(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧に圧縮しておいた燃焼用気体を、機関の排気行程の後半の特定の時期に燃焼室内に供給し、その後当該燃焼用気体を燃焼爆発させて、燃焼室内に位置する作動子を往復運動あるいは回転運動させる。【解決手段】燃焼室内で動作するピストンが排気工程の上死点前で特定の位置に差し掛かるとき、高圧空気と燃料とから成る混合気を前記燃焼室に供給し、その後の特定位置で当該混合気を爆発燃焼させて前記ピストンを特定の方向に動作させる。【選択図】図１
2008291847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で動作するピストンが排気工程の上死点前で特定の位置に差し掛かるとき、高圧空気と燃料とから成る混合気を前記燃焼室に供給し、その後の特定位置で当該混合気を爆発燃焼させて前記ピストンを特定の方向に動作させる原動機。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記燃焼室が３気筒若しくはその倍数だけ設けられており、前記ピストンの位置が各燃焼室で１２０度ずつずれて配置されていることを特徴とする原動機。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、機関の始動時には前記気筒の内、上死点後の特定位置に停止している気筒に前記混合気を供給し、その後の特定時期に当該混合気を爆発燃焼させて機関を始動させ、機関始動後は各気筒の上死点前の特定の位置において前記混合気を各燃焼室に供給し、その後の特定時期に当該混合気を爆発燃焼させることを特徴とする原動機。
【請求項４】
圧縮空気と燃料を燃焼室に供給して爆発排気させ、燃焼室に関連付けて設けられた作動子を駆動して往復運動又は回転運動出力を得る原動機において、
前記原動機の惰性運転時に当該原動機の作動子に連結されるコンプレッサを備え、当該コンプレッサによって前記圧縮空気を得るように構成した原動機。
【請求項５】
請求項４において、前記コンプレッサは前記原動機の作動子に連結された別の作動子と、当該別の作動子と関連付けられた圧縮室とを有する原動機。
【請求項６】
請求項４に記載のものにおいて、前記圧縮空気を貯留するタンクを備えた原動機。
【請求項７】
圧縮空気と燃料を燃焼室に供給して爆発排気させ、燃焼室に関連付けて設けられた作動子を駆動して往復運動出力又は回転運動出力を得る原動機において、
前記燃焼室に隣接して設けられた高圧流体作動室と、
当該高圧作動流体室にあって、前記燃焼室と混合気室とを連通遮断する開閉部材と、
当該開閉部材を前記作動子の位置に応じて開閉する開閉機構とを備えた原動機。
【請求項８】
請求項７において、前記開閉機構が前記作動子の動きに関連して動作するカムにより構成され、
前記開閉部材が前記カムで駆動される内開きの流体供給弁である原動機。
【請求項９】
請求項７において、前記開閉機構が前記作動子の動きに関連して動作するカムにより構成され、
前記開閉部材が前記カムで駆動される内開きの流体供給弁で構成され、
さらに、前記高圧作動流体室には前記作動子の動きに関連して動作する別のカム機構で駆動されるピストンが設けられており、前記高圧作動流体室の高圧作動流体が当該ピストンにより、前記流体供給弁の開弁タイミングに同期して前記燃焼室に押し出す原動機。
【請求項１０】
請求項７において、前記開閉部材が前記高圧作動流体室に供給される前記高圧作動流体によって開位置に付勢されると共に、ばねによって閉位置に付勢されるピストンから構成されており、
前記開閉機構が前記ピストンを始動初期に開位置に付勢するパイロット機構として動作するカムを備えている
原動機。
【請求項１１】
圧縮空気と燃料を燃焼室に供給して爆発燃焼させて燃焼室に関連付けて設けられた作動子を上死点位置から下死点位置に駆動して往復運動出力又は回転運動出力を得ると共に、
前記可動子が下死点位置から上死点位置に向けて移動するタイミングに同期して開く排気弁を備えた原動機において、
特定の運転状態において、前記排気弁を開いた状態で前記高圧作動流体を前記燃焼室に供給する
ことを特徴とする原動機。
【請求項１２】
圧縮空気と燃料を燃焼室に供給して爆発燃焼させて燃焼室に関連付けて設けられた作動子を上死点位置から下死点位置に駆動して往復運動出力又は回転運動出力を得る原動機において、
前記燃焼室に供給される圧縮空気の圧力を調整するか若しくは、前記燃焼室に供給される前記圧縮空気の供給タイミングを調整して圧縮比を制御する原動機。
【請求項１３】
空気と燃料を燃焼室に供給して爆発燃焼させて燃焼室に関連付けて設けられた作動子を回転駆動して出力を得るロータリーエンジンにおいて、
前記作動子が１回転する間に一つの燃焼室で２回爆発工程が到来するよう構成したロータリーエンジン。
【請求項１４】
空気と燃料を燃焼室に供給して爆発燃焼させて燃焼室に関連付けて設けられた作動子を回転駆動して出力を得るロータリーエンジンにおいて、
前記作動子の回転方向を切換える切換え機構を設けたことを特徴とするたロータリーエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼室内で気体あるいは液体燃料を爆発燃焼させて作動子の往復運動あるいは回転運動を引き起こすエンジン（内燃機関あるいは原動機）に関し、例えば自動車，船舶等の原動機として用いることができる。また、一般的に回転運動や往復運動を発生する原動機として広い用途に供することができるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の４サイクルガソリンエンジンは「吸気−圧縮−爆発−排気」の４行程から成っており、１回転おきに「コンプレッサ」機能と「原動機」機能を繰り返している。
【０００３】
また、圧縮を行わずに高圧空気を気筒に注入するエンジンが特表平１１−５０２００３号公報に記載されているが、通常のエンジンとして動作した後、燃焼室の余熱で高圧空気を膨張させてエンジンを回すもので、燃料噴射（燃料の供給）を行わないためエネルギ源がなく、いわゆる永久機関と思われる。
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０２００３号公報
【特許文献２】特開２００２−３９０３８号公報
【特許文献３】特許第３２５４０８６号公報
【特許文献４】特開２００２−３６４３６５号公報
【特許文献５】特表２００２−５２３６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、従来の４サイクルガソリンエンジンでは爆発に必要な圧縮気体を爆発の直前の１回転で作っているために、１回転おきにしか爆発できないという問題点を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために、高圧に圧縮しておいた燃焼用気体を、機関の排気行程の後半の特定の時期に燃焼室内に供給し、その後当該燃焼用気体を燃焼爆発させて燃焼室内に位置する作動子を往復運動あるいは回転運動させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
このように構成した本発明によればエンジンに吸気通路が不要となり、燃焼用気体を燃焼に必要な量だけ燃焼室に供給するので従来のエンジンに見られるような吸気通路における吸気損失がなくなり、エンジンの効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本実施例の原動機の更なる特徴（機能，動作，作用効果）を以下、従来の原動機と比較して説明する。なお、本明細書で「原動機」とは広義の意味で物を動かす力を発生する装
