JP4848474B1 - 火花点火式４サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダーの外側に拡張された燃焼室内壁の表面積の増加による冷却損失量の増加を補償する手段を提供する。
【解決手段】 主シリンダー１の外側に拡張された燃焼室３の部分に、第二排気茸弁９が設置される。バルブ・カバー７は、副シリンダー４内を往復運動し、第二排気茸弁９の底面を覆う。ピストン２の上面に面して第一排気茸弁１０と吸気茸弁１１が設置される。第二排気茸弁９が開弁して、高温で高圧の燃焼ガスが流失し始めた後に、第一排気茸弁１０が開く。すると、第一排気茸弁１０の温度が低下し、ノッキングが発生し難くなり、圧縮比を増加できる。すると、前記ピストンの仕事量が増加する。この増加した仕事量が燃焼室内壁の表面積の増加による冷却損失量の増加を補償する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、主シリンダーの外側に燃焼室を拡張した火花点火式４サイクルエンジンの冷却損失量の補償に関する。

図５に特許文献１の図８のエンジンを示す。このエンジンの燃焼室はシリンダーの外側に拡張している。拡張した燃焼室に、茸弁と副シリンダーが設置される。副シリンダー内に、茸弁の底面を覆うバルブカバーが挿入される。従って、シリンダーの外側に拡張された燃焼室内壁の表面積だけ、放熱面積が増加し、冷却損失量が増加する。
冷却損失量が増加すれば、燃費が悪化する。
特許文献１の中の構成であってピストン上面に面して吸気弁と排気弁が設置される構成では、シリンダーの外側に拡張された燃焼室内壁の表面積の増加による冷却損失量の増加を補う手段を示していない。

従来のガソリンエンジンの排気茸弁は、耐熱鋼で作られている。特許文献２の従来の技術には、以下の記載がある。”一般にエンジンバルブとしては、弁軸に弁傘を連設した茸形の弁体から成るバルブが用いられるが、特にエンジンの排気弁は、高温の排気ガスにさらされ、弁傘の弁フェース部の最高温度は７００℃に達する。”
圧縮行程の途中に、ピストンによって圧縮された混合気は、運転中のエンジンの冷却水の温度よりも高温になる。すると、高温になった混合気は、燃焼室壁面へ放熱する。
しかし、高負荷時に７００℃に過熱される排気弁底面に接する混合気部分は、圧縮行程中に加熱される。すると、燃焼室内の混合気全体の温度が高くなり、高負荷時にノッキングが発生し易くなる。
更に、従来のガソリンエンジンの排気茸弁の最高温度は、高負荷時の着火時の未燃混合気の温度よりも高くなっていた。従って、高負荷時に、排気茸弁に接した高温の混合気部分の燃焼速度が他の混合気部分よりも速まる。すると、燃焼中に燃焼室内圧力と温度が激増し、ノッキングが発生し易くなる。
これらの為、４サイクルエンジンの圧縮比は、ノッキングが発生しない値に制限されていた。

三元触媒を正常に機能させる為には、排気管に酸素を流失させてはならない。この為、三元触媒を持つ４サイクルエンジンは、排気茸弁の閉弁時期とほぼ同じ時期に吸気茸弁の開弁時期が設定される。
排気上死点時の主燃焼室内に、既燃焼ガスが残る。吸入行程時にシリンダー内に流入する吸気とシリンダー内に残留した既燃焼ガスは、混合する。この為、火花点火式の４サイクルエンジンは、シリンダー内に流入する吸気だけでなくシリンダー内に残る既燃焼ガスにも燃料を供給しないと、理論空燃比の混合気が形成できない。この結果、三元触媒を持つ上記のエンジンでは、シリンダー内に残る既燃焼ガスの量が多い程、燃料の供給量が増し、燃費の向上を制限していた。
特願２００９−２４１９２３(特許第４５５８０９０号) 特開平９−２５６８２１(特願平８−９０３３９)

