(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有する４サイクルエンジンのシリンダヘッドに気筒毎に配設された吸気弁及び排気弁と、
該各気筒の排気通路が合流する排気集合部と、
該排気集合部に設けられ、各気筒からの排気を該排気集合部よりも下流側に排出する状態と、該排気を該排気集合部に閉じ込める状態と、該排気を吸気行程末期又は圧縮行程初期の気筒の排気弁側に供給する状態と、に切り替える切替機構とをそなえ、
該排気弁を排気行程の所要の時期から吸気行程における該吸気弁の閉弁後の所要の時期にかけて開弁させるとともに、
該切替機構が、一気筒における該吸気弁の閉弁時期から該排気弁の閉弁時期までの期間において、排気行程に相当する他の気筒の排気を該一気筒の排気弁側に供給する状態に切り替えるように構成されていることを特徴とする、４サイクルエンジンの過給装置。
【請求項２】
該４サイクルエンジンが６気筒エンジンとして構成され、該排気集合部に該６気筒のうちクランク角度で２４０°間隔で燃焼を行なうような３気筒の排気通路が接続されるとともに、
該切替機構が該排気集合部に内装されたロータリ弁により構成され、該ロータリ弁に各気筒の該排気通路と連通する排気弁側連通口と、該排気を該排気集合部よりも下流側に排出する排出口とが設けられていることを特徴とする、請求項１記載の４サイクルエンジンの過給装置。
【請求項３】
該ロータリ弁が、該エンジンのクランクシャフトに接続され、該クランクシャフトの１／２の速度で回転するように構成されていることを特徴とする、請求項２記載の４サイクルエンジンの過給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給装置に関し、特に６気筒のエンジンに用いて好適の、４サイクルエンジンの過給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関（エンジン）の出力を向上させる技術として、吸気を圧縮して吸気効率を高めるような過給装置が種々開発されている。このような過給装置には、エンジンからの排気圧を利用するようなターボチャージャや、エンジンの駆動力を利用するようなスーパチャージャ等が広く知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ターボチャージャは、エンジンから排出された排気ガスによりタービンを回転させて吸気を圧縮するような構造となっているため、アクセルを踏んでから所望の出力を得るまでにどうしてもタイムラグが生じてしまう。
また、スーパチャージャでは、エンジンの駆動力により直接コンプレッサを駆動して吸気を圧縮するような構造となっているため、上述のようなタイムラグが生じることはないものの、エンジンの駆動力の損失が比較的大きい。
【０００４】
ところで、例えば特開平２−２０４６２８号公報には、排気圧力波を利用して吸気を過給する圧力波過給機（コンプレックス過給機）が開示されている。
このようなコンプレックス過給機では、吸気管と排気管との間に多数のセルを有するロータが配設されており、このロータを回転させてロータの内部で排気ガスの圧力により吸気を直接圧縮するようになっている。
【０００５】
そして、このようなコンプレックス過給機によれば、排気ガスにより吸気が直接圧縮されるためタイムラグがほとんどなく、また、ロータを回転させるための駆動トルクも小さいので、エンジンの駆動力損失も小さくできるのである。
しかしながら、このような従来の過給装置では、いずれも装置が大型化してしまい、コストや重量が増加するという課題がある。
【０００６】
また、上述のコンプレックス過給機では、高温の排気圧と低温の吸気とが交互にロータに流入するため、ロータに熱疲労が生じるという課題がある。
