(57)【要約】【課題】自己着火ないしはノッキングの発生を抑制しエンジン効率の向上やエミッションの低減を図ることのできる分割行程サイクルエンジンを提供する。【解決手段】吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒１０と膨張・排気行程を行う膨張気筒２０とを別々に備え、これらの両気筒が連通路３０で連通されている。連通路３０内の空気を冷却するインタークーラ４０が備えられている。これは、一端が連通路３０内に配置され、他端の低温側がウォータージャケット１０２内または吸気通路１４内に配置されたヒートパイプ４２であってもよい。圧縮気筒１０は第１の吸気弁１２を介して吸気通路１４に連通されると共に逆止め吐出弁１５を介して連通路３０に連通され、膨張気筒２０は第２の吸気弁２３を介して連通路３０に連通されると共に排気弁２５を介して排気通路２４に連通されており、排気弁２５の開弁中の所定期間に第２の吸気弁２３を開く開弁手段を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒と膨張・排気行程を行う膨張気筒とを別々に備え、これらの両気筒を連通路で連通するようにした分割行程サイクルエンジンにおいて、
前記連通路内の空気を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする分割行程サイクルエンジン。
【請求項２】
前記冷却手段は、一端が前記連通路内に配置され、他端の低温側がシリンダヘッドのウォータージャケット内または前記圧縮気筒の吸気通路内に配置されたヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の分割行程サイクルエンジン。
【請求項３】
前記圧縮気筒は第１の吸気弁を介して吸気通路に連通されると共に、逆止め吐出弁を介して前記連通路に連通され、前記膨張気筒は第２の吸気弁を介して前記連通路に連通されると共に、排気弁を介して排気通路に連通されており、
該排気弁の開弁中の所定期間に前記第２の吸気弁を開く開弁手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の分割行程サイクルエンジン。
【請求項４】
前記連通路は、前記膨張気筒に対し平面視において接線と平行する方向に向けて連通されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の分割行程サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸入・圧縮行程を行う気筒と膨張・排気行程を行う気筒とを別々に備えた分割行程サイクルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒と膨張・排気行程を行う膨張気筒とを別々に備え、これらの両気筒を連通路で連通するようにした分割行程サイクルエンジンが公知である（例えば、特許文献１参照）。このような分割行程サイクルエンジンにおいては、圧縮気筒で圧縮された空気が連通路を介して膨張気筒に導入され、該膨張気筒で燃焼が実施されて動力を得るように構成することにより、エンジン効率の向上やエミッションの低減を図ることが意図されている。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６、５４３、２２５Ｂ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の分割行程サイクルエンジンにおいては、圧縮気筒で圧縮された後の空気の温度が高いことから、連通路を介して膨張気筒に導入されたこの高温の圧縮空気に対し燃料が噴射供給されると、自己着火ないしはノッキングが生じるおそれがある。その結果、正常な燃焼制御が困難になり、意図したエンジン効率の向上やエミッションの低減が達成されないおそれがあった。さらに、高温の圧縮空気を膨張気筒に導入すると空気密度が下がり、充填効率が悪くなることからエンジン出力の向上代が低下する。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、自己着火ないしはノッキングの発生を抑制しエンジン効率の向上やエミッションの低減を図ることのできる分割行程サイクルエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係る分割行程サイクルエンジンは、吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒と膨張・排気行程を行う膨張気筒とを別々に備え、これらの両気筒を連通路で連通するようにした分割行程サイクルエンジンにおいて、前記連通路内の空気を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記冷却手段は、一端が前記連通路内に配置され、他端の低温側がシリンダヘッドのウォータージャケット内または前記圧縮気筒の吸気通路内に配置されたヒートパイプであってもよい。
【０００８】
