JP2000145418A - 内燃機関の吸・排気機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の吸・排気を、簡単な仕組みで効果
的に行い、機関全体の性能を向上させる。 【解決手段】 一部を開口した回転体７を、吸気口５、
排気口６と燃焼室１２とを隔てる位置で単一方向に回転
させて、各気口を円滑に開閉する。また、回転体の上下
にできる空間を生かしたポートや燃焼室を構成し、効率
よくガス交換や燃焼を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関、特に４
サイクルエンジンの吸・排気機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来４サイクルエンジンの吸・排気口の
開閉は、往復運動する弁で行われている。弁はバネの力
で常に各気口に引きつけられていて、傘のように開いた
弁の先端部分が各気口を閉ざしている状態を、出力軸と
連動で回転するカムシャフトに固着されたカム（ノー
ズ）が押し返し、弁の先端部分が燃焼室側に押し出され
て各気口が開く、ということを繰り返し行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような弁とその往
復運動、またこれらに関連するバネやカムなどを用いた
吸・排気機構（動弁機構）には、以下に記載するような
課題がある。

【０００４】弁の先端部分は開いた傘のような形状にな
っているので、各ポートと燃焼室を出入りする気体は、
弁の全開時でも、いったんこの先端部分の周りを迂回す
るように遠回りしなければならない。また、弁の軸の部
分はポート内を貫通する位置に取り付けてあるので、こ
こを通過する場合にも似た事が言える。このような弁の
形状やその取り付け位置による抵抗で、円滑なガス交換
が妨げられる他、吸気ポートを通ってきた吸入気の持つ
性質を保ったまま燃焼室へ届けることも難しくなる。

【０００５】また弁の往復運動では、方向転換の際に弁
の慣性力に打ち勝つ以上の力が必要になり、１つの弁を
１往復させる度に出力の一部が使われ、このとき振動も
発生する。さらに慣性力は速度に乗じて大きくなるの
で、これの制御に費やす力や振動も併せて大きくなる。

【０００６】動弁機構が正常な運動を続けるには、往復
運動する弁の慣性力、カムシャフトの回転数、バネの強
さ、などのバランスが保たれていなければならないが、
全ての回転域でこれらのバランスを保てるように設定す
ることは難しく、ある回転域に及ぶ時これらのバランス
が乱れ、バルブジャンプ、バルブバウンズ、スプリング
サージなどと呼ばれる不整運動を起こす。また、このよ
うな不整運動の起こる回転域をレッドゾーンとするエン
ジンも多い。

【０００７】吸・排気口を開く際、弁の先端部分は燃焼
室側に張り出す格好になる。吸気工程の開始間際（排気
工程の終了間際）にはピストンは上死点付近にあり、こ
の時のピストン冠面と弁の先端部分との接触を避けるた
めに、冠面にあらかじめバルブリセスと呼ばれる窪みを
設けておく場合があるが、ここに凹凸がつくと燃焼室の
容積や表面積を増やしてしまう。

【０００８】吸・排気口を閉じる際、各気口と弁の先端
部分との衝突でタペット音と呼ばれる機械音が発生す
る。タペット音は回転数の上昇に伴いその回数と大きさ
を増し騒音になる。特に排気口で発生したものは燃焼音
などと共に排気管内を伝わり外界へ放出されるので、通
常は排気管と外界との間に消音器を取り付けるが、より
消音効果を高めようとすると、同時に通気抵抗が増える
弊害がでる。

【０００９】低回転域から高回転域までの全回転域で吸
入気の充填効率をよくするには、各気口の開閉タイミン
グを回転数に応じて変化させるのが望ましいが、動弁機
構で無段階にこれ行うのは難しい他、前記の「ピストン
と弁の接触」を避けるために開口時間の長さが制限され
る。また、各気口の開口面積などは変化させられないの
で、気体の流量や流速を全回転域で安定させることは難
しい。

【００１０】以上のような課題を解消するために、動弁
機構はより複雑になって大きくなり、特にＯＨＣ、マル
チバルブエンジンでは多くの部品がエンジンの上部に密
集していて重心が高くなる他、各ポートやマニホールド
などの自由な配置を難しくしている。

