JP2021500508A - 燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

燃焼エンジンは、往復動ピストン（5）、吸気ポート（6）、並びに排気ポート（7）を有する燃焼室（1〜4）を備える。隣接する燃焼室の間には、エンジンの高負荷動作モード時に閉鎖し、エンジンの部分負荷動作モード時に開放するオーバーフロー流路（15，16）を配置するためにオーバーフローポート（11，12）が設けられている。オーバーフローポート（11，12）は、隣接する燃焼室間の最短距離経路を跨いでおり、オーバーフロー流路（15）は、少なくとも実質的に最小距離経路に沿って延在している。本発明の更なる態様において、隣接する燃焼室の排気ポート（1b+2a，3b+4a）は、エンジンの高負荷動作モード時に開放し、部分負荷動作モード時に閉鎖するバルブ手段（V1，V2）を介して、エンジンの排気ヘッダ（20）に連通する共通の排気チャネル（P2，P4）に合流している。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼エンジンに関し、互いに隣接する少なくとも１つの第１燃焼室及び少なくとも１つの第２燃焼室を備え、第１燃焼室及び第２燃焼室は、それぞれ、往復動ピストン、少なくとも１つの吸気ポート、少なくとも１つの排気ポート、並びにオーバーフローポートを有し、第１燃焼室のオーバーフローポート及び第２燃焼室のオーバーフローポートは、オーバーフロー流路を介して互いに接続され、そのオーバーフロー流路は、エンジンの高負荷動作モード時にオーバーフロー流路を閉鎖すると共に、エンジンの部分負荷動作モード時にオーバーフロー流路を開放するバルブを有する。本発明は、特に、往復動ピストンを備える内燃機関に関する。本発明は、より具体的には、過膨張の原理を利用してエネルギー効率を向上させるために、燃焼室の動作を休止させる機能を有する内燃機関に関する。

内燃機関（IC）は現在、他の多くの形式の輸送及びレクリエーション装置の場合と同様、自動車を推進する動力を供給するためのエンジンの中で圧倒的に主流である。他の形式の自動車用動力源と比べた場合、内燃機関は、高い出力密度、高い信頼性、並びに補給時点と補給時点との間の走行距離として表れる有利なエネルギー貯蔵性の点においてより望ましい。しかしながら、天然資源の保護や環境への配慮から、内燃機関における有害な排出ガス及び騒音を低減しつつ、その効率、性能、燃費を向上させる努力が継続されてきた。

内燃機関の燃焼効率を向上させるために、様々な対策が提案されている。効率を向上させる１つの方法は、エンジンに部分的な負荷のみが要求される場合に燃焼室を休止させることである。この原理は、幾つかの量産車で適用されている。この原理が適用された形式の燃焼エンジンは、特許文献１（独国特許出願公開第102013006703号明細書）に既知である。この文献では、４つの燃焼室を備える直列エンジンが記載されており、そのエンジンにおいては、部分負荷動作モード時に、燃焼室の中央一対が休止する。これら燃焼室は、エンジンの負荷要求が全出力を必要とするときに再び動作する。この既知のエンジンにおいては更に、全体的な効率をより向上させるために、部分負荷の間、燃焼ガスの過膨張によって付加的な出力を得ることでエンジン効率を高めている。この点を実現するため、第１燃焼室と称される複数の外側燃焼室は、１つの排気ポートのみを有しつつ、他方の排気ポートは、オーバーフロー流路を介して、隣接する（第２燃焼室と称される）複数の中央燃焼室における対応のオーバーフローポートに接続するオーバーフローポートとして機能する。これら複数の中央燃焼室は、吸気ポートの一方を犠牲にして吸気側に設けられたオーバーフロー流路を介して互いに連通している。

部分負荷の間、オーバーフロー流路は開放されており、燃焼ガスが過膨張してアイドル状態にある複数の中央燃焼室に流入可能である。燃焼ガスに蓄積された残留エネルギーにより、これらガスは、中央燃焼室による付加的な容積内で更に膨張することができる。この付加的な膨張は、部分負荷動作モード時の付加的な効率として得られるものである。逆に、高負荷時には、適切なバルブによってオーバーフロー流路が閉鎖されると共に、複数の中央燃焼室が再び動作してエンジンの全出力が供給される。

上述した既知のエンジンにおいては、全体的な効率を向上させるために、部分負荷の間、燃焼室の休止と、過膨張による効率向上との組み合わせが採用されている。しかしながら、上述した既知のエンジンにおいては、高負荷時の動作は最適なものからは程遠い。これは、オーバーフロー流路を設けるために、外側燃焼室の排気ポート及び中央燃焼室の吸気ポートを犠牲にしなければならないからである。これにより、高負荷動作モード時に、必然的に性能及び効率の低下が生じる。更に、オーバーフローポート及び対応のオーバーフロー流路を介した燃焼ガスのリルーティングを、上述した特許文献に記載の形式で行う場合、エンジンの構成がより複雑になる。

独国特許出願公開第102013006703号明細書

本発明の目的は、上述した特許文献１に記載のエンジンにおける欠点が少なくとも大幅に回避可能となるよう、過膨張及び燃焼室の休止の原理を燃焼エンジンに適用することである。本発明の更なる態様において、本発明の目的は、これら両方の原理を燃焼エンジンに対してより有利に適用し、上述した既知のエンジンに要求される複雑さの少なくとも大部分を回避することである。

