(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンであって、
前記一対の休止行程が前休止行程とこの前休止行程に続く後休止行程からなり、前記後休止工程において排気バルブ又は吸気バルブあるいはその両方が瞬時的に開状態とされる構成で、
前記排気バルブ又は前記吸気バルブの何れか一方が単独で瞬時的に開状態とされる場合は、クランク角の回転角度で２０〜３０度の範囲で開状態とされ、
前記排気バルブと前記吸気バルブとの両方が瞬時的に開状態とされる場合は、クランク角の回転角度で１０〜１５度の範囲で開状態とされることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記一対の休止行程が前記吸気行程の後に行われ、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させるとともにその下死点領域で前記排気バルブ又は前記吸気バルブあるいはその両方が前記瞬時的に開状態とされることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記一対の休止行程が前記排気行程の後に行われ、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させるとともにその上死点領域で前記排気バルブ又は前記吸気バルブあるいはその両方が前記瞬時的に開状態とされることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエンジンとして、吸気、圧縮、燃焼、排気との４行程を含む１サイクル内に、この４行程とは別に、燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うものが知られている。例えば、吸気弁が開かつ排気弁が閉のバルブ状態においてピストンの下降に伴って吸気通路から空気を吸い込む吸入行程（吸気）と、吸気弁が閉かつ排気弁が閉のバルブ状態においてピストン１４の上昇に伴って筒内を圧縮する第１圧縮行程（前半の休止行程）と、この圧縮に伴う筒内の昇圧によりピストンが上死点から押し戻される第１膨張行程（後半の休止行程）と、吸気弁が閉かつ排気弁が閉のバルブ状態においてピストンの上昇に伴って筒内を圧縮しながら上死点付近で混合気に点火する第２圧縮行程（圧縮）と、この燃焼に伴う高温ガスの膨張によってピストンが押し下げられる第２膨張行程（燃焼）と、吸気弁が閉かつ排気弁が開のバルブ状態において、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す排気行程と、の順に進む、６行程・１サイクルで運転可能なエンジンが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。このような、ここでは休止行程と呼ばれている行程を追加した増加行程サイクル運転、例えば６行程サイクル運転を行えば、通常の運転のように１サイクル内に休止行程を追加しないで運転する４行程サイクル運転を行う場合と比較して、１サイクル内に軸出力を発生しない一対の休止行程を１つ以上追加した分、軸出力を低下させることができ、同じ回転数で出力を低下させたい要求がある状況下では好都合である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１６３０５号公報（段落番号００１４−００１６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１によるエンジンの増加行程サイクル運転では、排気バルブと吸気バルブの両方が閉じ状態で往復の休止行程（一対の休止行程）が行われるので、前休止行程（圧縮）で筒内の気体の一部がブローバイガスとして逃げた場合、後休止行程（膨張）の最終段階で筒内に負圧が生じてしまい、負の仕事、結果的には力損失を導くことになる。また、通常行程サイクルに対する休止行程の入れ方を変えて、膨張の休止行程を前休止行程とし、圧縮の休止行程を後休止行程とした増加行程サイクル運転でも、前休止行程でクランク室（膨張）から筒内に気体を流入させた場合には後休止行程（圧縮）の最終段階で筒内に過剰圧が生じてしまい、やはり力損失を導くことになる。