JP2009203972A

JP2009203972A - 酸素噴射式内燃機関

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Publication number: JP2009203972A
Application number: JP2008098733A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kitamura; 修一北村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】ポンプ損失や不整燃焼などをなくして内燃機関の熱効率を向上させる事であり、排ガス中のＮＯｘの発生をなくす事である。
更には熱効率の高い予混合圧縮着火燃焼の運転領域を拡大することである。
【解決手段】２サイクル機関において酸素供給容器１５を備え、この酸素供給容器１５からの酸素を噴射する酸素噴射弁２９と燃料を噴射する燃料噴射弁２８とを備えると共にシリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁２２を備え、更に燃料噴射弁２８から１回目の噴射以降の適当な時期にもう一度燃料を噴射して点火プラグ２７の周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、かくして点火プラグ２７による火花点火燃焼により予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ機関の運転状態に応じて排気弁２２の閉弁時期を可変動弁装置４により変化させて実圧縮比を可変化する様に構成する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は酸素ボンベ等の酸素供給容器を備えた内燃機関に係わり、更に詳しくは予め燃料と酸素とを混合させた混合気を形成しておき、これをピストンの圧縮作用により圧縮（自己）着火させる内燃機関に関するものである。

一般に４サイクル内燃機関ではスロットル弁により吸入空気を絞って出力を制御している為、ポンプ損失が大で、熱効率が大幅に悪化する。他方、２サイクル内燃機関ではクランク室圧縮やルーツブロワ駆動に伴なう掃気作用の際の損失やアイドル状態を含む低負荷域での不整燃焼の為に、やはり熱効率が大幅に悪化する。更にこれらの内燃機関ではＮＯｘ低減の為に三元触媒やリーン型ＮＯｘ触媒を使う必要があり、Ｐｔ，Ｐｄなどの貴金属を多く使用する為、資源的にも問題があった。これらの問題を解決する為の手法として予め燃料と空気とを混合させて混合気を形成しておき、ピストンの圧縮作用により圧縮（自己）着火させる予混合圧縮着火燃焼法が提唱されており、これによると熱効率は大幅に向上し、確かにＮＯｘの発生も極めて微量になる。しかしこの燃焼方式では投入燃料量が少ない時は失火や燃焼未完結が発生し、投入燃料量が多くなると圧力上昇率が過大となってノックが発生し、この失火発生とノック発生とを回避する限定された領域でしか運転できないと云う欠点がある。

発明が解決しようとする問題点

本発明の目的は、ポンプ損失や不整燃焼などをなくして内燃機関の熱効率を向上させる事であり、排ガス中の有害成分であるＮＯｘの発生をなくす事である。更には熱効率の高い予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大する事である。

問題点を解決する為の手段

本発明は上記目的を達成する為、第１の発明ではクランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えると共にシリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁を備え、更に機関の所定の運転領域において燃料噴射弁から１回目の噴射以降の適当な時期にもう一度燃料を噴射して点火プラグ周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、かくして前記所定の運転領域において点火プラグによる火花点火燃焼により予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ機関の運転状態に応じて排気弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化する様にした。そして第２の発明では吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を有する４サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えると共にシリンダー内から排気弁を介して排出された既燃ガスを冷却する冷却器を備えて、この冷却器により冷却された既燃ガスを吸入弁を介してシリンダー内に導入する様にし、更に機関の所定の運転領域において燃料噴射弁から１回目の噴射以降の適当な時期にもう一度燃料を噴射して点火プラグ周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、かくして前記所定の運転領域において点火プラグによる火花点火燃焼により予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ機関の運転状態に応じて吸気弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化する様にした。

