数作動ストロークによって内燃機関の全体の作動サイクルを形成するために６ストロークが必要であっても、本願の文脈においては、３ストローク法という。この場合、カムシャフトはクランクシャフトより３倍遅く回転する。２つの個別の３ストローク法は、作業サイクルともいう。

【0020】

ピストンの第２の下死点の通過の際に、燃焼室内に存在する混合ガスの少なくとも一部が燃焼室から掃気されるという事実によって、本発明による方法は、４ストロークエンジンと２ストロークエンジンとの両方のすべての方法ステップを有する。その際、６つの個別のストロークにおける２倍の出力放出によって、４ストロークエンジンと比較して、出力放出を増加させることができる。同時に、燃料混合ガスのクリーン且つ完全な燃焼によって、２ストローク法の欠点が解消される。

【0021】

本発明の好ましい一実施形態においては、燃焼室の掃気が、シリンダ内に放射状に配置された少なくとも１つの掃気開口部によって、第２の下死点の領域において行われる。掃気開口部は、掃気されるガスの量に応じた寸法にすること、又は、掃気を最適化するためにいくつかの小さな開口部に分割することができる。混合ガスは、少なくとも１つの掃気開口部を通って燃焼室に入る。その際、燃焼室内の燃焼過程によって事前に膨張した混合ガスは、好ましくは、排気弁又は別の排気開口部を通って燃焼室から事前に排出されている。その際、本発明の実施形態において、掃気開口部が燃焼室内に存在する混合ガスの排出のためにも使用されることも考えられる。

【0022】

本発明のさらなる好ましい一実施形態においては、ピストンの第２の下死点から第１の上死点までの運動の間に、燃料混合ガスを燃焼室に供給する、特に吸気弁を介して噴射する、又は掃気開口部を介して供給する。特に好ましくは、ピストンが第２の下死点を通過した直後において、すなわちピストンが第１の下死点に到達する前において、燃焼室の掃気の間に噴射が行われる。この追加的な燃料混合ガスの供給によって、燃焼室内の混合ガスが、２回目の出力放出中における２回目の燃焼のために最適に準備され、それによって、最適な出力放出とクリーンな燃焼が保証される。

【0023】

本発明による方法を実行するためには、ピストンの死点間の運動を確実にする必要がある。そのため、この方法は、全ての内燃機関、或いは全てのシリンダアセンブリに適用可能ではない。シリンダアセンブリという用語は、ピストン、コンロッド、及びクランクシャフトへの固定部材を含む、シリンダの組立て品を意味すると解される。その際、本発明による内燃機関は、共通のクランクシャフトを有する複数のシリンダアセンブリを含む。

【0024】

本発明による内燃機関のシリンダアセンブリはピストンを備え、そのピストンは、シリンダ内において並進的に振動して往復運動し、シリンダ内の燃焼室を画定するように形成されている。シリンダアセンブリは更にコンロッドを備え、そのコンロッドは、連結要素によってピストンを少なくとも１つの遊星歯車に連結されるように形成されている。その際、連結要素は遊星歯車上に偏心して配置され、遊星歯車は内歯車に噛み合ってその内歯車内において回転し、クランクシャフトにも連結されている。遊星歯車上に偏心して配置された連結要素は、連結要素の幾何学的中心が遊星歯車の幾何学的中心と一致せず、偏心していることによって規定される。更に、遊星歯車の寸法及び連結要素の偏心配置は、内歯車内における遊星歯車の、或いはクランクシャフトの３回転中に、ピストンが第１の上死点に２回、及び第２の上死点に１回到達し、並びに、第１の下死点に２回、及び第２の下死点に１回到達するように形成されており、第１の上死点及び第１の下死点は、第２の上死点或いは第２の下死点よりもクランクシャフトの軸から離れている。

【0025】

本発明による方法の必要な作動サイクルを可能にするために、遊星歯車の直径は、好ましくは内歯車の直径の５分の３である。この場合、直径とは、歯車（すなわち遊星歯車又は内歯車）のピッチ円直径であると解される。遊星歯車とクランクシャフトとの間の回転比は、好ましくは２：３である。

