JP5018514B2

JP5018514B2 - 内燃機関の熱回収利用装置

Info

Publication number: JP5018514B2
Application number: JP2008019330A
Authority: JP
Inventors: 辰夫小林; 慶午金
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: JP2009180132A

Description

本発明は、内燃機関の熱回収利用装置に関する。

火花点火内燃機関及び圧縮自着火内燃機関のいずれにおいても、気筒内の混合気温度を高めて混合気の着火性を高めることが望ましい。そのために、燃焼室壁面を加熱して気筒内の吸気温度を高める電気加熱手段を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１４０６４９

しかしながら、このように電気加熱手段によって吸気を加熱したのでは、そのために必要な電気エネルギの分だけ燃料消費を悪化させてしまう。

従って、本発明の目的は、燃料消費を悪化させることなく、混合気温度を高めることができる内燃機関の熱回収利用装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、前記燃焼室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室へ供給され、前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が前記燃料噴射弁から噴射され、前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御され、前記燃料加熱室から前記圧力調整弁を介して流出させる前記気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、前記蓄圧室内の前記気体燃料が前記燃料噴射弁によって噴射され、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力が設定圧力より高い時には、前記蓄圧室内の前記気体燃料の一部を燃料タンクへ戻すことにより、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力を前記設定圧力に維持し、必要燃料量を噴射するための前記燃料噴射弁の開弁期間は前記設定圧力に基づき設定されることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、前記燃焼室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室へ供給され、隔壁を介して前記燃焼室に隣接する吸気加熱室が設けられ、前記吸気加熱室内へ排気ガスを流入させることにより、前記吸気加熱室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃焼室内の吸気を加熱し、前記吸気加熱室は気筒毎に独立して設けられ、排気行程となっている気筒からの排気ガスを吸気行程となっている気筒の前記吸気加熱室へ流入させることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が前記燃料噴射弁から噴射され、前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御されることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１又は３に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は、前記圧力調整弁によって、低負荷時に高くされ、高負荷時に低くされることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記燃料加熱室は気筒毎に独立して設けられ、膨張行程となっている気筒の前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射時期となっている気筒の前記燃料噴射弁から噴射されることを特徴とする。

本発明による請求項６に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項３から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記燃料加熱室から前記圧力調整弁を介して流出させる前記気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、前記蓄圧室内の前記気体燃料が前記燃料噴射弁によって噴射され、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力に基づき、必要燃料量を噴射するための前記燃料噴射弁の開弁期間が設定されることを特徴とする。

本発明による請求項７に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項４から６のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記燃料加熱室は前記燃焼室を取り囲むように形成されていることを特徴とする。

本発明による請求項８に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、シリンダヘッドとシリンダブロックとは一体に形成され、前記燃料加熱室は、前記燃焼室の上部及び下部に前記隔壁を介して一体的に隣接することを特徴とする。

本発明による請求項９に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、吸気行程の一部において排気弁を開弁させて排気ガスの一部を前記燃焼室内へ流入させることを特徴とする。

本発明による請求項１０に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、排気行程の一部において排気弁を閉弁させて排気ガスの一部を前記燃焼室内へ残留させることを特徴とする。

本発明による請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関の燃料は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでいることを特徴とする。

