(57)【要約】【課題】内燃機関及びその周辺装置の容積を大きく増大させることなく内燃機関の排気ガスによる騒音を低減する。【解決手段】一回の燃焼サイクル間において燃焼室から排気管２０内への排気ガスの吐出を複数回行う排気機構と、排気管２０の長さを可変とする排気管長可変機構と、を備える内燃機関１００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間欠燃焼によって駆動力を発生させる内燃機関であって、
燃焼室と、
一回の燃焼サイクル間において前記燃焼室から排気管内への排気ガスの吐出を複数回行う排気機構と、
前記排気管の長さを可変とする排気管長可変機構と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記排気管長可変機構は、前記排気管の途中に設けられ、前記排気管を開口及び閉口させることができる制御バルブを含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関であって、
前記排気管長可変機構は、前記内燃機関の回転速度に応じて前記排気管の長さを変更することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
レシプロエンジン等の間欠燃焼により駆動力を出力する内燃機関において、燃焼に伴って発生する排気ガスの排出時における排気音を低減することが望まれている。すなわち、間欠燃焼方式の内燃機関では、気筒毎に吸気、圧縮、燃焼、排気の工程を順次繰り返しながら駆動力を発生している。排気工程では、所定のタイミングで排気バルブを開いて燃焼を終えた筒内ガスを排気管を通して大気に排出する。このとき、燃焼に伴う熱によって筒内のガス圧力は高くなっているので、排気バルブを開いた瞬間にブローダウンと呼ばれる急激なガスの吐出が行われる。これが排気管内に圧力脈動を発生させ、ひいては最終的にテールパイプから吐出される排気ガスの吐出速度を変動させることになる。吐出音は排気ガスの吐出速度の変化率が大きいほど音量が大きくなる傾向があるので、この圧力脈動は吐出音の音量を増大させる要因のひとつとなる。
【０００３】
そこで、排気音を音波信号として検出する音波検出手段を備え、エンジンの回転に同期した正弦波を参照信号して消音信号を生成し、当該消音信号を用いて音波検出信号で検出された音波信号を打ち消すように排気音を消音させる技術が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、エンジンの暖機実行中において排気バルブの開弁タイミングを通常よりも所定のクランク角だけ進角又は遅角させることによって、排気音を低減する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８５０２４号公報
【特許文献２】特開２００２−３０３１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、排気に伴う吐出音を低減するために従来技術を適用した消音器を装着してこれを低減している。消音器は、その容積が大きいほど、また消音器から後流部(テールパイプ部)に設ける絞りの有効径を小さくするほど消音効果が大きくなる。しかしながら、車両への搭載性を考えると消音器の容積は小さい方が望ましい。また、後流部の絞り径を小さくすると流路抵抗が大きくなるので、特に高回転時のガス交換が十分行われなくなって（吸入空気量を確保できなくなって）出力が低下するおそれがある。また、出力低下分を補うために内燃機関の排気量を増したり、過給装置を装着したりする等の手段を講じると、内燃機関及び消音器の容積が増すこととなり、車両への搭載性を悪化させる原因となる。
【０００７】
また、排気ガスによる圧力脈動を打ち消すだけの音波発生装置(スピーカ)を消音器内に具備すると、その駆動アンプ及びその電源装置も車両搭載する必要があり、消音器の容積の増大及び電気回路等の搭載スペースの増大を招くことになる。さらに、排気系の管路内は排気ガスによる高温と多湿に繰り返し曝される環境にあり、電気駆動式の音波発生装置の長期安定的な信頼性を確保することが非常に困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、間欠燃焼によって駆動力を発生させる内燃機関であって、燃焼室と、一回の燃焼サイクル間において前記燃焼室から排気管内への排気ガスの吐出を複数回行う排気機構と、前記排気管の長さを可変とする排気管長可変機構と、を備えることを特徴とする内燃機関である。
【０００９】
ここで、前記排気管長可変機構は、前記排気管の途中に設けられ、前記排気管を開口及び閉口させることができる制御バルブを含むことが好適である。
