(57)【要約】      （修正有）【課題】集中型燃焼室、多点着火、高圧縮比、高膨張比、ＨＣＣＩ燃焼方式を採用し超高効率化する。又多点着火による急速燃焼により上死点又はそれ以降の着火時期を採用し低ＮＯｘエミッション化する。【解決手段】吸気弁８及び排気弁２を燃焼室１に備え、燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部Ｓを形成して集中型燃焼室とし、この燃焼室に２点以上の火花ギャップ（点火プラグ２１）を臨ませ、かつ火花ギャップの着火時期を上死点又はそれ以降とし、更に排気弁の弁開閉時期制御装置１５により予混合圧縮着火燃焼領域では排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、かつ吸気弁の弁開閉時期制御装置１６により予混合圧縮着火燃焼領域では吸気弁の閉時期を早めて有効圧縮比を高め、エンジンの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える。【選択図】図１
2013194730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁及び排気カム軸に備えられたカムにより駆動される排気弁を有する４サイクル内燃機関において、前記排気弁を燃焼室に備え、前記燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部を形成して燃焼室を集中型燃焼室とし、この燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませ、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に前記排気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前記排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、エンジン負荷に対応して前記排気弁の開時期を制御して有効膨張比を有効圧縮比よりも大きくなる様に制御し、かつ前記吸気弁を前記燃焼室に備え、前記吸気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前記吸気弁の閉時期を早めて有効圧縮比を高める様に制御し、かくしてエンジン負荷、回転速度などの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする４サイクル内燃機関。
【請求項２】
第２の吸気弁をスキッシュ部に臨む如く備えた請求項１記載の４サイクル内燃機関。
【請求項３】
第２の排気弁をスキッシュ部に臨む如く備えた請求項１又は２記載の４サイクル内燃機関。
【請求項４】
吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁及び排気カム軸に備えられたカムにより駆動される排気弁を有する４サイクル内燃機関において、前記排気弁を燃焼室に備え、前記燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部を形成して燃焼室を集中型燃焼室とし、この燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませ、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に前記排気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前気排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、エンジン負荷に対応して前記排気弁の開時期を制御して有効膨張比を有効圧縮比よりも大きくなる様に制御し、かつ前記吸気弁を前記燃焼室に備えると共に吸気弁の開閉時期を固定化して固定タイミングとし、かくしてエンジンの負荷、回転速度などの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする４サイクル内燃機関。
