(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】燃焼室に設けられた排気バルブ１６を備え、排気バルブ１６において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内燃機関とする。【選択図】図５
2020139473.tif 000002
【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、前記燃焼室に設けられた排気バルブと、を備え、
前記排気バルブにおいて、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、
前記排気バルブは、それぞれ異なるタイミングで開弁させる複数のカムを組み合わせた構成を備える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、
前記排気バルブは、前記異なるタイミングがクランク角度において３０ｄｅｇ以上１００ｄｅｇ以下のインターバルを有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と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。
【０００８】
また、排気バルブの開弁を筒内圧力が低いタイミングとして排気音の低減を図る場合、筒内圧力のピークの前に排気バルブを開くと筒内圧力を有効に駆動力に変換することができなくなり、内燃機関の出力が低下する。また、筒内圧力のピークの後に排気バルブを開く場合、筒内圧力を有効に利用できるタイミングに排気バルブの開弁を設定するのが一般的であり、開弁タイミングを遅らせても排気音の低減に対する効果が期待できない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記燃焼室に設けられた排気バルブと、を備え、前記排気バルブにおいて、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ことを特徴とする内燃機関である。
【００１０】
ここで、前記排気バルブは、それぞれ異なるタイミングで開弁させる複数のカムを組み合わせた構成を備えることが好適である。
【００１１】
また、前記排気バルブは、前記異なるタイミングがクランク角度において３０ｄｅｇ以上１００ｄｅｇ以下のインターバルを有することが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
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】
【００１３】
【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排気に伴う音圧の変化を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における内燃機関の排気に伴う騒音低減の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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及び点火プラグ２２を含んで構成される。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。ただし、下記のように、複数の排気バルブ１６の各々において一回の燃焼サイクル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える構成とする。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施の形態の内燃機関１００では、図５に示すように、主カム４０ａと副カム４０ｂとを組み合わせたカム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。
【００２４】
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１６の開弁のタイミングをクランク角度において３０ｄｅｇ以上１００ｄｅｇ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。
【００２５】
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の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。
【００２６】
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。
【００２７】
図７は、内燃機関１００を常用回転域である２０００ｒｐｍの回転速度及び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。
【００２８】
図７において、実線は、本実施の形態における内燃機関１００の音圧レベルを示し、破線は、従来の内燃機関の音圧レベルを示す。音圧レベルは、従来の内燃機関では約１００ｄＢであったのに対して、本実施の形態の内燃機関１００では約９４ｄＢとなり、約６ｄＢの低減がみられた。音の強さ（エネルギ比）では、約１／４倍に騒音を低減することができることがわかった。
【００２９】
なお、このときの本実施の形態の内燃機関１００の出力トルクは９．１８Ｎｍであり、従来の内燃機関の出力トルクが９１４Ｎｍであった。すなわち、出力トルクの低減を伴うことなく、排気に伴う騒音を低減することができることがわかった。
【００３０】
〔効果が得られる理由〕
以下、本実施の形態における内燃機関１００において、排気に伴う騒音（音圧レベル）を低減できる効果が得られる理由について考察する。なお、当該考察は、あくまで推定であり、当該考察と異なるメカニズムにて効果が得られる場合を発明の範囲から除外するものではない。
【００３１】
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出力を発生する。その中の排気工程では、所定のタイミングで排気バルブ１６を開いて燃焼を終えた筒内ガスを排気ポート１８及び排気管２０を通して大気に排出する。このとき燃焼による熱で筒内のガス圧力は高くなっているので、排気バルブ１６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とになる。これが排気管２０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、当該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。
【００３２】
図８は、本実施の形態における内燃機関のクランク角度に対する排気管２０内の音圧レベルの変化を示す。図８において、黒実線は、副カム４０ｂのみを用いて排気を行った場合の排気管２０内の音圧レベルの変化を示し、灰色実線は、主カム４０ａのみを用いて排気を行った場合の排気管２０内の音圧レベルの変化を示す。なお、点線は、主カム４０ａ及び副カム４０ｂの両方を用いて排気を行ったときの排気バルブ１６のリフト量の変化を示す。
【００３３】
副カム４０ｂによって第１段目の排気が開始されたときに音圧のピークＰ１が発生し、主カム４０ａによって第２段目の排気が開始されたときに音圧のピークＰ２が発生する。排気管２０内において圧力脈動の位相差が大きいところ（ピークＰ１のタイミング）では圧力脈動が互いに約半波長ずれ、これによって、２つの圧力脈動の干渉が発生して相殺される。したがって、排気管２０内の圧力脈動の振幅及び排気管２０のテールパイプからの吐出音が低減される。
【００３４】
なお、副カム４０ｂによる排気バルブ１６のリフト量を主カム４０ａによる排気バルブ１６のリフト量より小さくすることが好適である。これは、副カム４０ｂによる第１段目の排気では排気バルブ１６を開いたときの筒内圧力が高く、主カム４０ａと副カム４０ｂとによる排気バルブ１６のリフト量を等しくした場合には主カム４０ａによる第２段目の排気よりも副カム４０ｂによる第１段目の排気において強いブローダウンが生じ易いためである。すなわち、主カム４０ａ及び副カム４０ｂによる排気に伴う排気管２０内の圧力脈動をうまく相殺させるためには、副カム４０ｂによるブローダウンによる圧力脈動の振幅を主カム４０ａによるブローダウンによる圧力脈動の振幅に近くする必要があり、副カム４０ｂによる排気バルブ１６のリフト量を主カム４０ａによる排気バルブ１６のリフト量より小さくすることが好ましいと考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  シリンダヘッド、１２  吸気ポート、１４  吸気バルブ、１６  排気バルブ、１８  排気ポート、２０  排気管、２２  点火プラグ、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、１００  内燃機関。
【図１】
2020139473.tif 000003
【図２】
2020139473.tif 000004
【図３】
2020139473.tif 000005
【図４】
2020139473.tif 000006
【図５】
2020139473.tif 000007
【図６】
2020139473.tif 000008
【図７】
2020139473.tif 000009
【図８】
2020139473.tif 000010