(57)【要約】【課題】  較的簡単かつ低コストな構成でありながら、高圧縮比・高過給エンジンであっても筒内圧を所定値以下に制御することができると共に、筒内圧を抑制するために逃がした空気（吸気）を再利用することができる内燃機関を提供する。【解決手段】  本発明に係る内燃機関１００は、内燃機関１００のシリンダ１０３に接続され圧縮行程においてシリンダ内圧が第１の閾値を超えたときにシリンダ１０３から空気を流出させるシリンダ内圧逃がし機構Ａと、シリンダ内圧逃がし機構Ａによりシリンダ内から流出された空気を貯留するタンク１３０と、内燃機関１００のシリンダ１０３に接続され膨張行程においてシリンダ内圧が前記空気貯留部の内圧より小さくなったときに、タンク１３０から空気をシリンダ１０３に流入させる空気戻し機構Ｂと、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダに接続され、圧縮行程においてシリンダ内圧が第１の閾値を超えたときにシリンダから空気を流出させるシリンダ内圧逃がし機構と、
シリンダ内圧逃がし機構によりシリンダ内から流出された空気を貯留する空気貯留部と、
内燃機関のシリンダに接続され、膨張行程においてシリンダ内圧が前記空気貯留部の内圧より小さくなったときに、前記空気貯留部から空気をシリンダに流入させる空気戻し機構と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記シリンダ内圧逃がし機構は、シリンダ内圧が第１の閾値を超えていても、同一燃焼サイクル中におけるシリンダ内への燃料の供給開始後は、シリンダからの空気の流出を停止させ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】
前記シリンダ内圧逃がし機構は、
シリンダ内圧が第１の閾値を超えたときにスプリングの弾性付勢力に抗して開弁してシリンダから空気を流出させる流出弁を備えると共に、
シリンダ内への燃料の供給開始からは、前記スプリングのセット荷重を変更することにより流出弁を閉弁してシリンダからの空気の流出を停止させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２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、内燃機関に関する。特に、燃料をシリンダ内（筒内）に直接噴射供給する内燃機関のシリンダ内圧調整技術（筒内圧調整技術）に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）の高効率化（高出力化、低燃費化等）のために、従来より高圧縮比・高過給エンジンが検討されているが、このようなエンジンの場合、高回転高負荷の運転領域では、燃焼圧（シリンダ内圧）が設計値（シリンダヘッド等の強度限界閾値など）を超えてしまうため、そのような領域では筒内圧（シリンダ内圧）が設計値以下となるように、吸気弁を遅閉じするなどバルブタイミングを制御したり、過給圧を逃がす制御などをする必要があるため、燃費改善などの効果が得られるのは、ある限られた運転領域に限定されてしまうといった実情がある。
更に、吸気弁を遅閉じするようにした場合には、他の運転領域でエンジン性能に悪影響を与える（例えば低温始動時における白煙の悪化など）といったおそれがある。
【０００３】
このようなことから、特許文献１では、筒内圧の過大な上昇を抑制するために、図６に示すように、主燃焼室１０ａに連通する可変容積室１０ｂを備えて構成し、この可変容積室１０ｂに摺動自在にサブピストン２１を収容させ、このサブピストン２１のストローク運動をストローク制御部２４が制御することで、筒内圧が一定となるようにする技術を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２７８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される筒内圧の制御技術によれば、筒内圧の過大な上昇を抑制することができるが、補助クランク機構等が必要であり構成が高コスト化・複雑化するといった実情があると共に、可変容積室１０ｂに逃がした空気を有効に利用することができないため改善の余地が残されているといった実情がある。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、高圧縮比・高過給エンジンであっても筒内圧を所定値以下に制御することができると共に、筒内圧を抑制するために逃がした空気（吸気）を再利用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】
このため、本発明に係る内燃機関は、
内燃機関のシリンダに接続され、圧縮行程においてシリンダ内圧が第１の閾値を超えたときにシリンダから空気を流出させるシリンダ内圧逃がし機構と、
シリンダ内圧逃がし機構によりシリンダ内から流出された空気を貯留する空気貯留部と、
