JP7007255B2 - 圧縮着火式エンジン - Google Patents

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本発明は、エンジンに関し、詳しくは、始動性が高く、燃費が良くなる圧縮着火式エンジンに関する。
従来、圧縮行程で発生する圧縮空気に燃料を噴射し、着火させた燃料の燃焼で出力を得る圧縮着火式エンジンがある(例えば、特許文献１参照)。
実開昭５５－２８７６７号公報(第１図，第２図参照)
《問題点１》 エンジンの始動性が低下することがある。
特許文献１のエンジンでは、寒冷時に、圧縮空気の温度が不足し、エンジンの始動性が低下することがある。
《問題点２》 圧縮比を上げると、燃費が悪くなる。
始動性を高めるため、圧縮比を上げると、エンジン始動後のポンピングロスが大きく、燃費が悪くなる。
本発明の課題は、始動性が高く、燃費が良くなる圧縮着火式エンジンを提供することにある。
この発明の構成は、次の通りである。
図１(Ａ)に例示する吸気弁(１)を開閉する動弁装置(２)と、吸気弁(１)の開閉時期を調節する開閉時期調節装置(３)を備え、開閉時期調節装置(３)で、図１(Ａ)(Ｂ)に例示するように、エンジン始動時の吸気弁(１)の開閉時期が、エンジン始動後よりも進角するように構成され、
開閉時期調節装置(３)は、クランク軸(２７)で駆動される斜歯の駆動側ギヤ(１０)と、斜歯の従動側ギヤとなる動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)と、軸長方向両端の一方側を進角スライド側、他方側を遅角スライド側として、両側にスライド可能な動弁カム軸(９)と、動弁カム軸(９)に進角スライド側の付勢力(１１ａ)を付与する付勢手段(１１)となる皿バネを備え、動弁カム軸(９)は吸気カム(８)を備え、
エンジン回転時には、駆動側ギヤ(１０)と動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いで、駆動側ギヤ(１０)から動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)に発生する遅角スライド側の推力(１０ａ)と、皿バネの付勢力(１１ａ)の不釣合い力で、動弁カム軸(９)と一体で動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)がスライドするように構成され、
エンジン回転数が低回転寄りのエンジン始動時には、駆動側ギヤ(１０)に対する進角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が進角寄りになり、
エンジン回転数が高回転寄りのエンジン始動後には、駆動側ギヤ(１０)に対する遅角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が遅角寄りになるように構成されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
《効果１》 エンジンの始動性が高くなる。
この発明では、図１(Ａ)(Ｂ)に例示するように、エンジン始動時は、吸気弁(１)の開閉時期が進角するため、図１(Ｃ)に例示する吸気弁の早開きで、図１(Ｄ)に例示するように、排気行程終期に高温の排気(４)が吸気ポート(５)に押し込まれ、排気(４)の混入で比較的高温になった吸気ポート(５)の空気が吸気行程で燃焼室(６)に吸入される。
しかも、エンジン始動時は、図１(Ｃ)に例示する進角による吸気弁の早閉じで、圧縮行程の圧縮開始時期が早まり、実圧縮比が高くなる。
これらの理由により、圧縮行程での圧縮空気の温度が上昇し、エンジンの始動性が高くなる。
《効果２》 燃費が良くなる。
この発明では、エンジン始動後は、図１(Ｃ)に例示する遅角による吸気弁の遅閉じで、圧縮行程の圧縮開始時期が遅くなり、実圧縮比の低下で、圧縮行程でのピストンのポンピングロスが小さくなり、燃費が良くなる。
なお、エンジン始動時は、図１(Ｃ)に例示する進角による吸気弁の早閉じで、実圧縮比が高くなり、圧縮行程でのピストンのポンピングロスが大きくなるが、エンジン始動時間は、エンジン始動後の運転時間に比べて短いため、燃費を大きく悪化させる要因にはならない。
《効果３》 エンジン始動後は黒煙の発生が抑制される。
