WO2008020550A1 - 6-cycle engine with regenerator - Google Patents

Description

明 細 書

回生機付 6サイクル機関

技術分野

[0001] 本発明は、回生機と組み合わせる容積型内燃機関を 6サイクル機関とすることによ り、燃費向上を図った複合サイクル内燃機関とその利用に関する。

背景技術

[0002] 容積型機関の排出ポートに、排気ガスに残る圧力エネルギーを回転動力に変換す る容積型のモーターや排気タービンなどを取り付け、動力を外部に取り出すシステム は古くから知られている。最近でもこの回生機を容積膨張機とし、導入されるガス流 量を調整する弁を設けた回生装置が提案されているが（例えば、特許文献 1参照）、 回生機を取り付けるのに適した容積型機関については触れられていない。以後、こ のような排気ガスに残る圧力エネルギーを動力に変換する装置を「回生機」と呼び、 回生機の入り口圧力となる排気ポートの圧力を「回生圧」と呼ぶ。

[0003] 一般的なものではないが、（1)吸気、（2)圧縮、（3)爆発'膨張、（4)排気、（5)掃気 導入、（6)掃気排気の 6行程で 1サイクルを完了する内燃機関は「掃気エンジン」とし て知られている（例えば、特許文献 2参照）。このうち排気ポートが 1つの本文献に言 うところの「従来の掃気エンジン」を以下「6サイクル機関」と呼ぶ。

[0004] 第 5行程を（5)水噴射膨張行程に変えた 6サイクルディーゼル機関に回生機として の排気タービンを備えた機関は知られている（例えば、特許文献 3参照）。し力も排気 ポートの圧力は吸気ポートの圧力と等しい圧力であり（同文献第 2図参照）、回生圧を 高めてより多くの排気の圧力エネルギーを回生しょうとする記述も示唆もない。

[0005] 容積形内の燃機関である往復ピストン機関を燃焼室として用いるガスタービン機関 として、ペスカラサイクル（Pescara Cycle)とよばれる自由ピストン式ガスタービンが 知られている。

[0006] 排気タービンのノズルを構成するべーン（vane) の角度を連続的に変化させ、ター ビンのノズルの開口面積を変化させ、ガスの通路面積を変えることによりガス量の変 化に対応するシステムは知られている（例えば、特許文献 4参照）。可変ノズル数ター ビンは本出願の優先権主張の基礎とした出願により開示している。

[0007] ノ、イブリット車両としては、内燃機関の出力を一旦すベて電力に変換し、その電力 で車両駆動用モーターを駆動して走行するシリーズノヽイブリット車両は知られている 。内燃機関からの出力で変速機を介して車両を駆動するとともに、その機関の出力 軸に直接モーターを接続し、そのモーターをバッテリーからの電力で駆動するパラレ ノレノ、イブリット車両は知られて!/、る（例えば、特許文献 5参照）。

[0008] 内燃機関からの出力をプラネタリーで分配し、その出力の一部で車両を駆動すると ともに残る部分でモーター兼発電機を駆動して発電し、発電した電力とバッテリーか らの電力で駆動輪側に接続した別のモーターを駆動する形式のモーター 2つとブラ ネタリーギヤを用いたトルク分配システムにより、シリーズ型とパラレル型の両者の特 性を備えたハイブリット車も知られて!/、る (例えば、特許文献 6参照）。

特許文献 1：特許 3739725公報

特許文献 2：実開平 2— 96435公報

特許文献 3：特許 2819676公報

特許文献 4 :特開 2001— 12252公報 図 2

特許文献 5：特許 2857666公報

特許文献 6：特開 2006— 22890公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 通常の 4サイクル機関では圧縮比で燃焼ガスの膨張比が決まる。圧縮行程で吸気 を断熱圧縮し、温度が上昇した状態で燃焼させ、爆発 ·膨張行程で圧縮比分だけ膨 張させて動力としているので、まだ外気の圧力よりかなり高い圧力の時に排気バルブ が開き、排気ガスのエネルギーを大気に解放してしまっている。

[0010] この圧力エネルギーを利用することを意図した、圧縮比より大きな膨張比を持つ内 燃機関の発明概念はアトキンソンサイクルの概念であり、古くから知られている。それ を吸気バルブのタイミングを変えることにより通常の 4サイクル機関に適用しょうとした ものが、ミラーサイクルである。しかし、これらの機関は排気量が同一であれば出力低 下があり、それに対して往復運動によるフリクションは変わらないので出力に対するフ リクシヨン比率が増加する問題が存在した。

[0011] 4サイクル機関では、回生機を取り付け、サイクル効率を向上するために高い回生 圧をとろうとすると、異常燃焼や排気バルブの溶損などの問題が発生する。回生圧が 低い場合には、排気バルブが開いたときにガスを排気ポートに押し出すことによりシリ ンダ一に残留する排気ガスは断熱膨張し、幾分低温になるのに対して、回生圧が高 V、場合には排気バルブが開いたときの圧力低下が無!/、ため、高温に維持された排 気ガスがピストンの上昇により排気ポートに押し出される。そのため低温のガスに触れ る機会を失った排気バルブは溶損を起こす。更に予混合気式の機関の場合では排 気行程を終わったときの気筒内には排気ガスがより高温でより多く残留することになる ので、異常燃焼が発生し、更には吸気バルブが開いたときに高温の排気ガスが混合 気に直接接触し、バックフアイヤーが発生してしまう。

[0012] 4サイクル機関では燃焼室周りの冷却は異常燃焼等の発生を抑えながら圧縮比を 上げるために必要不可欠で、燃焼エネルギーの多くを冷却損として冷却水に捨てて いた。ここで異常燃焼とは、燃焼室内の混合気が局部的にでも高温化した場合に混 合気が点火プラグからの火炎の伝播に先立ちその圧力上昇による温度上昇で一気 に自己着火を起こし燃焼するノッキングと呼ばれる現象である。異常燃焼が発生すれ ば本来意図していた燃焼時期より早い時期に一気に燃焼するため、ピストン上死点 近傍での燃焼室内の圧力が異常に上昇し、不快なノッキング音の原因となるとともに 、ビストンやヘッドなどの部品が損傷し、機関全体の耐久性を著しく低下させる原因と なる。し力も排気のエネルギーを回生しょうとする場合には、冷却水に捨てられるエネ ルギ一の分、回生可能なエネルギーが減ることになり問題である。

[0013] そのため、ディーゼル機関で一部行われているような、シリンダーヘッドやピストン ヘッドの燃焼室壁面を金属から断熱性の高!/、セラミックなどに置換する、 V、わゆる「断 熱化」がしばしば試される。ところ力 特に排気バルブ周辺に入って来た混合気は燃 焼室に残る温高温の燃焼ガスと混合し、更に燃焼壁から熱を受け温度は上昇し、異 常燃焼を発生しやすくなつて!/、る。そこに「断熱化」を施せば燃焼室全体の混合気の 温度が更に上がり、異常燃焼や排気バルブの溶損などが生じやすくなる。 4サイクノレ 機関ではこのような「断熱化」を施すことは、異常燃焼等を避けるために圧縮比を下 げなければならなくなり、かえって効率が低下するものであった。

[0014] ガスタービン機関は出力の割合にコンパクトであるという利点がある力 パーシャル 燃費が悪ぐ起動から全開状態となるまでに時間が掛カ、るという欠点がある。この点を 改善する手法として「自由ピストン式ガスタービン」が知られているカ、この燃焼室とな る容積形機関の部分は 2サイクル機関の形態をとつているので、回生圧は掃気圧に ほぼ等しぐ排気バルブが開いたときに排気ガスは掃気圧まで自由膨張し、一部の 圧力エネルギーが開放されてしまう。また過給気を気筒内の燃焼に必要な量以上に 送り込む関係から、必然的に予混合式機関とすることはできず、直噴式機関に限定 されるものであった。クランクシャフトを持たないため、機関回転数に相当する時間当 たりのサイクル数の制御性が悪い欠点と、負荷変動に対しての対応性が悪い欠点が あった。

[0015] 排気触媒によっては、酸素濃度が高すぎると窒素酸化物の還元力 まく進まないも のがある。この対策として EGR (Exhaust Gas Recirculation : 排出ガス再循環） システムを用いて積極的に機関の吸気に排気循環ガスを送り込むことが行なわれて いる。しかし、 6サイクル機関で吸気と掃気に均一に循環ガスを混合すると、吸気の中 の酸素濃度が下がり燃焼できる燃料が少なくなり出力が下がるのに対して、掃気には 新気が混じり触媒を通過する排出ガスは相変わらず酸素過多となる問題がある。

