JP2007177770A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関の運転状況に応じて主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができるコンパクトな可変圧縮比内燃機関を提供すること。
【解決手段】可変圧縮比エンジン１０は、吸気弁１７を有した吸気ポート１６と、主燃焼室１４に連通して設けられた副室３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する電磁式の遮断弁３２とを備え、副室３０を吸気ポート１６の径路中に設けるとともに、遮断弁３２を吸気弁１７の吸気下流側に配置した。吸気によって副室３０内のガスを確実に掃気してから副室３０内に混合気を導入することにより、ノッキングや局所リーンによる異常燃焼を抑制するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変圧縮比内燃機関に関し、更に詳しくは、機関の運転状況に応じて主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができるコンパクトな可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的として、燃焼室の容積を変化させることによってその圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関が開発されている。たとえば、吸気行程前期に副室の未燃焼ガスを吸気路へ排出し、圧縮行程後期に副室でのガス燃料の良好な１次燃焼を図るガスエンジンが提案されている（特許文献１参照）。

すなわち、この特許文献１に係る従来技術は、つぎのように構成されている。シリンダヘツドの内部に設けた副室とシリンダの主燃焼室とを連通する連通孔に副室弁が設けられている。吸気路と副室弁のステムを支持する案内筒の内部とがバイパス通路により連通されている。副室弁のステムに環状溝を設け、開閉弁が構成されている。

この開閉弁は、圧縮行程前期から排気行程終期まで吸気路と副室との間を遮断するが、吸気行程前期に吸気路と副室との間を連通し、吸気路から新気をバイパス通路と開閉弁を経て副室へ流入させ、副室の未燃焼ガスを副室弁を経て主燃焼室へ排出させる。そして、圧縮行程の終期に副室弁を開き、主燃焼室の高圧空気により副室の燃料を着火させる。

特開平８−２８２６９号公報

しかしながら、特許文献１に係る従来の可変圧縮比内燃機関では、副室弁がピストンの往復動に関連して回転するカムの動作により開閉する構成となっており、単一の弁開度（ピストンに連動した一定タイミングでの全開または全閉）に依存しているため、機関の運転（負荷）状況に応じて任意のタイミングで副室弁の弁開度（圧縮比）を柔軟に調節することが困難であるという課題があった。

また、副室は、吸気ポートや排気ポートとは別個の独立した空間としてシリンダヘッド内に設けられているので、シリンダヘッドを小型化するのに不利であり、またシリンダヘッドに各種部材をレイアウトする際の自由度も制約される虞があるという課題があった。

また、ノッキングや局所リーンによる異常燃焼を抑制する観点からも、副室内の燃焼ガスを確実に掃気してから副室内に混合気を導入することが重要であるが、これを満足しつつ、上記課題をも解決し得る手段の提供が望まれていた。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機関の運転状況に応じて主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができるコンパクトな可変圧縮比内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る可変圧縮比内燃機関は、少なくとも、主燃焼室と、吸気弁を有した吸気ポートと、前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、を備え、前記遮断弁の開閉により圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関であって、前記副室を前記吸気ポートの径路中に設けるとともに、前記遮断弁を前記吸気弁の吸気下流側に配置してなる副室手段を備えたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記遮断弁と前記吸気弁とを同軸に配置したことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１または２に記載の発明において、前記副室手段を有しない吸気ポートおよび吸気弁からなる通常吸気手段を更に一つ以上備えたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１または２に記載の発明において、前記副室手段を複数備え、当該各副室手段の前記副室をそれぞれ異なる容積としたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項５に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記遮断弁および前記吸気弁は、電磁駆動弁からなることを特徴とするものである。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項１）によれば、遮断弁を吸気弁の吸気下流側に配置したので、吸気によって副室内のガスを主燃焼室側に確実に掃気してから副室内に混合気を導入することにより、ノッキングや局所リーンによる異常燃焼を抑制することができる。また、遮断弁に吸気弁としての機能を持たせることにより、限られたシリンダヘッド下面のスペースに複数の吸・排気弁や遮断弁等をレイアウトすることができ、設計自由度を高めることができるとともに、装置をコンパクトに構成することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項２）によれば、吸気弁および遮断弁、吸気ポートをコンパクトにレイアウトすることが可能となり、更に設計自由度と搭載性を向上することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項３）によれば、低負荷時には通常吸気手段により吸気を行うことで、遮断弁の不必要な作動を回避し、信頼性を向上させることができる。また、高負荷時には、副室手段を備えた吸気手段と通常吸気手段の両者を用いて吸気を行うことで、体積効率を向上することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項４）によれば、異なる容積の副室を有した副室手段を任意に組み合わせて制御することにより、圧縮比の多段化を実現することができるとともに、機関の運転状況に応じて最適な圧縮比での運転が可能となり、良好な燃費とエミッションを実現することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項５）によれば、高応答かつ任意のタイミングで遮断弁および吸気弁を開閉させることができる。

