JPH07506651A - 内燃機関または内燃機関に関する改良 - 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】 内燃機関または内燃機関に関する改良 本発明は、気体として貯蔵された気体燃料を動力源として使用する類いの内燃機 関に関する。多くの斯かる機関が自動車用及び定置用の双方の用途に使用されて 来た。しかしながら、燃焼サイクルの各動カニ程に必要な１工程分の空気と燃料 ガスの量を従来のガソリンを燃料とする内燃機関において空気と蒸発燃料とを事 前に混合するのと同様な方法及び圧力でシリンダの上流のマニホルド内で斯かる ２種類の気体成分を混合比率を制御自在」こ混合して調整するのが一般的なやり 方である。従って、混合気の気体部分が同等の量の空気を排除してしまい、機関 が最大の動力もしくは、所望なら、最高の燃費を出すのが妨げられる。また、燃 料ガスは燃料補給を行う間の時間間隔を最大にするために相当の圧力、典型的に は約２５４．．９１ｋｇ／■２（約２５０バール）の圧力で貯蔵しなければなら ないため、タンクとマニホルドとの間に気体圧力を約７１．３７２ｋｇ／ａｎ２ （約７０バール）まで減圧する手段を設けなければならない。

本発明は、圧縮気体、特に圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料として上記の如く使用 する際に多くの利点が潜在的にあることに鑑みてなされたものである。斯かる利 点の中、第一は、気体燃料を高圧管路及び実質的に内燃機関のシリンダへの入口 に配置された可変オリフィスバルブを介して該シリンダに直接吸入することであ る。第二は、斯かるバルブを従来のガソリンを燃料とする機関の点火プラグ穴ま たは従来のディーゼル機関の噴射装置穴に都合よ（嵌合して、いずれのタイプの 機関をも容易に圧縮気体として貯蔵された燃料で作動するように変換できるよう に設計することである。第三は、火花を発生し且つ空気が一旦実質的に最大圧に 昇圧されると、圧縮工程の最後における気体燃料の吸入に引き続く燃焼サイクル の動カニ程の開始時にシリンダ内で燃料／空気混合気を点火する手段を吸入バル ブ装置内に組み合わせる可能性である。ＣＮＧが燃料に使用される場合には、燃 料の高オクタン価のために斯かる遅延吸入が必要となり、且つ、バルブ装置内へ の火花発生手段の組込みにより従来の液体燃料内燃機関、特に斯かる火花発生装 置を一切必要としなかったディーゼルタイプの機関の変換が容易となる。

高圧管路もしくはレールからガスを直接内燃機関のシリンダ内へ噴射する手段は これまで多（の出版物に記載されて来たが、欧州特許明細書ＥＰ−Ａ−０４２５ ３２７号もその一つである。本発明は、第一に、該特許明細書に記載された吸入 バルブはシリンダへの燃料の吸入を主として制御しないということから前記の先 の出版物とは区別されるべきものである。燃料のすべてではないにしてもその大 半が他の部位へ吸入され、前記出版物のバルブの主たる機能は空気、妨害気体等 の吸入を制御することである。第二には、ＥＰ−Ａ−０４２５３２７号には火花 を発生させるに適した何らかの手段がバルブ内に組込まれているといった旨の教 示が全（ないことである。米国特許明細書ＵＳ−Ａ−４５２０７６３号には例示 された実施例のある例において火花の発生が教示されているが、該明細書の教示 は燃料として水素を使用することにのみ言及しており、シリンダ内に既に存在し ていた空気が実質的に最小容積にまで圧縮された時にのみシリンダ内へ燃料を吸 入する必要性もしくは利点の教示はない。一方、米国特許ＵＳ−１−３９２６１ ６９号にはメタン等の天然ガス燃料の使用が教示されているが、ここでも空気圧 縮工程中にシリンダ内へ気体燃料を吸入する潜在的な利点ははっきりと教示され ておらず、また、実質的に圧縮工程の終わりまで吸入を遅らすことの利点につい ての教示は一切ない。

内容が開示された明細書中に含まれていると理解する特許請求の範囲により定義 されている本発明及び本発明の実施例を添付した図面を参照しつつ例として説明 する。添付図面中、 図１は、本発明による機関が搭載された車両の簡単な斜視図であり、図２は、斯 かる機関に使用されるインジェクタ／イグナイタの軸線方向の断面図であり、 図３は、同インジェクタ／イグナイタの平面図であり、図４は、別のインジェク タ／イグナイタ及び変換されたディーゼル機関の関連パーツの図であり、及び 図５は、本発明による機関を使用した定置動力発生装置のレイアウトの略図であ る。

