特開 2024-147403 エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024147403

(43)【公開日】2024-10-16

(54)【発明の名称】エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/00 20060101AFI20241008BHJP

   F02B 19/18 20060101ALI20241008BHJP

   F02B 19/16 20060101ALI20241008BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

F02B23/00 S

F02B19/18 A

F02B19/16 B

F02B19/18 B

F02M21/02 S

F02B19/16 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023060388

(22)【出願日】2023-04-03

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】森永 健太

(72)【発明者】

【氏名】藪 聡

【テーマコード（参考）】

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G023AA02

3G023AA07

3G023AB03

3G023AC05

3G023AC07

3G023AD14

3G023AD23

3G023AD28

3G023AD29

3G023AD30

(57)【要約】

【課題】ガス燃料を用いつつ、燃焼時の冷却損失を抑制し、良好な燃焼効率を得るエンジンを構成する。
【解決手段】クランクシャフトの回転に連係して往復作動するピストン４と、ピストン４とシリンダヘッド３との間に形成された燃焼室Ｃに酸素含有ガスを供給する吸気流路１５を開閉する吸気バルブＶａと、燃焼室Ｃから燃焼ガスを排出する排気流路１６を開閉する排気バルブＶｂと、燃焼室Ｃに連通する副室２０と、副室２０の内部空間にガス燃料を噴射するインジェクタ９と、を備えている。副室２０の内部空間には、インジェクタ９から噴射されるガス燃料の流速を低減させるガス速度低減部Ｄが形成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クランクシャフトの回転に連係して往復作動するピストンと、
前記ピストンとシリンダヘッドとの間に形成された燃焼室に酸素含有ガスを供給する吸気流路を開閉する吸気バルブと、
前記燃焼室から燃焼ガスを排出する排気流路を開閉する排気バルブと、
前記燃焼室に連通する副室と、
前記副室の内部空間にガス燃料を噴射するインジェクタと、を備え、
前記副室の前記内部空間には、前記インジェクタから噴射される前記ガス燃料の流速を低減させるガス速度低減部が形成されているエンジン。

【請求項2】

前記ガス速度低減部が、前記内部空間において、前記インジェクタにおける前記ガス燃料の噴射方向に交差する仮想平面に沿って前記ガス燃料を旋回させる旋回流生成構造を有している請求項１に記載のエンジン。

【請求項3】

前記旋回流生成構造は、前記インジェクタの前記インジェクタから噴射された前記ガス燃料を受け入れる凹状空間と、当該凹状空間が中央に形成され、前記ガス速度低減部としての円筒体と、で構成されており、
前記円筒体には、前記凹状空間で受け入れた前記ガス燃料を旋回させる複数のガイド流路とを備えている請求項２に記載のエンジン。

【請求項4】

前記副室が、前記燃焼室に近接する位置ほど内面半径の増加率を小さくする釣鐘状の内周面を有している請求項２又は３に記載のエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス燃料によって稼動するエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

ガス燃料の一例として、水素ガスを用いるエンジンとして、特許文献１には、水素タンク内の水素の圧力が設定値以下まで低下した場合でも、継続的な運転を可能にするエンジンが記載されている。

【0003】

特許文献１に記載されるエンジンは、燃焼室に酸素と、作動ガスであるアルゴンガスとを供給した後に圧縮し、水素噴射弁から水素ガスを噴射し、点火プラグによる点火により混合気を燃焼させている。

【0004】

尚、特許文献１に記載されるエンジンは、水素タンク内の水素圧が低下し、燃料噴射手段から高圧噴射を行えない場合に、第１噴射時期における筒内圧よりも低い筒内圧となる第２噴射時期において水素ガスが噴射され、その水素ガスを火花点火で燃焼させることにより、エンジンの継続運転を可能にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－６８３９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

インジェクタでガソリンを筒内噴射するガソリンエンジンと比較すると、例えば、水素ガスのようにガス燃料を筒内噴射するエンジンは、ガス燃料の拡散が高速で行われるため、短時間のうちに燃焼室の内壁に達するものであった。

【0007】

このように燃焼室に噴射された燃料が、燃焼室の内壁の近傍に達した状態で点火を行った場合には、燃焼室の内壁近傍で燃焼が行われ、燃焼に伴う熱が燃焼室の壁面を介して外部に伝わることになる。その結果、冷却損失が増大し、エンジン出力、燃焼効率の低下を招くことが懸念された。

