WO2018047446A1

WO2018047446A1 - エンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法

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Publication number: WO2018047446A1
Application number: PCT/JP2017/023875
Authority: WO
Inventors: 篤多田
Original assignee: ヤマハ発動機株式会社
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2018-03-15
Also published as: JP2018040308A

Abstract

第１の吸気ポート（７ａ）および第２の吸気ポート（７ｂ）と、第１および第２の吸気弁（９ａ，９ｂ）と、第１の吸気弁（９ａ）を駆動する第１の吸気カム（２１）と、第１の吸気カム（２１）より大きい作用角を有し第２の吸気弁（９ｂ）が吸気行程の初期に開き、圧縮行程の途中で閉じるように第２の吸気弁（９ｂ）を駆動する第２の吸気カム（２２）とを備える。第２の吸気ポート（７ｂ）に設けられて低回転低負荷時に閉じ、それ以外の運転域において開く開閉弁（１４）を備える。第２の吸気弁（９ｂ）と開閉弁（１４）とは、開閉弁（１４）が閉じている状態において、圧縮行程の途中で第２の吸気弁（９ｂ）が閉じることにより、第２の吸気ポート（７ｂ）内の第２の吸気弁（９ｂ）と開閉弁（１４）との間に圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室を形成する。　エンジンの小型化を図るとともに製造コストを可及的少なく抑えながら、吸気ポート内に貯留された圧縮状態のガスを吸気行程の初期に燃焼室内に供給できる。

Description

エンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法

　本発明は、吸気行程の初期に圧縮空気が燃焼室内に供給されるエンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法に関する。

　従来のこの種のエンジンの吸気装置は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に開示された吸気装置は、一つの気筒に第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁とを備えている。

　第１の吸気弁は、第２の吸気弁より早く開き、圧縮行程の途中で第２の吸気弁より遅く閉じる。
　第１の吸気ポートの中間部には、第１の吸気ポートを開閉する開閉弁が設けられている。この開閉弁は、エンジンの回転速度域が予め定めた回転速度より低い低速領域にあるときに閉じ、それ以外の速度域では開く。

　第１の吸気ポートにおける開閉弁と第１の吸気弁との間には、過給用の空気通路を介してエアポンプが接続されている。この空気通路の途中にはタイミング制御弁が設けられている。タイミング制御弁は、カムシャフトの１／２の回転速度で回転する弁体を有し、第１の吸気弁と連動するように動作する。このタイミング制御弁は、圧縮行程で第１の吸気弁が開いているときに開き、第１の吸気弁が閉じるときに閉じる。

　このため、この特許文献１に示すエンジンにおいては、回転速度域が低速領域にあるときに圧縮行程の途中で第１の吸気弁が開いているときに、エアポンプから過給用の空気通路を通って第１の吸気ポートに圧縮空気が供給される。第１の吸気弁が閉じると、この第１の吸気弁と制御弁との間に圧縮空気が貯留された状態になる。この圧縮空気は、排気行程から吸気行程に移る過程で第１の吸気弁が開くことによって、燃焼室内に供給される。
　このように吸気行程の初期に圧縮空気が燃焼室内に供給されることにより、燃焼室内の排ガスが吸気系を逆流して内部ＥＧＲ量が増えることを防ぐことができるから、低回転低負荷時の燃焼安定性が高くなる。また、吸気行程の初期に燃焼室内に空気が導入されるから、ポンピングロスを低減することが可能になる。

特開平５－６７７６９号公報

　特許文献１に記載されたエンジンの吸気装置では、吸気ポートに貯留された圧縮空気を燃焼室に供給するにあたって、タイミング制御弁とエアポンプとが必要であるから、構造が複雑で、エンジンが大型化するとともに製造コストが高くなるという問題があった。

　本発明の目的は、エンジンの小型化を図るとともに製造コストを可及的少なく抑えながら、吸気ポート内に貯留された圧縮状態のガスが吸気行程の初期に燃焼室内に供給されて低回転時の燃焼安定性と燃費とが向上するエンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法を提供することである。

　この目的を達成するために、本発明に係るエンジンの吸気装置は、燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、前記第１の吸気カムより大きい作用角を有し、前記第２の吸気弁が吸気行程の初期に開き、圧縮行程の途中で閉じるように前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、前記第２の吸気ポートに設けられ、エンジンの回転速度が予め定めた回転速度より低くかつエンジンの負荷が予め定めた負荷より小さい低回転低負荷時に閉じ、それ以外の運転域において開く開閉弁とを備え、前記第２の吸気弁と前記開閉弁とは、前記開閉弁が閉じている状態において、圧縮行程の途中で前記第２の吸気弁が閉じることにより、前記第２の吸気ポート内の前記第２の吸気弁と前記開閉弁との間に圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室を形成する。

