JP2011508140A - 内燃機関および内燃機関を改造する方法 - Google Patents

Abstract

燃焼室の境界を定める目的で往復運動可能なピストンを内部に有している少なくとも１つのシリンダ（２）と、燃焼室内に開いている空気用の供給手段（３）と、燃焼室内に開いている燃料用の供給手段（４）と、燃焼室に接続された燃焼ガス用の排出手段（５）と、点火機構と、が設けられているエンジンブロックを備えている４ストローク式内燃機関であって、少なくとも２つの吸入弁（６，７）および少なくとも１つの排出弁（８）が、シリンダ（２）ごとに配置されている、内燃機関において、空気用の供給手段（３）が、１つの吸入弁（７）、すなわち、空気吸入弁に接続されており、第１の燃料用の供給手段（４）が、他の吸入弁（６）、すなわち、燃料吸入弁に接続されており、内燃機関は、運転中に、燃焼室の内側においてのみ第１の燃料と空気との混合を生じさせるように、構成されている内燃機関が、開示されている。また、エンジンの改造方法も開示されている。

Description

本発明の第１の態様は、燃焼室の境界を定める目的で往復運動可能なピストンを内部に有している少なくとも１つのシリンダと、燃焼室内に開いている空気用の供給手段と、燃焼室内に開いている燃料用の供給手段と、燃焼室に接続された燃焼ガス用の排出手段と、点火機構と、が設けられているエンジンブロックを備えている内燃機関であって、少なくとも２つの吸入弁および少なくとも１つの排出弁が、シリンダごとに配置されている、内燃機関に関する。

液体燃料を用いて内燃機関を駆動することは、一般的に知られている。加えて、気体燃料で運転する内燃機関も存在している。さらに、内燃機関を水素ガスによって駆動する種々のシステムもすでに提案されている。この場合、水素ガスは、シリンダに直接供給されるようになっていてもよいし（直接噴射）、またはシリンダに（吸気マニホールド内の噴射装置によって）間接的に供給されるようになっていてもよい。しかし、周知のシステムは、多くの著しい欠点を伴っている。

水素は、高揮発物質なので、多くの問題、例えば、噴射装置から漏れるという問題およびバックファイアを極めて起こしやすいという問題が生じる可能性がある。バックファイアの問題は、（とりわけ、噴射装置からの漏れならびにエンジンおよびエンジン部品の摩耗による漏れの結果として、吸気コレクタ内に残留する空気−燃料混合気に起因することが多い）エンジンの吸気システム内における混合気の時期尚早の燃焼によって、または燃焼空間における高温の炭素粒子による混合気の自然点火によって、生じることがある。この望ましくない燃焼が種々のエンジン部品に著しい損傷をもたらすことは、明らかだろう。加えて、気体燃料で運転する周知のシステムは、出力および効率に関する性能が劣っている。これは、主に、吸気ストローク中に加えることができる水素の量が制限されていることに起因している。ガソリンの場合、燃焼可能な混合気を得るために、約０．６％から約８％の間の体積百分率のガソリンが吸入空気に加えられるようになっている。水素の場合、この量は、約５体積％から約７５体積％の範囲内にある。水素が空気内に拡散する速度も、ガソリン蒸気、（ＣＨ_４を含むか、ＣＨ_４から実質的に成るか、またはＣＨ_４から成る）天然ガス、またはＬＰＧよりも著しく高い。

本発明の実施形態は、前述の問題を解決するために、空気用の供給手段が１つの吸入弁、すなわち、前記空気吸入弁に接続されており、第１の燃料用の供給手段が他の吸入弁、すなわち、前記燃料吸入弁に接続されている点において、序文で述べた内燃機関と異なっている内燃機関、好ましくは、４ストローク式の内燃機関を提供している。従って、ここでは、空気および第１の燃料、好ましくは、水素は、個別に燃焼室に供給され、その結果、この燃料と空気との混合は、燃料室内においてのみ生じることになり、間接噴射の場合におけるように、吸気マニホールド内に生じることがない。言い換えると、第１の燃料と空気（または酸素）との混合は、燃焼室の外側において生じることがない。さらに言い換えると、第１の燃料は、燃焼室に入る前に、酸素または空気を含んでいないことになる。

