JP5540268B2

JP5540268B2 - 予混合火炎着火エンジン

Info

Publication number: JP5540268B2
Application number: JP2011055929A
Authority: JP
Inventors: 伊佐雄白柳
Original assignee: SGG R&D CO., LTD
Current assignee: SGG R&D CO., LTD
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: JP2012172677A

Description

本発明は４サイクルガソリンエンジンのリーンバーン燃焼やＨＣＣＩ燃焼で着火するのが困難な問題を克服する予混合火炎着火エンジンに関する。

４サイクルガソリンエンジンは自動車に最も多く使われているエンジンである。最近の省エネルギー・ＣＯ２低減要求から、リーンバーン燃焼やＨＣＣＩ燃焼が盛んに研究されてきているが、最大の問題は着火するのが困難な点で行き詰まり、大きな効果を出せなかった。

本発明は、４サイクルガソリンエンジンの排気弁の温度が８００℃程度の高温になることに着目して成されたもので、工学的には熱面強制着火法、いわゆる焼玉法に属し、実際には焼玉燃焼機関が存在している。
（例えば、特許文献１参照）。

また、リーンバーンについては特許文献２、強力着火で知られるトーチ点火については特許文献３がある。

特公平８−２６７７６号公報特公平８−１９８７０号公報特公昭６２−１３４９６号公報

本発明が解決しようとする課題は、４サイクルガソリンエンジンでリーンバーン燃焼やＨＣＣＩ燃焼は省エネルギー・ＣＯ２低減、排気清浄化で大変よい性能を持つ部分がある反面、着火するのが困難な点で広範囲の作動ができず行き詰まっていた。

また、前記本発明の付帯的課題になるが、排気弁が暖まっていない状態からのコールドスタート問題を解決しておく必要があった。

この課題にたいして、炭化水素と空気を予め混ぜ合わせた混合気をシリンダ２０に収容して、ピストン３０によって圧縮される燃焼室４０を有する４サイクルエンジンにおいて、シリンダヘッド５０には吸気弁４１と排気弁６０を設けると共に、着火用インゼクタ７０によって前記排気弁６０の排気弁傘表６５にむけて炭化水素を直接吹きかけることで主要な解決ができる。

さらにまた、炭化水素と空気を予め混ぜ合わせた混合気をシリンダ２０に収容して、ピストン３０によって圧縮される燃焼室４０を有する４サイクルエンジンにおいて、シリンダヘッド５０には吸気弁４１と排気弁６０と点火プラグ８０を設けると共に、前記排気弁６０の排気弁傘表６５の温度を推測するに足るセンサ９０を設けることで全ての解決ができる。

前述のような手段をとることにより、熱面強制着火が可能となり、４サイクルガソリンエンジンでリーンバーン燃焼やＨＣＣＩ燃焼は省エネルギー・ＣＯ２低減、排気清浄化でよい性能を持つ部分を、なおかつ向上させ、広範囲に作動できるようになる。

また、排気弁の傘表の温度を推測するに足るセンサを設けたことで、普通４サイクルガソリンエンジン（以下ＳＩエンジンという）と本発明の４サイクルガソリンエンジン（以下ＨＣＦＩエンジンという）の切換を自動的に行う事ができる。

本発明ＨＣＦＩエンジンの燃焼室付近の中央断面図である。本発明ＨＣＦＩエンジンの燃焼室付近の底面図である。本発明ＨＣＦＩエンジンとＳＩエンジンのシステム構成を示す組織図である。本発明ＨＣＦＩエンジンの別の排気弁付近の断面図である。

図１と図２は本発明ＨＣＦＩエンジンの燃焼室付近を示したもので、同一物体の図１は中央断面図、図２は底面図である。
４サイクルエンジンの燃焼室４０はシリンダ２０とシリンダヘッド５０とピストン３０によって構成されている。そのうちシリンダ２０とシリンダヘッド５０は一体的に締結されるが、ピストン３０はシリンダ２０内を上下動して燃焼室４０の混合気を圧縮できる。

ピストン３０は燃焼室４０側上面には、吸気弁リセス３２と排気弁リセス３３があって弁干渉を回避している。ピストン３０のシリンダ２０との接触面には数本のピストンリング３４を嵌めて圧縮漏れを防いでいる。ピストン３０の中央を貫通しているピストンピン３１はコネクチングロッドを介してクランクシャフトに回転力を生じさせている。ここまでの構成は、ＳＩエンジンと変わるところはない。

