JP4842181B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、１サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンに関する。

従来のエンジンとして、吸気、圧縮、燃焼、排気との４行程を含む１サイクル内に、この４行程とは別に、燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
そして、このような増加行程サイクル運転を行えば、通常の運転のように１サイクル内に休止行程を追加しないで運転する４行程サイクル運転を行う場合と比較して、１サイクル内に軸出力を発生しない一対の休止行程を１つ以上追加した分、軸出力を比較的大幅に低下させることができ、更に、軸出力を低下させるために吸気路に設けられたスロットルバルブの開度を大幅に絞る必要がないので、スロットルバルブの開度縮小によるポンプ損失の増加を抑制して高効率で運転することができる。

また、上記特許文献１に記載のエンジンは、前記吸気行程において開状態とされる吸気バルブとは別に、空気だけを吸気するための空気専用の吸気弁を備え、上記一対の休止行程として、空気専用の吸気バルブを開状態とし排気バルブを閉状態としてピストンを下降させる空気吸気行程と、上記４行程に含まれている排気行程と同様に吸気バルブを閉状態とし排気バルブを開状態としてピストンを上昇させる空気排気行程とを、上記４行程に追加して、上記増加行程サイクル運転を行うように構成されている。即ち、上記空気吸気行程では、空気だけがピストンの下降に伴って吸気バルブを通じて燃焼室に吸気され、それに続く上記空気排気行程では、直前の空気の吸気行程で燃焼室に吸気された空気がピストンの上昇に伴って燃焼室から排気バルブを通じて排気路に排気される。
そして、このような構成を採用することにより、上記空気吸気行程において、空気だけが空気専用の吸気バルブを通じて燃焼室に吸気されるので、無駄な燃料の消費がなく、省資源につながるとされている。

特開２００１−３１７４１２号公報

上記特許文献１に記載のエンジンでは、上記増加行程サイクル運転における空気吸気行程を行うために、吸気行程において開状態とされる吸気バルブとは別に上記空気専用の吸気弁を追加する必要があるので、それら複数の吸気弁の開閉動作を行うための動弁機構等が煩雑で且つ大型なものとなり、特に小型のエンジンでは、そのような空気専用の吸気バルブを追加することができない場合がある。また、空気専用の空気バルブを追加することで、燃焼室の流動が適切なものでなくなって、エンジン性能が低下するなどの弊害も懸念される。

更に、一対の休止行程の後半側の行程として追加される排気行程において、燃焼室から排気バルブを通じて排気路に排気された空気が、無用にも、排ガスを無害化処理する触媒、排ガスの熱を回収する熱交換器、排ガスの運動エネルギにより駆動するターボ過給機等の排気路に設けられた各種機器に通過させるので、その空気を各種機器に通過させるためのポンプ損失が生じて効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１サイクル内に吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を簡単且つ小型な構成により行うことができ、更に、当該増加サイクル運転において追加する一対の休止行程における効率低下を抑制し得るエンジンを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、１サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンであって、その第１特徴構成は、前記一対の休止行程が、排気バルブを開状態とし吸気バルブを閉状態とする排気側開放状態で前記ピストンを下降させる前休止行程と、同排気側開放状態で前記ピストンを上昇させる後休止行程とからなり、
前記一対の休止行程の内の少なくとも前記前休止行程において、前記排気バルブに接続された排気路の流路断面積を、前記排気行程よりも拡大させる排気路断面拡大手段を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記増加行程サイクル運転において上記４行程とは別に一つ以上追加される上記一対の休止行程が、排気行程で開状態とされる排気バルブを開状態とし排気行程で閉状態とされる吸気バルブを閉状態とする上記排気側開放状態でピストンを往復動させる上記前休止行程及び上記後休止行程からなる。よって、上記前休止行程では、排気路に存在する排ガスがピストンの下降に伴って排気路から排気バルブを通じて燃焼室に吸気され、それに続く上記後休止行程では、直前の前休止行程で燃焼室に吸気された排ガスがピストンの上昇に伴って燃焼室から排気バルブを通じて排気路に戻されることになる。よって、排気行程で開状態とされる排気バルブを開状態とするだけで、増加行程サイクル運転に追加する一対の休止工程を実現することができる。更に、この一対の前休止行程では、吸気路に存在するガスが燃焼室に吸気されることがないので、例えば当該ガスに燃料が含まれている場合でも、無駄な燃料の消費を無くすことができる。

