JP2005133664A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃焼室に新気を導入する吸気路と、燃焼室に対して吸気路を開閉する吸気弁と、燃料を燃焼室に導入する燃料路と、燃焼室に対して燃料路を開閉する燃料弁とを備え、燃焼室を拡大する方向にピストンが動作する吸気行程において、吸気弁を開状態として燃焼室に新気を吸気すると共に、燃料弁を開状態として燃焼室に直接燃料を供給するエンジンに関し、その目的は、簡単な構成で、燃料を低圧状態で燃焼室に直接供給することができるエンジンを実現する点にある。
【解決手段】吸気行程において、燃料弁１３が開状態となる燃料供給期間Ｉ１に、吸気弁４を閉状態とすることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼室に新気を導入する吸気路と、前記燃焼室に対して前記吸気路を開閉する吸気弁と、燃料を前記燃焼室に導入する燃料路と、前記燃焼室に対して前記燃料路を開閉する燃料弁とを備え、
前記燃焼室を拡大する方向にピストンが動作する吸気行程において、前記吸気弁を開状態として前記燃焼室に新気を供給すると共に、前記燃料弁を開状態として前記燃焼室に直接燃料を供給して、前記燃焼室に混合気を形成するエンジンに関する。

吸気行程において燃料を燃焼室に直接供給するように構成される火花点火式エンジンとしては、排ガス性状及び燃費の改善に有効な層状吸気エンジンがある。

層状吸気エンジンは、燃焼室の点火プラグ近傍に燃料を直接供給することで、燃焼室の点火プラグ近傍の点火領域に、火花点火可能な当量比の濃混合気を形成し、その点火領域の周辺の希薄領域に、点火領域の混合気よりも当量比が低い希薄混合気を形成するように構成される。そして、このような層状吸気エンジンは、上記点火領域に形成された濃混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に形成された希薄混合気を燃焼させるので、全体として燃料を希薄状態で燃焼させることができる。
また、層状吸気エンジンとしては、単室式と副室式とがある。

単室式の層状吸気エンジンは、燃焼室としてピストン頂部に接する主室のみを設け、その主室に点火プラグを設けたものである。即ち、このエンジンは、燃焼室に直接供給された燃料を、例えばピストン頂部中央に形成された凹部における新気の流れを利用して、点火プラグ近傍の点火領域に到達させることで、その点火領域に濃混合気を形成し、点火領域の濃混合気を点火プラグにより火花点火燃焼させることで、その周辺の希薄領域に形成された希薄混合気を燃焼させる所謂成層燃焼を行うように構成されている。

一方、副室式の層状吸気エンジンは、燃焼室として、ピストン頂部に接する主室の他に、その主室と連通路を介して連通する副室を設け、その副室に点火プラグを設けたものである。即ち、このエンジンは、主室に空気又は希薄混合気等の新気を供給すると共に、副室に燃料を直接供給し、副室に供給した燃料を、圧縮行程において主室から連通路を介して副室に流入した新気と混合することで、点火領域としての副室に濃混合気を形成し、その副室の濃混合気を点火プラグにより火花点火燃焼させることで、副室から連通路を介して主室に噴射される火炎ジェットにより、希薄領域としての主室に形成された希薄混合気を燃焼させる所謂副室燃焼を行うように構成されている（例えば、特許文献１，２参照。）。

また、副室式の層状吸気エンジンは、吸気行程の燃焼室の圧力が比較的低いときに、副室に燃料を供給しておいても、その燃料を副室に良好に保持することができるので、簡単に、副室に濃混合気を形成することができる。よって、この副室式の層状吸気エンジンは、燃料噴射弁の簡素化が可能であり、例えば燃料として高圧縮が困難な天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。

吸気行程において燃料を燃焼室に直接供給するように構成される圧縮着火エンジンとしては、排ガス性状及び燃費の改善に有効な予混合圧縮着火エンジンがある（例えば、特許文献３参照。）。

