(57)【要約】【課題】エネルギーロスの少ない内燃機関を提供する。【解決手段】ピストンとシリンダで区画形成されたシリンダ室内に空気噴出器と燃料噴射器とを臨ませ、シリンダ室内に、空気噴出器から圧縮空気を噴出させ、また噴出させた圧縮空気に対応した燃料を、燃料噴射器からシリンダ室内に噴射させる。燃料を空気噴出器から噴出させた圧縮空気により燃焼させ、ピストンに連結されたクランク軸を駆動させることとした。【選択図】図１
2012225248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを往復動自在に備えたシリンダと、
前記ピストンと前記シリンダで区画形成されたシリンダ室内に臨ませた空気噴出器と、
前記シリンダ室内に臨ませた燃料噴射器と、
前記シリンダ室内に連通し、排気弁を介して開閉する排気通路と、を備えた内燃機関であり、
前記シリンダ室内に、前記空気噴出器から圧縮空気を噴出させ、該空気噴出器から噴出させた前記圧縮空気に対応した燃料を、前記燃料噴射器から前記シリンダ室内に噴射させ、前記燃料を前記空気噴出器から噴出させた前記圧縮空気により前記シリンダ室内で燃焼させ、前記ピストンに連結されたクランク軸を駆動させることを特徴とした圧縮空気供給装置を備えた内燃機関。
【請求項２】
前記シリンダ室に臨ませた火花点火栓を有し、
前記ピストンが上死点付近に位置した状態で、前記シリンダ室内に、前記空気噴出器から圧縮空気を噴出させるとともに前記燃料噴射器から燃料を噴射させ、前記火花点火栓による着火で前記燃料を前記空気噴出器からの空気で燃焼させることを特徴とした請求項１に記載の圧縮空気供給装置を備えた内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンが上死点より所定距離手前に位置した状態で、前記シリンダ室内に、前記空気噴出器から圧縮空気を噴出させ、前記ピストンの上昇により前記シリンダ室内の空気を所定温度に上昇させ、前記ピストンが上死点付近に位置した状態で、前記燃料噴射器から燃料を前記シリンダ室内に噴射し、該燃料を前記空気により自然着火させ、前記空気噴出器から噴出させた空気で燃焼させることを特徴とした請求項１に記載の圧縮空気供給装置を備えた内燃機関。
【請求項４】
前記燃料の燃焼により生じた前記シリンダ室内の燃焼ガスを、前記排気通路を通して排出した後、前記排気弁により該排気通路を閉塞させた状態で、前記ピストンを前記シリンダ内で一往復動させ、前記上死点付近に該ピストンを位置させることを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮空気供給装置を備えた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気供給装置を備え、シリンダ室内に供給した圧縮空気で燃料を燃焼させる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダ内にピストンを往復動自在に設けた４サイクルエンジンは、吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４つの行程を１サイクルとして、各行程を繰り返し作動させている。吸入行程においては吸気弁を開いて混合気、あるいは空気を吸気通路からシリンダ内に吸引し、その後吸気弁を閉じてシリンダ室内の空気や混合気を圧縮する圧縮行程を行う。そして、火花点火を行い混合気を着火させたり、圧縮した空気に燃料を噴射したりして燃焼を行わせ、排気弁を開いて燃焼ガスをシリンダ室内から排出させている。
【０００３】
従来は、燃料噴射装置を吸入通路やシリンダ室内に設け、燃料噴射装置により燃料噴射をきめ細かく制御し、適切な時期に、適量の燃料を噴射させ、これにより所望の空燃比の混合気をシリンダ室内に形成させている。
【０００４】
また圧縮空気供給装置を備え、吸気通路内に圧縮空気を噴射させた内燃機関が知られている。この内燃機関は、吸気通路に圧縮空気を噴射させることにより、シリンダ室内に吸入させる空気の圧力を高くして出力を向上させ、始動時の燃焼を安定させたり、高負荷時の運転に対応させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２１５９３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８５８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらガソリンエンジンは、吸入通路にスロットル弁を備え、スロットル弁を操作することにより吸気通路を絞って吸気を行う。そのため、吸入行程で吸入抵抗が常に発生し、エネルギーロスが生じていた。またディーゼルエンジンを含め、圧縮行程でピストンが上昇するとき、ピストンに大きな圧縮抵抗がかかりエネルギーロスが生じていた。
