(57)【要約】【目的】  低圧縮比２サイクルディーゼル機関とする事によって摩擦損失を減らして熱効率を改善し、出力低下を招く事なく高膨張比化して更なる熱効率の改善を図ること、又、最高燃焼温度を下げて冷却損失を減少させると共に空気を作動流体としない事によってＮＯｘの発生を根源から断ち切ること。【構成】  酸素を含む燃焼室２０内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させる事によってクランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクルディーゼル機関であって、酸素供給容器１５を備える。更に酸素供給容器１５からの酸素をシリンダー内へ噴射する酸素噴射弁２７と、燃料噴射弁２６と、シリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁２２を備える。酸素噴射弁２７の酸素噴射はピストン上昇行程中に行なわせる。更に排気弁２２の閉弁時期を機関運転状態に応じて変化させ、実圧縮比を可変化する。【選択図】図１
2008309145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させ、クランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクルディーゼル機関であり、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素をシリンダー内へ噴射する酸素噴射弁と、燃料を燃焼室内へ噴射する燃料噴射弁と、シリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁とを備え、前記酸素噴射弁の酸素噴射はピストン上昇行程中に行なわせる様にし、更に前記排気弁の閉弁時期をエンジン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、かくして成る酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【請求項２】
排気弁の開弁時期をエンジン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記載の酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【請求項３】
開弁期間は変えずに排気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置により実圧縮比及び実膨張比を可変化する様にした請求項２記載の酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【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酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【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シリンダー内に空気や冷却された排ガスの様な低温の流体を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酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【請求項６】
機関の所定の運転領域において予混合圧縮着火燃焼を行なわせる様にした請求項１ないし５のいずれかに記載の酸素噴射式２サイクルディーゼル機関。
【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からの酸素をシリンダー内に噴射する２サイクルディーゼル機関に関するもので、大幅に熱効率を改善すると共にＮＯｘの発生を根源から断ち切ろうとしたものである。
【背景技術】
【０００２】  一般にディーゼル機関ではエンジン始動時や冷態運転時を考慮して高圧縮比に設定している（直接噴射式では１７位）。この為、各部を頑丈に作らねばならず、重量増となり、かつ２サイクル式から見れば４サイクル式は無駄な吸・排気行程があり、これらの理由により摩擦損失が大で、熱効率の悪化を招いていた。又、熱効率を改善する為に圧縮比に対し膨張比を大とすると、有効吸入行程の減少により出力低下を招いていた。更には最高燃焼温度が高く、冷却損失が大で、多量のＮＯｘが発生し、この為、リーン型ＮＯｘ触媒を使う必要があり、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属資源的にも問題があった。
【発明が解決しようとする問題点】
【０００３】  本発明の目的は、低圧縮比２サイクルディーゼル機関とする事によって摩擦損失を減らして熱効率を改善し、出力低下を招く事なく高膨張比化して更なる熱効率の改善を図るものである。又、最高燃焼温度を下げて冷却損失を減少させると共に、空気を作動流体としない事によってＮＯｘの発生を根源から断ち切ろうとするものである。
