(57)【要約】【課題】比較的単純な構成により、排ガス特性を悪化させることなく、燃焼室内の圧力の過大化を確実に防止できる内燃機関を提供する。【解決手段】本発明のエンジン１によれば、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨ以上になったときに開弁するリリーフバルブ３を備える。これにより、ノッキング時に筒内圧ＰＣＹＬが上昇したときに、リリーフバルブ３が開弁することで、燃焼室内の圧力の過大化を確実に防止できる。また、リリーフバルブ３は、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６の反対側に配置されていることで、リリーフバルブ３を介して排出された排ガスの熱による影響が、吸気系に及びにくくなり、吸気系の部品の熱劣化を防止できる。さらに、開弁したリリーフバルブ３を介して排出された排ガスが、排気管９の三元触媒１１よりも上流側に流入するように構成されていることで、排ガス特性の悪化を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に臨み、当該燃焼室に新気を導入する吸気弁と、
前記燃焼室に臨み、前記燃焼室から排気通路に排ガスを排出する排気弁と、
前記排気通路に設けられ、排ガスを浄化する排ガス浄化装置と、
前記燃焼室に臨み、当該燃焼室内の圧力が開弁圧以上になったときに開弁する安全弁と、を備え、
当該安全弁は、前記排気弁の近傍で、かつ前記吸気弁よりも前記排気弁に近い位置に配置され、
前記開弁した安全弁を介して排出された排ガスが、前記排気通路の前記排気浄化装置よりも上流側に流入するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記安全弁の前記開弁圧は、前記内燃機関のノッキング時以外の正常燃焼時に発生する前記燃焼室内の最大圧力よりも大きく、かつノッキング時に発生する、前記燃焼室内の前記最大圧力よりも大きな前記燃焼室内の圧力よりも小さな値に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記安全弁は、ばねにより閉弁側に付勢されており、当該ばねの固有振動数は、ノッキング時に発生する前記内燃機関の共振振動数と異なる値に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に燃焼室内の圧力の過大化を防止する機能を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の内燃機関として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関のシリンダヘッドには、爆発圧力コントロールバルブが設けられている。この爆発圧力コントロールバルブは、燃焼室に臨む第１および第２バルブと、燃焼室と反対側に画成された蓄圧室と、第１および第２バルブを付勢する２つのばねなどを備えている。この内燃機関では、ノッキングにより燃焼室内の圧力が所定の圧力よりも高くなったときに、第１バルブが開弁することで、燃焼室内の燃焼ガスの一部を蓄圧室に逃がすことによって、燃焼室内の圧力の過大化が防止される。また、その後、膨張行程におけるピストンの下降に伴い、燃焼室内の圧力が蓄圧室内の圧力よりも低くなったときに、第２バルブが開弁することで、蓄圧室内の燃焼ガスが燃焼室内に戻される。
【０００３】
また、従来の他の内燃機関として、特許文献２に開示されたものが知られている。この内燃機関には、シリンダヘッドを貫通し、燃焼室に連通する通路が設けられており、この通路に安全弁が取り付けられている。この内燃機関では、燃焼室内の圧力が所定の圧力よりも高くなったときに、安全弁が開弁し、開弁された安全弁を介して燃焼ガスを大気中に排出させることによって、燃焼室内の圧力の過大化が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭５８−８４３２４号公報
