(57)【要約】【課題】ノッキングの要因となる吸気の吹き返しを抑制しつつ希薄燃焼に必要なタンブルを確保して、燃料消費率の向上を図る。【解決手段】内燃機関は、筒内直噴型火花点火内燃機関であり、過給を行いつつ希薄燃焼を行う。吸気弁閉時期が吸気下死点付近に設定され、高圧縮比であっても吸気の吹き返しが抑制される。複リンク式ピストンクランク機構によって吸気行程におけるピストン速度のピークがＡＴＤＣ９０°よりも遅れた位置に設定される。吸気弁は、ヘッド部がステム部に対して自在に揺動する構成であり、ピストン速度のピークの位置と相俟って、吸気行程後半におけるタンブルが強化される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備えるとともに希薄燃焼を行う筒内直噴型火花点火内燃機関であって、
吸気弁の閉時期が吸気下死点付近に設定されており、
複リンク式ピストンクランク機構によって吸気行程におけるピストン速度のピークが吸気上死点後９０°よりも遅れた位置となるように構成されており、
吸気弁は、シリンダ中心軸線に対して傾斜した弁口部を開閉するポペット弁であって、ステム部とヘッド部とが別体に構成されているとともに、ヘッド部がステム部に対して自在に首振り可能なようにジョイントを介して連結されている、内燃機関。
【請求項２】
機械的圧縮比が１４以上である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
上記ジョイントは、ヘッド部側が球面状の凸部を有し、ステム部側が該凸部を受容する凹部を有するボールジョイントである、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
上記吸気弁の開時期が吸気上死点付近に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
上記吸気弁がフルリフトしたときに、上記ジョイントが、吸気ポートの中心線上に位置する、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、過給を行いつつ希薄燃焼を行う筒内直噴型火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用ガソリン機関に代表される火花点火内燃機関の燃料消費率の向上の一つの手段として、過給や希薄燃焼が知られている。過給は、例えばターボチャージャ等の過給機を用いて比較的低い過給圧でもって過給を行うことにより、ポンピングロスが小さくなり、ターボチャージャの場合の排気エネルギの回収と相俟って燃料消費率向上に寄与する。燃料消費率の向上に大きく寄与する希薄燃焼は、多量の排気還流によっても実現できるが、十分な希薄化を行うには、燃焼安定性の制限があり、例えばタンブルなどによるガス流動強化が必要となる。なお、過給と組み合わせることで、より広範な運転領域で希薄燃焼が可能となる。
【０００３】
特許文献１は、ポペット弁である吸気弁のステム部とヘッド部とを球状のピボット部を介して連結し、ヘッド部がステム部に対して自由に運動できるようにした構成を開示している。このような吸気弁を用いることにより、吸気弁リフト時にヘッド部がステム部に対して傾いて開き、タンブル強化が図れる。
【０００４】
特許文献２は、ピストンとクランクピンとが複数のリンクで接続された複リンク式ピストンクランク機構に関するものであり、このような複リンク式ピストンクランク機構では、リンクジオメトリの設定に応じて行程中のピストン速度の特性を適宜に設定できることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−４８９２１号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、やはり燃料消費率の向上のために、内燃機関の機械的圧縮比（以下、単に圧縮比ともいう。）を高く設定することが要求されている。圧縮比が高いほど燃焼効率が高くなる。しかし、良く知られているように、過給内燃機関では、ノッキングが生じやすくなることから、機械的圧縮比が比較的低く制限されてしまう。このノッキングは、下死点後も続く吸気行程の終期に、筒内で温められた吸気が吸気弁を介して筒内から吸気ポート側へ吹き返し、この高温ガスが次のサイクルで筒内へ再び吸入されることにより、筒内温度が高くなることに一部起因している。吸気弁閉時期は例えば下死点後３０〜５０°程度であるが、閉時期が遅いほど筒内温度が高くなる傾向となる。特に高圧縮比化した内燃機関にあっては、吸気の吹き返しが顕著となり、筒内温度が上昇しやすい。
