JP3114353U - 排ガス迂回制御機構を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン効率、燃費を向上させると同時に、排気ガスの残留黒煙濃度を減少させた内燃機関を提供する。
【解決手段】各気筒のシリンダ排気管の側壁に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を共通の迂回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御室を介して連通させる。これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる排気筒からの大気の縮爆圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管内の加圧排ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出させて排気抵抗を吸収する。他方、迂回制御室の余剰圧力ガスの一部を他の通気路を介して他のシリンダ排気管に送り出し全体の迂回過程で排ガスの燃料と空気を均一に混合させて再燃焼させることにより完全燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本考案は複数の気筒を備えたディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスエンジンなどの内燃機関の改良に関し、特に、燃焼排ガスの放出を円滑にしてエンジン効率を向上させるとともに、排気ガス中の残留黒煙濃度を飛躍的に減少させた内燃機関に関する。

複数の気筒を備え、シリンダ内の燃料爆発力を利用する内燃機関は古くからディーゼル車、ガソリン車、プロパン車などのエンジンとして広く使用されている。
この種の内燃機関は各々の気筒に設けた独自のシリンダ排気管を共通排気噴射筒に連通させて車両の後方へ延長させ、所定のタイムラグで各気筒から次々と噴射される爆発排気ガスを大気中に放出している。

この場合、各シリンダ排気管に放出される燃料の爆発排気ガスが爆発的な強い圧力で排気筒から噴射されると、その反動で爆発噴射直後に周囲の大気が縮爆によって急激に中心に圧縮され、その影響で圧力気体が排気筒内に逆流して排気中のシリンダ排気管の排気抵抗が高まり、エンジンの円滑な作動が干渉される。このため、単位時間当りの回転数に制約を受けるなど、エンジン効率に問題がある。
特に、ディーゼルエンジンは燃料圧縮比が大きいことから爆発力が強いため縮爆の影響がより大きく、通常走行ではせいぜい３０００回転／min程度が限度である。

ここでいう「縮爆」とは爆発によって流体が外側に向けて押し出された直後に、押し拡げられた流体がその反動として元のエリアに一気に（爆発的に）縮合する現象を意味する。

他方、内燃機関は時により燃料の不完全燃焼により黒煙などの有害ガスを多く放出することもあり、特にディーゼルエンジンでは黒煙やNoxの放出は環境汚染の面で社会問題になっている。

従って、本考案の第１の目的は、排気ガスの噴射の反動として生ずる縮爆（インプロージョン）に起因する排気干渉を抑制することによってエンジン効率を向上させることにある。

本考案の第２の目的は、高圧シリンダ排気管に噴射された不完全燃焼排ガスの一部を他の低圧時のシリンダ排気管に迂回させて次の爆発時の高温排気ガスで燃焼させるとともに、迂回の過程で空気と燃料が均一に混合した状態で燃焼させることにより黒煙などの不完全燃焼排ガスの放出を抑制することを目的とする。

本考案の第３の目的は、特にディーゼルエンジンの燃費を向上させることにある。

本考案の他の目的は、排気ガスの窒素酸化物（Nox）を減少させることにある。

上記第１乃至第３の目的を同時に達成するために、本考案の内燃機関は、所定のタイムラグをもってピストン作動する複数のエンジン気筒と各エンジン気筒の排気管に通ずる共通の排気筒を装備した内燃機関において、エンジン本体の各気筒のシリンダ排気管に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を共通の迂回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御室を介して連通させ、これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる排気筒からの大気の縮爆圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管内の加圧排ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出されるとともに、迂回制御室の余剰圧力ガスの一部が他の通気路を介して低圧時のシリンダ排気管に送り出される構成としたことを特徴とする。

本考案の内燃機関の製作にあたっては、好ましくは、エンジン本体の各気筒排気口に連通する各々のシリンダ排気管と、各排気管から分岐した通気路と、各々の通気路に連通する共通の迂回制御室と、各々の各シリンダ排気管に連通する共通の排気筒接続口とを一体のケーシング内に形成し、このケーシングの各シリンダ排気管と各気筒排気口が連通するようにしてエンジン本体に結合してもよい。