置として使用する。狭義には自動車や船舶などの内燃機関あるいはエンジンと呼称される限定的な原動機を意味することもある。広義の意味での原動機は、燃料の供給や燃焼爆発といった作用を伴わない空気力式の原動機も含む場合がある。
【０００９】
従来の原動機（エンジン，内燃機関）は、ガソリンエンジンであれディーゼルエンジンであれ、スタータで始動する必要があり、アイドル回転数以上の領域でしか使用できない。エンジン以外の動力源として電動機，油圧モータ，空気モータ，蒸気機関等があるが、これらはいずれも停止状態からトルクを発生して自分で回転し、アイドリングは必要ない。
【００１０】
また電動機，油圧モータ，空気モータ，蒸気機関等は正転・逆転自在であるが、エンジンは逆転できない。ジェットエンジンはリバース噴射出来るが、これは反射板により噴射ガスを方向転換しているのであって逆転ではない。
【００１１】
さらに電動機と空気モータは回生制動も可能であり、いわゆる四象限運転（前進カ行，後退カ行，後退回生，前進回生）を行うことができる。
【００１２】
このように、エンジン以外の動力源は少なくとも第一・第三象限運転が出来るのに対して、エンジン（内燃機関）は第一象限の一部でしか運転できない。
【００１３】
スタータを使わずエンジンを独りでに始動させる方法は特開２００２−３９０３８号公報に記載されているが、停止エンジンの吸気弁を開いて空気を取り入れ、気筒内に燃料を噴射して点火するもので、混合気圧力が１気圧しかないので爆発力が弱く、無負荷でなければ始動できない。また一度回り出してもアイドル回転数以下に回転数を下げることは出来ない（実施例の課題１）。
【００１４】
このため、停車時にもエンジンは回転し続けるアイドリング運転が必須であるので、アイドリングを安定に保つためのアイドルスピード制御バルブ（ＩＳＣ）が必要である（実施例の課題２）。
【００１５】
またエンジンを切り離す発進クラッチや回転差を吸収するトルクコンバータも必要である（実施例の課題３）。
【００１６】
昔の単純なエンジンは逆方向に始動すれば逆回転動作したが、それはあくまで異常動作であって逆方向の動力を取り出すための運転ではなかった。最近のエンジンは電子制御化されており、アイドリングが前提の制御を行っているので逆転することが出来ない（実施例の課題４）。
【００１７】
エンジントルクは中速回転域で高くなり、高速域では低下する。これは中速回転域で吸気速度が共鳴するように吸気管が設計してあり、吸気の慣性により１気圧以上の空気がシリンダに流入するので、燃料量も多くなりトルクが高くなるのである。高速回転域では吸気が追いつかなくなってトルクが低下する。このようにトルク特性がフラットにならないという問題があった（実施例の課題５）。
【００１８】
圧縮比を上げて出力を増大させようとすると、圧縮空気が高温になり過ぎて、点火プラグ以外のホットスポットで爆発するいわゆるノッキングが生じ易くなり、あまり圧縮比を上げられないという問題があった（実施例の課題６）。
【００１９】
最近エンジンと電動機を組合わせたハイブリッドシステムが実用化され、制動時に運動エネルギを回収して燃費向上に有効であるが、現在のハイブリッドシステムでは回生エネルギを蓄積するバッテリが必要であり、インバータを含めると大幅なコスト上昇を余儀なくされるという問題があった（実施例の課題７）。
【００２０】
以上の課題を解決するため本実施例は以下のように構成される。
【００２１】
本実施例になるエンジン（原動機）は実質的に爆発工程と排気工程だけを実行し、その結果、作動子の１往復、あるいは１回転に１回爆発工程を有する。
【００２２】
本発明がロータリーエンジンに適用された場合は作動子が１回転する間に一つの燃焼室で２回爆発工程が到来することが特徴となる。本実施例では燃焼室が２つで可動子が３つの面を持つので作動子１回転に対して６回の爆発が起こることになる。
【００２３】
具体的には、気筒頂部の燃焼室に隣接して混合気室を設け、両者の間を隔離ピストンで隔離できるようにする。混合気室に空気インジェクタおよび燃料インジェクタを設け、所定圧で所定空燃比の混合気を作成しておく。エンジンのピストンが上死点の手前に来たとき排気弁を閉じ、隔離ピストンを開いて混合気を気筒に導くと共に点火する。爆発膨張行程が終ったら隔離ピストンを閉じ、再び所定圧で所定空燃比の混合気を作成しておく。これを繰り返すとエンジンは吸入，圧縮行程なしに動作する。この具体的構成，作動方法は実施例６に記載する。またロータリーエンジンについては、実施例１３，１４で説明する。
【００２４】
さらに具体的には、「吸気−圧縮」行程を分離，専業化して「コンプレッサ」で高圧空気をタンクに蓄圧し、空気インジェクタにより高圧空気を直接シリンダに注入することで「原動機」部分から「吸気−圧縮」行程をなくし、「爆発−排気」に専業化して、停止状態からいきなり爆発できるようにしてスタータを不要にする。
【００２５】
尤も、これは停止時の気筒の一つが、膨張工程、つまり作動子が下死点方向へ移動する途中の位置に停止している場合に、この気筒に燃焼空気を供給して燃焼爆発させることで達成できる。
【００２６】
もし、気筒が一つの場合か、あるいは複数気筒でも都合よくどの気筒も下死点に向かう気筒がない場合はエンジンの停止時、あるいはエンジンの始動に先立って作動子を下死点に向かう位置まで移動させる補助装置を設ければスタータなしにエンジンを始動できる。
【００２７】
このように構成すれば装置の休止時に原動機をアイドル運転しておく必要がなくなる。つまり、装置（例えば自動車や芝刈り用の原動機等）が休止状態の時、エンジン自体も停止しておくことができる。
【００２８】
自動車の場合、アイドリングがなくなることでＩＳＣバルブが不要になる。また回転数ゼロからトルクを制御することで、発進クラッチやトルクコンバータを不要にすることができる。
【００２９】
原動機の停止状態からの始動時に高圧空気と燃料を噴射する気筒を選択することで逆転始動させることができる。
【００３０】
また圧縮済みの空気をシリンダに直接注入するので、高速時にも吸気が追いつかない問題を解決し、トルク特性をフラットにすることができる。
【００３１】
さらに比較的温度の低い圧縮済み空気をシリンダに注入することで、ノッキングの発生を抑えながら出力を向上させることができる。
【００３２】
ハイブリッドシステムを構成する代わりに、空気を蓄える空気タンクの圧力および容積を大きくすることで、空気圧として蓄積するエネルギを増大させ、バッテリや発電機を用いることなく、コストの低い回生機能を付与することができる。
【００３３】
本実施例では吸気負圧と言う概念がなくなり、圧力源は高圧圧縮気体による正圧に統一される。従って気体圧力によってアクチュエータを作動させるときはこの圧力源からの正圧により作動させられることになる。
【００３４】
本実施例において、燃焼用気体はそれ自体が可燃性のものであっても良いし、別途例えばガソリンのような燃料を空気に混合しておくこともできるし、また燃焼室内に空気と燃料とを噴射あるいは注入して燃焼室内で混合しても良い。
【００３５】
着火は、点火プラグやヒータのような着火器を用いることもできるし、圧縮着火と呼ばれる自然着火であっても良い。また、レーザ加熱やマイクロウエーブによる加熱でも良い。
【００３６】
実施例の特徴に関連する従来技術として以下のものが知られている。
【００３７】
本実施例に記述されている後述の空気インジェクタに関しては、特許第３２５４０８６号公報，特開２００２−３６４３６５号公報，特表２００２−５２３６６８号公報に記載されているが、いずれも燃料の注入気化を補助するもので、エンジンの圧縮行程を省略してこの空気だけで高圧混合気を作るものではない。