【請求項５】
吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁及び排気カム軸に備えられたカムにより駆動される排気弁を有する４サイクル内燃機関において、前記排気弁を燃焼室に備え、前記燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部を形成して燃焼室を集中型燃焼室とし、この燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませ、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に前記排気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前記排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、エンジン負荷に対応して前記排気弁の開時期を制御して有効膨張比を有効圧縮比よりも大きくなる様に制御し、かつ前記吸気弁を前記スキッシュ部に臨む様に備え、かくしてエンジンの負荷、回転速度などの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える事を特徴とする４サイクル内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は集中型燃焼室、多点着火方式、高圧縮比、高膨張比、ＨＣＣＩ燃焼方式などを採用して熱効率の超効率化を達成し、ＮＯｘの発生を極小レベルに抑える高効率４サイクル内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】一般に４サイクル内燃機関では熱効率が低負荷域で１０〜２０％、中・高負荷域で３０〜３５％と低い値に留まっている。この理由はノッキング回避から圧縮比が１２以下であること、吸気絞りによるポンプ損失があること、希薄燃焼が困難なこと、３〜８気筒の多気筒採用による摩擦損失・冷却損失が大きいことなどが原因である。特に、近年、超希薄燃焼が可能であり、ポンプ損失及び冷却損失が大幅に低減するＨＣＣＩ燃焼法（予混合圧縮着火燃焼）が研究されているが、圧縮端温度が１０００Ｋ必要であると言われ、４サイクル機関では実現が困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】本発明の目的は第１に熱効率の超高効率化を達成することである。この為、集中型燃焼室、多点着火方式、１４〜１５位の高圧縮比、１８位の膨張比、ＨＣＣＩ燃焼方式、更には従来は３〜８気筒機関であったものを２〜４気筒の少数気筒化して摩擦損失、冷却損失を減少させる手段を採用している。第２に多点着火による急速燃焼法により上死点又はそれ以降の着火時期を採用して超低ＮＯｘエミッションの実現を目的としている。低負荷域では火花着火方式に頼らないＨＣＣＩ燃焼方式により超低ＮＯｘエミッションを実現し、かくして全負荷域で超低ＮＯｘエミッションを達成することである。
【課題を解決する為の手段】
【０００４】本発明は上記課題を解決する為、吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁及び排気カム軸に備えられたカムにより駆動される排気弁を有する４サイクル内燃機関において、前記排気弁を燃焼室に備え、前記燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部を形成して燃焼室を集中型燃焼室とし、この燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませ、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に前記排気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前記排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、エンジン負荷に対応して前記排気弁の開時期を制御して有効膨張比を有効圧縮比よりも大きくなる様に制御した。