JPH06235324A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガソリンを高圧縮空気と混合して爆発燃焼さ
せることのできる内燃機関を提供することである。 【構成】 シリンダヘッド１０に、ピストン燃焼室７に
連通する予圧燃料室１４と、これら室７，１４の連通路
１２を、吸気工程時に閉じ、圧縮・爆発・排気工程時に
開く連通路弁１６と、予圧燃料室１４に混合燃料を給送
する混合燃料通路１８と、この通路１８を、吸気工程時
に開き、圧縮・爆発・排気工程時に閉じる混合燃料通路
弁２０と、爆発工程時に予圧燃料室１４内の混合燃料と
高圧縮空気との混合ガスを着火させる点火プラグ２２，
２４とを設けた。 【作用】 弁１６により連通路１２が閉じた状態で、シ
リンダ１内で空気が高圧縮されると共に、予圧燃料室１
４内に混合燃料が給送され、着火前に弁１６により連通
路１２が開き、混合燃料と高圧縮空気が混ざり、混合ガ
スが着火する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合燃料を高圧縮空気
と混合させて爆発燃焼させる内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の４サイクル・ガソリン機関は、一
般に、ヘッドに吸気弁、排気弁、及び点火プラグを有す
るシリンダと、シリンダ内を往復運動するピストンと、
ピストンにコンロッドを介して連接されたクランク軸と
を備える。このガソリン機関では、周知のように４つの
工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程）によ
って１サイクルが完了し、このサイクルを繰り返すこと
で機関の運転が継続される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ディーゼル
機関のように、ガソリン機関でも混合燃料を高圧縮空気
中で爆発燃焼させれば、熱効率の向上による馬力の増
大、燃費性能の向上、一酸化炭素の排出量の減少等、多
くの特長が得られる。しかしながら、これをガソリン機
関で実現する場合、ガソリン機関では燃料であるガソリ
ンの発火点が３０〜１５０℃程度と低いため、ディーゼ
ル機関のようにガソリンを高圧にしようとしても、高圧
によって発火点に達してしまい、ガソリンを高圧によっ
て高温にすることは不可能である。

【０００４】又、ガソリンを高圧にするにしても、高圧
縮空気圧に逆らって高圧空気中にガソリンを噴射しなけ
ればならないため、ディーゼル機関で燃料噴射に使用さ
れているような非常に精密な燃料圧送ポンプを使用する
必要がある。しかし、燃料がガソリンの場合、圧送ポン
プで圧送するのはガソリンそのものであって、ガソリン
と空気との混合気ではなく、また圧送ポンプのピストン
用の潤滑油がガソリンの溶化現象により潤滑油として作
用しなくなるため、ピストンと潤滑油によってシリンダ
内の気密性を十分に保持できなくなり、圧送作動もしな
いようになる。このため、ガソリンの圧送に高精密な圧
送ポンプは使用できず、ディーゼル機関のようにガソリ
ン機関でガソリンを高圧縮空気と混合して爆発燃焼させ
ることは、不可能なのが現状である。

【０００５】従って、本発明は、上記問題点に着目して
なされたもので、ガソリンを高圧縮空気と混合して爆発
燃焼させることのできる内燃機関を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の内燃機関は、次の構成を備えることを特徴
とする。上部に吸気弁及び排気弁を有すると共に、吸気
弁によって開閉される吸気路及び排気弁によって開閉さ
れる排気路を有するシリンダと、シリンダ内を往復運動
するピストンと、ピストンにコンロッドを介して連接さ
れたクランク軸とを備える内燃機関であって、前記シリ
ンダのヘッドに、前記ピストンの燃焼室に連通する予圧
燃料室と、この予圧燃料室とピストン燃焼室との連通路
を、吸気工程時に閉じ、圧縮・爆発・排気工程時に開く
連通路弁と、前記予圧燃料室に混合燃料を給送する混合
燃料通路と、この混合燃料通路を、吸気工程時に開き、
圧縮・爆発・排気工程時に閉じる混合燃料通路弁と、爆
発工程時に前記予圧燃料室内の混合燃料と高圧縮空気と
の混合ガスを着火させる点火プラグと、を設けた。

