(57)【要約】【課題】点火プラグの様な点火構造体の電極の様な突出部材の先端部にある点火部を燃焼室中心、又はできる限り中心に近づけて配置すること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、熱効率の向上を図ること。かつ、燃焼室壁面から長く突出した前記突出部材に燃料としての液化天然ガス又は液化水素の気化した極低温の燃料ガスを噴き付けて冷却し、過早点火を未然に防ぐこと。【解決手段】燃焼壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材３を有し、その先端部に燃焼室内混合気に点火する点火部を有する点火構造体２を内燃機関に備える。燃料としての液化天然ガス又は液化水素の気化した極低温の燃料ガスを前記点火構造体の突出部材３に向けて噴き付け、冷却する様にする。【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、燃料として液化天然ガス又は液化水素を燃料タンクに貯蔵しておき、前記燃料の気化した低温の燃料ガスを前記点火構造体の突出部材に向けて噴き付け、冷却する様にした内燃機関。
【請求項２】
燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する事によって突出部材に噴き付ける噴射期間を制御し、以って突出部材の温度を制御する様にした請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は点火プラグなどの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液化天然ガス又は液化水素の気化した極低温の燃料ガスを噴き付けて冷却する様にしたものに関する。
【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４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）火炎伝播距離は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、特に希薄燃焼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が期待できる。しかしながらこの様な構成は長く突出した突出部材、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、異常高温となり、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り長く突出した点火構造体の突出部材に燃料としての液化天然ガス又は液化水素の気化した極低温の燃料ガス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。
【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、その先端部に混合気に点火する点火部を有する点火構造体を内燃機関に備える。燃料として液化天然ガス又は液化水素を燃料タンクに貯蔵しておき、前記燃料の気化した低温の燃料ガスを点火構造体の突出部材に向けて噴き付け、冷却する様に構成した。
【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する点火構造体の突出部材は（中）高負荷域では燃料としての液化天然ガス又は液化水素の気化した極低温の燃料ガスが噴き付けられるから、過度に高温となる事は回避され、過早点火の恐れはない。
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、希薄混合気による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も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、冷却損失は少ない（従って、始動性は良好である）。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す事ができ、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しいものとなる。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燃焼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（この領域では極低温の燃料ガスによる冷却は停止される）、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、液化天然ガス又は液化水素を燃料とし、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。これらの液化燃料をエンジンに供給する方法としては自然吸入法と強制供給法とがあり、前者は基本的には断熱燃料タンクに外部から侵入する熱によりタンク内部に発生した蒸気圧力により燃料を送り込む方式で小型車向きであり、後者はフィードポンプにより強制的に燃料を送り込む方式で、極低温の液化燃料の燃料タンクには蒸発損失がある為、この損失割合が少ない長距離走行用大型車向きであり、本発明では後者の方法を用いて説明する。上記液化燃料は燃料タンクａ（断熱真空二重構造）に貯えられており、フィードポンプｂによって蒸発器ｄへ送り込まれ（蒸発器ｄではエンジン冷却水により熱交換されて気化する）、ここで気化した燃料ガスはサージタンクｅに導入され、更に燃圧調整装置ｆにより規定の圧力に調整（減圧）されてサージタンクｇに送り込まれ、噴射弁１１を介してエンジンに供給される。フィードポンプｂはエンジン負荷、回転速度に応じて回転制御されるモーターｃにより駆動される。
Ｓ１、Ｓ２は圧力センサー、Ｓ３は温度センサーである。尚、自動車用とは異なり負荷の変動が少ない定置用発電機等向けの内燃機関では燃料供給の急変は考えなくても良いから、高圧用としてのサージタンクｅは省略することができる。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、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、ノックセンサー、Ｏ２センサー、圧力センサーＳ１、Ｓ２、温度センサーＳ３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、フィードポンプｂを駆動するモーターｃ、燃圧調整装置ｆ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、絞弁９の開度を制御する為の制御ルーチン、フィードポンプｂの流量を制御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、燃料の噴射制御、点火時期制御、絞り弁の開度制御、フィードポンプの流量制御等を実行する。