内燃機関のシリンダに接続され、膨張行程においてシリンダ内圧が前記空気貯留部の内圧より小さくなったときに、前記空気貯留部から空気をシリンダに流入させる空気戻し機構と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記シリンダ内圧逃がし機構は、シリンダ内圧が第１の閾値を超えていても、同一燃焼サイクル中におけるシリンダ内への燃料の供給開始後は、シリンダからの空気の流出を停止させることを特徴とすることができる。
【０００９】
本発明において、前記シリンダ内圧逃がし機構は、
シリンダ内圧が第１の閾値を超えたときにスプリングの弾性付勢力に抗して開弁してシリンダから空気を流出させる流出弁を備えると共に、
シリンダ内への燃料の供給開始からは、前記スプリングのセット荷重を変更することにより流出弁を閉弁してシリンダからの空気の流出を停止させる
ことを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、高圧縮比・高過給エンジンであっても筒内圧を所定値以下に制御することができると共に、筒内圧を抑制するために逃がした空気を再利用することができる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室付近を模式的に表現した断面図である。
【図２】同上実施の形態に係る内燃機関の筒内圧逃がし機構（シリンダ内逃がし機構）Ａを拡大して示す断面図である。
【図３】同上実施の形態に係る内燃機関の空気戻し機構Ｂを拡大して示す断面図である。
【図４】同上実施の形態に係る内燃機関の筒内圧逃がし機構（シリンダ内逃がし機構）Ａ、空気戻し機構Ｂの動作の様子を説明する模式断面図である。
【図５】同上実施の形態に係る内燃機関の流出弁、流入弁のクランクアングル（時間）に対する開閉弁の様子、及び筒内圧・燃料噴射の様子を示すタイミングチャートである。
【図６】従来の内燃機関の筒内圧の制御技術の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１３】
本発明の一実施の形態に係る内燃機関１００は、高圧縮比或いは高過給エンジンとすることができ、図１に示すように、ピストン１０１の頂面（上面）と、シリンダヘッド１０２Ａの下面と、シリンダライナ１０２Ｂの内周壁面と、により画成される筒内（シリンダ内）１０３に、筒内圧逃がし機構Ａが臨んで設けられていると共に、この筒内圧逃がし機構Ａが逃がした空気を貯留するタンク（空気貯留部）１３０が備えられ、更に、タンク１３０に貯留された空気を筒内（シリンダ内）１０３（或いはインテークマニホールド）に戻す空気戻し機構Ｂが備えられている。
【００１４】
筒内圧逃がし機構Ａは、筒内圧（筒内（燃焼室）１０３の圧力）が設計値（所定の第１の閾値、例えば最大燃焼圧力がシリンダヘッド等の強度限界値などに至らないようにするために圧縮行程中の筒内圧を低く抑えた値）を超えそうな圧力に達した際に、筒内１０３から圧力（空気）を逃がす機構である。
【００１５】
具体的には、図２に示すように、筒内圧が所定の第１の閾値を超えると開弁して筒内１０３から空気を流出させる（逃がす）流出弁１１１を備えると共に、この流出弁１１１が開弁したときに筒内１０３から流出する空気をタンク１３０へと導く圧力逃がし流路１１３Ａが備えられている。
【００１６】
流出弁１１１はバルブボディ１０９に内蔵されていて、同様にバルブボディ１０９に内蔵されるスプリング１１０により図２において下方に向けて閉弁付勢されている。バルブボディ１０９は、シリンダヘッド１０２Ａに取り付けられている。
【００１７】
また、スプリング１１０は、カム１０４により揺動されるロッカーアーム１０５により上下動されるセット荷重変更バルブ１０８により上下方向長さを伸縮可能に構成されていて、これによりスプリング１１０のセット荷重が変更（調整）可能に構成されている。
【００１８】
セット荷重変更バルブ１０８は、スプリング１０７により閉弁付勢されているが、バルブキャップ１０６を介してロッカーアーム１０５によりスプリング１０７の閉弁付勢力に抗して下方に移動可能に構成されている。
【００１９】
なお、カム１０４は、内燃機関の吸気用或いは排気用カムシャフトに略一体的に取り付けた構成などとすることができる。
【００２０】
なお、筒内圧逃がし機構Ａの圧力逃がし流路１１３Ａにはタンク１３０が接続され、このタンク１３０には、流出弁１１１が開弁されたときに、筒内１０３から流出した（逃がされた）空気が導かれて貯留される。
【００２１】
この一方、本実施の形態に係る空気戻し機構Ｂは、タンク１３０に貯留されている空気を所定条件下で筒内１０３（或いはインテークマニホールド）に戻すことができるように構成されている。
【００２２】
具体的な一例としては、図３に示すように、タンク１３０に接続されている空気戻し流路１１３Ｂからの筒内１０３（或いはインテークマニホールド）への空気の流入（戻し）を制御する流入弁１１７が備えられ、この流入弁１１７はスプリング１１８により図３上方に向けて閉弁付勢されている。このスプリング１１８のセット荷重（流入弁１１７の開弁圧）は、例えば、流入弁１１７が落下などしない程度の小さな値＝１０ＭＰａ程度に設定されることができる。但し、１０ＭＰａより小さな値とすることができるし、１０ＭＰａより小さな値とすることも可能である。
