JP6965616B2

JP6965616B2 - ４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP6965616B2
Application number: JP2017145135A
Authority: JP
Inventors: 敬之山田; 喬弘久下; 享秀青柳
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP2019027311A

Description

本開示は、吸気バルブおよび排気バルブが開閉する４サイクルエンジンに関する。

４サイクルエンジンでは、排気行程で排気バルブが開弁状態となり、シリンダ内の燃焼生成物と不活性物質が排気ガスとして排気される。吸気行程では、吸気バルブが開弁状態となり、シリンダ内に吸気が導かれる。このとき、例えば、特許文献１に記載のように、排気バルブの閉弁完了前に、吸気バルブを開き始める所謂バルブオーバラップ制御が行われる場合がある。また、ピストンが下死点に到達する前に、排気バルブを再度開閉する所謂２段階リフト制御が行われる場合がある。

特許第６０８９６３９号公報

上記のように、バルブオーバラップ制御が遂行される場合、未燃の燃料成分の一部が排気バルブから排出される可能性がある。そのため、未燃の燃料成分の排出を抑制する技術の開発が希求されている。

本開示は、このような課題に鑑み、未燃の燃料成分の排出を抑制することが可能な４サイクルエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の４サイクルエンジンは、ピストンと、吸気バルブおよび排気バルブと、吸気バルブを開弁させ、ピストンが下死点に到達する前に吸気バルブを閉弁させる吸気バルブ駆動部と、吸気バルブの開弁前に排気バルブを開弁させて排気バルブの第１の開弁状態を維持し、吸気バルブの開弁後であって閉弁前に排気バルブを閉弁させ、吸気バルブの閉弁前に、排気バルブを開弁させて第２の開弁状態とし、吸気バルブが閉弁してからピストンが下死点に到達するまでの間、排気バルブを第２の開弁状態に維持し、ピストンが下死点に位置するとき、第２の開弁状態における排気バルブの開度を最大にする排気バルブ駆動部と、を備える。

本開示によれば、未燃の燃料成分の排出を抑制することが可能となる。

４サイクルエンジンの概略的な構成を示す図である。バルブ開閉タイミングを説明するための図である。第１変形例におけるバルブ開閉タイミングを説明するための図である。第２変形例におけるバルブ開閉タイミングを説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、４サイクルエンジン１００の概略的な構成を示す図である。図１では、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、点火装置１１８を同一断面上に図示する。ただし、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、点火装置１１８は、同一断面上に位置せずともよい。

図１に示すように、４サイクルエンジン１００は、シリンダ１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６を備える。ピストン１０６は、シリンダ１０２内に収容される。シリンダ１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６によって、燃焼室１０８が形成される。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂが形成される。吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂは、燃焼室１０８に開口する。吸気バルブ１１０ａは、吸気ポート１０４ａのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。排気バルブ１１０ｂは、排気ポート１０４ｂのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。

吸気配管１１２ａは、吸気ポート１０４ａに接続される。吸気配管１１２ａには、吸気が導かれる。吸気配管１１２ａおよび吸気ポート１０４ａを介して、燃焼室１０８に吸気が流入する。排気配管１１２ｂは、排気ポート１０４ｂに接続される。燃焼室１０８から排気ポート１０４ｂに排出された排気は、排気配管１１２ｂを介して外部に排出される。

燃料ガス配管１１４は、不図示の燃料タンクや都市ガスなどのパイプラインといった燃料供給源、および、燃料噴射ノズル１１６に接続される。燃料噴射ノズル１１６は、燃料バルブ１１６ａによって開閉される。燃料噴射ノズル１１６の先端部は、吸気ポート１０４ａに突出する。燃料ガス配管１１４は、燃料噴射ノズル１１６を介して吸気ポート１０４ａと連通している。燃料ガス配管１１４には、燃料供給源から燃料ガスが導かれる。燃料バルブ１１６ａによって燃料噴射ノズル１１６が開かれると、燃料ガス配管１１４の燃料ガスが吸気ポート１０４ａに流入する。

燃料ガスは、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化して生成されるものとする。ただし、燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。

