JPWO2005042942A1 - Prime mover - Google Patents
Prime mover Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2005042942A1 JPWO2005042942A1 JP2005510144A JP2005510144A JPWO2005042942A1 JP WO2005042942 A1 JPWO2005042942 A1 JP WO2005042942A1 JP 2005510144 A JP2005510144 A JP 2005510144A JP 2005510144 A JP2005510144 A JP 2005510144A JP WO2005042942 A1 JPWO2005042942 A1 JP WO2005042942A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- combustion chamber
- prime mover
- engine
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
- F02B33/44—Passages conducting the charge from the pump to the engine inlet, e.g. reservoirs
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/22—Rotary-piston machines or engines of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth- equivalents than the outer member
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
- F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
- F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
- F02B33/18—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with crankshaft being arranged between working and pumping cylinders
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
圧縮行程を分離することにより、四象限運転できるエンジンを提供する。従来の内燃機関は、スタータが必要、アイドルスピード制御バルブが必要、発進クラッチまたはトルクコンバータが必要であった。また逆回転できない、トルク特性が平坦でない、ノッキングが生じやすいので圧縮比を上げられない、回生が出来ない、等の問題があった。コンプレッサで蓄圧した高圧空気を用い、燃料と空気を強制的に気筒に注入して毎回転爆発させることで、上記課題を全て解決する。An engine capable of four-quadrant operation is provided by separating the compression stroke. Conventional internal combustion engines require a starter, an idle speed control valve, a starting clutch or a torque converter. In addition, there are problems that reverse rotation is not possible, torque characteristics are not flat, knocking is likely to occur, and therefore the compression ratio cannot be increased, and regeneration cannot be performed. Using the high-pressure air accumulated in the compressor, fuel and air are forcibly injected into the cylinder to explode every rotation, thereby solving all the above problems.
Description
本発明は燃焼室内で気体あるいは液体燃料を爆発燃焼させて作動子の往復運動あるいは回転運動を引き起こすエンジン(内燃機関あるいは原動機)に関し、例えば自動車,船舶等の原動機として用いることができる。また、一般的に回転運動や往復運動を発生する原動機として広い用途に供することができるものである。 The present invention relates to an engine (an internal combustion engine or a prime mover) that causes gas or liquid fuel to explode and burn in a combustion chamber to cause a reciprocating motion or a rotational motion of an actuator, and can be used as a prime mover for automobiles, ships, and the like. In general, it can be used in a wide range of applications as a prime mover that generates rotational motion and reciprocating motion.
従来の4サイクルガソリンエンジンは「吸気−圧縮−爆発−排気」の4行程から成っており、1回転おきに「コンプレッサ」機能と「原動機」機能を繰り返している。
この従来技術では爆発に必要な圧縮気体を、爆発の直前の1回転で作っているために、1回転おきにしか爆発できない。
本発明はこの問題を解決し、実質的に吸入,圧縮工程を持たないエンジン(内燃機関あるいは原動機)を得ることを目的とする。
圧縮を行わずに高圧空気を気筒に注入するエンジンが特表平11−502003号公報に記載されているが、通常のエンジンとして動作した後、燃焼室の余熱で高圧空気を膨張させてエンジンを回すもので、燃料噴射(燃料の供給)を行わないためエネルギ源がなく、いわゆる永久機関と思われる。A conventional 4-cycle gasoline engine consists of four strokes of “intake-compression-explosion-exhaust”, and repeats a “compressor” function and a “prime mover” function every other rotation.
In this prior art, since the compressed gas necessary for the explosion is produced in one revolution immediately before the explosion, it can be exploded only every other revolution.
An object of the present invention is to solve this problem and to obtain an engine (an internal combustion engine or a prime mover) substantially not having a suction and compression process.
An engine that injects high-pressure air into a cylinder without compression is described in JP-T-11-502003. After operating as a normal engine, high-pressure air is expanded by residual heat in the combustion chamber, and the engine is operated. Since it does not perform fuel injection (fuel supply), there is no energy source and it seems to be a so-called permanent engine.
本発明は上記目的を達成するために、高圧に圧縮しておいた燃焼用気体を、機関の排気工程の後半の特定の時期に燃焼室内に供給し、その後当該燃焼用気体を燃焼爆発させて燃焼室内に位置する作動子を往復運動あるいは回転運動させるものである。
このように構成した本発明によればエンジンに吸気通路が不要となり、燃焼用気体を燃焼に必要な量だけ燃焼室に供給するので従来のエンジンに見られるような吸気通路における吸気損失がなくなり、エンジンの効率を向上できる。In order to achieve the above object, the present invention supplies combustion gas compressed to a high pressure into the combustion chamber at a specific time in the second half of the exhaust process of the engine, and then combusts and explodes the combustion gas. The actuator located in the combustion chamber is reciprocated or rotated.
According to the present invention configured as described above, the intake passage is not required in the engine, and the combustion gas is supplied to the combustion chamber in an amount necessary for combustion, so there is no intake loss in the intake passage as seen in a conventional engine, Engine efficiency can be improved.
第1図は本発明の第一の実施例を示すエンジン構成図、第2図は本発明の第一の実施例におけるエンジンの動作説明図、第3図は本発明のエンジンシステムに用いる空気インジェクタの構造例を示す図面、第4図は本発明の第一の実施例におけるエンジンのトルク特性を示すグラフ、第5図は発明の第二の実施例を示すエンジンシステム構成図、第6図は本発明の第二の実施例におけるエンジンのトルク特性図、第7図は本発明の第三の実施例におけるエンジンの構成および動作説明図、第8図は本発明の第四の実施例を示すエンジン気筒ヘッド部の構成図、第9図は本発明の第五の実施例を示すエンジン気筒ヘッド部の構成図、第10図は本発明の第六の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図、第11図は本発明の第七の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図、第12図は本発明の第七の実施例におけるエンジンのトルク特性図、第13図は本発明の第八の実施例を示すエンジンシステム構成図、第14図は本発明の第八の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図、第15図は本発明の第九の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図、第16図は本発明の第十の実施例を示すエンジン構成図、第17図は本発明の第十一の実施例を示す制御ブロック図、第18図は本発明の第十一の実施例におけるモード判別部の内容を示す制御ブロック図、第19図は本発明の第十一の実施例における混合気作成部の内容を示す制御ブロック図、第20図は本発明の第十一の実施例における燃料インジェクタ開弁制御部の内容を示す制御ブロック図、第21図は本発明の第十一の実施例における空気インジェクタ開弁制御部の内容を示す制御ブロック図、第22図は本発明の第十二の実施例を示すエンジン構成図、第23図は本発明の第十二の実施例における混合気作成部の内容を示す制御ブロック図、第24図は本発明の第十三の実施例を示すエンジン構成図、第25図は本発明の第十三の実施例におけるエンジンの動作状態を示す説明図、第26図は本発明の第十四の実施例を示すエンジン構成図である。 FIG. 1 is an engine configuration diagram showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the engine in the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an air injector used in the engine system of the present invention. FIG. 4 is a graph showing engine torque characteristics in the first embodiment of the present invention, FIG. 5 is an engine system configuration diagram showing the second embodiment of the invention, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing the torque characteristics of the engine in the second embodiment of the present invention, FIG. 7 is an explanatory view of the configuration and operation of the engine in the third embodiment of the present invention, and FIG. 8 shows the fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a configuration diagram of an engine cylinder head portion showing a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 10 is an explanation of the configuration and operation of the engine showing a sixth embodiment of the present invention. Fig. 11 shows the seventh embodiment of the present invention. FIG. 12 is an engine torque characteristic diagram in the seventh embodiment of the present invention, FIG. 13 is an engine system configuration diagram showing the eighth embodiment of the present invention, FIG. FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration and operation of an engine according to the eighth embodiment of the present invention, FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration and operation of the engine according to the ninth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 17 is a control block diagram showing the eleventh embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a control showing the contents of the mode discriminating unit in the eleventh embodiment of the present invention. FIG. 19 is a control block diagram showing the contents of the air-fuel mixture creating section in the eleventh embodiment of the present invention, and FIG. 20 is a diagram of the fuel injector valve opening control section in the eleventh embodiment of the present invention. Control block diagram showing the contents, Figure 21 is the book FIG. 22 is a control block diagram showing the contents of the air injector valve opening control unit in the eleventh embodiment, FIG. 22 is an engine configuration diagram showing the twelfth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 24 is a control block diagram showing the contents of the air-fuel mixture generator in the twelve embodiments, FIG. 24 is an engine configuration diagram showing the thirteenth embodiment of the present invention, and FIG. 25 is the thirteenth embodiment of the present invention. FIG. 26 is an engine configuration diagram showing a fourteenth embodiment of the present invention.
