(57)【要約】【課題】点火プラグの様な点火構造体の点火部を燃焼室中心又はできる限り中心に近く配置する事によって急速燃焼を達成し、熱効率の向上、ＣＯ２の削減を図ること。【解決手段】燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材３を有し、その先端部に点火部を有する点火構造体２を内燃機関に備える。点火構造体の突出部材３に冷却用噴流を噴き付けて冷却する様に構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材を有し、その先端部に燃焼室内混合気に点火する点火部を有する点火構造体を備えた内燃機関であり、前記点火構造体の突出部材に水を微粒化した噴流を噴き付けて冷却する様にした内燃機関。
【請求項２】
燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材を有し、その先端部に燃焼室内混合気に点火する点火部を有する点火構造体を備えた内燃機関であり、前記点火構造体の突出部材にエンジンの燃焼に関与する気体をエンジンに備えられた圧縮機によって圧縮した後に冷却し、これを膨張機によって断熱膨張させて得た低温の気体を噴き付けて冷却する様にした内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は点火プラグの様な点火構造体を備えた内燃機関に係わり、点火構造体の１０ｍｍ以上と長く突出した電極などの突出部材に水を微粒化した噴流又は低温気体の噴流を噴き付けて冷却する様にしたものに関する。前記低温気体の噴流は空気、気体燃料などエンジンの燃焼に関与する気体（常温で気体）を圧縮した後に冷却し、これを膨張機で断熱膨張させる事によって得られるものである。
【背景技術】
【０００２】内燃機関はＣＯ２削減、熱効率向上が強く求められているが、これに最も効果的なものは希薄燃焼、急速燃焼の技術である。一般に燃焼室内混合気に点火する点火構造体、例えば点火プラグは図６に示す様に突出部材、即ち電極の突出量ｌは６〜８ｍｍ以下であり、従ってその点火部（火花ギャップ）は燃焼室壁面に近く、燃焼室中心に配置する事はできない。もしこの点火部を燃焼室中心に配置する事ができれば（図１参照）火炎伝播距離が半減するから、燃焼完了までの期間が半減して急速燃焼が可能となり、しかも火炎が全ての混合気が燃焼完了するまで冷たい燃焼室壁面に接触しないから冷却損失が減少し、特に希薄混合気は火炎伝播速度が遅くなりがちであるからこの希薄燃焼に有利であり、かくして熱効率の大幅向上、ＣＯ２の大幅削減が期待できる。しかしながらこの様な構成は長い突出部材、例えば長い電極は受熱量が増して伝熱冷却が困難となるから、異状高温となり、激しい過早点火を引き起す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】本発明の目的は点火プラグの様な点火構造体の突出部材の先端部にある点火部を燃焼室の中心又はできる限り中心に配置する事によって燃焼期間を短縮化して急速燃焼を達成し、ＣＯ２の削減、熱効率の向上を図ったものである。更に希薄燃焼は熱効率を改善するから、希薄燃焼・急速燃焼とする事によって熱効率の大幅改善を図ったものである。
かつ、本発明はそれによって長く突出した点火構造体の突出部材に水を微粒化した噴流又は低温気体の噴流を噴き付けて冷却し、過早点火を未然に防ぐ事も目的としている。前記低温気体の噴流は空気、気体状燃料などのエンジン燃焼に関与する気体を圧縮機で圧縮した後に冷却し、これを膨張機で断熱膨張させる事によって得るものである。
【課題を解決する為の手段】
【０００４】本発明は上記目的を達成する為、燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材を有し、その先端部に燃焼室内混合気に点火する点火部を有する点火構造体を備える。第１の発明は前記点火構造体の突出部材に水を微粒化した噴流を噴き付けて冷却する様にする構造である。