予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように圧縮行程終了時に燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンのように、吸気行程において燃料室に直接燃料を供給するなどして、燃焼室に予め混合気を形成するように構成される。そして、このような予混合圧縮着火エンジンは、圧縮行程においてその混合気を高圧縮して、混合気を自己着火温度まで昇温させることで、自己着火燃焼させるので、燃料を希薄状態で燃焼させることができる。
また、予混合圧縮着火エンジンは、ディーゼルエンジンのように燃料を高圧縮して燃焼室に噴射する必要がないので、例えば燃料として高圧縮が困難な天然ガス等の気体燃料を用いたガスエンジンに簡単に適用することができる。

特開２００２−２７６４７４号公報 特開２００１−２６３０６９号公報 特開２００２−０２１５６７号公報

前述のように、吸気行程において燃料を燃焼室に直接供給するように構成されるエンジンにおいては、新気の燃料路への流入を阻止し、更に、燃料の燃焼室への供給効率を向上するために、燃料路における燃料の圧力をある程度高くして、燃料を燃焼室に押し込む必要がある。

特に、新気を燃焼室に過給する過給機を設けた場合には、吸気行程において吸気弁を開状態としているときには、燃焼室の圧力は過給された新気と同等の比較的高い圧力になるので、燃料路における燃料の圧力を少なくとも新気の圧力よりも高くする必要がある。そして、その燃料の圧力を、燃料供給元における供給圧以上に加圧必要がある場合には、別途燃料を加圧するためのポンプを設置する必要があり、特に、供給圧が比較的低い都市ガスを燃料として利用する場合には、このようなガスポンプが必要となる可能性が高い。
また、天然ガス等の気体燃料を加圧するためのガスポンプは、比較的大掛かりなものであり、装置の大型化の要因となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、燃料を比較的低圧状態で燃焼室に直接供給することができるエンジンを実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第１特徴構成は、燃焼室に新気を導入する吸気路と、前記燃焼室に対して前記吸気路を開閉する吸気弁と、燃料を前記燃焼室に導入する燃料路と、前記燃焼室に対して前記燃料路を開閉する燃料弁とを備え、
前記燃焼室を拡大する方向にピストンが動作する吸気行程において、前記吸気弁を開状態として前記燃焼室に新気を供給すると共に、前記燃料弁を開状態として前記燃焼室に直接燃料を供給して、前記燃焼室に混合気を形成するエンジンであって、
前記吸気行程において、前記燃料弁を開状態とする燃料供給期間に、前記吸気弁を閉状態とすることを特徴とする点にある。

上記第１特徴構成によれば、燃焼室を拡大する方向にピストンが動作する吸気行程において、燃料弁を開状態とする燃料供給期間に、吸気弁を閉状態とすることで、燃焼室への新気の吸入を阻止して、燃焼室の圧力を吸気路の新気の圧力よりも低下させ、更に、ピストンの動作による吸入作用を燃料路側に働かせて、燃料路の燃料の圧力が比較的低くても、その燃料を燃焼室に供給することができる。
従って、このような簡単な構成で、燃料を比較的低圧状態で燃焼室に直接供給することができるエンジンを実現することができる。
尚、吸気行程における上記燃料供給期間以外の新気供給期間には、吸気弁を開状態とすることで、吸気路の新気を燃焼室に供給することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記燃料供給期間が前記吸気行程の初期に設定されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、吸気弁を閉状態とし燃料弁を開状態とする燃料供給期間を、吸気行程の初期に設定することで、吸気弁を吸気行程前の排気行程から燃料供給期間にかけて継続して閉状態とすることができるので、吸気弁を開閉するカム機構等の構成を単純化することができ、更に、その燃料供給期間終了後から次の圧縮行程までの、吸気弁を開状態とする新気供給期間とすることで、燃料供給期間に燃焼室の圧力が吸気路の圧力よりも低くなったとしても、燃焼室の圧力を吸気路の圧力と同等にもどすことができるので、燃焼室への充填効率の低下を防止することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記燃焼室が、前記ピストンの頂部と接する主室と、前記主室に連通路を介して連通する副室とからなり、
前記吸気路が前記吸気弁を介して前記主室に連通すると共に、前記燃料路が前記燃料弁を介して前記副室に連通し、
前記副室に、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグを備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、燃焼室として、ピストン頂部に接する主室の他に、その主室と連通路を介して連通する副室を設け、その副室に点火プラグを設けて、所謂副室式の層状吸気エンジンとして構成することができる。即ち、吸気行程において、吸気弁を開状態とする新気供給期間に吸気路から主室に新気を供給し、吸気弁を閉状態とし燃料弁を開状態とする燃料供給期間に燃料路から副室に燃料を直接供給して、副室に供給した燃料を、圧縮行程において主室から連通路を介して副室に流入した新気と混合することで、副室に濃混合気を形成し、その副室の濃混合気を点火プラグにより火花点火燃焼させることで、副室から連通路を介して主室に噴射される火炎ジェットにより、主室に形成された希薄混合気を燃焼させる所謂副室燃焼を行うことができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、前記吸気路に、新気を過給する過給機を備えた点にある。

