JP3876389B2 - 独立燃焼室式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関、特に高圧縮型の独立燃焼室式内燃機関に関する。

一般に、内燃機関は、火花点火式( オットーサイクル式内燃機関) と、圧縮着火式内燃機関( ディーゼルサイクル内燃機関) に大きく分けられる。火花点火式内燃機関は、燃焼室としての作動室において吸気された空気と燃料との混合気を圧縮した後に点火プラグによって点火して燃焼させるように構成される。また圧縮着火式内燃機関は、圧縮されて高温となった空気の中に燃料を噴射し、圧縮熱により着火燃焼させるように構成されている。
特開２００４- ２１１６３３号公報

ところで、この種の内燃機関の熱効率は圧縮比によって大きく支配され、その意味において高圧縮を実現できる圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼルサイクル式内燃機関の方が熱効率が高く、燃費的にも有利となっている。すなわち、火花点火式内燃機関の場合、いわゆるノッキング、特にスパークノックの発生により圧縮比をむやみに上げることができず、現実的には圧縮比１０〜１２程度の設定となっている。圧縮比が２２から２３程度に設定できるディーゼル式内燃機関はその分熱効率が高い。
しかしながらディーゼル式内燃機関においても、火花点火式内燃機関とは発生メカニズムは異なるがいわゆるディーゼルノックと呼ばれるノック現象が発生する。スパークノックおよびディーゼルノック、いずれにしろこれらの現象は、燃焼というよりも爆発に近い燃焼速度で燃焼し、きわめて高い衝撃波が発生することになる。
この衝撃波によってピストンリングの破損、ピストンそのものの溶損といった機関の致命傷となる。したがって、火花点火式内燃機関および圧縮着火式内燃機関など着火形式にかかわらず、ノッキングによる機関ダメージがネックとなって高圧縮比化に制限を受けている。
本発明はかかる点に着目してなされたもので、ノッキングによる機関各部のダメージを引き起こすことなく、高圧縮比を実現できる内燃機関を提供することをその目的とする。

上記課題を解決する請求項１に示す手段は、ハウジングとピストンとの間に形成される可変容積の作動室内において吸入、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を行う内燃機関であって、上記ハウジングに形成され、燃料供給手段を備えかつ内部で独立的に主燃焼を行う固定容積の独立燃焼室と、該独立燃焼室と上記可変容積の作動室とを連通する少なくとも一つの連通路と、上記作動室から該独立燃焼室への圧縮空気の導入を許容するとともに、該独立燃焼室から燃焼ガスを圧縮上死点後所定のタイミングで作動室内に噴出させるように制御する制御弁とを備え、該制御弁が、該独立燃焼室における主燃焼を作動室に対して非連通状態で独立的に行うように圧縮上死点付近であって上記燃料供給手段の燃料噴射時期を含みかつ圧縮上死点後２０度ないし３０度まで上記連通路を閉じるように構成されていること特徴とする。

この構成によれば、独立燃焼室内での主燃焼が、作動室とは隔絶されて独立的に行われることになるので、高圧縮比の設定下にあって独立燃焼室内にて早期着火による異常燃焼が起きても、その衝撃波は直接独立燃焼室内において作用し、作動室を構成するピストン表面に直接作用することはない。したがって、独立燃焼室内の燃焼ガスの圧力は独立燃焼室内にて平滑化され所定のタイミングで作動室内に噴出されることになるので、ピストン表面には高圧燃焼ガスは作用するが、ノッキングにより発生する衝撃波が直接作用することはないので、ピストンはもちろんのこと、ピストンにつながる各部の破損等のダメージを引き起こすことはない。したがって、高圧縮比を実現でき、燃焼効率を大幅に向上できる。燃料にガソリンを使用する場合には、低オクタン価でよくなり、軽・重油を使用する場合には、セタン価の調整が不要になる。