図１（イ）は本発明による酸素噴射式内燃機関（２サイクル機関）の一実施例で、ここでは多気筒機関とし、その１断面を図１（ロ）に、図１（ロ）を上方から見て図１（ハ）に排気弁２２、点火プラグ２７、燃料噴射弁２８、酸素噴射弁２９などのレイアウトを示す。１は酸素噴射式内燃機関（本体）である。酸素供給容器１５（例えば３５０気圧、更には７００気圧程度に圧縮された酸素が充填された酸素ボンベから成る）からの酸素はプレッシャーレギュレーター１６によって一定圧力に調整された後にサージタンク１７に到り、更に酸素噴射弁２９からシリンダー内に噴射される。サージタンク１７には圧力センサー１８が取り付けられ、酸素噴射弁２９へ供給する酸素圧力を検出する手段として用いられる。シリンダーヘッドには排気弁２２（ポペット弁）、シリンダー内に燃料を噴射する燃料噴射弁２８、酸素を噴射する酸素噴射弁２９、燃焼室２０内に形成された混合気に火花点火する点火プラグ２７が備えられ、排気弁２２はカム軸２４に形成されたカム２５により例えばピボット式ロッカーアーム２６を介して駆動される。ピストン１９の下降行程では燃焼室２０内の高圧燃焼ガスによりピストン１９は膨張仕事を行ない、下死点前の所定のクランク角度で排気弁２２が開き（排気ブローダウン）、下死点後の所定のクランク角度で排気弁２２が閉じる様になっている（多量の既燃ガスがシリンダー内に閉じ込められる）。燃料噴射弁２８からの燃料噴射及び酸素噴射弁２９からの酸素噴射はピストン１９の上昇行程中の適当な時期に行なわれ、各々の噴射開始時期は排気弁２２が閉じる前が閉じた後とするが、前者の場合は排気通路２３への素通りがない様にする（酸素噴射弁２９の噴射開始時期が排気弁２２の閉じる前の場合は、酸素噴射によりシリンダー内掃気が行なわれる事になる）。燃料及び酸素が噴射された後のシリンダー内ガス組成は、従来の２サイクル機関において燃料と空気との混合気をシリンダー内に導入して掃気しておき、この中の窒素を既燃ガスで置き換えたガス組成と同じであり、燃料噴射弁２８から噴射された燃料との混合気はピストン１９の上昇行程による圧縮作用を受け、上死点又はそれより若干手前で着火・燃焼する。この場合、混合気の着火は圧縮（自己）着火か又は点火プラグ２７による火花点火となる（エンジン負荷、回転速度等の運転条件により異なる）。かくしてクランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる。４は開弁期間は変えずに排気弁２２の開閉時期を変化させる公知のバルブタイミング可変装置（可変動弁装置）で、ハウジング６とローター７とから成り、ハウジング６はプーリー５（又はスプロケット）とボルトにより結合・一体化されており、ローター７はカム軸２４とボルトにより結合・一体化され、プーリー５はクランク軸２によりベルト３（又はチェーン）を介して回転比１／１で駆動される。ハウジング６及びローター７により進角室８と遅角室９とが形成され、油圧制御弁１０からの作動油が供給される。油圧制御弁１０は図示しない油圧ポンプからの油圧が供給され、後述する電子制御ユニット（以後ＥＣＵ）１４からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャー１１とスプール弁１２とバネ１３とを有しており、バネ１３の反発力とプランジャー１１の押圧力とが均衡する位置でスプール弁１２が位置決めされる様になっている。ＥＣＵ１４には所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号が入力され、ＥＣＵ１４はカム角センサーから出力される回転角パルスとクランク角センサーから出力されるクランク角パルスとの間の出力位相差に基づきカム位相角を検出する事ができる。ＥＣＵ１４はローター７の、即ちカム軸２４のクランク軸２に対する位相角が目標値となる様に油圧制御弁１０に制御信号を出力する。そしてＥＣＵ１４は検出したカム位相角をフィードバック信号として取り込み、その制御上の目標位相角との間の偏差に応じて油圧制御弁１０の駆動デューティ比率をフィードバック制御する。油圧制御弁１０はＥＣＵ１４から指示されるデューティ比率に応じて電磁ソレノイドを駆動し、進角室８、遅角室９に対する油圧の給排を調整してカム軸２４を目標位相角まで進角又は遅角、或いは中立に保持する（任意のカム位相角に固定）。ＥＣＵ１４はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポート、出力ポート等から成るマイクロコンピューターを中心として構成され、これらは双方向性バスによって相互に接続されている。ＥＣＵ１４にはエンジンの運転状態の把握に必要なパラメーター用の各種センサー、例えば所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサー、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサー、アクセル開度を検出するアクセルセンサー、エンジン冷却水温を検出する水温センサー、大気圧センサー、サージタンク１７内の酸素圧力を検出する圧力センサー１８、排ガス中の酸素濃度を検出するＯ_２センサー、ノックセンサー等からの各出力信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。尚、エンジン回転速度は前記クランク角センサーからの出力信号により知る事ができる。又、出力ポートは燃料噴射弁２８、酸素噴射弁２９、点火プラグ２７、プレッシャーレギュレーター１６、油圧制御弁１０等と各々対応する駆動回路を介して接続され、各々の制御信号を送信する。ＲＯＭには燃料噴射弁２８や酸素噴射弁２９の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、点火プラグ２７への通電を制御する為の制御ルーチン等のエンジンを制御する為の制御ルーチンやそれらに用いられる制御値を含むマップが記憶されている。ＲＡＭには上記センサーからの出力信号やＣＰＵの演算結果等（例えばエンジン回転速度等）が記憶されている。ＲＡＭに記憶されている各種データはエンジン回転速度センサーが信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料や酸素の噴射制御、点火時期制御等を実行する。