目的は、シリンダーの外側に拡張された燃焼室内壁の表面積の増加による冷却損失量の増加を補う手段を提供する事です。
以下に、本発明の構成を説明する。
本発明の火花点火ピストン式４サイクルエンジンは、シリンダーヘッド、シリンダーブロック、主シリンダー、ピストン、燃焼室、点火プラグ、副シリンダー、バルブカバー、吸気茸弁、第一排気茸弁と第二排気茸弁を持つ。
前記ピストンは、前記主シリンダー内を往復運動する。前記燃焼室は、前記主シリンダーの外側に拡張される。前記副シリンダーは、前記主シリンダーの外側に設置される。
前記主シリンダーの外側に拡張された前記燃焼室の壁面に、前記第二排気茸弁が設置される。
前記ピストンの上面に面した前記燃焼室の壁面に、前記第一排気茸弁と前記吸気茸弁が設置される。
前記バルブカバーは前副シリンダー内を往復運動する。前記バルブカバーは、前記第二排気茸弁の傘部の底面を覆う。前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に、圧縮リングが設置される。
前記バルブカバーの筒状周面は、二つの半周面を持つ。前記主シリンダーの中心軸から近い前記半周面と前記主シリンダー内の空間とを連絡する通路が形成される。
以上の構成は、特許文献１に記載されている。
更に、本発明のエンジンは、以下の独自の構成を持つ。
前記バルブカバーによって前記傘部の前記底面を覆われる前記第二排気茸弁が先に開弁する。
そして、前記第二排気茸弁の開弁後に前記バルブカバーを持たない前記第一排気茸弁が開弁する。しかも排気行程の下死点時前に前記第一排気茸弁が開弁する。

本発明のエンジンの作用と利点が、以下に説明される。
最初に、第二排気茸弁が開く。第二排気茸弁の開弁時期は、バルブカバーを持たないガソリンエンジンの排気茸弁の開弁時期とほぼ同様です。
すると、第二排気茸弁を通って、高温で高圧な燃焼ガスが流失する。すると、シリンダー内の燃焼ガスの温度と圧力が低下する。その後、排気行程の下死点時前に、第一排気茸弁が開く。
すると、第一排気茸弁を通って流失する燃焼ガスの温度は、第二排気茸弁を通って流失する燃焼ガスの温度よりも低下する。従って、第一排気茸弁の温度は、バルブカバーを持たない従来のエンジンの排気茸弁の温度よりも低下する。
従って、高負荷時の点火時の第一排気茸弁に接する混合気部分の温度は、バルブカバーを持たないガソリンエンジンの排気茸弁に接する混合気部分の温度よりも低下する。
なお、第二排気茸弁の傘部の底面は、前記バルブカバーに覆われ、燃焼ガスに接しない。この為、第二排気茸弁の底面は高熱化しない。また、第二排気茸弁の底面に接する混合気はほとんど無い。

従って、本発明のエンジンでは、第一排気茸弁に接する混合気部分の温度の上昇が制限され、混合気全体の温度の上昇が制限される。従って、バルブカバーを持たない従来のエンジンよりも、本発明のエンジンの耐ノッキング性が向上する。更に、本発明のエンジンでは、第一排気茸弁に接する混合気部分の火炎伝播速度の増加が制限される。
従って、本発明のエンジンは、第一排気茸弁の温度が低くなった分だけ、圧縮比を増加できる。圧縮比の増加は、前記ピストンの仕事量を増加させる。前記ピストンの仕事量の増加分が、主シリンダーの外側に拡張された燃焼室内壁の表面積の増加による熱損失量の増加を補う。
従って、前記の目的は達成される。
耐ノッキング性の向上により、本発明のエンジンは、圧縮比を増加できる。従って、圧縮比を増加した本発明のエンジンは、排気上死点時の主燃焼室内に残留した既燃焼ガスの量が減少する。従来の技術の欄で説明した様に、シリンダー内に残る既燃焼ガスの量が多い程、燃料の供給量が増し、燃費が悪化する。この結果、圧縮比を増加した本発明のエンジンは、排気上死点時の燃焼室容積と燃焼ガス量が減少し、特許文献１の中の構成であってピストン上面に面して吸気弁と排気弁が設置される構成を持つエンジンよりも燃費が向上する。