【００１０】
また、前記排気管長可変機構は、前記内燃機関の回転速度に応じて前記排気管の長さを変更することが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の内燃機関によれば、内燃機関及びその周辺装置の容積を大きく増大させることなく内燃機関の排気ガスによる騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における排気バルブの具体的な構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における排気バルブを駆動するためのカムの構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における排気バルブを駆動するためのカムの構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における主カム及び副カムによる排気バルブのリフト曲線を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における排気バルブの合成リフト曲線を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における内燃機関の回転速度に対する音圧レベルの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における内燃機関の回転速度に対する出力トルクの関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における内燃機関の回転速度に対する排気管の長さの調整の関係を示す図である。
【図１０】内燃機関の回転速度と脈動周期との関係を示す図である。
【図１１】内燃機関の排気管の長さと脈動周期との関係を示す図である。
【図１２】本発明の変形例における内燃機関の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態における排気バルブのリフト曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態における内燃機関１００の構成を示す平面模式図である。内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１０、吸気ポート１２、吸気バルブ１４、排気バルブ１６、排気ポート１８、排気管２０、点火プラグ２２及び消音器２４を含んで構成される。
【００１４】
シリンダヘッド１０は、シリンダ（図示しない）と共に内燃機関１００の燃焼室を構成する。シリンダヘッド１０は、シリンダの頂部に配置される。内燃機関１００のシリンダには内部において往復移動可能な状態でピストンが設けられ、内燃機関１００における燃料の燃焼によって生み出される駆動力を往復又は回転運動に変換する。
【００１５】
内燃機関１００の燃焼室には、吸気バルブ１４を介して吸気ポート１２が接続されている。すなわち、吸気バルブ１４を開弁させることによって、吸気ポート１２から空気又は空気と燃料とを混合させた混合気が内燃機関１００の燃焼室に供給される。その後、吸気バルブ１４及び排気バルブ１６を閉弁した状態において点火プラグ２２を用いて燃焼室内で燃料を燃焼させる。本実施の形態では、内燃機関１００の１つの燃焼室に対して単独の吸気バルブ１４を設けた構成例を示したが、複数の吸気バルブ１４を設けた構成としてもよい。
【００１６】
また、内燃機関１００の燃焼室には、排気バルブ１６を介して排気ポート１８が接続されている。排気ポート１８は、さらに排気管２０に接続されている。内燃機関１００の燃焼室内で燃焼した燃料の排ガスは、排気バルブ１６を開弁させることによって排気ポート１８、さらに排気管２０へ排出される。内燃機関１００では、１つの燃焼室に単独の排気バルブ１６が設けられた構成例を示したが、複数の排気バルブ１６を設けてもよい。
【００１７】