第２の発明は前記突出部材にエンジンの燃焼に関与する気体を圧縮機により圧縮した後に冷却し、これを膨張機によって膨張させた低温の気体を噴き付けて冷却する構造である。
【発明の効果】
【０００５】本発明においては燃焼室壁面から長く突出した点火構造体の突出部材は（中）・高負荷域では水を微粒化した噴流、又はエンジンの燃焼に関与する気体（空気、気体燃料）を圧縮した後に冷却し、これを膨張機で膨張させて得られる低温の気体が噴き付けられて冷却させるから、過度に高温になる事は回避され、過早点火は起らない。
本発明によれば燃焼室内混合気に点火する点火部は燃焼室の中心に配置する事ができるから、火炎伝播距離は半減・燃焼期間も半減し（実際は後述する如く１／２．５位にはなる）、急速燃焼が可能となる。この為、希薄燃焼が可能となり、希薄燃焼はポンプ損失が少なく、燃焼温度が低い為に冷却損失が少なく比熱比が大で、熱効率を大幅に改善する事ができる。一般に希薄燃焼は燃焼速度が遅くなる為、これらの効果は限定的であるが、急速燃焼との相乗効果により大きな熱効率改善が得られる。かつ、燃焼室内混合気に点火する点火部は燃焼室中心に配置され、燃焼が完了するまで冷たい燃焼室壁面に火炎が接触しないから、冷却損失は更に少ない（この為、始動性も向上する）。更に本発明によれば急速燃焼が可能であるから、最適点火時期を遅らせる事ができ、最高燃焼温度・圧力の減少により冷却損失、摩擦損失の低減も見込まれ、熱効率の改善効果は著るしいものになる。加えて低負荷域、特にアイドルを含む極低負荷域においては希薄混合気では着火性が悪化するが、本発明によれば上記点火部までの突出部材が長くその先端部は高温となっているから（この領域では突出部材の冷却は停止される）、火炎核が冷却作用（消炎作用）を受ける事がなく着火性は大幅に向上し、より一層の希薄燃焼により熱効率の大幅向上が期待できる。
【発明を実施する為の形態】
【０００６】図１（イ）は本発明による内燃機関を示し、ガソリンなどを燃料とし、点火プラグの様な点火構造体により燃焼室内混合気に点火するものである。
ＥＣＵ（電子制御ユニット）１３はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入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、これらは双方性バスによって相互に接続されている。ＥＣＵ１３にはエンジン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信号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、エンジン回転速度センサー、エンジンに吸入される空気流量センサー、ノックセンサー、Ｏ２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、等からの各信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。又、出力ポートは点火プラグ２、燃料噴射弁１１、絞り弁９を駆動するアクチュエーター１０、水噴射弁１２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には燃料噴射弁の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、点火プラグへの通電を制御する為の制御ルーチン、絞り弁９の開度を制御する為の制御ルーチン、水噴射弁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制御マップが記憶されている。ＲＡＭに記憶されている各種データー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ーに置き換えられる。
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、燃料や水の噴射制御、点火時期制御、絞り弁の開度制御等を実行する。