上記の本発明の作用と利点に対して、従来技術は以下の欠点を持つ。
主シリンダーの外側に設置された排気茸弁とこの排気茸弁の傘部の底面に接して設置される前記バルブカバーを持たないエンジンでは、排気行程の開始時に流失する高温の排気ガスによって、排気茸弁の傘部の表裏が加熱される。すると、排気茸弁の傘部の底面に接する混合気部分が加熱され、ノッキングが発生し易くなる。すると、バルブカバーを持たないエンジンは、圧縮比を高くできない。
特許文献１の中の全ての構成は、前記バルブカバーを持つ。そして、ピストン上面に面して設置される茸弁が全て吸気弁である特許文献１の中の構成は、ピストン上面に面して排気茸弁が設置されない。従って、耐ノッキング性が向上する。
しかし、ピストン上面に面して吸気茸弁と排気茸弁が設置される構成であって特許文献１の中の構成は、本発明の前記の独自の構成を持たない。従って、特許文献１の中の上記の構成は、ピストン上面に面して設置される排気茸弁が高熱化し、耐ノッキング性が向上できず、本発明の目的を達成できない。本発明の前記の独自の構成は、本発明の構成の最後に記載されている。

第一実施形態を説明する。
１図から４図までに示す火花点火ピストン式４サイクルエンジンは、シリンダーヘッド５、シリンダーブロック６、主シリンダー１、ピストン２、燃焼室３、点火プラグ８、副シリンダー４、バルブカバー７、吸気茸弁１１、第一排気茸弁１０と第二排気茸弁９を持つ。
ピストン２は、圧縮リングの為の溝を持ち、主シリンダー１内を往復運動する。燃焼室３は、シリンダーヘッド５とピストン２の間に形成される。燃焼室３は、更に主シリンダー１の外側に拡張される。
主シリンダー１の外側に拡張された燃焼室３の壁面に、第二排気茸弁９が設置される。第二排気茸弁９は、１以上の任意の数だけ設置できる。

バルブカバー７は、筒状の周面を持つ。バルブカバー７は、副シリンダー４内を往復運動する。バルブ・カバー７の上面と茸弁２の傘部の底面を密着させる為に、バルブカバー７の裏面に接して、スプリング１４が設置される。バルブ・カバー７と第二排気茸弁９は、第二排気茸弁９を駆動するカム１２によって一体的に駆動される。
バルブカバー７は、第二排気茸弁９の傘部の底面を覆う。バルブカバー７と副シリンダー４の間に圧縮リング１３が設置される。圧縮リング１３の為のリング溝は、バルブカバー７の周面にも設置できるし、副シリンダー４の内壁にも設置できる。
バルブ・カバー７の筒状の周面は、主シリンダー１の中心軸から近い半周面と主シリンダー１の中心軸から遠い半周面を持つ。主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面と主シリンダー１内の空間とを連絡する通路１６が形成される。
ピストン２の上面に面した燃焼室３の壁面部分に、第一排気茸弁１０と吸気茸弁１１が設置される。
主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面を主シリンダー１の外側に拡張された燃焼室３の奥壁に設定すると、燃焼室３の圧縮比を増加できる。
以上の記載は、特許文献１に記載されている内容と実質的に同一です。従来例である５図の構成と本発明の１図の構成は、実質的に同一です。

