JP2013167208A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制できるようにする。
【解決手段】容積カム２６の回転により、圧縮行程で間隙室の容積Vcが最大となるように容積ピストン２２を移動させ、着火時期と圧縮上死点との早く到達する時期に燃焼室９の容積Vcが減少するように容積ピストン２２を移動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制できるようにした内燃機関に関する。

従来、４サイクルの内燃機関として、吸気バルブの閉時期を遅らせて一旦シリンダー内に吸入した吸気を所定量押し戻すことで圧縮比よりも膨張比を高くし、熱効率を向上させる技術が知られている。しかし、この技術では有効圧縮比の低下により燃焼が悪化するため、熱効率の大幅向上は見込めないという問題があった。

そこで、開閉時期が可変の吸気弁と、上死点付近で開弁するように開閉時期が固定された吸気弁と、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た内燃機関が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１の技術によれば、部分負荷域でのポンプ損失を低減させると共に、圧縮比を常に適正値に設定でき、熱効率を向上させることができる。また、アイドル状態や部分負荷域では実圧縮比に対して膨張比が大きくなるため、熱効率のさらなる向上も可能となっている。

一方、燃費低減要求が強くなってきた近年、内燃機関のダウンサイジング化やＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）の適用により、内燃機関の使用域が高負荷域にシフトしてきている。高負荷域においても熱効率を向上するには圧縮比（膨張比）を高める必要があるが、高負荷域で圧縮比を高くするとノッキングが発生しやすくなってしまう。

上記特許文献１では、前述の通り、アイドル状態や部分負荷域では実圧縮比に対して膨張比を大きくして熱効率を向上することができる。しかし、高負荷域に近付くほど実圧縮比と膨張比は等しくなり、その分熱効率は低下してしまう。圧縮比可変ピストンにより燃焼室容積を小さくして圧縮比を高くすることはできるが、高負荷域で圧縮比を高くするとノッキングが発生し易くなってしまうという問題が生じる。また、限られたスペースに様々な機構を配置するため機構が複雑になり、制御も複雑になってしまう問題もある。

特開２００８−１２８２２７号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制できるようにした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の請求項１に係る本発明の内燃機関は、ピストンが往復移動する行程室と、前記ピストンの上死点位置において前記ピストンの頂面とシリンダヘッドの内壁面とで囲まれる空間である間隙室とから形成される燃焼室を有する内燃機関において、前記内燃機関の１サイクル中に、前記間隙室を、基準となる容積を有する第１形状と前記第１形状よりも大きな容積を有する第２形状の少なくとも２つの形状に変更可能な容積変更機構を備え、前記容積変更機構は、着火前の前記間隙室が前記第２形状となり、着火後の前記間隙室が前記第１形状となるように、前記間隙室の形状を変更することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、着火前の間隙室の形状を第１形状よりも容積が大きな第２形状とすることで、第１形状である場合よりも圧縮比を低くしてノッキングを抑制することができる。また、少なくとも着火後の間隙室は第２形状よりも容積が小さな第１形状となっているので、車両の運転状態（負荷状態）によらず膨張比は間隙室が第２形状の場合よりも高くなり、熱効率が向上し低燃費化を図ることができる。

このため、負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制した内燃機関となる。

間隙室の形状を第１形状にする機構としては、間隙室側に容積ピストン等を突出させ、間隙室の容積を直接減少させる機構を適用することが可能である。また、着火後に間隙室の容積を増加させて第２形状とすることで、容積が相対的に小さくなる第１形状とする機構を採用することが可能である。

そして、請求項２に係る本発明の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記容積変更機構は、着火時期と圧縮上死点との早く到達する時期に前記間隙室を前記第２形状から前記第１形状に変更することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、膨張行程初期から間隙室の容積が小さくなるので、圧縮比よりも膨張比を高くすることができ、より確実に熱効率を向上して低燃費化を図れる。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関は、請求項２に記載の内燃機関において、前記容積変更機構は、少なくとも膨張行程終了時まで前記間隙室の形状を前記第１形状に維持することを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、圧縮比に対して膨張比が高い状態を確実に維持して熱効率を向上させ、低燃費化を図ることができる。また、筒内に高い圧力のかかる膨張行程中に間隙室の形状が維持されることで、容積変更機構に急激な力の変動が加わることがなく、容積変更機構の長寿命化を図ることができる。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記容積変更機構は、吸気行程中に、前記間隙室を前記第１形状から前記第２形状に変更することを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、筒内に吸入される吸気量を増やし、出力を向上することができる。

