JP2008128227A

JP2008128227A - 超高効率４サイクル内燃機関

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Publication number: JP2008128227A
Application number: JP2006357062A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kitamura; 修一北村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-18
Filing date: 2006-11-18
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置と、圧縮比可変ピストンを有する可変圧縮比機構とを備える事によって部分負荷域におけるポンプ損失を低減すると共に圧縮比を高め、圧縮比に対して膨張比を大とする事によって熱効率を大幅に向上させること。
【解決手段】クランク軸と同期して回転する吸気カム軸により駆動される吸気弁を備え、開弁期間は変えずにクランク軸４６と吸気カム軸との位相角を変えて吸気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置５５を備えた内燃機関において、シリンダーヘッドに燃焼室へ臨む圧縮比可変ピストンを備え、運転状態に応じて圧縮比可変ピストンを移動させる事によって燃焼室容積を可変とし、更に上死点付近で開弁するバルブタイミングが固定されたもう１つの吸気弁を備える様にした。
【選択図】図６

Description

発明の詳細な説明

産業の利用分野

本発明は４サイクル内燃機関（火花点火式）に係わり、更に詳しくは開閉時期を変える吸気弁用のバルブタイミング可変装置と、シリンダーヘッドに備えられた圧縮比可変ピストンにより燃焼室容積を可変とする可変圧縮比機構とを備え、これによりポンプ損失を低減させると共に圧縮比に対して膨張比を大とする事によって大幅に熱効率を向上させる内燃機関に関するものである。

一般に４サイクル内燃機関（火花点火式）ではスロットル弁によりシリンダー内に吸入される吸気を絞って吸入吸気量を制限し、これによりエンジン出力を制御する様にしている。しかしながらこの方法では吸入吸気を絞る事によるポンプ損失（吸気抵抗損失）が増大し、為に熱効率の大幅低下を余儀なくされている。この対策として吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置を備え、一旦シリンダー内に吸入した吸気を所定量押し戻し（吸気弁の閉弁時期を遅らせる）、これによりスロットル弁を開き気味に制御する事によってポンプ損失を低減させる方法が実用化されているが、有効圧縮比の低下によって圧縮端温度・圧力が十分に上らず燃焼が悪化し、熱効率の向上は僅かなものであった（１０％位の向上）。即ち、吸気弁の閉弁時期を遅らせるほどポンプ損失は減少するが、他方では有効圧縮比の大幅低下による燃焼悪化のマイナス要因に足を引っ張られ、熱効率の大幅向上は見込めないのである。

発明が解決しようとする問題点

本発明の目的は、既に述べた様に吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置と、圧縮比可変ピストンにより燃焼室容積を可変とする可変圧縮比機構とを備え、これにより部分負荷域でポンプ損失を低減させると共に圧縮比を高め、熱効率を大幅に高める事にあり、加えて圧縮比に対して膨張比を大として、更なる熱効率の向上を図るところにある。

問題点を解決する為の手段

本発明は上記目的を達成する為、クランク軸と同期して回転する吸気カム軸により駆動される吸気弁を備え、開弁期間は変えずにクランク軸と吸気カム軸との位相角を変えて吸気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置を備えた４サイクル内燃機関において、シリンダーヘッドに燃焼室へ臨む圧縮比可変ピストンを備え、運転状態に応じて圧縮比可変ピストンを移動させる事によって燃焼室容積を可変とし、更に上死点付近で開弁するバルブタイミングが固定されたもう１つの吸気弁を備え、シリンダー内に一旦吸入した吸気を所定量押し戻して出力を制御すると共に圧縮比可変ピストンを移動させて燃焼室容積を変化させる様にしたのである。

