(57)【要約】【課題】新しい点火機構を開発して広い運転領域を持つ均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）によるガソリンエンジンを実現させることをその課題とした。【解決手段】一個のシリンダに対して通常の主ピストンのほかにもう一個ボアが小さい着火用の副ピストンを設けこれによって点火することとした。ある程度圧縮された圧縮気をこの副ピストンで更に急激に圧縮することによって、その温度を発火点以上に急上昇させて着火させる点火方法によって着火性の改善を図り、安定した着火性を確保することと着火時期の設定を明確にすることができるようにして上記の問題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主シリンダに連接して副シリンダを設け、主シリンダに吸い込んだ混合気をこれに嵌合する主ピストンによって燃焼が起こらない程度に主シリンダ上部のクリアランス部分と副ピストンを下死点まで引き抜いた状態の副シリンダ内部に圧縮し、主ピストンが上死点近辺ないしそれより少し手前にある間に副ピストンを急激に上死点にまで押し込み混合気を着火させる点火方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の点火機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、内燃機関の点火方法としてはガソリンエンジンの場合には電気火花によって、ディーゼルエンジンの場合には空気を断熱圧縮することによって起こる温度上昇を利用して点火するのが一般的である。ただ、最近はガソリンエンジンにあっても電気火花を使用しない均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）が注目されるようになってきている。この方式はあらかじめ均一に混合されたガソリンと空気の温度を圧縮することによって上昇させて点火するようにしたもので、吸気ポート内部に燃料を噴射するＰＦＩ（Ｐｏｒｔ  Ｆｕｅｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式のガソリンエンジンとディーゼルエンジンを折衷したような点火方式である。
【０００３】
ただこの方式は燃焼時期を制御することが困難で着火時期を明確に設定できないという問題や、軽負荷時においては着火性が悪く失火や不安定燃焼が起こり、出力を上げようとしてガソリンの量を増やすと燃焼温度が高くなり排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなるという理由から運転領域が狭く、高出力の場合には通常の電気火花による点火方式に切り替えなければならないという問題を持っている。均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）と電気火花方式を共存させようとすると、均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）の場合は圧縮比を高くしなければ着火しないが、電気火花による点火方式の場合は圧縮比を低くしなければノッキングが発生するという相反する問題に対処しなければならないことになる。
【０００４】
このため、圧縮比は火花点火方式とする場合のためにノッキングが発生しない程度の水準にとどめ、均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）とする場合に対しては高温の排気ガスを循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）方式によって圧縮比がある程度低くても混合気が着火する程度の高温にすることが出来るように設計されている。この方法は排気ガスの比熱が大きいいため循環排気ガス量を多くすると燃焼温度がそれ程上がらず、これによってＮＯｘの発生を押さえることも出来るというメリットも出てくる方法であるといわれている。
別の方法として、圧縮比を可変にすることが出来るようにピストンを工夫して均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）と電気火花による点火方式とで圧縮比を変える等の対策等も検討されている。
しかしながらいずれの方式も、目標とする機能が達成できなかったり機構が複雑になったりする等の問題があり、一部実用化されてはいるもののまだ多くの問題があり研究中の段階のようである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−１９５８８６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】山下巌  他著「スターリングエンジンの理論と設計」平成１１年7月  株式会社山海堂