　また、本発明に係るエンジンの吸気装置は、燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、前記第１の吸気カムより大きい作用角を有し、前記第２の吸気弁が吸気行程の初期に開き、圧縮行程の途中で閉じるように前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、前記第２の吸気ポートを燃焼室側と吸気ポート上流側とに仕切り、前記燃焼室側の圧力が前記吸気ポート上流側の圧力より低い場合に開くリード弁とを備え、前記第２の吸気弁と前記リード弁とは、圧縮行程の途中で前記第２の吸気弁が閉じることにより、前記第２の吸気ポート内の前記第２の吸気弁と前記リード弁との間に圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室を形成する。

　本発明に係るエンジンの運転方法は、燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、前記第１の吸気カムより作用角が大きく形成され、前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、前記第２の吸気ポートに設けられ、前記第２の吸気弁より上流側で開閉する蓄圧用の弁とを備えたエンジンの運転方法であって、前記蓄圧用の弁を閉じ、圧縮行程において、前記第１の吸気弁が閉じ、かつ前記第２の吸気弁が開いた状態とすることによって、前記第２の吸気弁と前記蓄圧用の弁との間の蓄圧室を前記燃焼室に連通させる蓄圧室連通ステップと、前記圧縮行程でピストンの上昇に伴って前記蓄圧室内の圧力が上昇する昇圧ステップと、前記圧縮行程で前記第２の吸気弁を閉じることにより前記第２の吸気弁と前記開閉弁との間に圧縮状態のガスで満たされた前記蓄圧室を形成する蓄圧室形成ステップと、前記圧縮行程に燃焼行程と排気行程とを経て続く吸気行程の初期に前記第２の吸気弁が開くことにより前記蓄圧室内のガスを燃焼室に導入する放出ステップとを有する。

　本発明においては、低回転低負荷時に開閉弁を閉じ、圧縮行程において、第１の吸気弁が閉じるともに第２の吸気弁が開いている状態で、蓄圧室内のガスが燃焼室内のガスとともにピストンによって圧縮される。そして、第２の吸気弁が閉じることによって、蓄圧室内に圧縮状態のガスが貯留される。このため、蓄圧室内に圧縮空気を供給するエアポンプや、このエアポンプと蓄圧室との間の過給用空気通路をピストンの位置に対応させて開閉する制御弁などを使用することなく、蓄圧室内に圧縮状態のガスを溜めることができる。この圧縮状態のガスは、吸気行程の初期に第１の吸気弁が開くより先に第２の吸気弁が開くことによって、燃焼室内に供給される。

　したがって、本発明によれば、蓄圧室内に圧縮空気を供給するエアポンプや、このエアポンプと蓄圧室との間の過給用空気通路をピストンの位置に対応させて開閉する制御弁などの部品が不要であるから、これらの部品を使用する場合と較べてエンジンの小型化を図ることができるとともに、製造コストを可及的少なく抑えることができる。この結果、エンジンの小型化とコストダウンとを図りながら、低回転時の燃焼安定性が向上するとともに、ポンピングロスが低減されて燃費が向上するエンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法を提供することができる。

図１は、第１の実施の形態による要部の構成を示す側面図である。図２は、第１の実施の形態による要部の構成を示す平面図である。図３は、シリンダヘッドにおける開閉弁の弁軸が貫通する部分の断面図である。図４は、第１の吸気弁と排気弁の開閉時期を説明するための図である。図５は、第２の吸気弁と排気弁の開閉時期を説明するための図である。図６は、本発明に係るエンジンの運転方法を説明するためのフローチャートである。図７は、蓄圧室の体積比と圧力比との関係を示すグラフである。図８は、燃焼室のＰＶ線図となるグラフである。図９は、第２の実施の形態による要部の構成を示す側面図である。図１０は、第２の実施の形態による要部の構成を示す平面図である。図１１は、第２の吸気弁と排気弁の開閉時期を説明するための図である。図１２は、第３の実施の形態による要部の構成を示す平面図である。図１３は、第１の吸気弁と排気弁の開閉時期を説明するための図である。図１４は、第２の吸気弁と排気弁の開閉時期を説明するための図である。

＜第１の実施の形態＞
　以下、本発明に係るエンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法の一実施の形態を図１～図８を参照して詳細に説明する。
　図１に示すエンジン１は、自然吸気方式の４サイクル多気筒エンジンで、シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４とを備えている。なお、本発明は、単気筒エンジンにも適用可能である。

