JP2008025491A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングを回避すると共に機関の効率を向上することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストン３が２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う内燃機関において、ピストン３の往復運動により容積が変化する燃焼室４と、前記ピストン３が膨張行程下死点に位置する際の前記燃焼室４の容積を吸気行程下死点に位置する際の前記燃焼室４の容積よりも大きくする容積変更手段２６と、前記燃焼室４に供給する空気を加圧可能な加圧手段とを備えるので、ノッキングを回避すると共に機関の効率を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、ピストンが２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う内燃機関に関するものである。

乗用車、トラックなどの車両に搭載される内燃機関として、シリンダ内に設けられるピストンが２往復運動する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクル内燃機関が知られている。このような内燃機関の効率を向上させるためには、排気効率を向上したり、圧縮比（圧縮比＝吸気行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積）、膨張比（膨張比＝膨張行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積）を大きくしたりするなどの方法がよく知られている。しかしながら、圧縮比、膨張比を大きくする場合、実際には圧縮比が大きすぎると圧縮行程上死点における圧縮端での混合気温度が高くなりすぎて、異常燃焼によるノッキングが起こりやすくなる。したがって、圧縮比は、このノッキングの回避のためその上限が制約される。通常、ピストンが２往復して１サイクルする間において、ピストンの上死点、下死点の位置は変わらないので、圧縮比の上限が決定されると、吸気行程下死点、圧縮上死点、膨張行程下死点での燃焼室容積も決定され、膨張比も決定される。

ところで、上記のような圧縮比を可変とする内燃機関として、例えば、特許文献１に記載の内燃機関は、スライド機構を用いることによってシリンダブロックをロアケースに対して軸線方向にスライド可能な構成とし、これにより、燃焼室の容積を可変とし圧縮比を可変制御することで、運転状態において最適な圧縮比を得て燃費性能や出力性能を向上させている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２０６７７１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されている内燃機関では、燃焼室の容積を変更することで、運転状態に応じた最適な圧縮比に適宜変更することができる。ところが、圧縮比を変更することで、これに伴って１サイクル内における膨張比も結局のところ変わってしまうことから、さらなる運転効率の向上が望まれていた。

なお、上記のような機械的に定まる圧縮比自体を可変とするのではなく、実質的な圧縮比、いわゆる実圧縮比を小さくし、圧縮端での混合気温度を低く抑制することで、ノッキングを回避すると共にこの実圧縮比と比較して高い膨張比を確保する内燃機関がある。このような内燃機関では、吸気弁を閉じるタイミングを吸気行程下死点の前後に一定量ずらし、実際の排気量より少ない空気を吸気することで実圧縮比を小さく抑え、この実圧縮比よりも膨張比を大きくしている。しかしながら、この場合、吸気行程でピストンが下死点に達する前に吸気弁を閉じることで実圧縮比を小さくすると、その後の吸気行程における断熱膨張により燃焼室内の空気（混合気）温度が低下するため、燃焼室壁面とこの空気（混合気）との温度差が大きくなり、吸入空気（混合気）が燃焼室壁面等から受熱しやすくなる。これにより、結果として圧縮端での混合気温度が高くなってしまう。また、吸気行程でピストンが下死点に達した後、圧縮行程に入ってから吸気弁を閉じることで実圧縮比を小さくすると、一度燃焼室内で暖められた空気が吸気管に戻されることになり、燃焼室への吸気前の時点ですでに少し温度が上昇した空気を吸気することになる。これにより、結果として圧縮端での混合気温度が高くなってしまう。したがって、両者とも期待ほどの大きな効果が得られていなかった。

そこで本発明は、ノッキングを回避すると共に機関の効率を向上することができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による内燃機関は、ピストンの往復運動により容積が変化する燃焼室と、前記ピストンが膨張行程下死点に位置する際の前記燃焼室の容積を吸気行程下死点に位置する際の前記燃焼室の容積よりも大きくする容積変更手段と、前記燃焼室に供給する空気を加圧可能な加圧手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明による内燃機関では、前記容積変更手段は、前記ピストンが吸気行程上死点に位置する際の前記燃焼室の容積を圧縮行程上死点に位置する際の前記燃焼室の容積よりも小さくすることを特徴とする。

請求項３に係る発明による内燃機関では、前記燃焼室に供給する空気を冷却可能な冷却手段を備えることを特徴とする。

請求項４に係る発明による内燃機関では、前記容積変更手段は、回転可能な出力軸と、前記出力軸に固定されて外周面に所定形状のカム面を有するカムと、ピストンに設けられてカム面に接触するカムフォロワとを有し、前記カム面により前記カムフォロワを介して前記ピストンを往復運動可能であると共に、前記ピストンの各下死点位置及び各上死点位置をそれぞれ変更可能であることを特徴とする。

請求項５に係る発明による内燃機関では、前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材と、前記カム面と前記転動部材との接触状態を保持する係合部材とを有することを特徴とする。

請求項６に係る発明による内燃機関では、前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材を有し、前記転動部材又は前記カム面の一方に他方を吸引可能な磁石が設けられることを特徴とする。

請求項７に係る発明による内燃機関では、前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材と、前記転動部材を前記カム面に押し付ける方向に付勢する付勢手段とを有することを特徴とする。

