JP3799920B2 - ４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関に係り、特に圧縮着火が困難な主燃料と、自己着火性に優れた副燃料とを用いる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同時に複数種の燃料を燃焼させる内燃機関として、例えば特許第２８６４５２６号公報に開示されているように、主燃料としてガソリン、着火用副燃料として軽油を利用し、それぞれの燃料の噴射時期や噴射量を制御することで、機関のエミッション性能の向上、燃費の改善を図った複燃料ディーゼル機関が知られている。
【０００３】
特に圧縮着火内燃機関において、セタン価の異なる複数種の燃料を使用する主な利点は、予混合的な燃焼でありながら運転可能負荷範囲を広くできるという点にある。
【０００４】
予混合燃焼は拡散燃焼と比較して、すすやＮＯｘの生成を大幅に低減させることができるので低エミッション化のためには望ましい燃焼形態であるが、単一セタン価の燃料一種のみで予混合気を圧縮着火させようとすると、高セタン価燃料の場合は着火性が非常に良いためにリッチ混合気はノック発生により制限されて、使用可能運転負荷範囲は低負荷に限られる。
【０００５】
これとは逆に、低セタン価燃料は着火性が低いためリーン混合気は失火により制限されて、負荷範囲は高負荷に限られることになる。
そこで運転可能な負荷範囲を広げる目的でセタン価の異なる２種の燃料を用いて、両燃料の混合あるいはそれぞれの燃料を噴射する方法がしばしばとられる。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のディーゼル機関では、主燃料のガソリンと副燃料の軽油の２種の燃料それぞれに対して燃料タンク、加圧ポンプ、および燃料配管を必要とするので、製造コストの上昇、車両の重量増、給油時の煩雑さ等の不可避の問題点があった。
また、重量増の影響で車両の燃料消費率を悪化させ、ランニングコストをも上昇させるという問題点があった。
さらに、２系統の燃料系を備えることで機関の構成部品の複雑化は必至であり、メンテナンス性は著しく低下するという問題点があった。
【０００６】
上記従来の問題点に鑑み本発明の目的は、製造コストの増加、車両の重量増加、及び運用コストの増加を回避しつつ、複燃料による混合気の着火時期制御や熱発生速度の調整が可能となり、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果として低燃費化、低エミッション化を実現できる内燃機関を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、
ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、上記混合気形成用として、低セタン価の主燃料と副燃料としてのエンジンオイルとを同一燃焼サイクル中に燃焼室内に供給することが可能な燃料供給手段を備え、前記主燃料と前記エンジンオイルとのそれぞれの供給量および供給時期を調整可能でかつ、前記主燃料に対する前記副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、低回転低負荷時には、高回転または高負荷時よりも多くすることを要旨とする４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関である。
【０００８】
上記課題を解決するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料に副燃料としてのエンジンオイルを混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【０００９】
上記課題を解決するため請求項３記載の発明は、請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記副燃料としてのエンジンオイルを筒内に直接噴射可能な副燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【００１０】
上記課題を解決するため請求項４記載の発明は、請求項１または請求項３記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料を筒内に直接噴射可能な主燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記課題を解決するため請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、吸気通路内に電子制御式スロットル弁、燃焼室内に点火プラグをそれぞれ備えたことを要旨とする。
【００１２】
上記課題を解決するため請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、エンジンオイルを貯留するエンジンオイル貯留器と、該エンジンオイル貯留器から開閉弁を介して連通可能なサブオイルタンクと、該サブオイルタンクより副燃料としてのエンジンオイルを吸引して前記燃料供給手段に供給する副燃料ポンプと、を備えたことを要旨とする。
