(57)【要約】【課題】圧縮比を低減しつつ、燃焼効率の低下を抑制することが可能な内燃機関を提供すること。【解決手段】燃焼室２に接続された吸気通路５を開放または閉塞する吸気弁６を備えた内燃機関１であって、通路部１１を介して燃焼室と連通された蓄圧部１０と、通路部を開放または閉塞する通路部開閉弁１２とを備え、内燃機関の吸気行程における吸気弁の閉弁時期は、下死点の近傍であり、通路部開閉弁は、吸気行程において通路部を開放した状態で蓄圧部に負圧を生成した後で一旦通路部を閉塞し、下死点の近傍で再び通路部を開放する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に接続された吸気通路を開放または閉塞する吸気弁を備えた内燃機関であって、
通路部を介して前記燃焼室と連通された蓄圧部と、
前記通路部を開放または閉塞する通路部開閉弁とを備え、
前記内燃機関の吸気行程における前記吸気弁の閉弁時期は、下死点の近傍であり、
前記通路部開閉弁は、前記吸気行程において前記通路部を開放した状態で前記蓄圧部に負圧を生成した後で一旦前記通路部を閉塞し、前記下死点の近傍で再び前記通路部を開放する
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
前記下死点の近傍において前記通路部開閉弁が前記通路部を開放しているときに、前記燃焼室における前記通路部開閉弁よりも前記吸気弁側の気体が前記蓄圧部に流入することを抑制する抑制手段を備える
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、内燃機関に関し、特に、燃焼室に接続された吸気通路を開放または閉塞する吸気弁を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高膨張比サイクルである「アトキンソンサイクル」を応用した内燃機関が知られている。このような内燃機関では、圧縮比に対して膨張比を高くするために、例えば、吸気バルブを閉じる時期を遅くして圧縮行程が始まる初期（ピストンが上昇し始めるとき）には、シリンダー内に吸入した空気を一部インテークマニホールド側に戻し、圧縮の開始を実質的に遅らせる。これにより、圧縮比を高めることなく、膨張比を高くすることが可能となる。アトキンソンサイクルによれば、内燃機関のポンプ損失を低減し、熱効率を大幅に向上させることが可能である。
【０００３】
このような内燃機関の一例として、特許文献１には、エンジンを遅閉じミラーサイクルで運転する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３５０９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、吸気バルブを閉じる時期を遅くすると、ピストンの上昇過程で吸気弁が開いている時間が長くなるため、筒内のタンブル流が減衰してしまう。そのため、燃焼効率が低下してしまうことがある。例えば、タンブル流が減衰して筒内の吸気の乱れが弱くなるため、耐ＥＧＲ性が保持できず、ＥＧＲ導入による燃費向上効果が十分に現れないといった問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、圧縮比を低減しつつ、燃焼効率の低下を抑制することが可能な内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内燃機関は、燃焼室に接続された吸気通路を開放または閉塞する吸気弁を備えた内燃機関であって、通路部を介して前記燃焼室と連通された蓄圧部と、前記通路部を開放または閉塞する通路部開閉弁とを備え、前記内燃機関の吸気行程における前記吸気弁の閉弁時期は、下死点の近傍であり、前記通路部開閉弁は、前記吸気行程において前記通路部を開放した状態で前記蓄圧部に負圧を生成した後で一旦前記通路部を閉塞し、前記下死点の近傍で再び前記通路部を開放することを特徴とする。
【０００８】