図１では、例えば約２５４．９１ｋｇ／ｃｍ２（２５０バール）の典型的な圧力 でＣＮＧを収容するようにされた矩形タンク１が自動車の構造体２の後部の例え ば荷室の床の下に収容されている。タンク１はフィラパイブ３及びバヨネットコ ネクタ４を介して加圧ＣＮＧ供給源から給油され、安全ダンプバルブ５を含む従 来の安全のための工夫が施されている。圧扁天然ガス、特にメタンが内燃機関用 の燃料として特に適しているとされる有用な特性を数多（有している。メタンの 斯かる特性の一つはそれ固有の高オクタン価（約１３０）であり、高比出力及び 良好なデトネーション防止要素が得られる。別の有用な特性は燃焼開始温度が高 いことであり、ガソリン／空気混合気の約倍であり、事故や燃料漏れの場合には 安全となることである。メタンの第三の利点は排気ガス汚染が非常に低いという 素質であるが、この利点を生かすためには、以下に記す如く点火タイミングを非 常に正確に制御することが必要となる。

燃料ガスはタンク１から安全燃料補給カットオフ装置９と巡回している安全カッ トオフ装置８を介して高圧ガス供給パイプまたはレール７へ進入する。双方のカ ットオフ装置とも車両の点火スイッチ１０に連結されている。レール７は手動カ ットオフ装ｆｆ１１１、プレッンヤセンサ１２及びプレッシャレギュレータ１３ を介して機関１６のシリンダブロック１５内に配置されたインジェクタ／イグナ イタ装置１４（その中一つを図１に図示する）に至る。４本のシリンダは図１に 図示されていないが、４本の吸気管１７及び排気管１８は図示しである。

電子制御装置２０はレールガス圧（１２により感知された）、レールガス温度（ センサの図示ない、吸気管１７内のバタフライバルブに連結されたスロットル位 置（センサ２１により知らされる）、クランクシャフト位置（センサ２２により 知らされる）、冷却水温度（ラジェータ２４のセンサ２３により知らされる）、 及び空気吸入圧（マニホルド圧センサ２５により知らされる）を表す電気入力を 受信するのが典型的である。電子制御装置（ＥＣＵ）２０は選択された基本ライ ンの性能曲線及びその他の選択特性に合わせて事前にプログラムされており、上 記に挙げた入力値がライン２７を介してコイル２８及びディストリビュータ２９ に送られるＥＣＵ２０の主たる出力がドライバの必要とするインジェクタ１４の 開放及び発火のタイミング及び期間に連続して合致するように事前にプログラム された情報を連続して修正する。

実際には、ＥＣＵ２０の別の出力（図示なし）がレール内のガス圧低下、車両の 高度及び周囲気圧変動、及び機関冷却水及び燃料ガス温度変動に応答する。一般 的には、ＥＣ１Ｊ２０は実施可能な最低汚染レベルを達成するのに必要な理論混 合気濃度を達成するようにプログラムされており、該装置の基本的標準設定は斯 かるシステムに接続されたすべての関連センサにより常時変更される。

前記した安全手段の中で、燃料パイプカットオフ装置９は燃料補給が発生する時 にはいつでもレール７へのガス供給をカットオフするように作動するのが好まし い。このカットオフ装置は例えば「フェールセーフ」モードで機能する電気的に 作動するバルブを備え、電源に何らかの妨害が起きると該バルブが自動的に閉じ られるようにすることが可能である。

図２乃至図４は図１のインジェクタ／イグナイタ（以後、単にインジェクタと言 う）１４の二つの可能な変形例をより詳細に図示したものである。図２及び図３ では、インジェクタはソレノイド３３により駆動開口され、バネ４３により閉鎖 されるバルブ部材３２が内部で摺動する金属体３１を備えている。ソレノイド３ ３のコイル３５はスペーサ３６により位置決めされるとともに電気的に絶縁され ており、ソレノイドの電機子は前記バルブ部材３２のステムにより形成され、セ ラミック被覆４２により適切な領域で絶縁されている。バネ４３は非導電性材料 から形成されたキャップ４４に当接し且つ固定ネジ４５及びバネ４７を介して可 撓性の非導電性のキャップ５０を貫通する高圧コネクタ４６に取り付けられてい る。次いで、該コネクタ４６がディストリビュータ２９及びコイル２８を介して 車両の電源３０に接続されている。ソレノイド３３を起動するのに必要な電気イ ンパルスがＥＣＵ２０の制御の下で低圧コネクタ４８を介して同一の電源３０か ら該ソレノイドに供給される。