図２は、ローラフォロワ方式の排気バルブ１６の構成例を示す。排気バルブ１６は、バルブヘッド３０、バルブステム３２、バルブステムガイド３４、バルブスプリング３６、バルブリフタ３８、カム４０、カムシャフト４２、ローラフォロワ４４、ロッカーアーム４６及び支点４８を含んで構成される。バルブヘッド３０は、排気バルブ１６の開口部を開閉するための部材であり、バルブステム３２の一端に設けられる。バルブステム３２は、棒状の部材であり、バルブヘッド３０を移動させるための駆動力の伝達部材である。バルブステム３２は、シリンダヘッド１０に固定された中空円筒形状のバルブステムガイド３４を貫くように配置され、バルブステムガイド３４によって軸方向に運動できるようにガイドされる。バルブステム３２の他端にはバルブリフタ３８が設けられる。バルブリフタ３８は、バルブスプリング３６によってバルブヘッド３０が閉弁状態になるように付勢される。カムシャフト４２は、内燃機関１００の回転に合わせて回転させられる。カム４０は、カムシャフト４２の回転に合わせて回転する。ロッカーアーム４６は、支点４８を中心に回動可能に設けられる。また、ロッカーアーム４６には、カム４０に当接して回転するローラフォロワ４４が設けられる。このような構成において、カムシャフト４２の回転運動をカム４０及びローラフォロワ４４を介してバルブリフタ３８に伝達させて、バルブステム３２を軸方向に沿った上下運動に変換する。これによって、内燃機関１００の回転（クランク角度）に合わせて排気バルブ１６の開閉が行われる。
【００１８】
本実施の形態の内燃機関１００では、排気バルブ１６は吸気バルブ１４と同じカムシャフト（図示しない）により駆動される。吸気バルブ１４と排気バルブ１６の開弁及び閉弁のタイミングの時間的間隔（インターバル）は吸気カム（図示しない）と排気カム４０との位相差により決定されている。また、カムシャフトは、タイミングベルトを介して内燃機関１００のクランクシャフト（図示しない）と連動し、吸気バルブ１４及び排気バルブ１６の開閉のタイミングはクランク角度で決定される。
【００１９】
本実施の形態における内燃機関１００では、排気バルブ１６は、一回の燃焼サイクル間において排気ガスの吐出を異なるタイミングで複数回行うように開弁制御される。すなわち、内燃機関１００は、２段階排気機構を備える。
【００２０】
具体的には、図３に示すように、排気カム４０を複数のカムを組み合わせた複合カムとすることが好適である。図３では、排気カム４０を主カム４０ａ及び副カム４０ｂをカムシャフト４２の軸方向に沿ってずらした位置に配置した構成としている。主カム４０ａ及び副カム４０ｂは、例えば、長軸方向におけるカムシャフト４２の中心軸からの長さが互いに異なる卵形状とすることができる。このような主カム４０ａの長軸部分と副カム４０ｂの長軸部分の回転位相差が異なるようにカムシャフト４２に配置する。主カム４０ａと副カム４０ｂとによって排気バルブ１６を駆動させることによって一回の燃焼サイクル間において排気バルブ１６を複数回開弁させ、排気ガスの吐出を異なるタイミングで複数回行うことができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、主カム４０ａと副カム４０ｂとを組み合わせた複合カムの構成としたが、図４に示すように、２つの山のカムプロファイルを形成した１つのカム４０を用いる構成としてもよい。
【００２２】
本実施の形態の内燃機関１００では、図５に示すように、カム４０によって排気バルブ１６の開閉タイミングに時間的な間隔（インターバル）を与えることによって内燃機関１００の排気に伴う騒音を低減させる。図６は、主カム４０ａと副カム４０ｂによる排気バルブ１６のリフト曲線を合成した合成リフト曲線を示す。
【００２３】
内燃機関１００のクランク角度において、主カム４０ａによる排気バルブ１６の開弁時期は副カム４０ｂによる排気バルブ１６の開弁時期よりも遅れるように位相を設定する。例えば、主カム４０ａと副カム４０ｂとによる排気バルブ１６ｂの開弁のタイミングをクランク角度において３０ｄｅｇ以上８０ｄｅｇ以下のインターバルを有するように設定することが好適である。図５の例では、主カム４０ａによる開弁時期はクランク角度において２０３ｄｅｇとし、副カム４０ｂによる開弁時期はクランク角度において１４５ｄｅｇとした。
【００２４】
このように排気バルブ１６の開弁を多段階に制御したうえで、主カム４０ａ及び副カム４０ｂによる排気バルブ１６の開弁期間を従来の一回の排気に比べて短縮することが好適である。また、副カム４０ｂによる排気バルブ１６の開弁におけるリフト量を従来の一回の排気に比べて小さくすることが好適である。具体的には、副カム４０ｂによる排気バルブ１６の開弁におけるリフト量を主カム４０ａによる排気バルブ１６の開弁におけるリフト量を０．１倍以上０．５倍以下の範囲とすることが好適である。図５の例では、従来の内燃機関に比べて、主カム４０ａによる排気バルブ１６の開弁期間を６０％に短縮し、排気バルブ１６のリフト量は変更をしないものとし、副カム４０ｂによる排気バルブ１６の開弁期間を６０％に短縮し、排気バルブ１６のリフト量は０．１５倍とした。
【００２５】