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
新しい点火機構を開発して広い運転領域を持つ均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）によるガソリンエンジンを実現させることをその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）によるガソリンエンジンはディーゼルエンジンなみの熱効率を持ちしかも排気ガスきれいなエンジンとして注目されている。しかしながら低負荷領域では失火や不安定燃焼が起こり高負荷領域ではノッキングの発生や排気ガス中のＮＯｘ量が増加する等の問題があり、運転領域が狭く電気火花による点火方式と併用しなければならないというのが現状である。
【０００９】
均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）の運転領域が狭い理由は上記のように軽負荷領域においては着火しにくいこと、燃焼時期を制御することが困難で着火時期を明確に設定できないこと、出力を上げようとして燃料噴射量を増大させると燃焼温度が高くなりすぎて排気ガス中のＮＯｘ量が増加すること等であるが、これらの問題点のうち本発明は着火性の改善と、着火時期の設定を明確にすることができる着火時期の制御方法に主眼をおいたものである。
【００１０】
排気ガス中のＮＯｘの問題については〔特許文献１〕その他で公知のエマルジョン燃焼法によって改善を図ることが出来る。エマルジョン燃焼法は着火性の問題から使い難い方法であるが本方式により着火性が改善されるため有望な方法といえる。このほか、現在、各研究機関において過給や排気ガス還流システム（ＥＧＲ）によって解決する方法も研究されているところでありその成果を応用することも可能である。
【００１１】
ここで本発明が主眼を置く着火時期について簡単に説明する。
通常のガソリンエンジンでは電気火花によって点火するためそのタイミングは火炎の伝播による若干の遅れはあるもののほぼ設定通りである。ディーゼルエンジンにあっても若干の遅れはあっても燃料噴射とほぼ同時と考えることが出来る。
【００１２】
これに対して均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）では圧縮過程において圧縮気が高温になり着火するわけであるが、ピストンの上死点近くではその動きは小さくなり圧力の上昇速度も遅く、着火の時期については、吸気の温度、シリンダ壁の温度、負荷の大きさ等の外部条件によって左右され、必ずしも設計時に設定したクランク角何度のときといった厳密なタイミングで着火するわけではなく変動が大きくなる。しかしこれでは設計上非常に困るわけで出来るだけ設定したタイミングに近いところで着火することを望むのは当然である。
【００１３】
この着火時期を明確に設定するという問題に対する解決法として、本発明では一個のシリンダに対して通常の主ピストンのほかにもう一個ボアが小さい着火用の副ピストンを設けこれによって点火することとした。ある程度圧縮された圧縮気をこの副ピストンで更に急激に圧縮することによって、その温度を発火点以上に急上昇させて着火させることによって上記の問題を解決するものである。
【００１４】
通常のピストンがある方を主燃焼室と考えると着火用ピストンがある方は副燃焼室と考えることが出来るが、両者は直結されている。主燃焼室のピストンは通常のエンジンと同様にクランクシャフトに接続されており、クランク機構により駆動され或いは駆動することになるが、副燃焼室のピストンはクランクシャフトに直接にはつながってはおらず、カムシャフトを介してカムにより駆動されるようになっている。その理由は点火時期に達したときに出来るだけ急速に圧縮することが出来るようにするためである。主ピストンで、着火する少し手前の温度になるまで圧縮された混合気を副ピストンで急激に圧縮して高温となし着火させるわけである。圧縮による圧力は音速と同じ速さでシリンダ内の各所に瞬間的に伝播するため、着火時期は副ピストンによる圧縮時期とほぼ同じとなり着火時期を明確化することが出来るわけである。しかも電気火花による点火のように一個所から広がって行くのではなく各所一斉に着火することになる。
【００１５】
副ピストンの駆動をカムによらず電気的な方法で駆動できれば構造的に簡単になり制御面でも優れているが、この部分は非常に強い圧力の掛かるところであり、パルスモータ、サーボモータ、リニアモータ、ソレノイド、ピエゾ駆動等の電気的なアクチュエータで満足いくものがあるのかという問題がある。小型軽量で強力且つストロークが大きくしかも低価格であるという条件を満たすものが現状では見当たらずカム駆動によらざるを得ないものと思われる。将来、性能の優れた電気的なアクチュエータが安価に入手できるようになれば制御面から見てこの方がはるかに使い易く、これに置き換えることで更に使いやすいものになると考えられ技術の進歩に期待するところ大である。
