JP5105009B2

JP5105009B2 - 内燃機関

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Publication number: JP5105009B2
Application number: JP2011547098A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102770641B; DE112010005781B4; JPWO2012070159A1; DE112010005781T5; WO2012070159A1; US20120199098A1; CN102770641A; US8596241B2

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。

特開２０００−２３０４３９号公報

燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する装置は、燃焼室の圧力が上昇したときに縮む部材として、上記の特開２０００−２３０４３９号公報に開示されているように機械ばねを採用することができる。また、機械ばねの他に、気体が充填された気体ばねを採用することができる。気体ばねは、内部の気圧を高くすることにより、燃焼室の高い圧力に容易に対応することができる。すなわち、気体ばねを採用することにより、容易に弾性を強くすることができる。
ところが、燃焼室の圧力が上昇したときに縮む部材として、気体ばねを採用することにより、気体ばねに密閉されている気体が漏れて燃焼室に流入するという問題があった。気体ばねには、燃焼室において燃料が燃焼するときの圧力に対応するために、高圧の気体が充填される。このために、気体ばねから気体が漏れて燃焼室に流入する場合があった。
気体ばねに充填されている気体が燃焼室に漏れると、内燃機関の運転状態に悪影響を与える場合があった。たとえば、燃焼サイクル毎に出力されるトルクが変動したり、複数の気筒同士の間で出力されるトルクにばらつきが生じたり、または、燃焼時の空燃比が所望の値からずれて、大気中に放出される排気の性状が悪化したりする場合があった。
本発明は、気体ばねを含む燃焼室の圧力を制御する装置を備え、気体ばねに充填されている気体が燃焼室に漏れることを抑制する内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、燃焼室に連通する副室と、副室の容積を変更する容積可変装置とを備える。容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドに配置され、燃焼室に連通するように筒状に形成されている連通部と、連通部の内部に嵌合するように筒状に形成され、燃焼室に向かう側の端部が閉塞されている移動部材と、移動部材の内部に嵌合する突出部を有し、移動部材を移動可能に支持する支持部とを含む。容積可変装置は、移動部材により連通部の内部の空間が区画され、燃焼室に向かう側に副室が形成され、燃焼室に向かう側と反対側に密閉可能なガス室が形成されている。容積可変装置は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として移動部材が移動することにより、副室の容積が大きくなるように形成されている。移動部材は、燃焼室に向かう側と反対側の端部が開口しており、移動部材と突出部とが接触する部分から漏れるガス室の気体がシリンダヘッドの外部に放出される。
上記発明においては、容積可変装置は、連通部と移動部材との間に配置されている第１の封止部材と、移動部材と突出部との間に配置されている第２の封止部材とを含み、第２の封止部材は、第１の封止部材よりも密閉性が高くなるように形成されることが好ましい。
上記発明においては、容積可変装置は、連通部と移動部材との間に配置されている第１の封止部材と、移動部材と突出部との間に配置されている第２の封止部材とを含み、第１の封止部材は、第２の封止部材よりも耐熱性が高くなるように形成されることが好ましい。

本発明によれば、気体ばねを含む燃焼室の圧力を制御する装置を備え、気体ばねに充填されている気体が燃焼室に漏れることを抑制する内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。実施の形態における内燃機関の容積可変装置および気体供給装置の概略図である。実施の形態における内燃機関の容積可変装置の拡大概略図である。実施の形態における容積可変装置を備える内燃機関の運転状態を説明するグラフである。

