(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室１１における燃焼によって発生する熱を蓄熱し、新気に熱を与える蓄熱部材１５を、ピストン４の頂部に渡って設け、燃焼室１１において新気を圧縮し、燃料を自己着火させて燃焼させる圧縮着火エンジン１００において、一層の高効率化を図ることを目的とする。【解決手段】蓄熱部材１５の側面に形成されたピストンリング溝３１にピストンリング３３が嵌入されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室において、吸気された新気をシリンダに内挿されたピストンによって圧縮し、燃料を自己着火させて燃焼させる圧縮着火エンジンであって、
前記燃焼室における燃焼によって発生する熱を蓄熱し、前記吸気された新気に熱を与える蓄熱部材を、前記ピストンの頂部に渡って設けると共に、
前記蓄熱部材の側面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが嵌入されている圧縮着火エンジン。
【請求項２】
前記蓄熱部材の外周縁部が、前記シリンダの壁面に沿って前記燃焼室側に突出し、
前記外周縁部の側面に、前記ピストンリング溝が形成されている請求項１に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項３】
前記蓄熱部材が、前記ピストンの頂部に、断熱構造部を介して設けられた、高熱伝導率材料製の部材である請求項１又は２に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項４】
前記燃料が、メタンを主成分とする天然ガス系の気体燃料である請求項１から３の何れか１項に記載の圧縮着火エンジン。
【請求項５】
前記燃焼室において、予混合気を圧縮し、前記予混合気内の燃料を自己着火させて燃焼させる請求項１から４の何れか１項に記載の圧縮着火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室において、吸気された新気をピストンによって圧縮し、燃料を自己着火させて燃焼させる圧縮着火エンジン、特に、前記燃焼室における燃焼によって発生する熱を蓄熱し、前記吸気された新気に熱を与える蓄熱部材を、前記ピストンの頂部に渡って設ける圧縮着火エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるエンジンは、大きく、火花点火エンジンと、吸気された新気をピストンによって圧縮し、燃料を自己着火させて燃焼させる圧縮着火エンジンとに別けられる。
圧縮着火エンジンの中でも、ディーゼルエンジンのように圧縮された空気中に軽油等の液体燃料を噴射するのではなく、火花点火エンジンのように空気と燃料との予混合気をピストンによって圧縮して、予混合気中の燃料を自己着火燃焼させる予混合圧縮着火エンジンのコンセプトが話題になっている。特に、燃料が天然ガスを主成分とする気体燃料である場合、ディーゼルエンジンのように燃料を高圧で噴射させることは困難であるため、予混合圧縮着火エンジンのように予混合気を圧縮して自己着火燃焼させるほうが容易に構成できる。
【０００３】
このような圧縮着火エンジン、特に予混合圧縮着火エンジンは、燃料を希薄状態で燃焼させるので、自己着火発生後に火炎伝播させて燃料を完全燃焼させることは困難であり、できるだけ多くの燃料を自己着火させるために、圧縮比を高く設定したり、新気の過給圧を高く設定したり、燃焼室に供給される前の新気を予熱することが考えられる。
【０００４】
しかし、例えば、着火温度が高いメタンを主成分とする天然ガス系の気体燃料を利用する圧縮着火エンジンにおいては、高圧縮化若しくは高過給化を行う場合、自己着火時の新気の圧力を非常に高く設定する必要が有り、自己着火発生直後の燃焼室の急激な圧力上昇によりノッキングが発生し、効率低下及び機器の損傷の原因となる。また、燃焼室に供給される新気を予め予熱して、燃料の自己着火を促進させる場合、吸気路に熱源等を設ける必要が有り構造が複雑化する。
