(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合部に形成された混合気を、燃焼室の吸気ポートへ導くエンジンの吸気構造であって、
前記混合部側からの混合気を夫々等量に分流させ、前記等量に分流させた夫々の混合気を前記吸気ポート側で合流させると共に、互いに異なる流路容積を有する複数の分岐流路を備え、
前記複数の分岐流路を夫々流れ前記吸気ポート側で合流される混合気に関し、当量比変動周期を前記分岐流路の数で割った分だけ互いにずれたタイミングで、前記複数の分岐流路を流れた混合気が前記吸気ポート側で合流する関係に、前記複数の分岐流路の流路容積の関係が設定されているエンジンの吸気構造。
【請求項２】
ベンチュリ式ミキサにより前記混合部に前記混合気を形成するように構成されている請求項１に記載のエンジンの吸気構造。
【請求項３】
前記複数の分岐流路が、互いに同等の流路断面積を有し、互いに異なる流路長を有するものである請求項１又は２に記載のエンジンの吸気構造。
【請求項４】
前記分岐流路の数をｎ、１サイクル周期中に前記燃焼室に吸気される混合気の体積である吸気体積をＶ、前記分岐流路の流路断面積をＡとし、流路長が短い順にｋ（ｋ＝１〜ｎ）番目の前記分岐流路の流路長をＬkとした場合に、
Ｌk＝Ｌ1＋（ｋ−１）×Ｖ／（ｎ2×Ａ）
の関係を有する請求項３に記載のエンジンの吸気構造。
【請求項５】
混合部に形成された混合気を、燃焼室の吸気ポートへ導くエンジンの吸気方法であって、
前記混合部側からの混合気を複数の分岐流路に夫々等量に分流させ、前記等量に分流させた夫々の混合気を前記吸気ポート側で合流させると共に、
前記複数の分岐流路を夫々流れ前記吸気ポート側で合流される混合気に関し、当量比変
動周期を前記分岐流路の数で割った分だけ互いにずれたタイミングで、前記複数の分岐流路を流れた混合気が前記吸気ポート側で合流する関係に、前記複数の分岐流路の流路容積の関係を設定するエンジンの吸気方法。
【請求項６】
混合部に形成された混合気を、燃焼室の吸気ポートへ導くエンジンの吸気構造として、請求項１から４の何れか１項に記載のエンジンの吸気構造を備えたエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合部に形成された混合気を、燃焼室の吸気ポートへ導くエンジンの吸気構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火花点火エンジン（ＳＩエンジン）や予混合圧縮自着火エンジンなどの吸気構造は、吸気路の混合部に設けられたベンチュリミキサや燃料噴射弁等により、吸気路を流通する空気（酸素含有ガス）に燃料を供給して、吸気路の混合部に混合気を形成するように構成されることがあり、その吸気路の混合部に形成された混合気は、吸気行程において吸気ポートを介して燃焼室に吸気されて圧縮された後、火花点火され又は自己着火して予混合燃焼する。
【０００３】
上記のようなエンジンの吸気構造において、燃焼室に吸気される混合気の当量比を、時間的且つ空間的に安定化させることで、当量比の時間的安定化により、安定した運転状態を維持することができ、さらに、当量比の空間的安定化により、ＨＣ及びＣＯ等の生成が抑制されると共に、燃焼ガスの高温化が抑制されてＮＯｘの生成も抑制され、排気浄化性を向上することができる。
【０００４】
そして、エンジンの吸気構造において混合気の当量比を安定化させるための構造としては、吸気路における混合部と吸気ポートとの間の混合気流路の長さを、混合気がその流路を流通する間に燃料と空気が充分に混合する程度以上に設定したり、その流路に一時的に混合気を貯留して混合促進を図るためのバッファタンクを設けたりすることがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、吸気路において混合部に形成された混合気を、燃料と空気が充分に混合する程度以上に長い混合気流路を介して、又はバッファタンクを介して燃焼室に吸気するようにエンジンの吸気構造を構成すると、例えば、エンジン出力を調整するために混合部に形成される混合部の当量比を調整しても、その当量比が調整された混合気が燃焼室に到達するまでに比較的時間がかかってしまうので、エンジン出力調整の応答性が低下する。
【０００６】
また、吸気路における混合部の空気流が、燃焼室に発生する負圧波の伝播により、１サイクルに相当する周期（以下、１サイクル周期と呼ぶ。）で周期的に流速が変動する脈動流となることがあり、特に混合部においてベンチュリ式ミキサにより空気に燃料を供給する場合には、その脈動流により、混合部に形成される混合気の当量比が、その混合気の流通方向に沿って１サイクル周期で周期的に変動することがある。そして、このように混合気の当量比が周期的に即ち時間的に変動する場合には、例えば混合気流路を長くしただけでは、その時間的な当量比の変動を充分に安定化させることは困難である。
