JP5065532B1

JP5065532B1 - ３サイクル気体燃料エンジン

Info

Publication number: JP5065532B1
Application number: JP2012026885A
Authority: JP
Inventors: 泰朗横山
Original assignee: 泰朗横山
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP2013163995A

Abstract

【課題】滑らかで力強い回転動力を得ることができる３サイクル気体燃料エンジンを提供する。
【解決手段】気筒の内部に配設される３つのパワーロータ６が静止公転運動するロータリー式のスターリングサイクル機構において、ロータハウジング４の短軸方向一端側に点火プラグ２０と、上記短軸方向他端側に吸気ポート７と排気ポート８とが上記短軸を挟んで夫々配設され、上記長軸方向他端側に気体燃料を筒内に供給する燃料供給手段が直噴燃料供給手段で構成され、掃気用エア供給手段からのエア供給量を増減することにより、実際空燃比が運転状態に応じて変化する割合に制御する空燃比制御手段と、循環ダイリューションガスを吸気系の作動室のトレーリング部分に導入するダイリューションガス再循環機構と吸気の一部を排気系の作動室のトレーリング部分に偏在混入する吸気偏在機構と、筒内にメタリングオイルを効率よく潤滑するメタリング供給手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体燃料エンジンに関する。

一般に、自動車用エンジンの燃料としては、ガソリン等の常温で液体である炭化水素系燃料が従来から多用されている。しかしながら、ガソリン又は軽油を燃料とするこれまでのレシプロエンジンにおいては、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の種々の大気汚染物質が排出されるといった問題がある。そこで、近年、燃焼時にＣＯ_２、ＣＯ及びＨＣが全く発生しない水素ガスを燃料とし、あるいは燃焼によるＣＯ_２、ＣＯ及びＨＣの発生量が少ないメタンガス、エタンガス等を燃料とする気体燃料エンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そこで、気体燃料を直接燃焼室に供給できる燃料供給手段を設け、吸気行程終期から圧縮行程前期にかけて、すなわち燃焼室内に十分な空気が充填された後で燃焼室内に気体燃料を圧入し、充填効率を高めてエンジン出力の向上を図るようにしたいわゆる直噴燃料供給方式の気体燃料エンジンが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一般に、ロータリピストンエンジンにおいて、吸気系にダイリューションガスが持ち込まれると、吸気がそのダイリューションガスにより稀薄化されるため、特に、低負荷領域に燃焼性の悪化を招くという問題が生じる。このため、吸気系に持ち込まれるダイリューションガスの低減化について対策が講じられている。その一つとして、従来、吸気ポートと排気ポートとの間の作動室に、ダイリューションガスを掃気するための掃気用のエアを供給するものが公知である。このものでは、掃気用エアの供給源から、別途、排気ポート側に開口する２次エア供給通路を設け、同じ供給源から２次エアも供給し、そして、この２次エア供給時に掃気側のエア圧を低下させることなく十分な掃気用エアを供給するために、掃気用エア供給通路の有効断面積を２次エア供給通路のそれよりも大きく設定されている（例えば、特許文献３参照）。

また、充填効率の向上と燃費性能の向上とを図りつつ、ＮＯｘ発生量を低減することができる気体燃料エンジンが提案されている。このものでは、水素を燃料とするロータリピストンエンジンであって、空気過剰率λが境界空気過剰率λ_０（例えば、約１，５）よりリッチ側の領域では、圧縮行程初期に水素噴射ポートから各作動室に直接水素ガスを供給して、混合気の燃焼温度の過上昇が抑制されてＮＯｘ発生量が低減され、かつ充填効率が高められる。他方、空気過剰率λが境界空気過剰率λ_０よりリーン側の領域では、水素ミキサを介して共通吸気通路に水素ガスが供給されて混合気を均質化して、混合気中に局所的にリッチな部分が生じるのが防止され、局所的な燃焼温度の過上昇が防止されてＮＯｘ発生量が低減されるとともに、熱効率が高められて燃費性能が高められるようにした気体燃料エンジンが公知である（特許文献４参照）。

特公平１−２３６５９号公報特公昭５８−１２４５８号公報参照実公昭６２−８３４５号公報特開平６−２４１０７７号公報

従い、一般のレシプロエンジンにおいては、吸気通路内の吸入空気中にガソリンを噴射する第１の燃料噴射弁と燃焼室内にガソリンを噴射する直噴燃料供給方式の第２の燃料噴射弁とを設け、運転状態に応じて使用する燃料噴射弁を使い分けるようにした燃焼技術が提案されている。（例えば、特開昭６１−２４４８２１号公報、特開昭６１−２５０３６４号公報、特開昭５６−１５１２１３号公報等参照）すなわち、生成される混合気の可燃範囲が狭いために、空燃比がリーンに設定される低負荷領域には混合気の着火性が良くない。そこで、低負荷領域においては、第２の燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射して点火プラグまわりに局所的にリッチな混合気を形成して（成層化）、混合気の着火性を高めるようにしている。他方、高負荷領域には第１の燃料噴射弁から吸気通路内の吸入空気中にガソリンを噴射して、ミキシング時間の確保によって混合気の均質化を促進し、熱効率を高めてエンジン出力の向上を図るようにしている。

