(57)【要約】  アトキンソンサイクル実現しようとして容積型機関の排気ポートに圧力回生機を取り付けて排気のエネルギーを回生しようとした場合、４サイクル機関では回生圧を高めようとすると異常燃焼や排気バルブの溶損が発生する。それを、容積型機関として６サイクル機関を用いることにより解決した。本発明による回生機付６サイクル機関は、６サイクル機関と回生機の出力割合を変化させることが可能であるので、この原理を利用して２種類の出力を発生する機関として、また制御性の高い６サイクルガスタービンとして利用できる。当該内燃機関は発電所用から小型の発電機の原動機として、また船舶や車両などの移動体に搭載する機関として燃費の点で優れ、有用である。特にハイブリット方式の車両などの移動体に対して適したものである。なお、本発明に関しては実施許諾の用意がある。
2008020550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積型機関とその排気から回生機により出力を外部に取り出す機関を、回生機付６サイクル機関としたことを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、回生機からの排出ガスを主に掃気ポートに循環させるシステムを備えたことを特徴とした、請求項1の内燃機関。
【請求項３】
６サイクル機関と回生機の間の排気マニホールドを保温材で覆い、断熱化したことを特徴とした、請求項１の内燃機関。
【請求項４】
排気ガスの通過ガス量を変化させる機構を回生機に備え、当該機構により回生圧を変化させることにより、６サイクル機関の出力と回生機からの出力の割合を制御可能とすることを特徴とした、請求項1の内燃機関。
【請求項５】
６サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、かつ排気ポートに回生機であるガスタービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力を取り出すことを特徴とした、請求項１の内燃機関。
【請求項６】
６サイクル機関の出力軸に過給機としての容積型圧縮機と６サイクル機関を再始動可能なモーター発電機を備え、排気ガスタービンを回生機として備え、当該排気ガスタービンにノズルの総面積を変える機構を備えたことを特徴とした、請求項1の内燃機関。
【請求項７】
６サイクル機関と回生機の間の排気ポートに燃焼室を備えたことを特徴とした、請求項1から６の内燃機関。
【請求項８】
請求項1の内燃機関を搭載した移動体であって、６サイクル機関からの出力を駆動輪に伝達する動力伝達機構と、車両を駆動するモーターと、当該モーターの駆動力を駆動輪に伝達する動力伝達機構を備え、回生機の出力軸に発電機を備えたことを特徴とした移動体。
【請求項９】
請求項６の内燃機関を搭載したシリーズ型ハイブリット方式の移動体。
【請求項１０】
６サイクル機関を両側６０度のＷ型６気筒とした、請求項１の内燃機関。
【請求項１１】
６サイクル機関を９０度Ｖ型４気筒とした請求項１の内燃機関、もしくは請求項１０の内燃機関を備え、その回転軸を車両の進行方向に対して横向きに配置した前輪駆動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回生機と組み合わせる容積型内燃機関を６サイクル機関とすることにより、燃費向上を図った複合サイクル内燃機関とその利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
容積型機関の排出ポートに、排気ガスに残る圧力エネルギーを回転動力に変換する容積型のモーターや排気タービンなどを取り付け、動力を外部に取り出すシステムは古くから知られている。最近でもこの回生機を容積膨張機とし、導入されるガス流量を調整する弁を設けた回生装置が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、回生機を取り付けるのに適した容積型機関については触れられていない。以後、このような排気ガスに残る圧力エネルギーを動力に変換する装置を「回生機」と呼び、回生機の入り口圧力となる排気ポートの圧力を「回生圧」と呼ぶ。【０００３】
一般的なものではないが、（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の６行程で１サイクルを完了する内燃機関は「掃気エンジン」として知られている（例えば、特許文献２参照）。このうち排気ポートが１つの本文献に言うところの「従来の掃気エンジン」を以下「６サイクル機関」と呼ぶ。【０００４】
第５行程を（５）水噴射膨張行程に変えた６サイクルディーゼル機関に回生機としての排気タービンを備えた機関は知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし排気ポートの圧力は吸気ポートの圧力と等しい圧力であり（同文献第２図参照）、回生圧を高めてより多くの排気の圧力エネルギーを回生しようとする記述も示唆もない。【０００５】
容積形内の燃機関である往復ピストン機関を燃焼室として用いるガスタービン機関として、ペスカラサイクル（Ｐｅｓｃａｒａ  Ｃｙｃｌｅ）とよばれる自由ピストン式ガスタービンが知られている。【０００６】
排気タービンのノズルを構成するベーン（ｖａｎｅ） の角度を連続的に変化させ、タービンのノズルの開口面積を変化させ、ガスの通路面積を変えることによりガス量の変化に対応するシステムは知られている（例えば、特許文献４参照）。可変ノズル数タービンは本出願の優先権主張の基礎とした出願により開示している。【０００７】
ハイブリット車両としては、内燃機関の出力を一旦すべて電力に変換し、その電力で車両駆動用モーターを駆動して走行するシリーズハイブリット車両は知られている。内燃機関からの出力で変速機を介して車両を駆動するとともに、その機関の出力軸に直接モーターを接続し、そのモーターをバッテリーからの電力で駆動するパラレルハイブリット車両は知られている（例えば、特許文献５参照）。【０００８】
内燃機関からの出力をプラネタリーで分配し、その出力の一部で車両を駆動するとともに残る部分でモーター兼発電機を駆動して発電し、発電した電力とバッテリーからの電力で駆動輪側に接続した別のモーターを駆動する形式のモーター２つとプラネタリーギヤを用いたトルク分配システムにより、シリーズ型とパラレル型の両者の特性を備えたハイブリット車も知られている（例えば、特許文献６参照）。
【特許文献１】特許３７３９７２５公報
【特許文献２】実開平２−９６４３５公報
【特許文献３】特許２８１９６７６公報
【特許文献４】特開２００１−１２２５２公報  図２
【特許文献５】特許２８５７６６６公報
【特許文献６】特開２００６−２２８９０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常の４サイクル機関では圧縮比で燃焼ガスの膨張比が決まる。圧縮行程で吸気を断熱圧縮し、温度が上昇した状態で燃焼させ、爆発・膨張行程で圧縮比分だけ膨張させて動力としているので、まだ外気の圧力よりかなり高い圧力の時に排気バルブが開き、排気ガスのエネルギーを大気に解放してしまっている。【００１０】
この圧力エネルギーを利用することを意図した、圧縮比より大きな膨張比を持つ内燃機関の発明概念はアトキンソンサイクルの概念であり、古くから知られている。それを吸気バルブのタイミングを変えることにより通常の４サイクル機関に適用しようとしたものが、ミラーサイクルである。しかし、これらの機関は排気量が同一であれば出力低下があり、それに対して往復運動によるフリクションは変わらないので出力に対するフリクション比率が増加する問題が存在した。【００１１】
４サイクル機関では、回生機を取り付け、サイクル効率を向上するために高い回生圧をとろうとすると、異常燃焼や排気バルブの溶損などの問題が発生する。回生圧が低い場合には、排気バルブが開いたときにガスを排気ポートに押し出すことによりシリンダーに残留する排気ガスは断熱膨張し、幾分低温になるのに対して、回生圧が高い場合には排気バルブが開いたときの圧力低下が無いため、高温に維持された排気ガスがピストンの上昇により排気ポートに押し出される。そのため低温のガスに触れる機会を失った排気バルブは溶損を起こす。更に予混合気式の機関の場合では排気行程を終わったときの気筒内には排気ガスがより高温でより多く残留することになるので、異常燃焼が発生し、更には吸気バルブが開いたときに高温の排気ガスが混合気に直接接触し、バックファイヤーが発生してしまう。【００１２】
