ロータリーピストンエンジン
【課題】リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制し、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制し、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とを図り、ロータリーピストンエンジンの熱効率を改善する。
【解決手段】ロータリーピストンエンジンは、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、ローター２の外周面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられ、トレーリング側点火プラグ２２が、短軸Ｚから圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、短軸Ｚから（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されている。
【解決手段】ロータリーピストンエンジンは、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、ローター２の外周面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられ、トレーリング側点火プラグ２２が、短軸Ｚから圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、短軸Ｚから（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱効率の改善のために燃焼プロセスが改良されたロータリーピストンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境への関心が高まるなか、排気がクリーンな水素エンジンが注目されている。ロータリーピストンエンジンは、ローターがローターハウジングのトロコイド状内周面に複数の頂点で摺接して複数の作動室を画成しつつ回転するという構造上、吸気室と燃焼室とが分離され、また吸気室にスパークプラグ等の熱源もないため、バックファイア等の異常燃焼が起き難い。そのため、ロータリーピストンエンジンは、レシプロエンジンに比べて、水素エンジンとしての用途に適している。例えば、特許文献１には、気体燃料として水素を採用したロータリーピストンエンジンが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、燃料がガソリンのような液体燃料であるか水素のような気体燃料であるかに拘わらず、ローターの外周面に凹状ポケット及び凹状ポケットに沿って延びる流れ変更部材が設けられたロータリーピストンエンジンが開示されている。そして、これによれば、流れ変更部材によって燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が発生し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進されて燃焼効率が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５００２４号公報（段落００２４）
【特許文献２】特開２００８−１８５０２７号公報（段落００１４〜００１６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般に、水素の燃焼はガソリンよりも速いため、水素エンジンはガソリンエンジンよりも冷却損失が大きい。冷却損失を低減するためにリーン燃焼を行うことが考えられるが、混合気をリーン化すると、燃焼速度が遅くなり、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。よって、混合気をリーン化しても混合気の燃焼遅れを抑制できる技術が望まれる。
【０００６】
また、ロータリーピストンエンジンは、ローターの回転に起因して、燃焼行程において燃焼室内をローターの回転方向のトレーリング側からリーディング側へ強いスキッシュ流が流れる。このスキッシュ流のため、点火プラグの点火によって生じた火炎は、点火プラグよりもリーディング側には伝播し易いがトレーリング側には伝播し難い。そのため、点火プラグの点火時に点火プラグよりもトレーリング側に存在する混合気は、ローターの回転に伴って点火プラグよりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始しない。これによっても混合気の燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制できる技術もまた望まれる。
【０００７】
以上のような問題は、燃料の種類に拘わらず、ロータリーピストンエンジンで混合気をリーン燃焼する場合に一般的に生じる問題である。
【０００８】
そこで、本発明は、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制し、かつ、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とを図り、ロータリーピストンエンジンの熱効率を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係るロータリーピストンエンジンは、トロコイド状内周面を有するローターハウジングと、前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、前記内周面のトロコイド曲線の短軸を挟んでリーディング側及びトレーリング側に配置されたリーディング側点火プラグ及びトレーリング側点火プラグとを備えるロータリーピストンエンジンであって、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、前記ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられ、前記短軸から圧縮トップ（圧縮上死点：ＴＤＣ）のときのローターのトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、前記トレーリング側点火プラグが、前記短軸から（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼されるから、燃焼温度の上昇が抑制される（リーンな混合気は燃料に対する空気の量が相対的に多いから）。そのため、冷却損失の低減が図られる。また、燃焼温度の上昇が抑制されることにより、ＮＯｘの低減も図られる。
【００１１】
その際、ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられるから、この乱流生成部材によって燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が生成し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進される。そのため、混合気の燃焼遅れが抑制され、排気損失の増加の抑制が図られる。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リーン燃焼の効果（冷却損失の低減）を減損することなく、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１２】
さらに、トレーリング側点火プラグが、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の長さ、すなわち、ローターハウジングの内周面のトロコイド曲線の短軸から、圧縮トップのときのローターのトレーリング側頂点までの長さをＬとしたときに、前記短軸から（Ｌ／２）以上の位置に配置されているから、トレーリング側点火プラグは、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に位置している。したがって、圧縮トップ近傍で点火されるトレーリング側点火プラグの点火時には、比較的多量の混合気がトレーリング側点火プラグよりもリーディング側に存在し、比較的少量の混合気がトレーリング側点火プラグよりもトレーリング側に存在する。そのため、トレーリング側点火プラグの点火時にトレーリング側点火プラグよりもトレーリング側に存在する混合気は、ローターの回転に伴ってトレーリング側点火プラグよりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始しないけれども、そのような混合気の量が可及的に少なくされ、結果的に、混合気の燃焼遅れの程度、排気損失の増加の程度が低減される。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１３】
なお、このトレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚（オフセット）により、トレーリング側点火プラグとリーディング側点火プラグとの間に存在する混合気のうち特にリーディング側点火プラグに近い混合気がトレーリング側点火プラグからより離間することになって燃焼遅れが生じるところであるが、前述の乱流生成部材の作用によって、そのような燃焼遅れは抑制される。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、トレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚の効果（スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れの抑制）を減損することなく、トレーリング側点火プラグとリーディング側点火プラグとの間に存在する混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１４】
本発明のより具体的な構成として、前記混合気に含まれる燃料は水素であり、前記混合気の空気過剰率λは２．２以上であるものを挙げることができる。
【００１５】
このような構成によれば、排気がクリーンな水素を燃料として採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、λ≧２．２という超リーン燃焼を行うことにより、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減及びＮＯｘの低減が図られると共に、乱流生成部材及びトレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚により、排気損失の増加の抑制が図られる。
【００１６】
本発明のさらに具体的な構成として、燃焼行程では圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードするものを挙げることができる。
【００１７】
このような構成によれば、例えば高負荷領域で燃料が増量されても、圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードすることによって、ノッキングの回避が図られる。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リタード幅を大きくすることができ、リタードの効果（ノッキングの回避）を減損することなく、リタードによる混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料がガソリンのような液体燃料であるか水素のような気体燃料であるかに拘わらず、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制され、かつ、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが抑制されるので、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とが両立し、ロータリーピストンエンジンの熱効率の改善が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るロータリーピストンエンジンの概要を示す斜視図である。
