(57)【要約】      （修正有）【課題】ピストンが上死点通過後に、燃焼室の温度を最高値に設定できる自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンと制御方法を提供する。【解決手段】燃焼室２内の燃料をピストン３の圧縮行程で圧縮して自己着火させる内燃機関である。ピストン３が上死点を過ぎると同時に、燃焼室２の容積を縮小するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の燃料をピストンの圧縮行程で圧縮して自己着火させる内燃機関であって、
ピストンが上死点を過ぎると同時に、
燃焼室の容積を縮小するように構成した、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンにおいて、
ピストンが上死点を過ぎると同時に、
燃焼室の内部に容積可変部材を突出して、燃焼室の容積を縮小するように構成した、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項３】
請求項２記載のエンジンにおいて、
容積可変部材が、燃焼室の内部に突出する副ピストンである、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項４】
請求項３記載のエンジンにおいて、
燃焼室の外側に副ピストンを設け、
ピストンが上死点を過ぎると同時に、クランクシャフトと連動して副ピストンが燃焼室側へ摺動するように構成した、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項５】
請求項４記載のエンジンにおいて、
燃焼室の外側に副ピストンと、
クランクシャフトと連動して副ピストンを燃焼室側に押し出す押出しリンクを設け、
ピストンが上死点を過ぎると同時に、
リンクによって副ピストンを燃焼室側へ押し出すように構成した、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項６】
請求項４記載のエンジンにおいて、
燃焼室の外側に副ピストンと、
クランクシャフトと連動して副ピストンを燃焼室側に押し出すカムを設け、ピストンが上死点を過ぎると同時に、
カムによって副ピストンを燃焼室側へ押し出すように構成した、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジン。
【請求項７】
燃焼室内の燃料をピストンの圧縮行程で圧縮して自己着火させる内燃機関における制御方法であって、
ピストンが上死点を過ぎると同時に、燃焼室の容積を縮小させて行う、
自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンとそのエンジンにおける自着火の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＨＣＣＩエンジンとは、予混合圧縮自己着火エンジンの略であり、複数の燃料を均一の混合した混合気を燃焼室内で圧縮してゆき、加圧に伴って上昇した温度が一定値に達したときに自己着火させるエンジンである。
このエンジンは燃費がよく、ＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（粒子状物質）の発生が少ない、などの多くの特徴を備えていることから究極のエンジンなどと呼ばれ特許文献を挙げるまでもなく多数の発明がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３６４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記したようにＨＣＣＩエンジンは多くの利点があるにもかかわらず、実用化に至っていない。
その理由は、火花点火しないＨＣＣＩエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼できる領域が狭いからである。
すなわちプラグで点火するのではないから、温度、圧力、圧縮ガスの活性といった条件が整った場合でないと着火せず、予定している瞬間に燃料が燃焼しないという問題がある。
あるいは反対に、プラグで点火しないで燃焼するエンジンだから、制御できない燃焼状態となって失火や異常燃焼が発生し、状況によってはピストン、バルブ、コンロッドなどの損傷を招く恐れもある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のような課題を解決するために、本発明の自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンは、燃焼室内の燃料をピストンの圧縮行程で圧縮して自己着火させる内燃機関であって、ピストンが上死点を過ぎると同時に、燃焼室の容積を縮小するように構成したことを特徴としたものである。
また本発明のＨＣＣＩエンジンは、上記のエンジンにおいて、ピストンが上死点を過ぎると同時に、燃焼室の内部に容積可変部材を突出して燃焼室の容積を縮小するように構成したことを特徴とするものである。
また本発明のＨＣＣＩエンジンは、上記の容積可変部材が、燃焼室の内部に突出する副ピストンであることを特徴とするものである。
また本発明のＨＣＣＩエンジンは、上記のエンジンにおいて、燃焼室の外側に副ピストンを設け、ピストンが上死点を過ぎると同時に、クランクシャフトと連動して副ピストンが燃焼室側へ摺動するように構成したことを特徴とするものである。
また本発明のＨＣＣＩエンジンは、上記のエンジンにおいて、燃焼室の外側に副ピストンと、クランクシャフトと連動して副ピストンを燃焼室側に押し出すリンクを設け、ピストンが上死点を過ぎると同時に、リンクによって副ピストンを燃焼室側へ押し出すように構成したことを特徴とするものである。
