JP2021134665A - ３気筒水平対向内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止して燃費性能の向上を図り得る３気筒の内燃機関を実現する。【解決手段】３気筒水平対向内燃機関１００が、クランクシャフト１０の軸線１０ｃに対し一方の側に配された第１の気筒１と、クランクシャフト１０の軸線１０ｃに対し第１の気筒１と同じ側に配された第３の気筒３と、クランクシャフト１０の軸線１０ｃを挟んで第１の気筒１と反対側に配され、その行程容積が第１及び第３の気筒１、３の行程容積の和と略同等である第２の気筒２とを備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、動力源として車両等に搭載される３気筒水平対向内燃機関に関する。

一般に、直列３気筒の内燃機関では、クランクシャフトに３つのクランクアームを１２０°の位相差で設け、これらのクランクアームの先端のクランクピンにコネクティングロッドを介して各気筒のピストンをそれぞれ接続する構成が採用されている。この種の内燃機関では、各気筒の燃焼の間隔が均等である。

内燃機関に発生する低周波の剛体振動を抑制する方法の一つとして、クランクシャフトと等速かつ逆回転するバランスウェイトを設けることが考えられるが（例えば、特許文献１を参照）、バランスシャフトを設けることによりエンジン重量及びメカロスが増大する。

また、燃費性能の向上を図る手段として、一部の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止することが知られているが（例えば、非特許文献１を参照）、従来の３気筒の内燃機関において１つの気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止すると、燃焼の間隔が不均等なものとなり、エンジン回転数の瞬時値の変動が大きくなることから、内燃機関及び車両の駆動系の振動も大きくなる。

特開昭５４−２８９１４号公報

"Ford to Offer Fuel-Saving Cylinder Deactivation Tech for 1.0 Litre EcoBoost; Global First for a 3-Cylinder Engine | Ford of Europe | Ford Media Center"、[online]、［令和2年1月20日検索］、インターネット<URL: https://media.ford.com/content/fordmedia/feu/en/news/2016/11/29/ford-to-offer-fuel-saving-cylinder-deactivation-tech-for-1-0-lit.html>

本発明は、振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止して燃費性能の向上を図り得る３気筒の内燃機関を実現するものである。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る３気筒水平対向内燃機関は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る３気筒水平対向内燃機関は、クランクシャフトの軸線に対し一方の側に配された第１の気筒と、クランクシャフトの軸線に対し第１の気筒と同じ側に配された第２の気筒と、クランクシャフトの軸線を挟んで第１の気筒と反対側に配され、その行程容積が第１及び第２の気筒の行程容積の和と略同等である第３の気筒とを備えたものである。

このようなものであれば、第１及び第２の気筒と第３の気筒とをクランクシャフトの軸線を挟んで反対側に配しているので、第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を同時に又は交互に行うようにすることにより振動を抑制しつつ、第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼をこれらの気筒の一方のみに対して交互に行い他方の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止することにより燃費性能の向上を図ることが可能となる。

また、燃焼の間隔を均等にし、かつ機械バランスをとりつつ、燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止することにより燃費性能の向上を図るための具体的な構成の一つとして、第１の気筒の行程容積と第２の気筒の行程容積とが略同等で、各気筒で吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなるサイクルを繰り返し実行するとともに各サイクルで燃料噴射及び着火燃焼を行い、第１及び第２の気筒におけるサイクルを同期させて第３の気筒におけるサイクルと半サイクル分ずらす第１の運転状態と、第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第１又は第２の気筒におけるサイクルと第３の気筒におけるサイクルとを半サイクル分ずらし、第３の気筒が出力するトルクを前記第１の運転状態と比較して小さくする第２の運転状態とを選択的にとり得るものが挙げられる。

さらに、燃焼の間隔を均等にし、かつ機械バランスをとりつつ、燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止することにより燃費性能の向上を図るための具体的な構成の他の一つとして、第１の気筒の行程容積と第２の気筒の行程容積とが略同等で、各気筒で吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなるサイクルを繰り返し実行するとともに各サイクルで燃料噴射及び着火燃焼を行い、第１及び第２の気筒におけるサイクルを同期させて第３の気筒におけるサイクルと半サイクル分ずらす第１の運転状態と、第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第３の気筒における燃料噴射及び着火燃焼は休止する第３の運転状態とを選択的にとり得るものが挙げられる。

