JP2013213486A

JP2013213486A - 空前の高効率内燃機関の構造

Info

Publication number: JP2013213486A
Application number: JP2012110022A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kitamura; 修一北村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】多点着火方式及び上死点又はそれ以降の着火時期を採用して、超低ＮＯｘエミッションを達成する。更に低負荷域でＨＣＣＩ燃焼により高効率化及び超低ＮＯｘエミッションを達成し、リーンＮＯｘ浄化触媒を不要とする。
【解決手段】２サイクル内燃機関において、燃焼室１１に２点以上の点火プラグ１３を設け、かつ点火時期を上死点又はそれ以降とする。排気ポート８より上死点側の位置にある通路１５に高膨張比弁１６を備え、この高膨張比弁１６は下死点前の所定のクランク角からピストンにより排気ポート８が開かれる近傍のクランク角までは通路１５を閉じており、その後所定のクランク角まで通路１５を開いてシリンダー内の残留ガスを排気ポート８内へ排出する。ＨＣＣＩ燃焼領域では通路１５を制御弁１８により閉じて有効圧縮比を高め、エンジンの負荷、回転速度などの条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は機械損失と冷却損失の大幅低減及び超急速燃焼の達成によって熱効率の飛躍的な高効率化を図り、高価なリーンＮＯｘ浄化触媒なしで超低害化を達成しようとする高効率２サイクル内燃機関に関するものである。

即ち、地球温暖化や大気汚染に対処すべく熱効率の飛躍的高効率化、超低公害化の急務がそれである。しかもこれらは高い次元において解決されなければならない。ディーゼル機関は高効率であるが、機械損失が大きく改善の余地がある。排気浄化対策としては２０００気圧にも達するコモンレール燃料噴射装置、ディーゼルパーティキュレートフィルター（ＤＰＦ）、酸化触媒、リーンＮＯｘ浄化触媒などが必要で、これらは非常に高価である。一方火花点火機関では希薄燃焼法、筒内直接燃料噴射、ダウンサイジング、可変動弁装置などにより熱効率の高効率化を図っているが、本質的には圧縮比が１２以下の低圧縮比で、ディーゼル機関に匹敵する熱効率には達していない。排気浄化対策としてはディーゼル機関の様なＰＭの問題はないが、リーンＮＯｘ浄化触媒を必要とするものはコスト高となる。又、上記ディーゼル機関や火花点火機関では殆んどは３〜８気筒の多気筒である為、機械損失や冷却損失が大であり、従って本来的に高効率は望めない。

本発明は上記事情に鑑み、１〜２気筒（大排気量のものでも３気筒位を上限とする）の空気掃気式２サイクル内燃機関を採用し、燃焼期間を短縮させる手段として多点着火方式を採用し（燃焼期間を１／３〜１／４．５に短縮）、これにより機械損失や冷却損失の大幅減少、等容度の増大等で熱効率の飛躍的高効率化を達成しようとするものである。
１〜２気筒採用による振動増大には、それにより浮いたコストをバランサーの装着、エンジンマウントにコストをかけて厳重なものにする事等で対処する。更に２サイクル内燃機関では低負荷域での不整燃焼が問題となるが、これに対しては予混合圧縮着火燃焼法（ＰＣＣＩ）を適用して解決策とし、高効率化を達成しようとしている。又、ＰＣＣＩ燃焼法はＮＯｘが殆どない燃焼法であり、上記多点着火方式は圧縮上死点後の着火なので、これもＮＯｘ発生が殆どないと考えられ、従って本発明では高価なリーンＮＯｘ浄化触媒を不要とするところにもある、本発明による２サイクル機関は電気モーターを併用するハイブリッド車用（シリーズ型、パラレル型ハイブリッド車、レンジエクステンダー付電気自動車）として最も効力を発揮する。潤滑方式は分離給油方式を採用する為、排煙の問題はない。

課題を解決する為の手段

空気により掃気する２サイクル内燃機関において、燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませて多点着火方式とし、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に排気ポートよりも上死点側の位置にあるシリンダー壁面に開口する通路に高膨張比弁を備え、この高膨張比弁は下死点前の所定のクランク角から少なくともピストンにより前記排気ポートが開かれる近傍のクランク角までは前記通路を閉じており、ピストンの上昇に従って所定のクランク角まで前記通路を開いてシリンダー内の残留ガスを排気ポート内へ排出する様に構成し、予混合圧縮着火燃焼領域では前記通路を制御弁により閉じて有効圧縮比を高め、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。

