JP2838422B2 - サイクル可変エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンジンの回転数及び負荷の変化に応じて２
サイクル運転と４サイクル運転とを切換えるサイクル可
変エンジンに関する。

（従来の技術） 通常のピストン往復式エンジンはピストンの１往復、
すなわちクランク軸１回転にて吸入、圧縮、爆発、排気
の工程を行なう２サイクルエンジンと、ピストンの２往
復、すなわちクランク軸２回転の間に前記の４工程を行
なう４サイクルエンジンとに大別される。

そして、２サイクルエンジンではシリンダスリーブの
下方に吸気ポート（吸気口）を配置し、ピストンの下降
時に圧送された空気により、吸入と排気とを同時に平行
して行い、クランク軸の１回転毎に爆発が行われるた
め、出力軸の回転変動が少なく、高トルクを発生するこ
とができる。

一方、４サイクルエンジンでは、吸入と排気とがそれ
ぞれ独立した工程にて行われるので、充分にガス交換さ
れるため２サイクルエンジンに比して、特にエンジン回
転速度が高速時における燃料消費率が少ないという利点
がある。

（発明が解決しようとする課題） ところで、一つのエンジンを２サイクル運転または４
サイクル運転に自在に変化させて、それぞれの特性に適
合した運転を行う場合、上述のように２サイクル運転時
に使用する吸気ポートを有するため、４サイクル運転の
際はピストン下降時にシリンダの内側が連通することに
なり、エンジンの運転に支障を来すという問題が生じて
いる。

また、吸気ポートからの吸入効率を増加させるため、
吸気ポートの開孔面積を増大させると、膨張工程の短縮
による出力低下、及び高速回転時の吸気吹き戻し等の不
具合が発生する。

該不具合を解決するためには、吸気ポートを開閉する
スリーブ弁をエンジンの運転サイクル毎に駆動し、吸気
ポートの開閉タイミングを変更すればよい。

一方において、本願出願人は、シリンダスリーブの外
周面に該吸気ポートを開閉するスリーブ弁を設け、該ス
リーブ弁をリンク等の機構を介して電磁ソレノイドによ
り駆動し、該吸気ポートを必要に応じ開閉するサイクル
可変エンジンを、特願平１−112507号として既に出願し
ている。

しかし、上記のようにスリーブ弁をリンク等の機構を
介して電磁ソレノイドにより駆動する場合には、駆動装
置が複雑となりあ、また駆動機構の慣性や稼動部のガタ
のため応答速度が遅く、エンジンの運転サイクル毎にス
リーブ弁を開閉制御することができない。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであ
り、その目的はエンジンの回転速度及び負荷の変化に応
じて２サイクル運転または４サイクル運転時のサイクル
毎にスリーブ弁を駆動し吸気ポートの開閉タイミングを
変更することのできるサイクル可変エンジンを提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、外部からの信号によりシリンダスリ
ーブ下部に穿設された吸気ポート及びシリンダ上部に設
けられた吸排気口を自在に開閉する開閉手段と、吸気ポ
ート及び吸気口からの吸気を過給する過給手段とを有
し、エンジン回転数が所定回転数以下でエンジン負荷が
所定負荷以上の場合にエンジンの作動サイクルを４サイ
クルから２サイクルに切換えるサイクル可変エンジンに
おいて、２サイクル作動時であり上記所定回転数より低
回転である設定回転数以下の場合に吸気ポートの開タイ
ミングを下死点まで遅延せしめる２サイクル制御手段
と、上サイクル作動時であり上記所定回転数以上の場合
に吸気口閉鎖時近前に吸気ポートを開放せしめる４サイ
クル制御手段とを有することを特徴とするサイクル可変
エンジンが提供される。

