(57)【要約】【課題】高膨張比サイクルで運転を行う場合における燃焼速度の向上を好適に図ることができ、以って燃費の改善を好適に図ることが可能なエンジンを提供する。【解決手段】エンジン１Ａは同一の燃焼室Ｅに対して設けられる複数の吸気弁２と、燃焼室Ｅを圧縮するピストン８と、複数の吸気弁２のうち、一部の吸気弁である吸気弁２Ａの位相と他の吸気弁である吸気弁２Ｂの位相とを互いに独立して変更可能なＶＶＴ３０と、エンジン１Ａの機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構５とを備え、最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の吸気弁である吸気弁２Ａに対応させてピストン８に設けられるバルブリセス８ａを早開きとされる側の吸気弁である吸気弁２Ｂに対応させて設けられるバルブリセス８ｂよりも小さく設定している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の燃焼室に対して設けられる複数の吸気弁および複数の排気弁と、
前記燃焼室を圧縮するピストンと、
前記複数の吸気弁のうち、一部の吸気弁の位相と他の吸気弁の位相とを互いに独立して変更可能な第１の動弁装置と、
前記エンジンの機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備え、
前記一部の吸気弁および前記他の吸気弁のうち、最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の吸気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスを早開きとされる側の吸気弁に対応させて設けられるバルブリセスよりも小さく設定しているエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンであって、
前記複数の排気弁のうち、一部の排気弁の位相と他の排気弁の位相とを互いに独立して変更可能な第２の動弁装置をさらに備え、
前記一部の排気弁および前記他の排気弁のうち、最も位相差を設けた状態で早開きとされる側の排気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスを遅開きとされる側の排気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスよりも小さく設定しているエンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載のエンジンであって、
前記複数の吸気弁および前記複数の排気弁のうち、前記ピストンに対応させて設けられるバルブリセスが小さく設定される弁が前記燃焼室に対向する部分に平面形状を有するエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
実圧縮比よりも膨張比を高める高膨張比サイクルで運転を行うエンジンが知られている。この点、高膨張比サイクルで運転を行うことが可能なエンジンとして、例えば特許文献１では機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の開弁時期および閉弁時期を個別に制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備する火花点火式内燃機関が開示されている。このほか本発明と関連性があると考えられる技術として、バルブリセスを排除してスキッシュを強める内燃機関が例えば特許文献２で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７４９６２号公報