本発明では可変動弁装置４により予混合圧縮着火燃焼の運転領域が従来より大幅に拡大できるが、ＥＣＵ１４はエンジン負荷、回転速度などの運転条件により図３に示す点火プラグ２７による火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換える様にしている。点火プラグ２７による火花点火燃焼は従来通りなので説明は省略し、予混合圧縮着火燃焼について説明する。図２はエンジン各運転状態における排気弁２２の開閉時期変化を示す図であり、エンジンアイドル状態では図２（イ）の如く排気弁２２の開弁時期、閉弁時期を下死点を中心に左右対称とし、実圧縮比（排気弁閉時での圧縮）及び実膨張比（排気弁開時での膨張比）を各々１４程度とする。本発明では通常の２サイクル機関の様な掃気は行わないから、排気弁閉時でシリンダー内に多量の高温既燃ガスが閉じこめられる（燃料の燃焼に必要なものは酸素だけであるから、その必要分を酸素噴射弁２９から噴射すれば良い）。これにより圧縮端温度（圧縮上死点でのガス温度）が大幅に高まり、かつ排気弁閉時から圧縮上死点までの期間が短かく、シリンダー壁面への熱伝達損失が殆どないから、圧縮端温度は飛躍的に高まる。その上、実圧縮比は１４程度と高圧縮比であるから、燃料が圧縮（自己）着火を起す温度（ガソリンの場合ではほぼ１０００°ｋ）には十分に達し、かくして予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる。使用燃料によってはこれでも圧縮（自己）着火が起らない事も考えられ、その場合は排気絞り弁３０による排気絞りを行なう。即ち、図１（ハ）の如く排気通路２３に備えられた排気絞り弁３０により排気絞りを行なうと、排気弁２２の開弁直後の排気ブローダウンが緩やかに行なわれ（排ガスの温度低下が抑えられる）、排気弁２２の閉弁時にシリンダー内に閉じ込められる既燃ガス量が増すので、圧縮端温度が上昇し、予混合圧縮着火燃焼が起り易くなるのである。排気絞り弁３０はエンジン負荷、回転速度、冷却水温等によってその開度が最適制御されるが、これは電動アクチュエーター（モーター）３１によって為され、ＥＣＵ１４は予め与えられた所定の特性に基づいて排気絞り弁３０の開度を演算し、電動アクチュエーター３１の回転角を制御する。
尚、この排気絞りはエンジン冷態時にも行なう様にすると良い。
エンジン低負荷域では燃料噴射量が増して排ガス温度も高まるから（依然として多量の高温既燃ガスが閉じ込められる）、図２（ロ）の如く実圧縮比を１２程度としても予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。この時、実膨張比は１５．５位となり、実圧縮比より大であるから、熱効率向上に寄与する。エンジン低負荷域でもエンジン回転速度が高くなるほど、燃料の圧縮（自己）着火の発現が相対的に遅れるから、実圧縮比は高くなる様に制御される。エンジン中負荷域では燃料噴射量が多くなり、排ガス温度も一段と高まるから（依然として多量の高温既燃ガスがシリンダー内に閉じ込められる）、図２（ハ）の如く排気弁２２の閉弁時期を遅らせて実圧縮比を１０程度としても、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。この時、実膨張比は１６．４位となって高膨張比化するから、熱効率向上に大きく貢献する。エンジン中負荷域でも低負荷域と同様にエンジン回転速度が高くなる程、実圧縮比は高くなる様に制御される。エンジン高負荷域では燃料噴射量が更に多くなり、排ガス温度も高温となるから（しかも多量の高温既燃ガスがシリンダー内に閉じ込められる）、ノック回避の為に図２（ニ）の如く実圧縮比を６〜７程度としても予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる（この時、実膨張比は１７位となる）。一般に予混合圧縮着火燃焼では高負荷域ではノックの発生により運転不能となるが、本発明では実膨張比が１７位と大で（排ガス温度が低下する）ある一方、実圧縮比は６〜７程度と低いので（しかも多量の既燃ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められている）、ノックは起らない。しかし、この予混合圧縮着火燃焼はエンジン高負荷域でも比較的前段階までで、それ以上の負荷域ではノックの発生は避けられず、従って通常の点火プラグによる火花点火燃焼に切り換える（ＥＣＵ１４は図３を参照して切り換える）。この運転領域では実圧縮比は１０程度（実膨張比は１６．４位）とするが（多量の既燃ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められているから、ノック抑止効果によりノックの発生はない）、燃料噴射量、酸素噴射量も多く燃焼は良好で、不整燃焼は起らない。以上の如く可変動弁装置４により排気弁２２の開閉時期を変化させる事により実圧縮比、実膨張比をエンジンの運転状態に応じて適正に制御し、排ガス温度、圧縮端温度を適正制御しつつ予混合圧縮着火燃焼を行なわせると共に、ノックの発生を抑止しているのである。エンジン始動時は点火プラグ２７による火花点火燃焼にて行なうが、エンジン冷態時は予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事は困難と考えられる。そこで図１（ロ）、（ハ）において、燃料噴射弁２８から一回目の燃料噴射以降に、例えば上死点付近の適当な時期にもう一度燃料を噴射（少量噴射）して、点火プラグ２７の周辺に着火可能な可燃混合気を形成する様にするのである。この場合、一回目の燃料噴射は排気弁２２の閉弁直後に行なう。即ち、ピストン１９が上死点に近づくとスキッシュ流により燃焼室２０には矢印の如く回る渦流が形成されるから、燃焼室２０の壁面２１と平行に燃料を噴射すれば（矢印Ｆの方向に噴射）点火プラグ２７の周辺に可燃混合気が形成され、点火プラグによる火花点火燃焼が可能となり、燃焼室２０内に圧力上昇、温度上昇が引き起され、これが引き金となって予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができるのである（この場合、酸素噴射の際は若干過剰の酸素を噴射しておく事は言うまでもない――こうしても排気弁閉時にこの過剰に噴射された酸素がかなりシリンダー内に閉じ込められて回収されるから、結果的に酸素消費量は殆ど増える事はない。以上は図４の場合も同様である）。
使用燃料によってはエンジン冷態時にはこれでも予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事が困難な場合も考えられ、その場合は図２（ホ）の如く排気弁２２の開閉時期を進めて（早めて）、例えばアイドル状態では実圧縮比を１６程度と高圧縮比化する事が望ましい（実膨張比は１１位となる）。こうすると実膨張比は１１位と低膨張比であるから、シリンダー内に閉じ込められる排ガスは高温であり、実圧縮比は１６程度と高圧縮比なので、その相乗効果により圧縮端温度は十分に高まり、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。
エンジン冷態時でも負荷の上昇に従って実圧縮比は低下させる事は言うまでもない。以上の様な点火プラグ２７による火花点火燃焼を引き金として予混合圧縮着火燃焼を行なわせる手法はエンジン暖機後のアイドル状態に適用する事もできる。更にはエンジン高負荷域においても適用可能で、点火プラグ２７による火花点火燃焼を膨張行程（初期）に行なわせる様にすれば、予混合圧縮着火燃焼を行なわせてもノックの発生が避けられる為、予混合圧縮着火燃焼の運転領域をより高負荷側へ拡大する事ができる。以上の考えを更に進めて前記手法をエンジンの全運転域に適用する事も可能である。又、この手法は点火プラグの点火時期により燃焼を制御できる利点があると共に、ＮＵｘの発生が全くない特長もある（空気を作動流体とする従来の方法ではＮＯｘが増加する欠点があり、実際は実用化する上で問題がある）。