それ故、本発明の好ましい実施形態によれば、エンジンは、運転中に、燃焼室内においてのみ第１の燃料と空気（または酸素）との混合を生じさせるように、構成されている。

さらに、噴射装置からの漏れの問題も、燃焼室への燃料の供給が吸入弁によって調整されることによって、解決されることになる。

本発明の好ましい実施形態によれば、点火機構は、少なくとも１つのスパークプラグを備えることが可能である。

本発明の好ましい実施形態によれば、エンジンは、４つの弁を備えており、その内、２つは、吸入弁であり、２つは、排出弁である。本発明のさらに他の実施形態によれば、エンジンは、５つの弁を備えており、その内、少なくとも１つの弁は、第１の燃料用の吸入弁であり、少なくとも１つの弁は、空気（酸素）用の吸入弁である。

本発明による装置のさらに他の発展形態によれば、空気吸入弁および燃料吸入弁は、個別に制御されるようになっている。これらの弁は、異なる開弁時間を有することが可能であり、開弁時間は、好ましい方法によって、内燃機関の運転中、互いに調整することができるようになっている。空気吸入弁は、好ましくは、内燃機関の吸入ストローク中のみに開弁されるようになっており、これによって、シリンダが冷却され、その後、燃料吸入弁が開弁されるようになっている。

本発明の実施形態によれば、吸入弁は、好ましくは、カムシャフトに連結させることが可能である。また、排出弁も、好ましくは、カムシャフトに連結させることが可能である。好ましくは、全ての弁が、カムシャフトに連結されている。

本発明による装置のさらに他の発展形態によれば、第１の燃料を燃焼室に供給する供給手段は、燃料吸入弁によって閉鎖可能な燃料区域を備えることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、燃料区域は、圧力センサをさらに備えることが可能である。この圧力センサは、エンジンの運転を制御することが可能なエンジン制御手段に接続されていてもよい。燃料区域内における圧力センサの存在（および圧力センサのエンジン制御手段への連通）によって、エンジンの作動条件（例えば、出力、燃料消費など）の動的な最適化を見込むことが可能となる。

本発明による装置のさらに他の発展形態によれば、弁によって閉鎖可能な接続通路が、燃料区域と空気区域との間に設けられていてもよい。空気区域は、空気吸入弁によって閉鎖可能であり、空気用の供給手段に接続されている。この接続通路は、空気による燃料吸入口の洗浄（flushing）を可能にするものである。

本発明による内燃機関のさらに他の発展形態では、燃料区域は、気化器システムまたは噴射装置に接続されている。

本発明によるさらに他の発展形態では、付加的な第２の燃料用の供給手段が、さらに設けられていてもよい。ここで、第２の燃料用の供給手段は、空気用の供給手段に接続されていてもよい。この第２の燃料は、好ましくは、液体燃料または気体燃料、例えば、ガソリン、天然ガス、ＬＰＧである。ここで、エンジンは、例えば、第１の燃料または第２の燃料の補給が有効でない場合、二元燃料モード、すなわち、第１の燃料および／または第２の燃料を切り換えるモードによって、運転することができる。

付加的な第２の燃料、例えば、ガソリンでなおも運転するエンジンの場合、接続通路は、継続的に開いており、その噴射装置は、中心に配置されている。これによって、このエンジンが第２の燃料で運転しているとき、吸入ストローク中に、シリンダごとに設けられた２つの吸入弁を介して、すでに生じている燃料混合気をエンジンの燃焼室内に供給することが可能である。水素による運転中、この弁は、任意選択的に閉弁状態で保持され、空気による燃料区域の洗浄中にのみ、開弁されるようにすることができる。

本発明によるさらに他の実施形態では、両方の燃料を燃焼区域内に導入するとき、燃焼室内において混合される第１の燃料および第２の燃料のそれぞれの量、例えば、燃焼室内において第２の燃料と混合される第１の燃料の一定割合を決定することができる手段を設けることも可能である。この場合、接続弁は、好ましくは、閉弁されており、両方の燃料が個別に燃焼区域に供給されることになる。

本発明による代替的な実施形態では、第２の燃料用の供給手段が、設けられていてもよく、該供給手段は、この第２の燃料を燃焼室内に直接噴射するための手段を備えていてもよい。この場合、第１の燃料は、燃料吸入弁を介して、燃焼室に加えられ、空気は、空気吸入弁を介して導入され、第２の燃料は、燃焼室内に直接噴射されることになる（例えば、ガソリンまたはディーゼルの直接噴射）。

