JP5115663B1 - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関は、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。ばね装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含む。容積可変装置は、筒状部の壁面のうち、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域を加熱できるように形成されている加熱装置を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。ところが、圧縮比を非常に高くすると、燃焼室において異常燃焼が発現することが知られている。
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。
また、ＷＯ２０１１／０３０４７１号パンフレットには、燃焼室に連通する副室を有し、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに副室の容積が変化する容積可変装置を備える燃焼圧力制御装置が開示されている。この容積可変装置では、副室を形成するための副室用ピストンを気体により押圧することが開示されている。

特開２０００−２３０４３９号公報 国際公開第２０１１／０３０４７１号パンフレット

上記の特開２０００−２３０４３９号公報に開示されている燃焼室の圧力を調整する装置においては、燃焼室において燃料が燃焼すると副ピストンが燃焼室から離れる向きに移動する。このときに燃焼室に通じる副室が大きくなる。その後に、気筒内のピストンが下降して、燃焼室の圧力が低下することにより、副ピストンが燃焼室に向かって移動し、元の位置に戻る。燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより、燃焼室に連通する副室の内部には高温の燃焼ガスが流入する。
上記の公報に開示されている内燃機関は、副室がシリンダヘッドの内部に形成されている。このために、燃焼ガスの熱が副室の壁面を介してシリンダヘッドに放熱される。燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより、燃焼ガスの熱が放熱される面積が拡大する。このために、燃焼室の圧力を制御する装置が作動することにより冷却損失が増大する。この結果、出力されるトルクが抑制されたり、燃料消費量の低下量が抑制されたりしていた。
本発明は、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、冷却損失を抑制する内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。ばね装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより燃焼室に連通する空間が形成されている。容積可変装置は、筒状部の周りに配置されている加熱装置を含む。加熱装置は、筒状部の壁面のうち、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域を加熱できるように形成されている。
上記発明においては、加熱装置は、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域の周りに配置されていることが好ましい。
上記発明においては、ばね装置は、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側と反対側に形成されたガス室を有し、移動部材は、ガス室に加圧された気体が封入されることにより押圧されており、加熱装置は、移動部材が移動する期間中に連続してガス室になる領域の周りを避けて形成されていることが好ましい。
上記発明においては、容積可変装置は、加熱装置と燃焼室との間に配置され、加熱装置から燃焼室の内部への熱の移動を抑制する断熱構造を有することが好ましい。
上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、断熱構造は、シリンダヘッドよりも熱伝導率の小さな断熱部材、または内部が空洞の密閉空間を含むことができる。

本発明によれば、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、冷却損失を抑制する内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 実施の形態における内燃機関の容積可変装置および圧力変更装置の概略図である。 実施の形態における内燃機関のクランク角度と燃焼室の圧力との関係を示すグラフである。 実施の形態における第１の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第２の加熱装置を有する容積可変装置の他の拡大概略断面図である。 実施の形態における第３の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第４の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第５の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第６の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。 実施の形態における第６の加熱装置を有する容積可変装置の他の拡大概略断面図である。 実施の形態における第７の加熱装置を有する容積可変装置の拡大概略断面図である。