しかしながら、気体燃料エンジンにおいて予混合燃料供給方式を用いた場合、通常の燃焼状態では混合気の燃焼速度がかなり速くなり、このため燃焼温度が高くなるのでＮＯｘ発生量が増加するといった問題が生じる。したがって、新規の気体燃料エンジンに、予混合燃料供給方式と直噴燃料供給方式とを使い分け、あるいは併用しようとすれば、ＮＯｘ発生量の増加の防止あるいはＮＯｘ発生量の低減に十分留意する必要がある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、気筒の中央で回転可能に支持されるドラムロータの回転に同期して、その姿勢が規制されつつ形成した３条の直溝に回転及び摺動可能に配設され、１２０°の位相差が保たれて静止系における姿勢を変化させずに公転運動する３つのパワーロータが、直溝の内面とロータハウジングの内周面の双方に繰り替え摺動接触するロータリ式のサイクル機構において、燃料供給手段が直噴燃料供給手段で構成され、筒内への空気吸入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に応じて変化する割合に制御する空燃比制御手段を備えており、理論空燃比よりもリーン側に設定される所定の境界空燃比よりリッチ側の空燃比領域では、直噴燃料供給手段から直接筒内に供給される気体燃料の割合を、ＮＯｘ発生率が最も高くなる最高ＮＯｘ空燃比領域と同様とする上記割合を１００％に設定する一方、境界空燃比よりリーン側の空燃比領域では空燃比が低負荷領域になる程上記割合を小さく設定する燃料供給特性制御手段が設けられている３サイクル気体燃料エンジンが提供される。

第２の発明は、第１の発明にかかる３サイクル気体燃料エンジンにおいて、筒内に、低負荷領域になる程掃気用エアの供給量を増量圧入する掃気用エア供給手段を備えており、掃気用エア供給手段の掃気用エア供給通路の下流端が気筒の内面でドラムロータに形成する直溝の底面と直立して平行する一側側面板に開孔された掃気用エア導入孔に臨んで開口され、掃気ガス排出路の上流部が掃気用エア供給通路の下流端を内包接続し、下流端がロータハウジングに連通する排気通路の上流部に接続している３サイクル気体燃料エンジンが提供される。

第３の発明は、第１の発明にかかる３サイクル気体燃料エンジンにおいて、筒内に、メタリングオイルを供給するメタリングオイル供給手段を備えており、メタリングオイル供給手段のメタリングオイル供給通路の下流端が気筒の内面でドラムロータに面して開口され、ドラムロータには一側側面板に形成されたメタリングオイル導入溝の深部にメタリングオイル導入孔が開孔され、メタリングオイル導入孔と円柱曲面及びパワーロータ摺動面に夫々開孔するメタリングオイル細孔に連通する複数のメタリングオイル細洞を設けている３サイクル気体燃料エンジンが提供される。

以上、説明した請求項１記載の発明によれば、境界空燃比よりリッチ側の領域及びＮＯｘ発生率が最も高くなる最高ＮＯｘの領域では、点火プラグの周りに集合したさらにリッチな混合気から点火されるため、燃焼性を高めてエンジン出力が高められる。しかも、混合気全体としてはリーンな混合気により、燃焼温度が低下してＮＯｘ発生率が低減される一方、境界空燃比よりリーン側の空燃比領域では、空燃比を低負荷領域になる程上記割合を小さく制御することから、リーンな混合気によって、燃焼温度が抑制されてＮＯｘ発生率が低減され、熱効率すなわち燃費性能の大幅な改善を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、一つのエアポンプからの掃気用エアの供給により、希釈化と定量化とが図られた循環ダイリューションガスの吸気系への持込が低減するため、エミッション性を確保しつつ、局所的に不活性ガスを点火プラグから離れた燃焼空間に偏在させることにより、偏在部分の断熱圧縮燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、よりリーン側の空燃比での燃焼が可能となり、燃費性能の大幅な改善が図られる。且つ空燃比制御の容易化及び単純化を図ることができる。

請求項３記載の発明によれば、メタリングオイルは、回転するドラムロータの一側側面板面に吹付けられて拡散し、メタリングオイル導入溝に導かれて流入した３つのメタリングオイル導入孔から複数のメタリングオイル細洞を通して、メタリングオイル細孔に向けて等しく遠心分散されることにより、ドラムロータの円柱曲面及びパワーロータＡ、Ｂ、Ｃ摺動面に併せて供給されるため、筒内に効率よく潤滑させることができ、かつ、メタリングオイル供給経路の簡素化とドラムロータの有効利用とを図ることができる。

