WO2013098905A1

WO2013098905A1 - 火花点火式４サイクルエンジン

Info

Publication number: WO2013098905A1
Application number: PCT/JP2011/079953
Authority: WO
Inventors: 康仁矢尾板
Original assignee: Yaoita Yasuhito
Priority date: 2011-12-25
Filing date: 2011-12-25
Publication date: 2013-07-04

Abstract

　課題：主シリンダーの外側に副シリンダーを設けるガソリンエンジンで排気ガスの浄化と掃気の両立を可能にする。　解決手段：主シリンダー（１）の外側の燃焼室（３）に、第一排気茸弁（９）が設置される。バルブ・カバー（７）は、排気茸弁（９）の底面を覆う。第三吸気茸弁（１０）は排気茸弁（９）と第二吸気茸弁（１１）の間に設置される。排気工程の上死点時に排気茸弁（９）と第二吸気茸弁（１１）が共に少し開いている。排気工程の上死点時に第三吸気茸弁（１０）が閉じている。第二吸気茸弁（１１）が開く時、閉じている第三吸気茸弁（１０）の底面に接して吸気が流入し、燃焼室内の既燃焼ガスを排気茸弁（９）に向けて移動させる。この時に排気茸弁（９）は閉じていない。従って、掃気ができる。しかし、前記第一排気茸弁から吸気が流失しない様に、第一排気茸弁（９）と第二吸気茸弁（１１）がオーバーラップする期間が設定される。すると、三元触媒の機能と掃気が両立する。

Description

火花点火式４サイクルエンジン

　本発明は、主シリンダーの外側に拡張された燃焼室を持つ火花点火式４サイクルエンジンの掃気に関する。

本出願の図４は、特許文献１の図３です。この図の燃焼室は主シリンダーの外側に拡張している。拡張した燃焼室に、茸弁と副シリンダーとバルブカバーが設置される。ピストンの上面に面した燃焼室の壁面に設置される複数の茸弁は、吸気茸弁だけに限定される。複数の吸気茸弁は、番号３３で示される。
特許文献１には、弁のオーバーラップに関する記載は無い。
本出願の図５は、特許文献２の図４です。この図では、主シリンダーの外側に設置された茸弁は、排気弁です。この図の番号９で示される排気茸弁と番号１１で示される吸気茸弁の間に設置された茸弁は、排気茸弁であり、番号１０で示される。
特許文献２には、三元触媒による排気ガスの浄化と掃気効果の両立に関する記載がある。

バルブカバーを持たない４サイクルエンジンは、吸気茸弁に隣接して排気茸弁が位置していた。この為、吸気茸弁が開いた後に排気茸弁の閉弁時期を設定すると、排気管に吸気が流失する。
三元触媒を正常に機能させる為には、排気管に酸素を流失させてはならない。この為、三元触媒を持つ火花点火式の４サイクルエンジンは、排気茸弁の閉弁時期とほぼ同じ時期に吸気茸弁の開弁時期が設定される。
この結果、三元触媒を持つ４サイクルエンジンは、排気上死点時に、効果的に掃気ができなかった。すると、主燃焼室内に既燃焼ガスが残り、掃気と三元触媒による排気ガスの浄化とを両立できなかった。
火花点火式の４サイクルエンジンは、吸気だけでなくシリンダー内に残る既燃焼ガスにも燃料を供給しないと、理論空燃比の混合気が形成できない。この結果、三元触媒を持つ上記のエンジンでは、シリンダー内に残る既燃焼ガスの量が多い程、燃費が悪化していた。
特願２００９－２４１９２３(特許第４５５８０９０号) 特願２０１１－１０３９１４(特許第４８４８４７４号)

