JP7332266B2

JP7332266B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP7332266B2
Application number: JP2020015063A
Authority: JP
Inventors: 洋之藤川; 達哉江原
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2021121736A

Description

本発明は、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を有する内燃機関に関するものである。

レシプロ式内燃機関において、ピストンは燃焼ガスによって上死点から下死点に向けて移動するが、ピストンが下死点まで移動し切った状態でも燃焼ガスは正圧を保っており、このため、エネルギが無駄に捨てられている。そこで、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を設けて、燃焼用気筒が排気行程のときに燃焼ガスを補助気筒に移動させて、補助気筒に嵌まった補助ピストンを燃焼ガスで駆動することが提案されている。

この内燃機関は、燃焼用気筒の４つの行程に加えて補助気筒による動力取り出しの行程が付加されることから、５ストローク内燃機関又は５サイクル内燃機関とも呼ばれている。

この５ストローク内燃機関の例として特許文献１には、２つの燃焼用気筒と１つの補助気筒とを直列に配置して、燃焼用気筒のメインピストンと補助気筒の補助ピストンとがそれぞれ連接棒を介してクランク軸に連結された構成が開示されている。他方、特許文献２には、補助気筒を燃焼用気筒の列からずらして配置しつつ、メインピストンと補助ピストンとを共通のクランク軸に連結した構造が開示されている。

実公昭１７－８０９号公報特開２０１３－１７４２１５号公報

特許文献１では、燃焼用気筒と補助気筒とでクランク軸を共通化しているため構造はシンプルであるが、燃焼用気筒の吸気ポート及び排気ポートと補助気筒の燃焼ガス流入ポート及び燃焼ガス排出ポートとが直列に並んでいるため、各ポートの内径はどうしても小さくならざるを得ない。このため、燃焼用気筒での吸気と排気、及び補助気筒での燃焼ガスの流入と排出がスムースに行われるか疑問である。

他方、特許文献２のように補助気筒を燃焼用気筒の並びからずらすと、各ポートに必要な開口面積を確保できると云えるが、構造が複雑化することは否めない。また、燃焼用気筒の排気ポートと補助気筒の燃焼ガス流入ポートとの間隔が長くなり気味であるため、燃焼ガスが燃焼用気筒から補助気筒に流入する過程で膨張と温度低下が生じやすくなって、エネルギ回収効率が低下してしまうことも懸念される。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、できるだけ構造を簡単化しつつエネルギ回収効率を向上させようとするものである。

本願発明の内燃機関は、
「第１及び第２の４サイクル式燃焼用気筒と、前記両燃焼用気筒から排出された燃焼ガスから動力を取り出す１つの補助気筒とが、前記２つの燃焼用気筒の間に１つの補助気筒が挟まれた状態で直列に配置されており、
前記第１及び第２の燃焼用気筒には吸気ポートと排気ポートとが形成されている一方、
前記補助気筒には、前記第１燃焼用気筒に設けた排気ポートから排出された燃焼ガスが流入する第１流入ポートと、前記第２燃焼用気筒の排気ポートから排出された燃焼ガスが流入する第２流入ポートと、燃焼ガスを排出する排出ポートとが形成されている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記両燃焼用気筒の吸気ポートは、気筒列方向に長い長手中心線を境にして吸気側の部位に形成されて、前記燃焼用気筒の排気ポートは、前記長手中心線を境にして排気側の部位でかつ前記補助気筒に寄った部位に形成されている一方、
前記補助気筒の第１流入ポートは前記第１燃焼用気筒の側に寄せて配置されて、前記補助気筒の第２流入ポートは前記第２燃焼用気筒の側に寄せて配置されており、
かつ、前記補助気筒の排出ポートは、吸気側に位置した大径の第１排出ポートと排気側に位置した小径の第２排出ポートとを備えて、前記両排出ポートは１つの排出通路に集合している」
という特徴を備えている。
本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。すなわち請求項２の発明は、請求項１において、
「前記補助気筒の第２排出ポートは、前記第１流入ポートと第２流入ポートとの中心を結ぶ線よりも排気側に寄せて配置されている」
という構成になっている。

