JP2711563B2 - サイクル数可変エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの回転数が所定回転数以下の場合
には２サイクル、所定回転数以上の場合には４サイクル
で稼働するサイクル数可変エンジンに関する。

（従来の技術） 従来のエンジンには、エンジン出力軸の回転毎の行程
の相違により２サイクルエンジンと４サイクルエンジン
とに大別される。２サイクルエンジンはエンジン出力軸
の１回転毎に爆発行程を実行するため、エンジン出力軸
の回転速度変動が小であり高トルクを発生せしめること
ができる。一方、４サイクルエンジンは２回転毎に爆発
行程を実行し、かつ、排気行程と吸気行程とが独立して
いるので、燃料消費率が小であるという特徴がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記２サイクルエンジンは吸気行程と
排気行程とを同時に平行して実行するので吸排気が完全
に行なわれず、よって燃料消費率が大であるという問題
がある。一方、４サイクルエンジンはエンジン出力軸の
回転速度変動が大であるため、低回転数領域においては
トルクが不足し、滑らかな運転ができないという問題が
ある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、所定回
転数以下の領域においては２サイクルエンジンとして運
転し、該所定回転数以上の領域においては４サイクルエ
ンジンとして運転することのできるサイクル数可変エン
ジンを提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、下死点近傍でのピストン上面位置に
対応するシリンダ円筒面に穿設された吸気口と、該吸気
口からシリンダ内へ吸気を圧送するコンプレッサとター
ビン軸に設置された電動機を持つ過給手段と、シリンダ
上部に設けられ、前記排気バルブの上端部に一対の磁極
の異なる永久磁石を設け、前記永久磁石に対向する外周
部分に軸方向に離間して並設された磁極とコイルとから
なり、その電磁力により排気バルブを開閉駆動するバル
ブ駆動手段と、前記排気バルブはシリンダ内の排気ガス
を過給圧により排出する行程の上死点で前記排気口を閉
鎖し、その閉鎖状態でピストンを降下させてシリンダ内
吸気を断熱膨張させるとともにその下死点でシリンダ内
負圧作用と過給圧とにより吸気をシリンダ内に急激に流
入せしめるようになし、耐熱断熱材で被覆されて遮熱構
造となした燃焼室内への燃料噴射タイミングを可変制御
する燃料制御手段と、上記過給手段を力行する回転電機
と、エンジン回転数が上記所定回転数より低回転数であ
るとき該回転電機を電力により駆動する過給圧増加手段
と、排気バルブの開閉及び燃料噴射を、エンジンの回転
数が所定回転数以上の場合にはエンジン出力軸の２回転
毎に実行し、排気バルブと燃料噴射を１回転毎に実行す
るサイクル変更手段とを有することを特徴とするサイク
ル数可変エンジンを提供することができる。

また、上記発明において、エンジンが所定回転数、所
定負荷以上の場合、排気口に付設したターボチャージャ
とその合流に取り付けられたタービンに設けられた電動
機を発電機として電気エネルギーを回収することを特徴
とするサイクル数可変エンジンをも提供することができ
る。

（作用） 本発明のサイクル数可変エンジンは、所定回転数以下
の領域においては２サイクルエンジンとして運転し、該
所定回転数以上の領域においては４サイクルエンジンと
して運転するので、低中回転数領域では、エンジン回転
速度が円滑な高トルクエンジンとなり、中高回転数領域
では燃料消費率が小である高効率エンジンとなる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明す
る。

第１図は、本発明によるエンジンの構成を示すブロッ
ク図、第２図は、第１図におけるＩ−Ｉ断面図、第３図
は、第１図におけるII−II断面図である。

シリンダ１の内周面にはシリンダスリーブ11が配設さ
れており、該シリンダスリーブ11の下死点近傍における
ピストンヘッドの位置には吸気口13が周設されている。
該吸気口13は吸入された吸気が時計回りに旋回するよう
に傾斜して開口している。