この目的を達成するため、本発明に係る冒頭に記載した形式の燃焼エンジンは、第１燃焼室のオーバーフローポート及び第２燃焼室のオーバーフローポートが、少なくとも実質的に、第１燃焼室と第２燃焼室との間を跨ぐ最小距離経路上の位置に配置され、オーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、第１燃焼室のオーバーフローポートと第２燃焼室のオーバーフローポートとの間の最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする。本発明は、燃焼室間にて最小距離にあるオーバーフローポートが、リルートされる燃焼ガスの流動抵抗及びエネルギー損失の最小化をもたらすという認識に基づいている。これにより、特に部分負荷動作時にエンジンの全体的な効率が向上する。

本発明は、燃焼室の休止、並びにアイドル状態の燃焼室へのリルーティングの両方を利用して過膨張を可能にするのに最低でも２つの燃焼室を必要とするが、本発明に係るエンジンの特に有利な実施形態、即ち、エンジンが第１燃焼室及び第２燃焼室に類似する更なる第１燃焼室及び更なる第２燃焼室を備え、第２燃焼室及び更なる第２燃焼室が、それぞれ、更なるオーバーフローポートを有し、第２燃焼室の更なるオーバーフローポート及び更なる第２燃焼室の更なるオーバーフローポートが、更なるオーバーフロー流路を介して互いに接続され、その更なるオーバーフロー流路が、エンジンの高負荷動作モード時に更なるオーバーフロー流路を閉鎖すると共に、エンジンの部分負荷動作モード時に更なるオーバーフロー流路を開放するバルブを有する実施形態は、第２燃焼室の更なるオーバーフローポート及び更なる第２燃焼室の更なるオーバーフローポートが、少なくとも実質的に、第２燃焼室と更なる第２燃焼室との間を跨ぐ最小距離経路上の位置に配置され、更なるオーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、第２燃焼室の更なるオーバーフローポートと更なる第２燃焼室の更なるオーバーフローポートとの間の最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする。この実施形態は、少なくとも４つの燃焼室に関するものであり、両方の第１燃焼室は全ての動作モードで動作するのに対して、両方の第２燃焼室は、部分負荷動作時に休止すると共に、第１燃焼室から供給される排気ガスに付加的な過膨張能力を付与する。これら第２燃焼室間のオーバーフロー流路は、これら燃焼室が単一の過膨張容積部として機能するのを可能にする。

本発明に係るエンジンの通常モードと過膨張モードとの間の切り替えは、１回のエンジン回転内で行われなければならない。従って、本発明に係るエンジンの特定の実施形態においては、制御手段が設けられ、その制御手段が、第１シリンダにおける少なくとも１つの排気ポートの全開を停止すると共に、第２シリンダにおける少なくとも１つの吸気ポートの全開を停止しつつ、第１シリンダと第２シリンダとの間におけるオーバーフロー流路のオーバーフローバルブが、エンジンの一回転内で作動されることを特徴とする。

燃焼室の吸気ポート及び排気ポートは通常、エンジンの各サイクル中に適切な時点で開閉するのに十分に高速な各バルブによって制御される。この点において、本発明に係る好適な実施形態は、上述した制御手段が、第１可変カムシャフト及び第２可変カムシャフトを含み、第１燃焼室及び第２燃焼室の吸気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第１可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有し、第１燃焼室及び第２燃焼室の排気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第２可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有することを特徴とする。両方のカムシャフトは、例えば、油圧的、機械的、又は電子的なカムシャフトのシフト技術と組み合わせた適合カムプロファイルによって可変とすることができる。

同じ技術が使用される本発明に係るエンジンの特定の実施形態は、オーバーフロー流路のオーバーフローバルブが、更なる可変カムシャフトによって作動されるポペットバルブを含むことを特徴とする。この付加的なカムシャフトは、第１燃焼室と第２燃焼室との間の（ポペット）バルブを作動させて、部分負荷動作時に、過膨張用の排気ガスをリルートする。ダブルオーバーヘッドカムシャフトが使用されるエンジンの場合、この過膨張カムシャフトは、燃焼室間における最短距離経路に沿って、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間に設けることができる。

燃焼室の行程を制御するバブルとは対照的に、過膨張用の排気ガスをリルートするバルブは、エンジンにおける各動作モード、即ち部分負荷又は全負荷の全期間にわたって同じ状態に維持される。これにより、これらバルブは、高速である必要はなく、リルーティングのために最適化することができる。この点において、本発明に係るエンジンの特定の実施形態は、更なるオーバーフロー流路のオーバーフローバルブが、連続的なエンジン回転にわたって作動又は停止する低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする。

