JPH0734883A - ミラー・サイクル・エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全負荷時における吸気抵抗を通常のエンジン
と同レベルにまで下げ、同出力を発揮しうるミラー・サ
イクル・エンジンを提供すること。 【構成】 吸気弁８、排気弁９を備えたミラー・サイク
ル・エンジンの前記吸気弁８を、クランク軸に対して位
相を変化しうる吸気カム軸１０により駆動するよう構成
するとともに、吸気系統に、全負荷状態において前記吸
気カム軸１０の位相を変化させたとき弁体１５、１６を
開く、逆止弁１３を配設したことを特徴とし、これによ
り通常の吸気弁８の開閉時期を大きく変更し得るように
したこと及び吸気系統に逆止弁１３を配設したことによ
り、従来のミラー・サイクル・エンジンのように複雑で
重量大なるロータリ・バルブを使用することなく、軽量
で構造簡単なミラー・サイクル・エンジンを実現できる
とともに、全負荷状態において前記吸気カム軸１０の位
相を変化させたとき、逆止弁１３の弁体１６を開くよう
にしたことにより、全負荷時における吸気抵抗を通常の
エンジンと同レベルにまで下げ、同程度の出力を発揮し
うるミラー・サイクル・エンジンを提供できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はミラー・サイクル・エン
ジン、殊に吸気抵抗を小さくして最大出力を維持しうる
ミラー・サイクル・エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるミラー・サイクル・エンジン
は、吸気弁閉時期を下死点より早め、これによつて、部
分負荷時においてはスロットルバルブによる吸気絞りに
よって発生する負の仕事量（いわゆるポンピングロス）
を実質的にゼロにしてサイクル効率の低下を抑えようと
するものである。また、膨張比を１１以上に設定し、圧
縮比をノッキング限界以内の１０程度とするために、吸
気弁閉時期を下死点より早める。また、過給した場合、
膨張比を１１以上に設定し、ノッキングに応じて吸気弁
閉時期を早めることによって実質的な圧縮比を低下さ
せ、ノッキングを抑制しつつ高い熱効率を維持しようと
するものである。上記ミラー・サイクル・エンジンを実
現するために本発明者は、例えば特公昭５８−５５３２
９号公報に示すように、一定の開閉時期をもつ通常の吸
気弁に吸気通路の閉時期を変更しうるロータリ・バルブ
を併用することを案出した。

【０００３】しかしながら、上記ロータリ・バルブをエ
ンジンの吸気弁と併用するため吸気通路に設置すること
により吸気抵抗が増大し、このため特に無過給のガソリ
ン・エンジンにおいては、部分負荷時のポンピング・ロ
ス低減の目的は充分に達成できず、全負荷時においては
ロータリ・バルブが吸気抵抗を高め、最大出力を減少せ
しめているのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
て案出されたものであり、その目的とするところは、部
分負荷時においてはポンピングロスを実質的にゼロと
し、全負荷時における吸気抵抗を通常のエンジンと同レ
ベルにまで下げ、同出力を発揮しうるミラー・サイクル
・エンジンを提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明ミラー・サイクル・エンジンは、吸、排気弁を
備えたエンジンの前記吸気弁を、クランク軸に対して位
相を変化しうる吸気カム軸により駆動するよう構成する
とともに、吸気系統に、全負荷状態において前記吸気カ
ム軸の位相を変化させたとき弁体を開く、逆止弁を配設
したことを特徴とする。

【０００６】

【作 用】上記構成になる本発明ミラー・サイクル・エ
ンジンにおいては、部分負荷時またはノッキングを抑制
時に前記吸気カム軸の位相を前記吸気弁の開閉時期を早
めるよう変化させ、早期に吸気弁を閉じてミラー・サイ
クルを実現させようとしたとき、吸気弁が排気弁とほぼ
同時に開くため排気ガスが吸気通路に逆流せんとする
が、吸気系統に配設した前記逆止弁の弁体が閉じて吸気
通路への排気ガスの逆流を防止する。従って、吸気通路
へ逆流する排気ガスが次の吸気行程でシリンダ内へ吸入
されることによって酸素が不足し、燃焼が不完全または
不可能となる不具合が未然に除去される。また、本発明
ミラー・サイクル・エンジンは、全負荷時において、前
記逆止弁の弁体を開くことにより、吸気通路の流れの抵
抗を通常エンジンとほぼ同程度まで低下させ、出力もほ
ぼ同程度に確保することができる。