シリンダ１の上部中央には副燃焼室２が設けられてお
り、該副燃焼室２の内面は耐熱断熱材のセラミックス等
からなるスリーブ21で被覆されている。該スリーブ21と
シリンダスリーブ11との間は断熱ガスケット12を介して
接続している。副燃焼室２の側部には該副燃焼室２内部
へ燃料を時計回りに噴射する噴射ノズル22が配設されて
おり、該噴射ノズル22は燃料の噴射タイミング及び噴射
量が可変である燃料ポンプ23と接続されている。また、
該副燃焼室２には副燃焼室２を介して排気を排出するた
めの排気口が設けられており、該排気口は排気バルブ24
により開閉される。そして、該排気バルブ24は軸部に配
設されたバルブ駆動装置６により開閉駆動される。

前記シリンダ１内部にはピストン３が配設されてお
り、該ピストン３のピストンヘッド面は副燃焼室２と同
様に耐熱断熱材のセラミックス等により被覆されてい
る。また、ピストンヘッド中央部には突起31が形成され
ており、ピストン３が上死点近傍にあるときに副燃焼室
２の開口部を狭穿する。

前記排気口より排出された排気ガスは排気管路41によ
りターボチャージャ４のタービンへと導かれる。該ター
ボチャージャ４の回転軸には回転電機43が接続してお
り、外部からの電力供給により過給圧を発生させること
が可能な構造を有している。また、ターボチャージャ４
を通過した排気ガスは回収タービン44に導かれ、未だ排
気ガスの有するエネルギを電気エネルギに変換しコント
ロールユニット５を介して回生する。尚、ターボチャー
ジャ４は排気ガスあるいは外部からの電力によりコンプ
レッサを回転させる吸気に過給圧を付与し、該吸気を吸
気管路42を経て吸気口13へと供給する。

上記バルブ駆動装置６、燃料ポンプ23及び回転電機43
はコントロールユニット５の入出力インターフェイス50
からの信号により制御されている。該入出力インターフ
ェイス50には、上記の他にエンジンの回転数及びクラン
ク角を検知する回転センサ55、アクセルペダルの踏込量
を検知するアクセルセンサ56及び回収タービンの発電機
が接続されており、各センサからの信号と回生電力とが
入力されている。該コントロールユニット５には入出力
インターフェイス50の他に、プログラムや各種関係テー
ブルを記憶するROM53、該ROM53のプログラムの下に演算
を実行するCPU51、演算結果及びデータを一時記憶するR
AM54、コントロールユニット５内部の信号流れを司るコ
ントロールメモリ52などにより構成されている。

次に、バルブ駆動装置６について説明する。

第４図は、バルブ駆動装置６の詳細図である。

排気バルブ24の軸端部には所定間隔で永久磁石61と永
久磁石62とが嵌合している。該永久磁石61及び62の外周
部分の極性は互いに異なり、例えば、永久磁石61の外周
部分がＮ極であれば、永久磁石62の外周部分はＳ極であ
る。永久磁石61及び62の外周部分と対向し、排気バルブ
24の移動方向に永久磁石61と永久磁石62とは異なる間隔
で磁極63が並設されており、磁極63の各々には磁極63の
極性を制御するためのコイル64が捲設されている。

コイル64の各々への通電はコントロールユニット５に
より制御され、磁極63の永久磁石との対向側の極性を順
次変更し、永久磁石61及び62と磁極63との間に作用する
電磁力の合力により排気バルブ24を開閉方向に駆動す
る。

次に、本発明によるエンジンを、２サイクルエンジン
として運転する場合について説明する。

膨張行程が終了しピストン３が下死点近傍になると、
吸気口13より過給圧が付加された吸気がシリンダ内へと
流入し円周方向の旋回流となる。次に、ピストン３の上
昇に伴ない排気ガスを押し上げ排気口より掃気するが副
燃焼室２の開口部面積が大であるので排気抵抗が小であ
り、素早く掃気することができる。そして、ピストン上
昇途中で排気バルブ24により排気口を閉鎖して圧縮行程
に移行し吸気を圧縮する。ピストン３の上昇に伴ないシ
リンダ１内の吸気は副燃焼室２へ移動するがシリンダ径
より副燃焼室２の径の方が小であるため、シリンダ１内
の旋回流は加速され副燃焼室２内へと流入する。圧縮行
程後半には該流入量は減少するが、ピストンヘッドに形
成された突起31が副燃焼室２の開口面積を狭搾し、副燃
焼室２へ流入する旋回流の流速を加速する。よって、圧
縮終了時には副燃焼室２内部には拘束の旋回流が発生す
る。