【0008】

このような理由から、ガス燃料を用いつつ、燃焼時の冷却損失を抑制し、良好な燃焼効率を得るエンジンが求められる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係るエンジンの特徴構成は、クランクシャフトの回転に連係して往復作動するピストンと、前記ピストンとシリンダヘッドとの間に形成された燃焼室に酸素含有ガスを供給する吸気流路を開閉する吸気バルブと、前記燃焼室から燃焼ガスを排出する排気流路を開閉する排気バルブと、前記燃焼室に連通する副室と、前記副室の内部空間にガス燃料を噴射するインジェクタと、を備え、前記副室の前記内部空間には、前記インジェクタから噴射される前記ガス燃料の流速を低減させるガス速度低減部が形成されている点にある。

【0010】

本構成によると、インジェクタで噴射されたガス燃料は、副室の内部でガス速度低減部によって流速が低減され、燃焼室の内壁に達するまでの時間を延長できる。これにより、例えば、点火プラグによって混合気に点火した場合に、燃焼室の内壁から離れた領域で燃焼を行わせ、燃焼室の壁面から外部に熱が伝わる現象を抑制できる。従って、ガス燃料を用いるものでありながら、燃焼時の冷却損失を抑制し、良好な燃焼効率を得るエンジンが構成された。

【0011】

他の構成として、前記ガス速度低減部が、前記内部空間において、前記インジェクタにおけるガス燃料の噴射方向に交差する仮想平面に沿って前記ガス燃料を旋回させる旋回流生成構造を有しても良い。

【0012】

これによると、インジェクタで噴射されたガス燃料は、副室の内部空間において、インジェクタでガス燃料を噴射した方向に対して交差する仮想平面に沿って旋回することにより、ガス燃料が副室から燃焼室に流れ出すまでの時間の延長を可能にする。また、このようにスワール流が作り出されることにより、水素ガスが燃焼室に流入した際に酸素含有ガスと良好に混合する。

【0013】

他の構成として、前記旋回流生成構造は、前記インジェクタの前記インジェクタから噴射された前記ガス燃料を受け入れる凹状空間と、当該凹状空間が中央に形成され、前記ガス速度低減部としての円筒体と、で構成されており、前記円筒体には、前記凹状空間で受け入れた前記ガス燃料を旋回させる複数のガイド流路とを備えても良い。

【0014】

これによると、インジェクタで噴射されたガス燃料は凹状空間に受け止められ、この凹状空間からガイド流路に流れることにより、ガス燃料の流速の低減が可能となる。また、凹状空間から流れ出したガス燃料が、円筒体の外側で、このガス速度低減部の外周に沿う方向に案内されることにより、副室の内周に沿って流れる旋回流を作り出し、ガス燃料が直接的に燃焼室に流れ込む現象を抑制できる。これにより、例えば、点火プラグによって混合気に点火した場合に、燃焼室の内壁から離れた領域で燃焼を行わせ、燃焼室の壁面から外部に熱が伝わる現象を抑制できる。

【0015】

他の構成として、前記副室が、前記燃焼室に近接する位置ほど内面半径の増加率を小さくする釣鐘状の内周面を有しても良い。

【0016】

これによると、旋回流生成構造で生成されたガス燃料の旋回流は、副室の内周面に沿って旋回を行い、このガス燃料が旋回に伴い燃焼室に近接した場合には、内周面の半径の増加率が低下することによりガス燃料の旋回速度を低減させることが可能となる。これにより、例えば、点火プラグによって混合気に点火した場合に、燃焼室の内壁から離れた領域で燃焼を行わせ、燃焼室の壁面から外部に熱が伝わる現象を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】エンジンの縦断面図である。

【図2】エンジンのシリンダヘッド部の拡大断面図である。

【図3】シリンダヘッドを下面から見た図である。

【図4】円筒体の断面図である。

【図5】別実施形態（ａ）の縦断面図である。

【図6】別実施形態（ａ）のシリンダヘッドを下面から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１には、水素ガス（ガス燃料の一例）を燃料とするエンジンＥを示している。このエンジンＥは、乗用車等の車両に備えられるものを想定している。

【0019】

図１に示すように、エンジンＥは、クランクシャフト１を支持するシリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を連結し、シリンダブロック２のシリンダボアにピストン４を往復作動自在に収容し、ピストン４をコネクティングロッド５によってクランクシャフト１に連結して４サイクル型に構成されている。

【0020】

エンジンＥは、ピストン４と、シリンダヘッド３の内面との間に燃焼室Ｃが形成されている。シリンダヘッド３は、水素ガスを噴射するインジェクタ９と、点火プラグ１０とを備えている。

【0021】

シリンダヘッド３は、燃焼室Ｃに空気（酸素含有ガスの一例）を吸引する吸気流路１５と、燃焼室Ｃから燃焼ガスを排出する排気流路１６とが形成されている。シリンダヘッド３は、吸気流路１５を開閉する吸気バルブＶａと、排気流路１６を開閉する排気バルブＶｂとを備えている。