本発明を理解する為に、先ず開弁期間を変えずに吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置について説明する。図１において１は４サイクル内燃機関、２はクランクの軸で、クランク軸２により歯付きベルト３（又はチエン）を介して歯付きプーリー４（又はスプロケット）、歯付きプーリー６（又はスプロケット）が回転比１／２に減速して駆動され、これにより各々図示しない排気カム軸、吸気カム軸が駆動される。特に図示しないが．内燃機関１にはシリンダー内へ吸気を供給する吸気通路が接続され、ここに燃料を噴射する燃料噴射弁などが配設され、更にシリンダー内の既燃ガスを排気する排気通路が接続され、ここに触媒コンバーターなどが配設されている。又、シリンダーヘッドには燃焼室へ臨む点火プラグが配設されている。５は開弁期間は変えずに吸気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置で（公知の構造である）、仕切壁７を有するハウジング８とベーン９を有するローター１０とを備えている。ハウジング８はボルトにより歯付きプーリー６に結合・固定され、ローター１０はボルトにより吸気カム軸に結合・固定されている。仕切壁７とベーン９とにより進角室１１（図では３個ある）と遅角室１２（図では３個ある）が形成され、各々に作動油が供給される。即ち、油圧制御弁１５からの作動油が進角用油路１３を介して進角室１１へ供給され、遅角用油路１４を介して遅角室１２へ供給される様になっている（より詳しくは吸気カム軸及びローター１０に形成された進角用油路を介して進角室１１へ供給され、吸気カム軸及びローター１０に形成された遅角用油路を介して遅角室１２へ各々供給される）。油圧制御弁１５は油圧ポンプからの油圧が供給されるポート１９を有し、後述するエンジンコントロールユニット２２（以下ＥＣＵ）からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャー１６と、スプール弁１７と、バネ１８とを有しており、バネ１８の反発力とプランジャー１６の押圧力とが均衡する位置でスプール弁１７が位置決め
される様になっている。ここで、油圧制御弁１５がＥＣＵ２２からの出力信号によりプランジャー１６の押圧力が最も小さくなる様に継続的に制御された場合には、バネ１８の反発力によりスプール弁１７は図示の如く右方へ移動し、油圧ポンプからの油圧が遅角用油路１４を介して遅角室１２に供給されると共に進角用油路１３を介して進角室１１の油圧がドレーンポート２０にドレーンとして排出され、この結果、ローター１０は最遅角側の位置へ移動する。これに対し油圧制御弁１５がＥＣＵ２２からの出力信号によりプランジャー１６の押圧力が最も大きくなる様に継続的に制御された場合には、バネ１８に抗してスプール弁１７が図中左方向へ移動し、油圧ポンプからの油圧が進角用油路１３を介して進角室１１に供給されると共に遅角室１２の油圧が遅角用油路１４を介してドレーンポート２１にドレーンとして排出され、この結果、ローター１０は最進角側の位置へ移動する事になる。ここで上記説明は電磁ソレノイドのプランジャー１６を継続的に同方向に制御した場合であるが、この継続時間やプランジャー１６の押圧力を制御する事でローター１０のクランク軸２に対する位相角、即ち吸気カム軸のクランク軸２に対する位相角を最遅角位置と最進角位置との間で任意の位相角に設定する事ができる。又、プランジャー１６の押圧力を制御して進角用油路１３、遅角用油路１４と、ポート１９とがいずれも連通しない様にスプール弁１７の位置を調整する事で油圧の給・排がなくなって、任意の位相角に固定する事ができる（この時、作動油は剛体化した様になる）。ＥＣＵ２２には所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号（これによりエンジン回転も検出される）、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号、負荷センサー（例えばアクセルセンサー）からの信号、車速センサーからの信号、冷却水温を検出する水温センサーからの信号などが入力され、ローター１０の、即ち吸気カム軸のクランク軸２に対する位相角が目標値となる様に油圧制御弁１５に制御信号を出力する。これを受けて油圧制御弁１５は上記の様に制御する事になるが、この制御はカム角センサーからの信号により吸気カム軸の現在の位相角を把握して、目標とする位相角となる様にフィードバック制御するのである。図２は吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置の他の例を示し、クランク軸と同期して歯付きベルト等により回転する歯付きプーリー２８（又はスプロケット）は軸受２７により支持され、吸気カム軸２３の回りに回転可能に支持されている。歯付きプーリー２８の外筒部３７の内側にはヘリカルスプライン３１が形成され、ボルト２６により吸気カム軸２３に固定された内筒部２４の外側にはヘリカルスプライン２５が形成されており、ヘリカルスプライン３１、２５の間にはシール部３０（油圧をシールする）を有する油圧ピストン２９が備えられている。そして油圧ピストン２９の内・外周面にはヘリカルスプラインが形成され、各々ヘリカルスプライン２５、３１と噛み合っている。３６はバネ、３２は進角室３３へ油圧を供給する進角用油路、３４は遅角室３５へ油圧を供給する遅角用油路である。従って、油圧ピストン２９を軸方向へ移動させる事によりこの軸方向の運動が内筒部２４と外筒部３７との相対回転運動に変換され、両者間の相対回転位相が変化し、吸気カム軸のクランク軸に対する位相角を連続的に変化させる事ができる。この油圧ピストン２９を軸方向へ移動させるには油圧ピストン２９の前後に形成される進角室３３と遅角室３５への油圧を油圧制御弁１５′により切換え制御する事によって為され、これにより油圧ピストン２９は所定の位置に移動、固定される。ＥＣＵ２２′からの制御信号を受ける油圧制御弁１５′については図１で述べた通りなので、説明は省略する。ところで図２では油圧ピストン２９を油圧により駆動する様にしていたが、電気的駆動も可能である。即ち図３において歯付きプーリー２８′はヘリカルスプライン３１′を、吸気カム軸２３′はヘリカルスプライン２５′を各々有し、両者間にはプランジャー３９が備えられ、プランジャー３９の内・外周面に形成されたヘリカルスプラインがヘリカルスプライン２５′、３１′と各々噛み合う様に構成されている。このプランジャー３９は図２の油圧ピストン２９に相当するもので、歯付きプーリー２８′は軸受部３８により吸気カム軸２３′の回りに回転可能に支持されている。従ってＥＣＵからの制御信号によりサーボモーター４４を所定角度回転させれば、ウオーム４３により扇形ギァ４２が支点４１を中心にレバー４０を揺動させ、プランジャー３９を移動させる事ができる。この他、電磁クラッチ（電磁ブレーキ）の摩擦制動によってクランク軸に対する吸気カム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング可変装置も考えられている（例えば特開２００１−１６４９５１、特開２００３−２７８５１４号公報）。
吸気弁の開弁期間は変えずに開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置は以上の如く構成されている。さてこの様なバルブタイミング可変装置を備えた内燃機関では部分負荷域での熱効率を向上させる為に、吸気弁の閉弁時期を遅らせてポンプ損失を低減させようとすると、図４（イ）からも明らかな様にθの期間吸気弁が開かない為、この間吸気がシリンダー内へ吸入されずにエンジンは負の仕事を強いられ、熱効率が低下する（例えば代表的は吸気弁では開弁時期は上死点前１０°ＣＡ、閉弁時期は下死点後４０°ＣＡであるから、図４（イ）の破線示の如く閉弁時期を４０°遅らせるとθは３０°ＣＡとなる）。しかもポンプ損失の一層の低減の為に更に吸気弁の閉弁時期を遅らせると、ますます大きな問題となる。この様な欠点を解消するには、図５の如く上死点近傍で開弁するバルブタイミングが固定されたもう１つの吸気弁Ｉ_２を備えるのが良い（例えば図４（ロ）の如く上死点前１０°ＣＡで開弁し、下死点後４０°ＣＡで閉弁する）。ここでＩ_１はバルブタイミング可変装置により開閉時期が変化する吸気弁、ＥＸは排気弁を示す（バルブタイミングは固定）。こうすると部分負荷域で吸気弁Ｉ_１の閉弁時期を遅らせても、図４（イ）のθの期間は吸気弁Ｉ_２が開いているから、吸気がシリンダー内へ吸入され、エンジンが負の仕事を強いられず、熱効率の低下はない。吸気弁Ｉ_２はバルブタイミングが固定されなければならないから、排気弁ＥＸを駆動する排気カム軸にカムを備え、ロッカーアームなどを介して駆動するなどとし、吸気弁Ｉ_１を駆動する吸気カム軸とは別系統とする必要がある。