（作用） 本発明では、エンジン回転数が所定回転数以下でエン
ジン負荷が所定負荷以上の場合にエンジンの作動サイク
ルを４サイクルから２サイクルに切換える。そして、２
サイクル運転時であり、かつ上記所定回転数より低回転
である設定回転数以下の場合に、吸気ポートを下死点ま
で閉鎖し、開タイミングを下死点まで遅延させる。更
に、４サイクル作動時であり、かつ上記所定回転数以上
の場合に吸気口閉鎖時近前に吸気ポートを開放し、吸気
口及び吸気ポート双方から吸気を行なう。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成ブロック図で
ある。

第２図は、第１図のII−II断面図であり、シリンダス
リーブの下方に設けられたスリーブ弁の構造を示すもの
である。

これらの図面において、シリンダ１の内壁にはシリン
ダスリーブ11が設けられ、ピストン２の下死点位置にお
けるピストンヘッド21の上部近傍に対応するシリンダス
リーブ11の周壁には複数個の吸気ポート12が穿設されて
いる。

そして、これらの吸気ポート12は吸気管13からの吸気
が、シリンダ１の内部へ旋回して吸入されるように傾斜
して開口されている。

３はスリーブ弁であり、上述の吸気ポート12の開孔部
分を覆って、シリンダスリーブ11の外周に嵌合し、摺動
するように帯状に配置されたものである。

そして、複数個の吸気ポート12に対応する開孔31が穿
設されるとともに、該スリーブ弁３をシリンダスリーブ
11外周の円周方向に所定角度回動すると、隣接する互い
の開口31との間の部分が吸気ポート12を塞ぎ、吸気ポー
ト12の通気を遮断するように形成されている。

尚、32は永久磁石であり、スリーブ弁３の所定の２位
置に設けられている。

41及び42はスリーブ弁の回動手段となる固定電磁石で
あり、２個の永久磁石32に各々対向している。但し、第
２図に示すように、固定電磁石42が励磁され、固定電磁
石42と永久磁石32の一方とが対向している場合には吸気
ポート12と開口31とが一致しており、かつ固定電磁石41
と永久磁石32の他方とは完全に対向していない。

逆に、固定電磁石41が励磁され、固定電磁石41と永久
磁石32の他方とが完全に対向する場合には、吸気ポート
12はスリーブ弁３によって閉鎖され、かつ固定電磁石42
と一方の永久磁石32とは対向しなくなる。

５は吸気バルブであり、シリンダ１の上方に設けら
れ、吸気管14からの吸気をエンジンの作動に応じてシリ
ンダ１に導くものである。尚、吸気バルブ５の開閉駆動
は上部に配置された電磁バルブアクチュエータ51により
制御される。

６はシリンダ１の上方に設けられた排気バルブであ
り、エンジンの排気過程における排気ガスを排気流路15
に導くものである。該排気バルブ６の開閉駆動は上部に
配置された電磁バルブアクチュエータに61により制御さ
れる。

尚、上記電磁バルブアクチュエータ51及び電磁バルブ
アクチュエータ61はそれぞれ、吸気バルブ５及び排気バ
ルブ６に連結している可動磁極と、エンジン側に固定さ
れた固定電磁石とを備え、該可動電極と固定電磁石との
間に作用する電磁力により吸排気バルブを駆動するもの
である。そして、該固定電磁石への制御指令は後述する
コントローラ８から発令される。

７はターボチャージャであり、内部には図示しないが
タービン、回転電機、コンプレッサとを同軸上に備えて
いる。排気流路15から排出される排気ガスエネルギーに
より駆動されるタービンのトルクにてコンプレッサが駆
動され、２サイクルエンジンとして稼動する際には吸気
管13を、４サイクルエンジンとして稼動する際には吸気
管14を介してシリンダ１に過給気を圧送する。

そして、エンジンの運転状態に応じ、低速時において
エンジントルクを増加させる場合は、回転電機に電力を
供給して力行させ、コンプレッサの過給作動を付勢す
る。また、エンジンからの排気エネルギが大である場合
には回転電機を発電機作動させ、該発電電力をバッテリ
等に供給するよう構成されている。