【００３８】
本実施例によれば以下のような作用効果が得られる。
【００３９】
１）停止状態からトルクを発生して自分で回りだし、スタータが不要。
２）アイドリングがないのでアイドルスピード制御バルブが不要。
３）アイドリングがないので発進クラッチやトルクコンバータが不要。
４）停止時から高い回転数までフラットなトルク特性が得られる。
５）正転・逆転自在なので後退ギアが不要。
６）高地においても出力が低下しない。
７）エンジン自体で回生機能がある。
８）コンプレッサの負圧損がない。
９）コンプレッサ容量を小さく出来る。
１０）加速時にはコンプレッサを切り離して、全エンジン出力を駆動力に利用できる。
１１）エアポンプなしに排気清浄制御・触媒活性制御ができる。
１２）インタークーラ効果が得られる。
１３）ノッキングの心配なしに圧縮比を上げることができる。
１４）燃料の供給を停止し、着火制御を停止すると空気モータとして用いることができる。
１５）四象限で運転できるので、四象限エンジンを提供できる。
【００４０】
なお、当該明細書では、「作動子」とは往復動型の原動機であれば、ピストンとかプランジャと呼ばれるものを指す。またロータリー型の原動機であれば回転ロータあるいは偏心ロータと呼ばれるものを指す。
【００４１】
「燃焼室」あるいは「気筒」とはエンジンのシリンダと同意で用いている場合がある。
【００４２】
「高圧燃焼流体」とは一つは高圧空気そのものを指す場合、当該高圧空気に燃料を混合した高圧の混合気を指す場合もある。当然天然ガスとか、それに類する燃焼ガスも高圧燃焼流体として取り扱う。
【００４３】
以下図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００４４】
図１は本発明の第一の実施例を示す構成図である。構成の違いを明確化するために、従来エンジンと比較して表示する。従来の４サイクルエンジンは図１（ａ）のように、クランクシャフト１に接続された４個のコンロッド２，該コンロッドの先に設けられた４個のピストン３，該ピストンを収納する４個の気筒４，該各気筒の頂部に設けられた吸気弁５，排気弁６，燃料インジェクタ７，点火プラグ８より構成される。各気筒の動作は図１（ａ）に示したように、「吸入，圧縮−爆発−排気」の４行程からなり、４つの気筒は１行程ずつずれて動作する。このため動作を横並びに見ると、半回転ごとにいずれかの気筒で１回の爆発が起こり、半回転ごとにいずれかの気筒で１回の圧縮が起こっている。
【００４５】
これらの動作のうち「吸入，圧縮」行程はエネルギを発生しない「コンプレッサ」であり、「爆発−排気」行程がエネルギを発生する「原動機」である。ある気筒に着目すると一回転おきに「コンプレッサ」と「原動機」を繰り返していることになる。すなわち原動機行程に必要な圧縮空気を、その前の一回転で気筒毎に自給自足している「分散処理」方式であると言える。
【００４６】
これを集中処理方式に変えるのが本発明の構想であり、図１（ｂ）に構成例を示す。４気筒エンジンのうち２気筒を「コンプレッサ」専用とし、２気筒を「原動機」専用とするものである。
【００４７】
従来の気筒Ｎo.１と気筒Ｎo.２をコンプレッサ専用の気筒として、毎回転ひたすら「吸入，圧縮」を繰り返すので、燃料インジェクタと点火プラグは廃止して、吸気弁５の代わりに吸気側逆流防止弁９と、排気弁６の代わりに排気側逆流防止弁１０を設けてある。出力パイプ１１は空気タンク１２に接続され、気筒Ｎo.１と気筒Ｎo.２で作られる高圧の空気を集めて空気タンク１２に送り込む。
【００４８】
空気タンク１２に蓄えられた圧縮空気は、吸気パイプ１３により原動機側の気筒Ｎo.４と気筒Ｎo.３にそれぞれ設けられた空気インジェクタ１４に配られる。原動機側の気筒Ｎo.４と気筒Ｎo.３にはそれぞれ排気弁６，燃料インジェクタ７，点火プラグ８を設けてある。図２に原動機側気筒の動作を示す。クランク軸１の角度がａになったとき点火すると、角度ｂまで爆発行程，角度ｂから角度ｃまで排気行程となる。「爆発−排気」が終わると角度ｃ（例えば上死点の手前４０度）で排気弁を閉じ、角度ａまでの短期間で空気インジェクタ１４から高圧空気を噴射し、燃料インジェクタ７から燃料を噴射する。すなわち排気弁６が閉じるとすぐに、従来エンジンにおいて圧縮行程が終了した状態と同じ状態になり、「吸入，圧縮」行程の１回転を省略することが出来る。
【００４９】
言い換えるとこれらの気筒は毎回転「爆発−排気」を繰り返すので２サイクルエンジンとなるが、見かけは２サイクルでも中味は４サイクルエンジンと変わらない。例えば従来の２０００cc、４気筒のエンジンでは１気筒の容積は５００ccであり、圧縮比＝１０だとすると上死点付近におけるシリンダ容積は５０ccになっている。そこで排気弁が閉じてから１０気圧の空気を５０cc注入すれば、従来エンジンにおいて圧縮行程が終わったのと同じ状態になり、１回転で４行程を実行したことになる。
【００５０】
この原動機は図１（ｂ）に示すように、半回転ごとにいずれかの気筒で１回の爆発が起こり、半回転ごとにいずれかの気筒で１回の圧縮が起こる。すなわち図１（ａ）に示す従来の４気筒４サイクルエンジンと同じ動作なので、２気筒で従来の４気筒と同じ出力が得られる。
【００５１】
図３に空気インジェクタ１４の構造例を示す。外開きの弁１５とバランスピストン１６が接続されている。バランスピストン１６の面積を弁１５の面積より若干大きくしておくと、コモンレール１７から入る空気圧により弁１５が閉じる方向に推力が与えられる。この推力とバネ１８の力を合わせた以上の力をプランジャ１９が発生すると弁が開いて空気を噴射する。プランジャ１９はコイル２０に電流を流すことにより図３の左向きの力を発生する。プランジャ１９の代わりに電気モータとカム，ピエゾ素子，磁歪素子，油圧等を使っても良い。
【００５２】
エンジンの最高回転数を６０００min-1とすると、上死点の手前３０度から上死点までの時間は約１ｍｓであるから、このときの空気インジェクタ１４の噴射時間は１ｍｓ以下とする。回転数が低いときはゆっくり噴射しても良い。最小噴射時間はゼロとし、スロットル開度に相当するデューティ制御を行う。すなわち注入空気量を開弁時間で制御する。
【００５３】
流速は従来の吸気弁５と同じである。例えば２０００cc、４気筒の従来エンジンでは、６０００min-1時の吸気時間は５ｍｓで吸入空気量は５００ccなので単位時間流量は０.１ｍ3／ｓになる。吸気弁５の直径をφ３０、リフト量を９mmとすると吸気断面積は２バルブで０.００１７ｍ2であるから、流速は５８.８ｍ／ｓである。図１（ｂ）の方式では６０００min-1時の噴射時間を０.５ｍｓとすると、噴射量は５０ccであるから単位時間流量は同じく０.１ｍ3／ｓであり、弁１５の口径が吸気弁５の口径と同じなら流速も同じである。
【００５４】
しかし従来エンジンは圧力差がせいぜい１気圧しかないのに対し、図１（ｂ）の方式では空気タンク１２の圧力を１０気圧にしておけば、圧力差が９気圧なので流速は圧力差の平方根すなわち３倍に速くなり、１７６ｍ／ｓまで高められる。そうすると空気インジェクタ１４の口径は吸気弁５の口径の１／３となり、口径φ２０のもの１本で済む。リフト量を減らしたいなら口径を大きくするかツインインジェクタとすればよい。
【００５５】
燃料インジェクタ７，点火プラグ８は従来のものと基本的には同じである。ただし燃料インジェクタ７は短時間で噴射するために流量の大きな物とする。
【００５６】
