(57)【要約】【課題】空気を作動流体としない事によってＮＯｘの発生を根源から断ち切ることであり、熱効率改善の為に圧縮に対し膨張比を大としても出力の低下を招かない様にすることである。更にはポンプ損失や摩擦損失を減らし、最高燃焼温度を下げて冷却損失を減らし、以って熱効率の大幅改善を図る事を目的とする。【解決手段】作動流体の吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を有し、シリンダーヘッドに既燃ガスの流通及び遮断を司どるポペット弁を備えた４サイクル内燃機関において、酸素供給容器１５を備え、この酸素供給容器１５からの酸素を噴射する酸素噴射弁３８と燃料を噴射する燃料噴射弁３７とを備え、更にシリンダー内からポペット弁２１を介して排出された既燃ガスを冷却する冷却器２９を備えてこの冷却器２９により冷却された既燃ガスをポペット弁２５を介してシリンダー内に導入する様にし、機関の運転状態に応じてポペット弁２５の閉弁時期を可変動弁装置４により変化させて実圧縮比を可変化する様に構成する。【選択図】図１
2009133296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を有し、シリンダーヘッドに既燃ガスの流通及び遮断を司どるポペット弁を備えた４サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、前記酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、更にシリンダー内からポペット弁を介して排出された既燃ガスを冷却する冷却器を備えてこの冷却器により冷却された既燃ガスをポペット弁を介してシリンダー内に導入する様にし、機関の運転状態に応じてポペット弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化した事を特徴とする酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【請求項２】
酸素を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体中に燃料を噴射して着火・燃焼させるディーゼル機関である請求項１記載の酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【請求項３】
酸素及び燃料を含む燃焼室内の圧縮された高温の気体に点火プラグにより点火して燃焼させる火花点火式内燃機関である請求項１記載の酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【請求項４】
制御弁により冷却器をバイパスする既燃ガスの流通量を制御し、以ってシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度を制御する様にした請求項１ないし３のいずれかに記載の酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【請求項５】
空気導入弁を介してシリンダー内に空気を導入する様にした請求項１ないし４のいずれかに記載の酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【請求項６】
機関の所定の運転領域において予混合圧縮着火燃焼を行なわせる様にした請求項１ないし５のいずれかに記載の酸素噴射式４サイクル内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  本発明は空気を吸入する代りに酸素供給容器からの酸素をシリンダー内に噴射する酸素噴射式４サイクル内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】  一般に４サイクル内燃機関では空気を作動流体として使っている為、ＮＯｘの発生は避けられず、大気汚染の元凶となっていた。
又、４サイクルディーゼル機関では圧縮比が高い事による摩擦損失が大であり、最高燃焼温度が高い事による冷却損失も大で、これらの理由により熱効率の改善が困難であった。一方、４サイクル火花点火式内燃機関でも最高燃焼温度が高い事による冷却損失が大であり、シリンダー内に吸入される空気を絞って出力を制御する事によるポンプ損失が大で、これらの理由により熱効率の改善が困難であった。更には前記４サイクルディーゼル機関及び４サイクル火花点火式機関では圧縮比に対して膨張比を大として高膨張比化すると、有効吸入行程の減少により出力低下となり、この為、熱効率の改善が困難であった。
【発明が解決しようとする問題点】
【０００３】  本発明の目的は空気を作動流体としない事によってＮＯｘの発生を根源から断ち切る事であり、熱効率の改善の為に圧縮比に対し膨張比を大として高膨張比化しても、出力の低下を招かない様にすることである。更にはポンプ損失や摩擦損失を減らし、最高燃焼温度を下げて冷却損失を減らし、以って熱効率の大幅改善を図ることである。
【問題点を解決する為の手段】