なお、燃焼室３の圧縮比を増加できる前記の設定は、燃焼室３の冷却損失量の大きな壁面面積の増加を制限できる。燃焼室３の圧縮比を増加できる前記の設定では、主シリンダー１の中心軸から遠い前記の半周面に接する空間は、消炎層だけで形成され、燃焼不能な狭い空間です。従って、主シリンダー１の中心軸から遠い前記の半周面とそれに面する壁面は、冷却損失量の小さな壁面です。
更に、主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面は、燃焼室３の壁面面積を増加させない。主シリンダー１の外側に燃焼室３拡張する事によって面積を増加させる燃焼室３の壁面は、主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面では無く、連絡通路１６の壁面です。
連絡通路１６は、主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面と主シリンダー１内空間とを結ぶ。
主シリンダー１と副シリンダー４との間の距離を短縮する事によって、前記の連絡通路の壁面面積の増加を制限できる。
第一実施形態のエンジンでは、第一排気茸弁１０と吸気茸弁１１の設置位置の関係が制限されない。１図から３図までに示すエンジンでは、第一排気茸弁１０と第二排気茸弁９の間に、吸気茸弁１１が設置される。また、第一実施形態では、４図に示す茸弁の設置も許される。４図では、吸気茸弁１１と第二排気茸弁９の間に、第一排気茸弁１０が設置される。
これ以下が、本発明に独自の構成です。

本発明に独自の構成は、２図と３図によって説明される。
更に、第一実施形態のエンジンでは、第二排気茸弁９の開弁後であって排気行程の下死点時前に、第一排気茸弁１０が開く。
以下に、第二排気茸弁９と第一排気茸弁１０の開弁時期の一例を示す。
第二排気茸弁９は、排気行程の下死点前のクランク角度５０度で開く。この時、第一排気茸弁１０は閉じている。２図は、排気行程の下死点前のクランク角度４０度を示す。２図では、第二排気茸弁９は、開弁時直後であり、少しだけ開いています。この為、シリンダー内の既燃焼ガスは、第二排気茸弁９とバルブシート１５の間を通って、排気管へ流失し始めている。
第一排気茸弁１０は、排気行程の下死点前のクランク角度３５度で開く。３図は、排気行程の下死点前のクランク角度２５度を示す。３図では、第一排気茸弁１０は、開弁時直後であり、少しだけ開いています。また、３図の第二排気茸弁９は、２図の第二排気茸弁９よりも大きく開いている。
これらの為に、排気行程の下死点前のクランク角度３５度のシリンダー内の既燃焼ガスの温度と圧力は、第二排気茸弁９の開弁時のシリンダー内の既燃焼ガスの温度と圧力よりも低い。
第二排気茸弁９と第一排気茸弁１０の二つの弁の開弁時期の例は、上記の一例だけに限定されない。第二排気茸弁９と第一排気茸弁１０が開く時期は、それぞれ上記のクランク角度以外のクランク角度に設定できる。
ただし、第二排気茸弁９の開弁時と第一排気茸弁１０の開弁時との間の期間が上記の一例よりも短い場合は、第一排気茸弁１０が低温化する効果が減少する。

第二実施形態を説明する。
第二実施形態では、第一実施形態との相違点だけが示される。
第二排気茸弁９と第一排気茸弁１０の開弁時期の他の一例を示す。
第一排気茸弁１０の底面の温度を更に低下させる為には、第二排気茸弁９の開弁時よりもクランク角度１６度以上遅れた時期に、第一排気茸弁１０が開弁する事が望ましい。この様に第一排気茸弁１０の開弁時期が設定された場合は、排気行程の下死点時以後に、シリンダー内のガス圧力が高過ぎる事がある。すると、排気行程の下死点時以後に、排気損失仕事量が増す。
実際には、排気損失仕事量の増加の制限と圧縮比の増加を同時に満たす第一排気茸弁１０の最適な開弁時期を探す必要がある。

従来の技術の欄で説明した様に、シリンダー内に残る既燃焼ガスの量が多い程、燃料の供給量が増し、燃費が悪化する。
バルブカバーを持たない４サイクルエンジンは、吸気茸弁に隣接して排気茸弁が位置していた。この為、吸気茸弁が開いた後に排気茸弁の閉弁時期を設定すると、高速回転時にシリンダー内に流入する吸気がシリンダー内に残る既燃焼ガスを掃気できるが、排気管に吸気が流失する。
三元触媒を正常に機能させる為には、排気管に酸素を流失させてはならない。この為、三元触媒を持つ火花点火式の４サイクルエンジンは、排気茸弁の閉弁時期とほぼ同じ時期に吸気茸弁の開弁時期が設定される。
この結果、三元触媒を持つ火花点火式の４サイクルエンジンは、排気上死点時に、効果的に掃気ができなかった。