請求項２の手段は、単一の連通路として構成されていることを特徴とする。この構成によれば、独立燃焼室周りの構造を簡略化できる。

請求項３の手段は、請求項１において、上記連通路が、一つの独立燃焼室に対しそれぞれ連通する第１連通路と第２連通路とで構成され、第１連通路に独立燃焼室から燃焼ガスを所定のタイミングで作動室内に噴出させる第１制御弁を設け、第２連通路に、上記作動室から独立燃焼室への圧縮作動ガスの流入を許し独立燃焼室から作動室への燃焼ガスの流出を阻止する第２制御弁を設けたことを特徴とする。この構成によれば、作動室から独立燃焼室への圧縮ガスの導入制御および独立燃焼室から作動室への燃焼ガスの噴出制御を相互に独立的に行うことができるので、より効率的となる。

請求項４の手段は、請求項３において、上記第１制御弁が、上記ハウジング内を往復動するピストンに形成された副ピストンとして構成されていることを特徴とする。この構成によれば、ピストン上に形成された副ピストンにより独立燃焼室からの燃焼ガスの噴出タイミングがピストンの往復動により規制されるので、電気制御に比べ構造が簡単になり、また、請求項５および６の手段は、上記独立燃焼室式内燃機関が、往復同式内燃機関またはロータリ式内燃機関であることを特徴とする。このように構成することで、それぞれの形式を問わず、高効率の内燃機関を得ることができる。

請求項７の手段は、請求項１ないし６の１つにおいて、上記独立燃焼室が、気筒あたり複数個設けられ、運転状態に応じてその作動数を変更するように構成したことを特徴とする。この構成によれば、内燃機関の運転状態すなわち、負荷に応じて、充填効率が小さい軽負荷時には少ない数の独立燃焼室を用い高負荷時にはすべての独立燃焼室を用いることにより内燃機関の全運転範囲にわたって高圧縮状態で用いることができるので全運転域に渡って効率を高めることができる。

請求項８の手段は、請求項１ないし７の１つにおいて、上記独立燃焼室は、気筒数より少ない数に設定され、複数の気筒に対する主燃焼を選択的に行うように構成したことを特徴とする。この構成によれば、独立燃焼室の数を少なくすることができるので構造の簡略化および小型化に貢献する。

請求項９の手段は、請求項１ないし８の１つにおいて、上記独立燃焼室が、過給装置に接続されていることを特徴とする。この構成によれば、独立燃焼室の圧力、すなわち有効圧縮比をより高めることができるので、より高効率を実現できる。

請求項１０の手段は、請求項９において、上記過給装置が多気筒式内燃機関の１つの気筒で構成されていることを特徴とする。この構成によれば、特別な過給機を用意する必要がなく、部品の共通化による低コスト化につながる。

請求項１１の手段は、請求項１ないし１０の１つにおいて、上記独立燃焼室が、ほぼ球形に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、いわゆるＳ／Ｖ比が小さい状態で主燃焼を行うことができるので、燃焼効率を高めることができるだけでなく、従来の内燃機関のようにエンドガスによる異常燃焼の発生もなくなる。

請求項１２の手段は、請求項１ないし１１の１つにおいて、上記独立燃焼室が、燃料供給手段に加えて水噴射手段が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、水噴射により比熱比が大きくなるので燃焼をより活性化できるだけでなく、燃焼温度を抑制できるので、窒素酸化物の発生を抑制することができる。

さらに、ノッキングによる機関各部のダメージを引き起こすことなく、高圧縮比高効率の内燃機関を得ることができる。

ハウジングとピストンとの間に形成される可変容積の作動室内において吸入、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を行う内燃機関であって、上記ハウジングに形成され、燃料供給手段を備えかつ内部で独立的に燃焼を行う固定容積の独立燃焼室と、該独立燃焼室と上記可変容積の作動室とを連通する少なくとも一つの連通路と、上記作動室から該独立燃焼室への圧縮空気の導入を許容するとともに、該独立燃焼室から該作動室への燃焼ガスを所定のタイミングで噴出させる制御弁とを備え、該独立燃焼室における主燃焼を作動室に対して非連通状態で独立的に行うように構成したことを特徴とする独立燃焼式内燃機関である。

