(57)【要約】【目的】ポンプ損失をなくし、摩擦損失を減少させて熱効率を向上させることであり、排ガス中のＮＯｘ発生をなくすことである。更には熱効率の高い予混合圧縮着火燃焼の運転領域を拡大することである。【構成】２サイクル内燃機関において、点火プラグと酸素供給容器１７からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料噴射弁とを備え、かつシリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁を備える。機関の運転状態に応じて排気弁の閉弁時期を変化させる事によって実圧縮比を可変化する。かくして燃焼室内に形成された混合気を所定の運転領域において圧縮着火させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、更に点火プラグと燃料噴射弁と前記酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁とを備え、かつシリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁を備え、前記燃料噴射弁の燃料噴射及び酸素噴射弁の酸素噴射はピストン上昇行程中において行なわせ、更に前記排気弁の閉弁時期を機関の運転状態に応じて変化させる事によって実圧縮比を可変化し、かくして機関の所定の運転領域において燃焼室内に形成された混合気を圧縮着火させる事を特徴とした予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項２】
排気弁の開弁時期を機関の運転状態に応じて変化させる事によって実膨張比を可変化する様にした請求項１記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項３】
バルブタイミング可変装置により開弁期間は変えずに排気弁の開閉時期を変化させる様にした請求項２記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項４】
排気弁から延びて来る排気通路に排気絞り弁を備えた請求項１ないし３のいずれかに記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項５】
排気弁が開いた後の排気脈動により導入弁を介して空気や冷却された排ガスの様な低温の流体をシリンダー内に導入する様にした請求項１ないし４のいずれかに記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項６】
酸素噴射弁の酸素噴射時期を可変化し、これにより燃料の着火時期を制御する請求項１ないし５のいずれかに記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【請求項７】
点火プラグによる火花点火燃焼の運転領域を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  本発明は酸素ボンベ等の酸素供給容器を備えた２サイクル内燃機関に係わり、更に詳しくは予め燃料と酸素とを混合させた混合気を形成しておき、これをピストンの圧縮作用により圧縮（自己）着火させる２サイクル内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般に４サイクル内燃機関ではスロットル弁により吸入空気を絞って出力を制御している為、ポンプ損失が大で，吸・排気行程がある為、摩擦損失が大で、これらにより熱効率が大幅に悪化する。他方、２サイクル内燃機関では摩擦損失は少ないが、掃気ポンプの掃気作用に伴なうポンプ損失やアイドルを含む低負荷域での不整燃焼の為に、やはり熱効率が大幅に悪化する。更にこれらの内燃機関で
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あり、Ｐｔ，Ｐｄなどの貴金属を多く使用する為、資源的にも問題がある。これらの問題を解決する手法として、予め燃料と空気とを混合させて混合気を形成しておき、ピストンの圧縮作用により圧縮（自己）着火させる予混合圧縮着火燃焼法が提案されており、これによると熱効率は大幅に向上し、確かにＮＯｘ発生も極めて微量にはなる。しかしこの燃料方式では投入燃料量が少ない時は失火や燃
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なってノックが発生し、この失火発生とノック発生とを回避する限定された領域でしか運転できないと云う欠点がある。
【発明が解決しようとする問題点】
【０００３】  本発明の目的は、上記ポンプ損失をなくし、摩擦損失を減少させて内燃機関の熱効率を向上させる事であり、排ガス中の有害成分であるＮＯｘの発生をなくす事である。更には熱効率の高い予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大することである。
【問題点を解決する為の手段】