上記第４特徴構成によれば、吸気路に過給機を設けることにより、高効率化及び高出力を図りながら、吸気路の新気が過給機により加圧されている場合においても、その新気の圧力よりも低い圧力で燃料を燃焼室に直接供給することができる。

本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、上記第１から第４の何れかの特徴構成に加えて、前記燃料が都市ガスである点にある。

上記第５特徴構成によれば、特に供給圧が比較的低い天然ガス系の都市ガスを燃料として用いる場合においても、吸気弁を閉状態とし燃料弁を開状態とする燃料供給期間において、その都市ガスを加圧することなくそのまま燃焼室に直接供給することができ、本発明にかかるエンジンを、特に気体燃料において有効な副室式エンジン及び予混合圧縮着火エンジン等を簡単に適用することができる。

本発明に係るエンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１に示すエンジン１００には、ピストン２と、ピストン２を往復動自在に収容するシリンダ３と、シリンダ３の上部を覆うシリンダヘッド９とが設けられ、このピストン２とシリンダ３とシリンダヘッド９により、燃焼室１０が規定されている。

エンジン１００は、燃焼室１０として、ピストン２の頂部と接する主室１１と、シリンダヘッド９に形成され主室１１に対して連通路１８を介して連通する副室１２とを備えた副室式エンジンとして構成されている。

燃焼室１０としての主室１１側には、空気又はその空気に少量の燃料を混合した希薄混合気である新気Ａを主室１１に導入する吸気路５と、その吸気路５を主室１１に対して開閉する吸気弁４とが設けられ、更に、主室１１から排ガスが排出される排気路７と、その排気路７を主室１１に対して開閉する排気弁６とが設けられている。
また、吸気路５には、新気Ａを過給するための過給機８が設けられている。

一方、燃焼室１０としての副室１２側には、天然ガス系都市ガスである燃料Ｇを副室１２に導入する燃料路１４と、その燃料路１４を燃焼室１０に対して開閉する燃料弁１３とが設けられ、更に、副室１２に形成された混合気を火花点火する点火プラグ１９が設けられている。

そして、エンジン１００は、ピストン２をシリンダ３内で往復動させると共に、吸気弁４、排気弁６、及び、燃料弁１３をカム機構（図示せず）により開閉動作させて、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、及び、排気行程の各行程を順に行い、ピストン２の往復動を連結棒（図示せず）によってクランク軸（図示せず）の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の４ストロークの火花点火エンジンと変わるところはない。

尚、参考に、本実施形態のエンジン１００の諸元は、以下のようになっている。
シリンダ３のボア径：１１０ｍｍ
ピストン２のストローク長：１０６ｍｍ
圧縮比：１０
過給機８の過給圧：６８ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）
出力：８ｋＷ（１２００ｒｐｍ）

シリンダヘッド９には、連通路１８及び副室１２を有する副室機構２０が設けられている。
この副室機構２０において、副室１２と主室１１とを連通する連通路１８は、主室１１の略中央部近傍に開口する４つの主室孔１５と、副室１２に開口する１つの副室孔１７と、主室孔１５と副室孔１７とを接続する通路１６とからなる。
上記４つの主室孔１５は、通路１６の軸心を中心に周方向に等間隔で配置され、更に、上記シリンダ３軸心方向に対して傾斜した噴孔角を有し、夫々の主室孔１５の直径は４ｍｍである。