本発明による請求項１２に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであることを特徴とする。

本発明による請求項１３に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであり、ガソリンを加熱することなく直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室内へ供給するためのもう一つの燃料噴射弁を具備し、低負荷時には前記もう一つの燃料噴射弁だけを使用してガソリンだけを前記燃焼室内へ供給して圧縮自着火燃焼を実施し、高負荷時には前記燃料噴射弁と前記もう一つの燃料噴射弁とを使用して少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料とガソリンとを前記燃焼室へ供給して圧縮自着火燃焼を実施することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、燃焼室から隔壁を介して伝達される熱を利用して燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して燃焼室へ供給されるようになっており、それにより、これまでの燃焼室の冷却損失は、燃料を加熱することに利用されて回収され、燃焼室内での燃料の気化潜熱を小さくすることができるために、燃料消費を悪化させることなく混合気温度が高められ、混合気の着火性を高めることができる。また、燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射弁から噴射されるようになっており、それにより、燃焼室内での燃料の気化潜熱は必要なく、混合気温度は十分に高められて混合気の着火性を十分に高めることができ、また、燃料加熱室内の気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御されるようになっているために、機関運転状態に応じて燃焼室から燃料加熱室へ伝達される熱量を調整することができる。また、燃料加熱室から圧力調整弁を介して流出させる気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、蓄圧室内の気体燃料が燃料噴射弁によって噴射され、蓄圧室内の気体燃料の圧力が設定圧力より高い時には、蓄圧室内の気体燃料の一部を燃料タンクへ戻すことにより、蓄圧室内の気体燃料の圧力を設定圧力に維持し、必要燃料量を噴射するための燃料噴射弁の開弁期間は設定圧力に基づき設定されるようになっている。それにより、圧力調整弁による燃料加熱室内の気体燃料の圧力制御によって蓄圧室内の気体燃料の圧力は変化するが、燃料噴射弁によって蓄圧室から必要量の気体燃料を確実に噴射することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、燃焼室から隔壁を介して伝達される熱を利用して燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して燃焼室へ供給されるようになっており、それにより、これまでの燃焼室の冷却損失は、燃料を加熱することに利用されて回収され、燃焼室内での燃料の気化潜熱を小さくすることができるために、燃料消費を悪化させることなく混合気温度が高められ、混合気の着火性を高めることができる。また、隔壁を介して燃焼室に隣接する吸気加熱室が設けられ、吸気加熱室内へ排気ガスを流入させることにより、吸気加熱室から隔壁を介して伝達される熱を利用して燃焼室内の吸気を加熱するようになっている。それにより、さらに混合気温度を高めて混合気の着火性をさらに改善することができる。また、吸気加熱室は気筒毎に独立して設けられ、排気行程となっている気筒からの排気ガスを吸気行程となっている気筒の吸気加熱室へ流入させるようになっている。それにより、排気ガスは、余り放熱することなく吸気を加熱し、排気ガスの熱を効率的に吸気加熱に利用することができ、さらに混合気温度を高めて混合気の着火性をさらに改善することができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射弁から噴射されるようになっており、それにより、燃焼室内での燃料の気化潜熱は必要なく、混合気温度は十分に高められて混合気の着火性を十分に高めることができ、また、燃料加熱室内の気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御されるようになっているために、機関運転状態に応じて燃焼室から燃料加熱室へ伝達される熱量を調整することができる。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１又は３に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃料加熱室内の気体燃料の圧力は、圧力調整弁によって低負荷時に高くされ、それにより、燃焼室から燃料加熱室へ伝達される熱量が小さくなって冷却損失が小さくなり、熱効率を改善することができる。また、高負荷時には、燃料加熱室内の気体燃料の圧力は、圧力調整弁によって低くされ、それにより、燃焼室から燃料加熱室へ伝達される熱量が大きくなって異常燃焼の発生を防止することができる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃料加熱室は気筒毎に独立して設けられ、膨張行程となっている気筒の燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射時期となっている気筒の燃料噴射弁から噴射されるようになっており、それにより、燃焼室から回収された熱により蒸発させた燃料は、余り放熱することなく噴射され、燃焼室から回収した熱を混合気温度を高めることに有効に利用することができる。

本発明による請求項６に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項３から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃料加熱室から圧力調整弁を介して流出させる気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、蓄圧室内の気体燃料が燃料噴射弁によって噴射され、蓄圧室内の気体燃料の圧力に基づき、必要燃料量を噴射するための燃料噴射弁の開弁期間が設定されるようになっている。それにより、圧力調整弁による燃料加熱室内の気体燃料の圧力制御によって蓄圧室内の気体燃料の圧力は変化するが、燃料噴射弁によって蓄圧室から必要量の気体燃料を確実に噴射することができる。