また、通常、エンジンは、焼付き防止等の理由から、シリンダやシリンダヘッドは冷却水等によって冷却され、ピストンはその下方のエンジンオイル等によって冷却されているので、燃焼室側の壁面付近の燃料は、その壁面に熱を奪われ着火に至り難く、上記の何れの方法によっても、その燃料を充分に自己着火させることはできなかった。
【０００５】
かかる課題を解決するための圧縮着火エンジンとして、ピストンの頂部に対して断熱構造を介して設けられた高熱伝導率材料製等の蓄熱部材を、ピストン頂部に渡って設けた圧縮着火エンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
かかる特許文献１の圧縮着火エンジンにおいて、燃焼・膨張行程及び排気行程において、蓄熱部材は、燃焼によって発生する熱、言換えれば、燃焼排ガス中の熱の一部を蓄熱して昇温することができる。次に、吸気行程及び圧縮行程において、蓄熱部材は、蓄熱した熱を、吸気された新気に与え、圧縮後の新気の温度が充分に自己着火に至る程度になるように新気を加熱することができる。よって、自己着火に至らずに未燃成分として排出される燃料を低減させ、効率の向上を図ることができる高効率の圧縮着火エンジンを実現することができるのである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３４９２２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１の圧縮着火エンジンでは、未燃成分として若干量の燃料が排出されてしまうことがあり、極めて高い効率を達成することが困難であった。
また、このような未燃成分の排出は、上記蓄熱部材を設けることにより、ピストンと蓄熱部材との間に形成された隙間に入りこんだ燃料が、燃焼せずに排出されることが原因と考えられる。
従って、本発明は、ピストン頂部に蓄熱部材を設けた圧縮着火エンジンにおいて、一層の高効率化を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る圧縮着火エンジンの第一特徴構成は、燃焼室において、吸気された新気をシリンダに内挿されたピストンによって圧縮し、燃料を自己着火させて燃焼させる圧縮着火エンジンであって、
前記燃焼室における燃焼によって発生する熱を蓄熱し、前記吸気された新気に熱を与える蓄熱部材を、前記ピストンの頂部に渡って設けると共に、
前記蓄熱部材の側面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが嵌入されている点にある
【０００９】
即ち、上記第一特徴構成によれば、上記蓄熱部材をピストンの頂部に渡って設けて未燃成分の排出を抑制した圧縮着火エンジンにおいて、蓄熱部材の側面に形成されたピストンリング溝にピストンリングを嵌入させて設けることで、燃焼室に存在する燃料が、蓄熱部材の側面とシリンダの壁面との間を介して例えば蓄熱部材の底面とピストンの頂部との間の隙間等に浸入することを、上記蓄熱部材の側面に設けられたピストンリングにより良好に抑制することができるので、その隙間に浸入した燃料に起因する未燃成分の排出を良好に抑制することができ、一層の高効率化を達成することができる。
【００１０】
本発明に係る圧縮着火エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記蓄熱部材の外周縁部が、前記シリンダの壁面に沿って前記燃焼室側に突出し、
前記外周縁部の側面に、前記ピストンリング溝が形成されている点にある。
【００１１】
即ち、上記第二特徴構成によれば、上記蓄熱部材の外周縁部をシリンダの壁面に沿って燃焼室側に突出させて形成することで、圧縮行程終了近くで、上記蓄熱部材の外周縁部の上面とシリンダヘッドの一部にはさまれた部分の混合気が、ピストンの上昇に伴ってより中心部側へと押し出される所謂スキッシュ流を発生させることができ、燃焼室に渦流や乱れを形成し、燃焼を促進させることができる。
また、このように蓄熱部材の外周縁部を燃焼室側に突出させる場合には、その突出した外周縁部の側面にピストンリング溝を形成することで、燃焼室から蓄熱部材の側面側への燃料の浸入をできるだけ燃焼室に近い側で阻止することができ、上記外周縁部の形成による未燃成分の増加を抑制することができる。
