KR20040010576A - 차량용 자연 흡기식 내연 기관 - Google Patents

차량용 자연 흡기식 내연 기관 Download PDF

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KR20040010576A
KR20040010576A KR10-2003-7008082A KR20037008082A KR20040010576A KR 20040010576 A KR20040010576 A KR 20040010576A KR 20037008082 A KR20037008082 A KR 20037008082A KR 20040010576 A KR20040010576 A KR 20040010576A
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는 운전영역을 갖는 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 있어서, 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 밀러 사이클에 의해 운전함으로써, 연료 소비율의 개선을 한층 도모하는 동시에, 간단한 구조로 내연 기관의 생산성을 향상시키고, 또한 내연 기관의 비용 증가 및 중량 증가의 억제를 도모한다. 차량용 자연 흡기식 내연 기관(E)은, 피스톤(8)이 왕복 운동 자유롭게 끼워 맞춰지는 실린더(2)와, 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 일정한 개폐 시기에 개폐되는 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)을 구비한다. 흡기 밸브(35)의 밸브 폐쇄 시기는 하사점 전, 또는 실린더(2) 내의 흡기가 흡기 밸브(35) 상류로 역류하는 하사점 후의 소정 밸브 폐쇄 시기에 설정된다. 또, 내연 기관(E)의 배기량은 고부하 고회전영역에서 흡기 밸브(35)가 상기 소정 밸브 폐쇄 시기에 밸브 폐쇄되는 운전에 의해 내연 기관(E)의 최대 필요 도시 출력이 얻어지는 소정 배기량으로 설정된다.

Description

차량용 자연 흡기식 내연 기관{SPONTANEOUS INTAKE TYPE INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR VEHICLES}
종래, 왕복 운동 내연 기관에 있어서, 흡기 밸브의 밸브 폐쇄 시기가, 하사점 전(前), 또는, 일단 실린더 내에 유입된 흡기가 밸브를 개방하고 있는 흡기 밸브로부터 흡기 포트로 역류하는 하사점 후(後)에 설정된, 소위 밀러 사이클로 운전되는 내연 기관이 알려져 있다. 이 밀러 사이클로 운전되는 내연 기관에서는, 오토 사이클로 운전되는 내연 기관에 비해서, 압축 행정 상사점에서의 압축 압력(실질적인 압축비)이 저하하는 한편으로, 팽창비는 오토 사이클과 동일하게 유지되기 때문에, 상기 실질적인 압축비에 대해서는 상대적으로 팽창비가 커져서, 이것에 의해, 열효율이 향상되고, 도시 연료 소비율이 개선된다. 그러나, 밀러 사이클에서는, 흡기 밸브가 전술한 바와 같은 밸브 폐쇄 시기에 설정되기 때문에, 체적 효율이 저하한다. 그 때문에, 내연 기관이 무부하영역에서 고부하 고회전영역까지, 부하 및 회전수가 크게 변화하는 운전영역에서 운전되는 차량용 내연 기관인 경우에는, 고부하에서의 운전시에 충분한 출력이 얻어지지 않는다. 그래서, 부족한 공기량을 보충하여 고 출력을 얻기 위해서 과급 장치를 설치하거나, 내연 기관의 운전영역에 따라서 밀러 사이클과 오토 사이클을 전환하여 내연 기관을 운전하는 것이 있다.
예를 들면, 일본국 특개평 8-218879호 공보에 개시된 엔진에서는, 실린더 헤드에 흡기 밸브 및 배기 밸브 이외에, 흡기 통로로부터 분기하는 흡기 환류 통로가 설치되는 동시에, 흡기 환류 통로에 연통하는 연소실측의 개구부를 개폐하는 흡기 환류 밸브가 설치되고, 이 흡기 환류 밸브가 배기 밸브를 구동하는 캠 축에 의해 구동되는 동시에, 이 캠 축에는 위상 각도 가변 장치가 설치된다. 그리고, 엔진은 이 위상 각도 가변 장치에 의해, 부분 부하시에는 흡기 환류 밸브는 흡기 밸브가 닫힌 뒤에도 열려져 있는 타이밍으로 설정되고, 실린더 내에 유입된 흡기가 흡기 환류 통로를 통해서 흡기 통로로 환류하는 밀러 사이클로 운전되고, 고부하시에는 흡기 환류 밸브는 흡기 밸브와 동시에 닫히는 타이밍으로 설정되고, 오토 사이클로 운전된다.
그런데, 전술한 종래 기술에서는, 과급 장치나 위상 각도 가변 장치를 설치할 필요가 있기 때문에, 내연 기관의 구조가 복잡하고 또한 부품 수가 늘어나서, 내연 기관의 비용이나 중량이 증가하는 난점이 있었다. 또, 상기 공보에 개시된 종래 기술에서는, 내연 기관의 고부하시에는 오토 사이클로 운전되기 때문에, 밀러 사이클에 의한 연료 소비율의 개선이 철저하게 되지 않는 결점이 있었다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는 운전영역을 갖는 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 있어서, 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 밀러 사이클에 의해 운전함으로써 연료 소비율의 개선을 도모하는 동시에, 간단한 구조로 내연 기관의 생산성을 향상시키고, 또한 내연 기관의 비용 증가 및 중량 증가의 억제를 도모하는 것을 목적으로 한다.