次に、噴射ノズル22から旋回流方向に燃料を噴射する
と、燃料は燃焼し膨張行程に移行する。噴射された燃料
は副燃焼室２内で全て燃焼し燃焼ガスとなりピストン３
を降下させる。すると、突起31により狭搾させていた副
燃焼室２の開口部面積はピストン３の降下により拡大さ
れ、燃焼ガスは速やかにシリンダ内へ拡散する。そし
て、ピストン３の降下途中にて排気バルブ24を駆動し排
気口を開放し排気ガスを排出する。そして、前記の吸気
行程に連続し上記サイクルを繰換す。

次に、本発明によるエンジンを、４サイクルエンジン
として運転する場合について説明する。

第５図は、４サイクルエンジンのｐ−ｖ線図、第６図
は、４サイクルエンジンの行程の一部を示す図である。
尚、第５図におけるａ〜ｅ点の状態を第６図のａ〜ｅに
示す。

燃焼後の膨張行程において、体積が圧縮状態にある上
死点V1から下死点直前のV2まで増加すると排気口を開放
し排気ガスの排出を開始する。すると、ａ点を通過し下
死点V3まで膨張する間に急速に圧力が減少する。そし
て、ｂ点に示す下死点ではすでに吸気口13が開放される
ので、過給圧が負荷されている吸気は旋回流となりシリ
ンダ１内へと流入する。流入する該吸気により排気は更
に上方へと押し上げられ排気口からの排出が助長され
る。ピストン３が下死点から上方へと移動し吸気口が閉
鎖され吸気の流入が停止しても、シリンダ１内には排気
ガスが未だ残留しているので、ｃ点に示すごとく排気口
の開放は継続される。そして、排気口の開放状態を上死
点まで継続しシリンダ内の排気ガスを完全に排出する。
次に上死点V1でｄ点に示すごとく排気口を閉鎖する。排
気口が閉鎖された状態を保持してピストン３が降下する
とシリンダ内に封入された吸気は断熱膨張される。該断
熱膨張時には封入された吸気の温度が降下するため、燃
焼室壁面から熱エネルギを迅速に奪う。そして、V3直前
の吸気口が開口する位置すなわちｅ点を通過すると、吸
気は過給圧とシリンダ１内の負圧との作用により急激に
シリンダ内へと流入する。吸気口13は第３図に示すごと
く中心方向に対し傾斜しているので、該吸入された吸気
はシリンダ１内で高速の旋回流となる。

続いて、ピストン３の上昇に伴ないシリンダ１内の旋
回流は副燃焼室２内へと移動するが、シリンダ径より副
燃焼室２の径の方が小であるため、シリンダ１内の旋回
流は加速され副燃焼室２内へと流入する。圧縮行程後半
には該流入量は減少するが、ピストンヘッドに形成され
た突起31が副燃焼室２の開口面積を狭窄し、副燃焼室２
へ流入する旋回流の流速を加速するので、圧縮終了時に
は副燃焼室２内部には更に高速の旋回流が発生する。該
圧縮行程終了時には既に内壁面は冷却されているので、
噴射ノズル22から旋回流方向に燃料を噴射すると、燃料
は良好な状態で燃焼し膨張行程に移行する。噴射された
燃料は副燃焼室２内で全て燃焼し燃焼ガスとなりピスト
ン３を降下させるが、突起31により狭窄されていた副燃
焼室２の開口部面積はピストン３の降下により拡大さ
れ、燃焼ガスは速やかにシリンダ内へ拡散する。

次に、本発明によるエンジンの作用について説明す
る。

第７図は、本発明のエンジンにおける回転数とトルク
との関係を示す図である。図において、横軸エンジン回
転数Ｎを示し、縦軸はトルクＴを示す。

回転センサ55により検知されるエンジン回転数Ｎが所
定回転数N2以上の領域では排気バルブ24の開閉及び噴射
ノズル22からの燃料噴射をエンジン出力軸の２回転毎に
行ない上記４サイクルエンジンとして運転する。