図１から図１１を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときにピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間に加えて、任意の位置にあるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。燃焼室５の頂面は、シリンダヘッド４により構成され、燃焼室５の底面は、ピストン３の冠面により構成されている。
燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。また、吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
図２に、本実施の形態における内燃機関の容積可変装置および圧力変更装置の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、副室用ピストン５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
本実施の形態における容積可変装置は、筒状部を構成する筒状部材５１を備える。本実施の形態における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成されている。また、筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。
副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。副室用ピストン５５は、矢印１００に示すように、筒状部材５１の内部を移動する。副室用ピストン５５は、封止部材としてのピストンリングを介して筒状部材５１に接触している。副室用ピストン５５が移動することにより、副室６０の容積が変化する。副室６０には、燃焼ガスが流入する。
本実施の形態における容積可変装置は、弾性を有するばね装置を含む。本実施の形態におけるばね装置は、気体ばね５０を有する。気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が移動し始めるように、加圧された気体が充填される。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が充填される。ガス室６１に充填される気体としては、空気に限られず、任意の気体を採用することができる。
本実施の形態における内燃機関では、副室用ピストン５５が移動する期間、すなわち気体ばね５０が縮んでいる期間には圧力調整弁８５が閉止される。気体ばね５０は、圧力調整弁８５が閉止されることにより弾性を有する。密閉されたガス室６１の圧力により、副室用ピストン５５が押圧される。
本実施の形態における内燃機関は、気体ばねのガス室６１の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。圧縮機７２の出口には、逆止弁８２が配置されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ７４を含む。本実施の形態における圧力センサ７４は、ガス室６１と圧力調整弁８５とを接続する流路に配置されている。
圧力変更装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。本実施の形態においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態における空気排出弁８４および圧力調整弁８５は、電子制御ユニット３１により制御されている。圧力センサ７４の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。
本実施の形態における内燃機関は、運転期間中または停止期間中に気体ばね５０のガス室６１から空気が漏れても、空気を補充することができる。たとえば、モータ７１にて圧縮機７２を駆動し、更に圧力調整弁８５を開くことにより、ガス室６１に空気を供給することができる。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１の圧力を上昇させることができる。更に、本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０のガス室６１から気体を排出することができる。圧力調整弁８５および空気排出弁８４を開くことにより、ガス室６１の圧力を下降させることができる。ガス室６１の圧力を変更することにより、制御圧力を変更することができる。圧力変更装置は、この形態に限られず、気体ばねのガス室の圧力を変更可能な任意の装置を採用することができる。
図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、副室用ピストン５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、気体ばね５０のガス室６１には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。
図３に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、気体ばね５０が縮んで副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す実施例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれている。
燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
図３には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
比較例２の内燃機関では、異常燃焼の発生を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
図４に、本実施の形態における第１の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における容積可変装置は、筒状部の周りに配置され、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域の筒状部の壁面を加熱する加熱装置を含む。
本実施の形態における第１の加熱装置は、シリンダヘッド４の内部に形成されている排気通路６２を含む。排気通路６２には高温の排気ガスが供給される。本実施の形態における排気通路６２は、シリンダヘッド４の内部に空間が形成されている。排気通路６２は、筒状部材５１の周りに、筒状部材５１の形状に沿って形成されている。本実施の形態における排気通路６２は、筒状部材５１を取り囲むように形成されている。
排気通路６２は、入口部６２ａと出口部６２ｂとを有する。第１の加熱装置は、燃焼室５から機関排気通路に流出する排気ガスの一部が、矢印１０１に示すように、入口部６２ａに供給されるように形成されている。入口部６２ａは、例えば、シリンダヘッド４に形成されている排気ポート９に接続されている。排気通路６２を流通した排気ガスは、矢印１０２に示すように、出口部６２ｂから流出する。出口部６２ｂから流出する排気ガスは、再び機関排気通路に戻される。出口部６２ｂは、例えば、排気枝管１９に接続されている。
副室用ピストン５５は、燃焼室５の圧力が制御圧力以上になったときに、所定の範囲で移動する。矢印１０３に示す領域は、副室用ピストン５５が移動しているときに、少なくとも一部の期間において副室６０になる領域である。本実施の形態における排気通路６２は、矢印１０３に示す副室６０になる領域の周りに配置されている。第１の加熱装置は、少なくとも一部の期間において副室６０になる領域の壁面を加熱するように形成されている。
本実施の形態における容積可変装置が作動することにより、燃焼室の最大圧力が抑制される。燃焼室の最大圧力が抑制されることにより、燃焼温度の最大値が低く抑制される。このために、燃焼ガスからシリンダブロックやシリンダヘッドへの熱移動を抑制することができる。燃焼温度が低くなることにより冷却損失を低減することができる。
ところが、容積可変装置が作動することにより、副室用ピストン５５が燃焼室５に向かう側と反対側に移動する。燃焼ガスは、容積の大きくなった副室６０の内部に流入する。副室６０の壁面を形成する筒状部材５１の周方向の部分が、燃焼ガスと接触して放熱面積が増大する。副室６０が大きくなることにより、筒状部材５１を介してシリンダヘッド４に放熱する面積が大きくなる。副室６０からシリンダヘッド４に放熱されることにより冷却損失が大きくなっていた。
本実施の形態の容積可変装置においては、排気ガスが排気通路６２に供給されると、排気ガスの熱により、筒状部材５１の壁面を加熱することができる。特に、副室用ピストン５５が移動している期間中において、副室６０となる領域の筒状部材５１の壁面を加熱することができる。副室６０に流入する燃焼ガスと筒状部材５１との温度差を小さくすることができるために、副室６０の容積が大きくなる期間中においても、副室６０から筒状部材５１を介してシリンダヘッド４に放熱されることを抑制できる。この結果、内燃機関の冷却損失を抑制することができて、出力されるトルクの低下を抑制することができる。または、燃料の消費量の悪化を抑制することができる。
また、第１の加熱装置の排気通路６２は、副室用ピストン５５が移動したときに燃焼室５に連通する空間になる領域の周りに配置されている。すなわち、矢印１０３に示す副室６０になる領域を取り囲むように形成されている。この構成により、副室６０になる領域の筒状部材５１の壁面を効率よく加熱することができる。副室６０に流入する燃焼ガスの熱が筒状部材５１に伝達されることを効率よく抑制できる。
図５に、本実施の形態における第２の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における第１の加熱装置は、筒状部材５１から間隔をあけて排気通路６２が形成されている。これに対して、第２の加熱装置は、排気通路６２が筒状部材５１に接触している。すなわち、排気通路６２を流通する排気ガスは、シリンダヘッド４を介さずに、直接的に筒状部材５１を加熱する。このように、加熱装置が筒状部材に接触する構成を採用することにより、筒状部材を加熱するときの加熱効率を向上させることができる。
図６に、本実施の形態における第３の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における第３の加熱装置は、筒状部材５１の周りに形成されている排気通路６２を有する。第３の加熱装置の排気通路６２は、副室用ピストン５５が移動する期間中に連続してガス室６１になる領域の周りを避けて形成されている。矢印１０４は、副室用ピストン５５が上端まで上昇したときにガス室６１になる領域である。第３の加熱装置は、矢印１０４に示す領域の周りに排気通路６２が形成されていない構成を有する。すなわち、副室用ピストン５５が移動する期間中に、常にガス室６１になる領域の周りの領域を避けて排気通路６２が形成されている。
本実施の形態における容積可変装置では、副室用ピストン５５が移動している期間中に、ガス室６１が密閉される。ところが、加熱装置によりガス室６１に密閉されている気体が加熱されるとガス室６１の圧力が上昇する。すなわち、制御圧力が上昇してしまう。