図１、２に示す第１実施例の独立燃焼室式内燃機関は、ハウジング４と往復動するピストン２との間に形成される可変容積の作動室７内において吸入、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を行ういわゆる往復動式の内燃機関であって、ハウジング４に独立的に設けられる独立燃焼室１と、該独立燃焼室１と可変容積の作動室７に連通する二つの連通路１１、１２と、該連通路の連通状態を制限する第１および第２の制御弁３、１３とを備えている。

独立燃焼室１は、ハウジング４を構成するシリンダ・ヘッド４３に形成されており、その容積は作動室７の容積とあいまって、圧縮比が通常のディーゼル式内燃機関の圧縮比を大きく超えた例えば４０程度の超高圧縮比になるように設定されている。また、独立燃焼室１は容積に対して表面積が最小になるようにほぼ球形状に形成されており、その頂部には燃料供給装置としての燃料噴射ノズル６が設けられている。燃料噴射ノズル６としては高圧力状態での噴射が可能であればよく、従来のディーゼルエンジンのように微粒化性能に優れたノズルである必要はない。多少微粒化性能が低くても独立燃焼室１内は超高圧縮下にあるとともに作動室７に対して独立的に主燃焼が行われるので異常燃焼が発生しにくく、また発生しても作動室を構成するピストン２およびピストン周辺各部への悪影響は発生することはない。
第１および第２連通路１１、１２は、ピストン・ヘッド２１とハウジング４としてのシリンダ４１内面との間に形成される可変容積の作動室７と独立燃焼室１とを連通するもので、第１連通路１１は独立燃焼室１に対して軸心方向に開口し、第２連通路１２は独立燃焼室１の接線方向に開口するように形成されている。

第１制御弁３は、ピストン０の頂部に一体に形成された副ピストンとして構成され、ピストン２の往復動により第１連通路１１の作動室側の開口部を開閉制御するように構成されている。副ピストン３の外周にはラビリンスパッキンとしての環状溝が複数個設けられており、燃焼ガスの作動室７への漏洩を防ぐように構成されている。第１制御弁３の開閉時期は、例えば圧縮上死点前３０度から圧縮上死点後３０度の間連通路を閉じ、その前後では連通路を開くように設定されている。この開閉時期は機関の仕様によって変更する必要がある。閉じ初めの時期は、燃料噴射ノズルの燃料噴射時期より以前でかつ作動室の圧力が最大値付近にあるピストン位置に設定すればよい。また、開き始めの時期は、独立燃焼室における主燃焼が作動室に対して独立的になされ、ピストンに対する燃焼ガスの作用が、出力が最大になるような角度位置に設定すればよい。なお、第１制御弁３は、副ピストン形式に限らず、ポペット弁あるいはロータリ弁であってもよい。また、その駆動方式も機械的あるいは電気的のいずれであってもよい。

第２制御弁１３は、第２連通路１２の作動室側近傍の開口部に設けられており、弁座に適合するコーン形状の弁体１３a とステム１３b とで構成されている。弁体１３a とステム１３b との境界部には独立燃焼室からのガス圧を受け、弁体１３a を弁座方向に付勢する受圧面が設けられている。この受圧面は、独立燃焼室１における爆発燃焼、つまり主燃焼を作動室７に対し非連通状態で独立的に行うに当たって、第２制御弁１３の閉鎖状態を確実に行うためのものである。また、第２制御弁１３は、圧縮上死点前３０度から圧縮上死点前１０度の範囲で開き独立燃焼室内の圧力が作動室７より高くなれば閉じるように設定されている。この第２制御弁１３はばねで一方向に付勢する一方向弁であってもよく、出力軸としてのクランクシャフト５の回転に同期して機械的あるいは電気的に制御するものであってもよい。

以下本発明に係わる独立燃焼室式内燃機関の第１実施例の動作を図４、図５（行程〈１〉から行程〈１２〉）に基づいて説明する。

先ず行程〈１〉の状態は、ピストン２は最下降状態にあり、作動室７内には吸気ポート８を介して空気がその容積分充填された状態にある。この状態において、副ピストン３はピストンとともに最下降位置にあり、また第２制御弁１３は閉じられているので、独立燃焼室１と作動室７とは第１連通路１１を介して相互に連通されている。この状態から圧縮行程に移行することになる。