以下の第三実施形態が上記の問題を解決する。
４図を使って、第三実施形態を説明する。
第三実施形態では、第一と第二の実施形態に以下の構成が付加される。
第三実施形態では、第一排気茸弁１０と吸気茸弁１１の設置位置の関係が制限される。すなわち、吸気茸弁１１と第二排気茸弁９との間に、第一排気茸弁１０が設置される。
そして、第二排気茸弁９の開弁期間の終期と吸気茸弁１１の開弁期間の初期がオーバーラップする。第二排気茸弁９と吸気茸弁１１がオーバーラップする時期は、排気行程の上死点時付近です。４図は、排気行程の上死点時の図です。
そして、第一排気茸弁１０の閉弁時期よりも、第二排気茸弁９の閉弁時期が遅く設定される。吸気茸弁１１の開弁時期とほぼ同じ時期に第一排気茸弁１０が閉じる。すなわち、吸気茸弁１１が開いた直後に、第一排気茸弁１０は閉じる。又は、吸気茸弁１１が開いた時に、第一排気茸弁１０は閉じる。
以下に、第三実施形態の作用と効果が示される。
高速回転時に吸気茸弁１１が開くと、流入する勢いが増した吸気が、第一排気茸弁１０の底面に接して流入し、流入した吸気が燃焼室内の既燃焼ガスを第二排気茸弁９に向けて移動させる。この時に、第一排気茸弁１０は閉じていて、第二排気茸弁９は閉じていない。従って、第二排気茸弁９から既燃焼ガスが流失し、第一排気茸弁１０から既燃焼ガスが流失しない。また、第二排気茸弁９から吸気が流失しない様に、第二排気茸弁９の閉弁時期と吸気茸弁１１の開弁時期が設定される。
すなわち、第三実施形態の構成によって、第一排気茸弁１０から吸気を流失させずに、既燃焼ガスの掃気ができる。すると、吸入行程時にシリンダー内に残る既燃焼ガスの量が減少し、これにより、燃料の供給量が減少し、第一実施形態と第二実施形態よりも燃費が向上する。
また、排気管に酸素が流失しない。従って、三元触媒が正常に機能する。
第一実施形態と第二実施形態のエンジンは、圧縮比の向上によって燃費が向上する要素と燃焼室内壁の表面積の増加によって燃費が悪化する要素とを持っている。これに対して、第三実施形態のエンジンでは、前記の二つの対立する要素に、掃気によって燃費が向上する要素が加わる。
バルブ・カバー７の筒状の周面の一部分であって主シリンダー１の中心軸から遠い半周面に接する空間を、消炎層だけで形成される狭い空間とする。加えて、主シリンダー１の中心軸から近いバルブカバー７の半周面と主シリンダー１内空間とを結ぶ連絡通路１６の壁面面積を充分に制限した場合に、燃焼室の冷却損失量が減少し、主シリンダー１の外側に燃焼室を拡張しないガソリンエンジンよりも、第三実施形態のエンジンの燃費が向上する。
また、第二排気茸弁と吸気茸弁に開弁時期の可変装置を付加すれば、最適に掃気できる。

第四実施形態を説明する。
第四実施形態では、第一から第三までの実施形態のいづれかに以下の構成が付加される。
低負荷時では、排気茸弁の温度を下げる必要がない。従って、第一から第三までの実施形態において、第二排気茸弁を駆動するカム１２と第二排気茸弁の軸部の上端との間に、バルブの駆動を休止させる装置を設置する。すると、低負荷時に、第二排気茸弁を休止できる。すると、第二排気茸弁を駆動する負の仕事量が発生しない。

