JP3082563B2

JP3082563B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3082563B2
Application number: JP06054331A
Authority: JP
Inventors: 明男石田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1994-02-15
Publication date: 2000-08-28
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: JPH07224672A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、掃気もしくは過給又は
その双方の目的で、シリンダ内に空気を供給するように
した内燃機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の車両用エンジン、特にトラック等
の大型車両用エンジンには、ピストンの頂面に燃焼室キ
ャビティを凹設し、同燃焼室キャビティ内に燃料を噴射
して爆発燃焼を生起させるようにした直接噴射式のディ
ーゼルエンジンが広く採用されている。この種のエンジ
ンにおいては、排気行程が終り吸気行程が開始される時
点で、燃焼室キャビティ内に相当量の排気ガスが不可避
的に残留する。上記燃焼室キャビティ内の残留排気ガス
は、勿論高温であるから、排気行程に続く吸気行程にお
いてシリンダ内に吸入された空気と混合して吸気温度の
可成の上昇を招くこととなる。通常のトラック用直接噴
射式ディーゼルエンジンの場合、上記燃焼室キャビティ
内の残留排気ガスによって吸入された新気の温度上昇
は、略４０℃程度に達する。このような新気の温度上昇
は、謂うまでもなく充填効率の低減、従ってエンジン出
力の低下を来す不具合があり、また爆発行程における最
高燃焼温度の上昇による排気ガス中のＮＯ_ｘ量の増加、
さらにスモーク性能の悪化を招く不都合がある。

【０００３】従来、エンジンの各シリンダに、通常の吸
気弁及び排気弁とは別個の第３弁を設け、掃気、過給等
の目的で、上記第３弁から圧縮空気をシリンダ内に噴射
するようにした装置が、特開平４−３１６２２号公報及
び特開平１−１６３４２０号公報に開示されている。上
記既提案の装置のうち前者は、第３弁が動弁カムを含む
通常の動弁機構により開閉されるように構成されている
ため、構造複雑であり、かつ任意のエンジン運転状態に
おいて適切なタイミングで掃除或いは過給空気の供給を
行なうこと、例えばエンジン出力及び排気ガス性能向上
の観点から、特に掃除及び過給が必要な全力運転又はそ
れに近い高負荷運転時に選択的に第３弁を開閉して、シ
リンダ内に掃除空気或いは過給空気を供給し、圧縮空気
の消費量の低減を図ることが困難な欠点がある。