【０００７】

【作用】

〔吸気工程〕シリンダ上部の吸気弁が開くと共に、連通
路弁が閉じて予圧燃料室とピストン燃焼室とを連通する
連通路が閉鎖され、ピストンの下降に伴ってピストン燃
焼室、つまりシリンダ内に空気のみが吸気路から吸入さ
れる。この過程の適時に、混合燃料通路弁が開き、予圧
燃料室と混合燃料通路が通じ、予圧燃料室に混合燃料が
給送される。

【０００８】〔圧縮工程〕ピストンの上昇によりシリン
ダ内の空気が圧縮され、ピストンが適当な位置まで上昇
した時点（上死点前）で、連通路弁が開くと同時に、混
合燃料通路弁が閉じる。これにより、高圧縮空気の一部
が予圧燃料室に進入して、予圧燃料室内の混合燃料と混
ざり、混合燃料は空気圧と同じ高圧となる。

【０００９】〔爆発工程〕混合燃料と空気との混合直後
に、点火プラグにより混合燃料と空気との混合ガスが発
火する。この混合ガスの爆発膨張は予圧燃料室からピス
トン燃焼室に移行し、爆発力によりピストンが下降す
る。 〔排気工程〕シリンダ上部の排気弁が開くが、連通路弁
は開いたままで予圧燃料室とピストン燃焼室は連通状態
にあり、また混合燃料通路弁は閉じたままである。従っ
て、ピストンの上昇に伴って、予圧燃料室及びピストン
燃焼室に存在する燃焼ガスが排気路から排気される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の内燃機関を実施例に基づいて
説明する。一実施例に係る内燃機関の要部断面図を図１
に、図１に示す内燃機関の上部平面図を図５に示す。こ
の内燃機関は、４サイクル・ガソリン機関であり、シリ
ンダヘッドの構造以外は、通常のガソリン機関とほぼ同
様の構成である。即ち、図示の内燃機関は、シリンダ１
と、シリンダ１内を往復運動するピストン２と、ピスト
ン２に連結されたコンロッド（連接棒）３と、クランク
ピン４によってコンロッド３に連結されたクランク軸
（図示せず、一点鎖線で軌跡のみを示す）とを備える。

【００１１】シリンダ１のヘッド１０には、空気をシリ
ンダ１内に吸気する吸気路（図示せず）を開閉する吸気
弁５、及び燃焼ガスをシリンダ１外に排気する排気路
（図示せず）を開閉する排気弁６（共に図５参照）が設
けられ、吸気路及び排気路はシリンダ１内に連通してい
る。シリンダ１内での混合ガスの爆発膨張によるピスト
ン２の往復運動は、コンロッド３とクランクピン４を経
てクランク軸にて回転運動に変換される。

【００１２】図１に示すように、シリンダ１のヘッド１
０には、ピストン燃焼室（シリンダ１内部）７に連通路
１２を通じて連通する予圧燃料室１４と、連通路１２
を、吸気工程時に閉じ、圧縮・爆発・排気工程時に開く
連通路弁１６と、予圧燃料室１４に混合燃料を給送する
混合燃料通路１８と、この混合燃料通路１８を、吸気工
程時に開き、圧縮・爆発・排気工程時に閉じる混合燃料
通路弁２０と、爆発工程時に予圧燃料室１４内の混合燃
料を着火させる２個の点火プラグ２２，２４とが、それ
ぞれ所定位置に配備されている。

【００１３】図５から分かるように、平面長楕円形の予
圧燃料室１４はシリンダヘッド１０のほぼ中央部に位置
し、平面円形の連通路１２はピストン２の中央部に対向
する位置に在る。又、連通路１２を構成するシリンダヘ
ッド１０の壁には、連通路弁１６が座する弁座２６が形
成されている。連通路弁１６は、弁棒３０に嵌挿された
コイルバネ３２と、シリンダヘッド１０上に枢支された
上下に揺動可能なオーバーヘッドカム３４とによって、
上下動して連通路１２を開閉する。この弁１６の開閉動
作は、後述の作用にも述べるように４サイクル工程（吸
気・圧縮・爆発・排気工程）のタイミングに応じて適切
に設定されている。