さらに、実公平６−１９８０５号公報や特公平２−４８７６０号公報等にも、過給装置に関する技術が開示されているが、いずれも装置自体が大型であり、重量やコストが増加してしまうという課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、装置を大型化せずに熱疲労を回避しながら圧力波過給機と同様の過給効果を得られるようにした、４サイクルエンジンの過給装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の４サイクルエンジンの過給装置は、複数の気筒を有する４サイクルエンジンのシリンダヘッドに気筒毎に配設された吸気弁及び排気弁と、該各気筒の排気通路が合流する排気集合部と、該排気集合部に設けられ、各気筒からの排気を該排気集合部よりも下流側に排出する状態と、該排気を該排気集合部に閉じ込める状態と、該排気を吸気行程末期又は圧縮行程初期の気筒の排気弁側に供給する状態と、に切り替える切替機構とをそなえ、該排気弁を排気行程の所要の時期から吸気行程における該吸気弁の閉弁後の所要の時期にかけて開弁させるとともに、該切替機構が、一気筒における該吸気弁の閉弁時期から該排気弁の閉弁時期までの期間において、排気行程に相当する他の気筒の排気を該一気筒の排気弁側に供給する状態に切り替えるように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の本発明の４サイクルエンジンの過給装置は、上述の請求項１記載の構成に加えて、該４サイクルエンジンが６気筒エンジンとして構成され、該排気集合部に該６気筒のうちクランク角度で２４０°間隔で燃焼を行なうような３気筒の排気通路が接続されるとともに、該切替機構が該排気集合部に内装されたロータリ弁により構成され、該ロータリ弁に各気筒の該排気通路と連通する排気弁側連通口と、該排気を該排気集合部よりも下流側に排出する排出口とが設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の本発明の４サイクルエンジンの過給装置は、上述の請求項２記載の構成に加えて、該ロータリ弁が、該エンジンのクランクシャフトに接続され、該クランクシャフトの１／２の速度で回転するように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置について説明する。
図１に示すように、４サイクルエンジン１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されており、大気から吸入された空気は吸気通路２を介して各気筒（シリンダ）に吸入され、各気筒から排出された排気ガスは、各排気通路３，排気管７及び図示しないマフラ等を通って大気に排出される。
【００１２】
ここで、上記のエンジン１は、各気筒が直列に配設された直列６気筒エンジンであって、第１気筒から第６気筒まで順番に配設されている。なお、図中では、例えば第１気筒を♯１，第２気筒を♯２のように示す。
また、このエンジン１は、クランク角で１２０°の位相差で各気筒の燃焼行程が行なわれるようになっており、ここでは第１気筒，第５気筒，第３気筒，第６気筒，第２気筒，第４気筒の順番で燃焼が行なわれるようになっている。
【００１３】
ところで、図１，図２に示すように、各気筒の排気通路３の下流側には排気集合部４が設けられており、各気筒からの排気ガスはこの排気集合部４を通って下流側の排気管７に排出されるようになっている。
また、図１に示すように、排気集合部４は２つ配設されており、各排気集合部４には、上述の６つの気筒のうち、燃焼タイミングが２４０°間隔となるような３気筒の排気通路３がそれぞれ接続されている。具体的には、一方の排気集合部４には、第１気筒，第２気筒及び第３気筒の各排気通路３が接続されており、他方の排気集合部４には、第４気筒，第５気筒及び第６気筒の各排気通路３が接続されているのである。
【００１４】
また、各排気集合部４には、図１，図２に示すように、エンジン１のクランクシャフトの回転により駆動されるロータリバルブ（又はロータリ弁）５が介装されている。各ロータリバルブ５は、図１に示すように、ギア機構６によりクランクシャフトの１／２の回転速度に減速されて、図示しないカムシャフトと等速で回転駆動されるようになっている。
【００１５】
なお、図１に示すように、実際には排気通路３と排気管７とは位相がずれて配設されているため、図２に示す断面に排気通路３と排気管７とが同時に表されることはないが、ここでは、本装置をわかりやすく説明するために排気通路３と排気管７とを同一断面で表した。
【００１６】
さて、以下本装置の要部について説明すると、本装置は、基本的には各気筒の排気ガスの排気脈動を利用して過給を行なう過給装置であって、このため、上述のロータリバルブ５は、各気筒からの排気ガスの排出状態を調整するための切替機構として構成されている。