エンジン回転数が所定回転数N2以下の領域では上記に
説明した２サイクルエンジンとして運転する。そして、
エンジン回転数が低回転数であるN1以下の領域では、排
気エネルギが不足するため、回転電機43へ電力を供給し
吸気の過給圧を強制的に増加させることによりトルクを
増大させる。尚、N1以上の領域において、エンジン負荷
が増大する場合には回転電機43に電力を供給し過給圧を
上昇させると共に、燃料ポンプ23から噴射ノズル22への
燃料供給量を増加させることによりエンジンの出力を増
大させる。

上記運転により、本発明によるエンジンのトルクは回
転数の低下に伴ない増加する特性となり、車両の走行動
力源として最適のエンジンとなり、従来不可欠とされて
いる変速機の変速段数を減少、もしくは廃止せしめるこ
とが可能となる。

以上本発明について説明したが、本発明の精神から逸
れないかぎりで、種々の異なる実施例は容易に構成でき
るから、本発明は前記特許請求の範囲において記載した
限定以外、特定の実施例に制約されるものではない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、所定回転数以
下の領域においては２サイクルエンジンとして運転し、
該所定回転数以上の領域においては４サイクルエンジン
として運転するので、低中回転数領域では、エンジン回
転速度が円滑な高トルクエンジンとなり、中高回転数領
域では燃料消費率が小である高効率エンジンとなり、車
両の走行動力源として使用する場合には従来不可欠とさ
れている変速機の変速段数を減少、もしくは廃止せしめ
ることが可能であるサイクル数可変エンジンを提供でき
る。

これに加えて、本発明はバルブ駆動装置で駆動される
排気バルブによりシリンダ内の排気ガスを過給圧により
排出する行程の上死点で排気口を閉鎖し、その閉鎖状態
でピストンを降下させてシリンダ内吸気を断熱膨張さ
せ、その下死点でシリンダ内負圧作用と過給圧とにより
吸気をシリンダ内に急激に流入せしめるので、高速の旋
回流が得られるとともに、吸入効果が向上する効果があ
る。さらにバルブ駆動装置における永久磁石を排気バル
ブの上端部に設けることにより、バルブ駆動力をより増
大せしめる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は、第１図におけるＩ−Ｉ断面図、第３図は、第１図に
おけるII−II断面図、第４図は、バルブ駆動装置の詳細
図、第５図は、４サイクルエンジンのｐ−ｖ線図、第６
図は、４サイクルエンジンの一部を示す図、第７図は、
回転数とトルクとの関係を示す図である。 １……シリンダ、２……副燃焼室、３……ピストン、４
……ターボチャージャ、５……コントロールユニット、
６……バルブ駆動装置。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下死点近傍でのピストン上面位置に対応す
   るシリンダ円筒面に穿設された吸気口と、該吸気口から
   シリンダ内へ吸気を圧送するコンプレッサとタービン軸
   に設置された電動機を持つ過給手段と、シリンダ上部に
   設けられ、前記排気バルブの上端部に一対の磁極の異な
   る永久磁石を設け、前記永久磁石に対向する外周部分に
   軸方向に離間して並設された磁極とコイルとからなり、
   その電磁力により排気バルブを開閉駆動するバルブ駆動
   手段と、前記排気バルブはシリンダ内の排気ガスを過給
   圧により排出する行程の上死点で前記排気口を閉鎖し、
   その閉鎖状態でピストンを降下させてシリンダ内吸気を
   断熱膨張させるとともにその下死点でシリンダ内負圧作
   用と過給圧とにより吸気をシリンダ内に急激に流入せし
   めるようになし、耐熱断熱材で被覆されて遮熱構造とな
   した燃焼室内への燃料噴射タイミングを可変制御する燃
   料制御手段と、上記過給手段を力行する回転電機と、エ
   ンジン回転数が上記所定回転数より低回転数であるとき
   該回転電機を電力により駆動する過給圧増加手段と、排
   気バルブの開閉及び燃料噴射を、エンジンの回転数が所
   定回転数以上の場合にはエンジン出力軸の２回転毎に実
   行し、排気バルブと燃料噴射を１回転毎に実行するサイ
   クル変更手段とを有することを特徴とするサイクル数可
   変エンジン。
2. 【請求項２】エンジンが所定回転数、所定負荷以上の場
   合、排気口に付設したターボチャージャとその合流に取
   り付けられたタービンに設けられた電動機を発電機とし
   て電気エネルギーを回収することを特徴とする特許請求
   の範囲１に記載のサイクル数可変エンジン。