(57)【要約】【課題】  初爆サイクルにおける燃焼温度の上昇を抑制して初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を抑制し、ＮＯXの発生量の抑制率を向上させる。【解決手段】  内燃機関１０では、排気ガスが排気ガス貯留容器３６に貯留されており、始動時の初爆サイクルにおいて、排気ガスが、燃料と空気の混合気と共に燃焼室１２Ａに供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に供給された燃料を爆発させて駆動力を出力する内燃機関であって、
始動時に前記燃焼室で初めて燃料を爆発させる初爆サイクルにおいて、前記燃焼室内の燃焼温度を低下させる冷却媒体を前記燃焼室へ供給する冷却媒体供給手段を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記冷却媒体供給手段が、前記燃焼室から排気される排気ガスを貯留し、前記初爆サイクルにおいて、貯留した排気ガスを前記燃焼室へ供給する排気ガス供給手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記冷却媒体供給手段が、前記初爆サイクルにおいて、前記燃焼室へ水を供給する給水手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記冷却媒体供給手段が、前記初爆サイクルにおいて、前記燃焼室へ水が混合された燃料を供給する燃料供給手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に供給された燃料を爆発させて駆動力を出力する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関から排気される排気ガスに含まれる未燃焼炭化ガス（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯX）の発生量を抑制する方法が種々考案されている。ＨＣの発生量を抑制する方法としては、排気ガスを浄化する触媒を急速に加熱する方法（例えば、特許文献１参照）、始動直後、ＨＣを触媒に通過させる前に一旦吸着し、触媒の温度が上昇した後にＨＣを触媒に通過させる方法（例えば、特許文献２参照）、及び、ガソリン噴射装置によって微粒化してＨＣの蒸発を促進させる方法（例えば、特許文献３、４参照）等が考案されており、ＨＣの排出基準を下回るだけの効果が得られている。
【０００３】
一方、ＮＯXの発生量を抑制する方法としては、ＮＯXの発生量が燃焼温度の低下に比例して減少することに着目して、内燃機関から排気された排気ガスを内燃機関に還流させ、燃焼温度を低下させる方法（例えば、特許文献５乃至８参照）や、燃焼室内に水を供給して燃焼温度を低下させる方法（例えば、特許文献９、１０参照）等が考案されている。
【０００４】
ところで、内燃機関の始動時に燃料室で初めて燃料を爆発させる初爆サイクルにおいて、ＮＯXの発生量が２サイクル目以降の３倍以上になることが本発明者によって確認されている（図６の表参照）。本発明者は、回転速度２５０ｒｐｍ、当量比φ＝０．７〜１．２の条件下の内燃機関で、まず、図７（Ａ）に示すように、機関発火後の２サイクル目以降で燃焼室１２Ａ内に混合気と前サイクルの残留ガスが含まれる状態でのＮＯXの発生量を求め（図８のグラフ（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ａ）参照）、そして、図７（Ｂ）に示すように、図７（Ａ）に示す状態から残留ガスの体積を除去した状態のＮＯXの発生量を計算し（図８のグラフ（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｂ）参照）、さらに、図７（Ｃ）に示すように、図７（Ｂ）に示す状態に混合気の体積を加算した状態のＮＯXの発生量を計算した（図８のグラフ（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｃ）参照）。
【０００５】
このような結果になる理由としては、機関発火後の２サイクル目以降では、燃焼室１２Ａ内に混合気と前サイクルの残留ガスが含まれ、残留ガスの分だけ燃焼温度が低下するのに対して、初爆サイクルでは吸入した燃料と空気の混合気のみしか燃焼室内に存在せず、燃焼温度が上昇するためである。
【０００６】
しかしながら、上述したＮＯXの発生量の抑制方法では、初爆サイクルにおける燃焼温度の上昇が一切考慮されておらず、初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を抑制するための対策が何ら取られていない。即ち、ＮＯXを抑制する対策が、発生量が元々少ない時にだけ実施され、発生量が多い時には実施されていないので、ＮＯXの発生量の抑制率はそれ程高くはない。
【特許文献１】特開２００１−２２７３２７号
【特許文献２】特開平８−１８９３４１号公報
【特許文献３】特開２００３−１４８１９６号公報
【特許文献４】特開平８−１２１２６７号公報