また、排気バルブ１６の開口面積（バルブ径）は、排気バルブ１６の開き始めから閉じ終わるまでのリフト量と開弁時間との積が従来の内燃機関とほぼ同じとなるようにすることが好適である。図５の例では、従来よりも開弁期間を短くした分だけ排気バルブ１６の開口面積（バルブ径）を１．４５倍に大きくした。
【００２６】
また、内燃機関１００は消音器２４を備える。消音器２４は、図１に示すように、膨張室５０、第１制御バルブ５２、第２制御バルブ５４、テールパイプ５６を備える。膨張室５０は、排気管２０を内包する箱状の部材であり、その内部空間に排気管２０の開口端２０ａが位置する。膨張室５０には、排気管２０の開口端２０ａの近傍に排気ガスを排出するためのテールパイプ５６が設けられる。
【００２７】
排気管２０には、第１制御バルブ５２及び第２制御バルブ５４が設けられる。これによって、消音器２４は、排気管長可変機構として機能する。排気管２０の排気バルブ１６から開口端２０ａまでの全長を１００％とすると、第１制御バルブ５２は排気バルブ１６から３７．５％の位置に配置される。また、第２制御バルブ５４は排気バルブ１６から５０％の位置に配置される。第１制御バルブ５２及び第２制御バルブ５４は、内燃機関１００の運転条件によって開閉制御される。第１制御バルブ５２又は第２制御バルブ５４又はその両方を開くことによって、その位置において排気ガスが排気管２０から膨張室５０へと吐出される。このとき、第１制御バルブ５２又は第２制御バルブ５４が開いた位置が排気管２０の開口端とみなせるように膨張室５０の容積を十分大きくすることが好適である。例えば、膨張室５０の容積は、内燃機関１００の排気量以上とすることが好適である。
【００２８】
図７は、内燃機関１００を常用回転域である１０００ｒｐｍから４０００ｒｐｍの回転速度において排気の騒音が最も大きくなる全負荷で運転した場合の排気音（音圧レベル）をシミュレーションにより算出した結果を示す。ここで、シミュレーションに適用した内燃機関は、排気量３２５ｃｃ、気筒数１（単気筒）、排気管２０の長さ６３０ｍｍ、消音器を装備しない構成とした。また、排気に伴う騒音の測定は、テールパイプ５６から１．３５ｍ離れた距離における音圧レベルを測定するものとした。なお、計算上、膨張室５０は設けず、排気管２０の長さを３７．５％、５０％、１００％に変化させることで表現した。ここでは、従来の内燃機関（２段階排気無し）、比較例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御無し）及び実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）をシミュレーション計算にて比較した。
【００２９】
図７に示すように、従来の内燃機関（２段階排気無し）に対して比較例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御無し）及び実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）では２段階排気を適用することによって排気管２０内における音圧レベルが低減された。また、比較例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御無し）に対して実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）では、第１制御バルブ５２及び第２制御バルブ５４の開閉状態により排気管２０の長さを調整することでさらに音圧レベルを下げられる回転域があった。
【００３０】
図５は、同じ条件における内燃機関の出力トルクを示す。従来の内燃機関（２段階排気無し）に対して比較例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御無し）及び実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）では出力トルクは向上した。
【００３１】
すなわち、従来の内燃機関（２段階排気無し）に対して実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）とすることによってほぼ同等の出力トルクを維持したまま排気音量を低減することができた。
【００３２】
図９は、内燃機関１００の回転数に対する実施例の内燃機関（２段階排気有り，管長制御有り）の排気管２０の長さの設定例を示す。排気管２０の長さの設定は内燃機関１００の各回転速度において出力トルクが低下しない範囲で音圧が最小となるように調整した。
【００３３】
〔効果が得られる理由〕
