JP5398548B2 - 往復動ピストン燃焼エンジンの動弁機構 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項１の前文に係る往復動ピストン燃焼エンジンの動弁機構に関し、該動弁機構の特殊な構造上の配置によって、燃焼エンジンの駆動動作および／またはエンジンブレーキ動作を改善すると共に、この改善によって可能なバルブ制御をさらに改善するという課題に関する。
上述の課題は、請求項１の特徴部に記載の構成を用いて、一般的なタイプの動弁機構によって解決される。
効果的かつ適切な構成はサブクレームの主題になっている。
本発明は、吸気弁または排気弁として機能の点で同じ動作をする少なくとも二つの弁を有するエンジンシリンダにおいて、４ストロークサイクルの間に機能の点で同じ動作をする前記の弁を、少なくとも一時的に、対応する弁に非同期に作用させるという一般概念に基づく。本発明によれば、互いに相対的に回転可能な（即ち、位相調整可能な）カムローブが設けられたカムシャフトは、このような非同期作用を実現するように機能する。例えば、機能の点で同じ動作をすると共に前述のようなカムシャフトによって制御可能な二つの弁に、第１カムローブと第２カムローブとを設けることができる。使用するカムシャフトが、互いに同軸に配置されると共に互いに相対的に回転可能な二つのシャフトからなるタイプのものであれば、例えば、前記第１カムローブが外側シャフトに固定されると共に、第２カムローブが内側シャフトに固定された状態で前記外側シャフトに取り付けられる。このように構成されるカムシャフトを用いれば、外側シャフトを駆動する場合、前記第１カムローブによって前記第２カムローブが回転可能となる。いわゆるアジャスタブルタイプのカムシャフトとして知られるこのようなカムシャフトは、従来技術から公知であるため、その構成および機能は本明細書ではこれ以上説明する必要はない。
互いに非同期に動作すると共に機能の点で同じ動作をする少なくとも二つの弁を有するエンジンシリンダにおいて、互いに位相がシフトすると共にカムシャフトに対応する第１カムローブおよび第２カムローブが、４ストロークサイクルの特定の区域で制御される場合、このような弁によって制御される燃焼エンジンの駆動動作および／またはエンジンブレーキ動作は、所望の仕様に応じて変更される。エンジンシリンダにおける機能の点で同じ動作をする弁のこのような非同期の動きによって実現できる仕様の例は、以下に個別に説明する。
この説明のために図面を提供する。
図１は、それぞれが調節可能な二つのカムシャフトを有する動弁機構を備えた四弁エンジンシリンダの斜視概略図である。 図２は、(ａ)に示す駆動動作と、(ｂ)に示すエンジンブレーキ動作とを比較する弁制御図である。 図３は、エンジン回転速度が中程度の場合の駆動動作（同図(ａ)）と、エンジン回転速度が低い場合の充填動作を改善した駆動動作（同図(ｂ)）との二つの弁制御図の比較を示す。 図４は、あるエンジン回転速度における駆動動作（同図(ａ)）と、制御図において実現できるエンジンシリンダへの充填の改善がなされた全負荷駆動動作（同図(ｂ)）との弁制御図の比較を示す。 図５は、部分負荷駆動動作（同図(ａ)）と、エンジンシリンダに対するスカベンジングを改善した全負荷駆動動作（同図(ｂ)）との弁制御図の比較を示す。
−図１−
図１に概略的に示した動弁機構を有する四弁エンジンのシリンダにおいては、カムシャフトが、調整部品としての二つの吸気弁１や二つの排気弁２に作用する。即ち、第１カムシャフト３が吸気弁１に作用すると共に、第２カムシャフト４が排気弁２に作用する。それぞれが一対になっている吸気弁１と排気弁２とは、それぞれ、第１の弁と第２の弁とを備えている。即ち、吸気弁１は第１吸気弁１ｐと第２吸気弁１ｓとを備え、排気弁２は第１排気弁２ｐと第２排気弁２ｓとを備えている。前述した二つのカムシャフト３,４のそれぞれは、互いに相対的に回転可能な（つまり、位相調整可能な）二つのカムローブ、即ち、第１カムローブ５および第２カムローブ６を有している。該カムシャフト３,４のそれぞれは、互いに相対的に回転可能であると共に互いに同軸に配置された二つのシャフト、即ち、内側シャフト７および筒状の外側シャフト８を備える。
各第１カムローブ５は、外側シャフトに接続して固定され、各第２カムローブ６は、内側シャフト７に接続して固定される。内側シャフト７に接続して固定された第２カムローブ６は、外側シャフト８に回転可能に取り付けられると共に、ピン９によって固定された状態で内側シャフト７に接続される。カムシャフト３,４は、例えば、対応する外側シャフト８によって駆動される。この場合、第２カムローブ６は、対応するカムシャフトと同じスピードで回転する第１カムローブ５に対して位相調整可能となっている。
カムシャフトの第１カムローブ５と第２カムローブ６の位相を調整をすると、非同期に互いに逆方向に制御される吸気弁１または排気弁２によって、エンジンの駆動動作およびエンジンブレーキ動作において別々のエンジン制御が行われる。
図１に示した動弁機構を有するバルブ装置を備えたエンジンシリンダにおいて、本発明の特徴は、機能の点で同じ動作をする少なくとも二つの弁（即ち、吸気弁１または排気弁２）のそれぞれが、機能の点で同じ動作をする弁を駆動するカムシャフト３,４の第１カムローブ５と第２カムローブ６の位相を調整することによって、互いに逆方向へ作動可能となっていることにある。機能の点で同じ動作をする弁１,２のうちの一方のみ（即ち、吸気弁１のみ、あるいは、排気弁２のみ）を作動させてもよい。さらに、これらの組み合わせも可能である。この場合、本発明の実現のために、機能の点で同じ動作をする弁１,２は、非同期に互いに逆向きに作動可能でなければならず、また、あるエンジンの動作状態では、実際に、非同期に互いに逆向きに作動しなければならない。