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１サイクル内に吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行う際に、筒内における負圧又は過剰圧といった特異圧力の発生による損失を抑制し得るエンジンを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、１サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンであって、その特徴構成は、前記一対の休止行程が前休止行程とこの前休止行程に続く後休止行程からなり、前記後休止行程において排気バルブ又は吸気バルブあるいはその両方が瞬時的に開状態とされる構成で、前記排気バルブ又は前記吸気バルブの何れか一方が単独で瞬時的に開状態とされる場合は、クランク角の回転角度で２０〜３０度の範囲で開状態とされ、前記排気バルブと前記吸気バルブとの両方が瞬時的に開状態とされる場合は、クランク角の回転角度で１０〜１５度の範囲で開状態とされる点にある。
【０００７】
この特徴構成によれば、燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程の後休止行程において筒内に生じうる負圧又は過剰圧といった特異圧力は、この特異圧力が生じる手前又は直後に排気バルブ又は吸気バルブあるいはその両方を瞬時的に開状態にすることにより、筒内ガスの放出又は筒外ガスの流入を通じて平衡化、つまり解消されるので、特異圧力の発生による損失が抑制される。
【０００８】
発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、前記一対の休止行程が前記吸気行程の後に行われ、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させるとともにその下死点領域で前記排気バルブ又は前記吸気バルブあるいはその両方が前記瞬時的に開状態とされる点にある。
【０００９】
この特徴構成によれば、増加行程サイクル運転を作り出すために、前記一対の休止行程が前記吸気行程の後に行われるように構成する場合、上記特異圧力の平衡化の具体的な１つの処方策として、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させるとともにその下死点領域で前記吸気バルブを瞬時的に開状態とすることができる。このように通常の吸気行程の後に一対の休止行程を介在させる場合、前休止行程におけるピストン上昇が筒内圧力を高め、その結果一部の筒内ガスをブローバイガスとして逃がした状態で、後休止行程においてピストンを下死点まで下降させていくと、筒内が負圧になって力損失が生じるが、ピストンが下死点に達する前の下死点領域において吸気バルブを瞬時的に開状態とすることで吸気路からガスが流入し、筒内が負圧になることが回避され、結果的に力損失も抑制される。
【００１０】
なお、後休止行程において筒内が負圧になることを回避するには、下降ピストンの下死点領域で排気バルブを瞬時的に開状態としても同様の効果が得られる。排気バルブを瞬時的に開状態として、排気路から排気ガスを流入させる場合、結果的に内部ＥＧＲ効果が得られることになり、好都合である。もちろん、下降ピストンの下死点領域で吸気バルブと排気バルブの両方を瞬時的に開状態としてもよい。
【００１１】
本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、前記一対の休止行程が前記排気行程の後に行われ、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させるとともにその上死点領域で前記排気バルブ又は前記吸気バルブあるいはその両方が前記瞬時的に開状態とされる点にある。
【００１２】
この特徴構成によれば、増加行程サイクル運転を作り出すために、前記一対の休止行程が前記排気行程の後に行われるように構成する場合、前記前休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを下降させ、前記後休止行程においては前記排気バルブと前記吸気バルブとを閉状態とする閉鎖状態で前記ピストンを上昇させるとともにその上死点領域で前記吸気バルブを瞬時的に開状態とすることができる。このように通常の排気行程の後に一対の休止行程を介在させる場合、前休止行程におけるピストン下降が筒内圧力を低下させ、その結果、クランクケース内からガスを吸い込んだ状態で、後休止行程においてピストンを上死点まで上昇させていくと、筒内が過剰圧になって力損失が生じるが、ピストンが上死点に達する前の上死点領域において吸気バルブを瞬時的に開状態とすることで吸気路にガスが流出し、筒内が過剰圧になることが回避され、結果的に力損失も抑制される。