【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、酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させる事によってクランク軸１回転毎に１回の膨張仕事が得られる２サイクルディーゼル機関であって、酸素供給容器を備え、この酸素供給容器からの酸素をシリンダー内へ噴射する酸素噴射弁と、燃料を燃焼室内へ噴射する燃料噴射弁と、シリンダー内の既燃ガスを排出する排気弁とを備える。酸素噴射弁の酸素噴射時期はピストン上昇行程中として行なわせる。更に排気弁の閉弁時期を機関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する様に構成する。
【実施例】
【０００５】  図１（イ）は本発明による酸素噴射式２サイクルディーゼル機関の一実施例で、１は機関本体を示し、ここでは多気筒機関とし、その１断面を図１（ロ）に、図１（ロ）を上方から見て図１（ハ）に排気弁２２、燃料噴射弁２６、酸素噴射弁２７等のレイアウトを示す。酸素供給容器１５（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１６によって一定圧力に調整された後にサージタンク１７に到り、更に酸素噴射弁２７からシリンダー内へ噴射される。サージタンク１７には圧力センサー１８が取り付けられ、酸素噴射弁２７へ供給する酸素圧力を検出する手段として用いられる。シリンダーヘッドには排気弁２２（１個又は複数個）が備えられ、更に燃焼室２０内へ燃料を噴射する燃料噴射弁２６、シリンダー内に酸素を噴射する酸素噴射弁２７が備えられており、排気弁２２はカム軸２４に形成されたカム２５によりロッカーアーム２３を介して駆動される。燃料噴射弁２６を含む燃料噴射装置としては例えばコモンレール方式（蓄圧室方式）を用いる事ができる。ピストン１９の下降行程では燃焼室２０内の高圧燃焼ガスによりピストン１９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２２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２２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内部ＥＧＲとして閉じ込められる）。酸素噴射弁２７からの酸素噴射はピストン１９の上昇行程中の適当な時期に行なわれ、酸素噴射開始時期は排気弁２２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２１内への素通りがない様にする。酸素噴射弁２７の噴射開始時期が排気弁２２の閉じる前の場合は、酸素噴射によりシリンダー内の既燃ガスの掃気が若干行なわれる事になる。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サイクルディーゼル機関においてシリンダー内を空気で掃気しておき、この中の窒素ガスを既燃ガスで置き換えたガス組成と同じであり、酸素を含む燃焼室２０内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射噴射弁２６から噴射して着火・燃焼させ、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（燃料噴射開始時期は通常は上死点付近か又はそれより若干前とする）。４は開弁期間は変えずに排気弁２２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２４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）を介して回転比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１４（以後ＥＣＵ１４）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の押圧力とが均り合う位置でスプール弁１２が位置決めされる様���なっている。ＥＣＵ１４には所定のクランク角毎にクランク角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る。ＥＣＵ１４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。ＥＣＵ１４はローター７の、即ちカム軸２４のクランク軸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。ＥＣＵ１４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ＥＣＵ１４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２４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）。ＥＣＵ１４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。