本発明の実施例を示す３サイクル気体燃料エンジンを説明するための構成図。３つのパワーロータを配設するドラムロータ及びパワーロータ作動機構を内包する側壁他側の組付け関係を示す斜視図。３０°毎の回転角における膨張空間、圧縮空間、変転空間の生起状態を示す状態図。３０°毎の回転角における膨張空間、圧縮空間、変転空間の生起状態を示す図３・Ａに続く状態図。３０°毎の回転角における膨張空間、圧縮空間、変転空間の生起状態を示す図３Ｂに続く状態図。３０°毎の回転角における膨張空間、圧縮空間、変転空間の生起状態を示す図３Ｃに続く状態図。第２実施例の掃気用エア供給手段及び第３実施例のメタリングオイル供給手段を配設する側壁一側と吸気装置及び排気装置が接続するロータハウジングとの組付け関係を示す斜視図。第１実施例の吸気行程終了及び圧縮行程開始のタイミングと変転空間及び水素噴射弁の開閉タイミングとを示す図である。第１実施例の境界空燃比の切り変えタイミングを示す図である。第２実施例のＥＣＵによる制御を示すフローチャートである。

本発明は、本発明の趣旨の範囲内において、公知技術を付加したものも、本発明から公知技術を除いたものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の範囲は、以下の具体的な実施例に限定されるものではない。

図１〜３、５、６に示すように、１は本発明の燃料に気体燃料を使用する３サイクル気体燃料エンジンで、内周面４２の形状が米俵形に形成された筒状のロータハウジング４の設置側に側壁他側４１ｂが位置し出力側に側壁一側４１ａが位置して気筒が構成される。この気筒の中央部に、円柱体であって、円柱曲面５６の三等分割方向に湾窟状に切り欠いた３条の直溝５３を形成させた３つのドラムロータ５が、回転可能に支持されている。しかも、直溝５３には軸心に平行な支持軸６１が係合する角柱体のパワーロータ６が回転及び摺動可能に夫々配設され、１２０°の位相差が保たれてパワーロータ作動機構Ｑからその姿勢が規制され、静止系における姿勢を変化させずに公転運動するロータリ式のサイクル機構が構成される。

パワーロータ作動機構Ｑは、側壁他側４１ｂに設けた姿勢制御室４０に内包され、姿勢制御室４０の中央に突出された固定金座９４に基軸の親歯車９１が堅座され、その姿勢が固定された親歯車９１にスプライン回転軸９５に支承される遊星歯車９２が歯合し、３つの遊星歯車９２の外側に、１２０°の位相差が保たれて３つの孫歯車９３が夫々歯合しており、この孫歯車９３と親歯車９１とは、同一径のねじれ山歯歯車で構成される等速歯車列で組み合わされている。これにより、ドラムロータ５が時計回転方向に回転すると、支持軸６１を介して３つの孫歯車９３と直結する３つのパワーロータ６が、ドラムロータ５の回転速度と等しい速度で反時計回転方向に作動するものである。

以下に、本発明の３サイクル気体燃料エンジン１の第１実施例に基づいて説明する。内周面４２が米俵型に形成された筒状のロータハウジング４と、このロータハウジング４の両壁部に位置する側壁一側４１ａと側壁他側４１ｂとで気筒が構成される。また、気筒は、その中央部で回転可能に支持されるドラムロータ５との間に、短軸Ｘを挟んだ他側に流動する作動ガスが流出入する排気系の作動室Ｒａが形成され、同じく一側に流動する作動ガスが流出入する吸気系の作動室Ｒｂが形成されている。

詳述すると、図３に示すように、注目のパワーロータＡが吸気系の作動室Ｒｂを作動するその従動側にある空間が吸気空間Ｄで、その先導側にある空間が圧縮空間Ｅで、この圧縮空間Ｅの全容積が最小となる最終圧縮過程後に燃焼空間Ｉが生起する。この燃焼空間Ｉは点火・爆発に対応する空間であり、この燃焼空間Ｉを引き継ぐのが、排気系の作動室Ｒａを作動するパワーロータ６の従動側に生起する空間が膨張空間Ｆで、その先導側にある空間が排気空間Ｇとなる。また、ドラムロータ５に形成する直溝５３の内面とパワーロータ６の従動側の湾曲側面６２との間には、吸気系（排気系）の作動室Ｒｂ（Ｒａ）にて生起し、排気系（吸気系）の作動室Ｒａ（Ｒｂ）にて開放する空間が転移する閉じた変転空間Ｈ（Ｈ）となる。

図１に示すように、３サイクル気体燃料エンジン１においては、ロータハウジング４の短軸Ｘ方向他端側（図１の下側）で、短軸Ｘを挟んだ両側肉厚部分には、吸気系の作動室Ｒｂに吸気を吸入する吸気ポート７が常に開口し、排気系の作動室Ｒａから排気ガスを排出する排気ポート８が常に開口しており、吸気ポート７から容積増大中の吸気空間Ｄに空気が吸入され、上記の長軸Ｙ方向一端側（図１の左側）の肉厚部分には、気体燃料を直接筒内に供給する水素噴射弁１７が設けられ、吸気行程終期から圧縮行程前期にかけて吸気空間Ｄを引継いだ圧縮空間Ｅの中央部に水素ガスを噴射して混合気が形成されるようになっている。

