特表 2024-529480 空冷４ストローク航空エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-06

(54)【発明の名称】空冷４ストローク航空エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/08 20060101AFI20240730BHJP

   F01L 3/02 20060101ALI20240730BHJP

   F01L 3/08 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

F02B23/08 M

F02B23/08 W

F01L3/02 E

F01L3/08 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024505257

(86)(22)【出願日】2022-07-26

(85)【翻訳文提出日】2024-03-26

(86)【国際出願番号】 US2022038333

(87)【国際公開番号】W WO2023009516

(87)【国際公開日】2023-02-02

(31)【優先権主張番号】63/203,610

(32)【優先日】2021-07-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523437662

【氏名又は名称】アヴコ コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＡＶＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】９２０ Ｗｅｓｔｐｏｒｔ Ｐａｒｋｗａｙ Ｈａｓｌｅｔ， Ｔｅｘａｓ ７６１７７ Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100122426

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 清志

(72)【発明者】

【氏名】ベア、パトリック ヘンリー

(72)【発明者】

【氏名】グリュックスマン、マイケル グリン

【テーマコード（参考）】

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G023AA01

3G023AB02

3G023AD04

3G023AE01

(57)【要約】

改善された空冷航空エンジンは、吸気バルブ開口部、排気バルブ開口部、および概ね楕円形状を有する小型燃焼室を含む。楕円形状は長軸と短軸を有し、長軸は吸気バルブ開口部と排気バルブ開口部の両方に交差している。いくつかの実施例では、長軸はエンジンのシリンダボアの直径と同じ長さかそれより短く、短軸は長軸より小さい。従って、燃焼はシリンダボアよりも小さな領域に制約される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸気バルブ開口部、排気バルブ開口部、複数の点火プラグ、および内表面を有するシリンダヘッドと、
断面積を有し、シリンダボア内で往復運動するように構成されたピストンを含むシリンダボアと、および、
前記ピストンが前記シリンダボア内で最上位置にあるときに、前記シリンダヘッドの前記内表面によって画定される上部領域と、前記ピストンによって画定される下部領域とを有する燃焼室と、
を備え、
ここで、前記燃焼室は、前記シリンダボアの断面積よりも小さい断面積に広がる楕円形状を有し、前記楕円形状は、前記吸気バルブ開口部と前記排気バルブ開口部とに交差する長軸を有する、
空冷航空エンジン。

【請求項2】

前記シリンダヘッドが、前記ピストンが前記シリンダボア内の前記最上位置にあるときに前記ピストンのフラットな外側領域に接するフラットショルダー部領域を有し、前記フラットショルダー部領域と前記フラットな外側領域が前記燃焼室を前記楕円形状に制約する、請求項１に記載の空冷航空エンジン。

【請求項3】

前記複数の点火プラグは各々、それぞれの電極を含み、前記複数の点火プラグの前記電極は、前記燃焼室の前記内表面の下方に延びる、請求項２に記載の空冷航空エンジン。

【請求項4】

前記複数の点火プラグの前記電極は、前記吸気バルブ開口部よりも前記排気バルブ開口部寄りに配置される、請求項３記載の空冷航空エンジン。

【請求項5】

前記ピストンは、前記複数の点火プラグのそれぞれの前記電極の下の窪みを含み、前記ピストンの少なくとも一部は、窪みに対して隆起している、請求項３に記載の空冷航空エンジン。

【請求項6】

前記シリンダボアは、中心線と半径を有し、前記複数の点火プラグの前記電極は、前記シリンダボアの半径の６５％未満である中心線からのそれぞれの距離に配置される、請求項３に記載の空冷航空エンジン。

【請求項7】

前記シリンダヘッドは、前記吸気バルブ開口部内に嵌合する吸気バルブシートと、前記排気バルブ開口部内に嵌合する排気バルブシートと、をさらに含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の空冷航空エンジン。

【請求項8】

前記吸気バルブシートおよび前記排気バルブシートは、それぞれ、少なくとも一部が、銅溶浸粉末金属および／または固体合金で構成されている、請求項７に記載の空冷航空エンジン。

【請求項9】

前記吸気バルブシートおよび前記排気バルブシートは、各々、それぞれの内側領域を有し、各内側領域は、複数の離散的に角度を付けられた表面を有する、請求項７に記載の空冷航空エンジン。

【請求項10】

前記シリンダヘッドがさらに、
前記吸気バルブ開口部を介して前記燃焼室内に吸気を選択的に入れるように配置された吸気バルブであって、前記吸気バルブは吸気バルブステムと吸気バルブヘッドとを有し、前記吸気バルブステムは９ｍｍ未満の直径を有する、吸気バルブ、および、
前記排気バルブ開口部を介して前記燃焼室から排気ガスが選択的に排出されるように配置された排気バルブであって、前記排気バルブは排気バルブステムと排気バルブヘッドを有し、前記排気バルブステムは９ｍｍ未満の直径を有する、排気バルブ、を有する、
請求項７に記載の空冷航空エンジン。

【請求項11】

前記吸気バルブヘッドおよび前記排気バルブヘッドは、それぞれのバルブシートとの接触領域に隣接する複数の離散的に角度を付けられた表面を有する、請求項１０に記載の空冷航空エンジン。