【０００４】また、上記既提案の装置のうち後者は、シ
リンダと同シリンダ内に収容されたピストンとからなる
圧力応動装置のピストン両側の圧力室に常時圧縮空気を
供給し、同ピストンの一側の圧力室内の圧縮空気を電磁
弁を介して大気に排出することによりピストンを変位さ
せて第３弁を開放し、圧縮空気をシリンダ内に吹き込む
ように構成されている。この構成では、第３弁の開放の
都度、圧力応動装置のピストン一側の圧力室内の圧縮空
気が大気に排出されるので、圧縮空気の無駄な消費が多
い欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、内燃機関の
運転状態に応じ、所望の運転条件で排気ガスの掃除及び
過給の少なくとも一方又は双方を効果的に行なうことに
よってエンジン出力の増大、及び排気ガス性能の向上を
達成することができ、しかも圧縮空気の消費量が少なく
運転コストが廉い第３弁を具備した内燃機関を提供する
ことを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために創案されたもので、シリンダヘッドに吸気
ポート及び排気ポートとは独立に設けられた第３のポー
ト、上記シリンダヘッドに吸排気弁とは別個に装着され
て上記第３ポートの燃焼室側開口部を開閉し、かつ弾性
装置により閉方向に付勢された第３の弁、圧縮空気を貯
溜する圧縮空気源、一端が上記第３ポートに連通される
と共に他端が上記圧縮空気源に連通された空気通路、上
記第３ポート又は空気通路に介装されたショックウエー
ブ発生用の弁装置、及び上記エンジンの運転状態に応じ
て上記弁装置を瞬間的に開閉する信号を出力する制御装
置を備え、上記制御装置は、エンジン運転状態が全負荷
で且つ排気行程の終期に、掃気用のショックウエーブを
供給すべく、上記弁装置を瞬間的に開閉制御することを
特徴とする内燃機関（以下、場合により第１発明とい
う）、並びに、シリンダヘッドに吸気ポート及び排気ポ
ートとは独立に設けられた第３のポート、上記シリンダ
ヘッドに吸排気弁とは別個に装着され上記第３ポートの
燃焼室側開口部を開閉しかつ弾性装置により閉方向に付
勢された第３の弁、圧縮空気を貯溜する圧縮空気源、一
端が上記第３ポートに連通されると共に他端が上記圧縮
空気源に連通された空気通路、上記第３ポート又は空気
通路に介装されたショックウエーブ発生用の弁装置、同
弁装置より下流の上記第３ポート又は空気通路に連通さ
れショックウエーブに応動して上記第３弁を開方向に駆
動する圧力応動アクチュエータ、及び上記エンジンの運
転状態に応じて上記弁装置を瞬間的に開閉する信号を出
力する制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関（以
下場合により第２発明という）を提案するものである。
また上記第１及び第２発明において、上記制御装置は、
エンジン運転状態を検出する手段として、少なくとも負
荷を検出する負荷センサ、及びクランクシャフトの回転
数を検出する回転数センサを備えていることが好まし
い。なおまた、上記第２発明において、上記制御装置
は、エンジン運転状態が全負荷で且つ排気行程の終期
に、掃気用のショックウエーブを供給すべく、上記弁装
置を瞬間的に開閉制御することが望ましい。さらに、上
記第１及び第２発明において、上記制御装置は、エンジ
ン運転状態が全負荷で且つ吸気行程の終期及びその後の
所定期間に、過給用のショックウエーブを供給すべく、
上記弁装置を瞬間的に開閉制御することが望ましい。な
おまた、上記第２発明において、上記空気通路の分岐部
下流の上記第３弁に至る上記第３ポートの長さと、同分
岐部下流の上記圧力応動アクチュエータに至る分岐通路
の長さとをほぼ等しく形成することが望ましい。さら
に、上記第２発明において、上記制御装置が、エンジン
の全力運転時及びこれに近い高負荷運転時に上記弁装置
を瞬間的に開閉制御することが望ましい。

【０００７】

【作用】上記第１発明によれば、上記制御装置によって
エンジンの運転状態が全負荷のときに適切なタイミン
グ、即ち各シリンダの排気行程の終期に、上記空気通路
内に介装された弁装置が瞬間的に開かれて圧縮空気源に
貯溜された高圧空気が少量第３ポート又は空気通路内に
噴出し、ショックウエーブが発生する。発生したショッ
クウエーブは上記第３ポート内を高速で伝播して第３弁
の弁傘部に作用し、通常コイルスプリングからなる閉弁
用弾性装置が克服されて同第３弁が開放され、シリンダ
内に高圧領域が形成される。この高圧領域と、開いてい
る排気弁の下流側における排気ポート内の低圧との差圧
によって、シリンダ内の残留排気ガスが排気ポート内に
強制的に圧送され、押し出された排気ガスの代りに、吸
気ポートからの新気及び遅れて第３ポート内を流れて来
た圧縮空気源からの空気がシリンダ内に供給される。上
記弁装置を瞬間的に開くことによって生起されるショッ
クウエーブの波動圧力により第３弁が開放され掃気が行
なわれるので、動弁カムやロッカアーム等通常の動弁機
構を必要とせず、またショックウエーブ発生媒体として
の圧縮空気の消費量は十分少量で足る。また、所望によ
り、上記弁装置を吸気行程の終期に瞬間的に開くことに
より、上記掃気と同様に、ショックウエーブの波動圧力
を利用して吸気ポート内の吸気をシリンダ内に誘引する
と共に、空気通路から第３ポートに流れてきた圧縮空気
源からの空気を過給することができる。なおまた、上記
掃気、又は掃気及び過給は、エンジン出力が特に要求さ
れる全力運転時又はその近傍の高負荷運転時に、選択的
に行なうことが殊に有効であり、高出力が要求されない
部分負荷運転時は必ずしも必要がないので休止すること
ができ、これによって圧縮空気の消費量を一層低減する
ことができる。

