WO2007004260A1 - 排ガス迂回制御機構を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン効率、燃費を向上させると同時に、排気ガスの残留黒煙濃度を減少させた内燃機関を提供する。 【解決手段】各気筒のシリンダ排気管の側壁に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を共通の迂回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御室を介して連通させる。これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる大気の縮爆圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管内の加圧排ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出させて排気抵抗を吸収する。他方、迂回制御室の余剰圧力ガスの一部を他の通気路を介して他のシリンダ排気管に送り出し全体の迂回過程で排ガスの燃料と空気を均一に混合させて再燃焼させることにより完全燃焼させる。

Description

明 細 書

排ガス迂回制御機構を有する内燃機関

技術分野

[0001] 本発明は複数の気筒を備えたディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスエンジン などの内燃機関の改良に関し、特に、燃焼排ガスの放出を円滑にしてエンジン効率 を向上させるとともに、排気ガス中の残留黒煙濃度を飛躍的に減少させた内燃機関 に関する。

背景技術

[0002] 複数の気筒を備え、シリンダ内の燃料爆発力を利用する内燃機関は古くからディー ゼル車、ガソリン車、プロパン車などのエンジンとして広く使用されている。

この種の内燃機関は各々の気筒に設けた独自のシリンダ排気管を共通排気噴射筒 に連通させて車両の後方へ延長させ、所定のタイムラグで各気筒から次々と噴射さ れる爆発排気ガスを大気中に放出して 、る。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] この場合、各シリンダ排気管に放出される燃料の爆発排気ガスが爆発的な強い圧力 で排気筒カゝら噴射されると、その反動で爆発噴射直後に周囲の大気が縮爆によって 急激に中心に圧縮され、その影響で圧力気体が排気筒内に逆流して排気中のシリ ンダ排気管の排気抵抗が高まり、エンジンの円滑な作動が干渉される。このため、単 位時間当りの回転数に制約を受けるなど、エンジン効率に問題がある。

特に、ディーゼルエンジンは燃料圧縮比が大き 、ことから爆発力が強!、ため縮爆の 影響がより大きぐ通常走行ではせいぜい 3000回転 Zmin程度が限度である。

[0004] ここでいう「縮爆」とは爆発によって流体が外側に向けて押し出された直後に、押し 拡げられた流体がその反動として元のエリアに一気に (爆発的に)縮合する現象を意 味する。

[0005] 他方、内燃機関は時により燃料の不完全燃焼により黒煙などの有害ガスを多く放出 することもあり、特にディーゼルエンジンでは黒煙や Noxの放出は環境汚染の面で社 会問題になっている。

[0006] 従って、本発明の第 1の目的は、排気ガスの噴射の反動として生ずる縮爆 (インプロ 一ジョン）に起因する排気干渉を抑制することによってエンジン効率を向上させること にある。

[0007] 本発明の第 2の目的は、高圧シリンダ排気管に噴射された不完全燃焼排ガスの一 部を他の低圧時のシリンダ排気管に迂回させて次の爆発時の高温排気ガスで燃焼 させるとともに、迂回の過程で空気と燃料が均一に混合した状態で燃焼させることに より黒煙などの不完全燃焼排ガスの放出を抑制することを目的とする。

[0008] 本発明の第 3の目的は、特にディーゼルエンジンの燃費を向上させることにある。

[0009] 本発明の他の目的は、排気ガスの窒素酸ィ匕物 (Nox)を減少させることにある。

課題を解決するための手段

[0010] 上記第 1乃至第 3の目的を同時に達成するために、本発明の内燃機関は、所定のタ ィムラグをもってピストン作動する複数のエンジン気筒と各エンジン気筒の排気管に 通ずる共通の排気筒を装備した内燃機関において、エンジン本体の各気筒のシリン ダ排気管に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を共通の迂 回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御室を介して 連通させ、これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる排気筒からの大気の縮爆 圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管内の加圧排 ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出されるとともに、迂回制御室の余剰 圧力ガスの一部が他の通気路を介して低圧時のシリンダ排気管に送り出される構成 としたことを特徴とする。

[0011] 本発明の内燃機関の製作にあたっては、好ましくは、エンジン本体の各気筒排気 口に連通する各々のシリンダ排気管と、各排気管力 分岐した通気路と、各々の通 気路に連通する共通の迂回制御室と、各々の各シリンダ排気管に連通する共通の 排気筒接続口とを一体のケーシング内に形成し、このケーシングの各シリンダ排気管 と各気筒排気口が連通するようにしてエンジン本体に結合してもよ 、。