【０００７】
また、シリンダ内に吸入させる空気等は、吸気弁を開閉させる作動により流入を制御するのみであり、ピストンの頂面に窪みを形成してシリンダ室内にスワールを発生させることなどは行われているが、シリンダ内への吸気を細かく制御して、吸気を所望の状態に調整することは十分にできなかった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決し、作動中のエネルギーロスを低減でき、またシリンダ内への吸気を任意に制御できる圧縮空気供給装置を備えた内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、圧縮空気供給装置を備えた内燃機関を次のように構成した。  
ピストンとシリンダで区画形成されたシリンダ室内に空気噴出器と燃料噴射器とを臨ませ、シリンダ室内に、空気噴出器から圧縮空気を噴出させ、また噴出させた圧縮空気に対応した燃料を、燃料噴射器からシリンダ室内に噴射させる。噴射した燃料を空気噴出器から噴出させた圧縮空気により燃焼させ、ピストンに連結されたクランク軸を駆動させることとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる圧縮空気供給装置を備えた内燃機関は、空気噴出器から圧縮空気を噴射させたことにより、従来の４サイクル行程の吸気行程と圧縮行程に相当する行程において、ピストンの移動に伴うエネルギロスはほとんど発生させず、効率を向上できる。また空気噴出器からシリンダ室内に所望の量の圧縮空気を所望の時期に噴出できるので、内燃機関の吸気を任意に制御し、最適の燃焼状態を実現できる。また空気噴出器により、シリンダ室内に所望のスワールを形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明にかかる圧縮空気供給装置を備えた内燃機関の一実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明にかかる圧縮空気供給装置を備えた内燃機関の一実施形態について説明する。  
図１に、圧縮空気供給装置を備えた内燃機関としてのエンジン１０を示す。
【００１３】
エンジン１０は、ガソリンを燃料とした内燃機関で、シリンダ１２、ピストン１４、シリンダヘッド１６、制御装置２０、燃料噴射装置２２、圧縮空気供給装置２４などを備えて構成されている。
【００１４】
シリンダ１２は、従来の内燃機関のシリンダと同様の構成であり、シリンダ１２内にはピストン１４が摺動自在に設けられている。ピストン１４は、クランク機構３２に連結してあり、シリンダ１２内の往復動に伴いクランク軸３４が回転する。
【００１５】
シリンダヘッド１６は、シリンダ１２の上部に設けられている。シリンダヘッド１６には、排気通路３６、燃料噴射装置２２の燃料噴射器３８、圧縮空気供給装置２４の空気噴出器４０、火花点火栓４１が設けられている。排気通路３６は、車両の排気装置に連通し、排気装置を介して外気に開放されている。排気通路３６には、排気弁４２が設けられている。排気弁４２は、カムシャフトにより駆動され、排気通路３６を開閉させる。
【００１６】
燃料噴射装置２２は、燃料加圧装置４４と、分配器（コモンレール）４６と、燃料噴射器３８などから構成されている。燃料加圧装置４４は、クランク軸３４に連結し、クランク軸３４の回転を駆動源として燃料タンク４８から吸引した燃料を加圧し、分配器４６に送り出す。分配器４６には、各燃料噴射器３８が連結されている。燃料噴射器３８は、先端に噴射口を具え、内部に駆動部を有し、各シリンダ１２毎にシリンダヘッド１６に取り付けられている。駆動部は、制御装置２０からの作動信号を受けると、分配器４６からの燃料に更に圧力を加え噴射口から燃料を噴射させる。噴射口は、シリンダ室１８に臨ませて開口しており、シリンダ室１８内に所望の状態で燃料が噴射されるように、その口径や向きや数などが設定されている。
【００１７】
圧縮空気供給装置２４は、空気圧縮装置５０と、空気蓄圧器５２と、分配器５４と、空気噴出器４０などから構成されている。空気圧縮装置５０は、クランク軸３４に連結し、クランク軸３４の回転を駆動源として外気を導入し、導入した空気を所定の圧力に圧縮する。空気蓄圧器５２は、空気圧縮装置５０に接続し、空気圧縮装置５０からの圧縮空気を内部に貯留する。分配器５４は、空気蓄圧器５２に連結し、各空気噴出器４０が接続している。