前記迂回制御室に逆止弁を有する空気注入手段を設け、該迂回制御室の排ガスに酸素を供給してもよい。

前記他の目的を達成するために、迂回制御室に逆止弁を有するアルカリ成分注入手段を設け、アルカリ成分で排ガス中の窒素酸化物を除去するようにしてもよい。

本考案の内燃機関は、爆発排ガスの噴射直後に、排気筒排気口周囲の気体の縮爆によって生ずる圧縮気体が排気中のシリンダ排気管に入り込むと、抵抗圧を受けたシリンダ排気管の排ガスの一部が通気路を通って共通の迂回制御室に流れる。このため、排気管の排ガスには縮爆の抵抗がかからずスムーズに放出されるのでエンジン回転速度が上昇する。その結果、車の高速化、燃費の改善などのエンジン効率が著しく向上するほか、噴射と縮爆によるマフラーや排気管の振動が抑制される。

他方、前記噴射シリンダ排気管の排ガスの一部を受け入れた迂回制御室の排ガスは圧力上昇によりその一部がその時点の低圧シリンダ排気管に迂回されて滞留しているが、排ガスが不完全燃焼の場合は当該シリンダ排気管に次工程の高温高圧排ガスが噴射されると滞留していた前記排ガスが、高温高圧排ガスの熱によって再燃焼して放出されるので不完全燃焼による黒煙の排出が減少する。

エンジンの各気筒は、時間差をおいて、燃料吸引工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程が次々と瞬間的に連続して行われる。黒煙の主たる原因は空気と燃料の混合不良によるが、本考案は、シリンダ排気管、通気路及び迂回制御室をめぐる迂回排ガスの流れがルートを変えて高速で連続して行われるので、迂回の過程で不完全燃焼ガス中の空気と燃料が均一に混合される。このため、迂回制御室からシリンダ排気管に迂回された排ガスは不完全燃焼の原因が除去されており黒煙が発生しないので排ガス抵抗の抑制と相俟って一石二鳥の効果がある。

さらに、前記迂回制御室に空気注入手段を設けた場合は排ガスに酸素が供給され、不完全燃焼がさらに改善される。

また、前記迂回制御室にアルカリ成分添加手段を設けておくと、排ガスが高温で完全燃焼した場合に、排ガス中のNoxを中和させ、排ガス中のNox含有率を改善させることができる。

本考案はディーゼルエンジン、ガソリンエンジンあるいはガスエンジンなどの内燃機関のいずれにも適用することとができるが、特にディーゼルエンジンに使用したときに顕著なエンジン効率の向上が得られる。

以下、本考案の実施例を添付の図面に基づいて説明する。
図１は車のエンジンに本考案を適用した内燃機関１の概略構成を示すもので、この内燃機関１は所定の時間差をもって燃料の吸入、圧縮、爆発、排気のエンジン工程を行う気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えた４気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体２を例示している。
図は省略したが、各々の気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄには内部軸方向にピストンが往復摺動可能に挿入されている。これらのピストンの先端はエンジンクランクシャフトに連結されており、時間差をもって爆発する各気筒のピストンの往復運動によりエンジンクランクシャフトを回転させ所定の出力が得られるようになっている。
エンジン本体２の各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは各々独自のシリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを備えており、これらシリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは車両（図は省略）の後方に向けて延びる共通の排気筒４に連通させ、各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの爆発燃焼排ガスを逐次外気へ噴射状に放出される（外向き矢印参照）。
なお、符号５はマフラーである。

このような内燃機関において、本考案はエンジン本体２の各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのシリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの排気口付近の側壁に各々細い通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの一端側を内部と連通させるとともに、これら通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの各々の他端を、別途装備した共通の迂回制御室７に連通させてある。