(발명의 개시)
본 발명은, 피스톤과, 피스톤이 왕복 운동 자유롭게 끼워 맞춰지는 실린더와, 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 일정한 개폐 시기에서 개폐되는 흡기 밸브 및 배기 밸브를 구비한 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 있어서, 상기 흡기 밸브의 밸브 폐쇄 시기는, 하사점 전 및 상기 실린더 내의 흡기가 상기 흡기 밸브 상류로 역류하는 하사점 후의 어느 한쪽인 소정 밸브 폐쇄 시기에 설정되고, 상기 내연 기관의 배기량은 고부하 고회전영역에서 상기 흡기 밸브가 상기 소정 밸브 폐쇄 시기에 밸브가 폐쇄되는 운전에 의해 상기 내연 기관의 최대 필요 도시 출력이 얻어지는 소정 배기량으로 설정된 차량용 자연 흡기식 내연 기관이다.
이 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 의하면, 소정 배기량의 내연 기관은, 고부하 고회전영역에서의 밀러 사이클에서의 운전에 의해 내연 기관의 최대 필요 도시 출력이 얻어지도록, 종래의 내연 기관에 비해서 배기량이 커진다. 따라서, 최대 필요 도시 출력을 발생시키기 위한 흡입 공기량이 확보된 후에, 내연 기관은 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는, 부하 및 회전수가 크게 변화하는 전체 운전영역에서 밀러 사이클로 운전되기 때문에, 운전영역의 일부에서 밀러 사이클에 의한 운전이 행해지는 것에 비해서, 도시 연료 소비율이 한층 개선된다. 또한, 고부하 고회전영역에 있어서, 차량의 구동에 필요한 최대 출력인 최대 필요 도시 출력을 얻기 위한 구조로서, 실린더 보어의 직경 및 피스톤의 스트로크에 의해 결정되는 배기량을 크게 하기 위한 구조는 간단하고, 부품 수가 증가하는 경우도 없기 때문에, 내연 기관의 생산성이 향상하여, 내연 기관의 비용 증가를 억제할 수 있고, 또한 과급 장치를 설치하는 경우에 비해서 내연 기관의 중량 증가를 억제할 수 있기 때문에, 이 점에서도 연료 소비율이 개선된다.
본 발명의 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 있어서, 상기 최대 필요 도시 출력은 발생 가능한 최대 도시 출력보다도 작게 설정하고, 이 최대 도시 출력이 발생하는 제1 소정 회전수보다도 낮은 기관 회전수인 제2 소정 회전수에서 최대 필요 도시 출력이 얻어지도록 하며, 또 기관 회전수를 검출하는 회전수 센서와, 이 회전수 센서가 상기 제2 소정 회전수를 초과하는 기관 회전수를 검출하였을 때, 기관 출력을 저하시키는 출력 저하 수단을 설치할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 다음의 효과가 발휘된다. 즉, 최대 필요 도시 출력은, 내연 기관이 발생 가능한 최대 도시 출력보다도 작게 되고, 회전수 검출 수단으로 검출되는 기관 회전수에 따라서 제어되는 출력 저하 수단에 의해 최대 도시 출력보다도 작은 최대 필요 도시 출력을 임의의 기관 회전수일 때에 발생시키기 때문에, 최대 필요 도시 출력의 설정의 자유도가 커지고, 내연 기관의 용도나 내연 기관에 작용하는 최대 부하에 따라서 비용 증가나 중량 증가를 초래하지 않고 간단하게 최적의 크기의 최대 필요 도시 출력을 설정할 수 있다. 그 결과, 동일한 내연 기관을 다양한 종류의 차량에 사용할 수 있고, 이 내연 기관을 탑재한 차량의 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 최대 필요 도시 출력은, 내연 기관이 발생 가능한 최대 도시 출력보다도 작게 됨으로써, 내연 기관이 밀러 사이클로 운전된다고 해도, 최대 필요 도시 출력이 얻어지는 제2 소정 회전수는 오토 사이클로 운전되는 내연 기관의 최대 도시 출력과 일치하는 최대 필요 도시 출력이 발생하는 기관 회전수보다도 낮게 되도록 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 최대 필요 도시 출력이 발생할 때의 마찰 손실 동력이 감소하고, 정미 도시 출력(net indicated power)이 증가하여, 정미 연료 소비율이 개선된다.
본 발명의 자연 흡기식 내연 기관에 있어서는, 상기 피스톤과 연결된 크랭크 축에는, 교류 발전기 및 원심 웨이트를 구비한 발진 클러치를 설치할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 다음 효과가 이루어진다. 즉, 크랭크 축에 설치된 교류 발전기 및 발진 클러치가 크랭크 축에 부가된 회전 관성 질량(플라이 휠)으로서 기능하기 때문에, 비교적 저 회전수로 회전하는 크랭크 축의 회전 변동이 억제되어 매끄러운 운전이 가능해진다.