【００１２】
本発明に係る圧縮着火エンジンの第三特徴構成は、上記第一乃至第二特徴構成に加えて、前記蓄熱部材が、前記ピストンの頂部に、断熱構造部を介して設けられた、高熱伝導率材料製の部材である点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成によれば、ピストン頂部に渡って設けられる蓄熱部材を、アルミニウム、鉄、若しくは銅製等の高熱伝導率材料製の部材として作成して、燃焼排ガスからの蓄熱及び新気への予熱を瞬時に行うことができるものとすることができ、更に、通常冷却されているピストン頂部と蓄熱部材との間に、空隙若しくは低熱伝導率材料層等の断熱構造部を設けることで、蓄熱部材が蓄熱した熱が燃焼室壁面に奪われることを防いで、効率よく新気に熱を与えることができ、燃料を良好に自己着火させることができる。
【００１４】
本発明に係る圧縮着火エンジンの第四特徴構成は、上記第一乃至第三特徴構成に加えて、前記燃料が、メタンを主成分とする天然ガス系の気体燃料である点にある。
【００１５】
メタンを主成分とする天然ガス系の気体燃料を利用する圧縮着火エンジンは、着火温度が比較的高いメタンを充分に自己着火させるために、圧縮行程終了時の燃焼室内の温度を例えば８００℃程度と充分に高くする必要が有るが、本発明の特徴構成である蓄熱部材によって、燃焼排ガスから蓄熱した熱を、吸気された新気に与え、圧縮後の新気の温度が充分に自己着火に至る程度になるように新気を加熱することができるので、天然ガス系の気体燃料を利用した圧縮着火エンジンにおいて、圧縮比を比較的低く設定することができ、ノッキングや機械効率の低下を抑制することができ、また、ノッキングが抑制されるので、比較的多くの燃料を供給して高出力化を実現することができる。
【００１６】
本発明に係る圧縮着火エンジンの第五特徴構成は、上記第一乃至第四特徴構成に加えて、前記燃焼室において、予混合気を圧縮し、前記予混合気内の燃料を自己着火させて燃焼させる点にある。
【００１７】
燃料と空気の予混合気を圧縮して自己着火させる所謂予混合圧縮着火エンジンは、燃料を希薄状態で自己着火燃焼させるので、特に未燃成分が排出されやすいが、本構成のごとく、このような予混合圧縮着火エンジンを本発明の圧縮着火エンジンとして構成することで、未燃成分の排出を抑制しながら、燃焼排ガスから蓄熱した熱を、吸気された新気に与え、圧縮後の新気の温度が充分に自己着火に至る程度になるように新気を加熱することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
本発明の圧縮着火エンジン１００の第一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１（イ）に示すエンジン１００は、燃焼室１１において、予混合気を圧縮し、予混合気内の燃料を自己着火させて燃焼させる予混合圧縮着火エンジンであり、吸気弁１及び排気弁２を備えたシリンダヘッド５と、内部にピストン４を収納するシリンダ３とを備え、ピストン４は連結棒８の一端に連結されており、ピストン４の往復動は連結棒８によってクランク軸（図示せず）の回転運動として得られる。この構成により、予混合気は、吸気路１３、吸気弁１を介し、燃焼室１１へ導かれ、圧縮行程及び燃焼・膨張行程を経た後、排気弁２、排気路１４を介して排気側へ排気される。
【００１９】
圧縮着火エンジン１００の動作サイクルは、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程を経て、一サイクルを完了するように構成されている。
即ち、吸気行程においては、吸気弁１のみが開状態とされて、予混合気の吸気が行われる。圧縮行程においては、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされピストン４が燃焼室１１内空間を減少させる方向に移動し、燃焼室１１内のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完了する状態におけるピストン４の位置（図１に示す位置）が、上死点と呼ばれる。燃焼・膨張行程は、予混合気が自己着火して燃焼が進行するにつれて、燃焼によって発生する高圧ガスによりピストン４がシリンダ内空間を増加する方向に移動する行程である。この行程にあっても、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされる。更に、排気行程においては、排気弁２のみが開状態とされ、ピストン４の燃焼室１１内空間を減少させる方向への移動に伴って燃焼室１１内の排ガスが排出される。
