JP2007127005A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の大型化を招くことなく燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる内燃機関を提供する。
【解決手段】水素ガスを圧縮して出力する圧縮気筒３，４と、水素ガスを燃焼させる燃焼気筒１，２，５，６と、が共通のシリンダ１０に設けられている。水素供給源から供給された水素ガスは、クランクシャフト２０の動力の一部を利用して圧縮気筒３，４で２段階に圧縮されてからアキュムレータ６０に供給される。アキュムレータ６０に蓄圧された水素ガスは、燃料噴射弁４１，４２，４５，４６から燃焼気筒１，２，５，６にそれぞれ噴射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内で燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる内燃機関に関する。

この種の内燃機関の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１による内燃機関は、水素タンク（燃料タンク）から水素ガス（燃料ガス）を供給する系統として、筒内へ直接噴射する直接噴射経路と、吸入空気とともに吸気弁から吸入させる予混合経路と、の２系統を備える水素エンジンである。そして、始動・アイドル時には予混合経路のみを、低負荷時には予混合経路と直接噴射経路との２系統を、高負荷時には直接噴射経路のみを使用することで、各運転領域での運転性能の向上を図っている。

その他の関連技術として、下記非特許文献１による水素エンジンが開示されている。

特開昭６３−２４６４６０号公報 赤川他、「Development of Hydrogen Injection Clean Engine」、第１５回世界水素エネルギー会議、２００４年７月、講演番号２８Ｊ−０５

特許文献１においては、直接噴射経路を使用する場合は、燃料ガス（水素ガス）の筒内への噴射圧力は燃料タンク（水素タンク）の圧力に依存する。そのため、燃料タンクの圧力が低い場合は、燃料ガスの筒内噴射を適切に行うことが困難となる。例えば水素エンジンにおいて５０％程度の熱効率を実現するためには、高圧縮比（例えば圧縮比１８以上）での圧縮上死点近傍以後からの音速噴射が必要であり、３０ＭＰａ程度の水素噴射圧力が要求されることが非特許文献１に示されている。このような高圧での筒内噴射を燃料タンク（水素タンク）の圧力に依存することなく安定して行うためには、燃料ガス（水素ガス）を圧縮する圧縮機が必要となる。しかし、その場合は、圧縮機を設けることでエンジン全体の構成の大型化を招くことになる。

本発明は、構成の大型化を招くことなく燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関は、シリンダ内で燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる内燃機関であって、クランクシャフトの動力の一部により燃料ガスを圧縮して出力する圧縮気筒と、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスが噴射され、且つ該噴射された燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる燃焼気筒と、が共通のシリンダに設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、燃料ガスを圧縮する圧縮機（圧縮気筒）を内燃機関（シリンダ）内に組み込み、内燃機関及び圧縮機を一体化することで、構成の大型化を招くことなく燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。

本発明の一態様では、圧縮気筒及び燃焼気筒の各々で発生する慣性力が圧縮気筒及び燃焼気筒全体でほぼ平衡するように、圧縮気筒及び燃焼気筒が共通のシリンダに設けられていることが好適である。こうすれば、慣性力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。

本発明の一態様では、圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が燃焼気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力に略等しくなるように、圧縮気筒の圧力比が設定されていることが好適である。こうすれば、筒内圧力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。

本発明の一態様では、燃焼気筒と複数の圧縮気筒とが共通のシリンダに設けられており、これら複数の圧縮気筒で燃料ガスが複数段階に圧縮されることが好適である。こうすれば、燃料ガスの筒内噴射圧力をより高めることができる。この態様では、各圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が互いに略等しくなるように、各圧縮気筒の圧力比が設定されていることが好適である。こうすれば、筒内圧力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。

本発明の一態様では、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを蓄圧する蓄圧器が設けられており、蓄圧器に蓄圧された燃料ガスが燃焼気筒に噴射されることが好適である。こうすれば、燃料ガスの噴射量が変動しても燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。

本発明の一態様では、燃焼気筒に噴射される燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃焼気筒への燃焼ガスの噴射圧力を調整することができる。

本発明の一態様では、圧縮気筒への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃焼気筒への燃焼ガスの噴射圧力を調整することができる。