本発明による請求項７に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項４から６のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃料加熱室は燃焼室を取り囲むように形成されており、それにより、燃焼室の熱を十分に燃料の加熱に利用することができる。

本発明による請求項８に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、シリンダヘッドとシリンダブロックとは一体に形成され、燃料加熱室は、燃焼室の上部及び下部に隔壁を介して一体的に隣接するようになっている。それにより、燃焼室の上部に隣接する燃料加熱室がシリンダヘッドに、また、燃焼室の下部に隣接する燃料加熱室がシリンダブロックに、それぞれ別々に設けられる場合に比較して、二つの燃料加熱室を分ける隔壁が必要なく、燃料加熱室を燃焼室から効率的に熱を回収するように配置することができる。

本発明による請求項９に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、吸気行程の一部において排気弁を開弁させて排気ガスの一部を燃焼室内へ流入させるようになっている。それにより、排気ガスの熱により混合気温度はさらに高められ、混合気の着火性をさらに改善することができる。

本発明による請求項１０に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、排気行程の一部において排気弁を閉弁させて排気ガスの一部を燃焼室内に残留させるようになっている。それにより、排気ガスの熱により混合気温度はさらに高められ、混合気の着火性をさらに改善することができる。

本発明による請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から１０のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関の燃料は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでいる。それにより、このような気化潜熱の大きな燃料をそのまま燃焼室内へ供給すると、混合気温度が非常に低くなってしまうが、燃料加熱室での燃料加熱によって気化潜熱を小さくすることにより、混合気温度を高めて着火性を確実に改善することができる。

本発明による請求項１２に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関は圧縮自着火エンジンであるために、混合気の着火性を高めることは特に必要である。

本発明による請求項１３に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関は圧縮自着火エンジンであり、ガソリンを加熱することなく直接的に又は吸気ポートを介して燃焼室内へ供給するためのもう一つの燃料噴射弁を具備し、低負荷時にはもう一つの燃料噴射弁だけを使用してガソリンだけを燃焼室内へ供給して圧縮自着火燃焼を実施するようになっている。それにより、低負荷時には、膨張行程において燃料加熱室内の少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料は加熱されるが、この加熱燃料は燃焼室内へ供給されることはなく、燃料としてはもう一つの燃料噴射弁によって加熱されていないガソリンが使用され、吸気行程において燃料加熱室から燃焼室へ伝達される熱によって吸気が加熱され、混合気温度を高めた圧縮自着火燃焼が実現される。

また、高負荷時には、燃料噴射弁ともう一つの燃料噴射弁とを使用して少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料とガソリンとを燃焼室へ供給して圧縮自着火燃焼を実施するようになっている。それにより、高負荷時には膨張行程において加熱された燃料加熱室内の少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料が燃料噴射弁によって燃焼室内へ供給され、このような燃料が加熱されずに燃焼室内へ供給される場合に比較して気化潜熱が小さくなるために、混合気温度を高めることができるが、もう一つの燃料噴射弁によってガソリンも燃焼室内へ供給され、メタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料の気化潜熱によってガソリンのみの混合気よりは混合気温度は低くなる。こうして、ガソリンのみの混合気に比較すると、混合気の着火性は僅かに悪化し、自着火時期が遅れると共に燃焼が緩慢となるが、それにより燃焼騒音を低減させることができる。

図１は本発明による熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。同図において、１は点火プラグであり、２は燃焼室である。３は一対の吸気弁４を介して燃焼室２へ通じる一対の吸気ポートであり、５は一対の排気弁６を介して燃焼室２へ通じる一対の排気ポートである。７は燃焼室２内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁であり、８はピストンである。

