JP6368432B1 - 内燃機関の吸排気弁および内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

燃焼室に連通する排気ポートに排気弁のハウジング４２を設ける。ハウジング４２は、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成された板状部４７を有する。弁体５０は、板状部４７に隣接して設けられ、中心軸の周りに回転可能であり、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成される。電磁石６３、６４と環状部材５１に取付けた永久磁石の作用により、弁体５０をポートの中心軸の周りに回転変位させ、固定スリットと可動スリットの相対位置関係を変化させて排気弁を開閉する。吸気弁も同様である。

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関において、吸排気ポートを開閉する吸排気弁に関する。

内燃機関の吸排気ポートを開閉する吸排気弁は通常、ポペットバルブであり、扁平な円錐状の弁体と、弁体の中心部から延びるバルブステムとを有する。弁体はシリンダヘッドに形成された吸排気ポートの燃焼室側の開口に設けられ、バルブステムはシリンダヘッドを貫通して延び、その先端はシリンダヘッドの上部に設けられたロッカーアームに当接する（例えば特許文献１）。ロッカーアームはカムシャフトのカムによって揺動し、これにより弁体が吸排気ポートを開閉する。

特開２０１６−１２１５７２号公報

上述したようにシリンダヘッドの上方には、吸排気弁を開閉駆動するためにカムシャフトやロッカーアーム等の機構が設けられている。したがって従来、シリンダヘッドの上方には多数の部品を設けるための空間を確保しなければならず、エンジンの小型化が困難であった。またエンジンの性能を向上させるために、燃焼室への混合気の供給、あるいは燃焼室からの排気ガスの排出を高精度に制御することが必須であるが、従来の吸排気弁では、開閉動作を細かく制御することはできず、エンジンの性能の向上には限界があった。

本発明は、吸排気弁を開閉駆動するための構成を簡素化してエンジンの小型化を可能にし、しかも開閉動作の自由度を高めて、エンジンの性能向上を図ることを目的としている。

本発明に係る内燃機関の吸排気弁は、燃焼室に連通する吸気ポートおよび／または排気ポートに設けられ、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成された板状部を有するハウジングと、板状部に隣接して設けられ、中心軸の周りに回転可能であり、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成された弁体と、弁体を中心軸の周りに回転変位させて固定スリットと可動スリットの相対位置関係を変化させる駆動機構とを備えることを特徴としている。

好ましくは、弁体および板状部の一方が燃焼室を形成する内壁面の一部を構成する。

駆動機構は例えば、ハウジングに対して中心軸の周りに回転可能に取付けられ、中心軸の周りに分散して配置された永久磁石が設けられた環状部材と、ハウジングの外側に設けられ、永久磁石に対応した位置に配置された電磁石とを備える。

好ましくは、電磁石は鉄心の第１および第２の端部が環状部材に近接するように配置され、永久磁石はＮ極またはＳ極が第１および第２の端部に近接するように配置され、第１の端部が永久磁石に対向している状態において、第２の端部が永久磁石からずれた位置にある。

本発明に係る内燃機関の第１の運転制御方法は、排気行程および／または吸気行程において、吸排気弁の少なくとも１つを閉塞することを特徴としている。この方法において、吸排気弁を排気行程および／または吸気行程の途中において開放してもよい。

また本発明に係る内燃機関の第２の運転制御方法は、圧縮行程の最初において排気弁を開放することを特徴としている。

本発明によれば、エンジンを小型化するとともに、エンジンの性能向上を図ることのできる吸排気弁を得ることができ、また内燃機関において様々な運転制御を実行することが可能になる。

本発明の第１実施形態である吸排気弁を備えたエンジンの要部の構成を示す断面図である。 第１実施形態の排気弁を示す断面図である。 第１実施形態の排気弁を分解して示す断面図である。 第１実施形態の弁体を示す正面図である。 第１実施形態の環状部材を示す正面図である。 第１実施形態の排気弁の固定スリットと電磁石を示す正面図である。 第１実施形態の排気弁の電磁石と永久磁石の位置関係を示す正面図である。 第１実施形態の排気弁の電磁石と永久磁石の作用を説明するための図である。 従来のエンジンブレーキの動作を示す図である。 第１実施形態における吸気弁と排気弁の開閉動作を制御することによるエンジンブレーキ（吸排気ブレーキ）の動作を示す図である。 第１実施形態における通常走行の動作を示す図である。 第１実施形態におけるミラーサイクルの動作を示す図である。 第２実施形態の環状部材を示す平面図である。 第２実施形態の環状部材を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
図１を参照すると、シリンダブロック１０の上部に、半球状内壁面１１を有するシリンダヘッド１２が設けられ、シリンダブロック１０内に昇降自在に設けられたピストン１３の上面１４と半球状内壁面１１との間に燃焼室１５が形成される。ピストン１３は、上面１４がシリンダヘッド１２の平面部１６、すなわち半球状内壁面１１の下縁の近傍まで上昇する。図１において、ピストン上死点を符号Ａにより示す。