発明の効果

本発明では従来は４サイクル３〜８気筒エンジンが一般的であったが、これを２サイクル１〜２気筒エンジン（大排気量エンジンでも３気筒位を上限とする）としている。これにより機械損失及び冷却損失の大幅低減が達成され、飛躍的な高効率化が為される（エンジンの小型・軽量化の効果も見逃せない）。先ず機械損失（摩擦損失）に関しては、例えば４サイクル４気筒エンジンを２サイクル１気筒エンジン化する事により２４％の燃費改善が得られる。しかし２サイクル機関は４サイクル機関の様な動弁機構もなく吸排気行程もない為、実際の燃費改善効果はこれを更に上回るはずである。気筒数低減によって必要となる振動対策であるが、バランサーの装着、エンジンマウントにコストをかけ厳重にするなどで十分に対処する事ができる（気筒数低減による大幅なコストダウンを振動対策に振り向ける）。気筒数低減によりエンジンも大幅に小型・軽量化されるから、振動対策としては楽になるはずである。
２サイクル機関は動弁機構、オイルパンが必要であるから、これらに相当する高さが減り、相当に小型・軽量化される。次に冷却損失に関しては上記と同様に例えば４サイクル４気筒エンジンを２サイクル１気筒エンジンとする事により、燃焼室の表面積と容積との比（Ｓ／Ｖ比）が３．１ｃｍ^−１から２．２ｃｍ^−１と大幅に（３０％）低減させる事ができる。一般に内燃機関では投入エネルギーに対して熱効率は３２％位であり、冷却損失が３０％位であるから、冷却損失が３０％減少したとすれば、この分ピストン膨張仕事が増え、熱効率は３２＋３０×０．３＝４１（％）に向上する事が期待される。しかしこれは燃焼室をペントルーフ型とした場合であって、本発明では図１の様に集中型燃焼室を採用するので、Ｓ／Ｖ比は更に減少し、効果はもっと大きくなる。更に冷却損失に関しては本発明では上死点又はそれ以降に着火が為され、従来の様な上死点前燃焼が起らない為、この間に相当する冷却損失もない。２サイクル機関の問題点は低負荷域での不整燃焼であるが、これにはＰＣＣＩ燃焼法（予混合圧縮着火燃焼）によって解決する（ＰＣＣＩ燃焼法でも、均質な混合気を燃焼させるＨＣＣＩ燃焼法がＮＯｘ発生をほぼ０に抑えられるので、好ましい）。２サイクル機関は（特に低負荷域では）新気により掃気をしてもシリンダー内には多量の既燃ガスが残留しており、従って圧縮始めのシリンダー内ガス温度が高く、更に本発明では１４〜１５位の高圧縮比を採用しているので、圧縮端温度・圧力は十分に高まり、容易にＨＣＣＩ燃焼を引き起す事ができる。２サイクル機関ではシリンダー内に空気と共に残留ガスを閉じ込めた後は圧縮上死点までの期間が短かく、従って冷却損失が少なく、この点からもＨＣＣＩ燃焼には有利である。
この様に容易にＨＣＣＩ燃焼を引き起す事ができるが、同時にＨＣＣＩ燃焼が上死点又はその直後に起る様に制御できるので、熱効率を高める事ができる。即ち、図１の様に吸気絞り弁５の開度を増すとシリンダー内残留ガス量（既燃ガス量）が減る為、圧縮端温度が低下し、燃料の低温酸化反応を遅らせ、上死点前に起っていたＨＣＣＩ燃焼を上死点直後に引き起す事ができる。
吸気絞り弁５の開度を減らすとこの反対となる。エンジンの中負荷から高負荷域にかけては点火プラグによる火花点火燃焼に切り換えるが、高圧縮比の為にこの領域ではノッキング及びＮＯｘの発生を回避する事が重要であり、従って上死点又はこれ以降の着火時期を採用している。この為には急速燃焼が不可欠で、２点以上の多点着火方式を採用する。即ち、２個以上の点火プラグによる多点着火及び集中型燃焼室により燃焼期間をクランク角で従来の４０°〜６０°であったものを１／３〜１／４．５の１５°位に短縮する事ができ、超急速燃焼を達成している。
この為、着火時期の遅角化による熱効率悪化はないばかりか上死点前燃焼が起らないので、この期間に相当する冷却損失もない。更には上死点又はそれ以降の着火なので、最高燃焼温度・圧力も低く（熱効率の悪化を意味しない）、摩擦損失、冷却損失が減少し、熱効率が向上する。加えて最高燃焼温度が低いので熱解離による損失もなく、ＮＯｘの発生もない。この場合、点火プラグの着火時期を更に遅らせるとＮＯｘの発生を完全に０に抑える事ができるが、熱効率の若干の悪化は免れない。しかし本発明では圧縮比（１４位）よりも膨張比を大きくしてあるので（１８位）、この分余裕があり、従って熱効率の悪化を招く事なくＮＯｘを完全に０に抑える事ができるのである。この様に火花点火燃焼の領域（中・高負荷域）ではＮＯｘの発生が殆どなく、ＨＣＣＩ燃焼領域（低負荷域）でもＮＯｘの発生がない為、高価なリーンＮＯｘ浄化触媒が不要である。排ガス中のＨＣ、ＣＯは安価な酸化触媒で浄化する事ができる。この場合、高膨張比弁により排気ポートを掃気ポートよりも早く閉じる事もできるので新気の吹き抜けがなくなり、従って排ガスは冷却作用を受ける事なく高温のままであり、酸化触媒の浄化機能を高く維持する事ができる。しかも超急速燃焼が可能であるから、エンジン冷態時は着火時期を大幅に遅らせて酸化触媒の早期活性化を促がす事ができる。又、燃料は予め気化した状態で燃焼するので、ディーゼル機関の様なＰＭ発生がなく、高価なＤＰＦも不要である。
尚、ＨＣＣＩ燃焼について一言付け加えると、この領域では図１の場合は圧縮比が１８位と高圧縮比であり、図５の場合は掃気後のシリンダー内の高温ガスを一定量クランク室内などの吸入側へ戻すので、圧縮始めのガス温度が高く、かくして圧縮端温度が高まり、ＨＣＣＩ燃焼を引き起し易くするのである。