高圧ガスはユイオン４１においてレール７から金属体３１に進入し、環状通路３ ９を貫通してバルブ部材３２上に形成されたセラミック被覆された表面３４と金 属体３１上に形成された同様な表面３７との間に画定された弁すき間へ流入する 。バルブが持ち上げられると同時に、即ち、ソレノイド３３により３４及び３７ 間にある一定の間隙が開くようにバルブ部材３２が金属体３１に対して降下する と同時に、前記高圧ガスがインジェクタを貫流してガソリン燃料機関から変換さ れた機関のシリンダ５６（ピストン５９を収容している）の窪み５５内へ流入す る。金属体３１は変換以前には点火プラグが収容されていた穴５８内に螺合（５ ７において）される。

ＥＣＵ２０は、シリンダ５６内でピストン５９がその移動サイクル中の一工程分 の全量の空気（先の吸入工程において吸気管１７を介して吸入された）が収容さ れ且つ圧縮される上方に向いた圧縮工程を営む時にのみバルブが持ち上げられて 、それによりＣＮＧが高圧で吸入されるように、機関をプログラムする。ＥＣＵ ２０は前記圧線工程中適切な期間バルブを持ち上げ、次いで、一旦適切な量のガ スが噴射されると該バルブを閉じるようにするのが典型的である。吸入空気はそ の点火前温度を上昇させるためにガスが噴射される前に最大可能圧まで圧縮され なければならない。機関の動力出力もまたこの温度上昇により増大される。

バルブが一旦閉じると、インジェクタ軸線４０を中心にして等角度間隔で取り付 けられた４個の放電電極５１がその時点で適切な距離になり、バルブ体３１の下 端に配置された４個の対応する電極３８から高圧電気放電がなされる。ＥＣＵ２ ０により開始された高圧放電で窪み５５内で燃料空気混合気が着火されて燃焼サ イクルの動カニ程を開始する。バルブ部材３２の下端に取り付けられたヒートシ ンク４９の特性は残留熱の程度が異なることを語酌して選択し、以て、インジェ クタを取り付ける様々の種類及び寸法の内燃機関を収容することが可能となる。

着火後の火炎前面の前進は前節において説明した方法で着火前温度を上昇させる ようにガス噴射前に空気を高圧に圧縮することにより助長される傾向にある。コ ネクティングロッドが各ピストンをクランクシャフトのクランクに結合する典型 的なピストン往復動内燃機関においては、公知の如（圧縮工程ではクランクシャ フトが１８０°回転し、該工程の終わりではピストンが上死点（ＴＤＣ）にくる 。

斯かる機関では、ガス噴射前に吸入空気を十分に圧縮するという本発明の必要条 件はガスの噴射を実質的にクランクシャフトがＴＤＣ前の最後の２００、好適に は最後の１０°、を回転する時と一致する圧縮工程の段階に限定することで促進 される。典型的な中規模の自動車用機関では、ガス噴射をクランクシャフトが上 記の弧状の回転をする時に限定するということは噴射が開始する時のシリンダ内 の圧縮空気圧が約４２．１８乃至７０．　３０　ｋ　ｇ／ｃｍ２（約６００乃至 １０００ｐｓ　ｉ）の範囲にあることになる。

着火の瞬間にシリンダ内に存在するガス／空気混合気の濃度はＥＣＵ２０及びソ レノイド３３の要求通りにバルブ部材３２の開口期間により変動する。斯かる期 間は現代のレーシングカーの燃料噴射装置の開口期間に匹敵する例えば３乃至１ ７ミリセカンド（ｍｓ）である。バルブ３２までのガス管路内の高圧によりこの 短期間が可能になり、斯かる期間の精度はバルブ位置がソレノイド３３が付勢さ れて完全に開口した位置もしくはソレノイドの付勢が解放されるや否やリターン スプリング４３により完全にかつ迅速に閉鎖された位置の二つの位置しかない簡 単な構造及び制御により促進される。バルブの開口期間はＥＣ１）２０を介して 周囲空気温度及び圧力、シリンダヘッド温度、排気ガス中の酸素含有量及びドラ イバの出力要求を表すスロットル位置に応じて修正されるのが典型的である。着 火の正確な瞬間はＥＣＵ２０を介して主に機関のクランクシャフト位置及び瞬間 の機関の回転速度（ｒｐｍ）により決定される。着火を正確に制御することで特 に希薄混合気で稼働している時のデトネーションが防止される。従うで、真のク ランクシャフト位置からのずれが生じ易いカムシャフトドライブの任意の部分ま たはその他の部品からよりはむしろクランクシャフト位置から動作データ始動さ せることが望ましい。