【０００４】  本発明は上記目的を達成する為、クランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクル内燃機関において、点火プラグと燃料噴射弁と酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁とを備え、かつシリンダー内の既燃ガスを排気する排気弁を備え、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期及び酸素噴射弁の酸素噴射時期はピストン上昇行程中において行なわせ、更に前記排気弁の閉弁時期を機関の運転状態に応じて変化させる事によって実圧縮比を可変化し、かくして機関の所定の運転領域において燃焼室内に形成された混合気を圧縮着火させる様にした。
【実施例】
【０００５】  図１は本発明による予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関の一実施例を示し、ここでは多気筒機関とし、その１断面を図２に、図２を上方から見て図３に排気弁２６，燃料噴射弁２９，点火プラグ３０，酸素噴射弁３１などのレイアウトを示す。１は予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関（本体）である。酸素供給容器１７（例えば３５０気圧程度に圧縮した酸素が充填された酸素ボンベから成る）からの酸素はプレッシャーレギュレーター１８によって一定圧力に調整された後にサージタンク１９に到り、更に酸素噴射弁３１からシリンダー内へ噴射される。サージタンク１９には圧力センサー２０が取り付けられ、酸素噴射弁３１へ供給する酸素圧力を検出する手段として用いられる。シリンダーヘッド２３には排気弁２６（１個又は複数個），シリンダー内へ燃料を噴射する燃料噴射弁２９，シリンダー内（燃焼室内）に形成された混合気に火花点火する点火プラグ３０，シリンダー内に酸素を噴射する酸素噴射弁３１が備えられ、排気弁２６はカム軸２７に形成されたカム２７′により例えばピボット式ロッカーアーム２８を介して駆動される。（排気弁２６はシリンダー内壁面の所定部へ開口する排気通路を形成し、ここに備える事もできる）。ピストン２２の下降行程では燃焼室２４内の高圧燃焼ガスによりピストン２２は膨張仕事を行ない、下死点前の所定のクランク角度で排気弁２６が開き（排気ブローダウン開始）、下死点後の所定のクランク角度で排気弁２６が閉じる様になっている（多量の既燃ガスがシリンダー内に閉じ込められる）。燃料噴射弁２９からの燃料噴射及び酸素噴射弁３１からの酸素噴射はピストン２２の上昇行程中の適当な時期に行われ、各々の噴射開始時期は排気弁２６が閉じる前か又は閉じた後とするが、前者の場合は排気通路２５内への素通りがない様にする（酸素噴射弁３１の噴射開始時期が排気弁２６の閉じる前の場合は、酸素噴射によりシリンダー内既燃ガスの掃気が行なわれる事になる）。燃料及び酸素が噴射された後のシリンダー内ガス組成は、従来の２サイクル機関において燃料と空気との混合気をシリンダー内に導入して掃気しておき、この中の窒素を既燃ガスで置き換えたガス組成と同じであり、燃料噴射弁２９から噴射された燃料との混合気はピストン２２の上昇行程による圧縮作用を受け、上死点又はそれより若干手前で着火・燃焼する。この場合、混合気の着火は圧縮（自己）着火又は点火プラグ３０による火花点火となる（エンジン負荷、回転速度等の運転条件により異なる）。かくしてクランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる。４は開弁期間は変えずに排気弁２６の開閉時期を変化させる公知のバルブタイミング可変装置で、ハウジング６とローター７とから成り、ハウジング６はプーリー５（又はスプロケット）とボルトにより結合・一体化され、ローター７はカム軸２７とボルトにより結合・一体化されており、プーリー５はクランク軸２によりベルト３（又はチェーン）により回転比１／１で駆動される。ハウジング６及びローター７により進角室８と遅角室９とが形成され、油圧制御弁１０からの作動油が供給される。油圧制御弁１０は図示しない油圧ポンプからの油圧が供給され、後述する電子制御ユニット１６（以下Ｅ���Ｕ１６）からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより、駆動制御されるプランジャー１１とスプール弁１２とバネ１３とを有しており、バネ１３の反発力とプランジャー１１の押圧力とが均衡する位置でスプール弁１２が位置決めされる様になっている。ＥＣＵ１６には所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号が入力され、ＥＣＵ１６はカム角センサーから出力される回転角パルスとクランク角センサーから出力されるクランク角パルスとの間の出力位相差に基づき、カム位相角を検出する事ができる。ＥＣＵ１６はローター７の，即ちカム軸２７のクランク軸２に対する位相角が目標値となる様に油圧制御弁１０に制御信号を出力する。そしてＥＣＵ１６は検出したカム位相角をフィードバック信号として取り込み、その制御上の目標位相角との間の偏差に応じて油圧制御弁１０の駆動デューティ比率をフィードバック制御する。