図６は本発明による超高効率４サイクル内燃機関の一実施例で、４５は４サイクル内燃機関、４６はクランク軸で、クランク軸４６により歯付きベルト４７（又はチェーン）を介して歯付きプーリー４８（又はスプロケット）が回転比１／２に減速して駆動され、歯付きプーリー４８の軸上には歯車４９が固定され、この歯車４９と１／１の回転比で噛み合う歯車５０、５６が備えられている（図では歯付きプーリー４８は歯車４９の手前にある）。５５は開弁期間は変化させずに吸気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置で、例えば図１のものを使用しており、ハウジング５１はボルトにより歯車５０と結合・固定され、ローター５２はボルトにより吸気カム軸と結合・固定されている。このバルブタイミング可変装置５５は油圧制御弁６２により制御されるが、両者の構造及び作用については図１で説明したので省略する。６０は進角室５３へ油圧を供給する進角用油路、６１は遅角室５４へ油圧を供給する遅角用油路である。５９は開弁期間を変えずに排気弁の開閉時期を変えるバルブタイミング可変装置で、ハウジング５７はボルトにより歯車５６と結合・固定され、ローター５８はボルトにより排気カム軸と結合・固定され、油圧制御弁６３により制御されるが、このバルブタイミング可変装置５９及び油圧制御弁６３は各々バルブタイミング可変装置５５、油圧制御弁６２と基本的には同じものである。このバルブタイミング可変装置５９は必要不可欠なものではないが（即ち、排気カム軸によって駆動される排気弁の開閉時期を固定しても良いが）、あれば後述する様に多くの利点を有するので、本実施例ではこれを備えたものとして説明する。６４はエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵ）で、所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号（これに基いてエンジン回転速度も検出される）、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号、アクセル開度を検出するアクセルセンサーからの信号、スロットル弁６７の開度を検出するスロットルセンサーからの信号、エンジン冷却水温を検出する水温センサーからの信号、大気圧センサーからの信号、スロットル弁６７の下流側の吸気通路６６内の圧力を検出する圧力センサーからの信号、後述する圧縮比センサーからの信号、排気通路内の酸素濃度を検出するＯ_２センサーからの信号などが入力される。このＥＣＵ６４はマイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御プログラムを実行する事によってエンジンの運転状態に応じて吸気弁や排気弁の開閉時期、後述する圧縮比、更には燃料噴射弁６８の燃料噴射量、点火プラグの点火時期などを制御する。