本実施例の原動機の更なる特徴(機能,動作,作用効果)を以下、従来の原動機と比較して説明する。なお、本明細書で「原動機」とは広義の意味で物を動かす力を発生する装置として使用する。狭義には自動車や船舶などの内燃機関あるいはエンジンと呼称される限定的な原動機を意味することもある。広義の意味での原動機は、燃料の供給や燃焼爆発といった作用を伴わない空気力式の原動機も含む場合がある。
従来の原動機(エンジン,内燃機関)は、ガソリンエンジンであれディーゼルエンジンであれ、スタータで始動する必要があり、アイドル回転数以上の領域でしか使用できない。エンジン以外の動力源として電動機,油圧モータ,空気モータ,蒸気機関等があるが、これらはいずれも停止状態からトルクを発生して自分で回転し、アイドリングは必要ない。
また電動機,油圧モータ,空気モータ,蒸気機関等は正転・逆転自在であるが、エンジンは逆転できない。ジェットエンジンはリバース噴射出来るが、これは反射板により噴射ガスを方向転換しているのであって逆転ではない。
さらに電動機と空気モータは回生制動も可能であり、いわゆる四象限運転(前進カ行,後退カ行,後退回生,前進回生)を行うことができる。
このように、エンジン以外の動力源は少なくとも第一・第三象限運転が出来るのに対して、エンジン(内燃機関)は第一象限の一部でしか運転できない。
スタータを使わずエンジンを独りでに始動させる方法は特開2002−39038号公報に記載されているが、停止エンジンの吸気弁を開いて空気を取り入れ、気筒内に燃料を噴射して点火するもので、混合気圧力が1気圧しかないので爆発力が弱く、無負荷でなければ始動できない。また一度回り出してもアイドル回転数以下に回転数を下げることは出来ない。(実施例の課題1)
このため、停車時にもエンジンは回転し続けるアイドリング運転が必須であるので、アイドリングを安定に保つためのアイドルスピード制御バルブ(ISC)が必要である。(実施例の課題2)
またエンジンを切り離す発進クラッチや回転差を吸収するトルクコンバータも必要である。(実施例の課題3)
昔の単純なエンジンは逆方向に始動すれば逆回転動作したが、それはあくまで異常動作であって逆方向の動力を取り出すための運転ではなかった。最近のエンジンは電子制御化されており、アイドリングが前提の制御を行っているので逆転することが出来ない。(実施例の課題4)
エンジントルクは中速回転域で高くなり、高速域では低下する。これは中速回転域で吸気速度が共鳴するように吸気管が設計してあり、吸気の慣性により1気圧以上の空気がシリンダに流入するので、燃料量も多くなりトルクが高くなるのである。高速回転域では吸気が追いつかなくなってトルクが低下する。このようにトルク特性がフラットにならないという問題があった。(実施例の課題5)
圧縮比を上げて出力を増大させようとすると、圧縮空気が高温になり過ぎて、点火プラグ以外のホットスポットで爆発するいわゆるノッキングが生じ易くなり、あまり圧縮比を上げられないという問題があった。(実施例の課題6)
最近エンジンと電動機を組合わせたハイブリッドシステムが実用化され、制動時に運動エネルギを回収して燃費向上に有効であるが、現在のハイブリッドシステムでは回生エネルギを蓄積するバッテリが必要であり、インバータを含めると大幅なコスト上昇を余儀なくされるという問題があった。(実施例の課題7)
以上の課題を解決するため本実施例は以下のように構成される。
本実施例になるエンジン(原動機)は実質的に爆発工程と排気工程だけを実行し、その結果、作動子の1往復、あるいは1回転に1回爆発工程を有する。
本発明がロータリーエンジンに適用された場合は作動子が1回転する間に一つの燃焼室で2回爆発工程が到来することが特徴となる。本実施例では燃焼室が2つで可動子が3つの面を持つので作動子1回転に対して6回の爆発が起こることになる。
具体的には、気筒頂部の燃焼室に隣接して混合気室を設け、両者の間を隔離ピストンで隔離できるようにする。混合気室に空気インジェクタおよび燃料インジェクタを設け、所定圧で所定空燃比の混合気を作成しておく。エンジンのピストンが上死点の手前に来たとき排気弁を閉じ、隔離ピストンを開いて混合気を気筒に導くと共に点火する。爆発膨張行程が終ったら隔離ピストンを閉じ、再び所定圧で所定空燃比の混合気を作成しておく。これを繰り返すとエンジンは吸入,圧縮行程なしに動作する。この具体的構成,作動方法は実施例6に記載する。またロータリーエンジンについては、実施例13,14で説明する。
さらに具体的には、「吸気−圧縮」行程を分離,専業化して「コンプレッサ」で高圧空気をタンクに蓄圧し、空気インジェクタにより高圧空気を直接シリンダに注入することで「原動機」部分から「吸気−圧縮」行程をなくし、「爆発−排気」に専業化して、停止状態からいきなり爆発できるようにしてスタータを不要にする。
尤も、これは停止時の気筒の一つが、膨張工程、つまり作動子が下死点方向へ移動する途中の位置に停止している場合に、この気筒に燃焼空気を供給して燃焼爆発させることで達成できる。
もし、気筒が一つの場合か、あるいは複数気筒でも都合よくどの気筒も下死点に向かう気筒がない場合はエンジンの停止時、あるいはエンジンの始動に先立って作動子を下死点に向かう位置まで移動させる補助装置を設ければスタータなしにエンジンを始動できる。
このように構成すれば装置の休止時に原動機をアイドル運転しておく必要がなくなる。つまり、装置(例えば自動車や芝刈り用の原動機等)が休止状態の時、エンジン自体も停止しておくことができる。
自動車の場合、アイドリングがなくなることでISCバルブが不要になる。また回転数ゼロからトルクを制御することで、発進クラッチやトルクコンバータを不要にすることができる。
原動機の停止状態からの始動時に高圧空気と燃料を噴射する気筒を選択することで逆転始動させることができる。
また圧縮済みの空気をシリンダに直接注入するので、高速時にも吸気が追いつかない問題を解決し、トルク特性をフラットにすることができる。
さらに比較的温度の低い圧縮済み空気をシリンダに注入することで、ノッキングの発生を抑えながら出力を向上させることができる。
ハイブリッドシステムを構成する代わりに、空気を蓄える空気タンクの圧力および容積を大きくすることで、空気圧として蓄積するエネルギを増大させ、バッテリや発電機を用いることなく、コストの低い回生機能を付与することができる。
本実施例では吸気負圧と言う概念がなくなり、圧力源は高圧圧縮気体による正圧に統一される。従って気体圧力によってアクチュエータを作動させるときはこの圧力源からの正圧により作動させられることになる。
本実施例において、燃焼用気体はそれ自体が可燃性のものであっても良いし、別途例えばガソリンのような燃料を空気に混合しておくこともできるし、また燃焼室内に空気と燃料とを噴射あるいは注入して燃焼室内で混合しても良い。
着火は、点火プラグやヒータのような着火器を用いることもできるし、圧縮着火と呼ばれる自然着火であっても良い。また、レーザ加熱やマイクロウエーブによる加熱でも良い。
実施例の特徴に関連する従来技術として以下のものが知られている。
本実施例に記述されている後述の空気インジェクタに関しては、特許第3254086号公報,特開2002−364365号公報,特表2002−523668号公報に記載されているが、いずれも燃料の注入気化を補助するもので、エンジンの圧縮行程を省略してこの空気だけで高圧混合気を作るものではない。
本実施例によれば以下のような作用効果が得られる。
1)停止状態からトルクを発生して自分で回りだし、スタータが不要。
2)アイドリングがないのでアイドルスピード制御バルブが不要。
3)アイドリングがないので発進クラッチやトルクコンバータが不要。
4)停止時から高い回転数までフラットなトルク特性が得られる。
5)正転・逆転自在なので後退ギアが不要。
6)高地においても出力が低下しない。
7)エンジン自体で回生機能がある。
8)コンプレッサの負圧損がない。
9)コンプレッサ容量を小さく出来る。
10)加速時にはコンプレッサを切り離して、全エンジン出力を駆動力に利用できる。
11)エアポンプなしに排気清浄制御・触媒活性制御ができる。
12)インタークーラ効果が得られる。
13)ノッキングの心配なしに圧縮比を上げることができる。
14)燃料の供給を停止し、着火制御を停止すると空気モータとして用いることができる。
15)四象限で運転できるので、四象限エンジンを提供できる。
なお、当該明細書では、「作動子」とは往復動型の原動機であれば、ピストンとかプランジャと呼ばれるものを指す。またロータリー型の原動機であれば回転ロータあるいは偏心ロータと呼ばれるものを指す。
「燃焼室」あるいは「気筒」とはエンジンのシリンダと同意で用いている場合がある。
「高圧燃焼流体」とは一つは高圧空気そのものを指す場合、当該高圧空気に燃料を混合した高圧の混合気を指す場合もある。当然天然ガスとか、それに類する燃焼ガスも高圧燃焼流体として取り扱う。
以下図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。Further features (function, operation, and effect) of the prime mover of this embodiment will be described below in comparison with a conventional prime mover. In this specification, the “motor” is used as a device that generates a force for moving an object in a broad sense. In a narrow sense, it may mean a limited prime mover called an internal combustion engine or an engine such as an automobile or a ship. The prime mover in a broad sense may also include an aerodynamic prime mover that does not involve effects such as fuel supply or combustion explosion.
A conventional prime mover (engine, internal combustion engine), whether a gasoline engine or a diesel engine, needs to be started with a starter, and can only be used in an area exceeding the idling speed. There are motors, hydraulic motors, air motors, steam engines, etc. as power sources other than the engine, all of which generate torque from a stopped state and rotate by themselves and do not require idling.
In addition, electric motors, hydraulic motors, air motors, steam engines, etc., can rotate forward and backward, but the engine cannot reverse. The jet engine can perform reverse injection, but this is because the direction of the injection gas is changed by the reflector, not reverse rotation.
Furthermore, the electric motor and the air motor can be regeneratively braked, and so-called four-quadrant operation (forward movement, backward movement, backward regeneration, forward regeneration) can be performed.
In this way, the power source other than the engine can operate in at least the first and third quadrants, whereas the engine (internal combustion engine) can operate only in a part of the first quadrant.
A method for starting the engine by itself without using a starter is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-39038. However, the intake valve of the stopped engine is opened to take in air, and fuel is injected into the cylinder for ignition. Since the air-fuel mixture pressure is only 1 atm, the explosive force is weak, and it can not be started unless there is no load. Moreover, even if it starts turning once, it cannot reduce the rotation speed below the idle rotation speed. (
For this reason, since the idling operation in which the engine continues to rotate even when the vehicle is stopped is essential, an idle speed control valve (ISC) for keeping idling stable is necessary. (
There is also a need for a starting clutch that separates the engine and a torque converter that absorbs rotational differences. (
An old simple engine would run backwards when started in the reverse direction, but it was an abnormal operation and not an operation to extract power in the reverse direction. Recent engines are electronically controlled and cannot be reversed because idling is the premise control. (
The engine torque increases at the medium speed range and decreases at the high speed range. This is because the intake pipe is designed so that the intake speed resonates in the medium speed rotation region, and air of 1 atm or more flows into the cylinder due to the inertia of the intake air, so the amount of fuel increases and the torque increases. In the high-speed rotation range, the intake air cannot catch up and the torque decreases. Thus, there has been a problem that the torque characteristic does not become flat. (
When trying to increase the output by increasing the compression ratio, the compressed air becomes too hot, and so-called knocking that explodes at a hot spot other than the spark plug is likely to occur, and there is a problem that the compression ratio cannot be increased much. . (
Recently, a hybrid system that combines an engine and an electric motor has been put into practical use and is effective in improving mileage by collecting kinetic energy during braking, but the current hybrid system requires a battery that stores regenerative energy and includes an inverter. There was a problem that the cost would be greatly increased. (
In order to solve the above problems, the present embodiment is configured as follows.
The engine (prime mover) according to the present embodiment substantially executes only the explosion process and the exhaust process, and as a result, has one explosion process once per reciprocation or one rotation of the actuator.
When the present invention is applied to a rotary engine, the explosion process arrives twice in one combustion chamber during one rotation of the actuator. In this embodiment, since there are two combustion chambers and the mover has three surfaces, six explosions occur per one rotation of the actuator.
Specifically, an air-fuel mixture chamber is provided adjacent to the combustion chamber at the top of the cylinder so that the two can be isolated by an isolation piston. An air injector and a fuel injector are provided in the air-fuel mixture chamber, and an air-fuel mixture having a predetermined air-fuel ratio is created at a predetermined pressure. When the piston of the engine comes before the top dead center, the exhaust valve is closed, the isolation piston is opened, the air-fuel mixture is guided to the cylinder and ignited. When the explosion / expansion stroke is over, the isolation piston is closed, and an air-fuel mixture with a predetermined air-fuel ratio is created again at a predetermined pressure. If this is repeated, the engine will operate without a suction or compression stroke. This specific configuration and operation method will be described in Example 6. The rotary engine will be described in Examples 13 and 14.
More specifically, the “intake-compression” process is separated and specialized, and the “compressor” accumulates high-pressure air in the tank, and the air injector directly injects the high-pressure air into the cylinder to “intake” -Eliminates the "compression" process, specializes in "explosion-exhaust", and makes it possible to explode suddenly from a stopped state, eliminating the need for a starter.
However, this is because when one of the cylinders at the time of stoppage is stopped in the expansion process, that is, in the middle of the movement of the actuator toward the bottom dead center, combustion air is supplied to this cylinder to cause combustion explosion. Can be achieved.