【０００４】  本発明は上記目的を達成する為、作動流体の吸気・圧縮・膨張・排気の各行程を有し、シリンダーヘッドに既燃ガスの流通及び遮断を司どるポペット弁を備えた４サイクル内燃機関において、酸素供給容器を備え、前記酸素供給容器からの酸素を噴射する酸素噴射弁と燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、更にシリンダー内からポペット弁を介して排出された既燃ガスを冷却する冷却器を備えてこの冷却器により冷却された既燃ガスをポペット弁を介してシリンダー内に導入する様にし、機関の運転状態に応じてポペット弁の閉弁時期を可変動弁装置により変化させて実圧縮比を可変化する様に構成した。
【実施例】
【０００５】  図１（イ）は本発明による酸素噴射式４サイクル内燃機関の一実施例で（ここではディーゼル機関とする）、１はその本体を示し、通常は多気筒機関であり、その一断面を図１（ロ）に、図１（ロ）を上方から見て図１（ハ）にポペット弁２１、２５、燃料噴射弁３７、酸素噴射弁３８等のレイアウトを示す。酸素供給容器１５（例えば３５０気圧程度に圧縮された酸素が充填された酸素ボンベから成る）からの酸素はプレッシャーレギュレーター１６によって一定圧力に調整された後にサージタンク１７に到り、更に酸素噴射弁３８からシリンダー内へ噴射される。この場合、酸素噴射弁３８は吸入通路３２に配置しても良い。
サージタンク１７には圧力センサー１８が取り付けられ、酸素噴射弁３８へ供給する酸素圧力を検出する手段として用いられる。シリンダーヘッドには燃料を噴射する燃料噴射弁３７が備えられ、更に作動流体（既燃ガス、酸素など）の流通及び遮断を司どるポペット弁２１、２５が備えられている。ポペット弁２１は排気用、ポペット弁２５は吸気用で、各々２個づつ備えられている。この場合、ポペット弁２１、２５は大部分がピストン１９に形成された燃焼室２０の範囲内に収まる様にしてピストン１９との干渉を回避するバルブリセス部を小さくする様に工夫する（図１（ニ）の様にポペット弁２１′、２５′が１個づつの場合は燃焼室２０′は楕円形とするのが良い）。３８は酸素噴射弁で、シリンダー内に酸素を噴射する。ポペット弁２１はカム軸２２に形成されたカム２３により駆動され、ポペット弁２５は同じくカム軸２２に形成された図示しないカムによりロッカーアーム２４を介して駆動される。燃料噴射弁３７を含む燃料噴射装置としては例えばコモンレール方式（蓄圧室方式）を用いる事ができる。
排気行程（ピストン１９は上昇）ではポペット弁２１は開いており、シリンダー内の既燃ガスはポペット弁２１、排出通路２６（各気筒毎に備えられる）を介してサージタンク３１の方へ流れ、少量の部分が放出通路２８の方に流れる様になっている（大気中に放出）。続く吸気行程（ピストン１９は下降）ではポペット弁２１は閉じ、ポペット弁２５が開いて連絡通路３０を介してサージタンク３１に導入された既燃ガスが吸入通路３２（各気筒毎に備えられる）、ポペット弁２５を介してシリンダー内に吸入され、圧縮行程（ピストン１９は上昇）ではポペット弁２１、２５は閉じ、シリンダー内に閉じ込められた既燃ガスがピストン１９によって圧縮され、更に圧縮行程中の適当な時期に酸素噴射弁３８から酸素が噴射され（酸素噴射弁３８を吸入通路３２に備える場合は吸気行程中に酸素を噴射する）、上死点又はその付近の適当なクランク角度で酸素を含む燃焼室２０内の圧縮された高温の気体中に燃料噴射弁３７から燃料を噴射して着火・燃焼を行なわせる様にしている。この後、膨張行程に移り、ピストン１９は下降により燃焼室２０内の高温・高圧の燃焼ガスが膨張し、かくしてクランク軸２回転毎に１回の膨張仕事が得られる。冷却器２９は排出通路２６、サージタンク２７からの既燃ガスが通る多数のパイプを有し、その周囲をクーラントが取り囲む構造で、この既燃ガスをクーラントとの熱交換により冷却して吸入通路３２の方へ送る為のもので（クーラントや吸収した熱は最終的にラジエターから大気中に放出される）、冷却器２９をバイパスするバイパス通路３６及び制御弁３３（冷却器２９の入口部３０′に備えられている）、３４が備えられ、制御弁３３、３４の開度を各々調整する事によって吸入通路３２、ポペット弁２５を介してシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度を制御する様にしている。
即ち、制御弁３３、３４はリンク機構等により互いに連動し合い（カムを介して連動させても良い）、制御弁３３の開度を大とし、制御弁３４の開度を小とする程、ポペット弁２５を介してシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度は低下する、制御弁３３、３４は後述する様にエンジン負荷、回転速度、冷却水温度等によってその開度が最適制御されるが、これは制御弁３４を駆動する電動アクチュエーター３５（モーター）によって為され、電子制御ユニット１４（以後ＥＣＵ１４）は予め与えられた所定の特性に基づいて制御弁３４の開度を演算し、電動アクチュエーター３５の回転角を制御する、尚、冷却器２９により冷却されると言ってもポペット弁２５を介してシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度は空気を吸入する場合に比し十分に高いから、低圧縮比化は可能であり、従って前記シリンダー内に吸入される既燃ガスの温度を制御する制御弁３３、３４、バイパス通路３６は必要不可欠なものではない、制御弁３４、３３については図１（ホ）の如く１つの制御弁３９により同じ効果をもたらす事ができる（構造簡単）、４は可変動弁装置としての、開弁期間は変えずにポペット弁２１、２５の開閉時期を変化させる公知のバルブタイミング可変装置を示し、ハウジング６とローター７とから成り、ハウジング６はプーリー５（又はスプロケット）とボルトにより結合、一体化され、ローター７はカム軸２２とボルトにより結合、一体化されており、プーリー５はクランク軸２によりベルト３（又はチェーン）を介して回転比１／２に減速して駆動される。ハウジング６及びローター７により進角室８と遅角室９とが形成され、油圧制御弁１０からの作動油が供給される。
