JP5585283B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明はエンジンに関し、特に吸気弁や排気弁のバルブタイミングを設定可能なエンジンに関する。

エンジンでは、吸気弁や排気弁のバルブタイミングを変更することがある。例えば特許文献１では、吸気弁を遅閉じにする内燃機関が開示されている。特許文献２では、１つの燃焼室に対して設けられる同種の機関弁である第１、第２機関弁のバルブタイミングを変更する動弁装置が開示されている。

特許文献３では、１つの燃焼室に独立して開閉作動する大径および小径の２個の吸気弁と２個の排気弁とを備え、大径の吸気弁と小径の排気弁とを互いに向き合うように配置した内燃機関が開示されている。この内燃機関では、大径の吸気弁が小径の吸気弁よりも遅く開き、大径の排気弁が小径の排気弁よりも早く閉じるようにバルブタイミングを設定している。このほか特許文献４では、第１吸気弁を第２吸気弁よりも早閉じにする内燃機関の動弁制御装置が開示されている。

特開平１０−１８４３７０号公報 特開２００９−１４４５２１号公報 特開昭６１−５８９２０号公報 特開２００７−３０３３８６号公報

特許文献１が開示する内燃機関では、吸気弁を遅閉じにすることで、ポンピングロスの低減を図っている。しかしながら、吸気弁を遅閉じにすると圧縮期間が短くなる。圧縮期間が短くなると、筒内の温度上昇が小さくなる結果、燃料の気化促進が不十分になり、シリンダ壁面への燃料付着が増加することがある。また、混合気の形成が不十分な状態で燃焼、排気する結果、排気エミッションの悪化や未燃損失の増大による燃費悪化を招くことがある。

なお、特許文献３が開示する内燃機関はバルブオーバラップ時の混合気の吹き抜けを減少させるための技術となっている。このため特許文献３が開示する内燃機関は、上記課題に鑑みたバルブタイミングの設定を特段開示するものにはなっていない。また特許文献２でも、排気弁同士のバルブタイミングの設定については特段開示されていない。

本発明は上記課題に鑑み、バルブタイミングの設定により未燃燃料を減少させ、排気エミッションや燃費の改善を図ることが可能なエンジンを提供することを目的とする。

本発明は第１および第２の吸気弁と、第１および第２の排気弁とからなる１気筒あたりに設けられた４つの弁と、前記４つの弁のうち、少なくとも前記第１および第２の排気弁のバルブタイミングを互いに独立して設定可能な動弁装置と、を備え、前記動弁装置が、前記第１および第２の排気弁の開弁時期に位相差を生じさせ、前記位相差は、前記第１および第２の排気弁の開弁時期に前記位相差が生じることで筒内に生成された排気旋回気流が排気行程中、維持される位相差であるエンジンである。

また本発明は前記動弁装置が、さらに前記第１および第２の吸気弁の開弁時期に位相差を生じさせるとともに、前記４つの弁のうち、前記第１の吸気弁と前記第２の排気弁との間でバルブオーバラップを生じさせ、前記第１の吸気弁および前記第２の排気弁が対角線上に配置されている構成であることが好ましい。

また本発明は前記動弁装置が、前記第１の排気弁を前記第２の排気弁よりも早く開弁し、前記第２の排気弁のバルブ径が前記第１の排気弁のバルブ径よりも大きく設定されている構成であることが好ましい。

本発明によればバルブタイミングの設定により未燃燃料を減少させ、排気エミッションや燃費の改善を図ることができる。

実施例１のエンジンの概略構成図である。 実施例１のエンジンのバルブ配置を示す図である。 実施例１のエンジンバルブタイミングを示す図である。 一般的な未燃ＨＣの排出特性を示す図である。 未燃ＨＣが排出される様子を模式的に示す図である。 実施例２のエンジンバルブタイミングを示す図である。 実施例３のエンジンのバルブ配置を示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジン５０Ａの概略構成図である。図２はエンジン５０Ａのバルブ配置を示す図である。図１、図２では、一気筒あたりのエンジン５０Ａの要部を示している。エンジン５０Ａはシリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、第１および第２の吸気弁５４Ａ、５４Ｂと、第１および第２の排気弁５５Ａ、５５Ｂと、吸気側ＶＶＴ（ＩｎＶＶＴ）５６と排気側ＶＶＴ（ＥｘＶＶＴ）５７とを備えている。