【００１４】混合燃料通路１８は予圧燃料室１４の一端
側に臨み、この通路１８の予圧燃料室１４への入口に
は、通路１８を開閉する混合燃料通路弁２０に対応する
弁座２８が形成されている。弁２０は、弁１６と同様
に、弁棒３６に挿嵌したコイルバネ３８と適所に枢支さ
れた一連の連接部材４０とによって、通路１８を開閉す
る。この弁２０による開閉動作も、４サイクル工程のタ
イミングを計って適切に調節されている。なお、混合燃
料通路１８を通じて予圧燃料室１４に給送される混合燃
料は、ガソリンと空気との混合気であり、例えばガソリ
ンエンジンに使用されている通常の気化器により調製さ
れる。又、混合燃料は、常に過給状態にある燃料用過給
路（図示せず）を介して混合燃料通路１８に送り込まれ
るようになっている。

【００１５】点火プラグ２２，２４は、予圧燃料室１４
内にその上部の端部寄りの部分から突出し、爆発工程の
適時に混合燃料と高圧縮空気との混合ガスを着火させる
ように機関の電気系統により点火のタイミングが取られ
ている。なお、以下の作用にも述べるように、点火プラ
グ２２，２４は簡易なものでよい。更に、この実施例で
は、ピストン２の中心部に円錐状の突起９が設けられて
いる。この突起９は、予圧燃料室１４で爆発膨張した混
合ガスをピストン燃焼室７内の隅々まで一様に拡散させ
るためのものである。

【００１６】次に、上記のように構成した内燃機関の作
用について述べる。まず、図２に示す吸気工程において
は、シリンダヘッド１０の吸気弁５が開くと共に、連通
路弁１６がカム３４の作動によって下がり、連通路１２
が閉じる。連通路１２の閉鎖により、ピストン燃焼室７
と予圧燃料室１４が完全に遮断される。ピストン２の下
降に伴って、ピストン燃焼室７、つまりシリンダ１内に
吸気路を通じて空気のみが吸入される。このシリンダ１
内への吸気は、通常のディーゼル機関の吸気と同様であ
る。

【００１７】ピストン２が或る程度下降すると、混合燃
料通路弁２０が開いて、混合燃料通路１８が予圧燃料室
１４に通じ、過給状態の混合燃料が予圧燃料室１４に噴
出する。図３に示す圧縮（着火も含む）工程では、ピス
トン２の上昇によりシリンダ１内で空気の圧縮が続けら
れる。ピストン２が適当な位置まで上昇した時点（上死
点前）で、弁１６が上昇して連通路１２が開放され、ピ
ストン燃焼室７と予圧燃料室１４が連通状態となる。同
時に、弁２０が閉じて、混合燃料通路１８が予圧燃料室
１４から遮断される。これにより、ピストン２が上死点
まで更に上昇するに連れて、シリンダ１内の空気がより
一層高圧縮されつつ、その高圧縮空気の一部が連通路１
２を経て予圧燃料室１４に入り込む。予め予圧燃料室１
４に流入していた混合燃料は、進入してくる高圧縮空気
と混ざりつつ、ピストン２による圧縮空気圧と同じ高圧
となる。

【００１８】ピストン２がほぼ上死点に達すると、混合
燃料と空気との混合ガスが点火プラグ２２，２４の点火
により着火し、混合ガスが爆発する。但し、この点火時
点では、高圧高温の圧縮空気により混合燃料、即ちガソ
リンはほぼ着火温度になっているが、ガソリンは特有の
広範囲な着火温度の温度差を有するため、簡易な点火プ
ラグ２２，２４でもって着火を強制的に行い、着火温度
の変化による着火不良を確実に防いでいる。

【００１９】続いて図４に示す爆発工程において、混合
ガスの爆発は、その膨張により予圧燃料室１４の上部か
ら下部に向かって進行し、更に連通路１２を通ってピス
トン燃焼室７に至る。この時、混合ガスは更にピストン
燃焼室７の高圧空気と混合しつつ爆発膨張する。この爆
発膨張は予圧燃料室１４からピストン燃焼室７に移行
し、爆発力によりピストン２が下降する。この時、爆発
膨張はピストン２の突起９によりピストン燃焼室７の中
央部から周部に向かって一様に拡がり、ピストン２に均
一に膨張圧力が加わる。