図４にエンジントルク特性を示す。従来エンジンは回転数によって図４（ａ）のようにトルクが変化するが、これは前述したように吸気の慣性により吸気効率が変わるためである。本発明の方式では高圧の空気を注入するので高速回転時の吸気不足は起こらず、図４（ｂ）のように回転数によるトルク変動のないフラットなトルク特性が得られる。
【００５７】
また従来エンジンでは気圧の低い高地において出力が低下する現象があったが、本発明の方式では常に安定した空気供給が行われるので、高地における出力低下がない。
【実施例２】
【００５８】
図５は本発明の第二の実施例を示す構成図である。例えば２０００cc相当のエンジンとするには容積３３３ccの気筒を３本設ける。３気筒で合計１０００ccしかないが２サイクルなので従来の２０００cc相当の出力となる。クランクシャフト１は１２０度位相差とする。このようにすると回転が滑らかになるとともに、停止時にどれかの気筒が上死点を通り過ぎたところにあるから、その気筒に空気と燃料を噴射して点火すればトルクを発生して回り出す。すなわち自分で起動できるのでスタータが不要であるばかりでなく、回転数ゼロから滑らかにトルクを発生すれば、発進クラッチやトルクコンバータも不要になる。
【００５９】
コンプレッサ２１はピストン形式である必要はなく、スクリュー型でもスクロール型でも効率の良いものを使えばよい。エンジンとの間にコンプレッサ結合歯車２２を挿入して最適な回転数領域で運転する。
【００６０】
コンプレッサ２１は常に全開吸気するから負圧損失が無い。従来エンジンの場合、低開度では空気量を減らすためにスロットル弁を絞るから、「吸入，圧縮」行程は能力以下でしか運転されていない。コンプレッサを分離すれば能力一杯で運転できるから空気タンク１２に余裕を持って蓄圧できる。逆に言うと小さなコンプレッサでもよいことになる。
【００６１】
コンプレッサ容量を小さくしても、低開度走行時に能力一杯で運転すれば空気タンクに充分蓄圧できる。このときエンジンは従来より出力を出す必要があるが、エンジンとしては最適燃費線に近付いてかえって効率が向上する。高開度で加速するときはコンプレッサ能力が不足するが、蓄積しておいた空気でまかなえる。
【００６２】
またコンプレッサ入力軸にコンプレッサ結合クラッチ２３を設けておき、加速時には一時的にコンプレッサを切り離して、エンジン出力をすべて駆動力に振り向けることもできる。すなわちハイブリッド車においてモータで加速アシストするのと同じ効果が得られる。コンプレッサ結合クラッチ２２でコンプレッサ２１を切り離す代わりに、コンプレッサ出力パイプ１１に圧縮空気を大気に放出するリリーフバルブ２４を設けてもよい。
【００６３】
さらに、エンジンと変速機２５の入力軸の間にエンジン切り離しクラッチ２６を設け、コンプレッサを変速機入力軸に接続しておけば、制動時にはエンジンを切り離して車体の運動エネルギによりコンプレッサ２１を回し、空気タンク１２に空気圧の形でエネルギを蓄積できる。すなわちこのシステムは回生機能を持っていることになる。
【００６４】
なお、このシステムを最初に始動するとき、あるいは長期間放置して空気タンク１２の圧力が低下したときは、電動補助コンプレッサ２７により空気タンク１２に圧縮空気を充填してから始動する。小さな補助コンプレッサでも短時間で高圧空気を作れるようにするには、空気タンク１２全体に充填するのではなく、隔壁１２ａで仕切られた小部屋に充填すればよい。
【００６５】
図６はエンジンのトルク特性を示すもので、（ａ）は従来のエンジントルク特性、（ｂ）は本実施例におけるエンジントルク特性である。（ｂ）は回転数０からトルクを発生して自分で始動し、高速までフラットなトルク特性を保つことが出来る。また、エンジントルクが負の領域すなわち（ｂ′）はコンプレッサの特性である。空気タンク１２の圧力に打ち勝つだけのオフセット（−Ｔｃ）があり、回転数に比例した負荷トルクとなる。図５のシステムにおいて変速機２５以外を広い意味でエンジンと見れば、回生領域においても負荷トルクを発生して回生制動が可能である。
【００６６】
本実施例においては、第一の実施形態に比べてアイドル回転数以下の領域を使えること、および回生制動トルクを有することが大きな特徴である。
【実施例３】
【００６７】
図７は本発明の第三の実施例における気筒の構成と動作を示すものである。図２と異なるのは混合気室２８を設けたことであり、空気インジェクタ１４および燃料インジェクタ７は気筒４に直接付くのではなく混合気室２８に設けられている。混合気室２８と気筒４の間には混合気注入弁２９を設けてある。
【００６８】
図２の方式ではクランク角ｃからａの間の例えば０.５ｍｓという短時間に高圧空気と燃料を気筒に注入するので、燃料インジェクタ７は従来に比べて大流量のものが必要である。また０.５ｍｓという短時間では燃料が充分に気化しにくい問題があった。本実施例では、上死点付近から排気弁６が閉じるまでの間に、空気インジェクタ１４と燃料インジェクタ７が混合気室２８に高圧空気と燃料を噴射して混合気を作成して充分気化させておく。混合気作成時間は最高回転数６０００min-1においても８ｍｓ以上あるので、燃料インジェクタ７として特別なものは必要なく、従来の製品をそのまま使うことができる。クランク角ｃで排気弁６が閉じたら混合気注入弁２９を開いてクランク角ａまでの例えば０.５ｍｓで気筒４に混合気を注入する。
【００６９】
エンジン全体は図５の構成とし、その気筒が図７の構成であるとすれば、１気筒の容積は３３３ccである。圧縮比を１０とすれば上死点付近の気筒容積は３３ccであるから、混合気室２８の容積を３３ccとしておく。出力最大時には気筒４に１０気圧３３ccの混合気が入ればよいから、混合気室２８にあらかじめ１９気圧の混合気を作っておき、混合気注入弁２９を開いて０.５ｍｓ程度の短時間で圧力を平衡させる。そうすると混合気室２８の圧力は１９気圧から１０気圧に降下し、気筒４の圧力は１気圧から１０気圧に上昇して、目標通りの混合気を注入することが出来る。
【００７０】
１９気圧の混合気を作るためには空気タンク１２の圧力を１９気圧以上にしておいてもよいし、吸気パイプ１３の途中にブースターポンプ４６を設けてもよい。
【００７１】
排気弁６が閉じたときに気筒内に排気ガスが充満していると排気ガス還流制御（ＥＧＲ）を行ったことになるが、排気ガスには酸素が含まれていないので混じりあったときにも空燃比に影響を与えることはなく、混合気の空燃比は理論空燃比としておけばよい。後述する掃気を行って、排気弁６が閉じたときに気筒内に新鮮空気が充満している場合には酸素が含まれているので、その分混合気の空燃比をあらかじめ小さくして燃料を多く含むようにすればよい。空燃比を正確に調整するために、混合気室２８には圧力センサ１０２を設けてあり、混合気の圧力に応じた燃料を噴射する。燃料の噴射量は従来と同様に燃料インジェクタ７の噴射時間により調整する。
【実施例４】
【００７２】
図８は本発明の第四の実施例における気筒の構成を示すものである。図７と異なるのは混合気室２８に押し込みピストン３１を設けたことである。押し込みピストン３１はリフタ３２と接続されており、間にバネ３３があるので常時は押し込みピストン３１とリフタ３２は図の右方向に寄っている。カム軸３４が回転するとカム３５がリフタ３２を押し、押し込みピストン３１が図の左方向に移動して混合気を気筒４に押し込む。そのタイミングに合わせて混合気注入弁２９を開く。
【００７３】
混合気注入弁２９も同様にしてリフタ３６と接続されており、間にバネ３７があるので常時は混合気注入弁２９とリフタ３６は図の上方向に寄っている。カム軸３８が回転するとカム３９がリフタ３６を押し、リフタ３６が図の下方向に移動して混合気注入弁２９を開く。
【００７４】