【００１３】
〔作用〕
本発明は、内燃機関の本体潤滑用として一般的に用いられているエンジンオイルの主成分がガソリンに比べて分子量の大きい直鎖飽和炭化水素であり、この種の成分は一般的に反応性が高く、つまりセタン価が高いことに相当するという点に着目してなされたものである。
【００１４】
本発明においては、機関本体の潤滑用のエンジンオイルを副燃料として利用し、副燃料供給系統として潤滑系統を極力利用する構成としているため、従来の複燃料ディーゼル機関のように新たにもう１系統の燃料系を装備することなく、複燃料による混合気の着火時期制御や熱発生速度の調整が可能となり、コストアップや重量増を回避しつつ、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果として低燃費化、低エミッション化を実現した内燃機関を提供することができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、上記混合気形成用として、低セタン価の主燃料と副燃料としてのエンジンオイルとを同一燃焼サイクル中に燃焼室内に供給することが可能な燃料供給手段を備え、前記主燃料と前記エンジンオイルとのそれぞれの供給量および供給時期を調整可能でかつ、前記主燃料に対する前記副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、低回転低負荷時には、高回転または高負荷時よりも多くすることにより、副燃料のための第２の燃料系のすべてを新設することなく、エンジン本体の潤滑系の小改造のみによって複燃料運転が可能となるため、新たに第２の燃料系を設ける場合に比べて格段に製造コストを低減することができ、さらに機関の構成部品の増加が回避されるために車両全体の重量増を回避しつつ、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果的に燃料消費率を改善し運動性能を向上するという効果がある。
【００１６】
また装置の複雑化も回避されるために、燃料系を２系統設ける場合に比べて各段にメンテナンス性を向上させる効果がある。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料に副燃料としてのエンジンオイルを混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたので、燃焼室内に供給される混合気中の副燃料成分の濃度を均一化することで燃料分布の偏りの影響を消すことができるので、混合気全体の着火性を最適に調整することが可能となり、未燃分の排出量を低減し、排気性状を改善する効果がある。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記副燃料としてのエンジンオイルを筒内に直接噴射可能な副燃料噴射弁を備えたことにより、副燃料成分であるエンジンオイルの噴射時期や噴射率を、主燃料の噴射によらず自由に変更することが可能となるため、混合気の着火時期、すなわち燃焼開始時期と着火後の燃焼による熱発生速度をノックを回避しつつ熱効率が最高になるような最適値に調整することができ、機関の燃料消費率を大きく改善する効果がある。
【００１９】
また、主燃料成分に対する着火源としての役割を担う副燃料噴霧をコンパクトにまとめることが可能となるため、副燃料であるエンジンオイルの消費量を微少にすることができ、結果としてユーザーがエンジンオイルを補充する頻度が低くなり、日常のメンテナンス性も良好となる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１または請求項３の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料を筒内に直接噴射可能な主燃料噴射弁を備えたことにより、主燃料を筒内で気化させる際に周囲から潜熱を奪う効果で吸気の密度が高まり、充填効率が向上するために機関の出力を向上する効果がある。
【００２１】
また筒内の温度を低下させるため、耐ノック性が向上するという面から圧縮着火時の混合気のリッチ化が可能となり、さらに出力を向上できるという相乗効果をも得ることができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４の発明の効果に加えて、吸気通路内に電子制御式スロットル弁、燃焼室内に点火プラグをそれぞれ備えたことにより、機関を高回転運転するときには燃焼速度の点で高回転時に有利な火花点火燃焼に切り替えることが可能となるので、高回転域のトルクを十分確保することができ、機関の最高出力も従来の圧縮着火機関と比較して大幅に向上できるという効果がある。
【００２３】
