JP2003293805A

JP2003293805A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2003293805A
Application number: JP2002099095A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nomura; 啓野村; Mutsumi Kanda; 睦美神田; Daisuke Uchida; 大輔内田; Yoshihiro Okada; 吉弘岡田; Toshimi Kashiwakura; 利美柏倉; Takashi Hajima; 孝志羽島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構成で各種の付加機能を実現する自由
度の高い内燃機関を提供する。【解決手段】吸気弁３１と排気弁４１との間のシリン
ダヘッド１３に転動可能かつ一部を燃焼室１２に露出さ
せた形でロータリー構造体２が配置される。このロータ
リー構造体２は、周方向の一部が切りかかれてチャンバ
ー２０が形成されており、このチャンバー２０が燃焼室
１２と連通する状態と連通しない状態とを切り替えるこ
とで可変圧縮比の内燃機関１が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に関し、特
にその燃焼室付近の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関は、気筒内で燃料を燃焼させて
そのエネルギーを運動エネルギーとして取り出すもので
あり、通常は、気筒内へ空気あるいは燃料混合気を供給
するための吸気弁と、燃焼ガスを排出するための排気弁
とを備えている。

【０００３】特開２０００１８６５１４号公報には、吸
気弁と排気弁をロータリー弁とし、かつ、排気ロータリ
ー弁に燃焼室に露呈可能な凹部を設け、排気ロータリー
弁自体を軸方向に移動させることで、この凹部が燃焼室
内に露呈する状態と露呈しない状態とを切り替えること
で圧縮比を可変する技術が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この技
術では、排気弁と圧縮比可変装置とが共用されているた
めに、圧縮比可変装置としての自由度が低く、排気動作
中には排気弁としてしか機能できない。

【０００５】また、燃焼室に副室を設けたり、排気ガス
を気筒内へと再循環させるＥＧＲ系を設けたりする技術
が知られているが、内燃機関の構造が複雑なものになり
やすい。

【０００６】そこで本発明は、簡易な構成で各種の付加
機能を実現する自由度の高い内燃機関を提供することを
課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る内燃機関は、吸気弁と排気弁を備える
内燃機関において、これらの吸気弁、排気弁から独立し
て燃焼室内に臨む位置に転動可能に配置され、その一部
を燃焼室内に露出させているロータリー構造体を備えて
いることを特徴とする。

【０００８】ここで、ロータリー構造体の一部が燃焼室
内に露出されている、とは、ピストンヘッドが上死点位
置に存在するときに、ピストンヘッドとシリンダヘッド
間に形成される空間（燃焼室）内にロータリー構造体の
一部が露出していることを指す。このロータリー構造体
を利用することで、副室、ＥＧＲ系、可変圧縮比等の付
加機能を高い自由度で実現することができる。

【０００９】このロータリー構造体は、吸気弁と排気弁
の間に配置されていることが好ましい。このようにする
と、ロータリー構造体の一部を燃焼室内へ露出させるの
が容易になる。そして、一列に並べて配置される複数の
気筒を備え、ロータリー構造体は複数の気筒の列方向に
回転軸が延在するよう配置されており、その端部に回転
駆動手段をさらに備えていることが好ましい。このよう
にすると、ロータリー構造体を転動させる機構が複数の
気筒で共有できる。

【００１０】ロータリー構造体は、周方向の一部に凹部
を有していることが好ましい。このようにすると、ロー
タリー構造体を転動させることで、気筒の圧縮比を変更
することができる。さらに周方向に大きさの異なる複数
の凹部を配置すると、圧縮比を様々に変えることが可能
となる。

【００１１】あるいは、複数の凹部のうちいずれか１つ
が燃焼室に臨むよう転動配置され、この凹部に向けて燃
料を噴射する筒内燃料噴射装置をさらに備えていてもよ
い。このように構成すると、筒内噴射式の火花点火内燃
機関において、凹部に燃料を集中させることで成層燃焼
を好適に行うことができる。合わせて、燃焼室の容積を
変更することもできる。

【００１２】このロータリー構造体は、クランクシャフ
トの回転に同期して回転し、凹部が燃焼室と連通してい
ない位置にあるときにその凹部に向けて燃料を噴射する
燃料噴射装置をさらに備えているものでもよい。このよ
うに構成すると、燃焼室から隔離された状態の凹部内に
燃料を噴射することで、成層燃焼を行うのに理想的な状
態の混合気を生成することができる。こうして生成され
た混合気は、ロータリー構造体が回転して凹部が燃焼室
と連通した時点で燃焼室内へと拡散するが、その拡散速
度は、燃焼室内に直接燃料を噴射した場合に形成される
混合気の拡散に比べて遅くなるため、成層燃焼を確実に
行うことができる。

【００１３】あるいは、ロータリー構造体表面から突出
するフィンをさらに備えていてもよい。ロータリー構造
体を転動させることで、この突出するフィンによって燃
焼室内の空気（混合気）を攪乱して、筒内の混合気を均
質化し、火炎伝播性能を向上させる。

【００１４】ロータリー構造体には、その回転によって
燃焼室、吸気通路、排気通路のうちいずれか２つの連通
と遮断を切り替え可能な通路が配置されているものでも
よい。これにより、ＥＧＲを行うことができる。この場
合、低負荷時の吸気行程中に、燃焼室と吸気通路とを連
通させるとともに、吸気弁を閉弁停止させるか、排気行
程中に、燃焼室と吸気通路とを連通可能とするか、吸気
行程中に、燃焼室と排気通路とを連通可能とするか、吸
気行程もしくは排気行程中に、吸気通路と排気通路とを
連通可能とすることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１６】（第１の実施形態）図１、図２は、本発明
に係る内燃機関の第１の実施形態を示す断面構成図であ
る。この内燃機関１は、シリンダ１０内に往復移動する
ピストン１１が配置され、図のピストン１１上部のシリ
ンダヘッド１３との間の空間が燃焼室１２を形成してい
る。シリンダヘッド１３には、吸気管３０と排気管４０
への連通・遮断をそれぞれ切り替える吸気弁３１と排気
弁４１が配置されており、その間にロータリー構造体２
と点火プラグ５０が配置されている。