また、吸気ポート７には水素ガス燃焼用の空気を供給するための吸気装置Ｊが設けられており、この吸気装置Ｊには、上流端が大気に開口され下流端が、常に、開口する吸気ポート７に接続される吸気通路１０を設けている。この吸気通路１０には、空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入吸気中のダストを除去するエアクリーナ２２と、吸入吸気量を検出するエアフローセンサ２４と、吸入吸気温度を検出する温度センサ２５と、吸気負圧の有無を検出するブーストスイッチ２６と、吸気負圧を検出するブーストセンサ２３とが設けられている。

吸気装置Ｊには上流部に取付けられたエアクリーナ２２の下流から新気を導入する吸気通路１０と分配して、転移する閉じた変転空間（Ｈ）に新気を掃気用エアとして圧入するエアポンプ８５が接続されている。このエアポンプ８５は電動式のエアポンプにより構成され、印加される電圧値に応じて掃気用エア供給量が変化するようになっており、上記電圧値は、コントロールユニット３（ＥＣＵ）に含まれた空燃比制御手段９７によって制御され、筒内への吸気吸入量と気体燃料供給量の比率である空燃比をエアポンプ８５から圧入される掃気用のエア供給量の制御により、運転状態に応じて変化させるようになっている。

また、排気ポート８に接続される排気通路９には、排気ガス中のＯ２濃度を検出するＯ２センサ４９ａが設けられており、このＯ２センサ４９ａの出力はアンプ５０ａを介してコントロールユニット３に送られ、コントロールユニット３では、Ｏ２センサ４９ａの出力信号から混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）すなわち吸気系の作動室Ｒｂ内の混合気における空気と水素の比、ないしは空気過剰率（λ）が演算されるようになっている。

そして、ロータハウジング４の長軸Ｙ方向一端側には、水素ガスを燃料として筒内に直接供給する燃料供給手段Ｋが設けられている。以下、この燃料供給手段Ｋを説明する。なお、本実施例では気体燃料として水素ガスを用いているが、気体燃料は水素ガスに限定しているものではなく、少なくとも一部が水素で構成される気体燃料（例えば、メタン、エタン）であれば良い。この燃料供給手段Ｋは水素ガスの供給源として、水素を吸蔵し又は放出することができる水素吸蔵合金（メタルハイドライド）を備えたメタルハイドライドタンク３８が設けられている。

上記水素吸蔵合金は、一般に用いられている普通のものであって、冷却しつつ水素ガスと接触させるとこの水素を体積で１／１０００程度に縮めた上で吸蔵する一方、加熱すると吸蔵されていた水素をかなり高い圧力を伴って放出するといった機能を有している。なお、水素吸蔵合金は水素を化合物の一部として固体状態で吸蔵しているため、メタルハイドイドタンク３８の圧力は低圧であり、安全性は非常に高くなっている。また、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と放出とを多数（例えば、１０００回）繰り返しても、その機能はほとんど低下しない。

図１に示すように、メタルハイドライドタンク３８から放出された水素ガスは、電磁弁３９が介設された第１水素供給通路１１ａを通して圧力調整器１４に送られ、ここで所定圧（例えば、５ｋｇ／ｃｍ^２・Ｇ）に調整（減圧）されるようになっている。そして、圧力が調整された水素ガスは、さらに第２水素供給通路１１ｂを介してエンジン側に送られる。ここで、第２水素供給通路１１ｂには、リンク機構１８を介してアクセルペタル１５と連動して開閉される第１水素流量調整弁１２ａと、駆動回路３０を備えたスロットルアクチュエータ３１によって開閉駆動される第２水素流量調整弁１２ｂとが介設され、第２水素供給通路１１ｂには、３つの圧力センサ２９（ａ，ｂ，ｃ）と温度センサ２５とが設けられている。

ここで、第２水素流量調整弁１２ｂは、駆動回路３０を備えたスロットルアクチュエータ３１によって開閉駆動され、しかも、第２水素流量調整弁１２ｂに対してそのポジション（開度）を検出するポジションセンサが設けられ、コントロールユニット３（ＥＣＵ）からの信号に従って、空燃比（空気過剰率λ）がアクセル開度とエンジン回転速度とに応じて設定される目標空燃比（目標空気過剰率）に追従するように、水素ガスの流量を制御するようになっている。なお、ＥＣＵは、特許請求の範囲に記載された「空燃比制御手段」と「燃料供給特性制御手段」とが含まれ、当該機関１の総合的な制御装置である。以上のように、水素ガスの流量制御、すなわち空燃比制御は基本的には第２水素流量調整弁１２ｂによって行われ、この第２水素流量調整弁１２ｂがフェイルしたとき等においては、第１水素流量調整弁１２ａによってバックアップされる。