81は回転センサで、クランク軸の回転数を計測してエ
ンジンの回転数を検出するものである。

82は負荷センサで、例えばエンジンへの燃料供給量を
検出してエンジン負荷を検知するものである。

83は位置センサでクランク角度を検出してピストン位
置を検知するもので、これら各センサからの信号はコン
トローラ８に入力されている。

コントローラ８はマイクロコンピュータからなり、演
算処理を行う中央制御装置、演算処理手順や制御手順な
どの格納する各種メモリ、入／出力ポートなどを備えて
おり、前記の各種センサからの信号が入力されると所定
の演算処理が行われ、格納されている制御手順に基づ
き、固定電磁石41及び固定電磁石42、電磁バルブアクチ
ュエータ51及び電磁バルブアクチュエータ61、ターボチ
ャージ７の回転電機などに制御指令が発せられるように
構成されている。

次に、このように構成された本実施例の作動を説明す
る。

第３図は、本発明のエンジンにおける回転数と負荷と
の関係を示す図である。

本図において、Ｉは２サイクル運転時の関係を示す特
性曲線であり、IIは４サイクル運転時の関係を示す特性
曲線である。

本発明によるエンジンの運転状態は、本図に示すごと
くＡ、Ｂ、Ｃ及びＤの４つの範囲に分けられる。

範囲Ａとは、エンジン回転数Ｎが所定の回転数N1以下
であり、かつエンジン負荷が所定の負荷L1以上の場合で
ある。尚、この時エンジンは２サイクルにて稼動する。

範囲Ｂとは、エンジン回転数Ｎが所定の回転数N1とN2
との間であり、かつエンジン負荷が所定の負荷L1以上の
場合である。尚、この時エンジンは範囲Ａと同様２サイ
クルにて稼動する。

範囲Ｃとは、エンジン回転数Ｎが所定の回転数N2以下
であり、かつエンジン負荷が所定の負荷L1以下の場合で
ある。尚、この時のエンジンは４サイクルにて稼動す
る。

範囲Ｄとは、エンジン回転数Ｎが所定の回転数N2以上
の場合である。尚、この時のエンジンは範囲Ｃと同様４
サイクルにて稼動する。

第４図は、各範囲における吸排気口及び吸気ポートの
開閉状態を示す図である。

本図において、横軸はクランク角を示し、縦軸は吸排
気口及び吸気ポートの開度を示す。

また、BDCは下死点を示しTDCは上死点を示す。

更に、ｓは吸気ポートの開閉状態を示しており、ｅな
排気口の開閉状態を示し、ｉは吸気口の開閉状態を示し
ている。

回転センサ81により検知されるエンジン回転数Ｎと、
負荷センサ82により検知されるエンジン負荷Ｌとから、
コントローラ８はエンジンの状態が上記Ａ、Ｂ、Ｃ及び
Ｄのいずれの範囲に属するかを判断する。

エンジンの状態が範囲Ａにあると判断されると、コン
トローラ８は第４図（ａ）に示す状態にて吸気ポート及
び排気口を開閉させる。

すなわち、ピストンがBDCに到達するまでは吸気ポー
ト12をスリーブ弁３にて閉鎖しておき、BDCに到達した
時点で固定電磁石42に通電し、吸気ポートを開放する。
該状態にて吸気ポートを開放することにより膨張工程で
の有効ストロークが延長され、燃焼ガスのエネルギを有
効に利用することができ、エンジン出力が増加する。

次に、エンジンの状態が範囲Ｂにあると判断される
と、コントローラ８は第４図（ｂ）に示す状態にて吸気
ポート及び排気口を開閉させる。

すなわち、上記スリーブ弁３を第２図に示した位置に
し、吸気ポート12を通常連通状態としておき、該吸気ポ
ート12の開閉はピストンの上下運動により行なう。該範
囲Ｂは上記範囲Ａより高回転であるため、吸気ポートの
開放タイミングを早めガス交換を充分に行なう。