【００１７】このロータリー構造体２は、円柱構造をな
し、シリンダヘッド１３内の略円管状の凹部１４内に軸
中心を中心として転動可能に配置されている。ここで、
凹部１４は、その円管側面が燃焼室１２に連通開放され
ており、燃焼室１３近傍の部分の周の一部を切り欠くこ
とで、ロータリー構造体２と凹部１４との間にチャンバ
ー２０を形成している。

【００１８】この内燃機関１は、例えば、直列４気筒の
内燃機関であって、図３に示されるように、各気筒が一
直線上に並べて配置されており、１本の円柱状のロータ
リー構造体２は、気筒の配列方向に延在している。そし
て、一端にロータリー構造体２を転動させる駆動機構２
１が配置されている。

【００１９】本実施形態では、図示していないエンジン
ＥＣＵの指示によりロータリー構造体２を転動させるこ
とで、チャンバー２０が燃焼室１２と連通する状態（図
１に示される状態）と、チャンバー２０が燃焼室１２か
ら遮断される状態（図２に示される状態）とを切り替え
ることができる。チャンバー２０が燃焼室１２と連通し
た状態（図１）では、連通していない状態（図２）に比
べてチャンバー２０の分だけ燃焼室１２の実効容積が増
えるため、圧縮比が低下する。つまり、２段階で圧縮比
を変更することができる。

【００２０】本実施形態では、チャンバー２０を含めた
燃焼室１２の形状は複雑なものとならないため、燃焼室
１２の表面積増加に伴う熱効率の低下や既燃ガスの掃気
の悪化を抑制することができるので、運転条件に応じて
圧縮比を変えて、出力の増大や燃費の向上といったメリ
ットを最大限に生かすことができる。また、ロータリー
構造体２を転動させるだけの簡単な構成で実現できるの
で、部品点数の増加も僅かであり、その転動位置の制御
も燃焼室１２とチャンバー２０が連通するか、遮断され
るかを切り替えればよいため、制御精度をそれほど必要
とせず、駆動機構２１の構成が簡単ですみ、制御も容易
である。

【００２１】図４はこのロータリー構造体２の好適な配
置を説明する図である。圧縮比の可変幅を大きくする場
合、つまり、燃焼室１２の容積に比べてチャンバー２０
の容積を大きくする場合には、図４（ａ）に示されるよ
うに、チャンバー２０を燃焼室１２の中央位置、つま
り、吸気弁３１から排気弁４１へ至る混合気・排気ガス
の流路の中間位置に配置することが好ましい。図４
（ｂ）に示される位置に、図４（ａ）に示される位置に
配置したのと同一形状のチャンバー２０を配置した場合
には、チャンバー２０の下面の一部２０ａ部分しか燃焼
室１２に向かって開口しないので、燃焼室表面積増加に
よる冷却損失や絞り損失が発生して熱効率が悪化してし
まう。また、既燃ガスが十分に掃気されない問題も発生
する。

【００２２】以上の説明では、１気筒当たり４弁（吸気
２弁、排気２弁）を有する内燃機関の場合を例に説明し
てきたが、２弁（吸気、排気各１弁）の場合も基本的な
考え方は同様である。ロータリー構造体２（キャビティ
２０）の配置位置としては、図５（ａ）〜図５（ｃ）に
示されるように、吸気弁３１と排気弁４１の間に配置し
ても良く、図５（ｄ）、図５（ｅ）に示されるように、
吸気弁３１、吸気弁４１を片側に配置し、弁が配置され
ていない側にロータリー構造体２（キャビティ２０）を
配置してもよい。いずれの場合でも、燃焼室１２内で吸
気弁３１からキャビティ２０を経て排気弁４１へと流れ
る空気流が形成されるよう吸気管３０から排気管４０に
至る構造を形成することが好ましい。

【００２３】（第２の実施形態）図６は、本発明に係る
内燃機関の第２の実施形態を示す概略構成図である。こ
の内燃機関１ａの構成は、図１に示される第１の実施形
態の内燃機関１と基本的な構成は同一であって、ロータ
リー構造体２の断面形状のみが相違する。すなわち、第
１の実施形態では、ロータリー構造体２はチャンバー２
０を１つのみ備えていたが、この第２の実施形態では、
周方向に大きさの異なる２つのチャンバー２０１と２０
２が配置されている。

【００２４】本実施形態では、ロータリー構造体２を転
動させることで、（１）チャンバー２０１のみが燃焼室
１２と連通する状態（図１に示される状態）、（２）チ
ャンバー２０２のみが燃焼室１２と連通する状態、
（３）チャンバー２０１、２０２いずれも燃焼室１２か
ら遮断される状態の３つの状態を切り替えることができ
る。チャンバー２０１はチャンバー２０２より容積が大
きいため、（１）（２）（３）の順に燃焼室１２の実効
的な容積が小さくなり、圧縮比を高くすることができ、
３段階で圧縮比を変更することができる。

【００２５】図７は、この実施形態における第１の実施
形態の図３に対応する図である。図に示されるように、
複数の気筒上にロータリー構造体２を延在させる場合に
は、周方向における各チャンバーの配置位置は、同一位
置に配置することが好ましい。このようにすると、単一
の駆動機構２１により、各気筒の圧縮比を同一に制御す
ることができる。