請求項８に係る発明による内燃機関では、前記カム面は、膨張行程下死点に応じた位置から排気行程上死点に応じた位置までの長さが吸気行程下死点に応じた位置から圧縮行程上死点に応じた位置までの長さよりも長く設定されることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関によれば、ピストンが膨張行程下死点に位置する際の燃焼室の容積を吸気行程下死点に位置する際の燃焼室の容積よりも大きくする容積変更手段と、燃焼室に供給する空気を加圧可能な加圧手段とを備えるので、ノッキングを回避できる圧縮比に抑えつつ、膨張比を大きくすることができ、さらに、加圧手段により燃焼室に供給する空気が加圧されるので、吸気行程下死点での燃焼室容積が小さくなっても、燃焼室への空気の充填効率を高めることができることから、ノッキングを回避すると共に機関の効率を向上することができる。

以下に、本発明に係る内燃機関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。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係るエンジンの模式的断面図、図２は、本発明の実施例１に係るエンジンの各行程における燃焼室の容積変化を説明する模式図、図３は、本発明の実施例１に係るエンジンのカムの概略側面図、図４は、本発明の実施例１に係るエンジンのサイクルを説明するための線図、図５は、本発明の実施例１に係るエンジンの実圧縮比を下げた場合のサイクルを説明するための線図である。なお、図４、図５では横軸をピストンのストローク、縦軸を燃焼室内の空気（混合気）圧力としている。

図１に示すように、実施例１に係る内燃機関としてのエンジン１は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、シリンダボア２内に往復運動可能に設けられるピストン３が２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンである。

このエンジン１は、前述のシリンダボア２内に往復運動可能に設けられるピストン３と、燃焼室４と、この燃焼室４に連通する吸気ポート５及び排気ポート６を備える。さらに、エンジン１は、燃焼室４内に燃料を直接噴射することが可能なインジェクタ７と、燃焼室４の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ８を備える。さらに、エンジン１は、シリンダヘッド９、シリンダブロック１０及びカムケース１１を備える。

シリンダヘッド９は、シリンダブロック１０上に締結される。シリンダブロック１０は、内部に円筒形状のシリンダボア２が形成される。ピストン３は、このシリンダボア２に上下移動自在に嵌合する。

燃焼室４は、シリンダヘッド９の下面９ａ、シリンダボア２の壁面２ａ及びピストン３の一方の端面である頂面３ａにより画成される。この燃焼室４の上部、つまり、シリンダヘッド９の下面に上述した吸気ポート５及び排気ポート６が各々２つずつ形成される。この吸気ポート５及び排気ポート６の開口には吸気弁１５及び排気弁１６が設けられる。この吸気弁１５及び排気弁１６は、吸気ポート５及び排気ポート６をそれぞれ開閉可能とし、吸気ポート５と燃焼室４、燃焼室４と排気ポート６とをそれぞれ連通することができる。

カムケース１１は、シリンダブロック１０の下部に締結される。このシリンダブロック１０とカムケース１１は、内部に回転可能に支持される出力軸１２と、カム１３を収容する。カム１３は、出力軸１２に固定され、出力軸１２と共に回転可能である。さらに、カム１３は、楕円形状の中央部がくびれたような形状をしており、外周面に所定形状のカム面１４を有する。また、上述のピストン３は、頂面３ａと対向する他方の端面にカムフォロワ１７が設けられる。このカムフォロワ１７は、カム面１４に接触しこのカム面１４上を転動可能な転動部材としてのコロ１７ａを有する。これにより、コロ１７ａがカム面１４に接触しながら転動し、カム１３の回転に伴って従動することで、ピストン３のシリンダボア２内での往復運動が可能となる。なお、カム１３のカム面１４の所定形状については、後述の図３で詳細に説明する。

吸気ポート５は、その吸気方向上流側に吸気通路（吸気管）１８が接続される。この吸気通路１８上には、吸気方向上流側から順に、エアクリーナ１９と、後述する加圧手段としての加圧機２０と、後述する冷却手段としてのインタークーラ２１と、スロットルバルブ２２と、サージタンク２３が設置される。エアクリーナ１９は、吸気通路１８の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去するフィルタである。スロットルバルブ２２は、燃焼室４に供給される空気量（吸入空気量）を調整する流量調整弁であり、例えば、アクセルペダルの操作により駆動される。サージタンク２３は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。また、排気ポート６は、その排気方向下流側に排気通路（排気管）２４が接続され、この排気通路（排気管）２４上には、触媒装置２５が配置される。この触媒装置２５は、通過する排気ガスを触媒により浄化する機能を有する。

インジェクタ７は、シリンダヘッド９の吸気ポート５側に装着される。また、インジェクタ７は、先端をシリンダボア２の中心線に向けて上下方向に対して所定角度傾斜して設けられる。このインジェクタ７は、ピストン３の頂面３ａに向けて燃料噴霧を噴射する。点火プラグ８は、燃焼室４の天井部分の吸気ポート５と排気ポート６の間に装着される。