副室用ピストン５５が移動する期間中に連続してガス室６１になる領域の周りを避けて加熱装置を配置することにより、ガス室６１の壁面となる部分が加熱されることを抑制できる。ガス室６１からの放熱を促進することができる。特に、加熱装置が発生する熱がシリンダヘッド４を介して、ガス室６１の内部の気体が加熱されることを抑制できる。ガス室６１が密閉されているときに、ガス室６１の内部の気体の温度が上昇し、制御圧力が上昇することを抑制することができる。または、圧力変更装置によりガス室６１の圧力を調整する場合には、圧力の調整を容易にすることができる。
なお、本実施の形態における容積可変装置には、圧力変更装置が接続されているが、この形態に限られず、圧力変更装置が接続されていない容積可変装置についても、本発明を適用することができる。
また、本実施の形態における第３の加熱装置は、着底している副室用ピストン５５の周りの領域を避けて形成されている。図６には、副室用ピストン５５が係止部５１ａに係止しており、筒状部材５１の底部に着底している状態を示している。副室用ピストン５５は、係止部５１ａに係止しているときには燃焼室５の壁面を構成する。副室用ピストン５５は、吸気行程において吸入される空気または混合気に接触する。このために、副室用ピストン５５の温度が高く維持されると吸入空気または混合気の温度が上昇する。吸入された空気または混合気の温度が高くなると、充填効率が低下するために、ノッキング等の異常燃焼が発生し易くなるという問題が生じる。
副室用ピストン５５が着底している領域の周りの領域を避けて加熱装置が形成されていることにより、副室用ピストン５５からの放熱が阻害されることを抑制することができて、吸入空気または混合気の温度上昇を抑制することができる。このように、充填効率の低下を抑制しながら、冷却損失の低下を抑制することができる。
図７に、本実施の形態における第４の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。第４の加熱装置は、排気通路６２と燃焼室５との間に形成されている断熱構造を有する。本実施の形態の断熱構造は、加熱装置から燃焼室５の内部への熱の移動を抑制する機能を有する。
本実施の形態の第４の加熱装置においては、排気通路６２と燃焼室５との間に断熱部材６３が配置されている。断熱部材６３は、筒状部材５１の周りに、筒状部材５１の形状に沿って形成されている。本実施の形態における断熱部材６３は、円環状に形成されている。断熱部材６３としては、例えば、シリンダヘッド４よりも熱伝導率の小さな材質により形成することができる。シリンダヘッド４は、例えば、鋳鉄やアルミニウム合金等の金属にて形成することができる。このため、シリンダヘッド４は、熱伝導率が高い。断熱部材６３としては、例えば、樹脂により形成することができる。また、特に、樹脂の中でも熱伝導率の小さな発泡樹脂等が好ましい。
前述の通り、吸気行程においては燃焼室の壁面の温度が低いことが好ましい。加熱装置と燃焼室との間に断熱構造を形成することにより、加熱装置により燃焼室の壁面を加熱することを抑制できる。第４の加熱装置においては、排気通路６２から燃焼室５の壁面に向かう伝熱を抑制することができる。この結果、吸気行程において燃焼室に流入する混合気や空気を加熱することを抑制できて、充填効率の低下を抑制することができる。
本実施の形態の第４の加熱装置を含む容積可変装置の断熱構造は、断熱部材を含むが、この形態に限られず、断熱構造としては、加熱装置から燃焼室に向かう熱の移動を抑制する任意の構造を採用することができる。例えば、断熱構造としては、断熱部材の代わりに、内部が減圧されて密閉された空洞部が形成されていても構わない。または、内部に気体が充填された空洞部が形成されていても構わない。このような密閉空間を形成することによっても、シリンダブロックよりも熱伝導率の小さな部分を配置することができて、断熱構造を構成することができる。
図８に、本実施の形態における第５の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。第５の加熱装置においては、加熱装置として機能する排気通路６２が、筒状部材５１の頂面に形成されている。排気通路６２が燃焼室５に向かう側と反対側の筒状部材５１の端面に形成されている。筒状部材５１の周方向の側面には、断熱構造が形成されている。
第５の加熱装置を含む容積可変装置は、断熱構造として空洞部６４が形成されている。空洞部６４は、筒状部材５１の周りに、筒状部材５１の側面に沿って形成されている密閉空間である。空洞部４４は、筒状部材５１に接触している。また、空洞部４４は、内部が減圧されている。空洞部としては、この形態に限られず、例えば、任意の気体が充填された密閉空間が形成されていても構わない。
第５の加熱装置においては、排気通路６２に排気ガスを流通させることにより、筒状部材５１を加熱することができる。筒状部材５１の周りには、断熱構造としての空洞部６４が形成されているために、筒状部材５１からシリンダヘッド４への放熱を抑制することができる。この結果、排気通路６２を通る排気の熱を筒状部材５１の側壁に沿って移動させることができる。筒状部材５１を高い温度に維持することができる。副室用ピストン５５が移動したときに副室６０となる領域の筒状部材５１の壁面を加熱することができる。この結果、燃焼ガスの熱が筒状部材５１を介してシリンダヘッド４に移動することを抑制できる。
第５の加熱装置は、排気通路６２が筒状部材５１の頂面に形成されている。すなわち、燃焼室５から離れた位置に加熱装置が配置されている。このため、燃焼室５の近傍の領域では、複雑な構成の装置を形成する必要がなく、容易に加熱装置を含む容積可変装置を形成することができる。または、容積可変装置を製造するときの生産性が向上する。