本内燃機関は電気火花などの点火源により混合気に点火するものであり、図１は吸気弁５、排気弁７を有する４サイクル内燃機関を示している。
本発明では燃焼室１内の混合気は点火構造体２によって点火されるが、図では点火プラグが使用され、点火構造体の突出部材３（電極）を燃焼室壁面からｌ＝１０ｍｍ以上突出させ（従来は６〜８ｍｍ以下）、突出部材３の先端部に点火部（火花ギャップ）を有している。こうすると前記点火部を燃焼室中心に配置する事ができ（完全に中心でなくても従来よりは遙かに中心に近く配置できる）、例えば突出部材３の突出量ｌ＝２０ｍｍとすると燃焼室１の容積は半径ｌの球形燃焼室とほぼ同じ容積の４／３・π・（２）３≒３３．５ｃｍ３となり、圧縮ε＝１６とするとシリンダー排気量は３３．５×（１６−１）≒５００ｃｍ３が可能となる（ｌ＝２．５ｃｍでは９８０ｃｍ３が可能）。以上の構造によれば前記点火部は燃焼室中心に配置する事ができるから、火炎伝播距離は半減し、従って燃焼期間も半減する一方、火炎は燃焼が完了するまで冷たい燃焼室壁面に接触せず、従って冷却されないので、燃焼による温度・圧力上昇が著るしく、この結果この温度・圧力の上昇により燃焼速度が更に増すので、この相乗効果により最終的には燃焼期間は１／２．５位まで短縮化され、急速燃焼が達成される。即ち、従来では燃焼期間がクランク角で４０°〜６０°であったが、これを２０°位に短縮できる。スキッシュ部の混合気は火炎伝播に依存すると燃焼が遅くなるから、燃焼室１の急速燃焼によりその上昇した燃焼温度・圧力により自着火させる事ができるから、かくして全体として急速燃焼が可能であり、この場合、スキッシュ部の混合気は少量なので衝撃的燃焼は避けられる（点火時期を制御することによりスキッシュ部の自着火を上死点を少し過ぎた時点で引き起す事もできる）。従って最適点火時期を遅らせる事ができ、この結果最高燃焼温度・圧力が減少し、冷却損失・摩擦損失の低減により熱効率は大幅に向上する。本発明では更なる熱効率向上の為、希薄燃焼と合わせて実施するのが良い。即ち、希薄燃焼は一般には燃焼速度が遅くなり限界があるが、本発明では急速燃焼が可能なので、両者の相乗
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減少が得られ、著るしい熱効率の向上が見込まれる。本発明では突出部材３（電極）が長い為、アイドルを含む極低負荷域でもその先端部、即ち点火部が高温に保たれ（受熱面積が増すのがその理由である）。この結果、点火によって生じる火炎核が突出部材先端部による冷却作用（消炎作用）を受け難く、火炎核が大きく成長し易いから着火性が向上し、より一層の希薄燃焼を可能とする。これを一段と強化する為、突出部材３の先端部を融点の高い白金、イリジウム、更にはタングステンなどの各合金を用いて極細にする事が考えられる。更には本発明では点火部は燃焼室中心にあり、この部分はスワールによる混合気流速が遅く火炎核が吹き飛ばされる事がなく、冷たい燃焼室壁面から離れている為、点火前の混合気は高温に保たれ、これらの効果も着火性を更に向上させるのである。この様に従来よりは遙かに希薄燃焼が可能となるから、熱効率の向上は著しいものとなる。
次に上記の様に本発明では突出部材３が長く受熱面積が大きいから高温となり、（中）・高負荷域では限界を越えて過早点火の原因となる為、水噴射弁１２から噴射される微粒化された水の噴流を突出部材３に噴き付けて冷却する様にしている。即ち、図１（イ）の如く水タンクａに貯蔵された水をフィードポンプｂ（例えば多数のローラーを溝内に収めたローターを有するポンプ）によって加圧してコモンレールｄに導びき、ここから各気筒に配置された水噴射弁１２から微粒化した水の噴流を突出部材３に噴き付ける構成とするのである。水噴射弁１２は吸気通路６内に臨む如く配置され、吸気弁５が開いている間に（ピストン４も十分に下っている）その間隙を介して点火構造体２の突出部材３に向けて破線の如く噴き付けられる（水噴射弁１２は図１（ロ）の様に燃焼室に直接臨む如くシリンダーヘッド面に備えても良い）。この時、微粒化された水の噴流は点火構造体２の突出部材３、即ち中心電極にも接地電極にも均等に噴き付けられる様にする事が大切である――図では微粒化された水の噴流は主として接地電極に噴き付けられる様に見えるが、これは突出部材３の構造を判り易い様に描いた図の為であり、実際はこれを９０°回転させた位置に配置するのである。そして突出部材３の先端部は火花ギャップがあり、水滴となって付着すると火花が飛ばなくなるから、ここは避ける様に微粒化された水の噴流を噴き付ける事が望ましい。