본 발명은, 밀러 사이클(Miller-cycle)로 운전되는 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예인 내연 기관의 우측에서 본 부분 단면도,
도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은, 도 1의 내연 기관의 도시 출력과 기관 회전수의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명이 적용되는 자연 흡기식 내연 기관(E)은 자동 2륜차에 탑재되는, 오버헤드 캠 샤프트형으로 수냉식 단기통 4사이클의 자연 흡기식 왕복 운동 내연 기관으로, 후술하는 변속 클러치(C2) 및 매뉴얼 변속기(M)를 구비하는 전동 장치와 함께 파워 유닛을 구성한다. 이 명세서에 있어서, 「전후 좌우」는, 자동 2륜차의 차체를 기준으로 하였을 때의「전후 좌우」를 의미하는 것으로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 내연 기관(E)은 좌우 분할의 크랭크 케이스(1)에, 실린더(2), 실린더 헤드(3) 및 헤드 커버(4)가 순차적으로 부착되어 일체로 된 기관 본체를 갖는다. 내연 기관(E)의 크랭크 축(5)이 크랭크 케이스(1)에 유지된 좌우 1쌍의 주 베어링(6, 7)을 통해서 크랭크 케이스(1)에 회전 자유롭게 지지되고, 실린더(2)에는 전방의 약간 경사진 윗쪽을 지향하는 중심 축선을 갖는 실린더 보어(2a)가 형성되며, 이 실린더 보어(2a)에 끼워 맞춰지는 피스톤(8)이 커넥팅 로드(9)를 통해서 크랭크 축(5)에 연결되고, 피스톤(8)과 실린더 헤드(3)의 사이에 형성된 연소실(10) 내의 연소 압력에 의해 왕복 운동하는 피스톤(8)에 의해, 크랭크 축(5)이 회전 구동된다.
크랭크 축(5)의 볼 베어링으로 이루어지는 주 베어링(6)의 좌측으로 연장되는 좌축 단부에는, 주 베어링(6)측에서 좌측을 향해서 구동 스프로킷(11) 및 교류 발전기(12)가 순차적으로 설치된다. 크랭크 축(5)과 일체로 결합된 구동 스프로킷(11)과, 실린더 헤드(3)에 회전 자유롭게 지지된 캠 축(13)에 일체로 결합된 캠 스프로킷(14)의 사이에는, 타이밍 체인(15)이 걸쳐지고, 캠 축(13)이 크랭크 축(5)의 1/2의 회전수로 회전 구동된다. 또한, 캠 축(13)의 좌단에는 영구 자석을 사용한 자기 커플링(16)을 통해서 캠 축(13)과 구동 결합되는 냉각수 펌프(17)가 설치된다. 또, 교류 발전기(12)는 발전기 커버(12c)에 고정된 스테이터(12a)와, 이 스테이터(12a)의 직경방향 외측을 둘러싸고 크랭크 축(5)에 일체로 결합된 컵 형상의 로우터(12b)를 구비한다.
한편, 크랭크 축(5)의 롤러 베어링으로 이루어지는 주 베어링(7)의 우측으로 연장되는 우축 단부의 외주에는, 크랭크 축(5)의 회전 축선과 동축으로, 크랭크 축(5)에 회전 자유롭게 지지된 원통형상의 연결 부재(18)가 설치되고, 이 연결 부재(18)의 주 베어링(7)측에는 1차 구동 기어(19)가 일체로 형성되며, 연결 부재(18)의 우측의 선단부에는 원심식의 발진 클러치(C1)의 구성 요소인 클러치 아우터 부재(20)에 일체로 결합된다. 이 발진 클러치(C1)는, 또한 크랭크 축(5)에 일체로 결합된 클러치 인너 부재(21)와, 다수의 원심 웨이트(23)를 구비한다. 원심 웨이트(23)는 클러치 인너 부재(21)와 일체로 결합된 플레이트(22)에 요동 자유롭게 지지되고, 기관 회전수가 소정의 회전수를 넘었을 때에 원심력에 의해 클러치 아우터 부재(20)에 접촉하며, 그 마찰력에 의해 발진 클러치(C1)를 접속 상태로 한다. 그리고, 발진 클러치(C1)는, 내연 기관(E)의 기관 회전수가 저 회전수일 때에도 확실한 토오크 전달을 확보하는 것이 가능한 비교적 큰 원심력이 원심 웨이트(23)에 발생하도록, 종래의 내연 기관의 그것보다도 대형의 것으로 되거나, 또는 큰 질량을 갖는 원심 웨이트(23)를 구비한 것으로 된다.
1차 구동 기어(19)와 맞물리는 1차 피동 기어(24)는, 항시 맞물림식의 치차 변속기로 이루어지는 매뉴얼 변속기(M)의 메인 축(28)에 회전 자유롭게 지지되고, 이 1차 피동 기어(24)는 메인 축(28)의 크랭크 케이스(1)로부터 우측으로 돌출된 우단부에 설치된 변속 클러치(C2)의 클러치 아우터 부재(25)에 댐퍼를 통해서 구동 연결된다. 변속 클러치(C2)는 운전자에 의해 조작되는 릴리스 기구에 의해 마찰 접합 또는 접합 해제가 이루어지는 다수의 클러치판(26)을 갖는 마찰식 다판 클러치로, 다수의 클러치판(26)이 스프링력에 의해 마찰 접합하였을 때, 크랭크 축(5)의 토오크가 클러치 아우터 부재(25)를 통해서 메인 축(28)과 일체로 결합된 클러치 인너 부재(27)에 전달되고, 변속 클러치(C2)가 접속 상태가 되어, 다수의 클러치판의 마찰 접합이 해제되었을 때, 클러치 아우터 부재(25)로부터 클러치 인너 부재(27)로의 토오크의 전달이 끊어져서, 변속 클러치(C2)가 비접속 상태가 된다.
