JP5826294B2

JP5826294B2 - 掃気行程を有する６サイクルエンジン

Info

Publication number: JP5826294B2
Application number: JP2013555227A
Authority: JP
Inventors: 映塚原
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: US20150040847A1; WO2013111649A1; JPWO2013111649A1; EP2808517A4; US9284892B2; EP2808517A1

Description

本発明は、吸気行程と、圧縮行程と、膨張行程と、排気行程と、掃気吸入行程と、掃気排出行程とがこの順序で実施される、掃気行程を有する６サイクルエンジンに関するものである。

従来、シリンダ温度を低下させることが可能なエンジンとしては、排気行程の後に掃気行程（掃気吸入行程および掃気排出行程）を有する６サイクルエンジンが知られている。掃気行程の「掃気」とは、シリンダ内のガスを入れ替える動作を意味する。本明細書において、前記掃気吸入行程とは、シリンダ内のガスの入れ替えを行うために空気をシリンダ内に吸入する行程をいい、前記掃気排出行程とは、シリンダ内のガスの入れ替えを行うために空気をシリンダ外に排出する行程をいう。

この種の従来の６サイクルエンジンにおいては、掃気吸入行程でシリンダ内に新気が吸入されることによって、シリンダの壁面が冷却されてシリンダの温度が低下する。シリンダの温度が低下すると、圧縮比を高くでき、燃費や出力を向上させたり、点火時期を進角させて高回転時の出力向上を図ることが可能になる。また、掃気排出行程が終了した後にシリンダ内に新気が残存するから、次の吸気行程において吸気の体積効率を向上させることができる。

しかし、この種の６サイクルエンジンにおいては、掃気排出行程で排気通路に新気が排出されるから、以下のような不具合が生じる。すなわち、排気通路に設けられているＯ₂センサによって検出された酸素濃度が大きく増大してしまい、空燃比制御を正しく実施することが不可能になる。また、排気通路に設けられている触媒に酸素が大量に送られることになるから、触媒において酸化反応が過度に発生し、触媒の温度が急上昇してしまうし、ＮＯｘを還元することができなくなってしまう。

このような不具合を解消するためには、例えば特許文献１に記載されているように、掃気排出行程でシリンダ内の空気を吸気通路に戻す構成を採ることが考えられる。
特許文献１に示す６サイクルエンジンは、燃焼室と吸気通路とを連通する掃気通路と、この掃気通路を開閉する掃気弁とを備えている。この６サイクルエンジンにおいては、掃気吸入行程で吸気弁が開いてシリンダ内に新気が吸入され、掃気排出行程で掃気弁が開いてシリンダ内の空気が吸気通路に排出される。すなわち、この６サイクルエンジンにおいては、掃気排出行程で排気通路に新気が排出されることがないから、上述した不具合が発生することはない。

特開２０１０−２０９６８３号公報

しかしながら、特許文献１に示す６サイクルエンジンでは、掃気吸入行程で吸気弁が開いて吸気がスロットル弁を通過するから、ポンピングロスを低減することはできないという問題があった。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、掃気排出行程で新気が排気通路に排出されることを防ぎながら、ポンピングロスを低減できる６サイクルエンジンを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンは、燃焼室に下流端が接続されかつスロットル弁が設けられていない吸気通路と、前記燃焼室に上流端が接続されかつ触媒が途中に設けられた排気通路と、前記吸気通路を開閉する第１の弁と、前記排気通路を開閉する第２の弁と、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程がこの順序で実施されるように前記第１の弁と前記第２の弁とを動作させるとともに、前記排気行程に続けて掃気吸入行程と掃気排出行程とがこの順序で実施されるように、前記第１の弁のみを動作させる動弁装置とを備え、前記動弁装置は、前記第１の弁の開閉時期とリフト量とを連続的に変更可能な可変動弁機構を備え、前記可変動弁機構は、前記吸気行程において吸入空気量を制御し、前記掃気吸入行程および前記掃気排出行程において、前記第１の弁を、前記掃気吸入行程の初期に開き、前記掃気吸入行程から前記掃気排出行程にわたって開いた状態に保ち、前記掃気排出行程が終了するときに閉じるものである。