第一実施形態の圧縮行程の上死点時の図。 第一実施形態の排気行程の下死点前のクランク角度４０度の図。 第一実施形態の排気行程の下死点前のクランク角度２５度の図。 第三実施形態の排気行程の上死点時の図。 特許文献１の図８。

１・・・主シリンダー
２・・・ピストン
３・・・燃焼室
４・・・副シリンダー
５・・・シリンダーヘッド
６・・・シリンダーブロック
７・・・バルブカバー
８・・・点火プラグ
９・・・第二排気茸弁
１０・・・第一排気茸弁
１１・・・吸気茸弁
１２・・・カム
１３・・・圧縮リング
１４・・・スプリング
１５・・・バルブシート
１６・・・バルブカバーの筒状周面の半周面であって主シリンダーの中心軸から近い半周面と主シリンダー内の空間とを連絡する通路

Claims (2)

1. シリンダーヘッドとシリンダーブロックと主シリンダーとピストンと燃焼室と点火プラグと副シリンダーとバルブカバーと吸気茸弁と第一排気茸弁と第二排気茸弁を持ち、前記燃焼室は前記主シリンダーの外側に拡張され、前記副シリンダーは前記主シリンダーの外側に設置され、前記主シリンダーの外側に拡張された前記燃焼室の壁面に前記第二排気茸弁が設置され、前記ピストンに面した前記燃焼室の壁面に前記第一排気茸弁と前記吸気茸弁が設置され、前記バルブカバーは前記副シリンダー内を往復運動し、前記バルブカバーは前記第二排気茸弁の傘部の底面を覆い、前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に圧縮リングが設置され、前記バルブカバーの筒状周面は二つの半周面を持ち、前記主シリンダーの中心軸から近い前記半周面と前記主シリンダー内の空間とを連絡する通路が形成されるエンジンにおいて、
   前記バルブカバーによって前記傘部の前記底面を覆われる前記第二排気茸弁が先に開弁し、
   前記第二排気茸弁の開弁後に前記バルブカバーを持たない前記第一排気茸弁が開弁し、
   しかも排気行程の下死点時前に前記第一排気茸弁が開弁する事を特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
2. シリンダーヘッドとシリンダーブロックと主シリンダーとピストンと燃焼室と点火プラグと副シリンダーとバルブカバーと吸気茸弁と第一排気茸弁と第二排気茸弁を持ち、前記燃焼室は前記主シリンダーの外側に拡張され、前記副シリンダーは前記主シリンダーの外側に設置され、前記主シリンダーの外側に拡張された前記燃焼室の壁面に前記第二排気茸弁が設置され、前記ピストンに面した前記燃焼室の壁面に前記第一排気茸弁と前記吸気茸弁が設置され、前記バルブカバーは前記副シリンダー内を往復運動し、前記バルブカバーは前記第二排気茸弁の傘部の底面を覆い、前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に圧縮リングが設置され、前記バルブカバーの筒状周面は二つの半周面を持ち、前記主シリンダーの中心軸から近い前記半周面と前記主シリンダー内の空間とを連絡する通路が形成されるエンジンにおいて、
   前記バルブカバーによって前記傘部の前記底面を覆われる前記第二排気茸弁が先に開弁し、
   前記第二排気茸弁の開弁後に前記バルブカバーを持たない前記第一排気茸弁が開弁し、
   しかも排気行程の下死点時前に前記第一排気茸弁が開弁し、
   前記吸気茸弁と前記第二排気茸弁との間に前記第一排気茸弁が設置され、
   排気行程の上死点時付近で、前記第二排気茸弁の開弁期間の終期と前記吸気茸弁の開弁期間の初期がオーバーラップし、
   前記第一排気茸弁の閉弁時期よりも前記第二排気茸弁の閉弁時期が遅く設定され、
   前記吸気茸弁の開弁時期とほぼ同じ時期に前記第一排気茸弁が閉じ、
   三元触媒を設置する事を特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。