【００２６】ここでは、周方向に２個のチャンバーを配
置する例を説明したが、３個以上の大きさの異なるチャ
ンバーを配置してもよい。この場合も基本的な考え方は
同一である。

【００２７】（第３の実施形態）図８は、本発明に係る
内燃機関の第３の実施形態を示す断面構成図である。こ
の内燃機関１ｂは、気筒（燃焼室１２）内に直接燃料を
噴射して点火プラグ５０を用いて着火させる筒内噴射式
火花点火内燃機関であり、シリンダ１０のピストンヘッ
ド１１上死点位置より上の側壁部分にノズルを露出させ
た高圧式のインジェクタ６１が配置されている。このイ
ンジェクタ６１の噴射方向は、ロータリー構造体２の燃
焼室１２内に露出させたチャンバー２０１方向である。
このロータリー構造体２は、容積の異なる２つのチャン
バー２０１、２０２を有しており、図示していないエン
ジンＥＣＵの指示によりロータリー構造体２を転動させ
ることで、チャンバー２０１、２０２のうちいずれか一
方が、燃焼室１２内に露出してインジェクタ６１のノズ
ル方向に面するよう配置させることができる。

【００２８】この内燃機関１ｂでは、成層運転域内の高
負荷領域においては、容積の大きいチャンバー２０１を
燃焼室１２内に向けて露出させ（図８の状態）、インジ
ェクタ６１から燃料をチャンバー２０１に向けて噴出す
ることにより、チャンバー２０１付近に理論空燃比ない
しこれよりやや濃い混合気を形成して、チャンバー２０
１に近接する点火プラグ５０を用いて着火することで、
燃焼室１３全体としては理論空燃比よりも薄い空燃比で
あっても、安定した燃焼を行うことができる。

【００２９】一方、成層運転域内の低負荷領域において
は、容積の小さいチャンバー２０２を燃焼室１２内に向
けて露出させ、インジェクタ６１から前述の高負荷領域
の場合より少ない燃料をチャンバー２０２へ向けて噴出
することにより、チャンバー２０１付近に理論空燃比な
いしこれよりやや濃い混合気を形成して、チャンバー２
０１に近接する点火プラグ５０を用いて着火すること
で、燃焼室１３全体としては理論空燃比よりも薄い空燃
比であっても、安定した燃焼を行うことができる。この
ように理論空燃比に近い濃混合気を集中させるチャンバ
ー２０１、２０２の容積を運転状態に応じて変えること
で、濃混合気の量の調整範囲が拡大し、広い運転範囲で
理想的な成層燃焼を行うことができる。これにより、濃
混合気の量に対してチャンバー容積が大きい場合におこ
るNOxの発生や失火を抑制するとともに、濃混合気の量
に対してチャンバー容積が小さい場合に過濃混合気とな
ることにより起こる燃費悪化や混合気がチャンバーから
はみ出すことによる成層燃焼の不安定発生などを抑制し
て、低エミッションと低燃費を実現することができる。

【００３０】さらに、成層運転の軽負荷域では、圧縮比
を増大させ、他の領域では圧縮比を低下させることで、
他の領域でのノッキングの発生を抑制しつつ、成層軽負
荷域の燃費を改善することができる。

【００３１】図９は、この実施形態における第１の実施
形態の図３に対応する図である。図に示されるように、
複数の気筒上にロータリー構造体２を延在させる場合に
は、周方向における各チャンバーの配置位置は、同一位
置に配置することが好ましい。このようにすると、単一
の駆動機構２１により、各気筒のチャンバー容積を同時
に変更することができる。

【００３２】（第４の実施形態）図１０は、本発明に係
る内燃機関の第４の実施形態を示す断面構成図である。
この内燃機関１ｃは、副室式の内燃機関であって、シリ
ンダヘッド１３の燃焼室１２に臨む位置の円管状の凹部
１４内にロータリー構造体２が転動可能に配置されてい
る。このロータリー構造体２は、クランクシャフトの回
転に同期して１サイクルで１回転、つまり、クランクシ
ャフトの半分の角速度で回転するように設定されてい
る。ロータリー構造体２は、その断面の一部が切り欠か
れて形成されたチャンバー２０を有している。

【００３３】ロータリー構造体２の上、すなわち、ロー
タリー構造体２が燃焼室１２に面している側と反対の側
には、燃料インジェクタ６２とエアインジェクタ６３の
各ノズルがロータリー構造体２に向けて配置されてい
る。この内燃機関１ｃは、吸気管３０上にもインジェク
タ６１が配置されている。

【００３４】次に、この内燃機関１ｃの動作を図１１を
参照して説明する。まず、図１１（ｄ）に示される排気
行程では、ロータリー構造体２のチャンバー２０は、燃
焼室１２とは隔絶された状態にあり、燃料インジェクタ
６２のノズルと連通した状態にある。そして、燃料イン
ジェクタ６２から所定の量の燃料がチャンバー２０内へ
と供給される。一方、吸気管３０内には、インジェクタ
６１からも燃料が供給されている。ここで、インジェク
タ６１から供給される燃料の量は、燃焼室１２内に希薄
混合気を形成する量である。このとき、排気弁４１が開
かれ、吸気弁３１が閉じられていることで、ピストン１
１の上昇に伴い、燃焼室１２内の既燃ガスは排気管４０
へと送られる。