油圧制御弁１０は図示しない油圧ポンプから油圧が供給され、後述するＥＣＵ１４からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャー１１と、スプール弁１２とバネ１３とを有しており、バネ１３の反発力とプランジャー１１の押圧力とが均衡する位置でスプール弁１２が位置決めされる様になっている。ＥＣＵ１４には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からの信号、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からの信号が入力される。ＥＣＵ１４はカム角センサーから出力される回転角パルスとクランク角センサーから出力されるクランク角パルスとの間の出力位相差に基づきカム位相角を検出する事ができる。ＥＣＵ１４はローター７の、即ちカム軸２２のクランク軸２に対する位相角が目標値となる様に油圧制御弁１０に制御信号を出力する。ＥＣＵ１４は検出したカム位相角をフィードバック信号として取り込み、その制御上の目標位相角との間の偏差に応じて油圧制御弁１０の駆動デューティ比率をフィードバック制御する。油圧制御弁１０はＥＣＵ１４から指示されるデューティ比率に応じて電磁ソレノイドを駆動して進角室８、遅角室９に対する油圧の給排を調整し、カム軸２２を目標位相角まで進角又は遅角、或いは中立に保持する（任意のカム位相角に固定）。
ＥＣＵ１４はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポート、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、これらは双方向性バスによって相互に接続されている。ＥＣＵ１４にはエンジンの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、エンジン冷却水温を検出する水温センサー、大気圧センサー、サージタンク１７内の酸素圧力を検出する圧力センサー１８、排ガス中に酸素濃度を検出するＯ２センサー、ノックセンサー等からの各出力信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。尚、エンジン回転速度は前記クランク角センサーからの信号により知る事ができる。又、出力ポートは燃料噴射弁３７、酸素噴射弁３８、プレッシャーレギュレーター１６、油圧制御弁１０、電動アクチュエーター３５（４０）等に各々に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３７、酸素噴射弁３８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（図７の場合は点火プラグ５３への通電時間を制御する為の制御ルーチンも）やそれらに用いられる制御値を含むマップが記憶されている。ＲＡＭには上記センサーからの出力信号やＣＰＵの演算結果が記憶されている。ＲＡＭに記憶されている各々の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毎に最新のデータに書き換えられる。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、燃料や酸素の噴射制御（図７の場合は点火時期制御も）等を実行する。【０００６】  図２はポペット弁２５、２１の開閉時期変化を示す図で（クランク角で示してある）、ポペット弁２５は吸気用、ポペット弁２１は排気用であり、４サイクル機関であるから各々クランク軸２回転に１回の開閉動作を繰り返し、同一のバルブタイミング可変装置４により駆動されるから、位相変化は各々同一である。エンジンアイドル状態では図２（イ）の如くポペット弁２５（吸気用）は上死点前１０℃Ａで開、下死点後６２℃Ａで閉として実圧縮比（ポペット２５の閉時での圧縮比）を１６程度とし、他方ポペット弁２１（排気用）は下死点前６２℃Ａで開、上死点前１０℃Ａで閉として実膨張比（ポペット弁２１の開時での膨張比）を１６程度とする。一方、制御弁３４は全開又はほぼ全開、制御弁３３は全閉又は若干開く様に電動アクチュエーター３５により制御されている。従って、シリンダー内から排出された排ガスは全部又は殆どバイパス通路３６を通って（冷却器２９を全く又は殆ど通らず）吸入通路３２の方へ送られるから、高温に保たれたままポペット弁２５を介して導入され、かつポペット弁２５の閉弁時において多量にシリンダー内に閉じ込められるから、圧縮端温度（圧縮上死点における燃焼室２０内のガス温度）は低圧縮比ながら十分に高まり、燃料噴射弁３７から噴射された燃料を良好に着火・燃焼させる事ができる。エンジン低負荷域では燃料噴射量も多くなって排ガス温度が高まり、制御弁３４の開度は小さく、制御弁３３の開度が���となる様に制御されるから、吸入通路３２の方へ送られる排ガスは高温ではあるが、冷却器２９により冷却されて適温に保たれ、従って図２（ロ）の如くポペット弁２５の閉弁時期を遅らせて実圧縮比を１４程度としても（この時、ポペット弁２１の開弁時期も遅角し、実膨張比は１７．６位となる）低圧縮比ながら圧縮端温度は十分に高く、噴射された燃料を良好に着火・燃焼させる事ができる。