この第１の発明では前記吸気弁を燃焼室に備え、吸気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では吸気弁の閉時期を早めて有効圧縮比を高め、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。第２の発明では前記吸気弁を燃焼室に備えると共にその開閉時期を固定化し、エンジンの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。第３の発明では前記吸気弁を前記スキッシュ部に臨む様に備え、エンジンの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。
【発明の効果】
【０００５】本発明によればコンパクトな集中型燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませて多点着火方式とし、超急速燃焼を達成しているから（燃燃期間はクランク角で従来の１／３の１５°位）、上死点又はそれ以降の着火時期を採用する事ができる。従って最高燃焼温度、圧力が低く冷却損失、摩擦損失が少ないのみならず、上死点前燃焼が起らない為、この期間に相当する冷却損失、摩擦損失が少ない特徴がある。特に冷却損失に関しては図４（ロ）の如く火炎がスキッシュ部Ｓ１まで達しても、スキッシュ部Ｓ２は空気のみの良好な断熱層である為、冷却損失は非常に少ない。着火時期は上死点又はそれ以降であるから、ノッキングの心配はなく高圧縮比（１４位）を採用できると共に、膨張比は圧縮比よりも高い為（１８位）、熱効率は非常に高い。しかも低負荷域では熱効率の高いＨＣＣＩ燃焼を行なう事ができる為、熱効率の向上幅は大きい。以上から飛躍的な熱効率の向上が見込める。
ＨＣＣＩ燃焼領域では排気弁の閉時期を上死点後の例えば７０°として排ガスの再吸入を実施しているから、１８位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度が上昇し、ＨＣＣＩ燃焼領域を拡大する事ができる。
この為、ポンプ損失が大幅に減少する。又、燃料は燃焼室のみに留まる様に燃焼室内に噴射されるから（吸気弁閉後に噴射）、スキッシュ部Ｓは空気のみであり、未燃のＨＣ、ＣＯは排出されない。かつ上死点又はそれ以降の着火時期を採用しているから、ＮＯｘの発生は殆ど０であり、従って高価なリーンＮＯｘ浄化触媒を必要としない（安価な酸化触媒のみ）。しかも上死点又はそれ以降の着火時期であり、１８位の高膨張比を採用しているから、排ガス温度が低く、触媒保護の為に濃混合気を供給する必要はない（高負荷域）。
【発明を実施する為の形態】
【０００６】図１は本発明による超高効率４サイクル内燃機関を示し、図示しない吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁８及び排気カム軸４に備えられたカム５により駆動される排気弁２を備えている。排気弁２はロッカーアーム３を介してカム５により駆動され、吸気弁８も図示してないが同様に駆動される。本４サイクル内燃機関は吸気・圧縮・膨張・排気の各行程をクランク軸２回転で行なうが、その作動は従来と同じなので省略する。本発明では従来３〜８気筒であったものを２〜４気筒の小数気筒化し、図１（イ）では２気筒機関として燃焼室１を上方から見た点火プラグ２１、燃料噴射弁１２などのレイアウトを図１（ロ）に示す。
７は排ガスを浄化する為の触媒、１０はアクチュエーター（電動モーター）１１により駆動される吸気絞り弁、２２は電子制御ユニット、２４は油圧制御弁である。排気カム軸４には弁開閉時期制御装置１５がスプロケット（又はプーリー）１３と一体となって備えられ、図示しない吸気カム軸にも同様に弁開閉時期制御装置１６が備えられており（弁開閉時期制御装置１５は弁開閉時期制御装置１６と同じ構造であるから、内部構造は省略）、スプロケット１３、１４がクランク軸とチェーン（又は歯付きベルト）を介して１／２に減速されて駆動される。公知の弁開閉時期制御装置１６はハウジング１７とローター１８とから成り、ハウジング１７はスプロケット１４とボルトにより結合・一体化され、ローター１８は図示しない吸気カム軸とボルトにより結合・一体化されている。