本発明の更なる態様において、本発明の目的は、比較的単純な構成を備え、かつ部分負荷動作時に、排気ガスの過膨張を利用可能な燃焼エンジンを提供することである。従って、本発明によれば、少なくとも１つの第１燃焼室及び少なくとも１つの第２燃焼室を備える燃焼エンジンであって、第１燃焼室及び第２燃焼室が、それぞれ、往復動ピストン、吸気ポート、並びに排気ポートを有し、第１燃焼室の排気ポート及び第２燃焼室の排気ポートが、各排気チャネルを介してエンジンの排気ヘッダに連通している燃焼エンジンは、第１及び第２燃焼室が、それぞれ、更なる排気ポートを有し、第１燃焼室の更なる排気ポート及び第２燃焼室の更なる排気ポートが、共通の排気チャネル内で連通し、共通の排気チャネルが、エンジンの高負荷動作モード時に開放し、エンジンの部分負荷時に閉鎖するバルブ手段を介して排気ヘッダに連通していることを特徴とする。本発明のこの態様によれば、隣接する燃焼室間における排気チャネルは、第１燃焼室と第２燃焼室との間のオーバーフロー流路として使用される。この場合、適切なバルブが作動することにより、オーバーフロー流路は、エンジンの部分負荷時時に排気ヘッダへの排気経路を閉鎖することで開放されるか、又はエンジンの全負荷時に元の排気経路の一部になる。このように、オーバーフロー流路は、排気ヘッダにおけるＹ字形状の管構成に統合され、全負荷動作時に排気機能がほぼ影響を受けることがない。

本発明は、燃焼室の休止、並びにアイドル状態の燃焼室へのリルーティングの両方を利用して過膨張を可能にするのに最低でも２つの燃焼室を必要とするが、本発明に係るエンジンの特に有利な実施形態、即ち、エンジンが第１燃焼室及び第２燃焼室に類似する更なる第１燃焼室及び更なる第２燃焼室を備える実施形態は、第２燃焼室の排気ポート及び更なる第２燃焼室の排気ポートが、更なる共通の排気チャネル内で連通し、その更なる共通の排気チャネルが、エンジンにおける排気ヘッダに接続されていることを特徴とする。この実施形態は、少なくとも４つの燃焼室に関するものであり、両方の第１燃焼室は各動作モードで動作するのに対して、両方の第２燃焼室は、部分負荷動作時に休止すると共に、第１燃焼室から供給される排気ガスに関して付加的な膨張容積部として使用される。

両方の第２燃焼室間のオーバーフロー流路は、これら燃焼室が単一の過膨張容積部として機能するのを可能にする。この場合、本発明に係るエンジンの更なる好適な実施形態は、第２燃焼室及び更なる第２燃焼室が、オーバーフロー流路を介して互いに接続され、そのオーバーフロー流路が、エンジンの高負荷動作モード時にオーバーフロー流路を閉鎖すると共に、エンジンの部分負荷動作モード時にオーバーフロー流路を開放するバルブ手段を有することを特徴とする。このオーバーフロー流路は、エンジンの部分負荷動作モードの全期間にわたって開放状態で維持可能であり、全負荷動作が必要になれば閉鎖される。オーバーフロー流路のオーバーフロー特性を最適化するために、本発明に係るエンジンの更なる特定の実施形態は、オーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、第２燃焼室及び更なる第２燃焼室との間の最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする。

燃焼室の行程を制御するバルブとは対照的に、両方の第２燃焼室間におけるオーバーフロー流路内のバルブ手段は、エンジンにおける各動作モード、即ち部分負荷又は全負荷の全期間にわたって同じ状態に維持される。これにより、このバルブは、高速である必要はなく、両方の第２シリンダにわたって過膨張する排気ガスを均一化するために最適化できる。この点において、本発明に係るエンジンの特定の実施形態は、オーバーフロー流路のバルブ手段が、低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする。

燃焼室の吸気ポート及び排気ポートは、エンジンの各サイクル中に適切な時点で開閉するのに十分に高速な各バルブによって制御される。この場合、本発明に係るエンジンの好適な実施形態は、第１燃焼室及び第２燃焼室の吸気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第１可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有し、第１燃焼室及び第２燃焼室の排気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第２可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有することを特徴とする。両方のカムシャフトは、例えば、油圧的、機械的、又は電子的なカムシャフトのシフト技術と組み合わせた適合カムプロファイルによって可変とすることができる。

燃焼室の吸気及び排気ポートを制御するポペットバブルとは対照的に、隣接する燃焼室間のバルブ手段は、エンジンにおける各動作モード、即ち部分負荷又は全負荷の全期間にわたって同じ状態に維持される。これにより、これらバルブ手段は、高速である必要はなく、全負荷動作時に排気ガスを排気ヘッダに排出すると共に、過膨張時に隣接するシリンダ間に小さな抵抗のオーバーフロー経路を提供するよう最適化することができる。この点において、本発明に係る特定の実施形態は、共通の排気チャネルと排気ヘッダとの間のバルブ手段が、低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする。

過膨張時に他のシリンダへの効率の最適化を図ることは、道路車両における実用化のための重要な側面である。道路車両の動的挙動を考慮すれば、運転性の低下を回避するためには１サイクル以下の応答時間が求められる。ハイブリッド電気駆動部を追加する場合、推進モード間のほぼシームレスな移行の必要性が高まる。この場合の駆動には、
・完全電気（燃焼エンジンなし）
・ハイブリッド駆動 - 過膨張モード
・過膨張モード
・完全燃焼エンジン動作
・ハイブリッド駆動 - 完全燃焼エンジン動作
が含まれる。

駆動間の切り替えで遅延が生じれば、乗用車業界において重大な問題である運転性及び「ファン・トゥ・ドライブ」に大きな影響を及ぼす。僅かな支障、ノイズ、又は振動は通常、許容できないものと見なされる。これらは、本発明の構成を使用することによって最小化され及び／又は解消される。