本発明によれば、振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止して燃費性能の向上を図り得る３気筒の内燃機関を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す概略図。 同実施形態に係る吸気カム及び吸気カムシャフトを示す斜視図。 同実施形態に係る吸気バルブ、ロッカーアーム及び吸気カムを示す概略図。 同実施形態に係る内燃機関の運転領域を示す図。 高負荷領域における各気筒の状態を示すタイムチャート。 第１の低負荷領域における各気筒の状態を示すタイムチャート。 第２の低負荷領域における各気筒の状態を示すタイムチャート。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ以下に述べる。

本実施形態に係る内燃機関１００は、３気筒の水平対向内燃機関である。具体的には、図１に示すように、クランクシャフト１０の軸線１０ｃに対し同じ側に配された第１の気筒１及び第２の気筒２と、クランクシャフト１０の軸線１０ｃを挟んで第１の気筒１及び第２の気筒２と反対側に配された第３の気筒３とを備えている。本実施形態では、第１の気筒１及び第２の気筒２は同等の行程容積を有し、第３の気筒３の行程容積はこれら第１の気筒１及び第２の気筒２の行程容積の和と略同等、すなわち第１の気筒１及び第２の気筒２の約２倍である。

さらに詳述すると、図１に示すように、クランクシャフト１０からは、同一の長さＬ１を有する第１及び第２のクランクアーム１１、１２が同一方向に伸びており、これら第１及び第２のクランクアーム１１、１２の約２倍の長さＬ２（≒２Ｌ１）を有する第３のクランクアーム１３が第１及び第２のクランクアーム１１、１２と反対方向に伸びている。これら第１、第２及び第３のクランクアーム１１、１２、１３先端の第１、第２及び第３のクランクピン１１ａ、１２ａ、１３ａには第１、第２及び第３のコネクティングロッド２１、２２、２３の一端部がそれぞれ接続されている。これら第１、第２及び第３のコネクティングロッド２１、２２、２３の他端部はそれぞれ第１、第２及び第３の気筒１、２、３内のピストン１ａ、２ａ、３ａに接続されている。これらピストン１ａ、２ａ、３ａの質量は全て等しい。そして、第１〜第３の気筒１〜３のボア径ｄ１は全て等しく、各気筒１、２、３内のピストン１ａ、２ａ、３ａの行程長さはいずれもコンロッド２１、２２、２３を介して接続されたクランクアーム１１、１２、１３の長さの２倍であるので、第３の気筒３の行程容積は第１及び第２の気筒１、２の行程容積の約２倍である。なお、本明細書中では、クランクアーム１１、１２、１３の長さはクランクシャフト１０の軸心から各クランクアーム１１、１２、１３の先端のクランクピン１１ａ、１２ａ、１３ａまでの径方向の距離である。

各気筒１、２、３には、吸気バルブ３１、３２、３３及び図示しない排気バルブがそれぞれ２つずつ設けられている。以下、第１の気筒１における吸気バルブ３１の構成について述べる。図３に示すように、この吸気バルブ３１は、図示しないシリンダヘッドに回転可能に支持された吸気カムシャフト８１からの回転によりロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂを介して回転駆動される。このロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂの支点はシリンダヘッドに回転可能に支持されており、作用点は吸気バルブ３１のステムエンド３１ａに当接する。また、このロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂの力点部分は吸気カムシャフト８１に軸支された吸気カム５１Ａ、５２Ｂにより押圧される。吸気カムシャフト８１は、クランクシャフト１０が４回転するごとに１回転するようになっている。

吸気バルブ３１には、図２及び図３に示すように、吸気カムシャフト８１に軸支され当該カムシャフト８１の軸心を挟んで対称な形状を有する２つのカムローブ５１ｘを有する第１の吸気カム５１Ａと、吸気カムシャフト８１に軸支されカムローブ５１ｘを１つのみ有する第２の吸気カム５１Ｂをそれぞれ対応させて設けてある。より具体的には、両吸気バルブ３１の中間に対応する位置に第１のロッカーアーム４１Ａが、また両吸気バルブ３１に対応する位置に第２のロッカーアーム４１Ｂがそれぞれ設けられており、第１のロッカーアーム４１Ａを第１の吸気カム５１Ａが押圧するとともに、両第２のロッカーアーム４１Ｂをそれぞれ第２の吸気カム５１Ｂが押圧するようになっている。