ハウジング１７及びローター１８により進角室１９と遅角室２０とが形成され、油圧制御弁２３からの作動油が供給される。油圧制御弁２３は図示しない油圧ポンプからの油圧が供給され、後述する電子制御ユニット（以後、ＥＣＵ）２２からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャ２４とスプール弁２６とバネ２７とを有しており、バネ２７の反発力とプランジャー２４の押圧力とが均衡する位置でスプール弁２６が位置決めされる様になっている。ＥＣＵ２２には所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号が入力され、ＥＣＵ２２はカム角センサーから出力される回転角パルスとクランク角センサーから出力される回転角パルスとの間の出力位相差に基づきカム位相角を検出する事ができる。ＥＣＵ２２はローター１８の、即ち吸気カム軸のクランク軸に対する位相差が目標値となる様に油圧制御弁２３に制御信号を出力する。そしてＥＣＵは検出したカム位相角をフィードバック信号として取り込み、その制御上の目標位相角との間の偏差値に応じて油圧制御弁２３の駆動デューティ比率をフィードバック制御する。
油圧制御弁２３はＥＣＵ２２から指示されるディーティ比率に応じて電磁ソレノイドを駆動し、進角室１９、遅角室２０に対する油圧の給・排を調整して吸気カム軸を目標位相角まで進角又は遅角、或いは中立に保持する（任意のカム位相角に固定）。ＥＣＵ２２はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポート、出力ポート等から成るマイクロコンピューターを中心として構成され、これらは双方向性バスによって相互に接続されている。ＥＣＵ２２にはエンジンの運動状態の把握に必要なパラメーター用の各種センサー、例えばクランク角センサー、カム角センサー、アクセル開度を検出するアクセルセンサー、エンジンに吸入される空気の空気流量センサー、エンジン冷却水温を検出する水温センサー、大気圧センサー、Ｏ２センサー、ノックセンサー等からの各信号が対応するＡ／Ｄコンバーターを介して入力ポートに送信される。尚、エンジン回転速度はクランク角センサーからの出力信号により知る事ができる。又、出力ポートは燃料噴射弁１２、点火プラグ２１、アクチュエーター１１、油圧制御弁２３等と各々対応する駆動回路を介して接続され、各々の制御信号を送信する。ＲＯＭには燃料噴射弁１２の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、点火プラグ２１への通電を制御する為の制御ルーチン等のエンジンを制御する為の制御ルーチンやそれらに用いられる制御値を含むマップが記憶されている。ＲＡＭに記憶されている各種データーはエンジン回転速度センサーが信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。ＣＰＵはＲＯＭに記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料の噴射制御や点火時期制御等を実行する。
【０００７】本発明では燃料噴射弁１２により燃料は燃焼室１内にのみ留まる様に噴射され（図１（ハ）の如く斜め上方向に噴射）、シリンダー内壁やピストン頂面、更にはスキッシュ部Ｓには付着しない。そして燃料は吸気弁閉後の圧縮行程中に噴射される。従って圧縮行程ではシリンダー内の空気が燃焼室１内へ勢い良く流入する事もあって混合気は燃焼室１内にのみ存在し、燃焼室１の燃焼完結を以って全体の燃焼完結として良い（スキッシュ部Ｓの燃焼はない）。燃焼室１には排気弁２、吸気弁８が備えられ、燃焼室１の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップ（０．７ｍｍ位）を有するスキッシュ部Ｓを形成して、集中型燃焼室としている。
燃焼室１には２点以上の火花ギャップを臨ませ（ここでは図１（ロ）の如く４個の点火プラグ２１から成る４点の火花ギャップが臨んでいる）、この火花ギヤップの着火時期を上死点又はそれ以降となる様に制御している。