本発明の内燃機関において、前記下死点の近傍において前記通路部開閉弁が前記通路部を開放しているときに、前記燃焼室における前記通路部開閉弁よりも前記吸気弁側の気体が前記蓄圧部に流入することを抑制する抑制手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかる内燃機関は、通路部を介して燃焼室と連通された蓄圧部と、通路部を開放または閉塞する通路部開閉弁とを備える。内燃機関の吸気行程における吸気弁の閉弁時期は、下死点の近傍であり、通路部開閉弁は、吸気行程において通路部を開放した状態で蓄圧部に負圧を生成した後で一旦通路部を閉塞し、下死点の近傍で再び通路部を開放する。下死点の近傍で通路部が解放されると、燃焼室内の気体の一部が蓄圧部に流出し、燃焼室内の気体が減少する。これにより、吸気弁の閉弁時期を遅らせることなく内燃機関の圧縮比を低減させることができる。吸気弁の遅閉じがなされる場合と比較して、吸気弁の閉弁時期が早められることで、燃焼室内のタンブル流の減衰が抑制され、燃焼効率の低下が抑制されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明にかかる内燃機関の実施形態の軸方向の断面図である。
【図２】図２は、本発明にかかる内燃機関の実施形態の径方向の断面図である。
【図３】図３は、本発明にかかる内燃機関の実施形態の斜視図である。
【図４】図４は、本発明にかかる内燃機関の実施形態におけるバルブタイミングについて説明するための図である。
【図５】図５は、本発明にかかる内燃機関の実施形態における通路部開閉バルブ付近の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる内燃機関の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１２】
（実施形態）
図１から図５を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼室と接続された吸気通路を開放または閉塞する吸気弁を備えた内燃機関に関する。図１は、本実施形態にかかる内燃機関の軸方向の断面図、図２は、本実施形態にかかる内燃機関の径方向の断面図、図３は、本実施形態の内燃機関の斜視図である。
【００１３】
内燃機関の熱効率を向上させる手段として、アトキンソンサイクルが挙げられる。しかしながら、アトキンソンサイクルでは、圧縮行程でも吸気バルブが開いているため、吸気流が阻害され、燃焼の良し悪しを決める乱れの強さが弱まってしまう。
【００１４】
そこで、本実施形態では、独立吸気ポートを採用した内燃機関において、二つのポートのうち、一方は、従来どおり吸気通路としての吸気ポート（図１から図３の符号５参照）とされている。この吸気ポート５を開閉する吸気バルブ（図２および図３の符号６参照）は、吸気下死点近傍で閉じられる。他方のポート（通路部、図１から図３の符号１１参照）は、吸気系とは接続されておらず、吸気系とは独立したボリューム（蓄圧室、図１から図３の符号１０参照）が設けられている。
【００１５】
通路部１１を開閉する通路部開閉バルブ（図１から図３の符号１２参照）は、吸気行程中に蓄圧室１０に負圧を溜めた後に一旦閉じられ、吸気下死点の近傍で再び開かれる。これにより、燃焼室（図１および図３の符号２参照）の吸気が蓄圧室１０に流入し、燃焼室２内の吸気量が減少することで、圧縮比が低減される。短い時間で大きな差圧が作られることで、下死点後の吸気バルブ６を閉めるタイミングを早めることができ、タンブル流の崩壊を抑制し、効率の良い燃焼を実現することができる。
【００１６】
図３において、符号１は、エンジン（内燃機関）を示す。エンジン１は、ピストン３が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンである。エンジン１は、燃焼室２に導入された吸気（混合気）をピストン３で圧縮し、点火装置４の点火により燃焼させて動作するものであって、例えば、ガソリンエンジンであることができる。
【００１７】