４サイクル内燃機関はここでは多気筒機関とし、その１断面を図７に、図７を上方からみて吸気弁、排気弁、圧縮比可変ピストンなどのレイアウトを図８（イ）に示す。図７において吸気弁７７、８０は各々吸気カム軸７９、８１によって駆動され、更に吸気カム軸７９は図６のローター５２に結合・固定されているから、歯車５０によって駆動され、吸気カム軸８１は歯車４９によって駆動される様になっている。排気弁８２は排気カム軸８３によって駆動され、これはローター５８に結合・固定されているから、歯車５６によって駆動される。吸気弁７７及び排気弁８２の開閉時期は可変であるが、吸気弁８０のそれは固定されている。図では吸気弁７７を閉鎖しておくバネなどの図示は省略してあるが、吸気カム軸７９のカムは例えばピボット式ロッカーアーム７８を介して吸気弁７７を開閉する様になっている（吸気弁８０、排気弁８２についても同様とする）。尚、点火プラグ９４は図８に示す通り２〜３個備える事が望ましい。ここで、燃焼室７０の形状についてであるが、図８（イ）においてＣは高さが最小の（平均すると１ｍｍ位）スキッシュエリア、Ｂは排気弁８２のピストン６９との干渉を防ぐに足る中間の高さの領域、Ａは高さが最大の燃焼室の主たる部分である（領域Ａの内でも圧縮比可変ピストン７１の直下の部分が高さ最大である）。この場合、図８（ロ）の如く領域Ｃに排気弁８２の占める部分が含まれる様に、領域Ｂに吸気弁７７、８０の占める部分が含まれる様に構成しても良い。尚、圧縮比可変ピストン７１を図８（ハ）の如く燃焼室中央に配置し、吸気弁、排気弁を各々３個づつ備える様にしても良い（３個の吸気弁の内、１〜２個は開閉時期を固定する）。シリンダーヘッド８４には燃焼室７０に臨む圧縮比可変ピストン７１が備えられ（ガスシール用のピストンリングを有する）。ロッド７２を介してアクチュエーター７６に連結している。アクチュエーター７６は油圧式で、油圧シリンダー内に嵌め込まれた油圧ピストン７３と、この油圧ピストン７３により仕切られる第１油圧室７４と、第２油圧室７５とから構成されている。このアクチュエーター７６の制御にはＥＣＵ６４からの出力信号が入力される油圧制御弁８５が使用され、油圧ポンプからの油圧が第１油圧路９２を介して第１油圧室７４へ、第２油圧路９３を介して第２油圧室７５へ各々供給される。油圧制御弁８５はＥＣＵ６４からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャー８６を有しており、バネ９１の反発力とプランジャー８６の押圧力とが均衡する位置でスプール弁８７が位置決めされる様になっている。ここで油圧制御弁８５がＥＣＵ６４からの出力信号によりプランジャー８６の押圧力が最も小さくなる様に継続的に制御された場合には、バネ９１の反発力によりスプール弁８７は上方へ移動し、油圧ポンプからの油圧が第１油圧路９２を介して第１油圧室７４に供給されると共に、第２油圧室７５からの油圧が第２油圧路９３を介してドレーンポート８９にドレーンとして排出され、圧縮比可変ピストン７１は燃焼室７０から最も離れた位置へ移動する（上方へ移動）。これに対し油圧制御弁８５がＥＣＵ６４からの出力信号によりプランジャ８６の押圧力が最も大きくなる様に継続的に制御された場合には、バネ９１に抗してスプール弁８７が図中下方へ移動し、油圧ポンプからの油圧が第２油圧路９３を介して第２油圧室７５へ供給されると共に、第１油圧室７４の油圧が第１油圧路９２を介してドレーンポート９０にドレーンとして排出され、圧縮比可変ピストン７１は燃焼室７０へ最も引っ込んだ位置へ移動する（下方へ移動）。ここで上記説明は電磁ソレノイドのプランジャー８６を継続的に同方向へ制御した場合であるが、この継続時間やプランジャー８６の押圧力を制御する事で圧縮比可変ピストン７１の位置を任意の位置に設定する事ができる。又、プランジャー８６の押圧力を制御して第１油圧路９２、第２油圧路９３と、ポート８８とがいずれも連通しない様にスプール弁８７の位置を調整する事で油圧の給排がなくなって、圧縮比可変ピストン７１を任意の位置に固定する事ができる（この時、作動油は剛体化した様になる）。ＥＣＵ６４は圧縮比可変ピストン７１の位置が目標値となる様に油圧制御弁８５に制御信号を出力し、これを受けて油圧制御弁８５は上記の様に制御する事になるが、この制御は圧縮比可変ピストン７１の位置を検出する位置センサーである圧縮比センサー（図示せず）からの信号により圧縮比可変ピストン７１の現在の位置を把握して目標とする制御位置となる様にフィードバック制御する。