シリンダブロック５１には、シリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５８はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室５８に吸入空気を導く第１および第２の吸気ポート５２ａＡ、５２ａＢが形成されている。また、燃焼室５８からガスを排気する第１および第２の排気ポート５２ｂＡ、５２ｂＢが形成されている。

シリンダヘッド５２には、吸気ポート５２ａＡ、５２ａＢを開閉する第１および第２の吸気弁５４Ａ、５４Ｂと、排気ポート５２ｂＡ、５２ｂＢを開閉する第１および第２の排気弁５５Ａ、５５Ｂとが設けられている。第１の吸気弁５４Ａと第２の排気弁５５Ｂとは対角線上に配置されている。同様に、第２の吸気弁５４Ｂと第１の排気弁５５Ａとも対角線上に配置されている。エンジン５０Ａは、一気筒あたりに吸気弁５４Ａ、５４Ｂおよび排気弁５５Ａ、５５Ｂからなる４つの弁が設けられた４バルブエンジンとなっている。

シリンダヘッド５２には、吸気側ＶＶＴ５６と排気側ＶＶＴ５７とが設けられている。吸気側ＶＶＴ５６は吸気弁５４Ａ、５４Ｂのバルブタイミングを可変にし、排気側ＶＶＴ５７は排気弁５５Ａ、５５Ｂのバルブタイミングを可変にする。吸気側ＶＶＴ５６には吸気弁５４Ａ、５４Ｂのバルブタイミングを互いに独立して設定可能なものを、排気側ＶＶＴ５７には排気弁５５Ａ、５５Ｂのバルブタイミングを互いに独立して設定可能なものをそれぞれ適用する。かかるＶＶＴ５６、５７としては、例えば前述した特許文献２が開示する動弁装置を適用できる。

ＶＶＴ５６、５７は一気筒あたりに設けられた４つの弁のうち、少なくとも排気弁５５Ａ、５５Ｂのバルブタイミングを互いに独立して設定可能な動弁装置に相当する。動弁装置は、例えば吸気弁５４Ａ、５４Ｂおよび排気弁５５Ａ、５５Ｂ（或いは少なくとも排気弁５５Ａ、５５Ｂ）の駆動を電磁駆動化した場合の電磁駆動装置それぞれを有した構成として実現することもできる。

ＶＶＴ５６、５７は、制御対象としてＥＣＵ１に電気的に接続されている。ＶＶＴ５６、５７は、電子制御装置であるＥＣＵ１の制御のもと駆動する。バルブタイミングは、ＶＶＴ５６、５７を制御するＥＣＵ１を介して設定することができる。本実施例では、ＶＶＴ５６、５７が排気弁５５Ａ、５５Ｂの開弁時期に位相差を生じさせるようにバルブタイミングを設定している。バルブタイミングは具体的には次に示すように設定されている。

図３はエンジン５０Ａのバルブタイミングを示す図である。縦軸はバルブリフト量、横軸はクランク角度を示す。エンジン５０Ａは４サイクルエンジンであり、図３に示すクランク角度において、０°から１８０°までが燃焼行程に対応してピストン５３が下降する過程、１８０°から３６０°までが排気行程に対応してピストン５３が上昇する過程、３６０°から５４０°までが吸気行程に対応してピストン５３が下降する過程、５４０°から７２０°までが圧縮行程に対応してピストン５３が上昇する過程となっている。