また、シリンダヘッド１０４には、点火装置１１８が配される。点火装置１１８の先端部は、燃焼室１０８内に突出する。

吸気バルブ駆動部１２０および排気バルブ駆動部１２２は、例えば、カム機構で構成される。吸気バルブ駆動部１２０の吸気カムシャフト１２０ａ、および、排気バルブ駆動部１２２の排気カムシャフト１２２ａには、不図示のクランクシャフトの回転動力が伝達される。吸気バルブ駆動部１２０は、吸気カムシャフト１２０ａの回転に伴って吸気カム１２０ｂが回転することで、吸気バルブ１１０ａのロッド部を押圧し、吸気バルブ１１０ａを開閉する。排気バルブ駆動部１２２は、排気カムシャフト１２２ａの回転に伴って排気カム１２２ｂが回転することで、排気バルブ１１０ｂのロッド部を押圧し、排気バルブ１１０ｂを開閉する。また、吸気バルブ１１０ａおよび排気バルブ１１０ｂの開閉タイミングを可変させる、所謂可変バルブ機構が設けられてもよい。可変バルブ機構としては、例えば、吸気カムシャフトや排気カムシャフトを、クランクシャフトに対して進角または遅角させるものであってもよい。

また、ここでは、吸気バルブ駆動部１２０および排気バルブ駆動部１２２がカム機構で構成される場合について説明した。ただし、吸気バルブ駆動部１２０および排気バルブ駆動部１２２は、例えば、電動アクチュエータで構成されてもよい。この場合、例えば、不図示のＥＣＵ（Engine Control Unit）は、不図示のクランク角センサから出力された信号に基づき、後述するバルブ開閉タイミングに応じて、吸気バルブ駆動部１２０、排気バルブ駆動部１２２を駆動させる。

図２は、バルブ開閉タイミングを説明するための図である。図２中、一点鎖線Ａ、二点鎖線Ｂは、排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量を示す。図２中、破線Ｃは、吸気バルブ１１０ａのバルブリフト量を示す。

図２に一点鎖線Ａで示すように、燃焼・膨張行程において、排気バルブ駆動部１２２は、排気バルブ１１０ｂの開弁を開始する。すなわち、排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点（クランク角１８０度）に到達する前に、排気バルブ１１０ｂを開弁させる（開弁を開始する、開度を０より大きくする）。

排気行程において、排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量が最大となった後、バルブリフト量が減少に転じる。排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が上死点（クランク角３６０度）に到達した後、吸気行程において、排気バルブ１１０ｂを閉弁させる（閉弁を完了する、開度０とする）。一点鎖線Ａで示した排気バルブ１１０ｂの開閉動作を、第１の開閉動作と称する。

また、破線Ｃで示すように、吸気バルブ駆動部１２０は、排気行程において、ピストン１０６が上死点（クランク角３６０度）に到達する前に、吸気バルブ１１０ａの開弁を開始する。吸気バルブ駆動部１２０は、第１の開閉動作における排気バルブ１１０ｂの閉弁前に、吸気バルブ１１０ａを開弁させる（所謂バルブオーバラップ制御）。

その後、吸気バルブ駆動部１２０は、吸気行程において、ピストン１０６が下死点（クランク角５４０度）に到達する前に、吸気バルブ１１０ａを閉弁させる。

このように、第１の開閉動作において、排気バルブ駆動部１２２は、吸気バルブ１１０ａの開弁前に排気バルブ１１０ｂを開弁させ、吸気バルブ１１０ａの開弁後であって、かつ、吸気バルブ１１０ａの閉弁前に排気バルブ１１０ｂを閉弁させる。

また、吸気バルブ駆動部１２０は、図２中、破線Ｄで示す通常のサイクルよりも、吸気バルブ１１０ａを早く閉じる（早閉じミラーサイクル）。ここでは、例えば、吸気バルブ１１０ａの開弁期間は、排気バルブ１１０ｂの第１の開閉動作における開弁期間よりも短い。吸気バルブ１１０ａを下死点より早く閉じることにより、有効圧縮比が下がり圧縮温度が下がることから、ノッキング等の異常燃焼が防止される。そして、高膨張比を得ることにより、熱効率を高くすることが可能となる。

二点鎖線Ｂで示すように、排気バルブ駆動部１２２は、吸気行程において、吸気バルブ１１０ａの閉弁前に、排気バルブ１１０ｂを開弁させる。また、排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点（クランク角５４０度）に到達する前に、排気バルブ１１０ｂを開弁させる。