この発明では、エンジン始動後は、図１(Ｂ)に例示する遅角による吸気弁の遅開きで、図１(Ｄ)に例示する排気行程終期に吸気ポート(５)に押し込まれる排気(４)が減少し、或いは無くなり、吸気行程で酸素濃度の高い吸気ポート(５)の空気が燃焼室(６)に吸入され、不完全燃焼が抑制され、黒煙の発生が抑制される。
《効果４》 エンジン始動後は高出力が得られる。
この発明では、エンジン始動後は、前記のように不完全燃焼が抑制され、高負荷に対応できる高出力が得られる。
なお、エンジン始動時は、前記したように、図１(Ｄ)に例示する排気(４)の混入した吸気ポート(５)の空気が吸気行程で燃焼室(６)に吸入され、出力低下のおそれがあるが、エンジン始動は無負荷で行われるため、始動性に支障は生じない。
本発明の実施形態に係る圧縮着火式エンジンを説明する図で、図１(Ａ)は動弁装置と吸気弁の開閉時期調節装置の斜視図、図１(Ｂ)はエンジン回転数に対する吸気弁開閉時期の進角度を示すグラフ、図１(Ｃ)は吸気弁開閉時期の説明図、図１(Ｄ)は排気行程終期の排気の流れを示す模式図、図１(Ｅ)は吸気カムの基本例での吸気カムとタペットの関係を示す模式図、図１(Ｆ)は吸気カムの変形例での図１(Ｅ)相当図である。 図１のエンジン全体を横側から見た立断面図である。 図２のIII－III線断面図である。
図１～図３は本発明の実施形態に係る圧縮着火式エンジンを説明する図で、この実施形態では、立形の直列多気筒ディーゼルエンジンについて説明する。
図２に示すように、このエンジンは、シリンダブロック(１５)と、シリンダブロック(１５)の上部に組み付けられたシリンダヘッド(１６)と、シリンダヘッド(１６)の上部に組み付けられたシリンダヘッドカバー(１７)と、シリンダブロック(１５)の前部に組み付けられたギヤケース(１８)と、シリンダブロック(１５)の下部に組み付けられたオイルパン(１９)を備えている。
更に、このエンジンは、図２に示す動弁装置(２)と、図３に示す燃料噴射装置(２０)と、図２及び図３に示すタイミングギヤトレイン(２１)を備えている。
図２に示す動弁装置(２)は、図１(Ｄ)に示す吸気弁(１)と排気弁(１４)を開閉する装置で、吸気カム(８)を備えた動弁カム軸(９)と、吸気カム(８)に載ったタペット(８ｄ)と、このタペット(８ｄ)に載ったプッシュロッド(８ｅ)と、図１(Ａ)に示すように、このプッシュロッド(８ｅ)の上側の出力端に当接する入力端を有するロッカアーム(８ｆ)を備え、ロッカアーム(８ｆ)の出力端は吸気弁(１)の弁軸の入力端部に当接している。吸気弁(１)は、弁バネ(図示せず)のバネ力で閉弁方向に付勢され、吸気弁(１)は、動弁カム軸(９)の回転で、吸気カム(８)とタペット(８ｄ)とプッシュロッド(８ｅ)とロッカアーム(８ｆ)を順に介して開弁され、弁バネの付勢力で閉弁される。
この動弁装置(２)は、動弁カム軸(９)に吸気カム(８)と交互に配置された排気カム(２２)を備え、排気カム(２２)に載ったタペット(２２ａ)と、このタペット(２２ａ)に載ったプッシュロッド(２２ｂ)と、ロッカアーム(図示せず)を備え、図１(Ｄ)に示す排気弁(１４)も弁バネ(図示せず)を備え、排気弁(１４)も吸気弁(１)と同じ原理で開閉される。なお、図１(Ｄ)中の符号(１３)は排気ポートである。
図３に示す燃料噴射装置(２０)は、図１(Ｄ)に示す燃焼室(６)に燃料を噴射するための装置で、燃料噴射カム軸(２３)と、燃料噴射カム軸(２３)で駆動される列型の燃料噴射ポンプ(２４)と、燃料噴射ポンプ(２４)から導出された燃料噴射管(２５)と、燃料噴射管(２５)の導出端に設けられた図１(Ｄ)に示す燃料インジェクタ(２６)を備えている。
図２及び図３に示すタイミングギヤトレイン(２１)は、クランク軸(２７)の回転力を動弁装置(２)と燃料噴射装置(２０)に伝動する伝動機構で、クランク軸(２７)の架設方向を前後方向とし、ギヤケース(１８)側を前として、クランク軸(２７)の前部に取り付けられたクランクギヤ(２７ａ)と、クランクギヤ(２７ａ)に噛み合うアイドルギヤ(２８)と、アイドルギヤ(２８)に右上から噛み合う動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)と、アイドルギヤ(２８)に左上から噛み合う燃料噴射カム軸入力ギヤ(２３ａ)と、燃料噴射カム軸入力ギヤ(２３ａ)に噛み合うサイドＰＴＯ入力ギヤ(２９)を備えている。