本実施例の方法によれば図７の場合に比べて下記の点で有利である。
【００７５】
図７の方法は、気筒４と混合気室２８の圧力差を利用して混合気注入を行う方式であり、混合気室２８の圧力を平衡圧力の２倍程度に大きくしておく必要があるため、空気タンク１２の圧力を高くするか、またはブースターポンプ４６を設ける必要がある。
【００７６】
また注入時間は平衡に達するまでの時間ということになるが、注入が進行するに連れ圧力差が次第に低下するので流入速度が低下し、短時間で注入するには混合気注入弁２９の口径を大きく設計する必要がある。
【００７７】
本方式によれば混合気室２８の圧力は最終的な気筒圧とほぼ等しくてよいので、空気タンク１２の圧力を２倍程度に高くする必要も、あるいはブースターポンプ４６を設ける必要もない。
【実施例５】
【００７８】
図９は本発明の第五の実施例における気筒の構成を示すものである。図８と異なるのは混合気注入弁２９を押し込みピストン３１と同軸に設けたことである。
【００７９】
混合気注入弁２９は側面が開いて混合気を気筒４に注入する。バネ３７の位置が図８と異なるが動作は同じであり、常時は混合気注入弁２９とリフタ３６を図の右方向に寄せている。カム３９は押し込みピストン３１と同じカム軸３４に付いており、押し込みピストン３１が左方向に移動する直前にカム３９がリフタ３６を左方向に押して、混合気注入弁２９を開かせる。なお、カム３９は短時間で混合気注入弁２９を閉じるようなカム形状にしてある。
【００８０】
本実施例の方法によれば、一つのカム軸３４で混合気注入弁２９と押し込みピストン３１の両方を駆動できるので、シリンダヘッド周りの構成が簡単になるという効果がある。
【実施例６】
【００８１】
図１０は本発明の第六の実施例における気筒の構成を示すものである。図７と異なるのは混合気室２８と気筒４の間に混合気注入弁２９の代りに隔離ピストン４５を設けたことである。混合気注入弁２９はバネ３７により引き上げられて気筒４の内側から外側に向って押し付けられているが、隔離ピストン４５はバネ３７により気筒４の内壁面近くまで押し下げられている。このため隔離ピストン４５の側面で混合気室２８を塞いでおり、気筒４と混合気室２８を隔離するのである。カム３９が回るとレバー４７がリフタ３６を引き上げ、この隔離ピストン４５はわずかに下端部が開口するようにしてある。
【００８２】
各動作の位置をクランク角を上死点を基準として次のように定義する。
【００８３】
隔離ピストン開期間ｃ＝−４０°〜ｄ＝１８０°
点火時期ａ＝−２０°
排気弁開き始め時期ｂ＝１３０°
燃料噴射混合気作成開始時期：ｄ＝１８０°
排気弁閉じ終わり時期ｃ＝−４０°
点火時期を−２０°としたのは燃焼速度を考慮して点火進角したからであるが、固定値ではなく−２０°から＋１０°の範囲で、ある条件下での一例である。このエンジンは点火の直前に混合気を一気に注入するので、気筒内の気流が乱れて燃焼速度が速く、進角をあまり大きくする必要はない。
【００８４】
排気弁閉じ終わり時期は点火時期より２０°早いものとして−４０°とする。空気・燃料の注入は−４０°から開始する。
【００８５】
一般的な容積３３３cc圧縮率１０の気筒の場合、ピストンが上死点（クランク角０°）にあるときの気筒容積は３３ccである。本実施形態においてはピストン３の頂部を気筒４の頂部形状に合わせていわゆるスキッシュを形成し、ピストン３が上死点にあるときの気筒容積を１１ccとする。混合気室２８の容積を２２ccとして、気筒容積と混合気室２８の容積を合わせた容積が３３ccになるようにした。上死点における点火前の気筒圧を１０気圧にするために、隔離ピストン４５が開く前の混合気室２８の圧力を約１４.５気圧にしておく。こうすると隔離ピストン４５を開いて容積が３３ccに拡大したときの圧力は約１０気圧になる。
【００８６】
隔離ピストン４５が開く前は混合気室２８の圧力約１４.５気圧は隔離ピストン４５の側面に掛かるが、隔離ピストン４５の上下面は閉じているので気筒４に注入されることはない。カム３９によりレバー４７がリフタ３６を引き上げ隔離ピストン４５下端部が開口すると、高圧の混合気が気筒４の中に注入される。そうすると気筒４の圧力が上昇するので、隔離ピストン４５は押し上げられ混合気は一気に気筒４に注入される。すなわち隔離ピストン４５をちょっと引き上げてやるだけで、混合気の圧力差により急速に気筒４と混合気室２８を連通させることが出来る。また混合気が気筒４に注入された時点で点火すると、ガス圧だけでなく爆発による膨張圧が加わって、隔離ピストン４５はさらに高速で押し上げられる。すなわちカム３９はわずかな力でリフタ３６を引き上げるだけで、隔離ピストン４５を高速に移動させるための大きな駆動力を与える必要はない。
【００８７】
隔離ピストン４５が上まで引き上げられて混合気室２８と気筒４がつながると、混合気室２８は燃焼室として機能する。膨張行程が終わり、クランク角ｂ＝１４０°で排気弁６が開くと気筒４の圧力が１気圧になるから、隔離ピストン４５はバネ３７により押し下げられるが、まだカム３９がレバー４９を押し下げているからリフタ３６は下端まで下がらず、隔離ピストン４５の下部は少し開いたままである。したがってここで空気インジェクタ１４から１５気圧１.５ccの空気を噴射すると、混合気室２８の中から燃焼ガスが追い出されて清浄空気で満たされて、次の混合気を作る準備が出来る。
【００８８】
下死点で隔離ピストン４５が閉じると混合気室２８の空気圧が上がると共に、燃料インジェクタ７から燃料が噴射されて混合気が作成される。空気圧は圧力センサ１０２で検出しながら調整され、燃料量に見合った空気圧になるまで噴射される。下死点からクランク角−４０°までは、従来エンジンで燃料を噴射して気化させる時間と同じで、最高エンジン回転数６０００min-1の時でさえ３.８ｍｓ掛かるので充分気化できる。
【００８９】
クランク角ｃ＝−４０°で排気弁６が閉じる。コンロッドの長さをクランク軸半径の三倍程度とすると、上死点における気筒容積は１１cc、下死点における容積は３３３ccであるからクランク角−４０°における気筒容積は２６ccである。排気弁を閉じたときに１気圧２６ccの排気ガスが残っているので、圧力１０気圧に上がった時の排気ガス量は２.６ccになり、気筒容積３３ccに対して８％の排気還流（ＥＧＲ）をしたことになる。
【００９０】
図７，図８，図９の方法では混合気注入弁２９が０.５ｍｓ程度の短時間で開閉する必要があったが、本実施形態の方法では隔離ピストン４５をクランク角−４０〜１８０°の間開いておけば良いので、高速に駆動するためにアクチュエータ出力を大きくする必要がない。
【実施例７】
【００９１】
図１１は本発明の第七の実施例における気筒の構成を示すものである。これまで図示していなかった、排気弁６を開閉するためのカム軸４０とカム４１を示してある。カム軸４０は図示しないタイミングチェーンによりクランク軸１と接続されており、クランク軸１の角度に合わせて排気弁６を開閉する。カム軸４０はクランク軸１の半分の速度で回るものとすれば、カム４１は１８０°ごとに排気弁６を開閉するような形状にしてある。図２および図７に示したクランク角ｂおよびｃは正転時の排気弁開閉角である。
【００９２】
本実施例においては逆回転にも対応できる機構を示す。図１１（ａ）においてクランク角ｂ′およびｃ′は逆転時の排気弁開閉角である。それぞれ上下死点に対してクランク角ｂおよびｃと対称的な位置に設定してある。すなわち正転時クランク角ｂにおいて排気弁６が開き始めるが、この時のカム４１の角度は逆転時においては閉じ終わる角度であるので、逆転時クランク角ｃ′に相当する。したがって正転時と逆転時はカム軸４０とカム軸４１の関係は、クランク角にしてｂ−ｃ′だけずれていることになる。
