JP2006188959A - エンジンの動弁装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】2つの吸気弁の開弁時期を最適に設定し、安定した燃焼を得ることができるようにする。
【解決手段】1の気筒に吸気弁9,10を備え、第2吸気弁10の開弁時期を第1吸気弁9の開弁時期に対して±30[゜CA]の範囲で設定すると共に、最大リフト量L2maxを第1吸気弁9の最大リフト量L1maxの1/9以上に設定する。その結果、第2吸気弁10側から供給される吸入空気により、第1吸気弁9側から供給される吸入空気と重畳し、一つ又は幾つかの縦渦を生成することで、燃焼時に強い乱れを発生させて安定した燃焼を得ることができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、燃焼室内に強い乱れを生じさせることのできるエンジンの動弁装置に関する。
一般に、車両等に搭載されているエンジンは、吸気効率の向上を実現するために一つの気筒に対して、2つの吸気ポートを設けるものがある。この場合、各吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁時期を最適に設定することで吸気効率をより一層向上させることができる。
例えば特許文献1(特開平11−229913号公報)には、2つの吸気弁のうち一方の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも遅らせると共に、他方の吸気弁のリフト量を一方の吸気弁のリフト量よりも小さく設定し、吸気行程において、両吸気弁の開弁時期に角度差を生じさせて、両吸気ポートから筒内へ供給される吸入空気量に時間差を生じさせる技術が開示されている。
同文献によれば、両吸気弁の開弁時期に角度差を生じさせ、両吸気ポートから導入される吸入空気量に時間差を生じさせることで、筒内に発生するスワールを強化し、安定した燃焼状態を確保できるようにしている。
特開平11−229913号公報
ところで、燃焼の改善は、スワール流、タンブル流等のガス流動を強化することで得られる訳ではないことが、実験から解析された。すなわち、実験によれば2つの吸気弁の一方の開弁時期を遅らせると、確かにガス流動が強化されることは確認できたが、燃焼は必ずしも改善されていないことが判明した。このため、上述した文献に開示されている技術を採用しても、より安定した燃焼を得るには限界がある。
本発明は、上記事情に鑑み、少なくとも2つの吸気弁の開弁時期を最適に設定し、安定した燃焼を得ることのできるエンジンの動弁装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため第1発明は、1つの気筒に一方及び他方の吸気弁を備え、
上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期と上記一方の吸気弁の開弁時期との角度差が±30クランク角度以内に設定されていることを特徴とする。
第2発明は、1つの気筒に一方及び他方吸気弁を備え、上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期の後に上死点が設定され、上記一方の吸気弁の開弁時期が上記基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度前と上記上死点後20クランク角度との間に設定されていることを特徴とする。
第3発明は、1つの気筒に一方及び他方吸気弁を備え、上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期の前に上死点が設定され、上記一方の吸気弁の開弁時期が上記上死点前20クランク角度と上記基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度後との間に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、基準吸気弁の開弁時期と一方の吸気弁の開弁時期との角度差を±30クランク角度以内に設定し、或いは基準吸気弁の開弁時期の後に上死点を設定すると共に一方の吸気弁の開弁時期を基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度前と上死点後20クランク角度との間に設定し、或いは基準吸気弁の開弁時期の前に上死点を設定すると共に一方の吸気弁の開弁時期を上死点前20クランク角度と基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度後との間に設定することで、の吸気弁側から供給される吸入空気により、基準吸気弁側から供給される吸入空気と重畳し、一つ又は幾つかの縦渦を生成することができ、燃焼時に強い乱れを発生させて安定した燃焼を得ることができる。