【００２３】
すなわち、小さな力で閉弁付勢されている流入弁１１７は、筒内１０３の圧力がタンク１３０の内圧より所定に小さくなったときに開弁して、タンク１３０から空気を筒内（シリンダ内）１０３へ戻すようになっている。
なお、符号１１４は流路キャップであり、符号１１５はキャップ（弁座）であり、符号１１６は、シリンダヘッド１０２Ａに取り付けられるバルブボディである。
【００２４】
以上のような筒内圧逃がし機構Ａ、空気戻し機構Ｂが備えられた本実施の形態では、これら機構が以下のように動作するようになっている。
（１）事前に、圧縮行程において、燃料噴射後の筒内圧が設計値（所定の第１の閾値）を超えない範囲で、圧力を抜くタイミングでの設定圧（スプリング１１０のセット荷重、すなわち流出弁１１１の開弁圧）を決めておく。
（２）但し、燃料噴射開始から燃焼終了まで、筒内圧（燃焼圧）が第１の閾値を超えたとしても、強制的に作動（流出弁１１１が開弁）しない構造を有する。すなわち、筒内（シリンダ内）１０３への燃料の噴射開始後は、筒内（シリンダ内）１０３から空気を流出させないようにする。
（３）逃がした圧力（空気）は、ＴＤＣ（上死点）後の（膨張行程における）筒内１０３若しくはインテークマニホールド（吸気通路）に戻す。
【００２５】
すなわち、本実施の形態では、
（１）燃焼サイクル（ディーゼルサイクル）におけるピストン圧縮行程にて、筒内圧がスプリング１１０のセット荷重（所定の閾値：第１の閾値）を超えた際に、流出弁１１１が開弁され、筒内１０３から空気を流出させて、タンク１３０へ圧力を逃がす（筒内１０３の空気を逃がす）。
これにより、筒内１０３の圧力が所定の第１の閾値を超えることがないため、例えば最大燃焼圧力を低く抑えることができ内燃機関１００の損傷等を長期に亘って抑制することができる。
【００２６】
（２）但し、その後の燃料噴射開始以降の行程では（圧縮行程及び膨張行程の途中までは）、筒内圧（燃焼圧）が第１の閾値を超えたとしても、筒内圧逃がし機構Ａが作動しないように（流出弁１１１が開弁しないように）、カム１０４にて、スプリング１１０を押し縮めることでセット荷重（開弁圧力）を増大させて第２の閾値（第１の閾値より大きな値）にて開弁するようにして、流出弁１１１を閉弁し、筒内（シリンダ内）１０３から空気を流出させないようにする。
これにより、閉塞した空間である筒内１０３にて燃焼を行わせることで安定した燃焼状態を作り出すと共に、燃料噴射弁（図示せず）から筒内１０３に噴射供給された燃料が、空気と伴にタンク１３０へ流出しないようになっている。
【００２７】
（３）ピストン１０１が、ＴＤＣ（上死点）を超えて（膨張行程となり）筒内圧がタンク１３０の内圧より低くなると、流入弁１１７が開弁され、タンク１３０から気体が筒内１０３（若しくはインテークマニホールド）へ流入される。
これにより、例えば、新気（燃焼に利用されていない空気）を筒内１０３に供給できるため、未燃焼物（ＨＣや煤など）などを燃焼させることができ、以って排気性能の改善に貢献することができる。
【００２８】
ここで、図４、図５を用いて作動例の一例を説明する。
（１）燃焼サイクル（ディーゼルサイクル）におけるピストン圧縮行程にて、
例えば、クランクアングルで約２０°ＢＴＤＣ（上死点前約２０°）以前に、筒内１０３の圧力（筒内圧力：圧縮圧力）がスプリング１１０のセット荷重（開弁圧、所定の第１の閾値）を超えた場合に、流出弁１１１が開弁して筒内圧（圧縮空気）を逃がす（図４（Ａ）、図５参照）。この圧縮空気は、圧力逃がし流路１１３Ａを介してタンク１３０内に導かれて貯留される。
【００２９】
これにより、筒内１０３の圧力が所定の第１の閾値を超えることがないため、例えば最大燃焼圧力を低く抑えることができ内燃機関１００の損傷等を長期に亘って抑制することができる。なお、スプリング１１０のセット荷重（所定の第１の閾値、流出弁１１１の開弁圧）を比較的容易に変更できる構成であるため、前記所定の閾値を比較的容易に変更することが可能である。
【００３０】
（２）上記（１）に続いて、燃料噴射開始から燃焼終了までの間、例えば、約２０°ＢＴＤＣ〜約２０°ＡＴＤＣ（上死点前約２０°〜上死点後約２０°）の間では、カム１０４によりセット荷重変更バルブ１０８を押し下げる（図４（Ｂ））。これにより、スプリング１１０を縮めてセット荷重を変更して（流出弁１１１の開弁圧を第２の閾値まで高めて）、流出弁１１１を閉弁させる（図５参照）。すなわち、筒内（シリンダ内）１０３への燃料の噴射開始後は、筒内（シリンダ内）１０３から空気をタンク１３０へ流出させないようにする。
【００３１】
この流出弁１１１の閉弁動作により、閉塞した空間である筒内１０３にて燃焼を行わせることで安定した燃焼状態を作り出すと共に、燃料噴射弁（図示せず）から筒内１０３に噴射供給された燃料が、空気と伴にタンク１３０へ流出することが防止され、無駄に燃料が消費されるといったおそれを回避することができるようになっている。