【００９３】
逆転時にクランク角ｂ′で排気弁６を開き、クランク角ｃ′で排気弁６を閉じる機構を図１１（ｂ）に示す。図示しないタイミングチェーンを巻きつけるスプロケット４２はカム軸４０上に回転自在に取り付けられている。スプロケット４２に設けたキー溝４３にキー４４が嵌めこまれており、キー４４はカム軸４０に固定されているので、スプロケット４２はカム軸４０に対して（ｂ−ｃ′）／２の角度だけ遊びを有して結合することになる。カム軸４０はクランク軸１の半分の速度で回るので、実際のクランク角にしてｂ−ｃ′だけずれていることになり、逆転時にはクランク角ｂ′で排気弁６を開き、クランク角ｃ′で排気弁６を閉じる。図示しない逆転アクチュエータを設け、正転時はキー４４がキー溝４３の左端に、逆転時は右端に当たるように強制的に押し付ければ、正転逆転の切換えをより確実にすることができる。
【００９４】
一方隔離ピストン４５の作動範囲は、正転時はｃからｄであり逆転時はｃ′からｄであるから、カム３９を回すスプロケットはカム軸に対して（ｄ−ｃ′）／２の角度だけ遊びを有して結合させることになる。したがってカム３９を回すスプロケットには（ｄ−ｃ′）／２の幅のキー溝をつければよい。
【００９５】
図１２（ａ）は本実施例におけるエンジンのトルク特性である。図６の特性に比べてさらに逆転時の力行および回生すなわち第二・第三象限の動作が加わり、四象限運転が可能になる。破線で示したのが従来のエンジントルク特性である。比較のため電動機のトルク特性を図１２（ｂ）に示す。電動機の場合回生領域の特性も力行領域と同じになるが、エンジンの場合回生領域は前述のようにコンプレッサ特性であるので、力行領域と特性が異なる。しかし制御を工夫すれば実用的には充分活用できる特性である。
【実施例８】
【００９６】
図１３は本発明の第八の実施例を示すシステム構成図である。図５と異なるのはエンジン切り離し用クラッチ２６を廃止して排気弁開放機構４８を設けたことである。なお吸気側は図１０の方式としたが、図７の混合気室方式あるいは図８，図９の押し込みピストン方式としてもよい。その場合混合気注入弁は図８，図９においてはカム軸３８または３４で駆動したが、図３の空気インジェクタで用いたプランジャを利用してもよく、これらを含めて混合気注入弁あるいは隔離ピストン駆動部４９として表示した。
【００９７】
図１４は図１３のシステムにおける排気弁開放機構４８の構造を示すもので、排気弁用カム４１に隣接して排気弁開放レバー５０を設けた。これは排気弁用カム軸４０に回転自在に取り付けられ、排気弁開放アクチュエータ５１を動作させることで排気弁６を開放状態にする。排気弁開放アクチュエータ５１は空気タンク１２の高圧空気を使った空気ピストンが便利であろうが、電気式のソレノイドあるいは電動機でもよい。
【００９８】
本実施例の方法によれば回生時には空気も燃料も噴射せず、隔離ピストン４５も開かず、排気弁開放レバー５０だけを動作させて気筒圧を１気圧に保つのでピストン３が動いてもポンピングロスがなくなり、回生時にエンジンを切り離す必要がなくなるのでクラッチ２６を廃止して機構が簡単で安価になるという効果がある。
【実施例９】
【００９９】
図１５は本発明の第九の実施例である掃気制御の動作説明図である。図１０の隔離ピストン付きのエンジンを基にした例を示してあるが、図７の混合気室方式、さらに図８，図９の押し込みピストン付きエンジンを基にしても良いし、図１１の逆転機能付きエンジンを基にしても良い。
【０１００】
容積３３３cc、圧縮率１０の気筒の場合、前述のように排気弁６が閉じるクランク角ｃ＝−４０°における気筒容積は２６ccであるから、このまま混合気を注入して運転すれば８％の排気還流（ＥＧＲ）を行ったことになる。排気還流したくない場合は掃気制御を行うことにする。そのために第二空気インジェクタ５２を設けた。
【０１０１】
排気弁が閉じる前、図１５の場合はクランク角ｅ＝−８０°から第二空気インジェクタ５２の噴射を開始する。排気弁６が閉じるクランク角ｃ＝−４０°までの間に、矢印で示すように排気弁６と反対側の気筒内壁に向かって新鮮空気を噴射する。そうすると排気ガスが先に押し出されて、排気弁６が閉じたときに残っている２６ccはほとんどが空気となっている。空気タンク１２の圧力が１５気圧だとすると、第二空気インジェクタ５２が１.７cc以上噴射すれば、１気圧２６cc以上の空気が注入されたことになり、排気ガスを完全に一掃することが出来る。
【０１０２】
さらに噴射量を増やして、排気清浄化のために排気管に新鮮空気を強制注入することもできる。すなわち排気管に二次空気を注入するいわゆるエアインジェクション方式がエアポンプなしで実現できる。これにより暖機運転時の触媒活性も空気インジェクタの噴射量で制御できる。
【０１０３】
また排気弁が閉じるまでは気筒４の圧力はほぼ１気圧であり、噴射したときに断熱膨張でシリンダが冷却されるから、インタークーラを付けたのと同じ効果も得られる。
【実施例１０】
【０１０４】
本発明の第十の実施例を図１６に示す。構成は図１０とほとんど同じであるが、クランク軸１の半径を大きくし、気筒４を長くしてピストン３のストロークを大きくして圧縮比を高めてある。隔離ピストン４５を用いる図１０の方式としたが、混合気室２８を用いる図７、押し込みピストンを用いた図８あるいは図９の方式、逆転可能な図１１の方式、さらに掃気可能な図１５の方式としてもよい。点火進角を２０°として排気弁６の閉じ角をｃ＝−４０°とした。
【０１０５】
従来の１０００ccエンジンで圧縮比を１５にした場合は、下死点に置ける気筒容量が３３３ccなので上死点における気筒容積は２２ccで、点火直前には１５気圧の混合気が詰まっていることになる。本実施例の場合、上死点において気筒と混合気室を合わせた容積に１５気圧の混合気を注入すれば、従来エンジンで圧縮比を１５にした場合と同じ状態になる。
【０１０６】
前述のように上死点における気筒容積は１１ccとしたから、混合気室２８の容積を１１ccとし３０気圧の混合気を作成する。排気弁６が閉じてから隔離ピストン４５を開き混合気を気筒４に注入すると、容積が倍になって圧力は約１５気圧となる。気筒内の圧力は当初は１気圧であるから、注入された高圧の混合気は断熱膨張して温度が下がる。
【０１０７】
その前に、混合気作成時は空気インジェクタ１４により空気タンク１２からの高圧空気を混合気室２８に吹き込みながら燃料を噴射するのであるが、３０気圧以上の高圧空気を１気圧の混合気室２８に吹き込むので、混合気室２８の温度は空気タンク１２の温度より下がる。
【０１０８】
したがって空気タンク１２の温度より下がった混合気を、気筒４に注入するとさらに温度が下がることになる。すなわち従来のエンジンでは圧縮比を上げると断熱圧縮のため、圧縮行程の終わりで気筒内温度が非常に高くなってノッキングが生じ易いが、この方式では逆に空気タンクの温度より下がるのでノッキングが起こりにくい。
【０１０９】
また前述したように点火直前に混合気を短時間で注入するので、ガス流の乱れが大きく燃焼時間が短いこともノッキングを生じにくくする。
【０１１０】
なお、気筒４から高温の熱が伝わってくると混合気室２８の温度が上昇し、気筒側から見ると冷却損が発生するので、気筒４と混合気室２８は適度に断熱してものとする。
【実施例１１】
【０１１１】
本発明の第十一の実施例を図１７に示す。これはこれまで述べてきたシステムを制御する制御系のブロック図である。各ブロックの入力信号は主な信号だけを記載してあり、細かい補正計算に用いる信号は省略してある。
【０１１２】
