JP4465186B2 - 分割された燃焼室を備えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、分割された燃焼室を備えた内燃機関、特に、第１または主燃焼室と、補助燃焼室を有する内部燃焼室に関するものである。

主燃焼室と補助燃焼室を持つ分割内部燃焼室機関は良く知られている。このタイプのエンジンでは、最初に、圧縮空気を主燃焼室から（その圧縮行程の間に）補助燃焼室に導入するため、次に、ほぼ上死点において、補助燃焼室の中の燃料と圧縮空気に点火された後に、燃焼生成物を補助燃焼室から主燃焼室の中に流入させるために、限られた複数の時間帯に主燃焼室および補助燃焼室は連結される。

流体的な連結をこのように制御するために、「フローモジュレータ」として知られる弁が採用されている。一般的に、その弁は、主燃焼室から補助燃焼室への圧縮空気の導入を上死点の前２５°付近で止める。この時点で圧縮空気の流れを止めることにより、補助燃焼室における圧縮比は、スパーク点火に最適と考えられる約９：１に限定される。少量の燃料を補助燃焼室の中に噴射（注入）する専用の燃料噴射装置が設けられており、その噴射された燃料は、補助燃焼室の中の圧縮空気と混合され、やや燃料リッチの混合物になる。

上死点において、主燃焼室内の圧縮状態は、３００ｐｓｉを越える程度の圧力に達する。一方、補助燃焼室に繋がっているスパークプラグは、上死点の前２５°を少しすぎた時点でスパークするように時間が設定されているので、補助燃焼室内の空気と燃料は、エンジンが上死点の前２５°から上死点に至る時間より若干前から燃焼していることになる。その結果、補助燃焼室内の圧力は、主燃焼室内の圧力に較べて十分に高くなる。

上死点において、弁が開くと、補助燃焼室内の燃焼中の物は、主燃焼室内に勢いよく噴出され、主燃焼室内の燃料・空気混合物の燃焼が開始される。

本発明の課題は、異なる様式の分割された燃焼室を持つ内燃機関を提供することにある。

本発明においては、内部で燃料を燃焼可能なキャビティと、前記キャビティの中で可動し、前記キャビティと共に第１の燃焼室を形成する可動体と、前記第１の燃焼室の中に第１の量の燃料を噴射するための第１の燃料噴射装置と、補助燃焼室を形成するハウジングと、前記補助燃焼室から前記第１の燃焼室に延びる通路と、前記補助燃焼室と前記第１の燃焼室との間の流体の流れに対し高い抵抗となる伸長位置と、前記補助燃焼室と前記第１の燃焼室との間の流体の流れを実質的に妨害しない引込位置とを移動可能な弁と、前記第１の燃焼室の外側から供給された空気を含む燃料空気混合物を前記補助燃焼室の中に噴射するための補助燃料・空気噴射装置と、前記補助燃焼室の中の前記燃料空気混合物に点火して、前記第１の量の燃料に点火させるための発火した燃料空気混合物を生成する点火手段と、前記可動体が下死点にあって、圧縮行程を開始するときには、前記弁を前記伸長位置に保持し、それにより前記第１の燃焼室と前記補助燃焼室との間の流体の流れに対する抵抗を高くする制御装置とを有する内燃機関を提供する。

前記制御装置は、前記弁が前記伸長位置にあり、かつ、前記第１の燃焼室が最小容量になる位置に前記可動体が至る前に、前記燃料空気混合物が点火されるように前記内燃機関を制御し、さらに、引き続いて前記弁を引込位置へ動かし、それによって前記発火した燃料空気混合物を、前記通路を通って前記第１の燃焼室に出力させることが望ましい。

前記制御装置は、前記点火手段が前記燃料空気混合物に点火した後、前記弁が前記引込位置に動く前に、前記発火した燃料空気混合物の圧力が前記第１の燃焼室の中の圧力より高くなるのに十分な期間、前記弁を前記伸長位置に維持するようになっていることが望ましい。

前記弁は、前記ハウジングの中に配置されていることが望ましい。

前記弁は、前記伸長位置において、前記通路の前記補助燃焼室側の端を塞ぐ端部を備えていることが望ましい。

前記ピストンはヘッドを備え、前記第１の燃焼室はそのピストンの凹部を含むことが望ましい。

前記弁は、前記補助燃焼室の中央を通過するように伸びる部材を備えることが望ましい。

前記第１の燃料噴射装置から噴射される燃料と、前記通路から出力される前記発火した燃料空気混合物とが、前記第１の燃焼室の中の同一の点を目標とするように、前記第１の燃料噴射装置および前記ハウジングが並べられていることが望ましい。