また万が一副燃料の供給装置などに異常が発生し、圧縮着火燃焼運転が困難になった場合であっても、いつでも火花点火燃焼運転に切り替えることが可能なので、機関の信頼性を高めることもできる。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５の発明の効果に加えて、エンジンオイルを貯留するエンジンオイル貯留器と、該エンジンオイル貯留器から開閉弁を介して連通可能なサブオイルタンクと、該サブオイルタンクより副燃料としてのエンジンオイルを吸引して前記燃料供給手段に供給する副燃料ポンプと、を備えたことにより、エンジンオイル交換時には、開閉弁を開いて古いエンジンオイルをサブタンクへ移すことにより、従来のようにエンジンオイル交換時に廃油が出ることがなくなるため、従来廃油処理のためにユーザが負担していた費用や手間を全くなくすことができるという効果がある。
【００２５】
また廃油が出ないということは、廃油が不法に投棄されるのを防止することにもつながるので、土壌汚染等の環境への影響も極力少なくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。実施形態においては、特に限定されないが、シリンダブロックの下部にエンジンオイル貯留器としてのオイルパンを設けたウェットサンプ式の潤滑機構を備えている。また主燃料としては、特に限定されないがガソリンを用いる場合を示している。
【００２７】
図１は、本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第１の実施形態を説明するシステム構成図である。
図１において、シリンダブロック１、シリンダヘッド２、及びピストン３は、燃焼室４を形成している。燃焼室４に連通する吸気ポート５には、吸気バルブ６が設けられ、排気ポート７には、排気バルブ８が設けられている。
【００２８】
吸気ポート５の上流側には吸気通路１０が接続されており、この吸気通路１０には上流側から、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１と、吸気ポート５内に燃料を噴射する燃料噴射弁９とを配設してある。
【００２９】
機関下部にあるオイルパン１３内はエンジンオイルが貯留され、エンジンオイルはストレーナ１４から吸引されオイルポンプ１５で油圧が与えられ、オイルフィルタ１６で不純物を取り除いてから機関本体の潤滑箇所各部に送られる。
【００３０】
副燃料として利用されるエンジンオイル分はオイルフィルタ１６を通過後、流量調整用電磁弁１７で流量が調整されて燃料混合室１２に送られ、燃料混合室１２で主燃料であるガソリンと混合された後、混合燃料が燃料噴射弁９より噴射される。
【００３１】
燃料混合室１２には、例えば、比較的低燃圧の主燃料であるガソリンが図示されない逆流防止弁であるチェックバルブを介して供給され、比較的高燃圧の副燃料であるエンジンオイルが図示されないノズルを介して供給される。これによりガソリン内に比較的高圧のエンジンオイルが吹き込まれ、両者が混合した混合燃料が形成されるようになっている。
【００３２】
エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）１８には、機関運転状態を示す信号として、回転数信号、負荷信号、油水温信号、空気量信号、油圧信号等が各種センサから入力されている。
【００３３】
上記ＥＣＵ１８内には、上記の各種の入力信号に基づいて機関回転数及び要求負荷を判断するとともに、この判断結果に基づいて必要な燃料量及び副燃料混合比を演算処理する燃料供給制御部が設けられている。この燃料供給制御部は、配線論理（ワイヤード・ロジック）または、マイクロコンピュータとプログラムの組合せにより構成されている。
【００３４】
そして、燃料供給制御部は、流量調整用電磁弁１７に制御信号を出力して副燃料流量を調整することにより主燃料に対する副燃料の混合比を制御するとともに、燃料噴射弁９に制御信号を出力して燃料噴射量及び噴射時期を調整することで、機関の運転状態に応じて燃焼室内の混合気の燃焼特性（着火性）を変化させることができる。
【００３５】
主燃料としてのガソリンに対する副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、アイドリング等の低回転低負荷時には多く、高回転または高負荷時には少なくなるように制御し、その範囲は、例えば１％ないし５％程度である。
【００３６】
図２は、本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第２の実施形態を説明するシステム構成図である。
この実施形態にあっては、前記図１の第１実施形態の構成に対し、副燃料を燃焼室４内に直接噴射可能な副燃料噴射弁１９がシリンダヘッド２に取り付けられており、燃料噴射弁９では主燃料のみを噴射する。さらに、副燃料噴射弁１９の噴射時期及び噴射量をＥＣＵ１８から制御できるようになっている。
【００３７】
このような構成を持つことによって、副燃料成分であるエンジンオイルの噴射時期や噴射率を主燃料の噴射によらず自由に変更することが可能となるため、混合気の着火時期（＝燃焼開始時期）と着火後の燃焼による熱発生速度を、ノック回避かつ熱効率が最高になるような最適値に調整することができるようになる。
【００３８】
図３は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、燃料噴射弁９を廃止する代わりに主燃料を燃焼室４内に直接噴射可能な主燃料筒内直接噴射弁２０がシリンダヘッド２に取り付けられている。