【特許文献２】特開２００１−２６３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１０は所定の機関運転状態において高膨張比サイクルで運転を行わない場合（ケースＡ）と、高膨張比サイクルで運転を行う場合（ケースＢ）とについて燃焼速度を比較して示す図である。図１１はケースＡ、Ｂについてクランク角度に応じた燃焼室容積Ｖθの変化を比較して示す図である。図１２はケースＡ、Ｂについてクランク角度に応じた燃焼室の容積変化率Ｖθ／Ｖθ―１の変化を比較して示す図である。図１１、図１２の横軸は膨張行程初期に対応した互いに共通のクランク角度を示す。ケースＡは機械圧縮比が１０である場合を、ケースＢは機械圧縮比が２０である場合を示す。
【０００５】
図１０に示すようにケースＢではケースＡよりも燃焼速度が遅くなっている。これは次に示す理由によるものと推測される。すなわち、ケースＢではケースＡよりも機械圧縮比を高めることで膨張比を高めている。このため、図１１に示すようにケースＢではケースＡよりも同一のクランク角度で燃焼室容積が小さくなる。そしてこれにより、図１２に示すようにケースＢではケースＡよりも同一のクランク角度で上死点付近の容積変化率が大きくなる結果、燃焼速度が相対的に遅くなってしまうものと推測される。この点、燃焼速度が遅いことは高膨張比サイクルで運転を行うことによる燃費改善を妨げる一因となっている。
【０００６】
これに対し、燃焼速度の向上を図るためには例えばスキッシュ流を強めることが考えられ、そのためにはピストンとシリンダヘッドとの間のクリアランスを狭めた領域を広くしなければならない。ところが、その領域を広くするためにバルブリセスを小さくすると、バルブスタンプを避けるために、上死点付近で吸気弁を開弁することができなくなる虞がある。そしてこれにより、吸気行程での燃焼室の負圧の増大を招くことでポンピングロスが増大する結果、燃費の改善が妨げられる虞がある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、高膨張比サイクルで運転を行う場合における燃焼速度の向上を好適に図ることができ、以って燃費の改善を好適に図ることが可能なエンジン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】
【０００８】
本発明は同一の燃焼室に対して設けられる複数の吸気弁および複数の排気弁と、前記燃焼室を圧縮するピストンと、前記複数の吸気弁のうち、一部の吸気弁の位相と他の吸気弁の位相とを互いに独立して変更可能な第１の動弁装置と、前記エンジンの機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備え、前記一部の吸気弁および前記他の吸気弁のうち、最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の吸気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスを早開きとされる側の吸気弁に対応させて設けられるバルブリセスよりも小さく設定しているエンジンである。
【０００９】
本発明は前記複数の排気弁のうち、一部の排気弁の位相と他の排気弁の位相とを互いに独立して変更可能な第２の動弁装置をさらに備え、前記一部の排気弁および前記他の排気弁のうち、最も位相差を設けた状態で早開きとされる側の排気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスを遅開きとされる側の排気弁に対応させて前記ピストンに設けられるバルブリセスよりも小さく設定している構成とすることができる。
【００１０】
本発明は前記複数の吸気弁および前記複数の排気弁のうち、前記ピストンに対応させて設けられるバルブリセスが小さく設定される弁が前記燃焼室に対向する部分に平面形状を有する構成とすることができる。ここで、バルブリセスが小さく設定される弁とは具体的には第１および第２の動弁装置のうち、第１の動弁装置を備える場合には一部の吸気弁および他の吸気弁のうち、最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の吸気弁である。また、第１および第２の動弁装置を備える場合にはさらに一部の排気弁および他の排気弁のうち、最も位相差を設けた状態で早開きとされる側の排気弁が該当する。そして、複数の弁が該当する場合には、そのうちのいずれか一つの弁が燃焼室に対向する部分に平面形状を有していればよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高膨張比サイクルで運転を行う場合における燃焼速度の向上を好適に図ることができ、以って燃費の改善を好適に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１のエンジンの概略構成図である。