次に本内燃機関の制御について図６、７により詳しく説明する。
先ずエンジンアイドル状態ではアクセル開度は最小開度であり、これを受けてＥＣＵ６４からの制御信号により吸気弁７７は図１０（イ）の破線示の様に例えば下死点後１１５°ＣＡで閉弁する様に（大幅に遅らせ）制御され、これによりシリンダー内に一旦吸入した吸気は約２／３が押し戻され１／３が残る様になる。この時、吸気弁７７は例えば上死点後６５°ＣＡに開弁となり、θ′の期間は閉じているが、吸気弁８０は開いているので、吸気はシリンダー内へ吸入され、エンジンが負の仕事を強いられる事はない。吸気弁８０は上死点付近で開弁し―例えば上死点前１０°ＣＡで開弁、下死点後３０°ＣＡで閉弁―バルブタイミングは固定されており、これは既に図５で説明した通りである。同時にＥＣＵ６４からの制御信号により圧縮比可変ピストン７１の位置が制御され（最も下がった位置に）、燃焼室７０の容積を最小にして、実圧縮比（吸気弁７７が閉弁した時のピストン位置で計算した圧縮比）を最適値に制御する（例えば燃料の種類によって異なるが、９〜１２とする）。この場合、吸気弁７７の閉弁時期を更に遅らせれば遂にはスロットル弁６７により吸気を絞る必要がなくなるが、こうすると、実圧縮比は燃焼室７０の容積を更に縮小して制御する必要があり、燃焼室形状が扁平になり、冷却損失の増大や燃焼が悪化すると考えられるので、本実施例ではスロットル弁６７により吸気を若干絞る様にしている。スロットル弁６７はアクセルと機械的に連動させても良いが、ＥＣＵ６４からの信号により制御されるＤＣモーターにより駆動した方が自由度が増すので、本実施例ではその様に構成してある。この様に吸気弁７７の閉弁時期を大幅に遅らせてシリンダー内に一旦吸入した吸気を所定量押し戻しているので、吸気を全く絞らないか、又は若干絞る程度で良いのので、ポンプ損失を大幅に減少させて熱効率を向上させる事ができる。
この時、実圧縮比も最適値に制御される為（９〜１２と高く）、圧縮端温度・圧力が高く、火災伝播速度も増し、熱効率の向上率は大である。しかも燃焼室７０の容積も最小に制御されるので、残留ガスが非常に少なく、燃焼に良い条件を与える。次にアクセルを開いてアクセル開度を増すと、これを受けてＥＣＵ６４からの制御信号により吸気弁７７の閉弁時期が早められ、これによりシリンダー内に吸入した吸気の押し戻され量が順次減少して出力が増し、エンジンは低負荷域、中負荷域、高負荷域と移ってゆく。同時にＥＣＵ６４からの制御信号により圧縮比可変ピストン７１の位置がその都度制御され（位置が上方へ移動）、燃焼室７０の容積を順次増加させて常に実圧縮比を最適に制御する（例えば９〜１２とする）。そして全負荷域ではアクセルは全開であり、これを受けて吸気弁７７の閉弁時期は図１０（イ）の実線示のタイミングとなり（例えば下死点後４０°ＣＡで閉弁、開弁は上死点前１０°ＣＡ）、圧縮比可変ピストン７１も最も引き上げられた位置となり、燃焼室７０の容積が最大となる（実圧縮比は９〜１２と最適値）。ところでアクセル開度に応じて吸気弁７７の閉弁時期を変え、かつ圧縮比可変ピストン７１を移動させる場合、排気行程中や吸気行程中は圧縮比可変ピストン７１には高圧のガス圧が作用しないから、排気行程中や吸気行程中、又は排気行程から吸気行程にかけて圧縮比可変ピストン７１を移動させる様にタイミングを取ると、これに要する駆動損失は僅かで済む。従ってＥＣＵ６４からの制御信号もその様にタイミングを取る事が望ましい。又、エンジン過渡期においてアクセルを開いてエンジン負荷を増す場合、吸気弁７７の閉弁時期制御よりも圧縮比可変ピストン７１の制御が遅れると、高圧縮比状態となってノッキングを起す恐れがあるから、ＥＣＵ６４からの制御信号は油圧制御弁６２へのタイミングよりも油圧制御弁８５へのタイミングの方を所定のクランク角度だけ（又は所定の時間だけ）早めてやる事が望ましい。尚、全負荷域（高負荷域）では吸気弁７７の閉弁時期は図１０で（イ）の実線示の様に固定されるが、これをエンジン回転速度に応じて可変としても良い（例えば低速域では閉弁時期を実線示より早め、高速域では遅らせると、充填効率が増加する）。又、アクセル開度に応じて吸気弁７７の閉弁時期を変える場合、単純な制御ではなくアクセルを開く速度も検出して、一定速度を越えたら急加速と判断し、吸気弁７７の閉弁時期を直ちに最も早めたタイミングとして加速性を向上させる手法も実施すると良い。