なお、前記圧縮気筒は第１の吸気弁を介して吸気通路に連通されると共に、逆止め吐出弁を介して前記連通路に連通され、前記膨張気筒は第２の吸気弁を介して前記連通路に連通されると共に、排気弁を介して排気通路に連通されており、該排気弁の開弁中の所定期間に前記第２の吸気弁を開く開弁手段を備えてもよい。
【０００９】
また、前記連通路は、前記膨張気筒に対し平面視において接線と平行する方向に向けて連通されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一形態によれば、吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒と膨張・排気行程を行う膨張気筒とを連通する連通路内の空気が冷却手段により冷却されるので、これが膨張気筒に導入されて燃料が噴射供給されても、自己着火ないしはノッキングの発生が抑制される。さらに、空気密度が高まり、充填効率が向上することからエンジン出力の増大が図れる。かくて、エンジン効率の向上やエミッションの低減ができる。
【００１１】
ここで、前記冷却手段が、一端が前記連通路内に配置され、他端の低温側がシリンダヘッドのウォータージャケット内または前記圧縮気筒の吸気通路内に配置されたヒートパイプである形態によれば、レイアウトが容易にできると共に、効率よく連通路内の空気を冷却することができる。
【００１２】
なお、前記圧縮気筒が第１の吸気弁を介して吸気通路に連通されると共に、逆止め吐出弁を介して前記連通路に連通され、前記膨張気筒が第２の吸気弁を介して前記連通路に連通されると共に、排気弁を介して排気通路に連通されており、該排気弁の開弁中の所定期間に前記第２の吸気弁を開く開弁手段を備える形態によれば、該第２の吸気弁が開かれたときに膨張気筒内の排気ガスの一部が連通路内に侵入する。この連通路内に侵入した排気ガスは連通路内に保持され、冷却手段により冷却される。そして、この冷却された排気ガスは、次サイクルにおいて、内部ＥＧＲガスとして圧縮空気と共に膨張気筒に導入される。したがって、比較的大量のＥＧＲガスの導入が容易にできるので、NOｘなどのエミッションの低減を図ることができる。
【００１３】
また、前記連通路が、前記膨張気筒に対し平面視において接線と平行する方向に向けて連通されている形態によれば、膨張気筒内において強力な旋回流もしくは乱流を生起させることができるので、良好な燃焼が行われ、エンジン効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による分割行程サイクルエンジンの最良の実施形態につき添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は分割行程サイクルエンジン１００の一実施形態を示す縦断面概略図、図２は同じく平面概略図である。
【００１６】
図１及び図２において、１０は吸入・圧縮行程を行う圧縮気筒であり、２０は膨張・排気行程を行う膨張気筒、及び３０はこれらの両気筒を連通する連通路である。圧縮気筒１０には圧縮ピストン１１が往復動自在に嵌装され、この圧縮ピストン１１はコネクチングロッド１２を介して不図示のクランクシャフトの第１クランクピンに回動可能に連結されている。圧縮気筒１０はリードバルブで構成される第１吸気弁１３を介して吸気通路１４に連通されていると共に、逆止め弁で構成される吐出弁１５を介して連通路３０に連通されている。該吐出弁１５は、圧縮ピストン１１の上部に形成される圧縮室１６に向けて、スプリング１７により所定の設定荷重で付勢されている。
【００１７】
また、膨張気筒２０には膨張ピストン２１が往復動自在に嵌装され、この膨張ピストン２１はコネクチングロッド２２を介して、上述のクランクシャフトの、コネクチングロッド１２が連結されている第１クランクピンとは位相角が異なる第２クランクピンに回動可能に連結されている。この位相角は、膨張ピストン２１が圧縮ピストン１１に若干先行して作動するように設定されている。さらに、膨張気筒２０は、ポペットバルブで構成されてソレノイド２８で電磁的に駆動される第２吸気弁２３を介して連通路３０に連通されていると共に、同じくポペットバルブで構成される排気弁２５（本実施形態では２個）を介して排気通路２４に連通されている。排気弁２５はクランクシャフトに同期して駆動されるカムシャフトのカムにより開閉される。そして、膨張気筒２０にはそのほぼ中心線上に気筒上壁から燃焼室２９に突出して点火プラグ２６が配置されている。また、本実施の形態では、連通路３０が膨張気筒２０に対し平面視において接線と平行する方向に向けて連通されていると共に、該連通路３０のほぼ延長線上位置の周部に点火プラグ２６に噴射方向が向けられた形態で燃料噴射弁２７が配置されている。
【００１８】
さらに、連通路３０にはインタークーラ４０が配置されている。より具体的には、このインタークーラ４０は端部に多数の冷却フィン４１が設けられた複数本のヒートパイプ４２で構成され、冷却フィン４１が連通路３０内に平行して配置されている。そして、第１の実施形態では、図１及び図３に示すように、当該ヒートパイプ４２の低温側端部がエンジン１００の冷却水が循環されるシリンダヘッド内に形成されているウォータージャケット１０２内に配置されている。また、第２の実施形態では、図２に示すように、当該ヒートパイプ４２の低温側端部が比較的低温の空気が流れる圧縮気筒１０の吸気通路１４内に配置されている。なお、インタークーラ４０はシリンダヘッドを製作する際に鋳ぐるみにより設けられる。
