JP4225666B2 - 予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、吸気路の前記酸素含有ガスに燃料を供給して、前記燃料と酸素含有ガスとの混合気を前記燃焼室において圧縮自着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンと、その予混合圧縮自着火エンジンの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、自然着火を積極的に利用する圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題になっている。これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレートを防止する目的で考え出されたものであるが、上死点付近の圧縮空気中に燃料を噴射するのではなく、主には、ＳＩエンジンの様に空気（酸素含有ガスの一例）と燃料の混合気をシリンダに供給し、圧縮によって自然着火燃焼させ、クランク軸の回転を続ける。
この手法をガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させ、高い効率を得ることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、エンジンの出力を調整する方法として、絞り弁等の開度を調整し、吸気圧力を変化させて吸入される混合気量を調整する方法や、空気量を一定に保ち、燃料の供給量を変化させて空気比を調整する方法がある。
しかし、前述の予混合圧縮自着火エンジンにおいて、高出力を得る為に、例えば前者の方法で、吸気圧を増加させると、圧縮後の混合気の圧力が増加し、着火時期が早くなり、また、後者の方法で、空気比を下げて理論空気比に近づけると、燃焼速度が早くなり、着火後の急激な圧力伝播の発生の原因となるので、どちらの方法を取っても、ノッキング発生の原因となり、好ましい運転状態に維持することは困難となる。特に、高出力を得る為に、混合気の量を増加させたり、空気比を下げて理論空気比に近づけると、着火時期が早くなったり、燃焼速度が増大するので、ノッキング発生の原因となり、出力等を大幅に変化させることは困難であった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、特に高出力運転を行っても、ノッキングを発生させることなく、好ましい運転状態を維持できる予混合圧縮自着火エンジンとその運転方法の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項１に記載したごとく、前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を前記吸気路に設け、
前記吸気路の前記渦が発生する渦領域に、前記燃料を供給する燃料供給手段を設け、
前記燃料供給手段が、前記柱状体の前記酸素含有ガスの流れ方向の下流側に設けられ、
前記柱状体が、中空の筒体であり、前記燃料供給手段が、前記筒体の内部に供給した燃料を、前記筒体の前記酸素含有ガスの流れ方向の下流側の外壁に設けた噴孔を介して、前記渦領域に供給する手段であることを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
すなわち、予混合圧縮自着火エンジンは、圧縮による混合気の自然着火を利用するもので、着火状態は多数の部分で着火する多点着火である。このような多点着火において、圧縮自着火直後に、混合気の圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波が燃焼室の未燃焼部に急激に伝播すると、その急激な圧力波によってノッキングが発生する虞がある。
一般的に、燃料の燃焼速度は、空気比が１の理論空気比付近を最高値とし、空気比が希薄側になるほど急激に減少するので、特に、エンジンの出力を上げるために、空気比を下げて理論空気比に近づけると、混合気の燃焼速度は増加し、ノッキングが発生しやすい状態となる。
また、空気比が同一の状態で、燃焼室に吸気される混合気において、燃料と酸素含有ガスの混合状態が均一である場合に対して、混合状態が不均一であって燃焼室の容量より充分に小さい不均一濃淡場が形成されている場合は、燃料が希薄である淡部における燃焼速度の急激な低下により、全体的な燃焼速度は低下する。
【０００７】