更に、一対の休止行程においては、上記排気バルブを開状態とすることで、排ガスを処理する排ガス処理部において排ガスの往復流が発生してポンプ損失が生じることが懸念される。そこで、上記排気路断面拡大手段により、一対の休止行程の内の少なくとも前休止行程における排気路の流路断面積を、排ガス処理部を通じて排ガスを排気する必要がある排気行程における排気路の流路断面積よりも拡大させることにより、少なくとも前休止行程におけるポンプ損失を極力小さくすることができ、当該ポンプ損失の増大による効率低下を抑制することができる。
従って、本発明により、増加行程サイクル運転を、通常の４行程に対して排気側開放状態でピストンを往復動させる一対の休止行程を追加するというように、簡単且つ小型な構成により行うことができ、更に、当該増加サイクル運転において追加する一対の休止行程の内の少なくとも前休止行程におけるポンプ損失を極力小さくして効率低下を抑制することができるエンジンを実現することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記排気路に、当該排気路に設けられた排ガス処理部をバイパスするバイパス路を備え、
前記排気路断面拡大手段として、前記一対の休止行程の内の少なくとも前記前休止行程において前記バイパス路を開放すると共に、前記排気行程において前記バイパス路を閉鎖するバイパス路開閉手段を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、排気路において、排ガスを処理する排ガス処理部をバイパスするバイパス路と、当該バイパス路の開閉状態を所定の形態で制御する上記バイパス路開閉手段とを設けるというような簡単で小型化が可能な構成を採用することで、当該バイパス路開閉手段を、上述した排気路断面拡大手段として機能させることができる。即ち、上記バイパス路開閉手段は、一対の休止行程の内の少なくとも前休止行程で上記バイパス路を開放させると共に、排気行程において上記バイパス路を閉鎖させることで、少なくとも前休止行程において、排気路の流路断面積を、排気行程よりも上記バイパス路の流路断面積分拡大させることができ、結果、一対の休止行程においてポンプ損失を極力小さくして効率低下を抑制することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記バイパス路開閉手段が、前記バイパス路に設けられ、前記排気バルブ側からのガスの通流を阻止すると共に、前記排気バルブ側へのガスの通流を許容する逆止弁で構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、上述したバイパス路開閉手段を上記逆止弁というように非常に簡単な構成で実現することができる。
即ち、前休止行程においては、排気側開放状態でピストンを下降させるのに伴って排気路において下流側から排気バルブ側に向かう排ガスの通流が発生する際に、当該排気バルブ側への排ガスの通流を許容するべく上記逆止弁が開状態となってバイパス路が開放されるので、排気路の流路断面積は、上記バイパス路を含む比較的大きいものとなり、その前休止行程においてポンプ損失を極力小さくすることができる。
一方、後休止行程においては、排気行程と同様に、排気側開放状態でピストンを上昇させるのに伴って排気路において排気バルブ側から下流側へ向かう排ガスの通流が発生する際に、当該排気バルブ側からの排ガスの通流を阻止するべく上記逆止弁が閉状態となってバイパス路が閉鎖される。よって、排気路の流路断面積は、上記バイパス路を除く比較的小さいものとなり、この後休止行程でのポンプ損失の低下を見込むことはできないが、簡単な構成で本願発明を実現する点で上記第３特徴構成を採用することは有効であるといえる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記バイパス路開閉手段が、前記バイパス路に設けられ当該バイパス路を開閉可能な開閉弁と、前記一対の休止行程において前記開閉弁を開状態とすると共に、前記排気行程において前記開閉弁を閉状態とする開閉制御手段とで構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上述したバイパス路開閉手段を上記開閉弁及び上記開閉制御手段というように簡単な構成で実現することができる。
即ち、一対の休止行程即ち前休止行程及び後休止行程においては、排気側開放状態でピストンを往復させるのに伴って排気路に新気の往復流が発生する際に、上記開閉弁が上記開閉制御手段により開状態とされてバイパス路が開放されるので、排気路の流路断面積は、上記バイパス路を含む比較的大きいものとなり、その一対の休止行程全体においてポンプ損失を大幅に小さくすることができる。
尚、上記開閉弁と上記開閉制御手段との両方を設けることで、構成が若干複雑なものとなる虞があるが、上述したように大幅なポンプ損失の低下を気体できることで当該第４特徴構成を採用することは有効であるといえる。