油圧制御弁１０はＥＣＵ１６から指示されるデューティ比率に応じて電磁ソレノイドを駆動し、進角室８，遅角室９に対する油圧の給排を調整してカム軸２７を目標位相角まで進角又は遅角、或いは中立に保持する（任意のカム位相角に固定）。ＥＣＵ１６はＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵ，入力ポート，出力ポート等から成るマイクロコンピューターを中心として構成され、これらは双方向性バスによって相互に接続されている。ＥＣＵ１６にはエンジンの運転状態の把握に必要なパラメーター用の各種センサー，例えば所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサー，所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサー，アクセル開度を検出するアクセルセンサー，エンジン冷却水温を検出する水温センサー，大気圧センサー，サージタンク１９内の酸素圧力を検出する圧力センサー２０，排ガス中の酸素濃度を検出するＯ２センサー，ノックセンサー等からの各出力信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。尚、エンジン回転速度は前記クランク角センサーからの出力信号により知る事ができる。又、出力ポートは燃料噴射弁２９，点火プラグ３０，酸素噴射弁３１，プレッシャーレギュレーター１８，油圧制御弁１０等と各々対応する駆動回路を介して接続され、各々の制御信号を送信する。ＲＯＭには燃料噴射弁２９や酸素噴射弁３１の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン，点火プラグ３０への通電を制御する為の制御ルーチン等のエンジンを制御する為の制御ルーチンやそれらに用いられる制御値を含むマッップが記憶されている。ＲＡＭには上記センサーの出力信号やＣＰＵの演算結果等（例えばエンジン回転速度等）が記憶されている。ＲＡＭに記憶されている各種のデータはエンジン回転速度センサーが信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料や酸素の噴射制御，点火時期制御等を実行する。【０００６】  本発明ではバルブタイミング可変装置４により予混合圧縮着火燃焼の運転領域を従来より大幅に拡大できるが、ＥＣＵ１６はエンジン負荷，回転速度などの運転条件により図５に示す様に点火��ラグ３０による火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換える様にしている。点火プラグ３０による火花点火燃焼は従来通りなので、説明は省略し、予混合圧縮着火燃焼について説明する。図４はエンジン各運転状態における排気弁２６の開閉時期変化を示す図であり、エンジンアイドル状態では図４（イ）の如く排気弁２６の開弁時期，閉弁時期は下死点を中心に左右対称とし、実圧縮比（排気弁閉時での圧縮比）及び実膨張比（排気弁開時での膨張比）を１４程度とする。本発明では通常の２サイクル機関の様な掃気は行なわないから、排気弁閉時でシリンダー内にそのまま多量の高温既燃ガスが閉じ込められる（燃料の燃焼に必要なものは酸素だけであるから、その必要分を酸素噴射弁３１から噴射すれば良く、この場合、噴射時期は排気弁閉後とし、できる限り多量の既燃ガスを閉じ込める様にする）。これにより圧縮端温度（圧縮上死点におけるガス温度）が大幅に高まり、かつ排気弁閉時から圧縮上死点までの期間が短かく、シリンダー内壁面への熱伝達損失が殆どないから（負のオーバーラップ期間を与えた４サイクル機関では前記熱伝達損失が大である）、圧縮端温度は飛躍的に高まる。その上，実圧縮比は１４と高圧縮比であるから、燃料が圧縮（自己）着火を起す温度（ガソリンの場合ではほぼ１０００°Ｋ）には十分に達し、かくして予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる。使用燃料によってはこれでも圧縮着火が起らない事も考えられ、その場合は図６で述べる排気絞りを行なう（図６で述べるが、この排気絞りによる熱効率悪化は殆どない）。又、実圧縮比をより高く設定する手法もある。更には図４（ホ）の如く実膨張比を低く、実圧縮比を高く設定する手法もある。エンジン低負荷域では燃料噴射量が多くなり、排ガス温度も高まるから（依然として多量の高温既燃ガスが閉じ込められる）、図４（ロ）の如く実圧縮比を１２程度としても予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる（この時、実膨張比は１５．５位となり、実圧縮比より大であるから、熱効率向上に寄与する）。エンジン低負荷域でもエンジン回転速度が高くなる程、燃料の圧縮着火の発現が相対的に遅れるから、実圧縮比は高くなる様に制御される。