さらに詳述すると、図２に示すように、第１の吸気カム５１Ａは、ベースサークル上において互いに１８０度離間した位置に両カムローブ５１ｘがそれぞれ配されている。第２の吸気カム５１Ｂは、カムローブ５１ｘを１つのみ有しており、このカムローブ５１ｘは第１の吸気カム５１Ａにおける一方のカムローブ５１ｘと位相が一致する位置に配されている。

一方、第１及び第２のロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂには、第１の運転状態時に第１の吸気カム５１Ａが吸気バルブ３１を開弁駆動する第１の状態をとり第２及び第３の運転状態時時に第２の吸気カム５１Ｂがそれぞれ吸気バルブ３１を開弁駆動する第２の状態をとるようにするための切替機構６０が内蔵されている。この切替機構６０は、例えば、図３に示すように、第１及び第２のロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂを接続しこれらを同期して移動させることが可能な第１の位置（Ｐ）と第１又は第２のロッカーアーム４１Ａ、４１Ｂ内に収納されこれらを接続しない第２の位置（Ｑ）との間を移動可能な接続ピン６０１と、接続ピン６０１を第１の位置（Ｐ）に向けて移動させるための油圧を供給する油圧通路６０２と、この油圧通路６０２に油圧を共有する図示しない油圧供給源と、接続ピン６０１を第２の位置（Ｑ）に向けて付勢するコイルバネ６０３と、第１の運転状態時に接続ピン６０１を第１の位置（Ｐ）に、第２及び第３の運転状態時時に接続ピン６０１を第２の位置（Ｑ）にすべく油圧通路６０２中の図示しない弁を制御する信号を出力する図示しない制御装置とを備えている。この制御装置は、マイクロコンピュータシステムを利用して形成されたものであり、エンジン回転数及びエンジン負荷率を示す信号を受け付け、これらエンジン回転数及びエンジン負荷率をパラメータとして図４に示すマップを参照することにより第１〜第３のいずれの運転状態であるかを判定し、第１の運転状態時には接続ピン６０１を第１の位置（Ｐ）に向けて移動させるべく弁に信号を出力し、第２又は第３の運転状態時には接続ピン１８を第２の位置（Ｑ）に向けて移動させるべく油圧通路６０２中の弁に信号を出力するものである。なお、図５においては、切替機構６０の接続ピン６０１の存在を示すべくロッカーアーム５１Ａ、５１Ｂの一部を破断して示している。なお、エンジン負荷率を示す信号としては、例えば、アクセル操作量、アクセル操作の速度、スロットルバルブの開度、新気の吸入空気量、吸気管圧力等、運転者が要求する内燃機関の出力（要求負荷）を示す任意の量を利用してよい。

また、第２の気筒２における吸気バルブ３２も、同様に吸気カムシャフト８１からの回転によりロッカーアーム４２Ａ、４２Ｂを介して開閉駆動される。このロッカーアーム４２Ａ、４２Ｂも同様に吸気カムシャフト８１に軸支させた吸気カム５２Ａ、５２Ｂに押圧されて吸気バルブ３２を駆動するものである。第２及び第３の運転状態時にはクランクシャフトが４回転するごとに１回開閉弁する。但し、図示は省略するが、第２の気筒２における吸気バルブ３２に対応して設けられる第２の吸気カム５２Ｂは、第１の気筒１における吸気バルブ３１に対応して設けられる第２の吸気カム５１Ｂに対しカムシャフト８１に対して１８０°離間した姿勢で当該カムシャフト８１に軸支されている。

さらに、第１及び第２の気筒１、２における図示しない排気バルブも、上述した吸気バルブ３１、３２と同様の態様で図示しない排気カムシャフトに接続されており、第２及び第３の運転状態時にはクランクシャフトが４回転するごとに１回開閉弁する。

そして、第２の気筒３における吸気バルブ３３及び図示しない排気バルブも、以下に述べた点を除き第１の気筒１における吸気バルブ３１と同様の態様で吸気カムシャフト８２及び図示しない排気カムシャフトを介して駆動される。なお、第１の気筒１における吸気バルブ３１におけるものに対応する部位には同一の名称を付している。