　シリンダヘッド４は、上述したシリンダ２およびピストン３と協働して燃焼室５を形成している。燃焼室５は、シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４とによって囲まれて形成されている。
　シリンダヘッド４には、吸気装置６の一部を構成する吸気ポート７と、排気ポート８とが形成され、吸気弁９と、排気弁１０と、点火プラグ１１と、燃料噴射インジェクタ１２などが設けられている。

　吸気装置６は、図２に示すように、吸気ポート７と、この吸気ポート７の上流端に接続された吸気通路１３と、吸気ポート７に設けられた後述する開閉弁１４と、吸気通路１３内に設けられたスロットル弁１５などを備え、このエンジン１に空気を供給する。
　この実施の形態による吸気ポート７と、排気ポート８と、吸気弁９と、排気弁１０は、図２に示すように、１気筒当たり２つずつ設けられている。

　吸気ポート７は、図２において上側に描かれている第１の吸気ポート７ａと、他方の第２の吸気ポート７ｂとによって構成されている。これらの第１および第２の吸気ポート７ａ，７ｂの下流端はそれぞれ燃焼室５に連通され、上流端は互いに連通し、吸気マニホールド（図示せず）内の吸気通路１３に接続されている。
　第２の吸気ポート７ｂの途中には開閉弁１４が設けられている。この開閉弁１４は、バタフライ弁で、図示していないアクチュエータによって駆動されることにより第２の吸気ポート７ｂを開閉する。このアクチュエータの動作は図示していない制御装置によって制御される。

　開閉弁１４は、エンジン１の運転域が低回転低負荷域にあるときに閉じ、それ以外のときは開いた状態に保持される。この「低回転低負荷域」とは、エンジン１の運転域のうち、エンジン１の図示していないクランク軸の回転速度が予め定めた回転速度より低く、エンジン１の負荷が予め定めた値より小さくなる運転域のことである。第２の吸気ポート７ｂは、開閉弁１４が閉じることにより途中で閉塞されることになる。この実施の形態においては、この開閉弁１４が請求項５記載の発明でいう「蓄圧用の弁」に相当する。
　開閉弁１４の弁軸１６は、図示していないクランク軸と平行な方向に延びている。この実施の形態による第２の吸気ポート７ｂの中間部は、図３に示すように、開閉弁１４の弁軸１６が第１の吸気ポート７ａを横切ることを防ぐために、第１の吸気ポート７ａの中間部とはシリンダの軸線方向（図３においては左右方向）に高低差が生じる位置に形成されている。このため、弁軸１６が第１の吸気ポート７ａ内の吸気を遮ることがないから、第１の吸気ポート７ａの吸気抵抗を小さくすることができる。

　排気ポート８は、図２に示すように、第１の排気ポート８ａと第２の排気ポート８ｂとによって構成されている。これらの第１および第２の排気ポート８ａ，８ｂの上流端はそれぞれ燃焼室５に連通され、下流端は互いに連通し、排気管（図示せず）の排気通路に接続されている。

　吸気弁９は、第１の吸気ポート７ａの下流端を開閉する第１の吸気弁９ａと、第２の吸気ポート７ｂの下流端を開閉する第２の吸気弁９ｂとによって構成されている。第１の吸気弁９ａの開閉動作は、第１の吸気カム２１によって制御される。第２の吸気弁９ｂの開閉動作は、第２の吸気カム２２によって制御される。第２の吸気弁９ｂが閉じるとともに開閉弁１４が閉じることにより、第２の吸気ポート７ｂの下流部にこれらの第２の吸気弁９ｂと開閉弁１４とによって両端が閉塞された蓄圧室３１が形成される。これらの第１の吸気カム２１と第２の吸気カム２２は、１本の吸気カム軸２３に設けられている。吸気カム軸２３は、シリンダヘッド４に回転自在に支持されており、伝動装置２４を介して図示していないクランク軸に接続されている。この吸気カム軸２３は、クランク軸が１回転する間に１／２回転する。

　第１の吸気カム２１の作用角は、図４に示すように、第１の吸気弁９ａがクランク角にして上死点前１４°で開き、下死点後３４°で閉じる角度である。
　第２の吸気カム２２の作用角は、図５に示すように、第２の吸気弁９ｂがクランク角にして上死点前５０°で開き、下死点後７０°で閉じる角度である。このため、第２の吸気カム２２の作用角は、第１の吸気カム２１の作用角より大きい。