また本発明のＨＣＣＩエンジンは、上記のエンジンにおいて、燃焼室の外側に副ピストンと、クランクシャフトと連動して副ピストンを燃焼室側に押し出すカムを設け、ピストンが上死点を過ぎると同時に、カムによって副ピストンを燃焼室側へ押し出すように構成したことを特徴とするものである。
また本発明の自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンの制御方法は、燃焼室内の燃料をピストンの圧縮行程で圧縮して自己着火させる内燃機関における制御方法であって、ピストンが上死点を過ぎると同時に、燃焼室の容積を縮小させて行う方法を特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の自着火制御可能なＨＣＣＩエンジンとその制御方法は以上説明したようになるから次に示すような従来のエンジンとの相違を得ることができる。
＜１＞  主ピストンが圧縮上死点を過ぎると、従来のエンジンであれば燃焼室の容積は拡大するだけであり、その拡大にともなって燃料の温度は低下する。したがって上死点以降では適正な自着火のタイミングに制御することは極めて困難である。
＜２＞  反対に従来のエンジンでは主ピストンが上死点に至る直前で着火する場合もある。すると主ピストンの上昇を上から抑えることになり、本来の作業とはまったく反対の作業が行われてしまう。
＜３＞  その点で、本発明の構造であれば、主ピストンが上死点を通過した後に燃焼室内の容積を縮小することができる。
＜４＞  すると、上死点以降で燃焼室内が最高温度となり、その点で自着火をさせることができる。すると主ピストンが下降行程、すなわち膨張行程に入った直後に主ピストンを上から叩くことになり、きわめて効率のよい運動を与えることができる。
＜５＞  主ピストンが上死点を通過後には燃焼室の容積は拡大するから、副ピストンによる燃焼室の容積の減少率は、両ピストンの体積や移動速度によって決まる。したがって構造次第では、主ピストンが上死点を通過した後に、燃焼室の容積が縮小しない場合もある。しかしその場合でも副ピストンが存在しない状態と比較すれば、燃焼室の容積の拡大率は低下することになり、それだけ上死点通過後の温度低下を緩慢にすることができるから、自着火の機会を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のＨＣＣＩエンジンの実施例の説明図。
【図２】容積可変部材としてカムと副ピストンを組み合わせた実施例の説明図。
【図３】容積可変部材としてリンクと副ピストンを組み合わせた実施例の説明図。
【図４】燃焼室内の最高温度がずれる状態の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下図面を参照にしながら本発明の自着火可能なＨＣＣＩエンジンとその制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例】
【０００９】
＜１＞前提条件
本発明はＨＣＣＩエンジンに関するものである。
前記したようにＨＣＣＩエンジンとは、予混合圧縮自己着火エンジンの略であり、複数の燃料を均一の混合した混合気をシリンダー内に噴射して圧縮してゆき、加圧に伴って上昇した温度が一定値に達したときに自己着火させるエンジンである。
このエンジンの構造自体は公知であるから詳細な説明は省略する。
【００１０】
＜２＞燃焼室の容積
エンジンはシリンダー内でピストンが上下運動を行って混合気を圧縮する機関であって、（排気量＋燃焼室容積）／燃焼室容積＝圧縮比である。
通常のガソリンエンジンであれば圧縮比は７〜１０程度であり、排気量も燃焼室容積もボアやストロークの寸法が決まっているから、その値はエンジンごとに一定である。
【００１１】
＜３＞燃焼室の容積と自着火
ピストンの作動と混合気の圧力の関係は、ピストンが上死点に至って混合気の圧力は最大に上昇し、その後は徐々に低下する。
すなわち燃焼室の温度は、ピストンの上死点で最高となり、その後徐々に低下してゆく。
したがって混合気の自着火はピストンの上死点付近で行われるが、上死点への到達と同時に、あるいは到達直前に自着火したとすると、ピストンの上向きのエネルギーを上から叩くことになり大きなエネルギーの損失と、許容範囲を超えた急激な燃焼、すなわち異常燃焼の発生をきたす。
【００１２】
＜４＞上死点後の容積の変化
本発明の構造は、従来は一定であるはずのシリンダ１の燃焼室２の容量を、ピストン３の作動行程中に変化させるという点に特徴を有する。
特にピストン３が上死点を過ぎると同時に燃焼室２の容積を縮小したり、燃焼室２の容積の拡大率を緩慢にできるように構成したことを特徴としたものである。
前記したように従来のエンジンでは、上死点で混合気はもっとも圧縮され、圧力が最高となり、その結果温度が最高となって混合気が自着火する。
それに対して、本発明のエンジンでは、上死点を過ぎてからさらに燃焼室２の容積を縮小することができる。
あるいは上死点を過ぎてから燃焼室２の容積が拡大する率を緩慢にすることができる。
すると上死点を過ぎてからさらに温度が上昇するか、あるいは上死点を過ぎてからも温度の低下を抑えることができる。
その結果、ピストン３が上死点を過ぎた段階で、混合気を自着火させることが可能となる。
【００１３】
＜５＞容積可変部材
上記したように燃焼室２の容積をピストン３が上死点を過ぎると同時に減少させる構造として、燃焼室２の内部に容積可変部材４を機能させて燃焼室２の容積を縮小するように構成することができる。
【００１４】
＜６＞副ピストン