更に、流路に関して最適化されたルーティングを使用すれば、熱損失が最小化されて過膨張の効率が向上する。これにより、過膨張が適用可能な動作領域が広がり、燃費が更に向上する。最後に、ガスのリルーティングを最適化すれば、シリンダ休止に比べてエンジンの振動を更に低減することができる。

以下、本発明を、添付図面に示す特定の例示的な実施形態を参照しつつ詳述する。

従来の燃焼エンジンにおける一般的な内部構成を示す説明図である。 本発明に係る燃焼エンジンの一実施形態を示す横断面図である。 図２における燃焼エンジンを示す上面図である。 図２におけるエンジンのオーバーフロー流路の容積に対する圧力効率を示すグラフである。 図２におけるエンジンのオーバーフロー流路の長さがエンジン効率に及ぼす影響を示すグラフである。 図２におけるエンジンのオーバーフロー流路の直径がエンジン効率に及ぼす影響を示すグラフである。 本発明に係る燃焼エンジンの第２実施形態の一般的な構成において、全負荷動作モード状態を示す説明図である。 図７における一般的な構成において、部分負荷動作モード状態を示す説明図である。

各図は概略的なものに過ぎず、必ずしも同じ縮尺で描かれているわけではない。特に、特定の寸法は、図をより明瞭にするために、多かれ少なかれ誇張されている場合がある。図中、同一部分には同一参照符号が付されている。

図１は、直列に連続配置されると共に、それぞれシリンダを含む４つの燃焼室を備える典型的な４気筒内燃エンジンを示す。本明細書を通して、「シリンダ」及び「燃焼室」という表現は、互いに同義語として使用される場合がある。図示のエンジンは、典型的には、「1-3-4-2」の点火順序を有する。ただし実際には、本発明の原理から逸脱することなく、点火順序を変化させることができる。シリンダ1，4は、互いに位相が一致しており、やはり一緒に移動するシリンダ2、3に対して位相が180°ずれている。図１においては明瞭性を高めるため、エンジンの内部構成は、シリンダ内で往復動するピストン5によって表されている。各シリンダは、吸気ポペットバルブ6で制御される２つの吸気ポート、並びに排気ポペットバルブ7で開閉される２つの排気ポートを有する。吸気ポペットバルブ6は、吸気カムシャフト８で作動するのに対して、排気バルブ7は、これらバルブを作動させる別箇のオーバーヘッド排気カムシャフト９を有する。エンジンは、その下端部にクランクシャフト10を備え、そのクランクシャフトは、エンジンにおける連続的な行程によってシリンダ内で交互に往復動するピストン5から延在するピストンロッドで駆動される。

全負荷動作時には、通常の４ストローク動作が行われる。この場合、各シリンダ1〜4には、吸気行程時に空気を取り込むための２個の吸気バルブ、並びに排気行程時に燃焼ガスをシリンダから排気するための２個の排気バルブが設けられている。従来のポペットバルブ6，7をシリンダヘッドに使用することにより、各シリンダの排気ガスは、エンジンにおけるこの「全負荷モード」で排気システムに送られる。

エンジンが静止している場合又は一定の中速度で走行している場合など、エンジンが限られた出力のみを供給する必要がある場合、エンジン管理システムは、エンジンを対応する部分負荷動作モードに切り替える。このモードにおいて、内側シリンダ2，3は休止し、エンジンは第１シリンダ1，4でのみ駆動される。シリンダの休止の間、休止したシリンダのポペットバルブは、使用する必要がなく、カムプロファイルを変更することで休止させることもできる。これは、カムシャフトを軸線方向にシフトさせること、カムシャフトの円錐回転を利用すること、又は電磁バルブ作動などによる他の機械的或いは電子的な方法を使用することにより、様々な方法で行うことができる。

能動シリンダ1，4から流出する排気ガスは、部分負荷動作モード時に、受動シリンダ2，3にリルートされることにより、受動シリンダによって提供される付加的な自由容積内で過膨張することができる。本発明の第１態様によれば、燃焼エンジンは、各燃焼室に専用のオーバーフローポート11，12を備え、これにより部分負荷時に、リルーティングが最適化され、従ってエンジン効率が最適化される。本発明によれば、これらオーバーフローバルブは、隣接するシリンダ間の距離が最も小さな経路15，16を跨っており、シリンダ間におけるオーバーフロー流路は、少なくとも実質的にこの最小距離経路に沿って設けられている（図２参照）。

図示の実施形態のオーバーフローポート11，12には、個別のポペットバルブが設けられている。バルブの作動は、可変の油圧的／機械的／電子的カムシャフト技術を使用することにより極めて高速である。図示の実施形態において、オーバーフローポート11，12を開閉するポペットバルブの作動は、図３に示すように、別箇かつ独自の可変カムシャフト13を使用して行われる。この付加的なカムシャフト13は、図示の典型的な４気筒エンジンの実施形態において、シリンダ1，2及びシリンダ4，3を接続する、各シリンダのポペットバルブを作動させる。過膨張カムシャフト13は、吸気カムシャフト８と排気カムシャフト９との間に配置されている。

通常の「全負荷」４気筒動作の間、エンジンにおける通常の吸気及び排気カムシャフト8，9は作動し、付加的な「過膨張」カムシャフト13は使用されない。カムシャフト13の停止は、様々な既存技術、即ち、カムシャフトを軸線方向にシフトさせるか、又はカムがポペットバルブを作動して内側シリンダに排気ガスがリルートされないよう電気的／油圧的に調整することによって行うことができる。