【特許文献２】実開平２−９９２３５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、特許文献１の内燃機関では、爆発圧力コントロールバルブの部品点数が多く、構成が複雑であるため、その設置や保守に要するコストが増大する。また、燃焼室内の圧力を十分に低下させるための大きな容量を有する蓄圧室が必要であることから、爆発圧力コントロールバルブが大型化し、取り付けスペースの確保が問題になる。また、特許文献２の内燃機関では、排ガスを大気中に直接、排出するため、排ガス特性が悪化してしまう。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、比較的単純な構成により、排ガス特性を悪化させることなく、燃焼室内の圧力の過大化を確実に防止することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、燃焼室１ｄに臨み、燃焼室１ｄに新気を導入する吸気弁６と、燃焼室１ｄに臨み、燃焼室１ｄから排気通路（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管９）に排ガスを排出する排気弁７と、排気通路に設けられ、排ガスを浄化する排ガス浄化装置（三元触媒１１）と、燃焼室１ｄに臨み、燃焼室１ｄ内の圧力（筒内圧ＰＣＹＬ）が開弁圧ＰＣＹＬＨ以上になったときに開弁する安全弁（リリーフバルブ３）と、を備え、安全弁は、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６よりも排気弁７に近い位置に配置され、開弁した安全弁を介して排出された排ガスが、排気通路の排気浄化装置よりも上流側に流入するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この内燃機関によれば、例えばノッキングが発生し、燃焼室内の圧力が開弁圧以上になったときに、安全弁が開弁することで、燃焼ガスの一部を燃焼室外に逃がすので、燃焼室内の圧力の過大化を確実に防止することができる。また、安全弁を備えるだけでよいので、複数のバルブや、複数のばね、蓄圧室などが必要な従来の内燃機関と比較して、構成を単純化することができる。また、燃焼室内の圧力が過大になることがないので、燃焼室の周辺部品の強度を低く設定することができ、内燃機関の軽量化や低コスト化が可能になる。
【０００９】
また、安全弁を介して排出された排ガスが、高温の排ガスを通すために本来的に熱対策が施されている排気通路に流入するので、追加の熱対策を省略することができる。また、この排ガスが排気浄化装置よりも上流側に流入するので、排ガスを、排気浄化装置によって浄化してから大気中に放出でき、排ガス特性の悪化を防止することができる。
【００１０】
また、安全弁を、排気弁の近傍で、かつ吸気弁よりも排気弁に近い位置に配置しているので、一般には十分な熱対策が施されていない吸気系に、安全弁を介して排出された排ガスの熱による影響が及びにくくなる。その結果、吸気系の部品の熱劣化を防止できるとともに、例えばポート噴射の場合の、燃料噴射弁から噴射された燃料への悪影響（例えば燃料への引火）を防止することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関１において、安全弁の開弁圧は、内燃機関１のノッキング時以外の正常燃焼時に発生する燃焼室１ｄ内の最大圧力（正常燃焼時最大圧力ＰＣＹＬＮＭＡＸ）よりも大きく、かつノッキング時に発生する、燃焼室１ｄ内の最大圧力よりも大きな燃焼室１ｄ内の圧力よりも小さな値に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、ノッキングの発生時以外の正常燃焼時には、燃焼室内の圧力が安全弁の開弁圧を超えないので、安全弁が閉弁状態に確実に保たれることで、意図しない燃焼ガスの排出に起因する出力の低下を回避し、内燃機関の運転を支障なく行うことができる。また、ノッキングの発生時には、燃焼室内の圧力が開弁圧を超え、安全弁が開弁することによって、燃焼室内の圧力が開弁圧以下に確実に制限される。その結果、燃焼室の周辺部品の強度の安全率を、ノッキングの発生に備えて高く設定する場合よりも低く設定することが可能になり、それにより、内燃機関の軽量化や低コスト化を実現することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関１において、安全弁は、ばね（スプリング３ａ）により閉弁側に付勢されており、ばねの固有振動数Ｆｎは、ノッキング時に発生する内燃機関１の共振振動数（ノッキング共振周波数Ｆｒ）と異なる値に設定されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、安全弁を閉弁側に付勢するばねの固有振動数は、内燃機関のノッキング時に発生する共振振動数と異なる値に設定されているので、ノッキングが発生したときでも、ばねの共振が発生することがなく、それに起因するばねの摩耗や劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態による内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図１の内燃機関の吸気弁および排気弁などの配置を概略的に示す平面図である。