【００３９】
シリンダヘッド２上の主燃料筒内直接噴射弁２０と副燃料噴射弁１９との配置は、図３に示したように、副燃料噴射弁１９側が排気弁８側に位置するように配置する方が副燃料噴霧の昇温及び着火が促進されるので好ましい。また主燃料筒内直接噴射弁２０と副燃料噴射弁１９との距離については、着火した副燃料から主燃料の燃焼への移行を容易にするため、ボア半径以下とすることが好ましい。
【００４０】
このような構成を持つことによって、第１実施形態の効果に加えて、主燃料を筒内で気化させる際に潜熱を周囲から奪う効果で吸気温度を低下させて密度を高めることができ、充填効率が向上する。
【００４１】
図４は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第４実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、吸気通路１０内のエアフローメータ１１下流側に吸入空気流量をＥＣＵ１８から制御することのできる電子制御式スロットル弁２１を備え、燃焼室４内の混合気を電気火花によって点火することのできる点火プラグ２２がシリンダヘッド２に取り付けられている。
【００４２】
このような構成を持つことによって、特に機関を高回転運転するときには副燃料供給を中断して圧縮着火燃焼を中止し、要求負荷に応じた吸気量を電子制御式スロットル弁２１で調整しつつ点火プラグ２２で適切な時期に電気火花を与えることで、燃焼速度の点で高回転時に有利な火花点火燃焼に切り替えることが可能となる。
【００４３】
図５は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第５実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、エンジンオイル貯留器であるオイルパン１３の横下方にサブオイルタンク２３を隣接設置し、サブオイルタンク２３とオイルパン１３とはオイル抜き取り用開閉弁２４を介して連通することができるようになっている。
【００４４】
サブオイルタンク２３内の副燃料としてのエンジンのオイルは副燃料ポンプ２５によって吸引・加圧され、サブオイルフィルタ２６により濾過され、流量調整用電磁弁１７で流量が調整された後、燃焼室４内に直接噴射可能な副燃料噴射弁１９に送られる。
【００４５】
このような構成を持つことによって、特に運転の繰り返しを経てエンジンオイルが劣化した場合、オイル抜き取り用開閉弁２４を開いて古いエンジンオイルをオイルパン１３からサブオイルタンク２３へ全量流下させ、オイル抜き取り用開閉弁２４を閉じた後、新しいエンジンオイルをオイルパン１３へ補給する。これにより、従来の４ストロークサイクル機関でのエンジンオイル交換と違って、廃油を全くエンジン外部に出すことなく自ら処分ができるようになる。
【００４６】
以上好ましい実施形態について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、実施形態においては、主燃料としてガソリンを用いる場合を説明したが、ガソリンに変えてメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、その他の低セタン価燃料を用いてもよい。
【００４７】
また、実施形態のエンジン潤滑構造としてウェットサンプ式を例に説明したが、オイルパンにエンジンオイルを貯留せず、別途設けたオイルタンクにエンジンオイルを貯留するドライサンプ式にも適用できる。このとき、エンジンオイル貯留器は、オイルタンクとなることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 燃料噴射弁
１０ 吸気通路
１１ エアフローメータ
１２ 燃料混合室
１３ オイルパン
１４ ストレーナ
１５ オイルポンプ
１６ オイルフィルタ
１７ 流量調整用電磁弁
１８ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関に係り、特に圧縮着火が困難な主燃料と、自己着火性に優れた副燃料とを用いる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同時に複数種の燃料を燃焼させる内燃機関として、例えば特許第２８６４５２６号公報に開示されているように、主燃料としてガソリン、着火用副燃料として軽油を利用し、それぞれの燃料の噴射時期や噴射量を制御することで、機関のエミッション性能の向上、燃費の改善を図った複燃料ディーゼル機関が知られている。
【０００３】
特に圧縮着火内燃機関において、セタン価の異なる複数種の燃料を使用する主な利点は、予混合的な燃焼でありながら運転可能負荷範囲を広くできるという点にある。
【０００４】
予混合燃焼は拡散燃焼と比較して、すすやＮＯｘの生成を大幅に低減させることができるので低エミッション化のためには望ましい燃焼形態であるが、単一セタン価の燃料一種のみで予混合気を圧縮着火させようとすると、高セタン価燃料の場合は着火性が非常に良いためにリッチ混合気はノック発生により制限されて、使用可能運転負荷範囲は低負荷に限られる。
【０００５】