本内燃機関は、ウォータジャケット及びラジエータを有する水冷式ではなく、熱回収利用装置として、隔壁を介して燃焼室２に隣接する燃料加熱室９が設けられている。燃料加熱室９は、燃焼室２を周方向に取り囲むように、また、燃焼室２の上壁を覆うように形成されている。特に、本内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダブロックとが一体に形成されており、それにより、燃料加熱室９を、隔壁を介して燃焼室２の上部及び下部に一体的に隣接させることができる。こうして、燃焼室２の上部に隣接する燃料加熱室をシリンダヘッドに、また、燃焼室２の下部に隣接する燃料加熱室をシリンダブロックに、それぞれ別に設ける場合に比較して、二つの燃料加熱室を分ける隔壁が必要なく、一体の燃料加熱室９は、燃焼室２から効率的に熱を回収することができる。

燃料加熱室９の上部には、燃料排出管１０と、燃料供給管１１とが接続されている。燃料排出管１０は圧力調整弁１２を介して蓄圧室１３に連通している。一方、燃料供給管１１は、燃料加熱室９への燃料流れのみを許容する逆止弁１４を介して燃料タンク１６に連通している。１５は、燃料タンク１６内の燃料を燃料加熱室９へ圧送するために燃料供給管１１に配置された燃料ポンプである。燃料ポンプ１５は、液体燃料を、例えば５００ｋＰａに昇圧して燃料加熱室９へ圧送する。

このような構成によって、燃料加熱室９は燃料タンク１６からの液体燃料によって満たされる。燃料加熱室９内の液体燃料は、膨張行程において燃焼室２から隔壁を介して伝達される熱によって加熱される。こうして、燃焼室２は良好に冷却されると共に、燃料加熱室９において加熱された燃料を燃料噴射弁７によって吸気行程又は圧縮行程において燃焼室２内へ供給すれば、燃料の気化潜熱が小さくなり、燃焼室２内に形成される混合気の温度を高めて混合気の着火性を改善することができる。このように混合気の着火性を高めることは、火花点火内燃機関だけでなく、圧縮自着火内燃機関においても有効である。

特に、本実施形態において、燃料排出管１０は、圧力調整弁１２を介して蓄圧室１３に連通され、燃料加熱室９において加熱により蒸発させた気体燃料によって蓄圧室１３が満たされ、蓄圧室１３内の気体燃料を燃料噴射弁７により噴射するようになっている。それにより、噴射燃料の燃焼室内での気化潜熱は必要なく、さらに混合気温度を高めて混合気の着火性をさらに改善することができる。本実施形態において、燃料噴射弁７は気筒内へ直接的に燃料を噴射するものとしたが、吸気ポート３に燃料噴射弁を配置して、加熱された液体燃料又は加熱により蒸発させた気体燃料を、吸気同期噴射として吸気行程に又は吸気非同期噴射として吸気行程前に噴射するようにしても良い。

図１において、燃料加熱室９内には燃焼室上下方向に延在する熱伝達部材１７が設けられている。熱伝達部材１７は、銀、アルミニウム、又は、銅等の金属メッシュや金属綿とすることができる。膨張行程において、燃料加熱室９の燃焼室上部からの単位面積当たりの受熱量は、燃焼室下部からの単位面積当たりの受熱量より多くなる。それにより、熱伝達部材１７が設けられていると、燃焼室上部からの燃料加熱室９の上部における受熱量の一部を燃料加熱室９の下部へ熱伝達し、燃料加熱室９内の燃料全体が一様に加熱されるようになるために、燃焼室２から多量の熱を回収することができる。

本実施形態において、圧力調整弁１２により燃料加熱室９内の気体燃料の圧力を制御することができる。例えば、機関低負荷時には、燃料加熱室９内の気体燃料の圧力は高圧の第一設定圧力（例えば、１０ＭＰａ）に制御され、それにより、燃料加熱室９内の液体燃料は、受熱して蒸発し難くなり、燃焼室２からの受熱量が少なくなる。こうして、機関低負荷時において冷却損失を小さくし、熱効率を改善することができる。また、機関高負荷時には、燃料加熱室９内の気体燃料の圧力は低圧の第二設定圧力（例えば、５ＭＰａ）に制御され、それにより、燃料加熱室９内の液体燃料は、受熱して蒸発し易くなり、燃焼室２からの受熱量が多くなる。こうして、機関高負荷には、燃焼室２を十分に冷却して異常燃焼を防止することができる。もちろん、このように二段階ではなく、機関負荷が高いほど燃料加熱室９内の気体燃料の圧力を徐々に高圧側に設定するようにしても良い。