第２水素流量調整弁１２ｂより下流側において第２水素供給通路１１ｂには電磁制御弁３７が介設され、この電磁制御弁３７のすぐ下流の第２水素供給通路１１ｂは、直噴用水素供給通路１３に接続さている。そして、直噴用水素供給通路１３の下流端は、吸気系の作動室Ｒｂの中央に面してロータハウジング４の内周面４２に開口する水素噴射開口１６に連通された水素噴射弁１７に接続している。この水素噴射弁１７は、吸気行程終期から圧縮行程前期にかけて所定のタイミングで噴射（圧入）される。この時、直噴用水素供給通路１３内の水素ガスが、水素噴射開口１６から圧縮空間Ｅの中央部に圧入される。尚、直噴用水素供給通路１３、水素噴射弁１７等からなる水素供給系統は、特許請求の範囲に記載された「直噴燃料供給手段」に相当する。

詳しくは図示していないが、水素噴射弁１７は、カムシャフト６８に取付けられたカム６９によって開閉されるようになっている。なお、カムシャフト６８は、タイミングベルト７０を介して出力軸５５によってこれと同期して回転駆動される。図５に、かかる吸気行程の開始終了タイミング（Ｖ１）及び圧縮行程の開始終了タイミング（Ｖ２）と、転移する閉じた変転空間Ｈ（Ｈ）の開閉タイミングＶ３（Ｖ３）と、水素噴射弁１７の開閉タイミング（Ｖ４）が示されている。

ここにおいて、図１に示すように、電磁制御弁３７は、コントロールユニット３から印加される信号に従って、バッテリ７２、キースイッチ７３、ディレータイマ７４、第１から第５リレーＬ_１〜Ｌ_５等からなる電気回路を介して開閉駆動されるようになっている。より具体的には、電磁制御弁３７は、コントロールユニット３よって、空燃比（空気過剰率λ）に応じて開閉されるようになっている。

ここで、電磁制御弁３７が開かれたときには、第２水素供給通路１１ｂ内の水素ガス全て（１００％）が、直噴用水素供給通路１３を通して水素噴射弁１７から圧縮空間Ｅの中央部に圧入されるといった直噴燃料供給状態（以下、これを単に直噴という）となる。この場合、水素ガスは、吸気空間Ｄへの吸気の充填が終了する吸気行程終期から圧縮行程前期にかけて所定のタイミングで圧入されるので吸気充填効率が高められ、エンジン出力が向上する。なお、電磁制御弁３７の開度を調節することによって、水素噴射弁１７からの水素供給量を任意に設定されるのはもちろんである。

そして、図１に示すコントロールユニット３によって、運転状態に応じて空燃比Ａ／Ｆないしは空気過剰率λが制御されるとともに、空燃比Ａ／Ｆないしは空気過剰率λに応じて水素噴射弁１７からの水素供給量、すなわち直噴による水素供給量が制御されるようになっている。なお、空気過剰率λ（空燃比Ａ／Ｆ）は、アクセル開度とエンジン回転速度とに応じて設定される。空気過剰率λはアクセル全開時にはエンジン出力を高めるために、エンジン回転速度にかかわりなくほぼ１，０（理論空燃比）に設定され（Ｈ_１）、アクセル全閉時には燃費性能を高めるために、リーンリミット（空気過剰率λ＝２〜３）に設定される（Ｈ_３）。ここで、リーンリミットとは、混合気の燃焼性やエンジン振動を良好に保持できるリーン側の限界値である。しかも、アクセル開度が全開と全閉との間にあるときには、アクセル開度とエンジン回転速度とに応じて、運転状態に応じた空燃比となるような特性で空気過剰率λが設定されている。

この第１実施例の場合、エンジン出力及び燃費性能を良好に維持しつつＮＯｘ排出量を可能な限り低減するため、空気過剰率λが所定の境界空気過剰率λ _０（境界空燃比）よりリッチ側の空燃比領域及びＮＯｘ発生率が最も高くなる最高ＮＯｘ空燃比領域では、気体燃料の割合が１００％に設定され、電磁制御弁３７を全開し、設定量の水素ガスを水素噴射弁１７から吸気系の作動室Ｒｂに直接供給する。又は、空気過剰率λが境界空気過剰率λ_０よりもリーン側の空燃比領域では、空燃比が低負荷領域になる程気体燃料の割合が小さく設定され、電磁制御弁３７の開度を制御し、設定量の水素ガスを水素噴射弁１７から吸気系の作動室Ｒｂに直接供給するようになっている。

以下、上記構成の動作を説明する。第１の発明によれば、境界空燃比よりリッチ側の領域及びＮＯｘ発生率が最も高くなる最高ＮＯｘの領域では、点火プラグの周りに集合したさらにリッチな混合気から点火されるため、燃焼性を高めてエンジン出力が高められる。しかも、混合気全体としてはリーンな混合気により、燃焼温度が低下してＮＯｘ発生率が低減される一方、境界空燃比よりリーン側の空燃比領域では、空燃比を低負荷領域になる程上記割合を小さく制御することから、リーンな混合気によって、燃焼温度が抑制されてＮＯｘ発生率が低減され、熱効率すなわち燃費性能の大幅な改善を図ることができる。