【0022】

シリンダヘッド３には、吸気流路１５に連通するインテークマニホールド１１と、排気流路１６に連通するエキゾーストマニホールド１２が連結されている。

【0023】

インテークマニホールド１１は、吸気量を制御するスロットルバルブ１３を流路中に備えている。エキゾーストマニホールド１２は、触媒により排ガスを浄化する触媒コンバータ１４を排ガスの排出路に備えている。

【0024】

エンジンＥは、吸気バルブＶａを制御する吸気カムシャフト７と、排気バルブＶｂを制御する排気カムシャフト８とをシリンダヘッド３の上部に備えている。

【0025】

エンジンＥは、クランクシャフト１の出力プーリ部１Ｐと、吸気カムシャフト７の吸気プーリ部７Ｐと、排気カムシャフト８の排気プーリ部８Ｐに亘って巻回されるタイミングベルト６（タイミングチェーンでも良い）を備えている。

【0026】

これにより、クランクシャフト１の回転に連係して吸気カムシャフト７と排気カムシャフト８を回転させ、所定のタイミングで吸気バルブＶａを開閉作動させ、所定のタイミングで排気バルブＶｂを開閉させる作動を可能にする。

【0027】

〔副室〕
図１～図３に示すように、このエンジンＥは、ピストン４の作動方向に沿う方向視で、ピストン４の中心位置に中心軸Ｘに想定している。シリンダヘッド３のうち燃焼室Ｃに露出する下面中央に、上方に窪む副室２０が形成されている。この副室２０は、中心軸Ｘと同軸芯上に配置され、中心軸Ｘを中心とする円形の内周面２０ａを有する。

【0028】

図２に示すように、副室２０の内周面２０ａは、上端側より下端側の半径が大きい釣鐘状の内周面２０ａを有している。

【0029】

副室２０の内部空間に、水素ガスを供給するインジェクタ９のノズルが配置され、点火プラグ１０のスパーク用電極が配置されている。つまり、インジェクタ９は、副室２０の内部空間に水素ガスを噴射するため中心軸Ｘと同軸芯でシリンダヘッド３に支持されている。点火プラグ１０は、中心軸Ｘに傾斜する姿勢でシリンダヘッド３に支持されている。

【0030】

副室２０は、内部空間にインジェクタ９から中心軸Ｘに沿う方向に噴射された水素ガスの流速を低減する円筒体２１（ガス速度低減部Ｄの一例）を備えている。

【0031】

円筒体２１（ガス速度低減部Ｄ）は、副室２０の内周より小径で、端部が閉塞する円筒状であり、中心軸Ｘと同軸芯で、インジェクタ９の直下に配置されている。図４に示すように、円筒体２１は、中央部にインジェクタ９から噴射された水素ガスを受け入れる凹状空間２２を有し、凹状空間２２と円筒体２１の外周との間に水素ガスを流す孔状の複数のガイド流路２３を有する。

【0032】

図４に示すように、ガイド流路２３の夫々は、中心軸Ｘから半径方向に延びる仮想直線に対して傾斜する姿勢で形成されている。このように傾斜する姿勢で形成された複数のガイド流路２３は、旋回流生成構造Ｔの一例である。

【0033】

これにより、円筒体２１は、インジェクタ９から噴射された水素ガスは、凹状空間２２で受け止められることにより流速が低減される。更に、水素ガスは、図４に示すように、傾斜姿勢の複数のガイド流路２３に流れることにより、円筒体２１の外周から副室２０の内周面２０ａの周方向に流れ、水素ガスの噴射方向（中心軸Ｘに沿う方向）に交差する仮想平面に沿うスワール流として流れる。このように、円筒体２１は、ガス速度低減部Ｄとして機能すると共に、スワール流Ｓを作り出す旋回流生成構造Ｔとして機能する。

【0034】

〔燃焼室の水素ガスの流れ〕
エンジンＥは、吸気行程において吸気バルブＶａを開放して燃焼室Ｃに空気（酸素含有ガス）を吸入し、この後に、圧縮行程の後半において、インジェクタ９が副室２０の内部に水素ガスを噴射する。

【0035】

噴射された水素ガスは、円筒体２１の凹状空間２２（ガス速度低減部Ｄ）に流れ、この後、凹状空間２２から複数のガイド流路２３（旋回流生成構造Ｔ）に流れる。その結果、水素ガスは、図４に示すように円筒体２１の外周と副室２０の内周との間の空間をスワール流Ｓとして旋回する。

【0036】

また、水素ガスは、副室２０の内周に沿ってスワール流Ｓとして旋回する際には、副室２０の内周面２０ａから作用する摩擦力によって回転速度が低下する。更に、副室２０の内周面２０ａが釣鐘状に形成されているため、水素ガスが旋回しつつ下側に移動する場合には、中心軸Ｘから離間する方向への変位が内周面２０ａによって抑制され、内周面２０ａに接触する際の抵抗が増大し、流速が低下する。