【００３５】続く、吸気行程（図１１（ａ）参照）で
は、排気弁４１を閉じ、吸気弁３１を開くことで、ピス
トン１１の下降に伴って、吸気管３０内の希薄混合気が
燃焼室１２内へと導入される。このとき、ロータリー構
造体２のチャンバー２０は、燃焼室１２とは引き続き隔
絶された状態にあり、エアインジェクタ６３のノズルと
連通した状態にある。そして、エアインジェクタ６２か
らは、チャンバー２０内へ、前の排気行程でチャンバー
２０内に導入された燃料と合わせてチャンバー２０内に
理論空燃比あるいはやや濃い混合気を形成するのに足り
るだけの空気が供給される。次の圧縮工程までの間にチ
ャンバー２０内の気化燃料と空気は良好に混合して略一
様の濃混合気となる。

【００３６】次の圧縮工程（図１１（ｂ）参照）では、
吸気弁３１も閉じ、燃焼室１２内に導入された希薄混合
気は、ピストン１１の上昇に伴って、圧縮される。この
とき、ロータリー構造体２の回転によりチャンバー２０
と燃焼室１２が連通し、チャンバー２０の燃焼室１２へ
の開口部も徐々に広がる。このため、チャンバー２０内
の濃混合気６６は燃焼室１２のチャンバー２０近傍へと
広がるが、チャンバー２０付近に偏在するため、良好な
成層混合気の分布状態を作り出すことができる。

【００３７】チャンバー２０が燃焼室１２と対向して、
燃焼室１２の一部を形成した時点（ピストン１１が上死
点位置に達した前後）に点火プラグ５０により混合気に
点火する（図１０参照）。このとき、濃混合気６６が点
火プラグ５０付近に偏在しているので、燃焼室１２全体
としては空燃比がリーンな状態であっても確実に着火が
行える。着火後は、濃混合気６６から周囲の希薄混合気
へと火炎が伝播し、燃焼室１２（チャンバー２０を含
む）内での燃焼を安定させることができる。このとき、
チャンバー２０が燃焼室１２の一部を形成していること
から、一般の副室式燃焼室のような冷却損失や絞り損失
が発生することがなく、チャンバー２０からの混合気の
噴出による拡散やチャンバー２０に未燃焼の混合気が残
ったままチャンバー２０と燃焼室が遮断されることがな
い。

【００３８】燃焼により、燃焼ガスは膨張し、ピストン
１１が押し下げられ、燃焼エネルギーが運動エネルギー
として回収される膨張行程に至る（図１１（ｃ）参
照）。クランクシャフトの回転にしたがって、ロータリ
ー構造体２は回転し、チャンバー２０は内部に既燃ガス
を取り込んだ状態のまま燃焼室１２から遮断される。

【００３９】そして、最初に説明した排気行程（図１１
（ｄ）参照）へと戻る。チャンバー２０内に高温の既燃
ガスが残留しているため、燃料インジェクタ６２から噴
射した燃料の気化が促進される。以上の行程を繰り返す
ことで、確実な成層燃焼を行うことができる。

【００４０】このロータリー構造体２を複数の気筒上に
延在させる場合、第１〜第３の実施形態と異なり、気筒
間で周方向のチャンバー２０の位置を異ならせる必要が
ある。以下、直列４気筒の場合を例に説明する。図１２
は、４気筒を上から見た図であり、図１３は、駆動機構
２１側からロータリー構造体２を見た図である。この直
列４気筒内燃機関の場合には、クランク角度にして１８
０度（１／４サイクル）ずらして、１０ａ、１０ｃ、１
０ｄ、１０ｂの順に点火を行う。ロータリー構造体２
は、クランクシャフト１回転ごとに半回転するから、各
チャンバー２０ａ２０ｃ、２０ｄ、２０ｂはその半分の
９０度ずつその回転方向に位相をずらして配置されてい
る。このように配置することで、各気筒の運転サイクル
に合わせてチャンバー２０と燃焼室１２および燃料イン
ジェクタ６２、エアインジェクタ６３との連通、遮断を
切り替えることが可能である。

【００４１】チャンバー２０と燃焼室１２とを連通させ
たときの、燃焼室１２内の圧力とチャンバー２０内の圧
力との差を小さくすることが好ましい。チャンバー２０
内の圧力が燃焼室１２内の圧力より高すぎる場合には、
チャンバー２０が燃焼室１２に向けて連通すると同時に
開口部からチャンバー２０内の混合気６６が燃焼室１２
内へと噴出し、拡散してしまうため理想的な成層混合気
分布を形成することが困難になる。逆に、チャンバー２
０内の圧力が燃焼室１２内の圧力より低すぎると、燃焼
室１２内の希薄混合気や既燃ガス等がチャンバー２０内
へ侵入してしまい、混合気が薄められて、着火しがたく
なってしまう。

【００４２】そこで、駆動機構２１をギヤ、ベルト、チ
ェーン等によってクランクシャフトに単に直結するので
はなく、駆動機構２１内に位相可変機構を組み込むこと
により、ロータリー構造体２の回転位相を進角、遅角で
きるようにすることが好ましい。このようにすると、燃
焼室１２とチャンバー２０の圧力差が小さい時点で両者
を連通させるようその連通時期を調整することができ
る。

【００４３】なお、図１０に示される実施形態では、吸
気管３０にもインジェクタ６０を配置しているが、吸気
管３０にはインジェクタ６０を配置しない構成を採って
もよい。この場合、筒内に形成される混合気分布は、点
火プラグ５０付近の開口したチャンバー２０近傍のみに
混合気６６が集中し、その周辺領域は燃料を全く含まな
い空気あるいは空気と既燃ガスの混合気が占める成層分
布となる。