４サイクル機関では燃焼室周りの冷却は異常燃焼等の発生を抑えながら圧縮比を上げるために必要不可欠で、燃焼エネルギーの多くを冷却損として冷却水に捨てていた。ここで異常燃焼とは、燃焼室内の混合気が局部的にでも高温化した場合に混合気が点火プラグからの火炎の伝播に先立ちその圧力上昇による温度上昇で一気に自己着火を起こし燃焼するノッキングと呼ばれる現象である。異常燃焼が発生すれば本来意図していた燃焼時期より早い時期に一気に燃焼するため、ピストン上死点近傍での燃焼室内の圧力が異常に上昇し、不快なノッキング音の原因となるとともに、ビストンやヘッドなどの部品が損傷し、機関全体の耐久性を著しく低下させる原因となる。しかし排気のエネルギーを回生しようとする場合には、冷却水に捨てられるエネルギーの分、回生可能なエネルギーが減ることになり問題である。【００１３】
そのため、ディーゼル機関で一部行われているような、シリンダーヘッドやピストンヘッドの燃焼室壁面を金属から断熱性の高いセラミックなどに置換する、いわゆる「断熱化」がしばしば試される。ところが、特に排気バルブ周辺に入って来た混合気は燃焼室に残る温高温の燃焼ガスと混合し、更に燃焼壁から熱を受け温度は上昇し、異常燃焼を発生しやすくなっている。そこに「断熱化」を施せば燃焼室全体の混合気の温度が更に上がり、異常燃焼や排気バルブの溶損などが生じやすくなる。４サイクル機関ではこのような「断熱化」を施すことは、異常燃焼等を避けるために圧縮比を下げなければならなくなり、かえって効率が低下するものであった。【００１４】
ガスタービン機関は出力の割合にコンパクトであるという利点があるが、パーシャル燃費が悪く、起動から全開状態となるまでに時間が掛かるという欠点がある。この点を改善する手法として「自由ピストン式ガスタービン」が知られているが、この燃焼室となる容積形機関の部分は２サイクル機関の形態をとっているので、回生圧は掃気圧にほぼ等しく、排気バルブが開いたときに排気ガスは掃気圧まで自由膨張し、一部の圧力エネルギーが開放されてしまう。また過給気を気筒内の燃焼に必要な量以上に送り込む関係から、必然的に予混合式機関とすることはできず、直噴式機関に限定されるものであった。クランクシャフトを持たないため、機関回転数に相当する時間当たりのサイクル数の制御性が悪い欠点と、負荷変動に対しての対応性が悪い欠点があった。【００１５】
排気触媒によっては、酸素濃度が高すぎると窒素酸化物の還元がうまく進まないものがある。この対策としてＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：  排出ガス再循環）システムを用いて積極的に機関の吸気に排気循環ガスを送り込むことが行なわれている。しかし、６サイクル機関で吸気と掃気に均一に循環ガスを混合すると、吸気の中の酸素濃度が下がり燃焼できる燃料が少なくなり出力が下がるのに対して、掃気には新気が混じり触媒を通過する排出ガスは相変わらず酸素過多となる問題がある。【００１６】
多気筒６サイクル機関のシリンダー配置は、一般的には２サイクル機関で使われているシリンダー配置と同じものが利用できる。しかし、３の倍数の気筒数を持つ６サイクル機関は２サイクルの気筒配置では等間隔爆発の機関にならず、乗用車用の機関などとしては利用しにくい。回転数当りの爆発回数の少ない６サイクル機関では６気筒程度が望まれることが多いが、車両などでよく使われているＶ型配置の機関では、等間隔爆発にすると１次の振動が発生する配置しか存在しないので問題である。【００１７】
現在、乗用車ではエンジンを車体前部おいた前輪駆動車両、いわゆるＦＦ車が主流となっているが、これに近年増加してきたハイブリット方式の駆動系を搭載しようとした場合、問題となるのがエンジンやモーターなどの駆動系の幅である。動力伝達系の効率を考慮すれは、モーターをエンジンの回転軸を車体に対して横に搭載したいが、モーター幅の分車体幅を増やさなければならなくなり、車体自体が異なるものになってしまう問題がある。仮に新しい車体とするにしても、小型乗用車にとって１００ｍｍの車体幅の拡大は市場性から致命的である。この問題からハイブリット車は一部の機種に限定されていた。【００１８】
燃費から言えばディーゼル機関とハイブリットシステムとの組み合わせた車両は望まれるところであるが、上記と同様の問題の他、過給機付ディーゼル機関の補機を含めたスペースやトルク特性の問題から、これまで乗用車としては成立しなかった。
【言葉の定義】
【００１９】
本発明及びその説明においては、直噴式機関には、圧縮着火機関と、火花着火機関であって気筒内に燃料噴射弁を備えたものを含む。回生機付容積型機関全体の理論効率が最大となる回生圧を以後、理想回生圧と呼ぶ。ハイブリット車両の概念には電気式のものと油圧式のものを含む意味で解するものとし、この場合には、発電機と記した場合には油圧ポンプ、バッテリーと記した場合には蓄圧器、動力線と記した場合には高圧油路であり、動力を電力に変換すると記した場合には流体を高圧化して圧送することを意味することとする。特許請求の範囲についても同様とする。
【課題を解決するための手段と効果】
【００２０】
本発明の第１の課題解決手段は、容積型機関とその排気から回生機により出力を外部に取り出す機関を、回生機付６サイクル機関としたことを特徴とした内燃機関である。
【００２１】
第１の課題解決手段の効果として、容積型機関を６サイクル機関とすれば、（５）掃気導入、（６）掃気排気の行程により燃焼室や排気バルブが掃気により冷却され、回生圧を高めても排気バルブの溶損等を起こさないし、回生機が熱的に楽になる利点がある。吸気行程を開始時に吸気バルブが開いたときに逆流する可能性のある燃焼室内の気体は掃気であり、回生圧が上がっても温度が低く吸気に触れてもバックファイヤーを起こさない。
【００２２】
また６サイクル機関は燃焼室を内部から冷却できるので、「断熱化」した場合でも異常燃焼は発生しにくい。そのため従来では冷却水に捨てられていた燃焼エネルギーを回生機で動力に変換することが出来、回生効率が向上する利点がある。
【００２３】
本発明の第２の課題解決手段は、吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、回生機からの排出ガスを主に掃気ポートに循環させるシステムを備えたことを特徴とした、第１の題解決手段による内燃機関である。
【００２４】
第２の課題解決手段は、吸気の中の酸素濃度を下げずに触媒を通過する排出ガスの酸素濃度を下げ、触媒の還元作用を促進する効果がある。直噴式６サイクル機関では掃気と吸気のポートを共通として、共に新気を供給して行なう方法もあるが、その場合には排気中の窒素酸化物を除去するために水洗設備など固定設備型の排気ガス浄化システムが必要になるのに対して、排気浄化システムに触媒方式のものが採用でき、小型化できる利点がある。
【００２５】
本発明の第３の課題解決手段は、６サイクル機関と回生機の間の排気マニホールドを保温材で覆い、断熱化したことを特徴とした、第１の課題解決手段による内燃機関である。
【００２６】
第３の課題解決手段は、回生機に供給される排気のエネルギーを無駄に周囲に捨てることが無く、回生出力が向上する利点がある。従来のターボチャージャー付４サイクル機関では排気タービンのジャーナルが熱で損傷しないように、どちらかといえば積極的に排気タービンを冷却し、排気マニホールドも直接外気に触れさせて冷却していた。しかし、６サイクル機関では、掃気の存在により排気温度が低いので、排気マニホールドは積極的に保温し、より多くの排気エネルギーを回生機に導くのが機関の総合効率を高める。回生機付６サイクル機関では４サイクル機関より触媒の昇温に時間がかかる傾向があるが、これを短縮する効果もある。排気触媒の昇温にはＥＧＲガスを触媒の周りに通し、保温するのも一手法である。効率の向上のためには更に回生機までの排気ポートも断熱化すべきである。
【００２７】
本発明の第４の課題解決手段は、排気ガスの通過ガス量を変化させる機構を回生機に備え、当該機構により回生圧を変化させることにより、６サイクル機関の出力と回生機からの出力の割合を制御可能とすることを特徴とした、第１の課題解決手段による内燃機関である。
【００２８】
第４の課題解決手段の効果として、２つの負荷に対して動力の配分比を変えて供給したい場合に適した内燃機関を提供する。たとえば、走行用の駆動力とは別に、走行速度とはあまり関係なく農産物の刈り取りや脱穀する機械部分の駆動力を必要とする農業用機械や、推進力とは別に比較的大きな発電機を駆動する必要のある遊覧船のような移動体の動力源として適している。
【００２９】
この原理を説明すると、回生機で多くの出力を取り出せるように回生圧を高くとると、（４）排気行程と（６）掃気排気行程ではシリンダー内のガスを排出するために６サイクル機関は自身の運動エネルギーを消費することになる。また回生圧を高くとると（６）掃気排気行程で燃焼室に残るガス量が増え、その次の（１）吸気行程で吸気ガス量が減り、６サイクル機関の出力トルクが下がる。この二つの効果により、６サイクル機関の出力は回生圧が高いほど低くなるのに対して、回生機の出力は単純に回生圧が高いほど高くなる。本課題解決手段は、この原理を利用して回生圧を制御することにより、６サイクル機関と回生機からの出力の割合を制御するものである。