以上の様にエンジンのアイドル状態や部分負荷域ではポンプ損失が大幅に減少するので、熱効率が飛躍的に高まる（この時、実圧縮比も高く取れるので、従来の様な有効圧縮比の低下による燃焼悪化は全くない）。かつ排気弁の開弁時期は従来と同じであるので、実圧縮比に対して膨張比は非常に高く、燃焼ガスを完全膨張させて排気損失を無くし、熱効率を更に向上させる事ができる。エンジン冷態時（暖機運転中）はアイドル回転速度を高めるが、これもＥＣＵ６４からの制御信号により吸気弁７７の閉弁時期を通常のアイドル状態の時より若干早める事で為される。以上述べた吸気弁７７の閉弁時期制御や圧縮比可変ピストン７１の位置制御は全てＥＣＵ６４からの制御信号に基いて行なわれ、図６に示した各センサーからの信号を総合的に考慮し（アクセルセンサーからの信号が基本となる）、制御される。尚、本発明では一旦シリンダー内に吸入した吸気を押し戻すから、吸気脈動が激しいと思われ、従って吸気流量の測定にはアクセル開度（又は吸気弁７７の閉弁時期）とクランク軸回転速度とを基本として、これに吸気通路６６内の圧力、大気圧力などの情報で補正を加えて推定し、この結果から燃焼噴射弁６８の燃料噴射量を計算するのが良いと思われる（Ｏ_２センサー又は空燃比センサーからの信号によりフィードバック制御する事が望ましい）。ところで排気弁８２の開閉時期は固定されていても良いが、本実施例の様に可変としても良く、これにより次の様な利点が生れる。即ち、前者ではエンジンアイドル状態や極低負荷域では膨張比が高過ぎ（シリンダー内に吸入した吸気を２／３押し戻すとした時、実圧縮比が１０であれば２８の高膨張比となる）、燃焼ガスの膨張させ過ぎが考えられ、排ガス温度が大幅に低下して、触媒コンバーターによる排ガス浄化作用の悪化が懸念される。しかし後者によれば膨張比は適正化されるから、この様な欠点は解消される（本発明の排ガス浄化対策については後述する）。従って排気弁８２の開閉時期は本実施例の様に可変化した方が良く、これは排気側のバルブタイミング可変装置５９によって為される（バルブタイミング可変装置５９は例えば油圧制御弁６３によって制御される油圧式が用いられるが、これは吸気側のバルブタイミング可変装置５５と基本的には同じ構造なので、説明は省略する）。この場合、排気弁８２は通常は図１０（ロ）の実線示の様に例えば下死点前５０°ＣＡで開弁し、上死点後２０°ＣＡで閉弁するが、エンジンアイドル状態や極低負域では破線示の如く開弁時期を早めて（例えば下死点前１００℃Ａとして）、実質的に膨張比を適正化するのである。この場合、排気弁８２の閉弁時期は上死点前３０℃Ａとなり、シリンダー内に排ガスを若干閉じ込める事になるが、本発明では熱焼室７０の容積が小さくなる様に制御されており、吸気通路６６内の圧力も大気圧に近いので、残留ガス又は依然として少なく、燃焼の悪化はない、以上はエンジンの運転状態に応じてエンジンの負荷や回転速度などの情報に基いて全てＥＣＵ６４によって細かく制御される。図７では圧縮比可変ピストン７１を移動するに当り、油圧式アクチュエーターを使用していたが、図１１に示す如くサーボモーターをアクチュエーターとして使用する事ができる。即ち図１１において、圧縮比可変ピストン７１のロッド９５にはネジ部９６が形成され、ロッド９５を回転させると圧縮比可変ピストン７１が移動する。シリンダーヘッド８４にはウォームホイール９７が回転自在に支持され、その中心部をロッド９５がキーやスプラインを介して貫通しており、従ってロッド９５はウオームホイール９７の中心部をスライドしながらウオームホイール９７の回転を伝達する事ができる。ウオームホィール９７にはウオーム９８が噛み合っており、ウォーム９８の回転軸上に図示しないサーボモーターが備えらえれている。従ってＥＣＵ６４からの制御信号によりこのサーボモーターを回転させればロッド９５が回転し、圧縮比可変ピストン７１が移動してエンジンの運転状態に応じて適正な実圧縮比とする事ができる。この場合も図示しない圧縮比センサーからの出力信号によりフイードバック制御する事は言うまでもない。尚、本発明ではシリンダーヘッド８４側から見て、図９の如く圧縮比可変ピストン７１の下端部の一部がシリンダー内周面の外側に出る様に配置すると、その分吸気弁や排気弁を大径化する事ができる。