【図２】可変圧縮比機構を示す図である。
【図３】実施例１のピストンの上面図である。
【図４】吸気弁の位相変更を説明する図である。
【図５】機械圧縮比の変更を説明する図である。
【図６】実施例２のエンジンの概略構成図である。
【図７】実施例２のピストンの上面図である。
【図８】排気弁の位相変更を説明する図である。
【図９】弁形状の説明図である。
【図１０】燃焼速度の比較図である。
【図１１】燃焼室容積の変化の比較図である。
【図１２】燃焼室の容積変化率の変化の比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１はエンジン１Ａの概略構成図である。エンジン１Ａは吸気弁２と排気弁３とを備えている。吸気弁２と排気弁３とは同一の燃焼室Ｅに対して複数（ここでは２つ）設けられている。エンジン１Ａは２つの吸気弁２として具体的には吸気弁２Ａ、２Ｂを備えている。また、２つの排気弁３として具体的には排気弁３Ａ、３Ｂを備えている。
【００１５】
エンジン１Ａは第１のカムシャフト１０および第２のカムシャフト２０を備えている。第１のカムシャフト１０は吸気弁２側に、第２のカムシャフト２０は排気弁３側に設けられている。第２のカムシャフト２０は排気カム２１を備えている。排気カム２１は排気弁３に対応させて設けられており、排気弁３を作動させる。
【００１６】
第１のカムシャフト１０は二重構造のカムシャフトであり、外部カムシャフト１１と、内部カムシャフト１２と、外部カム１３と、内部カム１４とを備えている。外部カムシャフト１１は中空構造を有している。内部カムシャフト１２は外部カムシャフト１１の内部に相対回転可能に挿入されている。外部カム１３は外部カムシャフト１１に設けられている。外部カム１３は吸気弁２Ａに対応させて設けられており、吸気弁２Ａを作動させる。
【００１７】
内部カム１４は外部カムシャフト１１上を周方向に摺動可能に設けられている。内部カム１４は内部カムシャフト１２と結合されている。内部カム１４は外部カムシャフト１１に周方向に沿って設けた長穴を通じて、結合ピンで内部カムシャフト１２と結合することができる。内部カム１４は吸気弁２Ｂに対応させて設けられており、吸気弁２Ｂを作動させる。
【００１８】
エンジン１ＡはＶＶＴ（Variable Valve Timing）３０を備えている。ＶＶＴ３０は油圧によって外側カムシャフト１１と内側カムシャフト１２とのうち、少なくとも一方を回転駆動する。ＶＶＴ３０には例えばエンジン１Ａの出力で駆動する油圧ポンプから油圧を供給することができる。ＶＶＴ３０は第１のカムシャフト１０の位相を全体的に変更することで、吸気弁２Ａ、２Ｂの位相を全体的に変更可能に構成されている。すなわち、吸気弁２Ａ、２Ｂの位相を同様に変更可能に構成されている。また、外側カムシャフト１１、内側カムシャフト１２間の位相を変更することで、吸気弁２Ａ、２Ｂ間の位相差を変更可能に構成されている。具体的には外側カムシャフト１１に対する内側カムシャフト１２の相対的な位相を変更することで、吸気弁２Ａに対する吸気弁２Ｂの相対的な位相を変更可能に構成されている。ＶＶＴ３０は例えば外部カム１３が吸気弁２Ｂに、内部カム１４が吸気弁２Ａにそれぞれ対応させて設けられることで、吸気弁２Ｂに対する吸気弁２Ａの相対的な位相を変更可能に構成されてもよい。
【００１９】