【０００８】また、上記第２発明によれば、上記弁装置
の瞬間的に開放により生起されたショックウエーブが、
第３弁に作動的に連結された圧力応動アクチュエータに
も作用して同第３弁が開かれるので、第３弁を閉方向に
付勢する弾性装置（通常はコイルスプリングが用いられ
る）のばね定数を、上記第１発明より大きく設定するこ
とができ、この結果、圧縮行程及び爆発燃焼行程におけ
る高圧吸気及び高圧燃焼ガスのシール性を確保すること
ができる。

【０００９】

【実施例】以下本発明の実施例を添付図面について具体
的に説明する。先づ、図１及び図２に示した第１発明の
実施例において、図中符号１０はトラック用直接噴射式
ディーゼルエンジンのピストンを示し、同ピストンはそ
の頂面に凹設された燃焼室キャビティ１２を具えてい
る。また、同ピストン１０はコネクティングロッド１４
を介して図示しないクランクシャフトに連結され、クラ
ンクケース１６に形成されたシリンダ１８内を往復摺動
する。

【００１０】クランクケース１６上にシリンダヘッド２
０が装架され、同シリンダヘッドには排気ポート２２及
び吸気ポート２４が設けられている。同排気ポート２２
のシリンダ１８に連通する開口端付近に排気弁２６が配
設されると共に、吸気ポート２４のシリンダ１８に連通
する開口端付近に吸気弁２８が配設されている。さら
に、シリンダヘッド２０には、上記燃焼室キャビティ１
２を指向して燃料噴射弁３０が設けられ、また上記燃焼
室キャビティ１２に対向する部位において一端が上記シ
リンダ１８に連通する第３のポート３２が設けられ、同
ポートのシリンダ側開口端付近には、弁ばね３４により
常時閉方向に付勢されている第３弁３６が配設されてい
る。（なお、図１では、排気ポート２２、吸気ポート２
４、第３ポート３２、排気弁２６、吸気弁２８、第３弁
３６、燃料噴射弁３０及び第３ポート３２が、便宜的に
同一平面内に図示されているが、技術上良く知られてい
るように、上記各弁部材及びポートはシリンダ１８上方
のシリンダヘッド部分に、互に干渉しないように異る平
面内に配置されるのが寧ろ一般的であり、また燃料噴射
弁３０は、ピストン１０の頂面に対し実質的に垂直に画
かれているが、主として配置スペースの関係から、ピス
トン頂面に対し適宜傾けて配置されることが多い。）

【００１１】上記第３ポート３２のシリンダヘッド外側
に開口する他端には、一端を圧縮空気源としてのエアタ
ンク３８に接続された空気通路４０の他端が連結され、
同空気通路４０には、ショックウエーブ発生用の弁装置
４２が介装されている。上記エアタンク３８には、エン
ジンのクランク軸に連動して駆動されるエアコンプレッ
サ４４から吐出される高圧（好ましくは５気圧以上）の
圧縮空気が充填される。代案として、上記エアコンプレ
ッサ４４の吐出圧縮空気を直接上記ショックウエーブ発
生用弁装置に供給することができ、この場合、エアコン
プレッサ４４の吐出側にライン圧力を保持するための適
宜のアキュムレータ（例えば窒素ガス封入式ゴム袋型ア
キュムレータ、ピストン型アキュムレータ等）が接続さ
れる。なお、上記弁装置４２は、スペース的に許容され
れば、シリンダヘッド２０内において第３ポート３２に
介装することができる。