【００１１】このように複雑化、大型化した動弁機構が
エンジンに対して行う仕事は吸気口と排気口の開閉以外
にない。本発明はこれを簡素化、合理化する事で「円滑
なガス交換」「作動の安定・確実化」「高回転化」「良
い燃焼室及び良い燃焼」「全回転域での効果的なガス交
換」「装置の小型・軽量化」などを実現し、これによる
エンジン性能全般（燃費性、整備性、公害対策なども含
む）の向上を図る目的がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は吸・排気口の開
閉を、単一方向に回転する回転体をシャッターに用いて
行う、簡単な構成である。

【００１３】回転体の回転軸を中心とした円周上には、
開口部と閉口部とで成る丸い帯状の部分（以下、環状部
分）を薄く形成し、この部分と重なる位置にポートを開
口する。

【００１４】回転体は、これの環状部分がポート開口部
と燃焼室を隔てる位置にくるように設置する。（環状部
分中の閉口部がポート開口部の蓋になる。）

【００１５】回転体を出力軸の回転周期と同期して回転
させると、回転体の環状部分にある開口部と閉口部が、
ポートの開口部上を一定の間隔で交互に通過して、これ
らが開閉される。

【００１６】このときポート開口部の始点と回転体開口
部の始点の重なる瞬間が、開口の開始タイミング、ポー
ト開口部の終点と回転体開口部の終点の重なる瞬間が、
開口の終了タイミングで、これらの間の時間が開口時間
になる。

【００１７】また、この装置に、開口部の、特に始点と
終点の位置を可動で制御できるポートや回転体を用いる
と、無段階の可変（バルブ）タイミングに対応する。ポ
ートの開口部と回転体の開口部はどちらも回転体の環状
部分上にあるので、どちらかの（両方でもよい）開口部
を環状部分に沿って伸縮するように変形させ、同時に環
状部分に沿って移動させることで、開閉タイミング（開
口時間、オーバーラップ時間を含む）を変化させる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明で使用する回転体の基本的
な形状と装置の構成を図１（Ａ）で説明すると、回転体
７には１体につき１箇所以上の、開口部９を含む環状の
部分８があり、（この環状部分の開口部以外の部分が閉
口部になる。）これの中心が回転軸１になる。通常この
環状部分は強度などを保てる範囲内でできるだけ薄く形
成し、この部分以外のどこか１箇所（この図のような回
転体なら回転軸付近１０や外周付近１１など）を動力の
伝達ができるように形成する。そしてこの回転体を、環
状部分が各ポート開口部５、６と燃焼室１２を隔てる位
置にくるように設置し、出力軸の回転速度を１／２や１
／４（その他も可）に減速した動力と連動して回転させ
る構成である。

【００１９】吸気口と排気口に相当する吸気ポート３と
排気ポート４の開口部は、回転体に届いていて、開口中
はポートと燃焼室がほぼ直接つながるので、例えばポー
トを回転体の環状部分に対して傾けて形成したり（図１
は垂直）、ポートの内側に溝などを加工することで（図
示省略）、燃焼室内に渦流の発生を期待できる。またこ
の図のように、回転体が燃焼室表面積の数割を占めてい
るような場合も、回転体の（特に燃焼室側の面の）形状
によっては燃焼室内での渦流の発生や持続を期待でき
る。

【００２０】尚、図１と図７の（Ｂ）は、（Ａ）のよう
に実施した際の、各ポート開口部５、６と回転体開口部
９との位置関係を、四行程１巡分示したもので、図２〜
図６はこれのみを記載してある。また各図の全ての回転
体の回転方向は時計周りとし、図中の平行斜線部分は環
状部分を示す。

【００２１】図１に示す実施例は、円盤状の回転体を１
体用い、吸気口と排気口を１箇所の環状部分で一括して
開閉する、出力軸の減速率１／２での構成。

【００２２】図２に示す実施例は、外側と内側の２箇所
に環状部分のある円盤状の回転体を１体用い、外側の環
状部分で吸気口、内側の環状部分で排気口を開閉する、
出力軸の減速率１／２での構成。