ＥＣＵ１４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１７内の酸素圧力を検出する圧力センサー１８、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２６、酸素噴射弁２７、プレッシャーレギュレーター１６、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２６や酸素噴射弁２７の噴射量や噴射時期を決定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プが記憶されている。ＲＡＭには上記センサーからの出力信号やＣＰＵの演算結果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等を実行する。【０００６】  本発明は２サイクルディーゼル機関なので、点火プラグによる火花点火式２サイクル機関の様な不整燃焼は如何なる負荷域でも発生しない。図２は排気弁２２の開閉時期変化を示す図で、エンジンアイドル状態では図２（イ）の如く排気弁２２の開弁時期及び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）を各々１６程度とするが、排気弁閉時でシリンダー内に多量の既燃ガスが閉じ込められるから、圧縮端温度（圧縮上死点における燃焼室２０内のガス温度）は十分に高く、燃料噴射弁２６から噴射した燃料を着火・燃焼させる事ができる。エンジン低負荷域では燃料噴射量も多くなり、排ガス温度も高まるから（しかも多量の既燃ガスがシリンダー内に閉じ込められる）、図２（ロ）の如く排気弁２２の開閉時期を遅らせて実圧縮比を１４程度（この時、膨張比は１７．６位となる）としても圧縮端温度は十分に高く、噴射された燃料を着火・燃焼させる事ができる。実圧縮比に対し実膨張比は１７．６位と高膨張比であるから、熱効率は向上する。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、排気弁閉時でそのままシリンダー内により多量の既燃ガスが閉じ込まれ（掃気による冷却もない）、エンジンアイドル状態でも低負荷域でも低圧縮比ながら圧縮端温度は十分に高まり、良好な燃焼を行なわせる事ができる（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――多少過剰気味とはするが――酸素噴射弁２７から噴射すれば良く、この場合、噴射開始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――但し、エンジン中・高負荷域では噴射開始時期を排気弁閉前として、酸素噴射により若干の掃気を行なう様にしても良い）。エンジン中・高負荷域では燃料噴射量が更に���し、排ガスも一層高温となるので、排気弁２２の開閉時期を更に遅らせて実圧縮比を１２程度としても（この時、実膨張比は１８．７位となる）圧縮端温度は十分に高く、良好な燃焼を行なわせる事ができる（図２（ハ）、（ニ）参照）。この時、実膨張比は１８．７位となり、実圧縮比よりも遙かに高膨張比化するから、熱効率向上幅が大きくなる）。エンジン冷態時では排気弁２２の開閉時期を図２（イ）の状態としても良いが、図２（ホ）の如く大幅に進めて（早めて）実圧縮比を１８程度（この時、実膨張比は１３．２位となる）とすると、それだけ排ガス温度や圧縮端温度が高まり、エンジン暖機運転期間が短縮する（排ガス浄化用触媒コンバーター付のものではそれだけ早く活性化温度に達する）。エンジン負荷を増大させれば実圧縮比を下げてゆく事は言うまでもない。【０００７】  図３は排気通路２１に備えられた排気絞り弁２８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し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排ガス量を増して（内部ＥＧＲ増）圧縮端温度を上昇させる様にした実施例である。この場合、排気絞り弁２８は全閉時における取り付け状態を排気通路２１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２８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して損失となるが、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、前記損失が打ち消され、殆ど損失がない特徴がある。この排気絞り弁２８による排気絞りは図２（イ）、（ロ）の如くエンジンアイドル時や低負荷域に行なったり、図２（ホ）の如くエンジンが冷態時に行なう様にすると、圧縮端温度が一層高まり、より低圧縮比を採用する事ができる。排気絞り弁２８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２８を駆動する電動アクチュエーター２９（モーター）によって為され、ＥＣＵ１４は予め与えられた所定の特性に基づいて排気絞り弁２８の開度を演算し、電動アクチュエーター２９の回転角を制御する。図５（イ）は導入弁３０（例えばカムで駆動）を備え、排気ブローダウンの後に排気通路２１内の脈動によりシリンダー内が負圧になった時に空気（酸素）を導入して、酸素供給容器１５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ている期間を捉えて導入弁３０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７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３１（逆止弁）を備えて空気を導入する様にしている。３３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２７は酸素を噴射する様にＥＣＵ１４で演算される。