本発明のエンジンは、かかる現象を利用したもので、例えば吸気路において酸素含有ガスの流れに対して流路断面方向を高さ方向とする柱状体を設けることで、その柱状体付近を流れる酸素含有ガスの流れにカルマン渦等の渦を発生させ、その渦が発生する渦領域に燃料を供給することで、渦による燃料の巻き込みを可能として、渦部分に空気比の低い濃部を、それ以外の渦の存在しない部分に空気比の高い淡部を生成することができる。
このようにして燃料と酸素含有ガスとの混合状態が不均一な混合気を生成し、その混合気を燃焼室に吸気して圧縮自着火させることにより、最初に濃部において着火して、その火炎が隣接している淡部に伝播しようとするが、その自着火直後の燃焼速度は、均一な混合状態のときに比べて低下しており、その結果、全体的な燃焼速度を低下させてノッキングを抑制しながら、高出力運転が可能となる。
【０００８】
しかも、柱状体の酸素含有ガスの流れ方向の下流側に燃料供給手段を設けることで、燃料供給手段から供給された燃料の渦による巻き込みが確実なものとなり、渦部分における濃度はより濃く、それ以外の部分はより薄くなって、ノッキングの抑制と高出力運転とが一層確実となる。
【０００９】
さらに、柱状体を中空の筒体として構成することで、渦を発生させるための柱状体と、渦の渦領域に燃料を供給するための燃料供給手段とを兼用することができて、部品点数の減少による構造の簡素化と低廉化を図ることができ、しかも、噴孔から供給された燃料の渦による巻き込みも確実となる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項２に記載したごとく、上記構成１の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記混合気の空気比が、２．０〜３．０の範囲内であることを特徴とする。
〔作用効果〕
すなわち、従来の予混合圧縮自着火エンジンでは、混合気の空気比が、例えば、３．０〜５．０の範囲内の極度の希薄状態に設定されており、高出力を得るために、空気比を下げて理論空気比に近づけると、上述したようにノッキングの発生を伴うが、本発明ではノッキングの発生を抑制することができるので、混合気の空気比を２．０から３．０の範囲内に設定することができ、従来では不可能であった高出力運転が可能となる。
【００１１】
〔構成３〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項３、４に記載したごとく、前記吸気路の前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を備えると共に、前記渦の発生状態を調整する渦発生状態調整手段とを備え
前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備え、
前記動作状態検出手段により検出された動作状態に基づいて、前記渦発生状態調整手段を働かせて、前記渦の発生状態を制御する制御手段を備えことを特徴とする。
〔作用効果〕
予混合圧縮自着火エンジンは、上述のように、空気比を低下させて高出力運転を行う場合は、燃焼室に吸気される混合気の混合状態を不均一な状態することでノッキングの発生を抑制しながら好ましい運転状態を維持でき、逆に、空気比を増加させて低出力運転を行う場合は、燃焼室に吸気される混合気の混合状態を不均一な状態することで、超希薄燃焼で燃料を燃焼させて高効率且つ低ＮＯｘの運転を行うことができる。
そこで、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、本構成のごとく、燃料が供給される吸気路において渦を発生させる柱状体を備えると共に、渦の発生状態を調整する渦発生状態調整手段とを備えることで、吸気路において燃料と酸素含有ガスの混合状態を調整することができる。
さらに、動作状態検出手段によって、エンジンの動作状態として、例えば燃料の供給量とクランク軸の回転数検出によって検出される空気の吸気量とによって算出される空気比を検出したり、エンジンの出力、排ガス温度、燃焼室の筒内圧力等を検出することができる。
【００１２】
そこで、制御手段は、動作状態検出手段により検出された検出結果が、ノッキング等が発生しやすい状態である動作状態である場合、渦発生状態調整手段を働かせて渦の発生状態を調整し、燃焼室に吸気される混合気の混合状態を不均一なものとし、自着火時点の燃焼室において空気比が低い部分（濃部）と高い部分（淡部）が存在するように混合気を燃焼室に吸気させることができる。よって、圧縮された混合気は、最初に濃部において着火し、その火炎が、隣接している淡部に伝播することとなるが、その自着火直後の燃焼速度は、均一な混合状態のときに比べて低下しており、結果、ノッキングを抑制することができる。