これとは逆に、低セタン価燃料は着火性が低いためリーン混合気は失火により制限されて、負荷範囲は高負荷に限られることになる。
そこで運転可能な負荷範囲を広げる目的でセタン価の異なる２種の燃料を用いて、両燃料の混合あるいはそれぞれの燃料を噴射する方法がしばしばとられる。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のディーゼル機関では、主燃料のガソリンと副燃料の軽油の２種の燃料それぞれに対して燃料タンク、加圧ポンプ、および燃料配管を必要とするので、製造コストの上昇、車両の重量増、給油時の煩雑さ等の不可避の問題点があった。
また、重量増の影響で車両の燃料消費率を悪化させ、ランニングコストをも上昇させるという問題点があった。
さらに、２系統の燃料系を備えることで機関の構成部品の複雑化は必至であり、メンテナンス性は著しく低下するという問題点があった。
【０００６】
上記従来の問題点に鑑み本発明の目的は、製造コストの増加、車両の重量増加、及び運用コストの増加を回避しつつ、複燃料による混合気の着火時期制御や熱発生速度の調整が可能となり、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果として低燃費化、低エミッション化を実現できる内燃機関を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、
ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、上記混合気形成用として、低セタン価の主燃料と副燃料としてのエンジンオイルとを同一燃焼サイクル中に燃焼室内に供給することが可能な燃料供給手段を備え、前記主燃料と前記エンジンオイルとのそれぞれの供給量および供給時期を調整可能でかつ、前記主燃料に対する前記副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、低回転低負荷時には、高回転または高負荷時よりも多くすることを要旨とする４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関である。
【０００８】
上記課題を解決するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料に副燃料としてのエンジンオイルを混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【０００９】
上記課題を解決するため請求項３記載の発明は、請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記副燃料としてのエンジンオイルを筒内に直接噴射可能な副燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【００１０】
上記課題を解決するため請求項４記載の発明は、請求項１または請求項３記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料を筒内に直接噴射可能な主燃料噴射弁を備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記課題を解決するため請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、吸気通路内に電子制御式スロットル弁、燃焼室内に点火プラグをそれぞれ備えたことを要旨とする。
【００１２】
上記課題を解決するため請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、エンジンオイルを貯留するエンジンオイル貯留器と、該エンジンオイル貯留器から開閉弁を介して連通可能なサブオイルタンクと、該サブオイルタンクより副燃料としてのエンジンオイルを吸引して前記燃料供給手段に供給する副燃料ポンプと、を備えたことを要旨とする。
【００１３】
〔作用〕
本発明は、内燃機関の本体潤滑用として一般的に用いられているエンジンオイルの主成分がガソリンに比べて分子量の大きい直鎖飽和炭化水素であり、この種の成分は一般的に反応性が高く、つまりセタン価が高いことに相当するという点に着目してなされたものである。
【００１４】
本発明においては、機関本体の潤滑用のエンジンオイルを副燃料として利用し、副燃料供給系統として潤滑系統を極力利用する構成としているため、従来の複燃料ディーゼル機関のように新たにもう１系統の燃料系を装備することなく、複燃料による混合気の着火時期制御や熱発生速度の調整が可能となり、コストアップや重量増を回避しつつ、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果として低燃費化、低エミッション化を実現した内燃機関を提供することができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、上記混合気形成用として、低セタン価の主燃料と副燃料としてのエンジンオイルとを同一燃焼サイクル中に燃焼室内に供給することが可能な燃料供給手段を備え、前記主燃料と前記エンジンオイルとのそれぞれの供給量および供給時期を調整可能でかつ、前記主燃料に対する前記副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、低回転低負荷時には、高回転または高負荷時よりも多くすることにより、副燃料のための第２の燃料系のすべてを新設することなく、エンジン本体の潤滑系の小改造のみによって複燃料運転が可能となるため、新たに第２の燃料系を設ける場合に比べて格段に製造コストを低減することができ、さらに機関の構成部品の増加が回避されるために車両全体の重量増を回避しつつ、幅広い運転負荷条件にわたって安定した燃焼が可能となり、結果的に燃料消費率を改善し運動性能を向上するという効果がある。
