(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の予混合圧縮着火式エンジンは、エンジン音が大きく、大出力時に他の点火モードに切り替えて運転する必要があり高効率の効果が限定され、大出力側の運転可能領域が狭かった。【解決手段】４サイクル２軸水平対向ピストン対向シリンダエンジンであり、燃焼室内にフリーピストン１１７を設けて燃焼室を２つ１０３，１０９に分割する。一方の燃焼室の点火プラグ１１３で点火すると、膨張してフリーピストン１１７が他方燃焼室１０３方向に移動して他方の燃焼室混合気がフリーピストン１１７で圧縮されて着火温度を超えて着火する。クランク角が１０°の時点で着火することで遅角効果を得ることができる。また、本発明では高温の排気を混合気に混合する必要がないため、圧縮開始時の混合気温度が低く、更に遅角効果を加えることで瞬間的な大出力を効率的に運動に変換することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火手段を設けた燃焼室（以下、「ＳＩ側燃焼室」という。）と連接する別の燃焼室（以下、「ＨＣＣＩ側燃焼室」という。）を設け、連接部に設けた外部に機械的に接続されずにシリンダ内を摺動可能なフリーピストンにより両燃焼室のガスが隔離され、ＳＩ側燃焼室のプラグ点火、膨張により、フリーピストンのＨＣＣＩ側燃焼室方向へ動くことでＨＣＣＩ側燃焼室の混合気を圧縮着火させるエンジンにおいて、フリーピストンを除く両燃焼室のピストンが互いに機械的機構で連結したことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
ＳＩ側燃焼室のピストンとフリーピストンの間に隔壁を設け、フリーピストンと隔壁間の空間（以下、「燃焼着火室」という。）に排気弁と点火手段を設け、隔壁とピストン間の空間（以下、「圧縮室」という。）には吸気弁を設け、隔壁には燃焼着火室と圧縮室を結ぶ穴を設け、圧縮室圧力が燃焼着火室圧力よりも高い時に開き、低いときに閉じる弁が設けられたことを特徴とする請求項１のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  エンジンの圧縮着火に関する技術分野。
【背景技術】
【０００２】  予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンは、断熱圧縮により混合気の大部分が同時に着火温度になり瞬時に着火することで外部への熱損失が少ない上、高圧縮比での着火・膨張であるため点火プラグ式（ＳＩ）エンジンに比べて燃焼効率が高く、化石燃料の枯渇やＣＯ２排出による地球温暖化を抑制するためにも、実用化が望まれている。従来のＨＣＣＩ方式では、燃焼室内の圧力や温度をセンサーで計測し、マイコンで計算して燃焼済み排気ガスを最適混合量給気に混入させて、上死点で着火温度となるように比熱比を調整していた。また、吸気温度を下げることで遅角させることが可能な事が知られている。
また、特許文献１では、フリーピストン付対向ピストン対向シリンダ（ＯＰＯＣ）エンジンが開示されている。フリーピストンは主に流体を圧縮又は加圧して発電機を廻して発電する発電用エンジンに用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】  特許４９０１６５９号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  従来提案されているＨＣＣＩエンジンは、ピストン上死点で瞬時にほぼ全ての混合気が爆発するため、音が大きいことと大出力時にエンジンが破壊されるため、ＨＣＣＩモードは低出力時のみの運転で、出力を上げる場合には他の点火モードに切り替えて運転する必要があり、高効率運転の幅が狭く実用化が困難であった。
また、特許文献１のようなフリーピストン付ＯＰＯＣエンジンでは、直接機械的にエンジンのクランクに接続することができなかったため、自動車エンジン用としては実用に困難があった。別の文献では機械的接続においては、フライホイール経由での間接的な接続が開示されているが、フライホイールを用いる場合は、重量の問題や摩擦による回転数の低下などがあり、限られたエンジンルーム内に収納するには困難があった。そこで、クランクと機械的に同期して接続し、しかも大出力にも対応する静音性の高いＨＣＣＩエンジンが求められている。
