JP4223987B2 - 爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、直噴４サイクルエンジンにおいて、爆発行程より吸入行程を長くして、効率を高めることになる。

従来のエンジンにおいては、爆発行程の時、爆発によって完全（十分）に膨張してしまう前に排気行程に移行してしまい、爆発によって発生したエネルギーを十分にピストンやクランク、シャフトへと伝えられないままに排出してしまうという問題があった。そこで、特開2003−201873号公報において開示されているように、圧縮行程の時、本当に圧縮する行程よりも、膨張の時、本当に１張する行程の方を、ピストンのストロークで言うならば長くとる方法が提案されている。この手法によると、前記のような問題が解消され、「圧縮比＜膨張比」の比率の割合も高くとれ、膨張行程もスムーズに行われる。
特開2003−201873

しかしながら、この手法は、シリンダーヘッドに多数の弁を設ける必要がある。すなわち、混合気専用の吸気弁や排気弁のほかに、吸気行程の時、上死点で開き下死点で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点での手前で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点の手前の間で閉じる弁を開け過ぎた時の対策として、爆発行程の時、膨張しすぎて回転の抵抗になる前に開き、下死点で閉じる、空気専用の吸気弁を設けるので、シリンダーヘッドの構成が複雑となり、所定の精度を維持することが困難である。また、さらに大きな問題は、ピストンの動きと連動させて前記の各弁の開閉を制御する必要があるが、そのタイミングの実現が困難である。したがって、期待通りの動作と性能を発揮させるのは極めて困難である。

本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、圧縮行程のストロークよりも爆発行程のストロークを大きくする手法において、他の制御手段を必要とせずに、ピストン自体で直接に調節排気バルブを制御可能とすることにある。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口６を開け、その外側に、外気に通じる調節排気バルブ７を設けてあり、
吸入行程の後、ピストンが下死点から上昇して前記排気口６を通過するまでは、前記排気口６と前記調節排気バルブ７が開いて外気と連通しており、
爆発行程と排気行程と吸入行程では、前記調節排気バルブ７が閉じている構造を特徴とする直噴４サイクルエンジンである。
本発明の場合は、（Ｂ）の下死点の状態から（Ｃ）のように排気口６が閉じられるまでは、調節排気バルブ７による調節排気行程であり、以後（Ｃ）〜（Ｄ）までの短期間だけが圧縮行程となる。その後の爆発行程と排気行程と吸入行程は従来と変わり無いが、圧縮行程が短縮されたことによって、相対的に見た場合、圧縮行程よりも爆発行程が長くなったことになる。

このように、ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口６を開けて、調節排気バルブ７を設けてあるため、従来のようにシリンダーヘッドに調節排気バルブを設けた構造に比べて、シリンダーヘッドの構成が複雑化せず、また、ピストンが上昇して圧縮行程に移行する際に、ピストンがシリンダー側壁の排気口６を通過することによって、排気口６と調節排気バルブ７がピストン自体で閉じられるため、ピストンの動きと調節排気バルブ７の開閉のタイミングがずれるといった問題が発生しない。

請求項２は、前記の調節排気バルブは、シリンダーヘッドに設けてある吸入バルブや排気バルブを開閉するカムまたは油圧によって駆動される構造であることを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジンである。
このように、調節排気バルブの弁体７ｖは従来通りシリンダーヘッド３に設けてある吸入バルブや排気バルブの開閉をするカムまたは、油圧によって駆動されるが、排気口６が閉じる際のタイミングが重要であって、調節排気バルブ７の弁座７ｓの開閉の微妙なタイミングは問題とならない。

請求項１のように、ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口６を開けて、調節排気バルブ７を設けてあるため、従来のようにシリンダーヘッドに調節排気バルブを設けた構造に比べて、シリンダーヘッドの構成が複雑化せず、また、ピストンが上昇して圧縮行程に移行する際に、ピストンがシリンダー側壁の排気口６を通過することによって、排気口６と調節排気バルブ７がピストン自体で閉じられるため、ピストンの動きと調節排気バルブ７の開閉のタイミングがずれるといった問題が発生しない。
また、圧縮行程が短縮されたことによって、相対的に見た場合、圧縮行程よりも爆発行程が長くなったことになる。

請求項２のように、調節排気バルブの弁体７ｖは、従来通りシリンダーヘッド３に設けてある吸入バルブや排気バルブを開閉するカムや油圧で駆動されるが、排気口６が閉じる際のタイミングが重要であって、調節排気バルブ７の弁座７ｓの開閉の微妙なタイミングは問題とならない。

次に本発明による爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジンが実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、本発明による爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジンにおけるシリンダー部の構成を示す模式断面図である。１はシリンダーであり、ピストン２が内蔵されている。シリンダーの上部にはシリンダーヘッド３が形成されていて、吸入バルブ４と排気バルブ５、燃料噴射器８、点火プラグ９が設けてある。また、シリンダーの側壁１ｓには、ピストンの上死点Ｐ１と下死点Ｐ２との間の位置Ｐ３において排気口６を開けてあり、この排気口６に調節排気バルブ７を設けてある。この調節排気バルブ７の構成は特に限定されないが、図示例の場合は、シリンダー室１ａに連通する調節排気バルブ室７ａに弁座７ｓが形成されており、この弁座７ｓを開閉する弁体７ｖを設けてある。したがって、排気口６は、ピストン２の上下動によって開閉されるが、弁座７ｓは弁体７ｖによって開閉される。なお、弁体７ｖは従来通りシリンダーヘッド３に設けてある吸入バルブや排気バルブの開閉をするカムまたは、油圧によって駆動されるが、排気口６が閉じる際のタイミングが重要であって、弁座７ｓの開閉の微妙なタイミングは問題とならない。