【００３０】
回生圧を変化させる方法として、回生機として容積型膨張機を用いる場合には、その回転数を変化させることにより行なう。回生機としてガスタービンを用いた場合には、タービンにガスを噴射するノズルの総面積を変化させる方法で行なう。特に可変ノズル数ガスタービンを採用した場合には、コンパクトなガスタービンを回生機として用いながら、負荷変動により排気ガス量の変化する内燃機関に対して、常に高い効率を維持できる利点がある。
【００３１】
本課題解決手段により、６サイクル機関の負荷に関わらずほぼ一定の回生圧とする制御を行なうにより、回生機からの出力が大きくなりすぎるのを防止する効果がある。回生機付６サイクル機関は負荷が大きくなると多くの吸気を導入し、燃料も増えるので、最大圧は上昇する。そのようなときは理想回生圧も上がり、それに対応するために回生機内部での膨張比も上がることになるので回生機からの出力は機関全体の出力増加分以上に増えることになる。それに対して回生圧をほぼ一定とすれば、回生機での膨張比は変化せず、回生機の出力は機関全体の排気ガス量に比例するだけなので、回生機の出力を抑制することができる。回生機からの出力が抑制できれば、回生機の出力を吸収する発電機などを小型化することができ、そのコントローラーや、電力を蓄える蓄電器や、発電した電力を利用するモーターなどの負荷容量も小さくでき、システム全体がコンパクトになる利点となる。
【００３２】
また、自然吸気の６サイクル機関でも理想回生圧は４気圧近くになり、過給機付の６サイクル機関の理想回生圧は更に高い圧力となる。このような圧力を扱う回生機は、容積形膨張機とするとしても、ガスタービンとするとしても多段となりシステムが複雑となる。そこで回生圧を４気圧程度以下の一定の圧とする制御を行なうことで、回生機の単段化が可能となり回生システムを単純化する利点がある。また、全負荷時の回生機を含めた機関の総合効率はやや低下するが、全負荷時の６サイクル機関単体の出力は理想回生圧とした場合より高まる利点と、掃気と吸気のガスの交換効率が高まるので、機関全体の最高出力が高まり、熱的にも楽になる利点がある。
【００３３】
本発明の第５の課題解決手段は、６サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、かつ排気ポートに回生機であるガスタービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力を取り出すことを特徴とした、第１の課題解決手段による内燃機関である。
【００３４】
６サイクル機関の燃焼室の最大圧力に限界があると考えると、過給圧を上げていくほど６サイクル機関の出力割合が減り、回生機での出力割合が増えていく。過給圧を４気圧程度かそれ以上に高くとると、機関の出力のほぼすべてを回生機であるガスタービンから得る内燃機関となる。燃焼室として６サイクル内燃機関を用いたガスタービン機関、すなわち６サイクルガスタービンと言うべきものとなる。以下、本課題解決手段による内燃機関を「６サイクルガスタービン」と呼ぶ。
【００３５】
６サイクルガスタービンは、動力軸回転数が高い利用用途で、コンパクトで制御しやすい原動機となる。発電用に用いれば、出力軸の回転数が高いために発電機の磁束を切る速度が速いので発電電圧を高く取れ、発電機がコンパクトに出来る利点がある。６サイクルガスタービンは過給圧より高い回生圧を設定しているので、自由ピストン型ガスタービンに比較して掃気の量をむやみに増やす必要が無く、かつ排気が熱サイクルの途中で自由膨張することも無いので熱効率が高い。６サイクルガスタービンは吸気ポートに混合気、掃気ポートに新気や循環ガスと、ガスをポートにより分離することができるので、ディーゼル機関のみならず予混合式機関にも用いることが出来る特徴がある。容積形機関部分にクランク軸を持つ６サイクル機関を用いているのでクランク軸を用いた内燃機関型の制御方式を使用することができ、回転数制御や負荷変動に対して制御が容易な特徴を持つ。
【００３６】
容積型機関はピストンの往復運動により慣性振動を発生するため、船舶などの移動体でその出力を直接スクリューなどの駆動軸に伝達すると、出力軸が船体などに固定されるのでその振動が船体に伝播し、乗客に不快を感じさせる。それに対して６サイクルガスタービンの場合は、容積機関である６サイクル機関の出力は過給機や発電機などの補機を駆動するために用いるので、船体などに柔らかいマウントで搭載でき、振動が船体などに伝播しない。回生機の存在により排気音が静かで燃費が良い利点がある。スクリューなどの駆動軸は振動の少ないタービンから直接、もしくは一度発電機により電力に変換してその電力を利用してモーターで回すことができる。そのため客船やハイブリット車などの動力源として燃費と商品性を両立することができるものとなる。
【００３７】
また従来の容積型機関の発電機に比べて排気音が静かで燃費が良く、内部冷却により冷却システムも簡易に出来るので、始動性の高い制御しやすい発電用の原動機として、トレーラーハウスや別荘の電力源や、燃費の良いポータブル発電機としても利用することができるものである。またコンパクトなタービン型圧縮機を用いる場合の１ＭＰａ以下程度のエアーコンプレッサーの動力源としても優れている。
【００３８】
発電機用として６サイクルガスタービンは、小さいものであれば３０ｋＷクラスから、大きなものであれば容積型機関である６サイクル機関を多数設置することにより発電所用の１０ＭＷ以上のクラスまで、従来の内燃機関から置換可能なものである。発電所のような大型のものであれば、通常のガスタービンの効率も高くでき、排出ガスに残る熱エネルギーで蒸気タービンを回す複合サイクルが利用でき、全体効率を高くできるので利用されている。しかし小型の１００ｋＷクラスのものではガスのリークや熱伝導ロスの関係からガスタービン自体の効率を上げるのが難しく、また小さすぎて排熱を利用した複合サイクルの利用も難しいので、４サイクルディーゼル機関などに対して効率の点で劣り、コンパクトな点を生かして非常用の発電機などに利用されている程度である。それに対して６サイクルガスタービンは容積型機関の排気に残る圧力エネルギーを回生機で動力に変換する複合サイクルをコンパクトにまとめたものであり、効率も４サイクルディーゼル機関に勝る。そのため小型のものでも利用のメリットがある。大型のものでは更に排出ガスに残る熱エネルギーで蒸気タービン等を回す排熱回生システムを付加することもでき、従来の火力発電用ガスタービンの燃費向上を図ることができるものとなる。
【００３９】
本発明の第６の課題解決手段は、６サイクル機関の出力軸に過給機としての容積型圧縮機と、６サイクル機関を再始動可能なモーター発電機を備え、排気ガスタービンを回生機として備え、当該排気ガスタービンにノズルの総面積を変える機構を備えたことを特徴とした、第１の課題解決手段による内燃機関である。
【００４０】
第６の課題解決手段による内燃機関は、過給機として６サイクル機関の回転数に比例して回転する容積型圧縮機を備えているので、吸気量は機関の回転数に比例するので過給圧は一定となり、機関回転数にほぼ比例する排気ガスを回生機に送り込む。タービン型の圧縮機の場合では、回転数の自乗に比例する圧が発生し、機関回転数の変化に対して安定した過給圧とするためには、複数の過給機を組み合わせて作動タービンを適宜に選択して使う必要が生じるが、容積型圧縮機の場合には機関と比例する回転数にすることだけで過給圧をほぼ一定に保つことができ、システムの要素数を減らすことのできる利点がある。
【００４１】
当該６サイクル機関部分の出力は、過給機を駆動するためと、高圧の排気ガスを回生機に供給することに用いられる。この場合６サイクル機関は高圧ガス発生装置として捉えることができ、その回転数を制御することにより機関全体の出力を制御することができる。６サイクル機関の回転数を制御する手段としては、制御用コンピュータにより、主として排気タービンのノズル総面積を変化させることにより回生圧を変化させ、更に正確な機関回転数は出力軸に備えたモーター発電機の吸収トルクを制御することにより負荷を変化させることにより行なう。
【００４２】
このように本課題解決手段による内燃機関は、アイドル回転状態など微妙な吸気のコントロールが必要な場合を除いて、基本的にスロットルバルブのような出力制御専用手段を持たずに機関出力を制御することができるのでシンプルであり、スロットルバルブによるポンピングロスが無く効率が良い利点がある。出力の大半を回生機から取り出す６サイクルガスタービンとして用いる場合や、６サイクル機関の出力も含めて発電に用いるときなど、外部から出力を制御しやすいコンパクトで効率の良い機関となる。回生機の存在により排気音も静かで、特にハイブリット車両用の発電部として有利である。