図１０は、従来の内燃機関（２段階排気無し）で２段階排気を行わない状態における排気管２０内の圧力脈動を回転速度１０００，２０００，４０００ｒｐｍにおいて比較した結果を示す。図１０では、クランク軸の回転角（圧縮ＴＤＣを０とした）を横軸にしているので、回転速度が高くなるほど波形の周期が長くなって表示されている。回転速度１０００ｒｐｍに対して、回転速度２０００ｒｐｍでは圧力脈動の周期は約２倍，回転速度４０００ｒｐｍでは圧力脈動は約４倍となっている。すなわち、時間的には圧力脈動の周期は内燃機関の回転速度に依らない。一方、排気管２０内の圧力が上昇する排気タイミングはクランク角度で決定されるので変化がない。
【００３４】
図１１は、従来の内燃機関（２段階排気無し）で２段階排気を行わない状態における排気管２０の長さを３７．５％、５０％、１００％に変更したときの排気管２０内の圧力脈動を比較した結果を示す。ただし、内燃機関の回転速度は２０００ｒｐｍとした。図１１に示すように、同じ回転速度であっても排気管２０の長さを変更することによって排気管２０内の圧力脈動の周期を変更可能である。すなわち、内燃機関の回転速度が変化したのと同様の効果があることがわかる。
【００３５】
内燃機関１００における２段階排気のタイミングは、例えば図６のカムのリフト曲線で決まっており、排気管２０を１００％の長さに調整したときに回転速度２０００ｒｐｍの運転条件において排気管２０内での圧力干渉によって音圧が相殺されるように設定されている。内燃機関１００の回転速度が例えば２５００〜３０００ｒｐｍに変化すると排気管２０内における圧力干渉の効果が弱くなる。そこで、内燃機関１００の回転速度に応じて排気管２０の長さを３７．５％や５０％に調整すれば、排気管２０内の圧力脈動の周期が変更されるので消音効果が得られる。
【００３６】
［変形例］
図１２は、本発明の変形例における内燃機関１０２の構成を示す平面模式図である。内燃機関１０２は、図１２に示すように、シリンダヘッド１０、吸気ポート１２、吸気バルブ１４（１４ａ，１４ｂ）、排気バルブ１６（１６ａ，１６ｂ）、排気ポート１８、排気管２０、点火プラグ２２及び消音器２４を含んで構成される。
【００３７】
内燃機関１０２の燃焼室には、吸気バルブ１４を介して吸気ポート１２が接続されている。本変形例では、内燃機関１０２の１つの燃焼室に対して２つの吸気バルブ１４ａ，１４ｂを設けた構成例を示したが、３つ以上の吸気バルブ１４を設けた構成としてもよい。
【００３８】
また、内燃機関１０２の燃焼室には、排気バルブ１６を介して排気ポート１８が接続されている。内燃機関１０２では、１つの燃焼室に複数の排気バルブ１６ａ，１６ｂが設けられており、複数の排気バルブ１６ａ，１６ｂのそれぞれからの排気ガスの吐出のタイミングを異ならせる。例えば、複数の排気バルブ１６ａ，１６ｂは、互いに異なるカムで駆動されるようなバルブ機構によって異なるタイミングで開閉可能である構成とする。
【００３９】
例えば、２つの排気バルブ１６ａ，１６ｂのうち、排気バルブ１６ｂは吸気バルブ１４と同じカムシャフトにより駆動される構成とする。一方、排気バルブ１６ａは、排気バルブ１６ｂとは異なるカムシャフトにより駆動される構成とする。排気バルブ１６ａのカムシャフトと排気バルブ１６ｂのカムシャフトとの間にプーリ等を設けることによって２つのカムシャフトの回転の位相角を可変とするバルブタイミング可変機構を設ける。これによって、図１３に示すように、内燃機関１０２のクランク角度に対して排気バルブ１６ａと排気バルブ１６ｂの開閉のタイミングの間隔（インターバル）を変化させることができる。
【００４０】
このような構成においても、排気管２０の長さを調整することが可能な消音器２４を設けることによって、排気管２０における排気ガスの吐出に伴う騒音を低減することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  シリンダヘッド、１２  吸気ポート、１４（１４ａ，１４ｂ）  吸気バルブ、１６（１６ａ，１６ｂ）  排気バルブ、１８  排気ポート、２０  排気管、２０ａ  開口端、２２  点火プラグ、２４  消音器、３０  バルブヘッド、３２  バルブステム、３４  バルブステムガイド、３６  バルブスプリング、３８  バルブリフタ、４０  カム、４０ａ  主カム、４０ｂ  副カム、４２  カムシャフト、４４  ローラフォロワ、４６  ロッカーアーム、４８  支点、５０  膨張室、５２  第１制御バルブ、５４  第２制御バルブ、５６  テールパイプ、１００，１０２  内燃機関。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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