すなわち、このロータリバルブ５により、各気筒からの排気ガスを排気集合部４よりも下流側に排出する状態と、排気ガスを排気集合部４に閉じ込める状態と、この排気ガスを吸気行程末期から圧縮行程初期にかけての過渡時（以下、略して吸気行程末期という）の気筒の排気弁９側に供給する状態と、が切り替えられるようになっているのである。
【００１７】
ここで、ロータリバルブ５は、バルブ本体が円筒状に形成されており、この円筒面状に複数の開口を有して構成されている。すなわち、第１〜第３気筒側のロータリバルブ５には、これら第１〜第３気筒の各排気通路３と連通する排気弁側連通口（以下、単に連通口という）５１，５２，５３と、排気を排気集合部４よりも下流側の排気管７に排出する排出口５４とが設けられているのである。
【００１８】
このうち、連通口５１は、図示はしないが第１連通口と第２連通口との２つの異なる連通口からなっており、ロータリバルブ５の１回転中に異なるタイミングで２回、第１気筒の排気通路３と排気集合部４とを連通させるようになっている。また、連通口５１と同様に、連通口５２及び連通口５３も第１連通口と第２連通口とからなっている。
【００１９】
さらに、排出口５４は、排気管７が接続された部位に設けられ、ロータリバルブ５の周上に３ヶ所に等間隔に設定された開口部として構成されており、ロータリバルブ５の１回転中に３回、排気集合部４と排気管７とを連通するようになっている。
【００２０】
そして、このロータリバルブ５が回転することで、各気筒の排気通路３と排気集合部４との連通状態や、排気集合部４と排気管７との連通状態が調整されるようになっているのである。
なお、第１〜第３気筒側と第４〜第６気筒側とでは、各部の構成や動作は同じであるので、以下、第１〜第３気筒側の構成について説明し、第４〜第６気筒側の説明については省略する。
【００２１】
図３は各気筒の吸排気弁８，９及びロータリバルブ５の開弁時期を示すタイムチャートであるが、この図３に示すように、各気筒の排気弁９は、通常の４サイクルエンジンと異なり、排気行程から吸気行程の末期にかけて開弁するようになっている。
すなわち、排気弁９は、膨張行程においてピストン１０が下死点近傍となると（即ち、排気行程に移行すると）、通常の４サイクルエンジン同様のタイミングで開き始めるが、排気行程を終えても閉弁することなく吸気行程末期まで開弁状態を維持するようになっている（例えば第１気筒においては、図３中、▲１▼〜▲６▼に示す期間が相当する）。そして、排気弁９は、吸気行程末期に、吸気弁８が閉弁してから所定期間（例えば吸気弁８の閉弁からクランク角度で３０°、第１気筒では▲６▼に示す期間）経過後に閉弁するようになっている。
【００２２】
また、ロータリバルブ５の連通口５１〜５３及び排出口５４は、図３に示すようなタイミングで開閉するように設定されている。
具体的には、各連通口５１〜５３の第１連通口は、対応する気筒（第１〜第３気筒）の排気行程の全般（例えば第１気筒においては、図３中、▲１▼〜▲４▼に示す期間が相当する）に開弁するように設定され、連通口５１〜５３の第２連通口は、対応する気筒の吸気行程の末期（同じく、▲６▼に示す期間）に開弁するように設定されている。
【００２３】
つまり、第１連通口は、排気行程においてはそれぞれ対応する気筒の排気弁９の開弁と同時に開弁し、吸気行程に移行してから所定期間（ピストン１０が上死点から、クランク角度で例えば３０°移動する間）経過後に閉弁するようになっている。
また、その後、対応する気筒の吸気行程の末期に、吸気弁８が閉弁してから排気弁９が閉弁するまでの間（例えば第１気筒では、図３中、▲６▼で示す期間）において、第２連通口が開弁するようになっている。
【００２４】
一方、排出口５４は、図３に示すように、各気筒の吸気弁８の開弁と同時に開弁して、ピストン１０が吸気行程下死点よりも所要期間（例えばクランク角で３０°）前になると閉弁するようになっている。