【００１３】
この増加行程サイクル運転においても、後休止行程において筒内が過剰圧になることを回避するには、上昇ピストンの上死点領域で排気バルブを瞬時的に開状態としても同様の効果が得られる。また、上昇ピストンの上点領域で吸気バルブと排気バルブの両方を瞬時的に開状態としてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係るエンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。エンジンの概略構成図が図１に示されている。この図に示すように、エンジン５０には、シリンダ（筒）３の内面とピストン４の頂面とで規定される燃焼室（筒内室）１０と、燃焼室１０に吸気バルブ１を介して接続された吸気路１３と、燃焼室１０に排気バルブ２を介して接続された排気路１４とが設けられている。
【００１５】
ピストン４は連結棒８に揺動自在に連結されており、ピストン４の往復動は連結棒８によって１つのクランク軸９の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。
【００１６】
吸気路１３には、流通する空気と天然ガス系都市ガスである燃料との混合気Ｉが形成され、その混合気Ｉは、クランク角がＴＤＣ（上死点）付近からＢＤＣ（下死点）付近まで吸気バルブ１が開状態となる吸気行程において燃焼室１０に吸気される。
【００１７】
そして、エンジン５０は、燃焼室１０に吸気された混合気Ｉを、吸気バルブ１及び排気バルブ２の両方が閉状態となる圧縮行程において、ピストン４の上昇により圧縮し、その圧縮された混合気Ｉを、点火プラグ（図示せず）による火花点火又は圧縮着火等の公知の着火方法により着火させ、更に、膨張行程において、混合気Ｉの燃焼によりピストン４を押し下げて軸出力を得るように構成されている。また、上記膨張行程の後に、クランク角がＢＤＣ付近からＴＤＣ付近まで排気バルブ２が開状態となる排気行程において、燃焼室１０の排ガスＥは排気路１４に排出される。
【００１８】
また、このエンジン５０には、吸気バルブ１及び排気バルブ２の開閉動作を行うためのカム式又は電磁アクチュエータ式又は油圧アクチュエータ式等の公知の動弁機構２０が設けられており、更に、この動弁機構２０には、カムの回転又はアクチュエータの周期的な作動の位相を変更するなどして、少なくとも吸気バルブ１の閉タイミングを調整可能なバルブタイミング可変機構２１が設けられている。
【００１９】
このエンジン５０は、１サイクル内に上述した吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程を含み且つ当該４行程とは別の行程を追加しないで運転する通常の４行程サイクル運転と、１サイクル内に含まれる行程数である１サイクル行程数を４よりも大きい遇数値に増加して運転する増加行程サイクル運転、例えば、１サイクル行程数を６に増加して運転する６行程サイクル運転とを切り換えることで、上記１サイクル行程数を変更できるように構成されている。以下、夫々の運転を行うための詳細構成について説明する。
【００２０】
（４行程サイクル運転）
エンジン５０は、上記４行程サイクル運転を行う場合には、ピストン４のＴＤＣとＢＤＣとの間の往復動に伴って、吸気行程、圧縮・点火行程（圧縮行程）、爆発・膨張行程（膨張行程）、排気行程のみを順に含む１サイクルを繰り返して作動する。ここで、吸気バルブ１は、吸気行程においてピストン４のＴＤＣからＢＤＣへの下降動作に伴って吸気路１３から混合気Ｉを燃焼室１０に吸気するべく、吸気行程の開始時点付近で開状態となり、吸気行程の終了時点付近で閉状態となる。一方、排気バルブ２は、排気行程においてピストン４のＢＤＣからＴＤＣへの上昇動作に伴って燃焼室１０の排ガスＥを排気路１４に排出するべく、排気行程の開始時点付近で開状態となり、排気行程の終了時点付近で閉状態となる。そして、この４行程サイクル運転では、１サイクル内に含まれる行程数である１サイクル行程数が４（４行程）であり、１サイクルを構成する４行程における一の膨張行程において、混合気Ｉの燃焼によりピストン４を押し下げて軸出力が発生する。
