WO2010119712A1 - 膨張比が圧縮比より大きい直噴４サイクルエンジン - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • An object of the present invention is to increase the efficiency of the direct-injection four-cycle engine by making the expansion ratio longer than the compression ratio, thereby making the explosion stroke longer than the compression stroke.
  • this approach requires providing a number of valves on the cylinder head. That is, in addition to the intake / exhaust valves dedicated to the air-fuel mixture, the valve opens at the top dead center during the intake stroke and closes at the bottom dead center, and opens at the bottom dead center during the compression stroke and closes at the top of the top dead center. When the valve is in the compression stroke, the valve opens at the bottom dead center and closes before the top dead center. Since an air-only intake valve that closes at the dead point is provided, the configuration of the cylinder head is complicated, and it is difficult to maintain a predetermined accuracy. Further, a bigger problem is that it is necessary to control the opening and closing of each valve in conjunction with the movement of the piston, but it is difficult to realize the timing. Therefore, it is extremely difficult to achieve the expected operation and performance.
  • Patent Document 2 In order to solve such a problem, the inventor of the present invention disclosed in Patent Document 2 as a technique for making the stroke of the explosion stroke relatively larger than the stroke of the compression stroke (without requiring other control means). )) In order to be able to control the regulated exhaust valve directly on the piston itself, at the position between the top dead center and the bottom dead center of the piston, an exhaust port is opened in the side wall of the cylinder, and outside it leads to the outside air A controlled exhaust valve is provided, and after the intake stroke, the exhaust port and the controlled exhaust valve are open to communicate with the outside air until the piston rises from bottom dead center and passes through the exhaust port.
  • a direct-injection four-cycle engine characterized by a structure in which the control exhaust valve is closed in the stroke, the exhaust stroke, and the intake stroke has been proposed.
  • the technical problem of the present invention is solved by the following means.
  • the first aspect of the present invention is a direct-injection four-cycle engine characterized in that a valve for performing an exhaust operation is provided on the cylinder head, and that the valve is driven to open and close by the operation of an adjusting exhaust cam provided on the camshaft in the process of compression It is.
  • an exhaust valve is provided in the cylinder head, and the exhaust valve is driven to open and close by the operation of the adjusted exhaust cam provided on the camshaft at the timing of the adjusted exhaust operation set in the compression stroke process.
  • the existing exhaust valve on the head can be opened and closed by adjusting exhaust cams added to the existing camshaft, or the added dedicated exhaust valve can be opened and closed by dedicated adjusting exhaust cams on the dedicated camshaft. It may be driven.
  • an exhaust valve dedicated to the regulated exhaust valve is provided, and the regulated exhaust valve is driven to open and close by a regulated exhaust cam provided on the dedicated regulated exhaust camshaft.
  • a regulated exhaust cam provided on the dedicated regulated exhaust camshaft is used to open and close the control exhaust valve. It is only necessary to add to the shaft, and no complicated and sophisticated technology is required, so it can be realized easily and inexpensively.
  • a direct injection four-cycle engine wherein an exhaust valve is opened at the time of controlled exhaust by adding a controlled exhaust cam to the exhaust camshaft in addition to the exhaust cam. is there.
  • the conventional exhaust valve is used to open the exhaust valve at the timing of regulated exhaust, so it is only necessary to add a regulated exhaust cam to the exhaust cam shaft in addition to the exhaust cam. It is possible to realize a regulated exhaust valve by using both. Therefore, minimal modification is required, but the exhaust valve needs to be opened twice during four cycles.
  • a valve for performing an exhaust operation is provided in the cylinder head, and the exhaust valve is driven to open and close by the operation of the adjusted exhaust cam provided in the camshaft at the timing of the adjusted exhaust operation set in the compression stroke process Therefore, the existing exhaust valve of the cylinder head may be driven to open and close by an adjusted exhaust cam added to the existing camshaft, or an additional dedicated exhaust valve provided on the dedicated camshaft. It may be opened and closed by a cam.
  • a dedicated control exhaust valve is provided, and the control exhaust cam provided on the control exhaust camshaft is used to open and close the control exhaust valve. It is only necessary to add to the control exhaust camshaft, and no complicated and sophisticated technology is required, so it can be realized easily and inexpensively.