図１から図４を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときにピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間、および任意の位置にあるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。燃焼室５の頂面は、シリンダヘッド４により構成され、燃焼室５の底面は、ピストン３の冠面により構成されている。
燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフローメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が接続されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
図２に、本実施の形態における内燃機関の容積可変装置および気体供給装置の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、複数の気筒を有する。図２は、複数の気筒が並ぶ方向に機関本体を切断したときの断面図である。
本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。本実施の形態における容積可変装置は、副室６０の容積が変化する。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、移動部材５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。本実施の形態においては、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御圧力を定めている。
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
図３に、本実施の形態における容積可変装置の部分の拡大概略断面図を示す。図３は、容積可変装置の移動部材が移動しているときの状態を示す。図２および図３を参照して、本実施の形態における容積可変装置の気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０は、シリンダヘッド４に配置されている連通部としての連通部材５１を含む。連通部は筒状に形成されている。本実施の形態における連通部材５１は、円筒状に形成されている。連通部材５１は、燃焼室５に向かう側の端部が開口している。また、連通部材５１は、燃焼室５に向かう側と反対側の端部が開口している。
気体ばね５０は、連通部材５１の内部に配置されている移動部材５５を含む。本実施の形態における移動部材５５は、連通部材５１に嵌合するように筒状に形成されている。移動部材５５は、燃焼室５に向かう側の端部に形成されているピストン部５５ａを有する。移動部材５５は、ピストン部５５ａにより、燃焼室５に向かう側の端部が閉塞されている。移動部材５５は、燃焼室５に向かう側と反対側の端部が開口している。移動部材５５は、連通部材５１に固定されておらず、矢印２０１に示すように、連通部材５１の軸方向に移動するように形成されている。
本実施の形態における気体ばね５０は、移動部材５５を支持する支持部としての支持部材５７を含む。本実施の形態における支持部材５７は、シリンダヘッド４に配置されている。支持部材５７は、移動部材５５の内部に嵌合する突出部５７ａを有する。突出部５７ａは、棒状に形成されている。突出部５７ａは、移動部材５５を移動可能に支持している。
連通部材５１の内部の空間は、移動部材５５により区画されている。連通部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成され、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。副室６０は、連通部材５１の壁面と、移動部材５５のピストン部５５ａとに囲まれる空間である。ガス室６１は、移動部材５５と突出部５７ａとに囲まれる空間である。
気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、移動部材５５が移動し始めるように、加圧された気体が充填される。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が充填される。ガス室６１は、密閉可能に形成されている。ガス室が密閉されたときに、ガス室６１の圧力により移動部材５５が押圧される。
連通部材５１は、燃焼室５に向かう側の端部に形成された係止部５２を有する。係止部５２は、移動部材５５を連通部材５１の端部で係止する。移動部材５５が係止部５２に接触している状態が、移動部材５５が連通部材５１の内部で着底している状態である。
本実施の形態における気体ばね５０は、連通部材５１と移動部材５５との間に配置されている第１の封止部材としてのピストンリング５６を含む。ピストンリング５６は、副室６０の気体が連通部材５１と移動部材５５との接触部分を通って漏れることを抑制する。本実施の形態における第１の封止部材は、移動部材５５に配置されているが、この形態に限られず、連通部材５１に配置されていても構わない。
本実施の形態における気体ばね５０は、移動部材５５と支持部材５７の突出部５７ａとの間に配置されている第２の封止部材としてのＯリング５８を有する。Ｏリング５８は、ガス室６１の気体が移動部材５５と突出部５７ａとの接触部分を通って漏れることを抑制する。本実施の形態におけるＯリング５８は、突出部５７ａに配置されているが、この形態に限られず、移動部材５５に配置されていても構わない。
本実施の形態における内燃機関は、容積可変装置の気体ばねに気体を供給する気体供給装置を備える。本実施の形態における気体供給装置は、気体ばね５０のガス室６１に空気を供給する。支持部材５７には、ガス室６１に空気を供給するための流路５７ｂが形成されている。流路５７ｂは、気体供給装置に接続されている。
本実施の形態における気体供給装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。圧縮機７２の出口には、逆止弁８２が配置されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。
本実施の形態における気体供給装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を変更する機能を有する。気体供給装置は、空気排出弁８４を含む。空気排出弁８４は、ガス室６１の気体を排出することができるように配置されている。気体供給装置は、圧力調整弁８５を含む。圧力調整弁８５は、開閉することによりガス室６１に供給する空気の圧力を調整する。本実施の形態においては、移動部材５５が移動する期間中は、圧力調整弁８５が閉止される。圧力調整弁８５を閉止することにより、ガス室６１に接続される流路を遮断して、ガス室６１を密閉することができる。
本実施の形態における気体供給装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を検出するガス室圧力検出器としての圧力センサ７４を含む。本実施の形態における圧力センサ７４は、圧縮機７２と連通部材５１とを接続する流路に配置されているが、この形態に限られず、ガス室圧力検出器は、ガス室６１の圧力を検出することができる任意の位置に配置することができる。
気体供給装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。本実施の形態においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態における空気排出弁８４および圧力調整弁８５は、電子制御ユニット３１により制御されている。圧力センサ７４の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。
本実施の形態における内燃機関は、運転期間中または停止期間中にガス室６１から空気が漏れても、ガス室６１に空気を充填することができる。たとえば、モータ７１にて圧縮機７２を駆動し、更に圧力調整弁８５を開くことにより、気体ばね５０のガス室６１に空気を供給することができる。
また、本実施の形態における気体供給装置は、ガス室６１の圧力を上昇させることができる。更に、本実施の形態における気体供給装置は、気体ばね５０のガス室６１から気体を排出することができる。圧力調整弁８５および空気排出弁８４を開くことにより、ガス室６１の圧力を下降させることができる。このように、ガス室６１の圧力を変更することにより、制御圧力を変更することができる。気体供給装置としては、この形態に限られず、気体ばねのガス室に気体を供給できる任意の装置を採用することができる。