【図２】前記ロータリーピストンエンジンのローターハウジング及びローターの正面図である。
【図３】圧縮トップにあるローターの燃焼室に接する外周面の平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による前記ローター及び前記ローターハウジングの部分断面図である。
【図５】従来のロータリーピストンエンジンの燃焼プロセスを説明するための、（ａ）はエキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の熱発生が燃焼室内のどの範囲にある混合気の燃焼によるものであるかを示す対応図である。
【図６】ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図７】トレーリング側点火プラグ位置をトレーリング側へ偏倚した場合及び偏倚しない場合の、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図８】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、アイドル領域での、空気過剰率λと熱効率との関係を示すグラフである。
【図９】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、アイドル領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１０】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、高速度中負荷領域での、空気過剰率λと熱効率との関係を示すグラフである。
【図１１】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、高速度中負荷領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１２】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、中速度中負荷領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１３】図１１の圧力−体積曲線である。
【図１４】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、中速度高負荷領域での、リーディング側点火プラグの点火時期と熱効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基いて本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態は例示に過ぎず、本発明はこの実施形態に何等限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態において、本発明は、図１及び図２に示すロータリーピストンエンジン１に適用されている。このエンジン１は、２つのローター２を備えた２ローター型エンジンであり、インターミディエイトハウジング４の両側に、フロント側（図１の右側）及びリヤ側（図１の左側）の２つのローターハウジング３及び２つのサイドハウジング５がこの順に積層され、一体化されることによって構成されている。
【００２２】
なお、図１では、フロント側のローターハウジング３及びサイドハウジング５は、内部を示すために一部が切り欠かれている。また、リヤ側のサイドハウジング５は、内部を示すためにローターハウジング３から分離されている。また、図中の符号Ｘは、出力軸としてのエキセントリックシャフト６（図２参照）の回転軸心を示す。
【００２３】
前記ロータハウジング３の平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド状内周面３ａと、前記サイドハウジング５の内側面５ａと、前記インターミディエイトハウジング４の側面４ａとによって、ローター収容室７が形成されている。ローター収容室７は、図２に示すように、回転軸心Ｘの方向から見て繭のような略楕円形状を呈している。なお、図中の符号Ｙは、トロコイド状内周面３ａのトロコイド曲線の長軸を示し、符号Ｚは、短軸を示す。
【００２４】
前記ローター収容室７にローター２が回転自在に収容されている。ローター２は、回転軸心Ｘの方向から見て各辺の中央部が外側に膨出する略三角形状をしたブロック体からなる。図中の符号２ａは、後述する作動室８に接するローター２の外周面（フランク面）を示す。各フランク面２ａの長手方向の中央部分に、エンジン１の圧縮比を調整するための窪みであるリセス２ｂが形成されている。
【００２５】
ローター２の３つの頂点には、図示略のアペックスシールが備えられ、これらのアペックスシールがローターハウジング３のトロコイド状内周面３ａに当接することにより、前記ローターハウジング３のトロコイド状内周面３ａと、前記ローター２のフランク面２ａと、前記サイドハウジング５の内側面５ａと、前記インターミディエイトハウジング４の側面４ａとによって、ローター収容室７の内部に３つの作動室８が画成されている。
【００２６】
図示されていないが、ローター２は、ローター２の中央部に設けられた内歯車（ローターギア）とサイドハウジング５に設けられた外歯車（固定ギア）とが噛合しつつ、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５を貫通するエキセントリックシャフト６に対して遊星回転運動をするように支持されている。
【００２７】
ローター２は、３つのアペックスシールがロータハウジング３のトロコイド状内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪６ａの周りを自転し、かつ、回転軸心Ｘの周りを自転と同じ方向に公転する（単にローター２の回転というときは、この自転及び公転を含めたローター２の遊星回転を意味する）。このローター２の回転に伴い、３つの作動室８がトロコイド状内周面３ａに沿って周方向に移動し、各作動室８において、吸気、圧縮、燃焼及び排気の各行程が行われ、発生するトルクがローター２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。
【００２８】
図２において、ローター２は、矢印で示すように、時計回りに回転する。ローター収容室７は、長軸Ｙより左側（図２においていう。以下同様）の部分が概ね吸気行程と排気行程の領域となり、右側の部分が概ね圧縮行程と燃焼行程の領域となる。
【００２９】
ローター収容室７の長軸Ｙより左側の部分で短軸Ｚより上側には、インターミディエイトハウジング４の側面４ａ及びサイドハウジング５の内側面５ａに吸気ポート１１，１２，１３が開口している。エンジン１の低回転領域では第１吸気ポート１１のみから吸気され、中回転領域では第２吸気ポート１２からも吸気され、高回転領域ではさらに第３吸気ポート１３からも吸気される。これにより、エンジン１の全運転領域に亘って効率よく吸気が行われる。
【００３０】
ローター収容室７の長軸Ｙより左側の部分で短軸Ｚより下側には、インターミディエイトハウジング４の側面４ａ及びサイドハウジング５の内側面５ａに排気ポート１０…１０が開口している。このように、このエンジン１ではサイド排気方式が採用され、吸気ポート１１〜１３による吸気のオープンタイミングと、排気ポート１０…１０による排気のオープンタイミングとがオーバーラップしないように設定されている。これにより、吸気行程に持ち込まれる残留排ガスが低減され、混合気がリーンであっても燃焼安定性が向上する。
【００３１】
ロータハウジング３の上部には、作動室８に燃料を直接噴射するインジェクタ１５が備えられている。また、ロータハウジング３の長軸Ｙより右側の部分には、短軸Ｚを挟んでローター２の回転方向のリーディング側及びトレーリング側にリーディング側点火プラグ２１及びトレーリング側点火プラグ２２が配置されている。これらの点火プラグ２１，２２は、ローター２が圧縮トップ（ＴＤＣ）の近傍にあるときに、リーディング側点火プラグ２１、トレーリング側点火プラグ２２の順に点火される。
【００３２】
図２において、左上の作動室８は吸気行程にある。吸気工程では、吸気ポート１１〜１３から吸気された空気と、インジェクタ１５から噴射された燃料とが混合されて混合気が形成される。次いで、ローター２の回転に伴い圧縮行程に移行すると、作動室８の容積が小さくなり混合気が圧縮される。次いで、右側の作動室８（燃焼室）のように、ローター２が圧縮トップ近傍にあるときに点火プラグ２１，２２が点火されると、混合気が燃焼して燃焼行程に移行する。次いで、ローター２の回転に伴い排気行程に移行すると、左下の作動室８のように、排ガスが排気ポート１０…１０から排出される。
【００３３】
以上のような構成を基本として、本実施形態に係るエンジン１は、次のような特徴を有している。
【００３４】
燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼される。つまり、混合気の空気過剰率λは１を超えて大きい（λ＞１）。混合気に含まれる燃料は水素である。つまり、インジェクタ１５は図外の高圧水素タンクにつながっており、気体燃料である水素を吸気行程にある作動室８に噴射する。水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λは２．２以上である（λ≧２．２）。好ましくは、２．４以上である（λ≧２．４）。また、好ましくは、２．６以下である（λ≦２．６）。なお、過給機等を用いた場合、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを３程度まで大きくすることができる。
【００３５】
図３に示すように、ローター２のフランク面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられている。本実施形態では、リセス２ｂの輪郭は矩形状であり、乱流生成部材５１は、ローター２の幅方向に延びる壁状の突起である。乱流生成部材５１は、矩形状のリセス２ｂの長手方向の中央部分に配置されている。乱流生成部材５１は、リセス２ｂの底面から立設されており、その高さは乱流生成部材５１がリセス２ｂからフランク面２ａに突出しないようにリセス２ｂの深さよりも低く、その長さは乱流生成部材５１の両端とリセス２ｂの側壁との間に間隙が残るようにリセス２ｂの最大幅よりも短い。燃焼室内をトレーリング側からリーディング側へ流れるスキッシュ流Ｗは層流であるが、乱流生成部材５１に衝突することにより流れが乱されて、少なくとも一部が乱流に変換される。これにより、混合気のミキシングが促進され、火炎伝播が促進されて、混合気の燃焼速度が大幅に高められる。
【００３６】
なお、リーディング側点火プラグ２１及びトレーリング側点火プラグ２２は、ローター２の幅方向の中心線Ｃ上に配置されている。また、乱流生成部材５１はローター２と一体に形成してもよく、別体に形成したのち接合等してもよい。
【００３７】