【図３】燃焼室内に発生する圧力と安全弁の開弁圧などとの関係を示す図である。
【図４】第２実施形態による内燃機関の吸気弁および排気弁などの配置を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による内燃機関（以下「エンジン」という）１の概略構成を示している。
【００１７】
エンジン１は、例えば４つの気筒１ａ（１つのみ図示）を有するガソリンエンジンである。各気筒１ａのピストン１ｂとシリンダヘッド１ｃの間には、燃焼室１ｄが形成されている。また、シリンダヘッド１ｃには、点火プラグ５が、燃焼室１ｄに臨むように取り付けられている（１つのみ図示）。この点火プラグ５は、ＥＣＵ２からの制御信号により、点火時期に応じたタイミングで高電圧が加えられることによって放電し、燃焼室１ｄ内の混合気を燃焼させる。点火プラグ５の点火時期は、後述するＥＣＵ２によって制御される。
【００１８】
エンジン１のシリンダヘッド１ｃには、気筒１ａごとに、吸気ポート１ｆおよび排気ポート１ｇが形成されており、吸気ポート１ｆには吸気管８の吸気マニホールド８ａが、排気ポート１ｇには排気管９の排気マニホールド９ａが接続されている。図２に示すように、吸気ポート１ｆおよび排気ポート１ｇは、２つに分岐した状態で燃焼室１ｄに開口しており、これらの開口部に、一対の吸気弁６，６および一対の排気弁７，７が燃焼室１ｄに臨むように設けられている。吸気弁６は吸気側動弁機構３０によって開閉され、排気弁７は排気側動弁機構４０によって開閉される。
【００１９】
吸気側動弁機構３０は、カム駆動式のものであり、回転自在の吸気カムシャフト３１と、吸気カムシャフト３１に一体に設けられた吸気カム３２と、ロッカアームシャフト（図示せず）と、ロッカアームシャフトに回動自在に支持されるとともに、吸気弁６，６の上端にそれぞれ当接する２つのロッカアーム（図示せず）などを備えている。
【００２０】
吸気カムシャフト３１は、排気スプロケットおよびタイミングチェーン（いずれも図示せず）を介して、クランクシャフト１ｅに連結されており、クランクシャフト１ｅが２回転するごとに１回転する。吸気カムシャフト３１が回転すると、ロッカアームが吸気カム３２で押圧され、ロッカアームシャフトを中心として回動することにより、吸気弁６，６が開閉される。
【００２１】
排気側動弁機構４０もまた、吸気側動弁機構３０と同様のカム駆動式のものであり、回転自在の排気カムシャフト４１と、排気カムシャフト４１に一体に設けられた排気カム４２と、ロッカアームシャフト（図示せず）と、ロッカアームシャフトに回動自在に支持されるとともに、排気弁７，７の上端にそれぞれ当接する２つのロッカアーム（図示せず）などを備えている。
【００２２】
排気カムシャフト４１は、排気スプロケットおよびタイミングチェーン（いずれも図示せず）を介して、クランクシャフト１ｅに連結されており、クランクシャフト１ｅが２回転するごとに１回転する。排気カムシャフト４１が回転すると、ロッカアームが排気カム４２で押圧され、ロッカアームシャフトを中心として回動することにより、排気弁７，７が開閉される。
【００２３】
図１および図２に示すように、シリンダヘッド１ｃには、排気ポート１ｇの途中から分岐するようにリリーフポート１ｈが形成されている。このリリーフポート１ｈは、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６の反対側の位置において、燃焼室１ｄに開口しており、この開口部にリリーフバルブ３が燃焼室１ｄに臨むように設けられている。
【００２４】
リリーフバルブ３は、スプリング３ａにより燃焼室１ｄ側（図１の下方）に付勢されている。リリーフバルブ３の開弁圧ＰＣＹＬＨは、スプリング３ａのばね定数や受圧部３ｂの面積などにより、ノッキング時以外の正常燃焼時に発生する燃焼室１ｄ内の圧力（以下「筒内圧」という）ＰＣＹＬの最大値である正常燃焼時最大圧力ＰＣＹＬＮＭＡＸよりも大きく、かつノッキング時に発生する筒内圧ＰＣＹＬよりも小さな値に設定されている。また、スプリング３ａの固有振動数Ｆｎは、ノッキング時に発生するエンジン１の共振振動数であるノッキング共振周波数Ｆｒの範囲外に設定されている。