エンジン中負荷域では燃料噴射量が更に多くなり、排ガス温度も一段と高まるから（依然として多量の高温既燃ガスが閉じ込められている）、図４（ハ）の如く排気弁閉時期を遅らせて、実圧縮比を１０程度としても予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる（この時、実膨張比は１６．４位となり、実圧縮比より遙かに大であるから、熱効率向上に大きく寄与する）。この場合，酸素噴射開始時期は排気弁閉後でも良いし、排気弁閉前に行ない、酸素噴射により若干の掃気作用を行なわせる様にしても良い。エンジン中負荷域でもエンジン回転速度が高くなるほど、燃料の圧縮着火の発現が相対的に遅れるから、実圧縮比は高くなる様に制御される。エンジン高負荷域では燃料噴射量が更に一段と多くなり、排ガスも高温となるから（しかもかなり多量の既燃ガスが閉じ込められる）、ノック回避の為に図４（ニ）の如く実圧縮比を６〜７程度としても予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる（この時、実膨張比は１７位となり、実圧縮比より遙かに大であるから、熱効率向上に大きく寄与する）。この場合，酸素噴射開始時期は排気弁閉前とし、酸素噴射により掃気作用を行なう事が望ましい）。一般に予混合圧縮着火燃焼では高負荷域ではノッキングの発生により運転不能となるが、本発明では実膨張比が１７位と大で（排ガス温度が低下する）ある一方、実圧縮比は６〜７と低圧縮比であるので（しかもかなり多量のかなり低温の排ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められているから）、ノッキングは起らない。しかしこの予混合圧縮着火燃焼はエンジン高負荷域でも比較的前段階までとし、中間から全負荷域にかけては本発明でもノッキングが発生し、運転不能に陥る事が考えられ、この場合は通常の点火プラグによる火花点火燃焼に切り換える、この運転領域では実圧縮比は１０程度（実膨張比は１６．４位）としても、かなり多量のかなり低温の排ガスが内部にＥＧＲとして為されており、そのノッキング抑止効果により従来と同様にノッキング発生はない。又、エンジン高負荷域であるから、燃焼は良好で、不整燃焼などは発生しない。エンジン加速時は一時的に燃料及び酸素の噴射量を増せば（酸素量を増す手段として空気を過給機により過給するとなると構造的に複雑となるが、本発明では酸素噴射弁３１の酸素噴射量を増すだけであるから、簡単に実行できる）、加速性が向上する。以上の様にバルブタイミング可変装置４により排気弁２６の開閉時期を変化させる事により実圧縮比、実膨張比をエンジン運転状態に応じて適正に制御し、排ガス温度、圧縮端温度を最適制御しつつ、予混合圧縮着火燃焼を行なうと共にノッキングの発生を抑止しているのである。エンジン始動時は点火プラグによる火花点火にて行なうが、始動後の冷態時においては図４（ホ）の如く排気弁の開閉時期を進めて（早めて）、実圧縮比を１６程度として高圧縮比化する（この時、実膨張比は１１位になる）。エンジン始動時もこの状態とする事が望ましい。実膨張比は１１位と低膨張比であるから、シリンダー内に閉じ込められる排ガスは高温であり、実圧縮比は１６程度と高圧縮比なので、圧縮端温度は十分に高まり、予混合圧縮着火燃焼を行なう事ができる（エンジン負荷の上昇に従って実圧縮比を低下させる事は言うまでもない）。この場合、図６に示す排気絞りを行う様にすると圧縮端温度がより一層高まり、効果的である。しかし燃料によってはこの様な手法によっても予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事が困難な事態もあり得るので、この様な時は通常の点火プラグによる火花点火燃焼とする。この場合、アイドル状態を含む極低負荷域では２サイクル機関に特有の不整燃焼が起るから、燃料及び酸素噴射量を増す一方、点火時期を遅らせるなどの手法を講ずる。点火時期を遅らせると排ガス温度が高くなり、エンジンの暖機が早く終了し、かつ迅速に酸化触媒が活性化する利点があるが、熱効率の悪化を伴なうので、できる限り短期間とする。【０００７】  図６は排気通路２５に備えられた排気絞り弁３２により排気絞りを行なって、排気弁開時の排気ブローダウンを緩やかに行なって、排ガスの温度低下を可能な限り抑え、かつ排気弁閉時にシリンダー内に閉じ込められる既焼ガス量を増して（内部ＥＧＲ増）圧縮端温度を上昇させ、以って予混合圧縮着火燃焼がより起り易くなる様にした���施例である。この場合、排気絞り弁３２は全閉時における取り付け状態を排気通路２５の延びる方向にできる限り寝かせて、全開から全閉までの作動角度を小さくし、排気絞りが瞬時に行なわれる様にする事が望ましい。排気絞り弁３２により排気絞りを行なうと、下死点から排気弁が閉弁するまではシリンダー内圧力が高目に推移するが、排気弁開時から下死点まではシリンダー内圧力が高目に推移するので、損失が打ち消され、殆ど熱効率悪化がない特徴がある。この排気絞り弁３２による排気絞りは図４（１）の如くエンジンアイドルを含む極低負荷域に行なったり、図４（ホ）の如くエンジン冷態時に行なう様にすると、圧縮端温度がより一層高まり、予混合圧縮着火が起り易くなる。