前記同一の点は、前記凹部の上にあることが望ましい。

前記エンジンは、前記補助燃料・空気噴射装置から噴射される前記燃料空気混合物のための空気を供給する空気圧縮機を有することが望ましい。

添付された図面に示すように、本発明に係る内燃機関（エンジン）１０は、シリンダ１２で現されたキャビティを有し、このシリンダ１２には往復運動するピストン１４で現された可動体が収納されている。そのシリンダ１２は、エンジンブロック１６とシリンダヘッド１８の組み合わせによって構成されており、エンジンブロック１６およびシリンダヘッド１８は公知の一般的なものである。第１の燃焼室（主燃焼室）２０は、シリンダヘッド１８の上部の面２２とピストン１４との間に構成される。第１の燃料噴射装置２４はシリンダヘッド１８に設置され、その注入ノズル２６は第１の量の燃料を燃焼室２０の中に噴射するように配置されている。

補助燃焼室（第２の燃焼室）３０を形成する取り外しまたは取り替え可能なハウジング２８は、エンジン１０のシリンダヘッド１８にネジ止めにより、かつ、気密性を持って取り付けられている。さらに、そのハウジング２８には、補助燃焼室３０から第１の燃焼室２０に延びる通路３２が設けられている。補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間の通路３２を通しての流体的な連結は弁３４により制御されている。具体的には、その弁３４は、弁制御装置３６の制御の下で、補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間の流体の流れに対し弁３４が高い抵抗となる伸長位置と、補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間の流体の流れを弁３４が実質的に妨害しない引込位置とを移動可能となっている。

補助燃料および空気噴射装置（補助燃料・空気噴射装置）３８は、ネジ止めにより、かつ、気密性を持ってハウジング２８に取り付けられており、空気と燃料を補助燃焼室３０の中に注入するように配置されている。以下に詳細に説明するように、この補助燃料および空気噴射装置３８により補助燃焼室３０の中に注入される空気は、シリンダ１２の外から供給されるものである。また、スパークプラグ４０として現された点火手段もハウジング２８にネジ止めにより固定されており、スパークプラグ４０により発生されたスパークが補助燃焼室３０の中の燃料および空気混合物（燃料・空気混合物）に点火できる位置に固定されている。

制御装置３６はエンジン１０を制御し、噴射装置３８から燃焼室３０に注入された燃料・空気混合物が、弁３４が伸長位置、すなわち、流体の流れに高い抵抗を与える位置にあり、かつ、ピストン１４が上死点に到達する前の時点で、スパークプラグ４０のスパークにより点火されるようにする。それに引き続いて、制御装置３６は、弁３４を引込位置へ動かし、それによって補助燃焼室３０の中の発火した燃料・空気混合物を通路３２を通して燃焼室２０に流出させ、燃焼室２０において、噴射装置２４により噴射された燃料、および燃焼室２０の空気と発火した燃料・空気混合物が反応してさらに燃焼するようにする。

エンジンについてさらに詳細に説明すると、補助燃焼室３０はほぼ環状を成しており、部材３５が環状の中心部を通って伸びている。弁３４は径が先に行くほど細くなる端部４２を有し、その端部４２の形状および構成は、通路３２の補助燃焼室３０の側の端であるスロート部４４の形状にほぼ合致するようになっている。弁３４はスロート部４４やハウジング２８の通路３２に接触しないような形状および構成で、接触しないように制御装置３６により制御されるのが理想的である。そうすれば、弁３４、端部４２、スロート部４４、および通路３２は、衝撃により摩滅することがない。弁３４の機能は、補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間を完全に気密にシールすることではなく、補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間の空気の流れの抵抗を高くすることである。エンジンの圧縮行程において抵抗を高くすることが必要であり、それにより補助燃焼室３０の空気圧力をほぼ独立して制御することができる。弁３４がなければ、補助燃焼室３０内の空気圧力はピストン１４の全ての工程において、主燃焼室２２の圧力と同じになってしまう。