【０００７】
従って、本発明は、上記のような事情に鑑みて、エンジンの吸気構造において、混合気の当量比を時間的且つ空間的に安定化させて、エンジンの運転状態の安定化及び排気浄化性の向上を図ることができる技術を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係るエンジンの吸気構造は、請求項１に記載したごとく、混合部に形成された混合気を、燃焼室の吸気ポートへ導くエンジンの吸気構造であって、前記混合部側からの混合気を夫々等量に分流させ、前記等量に分流させた夫々の混合気を前記吸気ポート側で合流させると共に、互いに異なる流路容積を有する複数の分岐流路を備え、前記複数の分岐流路を夫々流れ前記吸気ポート側で合流される混合気に関し、当量比変動周期を前記分岐流路の数で割った分だけ互いにずれたタイミングで、前記複数の分岐流路を流れた混合気が前記吸気ポート側で合流する関係に、前記複数の分岐流路の流路容積の関係が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
〔作用効果〕
本構成のエンジンの吸気構造によれば、混合部で形成された混合気は、複数の分岐流路に夫々等量に分岐され、互いに流路長及び流路断面積の少なくとも一方が異なり流路容積が異なる複数の分岐流路の夫々を互いに異なる時間流通した後に、吸気ポート側で合流することになり、吸気ポート側で合流する夫々の混合気は、混合部において互いに異なる時期に形成されたものとなる。よって、混合部において時間的に混合気の当量比が変動しても、その混合気を複数の分岐流路に分岐した後に、所定の時間差を付けて合流させることができるので、例えば、吸気路の全長が１つの吸気路において燃料と空気とが充分に混合する程度よりも短くても、吸気ポートに導かれた混合気において、その時間的な当量比の変動を緩和させることができる。
また、混合気を一旦分流した後に合流させて、好ましくは、分流した混合気を互いに衝突させて合流させて、又は、分流した混合気を吸気ポートの流路軸回りのサイクロンを発生させるように合流させて、燃料と空気との混合を促進することで、吸気ポートに導かれた混合気において、その流路断面における当量比の変動を緩和して、燃焼室における混合気の空間的な当量比の変動も緩和させることができる。
従って、混合気の当量比を時間的且つ空間的に安定化させて、エンジンの運転状態の安定化及び排気浄化性の向上を図ることができるエンジンの吸気構造を実現することができる。
さらに、本構成のエンジンの吸気構造によれば、複数の分岐流路を流通した後に吸気ポート側で合流する夫々の混合気が、混合部において、当量比変動周期における互いに異なるタイミングで形成されたものとなるので、混合部に形成される混合気の当量比が脈動流等により周期的に変動しても、その混合気を複数の分岐流路に分岐した後に、所定の時間差を付けて合流させることができるので、吸気ポートに導かれた混合気において、その周期的な当量比の変動を緩和させることができる。
尚、当量比変動周期とは、混合部において、形成された混合気の当量比の所望の当量比に対する変動周期を示し、このような混合部における当量比の周期的な変動は、吸気路の空気流が１サイクル周期で周期的に流速が変動する脈動流となることで発生する場合があり、この場合には、当量比変動周期は１サイクル周期と同等となる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係るエンジンの吸気構造は、請求項２に記載したごとく、上記構成１のエンジンの吸気構造の構成に加えて、ベンチュリ式ミキサにより前記混合部に前記混合気を形成するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
本構成のエンジンの吸気構造によれば、混合部において当量比が１サイクルに相当する当量比変動周期で変動しやすいベンチュリ式ミキサにより混合気を形成する場合においても、その混合気を複数の分岐流路に分岐した後に、所定の時間差を付けて合流させることができるので、吸気ポートに導かれた混合気において、その周期的な当量比の変動を緩和させることができる。