例えば、第１気筒において吸気が開弁して吸気行程となると、同時に排出口５４が開弁して、第１気筒の吸気行程下死点のクランク角３０°前で閉弁するようになっている。なお、このときは、上述したように、排気弁９も開弁した状態（図３中、▲４▼〜▲６▼参照）のままであり、これにより、吸気弁８からシリンダ内に吸入された吸気は、排気弁９を介して排気通路３側に吹き抜けるようになっている。なお、このように吸気行程時における吸気の排気通路３側への吹き抜けは、第１気筒の吸気行程の直前に排気集合部４が負圧となるため発生するが、これについては、後で詳述する。
【００２５】
本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置は、上述のように構成されているので、図４や図３に示すように、排気脈動を利用した過給が行なわれる。
以下、第１気筒の動作に着目して説明すると、まず、図４及び図３の▲１▼に示すように、第１気筒の排気行程では、通常通り排気弁９のみが開弁し、これと同時にロータリバルブ５の連通口５１の第１連通口が開弁する。これにより、第１気筒の排気ガスは排気通路３を介して排気集合部４に流入する。
【００２６】
このとき、図３に示すように、ロータリバルブ５の排出口５４も開弁して、排気集合部４と排気管７とを連通させる。したがって、図３に示す▲１▼の期間中は、第１気筒の排気ガスは排気管７に排出される（排気ガスを排気集合部４よりも下流側に排出する状態）。
次に、ピストン１０が上昇して、排気行程の所要の時期となると、図４及び図３の▲２▼に示すように、ロータリバルブ５の排出口５４を閉弁する。このとき、第２，第３気筒と排気集合部４とを連通する連通口５２，５３も閉弁しており、この▲２▼の期間中においては、第１気筒から排出された排気ガスは排気集合部４内で高圧状態となる（排気ガスを排気集合部４に閉じ込める状態）。
【００２７】
その後、図４及び図３の▲３▼に示すように、第２気筒に連通する連通口５２の第２連通口が連通して、上記▲２▼で圧縮された排気ガスが第２気筒方向へ流れる〔排気ガスを吸気行程末期（又は圧縮行程初期）の気筒の排気弁９側に供給する状態〕。
このとき、第２気筒は吸気行程の末期であり、第２気筒の吸気弁８が閉弁した直後であるが、上述のように、各気筒について吸気行程においても排気弁９を開弁させておくことにより、第２気筒の排気弁９側から排気管３に吸気が導入されており、この第２気筒における排気管３の吸気は、上述の第１気筒の排気圧により圧縮されて第２気筒に押し込まれるのである。これにより、第２気筒が過給される。なお、このような過給は、上記第２気筒とは異なるタイミングで第１気筒や第３気筒でも同様に行なわれる。また、第１気筒の過給については後で詳述する。
【００２８】
次に、図３に示す▲４▼の期間では、第１気筒のピストン１０が上死点に到達する直前に吸気弁８を開いて吸気行程に移行する。また、この吸気弁８の開弁と同時に、第２気筒の連通口５２を閉弁するとともに排気管７と連通するロータリバルブ５の排出口５４を再び開弁する。また、第１気筒の排気弁９を前回の排気行程から継続して開弁状態に保持する。これにより、図４の▲４▼に示すように、吸気弁８から吸入された吸気は、一旦シリンダ内に吸入された後、排気弁９から排気通路３に吹き抜ける。
【００２９】
すなわち、上述の▲３▼の期間において、排気集合部４内で圧縮された排気が急激に第２気筒の排気通路３に導入されるため、排気集合部４内は一時的に負圧状態となっており、この後、▲４▼の期間において、第１気筒の排気弁９が開弁したままの状態で吸気弁８が開弁すると、この負圧により第１気筒の吸気の排気通路３への吹き抜けが促進されるのである。
【００３０】
そして、図４及び図３の▲５▼に示すように、ピストン１０の上死点の通過後に、ロータリバルブ５の連通口５１の第１連通口が閉弁するとともに、吸気行程を継続する。このときも排気弁９は開弁状態を維持しており、これにより、排気通路３には上記の▲４▼の区間での負圧により吸入された吸気が導入される。
次に、図４及び図３の▲６▼に示すように、第１気筒の吸気行程の末期に第１気筒の吸気弁８の閉弁と同時にロータリバルブ５における連通口５１の第２連通口を開弁させ、その後、排気弁９と上記第２連通口とを同時を閉弁させる。なお、この▲６▼の期間中では、ロータリバルブ５の排出口５４を閉弁する。
【００３１】