ところで、図１に示す実施形態において、燃料加熱室９は気筒毎に独立して設けられ、各燃料加熱室９において蒸発させた気体燃料は、それぞれの蓄圧室１３を介して各燃料加熱室９に対応する気筒の燃料噴射弁７によって噴射されるようになっている。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、例えば、各燃料加熱室９を互いに連通し、共通の蓄圧室を介して各燃料噴射弁７により燃料を噴射するようにしても良い。また、燃料加熱室９を気筒毎に独立して設けて、膨張行程となっている気筒の燃料加熱室９内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射時期（例えば、吸気行程）となっている気筒の燃料噴射弁から噴射されるようにしても良い。それにより、各燃焼室２から回収された熱により蒸発した気体燃料は、時間的に余り放熱することなく噴射され、各燃焼室２から回収した熱を混合気温度を高めることに有効に利用することができる。

燃料噴射弁７は、各気筒独立又は各気筒共通の蓄圧室１３内の気体燃料を噴射するものであるために、蓄圧室１３には圧力センサが配置されて蓄圧室１３内の気体燃料の圧力が検出され、検出された圧力に基づき、気体燃料圧力が低いほど長くなるように、必要燃料量を噴射するための燃料噴射弁７の開弁期間が設定されるようになっている。それにより、圧力調整弁１０による燃料加熱室９内の気体燃料の圧力制御及びこれまでの燃料噴射量制御によって蓄圧室１３内の気体燃料の圧力は変化するが、蓄圧室１３内の気体燃料の圧力がいずれであっても、燃料噴射弁７によって蓄圧室１３から必要量の気体燃料を噴射することができる。好ましくは、蓄圧室１３内の気体燃料の温度も検出し、気体燃料温度が低いほど長くなるように、燃料噴射弁７の開弁期間は温度補正される。

また、蓄圧室１３内の気体燃料の圧力が設定圧力より高い時には、戻し管（図示せず）を介して蓄圧室１３内の気体燃料の一部を燃料タンク１６へ戻すことにより、蓄圧室１３内の気体燃料の圧力を設定圧力に維持するようにすれば、必要燃料量を噴射するための燃料噴射弁７の開弁期間は、必要燃料量に対する設定圧力に基づく開弁期間として予め設定しておくことができる。この場合にも、気体燃料温度に基づき開弁期間を補正することが好ましい。

図１において、燃料加熱室９の外側は、セラミック等から形成された断熱層２０によって覆われており、それにより、燃焼室２から燃料加熱室９へ伝達された熱を有効に燃料の加熱に使用することができる。

図２は本発明によるもう一つの熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。図１の熱回収利用装置との違いについてのみ以下に説明する。本熱回収利用装置において、燃料加熱室９’は、燃焼室２の上部だけに隣接しており、燃焼室２の下部には、燃焼室２を周方向に取り囲むように、吸気加熱室１８が隣接して形成されている。

吸気加熱室１８には、機関排気系の触媒装置の上流側から排気ガスを導いて流入させる流入管１８ａと、機関排気系の触媒装置の上流側へ排気ガスを戻す流出管１８ｂとが接続されている。こうして、必要に応じて、排気ガスの一部が吸気加熱室１８を通過するようにすれば、吸気加熱室１８から隔壁を介して伝達される熱を利用して燃焼室２内の吸気を加熱することができる。それにより、さらに混合気温度を高めて混合気の着火性をさらに改善することができる。排気ガスが吸気加熱室１８を確実に通過するようにするために、排気ガスを機関排気系から吸気加熱室１８へ圧送するポンプを設けても良い。