【請求項12】

前記シリンダヘッドは、前記排気バルブステムの周囲に排気バルブステムガイドを含み、前記排気バルブステムガイドは、少なくとも一部が銅で構成され、粉末金属および／または固体合金として製造される、請求項１０に記載の空冷航空エンジン。

【請求項13】

前記吸気バルブステムと前記排気バルブステムの各々が、それぞれのバルブリテーナへのトリプルビードアタッチメントを含み、それぞれのトリプルビードアタッチメントは、それぞれのバルブの回転を容易にするように構成され配置されている、請求項１０に記載の空冷航空エンジン。

【請求項14】

前記シリンダヘッドの前記吸気バルブ開口部と同軸の高タンブル吸気ポートをさらに備え、前記高タンブル吸気ポートは、前記燃焼室内に垂直流を誘導するように構成および配置されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の空冷航空エンジン。

【請求項15】

複数のシリンダを含む空冷航空エンジンであって、各シリンダは：
吸気バルブ開口部、排気バルブ開口部、複数の点火プラグ、および内表面を有するシリンダヘッドと、
断面積を有し、シリンダボア内で往復運動するように構成されたピストンを含むシリンダボアと、
前記ピストンが前記シリンダボア内で最上位置にあるとき、前記シリンダヘッドの前記内表面によって画定される上部領域と、前記ピストンによって画定される下部領域とを有する燃焼室と、
を備え、
ここで、前記燃焼室は、前記シリンダボアの断面積よりも小さい断面積に広がる楕円形状を有し、前記楕円形状は、前記吸気バルブ開口部と前記排気バルブ開口部とに交差する長軸を有する、
空冷航空エンジン。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、一般に、火花点火式４ストローク空冷航空エンジンに関し、より詳細には、小型燃焼室を有するそのようなエンジンに関する。

【0002】

空冷４ストロークエンジンは、飛行機、ヘリコプター、ＵＡＶ（無人航空機）などの動力源としてよく使われている。典型的な空冷エンジンは、周囲空気にさらされるヒートフィンを備えたアルミニウム製シリンダーヘッドを含むことがある。燃焼による熱はアルミニウム製シリンダヘッドに流れ込み、ヒートフィンを介した伝導によって周囲空気に放出される。

【0003】

一般的な空冷エンジンは、点火プラグの間隔が広い開放型燃焼室を採用している。点火プラグは、１つの点火プラグが故障してもエンジンが作動し続けることができるように、冗長運転を可能にするためにシリンダごとに２つ使用される。

【発明の概要】

【0004】

残念なことに、上記の空冷エンジンにはある欠点がある。開放型燃焼室は、点火プラグによって開始される火炎面が、燃焼室の容積全体を横断するために長距離を移動する必要があることがある。これらの距離の移動に必要な長時間に対応するために、点火プラグのタイミングは多くの場合大幅に早められ、点火プラグはそれぞれのシリンダ内のピストンの上死点（ＴＤＣ）よりも２０度以上前に点火される。このような点火プラグの先行点火は，エンジンが行う正の機械的仕事から差し引かれる負の仕事をもたらす。さらに、火炎面が燃焼室内の排気バルブに向かって移動するのに必要な距離が比較的長いため、未燃焼の燃料と空気の混合気が必要以上に長く高温の排気部品と接触したままになる。このため、排気部品付近の高温の燃料と空気の混合気が早期に着火し、ノックを起こすことがある。ノックは、高オクタン価の燃料を使用することで少なくとも部分的には改善できるが、そのような燃料は低オクタン価の燃料よりも高価であり、世界の一部の地域では入手が困難である。

【0005】

上記の欠陥に少なくとも部分的に対処するために、改良された空冷航空エンジンは、概ね楕円形状である小型燃焼室を含む。燃焼室は、シリンダヘッドと、ピストンがシリンダボア内の最上位置またはその近傍に配置されているときのピストンとによって形成される。シリンダヘッドは、吸気バルブ開口部と排気バルブ開口部を含む。楕円形状は、シリンダボアの面積よりも小さい面積を有し、吸気バルブ開口部および排気バルブ開口部の両方と交差する長軸を有する。

【0006】

小型燃焼室にはいくつかの利点がある。点火プラグの点火によって開始された火炎面は、燃焼室の全容積を短時間で横断することができ、燃焼を迅速に完了し、点火プラグのタイミングを進める度合いを低減することができる（例えば、ＴＤＣ前２０度から１５度まで）。その結果、エンジンは以前の設計よりも負の仕事が減り、効率が向上する。さらに、燃焼室が小型であるため、高温の排気成分が燃料と空気の混合気を加熱する時間がほとんどなく、排熱が減少してノッキングが防止される。ノッキングの防止により、より安価な低オクタン価燃料を使用することができ、運転コストを大幅に削減し、稼働率を向上させることができる。他にも多くの改良と利点が考えられる。