発明の効果

本発明によれば吸気を絞らず（絞っても若干絞る程度）エンジン出力を制御・運転できるから、ポンプ損失が無くなり、熱効率を大幅に向上させる事ができる。しかもこの時、圧縮比（正確には吸気弁閉時におけるピストン位置で計算した実圧縮比）も高く設定できるから（９〜１２と適正値に）、従来の様に有効圧縮比の低下による燃焼悪化は起らず、ポンプ損失の減少分がそのまま熱効率の向上につながる。しかもエンジンアイドル状態や部分負荷域では圧縮比（実圧縮比）に対して膨張比が非常に大であるから、燃焼ガスの完全膨張が可能であり、排気損失が減少して熱効率の向上率は非常に大きくなる。又、エンジンのアイドル状態や部分負荷域では吸気弁７７が閉弁した時点から実際の圧縮行程が始まり、コネクティングロッドがシリンダー軸線に対して余り傾いてない間に圧縮や燃焼による高圧がピストンに作用するので、ピストンの摩擦損失が減少し、これも熱効率の向上につながる。更にはエンジンアイドル状態や極低負荷域では圧縮比可変ピストン７１が最も下方へ移動し、燃焼室７０の容積が極小となっていること、及び吸気を絞らない為（絞っても僅か）、排ガスの吸い戻しがない事などから残留ガス量が非常に少なく、燃焼が安定し、これも熱効率の向上につながるのである。加えて、この事からアイドル燃費の大幅低減が可能である。詳しく説明すると、従来ではアイドル燃費を改善させようと混合気を希薄化しても燃焼速度がますます遅くなる為、効果が表われなかった。又、従来では点火時期は最適値よりも遅れ側に設定してあるが、これを最適値に早めても吸入混合気に対する残留ガスの比率が増加しようとするから、効果が表われなかった。しかし本発明では上記の様に残留ガス量が非常に少なく、かつ実圧縮比も高く設定できるので、混合気の希薄化、点火時期の最適化によりアイドル燃費を大幅に改善する事ができる（アイドル回転速度も下げる事もできる）。本発明における熱効率向上の足を引っ張るものは、圧縮比可変ピストン７１を下方へ移動させた時の燃焼室７０のＳ／Ｖ値の増加による冷却損失増大である（Ｖは燃焼室の容積、Ｓはその表面積）。しかしながら本発明ではエンジンアイドル状態や部分負荷域では燃焼室容積が小さく、為に上死点付近では膨張比の変化率が大きいので、高温の燃焼ガスが作用する期間は上死点側に重心が移っており、Ｓ／Ｖ値が増加しているものの冷却に当てられる期間（時間）が大幅に減少しているので、冷却損失は最小限に抑えられる、冷却損失を減少させる為に、本発明ではＥＧＲの採用や混合気の希薄化の手法を接極的に取り入れる。これにより燃焼ガスの最高温度が低下して冷却損失が減少する。しかし単純なＥＧＲや希薄混合気の採用では火炎伝播速度が小さくなるので、シリンダー内ガス流動の強化や２〜３個の点火プラグによる多点着火を実施する。
特に本発明ではエンジンアイドル状態や部分負荷域では燃焼室容積が小さく制御されているので、上死点付近での膨張比の変化率が大きく、為に火炎伝播速度を大きくする必要があるので、多点着火は是非とも実施したいところである（多点着火による燃焼騒音が問題となる領域では、各々の着火時期に一定の差を与える）。
しかし、ＥＧＲの採用や混合気の希薄化により燃焼最高温度を低下させて冷却損失を減少させる手法は、燃焼最高温度を余り下げ過ぎると排ガス温度が低下して触媒コンバーターの浄化作用が悪化するから、膨張比を余り高く取れない事にもつながり、バランスが必要である。とは言っても本発明ではエンジンアイドル状態や低負荷域でも吸気は（殆ど）絞らず実圧縮比も限界まで高く取れるから、常に高負荷状態であるのと同じであり、燃焼最高温度は従来に比しかなり高いはずである。従って、実圧縮比に対する膨張比は十分に高く取れると考えられる。使用燃料としてはガソリンや天然ガス、水素等が考えられ、天然ガスや水素の場合は気体燃料であるから、元来排ガスは清浄であり、可燃範囲が広いので、希薄混合気の採用により触媒コンバーターの活性化温度を考えずに済み、実圧縮比に対する膨張比を思い切り大きく取れる。特に水素を燃料とする場合は可燃範囲が非常に広く（空気過剰率が１０でも点火、燃焼する）、超希薄混合気の採用により、冷却損失の大幅低減が可能である（水素は元来燃焼速度が大であるが、やはり多点着火を実施する）。この場合、水素は超希薄混合気を採用できるから、エンジンアイドル状態や極低負荷域でもシリンダー内へ一旦吸入した混合気を多く押し戻す必要がなく（１／２位押し戻す程度か）、従って燃焼室容積を余り縮小させないで済むから、Ｓ／Ｖ値は余り大とはならないと考えられる。しかも排ガス中の有害成分はＮＯｘのみであり（超希薄混合気の採用により非常に少ないが）、微量含まれる未然の水素は（水素は酸素と非常に結び付き易く、吸・排気弁回りのクレビス部やピストントップランド部に侵入した水素も燃焼が可能である為、極く微量である）無害なので、排ガス対策は容易であり、触媒コンバーターの浄化作用を発揮する温度（活性化温度）を考慮する必要がないから、実圧縮比に対して膨張比を非常に大きく設定して燃焼ガスを大気圧近くまで完全膨張させ、熱効率を大幅に向上させる事ができる。又、水素を燃料とする場合は図８にＣで示すスキッシュエリアにも素早く火炎が伝播する特徴があり、燃焼の無駄がない、天然ガスの場合は、これをそのまま燃料とするよりも最初から少量の（１０〜３０％）水素を混入させて混合燃料とすると、水素は酸素と極めて結び付き易いから、混合気の更なる希薄化に伴なう完全燃焼により排ガス中の有害成分は極めて少なく、触媒コンバーターの活性化温度を考える必要がなく、実圧縮比に対する膨張比も大きく取れ、更には天然ガス資源を長く使うと言った意味からも望ましい。以上から冷却損失を減少させる事ができ、熱効率の飛躍的な改善が得られる。この事から天然ガスや水素を燃料とする場合は走行距離が大幅に延び、燃焼タンク（ボンベ）の更なる高圧比を図れば、同一容積の燃料タンクでガソリンやディーゼル車と並ぶ走行距離を達成する事ができる。
次に本発明における排ガス浄化対策であるが、燃料や天然ガスや水素（エチルアルコール、メチルアルコール、ジメチルエーテル等を改質したものも含む）の場合は（超）希薄混合気の採用により全て対処する。しかしそのままでは出力低下につながるので、高負荷域では理論混合比とし、三元触媒により排ガスを浄化する様にする（燃料がガソリンの場合は吸気弁直前にスロートベーンなどを備えて、燃料噴射弁から噴射される燃料をスロートベーンによる高速気流によって良く微粒化して、希薄混合気を採用できる様に工夫する）。こうするとエンジンアイドル状態や部分負荷域では触媒コンバーターの活性化温度を考える必要がないから、実圧縮比に対して膨張比を大として、燃焼ガスを十分に膨張させる事ができる。しかしこの様な状態からエンジンを急加速する場合はいきなり高負荷域を使う事になり、混合気が理論混合比に切り換えられるから、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯなどの有害成分が発生する事になるが（エンジンアイドル状態や低負荷域では三元触媒が活性化温度に達してないと考えられるから）、上記三元触媒を吸着型とすれば、これらの有害成分はこの間トラップされ、引き続いて触媒が活性化温度に達するから、この時点で浄化される様になる。
バルブタイミング可変装置５５（５９）の採用や可変圧縮比機構の採用はコスト高を招くがトラック用の分野では競争相手はディーゼル機関なので、問題ない（ディーゼル機関は排ガス浄化対策の為、将来は更にコスト高になると思われる）。かつディーゼル機関が競争相手なので、ピストンストロークをかなり思い切ったロングストロークタイプとする事ができ、Ｓ／Ｖ値の低減が図れる（冷却損失を減少）。