上記の容積可変部材４として、燃焼室２の内部に突出し、その後に燃焼室２から後退する副ピストン４１を採用することができる。（以下の説明では、「副ピストン４１」に対して、エンジン本体のシリンダー内のピストンを「主ピストン３」と称する。）
副ピストン４１は、燃焼室２の一部を開口し、その開口部に円筒体である副シリンダー４２を取り付け、副シリンダー４２から円柱形の副ピストン４１を出入りさせる構造である。
副ピストン４１が燃焼室２に侵入すると、副ピストン４１の侵入した部分の体積だけ燃焼室２の容積が減少することになる。
したがって副ピストン４１の燃焼室２への侵入を、主ピストン３が上死点を過ぎた直後に開始すれば、主ピストン３だけでは拡大に転じる燃焼室２の容積を、反対に減少させたり、あるいは拡大させず一定に保ったり、あるいは拡大の率を緩慢にすることができる。
そのいずれの機能が達成できるかは、燃焼室２の内径や主ピストン３の速度に対する、副ピストン４１の体積や侵入速度によって決まる。
【００１５】
＜７＞副ピストンの駆動源
燃焼室２の外側に設けた副ピストン４１を、ピストン３が上死点を過ぎると同時に主ピストン３内へ侵入させるためには何らかの駆動源が必要である。
そのために例えば副ピストン４１の燃焼室２側へ侵入運動を、エンジンがすでに備えているクランクシャフト５と連動して行うように構成することができる。
【００１６】
＜８＞カム機構（図２）
副ピストン４１は副シリンダー４２内を往復動する円柱体である。
この副シリンダー４２の尾端側にカム６を設置し、このカム６で副ピストン４１の尾端を加圧できるように構成する。
するとカム６の回転を副ピストン４１の往復動に変換することができる。
副ピストン４１には、カム６側への戻りのための戻りバネ６１を設ける。
カム６の回転は、ベルト、チェーン、歯車などを介してクランクシャフト５の回転から取ることができる。
クランクシャフト５の回転は、コンロッド５１を介して主ピストン３の往復動と連動しているから、結果として主ピストン３のシリンダー内での往復動を副ピストン４１の燃焼室２への出入り運動に連動することができ、ピストン３が上死点を過ぎると同時にカム６によって副ピストン４１を燃焼室２側へ押し出すように構成することができる。
その際の副ピストン４１の圧縮の作動は、クランク軸とカム軸の変速比、タイミング、カム山の形状などを任意に設定して行うことができる。
【００１７】
＜９＞クランク機構（図３）
前記したように副ピストン４１は副シリンダー４２内をスライドする円柱体であるが、この副シリンダー４２の尾端側に補助円盤７を回転自在に設ける構成を採用することができる。
そしてこの補助円盤７と、副シリンダー４２内をスライドする副ピストン４１の後端とをリンク７１で連結する。
すると補助円盤７の回転を、リンク７１を介して副ピストン４１の往復動に変換することができる。
補助円盤７の回転は、ベルト７２、チェーン、歯車などを介してクランクシャフト５の回転から取ることができる。
クランクシャフト５の回転は主ピストン３の往復動と連動しているから、結果として主ピストン３のシリンダー内での往復動を、副ピストン４１の燃焼室２への出入り運動に連動することができ、ピストン３が上死点を過ぎると同時にリンク７１によって副ピストン４１を燃焼室２側へ押し出すように構成することができる。
【００１８】
＜１０＞機能
上記において主ピストン３と副ピストン４１の機能を説明したが、本発明のエンジンの作動、機能をまとめて説明する。
【００１９】
＜１１＞最高温度をずらす機能
上記したように本発明のエンジンでは主ピストン３が上死点に到達した直後に、副ピストン４１を燃焼室２の内部に押し出すことが特徴である。
すると主ピストン３が上死点到達以降に燃焼室２の容積が最少となる瞬間が到来し、上死点通過後に最高温度を迎えることになる。
その状態で混合気が自着火すれば、主ピストン３が上死点通過後の下降行程に入った直後に主ピストン３の頭を叩かれることになり、きわめて効率のよいエネルギーを取り出すことができる。
従来のように主ピストン３だけで圧縮する場合と、別に副ピストン４１を設けた場合のシリンダー内の温度上昇の一例を図４に示す。
図は、主ピストン３の容積が約５００ｃｍ3、副ピストン４１の容積が約１０ｃｍ3の場合である。
この図で明らかなように、最高温度の際のクランク角度は、上死点（ＴＤＣ）よりもわずかに下降（膨張）行程側へずれており、理想的な主ピストン３の位置で自着火、燃焼を行わせることができることを示している。
さらにこの機構を用いれば、ＨＣＣＩエンジンの宿命であった、自着火の時期の制御が困難である、という問題も解決することができる。
【００２０】
＜１２＞最高温度を維持する機能
上記したように、主ピストン３と副ピストン４１のサイズの相違、副ピストン４１の燃焼室２への侵入速度の相違によって、燃焼室２の容積が上死点以降で縮小するか、あるいは上死点の状態の容積を維持するか、あるいは維持しないまでも燃焼室２の容積の拡大が、副ピストン４１が存在しない場合よりも緩慢になるか、結果は異なったものとなる。
燃焼室２の容積が上死点以降でさらに縮小する状況については上記したが、他の場合には最高温度を一定時間維持し、あるいは温度低下を緩慢にすることができるから、混合気の着火性などの条件次第ではより効率のよいエンジンを得ることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１：シリンダ
２：燃焼室
３：主ピストン
４：容積可変部材
４１：副ピストン
５：クランクシャフト
６：カム
７：補助円盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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