本発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンは、可変動弁機構により前記第１の弁が実質的にスロットル弁として機能する。このため、吸気通路は、スロットル弁が不要になるために、空気が流れるときの抵抗が小さくなるように形成することができる。この６サイクルエンジンにおいては、掃気吸入行程と掃気排出行程とにおいて前記第１の弁が開くと、上述したように空気が流れるときの抵抗が小さくなった吸気通路から新気がシリンダ内に吸入される。

このため、この６サイクルエンジンは、掃気吸入行程においてポンピングロスが低減されたものとなる。また、掃気排出行程においては、シリンダ内の空気が前記吸気通路に戻される。
したがって、本発明によれば、掃気排出行程で新気が排気通路に排出されることを防ぎながら、ポンピングロスを低減可能な６サイクルエンジンを提供することができる。

図１は、本発明に係る６サイクルエンジンの第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。図２は、バルブの開閉時期を示すタイムチャートである。図３は、本発明に係る６サイクルエンジンの第２の実施の形態を示すブロック図である。図４は、本発明に係る６サイクルエンジンの第３の実施の形態を示すブロック図である。図５は、本発明に係る６サイクルエンジンの第３の実施の形態の他の例を示すブロック図である。図６は、本発明に係る６サイクルエンジンの第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。図７は、第４の実施の形態による６サイクルエンジンのバルブの開閉時期を示すタイムチャートである。図８は、本発明に係る６サイクルエンジンの第５の実施の形態を示すブロック図である。図９は、本発明に係る６サイクルエンジンの第６の実施の形態を示すブロック図である。図１０は、本発明に係る６サイクルエンジンの第６の実施の形態の他の例を示すブロック図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンの一実施の形態を図１および図２によって詳細に説明する。
図１に示す６サイクルエンジン１は、本発明の請求項１と請求項２に記載した発明に係るもので、一つのシリンダ２に吸気弁３と、排気弁４と、掃気弁５とを備えている。図１においては、シリンダ２を一つしか図示していないが、本発明は、単気筒エンジンに限定されることはなく、多気筒エンジンにも適用することができる。この実施の形態においては、前記吸気弁３と前記掃気弁５とが本発明でいう「第１の弁」に相当する。また、この実施の形態においては、前記排気弁４が本発明でいう「第２の弁」に相当する。

前記吸気弁３は、燃焼室６に開口する吸気ポート７を開閉するものであり、一つのシリンダ２に一つ設けられている。この吸気弁３は、後述する動弁装置８の可変動弁機構９による駆動によって動作する。前記吸気ポート７は、吸気通路１０の下流端を形成している。この吸気通路１０の上流側端部は、エアクリーナ１１を介して大気中に開口している。吸気通路１０には、スロットル弁は設けられていない。この６サイクルエンジン１の燃料は、前記吸気通路１０の下流部に設けられた吸気通路噴射インジェクタ１２や、シリンダ２側に設けられた筒内噴射インジェクタ１３などによって供給される。

前記排気弁４は、燃焼室６に開口する排気ポート１４を開閉するものであり、一つのシリンダ２に二つ設けられている。これらの排気弁４は、後述する動弁装置８による駆動によって動作する。前記排気ポート１４は、排気通路１５の上流端を形成している。この排気通路１５の途中には、触媒１６が設けられている。この触媒１６は、いわゆる三元触媒によって構成されている。排気通路１５における触媒１６の上流側には、排気通路１５内の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ１７が設けられている。

前記掃気弁５は、燃焼室６に開口する掃気ポート２１を開閉するものである。掃気ポート２１は、前記吸気ポート７とともに前記吸気通路１０の下流端を形成している。
また、この掃気弁５は、前記吸気弁３に対して、クランク軸（図示せず）の軸線方向（図１においては上下方向）に隣り合う位置に設けられている。この掃気弁５は、後述する動弁装置８の可変動弁機構９による駆動によって動作する。

前記動弁装置８は、詳細には図示していないが、カム軸の回転をカムによって往復運動に変換して各弁に伝達するもので、前記カム軸と吸気弁３および掃気弁５との間に可変動弁機構９を備えている。この可変動弁機構９は、吸気弁３および掃気弁５の開閉時期とリフト量とをそれぞれ連続的に変更することができるものである。この可変動弁機構９は、例えば、前記カム軸と前記ロッカーアームとの間に可動式伝動部材を備えたものを用いることによって実現することができる。
また、前記動弁装置８は、図２に示すように、後述する六つの行程が順次実施されるように各弁を動作させる。六つの行程とは、吸気行程と、圧縮行程と、膨張行程と、排気行程と、掃気吸入行程と、掃気排出行程とである。