また、動作状態検出手段により検出された検出結果が、ノッキング等が発生し難い状態である動作状態である場合、渦発生状態調整手段を働かせ、燃焼室に吸気される混合気の混合状態を均一なものとし、自着火燃焼時に燃料と酸素含有ガスの接触を強め、全体的に空気過剰状態で燃焼させることができるので、高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１３】
例えば、柱状体によって吸気路の酸素含有ガスに渦を発生させ、その発生する渦領域に燃料を供給して渦の内側に燃料を巻き込ませるように構成した場合は、柱状体によって発生する渦を大径化したり渦の発生量を減少させたりすることで、混合状態を均一側に調整することができる。
また、例えば吸気路において燃料を酸素含有ガスの流れに沿って供給し、その燃料供給だけでは酸素含有ガスとの混合が促進されず、燃料が供給された酸素含有ガスを柱状体に衝突させ渦を発生させることで混合を促進させるように構成した場合は、柱状体によって発生する渦を小径化したり渦の発生量を増加させたりすることで、混合状態を均一側に調整することができる。
【００１４】
また、動作状態検出手段を、燃焼室に吸気される混合気の空気比を検出する手段として構成した場合、制御手段は、燃焼室に吸気する混合気の空気比を高く設定する場合は、均一な混合状態の混合気を燃焼室に吸気させるように渦の発生状態を調整し、逆に空気比を低く設定する場合は、不均一な混合状態の混合気を燃焼室に吸気させるように渦の発生状態を調整する。すると、空気比のみを変化させ均一な混合気を吸気する従来の予混合圧縮自着火エンジンにおいては空気比は３から５の範囲内でしか設定できなかったのに対し、本発明の予混合圧縮自着火エンジンは、混合気の空気比２〜３程度の範囲の高負荷運転時には、混合気の混合状態を不均一にし、混合気の空気比３〜５程度の範囲の低負荷荷運転時には、混合気の混合状態を均一にすることで、空気比２〜５程度の広い範囲での運転が可能となる。
よって、予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ノッキングを回避しつつ、例えば出力を大幅に変化させることができる。
【００１５】
〔構成４〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項３に記載したごとく、上記構成３の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記柱状体を、前記吸気路の壁面から前記吸気路の流路断面方向に突出自在に構成し、
前記渦発生状態調整手段が、前記柱状体の突出量を調整して前記渦の発生状態を調整する手段であることを特徴とする。
〔作用効果〕
渦発生状態調整手段として、柱状体の吸気路における突出量を調整することで、たとえば突出量を増加させて、その柱状体によって発生する渦の発生量を増加させ、逆に、突出量を減少させて、渦の発生量を減少させることができる。よって、混合気の混合状態は、前述のように、渦の発生量の増減によって変化するので、結果、混合気の混合状態を調整することができる。
よって、簡単な構成で、エンジンの動作状態に合わせて渦の発生状態を調整して混合気の混合状態を調整することができ、出力を大幅に変化させることができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００１６】
〔構成５〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項４に記載したごとく、上記構成３の予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記柱状体を、楕円断面若しくは長方形断面を有すると共に、高さ方向の軸回りに回転自在に構成し、
前記渦発生状態調整手段が、前記柱状体の軸回転角度を調整して前記渦の発生状態を調整する手段であることを特徴とする。
〔作用効果〕
柱状体として楕円断面若しくは長方形を有する柱状体を吸気路に備え、前記渦発生状態調整手段を、その柱状体の軸回転角度を調整するように構成することで、例えば、柱状体の長手幅方向を吸気路の流路断面方向側に近づけることで、酸素含有ガスの流れは柱状体によって受ける影響力が増加するので、その柱状体における渦の発生量が増加側に調整できるので、結果、混合気の混合状態を調整することができる。