図４（イ）は本発明によるもう１つの酸素噴射式内燃機関を示し、４サイクル式であり、その１断面を図４（ロ）に、図４（ロ）を上方から見て図４（ハ）に排気弁４４、吸気弁４８、点火プラグ２７′、燃料噴射弁２８′、酸素噴射弁２９′などのレイアウトを示す。１５は酸素供給容器、１６はプレッシャーレギュレーター、１７はサージタンク、１０′は油圧制御弁、１４′はＥＣＵ、４′は可変動弁装置で、これらは図１で説明した通りなので、省略する。但し、４サイクル式であるから、可変動弁装置４′はクランク軸２′の回転の１／２に減速して駆動される。排気弁４４はカム軸４５に形成されたカム４６により駆動され、吸気弁４８は同じくカム軸４５に形成された図示しないカムによりロッカーアーム４７を介して駆動される。排気行程（ピストンは上昇）では排気弁４４は開いており、シリンダー内の既燃ガスは排出通路３２（各気筒毎に備えられる）、連絡通路３７（各気筒に共通）を介してサージタンク４２の方へ流れ、少量の部分が放出通路３４の方へ流れる様になっている（大気中放出）。続く吸気行程（ピストンは下降）では排気弁４４は閉じ、吸気弁４８が開いて、サージンク３３、連絡通路３７を介してサージタンク４２に導入された既燃ガスが吸入通路４３（各気筒毎に備えられる）、吸気弁４８を介してシリンダー内に吸入され、圧縮行程（ピストンは上昇）では吸気弁４８も閉じてシリンダー内に閉じ込められた既燃ガスがピストンによって圧縮され、上死点又はそれより若干手前で内部の混合気が着火・燃焼する。この場合、混合気の着火は圧縮（自己）着火か又は点火プラグ２７′による火花点火となる（エンジン負荷、回転速度時の運転条件により異なる）。この後は膨張行程（ピストンは下降）に移り、燃焼室２０′内の高温・高圧の燃焼ガスが膨張し、かくしてクランク軸２回転毎に１回の膨張仕事が得られる。燃料噴射弁２８′からの燃料噴射は圧縮行程中とするか、吸気行程中としても良い（後者の場合は燃料噴射弁２８′を吸入通路４３に備える事ができる）。酸素噴射弁２９′からの酸素噴射についても同様とし、これらの燃料噴射及び酸素噴射によって混合気が形成されるのである。冷却器３６は排出通路３２、サージタンク３３からの既燃ガスが通る多数のパイプを有し、それらの周囲をクーラントが取り囲む構造で、この既燃ガスをクーラントとの熱交換により冷却して吸入通路４３の方へ送る為のもので、冷却器３６をバイパスするバイパス通路３８及び制御弁３９（冷却器３６の入口部３５に備えられている）、制御弁４０が備えられ、制御弁３９、４０の開度を調整する事によって吸入通路４３、吸気弁４８を介してシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度を制御する様になっている。即ち、制御弁３９、４０は例えばリンク機構により互いに連結されており、制御弁３９の開度を大として制御４０の開度を小とする程、吸入通路４３からシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度は低下する。ＥＣＵ１４′は予め与えられた特性に基づいて制御弁４０の開度を演算し、電動アクチュエーター４１の回転角を制御する。これにより制御弁４０、３９の開度はエンジン負荷、回転速度、冷却水温等によって最適制御される。既に述べたが本発明では次の理由により予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大する事ができる。即ち、本発明では吸気弁４８の閉弁時に多量の高温既燃ガスが内部ＥＧＲとしてシリンダー内に閉じ込められること、従来の様に冷たい空気を吸入しない事によるシリンダー内ガス冷却がないこと、更には実圧縮比を自在に可変化（必要なだけ高める）できることなどから圧縮端温度が大幅に高まり、燃料の（自己）着火温度に到達させる事ができる。この為、エンジンアイドル状態や低負荷域では吸気弁４８、排気弁４４の開閉時期を図５（イ）、（ロ）の如く制御して実圧縮比（吸気弁４８の閉弁時での圧縮比）を高めると共に（例えば実圧縮比を１４、１２とするなど）、制御弁３９を全閉（又はほぼ全閉）、制御弁４０を全開（又はほぼ全開）として吸入通路４３からシリンダーに吸入される既燃ガスを冷却しない様にできるから、圧縮端温度が十分に高まり、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。
エンジン中負荷域や高負荷域では吸気弁４８、排気弁４４の開閉時期を図５（ハ）の如く制御して実膨張比（排気弁４４の開弁時での膨張比）を例えば１６．４〜１７位と高め（これは排ガス温度低下につながる）、実圧縮比を低くするので（１０又はそれ以下、例えば７位に下げる――高膨張比化により大幅に熱効率が向上する）、圧縮端温度は適正に保たれ、予混合圧縮着火燃焼を行なわせると共に、従来では発生したノックを回避する事ができる。エンジン低・中・高負荷域でも回転速度が高い領域ほど燃料の自己着火の発現が遅れるから、吸気弁４８、排気弁４４の開閉時期を制御して実圧縮比を高める様にする。制御弁４０はエンジン負荷の増大に従って閉じる様に制御し（制御弁３９は逆に開く様に制御）、高負荷域では全閉とする（制御弁３９は全開）。この予混合圧縮着火燃焼はエンジン高負荷域でも前段階までで、それ以上の負荷域ではノックの発生の為、通常の点火プラグによる火花点火燃焼に切り換える（ＥＣＵ１４′は図３を参照して切り換える）、この領域では燃焼条件は良好であり、点火プラグによる着火・燃焼に何ら問題はない。
エンジン始動時は点火プラグ２７′による火花点火燃焼にて行なうが、エンジン冷態時は予混合圧縮着火燃焼は困難と考えられる。そこで図４（ロ）、（ハ）の如く燃料噴射弁２８′から１回目の燃料噴射以降に、例えば上死点付近の適当な時期にもう一度燃料を（少量）噴射して、点火プラグ２７′の周辺に着火可能な可燃混合気を形成する様にするのである（これは既に図１で説明したので、省略する）。かくしてこの点火プラグ２７′による火花点火燃焼が引き金となって予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。この場合も図５（ニ）の如く吸気弁４８、排気弁４４の開閉時期を進めて（早めて）、例えばアイドル状態では実圧縮比を１６程度と高圧縮比化して（実膨張比は１１位となる）より予混合圧縮着火燃焼を確実に行なわせる様にしても良い（これも既に図１で説明した）。又、以上の点火プラグ２７′による火花点火燃焼を引き金として予混合圧縮着火燃焼を行なわせる手法は、エンジン暖機後のアイドル状態にも、更には高負荷域にも（更に進めて全運転域にも）適用して予混合圧縮着火燃焼の運転領域を拡大する事ができる（これも既に説明した）。