本発明に係るエンジンの実施形態について、図面に基づいて説明する。

図２〜３に示すエンジンは、シリンダ３の内面とピストン２の頂面とで規定される燃焼室１と、燃焼室１に吸気バルブ６を介して接続された吸気路７と、燃焼室１に排気バルブ８を介して接続された排気路９とが設けられている。
ピストン２は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン２の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸５の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。

吸気路７には、上流側から順に、ミキサ１０とスロットルバルブ１１が設けられている。そして、ミキサ１０では、天然ガス系都市ガスである燃料が燃料供給弁１３を通じて供給され、吸気路７において、その燃料と吸気路７の上流側から供給された空気とが混合されて混合気が生成される。尚、この燃料供給弁１３は、吸気行程のみで開状態とされてミキサ１０へ燃料を供給するように開閉制御される。
一方、排気路９には、排ガスを無害化処理する触媒、排ガスの熱を回収する熱交換器、排ガスの運動エネルギにより駆動するターボ過給機等のように、排ガスを処理する排ガス処理部３０が設けられている。

吸気路７に生成された混合気は、クランク角がＴＤＣ（上死点）付近からＢＤＣ（下死点）付近まで吸気バルブ６が開状態となる吸気行程において新気Ｉとして燃焼室１に吸気される。
そして、燃焼室１に吸気された新気Ｉは、吸気バルブ６及び排気バルブ８の両方が閉状態となる圧縮行程において、ピストン２の上昇により圧縮され、その圧縮された新気Ｉが、点火プラグ（図示せず）による火花点火又は圧縮着火等の公知の着火方法により着火され、更に、膨張行程において、新気Ｉに含まれる燃料の燃焼によりピストン２が押し下げられて、軸出力が得られる。

また、上記膨張行程の後に、図２（ａ），図３（ａ）に示すように、クランク角がＢＤＣ付近からＴＤＣ付近まで排気バルブ８が開状態となる排気行程において、燃焼室１の排ガスＥは排気路９に排出され排ガス処理部３０を通過して処理される。
以上のように、このエンジンは、１サイクル内に上述した吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程を含みサイクルで運転を行うように構成されている。

また、吸気バルブ６及び排気バルブ８は、公知の動弁機構（図示せず）により開閉動作が行われ、かかる動弁機構のカムの回転又はアクチュエータの周期的な作動の位相を変更するなどして、開閉時期を所望の時期に設定可能に構成されている。
尚、吸気バルブ６は、吸気行程において、ピストンのＴＤＣからＢＤＣへの下降動作に伴って吸気路７から新気Ｉを燃焼室１に吸気するべく開状態となり、上記４行程の内の吸気行程以外の圧縮行程、膨張行程、排気行程において閉状態となる。
一方、排気バルブ８は、排気行程において、ピストンのＢＤＣからＴＤＣへの上昇動作に伴って燃焼室１の排ガスＥを排気路９に排出するべく開状態となり、上記４行程の内の排気行程以外の吸気行程、圧縮行程、膨張行程において閉状態となる。