【００４４】図１４、図１５はそれぞれ本実施形態の変
形形態を示す断面構成図である。図１４に示される内燃
機関１ｄは、図１０に示される内燃機関１ｃの燃料イン
ジェクタ６２とエアインジェクタ６３の機能をエアブラ
ストノズル６４により共用させている。この場合は、所
定の空燃比の混合気を直接チャンバー２０内に供給する
ことができる。

【００４５】図１５に示される内燃機関１ｅは、ロータ
リー構造体２の構成が図１０に示される内燃機関１ｃと
相違し、チャンバー２０１とチャンバー２０２とが１８
０度位相をずらして配置されている。この実施形態では
ロータリー構造体２は、クランクシャフト１回転ごとに
１／４回転する。つまり、１サイクルで半回転する。こ
のようにすると、チャンバー２０１、２０２の燃焼室１
２との連通時間を長く採れるため、混合気の拡散を抑制
することができ、理想的な成層燃焼を行うことができ
る。

【００４６】チャンバー２０１、２０２内には高温の既
燃ガスが残留したほうが燃料の気化促進の観点からは有
利であるが、既燃ガスの残留量が多いと、必要な空燃比
の混合気を形成するためにはよりチャンバー２０１、２
０２内の圧力を高める必要があり、特に、エアインジェ
クタ６３の噴射圧力を高める必要がある。そこで、図１
５に示されるように、吸気弁３１が開いた段階でチャン
バー２０２（あるいは２０１）が吸気弁３１近傍で開口
しているようなタイミングでロータリー構造体２を回転
させることで、燃焼後にチャンバー２０１、２０２内を
吸入空気により掃気することで、低いチャンバー２０
１、２０２内の圧力で必要な空燃比の混合気を形成する
ことを可能とすることが好ましい。

【００４７】図１６は、内燃機関１ｅの構成を直列４気
筒形式の内燃機関に適用した場合のロータリー構造体２
のチャンバー２０１、２０２配置を説明する図である。
図１３に示されるロータリー構造体２に比べてクランク
シャフトの回転数が同一でもその回転速度は半分になる
ため、各チャンバー２０１ａ、２０１ｃ、２０１ｄ、２
０１ｂ、２０２ａ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｂは４
５度ずつその回転方向に位相をずらして配置されてい
る。

【００４８】（第５の実施形態）図１７は、本発明に係
る内燃機関の第５の実施形態を示す断面構成図である。
この内燃機関１ｆは、吸気弁３１と排気弁４１の間のシ
リンダヘッド１３に、側面が燃焼室１２に向けて開口さ
れた略円管状の凹部１４内が形成され、この凹部１４内
にロータリー構造体２が転動可能に配置されている。こ
のロータリー構造体２は、半月状の断面を有し、凹部１
４との間に形成されるチャンバー２０内に軸中心から径
方向に広がるとともに、軸方向に沿って延びる複数のフ
ィン２３が配置されている。

【００４９】この内燃機関１ｆでは、ロータリー構造体
２を回転させることで、フィン２３によって燃焼室１２
内の空気に乱れを形成するものである。この制御は、図
示していないエンジンＥＣＵにより、駆動機構を制御す
ることで行われる。

【００５０】吸気行程中はロータリー構造体２を回転さ
せ、フィン２３によって燃焼室１２内に乱れを形成し、
混合気を均質化させる。圧縮行程中は、チャンバー２０
が燃焼室１２から遮断した状態でロータリー構造体２の
回転を止めることで、圧縮中に圧縮比が脈動しないよう
にすることが好ましい。点火後の膨張行程中は、ロータ
リー構造体２を回転させることでフィン２３によって燃
焼室１２内に乱れを形成して火炎伝播を促進することに
より、ノッキングの発生を抑制する。排気行程中もロー
タリー構造体２を回転させることで、フィン２３によっ
て燃焼室１２内に乱れを形成し、筒内の既燃ガスの掃気
効率を向上させる。残留ガス割合を低下させることで次
サイクルでのノッキングを抑制することができる。

【００５１】ロータリー構造体２の回転数は、フィン２
３による乱れ効果を高めるため、クランクシャフトの回
転数より高いことが好ましい。圧縮行程で停止させる場
合には、これを駆動させる駆動機構２１は、クランクシ
ャフトから切り離し可能な構成とすることが好ましい。
あるいは、モーター等の独自の駆動源を有していてもよ
い。この場合は、各気筒ごとに独自の駆動機構が必要と
なる。

【００５２】圧縮行程で停止させない場合には、クラン
クシャフトの１回転ごとに数回転する構成とし、図１８
に示されるように複数の気筒間に延在させて駆動機構２
１を共有することも可能である。フィン２３の配置は気
筒ごとに異ならせてもよいが、図１８に示されるように
周方向で同じ位置に配置してもよい。

【００５３】また、ロータリー構造体２は、燃焼室１２
の上部に設ける必然性はなく、図１９に示される内燃機
関１ｇのように吸気弁３１近傍のシリンダ１０の側壁に
配置しても良く、図２０に示される内燃機関１ｈのよう
に排気弁４１近傍のシリンダ１０の側壁に配置してもよ
い。いずれの場合であっても、図示していないピストン
が上死点に達した場合でもキャビティ２０が燃焼室１２
に連通可能となる位置にロータリー構造体２を配置する
必要がある。

【００５４】以上の説明では、乱れ形成のため、ロータ
リー構造体２に径方向に広がるフィン２３を設ける例を
説明してきたが、ロータリー構造体２を軸中心を中心と
するらせん状のフィンが配置された構造としてもよい。