吸気弁５４Ａ、５４Ｂのバルブタイミングはともに、上死点よりも前のタイミングで開弁するとともに、下死点よりも後のタイミングで閉弁するように設定されている。第１の排気弁５５Ａのバルブタイミングは、下死点よりも前のタイミングで開弁するとともに上死点よりも前のタイミングで閉弁するように設定されている。第１の排気弁５５Ａのバルブタイミングは、吸気弁５４Ａ、５４Ｂとの間でバルブオーバラップが生じないように設定されている。

第２の排気弁５５Ｂは下死点で開弁するとともに、上死点よりも後のタイミングで閉弁するように設定されている。第２の排気弁５５Ｂのバルブタイミングは、吸気弁５４Ａ、５４Ｂとの間でバルブオーバラップが生じるように設定されている。第１の排気弁５５Ａのバルブタイミングは、第２の排気弁５５Ｂのバルブタイミングよりも開弁時期および閉弁時期を一体的に進角させるようにして設定されている。そして排気弁５５Ａ、５５Ｂの開弁時期および閉弁時期に一体的な位相差を設けることで、排気弁５５Ａ、５５Ｂの開弁時期に位相差を設けている。位相差は例えば４０°である。

次にエンジン５０Ａの作用効果について説明する。図４は一般的な未燃ＨＣの排出特性を示す図である。縦軸はＨＣエミッション排出量、横軸はクランク角度を示す。図５は未燃ＨＣが排出される様子を模式的に示す図である。このうち、図５（ａ）はブローダウン時の未燃ＨＣ排出の様子を示し、図５（ｂ）はピストン５３上昇時の未燃ＨＣ排出の様子を示す。図５では一般的なエンジンとして、排気弁５５Ａ、５５Ｂのバルブタイミングを合わせている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一なエンジン５０Ｘを示している。

一般に排気時に排出される未燃ＨＣとしては、ブローダウン時に主にシリンダヘッド５２周りから排出される未燃ＨＣ（図４のＡ部および図５（ａ）参照）と、ピストン５３上昇時に掻き上げられるシリンダ５１ａ壁面周りの未燃ＨＣ（図４のＢ部および図５（ｂ）参照）が全体のうち、大きな割合を占める。理由は次の通りである。

すなわち、排気開始時には筒内圧が高まっている。このため、排気初期には筒内外の大きな圧力差によってブローダウンが発生し、排気の流速が高まる。このため、ブローダウン時には未燃ＨＣが排気に多量に取り込まれて排出される。一方、排気の流速はその後、急速に低下するが、さらにその後、ピストン５３の上昇とともに再び高まる。このため、ピストン５３上昇時にも未燃ＨＣが排気に多量に取り込まれて排出される。したがって、これらの未燃ＨＣを減少させることが、排気エミッションや燃費の改善にとって重要となる。

これに対し、エンジン５０Ａは排気弁５５Ａ、５５Ｂの開弁時期に位相差を設けている。このためエンジン５０Ａでは、排気弁５５Ａ、５５Ｂのうち、いずれか一方の排気弁（ここでは第１の排気弁５５Ａ）が先に開弁する。そしてこれにより、高い流速で排気が行われ始めると、排気に引っ張られるようにして筒内にガス流動が生じる。結果、筒内に排気旋回気流が生成される。その後、他方の排気弁（ここでは第２の排気弁５５Ｂ）が開弁するが、その際には筒内外の圧力差は小さくなっている。このため、他方の排気弁が開弁しても、筒内ガス流動に及ぶ影響は小さくなる。結果、排気旋回気流は排気行程中、維持される。

このように形成される排気旋回気流は、シリンダ５１ａ壁面に付着した未燃ＨＣを取り込み、シリンダ５１ａの中央部に向かって運ぶ。そしてこれにより、未燃ＨＣを反応させることで、特にピストン５３上昇時に排出される未燃ＨＣを減少させることができる。また、未燃ＨＣの減少によって未燃損失を減少させることができ、結果、燃費も改善できる。このようにエンジン５０Ａは、バルブタイミングの設定により未燃燃料を減少させ、排気エミッションや燃費の改善を図ることができる。