発明を実施する為の形態

図１は本発明による高効率内燃機関の構造を示し、空前の高効率を達成する事を目的とし、機械損失及び冷却損失の大幅低減の為、１〜２気筒（大排気量機関の場合でも３気筒位を上限とするのが良い）２サイクル機関を選択した。即ち、通常の自動車用機関では４サイクル３〜８気筒が一般的であるが、こうする事により大幅な機械損失及び冷却損失の低減が見込めるからである。加えて本発明ではノッキング及びＮＯｘ発生を抑える事を目的とし、上死点又はそれ以降の膨張行程で燃焼を行なわせる必要から超急速燃焼を達成する為、２点以上の多点着火方式を採用する。故に燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませる、換言すれば点火プラグを２個以上必要とするが、シリンダーヘッドに吸排気弁を有しない２サイクル機関が正にこれに適している。２サイクル機関特有の低負荷域での不整燃焼は予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）を行なわせる事により解決する。火花ギャップの着火時期は上死点又はそれ以降であるので、ノッキングの心配はなく、高圧縮比を採用する事ができる。
次に図１において燃焼室１１内の高圧燃焼ガスによりピストン１が押されると、ピストンが下降して膨張仕事を為し（膨張行程）、ピストンにより排気ポート８が開かれると排気ブローダウンが開始され、続いて掃気ポート７が開かれると新気がシリンダー内に流入し、既燃ガスを掃気する。本発明では燃料の吹き抜けをなくす為、空気のみでシリンダー内を掃気する空気掃気式を採用しており、この空気を予圧するポンプとしては図示の様にクランク室２、又はルーツブロワを使用する。ピストン１の上昇行程により掃気ポート７、排気ポート８が閉じられるとシリンダー内の圧縮が開始され、上死点付近でＨＣＣＩ燃焼あるいは上死点又はそれ以降の着火による火花点火燃焼が為され、かくしてクランク軸１回転当り１回の膨張仕事が得られる。シリンダー内への燃料供給は燃料噴射弁１０によって噴射されるが、燃料の排気ポート８内への吹き抜けが起らない様に排気ポート８が閉じてから行なわれる。この場合、噴射された燃料が燃焼室１１内にのみ留まる様に供給すればスキッシュ部１２には燃料は存在しないから、未燃のＨＣ排出は起らない。これは燃料噴射弁１０を燃焼室１１を指向する如くシリンダー壁に開口する様に装着しても可能である。燃焼室１１を図３（ロ）の様にピストン１に形成する場合は、この燃焼室１１を指向する如くシリンダー壁に開口する様に装着する事によって可能となる。
３はクランク室２内へ空気を導入するリード弁（逆止弁）、５は吸気絞り弁、９は酸化触媒である。ＥＣＵ（電子制御ユニット）１４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を出力するクランク角センサー、アクセル開度を検出するアクセルセンサー、エンジンの回転数センサー、エンジンに吸収される空気の空気流量センサー、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、ノックセンサー等からの各信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。又、出力ポートは燃料噴射弁１０、点火プラグ１３、吸気絞り弁５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１０の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、吸気絞り弁５の開度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に記憶されている各種データはエンジン回転数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、燃料の噴射制御、点火時期制御、吸気絞り弁の開度制御等を実行する。６は吸気絞り弁５の開度を制御するアクチュエーターである。図１において燃焼室１１の開口部面積はシリンダー断面積よりも十分小さく形成して集中型燃焼室とし、ピストン１が上死点位置の時、ピストン頂面とシリンダーヘッドとのギャップを１ｍｍ以下（０．７〜０．８ｍｍ位）として、スキッシュ部１２を構成している。即ち、本発明では燃焼室１１は集中型燃焼室としてコンパクトに形成され、その周囲はスキッシュ部１２となっており、スキッシュ部１２の容積の占める比率は上記ギャップによると５％以下であるから、燃焼室１１の燃焼完了を以って全体の燃焼完了とほぼ考えて良い。これによりシリンダー径をＤ、燃焼室１１の開口部の半径をｒとすれば２・ｒ／Ｄ≒２／３位であるから、燃焼完了までに必要とされる火炎伝播距離はほぼ２／３に短縮されることになる。