【0007】

特定の実施形態は、空冷航空エンジンを対象とする。エンジンは、吸気バルブ開口部、排気バルブ開口部、複数の点火プラグ、および内表面を有するシリンダヘッドを含む。エンジンはさらに、断面積を有し、シリンダボア内で往復運動するように構成されたピストンを含むシリンダボアを含む。エンジンは、ピストンがシリンダボア内の最上位置にあるときに、シリンダヘッドの内表面によって画定される上部領域と、ピストンによって画定される下部領域とを有する燃焼室をさらに含む。燃焼室は、シリンダボアの断面積よりも小さい断面積に広がる楕円形状であり、楕円形状は、吸気バルブ開口部および排気バルブ開口部と交差する長軸を有する。

【0008】

いくつかの実施例では、シリンダヘッドは、ピストンがシリンダボア内の最上位置にあるときにピストンのフラットな外側領域に接するフラットショルダー部領域を有し、フラットショルダー部領域とフラットな外側領域とが燃焼室を楕円形状に制約する。

【0009】

いくつかの実施例では、複数の点火プラグは各々、それぞれの電極を含み、複数の点火プラグの電極は、燃焼室の内表面の下方に延びる。

【0010】

いくつかの実施例では、複数の点火プラグの電極は、吸気バルブ開口部よりも排気バルブ開口部の近くに配置される。

【0011】

いくつかの実施例では、ピストンは、複数の点火プラグの各々の電極の下に窪みを含み、ピストンの少なくとも一部は、窪みに対して隆起している。

【0012】

いくつかの実施例では、シリンダボアは中心線と半径とを有し、複数の点火プラグの電極は、シリンダボアの半径の６５％未満である中心線からのそれぞれの距離に配置される。

【0013】

いくつかの実施例では、シリンダヘッドは、吸気バルブ開口部内に嵌合する吸気バルブシートと、排気バルブ開口部内に嵌合する排気バルブシートとをさらに含む。

【0014】

いくつかの実施例では、吸気バルブシートと排気バルブシートはそれぞれ、銅溶浸粉末金属および／または固体合金の少なくとも一部で構成されている。

【0015】

いくつかの実施例では、吸気バルブシートと排気バルブシートはそれぞれ、それぞれの内側領域を有し、それぞれの内側領域は、複数の離散的に角度を付けられた表面を有する。

【0016】

いくつかの実施例では、シリンダヘッドは、吸気バルブ開口部を介して燃焼室内に吸気を選択的に入れるように配置された吸気バルブをさらに含む。吸気バルブは、吸気バルブステムと吸気バルブヘッドとを有し、吸気バルブステムは、９ｍｍ未満の直径を有する。このような実施例では、シリンダヘッドは、排気バルブ開口部を介して燃焼室から排気ガスが選択的に排出されるように配置された排気バルブをさらに含む。排気バルブは、排気バルブステムと排気バルブヘッドとを有し、排気バルブステムは、９ｍｍ未満の直径を有する。

【0017】

いくつかの実施例では、吸気バルブヘッドと排気バルブヘッドは、それぞれのバルブシートとの接触領域に隣接する複数の離散的に角度を付けられた表面を有する。

【0018】

いくつかの実施例では、シリンダヘッドは、排気バルブステムの周りに排気バルブステムガイドを含む。排気バルブステムガイドは、少なくとも一部が銅で構成され、粉末金属および／または固体合金として製造される。

【0019】

いくつかの実施例では、吸気バルブステムと排気バルブステムは各々、それぞれのバルブリテーナへのトリプルビードアタッチメントを含み、各トリプルビードアタッチメントは、それぞれのバルブの回転を容易にするように構成され、配置されている。

【0020】

いくつかの実施例では、エンジンは、シリンダヘッドの吸気バルブ開口部と同軸の高タンブル吸気ポートをさらに含む。高タンブル吸気ポートは、燃焼室内に垂直流を誘発するように構成および配置される。

【0021】

他の実施形態は、複数のシリンダを含む空冷航空エンジンを対象とし、各シリンダは、吸気バルブ開口部、排気バルブ開口部、複数の点火プラグ、および内表面を有するシリンダヘッドを含む。エンジンはさらに、断面積を有し、シリンダボア内で往復運動するように構成されたピストンを含むシリンダボアを含む。エンジンは、ピストンがシリンダボア内の実質的に最上部の位置にあるときに、シリンダヘッドの内表面によって画定される上部領域と、ピストンによって画定される下部領域とを有する燃焼室をさらに含む。燃焼室は、シリンダボアの断面積よりも小さい断面積に広がる楕円形状であり、楕円形状は、吸気バルブ開口部および排気バルブ開口部と交差する長軸を有する。

【0022】

さらに他の実施形態は、任意の組み合わせで、上記の例のいずれかに従った空冷航空エンジンを含む航空機を対象とする。

【0023】

特定の実施形態は、任意の組み合わせで、上記の例のいずれかに記載された特徴を有するものなどの空冷航空エンジンを対象とする。エンジンは、任意の方法（例えば、直線状、対向状、Ｖ字状、Ｗ字状、放射状など）で配置された、記載された種類の任意の数のチャンバ（例えば、任意の数のシリンダ）を含むことができる。

