(57)【要約】【課題】火花点火エンジンにおいて熱効率を向上し、燃費を改善するとともに、ＮＯｘの排出量を低減する。【解決手段】ピストンの行程容積と燃焼室１７の容積によって決まる機械的な圧縮比を１４以上に設定し、燃焼室１７の中心から離れた２か所以上の位置に点火点が配置されるよう点火プラグ２２を設け、かつ、混合気の空気過剰率を１．４以上に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、前記燃焼室に設けられた吸気バルブ及び排気バルブと、前記燃焼室に前記吸気バルブを介して導入される燃料と空気の混合気あるいは空気を圧縮するピストンと、を備え、前記燃焼室内の混合気を火花点火により点火、燃焼させる火花点火エンジンにおいて、
前記ピストンの行程容積と前記燃焼室の容積によって決まる機械的な圧縮比を１４以上に設定し、前記燃焼室の中心から離れた２か所以上の位置に点火点が配置されるよう点火プラグを設け、かつ、前記混合気の空気過剰率を１．４以上に設定したことを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項２】
前記燃料として、メタン、メタンを主成分とするガス、あるいは液化石油ガスを使用することを特徴とする請求項１の火花点火エンジン。
【請求項３】
前記燃焼室の形状を球殻の一部とし、前記燃焼室に前記吸気バルブと排気バルブをそれぞれ１個ずつ設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火エンジン。
【請求項４】
吸気バルブの閉弁時期を下死点後５０°から９０°の間の値に設定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の火花点火エンジン。
【請求項５】
前記排気バルブの開弁時期を下死点直前に設定し、かつ、前記排気バルブの径を前記吸気バルブと略同径としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常のバルブタイミングを有する火花点火エンジンでは、機械的な圧縮比を大きくし膨張比を大きくすれば熱効率が向上するが、圧縮比を大きくするとノッキングが発生するため、圧縮比を１３以下に設定している。
【０００３】
また、膨張比を大きくして熱効率を改善するために機械的な圧縮比を大きく設定したミラーサイクルエンジンでは、特許文献１に開示されるように、吸気バルブの閉じる時期を下死点より大きく遅らせることにより、実圧縮比を小さくし、ノッキングを抑えている。
【特許文献１】特開平８−１００６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ノッキングを抑える方法としては点火時期を遅らせる方法がある。しかしながら、この方法では、燃焼が遅くなって排気温度が上昇することからも明らかなように、燃料の有する熱エネルギーを有効に仕事に変換できておらず、熱効率を下げる原因となる。
【０００５】
また、ミラーサイクルエンジンでは、吸気バルブを閉じるタイミングを大幅に遅らせ、一旦シリンダに吸入した新気を吸気ポート内に逆流させて実圧縮比を小さくするので、特にシリンダ数が少ないエンジンにおいて吸気マニホールド内の新気の圧力変動が大きくなり、正圧になる瞬間がある。このため、ミキサから供給された混合気を吸入する予混合式エンジンでは、燃料の混ざった新気を大気中に吹き返すことになり、その分燃費が悪化する。また、実圧縮比が小さいということは、大きな出力低下を伴う。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術的課題を鑑みてなされたもので、火花点火エンジンにおいて熱効率を向上し燃費を改善するとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、燃焼室と、前記燃焼室に設けられた吸気バルブ及び排気バルブと、前記燃焼室に前記吸気バルブを介して導入される燃料と空気の混合気あるいは空気を圧縮するピストンと、を備え、前記燃焼室内の混合気を火花点火により点火、燃焼させる火花点火エンジンにおいて、前記ピストンの行程容積と前記燃焼室の容積によって決まる機械的な圧縮比を１４以上に設定し、前記燃焼室の中心から離れた２か所以上の位置に点火点が配置されるよう点火プラグを設け、かつ、前記混合気の空気過剰率を１．４以上に設定したことを特徴とするものである。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料として、メタン、メタンを主成分とするガス、あるいは液化石油ガスを使用することを特徴とするものである。
【０００９】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記燃焼室の形状を球殻の一部とし、前記燃焼室に前記吸気バルブと排気バルブをそれぞれ１個ずつ設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