行程〈２〉において、回転角度：θ＝−４５度（圧縮上死点前４５度）近傍では、該圧縮行程の途中であり、充填空気は圧縮され、第１連通路１１を介して独立燃焼室１内に導入され、独立燃焼室１内の圧力は次第に高くなる。

行程〈３〉において、回転角度：θ＝−３０度近傍では、ピストン２の上昇に伴って副ピストン３が、第１連通路１１を閉じ始めると共に，作動室７内の充填空気は、第２制御弁１３を開き第２連通路１２を介して独立燃焼室１内部へ導入される。

行程〈４〉において、回転角度：θ＝−１５度近傍では、該圧縮行程の最終段階にさしかかり、独立燃焼室１内の圧力は高圧力状態となる。

行程〈５〉において、回転角度：θ＝−１０度近傍では、圧縮行程の最終段階直前の状態になり、第２制御弁１３が閉じ、独立燃焼室１内は高圧高温状態となる。なお、本実施例の第２制御弁１３はこのタイミングで強制的に閉じるように構成されている。

行程〈６〉、〈７〉において、回転角度：θ＝０度（圧縮上死点）では、燃料噴射ノズル６から燃料が噴射され高温の空気と混合されながら爆発燃焼が行われる。この場合、燃料噴射ノズルから噴射される燃料は、従来のディーゼル式内燃機関のような分散噴射ではなく、集中的に一気に必要燃料が噴射されるように設定されている。したがって、独立燃焼室１内の圧力は衝撃波を伴って急激に立ち上がる。衝撃波を伴う爆発燃焼は、独立燃焼室１内にて独立的に発生し、作動室７を構成するピストン２およびシール部材等にその衝撃波が直接作用することはない。

行程〈８〉において、回転角度：θ＝＋１５度近傍では、作動室の行程としては膨張行程へ移行しており圧縮上死点から徐々に容積が増加し作動室７内の圧力は低下を始める。この状態において独立燃焼室１は作動室７とは非連通の状態で独立的に燃焼が行われ、その間、初期に発生した衝撃波は緩和される。しかも、回転角の変移とは異なる爆発圧力の保持がなされるので燃焼がより早く、大量の燃料にもかかわらず燃焼され、連通路１１が開かれるまで、高温高圧状態が独立燃焼室内で保たれ、この燃焼熱平衡状態は回転角度：θ＝＋２０度近傍まで持続する。

行程〈９〉、〈１０〉、〈１１〉において、回転角度：θ＝+ ３０度ないし＋６０度では、ピストン２の下降に伴って副ピストン３が下降すると第１連通路１１が開放される。この開放によって独立燃焼室１内の高圧燃焼ガスは作動室７内に一気に噴出され、その圧力によってピストン２を下降させる。このとき、第１連通路１１から噴出する燃焼ガスは比較的短時間に行われることになるので、作動室７内の圧力変化形態はオットーサイクルのような急激な圧力状態となり、その噴出タイミングを適切に設定することにより、高圧縮比下での高効率化とあいまってオットーサイクル的な効率化も加わることになる。

行程〈１２〉において、回転角度：θ＝±１８０度近傍では、下死点となり膨張行程が終了し排気ポート９が開かれて以後排気行程に移行する。

つぎに、図６に示す第２実施例について説明する。第１実施例と同一部分および相当部分は同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
図６に示す第２実施例の独立燃焼室式内燃機関は、ハウジング４とピストン２との間に形成される可変容積の作動室４内において吸入、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を行う内燃機関であって、上記ハウジング４に形成され、燃料供給手段６を備えかつ内部で独立的に燃焼を行う固定容積の独立燃焼室１と、該独立燃焼室１と上記可変容積の作動室７とを連通する一つの連通路１１と、上記作動室７から該独立燃焼室１への圧縮空気の導入を許容するとともに、該独立燃焼室１から該作動室７への燃焼ガスを所定のタイミングで噴出させる制御弁３とを備え、該独立燃焼室１における主燃焼を作動室７に対して非連通状態で独立的に行うように構成したことを特徴とする。