以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図1はエンジンの要部断面図、図2は図1のII-II断面図である。
これらの図において符号1はエンジンであり、このエンジン1のシリンダブロック2の上面にシリンダヘッド3が固設されている。シリンダブロック2に形成されているシリンダボア4内にピストン5が摺動自在に配設され、このピストン5とシリンダヘッド3とシリンダボア4とで囲まれた領域に燃焼室6が形成される。
図2に示すように、シリンダヘッド3には、燃焼室6に連通する第1、第2吸気ポート7a,7bと、第1、第2排気ポート8a、8bとが2つずつ気筒毎に開口されている。両吸気ポート7a,7bは、上流側で集合され、吸気マニホルドを含む吸気通路11に連通されている。一方、両排気ポート8a,8bは、下流側で集合されて排気マニホルドを含む排気通路に連通されている。
又、各吸気ポート7a,7bに第1、第2吸気弁9,10が各々開閉自在に配設されている。各吸気弁9,10は、後述する吸気動弁機構21により、ピストン5に連動して開閉動作される。
又、吸気通路11の下流端にインジェクタ12が配設されている。図2に示すように、インジェクタ12は、燃料を噴射する噴孔が二股に分岐された2方向噴射タイプであり、各噴孔の噴射中心が、各吸気弁9,10のバルブヘッド9a,10a方向に指向した状態で配設されている。両吸気ポート7a,7bは、この両吸気ポート7a,7bを経て燃焼室6に供給される吸入空気に対してガス流動(本形態ではタンブル流)を生成させるような形状に形成されている。尚、図示しないが排気ポート8a,8bには排気弁が配設されている。
両吸気弁9,10は、そのバルブステム9b,10bが、シリンダヘッド3に設けられたステムガイド13に支持されて進退自在に支持にされおり、その上端がシリンダヘッド3の上部に形成されているロッカ室3aに突出されている。
ロッカ室3aはロッカカバー(図示せず)により閉塞されており、図3に示すように、ロッカ室3aに、第1、第2吸気弁9,10を開閉動作させる吸気動弁機構21が配設されている。尚、図示しないがロッカ室3aには排気弁を開閉動作させる排気動弁機構も配設されているが、排気動弁機構は従来と同様の構成であるため説明を省略する。
吸気動弁機構21は、図示しないクランク軸の回転に対して1/2で回転するカム軸22を有し、このカム軸22に吸気側カム駒23がスプライン結合されている。従って、吸気側カム駒23はカム軸22と一体回転すると共に軸方向への移動が許容されている。又、この吸気側カム駒23に、第1、第2カム部24,25が所定間隔を開けて形成され、両カム部24,25間に環状溝26が形成されている。
各カム部24(25)は、カムプロフィールの異なる低速カム24a(25a)と高速カム24b(25b)とが隣接された状態で一体形成されており、この低速カム24a,25aと高速カム24b,25bとに対し、第1、第2吸気弁9,10のバルブステム9b,10bのステムエンドが、バルブリフタ27,28を介して選択的に摺接される。
又、各バルブステム9b,10bのエンド部にバルブスプリングリテーナ29が各々固設されており、このバルブスプリングリテーナ29とロッカ室3aの底面に形成されたバルブスプリングシート(図示せず)との間にバルブスプリング30が各々介装されている。両吸気弁9,10はバルブスプリング30により閉弁方向へ常時付勢されていると共に、バルブリフタ27,28の上面に形成されているスリッパ面27a,28aが、第1、第2カム部24,25に形成されている低速カム24a,25aと高速カム24b,25bとに対して選択的に摺接される。
低速カム24a,25aと高速カム24b,25bとは、リフト量、及び吸気バルブタイミング(吸気弁の開時期と閉時期)が相違している。尚、高速カム24b,25bのリフト量、及びバルブタイミングは従来と同様であるため、説明を省略する。
更に、図5に示すように、低速カム24a,25aどうしのバルブタイミングも相違している。本形態では、第1カム部24側に形成されている低速カム(以下「第1低速カム」と称する)24aが、通常のリフト量、及びバルブタイミングを有している。一方、第2カム部25側に形成されている低速カム(以下「第2低速カム」と称する)25aのリフト量、及びバルブタイミングについては後述する。
又、吸気側カム駒23に形成されている環状溝26に、カム切換え機構31に設けられているスライドフォーク31aが摺動自在に係合されている。カム切換え機構31は、エンジン回転数とエンジン負荷(例えば、エンジン負荷=吸入空気量/エンジン回転数)とに基づき、エンジン運転状態が、低速(低回転、且つ低負荷〜中負荷)領域あるか、高速(高回転、且つ高負荷)領域にあるかを調べる。