【００１６】
また装置の複雑化も回避されるために、燃料系を２系統設ける場合に比べて各段にメンテナンス性を向上させる効果がある。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料に副燃料としてのエンジンオイルを混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたので、燃焼室内に供給される混合気中の副燃料成分の濃度を均一化することで燃料分布の偏りの影響を消すことができるので、混合気全体の着火性を最適に調整することが可能となり、未燃分の排出量を低減し、排気性状を改善する効果がある。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記副燃料としてのエンジンオイルを筒内に直接噴射可能な副燃料噴射弁を備えたことにより、副燃料成分であるエンジンオイルの噴射時期や噴射率を、主燃料の噴射によらず自由に変更することが可能となるため、混合気の着火時期、すなわち燃焼開始時期と着火後の燃焼による熱発生速度をノックを回避しつつ熱効率が最高になるような最適値に調整することができ、機関の燃料消費率を大きく改善する効果がある。
【００１９】
また、主燃料成分に対する着火源としての役割を担う副燃料噴霧をコンパクトにまとめることが可能となるため、副燃料であるエンジンオイルの消費量を微少にすることができ、結果としてユーザーがエンジンオイルを補充する頻度が低くなり、日常のメンテナンス性も良好となる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１または請求項３の発明の効果に加えて、前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料を筒内に直接噴射可能な主燃料噴射弁を備えたことにより、主燃料を筒内で気化させる際に周囲から潜熱を奪う効果で吸気の密度が高まり、充填効率が向上するために機関の出力を向上する効果がある。
【００２１】
また筒内の温度を低下させるため、耐ノック性が向上するという面から圧縮着火時の混合気のリッチ化が可能となり、さらに出力を向上できるという相乗効果をも得ることができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４の発明の効果に加えて、吸気通路内に電子制御式スロットル弁、燃焼室内に点火プラグをそれぞれ備えたことにより、機関を高回転運転するときには燃焼速度の点で高回転時に有利な火花点火燃焼に切り替えることが可能となるので、高回転域のトルクを十分確保することができ、機関の最高出力も従来の圧縮着火機関と比較して大幅に向上できるという効果がある。
【００２３】
また万が一副燃料の供給装置などに異常が発生し、圧縮着火燃焼運転が困難になった場合であっても、いつでも火花点火燃焼運転に切り替えることが可能なので、機関の信頼性を高めることもできる。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５の発明の効果に加えて、エンジンオイルを貯留するエンジンオイル貯留器と、該エンジンオイル貯留器から開閉弁を介して連通可能なサブオイルタンクと、該サブオイルタンクより副燃料としてのエンジンオイルを吸引して前記燃料供給手段に供給する副燃料ポンプと、を備えたことにより、エンジンオイル交換時には、開閉弁を開いて古いエンジンオイルをサブタンクへ移すことにより、従来のようにエンジンオイル交換時に廃油が出ることがなくなるため、従来廃油処理のためにユーザが負担していた費用や手間を全くなくすことができるという効果がある。
【００２５】
また廃油が出ないということは、廃油が不法に投棄されるのを防止することにもつながるので、土壌汚染等の環境への影響も極力少なくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。実施形態においては、特に限定されないが、シリンダブロックの下部にエンジンオイル貯留器としてのオイルパンを設けたウェットサンプ式の潤滑機構を備えている。また主燃料としては、特に限定されないがガソリンを用いる場合を示している。
【００２７】
図１は、本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第１の実施形態を説明するシステム構成図である。