よって、簡単な構成で、エンジンの動作状態に合わせて渦の発生状態を調整して混合気の混合状態を調整することができ、出力を大幅に変化させることができる予混合圧縮自着火エンジンを構成することができる。
【００１７】
〔構成６〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンは、請求項５に記載したごとく、上記構成１、２、４、５の何れかの予混合圧縮自着火エンジンの構成に加えて、前記吸気路における前記柱状体の位置が、前記発生した渦が前記燃焼室内まで維持される位置である前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を前記吸気路に設け、
前記吸気路の前記渦が発生する渦領域に、前記燃料を供給する燃料供給手段を設けことを特徴とする。
〔作用効果〕
本構成のごとく、発生した渦が前記燃焼室内まで維持される位置に柱状体を設けることで、空気比の低い濃部である渦部分と、それ以外の空気比の高い淡部とが確実に存在する状態のままで、その不均一な混合気が燃焼室内に吸気されて圧縮自着火されることになり、ノッキングを抑制しながらの高出力運転がより一層顕著となる。
【００１８】
〔構成７〕
本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの運転方法は、請求項６に記載したごとく、前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させると共に、
前記吸気路の前記渦が発生する渦領域に前記燃料を供給して、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する混合を抑制して、
前記混合が抑制された混合抑制状態の混合気を前記燃焼室に吸気して前記圧縮自着火させることを特徴とする。
【００１９】
〔作用効果〕
この運転方法によれば、カルマン渦等の渦部分に空気比の低い濃部を、それ以外の部分に空気比の高い淡部を生成して、混合抑制状態の混合気を作り出すことができ、その混合抑制状態の混合気を燃焼室に吸気して圧縮自着火させることにより、上述したように、全体的な燃焼速度を低下させてノッキングを抑制しての高出力運転が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明による予混合圧縮自着火エンジン及びその運転方法の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この予混合圧縮自着火エンジン１００は、図１に示すように、シリンダ１と、シリンダ１内に収容されてシリンダ１と共に燃焼室２を形成するピストン３とを備え、そのピストン３が、連接棒４を介して図外のクランク軸に連動連結されている。
前記シリンダ１には、吸気弁５を備えた吸気路６と、排気弁７を備えた排気路８とが連通され、吸気弁５と排気弁７を開閉動作させながら、燃焼室２において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸工程を実行して、ピストン３の往復運動をクランク軸の回転運動に変えて出力するように構成されている。
【００２５】
前記吸気路６における燃焼室２の近傍には、図２に詳しく示すように、柱状体の一例である断面形状卵型の中空の筒体９が、吸気路６のほぼ中央部を横断するように配設され、この筒体９によって、吸気路６を通流する酸素含有ガスの一例である空気Ａの流れにカルマン渦Ｋを発生させるように構成されている。
この中空の筒体９は、燃料Ｇを吸気路６に供給するための燃料供給手段１０を兼用するもので、そのため、筒体９における空気Ａの流れ方向の下流側の外壁には、筒体９の長手方向に沿って開口するスリット状の噴孔１１が上下２列に形成されている。
【００２６】
つまり、燃料Ｇは、中空の筒体９の内部に供給されて、上下２列の噴孔１１から吸気路６へ下流側ほど広がる方向に噴出するように構成され、他方、渦Ｋの方は、図２に詳しく示すように、筒体９の上下両側から交互に、かつ、内側へ巻き込む状態で間欠的に発生される。
そして、このような状態で発生される渦Ｋの渦領域に対して、上下２列の噴孔１１から燃料Ｇが供給されることになるので、上方の噴孔１１から噴出された燃料Ｇは上方の渦Ｋに、下方の噴孔１１から噴出された燃料Ｇは下方の渦Ｋに巻き込まれて、渦Ｋの存在部分に空気比の低い濃部が、それ以外の渦Ｋの存在しない部分に空気比の高い淡部が生成される。