本発明によると、燃焼用気筒と補助気筒とは直列に配置されているため、バルブの駆動構造を簡単化できる。

そして、燃焼用気筒において吸気ポートと排気ポートとは長手中心線を境にして一方の側と他方の側とに振り分けて配置されているため、吸気ポートと排気ポートとに必要な開口面積を確保できる。従って、燃焼用気筒では吸気及び排気をスムース化できる一方、補助気筒では燃焼ガスの流入・排出をスムース化できて出力向上に貢献できると共に、ポンピングロスも低減できる。その結果、燃費の向上に貢献できる。

また、燃焼用気筒の流入ポートは補助気筒に寄った部位に形成されて、補助気筒の流入ポートは燃焼用気筒に寄った部位に形成されているため、燃焼用気筒の排気ポートと補助気筒の流入ポートとの間隔を可能な限り短くできる。これにより、燃焼ガスの温度低下と膨張とを抑制できる。その結果、補助気筒による動力回収効率を向上して燃費の改善に更に貢献できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は模式的な平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図である。図１のII-II視断面図である。図１のIII-III視断面図である。図１のIV-IV視断面図である。各気筒の行程を示す図である。

(1).実施形態の構造
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを主要要素とする機関本体を備えており、機関本体には、第１及び第２の燃焼用気筒３，４と、両者の間に挟まれた１つの補助気筒５とが直列に形成されている。

各気筒３，４，５は、シリンダブロック１に形成されたシリンダボア６，７と、シリンダヘッド２に形成されたペントルーフ形凹所８，９とを有しており、燃焼用気筒３，４にはメインピストン１０が摺動自在に嵌め入れられて、補助気筒５には補助ピストン１１が摺動自在に嵌め入れられている。各ピストン１０，１１は、コンロッド１２を介して１本のクランク軸１３に連結されている。

念のために述べると、コンロッド１２の小端部はピストン１０，１１にピストンピン１４を介して連結されて、コンロッド１２の大端部はクランクアーム１５にクランクピン１６を介して連結されている。また、クランク軸１３の各ジャーナル部１７は、クランクキャップ１８を介してシリンダブロック１に回転自在に保持されている。

補助気筒５の容積は燃焼用気筒３，４の容積の約２倍になっている。従って、補助気筒５の内径は、燃焼用気筒３，４の内径の約１．２５倍になっている。また、２個のメインピストン１０は同期して上下動している一方、補助ピストン１１の位相はメインピストン１０の位相と１８０°ずれている。また、２個のメインピストン１０の質量の総和と１個の補助ピストン１１の質量とは一致している。これにより、クランク軸１３の回転バランスが取られている。

図１（Ａ）に示すように、シリンダヘッド２のうち燃焼用気筒３，４の箇所には、クランク軸線方向（気筒列方向）の長手中心線Ｏ１を境にして吸気側面２ａの側に位置した２つの吸気ポート２０と、長手中心線Ｏ１を境にして排気側面２ｂの側に位置した１つの排気ポート２１とが開口している。吸気ポート２０の始端はシリンダヘッド２の吸気側面に開口しており、吸気マニホールド（図示せず）から吸気が供給される。

燃焼用気筒３，４の排気ポート２１は、長手中心線Ｏ１と直交した短手中心線Ｏ２を境にして補助気筒５の側に寄せて配置されている。正確に述べると、排気ポート２１は、長手中心線Ｏ１と短手中心線Ｏ２とで区画される４つのエリアのうち、補助気筒５に寄ると共に排気側に寄ったエリアに開口している。

補助気筒５には、第１燃焼用気筒３の排気ポート２１から燃焼ガスが送られる第１流入ポート２２と、第２燃焼用気筒４の排気ポート２１から燃焼ガスが送られる第２流入ポート２３とが開口している。