【００２５】
エンジン１の吸気管８には、スロットル弁１３が設けられている。このスロットル弁１３には、アクチュエータ１３ａが連結されている。スロットル弁１３の開度は、ＥＣＵ２により、エンジン１の運転状態に応じて、アクチュエータ１３ａを制御することによって制御され、それにより、燃焼室１ｄに吸入される新気の量が制御される。
【００２６】
また、吸気管８の吸気マニホールド８ａには、燃料噴射弁４が、気筒１ａごとに、吸気ポート１ｆに臨むように設けられている。燃料噴射弁４は、燃料ポンプ（図示せず）で昇圧された燃料を吸気ポート１ｆに噴射する。燃料噴射弁４の開弁時間および開弁時期はＥＣＵ２によって制御され、それにより燃料噴射量および噴射時期が制御される。
【００２７】
また、排気管９の下流部には、三元触媒１１が設けられている。三元触媒１１は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。
【００２８】
また、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力インターフェースなどから成るマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されている。各種のセンサ（図示せず）で検出されたエンジン１の運転状態などに応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに基づいて、点火プラグ５の点火時期や燃料噴射弁４の燃料噴射量および噴射時期などを制御する。
【００２９】
図３は、エンジン１において発生する筒内圧ＰＣＹＬとリリーフバルブ３の開弁圧ＰＣＹＬＨなどとの関係を示す。このエンジン１では、圧縮行程の終了時におけるＴＤＣ（上死点）の手前のクランク角度位置で点火プラグ５による火花点火が行われ、燃焼室１ｄ内で混合気が燃焼することによって、筒内圧ＰＣＹＬが増大し、そのピークはＴＤＣの直後に現れる。このピーク値は燃焼状態に応じて変化し、同図の正常燃焼時最大圧力ＰＣＹＬＮＭＡＸは、これらのピーク値のうちの正常燃焼時に発生し得る最大値を示す。
【００３０】
一方、ノッキングの発生時には、点火プラグ５から遠い位置にある未燃焼の混合気（末端ガス）が一気に自己着火し、筒内圧ＰＣＹＬが急激に上昇することによって、そのピーク値は、正常燃焼時よりもかなり高くなる。同図に示すように、リリーフバルブ３の開弁圧ＰＣＹＬＨは、以上のような正常燃焼時最大圧力ＰＣＹＬＮＭＡＸよりも若干大きく、かつノッキングの発生時の筒内圧ＰＣＹＬのピーク値よりも小さな値に設定されている。
【００３１】
以上のような開弁圧ＰＣＹＬＨの設定により、ノッキングが発生すると、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨを上回ることで、リリーフバルブ３が開弁し、燃焼室１ｄ内の燃焼ガスの一部がリリーフポート１ｈを介して排気管９に排出され、逃がされる。
【００３２】
また、図３に示すように、シリンダヘッド１ｃなどの燃焼室１ｄの周辺部品の強度に関する設計圧ＰＤＧＮは、リリーフバルブ３の開弁圧ＰＣＹＬＨに対し、比較的低い安全率を適用することによって、開弁圧ＰＣＹＬＨよりも若干大きな値に設定されている。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨ以上になったときに、リリーフバルブ３が開弁することで、燃焼室１ｄ内の燃焼ガスの一部を燃焼室１ｄ外に逃がすので、筒内圧ＰＣＹＬの過大化を確実に防止することができる。また、リリーフバルブ３を備えるだけでよいので、構成を単純化することができる。
【００３４】
また、リリーフバルブ３を介して排出された排ガスが、高温の排ガスを通すために本来的に熱対策が施されている排気管９に流入するので、追加の熱対策を省略することができる。また、この排ガスが排気管９の三元触媒１１よりも上流側に流入するので、排ガスを三元触媒１１で浄化してから大気中に放出でき、排ガス特性の悪化を防止することができる。さらに、リリーフバルブ３を、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６の反対側に配置しているので、リリーフバルブ３を介して排出された排ガスの熱による影響が吸気系に及びにくくなる。その結果、吸気系の部品、例えば吸気管８や燃料噴射弁４の熱劣化を防止できるとともに、燃料噴射弁４から吸気ポート１ｆに噴射された燃料への悪影響（例えば燃料への引火）を防止することができる。