このエンジンは、エンジン負荷に応じてスロットルバルブ１１の開度をエンジン負荷に応じた開度に設定することで、エンジン負荷に応じた軸出力を発生するように構成されている。即ち、エンジン負荷が低下するほど、スロットルバルブ１１の開度を縮小させて、吸気行程において燃焼室１に吸気される新気Ｉの量を減少させ、軸出力を低下させるように構成されている。
尚、エンジン負荷は、エンジンのクランク軸５に付加される仕事量を言い、これに対して軸出力は、エンジンのクランク軸５から出力される仕事量を言う。また、このエンジン負荷については、クランク軸５に係るトルクとクランク軸５の回転数とから導出することができるが、例えば、クランク軸５の軸出力により発電機や圧縮機等を駆動している場合には、その発電機に付加される発電負荷や圧縮機に付加される圧縮負荷を、上記エンジン負荷として取り扱っても構わない。

更に、このエンジンは、１サイクル内に含まれる行程数である１サイクル行程数を６とした６行程サイクル運転を実行可能に構成されおり、その６行程サイクル運転を行うための詳細構成について以下に説明する。
エンジンは、図１に示すように、１サイクル内に、上記４行程とは別に燃焼を伴わないでピストン２を往復動させる一対の休止行程を一つ追加して運転する６行程サイクル運転を行うことができる。即ち、エンジンは、かかる６行程サイクル運転を行う場合には、１サイクル内に上記４行程とは別に、燃焼を伴わないでピストン２を往復動させる一対の休止行程としての前休止行程と後休止行程とを１つずつ追加し、この６行程からなる１サイクルを繰り返して作動する。
尚、１サイクルの内に、上記４行程とは別に上記一対の休止行程を２つ以上追加しても構わない。

上記前休止行程及び上記後休止行程は、共に、図１に示すように、排気行程において開状態とされる排気バルブ８を排気行程と同様に開状態とすると共に排気行程において閉状態とされる吸気バルブ６を排気行程と同様に閉状態とする排気側開放状態で、ピストン２を下降及び上昇させる行程である。
尚、図１において、吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態としての「Ｏ」は開状態を示し、吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態としての「Ｃ」は閉状態を示す。

上記前休止行程では、図２（ｂ），図３（ｂ）に示すように、排気バルブ８を開状態とした上記排気側開放状態で、ピストン２がＴＤＣからＢＤＣへ降下することで、燃焼室１の圧力が低下して、排気路９に存在する排ガスＥが排気路９から排気バルブ８を通じて燃焼室１に吸気される。
一方、上記後休止行程では、図２（ｃ），図３（ｃ）に示すように、排気バルブ８を開状態とした上記排気側開放状態で、ピストン２がＢＤＣからＴＤＣへ上昇することで、燃焼室１の圧力が上昇して、上記前休止行程で燃焼室１に吸気された排ガスＥが排気バルブ８を通じて再び排気路９に戻される。
そして、上記前休止行程と上記後休止行程とからなる一対の休止行程では、排ガスＥを燃焼室１に吸気した後に排気路９に戻すので、燃料Ｇを無駄に消費することは無い。

上記のような一対の休止行程では、排気路９において排ガスＥの往復流が発生することにより、ポンプ損失が生じることが懸念される。
そこで、このようなポンプ損失を極力小さくするために、一対の休止行程の内の少なくも前休止行程において、排気路９の流路断面積を、排ガスＥを排ガス処理部３０に通過させる必要がある吸気行程よりも拡大させる排気路断面拡大手段Ｘを備えることで、少なくとも前休止行程におけるポンプ損失が極力小さくされ、当該ポンプ損失の増大による効率低下が抑制されている。