本発明による代替的な実施形態では、空気は、例えば、空気用の供給手段に接続されたターボまたは圧縮機を利用することによって、増圧下で燃焼室に供給されるようになっていてもよい。場合によっては、空気は、空気噴射装置を利用することによって、燃焼室内に直接噴射されるようになっていてもよい。従って、燃料と空気との比率を精細に調整し、かつ噴射の内容を即座に変更することが可能になる。これによって、エンジンの効率が増すことになる。

本発明の実施形態による内燃機関は、第１の燃料として水素を用いる場合、特に適している。加えて、本発明による内燃機関は、第１の燃料として、他の気体燃料、例えば、天然ガス、ＬＰＧ、などを用いる場合にも、利用可能である。本発明の好ましい実施形態では、第１の燃料は、水素を含むことが可能である。この場合、第１の燃料は、４０％を超える、５０％を超える、６０％を超える、７０，８０％を超える、９０％を超える、９５％を超える、９９％を超える、９９．９％を超える、９９．９９％を超える水素を含むことが可能である。第１の燃料は、実質的に水素から成っていてもよいし、または水素から成っていてもよい。水素を含む燃料は、他の成分をさらに含んでいてもよい。

本発明の実施形態によれば、第１の燃料は、天然ガス（ＣＨ_４）を含んでいてもよい。この場合、第１の燃料は、４０％を超える、５０％を超える、６０％を超える、７０％，８０％を超える、９０％を超える、９５％を超える、９９％を超える、９９．９％を超える、９９．９９％を超える天然ガスを含むことが可能である。第１のガスは、実質的に天然ガスから成っていてもよいし、または天然ガスから成っていてもよい。天然ガスを含んでいる燃料は、他の成分をさらに含んでいてもよい。

本発明の実施形態によれば、第１の燃料は、水素および天然ガスの混合物を含んでいてもよい。この場合、第１の燃料は、実質的に水素および天然ガスのみの混合物から成っていてもよい。第１の燃料は、水素および天然ガスのみの混合物から成っていてもよい。水素および天然ガスの混合物は、有利には、少なくとも４０％の水素を含むことが可能である。

本発明によるエンジンの特に好ましい実施形態では、エンジンを運転するのに、第１の燃料に加えて、付加的な第２の燃料をさらに用いることができる。この第２の燃料は、好ましくは、液体燃料または気体燃料、例えば、ガソリン、ディーゼル、天然ガス、ＬＰＧ、などである。

本発明の利点は、このシステムが、オットーサイクルまたはディーゼルサイクルに従って運転するエンジンにおいて、これらのサイクルのシリンダに、各々、少なくとも２つの吸入弁を設けることによって、簡単に適用することができることにある。通常の内燃機関の一般的なエンジン構成は、保留することが可能である。何故なら、改造されるのは、実質的に吸入システムのみだからである。既存の吸入弁は、例えば、燃料吸入弁として用いられてもよい。本発明の実施形態による内燃機関は、気体燃料、特に水素が特に適している。

本発明の実施形態のさらに他の利点は、第１の燃料、好ましくは、水素用の噴射装置が、水素で運転する周知の内燃機関の場合におけるよりも頻繁に交換する必要がないことである。さらに、本発明による内燃機関は、周知の水素エンジンよりも大きい出力を得ることができる。

本発明の第２の態様によれば、燃焼室の境界を定める（燃焼室を閉じ込める）目的で往復運動可能なピストンを内部に有している少なくとも１つのシリンダと、燃焼室内に開いている空気用の供給手段と、燃焼室内に開いている燃料用の供給手段と、燃焼室に接続された燃焼ガス用の排出手段と、点火機構と、が設けられているエンジンブロックを備えている４ストロークエンジンを改造する方法であって、少なくとも２つの吸入弁および少なくとも１つの排出弁が、シリンダごとに配置されている、方法において、
−空気用の供給手段を第１の吸入弁に接続させるように、および第１の燃料用の供給手段を第２の吸入弁に接続させるように、エンジンを構成することと、
−運転中に、燃焼室の内側においてのみ第１の燃料と空気（または酸素）（または空気、または酸素）との混合を生じさせるように、エンジンを構成することと、
を含んでいることを特徴とする方法が、開示されている。

好ましい実施形態では、第１の燃料と空気との混合を生じさせないようにすることは、少なくとも吸入弁とカムシャフトとの連結を再構成することによって、達成されるようになっている。