図２は、図１のシリンダーにおける各部の動作を順次示す断面図であり、（Ａ）から（Ｂ）（Ｃ）…の順に動作するものとする。この図において、（Ａ）は、（Ｆ）の排気行程の終了後にピストン２が上死点に達し、次の吸入行程に移行する時点であり、吸入バルブ４は開き、排気バルブ５は閉じている。この状態からピストン２は下降し始め、クランクは右回転するが、ピストン２が下死点Ｐ２に達すると、（Ｂ）の状態となる。すなわち、（Ａ）からＢの状態に移行する間に、吸入バルブ４から外気をシリンダー室１ａ中に吸入する。そして、（Ｂ）のように、下死点に達した時点で、吸入バルブ４が閉じ、調節排気バルブ７が開く。したがって、続いてピストンが上昇する際に、シリンダー室中の空気は調節排気バルブ７から外部に押し出されるが、ピストンが第２下死点Ｐ３を通過する（Ｃ）の時点で調節排気バルブ７が閉じられることになる。

そして、ピストンがさらに上昇することによって圧縮行程が始まり、シリンダー室中に残っている空気が圧縮される。そして、（Ｄ）のように上死点Ｐ１に達した時点で、燃料が噴射されると共に、点火プラクグで点火されて爆発する。この時点から爆発行程が始まり、爆発力でピストンは（Ｅ）の下死点Ｐ２まで下降し、クランクを右回転させる。こうして（Ｅ）の下死点に達した時点で排気バルブ５が開き、次の（Ｆ）の状態に移行する間に、シリンダー室内の排気が行われる。そして、ピストンが上死点Ｐ１に達した時点で排気バルブ５が閉じて、再度吸入バルブ４が開き、（Ａ）の状態となって、新鮮な外気をシリンダー室中に吸入する。

以上のような動作の繰り返しによって、本発明によるエンジンは連続回転してクランクを駆動する。図示の動作において、従来は（Ａ）のピストンの上死点から（Ｂ）の下死点に達する間が吸入行程であり、次の（Ｃ）を経て（Ｄ）の時点まで圧縮行程となるのに対し、本発明の場合は、（Ｂ）の下死点の状態から（Ｃ）の排気口６が閉じられるまで吸入行程に相当し、以後（Ｃ）〜（Ｄ）までの短期間だけが圧縮行程となる。その後の爆発行程と排気行程は従来と変わり無いが、圧縮行程が短縮されたことによって、相対的に見た場合、圧縮行程よりも爆発行程が長くなったことになる。

そして、（Ｃ）から（Ｄ）までの圧縮が行われるシリンダー室の容積は、従来より格段と小さくなり、燃費も大幅に節減される。爆発行程から得られるパワーは犠牲になるものの、燃費に対する出力は向上するので、エネルギー効率が改善されることになり、資源の有効利用を実現できる。なお、図示の調節排気バルブ７の構造は一例であって、シリンダー側壁に開けた排気口の外に設けた開閉バルブであれば足りる。

以上のように、本発明によると、圧縮行程のストロークよりも爆発膨張行程のストロークを大きくしてエネルギー効率の向上を実現するために、他の制御手段を必要とせずに、ピストン自体で直接に調節排気バルブを制御できるため、タイミングのずれなどの問題が解消され、円滑かつ正確な制御が可能となる。その結果、エネルギー効率の良いエンジンが実現され、資源の有効利用が達成される。

本発明による爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジンにおけるシリンダー部の構成を示す模式断面図である。 図１のシリンダーにおける各部の動作を順次示す断面図であり、（Ａ）から（Ｂ）（Ｃ）…の順に動作するものとする。

符号の説明

１ シリンダー
１ａ シリンダー室
１ｓ シリンダー側壁
２ ピストン
３ シリンダーヘッド
４ 吸入バルブ
５ 排気バルブ
６ 排気口
７ 調節排気バルブ
７ａ 調節排気バルブ室
７ｓ 弁座
７ｖ 弁体
８ 燃料噴射器
９ 点火プラグ
Ｐ１ 上死点
Ｐ２ 下死点
Ｐ３ 第２下死点

Claims (2)

1. ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口（６）を開け、その外側に、外気に通じる調節排気バルブ（７）を設けてあり、
   吸入行程の後、ピストンが下死点から上昇して前記排気口（６）を通過するまでは、前記排気口（６）と前記調節排気バルブ（７）が開いて外気と連通しており、
   爆発行程と排気行程と吸入行程では、前記調節排気バルブ（７）が閉じている構造を特徴とする直噴４サイクルエンジン。
2. 前記の調節排気バルブ（７）は、シリンダーヘッド（３）に設けてある吸入バルブや排気バルブを開閉するカムまたは油圧によって駆動される構造であることを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジン。

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