JP2010265882A - レシプロエンジンの熱効率の向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常燃焼（主としてノッキング）の発生を排除した高圧縮比エンジンの設計製造方法。
【解決手段】高い圧縮比を設定する。この設定と組み合わせて発生する異常燃焼には以下の対策を採用して排除する。基本として吸入ガスの性状を変化させる。具体的方法としては、（１）吸入管１内のガスの圧力を負圧にする。（２）不活性ガスを混ぜて吸入ガスの酸素分圧を減らす。（３）空燃費を高くして、他の動力源に頼る。（４）吸入ガスの温度を下げる。
【選択図】図１

Description

おもに自動車エンジンに採用されているレシプロエンジン（主としてオットサイクル）の圧縮比に関するものである。熱効率および出力を高めるため、これを運転中に変化させる。そして自動車に用いた場合にはエンジンの出力、燃費をよくしようとする方法に関するものである。

内燃機関の熱効率を良くするには圧縮比を高くすることがひとつの方法として求められている。しかしある一定の空気―燃料の混合比（以下空燃費という）のあいだのすべての運転条件において最適な最も高い圧縮比を実現させ、最大の熱効率を得るのは困難であった。とくに自動車に採用されているオットサイクルのエンジンにおいては、すべての回転領域および空燃費で、各々異なった最適な圧縮比があるはずだが、運転中に変えることは技術的にまた金銭的に難しく、現実には一部補機としての加給機の使用をのぞいて、固定された圧縮比が採用されている。
現在実用化されているオットサイクルのエンジンでは、圧縮比が固定して設定されている。そしてこの設定はエンジンの負荷低速回転時に異常燃焼、いわゆるノッキングを発生さないで運転出来る最も高い圧縮比が基準のひとつになっているのが普通である。そのためもっと高い他の回転領域においては、高出力に必要な最善の圧縮比とはなっていなかった。もし回転数の変化に合わせて圧縮比を変えることが出来れば現在のエンジンより熱効率の良い機関を手にいれることができる。

この目的のため、従来からさまざまな方法が提案されてきた。エンジンの横サイドに回転軸をもうけ、これを中心にエンジンを傾ける。シリンダ内のピストンを二重にしてピストンの長さを変える。容量を変化させることの出来る副室をシリンダに設ける。コネクチングロッドにカム機構などを組み込んでロッドの長さを変える。あるいはコネクチングロッドを２分割しピストン直下のロッドとクランクを回転させるロッドを異なる位置に配して両者を二つの歯車で連結させ、歯車を油圧で回転させてピストンを上下させる。などが提案されている。しかしいずれも機械的な機構を持つもので実用化されておらず、プロトタイプにまで進んだのは最後の形式だけのようである。また、高圧縮比を実現させるにあたっての大きな制約になっている異常燃焼（主としてノッキング）の発生防止には、可変バルブタイミング装置を用いると効果があることが知られているが、しかしこの装置はもっぱら吸・排気効率の向上に使われ、近年はピストンの圧縮工程より膨張行程が長く、燃費の良いミラーエンジンに使われていることが多く、高圧縮比と組み合わせた高出力で燃費の良いエンジンは、まだ設計されていないようである。

運転中に圧縮比を変化させたのと同等の効果をもち、異常燃焼の発生を排除した高い圧縮比を持つオットーサイクルのエンジンの設計方法。

従来のエンジンの設計では吸気バルブの吸気効率を高くなるようにして設定し、そのうえで低速回転領域において異常燃焼が発生しない圧縮比を選びこれを基準として、高速回転領域の最高トルク、最高出力などのエンジンの諸性能が順次決定されている。このため運転中に高速回転領域で高い圧縮比を得るには、一部加給機の使用をのぞいて、低速回転領域から機械的方法を採用して順次上げて行く方法のみが試行されてきた。圧縮比とはシリンダー内の最大と最小の幾何学的容積比だが、異常燃焼は最小容積である燃焼室のガスの圧力と直接関係があるが、圧縮比と異常燃焼の発生は切り離して考えることができる。