【００３２】
（３）上記（２）に続いて、ピストン１０１がＴＤＣ（上死点）を超えて下がり（膨張行程において上死点後約３０°程度となり）、爆発後の筒内圧がタンク１３０の内圧より所定に小さくなると、流入弁１１７が開弁してタンク１３０内の空気が筒内（シリンダ内）１０３或いはインテークパイプ（吸気通路）に戻される（図４（Ｃ）参照）。
【００３３】
これにより、例えば、新気（燃焼に利用されていない空気）を筒内１０３に供給できるため、未燃焼物（ＨＣや煤など）などを燃焼させることができ、以って排気性能の改善に貢献することができる。また、新気（燃焼に利用されていない空気）をインテークマニホールド（吸気通路）に戻す場合には、空気過剰率を増やすことができるため燃焼改善に貢献することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態に係る内燃機関１００によれば、筒内圧逃がし機構Ａと、筒内圧逃がし機構Ａが逃がした空気を貯留するタンク１３０と、タンク１３０に貯留された空気を筒内（燃焼室）１０３（或いはインテークマニホールド）に戻す空気戻し機構Ｂと、を備えて構成したので、高圧縮比エンジンであっても、運転条件により筒内圧（燃焼圧）が最大設計値を超えないように、圧縮行程における筒内圧を所定値（第１の閾値）以下に制御することができ、以って内燃機関１００の損傷等を長期に亘って抑制することができる。
【００３５】
また、本実施の形態に係る内燃機関１００によれば、スプリング１１０のセット荷重（所定の第１の閾値、流出弁１１１の開弁圧）を比較的容易に変更できる構成であるため、前記所定の第１の閾値の大きさを比較的容易に第２の閾値（＞第１の閾値）に変更することが可能である。
【００３６】
このため、同一燃焼サイクル中において、その圧縮行程で一旦流出弁１１１を開弁させて筒内圧を逃がした後でも、例えば燃料噴射開始から燃焼終了までの間において、再び流出弁１１１を閉弁維持させることが可能であり、これにより燃費悪化や燃焼悪化等を抑制することに貢献可能である。
【００３７】
また、本実施の形態に係る内燃機関１００によれば、同一燃焼サイクル中において、燃焼が終了した後（ピストン１０１がＴＤＣ（上死点）を超えて上死点後約３０°程度となったときに）、筒内圧がタンク１３０の内圧より低下すると、流入弁１１７が開弁してタンク１３０内の空気を筒内（シリンダ内）１０３或いはインテークパイプ（吸気通路）に戻すことができる。
【００３８】
これにより、例えば、新気（燃焼に利用されていない空気）を筒内１０３に戻す場合には、未燃焼物（ＨＣや煤など）などを再燃焼させることができ、以って排気性能の改善に貢献することができる一方、新気（燃焼に利用されていない空気）をインテークマニホールド（吸気通路）に戻す場合には空気過剰率を増やすことができるため燃焼改善に貢献することができる。
【００３９】
すなわち、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、高圧縮比・高過給エンジンであっても筒内圧を所定値以下に制御することができると共に、筒内圧を抑制するために逃がした空気を再利用することができる内燃機関を提供することができる。
【００４０】
本実施の形態では、筒内圧逃がし機構Ａの筒内圧逃がし穴と、空気戻し機構Ｂの空気戻し穴と、をシリンダヘッド１０２Ａに設けた例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリンダライナ或いはシリンダブロックのシリンダヘッド下面付近に設けた構成とすることができる。
【００４１】
本実施の形態では、内燃機関の一例としてディーゼルエンジンを採用することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、天然ガス、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に筒内（燃焼室）に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００４２】
本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１００      内燃機関（エンジン）
１０１      ピストン
１０３      筒内（シリンダ内）
１０８      セット荷重変更バルブ
１１０      スプリング
１１１      流出弁（弁体）
１１３Ａ    圧力逃がし流路
１１３Ｂ    空気戻し流路
１１８      スプリング
１１７      流入弁（弁体）
１３０      タンク（空気貯留部）
Ａ          筒内圧逃がし機構（シリンダ内逃がし機構）
Ｂ          空気戻し機構
【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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