副室１２の上方には、都市ガスである燃料Ｇが１．０〜２．５ｋＰａ（Ｇａｕｇｅ）程度の比較的低い供給圧で供給される燃料路１４と、燃料路１４を副室１２に対して開閉する燃料弁１３が設けられ、更に、その下方に、副室１２の混合気を火花点火可能な点火プラグ１９が設けられている。

尚、副室１２の容積は、ピストン２の位置が上死点にあるときの燃焼室１０の総燃焼室容積の１／１０程度とされている。

以上のように構成したエンジン１００は、燃料弁１３と吸気弁４との開閉時期の設定という簡単な構成で、吸気路５における新気Ａの圧力よりも低圧の燃料Ｇを、加圧することなく、そのまま燃焼室１０である副室１２に直接供給することができ、その特徴構成を、エンジン１００における１サイクルにおける動作フローとともに説明する。

尚、本願において、ＴＤＣはピストン２の上死点位置、ＢＤＣはピストン２の下死点位置をそれぞれ示し、更に、クランク角を、上記ＴＤＣに対する早遅角度で示し、角度値の後に、早角の場合はＢＴＤＣ、遅角の場合はＡＴＤＣを付して示す。

図２に示すように、ピストン２が主室１１を拡大する方向に動作する、即ち、ピストン２がＴＤＣから下降する吸気行程において、排気弁６が閉じられた時期（例えば、３°ＡＴＤＣ）からの燃料供給期間Ｉ１（例えば、３°ＡＴＤＣ〜４０°ＡＴＤＣ）に、燃料Ｇが副室１２に供給され、それ以降の新気供給期間Ｉ２（４０°ＡＴＤＣ〜１８０°ＡＴＤＣ（ＢＤＣ））に、新気Ａが主室１１に供給される。

即ち、燃料供給期間Ｉ１には、吸気弁４が前の排気行程から継続して閉状態に維持されて、主室１１への新気Ａの供給が阻止されながら、燃料弁１３が開状態とされて、ピストン２が下降することにより、副室１２の圧力が燃料Ｇの供給圧即ち燃料路１４の圧力よりも低下し、燃料路１４の比較的低圧の燃料Ｇが副室１２に吸入される。

また、新気供給期間Ｉ２には、燃料弁１３が閉状態とされると共に吸気弁４が開状態とされ、ピストン２が下降することにより、吸気路５の新気Ａが主室１１に供給される。

上記のように、吸気行程の燃料供給期間Ｉ１において、副室１２に燃料Ｇを供給し、その後の新気供給期間Ｉ２において、主室１１に新気Ａを供給することにより、副室１２に供給された燃料Ｇの約５％程度は、連通路１８を介して主室１１に流出して、主室１１には希薄混合気が形成されるが、その燃料Ｇの殆どは、副室１２に滞留することになる。

そして、吸気行程後の、ピストン２が主室１１を縮小する方向に動作する、即ち、ピストン２がＢＤＣから上昇する圧縮行程において、吸気弁４が所定の時期（例えば、１０°ＡＢＤＣ）に閉じられ、主室１１に供給された新気Ａが圧縮される。

また、この圧縮行程においては、ピストン２の上昇による主室１１の容積減少によって、主室１１の新気Ａが連通路１８介して副室１２に流入する。よって、副室１２には、連通路１８から上方に向かう新気流が発生し、その新気流が点火プラグ１９近傍の点火領域に到達する。そして、その副室１２の点火領域には、その新気Ａと燃料Ｇとが混合されて、火花点火可能範囲内の例えば０．６９程度の当量比の混合気が形成される。

上記圧縮行程終了時のＴＤＣ直前の時期（例えば、１２°ＢＴＤＣ）において、点火プラグ１９が作動されて、副室１２に形成された混合気が火花点火され、燃焼・膨張行程が開始される。