If there is a single cylinder, or if there are no more cylinders and no cylinder is heading to bottom dead center, stop the engine or move the actuator to bottom dead center before starting the engine. If an auxiliary device to be moved is provided, the engine can be started without a starter.
With this configuration, it is not necessary to idle the prime mover when the apparatus is stopped. In other words, the engine itself can be stopped when the device (for example, a car or a mowing motor) is in a resting state.
In the case of an automobile, the ISC valve becomes unnecessary because idling is eliminated. Further, by controlling the torque from zero rotation speed, the starting clutch and the torque converter can be dispensed with.
The reverse rotation can be started by selecting a cylinder that injects high-pressure air and fuel when starting the motor from a stopped state.
In addition, since compressed air is directly injected into the cylinder, the problem that intake air cannot catch up even at high speeds can be solved, and the torque characteristics can be made flat.
Further, by injecting compressed air having a relatively low temperature into the cylinder, output can be improved while suppressing occurrence of knocking.
Instead of configuring a hybrid system, increasing the pressure and volume of the air tank that stores air increases the energy stored as air pressure, and provides a low-cost regenerative function without using a battery or generator Can do.
In this embodiment, the concept of intake negative pressure is eliminated, and the pressure source is unified to a positive pressure by a high-pressure compressed gas. Therefore, when the actuator is operated by the gas pressure, it is operated by the positive pressure from this pressure source.
In this embodiment, the combustion gas may be flammable per se, or a fuel such as gasoline may be separately mixed with the air, or the air and fuel may be mixed in the combustion chamber. May be injected or injected and mixed in the combustion chamber.
For the ignition, an ignition device such as an ignition plug or a heater can be used, or natural ignition called compression ignition may be used. Laser heating or microwave heating may also be used.
The following are known as conventional techniques related to the features of the embodiments.
The air injectors described later in this embodiment are described in Japanese Patent No. 3254086, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-364365, and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2002-523668. It does not create a high-pressure air-fuel mixture with this air alone, omitting the compression stroke of the engine.
According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
1) Generate torque from the standstill and start turning yourself, eliminating the need for a starter.
2) No idling speed control valve is required since there is no idling.
3) Since there is no idling, no starting clutch or torque converter is required.
4) A flat torque characteristic can be obtained from the stop to a high rotational speed.
5) Reverse gear is not required because forward and reverse rotation is possible.
6) The output does not decrease even at high altitudes.
7) The engine itself has a regeneration function.
8) There is no negative pressure loss of the compressor.
9) The compressor capacity can be reduced.
10) When accelerating, the compressor can be disconnected and the entire engine output can be used as the driving force.
11) Exhaust gas purification control and catalyst activity control can be performed without an air pump.
12) Intercooler effect can be obtained.
13) The compression ratio can be increased without worrying about knocking.
14) When the fuel supply is stopped and the ignition control is stopped, it can be used as an air motor.
15) Since it can operate in four quadrants, a four quadrant engine can be provided.
In this specification, the “operator” refers to what is called a piston or a plunger if it is a reciprocating type prime mover. Further, in the case of a rotary type prime mover, it refers to what is called a rotary rotor or an eccentric rotor.
“Combustion chamber” or “cylinder” may be used interchangeably with an engine cylinder.
When one of the “high-pressure combustion fluid” indicates high-pressure air itself, it may indicate a high-pressure air-fuel mixture in which fuel is mixed with the high-pressure air. Naturally, natural gas or similar combustion gas is also handled as a high-pressure combustion fluid.
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
第1図は本発明の第一の実施例を示す構成図である。構成の違いを明確化するために、従来エンジンと比較して表示する。従来の4サイクルエンジンは第1図(a)のように、クランクシャフト1に接続された4個のコンロッド2,該コンロッドの先に設けられた4個のピストン3,該ピストンを収納する4個の気筒4,該各気筒の頂部に設けられた吸気弁5,排気弁6,燃料インジェクタ7,点火プラグ8より構成される。各気筒の動作は第1図(a)に示したように、「吸入,圧縮−爆発−排気」の4行程からなり、4つの気筒は1行程ずつずれて動作する。このため動作を横並びに見ると、半回転ごとにいずれかの気筒で1回の爆発が起こり、半回転ごとにいずれかの気筒で1回の圧縮が起こっている。
これらの動作のうち「吸入,圧縮」行程はエネルギを発生しない「コンプレッサ」であり、「爆発−排気」行程がエネルギを発生する「原動機」である。ある気筒に着目すると一回転おきに「コンプレッサ」と「原動機」を繰り返していることになる。すなわち原動機行程に必要な圧縮空気を、その前の一回転で気筒毎に自給自足している「分散処理」方式であると言える。
これを集中処理方式に変えるのが本発明の構想であり、第1図(b)に構成例を示す。4気筒エンジンのうち2気筒を「コンプレッサ」専用とし、2気筒を「原動機」専用とするものである。
従来の気筒No.1と気筒No.2をコンプレッサ専用の気筒として、毎回転ひたすら「吸入,圧縮」を繰り返すので、燃料インジェクタと点火プラグは廃止して、吸気弁5の代わりに吸気側逆流防止弁9と、排気弁6の代わりに排気側逆流防止弁10を設けてある。出力パイプ11は空気タンク12に接続され、気筒No.1と気筒No.2で作られる高圧の空気を集めて空気タンク12に送り込む。
空気タンク12に蓄えられた圧縮空気は、吸気パイプ13により原動機側の気筒No.4と気筒No.3にそれぞれ設けられた空気インジェクタ14に配られる。原動機側の気筒No.4と気筒No.3にはそれぞれ排気弁6,燃料インジェクタ7,点火プラグ8を設けてある。第2図に原動機側気筒の動作を示す。クランク軸1の角度がaになったとき点火すると、角度bまで爆発行程,角度bから角度cまで排気行程となる。「爆発−排気」が終わると角度c(例えば上死点の手前40度)で排気弁を閉じ、角度aまでの短期間で空気インジェクタ14から高圧空気を噴射し、燃料インジェクタ7から燃料を噴射する。すなわち排気弁6が閉じるとすぐに、従来エンジンにおいて圧縮行程が終了した状態と同じ状態になり、「吸入,圧縮」行程の1回転を省略することが出来る。
言い換えるとこれらの気筒は毎回転「爆発−排気」を繰り返すので2サイクルエンジンとなるが、見かけは2サイクルでも中味は4サイクルエンジンと変わらない。例えば従来の2000cc、4気筒のエンジンでは1気筒の容積は500ccであり、圧縮比=10だとすると上死点付近におけるシリンダ容積は50ccになっている。そこで排気弁が閉じてから10気圧の空気を50cc注入すれば、従来エンジンにおいて圧縮行程が終わったのと同じ状態になり、1回転で4行程を実行したことになる。
この原動機は第1図(b)に示すように、半回転ごとにいずれかの気筒で1回の爆発が起こり、半回転ごとにいずれかの気筒で1回の圧縮が起こる。すなわち第1図(a)に示す従来の4気筒4サイクルエンジンと同じ動作なので、2気筒で従来の4気筒と同じ出力が得られる。
第3図に空気インジェクタ14の構造例を示す。外開きの弁15とバランスピストン16が接続されている。バランスピストン16の面積を弁15の面積より若干大きくしておくと、コモンレール17から入る空気圧により弁15が閉じる方向に推力が与えられる。この推力とバネ18の力を合わせた以上の力をプランジャ19が発生すると弁が開いて空気を噴射する。プランジャ19はコイル20に電流を流すことにより第3図の左向きの力を発生する。プランジャ19の代わりに電気モータとカム,ピエゾ素子,磁歪素子,油圧等を使っても良い。
エンジンの最高回転数を6000min−1とすると、上死点の手前30度から上死点までの時間は約1msであるから、このときの空気インジェクタ14の噴射時間は1ms以下とする。回転数が低いときはゆっくり噴射しても良い。最小噴射時間はゼロとし、スロットル開度に相当するデューティ制御を行う。すなわち注入空気量を開弁時間で制御する。
流速は従来の吸気弁5と同じである。例えば2000cc、4気筒の従来エンジンでは、6000min−1時の吸気時間は5msで吸入空気量は500ccなので単位時間流量は0.1m3/sになる。吸気弁5の直径をφ30、リフト量を9mmとすると吸気断面積は2バルブで0.0017m2であるから、流速は58.8m/sである。第1図(b)の方式では6000min−1時の噴射時間を0.5msとすると、噴射量は50ccであるから単位時間流量は同じく0.1m3/sであり、弁15の口径が吸気弁5の口径と同じなら流速も同じである。
しかし従来エンジンは圧力差がせいぜい1気圧しかないのに対し、第1図(b)の方式では空気タンク12の圧力を10気圧にしておけば、圧力差が9気圧なので流速は圧力差の平方根すなわち3倍に速くなり、176m/sまで高められる。そうすると空気インジェクタ14の口径は吸気弁5の口径の1/3となり、口径φ20のもの1本で済む。リフト量を減らしたいなら口径を大きくするかツインインジェクタとすればよい。
燃料インジェクタ7,点火プラグ8は従来のものと基本的には同じである。ただし燃料インジェクタ7は短時間で噴射するために流量の大きな物とする。
第4図にエンジントルク特性を示す。従来エンジンは回転数によって第4図(a)のようにトルクが変化するが、これは前述したように吸気の慣性により吸気効率が変わるためである。本発明の方式では高圧の空気を注入するので高速回転時の吸気不足は起こらず、第4図(b)のように回転数によるトルク変動のないフラットなトルク特性が得られる。
また従来エンジンでは気圧の低い高地において出力が低下する現象があったが、本発明の方式では常に安定した空気供給が行われるので、高地における出力低下がない。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. In order to clarify the difference in configuration, it is displayed in comparison with the conventional engine. As shown in FIG. 1 (a), the conventional four-cycle engine has four connecting
Among these operations, the “intake and compression” stroke is a “compressor” that does not generate energy, and the “explosion-exhaust” stroke is a “prime mover” that generates energy. Focusing on a certain cylinder, the "compressor" and the "motor" are repeated every other rotation. In other words, it can be said that this is a “distributed processing” method in which the compressed air necessary for the prime mover stroke is self-sufficient for each cylinder in one previous rotation.
Changing this to a centralized processing system is the concept of the present invention, and FIG. 1 (b) shows a configuration example. Of the four-cylinder engine, two cylinders are dedicated to the “compressor” and two cylinders are dedicated to the “motor”.
Conventional cylinder No. 1 and cylinder no. 2 is dedicated to the compressor and repeats “suction and compression” every rotation. Therefore, the fuel injector and the spark plug are abolished, and instead of the
The compressed air stored in the
In other words, these cylinders repeat “explosion-exhaust” every rotation and thus become a two-cycle engine, but the appearance is the same as a four-cycle engine even in two cycles. For example, in a conventional 2000 cc, 4-cylinder engine, the volume of one cylinder is 500 cc, and if the compression ratio = 10, the cylinder volume near top dead center is 50 cc. Therefore, if 50 cc of 10 atm air is injected after the exhaust valve is closed, the compression stroke is completed in the conventional engine, and four strokes are executed in one rotation.
In this motor, as shown in FIG. 1 (b), one explosion occurs in any cylinder every half rotation, and one compression occurs in any cylinder every half rotation. In other words, since the operation is the same as that of the conventional 4-cylinder 4-cycle engine shown in FIG.