【００１２】上記ショックウエーブ発生用の弁装置４２
は、開閉指令信号に対して応答性が優れ、換言すれば信
号を受けて瞬間的に開閉される適宜の弁装置が採用さ
れ、図示の実施例では、弁ハウジング４６と、同弁ハウ
ジング内の弁座４８と協働する弁部材５０と、同弁部材
を常時閉方向に付勢する弁スプリング５２と、付勢され
ることによって上記弁スプリングの閉弁力に抗し上記弁
部材５０を開方向に駆動するソレノイド５４とから構成
されており、上記弁ハウジング４６には圧縮空気源３８
に接続された空気入口５６が設けられている。

【００１３】上記ソレノイド５４は、エンジンの回転数
Ｎｅ、エンジンの負荷Ｌｅ、クランク角θｃ等、エンジ
ンの運転状態に関する信号を受容して、各シリンダのシ
ョックウエーブ発生用弁装置４２のソレノイド５４を付
勢し又は消勢する出力信号を供するコントローラ又は制
御装置５８によって制御される。

【００１４】上記構成において、ショックウエーブ発生
用の弁装置３８は、縦軸に弁リフトｈｖをとり、横軸に
クランク角θｃをとって示した図２の弁リフト線図にお
いて、排気行程の終期即ち排気弁２６のリフト曲線ｈｅ
ｘの閉じ終り近くの期間Ａ、及び吸気行程の終期即ち図
における期間Ｂの少くとも前者、又は双方において、上
記制御装置５８の出力信号により、瞬間的に開閉され
る。また、上記期間Ａ及びＢにおける弁装置４２の瞬間
的開閉は、好ましくは、エンジンの出力が特に要求され
る運転状態において行なわれる。しかしながら、所望に
よりエンジンのすべての運転状態において上記弁装置４
２を開閉させることも勿論可能である。

【００１５】さて、上記期間Ａ及びＢにおいて、制御装
置５８からソレノイド５４に付勢出力が供給されると、
弁部材５０が図１に示されているように開位置に変位
し、圧縮空気源３８の高圧圧縮空気が瞬時に空気通路４
０に噴出するので、ショックウエーブが発生する。発生
したショックウエーブが、シリンダヘッド２０内の第３
ポート３２を通り第３弁３６の弁傘部に作用して、弁ば
ね３４が克服され同第３弁が開放される。この結果、シ
ョックウエーブがシリンダ１８内に入り、燃焼室キャビ
ティ１２の上方部分に高圧領域が形成される。

【００１６】上記高圧領域の発生により、排気行程終期
の期間Ａでは、排気ポート２２の低圧と、上記高圧領域
との圧力差によって、燃焼室キャビティ１２内の残留排
気ガスが排気ポート２２内に圧送され、ショックウエー
ブに続いて第３ポート３２に流入してきた圧縮空気が燃
焼室キャビティ１２内に流入して、効果的なガス交換が
行なわれる。燃焼室キャビティ１２内の残留排気ガスは
勿論高温であるので、これを効果的に掃除することによ
って、吸気行程で吸入される吸気の温度上昇を有効に防
止し、体積効率の向上、従ってエンジン出力の向上を達
成することができる。さらに、圧縮終了時の吸気温度が
低減するので、燃焼ガスの最高温度及びその接続時間を
低減し、排気ガス中のＮＯｘ及びスモークを低減するこ
とができる。

【００１７】また、図２の吸気行程終期Ｂにおいても同
様に、第３弁３６の出口部分付近のシリンダ１８内に上
記高圧領域が生成されること及び第３ポート３２から圧
縮空気が流入することによって、吸気ポート２４からシ
リンダ内に流入した吸気を加圧することができ、これに
より過給効果が得られる。技術上良く知られているよう
に過給の結果、相応してエンジン出力の増大が達成され
る。

【００１８】上記構成によれば、第３弁３６が従来装置
のように動弁カムを含む動弁機構により開閉されず、弁
装置４２の瞬間的開放により生起されるショックウエー
ブによって開閉制御されるので、エンジンの運転状態に
応じ適切なタイミングで第３弁３６を開き、燃焼室キャ
ビティ１２を含むシリンダ１８内の排気ガスの掃除を確
実かつ効果的に行なうことができる。また、上記ショッ
クウエーブ発生のために使われた圧縮空気、及び第３弁
３６の開弁後引続き弁装置４２から第３ポート３２に供
給された圧縮空気は、すべて新気として燃料の燃焼に貢
献するので圧縮空気の無駄な消費がない利点がある。さ
らに、特にエンジンの出力が要求される全力運転時又は
その近傍の高負荷運転時にのみ、上記排気行程終期Ａ及
び吸気行程終期Ｂの少くとも一方、又は双方において弁
装置４２を瞬間的に開放しショックウエーブを発生させ
ることにより、圧縮空気の消費量をなお一層低減し得る
追加の利点がある。