크랭크 케이스(1) 내에서 크랭크 축(5)의 후방에 배치되는 매뉴얼 변속기(M)는, 메인 기어군(29)이 설치된 상기 메인 축(28) 및 카운터 기어군(31)이 설치된 카운터 축(30)을 구비하고, 도시되지 않은 변속 조작 기구에 의해 시프트 드럼(32)이 회전되면, 이 시프트 드럼(32)의 캠 홈에 끼워 맞춘 시프트 포크가 지지축 상에서 좌우 방향으로 적당히 이동하여, 변속 조작에 대응한 메인 기어군(29)의 기어와 카운터 기어군(31)의 기어가 적당히 맞물려서 변속이 행해진다.
그러므로, 크랭크 축(5)의 토오크는, 발진 클러치(C1)로부터 1차 구동 기어(19)에 전달되고, 또한, 1차 구동 기어(19) 및 1차 피동 기어(24)로 이루어지는 1차 감속 기구와, 변속 클러치(C2)를 통해서 매뉴얼 변속기(M)에 전달되며, 변속 후의 토오크가 카운터 축(30)으로부터 2차 감속 기구를 통해서 후륜에 전달되어, 후륜이 회전 구동된다.
내연 기관(E)에 있어서, 피스톤(8)과의 사이에 연소실(10)을 형성하는 실린더 헤드(3)에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 연소실(10)에 각각 연통하는 흡기 포트(33) 및 배기 포트(34)가 설치되고, 또한 흡기 포트(33)의 연소실(10)측의 개구인 흡기구(33a)를 개폐하는 흡기 밸브(35), 그리고 배기 포트(34)의 연소실(10)측의 개구인 배기구(34a)를 개폐하는 배기 밸브(36)가 설치된다. 그리고, 흡기 포트(33)의 상류측인 실린더 헤드(3) 측면의 개구에는, 도시되지 않은 스로틀 밸브에 의해 유량 제어된 공기가 유통하는 흡기관(37)이 접속되고, 이 흡기관(37)에는 흡기구(33a)를 향해서 연료를 분사하여 혼합기를 형성하는 연료 분사 밸브(39)가 설치되며, 또 배기 포트(34)의 하류측인 실린더 헤드(3) 측면의 개구에는 배기관(38)이 접속된다. 또, 연소실(10)을 향하여, 연소실(10) 내의 혼합기에 점화하기 위한 2개의 점화 플러그(40)(그 한쪽이 도 2에 도시되어 있다)가 실린더 헤드(3)에 장착된다.
또한, 실린더 헤드(3)에 고정된 1쌍의 흡기 로커 축(41) 및 배기 로커 축(42)에는, 흡기 로커 아암(43) 및 배기 로커 아암(44)이 각각, 그 중앙 부분에서 요동 자유롭게 지지되고, 흡기 및 배기 로커 아암(43, 44)의 일단부에는 캠 축(13)에 일체로 형성된 흡기 캠(45, 46) 및 배기 캠(45, 46)에 각각 슬라이드 접촉하는 롤러가 설치되며, 흡기 및 배기 로커 아암(43, 44)의 타단부는 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)의 밸브 스템(stem)의 단부에 각각 접촉한다. 그리고, 흡기 및 배기캠(45, 46)의 회전에 따라서 요동되는 흡기 및 배기 로커 아암(43, 44)에 의해, 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)가 크랭크 축(5)과 동기하여, 소정의 개폐 시기 및 리프트량으로 밸브 개방 구동된다. 그러므로, 이들 캠 축(13), 흡기 및 배기 로커 아암(43, 44) 및 흡기 및 배기 로커 축(41, 42) 등에 의해 이동 밸브 장착이 구성된다.
그리고, 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)의 개폐 시기는, 내연 기관(E)의 무부하영역으로부터 상기 스로틀 밸브의 전체 개시를 포함하는 고부하 고회전영역에 이르는 전체 운전영역에서 일정하게 되도록 설정되고, 그 중, 흡기 밸브(35)의 밸브 개방 시기는, 배기 밸브(36)와의 오버랩이 발생하는 배기 행정의 상사점 전에 설정되고, 밸브 폐쇄 시기는, 흡기 행정의 하사점 전, 또는 이 하사점 후의 압축 행정에서, 일단 실린더 보어(2a) 내에 흡입된 흡기가 흡기구(33a)를 통해서 흡기 밸브(35) 상류의 흡기 포트(33)로 역류하는 소정 밸브 폐쇄 시기에 설정된다. 한편, 배기 밸브(36)의 밸브 개방 시기는, 팽창 행정의 하사점 전에, 그리고 밸브 폐쇄 시기는 흡기 행정의 상사점 후에 각각 설정된다. 이 때문에, 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역에 이르는 운전영역을 갖는 내연 기관(E)은 고부하 고회전영역을 포함하는 그 전체 운전영역에 있어서, 소위 밀러 사이클로 운전되며, 또 흡기 밸브(35)의 밸브 폐쇄 시기인 상기 소정 밸브 폐쇄 시기는, 내연 기관(E)의 후술하는 최대 필요 도시 출력(indicated power)(PR)이 얻어지는 것을 전제로 하여, 연료 소비율 등을 고려하여 적당히 설정된다.