シリンダの休止の場合、即ち部分負荷動作モードの間、排気カムシャフト９は、能動シリンダ1，4における排気ポート7が使用されなくなるよう調整される。その代わりに、過膨張専用の付加的なカムシャフト13が作動可能となり、（第１）能動シリンダ1，4から（第２）受動シリンダ2，3内に排気ガスを送るオーバーフローポートの付加的なポペットバルブを作動させる。従って、シリンダ1，4が燃焼モードで動作し、シリンダ2，3が休止すると、能動シリンダ1，4における排気ガスは、休止状態のシリンダ2，3内に送られ、これによりこれらガスの更なる膨張を可能にし、シリンダ2，3内に送られなければ排気システムで失われるガス内の残留（熱）エネルギーから付加的な動力を得ることができる。

両方のモード間の移行、即ち全負荷モードと部分負荷モードとの間の移行は、１回のエンジンサイクル内でシームレスである。なぜなら、２つのモードに関するカムシャフトの作動は同期しており、既存のカムシャフト調整法、例えば回転又は軸線方向運動を利用して切り替えることができるからである。シリンダ1，4に関して停止された排気カムシャフト９は、シリンダ2，3に関して完全に機能を発揮することができるが、エンジンの構成及び較正に応じて、最適化された作動を実現するためにそのカムプロファイルに対して更に変更を加えてもよい。

「過膨張」カムシャフト13は、スペースの制限に起因して上死点（TDC）近傍で物理的に不可能な場合を除き、シリンダ２及びシリンダ３を接続するオーバーフロー流路12のポペットバルブをエンジン回転時の大部分にわたって開放するよう構成されている。このようなカムプロファイルを使用すれば、内側シリンダ2，3の両方が「実質的に」１個のシリンダとして機能するため、過膨張の利点が最大化され、流出損失を大幅に低減することができる。

この点は、受動シリンダ2、3を接続して１個の結合された容積部として機能させるポペットバルブの代わりに、挙動が最適化された専用の低速バルブで実現してもよい。部分負荷動作モードの間、シリンダ2，3は、好適には、「１個の大きなシリンダ」のように機能し、従って流動損失がこれら２個のシリンダ間で最小化される。内側シリンダ2、3を接続しつつ、エンジンが全負荷下で作動するときにこれらシリンダ2、3が独立して動作することを可能とするため、２個のシリンダ2，3の間にプランジャバルブ又はロータリーバルブタイプの専用バルブを配置することができる。このバルブは、カムシャフト8，9，13とは独立して作動可能であり、１回のエンジン回転内で応答する必要はない。バルブ機構は、「通常の」全シリンダ動作時には高いガス気密性を実現し、「過膨張」時には休止状態のシリンダ間で小さなガス流動抵抗を実現する、任意かつ実用的なタイプのプランジャバルブとすることができる。この場合に付加的な利点は、オーバーフロー流路への通路が完全に開放されることによって流動摩擦が低減することである。従来のポペットバルブにおいては、ピストンの「上死点」（TDC）にて通路が必然的に制限される。

シリンダを接続するオーバーフロー流路15は、自由膨張体積損失を最小にするため、可能な限り短くて狭いことが好適である。ただし、オーバーフロー流路15が狭過ぎるが故に、移送時に流動抵抗によって圧力低下に起因する損失が生じるのは回避すべきである。オーバーフロー流路15に関しては、流動抵抗損失及び体積膨張損失のバランスを取る最適な直径断面が存在する。何れにせよ、短い移送経路が望ましいため、本発明によれば、オーバーフロー流路15は、シリンダ1-2，3-4間の最小距離位置、即ちこれらシリンダ間の最小距離経路に沿って配置されている。過膨張カムシャフト13は、これら流路の真上に配置されている。

オーバーフロー流路15における特定の寸法は、乱流のみならず、熱及び圧力損失を考慮することで最適化することができる。これら３つの側面は、図示の実施形態に関して以下に説明するように、オーバーフロー流路長、直径、並びに形状のバランスを取ることで最適化することができる。図示の実施形態における平面クランクの標準的な構成においては、以下の特性が想定される。
ボア ： 90 mm
行程 ： 90 mm
エンジン排気量： 2.3リットル
点火順序 ： 1-3-4-2

第１シリンダから過膨張シリンダへガスを移送すると、効率に損失が生じる。これら損失には以下が含まれる。
i） オーバーフロー流路内の容積、並びに過膨張シリンダ内における残りのシリンダ容積に起因する自由膨張体積損失
ii） 摩擦損失
iii） 圧力損失を引き起こす熱損失
iv） チョーク流れによる損失

一般的に、「受動」シリンダの上死点においては、過膨張が生じたときに一定の圧力低下が引き起こされる。この点は、エンジンの圧縮比に応じて変動し得る。更に、図４に示すように、オーバーフロー流路の容積は、自由膨張による圧力損失を引き起こすため、その容積は最小にすることが好適である。

従って、長さ「Ｌ」及び直径「ｄ」の移送流路を形成する場合、可能な限り長さを小さくしつつ、流体力学的に効率的な流路を形成するのが望ましい。図５に示すように、長さが小さければ、一般的に、体積損失、摩擦／乱流損失、熱損失の全てを低減することができる。