次に、エンジンの状態が範囲Ｃにあると判断される
と、コントローラ８は第４図（ｃ）に示す状態にて吸排
気口を開閉させる。該開閉状態は通常の４サイクル運転
の開閉状態と同一である。尚、エンジン回転数が所定の
回転数N2以下であるため吸排気口の開閉は、各々BDC及
びTDCの近傍位置にて行なわれる。

エンジンの状態が範囲Ｄにあると判断されると、コン
トローラ８は第４図（ｄ）にん示す状態にて吸気ポート
及び吸排気口を開閉させる。

すなわち、排気口の開閉タイミング及び吸気口の開タ
イミングは、上記範囲Ｃの場合より各々TDC及びBDCから
離れる方向に移動させるが、吸気口の閉鎖タイミングは
変更せず、吸気口の閉タイミングが近づくと、吸気ポー
トを開放し、シリンダ上部の吸気口とシリンダ下部の吸
気ポートの双方から吸入する。よって、エンジンの実圧
縮比が増加し出力が増大する。

ところで、スリーブ弁３の開口31と連通している吸気
ポート12はシリンダスリーブ11の下方のほぼ全周に複数
個設けられているため、吸気抵抗が小であり、よって短
時間に吸気が送入できることになる。

尚、通常吸気管13及び吸気管14には過給圧が印加され
ており、またスリーブ弁13は機械的な機構を介さず電磁
力にて駆動されるため２サイクルと４サイクルとの間の
切換えが俊敏に行なわれる。

以上、本発明を上述の実施例によって詳細に説明した
が、本発明の主旨の範囲内で種々の変形が可能であり、
これらの変形を本発明の範囲から排除するものではな
い。

（発明の効果） 本発明によれば、エンジン回転数が所定回転数以下で
エンジン負荷が所定負荷以上の場合にエンジンの作動サ
イクルを４サイクルから２サイクルに切換える。そし
て、２サイクル運転時であり、かつ上記所定回転数より
低回転である設定回転数以下の場合に、吸気ポートを下
死点まで閉鎖し、開タイミングを下死点まで遅延させ
る。更に、４サイクル作動時であり、かつ上記所定回転
数以上の場合に吸気口閉鎖時近前に吸気ポートを開放
し、吸気口及び吸気ポート双方から吸気を行なうので、
２サイクル運転または４サイクル運転時のサイクル毎に
スリーブ弁を駆動し吸気ポートの開閉タイミングを変更
することのできるサイクル可変エンジンを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第
２図は、II−II断面図、第３図は、本発明のエンジンに
おける回転数と負荷との関係を示す図、第４図は、各範
囲における吸排気口及び吸気ポートの開閉状態を示す図
である。 １……シリンダ、２……ピストン、３……スリーブ弁、
７……ターボチャージャ、８……コントローラ、11……
シリンダスリーブ、12……吸気ポート、13・14……吸気
管、32……永久磁石、41・42……固定電磁石、81……回
転センサ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部からの信号によりシリンダスリーブ下
   部に穿設された吸気ポート及びシリンダ上部に設けられ
   た吸排気口を自在に開閉する開閉手段と、吸気ポート及
   び吸気口からの吸気を過給する過給手段とを有し、エン
   ジン回転数が所定回転数以下でエンジン負荷が所定負荷
   以上の場合にエンジンの作動サイクルを４サイクルから
   ２サイクルに切換えるサイクル可変エンジンにおいて、
   ２サイクル作動時であり上記所定回転数より低回転であ
   る設定回転数以下の場合に吸気ポートの開タイミングを
   下死点まで遅延せしめる２サイクル制御手段と、４サイ
   クル作動時であり上記所定回転数以上の場合に吸気口閉
   鎖時近前に吸気ポートを開放せしめる４サイクル制御手
   段とを有することを特徴とするサイクル可変エンジン。
2. 【請求項２】上記開閉手段は吸気ポート及び吸排気口を
   電磁力により開閉することを特徴とする請求項（１）記
   載のサイクル可変エンジン。