그리고, 실린더 보어(2a)의 직경 및 피스톤(8)의 스트로크량에 의해 결정되는 내연 기관(E)의 배기량은, 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)가 내연 기관(E)의 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 전술한 개폐 시기에 개폐되는 조건 하에서, 고부하 고회전영역에 있어서, 자동 2륜차를 구동하기 위해서 필요하게 되는 최대 출력이 되는 도시 출력의 최대치인 최대 필요 도시 출력(PR)을 발생할 수 있는 흡입 공기량이 얻어지는 최소 배기량(V0)보다도 큰 소정 배기량(V)으로 설정된다.
이 최소 배기량(V0)은, 흡기 밸브 및 배기 밸브가 내연 기관의 전체 운전영역에서 일정한 개폐 시기에 개폐되고, 또한 흡기 밸브의 밸브 폐쇄 시기가 실린더 보어로부터 흡기 포트로의 흡기의 역류가 거의 생기지 않는 흡기 행정의 하사점 후에 설정되고, 최대 필요 도시 출력과 동일한 크기의 최대 도시 출력(도시 출력의 최대치)을 발생하는 종래의 오토 사이클로 운전되는 자연 흡기식의 왕복 운동 내연 기관(이하, 「등가 오토 사이클 기관」이라고 한다)의 배기량에 비해서 크다. 그 이유는, 내연 기관(E)에서는, 상기 등가 오토 사이클 기관에 비해서, 흡기 밸브(35)가 하사점 전에 밸브 폐쇄하는, 소위 흡기 밸브(35)의 조기 폐쇄, 또는 흡기 밸브(35)가 하사점 후에 밸브 폐쇄하는, 소위 흡기 밸브(35)의 지연 폐쇄가 이루어짐으로써, 체적 효율이 작아지게 되기 때문이고, 또한 그 체적 효율의 저하에 의한 흡입 공기량의 부족을 보충하기 위한 배기량의 증대에 의한 기계적 마찰 손실의 증가분을 보상하는 출력을 또한 발생시키는 필요가 있기 때문이다.
그리고, 최소 배기량(V0)는 다음과 같이 해서 구해진다.
우선, 상기 등가 오토 사이클 기관의 배기량을 V1(㎥), 체적 효율을 η1, 최대 도시 출력(이것은, 최대 필요 도시 출력과 같다)을 발생시키기 위해서 필요한 흡입 공기량을 Q1(㎥)로 하면,
Q1= V1*η1(1)
다음에, 밀러 사이클로 운전되는 내연 기관에 있어서, 그 배기량을 V2(㎥), 밀러 사이클에서의 운전에 의한 체적 효율을 η2로 하면, 흡입 공기량(Q1)을 흡입하기 위한 배기량(V2)은 다음 식으로 나타내어진다.
V2= Q1/η2= V1*(η1/η2) (2)
한편, 상기 등가 오토 사이클 기관의 마찰에 의한 기계적 마찰 손실 동력을 Psf1(㎾)로 하면, 그 때의 기계적 마찰 손실 동력(Psf1)의 마찰 평균 유효 압력(Pmf1)(㎪)은,
Pmf1= 120* Psf1/(N*V1)(3)
이 된다. 또한, N은 내연 기관의 회전수이다. 그리고, 배기량(V2)의 내연 기관의 기계적 마찰 손실 동력(Psf2)(kN)은 이 마찰 평균 유효 압력(Pmf1)을 이용하여
Psf2= Pmf1*N*V2/120 (4)
가 되고, 배기량의 증가분에 기인하는 기계적 마찰 손실 동력(Psf)(㎾)은
Psf= Psf2-Psf1(5)
으로 구해진다.
그런데, 스로틀 밸브가 완전 개방일 때, 밀러 사이클로 운전되는 상기 등가 오토 사이클 기관의 도시 출력(㎾)을 Ps1으로 하면, 그 평균 유효 압력(Pme1)(㎪)은 다음 식으로 나타내어진다.
Pme1= 120*Ps1/(N*V1) (6)
그리고, 기계적 마찰 손실이 증가한 것에 의한 출력 저하분을 보충하는 배기량(Vf)(㎥)은 다음의 식으로 구해진다.
Vf= 120*Psf/(N*Pme1) (7)
따라서, 최소 배기량(V0)(㎥)은 다음 식으로 구해진다.
V0= V2+Vf(8)
또한, 배기량(Vf)을 증가함으로써 증가하는 배기량에 기인하는 기계적 마찰 손실의 증가분은, 무시할 수 있는 정도로 작은 것이다.
