JP2007303303A

JP2007303303A - ６行程ガソリンエンジン

Info

Publication number: JP2007303303A
Application number: JP2006130229A
Authority: JP
Inventors: Isao Shirayanagi; 伊佐雄白柳; Yosuke Shirayanagi; 洋介白柳
Original assignee: SGG KENKYUSHO KK; SGG Kenkyusho KK
Current assignee: SGG KENKYUSHO KK; SGG Kenkyusho KK
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: JP4538574B2

Abstract

【課題】
従来の６行程エンジンでは、吸入、圧縮、膨張、排気の４個の行程の後に行われれる冷却と放出との２個の行程のため、外気を導入していたので、残留ガス中に酸素が残り、空燃比を狂わせる原因となっていた。
【解決手段】
シリンダ孔へ摺動可能に挿通されたピストンを設け、ピストンの昇降に対応して、行われる吸入、圧縮、膨張、排気の４個の行程と、その後に吸気弁が閉じ排気弁の開いた状態でピストンを昇降させる冷却と放出との２個の行程を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン式のエンジンに関するもので、特に、ピストンの３往復毎に１回の燃焼行程を行う６行程ガソリンエンジンに関するものである。

燃焼室における燃料の燃焼効率を向上させて、エンジンの燃料消費を少くする手法として、従来から吸気の圧縮比を高め、燃焼行程における燃焼室の温度を極大化することがよく知られているが、圧縮比を高めると、過早着火によるノッキングが発生し易くなること及び断熱圧縮時の熱解離による比熱比の低下の為、圧縮比を高めることにも限度があった。また、近年市販されている自動車には比較的高い圧縮比のエンジンが搭載されている現状から、過早着火を防止しつつ現在以上に圧縮比を上げても、熱効率の大きな向上を望めない状態になっている。

他方、発明者は、吸排気弁の冷却性を向上させることにより、燃焼室壁の温度を低く抑えることのでき、燃料消費を抑制することに効果のあるに着眼し、その原因を究明した。すなわち、図５で示すように、圧縮比εと比熱比κとを変数として、周知のオットーサイクルの熱効率方程式（η＝１−（１／（ε＊＊（κ−１））））を計算したところ、この表から圧縮比εを１だけ上げても熱効率ηが０．０３程度しか高められないのに比して、比熱比κを０．１上げれば、熱効率ηが０．１程度と、約３倍も高められることが示された（非特許文献１）。すなわち、圧縮比εを上げることより、比熱比κを上げることの方が実効性の高いことが理解される。

そこで、発明者は燃焼行程以外の行程がなされている間に、燃焼室の壁面の冷却を促進させるため、従来の４行程の後に吸気と排気との２行程を加えて、後の吸気行程で吸入する空気によって燃焼室内を冷却するようにした６行程エンジン（特許文献１）を利用すべく研究を進めた。

しかしながら、従来の４行程エンジンに、燃焼室内を冷却するための行程を付加するだけでは、燃焼室を冷却するための空気が、絞り弁を備えた吸気通路から導入されるため、付加的に設けた吸気行程においても、新気を吸入する際にこの行程でポンプ損失を生じ、燃焼室冷却によるエンジンの熱効率上昇分が相殺される不具合を生じた。

なお、そのようなポンプ損失を低減するため、気化器を備えた通常の吸気通路と並列に、絞り弁のない吸気通路を特設する技術も開示されている（特許文献２）が、エンジンの構造が複雑になる上に、吸入行程開始前に燃焼室内に計量されていない多量の空気が入るため、混合気の空燃比を不安定にした。
特開平６−２５５８号公報特開平９−２７３４３０号公報社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ４５−０３

解決しようとする問題点は、従来の６サイクルエンジンの有する不具合、すなわち、従来の４サイクルエンジンの構成を大きく変更することになったり、あるいは、吸気として供給される混合気の空燃比を大きく乱すことのない吸気通路構造を備えた６行程エンジンを得ることを目的とするものである。

本発明は、シリンダ孔へ摺動可能に挿通されたピストンと、ピストン上方のシリンダ孔を閉じるシリンダヘッドとの間に点火栓を備えた燃焼室を設け、その燃焼室内を外気に連通させる吸気通路と排気通路の開口部に吸気弁と排気弁とを開閉可能に設け、前記吸気通路に絞り弁と燃料噴射口とを設けるとともに、前記吸気弁と排気弁とをピストンが３往復する間に１度づつ開閉させるとともに、吸入、圧縮、燃焼、排気の行程の次に、吸気弁が閉じ排気弁の開いた状態でピストンを昇降させる冷却と放出との２個の行程を介在させることを最も主要な特徴とする。