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係るエンジンの吸気構造は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２のエンジンの吸気構造の構成に加えて、前記複数の分岐流路が、互いに同等の流路断面積を有し、互いに異なる流路長を有するものであることを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本構成のエンジンの吸気構造によれば、互いに同等の流路断面積を有する複数の分岐流路により、混合部に形成された混合気を分流させることで、複数の分岐流路を流通する混合気の夫々は、互いにほぼ同等の流速で流通して、混合部において発生した当量比の時間的変動を互いに同等の状態で維持することができる。そして、その同等に時間的に変動する当量比の混合気を、複数の分岐流路から吸気ポート側へ、所定の時間差を付けて合流させることができるので、吸気ポートに導かれた混合気において、その時間的な当量比の変動の緩和状態を安定化させることができる。
よって、安定した混合状態の混合気を燃焼室に吸気することができ、エンジンの運転状態を安定化させることができる。
尚、夫々の分岐流路において、互いに同等の流路断面積を有するとは、必ずしも分岐流路全体に渡って同じ流路断面積を有することのみを意味するものではなく、夫々の分岐流路の流路断面積の平均値が同等であることも意味する。
【００１４】
〔構成４〕
本発明に係るエンジンの吸気構造は、請求項４に記載したごとく、上記構成３のエンジンの吸気構造の構成に加えて、前記分岐流路の数をｎ、１サイクル周期中に前記燃焼室に吸気される混合気の体積である吸気体積をＶ、前記分岐流路の流路断面積をＡとし、流路長が短い順にｋ（ｋ＝１〜ｎ）番目の前記分岐流路の流路長をＬkとした場合に、
Ｌk＝Ｌ1＋（ｋ−１）×Ｖ／（ｎ2×Ａ）
の関係を有することを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本構成のエンジンの吸気構造によれば、互いに同等の流路断面積を有する複数の分岐流路の流路断面積と夫々の流路長とを、上記の関係に基づいて設定することが好ましい。即ち、最も短い分岐流路以外の夫々の分岐流路の流路長Ｌk（ｋ＝２〜ｎ）を、最も短い分岐流路の流路長Ｌ1よりも、夫々の分岐流路における１サイクル周期中の混合気の流通距離（Ｖ／（ｎ×Ａ））の（ｋ−１）／ｎ倍（ｋ＝２〜ｎ）に相当する分長く設定することで、その夫々の分岐流路を流通した合流部で合流する夫々の混合気は、上記流通距離を上記分岐流路の数で割った分だけずれて合流部で合流することになる。
よって、混合部において１サイクルに相当する当量比変動周期で周期的に当量比が変動しても、その周期的に当量比が変動する混合気を分岐した後に、その夫々の混合気の周期的な当量比の変動を、当量比変動周期における等間隔の位相を付けて組合わせるように合流させることができるので、吸気ポートに導かれた混合気において、その周期的な当量比の変動を安定且つ良好に緩和させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としてのエンジンの吸気構造について、図１〜図３に基づいて説明する。
【００１７】
図１に示すエンジン１００は、シリンダ２と、シリンダ２内に収容されてシリンダ２と共に燃焼室１を形成するピストン３とを備えている。
前記シリンダ２の吸気ポート７ｐには吸気弁５が、排気ポート８ｐには排気弁６が設けられており、吸気ポート７ｐは吸気路７に接続され、排気ポート８ｐは排気路８に接続されている。
また、燃焼室１には、燃焼室１の混合気を着火する点火プラグ４が設けられている。
【００１８】
エンジン１００は、吸気弁５と排気弁６を開閉動作させながら、吸気行程において吸気路７に形成された混合気Ｍを燃焼室１に吸気し、圧縮行程を経て、燃焼室１に設けられた点火プラグ４を働かせて混合気を点火し、燃焼・膨張、及び排気の諸行程を実行して、ピストン３の往復運動をクランク軸の回転運動に変えて出力するように構成されている、所謂火花点火式エンジン（ＳＩエンジン）である。
【００１９】
また、エンジン１００の吸気路７には、流路径が絞られたベンチュリとしての混合部７ｍに空気Ａを流通させて、混合部７ｍの壁部に設けられた燃料ノズル１２に負圧を発生させることにより、燃料ノズル１２から混合部７ｍを流通する空気Ａに天然ガス系都市ガスである燃料Ｇを供給して混合気Ｍを形成するベンチュリ式ミキサ１０が設けられている。
【００２０】
混合部７ｍを流通する空気Ａの流れは、ピストン３の往復運動により燃焼室１に発生する負圧波の伝播により、１サイクル周期（１サイクルに相当する周期）で周期的に変動する脈動流となることがある。
また、上記のようなベンチュリ式ミキサ１０において、混合部７ｍにおいて空気Ａの流れが周期的な脈動流となると、燃料ノズル１２の圧力も同様に脈動し、そして、空気Ａに供給される燃料Ｇの流量が、その脈動から若干遅れて、周期的に変動することがある。そして、このように混合部７ｍへの燃料Ｇの供給流量が１サイクル周期で周期的に変動すると、混合部７ｍにおいて形成される混合気Ｍの当量比が、１サイクル周期と同等の当量比変動周期で変動してしまう。