なお、カム駆動とした場合、急激に圧縮しようとするとそのカム曲線は立ち上がりが極めて急峻なものとなりカムフォロアが追従できるのかと懸念されるものと思うが、これについては別途「立ち上がりが急峻なカム機構」として特許出願する予定である。
【発明の効果】
【００１６】
現状にあっても、ガソリンエンジンの点火方法を均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）とすることにより煤やＮＯｘを殆ど排出しないクリーンで熱効率の高いエンジンを作ることが可能である。ただ、この方法は低負荷領域では着火性が悪く高負荷領域ではＮＯｘやノッキングが発生するという問題があり、運転領域が狭く実用上問題があるものであるといえる。
しかし、本発明により着火性の問題が改善され低負荷領域から中間負荷領域まで広い領域で使用できるものとなった。更に、従来ＮＯｘの発生により火花点火方式とせざるを得なかった高負荷領域においても、着火性が改善されることにより水との混合燃焼或いはエマルジョン燃焼を行うことが可能となり、燃焼温度を降下させることが出来ることによりＮＯｘが殆ど発生しなくなり、全域にわたり均一予混合圧縮点火方式（ＨＣＣＩ）で運転できるようになるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本方式による点火機構を備えたエンジンの模式図である。
【図２】副ピストンを駆動するカムのカム曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明になる内燃機関の点火機構の具体的な実施の形態を図面およびこれに付した符号を引用して説明する。
【００１９】
最初に本発明による内燃機関の点火機構の一形態を取り上げその構造と動作について説明する。
本方式のエンジンは図１に示すように通常の主シリンダ１１１と副シリンダ１２１が連接して設けられたものであるが、両者の間に特別な仕切りを設ける必要はない。それぞれのシリンダにはそれぞれに嵌合する主ピストン１１２と副ピストン１２２がついている。副シリンダ１２１のボアは小さくこれに嵌合する副ピストン１２２は混合気を着火させるために使用されるものである。初めに混合気を主ピストン１１２によって主シリンダ上部のクリアランス部分と副ピストンを下死点まで引き抜いた状態（図１では引き上げられた状態）の副シリンダ内部に着火しない程度に圧縮する。従ってこの時点では副ピストン１２２は下死点まで戻されていることが必要である。この状態で主ピストンが上死点近辺ないしそれより少し手前にある間に副ピストン１２２を急激に上死点まで押し込むことによって更に圧力を高め、このときに発生する熱によって混合気を高温となし着火させるものである。このため副ピストン１２２を主ピストン１１２が上死点近辺にあってその動きが殆どなく圧縮状態が維持されている間に瞬間的に押し込むことが必要である。この時点がほぼ着火点になり、着火時期を明確化することができるわけである。
【００２０】
副ピストン１２２を主ピストン１１２と同じようにクランクシャフト・コンロッドによる駆動方法で駆動したのでは瞬間的に圧縮することが困難であり、高速カム機構１３０による駆動が必要となる。前にも述べたことであるが、副ピストン１２２の駆動をカムによらず電気的な方法で駆動できれば構造的に簡単になり制御面や応答面でも優れており望ましいことである。しかし、この部分は圧縮された混合気を更に圧縮するために主シリンダ１１１に比べボアが小さくなっているとはいえ非常に大きな力が必要であり、しかもディーゼルエンジンのインジェクターのノズルニードルのようにストロークが短くてよいというものではない。このため、パルスモータ、サーボモータ、リニアモータ、ソレノイド、ピエゾ駆動等の電気的なアクチュエータで満足いくものがあるのかという問題がある。
現時点においては電気的なアクチュエータでは小型軽量で強力且つストロークが大きくしかも低価格であるという条件を満たすものが見当たらず、カム駆動によらざるを得ないものと思われる。将来、性能の優れた電気的なアクチュエータが安価に入手できるようになれば制御面から見てこの方がはるかに使い易くこれに置き換わるものと考える。
【００２１】
図２は副ピストン１２２を駆動する高速カム機構１３０によって駆動されるカムリフトとクランク角との関係を示すカム曲線の１例を記したものである。このカムリフトはバルブの動きなどに比べるとかなり大きなものになる。図２のグラフの上死点とは図１に示した副ピストン１２２が最も押し込まれた状態、下死点とは最も引き上げられた状態を意味している。