ＶＶＴ３０は吸気弁２Ａ、２Ｂを全体的に遅角させるとともに、吸気弁２Ａに対して吸気弁２Ｂを相対的に進角させることで、吸気弁２Ａ、２Ｂのうち、少なくとも吸気弁２Ａを遅角させることができる。この点、吸気弁２Ａは最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の吸気弁となっており、吸気弁２Ｂは最も位相差を設けた状態で早開きとされる側の吸気弁となっている。
【００２０】
このようにして吸気弁２Ａ、２Ｂの位相を変更可能なＶＶＴ３０は２つの吸気弁２のうち、一部の吸気弁である吸気弁２Ａの位相と、他の吸気弁である吸気弁２Ｂの位相とを独立して変更可能な第１の動弁装置となっている。なお、第１の動弁装置は必ずしもＶＶＴ３０に限られず、例えば吸気弁２Ａ、２Ｂの駆動を電磁駆動化した場合の電磁駆動装置それぞれを有した構成で実現することもできる。第１の動弁装置はその他の油圧式や電動式の可変動弁機構で実現されてもよい。
【００２１】
図２は可変圧縮比機構５を示す図である。エンジン１Ａは可変圧縮比機構５とシリンダブロック６とクランクケース７とピストン８とを備えている。可変圧縮比機構５はシリンダブロック６とクランクケース７との間に設けられている。ピストン８はシリンダ６ａに収容されており、燃焼室Ｅを圧縮する。可変圧縮比機構５はシリンダブロック６をクランクケース７に対して上下方向に移動させることで、機械圧縮比を可変にする。可変圧縮比機構５がシリンダブロック６を上方に移動させると、燃焼室Ｅの容積が大きくなる。結果、機械圧縮比が小さくなる。逆にシリンダブロック６を下方に移動させると、燃焼室Ｅの容積が小さくなる。結果、機械圧縮比が大きくなる。
【００２２】
この点、エンジン１Ａは吸気弁２Ａ、２Ｂのうち、少なくとも吸気弁２Ａを遅角させることで吸気弁２Ａを遅開きにし、実圧縮比を低下させる。また、機械圧縮比を高めることで膨張比を高める。そしてこれにより、燃費向上を図るべく高膨張比サイクルで運転を行う。エンジン１Ａは吸気弁２Ａを遅開きにすることで、吸気行程を迎えるにあたってピストン８が到達する上死点（吸気ＴＤＣ）よりも後のタイミングで吸気弁２Ａを開弁することができる。また、吸気ＴＤＣ付近で吸気弁２Ｂを開弁することができる。そして、吸気ＴＤＣ付近で吸気弁２Ｂを開弁することで、高膨張比サイクルで運転を行うにあたってポンピングロスを小さくすることができる。
【００２３】
エンジン１Ａは機関運転状態に応じて高膨張比サイクルで運転を行う。この点、エンジン１Ａは具体的には軽負荷時に高膨張比サイクルで運転を行う。これは、高負荷時には機械圧縮比の向上によるノッキングの発生を防止する必要があるためである。高膨張比サイクルで運転を行うにあたり、エンジン１Ａは吸気弁２Ａを限界まで遅角させることができる。また、機械圧縮比を燃焼室Ｅの構造上の限界である限界機械圧縮比まで高めることができる。なお、吸気弁２Ａ、２Ｂの位相は具体的には電子制御装置の制御のもと、ＶＶＴ３０によって変更できる。また、機械圧縮比は電子制御装置の制御のもと、可変圧縮比機構５によって変更できる。
【００２４】
図３はピストン８の上面図である。ピストン８にはバルブリセス８ａ、８ｂが設けられている。なお、図３では排気弁３に対応するバルブリセスについては図示省略している。バルブリセス８ａは吸気弁２Ａに対応させて設けられている。バルブリセス８ｂは吸気弁２Ｂに対応させて設けられている。バルブリセス８ａはバルブリセス８ｂよりも小さく設定されている。
【００２５】
次にエンジン１Ａの作用効果について説明する。図４は吸気弁２Ａ、２Ｂの位相変更を説明する図である。図５は機械圧縮比の変更を説明する図である。図４（ａ）はクランク角度に応じたピストン８の位置の変化を示す。図４（ｂ）は軽負荷時のクランク角度に応じた吸気弁２Ａ、２Ｂのリフト量の変化を示す。図４（ｃ）は高負荷時のクランク角度に応じた吸気弁２Ａ、２Ｂのリフト量の変化を示す。図４（ａ）から図４（ｃ）の横軸は対応した互いに共通のクランク角度を示す。図５のうち、左側の図は軽負荷時の吸気ＴＤＣにおけるエンジン１Ａの様子を示し、右側の図は高負荷時の吸気ＴＤＣにおけるエンジン１Ａの様子を示す。
【００２６】