【０００７】
このような吹き返しを抑制するためには、吸気弁を下死点付近で閉じることが望ましい。しかしながら、このようなバルブタイミングに設定すると、吸気行程の後半において比較的早期に吸気弁のバルブリフト量が小さくなることから、筒内に十分なタンブルを生成することが困難となる。ひいては希薄燃焼が制限され、燃料消費率の向上が図れない。
【０００８】
また特許文献１の吸気弁にあっては、燃料成分を含む吸気の吹き返しによってピボット部にデポジットが固着し、ヘッド部の自由な挙動が損なわれる懸念がある。そのため、実用機関に採用した場合に、その保守が問題となりやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る内燃機関は、過給機を備えるとともに希薄燃焼を行う筒内直噴型火花点火内燃機関であって、
吸気弁の閉時期が吸気下死点付近に設定されており、
複リンク式ピストンクランク機構によって吸気行程におけるピストン速度のピークが吸気上死点後９０°よりも遅れた位置となるように構成されており、
吸気弁は、シリンダ中心軸線に対して傾斜した弁口部を開閉するポペット弁であって、ステム部とヘッド部とが別体に構成されているとともに、ヘッド部がステム部に対して自在に首振り可能なようにジョイントを介して連結されている。
【００１０】
一般的な単リンクのピストンクランク機構にあっては、ピストン速度のピークが吸気上死点後９０°よりも前となる。そのため、吸気弁閉時期を吸気下死点付近とすると、吸気行程後半において吸気弁のバルブリフト量が小さくなることから、筒内に生成されるタンブルが弱くなってしまう。
【００１１】
本発明では、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの設定により、ピストン速度のピークが吸気上死点後９０°よりも遅れた位置となる。そのため、吸気弁閉時期を吸気下死点付近としたときに、吸気弁を通して流れる吸気の流速のピークが一般的な単リンクのピストンクランク機構の場合よりも遅れ側となる。
【００１２】
そして、吸気弁は、ヘッド部がステム部に対して揺動するため、リフト時にヘッド部がステム部中心線に対して傾き、弁口部における開口面積（円筒形に形成される開口の面積）の分布が不均一となる。詳しくは、弁口部に着座している閉時にはシリンダ中心軸線に対して傾斜しているヘッド部が、リフトに伴ってヘッド部中心線がシリンダ中心軸線に近付くように下向きとなる。そのため、吸気ポートの上壁面に沿って筒内に流れ込む吸気流の割合が多くなり、タンブルが強化される。特に、バルブリフト量が小さくなる吸気行程後半において、ピストン速度のピークが吸気行程後半に位置することと相俟って、強いタンブルを生成し得る。
【００１３】
従って、筒内に十分なタンブルを確保しつつ吸気弁閉時期を吸気下死点付近に設定することが可能となり、高い圧縮比とした場合でも吸気の吹き返しが少なくなって筒内温度（点火前の筒内温度）が低くなる。そのため、ノッキングに制約されずに過給と高い圧縮比との組み合わせが可能となり、かつタンブルを利用した安定した希薄燃焼を実現できる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、ノッキングの要因となる吸気の吹き返しを確実に抑制しつつ希薄燃焼に必要なタンブルを確保することができ、過給機関として比較的高い圧縮比の下で希薄燃焼を行うことにより、燃料消費率の向上が図れる。