このエンジン１では、図２に示すように、ピストン３がシリンダボア２内を下降することで、吸気通路１８および吸気ポート５を介して燃焼室４内に空気が吸入され（吸気行程）、この空気とインジェクタ７から燃焼室４内へ噴射される燃料とが混合して混合気を形成する。そして、このピストン３が吸気行程下死点を経てシリンダボア２内を上昇することで混合気が圧縮され（圧縮行程）、ピストン３が圧縮行程上死点付近に近づくと点火プラグ８により混合気に点火され、該混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン３を下降させる（膨張行程）。燃焼後の混合気は、ピストン３が膨張行程下死点を経て吸気行程上死点に向かって再び上昇することで排気ポート６、排気通路２４、触媒装置２５等を介して排気ガスとして大気中へ放出される（排気行程）。このピストン３のシリンダボア２内での往復運動は、カムフォロワ１７を介してカム１３の回転運動に変換され、出力軸１２を介して出力として取り出されると共に、このピストン３は、カム１３が慣性力によりさらに回転することで、カムフォロワ１７を介してこのカム１３の回転に伴ってシリンダボア２内を往復する。出力軸１２と一体のカム１３が１回転することでピストン３が２往復し、この間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行い、燃焼室４内で１回の爆発が行われる。

ところで、エンジン１の効率を向上させるために、排気効率を向上したり、圧縮比（圧縮比＝吸気行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積）、膨張比（膨張比＝膨張行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積）を大きくしたりすることが知られている。しかしながら、圧縮比が大きすぎると圧縮行程上死点における圧縮端での混合気温度が高くなりすぎて、異常燃焼によるノッキングが起こりやすくなる。したがって、この圧縮比は、ノッキング等の回避によりその上限が制約され、通常のエンジンではこの圧縮比の上限が決定されると、膨張比も決定されてしまう。

そこで、本実施例に係るエンジン１は、図２に示すように、ピストン３が膨張行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積を吸気行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも大きくすると共に、ピストン３が吸気行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積を圧縮行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも小さくする容積変更手段としての容積変更部２６と、図１に示すように、燃焼室４に供給する空気を加圧可能な加圧手段としての加圧機２０を備えることで、ノッキングを回避すると共に機関の効率の向上を図っている。ここで、各死点における燃焼室４の容積とは、各死点位置にあるピストン３の頂面３ａ、シリンダヘッド９の下面９ａ及びシリンダボア２の壁面２ａにより画成される空間の容積である。

容積変更部２６は、上述した回転可能な出力軸１２と、外周面に所定形状のカム面１４を有するカム１３と、カムフォロワ１７により構成され、カム面１４によりカムフォロワ１７を介してピストン３を往復運動可能であると共に、ピストン３の各下死点位置及び各上死点位置をそれぞれ変更可能である。すなわち、容積変更部２６は、ピストン３が２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程からなる１つのサイクル内において、ピストン３の吸気行程下死点位置と膨張行程下死点位置とをピストン３の往復運動の方向に対して異なる位置とし、吸気行程下死点位置を膨張行程下死点位置よりも高い位置（シリンダヘッド９側に近い位置）とすることで、ピストン３が膨張行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積を吸気行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも大きくしている。

同様に、容積変更部２６は、１つのサイクル内において、ピストン３の吸気行程上死点位置と圧縮行程上死点位置とをピストン３の往復運動の方向に対して異なる位置とし、吸気行程上死点位置を圧縮行程上死点位置よりも高い位置（シリンダヘッド９側に近い位置）とすることで、ピストン３が吸気行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積を圧縮行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも小さくしている。

具体的には、カム１３が有するカム面１４の所定形状（いわゆる、カムプロフィール）が図３に示すような形状に形成されることで、１つのサイクル内におけるピストン３の各下死点位置及び各上死点位置をそれぞれ変更可能となる。このカム１３は、上述したように楕円形状の中央部がくびれたような形状をしており、回転中心１２ａからカム面１４までの長さが該カム面１４に沿って徐々に変化する。ピストン３は、上述したように、このカム１３が１回転することで２往復し、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行うことから、カム１３の１回転（３６０度）の範囲内に各行程に応じた回転角度の範囲及び各下死点位置、各上死点位置に応じた回転角度が設定されている。つまり、カム面１４が４つの行程に応じた角度範囲に分割されることで、カム１３が図中時計回りに１回転すると、ピストン３は吸気行程上死点、吸気行程、吸気行程下死点、圧縮行程、圧縮行程上死点、膨張行程、膨張行程下死点、排気行程、再び吸気行程上死点を経てシリンダボア２（図１参照）を２往復運動する。なお、ここでは、各行程に応じた回転角度の範囲は、各々ほぼ均等（９０度）である。

そして、このエンジン１では、ピストン３の各死点に応じた位置で出力軸１２（カム１３）の回転中心１２ａからカム面１４までの長さを異ならせることで、１つのサイクル内におけるピストン３の各下死点位置及び各上死点位置が変更可能となる。つまり、吸気行程下死点位置における回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ１を膨張行程下死点位置における回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ２よりも長くすることで、図２に示すように、ピストン３の吸気行程下死点位置が膨張行程下死点位置よりも高い位置となる。同様に、吸気行程上死点位置における回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ３を圧縮行程上死点位置における回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ４よりも長くすることで、ピストン３の吸気行程上死点位置が圧縮行程上死点位置よりも高い位置となる。