排気絞り弁３２はエンジンの負荷、回転速度、冷却水温等によってその開度が最適制御されるが、これは排気絞り弁３２を駆動する電動アクチュエーター３３（モーター）によって為され、ＥＣＵ１６は予め与えられた所定の特性に基づいて排気絞り弁３２の開度を演算し、電動アクチュエーター３３の回転角を制御する。図７は導入弁３４（例えばカムで駆動）を備え、排気ブローダウン後に排気通路２５内の脈動によりシリンダー内が負圧となった時に空気を導入して、酸素供給容器１７の小型化を図る実施例である。この場合、シリンダー内が負圧になった時期を捉えて導入弁３４を開閉しても良いが（通常のカム駆動では困難であるが、図１０で述べる電磁駆動式であれば可能である）、ここではリード弁３５（逆止弁）を備えて空気を導入する様にしている。３８はエアフローメーターで、エンジン回転速度によりシリンダー内に流入する酸素量が知れるから、この量を差し引いて酸素噴射弁３１は酸素を噴射する様にＥＣＵ１６で演算される。エンジンアイドル時や低負荷域では予混合圧縮着火を起しにくくするから殆ど空気を導入しない様にし、中負荷域から導入する事が望ましい。エンジン高負荷域で導入弁３４から空気が導入されるとシリンダー内温度が低下するから、ノックが起り難くなり、予混合圧縮着火燃焼の領域が拡大する。この場合、通常は制御弁３６を全閉とし、エンジン高負荷域においてのみ開いてシリンダー内に空気を導入し、前記の様にノックが起りにくくなる様にして予混合圧縮着火燃焼の領域を高負荷側へ拡大しても良い。こららは制御弁３６を駆動する電動アクチュエーター３７によって為され、ＥＣＵ１６はその制御信号を出力する。図８（イ）は排気通路２５からの排ガスを熱交換器４１（冷却器）に導いて冷却し、リード弁、導入弁３９を介して排気ブローダウン後の脈動によりシリンダー内が負圧になった時に冷却排ガスを導入してノックを起り難くし、予混合圧縮着火燃焼の領域を高負荷側へ拡大しようとしたものである。４０は冷却排ガスを必要量導入する為の制御弁で、図７と同様にＥＣＵ１６の制御信号により制御される電動アクチュエーターにより駆動される。図８（ロ）は図８（イ）を更に進めて排気通路２５からの排ガスを熱交換器４１に導いて冷却し、ルーツブロワ４２により圧送して導入弁３９からシリンダー内へ導入し、ノックを起こりにくくしたものである。ルーツブロワ４２で強制的に冷却排ガスが導入されるから、図８（イ）よりも予混合圧縮着火燃焼の���域を一層高負荷側へ拡大する事ができる。シリンダー内へ導入される冷却排ガス量の制御には図８（イ）の如く制御弁４０を使用しても良いが、ルーツブロワ４２を可変速手段により可変速駆動する様にする事が望ましい。又、不要な時はルーツブロワ４２の駆動を電磁クラッチ等により停止しても良い。尚、図８では熱交換器４１を用いず、長い排気通路の大気開放端付近から冷却された低温の排ガスをシリンダー内に導入する様にしても良い。【０００８】  ところで図１においてＥＣＵ１６はエンジン負荷、回転速度、冷却水温等のパラメーターによりバルブタイミング可変装置４が最適制御される様に油圧制御弁１０に制御信号を出力するか、エンジンの急激な過渡期においてはバルブタイミング可変装置４の制御が遅れ、即ち実圧縮比・実膨張比の制御が遅れ、予混合圧縮着火燃焼領域において失火や燃焼未完結、更にはノックを生じる事がある。図９はこれらの不具合を未然に防ぐ為の制御ルーチンを示す。先ずステップＳ１では予混合圧縮着火燃焼を行なわせる運転領域か否かを判定する。これはエンジン負荷、回転速度等のエンジン運転状態を検出するパラメーターに基づき図５を参照して決定する。そして予混合圧縮着火燃焼を行なわせる運転領域であれば（ＹＥＳ）ステップＳ２へ進み、この現在のカム軸２７のカム位相角を検出する。続いてステップＳ３に進み、この現在のカム位相角が制御上の目標値との位相差において所定値以上に遅角しているか否かを判別する。そして所定値以上に遅角していれば（ＹＥＳ）ステップＳ４に進み、失火を含む不安定燃焼回避手段として例えば酸素噴射弁３１の酸素噴射量を通常よりも増量させてルーチンを抜ける。通常よりも増量させて酸素噴射を行なう事により燃料と酸素との酸化反応が活発化し、予混合圧縮着火燃焼における失火や燃焼未完結を未然に防ぐ事ができる。この他の不安定燃焼回避手段としては、例えば図６に示す排気絞りを挙げる事ができる。即ち、ステップＳ４でＥＣＵ１６からの制御信号により瞬時に排気絞り弁３２を所定開度まで閉じて（瞬時に所定開度まで閉じる構成については図６で説明した）、排気弁開時における排気ブローダウンを緩やかに行なうと共に排気弁閉時においてシリンダー内に閉じ込められる既燃ガス量を増して圧縮端温度の上昇を図るのである。ステップＳ３で判定が不成立（ＮＯ）の場合はステップＳ５に進み、ステップＳ２で検出した現在のカム位相角が制御上の目標値との位相差において所定値以上に進角しているか否かを判別する。所定値以上に進角していなければ（ＮＯ）、ここでルーチンを抜ける。ステップＳ５で判定が成立（ＹＥＳ）の場合はステップＳ６へ進み、ノック回避手段として例えば燃料噴射弁２９の燃料噴射時期を遅角させてルーチンを抜ける。