[0016] 多気筒 6サイクル機関のシリンダー配置は、一般的には 2サイクル機関で使われて いるシリンダー配置と同じものが利用できる。しかし、 3の倍数の気筒数を持つ 6サイ クル機関は 2サイクルの気筒配置では等間隔爆発の機関にならず、乗用車用の機関 などとしては利用しにくい。回転数当りの爆発回数の少ない 6サイクル機関では 6気 筒程度が望まれることが多!/、が、車両などでよく使われて!/、る V型配置の機関では、 等間隔爆発にすると 1次の振動が発生する配置しか存在しないので問題である。

[0017] 現在、乗用車ではエンジンを車体前部おいた前輪駆動車両、いわゆる FF車が主 流となっている力 これに近年増加してきたハイブリット方式の駆動系を搭載しようとし た場合、問題となるのがエンジンやモーターなどの駆動系の幅である。動力伝達系 の効率を考慮すれは、モーターをエンジンの回転軸を車体に対して横に搭載したレヽ 力 S、モーター幅の分車体幅を増やさなければならなくなり、車体自体が異なるものに なってしまう問題がある。仮に新しい車体とするにしても、小型乗用車にとって 100m mの車体幅の拡大は市場性から致命的である。この問題からハイブリット車は一部の 機種に限定されていた。

[0018] 燃費から言えばディーゼル機関とハイブリットシステムとの組み合わせた車両は望 まれるところである力 S、上記と同様の問題の他、過給機付ディーゼル機関の補機を含 めたスペースやトルク特性の問題から、これまで乗用車としては成立しな力 た。 言葉の定義

[0019] 本発明及びその説明においては、直噴式機関には、圧縮着火機関と、火花着火機 関であって気筒内に燃料噴射弁を備えたものを含む。回生機付容積型機関全体の 理論効率が最大となる回生圧を以後、理想回生圧と呼ぶ。ハイブリット車両の概念に は電気式のものと油圧式のものを含む意味で解するものとし、この場合には、発電機 と記した場合には油圧ポンプ、バッテリーと記した場合には蓄圧器、動力線と記した 場合には高圧油路であり、動力を電力に変換すると記した場合には流体を高圧化し て圧送することを意味することとする。特許請求の範囲についても同様とする。

課題を解決するための手段と効果

[0020] 本発明の第 1の課題解決手段は、容積型機関とその排気から回生機により出力を 外部に取り出す機関を、回生機付 6サイクル機関としたことを特徴とした内燃機関で ある。

[0021] 第 1の課題解決手段の効果として、容積型機関を 6サイクル機関とすれば、（5)掃 気導入、（6)掃気排気の行程により燃焼室や排気バルブが掃気により冷却され、回 生圧を高めても排気バルブの溶損等を起こさないし、回生機が熱的に楽になる利点 がある。吸気行程を開始時に吸気バルブが開いたときに逆流する可能性のある燃焼 室内の気体は掃気であり、回生圧が上がっても温度が低く吸気に触れてもバックファ ィヤーを起こさない。

[0022] また 6サイクル機関は燃焼室を内部から冷却できるので、「断熱化」した場合でも異 常燃焼は発生しにくい。そのため従来では冷却水に捨てられていた燃焼エネルギー を回生機で動力に変換することが出来、回生効率が向上する利点がある。

[0023] 本発明の第 2の課題解決手段は、吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、 回生機からの排出ガスを主に掃気ポートに循環させるシステムを備えたことを特徴と した、第 1の題解決手段による内燃機関である。

[0024] 第 2の課題解決手段は、吸気の中の酸素濃度を下げずに触媒を通過する排出ガス の酸素濃度を下げ、触媒の還元作用を促進する効果がある。直噴式 6サイクル機関 では掃気と吸気のポートを共通として、共に新気を供給して行なう方法もあるが、その 場合には排気中の窒素酸化物を除去するために水洗設備など固定設備型の排気ガ ス浄化システムが必要になるのに対して、排気浄化システムに触媒方式のものが採 用でき、小型化できる利点がある。

[0025] 本発明の第 3の課題解決手段は、 6サイクル機関と回生機の間の排気マ二ホールド を保温材で覆い、断熱化したことを特徴とした、第 1の課題解決手段による内燃機関 である。

[0026] 第 3の課題解決手段は、回生機に供給される排気のエネルギーを無駄に周囲に捨 てることが無ぐ回生出力が向上する利点がある。従来のターボチャージヤー付 4サイ クル機関では排気タービンのジャーナルが熱で損傷しないように、どちらかといえば 積極的に排気タービンを冷却し、排気マ二ホールドも直接外気に触れさせて冷却し ていた。しかし、 6サイクル機関では、掃気の存在により排気温度が低いので、排気マ 二ホールドは積極的に保温し、より多くの排気エネルギーを回生機に導くのが機関の 総合効率を高める。回生機付 6サイクル機関では 4サイクル機関より触媒の昇温に時 間力 Sかかる傾向がある力 S、これを短縮する効果もある。排気触媒の昇温には EGRガ スを触媒の周りに通し、保温するのも一手法である。効率の向上のためには更に回 生機までの排気ポートも断熱化すべきである。

[0027] 本発明の第 4の課題解決手段は、排気ガスの通過ガス量を変化させる機構を回生 機に備え、当該機構により回生圧を変化させることにより、 6サイクル機関の出力と回 生機からの出力の割合を制御可能とすることを特徴とした、第 1の課題解決手段によ る内燃機関である。

[0028] 第 4の課題解決手段の効果として、 2つの負荷に対して動力の配分比を変えて供 給したい場合に適した内燃機関を提供する。たとえば、走行用の駆動力とは別に、 走行速度とはあまり関係なく農産物の刈り取りや脱穀する機械部分の駆動力を必要 とする農業用機械や、推進力とは別に比較的大きな発電機を駆動する必要のある遊 覧船のような移動体の動力源として適して!/、る。

[0029] この原理を説明すると、回生機で多くの出力を取り出せるように回生圧を高くとると、

(4)排気行程と（6)掃気排気行程ではシリンダー内のガスを排出するために 6サイク ノレ機関は自身の運動エネルギーを消費することになる。また回生圧を高くとると ½) 掃気排気行程で燃焼室に残るガス量が増え、その次の（1)吸気行程で吸気ガス量 が減り、 6サイクル機関の出力トルクが下がる。この二つの効果により、 6サイクル機関 の出力は回生圧が高いほど低くなるのに対して、回生機の出力は単純に回生圧が 高いほど高くなる。本課題解決手段は、この原理を利用して回生圧を制御することに より、 6サイクル機関と回生機からの出力の割合を制御するものである。

[0030] 回生圧を変化させる方法として、回生機として容積型膨張機を用いる場合には、そ の回転数を変化させることにより行なう。回生機としてガスタービンを用いた場合には 、タービンにガスを噴射するノズルの総面積を変化させる方法で行なう。特に可変ノ ズノレ数ガスタービンを採用した場合には、コンパクトなガスタービンを回生機として用 いながら、負荷変動により排気ガス量の変化する内燃機関に対して、常に高い効率 を維持できる利点がある。

[0031] 本課題解決手段により、 6サイクル機関の負荷に関わらずほぼ一定の回生圧とする 制御を行なうにより、回生機からの出力が大きくなりすぎるのを防止する効果がある。 回生機付 6サイクル機関は負荷が大きくなると多くの吸気を導入し、燃料も増えるの で、最大圧は上昇する。そのようなときは理想回生圧も上がり、それに対応するため に回生機内部での膨張比も上がることになるので回生機からの出力は機関全体の出 力増加分以上に増えることになる。それに対して回生圧をほぼ一定とすれば、回生 機での膨張比は変化せず、回生機の出力は機関全体の排気ガス量に比例するだけ なので、回生機の出力を抑制することができる。回生機からの出力が抑制できれば、 回生機の出力を吸収する発電機などを小型化することができ、そのコントローラーや 、電力を蓄える蓄電器や、発電した電力を利用するモーターなどの負荷容量も小さく でき、システム全体がコンパクトになる利点となる。