図４に示すように、トレーリング側点火プラグ２２は、短軸Ｚから、圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、短軸Ｚから（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されている。つまり、トレーリング側点火プラグ２２は、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に位置している（トレーリング側に偏倚している）。
【００３８】
図４において、符号Ｐ１は、圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点を通る短軸Ｚと平行な線を示し、符号Ｐ２は、圧縮トップのときのローター２のリーディング側頂点を通る短軸Ｚと平行な線を示し、符号Ｐ３は、トレーリング側点火プラグ２２の軸心を示し、符号Ｐ４は、リーディング側点火プラグ２１の軸心を示し、符号Ｌ１は、短軸Ｚとリーディング側点火プラグ２１との間の長さを示し、符号Ｌ２は、短軸Ｚとトレーリング側点火プラグ２２との間の長さを示し、符号Ｌ３は、ローター２の隣接する頂点間の長さを示す。本実施形態では、トレーリング側点火プラグ２２はトレーリング側に偏倚しているから、Ｌ２≧（Ｌ／２）となる。なお、圧縮トップのとき、短軸Ｚからローター２のトレーリング側頂点までの長さとリーディング側頂点までの長さとは同じ（Ｌ）である。
【００３９】
仕様の具体的一例として、Ｌは８５ｍｍ、Ｌ１は２０ｍｍ、Ｌ２は５０ｍｍ、Ｌ３は１７０ｍｍ等とすることができる。なお、前記長さＬ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、軸Ｚ、線Ｐ１、線Ｐ２、軸心Ｐ３、軸心Ｐ４に垂直な最短長さで表したが、例えば、弧状のフランク面２ａに沿った長さで表してもよい。その場合の仕様の具体的一例として、Ｌ３に相当する、フランク面２ａの弧の長さは１８０ｍｍ等とすることができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係るエンジン１は、（１）リーン燃焼、（２）乱流生成部材５１、（３）トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚、を特徴としている。このような構成を採用した理由はおよそ次のようである。
【００４１】
（１）水素エンジン１は排気がクリーンという利点があって注目されているが、水素の燃焼はガソリンよりも速いため、ガソリンエンジンよりも冷却損失が大きいという不利益がある。そこで、エンジン１の冷却損失を低減するためにリーン燃焼を行っている。
【００４２】
（２）リーン燃焼を行うと、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加するという不利益がある。そこで、リーン燃焼を行っても燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１をローター２に設けている。
【００４３】
（３）ロータリーピストンエンジン１は、燃焼室内をトレーリング側からリーディング側へ流れるスキッシュ流Ｗが存在するため、トレーリング側点火プラグ２２の点火時にトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側に存在する混合気は、ローター２の回転に伴ってトレーリング側点火プラグ２２よりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始せず、これによって燃焼遅れが生じ、排気損失が増加するという不利益がある。そこで、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制するためにトレーリング側点火プラグ２２の位置をトレーリング側へ偏倚している。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、一般に、ロータリーピストンエンジンの燃焼プロセスは、主燃焼（ｉ）、スキッシュ燃焼（ｉｉ）、後燃え（ｉｉｉ）の順に起こる。図５（ａ）の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．２〜２．３とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ（圧縮トップ前）１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とした場合のものである（乱流生成部材５１は設けていない）。
【００４５】
図５（ｂ）に示すように、主燃焼（ｉ）は、燃焼室内においてトレーリング側点火プラグ２２の近傍からリーディング側点火プラグ２１を超えて燃焼室のリーディング側最端部を少量残す位置までの範囲にある混合気の燃焼により起こる。スキッシュ燃焼（ｉｉ）は、燃焼室内においてトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側にある混合気の燃焼により起こる。後燃え（ｉｉｉ）は、燃焼室内においてリーディング側最端部にある混合気の燃焼により起こる。
【００４６】
このように、スキッシュ燃焼（ｉｉ）が主燃焼（ｉ）よりも遅れて起こっていることにより、ロータリーピストンエンジンではスキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが生じていることを示している。
【００４７】
図６は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図６の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとした上で、図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、混合気の空気過剰率λを２．４５とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ（圧縮トップ後）５°とし、Ｐｉ（図示平均有効圧）を５１ｋＰａとした場合のものである。また、図３で例示した乱流生成部材５１を設けない場合は、混合気の空気過剰率λを２．２とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、Ｐｉを４８ｋＰａとした場合のものである。
【００４８】
乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、リーディング側点火プラグ２１の点火時期を１０°リタードしているにも拘らず、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。よって、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００４９】
図７は、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合と偏倚しない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図７の燃焼プロセスは、乱流生成部材を設けず、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、混合気の空気過剰率λを２．４５とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とした上で、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合は、図４で例示した前記仕様においてＬ２を５０ｍｍとした場合のものである。また、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚しない場合は、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとした場合のものである。
【００５０】
トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合は、スキッシュ燃焼がはっきりとは確認されず、スキッシュ燃焼は主燃焼に取り込まれているように見える。これは、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが抑制されていることを示している。よって、本実施形態では、前記理由（３）で述べたように、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制するためにトレーリング側点火プラグ２２の位置をトレーリング側へ偏倚している。
【００５１】
図８は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率が空気過剰率λに応じてどのように変わるかを示すものである。図８は、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ５°とし、Ｐｅ（正味平均有効圧）を低負荷（０ｋＰａ）として、ロータリーピストンエンジン１を運転した場合のものである。
【００５２】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、空気過剰率λが２．２近辺から２．６近辺の範囲で熱効率が向上している。特に、空気過剰率λが２．４近辺から２．５近辺の範囲で熱効率が最も向上している。これは、アイドル領域において、乱流生成部材５１により、空気過剰率λが２．２以上にリーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。よって、本実施形態では、前述したように、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを２．２以上、好ましくは、２．４以上、また、好ましくは、２．６以下としている。
【００５３】
図９は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図９の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．４とし、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ５°とし、Ｐｅを低負荷（０ｋＰａ）とした場合のものである。
【００５４】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．４で、アイドル領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００５５】
図１０は、図８と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率が空気過剰率λに応じてどのように変わるかを示すものである。ただし、図１０は、図８と比較すると、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とした点が異なっている。
【００５６】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、空気過剰率λが２．２近辺から２．４近辺の範囲で熱効率が向上している。これは、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、空気過剰率λが２．２以上にリーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。これによっても、本実施形態では、前述したように、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを２．２以上としている。