図４に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および移動部材の変位である。図４には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。移動部材５５は、連通部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、移動部材５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
図２から図４を参照して、圧縮行程の開始時には移動部材５５が連通部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、ガス室６１には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、移動部材５５は着底した状態が維持される。
図４に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、移動部材５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、ガス室６１が縮んで移動部材５５の変位が大きくなる。副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図４に示す例では、燃焼室の圧力がほぼ一定に保たれる。なお、厳密には移動部材５５が移動することによりガス室６１内の圧力が上昇するために、燃焼室５の圧力も僅かに上昇する。
燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、移動部材５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、移動部材５５の変位が零に戻る。すなわち、移動部材５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
図４には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力（Ｐｍａｘ）が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
比較例２の内燃機関では、異常燃焼を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
本実施の形態の容積可変装置においては、移動部材５５が移動するときにはガス室６１が密閉される。本実施の形態においては、Ｏリング５８によりガス室６１から気体が漏れることが抑制される。ところが、ガス室６１は高圧であり、ガス室６１から気体が漏れる場合がある。たとえば、移動部材５５が移動する期間中には、Ｏリング５８と移動部材５５とが摺動するために、ガス室６１の気体が漏れる場合がある。本実施の形態においては、移動部材５５が筒状に形成されており、移動部材５５の燃焼室５に向かう側と反対側の端部が開口している。移動部材５５の燃焼室５に向かう側と反対側の端部が大気に開放されている。このために、ガス室６１から空気が漏れたとしても、漏れた空気を大気中に放出することができる。すなわち、ガス室６１から空気が漏れた場合であっても、漏れた気体が燃焼室５に流入することを回避できる。
たとえば、ガス室６１から漏れる空気が燃焼室５に流入すると、気体ばね５０に封入される気体が空気の場合には、混合気が燃焼するときの空燃比が大きくなる。すなわち、燃焼時の空燃比がリーン側にずれる。燃焼時の空燃比を所望の値に制御している場合には、燃焼時の空燃比を修正するために、燃焼室に供給される燃料の量が増加する。このために、出力されるトルクが大きくなってしまう。または、ガス室６１から燃焼室５に漏れる空気量が不安定であると、燃焼サイクルごとに出力されるトルクが変動する。または、それぞれの気筒ごとに、ガス室６１から燃焼室５に漏れる空気量が異なると、それぞれの気筒ごとに出力されるトルクが互いに異なる状態になる。
また、燃焼時の空燃比にばらつきが生じると、燃焼室５から排出される排気における未燃燃料と空気との混合比（排気の空燃比）が所望の値からずれてしまい、排気浄化装置において十分に排気を浄化できない場合がある。たとえば、三元触媒に流入する排気の空燃比をほぼ理論空燃比にすることができずに、放出される排気の性状が悪化する場合がある。
気体ばね５０に封入される気体が、窒素、二酸化炭素、またはアルゴンなどの不活性ガスの場合には、ガス室６１の不活性ガスが燃焼室５に流入すると燃焼が緩慢になる。また、気体ばねに封入される気体が空気の場合と同様に、燃焼サイクルごとにトルク変動が生じたり、それぞれの気筒ごとに出力されるトルクがばらついたりする場合がある。
このように、ガス室から燃焼室に向かって気体が漏れると、内燃機関の運転状態が悪化するという問題がある。しかしながら、本実施の形態における容積可変装置は、ガス室から気体が漏れたとしても、漏れた気体が燃焼室に流入することを回避できるために、内燃機関の運転状態に悪影響を与えることを抑制できる。
本実施の形態における容積可変装置は、ガス室から漏れた気体が大気中に放出されるように形成されているが、この形態に限られず、ガス室から漏れた気体がシリンダヘッドの外部に放出されるように形成されていれば構わない。たとえば、ガス室に不活性ガスを充填する場合には、ガス室から漏れた気体を回収して気体供給装置に供給しても構わない。
また、容積可変装置においては、副室６０の気体が、連通部材５１と移動部材５５との接触部分を通じて漏れる場合がある。本実施の形態における容積可変装置においては、連通部材５１の燃焼室５に向かう側と反対側の端部が開口している。連通部材５１の燃焼室５に向かう側と反対側の端部が大気中に開放されている。このために、副室６０の気体が漏れる場合においても、漏れる気体をシリンダヘッドの外部に放出し、副室６０の気体がガス室６１に流入することを回避できる。本実施の形態における容積可変装置は、副室６０からガス室６１に気体が流入して制御圧力に悪影響を与えることを回避することができる。
図３を参照して、本実施の形態における第１の封止部材としてのピストンリング５６は、第２の封止部材としてのＯリング５８よりも耐熱性が高くなるように形成されていることが好ましい。第１の封止部材は、燃焼室５において燃焼した高温の気体を封止する機能を有する。このために、第１の封止部材は耐熱性を有することが好ましい。一方で、第２の封止部材は、ガス室の気体を封止する機能を有するために、第１の封止部材よりも耐熱性が低い封止部材を採用することができる。
また、本実施の形態における第２の封止部材としてのＯリング５８は、第１の封止部材としてのピストンリング５６よりも密閉性が高くなるように形成されていることが好ましい。ガス室６１には高圧の気体が充填される。第２の封止部材の密閉性が低いと、ガス室６１から多量の気体が漏れるために、気体供給装置の仕事が増加する。また、内燃機関が気体供給装置を備えていない場合には、第２の封止部材の密閉性が低いと、ガス室の圧力が大きく低下してしまう。この結果、大きく制御圧力が低下してしまう。このために、第２の封止部材は、密閉性が高いことが好ましい。一方で、第１の封止部材は、一時的に高圧になる副室から気体が漏れることを抑制する機能を有するために、第２の封止部材よりも密閉性が低い封止部材を採用することができる。
第１の封止部材としては、工具鋼やばね鋼等の耐熱性を有する材質で形成されていることが好ましい。また、第２の封止部材ほどに大きな密閉性を有する必要がないために、例えば、平面形状がＣ字形の合口を有するＣリング等を採用することができる。これに対して、第２の封止部材は、密閉性が高いことが好ましい。このために、平面形状がＯ字形のＯリングなどを採用することが好ましい。また、第２の封止部材は、第１の封止部材よりも耐熱性が小さくでも構わない。このために、第２の封止部材としては、例えば、フッ素ゴムやシリコンゴムなどで形成することができる。なお、第１の封止部材および第２の封止部材は、これらの形態に限られず、それぞれの封止部材が熱的な損傷を受けずに、要求される密閉性を有する任意の封止部材を採用することができる。
本実施の形態における内燃機関は、気体供給装置を備えるが、この形態に限られず、気体供給装置が配置されていなくても構わない。すなわち、ガス室が常に密閉されていても構わない。
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される変更が含まれている。