【００２１】
（６行程サイクル運転の第１実施形態）
１サイクル内に、吸気行程、圧縮・点火行程（圧縮行程）、爆発・膨張行程（膨張行程）、排気行程という４つの行程とは別に燃焼を伴わないでピストン４を往復動させる一対の休止行程を一つ追加して運転する６行程サイクル運転の第１実施形態の説明図が図２に示されている。図２の（ａ）はこの６行程サイクル運転を構成する各行程を模式的なエンジン動作図で示している模式図であり、図２の（ｂ）はこの６行程サイクル運転における吸気バルブ１と排気バルブ２の開閉状態を示すタイミングチャートであり、図２の（ｂ）はこの６行程サイクル運転におけるクランク角とピストン位置を示すグラフである。
【００２２】
この６行程サイクル運転では、燃焼を伴わないでピストン４を往復動させる一対の休止行程が吸気行程の後に入れられており、この一対の休止行程は、ピストン４が上昇する圧縮行程として機能する前休止行程とこの前休止行程に引き続いてピストン４が下降する膨張行程として機能する後休止行程とからなる。
【００２３】
前休止行程ではピストン４はＢＤＣからＴＤＣへの上昇動作を行うが、その際吸気バルブ１と排気バルブ２とが閉状態に保持されるため筒内は閉鎖状態となっているので、ピストン４の上昇にともなって筒内ガスは圧縮され、筒内ガスの一部分はブローバイガスとして筒外に漏れてしまう。続く後休止行程では、ピストン４はＴＤＣからＢＤＣへの下降動作を行うが、吸気バルブ１と排気バルブ２とが閉状態に保持されるためピストン４の下降にともなって筒内圧力は低下していく。前休止行程で筒内ガスの一部分が漏れてしまった場合、ピストン４がＢＤＣに達する前に筒内が負圧になってしまうが、この６行程サイクル運転では、ピストン４のＢＤＣ（９００度、図２（ｃ）参照）への下降の前に、吸気バルブ１を瞬時的に、例えばＢＤＣ以前のタイミングで２０〜３０度の範囲で、開状態とする。これにより、吸気路１３から混合気Ｉが入り込み、筒内の特異圧力が平衡化される。その結果、ピストン４の下死点領域で筒内に負圧が生じて、軸出力に損失を生じる不都合が回避される。
【００２４】
次に、この６行程サイクル運転の第１実施形態の２つの変形例を図２に対応する図３と図４を用いて説明する。図３で示された変形例では、後休止行程においてピストン４がＢＤＣに達する前に吸気バルブ１ではなくて、排気バルブ２を瞬時的に、例えばＢＤＣ以前のタイミングで２０〜３０度の範囲で、開状態とする。これにより、排気路１４から排ガスＥが入り込み、筒内の特異圧力が平衡化される。図４で示された変形例では、後休止行程においてピストン４がＢＤＣに達する前に吸気バルブ１と排気バルブ２の両方を瞬時的に、例えばＢＤＣ以前のタイミングで１０〜１５度の範囲で、開状態とする。これにより、吸気路１３から混合気Ｉが流入するとともに排気路１４から排ガスＥが入り込み、筒内の特異圧力が平衡化される。
【００２５】
（６行程サイクル運転の第２実施形態）
上述した第１実施形態は、１サイクル内に、吸気行程、圧縮・点火行程（圧縮行程）、爆発・膨張行程（膨張行程）、排気行程という４つの行程とは別に燃焼を伴わないでピストン４を往復動させる一対の休止行程を吸気行程の後に一つ追加して運転する６行程サイクル運転であったが、図５で示されている第２実施形態は、一対の休止行程を排気行程の後に一つ追加して運転する６行程サイクル運転である。ここでも、図５の（ａ）はこの６行程サイクル運転を構成する各行程を模式的なエンジン動作図で示している模式図であり、図５の（ｂ）はこの６行程サイクル運転における吸気バルブ１と排気バルブ２の開閉状態を示すタイミングチャートであり、図５の（ｂ）はこの６行程サイクル運転におけるクランク角とピストン位置を示すグラフである。
【００２６】
この６行程サイクル運転では、燃焼を伴わないでピストン４を往復動させる一対の休止行程が排気行程の後に入れられているので、この一対の休止行程は、ピストン４が下降する膨張行程として機能する前休止行程とこの前休止行程に引き続いてピストン４が上昇する圧縮行程として機能する後休止行程とからなる。
【００２７】