【００２７】
このようにして燃料Ｇと空気Ａとの混合状態が不均一な混合気、換言すると、燃料Ｇの空気Ａに対する混合が抑制された混合抑制状態の混合気が生成されて、その混合気が、吸気弁５のみが開状態の吸気工程において燃焼室２に吸気される。
その際、渦Ｋを発生させる筒体９が、燃焼室２の近傍、つまり、渦Ｋの存在が維持されたままで燃焼室２内に吸気される位置に設けられているので、混合気は、上述した混合抑制状態を確実に維持して燃焼室２内に吸気される。
なお、混合抑制状態を維持したままで燃焼室２内に吸気させるためには、前記筒体９の設置位置は、吸気路６の形状や径、更には、空気Ａの流速などによっても異なるが、通常、燃焼室２に対する吸気路６の開口部を基準として上流に開口部の径から開口部の径の５倍の範囲が望ましい。
【００２８】
その後、吸気弁５と排気弁７とが閉状態の圧縮行程において、ピストン３の上昇に伴って燃焼室２の混合気が圧縮され、ピストン３が上死点に至る近傍において、予混合圧縮自着火エンジンの圧縮自着火が起きる。
このようにして燃料Ｇと空気Ａとの混合状態が不均一な混合抑制状態の混合気を圧縮自着火させることにより、最初に濃部において着火して、その火炎が隣接している淡部に伝播する際に燃焼速度を低下させ、全体的な燃焼速度を低下させることで、ノッキングを抑制しながら高出力運転が可能となる。
そして、燃焼・膨張行程において、混合気の燃焼によって発生する高圧ガスによりピストン３が下降され、その後の排気行程において、排気弁７が開状態とされ、ピストン３の上昇に伴って、燃焼室２の排ガスが排気路８からエンジン１００外へと排出される。
【００２９】
以上のような構成のエンジン１００を使用して、その作用効果を確認するための運転を行った結果、空気比が２．０から３．０の範囲内においても、ノッキングが発生せず、好ましい状態で運転することができ、かつ、空気比をさげて高出力を得ることのできることが確認された。
なお、そのときの運転条件は、下記の通りである。
ボア径 １１０ｍｍφ
ストローク １０６ｍｍ
圧縮比 １７
燃料 都市ガス１３Ａ
【００３０】
〔実施例２〕
次に、本発明による予混合圧縮自着火エンジンの第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。
図３（イ）に示す予混合圧縮自着火エンジン１００の基本的は構成は上記の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略するが、エンジン１００には、空気Ａの流れにカルマン渦Ｋを発生させる柱状体９とは別に、燃料供給手段として、流量制御弁１７を介して供給される燃料Ｇを内部に流通させる燃料供給管１０が設けられ、その燃料供給管１０が、図３（ロ）に示すように、柱状体９の空気Ａの流れ方向の下流側に配設されて、燃料Ｇが、柱状体９の下流側の燃料供給管１０に設けられた２列のスリット状の噴孔１１から、下流側ほど広がる方向に噴出されるように構成されている。
【００３１】
即ち、上記の第１の実施の形態と同様に、燃料Ｇは、燃料供給管１０の内部に供給されて、２列の噴孔１１から吸気路６へ下流側ほど広がる方向に噴出するように構成され、他方、渦Ｋの方は、図３に詳しく示すように、柱状体９の幅方向両側から交互に、かつ、内側へ巻き込む状態で間欠的に発生される。
そして、このような状態で発生される渦Ｋの渦領域に対して、２列の噴孔１１から燃料Ｇが供給されることになるので、噴孔１１から噴出された燃料Ｇは渦Ｋの内側に巻き込まれて、渦Ｋの存在部分に空気比の低い濃部が、それ以外の渦Ｋの存在しない部分に空気比の高い淡部が生成される。
このようにして燃料Ｇと空気Ａとの混合状態が不均一な混合気が生成されて、その混合気が、吸気弁５のみが開状態の吸気工程において燃焼室２に吸気される。
なお、この柱状体９も、燃焼室２に対する吸気路６の開口部を基準として上流に開口部の径から開口部の径の５倍の範囲に設けられている。
【００３２】