第４の発明は、第１から第３の発明において、吸気バルブの閉弁時期を下死点後５０°から９０°の間の値に設定したことを特徴とするものである。
【００１１】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記排気バルブの開弁時期を下死点直前に設定し、かつ、前記排気バルブの径を前記吸気バルブと略同径としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
火花点火エンジンにおいて熱効率を上げようとして機械的な圧縮比を１４以上にすると、ノッキングが容易に発生してしまうが、第１の発明によれば、点火点を複数個設けたことにより、火炎が伝播する時間が短くなり、燃焼室の温度の低い部分からの自己着火が起こってノッキングが発生するのを抑えることができる。つまり、本発明によれば、ノッキングを起こすことなく圧縮比を高めることができ、熱効率を向上して燃費を改善することができる。さらに、空気過剰率を１．４以上とし、薄い混合気を利用するようにしたことにより、燃焼によるガス温度の上昇が抑えられ、ノッキングを抑えるとともに、ＮＯｘレベルを低減することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、燃料として、燃料として、メタン、メタンを主成分とするガス、あるいは液化石油ガスを使用することにより、ノッキングの発生をさらに抑えることができる。
【００１４】
第３の発明によれば、燃焼室の形状を球殻の一部とし、かつ、吸気バルブと排気バルブをそれぞれ１個ずつとしたことにより、燃焼室をコンパクトにして燃焼時間を短縮し、ノッキングの発生をさらに抑えることができる。また、燃焼室の表面積を小さくできるので、冷却損失を低減し、エンジンの熱効率をさらに高めることができる。
【００１５】
また、上記構成のエンジンでは、機械的な圧縮比が高いもののノッキングを抑えることができるため、従来のミラーサイクルエンジンのように吸気バルブを極端に遅く閉じて実圧縮比を小さくする必要がない、したがって、第４の発明のように、吸気バルブの閉弁時期を、ミラーサイクルエンジンよりも早くすることにより、吸気系から大気中への混合気の吹き返しを無くし、実圧縮比を大きくして出力の向上を実現することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、排気バルブが開くと同時に、シリンダ内のガス圧を急速に低下させ、実膨張比を大きくすることができる。排気バルブの径を吸気バルブと略同径としたので、排気バルブを遅く開いても、十分に排気できる。なお、本発明に係るエンジンは薄い混合気で運転するため、排気温度が低く排気バルブの径を大きく設定しても熱的に問題はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係るエンジンのシリンダヘッド１から上の構成を示す。ミキサ１２で調製された燃料と空気の混合気は、吸気バルブ８が吸気バルブシート９からリフトし、吸気ポート１０が開かれると、吸気マニホールド１１から燃焼室１７内に導入される。混合気は理論空燃比よりも大幅に希薄（空気過剰率１．４以上、この例では１．７）になるように調製される。
【００１９】
燃料としては、ガソリンが用いられるが、メタンやこれを主成分とする都市ガスや天然ガス（ＬＮＧ）、あるいは液化石油ガス（ＬＰＧ）のようなアンチノック性の高い燃料を使用するようにしてもよい。
【００２０】
空気過剰率λは（その時の空燃比）／（理論空燃比）で定義される。燃料としてガソリンを用いる場合、理論空燃比は１４．７であるので、λ＝１．７のときの空燃比は１４．７×１．７＝２５．０となる。都市ガスを用いる場合、理論空燃比を１６．８とすると同様に換算し、λ＝１．７のときの空燃比は２８．６となる。
【００２１】
燃焼室１７内で燃焼し、ピストンを押し下げて仕事をした後のガスは、排気バルブ５が排気バルブシート６からリフトし、排気ポート４が開かれると、排気マニホールド２へと排出される。混合気が非常に希薄であるため、燃焼後のガスには多量の酸素が含まれている。
【００２２】
薄い混合気でも排気中には少量の未燃の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が含まれているので、ＨＣ、ＣＯをさらに低減するために、破線で示すように酸化触媒３を排気マニホールド２に設けてもよい。排気中に酸素が多く含まれるため、このように酸化触媒３を設ければ、ＨＣやＣＯを十分に酸化することができる。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら本発明に係るエンジンの細部構成についてさらに説明する。
【００２４】
燃焼室１７の形状は半径Ｒの球殻の一部、すなわち縦断面が半径Ｒの円弧の一部である。球殻ないし円弧の中心は、燃焼室１７の下方の燃焼室１７から離れた位置にあり、燃焼室１７は深さの浅い椀をひっくり返したような形状をしている。
【００２５】