本発明の第２の態様の好ましい実施形態では、第１の燃料用の燃料区域がさらに設けられていてもよい。

本発明の第２の態様の好ましく実施形態では、燃料区域は、圧力センサをさらに備えていてもよい。圧力センサは、エンジン制御手段にさらに接続されていてもよい。この方法は、通常の４ストロークガソリンエンジンを第１の燃料として水素を用いるように改造する場合、有利に適用可能である。

以下、好ましい実施形態を概略的に示す添付の図面を参照して、本発明をさらに説明する。なお、これらの実施形態は、請求項の保護の範囲を制限することを決して意図するものではない。

本発明による好ましい実施形態のエンジンブロックの概略図である。 本発明によるさらに他の好ましい実施形態のエンジンブロックの概略図である。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるエンジンブロック１の極めて簡略化された図を示している。エンジンブロック１は、４つのシリンダ２と、さらに、空気吸入口３を備えている空気用の供給手段と、第１の燃料用の供給導管４と、排出口５を備えている燃焼ガス用の排出手段と、を備えている。各シリンダは、２つの吸入弁６，７および２つの排出弁８をさらに備えている。図１に示されているように、燃料吸入弁６は、燃料区画９を閉鎖し、この燃料区画９には、噴射装置１０によって燃料が供給されるようになっている。さらに、空気吸入弁７は、吸気口３を閉鎖するようになっており、排出口５を閉鎖するために、排気弁８が設けられている。

図１から明らかなように、シリンダ２への空気および燃料の供給は、完全に個別に行われている。これによって、空気および（第１の）燃料の混合は、シリンダの燃焼室内においてのみ行われることになる。これは、気体燃料、特に、（低分子量を有することによって、燃料吸入弁６が開いたときに、シリンダ内に極めて急速に拡散する）水素ガスの場合に、特に効果がある。燃焼室への空気および燃料の供給が完全に個別に行われ、さらにシリンダへの燃料供給が吸入弁によって制御されるので、噴射装置から漏れの問題およびそれに関連する可能性のあるバックファイアの問題が、回避されることになる。

図１による実施形態では、噴射装置１０によって、燃料区域９に燃料が供給されるようになっている。加えて、例えば、気化器システムによって、燃料区画９に燃料が供給されるようになっていてもよい。

吸入弁は、好ましくは、弁用の分配システムによって個別に制御されるようになっており、これらの弁は、異なる開弁時間を有している。弁を制御する有利な方法は、以下の通りである。すなわち、第１のステップにおいて、空気吸入弁７が開弁され、これによって、冷却がもたらされ、第２のステップにおいて、燃料吸入弁６が開弁され、燃料が、好ましくは、わずかな過圧下で燃焼室に供給されるようになっている。弁を制御するための適切な他の方法も可能である。

図２は、本発明によるさらに発展した他の好ましい実施形態を概略的に示している。弁１１によって閉鎖可能な接続通路１２が、空気吸入口３と燃料区域９との間に設けられている。特定の条件において、例えば、燃料吸入口を洗浄するために、この弁１１を開弁することができる。または、エンジンが二元燃料エンジンであるとき、第１の燃料である水素の代わりに他の第２の燃料で運転する場合、弁１１は、継続的に開弁状態で維持されるようになっている。

図２による実施形態では、付加的な第２の燃料用の供給導管１３も示されている。この第２の燃料は、好ましくは、噴射装置１４によって、空気吸入口３内に噴射され、この空気吸入口を介してシリンダに供給されるようになっている。

代替的な実施形態（図示せず）によれば、空気用の供給手段に接続された噴射装置がシリンダごとに設けられていてもよく、これによって、空気が燃焼室内に直接噴射されるようになっていてもよい。

他の代替的な実施形態（図示せず）によれば、第２の燃料を燃焼室内に直接噴射する手段を備えている第２の燃料用の供給手段が、シリンダごとに設けられていてもよい。この場合、好ましくは第１の燃料を燃料吸入弁を介して燃焼室内の吸入空気に加えた後、第２の燃料を燃焼空間内に高圧下で直接噴射することができる。

本発明の態様の説明を、特定の実施形態によってかついくつかの図面を参照して、行ったが、本発明は、これに制限されるものではない。描かれている図面は、概略図にすぎず、本発明を制限すると考えられるべきではない。例えば、いくつかの要素または特徴は、他の要素に対して、同一の比率、すなわち、一定尺度で示されていない場合がある。