本発明の一態様では、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを冷却する冷却器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃料ガスの圧縮を効率よく行うことができる。

本発明の一態様では、燃料ガスは、水素ガスであることが好適である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を模式的に示す図である。本実施形態に係る内燃機関は、ピストン−クランク機構を用いた往復型内燃機関（レシプロエンジン）であり、燃料ガスとして水素ガスを燃焼させることでクランクシャフト２０に動力を発生させる複数の燃焼気筒１，２，５，６をシリンダ１０内に備える水素エンジンである。

燃焼気筒１，２，５，６では、クランクシャフト２０に連接された燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６がそれぞれ往復運動する。燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６はピストンピンを介して燃焼気筒用コネクティングロッド２１，２２，２５，２６の小端部とそれぞれ連接されており、燃焼気筒用コネクティングロッド２１，２２，２５，２６の大端部がクランクシャフト２０に配設された燃焼気筒用クランクピン３１，３２，３５，３６とそれぞれ連接されている。燃焼気筒１，２，５，６には、燃料ガス（水素ガス）を筒内に直接噴射する燃料噴射弁４１，４２，４５，４６がそれぞれ設けられている。

燃焼気筒１，２，５，６の各々では、吸気行程にて吸気ガスが筒内に吸入され、圧縮行程にて筒内の吸気ガスが燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６によりそれぞれ圧縮される。そして、例えば燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６が圧縮上死点近傍に位置するときから、水素ガスの筒内噴射が燃料噴射弁４１，４２，４５，４６によりそれぞれ行われることで、水素ガスが筒内で燃焼（自着火によるディーゼル燃焼）してクランクシャフト２０に動力が発生する。燃焼後の筒内ガスは、排気行程にて排気ガスとして排出される。

エンジン（燃焼気筒１，２，５，６）の熱効率を向上させるためには、燃料噴射弁４１，４２，４５，４６から筒内に噴射される水素ガスの圧力を高くする必要がある。例えば５０％程度の熱効率を実現するためには、高圧縮比（例えば圧縮比１８以上）での圧縮上死点近傍以後からの音速噴射が必要であり、３０ＭＰａ程度の水素噴射圧力が要求される（例えば非特許文献１参照）。このような高圧噴射を安定して実現するためには、水素ガスを圧縮する圧縮機が必要となる。

本実施形態では、水素ガスを圧縮する圧縮機を水素エンジン内に組み込み、水素エンジン及び圧縮機を一体化する。そのために、水素ガスを圧縮して出力する圧縮気筒３，４と、水素ガスを燃焼させる燃焼気筒１，２，５，６と、を共通のシリンダ１０に設ける。より具体的には、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４に用いられるシリンダブロックとシリンダヘッドとが、いずれも共通化されている。以下、圧縮気筒３，４の詳細な構成について説明する。

圧縮気筒３，４では、クランクシャフト２０の動力の一部を利用してクランクシャフト２０に連接された圧縮気筒用ピストン１３，１４がそれぞれ往復運動することで、水素ガスが圧縮されて出力される。つまり、圧縮気筒３，４の各々において、ピストン−クランク機構を用いた往復圧縮機が構成される。圧縮気筒用ピストン１３，１４はピストンピンを介して圧縮気筒用コネクティングロッド２３，２４の小端部とそれぞれ連接されており、圧縮気筒用コネクティングロッド２３，２４の大端部がクランクシャフト２０に配設された圧縮気筒用クランクピン３３，３４とそれぞれ連接されている。

圧縮気筒３の吸込口３ａは、水素流路５１を介して図示しない水素供給源（燃料供給源）に接続されている。ここでの水素供給源は、例えば水素ガスを貯蔵する水素タンクにより構成することができる。ただし、水素供給源として、水素タンク以外にも、水素吸蔵合金や、水素化合物による水素発生装置等を用いることもできる。圧縮気筒３の吐出口３ｂは、水素流路５２を介して圧縮気筒４の吸込口４ａに接続されており、圧縮気筒４の吐出口４ｂは、水素流路５３を介してアキュムレータ６０に接続されている。