即ち、この部分の冷却は微粒化された水の噴流が噴き付けられて温度が下った部分への伝熱によって冷却される。又、微粒化された水の噴流が噴き付けられるから、突出部材３は錆に強いステンレス鋼が望ましく、その先端部は極細の白金チップとする事が望ましい。噴射される水の微粒化を良好にする為、フィードポンプｂの発生圧力はできる限り高くする事が望ましく（例えば１０気圧）、水噴射弁１２もスワールを伴なって噴射される様にして微粒化を助ける構造とする。ｃはコモンレールｄ内の圧力を一定に保つ為の調圧装置である（規定の圧力を越えたら圧力を吸入側へ逃す作用を行なう）。水噴射弁１２による水の噴射は低負荷域では行なわないが（フィードポンプｂも停止させる）。高負荷域では必らず行ない、中負荷域では点火プラグの特性によって行なわない場合もあるし、水噴射量を制限して行なう場合もある。
以上の水噴射弁１２の噴射量や噴射時期は燃料噴射弁１１の制御技術によって容易に実行する事ができる。低負荷域で水噴射を行なわない理由は突出部材３を高温に維持して点火部における火炎核の消炎作用を防止する為である。以上により、突出部材３は長く突出しているにも拘らず過早点火を誘発するほどの高温にはならない（低負荷域では従来よりは遙かに高温であり、着火性は向上する。）
【０００７】図１（イ）では吸・排気弁がシリンダーヘッド面に直立した配置であったが、一定の傾斜角を与えて弁面積を増加させ、吸排気効率を向上させたのが図２（イ）である。
もちろん、点火構造体２の点火部は燃焼室の中心又はできる限り中心に近く配置してある。図２（ロ）は点火構造体を複数（図では２個）備えて各々の突出部材３、３′先端部の点火部によって燃焼室１内の混合気を点火・燃焼させようとしたもので、より急速燃焼が可能となり、大排気量エンジンにも適用可能となるものである。水噴射弁１２から噴射される噴流は２方向に分岐して各々の突出部材３、３′に噴き付けられ、冷却する。図１では点火構造体として点火プラグを使用していたが、図３（ハ）の様に副燃焼室１４′から突出してくる突出部材１５の先端部に点火部を有する構成の点火構造体１４も考えられる。
この突出部材１５は燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出しており、その先端部は副燃焼室１４′内で燃焼した燃焼ガスの噴口（１〜数個）になっており、これが燃焼室１内の混合気に点火する点火部である。副燃焼室１４′には点火プラグ１６と燃料噴射弁１７（燃焼室１内の混合気よりは若干濃混合気とする役割を持つ）が臨んでおり、燃焼室１内の希薄混合気より若干濃い混合気（しかし希薄混合気である）が点火プラグ１６により点火・燃焼をされると燃焼ガスが突出部材１５の先端部からエネルギーの非常に高い火炎噴流となって噴出し、この点火部によって燃焼室内の希薄混合気が点火される。これにより非常に希薄な混合気でも燃焼が可能であり、突出部材１５の点火部は燃焼室中心（又はできる限り中心に近く）に配置されるから、急速燃焼が可能となり、熱効率の著るしい向上が期待できる。突出部材１５はそのままでは異状高温となるが、図１と同様に水噴射弁１２から噴射される微粒化された水の噴流により冷却されるから、過早点火は起らない。
図２（ニ）に示す点火構造体は、図２（ハ）において副燃焼室１４′を縮小化し燃料噴射弁１７を除去したものに相当し、突出部材１５の先端部（点火部）から噴出する火炎噴流は図２（ハ）よりエネルギーが弱いが、図１の点火プラグよりは強力である。突出部材１５の上部にある噴口１５′はここからも火炎噴流が噴出されるので、より燃焼期間の短縮化が可能である。