【００１９】次に、第２発明の実施例を図３について具
体的に説明する。この発明では、第３弁３６の弁ステム
３６′に、ダイヤフラム６０を具えた圧力応動アクチュ
エータ６２が作動的に連結されている。同アクチュエー
タ６２のダイヤフラム上側の圧力室６４に分岐通路６６
の一端が連通され、同分岐通路６６の他端は、空気通路
４０に接続されている。その他の構成は、前記第１発明
の実施例と実質的に同一であるので、同一の符号を付し
重複説明は省略する。

【００２０】この構成によれば、図２に示された排気行
程終期の期間Ａ及び吸気行程終期Ｂの何れか一方、又は
双方において、ショックウエーブ発生用の弁装置４２を
瞬間的に開放すると、弁装置下流の空気通路４０にショ
ックウエーブが発生する。発生したショックウエーブ
は、上記通路４０からシリンダヘッド２０内の第３ポー
ト３２内を伝播し第３弁３６の弁傘部に作用すると共
に、分岐通路６６から圧力応動アクチュエータ６２のダ
イヤフラム６０に作用する。

【００２１】上記ダイヤフラム６０の受圧面積を第３弁
３６の傘部の受圧面積より十分大きく設定することは容
易であり、かつダイヤフラム６０は薄板製で慣性が小さ
いので、主としてダイヤフラム６０に作用するショック
ウエーブにより第３弁３６が極めて応答性良く開弁され
る。第３弁３６の開弁により、第３ポート３２の開口端
付近に高圧領域が形成され、前記第１発明と同様に、燃
焼室キャビティ１２を含むシリンダ１８内の残留排気ガ
スが効果的に掃除され（期間Ａ）、また効果的な過給
（期間Ｂ）が行なわれ、エンジン出力の向上及び排気ガ
ス性能の改善、即ちＮＯｘ及びスモークの低減が達成さ
れる。上記圧力応動アクチュエータ６２を設けることに
よって、ショックウエーブによる第３弁３６の開弁力を
十分大きくすることができるので、第３弁３６を常時閉
方向に付勢する弁ばね３４のばねを上記第１発明より大
きくして、圧縮行程及び爆発燃焼行程における第３弁３
６のシール性を高くし得る利点がある。さらに、ショッ
クウエーブの第１の伝播通路となる弁装置４２下流の空
気通路４０及び第３ポート３２の長さと、第２の伝播通
路となる弁装置４２下流の空気通路４０及び分岐通路６
６の長さとを、略等しく設定し、発生したショックウエ
ーブが圧力応動アクチュエータ６２及び第３弁３６の弁
傘部に略同時に作用するように設定することによって、
第３弁３６の開放を一層確実かつ容易に行なうことがで
き、相応して弁ばね３４の設定ばね力を小さくし、圧縮
行程及び爆発燃焼行程における第３弁のシール性をさら
に向上することができる。

【００２２】なお、上記第１及び第２発明の実施例にお
いては、ピストン１０の頂面に凹設された燃焼室キャビ
ティ１２がトロイダル型燃焼室の場合が例示されている
が、本発明はこれに限定されるものではなく、ヘッセル
マン型燃焼室、レイランド型燃焼室、その他皿型等任意
形状の燃焼室キャビティを有する種々の直接噴射型ディ
ーゼルエンジン等に広く適用することができる、また、
ショックウエーブ発生用弁装置４２として、ソレノイド
５４をアクチュエータとした電磁弁が示されているが、
応答性が優れ瞬間的に開閉し得る油圧あるいは圧縮空気
作動の弁装置を適宜に採用することができる。