【0026】

この配置によって、特に遊星歯車に対する連結要素の偏心した固定によって、コンロッドと遊星歯車との連結要素の幾何学的中心は、ハイポサイクロイド経路に強制され、それによって、異なる死点を生じさせる。その際、偏心の寸法は、死点間の距離を規定する。

【0027】

本発明の有利な一実施形態においては、シリンダは、第１の下死点と第２の下死点との間に少なくとも１つの掃気開口部を有し、この掃気開口部は、ピストンが第１の下死点の下方にあり、したがって掃気開口部が露出しているときに、燃焼室を掃気するように形成されている。この方法によって、燃焼室の掃気のための簡単な方法を提供することができる。その際、掃気開口部を通って、燃焼室内に存在する混合ガスが排出され、及び新鮮な混合ガスが導入されるという実施形態が考えられ、また、新鮮な混合ガスのみが導入され、一方、燃焼室内に存在する混合ガスの排出が、別の排気開口部又は排気弁を介して確保されるという実施形態も考えられる。

【0028】

本発明によるシリンダアセンブリの更なる好ましい一実施形態においては、コンロッドと遊星歯車との間の連結要素は、偏心して配置された、特に円筒形の要素によって形成されており、この要素は、コンロッドの端部に配置されたコンロッド大端部によって囲まれている。このような配置は、コンロッドと遊星歯車との間の接続を確立するための実行容易な方法である。

【0029】

本発明の更なる好ましい一実施形態においては、シリンダアセンブリは、燃焼室内に混合ガス、特に燃料・空気混合ガスを供給するための少なくとも１つの吸気弁と、混合ガスを燃焼室から排気するための少なくとも１つの排気弁とを備える。対応する弁は、弁駆動装置を介して容易に制御することができ、それによって、燃焼室への燃料・空気混合ガスの供給を保証する効率的な方法を示す。その際、１サイクル内において弁の複数回の開放を意図することも考えられる。しかしながら、複数の吸気弁、或いは排気弁を備えた実施形態も考えられる。

【0030】

本発明の好ましい一実施形態においては、内歯車は、所定の角度位置だけ回転させることができる。これによって遊星歯車も回転し、それによって、コンロッドの連結要素が偏心して遊星歯車に固定されているその偏心の方向（Ａｕｓｒｉｃｈｔｕｎｇ）が変化する。その結果、死点がわずかに変化し、それは、燃焼室内の圧縮比に影響を与え、弁、特に吸気弁の制御に特に影響を与える。この方法によって、弁の制御タイミングは、所定の角度位置だけの、内歯車のわずかな回転によって調整することができる。掃気開口部の適切な配置の際には、内歯車の回転によって掃気開口部を部分的にマスクすることもでき、それによって燃焼室の掃気にも影響を与えることができる。

【0031】

好ましくは、内歯車の回転は内歯車の外側に配置された外ねじによって行われる。内歯車は、この外ねじに噛み合う歯車によって回転させることができる。

【0032】

本発明の特に好ましい一実施形態においては、内歯車の、遊星歯車の幾何学的寸法、及びコンロッドの偏心配置された連結要素と遊星歯車の幾何学的中心との間の距離は、第１の上死点と第１の下死点との間の距離と、第１の上死点と第２の下死点との間の距離との間の比が０．７～０．８５となるように選択される。偏心連結要素と遊星歯車の幾何学的中心との間の距離は、遊星歯車上の連結要素の連結点と遊星歯車の幾何学的中心との間の距離によって規定される。このような比率によって、クリーンな燃焼と出力増進という点に関して、内燃機関の特に有利な運転が保証される。

【0033】

本発明による内燃機関は、少なくとも１つの、本発明によるシリンダアセンブリを備える。その際、シリンダ数は、好ましくは３の倍数である。その際、本発明による内燃機関は、異なる構成において、したがって個別のシリンダアセンブリの異なる幾何学的配置において利用可能である。例えば、内燃機関は、直列エンジン、Ｖ型エンジン、Ｗ型エンジン、又はボクサーエンジンとして実現することができる。

【0034】

本願の範囲において開示されている方法の特徴は、本発明による装置についても開示されているものとみなされ、その逆もまた同様であることに留意されたい。

【0035】

以下において、添付の図面を参照して、本発明の実施形態及び有利な局面をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】ピストンアセンブリ１の本発明による一実施形態の斜視図である。