  • the conventional exhaust valve is used to open the exhaust valve at the timing of regulated exhaust, it is only necessary to add a regulated exhaust cam to the exhaust camshaft in addition to the exhaust cam.
  • a controlled exhaust valve can be realized by also using the exhaust valve. Therefore, minimal modification is required, but the exhaust valve needs to be opened twice during four cycles.
  • FIG. 2 is a plan view showing an arrangement of an intake valve, an exhaust valve, and a regulating exhaust valve in FIG. 1, (1) is an example in which three intake valves, an exhaust valve, and a regulating exhaust valve are arranged at equal intervals; This is an example in which two intake valves, two exhaust valves, and one regulating exhaust valve are arranged at equal intervals.
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows embodiment of the structure which uses an exhaust valve also as an adjustment exhaust valve.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the present invention, which is a type provided with a camshaft dedicated to a regulated exhaust valve.
  • Reference numeral 1 denotes a cylinder in which a piston 2 is built.
  • a cylinder head H is formed in the upper part of the cylinder, a control exhaust valve 5 is provided in addition to the intake valve 3 and the exhaust valve 4, and a fuel injector 6 and a spark plug 7 are further provided.
  • 8 is a connecting rod, 9 is a crank, and 10 is a crankshaft.
  • the intake valve 3, exhaust valve 4, and regulated exhaust valve 5 are respectively rotated by the rotation of the intake camshaft 3s having the intake cam 3c, the exhaust camshaft 4s having the exhaust cam 4c, and the regulated exhaust camshaft 5s having the adjusted exhaust cam 5c. It is opened and closed.
  • FIG. 2 is a plan view showing the arrangement of the intake valve 3, the exhaust valve 4 and the regulated exhaust valve 5 in FIG. 1.
  • FIG. 2 (1) shows that the intake valve 3, the exhaust valve 4 and the regulated exhaust valve 5 are three.
  • FIG. 2B shows that a total of five intake valves 3, two exhaust valves 4, and one regulating exhaust valve 5 are provided. That is, in FIG. 1, one intake valve 3, one exhaust valve 4, and one regulated exhaust valve 5 are arranged, whereas in FIG. 2, the inlet areas of the intake valve 3 and the exhaust valve 4 are shown. That is, it is set to twice the valve opening area of the control exhaust valve 5.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the opening / closing operation of each valve and the operation of the piston 2, which are operated in the order of (A), (B),..., In the order of intake stroke, controlled exhaust stroke, compression stroke, explosion stroke, exhaust stroke. .
  • the intake valve 3, exhaust valve 4 and regulating exhaust valve are all closed, as shown in (B).
  • the suction stroke is started.
  • the piston 2 reaches the bottom dead center as shown in (C) all the valves are closed and the suction stroke is completed. Then, the compression stroke starts next.
  • the adjustment exhaust valve 5 opens for a short time while the piston 2 ascends, and then closes as shown in (E). Therefore, a substantial compression process is performed.
  • the compression stroke is until the piston 2 reaches the top dead center as shown in (F). Therefore, the ascending stroke S1 in the closed state is the compression operation.
  • a regulated exhaust stroke is inserted in which the regulated exhaust valve 5 is opened only for a short time as shown in (D). That is, the regulated exhaust cam 5c is arranged so that the regulated exhaust valve 5 opens at the initial stage of the compression stroke.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the second embodiment, and has a structure in which an exhaust valve is also used as a regulated exhaust valve without adding a regulated exhaust valve as shown in FIG. Therefore, an adjusted exhaust cam 5c is provided on the outer peripheral surface of the exhaust cam shaft 45s in addition to the exhaust cam 4c.
  • the exhaust cam 4c is provided at a position where the exhaust / control exhaust valve 45 opens in the exhaust stroke
  • the control exhaust cam 5c is provided at a position where the exhaust / control exhaust valve 45 opens at the initial stage of the compression stroke. is there.
  • the exhaust / regulated exhaust valve 45 is opened twice during four cycles. There is a need.
  • FIG. 1 it is necessary to add a dedicated control exhaust valve to the cylinder head, but high-speed rotation becomes smooth.
  • the adjustment exhaust valve is opened in the compression stroke process so that the exhaust can be performed, so that the compression stroke is relatively shortened with respect to the explosion stroke, thereby making the expansion ratio larger than the compression ratio. is doing.