燃焼室２には、吸気通路としての吸気ポート５が接続されている。吸気ポート５は、図示しないシリンダヘッドに形成されており、図示しない吸気管と燃焼室２とを接続している。吸気ポート５と燃焼室２との接続部には、吸気ポート５を開放または閉塞する吸気バルブ６が配置されている。吸気バルブ６は、軸方向に往復運動可能に支持されており、燃焼室２に向けて駆動されることにより吸気ポート５を開放（開弁）し、燃焼室２から遠ざかる方向に向けて駆動されることで吸気ポート５を閉塞（閉弁）する。吸気バルブ６は、スプリングにより閉弁方向に付勢されており、図示しないカムにより駆動されて開弁する。
【００１８】
排気通路としての図示しない排気ポートと燃焼室２との接続部には、排気バルブ７が配置されている。排気行程において排気バルブ７が開弁されることで、燃焼室２内の排気ガスが排気通路に排出される。
【００１９】
燃焼室２には、蓄圧室（蓄圧部）１０が接続されている。蓄圧室１０は、シリンダヘッドに形成された空間部であり、通路部１１を介して燃焼室２と接続されている。通路部１１および蓄圧室１０は、吸気ポート５とは独立して形成されている。通路部１１には、通路部１１を開放または閉塞する通路部開閉バルブ（通路部開閉弁）１２が配置されている。
【００２０】
以下に説明するように、通路部開閉バルブ１２の配置位置および構成は、例えば、燃焼室２に対して２つの吸気ポートおよび２つの吸気バルブが設けられた従来公知の内燃機関の吸気バルブと同様であることができる。また、通路部１１の位置は、燃焼室２に対して２つの吸気ポートが接続される従来の内燃機関の吸気ポートと同様であることができる。通路部１１は、燃焼室２と吸気管とを接続することに代えて、燃焼室２と蓄圧室１０とを接続する。
【００２１】
図１に示すように、通路部開閉バルブ１２は、バルブステム１２ａと、傘部１２ｂとを有する公知の開閉弁である。バルブステム１２ａは、ステムガイド１３に支持されて軸方向に往復運動する。通路部１１には、通路部開閉バルブ１２の傘部１２ｂに対応する弁座１１ａが形成されている。傘部１２ｂが弁座１１ａに着座することで、通路部開閉バルブ１２が通路部１１を閉塞する。通路部開閉バルブ１２は、図示しないスプリングにより燃焼室２から遠ざかる方向（図１の閉弁方向）に付勢されている。通路部開閉バルブ１２は、図示しないカムにより駆動される。カムは、通路部開閉バルブ１２のバルブステム１２ａを燃焼室２に向かう方向（図１の開弁方向）に駆動し、スプリングの付勢力に抗して通路部開閉バルブ１２を開弁させるものである。
【００２２】
図２において、矢印Ｙ１は、吸気ポート５を流れる吸気の流れ方向、矢印Ｙ２は、排気ポートに排出される排気の流れ方向を示す。図２および図３に示すように、通路部開閉バルブ１２は、吸気バルブ６と隣接しており、かつ、吸気バルブ６と共に排気バルブ７と対向する位置に設けられている。
【００２３】
以下に説明するように、本実施形態のエンジン１では、圧縮行程において通路部開閉バルブ１２が開かれ、筒内の吸気が蓄圧室１０に導入される。これにより、筒内の吸気量が減少し、圧縮比が低減される。また、アトキンソンサイクルにおいて吸気バルブ６の遅閉じがなされる場合とは異なり、吸気バルブ６は、吸気下死点の近傍で閉じられる。これにより、筒内のタンブル流の減衰が抑制され、燃焼効率が向上する。
【００２４】
図４は、本実施形態のバルブタイミングについて説明するための図である。図４において、横軸はクランク角であり、縦軸はバルブリフトを示す。（ａ）は、吸気側バルブリフトであり、吸気バルブ６のバルブリフト量を示す。（ｂ）は、蓄圧側バルブリフトであり、通路部開閉バルブ１２のバルブリフト量を示す。
【００２５】
符号１０１は、従来のアトキンソンサイクルにおける吸気バルブのバルブリフト量の一例を示す。アトキンソンサイクルでは、吸気バルブの遅閉じにより圧縮比の低減が実現されていた。吸気バルブの閉弁タイミングが、吸気下死点（１８０°ＣＡ）よりも大きく遅角され（例えば、２７０°ＣＡ以降）、ピストン３の上昇過程で吸気バルブが開いている時間が長いため、筒内のタンブル流が減衰してしまっていた。このため、燃焼効率が低下していた。
【００２６】
これに対して、本実施形態のエンジン１では、吸気バルブ６は、吸気下死点の近傍（吸気下死点の前または後）で閉じられる。符号１０２は、本実施形態における吸気バルブ６のバルブリフト量を示す。吸気バルブ６の閉弁タイミングは、吸気下死点の近傍に設定されている。ここで、吸気下死点の近傍とは、例えば、オットーサイクルにおける吸気バルブ６の閉弁時期と同様であることができる。本実施形態では、吸気行程における吸気バルブ６の閉弁時期は、吸気下死点の直後に設定されている。これにより、筒内のタンブル流の減衰が抑制され、筒内の吸気の乱れが強くなり、燃焼効率が向上する。