図２及び図３の対応するものと概ね同様であるが、図４のインジェクタの細部は 変換されたディーゼル機関のシリンダ６２（ピストンを収容した）の深ヘッド６ １内の凹所６０ａの底部に形成された変換前はインジェクタ用穴６０であったも のに嵌合するように選択されている。インジェクタ体３１はインジェクタ用穴６ ０内に螺合される代わりにここではナツト６４及び該インジェクタ体から突出す る腕６６に形成された六６５を貫通するスタッド６４ａによりシリンダ構造体に 取り付けられており、インジェクタとシリンダ構造体との間のシールはリングガ スケット６７により達成されている。ここでは、ディーゼル用のシリンダヘッド のより深い深さに合致するためにガスバルブ（３４／３７）及び火花すき間（５ １／３８）間の軸線方向の分離が大きくなっており、インジェクタ用穴６０は通 常図２及び図３のスパークプラグ用穴５８より小さな径にされている。ガスバル ブ３４／３７が開口すると、ガスは該バルブを通過した後インジェクタ用穴壁と 金属体３１の脱着自在の下部部材６９との間の外側環状通路と、前記下部部材６ ９とバルブ部材３２のステムの下部との間の内側通路との双方を介してシリンダ ６２内へ進入して行く。ガスバルブ３４／３７が再度閉じられると、電極５１及 び３８が適切な間隔になり火花を発生する。

図４のインジェクタに穴６０から出てくる燃料ガスをシリンダ６２の窪みに正確 に指向するためにガススワールガイドを取り付けることが可能である。ナツト６ ４及びスタッド６４ａにより固定されることによりインジェクタがシリンダ６２ に対しである角度に向いて（軸、ｌ１１４０を中心に）−か所で確実固定される ことで上記の精度が可能となる。

図５は本発明による定置動力発生装置を図示している。７６において主供給源か ら吸入されたガスは手動シャットオフバルブ７７を介して使用されるガスを記録 するメータ７８内に流入し、次いで逆止め弁７９及び低圧スイッチ８０へと流れ る。逆止め弁７９はメータ７８及び主供給源７６を吹き戻しから保護し、低圧ス イッチ８０は主供給源圧力が一定値を下回ると自動的に本装置を停止する。

次いで、ガスはコンプレッサ８２内に流入して、高圧にされて小型の貯蔵タンク ７５内へ送られる。該タンクは主供給源での圧力変動を低減し且つ装置がしばら くの間使用されなかった場合には斯かる状態の装置を起動するための高圧ガスを 十分に貯蔵する双方の機能を果たす。このように、タンク７５は図１のタンク１ と同様に高圧ガス源を確保する。高圧ガスはタンク７５から別の手動シャットオ フバルブ８３を介してレギュレータ８４内へ流入し、該レギュレータにより燃料 レール８５の設計値までガス圧が低下され、該レールがガスを斯かる設計圧力で インジェクタ／イグナイタ装置８６へ分配し、次いで機関の燃焼室内へ送られ、 該機関が共通のシャフト８９でジェネレータ８８及びコンプレッサ８２の双方を 駆動する。

機関８７は図１の電子制御装置２０に匹敵する電子制御装置９５により制御され 、該制御装置はスロットル位置インジケータ９６、冷却水温度インジケータ９７ 、及びクランクシャフト位置インジケータ９８を含むソースから入力データを受 信して最高の効率での燃焼を可能にする。機関８７への吸入は９９において濾過 及び消音され、排気フィルタ／サイレンサは９９ａで図示されている。機関の回 転速度は手動レバー１００により所望に設定され、且つゲージ１０１に表示され 、一旦設定されると、ＥＣＵ９５により連続して監視訂正がなされる。

分電盤１０４はジェネレータ８８の全ての電気出力を支持し、且つ主絶縁装置１ ０６を有している。また、高電圧電源１１０から給電され且つスタータボタン１ １２により起動されると機関スタータ１１１に電流を供給する充電器１０９によ り継続充電される蓄電池１０８を備えた低電圧始動装置が前記分電盤１０４に取 り付けられている。機関８７はイグニッションスイッチ１１３により手動で停止 することが可能である。機関８７がオーバーヒートした場合には、ＥＣＵ９５が 動力を無負荷運転状態まで落とし、７６における主ガス供給源の圧力が低（落ち 過ぎた場合には、ＥＣＵがイグニッションをカットオフするようにプログラムさ れている。ＥＣＵは分電盤上でゲージ１１５により表示される装置内の油圧がセ ンサ１１６により知らされる通りになくなった場合にもまたイグニッションをカ ットオフするようにプログラムされている。