　排気弁１０は、第１の排気ポート８ａを開閉する第１の排気弁１０ａと、第２の排気ポート８ｂを開閉する第２の排気弁１０ｂとによって構成されている。第１の排気弁１０ａの動作は第１の排気カム２５によって制御される。第２の排気弁１０ｂの動作は第２の排気カム２６によって制御される。第１の排気カム２５と第２の排気カム２６は１本の排気カム軸２７に設けられている。排気カム軸２７は、シリンダヘッド４に回転自在に支持されており、伝動装置２４を介して図示していないクランク軸に接続されている。この排気カム軸２７は、クランク軸が１回転する間に１／２回転する。

　第１の排気カム２５の作用角は、第２の排気カム２６の作用角と等しく、図４に示すように、第１および第２の排気弁１０ａ，１０ｂが下死点前３４°で開き、上死点後１４°で閉じる角度である。第１および第２の排気弁１０ａ，１０ｂと第１の吸気弁９ａとが共に開いているバルブオーバーラップ期間（OL)は、図４に示すように、クランク角にすると２８°の期間である。また、第１および第２の排気弁１０ａ，１０ｂと第２の吸気弁９ｂとが共に開いているバルブオーバーラップ期間（OL)は、図５に示すように、クランク角にすると６４°の期間である。

　燃料噴射インジェクタ１２は、低回転低負荷時には圧縮行程で燃焼室５５内に燃料を噴射する。また高回転高負荷時には吸気行程で燃焼室５５内に燃料を噴射する。この「高回転高負荷時」とは、エンジン１の図示していないクランク軸の回転速度が予め定めた回転速度より高く、エンジン１の負荷が予め定めた値より大きいときである。
　点火プラグ１１と燃料噴射インジェクタ１２の動作は、このエンジン１の制御装置（図示せず）によって制御される。なお、燃料噴射インジェクタ１２は、燃焼室５内に燃料を噴射する筒内噴射型のものに限定されることはなく、図２中に二点鎖線で示すように、第１および第２の吸気ポート７ａ，７ｂの分岐点より上流側の吸気通路１３に燃料を噴射する吸気管噴射型のものでもよい。

　次に、このように構成された吸気装置６の動作の説明を含めてこのエンジン１の運転方法を説明する。このエンジン１の運転方法は、図６に示すように、蓄圧室連通ステップＳ１と、昇圧ステップＳ２と、蓄圧室形成ステップＳ３と、蓄圧ステップＳ４と、放出ステップＳ５とによって実施される。
　このエンジン１の始動時を含めてエンジン１の運転域が低回転低負荷運転域にあるときは、開閉弁１４が閉じられる。このため、低回転低負荷時は、第１の吸気ポート７ａのみから吸入する空気によってエンジン１が運転される。

　このエンジン１において、低回転低負荷時にピストン３が吸気行程で下降し、下死点を越えて圧縮行程に移った後、クランク角が下死点後の３４°に達すると、第２の吸気弁９ｂより先に第１の吸気弁９ａが閉じる。このように第１の吸気弁９ａと開閉弁１４とが閉じ、第２の吸気弁９ｂが開いた状態となることにより、第１の吸気ポート７ａと燃焼室５とが遮断され、燃焼室５が第２の吸気ポート７ｂ内の蓄圧室３１のみに連通される（蓄圧室連通ステップＳ１）。
　この状態でピストン３が上昇することにより、燃焼室５および蓄圧室３１内の圧力が上昇し、昇圧ステップＳ２が実施される。

　その後、クランク角が下死点後の７０°に達すると、第２の吸気弁９ｂが閉じ、蓄圧室３１内に圧縮状態のガス（以下、単に圧縮空気という）が封入される。すなわち、第２の吸気弁９ｂと開閉弁１４との間に圧縮空気で満たされた蓄圧室３１が形成される（蓄圧室形成ステップＳ３）。蓄圧室３１内の圧縮空気は、次に第２の吸気弁９ｂが開くまで蓄圧室３１内に貯留される。このため、第２の吸気弁９ｂが閉じている間は蓄圧ステップＳ４が実施されることになる。

　蓄圧室３１内の昇圧前と昇圧後の圧力比は、図７に示すグラフに基づいて求めることができる。図７は、蓄圧室３１の体積比と圧力比の関係を第２の吸気弁９ｂが閉じるときのクランク角毎に表したグラフである。体積比は、ピストン３が上死点に位置しているときの燃焼室５の容積で蓄圧室３１の容積を除した値である。圧力比は、蓄圧室３１の昇圧終了時の圧力を昇圧開始時の圧力で除した値である。
　蓄圧室３１内の圧縮空気の圧力は、圧縮行程でクランク角が下死点後７０°のときの筒内圧力に相当する。この圧縮空気の圧力は、図８に示すＰＶ線図において、符号Ａで示す圧力となる。