以上の行程は、４サイクルエンジンが普通に備える行程であり、基本的に予混合圧縮着火エンジンも、着火形態が、予混合気の圧縮による自己着火（予混合圧縮着火）である以外、他のエンジンと変わるところはない。
【００２０】
このような圧縮着火エンジン１００は、燃料を希薄状態で燃焼させるので、自己着火発生後に火炎伝播させて燃料を完全燃焼させることは困難であり、できるだけ多くの燃料を自己着火させるために、圧縮後の予混合気が充分に昇温されている必要がある。
一方、シリンダ３及びシリンダヘッド５の内部には冷却水を流通させる水ジャケット３ａ，５ａが設けられており、通常のエンジンと同様に、焼付き防止等の目的で冷却されている。また、ピストン４においても、ピストン４下方のクランクケース（図示せず）内のエンジンオイルによって冷却されている。
よって、燃焼室１１の壁面付近の予混合気は、圧縮されて昇温しても、その冷却された壁面に熱を奪われるので、燃料が着火に至り難く、未燃成分として排出され効率低下を招くことになる。
【００２１】
そこで、本発明の圧縮着火エンジン１００は、平坦なピストン４の頂部全体に渡って、高熱伝導率材料であるアルミニウム製の蓄熱部材１５が設けられている。
詳しくは、図１（ロ）に示す蓄熱部材１５の平面図も参照して、蓄熱部材１５は、嵌め込み部２２とネジ部２１とによってピストン４頂部に固定され、ピストン４頂部を覆う円盤状の底部１５ａと、底部１５ａの燃焼室１１側の面には、燃焼室１１側に突出する凸部としての、軸芯を中心とした同心円状の壁部１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとを有して形成され、燃焼室１１に対する蓄熱部材１５の表面積を稼ぐ構成になっている。また、壁部１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、ピストン４の軸芯から半径方向において、ほぼ等間隔に配設されている。
また、蓄熱部材１５のピストン４側には、複数の突起部２０が設けられており、蓄熱部材１１とピストン４との熱の授受を抑制する断熱構造部として、蓄熱部材１５とピストン４頂部との間に空隙１９が形成されている。
【００２２】
上記のように構成することで、エンジン１００は、燃焼・膨張行程及び排気行程において、燃焼室１１の燃焼によって発生する熱、言換えれば燃焼排ガス中の熱を、蓄熱部材１５の底部１５ａ及び壁部１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに蓄熱する。蓄熱部材１５は、上記の空隙１９によりピストン４に対して断熱されているので、常に高い温度に維持されることになる。
そして、吸気行程及び圧縮行程において、燃焼室１１に吸気された予混合気は、上記の高温の蓄熱部材１５によって予熱され、圧縮後の予混合気の温度は、燃料が充分に自己着火に至る程度に上昇されることになり、未燃成分の排出を抑制し、効率の向上を図ることができる。
【００２３】
圧縮着火エンジン１００には、図１（ハ）に示すように、燃焼室１１に近い側から下方にかけて、２つのピストンリング３３，３４が夫々のピストンリング溝３１，３２に嵌入した状態で並設されており、これらピストンリング３３，３４により、燃焼室１１の気密状態を保ちながら、ピストン４のがたつきを抑制することができる。
【００２４】
更に、２つの上記ピストンリング３３，３４の内、最も燃焼室１１に近い側のピストンリング３４が設けられているピストンリング溝３１は、前述の蓄熱部材１５の側面、詳しくは、蓄熱部材１５の底部１５ａの側面に形成されている。従って、燃焼室１１に存在する燃料が、蓄熱部材１５の側面とシリンダ３の壁面との間を介して例えば蓄熱部材１５の底面とピストン４の頂部との間の空隙１９に浸入することを、上記蓄熱部材１５の側面に設けられたピストンリング３３により良好に抑制することができる。