圧縮行程中の燃料噴射時期を遅角すると、燃料の圧縮着火開始時期を遅らせる事ができ、燃焼室内圧力ピーク位置も遅角して圧力ピークが下がり、ノックの発生を回避する事ができる。この場合、燃料噴射を２回に分けて噴射しても良い。ノック回避手段としては酸素噴射弁３１の酸素噴射時期を遅角する事も考えられ（もちろん、燃料の方を先に噴射する）、これにより燃料の着火開始時期を遅らせ、ノックを回避する事ができる。ノック��避手段としてはこの他、図７，８に示す如く導入弁３４，３９を介してシリンダー内に冷却された流体（空気や冷却された排ガス）を瞬時に導入して（瞬時に制御弁３６，４０を開く−それまでは殆ど導入しない様に制御しておく）圧縮端温度を下げる方法も考えられる。【０００９】  ところで本発明では排気弁２６の開弁時期や閉弁時期を変化させて実膨張比や実圧縮比を可変化させ、以って予混合圧縮着火燃焼の運転領域を拡大しているが、図１に示したものの他に公知の多くの可変動弁装置を用いる事ができる。例えば特開平８−１７７４３４号公報にはヘリカルスプラインを軸方向に移動させてカム位相角を変えるものが開示され、電磁式又は電動式にカム位相角を変えるものが特開２００１−
１６４９５１号公報、特開２００３−２７８５１４号公報、特開２００７−１００６８１号公報に開示されている。これらはいずれも図１と同様に排気弁２６の開弁時期は変えずに開閉時期を変えるものである。特に特開平８−１７７４３４号公報には２つのカムを順次切り換えて使う構造が開示されているが、これを用いると１段目のカムで排気弁２６の開閉時期をエンジンアイドル時及び低負荷域では図４（イ）のタイミングとし、エンジン中負荷域では２段目のカムで図４（ハ）のタイミングとする制御も考えられる（高負荷域では火花点火燃焼に切り換える）。更には立体カム（通常の平面カムを多段に並べたものも含む）を用い、これを油圧式又は電磁式アクチュエーターによりＥＣＵ１６からの制御信号によって軸方向にスライドさせ、位置制御する様にする事も考えられる（これは公知である）。図１０は電磁式可変動弁装置を示すもので、ハウジング４３にはリング状に形成された電磁石４４，４５が排気弁軸と一体となったプランジャー４６を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石４４，４５の各々の中空部にはバネ４７，４８がプランジャー４６を挟む様に取り付けられ、この為、排気弁２６はバネ４７，４８の力の釣り合いにより弁リフトの中間位置に静止している。電磁石４４が磁励されるとプランジャー４６が上方へ引き付けられ、排気弁２６は閉弁し、電磁石４５が磁励されるとプランジャー４６が下方へ引き付けられ、開弁する。ドライバー４９は排気弁２６の開閉時期を指示するＥＣＵ１６からの制御信号に応じて電磁石４４，４５に交互に励磁電流を供給する。これにより排気弁２６はＥＣＵ１６が指示した時期に開閉駆動される。これによると排気弁２６の開弁時期及び閉弁時期は互いに独立的に設定できるから、実圧縮比及び実膨張比も互いに独立的に設定でき、自由度が大幅に増す。例えば実膨張比を同一としたまま実圧縮比のみを変えるなどである。何よりも応答遅れがない特長がある。【００１０】  次に本発明では排気弁２６の開弁時期は固定したまま閉弁時期を変え、即ち実膨張比を固定したまま実圧縮比のみを可変化しても、圧縮端温度を自在に制御できる（実圧縮比はアイドルを含む低負荷域では高くし、高負荷域ではノックを防ぐ為に下げる）から、予混合圧縮着火燃焼の領域を拡大する事ができる。これは既に述べた立体カムを用いたり、図１０の電磁式可変動弁装置を用いる事により可能である。尚、本発明では排気弁２６の開弁時期及び閉弁時期を互いに独立的に設定して、実膨張比及び実膨張比を互いに独立的に設定する事がより望ましい（図１では実圧縮比を設定すると、実膨張比の方は従属的に定まる故）。これも立体カムや図１０の電磁式可変動弁装置により可能となるが、開弁時期は変えずに開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置（例えば図１のもの）を用いた実施例を図１１に示す。即ち図１１において、図３の２個の排気弁２６の内、手前側のもの（以後Ａ）はカム軸２７Ａで駆動され、向う側のもの（以後Ｂ）はカム軸２７Ｂで駆動され、排気弁Ａ、Ｂはバルブタイミング可変装置５０，５１（模式的に図示）により各々の開閉時期を互いに独立的に設定できる様に構成される。これにより実圧縮比，実膨張比を互いに独立的に設定で���、自由度が増す。例えば図１２（イ）では実圧縮比と実膨張比は同一であり、図１２（ロ）でも実圧縮比と実膨張比は同一であるが、図１２（イ）と（ロ）ではその値が異なる。又、図１２（ハ）の如く実膨張比は固定したまま実圧縮比を変化させる事ができる（この逆も可能）。更には図４（ロ）では実圧縮比が１２の時は実膨張比が従属的に１５．５となるが、これを１４に設定する事ができる。等々である。５２，５３はバルブタイミング可変装置５０，５１へ油圧を供給する油圧制御弁で、ＥＣＵ１６からの制御信号により駆動される。【００１１】  尚、本発明における酸素供給容器１７には予め３５０気圧程度に圧縮した高圧酸素を充填させておくのが一般的であるが、図１３の如く酸素濃度富化装置５４により空気中の酸素を濃化して圧縮機５６により圧縮し、これを酸素供給容器１７へ送り込む様にしても良い（５〜１０気圧程度の圧力で良い）。この場合、できる限り酸素濃度を高めて窒素含有率を少なくする事が必要である。酸素濃度富化装置５４は酸素透過膜５５を有し（例えばシリコン系ゴム膜、ポリブタジエンなどを材質とする）、圧力差を与えて酸素と窒素との溶解速度の差により酸素も多く透過をさせるものである。この他、合成ゼオライトに窒素を吸着させる窒素吸着法による酸素濃度富化装置も考えられる、