実圧縮比に対し実膨張比の方が高い為、熱効率の向上が期待できる。エンジン中・高負荷域では燃料噴射量が更に増して排ガスも一層高温となるが、制御弁３４は全閉（又はほぼ全閉）、制御弁３３は全開（又はほぼ全開）となる様に制御されるので、冷却器２９により十分に冷却され、高温ではあるが、適温に保たれて吸入通路３２の方へ送られる。この為、図２（ハ）の如くポペット弁２５の閉弁時期を遅らせて実圧縮比を１２程度としても（この時、ポペット弁２１の開弁時期も遅角し、実膨張比は１８．７位になる――これは冷却器２９の入口部の排ガス温度低下につながる）低圧縮比ながら圧縮端温度は十分に高く、噴射された燃料を良好に着火・燃焼させる事ができる。実圧縮比に対し実膨張比が１８．７位と高い為、熱効率向上幅が大となる。従来では実圧縮比に対し実膨張比を大とすると有効吸入行程減少の為に出力低下となるが、本発明では酸素噴射弁３８から噴射される酸素量を増量し、それに見合った燃料を噴射すれば良いので、出力低下はない。本発明ではポペット弁２５の閉時でシリンダー内に多量の既燃ガスが閉じ込められ、従来の様に吸入行程で冷たい空気を吸入する事もないので、低圧縮比ながら圧縮端温度は十分に高まり、エンジンアイドル状態でも低負荷域でも良好な燃焼を行なわせる事ができる。
燃料の燃焼に必要なものは酸素だけであるから、その必要分を――多少過剰気味とするが――噴射すれば良い。エンジン冷態時ではポペット弁２５の開閉時期を図２（イ）の状態としても良いが、図２（ニ）の如く進めて（早めて）実圧縮比を１８程度（この時、実膨張比は１３．２位となる――これは排ガス温度上昇につながる）とすると、それだけ排ガス温度や圧縮端温度が高まり、エンジン暖機運転期間が短縮する（排ガス浄化用触媒コンバーター付のものではそれだけ早く活性化温度に達する）。エンジン冷態時でも負荷が増大すれば、ポペット弁２５の開閉時期を遅らせて実圧縮比を下げる様に制御する事は言うまでもない。尚、図２において実圧縮比を可変化する為に、ポペット弁２５（吸気用）の下死点後の閉弁時期を変化させていたが、下死点前の閉弁時期を変化させても良く、同じ効果が得られる。
例えば図２（イ）においてはポペット弁２５の閉弁時期を下死点後６２℃Ａとして、実圧縮比を１６としていたが、図３の如く下死点前６２℃Ａとしても同じ実圧縮比１６が得られれる。図２（ロ）、（ハ）、（ニ）の場合も同様である。これは図１（イ）のバルブタイミング可変装置４では困難であるが、後に述べる立体カムを用いてこれを軸方向にスライドさせたり、図５の電磁式可変動弁装置を用いれば容易に実施できる。この方式によればポペット弁２５の開弁時期をも自由に設定できる（例えば開弁時期をほぼ一定とするる）利点がある。ポペット弁２１（排気用）についても同様とする事ができる。【０００７】  次に図４において本発明における各種実施例について説明する。先ず図４（１）はピストンを断熱構造としたもので、燃焼室２０の壁面４１をセラミックなどの熱伝導率の低い部材で形成し、空気層４２を介してピストン本体に接続させたもので、この構造により冷却損失が減少して熱効率が向上する。シリンダーヘッド側もポペット弁２１，２５をセラミックなどの熱伝導率の低い部材で作って断熱構造とする事が望ましい。但し、シリンダー内壁面は潤滑の為に断熱構造とはしない。この様な断熱構造とすると、従来ではシリンダー内充填空気量が減少して出力低下となるが、本発明では酸素噴射弁３８により強制的に必要量の酸素を噴射するので、出力低下はない。図４（ロ）はポペット弁２５（既燃ガスを吸入する図１と同じもの）とは別系統で空気をシリンダー内に吸入する空気導入弁４３を備えたもので、所定量（少量とする）の空気をシリンダー内に導入する事により酸素供給容器１５の小型化を図ったものである。４４はエァフローメーターで、エンジン回転速度によりシリンダー内に導入される空気量（酸素量）が知れるから、この分を差し引いて酸素噴射弁３８は酸素を噴射する。
図４（ハ）、（ニ）はポペット弁２５（吸気用）の役割をポペット弁２１（排気用）に持たせたものに相当する実施例を示し（図４（ハ）は図４（ニ）を上方から見てポペット弁４５、燃料噴射弁３７、酸素噴射弁３８等のレイアウトを示す図である）、ポペット弁４５は下死点前の所定のクランク角度で開いて既燃ガスを排出し、下死点から上死点に到る排気行程でも、更にはこの上死点から下死点へ到る吸気行程でも開き続け、下死点後の所定のクランク角度で閉じる様になっている（但し、上死点付近ではピストンとの干渉を避ける為、ポペット弁４５のリフト量は小さい――上死点付近でポペット弁４５を一旦閉じても良い）。ガス流通路２６′、２６″は図１の排出通路２６に相当し、各気筒毎に設けられ、冷却器２９′も各気筒毎に設けられている。
従ってシリンダー内から排出された排ガスはガス流通路２６′を通って冷却器２９′に到り、ここで冷却された後にガス流通路２６″を通ってサージタンク２７′（各気筒に共通）に到るが、この排ガスは吸気行程中の気筒があればその気筒のガス流通路２６″、冷却器２９′、ガス流通路２６′を通ってその気筒のシリンダー内に十分に冷却されて吸入される事になる。