通常、燃料・空気噴射装置３８から注入される空気は、エンジン駆動の空気圧縮機、または、同等の装置により供給される。この空気は、計量された燃料と混合され、あらかじめ定められた混合比の燃料／空気混合物となって、補助燃料・空気噴射装置３８により補助燃焼室３０の中に注入される。注入される燃料と空気の特定の混合比の制御は、公知の手段により行なうことができる。

燃料・空気噴射装置３８により注入される空気をシリンダ１２の外から供給することにより、補助燃焼室３０に対する燃料および空気の噴射は、ピストン１４のタイミングとは無関係に行なわれる。したがって、燃料および空気を、弁３４がその伸長位置に動かされた直後、例えば、ピストン１４がその排気行程を完了したときに、噴射装置３８により補助燃焼室３０の中に噴射できる。

効率的な燃焼室を持ったエンジン１０は、分割された燃焼室を備えたエンジンであり、それは、第１の燃焼室２０、補助燃焼室３０および通路３２の組み合わせを備えているからである。エンジン１０の各シリンダ１２の主燃焼室２０は、シリンダヘッド１２、ピストン１４の上面４６、および上面４６より上のエンジンブロック１６の内周面４８に囲まれた容積になる。ピストン１４がその上死点にあるときには、ピストン１４の上面４６は通常、シリンダボアの周面４８の上に位置するので、この容積は最小になる。ピストン１４の上面４６には、へこんだ凹部、あるいは、くぼみ５０が設けられている。燃焼の過程を助けるために、噴射装置２４のノズル２６から噴射された燃料と、通路３２を通過した補助燃焼室３０からの燃焼生成物とが、凹部５０の中の同一の点５２を焦点とするように、あるいは、その点を目標とするように、第１の燃料噴射装置２４およびハウジング２８は配置される。

制御装置３６は、弁３４の動きを電子的に制御できるソレノイド、あるいは、その他の電気的／電子的制御装置が望ましく、それにより、弁３４の位置をソフトウエアにより適応制御できる。制御装置３６は、弁３４のポジションをカムシャフト、タイミングベルト、あるいは、その他の機械的手段によって制御する機械的なリンク機構で実現することも可能である。

次にエンジン１０の操作について説明する。なお、エンジン１０は、以上に記載されたもの以外の複数の構成要素、例えば、クランクシャフト、インレットバルブ、アウトレットバルブ、カムシャフト、ラジエータ、冷却ジャケット、燃料ポンプなどから構成される。これらの構成要素は、公知のいずれのものであっても良く、本発明の構成の一部となるものではない。さらに、以上の記載は、１個のシリンダを対象にしているが、エンジン１０は、通常、同様のシリンダを複数備えているものである。ピストン１４が下死点にあって、圧縮行程を開始したとする。制御装置３６は弁３４を伸長位置に保持し、それにより第１の燃焼室２０と補助燃焼室３０との間のスロート４４を通る流体の流れに対する抵抗を高くする。

ピストン１４が上死点に向かって動き始めることにより、燃焼室２０の体積は減少し、その前の吸入工程の間に燃焼室２０の中に誘導された空気は次第に圧縮される。エンジン１０のエンジン管理システム（不図示）は制御装置３６を制御し、さらにそれからの最適なタイミングの制御に従い、補助噴射装置３８により、所定の量の空気および燃料が補助燃焼室３０の中に注入される。弁３４は伸長位置にあるので、燃焼室２０と補助燃焼室３０の間の流動抵抗は非常に高く、それら二つの燃焼室の間の圧力は実質的に独立している。

その後の、ピストン１４が上死点に達する前の適切な瞬間に、スパークプラグ４０がスパークを発生するように操作され、それによって補助燃焼室３０の燃料と空気の燃焼が開始される。このときも、弁３４は伸長位置に保持されているので、燃焼室３０の中の圧力は、その中の燃料の燃焼により、その最高圧力まで非常に早く上昇する。さらに、燃焼室３０の寸法と容積が小さいために、火炎伝播は非常に早い。