水素供給源から供給された水素ガスは、一段目の圧縮気筒３で圧縮された後に二段目の圧縮気筒４でさらに圧縮される。このように、水素供給源から供給された水素ガスは、圧縮気筒３，４で複数段階（２段階）に圧縮されてからアキュムレータ６０に供給される。つまり、圧縮気筒３，４において、多段式（２段式）の往復圧縮機が構成される。ここで、クランク角に対する圧縮気筒３，４における水素ガス圧力の履歴の一例を図２に示す。図２において、一段目は圧縮気筒３を示し、二段目は圧縮気筒４を示す。圧縮気筒４と燃焼気筒１，２，５，６（燃料噴射弁４１，４２，４５，４６）との間に設けられたアキュムレータ６０は、圧縮気筒３，４で圧縮された水素ガスを蓄圧する。アキュムレータ６０に蓄圧された水素ガスが、燃料噴射弁４１，４２，４５，４６から燃焼気筒１，２，５，６にそれぞれ噴射される。

水素供給源と圧縮気筒３の吸込口３ａとを接続する水素流路５１には水素供給量制御弁５４が設けられている。水素供給量制御弁５４は、水素供給源から圧縮気筒３への水素ガスの供給量を調整する。水素供給量制御弁５４による水素ガスの供給量の調整により、アキュムレータ６０に蓄圧される水素ガスの圧力、つまり燃焼気筒１，２，５，６に噴射される水素ガスの圧力を調整することができる。圧縮気筒３の吐出口３ｂと圧縮気筒４の吸込口４ａとを接続する水素流路５２には逆止弁５５が設けられている。逆止弁５５は、圧縮気筒３の吐出口３ｂから圧縮気筒４の吸込口４ａへ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つ圧縮気筒４の吸込口４ａから圧縮気筒３の吐出口３ｂへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。この逆止弁５５によって、圧縮気筒４から圧縮気筒３への水素ガスの逆流が防止される。圧縮気筒４の吐出口４ｂとアキュムレータ６０とを接続する水素流路５３には逆止弁５６が設けられている。逆止弁５６は、圧縮気筒４の吐出口４ｂからアキュムレータ６０へ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つアキュムレータ６０から圧縮気筒４の吐出口４ｂへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。この逆止弁５６によって、アキュムレータ６０から圧縮気筒４への水素ガスの逆流が防止される。アキュムレータ６０と水素流路５１（水素供給源）とを接続する水素流路５７には圧力制御弁５８が設けられている。圧力制御弁５８は、アキュムレータ６０に蓄圧される水素ガスの圧力、つまり燃焼気筒１，２，５，６に噴射される水素ガスの圧力を調整する。例えば水素供給源（水素タンク）の水素ガスの圧力がアキュムレータ６０の水素ガスの圧力より高い場合には、圧力制御弁５８を開けることで水素供給源からアキュムレータ６０に水素ガスを供給することもできる。

燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４の各々においては、冷却液による冷却が行われる。また、圧縮気筒３の吐出口３ｂと圧縮気筒４の吸込口４ａとを接続する水素流路５２の周囲には冷却器６１が設けられている。冷却器６１は、圧縮気筒３で圧縮された水素ガスを冷却液により冷却する。そして、圧縮気筒４の吐出口４ｂとアキュムレータ６０とを接続する水素流路５３の周囲には冷却器６２が設けられている。冷却器６２は、圧縮気筒４で圧縮された水素ガスを冷却液により冷却する。