FIG. 3 shows a structural example of the
If the maximum engine speed is 6000 min −1 , the time from 30 degrees before top dead center to top dead center is about 1 ms. Therefore, the injection time of the
The flow velocity is the same as that of the
However, the conventional engine has a pressure difference of only 1 atm, whereas in the method of FIG. 1 (b), if the pressure of the
The
FIG. 4 shows the engine torque characteristics. In the conventional engine, the torque changes depending on the rotational speed as shown in FIG. 4 (a), because the intake efficiency changes depending on the inertia of the intake air as described above. In the system of the present invention, high-pressure air is injected, so that there is no shortage of intake during high-speed rotation, and a flat torque characteristic without torque fluctuation due to the rotational speed is obtained as shown in FIG. 4 (b).
Further, in the conventional engine, there is a phenomenon that the output decreases at a high altitude where the atmospheric pressure is low. However, in the method of the present invention, since stable air supply is always performed, there is no decrease in the output at a high altitude.
第5図は本発明の第二の実施例を示す構成図である。例えば2000cc相当のエンジンとするには容積333ccの気筒を3本設ける。3気筒で合計1000ccしかないが2サイクルなので従来の2000cc相当の出力となる。クランクシャフト1は120度位相差とする。このようにすると回転が滑らかになるとともに、停止時にどれかの気筒が上死点を通り過ぎたところにあるから、その気筒に空気と燃料を噴射して点火すればトルクを発生して回り出す。すなわち自分で起動できるのでスタータが不要であるばかりでなく、回転数ゼロから滑らかにトルクを発生すれば、発進クラッチやトルクコンバータも不要になる。
コンプレッサ21はピストン形式である必要はなく、スクリュー型でもスクロール型でも効率の良いものを使えばよい。エンジンとの間にコンプレッサ結合歯車22を挿入して最適な回転数領域で運転する。
コンプレッサ21は常に全開吸気するから負圧損失が無い。従来エンジンの場合、低開度では空気量を減らすためにスロットル弁を絞るから、「吸入,圧縮」行程は能力以下でしか運転されていない。コンプレッサを分離すれば能力一杯で運転できるから空気タンク12に余裕を持って蓄圧できる。逆に言うと小さなコンプレッサでもよいことになる。
コンプレッサ容量を小さくしても、低開度走行時に能力一杯で運転すれば空気タンクに充分蓄圧できる。このときエンジンは従来より出力を出す必要があるが、エンジンとしては最適燃費線に近付いてかえって効率が向上する。高開度で加速するときはコンプレッサ能力が不足するが、蓄積しておいた空気でまかなえる。
またコンプレッサ入力軸にコンプレッサ結合クラッチ23を設けておき、加速時には一時的にコンプレッサを切り離して、エンジン出力をすべて駆動力に振り向けることもできる。すなわちハイブリッド車においてモータで加速アシストするのと同じ効果が得られる。コンプレッサ結合クラッチ22でコンプレッサ21を切り離す代わりに、コンプレッサ出力パイプ11に圧縮空気を大気に放出するリリーフバルブ24を設けてもよい。
さらに、エンジンと変速機25の入力軸の間にエンジン切り離しクラッチ26を設け、コンプレッサを変速機入力軸に接続しておけば、制動時にはエンジンを切り離して車体の運動エネルギによりコンプレッサ21を回し、空気タンク12に空気圧の形でエネルギを蓄積できる。すなわちこのシステムは回生機能を持っていることになる。
なお、このシステムを最初に始動するとき、あるいは長期間放置して空気タンク12の圧力が低下したときは、電動補助コンプレッサ27により空気タンク12に圧縮空気を充填してから始動する。小さな補助コンプレッサでも短時間で高圧空気を作れるようにするには、空気タンク12全体に充填するのではなく、隔壁12aで仕切られた小部屋に充填すればよい。
第6図はエンジンのトルク特性を示すもので、(a)は従来のエンジントルク特性、(b)は本実施例におけるエンジントルク特性である。(b)は回転数0からトルクを発生して自分で始動し、高速までフラットなトルク特性を保つことが出来る。また、エンジントルクが負の領域すなわち(b′)はコンプレッサの特性である。空気タンク12の圧力に打ち勝つだけのオフセット(−Tc)があり、回転数に比例した負荷トルクとなる。第5図のシステムにおいて変速機25以外を広い意味でエンジンと見れば、回生領域においても負荷トルクを発生して回生制動が可能である。
本実施例においては、第一の実施形態に比べてアイドル回転数以下の領域を使えること、および回生制動トルクを有することが大きな特徴である。FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. For example, to make an engine equivalent to 2000 cc, three cylinders with a capacity of 333 cc are provided. Although there are only 1000cc in total with 3 cylinders, the output is equivalent to 2000cc because it is 2 cycles. The
The
Since the
Even if the compressor capacity is reduced, sufficient pressure can be stored in the air tank if it is operated at full capacity when traveling at a low opening. At this time, the engine needs to output more than before, but the engine approaches the optimum fuel consumption line and the efficiency is improved. When accelerating at a high opening, the compressor capacity is insufficient, but the accumulated air can be used.
Further, a
Further, if an engine disconnecting clutch 26 is provided between the engine and the input shaft of the
When this system is started for the first time, or when the pressure of the
FIG. 6 shows the torque characteristics of the engine. (A) shows the conventional engine torque characteristics, and (b) shows the engine torque characteristics in this embodiment. In (b), torque is generated from the
In the present embodiment, compared to the first embodiment, it is a great feature that an area below the idling speed can be used and that regenerative braking torque is provided.
第7図は本発明の第三の実施例における気筒の構成と動作を示すものである。第2図と異なるのは混合気室28を設けたことであり、空気インジェクタ14および燃料インジェクタ7は気筒4に直接付くのではなく混合気室28に設けられている。混合気室28と気筒4の間には混合気注入弁29を設けてある。
第2図の方式ではクランク角cからaの間の例えば0.5msという短時間に高圧空気と燃料を気筒に注入するので、燃料インジェクタ7は従来に比べて大流量のものが必要である。また0.5msという短時間では燃料が充分に気化しにくい問題があった。本実施例では、上死点付近から排気弁6が閉じるまでの間に、空気インジェクタ14と燃料インジェクタ7が混合気室28に高圧空気と燃料を噴射して混合気を作成して充分気化させておく。混合気作成時間は最高回転数6000min−1においても8ms以上あるので、燃料インジェクタ7として特別なものは必要なく、従来の製品をそのまま使うことができる。クランク角cで排気弁6が閉じたら混合気注入弁29を開いてクランク角aまでの例えば0.5msで気筒4に混合気を注入する。
エンジン全体は第5図の構成とし、その気筒が第7図の構成であるとすれば、1気筒の容積は333ccである。圧縮比を10とすれば上死点付近の気筒容積は33ccであるから、混合気室28の容積を33ccとしておく。出力最大時には気筒4に10気圧33ccの混合気が入ればよいから、混合気室28にあらかじめ19気圧の混合気を作っておき、混合気注入弁29を開いて0.5ms程度の短時間で圧力を平衡させる。そうすると混合気室28の圧力は19気圧から10気圧に降下し、気筒4の圧力は1気圧から10気圧に上昇して、目標通りの混合気を注入することが出来る。
19気圧の混合気を作るためには空気タンク12の圧力を19気圧以上にしておいてもよいし、吸気パイプ13の途中にブースターポンプ46を設けてもよい。
排気弁6が閉じたときに気筒内に排気ガスが充満していると排気ガス還流制御(EGR)を行ったことになるが、排気ガスには酸素が含まれていないので混じりあったときにも空燃比に影響を与えることはなく、混合気の空燃比は理論空燃比としておけばよい。後述する掃気を行って、排気弁6が閉じたときに気筒内に新鮮空気が充満している場合には酸素が含まれているので、その分混合気の空燃比をあらかじめ小さくして燃料を多く含むようにすればよい。空燃比を正確に調整するために、混合気室28には圧力センサ102を設けてあり、混合気の圧力に応じた燃料を噴射する。燃料の噴射量は従来と同様に燃料インジェクタ7の噴射時間により調整する。FIG. 7 shows the configuration and operation of a cylinder in the third embodiment of the present invention. The difference from FIG. 2 is that an air-
In the system shown in FIG. 2, high-pressure air and fuel are injected into the cylinder in a short time of, for example, 0.5 ms between the crank angles c and a. Therefore, the
If the entire engine has the configuration shown in FIG. 5 and the cylinder has the configuration shown in FIG. 7, the volume of one cylinder is 333 cc. If the compression ratio is 10, the cylinder volume in the vicinity of the top dead center is 33 cc. Therefore, the volume of the air-
In order to create an air-fuel mixture of 19 atmospheres, the pressure of the
When exhaust gas is filled in the cylinder when the
第8図は本発明の第四の実施例における気筒の構成を示すものである。第7図と異なるのは混合気室28に押し込みピストン31を設けたことである。押し込みピストン31はリフタ32と接続されており、間にバネ33があるので常時は押し込みピストン31とリフタ32は図の右方向に寄っている。カム軸34が回転するとカム35がリフタ32を押し、押し込みピストン31が図の左方向に移動して混合気を気筒4に押し込む。そのタイミングに合わせて混合気注入弁29を開く。
混合気注入弁29も同様にしてリフタ36と接続されており、間にバネ37があるので常時は混合気注入弁29とリフタ36は図の上方向に寄っている。カム軸38が回転するとカム39がリフタ36を押し、リフタ36が図の下方向に移動して混合気注入弁29を開く。
本実施例の方法によれば第7図の場合に比べて下記の点で有利である。
第7図の方法は、気筒4と混合気室28の圧力差を利用して混合気注入を行う方式であり、混合気室28の圧力を平衡圧力の2倍程度に大きくしておく必要があるため、空気タンク12の圧力を高くするか、またはブースターポンプ46を設ける必要がある。
また注入時間は平衡に達するまでの時間ということになるが、注入が進行するに連れ圧力差が次第に低下するので流入速度が低下し、短時間で注入するには混合気注入弁29の口径を大きく設計する必要がある。
本方式によれば混合気室28の圧力は最終的な気筒圧とほぼ等しくてよいので、空気タンク12の圧力を2倍程度に高くする必要も、あるいはブースターポンプ46を設ける必要もない。FIG. 8 shows the configuration of a cylinder in the fourth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 7 is that a
Similarly, the air-fuel
According to the method of this embodiment, the following points are advantageous compared to the case of FIG.
The method of FIG. 7 is a method of injecting an air-fuel mixture using the pressure difference between the
Also, the injection time is the time to reach equilibrium, but as the injection proceeds, the pressure difference gradually decreases, so the inflow rate decreases. It is necessary to design large.