　上述したように圧縮行程で第２の吸気弁９ｂが閉じた後、燃料噴射インジェクタ１２が燃料を燃焼室５内に噴射する。そして、ピストン３が上死点の近傍に達し、クランク角が予め定めた上死点前の所定の角度に達したときに点火プラグ１１に通電され、燃焼室５内の混合気が点火されて燃焼を開始する。この燃焼行程の後、膨張行程に移ってピストン３が下降し、クランク角が下死点前３４°に達したときに排気弁１０が開く。

　排気弁１０が開くことにより排ガスが排気ポート８に排出可能になり、ピストン３が下死点を越えて上昇を開始することにより燃焼室５内から排ガスが排出される。そして、ピストン３が上死点の近傍に上昇した吸気行程の初期において、クランク角が上死点前５０°に達することにより、第２の吸気弁９ｂが開く。このように第２の吸気弁９ｂが開くことにより、蓄圧室３１内に貯留されていた圧縮空気が燃焼室５内に導入される。すなわち、圧縮行程に燃焼行程と排気行程とを経て続く吸気行程の初期に、第２の吸気弁９ｂが開くことにより放出ステップＳ５が実施される。蓄圧室３１内の圧縮空気の圧力Ａ（図８参照）は、第２の吸気弁９ｂが開くときの筒内圧力Ｂより低い。このため、第２の吸気弁９ｂが開くことにより、筒内圧力が低下する。

　放出ステップＳ５を経てクランク角が上死点前１４°に達すると、第１の吸気弁９ａが開く。このときの第１の吸気ポート７ａ内の圧力は、筒内圧力より低い。このため、第１の吸気弁９ａが開くことにより、燃焼室５内の排ガスが第１の吸気ポート７ａ内を逆流する。このときは排気弁１０が開いているバルブオーバーラップ期間であるために、排気ポート８内の排ガスも燃焼室５に戻ることがある。

　しかし、この実施の形態による吸気装置６においては、蓄圧室３１内の圧縮空気が燃焼室５内に導入されたことにより筒内圧力が相対的に低くなっており、燃焼室５内と第１の吸気ポート７ａ内との圧力差が相対的に小さくなっている。このため、第１の吸気弁９ａが開いたときに第１の吸気ポート７ａ内に逆流する排ガスの量は少なくなる。また、このときは燃焼室５内に蓄圧室３１から空気が流出した直後であるため、蓄圧室３１から流出した空気も排ガスとともに第１の吸気ポート７ａ内に流入するようになる。このため、第１の吸気ポート７ａ内に逆流する排ガスの量がより一層少なくなる。この結果、吸気行程の初期であって第１の吸気弁９ａと排気弁１０とが開いているオーバラップ時期にいわゆる内部ＥＧＲとなる排ガスが低減される。

　その後、ピストン３が上死点を越えて下降することにより、新気が燃焼室５内に吸入される。ピストン３が下降を開始し、クランク角が上死点後１４°に達すると、排気弁１０が閉じる。排気弁１０が閉じた後に燃焼室５内に残留する排ガスの量（残留ガス量）は、上述したように内部ＥＧＲとなる排ガスの量が減少することから低減される。このため、低回転低負荷運転時に、燃焼安定性が向上する。

　この吸気装置６において、吸気行程の初期には、上述したように燃焼室５内に蓄圧室３１から圧縮空気が導入されるから、燃焼室５内と第１の吸気ポート７ａ内との圧力差が少ない状態でピストン３が下降を開始する。吸気行程の初期の筒内圧力（燃焼室５内の圧力）は、図８に示すように変化する。図８においては、吸気行程の初期を符号Ｃで示す。また、図８においては、蓄圧室３１を有していない従来のエンジンの吸気行程初期の筒内圧力を二点鎖線で示す。図８からも分かるように、この実施の形態によるエンジン１においては、吸気行程の初期に、第１の吸気ポート７ａ内と燃焼室５内との圧力差が小さいから、従来のエンジンと較べて筒内圧力の著しい低下が緩和される。このことは、ピストン３が下降するときの抵抗であるポンピングロスが低減されることを意味する。

　一方、このエンジン１において、運転域が低回転低負荷域を越えて高回転側に移ると、以下の３つの作用の相乗効果により吸入空気量を多くとることが可能になり、中回転より高回転側において大きな出力を得ることができるようになる。第１の作用は、開閉弁１４が開き、吸気が第１の吸気ポート７ａと第２の吸気ポート７ｂとの両方を流れるようになることである。第２の作用は、作用角が大きい第２の吸気カム２２によって第２の吸気弁９ｂが大きくかつ長い期間にわたって開くために、第２の吸気ポート７ｂの吸気の流量が相対的に多くなることである。第３の作用は、バルブオーバーラップによって燃焼室５内の換気が促進されることである。