次に、本発明の第２実施例を図１〜４、７に基づいて説明する。この第２実施例は、第１実施例と同様の構造の３サイクル気体燃料エンジン１に対して、掃気用エア供給手段Ｍを付加したものである。このため、第１実施例と同一部材には同一符号を付してその説明を省略し、第１実施例とは異なる上記掃気用エア供給手段Ｍの構成についてのみ以下に説明する。

図４においては、Ｍは掃気用エア供給手段で、エアクリーナ２２の下流から新気を導入する吸気通路１０と分配して、転移する閉じた変転空間（Ｈ）に新気を掃気用エアとして圧入するエアポンプ８５が接続し、このエアポンプ８５の出口と側壁一側４１ａに開口する掃気用エア供給ポート８２とを連通する掃気用エア供給通路８１と、この掃気用エア供給通路８１には掃気用エア供給通路８１の開度を制御する制御バルブ８３が介装され、この制御バルブ８３の開度を制御するバルブ制御器８４がＥＣＵに含まれている。また、掃気ガスを大気に排出させる掃気ガス排出路８０の上流部が上記掃気用エア供給通路８１の下流端を中央部に収容接続し、下流端が排気ポート８に連通する排気通路９の上流部に接続している。

上記掃気用エア供給通路８１の下流端の断面は円形であり、側壁他側４１ｂに固定された静止系において、回転角θ＝１８０°付近で側壁一側４１ａ部の内面に開口する楕円形状の掃気用エア供給ポート８２の中央部に接続されている。なお、掃気用エア供給ポート８２は、楕円長軸Ｚ方向が上記短軸Ｘに対し直交方向に設けられるとともに、直溝５３の底面と直立して平行する一側側面板５１ａに開孔している楕円形状の掃気用エア導入孔５８に臨んで開口されている。すなわち、図３Ｂの（ｆ）から図３Ｃの（ｈ）の期間、掃気用エア供給ポート８２は掃気用エア導入孔５８と回転軌跡上で重なり相通するよう設けられている。

また、掃気ガス排出路８０には掃気ガス中のＯ２濃度を検出するＯ_２センサ４９ｂを設けている。このＯ _２センサ４９ｂの出力はアンプ５０ｂを介してコントロールユニット３に送られ、コントロールユニット３では、Ｏ _２センサ４９ｂの出力信号から掃気ガス中の掃気用エアの比、すなわち、転移する閉じた変転空間（Ｈ）に囲い込まれたダイリューションガス中の推定Ｏ_２濃度が演算されるようになっている。

上記エアポンプ８５は電動式エアポンプにより構成され、印加される電圧値に応じて掃気用エア供給量が変化するようになっている。そして、このエアポンプ８５は、制御バルブ８３の開度制御に併せて連動されるように、制御バルブ８３の開度はバルブ制御器８４から制御される。つまり、上記電圧値がコントロールユニット３（ＥＣＵ）に含まれた空燃比制御手段９７によって制御される。

上述したように、バルブ制御器８４は、ＥＣＵに備えられており、ＥＣＣ角の信号が入力され、負荷（ＡＭＦ）とエンジン回転数（ｒｐｍ）との関係で予め定められたマップに基づいて、エンジンの運転状態が所定の掃気用エア供給領域（全負荷領域）に、運転状態に応じて、低負荷領域になる程制御バルブ８３の開度を開制御して掃気用エアの供給量を増量するようになっている。すなわち、掃気用エア供給手段Ｍからは、転移する閉じた変転空間（Ｈ）が排気系の作動室Ｒａに生起するＥＣＣ角１５０°前からＥＣＣ角２１０°付近までの期間、つまり、掃気用エア供給ポート８２と掃気用エア導入孔５８とが回転軌跡上で重なり相通する時期から隔離状態となる時期の期間内に、掃気用エア供給通路８１を通して、転移する閉じた変転空間Ｈに掃気用エアが圧入される。

空燃比制御手段９７は、エンジン回転数と負荷との関係で予め定められた掃気用エア供給時用燃料噴射量マップと、掃気用エア供給時用のエアポンプ８５の電圧値マップとが備えられており、これらのマップに基づき以下の制御が行われる。すなわち、掃気用エア供給時には、掃気用エア供給時用燃料噴射量マップから燃料噴射量を、電圧値マップからエアポンプ８５の電圧値を設定し、上記設定燃料噴射量を運転状態に応じて変化する割合に制御するようになっている。

以下、コントロールユニット３の空燃比制御手段９７及びバルブ制御器８４による具体的制御を図７のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１でエンジン回転数、エンジン負荷、吸入空気及び実際空燃比などの検出値を入力し、次に、ステップＳ２で上記エンジン回転数およびエンジン負荷に基づき現在の運転状態が起動状態（エア供給領域）にあるか否かを上記マップから判別し、否であればリターンし、起動状態が確認されれば、掃気用エア供給手段Ｍの制御バルブ８３の開度を制御してステップＳ３に進みステップＳ３〜Ｓ８の掃気用エア供給時制御を行う。