【0024】

前述の概要は、本明細書に提示された例示的な特徴を読者が容易に把握できるようにするための例示目的で提示されたものであるが、この概要は、必須の要素を規定すること、または本明細書の実施形態を何らかの形で限定することを意図するものではない。上述の特徴は、技術的に理にかなった任意の方法で組み合わせることができ、そのような組み合わせが明示的に特定されるか否かにかかわらず、そのような組み合わせのすべてが本明細書に開示されることを意図していることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0025】

前述および他の特徴および利点は、添付図面に示される特定の実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。ここで、同じような参照文字が、異なるビュー全体を通して同じまたは類似の部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、様々な実施形態の原理を例示することに重点が置かれている。

【0026】

図１は、本開示の一実施形態による空冷航空エンジンのシリンダヘッドの底面図である。

【0027】

図２ａおよび２ｂは、図１の点火プラグの平面に沿った断面を有する、図１の実施形態の側断面図である。

【0028】

図３は、図１の実施形態の側断面図であり、断面は図２のバルブの平面に沿って取られている。

【0029】

図４は、図１の実施形態の側断面図であり、バルブステム用のトリプルビード配置を示す。

【0030】

図５は、図３の一部の拡大図であり、バルブヘッドとバルブシートとの間の接触領域の例を示している。

【発明を実施するための形態】

【0031】

次に、改良された技術の実施形態を説明する。このような実施形態は、特定の特徴および原理を説明するために例示として提供されるが、限定することを意図するものではないことを理解されたい。

【0032】

改良された技術により、概ね楕円形状を有する小型燃焼室を含む空冷航空エンジンが提供される。燃焼室は、シリンダヘッドと、ピストンがシリンダボア内の最上位置またはその近傍に配置されているときのピストンとによって形成される。シリンダヘッドは、吸気バルブ開口部と排気バルブ開口部とを含む。楕円形状は、シリンダボアの面積よりも小さい面積を有し、吸気バルブ開口部と排気バルブ開口部の両方に交差する長軸を有する。

【0033】

いくつかの実施例では、エンジンは点火プラグを含み、点火プラグは吸気バルブよりも排気バルブに近い位置に配置された電極を有する。このような配置は、高温の排気成分が燃料と空気の混合気を加熱する時間が少ないことを意味し、排熱を低減してノッキングを防止する。

【0034】

幾つかの実施例では、点火プラグは、楕円領域の短軸に平行に配置され、吸気バルブよりも排気バルブの近くに配置される。

【0035】

いくつかの実施例では、ピストンは１つ以上の窪みが形成された上面を有する。いくつかの実施例では、窪みはシリンダヘッド内部の形状を実質的に反映する形状を有する。

【0036】

いくつかの実施例では、シリンダヘッドは、少なくとも部分的に銅溶浸粉末金属で構成されたバルブシートを含む。このような銅溶浸粉末金属は、ステンレス鋼よりも熱伝導率が高い（例えば、１３０％高い）が、同様の耐摩耗性を提供する。バルブシートは、シリンダヘッドに熱締り嵌めされ、広い面積でシリンダヘッドに接触し、熱抵抗の低い取り付け部を形成することができる。従って、バルブシートは、バルブヘッドと周囲のシリンダヘッドとの間に、より高い熱伝導経路を提供することができる。

【0037】

いくつかの例では、バルブシートは細い外形を有し、燃焼にさらされる表面積が少なく、直接加熱が少ない。

【0038】

バルブシートの機能の一つは、バルブヘッドを冷却するヒートシンクを行うことである。いくつかの実施例では、バルブヘッドの裏側は、バルブシートの対応する平坦領域と一致する平坦領域を含む。この接触領域により、熱はバルブヘッドからバルブシートへ、そしてエンジンブロックへと流れ、ヒートフィンを介して周囲空気へと放射される。接触領域に隣接して追加された角度（マルチアングル設計）は、より効率的な空気の流れのためのベンチュリ形状を提供する。

【0039】

いくつかの実施例では、バルブは細いバルブステムを含む。より細いバルブステムによりバルブの質量が軽減され、カムシャフトによってバルブがより積極的に作動できるようになり、バルブを急激に（高速で）開閉できるようになる。この機能は、バルブが必要以上に長く開いたり閉じたりしないようにするのに役立つ。例えば、バルブが各燃焼サイクルの間、より長く着座状態に留まるため、バルブシートとシリンダヘッドに熱が伝わる時間が長くなる。バルブが長く着座していることで、有効圧縮比と膨張比も高まり、効率が向上する。さらに、幅の細いステムは、温度上昇に伴う膨張が少なく、調心性と円筒度の維持に役立ち、バルブの歪み、漏れ、摩耗を低減する。また、吸気ポートや排気ポートのスペースを塞ぐことが少なくなるため、より効果的なブリージングが促進される。

【0040】

いくつかの例では、一方または両方のバルブは、バルブステムと、高熱伝導性バルブステムガイド、例えば、銅溶浸粉末金属および／または高熱伝導性固体銅合金、例えば真鍮ビレットから作られたものを有する。いくつかの例では、バルブステムはナトリウムを含む細長い中空の内部領域を持つことがある。バルブステムが加熱されると、ナトリウムは溶融し、中空領域内でスロッシングし、バルブヘッドから熱を奪う。熱はバルブステムを上昇し、横方向に熱伝導率の高いバルブガイドに伝わり、シリンダヘッドに伝わる。