さらに、この柱状体９は、吸気路６の壁面から吸気路６の流路断面方向に突出自在に構成され、さらに、シリンダ機構部１３によって柱状体９の突出量を調整し、渦Ｋの発生状態を調整することができる。即ち、吸気路６の流路断面において、柱状体９が突出して存在する領域においては空気Ａが柱状体に衝突して渦Ｋが発生するので、燃料Ｇはその渦Ｋの内側に巻き込まれて混合気の混合状態は不均一になるが、柱状体９が存在しない領域においては渦Ｋは発生せず、下流側ほど広かる方向に噴出された燃料Ｇは渦Ｋの内側に巻き込まれることなく空気Ａと混合されるので、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態は均一なものとなる。よって、その柱状体９の突出量を調整することで、燃料Ｇの混合状態が不均一な領域の割合を調整することができ、結果、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を調整することができるのである。このシリンダ機構部１３のように柱状体９の突出量を調整して渦の発生状態を調整する手段を渦発生状態調整手段と呼ぶ。
【００３３】
またエンジン１００には、燃焼室２の筒内圧力を検出する筒内圧力センサ１４が設けられ、筒内圧力センサ１４の出力信号は制御装置１２に送られる。
さらに、連結棒４に接続されたクランク軸１５の回転角度を検出するクランク角センサ１６が設けられ、その出力信号も制御装置１２に送られる。
制御装置１２は、燃焼室２に吸気される混合気の空気比を設定するために、先ずクランク角センサ１６にからの出力信号からクランク軸１５の回転数を算出し、１サイクルにおける燃焼室に吸気される空気Ａの量は一定であることから、吸気路６における空気Ａの流量を算出する。
その算出された空気Ａの流量と、設定される空気比から燃料Ｇの供給量を決定し、流量制御弁１７を働かせて、燃料Ｇの供給量を設定し、設定された空気比の混合気を吸気路６に形成する。
よって、制御装置１２は燃焼室２に吸気される混合気の空気比を知ることができ、空気比等のエンジンの動作状態を検出する手段を動作状態検出手段と呼ぶ。
【００３４】
さらに制御装置１２は、設定した空気比に基づいて、シリンダ機構部１３を働かせ、柱状体９の吸気路６への突出量を調整し、燃料Ｇの空気Ａに対する混合の抑制状態を調整し、混合気の燃焼状態を調整するように構成されている。
即ち、高出力運転即ち設定する空気比の減少に伴って、柱状体９の吸気路６への突出量を増加させて渦Ｋの発生量を増加させ、吸気路６に噴出された燃料Ｇの多くを渦Ｋの内側に巻き込まれるようにして、燃焼室に吸気される混合気の混合状態を不均一なものとし、燃焼室２における圧縮自着火直後の燃焼速度を低下させることで、ノッキングを抑制しながら高出力運転が可能となり、逆に、低出力運転即ち設定する空気比の増加に伴って、柱状体９の突出量を減少させ、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を均一なものとして、超希薄燃焼を行い、高効率且つ低ＮＯｘの運転を行うことができる。
このように、空気比等のエンジンの動作状態に基づいて、シリンダ機構部１３を調整して渦Ｋの発生状態を制御して、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を調整し、燃焼室２における混合気の燃焼状態を調整する手段を制御手段と呼ぶ。
【００３５】
また、別に、燃料供給管１０を吸気路６において柱状体９の上流側に設け、燃料Ｇを噴出する噴孔１１を下流側に開口するように構成することができ、この場合は、下流側方向に噴出した燃料Ｇが柱状体９に衝突し、その柱状体９の下流側で発生する渦Ｋによって空気Ａとの混合が促進されるので、燃焼室２に供給する混合気を均一にする場合は柱状体９の突出量を増加させ、燃焼室２に供給する混合気を不均一にする場合は柱状体９の突出量を減少させる。
また、２列のスリット状の噴孔１１は、２本の燃料供給管１０によって形成しても構わない。
【００３６】
〔実施例３〕
次に、本発明による予混合圧縮自着火エンジンの第３の実施の形態を図４に基づいて説明する。
図４に示す燃料供給状態は、上記の第１及び第２の実施の形態で説明した予混合圧縮自着火エンジン１００の吸気路における燃料供給状態の別の実施の形態を示すものであり、空気Ａの流れに渦Ｋを発生させて空気Ａの流れを乱流状態とする柱状体９とは別に、燃料供給手段として、流量制御弁１７を介して供給される燃料Ｇを内部に流通させる燃料供給管１０が設けられ、その燃料供給管１０が、柱状体９の空気Ａの流れ方向の上流側に配設されて、燃料供給管１０に設けられたスリット状の噴孔１１は、吸気路６の空気Ａの流れ方向下流側に開口しており、下流側に設けられた柱状体９側に燃料Ｇを供給するように構成されている。
なお、この柱状体９も、燃焼室２に対する吸気路６の開口部を基準として上流
に開口部の径から開口部の径の５倍の範囲に設けられている。