動弁装置８は、吸気行程において、所定の吸入空気量が得られるように、吸気弁３のみを前記可変動弁機構９を用いて開閉させる。吸入空気量は、例えばアクセルペダル（図示せず）などの操作量に基づいて設定することができる。また、動弁装置８は、吸気行程の後に圧縮行程と膨張行程とを経た後に排気行程で排気弁４のみを開閉させる。そして、動弁装置８は、前記可変動弁機構９を用いて排気行程の次の掃気吸入行程と掃気排出行程とにおいて掃気弁５のみを開閉させる。掃気弁５は、図２に示すように、掃気吸入行程の初期に開き、掃気吸入行程から掃気排出行程にわたって開いた状態に保たれる。そして、掃気弁５は、掃気排出行程が終了するときに閉じる。

すなわち、動弁装置８は、前記掃気弁５を閉じた状態で吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程がこの順序で実施されるように前記吸気弁３と前記排気弁４とを動作させる。また、動弁装置８は、前記排気行程に続けて掃気吸入行程と掃気排出行程とがこの順序で実施されるように、前記吸気弁３と前記排気弁４とを閉じた状態で前記掃気弁５のみを動作させる。

このように構成された掃気行程を有する６サイクルエンジン１においては、掃気吸入行程で掃気弁５が開き、新気が吸気通路１０から掃気ポート２１を通ってシリンダ２内に吸い込まれる。吸気通路１０を空気が流れるときの抵抗は、スロットル弁が設けられている場合と較べると著しく小さい。このため、この６サイクルエンジン１は、掃気吸入行程においてポンピングロスが低減されたものとなる。

また、掃気排出行程においては、シリンダ２内の空気が掃気ポート２１を通って吸気通路１０に戻される。このため、掃気排出行程において、新気が排気通路１５に排出されることはない。
したがって、この実施の形態によれば、掃気排出行程で新気が排気通路１５に排出されることを防ぎながら、ポンピングロスを低減可能な６サイクルエンジンを提供することができる。

掃気行程を有する６サイクルエンジン１は、掃気行程でシリンダ２が冷却されることから、高圧縮比化を図れることと、高回転時に点火時期を進角できることと、吸気の体積効率が高くなることとから、燃費や出力を向上させることが可能なものである。また、この６サイクルエンジン１は、吸気通路１０にはスロットル弁が設けられていないから、吸気行程においてもポンピングロスを低減することができる。
この実施の形態によれば、このような効果を有する６サイクルエンジン１において、上述したように掃気行程でポンピングロスが低減するから、より一層の出力向上を図るとともに燃費低減を図ることができるようになる。

また、この実施の形態による掃気弁５は、吸気弁３とはクランク軸の軸線方向において隣り合う位置に設けられている。このため、掃気ポート２１は、吸気ポート７と同等の形状に形成することができる。シリンダ２の排気側は、掃気ポート２１の制約を受けることがない。すなわち、この実施の形態による６サイクルエンジン１は、既存の４サイクルエンジンの動弁機構を変更するだけで実現できるから、簡単に製造することができるものである。

（第２の実施の形態）
本発明に係る６サイクルエンジンの吸気弁は、図３に示すように構成することができる。図３において、前記図１および図２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図３に示す６サイクルエンジン１は、二つの吸気弁３を備えている。これらの吸気弁３は、掃気弁５の両側に設けられており、それぞれ可変動弁機構９による駆動によって開閉する。
図３に示したように、二つの吸気弁３を用いる構成を採ることにより、吸入空気量が増大するから、更なる出力向上を図ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の請求項１および請求項２記載の発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいては、図４および図５に示すように過給機を備えることができる。図４および図５において、前記図１〜図３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図４と図５に示す６サイクルエンジン１は、請求項３記載の発明でいう６サイクルエンジンを構成するものである。