【００１８】
空気噴出器４０は、先端に噴出口を具え、内部に開閉駆動部を有し、各シリンダ１２毎にシリンダヘッド１６に取り付けられている。開閉駆動部は、制御装置２０からの作動信号を受けると、分配器５４からの空気を噴出口から噴出させる。噴出口は、シリンダ室１８に臨ませて開口してあり、圧縮空気を噴出口から噴出させると、シリンダ室１８内に所望の空気流が形成されるように口径、開口方向、開口数などが設定されている。
【００１９】
制御装置２０には、アクセルペダル６０からの信号線６２、クランク角センサ６４からの信号線６６が接続してあり、アクセルペダル６０の操作量などから、運転者の運転希望内容、およびエンジン１０のクランク角度位置を検出する。制御装置２０には、燃料噴射装置２２のドライバユニット７０、圧縮空気供給装置２４のドライバユニット７２への信号線７１、７３が接続されている。ドライバユニット７０、およびドライバユニット７２は、それぞれ制御装置２０から受けた指示に従い作動信号を信号線７４、７５で送り、燃料噴射器３８、および空気噴出器４０を作動させる。
【００２０】
更に制御装置２０には、燃料噴射装置２２の燃料加圧装置４４の駆動部７６への信号線７７が接続してあり、駆動部７６への作動信号を送り出す。また制御装置２０には、燃料加圧装置４４および分配器４６の燃圧センサ７８、８０からの信号線７９、８１が接続され、燃圧センサ７８、８０からの検出結果を受信する。
【００２１】
更に制御装置２０には、空気圧縮装置５０への信号線８２が接続してあり、空気圧縮装置５０への作動信号を送り出す。また制御装置２０には、空気蓄圧器５２および分配器５４の圧力センサ８４、８６からの信号線８５、８７が接続され、圧力センサ８４、８６からの検出結果を受信する。
【００２２】
次に、エンジン１０の作動について説明する。
【００２３】
燃料噴射装置２２は、燃料加圧装置４４の駆動部７６の駆動により燃料タンク４８から燃料を吸い上げ、吸い上げた燃料に所定の圧力を付与して分配器４６に送り出す。圧縮空気供給装置２４は、空気圧縮装置５０を作動させ、圧縮空気を空気蓄圧器５２に所定圧力で貯留する。圧縮空気は、空気蓄圧器５２から分配器５４に送り出される。空気蓄圧器５２と分配器５４の圧力は圧力センサ８４、８６で検出され、それぞれ所定圧力が保持されるように空気圧縮装置５０を適宜作動させる。
【００２４】
次に、従来の４サイクルエンジンの各行程を参照して、エンジン１０の作動を具体的に説明する。従来の吸気行程に相当する段階（これを「下降行程」とする。）でのピストン１４の下降時は、排気弁４２が閉じ、かつ燃料噴射装置２２および圧縮空気供給装置２４は作動せず、燃料および圧縮空気は噴射や噴出（以下、噴射と噴出を「噴射」ともいう。）がなされない。
【００２５】
ピストン１４が下死点に達した後、ピストン１４が上昇を開始し、従来の圧縮行程に相当する段階（これを「上昇行程」とする。）においても排気弁４２は閉じたままで、かつ燃料および圧縮空気の噴射はなされない。下降行程と上昇行程の間における、シリンダ室１８内での空気の膨張と圧縮作用は、出入りするエネルギーが相殺され、基本的にこれによるエネルギーの損失は発生しない。
【００２６】
そしてピストン１４が圧縮行程の上死点付近に達した時点で、ドライバユニット７０および７２に信号が制御装置２０から送り出され、ドライバユニット７０や７２からの作動信号により燃料噴射器３８と空気噴出器４０が作動し、燃料と圧縮空気とがそれぞれシリンダ室１８内に噴射される。
【００２７】
制御装置２０は、車両の走行状態やアクセルペダル６０の操作内容などから、燃料量と圧縮空気量を算出し、算出された量が噴射されるように各ドライバユニット７０等に指示を送り出す。燃料噴射器３８と空気噴出器４０からは、燃料と圧縮空気が所定の空燃比となり、かつ燃焼によりエンジン１０に所望のトルクを生じさせる量が噴射される。
【００２８】
シリンダ室１８内に噴射された燃料と圧縮空気は、シリンダ室１８内で流動して混合され火花点火栓４１での火花により着火される。着火により生じた火炎は、シリンダ室１８内の混合気に順次伝播し、シリンダ室１８内の圧力を上昇させ、ピストン１４を押し下げる。下死点に達した後ピストン１４が上昇を始めると、排気弁４２が開き、燃焼ガスの圧力、およびピストン１４の上昇動作に伴い燃焼ガスが排気弁４２を通って排気通路３６に流出される。
【００２９】