【００１５】
また吸気の吹き返しが抑制されることで、吸気弁のステム部とヘッド部とを可動に連結するジョイントの汚損（デポジットの固着等）が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る内燃機関の構成を概略的に示す構成説明図。
【図２】吸気弁付近の拡大図であって、（ａ）着座時および（ｂ）リフト時の説明図。
【図３】吸気弁のリフト特性およびピストン速度の特性を、実施例と比較例とで対比して示した特性図。
【図４】吸気弁閉時期と筒内温度および必要な吸気圧との関係を示した特性図。
【図５】２つのバルブリフト量の下で得られるタンブル比およびＣｖ値を、実施例と比較例とで対比して示した特性図。
【図６】タンブル比とＣｖ値との相関を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１の構成を概略的に示している。この内燃機関１は、複リンク式ピストンクランク機構２を備えた４ストロークサイクルの筒内直噴型火花点火内燃機関であって、基本的に理論空燃比よりもリーンな希薄燃焼を行うものである。各シリンダ３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。つまり、燃焼室１３は一般的なペントルーフ型をなしており、吸気ポート１５と排気ポート１７とが互いに対向するように延びている。また内燃機関１は、過給機としてターボチャージャ８を備えている。
【００１９】
上記吸気弁４は、図示しない吸気側カムシャフトによって開閉され、後述するように、吸気弁閉時期が吸気下死点付近に設定されている。なお、吸気弁４は、このような吸気弁閉時期を実現しうる可変バルブタイミング機構を備えていてもよく、あるいは、カムリフト特性が変化しない構成であってもよい。
【００２０】
各シリンダ３には、筒内へ直接に燃料を噴射するように、燃料噴射弁１６が設けられている。例えば、一対の吸気ポート１５の下側に燃料噴射弁１６が位置し、斜め下方へ向かって燃料を噴射する構成となっている。なお、希薄燃焼を行う際には、一般に吸気行程の後半に燃料噴射が行われ、成層化した混合気に点火がなされる。
【００２１】
吸気通路１４の吸気コレクタ１８よりも上流側には、エンジンコントローラ（図示せず）からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａが位置している。吸気通路１４のコンプレッサ８ａよりも上流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２０およびエアクリーナ２１が配設されている。コンプレッサ８ａとスロットルバルブ１９との間には、インタークーラ２２が設けられている。また、コンプレッサ８ａの吐出側と吸入側とを連通するようにリサーキュレーションバルブ２３が設けられている。このリサーキュレーションバルブ２３は、スロットルバルブ１９が閉じる減速時に開弁される。
【００２２】
上記排気弁５を介して燃焼室１３に接続される排気通路２５には、ターボチャージャ８のタービン８ｂが介装されており、その下流側に適宜な触媒からなるプリ触媒装置２６およびメイン触媒装置２７が配設されている。排気通路２５のタービン８ｂよりも上流側には、空燃比を検出する空燃比センサ２８が配置されている。タービン８ｂは、過給圧を制御するために過給圧に応じて排気の一部をバイパスするウェストゲートバルブ２９を備えている。
【００２３】
排気通路２５のタービン８ｂ下流側の位置と吸気通路１４のコンプレッサ８ａ上流側の位置との間に、排気の一部を吸気系に還流する排気還流通路３０が設けられている。この排気還流通路３０は、ＥＧＲガスクーラ３１およびＥＧＲバルブ３２を備えている。運転領域によっては、大量の排気還流を行うことで実質的に希薄燃焼とすることができる。
【００２４】