燃焼室１７には、吸気バルブ８と排気バルブ５がそれぞれ１個ずつ、燃焼室１７の略中央を挟んで対角位置に配設されている。燃焼室１７をこのような構成とすることにより、コンパクトな燃焼空間を形成でき、２点点火の効果と相俟って、燃焼時間をさらに短縮することができる。また、燃焼室１７の表面積を小さくでき、冷却損失を低減することもできる。
【００２６】
点火プラグ２２が装着される点火プラグ装着部７は複数個（この例では２個）設けられている。この点火点はいずれも燃焼室１７の中心から離れており、これにより、点火から２つの点火点からそれぞれ成長する火炎面の先端（フレームフロント）が干渉しあうまでの時間を稼ぎ、燃焼時間をさらに短縮することができる。
【００２７】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の点火プラグ装着部７の中心で切ったＡ−Ａ断面図である。点火プラグ装着部７の先端は、球殻と点火プラグ２２の中心との交点２０より燃焼室１７内に突出している。これにより、点火プラグ２２の先端、すなわち、点火点を燃焼空間の中央により近づけることができる。点火プラグ２２の取付け角θは可能な限り大きく設定した方が、点火点を少しでも燃焼空間の中央に近づけることができ、有利である。
【００２８】
吸気バルブ８は、図３のように、上死点前のＩｏで開き下死点後のＩｃで閉じる。このＩｃから上死点までが実質的な圧縮行程である。ミラーサイクルエンジンでは吸気弁閉時期Ｉｃを下死点後９０°以降に設定し、通常のエンジンでは４５°以前、高速エンジンでも５０°以前に設定するが、本発明に係るエンジンでは、吸気弁閉時期Ｉｃを、ミラーサイクルエンジンよりも早く、かつ、通常のエンジンよりも遅くなるように、下死点後５０°から９０°の間の値に設定する。
【００２９】
一方、排気バルブ５は下死点直前のＥｏで開き、上死点後のＥｃで閉じるように設定される。排気バルブ５の開弁時期Ｅｏを下死点直前に設定する理由については後述する。
【００３０】
図４は機械的な圧縮比と実圧縮比を説明するための図である。図中Ｖｈはピストン２３の行程容積（排気量）、Ｖｃは燃焼室１７の容積である。また、Ｖｈ’は吸気弁閉時期Ｉｃのピストン位置から上の容積である。機械的な圧縮比は（Ｖｃ＋Ｖｈ）／Ｖｃ＝１＋Ｖｈ／Ｖｃと定義される。これに対し、実質的に混合気の圧縮が開始されるのは吸気バルブ８が閉じた吸気弁閉時期Ｉｃ以降であるので、実圧縮比は１＋Ｖｈ’／Ｖｃとなる。
【００３１】
上記の通り、本発明に係るエンジンでは、吸気弁閉時期Ｉｃをミラーサイクルエンジンよりも早く、かつ、通常のエンジンよりも遅くなるように、下死点後５０°から９０°の間の値に設定しているので、吸気の無駄な吹き返しを少なくし、燃費を向上させることができる。さらに、ミラーサイクルエンジンよりも実圧縮比を高めることができるので、圧縮後のガス温度を高め、薄い混合気でも急速な燃焼を得られるようにする。
【００３２】
さらに、本発明に係るエンジンは排気バルブ５にも特徴がある。通常のエンジンでは、排気バルブの径は吸気バルブの径の０．８〜０．９倍程度に設定される。これは排気バルブの温度が高くならないように受熱面積を減らすとともに、排気バルブシートを通して冷却水へ熱を捨てやすくするためであるが、このようにバルブ径を小さくした場合、燃焼済のガスを十分に排出するために、排気バルブを早めに開く必要がある。
【００３３】
これに対し、本発明に係るエンジンでは、排気バルブ５の径（傘の径）を吸気バルブ８の径と略同じ（同径あるいはやや小さい径）としている。これにより、上記の通り、排気バルブ５を下死点直前のＥｏで開くようにしても、排気バルブ５が開くと瞬間的に排気でき、高い機械的圧縮比一杯まで燃焼ガスを十分に膨張させることができ、エンジンの熱効率を向上させることができる。なお、本発明に係るエンジンは、薄い混合気で運転するので排気温度が低く、このように排気バルブ５の径を大きく設定しても熱的に問題はない。
【００３４】
さらに、本発明に係るエンジンは点火点を複数としたことにより、以下に説明するように１点点火の場合と比べて、点火時期を遅らせることができ、これによっても熱効率を向上させることができる。
【００３５】
図５に同一回転数、同一空燃比、同一スロットル開度（吸入空気量）における点火時期（クランク角）とエンジンの軸トルクの関係を示す。
【００３６】
点火時期を遅い方から進めていくと、軸トルクは増大するが、やがてノッキングを起こして低下する。図中Ｃは通常の圧縮比で１点点火の場合で、Ｍ2で最大トルクとなる。一方、図中Ｂは高圧縮比で複数の点火点を有する本発明の場合であり、燃焼時間が短縮されるためにＣより早期に（上死点に近いところで）最大トルク点Ｍ1を迎える。これによりサイクル論でいう、時間損失が少なくなる。
【００３７】
これを模式的に図６で説明する。図中の２点鎖線は空気のみを圧縮し燃焼を伴わない場合のシリンダ内のガス圧力特性である。常識的な（コネクティングロッド長）／（クランク半径）の場合、シリンダ内の圧力は上死点後１４°〜１５°で最大になるように点火するのがもっとも熱効率が改善される。