掃気用エア供給時制御の場合、ステップＳ３で掃気用エア供給用燃料噴射マップから現在の運転状態に対応する燃料噴射量Ｆａを設定し、この設定量Ｆａの燃料を水素噴射弁１７から噴射する。加えて、ステップＳ４で電圧値マップから現在の運転状態に対応する制御電圧値Ｖａを設定し、この設定電圧によりエアポンプ８５の駆動力を制御する。

次に、ステップＳ５では設定される所定の境界空燃比よりリッチ側にあるか否かを判別し、リッチ側であればリターンし、リッチ側でなければステップＳ６で空燃比がリッチ側にあるか否かの判別を行う。このステップＳ６で空燃比がリッチ側であればステップＳ７に進み、このステップＳ７で上記制御電圧値Ｖａから所定の電圧補正量ΔＶを加えたものを制御電圧値Ｖａとし、この電圧値により上記エアポンプ８５の駆動力を制御した後、ステップＳ５に戻って実際空燃比が設定される割合にあるか否かの判別を繰り返す。逆に、上記ステップＳ６で空燃比がリーン側であればステップＳ８に進み、このステップＳ８でその時の制御電圧値Ｖａに上記電圧補正量ΔＶを減じたものを制御電圧値Ｖａとし、この電圧値により上記エアポンプ８５の駆動力を制御した後、ステップＳ５に戻って実際空燃比が設定される割合にあるか否かの判別を繰り返す。

上記フローテャート中、ステップＳ２がバルブ制御器８４を、ステップＳ３〜Ｓ８が空燃比制御手段９７を夫々構成する。

この第２実施例の場合、掃気用エア供給手段Ｍから転移する閉じた変転空間（Ｈ）に圧入される掃気用エアの供給量によって、実際空燃比が運転状態に応じて変化する割合に制御されるともに、上記変転空間（Ｈ）に囲い込まれたダイリューションガスにポンプ作用と攪拌とが加えられ、希釈化と定量化とが行われる。そして、攪拌された掃気ガスは、楕円形状の掃気ガス排出路８０の上流部と掃気ガス排出路８０の中央部に収容接続する円形の掃気用エア供給通路８１の下流端との間に形成される一対の三日月形の隙間から流出し、掃気ガス排出路８０を通して、下流端が接続される排気ポート８に連通する排気通路９の上流部からサイレンサー２１通して大気に排出される。

以下、上記構成の動作を説明する。第２の発明によれば、一つのエアポンプからの掃気用エアの供給により、希釈化と定量化とが図られた循環ダイリューションガスの吸気系への持込が低減するため、エミッション性を確保しつつ、局所的に不活性ガスを点火プラグから離れた燃焼空間に偏在させることにより、偏在部分の断熱圧縮燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、よりリーン側の空燃比での燃焼が可能となり、燃費性能の大幅な改善が図られる。且つ空燃比制御の容易化及び単純化を図ることができる。

継いて、本発明の第３実施例を図２、４に基づいて説明する。この第３実施例は、第１実施例と同様の構造の３サイクル気体燃料エンジン１に対し、メタリングオイル供給手段Ｔを付加したものである。このため、第１実施例と同一部材には同一符号を付してその説明を省略し、第１実施例とは異なる上記メタリングオイル供給手段Ｔの構成についてのみ以下に説明する。

図４において、Ｔはメタリングオイル供給手段で、メタリングオイルポンプ８７と、このメタリングオイルポンプ８７により吐出されたメタリングオイルを送給するためのメタリングオイル供給通路８６とを備えている。そして、メタリングオイル供給通路８６の上流端が側壁他側４１ｂに設けた姿勢制御室４０の底部に挿入され、下流端が側壁一側４１ａ部の内面に開口するメタリングオイル供給ポート９０に接続されており、このメタリングオイル供給ポート９０は、ドラムロータ５の一側側面板５１ａに面して開口され、メタリングオイルが、ドラムロータ５に接続する出力軸５５の近傍に吹付けられるように設けている。

上記メタリングポンプ８７は電動式メタリングオイルポンプにより構成され、印加される電圧値に応じてメタリングオイルの供給量が変化するようになっている。つまり、上記電圧値がコントロールユニット３（ＥＣＵ）に含まれた図示しないポンプ制御器によって制御される。

また、図２に示すように、ドラムロータ５には、水平の断面形状が３葉の銀杏葉が形成する狭隘な肉厚部にメタリングオイル導入口７８が夫々開孔されており、このメタリングオイル導入口７８にオイル導入が容易に行われるよう、出力軸５５の近傍からメタリングオイル導入口７８に向かって、メタリングオイル導入溝７９が夫々設けられ、さらに、メタリングオイル導入口７８と円柱曲面５６及びパワーロータＡ、Ｂ、Ｃ摺動面に夫々開孔するメタリングオイル細孔８８とを連通する複数のメタリングオイル細洞８９が設けられている。

