JPH0350319A - 断熱アルコールエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃焼、室に燃料噴射ノズルを備えた断熱ア
ルコールエンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来、断熱エンジンとして、シリンダライナ上部を有す
るセラミック製ライナヘッドをシリンダヘッドの内側に
嵌合したものは、例えば、特開昭５９−１２２７６５号
公報に開示されている。

また、渦室付きディーゼルエンジンの渦室に発熱部を設
けたものは、例えば、実開昭５７−８３１７号公報に開
示されている。該渦室付きディーゼルエンジンは、シリ
ンダヘッドの下部に主室への連絡口を有する下室部と、
その上方に載置され且つ噴射ノズルが臨むように構成さ
れた上室部とより成り、内部に渦流を生ぜしめるもので
あり、上記下室部と上室部との間に配置され、且つ燃料
噴射ノズルよりの燃料噴霧の当接する側に発熱部を設け
たプリントヒータを備えたものである。

更に、従来の２サイクルエンジンにおいて、シリングヘ
ッドに形成した排気ポートに排気バルブを配置し、又は
シリンダライナ上部の全円周に排気孔を設け、掃気孔を
シリンダライナ下部の全円周に設け、掃気及び排気ガス
が入り乱れるのを防止して掃気効率及び吸気効率を高め
、非対称掃気型で、且つ後吸気を行うことができるユニ
フロー掃気式のものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、エンジンから排気される排気ガスによる環境
汚染が問題になり、最近、アルコールエンジンが注目さ
れるようになっている。アルコールエンジンでは、排気
ガス中の炭酸ガス、炭化物の含有量は、ガソリン、軽油
等の燃料に比較して非常に少ないものである。ところが
、アルコール燃料を使うディーゼルエンジンでは、着火
性が悪くなるという問題点がある。即ち、アルコールは
、ガソリンに比較して気化するための潜熱が高く、例え
ば、ガソリンが燃料の０．７％の気化潜熱を要するのに
対し、アルコールが燃料の５％の気化潜熱を要するもの
であり、アルコール燃料は気化し難いという性質を有し
ているからである。しかも、燃料噴射ノズルから燃焼室
内の圧縮空気中に噴射されたアルコール燃料は、気化の
ために圧縮空気及び燃焼室壁面の温度を低下させて着火
を悪化させている。ところで、断熱構造の燃焼室を有す
る断熱エンジンについては、圧縮工程終端における圧縮
空気温度は、冷却エンジンに比較して高くなっているの
で、その雰囲気中に燃料を噴射させると、燃料の気化が
良好に行われる。

しかしながら、断熱エンジンにおいて、断熱構造の燃焼
室を構成する場合に、該燃焼室内壁部位に低熱伝導率材
の薄膜を配置したものでは、特に、エンジンの低速低負
荷時には該燃焼室内壁面は高温度の状態になっていない
ので、該壁面が燃料から気化熱を奪い、気化を促進する
ことができない。

特に、燃料がアルコールである場合には、気化するため
の潜熱が高いため、その現象は大きく現れる。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
アルコール燃料がガソリン、軽油等の燃料に比較して気
化し難いという性質を有し、特に、エンジンの低速低負
荷時には、燃焼室壁面の゛温度が低く、気化し難い現象
が顕著であるということ、及びシリンダヘッド及びシリ
ンダから成る□燃焼室を断熱構造に構成した断熱エンジ
ンではシリンダヘッド部位は高温になるが、シリンダヘ
ッドより離れたシリンダ下部は比較的に高温でないこと
を考慮し、断熱エンジンにおいて、吸気ポート委排気ポ
ートから隔たったシリンダ下部に設けて吸入効率を高め
て２サイクル或いは４サイクル作動の制御を行い、特に
、断熱構造の燃焼室に赤熱体を配置し、エンジンの作動
状態即ち低速低負荷時には、該赤熱体を加熱してアルコ
ール燃料の気化を促進し、良好な燃焼を確保できる断熱
アルコールエンジンを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、低熱伝導率材から成る
断熱構造の燃焼室の内壁部、該燃焼室に配置したアルコ
ール燃料噴射ノズル、該噴射ノズルからの噴射アルコー
ルが衝突する前記内壁部の壁面に配置した高熱容量のセ
ラミック材から成る赤熱体（例えば、チタンカーバイト
等）、エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び該
センサーからの検出値が所定の設定値より低い信号値に
応答して前記赤熱体をオンして加熱し且つ高□い信号値
に応答して前記赤熱体をオフする制御を□行為コントロ
ー□うから□成る断熱アルコールエンジンに関する。

