(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが上昇中、ピストンが上死点に到達しても燃料が発火しない所定のタイミングでインテークバルブを閉じるとともに前記インテークバルブを閉じると同時、若しくは、閉じた直後にシリンダ内へ燃料を噴射してその燃料が発火する寸前まで加圧して燃料を一旦気化する第一圧縮行程に続き、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じたままピストンの下降を始める減圧行程を実行する直噴式エンジン。
【請求項２】
インテークバルブのみを開き、ピストンを下降させる吸入行程と、ピストンが上昇中、ピストンが上死点に到達しても燃料が発火しない所定のタイミングで前記インテークバルブを閉じるとともに前記インテークバルブを閉じると同時、若しくは、閉じた直後にシリンダ内へ燃料を噴射する第一圧縮行程と、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じたままピストンを下降させ、そのピストンが下降中にインテークバルブを再度開いて空気を補充する減圧行程と、インテークバルブを再度閉じてピストンを上昇させる第二圧縮行程と、両バルブを閉じて混合空気に点火、あるいは自着火し、その爆発力でピストンを強制的に下降させる膨張行程と、エキゾーストバルブのみを開いてピストンを上昇させる排気行程とを繰り返し行う直噴式エンジン。
【請求項３】
ピストンの下降開始とほぼ同時に、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じてシリンダ内に燃料を噴射して、前記シリンダ内を減圧することにより燃料を一旦気化する減圧行程に続き、両バルブを閉じたままピストンを上昇させる第一圧縮行程を実行する直噴式エンジン。
【請求項４】
インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じてシリンダ内に燃料を噴射し、ピストンを下降させて前記シリンダ内を減圧することにより前記燃料を一旦気化する減圧行程と、ピストンを上昇させる第一圧縮行程と、インテークバルブを開いてピストンを下降させる吸入行程と、前記インテークバルブを閉じてピストンを上昇させる第二圧縮行程と、両バルブを閉じたまま混合空気に点火、あるいは自着火し、その爆発力でピストンを強制的に下降させる膨張行程と、エキゾーストバルブのみを開いてピストンを上昇させる排気行程とを繰り返し行う直噴式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する直噴式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにあっては、シリンダ内に燃料を液体のまま噴射しているし、ガソリンエンジンにあっても、燃焼効率を高める目的で同様な燃料噴射方式を採用したものが実用化されている。
直噴式の場合、ピストンが上昇する短い時間に、噴射された燃料を吸入した空気と混合させているので、燃料の拡散が不十分になりがちである。
そこで従来、空気と燃料との混合効率を高めるべく、例えば特開昭６０−１５３４３１号公報に記載のように、吸入、圧縮、膨張、排気の行程中に、インテークとエキゾーストとの両バルブを閉じた状態でフリー回転を実行させたり、特開平６−３０７２５４号公報に記載のように、圧縮行程と膨張行程との間に、撹拌膨張行程及び再圧縮行程を追加した６サイクルエンジンが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の６サイクルエンジンは、インテークバルブを開いて混合空気をシリンダ内に吸入する方式であるから、両バルブを閉じたままフリー回転させたり、撹拌膨張行程や再圧縮行程を行うだけで、混合空気が膨張圧縮作用により効率よく撹拌されるが、直噴式では、空気の吸入と燃料の噴射とは個別に行われるし、噴射された燃料が液体のままであるから、単に空気を膨張圧縮させただけでは、燃料を均一に分散させることはできない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料を一旦気化させて撹拌し、撹拌後に液化せしめることで、液体の燃料を空気内に拡散混合させる直噴式エンジンであって、その構成は、ピストンが上昇中、所定のタイミングでインテークバルブを閉じるとともに前記インテークバルブを閉じると同時、若しくは、閉じた直後にシリンダ内へ燃料を噴射してその燃料が発火する寸前まで加圧して燃料を一旦気化する第一圧縮行程に続き、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じたままピストンの下降を始める減圧行程を実行するか、ピストンの下降開始とほぼ同時に、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じてシリンダ内に燃料を噴射して、前記シリンダ内を減圧することにより燃料を一旦気化する減圧行程に続き、両バルブを閉じたままピストンを上昇させる第一圧縮行程を実行することにある。