【００３８】
点火後、燃焼室内のガス圧力は急上昇し、最大点を過ぎやがて排気バルブが開くと急速に低下する。１点点火の場合はＸ2で点火して上死点後この角度でガス圧は最大となるが、本発明に係るエンジンでは、これより遅いＸ1で点火しても同じクランク角の点でピークとなる。つまり、本発明に係るエンジンでは、上死点前での圧力を下げることができ、エンジンを逆回転させようとする力を小さくして、熱効率を向上させることができる。また、燃焼時間を短くするとハッチング部分の負の力が小さくなり、有効に力として取り出すことができ、それに比例してエンジンの仕事を増大させることができる。
【００３９】
本発明に係るエンジンにおいては、さらに、混合気の希薄化を併せて行ったことにより、ＮＯｘ低減効果が得られる。この理由について説明する。
【００４０】
通常、理論空燃比より薄い混合気でエンジンを運転する場合、排気中の酸素濃度が大きく酸化雰囲気にならない。完全燃焼すれば理論的に、排気中に酸素も一酸化炭素も炭化水素も排出されないよう三元触媒を作動させることができるが、希薄混合気で運転する場合、排気ポート以降でＮＯｘを還元することは不可能であり、シリンダ内での生成を少なくすることが必要である。また、排気を還流するＥＧＲにより燃焼温度を下げてＮＯｘを低減する方法もあるが、希薄燃焼の場合、排気中の酸素濃度が大きくなるためそのＮＯｘ低減効果は著しく小さくなる。
【００４１】
したがって、理論空燃比より薄い混合気で運転するエンジンにおいてＮＯｘを低減するためには、徹底的に希薄化を図って燃焼温度を低下させる以外にＮＯｘを低減させる方法はなく、本発明に係るエンジンでは、徹底的に混合気の希薄化を図ることでＮＯｘ低減効果を得っている。
【００４２】
図７は空気過剰率に対するＮＯｘ低減効果、熱効率改善効果を示した図である。これに示すように、空気過剰率λの増大とともにＮＯｘレベルは低下する。ここでＮＯｘレベルは排気中の酸素濃度を０％として換算した値である。例えば、排気吐出口で測定したＮＯｘレベルが１００ｐｐｍで酸素濃度が７％の場合、地上の酸素濃度が２１％であるので７／２１分の空気がエンジンを素通りして排気を希釈したと考え、真のＮＯｘレベルは測定値の（１＋７／２１）倍の１３０ｐｐｍであると評価している。本発明に係るエンジンでは、空気過剰率λを１．４以上（この実施例では１．７）に増大させているので、ＮＯｘレベルを十分に低減することが可能である。
【００４３】
さらに、空気過剰率λを増大させていくと、熱効率も向上し、従来の常識の３３％をはるかに越える熱効率を達成することが可能である。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したにすぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００４５】
例えば、上記実施形態は、燃焼室に燃料と空気の混合気を導入し、これを圧縮して火花点火により点火する予混合エンジンを例にとって説明したが、本発明は、燃焼室に空気のみを導入し、燃焼室内の空気に燃料を直接噴射して混合気とし、これを火花点火により点火する直噴エンジンにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るエンジンのシリンダヘッドから上の構成を示す図である。
【図２】本発明に係るエンジンの細部構成図であり、（ａ）は吸排気バルブシートの中心線におけるシリンダヘッドの断面図、（ｂ）は燃焼室をシリンダヘッドの下方から見た図、（ｃ）は（ｂ）の点火プラグ装着部におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】バルブタイミングの説明用の図である。
【図４】機械的な圧縮比と実圧縮比を説明するための図である。
【図５】点火時期を説明するための図である。
【図６】シリンダ内のガス圧力特性を説明するため図である。
【図７】本発明によるＮＯｘ低減効果および熱効率改善効果を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  シリンダヘッド
２  排気マニホールド
３  酸化触媒
４  排気ポート
５  排気バルブ
６  排気バルブシート
７  点火プラグ装着部
８  吸気バルブ
９  吸気バルブシート
１０  吸気ポート
１１  吸気マニホールド
１２  ミキサ
２２  点火プラグ
２３  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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【図７】
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【図５】
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【図６】
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