図１（ロ）は図１（イ）の燃焼室１を上方から見たものであるが、これを図２（ロ）に簡略化して示す。燃焼室１には４点の火花ギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４が臨んでおり、燃焼室の長軸方向の火炎伝播距離はａ／２であり、ａ≒０．８ｒ位であるから、結局０．８ｒ／２＝０．４ｒである。一方、図２（イ）の中心１点火花ギャップの場合の火炎伝播距離はｒであるから、図２（イ）に比し本発明では火炎伝播距離が０．４・ｒ／ｒ＝１／２．５と大幅に短縮されるが、実際は火花ギャップＧ１（Ｇ３）は燃焼室壁面より５ｍｍ位は突出した位置にあるから、火炎伝播距離は１／２．８位に短縮される。燃焼室の短軸方向の火炎伝播距離はｂであり、これは短かいから燃焼は素早く、従って火花ギャップＧ２、Ｇ４から燃え拡がった火炎が中央で衝突して火炎面を長軸方向に楕円形に押し拡げるので、長軸方向の火炎伝播速度が高まり、火炎伝播距離は実質的に１／２．８以下の１／３位にはなると考えられる（強力なスキッシュ効果もある。）従って図２（イ）の中心１点火花ギャップの場合に比し、従来、燃焼期間がクランク角で４０°〜５０°であったものを１／３の１５°位に大幅に短縮する事ができる。この結果、着火時期を上死点又はそれ以降に設定しても超急速燃焼が可能であるから熱効率の悪化はなく、むしろ最高燃焼温度・圧力の低下によって冷却損失、摩擦損失が大幅に減少して熱効率が向上する。大排気量エンジンの場合は図２（ハ）の様に燃焼室１に６点の火花ギャップを臨ませる事で達成する事ができる。
極く小排気量のエンジンの場合は火炎伝播距離の絶対値が小さい為、図２（ニ）の如く３点（又は２点）の火花ギャップでも良い。本発明では燃焼室に２点以上の火花ギャップを臨ませる事を特徴としている。尚、本発明では火花ギャップとして点火プラグを使用しているが、図２（ヘ）の如く火花ギャップ２９（４〜６点）を有するセラミックなどの電気不導体板２８を図２（ホ）の如く燃焼室に備えても良い。
【０００８】次に本発明による４サイクル内燃機関の各運転状態について説明する。
本発明では弁開閉時期制御装置１５、１６を備えているので、排気弁２、吸気弁８の開閉時期を自在に制御する事ができる（但し、図１で採用した弁開閉時期制御装置１５、１６は開閉期間は一定のまま開閉時期のみを変えるものである）。例えば低負荷域ではＨＣＣＩ燃焼を行なうが、この時の弁開閉時期は図３（イ）の如く吸気弁閉時期をクランク角で下死点後３０°とし（この時の圧縮比はほぼ１８）、排気弁開時期をクランク角で下死点後１０°とする様に（この時の膨張比は１８）制御する。中・高負荷域では火花点火燃焼に切り換え、図３（ロ）の如く吸気弁閉時期をクランク角で下死点後７０°（圧縮比はこの時１４）、排気弁開時期をクランク角で下死点前４０°（この時の膨張比はほぼ１８）となる様に制御するものである。エンジンの始動は点火プラグ２１による火花点火燃焼により行なうが、始動時及び暖機時（冷態時）は図３（ハ）の如く吸気弁閉時期を下死点後３０°、排気弁開時期を下死点前４０°として、圧縮比をほぼ１８、膨張比をほぼ１８としている。従って高圧縮比となるから圧縮端温度が上昇し良好な燃焼が得られる（エンジン冷態時であるから、自着火は起らない）。又、本発明では多点着火方式を採用しているから、超急速燃焼が可能であり（前述の如く燃焼期間をクランク角で従来の１／３の１５°位に短縮）、従ってエンジン暖機中は着火時期を大幅に遅らせて排気温度を高め、触媒の早期活性化を促がす事ができる。尚、本発明では点火プラグ２１の着火時期を上死点又はそれ以降とするのが基本であるが、エンジン始動時は始動性向上の為、上死点前とするのが良い。エンジン暖機完了後の低負荷域ではＰＣＣＩ燃焼法、即ち予混合圧縮着火燃焼（その中でも均質な混合気を用いるＨＣＣＩ燃焼法がＮＯｘ発生を殆ど０に抑える事ができるので、以後ＨＣＣＩ燃焼法を採用する）に切り換えるが、図３（イ）の如く吸気弁閉時期を下死点後３０°（開時期は自ずと上死点前４０°となる）、排気弁閉時期を上死点後７０°（開時期は自ずと下死点後１０°となる）としている。この時、圧縮比はほぼ１８、膨張比もほぼ１８となる。