【０００７】

【実施例】図１において、１は本発明ミラー・サイクル
・エンジンで、２はシリンダ、３は該シリンダ２内を摺
動するピストン、４はシリンダヘッドである。該シリン
ダヘッド４には、シリンダ２の中心線上に設けた点火栓
５を挟んで吸気ポート６、排気ポート７が形成され、両
ポート６、７のシリンダ２側開口部を各々開閉する吸気
弁８及び排気弁９が配設されている。前記吸気弁８は、
図示しないクランク軸と同期して回転し、且つその位相
を変更しうる吸気カム軸１０によって揺動レバー１１を
介して開閉される。なお、１２は弁ばねである。また、
前記排気弁９は図示しないクランク軸と同期して回転す
る排気カム軸及びレバー（いずれも図示せず）によって
開閉される。

【０００８】１３は逆止弁で、前記吸気ポート６に合わ
せてシリンダヘッド４に取り付けられた吸気管１４内に
配設されている。逆止弁１３は一対の弁体１５、１６か
ら構成されており、その一方１５は一端をねじ１７によ
り吸気管壁１４ａに固定するとともに、他方１６は一端
を同管壁１４ａに軸１８により支持されており、上記弁
体１５、１６の各他端側は互いに接触したとき密着して
吸気管１４を閉じるように形成されている。また、前記
弁体１５、１６は各々通孔１９ａ、２０ａをあけた弁板
１９、２０、ベリリウム銅製のリード弁２１、２２及び
リード弁２２の外側に設けたガイド２３とからなり、弁
体１６は前記軸１８に取り付けた回動レバー２４により
吸気管壁１４ａ内面に密着するまで開くことができる。

【０００９】前記吸気弁８を駆動する吸気カム軸１０の
位相を変更する装置としては、例えば図４、図５に示さ
れる開閉時期調整機構２５が利用できる。即ち該開閉時
期調整機構２５は、軸受２６に支承された前記吸気カム
軸１０の端部に、一方向に捩じれたヘリカルスプライン
２７を刻設するとともに、吸気カム軸１０と同軸上に、
端部に前記ヘリカルスプライン２７と逆方向に捩じれた
ヘリカルスプライン２８を刻設し、軸受２６’に支承さ
れたた駆動軸２９を設け、上記スプライン２７、２８間
に、両端内面に歯３０、３１をもつ調整駒３２を各歯３
０、３１が各ヘリカルスプライン２７、２８と噛み合う
よう両軸間にセットし、前記調整駒３２をアクセルペダ
ル（図示せず）、ノックセンサＫまたは所定吸気圧等に
よって作動するアクチュエータ（図示せず）によりレバ
ー３３を介して移動せしめて位相を変更し、前記吸気弁
８の開閉時期を変えるものである。なお、この吸気弁の
開閉時期の変更は図２に示すように、最大ほぼ１８０°
とする。また、Ｇは図示しないクランク歯車と噛み合う
カム駆動ギヤである。

【００１０】上記構成の本発明ミラー・サイクル・エン
ジンの作用を図２、３により説明する。まず、通常のエ
ンジンの排気弁９は図２の点線に示すように、また吸気
弁１０は同図実線ａのように各々開弁する。その時のシ
リンダ内のｐ−ｖ線図は図３の線図ａで、吸気行程にお
いては、点１から吸入し、点２で実質的に吸気弁が閉じ
るまでの行程において全行程容積の空気が吸入され、次
に点２から圧縮行程となり、シリンダ２内空気は実線ａ
をたどって圧縮され、上死点において点ａ”と圧力を高
める。また、通常のガソリンエンジンの低負荷時におい
ては、混合気の吸気量によって負荷が制御され、図３の
点１からｄ’までの少量の混合気を吸入するため、スロ
ットルバルブ（図示せず）により吸気を絞り、点１から
点１’に減圧したうえ吸入し、点ｄ”’より圧縮し、点
ｄ’にて大気圧となり、このときの実質的吸入混合気量
は点１−ｄ’にて表される。このときの点１−１’−
ｄ”'−ｄ’−１で囲まれた面積は、負の仕事となり、
ポンプ損失としてガソリンエンジンの熱効率を低下させ
ている。然るに、ミラー・サイクル・エンジンでは、吸
気弁１０のバルブ・タイミングを前記開閉時期調整機構
２５により変更し、図２、３の点ｄ’において吸気弁８
を閉じるのである。このとき吸気弁８と排気弁９との間
で大きなオーバ・ラップが発生し、排気弁９と吸気弁８
とは排気行程において同時に開くから、排気ガスが排気
ポート７内のみでなく、吸気ポート６内にも押し出され
て、このままでは次の吸気行程においては排気ガスのみ
吸気することになって、エンジンが運転不能となる。