本発明に係る６行程エンジンは、吸入、圧縮、燃焼、排気、冷却、および放出からなる６個の行程を有し、冷却行程において一旦排気通路へ排出され温度の低下した既燃ガスを燃焼室内へ還流させるものであるから、その既燃ガスによって燃焼室内の壁面を冷却させることができる。よって、熱解離による比熱比の低下を防止し、燃焼室内の機械的なアンチノック性が高まり、引き続く吸気行程において、ノッキングの発生を阻止しつつ、吸気の充填効率を向上させて燃焼行程における燃焼圧力を高め、燃焼効率を高める。また、既燃ガスには未燃の燃料や酸素がほとんど含まれていないので、引き続く行程における吸気の空燃比を大きく変動させる不具合を発生しないという利点がある。

前記６行程エンジンの排気通路に水噴射ノズルを設け、前記冷却行程中に水噴射を行う構造とすれば、燃焼室から排気通路へ一旦排出される既燃ガスの温度を一層低下させ、燃焼室内の壁面を一層効率よく冷却することができる上、噴射する水量を加減することにより、燃焼室内の壁面を適温に調節することができる。また、排気通路に供給されれる水によっては、引き続く行程における吸気の空燃比を大きく変動させる不具合を発生させることがない。

図１、図２は、本発明を利用したエンジン１０の断面図である。図中、エンジン１０はコンロッド１１を介してクランク軸１２へ連結されるピストン１４を有する。ピストン１４はシリンダ１５に設けたシリンダ孔１５ａへ摺動可能に挿通されている。１６はピストン１４の上方のシリンダ孔１５ａを閉じるシリンダヘッドである。シリンダヘッド１６にはシリンダ孔１５ａに面して燃焼凹部１６ａが設けられており、その燃焼凹部１６ａの下面とピストン１４の頂面との間に、容積の拡大縮小可能な燃焼室２０が形成される。１７は点火栓である。

燃焼凹部１６ａには、吸気通路２１と排気通路２２とが開口し、その開口は吸気弁２４と排気弁２５とによって開閉可能に閉じられている。吸気弁２４と排気弁２５とは、シリンダヘッド１６に支持された吸気カム軸３４と排気カム軸３５によって開閉される。吸気カム軸３４と排気カム軸３５とは、前期軸に設けたカムスプロケット３０、３０へ結合されており、クランク軸１２に設けたタイミングスプロケット３１、および中間スプロケット３２に巻回されたタイミングチェーン３６、３８によって、クランク軸１２により、その３回転につき、１回転するように減速されて駆動される。２段に減速する利点はカム軸スプロケットの直径を小さくできる。

吸気通路２１の他端は大気に連通しており、そこには吸気量を計量するための絞り弁２３と、その下流側に位置して燃料噴射ノズル２６が設けられている。排気通路２２は図示してない排気触媒と消音器とを介して大気へ通じている。なお、以上は従来から慣用されている４行程エンジンの構成と、構造上、大差はない。

ここで、本実施例においては、前記排気通路２２に、水噴射ノズル２７と空気噴射ノズル２８とが設けられている。前記水噴射ノズル２７は、また、水ポンプ２７ａを介して水タンク２７ｂと、空気噴射ノズル２８は、コンプレッサ２８ａを介して大気とに、それぞれ通じており、水あるいは空気、もしくは両者がともに排気通路２２へ噴射可能に構成されている。
水噴射の量は冷却性能に及ぼす影響が大きい。一般的には燃料噴射ポンプと同じ大きさのものを用い、噴射量を同じにすると丁度良い効果がある。これはガソリンの低位発熱量１０５００ｋｃａｌ／ｋｇと熱効率、水の気化熱５４０ｋｃａｌ／ｋｇからくるものである。この場合、燃料タンクと水タンクは同量の容積となる。

図４は前記エンジン１０の行程と、吸気弁２４と排気弁２５の開閉時期を示す弁ダイヤグラムである。そこにはピストン１４が下降する吸入行程から圧縮、膨張行程までは、従来の４行程エンジンと大差ないものが示されているが、排気弁２５が開きピストン１４が上昇する排気行程の終期から、ピストン１４が下降し再び上昇するまでの間に、本願発明に係る冷却と放出との２個の行程が設けられている点で６行程エンジン独自の特性が示されている。図３はその指圧線図である。なお、その冷却と放出との行程が行われる間、吸気弁２４が閉じ、排気弁２５が開いた状態が続くが、ピストン１４が上限まで上昇した時、排気弁２５と干渉するのを避けるべく、必要二応じて図４中、Ｓで示す期間だけ開度を減じるのが好ましい。