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、図１は吸気弁５、排気弁７を有する（共にカムで駆動される）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により、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（完全に中心に配置でき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、圧縮比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・圧力上昇が著しく、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位まで短縮され、急速燃焼が達成される（従来は燃焼期間はクランク角で４０°〜６０°あったが、これを２０°位に短縮される）。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が、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事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、即ち膨張行程で引き起す事ができる）。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、希薄混合気による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、両者の相乗効果により冷却損失の減少、比熱比の増大、ポンプ損失の減少が得られ、著しい熱効率向上が見込まれる。
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な混合気による希薄燃焼（しかもも急速燃焼）が可能となるから、熱効率の向上幅は著しいものになる。
次に上記の様に本発明では突出部材３が高温となり、（中）高負荷域では限界を越えて過早点火の原因となるから、液化天然ガス又は液化水素から生ずる低温の燃料ガス（例えば−５０℃）を直接噴き付けて冷却する様にしている。即ち、図１（イ）の如く（シリンダーヘッドを上方から見た図１（ロ）も参照）サージタンクｇ内の極低温の燃料ガス（液化天然ガスの沸点は−１６２℃、液化水素の沸点は−２５３℃）を燃料噴射弁１１から噴射し、ノズル１２によって吸気弁５が開いている間にその間隙を介して点火構造体２の突出部材３に直接噴き付ける構成とするのである。この時、極低温の燃料ガスは点火構造体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配置する事が重要であり、特に各々の先端がほど良く冷却される様に配慮する―図では極低温の燃料ガスは主として接地電極に噴き付けられるが、これは突出部材３の構造を判り易くする為に描いた図であり、実際はこれを９０°回転させた位置に配置するのである。燃料噴射弁１１については図２（ロ）の様に燃焼室に直接臨む如く取り付けても良いが、図示の如く吸気通路６内を通るノズル１２を介して吸気弁５が開いている間にその間隙を介して突出部材３に噴き付ける構成とすれば、従来のディーゼル機関のシリンダーヘッドをそのまま流用できるのでコスト上の利点がある（点火構造体２は従来のディーゼル機関の燃料噴射弁が配置されていた位置である）。
以上によりノズル１２から噴射される極低温の燃料ガスにより突出部材３が冷却されるから、（中）高負荷域でも突出部材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とはならない。この場合、突出部材３の先端部（先端チップ）が７００℃を越えない様に制御すれば、この部分の高温酸化作用による劣化が進行しないのみならず、先端チップを高融点のタングステン（融点３３８０℃）にして火花消耗をなくし超長寿命化を図る事ができる。これは長距離トラックなどにおいてはメインテナンス上、重要である。
突出部材３の自己清浄化温度は通常は５００℃以上とされているので、この部分のカーボンなどの汚損の恐れはない（燃料は気化した気体状であるから、元来カーボン汚損の心配はない―水素燃料の場合は全く心配ない）。エンジン低負荷域では突出部材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したいから、低温の燃料ガスによる冷却を停止するが、その為には吸気弁５が閉じている間に全燃料が噴射される様に燃料噴射弁１１の噴射時期（噴射開始時期）を設定するのが良い（こうすると極低温の燃料ガスが突出部材３に直接噴き付けられなくなる）。従って、燃料噴射時期を制御し、吸気弁５が開いている間に突出部材３に極低温の燃料ガスが直接噴き付けられる期間が長いほど良く冷却され、高負荷域では噴射燃料のほぼ全てが突出部材３に噴き付けられる様にして過早点火の原因を取り除く（中負荷域では極低温の燃料ガスが全量噴き付けられる場合もあるし、限定的に噴き付けた方が良い場合もある）。低負荷域からの負荷の増大に従って極低温の燃料ガスを噴き付け始めると突出部材３の温度は低下するが、急激に低下させる事は避けた方が良いから、前記の様に燃料噴射時期を制御して直接噴き付ける期間を制御するか、又は回転間隔を置いて（例えば１回置きなど）燃料を噴射する様にする。この様に燃料噴射時期を制御する事により突出部材３の温度を制御する事ができる。
尚、エンジン冷態時に吸気通路６内に極低温の燃料ガスが噴射されると空気中の水分が氷結してアイシングの心配がある場合は、可変動弁装置によりバルブオーバーラップ量を増し、吸気通路６内へ逆流する温かい既燃ガスにより防ぐ手段が考えられる。更には吸気通路６内へ吸入される空気を予め排ガスなどにより熱交換器で加熱する手段も考えられる（この手段はエンジン暖機後も希薄燃焼を進める上でも有効である）。