目的は、主シリンダーの外側に副シリンダーを設ける４サイクル式ガソリンエンジンにおいて三元触媒による排気ガスの浄化と掃気の両立を可能にする事です。

本発明は、二つの態様を持つ。
第一態様の構成を説明する。
本発明の火花点火式４サイクルエンジンは、シリンダーヘッド、シリンダーブロック、主シリンダー、ピストン、燃焼室、点火プラグ、副シリンダー、バルブカバー、第一排気茸弁、第二吸気茸弁、第三吸気茸弁を持つ。　　
前記燃焼室は、前記主シリンダーの外側に拡張される。前記副シリンダーは、前記主シリンダーの外側に設置される。
前記燃焼室は、前記ピストンの上面に面した第一壁面部分と前記主シリンダーの外側に拡張された第二壁面部分の二つの壁面部分を持つ。
前記第一壁面部分に、前記第二吸気茸弁と前記第三吸気茸弁が設置される。前記第一壁面部分に設置される茸弁は吸気茸弁に限定される。
前記第二壁面部分に、前記第一排気茸弁が設置される。
前記バルブカバーは前記副シリンダー内を往復運動する。前記バルブカバーの上面は、前記第一排気茸弁の傘部の底面を覆う。前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に、前記バルブカバーの為のピストンリングが設置される。
前記第一排気茸弁と前記第二吸気茸弁との間に、前記第三吸気茸弁が設置される。
前記第一排気茸弁は排気行程の上死点時後に閉弁し、前記第二吸気茸弁は排気行程の上死点時前に開弁する。そして、前記第一排気茸弁の開弁期間の終期と前記第二吸気茸弁の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップする。
排気行程の上死点時に、前記第三吸気茸弁は閉弁中です。
前記第一排気茸弁の開弁期間と前記第二吸気茸弁の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が前記第一排気茸弁を通る事によって発生する吸気流失を防止する。
前記エンジンは三元触媒を持つ。

第二態様では、第一態様との相違点だけを説明する。
前記第一壁面部分に、第四吸気茸弁と第五排気茸弁が設置される。
前記第二壁面部分に、第六吸気茸弁が設置される。
　前記バルブカバーの上面は、前記第六吸気茸弁の傘部の底面を覆う。
　前記第六吸気茸弁と前記第五排気茸弁との間に、前記第四吸気茸弁が設置される。
前記第五排気茸弁は排気行程の上死点時後に閉弁し、前記第六吸気茸弁は排気行程の上死点時前に開弁する。すると、前記第五排気茸弁の開弁期間の終期と前記第六吸気茸弁の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップする。
排気行程の上死点時に、前記第四吸気茸弁は閉弁中です。
前記第五排気茸弁の開弁期間と前記第六吸気茸弁の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が前記第五排気茸弁を通る事によって発生する吸気流失を防止する。

第一態様のエンジンの作用と利点が、以下に説明される。
第一態様では、排気行程の上死点時付近で燃焼室内に流入する吸気は、前記第二吸気茸弁から前記第一排気茸弁に向かって流れる。
高速回転時は、流入する吸気の慣性が増す。前記第二吸気茸弁が開くと、吸気が前記第三吸気茸弁の底面に接して流入する。そして、流入した吸気が前記第三吸気茸弁の底面に接して位置する既燃焼ガスを前記第一排気茸弁に向けて移動させる。この時、前記第三吸気茸弁は閉じていて、前記第一排気茸弁は閉じていない。従って、前記第一排気茸弁から既燃焼ガスが流失する。しかし、前記第一排気茸弁から吸気が流失しない様に、前記第一排気茸弁の開弁期間と前記第二吸気茸弁の開弁期間がオーバーラップする期間が設定される。
すなわち、前記第一排気茸弁から吸気を流失させずに、既燃焼ガスの掃気ができる。すると、吸入行程時にシリンダー内に残る既燃焼ガスの量が減少し、これにより、燃料の供給量が減少し、燃費が向上する。
また、排気管に酸素が流失しない。従って、三元触媒が正常に機能する。
従って、前記の目的は達成される。

第二態様の作用は、第一態様の作用と少し異なる。
前記第二態様では、排気行程の上死点時付近で燃焼室内に流入する吸気は、前記第六吸気茸弁から前記第五排気茸弁に向かって流れる。
前記第六吸気茸弁から前記第五排気茸弁に向かって吸気が流れる時に、前記第四吸気茸弁は閉じていて、前記第五排気茸弁は閉じていない。従って、前記第五排気茸弁から既燃焼ガスが流失する。また、前記第五排気茸弁から吸気が流失しない様に、前記第六吸気茸弁の開弁時期と前記第五排気茸弁の開弁時期がオーバーラップする期間が設定される。
すなわち、前記第五排気茸弁から吸気を流失させずに、既燃焼ガスの掃気が
できる。従って、前記第二態様の効果は第一態様の効果と同一です。