そして、エンジン運転状態が低速領域にあるときは、両カム部24,25の低速カム24a,25aを、各吸気弁9,10のステムエンドに当接されているバルブリフタ27,28のスリッパ面27a,28a上に移動させる。又、運転状態が高速領域にあるときは、両カム部24,25の高速カム24b,25bをスリッパ面27a,28a上に移動させる。
第1、第2吸気弁9,10は、スリッパ面27a,28aに摺接されているカム(低速カム24a,25a、或いは高速カム24b,25b)に形成されているカムプロフィールに従い、両吸気弁9,10を所定タイミングで開弁或いは閉弁させる。
上述したように、本形態では、低速カム24a,25a同士のバルブタイミングが相違しており、この内、第1低速カム24aが通常のリフト量、及びバルブタイミングを有している。一方、第2カム部25側に形成されている第2低速カム25aのバルブタイミングは、次の(i)と(ii)の何れかの条件が満足する値に設定されており、又、リフト量は、次の(a)〜(d)の何れかを満足する値に設定されている。但し、吸気ポート7a,7bを開閉する吸気弁9,10のサイズは同一とする。
(1)バルブタイミング条件
(i)開弁時期が、第1低速カム24aの開弁時期を挟んで、±30[゜CA(クランク角度)]にあること。
(ii)開弁時期が、第1低速カム24aの開弁時期を基準として、第1低速カム24aの開弁時期の30[゜CA]前〜排気行程におけるピストン上死点後(ATDC)20[゜CA]の間にあること。
(iii)開弁時期が、第1低速カム24aの開弁時期を基準として、第1低速カム24aの開弁時期前に設定された前排気行程におけるピストン上死点前(ATDC)20[゜CA]〜第1低速カム24aの開弁時期後30[゜CA]後の間にあること。
(2)リフト量条件
(a)最大リフト量L2maxが、おおよそ1mm以上で且つ第1吸気弁9の最大リフト量L1max以内であること(L1max≧L2max≧約1[mm])。
(b)最大リフト量L2maxが、第1低速カム24aの最大リフト量L1maxのおおよそ1/9〜1/1に範囲にあること(L1max≧L2max≧約L1max/9)。
(c)ピストン速度が最大となるクランク角(以下「ピストン速度最大クランク角」と称する)θ0におけるリフト量S2maxがおおよそ1mm以上で、且つ最大リフト量L1maxが第1吸気弁9の最大リフト量L1max以内であること(S2max≧約1[mm]、且つL2max≦L1max)。
(d)ピストン速度最大クランク角リフト量S2maxが、そのときの第1低速カム24aのリフト量S1maxのおおよそ1/8以上で、且つ最大リフト量L1maxが第1吸気弁9の最大リフト量L1max以内であること(S2max≧約S1max/8、且つL2max≦L1max)。
図5にバルブタイミング条件(i)を採用すると共に、リフト量条件(a)或いは(b)を適用した場合の第1低速カム24aと第2低速カム25aとによって設定される第1吸気弁(基準吸気弁)9と第2吸気弁10とのバルブタイミング及びリフト量を示す。
図6(a)にバルブタイミング条件(ii)を採用すると共に、リフト量条件(a)或いは(b)を適用した場合の第1低速カム24aと第2低速カム25aとによって設定される第1吸気弁9と第2吸気弁10とのバルブタイミング及びリフト量を示す。図6(b)に、図6(a)に対して各吸気弁のリフト量条件を逆に設定した状態を示す。
又、図7に第1低速カム24aと第2低速カム25aとの開弁時期をほぼ同時に設定すると共に、リフト量条件(a)或いは(b)を適用した場合の第1吸気弁9と第2吸気弁10とのバルブタイミング及びリフト量を示す。
図8に第1低速カム24aと第2低速カム25aとの開弁時期をほぼ同時に設定すると共に、リフト量条件を(c)或いは(d)に設定した場合の第1吸気弁9と第2吸気弁10のバルブタイミング及びリフト量を示す。
次に、このような構成による本形態の作用について説明する。エンジン1が稼働すると、カム切換え機構31は、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づき、エンジン運転領域が低速領域にあるか、高速領域にあるかを調べる。
そして、エンジン運転領域が低速領域にあると判定したときは、スライドフォーク31aにより、カム軸22にスプライン結合されている吸気側カム駒23をカム軸22に沿って移動させ、第1のカム部24と第2のカム部25とに各々形成されている低速側カム24a,25aを、吸気弁9,10のバルブステム9b,10bのエンド部に装着されているバルブリフタ27,28のスリッパ面27a,28a上に移動させる(図3の状態)。
すると、両吸気弁9,10は両低速カム24a,25aに形成されているカムプロフィールに沿って開閉動作する。このときの、第1吸気弁9と第2吸気弁10のバルブタイミング条件を(i)と(ii)との何れかに設定し、且つリフト条件を(a)〜(d)の何れかに設定する。