＜第１の実施の形態による効果の説明＞
　この実施の形態によるエンジン１においては、上述したように低回転低負荷時に蓄圧室３１に圧縮空気を貯留し、この圧縮空気を吸気行程の初期に燃焼室５内に放出する構成が採られているから、低回転低負荷時の燃焼安定性が高くなるとともに、ポンピングロスが低減されて燃費が向上する。

　蓄圧室３１内の圧縮空気は、圧縮行程でピストン３によって圧縮されたガス（吸気）であるから、蓄圧室３１内に圧縮空気を供給するエアポンプや、このエアポンプと蓄圧室３１との間の過給用空気通路をピストン３の位置に対応させて開閉する制御弁などを使用することなく、蓄圧室３１内に圧縮空気を溜めることができる。
　したがって、この実施の形態によれば、エンジン１の小型化を図るとともに製造コストを可及的少なく抑えながら、低回転低負荷時の燃焼安定性が高くなるとともに、ポンピングロスが低減されて燃費が向上するエンジンの吸気装置およびエンジンの運転方法を提供することができる。

　この実施の形態において、蓄圧室３１内の圧縮空気が燃焼室５に導入される時期は、バルブオーバーラップ期間である。このため、排ガスが吸気ポート７に逆流する現象である内部ＥＧＲが低減され、燃焼室５内に残留する排ガスを低減することができる。したがって、この実施の形態によれば、低回転低負荷時の燃焼安定性の向上と、中、高回転時の出力向上とを両立可能なエンジンの吸気装置を提供することができる。

　この実施の形態による開閉弁１４は、バタフライ弁によって構成されている。このため、低回転低負荷時に開閉弁１４が閉じることにより、吸気が第１の吸気ポート７ａのみから燃焼室５内に流入する。第１の吸気ポート７ａは、図２に示すように、上方から見て、燃焼室５に対して吸気カム軸２３の軸線方向の一方に偏る位置に接続されている。このため、この第１の吸気ポート７ａから新気が燃焼室５内に流入することによって、燃焼室５内に吸気からなる旋回流（スワール）が生じる。このようにスワールが生じるために、燃焼室５内で点火プラグ１１の周辺近傍に相対的に濃い混合気を集めることが可能になるから、エンジン１の性能がより一層高くなる。

＜第２の実施の形態＞
　本発明に係るエンジンの吸気装置は、図９～図１１に示すように構成することができる。図９～図１１において、図１～図８によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

　図９および図１０に示す吸気装置６は、第２の吸気ポート７ｂの途中にリード弁４１が設けられている。このリード弁４１は、第２の吸気ポート７ｂを燃焼室５側と吸気ポート上流側とに仕切っている。また、このリード弁４１は、燃焼室５側の圧力が吸気ポート上流側の圧力より低い場合に開き、それ以外の場合には閉じる。この実施の形態においては、リード弁４１が請求項５記載の発明でいう「蓄圧用の弁」に相当する。

　この実施の形態による第１の吸気カム２１と第１および第２の排気カム２５，２６は、第１の実施の形態を採るときと同一の構成が採られている。すなわち、第１の吸気弁９ａは、図１１に示すように、クランク角が上死点前１４°のときに開き、下死点後３４°のときに閉じる。排気弁１０は、下死点前３４°のときに開き、上死点後１４°のときに閉じる。
　第２の吸気弁９ｂは、クランク角が上死点前２５°のときに開き、下死点後６５°のときに閉じる。このため、第２の吸気弁９ｂと第１および第２の排気弁１０とが共に開いているバルブオーバーラップ期間（OL)は、クランク角にすると３９°の期間である。

　この実施の形態に示すようにリード弁４１を使用する場合であっても、エンジンの運転方法は第１の実施の形態を採るときと同一である。この実施の形態による吸気装置６においては、吸気行程で第１および第２の吸気弁９ａ，９ｂが開いている状態でピストン３が下降することによって、第１の吸気ポート７ａを通って吸気が燃焼室５内に吸入されるとともに、リード弁４１が開いて吸気が第２の吸気ポート７ｂを通って燃焼室５内に吸入される。ピストン３が下死点を越えて上昇を開始し、第２の吸気ポート７ｂに負圧が作用しなくなると、リード弁４１が閉じる。そして、圧縮行程でクランク角が下死点後３４°に達することにより、第２の吸気弁９ｂが開いている状態で第１の吸気弁９ａが閉じ、第１の吸気ポート７ａと燃焼室５とが遮断され、燃焼室５が第２の吸気ポート７ｂ内の蓄圧室３１のみに連通される（蓄圧室連通ステップＳ１）。