通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはシリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの内径の約３分の１から３分の２程度の内径が適しており、細過ぎると通気路の通りが悪くなり、太過ぎると排気のバランス等が悪くなる。また、図１の実施例では、通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、好ましくはステンレスパイプを用いて両端を各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの側壁と迂回制御室７の壁に固定する。
かくして、各々のシリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは各自の通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと迂回制御室７を介して連通している。

図２及び図３は、本考案の他の実施例を示すもので、この実施例では各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、これら排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄからそれぞれ分岐した通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、共通の迂回制御室７と、各排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに連通する排気筒４の排気口１１とを共通のケーシング１０内に組み込み、このケーシング１０を、各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが連通するようにしてエンジン本体２に一体に結合して、各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを前記通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと共通迂回制御室７を介して連通させたものである。

図２、図３の実施例は図１実施例の変更例であり、考案の原理技術思想及び作用効果には共通性があるが、部品点数が少なくて済み、一体としてコンパクトにエンジン本体２に取り付けることができる点で、製造上の利点がある。
なお、図２、図３において、実線矢印は爆発排気ガスの流れ、点線矢印は縮爆による気体の流れを示し、複数の気体の吸入、圧縮、爆発、排気が連続して瞬間的に行われることを概略的に図示している。

次に本考案の内燃機関の作用を説明する。
エンジン本体２が始動すると各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの内部で燃料が時間差を持って順次爆発し、各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから順次排ガスが爆発的に噴射され排気筒４から大気中に放出される。このように排ガスが爆発的に放出されるとその直後に爆発の反動として排ガスで押し開いた外側気体が瞬間的に縮爆し、縮爆圧縮で生じた圧力が排気筒４に作用し（内向き矢印参照）、排ガス放出の抵抗力として働く。
このため従来の内燃機関は、各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの爆発に伴ってこの現象が連続的におこるため、排ガスのスムースな流出がされる。したがって、エンジンに無駄な負荷がかかり、回転数／時間が制約される大きな原因となっているとともに、瞬間的な爆発と縮爆の連続により排気管やマフラーが小さな振幅で激しく振動する原因になっている。

本考案は、各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを通気路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと迂回制御室７を介して連通させてあるので、例えば、エンジン気筒２ａから排ガスが爆発的に噴射された直後に、大気の縮爆で排気筒４に圧縮ガスが入り込みエンジン気筒２ａの内圧が上昇するとシリンダ排気管３ａの加圧ガスの一部が通気路６ａを介して瞬間的に迂回制御室７へ流れ、排気筒４の圧力が吸収される。他のシリンダ排気管３ｂ、３ｃ、３ｄに爆発噴射工程が移行した場合も同様に加圧排ガスは通気路６ｂ、６ｃ、６ｄから迂回制御室７へ流れ、排気筒４の圧力が吸収される。

かくして、シリンダ排気管及び排気筒４は縮爆による抵抗が生じないので、各シリンダ排気管３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの排ガスはスムースに排出され、エンジン回転数が増大し、エンジン効率が高まる。

他方、迂回制御室７の内部圧が高くなった状態でシリンダ排気管３ａの排ガスが迂回制御室７へ流れると、迂回制御室７の排ガスの一部は他の低圧状態（例えば吸気工程）のシリンダ排気管３ｂ、３ｃあるいは３ｄに押し出される。
迂回制御室７から通気路を介してシリンダ排気管へ迂回された排ガスが不完全燃焼ガスである場合は、排ガス迂回先のシリンダ排気管から燃焼排ガスが噴射されると通気路を介してそこに流出していた不完全燃焼ガスは噴射ガスの高温で再燃焼して排気筒４から放出される。従って、排ガスの完全燃焼あるいは再燃焼により、黒煙等の有害物質の放出が抑制される。この場合、シリンダ排気管から迂回制御室７へ流入し、迂回制御室７から各シリンダ排気管に供給される排ガスは迂回の過程で空気と燃料が均一に混合されているので完全燃焼し、黒煙の発生がなくなる。