그리고, 이 실시예에서는, 상기 등가 오토 사이클 기관에 비해서 큰 배기량인 최소 배기량(V0)보다도 큰 소정 배기량(V)을 갖고, 또한 흡기 밸브(35) 및 배기 밸브(36)가 전술한 개폐 시기에 개폐되는 밀러 사이클로 운전되는 내연 기관(E)의 도시 출력의 최대치인 최대 도시 출력(PM)(도 3 참조)은 흡·배기계의 통로 직경이나 흡기 밸브(35)·배기 밸브(36)의 직경 및 리프트량, 압축비 등의, 내연 기관(E)의 제원에 의해 결정되는 한편으로, 최대 필요 도시 출력(PR)은 내연 기관(E)이 발생 가능한 최대 도시 출력(PM)보다도 작아지도록, 후술하는 출력 저하 수단(65)에 의해 설정된다. 또한, 소정 배기량(V)은 상기 등가 오토 사이클 기관의 배기량보다도 크고, 상기 등가 오토 사이클 기관의 최대 도시 출력과 동일한 최대 필요 도시 출력이 얻어질 때의 후술하는 제2 소정 회전수(N2)는 상기 등가 오토 사이클 기관이 최대 도시 출력을 발생할 때의 기관 회전수보다도 낮은 기관 회전수로 된다.
또, 연료 분사량과 점화 시기를 제어하는 제어 수단인 전자 제어 유닛(ECU)(60)에는, 기관 회전수를 검출하는 회전수 센서(61), 상기 스로틀 밸브의 개도를 검출하는 개도 센서(62), 상기 스로틀 밸브 하류의 흡기 압력을 검출하는 압력 센서(63), 냉각수 온도 또는 배기 온도를 검출하는 온도 센서(64) 등의 내연 기관(E)의 운전 상태를 검출하는 검출 수단인 상기 각종 센서(61∼64)로부터의 검출 신호가 입력되고, 이들 검출 신호에 기초하여, 연료 분사 밸브(39)로부터는 기관 운전 상태에 따른 분사량으로 연료가 분사되고, 또한 점화 코일(47)에서의 고전압의 발생 시기가 제어되며, 2개의 점화 플러그(40)에 의해 기관 운전 상태에 따른 점화 시기에 점화가 행해진다.
여기에서, 내연 기관(E)에서의 상기 스로틀 밸브 완전 개방시에서의 도시 출력과 기관 회전수의 관계를 설명하기 위한 그래프인 도 3을 참조하여 설명한다. 식 (8)에서 얻어지는 최소 배기량(V0)보다도 크게 설정된 소정 배기량(V)을 갖는 내연 기관(E)은 도면 중에서 2점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 기관 회전수가 제1 소정 회전수(N1)일 때, 최대 도시 출력(PM)이 발생하는 출력 특성(실선으로 나타낸다)을 갖고 있다.
그리고, 이 제1 소정 회전수(N1)에서 최대 도시 출력(PM)을 발생하는 출력 특성을 갖는 내연 기관(E)에 있어서, 제1 소정 회전수(N1) 미만의 제2 소정 회전수(N2), 예를 들면 제1 소정 회전수(N1)의 2/3의 기관 회전수에 있어서, 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어지도록 개도 센서(62)에서 검출되는 상기 스로틀 밸브의 개도가 완전 개방이고, 또한 회전수 센서(61)에서 검출되는 기관 회전수가 제2 소정 회전수(N2)를 초과했을 때, 전자 제어 유닛(60)에서의 일련의 연산 처리를 행하는 출력 저하 수단(65)으로부터 연료 분사 밸브(39)의 구동을 정지하는 신호가 출력되고, 연료 분사 밸브(39)로부터의 연료의 공급이 커트되어, 내연 기관(E)의 기관 출력이 저하된다. 여기에서, 제2 소정 회전수(N2)는 제1 소정 회전수(N1) 미만인 것을 전제로, 내연 기관(E)이 탑재되는 차종이나 내연 기관(E)에 작용하는 최대 부하에 따라서 필요하게 되는 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어지도록 설정된다.
다음에, 전술한 바와 같이 구성된 실시예의 작용 및 효과에 대해서 설명한다.
도 3에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서, 내연 기관(E)의 소정 배기량(V)보다도 작은 배기량을 갖고, 최대 필요 도시 출력(PR)과 동일한 최대 도시 출력(Pm)을 발생하는 상기 등가 오토 사이클 기관의 개략의 출력 특성이 파선으로 나타나고 있다.
일반적으로, 내연 기관에는, 크랭크 축, 크랭크 핀, 피스톤, 이동 밸브 장치 등의 각 슬라이드부에 있어서의 마찰에 의한 기계적 마찰 손실과, 오일 펌프, 교류발전기 등의 각종 보조 기구를 구동하기 위한 보조 기구 구동 손실로 이루어지는 마찰 손실 동력이 발생하기 때문에, 이 내연 기관의 정미 출력은, 도시 출력으로부터 마찰 손실 동력을 차감한 값이 된다. 그리고, 이 마찰 손실 동력은 기관 회전수의 증가에 따라서 증가하는 것이므로, 도시 출력은 최대 도시 출력에 도달할 때까지는, 기관 회전수가 높아질수록 증가하지만, 동시에 마찰 손실 동력도 증가한다.
