JP6675281B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関に関する。
例えば特許文献１には、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを有する内燃機関が記載されている。
具体的には、燃料改質気筒に軽油や重油等の燃料を供給し、この燃料改質気筒内において当量比の高い混合気を断熱圧縮する。これにより、高温高圧の環境下で燃料が改質し、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料（高オクタン価燃料）が生成される。そして、この改質燃料を空気と共に出力気筒に供給し、この出力気筒内において希薄混合気の燃焼（均一希薄燃焼）が行われることにより機関出力が得られる。
この種の内燃機関によれば、出力気筒内において均一希薄燃焼が行われるため、ＮＯｘ排出量の低減およびスート排出量の低減を図ることができる。また、アンチノック性の高い燃料の燃焼が行われるため、ノッキングが抑制されると共にディーゼルマイクロパイロット着火により最適な時期での燃焼が実現できるため、燃焼効率の向上を図ることもできる。
特開２０１４−１３６９７８号公報
本願発明者は、燃料改質気筒において燃料を改質する際に、反応ガスの温度が高くなるにつれて改質ガス中の軽質ガス濃度が比例して高くなるという関係（図８参照）を知見した。つまり、反応ガスの温度が高いほど燃料の改質効率が高くなるということを知見したので、この知見に基づき本発明を提案するに至った。
本発明は、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関において、燃料の改質効率を可及的に向上させることを目的としている。
本発明は、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関において、前記燃料改質気筒の容積が変化する反応室を構成する面の少なくとも一部が、高断熱材とされている、ことを特徴としている。
この構成では、前記反応室において燃料を改質する際に当該反応室から外側への放熱、つまり当該反応室からの熱損失を低下させることが可能になる。
これにより、前記反応室における燃料の改質反応時の温度を、前記高断熱材を採用しない場合に比べて高く保つことができるので、燃料の改質効率が、前記高断熱材を採用しない場合に比べて向上する結果となる。
また、前記反応室を構成する面は、シリンダブロックにおいて前記燃料改質気筒の内周面と、前記燃料改質気筒内に収容されるピストンの頂面と、シリンダヘッドにおいて前記燃料改質気筒を覆う爆面とを含み、これらの面のうちの少なくとも１つが、前記高断熱材とされている、ことが好ましい。
ここでは、前記反応室を構成する面が、別々の複数の部材に存在していることを特定しているとともに、前記高断熱材とする面を特定している。
詳しくは、前記反応室を構成する面の全てを高断熱材とする形態、前記シリンダブロックにおいて前記燃料改質気筒の内周面と前記ピストンの頂面と前記シリンダヘッドの爆面とのうちのいずれか１つを高断熱材とする形態、ならびに前記シリンダブロックにおいて前記燃料改質気筒の内周面と、前記燃料改質気筒内に収容されるピストンの頂面と、シリンダヘッドにおいて前記燃料改質気筒を覆う爆面とのうちのいずれか２つを高断熱材とする形態が、本発明に含まれる。
また、前記反応室でのスワール流、タンブル流、スキッシュによる攪拌流の流速を、前記出力気筒の燃焼室でのそれに比べて低下させるように構成されている、ことが好ましい。
ちなみに、前記スワール流、タンブル流の流速を低下させる手段としては、前記反応室に対する吸気ポートの連接位置と傾斜角度との少なくともいずれか一方を規定する形態が挙げられる。具体的に、前記手段としては、平面視において前記反応室の中心に対する前記吸気ポートの中心軸線の径方向でのオフセット量を小さくする形態と、側面視において前記反応室の中心軸線に対する前記吸気ポートの傾斜角度を小さくする形態と、前記吸気ポートの通路面積を大きくし、その変化量を抑制する形態との少なくともいずれか一方が挙げられる。