この燃焼・膨張行程においては、副室１２の混合気が燃焼することで副室１２の圧力が上昇して、連通路１８から主室１１に火炎ジェットが噴出され、その火炎ジェットにより主室１１に形成された希薄混合気が燃焼され、ピストン２がＢＤＣへ向けて押し下げられる。

そして、ＢＤＣ直前の所定の時期に排気弁６が開けられ、ピストン２がＢＤＣから上昇する排気行程において、主室１１の排ガスが排気路７に排出される。

〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。
〈１〉上記実施の形態においては、吸気弁４を閉状態とすると共に燃料弁１３を開状態とする燃料供給期間Ｉ１を、吸気行程の初期に設定したが、別に、吸気行程の途中又は後期に燃料供給時期Ｉ１を設定しても構わない。

〈２〉上記実施の形態においては、本発明に係るエンジンを、燃焼室１０として、主室１１の他に副室１２を備えた副室式エンジンに適用した例を説明したが、別に、本発明に係るエンジンを、主室１１のみを燃焼室１０として備えた単室式エンジンに適用することもできる。尚、その場合、燃料Ｇを燃焼室１０に供給するための燃料路１４及び燃料弁１３は、主室１１側に設けられる。

〈３〉上記実施の形態においては、本発明に係るエンジンを、混合気を火花点火燃焼させる火花点火エンジンとして構成したが、別に、本発明に係るエンジンを、圧縮行程において燃焼室に形成された混合気を高圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成しても構わない。

〈４〉上記実施の形態においては、燃料弁１３をカム機構により開閉動作するように構成したが、別に、燃料弁１３を、電磁アクチュエータにより開閉する電磁弁として構成したり、燃焼室１０の圧力が燃料路１４の圧力よりも一定量低い場合に開状態となるリード弁として構成するなどのように、あらゆる形態で構成することができる。

〈５〉上記実施の形態においては、本発明に係るエンジンが、高圧縮が困難な気体燃料を用いる場合に有効であり、更に、都市ガスが比較的低い供給圧で供給されることから、燃料として都市ガスを利用した例について説明したが、別に、他の気体燃料等のあらゆる種類の燃料を用いることができる。
また、燃料を、若干の空気と混合して濃混合気とした状態で、燃焼室に導入するように構成しても構わない。

エンジンの概略構成図 エンジンの動作フローを説明するチャート図

符号の説明

２：ピストン
４：吸気弁
５：吸気路
６：排気弁
７：排気路
８：過給機
１０：燃焼室
１１：主室
１２：副室
１３：燃料弁
１４：燃料路
１８：連通路
１９：点火プラグ
１００：エンジン
Ａ：新気
Ｇ：燃料
Ｉ１：燃料供給時期
Ｉ２：新気供給期間

Claims (5)

1. 燃焼室に新気を導入する吸気路と、前記燃焼室に対して前記吸気路を開閉する吸気弁と、燃料を前記燃焼室に導入する燃料路と、前記燃焼室に対して前記燃料路を開閉する燃料弁とを備え、
   前記燃焼室を拡大する方向にピストンが動作する吸気行程において、前記吸気弁を開状態として前記燃焼室に新気を供給すると共に、前記燃料弁を開状態として前記燃焼室に直接燃料を供給して、前記燃焼室に混合気を形成するエンジンであって、
   前記吸気行程において、前記燃料弁を開状態とする燃料供給期間に、前記吸気弁を閉状態とすることを特徴とするエンジン。
2. 前記燃料供給期間が前記吸気行程の初期に設定されている請求項１に記載のエンジン。
3. 前記燃焼室が、前記ピストンの頂部と接する主室と、前記主室に連通路を介して連通する副室とからなり、
   前記吸気路が前記吸気弁を介して前記主室に連通すると共に、前記燃料路が前記燃料弁を介して前記副室に連通し、
   前記副室に、前記副室に形成された混合気を火花点火する点火プラグを備えた請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記吸気路に、新気を過給する過給機を備えた請求項１から３の何れか１項に記載のエンジン。
5. 前記燃料が都市ガスである請求項１から４の何れか１項に記載のエンジン。
   

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