燃料噴射弁３７からの燃料噴射及び酸素噴射弁３８からの酸素噴射は図１と同様に行なわれる。冷却器２９′により冷却されてシリンダー内に吸入されると言っても、冷たい空気を吸入するよりは温度が高いから、低圧縮比ながら良好な燃焼が得られる。図４（ニ）の場合、図４（ホ）の様にガス流通路２６′と２６″とをバイパスするバイパス通路３６′を設け、制御弁３９′（各気筒毎に設ける）により冷却器２９′を通る排ガス量とバイパス通路３６′を通る排ガス量とを調整すれば、エンジン負荷に応じてシリンダー内に吸入されるガス温度を制御できるから、図４（ニ）よりは一層良好な燃焼を得る事ができる。尚、図４（ハ）、（ニ）、（ホ）に示す実施例では図４（ロ）と同様に空気導入弁４３を備えて、酸素供給容器１５の小型化を図っても良い。【０００８】  ところで本発明ではポペット弁２１，２５，（４５）の開弁時期や閉弁時期を変化させて実圧縮比や実膨張比を可変化しているが、図１に示したものの他に多くの公知の可変動弁装置を用いる事ができる。例えば特開平８−１７７４３４号公報にはヘリカルスプラインを軸方向に移動させてカム位相角を変えるものが開示され、電磁式又は電動式にカム位相角を変えるものが特開２００１−１６４９５１号公報、特開２００３−２７８５１４号公報、特開２００７−１００６８１号公報に開示されている。これらはいずれも図１と同様に開弁期間は変えずにポペット弁２１，２５，（４５）の開閉時期を変えるものである。更には立体カム（通常の平面カムを多段に並べたものも含む）を用い、これを油圧式又は電磁式アクチュエーターによりＥＣＵ１４からの制御信号によって軸方向にスライドさせ、位置制御する方法も考えられる（公知の技術である）。図５は電磁式可変動弁装置を示すもので、ハウジング４６にはリング状に形成された電磁石４８，４９がポペット弁２５（２１）の弁軸と一体となったプランジャー４７を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石４８，４９の各々の中空部にはバネ５０，５１がプランジャー４７を挟む様に取り付けられ、この為、ポペット弁２５（２１）はバネ５０，５１の力の釣り合いにより弁リフトの中間位置に静止する、電磁石４８が磁励されるとプランジャー４７が上方へ引き付けられ、ポペット弁２５（２１）は閉弁し、電磁石４９が磁励されるとプランジャー４７が下方へ引き付けられ、開弁する。ドライバー５２はポペット弁２５（２１）の開閉時期を指定するＥＣＵ１４からの制御信号に応じて電磁石４８，４９に交互に励磁電流を供給する。これによりポペット弁２５（２１）はＥＣＵ１４が指示した時期に開閉駆動される。これによるとポペット弁２１，２５の開弁時期や閉弁時期を互いに独立的に設定できるから、自由度が増す。例えば、実膨張比を同一としたまま実圧縮比のみを変えるなどである。何よりも応答遅れがないのが大きな特長である。【０００７】  次に本発明ではポペット弁２１の開弁時期を固定したままポペット弁２５の閉弁時期を変え、即ち実膨張比を固定したまま実圧縮比のみを可変化しても良く、これは既に述べた立体カムを用いたり、図５の電磁式可動弁装置を用いる事により可能である。しかしながら本発明ではポペット弁２１，２５の開弁時期や閉��時期を互いに独立的に設定する事がより望ましい（図１ではポペット弁２５の閉弁時期により実圧縮比を設定すると、ポペット弁２１の開弁時期が一義的に定まり、実膨張比も一義的に定まる）。
これも立体カムや図５の電磁式可変動弁装置により可能となるが、バルブタイミング可変装置（例えば図１のもの）を用いた実施例を図６に示す。即ち図６において図１のポペット弁２１はカム軸２２Ａで、駆動され、図１のポペット弁２５はカム軸２２Ｂで、駆動され、ポペット弁２１，２５はバルブタイミング可変装置４Ａ，４Ｂにより各々の開閉時期を互いに独立的に設定できる様に構成され、これにより実圧縮比、実膨張比を互いに独立的に設定する事ができ、自由度が増す。例えば実膨張比を固定したまま実圧縮比のみを変える、図２（イ）で実膨張比を１７にするなどである。１０Ａ，１０Ｂは各々のバルブタイミング可変装置４Ａ，４Ｂに油圧を供給する油圧制御弁で、ＥＣＵ１４からの制御信号により駆動される。【００１０】  本発明は酸素噴射式４サイクル内燃機関であり、図１ではディーゼル機関として説明したが、次に図７において火花点火機関としての説明をする。即ち、図７（イ）の１断面を図７（ロ）に、図７（ロ）を上方から見て図７（ハ）にポペット弁２１，２５，燃料噴射弁３７，酸素噴射弁３８，点火プラグ５３などのレイアウトを示す。図７（イ）は図１（イ）と同一、図７（ロ）は図１（ロ）と同一で、図７と図１との違いは点火プラグ５３の有無である（細かく言えば燃料噴射弁３７の噴射時期（圧縮上死点よりかなり早い時期に噴射、更には吸気行程中に噴射など）や取り付け位置（吸入通路３２に取り付けても良い）、燃焼室２０の形状などに違いはあるが）。本発明ではポペット弁２５が閉弁した時点でシリンダー内に多量の既燃ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められる為、図７ではエンジンアイドル状態を含む低負荷域では点火プラグ５３による点火・燃焼が困難である。