すると、これらの設定条件を満足した両吸気弁9,10のバルブタイミング及びリフト量では、ピストン5が下降する吸気行程において、第1吸気弁9が通常のバルブタイミング及びリフト量で開閉動作されるため、主に第1吸気ポート7a側から燃焼室6に供給される混合気に対しては、スワール流が生成される(図4(a)参照)。一方、第2吸気弁10は第1吸気弁9の前後或いは同時に開弁されるので、第2吸気弁10の開弁により第2吸気ポート7bから燃焼室11へ供給される混合気が、第1吸気ポート7aから燃焼室6に供給されてスワール流が生成されている混合気に重畳し、一つ、又は幾つかの縦渦をを生成する。
その後、ピストン5が上昇する圧縮行程へ移行し、圧縮上死点に近づくに従い、縦渦は徐々に潰されて減衰する一方で、多数点在する小さな渦が生成され、この各渦により燃焼室11内に様々な方向の強い乱れ(ガス流動)が発生する。
そして、ピストン5が圧縮上死点に近づき点火時期に達したとき、図示しない点火プラグの火花点火によって混合気を着火させると、火炎が熱伝達、或いは拡散により順次隣の分子に伝播する。このとき、燃焼室11内には、乱れが多数点在しているため未燃ガスと既燃ガスとの界面の表面積が増加されており、従って、火炎面は混合気の乱れの影響を受けて伝播速度が速くなり急激に拡大して、燃焼圧力が上昇する。その結果、燃焼期間が短縮されると共に、サイクルごとの燃焼期間のばらつきが低減され、安定した燃焼を得ることができる。
図9〜図11に、第1吸気弁9のバルブタイミング及びリフト量を一定とし、第2吸気弁10のリフト量とバルブタイミングを変えて、乱れ強度のピーク値をシミュレーションしたときの一例を示す。
図9に示す第2吸気弁10の実験条件は以下の通りである。但し、第1吸気弁9と第2吸気弁10とは同一仕様とする。
1)L1〜L5のバルブタイミングは同一とする。
2)最大リフト量L2maxを示す位置を、ピストン速度が最大となるクランク角(例えば80[゜CA])に設定する。
3)L1〜L5の開弁時期を第1吸気弁9の開弁時期とほぼ同一に設定する。
4)最大リフト量L2maxは表1の通りに設定する。
Figure 2006188959
図10に示す第2吸気弁10の実験条件は以下の通りである。但し、第1吸気弁9と第2吸気弁10は同一仕様とする。
1)C1,C2のカムプロフィール(最大リフト量、開弁期間)は同一とする。
2)最大リフト量L2maxを示すクランク角を、第1吸気弁9の最大リフト量L1maxを示すクランク角よりも進角側に設定する。
4)C1,C2の開弁時期は表2の通りに設定する。
Figure 2006188959
図11に、上述した各条件L1〜L6、及びC1,C2における乱れ強度ピーク値のシミュレーション結果を示す。尚、エンジン回転数は2000[rpm]、エンジン負荷は中負荷一定としている。
図11の一点鎖線は、第1吸気弁9と第2吸気弁10とを同じバルブタイミング及びリフト量で開閉させた、従来の乱れ強度ピーク値を示す。同図に示すように、乱れ強度ピーク値は、条件L1〜L6、及びC1,C2の何れにおいても、従来の乱れ強度ピーク値よりも高い値が示されている。
このことから、第2吸気弁10の最大リフト量L2maxについては、条件L1〜L5に示すように、この最大リフト量L2maxを示す位置を、ピストン速度が最大となるクランク角に設定すると共に、最大リフト量L2maxを、例えば第1吸気弁10の最大リフト量L1maxを9[mm]とした場合、1〜9[mm]の範囲内に設定することで、強い乱れを発生させることができ、燃焼改善効果が得られていることが解る。
又、開弁角度差については、条件C1,C2に示すように、第2吸気弁10を、第1吸気弁9を基準としておおよそ0〜+30[゜CA]の範囲に設定することで、強い乱れを発生させることができて、燃焼改善効果を得ることができることが解る。
従って、第2吸気弁10のリフト量が第1吸気弁9のリフト量とほぼ同じ高さであっても、開弁時期を概ね一致させ、且つ最大リフト量L2maxを示す位置をピストン速度最大クランク角θ0に設定することで、強い乱れを発生させることができる。
尚、本発明は、上述した形態に限るものではなく、例えば低速カム24a,25aで設定されるバルブタイミング(開弁時期及び閉弁時期)、及びリフト量を、例えば特開2000−8895号公報に開示されているような電磁動弁装置を用いて設定するようにしても良い。
又、吸気弁が3つ以上設けられている場合であっても、吸気弁を一方及び他方に分け、一方及び他方の吸気弁のバルブタイミング条件を上述した(i)或いは(ii)とし、且つリフト量条件を上述した(a)〜(d)の何れかとすることで、同様の効果を得ることができる。