【図2】本発明によるピストンアセンブリ１の遊星歯車４０の詳細図である。

【図3】シリンダ１０の断面図、及び、コンロッド３０を遊星歯車４０に固定するための連結要素４２の中心の移動経過を示す図である。

【図4a】ピストン２０が第２の下死点ＵＴ”に位置する際の、図１によるピストンアセンブリ１の詳細図である。

【図4b】ピストン２０が第２の下死点ＵＴ”に位置する際のシリンダ１０の詳細図である。

【図5a】ピストン２０が第１の下死点ＵＴ’に位置する際の、図１によるピストンアセンブリ１の詳細図である。

【図5b】ピストン２０が第１の下死点ＵＴ’に位置する際のシリンダ１０の詳細図である。

【図6】本発明によるピストンアセンブリ１におけるピストン２０の運動経過を、クランク角度にわたって描いたグラフである。

【図7】吸気弁の可変制御タイミングを有する第２の実施形態における、本発明によるピストンアセンブリ１の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

図１は、ピストンアセンブリ１の本発明による一実施形態の斜視図を示す。ピストンアセンブリ１は、ピストン２０が直線運動を行うシリンダ１０を備える。この場合、シリンダ１０は、より見やすくするために断面にて示されている。シリンダ１０とピストン２０は燃焼室１４を囲んでおり、その容積はシリンダ１０内でのピストン２０の運動に応じて変化する。シリンダ１０の一端面、すなわちシリンダカバーには、混合ガスを、燃焼室１４内に導くための吸気弁１２、及び、燃焼室１４から排出するための排気弁１３が配置されている。それらの弁は、カムシャフト７０と、それに取り付けられた吸気カム７１、或いは排気カム７２とを介して制御される。特に複数のカムシャフト７０を介して制御される複数の吸気弁１２及び排気弁１３を備えた実施形態も考えられる。更に、シリンダ１０は、放射状の複数の掃気開口部１１を一定の高さにおいて有し、それら掃気開口部１１によって、ピストン２０が対応する位置にある場合に燃焼室を掃気することができる。

【0038】

ピストン２０はコンロッド３０を介して２つの遊星歯車４０に連結されており、遊星歯車４０は内歯車５０の中において回転する。単に、１つの遊星歯車４０と、対応する１つの内歯車５０とを設けることも可能である。２つの遊星歯車４０の動きは同期しているため、便宜上、以下においては、単に１つの遊星歯車４０と１つの内歯車５０について説明する。クランクシャフト６０が遊星歯車４０に連結され、そのクランクシャフト６０は、従来技術の内燃機関と同様に、エンジンの出力を利用し、異なるピストンアセンブリ１を互いに連結する。本発明によれば、コンロッド３０は、偏心して、すなわち遊星歯車４０の幾何学的中心にではなく、遊星歯車４０に連結されている。それについて、図２を参照して詳細に説明する。

【0039】

図２は、図１によるピストンアセンブリ１の実施形態において使用される遊星歯車４０を詳細に示す。遊星歯車４０は、内歯車５０の歯と噛み合う外部歯４３を有する。コンロッド３０と遊星歯車４０との連結は、連結要素４２を介して行われる。図示の実施形態においては、連結要素４２は円筒状であり、遊星歯車４０の側面に配置されている。遊星歯車４０の幾何学的中心に、クランクシャフト６０用の受け部４１が配置されている。

【0040】

その際、円筒状の連結要素４２の幾何学的中心Ｍは、遊星歯車４０の幾何学的中心Ｋと一致していない。すなわち、連結要素４２は遊星歯車４０の側面に偏心して配置されている。その際、偏心ｅ、すなわち、連結要素の幾何学的中心Ｍと遊星歯車４０の幾何学的中心Ｋとの間の距離は、図３を参照してより詳細に説明されるように、ピストン運動にとって重要なパラメータとなる。