図１に示す構成例では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４が、クランクシャフト２０の軸線方向（回転中心軸に平行な方向）に関して、燃焼気筒１、燃焼気筒２、圧縮気筒３、圧縮気筒４、燃焼気筒５、燃焼気筒６の順に等間隔で直列配置されている。つまり、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４全体で、いわゆる直列６気筒を構成している。クランクシャフト２０においては、図３に示すように、燃焼気筒用クランクピン３１，３６と、燃焼気筒用クランクピン３２，３５と、圧縮気筒用クランクピン３３，３４とが、その回転中心軸まわりに１２０°の間隔をおいて配置されている。燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４で、クランク半径つまりストロークはいずれも等しく設定されており、燃焼気筒用コネクティングロッド２１，２２，２５，２６及び圧縮気筒用コネクティングロッド２３，２４で、コンロッド長はいずれも等しく設定されている。ここでのコンロッド長は、大小端部ピッチ（ピストンピン中心軸とクランクピン中心軸との距離）である。本実施形態における水素エンジンは４サイクル機関であり、燃焼気筒１，２，５，６では、水素ガスの筒内噴射（水素ガスの燃焼）が、燃焼気筒１、燃焼気筒５、燃焼気筒６、燃焼気筒２の順に行われることで、燃焼期間の偏りが抑制される。そして、圧縮気筒３で圧縮された水素ガスの吐出が、燃焼気筒５での水素ガスの噴射と燃焼気筒６での水素ガスの噴射との間に行われ、圧縮気筒４で圧縮された水素ガスの吐出が、燃焼気筒２での水素ガスの噴射と燃焼気筒１での水素ガスの噴射との間に行われる。

燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６及び圧縮気筒用ピストン１３，１４の質量は、ピストンピンも含めていずれも等しく設定されている。燃焼気筒用コネクティングロッド２１，２２，２５，２６及び圧縮気筒用コネクティングロッド２３，２４の質量は、いずれも等しく設定されており、燃焼気筒用コネクティングロッド２１，２２，２５，２６及び圧縮気筒用コネクティングロッド２３，２４の重心位置も、いずれも等しく設定されている。本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４における往復運動部分（ピストン、ピストンピン、及びコネクティングロッドの小端部を含む）の質量が、いずれも等しく設定されている。

また、燃焼気筒用クランクピン３１，３２，３５，３６及び圧縮気筒用クランクピン３３，３４の質量は、いずれも等しく設定されていることで、燃焼気筒用クランクピン３１，３２，３５，３６及び圧縮気筒用クランクピン３３，３４の質量モーメントは、いずれも等しく設定されている。さらに、クランクシャフト２０の重心が、クランクシャフト２０の回転中心軸上に位置するように設定されており、クランクシャフト２０は、単体で重量がバランス（静バランス）している。本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４における回転運動部分（クランクピン及びコネクティングロッドの大端部を含む）の質量モーメントが、いずれも等しく設定されている。なお、ここでの質量モーメントは、（質量）×（重心のクランクシャフト２０回転中心からの距離）である。

本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４が直列６気筒を形成しているため、往復運動部分及び回転運動部分による慣性力のモーメントを平衡させることができる。そして、回転運動部分による慣性力及び往復運動部分による１次及び２次の慣性力（慣性力のエンジン回転１次及び２次成分）も平衡させることができる。このように、本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４の各々で発生する慣性力及び慣性力のモーメントを、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４全体で平衡（あるいはほぼ平衡）させることができる。

また、本実施形態では、各圧縮気筒３，４において水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０（圧縮気筒用クランクピン３３，３４）に作用する最大力が互いに等しくなるように（あるいはほぼ等しくなるように）、各圧縮気筒３，４の圧力比及び各圧縮気筒用ピストン１３，１４の受圧面積（筒内の水素ガス圧力を受ける部分の面積）が設定されている。さらに、圧縮気筒３，４の水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０（圧縮気筒用クランクピン３３，３４）に作用する最大力が燃焼気筒１，２，５，６のガスの圧力によりクランクシャフト２０（燃焼気筒用クランクピン３１，３２，３５，３６）に作用する最大力に等しくなるように（あるいはほぼ等しくなるように）、圧縮気筒３，４の圧力比及び圧縮気筒用ピストン１３，１４の受圧面積が設定されている。