第１流入ポート２２は、平面視において、長手中心線Ｏ１を境にして排気側面２ｂの側でかつ短手中心線Ｏ２を境にして第１燃焼用気筒３に寄った部位に開口しており、第２流入ポート２３は、平面視において、長手中心線Ｏ１を境にして排気側面２ｂの側でかつ短手中心線Ｏ２を境にして第２燃焼用気筒４に寄った部位に開口している。そして、第１燃焼用気筒３の排気ポート２１と補助気筒５の第１流入ポート２２、及び、第２燃焼用気筒４の排気ポート２１と補助気筒５の第２流入ポート２３とは、それぞれ縦断側面視で弓形に湾曲した取り込み通路２４（図４参照）を介して連通している（図４参照）。

また、補助気筒５には、燃焼ガスを排出する第１及び第２の２つの排出ポート２５，２６が形成されている。２つの排出ポート２５，２６は、長手中心線Ｏ１を挟んだ両側でかつ短手中心線Ｏ２上に位置するように形成されている。また、吸気側面２ａの側に位置した第１排出ポート２５は、排気側面２ｂの側に位置した第２排出ポート２６よりも大径になっている。これは、排気側面２ｂの側には２つの流入ポート２２，２３があって、第２排出ポート２６はスペースが制約されているからである。

各ポート２０，２１，２２・・・はバルブで開閉される。図２では、第１燃焼用気筒３における吸気ポート２０と排気ポート２１との開閉構造を表示している。すなわち、通常の内燃機関と同様に、吸気ポート２０は、吸気用カム軸２７で駆動される吸気バルブ２８で開閉され、排気ポート２１は、排気用カム軸２９で駆動される排気バルブ３０で開閉される。バルブ２８，３０はスリーブ（バルブガイド）３１にスライド自在に嵌まっており、ばね３２によって閉じ方向に付勢されている。

なお、図２，３において、カム軸２７，２９は円形に簡略表示しているが、実際にはカム部が形成されている。また、カム軸２７，２９はカムキャップによって回転自在に保持されているが、これも省略している。更に、吸気ポート２０にはインジェクタが臨んでいるが、図では省略している。図１（Ｂ）に示すように、燃焼用気筒３，４における凹所８の頂部には点火プラグ３３が露出している。

図３において、補助気筒５における排出ポート２５，２６の開閉構造を表示している。両排出ポート２５，２６は、短手中心線Ｏ２の方向に延びる１つの排出通路３４に集合しており、排出通路３４はシリンダヘッド２の排気側面２ｂに開口している。

そして、第１排出ポート２５は、吸気用カム軸２７で駆動される第１排出バルブ３５で開閉操作されて、第２排出ポート２６は、排気用カム軸２９で駆動される第２排出バルブ３６で開閉操作される。この場合、第２排出ポート２６の上方に排出通路３４があって第２排出バルブ３６の露出長さが長いことから、スリーブ３１の嵌め代を確保するため、シリンダヘッド２に筒状の上向きボス３７を形成している。

補助気筒５の流入ポート２２，２３は、図４に示す流入バルブ３８によって開閉される。流入バルブ３８は排気弁用カム軸２９によって駆動される。図２，３に示すように、シリンダヘッド２には冷却水ジャケット３９を形成している。

(2).まとめ
各気筒３，４，５の動きは従来と同様であり、図５に示すように、第１燃焼用気筒３と第２燃焼用気筒４とは、位相を３６０°ずらした状態で４つの行程が行われる一方、補助気筒５には、第１燃焼用気筒３と第２燃焼用気筒４とから３６０°間隔で燃焼ガスが交互に供給されて、燃焼ガスは３６０°間隔で排出される。従って、流入バルブ３８及び排出バルブ３６，３５を駆動するカムは、カム軸２７，２９に、軸心を挟んだ両側に一対ずつ形成されている。