【００４３】
本発明の第７の課題解決手段は、６サイクル機関と回生機の間の排気マニホールドに燃焼室を備えたことを特徴とした、第１から第６の課題解決手段による内燃機関である。
【００４４】
第７の課題解決手段の１つ目の効果は、排気ガスの未燃焼成分を除去し、酸素濃度や温度などの状態を制御可能とする点である。６サイクル機関は掃気行程の存在により排出ガスは酸素過多になりやすい。そこで燃焼自体は多少燃料リッチの状態で運転することになるので、（４）排気行程の排気には未燃焼ガスが残る。ところがこの（４）排気行程の排気と（６）掃気排気行程の排気とは交互に排出されるので排気ポートで混合し未燃焼成分を確実に燃焼させるのは難しく、回生機を通り過ぎて触媒で燃焼することになる。これは触媒の負荷を増やすばかりでなく、触媒温度の異常上昇と燃費の悪化を招く。本課題解決手段は、排気ポートに設置された燃焼室でこの未燃焼ガスを確実に回生機の手前で燃焼させることが出来る。この効果を促進するために、燃焼室を触媒で構成する手段も有効である。燃焼室に燃料供給装置を取り付けることにより、排気が酸素過多になった場合には酸素濃度を下げることできる。６サイクル機関の運転状態を変えずに一時的に排気を還元雰囲気にするなど、触媒の状態をより精密に管理することができる利点がある。また、暖気時に触媒の昇温時間を短縮するために利用することができる。
【００４５】
本課題解決手段の二つ目の効果は、回生機の出力を高めることのできる点である。確実に未燃焼ガスを燃焼させることによっても回生機の出力は向上する。更に、燃料噴射装置により燃料を燃焼室に供給することにより、タービンの限界温度まで排気ガス温度を高め、回生機の出力を上げることが出来る。過給機を備えた回生機付６サイクル機関では、回生圧が高いのでこの燃焼室での燃焼エネルギーを回生機で比較的効率良く動力に変換することができるので、効率の低下は少ない。本目的の類似の公知例として、戦闘機などのジェットエンジンで使われるアフターバーナーの例がある。回生機付６サイクル機関の排気に残る酸素濃度はジェットエンジンの排気ほどは高くないので、それほど著しく出力を上げる効果はないが、掃気をすべて新気とすることにより本効果を最大化することができる。
【００４６】
本発明の第８の課題解決手段は、第１の課題解決手段による内燃機関を搭載した移動体であって、６サイクル機関からの出力を駆動輪に伝達する動力伝達機構と、車両を駆動するモーターと、当該モーターの駆動力を駆動輪に伝達する動力伝達機構を備え、回生機の出力軸に発電機を備えたことを特徴とした移動体である。
【００４７】
第８の課題解決手段による移動体は、６サイクル機関の回生機からの出力を効率よく走行エネルギーとして用いることのできる利点がある。最近はハイブリット車両が増加傾向にあるので、ハイブリット車が元来持っている走行用モーターにこの電力を回せば追加で必要となる部品も少ない利点がある。その場合は発電した電力を一時的にバッテリーに蓄える手法もとることができる。このように本課題解決手段による移動体は、バッテリーなど一部の部品の大型化のみで更に燃費効率の良いハイブリット車両としてのシステムを移動体に取り入れることができるものである。逆に言えば従来のハイブリット車両に対して本課題解決を適用すれば、燃費効率の良い搭載可能なコンパクトな原動機を得ることができる。
【００４８】
本発明の第９の課題解決手段は、請求項６の内燃機関を搭載したシリーズ型ハイブリット方式の移動体である。
【００４９】
第９の課題解決手段による移動体は、機関自体がシンプルで始動性が良く、機関の回転数を変えても効率が良いのでバッテリー容量も少なくて済み、ハイブリットシステム全体が軽く構成できるという利点がある。シリーズハイブリットの特性から、平均速度が遅く加減速の回数の多い、都市バスや配送用小型トラックやタクシーなどに適用すると燃費改善効果が特に大きい。
【００５０】
本発明の第１０の課題解決手段は、６サイクル機関を両側６０度のＷ型６気筒とした、請求項１の内燃機関である。
【００５１】
第１０の課題解決手段による回生機付６サイクル機関は、６気筒という気筒数をもちながら、慣性１次振動の無い１８０度等間隔爆発の機関であり、クランク軸方向にコンパクトな利点がある。車体に対して横置きでも、縦置きでも搭載性が良く、特に排気量２リットルクラス以上の乗用車や小型、中型トラックなどの移動体用の機関として有用である。
【００５２】
本発明の第１１の課題解決手段は、６サイクル機関を９０度Ｖ型４気筒とした請求項１の内燃機関、もしくは請求項１０の内燃機関を備え、その回転軸を車両の進行方向に対して横向きに配置した前輪駆動車両である。
【００５３】
第１１の課題解決手段による車両は、従来の予混合式４サイクル機関を搭載した前輪駆動車両に対して互換可能なハイブリット方式の車両を提供可能な利点がある。従来は搭載不能であったディーゼル機関とハイブリット方式の組み合わせも、過給圧を高め６サイクル機関の部分をコンパクトにすることにより可能となる。本課題解決手段は、２７０度等間隔爆発の９０度Ｖ型の４気筒６サイクル機関や１８０度等間隔爆発の請求項１０の内燃機関が、乗用車等に適した等間隔爆発の機関であり、かつ振動が少なく、エンジン幅が短いことを利用して本課題を解決したものである。V型やＷ型となることにより機関の前後長がやや長くなるが、車両のフロント部を延長する手法がとりうるので従来の前輪駆動車両に対して互換可能となる。このフロント部分の延長はエンジンルームを増大によるハイブリット関係の部品の搭載スペースの確保にもつながり、致命的な欠点とはならない。
【００５４】
このように、本課題解決手段は、世界的に台数の多い小型乗用車で、その中でも主流となっている２リットルクラス以上のエンジン横置きＦＦ車両をハイブリット化することができるものであり、更にはこれをディーゼル化することも可能とするもので、世界の石油消費を削減する上で大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（Ａ）図は、本発明の回生機付６サイクル機関の模式図であり、（B）図は、４サイクルガソリン機関と回生機付６サイクル機関のP−V線図の概念図である。（実施例１）
【図２】本発明の機関のＥＧＲシステムの実施例の模式図である。（実施例２）
【図３】本発明の過給気付機関のＥＧＲシステムの実施例の模式図である。（実施例３）
【図４】本発明の多段の回生機を備えた機関のＥＧＲシステムの模式図である。（実施例４）
【図５】第４の課題解決手段による回生機付６サイクルディーゼル機関の６サイクル機関部分のＰＶ線図である。（実施例５）
【図６】同機関全体のＰＶ線図の模式図である。（Ａ）図はその全体図を示し、（Ｂ）図はその原点近傍の拡大図を示す。（実施例５）
【図７】第４の課題解決手段による第１の実施例の機関の模式図である。（実施例５）
【図８】第４の課題解決手段による第２の実施例の機関の模式図である。（実施例６）
【図９】本発明による６サイクルガスタービンの模式図である。（実施例７）
【図１０】（ａ）図は本発明による排気マニホールドに燃焼室を備えた機関の側面図であり、（ｂ）図はその燃焼室部分の拡大図である。（実施例８）
【図１１】本発明による前輪駆動車両の動力部の４面図である。（実施例９）
【図１２】同  動力部の制御システム図である。（実施例９）
【図１３】本発明によるパラレルハイブリット車両の動力システム図である。（実施例１０）
【図１４】本発明によるＷ型６気筒機関のクランクピン配置図である。（実施例１１）
【符号の説明】
【００５６】
１      ６サイクル機関
１８    直噴インジェクター
２０    シリンダーヘッド
２１    吸気ポート
２２    吸気バルブ
２３    スロットルバルブ
２４    アクセルセンサ
３１    排気ポート
３２    排気バルブ
３５    ウェストゲートバルブ
４１    掃気ポート
４２    掃気バルブ
４３    第２バルブ
４３B    掃気ポートバルブ
５０ａ１〜ｃ２    クランクピン
５１ａ１〜ｃ２    ピストン
５２    回転数センサ
６８    排気センサ
７０    燃焼室
７１    保温材
７２    燃焼室内壁
７３    ガス孔
７５    燃料供給機
８０、８０ｂ  排気マニホールド
９１    アクチュエータ
９４    掃気バルブアクチュエータ
１００  回生機（または排気タービン）
１１１  循環ポート
１１２  冷却機
１５０  補機
１５１  発電機
１５２  補機用減速機
１５３  補機用クラッチ
１５４  補機駆動ベルト
１５５  発電兼用モーター
１８０  変速機
１８１  動力伝達ベルト
２００  過給機
２００ｂ  過給機のガス吸入口
２１０  過給機としての容積型圧縮機