【００３７】
さらに、この柱状体９は、楕円断面形状を有するものであり、吸気路６において回転軸９ａ回りに軸回転自在に構成され、さらに、渦発生状態調整手段として、回転機構部１８によって柱状体９の軸回転角度を調整して、渦Ｋの発生状態を調整することができる。即ち、吸気路１６の流路断面において、図４（イ）に示すように、柱状体９の長手半径方向を吸気路６の流路断面方向側となるように軸回転させると、空気Ａの流れは柱状体９によって多く影響を受けて、その柱状体９の下流側に小径且つ大量の渦Ｋを発生させて空気Ａの流れを乱流状態とし、上流側から流れてきた燃料Ｇと空気Ａとの混合を促進し、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を均一にすることができる。
また、逆に、図４（ロ）に示すように、柱状体９の長手半径方向を吸気路６の空気Ａの流れ方向側となるように軸回転させると、空気Ａの流れは柱状体９の外表面にそって流れほとんど影響を受けないので、その柱状体９の下流側にはほとんど渦が発生せず発生したとしても大径且つ少量であるため、上流側から流れてきた燃料Ｇと空気Ａとの混合は促進されず、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を不均一にすることができる。
【００３８】
よって、制御装置１２は、制御手段として、高出力運転即ち設定する空気比の減少に伴って、柱状体９を軸回転させて図４（ロ）の状態とし、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を不均一なものとして、高出力時のノッキングの発生を抑制し、逆に、低出力運転即ち設定する空気比の増加に伴って、柱状体９を軸回転させて図４（イ）の状態とし、燃焼室２に吸気される混合気の混合状態を均一なものとして、超希薄燃焼を行い、高効率且つ低ＮＯｘの運転を行うことができる。
【００３９】
また、このような構成の場合においては、柱状体９として楕円断面を有する柱状体の他に、長方形の断面を有する柱状体を利用しても構わない。
【００４０】
〔別実施の形態〕
〈１〉 上記の実施の形態では、柱状体９を燃焼室２に対する吸気路６の開口部を基準として上流に開口部の径から開口部の径の５倍の範囲に設けて、渦Ｋの存在が維持されたままで混合気を燃焼室２内に吸気されるように構成した例を示したが、渦Ｋの存在が完全に維持されていなくても、それまで存在していた渦Ｋの影響によって、空気比の低い濃部と空気比の高い淡部とが存在する状態で、混合気を燃焼室２内に吸気させることができるので、柱状体９を上述した範囲外に設けて実施することもできる。
また、吸気路６に設ける柱状体９の数は、１本に限るものではなく、吸気路６の断面積などに応じて２本以上設けることもでき、また、柱状体９の断面形状も、卵型に限るものではなく、円形や楕円形など種々の形状に構成することができる。
【００４１】
〈２〉 上記の実施の形態において、燃料Ｇを吸気路６に噴出させる噴孔１１の形状は、スリット状に限るものではなく、燃料供給管１０の長手方向に沿って点在する多数の孔で構成することもできる。
【００４２】
〈３〉 上記の実施の形態では、４サイクルの予混合圧縮自着火エンジン１００を例に説明したが、２サイクルの予混合圧縮自着火エンジンに適用することもできる。
【００４３】
〈４〉 本発明の予混合圧縮自着火エンジン１００に使用する燃料Ｇとしては、都市ガス、ガソリン、プロパン、メタノール、水素など、任意の炭化水素系燃料を使用することができ、また、酸素含有ガスの一例として空気Ａを使用した例を示したが、酸素含有ガスとしては、酸素成分含有量が空気よりも高い酸素富化ガスなどを使用することもでき、さらに、酸素含有ガスとして空気比が高い希薄混合気を供給するように構成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の予混合圧縮自着火エンジンの第１の実施の形態を示す概略構成図
【図２】図１に示す本発明の予混合圧縮自着火エンジンの吸気路の斜視図
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
２ 燃焼室
６ 吸気路
９ 柱状体
１０ 燃料供給管（燃料供給手段）
１１ 噴孔
１２ 制御装置
１３ シリンダ機構部（渦発生状態調整手段）
１００ 予混合圧縮自着火エンジン
Ａ 空気（酸素含有ガス）
Ｇ 燃料
Ｋ 渦

Claims (6)