【０００５】
そして、前者の場合は、インテークバルブのみを開き、ピストンを下降させる吸入行程と、ピストンが上昇中、所定のタイミングで前記インテークバルブを閉じるとともに前記インテークバルブを閉じると同時、若しくは、閉じた直後にシリンダ内へ燃料を噴射する第一圧縮行程と、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じたままピストンを下降させ、そのピストンが下降中にインテークバルブを再度開いて空気を補充する減圧行程と、インテークバルブを再度閉じてピストンを上昇させる第二圧縮行程と、両バルブを閉じて混合空気に点火、あるいは自着火し、その爆発力でピストンを強制的に下降させる膨張行程と、エキゾーストバルブのみを開いてピストンを上昇させる排気行程とを繰り返し行う態様が望ましく、後者の場合は、インテークバルブとエキゾーストバルブとを閉じてシリンダ内に燃料を噴射し、ピストンを下降させて前記シリンダ内を減圧することにより前記燃料を一旦気化する減圧行程と、ピストンを上昇させる第一圧縮行程と、インテークバルブを開いてピストンを下降させる吸入行程と、前記インテークバルブを閉じてピストンを上昇させる第二圧縮行程と、両バルブを閉じたまま混合空気に点火、あるいは自着火し、その爆発力でピストンを強制的に下降させる膨張行程と、エキゾーストバルブのみを開いてピストンを上昇させる排気行程とを繰り返し行う態様が望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる直噴式エンジンをディーゼルエンジンに実施した一例を図面に基づいて説明する。
（第一実施例）
図１は、エンジンの構造を模式的に示した説明図であり、１はシリンダ、２はそのシリンダ１内を昇降自在に組み付けられたピストン、３及び４は夫々シリンダヘッド５に設けられたインテークバルブとエキゾーストバルブである。
前記シリンダヘッド５には燃料噴射ノズル６が装着されており、所定タイミングにて燃料がシリンダ内へ直接噴射されるようになっている
前記シリンダ１の下方にはクランクケース７が形成されていて、そのクランクケース７内にはクランクシャフト８が回転自在に組み込まれ、そのクランクシャフト８と前記ピストン２とをコネクティングロッド９で連結することにより、ピストン２の昇降動作に対応してコネクティングロッド８が同期回転するようになっていて、エンジンを始動する場合は、図示しないセルモータでクランクシャフトを回転させることによりピストンを昇降動し、エンジンが起動した後は、ピストンの昇降動作によってクランクシャフトが回転される。
【０００７】
次にこのエンジンの第一実施例につき、動作を始動時を基準に説明すると、先ずピストン２が上死点にあるとき、インテークバルブ３を開いてピストン２を下降せしめ、空気をシリンダ１内に吸入する吸入行程を実行する（図２のａ）。
ピストン２が下死点に到達して吸入行程は終るが、ピストン２が上昇を始めてもインテークバルブ３をすぐには閉じず、ピストン２が上昇中、所定のタイミングにてインテークバルブ３を閉じ、燃料噴射ノズル６より燃料を噴射する第一圧縮行程を実行する（図２のｂ）。
前記所定のタイミングは、この第一圧縮行程でピストン２が上死点に到達しても発火しない範囲内に設定する。
又、燃料噴射ノズル６よりの燃料噴射のタイミングは、なるべく早い方が好ましいため、インテークバルブ３が閉じると同時、若しくは、閉じた直後に行う。
この第一圧縮行程では、シリンダ１内が、図３に示す燃料のＰ−Ｔ線図における気体−液体曲線Ａに従って変化するので、シリンダ１内に噴射された燃料は一気に気化し、吸入空気と混合される。
【０００８】
続く減圧行程では、両バルブ３，４を閉じたままピストン２を下降せしめ、シリンダ１内を減圧する。
この減圧行程では、前記気化した燃料が再び液化するので、その燃料が液化された時点で、再度インテークバルブ３を開き、ピストン２が下死点に到達するまでの間を利用して空気を補充する。