図１において、シリンダブロック１、シリンダヘッド２、及びピストン３は、燃焼室４を形成している。燃焼室４に連通する吸気ポート５には、吸気バルブ６が設けられ、排気ポート７には、排気バルブ８が設けられている。
【００２８】
吸気ポート５の上流側には吸気通路１０が接続されており、この吸気通路１０には上流側から、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１と、吸気ポート５内に燃料を噴射する燃料噴射弁９とを配設してある。
【００２９】
機関下部にあるオイルパン１３内はエンジンオイルが貯留され、エンジンオイルはストレーナ１４から吸引されオイルポンプ１５で油圧が与えられ、オイルフィルタ１６で不純物を取り除いてから機関本体の潤滑箇所各部に送られる。
【００３０】
副燃料として利用されるエンジンオイル分はオイルフィルタ１６を通過後、流量調整用電磁弁１７で流量が調整されて燃料混合室１２に送られ、燃料混合室１２で主燃料であるガソリンと混合された後、混合燃料が燃料噴射弁９より噴射される。
【００３１】
燃料混合室１２には、例えば、比較的低燃圧の主燃料であるガソリンが図示されない逆流防止弁であるチェックバルブを介して供給され、比較的高燃圧の副燃料であるエンジンオイルが図示されないノズルを介して供給される。これによりガソリン内に比較的高圧のエンジンオイルが吹き込まれ、両者が混合した混合燃料が形成されるようになっている。
【００３２】
エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）１８には、機関運転状態を示す信号として、回転数信号、負荷信号、油水温信号、空気量信号、油圧信号等が各種センサから入力されている。
【００３３】
上記ＥＣＵ１８内には、上記の各種の入力信号に基づいて機関回転数及び要求負荷を判断するとともに、この判断結果に基づいて必要な燃料量及び副燃料混合比を演算処理する燃料供給制御部が設けられている。この燃料供給制御部は、配線論理（ワイヤード・ロジック）または、マイクロコンピュータとプログラムの組合せにより構成されている。
【００３４】
そして、燃料供給制御部は、流量調整用電磁弁１７に制御信号を出力して副燃料流量を調整することにより主燃料に対する副燃料の混合比を制御するとともに、燃料噴射弁９に制御信号を出力して燃料噴射量及び噴射時期を調整することで、機関の運転状態に応じて燃焼室内の混合気の燃焼特性（着火性）を変化させることができる。
【００３５】
主燃料としてのガソリンに対する副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、アイドリング等の低回転低負荷時には多く、高回転または高負荷時には少なくなるように制御し、その範囲は、例えば１％ないし５％程度である。
【００３６】
図２は、本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第２の実施形態を説明するシステム構成図である。
この実施形態にあっては、前記図１の第１実施形態の構成に対し、副燃料を燃焼室４内に直接噴射可能な副燃料噴射弁１９がシリンダヘッド２に取り付けられており、燃料噴射弁９では主燃料のみを噴射する。さらに、副燃料噴射弁１９の噴射時期及び噴射量をＥＣＵ１８から制御できるようになっている。
【００３７】
このような構成を持つことによって、副燃料成分であるエンジンオイルの噴射時期や噴射率を主燃料の噴射によらず自由に変更することが可能となるため、混合気の着火時期（＝燃焼開始時期）と着火後の燃焼による熱発生速度を、ノック回避かつ熱効率が最高になるような最適値に調整することができるようになる。
【００３８】
図３は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、燃料噴射弁９を廃止する代わりに主燃料を燃焼室４内に直接噴射可能な主燃料筒内直接噴射弁２０がシリンダヘッド２に取り付けられている。
【００３９】
シリンダヘッド２上の主燃料筒内直接噴射弁２０と副燃料噴射弁１９との配置は、図３に示したように、副燃料噴射弁１９側が排気弁８側に位置するように配置する方が副燃料噴霧の昇温及び着火が促進されるので好ましい。また主燃料筒内直接噴射弁２０と副燃料噴射弁１９との距離については、着火した副燃料から主燃料の燃焼への移行を容易にするため、ボア半径以下とすることが好ましい。
【００４０】
このような構成を持つことによって、第１実施形態の効果に加えて、主燃料を筒内で気化させる際に潜熱を周囲から奪う効果で吸気温度を低下させて密度を高めることができ、充填効率が向上する。
【００４１】
図４は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第４実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、吸気通路１０内のエアフローメータ１１下流側に吸入空気流量をＥＣＵ１８から制御することのできる電子制御式スロットル弁２１を備え、燃焼室４内の混合気を電気火花によって点火することのできる点火プラグ２２がシリンダヘッド２に取り付けられている。
【００４２】