ところで本発明では吸気弁４８や排気弁４４、２２の開閉時期を変化させて実圧縮比や実膨張比を可変化しているが、図１に示したものの他に多くの公知の可変動弁装置を用いる事ができる。例えば特開平８−１７７４３４号公報にはヘリカルスプラインを軸方向に移動させてカム位相角を変えるものが開示され、電磁式又は電動式にカム位相角を変えるものが特開２００１−１６４９５１号公報、特開２００３−２７８５１４号公報、特開２００７−１００６８１号公報に開示されている。
これらはいずれも開弁期間は変えずに開閉時期を変えるものである。更には立体カム（平面カムを多段に並べたものも含む）を用い、これを油圧式又は電磁式アクチュエーターによりＥＣＵ１４（１４′）からの制御信号によって軸方向にスライドさせる方法（公知）も考えられる。図６（イ）は電磁式可変動弁装置を示すもので、ハウジング４９にはリング状に形成された電磁石５１、５２が弁軸と一体となったプランジャー５０を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石５１、５２の中空部にはバネ５３、５４がプランジャー５０を挟んで取り付けられ、この為、排気弁２２はバネ５３、５４の力のバランスによって弁リフトの中間位置に静止する。電磁石５１が磁励されるとプランジャー５０が上方へ引き付けられて排気弁２２は閉弁し、電磁石５２が磁励されるとプランジャー５０が下方へ引き付けられて排気弁２２は開弁する。
ドライバー５５は排気弁２２の開閉時期を指定するＥＣＵ１４からの制御信号に応じて電磁石５１、５２に交互に励磁電流を供給する。これによって排気弁２２の開弁時期や閉弁時期を互いに独立的に設定できるから、自由度が増す。