【００５５】（第６の実施形態）図２１は、本発明に係
る内燃機関の第６の実施形態を示す断面構成図である。
この内燃機関１ｉは、吸気弁３１と排気弁４１の間のシ
リンダヘッド１３に、側面が燃焼室１２に向けて開口さ
れた略円管状の凹部１４内が形成され、この凹部１４内
にロータリー構造体２が転動可能に配置されている。こ
のロータリー構造体２には、円周上の２点を連結して連
通させる連通孔２４が配置されている。そして、ロータ
リー構造体２の回転により、この連通孔２４と吸気管３
０とを連通可能とする吸気孔３２が設けられている。こ
のとき、吸気孔３２と連通孔２４とにより燃焼室１３と
吸気管３０とが連通する。また、吸気弁３１には図示し
ていない弁停止機構を備えている。

【００５６】この内燃機関１ｉでは、低負荷時つまり吸
入空気量が少ないときには、図示していないエンジンＥ
ＣＵ１の指示により、弁停止機構を作動させて吸気弁３
１を停止させる。そして、吸気行程の通常の吸気弁３１
の開タイミング内において、図示していない駆動機構に
よりロータリー構造体２を転動させて連通孔２４を燃焼
室１３、吸気孔３２と連通させる。連通孔２４の流路断
面積を吸気弁３１の開面積より小さく設定することで、
吸気の流速を速め、筒内の吸気流動を強めることができ
る。つまり、低負荷時には、通常の吸気弁３１に代えて
ロータリー構造体２を吸気弁として使用する。この連通
孔２４には、傘状の弁が存在しないため、流量が少ない
場合でも連通孔２４から燃焼室１２へ導入される空気の
流線が弁の形状による影響を受けることがなく、流路を
絞って流速を速める効果を十分に活用することができ
る。

【００５７】吸入が終了したら、図示していない駆動機
構によりロータリー構造体２を転動させて連通孔２４を
燃焼室１３、吸気孔３２から遮断する。

【００５８】中負荷等の混合気流量が標準範囲の場合に
は、図示していないエンジンＥＣＵ１の指示により、弁
停止機構を停止させて吸気弁３１を所定のタイミングで
開閉させることで、吸気弁３１を介しての吸気を行う。
スロットル全開時などの吸入空気量を極力確保したい状
況においては、吸気弁３１を所定のタイミングで開閉す
るとともに、このタイミングに合わせて図示していない
駆動機構によりロータリー構造体２を転動させること
で、連通孔２４を介して燃焼室１２内にさらに大量の混
合気を導入することが好ましい。これにより、吸気量を
拡大するとともに、燃焼室１２内の混合を促進すること
ができる。

【００５９】図２１に示される連通孔２４を使用した場
合には、燃焼室１２内には、図において時計回りに回転
する正のタンブル流が得られる。これに対して、図２２
に示される形状の連通孔２４を使用すれば、燃焼室１２
内には、図において反時計回りに回転する負のタンブル
流が得られる。いずれの場合であっても、軽負荷時の混
合気の混合を促進する効果は同一である。

【００６０】連通孔２４の形状は図に示した形状に限ら
れるものではなく、燃焼室１２内に拡散させる形状や１
気筒あたり複数の連通孔２４を配置して乱れを促進して
もよい。

【００６１】（第７の実施形態）図２３は、本発明に係
る内燃機関の第７の実施形態を示す断面構成図である。
この内燃機関１ｊは、吸気弁３１と排気弁４１の間のシ
リンダヘッド１３に、側面が燃焼室１２に向けて開口さ
れた略円管状の凹部１４内が形成され、この凹部１４内
にロータリー構造体２が転動可能に配置されている。こ
のロータリー構造体２には、円周上の２点を連結して連
通させる連通孔２４が配置されており、ロータリー構造
体２の回転により、この連通孔２４は、吸気管３０と燃
焼室１２の連通、遮断を切り替え可能とされている。こ
のロータリー構造体２の転動駆動は、クランクシャフト
の回転と同期して半分の回転数で回転する機構を用いて
行えばよい。

【００６２】図２４は、この内燃機関１ｊにおける吸排
気弁３１、４１とロータリー構造体２の連通孔２４の作
動タイミングを表すタイムチャートである。縦軸はリフ
ト量もしくは開口率を示し、横軸中央のＴＤＣが排気上
死点を示している。この実施形態では、ピストン１１が
膨張行程を終え、下死点（ＢＤＣ）に到達した後の排気
行程中に排気弁４１を開くとともに、図示していない駆
動機構によってロータリー構造体２を転動させて連通孔
２４によって燃焼室１２と吸気管３０とを連通させる。
これにより、燃焼室１２内の既燃ガスは排気管４０へと
排出されるとともに、その一部が吸気管３０へと戻され
る。

【００６３】ピストン１１がＴＤＣに到達し、排気行程
が終了するまでに排気弁４１は閉じられ、これと前後し
て図示していない駆動機構によってロータリー構造体２
を転動させることで、連通孔２４による燃焼室１２と吸
気管３０との連通を解除する。排気弁４１の閉止と前後
して吸気弁３１を開くことで、吸気管３０の上流側から
供給される新気と、排気行程中に吸気管３０に戻された
既燃ガスとが燃焼室１２内へと導かれる。こうして既燃
ガスを再度燃焼室１３内へ導くＥＧＲを行うことで、筒
内ガス温度を上昇させてインジェクタ６１から噴出され
る燃料の気化を促進し、燃焼を安定させ、エミッション
を向上させることができる。