このような構成を持つことによって、特に機関を高回転運転するときには副燃料供給を中断して圧縮着火燃焼を中止し、要求負荷に応じた吸気量を電子制御式スロットル弁２１で調整しつつ点火プラグ２２で適切な時期に電気火花を与えることで、燃焼速度の点で高回転時に有利な火花点火燃焼に切り替えることが可能となる。
【００４３】
図５は本発明に係る４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関の第５実施形態の構成を示すシステム構成図である。この実施形態にあっては前記図２の第２実施形態の構成に対し、エンジンオイル貯留器であるオイルパン１３の横下方にサブオイルタンク２３を隣接設置し、サブオイルタンク２３とオイルパン１３とはオイル抜き取り用開閉弁２４を介して連通することができるようになっている。
【００４４】
サブオイルタンク２３内の副燃料としてのエンジンのオイルは副燃料ポンプ２５によって吸引・加圧され、サブオイルフィルタ２６により濾過され、流量調整用電磁弁１７で流量が調整された後、燃焼室４内に直接噴射可能な副燃料噴射弁１９に送られる。
【００４５】
このような構成を持つことによって、特に運転の繰り返しを経てエンジンオイルが劣化した場合、オイル抜き取り用開閉弁２４を開いて古いエンジンオイルをオイルパン１３からサブオイルタンク２３へ全量流下させ、オイル抜き取り用開閉弁２４を閉じた後、新しいエンジンオイルをオイルパン１３へ補給する。これにより、従来の４ストロークサイクル機関でのエンジンオイル交換と違って、廃油を全くエンジン外部に出すことなく自ら処分ができるようになる。
【００４６】
以上好ましい実施形態について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、実施形態においては、主燃料としてガソリンを用いる場合を説明したが、ガソリンに変えてメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、その他の低セタン価燃料を用いてもよい。
【００４７】
また、実施形態のエンジン潤滑構造としてウェットサンプ式を例に説明したが、オイルパンにエンジンオイルを貯留せず、別途設けたオイルタンクにエンジンオイルを貯留するドライサンプ式にも適用できる。このとき、エンジンオイル貯留器は、オイルタンクとなることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 燃料噴射弁
１０ 吸気通路
１１ エアフローメータ
１２ 燃料混合室
１３ オイルパン
１４ ストレーナ
１５ オイルポンプ
１６ オイルフィルタ
１７ 流量調整用電磁弁
１８ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
Claims (6)
- ピストンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼させる４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関において、
上記混合気形成用として、低セタン価の主燃料と副燃料としてのエンジンオイルとを同一燃焼サイクル中に燃焼室内に供給することが可能な燃料供給手段を備え、
前記主燃料と前記エンジンオイルとのそれぞれの供給量および供給時期を調整可能でかつ、前記主燃料に対する前記副燃料としてのエンジンオイルの混合比は、低回転低負荷時には、高回転または高負荷時よりも多くすることを特徴とする４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。 - 前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料に副燃料としてのエンジンオイルを混合した混合燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。
- 前記燃料供給手段は、前記副燃料としてのエンジンオイルを筒内に直接噴射可能な副燃料噴射弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。
- 前記燃料供給手段は、前記低セタン価の主燃料を筒内に直接噴射可能な主燃料噴射弁を備えたことを特徴とする請求項１または請求項３記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。
- 吸気通路内に電子制御式スロットル弁、燃焼室内に点火プラグをそれぞれ備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。
- エンジンオイルを貯留するエンジンオイル貯留器と、
該エンジンオイル貯留器から開閉弁を介して連通可能なサブオイルタンクと、
該サブオイルタンクより副燃料としてのエンジンオイルを吸引して前記燃料供給手段に供給する副燃料ポンプと、
を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の４ストロークサイクル式圧縮着火内燃機関。
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