(57)【要約】【課題】シリンダー側壁に排気口を開けたり、特別な調節排気バルブを設ける構成以外の手法によって、構造や制御の大幅な改造無しに、圧縮行程より爆発行程を長くできる直噴４サイクルエンジンを実現する。【解決手段】排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーヘッドに排気動作をするバルブを設けて、圧縮行程の過程において、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で開閉駆動する構造にしたことを特徴とする直噴４サイクルエンジン。
【請求項２】
調節排気バルブ専用の排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の調節排気バルブを開閉駆動する構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジン。
【請求項３】
排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設することによって、調節排気時に排気バルブを開く構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴４サイクルエンジンにおいて、圧縮比よりも膨張比を大きくすることによって、圧縮行程より爆発行程を長くして、効率を高めることを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
従来のエンジンにおいては、爆発行程の時、爆発によって完全（十分）に膨張してしまう前に排気行程に移行してしまい、爆発によって発生したエネルギーを十分にピストンやクランク、シャフトへと伝えられないままに排出してしまうという問題があった。そこで、特開2003−201873号公報において開示されているように、圧縮行程の時、本当に圧縮する行程よりも、膨張の時、本当に膨張する行程の方を、ピストンのストロークで言うならば長くとる方法が提案されている。この手法によると、前記のような問題が解消され、「圧縮比＜膨張比」の比率の割合も高くとれ、膨張行程もスムーズに行われる。
【０００３】
しかしながら、この手法は、シリンダーヘッドに多数の弁を設ける必要がある。すなわち、混合気専用の吸気弁や排気弁のほかに、吸気行程の時、上死点で開き下死点で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点での手前で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点の手前の間で閉じる弁を開け過ぎた時の対策として、爆発行程の時、膨張しすぎて回転の抵抗になる前に開き、下死点で閉じる、空気専用の吸気弁を設けるので、シリンダーヘッドの構成が複雑となり、所定の精度を維持することが困難である。また、さらに大きな問題は、ピストンの動きと連動させて前記の各弁の開閉を制御する必要があるが、そのタイミングの実現が困難である。したがって、期待通りの動作と性能を発揮させるのは極めて困難である。
【０００４】
このような問題を解消すべく、本発明の発明者は、特許文献２において、圧縮行程のストロークよりも爆発行程のストロークを相対的に大きくする手法として、（他の制御手段を必要とせずに、）ピストン自体で直接に調節排気バルブを制御可能とするために、ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口を開け、その外側に、外気に通じる調節排気バルブを設けてあり、吸入行程の後、ピストンが下死点から上昇して前記排気口を通過するまでは、前記排気口と前記調節排気バルブが開いて外気と連通しており、爆発行程と排気行程と吸入行程では、前記調節排気バルブが閉じている構造を特徴とする直噴４サイクルエンジンを提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2003−201873
【特許文献２】特開２００５−２９１１９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このようにシリンダー側壁に排気口を開けると共に調節排気バルブを設けると、構造が複雑で製造コストが高くなり、しかも調節排気バルブの開閉タイミングの同期をとるための制御機構が特別に必要となる。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、特許文献２のようにシリンダー側壁に排気口を開けたり、特別な調節排気バルブを設ける構成以外の手法によって、構造や制御の大幅な改造無しに、圧縮行程より爆発行程を長くできる直噴４サイクルエンジンを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、シリンダーヘッドに排気動作をするバルブを設けて、圧縮行程の過程において、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で開閉駆動する構造にしたことを特徴とする直噴４サイクルエンジンである。
このように、排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。
【０００８】
請求項２は、調節排気バルブ専用の排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の調節排気バルブを開閉駆動する構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジンである。
このように専用の調節排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の専用の調節排気バルブを開閉駆動するため、専用の調節排気バルブと専用の調節排気カムシャフトに増設するだけで足り、特に複雑高度な技術を要しないので、容易にかつ安価に実現できる。
【０００９】
請求項３は、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設することによって、調節排気時に排気バルブを開く構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジンである。
このように、従来の排気バルブを利用して、調節排気のタイミングで排気バルブを開く構造にしたので、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設するだけで足り、従来の排気バルブを兼用することによって調節排気バルブを実現できる。したがって、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気バルブを２度開く必要がある。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１のように、排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。
【００１１】
請求項２のように、専用の調節排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の専用の調節排気バルブを開閉駆動するため、専用の調節排気バルブと専用の調節排気カムシャフトに増設するだけで足り、特に複雑高度な技術を要しないので、容易にかつ安価に実現できる。
【００１２】