本発明では燃焼期間を短縮する為、即ち超急速燃焼を達成する為、２点以上の多点着火方式を採用している。即ち、燃焼室１１に２点以上の火花ギャップを臨ませているのであり、火花ギャップとしては図１では点火プラグ１３を用いている。燃焼室１１を上方から見た模式図を図４に示す（燃焼室開口部の半径をｒとする）。図４（ロ）は燃焼室１１に半径ｒ／２の円を等間隔に３個描いた図であり、斜線の部分の面積の燃焼室開口部（半径ｒの円）の面積に対する比率は０．２９である。よって各々の円の中心に火花ギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３を置けば火炎は球状に拡がるものとして図４（ロ）の状態まで燃焼が進めば、混合気全体の１−０．２９＝０．７１（７１％）が燃焼を完了している事になる。従って、高圧縮比の採用及び採用及び燃料の前炎反応が起る事による燃焼の促進、強力なスキッシュ効果も加えればほぼ１００％の燃焼が完了している事になり、図３（イ）の中心１点火花ギャップＧ_０の場合に比し燃焼完了までに必要とされる火炎伝播距離を１／２に半減、換言すれば燃焼期間を１／２に半減させる事ができる。本発明によれば上記の様に燃焼期間は集中型燃焼室とする事により２／３に、多点着火方式とする事により１／２に半減するから、合計すると２／３×１／２＝１／３となり、ほぼ１／３に短縮される。即ち、図３（イ）の従来（集中型燃焼室でない燃焼室、１点火花ギャップ方式）に比し燃焼期間は１／３に短縮される。従って図４（ロ）において更に中心に火花ギャップＧ_０を置けば、確実に燃焼期間は１／３以下に短縮される。図４（ハ）は燃焼室１１に半径ｒ／２の円を等間隔に４個描いた図であり、斜線の部分の面積の燃焼室開口部の面積に対する比率は０．１８であるから、各々の円の中心に火花ギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４を置き、更には中心に火花ギャップＧ_０を置けば、燃焼期間は図４（ロ）の場合よりも更に短縮される。図４（ニ）は中心に半径ｒ／３の円を、その周りに半径ｒ／３の円を等間隔に６個描いたものであり、斜線の部分の面積の燃焼室開口部の面積に対する比率は０．２２であるから、各円の中心に火花ギャップを置けば、上記と同様に考えて図の状態でほぼ燃焼完了とする事ができ、燃焼期間はほぼ１／３に短縮される。従って集中型燃焼室による効果とを合計すると、図３（イ）の従来に比し燃焼期間は２／３×１／３＝１／４．５に短縮される。図４（ホ）は火花ギャップが１点少ないものであるが、ほぼ同じ効果が得られるものである。図４（ニ）、（ホ）は大排気量エンジンに用いる。
尚、極く小排気量のエンジンでは火炎伝播距離の絶対値が小さいから、２点の火花ギャップでも良い。本発明では２点以上の火花ギャップを燃焼室に臨ませる事を特徴としている。以上の様に本発明によれば燃焼期間は図３（イ）の従来はクランク角で４０°〜６０°あったものが１／３〜１／４．５のほぼ１５°位となり、超急速燃焼が可能となるのである。この為、着火時期を上死点又はそれ以降に設定する事ができる。尚、本発明では燃焼室に臨ませる火花ギャップとしては点火プラグを用いたが、図４（ヘ）の様に不導体板３６（電気不導体）の穴の内壁面に火花ギャップ３７を配置したものを用いても良い。但し、燃焼室１１の中央に配置する火花ギャップは点火プラグ１３を用いている。
次に本発明では２サイクル１気筒機関を採用し、これを従来の４サイクル４気筒機関の代替として、摩擦損失の大幅減少から燃費改善効果を予想する。一般に４サイクル４気筒機関を排気量を一定に保ったまま３気筒化すると（１気筒減らす）５％、２気筒化すると（２気筒減らす）９％燃費が改善されると云うデータから、１気筒化すると（３気筒減らす）５＋９＝１４（％）の燃費改善が見込まれ、これを更に２サイクル化して小排気量とすると（排気量を１／１．７にしても同一出力が得られるから）摩擦損失が比例して減少し、１４×１．７＝２４（％）の燃費改善効果が予想される。続いて冷却損失について述べると、上記と同様に４サイクル４気筒機関を２サイクル１気筒機関化する事により燃焼室の表面積と容積との比（Ｓ／Ｖ比）を大幅に減少させる事ができるから、この分冷却損失が減少し、これはピストン膨張仕事を増す事に繋がり、熱効率を大幅に向上させる事ができる。更に本発明では上死点又はそれ以降の着火時期を採用しているから、最高燃焼温度は低く、従って冷却損失が少なく、かつ上死点前燃焼がないので、この間に相当する冷却損失もない為、実際の熱効率は一段と向上する。
本発明による２サイクル内燃機関は定まった負荷や回転速度で運転する様な、例えば定置式発電機用、発電用に限定した自動車用（シリーズ型ハイブリッド用、レンジエクステンダー用など）としても用途が最も望ましい。