２８０  増速機
３６０  回転アクチュエータ
５２０  変速機
５２２、５２２ｂ  ドライブシャフト
５２５、５２５ｂ  駆動輪
５５０  車両駆動用モーター
５６０  モーター制御機
５６１  動力線
５８０  バッテリー
６１０  制御コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
今回、まだ産業上利用されたことの無い６サイクル機関について研究し、当該機関に回転型の回生機を組み合わせることにより、これまで実用的実施方法が見出せなかったアトキンソンサイクルを、コンパクトで効率良く実施できる複合サイクル機関として実現し、内燃機関の熱サイクル効率を向上させた。
【実施例１】
【００５８】
図１（Ａ）図は、第１の課題解決手段による回生機付４気筒６サイクル機関の上方から見た模式図である。無過給の６サイクル機関１の排気マニホールド８０に回生機である排気タービン１００が取り付けられ、排気に残る圧力を回転エネルギーに変換し、圧力の下がったガスを回生機の下流の排気マニホールド８０ｂから大気に排出する。【００５９】
図１（Ｂ）図は、無過給の４サイクル機関と第１の課題解決手段による機関の圧縮行程と爆発・膨張行程の燃焼室の容積と圧力変化を示すグラフ（以下、ＰＶ線図）である。点線は予混合式４サイクル機関で圧縮比９．５の場合のＰＶ線図である。点Ａ１の高さは大気圧である吸気圧力を、横軸の容積はピストンが下死点時の気筒内容積を示している。ピストンが上昇していく時の断熱圧縮時の容積と圧力の変化が点Ａ１から点Ａ２までの左上がりの曲線で表されている。ビストンが上死点Ａ２に来たとき着火し、燃焼による温度上昇により圧力がＡ３まで上昇する。その後ピストンの下降により今度は断熱膨張して、ピストンが下死点で圧力Ａ４に達し、排気バルブが開くと燃焼室内のガスは大気圧であるＡ１まで自由膨張し開放される。このときのＡ４とＡ１の圧力差が排気バルブを開いたときに自由膨張により未回収のまま開放され捨てられる圧力エネルギーの存在を示している。その後、排気行程、吸気行程を得て再びＡ１に戻り１サイクルが終わる。【００６０】
実線は同一の排気量の回生機付６サイクル機関の圧縮比１２．２の場合のＰＶ線図であり、圧縮行程と爆発・膨張行程と回生機内での膨張行程も含めて表している。４サイクルとの圧縮比の違いは吸気行程終了時のガス温度が、掃気による内部冷却の行なわれる６サイクル機関の方が低いことによる。Ｂ１から圧縮行程が始まる。このとき容積は圧縮比が高い６サイクル機関の方が上死点での容積が小さく、その分圧縮開始時点の容積も小さい。圧縮行程で断熱圧縮されピストンが上死点の位置まで来た時Ｂ２に達する。ここで着火・燃焼し、Ｂ３まで圧力が上昇する。膨張行程で断熱膨張し、ピストンが下死点の位置まで来た時、Ｂ４で排気バルブは開き、ほぼその時の圧を維持したまま６サイクル機関から回生機に送り込まれる。このときのＢ４の圧力を回生圧と呼び、本図実線のようなＰＶ線図をとる場合に理想的なアトキンソンサイクルが実現し、本機関全体の理論効率が最大となるので、このような回生圧を「理想回生圧」と呼んでいる。排気ガスはその後回生機の中で更にＢ５の圧まで断熱膨張して大気圧で放出される。６サイクル機関の方はＢ４の後、排気、掃気導入、掃気排気、吸気の４行程を得て１サイクルを完了する。回生機に送り込まれるガスとしては、排気行程で送り出される排気ガス以外に、掃気排気行程で排出される排気ガスがあるが、サイクル効率を議論する際に６サイクル機関の掃気を圧縮し排出するエネルギーをタービンがすべて回収するとすれば関係がないので、その分は考慮していないグラフとなっている。
【実施例２】
【００６１】
図２は第２の課題解決手段の機関のＥＧＲシステムの模式図である。６サイクル機関の部分の図は本実施例の多気筒機関のシリンダーヘッド２０の１つの燃焼室部分をシリンダー側から見た図である。燃焼室にはポペット型の吸気バルブ２２、掃気バルブ４２、排気バルブ３２の傘の部分と、直噴インジェクター１８のノズル部分が見えている。排気バルブが小さく複数になっているのは、後述する図５の説明にあるように掃気排気のバルブの開くタイミングがＤ８からＤ６までと狭いので、素早く開閉を行なうためである。機関の掃気ポートに排出ガスを循環させるガス通路１１１があり、その通路には冷却器１１２が備えられている。第２バルブ４３で掃気の量を制御し、掃気バルブで掃気に混じる新気の量を制御する。通常、本機関を過給する場合には掃気と吸気のそれぞれに別個の過給気を設ける必要がある。
【実施例３】
【００６２】
図３は第２の課題解決手段の第２の実施例である過給機付の機関のＥＧＲシステムの模式図である。機関の吸気ポートにのみ過給機２００が備えられ、排出ガス圧である掃気ポートの圧より高められている点が異なる。掃気圧が低い分、６サイクル機関内で掃気排気行程で圧縮したのち、排気ポートに押し出される。掃気は圧力が低い分吸気に対してガス重量が減るが、ガスは過給すると断熱圧縮により温度が上昇するのに対して、掃気は新気のままより低い温度で燃焼室内部を冷却することが出来る。掃気専用の過給機が不要となる利点がある。
【実施例４】
【００６３】
図４は第２の課題解決手段による第３の実施例である過給機付の機関の実施例のＥＧＲシステムの模式図である。複数の回生機１００、１００B が直列に備えられ、この２つの回生機の間の排出ガスを循環させるガス通路１１１があり、その通路には冷却器１１２が備えられている。図２や図３の実施例のように回生機内で大気圧まで膨張した排出ガスを冷却し、再度過給して使用するのが熱サイクル効率からは最善の方法であるが、掃気も過給することを望む場合に掃気専用の過給機を省略することができ、循環ガスの圧が高い分冷却温度が高くても効果があるので冷却器を小さくすることができる利点がある。大気圧で冷却した排出ガスを再度圧縮する場合は、断熱圧縮による温度上昇が起こるので、大気圧で循環ガスを冷却するにはその分充分に冷却する必要があるからである。搭載スペースの少ない車両などの移動体に搭載する機関のＥＧＲシステムとして適したものとなる。この掃気の圧は必ずしも吸気の過給圧と同じ圧とする必要は無いが、本実施例では掃気バルブ４３Bを開けたときに新気が掃気に導入できるようにするために、吸気圧の方を高くしている。
【実施例５】
【００６４】
図５は、第４の課題解決手段による過給機と回生機を備えた６サイクルディーゼル機関の４気圧で過給した６サイクル機関単独のＰＶ線図であり、回生圧の違いによる６サイクル機関単独の出力の変化を説明している。実線は理想回生圧を用いた場合の６サイクル機関単独のＰＶ線図であり、点線は回生圧を理想回生圧より低くしたときのＰＶ線図である。過給圧であるＤ１から圧縮行程が始まり、圧縮行程で断熱圧縮されピストンが上死点の位置まで来た時Ｄ２に達する。ここで燃焼室内に噴射した燃料を燃焼させると、燃焼熱により温度が上昇しＤ３まで圧力が上昇する。膨張行程に入っても燃料を燃焼室内部に吹き込むことにより燃焼は継続し、Ｄ３ｂで燃焼が完了する。燃焼では回生圧が低い方が新気との交換効率が高いのでガス温度が低く、より多くの燃料を燃焼させることができ、実際は圧力上昇をもっと大きく出来るのであるが、ここでは判りやすくするために爆発・膨張行程での圧を同一としている。膨張行程で断熱膨張し、Ｄ４まで膨張したときに排気バルブが開く。【００６５】
その後は実線と点線のＰＶ線図で異なるが、まず実線の理想回生圧の場合で説明する。理想回生圧の場合、排気バルブが開いても燃焼室内の圧力は変わらず、ピストンは理想回生圧で排気ガスを押し出し上死点でＤ６に達する。ここからピストンが下降を始めてややおいてＤ７で掃気バルブを開く。上死点で燃焼室に残るガスの圧力は回生圧であり、掃気圧より高いので、上死点でバルブを開けると燃焼室内の排気が掃気ポートに逆流してしまう。そのため、燃焼室内で膨張させた方が効率も良く騒音も少ない。掃気が燃焼室に導入され、ピストンが下死点に達したところＤ１で掃気導入行程は完了し、掃気バルブを閉じ、導入された掃気を圧縮し始める。Ｄ８で再び排気バルブを開け、掃気を排気ポートに押し出す。ここからピストンは上死点まで回生圧で掃気を押し出しＤ６に達すると掃気排気行程は終わり、排気バルブを閉じる。ここからピストンが下降を始めてややおいてＤ７で吸気バルブを開き、吸気を導入しピストンが下死点に達したところＤ１で吸気行程は完了し、吸気バルブを閉じ１サイクルが完了する。【００６６】