以下、第１実施形態（図２）、第２実施形態（図３）の夫々における排気路断面拡大手段Ｘの詳細構成について説明する。

〔第１実施形態〕
図２に示すエンジンは、排気路９に、当該排気路９に設けられた排ガス処理部３０をバイパスするバイパス路９Ｂを備えている。即ち、上記スロットルバルブ１１は、排気路９が、夫々の両端部が互いに接続された主排気路９Ａとバイパス路９Ｂとに分岐されており、一方の主排気路９Ａに上記排ガス処理部３０が設けられている。

そして、上記排気路断面拡大手段Ｘとして、一対の休止行程の内の少なくとも前休止行程においてバイパス路９Ｂを開放すると共に、排気行程においてバイパス路９Ｂを閉鎖するバイパス路開閉手段２０を備える。
よって、少なくとも前休止行程において、排気路７の流路断面積は、排気行程よりも上記バイパス路９Ｂの流路断面積分拡大されることになり、結果、当該前休止行程においてポンプ損失が極力小さくされ、効率低下が抑制されている。

上記バイパス路開閉手段２０は、バイパス路９Ｂに設けられ、排気バルブ８側からのガスの通流を阻止すると共に、排気バルブ８側へのガスの通流を許容する逆止弁２１で構成されている。
即ち、前休止行程においては、図２（ｂ）に示すように、排気バルブ８が開状態とされる排気側開放状態でピストン２を下降させるのに伴って排気路９において下流側から排気バルブ８側に向かう排ガスＥの通流が発生する。その際に、逆止弁２１は、バイパス路９Ｂにおいて当該排気バルブ８側へのガスの通流を許容するべく開状態となるので、バイパス路９Ｂが開放される。即ち、この前休止行程では、排気路９の流路断面積は、排ガス処理部３０が設けられた主排気路９Ａの流路断面積と上記バイパス路９Ｂの流路断面積との和となる。

一方、排気行程においては、図２（ａ）に示すように、排気バルブ８が開状態とされる排気側開放状態でピストン２を上昇させるのに伴って排気路９において排気バルブ８側から下流側へ向かう排ガスＥの通流が発生する。その際に、逆止弁２１は、バイパス路９Ｂにおいて当該排気バルブ８側からのガスの通流を阻止するべく閉状態となってバイパス路９Ｂが閉鎖される。即ち、この排気行程では、排気路９の流路断面積は、主排気路９Ａの流路断面積のみとなる。
以上のことから、上記逆止弁２１は、一対の休止行程の内の前休止行程において、排気路９の流路断面積を、排気行程よりも拡大させる排気路断面拡大手段Ｘとして機能すると言える。

〔第２実施形態〕
図３に示すエンジンは、上記第１実施形態と同様に、排気路９に、当該排気路９に設けられた排ガス処理部３０をバイパスするバイパス路９Ｂを備え、更に、上記排気路断面拡大手段Ｘとして、一対の休止行程の少なくとも前休止行程においてバイパス路９Ｂを開放すると共に、排気行程においてバイパス路９Ｂを閉鎖するバイパス路開閉手段２０を備えることで、当該前休止行程においてポンプ損失が極力小さくされ、効率低下が抑制されている。

上記バイパス路開閉手段２０は、上記第１実施形態とは異なり、バイパス路９Ｂに設けられ当該バイパス路９Ｂを開閉可能な開閉弁２２と、一対の休止行程全体において開閉弁２２を開状態とすると共に、排気行程において開閉弁２２を閉状態とする開閉制御手段２３とで構成されている。
即ち、上記開閉制御手段２３は、クランク軸５の回転角度をクランク角として検出するクランク角センサ２６の検出結果により、上記一対の休止行程の開始時点と終了時点とを認識し、当該開始時点に上記開閉弁２２を閉状態から開状態に切り替え、当該終了時点に上記開閉弁２２を開状態から平常対に切り替える形態で、上記のように開閉弁２２を開閉制御する。