【００５７】
図１１は、図９と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。ただし、図１１は、図９と比較すると、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とした点が異なっている。
【００５８】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．４で、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００５９】
図１２は、図９と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。ただし、図１２は、図９と比較すると、混合気の空気過剰率λを２．１とし、回転数を中回転数（１５００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とした点が異なっている。
【００６０】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．１で、中速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００６１】
図１３は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、圧力−体積曲線がどのように変わるかを示すものである。図１３の圧力−体積曲線は、図１１と同様、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．４とし、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とした場合のものである。
【００６２】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、仕事量が増大している。これは、空気過剰率λが２．４で、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制され、熱効率が向上（ひいては燃費も向上）していることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００６３】
図１４は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率がリーディング側点火プラグ２１の点火時期に応じてどのように変わるかを示すものである。図１４は、燃料として水素を用い、回転数を中回転数（１５００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、Ｐｅを高負荷（３００ｋＰａ）として、ロータリーピストンエンジン１を運転した場合のものである。なお、混合気の空気過剰率λ及びリーディング側点火プラグ２１の点火時期は、図示の通りであり、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期は、リーディング側点火プラグ２１の点火時期より５°遅くしている。
【００６４】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合（実線）は、設けない場合（破線）に比べて、空気過剰率λが２のときは、リーディング側点火プラグ２１の点火時期がＢＴＤＣ１〜２°近辺よりも遅いときに熱効率が向上し、空気過剰率λが１．６〜１．７のときは、リーディング側点火プラグ２１の点火時期がＢＴＤＣ−４〜−５°近辺よりも遅いときに熱効率が向上している。これは、乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードしても、そのリタードによる混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。
【００６５】
本実施形態の特徴を以下にまとめる。
【００６６】
本実施形態では、前記構成（１）のように、燃焼行程で理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼される。リーンな混合気は燃料に対する空気の量が相対的に多いから、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減が図られる。また、燃焼温度の上昇が抑制されることにより、ＮＯｘの低減も図られる。
【００６７】
また、前記構成（２）のように、ローター２のフランク面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられる。これにより、燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が生成し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進される。そのため、混合気の燃焼遅れが抑制され、排気損失の増加の抑制が図られる。乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リーン燃焼の効果（冷却損失の低減）を最大限発揮させつつ、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とが両立し、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００６８】
また、前記構成（３）のように、トレーリング側点火プラグ２２が、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に偏倚している。これにより、トレーリング側点火プラグ２２の点火時にトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側に存在する混合気の量が可及的に少なくなり、混合気の燃焼遅れの程度、排気損失の増加の程度が低減される。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００６９】
前記乱流生成部材５１を設けることにより、次のような作用も奏される。すなわち、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、トレーリング側点火プラグ２２とリーディング側点火プラグ２１との間に存在する混合気のうち特にリーディング側点火プラグ２１に近い混合気がトレーリング側点火プラグ２２からより離間することになって燃焼遅れが生じ得る。しかし、前記乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚の効果（スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れの抑制）を最大限発揮させつつ、トレーリング側点火プラグ２２とリーディング側点火プラグ２１との間に存在する混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００７０】
本実施形態では、混合気に含まれる燃料は水素であり、混合気の空気過剰率λは２．２以上である。これにより、エンジン１は、排気がクリーンな水素を燃料として採用する水素ロータリーピストンエンジンとなる。そして、λ≧２．２という超リーン燃焼を行うことにより、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減及びＮＯｘの低減が図られ、かつ、乱流生成部材５１及びトレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、排気損失の増加の抑制が図られる。
【００７１】
本実施形態では、前記図１４の結果から、燃焼行程で圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードする。これにより、例えば高負荷領域で燃料が増量されても、圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードすることによって、ノッキングの回避が図られる。乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リタード幅を大きくとることができ、リタードの効果（ノッキングの回避）を最大限発揮させつつ、リタードによる混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。
【００７２】
本実施形態に係るエンジン１は、前記構成（１）リーン燃焼、前記構成（２）乱流生成部材５１、前記構成（３）トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚、を採用したことにより、燃焼プロセスが改良され、熱効率が３％程度改善し、トータルの熱効率が４０％に近づき、燃焼時のピーク温度が１５００Ｋ以下に低下した。これにより、燃焼室の最端部にある混合気の燃焼が確実となり、未燃損が低減し、未燃燃料の排出が低減し、前記後燃え（ｉｉｉ）等の燃焼室の最端部にある混合気の燃焼が早いタイミングで起こるようになった。
【００７３】
前記実施形態の変形例を以下に説明する。
【００７４】
乱流生成部材５１の形状、配置、個数等は、特に限定されない。例えば、乱流生成部材５１をリセス２ｂ内のリーディング側又はトレーリング側に配置してもよく、２個の乱流生成部材５１，５１をリセス２ｂ内のリーディング側とトレーリング側とに配置してもよい。
【００７５】
燃料は、水素以外の気体燃料、例えばＬＰＧ（液化石油ガス）やＣＮＧ（圧縮天然ガス）等でも構わない。また、ガソリン等の液体燃料も問題なく使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、燃料の種類に拘わらず、ロータリーピストンエンジンの技術分野において、広範な産業上の利用可能性が期待される。
【符号の説明】
【００７７】
１ ロータリーピストンエンジン
２ ローター
２ａ ローター外周面（フランク面）
２ｂ リセス
３ ローターハウジング
３ａ トロコイド状内周面
４ インターミディエイトハウジング
４ａ インターミディエイトハウジング側面
５ サイドハウジング
５ａ サイドハウジング内側面
６ エキセントリックシャフト
７ ローター収容室
８ 作動室
１０ 排気ポート
１１〜１３ 吸気ポート
１５ インジェクタ
２１ リーディング側点火プラグ
２２ トレーリング側点火プラグ
５１ 乱流生成部材
Ｌ 圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の長さ
Ｗ スキッシュ流
Ｘ 回転軸心
Ｙ 長軸
Ｚ 短軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱効率の改善のために燃焼プロセスが改良されたロータリーピストンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境への関心が高まるなか、排気がクリーンな水素エンジンが注目されている。ロータリーピストンエンジンは、ローターがローターハウジングのトロコイド状内周面に複数の頂点で摺接して複数の作動室を画成しつつ回転するという構造上、吸気室と燃焼室とが分離され、また吸気室にスパークプラグ等の熱源もないため、バックファイア等の異常燃焼が起き難い。そのため、ロータリーピストンエンジンは、レシプロエンジンに比べて、水素エンジンとしての用途に適している。例えば、特許文献１には、気体燃料として水素を採用したロータリーピストンエンジンが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、燃料がガソリンのような液体燃料であるか水素のような気体燃料であるかに拘わらず、ローターの外周面に凹状ポケット及び凹状ポケットに沿って延びる流れ変更部材が設けられたロータリーピストンエンジンが開示されている。そして、これによれば、流れ変更部材によって燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が発生し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進されて燃焼効率が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５００２４号公報（段落００２４）