【００６４】本実施形態では、ＥＧＲ導入のためにロー
タリー構造体２を利用しているため、このロータリー構
造体２の回転位相をずらすだけで、ＥＧＲガスの流量、
送出タイミングを制御することができる。これはカム・
バルブ機構においていわゆる二重カムを用いる場合に比
べて簡単な構造でタイミング可変を実現することがで
き、その制御も容易である。さらに、吸気／排気弁３
０、３１の駆動に２段カムを利用することで、同様のＥ
ＧＲを行おうとすると弁のリフト回数が倍になるため、
高回転数で動作させようとすると、応答性・耐久性が問
題となり、カム機構周辺の構造が複雑になってしまう
が、本実施形態では、弁のリフト回数は通常の場合と変
わらず、ロータリー構造体２自体の構成は簡単であるた
め、応答性・耐久性の点で有利である。

【００６５】このようなＥＧＲガスの導入を行うための
構造は図２３の構造に限られるものではない。以下その
変形形態のいくつかについて説明する。

【００６６】図２５に示される内燃機関１ｋの連通孔２
５は、ロータリー構造体２の回転により、排気管４０と
燃焼室１２との連通、遮断を切り替えるものである。具
体的には、吸気行程（図２６のＴＤＣ以降ＢＤＣ以前）
において、吸気弁３１を開くとともに、連通孔２５によ
って排気管４０と燃焼室１２とを連通させることで、直
前の排気行程で排気管４０に送出された既燃ガスの一部
を燃焼室１２へと戻す。これにより、上述した内燃機関
１ｊと同様の効果が得られる。

【００６７】図２７に示される内燃機関１ｌの連通孔２
６は、ロータリー構造体２の回転により、吸気管３０と
排気管４０との連通、遮断を切り替えるものである。具
体的には、排気行程（図２８の最初のＢＤＣ以前ＴＤＣ
以降）において、図２７に示されるように排気弁４１を
開くとともに、連通孔２６によって吸気管３０と排気管
４０とを連通させることで、燃焼室１２内から排気管４
０に送出される既燃ガスの一部を吸気管３０へと送出す
る。次の吸気行程（図２８のＴＤＣ以降次のＢＤＣ以
前）においてこの既燃ガスは、新気とともに燃焼室１２
へ導入される。これにより、上述した内燃機関１ｊと同
様の効果が得られる。

【００６８】あるいは、この内燃機関１ｌにおいて、ロ
ータリー構造体２によるＥＧＲ制御は以下のように行う
こともできる。排気行程（図３０の最初のＢＤＣ以前Ｔ
ＤＣ以降）では、排気弁４１のみを開き、燃焼室１２内
から排気管４０に既燃ガスを送出送出する。次の吸気行
程（図３０のＴＤＣ以降次のＢＤＣ以前）では、図２９
に示されるように吸気弁３１を開くとともに、連通孔２
６によって吸気管３０と排気管４０とを連通させること
で、直前の排気行程で排気管４０に送出された既燃ガス
の一部を吸気管３０を介して燃焼室１２へと戻す。これ
により、上述した内燃機関１ｊと同様の効果が得られ
る。

【００６９】さらに、両者を組み合わせて図３１に示さ
れるように、連通孔２６による吸気管３０と排気管４０
の連通を排気行程と吸気行程の２度行ってもよい。この
場合は吸気・排気行程では連通を行い、続く圧縮・膨張
行程では遮断を行う必要があるので、圧縮・膨張行程中
はロータリー構造体２の回転を止めることが可能な駆動
装置を用いる必要がある。この場合でも上述した内燃機
関１ｊと同様の効果が得られる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
焼室に臨み、その一部を燃焼室内に露出させたロータリ
ー構造体を配置することで、様々な機能を実現すること
ができる。

【００７１】このロータリー構造体に１つあるいは複数
の凹部を配置し、燃焼室に凹部が連通しない状態と、所
定の凹部が連通する状態とを切り替えることで、可変圧
縮比の内燃機関が実現される。

【００７２】ロータリー構造体の凹部に向けて燃料を噴
射することで、凹部（キャビティ）近辺に混合気を集中
させるようにすると、理想的な成層燃焼が実現できる。

【００７３】ロータリー構造体をクランクシャフトの回
転に同期して、回転させ、キャビティが燃焼室から遮断
されている時点でキャビティ内に燃料を噴射して良好な
混合気を形成し、その後、キャビティを燃焼室に連通さ
せると、気筒内に良好な成層混合気分布を形成すること
ができる。

【００７４】ロータリー構造体にフィンを形成して、運
転状態に合わせて構造体を回転させると、このフィンに
よって燃焼室内の混合気（空気、既燃ガス）に乱れを形
成することができ、燃焼の安定性向上や、掃気の効率を
向上させることができる。

【００７５】ロータリー構造体に連通孔を設け、その回
転によって吸気管、排気管、燃焼室のうちいずれか２つ
を連通可能とすると、ＥＧＲ導入や低負荷時の吸気制御
が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の第１の実施形態を示す
断面構成図である。