シリンダヘッド１２の頂部に点火プラグ２０が取付けられる。点火プラグ２０のスパーク電極２１は半球状内壁面１１から燃焼室１５内に向けて突出している。シリンダヘッド１２の点火プラグ２０の近傍には、燃焼室１５内に燃料を噴射供給するための直噴型燃料インジェクター２２が取付けられる。燃料インジェクター２２はピストン１３の上面１４に向けて燃料を噴射するように設けられる。ピストン１３の上面１４には、タンブル流を形成するために窪み１７が設けられる。

シリンダヘッド１２には吸気口（吸気ポート）３０と排気口（排気ポート）４０が設けられる。吸気口３０には吸気弁３１が取付けられ、排気口４０には排気弁４１が取付けられる。吸気弁３１のハウジング３２はシリンダヘッド１２の外面に固定され、ハウジング３２のシリンダヘッド１２とは反対側の開口部３３には吸気管３４が嵌合される。同様に、排気弁４１のハウジング４２はシリンダヘッド１２の外面に固定され、ハウジング４２のシリンダヘッド１２とは反対側の開口部４３には排気管４４が嵌合される。

図２、３を参照して排気弁４１の構成を概略的に説明する。なお吸気弁３１の構成も排気弁４１と同じであるので、吸気弁３１の構成の説明は省略する。

ハウジング４２のシリンダヘッド１２側の端部の外周にはフランジ４５が設けられ、フランジ４５にはボルトを取付けるための孔４６が形成される。ハウジング４２の内部において、フランジ４５に対応した位置には円形の板状部４７が形成される。ハウジング４２の外側には、板状部４７と同じ外径を有する円板状の弁体５０が板状部４７に隣接して設けられる。弁体５０は燃焼室１５を形成する内壁面１１の一部を構成する（図１参照）。

一方ハウジング４２の内側には、板状部４７よりも少し大きい外径を有する環状部材５１が設けられる。環状部材５１には、後述するように永久磁石６０ａ〜６０ｄ（図５参照）が設けられる。環状部材５１はボルト５２を介して弁体５０の凸部５５に連結される。環状部材５１と凸部５５にはそれぞれ、ボルト５２を通すための孔５３、５４が形成され、板状部４７には、凸部５５を通すための孔４８が形成される。なお凸部５５に形成された孔５４は弁体５０を貫通しておらず、弁体５０の燃焼室１５側の表面には、後述する可動スリット６１（図４参照）の他に、開口は形成されていない。

このように弁体５０はボルト５２によって環状部材５１に一体的に連結され、環状部材５１とともに、ハウジング４２すなわち板状部４７に対して回転可能である。ハウジング４２の外側には、電磁石６３、６４が設けられており、電磁石６３、６４に通電することにより環状部材５１が回転変位し、弁体５０が板状部４７に対して回転する。

図４は弁体５０をハウジング４２の開口部４３側から見た図である。この図に示すように弁体５０には、中心部（排気ポートの中心軸）から放射状に延びる複数の可動スリット６１が形成され、また中心部には、板状部４７の孔４８に嵌合する筒状の凸部５５が形成される。可動スリット６１は等角度間隔（この例では３０°）に形成され、中心から遠い部分ほど幅が広くなるような扇形を呈する。

図５は環状部材５１をハウジング４２の板状部４７側から見た図である。この図に示すように、環状部材５１は円筒状の本体５６と、本体５６の円筒の中心に位置する円柱状の軸部５７とを有し、本体５６と軸部５７は複数の連結部材５８によって連結される。連結部材５８は軸部５７から放射状に延び、９０°間隔を空けて設けられる。本体５６において、各連結部材５８との連結部分の間にはそれぞれ永久磁石６０ａ〜６０ｄが設けられる。