ここで、燃焼気筒１，２，５，６のガスの最大圧力をＰｍ、圧縮気筒３への水素ガスの供給圧力Ｐ０、一段目の圧縮気筒用ピストン１３の受圧面積をＡ１、燃焼気筒用ピストン１１，１２，１５，１６の受圧面積をＡｍとすると、一段目の圧縮気筒３の圧力比Ｐ１／Ｐ０を、Ｐｍ／Ｐ０×Ａｍ／Ａ１に設定する。圧縮気筒３の圧力比Ｐ１／Ｐ０をこのように設定することで、圧縮気筒３の水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力Ｐ０×Ｐ１／Ｐ０×Ａ１を、燃焼気筒１，２，５，６のガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力Ｐｍ×Ａｍに等しくすることができる。さらに、二段目の圧縮気筒用ピストン１４の受圧面積をＡ２とすると、二段目の圧縮気筒４の圧力比Ｐ２／Ｐ１を、Ａ１／Ａ２（＝Ｐｍ／Ｐ１×Ａｍ／Ａ２）に設定する。圧縮気筒４の圧力比Ｐ２／Ｐ１をこのように設定することで、圧縮気筒４の水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力Ｐ１×Ｐ２／Ｐ１×Ａ２を、圧縮気筒３の水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力Ｐ０×Ｐ１／Ｐ０×Ａ１、及び燃焼気筒１，２，５，６のガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力Ｐｍ×Ａｍと等しくすることができる。

一例として、燃焼気筒１，２，５，６の排気量が２Ｌ、燃焼気筒１，２，５，６のガスの最大圧力Ｐｍが１５ＭＰａ、圧縮気筒３への水素ガスの供給圧力Ｐ０が１ＭＰａである場合を考える。その場合は、燃焼気筒１，２，５，６の圧縮開始時の筒内ガス圧力を大気圧、燃焼気筒１，２，５，６の充填効率を１とすると、１サイクルあたりの空気量は２．４ｇとなる。水素ガスをストイキ燃焼させるとすると、水素ガス量１ｍｏｌに対する空気量は２．３８７ｍｏｌとなり、水素ガス２ｇに対して空気６９ｇとなる。したがって、１サイクルあたりの（空気量２．４ｇに対する）水素ガス量は、２．４×２／６９＝０．０６９６ｇとなり、１ＭＰａの水素ガスの体積は０．０８５Ｌとなる。圧縮気筒３の吸込口３ａを開閉する吸込バルブ（図示せず）の閉時期を調整して圧縮気筒３の圧縮開始時の体積を０．１Ｌ程度に設定することで、アキュムレータ６０に蓄圧される水素ガス量に余裕を持たせることができる。

燃焼気筒１，２，５，６のガスの最大圧力Ｐｍ＝１５ＭＰａに対して燃料噴射弁４１，４２，４５，４６から水素ガスを音速噴射させるためには、例えば３０ＭＰａ程度の噴射圧力が要求される。例えば、一段目の圧縮気筒３の圧力比Ｐ１／Ｐ０を１０〜２０程度に設定し、二段目の圧縮気筒４の圧力比Ｐ２／Ｐ１を２〜１０程度に設定する。そして、Ａ１＝Ａｍ且つＰ１／Ｐ０＝１５に設定することで、Ｐ０×Ｐ１／Ｐ０×Ａ１＝Ｐｍ×Ａｍ＝１５×Ａ１となる。さらに、Ａ２＝Ａ１／２（＝Ａｍ／２）且つＰ２／Ｐ１＝２に設定することで、Ｐ１×Ｐ２／Ｐ１×Ａ２＝Ｐ０×Ｐ１／Ｐ０×Ａ１＝１５×Ａ１（＝Ｐｍ×Ａｍ）となり、圧縮気筒３，４全体での圧力比は３０となる。

なお、本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６における水素ガスの燃焼は自着火によるディーゼル燃焼であるため、１サイクルにおける燃焼気筒１，２，５，６のガスの最大圧力はエンジン負荷変動に対してほとんど変化しない。そして、燃焼気筒１，２，５，６のガスの最大圧力については、燃焼気筒１，２，５，６の圧縮比及び圧縮行程のポリトロープ指数を基に設定することができる。また、圧縮気筒３，４の圧力比については、圧縮気筒３，４の圧縮比及び圧縮行程のポリトロープ指数を基に設定することができる。あるいは、圧縮気筒３，４の吸込口３ａ，４ａを開閉する吸込バルブ（図示せず）の開時期を調整することや、圧縮気筒３，４の吐出口３ｂ，４ｂを開閉する吐出バルブ（図示せず）の開時期を調整することによっても、圧縮気筒３，４の圧力比を調整することができる。