【特許文献２】特開２００８−１８５０２７号公報（段落００１４〜００１６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般に、水素の燃焼はガソリンよりも速いため、水素エンジンはガソリンエンジンよりも冷却損失が大きい。冷却損失を低減するためにリーン燃焼を行うことが考えられるが、混合気をリーン化すると、燃焼速度が遅くなり、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。よって、混合気をリーン化しても混合気の燃焼遅れを抑制できる技術が望まれる。
【０００６】
また、ロータリーピストンエンジンは、ローターの回転に起因して、燃焼行程において燃焼室内をローターの回転方向のトレーリング側からリーディング側へ強いスキッシュ流が流れる。このスキッシュ流のため、点火プラグの点火によって生じた火炎は、点火プラグよりもリーディング側には伝播し易いがトレーリング側には伝播し難い。そのため、点火プラグの点火時に点火プラグよりもトレーリング側に存在する混合気は、ローターの回転に伴って点火プラグよりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始しない。これによっても混合気の燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制できる技術もまた望まれる。
【０００７】
以上のような問題は、燃料の種類に拘わらず、ロータリーピストンエンジンで混合気をリーン燃焼する場合に一般的に生じる問題である。
【０００８】
そこで、本発明は、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制し、かつ、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とを図り、ロータリーピストンエンジンの熱効率を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係るロータリーピストンエンジンは、トロコイド状内周面を有するローターハウジングと、前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、前記内周面のトロコイド曲線の短軸を挟んでリーディング側及びトレーリング側に配置されたリーディング側点火プラグ及びトレーリング側点火プラグとを備えるロータリーピストンエンジンであって、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、前記ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられ、前記短軸から圧縮トップ（圧縮上死点：ＴＤＣ）のときのローターのトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、前記トレーリング側点火プラグが、前記短軸から（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼されるから、燃焼温度の上昇が抑制される（リーンな混合気は燃料に対する空気の量が相対的に多いから）。そのため、冷却損失の低減が図られる。また、燃焼温度の上昇が抑制されることにより、ＮＯｘの低減も図られる。
【００１１】
その際、ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられるから、この乱流生成部材によって燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が生成し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進される。そのため、混合気の燃焼遅れが抑制され、排気損失の増加の抑制が図られる。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リーン燃焼の効果（冷却損失の低減）を減損することなく、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１２】
さらに、トレーリング側点火プラグが、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の長さ、すなわち、ローターハウジングの内周面のトロコイド曲線の短軸から、圧縮トップのときのローターのトレーリング側頂点までの長さをＬとしたときに、前記短軸から（Ｌ／２）以上の位置に配置されているから、トレーリング側点火プラグは、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に位置している。したがって、圧縮トップ近傍で点火されるトレーリング側点火プラグの点火時には、比較的多量の混合気がトレーリング側点火プラグよりもリーディング側に存在し、比較的少量の混合気がトレーリング側点火プラグよりもトレーリング側に存在する。そのため、トレーリング側点火プラグの点火時にトレーリング側点火プラグよりもトレーリング側に存在する混合気は、ローターの回転に伴ってトレーリング側点火プラグよりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始しないけれども、そのような混合気の量が可及的に少なくされ、結果的に、混合気の燃焼遅れの程度、排気損失の増加の程度が低減される。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１３】
なお、このトレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚（オフセット）により、トレーリング側点火プラグとリーディング側点火プラグとの間に存在する混合気のうち特にリーディング側点火プラグに近い混合気がトレーリング側点火プラグからより離間することになって燃焼遅れが生じるところであるが、前述の乱流生成部材の作用によって、そのような燃焼遅れは抑制される。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、トレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚の効果（スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れの抑制）を減損することなく、トレーリング側点火プラグとリーディング側点火プラグとの間に存在する混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【００１４】
本発明のより具体的な構成として、前記混合気に含まれる燃料は水素であり、前記混合気の空気過剰率λは２．２以上であるものを挙げることができる。
【００１５】
このような構成によれば、排気がクリーンな水素を燃料として採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、λ≧２．２という超リーン燃焼を行うことにより、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減及びＮＯｘの低減が図られると共に、乱流生成部材及びトレーリング側点火プラグ位置のトレーリング側への偏倚により、排気損失の増加の抑制が図られる。
【００１６】
本発明のさらに具体的な構成として、燃焼行程では圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードするものを挙げることができる。
【００１７】
このような構成によれば、例えば高負荷領域で燃料が増量されても、圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードすることによって、ノッキングの回避が図られる。つまり、乱流生成部材により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リタード幅を大きくすることができ、リタードの効果（ノッキングの回避）を減損することなく、リタードによる混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料がガソリンのような液体燃料であるか水素のような気体燃料であるかに拘わらず、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制され、かつ、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが抑制されるので、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とが両立し、ロータリーピストンエンジンの熱効率の改善が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るロータリーピストンエンジンの概要を示す斜視図である。
【図２】前記ロータリーピストンエンジンのローターハウジング及びローターの正面図である。
【図３】圧縮トップにあるローターの燃焼室に接する外周面の平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による前記ローター及び前記ローターハウジングの部分断面図である。
【図５】従来のロータリーピストンエンジンの燃焼プロセスを説明するための、（ａ）はエキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の熱発生が燃焼室内のどの範囲にある混合気の燃焼によるものであるかを示す対応図である。
【図６】ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図７】トレーリング側点火プラグ位置をトレーリング側へ偏倚した場合及び偏倚しない場合の、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図８】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、アイドル領域での、空気過剰率λと熱効率との関係を示すグラフである。
【図９】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、アイドル領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１０】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、高速度中負荷領域での、空気過剰率λと熱効率との関係を示すグラフである。
【図１１】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、高速度中負荷領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１２】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、中速度中負荷領域での、エキセントリックシャフトの回転角と熱発生率との関係を示すグラフである。