本発明に応じて実現できるエンジンの駆動動作およびエンジンブレーキ動作の例は、以下により詳細に説明する図面の様々な弁制御図に示す。
−図２−
ここでは、比較のために、図１のエンジンシリンダの弁１および２についてのエンジン動作の制御曲線を図２(ａ)に示すと共に、本発明に係るエンジンブレーキ動作の制御曲線を図２(ｂ)に示す。
両方の制御図では、クランクシャフトの回転角度「α」を、３６０°を超える全燃焼ストロークについて横軸に示すと共に、弁１,２のリフト量「ｈ」を縦軸に示す。クランクシャフトの完全な１回転に対応するそれぞれのエンジン行程、即ち、「Ａ＝膨張行程」、「Ｂ＝排気行程」、「Ｃ＝吸気行程」、「Ｄ＝圧縮行程」を図に示す。
図２(ａ)におけるエンジン動作の制御図から、各排気弁２ｐ,２ｓの実現可能な最大リフト量「ｈ」が異なることが分かる。同図によれば、第２排気弁２ｓの最大リフト量は、第１排気弁２ｐよりも大幅に小さい。このような場合、第２排気弁２ｓは、「排気」行程のほぼ全期間においてリフト量が最大となるように動作する。
最適なエンジンブレーキ動作の場合、第２排気弁２ｓは、第１排気弁２ｐと非同期に駆動される。つまり、第２排気弁は、「膨張」行程（Ａ）のほぼ全期間において、そのリフト量が最大となる。駆動動作からエンジンブレーキ動作への対応する位相シフトの方向は、図２(ｂ)の矢印「Ｐ１」に示されている。
対応するカムシャフトの角度「α」の仕様によって定まる弁１,２の開閉時間は、制御図に示されている。
第１排気弁２ｐに対して第２排気弁２ｓを制御して位相シフトすることによって、駆動動作およびエンジンブレーキ動作のうちのエンジンブレーキ性能が向上する。この位相シフトによって、第２排気弁２ｓは、「膨張」行程（Ａ）における可能な限り早い時点で、既に開かれている。
−図３−
図３において、同図(ａ)には、回転速度が高いときの駆動動作を示すと共に、同図(ｂ)には、回転速度が低いときの本発明の駆動動作を示す。同図(ｂ)に示された第２吸気弁１ｓに向かう矢印Ｐ２の方向へ位相をシフトさせると、第２吸気弁１ｓが遅れて開くことによって、「吸気」行程（Ｃ）における充填動作が改善される。このことによって、低回転速度状態における燃焼が改善される。図３の制御図の構成の目的および名称は、図２に対応している。
−図４−
図４において、同図(ａ)には、回転速度が高いときのエンジンの部分負荷運転を示すと共に、同図(ｂ)には、エンジンの全負荷運転を示す。
同図(ａ)に示す駆動動作では、吸気弁１および排気弁２が同期して動作する。一方、吸気弁１または排気弁２がそれぞれ機能の点で同じ動作をする範囲において、吸気弁は、吸気行程において同図(ｂ)の矢印「Ｐ３」に示すように互いに位相シフトする。
図４ｂの制御曲線に従った示す駆動動作によれば、第２吸気弁１ｓが遅れて閉じることによって、動的な再充填効果が得られる。全体的に見れば、このようにして体積効率が向上すると共に、それに伴ってエンジン出力が増大する。
−図５−
図５(ａ)は、エンジンの部分負荷運転を示し、図５(ｂ)は、本発明に係るエンジンの全負荷運転を示す。二つの制御図の違いは、排気弁１,２が位相シフトするように駆動されることにある。第２排気弁２ｓは、第１排気弁２ｐより早く開かれている。二つの排気弁の間の位相シフトの方向を矢印「Ｐ４」で示す。図５(ｂ)に示す本発明に係る制御曲線に示すように、とりわけ全負荷運転では、排気行程（Ｂ）よりも前に第２排気弁２ｓによる排気を行うことと、第１排気弁２ｐによる長時間の排気とによって、スカベンジングが改善される。こうして、フレッシュガスの充填を改善できる。このようにして、燃焼が全体的に改善される。
明細書および以下の請求項に記載されたすべての特徴は、単独でも、任意の組み合わせでも、発明に該当し得る。

Claims (2)

  1. カムシャフトのカムローブによって駆動される少なくとも三つの弁がエンジンシリンダごとに設けられ、少なくとも二つの弁が第１及び第２の排気弁として機能の点で同じ動作をする往復動ピストン燃焼エンジンの動弁機構であって、
    前記カムシャフトは、前記第１の排気弁を駆動する第１のカムローブと、前記第２の排気弁を駆動すると共に前記第１のカムローブに対して位相調節可能な第２のカムローブとを備え、
    前記第１の排気弁だけが該第１の排気弁に対応するエンジンシリンダの排気行程において開き、前記第２の排気弁だけが該第２の排気弁に対応するエンジンシリンダの膨張行程の全期間に亘って開くように前記第１のカムローブと前記第２のカムローブの位相を相違させることによって、エンジンブレーキ動作を実現することを特徴とする動弁機構。
  2. 各エンジンシリンダの第２の排気弁は、該第２の排気弁に対応するエンジンシリンダの第１の排気弁よりも小さいリフト量で開くカムローブと対応することを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
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