副ピストン１２２は主ピストン１１２が吸入行程にある間では押し込まれた状態で上死点にあり、圧縮行程の途中から引き上げられて行き混合気に点火する動作が始まるまでに下死点まで引き上げられる。暫く下死点の位置に保たれた後、混合気に点火する直前に急激に上死点まで押し込まれる。これにより混合気の圧力と温度が急激に上昇し混合気が着火することになる。図２においては副ピストン１２２の引き上げは圧縮行程がかなり進行した時点から開始されているが、この動作はもう少し早い段階から緩やかに行っても良い。
通常の均一予混合圧縮燃焼方式（ＨＣＣＩ）の場合、ピストンの上死点近くでは圧力変化の度合いが小さく圧縮された混合気が何時着火するか明確なことがいえないのに対して、本方式では副ピストン１２２を押し込む時期がほぼ着火時期になり、この副ピストン１２２を押し込む時期を制御することによって着火時期を制御することが可能になる。
【００２２】
副ピストン１２２は高速カム機構１３０により駆動されるが、この動力はクランクシャフトから取ることになる。この際、クランクシャフトとカムシャフトの間に位相差調節装置を設け、位相を調節することができるようにしておくと着火時期を微調整することが出来て好都合である。この位相差調整装置としては、スターリングエンジン等でパワーピストンとディスプレーサピストンとの間の位相差を調整するディファレンシャルギアに類似した構造で〔非特許文献１〕の１９８ページに示されている位相差可変機構のような公知の装置が利用できる。
【００２３】
前にも述べたことであるが、カム駆動とした場合、急激に圧縮しようとするとそのカム曲線は図２に示すように立ち上がり（副ピストンの押し込み）が極めて急峻なものとなりカムフォロアが追従できるのかと懸念されるものと思うが、対称形のカムを配備にすることや回転速度を変更することで対応可能である。これについては別途「立ち上がりが急峻なカム機構」として特許出願する予定である。なお、吸気バルブ１３１、排気バルブ１３２、クランク機構等については一般的な機構と特別に変わるところはなく通常の構造で十分である。
【００２４】
今、排気量３００ミリリットルのシリンダについて計算する。第一段階として主ピストン１１２で圧縮比１０倍に圧縮するものとすると、圧縮後の体積は３０ミリリットルである。この圧縮気が主シリンダ１１１の上部クリアランスと副シリンダ１２１に圧入されていることになるわけで、副シリンダ１２１の排気量を１０ミリリットルとすると主シリンダ１１１の上部クリアランスは２０ミリリットルとする必要がある。副シリンダ１２１に嵌合している副ピストン１２２を降下させて、副シリンダ１２１内にある１０ミリリットルの圧縮気をすべて主シリンダ１１１の上部クリアランス内に押し込んだとするとそのときの圧縮比は１５となる。通常のディーゼルエンジンの圧縮比は１６程度であるが、軽油に比べて発火点の高いガソリンを使用することや、エマルジョン燃料を燃焼させる場合或いは水を噴霧して燃焼させる場合等にあっては水分の蒸発による温度低下が発生することを考えると、圧縮比が１５ではやや不足するものと考えられる。
【００２５】
副シリンダ１２１の排気量を１５ミリリットルとして上と同様に第一段階の圧縮比を１０としようとした場合、主シリンダ１１１の上部クリアランスを１５ミリリットルとすればよい。この場合、副ピストン１２２を降下させて副シリンダ１２１の圧縮気１５ミリリットルをすべて主シリンダ１１１の上部クリアランス内に押し込んだとするとその圧縮比は２０となる。この程度の圧縮比とするか、ないしは燃焼性能に余裕を持たせるためにもう少し大きい圧縮比となるように設計するのが適当であると考える。  
【００２６】
副ピストン１２２を引き上げる時期を主ピストン１１２の吸入時期に行うとこの分吸気量が増え出力が増大するがその量は僅かである。これに対して、この吸気分についても排気量に加算するべきであると指摘される恐れもある。そうなると車格が1ランク上がり税金が高くなるということも考えられる。ターボで過給して吸気量を増やしても排気量は変わらず車格は変わらないのと同じことではないか考えるが、ピストンによる吸排気は別であるといわれるかもしれない。副シリンダ１２１の排気量を算入するかしないかは見解の問題となる。副ピストン１２２を引き上げる時期を図２に示したように圧縮行程の段階に持って行けばこのような問題が生ずることはないといえる。
【００２７】
以上の説明では主シリンダが１本の単気筒の場合として記したが、この方式を用いて多気筒化することは勿論可能であり、通常のエンジンと何ら変わるところのないものである。
【符号の説明】
【００２８】
１１１  主シリンダ
１１２  主ピストン
１２１  副シリンダ
１２２  副ピストン
１３０  高速カム機構
１３１  吸気バルブ
１３２  排気バルブ
【図１】
2014118930.tif 000003
【図２】
2014118930.tif 000004