Ｄ１、Ｄ８、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３ｂ、Ｄ４で囲まれた面積が、６サイクル機関の圧縮行程と爆発・膨張行程で燃焼ガスから機関の回転力に変換されるエネルギーを示している。しかし、排気行程と掃気導入行程では排気を押し出すために、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ１で囲まれた面積のエネルギーが機関の回転力から持ち出される。更に掃気排気行程と吸気行程で、Ｄ１、Ｄ８、Ｄ６、Ｄ７を結ぶ実線で囲まれた面積のエネルギーが持ち出される。共通部分の面積を消去すると、６サイクル機関の１サイクルで出力可能なエネルギーは、Ｄ４、Ｄ８、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３ｂの実線で囲まれた面積からＤ１、Ｄ８、Ｄ６、Ｄ７を結ぶ実線で囲まれた面積の２倍の面積を差し引いたものとなる。【００６７】
点線は理想回生圧に対して回生圧を半分の圧力とした場合である。排気バルブが開くと燃焼室内の圧力はＤ４点から回生圧Ｄ５まで自由膨張により低下し、ここからピストンは回生圧で排気ガスを押し出し上死点でＤ６ｂに達する。ここで排気バルブを閉じ、ピストンが下降を始めてややおいてＤ７ｂで掃気バルブを開く。ピストンが下死点に達したところＤ1で掃気導入行程は完了し、掃気バルブを閉じ、掃気を圧縮し始め、Ｄ８ｂで再び排気バルブを開け、掃気を排気ポートに押し出す。ここからピストンは上死点まで回生圧で掃気を押し出しＤ６ｂに達する。ここからピストンが下降を始めてややおいてＤ７ｂで吸気バルブを開き、ピストンが下死点に達したところＤ１で吸気行程は完了し、吸気バルブを閉じ１サイクルが終わる。【００６８】
このときの６サイクル機関の１サイクルで出力されるエネルギーは、Ｄ５、Ｄ８ｂ、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３ｂ、Ｄ４、Ｄ５を結ぶ実線と点線で囲まれた面積からＤ１、Ｄ８ｂ、Ｄ６ｂ、Ｄ７ｂを結ぶ実線と点線で囲まれた面積の２倍の面積を差し引いたものとなる。本図の場合で計算すると回生圧を半分とした場合の方が、６サイクル機関単体の出力は３５％上昇している。実際には回生圧が低い場合の方が新気との交換効率が高く、燃料をより多く供給できるので更に６サイクル機関単体の出力は高くなる。【００６９】
図６（Ａ）図は同じ過給機回生機付６サイクルディーゼル機関の過給機と回生機も含めた機関全体のＰＶ線図である。（Ｂ）図はその原点近傍の拡大図である。大気圧Ｇ１で過給機に導入された新気は過給されてＧ２の圧となる。その過給された新気を６サイクル機関はＤ１の圧として吸気し、図５で説明した過程を経て、Ｄ４で排気バルブが開く。本図ではその後の変化として、実線と点線と二点鎖線の３つのＰＶ線図を示している。実線は理想回生圧の場合であり、図５の実線のグラフに対応している。Ｄ４の圧力で６サイクルから押し出された排気は、そのまま回生機の入口圧Ｇ３となり回生機の内部で引き続き断熱膨張を行い、大気圧Ｇ４で外部に排出される。【００７０】
掃気導入行程と掃気排気行程での必要なエネルギーは、回生機がそのまま回転エネルギーに変換して回収するものであるので、本図では無視している。実際にはその分回生機への流入ガス量は多く、ガス温度は低いものとなる。当該機関全体が１サイクルで差引出力するエネルギーはＧ1、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３ｂ、Ｄ４、Ｇ４の実線で囲まれた面積で表される。【００７１】
点線は図５の点線の場合に対応している。排気バルブが開くときにＤ４であった燃焼室内のガスは回生圧Ｇ３ｂまで自由膨張する。理想回生圧からの回生機の内部で仕事をしながら断熱膨張する場合より温度の低下が少ないので、この圧力のときの体積は理想回生圧の場合の回生機内で膨張している場合より大きく、Ｇ３ｂ点は実線より右側に来る。Ｄ５の圧力で６サイクルから押し出された排気は、そのまま回生機の入口圧Ｇ３ｂとなり回生機の内部で引き続き断熱膨張を行い、大気圧Ｇ４ｂで外部に排出される。１サイクルで出力可能なエネルギーはＧ1、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３ｂ、Ｄ４、Ｄ５、Ｇ３ｂ、Ｇ４ｂの線で囲まれる面積で表される。【００７２】
回生機で回生可能なエネルギー（Ｇ３ｂとＧ４ｂを結ぶ点線の左側の面積）は理想回生圧の場合（Ｇ３とＧ４を結ぶ実線の左側の面積）よりは少ないが、６サイクル機関の方の出力が大きくなることより総合効率の違いは２％程度であり、産業上十分利用可能なサイクルとなる。自由膨張した圧力エネルギーは単純に解放されたのではなく、ガスの熱エネルギーに変換されただけなので、その後回生機でその多くを回生することが可能だからである。この実線と点線の熱サイクルの違いは、効率の変化が少なく、６サイクル機関単独の出力と回生機の出力の割合を変化させることができるので、２つの出力軸からの出力を独立して制御する必要がある場合に有利なものとなる。【００７３】
二点鎖線は過給圧と同一の回生圧を持つ場合のＰＶ線図である。回生圧の変化により全体効率の低下は最高効率の圧からのずれに対して２次関数的なものであり、ここまで排気を自由膨張させると全体効率の低下は１１％に達する。しかし高い走行性能を持つ車両のようにクルーズ走行している状態での負荷が全負荷に比べてかなり低い場合には、このような圧力を全負荷時の回生機の設定圧力とすることは一概に産業利用性を否定されるわけではない。使用頻度の高いクルーズ走行領域で理想回生圧に近い回生圧で使えれば、使用頻度の低い全開走行領域で多少燃費が悪化しても、実用燃費を向上させる場合もあるからである。実際、二点鎖線のＰＶ線図でも、回生機により過給タービンを回す以上の出力を得られるので、発電機能の無いターボチャージャー付の４サイクルディーゼル機関のＰＶ線図よりはかなり効率は高いものとなる。【００７４】
逆に回生圧を６サイクル機関の排気バルブが開いた時のシリンダー内圧よりやや高い値に設定できないわけではない。ただし排気バルブの溶損などの発生しない範囲に限られる。アイドル時など６サイクル機関の出力は０で良いが、タービンに取り付けた補機には動力を与え続けたい場合など、機関全体が非常に低い負荷で使用される場合に積極的にそのような圧力設定とすることも考えられる。【００７５】
図７は第４の課題解決手段による第１の実施例を示す模式図である。６サイクル機関１の排気マニホールド８０にスクロール型の容積形膨張機を回生機１００として設置し、変速機１８０と動力伝達ベルト１８１を介してその出力を６サイクル機関１に動力として伝達している。回生機１００に描かれた点線の丸は下側にある排気マニホールド８０ｂを示し、膨張機からの排出ガスを排出している。変速機１８０が最も小さいレシオを持つ場合には当該機関は理想回生圧をとる。変速機１８０のレシオが大きくなると、６サイクル機関が排気ガスを押し出す容積に比べて回生機の吸入ガス容積は大きくなり、排気は６サイクル機関の排気バルブが開いたときに自由膨張し、理想回生圧より低い回生圧となる。【００７６】
本実施例の変速機１８０とベルト機構１８１に変えて発電機を備えても、外部から発電容量を制御することにより発電機の回転数を変えることができるので、同一の効果を有するものとなる。【００７７】
スクロール型の容積形膨張機を回生機として用いているので、膨張機内でのガスの膨張比は定まった値となるため、回生圧は変化させない方が回生機の効率や、排気音の点で望ましい。そこで全負荷時には変速機のレシオを大きくとり、図６の点線のように理想回生圧より低い回生圧とし、パーシャル時では変速機のレシオを小さくし、理想回生圧で回生を行うように制御する。
【実施例６】
【００７８】
図８は第４の課題解決手段による第２の実施例を示す模式図である。６サイクル機関１の排気マニホールド８０にはタービン式の回生機１００があり、同軸に配置した発電機１５１と補機１５０を駆動している。タービンに可変ベーン型タービンもしくは可変ノズル数タービンを用いてノズル総面積を制御することによって回生圧を制御することができる。ノズル総面積を６サイクル機関の排出ガス容積にあわせて適切な広さに制御すれば、回生圧は常に理想回生圧付近で運転できる。もちろん意図的にノズル開口面積をより広げるように制御すれば、理想回生圧より低い回生圧で運転することができる。【００７９】
またこの６サイクル機関の排気部分にはウェストゲートバルブ３５があり、必要に応じて排気を大気に開放する。このバルブを作動させたときの効率は悪化するが、６サイクル機関単体の出力を瞬間的に最大まで上昇させることが出来る。一時的に回生機の入口圧力を下げても、短時間であればその負荷である発電機などの負荷トルクを一時的に下げることによりタービンの回転速度を維持することができる。アクセルに対して６サイクル機関の回転数をすばやく上昇させ、機関全体の出力を上げたい場合にタイムラグが少ないシステムとして利用できる。車両などの負荷が大きく変動する移動体用の原動機として利用する場合に有利である。【００８０】
本実施例では６サイクル機関１はモーター２５０で駆動される過給機２００を備え、過給圧を外部から制御できるようになっており、過給圧によっても機関全体の出力を制御している。【００８１】