図４（ｂ）に示すように、エンジン１Ａでは軽負荷時に吸気弁２Ａを遅開きにすることで、吸気ＴＤＣよりも後のタイミングで吸気弁２Ａを開弁できる。また、吸気ＴＤＣ付近で吸気弁２Ｂを開弁できる。そしてこのように吸気弁２Ａ、２Ｂを開弁するエンジン１Ａでは、図４（ａ）に示す吸気ＴＤＣのピストン８の位置に対応する吸気弁２Ａ、２Ｂのリフト量からわかるように、軽負荷時に吸気弁２Ａのほうが吸気弁２Ｂよりもバルブスタンプの発生に対して余裕があることになる。したがって、軽負荷時に関してはバルブスタンプの発生に対して余裕がある分、バルブリセス８ａをバルブリセス８ｂよりも小さく設定することができることになる。
【００２７】
一方、高負荷時には高膨張比サイクルで運転を行わない結果、図４（ｃ）に示すように吸気弁２Ａが吸気弁２Ｂと同等の位相になるように進角される。また、図５に示すように機械圧縮比が軽負荷時よりも低く設定される。この点、エンジン１Ａは高負荷時には機械圧縮比を低く設定する分、バルブスタンプの発生に対して余裕をもって吸気弁２Ｂを開弁できる。そして、吸気弁２Ｂと同等の位相になるように進角される吸気弁２Ａについても、高負荷時には吸気弁２Ｂと同等の余裕をもって開弁できる。
【００２８】
これに対し、エンジン１Ａはバルブリセス８ａをバルブリセス８ｂよりも小さく設定することで、バルブスタンプの発生が特段制約とならない範囲内でスキッシュ流を強めることができる。このため、エンジン１Ａはバルブスタンプの発生やポンピングロスの増加を特段招くことなくスキッシュ流を強めることができ、これにより燃焼速度の向上を図ることができる。そしてこれにより、燃費の改善を好適に図ることができる。
【実施例２】
【００２９】
図６はエンジン１Ｂの概略構成図である。エンジン１Ｂは第２のカムシャフト２０の代わりに第３のカムシャフト１０´を備える点と、ＶＶＴ３０´をさらに備える点と、ピストン８の代わりにピストン８´（図６において図示省略）を備える点以外、エンジン１Ａと実質的に同一となっている。第３のカムシャフト１０´は排気弁３に対して設けられており、第１のカムシャフト１０と同様の構成となっている。このため、第３のカムシャフト１０´の具体的な説明については省略する。なお、第３のカムシャフト１０´が備える各構成については、第１のカムシャフト１０が備える各構成のうち、対応する構成の符号にダッシュを付けた符号でそれぞれ示している。
【００３０】
ＶＶＴ３０´は第１のカムシャフト１０の代わりに第３のカムシャフト１０´に対して設けられている点以外、ＶＶＴ３０と同様の構成となっている。このため、ＶＶＴ３０´の具体的な説明については省略する。ＶＶＴ３０´は２つの排気弁３のうち、一部の排気弁である排気弁３Ａの位相と、他の排気弁である排気弁３Ｂの位相とを独立して変更可能な第２の動弁装置となっている。なお、第２の動弁装置は第１の動弁装置と同様、必ずしもＶＶＴ３０´に限られない。
【００３１】
エンジン１Ｂは排気弁３Ａ、３Ｂのうち、少なくとも排気弁３Ｂを遅角させることで排気弁３Ｂを遅開きにする。エンジン１Ｂは排気弁３Ｂを遅開きにすることで、吸気ＴＤＣよりも後のタイミングで排気弁３Ｂを閉弁できる。また、吸気ＴＤＣ付近で排気弁３Ａを閉弁できる。エンジン１Ｂは高膨張比サイクルで運転が行われる場合に排気弁３Ｂを遅開きにすることができる。
【００３２】
この点、エンジン１Ｂは排気弁３Ｂを遅開きにすることで、バルブオーバラップを拡大できる。そしてこれにより、吸気ＴＤＣ付近でのバルブ開口面積が大きくなり、吸気ＴＤＣ付近で燃焼室Ｅの負圧が増大することを抑制できることから、ポンピングロスを低減できる。そしてこれにより、高膨張比サイクルで運転を行う場合にポンピングロスを好適に低減できる。
【００３３】
エンジン１Ｂでは上述のように排気弁３Ｂを遅開きにする結果、排気弁３Ａが最も位相差を設けた状態で早開きとされる側の排気弁となっている。また、排気弁３Ｂが最も位相差を設けた状態で遅開きとされる側の排気弁となっている。なお、このように位相差が設けられる排気弁３Ａ、３Ｂの吸気弁２Ａ、２Ｂに対する配置は例えば図６に示す配置とは逆であってもよい。
【００３４】