【図１３】図１１の圧力−体積曲線である。
【図１４】燃料として水素を採用する水素ロータリーピストンエンジンにおいて、ローターに乱流生成部材を設けた場合及び設けない場合の、中速度高負荷領域での、リーディング側点火プラグの点火時期と熱効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基いて本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態は例示に過ぎず、本発明はこの実施形態に何等限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態において、本発明は、図１及び図２に示すロータリーピストンエンジン１に適用されている。このエンジン１は、２つのローター２を備えた２ローター型エンジンであり、インターミディエイトハウジング４の両側に、フロント側（図１の右側）及びリヤ側（図１の左側）の２つのローターハウジング３及び２つのサイドハウジング５がこの順に積層され、一体化されることによって構成されている。
【００２２】
なお、図１では、フロント側のローターハウジング３及びサイドハウジング５は、内部を示すために一部が切り欠かれている。また、リヤ側のサイドハウジング５は、内部を示すためにローターハウジング３から分離されている。また、図中の符号Ｘは、出力軸としてのエキセントリックシャフト６（図２参照）の回転軸心を示す。
【００２３】
前記ロータハウジング３の平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド状内周面３ａと、前記サイドハウジング５の内側面５ａと、前記インターミディエイトハウジング４の側面４ａとによって、ローター収容室７が形成されている。ローター収容室７は、図２に示すように、回転軸心Ｘの方向から見て繭のような略楕円形状を呈している。なお、図中の符号Ｙは、トロコイド状内周面３ａのトロコイド曲線の長軸を示し、符号Ｚは、短軸を示す。
【００２４】
前記ローター収容室７にローター２が回転自在に収容されている。ローター２は、回転軸心Ｘの方向から見て各辺の中央部が外側に膨出する略三角形状をしたブロック体からなる。図中の符号２ａは、後述する作動室８に接するローター２の外周面（フランク面）を示す。各フランク面２ａの長手方向の中央部分に、エンジン１の圧縮比を調整するための窪みであるリセス２ｂが形成されている。
【００２５】
ローター２の３つの頂点には、図示略のアペックスシールが備えられ、これらのアペックスシールがローターハウジング３のトロコイド状内周面３ａに当接することにより、前記ローターハウジング３のトロコイド状内周面３ａと、前記ローター２のフランク面２ａと、前記サイドハウジング５の内側面５ａと、前記インターミディエイトハウジング４の側面４ａとによって、ローター収容室７の内部に３つの作動室８が画成されている。
【００２６】
図示されていないが、ローター２は、ローター２の中央部に設けられた内歯車（ローターギア）とサイドハウジング５に設けられた外歯車（固定ギア）とが噛合しつつ、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５を貫通するエキセントリックシャフト６に対して遊星回転運動をするように支持されている。
【００２７】
ローター２は、３つのアペックスシールがロータハウジング３のトロコイド状内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪６ａの周りを自転し、かつ、回転軸心Ｘの周りを自転と同じ方向に公転する（単にローター２の回転というときは、この自転及び公転を含めたローター２の遊星回転を意味する）。このローター２の回転に伴い、３つの作動室８がトロコイド状内周面３ａに沿って周方向に移動し、各作動室８において、吸気、圧縮、燃焼及び排気の各行程が行われ、発生するトルクがローター２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。
【００２８】
図２において、ローター２は、矢印で示すように、時計回りに回転する。ローター収容室７は、長軸Ｙより左側（図２においていう。以下同様）の部分が概ね吸気行程と排気行程の領域となり、右側の部分が概ね圧縮行程と燃焼行程の領域となる。
【００２９】
ローター収容室７の長軸Ｙより左側の部分で短軸Ｚより上側には、インターミディエイトハウジング４の側面４ａ及びサイドハウジング５の内側面５ａに吸気ポート１１，１２，１３が開口している。エンジン１の低回転領域では第１吸気ポート１１のみから吸気され、中回転領域では第２吸気ポート１２からも吸気され、高回転領域ではさらに第３吸気ポート１３からも吸気される。これにより、エンジン１の全運転領域に亘って効率よく吸気が行われる。
【００３０】
ローター収容室７の長軸Ｙより左側の部分で短軸Ｚより下側には、インターミディエイトハウジング４の側面４ａ及びサイドハウジング５の内側面５ａに排気ポート１０…１０が開口している。このように、このエンジン１ではサイド排気方式が採用され、吸気ポート１１〜１３による吸気のオープンタイミングと、排気ポート１０…１０による排気のオープンタイミングとがオーバーラップしないように設定されている。これにより、吸気行程に持ち込まれる残留排ガスが低減され、混合気がリーンであっても燃焼安定性が向上する。
【００３１】
ロータハウジング３の上部には、作動室８に燃料を直接噴射するインジェクタ１５が備えられている。また、ロータハウジング３の長軸Ｙより右側の部分には、短軸Ｚを挟んでローター２の回転方向のリーディング側及びトレーリング側にリーディング側点火プラグ２１及びトレーリング側点火プラグ２２が配置されている。これらの点火プラグ２１，２２は、ローター２が圧縮トップ（ＴＤＣ）の近傍にあるときに、リーディング側点火プラグ２１、トレーリング側点火プラグ２２の順に点火される。
【００３２】
図２において、左上の作動室８は吸気行程にある。吸気工程では、吸気ポート１１〜１３から吸気された空気と、インジェクタ１５から噴射された燃料とが混合されて混合気が形成される。次いで、ローター２の回転に伴い圧縮行程に移行すると、作動室８の容積が小さくなり混合気が圧縮される。次いで、右側の作動室８（燃焼室）のように、ローター２が圧縮トップ近傍にあるときに点火プラグ２１，２２が点火されると、混合気が燃焼して燃焼行程に移行する。次いで、ローター２の回転に伴い排気行程に移行すると、左下の作動室８のように、排ガスが排気ポート１０…１０から排出される。
【００３３】
以上のような構成を基本として、本実施形態に係るエンジン１は、次のような特徴を有している。
【００３４】
燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼される。つまり、混合気の空気過剰率λは１を超えて大きい（λ＞１）。混合気に含まれる燃料は水素である。つまり、インジェクタ１５は図外の高圧水素タンクにつながっており、気体燃料である水素を吸気行程にある作動室８に噴射する。水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λは２．２以上である（λ≧２．２）。好ましくは、２．４以上である（λ≧２．４）。また、好ましくは、２．６以下である（λ≦２．６）。なお、過給機等を用いた場合、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを３程度まで大きくすることができる。
【００３５】
図３に示すように、ローター２のフランク面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられている。本実施形態では、リセス２ｂの輪郭は矩形状であり、乱流生成部材５１は、ローター２の幅方向に延びる壁状の突起である。乱流生成部材５１は、矩形状のリセス２ｂの長手方向の中央部分に配置されている。乱流生成部材５１は、リセス２ｂの底面から立設されており、その高さは乱流生成部材５１がリセス２ｂからフランク面２ａに突出しないようにリセス２ｂの深さよりも低く、その長さは乱流生成部材５１の両端とリセス２ｂの側壁との間に間隙が残るようにリセス２ｂの最大幅よりも短い。燃焼室内をトレーリング側からリーディング側へ流れるスキッシュ流Ｗは層流であるが、乱流生成部材５１に衝突することにより流れが乱されて、少なくとも一部が乱流に変換される。これにより、混合気のミキシングが促進され、火炎伝播が促進されて、混合気の燃焼速度が大幅に高められる。
【００３６】
なお、リーディング側点火プラグ２１及びトレーリング側点火プラグ２２は、ローター２の幅方向の中心線Ｃ上に配置されている。また、乱流生成部材５１はローター２と一体に形成してもよく、別体に形成したのち接合等してもよい。
【００３７】
図４に示すように、トレーリング側点火プラグ２２は、短軸Ｚから、圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、短軸Ｚから（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されている。つまり、トレーリング側点火プラグ２２は、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に位置している（トレーリング側に偏倚している）。
【００３８】
図４において、符号Ｐ１は、圧縮トップのときのローター２のトレーリング側頂点を通る短軸Ｚと平行な線を示し、符号Ｐ２は、圧縮トップのときのローター２のリーディング側頂点を通る短軸Ｚと平行な線を示し、符号Ｐ３は、トレーリング側点火プラグ２２の軸心を示し、符号Ｐ４は、リーディング側点火プラグ２１の軸心を示し、符号Ｌ１は、短軸Ｚとリーディング側点火プラグ２１との間の長さを示し、符号Ｌ２は、短軸Ｚとトレーリング側点火プラグ２２との間の長さを示し、符号Ｌ３は、ローター２の隣接する頂点間の長さを示す。本実施形態では、トレーリング側点火プラグ２２はトレーリング側に偏倚しているから、Ｌ２≧（Ｌ／２）となる。なお、圧縮トップのとき、短軸Ｚからローター２のトレーリング側頂点までの長さとリーディング側頂点までの長さとは同じ（Ｌ）である。
【００３９】
仕様の具体的一例として、Ｌは８５ｍｍ、Ｌ１は２０ｍｍ、Ｌ２は５０ｍｍ、Ｌ３は１７０ｍｍ等とすることができる。なお、前記長さＬ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、軸Ｚ、線Ｐ１、線Ｐ２、軸心Ｐ３、軸心Ｐ４に垂直な最短長さで表したが、例えば、弧状のフランク面２ａに沿った長さで表してもよい。その場合の仕様の具体的一例として、Ｌ３に相当する、フランク面２ａの弧の長さは１８０ｍｍ等とすることができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係るエンジン１は、（１）リーン燃焼、（２）乱流生成部材５１、（３）トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚、を特徴としている。このような構成を採用した理由はおよそ次のようである。
【００４１】
（１）水素エンジン１は排気がクリーンという利点があって注目されているが、水素の燃焼はガソリンよりも速いため、ガソリンエンジンよりも冷却損失が大きいという不利益がある。そこで、エンジン１の冷却損失を低減するためにリーン燃焼を行っている。
【００４２】