エンジンアイドル時や低負荷域では圧縮端温度を上昇しにくくするから、殆ど導入しない様にし、中負荷域から導入する様にする事が望ましい（導入される空気は少量であり、多量の内部ＥＧＲが為されているから、ＮＯｘの発生は殆どない）。これらは制御弁３２��駆動する電動アクチュエーター３４によって為され、ＥＣＵ１４はその制御信号を出力する。ところで本発明では排気弁閉時にシリンダー内に多量の高温既燃ガスが閉じ込められるから、エンジン高負荷域では圧縮端温度が必要以上に高くなり過ぎる事が考えられ、図５（イ）の如く空気を導入すると、この懸念が払拭されるが、この場合、排気通路２１からの排ガスを熱交換器等で冷却して、この低温の排ガスを導入しても良い（この場合、エアフローメーター３３は不要である）。但し、空気は導入されないから、酸素供給容器の小型化には寄与しない。図５（ロ）はこれを更に進めて排気通路２１からの排ガスを熱交換器３６に導いて冷却し、ルーツブロワ３５により圧送して導入弁３０からシリンダー内へ導入しようとしたものである。ルーツブロワ３５により強制的に圧送されるから、高負荷（全負荷）・高速域までその効果を発揮する事ができる。図５の様に冷却された排ガスをシリンダー内に再び導入する様にすると、排気弁閉時にシリンダー内に閉じ込められる既燃ガス量が増えるから、過剰の酸素を噴射してもかなりの部分が回収される利点がある。シリンダー内へ導入される冷却排ガス量の制御には図５（イ）の如く制御弁３２を使用しても良いが、ルーツブロワ３５を可変速手段により可変速駆動する事が望ましい。又、不要な時はルーツブロワ３５を電磁クラッチ等により停止しても良い。尚、図５では熱交換器を用いず、長い排気通路２１の後方部位から冷却された排ガスをシリンダー内に導入する様にしても良い。【０００８】  次に本発明では燃焼によるＰＭの発生を抑止する為、酸素噴射弁２７から若干過剰の酸素を噴射する必要があるが、この酸素消費量を減らす事は酸素供給容器１５の小型化にもつながり、重要である。そこで燃料を噴射して予め混合気として形成しておき、ピストンの上昇行程によって圧縮して圧縮（自己）着火させる予混合圧縮着火燃焼法を用いるとＰＭの発生を抑え、酸素消費量を大幅に減少させる事ができる。本発明では次に述べる様な理由によりこの予混合圧縮着火燃焼の領域を大幅に拡大する事ができる。即ち、本発明では排気弁閉時に多量の高温既燃ガスが内部ＥＧＲとしてシリンダー内に閉じ込められ、かつここから圧縮上死点までの期間が短かい事からシリンダー内壁面への熱伝達損失が少ないこと、更には従来の２サイクル機関の様な掃気を行なわない事からシリンダー内ガスの冷却がないこと、加えて実圧縮比を自在に可変化、即ち実圧縮比を適宜に高める事ができることなどから圧縮端温度を大幅に高め、燃料の自己着火温度（ガソリンではほぼ１０００°Ｋ）に到達させる事が容易にできる。この為、図２（イ）、（ロ）の如くエンジンアイドル時や低負荷域でも圧縮端温度が十分に高まり、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。この場合、図３の如く排気絞りを併用すると、実圧縮比を下げても予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。エンジン中負荷域や高負荷域では図２（ハ）、（ニ）の如く実膨張比を高め（排ガス温度が低下する）、実圧縮比を下げて低圧縮比とするので（１０又はそれ以下に下げても良い）、圧縮端温度は適正に保たれ、ノックを回避する事ができる。この場合、図５（イ）、（ロ）の如く導入弁３０を介���て空気や冷却された低温の排ガスをシリンダー内に導入すると（それまでは殆ど導入しない様に制御しておく）、圧縮始めのシリンダー内ガス温度が低下するから、ノックを回避する効果が一段と高まる。エンジン低・中・高負荷域でも回転速度が高い程、燃料の自己着火の発現が相対的に遅れるから、排気弁開閉時期を制御して実圧縮比を高める様に制御する。エンジン始動は通常のディーゼル機関の様に、酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させて行なうが、エンジン始動後は図２（ホ）の如く排気弁の開閉時期を制御して（エンジン始動時も同様とするのが良い）、実圧縮比を高め、実膨張比を下げるので（排ガスの温度上昇につながる）、圧縮端温度を十分に高められ、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる（図３の如く排気絞りも併用する事が考えられる）。この時、酸素噴射弁２７の酸素噴射量を通常より過剰に増量して噴射すると、燃焼が活発化し、より確実に予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。外気温が極端に低い場合は、エンジンの暖機がある程度進んだ状態で予混合圧縮着火燃焼に切り換える。この様に本発明では圧縮端温度を自在に制御できるから、予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大できるが、高負荷域ではノックの発生から限界がある。これに対処するには予混合圧縮着火燃焼の後にもう一度燃料を噴射する二段噴射法、更には燃料噴射時期を圧縮上死点を僅かに過ぎた時点で燃料の着火遅れ期間中に高圧噴射するなどの方法があるが、やはり限界がある。