いずれにしても、燃焼用気筒３，４の各バルブ２８，３０と補助気筒５の各バルブ３５，３６，３７とは、２本のカム軸２７，２９で駆動される。従って、駆動構造はシンプルである。本実施形態では、２本のカム軸２７，２９でそれぞれ５本ずつのバルブが開閉されるため、２本のカム軸２７，２９に作用する負荷を均等化できる。従って、タイミングチェーンに対する両カム軸２７，２９の負荷を均等化して、タイミングチェーンを円滑に周回させることができる。

また、第１燃焼用気筒３の排気ポート２１と補助気筒５の第１流入ポート２２、及び、第２燃焼用気筒３の排気ポート２１と補助気筒５の第２流入ポート２３とは最小限度まで接近しているため、取り込み通路２４の長さを極力短くすることができる。これにより、燃焼ガスの温度低下と膨張とを抑制して、補助気筒５での仕事効率（エネルギ回収効率）を向上できる。

また、燃焼用気筒３，４について見ると、吸気ポート２０と排気ポート２１とは長手中心線Ｏ１を挟んだ一方の側と他方の側とに振り分けて形成されているため、吸気ポート２０の総面積を大きくして必要な吸気量を確保できると共に、排気ポート２１にも必要な開口面積を確保して排気をスムースに行える。従って、ポンピングロスの低減によって燃費を向上できる。

１つの燃焼用気筒３，４において排気ポート２１は１か所しか形成していないため、構造が簡単になってコスト抑制にも貢献できる。実施形態のように、補助気筒５に２つの排出ポート２５，２６を形成すると、燃焼ガスの排出時の流れ抵抗を大きく低減できると共に、排出時の膨張を促進してポンピングロス低減に貢献できる。いずれにしても、燃費の向上に貢献できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、２つの燃焼用気筒と１つの補助気筒とを１つのユニットとして、複数のユニットを直列配置した形態を採用することもできる。

本願発明は、動力回収用補助気筒を備えた内燃機関（５ストローク内燃機関）に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シンリダブロック
２シリンダヘッド
３第１燃焼用気筒
４第２燃焼用気筒
５補助気筒
６，７シリンダボア
１０メインピストン
１１補助ピストン
１３クランク軸
２０吸気ポート
２１排気ポート
２２第１流入ポート
２３第２流入ポート
２４取り込み通路
２５第１排出ポート
２６第２排出ポート
２７，２９カム軸
２８吸気バルブ
３０排気バルブ
３４排出通路
３５，３６排出バルブ
３８流入バルブ
Ｏ１長手中心線
Ｏ２短手中心線

Claims

第１及び第２の４サイクル式燃焼用気筒と、前記両燃焼用気筒から排出された燃焼ガスから動力を取り出す１つの補助気筒とが、前記２つの燃焼用気筒の間に１つの補助気筒が挟まれた状態で直列に配置されており、
前記第１及び第２の燃焼用気筒には吸気ポートと排気ポートとが形成されている一方、前記補助気筒には、前記第１燃焼用気筒に設けた排気ポートから排出された燃焼ガスが流入する第１流入ポートと、前記第２燃焼用気筒の排気ポートから排出された燃焼ガスが流入する第２流入ポートと、燃焼ガスを排出する排出ポートとが形成されている構成であって、
前記両燃焼用気筒の吸気ポートは、気筒列方向に長い長手中心線を境にして吸気側の部位に形成されて、前記燃焼用気筒の排気ポートは、前記長手中心線を境にして排気側の部位でかつ前記補助気筒に寄った部位に形成されている一方、
前記補助気筒の第１流入ポートは前記第１燃焼用気筒の側に寄せて配置されて、前記補助気筒の第２流入ポートは前記第２燃焼用気筒の側に寄せて配置されており、
かつ、前記補助気筒の排出ポートは、吸気側に位置した大径の第１排出ポートと排気側に位置した小径の第２排出ポートとを備えて、前記両排出ポートは１つの排出通路に集合している、
内燃機関。
前記補助気筒の第２排出ポートは、前記第１流入ポートと第２流入ポートとの中心を結ぶ線よりも排気側に寄せて配置されている、
請求項１に記載した内燃機関。