このようにピストン３の各下死点に応じた位置で回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ１、ｒ２（図３参照）を異ならせて、１つのサイクル内におけるピストン３の吸気行程下死点位置と膨張行程下死点位置とを変更することで、機械的な圧縮比を変えずに膨張比だけを大きくすることができる。すなわち、圧縮比＝吸気行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積、膨張比＝膨張行程下死点燃焼室容積／圧縮上死点燃焼室容積で定まる圧縮比、膨張比は、ノッキングを回避することができる大きさに圧縮比を固定しつつ、膨張行程下死点燃焼室容積が吸気行程下死点燃焼室容積よりも大きくなることで、膨張比だけを圧縮比から独立して大きくすることができる。

また、ノッキングを回避することができる大きさに圧縮比を固定することで、圧縮上死点燃焼室容積は決まるが、ピストン３の各上死点に応じた位置で回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ３、ｒ４（図３参照）を異ならせて、１つのサイクル内におけるピストン３の吸気行程上死点位置と圧縮行程上死点位置とを変更することで、吸気行程上死点燃焼室容積が圧縮上死点燃焼室容積よりも小さくなるので、排気行程で排気ガスを十分に排気することができる。

ところで、ここで膨張行程下死点燃焼室容積を吸気行程下死点燃焼室容積よりも大きくする、言い換えれば、吸気行程下死点燃焼室容積を膨張行程下死点燃焼室容積よりも小さくすることで、吸気される空気の量が相対的に少なくなり、結果的に、機関の効率が低下してしまうおそれがある。

そこで、本実施例に係るエンジン１は、図１に示すように、燃焼室４に供給する空気を加圧可能な加圧機２０を備える。加圧機２０は、ターボチャージャ、スーパーチャージャ等の種々の過給機を用いることができ、ピストン３の移動に伴って燃焼室４内に発生する負圧により空気を燃焼室４に吸入するだけでなく、吸気通路１８内の空気を圧縮して圧力を高め（過給圧）、その高圧空気を燃焼室４へ送り込んで、同燃焼室４への空気の充填効率を高める。これにより、吸気行程下死点燃焼室容積が膨張行程下死点燃焼室容積よりも小さくても、吸気される空気の量が相対的に少なくなることを防止し、燃焼室４に多量の空気を吸気することができるようになる。

また、本実施例に係るエンジン１は、上述したように、吸気通路１８上の加圧機２０とスロットルバルブ２２との間に燃焼室４に供給する空気を冷却可能なインタークーラ２１を備える。インタークーラ２１は、加圧機２０により圧縮された空気を冷却する装置である。これにより、加圧機２０による圧縮過程で高圧空気の温度が上昇しても、この高圧空気の温度を常温近くまで冷却することができる。

上記のように構成されるエンジン１では、図４に示すように、ａ→ｂ→ｃで示す吸気行程において、吸気行程上死点位置ａにあるピストン３がシリンダボア２内を下降し、吸気行程下死点位置ｃに達するまで燃焼室４内に空気が吸入される。このとき吸入される空気は、加圧機２０により圧力が上昇され、インタークーラ２１により冷却されている。そして、ｃ→ｄで示す圧縮行程では、このピストン３がシリンダボア２内を圧縮行程上死点位置ｄまで上昇することで混合気が圧縮され、燃焼室４内の混合気温度も上昇する。ここで、圧縮行程上死点位置ｄにおける圧縮端での混合気温度は、断熱圧縮される圧縮行程における吸気行程下死点位置ｃから圧縮行程上死点位置ｄまでの相対的な圧縮比によって決まり、この相対的な圧縮比が大きくなるほど吸気温度から圧縮端での混合気温度までの温度上昇が大きくなる。しかしながら、このエンジン１では、吸気行程下死点燃焼室容積＜膨張行程下死点燃焼室容積とすることで、ピストン３の吸気行程下死点位置ｃが膨張行程下死点位置ｆよりも高い位置となり、圧縮行程におけるピストン３のストローク（ピストン３の移動距離）が短くなり、吸気行程下死点位置ｃから圧縮行程上死点位置ｄまでの相対的な圧縮比が小さくなることから、圧縮行程での混合気の温度上昇が抑制され、圧縮端での混合気温度が低く抑えられる。また、吸入行程で吸入される空気は、加圧機２０により圧力が上昇され、インタークーラ２１により冷却されていることから、燃圧縮端での混合気温度がより低く維持される。

そして、ｄ→ｅ→ｆで示す膨張行程では、ピストン３が圧縮行程上死点位置ｄに近づくと点火プラグ８により点火され燃焼し、その燃焼圧力によりピストン３を往復運動させる。このとき、上記のように吸気行程下死点燃焼室容積＜膨張行程下死点燃焼室容積とすることで、ピストン３の膨張行程下死点位置ｆが吸気行程下死点位置ｃよりも低い位置となることから、ノッキングを回避することができる大きさに圧縮比を固定しつつ、膨張比だけが圧縮比から独立して大きくなる。そして、ｆ→ｇ→ａで示す排気行程では、吸気行程上死点燃焼室容積＜圧縮行程上死点燃焼室容積とすることで、ピストン３の吸気行程上死点位置ａを圧縮行程上死点位置ｄよりも高い位置となることから、排気ガスが十分に排気される。