ま□た、この断熱アルコールエンジンは、前記燃焼室上
面を構成するシリンダヘッドに形成した排気ポートに排
気バルブを配置し、シリンダライナ下部隅周方向に多数
の吸気口を形成し、該吸気口をシリンダブロックの周方
向に形成した吸気ポートに連通したものである。

〔作用〕

この発明による断熱アルコールエンジンは、上記のよか
に構成され、次のように作用する。即ち、この断熱アル
コールエンジンは、低熱伝導率材料から成る断熱構造の
燃焼室の内壁部に高熱容量のセラミック材料から成る赤
熱体を配置し、燃焼室に配置したアルコール燃料噴射ノ
ズルからの噴射アルコールを前記赤熱体に衝突させ、コ
ントローラの指令によってエンジンの作動状態に応じて
前記赤熱体を加熱又は非加熱状態に制御したので、前記
赤熱体は前記内壁部を構成する断熱材によって外周が遮
熱されて熱が逃げない状態即ち熱放散が防止される構造
であり、加熱した前記赤熱体はアルコールの気化を促進
する作用を行う。

即ち、エンジンの高速高負荷時には、断熱エンジンでは
燃焼室内が高温度になり過ぎてノソキンング等を起こす
異常着火が発生するが、この断熱アルコールエンジンで
は、前記赤熱体は熱容量が比較的に高く、前記赤熱体に
電流を流して加熱しなくても十分な高温度になるので、
前記赤熱体をオフ状態にし、燃焼室内にスワールが発生
するように内壁部周面即ち前記赤熱体に沿ってアルコー
ル燃料を噴射し、アルコール燃料は高温度になった燃焼
室壁面、特に前記赤熱体を冷却しながら前記赤熱体から
熱を奪って盛んに気化を行い、ノッキンング等の異常着
火の発生を防止し、着火を促進して着火が確実に起こり
燃焼をスムースに行う。

また、エンジンの低速低負荷時には、燃焼室内壁面、特
に前記赤熱体は高温度になっていないので、エンジンの
その作動状態に応答してコントローラからの指令によっ
て前記赤熱体に電流を流して前記赤熱体を加熱する。ア
ルコール燃料は加熱された前記赤熱体の内周面に沿うよ
うに噴射されて前記赤熱体に衝突し、前記赤熱体から熱
を奪ってアルコール燃料の気化を促進し、良好な混合気
を生成してミス着火の発生を防止し、着火を確実に起こ
し、アルコール混合気の燃焼をスムースに行わせる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱アルコール
エンジンの実施例を説明する。

第１図において、この発明による断熱アルコールエンジ
ンの一実施例が示されている。この断熱アルコールエン
ジンは、シリンダヘッド３に排気バルブ１を配置し且つ
シリンダライナ４の下部周囲方向に多数の吸気口２０を
有するユニフロー掃気タイプに構成された２サイクル作
動を行うものであり、掃気作用をシリンダ中心線に対し
て一定方向の気流によって行わせ、特に、燃焼室を主燃
焼室８と副燃焼室５とで構成し、副燃焼室５にチタンカ
ーバイト等の赤熱体である赤熱板１２及び燃料噴射ノズ
ル１５を配置し、エンジンの作動状態の検出信号を受け
て発するコントローラ１０の指令によって赤熱板１２に
配置された加熱線をオン・オフ制御し、該燃料噴射ノズ
ル１５から噴射されるアルコール燃料の気化を促進して
燃焼をスムースに行わせ、未燃ガスの発生を防止し、エ
ンジンの効率をアップさせたものである。