従って弁オーバーラップ期間が１１０°もあり、排気通路６から高温・多量の排ガスがシリンダー内に再吸入され、圧縮端温度を高め、１８位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度を大幅に上昇させる事ができ、かくしてＨＣＣＩ燃焼を容易に引き起す事ができる。圧縮始めの温度・圧縮端温度を更に高めるには排気通路６から排ガスを再吸入する際、触媒７内の、更にはその下流側の昇温した排ガスを再吸入するのが良い（排気通路６にポートライナーを備えるなど断熱構造とすれば更に効果がある）。従って排気弁２と触媒７との距離が短かい方が良く、この点２気筒エンジンは有利である。本発明では高負荷域でも排ガス温度が低いので、排気通路６を断熱構造としても触媒に熱的ストレスを与えることはない。又、ピストン頂面を断熱構造とすると、これにより燃焼室１内の混合気は加熱作用を受けるから、より一層ＨＣＣＩ燃焼を引き起し易くなり、高負荷域での充填効率低下が懸念される場合は、図４（イ）の如く燃焼室直下に相当するピストン頂面の部分３０を断熱構造としても良い。例えば断熱部３０に断熱剤をコーティングする、空気層を挟んで断熱材をボルトで結合させるなどの方法がある。ＨＣＣＩ燃焼法は燃焼としては低温の燃焼であり、希薄燃焼でもあるので、冷却損失が少なく高効率運転が可能で、ＮＯｘの発生をほぼ０に抑える事ができる。又、圧縮比も膨張比も１８位と高いので、熱効率は更に高くなる。尚、スキッシュ部Ｓには混合気は存在せず空気のみであるから、未燃のＨＣ、ＣＯは排出されない（これは火花点火燃焼領域でも同様である）。ＨＣＣＩ燃焼はエンジン負荷が増すと燃焼圧力上昇率が高くなってノッキングに近い状態になるが、本発明ではノックセンサーによってこの様な状態を検出して吸気弁閉時期を遅らせ、圧縮比を１８から１４までの範囲内で低下させ、ノッキングを未然に防ぐ事ができる。即ち、ＨＣＣＩ燃焼が起る時期を制御する事ができるのである。本エンジンは４サイクル機関であるから、アイドル状態の様な極低負域でのＨＣＣＩ燃焼が困難な場合は火花点火燃焼に切り換えて運転する事ができる。
エンジンの中・高負荷域ではＨＣＣＩ燃焼法では燃焼圧力上昇率が過大となるので、これを避け、エンジン負荷、回転速度などの運転条件によりＥＣＵ２２は火花点火燃焼に切り換える。この運転領域では図３（ロ）の様に吸気弁閉時期を下死点後７０°（開時期は自ずと上死点になる）、排気弁開時期を下死点前４０°（閉時期は自ずと上死点後２０°になる）に制御される。この時、圧縮比は１４、膨張比はほぼ１８であり、膨張比の方が大となり、排気損失を減少させて熱効率を大幅に高める。この領域では従来はクランク角で４０°〜５０°あった燃焼期間を多点着火方式により（超急速燃焼により）１／３の１５°位に短縮できるから、着火時期を上死点又はそれ以降に制御する事ができる（１４位の高圧縮比ながらノッキングの心配はない）。従って最高燃焼温度・圧力が低く、結果として冷却損失、摩擦損失が減少し、かつ上死点前燃焼がない為、この期間に相当する冷却損失、摩擦損失も少なく、上記と合わせて熱効率の向上幅は大きい。ここで特に冷却損失について一言付け加えると、膨張行程では火炎が図４（ロ）の如くスキッシュ部Ｓ１に逆スキッシュとなって侵入するが、スキッシュ部Ｓ２は空気のみであり（火炎は存在しない）、従って空気による良好な断熱層が存在し、冷却損失は大幅に減少するのである。更には燃焼は上死点後の膨張行程で行なわれる為、ＮＯｘの発生を殆ど０に抑える事ができる。又、本発明では従来は３〜８気筒であったものを２〜４気筒の少数気筒化しているから、冷却損失・摩擦損失は自ずと小さく、以上を総合すると熱効率は飛躍的に高まる。
加えて本発明では圧縮比１４に対して膨張比は１８あるから、この分熱効率に余裕があり、従って着火時期を若干遅らせればＮＯｘの発生を完全に０に抑える事ができる。結局、ＨＣＣＩ燃焼法もＮＯｘの発生をほぼ０に抑える事ができるから、高価なリーンＮＯｘ浄化触媒を不要ととする事ができる（酸化触媒のみで良い）。尚、燃焼室１は図４（ハ）の様にピストン頂面に形成する事もできる。