図６はハウジング４２を開口部４３側から見た図であり、環状部材５１は省略されている。板状部４７には、孔４８から放射状に延びる複数の固定スリット６２が形成される。固定スリット６２は可動スリット６１と同様に、等角度間隔（この例では３０°）に形成され、中心から遠い部分ほど幅が広くなるような扇形を呈する。ハウジング４２の外側には第１および第２の電磁石６３、６４が設けられる。電磁石６３、６４はフランジ４５の上に設けられ、後述するように永久磁石６０ａ〜６０ｄに対応した位置に配置される。

図７を参照して第１および第２の電磁石６３、６４と永久磁石６０ａ〜６０ｄの位置関係を説明する。第１の電磁石６３の鉄心６５はコの字状を呈し、鉄心６５の第１および第２の端部６５ａ、６５ｂはハウジング４２に形成された孔（図示せず）に嵌め込まれ、環状部材５１に近接している。環状部材５１において、第１および第２の端部６５ａ、６５ｂが近接する位置には永久磁石６０ａ、６０ｂが埋め込まれている。図示された状態において、第１の端部６５ａは永久磁石６０ａに対向し、第２の端部６５ｂは永久磁石６０ｂからずれており、永久磁石６０ｂの一部が第２の端部６５ｂに対向している。

第２の電磁石６４も同様な構成を有する。すなわち、第２の電磁石６４の鉄心６６はコの字状を呈し、鉄心６６の第１および第２の端部６６ａ、６６ｂはハウジング４２に形成された孔に嵌め込まれ、環状部材５１に近接している。環状部材５１において、第１および第２の端部６６ａ、６６ｂが近接する位置には永久磁石６０ｃ、６０ｄが埋め込まれ、図示された状態において、第１の端部６６ａは永久磁石６０ｃに対向し、第２の端部６６ｂは、その一部が第２の端部６０ｄに対向している。

永久磁石６０ａ〜６０ｄは、環状部材５１の外周側にＮ極が位置し、内周側にＳ極が位置するように設けられる。また永久磁石６０ａ、６０ｃが第１の端部６５ａ、６６ａに対向しているとき、永久磁石６０ｂ、６０ｄは第２の端部６５ｂ、６６ｂに対して、図７において反時計方向にずれており、永久磁石６０ｂ、６０ｄが第２の端部６５ｂ、６６ｂに対向しているとき、永久磁石６０ａ、６０ｃは第２の端部６５ａ、６６ａに対して、図７において時計方向にずれている。

なお本実施形態では、永久磁石６０ａ〜６０ｄは、Ｎ極が電磁石６３の第１および第２の端部６５ａ、６５ｂと電磁石６４の第１および第２の端部６６ａ、６６ｂとに近接するように配置されているが、これに替えて、Ｓ極が電磁石６３、６４の端部６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂに近接するように配置されてもよい。

図８を参照しての電磁石６３と永久磁石６０ａ、６０ｂの作用を説明する。図８の状態では、電磁石６３において、コイルに所定の方向に電流が流れるように通電され、鉄心６５の第１の端部６５ａがＳ極に、第２の端部６５ｂがＮ極に励磁されている。したがって永久磁石６０ａと第１の端部６５ａに引力が作用するとともに、永久磁石６０ｂと第２の端部６５ｂに斥力が作用し、環状部材５１は、永久磁石６０ａが第１の端部６５ａに対向し、永久磁石６０ｂが第２の端部６５ｂからずれた状態で静止している。

ここで電磁石６３のコイルにおける通電が逆向きに切り換えられると、鉄心６５の第１の端部６５ａがＮ極に、第２の端部６５ｂがＳ極に励磁される。したがって永久磁石６０ａと第１の端部６５ａに斥力が作用するとともに、永久磁石６０ｂと第２の端部６５ｂに引力が作用し、環状部材５１は、図８に示す状態から下方へ変位（図７では時計方向に変位）して、永久磁石６０ｂが第２の端部６５ｂに対向し、永久磁石６０ａが第１の端部６５ａからずれた状態で静止する。

このように、電磁石６３、６４における通電状態を変えることにより、環状部材５１は電磁石６３、６４に対して回転変位する。この回転変位の角度は、本実施形態において１５°であり、板状部４７における隣り合う２つの固定スリット６２間の角度（３０°）、および弁体５０における隣り合う２つの可動スリット６１間の角度（３０°）の半分である。また、固定スリット６２と可動スリット６１は、電磁石６３、６４の通電状態に応じて、相互に重なり合うか、あるいは固定スリット６２が２つの可動スリット６１の間に位置する。換言すれば、電磁石６３、６４の通電状態に応じて、排気弁４１が全開あるいは全閉状態となる。