本発明の二つの態様と前記二つの特許文献は、以下の点で異なる。
特許文献１には、三元触媒による排気ガスの浄化と掃気の両立に関する記載がない。
特許文献１の図３は、圧縮上死点時を示し、排気行程の上死点時を示していない。吸気弁と排気弁がオーバーラップする時期は、排気行程の上死点時です。
５図に示す様に、特許文献２の中の構成であって掃気と三元触媒による排気ガスの浄化とを両立させる構成では、番号９で示される第二排気茸弁と番号１１で示される吸気茸弁の開弁期間の一部がオーバーラップし、これらのオーバーラップする弁の間に位置する弁が番号１０で示される第一排気茸弁であり、本発明の構成と異なる。
特許文献２では、ピストンの上面に面した燃焼室の壁面に設置される複数の茸弁が吸気茸弁だけに限定される構成を示していない。
本願の出願時に、特許文献２の内容は公表されていない。この為、特許文献１の図３に示された構成と特許文献２の中の構成で掃気と三元触媒に関する構成との組み合わせは自明でない。すなわち、第一態様は自明でない。同様な理由で、特許文献２が第二態様に関する自明性の根拠にならない。

　第一実施形態を説明する。
　第一実施形態は、第一態様に相当する。
１図に示す火花点火ピストン式４サイクルエンジンは、シリンダーヘッド５、シリンダーブロック６、主シリンダー１、ピストン２、燃焼室３、点火プラグ８、副シリンダー４、バルブカバー７、第一排気茸弁９、第三吸気茸弁１０と第二吸気茸弁１１を持つ。
ピストン２は、ピストンリング１７の為の溝を持ち、主シリンダー１内を往復運動する。燃焼室３は、シリンダーヘッド５とピストン２の間に形成される。燃焼室３は、主シリンダー１の外側に拡張される。
燃焼室３は、第一壁面部分と第二壁面部分の二つの壁面部分を持つ。前記第一壁面部分は、ピストン２の上面に面している。前記第二壁面部分は、主シリンダー１の外側に拡張された壁面部分です。
前記第一壁面部分に、第二吸気茸弁１１と第三吸気茸弁１０が設置される。更に、前記第一壁面部分に設置される茸弁は吸気茸弁に限定される。
前記第二壁面部分に、第一排気茸弁９が設置される。第一排気茸弁９は、二つの空間の連通と隔離を切り替える。上記の二つの空間は、排気マニホールド１５と後記の連絡する通路１６です。連絡する通路１６は、第二壁面部分に含まれる。

バルブカバー７は、筒状の周面を持つ。バルブカバー７は、副シリンダー４内を往復運動する。バルブ・カバー７の上面と第一排気茸弁９の傘部の底面を密着させる為に、バルブカバー７の裏面に接して、スプリング１４が設置される。バルブ・カバー７と第一排気茸弁９は、第一排気茸弁９を駆動するカム１２によって一体的に駆動される。
バルブカバー７の上面は、第一排気茸弁９の傘部の底面を覆う。バルブカバー７の筒状周面と副シリンダー４の間にピストンリング１３が設置される。ピストンリング１３の為のリング溝は、バルブカバー７の筒状周面にも設置できるし、副シリンダー４の内壁にも設置できる。
バルブ・カバー７の筒状の周面は、主シリンダー１の中心軸から近い半周面と主シリンダー１の中心軸から遠い半周面を持つ。主シリンダー１の中心軸から近い前記の半周面と主シリンダー１内の空間とを連絡する通路１６が形成される。
以上の記載は、特許文献１の第一実施形態に記載されている内容とほとんど同一です。
複数の吸気茸弁１０と１１に関しては、特許文献１の段落番号００１１の第三の例に記載されている。
バルブカバー７の筒状周面と副シリンダー４の間に設置されるピストンリング１３は、バルブカバー７の為のピストンリングであり、オイルリングと燃焼室３内の燃焼ガスをシールする為の圧縮リングとを含む。ピストンリング１３は、ピストン２の筒状周面に設置されるピストンリング１７と同じく、燃焼室３内の燃焼ガスをシールする。
なお、本発明１図と２図では、バルブカバー７と点火プラグ８と第一排気茸弁９と第三吸気茸弁１０と第二吸気茸弁１１とカム１２とスプリング１４のハッチングを省略している。