【００１９】
また、エンジン１００には、エンジン１００の回転数を検出するための不図示のクランク角センサ（以下、回転数センサと称す）や要求負荷（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサ、吸入空気量を計測するエアフローメータ、さらに、エンジン１００の冷却水温を検出する水温センサ等の各種センサが設けられている。そして、これらの各種センサの出力がマイクロコンピュータ等で構成される不図示の電子制御ユニットに送られるようになっている。
【００２０】
電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）は、上述の各種センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期に加え、本実施の形態では第２吸気弁２３の開閉時期等を制御する。なお、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期及び第２吸気弁２３の開閉時期等の制御のために使用される基本的な制御値は、例えば縦軸に吸入空気量等で代表されるエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１００の運転状態を表す基本マップに、エンジン１００の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらの基本マップは電子制御ユニットのＲＯＭに保存されている。
【００２１】
そこで、本発明の実施形態によるエンジン１００の作動につき、図４及び図５に示すグラフを参照して説明する。なお、以下の説明において、「期間」についてはクランクシャフトの回転角であるクランク角（°ＣＡ）で表され、また、「時期」については上死点（ＴＤＣと称す）又は下死点（ＢＤＣと称す）を基準として上死点又は下死点前後のクランク角で表される。
【００２２】
まず、本実施形態によるエンジン１００においては、不図示のクランクシャフトの１回転（３６０°ＣＡ）で、吸入、圧縮、膨張及び排気の４行程からなる１サイクルが完了される。すなわち、図５（Ａ）に示すように、圧縮気筒１０における圧縮ピストン１１のＴＤＣに対応するクランク角を０°ＣＡとすると、圧縮ピストン１１が、クランク角が１８０°ＣＡとなるＢＤＣに至る間に吸入行程が実行され、その後、圧縮ピストン１１がクランク角が３６０°ＣＡとなるＴＤＣに至る間に圧縮行程が実行される。同時に膨張気筒２０においては、図５（Ｂ）に示すように、このクランクシャフトの同じ１回転において、クランク角が０°ＣＡから１８０°ＣＡに至る膨張ピストン２１のＴＤＣからＢＤＣへの移動の間に爆発・膨張行程が実行され、その後、膨張ピストン２１が、クランク角が３６０°ＣＡとなるＴＤＣに至る間に排気行程が実行される。換言すると、圧縮気筒１０での圧縮行程と膨張気筒２０での排気行程とが、排気行程が若干先行する位相差でほぼ同時期に、かつ、圧縮気筒１０での吸入行程と膨張気筒２０での膨張行程とが膨張行程が若干先行する位相差でほぼ同時期に行われる。
【００２３】
そこで、圧縮気筒１０において圧縮ピストン１１が下降する、図４（Ａ)に示されるようなクランク角が１サイクル目の０°ＣＡから１８０°ＣＡ及び次のサイクルの３６０°ＣＡから５４０°ＣＡに至る間には、筒内の圧力低下に伴いリードバルブで構成される第１吸気弁１３が開かれ、吸気通路１４から空気が吸入される吸入行程となる。そして、圧縮気筒１０において圧縮ピストン１１が上昇する、図４（Ａ)に示されるようなクランク角が１サイクル目の１８０°ＣＡから３６０°ＣＡ及び次のサイクルの５４０°ＣＡから７２０°ＣＡに至る間には、リードバルブで構成される第１吸気弁１３が閉じられ、圧縮室１６内の空気が圧縮されて圧力が上昇する。そして、圧縮気筒１０におけるこの圧縮圧力が吐出弁１５を付勢しているスプリング１７の所定の設定荷重よりも大きくなると、逆止め弁で構成されている吐出弁１５が開かれ、圧縮空気が連通路３０に送り込まれる。
【００２４】
ここで、該連通路３０に送り込まれた圧縮空気は、連通路３０に配置されたインタークーラ４０により冷却される。すなわち、インタークーラ４０が、一端が連通路３０内に配置され、他端の低温側がシリンダヘッドのウォータージャケット１０２内に配置されたヒートパイプ４２で構成される第１の実施形態（図１及び図３参照）の場合には、その一端に設けられた冷却フィン４１を介して高温の圧縮空気から熱が回収され、その熱が、他端の低温側が配置されたウォータージャケット１０２内の冷却水に移送されることにより、効率よく連通路３０内の圧縮空気が冷却される。一方、インタークーラ４０が、一端が連通路３０内に配置され、他端の低温側が圧縮気筒１０の吸気通路１４内に配置されたヒートパイプ４２で構成される第２の実施形態（図２参照）の場合にも、その一端に設けられた冷却フィン４１を介して高温の圧縮空気から熱が回収され、その熱が、他端の低温側が配置された吸気通路１４内の吸入空気に移送されることにより、効率よく連通路３０内の圧縮空気が冷却される。