また、流路の直径による影響も考慮する必要がある。摩擦損失に対する体積損失に関して、より大きな直径が摩擦を低減する一方で体積損失を増加させるため、最適値を見出す必要がある。ただし、摩擦損失に関しては、オーバーフロー流路内で発達した流れだけでなく、入口及び出口の影響も考慮しなければならないことに留意すべきである。図示の実施形態においては、２つのタイプのオーバーフロー流路が使用されており、能動シリンダ1、4と休止（受動）シリンダとの間の第１タイプのオーバーフロー流路11、並びに膨張シリンダ2、3を接続する別のタイプのオーバーフロー流路12である。オーバーフロー流路の直径が小さい場合、チョーク流れによる影響も考慮する必要がある。流速が局所的に音速に達すると、チョークによる影響で流速が制限され、従ってシリンダ間のスループットが制限される。これら影響は、図６にまとめられており、曲線全体の頂点付近で最適値が見出される。これにより、オーバーフロー流路の最適な寸法を、特に、エンジン排気量、圧縮比、バルブタイミング及びバルブオーバーラップ、所要の出力、回転数範囲、並びに燃焼燃料の種類に応じて、特定のエンジンに関して見出すことができる。

本発明の第２態様において、燃焼ガスの過膨張は、専用のオーバーフロー流路を必要とせずに、部分負荷動作時に休止したシリンダの利用可能な容積を使用し、燃焼エンジン内において促進することができる。図７及び図８は、その一例を示す。更に、図７及び図８に示す一例においては直列４気筒エンジンが使用されているが、同じ原理をより少ないか又はより多いシリンダ、並びに他のシリンダ構成に適用することもできる。

図７は、典型的な点火順序1-3-4-2を有する４気筒内燃機関を示すが、点火順序は異なっていてもよい。第１実施形態を参照して説明したのと同様、外側シリンダは、全負荷時に動作する（第１）シリンダとして使用されるのに対して、内側（第２）シリンダは、エンジンの部分負荷動作時に休止し、その後に排気ルーティングを利用して過膨張能力を発揮する。

シリンダ1，4は、互いに位相が一致しており、やはり一緒に移動するシリンダ2，3に対して位相が180°ずれている。図示の実施形態は、一般的な４気筒構成である。全負荷動作時には、通常の４ストローク動作が行われ、図７に示すように、各シリンダには、吸気行程時に空気を取り込むための２個の吸気バルブ6a，6b、並びに排気行程時に燃焼ガスをシリンダから排気するための２個の排気バルブ7a，7bが設けられている。

カムシャフトは、バルブ6a，6b，7a，7bを作動させ、通常は、１個のカムシャフトが吸気バルブ6a，6bを作動させ、１個のカムシャフトが排気バルブ7a，7bを作動させる（DOHC）。通常の４気筒エンジンにおいて、各シリンダにおける２個の排気バルブ7a，7bは、結合された排気ポートにガスを放出し、合計４つの排気チャネルがシリンダヘッドから出ている。

図示の実施形態において、排気ヘッダは、特有のＹ字形状に修正して構成されている。各シリンダの排気バルブ7a，7bを、排気チャネル20に接続するシリンダ毎の排気ポートに結合する代わりに、隣接するシリンダ14における隣接する排気バルブ7a，7bは、個々の排気ポートP2，P3，P4に結合されている。これにより、外側シリンダ1，4における残りの外側バルブ7a，7bは、それぞれ、個別のポートP1，P2を得ることになる。その結果、５つの排気ポートP1〜P5を備える図７の構成が実現される。各ポートは、各バルブを結合させるのに「Ｙ字形状」を有する。この構成により、全負荷動作時に全排気バルブの動作を維持しつつ、シリンダヘッドにおける冷却ジャケットに必要な調整を最小限に抑えることができる。排気ヘッダは、全開の外部バルブV1，V2を有するため、図示の全負荷動作モードの間、エンジンの排気機能はほぼ影響を受けることがない。

部分負荷動作モードの間、内側シリンダ2，3が休止すると共に、上述したように過膨張が可能になると、排気ヘッダ内の外部バルブV1，V2は、ポートP2，P4を閉鎖するのに使用される（図８参照）。これら外部バルブは、「シート」内に落ちるプランジャバルブとすることが可能であり、ポートのＹ字形状がシリンダ間の流路へ効果的に再形成されることで体積損失が最小化される。これらバルブは「低速」であってもよく、即ち１回のエンジン回転内で作動させる必要がなく、またエンジンのカムシャフトとタイミングを正確に合わせる必要がないため、較正及び作動が容易である。更に、これらバルブは、シリンダ内に配置されたバルブに関する100バールの範囲の全燃焼圧力を保持する代わりに、５バール以下の範囲の残留排気圧力を保持するだけでよい。ポートP3は開放されたままであり、図示の動作モードにおいては、エンジンの排気ポートとして機能する。

排気カムシャフトは、隣接するカムに軸線方向シフトさせることにより、新たなカムプロファイルに修正される。このモードでは、外側シリンダにおける個々のポートP1，P5に割り当てられた排気バルブ7a，7bは作動することはない。バルブ1b，2aは同時に作動して、シリンダ１からシリンダ２へのオーバーフロー流路P2を形成し、同様に、バルブ3b，4aも同時に作動して、シリンダ4，3の間にオーバーフロー流路P4を形成する。バルブ2b，3aは、過膨張後に排気チャネルP3を介して燃焼ガスを排気するために同時に作動する。