燃料は前記気化した時点で均一に拡散し、液化後に補充された空気と均一に混合される。
【０００９】
ピストン２が下死点に到達したら、インテークバルブ３を閉じて第二圧縮行程を実行する。
第二圧縮行程にて混合気は高圧下で自ら発火し、膨張行程に移る。
膨張行程では、燃焼によって生じた燃焼ガスの圧力でピストン２が強制的に押し下げられて下降し、ピストン２が下死点に到達したらエキゾーストバルブ４を開き、ピストン２の上昇によってガスを排出する排気行程を実行する。
以後、再度吸入行程に戻り、前記行程を繰り返す。
尚前記バルブは、クランクシャフトの一回転に対して１／３回転するカムシャフトにより開閉駆動される。
【００１０】
このように第一実施例のディーゼルエンジンでは、第一圧縮行程において燃料が気化され、空気内に拡散するので、完全燃焼すると共に、局部的に高温部分が生ずるような温度むらを起こさなくなって、黒煙や窒素酸化物の排出が激減する。
【００１１】
前記第一実施例は、シリンダ内が気体−液体曲線Ａに従って変化する時に減圧行程と第一圧縮行程とを実行しているが、シリンダ内が同じく図３に示す燃料のＰ−Ｔ線図における気体−液体曲線Ｂに従って変化する場合には、燃料を減圧行程で気化させる。
次にその変更例である第二実施例について、図４に基づき説明する。
【００１２】
（第二実施例）
先ず最初に、ピストン２が上死点にあるとき、インテークバルブ３とエキゾーストバルブ４とを閉じて燃料噴射ノズル６より燃料を噴射し、ピストン２の下降によって減圧行程を実行する（図４のａ）。
この減圧行程により燃料が気化され、続いて両バルブ３，４を閉じたままピストン２を上昇させる第一圧縮行程で液化される（図４のｂ）。
このように燃料は前記減圧行程で一度気化されるので、インテークバルブ３を開いて次に実行される吸入行程（図４のｃ）で、燃料は吸入された空気内へ均一に拡散される。
以後、周知の４サイクルエンジンと同様、前記インテークバルブ３を閉じてピストン２を上昇させる第二圧縮行程（図４のｄ）と、両バルブ３，４を閉じたままで混合空気を着火させ、その爆発力でピストン２を強制的に下降させる膨張行程（図４のｅ）と、エキゾーストバルブ４のみを開いてピストン２を上昇させる排気行程（図４のｆ）を続行する。
【００１３】
この第二実際例のように、減圧行程で燃料を気化することによっても、燃料と空気とを均一に混合させることができる。
尚、前記いずれの実施例もディーゼルエンジンを例に説明したが、本発明は、点火手段を有したガソリンエンジンにも応用できる。
【００１４】
本発明において、燃料の噴射やバルブの開閉タイミングは、必要に応じて早めたり、逆に遅らせたりすることは勿論、排気行程から吸引行程に移る際、両バルブをオーバーラップさせて開くこともできるし、運転状況に応じて可変とし、燃焼効率をより高めるなど、第一圧縮行程と減圧行程とを含んでいれば実施例に限定されるものではない。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１及び２の発明によれば、液体で噴射された燃料が第一圧縮行程により一旦気化されるので、燃料が空気内に拡散されて均一な混合が行われる。
それにより燃焼効率が高められ黒煙の発生がなくなると共に、燃焼時における温度むらを起こすことがなくなって窒素酸化物の排出も激減する。
又請求項３及び４の発明においては、液体で噴射された燃料が減圧行程で気化され、前記請求項１及び２の発明と同様、燃料が空気内に拡散され、均一な混合が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したディーゼルエンジンの要部を、模式的に示した説明図である。
【図２】第一実施例におけるエンジンの動作を行程順に示した説明図である。
【図３】気体−液体曲線Ａ，Ｂが書き込まれた燃料のＰーＴ線図である。
【図４】第二実施例におけるエンジンの動作を行程順に示した説明図である。
【符号の説明】
１・・シリンダ、２・・ピストン、３・・インテークバルブ、４・・エキゾーストバルブ、５・・シリンダヘッド、６・・燃料噴射ノズル、７・・クランクケース、８・・クランクシャフト、９・・コネクティングロッド、Ａ，Ｂ・・液体−気体曲線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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