그리고, 내연 기관(E)의 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어지는 기관 회전수, 즉 제2 소정 회전수(N2)는 상기 등가 오토 사이클 기관에서 최대 도시 출력(Pm)이 발생할 때의 기관 회전수(N3)보다도 작고, 그것에 대응하여, 내연 기관(E)의 마찰 동력 손실(실선으로 나타내어진다)에 있어서 최대 필요 도시 출력(PR) 중의 마찰 손실 동력(PLM)은 파선으로 나타내는 마찰 손실 동력의 상기 등가 오토 사이클 기관의 최대 도시 출력(Pm) 중의 마찰 손실 동력(PLm)보다도 작은 것을 알 수 있다. 그리고, 내연 기관(E)과 상기 등가 오토 사이클 기관을 비교하면, 동일 크기의 도시 출력 중의 마찰 손실 동력은 내연 기관(E)쪽이 작아지고 있다. 또한, 내연 기관(E)과 상기 등가 오토 사이클 기관에 있어서, 기계적 마찰 손실이 생기는 슬라이드부는 동일 개소로 되고, 또한 보조 기구 구동 손실을 발생시키는 보조 기구는 동일하게 되어 있다.
이와 같이, 자동 2륜차에 탑재된 소정 배기량(V)의 내연 기관(E)은, 고부하 고회전영역에 있어서의 밀러 사이클에서의 운전에 의해, 내연 기관(E)의 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어지도록, 상기 등가 오토 사이클 기관에 비해서 배기량이 큰최소 배기량(V0)보다도 큰 소정 배기량(V)을 갖기 때문에, 최대 필요 도시 출력(PR)을 발생기키기 위한 흡입 공기량이 확보된 후에, 내연 기관(E)은 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는, 부하 및 회전수가 크게 변화하는 전체 운전영역에서 밀러 사이클로 운전되기 때문에, 운전영역의 일부에서 밀러 사이클에 의한 운전이 행해지는 것에 비해서, 도시 연료 소비율이 한층 개선된다.
또한, 고부하 고회전영역에 있어서, 자동 2륜차의 구동에 필요한 최대 출력인 최대 필요 도시 출력을 얻기 위한 구조로서, 실린더 보어(2a)의 직경 및 피스톤(8)의 스트로크에 의해 결정되는 배기량을 크게 하기 위한 구조는 간단하고, 부품 수가 증가하는 경우도 없기 때문에, 내연 기관(E)의 생산성이 향상하여, 내연 기관(E)의 비용증가를 억제할 수 있고, 또한 과급 장치를 설치하는 경우에 비해서 내연 기관(E)의 중량 증가를 억제할 수 있으므로, 이 점에서도 연료 소비율이 개선된다.
회전수 센서(61)에서 검출되는 기관 회전수가 제2 소정 회전수(N2)를 초과했을 때, 작동하는 출력 저하 수단(65)이 설치됨으로써, 제2 소정 회전수(N2)를 적당히 설정함으로써, 최대 도시 출력(PM)보다도 작은 최대 필요 도시 출력(PR)을 제1 소정 회전수(N1) 미만의 임의의 기관 회전수일 때에 발생시킬 수 있기 때문에, 최대 필요 도시 출력(PR)의 설정의 자유도가 커지고, 또, 내연 기관(E)이 탑재되는 차종이나 내연 기관(E)에 작용하는 최대 부하에 따라서, 비용 증가나 중량 증가를 초래하지 않고 간단히 알맞은 크기의 최대 필요 도시 출력(PR)을 설정할 수 있다. 그 결과, 동일한 내연 기관(E)을 다른 차종의 자동 2륜차에 탑재할 수 있고, 이 자동 2륜차의 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 최대 필요 도시 출력(PR)은 내연 기관(E)이 발생 가능한 최대 도시 출력(PM)보다도 작아지도록 내연 기관(E)의 소정 배기량(V)이 크게 됨으로써, 내연 기관(E)이 밀러 사이클로 운전되어도, 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어지는 제2 소정 회전수(N2)는 오토 사이클로 운전되는 상기 등가 오토 사이클 기관의 최대 도시 출력(Pm)과 일치하는 최대 필요 도시 출력이 발생하는 기관 회전수(N3)보다도 낮아진다. 즉, 기관 회전수가 제1 소정 회전수(N1)일 때, 최대 도시 출력(PM)을 발생하는 것이 가능한 내연 기관(E)에 있어서, 내연 기관(E)의 기관 회전수가 제1 소정 회전수(N1) 미만의 제2 소정 회전수(N2)를 초과했을 때에 작동하는 출력 저하 수단(65)에 의해, 최대 필요 도시 출력(PR)이 얻어진다. 이 때, 최대 필요 도시 출력(PR)이 발생하는 제2 소정 회전수(N2)는 상기 등가 오토 사이클 기관에서 최대 도시 출력(Pm)이 발생할 때의 기관 회전수(N3)에 비해서 낮은 회전수가 되고, 최대 필요 도시 출력(PR) 중의 마찰 손실 동력(PLM)은 상기 등가 오토 사이클 기관에 비해서 감소한다. 따라서, 내연 기관(E)의 전체 운전 회전영역(R)에서의 고회전영역에서 운전될 때에도, 도시 출력 중의 마찰 손실 동력(PL)은 상기 등가 오토 사이클 기관보다도 감소하고, 그 만큼, 정미 도시 출력이 증가하며, 이것에 의해, 정미 연료 소비율이 개선되고, 또한 상기 고회전영역에서의 운전 빈도가 높을 때에도 내연 기관(E)의 정미 연료 소비율이 한층 개선된다.