【００２０】そして、図１に示す排気工程のように、ピ
ストン２が下死点を通過して上昇し、燃焼ガスを圧縮し
始める。それに伴い、シリンダヘッド１０の排気弁６が
開く一方、弁１６は上昇したままでピストン燃焼室７と
予圧燃料室１４との連通状態が維持されると共に、弁２
０は閉じたままで混合燃料通路１８の閉鎖状態が保持さ
れる。このため、ピストン燃焼室７及び予圧燃料室１４
に存在する燃焼ガスは、ピストン２の上昇により排気路
を通じて排気される。

【００２１】以後は、上記吸気・圧縮・爆発・排気工程
が順に繰り返され、ピストン２の往復運動がコンロッド
３及びクランクピン４を介してクランク軸にて回転運動
に変えられ、この回転力が動力源として利用される。

【００２２】

【発明の効果】本発明の内燃機関は、以上説明したよう
に構成されるので、下記の効果を有する。 （１）吸気工程では空気をピストン燃焼室で高圧縮し、
混合燃料を予圧燃料室に給送し、双方の作用を完全に独
立して行い、爆発工程で高圧縮空気と混合燃料を混合
し、この混合ガスを点火プラグで発火させるため、ガソ
リン機関でありながら、ディーゼル機関のようにガソリ
ンを高圧縮空気と混合して爆発燃焼させることができ
る。 （２）吸気工程ではピストン燃焼室から遮断された予圧
燃料室に混合燃料（ガソリンと空気との混合気）を送り
込むため、即ちガソリン自体をピストン燃焼室内の高圧
縮空気中に圧送する構造ではないため、シリンダ内では
空気を高圧縮している最中であっても、ガソリン機関で
通常使用されている気化器のような単純な構造（混合燃
料通路と混合燃料通路弁との組合せ）で混合燃料を予圧
燃料室に給送することができる。従って、ディーゼル機
関に使用されている精密な燃料圧送ポンプは必要としな
いし、溶化現象により圧送ポンプを使用できない等の欠
点は解決される。 （３）爆発工程の着火直前に、混合燃料と高圧高温の圧
縮空気を混合するため、ガソリンはほぼ自然発火する状
態にあり、従って、混合燃料と圧縮空気との混合ガスを
着火させる点火プラグは簡易なもので十分である。 （４）ガソリン機関でありながら、ディーゼル機関のよ
うに混合燃料を高圧縮空気と混合させて爆発燃焼させる
ため、熱効率の向上による馬力の増大、燃費性能の向
上、一酸化炭素の排出量の減少等、自動車等の内燃機関
を使用する産業が抱える最重要な課題を一挙に解決でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る内燃機関の排気工程における要
部断面図である。

【図２】図１に示す内燃機関の吸気工程における要部断
面図である。

【図３】図１に示す内燃機関の圧縮（着火を含む）工程
における要部断面図である。

【図４】図１に示す内燃機関の爆発工程における要部断
面図である。

【図５】図１に示す内燃機関の概略上部平面図である。

【符号の説明】

１ シリンダ ２ ピストン ３ コンロッド ５ 吸気弁 ６ 排気弁 ７ ピストン燃焼室 １０ シリンダヘッド １２ 連通路 １４ 予圧燃料室 １６ 連通路弁 １８ 混合燃料通路 ２０ 混合燃料通路弁 ２２，２４ 点火プラグ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部に吸気弁及び排気弁を有すると共に、
   吸気弁によって開閉される吸気路及び排気弁によって開
   閉される排気路を有するシリンダと、シリンダ内を往復
   運動するピストンと、ピストンにコンロッドを介して連
   接されたクランク軸とを備える内燃機関であって、前記
   シリンダのヘッドに、 前記ピストンの燃焼室に連通する予圧燃料室と、 この予圧燃料室とピストン燃焼室との連通路を、吸気工
   程時に閉じ、圧縮・爆発・排気工程時に開く連通路弁
   と、 前記予圧燃料室に混合燃料を給送する混合燃料通路と、 この混合燃料通路を、吸気工程時に開き、圧縮・爆発・
   排気工程時に閉じる混合燃料通路弁と、 爆発工程時に前記予圧燃料室内の混合燃料と高圧縮空気
   との混合ガスを着火させる点火プラグと、を設けたこと
   を特徴とする内燃機関。