ここで、上記のように構成されるエンジン１は、吸気弁を閉じるタイミングを吸気行程下死点の前後に一定量ずらし、実際の排気量より少ない空気を吸気することで実圧縮比を小さく抑え、この実圧縮比よりも膨張比を大きくするような内燃機関と比較しても、極めて優れている。すなわち、このような内燃機関では、吸気行程でピストンが下死点に達する前に吸気弁を閉じることで実圧縮比を小さくすると、その後の吸気行程における断熱膨張により燃焼室内の空気（混合気）温度が低下するため、燃焼室壁面とこの空気との温度差が大きくなり、吸入空気（混合気）が燃焼室壁面等から受熱しやすくなる。これにより、結果として圧縮端での混合気温度が高くなってしまう。また、吸気行程でピストンが下死点に達した後、圧縮行程に入ってから吸気弁を閉じることで実圧縮比を小さくすると、一度燃焼室内で暖められた空気が吸気管に戻されることになり、燃焼室への吸気前の時点ですでに温度が上昇した空気を吸気することになる。これにより、結果として圧縮端での混合気温度が高くなってしまう。この点、上記のように構成されるエンジン１では、吸気弁の早閉じによりその後の吸気行程において燃焼室壁面等から受熱することがないし、吸気弁の遅閉じによりすでに温度が上昇した空気を吸気してしまうこともないので、より効率的に圧縮端温度の上昇を防ぐことができる。

本実施例に係るエンジン１を上記のように吸気弁を閉じるタイミングを吸気行程下死点の前後に一定量ずらすことで、筒内に供給される空気量を変化させエンジン１の負荷制御が可能であり、その場合にも吸気弁の早閉じによるその後の吸気行程における燃焼室壁面等からの受熱を低減することは可能である。すなわち、本実施例のエンジン１では、図５に示すように、ａ→ｂ→ｃで示す吸気行程において、ピストン３が吸気行程下死点位置ｃに達する前の位置ｃ１で吸気弁１５を閉じて実圧縮比を小さく抑えた場合、ピストン３の吸気行程下死点位置ｃが膨張行程下死点位置ｆよりも高い位置であることから、吸気行程における吸気弁１５の閉弁後のピストン３のストローク（ｃ１→ｃ）が短くなり、断熱膨張による燃焼室４内の空気（混合気）温度の低下をできる限り小さく押さえることができる。このため、断熱膨張時（ｃ１→ｃ）において空気（混合気）が燃焼室４の壁面等から受熱する熱量を極力小さく抑えることができる。これにより、圧縮端温度を低く抑えることができる。

以上で説明した本発明の実施例１に係るエンジン１によれば、ピストン３の往復運動により容積が変化する燃焼室４と、ピストン３が膨張行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積を吸気行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも大きくする容積変更部２６と、燃焼室４に供給する空気を加圧可能な加圧機２０を備える。

したがって、容積変更部２６により吸気行程下死点燃焼室容積＜膨張行程下死点燃焼室容積とするので、１つのサイクル内におけるピストン３の吸気行程下死点位置ｃが膨張行程下死点位置ｆよりも高い位置となり、これにより圧縮端温度を低く抑えてノッキングを回避することができる大きさに圧縮比を固定しつつ、膨張比だけを圧縮比から独立して大きくすることができ、機関の効率を向上することができる。さらに、加圧機２０により燃焼室４に供給される空気が加圧されるので、吸気行程下死点での燃焼室４の容積が小さくなっても、燃焼室４への空気の充填効率を高めることができ、機関の出力を向上し、効率を向上することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るエンジン１によれば、容積変更部２６は、ピストン３が吸気行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積を圧縮行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも小さくする。したがって、容積変更部２６により吸気行程上死点燃焼室容積＜圧縮行程上死点燃焼室容積とするので、１つのサイクル内におけるピストン３の吸気行程上死点位置ａが圧縮行程上死点位置ｄよりも高い位置となり、混合気が燃焼した後の排気ガスが十分に排気されることで排気効率が向上し、燃焼室４内の残留ガスが低減され、燃焼安定性の向上、ノッキングの抑制による効率向上、出力向上を可能とすることができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るエンジン１によれば、燃焼室４に供給する空気を冷却可能なインタークーラ２１を備える。したがって、加圧機２０による圧縮過程で高圧空気の温度が上昇しても、このインタークーラ２１により高圧空気の温度は常温近くまで冷却されるので、空気の圧縮率が良くなり、また、圧縮端温度も低くすることができるので、ノッキングの回避が可能な圧縮比をより大きく設定することができ、機関の効率を向上することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るエンジン１によれば、容積変更部２６は、回転可能な出力軸１２と、前記出力軸１２に固定されて外周面に所定形状のカム面１４を有するカム１３と、ピストン３に設けられてカム面１４に接触するカムフォロワ１７とを有し、カム面１４によりカムフォロワ１７を介してピストン３を往復運動可能であると共に、１つのサイクル内におけるピストン３の吸気行程下死点位置と膨張行程下死点位置、吸気行程上死点位置と圧縮行程上死点位置とをそれぞれ変更可能である。したがって、カム１３は出力軸１２と共に回転し、カムフォロワ１７はこのカム面１４に接触することで、ピストン３の往復運動がカム１３の回転運動に変換されると共に、カム１３が慣性力によりさらに回転することで、ピストン３は、このカム面１４の形状に応じて、このカム１３の回転に伴ってシリンダボア２内を往復運動するので、カム１３の回転中心１２ａからカム面１４までの長さｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４を変えることで、１つのサイクル内における吸気行程下死点燃焼室容積と膨張行程下死点燃焼室容積、吸気行程上死点燃焼室容積と圧縮行程上死点燃焼室容積とを簡明な構成で自由に変えることができる。