そこでこの場合は、通常の燃焼、即ち酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させる方式に切り換える。ＥＣＵ１４はエンジン負荷、回転速度などの運転条件により図４を参照して前記各々の燃焼方式を切り換える様にしている。【０００９】  ところで図１においてＥＣＵ１４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が、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、即ち実圧縮比や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６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、回転速度時の運転状態を検出するパラメーターに基づき図４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、現在のカム軸２４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２７の酸素噴射量を通常より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、��えば図３に示す排気絞りを挙げる事ができる。即ち、ステップＳ４でＥＣＵ１４からの制御信号により瞬時に排気絞り弁２８を所定開度まで閉じて、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。そして所定値以上に進角していれば（ＹＥＳ）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２６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着火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２７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。ノック回避手段としてはこの他、図５に示す如く導入弁３０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３２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。以上、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の制御遅れ、即ち実圧縮比、実膨張比の制御遅れについて述べたが、これは酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させる燃焼法においても同様であり、燃焼が悪化したり最高燃焼圧力が過大になる弊害を生ずる。この弊害を回避するには図６の制御ルーチンにおいて（ステップＳ１は不要）、ステップＳ４で不安定燃焼回避手段の代りに燃焼悪化回避手段を講じ、具体的には酸素噴射弁２７の酸素噴射量を増量したり、図３の如く排気絞り弁２８を瞬時に閉じるなどの手段を講ずる。又、ステップＳ６でノック回避手段の代りに最高燃焼圧力抑制手段を講じ、具体的には燃料噴射弁２６の燃料噴射時期を遅延化したり、多段燃料噴射を行なって燃焼圧力上昇を緩やかにするなどの手段を講ずる。【００１０】  ところで本発明では排気弁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場合はそ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号公報に開示かれている。これらはいずれも図１と同様に排気弁２２の開弁期間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２２の開閉時期をエンジンアイドル時及び低負荷域では図２（イ）のタイミングとし、エンジン中・高負荷域では２段目のカムで図２（ハ）のタイミングとする制御も考えられる。
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ＥＣＵ１４からの制御信号によって軸方向にスライドさせ、位置制御する事も考えられる（公知の技術である）。図７は電磁式可変動弁装置を示すもので、ハウジング３７にはリング状に形成された電磁石３９，４０が排気弁軸と一体となったプランジャー３８を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石３９，４０の各々の中空部にはバネ４１，４２がプランジャー３８を挟む様に取り付けられ、この為、排気弁２２はバネ４１，４２の力の釣り合いにより弁リフトの中間位置に静止する。電磁石３９が磁励されるとプランジャー３８が上方へ引き付けられ、排気弁２２は閉弁し、電磁石４０が磁励されるとプランジャー３８が下方へ引き付けられ、開弁する、ドライバー４３は排気弁２２の開閉時期を指定するＥＣＵ１４からの制御信号に応じて電磁石３９，４０に交互に励磁電流を供給する。これにより排気弁２２はＥＣＵ１４が指示した時期に開閉駆動される。これによると排気弁２２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事が大きな特長である。