次に図１において１６は高膨張比弁で、図ではクランク軸と例えば回転比１／１で歯付ベルト、チェーン、歯車等により駆動されるロータリ弁を示しており、高膨張比弁の閉鎖部１７は排気ポート８より上死点側の位置に形成された通路１５を開閉する。高膨張比弁１６のシール性を高めるには、閉鎖部１７に接触しても焼き付かず容易に磨耗する焼き付き防止剤をコーティングするなどの手段がある。高膨張比弁１６は下死点前の所定のクランク角から少なくともピストン１により排気ポート８が開かれる近傍のクランク角までは閉じており（閉鎖部１７が通路１５を閉じている）。ピストンの上昇に従って所定のクランク角まで通路１５を開いてシリンダー内の残留ガスを排気ポート８内へ排出する様に構成されている。即ち、一般には高膨張比弁１６はピストン１により通路１５が開かれる近傍から下死点近傍までは通路１５を閉鎖しており、下死点近傍からピストン１により通路１５が閉じられる直後まで通路１５を用いている様に構成する。これにより高膨張比弁１６が通路１５を閉じた時点（一般にはピストン１により通路１５が閉じられた時点と重なる）から圧縮が始まり、ピストン１により排気ポート８が開かれた時点から排気ブローダウンが始まるので、膨張比は圧縮比より大きくなり（例えば圧縮比を１４、膨張比を１８）、高効率化を達成する。本発明ではピストン１の圧縮有効行程は通路１５が高膨張比弁１６により閉じられた時点から始まり、下死点からその時点までは圧縮無効行程であるので、クランク室２内の余分に吸入した空気を通路２３により吸気通路４内へ戻してやる様にしても良い（但し、これは実行しないで、シリンダー内を完全掃気する為に使った方が効果的である）。