図６は、本発明の実施例２に係るエンジンの模式的断面図である。実施例２に係るエンジンは、実施例１に係るエンジンと略同様の構成であるが、カムフォロワが係合部材を有する点で実施例１に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図６に示すように、この実施例２に係るエンジン２０１では、カムフォロワ２１７は、カム面１４上を転動可能な転動部材としてのコロ１７ａを有し、さらに、カム面１４とこのコロ１７ａとの接触状態を保持する係合部材２１７ｂを有する。

このエンジン２０１のカム１３は、カム面１４に垂直な両側面１３ａ、１３ｂにそれぞれ溝１３ｃ、１３ｄが形成される。この溝１３ｃ、１３ｄは、カム面１４に沿って形成される。係合部材２１７ｂは、コロ１７ａの回転軸２１７ｅの両端を基端としてこの溝１３ｃ、１３ｄ方向に突出するように設けられる。さらに、係合部材２１７ｂは、両先端２１７ｃ、２１７ｄがカム１３に向かって折れ曲がっている。そして、係合部材２１７ｂは、先端２１７ｃが溝１３ｃ、先端２１７ｄが溝１３ｄに係合することで、カム面１４とこのコロ１７ａとの接触状態を保持し、コロ１７ａがカム面１４から離間することを防止する。

以上で説明した本発明の実施例２に係るエンジン２０１によれば、カムフォロワ２１７は、カム面１４上を転動可能なコロ１７ａと、カム面１４とコロ１７ａとの接触状態を保持する係合部材２１７ｂとを有する。したがって、係合部材２１７ｂによりコロ１７ａがカム面１４から離間することが防止され、簡単な構成でピストン３を確実にカム１３に追従させることができる。

なお、以上の説明では、係合部材２１７ｂの両先端２１７ｃ、２１７ｄは、溝１３ｃ、１３ｄに係合するものとして説明したが、カム面１４に沿って両側面１３ａ、１３ｂから突出するようにリムを設けることで段差を形成し、係合部材２１７ｂの両先端２１７ｃ、２１７ｄは、この段差に係合するようにしてもよい。

図７は、本発明の実施例３に係るエンジンの模式的断面図である。実施例３に係るエンジンは、実施例１に係るエンジンと略同様の構成であるが、カム面に磁石が設けられる点で実施例１に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図７に示すように、この実施例３に係るエンジン３０１では、カムフォロワ１７は、カム面１４上を転動可能な転動部材としてのコロ１７ａを有し、カム面１４にこのカム面１４の周方向に沿って磁石３２７が設けられる。ここでは、コロ１７ａは、金属製のものを適用し、磁石３２７は、この金属製のコロ１７ａを吸引する。磁石３２７がコロ１７ａを吸引することにより、カム面１４とこのコロ１７ａとの接触状態が保持され、コロ１７ａがカム面１４から離間することが防止される。

以上で説明した本発明の実施例３に係るエンジン３０１によれば、カムフォロワ１７は、カム面１４上を転動可能なコロ１７ａを有し、カム面１４にコロ１７ａを吸引可能な磁石３２７が設けられる。したがって、磁石３２７がコロ１７ａを吸引するので、コロ１７ａがカム面１４から離間することが防止され、少ない部材数でピストン３を確実にカム１３に追従させることができる。

なお、以上の説明では、磁石３２７は、カム面１４に設けるものとして説明したが、コロ１７ａ側に設け、カム１３側を吸引するようにしてもよいし、両方に磁石３２７を設けるようにしてもよい。また、以上の説明のように、磁石３２７をカム面１４に設ける場合、この磁石３２７は、必ずカム面１４の全周に設ける必要はなく、例えば、吸気行程に対応した位置だけに設けるようにしてもよく、この場合、無駄に磁石３２７を設ける必要が無くなる。

図８は、本発明の実施例４に係るエンジンの模式的断面図である。実施例４に係るエンジンは、実施例１に係るエンジンと略同様の構成であるが、カムフォロワが付勢手段を有する点で実施例１に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

図８に示すように、この実施例４に係るエンジン４０１では、カムフォロワ４１７は、カム面１４上を転動可能な転動部材としてのコロ１７ａを有し、さらに、コロ１７ａをカム面１４に押し付ける方向に付勢する付勢手段としてのスプリング４１７ｃを有する。スプリング４１７ｃは、ピストン３の底面とシリンダボア２の壁面２ａとを連結し、該ピストン３をカム１３の方向に付勢することで、コロ１７ａを前記カム面１４に押し付ける方向に付勢する。スプリング４１７ｃによりコロ１７ａをカム面１４に押し付ける方向に付勢することにより、カム面１４とこのコロ１７ａとの接触状態が保持され、コロ１７ａがカム面１４から離間することが防止される。