以下に、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（以下、適宜、可変圧縮比エンジン若しくはエンジンと称する）の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図であり、吸気弁および遮断弁が閉弁した状態を示したものである。図２は、吸気弁を閉弁し遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図、図３は、吸気弁および遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図、図４は、吸気弁を開弁し遮断弁を閉弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。

図１〜図４に示すように、エンジン１０は、排気弁２５、弁シート２５ａ、排気ポート２５ｂ、点火栓（図示せず）、排気弁２５を所定タイミングで駆動するためのエンジン弁アクチュエータ１８等や後述する吸気系等を備え、エンジン１０の基本構成および基本動作は、公知のエンジン（副室を備えていない通常のエンジン）とほぼ同様である。主燃焼室１４も、シリンダブロック１１内に往復動自在に配設されたピストン１３と、シリンダヘッド１２の下面とで形成されている。

異なる点は、主燃焼室１４に連通し、吸気ポート１６の下流側端部にポート内径が若干大きくなるように設けられた副室（副室手段）３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する電磁式の遮断弁（副室手段）３２とを備え、この遮断弁３２を主燃焼室１４に臨む位置（吸気弁１７よりも吸気下流側）に配置したことである。

すなわち、吸気ポート１６の下流型端部に設けられた副室３０は、吸気上流側を吸気弁１７により区画され、吸気下流側を遮断弁３２により区画されている。

このようにエンジン１０は、副室３０の遮断弁３２を開弁することにより燃焼室の容積が副室３０の容積分増加するため低い圧縮比が設定され、遮断弁３２を閉弁することにより主燃焼室１４の容積のみで決まる高い圧縮比が設定されるものである。

遮断弁３２は、電磁駆動式の遮断弁アクチュエータ３４によって開閉駆動されるように構成されている。この遮断弁アクチュエータ３４は、ケース３５と、このケース３５内に配され、弁ステムガイド４３によって移動自在に支持された遮断弁３２をロアリテーナ４１で押圧するアーマチャ３６と、このアーマチャ３６を電磁力によって上下動させるためのアッパコア３７およびロアコア４０と、アーマチャ３６を下方に付勢するためのアッパスプリング３８およびスクリュ３９と、遮断弁３２を閉弁方向に付勢するロアスプリング４２等とから構成されている。

この遮断弁３２は、閉弁時にはロアスプリング４２の付勢により弁シート３２ａに押圧されている。また、遮断弁３２は、アーマチャ３６がロアコア４０による電磁力によりロアスプリング４２の付勢力に抗して下方に引き付けられて開弁する。

また、吸気弁１７は、電磁駆動式の吸気弁アクチュエータ５４によって開閉駆動されるように構成されている。この吸気弁アクチュエータ５４は、ケース５５と、このケース５５内に配され、弁ステムガイド５３によって移動自在に支持された吸気弁１７をロアリテーナ５１で押圧するアーマチャ５６と、このアーマチャ５６を電磁力によって上下動させるためのアッパコア５７およびロアコア６０と、アーマチャ５６を下方に付勢するためのアッパスプリング５８およびスクリュ５９と、吸気弁１７を閉弁方向に付勢するロアスプリング５２等とから構成されている。