吸気カムシャフト側においては、シリンダ2，3に割り当てられた吸気バルブ6が停止されている。内側シリンダ2，3の間には、これらシリンダを連通させる低速バルブV3が設けられている。この低速バルブは、例えば、シリンダ間のヘッドに水平方向に配置されたスロットを有する回転円筒状ピンとするか、又は排気ヘッダで使用されるプランジャタイプのバルブとすることができる。バルブV3は、シリンダ2,3を１個の大きな容積部として機能するよう接続するオーバーフロー流路に配置されている。この場合、回転又は並進によりスロットが開放され、２個のシリンダ間に短い通路が形成される。

本発明は、幾つかの単なる例示的な実施形態を参照しつつ説明してきたが、本発明がこれらの例に限定されるものでないことは自明のことであろう。むしろ、当業者であれば、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく多くの修正及び変形が実現可能である。従って、上述した実施形態は４気筒エンジンに焦点を当ててはいるが、同様の原理は、直列配置か、Ｖ型構成か、又は互いに対向するよう配置されているかにかかわらず、２気筒、６気筒、並びに８気筒など、他の内燃機関の構成にも適用することができる。

流れを最適化するため、エンジンにおけるシリンダの吸気バルブは通常、上死点又は下死点にて開放されるのではなく、その少し前で開放される。過膨張の場合には、燃焼シリンダと過膨張シリンダとの間の移動も重要である。その点において、動作シリンダとアイドルシリンダとの間のクランク角差が（直列４気筒エンジンでは標準的な）ちょうど180°異なるクランクシャフトを有することは有利である。この差は、正の方向又は負の方向の何れかで、数度〜20°の間の範囲にあり得る。これにより、膨張ガスは、過膨張行程をより多く利用可能になり、全出力時で生じる僅かな効率損失を過補償し得る過膨張モードにおける全体的な効率にとって有利である。最適化されたバルブタイミングにおいては、例えば、排気の開放をデフォルトに比べて遅くし、過膨張シリンダにおける吸気の開放を同期させる。これは、過膨張シリンダの吸気が開放される、より大きなクランク角であってもよい。

高温排気ガスの再循環は、排気ガスの一部が点火シリンダに再導入されるようバルブタイミングを調整することによって実現することができる。これにより、より複雑な外部再循環ループを設ける必要がなくなる。変形としては、排気バルブの早期閉鎖、過膨張シリンダにおける吸気バルブの異なる閉鎖タイミング、クランク角の調整、又はこれらの組み合わせがある。

また、エンジンの直接的な排気とより長い流路を介した排気との間の切り替え機構は、加熱時に、これらより長い流路を通してガスを流すのを促進するエンジン管理システムによって有利に使用され得る。この場合、付加的な利点としては、大幅な加熱による排出量の削減、並びにエンジンを能動的又は受動的に加熱するEGHRC又は他のシステムを回避できることである。

過膨張モードにおけるコンプレッサ手段の特定の使用により、コンプレッサ手段によって供給されるより大きな入口圧力に起因し、過膨張モードにおけるエンジンの出力を大幅に高めることができる。コンプレッサを使用すれば、動力発生行程後により大きな残圧が生じ、その残圧は、エンジンの過膨張モードで依然として使用できる可能性がある。留意すべきは、これらコンプレッサ手段は、好適には、標準的なターボとは異なる。なぜなら、ターボは通常、排気ガスで駆動され、従って同じ作用を有さないからである。即ち、標準的なターボはいわば、本発明に係る過膨張の排気ガスエネルギーを使用するよう構成されている。

より一般的に、本発明は、添付の特許請求の範囲又は趣旨内にある全ての実施形態に関する。

Claims (15)