以上で説明した本発明の実施例４に係るエンジン４０１によれば、カムフォロワ４１７は、カム面１４上を転動可能なコロ１７ａと、コロ１７ａをカム面１４に押し付ける方向に付勢するスプリング４１７ｃとを有する。したがって、スプリング４１７ｃがコロ１７ａをカム面１４に押し付ける方向に付勢するので、コロ１７ａがカム面１４から離間することが防止され、ピストン３を確実にカム１３に追従させることができる。さらに、カム１３に細工を施す必要が無いので、例えば、製造時にカム面１４が損傷され、ピストン３の各死点位置が設計時に想定した位置からずれてしまうようなことを防止することができる。

なお、以上の説明では、スプリング４１７ｃは、ピストン３とシリンダボア２とを連結するものとして説明したが、これに限らず、コロ１７ａをカム面１４に押し付ける方向に付勢すればどこに設けてもよい。

図９は、本発明の実施例５に係るエンジンを説明する模式図である。実施例５に係るエンジンは、実施例１に係るエンジンと略同様の構成であるが、カムの形状が実施例１に係るエンジンとは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

ここで、図２で説明したように実施例１のエンジン１は、ピストン３の吸気行程下死点位置を膨張行程下死点位置よりも高くし、吸気行程上死点位置を圧縮行程上死点位置よりも高くしていることから、少なくとも、排気行程におけるピストン３のストロークが最大となり、圧縮行程におけるピストン３のストロークが最小となる。ところで、上述の実施例１のエンジン１では、図３に示したように、３６０度あるカム１３の回転角度の範囲に対して各行程に応じた回転角度の範囲は、各々ほぼ均等（９０度）であるものとした。つまり、出力軸１２及びカム１３が一定速度で回転するとき、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程に要する時間はほぼ等しい。したがって、等しい長さの移動時間でストロークが最大となる排気行程と、ストロークが最小となる圧縮行程とでは、ピストン３の移動速度が異なることとなり、すなわち、圧縮行程における移動速度が最小となり、排気行程における移動速度が最大となる。

そこで、図９に示す実施例５に係るエンジン５０１では、カム５１３のカム面５１４は、膨張行程下死点に応じた位置から排気行程上死点に応じた位置までの長さＬ１が吸気行程下死点に応じた位置から圧縮行程上死点に応じた位置までの長さＬ２よりも長くなるように設定している。言い換えれば、３６０度あるカム５１３の回転角度の範囲に対する各行程に応じた回転角度の範囲をそれぞれ変えて、排気行程に応じた回転角度の範囲を大きくし、圧縮行程に応じた回転角度の範囲を小さくしている。これにより、圧縮行程に要する時間が短くなる一方、排気行程に要する時間が長くなるので、排気行程におけるピストン３の移動速度が相対的に遅くなってピストン３の最高速度が抑制され、各行程におけるピストン３の移動速度が平均化される。

以上で説明した本発明の実施例５に係るエンジン５０１によれば、カム面５１４は、膨張行程下死点に応じた位置から排気行程上死点に応じた位置までの長さＬ１が吸気行程下死点に応じた位置から圧縮行程上死点に応じた位置までの長さＬ２よりも長く設定される。したがって、圧縮行程に要する時間が短くなる一方、排気行程に要する時間が長くなるので、排気行程におけるピストン３の移動速度が相対的に遅くなってピストン３の最高速度が抑制され、各行程におけるピストン３の移動速度を平均化することができ、これにより、耐磨耗性が向上しフリクションが低減され、高回転化が可能となり、機関の効率をさらに向上させることができる。

なお、実施例５に係るエンジン５０１では、ピストン３のストロークが排気行程についで大きくなる膨張行程に応じた部分のカム面５１４の長さ、すなわち、圧縮行程上死点に応じた位置から膨張行程下死点に応じた位置までの長さＬ３も、吸気行程、圧縮行程に応じた部分のカム面５１４の長さよりも長く設定している。これも、上記で説明したように、ピストン３の移動速度の平均化を図るためである。

また、図９の圧縮行程上死点位置を示す図に点線で示したように、カム面５１４を圧縮行程上死点に応じた位置に向かって傾斜がなだらかになるように設定することで、時間損失の低減を図ることができる。これは、実際のエンジンにおいては、混合気に点火してから燃焼が終了するまでにはある程度の時間がかかり、ピストン３が下降し始めてから燃焼が終了することから、実際には理論値と比較して効率が低下する。しかしながら、カム面５１４を圧縮行程上死点に応じた位置に向かって傾斜がなだらかになるように設定することで、圧縮行程から膨張行程にかけて、ピストン３を圧縮行程上死点位置の近傍に長い時間滞在させることができるので、時間損失を低減することができる。

なお、上述した本発明の実施例に係るエンジンは、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、エンジン１、２０１、３０１、４０１、５０１は、直噴型エンジンとして説明したがポート噴射型のエンジンでもよい。また、以上の説明では、加圧手段としてのターボチャージャ、スーパーチャージャ等の種々の過給機を適用するものとして説明したが、燃焼室４に高圧空気を供給可能な手段であればなんでもよい。また、以上の説明では、冷却手段としてのインタークーラ２１を設けるものとして説明したが、空気の吸気温度が所定以下（例えば３００ｋ以下）となるのであれば必ずしも設ける必要はない。