すなわち、第２実施例の独立燃焼室式内燃機関は、第１実施例が２つの連通路を用いているのに対して、一本の連通路１１でもって作動室と独立燃焼室１とを連通し、単一の連通路１１に設けられた一個の制御弁３によって、独立燃焼室１内での上述の主燃焼が行われ、高圧縮比の元で得られる高圧ガスを所定のタイミングで作動室７に導くように構成したことを特徴としている。この連通路１１は独立燃焼室１に対し、圧縮空気が導入される際、スワールを発生させるように接線方向に開口され、また、作動室側の開口部近くに上記制御弁３が設けられており、この制御弁３は、第１実施例の第１制御弁３としての副ピストン３の開閉タイミングと同様に、圧縮上死点前１５度から圧縮上死点後３０度の間閉じ、３０度を越えて開くように設定されている。この制御弁３は第１実施例の第２制御弁１３と同様に、弁体３a とステム３b を備え、その境界部には、燃焼ガスが作用したとき、弁体３ａを弁座方向に付勢するように受圧面が形成されている。したがって、第２実施例の独立燃焼室式内燃機関は、第１実施例に比べ、連通路の数、制御弁の数が少なく、その分構造が簡単になる。なお、本実施例においては、燃料噴射ノズルに加えて水噴射ノズル６１が設けられており、独立燃焼室内に噴射することにより、燃焼温度を下げることができ、窒素酸化物の低減に貢献する。

以上のように構成された第２実施例の独立燃焼室式内燃機関は、図６、図７に示すように、第１実施例の１２行程と実質的に同一の行程で作動する。

図９ないし図１１に示す第３実施例の独立燃焼室式内燃機関は、ロータリ式内燃機関への適用例で、上記第１、第２実施例と同様に高効率独立燃焼室式内燃機関が得られる。
図９は、本発明にかかわる、独立燃焼室式内燃機関としての自己着火式のロータリ式内燃機関に関し、トロコイド状の内周面を有するロータハウジング４と、その内周面に沿って遊星回転運動する三角形状のピストンとしてのロータ２を備えている。

ロータハウジング４とロータ２との間には三つの独立した作動室７ａ、７ｂ、７ｃが形成され、この作動室はロータ２の回転に伴い容積が変化し、吸気上死点位置から吸入が開始され、吸気下死点位置で容積が最大になり、下死点位置から容積が小さくなり圧縮上死点位置で容積が最小になる。圧縮上死点からは再び容積が大きくなり、排気下死点においてその容積が最大になる。このように、ロータ２の遊星回転運動に伴う作動室の容積変化によって吸入、圧縮、爆発、膨張、排気の各行程が繰り返され、その力が出力軸としての偏心軸５から駆動力として取り出される。

ロータ２の各頂点部にはアペックスシール２ａ、２ｂ、２ｃがそれぞれ設けられており、各作動室相互間のシールを行うようになっている。また、偏心軸５は偏心部５ａを有し、偏心部５ａによってロータ２が支承され、ロータ２の１回転に対し偏心軸５が３回転するように偏心量が設定されている。
ロータハウジング４には、長軸X をはさんで、一側に吸気ポート８および排気ポート９が設けられ他側に本発明にかかわる独立燃焼室１が設けられている。独立燃焼室１は球形をなし、圧縮上死点にある作動室に対して、第１連通路１１および第２連通路１２を介して連通されている。第１連通路１１は、短軸Y に対しリーデイング側に位置し、排気下死点にある作動室のトレーリング側アペックスシールの位置近傍に開口している。第２連通路１２は、短軸Y に対しトレーリング側に位置し、吸気下死点にある作動室のリーデイング側アペックスシールの近傍に開口している。