According to this method, the pressure in the air-
第9図は本発明の第五の実施例における気筒の構成を示すものである。第8図と異なるのは混合気注入弁29を押し込みピストン31と同軸に設けたことである。
混合気注入弁29は側面が開いて混合気を気筒4に注入する。バネ37の位置が第8図と異なるが動作は同じであり、常時は混合気注入弁29とリフタ36を図の右方向に寄せている。カム39は押し込みピストン31と同じカム軸34に付いており、押し込みピストン31が左方向に移動する直前にカム39がリフタ36を左方向に押して、混合気注入弁29を開かせる。なお、カム39は短時間で混合気注入弁29を閉じるようなカム形状にしてある。
本実施例の方法によれば、一つのカム軸34で混合気注入弁29と押し込みピストン31の両方を駆動できるので、シリンダヘッド周りの構成が簡単になるという効果がある。FIG. 9 shows the construction of a cylinder in the fifth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 8 is that the air-fuel
The air-fuel
According to the method of the present embodiment, since both the air-fuel
第10図は本発明の第六の実施例における気筒の構成を示すものである。第7図と異なるのは混合気室28と気筒4の間に混合気注入弁29の代りに隔離ピストン45を設けたことである。混合気注入弁29はバネ37により引き上げられて気筒4の内側から外側に向って押し付けられているが、隔離ピストン45はバネ37により気筒4の内壁面近くまで押し下げられている。このため隔離ピストン45の側面で混合気室28を塞いでおり、気筒4と混合気室28を隔離するのである。カム39が回るとレバー47がリフタ36を引き上げ、この隔離ピストン45はわずかに下端部が開口するようにしてある。
各動作の位置をクランク角を上死点を基準として次のように定義する。
隔離ピストン開期間c=−40°〜d=180°
点火時期a=−20°
排気弁開き始め時期b=130°
燃料噴射混合気作成開始時期:d=180°
排気弁閉じ終わり時期c=−40°
点火時期を−20°としたのは燃焼速度を考慮して点火進角したからであるが、固定値ではなく−20°から+10°の範囲で、ある条件下での一例である。このエンジンは点火の直前に混合気を一気に注入するので、気筒内の気流が乱れて燃焼速度が速く、進角をあまり大きくする必要はない。
排気弁閉じ終わり時期は点火時期より20°早いものとして−40°とする。空気・燃料の注入は−40°から開始する。
一般的な容積333cc圧縮率10の気筒の場合、ピストンが上死点(クランク角0°)にあるときの気筒容積は33ccである。本実施形態においてはピストン3の頂部を気筒4の頂部形状に合わせていわゆるスキッシュを形成し、ピストン3が上死点にあるときの気筒容積を11ccとする。混合気室28の容積を22ccとして、気筒容積と混合気室28の容積を合わせた容積が33ccになるようにした。上死点における点火前の気筒圧を10気圧にするために、隔離ピストン45が開く前の混合気室28の圧力を約14.5気圧にしておく。こうすると隔離ピストン45を開いて容積が33ccに拡大したときの圧力は約10気圧になる。
隔離ピストン45が開く前は混合気室28の圧力約14.5気圧は隔離ピストン45の側面に掛かるが、隔離ピストン45の上下面は閉じているので気筒4に注入されることはない。カム39によりレバー47がリフタ36を引き上げ隔離ピストン45下端部が開口すると、高圧の混合気が気筒4の中に注入される。そうすると気筒4の圧力が上昇するので、隔離ピストン45は押し上げられ混合気は一気に気筒4に注入される。すなわち隔離ピストン45をちょっと引き上げてやるだけで、混合気の圧力差により急速に気筒4と混合気室28を連通させることが出来る。また混合気が気筒4に注入された時点で点火すると、ガス圧だけでなく爆発による膨張圧が加わって、隔離ピストン45はさらに高速で押し上げられる。すなわちカム39はわずかな力でリフタ36を引き上げるだけで、隔離ピストン45を高速に移動させるための大きな駆動力を与える必要はない。
隔離ピストン45が上まで引き上げられて混合気室28と気筒4がつながると、混合気室28は燃焼室として機能する。膨張行程が終わり、クランク角b=140°で排気弁6が開くと気筒4の圧力が1気圧になるから、隔離ピストン45はバネ37により押し下げられるが、まだカム39がレバー49を押し下げているからリフタ36は下端まで下がらず、隔離ピストン45の下部は少し開いたままである。したがってここで空気インジェクタ14から15気圧1.5ccの空気を噴射すると、混合気室28の中から燃焼ガスが追い出されて清浄空気で満たされて、次の混合気を作る準備が出来る。
下死点で隔離ピストン45が閉じると混合気室28の空気圧が上がると共に、燃料インジェクタ7から燃料が噴射されて混合気が作成される。空気圧は圧力センサ102で検出しながら調整され、燃料量に見合った空気圧になるまで噴射される。下死点からクランク角−40°までは、従来エンジンで燃料を噴射して気化させる時間と同じで、最高エンジン回転数6000min−1の時でさえ3.8ms掛かるので充分気化できる。
クランク角c=−40°で排気弁6が閉じる。コンロッドの長さをクランク軸半径の三倍程度とすると、上死点における気筒容積は11cc、下死点における容積は333ccであるからクランク角−40°における気筒容積は26ccである。排気弁を閉じたときに1気圧26ccの排気ガスが残っているので、圧力10気圧に上がった時の排気ガス量は2.6ccになり、気筒容積33ccに対して8%の排気還流(EGR)をしたことになる。
第7図,第8図,第9図の方法では混合気注入弁29が0.5ms程度の短時間で開閉する必要があったが、本実施形態の方法では隔離ピストン45をクランク角−40〜180°の間開いておけば良いので、高速に駆動するためにアクチュエータ出力を大きくする必要がない。FIG. 10 shows the configuration of a cylinder in the sixth embodiment of the present invention. A difference from FIG. 7 is that an
The position of each operation is defined as follows with respect to the crank angle as the top dead center.
Isolated piston opening period c = −40 ° to d = 180 °
Ignition timing a = -20 °
Exhaust valve opening timing b = 130 °
Fuel injection mixture creation start time: d = 180 °
End timing of exhaust valve closing c = -40 °
The reason why the ignition timing is set to -20 ° is that the ignition timing is advanced in consideration of the combustion speed, but it is not a fixed value but is an example under certain conditions in a range of -20 ° to + 10 °. Since this engine injects the air-fuel mixture immediately before ignition, the airflow in the cylinder is disturbed, the combustion speed is high, and it is not necessary to increase the advance angle too much.
The exhaust valve closing end timing is assumed to be -40 °, which is 20 ° earlier than the ignition timing. Air / fuel injection starts at -40 °.
In the case of a general cylinder having a volume of 333 cc and a compression ratio of 10, the cylinder volume when the piston is at top dead center (crank
Before the
When the
When the
The
7, 8, and 9, the air-fuel
第11図は本発明の第七の実施例における気筒の構成を示すものである。これまで図示していなかった、排気弁6を開閉するためのカム軸40とカム41を示してある。カム軸40は図示しないタイミングチェーンによりクランク軸1と接続されており、クランク軸1の角度に合わせて排気弁6を開閉する。カム軸40はクランク軸1の半分の速度で回るものとすれば、カム41は180°ごとに排気弁6を開閉するような形状にしてある。第2図および第7図に示したクランク角bおよびcは正転時の排気弁開閉角である。
本実施例においては逆回転にも対応できる機構を示す。第11図(a)においてクランク角b′およびc′は逆転時の排気弁開閉角である。それぞれ上下死点に対してクランク角bおよびcと対称的な位置に設定してある。すなわち正転時クランク角bにおいて排気弁6が開き始めるが、この時のカム41の角度は逆転時においては閉じ終わる角度であるので、逆転時クランク角c′に相当する。したがって正転時と逆転時はカム軸40とカム軸41の関係は、クランク角にしてb−c′だけずれていることになる。
逆転時にクランク角b′で排気弁6を開き、クランク角c′で排気弁6を閉じる機構を第11図(b)に示す。図示しないタイミングチェーンを巻きつけるスプロケット42はカム軸40上に回転自在に取り付けられている。スプロケット42に設けたキー溝43にキー44が嵌めこまれており、キー44はカム軸40に固定されているので、スプロケット42はカム軸40に対して(b−c′)/2の角度だけ遊びを有して結合することになる。カム軸40はクランク軸1の半分の速度で回るので、実際のクランク角にしてb−c′だけずれていることになり、逆転時にはクランク角b′で排気弁6を開き、クランク角c′で排気弁6を閉じる。図示しない逆転アクチュエータを設け、正転時はキー44がキー溝43の左端に、逆転時は右端に当たるように強制的に押し付ければ、正転逆転の切換えをより確実にすることができる。
一方隔離ピストン45の作動範囲は、正転時はcからdであり逆転時はc′からdであるから、カム39を回すスプロケットはカム軸に対して(d−c′)/2の角度だけ遊びを有して結合させることになる。したがってカム39を回すスプロケットには(d−c′)/2の幅のキー溝をつければよい。
第12図(a)は本実施例におけるエンジンのトルク特性である。第6図の特性に比べてさらに逆転時の力行および回生すなわち第二・第三象限の動作が加わり、四象限運転が可能になる。破線で示したのが従来のエンジントルク特性である。比較のため電動機のトルク特性を第12図(b)に示す。電動機の場合回生領域の特性も力行領域と同じになるが、エンジンの場合回生領域は前述のようにコンプレッサ特性であるので、力行領域と特性が異なる。しかし制御を工夫すれば実用的には充分活用できる特性である。FIG. 11 shows the configuration of a cylinder in the seventh embodiment of the present invention. A
In this embodiment, a mechanism capable of dealing with reverse rotation is shown. In FIG. 11 (a), crank angles b 'and c' are exhaust valve opening / closing angles during reverse rotation. The positions are symmetrical with respect to the crank angles b and c with respect to the top and bottom dead centers. That is, the
FIG. 11 (b) shows a mechanism for opening the
On the other hand, the operating range of the
FIG. 12 (a) shows the torque characteristics of the engine in this embodiment. Compared with the characteristics shown in FIG. 6, power running and regeneration during reverse rotation, that is, operations in the second and third quadrants are added, and four-quadrant operation becomes possible. A broken line shows the conventional engine torque characteristic. For comparison, the torque characteristics of the motor are shown in FIG. In the case of an electric motor, the characteristics of the regenerative region are the same as those of the power running region. However, in the case of an engine, the regenerative region has a compressor characteristic as described above, and therefore has different characteristics from the power running region. However, if the control is devised, it is a characteristic that can be used practically.