【００２７】
また、本実施形態では、蓄圧室１０に燃焼室２内の吸気を閉じ込めることで、燃焼室２内の吸気量を減少させ、圧縮比を低減させる。図４において、符号１０３は、通路部開閉バルブ１２のバルブリフト量を示す。通路部開閉バルブ１２を駆動するカムのカムプロフィールは、吸気行程（ピストン３の下降時）と、圧縮行程（ピストン３の上昇時）のそれぞれにおいて通路部開閉バルブ１２を開閉するように設定されている。
【００２８】
符号１０３ａに示すように、通路部開閉バルブ１２は、吸気行程の初期から中期にかけて開かれる。これにより、吸気行程において発生する筒内の負圧が、蓄圧室１０にたまる。言い換えると、蓄圧室１０内の気体が、負圧となった燃焼室２に流出し、蓄圧室１０の圧力が低下する。つまり、通路部開閉バルブ１２は、吸気行程において通路部１１を開放した状態で蓄圧室１０に負圧を生成した後で一旦通路部１１を閉塞する。吸気行程の初期から中期にかけては、吸気行程のうちでも特に筒内の負圧が大きくなるため、短い時間で蓄圧室１０の圧力を大きな負圧とすることができる。
【００２９】
また、符号１０３ｂに示すように、通路部開閉バルブ１２は、圧縮行程の初期に開かれる。具体的には、通路部開閉バルブ１２は、吸気下死点の近傍（例えば吸気下死点の直後）に開かれる。通路部開閉バルブ１２の開弁時期は、例えば、吸気バルブ６の閉弁時期の近傍のタイミング（吸気バルブ６の閉弁時期と同じタイミングを含む）に設定される。つまり、通路部開閉バルブ１２は、吸気行程において通路部１１を閉塞した後、下死点の近傍で再び通路部１１を開放する。吸気行程において蓄圧室１０に負圧がためられているため、通路部開閉バルブ１２が開くと、燃焼室２から蓄圧室１０に吸気が流出する。言い換えると、燃焼室２の吸気の一部が、蓄圧室１０に吸い込まれる。その後、圧縮行程の途中で、通路部開閉バルブ１２は閉じ、蓄圧室１０に流入した吸気は、蓄圧室１０に保持される。
【００３０】
これにより、アトキンソンサイクルで吸気バルブの遅閉じがなされる場合と同様に圧縮比が低減される。吸気バルブの遅閉じでは、燃焼室２に吸入した吸気の一部が吸気ポート５に戻されることで、圧縮比が低減される。これに代えて、本実施形態のエンジン１では、燃焼室２に吸入した吸気の一部が蓄圧室１０に排出されることで、圧縮比が低減される。なお、圧縮行程における通路部開閉バルブ１２の開弁時期および開閉期間は、本実施形態のように、吸気下死点の近傍であることが望ましい。これは、圧縮行程において、燃焼室２のタンブル流が徐々に減衰していくため、通路部開閉バルブ１２の開弁時期が遅すぎると、蓄圧室１０に流入する吸気の流れによる影響が大きなものとなり、燃焼室２内の流れを乱してしまうためである。従って、圧縮行程では、通路部開閉バルブ１２が、吸気下死点の近傍の短い期間だけ開弁されることが有効である。本実施形態では、吸気行程において、大きな負圧が蓄圧室１０に溜められているため、吸気下死点の近傍の短い期間であっても、蓄圧室１０に燃焼室２の吸気を十分に流入させることができる。
【００３１】
本実施形態によれば、吸気バルブ６の遅閉じがなされる場合と比較して、エンジン１の燃焼効率の低下を抑制することができる。本実施形態では、矢印Ｙ３に示すように、従来のアトキンソンサイクル（符号１０１参照）と比較して、吸気バルブ６および通路部開閉バルブ１２の開弁期間を短縮することができる。吸気バルブ６は、吸気下死点の近傍で閉弁する。また、通路部開閉バルブ１２は、吸気下死点後の早期に閉じられる。吸気下死点以降において燃焼室２と燃焼室２の外部との間で吸気が流通する期間が短縮されるため、タンブル流の減衰が抑制される。よって、吸気バルブ６の遅閉じがなされる場合と比較して、燃焼室２内の乱れが強くなり、燃焼効率が向上する。耐ＥＧＲ性が向上し、ＥＧＲガスの導入による燃費の向上効果を十分に得ることが可能となる。
【００３２】