【００１１】そこで、本発明のミラー・サイクル・エン
ジンでは、逆止弁１３を吸気系統、具体的には吸気管１
４内に配設することにより、吸気管１４内に逆流しよう
とする前記排気ガスを止め、通常のエンジンと同様に、
それ以後の排気行程においては専ら排気弁９を通じて排
気が行われる。図２、３で示すように、吸気は上死点か
ら開始されて点ｄ’にて吸気弁８が閉じてシリンダ２内
への吸気は終了し、それ以後のピストン３の吸気行程に
おいては、図３に示すように線ｄをたどりつつシリンダ
内混合気は断熱膨張を続け、吸気行程の下死点ｄ”’に
おいて吸気行程を終了するのである。次にｄ"'より圧縮
行程に入り、再び線ｄをたどって断熱圧縮し、点ｄ’に
おいて再び吸気圧（例えば無過給エンジンにおいては大
気圧）状態の温度と圧力になる。この場合、エンジンが
吸気した混合吸気量は線１−ｄ’で表される。そして点
ｄ’より更に断熱圧縮され、点ｄ”で圧縮行程を終了す
る。

【００１２】本発明ミラー・サイクル・エンジンにおい
て、エンジンの出力を増大させるには、前記吸気カム開
閉時期調整装置２５により吸気弁８の開時期を遅らせ、
図２、３の線ｃの位置までバルブ・タイミングを遅らせ
ればよい。これによって、吸入混合気量は点c’に表さ
れるように多くなり、また圧縮圧力は点c”に表される
ように高まり、且つ圧縮温度も圧縮圧力に応じて高ま
る。図２、３の線ｂは、更に混合気吸入量を増加させ、
出力を増大させた場合を示し、線ａは、通常のエンジン
のスロットル・バルブ全開状態における全出力運転状態
を示し、図２、３から明らかなように、エンンジンは全
行程容積に混合気を吸入し、最大出力を発生するのであ
る。しかし、このとき逆止弁１３が図１の実線のような
位置にそのままあるときは、吸気がリード弁２１、２２
を押し開け、弁板１９、２０の通孔１９ａ、２０ａを通
ってシリンダ２内に流入するとき、大きな通気抵抗があ
り、逆止弁１３のない通常のエンジンより出力が低下す
る欠点が発生するが、本発明ミラー・サイクル・エンジ
ンでは、上記逆止弁１３の弁体１６を軸１８を介して回
動レバー２４によって図１の点線位置まで移動すること
ができるので、逆止弁１３の機能を停止させるととも
に、前記通気抵抗をなくすことができ、これによって全
負荷性能を通常のエンジンと同程度に高めることができ
るのである。上記全負荷状態においては、図２にて明ら
かなように、点線で示される排気弁の開口面積と実線ａ
で示される吸気弁の開口面積のオーバ・ラップは、通常
のエンジンと同じで小さく、吸気側への排気の逆流はな
く、従って、逆止弁１３は必要がないのである。

【００１３】

【応用例】

（１）図２、３に示すように、吸気弁の開閉時期を線ａ
→ｂ→ｃ→ｄと順次無段階に進めることによって、オッ
トー・サイクル・エンジンの場合、シリンダ内に吸入さ
れる混合気の量を、通常のエンジンのスロットル・バル
ブによって絞ることなく減少させ、発生する出力を連続
的に調節することができ、ポンピング損失を生ずること
なく、オットー・サイクル・エンジンの部分負荷燃料消
費率を改善し得る。 （２）図３における点２からの圧縮行程では、例えば圧
縮比を１５とすれば、オットー・サイクル・エンジンで
もディーゼル・エンジンと同等な熱効率が得られること
が知られているが、実際は過大な圧縮比によりノッキン
グが発生して運転不能となる。しかし、本発明により図
３の線ｂとなるよう吸気弁８の開閉時期を変更すること
により、実質的な圧縮行程は点ｂ’から点ｂ”となり、
ノッキングの発生しない圧縮比、例えば１０とすること
ができ、これによって圧力と温度とを低下させることが
可能で、ノッキングの発生を防止すると同時に、膨張比
をこのエンジンの全負荷時の圧縮比よりたかい、例えば
１５とすることができる。これによって、仕事量は通常
のオットー・サイクル・エンジンより多く、しかも燃料
消費率は、社団法人自動車技術会の論文（９２４００
８）「吸気管制回転弁を用いた高膨張比ガソリン機関」
に示された内容と同程度に低下し得る。