【0041】

図３は、シリンダ１０の断面と、連結要素４２の幾何学的中心Ｍの移動経過を示している。ピストン上の点の移動経過は、この場合、連結要素４２の幾何学的中心Ｍの、図のＹ方向における移動経過に対応する。シリンダ１０は、この場合、図１に既に示したシリンダ１０に対応する。図２を参照して説明した偏心ｅによって、シリンダ１０内のピストン２０の直線的に振動する軸方向運動は、従来技術で知られているような常に２つの同一の端点の間を経過しない。その２つの同一の端点は、従来、上死点及び下死点（ＯＴ、ＵＴ）といわれ、それぞれ軸方向運動の際のピストン２０の転回点を示す。本発明によるピストンアセンブリ１における偏心ｅによって、運動は２つの上死点と２つの下死点の間において行われる。図６を参照して後に更に詳しく説明するように、本発明によるピストンアセンブリの作動サイクル（２つの作業サイクル／複数作動ストロークを含む全サイクル）は、クランクシャフト６０の３回転を含む。これは、遊星歯車４０も内歯車５０内において３回転することを意味する。偏心ｅによって、連結要素４２の幾何学的中心Ｍは、１回転の間に、円軌道上を走らない。しかしながら、クランクシャフト６０が３回転すると、幾何学的中心Ｍは再び同じ点に位置する。連結要素４２の幾何学的中心Ｍの移動経過は、図３の右側に示されている。その際、ピストン２０の上部の点の移動経過は、連結要素４２の幾何学的中心Ｍの移動経過に対応しており、そのため、この図は、Ｙ方向において、ピストン２０の上部の点に転用することができる。

【0042】

このハイポサイクロイド曲線は、上死点として解される３つの極大点と、下死点として解される３つの極小点とを有する。その場合、２つの極大点は３つ目の極大点よりも高く、１つの極小点は２つの他の極小点よりも低い。それによって、２つの高い方の極大点が第１の上死点ＯＴ’を形成し、１つの低い方の極大点が第２の上死点ＯＴ”を形成する。同様に、２つの高い方の極小点は第１の下死点ＵＴ’を形成し、１つの低い方の極小点（いわば運動曲線の全体的な極小点）は第２の下死点ＵＴ”を形成する。

【0043】

連結要素４２の幾何学的中心Ｍのハイポサイクロイドの移動経過を、ピストン２０の直線的な軸方向の交互運動に変換することによって、ピストン２０は、１回の作動サイクルの間に、第２の下死点ＵＴ”と第１の上死点ＯＴ’との間を運動し、その際、第１の上死点ＯＴ’に２回到達し、第２の上死点ＯＴ”に１回到達する。同様に、第１の下死点ＵＴ’に２回到達し、第２の下死点ＵＴ”には１回到達する。掃気開口部１１は、ピストン２０が第２の下死点ＵＴ”を通過するときにのみ開放されるように、シリンダ１０内に配置されている。偏心ｅが大きいほど、連結要素４２の幾何学的中心Ｍのハイポサイクロイドの移動経緯は円軌道からより大きく逸脱し、その結果、それぞれの第１及び第２の死点間の差はより大きくなる。その目的は、２つの作業サイクルにおいて可能な限り均一な圧縮を実現することである。

【0044】

異なる上死点と下死点の由来を、図４ａ、図４ｂ、図５ａ及び図５ｂにおいてより詳細に説明する。図４ａ及び図５ａは、作動サイクルの異なる位置における本発明によるピストンアセンブリ１を示している。図４ａにおいては、遊星歯車４０は、内歯車５０内においてシリンダ１０から最も離れた位置に位置している。その際、遊星歯車４０は、偏心ｅが図面平面内において下方を指すように、すなわち、連結要素４２が、シリンダ１０から、遊星歯車４０の幾何学的中心よりもより離れるように位置付けされている。そのため、ピストン２０は、第２の下死点ＵＴ”、すなわち図３に示す移動経過における全体的な極小点に位置する。それによって、図４ｂに概略的に示されているように、ここでは断面で示されているシリンダ１０の放射状の掃気開口部１１は、ピストン２０によって露出される。