　この状態でピストン３が上昇することにより蓄圧室３１の圧力が上昇し（昇圧ステップＳ２）、クランク角が下死点後６５°のときに第２の吸気弁９ｂが閉じて蓄圧室３１の昇圧が終了する。すなわち、圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室３１が形成される（蓄圧室形成ステップＳ３）。
　蓄圧室３１内の圧縮空気は、次に第２の吸気弁９ｂが開くまで蓄圧室３１内に貯留される（蓄圧ステップＳ４）。その後、この圧縮行程に燃焼行程と排気行程とを経て続く吸気行程の初期であって、クランク角が上死点前２５°のときに第２の吸気弁９ｂが開く。このため、バルブオーバーラップ期間に蓄圧室３１内の圧縮空気が燃焼室５に導入される（放出ステップＳ５）。
　したがって、蓄圧室３１を形成するためにリード弁４１を使用する場合であっても、第１の実施の形態を採るときと同等の効果が得られる。

＜第３の実施の形態＞
　本発明に係るエンジンの吸気装置は図１２～図１４に示すように構成することができる。
　図１２に示す吸気カム軸２３と伝動装置２４との間には、吸気カム軸用可変バルブタイミング機構５１が設けられている。また、排気カム軸２７と伝動装置２４との間には、排気カム軸用可変バルブタイミング機構５２が設けられている。この実施の形態による可変バルブタイミング機構５１，５２は、吸気カム軸２３および排気カム軸２７の回転位相を進めたり遅らせて吸気弁９および排気弁１０の開閉時期を変える。なお、これらの可変バルブタイミング機構５１，５２は、吸気弁９や排気弁１０の開閉時期を変えると同時にこれらの吸、排気弁９，１０のリフト量を変えることが可能なものでもよい。

　この吸気カム軸用可変バルブタイミング機構５１と排気カム軸用可変バルブタイミング機構５２は、エンジン１の運転域が低回転低負荷域にあるときにバルブオーバーラップが無しになるように動作する。ここでいう「バルブオーバーラップが無し」とは、吸気弁９の開時期と排気弁１０の閉時期とが一致する場合や、排気弁１０が閉じた後に所定のクランク角だけピストンが移動した後に吸気弁９が開く場合を含む。
　また、これらの吸気カム軸用可変バルブタイミング機構５１と排気カム軸用可変バルブタイミング機構５２は、エンジン１の運転域が低回転低負荷域以外の運転域にあるときには、バルブオーバーラップが所定の期間だけ生じるように動作する。

　吸気カム軸用可変バルブタイミング機構５１は、低回転低負荷時に吸気カム軸２３の位相を所定角度に設定する。低回転低負荷時は、図１３に示すように、第１の吸気弁９ａがクランク角にして上死点後１５°のときに開いて下死点後４５°のときに閉じる。第２の吸気弁９ｂは、図１４に示すように、クランク角にして上死点後５°のときに開き、下死点後６５°のときに閉じる。

　排気カム軸用可変バルブタイミング機構５２は、低回転低負荷時に排気カム軸２７の位相を所定角度に設定する。排気弁１０は、図１３および図１４に示すように、低回転低負荷時にクランク角にして下死点前５５°のときに開き、上死点前５°のときに閉じる。このため、第１の吸気弁９ａと排気弁１０の両方が閉じている期間は、クランク角にして２０°になる。また、第２の吸気弁９ｂと排気弁１０の両方が閉じている期間は、クランク角にして１０°である。

　この実施の形態による吸気装置６においては、低回転低負荷時に蓄圧室３１内の圧縮空気が燃焼室５に導入される時期は、排気弁１０が閉じた後である。このため、吸気行程の初期に新気が第１および第２の排気ポート８ａ，８ｂに流出したり、第１および第２の排気ポート８ａ，８ｂ内の排ガスが燃焼室５や第１の吸気ポート７ａに逆流することがない。この結果、燃焼安定性がより一層高くなるエンジンの吸気装置を提供することができる。

　また、この実施の形態においても、蓄圧室３１内の圧縮空気が燃焼室５に導入され、第１の吸気ポート７ａ内と燃焼室５内との圧力差が小さくなっている状態で第１の吸気弁９ａが開くから、第１の吸気弁９ａが開いたときの負圧の急激な低下が抑制されてポンピングロスを低減することができる。

