エンジン

【目的】エンジンの吸入行程における充填効率を向上する。
【構成】排気行程末期にシリンダ２内に水を噴霧気化させることにより、高温の排気をできるだけ排気口５から押し出すと共に、排気と水蒸気との混合ガスである残留ガスの温度を下げるようにし、あるいは排気行程末期にシリンダ２内に圧縮空気を吹き込むことによって、残留する高温排気を低温の空気で置換するようにした。
【効果】水を噴霧気化させる方式によれば、水蒸気で高温排気をできるだけ置換すると共に、すきま容積に残留する排気と水蒸気との混合ガスの温度を下げることができるので、吸入される混合気の重量を増加させて、充填効率を向上し得るという利点があり、圧縮空気を吹き込む方式によれば、高温排気を低温の空気で置換することにより、上記と同様に充填効率を向上し得る上に、吹き込まれた空気も燃焼用空気として爆発に寄与させることができるという利点がある。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガソリン、軽油、重油、都市ガス等を燃料とする火花点火式あるいは圧縮着火式の４サイクルエンジンの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】エンジンの熱効率を改善する方法として、従来より排気ガスのエネルギーを利用して吸気の昇圧を行う過給機が広く使用されている。しかし過給機はエンジン出力を向上し得るという効果は大きいが、エンジン効率の改善は数％程度に過ぎず、特に定置型のエンジンにとっては、エンジン出力の向上よりもエンジン効率の改善の方が強く要請されている。
【０００３】
【発明により解決すべき課題】一般に４サイクルエンジンの排気行程の最終段階において、シリンダ内には一定量の高温排ガスが残留し、これが次行程で吸入される混合気あるいは燃焼空気の温度を上昇させて、その吸気充填効率を低下させるために、エンジン効率改善の障害となっている。本発明はかかる点に鑑み、比較的簡単で安価な構成によりエンジンの吸気充填効率を改善し、エンジン効率を向上し得る手段を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】エンジンの排気行程においては、爆発行程で生じた高温排気が、ピストン１の上昇によって排気口５から排気マニホールド内へ押し出されるが、排気行程の最終段階においてもピストンの行程容量の例えば１／１０（圧縮比＝１１の場合）程度のすきま容積に高温排気が残留する。そこで請求項１又は２の発明は、図１又は２に示すように、排気行程の末期にこの残留排気中に水を噴霧して気化させることにより、高温排気をできるだけ排気口５から押し出すと共に、排気と水蒸気との混合ガスである残留ガスの温度を下げ、それによって吸入される空気の重量を増加させるようにしたものであり、また請求項３及び４の発明は、図３又は４に示すように、排気行程の末期にシリンダ２内に圧縮空気を吹き込むことによって、高温排気を低温の空気で置換するようにしたものである。
【０００５】
【作用】請求項１又は２の構成においては、排気行程の末期にシリンダ２内に噴霧された水滴は、シリンダ２内の高温排気から気化熱を奪って気化し、シリンダ２内に残留する水蒸気と排気との混合ガスの温度を低下させ、それにより次行程でシリンダ２内へ吸入される混合気あるいは燃焼用空気の温度上昇を低減して、その総重量を増加させることができる。また請求項３〜４の構成によれば、排気行程中のシリンダ２内の背圧よりも高い圧力で吹き込まれる圧縮空気が、すきま容積内の大部分の排気を追い出してシリンダ２内の温度を低下させるので、次行程の吸気の温度上昇を抑えてその重量を増加させることができる上に、こうして吹き込まれた空気自体も燃焼用空気として爆発に寄与し得るので、エンジン効率を一層高めることができる。
【０００６】
【実施例】図１〜２は本発明を火花点火式又は圧縮着火式の４サイクルエンジンに適用した実施例を示したもので、ピストン１が摺嵌されたシリンダ２の上端面にシリンダヘッド３が被設され、このシリンダヘッド３に吸気口４、排気口５及び点火プラグ挿入口又は燃料噴射口８が設けられており、吸気口４及び排気口５にはそれぞれ吸気弁６及び排気弁７を備え、点火プラグ挿入口又は燃料噴射口８には点火プラグ又は燃料噴射ノズルが装着されている。シリンダヘッド３の点火プラグ挿入口８の近傍には水噴射ノズル９が貫設されており、この水噴射ノズル９には貯水タンク１０から給水管を通して間欠的に水を供給するプランジャ型ポンプ１１が接続され、このポンプ１１にはクランク軸１５より噴射タイミング調節器１２を介して動力が伝達されて、エンジンの各排気行程の末期にシリンダ２内に水を噴霧するように調整しておく。なお水噴射ノズル９、ポンプ１１及び噴射タイミング調節器１３は、ディーゼルエンジンの燃料噴射用のものとほぼ同一の構造となっている。
【０００７】図１（ｂ）において、排気行程の末期にピストン１とシリンダヘッド３との間のすきま空間に残っていた高温（約７００℃）の排気は、渦を巻きながら排気口５へ押し出されて行くが、この渦巻の上流側の領域αに注入された噴霧状の水滴は、周囲の排気から気化熱を奪いながら水蒸気に変化し、そのために最終的にすきま容積に残留するガスは、排気中に水蒸気を多く含んだ低温（約２００℃）の混合ガスとなる。従っていま圧縮比＝１１すなわち行程容積をすきま容積の１０倍とした場合、次行程で吸入される空気の残留ガスによる温度上昇は、（７００℃−２００℃）／１１＝４６℃だけ減少し、それだけシリンダ内に押し込める混合気又は燃焼用空気の重量を増加させることになって、例えば従来３４％であったエンジンの効率を３５〜３５．５％程度まで向上する（改善率３．０〜４．５％）ことができる。これは過給機による排熱回収効率４〜５％にも匹敵し得るものである。図２は他の実施例を示したもので、シリンダヘッド３に水噴射ノズル９を貫設する代わりに、排気口５に連設された排気マニホールド１４内に、排気口５に向けて水噴射ノズル９を配設したものであり、シリンダヘッド３にスペースを取り難い場合に有効である。
【０００８】図３の実施例は、冷却材として水の代わりに圧縮空気を使用したもので、シリンダヘッド３の点火プラグ挿入口８の近傍に空気噴射弁１５を装着し、この空気噴射弁１５に圧縮空気を供給する３乃至４ｋｇ／ｃｍ2 のコンプレッサ１６を設けると共に、噴射タイミング調節器１３によって空気噴射弁１５をエンジンの各排気行程の末期に作動させるようにしたものである。１７は空気噴射弁１５が塵埃で詰まらないようにするためのフィルタである。また図４の実施例は、排気口５に連設された排気マニホールド１２内に、排気口５に向けて空気噴射弁１５を配設したものである。なおコンプレッサ１６に供給する空気を過給機の下流側から取るようにすれば、コンプレッサ１６を小型化することができる。
【０００９】図３又は図４の構成によれば、排気行程中のシリンダ２内の背圧（例えば約２ｋｇ／ｃｍ2 ）よりも高い圧力でシリンダ２の上部のすきま空間に吹き込まれた圧縮空気が、このすきま空間内の大部分の排気を追い出してシリンダ２内の温度を低下させるので、図１〜２の場合と同様に次行程の吸気の温度上昇による膨張を抑えてその重量を増加させることができる上に、すきま空間に吹き込まれた空気自体も燃焼に寄与し得るので、エンジン効率を一層高めることができる。
【００１１】
【発明の効果】請求項１又は２の本発明によれば上述のように、排気行程の末期にシリンダ２内に水を噴霧気化させることにより、水蒸気で高温排気をできるだけ置換すると共に、すきま容積に残留する排気と水蒸気との混合ガスの温度を下げ、それによって吸入される混合気の重量を増加させて、吸気充填効率を向上し得るという利点があり、また請求項３又は４の発明によれば、排気行程末期にシリンダ２内に圧縮空気を吹き込むことによって、高温の排気を低温の空気で置換することができ、上記と同様に吸気充填効率を向上し得る上に、こうして吹き込まれた空気も燃焼用空気として爆発に寄与し得るので、エンジン効率を一層高めることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので，（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面配置図。
【図２】同上の他の実施例を示すもので，（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面配置図。
【図３】同上の更に他の実施例の要部縦断面図。
【図４】同上の更に他の実施例の要部縦断面図。
【符号の説明】
１ピストン
２シリンダ
３シリンダヘッド
４吸気口
５排気口
６吸気弁
７排気弁
８点火プラグ挿入口又は燃料噴射口
９水噴射ノズル
１０貯水タンク
１１ポンプ
１２クランク軸
１３タイミング調節器
１４排気マニホールド
１５空気噴射弁
１６コンプレッサ
１７フィルタ