【0037】

この水素ガスは、スワール流Ｓとして副室２０から燃焼室Ｃに流れ込むことにより、空気と良好に混合する。この後、所定タイミングで、点火プラグ１０で点火することにより、混合気の燃焼が開始されるものの、水素ガスの流速が低下しており、燃焼室Ｃの内壁から離間した位置で燃焼が継続して行われ、燃焼の熱が燃焼室Ｃの外面に伝わる冷却損失が抑制される。

【0038】

このように、エンジンＥは、燃焼室Ｃに連通する副室２０が形成され、この副室２０にインジェクタ９で噴射した水素ガスの流速を低減する円筒体２１を備えている。この構成から、燃焼室Ｃで拡散が高速で行われる水素ガスを燃料として用いるものでありながら、インジェクタ９で噴射された後、水素ガスが燃焼室Ｃの内壁に達するまでの時間を延長させ、燃焼時の冷却損失を抑制し、良好な燃焼効率を得る。

【0039】

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。また、本発明では、ガス状の燃料を用いるエンジンＥの全般を対象とする発明であり、ガス燃料は実施形態に記載した水素ガスに限るものではない。

【0040】

（ａ）図５、図６に示すように、シリンダヘッド３のうち燃焼室Ｃに露出する下面の中央に、上方に窪む副室２０が形成され、この副室２０と燃焼室Ｃとを連通させる換気流路２５が形成されている。

【0041】

この別実施形態（ａ）では、副室２０が円柱状の内部空間を形成するように、中心軸Ｘを中心とする円筒状の内壁が形成されている。この副室２０は、上下方向の寸法が上述した実施形態に示される副室２０より大きく設定されている。また、副室２０の内部には、実施形態と同様の構成の円筒体２１（ガス速度低減部Ｄ、旋回流生成構造Ｔとして機能する）を備え、インジェクタ９を備え、点火プラグ１０を備えている。

【0042】

副室２０の内部空間のうち、中心軸Ｘを中心とする内壁の中心軸Ｘに沿う方向で、下端の開口から上端までの寸法を、上述した実施形態の副室２０における同方向での寸法より大きく設定している。副室２０の下端の開口から上端までの寸法は、円筒体２１の上下方向の寸法の２倍以上が好ましく、３倍以上であれば更に好ましい。

【0043】

換気流路２５は、一方の吸気側端部２５ａを燃焼室Ｃに連通させ、他方の供給側端部２５ｂを円筒体２１の凹状空間２２に連通させている。

【0044】

この別実施形態（ａ）の構成では、実施形態と同様に円筒体２１の凹状空間２２が、インジェクタ９で噴射された水素ガスを受け止めることで流速を減じ、燃焼室Ｃに対してガス燃料が直線的に供給される不都合を抑制する。更に、円筒体２１に形成された複数のガイド流路２３（旋回流生成構造Ｔ）が、水素ガスを案内することにより、副室２０の内周面２０ａに沿って水素ガスを旋回させる形態のスワール流Ｓを作り出す。

【0045】

また、この別実施形態（ａ）では、副室２０の内部空間の中心軸Ｘに沿う方向での寸法が大きいため、水素ガスの旋回回数を増大させ、この旋回に伴い内壁との接触による速度低下の促進を可能にしている。その結果、上述した実施形態と同様に、燃焼室Ｃの内壁から離間した位置で燃焼が行われ、燃焼の熱が燃焼室Ｃの外面に伝わる冷却損失が抑制される。

【0046】

特に、本実施形態では、副室２０の下端の開口から上端までの寸法が大きいため、水素ガスが副室２０の上部に滞留して未燃ガスとなるおそれがある。そこで、換気流路２５を形成することにより、インジェクタ９から水素ガスを噴射させた後に、換気流路２５を介して燃焼室Ｃのガスを円筒体２１の凹状空間２２に流し、また、副室２０の上部に滞留して未燃ガスを燃焼室Ｃに流すことにより、水素ガスの残留を抑制し、設定された混合比での燃焼を可能にしている。

【0047】

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明は、ガス燃料によって稼動するエンジンに利用することができる。

【符号の説明】

【0049】

１ クランクシャフト
４ ピストン
９ インジェクタ
１５ 吸気流路
１６ 排気流路
２０ 副室
２０ａ 内周面
２１ 円筒体（ガス速度低減部）
２２ 凹状空間
２３ ガイド流路（旋回流生成構造）
Ｃ 燃焼室
Ｄ ガス速度低減部
Ｅ エンジン
Ｔ 旋回流生成構造
Ｖａ 吸気バルブ
Ｖｂ 排気バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】