[0032] また、自然吸気の 6サイクル機関でも理想回生圧は 4気圧近くになり、過給機付の 6 サイクル機関の理想回生圧は更に高い圧力となる。このような圧力を扱う回生機は、 容積形膨張機とするとしても、ガスタービンとするとしても多段となりシステムが複雑と なる。そこで回生圧を 4気圧程度以下の一定の圧とする制御を行なうことで、回生機 の単段化が可能となり回生システムを単純化する利点がある。また、全負荷時の回生 機を含めた機関の総合効率はやや低下するが、全負荷時の 6サイクル機関単体の 出力は理想回生圧とした場合より高まる利点と、掃気と吸気のガスの交換効率が高ま るので、機関全体の最高出力が高まり、熱的にも楽になる利点がある。

[0033] 本発明の第 5の課題解決手段は、 6サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、か つ排気ポートに回生機であるガスタービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力 を取り出すことを特徴とした、第 1の課題解決手段による内燃機関である。

[0034] 6サイクル機関の燃焼室の最大圧力に限界があると考えると、過給圧を上げていく ほど 6サイクル機関の出力割合が減り、回生機での出力割合が増えていく。過給圧を 4気圧程度かそれ以上に高くとると、機関の出力のほぼすベてを回生機であるガスタ 一ビンから得る内燃機関となる。燃焼室として 6サイクル内燃機関を用いたガスタービ ン機関、すなわち 6サイクルガスタービンと言うべきものとなる。以下、本課題解決手 段による内燃機関を「6サイクルガスタービン」と呼ぶ。

[0035] 6サイクルガスタービンは、動力軸回転数が高!/、利用用途で、コンパクトで制御しや すい原動機となる。発電用に用いれば、出力軸の回転数が高いために発電機の磁 束を切る速度が速いので発電電圧を高く取れ、発電機がコンパクトに出来る利点が ある。 6サイクルガスタービンは過給圧より高い回生圧を設定しているので、自由ビス トン型ガスタービンに比較して掃気の量をむやみに増やす必要が無ぐかつ排気が 熱サイクルの途中で自由膨張することも無いので熱効率が高い。 6サイクルガスター ビンは吸気ポートに混合気、掃気ポートに新気や循環ガスと、ガスをポートにより分離 すること力 Sできるので、ディーゼル機関のみならず予混合式機関にも用いることが出 来る特徴がある。容積形機関部分にクランク軸を持つ 6サイクル機関を用いているの でクランク軸を用いた内燃機関型の制御方式を使用することができ、回転数制御や 負荷変動に対して制御が容易な特徴を持つ。

[0036] 容積型機関はピストンの往復運動により慣性振動を発生するため、船舶などの移動 体でその出力を直接スクリューなどの駆動軸に伝達すると、出力軸が船体などに固 定されるのでその振動が船体に伝播し、乗客に不快を感じさせる。それに対して 6サ イクルガスタービンの場合は、容積機関である 6サイクル機関の出力は過給機や発電 機などの補機を駆動するために用いるので、船体などに柔らかレ、マウントで搭載でき 、振動が船体などに伝播しない。回生機の存在により排気音が静かで燃費が良い利 点がある。スクリューなどの駆動軸は振動の少ないタービンから直接、もしくは一度発 電機により電力に変換してその電力を利用してモーターで回すことができる。そのた め客船やハイブリット車などの動力源として燃費と商品性を両立することができるもの となる。

[0037] また従来の容積型機関の発電機に比べて排気音が静かで燃費が良ぐ内部冷却 により冷却システムも簡易に出来るので、始動性の高い制御しやすい発電用の原動 機として、トレーラーハウスや別荘の電力源や、燃費の良いポータブル発電機として も禾 IJ用すること力できるものである。またコンパクトなタービン型圧縮機を用いる場合 の IMPa以下程度のエアーコンプレッサーの動力源としても優れている。

[0038] 発電機用として 6サイクルガスタービンは、小さいものであれば 30kWクラスから、大 きなものであれば容積型機関である 6サイクル機関を多数設置することにより発電所 用の 10MW以上のクラスまで、従来の内燃機関から置換可能なものである。発電所 のような大型のものであれば、通常のガスタービンの効率も高くでき、排出ガスに残る 熱エネルギーで蒸気タービンを回す複合サイクルが利用でき、全体効率を高くできる ので利用されている。し力も小型の lOOkWクラスのものではガスのリークや熱伝導口 スの関係からガスタービン自体の効率を上げるのが難しぐまた小さすぎて排熱を利 用した複合サイクルの利用も難しレ、ので、 4サイクルディーゼル機関などに対して効 率の点で劣り、コンパクトな点を生力、して非常用の発電機などに利用されている程度 である。それに対して 6サイクルガスタービンは容積型機関の排気に残る圧力エネル ギーを回生機で動力に変換する複合サイクルをコンパクトにまとめたものであり、効率 も 4サイクルディーゼル機関に勝る。そのため小型のものでも利用のメリットがある。大 型のものでは更に排出ガスに残る熱エネルギーで蒸気タービン等を回す排熱回生シ ステムを付加することもでき、従来の火力発電用ガスタービンの燃費向上を図ること 力 Sでさるあのとなる。

[0039] 本発明の第 6の課題解決手段は、 6サイクル機関の出力軸に過給機としての容積 型圧縮機と、 6サイクル機関を再始動可能なモーター発電機を備え、排気ガスタービ ンを回生機として備え、当該排気ガスタービンにノズルの総面積を変える機構を備え たことを特徴とした、第 1の課題解決手段による内燃機関である。

[0040] 第 6の課題解決手段による内燃機関は、過給機として 6サイクル機関の回転数に比 例して回転する容積型圧縮機を備えて!/、るので、吸気量は機関の回転数に比例す るので過給圧は一定となり、機関回転数にほぼ比例する排気ガスを回生機に送り込 む。タービン型の圧縮機の場合では、回転数の自乗に比例する圧が発生し、機関回 転数の変化に対して安定した過給圧とするためには、複数の過給機を組み合わせて 作動タービンを適宜に選択して使う必要が生じる力 S、容積型圧縮機の場合には機関 と比例する回転数にすることだけで過給圧をほぼ一定に保つことができ、システムの 要素数を減らすことのできる利点がある。

[0041] 当該 6サイクル機関部分の出力は、過給機を駆動するためと、高圧の排気ガスを回 生機に供給することに用いられる。この場合 6サイクル機関は高圧ガス発生装置とし て捉えることができ、その回転数を制御することにより機関全体の出力を制御すること 力 Sできる。 6サイクル機関の回転数を制御する手段としては、制御用コンピュータによ り、主として排気タービンのノズル総面積を変化させることにより回生圧を変化させ、 更に正確な機関回転数は出力軸に備えたモーター発電機の吸収トルクを制御する ことにより負荷を変化させることにより行なう。

[0042] このように本課題解決手段による内燃機関は、アイドル回転状態など微妙な吸気の コントロールが必要な場合を除いて、基本的にスロットルバルブのような出力制御専 用手段を持たずに機関出力を制御することができるのでシンプルであり、スロットルバ ルブによるボンビングロスが無く効率が良い利点がある。出力の大半を回生機から取 り出す 6サイクルガスタービンとして用いる場合や、 6サイクル機関の出力も含めて発 電に用いるときなど、外部から出力を制御しやすいコンパクトで効率の良い機関とな る。回生機の存在により排気音も静かで、特にハイブリット車両用の発電部として有 利である。 [0043] 本発明の第 7の課題解決手段は、 6サイクル機関と回生機の間の排気マ二ホールド に燃焼室を備えたことを特徴とした、第 1から第 6の課題解決手段による内燃機関で ある。

[0044] 第 7の課題解決手段の 1つ目の効果は、排気ガスの未燃焼成分を除去し、酸素濃 度や温度などの状態を制御可能とする点である。 6サイクル機関は掃気行程の存在 により排出ガスは酸素過多になりやすい。そこで燃焼自体は多少燃料リッチの状態 で運転することになるので、（4)排気行程の排気には未燃焼ガスが残る。ところがこ の（4)排気行程の排気と（6)掃気排気行程の排気とは交互に排出されるので排気ポ ートで混合し未燃焼成分を確実に燃焼させるのは難しぐ回生機を通り過ぎて触媒で 燃焼することになる。これは触媒の負荷を増やすば力、りでなぐ触媒温度の異常上昇 と燃費の悪化を招く。本課題解決手段は、排気ポートに設置された燃焼室でこの未 燃焼ガスを確実に回生機の手前で燃焼させることが出来る。この効果を促進するた めに、燃焼室を触媒で構成する手段も有効である。燃焼室に燃料供給装置を取り付 けることにより、排気が酸素過多になった場合には酸素濃度を下げることできる。 6サ イタル機関の運転状態を変えずに一時的に排気を還元雰囲気にするなど、触媒の 状態をより精密に管理することができる利点がある。また、暖気時に触媒の昇温時間 を短縮するために利用することができる。