この断熱アルコールエンジンにおいて、シリンダヘッド
３がシリンダブロック６にガスケット２２を介して固定
され、シリンダヘッド３には副燃焼室５が形成されてい
る。シリンダヘッド３にはシリンダヘッド下面部１３と
シリンダライナ上部９から成るヘッドライナが嵌合し、
また、シリンダブロック６の形成されたシリンダ２７に
はシリンダライナ４が嵌合している。ヘッドライナのシ
リンダヘッド下面部１３には連通口２５が形成され、該
連通口２５を通じて副燃焼室５は主燃焼室８と連通して
いる。このヘッドライナのシリンダライナ上部９の下端
面とシリンダライナ４との間には、断熱ガスケット２１
が介在し、シリンダライナ上部９からシリンダライナ４
への熱の伝導を遮断している。断熱構造に構成した副燃
焼室５の上面に形成した排気ポート２にはバルブシート
２４が配置され、該バルブシート２４には排気バルブ１
が配置されている。主燃焼室８は、シリンダヘッド下面
部１３とシリンダライナ上部９から成るヘッドライナ、
シリンダライナ４及びぐストン７によって囲まれて形成
される室である。また、この断熱アルコールエンジンに
おいて、シリンダブロック６の下部内周部には、シリン
ダライナ４の周方向に多数形成した吸気口２０に対向し
て周方向の環状の吸気ボー）１Ｂが形成されている。

この発明による断熱アルコールエンジンは、特に、次の
構成を有する点に特徴を有している。即ち、この断熱ア
ルコールエンジンにおいて、排気バルブ１及びアルコー
ル燃料噴射ノズル１５が配置された副燃焼室５を構成す
る上部内壁部２６と下部内壁部２９とを低熱伝導率材料
から構成し、上部内壁部２６と下部内壁部２９との間に
副燃焼室５の内壁面の一部となる帯状、板状リング等の
形状をした赤熱体である赤熱板１２を配置し、更に、赤
熱板１２の外周は断熱ガスケット１４によってシリンダ
ヘッド３に対して遮熱されている。

この赤熱板１２には、例えば、タングステン等の導電体
が埋め込まれており、該導電体にはライン２８が結線さ
れ、該導電体に電流を流すことによって赤熱板１２は加
熱されるように構成されている。また、赤熱板１２の設
置位置は、燃料噴射ノズル１５の燃料噴射軌跡２３に応
じて決定されるものであり、燃料噴射ノズル１５から噴
射されるアルコール燃料が衝突する部位に配置されてい
る。

従って、燃料噴射ポンプ１１が作動して燃料噴射ノズル
１５からアルコール燃料が噴射されると、該噴射燃料は
まず赤熱板１２に衝突し、赤熱板１２から熱を奪うこと
ができ、直ちに気化して良好な混合気を生成することが
できる。

副燃焼室５を構成する上部内壁部２６及び下部内壁部２
９は、例えば、チタン酸アルミニウム、チタン酸カリウ
ム等の断熱材である低熱伝導率材料で構成され、また、
上部内壁部２６と下部内壁部２９との外周に配置された
断熱ガスケット１４は、同様に、例えば、チタン酸アル
ミニウム、チタン酸カリウム等の断熱材である低熱伝導
率材料で構成されている。更に、シリンダヘッド下面部
１３とシリンダライナ上部９とを構成するヘッドライナ
についても、同様に、例えば、チタン酸アルミニウム、
チタン酸カリウム等の断熱材である低熱伝導率材料で構
成されている。勿論、副燃焼室５の構造については、図
示の形状に限らず、例えば、断熱ガスケット１４を上下
に二分割し、上部断熱ガスケットと上部内壁部２６を一
体構造に製作し、且つ下部断熱ガスケットと下部内壁部
２９及びヘッドライナを一体構造に製作することもでき
、或いは、副燃焼室５及び主燃焼室８はその他種々の構
造に構成できるものである。即ち、副燃焼室５における
赤熱板１２の熱がシリンダヘッド３へ伝わらないように
遮熱し、副燃焼室５をシリンダヘッド３から断熱し、主
燃焼室８の上部を断熱する構造であれば、副燃焼室５及
び主燃焼室８の上部の形状及び構造については限定され
ないものである。