【０００９】ところで図１（ロ）において燃焼室１には吸気弁８が備えられ、これは大径であるから（排気弁２よりも大径）燃焼室の幅が増し、高さが低くなって偏平となり、コンパクト性に欠け火災伝播上不利になる。この解決策として図４（ニ）の如くスキッシュ部Ｓに臨む様に第２の吸気弁３１を備える事が考えられる（１〜２個備える）。従ってこの分、吸気弁８は排気弁２と同じか又は小径とする事ができるから、燃焼室１の幅が減少して（長さも減少）高さが増し、コンパクトになる。この場合、第２の吸気弁３１は開閉時期が固定されており（例えば上死点で開、下死点後３０°で閉）、独立したカムによって駆動する事が望ましいが、吸気弁８を駆動する吸気カム軸にカムを新設して、これによって駆動する事もできる。但し、この吸気カム軸は弁開閉時期制御装置１６を備えているので、ピストンと衝突しない様に第２の吸気弁３１の開閉時期を定める必要がある。その一例を図４（ホ）に示す。即ち、ＨＣＣＩ燃焼領域では上死点で弁開、下死点後３０°で弁閉、火花点火燃焼領域では上死点後４０°で弁開、下死点後７０°で弁閉である（上死点後４０°までは第２の吸気弁３１は閉じているが、吸気弁８は開いているので、これにより吸入が行なわれる）。
又は、第２の吸気弁３１の開閉時期を図４（ヘ）の如く火花点火燃焼領域では上死点で開、下死点後７０°で閉とし、ＨＣＣＩ燃焼領域ではロッカーアームに公知の機構を備えて、第２の吸気弁３１の作動を停止させる様にしても良い。
尚、第２の吸気弁３１を備えたのと同じ理由により図４（チ）の如く第２の排気弁２′を備えても良く、これは独立したカムによって駆動する方法、排気カム軸４にカムを新設して駆動する方法などがある。後者の場合は第２の排気弁２′は火花点火燃焼領域では上死点で弁閉、下死点前４０°で弁開、ＨＣＣＩ燃焼領域では下死点後１０°で弁開、上死点後５０°で弁閉などとする。ところで本発明では吸気弁８、排気弁２の開閉時期を変化させて圧縮比（有効圧縮比）や膨張比（有効膨張比）を可変化しているが、図１に示したもの他に多くの弁開閉時期制御装置を用いる事ができる。例えばヘリカルスプラインを軸方向に移動させて弁開閉時期を変えるもの、電磁式又は電動式に弁開閉時期を変えるもの、更には立体カムを軸方向にスライドさせて弁開閉時期を変えるものなどである。
図４（ト）は電磁式弁開閉時期制御装置を示すもので、ハウジング３２にはリング状に形成された電磁石３４、３５が弁軸と一体となったプランジャー３３を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石３４、３５の中空部にはバネ３７、３６がプランジャー３３を挟む様に取り付けられ、この為、排気弁２（吸気弁８）はバネ３７、３６の力のバランスによって弁リフトの中間位置で静止する。電磁石３４が磁励されるとプランジャー３３が上方へ引き付けられて排気弁２（吸気弁８）は閉弁し、電磁石３５が磁励されるとプランジャー３３が下方へ引き付けられて開弁する。ドライバー３８は排気弁２（吸気弁８）の開閉時期（弁リフトの情報も含めても良い）を指定するＥＣＵ２２からの制御信号に応じて電磁石３４、３５に交互に励磁電流を供給する。これによると排気弁２（吸気弁８）の開弁時期や閉弁時期を任意に設定でき、自由度が増す。
【００１０】図１において吸気弁８の開閉時期は可変化されているが、弁開閉時期制御装置１６を除去して固定タイミングとしても良く（例えば上死点前２０°開、下死点後７０°閉）、これを図５（イ）に示す。この場合、図４（ニ）と同じ理由によりスキッシュ部Ｓに臨む様に第２の吸気弁３９を備えても良い（弁開閉時期は上死点で開、下死点後７０°で閉）。こうするとＨＣＣＩ燃焼領域では圧縮比を図１の様に１８まで高くできないので（１４で固定）、結果としてＨＣＣＩ燃焼領域が狭くなるが、本エンジンをハイブリッド車用として用いれば問題を生じない。即ち、ＨＣＣＩ燃焼が起らない領域ではエンジン効率の高い領域で発電してバッテリーに蓄えた電力をモーターに供給して、このモーターにより走行する様にすれば良い。
この事は図１においても同じであり、ＨＣＣＩ燃焼をアイドルに近い極低負荷域で引き起したとしても熱効率が低いので、この領域は使わない様にするのが良い。