第５の加熱装置を含む容積可変装置においては、断熱構造を構成する空洞部６４が筒状部材５１に接触しているが、この形態に限られず、空洞部６４が筒状部材５１から離れてシリンダヘッド４の内部に形成されていても構わない。
また、第５の加熱装置を含む容積可変装置においては、着底している副室用ピストン５５の周りの領域を避けて空洞部６４が形成されている。この構成を採用することにより、副室用ピストン５５が着底しているときの副室用ピストン５５の放熱性を向上させることができる。副室用ピストン５５が高温に維持されて充填効率が低下することを抑制できる。
本実施の形態の加熱装置の排気通路は、シリンダヘッドに１つ形成されているが、この形態に限られず、複数の排気通路が筒状部の周りに形成されていても構わない。
前述の加熱装置は、燃焼室から流出する排気ガスの熱を用いて筒状部材を加熱している。この構成により、外気に廃棄する熱を利用して副室の壁面を加熱することができる。加熱装置としては、この形態に限られず、筒状部材を加熱する任意の装置を採用することができる。たとえば、加熱装置は、電気ヒータを含むことができる。
図９に、本実施の形態における第６の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態おける第６の加熱装置は、電気ヒータ６５を含む。それぞれの電気ヒータ６５は、電源に接続されている。電気ヒータ６５の電源は、電子制御ユニット３１に制御されている。電気ヒータ６５は、副室用ピストン５５の移動方向に延びるように形成されている。電気ヒータ６５は、副室用ピストン５５が移動したときに副室６０になる領域の筒状部材の壁面を加熱するように配置されている。
図１０に、本実施の形態における第６の加熱装置を含む容積可変装置の他の概略断面図を示す。図１０は、図９におけるＡ−Ａ線に関する矢視断面図である。本実施の形態においては、複数の電気ヒータ６５が、筒状部材５１の周りに配置されている。本実施の形態における電気ヒータ６５は、棒状に形成されている。電気ヒータ６５は、筒状部材５１を取り囲むように等間隔で配置されている。
本実施の形態における第６の加熱装置の電気ヒータは棒状に形成されているが、この形態に限られず、筒状部材を加熱する任意の電気ヒータを採用することができる。たとえば、筒状部材を取り囲む一つの板状のヒータが配置されていても構わない。
図１１に、本実施の形態における第７の加熱装置を含む容積可変装置の拡大概略断面図を示す。本実施の形態の第７の加熱装置は、複数の電気ヒータ６５を含み、それぞれの電気ヒータ６５が筒状部材５１に接触している。この構成を採用することにより、筒状部材を加熱するときの加熱効率を向上させることができる。
上記の複数の実施の形態は、互いに組み合わせることができる。例えば、筒状部の周りに排気通路に加えて電気ヒータを配置しても構わない。本実施の形態における容積可変装置のばね装置は、気体ばねを含むが、ばね装置としては、この形態に限られず、移動部材を押圧する任意の部材を含むことができる。例えば、ばね装置は、コイルスプリングのような機械ばねを含んでいても構わない。
本実施の形態においては、自動車に取り付けられている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ 機関本体
４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
３１ 電子制御ユニット
５０ 気体ばね
５１ 筒状部材
５１ａ 係止部
５５ 副室用ピストン
６０ 副室
６１ ガス室
６２ 排気通路
６３ 断熱部材
６４ 空洞部
６５ 電気ヒータ

Claims (5)

1. 弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備え、
   ばね装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより燃焼室に連通する空間が形成されており、
   容積可変装置は、筒状部の周りに配置されている加熱装置を含み、
   加熱装置は、筒状部の壁面のうち、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域を加熱できるように形成されていることを特徴とする、内燃機関。
2. 加熱装置は、移動部材が移動したときに燃焼室に連通する空間になる領域の周りに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. ばね装置は、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側と反対側に形成されたガス室を有し、
   移動部材は、ガス室に加圧された気体が封入されることにより押圧されており、
   加熱装置は、移動部材が移動する期間中に連続してガス室になる領域の周りを避けて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
4. 容積可変装置は、加熱装置と燃焼室との間に配置され、加熱装置から燃焼室の内部への熱の移動を抑制する断熱構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
5. 容積可変装置は、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドの内部に配置されており、
   筒状部は、シリンダヘッドに固定されており、
   断熱構造は、シリンダヘッドよりも熱伝導率の小さな断熱部材、または内部が空洞の密閉空間を含む、請求項４に記載の内燃機関。

Images