【図２】図１の内燃機関の別の状態を示す断面構成図で
ある。

【図３】図１の実施形態の内燃機関（直列４気筒）を上
から見た図である。

【図４】図１の実施形態におけるロータリー構造体の好
適な配置位置を説明する図である。

【図５】図１の実施形態の別の変形例のいくつかを上か
ら見た図である。

【図６】本発明に係る内燃機関の第２の実施形態を示す
断面構成図である。

【図７】図６の実施形態を上から見た図である。

【図８】本発明に係る内燃機関の第３の実施形態を示す
断面構成図である。

【図９】図８の実施形態を上から見た図である。

【図１０】本発明に係る内燃機関の第４の実施形態を示
す断面構成図である。

【図１１】図１０の機関の１サイクルの動きを示す図で
ある。

【図１２】図１０の機関を上から見た図である。

【図１３】図１０の機関におけるロータリー構造体の凹
部の配置を説明する図である。

【図１４】図１０の実施形態の変形例を示す断面構成図
である。

【図１５】図１０の実施形態の別の変形例を示す断面構
成図である。

【図１６】図１５の機関におけるロータリー構造体の凹
部の配置を説明する図である。

【図１７】本発明に係る内燃機関の第５の実施形態を示
す断面構成図である。

【図１８】図１７の機関を上から見た図である。

【図１９】図１７の実施形態の変形例を示す断面構成図
である。

【図２０】図１７の実施形態の別の変形例を示す断面構
成図である。

【図２１】本発明に係る内燃機関の第６の実施形態を示
す断面構成図である。

【図２２】図２１の実施形態の変形例を示す断面構成図
である。

【図２３】本発明に係る内燃機関の第７の実施形態を示
す断面構成図である。

【図２４】図２３の機関における吸排気弁とＥＧＲ通路
の開閉タイミングを説明するタイムチャートである。

【図２５】図２３の実施形態の第１の変形例を示す断面
構成図である。

【図２６】図２５の機関における吸排気弁とＥＧＲ通路
の開閉タイミングを説明するタイムチャートである。

【図２７】図２３の実施形態の第２の変形例を示す断面
構成図である。

【図２８】図２７の機関における吸排気弁とＥＧＲ通路
の開閉タイミングを説明するタイムチャートである。

【図２９】図２７の変形例の別の状態を示す断面構成図
である。

【図３０】図２７の機関の別の吸排気弁とＥＧＲ通路の
開閉タイミングを説明するタイムチャートである。

【図３１】図２７の機関のさらに別の吸排気弁とＥＧＲ
通路の開閉タイミングを説明するタイムチャートであ
る。

【符号の説明】

１…内燃機関、２…ロータリー構造体、１０…シリン
ダ、１１…ピストン、１２…燃焼室、１３…シリンダヘ
ッド、１４…凹部、２０、２０１、２０２…チャンバ
ー、２３…フィン、２４〜２６…連通孔、３０…吸気
管、３１…吸気弁、４０…排気管、４１…排気弁、５０
…点火プラグ、６０、６１、６２…燃料インジェクタ、
６３…エアインジェクタ、６４…エアブラストノズル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｆ０２Ｄ 13/02 ＨＪ 21/08 ３０１ 21/08 ３０１Ａ 41/04 ３２０ 41/04 ３２０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｓ３０１Ｚ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２ＪＦ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｄ (72)発明者内田大輔愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者岡田吉弘愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者柏倉利美愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者羽島孝志愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G023 AA01 AB01 AC04 AC05 AD02 AD04 AD05 AD09 3G024 AA01 AA03 AA09 AA11 AA13 AA16 DA01 DA03 3G084 AA03 BA23 DA02 DA38 3G092 AA01 AA06 AA10 AA11 AA12 AA13 AB02 BB19 DA01 DA03 DA08 DA11 DD08 DD10 DE03S DF01 DF02 DG01 EA14 FA16 FA21 FA24 GA05 HA12X HC05X 3G301 HA01 HA04 HA19 JA02 JA21 JA22 KA08 LA07 LB04 MA29 PA01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁と排気弁を備える内燃機関におい
て、前記吸気弁、排気弁から独立して燃焼室内に臨む位置に
転動可能に配置され、その一部を燃焼室内に露出させて
いるロータリー構造体を備えている内燃機関。
【請求項２】前記ロータリー構造体は、前記吸気弁と
前記排気弁の間に配置されている請求項１記載の内燃機
関。
【請求項３】一列に並べて配置される複数の気筒を備
え、前記ロータリー構造体は前記複数の気筒の列方向に
回転軸が延在するよう配置されており、その端部に回転
駆動手段をさらに備えている請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】前記ロータリー構造体は、周方向の一部
に凹部を有している請求項１〜３のいずれかに記載の内
燃機関。
【請求項５】周方向に大きさの異なる複数の凹部が配
置されている請求項４記載の内燃機関。
【請求項６】前記複数の凹部のうちいずれか１つが燃
焼室に臨むよう転動配置され、この凹部に向けて燃料を
噴射する筒内燃料噴射装置をさらに備えている請求項５
記載の内燃機関。
【請求項７】前記ロータリー構造体は、クランクシャ
フトの回転に同期して回転し、前記凹部が燃焼室と連通
していない位置にあるときに該凹部に向けて燃料を噴射
する燃料噴射装置をさらに備えている請求項４に記載の
筒内燃料噴射装置。
【請求項８】周方向に大きさが同じ複数の凹部が配置
されている請求項７記載の内燃機関。
【請求項９】前記ロータリー構造体表面から突出する
フィンをさらに備えている請求項１〜３のいずれかに記
載の内燃機関。
【請求項１０】前記ロータリー構造体は、その回転に
よって燃焼室、吸気通路、排気通路のうちいずれか２つ
の連通と遮断を切り替え可能な通路が配置されている請
求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項１１】低負荷時の吸気行程中に、前記ロータ
リー構造体によって燃焼室と吸気通路とを連通させると
ともに、前記吸気弁を閉弁停止させる請求項１０記載の
内燃機関。
【請求項１２】排気行程中に、前記ロータリー構造体
によって燃焼室と吸気通路とを連通可能とする請求項１
０記載の内燃機関。
【請求項１３】吸気行程中に、前記ロータリー構造体
によって燃焼室と排気通路とを連通可能とする請求項１
０記載の内燃機関。
【請求項１４】吸気行程もしくは排気行程中に、前記
ロータリー構造体によって吸気通路と排気通路とを連通
可能とする請求項１０記載の内燃機関。