次に図４に示す本発明では吸気弁４８及び排気弁４４の開閉時期を互いに独立的に設定できる様にすると、実圧縮比と実膨張比とを互いに独立的に可変化できるので、自由度が増して効果が大きい。これは既に述べた立体カムや図６（イ）の電磁式可変動弁装置により可能である。図６（ロ）は図４の可変動弁装置４′を用いた実施例を示す。即ち図６（ロ）において排気弁４４はカム軸４５Ａで、吸気弁４８はカム軸４５Ｂで各々駆動され、排気弁４４、吸気弁４８は可変動弁装置４′Ａ、４′Ｂにより各々の開閉時期を互いに独立的に設定できる様に構成され。これにより実膨張比、実圧縮比を互いに独立的に可変化できる様になる。１０′Ａ、１０′Ｂは各々の可変動弁装置４′Ａ、４′Ｂへ油圧を供給する油圧制御弁である。以上は図１にも適用される（図１（ハ）で上側の排気弁２２を可変動弁装置４′Ａによりその閉弁時期を制御すれば実圧縮比が可変化し、下側の排気弁２２を可変動弁装置４′Ｂによりその開弁時期を制御すれば実膨張比が可変化する）。

図１に示す本発明において高負荷域や予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼に切り換えられた運転領域を考えると、排気弁閉時にシリンダー内に閉じ込められた既燃ガスの温度が高い為、燃焼時のガス温度が高温となり、冷却損失が増大すると予想される。そこで第１の方法としてこの様な運転領域では図７（イ）に示す様に排気通路２３からの既燃ガスを冷却器５８で十分に冷却し、これをブロワ（ルーツ式、ファン式）５７により導入弁５６（排気弁２２が開いて、シリンダー内圧力が十分に低下してから開弁する）を介して再びシリンダー内へ導入し、シリンダー内を全部又は部分的に掃気して圧縮始めのガス温度を下げる事が考えられる。ブロワ５７はクランク軸により直接駆動するか、電動式とし、後者を採用すればＯＮ・ＯＦＦ制御（不要時は停止させる）や回転速度制御（流量制御）が容易である利点がある。第２の方法としては図７（ロ）に示す様にシリンダー内から排出された排ガスを冷却器５９により十分に冷却し（１００℃以下に）、この冷却によって凝縮した水を集めて水ポンプ６０により図示しない水噴射弁に導びいてシリンダー内に噴射し、その気化熱によりシリンダー内ガス温度を下げる方法がある。この方法は水素を燃料とする水素エンジンに適しており、前記水噴射弁の噴射時期、噴射量はＥＣＵ１４からの制御信号によって決定される（この方法は必要があれば図４に示す本発明にも適用され、冷却器３６を利用する事によって容易に実施できる）。