【００２５】
燃焼室１１の容積は、ピストン４の往復運動によって変化し、ピストン４が上死点位置のときにおいて最小となる。この最小となる燃焼室１１において、通常、予混合気が圧縮着火して圧力波の伝播が発生するが、その圧力波の衝撃的な伝播がノッキングの原因となることがある。
そこで、本発明の圧縮着火エンジン１００は、ピストン４の頂部に設けられた蓄熱部材１５の凸部としての壁部１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを、ピストン４の位置が上死点位置のときの燃焼室１１を、ピストン４の頂部の面方向、言換えればピストン４の作動方向と直角面方向において、複数の小空間１１ａ，１１ｂ，１１ｃに仕切るように構成することで、圧縮行程後に複数の箇所で発生する自己着火による圧力波を、蓄熱部材１５の壁部１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに衝突させ、その圧力波が燃焼室１１全体に急激に伝播することを防止し、ノッキングを抑制することができる。
また、上記の圧力波の伝播の抑制程度を考慮して、壁部１５ｂ，１５ｃ，に夫々隙間部１６ａ，１６ｂを設けても構わない。
【００２６】
また、本実施形態において、上記蓄熱部材１５の代わりに、図２に示すように、側面にピストンリング溝３１’が形成された底部１５ａ’と、底部１５ａ’から燃焼室１１側へ突出する凸部としての複数の円柱体１５ｆ’（凸部の一例）とからなる蓄熱部材１５’を利用することもでき、この場合は、その円柱体１５ｆ’によって、燃焼室１１に対する表面積を稼いで、燃焼によって発生する熱を蓄熱し、予混合気を加熱することができ、また、この円柱体１５ｆ’の分布を、シリンダ３側に近い程密にすることで、シリンダ３によって冷却される燃料を自己着火に至らしめることができる。
【００２７】
〔第二実施形態〕
本発明の圧縮着火エンジン２００の第二実施形態を図３に基づいて説明する。
本実施形態の圧縮着火エンジン２００は、上記第一実施形態の圧縮着火エンジン１００の蓄熱部材１５を、後述の蓄熱部材５０に交換したものである。
【００２８】
この圧縮着火エンジン２００の蓄熱部材５０は、図３（イ）（ロ）（ハ）に示すように、底部５０ａから燃焼室１１側へ突出した同心円状の壁部５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを、ピストン４の軸芯から半径方向において、外側のシリンダ３側に行くほど、間隔が狭くなるように形成したものである。このような蓄熱部材５０は、シリンダ３に近いほど表面積が大きくなっているので、シリンダ３によって熱が奪われて自己着火に至らない可能性があるシリンダ３付近の燃料を、積極的に加熱して自己着火に至らしめることができ、一層の効率向上を期待することができる。
【００２９】
また、上記蓄熱部材５０の外周縁部に相当し、シリンダ３の壁面に沿って燃焼室１１側に突出する壁部５０ｄは、シリンダ３の径方向においてある程度の厚みを有するものであり、圧縮行程終了近くで、蓄熱部材５０の壁部５０ｄの上面とシリンダヘッド５の一部にはさまれた部分の混合気が、ピストン４の上昇に伴ってより中心部側へと押し出される所謂スキッシュ流を発生させるように機能する。
【００３０】
更に、圧縮着火エンジン２００には、図３（ハ）に示すように、燃焼室１１に近い側から下方にかけて、３つのピストンリング６３，６４，３４が夫々のピストンリング溝６１，６２，３２に嵌入した状態で並設されており、これらピストンリング６３，６４，３４により、燃焼室１１の気密状態を保ちながら、ピストン４のがたつきを抑制することができる。
【００３１】
更に、３つのピストンリング６３，６４，３４の内、最も燃焼室１１に近いピストンリング６３と、２番目に燃焼室１１に近いピストンリング６４とが設けられているピストンリング溝６１，６２は、前述の蓄熱部材５０の側面で、更に、上記蓄熱部材５０の燃焼室１１側に突出した外周縁部に相当する壁部５０ｄの側面に形成されている。