以上の説明では、容積変更手段は、外周面に所定形状のカム面１４、５１４を有するカム１３、５１３を含んで構成されるものとして説明したが、シリンダヘッド９やシリンダブロック１０を動かすことで１つのサイクル内の各死点位置における燃焼室容積を変更してもよい。また、複数のリンクや偏心軸等を組み合わせることで１つのサイクル内の各死点位置における燃焼室容積を変更するようにしてもよい。また、容積変更部２６は、ピストン３が吸気行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積を圧縮行程上死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも小さくするものとして説明したが、単に、ピストン３が膨張行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積を吸気行程下死点に位置する際の燃焼室４の容積よりも大きくするだけでもよい。

また、本実施例に係るエンジン１、２０１、３０１、４０１、５０１は、上述したような吸気弁を閉じるタイミングを吸気行程下死点の前後に一定量ずらすことで、実圧縮比を小さく抑える内燃機関としてもよい。すなわち、本実施例に係るエンジン１、２０１、３０１、４０１、５０１は、例えば、図１に示すように、吸気弁１５及び排気弁１６を最適な開閉タイミングに制御すると共に吸気弁１５の早閉じや遅閉じにより実圧縮比を変更可能な吸気・排気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）１０１、１０２と、マイクロコンピュータを中心として構成され、エンジンの各部を制御すると共にエンジン運転状態に基づいて吸気・排気可変動弁機構１０１、１０２を制御可能な制御手段としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１０３を備えてもよい。この場合、図５で上述したように、ピストン３の吸気行程下死点位置ｃが膨張行程下死点位置ｆよりも高い位置であることから、吸気行程における吸気弁１５の閉弁後のピストン３のストローク（ｃ１→ｃ）が短くなり、断熱膨張による燃焼室４内の空気（混合気）温度の低下をできる限り小さく押さえることができる。このため、断熱膨張時（ｃ１→ｃ）において空気（混合気）が燃焼室４の壁面等から受熱する熱量を極力小さく抑えることができ、圧縮端温度を低く抑えることができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、１つのサイクル内の各死点位置における燃焼室の容積を変えて、膨張比だけを圧縮比から独立して大きくすることでノッキングを回避すると共に機関の効率を向上することができるものであり、通常の内燃機関や運転状態に応じて最適な圧縮比を設定する可変圧縮比機構を備えた内燃機関など種々の内燃機関に用いて好適である。

本発明の実施例１に係るエンジンの模式的断面図である。 本発明の実施例１に係るエンジンの各行程における燃焼室の容積変化を説明する模式図である。 本発明の実施例１に係るエンジンのカムの概略側面図である。 本発明の実施例１に係るエンジンのサイクルを説明するための線図である。 本発明の実施例１に係るエンジンの実圧縮比を下げた場合のサイクルを説明するための線図である。 本発明の実施例２に係るエンジンの模式的断面図である。 本発明の実施例３に係るエンジンの模式的断面図である。 本発明の実施例４に係るエンジンの模式的断面図である。 本発明の実施例５に係るエンジンを説明する模式図である。

符号の説明

１、２０１、３０１、４０１、５０１ エンジン
２ シリンダボア
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ インジェクタ
８ 点火プラグ
９ シリンダヘッド
１０ シリンダブロック
１１ カムケース
１２ 出力軸
１３、５１３ カム
１４、５１４ カム面
１５ 吸気弁
１６ 排気弁
１７、２１７、４１７ カムフォロワ
１７ａ コロ（転動部材）
２０ 加圧機（加圧手段）
２１ インタークーラ（冷却手段）
２６ 容積変更部（容積変更手段）
２１７ｂ 係合部材
３２７ 磁石
４１７ｃ スプリング（付勢手段）

Claims (8)

1. ピストンの往復運動により容積が変化する燃焼室と、
   前記ピストンが膨張行程下死点に位置する際の前記燃焼室の容積を吸気行程下死点に位置する際の前記燃焼室の容積よりも大きくする容積変更手段と、
   前記燃焼室に供給する空気を加圧可能な加圧手段とを備えることを特徴とする、
   内燃機関。
2. 前記容積変更手段は、前記ピストンが吸気行程上死点に位置する際の前記燃焼室の容積を圧縮行程上死点に位置する際の前記燃焼室の容積よりも小さくすることを特徴とする、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室に供給する空気を冷却可能な冷却手段を備えることを特徴とする、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記容積変更手段は、回転可能な出力軸と、前記出力軸に固定されて外周面に所定形状のカム面を有するカムと、ピストンに設けられてカム面に接触するカムフォロワとを有し、前記カム面により前記カムフォロワを介して前記ピストンを往復運動可能であると共に、前記ピストンの各下死点位置及び各上死点位置をそれぞれ変更可能であることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材と、前記カム面と前記転動部材との接触状態を保持する係合部材とを有することを特徴とする、
   請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材を有し、
   前記転動部材又は前記カム面の一方に他方を吸引可能な磁石が設けられることを特徴とする、
   請求項４に記載の内燃機関。
7. 前記カムフォロワは、前記カム面上を転動可能な転動部材と、前記転動部材を前記カム面に押し付ける方向に付勢する付勢手段とを有することを特徴とする、
   請求項４に記載の内燃機関。
8. 前記カム面は、膨張行程下死点に応じた位置から排気行程上死点に応じた位置までの長さが吸気行程下死点に応じた位置から圧縮行程上死点に応じた位置までの長さよりも長く設定されることを特徴とする、
   請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関。

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