【００２３】

【発明の効果】叙上のように、第１発明に係る内燃機関
は、シリンダヘッドに吸気ポート及び排気ポートとは独
立に設けられた第３のポート、上記シリンダヘッドに吸
排気弁とは別個に装着されて上記第３ポートの燃焼室側
開口部を開閉しかつ弾性装置により閉方向に付勢された
第３の弁、圧縮空気を貯溜する圧縮空気源、一端が上記
第３ポートに連通されると共に他端が上記圧縮空気源に
連通された空気通路、上記第３ポート又は空気通路に介
装されたショックウエーブ発生用の弁装置、及び上記エ
ンジンの運転状態に応じて上記弁装置を瞬間的に開閉す
る信号を出力する制御装置を備え、上記制御装置は、エ
ンジン運転状態が全負荷で且つ排気行程の終期に、掃気
用のショックウエーブを供給すべく、上記弁装置を瞬間
的に開閉制御することを特徴とし、エンジンの全負荷運
転時に、排気ガスの掃除を行ない、また所望により、掃
除及び過給の双方を効果的に行なうことにより、エンジ
ン出力の増大及び排気ガス性能の向上を達成することが
でき、しかも圧縮空気の消費量が少なく運転コストが安
い内燃機関を提供し得る利点があり、また上記第１発明
の構成に加え、上記弁装置より下流の第３ポート又はシ
ョックウエーブ用通路に連通され、ショックウエーブに
応動して第３弁を開方向に駆動する圧力応動アクチュエ
ータを設けたことによって、上記第１発明の利点及び効
果に加え、第３弁の開閉を一層確実にし、かつ圧縮行程
及び爆発燃焼行程における同第３弁のシール性を向上し
得る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】図１に示したエンジンの弁リフト線図である。

【図３】第２発明の一実施例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１０…ピストン、２０…シリンダヘッド、２２…排気ポ
ート、２４…吸気ポート、２６…排気弁、２８…吸気
弁、３２…第３ポート、３６…第３弁、３８…圧縮空気
源、４０…空気通路、４２…弁装置。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッドに吸気ポート及び排気ポ
ートとは独立に設けられた第３のポート、上記シリンダ
ヘッドに吸排気弁とは別個に装着されて上記第３ポート
の燃焼室側開口部を開閉しかつ弾性装置により閉方向に
付勢された第３の弁、圧縮空気を貯溜する圧縮空気源、
一端が上記第３ポートに連通されると共に他端が上記圧
縮空気源に連通された空気通路、上記第３ポート又は空
気通路に介装されたショックウエーブ発生用の弁装置、
及び上記エンジンの運転状態に応じて上記弁装置を瞬間
的に開閉する信号を出力する制御装置を備え、上記制御
装置は、エンジン運転状態が全負荷で且つ排気行程の終
期に、掃気用のショックウエーブを供給すべく、上記弁
装置を瞬間的に開閉制御することを特徴とする内燃機
関。
【請求項２】シリンダヘッドに吸気ポート及び排気ポ
ートとは独立に設けられた第３のポート、上記シリンダ
ヘッドに吸排気弁とは別個に装着され上記第３ポートの
燃焼室側開口部を開閉しかつ弾性装置により閉方向に付
勢された第３の弁、圧縮空気を貯溜する圧縮空気源、一
端が上記第３ポートに連通されると共に他端が上記圧縮
空気源に連通された空気通路、上記第３ポート又は空気
通路に介装されたショックウエーブ発生用の弁装置、同
弁装置より下流の上記第３ポート又は空気通路に連通さ
れショックウエーブに応動して上記第３弁を開方向に駆
動する圧力応動アクチュエータ、及び上記エンジンの運
転状態に応じて上記弁装置を瞬間的に開閉する信号を出
力する制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項３】上記制御装置は、エンジン運転状態を検
出する手段として、少なくとも負荷を検出する負荷セン
サ、及びクランクシャフトの回転数を検出する回転数セ
ンサを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の内燃機関。