上述した排気弁４１の開閉動作は、吸気弁３１も同様である。このように吸気弁３１と排気弁４１は電磁弁であるので、電磁石６３、６４に対する通電状態を制御するだけで開閉し、従来のようにカムシャフトやロッカーアーム等の駆動機構が不要である。したがってエンジンの上方に設けられる部品のための空間が不要になり、エンジンを小型化することができる。また、吸気弁３１と排気弁４１の開閉動作は従来よりも高い自由度で制御可能である。例えば、次に述べるようにエンジンブレーキの効果を高めることもでき、ミラーサイクルを実現することも可能である。

図９、１０を参照して、エンジンブレーキの動作を説明する。
図９は従来のエンジンブレーキの動作を示している。すなわち吸気弁と排気弁はポペット型バルブである。また燃料インジェクター２２と点火プラグ２０は休止している。排気行程では排気弁が開放し、排気弁の周囲を流れる気流の流路抵抗によるポンプ損失がエンジンブレーキとして作用する。吸気行程では吸気弁が開放し、排気行程と同様に、流路抵抗によるポンプ損失がエンジンブレーキとして作用する。圧縮行程と燃焼行程では、排気弁と吸気弁はそれぞれ閉塞している。したがって圧縮行程におけるピストンの上昇運動による気筒内の圧力上昇と、燃焼行程におけるピストンの下降運動による気筒内の圧力低下とが相殺し、エンジンブレーキは実質的に作用しない。

図１０は本実施形態によって実現されるエンジンブレーキ、すなわち吸気弁３１と排気弁４１の開閉動作を制御することによる吸排気ブレーキの動作を示している。排気行程では、途中まで排気弁４１は閉塞しており、この間はピストン１３の上昇運動による気筒内圧力の上昇によるポンプ損失がエンジンブレーキとして作用する。その後排気弁４１が開放し（符号Ｅ）、ポンプ損失は減少し、エンジンブレーキはほとんど作用しなくなる。このように排気弁４１を開放させることにより燃焼室１５内の圧力上昇が抑えられ、次の吸気行程においてエンジンブレーキの効果を発揮させることができる。

吸気行程では、途中まで吸気弁３１は閉塞しており、この間はピストン１３の下降運動による気筒内圧力の低下によるポンプ損失がエンジンブレーキとして作用する。その後吸気弁３１が開放し（符号Ｉ）、ポンプ損失は減少し、エンジンブレーキはほとんど作用しなくなる。このように吸気弁３１を閉塞させることにより燃焼室１５内の圧力低下が抑えられ、次の圧縮行程においてエンジンブレーキの効果を発揮させることができる。圧縮行程の作用は排気行程と同様であり、また燃焼行程の作用は吸気行程と同様である。

エンジンブレーキの作用は、吸気行程あるいは排気行程において、吸気弁３１または排気弁４１が開放するタイミングを遅くするほど、その効果が大きくなる。しかし、排気ブレーキや吸気ブレーキが過大になると、車輪がロックして車両のステアリング操作が効かなくなるおそれが生じる。そこで、このような可能性をなくすために、符号Ｅ、Ｉで示す排気弁４１または吸気弁３１の開放タイミングを早めたり、あるいは、符号Ａ、Ｂで示すように、排気弁４１あるいは吸気弁３１を、所定の行程（例えば排気行程または吸気行程）において開放するようにしてもよい。これによれば、符号ａ、ｂにより示すように気筒内圧力はほぼ１気圧となり、排気ブレーキまたは吸気ブレーキの作用を抑えることができる。排気弁４１の開放タイミング（符号Ｅ）、吸気弁３１の閉塞タイミング（符号Ｉ）、排気行程または吸気行程における排気弁４１または吸気弁３１の開放（符号Ａ、Ｂ）は、目的に応じて自由に選択し、組み合わせることができる。

次に、図１１、１２を参照して、ミラーサイクルの動作を説明する。
図１１は通常走行の動作を示している。排気行程では排気弁４１が開放し、吸気行程では吸気弁３１が開放する。圧縮行程では、燃料インジェクター２２から燃料が噴射されて燃焼室１５内に混合気が生成され、その後、点火プラグ２０によって点火し、燃焼する。この動作は通常のエンジンにおける作用と同じである。