適切な瞬間、例えば、ピストン１４が上死点に達したときに、制御装置３６は弁３４を引込位置まで素早く動かし、補助燃焼室３０と第１の燃焼室２０との間の流体の流れを実質的に妨害しないようにする。補助燃焼室３０の内圧が、その中で燃料の燃焼が開始される前に、ピストン１４が上死点にあるときの主燃焼室２０の最高の内圧より低いとしても、補助燃焼室３０における燃料および空気の燃焼により、弁３４が引込位置に動くときは、補助燃焼室３０の内圧は、燃焼室２０の内圧より十分に高い。その結果、燃焼中の空気および燃料、さらにその燃焼生成物はスロート４４および通路３２を通って高速で燃焼室２０の中に移動する。通路３２を通る高速な流れにより、補助燃焼室３０からの燃焼中の燃料と空気と、第１の燃焼室２０内の空気とは完全に混合される。この段階で、第１の燃料噴射装置２４により燃料が第１の燃焼室２０の中に噴射される。補助燃焼室３０と燃焼室２０との間の大きな差圧により通路３２を通った燃焼中の燃料および空気の流れは高速になり、それに加えて、補助燃焼室３０からの既に燃焼中の燃料が存在するので、第１の燃料噴射装置２４から噴射された燃料は急速に気化し燃焼する。さらに、先に述べたように、第１の噴射装置２４から噴射された燃料と、通路３２を通った燃焼中の空気および燃料は、凹部５０にある同一の点５２に導かれるようになっている。これが、さらに第１の燃焼室内における混合工程を助長し、いっそう燃焼行程を助長する。排気行程が完了し、シリンダ圧力が比較的低い排気圧力のみにより定まるようになったときに、制御装置３６は弁３４を伸長位置に戻し、第１の燃焼室２０と補助燃焼室３０との間の流動抵抗が高くなるようにする。そして、補助燃焼室３０は、次のエンジン／ピストンサイクルの準備段階において、空気および燃料を噴射することができる状態になる。

シリンダ１２の外から、例えば、空気圧縮機から補助燃焼室３０への空気を供給するような本発明の実施例であれば、補助燃焼室３０を、燃料点火に適した状態に準備するのに利用可能な時間を大幅に増加できることは、この技術分野の技術者であれば理解できるであろう。このことは、低揮発性の燃料（すなわち、低質燃料）を用いる場合に大きなメリットとなる、というのは、十分な時間があれば、補助燃焼室３０に噴射された燃料を点火の前に完全に気化でき、燃料の点火に適した圧力にすることができるからである。さらに、燃焼室３０の中で補助的な燃焼を発生させることにより、極めて高いレベルの熱および運動エネルギを、ピストン１４の位置とは独立したタイミングで、さらに、第１の燃焼室２０の中に噴射された燃料を最も効果的に効率良く燃焼させるように第１の燃焼室２０へ放出できるタイミングで、得ることができる。ディーゼル・サイクル法を用いた場合、および最近の全ての直接噴射エンジンでは今のところ避けられない現象であるとされている着火遅延現象に起因する典型的に有害な高ピーク圧力問題を、本発明を実施することにより避けられると考えられている。

全燃焼工程がピストン１４の動きよってのみ制御されるのではなく、燃焼の準備に必要なクリティカルな機能を独立して実行できるので、本発明を実施することにより、最適な燃焼に必要な化学的条件を整えるために、従来のエンジンに対し約２４倍長い時間枠を与えることができる。それとともに、補助燃焼室から放出される結合エネルギは、スパークプラグから放出されるエネルギの少なくとも１，０００倍あることが数学的に証明できる。本発明を実施することにより実行される、このユニークな方法においては、主燃焼は効果的に行なわれ、圧縮行程に引き続いて直ぐに主燃焼室の膨張が始まり、その結果、燃焼圧力のピークと直接熱損失を減らすことができ、排出されるＮＯｘの生成を低減するのに大きな効果が得られる。