【特許文献５】特開平１１−１２５１５０号公報
【特許文献６】特開平１１−１２５１５１号公報
【特許文献７】特開平６−１８５４７号公報
【特許文献８】特開２００１−９９０１３号公報
【特許文献９】特開２００１−５００７１号公報
【特許文献１０】特開平６−１７６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、初爆サイクルにおける燃焼温度の上昇を抑制して初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を抑制し、ＮＯXの発生量の抑制率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の内燃機関は、燃焼室に供給された燃料を爆発させて駆動力を出力する内燃機関であって、始動時に前記燃焼室で初めて燃料を爆発させる初爆サイクルにおいて、前記燃焼室内の燃焼温度を低下させる冷却媒体を前記燃焼室へ供給する冷却媒体供給手段を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の内燃機関では、燃焼室に供給された燃料が爆発されて駆動力が出力されるが、始動時に燃焼室で初めて燃料を爆発させる初爆サイクルにおいては、冷却媒体供給手段によって冷却媒体が燃焼室内に供給されて燃焼室内の燃焼温度の上昇が抑制される。これによって、始動時の初爆サイクルにおけるＮＯXの排出量を抑制できる。即ち、本発明では、ＮＯXを抑制する対策が、発生量が最も多い時に実施されるので、ＮＯXの発生量の抑制率が高くなる。
【００１０】
請求項２に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関であって、前記冷却媒体供給手段が、前記燃焼室から排気される排気ガスを貯留し、前記初爆サイクルにおいて、貯留した排気ガスを前記燃焼室へ供給する排気ガス供給手段であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の内燃機関では、排気ガス供給手段が、燃焼室から排気される排気ガスを貯留し、始動時の初爆サイクルにおいて、貯留した排気ガスを燃焼室へ供給する。
【００１２】
これによって、起動時の初爆サイクルにおける燃焼室内の混合気と排気ガスとの比率を、２サイクル目以降のレベルまで変化させることが可能となり、起動時の初爆サイクルにおける燃焼室内の燃焼温度を、２サイクル目以降の燃焼温度まで低下させることが可能となる。従って、ＮＯXの発生量の抑制率を向上できる。
【００１３】
請求項３に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関であって、前記冷却媒体供給手段が、前記初爆サイクルにおいて、前記燃焼室へ水を供給する給水手段であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の内燃機関では、起動時の初爆サイクルにおいて、給水手段によって水が燃焼室に供給され、燃焼室内の燃焼温度が低下される。これによって、起動時の初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を２サイクル目以降のレベルまで低下させることが可能となるので、ＮＯXの発生量の抑制率を向上できる。
【００１５】
請求項４に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関であって、前記冷却媒体供給手段が、前記初爆サイクルにおいて、前記燃焼室へ水が混合された燃料を供給する燃料供給手段であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の内燃機関では、起動時の初爆サイクルにおいて、燃料供給手段によって水が混合された燃料が燃焼室に供給され、燃焼室内の燃焼温度が低下される。これによって、起動時の初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を２サイクル目以降のレベルまで低下させることが可能となるので、ＮＯXの発生量の抑制率を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は上記構成にしたので、初爆サイクルにおける燃焼温度の上昇が抑制されて初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量が抑制され、以って、ＮＯXの発生量の抑制率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を参照しながら本発明の第１実施形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、内燃機関１０は、４サイクルガソリンエンジンで、１サイクルで吸気、圧縮、膨張、排気の４行程を実行して駆動力を出力する。この内燃機関１０では、シリンダ１２が上下方向に延出しており、このシリンダ１２内にピストン１４が摺動可能に設けられている。ピストン１４は、シリンダ１２の下方に配設されたクランクシャフト１６に、コンロッド１８を介して連結されており、クランクシャフト１６の回転により上下動される。