これ以下が、第一実施形態に独自な構成です。
　独自な第一の構成要素は、第一排気茸弁９と第二吸気茸弁１１と第三吸気茸弁１０の位置関係です。すなわち、第一排気茸弁９と第二吸気茸弁１１との間に、第三吸気茸弁１０が設置される。
独自な第二の構成要素は、第一吸気茸弁１０と第二吸気茸弁１１と第一排気茸弁９の開閉時期に関する設定です。
第一排気茸弁９は排気行程の上死点時後に閉弁し、第二吸気茸弁１１は排気行程の上死点時前に開弁する。すると、第一排気茸弁９の開弁期間の終期と第二吸気茸弁１１の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップする。排気行程の上死点時を示す１図では、第一排気茸弁９と第二吸気茸弁１１は共に少し開いている。
第三吸気茸弁１０が開弁する時期が第一排気茸弁９の閉弁時期よりも早い程、第三吸気茸弁１０から流入する吸気が第一排気茸弁９を通って流失する危険性が高まる。流入する吸気が第一排気茸弁９を通って流失すると、三元触媒が機能しない。三元触媒を機能させる為に、以下の様に第三吸気茸弁１０が設定される。排気行程の上死点時に、第三吸気茸弁１０は開弁直前であり、第三吸気茸弁１０は閉弁中です。
第二吸気茸弁１１の開弁後に、第三吸気茸弁１０が開弁する。そして、第一排気茸弁９の閉弁時期直前から第一排気茸弁９の閉弁時期までの時期に、第三吸気茸弁１０が開弁しても良いし、第一排気茸弁９の閉弁時期以降に第三吸気茸弁１０が開弁しても良い。第一排気茸弁９の閉弁時期直前に第三吸気茸弁１０が開弁する場合でも、第三吸気茸弁１０から流入する吸気が第一排気茸弁９を通って流失しなければ良い。
排気行程の上死点時を示す１図では、第三吸気茸弁１０は閉じている。そして、２図に示す様に、第一排気茸弁９の閉弁時期とほぼ同じ時期に第三吸気茸弁１０が開く。２図に示す第一排気茸弁９は、閉じている。２図に示す第三吸気茸弁１０は、少しだけ開いている。２図に示す第二吸気茸弁１１は、１図に示す第二吸気茸弁１１よりも大きく開いている。２図に示すピストン２は、１図に示すピストン２よりも下に位置している。
第一排気茸弁９の開弁期間と第二吸気茸弁１１の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が第一排気茸弁９を通る事によって発生する吸気流失を防止する。オーバーラップする期間の長さを負荷と回転速度の変動に応じて調節する為には、オーバーラップする二つの茸弁の開閉時期の可変装置が必要になる。
本実施形態のエンジンは三元触媒を持つ。
前記第一の構成要素と前記第二の構成要素によって、前記目的が達成される。

　第二実施形態では、３図を使って第一実施形態との相違点を説明する。
　第二実施形態は、第二態様に相当する。
バルブ・カバー７と第六吸気茸弁２０は、第六吸気茸弁２０を駆動するカム１２によって一体的に駆動される。
バルブカバー７の上面は、第六吸気茸弁２０の傘部の底面を覆う。
ピストン２の上面に面した前記第一壁面部分に、第四吸気茸弁１８と第五排気茸弁１９が設置される。
主シリンダー１の外側に拡張された前記第二壁面部分に、第六吸気茸弁２０が設置される。
　第六吸気茸弁２０と第五排気茸弁１９との間に、第四吸気茸弁１８が設置される。
第五排気茸弁１９は排気行程の上死点時後に閉弁し、第六吸気茸弁２０は排気行程の上死点時前に開弁する。すると、第五排気茸弁１９の開弁期間の終期と第六吸気茸弁２０の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップする。排気行程の上死点時を示す３図では、第五排気茸弁１９と第六吸気茸弁２０は共に少し開いている。
排気行程の上死点時に、第四吸気茸弁１８は開弁直前であり、第四吸気茸弁１８は閉弁中です。
そして、第五排気茸弁１９の閉弁時期とほぼ同じ時期に第四吸気茸弁１８が開く。第五排気茸弁１９の閉弁時期直前から第五排気茸弁１９の閉弁時期までの時期に、第四吸気茸弁１８が開弁しても良いし、第五排気茸弁１９の閉弁時期以降に第四吸気茸弁１８が開弁しても良い。
第五排気茸弁１９の開弁期間と第六吸気茸弁２０の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が第五排気茸弁１９を通る事によって発生する吸気流失を防止する。