第１連通路１１には燃料噴射ノズル６の噴射時期より以前に閉じ、圧縮上死点付近の所定のタイミング（例えば圧縮上死点後２０度ないし３０度）で開くように電気的あるいは機械的に制御される第１制御弁３が設けられている。この第１制御弁３は、独立燃焼室内１における主燃焼が作動室７に対して遮断された状態で行うためのものであり、独立燃焼室１内において早期着火等の異常燃焼が生じても、その燃焼圧が直接ロータ表面に作用することはなく、所定の時期までは独立燃焼室１内に密封されることになる。また、第１制御弁３は、図１０の拡大図に示すように、弁座３ｃと適合する弁体３ａとステム３ｂとを備え、この弁体３ａの先端円柱部３ｄは、第１連通路３の作動室側開口部と遊嵌状態となるように構成され、その先端はトロコイド内周面に対し可及的に近接するように構成されている。先端がトロコイド内周面より外方に位置すると開口部内にデッドボリュウムが生じ、アペックスシールが通過する際、隣接作動室間への圧力の吹き抜けが生じるので、このボリュウムはできるだけ小さくする必要がある。

第２連通路１２には、作動室から独立燃焼室１への作動ガス（圧縮空気）の流通を許し、独立燃焼室１から作動室への作動ガスの流出を阻止する第２制御弁１３が設けられている。この第２制御弁１３は図１１の部分拡大図に示すごとく、弁座１３c と適合する弁体１３ａとステム１３ｂとで構成され、常時バネ等によって閉鎖方向に付勢されており、作動室側の圧力が独立燃焼室１より高いときにのみ第２連通路１３を開くように構成されている。また、弁体１３a の先端には円柱部１３d が設けられており、第１制御弁と同様に開口部におけるデッドボリュウムが小さくなるようにトロコイド面に近接して設けられている。

以上のように構成された本発明に係わる独立燃焼室式ロータリ式内燃機関は、以下のように作動する。
ロータハウジング４の内周面とロータフランク面とで構成される３つの作動室７ａ、７ｂ、７ｃはロータ２先端のアペックスシール２ａ、２ｂ、２ｃによって作動室相互間の機密が保たれており、ロータ２の回転に伴って各作動室は独立して容積変化を行い、吸入、圧縮、爆発、膨張、排気の各行程を行う。

図９の状態において、作動室２ａは、吸気ポート８と連通し吸気行程の初期状態にある。この状態から順次回転が進み、吸気下死点後２０度において作動室２ａのトレーリング側のアペックスシール２ｃが吸気ポート８上を通過するまで空気が吸入され、以後容積が順次減少し、吸入された空気は順次圧縮され、実質的に圧縮行程に移行する。その過程において、作動室７a のリーデイング側のアペックスシール２ａが第２連通路１３の開口部上を通過し、第２連通路１３の開口部が作動室７a に開口すると、第２制御弁１３の弁体１３ａが弁座１３ｃから離れ、独立燃焼室１と作動室７ａとは第２連通路１２を介して連通され、作動室７ａ内の圧縮空気は独立燃焼室１内に導かれる。

この時、リーデイング側アペックスシール２ａが第１連通路１１の開口部の手前にあり、その開口部が膨張行程にある先行作動室７ｂ内に開口している状態においては、独立燃焼室１は、第１連通路１１および第２連通路１３を介して、膨張行程にある先行作動室７ｂと圧縮行程にある後続作動室７ａが相互に連通することになる。この時、先行作動室７ｂ内の圧力が後続作動室７ａの圧力より高い間は、第２制御弁１３は閉じることになるので、圧縮空気の吹き抜けおよび先行作動室の燃焼ガスの吹き抜けが生じることはない。しかしながら、先行作動室７b が膨張行程の後半になると、先行作動室７ｂと後続作動室７ａの圧力関係が逆転することになり、この段階では第１制御弁３によって第１連通路１１が閉じられているので、後続作動室７ａの圧縮空気は独立燃焼室１内に貯えられ、先行作動室７ｂ内に吹き抜けることはない。