また、赤熱体である赤熱板１２は、例えば、ジルコニア
（ＺｒＯｚ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）等の熱容量の比較的に高いセラミック材料から構
成されている。窒化珪素（ＳｉｓＮ４）はアルコールと
反応するが、副燃焼室５ではピストン７の摺動運動がな
いので使用することも可能である。

なお、断熱ガスケット２１はチタン酸アルミニウム、チ
タン酸カリウム等の断熱材で製作でき、シリンダライナ
上部９からシリンダライナ４へ熱が伝導するのを防止し
ている。また、シリンダライナ４内を往復運動するピス
トン７については、図示していないが、断熱材及びセラ
ミック材料等から断熱構造に構成することができること
は勿論である。

この発明による断熱アルコールエンジンにおいて、副燃
焼室５を低熱伝導率材料で製造することによって、エン
ジンの低速低負荷時には、副燃焼室５の壁面が高温にな
らないため、燃料噴射ノズル１５から噴射されたアルコ
ール燃料は該壁面から気化熱を奪うことができなくなる
。そこで、エンジンの作動状態が低速低負荷時には、赤
熱板１２に電流を供給して赤熱板１２を加熱する。その
ために、この断熱アルコールエンジンは、エンジンの作
動状態に応じて赤熱板１２をオン・オフ制御するための
コントローラ１０、並びにエンジンの作動状態を検出す
るためのエンジン負荷センサー１６及びエンジン回転セ
ンサー１７を有している。このコントローラ１０は、負
荷センサー１６及び回転センサー１７の検出信号に応答
して燃料噴射ノズル１５からアルコール燃料を噴射させ
る燃料噴射ポンプ１１の制御を行うと共に、赤熱板１２
のオン・オフ制御を行うものである。負荷センサー１６
によるエンジンの負荷状態の検出は、例えば、アクセル
ペダルの踏込み量を検出するか、或いは燃料噴射ポンプ
１１からの燃料供給量を検出することによって達成でき
る。

次に、第１図及び第２図を参照して、この発明による断
熱アルコールエンジンの作動について説明する。第２図
はこの発明による断熱アルコールエンジンの作動の一例
を示す処理フロー図である。

エンジンの始動によって、燃料噴射ポンプ１１、排気パ
ルプ１の電動バルブ駆動装置或いは動弁機構等が駆動制
御される。まず、第１ステツプとして、エンジンを駆動
することによって、エンジン回転数は回転センサー１７
によって検出され、該検出信号はコントローラ１０に入
力される。負荷センサー１６の検出（３号については、
アクセルペダルの踏込量の検出センサーによって検出さ
れた踏込量信号がエンジンの負荷信号としてコントロー
ラ１０に入力されるか、又は、燃料供給ポンプ１１の噴
射ノズル１５から噴出される燃料供給量は該燃料供給量
検出センサーによって検出され、該検出燃料供給量信号
が同様にエンジンの負荷体５ 号としてコントローラ１０に入力される（ステップ３０
） コントローラ１０において、回転センサー１７によって
検出されたエンジン回転数ＮＥが予め計算された所定の
回転数Ｎ、１より大きいか否かを比較して判断する（ス
テップ３１）。

エンジン回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥ、より小さい場
合には、エンジンは低速時であり、副燃焼室５を構成す
る上部内壁部２６、下部内壁部２９、及び赤熱板１２は
高温度になっていないので、燃料噴射ノズル１５からア
ルコール燃料を副燃焼室５内に噴射しても、噴射燃料は
壁面から気化熱を奪うことができない。そこで、コント
ローラ１０からの指令によって赤熱板１２にライン２８
を通じて赤熱板１２の導電体に電流を供給する。電流を
供給された赤熱板１２は電力によって加熱され高温度に
なる（ステップ３４）。