【0041】

いくつかの実施例では、バルブステムはカムシャフトによって作動され、カムシャフトはそれぞれのカムとレバーを介してそれぞれのバルブを開閉する。スプリングはバルブを閉じる方向に付勢し、回転するカムシャフトはレバーを介してバルブを開く方向に付勢する。

【0042】

いくつかの実施例では、バルブステムは自由に回転し、バルブスプリングの圧縮と膨張の繰り返しにより、例えば毎分０．２５回転から５回転の間の速度でバルブを徐々に回転させる。このようなバルブの回転は、バルブヘッド内の熱をより均等に分散させ、バルブヘッドとバルブシート間のシール領域に形成される堆積物をきれいに拭き取る傾向がある。

【0043】

いくつかの実施例では、バルブステムはトリプルビードデザインを介してそれぞれのスプリングに結合されている。各バルブステムの端部には、バルブステムを上部スプリングシートに取り付けるキーと係合するための３つの溝があり、シングルビードデザインと比較して、バルブステムの応力を低減し、バルブの回転を増加させる。

【0044】

いくつかの実施例では、バルブステムは、成形されたエラストマーリングまたは他のシールを介して、上部バルブトレインを満たすオイルから隔離されている。例えば、各バルブステムガイドはそれぞれのシールを備えている。このシールは、低オクタン価オイルがバルブを越えて燃焼室に漏れるのを防ぐ。

【0045】

いくつかの実施例では、燃焼室への吸気ポートが、燃焼室内に高タンブルの垂直旋回流を発生させる。このような旋回流は、燃料と空気の混合気内の燃料を（遠心作用によって）点火プラグの近くに移動させ、効果的な点火を促進する傾向がある。

【0046】

いくつかの実施例では、点火プラグは燃焼室内に延びる電極を有し、火炎面の直接伝播を促進する。例えば、プラグの端部は燃焼室と同一平面上にあり、電極は主燃焼室容積内に延びている。

【0047】

いくつかの実施例では、ピストンは二重圧縮リング（例えば鋼鉄製）を備えている。このような圧縮リングは、ガスがピストンと一緒にボア内の空間に入るのを防ぐ。また、ピストン周辺での燃焼ガスのブローバイを回避する。いくつかの実施例では，各ピストンは，別個のオイル制御リング（例えばステンレス鋼製）を含む。オイル制御リングは、各ピストンの圧縮リングの下方に配置され、クランクケース内のオイルがピストンの上方や周囲、燃焼室内にしみ出すのを防ぐ役割を果たす。

【0048】

いくつかの配置では、バルブは互いに対して斜めに配置される。他の配置では、バルブは互いに平行に、またピストンの移動方向に対して平行に配置される。

【0049】

次に、上記および追加の特徴について、添付の図を参照して説明する。

【0050】

図１は、特定の実施形態によるエンジンの例示的なシリンダヘッド１００を示す。描かれているシリンダヘッド１００は底面から示されている。したがって、読者に面している部分は、通常、シリンダボア２００（図２ａおよび図２ｂ）に面している部分である。吸気バルブ１１０が左に、排気バルブ１２０が右に示されている。吸気バルブ１１０は、吸気バルブ開口部１１２内に配置された吸気バルブシート１１４内に収まる。同様に、排気バルブ１２０は、排気バルブ開口部１２２内に配置された排気バルブシート１２４内に収まる。一実施例では、バルブシート１１４と１２４は、それぞれのバルブ開口部１１２と１２４に熱的に締り嵌めされているが、他の取り付け様式を用いてもよい。

【0051】

点火プラグ１３０は、２つのバルブ１１０および１２０の間に配置される。各点火プラグ１３０は、電極１３２、例えば、各点火プラグのための一対の電極を含む。図示のように、点火プラグ１３０は、電極１３２が吸気バルブ１１０よりも排気バルブ１２０に近くなるように配置され得る。２つの点火プラグ１３０が示されているが、代替実施形態は、２つ以上の点火プラグを含むことができる。

【0052】

シリンダヘッド１００は、楕円形状１４０を有する燃焼室を画定する役割を果たす。楕円形状１４０は、長軸１４２および短軸（図示せず）を有する。図示のように、長軸１４２はバルブ１１０および１２０と交差する。いくつかの実施例では、長軸１４２は、シリンダボア２００の直径に実質的に一致する長さを有する。他の実施例では、長軸１４２はシリンダボア２００の直径より小さい。楕円形状１４０は完全な楕円である必要はないことを理解すべきである。むしろ、必要とされるのは、形状１４０がほぼ楕円の形状、すなわち湾曲しており、垂直方向（短軸）よりも一方向（長軸）に長いことだけである。

【0053】

図１にさらに示されるように、シリンダボア２００の中心線１５０（点として示される）は、吸気バルブ１１０の近傍で長軸１４２に沿って位置する。上側および下側点火プラグ１３０の電極１３２は、中心線１５０からそれぞれの半径方向距離１５２および１５４に配置されている。また、同じ中心線１５０に対するシリンダボア２００の半径１５６も示されている。