バルブタイミング可変装置を備えた４サイクル内燃機関の図。バルブタイミング可変装置のもう１つの実施例を示す図。バルブタイミング可変装置の更にもう１つの実施例を示す図。吸気弁のバルブタイミングを示す図。吸気弁、排気弁のレイアウトを示す図。本発明による超効率４サイクル内燃機関を示す図。図６の一断面を描いた図。吸気弁、排気弁、圧縮比可変ピストン、点火プラグのレイアウトを示す図。可変圧縮比機構の図。吸気弁、排気弁のバルブタイミングを示す図。可変圧縮比機構の他の実施例を示す図。

符号の説明

１は４サイクル内燃機関、２・４６はクランク軸、３・４７は歯付きベルト、４・６・４８は歯付きプーリー、５・５５・５９はバルブタイミング可変装置、７は仕切壁、８・５１・５７はハウジング、９はベーン、１０・５２・５８はローター、１１・５３は進角室、１２・５４は遅角室、１３・６０は進角用油路、１４・６１は遅角用油路、１５・６２・６３・１５′は油圧制御弁、１６・８６はプランジャー、１７・８７はスプール弁、１８・９１はバネ、１９・８８はポート、２０・２１・８９・９０はドレーンポート、２２・２２′・６４はＥＣＵ、２３・２３′は吸気カム軸、２４は内筒部、２５・３１・２５′・３１′はヘリカルスプライン、２６はボルト、２７は軸受、２８は歯付きプーリー、２９は油圧ピストン、３０はシール部、３２は進角用油路、３３は進角室、３４は遅角用油路、３５は遅角室、３６はバネ、３７は外筒部、３８は軸受部、３９はプランジャー、４０はレバー、４１は支点、４２は扇形ギァ、４３はウォーム、４４はサーボモーター、２８′は歯付きプーリー、４５は超高効率４サイクル内燃機関、４９・５０・５６はギァ、６５は排気通路、６６は吸気通路、６７はスロットル弁、６８は燃料噴射弁、６９はピストン、７０は燃焼室、７１は圧縮比可変ピストン、７２・９５はロッド、７３は油圧ピストン、７４は第１油圧室、７５は第２油圧室、７６はアクチュエーター、７７・８０、Ｉ_１・Ｉ_２は吸気弁、７８はロッカーアーム、７９・８１は吸気カム軸、８２は排気弁、８３は排気カム軸、８４はシリンダーヘッド、８５は油圧制御弁、９２は第１油路、９３は第２油路、９４は点火プラグ、９６はネジ部、９７はウォームホイール、９８はウォーム。

Claims

クランク軸と同期して回転する吸気カム軸により駆動される吸気弁を備え、開弁期間は変えずにクランク軸と吸気カム軸との位相角を変えて、吸気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置を備えた４サイクル内燃機関において、シリンダーヘッドに燃焼室へ臨む圧縮比可変ピストンを備え、運転状態に応じて前記圧縮比可変ピストンを移動させる事によって燃焼室容積を可変とし、更に上死点付近で開弁するバルブタイミングが固定されたもう１つの吸気弁を備え、かくしてシリンダー内に一旦吸入した吸気を所定量押し戻して出力を制御すると共に前記圧縮比可変ピストンを移動させて燃焼室容積を変化させる様にした事を特徴とする超高効率４サイクル内燃機関。
開弁期間は変えずにクランク軸と排気カム軸との位相角を変えて排気弁の開閉時期を変化させるバルブタイミング可変装置を備えた請求項１記載の超高効率４サイクル内燃機関。
圧縮比可変ピストンを排気工程中か吸気工程中、又は排気工程から吸気工程にかけて移動させる様にした請求項１又は２記載の超高効率４サイクル内燃機関。