エンジン回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥＩより大きい場
合には、エンジンは高速時であり、副燃焼室５を構成す
る上部内壁部２６、下部内壁部２９、６ 及び赤熱板１２は高温度になっていると判断し、次いで
、コントローラ１０において、負荷センサー１６によっ
てエンジン負荷を検出したエンジン負荷Ｌ６が予め計算
された所定のエンジン負荷Ｌ１より大きいか否かを比較
して判断する（ステップ３２）。

エンジン負荷り、が所定のエンジン負荷Ｌ□より小さい
場合には、エンジンは低負荷時であり、副燃焼室５を構
成する上部内壁部２６、下部内壁部２９、及び赤熱板１
２は高温度になっていないので、燃料噴射ノズル１５か
らアルコール燃料を副燃焼室５内に噴射しても、噴射燃
料は壁面から気化熱を奪うことができない。そこで、コ
ツトローラ１０からの指令によって赤熱板１２にライン
２８を通じて赤熱板１２の導電体に電流を供給する（ス
テップ３４）。電流を供給された赤熱板１２は、電力に
よって加熱され高温度になり、そこで、燃料噴射ノズル
１５から噴射されるアルコール燃料は、電力によって加
熱された赤熱板１２に衝突し、該赤熱板１２から熱を奪
ってアルコール燃料は盛んに気化し、良好な混合気が生
成され、噴射されたアルコール燃料はスムースに燃焼し
、未燃ガスの発生を防止できる。

また、エンジン負荷ＬＥが所定のエンジン負荷Ｌ！Ｉよ
り大きい場合には、エンジンは高速高負荷時であり、燃
焼が盛んに行われている状態であり、燃焼室内は高温度
になり且つ副燃焼室５を構成する上部内壁部２６、下部
内壁部２９、及び赤熱板１２は高温度になっている。し
かも、赤熱板１２は熱容量が比較的に高く、赤熱板１２
に電流を流して加熱しな（でも十分に高温度になるから
、コントローラ１０の指令によって赤熱板１２の導電体
へ供給する電流を停止し、即ち、赤熱板１２をオフ状態
にする（ステップ３３）。そこで、燃料噴射ノズル１５
から噴射されるアルコール燃料は、燃焼ガスによって加
熱された赤熱板１２に衝突し、該赤熱板１２から熱を奪
ってアルコール燃料は盛んに気化し、良好な混合気が生
成され、噴射されたアルコール燃料はスムースに燃焼し
、未燃ガスの発生を防止できる。

〔発明の効果〕

この発明による断熱アルコールエンジンは、上記のよう
に構成されており、次のような効果を有する。

即ち、この断熱アルコールエンジンは、低熱伝導率材か
ら成る断熱構造の燃焼室の内壁部、該燃焼室に配置した
アルコール燃料噴射ノズル、該噴射ノズルからの噴射ア
ルコールが衝突する前記内壁部の壁面に配置した高熱容
量のセラミック材から成る赤熱体、エンジンの作動状態
を検出するセンサー、及び該センサーからの検出値が所
定の設定値より低い信号値に応答して前記赤熱体をオン
して加熱し且つ高い信号値に応答して前記赤熱体をオフ
する制御を行うコントローラから構成したので、エンジ
ンの作動状態の検出値が所定の設定値より高い信号値、
言い換えれば、エンジンの高速高負荷時には、燃焼室内
は高温度になり且つ前記赤熱体は熱容量が比較的に高く
、前記赤熱体に電流を流して加熱しなくても十分に高温
度になるから、前記赤熱体はオフ状態にし、前記内壁部
長９ び燃焼ガスで加熱されている前記赤熱体を冷却して熱を
奪い、該作動領域での異常着火の発生を防止すると共に
、アルコール燃料を盛んに気化させ、良好なアルコール
混合気を生成して燃焼をスムースに行わせる。