1. 互いに隣接する少なくとも１つの第１燃焼室及び少なくとも１つの第２燃焼室を備える燃焼エンジンであって、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室が、それぞれ、往復動ピストン、少なくとも１つの吸気ポート、少なくとも１つの排気ポート、並びにオーバーフローポートを有し、前記第１燃焼室の前記オーバーフローポート及び前記第２燃焼室の前記オーバーフローポートが、オーバーフロー流路を介して互いに接続され、該オーバーフロー流路が、前記エンジンの高負荷動作モード時に前記オーバーフロー流路を閉鎖すると共に、前記エンジンの部分負荷動作モード時に前記オーバーフロー流路を開放するオーバーフローバルブを有する燃焼エンジンにおいて、
   前記第１燃焼室の前記オーバーフローポート及び前記第２燃焼室の前記オーバーフローポートが、少なくとも実質的に、前記第１燃焼室と前記第２燃焼室との間を跨ぐ最小距離経路上の位置に配置され、前記オーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、前記第１燃焼室の前記オーバーフローポートと前記第２燃焼室の前記オーバーフローポートとの間の前記最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする燃焼エンジン。
2. 請求項１に記載の燃焼エンジンであって、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室に類似する更なる第１燃焼室及び更なる第２燃焼室を備え、前記第２燃焼室及び前記更なる第２燃焼室が、それぞれ、更なるオーバーフローポートを有し、前記第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポート及び前記更なる第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポートが、更なるオーバーフロー流路を介して互いに接続され、該更なるオーバーフロー流路が、前記エンジンの前記高負荷動作モード時に前記更なるオーバーフロー流路を閉鎖すると共に、前記エンジンの前記部分負荷動作モード時に前記更なるオーバーフロー流路を開放するバルブを有する燃焼エンジンにおいて、
   前記第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポート及び前記更なる第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポートが、少なくとも実質的に、前記第２燃焼室と前記更なる第２燃焼室との間を跨ぐ最小距離経路上の位置に配置され、前記更なるオーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、前記第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポートと前記更なる第２燃焼室の前記更なるオーバーフローポートとの間の前記最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする燃焼エンジン。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼エンジンであって、制御手段が設けられ、該制御手段が、前記第１シリンダにおける前記少なくとも１つの排気ポートの全開を停止すると共に、前記第２シリンダにおける前記少なくとも１つの吸気ポートの全開を停止しつつ、前記第１シリンダと前記第２シリンダとの間における前記オーバーフロー流路の前記オーバーフローバルブが、前記エンジンの一回転内で作動されることを特徴とする燃焼エンジン。
4. 請求項３に記載の燃焼エンジンであって、前記手段が、第１可変カムシャフト及び第２可変カムシャフトを含み、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室の前記吸気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、前記第１可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有し、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室の前記排気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、前記第２可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有することを特徴とする燃焼エンジン。
5. 請求項４に記載の燃焼エンジンであって、オーバーフロー流路のオーバーフローバルブが、更なる可変カムシャフトによって作動されるポペットバルブを含むことを特徴とする燃焼エンジン。
6. 請求項２に記載の燃焼エンジンであって、前記更なるオーバーフロー流路の前記オーバーフローバルブが、連続的なエンジン回転にわたって作動又は停止する低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする燃焼エンジン。
7. 少なくとも１つの第１燃焼室及び少なくとも１つの第２燃焼室を備える燃焼エンジンであって、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室が、それぞれ、往復動ピストン、吸気ポート、並びに排気ポートを有し、前記第１燃焼室の前記排気ポート及び前記第２燃焼室の前記排気ポートが、各排気チャネルを介して前記エンジンの排気ヘッダに連通している燃焼エンジンにおいて、
   前記第１及び前記第２燃焼室が、それぞれ、更なる排気ポートを有し、前記第１燃焼室の前記更なる排気ポート及び前記第２燃焼室の前記更なる排気ポートが、共通の排気チャネル内で連通し、前記共通の排気チャネルが、前記エンジンの高負荷動作モード時に開放し、前記エンジンの部分負荷時に閉鎖するバルブ手段を介して前記排気ヘッダに連通していることを特徴とする燃焼エンジン。
8. 請求項７に記載の燃焼エンジンであって、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室に類似する更なる第１燃焼室及び更なる第２燃焼室を備える燃焼エンジンにおいて、
   前記第２燃焼室の排気ポート及び前記更なる第２燃焼室の排気ポートが、更なる共通の排気チャネル内で連通し、該更なる共通の排気チャネルが、前記エンジンにおける前記排気ヘッダに接続されていることを特徴とする燃焼エンジン。
9. 請求項８に記載の燃焼エンジンであって、前記第２燃焼室及び更なる第２燃焼室が、オーバーフロー流路を介して互いに接続され、該オーバーフロー流路が、前記エンジンの高負荷動作モード時に前記オーバーフロー流路を閉鎖すると共に、前記エンジンの部分負荷動作モード時に前記オーバーフロー流路を開放するバルブ手段を有することを特徴とする燃焼エンジン。
10. 請求項９に記載の燃焼エンジンであって、前記オーバーフロー流路が、少なくとも実質的に、前記第２燃焼室及び前記更なる第２燃焼室との間の最小距離経路に沿って延在していることを特徴とする燃焼エンジン。
11. 請求項７〜１０の何れか一項に記載の燃焼エンジンであって、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室の前記吸気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第１可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有し、前記第１燃焼室及び前記第２燃焼室の前記排気ポートが、エンジンの一回転内で作動されると共に、第２可変カムシャフトによって制御される時限バルブ、特にポペットバルブを有することを特徴とする燃焼エンジン。
12. 請求項７〜１１の何れか一項に記載の燃焼エンジンであって、前記共通の排気チャネルと前記排気ヘッダとの間の前記バルブ手段が、低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする燃焼エンジン。
13. 請求項９に記載の燃焼エンジンであって、前記オーバーフロー流路の前記バルブ手段が、低速バルブ、特にプランジャバルブ又はロータリーバルブを含むことを特徴とする燃焼エンジン。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の燃焼エンジンであって、前記少なくとも１つの第１燃焼室及び前記少なくとも１つの第２燃焼室が、共通のクランクシャフトを駆動し、前記少なくとも１つの第１燃焼室における前記ピストンの係合点と前記第２燃焼室における前記ピストンの係合点との間のクランク角差が、180°から正方向又は負方向に約20°以下とされていることを特徴とする燃焼エンジン。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の燃焼エンジンであって、コンプレッサ手段が設けられ、前記コンプレッサ手段が、少なくとも前記エンジンの前記部分負荷動作モードにおいて、前記第１燃焼室の前記吸気ポートに昇圧された吸気圧力を供給することを特徴とする燃焼エンジン。