[0012] 前記迂回制御室に逆止弁を有する空気注入手段を設け、該迂回制御室の排ガス に酸素を供給してもよい。 [0013] 前記他の目的を達成するために、迂回制御室に逆止弁を有するアルカリ成分注入 手段を設け、アルカリ成分で排ガス中の窒素酸ィ匕物を除去するようにしてもよい。 発明の効果

[0014] 本発明の内燃機関は、爆発排ガスの噴射直後に、排気筒排気口周囲の気体の縮 爆によって生ずる圧縮気体力排気中のシリンダ排気管に入り込むと、抵抗圧を受け たシリンダ排気管の排ガスの一部が通気路を通って共通の迂回制御室に流れる。こ のため、排気管の排ガスには縮爆の抵抗がカゝからずスムーズに放出されるのでェン ジン回転速度が上昇する。その結果、車の高速化、燃費の改善などのエンジン効率 が著しく向上するほか、噴射と縮爆によるマフラーや排気管の振動が抑制される。

[0015] 他方、前記噴射シリンダ排気管の排ガスの一部を受け入れた迂回制御室の排ガス は圧力上昇によりその一部がその時点の低圧シリンダ排気管に迂回されて滞留して いるが、排ガスが不完全燃焼の場合は当該シリンダ排気管に次工程の高温高圧排 ガスが噴射されると滞留して 、た前記排ガス力 高温高圧排ガスの熱によって再燃 焼して放出されるので不完全燃焼による黒煙の排出が減少する。

[0016] エンジンの各気筒は、時間差をおいて、燃料吸引工程、圧縮工程、爆発工程、排 気工程が次々と瞬間的に連続して行われる。黒煙の主たる原因は空気と燃料の混合 不良によるが、本発明は、シリンダ排気管、通気路及び迂回制御室をめぐる迂回排 ガスの流れがルートを変えて高速で連続して行われるので、迂回の過程で不完全燃 焼ガス中の空気と燃料が均一に混合される。このため、迂回制御室力ゝらシリンダ排気 管に迂回された排ガスは不完全燃焼の原因が除去されており黒煙が発生しないので 排ガス抵抗の抑制と相俟って一石二鳥の効果がある。

[0017] さらに、前記迂回制御室に空気注入手段を設けた場合は排ガスに酸素が供給され 、不完全燃焼がさらに改善される。

[0018] また、前記迂回制御室にアルカリ成分添加手段を設けておくと、排ガスが高温で完 全燃焼した場合に、排ガス中の Noxを中和させ、排ガス中の Nox含有率を改善させる ことができる。

[0019] 本発明はディーゼルエンジン、ガソリンエンジンあるいはガスエンジンなどの内燃機 関のいずれにも適用することとができる力 特にディーゼルエンジンに使用したときに 顕著なエンジン効率の向上が得られる。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明の実施例を添付の図面に基づいて説明する。

図 1は車のエンジンに本発明を適用した内燃機関 1の概略構成を示すもので、この 内燃機関 1は所定の時間差をもって燃料の吸入、圧縮、爆発、排気のエンジン工程 を行う気筒 2a、 2b、 2c、 2dを備えた 4気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体 2を例 示している。

図は省略したが、各々の気筒 2a、 2b、 2c、 2dには内部軸方向にピストンが往復摺動 可能に挿入されている。これらのピストンの先端はエンジンクランクシャフトに連結さ れており、時間差をもって爆発する各気筒のピストンの往復運動によりエンジンクラン クシャフトを回転させ所定の出力が得られるようになって!/、る。

エンジン本体 2の各気筒 2a、 2b、 2c、 2dは各々独自のシリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dを備えており、これらシリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dは車両（図は省略)の後方に 向けて延びる共通の排気筒 4に連通させ、各シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dの爆発 燃焼排ガスを逐次外気へ噴射状に放出される (外向き矢印参照)。

なお、符号 5はマフラーである。

[0021] このような内燃機関において、本発明はエンジン本体 2の各気筒 2a、 2b、 2c、 2dの シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dの排気口付近の側壁に各々細い通気路 6a、 6b、 6c 、 6dの一端側を内部と連通させるとともに、これら通気路 6a、 6b、 6c、 6dの各々の他 端を、別途装備した共通の迂回制御室 7に連通させてある。

[0022] 通気路 6a、 6b、 6c、 6dはシリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dの内径の約 3分の 1力も 3 分の 2程度の内径が適しており、細過ぎると通気路の通りが悪くなり、太過ぎると排気 のバランス等が悪くなる。また、図 1の実施例では、通気路 6a、 6b、 6c、 6dは、好まし くはステンレスパイプを用いて両端を各シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dの側壁と迂回 制御室 7の壁に固定する。