【００２１】
そこで、エンジン１００には、上記混合気Ｍの当量比の変動を緩和させることができる吸気構造５０が設けられており、その吸気構造５０の詳細について以下に説明する。
【００２２】
混合部７ｍに形成された混合気Ｍを燃焼室１の吸気ポート７ｐへ導く吸気構造５０は、図２にも示すように、混合部７ｍ側からの混合気Ｍを分岐部７ｂから分流させ、その分流させた夫々の混合気Ｍを吸気ポート７ｐ側の合流部７ｃにおいて合流させる３つの分岐流路２１，２２，２３を設けて構成されている。
【００２３】
さらに、夫々の分岐流路２１，２２，２３は、同じ流路径を有すると共に、互いに異なる流路長を有し、それにより分岐部７ｂから合流部７ｃまでの流路容積が互いに異なるように構成されている。よって、混合部７ｍで形成され分岐部７ｂに流入した混合気Ｍｂは、流路容積が異なる３つの分岐流路２１，２２，２３に等分に分岐され、分岐された夫々の混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、夫々の分岐流路２１，２２，２３を、同じ流速で互いに異なる時間流通した後に、合流部７ｃで合流することになる。そして、合流部７ｃ合流する夫々の混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、混合部７ｍにおいて互いに異なる時期に形成されたものとなる。
ここで、上記合流部７ｃにおいて合流される夫々の混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は互いに等量でないと、その後の混合気Ｍａの当量比が若干変動することになるので、上記夫々の分岐流路２１，２２，２３における混合気Ｍの流量を同等にするべく、夫々の分岐流路２１，２２，２３の圧力損失を同等に設定することが好ましい。また、このように夫々の分岐流路２１，２２，２３の圧力損失を同等に設定するには、例えば、流路長が短くそのままでは圧力損失が小さい分岐流路に、背圧を付加する絞り部等を設けるなどして設定することができる。
【００２４】
さらに、分岐流路２１，２２，２３の夫々の流路長は、分岐流路の数をｎ（ｎ＝３）、１サイクル周期中に燃焼室１に吸気される混合気Ｍの体積である吸気体積をＶ、分岐流路２１，２２，２３の共通の流路断面積をＡとし、流路長が短い順にｋ（ｋ＝１〜３）番目の前記分岐流路の流路長をＬkとした場合に、Ｌk＝Ｌ1＋（ｋ−１）×Ｖ／（ｎ2×Ａ）の関係を有するように設定されている。
【００２５】
即ち、図２に示すように、このような夫々の分岐流路２１，２２，２３における１サイクル周期中の混合気Ｍの流通距離ｄは、夫々の分岐流路２１，２２，２３の圧力損失が同等であると仮定して、Ｖ／３Ａとなる。
【００２６】
また、分岐部７ｂから夫々の分岐流路２１，２２，２３に流入した混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３には、例えば、混合部７ｍのベンチュリ式ミキサ１０において、空気Ａの流速が小さすぎて燃料ノズル１２に負圧を発生させることができずに、又は燃料ノズル１２からの燃料Ｇの供給流量を空気Ａの流速の急激な増加に対して追従させて増加させることができずに、混合部７ｍに形成された混合気Ｍｂの当量比が所定値よりも小さくなる淡部ｍｔと、例えば、空気Ａの流速に追従して燃料ノズル１２から安定して燃料Ｇを供給することができ、混合部７ｍに形成された混合気Ｍｂの当量比が所定値付近となる安定部ｍｎと、例えば、燃料ノズル１２からの燃料Ｇの供給流量を空気Ａの流速の急激な減少に対して追従させて減少させることができずに、混合部７ｍに形成された混合気Ｍｂの当量比が所定値よりも大きくなる濃部ｍｒとが、混合気Ｍの流通方向に沿って、上記流通距離ｄ毎に周期的に発生することがある。
【００２７】
さらに、流路長が２番目に短い分岐流路２２の流路長Ｌ２は、流路長が最も短い分岐流路２１の流路長Ｌ１よりも、１サイクル周期中の混合気Ｍの流通距離ｄの１／３分長く設定されており、さらに、流路長が最も長い分岐流路２３の流路長Ｌ３は、分岐流路２１の流路長Ｌ１よりも、流通距離ｄの２／３分長く設定されている。
【００２８】
即ち、分岐流路２２を流通する混合気Ｍ２は、分岐流路２１を流通する混合気Ｍ１よりも、１／３ｄ分長く流通した後に合流部７ｃに到達し、分岐流路２３を流通する混合気Ｍ３は、分岐流路２１を流通する混合気Ｍ１よりも、２／３ｄ分長く流通した後に合流部７ｃに到達することになる。
【００２９】