図７はピストン８´の上面図である。ピストン８´は排気弁３に対応するバルブリセスとして具体的にはバルブリセス８ｃ、８ｄが設けられている点以外、ピストン８と実質的に同一となっている。なお、図７ではバルブリセス８ａ、８ｂについては図示省略している。バルブリセス８ｃは排気弁３Ａに対応させて設けられている。バルブリセス８ｄは排気弁３Ｂに対応させて設けられている。バルブリセス８ｃはバルブリセス８ｄよりも小さく設定されている。
【００３５】
次にエンジン１Ｂの作用効果について説明する。図８は排気弁３Ａ、３Ｂの位相変更を説明する図である。図８（ａ）はクランク角度に応じたピストン８´の位置の変化を示す。図８（ｂ）はバルブオーバラップ拡大時のクランク角度に応じた排気弁３Ａ、３Ｂのリフト量の変化を示す。図８（ａ）、図８（ｂ）の横軸は対応した互いに共通のクランク角度を示す。
【００３６】
図８（ｂ）に示すように、エンジン１Ｂでは排気弁３Ｂを遅開きにすることで、吸気ＴＤＣよりも後のタイミングで排気弁３Ｂを閉弁できる。また、吸気ＴＤＣ付近で排気弁３Ａを閉弁できる。そして、このように排気弁３Ａ、３Ｂを閉弁するエンジン１Ｂでは、図８（ａ）に示す吸気ＴＤＣのピストン８´の位置に対応する排気弁３Ａ、３Ｂのリフト量からわかるように、排気弁３Ａのほうが排気弁３Ｂよりもバルブスタンプの発生に対して余裕があることになる。したがって、バルブスタンプの発生に対して余裕がある分、バルブリセス８ｃをバルブリセス８ｄよりも小さく設定することができることになる。一方、排気弁３Ｂについてはポンピングロスを低減する観点から、吸気ＴＤＣ付近でリフト量が大きいほうが適している。
【００３７】
これに対し、エンジン１Ｂはバルブリセス８ｃをバルブリセス８ｄよりも小さく設定することで、バルブスタンプの発生が特段制約とならない範囲内でスキッシュ流を強めることができる。そしてこれにより、バルブスタンプの発生を特段招くことなくスキッシュ流を強めることで、エンジン１Ａの場合と比較してさらに燃焼速度の向上を図ることができる。結果、エンジン１Ａの場合と比較してさらに燃費改善を図ることができる。
【実施例３】
【００３８】
本実施例ではエンジン１Ａまたはエンジン１Ｂにおいて、同種の機関弁（吸気弁２または排気弁３）間でバルブリセスが小さく設定される弁に適用可能な弁形状について説明する。図９は弁形状の説明図である。図９では機関弁Ｖを例にして弁形状を示す。図９に示すように、機関弁Ｖは燃焼室Ｅに対向する部分Ｐに平面形状を有している。この点、機関弁Ｖは部分Ｐに平面形状を有することでピストンとの間のクリアランスを狭めた領域が広がり、スキッシュ流を強めることができる。
【００３９】
したがって、エンジン１Ａ、１Ｂの場合にはエンジン１Ａにあっては吸気弁２Ａに、エンジン１Ｂにあっては吸気弁２Ａおよび排気弁３Ａのうち、少なくともいずれか一方にかかる弁形状を敢えて適用することで、スキッシュ流をさらに強めることができる。結果、更なる燃焼速度の向上を図ることができ、以って更なる燃費改善を図ることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば一部の吸気弁は互いに同様に位相が変更される複数の吸気弁で構成されてもよく、他の吸気弁も互いに同様に位相が変更される複数の吸気弁で構成されてもよい。これは排気弁についても同様である。
【符号の説明】
【００４１】
エンジン              １Ａ、１Ｂ
吸気弁                ２、２Ａ、２Ｂ
排気弁                ３、３Ａ、３Ｂ
ピストン              ８、８´
第１のカムシャフト    １０
第３のカムシャフト    １０´
ＶＶＴ                ３０、３０´
【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】
2013147958.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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