（２）リーン燃焼を行うと、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加するという不利益がある。そこで、リーン燃焼を行っても燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１をローター２に設けている。
【００４３】
（３）ロータリーピストンエンジン１は、燃焼室内をトレーリング側からリーディング側へ流れるスキッシュ流Ｗが存在するため、トレーリング側点火プラグ２２の点火時にトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側に存在する混合気は、ローター２の回転に伴ってトレーリング側点火プラグ２２よりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始せず、これによって燃焼遅れが生じ、排気損失が増加するという不利益がある。そこで、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制するためにトレーリング側点火プラグ２２の位置をトレーリング側へ偏倚している。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、一般に、ロータリーピストンエンジンの燃焼プロセスは、主燃焼（ｉ）、スキッシュ燃焼（ｉｉ）、後燃え（ｉｉｉ）の順に起こる。図５（ａ）の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．２〜２．３とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ（圧縮トップ前）１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とした場合のものである（乱流生成部材５１は設けていない）。
【００４５】
図５（ｂ）に示すように、主燃焼（ｉ）は、燃焼室内においてトレーリング側点火プラグ２２の近傍からリーディング側点火プラグ２１を超えて燃焼室のリーディング側最端部を少量残す位置までの範囲にある混合気の燃焼により起こる。スキッシュ燃焼（ｉｉ）は、燃焼室内においてトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側にある混合気の燃焼により起こる。後燃え（ｉｉｉ）は、燃焼室内においてリーディング側最端部にある混合気の燃焼により起こる。
【００４６】
このように、スキッシュ燃焼（ｉｉ）が主燃焼（ｉ）よりも遅れて起こっていることにより、ロータリーピストンエンジンではスキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが生じていることを示している。
【００４７】
図６は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図６の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとした上で、図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、混合気の空気過剰率λを２．４５とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ（圧縮トップ後）５°とし、Ｐｉ（図示平均有効圧）を５１ｋＰａとした場合のものである。また、図３で例示した乱流生成部材５１を設けない場合は、混合気の空気過剰率λを２．２とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、Ｐｉを４８ｋＰａとした場合のものである。
【００４８】
乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、リーディング側点火プラグ２１の点火時期を１０°リタードしているにも拘らず、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。よって、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００４９】
図７は、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合と偏倚しない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図７の燃焼プロセスは、乱流生成部材を設けず、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、混合気の空気過剰率λを２．４５とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ１０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ５°とした上で、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合は、図４で例示した前記仕様においてＬ２を５０ｍｍとした場合のものである。また、トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚しない場合は、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとした場合のものである。
【００５０】
トレーリング側点火プラグ２２位置をトレーリング側へ偏倚した場合は、スキッシュ燃焼がはっきりとは確認されず、スキッシュ燃焼は主燃焼に取り込まれているように見える。これは、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れが抑制されていることを示している。よって、本実施形態では、前記理由（３）で述べたように、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制するためにトレーリング側点火プラグ２２の位置をトレーリング側へ偏倚している。
【００５１】
図８は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率が空気過剰率λに応じてどのように変わるかを示すものである。図８は、燃料として水素を用い、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ５°とし、Ｐｅ（正味平均有効圧）を低負荷（０ｋＰａ）として、ロータリーピストンエンジン１を運転した場合のものである。
【００５２】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、空気過剰率λが２．２近辺から２．６近辺の範囲で熱効率が向上している。特に、空気過剰率λが２．４近辺から２．５近辺の範囲で熱効率が最も向上している。これは、アイドル領域において、乱流生成部材５１により、空気過剰率λが２．２以上にリーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。よって、本実施形態では、前述したように、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを２．２以上、好ましくは、２．４以上、また、好ましくは、２．６以下としている。
【００５３】
図９は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。図９の燃焼プロセスは、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．４とし、回転数をアイドル回転数（１０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＡＴＤＣ５°とし、Ｐｅを低負荷（０ｋＰａ）とした場合のものである。
【００５４】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．４で、アイドル領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００５５】
図１０は、図８と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率が空気過剰率λに応じてどのように変わるかを示すものである。ただし、図１０は、図８と比較すると、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とした点が異なっている。
【００５６】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、空気過剰率λが２．２近辺から２．４近辺の範囲で熱効率が向上している。これは、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、空気過剰率λが２．２以上にリーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。これによっても、本実施形態では、前述したように、水素を燃料として含む混合気の空気過剰率λを２．２以上としている。
【００５７】
図１１は、図９と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。ただし、図１１は、図９と比較すると、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とした点が異なっている。
【００５８】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．４で、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００５９】
図１２は、図９と同様、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、燃焼プロセスがどのように変わるかを示すものである。ただし、図１２は、図９と比較すると、混合気の空気過剰率λを２．１とし、回転数を中回転数（１５００ｒｐｍ）とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とした点が異なっている。
【００６０】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、主燃焼が早いタイミングで起こっている。これは、空気過剰率λが２．１で、中速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められていることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００６１】
図１３は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、圧力−体積曲線がどのように変わるかを示すものである。図１３の圧力−体積曲線は、図１１と同様、燃料として水素を用い、混合気の空気過剰率λを２．４とし、回転数を高回転数（３０００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をＢＴＤＣ５°とし、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期をＢＴＤＣ０°とし、Ｐｅを中負荷（１００ｋＰａ）とした場合のものである。