まず、冷却行程は大略ピストン１４の下降行程によって構成され、先行する排気行程において、一旦、排気通路２２へ排出され、膨張と放熱とによって温度の低くなった既燃ガスを、ピストン１４の下降とともに再び、燃焼室２０へ還流させて内部を冷却させるべく構成される。また、放出行程は引き続くピストン１４の上昇行程中に、冷却行程で燃焼室２０へ還流した既燃ガスと水蒸気とを再び排気通路へ排出させるべく構成される。

なお、冷却行程中に、排気通路２２へ排出された既燃ガスをそのまま燃焼室２０の中へ戻すだけでなく、既燃ガスの中へ前記水噴射ノズル２７から清水を噴射すると、排気弁２５の傘うらに主として付着し、清水の気化によって既燃ガスの温度降下が顕著となり、燃焼室２０の冷却が効果的に行われる。ここで噴射される清水の量は燃焼室２０の壁温を適宜に保つべく、前期基本から実験的に決められる。

また、冷却行程中に前記清水に代えて、あるいは清水とともに、空気噴射ノズル２８から空気を噴射すれば、燃焼室２０へ還流する既燃ガスが希釈されて、燃焼室２０に導入され燃焼室２０を冷却する。なお、導入された空気の一部が引き続く放出行程において燃焼室２０内に残留すると、次行程の空燃比に影響を与えるので、触媒が要求する場合をのぞき空気噴射ノズル２８による空気の供給は冷間始動時のような理論空燃比より濃厚傾向で運転されるときに限定されるのが好ましい。

この実施例は、以上のように構成されているから、冷却、放出の２個の行程では、図３で示す指圧線図から明らかなように、燃焼室２０内の圧力がほゞ一定に保たれるから、動力を発生しないが損失も発生しない。また、従来の４行程エンジンがクランク軸１２の２回転につき１回の出力行程があるのに比し、３回転につき１回の出力行程しかないことになるので、多気筒化して間欠性を補うことが必要になる。

しかしながら、それら冷却、放出の２個の行程によって、次の吸気行程が開始する前に燃焼室２０の壁面が冷やされるので熱解離が減じるため比熱比が大きくなり、エンジンの理論燃焼効率を大きく向上させる。よって、従来の４行程エンジンに比して燃料の使用が減り、一層、経済的な運転が可能となる。

また、空気噴射ノズル２８から供給される空気の一部が燃焼室２０に残り、残留する既燃ガス量が減じるので、充填効率が向上し、前記排気量あたりの出力の低下が緩和される。また、排気弁２５の温度が下がり燃焼室２０の壁面が冷えるとノッキングの発生が抑制されるので、点火時期を進めたり、圧縮比を１２〜１６に上げるなどの設定が可能になり、エンジンの燃焼効率を高めることができる。

主として、自動車の低燃費指向のエンジン用としての用途に好適である。

本願発明の一実施例であるエンジンの構成図である。図１の要部を拡大して示す断面図である。指圧線図である。図１で示すエンジンの弁ダイヤグラムである。エンジンの熱効率を計算した計算図である。

符号の説明

１０エンジン
１１コンロッド
１２クランク軸
１４ピストン
１５シリンダ
１５ａシリンダ孔
１６シリンダヘッド
１６ａ燃焼凹部
１７点火栓
２０燃焼室
２１吸気通路
２２排気通路
２３絞り弁
２４吸気弁
２５排気弁
２６燃料噴射ノズル
２７水噴射ノズル
２７ａ水ポンプ
２７ｂ水タンク
３０カムスプロケット
３１タイミングスプロケット
３２中間スプロケット
３４吸気カム軸
３５排気カム軸
３６、３８タイミングチェーン

Claims

シリンダ孔へ摺動可能に挿通されたピストンと、ピストン上方のシリンダ孔を閉じるシリンダヘッドとの間に点火栓を備えた燃焼室を設け、その燃焼室内を外気に連通させる吸気通路と排気通路の開口部に吸気弁と排気弁とを開閉可能に設け、前記吸気通路に絞り弁と燃料噴射口とを設けるとともに、前記吸気弁と排気弁とをピストンが３往復する間に１度づつ開閉させるとともに、吸入、圧縮、燃焼、排気の行程の次に、吸気弁が閉じ排気弁の開いた状態でピストンを昇降させる冷却と放出との２個の行程を介在させてなる６行程ガソリンエンジン。
請求項１において、前記排気通路に水噴射ノズルを設け、前記冷却行程中に排気通路に水噴射を行う６行程ガソリンエンジン。