ところで、図２に示す実施形態において、吸気加熱室１８は気筒毎に独立して設けられ、各吸気加熱室１８の流入管１８ａには開閉弁（図示せず）が設けられて、これら開閉弁を必要に応じて開閉させることにより、吸気行程となっている気筒の吸気加熱室１８だけへ排気ガスを流入させている。この排気ガスは、各気筒の排気合流部の下流側から導いてもよいが、排気行程となっている気筒の排気ガスが吸気行程となっている気筒の吸気加熱室１８へ流入するように、排気合流部の上流側の各枝管と各吸気加熱室１８の流入管１８ａとを選択的に連通させるようにしても良い。それにより、排気ガスの熱を効果的に吸気加熱に利用することができ、さらに混合気温度を高めて混合気の着火性をさらに改善することができる。

図１及び２に示す実施形態において、吸気行程の一部において排気弁を開弁するようにすれば、排気ガスの一部が燃焼室２内へ逆流するために、排気ガスの熱によって混合気温度をさらに高めることができ、混合気の着火性をさらに改善することができる。また。排気行程の一部（例えば、排気行程末期）において排気弁を閉弁するようにすれば、排気ガスの一部が燃焼室２内に残留するために、同様に、混合気温度を高めることができる。少なくとも排気弁が電磁又は油圧式等のアクチュエータによって駆動されるものであれば、このような吸気行程中の排気弁の開弁及び排気行程中の排気弁の閉弁は可能である。

このような吸気加熱及び前述の吸気加熱室１８による吸気加熱は、機関低負荷時に有効であり、機関高負荷時には吸気加熱を中止してノッキング等の異常燃焼を防止することが好ましい。また、機関負荷が高いほど吸気加熱の程度を徐々に小さくするようにしても良い。

図１及び２に示す実施形態において、燃料加熱室９又は９’に供給される燃料は、ガソリンとしても良いが、メタノール、アンモニア、又は、ブタンとしても、又は、メタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料としても良い。メタノール、アンモニア、又は、ブタンは気化潜熱が大きく、このような燃料が液体燃料として燃焼室内へ供給されると、混合気温度が非常に低くなり、混合気の着火性が非常に悪化してしまう。このように気化潜熱の大きな燃料が使用される場合において、燃料加熱室９又は９’において燃料を加熱して混合気の着火性を改善することは特に好ましい。

また、図１及び２に示す実施形態の内燃機関は、火花点火内燃機関としたが、圧縮自着火内燃機関の場合には、混合気温度を高めて混合気の着火性を高めることは特に必要であり、ノッキング発生を抑制するために圧縮比をそれほど高めることができない時には、燃料加熱室９又は９’において燃料を加熱するだけでなく、図２に示す吸気加熱室１８を設けて吸気を加熱したり、吸気行程中に排気弁を開弁させて排気ガスを燃焼室２へ逆流させたりして、又は、排気行程中に排気弁を閉弁させて排気ガスを燃焼室２内に残留させたりして、混合気温度を高めることが好ましい。

また、圧縮自着火内燃機関の場合には、図１及び２に示すように、吸気ポート３に加熱されないガソリンを噴射するもう一つの燃料噴射弁１９を設けるようにしても良い。このような構成によって、機関低負荷時には、膨張行程において燃料加熱室９又は９’内の少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料は加熱されるが、この加熱燃料は燃焼室２内へ供給されることなく、燃料としてはもう一つの燃料噴射弁１９によって加熱されていないガソリンが吸気ポート３を介して燃焼室内へ供給される。この時に、吸気は、少なくとも燃料加熱室９又は９’において前回の膨張行程で加熱された燃料から燃焼室２へ伝達される熱によって加熱され、混合気温度が高められて良好な圧縮自着火燃焼を実現することができる。