水素ガスを高圧で筒内噴射するために、水素ガスを圧縮する往復圧縮機を水素エンジンと別に設ける場合は、往復圧縮機を設ける分、エンジン全体の構成の大型化を招くことになる。さらに、水素ガスの温度上昇を抑えて効率よく圧縮するために、冷却設備も必要となる。さらに、水素ガスの圧力や水素ガスの圧縮動作に伴い発生する慣性力により、往復圧縮機に振動や騒音が発生しやすくなる。

これに対して本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６を形成するためのシリンダ（シリンダブロック及びシリンダヘッド）と圧縮気筒３，４を形成するためのシリンダ（シリンダブロック及びシリンダヘッド）とが共通化されている。このように、水素ガスを圧縮する圧縮機（圧縮気筒３，４）を水素エンジン（シリンダ１０）内に組み込み、水素エンジン及び圧縮機を一体化することで、圧縮した水素ガスを筒内噴射するエンジン全体の構成を小型化及び低コスト化することができる。さらに、水素ガスを圧縮気筒３，４で圧縮してから燃焼気筒１，２，５，６に筒内噴射することで、水素タンクの水素ガス圧力が低下しても、水素ガスの高圧での筒内噴射を安定して行うことができる。したがって、熱効率の高いエンジン運転を安定して行うことができる。さらに、水素ガスを圧縮気筒３，４で複数段階（２段階）に圧縮することで、水素ガスの筒内噴射圧力をより高めることができる。

さらに、本実施形態では、圧縮気筒３，４（圧縮機）の冷却システムや潤滑システムを燃焼気筒１，２，５，６と共有化することができるので、圧縮機の冷却システムや潤滑システムを別に設ける必要がない。したがって、圧縮気筒３，４の冷却や潤滑を効率よく行うことができる。また、冷却器６１，６２により圧縮した水素ガスの冷却を行うことで、水素ガスを効率よく圧縮することができる。

さらに、本実施形態では、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４の各々で発生する慣性力及び慣性力のモーメントを、燃焼気筒１，２，５，６及び圧縮気筒３，４全体で平衡させることができる。したがって、慣性力及び慣性力のモーメントによってエンジンに発生する振動や騒音を大幅に低減することができる。

さらに、本実施形態では、圧縮気筒３，４の水素ガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力を、燃焼気筒１，２，５，６のガスの圧力によりクランクシャフト２０に作用する最大力に等しくすることができる。したがって、筒内ガス圧力によってエンジンに発生する振動や騒音を大幅に低減することができるとともにエンジン（クランクシャフト２０）の回転むらを抑制することができる。

また、本実施形態では、圧縮気筒３，４で圧縮された水素ガスをアキュムレータ６０に蓄圧してから燃焼気筒１，２，５，６に噴射することで、エンジン負荷つまり水素ガス噴射量が変動しても水素ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。また、水素供給量制御弁５４により圧縮気筒３への水素ガスの供給量を調整することで、アキュムレータ６０に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することができる。したがって、水素ガスの過供給によるアキュムレータ６０の圧力上昇過多を抑止することができる。また、圧力制御弁５８によってもアキュムレータ６０に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することができる。アキュムレータ６０に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することで、燃焼気筒１，２，５，６の筒内圧力に応じた噴射圧力にも設定可能である。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図４に示す構成例では、図１に示す構成例と比較して、圧縮気筒３と圧縮気筒４との間（逆止弁５５と圧縮気筒４の吸込口４ａとの間）にアキュムレータ６４が設けられている。アキュムレータ６４は、一段目の圧縮気筒３で圧縮された水素ガスを蓄圧する。アキュムレータ６４に蓄圧された水素ガスは、二段目の圧縮気筒４に供給されることでさらに圧縮される。この場合、水素流路５２に設けられた逆止弁５５は、圧縮気筒３の吐出口３ｂからアキュムレータ６４へ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つアキュムレータ６４から圧縮気筒３の吐出口３ｂへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。なお、図４では図示を省略しているが、水素流路５２の周囲に、圧縮気筒３で圧縮された水素ガスを冷却する冷却器を設けることもできる。