また、請求項５に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記容積変更機構は、圧縮行程中に、前記間隙室を前記第１形状から前記第２形状に変更することを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、圧縮行程中、即ち、ピストンが上昇する際に間隙室の容積を増大させることで、ピストンや容積変更機構にかかる負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。

また、請求項６に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記容積変更機構は、前記間隙室に連通して前記シリンダヘッドに形成される容積室と、前記容積室に摺動自在に配される容積ピストンと、前記容積ピストンを摺動させることにより、前記間隙室に連通する前記容積室の容積を可変にする動作手段とを備えたことを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、既存の内燃機関の構成を大幅に変えることなく、間隙室の容積を変更することができる。

本発明の内燃機関は、負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態例に係る内燃機関の要部外観図である。 吸気ポート・排気ポート周りの構成図である。 間隙室が第１形状であるときの容積室周りの構成図である。 間隙室が第２形状であるときの容積室周りの構成図である。 容積ピストンのストロークを説明する行程図である。 容積変更機構の他の例を説明する構成図である。 容積変更機構の他の例を説明する構成図である。

図１から図５に基づいて本発明の内燃機関を説明する。

図１には本発明の一実施形態例に係る内燃機関のシリンダヘッド周りの概略構成、図２には吸気ポート・排気ポート周りの構成、図３には容積が最小状態の容積室周りの構成、図４には容積が最大状態の容積室周りの構成、図５には容積室の容積ピストンのストロークを説明する行程状況を示してある。

図１、図２に示すように、内燃機関（エンジン）１のシリンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ３が取り付けられ、シリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート４及び排気ポート５が形成されている。

エンジン１のシリンダ７には図示しないクランクシャフトの回転により摺動（上下動）するピストン８が備えられ、ピストン８の頂面とシリンダライナとシリンダヘッド２の内壁面で囲まれる部位が燃焼室９とされている。ピストン８が上死点にある際の燃焼室９の容積が間隙室９ａの容積Vcとされ、ピストン８の上死点と下死点との間のストロークの範囲（排気量）の容積が行程室７ａの容積Vsとされる。

間隙室９ａの容積Vc及び行程室７ａの容積Vsに基づいて圧縮比が設定される。即ち、圧縮比εは、以下の式で表される。
圧縮比ε-=（容積Vc＋容積Vs）/容積Vc
圧縮比εを高くすることで燃焼効率が良くなり、燃費を向上させることができる。

本実施形態では、１サイクル中に間隙室９ａの容積Vcを変更可能な容積変更機構を用いることで、圧縮比と膨張比を変更可能としている。この場合の圧縮比と膨張比の違いは、圧縮行程におけるVcとVsから求められるのが圧縮比であり、膨張行程におけるVcとVsから求められるのが膨張比である。

以下に本実施形態の詳細な構造を記載する。

吸気ポート４の燃焼室９側には吸気バルブ１１が設けられ、吸気バルブ１１が開閉作動を繰り返すことで、吸気ポート４と燃焼室９との連通・遮断が繰り返して行なわれる。吸気バルブ１１は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト１２のカム１３に倣って開閉作動する。

排気ポート５の燃焼室９側には排気バルブ１５が設けられている。排気バルブ１５は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト１６のカム１７に倣って開閉作動され、排気ポート５と燃焼室９との連通・遮断を行うようになっている。

上述したエンジン１では、各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比に設定され、目標空燃比に応じた量の燃料が適正なタイミングで噴射され、また、吸気量が適正に調整され、点火プラグ３により適正なタイミングで火花点火が実施される。

図３、図４に示すように、燃焼室９に連通して筒状の容積室２１がシリンダヘッド２に形成され、容積室２１には容積ピストン２２が摺動自在に配されている。容積ピストン２２は軸部２３の先端部に一体に設けられ、軸部２３がシリンダヘッド２に摺動自在に支持されている。軸部２３の基端部には頭頂部２４が設けられ、頭頂部２４はばね２５（付勢手段）により図中上側に付勢されている。

また、カムシャフト１６には、頭頂部２４を図中下側に押圧する容積カム２６が設けられている。容積カム２６は、カムシャフト１６の回転に伴って、所定の回転位相で容積ピストン２２の突出量が変更するように設定されている。