【００１１】  次に本発明では排気弁２２の開弁時期は固定したまま閉弁時期のみを変え、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や低負荷域では高く、高負荷域では低くする）から、予混合圧縮着火燃焼の場合はそ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７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２２の開弁時期及び閉弁時期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、実膨張比の方は一義的に定まる）。これも立体カムや図７の電磁式可変動弁装置により可能となるが、開弁期間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８に示す。即ち図８において図１（ハ）の２個の排気弁２２の内、手前側のもの（以後Ａ）はカム軸２４Ａで駆動され、向う側のもの（以後Ｂ）はカム軸２４Ｂで駆動され、排気弁Ａ，Ｂはバルブタイミング可変装置４４，４５（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、これにより実圧縮比、実膨張比を互いに独立的に設定する事ができ、自由度が増す。例えば図９（イ）では実圧縮比と実膨張比は同一であり、図９（ロ）でも実圧縮比と実膨張比は同一であるが、両者間ではその値が異なる。又、図９（ハ）の如く実膨張比を固定したまま実圧縮比のみを変化させる事ができる（この逆も可能）。更には図２（ロ）では実圧縮比が１４の時は実膨張比が一義的に１７．６と定まるが、これを１６に設定する事ができる等々である。４６，４７はバルブタイミング可変装置４４，４５へ油圧を供給する油圧制御弁で、ＥＣＵ１４からの制御信号により駆動される。【００１２】  尚、本発明における酸素供給容器１５には予め３５０気圧程度に圧縮した高圧酸素を充填させ��おくのが一般的であるが、図１０の如く酸素濃度富化装置４８により空気中の酸素を濃化して圧縮機５０により圧縮し、これを酸素供給容器１５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４８は酸素透過膜４９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を多く透過させるものである。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】
【００１３】  本発明では排気弁閉時にはシリンダー内に高温の多量の既燃ガスが閉じ込められ、ここに酸素が噴射される。これは従来の２サイクルディーゼル機関においてシリンダー内を空気で掃気し、その中の窒素ガス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）。本発明では既述の如く多量の高温の内部ＥＧＲ並びに実圧縮比及び実膨張比の可変化により、更には従来の様な掃気作用を行なわない事によるシリンダー内冷却がない為、圧縮端温度を大幅に高める事ができ、低圧縮比化が可能である。しかも実圧縮比の可変化により最高燃焼圧力を抑える事ができるので、各部を従来の様に頑丈に作る必要はない。かつ４サイクル機関の様な無駄な吸・排気行程がなく、以上の理由により摩擦損失が少なく、機械効率が高い為、熱効率が向上する（１回転毎に１回の膨張仕事が得られる）。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、多量の内部ＥＧＲにより、更には低圧縮比化により最高燃焼温度が低く抑えられ、冷却損失が少ない。又、アイドル時や低・中負荷域で予混合圧縮着火燃焼を行なう場合も、この燃焼法は燃焼室内の各部が一斉に燃焼を開始するのであり、燃焼室内温度勾配がない低温急速燃焼である為、冷却損失が少ない。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とシリンダー内の空気充填量（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。高負荷域では酸素濃度が増すので、燃焼が激しくなり過ぎる事も考えられるが、この場合は燃料を複数回に分けて多段で噴射する事により対処する（コモンレール方式の超高圧燃料噴射装置により容易に実施できる）。エンジン高負荷域では実圧縮比を低くし、実膨張比を相当高くするので、熱効率の向上幅が大である。又、予混合圧縮着火燃焼の運転領域でノック回避の為に低圧縮としても、却って実膨張比は高くなるので、同様に熱効率の向上幅が大である。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（従来ではマルチリンク式など複雑な構造となる）。更には本発明では従来の２サイクルディーゼ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で、その駆動馬力損失がなく、熱効率向上の足を引っ張るものがない。かつ、従来の様な無駄な吸・排気行程がない為、それに伴なうポンプ損もない。以上の理由から熱効率の向上幅は飛躍的に高まる。本発明では更なる熱効率向上の為に、ピストンやシリンダーヘッドを断熱構造とする事が考えられ（公知の構造であり、説明は省略する――但し、シリンダーは潤滑の為に断熱構造とはしない）、従来ではこの様にするとシリンダー内空気充填が減少して出力低下となるが、本発明では酸素噴射量の制御により容易に対処できる。