【発明の効果】
【００１２】  本発明では排気弁閉時にはシリンダー内には高温の既燃ガスが多量に閉じ込められ、ここに燃料と酸素とが噴射される。これは従来の２サイクル内燃機関においてシリンダー内を空気と燃料との混合気で掃気し、更にその中の窒素を既燃ガスで置き換えたガス組成と同じである（窒素も既燃ガスも共に燃焼には関与しない物質である）。アイドル状態を含むエンジン極低負荷域では超希薄混合気であり、点火プラグによる火花点火燃焼は困難であるが、本発明によれば既述の如く多量の内部ＥＧＲ、実圧縮比及び実膨張比の可変化により圧縮端温度を自己着火可能な温度まで高められるので、燃焼、即ち予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。エンジン中負荷域までは予混合圧縮着火燃焼が可能であるが、高負荷域ではノック発生から通常の火花点火燃焼に切り換える。しかしこの時は通常の２サイクル機関と同じ条件であるから、火花点火燃焼が可能である。この様に本発明では燃料噴射量と酸素噴射量とで出力を制御しており、従来の様に酸素量を制御する為にスロットル弁で空気を絞る制御はしていないので、ポンプ損失は０で、熱効率は非常に高くなる。しかも４サイクル機関の様な吸・排気行程がないので、これに伴うポンプ仕事損失も０である（特に高速で効果大）。又、４サイクル機関の様な無駄な吸・排気行程がないので、摩擦損失がなく（１回転毎に１回の膨張仕事が得られる）、機械効率が高い。そして冷却損失が少ない事も熱効率向上に寄与している。即ち、予混合圧縮着火燃焼は燃焼室内の各部が一斉に燃焼を開始するのであり、火花点火燃焼の様な最初に燃焼した部分がその後の燃焼の拡がりにより断熱圧縮を受け、更に高温となる事がないので、最高燃焼温度は低く抑えられる低温急速燃焼となる為である。又、火花点火燃焼に切り換えられた時でも、多量の内部ＥＧＲにより最高燃焼温度が低く抑えられる。この様に冷却損失が少ない特徴がある。更には本発明では実圧縮比に対し実膨張比を大きく設定する事ができ、これも熱効率向上に大きく寄与する。従来はこの様にするシリンダー内の充填空気量（酸素量）が減少するので、出力低下となるが、本発明では酸素噴射量を増すだけで対処できる（酸素噴射量を増して酸素濃度を増加させても、多量の内部ＥＧＲによりノックは抑えられる）。ノック回避の為に実圧縮比を低く抑える運転領域では却って実膨張比が高くなるので、熱効率向上効果が大である。本発明では実圧縮比も実膨張比も簡単な構造で変えられるのも大きな特徴である（従来では非常に複雑な構造となる）。更には本発明では従来の２サイクル機関の様な掃気作用を行なわないので、ルーツブロワやクランク室圧縮が不要・駆動損失が０で、熱効率向上の足を引っ張る事がない。次に、従来４サイクル機関で負のオーバーラップ期間を設定する事により多量の内部ＥＧＲを行ない、予混合圧縮着火燃焼を実現する試みが為されているが、アイドルの様な極低負荷域での実現は無理である。その理由はシリンダー内に閉じ込めた既燃ガスを圧縮して元の状態まで膨張させても、その間のシリンダー内壁面への熱伝達損失により却って温度降下が生ずるからである（但し、外部ＥＧＲよりは圧縮端温度上昇の効果はある）。たとえ排気上死点で燃料を噴射して���アイドルの様な極低負荷域では燃料噴射量は極微量であり（熱発生殆んど０）予混合圧縮着火燃焼を引き起こさせるには到らない。しかし本発明ではより多量の高温内部ＥＧＲが為され、シリンダー内壁面への熱伝達損失も少なく（従来における新気で掃気した時の様な冷却もない）、かつ実圧縮比も高く設定できるので、アイドル時の様な極低負荷域でも予混合圧縮着火燃焼が可能である。しかも図６の様に排気絞りを行なう事により更に圧縮端温度上昇が図られ、確実に予混合圧縮着火燃焼が可能となる。本発明では燃料噴射時期は排気弁閉後であり、必然的に混合気の成層化が図られ、先ず比較的濃い混合気の部分が圧縮着火を起し、次にこれが引き金となってより希薄な混合気の部分が圧縮着火を引き起すので、アイドル時の様な極低負荷域でも確実に予混合圧縮着火が可能である（成層化してもＮＯｘの発生は全くない）。もちろん従来の２サイクル機関の様な不整燃焼は起らない。高回転域では燃料の着火時期を早めなければならないが、図４の様に実膨張比を下げ（排ガス温度上昇）、実圧縮比を高めるので、確実に予混合圧縮着火燃焼が起る。エンジン始動後は図４（ホ）の如く実膨張比を低くして実圧縮比の方を高め、かつ排気絞りを行なう事で圧縮端温度が大幅に上昇し、予混合圧縮着火燃焼を起す事ができる。