１機関本体
４シリンダヘッド
５燃焼室
２１触媒コンバータ
２２排気管
３１電子制御ユニット
５０気体ばね
５１連通部材
５２係止部
５５移動部材
５６ピストンリング
５７支持部材
５７ａ突出部
５８Ｏリング
６０副室
６１ガス室
７２圧縮機
７４圧力センサ
８４空気排出弁
８５圧力調整弁

Claims

燃焼室に連通する副室と、副室の容積を変更する容積可変装置とを備え、
容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドに配置され、燃焼室に連通するように筒状に形成されている連通部と、連通部の内部に嵌合するように筒状に形成され、燃焼室に向かう側の端部が閉塞されている移動部材と、移動部材の内部に嵌合する突出部を有し、移動部材を移動可能に支持する支持部とを含み、
移動部材により連通部の内部の空間が区画され、燃焼室に向かう側に副室が形成され、燃焼室に向かう側と反対側に密閉可能なガス室が形成されており、
燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として移動部材が移動することにより、副室の容積が大きくなるように形成されており、
移動部材は、燃焼室に向かう側と反対側の端部が開口しており、移動部材と突出部とが接触する部分から漏れるガス室の気体がシリンダヘッドの外部に放出されることを特徴とする、内燃機関。
容積可変装置は、連通部と移動部材との間に配置されている第１の封止部材と、移動部材と突出部との間に配置されている第２の封止部材とを含み、第２の封止部材は、第１の封止部材よりも密閉性が高くなるように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
容積可変装置は、連通部と移動部材との間に配置されている第１の封止部材と、移動部材と突出部との間に配置されている第２の封止部材とを含み、第１の封止部材は、第２の封止部材よりも耐熱性が高くなるように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。