図４に示すように、容積カム２６のリフト量が小さい領域では、容積ピストン２２が容積室２１の上部側に位置し、容積部２１ａが露出した状態になる。つまり、容積ピストン２２はばね２５により付勢されることで、容積室２１の容積部２１ａが存在する状態になり、間隙室９ａ（図２参照）の容積が最大の状態（第２形状）に維持される。

一方、図３に示すように、カムシャフト１６が回転して容積カム２６のリフト量が大きくなると、頭頂部２４が容積カム２６に押され、ばね２５のばね力に抗して容積ピストン２２が容積室２１の下部側に移動し、容積室２１の容積部２１ａの部位に容積ピストン２２が位置する。つまり、間隙室９ａの形状が第２形状から第１形状に変化する（容積変更機構）。

図５に基づいて容積ピストン２２のリフト状態の経時変化を説明する。

吸気行程が終了して吸気バルブ１１が閉状態になった際、即ち、下死点（ＢＤＣ）の直後の吸気バルブ１１が閉じた後の圧縮行程で、容積カム２６のリフト量が小さくなり、容積ピストン２２がばね２５により図中上側に付勢され、間隙室９ａの容積Vcが最大になる。つまり、間隙室９ａが第１形状から第２形状に変化し、第１形状である場合よりも圧縮比が小さくなる。

エンジン１は、点火時期が圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）前に設定されているので、点火プラグ３の点火時期に、容積カム２６のリフト量が大きくなり、容積室２１の容積部２１ａに容積ピストン２２が位置して間隙室９ａの容積Vcが最小になる。つまり、点火時期に達すると間隙室９ａは第２形状から第１形状に変化する。そして、その後再び圧縮行程となるまで、第１形状は維持される。

以上のように、本実施形態では点火前の間隙室９ａの形状を第２形状とすることで、第１形状である場合よりも圧縮比を低くしてノッキングを抑制することができる。また、点火後の間隙室９ａは第２形状よりも容積Vcが小さな第１形状となっているので、車両の運転状態（負荷状態）によらず圧縮比よりも膨張比が高くなり、熱効率が向上し低燃費化を図ることができる。

また、点火時期が圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）前に設定されているので、点火プラグ３の点火時期に間隙室９ａが第２形状から第１形状となるようにした。このため、膨張行程初期から間隙室９ａの容積Vcが小さくなり、圧縮比よりも膨張比を確実に高くすることができ、より確実に熱効率を向上して低燃費化を図ることができる。

また、第２形状から第１形状に変化した間隙室９ａは、その後再び圧縮行程となるまで、第１形状が維持されている。このため、膨張行程において間隙室９ａの形状は第１形状に維持されており、圧縮比に対して膨張比が高い状態を確実に維持して熱効率を向上し低燃費化を図ることができる。

また、筒内に高い圧力のかかる膨張行程中に容積カム２６のリフト量は変化しないため、容積変更機構に急激な力の変動が加わることがなく、容積変更機構の長寿命化を図ることができる。

更に、間隙室９ａの容積Vcが増大する時期、即ち、間隙室９ａが第１形状から第２形状に変化する時期は圧縮行程となっている。つまり、ピストン８の上昇に合わせて、容積ピストン２２も下方から上方に移動するため、ピストン８や容積変更機構にかかる負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。

また、本実施形態で示した容積変更機構では、エンジン１の作動に連動して容積ピストン２２を動作させて機械的に燃焼室９の容積（容積室２１の容積）を変更する機構となっているので、既存のエンジンの構成を大幅に変えることなく、高圧縮比化による燃費の向上と高負荷域でのノッキングの発生の抑制を図ることができる。

尚、上述したエンジン１は、点火時期が圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）前に設定されているので、点火プラグ３の点火時期を境に間隙室９ａの容積Vcが変化するように容積カム２６の位相を設定したが、点火時期が圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）の後に設定されているエンジンの場合、圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）を境に間隙室９ａの容積Vcが変化するように容積カム２６の位相を設定することが好ましい。その場合、点火時に容積カム２６のリフト量は変化しないため、容積変更機構にかかる負荷の影響を低減することができる。