エンジンの要部断面図 図1のII-II断面図 直動式吸気動弁機構の一部断面正面図 (a)吸気行程時の燃焼室内における混合気の流動状態を示す説明図、(b)圧縮行程時の燃焼室内における混合気の流動状態を示す説明図 第2低速カムの開弁時期を、第1低速カムの開弁時期を挟んで±30[゜CA]の間に設定した状態を示す説明図 (a)は第2低速カムの開弁時期を、第1低速カムの開弁時期を基準として−30〜上死点後20[゜CA]の間に設定した状態を示す説明図、(b)は第2低速カムの開弁時期を、上死点前20[゜CA]〜第1低速カムの開弁時期を基準として+30の間に設定した状態を示す説明図 第1低速カムと第2低速カムとの開弁時期をほぼ同時に設定したときの第1吸気弁と第2吸気弁のバルブタイミング及び最大リフト量を示す説明図 第1低速カムと第2低速カムとの開弁時期をほぼ同時に設定したときの第1吸気弁と第2吸気弁のバルブタイミング及びピストン速度最大クランク角のリフト量を示す説明図 第2吸気弁のリフト量を可変設定した条件を示す説明図 第2吸気弁の開弁時期を可変設定した条件を示す説明図 シミュレーション結果を示す図表
符号の説明
1…エンジン、7a,7b…吸気ポート、9…第1吸気弁、10…第2吸気弁、21…直動式吸気動弁機構、22…カム軸、23…吸気側カム駒、24…第1カム部,25…第2カム部、24a,25a…低速カム、27,28…バルブリフタ、θ0…ピストン速度最大クランク角、L1max,L2max…最大リフト量、S1max,S2max…ピストン速度最大クランク角リフト量

代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (8)

  1. 1つの気筒に一方及び他方の吸気弁を備え、
    上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、
    上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期と上記一方の吸気弁の開弁時期との角度差が±30クランク角度以内に設定されている
    ことを特徴とするエンジンの動弁装置。
  2. 1つの気筒に一方及び他方吸気弁を備え、
    上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、
    上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期の後に上死点が設定され、
    上記一方の吸気弁の開弁時期が上記基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度前と上記上死点後20クランク角度との間に設定されている
    ことを特徴とするエンジンの動弁装置。
  3. 1つの気筒に一方及び他方吸気弁を備え、
    上記一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期に対して異なるクランク角に設定するエンジンの動弁装置において、
    上記他方の吸気弁である基準吸気弁の開弁時期の前に上死点が設定され、
    上記一方の吸気弁の開弁時期が上記上死点前20クランク角度と上記基準吸気弁の開弁時期から30クランク角度後との間に設定されている
    ことを特徴とするエンジンの動弁装置。
  4. 上記一方の吸気弁の最大リフト量が、約1mm以上で且つ上記基準吸気弁の最大リフト量以内である
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のエンジンの動弁装置。
  5. 上記一方の吸気弁の最大リフト量が、上記基準吸気弁の最大リフト量の約1/9以上で且つ上記基準吸気弁の最大リフト量以内に設定されている
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のエンジンの動弁装置。
  6. ピストン速度が最大となるクランク角度における上記一方の吸気弁のリフト量が約1mm以上で、且つ該一方の吸気弁の最大リフト量が上記基準吸気弁の最大リフト量以内に設定されている
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のエンジンの動弁装置。
  7. ピストン速度が最大となるクランク角度における上記一方の吸気弁のリフト量が上記基準吸気弁の上記ピストン速度が最大となるクランク角度におけるリフト量の約1/8以上で、且つ該一方の吸気弁の最大リフト量が上記基準吸気弁の最大リフト量以内に設定されている
    ことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のエンジンの動弁装置。
  8. 上記一方の吸気弁の最大リフト量を示すクランク角度が、上記ピストン速度が最大となるクランク角度に設定されている
    ことを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載のエンジンの動弁装置。
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