また、前記スキッシュによる攪拌流の流速を低下させる手段としては、燃料改質用のピストンの頂面の凹凸を可及的に小さくする形態、好ましくは前記ピストンの頂面を平坦にする形態が挙げられる他、トップクリアランス（上死点に位置するピストン２２とシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆとの対向距離）を大きくする形態が挙げられる。
この構成では、前記反応室において燃料を改質する際に当該反応室を構成する面から外側への放熱、つまり当該反応室からの熱損失を低下させることが可能になる。
また、前記反応室の外側には、容積が一定の外部反応室が前記反応室に連絡通路を介して連通するように設けられ、この外部反応室に前記改質対象となる燃料が供給される、ことが好ましい。
この構成では、前記外部反応室に前記改質対象となる燃料が直接的に供給されるようになる一方で、前記反応室に前記改質対象となる燃料が直接的に供給されなくなる。
これにより、前記燃料が前記反応室を構成する面に付着しにくくなるので、前記ピストンの往復動によって前記付着燃料が掻き落とされるリスクを低減できるようになる。
一方、前記外部反応室の内面には、供給される燃料が付着する可能性があるものの、この付着燃料は、前記ピストンの上昇に伴う圧力上昇ならびに温度上昇によって蒸発されることになる。
また、前記外部反応室の内面が、高断熱材とされる、ことが好ましい。
この構成では、前記外部反応室において燃料を改質する際に当該外部反応室の内面から外側への放熱、つまり当該外部反応室からの熱損失を低下させることが可能になる。
これにより、前記外部反応室に供給される燃料の改質反応時の温度を、前記高断熱材を採用しない場合に比べて高く保つことができるので、燃料の改質効率が、前記高断熱材を採用しない場合に比べて向上する結果となる。
本発明は、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関において、燃料の改質効率を可及的に向上させることが可能になる。
図３の燃料改質気筒のみを示す図である。 図１の要部を拡大して示す図である。 本発明に係る内燃機関の一実施形態の概略構成を示す図である。 図２における高断熱材の他の実施形態を示す図である。 図１の燃料改質気筒の他の実施形態を示す図である。 図１の燃料改質気筒のさらに他の実施形態を示す図である。 図１の燃料改質気筒のさらに他の実施形態を示す図である。 燃料を改質する際において反応ガスの温度と改質ガス中の軽質ガス濃度との関係を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１から図３に、本発明の一実施形態を示している。本発明の特徴説明に先立ち、図３を参照して本発明の内燃機関の一実施形態の概略構成を説明する。
−内燃機関のシステム構成−
本実施形態に係る内燃機関１は、燃料改質気筒２および出力気筒３を備えている。また、この内燃機関１は、前記燃料改質気筒２や前記出力気筒３に対し、ガスの供給（導入）またはガスの排出（導出）を行うための配管系として、吸気系４、改質燃料供給系５、排気系６、ＥＧＲ系７、および、出力気筒バイパス系８を備えている。
（燃料改質気筒および出力気筒）
燃料改質気筒２および出力気筒３は、共にレシプロ型で構成されている。具体的に、各気筒２，３は、シリンダブロック（図示省略）に形成されたシリンダボア２１，３１内にピストン２２，３２が往復動自在に収容されて構成されている。
燃料改質気筒２では、シリンダボア２１、ピストン２２、シリンダヘッド１ｂによって反応室（燃料改質室とも言う）２３が形成されている。出力気筒３では、シリンダボア３１、ピストン３２、シリンダヘッド１ｂによって燃焼室３３が形成されている。
本実施形態に係る内燃機関１は、シリンダブロックに４つの気筒が備えられ、そのうちの１つの気筒が燃料改質気筒２として構成されており、他の３つの気筒が出力気筒３として構成されている。各気筒２，３の数はこれに限定されるものではない。例えば、シリンダブロックに６つの気筒が備えられ、そのうちの２つの気筒が燃料改質気筒２として構成されており、他の４つの気筒が出力気筒３として構成されていてもよい。
各気筒２，３のピストン２２，３２はそれぞれコネクティングロッド２４，３４を介してクランクシャフト１１に連結されている。これにより、ピストン２２，３２の往復運動とクランクシャフト１１の回転運動との間で運動が変換されるようになっている。