【0045】

図５ａにおいて、内歯車５０内における遊星歯車４０は、シリンダ１０から最も遠い位置に再び位置しており、しかも、内歯車５０内における遊星歯車４０のちょうど１回転後においてである。しかしながら、連結要素４２の幾何学的中心Ｍは、内歯車５０内における遊星歯車４０の１回転後に再び同じ位置に位置するのではなく、図５ａの図面平面において、左上にずれている。それによって、ピストン２０はシリンダ１０内の第１の下死点ＵＴ’に位置し、その位置おいては掃気開口部１１を覆っており、その結果、図５ｂに示すように、混合ガスが掃気開口部１１を通って燃焼室１４から流出しない。

【0046】

図６は、本発明によるピストンアセンブリ１のシリンダ１０内のピストン２０の運動経過を示すグラフである。図６に基づいて、本発明によるピストンアセンブリ１の作動サイクルを、したがって本発明による方法を、図１と関連してより詳細に説明する。

【0047】

全サイクルは、１０８０°のクランクシャフト回転を含み、これはクランクシャフトの全３回転に相当する。全サイクルは、６ストロークに区分され、各ストロークは、１８０°、すなわちクランクシャフトの半回転を含む。グラフは、Ｘ軸にクランクシャフト６０の角度、すなわちクランクシャフトの回転を、Ｙ軸にシリンダ１０内のピストン２０のストロークを示している。なお、このグラフにおける具体的な数値は、単に例示である。

【0048】

図示の初期位置においては、ピストン２０は第２の上死点ＯＴ”に位置する。そこからピストン２０は、第１ストロークにおいて第１の下死点ＵＴ’の方向に運動する。この運動の間に、カムシャフト７０（図１参照）の吸気カム７１が吸気弁１２を開き、それによって、空気と燃料の混合ガスが燃焼室１４に入る。代替的な実施形態においては、新気のみが吸気弁を通って燃焼室に入り、後続の圧縮ストロークにおいて、空燃混合ガスの形成のために噴射燃料と混合することも可能である。

【0049】

第１の下死点ＵＴ’に達した後、燃焼室１４の容積は、ピストン２０の第１の上死点ＯＴ’方向への運動によって再び減少する。その際、燃焼室１４内の混合ガスが圧縮され、そのため、このストロークは圧縮ストロークと記載され得る。このストロークの間、吸気弁１２は混合ガスの漏れを回避するために再び閉じられる。そのため、最初の２つのストロークは４ストロークエンジンからも同様に知られているが、この場合、４ストロークエンジンとは異なり、ピストン運動は２つの異なる上死点を含む。

【0050】

第１の上死点（ＵＴ’）の到達の際に、或いはその少し前において、混合ガスが点火される。このために、ガソリンエンジンにおいては従来の内燃機関と同様に点火プラグが使用され、一方、ディーゼルエンジンにおいては圧縮が非常に高いため、高圧、及びそれに伴う温度上昇によって、混合ガスが自ら点火する。混合ガスの点火によって燃焼室１４内の圧力が大幅に上昇し、それによって、ピストン２０は、第１の上死点ＯＴ’から第２の下死点ＵＴ”までの第３ストロークにおける運動の際に、加速する。それによって、出力を、コンロッド３０を介してクランクシャフト６０に伝達することができる。

【0051】

ピストン２０は、第１の下死点ＵＴ’に達すると、シリンダ１０内に放射状に配置された掃気開口部１１を開放し、それによって燃焼室１４は掃気される。掃気開口部１１は、ピストン２０が第２の下死点ＵＴ”を通過する間、ピストン２０が第４ストロークにおいて再び第１の下死点ＵＴ’を通過するまで、或いは掃気開口部１１を通過するまで、開いている。このように２つのストロークの移行時において行われる掃気の間に、燃焼室１４内の圧力が燃焼室１４に流入する新鮮な混合ガスの圧力よりも低い限りにおいて、吸気弁１２が開き、それによって新鮮な混合ガスがシリンダカバーから燃焼室に流入することも可能ではあるが、必須ではない。好ましくは、排気弁１３は、掃気過程中に少なくとも部分的に開き（図３参照）、それによって、混合ガスが掃気過程中に排気弁を介して少なくとも部分的に漏れ出ることができる。好ましくは、掃気過程は、燃焼室１４内に存在する混合ガスが排気弁１３から排出される一方、掃気開口部１１を介して燃焼室１４の底部に新鮮な混合ガスが流入するように行われる。混合ガスの排気と吸気の両方が、掃気過程中に、対応して配置された掃気開口部１１を介して少なくとも部分的に実現される実施形態と同様に、一部のみが掃気に使用される複数の排気弁１３の使用が考えられる。