従って、燃焼室１１から蓄熱部材５０の側面側への燃料の浸入をできるだけ燃焼室１１に近い側で阻止することができ、外周縁部の形成による未燃成分の増加を抑制することができる。
【００３２】
〔実施例〕
本発明に係る圧縮着火エンジンの性能を確認するために、上記の蓄熱部材５０の側面にピストンリング６３，６４を設けた圧縮着火エンジン２００と、比較例として、蓄熱部材５０の側面ではなく、ピストン４の側面のみにピストンリングを設けた圧縮着火エンジンとを用いて、燃焼室１１に供給する混合気の当量比を変化させながら夫々の燃焼室における燃焼効率を測定した。
尚、エンジンの仕様は、以下の通りである。
燃料：天然ガス系気体燃料
着火方式：予混合圧縮着火
気筒数：１（単気筒）
ボア径：φ１０６ｍｍ
ピストンストローク：１１０ｍｍ
過給圧（吸気圧力）：２００ｋＰａ
吸気温度：９０℃
【００３３】
結果、本発明に係る圧縮着火エンジン２００の燃焼効率は、９０％以上程度と極めて高い値を示し、更に、比較例の圧縮着火エンジンの燃焼効率と比較して、混合気の当量比変化幅全体に渡って、２〜３ポイント程度高い値であった。このことより、本発明に係る圧縮着火エンジン２００は、未燃成分の排出を抑制し、高効率化を実現できることが確認できた。
【００３４】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の圧縮着火エンジンの別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
〈１〉  上記の実施の形態の圧縮着火エンジンにおいて、本発明において、着火温度が高い燃料でも充分に加熱した自己着火させることができることを確認するために、燃料として着火温度が高く燃料を充分に自己着火させ難いメタンを主成分とした天然ガス系の気体燃料を利用した構成を示したが、本発明の圧縮着火エンジンは利用する燃料を限定するものではなく、天然ガス以外のガソリン、プロパン、メタノール、水素、軽油等、任意の炭化水素系燃料も利用することができる。
【００３６】
〈２〉  上記の実施の形態においては、本発明の圧縮着火エンジンを、燃料と空気との予混合気を燃焼室に吸気し、圧縮して燃料を自己着火させる予混合圧縮着火エンジンとして構成したが、別に、燃料及び空気を別々に、例えば、吸気路から空気のみを吸気し、燃焼室に燃料を直接噴射して予混合気を形成し、その予混合気を圧縮着火させる予混合圧縮着火エンジンとして構成することもでき、更に、圧縮行程後の燃焼室に燃料を噴射して着火させるディーゼルエンジンとして構成することもできる。
【００３７】
〈３〉  上記の実施の形態においては、本発明の圧縮着火エンジンを、所謂、４サイクルエンジンとして説明したが、本願は、２サイクルエンジンにおいても適応可能である。
【００３８】
〈４〉  上記の実施の形態において、蓄熱部材１５，５０の材質をアルミニウム製とした構成を説明したが、蓄熱部材の材質としては、アルミニウム以外に、鉄若しくは銅等の高熱伝導率材料製とすることができる。
また、蓄熱部材１５，５０の断熱構造部として、蓄熱部材１５，５０とピストン４頂部の間に空隙１９を設けた構成を説明したが、別に空隙１９の代わりに、低熱伝導率材料層を設けることもでき、例えば、アルミナファイバーを圧縮成型したものや窒化珪素等製の層を設けて断熱構造部とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態の圧縮着火エンジンの概略断面図
【図２】別の蓄熱部材を示す斜視図
【図３】第二実施形態の圧縮着火エンジンの概略断面図
【符号の説明】
１：吸気弁
２：排気弁
３：シリンダ
４：ピストン
５：シリンダヘッド
８：連結棒
１１：燃焼室
１５：蓄熱部材
３１：ピストンリング溝
３３：ピストンリング
５０：蓄熱部材
５０ｄ：壁部（外周縁部）
６１，６２：ピストンリング溝
６３，６４：ピストンリング
１００，２００：圧縮着火エンジン
【図１】
2004263664.tif 000003
【図２】
2004263664.tif 000004
【図３】
2004263664.tif 000005