機関８７により駆動されるその他の機構、例えば、液体ポンプ又はニアコンプレ ッサをジェネレータ８８の代わりに使用することが可能であることは明白なこと である。

補正書の翻訳文提出書 原文第４頁第６行乃至第３４行、翻訳文第３頁第１８行乃至第４頁第９行の記平 成　６年１１月１１日

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも一つのピストンとシリンダとの組み合わせを含んだ内燃機関にお いて、前記シリンダが使用中空気源及び加圧された気体として保持された燃料源 の双方に連結され、前記機関が前記シリンダが一工程分の空気の全量を吸入し且 つ圧縮する圧縮工程を含む燃焼サイクルを完遂し、及び、前記圧縮工程が前記加 圧された気体燃料が直接シリンダに吸入され前に実質的に完了し、次いで混合気 が着火されて次の動力工程が開始されることを特徴とする内燃機関。
2. ２．前記ピストンが往復動式のものであることを特徴とする請求項１に記載の機 関。
3. ３．燃料をシリンダに吸入する動力駆動の吸入バルブを含み、且つ、該バルブの 開口が前記動力源を起動することによりなされることを特徴とする請求項１に記 載の機関。
4. ４．前記吸入バルブが二つの状態、即ち、完全に開口された状態及び完全に閉じ られた状態にある時にのみ件動するようにされていることを特徴とする請求項３ に記載の機関。
5. ５．リターンスプリングが動力が付与されない時はいつでも前記吸入バルブを完 全に閉じた位置に付勢すること特徴とする請求項４に記載の機関。
6. ６．前記気体燃料が吸入バルブ及びイグナイタの二つの機能を果たす装置を介し てシリンダに吸入されることを特徴とする請求項１に記載の機関。
7. ７．前記シリンダがスパークプラグ用の穴を含んだガソリンを燃料とする機関用 の従来のタイプのシリンダであり、且つ前記装置が該穴内に嵌合することを特徴 とする請求項６に記載の機関。
8. ８．前記シリンダがディーゼル燃料を使用する圧縮着火機関用の従来のタイプの シリンダであり、且つインジェクタ用の穴を含み、前記装置が該インジェクタ用 の穴に嵌合することを特徴とする請求項６に記載の機関。
9. ９．前記燃料が一工程分の混合気に着火する手段から分離された吸入口によりシ リンダへ吸入されることを特徴とする請求項１に記載の機関。
10. １０．燃料に圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を使用するようにされたことを特徴とする 前記の請求項のいずれかに記載の機関。
11. １１．前記の請求項のいずれかに記載の機関及び燃料を高圧力で気体の形態で貯 蔵する貯蔵手段を含むことを特徴とする自動車。
12. １２．気体燃料用のコンプレッサ、請求項１乃至１０のいずれかに記載の機関及 び動力発生手段を備え、且つ、該コンプレッサ及び動力発生手段の双方を駆動す ることを特徴とする定置動力発生装置。
13. １３．少なくとも一つのピストンとシリンダとの組み合わせを含み且つ動力工程 が後続する圧縮工程を含む燃焼サイクルを完遂する内燃機関の操作方法において 、該方法が実施されている中に前記シリンダか前記圧縮工程の終了前に−工程分 の空気の全量を吸入し且つ圧縮し、及び事前に加圧された気体燃料のシリンダヘ の吸入が前記圧縮工程の終了と略同時に起きることを特徴とする内燃機関の操作 方法。
14. １４．事前に加圧された気体燃料の略全量が圧縮工程終了時の上死点（ＴＤＣ） 前でクランクシャフトが略最後の２０°を回転する中に吸入されることを特徴と する請求項１３に記載の方法。
15. １５．事前に加圧された気体燃料の略全量が圧縮工程終了時の上死点（ＴＤＣ） 前でクランクシャフトか略最後の１０°を回転する中に吸入されることを特徴と する請求項１３に記載の方法。
16. １６．事前に加圧された気体燃料が前記シリンダ内の空気圧が略約４２．１８乃 至７０．３０ｋｇ／ｃｍ２（略６００乃至１０００ｐｓｉ）の範囲にある中に吸 入されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。