よって、前休止行程及び後休止行程においては、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、排気バルブ８が開状態とされる排気側開放状態でピストン２を往復動させるのに伴って排気路９において排ガスＥの往復流が発生する。その際に、開閉弁２２は開閉制御手段２３により開状態とされるので、バイパス路９Ｂが開放される。即ち、この前休止行程及び後休止行程では、排気路９の流路断面積は、排ガス処理部３０が設けられた主排気路９Ａの流路断面積と上記バイパス路９Ｂの流路断面積との和となる。

一方、排気行程においては、図３（ａ）に示すように、排気バルブ８が開状態とされる排気側開放状態でピストン２を下降させるのに伴って排気路９において排気バルブ８側から下流側へ向かう排ガスＥの通流が発生する。その際に、開閉弁２２は開閉制御手段２３により閉状態とされるので、バイパス路９Ｂが閉鎖される。即ち、この排気行程では、排気路９の流路断面積は、主排気路９Ａの流路断面積のみとなる。
以上のことから、上記開閉弁２２及び上記開閉制御手段２３は、一対の休止行程全体において、排気路９の流路断面積を、排気行程よりも拡大させる排気路断面拡大手段Ｘとして機能すると言える。
尚、上記開閉弁２２は公知の電磁弁や油圧弁等を使用することができ、上記開閉制御手段２３は当該開閉弁２２を開閉制御するための駆動回路及び制御回路等で構成することができる。

本発明に係るエンジンは、１サイクル内に吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を簡単且つ小型な構成により行うことができ、更に、当該増加サイクル運転において追加する一対の休止行程における効率低下を抑制し得るエンジンとして有効に利用可能である。

増加行程サイクル運転の状態を模式的に表す説明図 第１実施形態のエンジンの（ａ）排気行程、（ｂ）前休止行程、及び、（ｃ）後休止行程における状態を示す概略構成図 第２実施形態のエンジンの（ａ）排気行程、（ｂ）前休止行程、及び、（ｃ）後休止行程における状態を示す概略構成図

符号の説明

１：燃焼室
２：ピストン
８：排気バルブ
９：排気路
９Ａ：主排気路
９Ｂ：バイパス路
２０：バイパス路開閉手段
２１：逆止弁
２２：開閉弁
２３：開閉制御手段
３０：排ガス処理部
Ｘ：排気路断面拡大手段

Claims (4)

1. １サイクル内に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる４行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を１つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転を行うエンジンであって、
   前記一対の休止行程が、排気バルブを開状態とし吸気バルブを閉状態とする排気側開放状態で前記ピストンを下降させる前休止行程と、同排気側開放状態で前記ピストンを上昇させる後休止行程とからなり、
   前記一対の休止行程の内の少なくとも前記前休止行程において、前記排気バルブに接続された排気路の流路断面積を、前記排気行程よりも拡大させる排気路断面拡大手段を備えたエンジン。
2. 前記排気路に、当該排気路に設けられた排ガス処理部をバイパスするバイパス路を備え、
   前記排気路断面拡大手段として、前記一対の休止行程の内の少なくとも前記前休止行程において前記バイパス路を開放すると共に、前記排気行程において前記バイパス路を閉鎖するバイパス路開閉手段を備えた請求項１に記載のエンジン。
3. 前記バイパス路開閉手段が、前記バイパス路に設けられ、前記排気バルブ側からのガスの通流を阻止すると共に、前記排気バルブ側へのガスの通流を許容する逆止弁で構成されている請求項２に記載のエンジン。
4. 前記バイパス路開閉手段が、前記バイパス路に設けられ当該バイパス路を開閉可能な開閉弁と、前記一対の休止行程において前記開閉弁を開状態とすると共に、前記排気行程において前記開閉弁を閉状態とする開閉制御手段とで構成されている請求項２に記載のエンジン。

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