【００２３】図３に示す実施例は、出力軸の減速率が１
／４になっている他は図１と同じ構成。

【００２４】減速率による違いを図１（Ｂ）と図３で説
明すると、出力軸の回転数が等しいとき、減速率１／２
では四行程の１巡を回転体１回転（回転角度３６０゜）
で行うのに対し、減速率１／４では四行程の１巡を回転
体半回転（回転角度１８０゜）で行うので、減速率１／
４では減速率１／２とくらべて、各ポート開口部の数、
または回転体の開口部の数、若しくは図３のようにこれ
ら両方の数を２倍にして構成する。また、開口時間（開
閉タイミング）が等しいとき、減速率１／４では減速率
１／２とくらべて、各ポート開口部や回転体開口部の１
箇所当たりの長さは半分程度に短くなる。尚、図１のよ
うに減速率１／２の場合など、回転体の開口部の位置が
一方に偏る場合は、偏心で回転しないように回転体それ
自体で重さのバランスを調整しておく。

【００２５】図４に示す実施例は、円筒状の環状部分を
持つ回転体を用いる他は、図１と同じ構成。

【００２６】図５に示す実施例は、図２の回転体の２箇
所の環状部分を円周上で分割したような２体の回転体を
用い、吸気口と排気口を、同じ位置の回転軸の２体の回
転体で個別に開閉する、出力軸の減速率１／２での構
成。

【００２７】図１〜図５の実施例では、回転軸はどれも
燃焼室の中央１箇所で、このような場合の燃焼室（回転
体断面）の形状は、回転軸を通るあらゆる断面図で見て
左右対称になる形状（円柱形、円錐形、ドーム型など）
の全てに対応し、必要があれば燃焼室の壁に対して回転
軸を傾けることで、クサビ型などその他の形状にも対応
する。

【００２８】図６に示す実施例は、異なる位置の回転軸
で回転する２体の回転体を用い、それぞれの回転体で吸
気口と排気口を個別に開閉する、出力軸の減速率１／２
での構成。

【００２９】図７に示す実施例は、図２の吸気ポートと
排気ポートを可動にして可変タイミングに対応させた構
成。

【００３０】本発明を可変タイミングに対応させるに
は、各ポート側の開口部か、それに重なる回転体側の開
口部を、環状部分に沿って変形（主に開口部の長さを変
える）、移動（ポート開口部と回転体開口部との位置関
係を変える）させればよい。図７は可動の吸気ポートと
可動の排気ポートを用い、各ポート開口部の始点と終点
の位置を環状部分に沿って移動させることで無段階の可
変タイミングを行う例で、この例ではポートを、「回転
体の環状部分に合わせて湾曲して形成する固定の壁」
と、「２つの可動の壁」１３ａ、１３ｂ（１４ａ、１４
ｂ）とで構成している。この固定の壁と２つの可動の壁
で囲まれる部分がポートになり、これの回転体に届く部
分が開口部になる。２つの可動の壁は固定の壁に沿って
個別に位置を変えられ、この２つの可動の壁のうち、１
３ａ（１４ａ）の位置で開口の開始タイミング、１３ｂ
（１４ｂ）の位置で開口の終了タイミングが決まり、こ
れらの間の距離が開口時間に相当する。

【００３１】また図７の例のように、ポート全体を可動
にした場合、開口部の形状と同時に開口面積やポートの
太さ（断面の面積）などを変化させられる。また、例え
ばこれにポートの長さや開口部の幅なども可動にする機
能を追加してこれらを制御することで、ポート内の脈動
の状態などを細かく制御することも可能になる。

【００３２】また図７の例のように、回転体の環状部分
が外側と内側に２箇所あり、これらが別々のポートを開
閉するような場合、開口時間が等しくても開口面積は内
側より外側の方が大きく（開口部の幅が同じ場合）、開
口時間を変化させる時の開口面積の変化の度合いも内側
より外側の方が大きいので、特に可変タイミングでは外
側を吸気口にすると、より効果的な制御ができる。

【００３３】ここまで各ポートの側での制御による可変
タイミングを説明したが、必要があれば回転体の側でこ
れを行うこともできるので簡単に説明すると、回転体に
「回転数は変えずに回転角度だけを数度〜数十度程度変
化させる装置」を連結してポート開口部と回転体開口部
との位置関係を変化させる。この時点では開口時間は変
わらないが、補助的な役割として図７のような例に組み
合わせることができる。これを開口時間も含めた可変タ
イミングにするには、図示はしないが「同軸上に重ねた
２体の回転体の回転角度を個別に制御して、２つの開口
部の重なりで生じる開口部の形状と位置を変化させる」
仕組みなどを用いる。これを図５や図６のように吸気口
と排気口を別々の回転体で開閉するものと組み合わせる
と、可変タイミングに関しては図７とほぼ同様のことが
できる。