크랭크 축(5)의 축 단부에 설치된 원심 웨이트(23)를 구비한 발진 클러치(C1) 및 로우터(12b)를 갖는 교류 발전기(12)가 크랭크 축(5)에 부가된 회전관성 질량(플라이 휠)으로서 기능하기 때문에, 비교적 저 회전수로 회전하는 크랭크 축(5)의 회전 변동이 억제되고, 매끄러운 운전이 가능해진다. 또한, 내연 기관(E)은 상기 등가 오토 사이클 기관에 비해서 낮은 회전영역으로 운전되기 때문에, 저 회전수에서도 확실한 전달력을 확보하기 위해서, 발진 클러치(C1)는 상기 등가 오토 사이클 기관의 것보다도 대형으로 되거나, 또는 상기 등가 오토 사이클 기관에 사용되는 원심 웨이트보다도 큰 질량을 갖는 원심 웨이트(23)를 구비한 것으로 되기 때문에, 회전 관성 질량을 증가시킬 수 있어서, 상기 회전 변동이 한층 억제된다.
또, 기관 회전수가 제2 소정 회전수(N2)를 초과했을 때, 출력 저하 수단(65)은 내연 기관(E)에 공급되는 연료를 커트하기 때문에, 점화 시기를 제어하여 기관 출력을 저하시키는 경우에 비해서, 연료 소비가 적어지고, 연료 소비율이 한층 개선된다.
이하, 전술한 실시예의 일부의 구성을 변경한 실시예에 대해서, 변경한 구성에 관해서 설명한다.
상기 실시예에서는, 출력 저하 수단(65)은 연료 분사 밸브(39)를 제어하고, 연료 커트를 행하는 것이었지만, 연료 분사량을 감량하는 것이어도 좋고, 또 점화 시기를 최적 점화 시기로부터 각도를 크게 지연 또는 전진시키거나, 또는 점화의 정지 또는 감소 점화를 행함으로써, 내연 기관(E)의 기관 출력을 저하시키는 것이어도 좋다.
상기 실시예에서는, 내연 기관(E)의 소정 배기량(V)은 최소 배기량(V0)보다도 크게 설정되었지만, 내연 기관(E)의 소정 배기량(V)을 최소 배기량(V0)과 동일하게 설정할 수 있고, 이 경우에는, 최대 필요 도시 출력(PR)과 최대 도시 출력(PM)이 일치하게 된다. 그 때문에, 최대 필요 도시 출력(PR)은 흡·배기계의 통로 직경이나 흡기 밸브(35)·배기 밸브(36)의 직경 및 리프트량, 압축비 등의, 내연 기관(E)의 제원에 의해 결정되기 때문에, 출력 저하 수단(65)은 불필요하게 된다.
상기 실시예에서는, 내연 기관(E)은 자동 2륜차에 탑재되는 것이었지만, 내연 기관은 자동 2륜차 이외의 차량에 사용되는 것이어도 좋다. 또, 내연 기관은 다기통이어도 좋다.

Claims (3)

  1. 피스톤과, 피스톤이 왕복 운동 자유롭게 끼워 맞춰지는 실린더와, 무부하영역으로부터 고부하 고회전영역을 포함하는 전체 운전영역에서 일정한 개폐 시기에 개폐되는 흡기 밸브 및 배기 밸브를 구비한 차량용 자연 흡기식 내연 기관에 있어서,
    상기 흡기 밸브의 밸브 폐쇄 시기는, 하사점 전(前) 및 상기 실린더 내의 흡기가 상기 흡기 밸브 상류로 역류하는 하사점 후(後)의 어느 한쪽인 소정 밸브 폐쇄 시기에 설정되고, 상기 내연 기관의 배기량은 고부하 고회전영역에서 상기 흡기 밸브가 상기 소정 밸브 폐쇄 시기에 밸브가 폐쇄되는 운전에 의해 상기 내연 기관의 최대 필요 도시 출력이 얻어지는 소정 배기량으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 자연 흡기식 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 필요 도시 출력은, 발생 가능한 최대 도시 출력보다도 작게 설정되는 동시에, 이 최대 도시 출력이 발생하는 제1 소정 회전수보다도 낮은 기관 회전수인 제2 소정 회전수에서 상기 최대 필요 도시 출력이 얻어지게 되고, 한편, 기관 회전수를 검출하는 회전수 센서와, 이 회전수 센서가 상기 제2 소정 회전수를 초과하는 기관 회전수를 검출하였을 때, 기관 출력을 저하시키는 출력 저하 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 자연 흡기식 내연 기관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤과 연결된 크랭크 축에는, 교류 발전기 및 원심 웨이트를 구비한 발진 클러치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 자연 흡기식 내연 기관.
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