[0045] 本課題解決手段の二つ目の効果は、回生機の出力を高めることのできる点である。

確実に未燃焼ガスを燃焼させることによつても回生機の出力は向上する。更に、燃料 噴射装置により燃料を燃焼室に供給することにより、タービンの限界温度まで排気ガ ス温度を高め、回生機の出力を上げることが出来る。過給機を備えた回生機付 6サイ クル機関では、回生圧が高レ、のでこの燃焼室での燃焼エネルギーを回生機で比較 的効率良く動力に変換することができるので、効率の低下は少ない。本目的の類似 の公知例として、戦闘機などのジェットエンジンで使われるアフターバーナーの例が ある。回生機付 6サイクル機関の排気に残る酸素濃度はジェットエンジンの排気ほど は高くないので、それほど著しく出力を上げる効果はないが、掃気をすベて新気とす ることにより本効果を最大化することができる。

[0046] 本発明の第 8の課題解決手段は、第 1の課題解決手段による内燃機関を搭載した 移動体であって、 6サイクル機関からの出力を駆動輪に伝達する動力伝達機構と、車 両を駆動するモーターと、当該モーターの駆動力を駆動輪に伝達する動力伝達機 構を備え、回生機の出力軸に発電機を備えたことを特徴とした移動体である。

[0047] 第 8の課題解決手段による移動体は、 6サイクル機関の回生機からの出力を効率よ く走行エネルギーとして用いることのできる利点がある。最近はハイブリット車両が増 加傾向にあるので、ハイブリット車が元来持っている走行用モーターにこの電力を回 せば追加で必要となる部品も少なレ、利点がある。その場合は発電した電力を一時的 にバッテリーに蓄える手法もとることができる。このように本課題解決手段による移動 体は、バッテリーなど一部の部品の大型化のみで更に燃費効率の良いハイブリット車 両としてのシステムを移動体に取り入れることができるものである。逆に言えば従来の ノ、イブリット車両に対して本課題解決を適用すれば、燃費効率の良い搭載可能なコ ンパタトな原動機を得ることができる。

[0048] 本発明の第 9の課題解決手段は、請求項 6の内燃機関を搭載したシリーズ型ハイ ブリット方式の移動体である。

[0049] 第 9の課題解決手段による移動体は、機関自体がシンプルで始動性が良く、機関 の回転数を変えても効率が良いのでバッテリー容量も少なくて済み、ハイブリットシス テム全体が軽く構成できるという利点がある。シリーズノ、イブリットの特性から、平均速 度が遅く加減速の回数の多い、都市バスや配送用小型トラックやタクシーなどに適用 すると燃費改善効果が特に大きい。

[0050] 本発明の第 10の課題解決手段は、 6サイクル機関を両側 60度の W型 6気筒とした 、請求項 1の内燃機関である。

[0051] 第 10の課題解決手段による回生機付 6サイクル機関は、 6気筒という気筒数をもち ながら、慣性 1次振動の無い 180度等間隔爆発の機関であり、クランク軸方向にコン ノ^トな利点がある。車体に対して横置きでも、縦置きでも搭載性が良ぐ特に排気 量 2リットルクラス以上の乗用車や小型、中型トラックなどの移動体用の機関として有 用である。

[0052] 本発明の第 11の課題解決手段は、 6サイクル機関を 90度 V型 4気筒とした請求項 1の内燃機関、もしくは請求項 10の内燃機関を備え、その回転軸を車両の進行方向 に対して横向きに配置した前輪駆動車両である。

[0053] 第 11の課題解決手段による車両は、従来の予混合式 4サイクル機関を搭載した前 輪駆動車両に対して互換可能なハイブリット方式の車両を提供可能な利点がある。 従来は搭載不能であったディーゼル機関とハイブリット方式の組み合わせも、過給圧 を高め 6サイクル機関の部分をコンパクトにすることにより可能となる。本課題解決手 段は、 270度等間隔爆発の 90度 V型の 4気筒 6サイクル機関や 180度等間隔爆発の 請求項 10の内燃機関が、乗用車等に適した等間隔爆発の機関であり、かつ振動が 少なぐエンジン幅が短いことを利用して本課題を解決したものである。 V型や W型と なることにより機関の前後長がやや長くなる力 S、車両のフロント部を延長する手法がと りうるので従来の前輪駆動車両に対して互換可能となる。このフロント部分の延長は エンジンルームを増大によるハイブリット関係の部品の搭載スペースの確保にもつな がり、致命的な欠点とはならない。

[0054] このように、本課題解決手段は、世界的に台数の多い小型乗用車で、その中でも 主流となっている 2リットルクラス以上のエンジン横置き FF車両をハイブリット化するこ とができるものであり、更にはこれをディーゼル化することも可能とするもので、世界の 石油消費を削減する上で大きな効果がある。

図面の簡単な説明

[0055] [図 1] (A)図は、本発明の回生機付 6サイクル機関の模式図であり、（B)図は、 4サイ クルガソリン機関と回生機付 6サイクル機関の P— V線図の概念図である。 （実施例 1 ) [図 2]本発明の機関の EGRシステムの実施例の模式図である。 （実施例 2)

[図 3]本発明の過給気付機関の EGRシステムの実施例の模式図である。 （実施例 3) [図 4]本発明の多段の回生機を備えた機関の EGRシステムの模式図である。 （実施 例 4)

[図 5]第 4の課題解決手段による回生機付 6サイクルディーゼル機関の 6サイクル機関 部分の PV線図である。 （実施例 5)

[図 6]同機関全体の PV線図の模式図である。 （A)図はその全体図を示し、（B)図は その原点近傍の拡大図を示す。 （実施例 5)

[図 7]第 4の課題解決手段による第 1の実施例の機関の模式図である。 （実施例 5) 園 8]第 4の課題解決手段による第 2の実施例の機関の模式図である。 （実施例 6)

[図 9]本発明による 6サイクルガスタービンの模式図である。 （実施例 7)

[図 10] (a)図は本発明による排気マ二ホールドに燃焼室を備えた機関の側面図であ り、 （b)図はその燃焼室部分の拡大図である。 （実施例 8)

園 11]本発明による前輪駆動車両の動力部の 4面図である。 （実施例 9)

[図 12]同 動力部の制御システム図である。 （実施例 9)

園 13]本発明によるパラレルハイブリット車両の動力システム図である。 （実施例 10) 園 14]本発明による W型 6気筒機関のクランクピン配置図である。 （実施例 11 ) 符号の説明

1 6サイクル機関

18 直噴インジェクター

20 シリンダーヘッド

21 吸気ポート

22 吸気バルブ

23 スロットノレノ ノレフ、'

24 ァクセノレセンサ

31 排気ポート

32 排気バルブ

35 ウェストゲートノ ノレブ

41 冊 5¾ポート

42 掃気ノ ノレブ

43 第 2バルブ

43B 掃気ポートバルブ

50al 〜c2 クランクピン

51al 〜c2 ピストン

52 回転数センサ

68 排気センサ

70 燃焼室 71 保温材

72 燃焼室内壁

73 ガス孔

75 燃料供給機

80、 80b 排気マユホールド

91 ァクチユエータ

94 掃気バノレブァクチユエ'ータ

100 回生機ほたは排気タ -ビン)

111 循環ポート

112 冷却機

150 補機

151 発電機

152 補機用減速機

153 補機用クラッチ

154 補機駆動ベルト

155 発電兼用モーター

180 変速機

181 動力伝達べノレト

200 過給機

200t 、 過給機のガス吸入口

210 過給機としての容積型圧縮機

280 増速機

360 回転ァクチユエータ

520 変速機

522、 522b ドライブ'シャフト

525、 525b 駆動輪

550 車両駆動用モーター

560 モーター制御機 561 動力線

580 バッテリー

610 制御コンピュータ

発明を実施するための最良の形態

[0057] 今回、まだ産業上利用されたことの無い 6サイクル機関について研究し、当該機関 に回転型の回生機を組み合わせることにより、これまで実用的実施方法が見出せな 力、つたアトキンソンサイクルを、コンパクトで効率良く実施できる複合サイクル機関とし て実現し、内燃機関の熱サイクル効率を向上させた。