排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点（クランク角５４０度）に到達した後、排気バルブ１１０ｂを閉弁させる。以下、二点鎖線Ｂで示した排気バルブ１１０ｂの開閉動作を、第２の開閉動作と称する。また、第１の開閉動作中の排気バルブ１１０ｂの開弁状態を第１の開弁状態と称し、第２の開閉動作中の排気バルブ１１０ｂの開弁状態を第２の開弁状態と称する。第２の開弁状態における排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量は、第１の開弁状態における排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量よりも小さい。

このように、排気バルブ駆動部１２２は、排気バルブ１１０ｂを１サイクル中に２回開閉する所謂２段階リフト制御を遂行する。

第１の開閉動作において、排気ガスは、排気ポート１０４ｂを介して燃焼室１０８から排出される。また、吸気バルブ１１０ａが開くと、燃焼室１０８に吸気が導かれる。このとき、吸気には燃料噴射ノズル１１６から噴射された燃料ガスが含まれている。吸気バルブ１１０ａが閉じられると、圧縮行程において圧縮された吸気と燃料ガスの混合気は、点火装置１１８によって点火されて燃焼する。

上記のように、バルブオーバラップ制御が遂行される場合、燃焼室１０８に導かれた吸気の一部がそのまま排気されるおそれがある。このとき、吸気に含まれる未燃の燃料成分まで排気されてしまう可能性がある。特に、吸気バルブ１１０ａが閉じたとき、吸気ポート１０４ａには、燃焼室１０８に吸引されずに高濃度の燃料ガスが滞留している。そして、吸気ポート１０４ａに滞留した燃料ガスは、次のサイクルのバルブオーバラップ期間に燃焼室１０８を素通りし、排気バルブ１１０ｂを通って高濃度の状態で排気ポート１０４ｂに滞留している。

そこで、排気バルブ駆動部１２２は、吸気バルブ１１０ａが閉弁してから、ピストン１０６が下死点に到達するまでの間（図２中、期間Ｅ）の少なくとも一部期間中、排気バルブ１１０ｂを第２の開弁状態に維持する。その結果、仮に、吸気に含まれる未燃の燃料成分が、排気バルブ１１０ｂの第１の開閉動作において、排気ポート１０４ｂに排出されていたとしても、第２の開閉動作によって、排気ポート１０４ｂから燃焼室１０８に還流する。燃焼室１０８に還流した未燃の燃料成分は、燃焼行程において燃焼される。そのため、未燃の燃料成分の排出が抑制され、燃焼効率を向上することが可能となり、エンジンの熱効率が向上する。

また、排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点に位置するときに、第２の開閉動作における排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量（開度）を最大にする。ピストン１０６が下死点に位置するとき、シリンダ内圧力が最も低い状態となる。このとき、排気バルブ１１０ｂの開度が最大となっていることで、排気ポート１０４ｂから燃焼室１０８へ、未燃の燃料成分の効率的な還流が可能となる。

また、排気バルブ駆動部１２２は、吸気バルブ１１０ａの閉弁前に、排気バルブ１１０ｂを開弁させる。こうして、上記の第２の開閉動作が開始し、排気バルブ１１０ｂが第２の開弁状態となる。すなわち、第２の開閉動作においても、吸気バルブ１１０ａの開弁期間と排気バルブ１１０ｂの開弁期間をオーバラップさせる。第２の開閉動作の期間を長く確保し、未燃の燃料成分の還流量を多く確保することが可能となる。

図３は、第１変形例におけるバルブ開閉タイミングを説明するための図である。図３中、一点鎖線Ａ、二点鎖線Ｂは、排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量を示す。図３中、破線Ｃは、吸気バルブ１１０ａのバルブリフト量を示す。

図３に示すように、第１変形例において、排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点に到達するよりも前に、排気バルブ１１０ｂを閉弁させる。排気バルブ駆動部１２２は、ピストン１０６が下死点に位置するとき、排気バルブ１１０ｂを閉弁状態に維持する。すなわち、ピストン１０６による圧縮が開始される前に、排気バルブ１１０ｂが閉弁される。そのため、未燃の燃料成分が還流した後、再び、排気ポート１０４ｂへ排出されてしまう事態が回避される。