この第３実施例の場合、メタリングオイルポンプ８７から吐出されたメタリングオイルは、回転するドラムロータ５の一側側面板５１ａの表面に向けて、メタリングオイル供給通路８６を通して吹付けられる。これにより、一側側面板５１ａの表面に拡散した状態のメタリングオイルは、メタリングオイル導入溝７９に導かれてメタリングオイル導入口７８に流入する。そして、メタリングオイル導入口７８に流入したメタリングオイルは、複数のメタリングオイル細洞８９を通して遠心分散され、メタリングオイル細孔８８に併せて供給される。

上記のメタリングオイル細孔８８に供給されたメタリングオイルは、ドラムロータ５の円柱曲面５６とこの円柱曲面５６に摺動接触する仕切りシール４５との潤滑と、パワーロータＡ、Ｂ、Ｃ摺動面である直溝５３の内面５４の潤滑やロータハウジング４の内周面４２の潤滑及び一側、他側側面板５１ａ、５１ｂの内面と側壁一側、他側４１ａ、４１ｂの内面との潤滑とを併せて行うことができる。

以下、上記構成の動作を説明する。第３の発明によれば、メタリングオイルは、回転するドラムロータ５の一側側面板５１ａに吹付けられて拡散し、メタリングオイル導入溝７０に導かれて流入した３つのメタリングオイル導入孔７８から複数のメタリングオイル細洞８９を通して、メタリングオイル細孔８８に向けて等しく遠心分散されることにより、ドラムロータ５の円柱曲面５６及びパワーロータＡ、Ｂ、Ｃ摺動面に併せて供給されるため、筒内に効率よく潤滑させることができ、かつ、メタリングオイル供給経路の簡素化とドラムロータの有効利用とを図ることができる。

本発明は、気体燃料エンジンであり、ガソリンエンジン及び３サイクルエンジンに対しても、本発明は適用可能であるのはもちろんである。

１…３サイクル気体燃料エンジン
４…ロータハウジング
５…ドラムロータ
６…パワーロータ
７…吸気ポート
８…排気ポート
２０…点火プラグ
５５…出力軸
Ｒａ、Ｒｂ…排気系、吸気系の作動室
Ｋ…燃料供給手段
Ｍ…掃気用エア供給手段
Ｔ…メタリングオイル供給手段
Ｘ、Ｙ…ロータハウジングの短軸、長軸、
Ｚ…掃気用エア供給ポートの楕円長軸

Claims

気筒の中央で回転可能に支持されるドラムロータの回転に同期して、その姿勢が規制され、形成した３条の直溝に回転及び摺動可能に配設され、１２０°の位相差が保たれて静止系おける姿勢を変化させずに公転運動する３つのパワーロータが、該直溝の内面とロータハウジングの内周面の双方に繰り替え摺動接触するロータリ式のサイクル機構において、
燃料供給手段が直噴燃料供給手段で構成され、筒内への空気吸入量と気体燃料供給量の比率である空燃比を運転状態に応じて変化する割合に制御する空燃比制御手段を備えており、理論空燃比よりもリーン側に設定される所定の境界空燃比よりリッチ側の空燃比領域では、該直噴燃料供給手段から直接筒内に供給される気体燃料の割合を、ＮＯｘ発生率が最も高くなる最高ＮＯｘ空燃比領域と同様とする上記割合を１００％に設定する一方、境界空燃比よりリーン側の空燃比領域では、空燃比が低負荷領域になる程上記割合を小さく設定する燃料供給特性制御手段が設けられていることを特徴とする３サイクル気体燃料エンジン。
請求項１に記載された３サイクル気体燃料エンジンにおいて、
筒内に、低負荷領域になる程掃気用エアの供給量を増量圧入する掃気用エア供給手段を備えており、
該掃気用エア供給手段の掃気用エア供給通路の下流端が該気筒の内面で該ドラムロータに形成する該直溝の底面と直立して平行する一側側面板に開孔された掃気用エア導入孔に臨んで開口され、掃気ガス排出路の上流部が該掃気用エア供給通路の下流端を内包接続し、下流端が該ロータハウジングに連通する排気通路の上流部に接続していることを特徴とする３サイクル気体燃料エンジン。
請求項１に記載された３サイクル気体燃料エンジンにおいて、
筒内に、メタリングオイルを供給するメタリングオイル供給手段を備えており、
該メタリングオイル供給手段のメタリングオイル供給通路の下流端が該気筒の内面で該ドラムロータに面して開口され、該ドラムロータには一側側面板に形成されたメタリングオイル導入溝の深部にメタリングオイル導入孔が開孔され、該メタリングオイル導入孔と円柱曲面及びパワーロータ摺動面に夫々開孔するメタリングオイル細孔に連通する複数のメタリングオイル細洞を設けていることを特徴とする３サイクル気体燃料エンジン。