また、エンジンの作動状態の検出値が所定の設定値より
低い信号値、言い換えれば、エンジンの低速低負荷時に
は、燃焼室内壁面は高温度になっていないので、該作動
状態に応答してコントローラからの指令によって前記赤
熱体に電流を流して前記赤熱体を加熱し、加熱された前
記赤熱体に噴射アルコール燃料が衝突させて該赤熱体か
ら熱を奪ってアルコール燃料の気化を促進し、良好な混
合気を生成して、噴射されたアルコール燃料をスムース
に燃焼させ、アルデヒド等の未燃ガスの発生を防止し、
また排気ガスの臭気等の発生を防止できる。

それ故に、この発明による断熱アルコールエンジンは、
全作動領域において、燃焼室における前記赤熱体のオン
・オフ制御によって前記赤熱体臼０ 体を常に高温度に維持できるので、前記燃料噴射ノズル
から噴射されるアルコール燃料は気化潜熱が高いにもか
かわらず、前記赤熱体に衝突して常に気化が促進され、
良好な混合気が生成されると共に、着火が確実に起こり
、スムースな燃焼を達成でき、且つ未燃ガスの発生を防
止できる。

また、この断熱アルコールエンジンは、前記燃焼室上面
を構成するシリンダヘッドに形成した排気ポートに排気
バルブを配置し、シリンダライナ下部の周方向に多数の
吸気口を形成し、該吸気口をシリンダブロックの周方向
に形成した吸気ポートに連通したので、前記赤熱体が設
けられエンジンの全作動領域で燃焼室上部が高温領域に
なるが、シリンダライナ下部は低温領域であるので、吸
気即ち新気が高温領域の熱影響を受けることがなく、吸
気流量が熱膨張によって減少することを防止でき、吸入
効率を向上でき、吸入空気の導入のシステムとして極め
て好ましい構造を提供できる。

更に、排気バルブをシリンダヘッドに配置したユニフロ
ラタイプに構成して掃気作用をシリンダ中心線に対して
一定方向の気流によって行わせ、排気ポートから排気ガ
スを効率良く排気し、次いで、排気ガスのパルス波の後
流に負圧の領域を埋める状態で吸入空気が吹き込まれる
ので、流れは単一方向となり、従って、シリンダヘッド
及びシリンダ上部の壁温が高温になっていたとしても吸
入効率の低下は少なく、エンジンの効率をアンプさせる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱アルコールエンジンの一実
施例を示す断面図、及び第２図は第１図の断熱アルコー
ルエンジンの作動の一例を示す処理フロー図である。 １・・・・・−・排気バルブ、２−−−−−−一排気ポ
ート、３・−・−シリンダヘッド、４−・−−一一−シ
リンダライナ、５副燃焼室（燃焼室）、６−・−・シリ
ンダブロック、８−−−−一主燃焼室、１０−・−・−
コントローラ、１２赤熱板（赤熱体）、１４・−・−断
熱ガスケント（低熱伝導率材料の内壁部）、１５−・・
−・燃料噴射ノズル、１６−−−−−−負荷センサー、
１７−−−−−一回転センサー、１８−−−一−・・吸
気ポート、２０−・・−吸気口、２３−・−燃料噴射軌
跡、２５−曲連道口、２６・−上部内壁部（低熱伝導率
材料の内壁部）、２９−・・−下部内壁部（低熱伝導率
材料の内壁部）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）低熱伝導率材から成る断熱構造の燃焼室の内壁部
   、該燃焼室に配置したアルコール燃料噴射ノズル、該噴
   射ノズルからの噴射アルコールが衝突する前記内壁部の
   壁面に配置した高熱容量のセラミック材から成る赤熱体
   、エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び該セン
   サーからの検出値が所定の設定値より低い信号値に応答
   して前記赤熱体をオンして加熱し且つ高い信号値に応答
   して前記赤熱体をオフする制御を行うコントローラから
   成る断熱アルコールエンジン。
2. （２）前記燃焼室上面を構成するシリンダヘッドに形成
   した排気ポートに排気バルブを配置し、シリンダライナ
   下部の周方向に多数の吸気口を形成し、該吸気口をシリ
   ンダブロックの周方向に形成した吸気ポートに連通した
   請求項１に記載の断熱アルコールエンジン。