　なお、吸気カム軸用可変バルブタイミング機構５１や排気カム軸用可変バルブタイミング機構５２を備える場合は、低回転低負荷時にバルブオーバーラップが無くなる形態に限定されることはなく、低回転低負荷時にバルブオーバーラップが生じる構成を採ってもよい。

　１…エンジン、５…燃焼室、６…吸気装置、７ａ…第１の吸気ポート、７ｂ…第２の吸気ポート、８…排気ポート、９ａ…第１の吸気弁、９ｂ…第２の吸気弁、１０…排気弁、１４…開閉弁（蓄圧用の弁）、２１…第１の吸気カム、２２…第２の吸気カム、３１…蓄圧室、４１…リード弁（蓄圧用の弁）、Ｓ１…蓄圧室連通ステップ、Ｓ２…昇圧ステップ、Ｓ３…蓄圧室形成ステップ、Ｓ４…蓄圧ステップ、Ｓ５…放出ステップ。

Claims

　燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、
　前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、
　前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、
　前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、
　前記第１の吸気カムより大きい作用角を有し、前記第２の吸気弁が吸気行程の初期に開き、圧縮行程の途中で閉じるように前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、
　前記第２の吸気ポートに設けられ、エンジンの回転速度が予め定めた回転速度より低くかつエンジンの負荷が予め定めた負荷より小さい低回転低負荷時に閉じ、それ以外の運転域において開く開閉弁とを備え、
　前記第２の吸気弁と前記開閉弁とは、前記開閉弁が閉じている状態において、圧縮行程の途中で前記第２の吸気弁が閉じることにより、前記第２の吸気ポート内の前記第２の吸気弁と前記開閉弁との間に圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室を形成することを特徴とするエンジンの吸気装置。
　燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、
　前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、
　前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、
　前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、
　前記第１の吸気カムより大きい作用角を有し、前記第２の吸気弁が吸気行程の初期に開き、圧縮行程の途中で閉じるように前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、
　前記第２の吸気ポートを燃焼室側と吸気ポート上流側とに仕切り、前記燃焼室側の圧力が前記吸気ポート上流側の圧力より低い場合に開くリード弁とを備え、
　前記第２の吸気弁と前記リード弁とは、圧縮行程の途中で前記第２の吸気弁が閉じることにより、前記第２の吸気ポート内の前記第２の吸気弁と前記リード弁との間に圧縮状態のガスで満たされた蓄圧室を形成することを特徴とするエンジンの吸気装置。
　請求項１または請求項２記載のエンジンの吸気装置において、
　さらに、前記燃焼室に開口する排気ポートと、
　前記排気ポートを開閉する排気弁とを備え、　
　前記蓄圧室内のガスは、吸気行程の初期であって前記第２の吸気弁と前記排気弁とが同時に開いているバルブオーバーラップ期間に前記燃焼室に導入されることを特徴とするエンジンの吸気装置。
　請求項１または請求項２記載のエンジンの吸気装置において、
　さらに、前記燃焼室に開口する排気ポートと、
　前記排気ポートを開閉する排気弁とを備え、
　前記蓄圧室内のガスは、吸気行程の初期であって前記排気弁が閉じた後に前記燃焼室に導入されることを特徴とするエンジンの吸気装置。
　燃焼室に開口する第１の吸気ポートおよび第２の吸気ポートと、
　前記第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と、
　前記第２の吸気ポートを開閉する第２の吸気弁と、
　前記第１の吸気弁の開閉動作を制御する第１の吸気カムと、
　前記第１の吸気カムより作用角が大きく形成され、前記第２の吸気弁の開閉動作を制御する第２の吸気カムと、
　前記第２の吸気ポートに設けられ、前記第２の吸気弁より上流側で開閉する蓄圧用の弁とを備えたエンジンの運転方法であって、前記蓄圧用の弁を閉じ、
　圧縮行程において、前記第１の吸気弁が閉じ、かつ前記第２の吸気弁が開いた状態とすることによって、前記第２の吸気弁と前記蓄圧用の弁との間の蓄圧室を前記燃焼室に連通させる蓄圧室連通ステップと、
　前記圧縮行程でピストンの上昇に伴って前記蓄圧室内の圧力が上昇する昇圧ステップと、
　前記圧縮行程で前記第２の吸気弁を閉じることにより前記第２の吸気弁と前記蓄圧用の弁との間に圧縮状態のガスで満たされた前記蓄圧室を形成する蓄圧室形成ステップと、
　前記圧縮行程に燃焼行程と排気行程とを経て続く吸気行程の初期に前記第２の吸気弁が開くことにより前記蓄圧室内のガスを燃焼室に導入する放出ステップとを有するエンジンの運転方法。