これに対処するには超希薄混合気でも点火・燃焼可能な水素を燃料とする事が考えられる（水素であれば空気過剰率１０でも点火可能である）。但し、燃焼速度が遅い為、熱効率上は問題があるので、酸素噴射弁３８から酸素をかなり過剰に噴射して燃焼を活発化させ、燃焼速度を増す様に工夫する。幸いな事に本発明ではシリンダー内から排出される排ガスは冷却器２９により十分に冷却された後にポペット弁２５を介してシリンダー内に吸入される為、排ガスの体積縮小が起り、シリンダー内から排出される排ガスの殆どをシリンダー内に再吸入する事ができる（この観点からは制御弁３３，３４，バイパス通路３６は不要である）。従って、前述の様にかなり過剰の酸素を噴射しても、その殆どをシリンダー内に再吸入して回収する事ができ、酸素消費量は殆ど増えない特長がある（これは図１でも同一であり、かなり過剰の酸素を噴射して、ＰＭの発生をなくす事ができる）。更に燃焼速度を増す手段として実圧縮比を高くする、スキッシュを強化するなどの手法がある。
図７に示す本発明では水素以外の燃料、例えばガソリンの様なものでは点火プラグ５３による点火・燃焼が困難であるから、この様な場合は燃料を早期に噴射して予め混合気として形成しておき、ピストンの上昇行程によって圧縮して圧縮（自己）着火させる予混合圧縮着火燃焼法を用いる事が望ましい（過剰の酸素を噴射する必要もなくなる）。本発明では次の理由によりこの予混合圧縮着火燃焼の領域を大幅に拡大する事ができる。即ち、本発明ではポペット弁２５の閉時に多量の高温既燃ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められること、従来の様に冷たい空気を吸入しない事によるシリンダー内ガス冷却がないこと、更には実圧縮比を自在に可変化（必要なだけ高める）できることなどから、圧縮端温度を大幅に高め、燃料の自己着火温度（ガソリンの場合では約１０００°Ｋ）に到達させる事ができる。この為、エンジンアイドル時や低負荷域ではポペット弁２５，２１の開閉時期を図２（イ）、（ロ）の如く制御して実圧縮比を高めると共に（数値そのものは異なるが）、制御弁３４を全開（又はほぼ全開）、制御弁３３を全閉（又は若干開く）として、吸入通路３２からシリンダー内へ吸入される既燃ガスを（殆ど）冷却しない様にし、圧縮端温度を十分に高められるから、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる。
燃料によってはエンジンアイドル状態では予混合圧縮着火燃焼が起らない事もあるから、この場合は図２（ニ）の如く実膨張比を低く（排ガス温度が高まり、シリンダー内に吸入される既燃ガスの温度が高まる）、実圧縮比を高くして対処する、エンジン中負荷域や高負荷域ではポペット弁２５，２１の開閉時期を図２（ハ）の如く制御して実膨張比を高め（排気ガス温度が低下してシリンダー内に吸入される既燃ガスの温度が低下する）、実圧縮比を低くするので（１０又はそれ以下、例えば７位に下げても良い――実膨張比の方は却って高まる）、圧縮端温度は適正に保たれ、従来では発生したノックを回避する事ができる。
エンジン低・中・高負荷域でも回転速度が高い程、燃料の自己着火の発現が相対的に遅れるから、ポペット弁２５，２１の開閉時期を制御して実圧縮比を高める様にする。制御弁３４はエンジン負荷の増大に従って閉じる様に制御し（制御弁３３は逆に開く様に制御）、高負荷域では全閉とする（制御弁３３は全開）。エンジンの始動及び暖機がある程度進むまでは通常の火花点火燃焼とし、暖機がある程度進んだらポペット弁２５，２１の開閉時期を図２（ニ）の如く制御して、実膨張比を下げ（排ガス温度が高まる）、実圧縮比を高めるので、圧縮端温度は十分に高められ、予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる（もちろん制御弁３４は全開、制御弁３３は全閉とする）。前述の如くエンジンの始動及びある程度進むまでは通常の火花点火燃焼とするが、この場合、かなり過剰の酸素を噴射して燃焼を活発化させる手法も講ずると良い。エンジンの暖機が完了したらポペット弁２５，２１の開閉時期は図２（イ）、（ロ）、（ハ）の状態に戻す。
この様に本発明では圧縮端温度を自在に制御できるから、予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大できるが、高負荷域ではノックの発生から限界がある。そこでこの場合は、通常の点火プラグ５３による火花点火燃焼に切り換える（この時は燃焼条件も良好なので、点火プラグによる点火・燃焼に何ら問題はない）。ＥＣＵ１４はエンジン負荷、回転速度などの運転条件により図８を参照して予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にしている。以上の予混合圧縮着火燃焼は図１の場合にも所定の運転領域において行なわせる事ができる（同様にエンジン負荷、回転速度などの運転条件により燃焼方式を切り換える）。尚、図７に示す本発明では図５，６，４で説明した各実施例を適用できる事は言うまでもない。【００１１】  ところで図７においてＥＣＵ１４はエンジン負荷、回転速度、冷却水温等のパラメーターによりバルブタイミング可変装置４が最適制御される様に油圧制御弁１０に制御信号を出力するが、エンジンの急激な過渡期においてはバルブタイミング可変装置４の制御が遅れ、即ち実圧縮比や実膨張比の制御が遅れ、予混合圧縮着火燃焼の領域において失火や燃焼未完結、更にはノックを生じる事がある。