モード判別部２０１はクランク角の絶対位置信号と、図示しないセレクトレバーからの後退信号に基づく正逆転信号を入力し、３つの気筒がそれぞれどのモードにあるか判別し、各制御ブロックに判別信号を送る。回転方向制御部２０２は正逆転信号に基づき逆転アクチュエータを動作させる。
【０１１３】
混合気作成から排気まで順を追って説明する。下死点において隔離ピストン４５が閉じたところから混合気作成が始まる。混合気作成制御部２０３において算出された燃料噴射量に応じて、燃料インジェクタ開弁制御部２０４は燃料インジェクタ７の通電時間を制御する。一方混合気作成制御部２０３において算出された空気噴射量指令に基づき、空気インジェクタ開弁制御部２０５は空気インジェクタ１４の開弁制御を行う。こうして所定の空燃比で所定の圧力の混合気が作成される。
【０１１４】
クランク角ｃ（−４０°）で排気弁６が閉じると隔離ピストン４５が開き、混合気が気筒に注入される。点火時期制御部２０６で算出された最適な点火時期に基づいて、点火制御部２０７は指令されたクランク角例えばａ（−２０°）で点火プラグ８をスパークさせる。
【０１１５】
爆発して膨張行程になり、クランク角ｂ（１４０°）で排気弁６が開くと、混合気室掃気制御部２０８はエンジン回転数に応じた空気インジェクタ開度を算出して、これに応じて空気インジェクタ開弁制御部２０５は空気インジェクタ１４の開弁制御を行う。
【０１１６】
気筒掃気を行う場合は、気筒掃気制御部２０９で算出された空気インジェクタ開度指令に基づき、第二空気インジェクタ開弁制御部２１０が第二空気インジェクタ５２の開弁制御を行う。
【０１１７】
気筒掃気を行う場合は、気筒掃気制御部２０９で算出された空気インジェクタ開度指令に基づき、第二空気インジェクタ開弁制御部２１０が第二空気インジェクタ５２の開弁制御を行う。
【０１１８】
以上の制御は各気筒ごとに必要なので、それぞれ三組の制御ブロックで位相角１２０°ずつずれて行われる。
【０１１９】
なお回生時は、フル回生判定部２１１からフル回生信号が出されると、気筒開放制御部２１２は排気弁開放アクチュエータ５１を作動させる。これは全気筒いっせいに行うので、一つのアクチュエータで三気筒全部の排気弁を開放する。
【０１２０】
図１８は上記モード判別制御部２０１の内容をもう少し詳しく示す論理図である。入力端子１よりクランク角が、入力端子２より正転／逆転信号が入力する。正転時はクランク角はそのままスイッチを通り、逆転時は３６０°から引いた値がスイッチ出力に現れる。このスイッチ出力を「見なしクランク角」と定義し、見なしクランク角に基づいて制御すれば、正転時でも逆転時でも同じロジックで制御が出来る。
【０１２１】
第一気筒のモード判定について説明する。見なしクランク角が１４０°以上３２０°未満の場合に、空気インジェクタ１４の噴射許可信号が出力端子１から出力される。見なしクランク角が１８０°以上３２０°未満の場合に、燃料インジェクタ７の噴射許可信号が出力端子２から出力される。見なしクランク角が２８０°以上３２０°未満の場合に、第二空気インジェクタ５２の噴射許可信号が出力端子３から出力される。見なしクランク角
が３３０°以上１０°未満の場合に、点火プラグ８の点火許可信号が出力端子４から出力される。
【０１２２】
見なしクランク角に１２０°を加えた値を用いて同様に計算すると、第二気筒の各許可信号を求めることが出来る。また見なしクランク角に２４０°を加えた値を用いて、第三気筒の各許可信号を算出する。なお、見なしクランク角に１２０°を加えた値を図１６のＮo.２気筒制御部に送れば、Ｎo.１気筒制御部とまったく同じロジックで制御が出来る。同様にして見なしクランク角に２４０°を加えた値を図１６のＮo.３気筒制御部に送る。
【０１２３】
図１９は図１７の混合気作成制御部２０３をもう少し詳しく示す論理図である。アクセルペダル踏み角に応じたトルク指令信号とエンジン回転数をエンジントルク算出部２１３に与えるとエンジントルク指令値が算出される。燃料噴射量算出部２１４では、このエンジントルクを発生するのに必要な燃料量を計算して燃料噴射量指令を出力する。
【０１２４】
必要空気量計算部２１５では、要求された空燃比に基づいて、燃料噴射量を完全燃焼させるのに必要な空気量を計算する。空気圧変換部２１６では、算出された空気量を混合気室２８の容積まで圧縮した場合の圧力に換算して、混合気室圧力指令を出力する。その場合高圧空気の温度は大きく影響するので実測地を入力しておく。
【０１２５】
実際に検出された圧力センサ検出値との差を求め、制御補償して空気噴射量指令値を出力する。すなわち圧力センサ検出値が混合気室圧力指令に等しくなるようにフィードバック制御を行うものである。
【０１２６】
図２０は図１７の燃料インジェクタ開弁制御部２０４をもう少し詳しく示す論理図である。混合気作成制御部２０３から来た燃料噴射量指令に基づき、開弁タイミング計算部２１８は燃料インジェクタの駆動開始／終了すべきクランク角を算出する。条件一致判定部２１９は、この開始／終了信号とモード判別部２０１から来た見なしクランク角および燃料噴射許可信号とを比較し、すべての条件が整う期間燃料インジェクタ駆動信号を出力する。
【０１２７】
図２１は図１７の空気インジェクタ開弁制御部２０５をもう少し詳しく示す論理図である。混合気作成制御部２０３から来た空気噴射量指令に基づき、開弁タイミング計算部２２０は空気インジェクタの駆動開始／終了すべきクランク角を算出する。条件一致判定部２２１は、この開始／終了信号とモード判別部２０１から来た見なしクランク角および空気噴射許可信号とを比較し、すべての条件が整う期間空気インジェクタ駆動信号を出力する。
【実施例１２】
【０１２８】
本発明の第十二の実施例を図２２に示す。図１０，図１５，図１６と異なるのは、圧力センサ１０２を廃止し、代わりに吸気パイプ１３の途中にエアーフローメータ１０３を設けたことである。このエンジンを制御するロジックは、圧力センサ検出信号入力以外は図１７と同じでよい。ただし混合気作成制御部２０３の内容は図２３に示すロジック構成となり、図１９と異なるのは空気圧換算部２１６の代わりに高圧空気量換算部２２２を用いたことである。必要空気量計算部２１５で算出された必要空気量を、高圧空気量換算部２１８において高圧の空気量に換算する。このとき高圧空気の温度が重要であることは変わりない。算出された高圧空気噴射量指令値とエアーフローメータ検出信号との偏差を制御補償して空気噴射量指令を出力する。すなわちエアーフローメータ検出値が高圧空気噴射量指令値に等しくなるようにフィードバック制御を行うものである。
【０１２９】
本実施例の方法によれば混合気室２８に流入する空気量を直接計測するので、図１０，図１５，図１６で述べた圧力センサの方式に比べてより精度良く混合気の空燃比を制御することが出来る。
【０１３０】
また例え混合気室に排気ガスが残っていたとしても、燃料量に見合っただけの空気量を正確に混合することが出来るので、例えば実施例６で述べた混合気室掃気制御は必要なくなり、制御がより簡単になる。その場合混合気室にあった１気圧の燃焼ガスに上乗せして空気が噴射されるから混合気室の圧力はその分高くなる。
【実施例１３】
【０１３１】
本発明の第十三の実施例を図２４に示す。これまでの実施例は往復動ピストンエンジンについて述べたが、本実施例はロータリーエンジンに適用した場合を示す。ロータリーエンジン５３はステーショナルギア５４の回りをロータ５５が回る。従来のロータリーエンジンは上半分の作動室に吸気口、下半分の作動室に排気口があるが、本実施例では吸気圧縮行程がないので、上半分の作動室が往復動ピストンエンジンの第一気筒、下半分の作動室が往復動ピストンエンジンの第二気筒に相当し、それぞれに給気口５６と排気口５７を設ける。
【０１３２】