【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構成であるが、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）は燃料噴射弁１１を燃焼室に直接臨む様に取り付けて極低温の燃料ガスを突出部材３に噴き付けて冷却するものであるが、低負荷域でこの冷却を停止させる事はできない。これを可能にするには図２（ハ）の様にカムで駆動される小径の副吸気弁５′と吸気通路６に通ずる副吸気通路６′とを備え、副吸気弁５′の近くに燃料噴射弁１１を配置すれば良い（断面を示した図２（ニ）をも参照）。例えば副吸気弁５′の開閉時期を吸気弁５と同じタイミングとし、副吸気弁５′が閉じている間に燃料を噴射すれば、副吸気弁５′が開くと極低温の燃料ガスは点線の様に流れて突出部材３を冷却しないが、冷却を要する領域では副吸気弁５′が十分開いてから燃料噴射すると（噴射時期を変えて）、実線の様に流れて突出部材３を直接冷却する、図２（ホ）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′の先端部の点火部によって燃焼室１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、大大排気量エンジンにも適用可能となるものである。ノズル１２から噴射される極低温の燃料ガスは２方向に分岐して各々の突出部材３，３′を冷却する。
【０００８】  図１では燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出した突出部材の先端部に点火部を有する点火構造体として点火プラグを使用していたが、図３（イ）の様に副燃焼室１４′から突出して来る突出部材１５（ノズル状）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内の混合気よりは若干濃いが希薄混合気に点火プラグ１６により点火・燃焼させ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、熱効率の著しい向上が期待できる。突出部材１５はそのままでは異常高温となるが図１と同様に燃料噴射弁１１、ノズル１２を介して噴射される極低温の燃料ガスによって冷却されるから、過早点火は生じない。図３（ロ）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回の膨張過程が得られる事は従来と同じである。
点火構造体として図では点火プラグを使用しており、突出部３に燃料噴射弁１８から噴射される極低温の燃料ガスが噴き付けられ、冷却される様になっている。突出部材３は燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出していて受熱面積が大であり、アイドルを含む低負荷域で突出部材３への極低温の燃料ガスの噴き付けを停止させれば、この領域では突出部材は高温に保たれ、着火性は良好である。従って、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より一層向上し、更には短時間に数個スパークさせる多重点火を併用すれば極低負荷域でも確実に点火・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を解消する事ができる。又、掃気通路から流入させる給気を排ガスなどにより予め熱交換器を用いて加熱する手段も実施すると一段と効果的である。低負荷域で突出部材３への極低温燃料ガスの噴き付け・冷却を停止するには例えば図３（ハ）の如く燃料噴射弁１８をシリンダー壁面に開口する如く備え、アクチュエーター２０により制御部材１９を駆動し、極低温の燃料ガスの流れをこれに当てて方向を変える様にすれば良い（制御部材１９を引っ込めると破線の如く突出部材３の冷却が開始される）。
別の方法として突出部材３を指向する燃料噴射弁と指向しない燃料噴射弁とを備え、これらを負荷に応じて使い分ければ低負荷域での突出部材３の冷却を停止する事ができる。図３（ニ）は超ロングストロークにより冷却損失の大幅低減が可能な対向ピストン２サイクル機関に本発明を適用したもので（Ａ−Ａ′断面を示した図３（ホ）も参照）、一対のピストンは互いに反対方向へ移動し、ピストン頂面間に燃焼室２１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に流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室圧縮式であるが、ルーツブロワ、遠心ブロワを使っても良い。
アイドルを含む低負荷域では図３（ロ）と同様に極低温の燃料ガスは噴射されるが突出部材３に直接噴き付けられる事は停止され（その手段としては例えば図３（ハ）で説明した）、これにより突出部材３は高温に保たれ、着火性が向上する事等は同じ２サイクル機関である図３（ロ）と同様である。
（中）高負荷域では燃料噴射弁１８から噴射される極低温の燃料ガスにより各々の点火構造体の突出部材３（燃焼室壁面から１０ｍｍ以上突出）が冷却されるから過早点火は起らない。図４（ヘ）は、図４（イ）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する点火構造体を示している。
突出部材１５の上部にある噴口１５′はここから侵入した燃料ガス（ノズル１２から噴射された燃料ガス）が傾斜面１５″に当って方向を変え、点火プラグ１６の火花ギャップ周辺を掃気して着火性を向上させるが、その後は火炎が噴出して混合気に点火する役割も果す。突出部材１５の先端部は点火部であり、１個でも良いが複数個の噴口を有する事が望ましい。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）の冷却を停止していたが、この領域でも低温の燃料ガスを噴き付けて冷却し続け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依然として有している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による点火構造体を備えた内燃機関を示す図である。
【図２】本発明による内燃機関の各種実施例を示す図である。
【図３】本発明による内燃機関の各種実施例の図である。
【図４】従来の点火構造体（点火プラグ）を示す図。
【符号の説明】１・２１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・１７・１８は燃料噴射弁、１２はノズル、１３は電子制御ユニット、１４′は副燃焼室、１６は点火プラグ、１９は制御部材、２０はアクチュエーター、ａは燃料タンク、ｂはフィードポンプ、ｃはモーター、ｄは蒸発器、ｅはサージタンク、ｆは燃圧調整装置、ｇはサージタンク、Ｓ１・Ｓ２は圧力センサー、Ｓ３は温度センサー、５′は副吸気弁、６′は副吸気通路、１５′は噴口、１５″は傾斜面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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