図４に示す６サイクルエンジン１は、図１に示した６サイクルエンジン１に過給機３１を装備したものである。図５に示す６サイクルエンジン１は、図３に示した６サイクルエンジン１に過給機３１を装備したものである。この実施の形態による過給機３１は、排気通路１５側のタービン３１ａと吸気通路１０側のコンプレッサー３１ｂとを有するターボチャージャーによって構成されている。また、この実施の形態による吸気通路１０は、インタークーラ３２を備えている。このインタークーラー３２は、吸気を冷却するためのものである。
図４と図５とに示す実施の形態によれば、過給機３１で吸気が過給されるから、より一層高い出力を得ることが可能な６サイクルエンジンを提供することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の請求項４に記載の発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンの一実施の形態を図６および図７によって詳細に説明する。図６および図７において、前記図１および図２によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図６に示す６サイクルエンジン１のシリンダ２には、二つの吸気弁３と、二つの排気弁４とが設けられている。この実施の形態による６サイクルエンジン１には、掃気弁は設けられていない。この実施の形態においては、前記吸気弁３が本発明でいう「第１の弁」に相当する。また、この実施の形態においては、前記排気弁４が本発明でいう「第２の弁」に相当する。
この実施の形態による動弁装置８は、図７に示すように、可変動弁機構９を用いて吸気弁３を吸気行程と掃気吸入行程および掃気排出行程において動作させるように構成されている。前記可変動弁機構９は、吸気行程において、所定の吸入空気量が得られるように、吸気弁３の開閉時期とリフト量とを連続的に変更する。吸入空気量は、例えばアクセルペダル（図示せず）などの操作量に基づいて設定することができる。また、前記可変動弁機構９は、吸気弁３を掃気吸入行程の初期に開き、掃気吸入行程から掃気排出行程にわたって開いた状態に保つ。そして、前記可変動弁機構９は、吸気弁３を掃気排出行程が終了するときに閉じる。

すなわち、前記可変動弁機構９は、前記吸気行程において、吸入空気量が制御されるように吸気弁３を駆動し、前記掃気吸入行程および掃気排出行程においては、新気が燃焼室
６内に吸入されてから吸気ポート７に排出されるように吸気弁３を開く。

このように構成された掃気行程を有する６サイクルエンジン１においては、掃気吸入行程で前記可変動弁機構９による駆動によって二つの吸気弁３が開き、新気が吸気通路１０から吸気ポート７を通ってシリンダ２内に吸い込まれる。吸気通路１０を空気が流れるときの抵抗は、スロットル弁が設けられている場合と較べると著しく小さい。このため、この６サイクルエンジン１は、掃気吸入行程においてポンピングロスが低減されたものとなる。

また、掃気排出行程においては、シリンダ２内の空気が吸気ポート７を通って吸気通路１０に戻される。このため、掃気排出行程において、新気が排気通路１５に排出されることはない。
したがって、この実施の形態によれば、掃気排出行程で新気が排気通路１５に排出されることを防ぎながら、ポンピングロスを低減可能な６サイクルエンジンを提供することができる。

掃気行程を有する６サイクルエンジン１は、掃気行程でシリンダ２が冷却されることから、高圧縮比化を図れることと、高回転時に点火時期を進角できることと、吸気の体積効率が高くなることとから、燃費や出力を向上させることが可能なものである。また、この６サイクルエンジン１は、吸気通路１０にはスロットル弁が設けられていないから、吸気行程においてもポンピングロスを低減することができる。しかも、この６サイクルエンジン１は、吸気行程において、二つの吸気弁３で吸気を行うことができる。
この実施の形態によれば、このような効果を有する６サイクルエンジン１において、上述したように掃気行程でポンピングロスが低減するから、より一層の出力向上と燃費向上を図ることができるようになる。
また、この実施の形態による６サイクルエンジン１は、既存の４サイクルエンジンの動弁装置を変更するだけで実現できるから、簡単に製造することができるものである。

（第５の実施の形態）
請求項４記載の発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンの吸気弁は、図８に示すように構成することができる。図８において、前記図１〜図３および図６によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図８に示す６サイクルエンジン１は、三つの吸気弁３を備えている。これらの吸気弁３は、それぞれ可変動弁機構９による駆動によって開閉する。図８に示したように、三つの吸気弁３を用いる構成を採ることにより、吸入空気量が更に増大するから、更なる出力向上を図ることができる。

（第６の実施の形態）
請求項４記載の発明に係る掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいては、図９および図１０に示すように過給機を備えることができる。図９および図１０において、前記図１〜図８によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図９と図１０に示す６サイクルエンジン１は、請求項５記載の発明でいう６サイクルエンジンを構成するものである。