また、図２および図５を参照して説明するように、通路部１１には、タンブル流の減衰を抑制する仕切り壁（抑制手段）１４が設けられている。
【００３３】
燃焼室２の中央部では、タンブル流の主流が周回している。仕切り壁１４は、この中央部からの吹き返しが通路部１１を介して蓄圧室１０に流入することを抑制する。これにより、タンブル流の減衰が抑制される。
【００３４】
図５は、通路部開閉バルブ１２付近の構造を示す図である。仕切り壁１４は、図２に示すように、断面が円環状をなす壁部であって、通路部１１における吸気バルブ６側に配置されている。図５に示すように、仕切り壁１４は、通路部開閉バルブ１２のバルブステム１２ａに沿って形成されている。仕切り壁１４の下部１４ａ、すなわち、傘部１２ｂの近傍の部分は、吸気バルブ６側の通路部１１を閉塞している。言い換えると、仕切り壁１４の下部１４ａは、その厚み（径方向の幅、図２の符号ｔ参照）が、通路部１１における吸気バルブ６側の内壁面からバルブステム１２の近傍までの幅となっており、通路部１１における吸気バルブ６側の部分の気体の流通を規制している。
【００３５】
仕切り壁１４が設けられていることで、通路部１１における吸気バルブ６側の開口面積が小さなものとされている。通路部１１において、吸気バルブ６側と比較して、吸気バルブ６側と反対側（ボア壁側）の開口面積が大きいため、圧縮行程において通路部開閉バルブ１２が開かれると、図５に矢印Ｙ４で示すように、燃焼室２における通路部開閉バルブ１２よりもボア壁側（吸気バルブ６側と反対側）の吸気が優先して蓄圧室１０に流入する。言い換えると、燃焼室２における通路部開閉バルブ１２よりも吸気バルブ６側の気体が蓄圧室１０に流入することが抑制される。これにより、燃焼室２の中央部の強いタンブル流を乱すことなく、蓄圧室１０に燃焼室２の吸気を送ることができる。その結果、タンブル流の減衰が抑制され、燃焼効率が向上される。
【００３６】
また、仕切り壁１４の上部１４ｂは、テーパ形状に形成されており、蓄圧室１０から流出する吸気は、スムーズに燃焼室２まで流れることができる。仕切り壁１４の上部１４ｂは、先端へ向かうにつれてバルブステム１２ａから離間するテーパ形状に形成されている。仕切り壁１４の径方向の断面積が徐々に変化することで、通路部１１の流路面積の急変が抑制されている。吸気行程において通路部開閉バルブ１２が開かれると、蓄圧室１０に溜められた吸気は、蓄圧室１０から燃焼室２へ向けて通路部１１を流れる。このときに、通路部１１を流れる吸気は、仕切り壁１４の上部１４ｂのテーパ面に沿ってスムーズに流れることができる。よって、エンジン１のポンプ損失を低減することができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、吸気バルブ６および通路部開閉バルブ１２の開弁時期および開弁期間は、カムプロフィールにより制御されたが、これに代えて、吸気バルブ６あるいは通路部開閉バルブ１２の少なくともいずれか一方の開弁時期および開弁期間が、電動カム等の他の制御手段により制御されてもよい。また、通路部開閉バルブ１２の開弁時期あるいは開弁期間の少なくともいずれか一方が、エンジン１の運転状態に基づいて可変に設定されてもよい。例えば、吸気行程において、燃焼室２の圧力が極小となるタイミングに合わせて通路部開閉バルブ１２が開くように、通路部開閉バルブ１２の開弁時期や開弁期間が設定されることができる。
【００３８】
本実施形態のエンジン１では、吸気時間面積が小さくなることによる出力低下が発生することが考えられる。このため、吸気バルブ６のバルブ径を拡大したり、モーターで出力性能を補助するＨＶシステムと組合せたりして本実施形態のエンジン１を車両に適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  エンジン
２  燃焼室
３  ピストン
５  吸気ポート
６  吸気バルブ
１０  蓄圧室
１１  通路部
１２  通路部開閉バルブ
１４  仕切り壁
【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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