【0054】

いくつかの実施例では、シリンダヘッド１００は、電極１３２の配置において先行設計と区別される。例えば、半径１５２及び１５４は、シリンダボア２００の半径１５６の６５％未満であってもよい。いくつかの実施例では、半径１５２および１５４は、シリンダボア２００の半径１５６の５０％未満であってもよい。このように、電極１３２は、一般的なものよりもシリンダヘッド１００内の中心に位置し、このように中心により位置することで、より均一で効率的な燃焼が促進される。

【0055】

シリンダヘッド１００は、楕円形状１４０の境界内にある内表面１０２と、楕円形状１４０の境界外にあるフラットショルダー部領域１０４とを有する。通常、燃焼は、内表面１０２によって画定される領域内（楕円内）では起こるが、領域１０４内（楕円外）では起こらない。したがって、通常、燃焼は、シリンダボア２００の面積（半径１５６によって画定される）よりも小さい楕円１４０の領域に制約される。燃焼が発生する領域を限定することは、例えば、燃焼前線の経路長を短くすることによって、効率をさらに促進する。

【0056】

図２ａおよび図２ｂは、図１のシリンダヘッド１００のそれぞれの断面図であり、各図における断面は、点火プラグ１３０を通る図である。図２ｂは、図２ａの一部の拡大図であり、輪郭線および他の細部が除去されている。

【0057】

図示のように、燃焼室２２０がシリンダヘッド１００とピストン２１０との間に形成される。燃焼室２２０は、上述した内表面１０２によって画定される上部領域２２０ａと、ピストン２１０によって画定される下部領域２２０ｂとを有する。

【0058】

ピストン２１０は、シリンダバレル２０２によって画定されたシリンダボア２００内を往復運動するように構成されている。図では、ピストン２１０は上死点（ＴＤＣ）に相当する最上位置にある。

【0059】

ピストン２１０が最上位置にあるとき、シリンダヘッド１００の上述のフラットショルダー部領域１０４は、ピストン２１０のフラットな外側領域２４０に直接対向し、シリンダヘッド１００とピストン２１０との間の空間を効果的に詰め、燃焼をより半径方向中心位置に制約する。楕円形状１４０（図１）は、図２ａおよび図２ｂの観点からは見えないことに留意されたい。しかし、図２ａおよび図２ｂに示す燃焼室２２０の幅は、楕円の短軸にほぼ対応している。

【0060】

また、図２ａおよび図２ｂから明らかなように、点火プラグ１３０の電極１３２は、燃焼室２２０内に延びている。例えば、点火プラグ１３０の本体は、内表面１０２と同一平面にすることができ、電極１３２は、燃焼室２２０の主容積内に延在する。描かれた配置は、火炎面の迅速な伝播を促進し、電極が凹んでいる（高い位置に配置されている）ため燃焼が遅くなる多くの先行設計とは異なる。

【0061】

効率的な燃焼をさらに促進するために、ピストン２１０は、点火プラグ１３０の電極１３２の下に位置する１つ以上の窪み２３０を含むことができる。いくつかの実施例では、窪み２３０は、ピストン２１０の上面を完全に取り囲むように、例えば環状に延びる単一の窪みであり得る。他の実施例では、２つの独立した窪み２３０が、各電極１３２の下に１つずつ形成されてもよい。いくつかの実施例では、中央の隆起領域２３２が、電極間のピストン２１０に形成されてもよい。隆起領域２３２は、燃焼室２２０の容積を制限する一方で、窪み２３０によって火炎面が発達することを可能にする。

【0062】

図３は、エンジンの断面図であり、バルブ１１０および１２０を通る断面が示されている。図３に見えるのは、吸気バルブ１１０を介して燃焼室２２０に吸気を供給するための吸気ポート３１０と、排気バルブ１２０を介して燃焼室２２０から排気ガスを送り出すための排気ポート３２０である。いくつかの実施例では、吸気ポート３１０は、燃焼室２２０内に燃料と空気の垂直流を誘導するように構成・配置された高タンブルポートである。

【0063】

図３はさらに、バルブ１１０および１２０のさらなる詳細を示す。ここで、吸気バルブ１１０は、吸気バルブシート１１４に対して閉じられている。吸気バルブ１１０は、吸気バルブヘッド１１０ａと吸気バルブステム１１０ｂとを含む。吸気バルブステム１１０ｂは、その長さの少なくとも一部にわたって、吸気バルブステムガイド１１０ｃによって取り囲まれている。同様に、排気バルブ１２０は、排気バルブヘッド１２０ａと排気バルブステム１２０ｂとを含むと見られる。排気バルブステム１２０ｂは、その長さの少なくとも一部にわたって、排気バルブステムガイド１２０ｃによって取り囲まれている。一実施例では、排気バルブステム１２０ｂは、ナトリウムを含む中空領域１２０ｄを含む。排気バルブステム１２０ｂが加熱されると、ナトリウムは溶融し、中空領域１２０ｄ内でスロッシングし、排気バルブヘッド１２０ａから熱を奪う。この熱は、バルブステム１２０ｂを上昇し、バルブガイド１２０ｃに横方向に伝達され、シリンダヘッド１００に伝達される。