次に本発明による２サイクル内燃機関の各運転状態について述べる。
先ずエンジンの始動は点火プラグによる火花点火燃焼で行なわれ（本発明では着火時期は上死点又はそれ以降とするのが基本であるが、エンジン始動性向上の為、上死点前としても良い）。暖機完了後の低負荷域ではＰＣＣＩ燃焼法に切り換える（ＰＣＣＩ燃焼法でも均質混合気を使用するＨＣＣＩ燃焼法が望ましい。これはＮＯｘ発生が殆ど０となるからである）。この場合、アクチュエーター１９（例えば電磁ソレノイド）によって駆動される制御弁１８により通路１５を閉鎖する。従って高膨張比弁１６の開閉とは関係なくこの領域では圧縮比も膨張比と等しく、高い値である―（例えば１８）。本発明では２サイクル機関を採用しているから、圧縮開始の時点ではシリンダー内に多量の既燃ガスが残留しており（しかもピストン上昇により通路１５から残留ガスを排出しないから、この分多く）、従って高温であり、高圧縮比（１８）と相まって圧縮端温度が非常に高くなる。
かつ前述の様にＳ／Ｖ比が小さい為、冷却損失が少なく、従って容易にＨＣＣＩ燃焼を行なわせる事ができる。この場合、吸気絞り弁５によってクランク室２に吸入される吸気を絞る様にすれば、シリンダー内に更に多量の既燃ガスが残留する様になり、圧縮端温度を一層高める事ができる（クランク室圧縮仕事も減り、都合が良い）。
吸気絞り弁５はアクセル開度、エンジン回転速度、冷却水温等の条件によってその開度が最適制御されるが、これはアクチュエーター６（電動アクチュエーター）によって為され、ＥＣＵ１４は予め与えられた所定の特性に基いて吸気絞り弁５の開度を演算し、アクチュエーター６の回転角を制御する）。更にはクランク室２内へ吸入される吸気を排ガスと熱交換させて加熱すると、ＨＣＣＩ燃焼は容易となり、これはエンジン暖機運転にも優れた特性をもたらす。本発明では多点着火方式により超急速燃焼が可能であるから、エンジン暖機時は着火時期を大幅に遅らせて排ガス温度を高め、酸化触媒９の早期活性化を促がす事ができる。
ＨＣＣＩ燃焼法はＮＯｘの発生が殆ど０の為、高価なリーンＮＯｘ浄化触媒の必要がなく、排気中のＨＣ、ＣＯは酸化触媒９により浄化する事ができる。
ＨＣＣＩ燃焼法は低温の希薄燃焼である為、冷却損失が少なく、高効率運転が可能である。エンジンの中負荷域から高負荷域にかけては、ＨＣＣＩ燃焼法では燃焼圧力上昇率が過大となってノッキングを伴うから、これを避けＥＣＵ１４はエンジン負荷、回転速度などの運転条件により点火プラグによる火花点火燃焼に切り換える。この領域では制御弁１８はアクチュエーター１９により通路１５を開いた状態とする。従って圧縮比（有効圧縮比）は低下するが（１４位）膨張比は高いので（１８位）、熱効率の向上幅は大である。火花点火燃焼領域では点火プラグによる多点着火方式であり、前述の様に燃焼に要するクランク角が従来の１／３〜１／４．５の１５°位と超急速燃焼が可能である為、上死点又はそれ以降の着火が可能であり、ＮＯｘ発生を非常に低く抑えられ（ノッキングも発生しない）、リーンＮＯｘ浄化触媒を必要としない。エンジン中速域では希薄混合比を採用して更にＮＯｘ低減を図っても良く、エンジン高速域ではＮＯｘ発生の時間的余裕がないので、理論混合比とする。ＮＯｘの発生を完全に０にするには着火時期を更に遅らせば良く、一般には熱効率の低下を伴なうが、本発明では圧縮比よりも膨張比の方が高いので、熱効率に余裕があり、これは可能な手段であり、本発明の利点の１つである。上死点又はそれ以降の火花着火燃焼であるから、従来の様な上死点前の燃焼開始・燃焼圧力上昇がない為、この期間に相当する冷却損失や摩擦損失が少なく、高効率運転が可能である。尚、本発明ではＨＣＣＩ燃焼領域でも余り極低負荷の領域は使用しない様にする事が望ましく、これはシリーズ型ハイブリッド方式、レンジエクステンダー付電気自動車では容易に実施できるが、パラレル型ハイブリッド方式ではクラッチを設けてエンジンを停止させておき、バッテリーからの電力の供給を受けるモーターで走行する様にする事で達成される。図２（イ）に示す実施例は図１において高膨張比弁１６を含む横断面を上方から見た図に相当し、排気ポート８よりも上死点側にある通路２０を新設し、これを高膨張比弁１６により開閉し、ピストン１により排気ポート８が開かれる所定角度前のクランク角で通路２０を開く様にしている（通路２０は下死点近傍からは高膨張比弁１６により閉じられ、シリンダー内の既燃ガスを排出させない様にする）。エンジンの低負荷域ではアクチュエーター２２により閉鎖弁２１は開かれ、従って通路２０はピストンにより排気ポート８が開かれる所定角度前のクランク角で開かれるから、膨張比は低くなる（例えば１４）。
これによりシリンダー内の残留ガスはより高温に保たれ、低負荷域の広い範囲までＨＣＣＩ燃焼を引き起す事ができる（触媒の酸化作用が高まる）。中・高負荷域では閉鎖弁２１を閉鎖する様にして高膨張比とする（例えば１８）。若干の熱効率悪化を招くが、ＨＣＣＩ燃焼領域の拡大の利点がある。この閉鎖弁２１はエンジン暖機中も開く様にすると触媒の活性化を促がす事ができる。尚、図１では図２（イ）の通路２０を設けていないから、膨張比が高く（例えば１８）、従って排ガス温度が低く、エンジン暖機時には触媒を電気ヒーターで加熱して活性化を促がす手法もある（膨張比が高い為、この熱効率向上分を電気ヒーターによる触媒加熱エネルギーに振り分ける）。図２（ロ）は高膨張比弁１６が高温になるのを防ぐ断熱構造としたもので、高膨張比弁１６の排ガスに接触する部分２４を図２（ハ）の如く空気層２５を挟んで断熱構造としている。２６はガスケットでありネジ止めされている。図２（ニ）は図１の高膨張比弁１６をスライド弁式としたもので、スライド弁２７はカム２８により駆動され、図１の高膨張比弁１６と同じタイミングで通路１５を開閉する。