1. 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記吸気路の前記酸素含有ガスに燃料を供給して、前記燃料と酸素含有ガスとの混合気を前記燃焼室において圧縮自着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
   前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を前記吸気路に設け、
   前記吸気路の前記渦が発生する渦領域に、前記燃料を供給する燃料供給手段を設け、
   前記燃料供給手段が、前記柱状体の前記酸素含有ガスの流れ方向の下流側に設けられ、
   前記柱状体が、中空の筒体であり、前記燃料供給手段が、前記筒体の内部に供給した燃料を、前記筒体の前記酸素含有ガスの流れ方向の下流側の外壁に設けた噴孔を介して、前記渦領域に供給する手段である予混合圧縮自着火エンジン。
2. 前記混合気の空気比が、２．０〜３．０の範囲内である請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
3. 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記吸気路の前記酸素含有ガスに燃料を供給して、前記燃料と酸素含有ガスとの混合気を前記燃焼室において圧縮自着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
   前記吸気路の前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を備えると共に、前記渦の発生状態を調整する渦発生状態調整手段とを備え、
   前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備え、
   前記動作状態検出手段により検出された動作状態に基づいて、前記渦発生状態調整手段を働かせて、前記渦の発生状態を制御する制御手段を備え、
   前記柱状体を、前記吸気路の壁面から前記吸気路の流路断面方向に突出自在に構成し、
   前記渦発生状態調整手段が、前記柱状体の突出量を調整して前記渦の発生状態を調整する手段である予混合圧縮自着火エンジン。
4. 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記吸気路の前記酸素含有ガスに燃料を供給して、前記燃料と酸素含有ガスとの混合気を前記燃焼室において圧縮自着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンであって、
   前記吸気路の前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させる柱状体を備えると共に、前記渦の発生状態を調整する渦発生状態調整手段とを備え、
   前記エンジンの動作状態を検出する動作状態検出手段を備え、
   前記動作状態検出手段により検出された動作状態に基づいて、前記渦発生状態調整手段を働かせて、前記渦の発生状態を制御する制御手段を備え、
   前記柱状体を、楕円断面若しくは長方形断面を有すると共に、高さ方向の軸回りに回転自在に構成し、
   前記渦発生状態調整手段が、前記柱状体の軸回転角度を調整して前記渦の発生状態を調整する手段である予混合圧縮自着火エンジン。
5. 前記吸気路における前記柱状体の位置が、前記発生した渦が前記燃焼室内まで維持される位置である請求項１から４の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。
6. 吸気路の酸素含有ガスを燃焼室に吸気すると共に、前記酸素含有ガスに燃料を供給して、前記燃料と酸素含有ガスとの混合気を前記燃焼室において圧縮自着火させ、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジンの運転方法であって、
   前記酸素含有ガスの流れに渦を発生させると共に、
   前記吸気路の前記渦が発生する渦領域に前記燃料を供給して、前記燃料の前記酸素含有ガスに対する混合を抑制して、
   前記混合が抑制された混合抑制状態の混合気を前記燃焼室に吸気して前記圧縮自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの運転方法。

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