エンジン５０Ｂは、ＶＶＴ５６、５７が、さらに吸気弁５４Ａ、５４Ｂの開弁時期に位相差を生じさせるとともに、４つの弁のうち、第１の吸気弁５４Ａと第２の排気弁５５Ｂとの間でバルブオーバラップを生じさせるようにバルブタイミングが設定される点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一である。このためエンジン５０Ｂについては図示省略する。

図６はエンジン５０Ｂのバルブタイミングを示す図である。エンジン５０Ａの場合と比較し、エンジン５０Ｂでは、第２の吸気弁５４Ｂのバルブタイミングを一体的に遅角させることで、吸気弁５４Ａ、５４Ｂの開弁時期に位相差を生じさせる。第２の吸気弁５４Ｂのバルブタイミングは、上死点よりも後のタイミングで開弁するとともに、下死点よりも後のタイミング（圧縮行程中央）で閉弁するように設定されている。この点、第２の吸気弁５４Ｂの開弁時期は、排気弁５５Ａ、５５Ｂの閉弁時期それぞれよりも後のタイミングに設定されている。このため、第２の吸気弁５４Ｂと排気弁５５Ａ、５５Ｂとの間では、バルブオーバラップは生じない。

第１の吸気弁５４Ａの開弁時期は、第１の排気弁５５Ａの閉弁時期に合わせて設定されている。このため、第１の吸気弁５４Ａと第１の排気弁５５Ａとの間では、バルブオーバラップは生じない。また、第１の吸気弁５４Ａの開弁時期は、第２の排気弁５５Ｂの閉弁時期よりも前のタイミングに設定されている。このため、第１の吸気弁５４Ａと第２の排気弁５５Ｂとの間では、バルブオーバラップが生じる。

エンジン５０Ｂでは、かかる設定に基づき、ＶＶＴ５６、５７が、４つの弁のうち、第１の吸気弁５４Ａと、対角線上に配置された第２の排気弁５５Ｂとの間で、バルブオーバラップを生じさせる。第１の吸気弁５４Ａおよび第２の排気弁５５Ｂとの関係において、第１の排気弁５５Ａの閉弁時期は、第１の吸気弁５４Ａの開弁時期以前のタイミングに設定することができる。また、第２の吸気弁５４Ｂの開弁時期は第２の排気弁５５Ｂの閉弁時期以降のタイミングに設定することができる。

次にエンジン５０Ｂの作用効果について説明する。エンジン５０Ｂは、４つの弁のうち、第１の吸気弁５４Ａと第２の排気弁５５Ｂとの間でバルブオーバラップを生じさせる。このときエンジン５０Ｂは、吸気弁５４Ａ、５４Ｂのうち、第１の吸気弁５４Ａを開弁した状態で吸気を吸入する。これによりエンジン５０Ｂは、吸気が吹き抜けるようにして直接排気されることを抑制しつつ、筒内に吸気旋回気流を生成することができる。

吸気旋回気流は、排気が終わる前の段階から生成される。このため、吸気旋回気流は筒内に残留する未燃ＨＣを取り込みつつ、次の燃焼に向けた混合気の形成を促進する。このためエンジン５０Ｂは、エンジン５０Ａと比較しさらに燃焼促進を図ることができ、結果、排気エミッションや燃費の更なる改善を図ることができる。また、混合気を吸入する場合、エンジン５０Ｂは混合気としての吸気が吹き抜けるようにして直接排気されることも抑制できる。この場合にも、吹き抜けの抑制効果によるものだけでなく、燃焼促進による排気エミッションや燃費の更なる改善を図ることができる。

なお、第１の吸気弁５４Ａの開弁時期は、第１の排気弁５５Ａの閉弁時期よりも後、且つ第２の排気弁５５Ｂの閉弁時期よりも前のタイミングの範囲内でも設定できる。これに対し、第１の吸気弁５４Ａの開弁時期を第１の排気弁５５Ａの閉弁時期に合わせて設定することで、バルブオーバラップ期間を排気行程側に向かって長く確保できる。そしてこれにより、上述の効果を好適に奏することができる。