本発明においては従来のこれらの設計の考え方、設定の手順とは異なる。異常燃焼とは関係なく、手順としてまず高い圧縮比を設定する。これはいま設計しようとするエンジンの高速あるいは常用回転領域で、空燃比の低い領域において異常燃焼が発生しない圧縮比とする。そしてつぎに異常燃焼が発生しない手段をさがすのである。また、本発明においては、機械的方法は採用せずに、燃焼室に導入される吸入ガスの性状（圧力、温度、成分、空燃費等）を変化・制御して、運転中に圧縮比を変えたのと同じ効果を得る。そして異常燃焼の発生を排除し、課題を解決する。
ノッキングはシリンダー内に導かれた吸入ガスの着火装置による着火時期よりも早い自然発火であり、これを防ぐには、▲１▼圧縮比を低くする、▲２▼吸入ガス中の酸素量を減らす、▲３▼負荷をなくして、吸入ガスの空燃費を高くする、▲４▼吸入ガスの温度を下げる、の手段がある。これらの手段を実現するための方法はほとんどがすべて既に開発、実用化されているが、考え方、設定の手順および使い方を変えることにより、すべての領域で異常燃焼の発生しない高い圧縮比をそなえたエンジンを実現しようとするものである。

手段▲１▼は、負荷のある高速回転領域から低速にかけて吸入管でのガスの流体圧力を自然吸気圧力から徐々に減圧し、負圧にしてシリンダー内に充填する。シリンダー内では最初に設定された高い圧縮比により再び圧縮されるが、このときすべての回転領域において異常燃焼が発生しない圧力になるように吸入管内のガス圧力を制御するのである。

手段▲２▼は、負荷のある高速回転領域から低速にかけて吸入管でのガスの酸素の量を少なくする。吸入管に不燃性ガスを導き入れて酸素分圧を徐々に減らするのである。そして空気と不燃性ガスとの混合比を回転領域によって変化させる。不燃性ガスとしては排気ガス、水蒸気または窒素ガスなどが考えられる。また、可変バルブタイミング装置を用い吸入バルブと排気バルブの開きをラップさせ吸入ガスのなかに排ガスを残す、または吸入バルブの閉鎖時期を遅らせて酸素の量を減らすこともできる。

手段▲３▼は、従来のエンジンの設計ではすべての回転領域において運転が可能であるように設計されていたが、本発明のエンジンでは、低速回転領域では空燃費を高くとり、別の動力源を補助として使用し、高圧縮比のもとで、高速回転領域のみ負荷運転を行い、いままで実現できなかった、高い熱効率、大きな出力を得ようとするものである。さらに低速回転領域においては空燃費を無限大、つまり燃料をカットすることもできる。

▲４▼は吸入ガスの温度を下げて燃焼室に導入する。直接ガスを冷却するのと、冷気の混入がある。

このように、いままでの可変圧縮比エンジンでは低速回転領域から高速回転領域へと機械的に圧縮比を変化させる方法が検討、提案されてきたが、本発明によるものはそれらと異なり、高速回転領域での高い圧縮比をまず設定し、それによって発生する異常燃焼を、吸入ガスの性状を変化・制御することにより防止し、機械的な可変圧縮比と同等の効果を実現しようとするものである。さらに最初から酸素分圧を減らした吸入ガスを回転領域の全てで使用すれば、より高い圧縮比を設定することも出来る、特に加給機を使用の場合をふくめてエンジン設計の自由度がふえ、出力、燃費の向上がはかれる。
これらのガス制御はマイコンでおこなう。

常用または高速回転領域において、圧縮比を従来の設計方法より高くするので、高出力で、より熱効率の良いオットーサイクルのエンジンを設計製造することができる。
そしてこれにより同じ出力においてはより重量の軽い小型のエンジンを、同じ大きさであればより出力の大きいエンジンを設計することが出来る。それゆえ自動車の走行燃費をさらに良くすることができる。
従来のエンジンでは高い空燃費で運転するいわゆる希薄燃焼（リーンバーン）は難しかったが、本発明によるものは高い圧縮比の採用により少ない燃料でも着火しやすく、運転することができる。燃費が良くなる。
圧縮比が高いのでより高温になり、暖気運転の時間が短くてすみ、燃費が良くなる．
同一出力で従来のエンジンより燃費が良いので石油の消費が少なくてすみ、また二酸化炭素の発生が低下するので環境への負荷も少なくなる。