図６、図７に基づいて容積変更機構の他の実施例を説明する。図６には間隙室９ａの容積Vcが最大状態（第２形状）の燃焼室周りの構成、図７には間隙室９ａの容積Vcが最小状態（第１形状）の燃焼室周りの構成を示してある。尚、図１から図４に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図６に示すように、燃焼室９に連通して容積室３１が形成され、容積室３１には容積ピストン３２が収容されている。容積ピストン３２は軸部３３の先端部に一体に設けられ、軸部３３がシリンダヘッド２に摺動自在に支持されている。軸部３３の基端部には頭頂部３４が設けられ、頭頂部３４はばね３５（付勢手段）により図中上側に付勢されている。また、カムシャフト１６には、頭頂部３４を図中下側に押圧する容積カム３６が設けられている。容積カム３６は、カムシャフト１６の回転に伴って、所定の回転位相で容積ピストン３２の突出量が変更するように設定されている。

図６に示すように、容積カム３６のリフト量が小さい領域では、ばね３５により頭頂部３４が図中上側に付勢されることにより、軸部３３を介して容積ピストン３２が容積室３１に収容される。これにより、間隙室９ａの容積Vcが最大の状態（第２形状）に維持される。

一方、図７に示すように、カムシャフト１６が回転して容積カム３６のリフト量が大きくなると、頭頂部３４が容積カム３６に押されることにより、ばね３５のばね力に抗して容積ピストン３２が燃焼室９の内側に移動し、間隙室９ａの容積Vcが容積ピストン３２の分だけ減少する。つまり、間隙室９ａの形状が第２形状から第１形状に変化する（容積変更機構）。

尚、本実施形態では、間隙室９ａの容積Vcが減少する時期は図５で示された一実施形態と同様であるが、間隙室９ａの容積Vcが増加する時期、即ち間隙室９ａの形状が第１形状から第２形状に変化する時期は吸気行程中に設定されている。

以上説明したように、本実施形態においても、前記一実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。さらに、間隙室９ａの形状が第１形状から第２形状に変化する時期は吸気行程中に設定されているため、燃焼室９内に吸入される吸気量を増やし、出力を向上することができる。

また、本実施形態では間隙室９ａの容積Vcが最大の状態（第２形状）となっても、容積室３１は容積ピストン３２で満たされている。つまり、吸気行程から圧縮行程にかけて燃焼室の構造は容積変更機構を備えない一般的なエンジンと同様となるため、図４のように容積部２１ａが露出している場合よりも筒内流動を均一にして燃焼の安定化を図ることができる。

本発明は、負荷状態に拘わらず高膨張比を維持し低燃費化を図り、しかも、高負荷域でのノッキングの発生を抑制できるようにした内燃機関の産業分野で利用することができる。

１ 内燃機関（エンジン）
２ シリンダヘッド
３ 点火プラグ
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
７ シリンダ
８ ピストン
９ 燃焼室
１１ 吸気バルブ
１２、１６ カムシャフト
１３、１７ カム
１５ 排気バルブ
２１、３１ 容積室
２２、３２ 容積ピストン
２３、３３ 軸部
２４、３４ 頭頂部
２５、３５ ばね
２６、３６ 容積カム

Claims (6)

1. ピストンが往復移動する行程室と、前記ピストンの上死点位置において前記ピストンの頂面とシリンダヘッドの内壁面とで囲まれる空間である間隙室とから形成される燃焼室を有する内燃機関において、
   前記内燃機関の１サイクル中に、前記間隙室を、基準となる容積を有する第１形状と前記第１形状よりも大きな容積を有する第２形状の少なくとも２つの形状に変更可能な容積変更機構を備え、
   前記容積変更機構は、着火前の前記間隙室が前記第２形状となり、着火後の前記間隙室が前記第１形状となるように、前記間隙室の形状を変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記容積変更機構は、
   着火時期と圧縮上死点との早く到達する時期に前記間隙室を前記第２形状から前記第１形状に変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関において、
   前記容積変更機構は、少なくとも膨張行程終了時まで前記間隙室の形状を前記第１形状に維持する
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記容積変更機構は、吸気行程中に、前記間隙室を前記第１形状から前記第２形状に変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記容積変更機構は、圧縮行程中に、前記間隙室を前記第１形状から前記第２形状に変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記容積変更機構は、
   前記間隙室に連通して前記シリンダヘッドに形成される容積室と、
   前記容積室に摺動自在に配される容積ピストンと、
   前記容積ピストンを摺動させることにより、前記間隙室に連通する前記容積室の容積を可変にする動作手段とを備えた
   ことを特徴とする内燃機関。
   

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