  • the energy generated by the explosion can be effectively used as an output, and the fuel efficiency can be improved.
  • the expansion ratio is made larger than the compression ratio simply by opening the regulating exhaust valve means at the initial stage of the compression stroke only by opening and closing the opening / closing valve by the cam operation by the camshaft.
  • the energy efficiency of the explosion / expansion stroke can be improved, and the fuel consumption can be improved.

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Abstract

【課題】シリンダー側壁に排気口を開けたり、特別な調節排気バルブを設ける構成以外の手法によって、構造や制御の大幅な改造無しに、圧縮行程より爆発行程を長くできる直噴４サイクルエンジンを実現する。 【解決手段】排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。

Description

膨張比が圧縮比より大きい直噴４サイクルエンジン
本発明は、直噴４サイクルエンジンにおいて、圧縮比よりも膨張比を大きくすることによって、圧縮行程より爆発行程を長くして、効率を高めることを目的とする。
従来のエンジンにおいては、爆発行程の時、爆発によって完全（十分）に膨張してしまう前に排気行程に移行してしまい、爆発によって発生したエネルギーを十分にピストンやクランク、シャフトへと伝えられないままに排出してしまうという問題があった。そこで、特開2003－201873号公報において開示されているように、圧縮行程の時、本当に圧縮する行程よりも、膨張の時、本当に膨張する行程の方を、ピストンのストロークで言うならば長くとる方法が提案されている。この手法によると、前記のような問題が解消され、「圧縮比＜膨張比」の比率の割合も高くとれ、膨張行程もスムーズに行われる。
しかしながら、この手法は、シリンダーヘッドに多数の弁を設ける必要がある。すなわち、混合気専用の吸気弁や排気弁のほかに、吸気行程の時、上死点で開き下死点で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点での手前で閉じる弁、圧縮行程の時、下死点で開き上死点の手前の間で閉じる弁を開け過ぎた時の対策として、爆発行程の時、膨張しすぎて回転の抵抗になる前に開き、下死点で閉じる、空気専用の吸気弁を設けるので、シリンダーヘッドの構成が複雑となり、所定の精度を維持することが困難である。また、さらに大きな問題は、ピストンの動きと連動させて前記の各弁の開閉を制御する必要があるが、そのタイミングの実現が困難である。したがって、期待通りの動作と性能を発揮させるのは極めて困難である。
このような問題を解消すべく、本発明の発明者は、特許文献２において、圧縮行程のストロークよりも爆発行程のストロークを相対的に大きくする手法として、（他の制御手段を必要とせずに、）ピストン自体で直接に調節排気バルブを制御可能とするために、ピストンの上死点と下死点との間の位置において、シリンダーの側壁に排気口を開け、その外側に、外気に通じる調節排気バルブを設けてあり、吸入行程の後、ピストンが下死点から上昇して前記排気口を通過するまでは、前記排気口と前記調節排気バルブが開いて外気と連通しており、爆発行程と排気行程と吸入行程では、前記調節排気バルブが閉じている構造を特徴とする直噴４サイクルエンジンを提案した。
特開2003－201873 特開２００５－２９１１９１
しかしながら、このようにシリンダー側壁に排気口を開けると共に調節排気バルブを設けると、構造が複雑で製造コストが高くなり、しかも調節排気バルブの開閉タイミングの同期をとるための制御機構が特別に必要となる。
　本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、特許文献２のようにシリンダー側壁に排気口を開けたり、特別な調節排気バルブを設ける構成以外の手法によって、構造や制御の大幅な改造無しに、圧縮行程より爆発行程を長くできる直噴４サイクルエンジンを実現することにある。
本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、シリンダーヘッドに排気動作をするバルブを設けて、圧縮行程の過程において、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で開閉駆動する構造にしたことを特徴とする直噴４サイクルエンジンである。