吸気バルブ３３には、第１の吸気カム５３Ａと、第２の吸気カム５３Ｂが対応して設けられている。第１の吸気カム５３Ａは、第１の気筒１に対応するものと同様の構成を有する。一方、第２の吸気カム５３Ｂは、カムローブを有しない。

その上で、第３の気筒３に対応させて、第１及び第２の運転状態では第１の吸気カム５３Ａにより第１のロッカーアーム４３Ａを介して吸気バルブ３３を駆動し、第３の運転状態ではカムローブを有しない第２の吸気カム５３Ｂを第２のロッカーアーム４３Ｂに当接させ、吸気バルブ３３を閉止状態に保つようにしている。すなわち、第１及び第２の運転状態ではクランクシャフトが２回転するごとに吸気バルブ３３が１回開閉弁し、第３の運転状態では吸気バルブ３３が閉弁状態を保つようになっている。

排気バルブについても同様に、第１及び第２の運転状態ではクランクシャフトが２回転するごとに１回開閉弁し、第３の運転状態では閉弁状態を保つようになっている。

そして、第３の気筒３側のカムシャフト８２には、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ６２）が接続されており、このＶＶＴ６２を介して、第２の運転状態では第３の気筒３にミラーサイクル（アトキンソンサイクル）が適用されるようになっている。換言すれば吸気行程においてピストン３ａが下死点を過ぎた後下死点と上死点との中間近傍に達したときに吸気バルブ３３が閉弁するようになっている。

従って、第１の運転状態では、第１及び第２の気筒１、２について同時に燃料噴射及び着火燃焼が行われるとともに、第１及び第２の気筒１、２と第３の気筒３とで、交互に燃料噴射及び着火燃焼が行われるようになっている。換言すれば、各気筒１〜３において吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなるサイクルを繰り返し実行し、かつ、第１及び第２の気筒１、２におけるサイクルと第３の気筒３とにおけるサイクルとを半サイクル（３６０°ＣＡ）分ずらしている。第１の運転状態における運転態様のタイムチャートを図５に示す。

第２の運転状態では、第１の気筒１及び第２の気筒２における燃料噴射及び着火燃焼、並びに前記サイクルは２サイクルに１回（１４４０°ＣＡに１回）だけ行うようにし、第１の気筒１及び第２の気筒２における燃料噴射及び着火燃焼はいずれか一方の気筒に対してのみ行い他方の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止した上で、第１又は第２の気筒１、２における燃料噴射及び着火燃焼と第３の気筒３における燃料噴射及び着火燃焼とが等間隔（３６０°ＣＡ間隔）で行われるようにし、第３の気筒３にミラーサイクル（アトキンソンサイクル）を適用して実質的な排気量が２分の１となるようにしている。第２の運転状態における運転態様のタイムチャートを図６に示す。

第３の運転状態では、第１の気筒１及び第２の気筒２における燃料噴射及び着火燃焼、並びに前記サイクルは２サイクルに１回（１４４０°ＣＡに１回）だけ行うようにし、第１の気筒１及び第２の気筒２における燃料噴射及び着火燃焼はいずれか一方の気筒に対してのみ行い他方の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止した上で、第２の気筒２における燃料噴射及び着火燃焼を常時休止するようにしている。第３の運転状態における運転態様のタイムチャートを図７に示す。

以上に述べたように、本実施形態によれば、クランクシャフト１０を挟んで一方側に第１及び第２の気筒１、２、他方側に第３の気筒３を配し、第３の気筒３の行程容積を第１及び第２の気筒１、２の行程容積の和と同等、すなわち第１及び第２の気筒１、２の行程容積の約２倍としているので、第１の運転状態では第１及び第２の気筒１、２の燃料噴射及び着火燃焼を同時に行い、第３の気筒の燃料噴射及び着火燃焼と半サイクルずらすことにより、燃焼の間隔が均等でかつ機械バランスをとることができる。すなわち、振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を適宜休止することが可能となる。

その上、第１及び第２のクランクアーム１１、１２と第３のクランクアーム１３とがちょうど反対側に伸びているので、これら３つのクランクアーム１１〜１３が同一平面上に配されることとなり、このような３つのクランクアーム１１〜１３を有するクランクシャフト１０の製造が容易である。

また、第２の運転状態では、第１及び第２の気筒１、２における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第１又は第２の気筒におけるサイクルと第３の気筒におけるサイクルとを半サイクル分ずらし、第３の気筒３の実質排気量を半分にすることにより、燃焼バランスを大きく損ねることなく排気量を半分にできる。