【0064】

一実施例では、バルブステム１１０ｂおよび１２０ｂはそれぞれ、９ｍｍ未満、場合によっては８ｍｍ未満の直径を有する。実施例では、吸気バルブ１１０は１４５グラム未満（例えば、１３０グラム）の質量を有し、排気バルブ１２０は１３０グラム未満（例えば、１０４グラム）の質量を有する。

【0065】

いくつかの実施例では、吸気バルブステムガイド１１０ｃは少なくとも５５％の銅で構成されている。同様に、排気バルブステムガイド１２０ｃは少なくとも２０％の銅で構成されている。材料は、例えば、均一な固体合金や粉末金属として提供され得る。

【0066】

いくつかの実施例では、バルブシート１１４と１２４はそれぞれ最低１５％の銅で構成され、粉末金属または均一な固体合金として製造することができる。

【0067】

図４は、シリンダヘッド１００の別の断面図である。図３と同様に、この断面は、バルブ１１０及び１２０を通った図である。図４の右上に示すように、排気バルブステム１２０ｂの頂部は、３つの同心円状の丸い溝のようなトリプルビード形状４１０を含む。トリプルビードキー４２０がトリプルビード形状４１０に係合する。トリプルビードキー４２０は、上部スプリングシート４３０に固定されている（例えば、楔状にはめ込まれている）。コイルスプリング（図示せず）は、上部スプリングシート４３０と下部スプリングシート４４０との間に圧縮状態で保持されている。スプリングは、バルブステム１２０ｂと同心であってもよく、バルブリテーナ４３０を押し上げるように作用し、バルブヘッド１２０ａがバルブシート１２４に対して上方に付勢されることを保証する。ロッカー４５０は、カムシャフト（図示せず）の回転に応じてロッカーが上下に揺動すると、バルブステム１２０ｂを繰り返し押し下げるように構成されている。ロッカー４５０が押し下げられると、バルブリテーナ４３０がスプリングを圧縮し、バルブ１２０を押し開く。ロッカー４５０が押し下げを止めると、スプリングがバルブリテーナ４３０を押し戻し、バルブ１２０を閉じさせる。

【0068】

トリプルビードキー４２０は、シングルビードやローテータバルブ構造の場合のように、応力を一箇所に集中させることなく、バルブステム１２０ｂのトリプルビード形状４１０を保持する。従って、トリプルビード構造は、通常動作中に早期に摩耗したり破損したりする可能性のある、細くて軽いバルブステム１２０ｂに適している。

【0069】

好ましくは、トリプルビードキー４２０はトリプルビードロック４１０にきつくはめ込まず、むしろ半径方向および軸方向にわずかな隙間を維持する。例えば、トリプルビード形状４１０とトリプルビードキー４２０との間に０．０５ｍｍの隙間を維持することができる。この隙間により、バルブステム１２０ｂ、ひいてはバルブ１２０全体がバルブリテーナ４３０内で回転することが可能になる。回転はスプリングの連続的な圧縮で段階的に達成され得る。例えば、コイルスプリングは、圧縮されるたびにわずかな回転を与える。回転の一部はバルブステム１２０ｂに加えられ、バルブステム１２０ｂは、例えば毎分０．２５回転から５回転の間の速度で回転する。バルブ１２０のこのような回転は、バルブヘッド１２０ａ内に熱をより均等に分散させ、バルブヘッド１２０ａとバルブシート１２４との間のシール領域に形成される堆積物をきれいに拭き取る傾向がある。

【0070】

トリプルビード配置は排気バルブ１２０に関連して説明されたが、類似または同一の配置が吸気バルブ１１０に使用されてもよい。実際、図４は両方のバルブに同じ特徴を示している。従って、吸気バルブ１１０と排気バルブ１２０の両方が、トリプルビード構造によって与えられる耐久性とバルブ回転の恩恵を受けることができる。

【0071】

トリプルビード構造が具体的に示されているが、いくつかの実施形態では、３重以上のビードを採用することができる。例えば、４重ビード構造が使用されてもよい。しかし、２個を超えるビードを有するいかなるマルチビード配置も、必然的にトリプルビード構造を含むことが理解されるべきである。

【0072】

図５は、吸気バルブシート１１４に対して閉じられた吸気バルブ１１０の断面図である。図１に示すように、吸気バルブシート１１４は、吸気バルブ開口部１１２の周囲に完全に延在し、その開口部を囲むリングである。

【0073】

図５の左側に示されるように、バルブヘッド１１０ａは、複数の離散的に角度を付けられた表面５１０を有し、各表面は、吸気バルブヘッド１１０ａの外側の周囲に完全に延在している。相補的な態様において、バルブシート１１４は、複数の離散的に角度を付けられた表面５２０を有し、これらの表面は、バルブシート１１４の内側の周囲に完全に延在している。面５１０の一方は、バルブ１１０が閉じているときにバルブヘッド１１０ａをバルブシート１１４に対して効果的にシールするために、対応する表面５２０との接触を維持する。温度が上昇すると、２つの表面間の半径方向の接触面積は変化する可能性があるが、表面の接線方向の接触は維持される。