本発明によるいくつかの実施形態の説明では、１つまたは複数の種々の発明に関する態様を理解しやすくする目的で、種々の特徴を単一の実施形態、単一の図面、またはそれらの説明において、一つの群にまとめている場合がある。これは、特定の問題を解決するのにこの群の全ての特徴が揃っている必要があるかのように、解釈されるべきではない。発明に関する態様は、特定の実施形態の記載におけるこのような特徴の群における全ての特徴よりも少ない特徴が含まれている場合がある。

ここに説明したいくつかの実施形態は、他の実施形態および／または他の態様に含まれている他の特徴の全てではないが、いくつかを含んでいるが、異なる実施形態の特徴の組合せは、本発明の範囲内に含まれており、当業者に理解されるように、別の実施形態をなすことが意図されている。同様に、本発明の第２の態様または第１の態様の特徴および実施形態にそれぞれ対応する本発明の第１の態様または第２の態様の特徴および実施形態は、当業者によって認識されているように、本発明の範囲内に含まれていると見なされる。

本発明の原理を特定の実施形態に関連して述べたが、この説明は、単なる例示にすぎず、添付の請求項によって規定されている保護の範囲を制限するものではないことが、明確に理解されるべきである。

Claims (15)

1. 燃焼室の境界を定める目的で往復運動可能なピストンを内部に有している少なくとも１つのシリンダと、前記燃焼室内に開いている空気用の供給手段と、前記燃焼室内に開いている燃料用の供給手段と、前記燃焼室に接続された燃焼ガス用の排出手段と、点火機構と、が設けられているエンジンブロックを備えている４ストローク式内燃機関であって、少なくとも２つの吸入弁および少なくとも１つの排出弁が、シリンダごとに配置されている、内燃機関において、前記空気用の供給手段が、１つの吸入弁、すなわち、前記空気吸入弁に接続されており、前記第１の燃料用の供給手段が、他の吸入弁、すなわち、前記燃料吸入弁に接続されており、運転中に、前記燃焼室の内側においてのみ第１の燃料と空気との混合を生じさせるように、構成されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記点火機構は、スパークプラグを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記空気吸入弁および前記燃料吸入弁は、個別に制御されるようになっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記少なくとも吸入弁は、カムシャフトに連結されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 前記第１の燃料用の供給手段は、前記燃料吸入弁によって閉鎖可能な少なくとも１つの燃料区域を備えていることを特徴とする、請求項１〜４に記載の内燃機関。
6. 前記燃料区域は、気化器システムまたは噴射装置に接続されていることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
7. 第２の燃料用の供給手段が、さらに設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記第２の燃料用の供給手段は、前記空気用の供給手段に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記第２の燃料用の供給手段は、前記燃焼室内に、この第２の燃料を直接噴射する手段を備えていることを特徴とする、請求項７または８に記載の内燃機関。
10. 前記空気用の供給手段は、少なくとも１つの空気用噴射装置を備えていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関。
11. 前記第１の燃料は、実質的にガス状であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関。
12. 前記第１の燃料は、水素ガスを含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の内燃機関。
13. 前記第１の燃料は、天然ガス（ＣＨ_４）を含んでいることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の内燃機関。
14. 燃焼室の境界を定める目的で往復運動可能なピストンを内部に有している少なくとも１つのシリンダと、前記燃焼室内に開いている空気用の供給手段と、前記燃焼室内に開いている燃料用の供給手段と、前記燃焼室に接続された燃焼ガス用の排出手段と、点火機構と、が設けられているエンジンブロックを備えている４ストロークエンジンを改造する方法であって、少なくとも２つの吸入弁および少なくとも１つの排出弁が、シリンダごとに配置されている、方法において、
    −前記空気用の供給手段を前記第１の吸入弁に接続させるとともに、前記第１の燃料用の供給手段を前記第２の吸入弁に接続させるように、前記エンジンを構成することと、
    −運転中に、前記燃焼室の外側において前記第１の燃料と前記空気との混合を生じさせないように、前記エンジンを構成することと、
    を含んでいることを特徴とする方法。
15. 前記第１の燃料および前記空気の混合を生じさせないようにすることは、少なくとも前記吸入弁と前記カムシャフトとの連結を再構成することによって、達成されるようになっていることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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