【００１４】（３）オットー・サイクル・エンジンを過
給すると、圧縮行程上死点における圧力と温度が上昇し
ノッキングが発生するので、これが対策として圧縮比を
低下せしめることが一般に行われているが、これは燃料
消費率の増大を招くためこのような対策の普及を妨げて
いるが、本発明ミラー・サイクル・エンジンでは、図３
の点２から点a”’への行程における圧縮比において、
過給によってノッキングを発生した際、吸気弁閉時期と
して線ｂの位置を選ぶことによって圧縮圧力と温度とを
a”からb”にまで下げノツキングを回避せしめることが
でき、なお、この場合膨張比は一定のままにして、燃料
消費率を低下させることがない。 （４）ターボ過給機の定圧力、定流量制御を伴うミラー
・サイクル・エンジンの発明（平成５年５月２６日付本
出願人による特許出願）にも、本発明を適用し得る。 （５）ディーゼル・エンジンの過給時における過大な圧
縮圧力も、圧縮比を可変とし得る本発明を応用すること
によって回避できる。

【００１５】

【発明の効果】本発明ミラー・サイクル・エンジンは、
吸、排気弁を備えたエンジンの前記吸気弁を、クランク
軸に対して位相を変化しうる吸気カム軸により駆動する
よう構成するとともに、吸気系統に、全負荷状態におい
て前記吸気カム軸の位相を変化させたとき弁体を開く、
逆止弁を配設したことを特徴とするので、通常の吸気弁
の開閉時期を大きく変更し得るようにしたこと及び吸気
系統に逆止弁を配設したことにより、従来のミラー・サ
イクル・エンジンのように複雑で重量大なるロータリ・
バルブを使用することなく、軽量で構造簡単なミラー・
サイクル・エンジンを実現できるとともに、全負荷状態
において前記吸気カム軸の位相を変化させたとき、逆止
弁の弁体を開くようにしたことにより、全負荷時におけ
る吸気抵抗を通常のエンジンと同レベルにまで下げ、同
程度の出力を発揮しうるミラー・サイクル・エンジンを
提供する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ミラー・サイクル・エンジンの要部縦断
面図

【図２】本発明ミラー・サイクル・エンジンの吸、排気
弁のクランク角に対する弁開口面積の変化説明図

【図３】本発明ミラー・サイクル・エンジンのｐ−ｖ線
図

【図４】本発明ミラー・サイクル・エンジンの吸気弁開
閉時期調整機構の断面図

【図５】図４の一部拡大断面図。 １；ミラー・サイクル・エンジン ２；シリンダ ３；ピストン ４；シリンダヘッド ５；点火栓 ６：吸気ポート ７；排気ポート ８；吸気弁 ９；排気弁 １０；吸気カム軸 １１；揺動レバー １２；弁ばね １３；逆止弁 １４；吸気管 １５；弁体 １６；弁体 １７；ねじ １８；軸 １９；弁板 ２０；弁板 ２１；リード弁 ２２；リード弁 ２３；ガイド ２４；回動レバー ２５；吸気弁開閉時期調整機構 ２６、２６’；軸受 ２７；ヘリカルスプライン ２８；ヘリカルスプライン ２９；駆動軸 ３０；歯 ３１；歯 ３２；調整駒 ３３；レバー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸、排気弁を備えたエンジンの前記吸気
   弁を、クランク軸に対して位相を変化しうる吸気カム軸
   により駆動するよう構成するとともに、吸気系統に、全
   負荷状態において前記吸気カム軸の位相を変化させたと
   き弁体を開く、逆止弁を配設したことを特徴とするミラ
   ー・サイクル・エンジン。
2. 【請求項２】 クランク軸に対する吸気カム軸の位相が
   段階的に変化することを特徴とする請求項１記載のミラ
   ー・サイクル・エンジン。
3. 【請求項３】 クランク軸に対する吸気カム軸の位相が
   無段階に変化することを特徴とする請求項１記載のミラ
   ー・サイクル・エンジン。