JP2011185252A

JP2011185252A - 内燃機関の効率の良い排気機構

Info

Publication number: JP2011185252A
Application number: JP2010068859A
Authority: JP
Inventors: Bunji Koshiishi; 文次輿石
Original assignee: KOSHIISHI MEGUMI; KOSHIISHI MICHIKO; KOSHIISHI NAOTO
Current assignee: KOSHIISHI MEGUMI; KOSHIISHI MICHIKO; KOSHIISHI NAOTO
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】内燃機関が高回転高負荷時において、これまで無駄に捨てていたシリンダー内の大量の燃焼ガスのエネルギーを利用することで効率的な排気を行うことでエンジンの出力及び効率を向上させる。
【解決手段】一つのシリンダーに通常の排気バルブと早開きするベンチュリバルブを持たせる。早開きしたベンチュリバルブからの高速の排気気流を利用しベンチュリ効果により負圧を発生させ、それによりシリンダー内の燃焼ガスの排出を排気バルブから効率よく行う構造とする。また低回転時には排気バルブの早開きによる負圧の発生は必要は無いので、ベンチュリバルブを駆動するカムに可変タイミング機構等を組み合わせることで膨張比を最大化しエンジン効率を上げる。
【選択図】図２

Description

考案の詳細な説明

本考発明は、内燃機関（エンジン）のシリンダー内の燃焼ガスを効率的に排出するための排気装置に関するものである。

従来、この種の排気ガス排出装置は、単なるマフラー（消音機構）でありエンジンの燃焼効率を高めるためには単に排気ガスの流れを出来るだけ妨げないようにしたり、排気の脈動を利用する程度であった。

考案が解決しようとする課題

エンジンが低回転低負荷時においては燃焼ガスは、ピストンが膨張行程の下死点（ＢＤＣ）に到達し、排気バルブが開いた時点で殆ど排出されるが、高回転高負荷においては燃焼ガスが大量に発生し、排出の時間的余裕も少ないのでＢＤＣで排気バルブを開いてもすぐには全ての燃焼ガスが排気されずシリンダー内に大量の燃焼ガスが残留し、そのことは排気行程で上昇中のピストンを押し下げる働きを行い、エンジン出力や効率を悪化させる大きな要因の一つだった。
また、排気行程でピストンが上昇することで燃焼ガスの排出のために上昇中のピストンが圧力をかけることはエンジンを加熱させることなのでノッキングが発生しやすくなる要因でもあった。
そのため、実際のエンジンではエンジンの特性によりそのタイミングは異なるが、高回転高負荷時の排気能力を確保するためにＢＤＣよりかなり前のタイミングで排気バルブが開く（早開きする）ようになっている。しかしこれは膨張行程を短くすることであり、特に低回転低負荷時にエンジンの効率を下げることになり、高回転でも低回転でも効率の良いエンジンを実現することは困難であった。
本発明はシリンダー内の燃焼ガスを積極的に排出させることでエンジン出力や効率を高めることを目的とする、自動車用排気装置を提供することである。

課題を解決するための手段

前記課題を解決するためには、排気バルブの後に続くエクゾーストマニフォールド内の圧力を出来るだけ低くすることで、排気が促進され目的を達成することが出来る。
内燃機関において排気バルブが早開きするということは、大きなエネルギーを持つ高温高圧の燃焼ガスをそのまま大気中に放出することであり、そのエネルギーは完全に無駄になっていた、つまりその分だけエンジン効率が低下しているのである。
排出されるガスのエネルギーを利用するものにターボチャージャーがあるが、その目的は同一排気量のエンジンで出力を上げることであり効率向上ではなかった。また製造コストや熱害、アクセルレスポンスの悪化等の問題が存在している。本発明は従来捨てていた排気エネルギーの一部を利用しエクゾーストマニフォールド内の圧力を積極的に低下させ排気効率を向上させる構造である。
１気筒につき２つの排気バルブ（第一排気バルブ＝ベンチュリバルブ、第二排気バルブ＝通常の排気バルブとする）を持つエンジンにおいて、それぞれのエクゾーストマニフォールドを独立させ、ベンチュリバルブの開くタイミングを排気バルブより少し早目に設定することで、シリンダー内にある高温高圧の燃焼ガスの一部を利用しベンチュリバルブから高速の排気気流を得、その排気ガスの流速を利用することで、ベンチュリ効果により負圧を作り出す構造とする。
そして排気バルブのエクゾーストマニフォールドに負圧を発生させることで、シリンダー内の燃焼ガスをすばやく引き出すことが可能となる。
排気行程でピストン内の圧力を負圧にすることが出来れば、その負圧はピストンを引き上げる作用をするため、排気行程においてもエンジンにトルクを発生させることになる、つまりその分エンジン効率が上がることになる。

具体的な構造

請求項１は図１のように、排気バルブとベンチュリバルブは同一のカム軸で駆動されるがそれぞれのカムプロファイルの位相は異なっている。ベンチュリバルブが排気バルブより早いタイミングで開くように設定されているが、相互のバルブタイミングは相対的に固定されている。排気バルブの駆動カムにバルブタイミング可変機構を持たせ排気バルブタイミングを可変としても良い。この構造では現行のエンジンのカムプロファイルを変え、二系統の独立したエクゾーストマニフォールド及びベンチュリマニフォールドと負圧発生のためのベンチュリパイプを用意するだけなので開発や製造に関するコストが非常に少なくてすむ利点がある。
請求項２はベンチュリバルブを排気バルブとは独立したバルブタイミング可変機構を持つカムで駆動し、エンジン回転数や負荷の大小に応じてベンチュリバルブのタイミングを変更することで広い範囲でエンジンの熱効率を上げることを目的としたものである。
同様に請求項３及び請求項４のように、エンジン回転数や負荷の大小によりベンチュリバルブの動作を二段階に切り替えるようにしてもある程度の効果が得られる。