シリンダヘッド５０には吸気通路４５の燃焼室４０側に吸気弁４１と排気通路６１の燃焼室４０側に排気弁６０を設ける。図２では２弁式で描いているが、３弁式でも４弁式でもかまわない。
吸気弁４１は吸気弁ガイド４２を介してシリンダヘッド５０に摺動支持されている。
同様に、排気弁６０は排気弁ガイド６６を介してシリンダヘッド５０に摺動支持されている。

排気弁６０は排気ガスが排気ガス円錐６２状に噴出すことによって加熱される。円錐角は一般には９０度であるが、本発明にように圧縮比がたかく、排気弁６０をより高温にしたい場合は、円錐角を大きくすることがある。
排気ガスは最初に噴出してくる高圧の薄厚のガスが最も加熱し易いから、排気ガス開始ライン６３付近円周が最も高温になる。やがて排気弁６０がリフトしてくるとガス量は増えるが流速はさがってくる。しかし最大リフトの排気ガス終点ライン６４までは過熱帯となるから弁ステムの直径は太くしている。また、熱の伝導を排気弁傘表６５に向けたいから弁ステムの太さは徐々に太くテーパ状にする。
排気弁傘表６５は、後述する着火面となるから凸面とすることが多い。それに伴って排気弁傘裏は平坦になる。

シリンダヘッド５０に設けた着火用インゼクタ７０によって前記排気弁６０の排気弁傘表６５にむけて炭化水素を直接吹きかける構造にしている。
着火用インゼクタ７０は排気弁６０の排気弁傘表６５の温度が８００℃程度の高温になっているところへ、所定の時期に、着火点３００℃程度のガソリン等の炭化水素を液状のまま吹きかける。排気弁傘表６５の熱面上では瞬間的に強制着火し火炎７７となる。
排気弁傘表６５の熱面に到達する油滴は１立方ｍｍであっても、火力は点火栓スパークの数万倍はあるから、希薄混合気に引火し着火するのに十分である。
所定の時期は着火用インゼクタ７０に指示する電気信号できまるが、油滴が排気弁傘表６５の熱面に到達した時とするのがよく、圧縮上死点付近に設定する。

排気弁傘表６５の油滴到達位置が着火スポット７１である。排気弁６０は自然回転するから排気弁傘表６５には着火ライン７２が生ずる。排気弁６０はオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＨ３５）で作られているから、耐熱・耐食性は備えているが、さらに上位を求めるときはナイモニック或いはインコネル材を用いるのがよい。

図４は本発明ＨＣＦＩエンジンの別の排気弁６０付近の断面図である。シリンダヘッド５０には着火インゼクタ７０が上下方向に設けられているが、噴射方向は油滴ライン７３が示すように横方向で排気弁６０の排気弁傘表の凹み６７に向けている。排気弁傘表の凹み部は、最高温度になる排気ガス開始ライン６３に近いことのみならず火炎の向きを安定さすことができる。

本発明ＨＣＦＩエンジンの燃料である炭化水素は混合気用・着火用として原則ガソリンである。これは燃料タンク共用のためで、混合気用と着火用は本来機能を異にしている。
リーンバーン混合気用炭化水素は引火点−３５℃程度の揮発性は必要であるが、高オクタン価は要求しない。一方着火用炭化水素は着火インゼクタ７０から噴射された後、油滴として排気弁傘表６５に到達しなければならない。途中で蒸発したり、気化すると低温酸化して着火しにくくなるので、灯油・軽油のような炭化水素が望ましい。

混合気用炭化水素の供給は低圧の吸気通路４５噴射であっても、高圧のシリンダ２０内噴射であってもかまわない。１回の噴射量は、１気筒４００ｃｃ・ＷＯＴを例にすると、理論混合比で約４２立方ｍｍであるが、本発明のＨＣＦＩでは空気過剰率１．４から４．０をとるから、その分だけ減少する。
着火用炭化水素の供給は直径１ｍｍ以上の油滴で十分な着火力が得られる。着火力はエンジンの負荷状態、回転速度に依存を要しないから常時定量噴射でもかまわない。微量ではあるが着火用炭化水素も発熱量はパワーになる。
また、炭化水素を混合気用・着火用と異なるノズルから噴射するのではなく、全てを一度に或いは多段に着火用ノズルから噴射することも考えられる。

例えば、空気過剰率３．０の空燃比は約４４である。一般にはミスファイアを起こすが、本発明のＨＣＦＩでは容易に着火できる。リーンバーンであるから燃焼は緩やかで高温にならずＮＯＸの発生がすくない。圧縮時の比熱比は、燃料比率が小さいので空気の比熱比１．４に近い値となり熱効率が良くなる。低負荷状態では過剰な空気がポンピングロスを減少させるから自動車では燃費が向上する。また、着火力があるのでディーゼルエンジンのように燃料噴射量によるパワー制御がある程度自在になる。