図９はこれらの不具合を未然に防ぐ為の制御ルーチンを示す。先ずステップＳ１では予混合圧縮着火燃焼を行なわせる運転領域か否かを判定する。これはエンジン負荷、回転速度等の運転状態を検出するパラメーターに基づき図８を参照して決定する。そして予混合圧縮着火燃焼を行なわせる運転領域であれば（ＹＥＳ）ステップＳ２へ進み、現在のカム軸２２のカム位相角をを検出する。続いてステップＳ３に進み、この現在のカム位相角が制御上の目標値との位相差において所定値以上に遅角しているか否かを判別する。そして所定値以上に遅角していれば（ＹＥＳ）ステップＳ４に進み、失火を含む不安定燃焼回避手段として、例えば酸素噴射弁３８からの酸素噴射量を通常より増量させてルーチンを抜ける。通常より増量させて酸素噴射を行なう事により燃料と酸素との酸化反応が活発化し、予混合圧縮着火燃焼における失火や燃焼未完結を未然に防ぐ事ができる。この他の不安定燃焼回避手段としては、制御弁３４の開度を瞬時に大とし、制御弁３３の開度を瞬時に小とする方法がある（制御弁３４，３３の全閉から全開までの作動角が小さくなる様に取り付け状態を工夫すれば――全閉状態の取り付けを排ガスの流れの方向にできる限り寝かせる様に取り付ける――瞬時にその開度を大とし、又は小とする事ができる）。こうするとシリンダー内へ吸入される既燃ガスの温度が高まるので、同様の効果がある。ステップＳ３で判定が不成立（ＮＯ）の場合はステップＳ５に進み、ステップＳ２で検出した現在のカム位相角が制御上の目標値との位相差において所定値以上に進角しているか否かを判別する。所定値以上に進角していなければ（ＮＯ）、ここでルーチンを抜ける。そして所定値以上に進角していれば（ＹＥＳ）ステップＳ６へ進み、ノック回避手段として例えば燃料噴射弁３７の燃料噴射時期を遅角させてルーチンを抜ける。圧縮行程中の燃料噴射時期を遅角すると燃料の着火時期を遅らせる事ができ、燃料室内圧力ピーク位置も遅角して圧力ピークが下がり、ノ���クの発生を回避する事ができる。この場合、燃料噴射を２回に分けて噴射しても良い。ノック回避手段としては酸素噴射弁３８の酸素噴射時期を遅角する事も考えられ（もちろん燃料の方を先に噴射する）、これにより燃料の着火時期を遅らせ、ノックを回避する事ができる。【００１２】  本発明における酸素供給容器１５には予め３５０気圧程度に圧縮した高圧酸素を充填させておくのが一般的であるが、図１０の如く酸素濃度富化装置５４により空気中の酸素を濃化して圧縮機５６により圧縮し、これを酸素供給容器１５へ送り込む様にしても良い（５〜１０気圧程度の圧力で良い）。この場合、できる限り酸素濃度を高めて窒素含有率を少なくする事が必要である。酸素濃度富化装置５４は酸素透過膜５５（例えばシリコン柔ゴム膜、ポリブタジエンなどを材質とする）を有し、圧力差を与えて酸素と窒素との溶解速度の差により酸素を多く透過させるものである。この他、合成ゼオライトに窒素を吸着させる窒素吸着法による酸素濃度富化装置も考えられる。
尚、本発明では酸素噴射弁３８の噴射時期をポペット弁２１の閉弁前とし、酸素噴射により若干のシリンダーが掃気を行っても良い。
【発明の効果】
【００１３】  本発明では空気を作動流体として使っていない為、ＮＯｘの発生は根源から断ち切られ、排出は０である。もちろん図４（ロ）の如く少量の空気を導入して酸素供給容器１５の小型化を図る場合もあるが、常に多量の内部ＥＧＲが為されている為、ＮＯｘの発生は殆ど０である。又、本発明ではポペット弁２５の閉弁時に多量の高温既燃ガスが内部ＥＧＲとして閉じ込められること、従来の様に冷たい空気を吸入しないことによるシリンダー内ガス冷却がないこと、更には実圧縮比を自在に可変化（必要なだけ高める）できることなどから、圧縮端温度を大幅に高める事ができる為、エンジンアイドル状態を含む低負荷域でも予混合圧縮着火燃焼を行なわせる事ができる（自己着火温度が高い燃料を使用する場合は、この領域でも図２（ニ）の如く実膨張比を低くし、実圧縮比を高くして、圧縮端温度を更に高める手法も可能である）。エンジン高負荷域では制御弁３４，３３を制御して冷却器２９により排ガスを十分に冷却してシリンダー内に吸入させ、かつ実圧縮比も低く制御するので（実膨張比は高くなり、これは排ガス温度の低下につながる）、ノックの発生を回避し、かくして予混合圧縮着火燃焼の運転領域を大幅に拡大する事ができる。この予混合圧縮着火燃焼法は燃焼室内の各部が一斉に燃焼を開始し、燃焼室内ガス温度勾配がない急速低温燃焼であり、超希薄混合気でも確実に燃焼させる事ができる燃焼法である。従って、スロットル弁により吸気を絞って制御する必要がないから、従来の火花点火燃焼法の様なポンプ損失がなく、かつ燃焼最高温度が低く抑える事ができるから、冷却損失が少なく、以上の理由により熱効率の大幅改善が可能である。更に従来では実圧縮比に対し実膨張比を大として高膨張比化すると、有効吸入行程の減少により出力低下となるが、本発明によれば有効吸入行程の減少に拘らず酸素噴射量とこれに見合った燃料とを増量して噴射すれば良いから、出力低下はなく、思い切り高膨張比化して熱効率を更に向上させる事ができる。