クランクシャフト１１は、クラッチ機構（図示省略）を介して船舶のスクリュー軸に連結可能となっている。
燃料改質気筒２のピストン２２と出力気筒３のピストン３２とは前記コネクティングロッド２４，３４およびクランクシャフト１１を介して互いに連結されている。このため、これら気筒２，３間での動力伝達や、これら気筒２，３から出力された動力のスクリュー軸への伝達等が可能となっている。
燃料改質気筒２には、反応室２３に改質前の燃料として例えば軽油等の燃料を供給するインジェクタ２５が備えられている。この反応室２３では、インジェクタ２５から燃料が供給されることにより、当量比の高い混合気が断熱圧縮される。これにより、高温高圧の環境下で燃料が改質し、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料が生成される。
出力気筒３には、燃焼室３３に例えば軽油等の燃料を供給するインジェクタ３５が備えられている。この燃焼室３３では、前記燃料改質気筒２で生成された改質燃料が空気と共に供給され、この燃焼室３３で希薄予混合燃焼もしくはインジェクタ３５から噴射される微量の燃料の着火を点火源とした伝播火炎燃焼が行われる。これにより、ピストン３２の往復動に伴ってクランクシャフト１１が回転し、機関出力が得られる。
（吸気系）
吸気系４は、燃料改質気筒２の反応室２３および出力気筒３の燃焼室３３それぞれに空気（新気）を導入するものである。
この吸気系４は、メイン吸気通路４１、このメイン吸気通路４１が２系統に分岐されて成る燃料改質気筒吸気通路４２および出力気筒吸気通路４３を備えている。メイン吸気通路４１には、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａが備えられている。
燃料改質気筒吸気通路４２は燃料改質気筒２の吸気ポートに連通している。この吸気ポートと燃料改質気筒２の反応室２３との間には吸気バルブ２６が開閉可能に配設されている。また、この燃料改質気筒吸気通路４２には開度調整可能な吸気量調整弁４５が備えられている。
出力気筒吸気通路４３は出力気筒３の吸気ポートに連通している。この吸気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には吸気バルブ３６が開閉可能に配設されている。また、この出力気筒吸気通路４３には吸気冷却器（インタクーラ）４４が備えられている。
（改質燃料供給系）
改質燃料供給系５は、前記燃料改質気筒２で生成された改質燃料を出力気筒３の燃焼室３３に向けて供給するものである。
この改質燃料供給系５は改質燃料供給通路５１を備えている。この改質燃料供給通路５１には改質燃料冷却器５２が備えられている。改質燃料供給通路５１の上流端は燃料改質気筒２の排気ポートに連通している。この排気ポートと燃料改質気筒２の反応室２３との間には排気バルブ２７が開閉可能に配設されている。また、改質燃料供給通路５１の下流端は出力気筒吸気通路４３に連通している。
この改質燃料供給通路５１と出力気筒吸気通路４３との連通部分にはミキサ５３が設けられている。このため、燃料改質気筒２で生成された改質燃料は、ミキサ５３において出力気筒吸気通路４３を流れる空気と混合されて出力気筒３の燃焼室３３に供給されることになる。
（排気系）
排気系６は、前記出力気筒３で発生した排気ガスを排出するものである。この排気系６は排気通路６１を備えている。この排気通路６１には、ターボチャージャ１２のタービンホイール１２ｂが備えられている。排気通路６１は出力気筒３の排気ポートに連通している。この排気ポートと出力気筒３の燃焼室３３との間には排気バルブ３７が開閉可能に配設されている。
（ＥＧＲ系）
ＥＧＲ系７は、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａと出力気筒ＥＧＲ系７Ｂとを備えている。
燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａは、前記排気通路６１を流れる排気ガスの一部を燃料改質気筒２の反応室２３に向けて供給するものである。
この燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａは燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１を備えている。この燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１は、上流端が排気通路６１に、下流端が燃料改質気筒吸気通路４２における吸気量調整弁４５の下流側にそれぞれ連通されている。燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１にはＥＧＲガス冷却器７２が備えられている。また、燃料改質気筒ＥＧＲ通路７１におけるＥＧＲガス冷却器７２よりも下流側（燃料改質気筒吸気通路４２側）にはＥＧＲガス量調整弁７３が備えられている。
また、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａには、ＥＧＲガス冷却器７２をバイパスしてＥＧＲガスを流すためのクーラバイパス通路７４が設けられている。このクーラバイパス通路７４にはバイパス量調整弁７５が備えられている。
一方、出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは、前記排気通路６１を流れる排気ガスの一部を出力気筒３の燃焼室３３に戻すものである。この出力気筒ＥＧＲ系７Ｂは出力気筒ＥＧＲ通路７６を備えている。
この出力気筒ＥＧＲ通路７６は、上流端が排気通路６１に、下流端が出力気筒吸気通路４３におけるミキサ５３の下流側にそれぞれ連通されている。出力気筒ＥＧＲ通路７６にはＥＧＲガス冷却器７７が備えられている。また、出力気筒ＥＧＲ通路７６におけるＥＧＲガス冷却器７７よりも下流側（出力気筒吸気通路４３側）にはＥＧＲガス量調整弁７８が備えられている。
（出力気筒バイパス系）
出力気筒バイパス系８は、前記燃料改質気筒２から排出されたガスを出力気筒３に供給することなく（出力気筒３をバイパスさせて）、前記排気通路６１に導入するためのものである。
この出力気筒バイパス系８は出力気筒バイパス通路８１を備えている。この出力気筒バイパス通路８１は、上流端が改質燃料供給通路５１における改質燃料冷却器５２の上流側に、下流端が出力気筒ＥＧＲ通路７６におけるＥＧＲガス冷却器７７の上流側（排気通路６１側）にそれぞれ連通されている。また、この出力気筒バイパス通路８１にはバイパス量調整弁８２が備えられている。
なお、前述した各系に備えられている冷却器４４，５２，７２，７７は、ガスを冷却するための冷熱源として、エンジン冷却水または海水等が使用される。また、これら冷却器４４，５２，７２，７７は空冷式のものであってもよい。
−内燃機関の基本動作−
次に、前述の如く構成された内燃機関１の基本動作について説明する。
メイン吸気通路４１に導入される空気は、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール１２ａによって加圧される。
そして、この空気は、燃料改質気筒吸気通路４２および出力気筒吸気通路４３に分流される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２を流れる吸気の量は吸気量調整弁４５によって調整される。
また、燃料改質気筒吸気通路４２には、燃料改質気筒ＥＧＲ系７Ａを流れたＥＧＲガスが導入される。この際、燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガス量はＥＧＲガス量調整弁７３によって調整される。
また、燃料改質気筒吸気通路４２に導入されるＥＧＲガスの温度はバイパス量調整弁７５の開度に応じてＥＧＲガス冷却器７２をバイパスするＥＧＲガス量によって調整される。これにより、燃料改質気筒２の反応室２３には、空気およびＥＧＲガスが導入されることになる。この際、ＥＧＲガス量調整弁７３の開度によって調整されるＥＧＲガスの流量、および、バイパス量調整弁７５の開度によって調整されるＥＧＲガスの温度は、反応室２３での当量比を高く設定し、また、燃料の改質を良好に行うことができる反応室２３のガス温度が確保できるように調整される。
このようにして燃料改質気筒２の反応室２３に、空気およびＥＧＲガスが導入された状態で、インジェクタ２５から反応室２３に燃料が供給される。