【００６２】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合は、設けない場合に比べて、仕事量が増大している。これは、空気過剰率λが２．４で、高速度中負荷領域において、乱流生成部材５１により、リーン化した混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーン化した混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制され、熱効率が向上（ひいては燃費も向上）していることを示している。これによっても、本実施形態では、前記理由（２）で述べたように、リーン燃焼に起因する燃焼遅れを抑制するために乱流生成部材５１を採用している。
【００６３】
図１４は、ローター２に乱流生成部材５１を設けた場合と設けない場合とで、熱効率がリーディング側点火プラグ２１の点火時期に応じてどのように変わるかを示すものである。図１４は、燃料として水素を用い、回転数を中回転数（１５００ｒｐｍ）とし、図４で例示した前記仕様においてＬ２を３０ｍｍとし、Ｐｅを高負荷（３００ｋＰａ）として、ロータリーピストンエンジン１を運転した場合のものである。なお、混合気の空気過剰率λ及びリーディング側点火プラグ２１の点火時期は、図示の通りであり、トレーリング側点火プラグ２２の点火時期は、リーディング側点火プラグ２１の点火時期より５°遅くしている。
【００６４】
図３で例示した乱流生成部材５１を設けた場合（実線）は、設けない場合（破線）に比べて、空気過剰率λが２のときは、リーディング側点火プラグ２１の点火時期がＢＴＤＣ１〜２°近辺よりも遅いときに熱効率が向上し、空気過剰率λが１．６〜１．７のときは、リーディング側点火プラグ２１の点火時期がＢＴＤＣ−４〜−５°近辺よりも遅いときに熱効率が向上している。これは、乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高められ、その結果、リーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードしても、そのリタードによる混合気の燃焼遅れが抑制されて排気損失の増加が抑制されていることを示している。
【００６５】
本実施形態の特徴を以下にまとめる。
【００６６】
本実施形態では、前記構成（１）のように、燃焼行程で理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼される。リーンな混合気は燃料に対する空気の量が相対的に多いから、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減が図られる。また、燃焼温度の上昇が抑制されることにより、ＮＯｘの低減も図られる。
【００６７】
また、前記構成（２）のように、ローター２のフランク面２ａに形成されたリセス２ｂ内に乱流生成部材５１が設けられる。これにより、燃焼室内の燃料と空気との混合気に乱流が生成し、燃料と空気とのミキシング及び火炎伝播が促進される。そのため、混合気の燃焼遅れが抑制され、排気損失の増加の抑制が図られる。乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リーン燃焼の効果（冷却損失の低減）を最大限発揮させつつ、リーン化した混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、冷却損失の低減と排気損失の増加の抑制とが両立し、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００６８】
また、前記構成（３）のように、トレーリング側点火プラグ２２が、圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の中心よりもトレーリング側に偏倚している。これにより、トレーリング側点火プラグ２２の点火時にトレーリング側点火プラグ２２よりもトレーリング側に存在する混合気の量が可及的に少なくなり、混合気の燃焼遅れの程度、排気損失の増加の程度が低減される。よって、スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００６９】
前記乱流生成部材５１を設けることにより、次のような作用も奏される。すなわち、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、トレーリング側点火プラグ２２とリーディング側点火プラグ２１との間に存在する混合気のうち特にリーディング側点火プラグ２１に近い混合気がトレーリング側点火プラグ２２からより離間することになって燃焼遅れが生じ得る。しかし、前記乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚の効果（スキッシュ流に起因するトレーリング側混合気の燃焼遅れの抑制）を最大限発揮させつつ、トレーリング側点火プラグ２２とリーディング側点火プラグ２１との間に存在する混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。したがって、ロータリーピストンエンジン１の熱効率が改善する。
【００７０】
本実施形態では、混合気に含まれる燃料は水素であり、混合気の空気過剰率λは２．２以上である。これにより、エンジン１は、排気がクリーンな水素を燃料として採用する水素ロータリーピストンエンジンとなる。そして、λ≧２．２という超リーン燃焼を行うことにより、燃焼温度の上昇が抑制され、冷却損失の低減及びＮＯｘの低減が図られ、かつ、乱流生成部材５１及びトレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚により、排気損失の増加の抑制が図られる。
【００７１】
本実施形態では、前記図１４の結果から、燃焼行程で圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードする。これにより、例えば高負荷領域で燃料が増量されても、圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグ２１の点火時期をリタードすることによって、ノッキングの回避が図られる。乱流生成部材５１により、混合気の燃焼速度が大幅に高まるため、リタード幅を大きくとることができ、リタードの効果（ノッキングの回避）を最大限発揮させつつ、リタードによる混合気の燃焼遅れを抑制して排気損失の増加を抑制できる。
【００７２】
本実施形態に係るエンジン１は、前記構成（１）リーン燃焼、前記構成（２）乱流生成部材５１、前記構成（３）トレーリング側点火プラグ２２位置のトレーリング側への偏倚、を採用したことにより、燃焼プロセスが改良され、熱効率が３％程度改善し、トータルの熱効率が４０％に近づき、燃焼時のピーク温度が１５００Ｋ以下に低下した。これにより、燃焼室の最端部にある混合気の燃焼が確実となり、未燃損が低減し、未燃燃料の排出が低減し、前記後燃え（ｉｉｉ）等の燃焼室の最端部にある混合気の燃焼が早いタイミングで起こるようになった。
【００７３】
前記実施形態の変形例を以下に説明する。
【００７４】
乱流生成部材５１の形状、配置、個数等は、特に限定されない。例えば、乱流生成部材５１をリセス２ｂ内のリーディング側又はトレーリング側に配置してもよく、２個の乱流生成部材５１，５１をリセス２ｂ内のリーディング側とトレーリング側とに配置してもよい。
【００７５】
燃料は、水素以外の気体燃料、例えばＬＰＧ（液化石油ガス）やＣＮＧ（圧縮天然ガス）等でも構わない。また、ガソリン等の液体燃料も問題なく使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、燃料の種類に拘わらず、ロータリーピストンエンジンの技術分野において、広範な産業上の利用可能性が期待される。
【符号の説明】
【００７７】
１ ロータリーピストンエンジン
２ ローター
２ａ ローター外周面（フランク面）
２ｂ リセス
３ ローターハウジング
３ａ トロコイド状内周面
４ インターミディエイトハウジング
４ａ インターミディエイトハウジング側面
５ サイドハウジング
５ａ サイドハウジング内側面
６ エキセントリックシャフト
７ ローター収容室
８ 作動室
１０ 排気ポート
１１〜１３ 吸気ポート
１５ インジェクタ
２１ リーディング側点火プラグ
２２ トレーリング側点火プラグ
５１ 乱流生成部材
Ｌ 圧縮トップのときのトレーリング側燃焼室の長さ
Ｗ スキッシュ流
Ｘ 回転軸心
Ｙ 長軸
Ｚ 短軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロコイド状内周面を有するローターハウジングと、
前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、
前記内周面のトロコイド曲線の短軸を挟んでリーディング側及びトレーリング側に配置されたリーディング側点火プラグ及びトレーリング側点火プラグとを備えるロータリーピストンエンジンであって、
燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、
前記ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられ、
前記短軸から圧縮トップのときのローターのトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、前記トレーリング側点火プラグが、前記短軸から（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されていることを特徴とするロータリーピストンエンジン。
【請求項２】
前記混合気に含まれる燃料は水素であり、前記混合気の空気過剰率λは２．２以上であることを特徴とする請求項１に記載のロータリーピストンエンジン。
【請求項３】
燃焼行程では圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードすることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリーピストンエンジン。
【請求項１】
トロコイド状内周面を有するローターハウジングと、
前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、
前記内周面のトロコイド曲線の短軸を挟んでリーディング側及びトレーリング側に配置されたリーディング側点火プラグ及びトレーリング側点火プラグとを備えるロータリーピストンエンジンであって、
燃焼行程では理論空燃比よりもリーンな混合気が燃焼され、
前記ローターの外周面に形成されたリセス内に乱流生成部材が設けられ、
前記短軸から圧縮トップのときのローターのトレーリング側頂点までのトレーリング側燃焼室の長さをＬとしたときに、前記トレーリング側点火プラグが、前記短軸から（Ｌ／２）以上離れた位置に配置されていることを特徴とするロータリーピストンエンジン。
【請求項２】
前記混合気に含まれる燃料は水素であり、前記混合気の空気過剰率λは２．２以上であることを特徴とする請求項１に記載のロータリーピストンエンジン。
【請求項３】
燃焼行程では圧縮トップ後に熱発生するようにリーディング側点火プラグの点火時期をリタードすることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリーピストンエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−５００４０（Ｐ２０１３−５００４０Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７１２３（Ｐ２０１１−１８７１２３）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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