力くして、各々のシリンダ 気管 3a、 3b、 3c、 3dは各自の通気路 6a、 6b、 6c、 6dと 迂回制御室 7を介して連通して 、る。

[0023] 図 2及び図 3は、本発明の他の実施例を示すもので、この実施例では各シリンダ排 気管 3a、 3b、 3c、 3dと、これら排気管 3a、 3b、 3c、 3dからそれぞれ分岐した通気路 6a、 6b、 6c、 6dと、共通の迂回制御室 7と、各排気管 3a、 3b、 3c、 3dに連通する排 気筒 4の排気口 11とを共通のケーシング 10内に組み込み、このケーシング 10を、各 気筒 2aゝ 2bゝ 2cゝ 2dと各シリンダ 気管 3aゝ 3bゝ 3cゝ 3d力 S連通するようにしてェンジ ン本体 2に一体に結合して、各シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dを前記通気路 6a、 6b 、 6c、 6dと共通迂回制御室 7を介して連通させたものである。

[0024] 図 2、図 3の実施例は図 1実施例の変更例であり、発明の原理技術思想及び作用 効果には共通性がある力 部品点数が少なくて済み、一体としてコンパクトにェンジ ン本体 2に取り付けることができる点で、製造上の利点がある。

なお、図 2、図 3において、実線矢印は爆発排気ガスの流れ、点線矢印は縮爆によ る気体の流れを示し、複数の気体の吸入、圧縮、爆発、排気が連続して瞬間的に行 われることを概略的に図示している。

[0025] 次に本発明の内燃機関の作用を説明する。

エンジン本体 2が始動すると各気筒 2a、 2b、 2c、 2dの内部で燃料が時間差を持って 順次爆発し、各シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dから順次排ガスが爆発的に噴射され 排気筒 4から大気中に放出される。このように排ガスが爆発的に放出されるとその直 後に爆発の反動として排ガスで押し開いた外側気体が瞬間的に縮爆し、縮爆圧縮で 生じた圧力が排気筒 4に作用し (内向き矢印参照)、排ガス放出の抵抗力として働く。 このため従来の内燃機関は、各気筒 2a、 2b、 2c、 2dの爆発に伴ってこの現象が連 続的におこるため、排ガスのスムースな流出がされる。したがって、エンジンに無駄な 負荷がかかり、回転数 Z時間が制約される大きな原因となっているとともに、瞬間的 な爆発と縮爆の連続により排気管やマフラーが小さな振幅で激しく振動する原因に なっている。

[0026] 本発明は、各シリンダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dを通気路 6a、 6b、 6c、 6dと迂回制御 室 7を介して連通させてあるので、例えば、エンジン気筒 2aから排ガスが爆発的に噴 射された直後に、大気の縮爆で排気筒 4に圧縮ガスが入り込みエンジン気筒 2aの内 圧が上昇するとシリンダ排気管 3aの加圧ガスの一部が通気路 6aを介して瞬間的に 迂回制御室 7へ流れ、排気筒 4の圧力が吸収される。他のシリンダ排気管 3b、 3c、 3 dに爆発噴射工程が移行した場合も同様に加圧排ガスは通気路 6b、 6c、 6dから迂 回制御室 7へ流れ、排気筒 4の圧力が吸収される。

[0027] 力べして、シリンダ排気管及び排気筒 4は縮爆による抵抗が生じないので、各シリン ダ排気管 3a、 3b、 3c、 3dの排ガスはスムースに排出され、エンジン回転数が増大し

、エンジン効率が高まる。

[0028] 他方、迂回制御室 7の内部圧が高くなつた状態でシリンダ排気管 3aの排ガスが迂回 制御室 7へ流れると、迂回制御室 7の排ガスの一部は他の低圧状態 (例えば吸気ェ 程）のシリンダ排気管 3b、 3cある 、は 3dに押し出される。

迂回制御室 7から通気路を介してシリンダ排気管へ迂回された排ガスが不完全燃焼 ガスである場合は、排ガス迂回先のシリンダ排気管から燃焼排ガスが噴射されると通 気路を介してそこに流出していた不完全燃焼ガスは噴射ガスの高温で再燃焼して排 気筒 4から放出される。従って、排ガスの完全燃焼あるいは再燃焼により、黒煙等の 有害物質の放出が抑制される。この場合、シリンダ排気管カゝら迂回制御室 7へ流入し 、迂回制御室 7から各シリンダ排気管に供給される排ガスは迂回の過程で空気と燃 料が均一に混合されているので完全燃焼し、黒煙の発生がなくなる。

[0029] 図 4は本発明の他の実施例を示すもので、この実施例では迂回制御室 7に、制御 室側に開く逆止弁 8を備えた空気 (酸素）注入手段 9が設けられる。このため、迂回制 御室 7の排ガスに酸素が補給されることにより通気路を通して迂回された排ガスの完 全燃焼化がより効率的に行われる。

[0030] 図 5のように、燃料が完全燃焼して高温で排出される場合には、迂回制御室 7にァ ルカリ成分注入手段 12から重曹などのアルカリ成分を添加すると、中和で Noxが除 去される。

[0031] 以下に、本発明を車両エンジンに使用した場合の性能、エンジン効率について説明 する。

実験例 1.