【0074】

多角形の表面５１０および５２０は、バルブ１１０が開いているときに、吸気ポート３１０と燃焼室２２０との間の円滑かつ効率的な空気流を促進する。例えば、空気は、表面５１０と５２０との間に形成される隙間を通って効率的に流される。したがって、表面５１０および５２０は、燃焼室２２０への空気の導入を容易にし、効率的な燃焼を促進する。

【0075】

図５の実施例は吸気バルブ１１０および吸気バルブシート１１４に関するものであるが、排気バルブヘッド１２０ａおよび排気バルブシート１２４は、同様または同一の方法で配置されてもよい。従って、排気バルブヘッド１２０ａ及び排気バルブシート１２４は、それぞれ、上述したように、複数の離散的に角度を付けられた表面を含むことができる。排気ガスは、このようにして、燃焼室２２０から排気ポート３２０（図３）へと同様にスムーズな経路をたどることができる。

【0076】

特定の実施形態を説明したが、多数の代替的な実施形態または変形が可能である。例えば、実施形態を空冷エンジンに関連して説明したが、同じ原理を液冷エンジンにも適用することができる。したがって、本明細書に記載した特徴は、空冷エンジンに限定されるものではない。

【0077】

さらに、本明細書の特定の実施形態を参照して特徴を示し説明してきたが、そのような特徴は、開示された実施形態およびそれらの変形例のいずれにも含まれ得るし、本明細書にも含まれる。したがって、任意の実施形態に関連して開示された特徴は、他の任意の実施形態にも含まれることが分かる。

【0078】

本明細書全体を通して使用される場合、「備える」、「含む」、「含有する」、および「有する」という語は、オープンエンドな様式で何かの特定の項目、ステップ、要素、または態様を規定することを意図している。また、本明細書で使用される場合、特に反対の記述がない限り、「一組」という語は、１つまたは複数の何かを意味する。これは、「一組の」という語句の後に単数または複数の目的語が続くかどうかや、単数または複数の動詞が活用されるかどうかに関係なく、同様である。また、「一組の」要素は、存在するすべての要素よりも少ない数を表すこともある。したがって、その集合に含まれない同種の要素がさらに存在する可能性がある。さらに、「第１」、「第２」、「第３」などの序数的表現は、本明細書では識別の目的で形容詞として使用することがある。具体的に示されない限り、これらの序数的表現は、いかなる順序または順序を意味するものでもない。従って、例えば、「第２」の事象は、「第１」の事象の前または後に起こる可能性があり、また、第１の事象が発生しない場合であっても起こり得る。さらに、本明細書において、特定の要素、特徴、または行為を「第１の」そのような要素、特徴、または行為であると特定することは、「第２の」または他のそのような要素、特徴、または行為も存在しなければならないことを要求するものとして解釈されるべきではない。むしろ、「第１」の項目が唯一であってもよい。また、特に反対の記載がない限り、「～に基づく」は非排他的であることを意図している。したがって、「に基づく」は、特に断りのない限り、「に排他的に基づく」という意味ではなく、「に少なくとも部分的に基づく」という意味に解釈されるべきである。特定の実施形態が本明細書に開示されているが、これらは例示としてのみ提供されており、限定的なものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。

【0079】

したがって、当業者であれば、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施形態に対して形態および細部の様々な変更を加えることができることを理解するであろう。

【符号の説明】

【0080】

１００ シリンダヘッド
１０２ シリンダヘッド内表面
１０４ シリンダヘッドのフラットショルダー部領域
１１０ 吸気バルブ
１１０ａ 吸気バルブヘッド
１１０ｂ 吸気バルブステム
１１０ｃ 吸気バルブステムガイド
１１２ 吸気バルブ開口部
１１４ 吸気バルブシート
１２０ 排気バルブ
１２０ａ 排気バルブヘッド
１２０ｂ 排気バルブステム
１２０ｃ 排気バルブステムガイド
１２０ｄ ナトリウムを含む中空領域
１２２ 排気バルブ開口部
１２４ 排気バルブシート
１３０ 点火プラグ
１３２ 点火プラグの電極
１４０ 燃焼室の楕円形状
１４２ 楕円の長軸
１５０ シリンダボアの中心線
１５２ 上側点火プラグの電極までの半径距離
１５４ 下側点火プラグの電極までの半径距離
１５６ シリンダボア半径
２００ 示されている通りの直径のシリンダボア
２０２ シリンダバレル
２１０ ピストン
２２０ 燃焼室
２２０ａ 燃焼室上部領域
２２０ｂ 燃焼室下部領域
２３０ 窪み
２３２ 隆起領域
２４０ ピストンのフラットな外側領域
３１０ 高タンブル吸気ポート
３２０ 排気ポート
４１０ バルブステム上のトリプルビードロック
４２０ トリプルビードキー
４３０ バルブリテーナ（上部スプリングシート）
４４０ ロアスプリングシート（スプリング（図示せず）がバルブリテーナを押し上げることを可能にする）
４５０ ロッカー（カムシャフトに連結）
５１０ バルブヘッドの複数の離散的に角度を付けられた表面
５２０ バルブシートの複数の離散的に角度を付けられた表面

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】