複リンク式ピストンクランク機構２は、特許文献２等に記載の公知の構成を利用したものであって、クランクシャフト４１のクランクピン４１ａに回転自在に支持されたロアリンク４２と、このロアリンク４２の一端部のアッパピン４３とピストン４４のピストンピン４４ａとを互いに連結するアッパリンク４５と、ロアリンク４２の他端部のコントロールピン４６に一端が連結されたコントロールリンク４７と、このコントロールリンク４７の他端を揺動可能に支持する揺動支持ピン４８と、を主体として構成されている。
【００２５】
なお、特許文献２に記載されているように、揺動支持ピン４８の位置を上下に変位させることでピストン４４の上死点位置が上下に変位する可変圧縮比機構として構成することも可能である。
【００２６】
ここで、複リンク式ピストンクランク機構２は、特に、吸気行程におけるピストン速度のピークが吸気行程後半つまり吸気上死点後９０°よりも遅れた位置となるように、リンクジオメトリが設定されている。
【００２７】
また、内燃機関１の機械的圧縮比は、比較的高い圧縮比、例えば１４以上に設定されている。複リンク式ピストンクランク機構２が可変圧縮比機構として構成される場合には、１４以上の比較的高い圧縮比が可能なように可変圧縮比機構が構成される。
【００２８】
図２は、吸気弁４の詳細を示している。吸気弁４は、基本的に棒状のステム部５１と円盤状ないし円錐状をなすヘッド部５２とを備えたポペット弁であり、吸気ポート１５先端の弁口部１５ｂを開閉する。詳しくは、弁口部１５ｂに設けられた円環状のバルブシート５５にヘッド部５２が着座する。ステム部５１は、吸気ポート１５の上壁面１５ａに設けられた円筒状のステムガイド５３に摺動可能に嵌合している。弁口部１５ｂとなるバルブシート５５は、ペントルーフの一方の傾斜面に設けられており、従って、シリンダ３中心軸線に対して傾斜している。ステムガイド５３は、バルブシート５５の面と直交して配置されている。吸気ポート１５はシリンダヘッド内部に斜めに延びて形成され、その先端部は、バルブシート５５の面と概ね直交する方向を指向している。
【００２９】
なお、吸気弁４の動弁機構は一般的な動弁機構と同様であり、図示せぬバルブスプリングの端部がステム部５１の端部に連係し、このバルブスプリングによって吸気弁４が常に閉方向に付勢されているとともに、図示せぬカムシャフトのカムがステム部５１の端部を押圧することで吸気弁４は開方向にリフトする。
【００３０】
ここで、ステム部５１とヘッド部５２はそれぞれ別体に構成されており、ヘッド部５２がステム部５１に対して自在に首振り可能なようにボールジョイントからなるジョイント５４を介して互いに連結されている。この実施例では、特に、ボールジョイントを構成する球面状の凸部５４ａがヘッド部５２側に設けられ、かつ、この凸部５４ａを受容する球面状の内面を備えた凹部５４ｂがステム部５１側に設けられている。
【００３１】
図２（ａ）は、吸気弁４がバルブシート５５に着座している状態を示している。この着座状態では、ヘッド部５２の中心線がステム部５１の中心線と合致し、一般的なポペット弁の形状をなす。なお、吸気弁４は、一般的な吸気弁と同様にステムガイド５３の中でステム部５１の中心線を中心として回転が可能であり、従って、ヘッド部５２とバルブシート５５との間の片当たりや偏摩耗が生じることはない。
【００３２】
図２（ｂ）は、吸気弁４がリフト（例えばフルリフト）している状態を示している。このようにリフトしている状態では、重力や吸気ポート１５の上壁面１５ａ側に片寄る吸気の流れの作用によって、ヘッド部５２がステム部５１に対して図示するように傾く。つまり、円形をなすバルブシート５５の中で、シリンダ３中心寄りの部分でヘッド部５２がバルブシート５５から大きく離れ、逆にシリンダ３の壁面寄りとなる部分でヘッド部５２がバルブシート５５に相対的に近い位置となる。換言すれば、着座時に傾斜しているヘッド部５２が、リフト時には下向きになる。
【００３３】
従って、バルブシート５５とヘッド部５２外周縁との間に形成される円筒形の開口面積の分布が不均一となり、シリンダ３の中心寄りの開口面積が相対的に大きく得られる。これにより、図２（ｂ）に矢印で示すように吸気ポート１５の上壁面１５ａに沿って流れてヘッド部５２のシリンダ３中心寄りの部分から筒内へ流入する吸気の割合が多くなる。この結果、筒内に効果的にタンブルが生成される。特に、バルブリフト量の小さな状態でのタンブルが強化される。