図９に示す６サイクルエンジン１は、図６に示した６サイクルエンジン１に過給機３１を装備したものである。図１０に示す６サイクルエンジン１は、図８に示した６サイクルエンジン１に過給機３１を装備したものである。また、この実施の形態による吸気通路１０は、吸気冷却用のインタークーラー３２を備えている。
この実施の形態によれば、過給機３１で吸気が過給されるから、より一層高い出力を得ることが可能な６サイクルエンジン１を提供することができる。
また、この実施の形態を採る場合、インタークーラー３２で冷却された新気が掃気吸入行程でシリンダ２内に吸入されるから、大きな筒内冷却効果が得られる。

１…６サイクルエンジン、２…シリンダ、３…吸気弁、４…排気弁、５…掃気弁、６…燃焼室、７…吸気ポート、８…動弁装置、９…可変動弁機構、１０…吸気通路、１４…排気ポート、１６…触媒、２１…掃気ポート、３１…過給機、３２…インタークーラー。

Claims

燃焼室に下流端が接続されかつスロットル弁が設けられていない吸気通路と、
前記燃焼室に上流端が接続されかつ触媒が途中に設けられた排気通路と、
前記吸気通路を開閉する第１の弁と、
前記排気通路を開閉する第２の弁と、
吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程がこの順序で実施されるように前記第１の弁と前記第２の弁とを動作させるとともに、前記排気行程に続けて掃気吸入行程と掃気排出行程とがこの順序で実施されるように、前記第１の弁のみを動作させる動弁装置とを備え、
前記動弁装置は、前記第１の弁の開閉時期とリフト量とを連続的に変更可能な可変動弁機構を備え、
前記可変動弁機構は、前記吸気行程において吸入空気量を制御し、前記掃気吸入行程および前記掃気排出行程において、前記第１の弁を、前記掃気吸入行程の初期に開き、前記掃気吸入行程から前記掃気排出行程にわたって開いた状態に保ち、前記掃気排出行程が終了するときに閉じるものであることを特徴とする掃気行程を有する６サイクルエンジン。
請求項１記載の掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいて、前記吸気通路の下流端は、前記燃焼室に開口する吸気ポートと掃気ポートとによって形成され、
前記第１の弁は、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記掃気ポートを開閉する掃気弁とによって構成され、
前記動弁装置は、前記吸気弁と前記第２の弁とを動作させて前記吸気行程、前記圧縮行程、前記膨張行程および前記排気行程を実施し、かつ前記吸気弁と前記第２の弁とを閉じた状態で前記掃気弁のみを動作させて前記掃気吸入行程と前記掃気排出行程とを実施するものであり、
前記可変動弁機構は、前記吸気行程において前記吸気弁を用いて吸入空気量を制御し、前記掃気吸入行程および前記掃気排出行程において、前記掃気弁を、前記掃気吸入行程の初期に開き、前記掃気吸入行程から前記掃気排出行程にわたって開いた状態に保ち、前記掃気排出行程が終了するときに閉じるものであることを特徴とする掃気行程を有する６サイクルエンジン。
請求項２記載の掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいて、前記吸気通路は、過給機から新気が送られるものであり、かつインタークーラーを備えていることを特徴とする掃気行程を有する６サイクルエンジン。
請求項１記載の掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいて、前記吸気通路の下流端は、前記燃焼室に開口する吸気ポートとによって形成され、
前記第１の弁は、前記吸気ポートを開閉する吸気弁によって構成され、
前記動弁装置は、前記吸気弁と前記第２の弁とを動作させて前記吸気行程、前記圧縮行程、前記膨張行程および前記排気行程を実施し、かつ前記第２の弁を閉じた状態で前記吸気弁のみを動作させて前記掃気吸入行程と前記掃気排出行程とを実施するものであり、
前記可変動弁機構は、前記吸気行程において前記吸気弁を用いて吸入空気量を制御し、前記掃気吸入行程および前記掃気排出行程において、前記吸気弁を、前記掃気吸入行程の初期に開き、前記掃気吸入行程から前記掃気排出行程にわたって開いた状態に保ち、前記掃気排出行程が終了するときに閉じるものであることを特徴とする掃気行程を有する６サイクルエンジン。
請求項４記載の掃気行程を有する６サイクルエンジンにおいて、前記吸気通路は、過給機から新気が送られるものであり、かつインタークーラーを備えていることを特徴とする掃気行程を有する６サイクルエンジン。