動作を図２５に示す。図２５（ａ）の状態が第一気筒の下死点に当たる。ロータ５５のＡ面は排気行程にある。Ｂ面にとっては排気が行われると同時に上側作動室に接続する混合気室２８では空気インジェクタ１４と燃料インジェクタ７が噴射して混合気を作成する作業が状態（ｃ）まで続く。状態（ｄ）で上側作動室の隔離ピストン４５が開いてＢ面に対する混合気注入を行い点火する。状態（ｅ）〜（ｇ）が上側作動室におけるＢ面の爆発膨張行程である。状態（ｈ）で上側作動室の排気口５７が開き、上側作動室の隔離ピストン４５はまだ開いたままなので、上側作動室の空気インジェクタ１４が噴射して排気ガスを上側作動室の混合気室２８内から追い出す掃気行程となる。このあとＢ面は図２５（ａ）のＡ面と同じ状態になって排気行程を続ける。一方、下側作動室では状態（ａ）から状態（ｃ）の間Ｃ面が爆発膨張行程にあり、状態（ｄ）で排気ガスを下側作動室の混合気室２８内から追い出す掃気行程となる。状態（ｅ）〜（ｈ）はＣ面の排気行程であるが、この間下側作動室の隔離ピストン４５が閉じて次の燃焼を行うＡ面に対する混合気作成が行われる。
【０１３３】
図２５はロータ５５の１／３回転の動作を示したものであり、同様の繰り返しで表示すると２４の図で表されるが、次の図はＢ面をＡ面に、Ｃ面をＢ面に、Ａ面をＣ面に読み替えると図２５（ａ）と同じ図となるので、以後の説明図は省略した。
【０１３４】
図２５から分かるように上側作動室と下側作動室は時期がずれて動作しており、ロータ５５が１／３回転する間に２回の爆発がある。従来のロータリーエンジンではロータ１回転で３回の爆発があるが、このエンジンではロータ１回転で６回爆発することになり、同じ作動室容積なら２倍の出力が得られることになる。
【０１３５】
ロータリーエンジンに適用した場合、ロータ先端のアペックスシールが排気口を通過することによりひとりでに開口するので、排気弁が必要なく構造が簡単で安価になるという効果がある。
【実施例１４】
【０１３６】
図２６は本発明の第十四の実施例を示すもので、エンジンの上下に関して対称的な構造とし、給気口５６を上下作動室の境目に設けたものである。排気口５７の他に逆転用排気口５７ａを上下作動室に追加して設け、各排気口に排気弁を設けて使う排気口を切り替える方式とした。逆転用排気口５７ａの排気弁を閉じて排気口５７の排気弁を開いた状態とすれば正転、逆に排気口５７の排気弁を閉じて逆転用排気口５７ａの排気弁を開いた状態とすれば逆転方向に運転できる。
【０１３７】
以下上記実施例の実施態様の特徴を整理すると以下の通りである。
実施態様１
圧縮空気と燃料を気筒に注入して爆発排気させ、圧縮行程を持たないエンジン。
実施態様２
排気弁および吸気側の弁の動作位相を所定位相だけずらし、逆転する気筒に燃料と圧縮空気を供給して爆発・排気させ、逆転可能なエンジン。
実施態様３
制動時にコンプレッサを動作させて、車体の持つ運動エネルギを空気圧の形で回生蓄積できるエンジン。
実施態様４
停止時に膨張行程にある気筒に圧縮空気と燃料を注入して爆発排気させ、自起動できるエンジン。
実施態様５
低回転においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、従来のアイドル回転以下の領域で必要なトルクを発生できるエンジン。
実施態様６
高回転においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、回転数に依存しない安定なトルクを発生できるエンジン。
実施態様７
高地においても安定した燃焼が得られる圧縮空気と燃料を、気筒に注入して爆発排気させ、必要なトルクを発生できるエンジン。
実施態様８
コンプレッサを切り離し可能にして、要求出力が大きいときはコンプレッサ負荷を駆動力に振り向けることに出来るエンジン。
実施態様９
排気浄化のため、二次空気ポンプを用いることなく排気管に新鮮空気を注入できるエンジン。
実施態様１０
圧縮比を高く設計してもノッキングの心配ないエンジン。
実施態様１１
圧縮空気と燃料を混合した混合気を注入して爆発させる、圧縮行程を持たないロータリーエンジン。
実施態様１２
上下作動室にそれぞれ給気口，排気口を設けたロータリーエンジン。
実施態様１３
上下作動室にそれぞれ給気口，排気口および逆転用排気口を設けたロータリーエンジン。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、自動車や船舶あるいは芝刈り機等々に使用される原動機（可燃性気体を爆発，燃焼させ、出力を発生する）に使用することができる。
【０１３９】
燃料を混合しないで、且つ燃焼を伴わない場合は、空気圧アクチュエータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第一の実施例を示すエンジン構成図。
【図２】本発明の第一の実施例におけるエンジンの動作説明図。
【図３】本発明のエンジンシステムに用いる空気インジェクタの構造例を示す図面。
【図４】本発明の第一の実施例におけるエンジンのトルク特性を示すグラフ。
【図５】発明の第二の実施例を示すエンジンシステム構成図。
【図６】本発明の第二の実施例におけるエンジンのトルク特性図。
【図７】本発明の第三の実施例におけるエンジンの構成および動作説明図。
【図８】本発明の第四の実施例を示すエンジン気筒ヘッド部の構成図。
【図９】本発明の第五の実施例を示すエンジン気筒ヘッド部の構成図。
【図１０】本発明の第六の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図。
【図１１】本発明の第七の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図。
【図１２】本発明の第七の実施例におけるエンジンのトルク特性図。
【図１３】本発明の第八の実施例を示すエンジンシステム構成図。
【図１４】本発明の第八の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図。
【図１５】本発明の第九の実施例を示すエンジンの構成および動作説明図。
【図１６】本発明の第十の実施例を示すエンジン構成図。
【図１７】本発明の第十一の実施例を示す制御ブロック図。
【図１８】本発明の第十一の実施例におけるモード判別部の内容を示す制御ブロック図。
【図１９】本発明の第十一の実施例における混合気作成部の内容を示す制御ブロック図。
【図２０】本発明の第十一の実施例における燃料インジェクタ開弁制御部の内容を示す制御ブロック図。
【図２１】本発明の第十一の実施例における空気インジェクタ開弁制御部の内容を示す制御ブロック図。
【図２２】本発明の第十二の実施例を示すエンジン構成図。
【図２３】本発明の第十二の実施例における混合気作成部の内容を示す制御ブロック図。
【図２４】本発明の第十三の実施例を示すエンジン構成図。
【図２５】本発明の第十三の実施例におけるエンジンの動作状態を示す説明図。
【図２６】本発明の第十四の実施例を示すエンジン構成図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１…クランクシャフト、２…コンロッド、３…ピストン、４…気筒、５…吸気弁、６…排気弁、７…燃料インジェクタ、８…点火プラグ、９…吸気側逆流防止弁、１０…排気側逆流防止弁、１１…出力パイプ、１２…空気タンク、１３…吸気パイプ、１４…空気インジェクタ。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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