第13図は本発明の第八の実施例を示すシステム構成図である。第5図と異なるのはエンジン切り離し用クラッチ26を廃止して排気弁開放機構48を設けたことである。なお吸気側は第10図の方式としたが、第7図の混合気室方式あるいは第8図,第9図の押し込みピストン方式としてもよい。その場合混合気注入弁は第8図,第9図においてはカム軸38または34で駆動したが、第3図の空気インジェクタで用いたプランジャを利用してもよく、これらを含めて混合気注入弁あるいは隔離ピストン駆動部49として表示した。
第14図は第13図のシステムにおける排気弁開放機構48の構造を示すもので、排気弁用カム41に隣接して排気弁開放レバー50を設けた。これは排気弁用カム軸40に回転自在に取り付けられ、排気弁開放アクチュエータ51を動作させることで排気弁6を開放状態にする。排気弁開放アクチュエータ51は空気タンク12の高圧空気を使った空気ピストンが便利であろうが、電気式のソレノイドあるいは電動機でもよい。
本実施例の方法によれば回生時には空気も燃料も噴射せず、隔離ピストン45も開かず、排気弁開放レバー50だけを動作させて気筒圧を1気圧に保つのでピストン3が動いてもポンピングロスがなくなり、回生時にエンジンを切り離す必要がなくなるのでクラッチ26を廃止して機構が簡単で安価になるという効果がある。FIG. 13 is a system configuration diagram showing the eighth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 5 is that the engine disconnecting clutch 26 is eliminated and an exhaust
FIG. 14 shows the structure of the exhaust
According to the method of this embodiment, neither air nor fuel is injected during regeneration, the
第15図は本発明の第九の実施例である掃気制御の動作説明図である。第10図の隔離ピストン付きのエンジンを基にした例を示してあるが、第7図の混合気室方式、さらに第8図,第9図の押し込みピストン付きエンジンを基にしても良いし、第11図の逆転機能付きエンジンを基にしても良い。
容積333cc、圧縮率10の気筒の場合、前述のように排気弁6が閉じるクランク角c=−40°における気筒容積は26ccであるから、このまま混合気を注入して運転すれば8%の排気還流(EGR)を行ったことになる。排気還流したくない場合は掃気制御を行うことにする。そのために第二空気インジェクタ52を設けた。
排気弁が閉じる前、第15図の場合はクランク角e=−80°から第二空気インジェクタ52の噴射を開始する。排気弁6が閉じるクランク角c=−40°までの間に、矢印で示すように排気弁6と反対側の気筒内壁に向かって新鮮空気を噴射する。そうすると排気ガスが先に押し出されて、排気弁6が閉じたときに残っている26ccはほとんどが空気となっている。空気タンク12の圧力が15気圧だとすると、第二空気インジェクタ52が1.7cc以上噴射すれば、1気圧26cc以上の空気が注入されたことになり、排気ガスを完全に一掃することが出来る。
さらに噴射量を増やして、排気清浄化のために排気管に新鮮空気を強制注入することもできる。すなわち排気管に二次空気を注入するいわゆるエアインジェクション方式がエアポンプなしで実現できる。これにより暖機運転時の触媒活性も空気インジェクタの噴射量で制御できる。
また排気弁が閉じるまでは気筒4の圧力はほぼ1気圧であり、噴射したときに断熱膨張でシリンダが冷却されるから、インタークーラを付けたのと同じ効果も得られる。FIG. 15 is a diagram for explaining the operation of scavenging control according to the ninth embodiment of the present invention. Although an example based on the engine with the isolation piston of FIG. 10 is shown, the mixture chamber system of FIG. 7 may be used, and further, the engine with the pushing piston of FIG. 8 and FIG. It may be based on the engine with the reverse rotation function of FIG.
In the case of a cylinder having a volume of 333 cc and a compression ratio of 10, as described above, the cylinder volume at the crank angle c = −40 ° at which the
Before the exhaust valve is closed, in the case of FIG. 15, the injection of the
Further, it is possible to increase the injection amount and forcibly inject fresh air into the exhaust pipe for exhaust purification. That is, a so-called air injection method in which secondary air is injected into the exhaust pipe can be realized without an air pump. Thereby, the catalyst activity during the warm-up operation can also be controlled by the injection amount of the air injector.
Further, until the exhaust valve is closed, the pressure of the
本発明の第十の実施例を第16図に示す。構成は第10図とほとんど同じであるが、クランク軸1の半径を大きくし、気筒4を長くしてピストン3のストロークを大きくして圧縮比を高めてある。隔離ピストン45を用いる第10図の方式としたが、混合気室28を用いる第7図、押し込みピストンを用いた第8図あるいは第9図の方式、逆転可能な第11図の方式、さらに掃気可能な第15図の方式としてもよい。点火進角を20°として排気弁6の閉じ角をc=−40°とした。
従来の1000ccエンジンで圧縮比を15にした場合は、下死点に置ける気筒容量が333ccなので上死点における気筒容積は22ccで、点火直前には15気圧の混合気が詰まっていることになる。本実施例の場合、上死点において気筒と混合気室を合わせた容積に15気圧の混合気を注入すれば、従来エンジンで圧縮比を15にした場合と同じ状態になる。
前述のように上死点における気筒容積は11ccとしたから、混合気室28の容積を11ccとし30気圧の混合気を作成する。排気弁6が閉じてから隔離ピストン45を開き混合気を気筒4に注入すると、容積が倍になって圧力は約15気圧となる。気筒内の圧力は当初は1気圧であるから、注入された高圧の混合気は断熱膨張して温度が下がる。
その前に、混合気作成時は空気インジェクタ14により空気タンク12からの高圧空気を混合気室28に吹き込みながら燃料を噴射するのであるが、30気圧以上の高圧空気を1気圧の混合気室28に吹き込むので、混合気室28の温度は空気タンク12の温度より下がる。
したがって空気タンク12の温度より下がった混合気を、気筒4に注入するとさらに温度が下がることになる。すなわち従来のエンジンでは圧縮比を上げると断熱圧縮のため、圧縮行程の終わりで気筒内温度が非常に高くなってノッキングが生じ易いが、この方式では逆に空気タンクの温度より下がるのでノッキングが起こりにくい。
また前述したように点火直前に混合気を短時間で注入するので、ガス流の乱れが大きく燃焼時間が短いこともノッキングを生じにくくする。
なお、気筒4から高温の熱が伝わってくると混合気室28の温度が上昇し、気筒側から見ると冷却損が発生するので、気筒4と混合気室28は適度に断熱してものとする。A tenth embodiment of the present invention is shown in FIG. The configuration is almost the same as in FIG. 10, but the radius of the
When the compression ratio is 15 with a conventional 1000 cc engine, the cylinder capacity at the bottom dead center is 333 cc, so the cylinder volume at the top dead center is 22 cc, and the air-fuel mixture at 15 atm is clogged just before ignition. . In the case of the present embodiment, if the air-fuel mixture of 15 atm is injected into the combined volume of the cylinder and the air-fuel mixture chamber at the top dead center, the state is the same as when the compression ratio is 15 in the conventional engine.
As described above, since the cylinder volume at the top dead center is 11 cc, the volume of the air-
Prior to that, when the air-fuel mixture is created, fuel is injected while blowing high-pressure air from the
Therefore, when the air-fuel mixture that has fallen below the temperature of the
Further, as described above, since the air-fuel mixture is injected in a short time immediately before ignition, the fact that the gas flow is turbulent and the combustion time is short also makes it difficult to cause knocking.
When high temperature heat is transmitted from the
本発明の第十一の実施例を第17図に示す。これはこれまで述べてきたシステムを制御する制御系のブロック図である。各ブロックの入力信号は主な信号だけを記載してあり、細かい補正計算に用いる信号は省略してある。
モード判別部201はクランク角の絶対位置信号と、図示しないセレクトレバーからの後退信号に基づく正逆転信号を入力し、3つの気筒がそれぞれどのモードにあるか判別し、各制御ブロックに判別信号を送る。回転方向制御部202は正逆転信号に基づき逆転アクチュエータを動作させる。
混合気作成から排気まで順を追って説明する。下死点において隔離ピストン45が閉じたところから混合気作成が始まる。混合気作成制御部203において算出された燃料噴射量に応じて、燃料インジェクタ開弁制御部204は燃料インジェクタ7の通電時間を制御する。一方混合気作成制御部203において算出された空気噴射量指令に基づき、空気インジェクタ開弁制御部205は空気インジェクタ14の開弁制御を行う。こうして所定の空燃比で所定の圧力の混合気が作成される。
クランク角c(−40°)で排気弁6が閉じると隔離ピストン45が開き、混合気が気筒に注入される。点火時期制御部206で算出された最適な点火時期に基づいて、点火制御部207は指令されたクランク角例えばa(−20°)で点火プラグ8をスパークさせる。
爆発して膨張行程になり、クランク角b(140°)で排気弁6が開くと、混合気室掃気制御部208はエンジン回転数に応じた空気インジェクタ開度を算出して、これに応じて空気インジェクタ開弁制御部205は空気インジェクタ14の開弁制御を行う。
気筒掃気を行う場合は、気筒掃気制御部209で算出された空気インジェクタ開度指令に基づき、第二空気インジェクタ開弁制御部210が第二空気インジェクタ52の開弁制御を行う。
気筒掃気を行う場合は、気筒掃気制御部209で算出された空気インジェクタ開度指令に基づき、第二空気インジェクタ開弁制御部210が第二空気インジェクタ52の開弁制御を行う。
以上の制御は各気筒ごとに必要なので、それぞれ三組の制御ブロックで位相角120°ずつずれて行われる。
なお回生時は、フル回生判定部211からフル回生信号が出されると、気筒開放制御部212は排気弁開放アクチュエータ51を作動させる。これは全気筒いっせいに行うので、一つのアクチュエータで三気筒全部の排気弁を開放する。
第18図は上記モード判別制御部201の内容をもう少し詳しく示す論理図である。入力端子1よりクランク角が、入力端子2より正転/逆転信号が入力する。正転時はクランク角はそのままスイッチを通り、逆転時は360°から引いた値がスイッチ出力に現れる。このスイッチ出力を「見なしクランク角」と定義し、見なしクランク角に基づいて制御すれば、正転時でも逆転時でも同じロジックで制御が出来る。
第一気筒のモード判定について説明する。見なしクランク角が140°以上320°未満の場合に、空気インジェクタ14の噴射許可信号が出力端子1から出力される。見なしクランク角が180°以上320°未満の場合に、燃料インジェクタ7の噴射許可信号が出力端子2から出力される。見なしクランク角が280°以上320°未満の場合に、第二空気インジェクタ52の噴射許可信号が出力端子3から出力される。見なしクランク角が330°以上10°未満の場合に、点火プラグ8の点火許可信号が出力端子4から出力される。
見なしクランク角に120°を加えた値を用いて同様に計算すると、第二気筒の各許可信号を求めることが出来る。また見なしクランク角に240°を加えた値を用いて、第三気筒の各許可信号を算出する。なお、見なしクランク角に120°を加えた値を第16図のNo.2気筒制御部に送れば、No.1気筒制御部とまったく同じロジックで制御が出来る。同様にして見なしクランク角に240°を加えた値を第16図のNo.3気筒制御部に送る。
第19図は第17図の混合気作成制御部203をもう少し詳しく示す論理図である。アクセルペダル踏み角に応じたトルク指令信号とエンジン回転数をエンジントルク算出部213に与えるとエンジントルク指令値が算出される。燃料噴射量算出部214では、このエンジントルクを発生するのに必要な燃料量を計算して燃料噴射量指令を出力する。
必要空気量計算部215では、要求された空燃比に基づいて、燃料噴射量を完全燃焼させるのに必要な空気量を計算する。空気圧変換部216では、算出された空気量を混合気室28の容積まで圧縮した場合の圧力に換算して、混合気室圧力指令を出力する。その場合高圧空気の温度は大きく影響するので実測地を入力しておく。
実際に検出された圧力センサ検出値との差を求め、制御補償して空気噴射量指令値を出力する。すなわち圧力センサ検出値が混合気室圧力指令に等しくなるようにフィードバック制御を行うものである。
第20図は第17図の燃料インジェクタ開弁制御部204をもう少し詳しく示す論理図である。混合気作成制御部203から来た燃料噴射量指令に基づき、開弁タイミング計算部218は燃料インジェクタの駆動開始/終了すべきクランク角を算出する。条件一致判定部219は、この開始/終了信号とモード判別部201から来た見なしクランク角および燃料噴射許可信号とを比較し、すべての条件が整う期間燃料インジェクタ駆動信号を出力する。
第21図は第17図の空気インジェクタ開弁制御部205をもう少し詳しく示す論理図である。混合気作成制御部203から来た空気噴射量指令に基づき、開弁タイミング計算部220は空気インジェクタの駆動開始/終了すべきクランク角を算出する。条件一致判定部221は、この開始/終了信号とモード判別部201から来た見なしクランク角および空気噴射許可信号とを比較し、すべての条件が整う期間空気インジェクタ駆動信号を出力する。An eleventh embodiment of the present invention is shown in FIG. This is a block diagram of a control system for controlling the system described so far. Only main signals are described as input signals of each block, and signals used for fine correction calculation are omitted.