【００２０】
シリンダ１２の上端部には、吸気管２０、排気管２２が接続されており、吸気管２０、排気管２２とシリンダ１２との接続部には、それぞれ、吸気バルブ２４、排気バルブ２６が設けられている。この吸気バルブ２４、排気バルブ２６は、クランクシャフト１６に連結されており、吸気行程において吸気バルブ２４が開くことによって、シリンダ１２の上部の燃焼室１２Ａに燃料と空気との混合気Ａが吸気され、排気行程において排気バルブ２６が開くことによって、燃焼室１２Ａから燃焼ガスが排気される。
【００２１】
また、燃焼室１２Ａには、点火プラグ２８が設けられており、膨張行程において点火プラグ２８から火花が飛ばされて燃焼室１２Ａ内の混合気が爆発する。
【００２２】
ここで、内燃機関１０には、排気管２２から排気ガスＢを回収して燃焼室１２Ａに供給する排気ガス供給部１００が備えられている。この排気ガス供給部１００は、吸気管２０、排気管２２に接続された排気ガス流路３０、この排気ガス流路３０に吸気管２０側から順に配設された小型圧縮機３２、弁３４、排気ガス貯留容器３６、及び弁３８、そして、排気ガス貯留容器３６に設けられたドレーン弁４０を備える。小型圧縮機３２、弁３４、弁３８、及び、ドレーン弁４０は、ＥＣＵ４２によって制御されており、排気ガスＢが、排気ガス貯留容器３６に貯留され、又、排気ガス貯留容器３６から燃焼室１２Ａへ供給される。
【００２３】
以下、内燃機関１０の始動方法について説明する。
【００２４】
内燃機関１０のスイッチがオンになると、スターターモータ４４のピニオン（図示省略）が変位して、クランクシャフト１６と一体のフライホイール（図示省略）に設けられたリングギア（図示省略）と噛合うが、ピニオンがリングギアと噛合う位置まで変位すると変位計４６によって検知される。また、内燃機関１０の回転数が回転計４８によって計測される。
【００２５】
ＥＣＵ４２は、変位計４６から検知信号を受信し、回転計４８の計測が開始されると弁３８を開き、排気ガス貯留容器３６に予め貯留されている排気ガスＢを排気ガス貯留容器３６から吸気管２０に供給し、燃焼室１２Ａに吸気される混合気Ａに混入させる。この際、弁３８の開放時間を制御して、排気ガスＢの供給量を、混合気Ａの１／１０とする。
【００２６】
これによって、内燃機関１０の始動時に燃焼室１２Ａ内で初めて燃料を爆発させる初爆サイクルにおいて、燃料室１２Ａ内の気体が、燃料、空気の混合気Ａ、及び排気ガスＢから構成されることになる。このため、従来の内燃機関の起動時の初爆サイクルにおける燃焼室内の混合気の状態（燃料、空気のみの状態）を回避でき、起動時の初爆サイクルにおける燃焼室１２Ａ内の混合気Ａと排気ガスＢとの比率を、２サイクル目以降のレベルまで変化させることが可能となる。
【００２７】
従って、初爆サイクルにおける燃焼室１２Ａ内の燃焼温度を２サイクル目以降のレベルまで抑制でき、初爆サイクルにおけるＮＯXの発生量を２サイクル目以降のレベルまで抑制できる。ここで、本実施形態の内燃機関１０では、ＮＯXを抑制する対策が、発生量が最も多い時に実施されるので、ＮＯXの発生量の抑制率が高くなる。
【００２８】
ところで、内燃機関１０の始動時に、排気ガスＢが排気ガス貯留容器３６に予め貯留されていると上述したが、この排気ガスＢは、図２に示すように、内燃機関１０が稼動されている際に燃焼室１２Ａから排気される排気ガスＢの一部を排気ガス流路３０に導入して排気ガス貯留容器３６に貯留したものである。
【００２９】
内燃機関１０が稼動されている間、排気ガス貯留容器３６の内圧が気圧計５２によって計測されており、内燃機関１０の始動が何度か行われて、気圧計５２の数値が基準値以下（例えば、大気圧の１．２倍程度）まで低下すると、ＥＣＵ４２が、弁３４を開き、小型圧縮機３２を駆動して排気ガスＢを排気管２２から排気ガス貯留容器３６に導入する。そして、気圧計５２の数値が基準値以上（例えば、大気圧の１．４倍程度）まで上昇すると。ＥＣＵ４２は、弁３４を閉じ、小型圧縮機３２を停止する。なお、この動作は、内燃機関１０の回転数と出力が基準値以上まで上昇した安定運転時に限って実行される。
【００３０】
また、ＥＣＵ４２は、小型圧縮機３２を駆動する度に、ドレーン弁４０を開く。これによって、凝縮して排気ガス貯留容器３６に貯まった排気ガス中の水分Ｗが、排気ガス貯留容器３６から排出される。
【００３１】
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３２】
図３（Ａ）に示すように、内燃機関５０の排気ガス供給部５１では、排気ガス流路３０が燃焼室１２Ａと吸気管２０に接続されている。排気ガス流路３０には、燃焼室１２Ａ側から順に弁３４、排気ガス貯留容器３６、弁３８が配設されており、これらとドレーン弁４０は、ＥＣＵ５４によって制御されている。
【００３３】