【００３５】
また、ノッキングの発生時以外の正常燃焼時には、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨを超えないので、リリーフバルブ３が閉弁状態に確実に保たれることで、意図しない燃焼ガスの排出に起因する出力の低下を回避し、エンジン１の運転を支障なく行うことができる。また、ノッキングの発生時には、リリーフバルブ３が開弁することによって、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨ以下に確実に制限されるので、前述したように、燃焼室１ｄの周辺部品の強度の設計圧ＰＤＧＮを、開弁圧ＰＣＹＬＨに対して比較的低い安全率で、より小さな値に設定することで、エンジン１の軽量化や低コスト化を実現することができる。
【００３６】
図４は、本発明の第２実施形態によるエンジン２１を示す。このエンジン２１のシリンダヘッド２１ｃには、排気ポート２１ｇが分岐せずに１つのみ形成され、燃焼室１ｄに開口しており、この開口部に１つの排気弁７が設けられている。また、排気ポート２１ｇの途中から分岐するように、リリーフポート２１ｈが形成されている。このリリーフポート２１ｈは、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６よりも排気弁７に近い位置において、燃焼室１ｄに開口しており、この開口部にリリーフバルブ３が設けられている。エンジン２１の他の構成は、第１実施形態のエンジン１と同様である。
【００３７】
このエンジン２１によれば、筒内圧ＰＣＹＬが開弁圧ＰＣＹＬＨ以上になったときに、リリーフバルブ３が開弁することで、燃焼室１ｄ内の燃焼ガスの一部を燃焼室１ｄ外に逃がすので、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、排気弁７およびリリーフバルブ３が１つずつ設けられているので、２つの排気弁７と１つのリリーフバルブ３が設けられている第１実施形態と比較して、構成が単純であり、製造を容易に行えるとともに、リリーフバルブ３を設けるスペースを容易に確保できる。この場合、例えば第１実施形態の一方の排気ポート１ｇに、排気弁７に代えて、リリーフバルブ３を設けることも可能であり、それにより、シリンダヘッド２１ｃの設計・製造やリリーフバルブ３のレイアウトをさらに容易に行うことができる。
【００３８】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第１実施形態では、リリーフバルブ３を吸気弁６の反対側に配置しているが、排気弁７の近傍で、かつ吸気弁６よりも排気弁７に近い位置であればよく、例えば、２つの排気ポート１ｇ，１ｇの間や、両者を結ぶ延長線上の外側に配置してもよく、あるいは吸気弁６側に配置してもよい。
【００３９】
また、実施形態では、排ガスを浄化する排気浄化装置として、三元触媒を用いているが、他のタイプの浄化装置、例えばＮＯｘ触媒や酸化触媒を用いてもよい。さらに、実施形態ではリリーフバルブ３は直動式に開閉するタイプのものであるが、これに限らず、例えば回動式のものでもよい。
【００４０】
また、実施形態は、本発明を車両に搭載されたガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ガソリンエンジン以外のディーゼルエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１    エンジン（内燃機関）
１ｄ  燃焼室
３    リリーフバルブ（安全弁）
３ａ  スプリング（ばね）
６    吸気弁
７    排気弁
９    排気管（排気通路）
１１    三元触媒（排気浄化装置）
２１    エンジン（内燃機関）
ＰＣＹＬ  筒内圧（燃焼室内の圧力）
ＰＣＹＬＨ  開弁圧
ＰＣＹＬＮＭＡＸ  正常燃焼時最大圧力（最大圧力）
Ｆｎ  固有振動数
Ｆｒ  ノッキング共振周波数（ノッキング時に発生する内燃機関の共振                      振動数）
【図１】
2011149408.tif 000003
【図２】
2011149408.tif 000004
【図３】
2011149408.tif 000005
【図４】
2011149408.tif 000006