The
A description will be given step by step from mixture preparation to exhaust. The mixture creation starts when the
When the
When the
When performing cylinder scavenging, the second air injector valve opening control unit 210 performs valve opening control of the
When performing cylinder scavenging, the second air injector valve opening control unit 210 performs valve opening control of the
Since the above control is necessary for each cylinder, each of the three control blocks is shifted by a phase angle of 120 °.
During regeneration, when a full regeneration signal is output from the full
FIG. 18 is a logic diagram showing the contents of the mode
The mode determination of the first cylinder will be described. When the assumed crank angle is 140 ° or more and less than 320 °, an injection permission signal of the
If the same calculation is performed using a value obtained by adding 120 ° to the assumed crank angle, each permission signal of the second cylinder can be obtained. Further, each permission signal of the third cylinder is calculated using a value obtained by adding 240 ° to the assumed crank angle. The value obtained by adding 120 ° to the assumed crank angle is shown in No. 16 of FIG. If sent to the 2-cylinder control unit, No. Control is possible with exactly the same logic as the one-cylinder control unit. Similarly, the value obtained by adding 240 ° to the crank angle is shown in No. 16 of FIG. Send to 3-cylinder controller.
FIG. 19 is a logic diagram showing the air-fuel mixture
The required air
A difference from the actually detected pressure sensor detection value is obtained, control compensated, and an air injection amount command value is output. That is, feedback control is performed so that the pressure sensor detection value becomes equal to the mixture chamber pressure command.
FIG. 20 is a logic diagram showing the fuel injector valve
FIG. 21 is a logic diagram showing the air injector valve
本発明の第十二の実施例を第22図に示す。第10図,第15図,第16図と異なるのは、圧力センサ102を廃止し、代わりに吸気パイプ13の途中にエアーフローメータ103を設けたことである。このエンジンを制御するロジックは、圧力センサ検出信号入力以外は第17図と同じでよい。ただし混合気作成制御部203の内容は第23図に示すロジック構成となり、第19図と異なるのは空気圧換算部216の代わりに高圧空気量換算部222を用いたことである。必要空気量計算部215で算出された必要空気量を、高圧空気量換算部218において高圧の空気量に換算する。このとき高圧空気の温度が重要であることは変わりない。算出された高圧空気噴射量指令値とエアーフローメータ検出信号との偏差を制御補償して空気噴射量指令を出力する。すなわちエアーフローメータ検出値が高圧空気噴射量指令値に等しくなるようにフィードバック制御を行うものである。
本実施例の方法によれば混合気室28に流入する空気量を直接計測するので、第10図,第15図,第16図で述べた圧力センサの方式に比べてより精度良く混合気の空燃比を制御することが出来る。
また例え混合気室に排気ガスが残っていたとしても、燃料量に見合っただけの空気量を正確に混合することが出来るので、例えば実施例6で述べた混合気室掃気制御は必要なくなり、制御がより簡単になる。その場合混合気室にあった1気圧の燃焼ガスに上乗せして空気が噴射されるから混合気室の圧力はその分高くなる。A twelfth embodiment of the present invention is shown in FIG. The difference from FIGS. 10, 15 and 16 is that the
According to the method of this embodiment, the amount of air flowing into the air-
Further, even if the exhaust gas remains in the mixture chamber, the amount of air corresponding to the amount of fuel can be accurately mixed. For example, the mixture chamber scavenging control described in the sixth embodiment is not necessary. Control becomes easier. In that case, since the air is injected on the combustion gas of 1 atm that was in the gas mixture chamber, the pressure in the gas mixture chamber is increased accordingly.
本発明の第十三の実施例を第24図に示す。これまでの実施例は往復動ピストンエンジンについて述べたが、本実施例はロータリーエンジンに適用した場合を示す。ロータリーエンジン53はステーショナルギア54の回りをロータ55が回る。従来のロータリーエンジンは上半分の作動室に吸気口、下半分の作動室に排気口があるが、本実施例では吸気圧縮行程がないので、上半分の作動室が往復動ピストンエンジンの第一気筒、下半分の作動室が往復動ピストンエンジンの第二気筒に相当し、それぞれに給気口56と排気口57を設ける。
動作を第25図に示す。第25図(a)の状態が第一気筒の下死点に当たる。ロータ55のA面は排気行程にある。B面にとっては排気が行われると同時に上側作動室に接続する混合気室28では空気インジェクタ14と燃料インジェクタ7が噴射して混合気を作成する作業が状態(c)まで続く。状態(d)で上側作動室の隔離ピストン45が開いてB面に対する混合気注入を行い点火する。状態(e)〜(g)が上側作動室におけるB面の爆発膨張行程である。状態(h)で上側作動室の排気口57が開き、上側作動室の隔離ピストン45はまだ開いたままなので、上側作動室の空気インジェクタ14が噴射して排気ガスを上側作動室の混合気室28内から追い出す掃気行程となる。このあとB面は第25図(a)のA面と同じ状態になって排気行程を続ける。一方、下側作動室では状態(a)から状態(c)の間C面が爆発膨張行程にあり、状態(d)で排気ガスを下側作動室の混合気室28内から追い出す掃気行程となる。状態(e)〜(h)はC面の排気行程であるが、この間下側作動室の隔離ピストン45が閉じて次の燃焼を行うA面に対する混合気作成が行われる。
第25図はロータ55の1/3回転の動作を示したものであり、同様の繰り返しで表示すると24の図で表されるが、次の図はB面をA面に、C面をB面に、A面をC面に読み替えると第25図(a)と同じ図となるので、以後の説明図は省略した。
第25図から分かるように上側作動室と下側作動室は時期がずれて動作しており、ロータ55が1/3回転する間に2回の爆発がある。従来のロータリーエンジンではロータ1回転で3回の爆発があるが、このエンジンではロータ1回転で6回爆発することになり、同じ作動室容積なら2倍の出力が得られることになる。
ロータリーエンジンに適用した場合、ロータ先端のアペックスシールが排気口を通過することによりひとりでに開口するので、排気弁が必要なく構造が簡単で安価になるという効果がある。A thirteenth embodiment of the present invention is shown in FIG. Although the embodiment so far described the reciprocating piston engine, this embodiment shows a case where it is applied to a rotary engine. In the
The operation is shown in FIG. The state of FIG. 25 (a) corresponds to the bottom dead center of the first cylinder. The A side of the
FIG. 25 shows the operation of 1/3 rotation of the
As can be seen from FIG. 25, the upper working chamber and the lower working chamber are operating at different timings, and there are two explosions while the
When applied to a rotary engine, the apex seal at the tip of the rotor opens by itself when passing through the exhaust port, so there is an effect that the structure is simple and inexpensive without the need for an exhaust valve.
第26図は本発明の第十四の実施例を示すもので、エンジンの上下に関して対称的な構造とし、給気口56を上下作動室の境目に設けたものである。排気口57の他に逆転用排気口57aを上下作動室に追加して設け、各排気口に排気弁を設けて使う排気口を切り替える方式とした。逆転用排気口57aの排気弁を閉じて排気口57の排気弁を開いた状態とすれば正転、逆に排気口57の排気弁を閉じて逆転用排気口57aの排気弁を開いた状態とすれば逆転方向に運転できる。
以下上記実施例の実施態様の特徴を整理すると以下の通りである。
実施態様1
圧縮空気と燃料を気筒に注入して爆発排気させ、圧縮行程を持たないエンジン。
実施態様2
排気弁および吸気側の弁の動作位相を所定位相だけずらし、逆転する気筒に燃料と圧縮空気を供給して爆発・排気させ、逆転可能なエンジン。
実施態様3
制動時にコンプレッサを動作させて、車体の持つ運動エネルギを空気圧の形で回生蓄積できるエンジン。
実施態様4
停止時に膨張行程にある気筒に圧縮空気と燃料を注入して爆発排気させ、自起動できるエンジン。
実施態様5
低回転においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、従来のアイドル回転以下の領域で必要なトルクを発生できるエンジン。
実施態様6
高回転においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、回転数に依存しない安定なトルクを発生できるエンジン。
実施態様7
高地においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、必要なトルクを発生できるエンジン。
実施態様8
コンプレッサを切り離し可能にして、要求出力が大きいときはコンプレッサ負荷を駆動力に振り向けることに出来るエンジン。
実施態様9
排気浄化のため、二次空気ポンプを用いることなく排気管に新鮮空気を注入できるエンジン。
実施態様10
圧縮比を高く設計してもノッキングの心配ないエンジン。
実施態様11
圧縮空気と燃料を混合した混合気を注入して爆発させる、圧縮行程を持たないロータリーエンジン。
実施態様12
上下作動室にそれぞれ給気口,排気口を設けたロータリーエンジン。
実施態様13
上下作動室にそれぞれ給気口,排気口および逆転用排気口を設けたロータリーエンジン。FIG. 26 shows a fourteenth embodiment of the present invention, in which the structure is symmetrical with respect to the upper and lower sides of the engine, and the
The features of the embodiments of the above examples are summarized as follows.
An engine that does not have a compression stroke by injecting compressed air and fuel into a cylinder to explode.
An engine that can be reversed by shifting the operating phase of the exhaust valve and the valve on the intake side by a predetermined phase and supplying fuel and compressed air to the reversing cylinder for explosion and exhaust.
An engine that operates a compressor during braking to regenerate and accumulate the kinetic energy of the vehicle body in the form of air pressure.
An engine that can be self-started by injecting compressed air and fuel into a cylinder that is in the expansion stroke when it is stopped.
An engine capable of generating the required torque in the region below conventional idle rotation by injecting compressed air and fuel that can provide stable combustion even at low revolutions into a cylinder for explosive exhaust.
An engine that can generate stable torque that does not depend on the rotational speed by injecting compressed air and fuel that can provide stable combustion even at high speeds into a cylinder for explosive exhaust.
An engine that can generate the required torque by injecting compressed air and fuel that can be stably burned in high altitude into a cylinder to explode.
An engine that allows the compressor to be disconnected and redirects the compressor load to the driving force when the required output is large.
Embodiment 9
An engine that can inject fresh air into the exhaust pipe without using a secondary air pump for exhaust purification.