このインジェクタ２５からの燃料供給量は、基本的には機関要求出力に応じて設定される。具体的には、インジェクタ２５に供給されている燃料圧力に応じ、目標とする燃料供給量が得られるように、インジェクタ２５の開弁期間が設定される。
また、この際のインジェクタ２５の開弁タイミングは、燃料改質気筒２の吸気行程が終了するまでの間に前記目標とする燃料供給量の噴射が完了するように設定されることが望ましいが、ピストン２２が圧縮上死点付近に到達する前に混合気が均一に混合可能である場合には、圧縮行程途中まで燃料噴射期間が継続されてもよい。これにより、ピストン２２が圧縮上死点に達するまでに、反応室２３において均質な混合気（当量比の高い混合気）が生成されることになる。
ピストン２２が圧縮上死点に向かって移動する間に、反応室２３の圧力および温度が上昇し、この反応室２３では、当量比の高い混合気（例えば４．０以上の当量比の混合気）が断熱圧縮される。これにより、高温高圧の環境下で、燃料の脱水素反応、部分酸化反応、水蒸気改質反応、熱解離反応が行われて、燃料が改質され、水素、一酸化炭素、メタン等のアンチノック性の高い改質燃料が生成される。
反応室２３から排出された改質燃料は、改質燃料供給通路５１を流れる際に改質燃料冷却器５２において冷却される。この冷却により、出力気筒吸気通路４３や燃焼室３３での改質燃料の過早着火が抑制される。
そして、この冷却された改質燃料は、出力気筒吸気通路４３を流れる空気とミキサ５３において混合され、出力気筒３の燃焼室３３に供給される。また、必要に応じて、ＥＧＲガス量調整弁７８が開放され、出力気筒ＥＧＲ通路７６を経てＥＧＲガスが出力気筒３の燃焼室３３に導入される。
このようにして、出力気筒３の燃焼室３３には、空気、改質燃料、ＥＧＲガスがそれぞれ導入され、この燃焼室３３内の当量比が０．１〜０．８程度に調整される。
出力気筒３では、圧縮行程において、希薄混合ガスの断熱圧縮が行われ、ピストン２２が圧縮上死点に達した時点で、インジェクタ３５から微量の燃料噴射が行われる。これにより、燃焼室３３内の混合気が自着火し、希薄予混合燃焼が行われる。なお、インジェクタ３５からの燃料噴射を行わなくても燃焼室３３の混合気が自着火（予混合圧縮自着火）する場合には、このインジェクタ３５からの燃料噴射は必ずしも必要ない。
前記燃焼によって、ピストン３２が往復動し、クランクシャフト１１が回転することで機関出力が得られる。この機関出力は前記スクリュー軸に伝達される。また、この機関出力の一部は、燃料改質気筒２におけるピストン２２の往復動の駆動源として使用される。
ここで、燃料改質気筒２は、図２に示すように、そのシリンダブロック１ａのシリンダホール（符号省略）にシリンダライナ２１ａを嵌合した構成になっている。この場合、シリンダライナ２１ａの内面がシリンダボア２１となる。なお、図２において、１ｃはシリンダブロック１ａのウォータジャケット、１ｄはヘッドガスケットである。
このシリンダライナ２１ａの内周面と、シリンダライナ２１ａ内に収容されるピストン２２の頂面２２ａと、シリンダヘッド１ｂにおいてシリンダライナ２１ａのトップ側（シリンダヘッド１ｂ寄り）開口を覆う面（以下、爆面と言う）１ｆとにより囲まれる空間が、反応室２３とされる。なお、前記爆面１ｆは、燃料改質気筒２に配置される吸気バルブ２６および排気バルブ２７の各傘部の内面（反応室２３に露呈する面）を含んでいるものとする。
このような構成の反応室２３であるから、その容積がピストン２２の往復動によって変化することが明らかになる。
そして、図１および図２に示すように、シリンダライナ２１ａの内周面には、円筒形状の高断熱材１０が嵌合装着されている。
この高断熱材１０は、シリンダライナ２１ａの内周面においてトップ側の端縁からボトム側所定位置までの所定領域に配置されている。
具体的に、シリンダライナ２１ａの内周面においてトップ側の端縁からボトム側所定位置までの所定領域には、内径寸法を拡径する拡径部２１ｂが設けられている。この拡径部２１ｂに円筒形状の高断熱材１０が嵌合装着されているが、当該嵌合状態においては、高断熱材１０がシリンダライナ２１ａの内周面から径方向内向きに張り出した状態になっている。
そこで、高断熱材１０がピストン２２に干渉することを回避させるために、ピストン２２の外周面において頂面２２ａ寄りの端縁からボトム側所定位置までの所定領域には、外径寸法を縮径する縮径部２２ｂが設けられている。