実用化のための最大の課題は、ＨＣＣＩモードでの運転可能領域が狭い、特に、大出力側に運転可能領域を広げる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  第一の手段では、点火手段を設けた燃焼室（以下、「ＳＩ側燃焼室」という。）と連接する別の燃焼室（以下、「ＨＣＣＩ側燃焼室」という。）を設け、連接部に設けた外部に機械的に接続されずにシリンダ内を摺動可能なフリーピストンにより両燃焼室のガスが隔離され、ＳＩ側燃焼室のプラグ点火、膨張により、フリーピストンのＨＣＣＩ側燃焼室方向へ動くことでＨＣＣＩ側燃焼室の混合気を圧縮着火させるエンジンにおいて、フリーピストンを除く両燃焼室のピストンが互いに機械的機構で連結したことを特徴とする。【０００６】  本手段では、複数の燃焼室を連接部で連接し、連接部に各燃焼室のガスを隔離するフリーピストンが設けられている。複数の燃焼室の内少なくとも１つは点火プラグにより点火するＳＩ燃焼室が設けられ、他の燃焼室では、ＳＩ燃焼室の点火手段による点火で膨張したガスにより連接部のフリーピストンで圧縮されてＨＣＣＩ燃焼室混合ガスが着火する。ＳＩ側点火時期を遅らせることでＨＣＣＩ側の着火に遅角効果を与えることができ、大出力を効率良く運動エネルギーに変換することができる。【０００７】  第二の手段では、ＳＩ側燃焼室のピストンとフリーピストンの間に隔壁を設け、フリーピストンと隔壁間の空間（以下、「燃焼着火室」という。）に排気弁と点火手段を設け、隔壁とピストン間の空間（以下、「圧縮室」という。）には給気弁を設け、隔壁には燃焼着火室と圧縮室を結ぶ穴を設け、圧縮室圧力が燃焼着火室圧力よりも高い時に開き、低いときに閉じる弁が設けられたことを特徴とする。【０００８】  本手段では、圧縮室で圧縮された混合気が燃焼着火室に一時的に貯められてＨＣＣＩ側の任意の遅れ角で点火プラグによってＳＩ側混合気に点火され、フリーピストンを押すことで、ＨＣＣＩ側を圧縮着火させる。本手段では、燃焼着火室容積を一定にすることができるため、失火を防止して広い範囲で遅角制御することができる。
【発明の効果】
【０００９】  ピストンが遅れ位置にあるときに着火させることで、圧縮着火の急激な圧力上昇を効率良く運動エネルギーに変換することができ、音も静かで幅広い出力特性を実現できる。また、着火に筒内センサーやマイコン及び排気還流機構が不要なため、安価でしかも、マイコン故障時の危険を回避することができ、信頼性及び安全性が高い。また、単一ピストン同燃焼室容積の気筒に比較するとフリーピストンを挟んで一つと見なせる混合気を２本のピストンで膨張させるため、大きな遅角効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＨＣＣＩエンジンを説明する側面断面説明図
【図２】ＨＣＣＩエンジンの行程を説明する説明図
【図３】他のＨＣＣＩエンジンを説明する側面断面説明図
【図４】他のＨＣＣＩエンジンを説明する側面断面説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】  本発明の第一の形態を図１及び図２に示す。図１は本発明のＨＣＣＩエンジンを説明する側面断面説明図である。１０１はシリンダ、１０２はピストンリング、１０３はＨＣＣＩ燃焼室、１０４は給気弁１、１０５は摺動制限凸部、１０６は安定板、１０７は摺動制限凸部、１０８は給気弁２、１０９はＳＩ燃焼室、１１０はピストン２、１１１はコンロッド、１１２はピストンリング、１１３は点火プラグ、１１４は排気弁２、１１５は油含浸メタル、１１６はピストンリング、１１７はフリーピストン、１１８は排気弁１、１１９はガイド溝、１２０はグラスファイバー、１２１はピストン１、１２２はコンロッドである。図２は本発明のＨＣＣＩエンジンの行程を説明する説明図である。
【００１２】  図１に示す如く、４サイクル２軸水平ＯＰＯＣガソリンエンジンの燃焼室にフリーピストン（１１７）を設け、対向ピストンは位相差を設けてクランクに接続されている構成となっている。行程は図２に示す。ＳＩ側ボア・ストローク積対ＨＣＣＩ側ボア・ストローク積の比は１：２とした。両燃焼室のピストンは２本の軸を歯車で連結して回転軸に動力を伝える構造となっている。ＳＩ側点火時期は、ＨＣＣＩ側ピストンが遅角位置で行う。吸気開始時期はＳＩ側及びＨＣＣＩ側の両燃焼室容積の和（Ｓ）が最小となるクランク角で行われる。排気開始時期及び圧縮開始時期は両燃焼室容積の和（Ｓ）が最大になるクランク角で行われる。
【００１３】
【数１】
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Ｓ：両燃焼室ピストンの各クランク角におけるストローク和
（ＨＣＣＩ側ストロークを１としたときの値）
ａ：両燃焼室ピストンのストローク比で小さい方
ｂ：両燃焼室ピストンのストローク比で大きい方
θ：クランク角
【００１４】  例えばクランク角１０°の時点でＳＩ側の点火プラグ（１１３）でＳＩ燃焼室（１０９）内混合気に点火すると、膨張してフリーピストン（１１７）をＨＣＣＩ側に押しやることでＨＣＣＩ側燃焼室（１０３）混合気が圧縮されて着火し、再びフリーピストン（１１７）をＳＩに押すことでクランク角の大きいピストンを押下げる。フリーピストン（１１７）には、ガイド溝（１１９）を摺動する安定板（１０６）が直角に交わるように取り付けられたピストンリング（１１６）が設けられている。更に、フリーピストン（１１７）は、弁（１０４，１０８，１１８，１１４）の手前にある摺動制限凸部（１０５，１０７）で摺動が制限されている。摺動部には油含浸メタル（１１５）が設けられている。フリーピストンには摺動方向への力が加わるだけで、シリンダ壁を押す方向へは力が掛からないため、油含浸メタル（１１５）を使用することができる。材質は熱伝達の良い銅系のものが望ましい。更に、フリーピストン（１１７）形状は、圧縮比を落とさないように、両燃焼室（１０３，１０９）方向に長い形状とし、軽量化して応答性を良くするために内部にグラスファイバー（１２０）を設けた。