従って、合流部７ｃにおいて合流する混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、上記流通距離ｄの上記分岐流路２１，２２，２３の数、即ち３で割った分だけずれて合流することになる。よって、このように淡部ｍｔ、安定部ｍｎ、濃部ｍｒ等が１サイクル中の流通距離ｄ毎に発生する混合気Ｍｂを分岐した後に、その夫々の混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の周期的な当量比の変動を、流通距離ｄを等分した分だけずらせて組合わせるように合流させることができるので、吸気ポート７ｐに導かれた混合気Ｍａにおいて、その周期的な当量比の変動を安定且つ良好に緩和させることができる。
【００３０】
また、これまで説明した吸気構造５０を備えたガスエンジン１００（実施例）と、その吸気構造５０において吸気路７を分岐させないように構成した従来のエンジン（比較例）とにおいて、排ガス中のＮＯｘ濃度及びエンジン１００の正味熱効率を測定したところ、下記の表１及び表２のような結果となった。
尚、エンジン１００の仕様は、以下の通りである。
〔表１及び表２におけるエンジンの共通仕様〕
主燃料：天然ガス系都市ガス１３Ａ
気筒数：１
過給機：なし
燃焼室容量Ｖ：１Ｌ（１×１０6ｍｍ3）
回転数：１２００ｒｐｍ
空気Ａの温度：４０℃
吸気路７（分岐流路以外）の流路断面積：１２６５ｍｍ（直径４０ｍｍ）
分岐流路２１，２２，２３の流路断面積Ａ：４２２ｍｍ2（直径２３ｍｍ）
分岐流路２１の長さＬ1：５００ｍｍ
分岐流路２２の長さＬ2：７６５ｍｍ
分岐流路２３の長さＬ3：１０３０ｍｍ
〔表１におけるエンジンの仕様〕
圧縮比：１０
混合気の平均空気比：１．６
〔表２におけるエンジンの仕様〕
圧縮比：１２
混合気の平均空気比：１．７
【００３１】
【表１】
0003986311.tif 000002
【００３２】
【表２】
0003986311.tif 000003
【００３３】
上記の表１及び表２に示すように、本発明に係る吸気構造５０を備えたガスエンジン１００は、従来の吸気構造（分岐しない吸気路からなる）を設けたエンジンと比較して、正味熱効率を同等又はそれ以上に維持することができると共に、ＮＯｘ濃度を６４％〜７４％程度に抑制することができる。また、例えば、従来のエンジンにおいて最低でも１００ｐｐｍ程度であった排ガス中のＮＯｘ濃度を７０ｐｐｍ程度に低下させることができ、排ガス中のＮＯｘを除去するための脱硝装置を省略又は簡略化して、コストダウン等を図ることができる。
【００３４】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の吸気構造の別の実施の形態を説明する。
【００３５】
〈１〉  上記実施の形態において、混合部７ｍで形成される混合気Ｍｂに淡部ｍｔ、安定部ｍｎ、濃部ｍｒ等が１サイクル中の流通距離ｄ毎に発生する場合において、その混合気Ｍｂを分流させた後に合流させる複数の分岐流路の流路長Ｌkを、Ｌk＝Ｌ1＋（ｋ−１）×Ｖ／（ｎ2×Ａ）という関係を有するように設定して、上記周期的な当量比の変動を、流通距離ｄを等分した分だけずらせて組合わせるように合流させて、安定化させるように構成したが、別に、上記夫々の分岐流路２１，２２，２３の流路長及び流路断面積で決定される流路容積を、互いに異ならせて設定する、好ましくは、少なくとも合流部７ｃで合流させる夫々の混合気Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の混合部７ｍで形成された時期が上記サイクル周期において互いに異なる位相となるように設定することでも、混合気Ｍの例えば周期的な当量比の変動を安定化させることができる。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】  エンジンの概略構成図
【図２】  図１に示すエンジンの吸気構造の部分拡大斜視図
【図３】  分岐流路の状態を説明する説明図
【符号の説明】
１        燃焼室
２        シリンダ
３        ピストン
４        点火プラグ
５        吸気弁
６        排気弁
１０      ベンチュリ式ミキサ
１２      燃料ノズル
５０      吸気構造
２１      分岐流路
２２      分岐流路
２３      分岐流路
７        吸気路
７ｍ      混合部
７ｂ      分岐部
７ｃ      合流部
７ｐ      吸気ポート
８        排気路
８ｐ      排気ポート
Ａ        空気
Ｇ        燃料
Ｍ        混合気
【図１】
0003986311.tif 000004
【図２】
0003986311.tif 000005
【図３】
0003986311.tif 000006