図１では高膨張比弁１６によりタイミングを取ってシリンダー内の残留ガスを一定量排気ポート８内へ押し戻していたが、これを低負荷域においてクランク室２内などの吸入側へ押し戻す方式も考えられ、これを図５に示す。即ち、図５において高膨張比弁３０はクランク軸と例えば回転比１／１で駆動され、通路２９は図１の通路１５と同じ高さにあり、高膨張比弁３０は下死点前の所定のクランク角から少なくともピストンにより排気ポート８が開かれる近傍のクランク角までは通路２９を閉じており、ピストンの上昇に従って所定のクランク角まで通路２９を開いてシリンダー内の残留ガスをクランク室２内などの吸入側（吸気通路４内でも良い）へ押し戻す様に構成されている。エンジンの低負荷域では切り換え弁３２によりクランク室２内へ通ずる通路３１は開かれ、排気ポート８へ通ずる通路３３は閉じているから、ピストンの上昇に従ってシリンダー内に残留した残留ガスは一定量クランク室２内へ押し戻される。従ってクランク室２内のガス温度は上昇し、掃気によるシリンダー内ガス温度低下を抑え、ＨＣＣＩ燃焼を引き起し易くするのに有効である。３５はリード弁（逆止弁）である。中・高負荷域ではアクチュエーター３４により駆動される切換え弁３２によって通路３１を閉じて通路３３を開き、排気ポート８内へ排出させる（クランク室２内へ押し戻す事は中・高負荷域では有害である故）。これにより吹き抜けた空気は触媒９の温度上昇を抑え、耐久性を増す（従来の様に混合気を濃くして温度上昇を抑える手法は不要である）。これは図１の場合も同様の効果を有する。図５の場合も図１の場合も、低負荷域では掃気後のシリンダー内残留ガスが排気ポート内へ排出されない為、触媒の活性化を妨げる事はない。ところで２サイクル機関では掃気時に新気の吹き抜けがあり（排気温度を下げ、解媒の機能を低下させる）、これを防ぐには排気ポートを掃気ポートよりも早く閉じてやる事が有効で、これを高膨張比弁１６（又は３０）により行なう様にした実施例を図６（イ）に示す。即ち、図６（イ）は高膨張比弁１６により行なう様にしたもので、排気ポート８は高膨張比弁１６により掃気ポート７より早く閉じる様にタイミングが設定され、新気の吹き抜けを防止する。但し、これはＨＣＣＩ燃焼領域においてのみ有効で、火花点火燃焼領域では通路１５から吹き抜ける為、効果はない。図６（イ）において高膨張比弁１６を含む横断面を上方から見た図を図６（ロ）に示す。図６（ロ）のＡ−Ａ′線断面を示す図６（ハ）の如く、この断面には高膨張比弁１６により開閉される通路１５が形成され、これは図１で説明した通りなので詳細は省略する。図６（イ）においても図２（イ）における通路２０を形成して、これを高膨張比弁１６により開閉してＨＣＣＩ燃焼領域において膨張比を低下させ、ＨＣＣＩ燃焼領域を拡大する様にしても良い。尚、高膨張比弁１６、３０は１次慣性力を除去してエンジン振動を軽減させる為のバランサー軸として利用する事ができる。