【００３４】
ここで、好ましい一実施例では、吸気弁４がフルリフト（つまりバルブリフト量が最大）しているときに、ジョイント５４が吸気ポート１５の中心線（各部の断面の中心を通る線）上に位置する。これにより、ヘッド部５２に沿って流れる吸気の流れが円滑に案内される。
【００３５】
また図２の構成では、ジョイント５４の凸部５４ａがヘッド部５２側にあるので、熱膨張による脱落の懸念がない。つまり、ステム部５１とヘッド部５２とでは、ヘッド部５２の方が相対的に高温となり、常に凹部５４ｂに比較して凸部５４ａの方が熱膨張が大となる。そのため、熱膨張によるジョイント５４の脱落が生じない。
【００３６】
特許文献１のように両者が逆の関係であると、凹部側が相対的に大きく熱膨張することで脱落してしまう懸念がある。
【００３７】
図３は、吸気弁のリフト特性およびピストン速度の特性を、実施例と比較例とで対比して示した特性図である。なお、横軸のクランク角は吸気上死点を０としてある。線ａは、実施例の吸気弁４のリフト特性を示す。図示するように、実施例の吸気弁４は、閉時期が下死点（ＡＴＤＣ１８０°ＣＡ）付近に設定されている。例えば下死点に対し±５°程度の範囲内にある。作動角は適宜に設定できるが、図示例では、１８０°ＣＡ程度の作動角を有する。
【００３８】
線ｂは、実施例のピストン速度の変化を示している。図示するように、複リンク式ピストンクランク機構２を用いることで、ピストン速度のピークは、吸気上死点後９０°よりも遅れた位置にある。図示例では、ＡＴＤＣ１２０°ＣＡ付近にピークを有する。
【００３９】
従って、吸気弁４のバルブリフト量が小さくなっていく吸気行程後半（例えば図３に符号Ａで示す範囲）において、上述したヘッド部５２の揺動作用と相俟って、十分に強いタンブルが得られる。
【００４０】
一方、線ｃは、比較例の吸気弁のリフト特性を示している。ここでは、吸気弁として一般的なポペット弁を想定しており、閉時期は例えば下死点後５０〜６０°程度に設定される。このような吸気弁閉時期では、前述したように、吸気の吹き返しが生じる。
【００４１】
また、線ｄは、一般的な単リンク式ピストンクランク機構を備えた比較例のピストン速度の変化を示す。図示するように、単リンク式ピストンクランク機構では、ピストン速度のピークは吸気上死点後９０°よりも前にある。
【００４２】
従って、比較例では、吸気行程の比較的早い段階でタンブルが生じ、吸気行程後半でのタンブルは弱くなる。つまり、圧縮行程後半に筒内に残存しているタンブルは不十分となる。特に、吸気弁閉時期を下死点付近とした場合には、吸気行程後半におけるバルブリフト量の低下が早期に生じるので、十分なタンブルを生成することが困難である。
【００４３】
図４は、吸気弁閉時期と筒内温度および必要な吸気圧との関係を示した特性図である。この図の横軸のクランク角は、吸気下死点を０としてある。筒内温度としては、圧縮上死点前２０°の時点における温度つまりノッキングに関与する点火時期直前付近の温度である。この筒内温度は、低い方が好ましい。また、吸気圧は、吸気弁閉時期を変化させたときに筒内に一定量の空気（吸気）を得るのに必要な吸気ポート１５内の圧力であり、換言すれば必要な過給圧の高低を示す。この吸気圧は、低い方が好ましい。
【００４４】
図４に示すように、必要な吸気圧は、吸気弁閉時期を下死点後４０〜５０°程度としたときに最低となり、いわゆる早閉じおよび遅閉じの双方で吸気圧が高くなる。一方、筒内温度は、いわゆる早閉じおよび遅閉じの双方で低くなり、吸気弁閉時期を下死点後４０〜５０°程度としたときに最も高くなる。
【００４５】
ここで、吸気圧の観点からは、吸気弁閉時期を下死点とした場合（符号ＥＩＶＣとして示す点）と同等の吸気圧となる遅閉じ側の吸気弁閉時期（符号ＬＩＶＣとして示す点）がもう１点存在するが、各々の吸気弁閉時期における筒内温度を対比すると、下死点としたときの筒内温度の方が低い。従って、筒内温度の点で、吸気弁閉時期を下死点付近とすることが好ましい。