図４は、第２変形例におけるバルブ開閉タイミングを説明するための図である。図４中、一点鎖線Ａ、二点鎖線Ｂは、排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量を示す。図４中、破線Ｃは、吸気バルブ１１０ａのバルブリフト量を示す。

図４に示すように、第２変形例において、排気バルブ駆動部１２２は、吸気バルブ１１０ａの閉弁後に、排気バルブ１１０ｂを開弁させる。こうして、上記の第２の開閉動作が開始し、排気バルブ１１０ｂが第２の開弁状態となる。また、排気バルブ駆動部１２２は、上述した実施形態と同様、ピストン１０６が下死点に位置するときに、第２の開閉動作における排気バルブ１１０ｂのバルブリフト量（開度）を最大にする。

このように、吸気バルブ駆動部１２０は、第２の開閉動作の開始前に、吸気バルブ１１０ａを閉弁する。そのため、第２の開閉動作において、排気ポート１０４ｂから燃焼室１０８に還流した排気ガスが、吸気ポート１０４ａへ逆流する事態が回避される。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、４サイクルエンジン１００は、車載などの小型のエンジンであってもよいし、舶用などの中型または大型のエンジンであってもよい。特に、エンジンが大きいほど、過給機の効率が高くなることから、排気圧よりも吸気圧の方が高くなる傾向がある。そのため、上記の第２の開閉動作があっても、排気ポート１０４ｂから燃焼室１０８への還流が生じ難い。このとき、上記のように早閉じミラーサイクルとすることで、排気圧と吸気圧との圧力差を抑えて、還流を生じやすくさせることができる。

また、吸気バルブ１１０ａおよび排気バルブ１１０ｂの開閉動作は、上述した実施形態および各変形例の構成を、適宜組み合わせて用いることも可能である。例えば、第２の開閉動作として、排気バルブ１１０ｂは、吸気バルブ１１０ａの閉弁後に開弁し、ピストン１０６が下死点に到達する前に閉弁してもよい。また、第２の開閉動作として、排気バルブ１１０ｂは、吸気バルブ１１０ａの閉弁後に開弁し、ピストン１０６が下死点に位置するとき、閉弁状態であってもよい。また、第２の開閉動作として、排気バルブ１１０ｂは、吸気バルブ１１０ａの閉弁後に開弁し、ピストン１０６が下死点に位置するとき、閉弁状態であってもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、燃料として気体の燃料ガスが用いられる場合について説明した。ただし、燃料ガスに限らず、液体燃料が用いられてもよい。この場合、霧状に噴霧された液体燃料が気化して燃料ガスとなり、燃料ガスが排気ポート１０４ｂに排出されると、上記のように、第２の開閉動作によって、燃焼室１０８に還流する。

また、上述した実施形態および各変形例では、吸気ポート１０４ａに燃料ガスが噴射される場合について説明した。吸気ポート１０４ａに燃料ガスが噴射される場合（ポート噴射型）、第２の開閉動作による上記の効果が大きい。ただし、燃料ガスが燃焼室１０８に直接噴射されてもよい（直噴型）。

本開示は、吸気バルブおよび排気バルブが開閉する４サイクルエンジンに利用することができる。

１００４サイクルエンジン
１０６ピストン
１１０ａ吸気バルブ
１１０ｂ排気バルブ
１２０吸気バルブ駆動部
１２２排気バルブ駆動部

Claims

ピストンと、
吸気バルブおよび排気バルブと、
前記吸気バルブを開弁させ、前記ピストンが下死点に到達する前に前記吸気バルブを閉弁させる吸気バルブ駆動部と、
前記吸気バルブの開弁前に前記排気バルブを開弁させて前記排気バルブの第１の開弁状態を維持し、前記吸気バルブの開弁後であって閉弁前に前記排気バルブを閉弁させ、前記吸気バルブの閉弁前に、前記排気バルブを開弁させて第２の開弁状態とし、前記吸気バルブが閉弁してから前記ピストンが下死点に到達するまでの間、前記排気バルブを前記第２の開弁状態に維持し、前記ピストンが下死点に位置するとき、前記第２の開弁状態における前記排気バルブの開度を最大にする排気バルブ駆動部と、
を備える４サイクルエンジン。