また、高断熱材１０の軸方向寸法Ｂ（図２参照）は、反応室２３において燃料の改質反応時に高温に保ちたい領域に応じて適宜設定される。具体的に、前記高温に保ちたい領域とは、シリンダライナ２１ａのトップ側の端縁から上死点に配置されたピストン２２の頂面２２ａまでの軸方向長さ範囲のことである。このため、前記軸方向寸法Ｂは、前記軸方向長さ範囲と同じか、あるいはそれよりも大きく設定することが好ましい。
そして、高断熱材１０としては、例えば一般に知られるいろいろな組成のセラミックス、鉄系金属、あるいは適宜の基材表面に高断熱性の樹脂をコーティングしたものなどが挙げられる。
以上説明したように本発明を適用した実施形態では、シリンダライナ２１ａの内周面に高断熱材１０を装着することにより、反応室２３において燃料を改質する際に反応室２３から外側への放熱、つまり反応室２３からの熱損失を低下させることが可能になる。
これにより、反応室２３における燃料の改質反応時の温度を、高断熱材１０を採用しない場合に比べて高く保つことができるので、燃料の改質効率が、高断熱材１０を採用しない場合に比べて向上する結果となる。
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。
（１）上記実施形態の高断熱材１０は、例えば図４に示すように、その外径側の軸方向途中領域に、径方向外向きに開放する環状溝１０ａを設けた構成とすることが可能である。
その場合には、高断熱材１０をシリンダライナ２１ａに嵌合装着した状態において当該シリンダライナ２１ａと環状溝１０ａとで囲む環状空間１０ｂが空気層となるので、反応室２３の断熱作用を可及的に高めることが可能になる。これにより、反応室２３からの熱損失をさらに低下させることが可能になる。
（２）上記実施形態では、シリンダライナ２１ａの内周面に円筒形状の高断熱材１０を嵌合装着する場合を例示しているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。
例えば図示していないが、シリンダライナ２１ａの内周面の所定領域に高断熱材料を溶射または塗布によりコーティングする形態とすることが可能である。
その場合、シリンダライナ２１ａに拡径部２１ｂを設けたり、ピストン２２に縮径部２２ｂを設けたりする必要がなくなるので、コスト低減に貢献できるようになる。
（３）本発明は、上記実施形態の他に、例えば図示していないが、前記反応室２３を構成する面（シリンダライナ２１ａの内周面、ピストン２２の頂面２２ａ、ならびにシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆ）の全てを高断熱材１０とする形態、ピストン２２の頂面２２ａおよびシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆとのいずれか一方を高断熱材１０とする形態、あるいはシリンダライナ２１ａの内周面、ピストン２２の頂面２２ａ、ならびにシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆのうちのいずれか２つを高断熱材１０とする形態が含まれる。
なお、前記ピストン２２の頂面２２ａおよびシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆを高断熱材１０とする場合にあっては、高断熱材１０を装着するのではなく、高断熱材料を溶射または塗布によりコーティングすることが好ましい。
また、前記ピストン２２の頂面２２ａを高断熱材１０とする場合にあっては、ピストン２２そのものを高断熱材となりうる鉄系金属で形成することが可能である。
（４）上記実施形態において、燃料改質気筒２での発熱量が出力気筒３での発熱量に比べて低いことを考慮し、図１に示すように、シリンダヘッド１ｂにおいて燃料改質気筒２の近傍に設けられているウォータジャケット１ｅの底部から爆面１ｆまでの直線距離Ａを、シリンダヘッド１ｂにおいて出力気筒３側での前記直線距離Ａに対応する直線距離（図示省略）よりも大きく設定したり、あるいは前記ウォータジャケット１ｅを無くしたりすることが可能となる。