【００４６】
筒内温度の抑制によりノッキングが抑制される。特に、過給内燃機関において、圧縮比１４以上の高い圧縮比が可能となる。
【００４７】
そして、このように吸気弁閉時期を下死点付近としたときに問題となるタンブルの不足は、上述したように、吸気弁４としてヘッド部５２が揺動する構成を採用し、かつピストン速度のピークが吸気行程後半となる構成と組み合わせることで補うことができる。
【００４８】
図５は、上述したヘッド部５２が揺動する吸気弁４によるタンブル強化作用を説明するための特性図であって、縦軸をタンブル比、横軸を吸気弁４を通して流れる流れのＣｖ値、として、中間リフト（例えばバルブリフト量４ｍｍ）とフルリフト（例えばバルブリフト量１０ｍｍ）とで得られる値を、実施例と比較例とで対比して示している。
【００４９】
点Ｐ１は、一般的なポペット弁を用いた場合の中間リフト時のタンブル比およびＣｖ値であり、点Ｐ３は、同じく一般的なポペット弁を用いた場合のフルリフト時のタンブル比およびＣｖ値である。
【００５０】
これに対し、点Ｐ２は、実施例の吸気弁４における中間リフト時のタンブル比およびＣｖ値であり、点Ｐ４は、実施例の吸気弁４におけるフルリフト時のタンブル比およびＣｖ値である。
【００５１】
この図５に示すように、ヘッド部５２を揺動自在とした実施例の吸気弁４によって、タンブルが強化される。特に、中間リフト時におけるタンブル比が著しく向上する。
【００５２】
図６は、タンブル比とＣｖ値との相関を示しており、一般に、タンブル比とＣｖ値はトレードオフの関係にあり、線Ｌに示すように、タンブル比を高くしようとするとＣｖ値が低下（つまり悪化）する。これに対し、ヘッド部５２を揺動自在とした実施例の吸気弁４によれば、点Ｐ５として例示するように、線Ｌよりも右上側の領域にタンブル比とＣｖ値とを得ることが可能となる。
【００５３】
上述したヘッド部５２を揺動自在とした吸気弁４は、実用機関に採用する場合に、ステム部５１とヘッド部５２とを連結したジョイント５４が、燃料成分を含む吸気の吹き返しによって汚損し、長期の使用の間にデポジットが固着してジョイント５４の円滑な動作が得られなくなる懸念がある。しかしながら、上記実施例のように吸気弁４の閉時期を下死点付近としたバルブリフト特性と組み合わせることで、吸気ポート１５内への吸気の吹き返しが低減し、ジョイント５４の汚損ひいてはデポジットの固着が抑制される。従って、タンブル強化の上で有利なこの種の吸気弁４を十分に実用可能なものとすることができる。
【００５４】
このように、上記実施例の内燃機関１にあっては、吸気弁閉時期を下死点付近とすることでノッキングの要因となる吸気の吹き返しを確実に抑制でき、かつヘッド部５２を揺動自在とした吸気弁４ならびにピストン速度のピークを吸気行程後半とした構成と組み合わせることで、吸気弁閉時期を下死点付近としても希薄燃焼に必要なタンブルを確保することができる。従って、過給しつつ比較的高い圧縮比とすることが可能となり、タンブル強化による希薄燃焼と相俟って、燃料消費率の向上が図れる。
【００５５】
なお、図３の例では、吸気弁４の開時期は吸気上死点付近であり、バルブオーバラップが小さくなることから、吸気ポート１５内への排気の吹き返しも比較的少ない。従って、筒内温度の抑制の上で有利であるとともに、ジョイント５４の汚損抑制の上で有利である。
【符号の説明】
【００５６】
１…内燃機関
２…複リンク式ピストンクランク機構
４…吸気弁
８…ターボチャージャ
１５…吸気ポート
１６…燃料噴射弁
５１…ステム部
５２…ヘッド部
５４…ジョイント
５５…バルブシート
【図１】
2020153235.tif 000003
【図２】
2020153235.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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