この吸気弁１７は、閉弁時にはロアスプリング５２の付勢により弁シート１７ａに押圧されている。また、吸気弁１７は、アーマチャ５６がロアコア６０による電磁力によりロアスプリング５２の付勢力に抗して下方に引き付けられて開弁する。

なお、エンジン弁アクチュエータ１８は、カム１９、リテーナ２０、弁リフタ２１、弁スプリング２２、弁ステムガイド２３等の公知部材により構成されている。上記各部材は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。

つぎに、遮断弁３２および吸気弁１７等の動作について図５および図６に基づいて説明する。ここで、図５は、高圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャート、図６は、低圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。

図６に示すように、低圧縮比での運転を要する場合には、主燃焼室１４の容積に加え、副室３０の容積分、燃焼室容積を大きくするため、遮断弁３２は常時開弁される（図２参照）。

一方、図５に示すように、高圧縮比での運転を要する場合には、燃焼室容積を小さくする（主燃焼室１４の容積分とする）ため、遮断弁３２は閉弁されている（図１参照）が、排気行程後に吸気弁１７と同期させて吸気行程でのみ開弁する（図３参照）。

これにより、前サイクルで副室３０内に残っている燃焼ガスを吸気によって主燃焼室１４側に確実に掃気することができ、副室３０内に混合気を導入することにより、ノッキングや局所リーンによる異常燃焼を抑制することができる。

また、遮断弁３２に吸気弁としての機能を持たせることにより、限られたシリンダヘッド１２下面のスペースに複数の吸・排気弁１７，２５や遮断弁３２等をレイアウトすることができ、設計自由度を高めることができるとともに、装置をコンパクトに構成することができる。

図７は、この発明の実施例２に係る可変圧縮比エンジン１０を示す断面図であり、吸気弁１７および遮断弁３２が閉弁した状態を示したものである。図８は、吸気弁１７を閉弁し遮断弁３２を開弁した可変圧縮比エンジン１０を示す断面図、図９は、吸気弁１７および遮断弁３２を開弁した可変圧縮比エンジン１０を示す断面図、図１０は、吸気弁１７を開弁し遮断弁３２を閉弁した可変圧縮比エンジン１０を示す断面図である。

本実施例２では、図７〜図１０に示すように、遮断弁アクチュエータ３４と吸気弁アクチュエータ５４とを同軸に直列配置したものである。すなわち、遮断弁３２のステム３２ｂを、吸気弁アクチュエータ５４を貫通状態で動作できるように、ステム１７ｂやアーマチャ５６等に移動自在に挿通させて構成したものである。その他の基本構成および動作は、上記実施例１の場合と同様であるので、説明を省略する。

以上のように、この実施例２に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、吸気弁１７および遮断弁３２、吸気ポート１６をシリンダヘッド１２内にコンパクトにレイアウトすることが可能となり、更に設計自由度と搭載性を向上することができる。

図１１は、この発明の実施例３に係る可変圧縮比エンジンの低負荷高圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャート、図１２は、高負荷低圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。

エンジン自体の構成の図示を省略するが、本実施例３は、吸気弁を２つ備えており、上記副室３０を備えた吸気弁を第１吸気弁とし、副室３０を備えていない吸気弁を第２吸気弁（通常吸気手段）として、図１１および図１２中に記載してある。

図１１および図１２に示すように、第１吸気弁と第２吸気弁は、各行程において常に同期させて同一の開閉動作をさせている。また、図１１において、上記実施例１の場合と異なるのは、吸気行程であっても遮断弁を常時閉弁していることである。

すなわち、上記実施例１では、図５で示したように開弁していたが（これを比較のために、図１１中に二点鎖線で示した）、本実施例３では常時閉弁である。

以上のように、この実施例３に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、低負荷時には副室３０を有していない第２吸気弁により吸気を行うことで、遮断弁３２の不必要な作動を回避し、信頼性を向上させることができる。