この状態から作動室７a の圧縮行程が更に進むと、第１連通路１１の開口部も作動室７a に開口することになり、独立燃焼室１内の圧力は次第に高圧となり、作動室７a の容積が最小になる圧縮上死点において最大になる。この状態において、独立燃焼室１内の空気は、断熱圧縮により高温状態にあり、この状態で燃料噴射ノズル６から燃料が噴射される。

噴射された燃料は、高温高圧空気と混合される過程で自己着火し、爆発的に燃焼が開始される。この時、第１制御弁３および第２制御弁１３はともに閉じており、独立燃焼室１での爆発燃焼は作動室７a に対して独立的に行われているので、早期着火等の異常燃焼が生じても初期圧力は独立燃焼室１内にて平滑化され、ロータ２に直接作用することはない。
次いで、圧縮上死点後２０度に達すると第１制御弁３が開放され、高圧燃焼ガスが作動室７a 内に噴出され、その圧力はロータ２のフランク面に作用し、偏心軸５にその力が伝えられる。この作用は、膨張行程を通じて行われ、作動室７a のリーデイング側アペックスシール２a が排気ポート９上を通過するまで継続される。その後、排気行程に移行し、作動室７a 内の燃焼ガスは順次排気ポート９から排出されることになる。

図１２に示す第４実施例の独立燃焼室式内燃機関は、上記第３実施例と同様に、ロータリ式内燃機関への適用例であって、第３実施例が二つの連通路を備えているのに対し、単独の連通路を備え、全体の構造を簡略化することを特徴とする。本実施例においては、独立燃焼室１と作動室とを連通する連通路１１は、トロコイド内周面の短軸付近に開口し、開口部近くにおいて制御弁３でもって作動室との連通、非連通が制御される。制御弁３の開閉時期は、例えば、圧縮上死点前２０度から圧縮上死点後２０度の間、閉じ、他の領域では開かれるように制御される。つまり、閉じ初めの時期は、燃料噴射ノズル６の燃料噴射時期より以前でかつ作動室の圧力が最大値付近にあるピストン位置に設定すればよく、また、開き始めの時期は、独立燃焼室１における主燃焼が作動室に対して独立的になされ、ロータ２に対する燃焼ガスの作用が、出力が最大になるような角度位置に設定すればよい。また、連通路の作動室側の開口位置は、短軸位置よりリーデイング側に設けるほうが独立燃焼室内の燃焼ガスを出力として有効に取り出す上でより有効となる。つまり、短軸よりトレーリング側に設けると、膨張行程の初期状態でトレーリング側のアペックスシールが連通路の開口部を通過し連通路が後続作動室に開口することになり、燃焼圧力が有効に活用されないことになるばかりか、後続作動室に作用することで逆トルクが発生することになり好ましくない。

図１３に示す第５実施例は、多気等内燃機関への適用例を示すもので、独立燃焼室１を気筒数に対して少ない数に設定し、気筒間の作動位相差を利用して共用化を図るように構成されている。このように共用化を図ることで全体構造を簡略化できると同時に小型化を図ることができる。

図１４に示す第６実施例は、独立燃焼室を１つの気筒に対して２つ設け、運転状態に応じて選択的に使い分けるように構成されている。つまり、作動室に対する充填空気量が少ない軽負荷状態では一方の独立燃焼室を閉鎖し、他方の独立燃焼室のみを作動させて圧縮比を高め、高負荷状態では両方の独立燃焼室を作動させるように構成されている。このように構成することにより、前運転範囲にわたって高圧縮状態で燃焼させることができるので、より効率的となる。しかも、内燃機関の起動時に複数の独立燃焼室を作動質に対して連通することで起動時のトルクを小さくすることができるので、セルモータの容量を小さくすることができる。

図１５に示す第７実施例は、独立燃焼室を１つの気筒に対して２つ設け、各独立燃焼室に連なる連通路を作動室側において合流させ、この合流部において１つの制御弁でもって開閉制御を行うように構成されている。この場合、独立燃焼室は、気筒数に対し２つに限らず３つ以上であってもよい。