【0052】

ピストン２０が、第４ストロークの間に第１の上死点ＯＴ’方向への再度の運動の際に掃気開口部１１を閉じるとすぐに、掃気は完了し（その際、場合によっては開いていた排気弁１３も閉じる）、燃焼室１４内の残りの混合ガスは再び圧縮され、続いて再び、すなわち、作動サイクル中に２回、点火される。圧縮過程の際に、任意に開いている弁は、再び閉じられる。それによって、第４及び第５ストロークは、２ストロークエンジンから知られるストロークに非常に対応する。

【0053】

混合ガスの再度の、すなわち第２の点火によって、第５ストロークにおいて、作動サイクル内の第２の出力放出がクランクシャフト６０に生じる。その際、ピストン２０は第１の下死点ＵＴ’にのみ到達する。この第２の燃焼ストローク（出力放出）において、混合ガスに含まれる残りの燃焼成分が完全に燃焼され、その結果、特にクリーン且つ完全な燃焼が達成され得る。

【0054】

第１の下死点ＵＴ’を通過した後、排気弁１３の弁頭１３１がその弁座１３２から押し下げられ、燃焼室１４内に残っている燃焼した混合ガスが排気弁１３を通って排出される。図示の実施形態においては、排気カム７２（図１参照）は、掃気過程及び排気ストローク（第６ストローク）の間に排気弁１３を開くための２つの隆起部を含む。第２の上死点ＯＴ”に達した後、１回の作動サイクルが完了し、複数のストロークが再び最初から開始される。もちろん、吸気弁１２と排気弁１３の開閉時間を可変制御するために、独立に制御可能な弁駆動装置を有する本発明の実施形態、並びに、カムシャフトを有しない実施形態も考えられる。

【0055】

１回の作動サイクル、すなわち６ストロークの全サイクルの間に、２回の燃焼が、したがって２回の出力放出が行われるという事実に基づいて、本発明によるエンジンは、３ストロークエンジンであり、その際、２つの異なる３ストローク法が交互に実行される。そのため、２×３ストロークエンジンともいえる。２回の圧縮サイクルは、第１の下死点ＵＴ’と第１の上死点ＯＴ’との間において行われ、それによって、後続の各燃焼は、一定の圧縮比を確保することができる。

【0056】

図７は、本質的には図１のシリンダアセンブリを示しており、ここにおいては相違点のみを説明する。図１に示す実施形態とは異なり、図７に示す実施形態は、内歯車５０の外側において、円周の半分にわたって延びる外ねじ５１を追加して備えている。

【0057】

歯車８０を回転させることによって、内歯車５０はクランクシャフト６０の周りを回転することができる。これによって遊星歯車４０も回転し、それによって、連結要素４２が偏心してコンロッド３０及び遊星歯車４０に連結されているその偏心が、わずかに変位する。その結果、その偏心の変位によってピストン運動の極端部が同一ではなくなるため、死点にも変位が生じる。このことは、第１に、燃焼室１４内の圧縮に利用可能な容積、従って燃焼室１４内の混合ガスの圧縮比が変化するという結果をもたらし、しかしながら、次に、特に、吸気弁の開閉時刻が変化し、それによって、これらの時刻の制御を内歯車５０の回転によって得ることができるという結果も、もたらす。

【符号の説明】

【0058】

１ シリンダアセンブリ
１０ シリンダ
１１ 掃気開口部
１２ 吸気弁
１３ 排気弁
１４ 燃焼室
２０ ピストン
３０ コンロッド
３１ コンロッド大端部
４０ 遊星歯車
４２ 連結要素
５０ 内歯車
５１ 外ねじ
６０ クランクシャフト
ＯＴ’ 第１の上死点
ＯＴ” 第２の上死点
ＵＴ’ 第１の下死点
ＵＴ” 第２の下死点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】