図４は本考案の他の実施例を示すもので、この実施例では迂回制御室７に、制御室側に開く逆止弁８を備えた空気（酸素）注入手段９が設けられる。このため、迂回制御室７の排ガスに酸素が補給されることにより通気路を通して迂回された排ガスの完全燃焼化がより効率的に行われる。

図５のように、燃料が完全燃焼して高温で排出される場合には、迂回制御室７にアルカリ成分注入手段１２から重曹などのアルカリ成分を添加すると、中和でNoxが除去される。

以下に、本考案を車両エンジンに使用した場合の性能、エンジン効率について説明する。
実験例１．
実験対象車両 ディーゼル乗用車
車種 日産自動車（株）製「ブルーバード」（商標）平成４年製造
搭載エンジン 四サイクル４気筒ディーゼルエンジン
総排気量 １９７３cc
エンジン出力 ４８００回転／分 ７６馬力（新車の時点）
燃費 （重油） 約１２km／リットル
排気ガス中のディーゼル残留黒煙濃度 ５５％
排気筒の振動 上下、左右に激しい振動が見られた。
上記ディーゼル乗用車の各シリンダ排気管に排気管内径の３分１の内径のステンレス製通気路を連通させ、エンジン近傍のフレームに別途配置した密閉中空の迂回制御室に前記各通気路の他端を連通させて図１実施例の内燃機関の構造に改造した。
この改造車の走行実験結果は以下の通りである。
エンジン出力 ５５００回転／分
燃費 （重油） 約１６km／リットル
排気ガス中のディーゼル残留黒煙濃度 ３％以下（３％以下感知不能）
排気筒の振動 従来の激しい振動はほとんど認められない。
上記の改造エンジンは始動時でも排気筒からはディーゼルエンジン特有の黒煙の放出が見られず、排気ガスはガソリン車よりも薄い燃焼ガスの色合いであった。
なお、限界までの走行試験は危険が予想されるため断念したが、時速１８０km以上も想定され、ガソリンエンジンを超える異質のエンジンの感があった。

本考案の内燃機関は、エンジン出力、速度、燃費が著しく改善され、エンジン効率が向上するとともに、完全燃焼が促進され、有害物質の放出が改善される。
特に、ディーゼルエンジンに適用したときにその効果が大きく、ディーゼル車のエンジン効率アップ及び排気規制に貢献できるものである。

本考案の実施例による内燃機関の概略構成図 本考案の他の実施例による内燃機関の概略構成図（縦断面図） 図２実施例のＡ−Ａ断面図 本考案の他の実施例による内燃機関の概略構成図 本考案の他の実施例による内燃機関の概略構成図

符号の説明

１…内燃機関
２…エンジン本体
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…気筒
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…シリンダ排気管
４…排気筒
５…マフラー
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…通気路
７…迂回制御室
８…逆止弁
９…空気注入手段
１０…ケーシング
１１…排気口
１２…アルカリ成分注入手段

Claims (4)

1. 所定のタイムラグをもってピストン作動する複数のエンジン気筒と各エンジン気筒の排気管に通ずる共通の排気筒を装備した内燃機関において、エンジン本体の各気筒のシリンダ排気管に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を共通の迂回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御室を介して連通させ、これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる排気筒からの大気の縮爆圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管内の加圧排ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出されるとともに、迂回制御室の余剰圧力ガスの一部が他の通気路を介して低圧時のシリンダ排気管に送り出される構成としたことを特徴とする内燃機関
2. エンジン本体の各気筒排気口に連通する各々のシリンダ排気管と、各排気管から分岐した通気路と、各々の通気路に連通する共通の迂回制御室と、各々の各シリンダ排気管に連通する共通の排気筒接続口とを一体のケーシング内に形成し、このケーシングの各シリンダ排気管と各気筒排気口が連通するようにしてエンジン本体に結合したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関
3. 前記共通の迂回制御室に、制御室側に開く逆止弁を備えた空気注入手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関
4. 前記共通の迂回制御室に、制御室側に開く逆止弁を備えたアルカリ成分注入手段を設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の内燃機関

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