発明を実施する最良の形態

以下図面をまじえながら説明する。

図１は手段▲１▼の場合を示す。高い圧縮比を採用し、異常燃焼の発生領域、低速で低い空燃費の領域では、自然吸気の普通な圧力で導入されたガスは５の減圧弁により大気圧以下の負圧に一度減圧される。そして採用された高い圧縮比により従来のエンジン設計と同じ程度のガス圧に再度圧縮され、燃焼室内で点火爆発させられる。そして高速回転領域では減圧弁は開放され、自然吸気の普通な圧力のまま燃焼室に導入され、高い圧縮比により高出力、高熱効率を発生することになる。

図２は手段▲２▼の空気中の酸素分圧を下げることにより異常燃焼の発生を防ぐ方法の一例として、混入ガスとしては排ガスを使用する場合を示す。吸入管と排ガス配管のあいだにバイパス配管を設け、これを通して燃焼室から出た排ガスの一部を吸入管に移送する。移送には排ガス配管の圧力を利用してもよいが、必要に応じて圧縮機・送風機等を用いてもよい。また、配管の途中に風量弁を設ける。さらに排ガスのために吸入ガスの温度が上がるのを防ぐためクーラーを設けてもよい。
水蒸気を使用する場合は、別に設けた水源から水をポンプでヒーターに導き、加熱して吸入管に混入させる。また水を噴霧してもよい。水の補給は排ガス中の水分を冷却して得るか、またはバッチ処理することになる。

手段▲３▼は、異常燃焼の発生領域では外の動力源を使用する。補助の動力源としては、電動機、おおきな減速比をもった減速機をそなえた小型内燃機関が考えられる。或いはさらに多気筒エンジンにおいてはその内のいくつかの気筒を、従来の圧縮比に設定して低速回転域の動力とし、残りを高圧縮比に設定する。そして、この領域では高圧縮比の気筒は可変バルブタイミング装置をもちいて、アイドリングさせるかあるいは空燃費を無限大つまり燃料をカットして空転させることもできる。そして高速回転領域において、エンジン全体の出力をあげるのである。

図３は手段▲４▼の一例を示す。吸入管路に冷却用の噴霧装置が設けられている。流体の気化熱によって吸入ガスを冷却する。注入する流体としては水またはその他の揮発性物質が考えられるが、とくに水を使用した場合は酸素分圧の低下も合わせて得ることができるので効果的である。

矢印はガスの流れを示す。
は本発明の手段▲１▼のエンジン断面の簡略図である。 は本発明の手段▲２▼のエンジン断面の簡略図である。 は本発明の手段▲４▼のエンジン断面の簡略図である。

図１ １は吸入管。２は排気管。３は燃焼室。４は減圧弁。
図２ １は吸入管。２は排気管。３は燃焼室。４は配管。５は流量弁、６はクーラーである。図３ １は吸入管。２は排気管。３は燃焼室。４は噴霧装置

Claims (6)

1. オットーサイクルのエンジンにおいて、従来の圧縮比より高い圧縮比を採用し、吸入ガスの性状（圧力、酸素量、空燃費、温度）を変化、制御ことにより異常燃焼（主としてノッキング）の発生を排除することを特徴とする設計方法。
2. ［請求項１］による高い圧縮比の採用のもとに、吸入管に減圧弁を設け、吸入ガスを一度負圧にしてから燃焼室内に導入することによって異常燃焼の発生を排除したエンジン。
3. ［請求項１］による高い圧縮比の採用のもとに、吸入ガスに不活性ガス（窒素、水蒸気、排気ガス等）を混ぜて燃焼室内に導入し、異常燃焼の発生を排除したエンジン。
4. ［請求項１］による高い圧縮比の採用のもとに、可変バブルタイミング装置を用いて吸入空気量を減らす、または排ガスの一部を燃焼室にのこすことで異常燃焼の発生を排除したエンジン。
5. ［請求項１］による高い圧縮比の採用のもとに、高速回転領域のみ運転を行い、低速では空燃費を大きくして、他の動力源に依存するエンジン。
6. ［請求項１］による高い圧縮比の採用のもとに、吸入ガスを冷却して、燃焼室内に導入して異常燃焼の発生を排除したエンジン。

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