【０００８】図３（イ）は本発明を２サイクル機関に適用したもので、掃・排気通路を有し、クランク軸１回転毎に１回の膨張行程が得られる。点火構造体２の突出部材３は燃焼室壁面より１０ｍｍ以上突出しており、（中）・高負荷域では水噴射弁１２からの微粒化された水の噴流により冷却されるから過早点火は起らない。低負荷域ではこの冷却は停止され、突出部材３は高温に保たれるから、着火性は良好である。突出部材３の先端部を白金、イリジウム、タングステンなどの各合金により極細とすれば着火性は一般と向上し、更には短時間に数回スパークさせる多重点火とすれば極低負荷域でも点火・燃焼させる事ができ、２サイクル機関の欠点である不整燃焼が解消される。図３（ロ）は超ロングストローク化により冷却損失を大幅に低減できる対向ピストン機関に本発明を適用したもので（Ａ−Ａ′断面を示した図３（ハ）も参照）、一対のピストンは互いに反対方向へ移動し、ピストン頂面間に挟まれた燃焼室１８が形成され、掃気は一方のピストン側に形成された掃気通路から他方のピストン側に形成された排気通路へ流されるユニフロー型である。図は掃気ポンプとしてクランク圧縮式を採用しているが、ルーツブロワを使う事もできる。
燃焼室１８には２個の点火構造体の突出部材３が各々配置され、各々に（中）・高負荷域では水噴射弁１２から噴射される微粒化された水の噴流が噴き付けられ、冷却される。尚、本発明においては燃料を水素とする水素エンジンの場合は排気は無害の水蒸気であるから、これを図３（ニ）の如く熱交換器１９で水、空気などにより冷却して凝縮させ、これを水タンクａ（図１）に導入する様にすれば水の補給は不要である。
尚、図２（ハ）、（ニ）における点火構造体では突出部材１５の先端部（点火部があり、噴口がある）から火炎を噴出させる手段として点火プラグ１６の代りに圧縮比を十分に高めておいて軽油などを噴射する燃料噴射弁を使用する事もできる。尚、図３（ニ）の場合は燃料が水素以外にも適用できる。
又、図２（ハ）、（ニ）では点火プラグに水の付着の心配がない。
【０００９】図１から図３まででは点火構造体の突出部材３を冷却する手段として微粒した水の噴流を噴き付けていたが、空気や気体燃料の様なエンジンの燃焼に関与する気体を圧縮して冷却し、これを膨張機により断熱膨張させて低温の気体とし、これを噴き付けて冷却する事も可能で、この低温の気体が空気の場合を図４に、燃料の場合を図５に示す。
先ず図４（イ）においてエンジンのクランク軸に連結する膨張機２０と圧縮機２１（図４（ロ）参照）とが備えられている（エンジンのクランク軸とベルト、プーリー等を介して膨張機２０のクランク軸２２とを連結させ、クランク軸２２上に圧縮機２１のクランク軸を一体配置する――圧縮機２１は図では膨張機２０の奥手側に配置されている）。圧縮機２１ではエアクリーナーを通った空気がリード弁２９を介して吸入され、圧縮された後にリード弁３０を介して排出され、この圧縮されて昇温した空気は冷却器２８（水冷式又は空冷式）により冷却され、水分を除去した後に膨張機２０に導入される。膨張機２０では吸入弁２４が開いてシリンダー内にピストンストロークの途中まで吸入され、かつこの時点で吸入が遮断されてピストン下死点まで断熱膨張し、低温となった空気はピストン下死点付近から開く図示しない排出弁（吸入弁２４の奥手側にある）を介してサージタンク２５に導入され、更に空気噴射弁２６、ノズル２７を介して吸気弁５が開いている間にその間隙を介して点火構造体の突出部材３に噴き付けられる（吸入弁２４及び図示しない排出弁はクランク軸２２と回転比１／１で歯車を介して駆動されるカム軸２３上に備えられたカムにより、更にプッシュロッド、ロッカーアームを介して駆動される。吸入弁２４がピストンストロークの１／２．５の時点で閉じる様にすると膨張比は２．５であり、空気冷却器２８により３２０ｋまで冷却されると仮定すると、膨張機２０から排出される空気の温度は−５１℃である（理論値）。