回生圧を１段か２段のガスタービンで回生しようとする場合、サイクル効率を高めようとするとガスタービンは音速以上の流速を扱う必要がある。この場合のタービンのノズル形状は断面の面積が一度減少してのど部を形成した後再び拡大する末広ノズルとする必要がある。この時、のど部でガスが過剰膨張や不足膨張に陥ると効率が急速に悪化するので、タービンの入口と出口の圧力比は設計値で用いる必要がある。本実施例でもタービンは超音速を扱うものであるので、全負荷時の理想回生圧より低い一定の回生圧とするように制御している。回生システムを単純化しながら常に機関効率を高く保つことのできる効果がある。
【実施例７】
【００８２】
図９は第５の課題解決手段による６サイクルガスタービンの模式図を示す。本実施例では６サイクル機関１の出力は増速機２８０を介してタービン式圧縮機である過給機２００を駆動すると共に、補機駆動ベルト１５４を介して補機１５０を駆動するのに用いられ、ほとんどの機関出力は回生機であるタービン１００で出力し発電機１５１で電力に変換される。
【実施例８】
【００８３】
図１０は第３の課題解決手段による排気マニホールド８０の内部に第７の課題解決手段による燃焼室を備えた、直列多気筒の６サイクル機関の側面図である。燃焼室７０は６サイクル機関１の各気筒の排気ポート３１からつながる排気マニホールドの集合部に位置している。燃焼室を内部に持つ排気マニホールド８０は排気タービンの外周部も含めて保温材７１で覆われ、排気マニホールド内部も断熱性のあるコーティングが施されている。燃焼室の下流には回生機１００が接続し、回生機の下流の排気マニホールド８０ｂには排気触媒６３が置かれている。【００８４】
燃焼室７０の内部にはガス穴７３の開いた燃焼室内壁７２があり、燃焼後の排気ガス、掃気排気ガスと交互に入ってくる排気ガスを混合し、不燃ガスを燃焼する。そのため燃焼室内壁７２の内部容積は最低でも１気筒の１サイクル分の排気ガスの体積に相当する容積が必要である。燃焼室の内側には燃料供給機７５の燃料噴射口があり、必要時に燃料を燃焼室に供給する。燃料が供給されると燃焼室の温度で速やかにガス化し、排気ガスに残留している酸素と混合され燃焼する。燃料供給装置が燃焼室の下側に飛び出して位置しているのは、熱害を防止するためである。
【実施例９】
【００８５】
図１１は第９、第１１の課題解決手段によるエンジン横置きシリーズハイブリット方式のＦＦ車に搭載されたパワープラントの４面図である。６サイクル機関部分は第３、第６、第７の課題解決手段を採用した機関となっている。（Ａ）図は車両の前方から見たパワープラントの正面図、（Ｂ）図は側面図、（Ｃ）図は上面図、（Ｄ）図は背面図である。【００８６】
６サイクル機関１は掃気と吸気ポートを独立して備えた９０度Ｖ型４気筒機関であり、クランク軸に直結したスクロール型の容積型圧縮機２１０を過給機として備え、常に機関回転数に比例した量の吸気を安定した圧力で６サイクル機関の吸気ポートに供給している。当該容積型圧縮機２１０の圧縮比は２〜３であり、その分６サイクル機関本体はコンパクトになる。実際の過給圧は断熱圧縮の効果により温度が上がることでそれ以上の圧力となる。【００８７】
９０度Ｖ型４気筒６サイクル機関１はやや後傾に置かれている。各気筒の排気ポートから伸びてきた断熱された排気マニホールドの集合部に燃料供給機７５を備えた燃焼室が備えられ、その上方に回生機である可変ノズル数タービン１００が備えられ、その出力軸には発電機１５１が備えられ電力に変換されている。排気はその後、前方の排気触媒に導かれ、機関の前方で下方に導かれ、そこから車体の下面に沿って後方に導かれている。本実施例は実施例３に相当するＥＧＲシステムを備えている。循環する排気ガスは触媒の上流から触媒の回りを保温するように流れたたあと、（Ａ）図に１点鎖線で描かれているＥＧＲシステムの冷却器１１２で冷却され、６サイクル機関１の掃気ポートに導かれている。【００８８】
６サイクル機関の出力軸には直結した形で補機としての発電兼用モーター１５５が備えられ、６サイクル機関の余剰出力から発電を行い、発電機１５１で発電された電力とともにバッテリーに蓄えられ、車両駆動用モーター５５０の駆動に用いられる。機関の出力は、主にタービン１００から出力され、６サイクル機関は補機としての過給機２００と発電兼用モーターを駆動しているのみなので、６サイクルガスタービンの一形態でもある。当該車両は、モーターからの出力を変速機５２０で適切な回転数に変え、ドライブシャフト５２２、５２２ｂにより前輪を駆動することにより走行する。（Ｂ）図ではモーター５５０と変速機５２０は１点鎖線で示されている。【００８９】
シリーズ型ハイブリット車両では、車両駆動用モーター５５０が大きく、機関を横置きにした前輪駆動車両への搭載は困難であった。しかし、本実施例のパワープラントでは過給することとＶ型に配置したことにより、機関幅を短縮し、発電用モーター１５５は始動に必要なトルクが得やられれば良いので薄く設計されているので、更にその脇に車両駆動用モーター５５０を配置することができる。発電機１５１も回転数が高く小型化可能なので、小型乗用車などに適用できる利点がある。【００９０】
図１２は当該実施例の制御システム図である。６サイクル機関の部分は分かりやすくするため片バンクで表している。車両駆動用モーター５５０はアクセルセンサ２４に合わせてモーター制御機５６０により駆動され、車両の加減速を行う。【００９１】
制御コンピュータ６１０はバッテリー５８０の充電量を感知する手段と、可変ノズル数タービンのノズルの数を変える開閉バルブを回転させる回転アクチュエータ３６０を動作する機能が備えられている。制御コンピュータ６１０はバッテリーの充電量の検出値により発電量を決める６サイクル機関の回転数を決定し、主に排気タービンのノズル数を制御することにより回生圧を変化させて、６サイクル機関の回転数を制御している。ノズル総面積を広げると、実施例５や６で説明した原理で回生圧が下がり、６サイクル機関の出力が上がることにより６サイクル機関の回転数が上がり、機関全体の出力が上がる。【００９２】
さらに精密な機関の出力制御は、制御コンピュータがモーター制御機５６０を制御し、発電兼用モーター１５５の発電量により６サイクル機関の負荷を変え、回転数を調整することにより行う。本実施例ではスロットルバルブは無い。制御コンピュータ６１０は、発電が必要なくなれば燃料供給を停止して、モーター１５５の負荷を高め機関を停止する。機関の再始動も当該発電兼用モーター１５５により行う。【００９３】
更に、制御コンピュータ６１０は、触媒の状態を排気センサ６８からの信号を感知する手段と、掃気ポートにある第２バルブと掃気バルブをそれぞれ開閉するアクチュエータ９１と掃気バルブアクチュエータ９４を動作する手段を備えている。排気センサの検出値により、排気温度が高いと判断した場合はアクチュエータ９１により第２バルブを開き、掃気の量を増やす。酸素濃度が高いと判断した場合には、掃気バルブを閉じる方向に動作する。このとき６サイクル機関の直噴インジェクターからの燃料供給を増加することも出来る。また既に第２バルブが全開で、６サイクル機関自体が熱的に限界状態であれば、燃料供給機７５から排気ポートの燃焼室に燃料を供給することにより酸素濃度を下げる。
【実施例１０】
【００９４】
図１３は第８の課題解決手段による移動体の動力システム図を示している。１は過給機２００を備えた直列４気筒の回生機付６サイクル機関である。本実施例では回生機１００としてガスタービンを採用している。回生機の出力は発電機１５１で電力に変換され、モーター制御機５６０で車両駆動用モーター５５０を駆動するのに適切な電圧と周波数の交流にされ、再度モーター５５０で駆動力となり変速機５２０で適切な回転数に変えられ、ドライブシャフト５２２、５２２ｂを介して左右の駆動輪５２５、５２５ｂに伝達される。６サイクル機関１の出力軸はモーター５５０と共通しており、その出力はモーターの出力とともに変速機５２０を介して駆動輪に伝達される。【００９５】
本６サイクル機関１はモーター２５０で駆動される過給機２００を備え、運転者の指示に合わせてモーター制御機により過給機の回転数を制御し、過給圧により機関全体の出力を制御している。回生機の出力の一部は補機用減速機１５２、補機用クラッチ１５３を介してエアコン用のコンプレッサーなどの補機１５０を駆動している。本移動体の実施例は車両であり、バッテリー５８０を備えている。バッテリーは最低限、過給機２００を加速するだけのエネルギーを持っていれば良いので、必ずしもハイブリット車両用のバッテリーの大きさは必要ない。【００９６】