実験対象車両 ディーゼル乗用車

車種 日産自動車 (株)製「ブルーバード」（商標)平成 4年製造 搭載エンジン 四サイクル 4気筒ディーゼルエンジン 総排気量 1973cc

エンジン出力 4800回転 Z分 76馬力（新車の時点）

燃費（重油） 約 12kmZリットル

排気ガス中のディーゼル残留黒煙濃度 55%

排気筒の振動 上下、左右に激しい振動が見られた。

上記ディーゼル乗用車の各シリンダ排気管に排気管内径の 3分 1の内径のステンレ ス製通気路を連通させ、エンジン近傍のフレームに別途配置した密閉中空の迂回制 御室に前記各通気路の他端を連通させて図 1実施例の内燃機関の構造に改造した この改造車の走行実験結果は以下の通りである。

エンジン出力 5500回転 Z分

燃費（重油） 約 16kmZリットル

排気ガス中のディーゼル残留黒煙濃度 3%以下（3%以下感知不能） 排気筒の振動 従来の激し 、振動はほとんど認められな 、。

上記の改造エンジンは始動時でも排気筒からはディーゼルエンジン特有の黒煙の放 出が見られず、排気ガスはガソリン車よりも薄い燃焼ガスの色合いであった。

なお、限界までの走行試験は危険が予想されるため断念した力 時速 180km以上 も想定され、ガソリンエンジンを超える異質のエンジンの感があった。

産業上の利用可能性

[0032] 本発明の内燃機関は、エンジン出力、速度、燃費が著しく改善され、エンジン効率 が向上するとともに、完全燃焼が促進され、有害物質の放出が改善される。

特に、ディーゼルエンジンに適用したときにその効果が大きぐディーゼル車のェン ジン効率アップ及び排気規制に貢献できるものである。

図面の簡単な説明

[0033] [図 1]本発明の実施例による内燃機関の概略構成図

[図 2]本発明の他の実施例による内燃機関の概略構成図 (縦断面図）

[図 3]図 2実施例の A— A断面図

[図 4]本発明の他の実施例による内燃機関の概略構成図 [図 5]本発明の他の実施例による内燃機関の概略構成図 符号の説明

1…内燃機関

2···エンジン本体

2a、 2b、 2c、 2d···気筒

3a、 3b、 3c、 3d…シリンダ排気管

4…排気筒

5···マフラー

6a、 6b、 6c、 6d…通気路

7…迂回制御室

8…逆止弁

9…空気注入手段

10…ケーシング

11…排気口

12···アルカリ成分注入手段

Claims

請求の範囲

[1] 所定のタイムラグをもってピストン作動する複数のエンジン気筒と各エンジン気筒の 排気管に通ずる共通の排気筒を装備した内燃機関において、エンジン本体の各気 筒のシリンダ排気管に通気路の一端を連通させるとともに、これら各通気路の他端を 共通の迂回制御室に連通させ、各シリンダ排気管を前記各通気路と共通迂回制御 室を介して連通させ、これにより、爆発排気直後の反作用として生ずる排気筒からの 大気の縮爆圧縮圧力で、他の気筒の爆発工程時に排気工程となるシリンダ排気管 内の加圧排ガスの一部が通気路を介して迂回制御室へ放出されるとともに、迂回制 御室の余剰圧力ガスの一部が他の通気路を介して低圧時のシリンダ排気管に送り出 される構成としたことを特徴とする内燃機関

[2] エンジン本体の各気筒排気口に連通する各々のシリンダ排気管と、各排気管から 分岐した通気路と、各々の通気路に連通する共通の迂回制御室と、各々の各シリン ダ排気管に連通する共通の排気筒接続口とを一体のケーシング内に形成し、このケ 一シングの各シリンダ排気管と各気筒排気口が連通するようにしてエンジン本体に結 合したことを特徴とする請求項 1記載の内燃機関

[3] 前記共通の迂回制御室に、制御室側に開く逆止弁を備えた空気注入手段を設け たことを特徴とする請求項 1又は 2記載の内燃機関

[4] 前記共通の迂回制御室に、制御室側に開く逆止弁を備えたアルカリ成分注入手段 を設けたことを特徴とする請求項 1、 2又は 3記載の内燃機関