また、上記各実施例においては、空気の充填は自然吸気を前提としているが、過給機を用いて充填空気量を増やすことで更なる高圧縮化が可能となる。この場合、メカニカル過給機であってもよいが、多気筒内燃機関において特定の気筒をコンプレッサーとして用い、このコンプレッサーでもって過給を行うようにしてもよい。

また、以上の実施例は基本的に圧縮着火式のディーゼル式内燃機関への適用例についてであるが、火花点火式内燃機関への適用ももちろん可能である。
また、以上の実施例において、一部の実施例において水噴射ノズルを図示しているが、いずれの実施例においても必要に応じて設けることが可能である。

本発明の独立燃焼室式内燃機関の第１実施例の断面図である。 図１のａ−ａ矢視図である。 図２のｂ−ｃ矢視図である。 同上第１実施例の作動行程図である。 同上作動行程図である。 本発明に係わる第２実施例の断面図である。 同上第２実施例の作動行程図である。 同上作動行程図である。 本発明に係わる第３実施例の断面図である。 図９の一部拡大図である。 図９の一部拡大図である。 本発明に係わる第４実施例の断面図である。 本発明に係わる第５実施例の断面図である。 本発明に係わる第６実施例の断面図である。 本発明の第７実施例の断面図である。

符号の説明

１ 独立燃焼室
２ ピストン
３ 制御弁
４ ハウジング
６ 燃料供給装置
７ 作動室
１１ 連通路（第１連通路）
１２ 連通路（第２連通路）
１３ 制御弁（第２制御弁）

Claims (12)

1. ハウジングとピストンとの間に形成される可変容積の作動室内において吸入、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を行う内燃機関であって、上記ハウジングに形成され、燃料供給手段を備えかつ内部で独立的に主燃焼を行う固定容積の独立燃焼室と、
   該独立燃焼室と上記可変容積の作動室とを連通する少なくとも一つの連通路と、上記作動室から該独立燃焼室への圧縮空気の導入を許容するとともに、該独立燃焼室から燃焼ガスを圧縮上死点後所定のタイミングで作動室内に噴出させるように制御する制御弁とを備え、該制御弁が、該独立燃焼室における主燃焼を作動室に対して非連通状態で独立的に行うように圧縮上死点付近であって上記燃料供給手段の燃料噴射時期を含みかつ圧縮上死点後２０度ないし３０度まで上記連通路を閉じるように構成されていることを特徴とする独立燃焼室式内燃機関。
2. 上記連通路は、単一の連通路として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の独立燃焼室式内燃機関。
3. 上記連通路が、一つの独立燃焼室に対しそれぞれ連通する第１連通路と第２連通路とで構成され、第１連通路に独立燃焼室から燃焼ガスを所定のタイミングで作動室内に噴出させる第１制御弁を設け、第２連通路に、上記作動室から独立燃焼室への圧縮作動ガスの流入を許し独立燃焼室から作動室への燃焼ガスの流出を阻止する第２制御弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の独立燃焼式内燃機関。
4. 上記第１制御弁は、上記ハウジング内を往復動するピストンに形成された副ピストンとして構成されていることを特徴とする請求項2に記載の独立燃焼室式内燃機関。
5. 上記独立燃焼室式内燃機関は、往復動式内燃機関であることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。
6. 上記独立燃焼室式内燃機関は、トロコイド状の内周面を有するハウジング内を多角形状のピストンとしてのロータが遊星回転運動するロータリ式内燃機関であることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。
7. 上記独立燃焼室は、気筒あたり複数個設けられ、運転状態に応じてその作動数を変更するように構成したことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の独立燃焼式内燃機関。
8. 上記独立燃焼室は、気筒数より少ない数に設定され、複数の気筒に対する主燃焼を選択的に行うように構成したことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。
9. 上記独立燃焼室は、過給装置に接続されていることを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。
10. 上記過給装置は多気筒式内燃機関の１つの気筒で構成したことを特徴とする請求項９に記載の独立燃焼室式内燃機関。
11. 上記独立燃焼室は、ほぼ球形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。
12. 上記独立燃焼室は、燃料供給手段に加えて水噴射手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１の１つに記載の独立燃焼室式内燃機関。