【００３４】本装置を複数気筒で用いる場合は、各シリ
ンダーごとに回転体を設け、回転体どうしを直接、若し
くはギア、ベルト、チェーンなどを介して連動する。
尚、Ｖ型や水平対向型などのシリンダー配列にも従来ど
おりに対応できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は以上のような構成になっている
ので、以下に記載するような効果がある。

【００３６】開口の全開時に、吸・排気口と燃焼室の間
を妨げるものがないので気体が円滑に循環できる他、吸
気ポート内などで発生した（させた）性質を保ったまま
の吸入気を燃焼室まで届けられるので、より脈動や渦流
を活用できる。また、燃焼室内に張り出してくる物もな
いので、上死点を高い位置に設定でき、ピストンにバル
ブリセスも不用で、圧縮効率や熱効率のよい燃焼室を形
成できる。またこのことで残留ガスをほとんど残さない
排気が可能になり、排気直後のシリンダー内の負圧が高
まることで吸入気の充填効率もよくなる。

【００３７】特に動く部品である回転体には、始動から
停止まで常に一方方向のみに慣性力が働いているので、
回転数に関わらず制御に要する力が小さくてすみ回転数
の上げ下げを速く行える他、振動も少なく安定に作動す
るので、不整運動も起こりにくく回転数の上限を上げる
ことができる。

【００３８】動弁特有のタペット音がなく、排気音の消
音のために要する抵抗を小さくできるので排気効率がよ
くなり、このよくなった分を排気の浄化にあてることも
できる。また、新しい４サイクルエンジンの音がきけ
る。

【００３９】本発明は、無段階の可変タイミングに対応
でき、その際、燃焼室の形状を犠牲にすることなく開口
時間を自由に設定できる。さらに開閉タイミングと同時
に開口面積なども変化させられ、より、その回転数に適
した流量や流速で気体の供給、排出ができるので、低回
転域での慣性過給が可能になり、高回転域でのポンプ損
失も軽減できる。また円滑で正確に作動し制御への反応
も速く、この制御にも力はほとんど必要ない。

【００４０】本発明で構成するエンジンでは、燃焼室よ
り上に、高さの必要な部品が、点火プラグと吸・排気ポ
ートしかないので、（場合によっては、これらもない）
全高を低く抑え、重心も下げられる他、エンジンの上部
がすっきりとして、ポートやこれに関連する装置、或い
は従来他の場所にあった装置などをここに自由に構成で
きるので、さらにエンジンの性能を上げられる。また、
部品数自体も少なく簡単な構造なので、軽量・小型にで
きる他、メンテナンスや、チューンナップ、パーツ交換
などが楽にできる。

【００４１】尚、直接の効果ではないが、本発明には従
来のシリンダーブロックなどの流用が可能なので、色々
と便利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図２】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図３】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図４】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図５】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図６】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【図７】本発明の１実施例の概要を示す図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ プラグ孔 ３ 吸気ポート ４ 排気ポート ５ 吸気ポート開口部（吸気口） ６ 排気ポート開口部（排気口） ７ 回転体 ８ 環状部分 ９ 回転体開口部 １０ 回転軸付近 １１ 外周付近 １２ 燃焼室 １３ａ、１３ｂ 可動の壁（吸気側） １４ａ、１４ｂ 可動の壁（排気側）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の吸・排気機構に関して、各ポ
   ート開口部（吸・排気口）と燃焼室とを隔てる位置に、
   「開口部と閉口部とで成る環状部分」を形成した回転体
   を、これの環状部分とポートの開口部とが重なり合うよ
   うに設置し、これを出力軸と連動して単一方向に回転さ
   せることで、回転体の開口部と閉口部が一定の間隔でポ
   ートの開口部上を交互に通過し、開閉を行う装置。
2. 【請求項２】 前記の装置において、ポートの開口部や
   回転体の開口部を、環状部分に沿って移動、変形させる
   ことで、開閉タイミングや開口時間を無段階で変化させ
   る装置。また、これを開口部を含むポート全体を可動に
   して行うことで、開口時間と同時に開口面積やポートの
   断面の面積などを変化させる装置。