さらに、第３の運転状態では、第１及び第２の気筒１、２における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第３の気筒３における燃料噴射及び着火燃焼、並びに吸排気バルブの開閉を常時休止することにより、燃焼バランスを大きく損ねることなく排気量を４分の１にできる。

そして、特定の１つの気筒において吸排気バルブの開閉を行いつつ当該気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止するものではないので、低温の空気が排気浄化用の触媒に達して触媒が冷却されることや触媒に過剰量の酸素が吸着されることを抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を休止できる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、低負荷領域において一部の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止するようにしているが、燃料噴射及び着火燃焼の休止を行わないものであっても、クランクシャフトの軸心を挟んで第１及び第２の気筒と第３の気筒とを反対側に配し、第３の気筒の行程容積を第１及び第２の気筒の行程容積の和と略同等に設定した３気筒水平対向内燃機関であれば、本発明の最も主要な効果、振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を休止することが可能となるという効果を得ることはできる。

また、第１及び第２の気筒の行程容積は等しくなくてもよく、クランクシャフトの軸心を挟んで第１及び第２の気筒と第３の気筒とを反対側に配し、第３の気筒の行程容積を第１及び第２の気筒の行程容積の和と略同等に設定した３気筒水平対向内燃機関であれば、本発明の最も主要な効果、振動を抑制しつつ燃料噴射及び着火燃焼を休止することが可能となるという効果を得ることはできる。

さらに、図６及び図７を参照しつつ前述した燃料噴射及び着火燃焼の休止は、一方のみを行うようにしてもよい。換言すれば、第１の運転状態と第２の運転状態とのみ、又は、第１の運転状態と第３の運転状態とのみを選択的に行うようにしてもよい。

加えて、第２又は第３の運転状態において、第１及び第２の気筒の一方においてのみ燃料噴射及び着火燃焼を休止する際、当該一方の気筒における吸排気バルブの開閉を休止しない場合であっても、他方の気筒においては燃料噴射及び着火燃焼が行われているため、低温の空気がそのまま排気浄化用の触媒に達することはなく、触媒が冷却されることや触媒に過剰量の酸素が吸着されることを抑制できる効果をある程度得ることはできる。

そして、ガソリンエンジンに本発明を適用する場合、いずれかの気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止する際に当該気筒において点火を行うか否かは任意である。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。

１００…内燃機関
１…第１の気筒
２…第２の気筒
３…第３の気筒
１０…クランクシャフト
１０ｃ…クランクシャフトの軸線

Claims (3)

1. クランクシャフトの軸線に対し一方の側に配された第１の気筒と、
   クランクシャフトの軸線に対し第１の気筒と同じ側に配された第２の気筒と、
   クランクシャフトの軸線を挟んで第１の気筒と反対側に配され、その行程容積が第１及び第２の気筒の行程容積の和と略同等である第３の気筒と
   を備えた３気筒水平対向内燃機関。
2. 第１の気筒の行程容積と第２の気筒の行程容積とが略同等で、
   各気筒で吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなるサイクルを繰り返し実行するとともに各サイクルで燃料噴射及び着火燃焼を行い、第１及び第２の気筒におけるサイクルを同期させて第３の気筒におけるサイクルと半サイクル分ずらす第１の運転状態と、
   第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第１又は第２の気筒におけるサイクルと第３の気筒におけるサイクルとを半サイクル分ずらし、第３の気筒が出力するトルクを前記第１の運転状態と比較して小さくする第２の運転状態と
   を選択的にとり得る請求項１記載の３気筒水平対向内燃機関。
3. 第１の気筒の行程容積と第２の気筒の行程容積とが略同等で、
   各気筒で吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなるサイクルを繰り返し実行するとともに各サイクルで燃料噴射及び着火燃焼を行い、第１及び第２の気筒におけるサイクルを同期させて第３の気筒におけるサイクルと半サイクル分ずらす第１の運転状態と、
   第１及び第２の気筒における燃料噴射及び着火燃焼はそれぞれ２サイクルに１回分だけ行いその後１サイクルは休止するようにして交互に行い、第３の気筒における燃料噴射及び着火燃焼は休止する第３の運転状態と
   を選択的にとり得る請求項１又は２記載の３気筒水平対向内燃機関。

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