図１に示す本発明においては予混合圧縮着火燃焼が起り難いのはエンジン冷態時であり（使用燃料によってはエンジン暖機後のアイドル状態でも起り難い事がある）、図１の場合では点火プラグ２７による火花点火燃焼を引き金として予混合圧縮着火燃焼を行なわせていたが、燃料噴射弁２８及び酸素噴射弁２９から例えば上死点付近の適当な時期に各々混合させる如く噴射して（図１（ロ）の矢印Ｆの方向に噴射）、点火プラグ２７の周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、点火プラグ２７による火花点火燃焼（成層燃焼）とする対処法も考えられる（燃料及び酸素の噴射は上死点付近であり、エンジン冷態時などでは予混合圧縮着火燃焼は行なわない）。図８に点火プラグ２７、燃料噴射弁２８、酸素噴射弁２９等のレイアウトを示す。エンジン暖機後は図１と同様に予混合圧縮着火燃焼を行なわせる。エンジン冷態時でも、負荷が高まり圧縮端温度が十分に高まる運転領域では予混合圧縮着火燃焼を行なわせる様に制御する事は言うまでもない。以上は図４に示す本発明にも適用される。

次に図１に示す本発明において使用燃料が水素の場合を考えると、水素は超希薄混合気でも点火・燃焼が可能であるから（空気過剰率が１０でも可）、どの運転領域でも点火プラグ２７による火花点火燃焼を行なわせる事ができ、予混合圧縮着火燃焼に頼る必要はない（又、水素は予混合圧縮着火燃焼が困難な燃料でもある故）。但し、希薄混合気の燃焼であるので、燃焼速度が遅く、熱効率を向上させる上で問題がある。
これに対処するには図９（イ）、（ロ）に示す如く（図９（ロ）は図９（イ）を上方から見て点火プラグ２７、燃焼噴射弁２８、酸素噴射弁２９等のレイアウトを示す部分図である）点火プラグ２７を複数個（図では３個）備える事が考えられる。この場合、燃焼２０″はピストン頂面に広く浅皿形として形成してある。更には図９（ハ）に示す如く点火プラグ２７により点火された燃焼ガスが覆い金６１に形成された複数の噴口６２から燃焼室に噴出する様にする事も考えられる。噴口６２から噴出する火炎の噴流はエネルギーが大で、複数の火炎の噴流であるので、四方・八方へ瞬時に燃え広がる。もちろん図９（ハ）の構造を図９（ロ）の点火プラグ２７の各々に適用する事も可能である。燃料噴射弁２８、酸素噴射弁２９からの燃料噴射や酸素噴射は排気弁２２の閉弁後に行なわれる。実圧縮比は予混合圧縮着火燃焼は行なわないから、図１の場合よりは低く（例えば低負荷域では１０程度）、負荷が増すに従って低圧縮比化してゆく様に制御される。
尚、図７で述べた様に排気弁２２の閉弁時でのシリンダー内ガス温度を低下させる手法を採用する事が望ましい。以上は図４にも適用される。

本発明における酸素供給容器１５には予め３５０気圧（又は７００気圧）程度の酸素を充填しておくのが一般的であるが、図１０の如く酸素濃度富化装置６３により空気中の酸素を濃化して圧縮機６５により圧縮し、これを酸素供給容器１５へ送り込む様にしても良い。この場合、できる限り酸素濃度を高めて窒素含有率を少なくする事が必要である。酸素濃度富化装置６３は酸素透過膜６４（例えばシリコン系ゴム膜、ポリブタジエンなどを材質とする）を有し、圧力差を与えて酸素と窒素との溶解速度の差により酸素を多く透過させるものである。この他、合成ゼオライトに窒素を吸着させる窒素吸着法による酸素濃度富化装置も考えられる。

発明の効果

本発明による酸素噴射式内燃機関では排気弁２２の閉弁時に（図４では吸気弁４８の閉弁時に）高温の既燃ガスが多量にシリンダー内に閉じ込められること、冷たい空気により掃気を行なわないのでシリンダー内ガス冷却がないこと（図４では冷たい空気を吸入しないこと）、実圧縮比を自在に可変化（必要なだけ高めること）できることなどの理由から予混合圧縮着火燃焼を容易に引き起す事ができる（従来では困難であったエンジンアイドル状態でも可能）。
更にエンジン冷態時には点火プラグ２７（２７′）周辺に可燃混合気を形成する事によって火花点火燃焼を行なわせ、これを引き金として圧縮上死点付近における燃焼室内のガス圧力・温度を高めるので、エンジン冷態時でも予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる（従来は到底不可能）。
又、エンジン高負荷域では実圧縮比を下げる（実膨張比の方は高くなり、これは排ガス温度の低下につながり、好ましい循環を生む）ので、予混合圧縮着火燃焼域におけるノックを回避する事ができ、予混合圧縮着火燃焼域を高負荷側に拡大する効果を生む。そしてエンジン回転速度が高まる程、実圧縮比を高くして燃料の自己着火の発現の遅れを防ぐので、これも予混合圧縮着火燃焼域を拡大する効果を生む。以上の様に本発明によれば予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大する事ができる。この予混合圧縮着火燃焼は超希薄混合気でも燃焼可能な燃焼速度の大きい低温急速燃焼法である。従って、冷却損失が少なく、スロットル弁により吸気を絞って出力を制御する必要がない為、即ち燃料噴射量により出力制御が可能で、ポンプ損失がなくなり、熱効率の大幅向上が可能である。かつ２サイクル機関特有のアイドル時や低負荷域における不整燃焼も起らず、クランク室圧縮やルーツブロワなどの駆動々力も０なので（空気によりシリンダー内を掃気しなくても酸素は酸素噴射弁２９（２９′）から供給される）、熱効率の更なる向上が可能である。
更には実圧縮比に対して実膨張比を大として高膨張比化できるので（従来ではこの様にすると出力低下となるが、本発明では必要なだけ酸素と燃料を噴射すれば良いから、出力低下は起らない）、熱効率の向上幅は非常に大となる。本発明では空気を作動流体としないから、ＮＯｘの発生は完全に０であり、高価な三元触媒やリーン型ＮＯｘ触媒が不要で、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属資源問題も生じない。排ガス中の他の有害成分であるＨＣ、ＣＯは酸化触媒により浄化が可能で、特に図４に示す本発明では冷却器３６の冷却作用により排ガスの体積縮小が起り、排出道路３２から排出された排ガスの全部又は殆どを吸入通路４３からシリンダー内に再吸入して回収でき、その為に排ガス中のＨＣ、ＣＯの全部又は殆どを再燃焼させる事ができるので、場合によってはこの酸化触媒さえも不要とする事ができる（図１の２サイクル機関においても排気弁閉時には多量の排ガスをシリンダー内に閉じ込めてＨＣ、ＣＯを再燃焼できる為、排出ＨＣ、ＣＯは元来少ない）。