（５）上記実施形態において、反応室２３でのスワール流、タンブル流、スキッシュによる攪拌流の流速を、出力気筒３の燃焼室３３でのそれに比べて低下させるように構成することが好ましい。
例えば前記スワール流、タンブル流の流速を低下させる手段としては、反応室２３に対する吸気ポート（符号省略）の連接位置と傾斜角度との少なくともいずれか一方を規定する形態が挙げられる。具体的に、前記手段としては、平面視において反応室２３の中心に対する前記吸気ポートの中心軸線の径方向でのオフセット量を小さくする形態と、側面視において反応室２３の中心軸線に対する前記吸気ポートの傾斜角度を小さくする形態と、前記吸気ポートの通路面積を大きくし、その変化量を抑制する形態との少なくともいずれか一方が挙げられる。
また、前記スキッシュによる攪拌流の流速を低下させる手段としては、燃料改質用のピストン２２の頂面２２ａの凹凸を可及的に小さくする形態、好ましくは頂面２２ａを平坦にする形態が挙げられる他、トップクリアランス（上死点に位置するピストン２２とシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆとの対向距離）を大きくする形態が挙げられる。
この構成では、反応室２３において燃料を改質する際に反応室２３を構成する面（シリンダライナ２１ａの内周面、ピストン２２の頂面２２ａ、ならびにシリンダヘッド１ｂの爆面１ｆ）から外側への放熱、つまり反応室２３からの熱損失を低下させることが可能になる。
これにより、反応室２３に供給される燃料が当該反応室２３を構成する面に付着しにくくなるので、ピストン２２の往復動によって前記付着燃料が掻き落とされるリスクを低減できるようになる。
（６）図５から図７に本発明の他の実施形態を示しているので、以下において詳細に説明する。図５から図７に示す実施形態では、燃料改質気筒２の反応室２３の外側に、外部反応室２０を設けている。
具体的に、図５に示す実施形態では、外部反応室２０をシリンダヘッド１ｂにおいて反応室２３の近傍に設けている。図６に示す実施形態では、外部反応室２０を燃料改質用のピストン２２に設けている。図７に示す実施形態では、外部反応室２０をシリンダブロック１ａにおいて反応室２３の近傍に設けている。
そして、外部反応室２０は、例えば略球形に形成されていて、その容積が一定に設定されている。但し、外部反応室２０は、前記形状の他にも楕円形などに形成することが可能である。この外部反応室２０は、連絡通路２０ａを介して反応室２３に連通されていて、インジェクタ２５から燃料が直接的に供給されるようになっている。
連絡通路２０ａは、その軸線が外部反応室２０の中心を通過しないように構成されている。インジェクタ２５は、噴射した燃料が連絡通路２０ａを通じて反応室２３に到達しないように設置されている。
次に、このような実施形態での燃料改質に関する動作について説明する。
まず、燃料改質気筒２の吸気行程では、ピストン２２が上死点から下死点に移動するとともに、吸気バルブ２６が開弁されることに伴い、反応室２３の容積が増大することになって、反応室２３の内部圧力が低下し、燃料改質に適した酸素濃度の給気（外気およびＥＧＲガスを含む）が吸引される。
その後、燃料改質気筒２の圧縮行程では、ピストン２２が下死点から上死点に移動することに伴い、反応室２３の容積が減少することになって、反応室２３の内部圧力が増大するので、反応室２３内の給気が断熱圧縮される。この断熱圧縮された反応室２３内の給気は連絡通路２０ａを経て外部反応室２０に高速で流入されるので、その際、外部反応室２０内で高速の渦流を形成する。これにより、反応室２３および外部反応室２０の内部が高温、高圧の状態とされる。
この圧縮行程では、前記高温、高圧の外部反応室２０内にインジェクタ２５から燃料改質に適した当量比の燃料が噴射されるので、当該燃料が前記給気と急速に混合（予混合）され、蒸発する。この混合気は、ピストン２２が上死点付近に到達した際、改質反応が開始される。この際、外部反応室２０の内部圧力は、改質反応が進行することにより反応室２３の内部圧力よりも低くなるため、前記混合気が反応室２３に流入することがない。
そして、燃料改質気筒２の膨張行程では、ピストン２２が上死点から下死点に移動することに伴い、反応室２３の容積が増大して内部圧力が減少するので、外部反応室２０内の改質燃料が反応室２３に移動し、断熱膨張される。この改質燃料は前記断熱膨張により冷却され、圧力が低下した状態になることで、改質反応が停止する。