また、高負荷時には、副室３０を備えた第１吸気弁と、副室３０を備えていない第２吸気弁の両者を用いて吸気を行うことで、体積効率を向上することができる。

図１３は、この発明の実施例４に係る可変圧縮比エンジンの要部を示す模式図、図１４は、圧縮比多段化の一例を示す表図である。

本実施例４では、異なる容積の副室（副室手段）３０，１３０と、これを開閉する遮断弁（副室手段）３２，１３２とを備えて構成したものである。その他の構成は、上記実施例１または上記実施例２の場合と同様である。たとえば、行程容積を３０、副室３０の容積を１、副室１３０の容積を２、主燃焼室１４の容積を２とすると、圧縮行程開始時の遮断弁３２，１３２の開閉の組み合わせによって、図１４に示すような４通りの圧縮比を実現することができる。

以上のように、この実施例４に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、異なる容積の副室３０，１３０を有した副室手段を任意に組み合わせて制御することにより、圧縮比の多段化（本実施例４では４段）を実現することができるとともに、エンジン１０の運転状況に応じて最適な圧縮比（７、８．５、１１、１６のいずれかの圧縮比）での運転が可能となり、良好な燃費とエミッションを実現することができる。

また、吸気弁を２つ、排気弁を２つ備えたエンジンにおいて、従来技術によって上記のような圧縮比の多段化を実現しようとすると、これらの弁に加え、更に２つの遮断弁をシリンダヘッド下面に配置することとなり、弁配置が非常に複雑になってしまう。しかし、本実施例４によれば、２つの排気弁を２つの遮断弁の、計４つの弁をシリンダヘッド下面に配置すればよく、弁配置がシンプルとなり、設計自由度および搭載性が向上する。

なお、上記各実施例は、本発明をガソリンエンジンに適用した例を示したが、これに限定されず、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。

以上のように、この発明に係る可変圧縮比内燃機関は、主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる可変圧縮比内燃機関に有用であり、特に、コンパクトな構成で機関の運転状況に応じて柔軟かつ高応答で制御できる可変圧縮比内燃機関に適している。

この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁を閉弁し遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁および遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁を開弁し遮断弁を閉弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 高圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。 低圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。 この発明の実施例２に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁を閉弁し遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁および遮断弁を開弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 吸気弁を開弁し遮断弁を閉弁した可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 この発明の実施例３に係る可変圧縮比エンジンの低負荷高圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。 高負荷低圧縮比時における各弁の動作を示すタイムチャートである。 この発明の実施例４に係る可変圧縮比エンジンの要部を示す模式図である。 圧縮比多段化の一例を示す表図である。

符号の説明

１０ 可変圧縮比エンジン（可変圧縮比内燃機関）
１４ 主燃焼室
１６ 吸気ポート
１７ 吸気弁
１７ａ 弁シート
１７ｂ ステム
１８ エンジン弁アクチュエータ
３０ 副室（副室手段）
３２ 遮断弁（副室手段）
３２ａ 弁シート
３２ｂ ステム
３４ 遮断弁アクチュエータ
５４ 吸気弁アクチュエータ
１３０ 副室（副室手段）
１３２ 遮断弁（副室手段）

Claims (5)

1. 少なくとも、主燃焼室と、
   吸気弁を有した吸気ポートと、
   前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、
   開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、
   を備え、前記遮断弁の開閉により圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関であって、
   前記副室を前記吸気ポートの径路中に設けるとともに、前記遮断弁を前記吸気弁の吸気下流側に配置してなる副室手段を備えたことを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記遮断弁と前記吸気弁とを同軸に配置したことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記副室手段を有しない吸気ポートおよび吸気弁からなる通常吸気手段を更に一つ以上備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 前記副室手段を複数備え、当該各副室手段の前記副室をそれぞれ異なる容積としたことを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 前記遮断弁および前記吸気弁は、電磁駆動弁からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の可変圧縮比内燃機関。

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