図７はエンジン５０Ｃのバルブ配置を示す図である。エンジン５０Ｃは、排気弁５５Ａ、５５Ｂの代わりに排気弁５５Ａ´、５５Ｂ´を備えている点と、これに伴いシリンダヘッド５２の代わりに排気ポート５２ｂＡ´、５２ｂＢ´が形成されたシリンダヘッド５２´を備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一である。同様の変更は例えばエンジン５０Ｂにも適用できる。

図７に示すように、第２の排気弁５５Ｂ´のバルブ径は、第１の排気弁５５Ａ´のバルブ径よりも大きく設定されている。排気ポート５２ｂＡ´、５２ｂＢ´は排気弁５５Ａ´、５５Ｂ´のバルブ径に応じて形成されている。エンジン５０Ｃでは、ＶＶＴ５６、５７が第１の排気弁５５Ａ´を第２の排気弁５５Ｂ´よりも早く開弁することで、排気弁５５Ａ´、５５Ｂ´のうち、バルブ径が小さい方の排気弁をバルブ径が大きい方の排気弁よりも早く開弁する。

次にエンジン５０Ｃの作用効果について説明する。エンジン５０Ｃでは、バルブ径が小さい第１の排気弁５５Ａ´を第２の排気弁５５Ｂ´よりも早く開弁する。このため、エンジン５０Ｃはブローダウン時の排気の流速を高めることができる。これにより、エンジン５０Ｃはエンジン５０Ａと比較して排気旋回気流を強化でき、結果、排気エミッションや燃費の改善をさらに好適に図ることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば上述した実施例では、バルブタイミングの設定として弁の開弁時期と閉弁時期とを一体的に設定する場合について説明した。しかしながら、本発明においてはこれに限られず、バルブタイミングの設定において弁の開弁時期と閉弁時期とは個別に設定されてもよい。
エンジンは本発明を実施可能なエンジンであれば特に限定されない。例えばガソリンエンジンのほかディゼールエンジンであってもよい。また筒外で燃料を噴射し、混合気を吸入するタイプのエンジンのほか、筒内燃料直接噴射式のエンジンであってもよい。

ＥＣＵ １
エンジン ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｘ
シリンダブロック ５１
シリンダヘッド ５２、５２´
ピストン ５３
第１の吸気弁 ５４Ａ
第２の吸気弁 ５４Ｂ
第１の排気弁 ５５Ａ、５５Ａ´
第２の排気弁 ５５Ｂ、５５Ｂ´
吸気側ＶＶＴ ５６
排気側ＶＶＴ ５７
燃焼室 ５８

Claims (3)

1. 第１および第２の吸気弁と、第１および第２の排気弁とからなる１気筒あたりに設けられた４つの弁と、
   前記４つの弁のうち、少なくとも前記第１および第２の排気弁のバルブタイミングを互いに独立して設定可能な動弁装置と、を備え、
   前記動弁装置が、前記第１および第２の排気弁の開弁時期に位相差を生じさせ、
   前記位相差は、前記第１および第２の排気弁の開弁時期に前記位相差が生じることで筒内に生成された排気旋回気流が排気行程中、維持される位相差であるエンジン。
2. 請求項１記載のエンジンであって、
   前記動弁装置が、さらに前記第１および第２の吸気弁の開弁時期に位相差を生じさせるとともに、前記４つの弁のうち、前記第１の吸気弁と前記第２の排気弁との間でバルブオーバラップを生じさせ、
   前記第１の吸気弁および前記第２の排気弁が対角線上に配置されているエンジン。
3. 請求項１または２記載のエンジンであって、
   前記動弁装置が、前記第１の排気弁を前記第２の排気弁よりも早く開弁し、
   前記第２の排気弁のバルブ径が、前記第１の排気弁のバルブ径よりも大きく設定されているエンジン。

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