引き続く燃料改質気筒２の排出行程では、ピストン２２が下死点から上死点に移動するとともに、排気バルブ２７が開弁されることに伴い、改質燃料が出力気筒バイパス通路８１およびＥＧＲガス冷却器７７を介して出力気筒吸気通路４３に導入される。
以上説明したように、図５から図７に示す実施形態では、外部反応室２０に前記改質対象となる燃料が直接的に供給されるようになる一方で、反応室２３に前記改質対象となる燃料が直接的に供給されなくなる。
つまり、反応室２３内で燃料の改質反応が行われなくなるので、外部反応室２０に供給される燃料が反応室２３を構成する面（シリンダヘッド１ｂ、シリンダブロック１ａ、ピストン２２）に付着しにくくなる。そのため、ピストン２２の往復動によって前記付着燃料が掻き落とされるリスクを低減できるようになる。
一方、外部反応室２０に供給される燃料は、ピストン２２の上昇に伴う圧力上昇ならびに温度上昇と高速の渦流の発生との相乗作用によって給気と混合されながら蒸発されるようになるので、外部反応室２０の内面に燃料が付着しにくくなる。
なお、図５から図７に示す実施形態においても、図示していないが、本発明の趣旨に基づき反応室２３を構成する面の少なくとも一部（シリンダライナ２１ａの内周面と、ピストン２２の頂面２２ａと、シリンダヘッド１ｂの爆面１ｆとのうちの少なくともいずれか１つ）に、上述した高断熱材１０が装着、あるいは高断熱材料が溶射または塗布によりコーティングされるものとする。
また、外部反応室２０の内面に対しても、図示していないが、上述した高断熱材１０を装着、あるいは高断熱材料を溶射または塗布によりコーティングすることができる。
このような実施形態では、外部反応室２０において燃料を改質する際に外部反応室２０から外側への放熱、つまり外部反応室２０からの熱損失を低下させることが可能になる。
これにより、外部反応室２０に供給される燃料の改質反応時の温度を、高断熱材１０を採用しない場合に比べて高く保つことができるので、燃料の改質効率が、高断熱材１０を採用しない場合に比べて向上する結果となる。
本発明は、燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関に好適に利用することが可能である。
１ 内燃機関
１ａ シリンダブロック
１ｂ シリンダヘッド
１ｆ 爆面
２ 燃料改質気筒
２１ シリンダボア
２１ａ シリンダライナ
２１ｂ 拡径部
２２ ピストン
２２ａ 頂面
２２ｂ 縮径部
２３ 反応室
３ 出力気筒
１０ 高断熱材
１０ａ 環状溝
２０ 外部反応室
２０ａ 連絡通路

Claims (5)

  1. 燃料を改質するための燃料改質気筒と、燃料または改質燃料を燃焼することによって機関出力を得るための出力気筒とを備える内燃機関において、
    前記燃料改質気筒の容積が変化する反応室を構成する面の少なくとも一部が、高断熱材とされている、ことを特徴とする内燃機関。
  2. 請求項１に記載の内燃機関において、
    前記反応室を構成する面は、シリンダブロックにおいて前記燃料改質気筒の内周面と、前記燃料改質気筒内に収容されるピストンの頂面と、シリンダヘッドにおいて前記燃料改質気筒を覆う爆面とを含み、
    これらの面のうちの少なくとも１つが、前記高断熱材とされている、ことを特徴とする内燃機関。
  3. 請求項１または２に記載の内燃機関において、
    前記反応室でのスワール流、タンブル流、スキッシュによる攪拌流の流速を、前記出力気筒の燃焼室でのそれに比べて低下させるように構成されている、ことを特徴とする内燃機関。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関において、
    前記反応室の外側には、容積が一定の外部反応室が前記反応室に連絡通路を介して連通するように設けられ、
    この外部反応室に前記改質対象となる燃料が供給される、ことを特徴とする内燃機関。
  5. 請求項４に記載の内燃機関において、
    前記外部反応室の内面が、高断熱材とされる、ことを特徴とする内燃機関。
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