ここで、クランク角に対する圧縮気筒３，４における水素ガス圧力の履歴の一例を図５に示す。図５において、一段目は圧縮気筒３を示し、二段目は圧縮気筒４を示す。図１に示す構成例では、圧縮気筒３は、図２に示す１サイクルの後半は圧縮動作を休止し、圧縮気筒４は、図２に示す１サイクルの前半は圧縮動作を休止している。これに対して図４に示す構成例では、圧縮気筒３，４は、図５に示す１サイクルの前後半とも圧縮動作を行う。そのため、図４に示す構成例では、図１に示す構成例と比較して、圧縮気筒３，４における１回あたりの水素ガスの吸込量を減らすことができる。

以上の本実施形態の説明では、気筒１、気筒２、気筒３、気筒４、気筒５、気筒６の順に直列配置された気筒１〜６のうち、気筒１，２，５，６を水素ガスを燃焼させる燃焼気筒として用い、気筒３，４を水素ガスを圧縮する圧縮気筒として用いるものとした。ただし、本実施形態では、気筒１，３，４，６を燃焼気筒として用い、気筒２，５を圧縮気筒として用いることもできる。あるいは、気筒２，３，４，５を燃焼気筒として用い、気筒１，６を圧縮気筒として用いることもできる。この燃焼気筒及び圧縮気筒の配置によっても、水素ガスの燃焼期間の偏りを抑制することができる。

以上の本実施形態の説明では、圧縮及び燃焼させる燃料ガスとして水素ガスを用いるものとした。ただし、本実施形態では、例えば天然ガス等の水素ガス以外の燃料ガスを用いることもできる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を模式的に示す図である。 クランク角に対する圧縮気筒における水素ガス圧力の履歴の一例を示す図である。 クランクシャフトの構成の概略を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の内部構成の概略を模式的に示す図である。 クランク角に対する圧縮気筒における水素ガス圧力の履歴の一例を示す図である。

符号の説明

１，２，５，６ 燃焼気筒、３，４ 圧縮気筒、１０ シリンダ、１１，１２，１５，１６ 燃焼気筒用ピストン、１３，１４ 圧縮気筒用ピストン、２０ クランクシャフト、２１，２２，２５，２６ 燃焼気筒用コネクティングロッド、２３，２４ 圧縮気筒用コネクティングロッド、３１，３２，３５，３６ 燃焼気筒用クランクピン、３３，３４ 圧縮気筒用クランクピン、４１，４２，４５，４６ 燃料噴射弁、５４ 水素供給量制御弁、５５，５６ 逆止弁、５８ 圧力制御弁、６０，６４ アキュムレータ、６１，６２ 冷却器。

Claims (10)

1. シリンダ内で燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる内燃機関であって、
   クランクシャフトの動力の一部により燃料ガスを圧縮して出力する圧縮気筒と、
   圧縮気筒で圧縮された燃料ガスが噴射され、且つ該噴射された燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる燃焼気筒と、
   が共通のシリンダに設けられていることを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   圧縮気筒及び燃焼気筒の各々で発生する慣性力が圧縮気筒及び燃焼気筒全体でほぼ平衡するように、圧縮気筒及び燃焼気筒が共通のシリンダに設けられていることを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関であって、
   圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が燃焼気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力に略等しくなるように、圧縮気筒の圧力比が設定されていることを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   燃焼気筒と複数の圧縮気筒とが共通のシリンダに設けられており、
   これら複数の圧縮気筒で燃料ガスが複数段階に圧縮されることを特徴とする内燃機関。
5. 請求項４に記載の内燃機関であって、
   各圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が互いに略等しくなるように、各圧縮気筒の圧力比が設定されていることを特徴とする内燃機関。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを蓄圧する蓄圧器が設けられており、
   蓄圧器に蓄圧された燃料ガスが燃焼気筒に噴射されることを特徴とする内燃機関。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   燃焼気筒に噴射される燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器が設けられていることを特徴とする内燃機関。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   圧縮気筒への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整器が設けられていることを特徴とする内燃機関。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを冷却する冷却器が設けられていることを特徴とする内燃機関。
10. 請求項１〜９のいずれか１に記載の内燃機関であって、
    燃料ガスは、水素ガスであることを特徴とする内燃機関。
    

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