【００１１】図１において、排気弁２を燃焼室１に備え、吸気弁８をスキッシュ部Ｓに臨ませる如く備えたものに相当する本発明の４サイクル内燃機関を図６（イ）に示す。即ち、図６（イ）において排気弁４０は燃焼室４１に備えられ、吸気弁４２はスキッシュ部Ｓに臨む如く備えられており、２１は点火プラグ、１２は燃料噴射弁を示す（Ａ方向から見た断面を図６（ロ）に示す）。排気弁４０は図１の弁開閉時期制御装置１５と同じもので弁開閉時期が可変化されるが、排気弁４２はスキッシュ部Ｓに臨む如く備えられており、ピストンとの衝突を避ける為、開閉時期は固定されている。即ち、ＨＣＣＩ燃焼領域では図６（ハ）の如く吸気弁４２は上死点で開、下死点後７０°で閉、排気弁４０は下死点後１０°で開、下死点後７０°で閉であり、火花点火燃焼領域では図６（ニ）の如く排気弁４０だけが可変化されて下死点前４０°で開、上死点後２０°で閉となる様に制御される。従ってＨＣＣＩ燃焼領域では多量の排ガス再吸入により圧縮端温度が高くなり、ＨＣＣＩ燃焼を引き起し易くなる。この時の圧縮比は１４である。又、圧縮比が１４であるのに対し膨張比はほぼ１８と高いので、熱効率の大幅向上が可能である。燃焼室４１は排気弁４０のみを考慮すれば良いので、コンパクトになり、火炎伝播上有利である。尚、吸気弁４２も弁開閉時期制御装置により開閉時期を若干可変化すれば、ＨＣＣＩ燃焼領域では図６（ホ）の如く吸気弁４２の閉時期を例えば下死点後５０°閉として圧縮比を高める事ができる（１６位）。
但し、ピストンとの衝突を避ける為、若干の逃げ（バルブリセス）を作る必要がある。上死点又はそれ以降の着火であること、膨張比が高いこと等の理由により排気温度は低く、プレイグニッションの心配はない。
【００１２】次に本発明の特徴の１つは着火時期を上死点又はそれ以降とする事にあるが、これを従来と同様に上死点前とした場合について考えて見る（点火プラグの個数は問わない）。即ち、上死点前着火方式を採用すると最高燃焼圧力・温度が上昇する事により冷却損失、摩擦損失が増加して熱効率が低下すると共に、火花点火燃焼領域ではＮＯｘが発生することになる。
しかしながら欠点はこれ位で、低負荷域では熱効率の高いＨＣＣＩ燃焼法を可能としていること、圧縮比より膨張比が高いこと、図４（ロ）で述べた如く冷却損失が非常に少ないこと、などの理由により従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。火花点火燃焼領域で発生するＮＯｘは理論混合比を用いて三元触媒により０に抑える事が可能である。以上の如く本発明より若干の後退になるが、従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による超高効率４サイクル内燃機関を示す図。
【図２】燃焼室における点火プラグ、燃料噴射弁などのレイアウトを示す図。
【図３】吸気弁、排気弁の開閉時期を示す図。
【図４】本発明の各種実施例を示す図。
【図５】本発明による超高効率４サイクル内燃機関を示す図。
【図６】本発明による超高効率４サイクル内燃機関を示す図。
【符号の説明】１は燃焼室、２は排気弁、４は排気カム軸、５はカム、３はロッカーアーム、６は排気通路、７は触媒、８は吸気弁、９は吸気通路、１０は吸気絞り弁、１１はアクチュエーター、１２は燃料噴射弁、１３・１４はスプロケット、１５・１６・３２は弁開閉時期制御装置、１７はハウジング、１８はローター、１９は進角室、２０は遅角室、２１は点火プラグ、２２はＥＣＵ、２３は油圧制御弁、２４はプランジャー、２５は電磁石、２６はスプール弁、２７はバネ、２８は電気不導体板、２９は火花ギャップ、Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４は火花ギャップ、３０は断熱部、３１は第２の吸気弁、３２は弁開閉時期制御装置、３３はプランジャー、３４・３５は電磁石、３６・３７はバネ、３８はドライバー、３９は第２の吸気弁、４０は排気弁、４１は燃焼室、４２は吸気弁、Ｓはスキッシュ部である。２′は第２の排気弁である。
【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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