加えて、従来ではピストン、シリンダーヘッドなどを断熱構造とすると吸入空気量の減少により出力低下を招くが、本発明では酸素噴射量とこれに見合った燃料を増量して噴射すれば良いから、出力低下はなく（酸素噴射量を増量して酸素濃度を増しても、多量の内部ＥＧＲによりノックは発生しない）、冷却損失の低域が可能である。又、ディーゼル機関としての本発明では多量の内部ＥＧＲにより圧縮端温度を高める事ができるから、低圧縮比化により摩擦損失を減らす事ができ、以上から熱効率の飛躍的な改善が可能である。次に本発明の大きな特長として、シリンダー内から排出される既燃ガスを冷却器２９により十分に冷却した後にシリンダー内に再吸入させるから、排ガスの体積縮小が起り、シリンダー内から排出される既燃ガスの殆どをシリンダー内に再吸入させる事ができる点が挙げられる。従って排ガス中の有害成分であるＨＣ，ＣＯ，更にはディーゼル機関ではＰＭもあるが、これらを殆ど再吸入して再燃焼させる事ができるから、大気中に放出される有害成分は殆ど０で、これらを浄化させるべき触媒コンバーターを不要とする事ができる。更にはシリンダー内から排出される排ガスを殆どシリンダー内に再吸入でき���から、過剰の酸素を噴射してもその殆どを回収する事ができ、シリンダー内酸素量を思い切り高めて酸素高過剰燃焼させても酸素消費量は増加しない。
この為、ディーゼル機関としての本発明ではＰＭの発生は燃焼過程でも殆どなく、火花点火機関としての本発明でもエンジンアイドル状態を含む低負荷域では内部ＥＧＲが為されているにも拘らず燃焼が活発化し、点火プラグによる点火・燃焼が良好に行なわれる（燃焼速度が大で、不整燃焼も発生しない）。この場合、酸素高過剰燃焼を行なわせるには、常時多量の酸素を噴射し続ける必要はなく、最初のサイクルで多量の酸素を噴射して酸素高過剰燃焼を行なわせ、次のサイクルからは燃料の燃焼に必要な分を（多少過剰気味とはするが）噴射すれば良いのである。水素は超希薄混合気でも点火プラグによる火花点火燃焼が可能であるが、燃焼速度が小さくなる欠点がある。しかし、本発明によれば前述の如く酸素高過剰燃焼させても酸素消費量が増加しない為、エンジンアイドル状態を含む低負荷域でこの酸素高過剰燃焼を行なわせる事により点火プラグによる点火・着火性が良好な燃焼速度の大きな燃焼を行なわせる事ができ（予混合圧縮着火燃焼に頼る事なく通常の火花点火燃焼により可能である）、ポンプ損失がない事と合わせて熱効率の大幅改善が可能である。シリンダー内から排出される排ガスを冷却器２９により１００℃以下に冷却すれば水分の凝縮が起るから、全部回収可能とは言わないまでもほぼ１００％回収可能であり、事実上、排ガス量は０である。更に水素を酸素と同様に高圧の水素供給容器から供給する様にすると、エンジン高負荷域では実圧縮比を低くしても水素及び酸素の噴射によりシリンダー内圧力が相当高まる為、低圧縮比ながら圧縮端圧力は高く（高圧縮比の場合と同様に高い）、高膨張比化と合わせて熱効率の飛躍的改善が可能である（これはピストンの圧縮仕事を減らす事になり、水素や酸素を圧縮して供給容器内に貯蔵するに要した圧縮動力を一部回収した事になる）。以上の様に本発明は水素を燃料とする火花点火機関としても大きな潜在力を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素噴射式４サイクル内燃機関を示す図。
【図２】ポペット弁の開閉時期変化を示す図。
【図３】ポペット弁の開閉時期変化を示す図。
【図４】本発明における各種実施例を示す図。
【図５】電磁式可変動弁装置を示す図。
【図６】ポペット弁２１，２５の開弁時期や閉弁時期を互いに独立的に制御する実施例の図。
【図７】本発明が火花点火機関である場合の実施例を示す図。
【図８】予混合圧縮着火燃焼が成立する運転領域を示す図。
【図９】不安定燃焼やノックを回避する為の制御ルーチンを示す図。
【図１０】酸素濃度富化装置を有する酸素供給容器を示す図。
【符号の説明】
１は機関本体、２はクランク軸、３はベルト（チェーン）、４は可変動弁装置、５はプーリー（スプロケット）、６はハウジング、７はローター、８は進角室、９は遅角室、１０は油圧制御弁、１１はプランジャー、１２はスプール弁、１３はバネ、１４は電子制御ユニット、１５は酸素供給容器、１６はプレッシャーレギュレーター、１７はサージタンク、１８は圧力センサー、１９はピストン、２０・２１′は燃焼室、２１・２５・２１′・２５′・４５はポペット弁、２２はカム軸、２３はカム、２４はロッカーアーム、２６は排出通路、２７・３１はサージタンク、２８は放出通路、２９・２９′は冷却器、３０は連絡通路、３２は吸入通路、３３・３４は制御弁、３５・４０は電動アクチュエーター、３６はバイパス通路、３７は燃料噴射弁、３８は酸素噴射弁、３９は制御弁、４１は燃焼室の壁面、４２は空気層、４３は空気導入弁、４４はエァフローメーター、４６はハウジング、４７はプランジャー、４８・４９は電磁石、５０・５１はバネ、５２はドライバー、５３は点火プラグ、５４は酸素濃度富化装置、５５は酸素透過膜、５６は圧縮機、２２Ａ・２２Ｂはカム軸、４Ａ・４Ｂは可変動弁装置、１０Ａ・１０Ｂは油圧制御弁、２６′・２６″はガス流通路、２７′はサージタンク、３０′は冷却器の入口部、３６′はバイパス通路、３９′は制御弁である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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