前休止行程ではピストン４はＴＤＣからＢＤＣへの下降動作を行うが、吸気バルブ１と排気バルブ２とが閉状態に保持されるためピストン４の下降にともなって筒内圧力は低下していく。続く後休止行程では、低下した筒内圧力による戻し力によりピストン４はＢＤＣからＴＤＣへの上昇動作を行うが、ピストン４がＴＤＣ近くに達すると筒内の圧力が上昇し、軸出力損失の可能性が生じる。このため、ピストン４がＴＤＣ（７２０度、図５（ｃ）参照）に達する前に、つまりピストン４が上死点領域に達すると、過剰圧力になった筒内の圧力を少し逃がすために、吸気バルブ１を瞬時的に、例えばＴＤＣ以前のタイミングで２０〜３０度の範囲で、開状態とする。これにより、筒内ガスの一部が吸気路１３に逃げ出し、筒内の過剰圧力（特異圧力）が平衡化される。なお、この後休止行程に続く吸気行程において、吸気バルブ１は開状態とされるので、先ほどの後休止行程における瞬時的な吸気バルブ１の開状態と吸気行程における開状態を連続させてもよい。つまり吸気行程における吸気バルブの開状態を後休止行程領域まで進角させて、後休止行程の最後のところで発生する過剰圧力の平衡化にも寄与させると好都合である。
【００２８】
次に、この６行程サイクル運転の第２実施形態の２つの変形例を図５に対応する図６と図７を用いて説明する。図６で示された変形例では、後休止行程においてピストン４がＴＤＣに達する前に吸気バルブ１ではなくて、排気バルブ２を瞬時的に、例えばＴＤＣ以前のタイミングで２０〜３０度の範囲で、開状態とする。これにより、筒内ガスの一部が排気路１４に逃げ出し、筒内の特異圧力が平衡化される。図７で示された変形例では、後休止行程においてピストン４がＴＤＣに達する前に吸気バルブ１と排気バルブ２の両方を瞬時的に、例えばＴＤＣ以前のタイミングで１０〜１５度の範囲で、開状態とする。これにより、筒内ガスの一部が、吸気路１３と排気路１４に逃げ出し、筒内の特異圧力が平衡化される。
【００２９】
上述した２つの実施形態では、１サイクル内に、爆発・膨張行程、排気行程、吸気行程、圧縮・点火行程という４つの行程とは別に燃焼を伴わないでピストン４を往復動させる一対の休止行程を１つだけ追加して、６行程サイクル運転としていたが、一対の休止行程を２つ連続して追加して８行程サイクル運転としてもよいし、それ以上の多行程サイクル運転としてもよい。また、上記第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて８行程サイクル運転としてもよい。これらの多行程サイクル運転と通常の６行程サイクル運転と切り換え制御することで、エンジン負荷に応じた適切なエンジン運転制御が実現する。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明に係るエンジンは、１サイクル内に爆発・膨張行程、排気行程、吸気行程、圧縮・点火行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転においても、筒内における負圧又は過剰圧といった特異圧力の発生による損失を抑制し得るエンジンとして有効に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】エンジンの概略構成図
【図２】６行程サイクル運転の第１実施形態におけるエンジンの（ａ）動作図、（ｂ）吸気バルブと排気バルブの開閉タイミングチャート、（ｃ）クランク角とピストン位置を示すグラフを示している説明図
【図３】第１実施形態の第１変形例を示す説明図
【図４】第１実施形態の第２変形例を示す説明図
【図５】６行程サイクル運転の第２実施形態におけるエンジンの（ａ）動作図、（ｂ）吸気バルブと排気バルブの開閉タイミングチャート、（ｃ）クランク角とピストン位置を示すグラフを示している説明図
【図６】第２実施形態の第１変形例を示す説明図
【図７】第２実施形態の第２変形例を示す説明図
【符号の説明】
【００３２】
１：吸気バルブ
２：排気バルブ
４：ピストン
９：排気路
１０：筒内室（燃焼室）
１３：吸気路
１４：排気路
２０：動弁機構
２１：バルブタイミング可変機構
【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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【図６】
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【図７】
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