実施例 1

[0058] 図 1 (A)図は、第 1の課題解決手段による回生機付 4気筒 6サイクル機関の上方か ら見た模式図である。無過給の 6サイクル機関 1の排気マ二ホールド 80に回生機で ある排気タービン 100が取り付けられ、排気に残る圧力を回転エネルギーに変換し、 圧力の下がったガスを回生機の下流の排気マ二ホールド 80bから大気に排出する。

[0059] 図 1 (B)図は、無過給の 4サイクル機関と第 1の課題解決手段による機関の圧縮行 程と爆発 ·膨張行程の燃焼室の容積と圧力変化を示すグラフ（以下、 PV線図）である 。点線は予混合式 4サイクル機関で圧縮比 9. 5の場合の PV線図である。点 A1の高 さは大気圧である吸気圧力を、横軸の容積はピストンが下死点時の気筒内容積を示 している。ピストンが上昇していく時の断熱圧縮時の容積と圧力の変化が点 A1から 点 A2までの左上がりの曲線で表されている。ビストンが上死点 A2に来たとき着火し、 燃焼による温度上昇により圧力が A3まで上昇する。その後ピストンの下降により今度 は断熱膨張して、ピストンが下死点で圧力 A4に達し、排気バルブが開くと燃焼室内 のガスは大気圧である A1まで自由膨張し開放される。このときの A4と A1の圧力差 が排気バルブを開いたときに自由膨張により未回収のまま開放され捨てられる圧力 エネルギーの存在を示している。その後、排気行程、吸気行程を得て再び A1に戻り 1サイクルが終わる。

[0060] 実線は同一の排気量の回生機付 6サイクル機関の圧縮比 12. 2の場合の PV線図 であり、圧縮行程と爆発 ·膨張行程と回生機内での膨張行程も含めて表している。 4 サイクルとの圧縮比の違いは吸気行程終了時のガス温度力 掃気による内部冷却の 行なわれる 6サイクル機関の方が低いことによる。 B1から圧縮行程が始まる。このとき 容積は圧縮比が高い 6サイクル機関の方が上死点での容積が小さぐその分圧縮開 始時点の容積も小さレ、。圧縮行程で断熱圧縮されピストンが上死点の位置まで来た 時 B2に達する。ここで着火 ·燃焼し、 B3まで圧力が上昇する。膨張行程で断熱膨張 し、ピストンが下死点の位置まで来た時、 B4で排気バルブは開き、ほぼその時の圧 を維持したまま 6サイクル機関から回生機に送り込まれる。このときの B4の圧力を回 生圧と呼び、本図実線のような PV線図をとる場合に理想的なアトキンソンサイクルが 実現し、本機関全体の理論効率が最大となるので、このような回生圧を「理想回生圧 」と呼んでいる。排気ガスはその後回生機の中で更に B5の圧まで断熱膨張して大気 圧で放出される。 6サイクル機関の方は B4の後、排気、掃気導入、掃気排気、吸気 の 4行程を得て 1サイクルを完了する。回生機に送り込まれるガスとしては、排気行程 で送り出される排気ガス以外に、掃気排気行程で排出される排気ガスがある力 サイ クル効率を議論する際に 6サイクル機関の掃気を圧縮し排出するエネルギーをター ビンがすべて回収するとすれば関係がな!/、ので、その分は考慮して!/、な!/、グラフとな つている。

実施例 2

[0061] 図 2は第 2の課題解決手段の機関の EGRシステムの模式図である。 6サイクル機関 の部分の図は本実施例の多気筒機関のシリンダーヘッド 20の 1つの燃焼室部分を シリンダー側から見た図である。燃焼室にはポペット型の吸気バルブ 22、掃気バル ブ 42、排気バルブ 32の傘の部分と、直噴インジェクター 18のノズル部分が見えてい る。排気バルブが小さく複数になっているのは、後述する図 5の説明にあるように掃 気排気のバルブの開くタイミングが D8から D6までと狭いので、素早く開閉を行なうた めである。機関の掃気ポートに排出ガスを循環させるガス通路 111があり、その通路 には冷却器 112が備えられている。第 2バルブ 43で掃気の量を制御し、掃気バルブ で掃気に混じる新気の量を制御する。通常、本機関を過給する場合には掃気と吸気 のそれぞれに別個の過給気を設ける必要がある。

実施例 3

[0062] 図 3は第 2の課題解決手段の第 2の実施例である過給機付の機関の EGRシステム の模式図である。機関の吸気ポートにのみ過給機 200が備えられ、排出ガス圧であ る掃気ポートの圧より高められている点が異なる。掃気圧が低い分、 6サイクル機関 内で掃気排気行程で圧縮したのち、排気ポートに押し出される。掃気は圧力が低い 分吸気に対してガス重量が減る力 ガスは過給すると断熱圧縮により温度が上昇す るのに対して、掃気は新気のままより低い温度で燃焼室内部を冷却することが出来る 。掃気専用の過給機が不要となる利点がある。

実施例 4

[0063] 図 4は第 2の課題解決手段による第 3の実施例である過給機付の機関の実施例の EGRシステムの模式図である。複数の回生機 100、 100Bが直列に備えられ、この 2 つの回生機の間の排出ガスを循環させるガス通路 111があり、その通路には冷却器 112が備えられている。図 2や図 3の実施例のように回生機内で大気圧まで膨張した 排出ガスを冷却し、再度過給して使用するのが熱サイクル効率からは最善の方法で あるが、掃気も過給することを望む場合に掃気専用の過給機を省略することができ、 循環ガスの圧が高い分冷却温度が高くても効果があるので冷却器を小さくすることが できる利点がある。大気圧で冷却した排出ガスを再度圧縮する場合は、断熱圧縮に よる温度上昇が起こるので、大気圧で循環ガスを冷却するにはその分充分に冷却す る必要があるからである。搭載スペースの少な!/、車両などの移動体に搭載する機関 の EGRシステムとして適したものとなる。この掃気の圧は必ずしも吸気の過給圧と同 じ圧とする必要は無いが、本実施例では掃気バルブ 43Bを開けたときに新気が掃気 に導入できるようにするために、吸気圧の方を高くしている。

実施例 5

[0064] 図 5は、第 4の課題解決手段による過給機と回生機を備えた 6サイクルディーゼル 機関の 4気圧で過給した 6サイクル機関単独の PV線図であり、回生圧の違いによる 6 サイクル機関単独の出力の変化を説明してレ、る。実線は理想回生圧を用いた場合の 6サイクル機関単独の PV線図であり、点線は回生圧を理想回生圧より低くしたときの PV線図である。過給圧である D1から圧縮行程が始まり、圧縮行程で断熱圧縮され ピストンが上死点の位置まで来た時 D2に達する。ここで燃焼室内に噴射した燃料を 燃焼させると、燃焼熱により温度が上昇し D3まで圧力が上昇する。膨張行程に入つ ても燃料を燃焼室内部に吹き込むことにより燃焼は継続し、 D3bで燃焼が完了する。 燃焼では回生圧が低い方が新気との交換効率が高いのでガス温度が低ぐより多く の燃料を燃焼させることができ、実際は圧力上昇をもっと大きく出来るのである力 こ こでは判りやすくするために爆発 ·膨張行程での圧を同一としている。膨張行程で断 熱膨張し、 D4まで膨張したときに排気バルブが開く。

[0065] その後は実線と点線の PV線図で異なる力 まず実線の理想回生圧の場合で説明 する。理想回生圧の場合、排気バルブが開いても燃焼室内の圧力は変わらず、ビス トンは理想回生圧で排気ガスを押し出し上死点で D6に達する。ここからピストンが下 降を始めてややお!/、て D7で掃気バルブを開く。上死点で燃焼室に残るガスの圧力 は回生圧であり、掃気圧より高いので、上死点でバルブを開けると燃焼室内の排気 が掃気ポートに逆流してしまう。そのため、燃焼室内で膨張させた方が効率も良く騒 音も少ない。掃気が燃焼室に導入され、ピストンが下死点に達したところ D1で掃気 導入行程は完了し、掃気バルブを閉じ、導入された掃気を圧縮し始める。 D8で再び 排気バルブを開け、掃気を排気ポートに押し出す。ここからピストンは上死点まで回 生圧で掃気を押し出し D6に達すると掃気排気行程は終わり、排気バルブを閉じる。 ここからピストンが下降を始めてややおいて D7で吸気バルブを開き、吸気を導入しピ ストンが下死点に達したところ D1で吸気行程は完了し、吸気バルブを閉じ 1サイクル が完了する。