本発明による酸素噴射式内燃機関の図。排気弁の開閉時期変化を示す図。予混合圧縮着火燃焼の運転領域を示す図。本発明による酸素噴射式内燃機関（４サイクル式）の図。吸気弁、排気弁の開閉時期変化を示す図（４サイクル機関であるから、クランク軸２回転に１回の開閉動作を繰り返す）。可変動弁装置を示す図。本発明による酸素噴射式内燃機関の各種実施例の図。点火プラグ、燃料噴射弁、酸素噴射弁などのレイアウトを示す図。水素を使用燃料とする内燃機関を示す図。酸素濃度富化装置を示す図。

符号の説明

１は酸素噴射式内燃機関本体、２・２′はクランク軸、３はベルト（チェーン）、４・４′・４′Ａ・４′Ｂは可変動弁装置、５はプーリー（スプロケット）、６はハウジング、７はローター、８は進角室、９は遅角室、１０・１０′・１０′Ａ・１０′Ｂは油圧制御弁、１１はプランジャー、１２はスプール弁、１３はバネ、１４・１４′はＥＣＵ、１５は酸素供給容器、１６はプレッシャーレギュレーター、１７はサージタンク、１８は圧力センサー、１９はピストン、２０・２０′・２０″は燃焼室、２１は燃焼室の壁、２２は排気弁、２３は排気通路、２４・４５はカム軸、２５・４６はカム、２６・４７はロッカーアーム、２７・２７′は点火プラグ、２８・２８′は燃料噴射弁、２９・２９′は酸素噴射弁、３０は排気制御弁、３１は電動アクチュエーター、３２は排出通路、３３・４２はサージタンク、３４は放出通路、３５は入口部、３６は冷却器、３７は連絡通路、３８はバイパス通路、３９・４０は制御弁、４１は電動アクチュエーター、４３は吸入通路、４４は排気弁、４８は吸気弁、４９はハウジング、５０はプランジャー、５１・５２は電磁石、５３・５４はバネ、５５はドライバー、５６は導入弁、５７はブロワ、５８は冷却器、５９は冷却器、６０は水ポンプ、６１は覆い金、６２は噴口、６４は酸素透過膜、６５は圧縮機、６３は酸素濃度富化装置である。

Claims

クランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えると共にシリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁を備え、更に機関の所定の運転領域において燃料噴射弁から１回目の噴射以降の適当な時期にもう一度燃料を噴射して点火プラグ周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、かくして前記機関の所定の運転領域において点火プラグによる火花点火燃焼により予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ機関の運転状態に応じて前記排気弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化する様にした事を特徴とする酸素噴射式内燃機関。
作動流体の吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を有する４サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えると共にシリンダー内から排気弁を介して排出された既燃ガスを冷却する冷却器を備えて、この冷却器により冷却された既燃ガスを吸入弁を介してシリンダー内に導入する様にし、更に機関の所定の運転領域において燃料噴射弁から１回目の噴射以降の適当な時期にもう一度燃料を噴射して点火プラグ周辺に着火可能な可燃混合気を形成し、かくして前記機関の所定の運転領域において点火プラグによる火花点火燃焼により予混合圧縮着火燃焼を引き起し、かつ機関の運転状態に応じて前記吸気弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化する様にした事を特徴とする酸素噴射式内燃機関。