図１２はミラーサイクルの動作を示し、この動作は本実施形態によって実現される。図１１に示す通常走行との違いは圧縮行程の最初において排気弁４１を開放することである（符号Ｃ）。このように排気弁４１が開放しているとき、ピストン１３による圧縮作用は実質的に発生しないので、圧縮比と膨張比を変えることができ、ミラーサイクルが実現される。排気弁４１の開放タイミングは電磁石６３、６４に対する通電を制御するだけであり、自由に設定することができる。

以上のように本実施形態では、燃焼室１５に連通する吸気ポートと排気ポートに設けたハウジング３２、４２に、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリット６２が形成された板状部４７を設けるとともに、板状部４７に隣接させて、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリット６１が形成された弁体５０を、ポートの中心軸の周りに回転可能に取付けている。また、弁体５０をポートの中心軸の周りに回転変位させて固定スリット６２と可動スリット６１の相対位置関係を変化させる駆動機構を設けており、この駆動機構は、ハウジング３２、４２に対してポートの中心軸の周りに回転可能に取付けられ、中心軸の周りに分散して配置された永久磁石６０ａ〜６０ｄが設けられた環状部材５１と、ハウジング３２、４２の外側に設けられ、永久磁石６０ａ〜６０ｄに対応した位置に配置された電磁石６３、６４とを備える。

したがって本実施形態によれば、開閉駆動するための構成が簡単になり、エンジンを小型化することができ、しかも開閉動作の自由度が高まり、エンジンの性能向上を図ることができる。

図１３、１４を参照して第２実施形態を説明する。図１３は環状部材７１を燃焼室１５側から見た平面図であり、図１４は燃焼室１５側から見た斜視図である。第２実施形態において、第１実施形態と異なる点は環状部材７１の構成であり、その他の構成は同じである。

環状部材７１において、第１実施形態の環状部材５１との違いはフィン７２を設けたことである。フィン７２は弁体５０（図４参照）の可動スリット６１に合わせて１２枚、３０°毎に配置される。各フィン７２は環状部材７１の本体７６と軸部７７とを連結するように放射状に設けられ、本体７６の軸線に対して約４５°傾斜している。この傾斜の向きは、吸排気弁が閉塞状態から開放するときに、弁体５０が回転し始めて可動スリット６１が固定スリット６２に重なり始めた状態において、可動スリット６１と固定スリット６２により形成される開口を通る気体の流れによって環状部材５１の回転が促進され、その開口が拡大するように定められる。

１５ 燃焼室
３０ 吸気口（吸気ポート）
４０ 排気口（排気ポート）
４２ ハウジング
４７ 板状部
５０ 弁体
６１ 可動スリット
６２ 固定スリット
６３、６４ 電磁石

Claims (5)

1. 燃焼室に連通する吸気ポートおよび／または排気ポートに設けられ、前記ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成された板状部を有するハウジングと、
   前記板状部に隣接して設けられ、前記中心軸の周りに回転可能であり、前記中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成された弁体と、
   前記弁体を前記中心軸の周りに回転変位させて前記固定スリットと可動スリットの相対位置関係を変化させる駆動機構とを備え、
   前記駆動機構が、前記ハウジングに対して前記中心軸の周りに回転可能に取付けられ、前記中心軸の周りに分散して配置された永久磁石が設けられた環状部材と、前記ハウジングの外側に設けられ、前記永久磁石に対応した位置に配置された電磁石とを備え、
   前記電磁石は、鉄心の第１および第２の端部が前記環状部材に近接するように配置され、前記永久磁石は、Ｎ極またはＳ極が前記第１および第２の端部に近接するように配置され、前記第１の端部が永久磁石に対向している状態において、前記第２の端部が永久磁石からずれた位置にあることを特徴とする内燃機関の吸排気弁。
2. 前記弁体および前記板状部の一方が前記燃焼室を形成する内壁面の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の吸排気弁。
3. 請求項１に記載された吸排気弁を開閉することによる内燃機関の運転制御方法であって、排気行程および／または吸気行程において、吸排気弁の少なくとも１つを閉塞することを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
4. 前記吸排気弁が排気行程および／または吸気行程の途中において開放することを特徴とする請求項３に記載の運転制御方法。
5. 請求項１に記載された吸排気弁を開閉することによる内燃機関の運転制御方法であって、圧縮行程の最初において排気弁を開放することを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
   

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