場合によっては酸素噴射量を増す事により酸化反応を活発化する手段も講ずる様にする。エンジン始動は通常の火花点火で行ない、外気温が極端に低い時は始動後も火花点火燃焼を続けるが、燃料及び酸素噴射量を増量し、点火時期を遅角して（不整燃焼の回避）できる限り早く酸化触媒を暖め、暖機運転を終了する様にする。この場合、点火時期を遅角せず酸素噴射量のみを過剰に増量させれば、従来の２サイクル機関において燃料投入量を増す事なく給気比を高めたのと同じ効果が得られるので、不整燃焼を回避する事ができる（酸素噴射量を過剰に増量しても大部分は排気弁閉時でシリンダー内に回収されるので、酸素消費量はさほど増えない）。エンジン高負荷域では通常の火花点火燃焼に切り換えられるが、燃焼条件は良く、不整燃焼は起らない。燃焼室はピストン側に凹部として形成し、強力なスキッシュにより火炎伝播速度を増し、熱効率の向上を図る。酸素濃度は高くなるが、多量の内部ＥＧＲが為されている為、ノックは起らず、ノック回避の為に実圧縮比を下げても逆に実膨張比が高くなるので、熱効率は向上する。尚、加速時は一時的に燃料及び酸素噴射量を増量すると、加速性が良好となる。次に本発明における排気浄化対策について述べるが、空気を作動流体としていないので、ＮＯｘの発生は全くない。もちろん予混合圧縮着火燃焼であるから、ディーゼル機関の様なＰＭの発生もない。ＨＣ，ＣＯの発生はあるが、大部分は排気弁閉時においてシリンダー内に取り込まれて再燃焼可能なので、排出量は少ない。燃料噴射は排気弁閉後の圧縮過程中で行なうので（ピストン頂部に凹部を形成し、ここに燃料を噴射する）ピストン頂部以外は付着せず（ガスは高温になっているので、瞬時に気化し、凹部に付着する割合も小さい）、排気ブローダウン時はピストン頂部表面の未燃ＨＣ，ＣＯは排出されず、以上の理由からＨＣ，ＣＯの排出は微量である。更には本発
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気の場合よりも高温であり、ＨＣ，ＣＯは酸化され易く、その排出は極く微量であるが、これは酸化触媒により浄化する事ができる。この場合、若干過剰の酸素を噴射する事で空気ポンプ装着がなく、その駆動の為の動力損失もない。多量の内部ＥＧＲにより排ガスの流量は少なく、従って小型の触媒コンバーターで対処できる。又、エンジン高負荷域においては多量の内部ＥＧＲにより排ガス温度も低く抑えられ、触媒保護の為の燃料濃化の必要もない。ところで本発明では何らかの理由により失火が発生したとしても、排気弁開後は排気通路内から排ガスがシリンダー内へ流入し、これが下死点から排気弁閉時まで排出されるだけで、基本的にはシリンダー内ガスの外部流出はない上、圧縮上死点では噴射された燃料が改質され、燃焼し易くなっているので（温度上昇もある）、次のサイクルで圧縮着火は必ず起る。この様に本発明では予混合圧縮着火燃料域でも不整燃焼は起らず、排ガス対策上極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による予混合圧縮着火式２サイクル内燃機関を示す図。
【図２】図１の１断面を示す図。
【図３】図２を上方から見た図。
【図４】排気弁の開閉時期変化を示す図。
【図５】予混合圧縮着火燃焼の運転領域を示す図（マップ）。
【図６】排気絞りの実施例を示す図。
【図７】少量の空気をシリンダー内へ導入する実施例の図。
【図８】冷却された低温の排ガスを導入する実施例を示す図。
【図９】制御ルーチンを示す図。
【図１０】電磁式可変動弁装置を示す図。
【図１１】２つの排気弁の各々の開閉時期を互いに独立的に変化させる実施例の図。
【図１２】図１１における排気弁の開閉時期変化を示す図。
【図１３】酸素濃度富化装置を有する酸素供給容器を示す図。
【符号の説明】
１は２サイクル内燃機関本体、２はクランク軸、３はベルト、４・５０・５１はバルブタイミング可変装置、５はプーリー、６はハウジング、７はローター、８は進角室、９は遅角室、１０・５２・５３は油圧制御弁、１１はプランジャー、１２はスプール弁、１３はバネ、１４・１５はドレーンポート、１６は電子制御ユニット、１７は酸素供給容器、１８はプレッシャーレギュレーター、１９はサージタンク、２０は圧力センサー、２１は触媒コンバーター、２２はぴすとん、２３はシリンダーヘッド、２４は燃焼室、２５は排気通路、２６は排気弁、２７・２７Ａ、２７Ｂはカム軸、２７′はカム、２８はロッカーアーム、２９は燃料噴射弁、３０は点火プラグ、３１は酸素噴射弁、３２は排気絞り弁、３３・３７は電動アクチュエーター、３４・３９は導入弁、３５はリード弁、３６・４０は制御弁、３８はエアフローメーター、４１は熱交換器、４２はルーツブロワ、４３はハウジング、４４・４５は電磁石、４６はプランジャー、４７・４８はバネ、４９はドライバー、５４は酸素濃度富化装置、５５は酸素透過膜、５６は圧縮機である。
【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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