一方、上記▲５▼の期間から▲６▼の期間にかけては、第３気筒は排気行程となっており、このときに上述のように、第１気筒と連通する第２連通口を開弁させることで、排気集合部４で圧縮されていた排気が第１気筒の排気通路３に向かって流れる。これにより、第１気筒の排気通路３に吹き抜けていた吸気がシリンダに押し戻されて第１気筒が過給されるのである。この後、第１気筒では通常の圧縮行程及び膨張行程が行なわれて、再び排気行程に移行するのである。
【００３２】
そして、このようなサイクルを第１気筒〜第３気筒で行なうことにより、各気筒が過給されるのである。なお、第４気筒〜第６気筒についても上述の第１気筒〜第３気筒と同様に過給が行なわれるのである。
本発明の４サイクルエンジンの過給装置では、上述のような作動を繰り返すことにより吸気の過給が行なわれるので、従来のターボチャージャのようなタイムラグを生じることなくエンジンの出力を増大させることができるという利点がある。また、これにより、エンジンのレスポンスを向上させることができるという利点もある。また、エンジンの駆動力損失がほとんどないので、効率の良い過給装置を提供することができる。
【００３３】
また、本装置によれば、装置全体を大型化することなく、小型で軽量な過給装置とすることができるので、コストや重量の増加を極力抑制することができるという利点がある。
さらには、従来の圧力波過給機（コンプレックス過給機）のように高温の排気と低温の吸気とが交互にロータに流入するようなことがないため、熱疲労がほとんど生じず、耐久性の優れた過給装置を提供することができるという利点がある。
【００３４】
また、切替機構としてのロータリバルブ５を吸気弁８や排気弁９の動作と同期させることで、本装置を確実に作動させることができる。
【００３５】
なお、上述の実施形態では、エンジンを直列６気筒エンジンとして説明したが、本装置はこのような形式のエンジンに限定されるものではなく、クランク角で２４０°間隔で燃焼を行なうような３気筒を組み合わせたエンジンであれば、他の形式のエンジン、例えばＶ型６気筒エンジンやＶ型１２気筒エンジンにも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の４サイクルエンジンの過給装置によれば、従来のターボチャージャのようなタイムラグを生じることなくエンジンの出力を増大させることができるという利点がある。また、これにより、エンジンのレスポンスを向上させることができるという利点もある。また、エンジンの駆動力損失がほとんどないので、効率の良い過給装置を提供することができる。
【００３７】
さらには、従来の圧力波過給機（コンプレックス過給機）のように高温の排気と低温の吸気とが交互にロータに流入するようなことがないため、熱疲労がほとんど生じず、耐久性の優れた過給装置を提供することができるという利点がある。
また、請求項２記載の４サイクルエンジンの過給装置によれば、装置全体を小型に構成することができ、コストや重量の増加を極力抑制することができるという利点がある。
【００３８】
また、請求項３記載の４サイクルエンジンの過給装置によれば、切替機構を吸気弁や排気弁の動作に正確に同期させることができるので、本装置を確実に作動させることができ、エンジンの出力を増加させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置における概略的な構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置における概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置における各気筒の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての４サイクルエンジンの過給装置における各気筒の動作を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  ４サイクルエンジン
２  吸気通路
３  排気通路
４  排気集合部
５  切替機構としてのロータリバルブ（ロータリ弁）
６  ギア機構
７  排気管
８  吸気弁
９  排気弁
１０  ピストン
５１〜５３  排気弁側連通口
５４  排出口
【図１】
0003799658.tif 000002
【図２】
0003799658.tif 000003
【図３】
0003799658.tif 000004
【図４】
0003799658.tif 000005