　このように、排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。
請求項２は、調節排気バルブ専用の排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の調節排気バルブを開閉駆動する構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジンである。
　このように専用の調節排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の専用の調節排気バルブを開閉駆動するため、専用の調節排気バルブと専用の調節排気カムシャフトに増設するだけで足り、特に複雑高度な技術を要しないので、容易にかつ安価に実現できる。
請求項３は、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設することによって、調節排気時に排気バルブを開く構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジンである。
　このように、従来の排気バルブを利用して、調節排気のタイミングで排気バルブを開く構造にしたので、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設するだけで足り、従来の排気バルブを兼用することによって調節排気バルブを実現できる。したがって、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気バルブを２度開く必要がある。
請求項１のように、排気動作をするバルブをシリンダーヘッドに設けて、圧縮行程の過程に設定した調節排気動作のタイミングで、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で排気バルブを開閉駆動するため、シリンダーヘッドに有する既存の排気バルブを既存のカムシャフトに増設した調節排気カムによって開閉駆動してもよいし、増設した専用の調節排気バルブを、専用のカムシャフトに設けた専用の調節排気カムによって開閉駆動してもよい。
請求項２のように、専用の調節排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の専用の調節排気バルブを開閉駆動するため、専用の調節排気バルブと専用の調節排気カムシャフトに増設するだけで足り、特に複雑高度な技術を要しないので、容易にかつ安価に実現できる。
請求項３のように、従来の排気バルブを利用して、調節排気のタイミングで排気バルブを開く構造にしたので、排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設するだけで足り、従来の排気バルブを兼用することによって調節排気バルブを実現できる。したがって、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気バルブを２度開く必要がある。
調節排気バルブ専用のカムシャフトを設ける実施形態の縦断面図である。 図１における吸入バルブと排気バルブと調節排気バルブの配置を示す平面図で、（１）は、吸入バルブと排気バルブと調節排気バルブの３個を等間隔に配設した例、（２）は、２個の吸入バルブと２個の排気バルブと１個の調節排気バルブを等間隔に配設した例である。 各バルブの開閉動作とピストンの動作を示す縦断面図で、（Ａ）（Ｂ）…の順に、吸入行程、調節排気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程の各行程の動作をする。 ピストンの各動作と各バルブの開閉動作を示す円グラフ（４行程分）である。 排気バルブを調節排気バルブと兼用する構造の実施形態を示す縦断面図である。
次に本発明による爆発行程が圧縮行程より長い直噴４サイクルエンジンが実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す縦断面図で、調節排気バルブ専用のカムシャフトを設けるタイプである。１はシリンダーであり、ピストン２が内蔵されている。シリンダーの上部にはシリンダーヘッドＨが形成されていて、吸入バルブ３と排気バルブ４のほかに調節排気バルブ５を設けてあり、さらに燃料噴射器６と点火プラグ７が設けてある。８はコネクティングロッド、９はクランク、１０はクランクシャフトである。
　吸入バルブ３、排気バルブ４、調節排気バルブ５は、吸入カム３ｃを有する吸入カムシャフト３ｓ、排気カム４ｃを有する排気カムシャフト４ｓ、調節排気カム５ｃを有する調節排気カムシャフト５ｓの回転によってでそれぞれ開閉駆動される。
図２は、図１における吸入バルブ３、排気バルブ４及び調節排気バルブ５の配置を示す平面図で、図２（１）は、吸入バルブ３と排気バルブ４と調節排気バルブ５の３個が配設されているのに対し、図２（２）は、２個の吸入バルブ３と２個の排気バルブ４と１個の調節排気バルブ５の計５個が配設されている。
　すなわち、（１）図は吸入バルブ３と排気バルブ４と調節排気バルブ５を１個ずつ配設してあるのに対し、（２）図では、吸入バルブ３と排気バルブ４の弁口面積を調節排気バルブ５の弁口面積の２倍に設定したことになる。