図３により本発明のＨＣＦＩエンジンの必須要件である排気弁が暖まっていない状態からのコールドスタート問題の解決法の一つを述べる。

図３は、炭化水素と空気を予め混ぜ合わせた混合気をシリンダ２０に収容して、ピストン３０によって圧縮される燃焼室４０を有する４サイクルエンジンである。シリンダヘッド５０には吸気弁４１と排気弁６０と点火プラグ８０を設けてあり、吸気弁４１の上流の吸気通路４５には混合気用インゼクタ７５とアクセル弁がある。排気弁６０の下流には排気通路６１があり、ＥＧＲ弁９６を介して吸気通路４５に連結している。そしてシリンダヘッド５０には排気弁６０の排気弁傘表６５の温度を推測するに足るセンサ９０を設けている。この場合はシリンダ２０に着火インゼクタ７０を設け、油滴を着火ライン７２に沿って飛ばし排気弁６０の排気弁傘表で火炎７７が生ずるようになっている。

エンジンの外部に設けたＥＣＵ（電子制御装置）９５は常時排気弁６０の排気弁傘表６５の温度を推測するに足るセンサ９０のデータを監視しており、着火インゼクタ７０、混合気用インゼクタ７５、ＥＧＲ弁９６を制御する構成をとっている。
排気弁６０の排気弁傘表６５の温度を推測するに足るセンサ９０は一般には排気弁シート（図示していない）に設けるのがよい。

エンジンをコールドスタートする時は、排気弁傘表６５の温度は常温（大気温）であるから、ＳＩエンジンと全く同じように始動し、やがて暖機して排気弁傘表６５の温度が一般には４００℃以上になったとＥＣＵが判断すると自動的にＨＣＦＩエンジン１０に切り替わる。この場合ＨＣＦＩエンジン１０には不要となる点火プラグ８０の火花だが、自己清浄機能からムダ火として継続するのがよい。
エンジンは一旦暖機すると排気弁傘表６５の温度が４００℃を下る事は少ないが、下回る時には、ＳＩエンジンに切り替わる。

ＥＧＲ弁９６による排気再循環は、ＳＩエンジンのみならずＨＣＦＩエンジン１０にとっても燃焼最高温度を下げ、燃焼速度制御に有効である。
混合気用インゼクタ７５はＳＩエンジンとＨＣＦＩエンジン１０とでプログラムによる噴射量の制御で兼用できる。
また、着火インゼクタ７０に混合気用インゼクタ７５の機能をもたせてしまうことも考えられる。

本発明の燃焼は、省エネルギー・ＣＯ２低減、排気清浄化に有効であり、新規開発部品も少なくてすむから、省燃費自動車等に即実現が可能である。

１０予混合火炎着火エンジン（ＨＣＦＩエンジン）
２０シリンダ
３０ピストン
３１ピストンピン
３２吸気弁リセス
３３排気弁リセス
３４ピストンリング
４０燃焼室
４１吸気弁
４２吸気弁ガイド
４５吸気通路
４７アクセル弁
５０シリンダヘッド
６０排気弁
６１排気通路
６２排気ガス円錐
６３排気ガス開始ライン
６４排気ガス終点ライン
６５排気弁傘表
６６排気弁ガイド
６７排気弁傘表の凹み
７０着火インゼクタ
７１着火スポット
７２着火ライン
７３油滴ライン
７５混合気用インゼクタ
７７火炎
８０点火プラグ
９０排気弁の傘表の温度を推測するに足るセンサ
９５ＥＣＵ（電子制御装置）
９６ＥＧＲ弁

Claims

炭化水素と空気を予め混ぜ合わせた希薄混合気をシリンダ２０に収容して、ピストン３０によって圧縮される燃焼室４０を有する４サイクルエンジンにおいて、シリンダヘッド５０には吸気弁４１と排気弁６０を設けると共に、着火用インゼクタ７０によって前記高温の排気弁６０の排気弁傘表６５にむけて液状の炭化水素を排気弁傘表６５の油滴到達位置が着火スポット７１となる構造の予混合火炎着火エンジン１０。
請求項１において、排気弁傘表６５の温度が一定以上の温度になったことを推測するに足るセンサ９０とシリンダヘッド５０には点火プラグ８０を設け、電子制御装置９５は、コールドスタートする時には、火花点火機関と全く同じように始動させ、排気弁傘表６５の温度が一定以上の温度になったと判断すると着火用インゼクタ７０によって排気弁傘表６５にむけて液状の炭化水素を直接吹きかける着火に切り換える予混合火炎着火エンジン１０。