ピストン１４が排気行程の上死点付近に達すると、排気弁４２が閉じ、排気行程が終了する。ピストン１４が上死点から下降すると上述した下降行程が開始され、下降行程から上昇行程に連続し、上述したと同様の各行程が繰り返し行われる。
【００３０】
このように、エンジン１０によれば、従来の吸気行程に相当する下降行程おいて吸気通路を通した吸気が行われない。また従来の圧縮行程に相当する上昇行程おいて、下降行程でシリンダ室１８内への吸気動作が行われず、シリンダ室１８に含まれる空気量が変化しないので、ピストン１４の往復動でのシリンダ室１８内の空気の膨張と圧縮動作が、断熱膨張、断熱圧縮とみなせば、下降行程での膨張作業と上昇行程での圧縮作業でのエネルギーが相殺され、基本的にエネルギーの損失が発生せず、効率を高めることができる。
【００３１】
また、圧縮空気供給装置２４の空気噴出器４０からの空気噴出量、および噴出時期を所望の状態に設定することにより、圧縮空気のシリンダ室１８内への供給をエンジン１０の作動状態に応じて必要される状態に正確に適合させることができる。
【００３２】
空気噴出器４０の噴出口を所定の形状に設定することにより、空気噴出器４０からの空気流によりシリンダ室１８内に所望の流れを形成することができる。これにより、シリンダ室１８内での混合気の着火、火炎の伝播、シリンダ室１８内での膨張圧力の上昇等を所望の状態に設定でき、シリンダ室１８内での燃焼を向上させ、燃焼効率を向上させることができる。
【００３３】
更に制御装置２０は、クランク角センサ６４からの検出結果に基づき、クランク角の回転状態を検出することにより、圧縮空気と燃料の噴射、火花点火栓４１の点火によりエンジン１０を始動させたり、始動を円滑にさせることも可能となる。
【００３４】
また、エンジン１０は、従来の吸気系に備えられていた装置、例えばエアクリーナボックス、吸気管、ターボチャージャーなどが不要となり、コスト、重量を低減できる。
【００３５】
尚、ピストン１４の上下死点と排気弁４２や圧縮空気供給装置２４等の作動時期等は、上記説明通りでなく、例えばピストン１４が下死点に達する以前に排気弁４２が開き始めるなど、動作の若干の前後変化は許容される。
【００３６】
次に、内燃機関の他の例について説明する。
【００３７】
この例は、エンジン１１がディーゼル機関であるとした場合である。エンジン１１は、シリンダ１２、ピストン１４、燃料噴射装置２２、圧縮空気供給装置２４等が、ディーゼル機関に適合した構造となっている他は、エンジン１０と構成上大きな変更はない。
【００３８】
エンジン１１は、下降行程が終了し上昇行程が開始されるまで、排気弁４２は閉じられている。上昇行程が所定の状態まで進行したとき、圧縮空気供給装置２４が作動し、シリンダ室１８内に圧縮空気を噴出する。シリンダ室１８内に噴出された圧縮空気は、ピストン１４の上昇で更に圧縮され、ピストン１４による圧縮でシリンダ室１８内の空気温度が上昇する。
【００３９】
シリンダ室１８内の温度は、ピストン１４が圧縮上死点付近に達した状態で、燃料の着火温度以上の温度となっている。かかる状態で燃料噴射装置２２が作動し、燃料噴射器３８から燃料をシリンダ室１８内に噴射する。シリンダ室１８内の空気は圧縮により高温になっていることから、噴射された燃料は、高温の空気に触れ着火する。噴射した燃料が着火した後は、上述したと同様な膨張行程を経て各行程が繰り返し行われる。
【００４０】
このようなディーゼル機関によるエンジン１１によっても、下降行程において、空気をシリンダ室１８内に吸引させないので、上昇行程時においてエネルギーロスが低減でき、高い燃焼効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、ピストンシリンダ機構を有する内燃機関に用いられる。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１１…エンジン  １２…シリンダ  １４…ピストン  １６…シリンダヘッド  １８…シリンダ室  ２０…制御装置  ２２…燃料噴射装置  ２４…圧縮空気供給装置  ３４…クランク軸  ３６…排気通路  ３８…燃料噴射器  ４０…空気噴出器  ４１…火花点火栓  ４２…排気弁  ４４…燃料加圧装置  ４６…分配器  ４８…燃料タンク  ５０…空気圧縮装置  ５２…空気蓄圧器  ５４…分配器  ６０…アクセルペダル  ６２、６６、７１、７３、  ７４、７５、７７、７９、８１、８５、８７…信号線  ６４…クランク角センサ  ７０、７２…ドライバユニット  ７６…駆動部  ７８、８０…燃圧センサ  ８４、８６…圧力センサ
【図１】
2012225248.tif 000003