次に本発明では排気弁閉時に多量の高温既燃ガスが内部ＥＧＲとしてシリンダー内に閉じ込められ、かつここから圧縮上死点までの期間が短かい事によるシリンダー内壁面への熱伝達損失が少ないこと、更には従来の２サイクルディーゼル機関の様な掃気を行なわない事によるシリンダー内ガスの冷却がないこと、加えて実圧縮比を自在に可変化、即ち実圧縮比を適宜に高められる事などから圧縮端温度が大幅に高まり、予混合圧縮着火燃焼をエンジン低・中負荷域はもちろんアイドル状態でも引き起す事ができる。この場合、図３の如く排気絞りを行なうとより効果が高まる。エンジン冷態時でも図２（ホ）の如く制御するので、予混合圧縮着火燃焼が可能となる。燃料によってはアイドル時には予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事が困難な事もあり得るので、この場合も図２（ホ）の如く実圧縮比を高く、実膨張比をそれより低く制御する事が考えられる。高負荷域では実膨張比を高め（排ガス温度が低下する）。実圧縮比を低くするので、ノックを回避する事ができ、かくして予混合圧縮着火燃焼の運転領域を拡大する事ができる。以上の予混合圧縮着火燃焼は酸素消費量の減少につながる効果がある（ＰＭ発生回避の為に過剰の酸素を噴射する必要がない）。尚、本発明は圧縮端温度を必要なだけ高められるから、多種燃料化にも適している。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（高価なリーン型ＮＯｘ触媒が不要である）。ＰＭの発生は若干過剰の酸素を噴射する事により容易に回避できる（排気弁閉時においてシリンダー内に既燃ガスの大半が閉じ込められるから、過剰の酸素を噴射しても大半は回収可能であり、酸素消費量はさほど増えない）。
あるいは主燃料噴射の後に微量の燃料を噴射して燃焼温度を高め、発生したＰＭを（ＨＣ，ＣＯも）再燃焼させる方法も考えられる。更には予混合圧縮着火燃焼を行なわせればＰＭの発生はなくなる。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。燃料噴射時は高温なので瞬時に気化が行なわれ、ピストン頂部（ピストン頂部に凹部を形成し、ここに燃料を噴射する）には付着しにくく、かつピストン頂部以外には燃料は付着せず、排気ブローダウン時にはピストン頂部表面の未燃ＨＣ，ＣＯはピストンがほぼ下死点にあるから排出されず、以上の理由からＨＣ，ＣＯの排出は微量である。これは酸化触媒により浄化する事ができ、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の必要がなくなり、その駆動損失もなくなる。多量の内部ＥＧＲにより排ガス流量そのものは少なく、従って小型の触媒コンバーターで対処できる。ところで本発明では予混合圧縮着火燃焼において何らかの理由により失火が発生しても、排気弁開後は排気通路内から排ガスが流入し、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）、次のサイクルでの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焼の領域でも不整燃焼は起らず、排気対策上極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による酸素噴射式２サイクルディーゼル機関を示す図。
【図２】  排気弁の開閉時期変化を示す図。
【図３】  排気絞りを行なう実施例を示す図。
【図４】  予混合圧縮着火燃焼の領域を示す図（マップ）。
【図５】  シリンダー内に空気や冷却された排ガス等の低温の流体を導入する実施例を示す図。
【図６】  制御ルーチンを示す図。
【図７】  電磁式可変動弁装置を示す図。
【図８】  ２つの排気弁において各々の開閉時期を互いに独立的に制御する実施例を示す図。
【図９】  図８において排気弁の開閉時期変化を示す図。
【図１０】  酸素濃度富化装置を示す図。
【符号の説明】
１は酸素噴射式２サイクルディーゼル機関の本体、２はクランク軸、３はベルト、４・４４・４５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・４６・４７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は電子制御ユニット、１５は酸素供給容器、１６はプレッシャーレギュレーター、１７はサージタンク、１８は圧力センサー、１９はピストン、２０は燃焼室、２１は排気通路、２２は排気弁、２３はロッカーアーム、２４・２４Ａ・２４Ｂはカム軸、２５はカム、２６は燃料噴射弁、２７は酸素噴射弁、２８は排気絞り弁、２９・３４は電動アクチュエーター、３０は導入弁、３１はリード弁、３２は制御弁、３３はエアフローメーター、３５はルーツブロワ、３６は熱交換器、３７はハウジング、３８はプランジャー、３９・４０は電磁石、４１・４２はバネ、４３はドライバー、４８は酸素濃度富化装置、４９は酸素透過膜、５０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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