ベンチュリパイプは図３に示すように二重構造のパイプであり中央を高速の気流が流れることで、ベンチュリ効果によりその外側にあるパイプに負圧を発生する構造である。中央のパイプはベンチュリバルブからの高速な燃焼ガスが流れ、その外側のパイプには排気バルブからの燃焼ガスが流れ込むようになっている。
ベンチュリパイプについては上記以外の構造でも良い。ベンチュリバルブからの高速な排気ガスの気流によるベンチュリ効果を利用し十分な負圧を発生できるものなら、どのような構造でも良くそれは請求項の範囲に含まれる。
また、明確にベンチュリパイプの構造をしていなくてもベンチュリパイプとエクゾーストパイプの集合部分を工夫することで排気バルブ側のエクゾーストマニフォールドに負圧を発生するようなものも同様に請求項に含まれる。

請求項２のようにベンチュリバルブを可変タイミングにした場合、高回転高負荷時に図５のようにベンチュリバルブの開くタイミングを早めることでベンチュリ効果を最大限に生かし、大量に発生する燃焼ガスの排出を促進することで高効率で高出力が得られ、排気が促進されることでシリンダー温度も下がるのでＮＯＸの発生量を減らすことが出来る。
さらに、ベンチュリバルブが閉じる時点で次に排気行程を行うシリンダーのベンチュリバルブが開くのでエクゾーストマニホールドは常に負圧を維持することになり、シリンダー内の燃焼ガスの排気が確実に行われる。
低回転高負荷時には図６のようなバルブタイミングとすることで、遅いピストンスピード状態においては膨張行程を最大とすることで、エンジンは高トルク高効率で運転できる。
アイドリングや低速走行時には図７のようなバルブタイミングとすることで膨張行程を最大とし、かつ吸気行程の初期にベンチュリバルブからシリンダー内に排気ガスを吸い込むことでＥＧＲを行い、ある程度のポンピングロスの低減もできる。

請求項２ではＥＣＵ内にエンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量あるいはスロットル開度を縦軸と横軸とし、その交点をベンチュリバルブのカムのタイミング可変量とするマップを用意しておき、それによりＥＣＵはカム駆動用アクチュエータを制御すると良い。
吸気バルブ駆動カムに可変バルブタイミング機構を持つエンジンは多数存在する、同様な仕組みでベンチュリバルブのタイミングをを可変できるようにすれば良い。

考案の効果

以上説明したように、本考案の自動車用排気装置によれば、従来捨てていた高温高圧の燃焼ガスのエネルギーを利用し負圧を発生させることで、シリンダー内に残る燃焼ガスを強制的に引き出し高回転高負荷時のエンジンの熱効率や出力を大幅に上げることが出来る。
また、請求項２ではベンチュリバルブ駆動を独立したカムで行い、それにバルブタイミング可変機構を組み合わせることで、エンジンの動作の広い範囲において、より効率的な運転が可能となる。
本発明は基本的に自動車用のガソリンエンジンに関するものであるが、ディーゼルエンジンやガスエンジンなどの内燃機関に対しても同様な効果を期待できる。

は請求項１の基本概念図であるは請求項２の基本概念図であるはベンチュリパイプの断面図であるは一般的なエンジンの吸気及び排気バルブのタイミングであるは請求項１のバルブタイミングであり、請求項２のベンチュリバルブの可変タイミングを早開きにした状態であるは請求項２のベンチュリバルブの可変タイミングを排気バルブと同じようにした状態であるは請求項２のベンチュリバルブの可変タイミングを排気バルブのタイミングより遅くした状態である

Claims

１つのシリンダーに２つの排気バルブを持つエンジンにおいて、それぞれの排気バルブのエクゾーストパイプを独立させ、一方の排気バルブ（ベンチュリバルブ）の開くタイミングをもう一方の排気バルブの開くタイミングより早めることで、ベンチュリバルに続くエクゾーストパイプに高速の気流を発生させ、その気流をベンチュリ効果を発生させる機能を持つベンチュリパイプに流すことで負圧を発生させ、その負圧により遅く開く方の排気バルブからシリンダー内の燃焼ガスを効率よく引き出す構造を持つ排気構造。
請求項１の構造で、ベンチュリバルブを駆動するカム軸を排気バルブを駆動するカム軸とは別のカム軸で行い、ベンチュリバルブを駆動するカムに可変バルブタイミング機構を持たせた構造。
請求項１の構造でロッカーアーム式のバルブ駆動構造の場合、２つのカムを切り替えてベンチュリバルブの開閉カーブをエンジン回転数や負荷に応じて２段階に切り替える構造。
請求項１の構造でベンチュリバルブの油圧タペットの油圧を変更することでエンジン回転数や負荷に応じてベンチュリバルブの動作を閉じ位置で停止する構造。