【００２５】
そして、圧縮気筒１０において圧縮ピストン１１が上昇を続け、その圧縮ＴＤＣ（代表的に３６０°ＣＡにつき説明する）に到達する前、換言すると、膨張気筒２０においてその膨張ピストン２１が排気ＴＤＣにほぼ到達したとき（例えば、ＴＤＣ０°ＣＡ：図４（Ｂ)及び図５（Ｂ)にｔ１で示す）に、ＥＣＵからの指令信号によりソレノイド２８が駆動されて、第２吸気弁２３が開成される。第２吸気弁２３が開成されると、連通路３０に送り込まれて冷却されていた圧縮空気が膨張気筒２０に噴出される（図５（Ｂ)の「噴出」参照）。このとき、本実施形態においては、連通路３０が膨張気筒２０に対し平面視において接線と平行する方向に向けて連通されているので、膨張気筒２０内において圧縮空気による強力な旋回流もしくは乱流が生起される。そして、この第２吸気弁２３が開成され圧縮空気の導入が開始された直後に、ＥＣＵからの指令信号により燃料噴射弁２７が駆動され、燃料噴射が開始される（図４（Ｂ)の「噴射」参照）。噴射された燃料は、上述の圧縮空気による旋回流もしくは乱流に混合され、燃焼に適した混合気が形成される。
【００２６】
その後、膨張気筒２０において膨張ピストン２１が排気ＴＤＣを通過した所定のクランク角（例えば、ＴＤＣ後６０°ＣＡ：図４（Ｂ)及び図５（Ｂ)にｔ２で示す）に第２吸気弁２３が閉成される。そして、この第２吸気弁２３が閉成されるのとほぼ同じ時期に、ＥＣＵからの指令信号が送られて点火プラグ２６による点火が行われる（図４（Ｂ)の「点火」参照）。かくて、膨張気筒２０において爆発的に燃焼が開始され、膨張ピストン２１が燃焼圧力により下降する膨張行程が行われる。
【００２７】
さらに、この膨張行程の終期において膨張ピストン２１が膨張ＢＤＣに到達する前の所定のクランク角（例えば、ＢＤＣ前３０°ＣＡ：図４（Ｂ)及び図５（Ｂ)にｔ３で示す）に排気弁２５が開弁開始される。なお、この排気弁２５はクランク角が５４０°ＣＡの膨張ＢＤＣを通過して膨張ピストン２１が排気行程を実行して排気ＴＤＣに至ったとき（７２０°ＣＡ）に閉じられる。
【００２８】
なお、本実施形態では、上述の排気弁２５の開弁中の初期の所定期間（例えば、排気ＢＤＣから６０°ＣＡの期間：図５（Ｂ）にＸで示す）に、ＥＣＵからの指令信号によりソレノイド２８が駆動されて、第２吸気弁２３が開成される。第２の吸気弁２３が開かれると、膨張気筒２０内の排気ガスの一部が連通路３０内に侵入する。これは、膨張気筒２０の筒内圧の変化の様子を示した図４（Ｃ）から明らかなように、上記の初期の所定期間Ｘにおいては、膨張気筒２０内にある程度の残圧があるのに対し、圧縮気筒１０では圧縮行程の初期であることから十分な圧縮圧が発生しておらず、逆止め弁で構成されている吐出弁１５は閉じたままに維持されるからである。
【００２９】
そして、この連通路３０内に侵入した排気ガスは連通路３０内に保持され、インタークーラ４０により冷却される。そして、この冷却された排気ガスは、次サイクルにおいて、上述したように圧縮ピストン１１の上昇に伴う圧縮圧の増大により、内部ＥＧＲガスとして圧縮空気と共に膨張気筒２０に導入される。したがって、比較的大量のＥＧＲガスの導入が容易にできるので、NOｘなどのエミッションの低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による分割行程サイクルエンジンの実施形態を示す縦断面概略図である。
【図２】本発明による分割行程サイクルエンジンの実施形態を示す平面概略図である。
【図３】図１の分割行程サイクルエンジンにおけるインタークーラ部の拡大断面図である。
【図４】本発明による分割行程サイクルエンジンの作動を説明するためのグラフであり、（Ａ）は圧縮気筒における第１吸気弁及び吐出弁の開閉のタイミング、（Ｂ）は膨張気筒における第２吸気弁及び排気弁の開閉のタイミングと燃料噴射及び点火のタイミング、（Ｃ）は同じく膨張気筒における筒内圧の変化を示す。
【図５】本発明による分割行程サイクルエンジンの作動を説明するためのグラフであり、（Ａ）は圧縮気筒における吸入行程及び圧縮行程とクランク角との関係、（Ｂ）は膨張気筒における膨張行程及び排気行程とクランク角との関係、及び、第２吸気弁及び排気弁の開閉のタイミングを示す。
【符号の説明】
【００３１】
１０    圧縮気筒
１１    圧縮ピストン
１３    第１吸気弁（リードバルブ）
１４    吸気通路
１５    吐出弁（逆止め弁）
１６    圧縮室
１７    スプリング
２０    膨張気筒
２１    膨張ピストン
２３    第２吸気弁
２５    排気弁
２６    点火プラグ
２７    燃料噴射弁
２８    ソレノイド
２９    燃焼室
３０    連通路
４０    インタークーラ
４１    冷却フィン
４２    ヒートパイプ
１００    エンジン
１０２    ウォータージャケット
【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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