次にＨＣＣＩ燃焼は圧縮上死点近傍で燃焼が発生する様にする事が望ましく、過度に進むとノッキングの原因となるので、燃焼時期を制御する方法について説明する。即ち、図１の本発明においては図７の様に通路１５に制御弁３８を備え、これをＥＣＵ１４からの制御信号に応じて作動するアクチュエーター３９により駆動し、その開度を制御するのである。ＨＣＣＩ燃焼領域（低負荷域）において燃料噴射量の増加によりノッキングが発生する状態になると、これを図示しないノックセンサーが検出して（この他、点火プラグ周辺のイオン電流を測定し、低温酸化反応の発生量により電流値が上昇する現象を利用して検出する方法もある）制御弁３８の開度を大きくし、それによりシリンダー内ガスを排気ポート８内へ逃して有効圧縮比を低下させたのと同様の効果を生じさせ、ノッキングを未然に防止するのである。この場合、図１の制御弁１８は制御弁３８を全閉とする事により制御弁１８を閉じたのと同じ状態となるから、不要である。
火花点火燃焼領域では制御弁３８を全開状態とする。尚、図１の制御弁１８をアクチュエーター１９によりその開度を連続的に制御する様にすれば、制御弁３８の代りにこれを使う事ができる。以上は図６の場合にも同様に適用される。

ところで本発明の特徴の１つは火花ギャップの着火時期を上死点又はそれ以降とするところにあるが、これを従来と同様に上死点前としたらどうなるかを考えてみる（火花ギャップは１点でもそれ以上でも数は問わない）。
即ち、着火時期を上死点前とすると最高燃焼圧力・温度が上昇することにより冷却損失、摩擦損失が増加して、熱効率が低下すると共に火花点火燃焼領域ではＮＯｘが多量に発生する事になる。
しかしながら低負荷域では熱効率の高いＨＣＣＩ燃焼法を可能にしていること、しかもその燃焼発生時期を最適制御できること、圧縮比より高い膨張比を採用していることなどの理由により従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。火花点火燃焼領域で発生するＮＯｘはリーンＮＯｘ浄化触媒により低減させる事ができる。
以上の如く本発明より若干の後退になるが、従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。

本発明による高効率内燃機関の構造を示す図。本発明の各種実施例を示す図。燃焼室を示す図。燃焼室における火花ギャップのレイアウトを示す図。本発明による高効率内燃機関の構造を示す図。本発明による高効率内燃機関の構造を示す図。本発明による高効率内燃機関の部分図である。

１はピストン、２はクランク室、３はリード弁、４は吸気通路、５は吸気絞り弁、６・１９・２０・３４・３９はアクチュエーター、７は掃気ポート、８は排気ポート、９は触媒、１０は燃料噴射弁、１１は燃焼室、１２はスキッシュ部、１３は点火プラグ、１４はＥＣＵ、１５・２０・２３・２９・３１・３３は通路、１６は高膨張比弁、１７は閉鎮部、１８・３８は制御弁、２１は閉鎮弁、２２はアクチュエーター、２４は排ガスと接触する部分、２５は空気層、２６はガスケット、２７は高膨張比弁（スライド式）、２８はカム、３０は高膨張比弁、３２は切換え弁、３５はリード弁、３６は不導体板、３７は火花ギャップ、Ｇ_０・Ｇ_１・Ｇ_２・Ｇ_３・Ｇ_４は火花ギャップである。

Claims

空気によりシリンダー内を掃気する２サイクル内燃機関において、燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませる多点着火方式とし、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に排気ポートよりも上死点側の位置にあるシリンダー壁面に開口する通路に高膨張比弁を備え、この高膨張比弁は下死点前の所定のクランク角から少なくともピストンにより前記排気ポートが開かれる近傍のクランク角までは前記通路を閉じており、ピストンの上昇に従って所定のクランク角まで前記通路を開いてシリンダー内の残留ガスを排気ポート内へ排出する様に構成し、予混合圧縮着火燃焼領域では前記通路を制御弁により閉じて有効圧縮比を高め、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換えることを特徴とする高効率内燃機関の構造。
排気ポートよりも上死点側の位置にあるシリンダー壁面に開口する通路に制御弁を備え、予混合圧縮着火燃焼領域において前記制御弁の開度を調整して燃焼時期を制御する様にした請求項１記載の高効率内燃機関の構造。
空気によりシリンダー内を掃気する２サイクル内燃機関において、燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませて多点着火方式とし、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に排気ポートよりも上死点側の位置にあるシリンダー壁面に開口する通路に高膨張比弁を備え、この高膨張比弁は下死点前の所定のクランク角から少なくともピストンにより前記排気ポートが開かれる近傍のクランク角までは前記通路を閉じており、ピストンの上昇に従って所定のクランク角まで前記通路を開いてシリンダー内の残留ガスを火花点火燃焼領域では排気ポート内へ排出し、予混合圧縮着火燃焼領域ではクランク壁内などの吸入側へ戻す様に構成し、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件によって予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする高効率内燃機関の構造。