かくしてこの低温の空気が空気噴射弁２６、ノズル２７から吸気弁５が開いている間にその間隙を介して点火構造体の突出部材３に噴き付けられ（冷却され）、過早点火を未然に防止する。低負荷域では突出部材３は過早点火を誘発するほどの高温には到らず、着火性向上の為にできる限り高温に保ちたいから、膨張機２０、圧縮機２１の回転を止め（駆動プーリーに内蔵した電磁クラッチを切るなど）、空気噴射弁２６からの低温の空気の噴射を停止する様にする。尚、空気噴射弁２６は燃焼室１に直接臨む如くシリンダーヘッドに備えても良い。圧縮機２１は駆動々力そのものは小さくないが、膨張機２０が動力を発生するので、全体としての駆動損失は小さい。次に図５においてエンジンと膨張機２０、圧縮機２１は互いに図４と同様に連結され、圧縮機２１（図５（ロ）参照）へ導入された気体燃料（気化したＬＰＧ燃料、都市ガスなど）は図４と同様に圧縮された後に冷却器２８によって冷却され、続いて膨張機２０に導入されて断熱膨張し、低温の気体燃料となってサージタンク２５へ送られ燃料噴射弁２６′、ノズル２７′から吸気弁５が開いている間にその間隙を介して点火構造体の突出部材３に噴き付けられ、冷却する。サージタンク２５内の圧力は常時規定の圧力に維持する必要があり、この為、電磁式遮断弁３２、３３が備えられている。即ち、サージタンク２５内の圧力が規定圧を越えたら電磁式遮断弁３２、３３は閉鎖され、これによりサージタンク２５内への燃料流入が遮断され、サージタンク２５内の圧力が規定値より下ったら電磁式遮断弁３２、３３を開いてサージタンク２５内への燃料流入を開始し、かくしてサージタンク２５内の圧力を規定値に維持する。これはサージタンク２５内の圧力を検出する圧力センサー３１からの出力信号によりＥＣＵ１３（図１）が対応する出力信号を電磁式遮断弁３２、３３へ送信する事によって為される。サージタンク２５は圧縮機２１、膨張機２０による圧力変動を緩和する為に十分な容積とする。
低負荷域では点火構造体の突出部材３の温度を十分に高めて着火性を向上させたいから、燃料噴射弁２６′、ノズル２７′から噴射される燃料の噴流を突出部材３に直接噴き付けない様にする必要があり、その為には燃料噴射弁２６′の噴射時期を制御し、吸気弁５が閉じている間に燃料を吸気通路６内に噴射する様にすれば良い。尚、以上までの本発明においては低負荷域では突出部材３（１５）の冷却を停止したが、この領域でも噴流を噴き付けて冷却する様にしても点火部が燃焼室中心に位置する為、急速燃焼が可能である大きな利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による点火構造体を備えた内燃機関の図。
【図２】本発明による内燃機関の各種実施例を示す図。
【図３】本発明による内燃機関の各種実施例を示す図。
【図４】本発明による点火構造体を備えた内燃機関の図。
【図５】本発明による点火構造体を備えた内燃機関の図。
【図６】従来の点火構造体、例えば点火プラグを示す図。
【符号の説明】１，１８は燃焼室、２，１４・は点火構造体、３・１５は突出部材、４はピストン、５は吸気弁、６は吸気通路、７は排気弁、８は排気通路、９は絞り弁、１０はアクチュエーター、１１は燃料噴射弁、１２は水噴射弁、１３は電子制御ユニット、１４′は副燃焼室、１５′は噴口、１６は点火プラグ、１７は燃料噴射弁、１９は熱交換器、２０は膨張機、２１は圧縮機、２２はクランク軸、２３はカム軸、２４は排出弁、２５はサージタンク、２６は空気噴射弁、２７はノズル、２８は冷却器、２９はリード弁、３０はリード弁、３１は圧力センサー、３２は電磁式遮断弁、３３は電磁式遮断弁、ａは水タンク、ｂはフィードポンプ、ｃは調圧装置、ｄはコモンレール、３′は突出部材、２６′は燃料噴射弁、２７′はノズルである。
【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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