請求項３のように、従来の排気バルブを利用して、調節排気のタイミングで排気バルブを開く構造にしたので、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設するだけで足り、従来の排気バルブを兼用することによって調節排気バルブを実現できる。したがって、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気バルブを２度開く必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】調節排気バルブ専用のカムシャフトを設ける実施形態の縦断面図である。
【図２】図１における吸入バルブと排気バルブと調節排気バルブの配置を示す平面図で、（１）は、吸入バルブと排気バルブと調節排気バルブの３個を等間隔に配設した例、（２）は、２個の吸入バルブと２個の排気バルブと１個の調節排気バルブを等間隔に配設した例である。
【図３】各バルブの開閉動作とピストンの動作を示す縦断面図で、（Ａ）（Ｂ）…の順に、吸入行程、調節排気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程の各行程の動作をする。
【図４】ピストンの各動作と各バルブの開閉動作を示す円グラフ（４行程分）である。
【図５】排気バルブを調節排気バルブと兼用する構造の実施形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に本発明による爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジンが実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す縦断面図で、調節排気バルブ専用のカムシャフトを設けるタイプである。１はシリンダーであり、ピストン２が内蔵されている。シリンダーの上部にはシリンダーヘッドＨが形成されていて、吸入バルブ３と排気バルブ４のほかに調節排気バルブ５を設けてあり、さらに燃料噴射器６と点火プラグ７が設けてある。８はコネクティングロッド、９はクランク、１０はクランクシャフトである。
吸入バルブ３、排気バルブ４、調節排気バルブ５は、吸入カム３ｃを有する吸入カムシャフト３ｓ、排気カム４ｃを有する排気カムシャフト４ｓ、調節排気カム５ｃを有する調節排気カムシャフト５ｓの回転によってでそれぞれ開閉駆動される。
【００１５】
図２は、図１における吸入バルブ３、排気バルブ４及び調節排気バルブ５の配置を示す平面図で、図２（１）は、吸入バルブ３と排気バルブ４と調節排気バルブ５の３個が配設されているのに対し、図２（２）は、２個の吸入バルブ３と２個の排気バルブ４と１個の調節排気バルブ５の計５個が配設されている。
すなわち、（１）図は吸入バルブ３と排気バルブ４と調節排気バルブ５を１個ずつ配設してあるのに対し、（２）図では、吸入バルブ３と排気バルブ４の弁口面積を調節排気バルブ５の弁口面積の２倍に設定したことになる。
【００１６】
図３は、各バルブの開閉動作とピストン２の動作を示す縦断面図で、（Ａ）（Ｂ）…の順に、吸入行程、調節排気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程の順に動作する。
いま、（Ａ）図のようにピストン２が上死点に位置している場合は、吸入バルブ３も排気バルブ４も調節排気バルブも全部閉じた状態であるのに対し、（Ｂ）のようにピストン２が下降すると共に吸入バルブ３が開くと、吸入行程となり、次いで（Ｃ）のようにピストン２が下死点に達すると、すべてのバルブが閉じて、吸入行程が完了する。
そして次に圧縮行程が始まることになるが、本発明では、（Ｄ）のように、ピストン２が上昇する過程で調節排気バルブ５が短時間開き、次いで（Ｅ）のように閉弁してから、実質的な圧縮行程となる。（Ｆ）のようにピストン２が上死点に達するまでが圧縮行程である。従って、閉弁状態の上昇ストロークＳ１が圧縮動作となる。
【００１７】
こうしてシリンダー内が圧縮完了した時点で点火され、（Ｇ）のようにすべてのバルブが閉じた状態で爆発行程となって、ピストン２が押し下げられる。従って、（Ｈ）のように下死点に達するまでのストロークＳ２が爆発行程で、次いで排気行程に移り、（Ｉ）のようにピストン２が上昇すると共に排気バルブ４が開いて排気され、（Ｊ）のように上死点に達して、一連の行程が完了する。
以上の動作は、図４のような円グラフでピストン動作と各バルブの開閉動作を表現すると理解し易い。いま、ピストン２が図３の上死点（Ａ）から右回りの吸入行程に移行してＣ）のように下死点に達し、次いでピストン２が上昇して圧縮行程となる。本発明では、この圧縮行程において、（Ｄ）のように短時間だけ調節排気バルブ５が開らく調節排気行程が挿入される。すなわち、圧縮行程の初期において調節排気バルブ５が開くように調節排気カム５ｃを配置してある。
（Ｅ）の圧縮動作を経てピストン２が（Ｆ）のように上死点に達すると、圧縮行程が完了する。次いで（Ｇ）の爆発動作、そして（Ｉ）の排気動作へと移行する。
【００１８】
図５は、第２実施形態を示す縦断面図で、図１のように調節排気バルブを増設することなしに、排気バルブを調節排気バルブと兼用する構造になっている。そのため、排気カムシャフト４５ｓの外周面に、排気カム４ｃのほかに調節排気カム５ｃを設けてある。
そして、排気カム４ｃは、排気行程で排気・調節排気バルブ４５が開くような位置に設けてあり、調節排気カム５ｃは圧縮行程の初期に排気・調節排気バルブ４５が開くような位置に設けてある。
このように、従来の排気バルブと調節排気バルブを兼用すると、調節排気カム５ｃを追加するだけで足り、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気・調節排気バルブ４５を２度開く必要がある。
これに対し、図１の場合は専用の調節排気バルブをシリンダーヘッドに増設する必要はあるが、高速回転がスムーズになる。
【００１９】
このように、本発明によると、圧縮行程の過程において調節排気バルブが開いて排気可能とすることで、爆発行程に対し圧縮行程を相対的に短縮することによって、圧縮比よりも膨張比を大きくしている。その結果、ミラーサイクルと同様に爆発によって発生したエネルギーを十分に出力として有効利用できると共に燃費の向上の実現される。
しかも、シリンダー側面は全く改造する必要が無く、シリンダーヘッドに調節排気バルブを増設したり、調節排気カムシャフトに調節排気カムを設けることは従来技術の応用によって実現できるので、エンジン全体として構造を複雑化することもなく、安価に実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上のように、本発明によると、カムシャフトによるカム動作によって開閉弁を開閉駆動するたけで、圧縮行程の初期において調節排気バルブ手段を開弁させるだけで、圧縮比よりも膨張比を大きくすることによって、爆発膨張行程のエネルギー効率の向上を実現でき、燃費の向上が可能となる。
【符号の説明】
【００２１】
１シリンダー
２ピストン
Ｈシリンダーヘッド
３吸入バルブ
４排気バルブ
５調節排気バルブ
６燃料噴射器（インジェクター）
７点火プラグ
【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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