[0066] Dl、 D8、 D2、 D3、 D3b、 D4で囲まれた面積力 6サイクル機関の圧縮行程と爆 発 ·膨張行程で燃焼ガスから機関の回転力に変換されるエネルギーを示している。し かし、排気行程と掃気導入行程では排気を押し出すために、 D4、 D6、 D7、 D1で囲 まれた面積のエネルギーが機関の回転力から持ち出される。更に掃気排気行程と吸 気行程で、 Dl、 D8、 D6、 D7を結ぶ実線で囲まれた面積のエネルギーが持ち出さ れる。共通部分の面積を消去すると、 6サイクル機関の 1サイクルで出力可能なエネ ノレギー (ま、 D4、 D8、 D2、 D3、 D3bの実泉で囲まれた面積力、ら Dl、 D8、 D6、 D7を 結ぶ実線で囲まれた面積の 2倍の面積を差し引いたものとなる。

[0067] 点線は理想回生圧に対して回生圧を半分の圧力とした場合である。排気バルブが 開くと燃焼室内の圧力は D4点から回生圧 D5まで自由膨張により低下し、ここ力 ピ ストンは回生圧で排気ガスを押し出し上死点で D6bに達する。ここで排気バルブを閉 じ、ピストンが下降を始めてややおいて D7bで掃気バルブを開く。ピストンが下死点 に達したところ D1で掃気導入行程は完了し、掃気バルブを閉じ、掃気を圧縮し始め 、 D8bで再び排気バルブを開け、掃気を排気ポートに押し出す。ここからピストンは 上死点まで回生圧で掃気を押し出し D6bに達する。ここからピストンが下降を始めて ややおいて D7bで吸気バルブを開き、ピストンが下死点に達したところ D1で吸気行 程は完了し、吸気バルブを閉じ 1サイクルが終わる。

[0068] このときの 6サイクル機関の 1サイクルで出力されるエネルギーは、 D5、 D8b、 D2、 D3、 D3b、 D4、 D5を結ぶ実泉と点、泉で囲まれた面積力、ら Dl、 D8b、 D6b、 D7bを 結ぶ実線と点線で囲まれた面積の 2倍の面積を差し引いたものとなる。本図の場合 で計算すると回生圧を半分とした場合の方力 6サイクル機関単体の出力は 35%上 昇している。実際には回生圧が低い場合の方が新気との交換効率が高ぐ燃料をよ り多く供給できるので更に 6サイクル機関単体の出力は高くなる。

[0069] 図 6 (A)図は同じ過給機回生機付 6サイクルディーゼル機関の過給機と回生機も含 めた機関全体の PV線図である。 （B)図はその原点近傍の拡大図である。大気圧 G1 で過給機に導入された新気は過給されて G2の圧となる。その過給された新気を 6サ イタル機関は D1の圧として吸気し、図 5で説明した過程を経て、 D4で排気バルブが 開く。本図ではその後の変化として、実線と点線と二点鎖線の 3つの PV線図を示し ている。実線は理想回生圧の場合であり、図 5の実線のグラフに対応している。 D4の 圧力で 6サイクルから押し出された排気は、そのまま回生機の入口圧 G3となり回生機 の内部で引き続き断熱膨張を行い、大気圧 G4で外部に排出される。

[0070] 掃気導入行程と掃気排気行程での必要なエネルギーは、回生機がそのまま回転ェ ネルギ一に変換して回収するものであるので、本図では無視している。実際にはその 分回生機への流入ガス量は多ぐガス温度は低いものとなる。当該機関全体が 1サイ クルで差引出力するエネルギーは Gl、 Dl、 D2、 D3、 D3b、 D4、 G4の実線で囲ま れた面積で表される。

[0071] 点線は図 5の点線の場合に対応している。排気バルブが開くときに D4であった燃 焼室内のガスは回生圧 G3bまで自由膨張する。理想回生圧からの回生機の内部で 仕事をしながら断熱膨張する場合より温度の低下が少ないので、この圧力のときの体 積は理想回生圧の場合の回生機内で膨張している場合より大きぐ G3b点は実線よ り右側に来る。 D5の圧力で 6サイクルから押し出された排気は、そのまま回生機の入 口圧 G3bとなり回生機の内部で引き続き断熱膨張を行い、大気圧 G4bで外部に排 出される。 1サイクルで出力可能なエネルギーは Gl、 Dl、 D2、 D3、 D3b、 D4、 D5、 G3b、 G4bの線で囲まれる面積で表される。

[0072] 回生機で回生可能なエネルギー（G3bと G4bを結ぶ点線の左側の面積）は理想回 生圧の場合 (G3と G4を結ぶ実線の左側の面積）よりは少な!/、が、 6サイクル機関の 方の出力が大きくなることより総合効率の違いは 2%程度であり、産業上十分利用可 能なサイクルとなる。 自由膨張した圧力エネルギーは単純に解放されたのではなぐ ガスの熱エネルギーに変換されただけなので、その後回生機でその多くを回生する ことが可能だからである。この実線と点線の熱サイクルの違!/、は、効率の変化が少な ぐ 6サイクル機関単独の出力と回生機の出力の割合を変化させることができるので、 2つの出力軸からの出力を独立して制御する必要がある場合に有利なものとなる。

[0073] 二点鎖線は過給圧と同一の回生圧を持つ場合の PV線図である。回生圧の変化に より全体効率の低下は最高効率の圧からのずれに対して 2次関数的なものであり、こ こまで排気を自由膨張させると全体効率の低下は 11 %に達する。しかし高い走行性 能を持つ車両のようにクルーズ走行している状態での負荷が全負荷に比べてかなり 低い場合には、このような圧力を全負荷時の回生機の設定圧力とすることは一概に 産業利用性を否定されるわけではなレ、。使用頻度の高レ、クルーズ走行領域で理想 回生圧に近い回生圧で使えれば、使用頻度の低!/、全開走行領域で多少燃費が悪 化しても、実用燃費を向上させる場合もあるからである。実際、二点鎖線の PV線図で も、回生機により過給タービンを回す以上の出力を得られるので、発電機能の無いタ ーボチャージヤー付の 4サイクルディーゼル機関の PV線図よりはかなり効率は高いも のとなる。

[0074] 逆に回生圧を 6サイクル機関の排気バルブが開いた時のシリンダー内圧よりやや高 V、値に設定できな!/、わけではな!/、。ただし排気バルブの溶損などの発生しな!/、範囲 に限られる。アイドル時など 6サイクル機関の出力は 0で良いが、タービンに取り付け た補機には動力を与え続けたい場合など、機関全体が非常に低い負荷で使用され る場合に積極的にそのような圧力設定とすることも考えられる。

[0075] 図 7は第 4の課題解決手段による第 1の実施例を示す模式図である。 6サイクル機 関 1の排気マ二ホールド 80にスクロール型の容積形膨張機を回生機 100として設置 し、変速機 180と動力伝達ベルト 181を介してその出力を 6サイクル機関 1に動力とし て伝達している。回生機 100に描かれた点線の丸は下側にある排気マ二ホールド 80 bを示し、膨張機からの排出ガスを排出している。変速機 180が最も小さいレシオを 持つ場合には当該機関は理想回生圧をとる。変速機 180のレシオが大きくなると、 6 サイクル機関が排気ガスを押し出す容積に比べて回生機の吸入ガス容積は大きくな り、排気は 6サイクル機関の排気バルブが開いたときに自由膨張し、理想回生圧より 低い回生圧となる。

[0076] 本実施例の変速機 180とベルト機構 181に変えて発電機を備えても、外部から発 電容量を制御することにより発電機の回転数を変えることができるので、同一の効果 を有するものとなる。

[0077] スクロール型の容積形膨張機を回生機として用いているので、膨張機内でのガスの 膨張比は定まった値となるため、回生圧は変化させない方が回生機の効率や、排気 音の点で望ましい。そこで全負荷時には変速機のレシオを大きくとり、図 6の点線のよ うに理想回生圧より低い回生圧とし、パーシャル時では変速機のレシオを小さくし、 理想回生圧で回生を行うように制御する。