本発明では、単一ピストン同燃焼室容積の気筒に比較するとフリーピストンを挟んで一つと見なせる混合気を２本のピストンで膨張させるため、１．５倍の遅角効果がある。燃焼済み排気ガスを必ずしも混合する必要はないため、排気ガスを混合しない場合は、圧縮開始時の混合気温度が低いため大きな遅角効果を得ることができる。更に本発明の機械的遅角に加えることでより更に大きな遅角効果を得ることができ、大出力側に大きく運転可能領域を広げることができる。また、点火時期を変えることで、失火しない範囲で遅角効果を変更することができる。
【００１５】  本発明の第二の形態を図３に示す。図３は本発明のＨＣＣＩエンジンを説明する側面断面説明図である。３０１はシリンダ、３０２はＨＣＣＩ燃焼室、３０３は給気弁１、３０４はフリーピストン、３０５は排気弁２、３０６は燃焼着火室、３０７は給気弁２、３０８はピストン２、３０９は圧縮室、３１０は隔壁、３１１は逆止弁、３１２は点火プラグ、３１３は排気弁１、３１４はピストン１である。
【００１６】  本発明は、前述第一の形態のエンジンに、フリーピストン（３０４）とピストン２（３０８）に挟まれた空間に隔壁（３１０）を設け、燃焼着火室（３０６）には排気弁２（３０５）と点火プラグ（３１２）が設けられ、隔壁には圧縮室（３０９）内の圧力が燃焼着火室（３０６）の圧力よりも高い時に開き、低いときに閉じる逆止弁（３１１）を設けた構造とした。
【００１７】  上記の構造から、ピストン２（３０８）はＨＣＣＩ側のピストン１（３１４）と機械的に連結されおり、給気ポートからの混合気を圧縮する。圧縮された混合気圧力が燃焼着火室（３０６）内圧力よりも大きくなると、逆止弁（３１１）が開き混合気が燃焼着火室（３０６）内に給気される。ピストン２（３０８）が下降を開始すると圧縮室（３０９）内の圧力が低下して逆止弁（３１１）が閉じ、ＨＣＣＩ側ピストン１（３１４）のクランク角が上死点（０°）よりも大きいクランク角において点火フラグ（３１２）で混合気に点火する。燃焼着火室（３０６）内の圧力が上昇してフリーピストン（３０４）を押してＨＣＣＩ燃焼室（３０２）内の混合気を着火させる。排気弁２（３０５）はＨＣＣＩ側排気弁１（３１３）と同期させて開閉する。
本発明では、燃焼着火室（３０６）容積が一定のため、大遅角時での燃焼着火室（３０６）の失火が防止できるため、比較的広範囲で着火時期を制御することができる。
【００１８】  第一及び第二の形態において、暖気運転中は、ＨＣＣＩ側で点火プラグ（図示せず）を用いて点火してもよい。また、図２に示すクランク角は、点火から膨張までの遅延時間、フリーピストンによる圧力伝達の遅延時間、また、ＳＩ側での高速回転時の点火時期進角等は、説明の簡便化のためにクランク角に反映させていない。更に本発明は、複数の燃焼室を連接する連接部にフリーピストンと点火手段を設ければ良いので、水平ＯＰＯＣ型である必要はなく、例えば、倒立Ｖ型であっても良い。更に他の一例では、図４に示すような並列２筒の構成であっても良い。４０１は排気弁、４０２は給気弁、４０３はＨＣＣＩ燃焼室、４０４はフリーピストン、４０５は点火プラグ、４０６は給気弁、４０７は排気弁、４０８はコンロッド、４０９はコンロッド、４１０はピストン、４１１はピストン、４１２はＳＩ燃焼室である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】  自動車、航空機、船舶、発電等に用いる動力機関に応用できる。
【符号の説明】
【００２０】  Ｓ  ストローク和
ａ、ｂ  ストローク比
θ  クランク角
１０１、３０１  シリンダ
１０２、１１２、１１６  ピストンリング
１０３、３０２、４０３  ＨＣＣＩ燃焼室
１０４、３０３  給気弁１
１０５、１０７  摺動制限凸部
１０６  安定板
１０８、３０７  給気弁２
１０９、４１２  ＳＩ燃焼室
１１０、３０８  ピストン２
１１１、１２２、４０８  コンロッド
１１３、３１２、４０５  点火プラグ
１１４、３０５  排気弁２
１１５  油含浸メタル
１１７、３０４、４０４  フリーピストン
１１８、３１３  排気弁１
１１９  ガイド溝
１２０  グラスファイバー
１２１、３１４  ピストン１
３０６  燃焼着火室
３０９  圧縮室
３１０  隔壁
３１１  逆止弁
４０１、４０７  排気弁
４０２、４０６  給気弁
４１０、４１１  ピストン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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