An engine that does not worry about knocking even when designed with a high compression ratio.
A rotary engine that does not have a compression stroke and that explodes by injecting a mixture of compressed air and fuel.
Rotary engine with air supply and exhaust ports in the upper and lower working chambers.
A rotary engine with an air supply port, exhaust port, and reverse exhaust port in the upper and lower working chambers.
本発明は、自動車や船舶あるいは芝刈り機等々に使用される原動機(可燃性気体を爆発,燃焼させ、出力を発生する)に使用することができる。
燃料を混合しないで、且つ燃焼を伴わない場合は、空気圧アクチュエータとして利用できる。INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a motor (used to explode and burn a combustible gas and generate an output) used in automobiles, ships, lawn mowers, and the like.
When fuel is not mixed and combustion is not involved, it can be used as a pneumatic actuator.
Claims (20)
燃焼室に作動的に関係付けられた作動子と、
燃焼室を排気通路と連通したり、遮断したりする排気弁と、
前記作動子が排気工程の上死点前における特定の位置に到達したとき、高圧燃焼流体を前記燃焼室に供給する燃焼流体供給装置とを備え、
前記燃焼室に供給された燃焼流体を爆発,燃焼させて前記作動子を動作させることを特徴とする原動機。A combustion chamber;
An actuator operatively associated with the combustion chamber;
An exhaust valve for communicating or blocking the combustion chamber with the exhaust passage;
A combustion fluid supply device that supplies high-pressure combustion fluid to the combustion chamber when the actuator reaches a specific position before top dead center of the exhaust process;
A prime mover that explodes and burns combustion fluid supplied to the combustion chamber to operate the actuator.
前記原動機の惰性運転時に当該原動機の作動子に連結されるコンプレッサを備え、当該コンプレッサによって前記圧縮空気を得るように構成した原動機。In a prime mover that supplies compressed air and fuel to a combustion chamber to explode and exhaust, drives an actuator provided in association with the combustion chamber to obtain a reciprocating motion or a rotational motion output,
A prime mover comprising a compressor connected to an actuator of the prime mover during inertial operation of the prime mover and configured to obtain the compressed air by the compressor.
前記燃焼室に隣接して設けられた高圧流体作動室と、
当該高圧作動流体室にあって、前記燃焼室と混合気室とを連通遮断する開閉部材と、
当該開閉部材を前記作動子の位置に応じて開閉する開閉機構とを備えた原動機。In a prime mover that supplies compressed air and fuel to a combustion chamber to explode and exhaust, and drives an actuator provided in association with the combustion chamber to obtain a reciprocating motion output or a rotational motion output.
A high-pressure fluid working chamber provided adjacent to the combustion chamber;
An open / close member in the high-pressure working fluid chamber, wherein the combustion chamber and the gas mixture chamber are disconnected from each other;
A prime mover comprising: an opening / closing mechanism that opens and closes the opening / closing member according to the position of the actuator.
前記開閉部材が前記カムで駆動される内開きの流体供給弁である原動機。In Claim 13, the opening and closing mechanism is constituted by a cam that operates in association with the movement of the actuator,
A prime mover in which the opening and closing member is an inwardly opening fluid supply valve driven by the cam.
前記開閉部材が前記カムで駆動される内開きの流体供給弁で構成され、
さらに、前記高圧作動流体室には前記作動子の動きに関連して動作する別のカム機構で駆動されるピストンが設けられており、前記高圧作動流体室の高圧作動流体が当該ピストンにより、前記流体供給弁の開弁タイミングに同期して前記燃焼室に押し出す原動機。In Claim 13, the opening and closing mechanism is constituted by a cam that operates in association with the movement of the actuator,
The opening / closing member is constituted by an inwardly opening fluid supply valve driven by the cam;
Further, the high pressure working fluid chamber is provided with a piston driven by another cam mechanism that operates in association with the movement of the actuator, and the high pressure working fluid in the high pressure working fluid chamber is A prime mover that pushes into the combustion chamber in synchronization with the opening timing of the fluid supply valve.
前記開閉機構が前記ピストンを始動初期に開位置に付勢するパイロット機構として動作するカムを備えている
原動機。The open / close member according to claim 13 is configured by a piston biased to an open position by the high-pressure working fluid supplied to the high-pressure working fluid chamber and biased to a closed position by a spring,
A prime mover provided with a cam that operates as a pilot mechanism in which the opening / closing mechanism biases the piston to an open position in the initial stage of starting.
前記可動子が下死点位置から上死点位置に向けて移動するタイミングに同期して開く排気弁を備えた原動機において、
特定の運転状態において、前記排気弁を開いた状態で前記高圧作動流体を前記燃焼室に供給する
ことを特徴とする原動機。Compressed air and fuel are supplied to the combustion chamber to explode and burn, and the actuator provided in association with the combustion chamber is driven from the top dead center position to the bottom dead center position to obtain reciprocating motion output or rotational motion output,
In the prime mover provided with an exhaust valve that opens in synchronization with the timing when the mover moves from the bottom dead center position toward the top dead center position,
A prime mover that supplies the high-pressure working fluid to the combustion chamber with the exhaust valve open in a specific operation state.
前記燃焼室に供給される圧縮空気の圧力を調整するか若しくは、前記燃焼室に供給される前記圧縮空気の供給タイミングを調整して圧縮比を制御する原動機。In a prime mover for supplying reciprocating motion output or rotational motion output by supplying compressed air and fuel to a combustion chamber to explode combustion and driving an actuator provided in association with the combustion chamber from a top dead center position to a bottom dead center position ,
A prime mover that controls a compression ratio by adjusting a pressure of compressed air supplied to the combustion chamber or adjusting a supply timing of the compressed air supplied to the combustion chamber.
前記作動子が1回転する間に一つの燃焼室で2回爆発工程が到来するよう構成したロータリーエンジン。In a rotary engine that supplies air and fuel to a combustion chamber, explodes and burns, and rotates an actuator provided in association with the combustion chamber to obtain output,
A rotary engine configured such that an explosion process occurs twice in one combustion chamber during one rotation of the actuator.
前記作動子の回転方向を切換える切換え機構を設けたことを特徴とするたロータリーエンジン。In a rotary engine that supplies air and fuel to a combustion chamber, explodes and burns, and rotates an actuator provided in association with the combustion chamber to obtain output,
A rotary engine comprising a switching mechanism for switching the rotation direction of the operating element.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2003/014017 WO2005042942A1 (en) | 2003-10-31 | 2003-10-31 | Prime mover |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008162664A Division JP2008291847A (en) | 2008-06-23 | 2008-06-23 | Prime mover |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2005042942A1 true JPWO2005042942A1 (en) | 2007-04-12 |
Family
ID=34532061
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005510144A Pending JPWO2005042942A1 (en) | 2003-10-31 | 2003-10-31 | Prime mover |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPWO2005042942A1 (en) |
AU (1) | AU2003304524A1 (en) |
WO (1) | WO2005042942A1 (en) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008156897A2 (en) * | 2007-04-05 | 2008-12-24 | Raytheon Sarcos, Llc | Rapid-fire rapid-response power conversion system |
DE102007046819B4 (en) | 2007-09-29 | 2016-12-01 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Method and device for starting a direct-injection internal combustion engine and motor vehicle |
JP5343087B2 (en) * | 2007-12-21 | 2013-11-13 | メタ モトーレン− ウント エネルギー−テクニック ゲーエムベーハー | Method of operating internal combustion engine and internal combustion engine |
CN101769199A (en) * | 2008-12-30 | 2010-07-07 | 刘邦健 | Uncompressed stroke internal-combustion engine with independent gas supply |
CA2771359A1 (en) * | 2010-03-15 | 2011-09-22 | Scuderi Group, Llc | Split-cycle engine having a crossover expansion valve for load control |
US8833315B2 (en) | 2010-09-29 | 2014-09-16 | Scuderi Group, Inc. | Crossover passage sizing for split-cycle engine |
EP3247893B1 (en) | 2014-12-29 | 2021-05-19 | Bunjes, Douglas David | Internal combustion engine, combustion systems, and related methods and control methods and systems |
KR102172165B1 (en) * | 2015-06-18 | 2020-10-30 | 한국조선해양 주식회사 | Engine including knocking control system and knock controlling method of engine |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5225909A (en) * | 1975-08-21 | 1977-02-26 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Regenerative cycle diesel engine |
JPS5960034A (en) * | 1982-09-30 | 1984-04-05 | Nec Home Electronics Ltd | Internal combustion engine |
US4715326A (en) * | 1986-09-08 | 1987-12-29 | Southwest Research Institute | Multicylinder catalytic engine |
JPH04209933A (en) * | 1990-09-04 | 1992-07-31 | Jinichi Nishiwaki | Piston type engine |
JPH10246116A (en) * | 1997-02-28 | 1998-09-14 | Shigeru Kawakami | Two-cycle engine operating compression stroke outside of cylinder |
-
2003
- 2003-10-31 JP JP2005510144A patent/JPWO2005042942A1/en active Pending
- 2003-10-31 AU AU2003304524A patent/AU2003304524A1/en not_active Abandoned
- 2003-10-31 WO PCT/JP2003/014017 patent/WO2005042942A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU2003304524A1 (en) | 2005-05-19 |
WO2005042942A1 (en) | 2005-05-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7954462B2 (en) | Split-cycle air hybrid engine | |
US8596230B2 (en) | Hydraulic internal combustion engines | |
US8997488B2 (en) | Turbocharged reciprocating piston engine having a connected pressure tank for bridging turbo lag, and method for operating said engine | |
JP2008180235A (en) | High efficiency engine with variable compression ratio and charge | |
KR20140024390A (en) | Split cycle phase variable reciprocating piston spark ignition engine | |
CN103328775B (en) | There is quartastroke engine and the method for VVT | |
CN103670753A (en) | Spark-ignition direct injection engine | |
US20120174881A1 (en) | Full expansion internal combustion engine | |
US7124717B2 (en) | Method and device for operating an internal combustion engine | |
WO2011055118A1 (en) | A two-stroke internal combustion engine with variable compression ratio and an exhaust port shutter and a method of operating such an engine | |
WO2006051299A1 (en) | A pressure-charged gasoline internal combustion engine | |
JPH05179986A (en) | Method of operating internal combustion engine | |
JP7288433B2 (en) | How a gas engine works | |
US11136916B1 (en) | Direct torque control, piston engine | |
JPWO2005042942A1 (en) | Prime mover | |
US8973539B2 (en) | Full expansion internal combustion engine | |
JP5744862B2 (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A SEPARATE COMBUSTION CHAMBER AND METHOD FOR REALIZING AND CONTROLLING SELF-IGNITION IN THE SEPARATION COMBUSTION CHAM | |
JP2008291847A (en) | Prime mover | |
US11149628B2 (en) | Internal combustion engines | |
US20190203633A1 (en) | Split-cycle engine | |
US10393011B1 (en) | Method of operating an internal combustion engine utilizing heat in engine cycles | |
RU2243386C2 (en) | Internal combustion engine (versions) | |
RU2244138C2 (en) | Internal combustion engine (versions) | |
RU2191910C2 (en) | Internal combustion engine | |
EP3385523A1 (en) | Internal combustion engines |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080422 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080623 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080902 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090106 |