実施例 6

[0078] 図 8は第 4の課題解決手段による第 2の実施例を示す模式図である。 6サイクル機 関 1の排気マ二ホールド 80にはタービン式の回生機 100があり、同軸に配置した発 電機 151と補機 150を駆動している。タービンに可変べーン型タービンもしくは可変 ノズル数タービンを用いてノズル総面積を制御することによって回生圧を制御するこ と力 Sできる。ノズノレ総面積を 6サイクル機関の排出ガス容積にあわせて適切な広さに 制御すれば、回生圧は常に理想回生圧付近で運転できる。もちろん意図的にノズル 開口面積をより広げるように制御すれば、理想回生圧より低い回生圧で運転すること ができる。 [0079] またこの 6サイクル機関の排気部分にはウェストゲートバルブ 35があり、必要に応じ て排気を大気に開放する。このバルブを作動させたときの効率は悪化する力 6サイ クル機関単体の出力を瞬間的に最大まで上昇させることが出来る。一時的に回生機 の入口圧力を下げても、短時間であればその負荷である発電機などの負荷トルクを 一時的に下げることによりタービンの回転速度を維持することができる。アクセルに対 して 6サイクル機関の回転数をすばやく上昇させ、機関全体の出力を上げた!/、場合 にタイムラグが少ないシステムとして利用できる。車両などの負荷が大きく変動する移 動体用の原動機として利用する場合に有利である。

[0080] 本実施例では 6サイクル機関 1はモーター 250で駆動される過給機 200を備え、過 給圧を外部から制御できるようになつており、過給圧によっても機関全体の出力を制 御している。

[0081] 回生圧を 1段力、 2段のガスタービンで回生しょうとする場合、サイクル効率を高めよう とするとガスタービンは音速以上の流速を扱う必要がある。この場合のタービンのノズ ル形状は断面の面積が一度減少してのど部を形成した後再び拡大する末広ノズルと する必要がある。この時、のど部でガスが過剰膨張や不足膨張に陥ると効率が急速 に悪化するので、タービンの入口と出口の圧力比は設計値で用いる必要がある。本 実施例でもタービンは超音速を扱うものであるので、全負荷時の理想回生圧より低!/ヽ 一定の回生圧とするように制御している。回生システムを単純化しながら常に機関効 率を高く保つことのできる効果がある。

実施例 7

[0082] 図 9は第 5の課題解決手段による 6サイクルガスタービンの模式図を示す。本実施 例では 6サイクル機関 1の出力は増速機 280を介してタービン式圧縮機である過給 機 200を駆動すると共に、補機駆動ベルト 154を介して補機 150を駆動するのに用 いられ、ほとんどの機関出力は回生機であるタービン 100で出力し発電機 151で電 力に変換される。

実施例 8

[0083] 図 10は第 3の課題解決手段による排気マ二ホールド 80の内部に第 7の課題解決 手段による燃焼室を備えた、直列多気筒の 6サイクル機関の側面図である。燃焼室 7 0は 6サイクル機関 1の各気筒の排気ポート 31からつながる排気マ二ホールドの集合 部に位置している。燃焼室を内部に持つ排気マ二ホールド 80は排気タービンの外周 部も含めて保温材 71で覆われ、排気マ二ホールド内部も断熱性のあるコーティング が施されている。燃焼室の下流には回生機 100が接続し、回生機の下流の排気マ二 ホールド 80bには排気触媒 63が置かれている。

[0084] 燃焼室 70の内部にはガス穴 73の開いた燃焼室内壁 72があり、燃焼後の排気ガス 、掃気排気ガスと交互に入ってくる排気ガスを混合し、不燃ガスを燃焼する。そのた め燃焼室内壁 72の内部容積は最低でも 1気筒の 1サイクル分の排気ガスの体積に 相当する容積が必要である。燃焼室の内側には燃料供給機 75の燃料噴射口があり 、必要時に燃料を燃焼室に供給する。燃料が供給されると燃焼室の温度で速やかに ガス化し、排気ガスに残留している酸素と混合され燃焼する。燃料供給装置が燃焼 室の下側に飛び出して位置しているのは、熱害を防止するためである。

実施例 9

[0085] 図 11は第 9、第 11の課題解決手段によるエンジン横置きシリーズノヽイブリット方式 の FF車に搭載されたパワープラントの 4面図である。 6サイクル機関部分は第 3、第 6 、第 7の課題解決手段を採用した機関となっている。 （A)図は車両の前方から見たパ ワープラントの正面図、（B)図は側面図、（C)図は上面図、（D)図は背面図である。

[0086] 6サイクル機関 1は掃気と吸気ポートを独立して備えた 90度 V型 4気筒機関であり、 クランク軸に直結したスクロール型の容積型圧縮機 210を過給機として備え、常に機 関回転数に比例した量の吸気を安定した圧力で 6サイクル機関の吸気ポートに供給 している。当該容積型圧縮機 210の圧縮比は 2〜3であり、その分 6サイクル機関本 体はコンパクトになる。実際の過給圧は断熱圧縮の効果により温度が上がることでそ れ以上の圧力となる。

[0087] 90度 V型 4気筒 6サイクル機関 1はやや後傾に置かれている。各気筒の排気ポート 力も伸びてきた断熱された排気マ二ホールドの集合部に燃料供給機 75を備えた燃 焼室が備えられ、その上方に回生機である可変ノズル数タービン 100が備えられ、そ の出力軸には発電機 151が備えられ電力に変換されている。排気はその後、前方の 排気触媒に導かれ、機関の前方で下方に導かれ、そこから車体の下面に沿って後 方に導かれている。本実施例は実施例 3に相当する EGRシステムを備えている。循 環する排気ガスは触媒の上流から触媒の回りを保温するように流れたたあと、 (A)図 に 1点鎖線で描かれてレ、る EGRシステムの冷却器 112で冷却され、 6サイクル機関 1 の掃気ポートに導かれて!/、る。

[0088] 6サイクル機関の出力軸には直結した形で補機としての発電兼用モーター 155が 備えられ、 6サイクル機関の余剰出力から発電を行い、発電機 151で発電された電 力とともにバッテリーに蓄えられ、車両駆動用モーター 550の駆動に用いられる。機 関の出力は、主にタービン 100から出力され、 6サイクル機関は補機としての過給機 200と発電兼用モーターを駆動して!/、るのみなので、 6サイクルガスタービンの一形 態でもある。当該車両は、モーターからの出力を変速機 520で適切な回転数に変え 、ドライブシャフト 522、 522bにより前輪を駆動することにより走行する。 （B)図ではモ 一ター 550と変速機 520は 1点鎖線で示されている。

[0089] シリーズ型ハイブリット車両では、車両駆動用モーター 550が大きぐ機関を横置き にした前輪駆動車両への搭載は困難であった。しかし、本実施例のパワープラントで は過給することと V型に配置したことにより、機関幅を短縮し、発電用モーター 155は 始動に必要なトルクが得やられれば良いので薄く設計されているので、更にその脇 に車両駆動用モーター 550を配置することができる。発電機 151も回転数が高く小 型化可能なので、小型乗用車などに適用できる利点がある。

[0090] 図 12は当該実施例の制御システム図である。 6サイクル機関の部分は分力、りやすく するため片バンクで表している。車両駆動用モーター 550はアクセルセンサ 24に合 わせてモーター制御機 560により駆動され、車両の加減速を行う。

[0091] 制御コンピュータ 610はバッテリー 580の充電量を感知する手段と、可変ノズル数 タービンのノズルの数を変える開閉バルブを回転させる回転ァクチユエータ 360を動 作する機能が備えられている。制御コンピュータ 610はバッテリーの充電量の検出値 により発電量を決める 6サイクル機関の回転数を決定し、主に排気タービンのノズノレ 数を制御することにより回生圧を変化させて、 6サイクル機関の回転数を制御している 。ノズル総面積を広げると、実施例 5や 6で説明した原理で回生圧が下がり、 6サイク ノレ機関の出力が上がることにより 6サイクル機関の回転数が上がり、機関全体の出力 カ 上カる。

[0092] さらに精密な機関の出力制御は、制御コンピュータがモーター制御機 560を制御し 、発電兼用モーター 155の発電量により 6サイクル機関の負荷を変え、回転数を調整 することにより行う。本実施例ではスロットルバルブは無い。制御コンピュータ 610は、 発電が必要なくなれば燃料供給を停止して、モーター 155の負荷を高め機関を停止 する。機関の再始動も当該発電兼用モーター 155により行う。