ＥＣＵ５４は、内燃機関５０が稼動されている際に、気圧計５２の数値が基準値以下まで低下すると、弁３４を開いて、排気ガスＢを燃焼室１２Ａの燃焼圧力で排気ガス貯留容器３６に流入させ、そして、気圧計５２の数値が基準値以上まで上昇すると、弁３４を閉じて排気ガスＢを排気ガス貯留容器３６に貯留する。
【００３４】
また、内燃機関５０の始動時には、図３（Ｂ）に示すように、第１実施形態と同様、弁３８を開いて、初爆サイクルの吸気（混合気）Ａに排気ガスＢを混入させ、初爆サイクルの燃焼温度を低下させる。
【００３５】
次に、第３実施形態について説明する。なお、第１、第２実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３６】
図４（Ａ）に示すように、内燃機関６０の排気ガス供給部６１では、排気ガス流路３０が排気管２２と燃焼室１２Ａに接続されている。排気ガス流路３０には、排気管２２側から順に小型圧縮機３２、弁３４、排気ガス貯留容器３６、及び弁３８が配設されており、これらとドレーン弁４０は、ＥＣＵ６２によって制御されている。
【００３７】
ＥＣＵ６２は、内燃機関６０が稼動されている際に、気圧計５２の数値が基準値以下まで低下すると、弁３４を開き、小型圧縮機３２を駆動して、排気ガスＢを排気管２２から排気ガス貯留容器３６に流入させ、そして、気圧計５２の数値が基準値以上まで上昇すると、弁３４を閉じ、小型圧縮機３２を停止して排気ガスＢを排気ガス貯留容器３６に貯留する。
【００３８】
また、内燃機関６０の始動時には、図４（Ｂ）に示すように、弁３８を開いて、排気ガスＢを排気ガス貯留容器３６から燃焼室１２Ａへ直接供給し、初爆サイクルの燃焼温度を低下させる。
【００３９】
次に、第４実施形態について説明する。なお、第１乃至第３実施形態には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００４０】
図５に示すように。内燃機関７０では、シリンダ１２の上部に、燃焼室１２Ａ内に、水Ｗを噴霧する噴霧器７２が配設されている。ＥＣＵ７４は、内燃機関７０の始動時、変位計４６から検知信号を受信し、回転計４８の計測が開始されると噴霧器７２を作動させて燃焼室１２Ａ内に水Ｗを噴霧させる。
【００４１】
これによって、内燃機関７０の始動時の初爆サイクルにおいて、燃焼室１２Ａ内の水分の蒸発熱によって燃焼室１２Ａの燃焼温度が抑制され、ＮＯXの発生量が抑制される。
【００４２】
なお、本実施形態では、初爆サイクルにおいて、燃焼室１２Ａ内に水を供給したが、これに限らず、燃料に水を加え界面活性剤で安定させた乳化燃料を燃焼室１２Ａ内に供給しても良い。この場合でも、燃料に混合された水分の蒸発熱によって燃焼室１２内の燃焼温度が抑制される。
【００４３】
また、第１乃至第４実施形態では、４サイクルの火花着火式のガソリンエンジンを例に取って本発明を説明したが、これに限らず、２サイクルガソリンエンジン、ディーゼルエンジン（圧縮着火式エンジン）等の他の種類のエンジンにも本発明を適用可能である。
【００４４】
さらに、第１乃至第４実施形態では、燃料の供給方式が吸気管噴射式のエンジンを例に取って本発明を説明したが、これに限らず、燃料の供給方式にシリンダー内直接噴射方式を採用したエンジンにも本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、第３実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。
【図５】第４実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。
【図６】初爆サイクルと２サイクル目以降の燃焼温度、ＮＯXの発生量を比較した表である。
【図７】圧縮行程が始まった時のシリンダ内のガスの構成を示す図で、（ａ）は機関発火後の２サイクル目以降、（ｂ）は（ａ）から残留ガスを除去した状態、（ｃ）は初爆サイクルにおける構成を示す図である。
【図８】図７（ａ）〜（ｃ）に示すガスの構成におけるＮＯXの発生量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１０      内燃機関
１２Ａ    燃焼室
５０      内燃機関
５１      排気ガス供給部（冷却媒体供給手段、排気ガス供給手段）
６０      内燃機関
６１      排気ガス供給部（冷却媒体供給手段、排気ガス供給手段）
７０      内燃機関
７２      噴霧器（冷却媒体供給手段、給水手段、燃料供給手段）
１００    排気ガス供給部（冷却媒体供給手段、排気ガス供給手段）
Ｂ        排気ガス（冷却媒体）
Ｗ        水（冷却媒体）
【図１】
2006214330.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006214330.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006214330.tif 000008
【図７】
2006214330.tif 000009
【図８】
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