図３は、各バルブの開閉動作とピストン２の動作を示す縦断面図で、（Ａ）（Ｂ）…の順に、吸入行程、調節排気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程の順に動作する。
　いま、（Ａ）図のようにピストン２が上死点に位置している場合は、吸入バルブ３も排気バルブ４も調節排気バルブも全部閉じた状態であるのに対し、（Ｂ）のようにピストン２が下降すると共に吸入バルブ３が開くと、吸入行程となり、次いで（Ｃ）のようにピストン２が下死点に達すると、すべてのバルブが閉じて、吸入行程が完了する。
　そして次に圧縮行程が始まることになるが、本発明では、（Ｄ）のように、ピストン２が上昇する過程で調節排気バルブ５が短時間開き、次いで（Ｅ）のように閉弁してから、実質的な圧縮行程となる。（Ｆ）のようにピストン２が上死点に達するまでが圧縮行程である。従って、閉弁状態の上昇ストロークＳ１が圧縮動作となる。
こうしてシリンダー内が圧縮完了した時点で点火され、（Ｇ）のようにすべてのバルブが閉じた状態で爆発行程となって、ピストン２が押し下げられる。従って、（Ｈ）のように下死点に達するまでのストロークＳ２が爆発行程で、次いで排気行程に移り、（Ｉ）のようにピストン２が上昇すると共に排気バルブ４が開いて排気され、（Ｊ）のように上死点に達して、一連の行程が完了する。
　以上の動作は、図４のような円グラフでピストン動作と各バルブの開閉動作を表現すると理解し易い。いま、ピストン２が図３の上死点（Ａ）から右回りの吸入行程に移行してＣ）のように下死点に達し、次いでピストン２が上昇して圧縮行程となる。本発明では、この圧縮行程において、（Ｄ）のように短時間だけ調節排気バルブ５が開らく調節排気行程が挿入される。すなわち、圧縮行程の初期において調節排気バルブ５が開くように調節排気カム５ｃを配置してある。
　（Ｅ）の圧縮動作を経てピストン２が（Ｆ）のように上死点に達すると、圧縮行程が完了する。次いで（Ｇ）の爆発動作、そして（Ｉ）の排気動作へと移行する。
図５は、第２実施形態を示す縦断面図で、図１のように調節排気バルブを増設することなしに、排気バルブを調節排気バルブと兼用する構造になっている。そのため、排気カムシャフト４５ｓの外周面に、排気カム４ｃのほかに調節排気カム５ｃを設けてある。
　そして、排気カム４ｃは、排気行程で排気・調節排気バルブ４５が開くような位置に設けてあり、調節排気カム５ｃは圧縮行程の初期に排気・調節排気バルブ４５が開くような位置に設けてある。
　このように、従来の排気バルブと調節排気バルブを兼用すると、調節排気カム５ｃを追加するだけで足り、最小限の改造で足りるが、４サイクルの間に排気・調節排気バルブ４５を２度開く必要がある。
　これに対し、図１の場合は専用の調節排気バルブをシリンダーヘッドに増設する必要はあるが、高速回転がスムーズになる。
このように、本発明によると、圧縮行程の過程において調節排気バルブが開いて排気可能とすることで、爆発行程に対し圧縮行程を相対的に短縮することによって、圧縮比よりも膨張比を大きくしている。その結果、ミラーサイクルと同様に爆発によって発生したエネルギーを十分に出力として有効利用できると共に燃費の向上の実現される。
　しかも、シリンダー側面は全く改造する必要が無く、シリンダーヘッドに調節排気バルブを増設したり、調節排気カムシャフトに調節排気カムを設けることは従来技術の応用によって実現できるので、エンジン全体として構造を複雑化することもなく、安価に実現できる。
以上のように、本発明によると、カムシャフトによるカム動作によって開閉弁を開閉駆動するたけで、圧縮行程の初期において調節排気バルブ手段を開弁させるだけで、圧縮比よりも膨張比を大きくすることによって、爆発膨張行程のエネルギー効率の向上を実現でき、燃費の向上が可能となる。
１シリンダー
２ピストン
Ｈシリンダーヘッド
３吸入バルブ
４排気バルブ
５調節排気バルブ
６燃料噴射器（インジェクター）
７点火プラグ

Claims (3)

  1. シリンダーヘッドに排気動作をするバルブを設けて、圧縮行程の過程において、カムシャフトに設けた調節排気カムの動作で開閉駆動する構造にしたことを特徴とする直噴４サイクルエンジン。
  2. 調節排気バルブ専用の排気バルブを設けて、専用の調節排気カムシャフトに設けた調節排気カムによって、前記の調節排気バルブを開閉駆動する構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジン。
  3. 排気カムシャフトに排気カムのほかに調節排気カムを増設することによって、調節排気時に排気バルブを開く構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の直噴４サイクルエンジン。
    　
    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 
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