排気行程の上死点時の第一実施形態の図。第一排気茸弁の閉弁時直後の第一実施形態の図。排気行程の上死点時の第二実施形態の図。特許文献１の図３。特許文献２の図４。

１・・・主シリンダー
２・・・ピストン
３・・・燃焼室
４・・・副シリンダー
５・・・シリンダーヘッド
６・・・シリンダーブロック
７・・・バルブカバー
８・・・点火プラグ
９・・・第一排気茸弁
１０・・・第三吸気茸弁
１１・・・第二吸気茸弁
１２・・・カム
１３・・・バルブカバーの為のピストンリング
１４・・・スプリング
１５・・・排気マニホールド
１６・・・バルブカバーの筒状周面の半周面であって主シリンダーの中心軸から近い半周面と主シリンダー内の空間とを連絡する通路
１７・・・ピストンリング
１８・・・第四吸気茸弁
１９・・・第五排気茸弁
２０・・・第六吸気茸弁

Claims

シリンダーヘッドとシリンダーブロックと主シリンダーとピストンと燃焼室と点火プラグと副シリンダーとバルブカバーと第一排気茸弁と第二吸気茸弁と第三吸気茸弁とを持ち、前記燃焼室は前記主シリンダーの外側に拡張され、前記副シリンダーは前記主シリンダーの外側に設置され、前記燃焼室は前記ピストンの上面に面した第一壁面部分と前記主シリンダーの外側に拡張された第二壁面部分の二つの壁面部分を持ち、前記第一壁面部分に前記第二吸気茸弁と前記第三吸気茸弁が設置され、前記第一壁面部分に設置される茸弁は吸気茸弁に限定され、前記第二壁面部分に前記第一排気茸弁が設置され、前記バルブカバーは前記副シリンダー内を往復運動し、前記バルブカバーの上面は前記第一排気茸弁の傘部の底面を覆い、前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に前記バルブカバーの為のピストンリングが設置されるエンジンにおいて、
前記第一排気茸弁と前記第二吸気茸弁との間に前記第三吸気茸弁が設置され、
前記第一排気茸弁は排気行程の上死点時後に閉弁し、
前記第二吸気茸弁は排気行程の上死点時前に開弁し、
前記第一排気茸弁の開弁期間の終期と前記第二吸気茸弁の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップし、
排気行程の上死点時に前記第三吸気茸弁は閉弁中であり、
前記エンジンは三元触媒を持つ事を特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
シリンダーヘッドとシリンダーブロックと主シリンダーとピストンと燃焼室と点火プラグと副シリンダーとバルブカバーと第四吸気茸弁と第五排気茸弁と第六吸気茸弁を持ち、前記燃焼室は前記主シリンダーの外側に拡張され、前記副シリンダーは前記主シリンダーの外側に設置され、前記燃焼室は前記ピストンの上面に面した第一壁面部分と前記主シリンダーの外側に拡張された第二壁面部分の二つの壁面部分を持ち、前記第二壁面部分に前記第六吸気茸弁が設置され、前記第一壁面部分に第四吸気茸弁と第五排気茸弁が設置され、前記バルブカバーは前記副シリンダー内を往復運動し、前記バルブカバーの上面は前記第六吸気茸弁の傘部の底面を覆い、前記バルブカバーと前記副シリンダーの間に前記バルブカバーの為のピストンリングが設置されるエンジンにおいて、
前記第六吸気茸弁と前記第五排気茸弁との間に前記第四吸気茸弁が設置され、
前記第五排気茸弁は排気行程の上死点時後に閉弁し、
前記第六吸気茸弁は排気行程の上死点時前に開弁し、
前記第五排気茸弁の開弁期間の終期と前記第六吸気茸弁の開弁期間の初期が排気行程の上死点時付近でオーバーラップし、
排気行程の上死点時に前記第四吸気茸弁は閉弁中であり、
前記エンジンは三元触媒を持つ事を特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
前記第一排気茸弁の開弁期間と前記第二吸気茸弁の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が前記第一排気茸弁を通る事によって発生する吸気流失を防止する事を特徴とする前記請求項１に記載した火花点火式４サイクルエンジン。
前記第五排気茸弁の開弁期間と前記第六吸気茸弁の開弁期間がオーバーラップする期間の長さの調節によって、排気行程の上死点時付近で吸気が前記第五排気茸弁を通る事によって発生する吸気流失を防止する事を特徴とする前記請求項２に記載した火花点火式４サイクルエンジン。