一方、機関高負荷時には、燃料噴射弁７と、もう一つの燃料噴射弁１９とを使用して、燃料加熱室９又は９’において加熱された少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料と、加熱されていないガソリンとが燃焼室２へ供給される。それにより、この時には、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料が加熱されて燃焼室内へ供給され、このような燃料が加熱されずに燃焼室内へ供給される場合に比較して、気化潜熱が小さくなるために、混合気温度を高めることができるが、もう一つの燃料噴射弁１９によってガソリンも燃焼室内へ供給され、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料は、加熱されても、ガソリンに比較すれば気化潜熱が大きく、ガソリンのみの混合気よりは混合気温度が低くなる。こうして、ガソリンのみの混合気と比較すると、混合気の着火性は僅かに悪化し、自着火時期が遅れると共に燃焼が緩慢となるために、燃焼騒音を低減させることができる。もう一つの燃料噴射弁１９は、気筒内へ直接的にガソリンを噴射するものとしても良い。

本発明による熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。本発明によるもう一つの熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。

符号の説明

２燃焼室
７燃料噴射弁
９，９’ 燃料加熱室
１２圧力調整弁
１３蓄圧室

Claims

隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、前記燃焼室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室へ供給され、前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が前記燃料噴射弁から噴射され、前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御され、前記燃料加熱室から前記圧力調整弁を介して流出させる前記気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、前記蓄圧室内の前記気体燃料が前記燃料噴射弁によって噴射され、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力が設定圧力より高い時には、前記蓄圧室内の前記気体燃料の一部を燃料タンクへ戻すことにより、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力を前記設定圧力に維持し、必要燃料量を噴射するための前記燃料噴射弁の開弁期間は前記設定圧力に基づき設定されることを特徴とする内燃機関の熱回収利用装置。
隔壁を介して燃焼室に隣接する燃料加熱室を具備し、前記燃焼室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃料加熱室において加熱された燃料が、燃料噴射弁から噴射されて直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室へ供給され、隔壁を介して前記燃焼室に隣接する吸気加熱室が設けられ、前記吸気加熱室内へ排気ガスを流入させることにより、前記吸気加熱室から前記隔壁を介して伝達される熱を利用して前記燃焼室内の吸気を加熱し、前記吸気加熱室は気筒毎に独立して設けられ、排気行程となっている気筒からの排気ガスを吸気行程となっている気筒の前記吸気加熱室へ流入させることを特徴とする内燃機関の熱回収利用装置。
前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が前記燃料噴射弁から噴射され、前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は圧力調整弁によって制御されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記燃料加熱室内の前記気体燃料の圧力は、前記圧力調整弁によって、低負荷時に高くされ、高負荷時に低くされることを特徴とする請求項１又は３に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記燃料加熱室は気筒毎に独立して設けられ、膨張行程となっている気筒の前記燃料加熱室内で蒸発させた気体燃料が燃料噴射時期となっている気筒の前記燃料噴射弁から噴射されることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記燃料加熱室から前記圧力調整弁を介して流出させる前記気体燃料を蓄える蓄圧室が設けられ、前記蓄圧室内の前記気体燃料が前記燃料噴射弁によって噴射され、前記蓄圧室内の前記気体燃料の圧力に基づき、必要燃料量を噴射するための前記燃料噴射弁の開弁期間が設定されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記燃料加熱室は前記燃焼室を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
シリンダヘッドとシリンダブロックとは一体に形成され、前記燃料加熱室は、前記燃焼室の上部及び下部に前記隔壁を介して一体的に隣接することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
吸気行程の一部において排気弁を開弁させて排気ガスの一部を前記燃焼室内へ流入させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
排気行程の一部において排気弁を閉弁させて排気ガスの一部を前記燃焼室内へ残留させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記内燃機関の燃料は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでいることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであり、ガソリンを加熱することなく直接的に又は吸気ポートを介して前記燃焼室内へ供給するためのもう一つの燃料噴射弁を具備し、低負荷時には前記もう一つの燃料噴射弁だけを使用してガソリンだけを前記燃焼室内へ供給して圧縮自着火燃焼を実施し、高負荷時には前記燃料噴射弁と前記もう一つの燃料噴射弁とを使用して少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含む燃料とガソリンとを前記燃焼室へ供給して圧縮自着火燃焼を実施することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置。