以上では本発明の一実施例を詳細に記述したが、関連した技術に精通した者にとって、この基本的な発明思想から離れることなく、無数の変更や変異が考えられることは明らかであろう。例えば、弁３４の引き込み前に、主燃料噴射装置を操作して主燃焼室２０に燃料を噴射させることが可能であり、弁３４を引き込んだときに、点火可能な空気および気化された燃料が既に混合された物を準備しておくことができる。さらに、弁３４を補助燃焼室３０の中で燃焼が始まった直後に引き込むことも可能であり、第１の燃焼室２０の中に既に燃料が噴射され、完全に混合されていれば、同じエンジンの状態で、もっと普通な火炎伝播方式を使用することも可能である。また、第１の噴射装置２４により主燃焼室２０の中にいつ燃料を噴射するかを、通常の燃料ポンプにより制御することも可能である。さらに、補助燃焼室３０の中で燃焼が始まるのとほぼ同時に弁３４を開けて低差圧で排出させたり、弁３４を開く前に補助燃焼室に高差圧を持たせたりすることは、スパークのタイミングを制御することにより可能であり、そのためにシャフト・エンコーダとマイクロプロセッサ技術を用いることができる。補助燃焼室３０および第１の燃焼室２０の中の燃料／空気の比は、通例の方法により制御することができる。最終的には、補助燃焼室３０には噴射装置３８により、燃料リッチの燃料／空気混合物を供給できる。弁３４が引き込まれると、一部燃焼した燃焼生成物が主燃焼室２０に流れ込み、そこに在る更なる空気により燃焼が直ちに完了させられ、噴射された主燃料が直ちに燃焼する最適な状態を生み出す。さらに、この実施例は、往復動ピストンエンジンに適用した場合について記載しているが、例えば、ロータリー（すなわち、Ｗａｎｋｅｌ）エンジン等の他のタイプの内燃機関にも適用できる。ロータリーエンジンの実施例においては、ロータリーエンジンのハウジングによって構成されるキャビティが本実施例のシリンダ１２に相当し、ロータがピストン１６に相当する。

これらの変更や変異は、関連した技術に精通した者にとって自明である変更も含めて、以上の記載及び請求の範囲から定められる本発明の範囲に含まれる。

本発明に係る内燃機関の実施例のシリンダの上部およびシリンダヘッドの断面図である。本発明の１つの実施例が図１を参照し、単に参考として説明される。

Claims (10)

1. 内部で燃料を燃焼可能なキャビティと、
   前記キャビティの中で可動し、前記キャビティと共に第１の燃焼室を形成する可動体と、
   前記第１の燃焼室の中に第１の量の燃料を噴射するための第１の燃料噴射装置と、
   補助燃焼室を形成するハウジングと、
   前記補助燃焼室から前記第１の燃焼室に延びる通路と、
   前記補助燃焼室と前記第１の燃焼室との間の流体の流れに対し高い抵抗となる伸長位置と、前記補助燃焼室と前記第１の燃焼室との間の流体の流れを実質的に妨害しない引込位置とを移動可能な弁と、
   前記第１の燃焼室の外側から供給された空気を含む燃料空気混合物を前記補助燃焼室の中に噴射するための補助燃料・空気噴射装置と、
   前記補助燃焼室の中の前記燃料空気混合物に点火して、前記第１の量の燃料に点火させるための発火した燃料空気混合物を生成する点火手段と、
   前記可動体が下死点にあって、圧縮行程を開始するときには、前記弁を前記伸長位置に保持し、その後、前記補助燃焼室の中の前記燃料空気混合物に点火され、引き続いて前記弁を引込位置へ動かすまで、前記第１の燃焼室と前記補助燃焼室との間の流体の流れに対する抵抗を高くする制御装置とを有する内燃機関。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記弁が前記伸長位置にあり、かつ、前記第１の燃焼室が最小容量になる位置に前記可動体が至る前に、前記燃料空気混合物が点火されるように前記内燃機関を制御し、さらに、引き続いて前記弁を引込位置へ動かし、それによって前記発火した燃料空気混合物を、前記通路を通って前記第１の燃焼室に出力させる、内燃機関。
3. 請求項２において、前記制御装置は、前記点火手段が前記燃料空気混合物に点火した後、前記弁が前記引込位置に動く前に、前記発火した燃料空気混合物の圧力が前記第１の燃焼室の中の圧力より高くなるのに十分な期間、前記弁を前記伸長位置に維持するようになっている、内燃機関。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記弁が前記ハウジングの中に配置されている内燃機関。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記弁は、前記伸長位置において、前記通路の前記補助燃焼室側の端を塞ぐ端部を備えている、内燃機関。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記弁は、前記補助燃焼室の中央を通過するように伸びる部材を備えている内燃機関。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記第１の燃料噴射装置から噴射される燃料と、前記通路から出力される前記発火した燃料空気混合物とが、前記第１の燃焼室の中の同一の点を目標とするように、前記第１の燃料噴射装置および前記ハウジングが並べられている内燃機関。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記可動体に凹部が設けられており、前記第１の燃焼室はその凹部を含む、内燃機関。
9. 請求項８において、前記同一の点は、前記凹部の上にある内燃機関。
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記補助燃料・空気噴射装置から噴射される前記燃料空気混合物のための空気を供給する空気圧縮機を有する内燃機関。

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