余剰電力が生じた場合にはバッテリー５８０に蓄え、不足する場合はこのバッテリー５８０に蓄えられている電力により補うことができるので、何等かの理由で機関に出力段差が生じた場合や、過給圧が上昇する間の一時的な駆動力の不足を補う事ができる。図８、９、１０、１１の実施例も同様であるが、回生機１００に取り付けた発電機１５１の発電量をモーター制御機５６０により制御することにより、回生機としてのタービンを常に効率の良い適正な回転数に保つことができる。車両停止時や低速走行時の機関停止や走行エネルギーの回生を望む場合には、バッテリー５８０を大きくする事によりハイブリット車両とすることができる。【００９７】
本実施例の機関では回生機で補機を駆動しているので、図９にある補機駆動用のベルト１５４の必要性が無くなり、その分機関１の全長が短縮でき、ハイブリット用の車両駆動用モーター５５０のスペースを確保できる利点がある。【００９８】
本実施例の減速機１５２の変わりに補機駆動用の別のモーターを備え、発電機１５１で発電された電力でそのモーターを駆動することによっても同一の目的が達せられる。本実施例のモーター５５０と変速機５２０を、特許文献６にあるシリーズ型とパラレル型の両者の特性を備えたハイブリットシステムに代替することによっても、走行中の機関停止を実現し、更なる実用燃費の向上を図ることが出来るものである。
【実施例１１】
【００９９】
図１４はＷ型６サイクル６気筒機関のシリンダー方向とクランクピン配置図である。１点鎖線ａ、ｂ、ｃはＷ型に配置された３つのシリンダーブロック内のシリンダー中心線を示し、５１は当該シリンダー内を摺動するピストンである。実線で示した５０ａ１、５０ｂ１、５０ｃ１が１組のＷバンクのクランクピン配置となり、実線で示したピストン５１ａ１、５１ｂ１、５１ｃ１はそのピン位置に対応した位置で描かれている。点線で示したクランクピン５０ａ２、５０ｂ２、５０ｃ２とピストン５１ａ２、５１ｂ２、５１ｃ２はもう１組のＷバンクの位置を示している。１つのシリンダーブロックの２つのピストンに対するクランクピン配置は、１８０度位相となっており、カップルも含めた１次バランスの釣り合いが取れた、１８０度等間隔爆発の６サイクル機関となる。【０１００】
クランクの軸受け数は、Ｗバンクの１組のクランクピン３つに対してその両側に軸受けを配置した３軸受けか、クランクの剛性や強度を考慮し２つのクランクピンごとに軸受けを備えた４軸受けとする。本実施例のＷ型６気筒６サイクル機関は、図１１のＦＦ車両の動力部の実施例の機関に対して、車体幅方向の長さは変わらず、置換可能な機関である。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明による回生機付６サイクル機関の用途は、燃費の優れた内燃機関を必要とするすべての利用用途に対して存在する。【０１０２】
本発明は容積型機関の排気に残るエネルギーを、シンプルに効率良く回生利用するためのもので、燃費の向上に寄与するものである。排気騒音も低く抑えられる利点がある。回生機付６サイクル機関は比較的高い圧力で過給しても効率が低下せず、過給によるコンパクト化のメリットが大きいシステムである。また、６サイクル機関と回生機の出力割合を変化させることが可能であるので、この原理を利用して２つの出力軸を駆動する機関として利用できる。また６サイクルガスタービンは制御性の高いガスタービンとして利用できる。【０１０３】
回生機としてガスタービンを用いた場合、発電の用途に対して発電機を含めたパワープラントを特にコンパクトに構成できる利点がある。大型の機関では発電所用の機関から、船舶や高速バスや大型トラックや車両などの移動体に搭載する機関として利用可能である。小型の発電機としても６サイクル機関が内部から冷却できる特性から、冷却システムをシンプルにすることができ、発電システム全体をコンパクトに構成できる。これらのことは増加傾向にあるハイブリット車両用の動力源として利用可能性が高いことを意味している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
６サイクル機関とその排気から回生機により出力を外部に取り出す複合型内燃機関（以下、回生機付６サイクル機関と言う。）であって、６サイクル機関の排気バルブの総開角とタイミングを掃気排気行程では排気行程に対して狭くしかつ遅らせたことを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、回生機からの排出ガスを主に掃気ポートに循環させるシステムを備えたことを特徴とした、回生機付６サイクル機関。
【請求項３】
６サイクル機関の吸気ポートにのみ過給機を備えたことを特徴とした、請求項２の内燃機関
【請求項４】
６サイクル機関の排気ポートに複数の回生機を直列に備え、これら回生機の間から排気ガスを掃気ポートに循環させるガス通路を備えたことを特徴とした、請求項３の内燃機関
【請求項５】
６サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、かつ排気ポートに回生機であるガスタービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力を取り出すことを特徴とした、請求項１の内燃機関。
【請求項６】
６サイクル機関の出力軸にモーター発電機を備え、排気ガスタービンを回生機として備え、当該排気ガスタービンにノズルの総面積を変える機構を備え、スロットルバルブを省略したことを特徴とした、請求項１の内燃機関。
【請求項７】
６サイクル機関と回生機の間の排気マニホールドに燃焼室を備えたことを特徴とした、回生機付６サイクル機関。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関を搭載した移動体。
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月11日(2008.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
６サイクル機関とその排気から回生機により出力を外部に取り出す複合型内燃機関（以下、回生機付６サイクル機関と言う。）であって、６サイクル機関の排気バルブの総開角とタイミングを掃気排気行程では排気行程に対して狭くしかつ遅らせたことを特徴とした内燃機関。
【請求項２】
吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、回生機からの排出ガスを掃気ポートに循環させる循環ポートを備え、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なことを特徴とした、回生機付６サイクル機関。
【請求項３】
６サイクル機関の吸気ポートにのみ過給機を備えたことを特徴とした、回生機付６サイクル機関請求項２の内燃機関。
【請求項４】
６サイクル機関の排気ポートに複数の回生機を直列に備え、これら回生機の間から排気ガスを掃気ポートに循環させるガス循環ポートを備えたことを特徴とした、請求項３の内燃機関。
【請求項５】
６サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、かつ排気ポートに回生機であるガスタービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力を取り出すことを特徴とした、請求項１の内燃機関。
【請求項６】
６サイクル機関の出力軸にモーター発電機を備え、排気ガスタービンを回生機として備え、当該排気ガスタービンにノズルの総面積を変える機構を備え、スロットルバルブを省略したことを特徴とした、請求項1の内燃機関。
【請求項７】
６サイクル機関と回生機の間の排気マニホールドに燃焼室を備えたことを特徴とした、回生機付６サイクル機関。
【請求項８】
請求項1乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関を搭載した移動体。
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月22日(2009.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
６サイクル機関の吸気ポートにのみ過給機を備えたことを特徴とした、回生機付６サイクル機関。
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月11日(2009.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
６サイクル機関の吸気ポートにのみ過給機を備えたことを特徴とした、請求項２の内燃機関。
【国際調査報告】
2008020550.tif 000017
2008020550.tif 000018
2008020550.tif 000019
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