【特許請求の範囲】
【請求項１】ピストンが摺嵌されたシリンダの上端面にシリンダヘッドを被設し、シリンダヘッドには吸気口及び排気口と共に点火プラグ挿入口又は燃料注入口を備えた４サイクルエンジンにおいて、シリンダヘッドに水噴射ノズルを貫設すると共に、該水噴射ノズルへ間欠的に水を供給するポンプを設けて、エンジンの各排気行程の末期にシリンダ内へ水を噴射するようにして成るエンジン。
【請求項２】ピストンが摺嵌されたシリンダの上端面にシリンダヘッドを被設し、シリンダヘッドには吸気口及び排気口と共に点火プラグ挿入口又は燃料注入口を備えた４サイクルエンジンにおいて、上記排気口に連設された排気マニホールド内に、排気口に向けて水噴射ノズルを配設すると共に、該水噴射ノズルへ間欠的に水を供給するポンプを設けて、エンジンの各排気行程の末期にシリンダ内へ水を噴射するようにして成るエンジン。
【請求項３】ピストンが摺嵌されたシリンダの上端面にシリンダヘッドを被設し、シリンダヘッドには吸気口及び排気口と共に点火プラグ挿入口又は燃料注入口を備えた４サイクルエンジンにおいて、シリンダヘッドに空気噴射弁を貫設すると共に、該空気噴射弁に圧縮空気を供給するコンプレッサを設け、上記空気噴射弁をエンジンの各排気行程の末期に作動させるようにして成るエンジン。
【請求項４】ピストンが摺嵌されたシリンダの上端面にシリンダヘッドを被設し、シリンダヘッドには吸気口及び排気口と共に点火プラグ挿入口又は燃料注入口を備えた４サイクルエンジンにおいて、上記排気口に連設された排気マニホールド内に、排気口に向けて空気噴射弁を配設すると共に、該空気噴射弁に圧縮空気を供給するコンプレッサを設けて、上記空気噴射弁をエンジンの各排気行程の末期に作動させるようにして成るエンジン。

【図１】