[0093] 更に、制御コンピュータ 610は、触媒の状態を排気センサ 68からの信号を感知する 手段と、掃気ポートにある第 2バルブと掃気バルブをそれぞれ開閉するァクチユエ一 タ 91と掃気バルブァクチユエータ 94を動作する手段を備えている。排気センサの検 出値により、排気温度が高いと判断した場合はァクチユエータ 91により第 2バルブを 開き、掃気の量を増やす。酸素濃度が高いと判断した場合には、掃気バルブを閉じ る方向に動作する。このとき 6サイクル機関の直噴インジェクターからの燃料供給を増 カロすることも出来る。また既に第 2バルブが全開で、 6サイクル機関自体が熱的に限 界状態であれば、燃料供給機 75から排気ポートの燃焼室に燃料を供給することによ り酸素濃度を下げる。

実施例 10

[0094] 図 13は第 8の課題解決手段による移動体の動力システム図を示している。 1は過給 機 200を備えた直列 4気筒の回生機付 6サイクル機関である。本実施例では回生機 100としてガスタービンを採用している。回生機の出力は発電機 151で電力に変換さ れ、モーター制御機 560で車両駆動用モーター 550を駆動するのに適切な電圧と周 波数の交流にされ、再度モーター 550で駆動力となり変速機 520で適切な回転数に 変えられ、ドライブ、シャフト 522、 522bを介して左右の馬区動輪 525、 525bに伝達され る。 6サイクノレ機関 1の出力軸はモーター 550と共通しており、その出力はモーターの 出力とともに変速機 520を介して駆動輪に伝達される。

[0095] 本 6サイクル機関 1はモーター 250で駆動される過給機 200を備え、運転者の指示 に合わせてモーター制御機により過給機の回転数を制御し、過給圧により機関全体 の出力を制御している。回生機の出力の一部は補機用減速機 152、補機用クラッチ 153を介してエアコン用のコンプレッサーなどの補機 150を駆動している。本移動体 の実施例は車両であり、バッテリー 580を備えている。バッテリーは最低限、過給機 2 00を加速するだけのエネルギーを持って!/、れば良!/、ので、必ずしもハイブリット車両 用のバッテリーの大きさは必要ない。

[0096] 余剰電力が生じた場合にはバッテリー 580に蓄え、不足する場合はこのバッテリー

580に蓄えられている電力により補うことができるので、何等かの理由で機関に出力 段差が生じた場合や、過給圧が上昇する間の一時的な駆動力の不足を補う事がで きる。図 8、 9、 10、 11の実施例も同様である力 回生機 100に取り付けた発電機 15 1の発電量をモーター制御機 560により制御することにより、回生機としてのタービン を常に効率の良い適正な回転数に保つことができる。車両停止時や低速走行時の 機関停止や走行エネルギーの回生を望む場合には、バッテリー 580を大きくする事 によりハイブリット車両とすることができる。

[0097] 本実施例の機関では回生機で補機を駆動して!/、るので、図 9にある補機駆動用の ベルト 154の必要性が無くなり、その分機関 1の全長が短縮でき、ハイブリット用の車 両駆動用モーター 550のスペースを確保できる利点がある。

[0098] 本実施例の減速機 152の変わりに補機駆動用の別のモーターを備え、発電機 151 で発電された電力でそのモーターを駆動することによつても同一の目的が達せられる 。本実施例のモーター 550と変速機 520を、特許文献 6にあるシリーズ型とパラレル 型の両者の特性を備えたハイブリットシステムに代替することによつても、走行中の機 関停止を実現し、更なる実用燃費の向上を図ることが出来るものである。

実施例 1 1

[0099] 図 14は W型 6サイクル 6気筒機関のシリンダー方向とクランクピン配置図である。 1 点鎖線 a、 b、 cは W型に配置された 3つのシリンダーブロック内のシリンダー中心線を 示し、 51は当該シリンダー内を摺動するピストンである。実線で示した 50al、 50bl、 50c 1が 1組の Wバンクのクランクピン配置となり、実線で示したピストン 51al、 51bl 、 51clはそのピン位置に対応した位置で描かれている。点線で示したクランクピン 5 0a2、 50b2、 50c2とピストン 51a2、 51b2、 51c2はもう 1糸且の Wノ ンクの位置を示し ている。 1つのシリンダーブロックの 2つのピストンに対するクランクピン配置は、 180 度位相となっており、カップルも含めた 1次バランスの釣り合いが取れた、 180度等間 隔爆発の 6サイクル機関となる。

[0100] クランクの軸受け数は、 Wバンクの 1組のクランクピン 3つに対してその両側に軸受 けを配置した 3軸受け力、、クランクの剛性や強度を考慮し 2つのクランクピンごとに軸 受けを備えた 4軸受けとする。本実施例の W型 6気筒 6サイクル機関は、図 11の FF 車両の動力部の実施例の機関に対して、車体幅方向の長さは変わらず、置換可能 な機関である。

産業上の利用可能性

[0101] 本発明による回生機付 6サイクル機関の用途は、燃費の優れた内燃機関を必要と するすべての利用用途に対して存在する。

[0102] 本発明は容積型機関の排気に残るエネルギーを、シンプルに効率良く回生利用す るためのもので、燃費の向上に寄与するものである。排気騒音も低く抑えられる利点 力 る。回生機付 6サイクル機関は比較的高い圧力で過給しても効率が低下せず、 過給によるコンパクト化のメリットが大きいシステムである。また、 6サイクル機関と回生 機の出力割合を変化させることが可能であるので、この原理を利用して 2つの出力軸 を駆動する機関として利用できる。また 6サイクルガスタービンは制御性の高!/、ガスタ 一ビンとして利用できる。

[0103] 回生機としてガスタービンを用いた場合、発電の用途に対して発電機を含めたパヮ 一プラントを特にコンパクトに構成できる利点がある。大型の機関では発電所用の機 関から、船舶や高速バスや大型トラックや車両などの移動体に搭載する機関として利 用可能である。小型の発電機としても 6サイクル機関が内部から冷却できる特性から 、冷却システムをシンプルにすることができ、発電システム全体をコンパクトに構成で きる。これらのことは増加傾向にあるハイブリット車両用の動力源として利用可能性が 高いことを意味している。

Claims

請求の範囲

[I] 容積型機関とその排気から回生機により出力を外部に取り出す機関を、回生機付 6 サイクル機関としたことを特徴とした内燃機関。

[2] 吸気ポートに対して独立した掃気ポートを備え、回生機からの排出ガスを主に掃気 ポートに循環させるシステムを備えたことを特徴とした、請求項 1の内燃機関。

[3] 6サイクル機関と回生機の間の排気マ二ホールドを保温材で覆い、断熱化したこと を特徴とした、請求項 1の内燃機関。

[4] 排気ガスの通過ガス量を変化させる機構を回生機に備え、当該機構により回生圧 を変化させることにより、 6サイクル機関の出力と回生機からの出力の割合を制御可 能とすることを特徴とした、請求項 1の内燃機関。

[5] 6サイクル機関の吸気ポートに過給機を備え、かつ排気ポートに回生機であるガス タービンを備え、当該ガスタービンから主たる出力を取り出すことを特徴とした、請求 項 1の内燃機関。

[6] 6サイクル機関の出力軸に過給機としての容積型圧縮機と 6サイクル機関を再始動 可能なモーター発電機を備え、排気ガスタービンを回生機として備え、当該排気ガス タービンにノズルの総面積を変える機構を備えたことを特徴とした、請求項 1の内燃 機関。

[7] 6サイクル機関と回生機の間の排気ポートに燃焼室を備えたことを特徴とした、請求 項 1から 6の内燃機関。

[8] 請求項 1の内燃機関を搭載した移動体であって、 6サイクル機関からの出力を駆動 輪に伝達する動力伝達機構と、車両を駆動するモーターと、当該モーターの駆動力 を駆動輪に伝達する動力伝達機構を備え、回生機の出力軸に発電機を備えたことを 特徴とした移動体。

[9] 請求項 6の内燃機関を搭載したシリーズ型ハイブリット方式の移動体。

[10] 6サイクル機関を両側 60度の W型 6気筒とした、請求項 1の内燃機関。

[I I] 6サイクル機関を 90度 V型 4気筒とした請求項 1の内燃機関、もしくは請求項 10の 内燃機関を備え、その回転軸を車両の進行方向に対して横向きに配置した前輪駆 動車両。