図２に示すように、前側から見て、クランクギヤ(２７ａ)は時計廻り、アイドルギヤ(２８)は反時計廻り、動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)と燃料噴射カム軸入力ギヤ(２３ａ)は時計廻り、サイドＰＴＯ入力ギヤ(２９)は反時計廻りに回転する。
このエンジンの主要な構成は、次の通りである。
このエンジンは、図１(Ａ)に示す吸気弁(１)を開閉する動弁装置(２)と、吸気弁(１)の開閉時期を調節する開閉時期調節装置(３)を備え、開閉時期調節装置(３)で、図１(Ａ)(Ｂ)に示すように、エンジン始動時の吸気弁(１)の開閉時期が、エンジン始動後よりも進角するように構成されている。
エンジン始動時とエンジン始動後の区分は、エンジン回転数の高低に伴う相対的な区分で、図１(Ｂ)に示すように、エンジン始動時は、スタータモータ(図示せず)が回転し始めてから所定回転数(Ｎ)に達するまで、エンジン始動後は、エンジン回転数が所定回転数(Ｎ)を越えた後のことをいう。
この実施形態では、エンジン始動時とエンジン始動後を区分する所定回転数(Ｎ)は、エンジンの自立回転成功の指標となる完爆回転数とされ、８００ｒｐｍとされている。
このエンジンでは、次の利点がある。
このエンジンでは、図１(Ａ)(Ｂ)に示すように、エンジン始動時は、吸気弁(１)の開閉時期が進角するため、図１(Ｃ)に示す吸気弁の早開きで、図１(Ｄ)に示すように、排気行程終期に高温の排気(４)が吸気ポート(５)に押し込まれ、排気(４)の混入で比較的高温になった吸気ポート(５)の空気が吸気行程で燃焼室(６)に吸入される。
しかも、エンジン始動時は、図１(Ｃ)に示す進角による吸気弁の早閉じで、圧縮行程の圧縮開始時期が早まり、実圧縮比が高くなる。
これらの理由により、圧縮行程での圧縮空気の温度が上昇し、エンジンの始動性が高くなる。
このエンジンでは、エンジン始動後は、図１(Ｃ)に示す遅角による吸気弁の遅閉じで、圧縮行程の圧縮開始時期が遅くなり、実圧縮比の低下で、圧縮行程でのピストンのポンピングロスが小さくなり、燃費が良くなる。
なお、エンジン始動時は、図１(Ｃ)に示す進角による吸気弁の早閉じで、実圧縮比が高くなり、圧縮行程でのピストンのポンピングロスが大きくなるが、エンジン始動時間は、エンジン始動後の運転時間に比べて短いため、燃費を大きく増加させる要因にはならない。
このエンジンでは、エンジン始動後は、図１(Ｂ)に示す遅角による吸気弁の遅開きで、図１(Ｄ)に示す排気行程終期に吸気ポート(５)に押し込まれる排気(４)が減少し、或いは無くなり、吸気行程で酸素濃度の高い吸気ポート(５)の空気が燃焼室(６)に吸入され、不完全燃焼が抑制され、黒煙の発生が抑制される。
このエンジンでは、エンジン始動後は、前記のように不完全燃焼が抑制され、高負荷に対応できる高出力が得られる。
なお、エンジン始動時は、前記したように、図１(Ｄ)に示す排気(４)の混入した吸気ポート(５)の空気が吸気行程で燃焼室(６)に吸入され、出力低下のおそれがあるが、エンジン始動は無負荷で行われるため、始動性に支障は生じない。
図１(Ａ)に示す開閉時期調節装置(３)は、クランク軸(２７)で駆動される斜歯の駆動側ギヤ(１０)と、斜歯の従動側ギヤとなる動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)と、軸長方向両端の一方側を進角スライド側、他方側を遅角スライド側として、両側にスライド可能な動弁カム軸(９)と、動弁カム軸(９)に進角スライド側の付勢力(１１ａ)を付与する付勢手段(１１)となる皿バネを備え、動弁カム軸(９)は吸気カム(８)を備えている。
エンジン回転時には、駆動側ギヤ(１０)と動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の噛み合いで、駆動側ギヤ(１０)から動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)に発生する遅角スライド側の推力(１０ａ)と、皿バネの付勢力(１１ａ)の不釣合い力で、動弁カム軸(９)と一体で動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)がスライドするように構成されている。
図１(Ａ)に示すように、駆動側ギヤ(１０)は、アイドルギヤ(２８)である。
前記の通り、付勢手段(１１)は皿バネである。
進角スライド側は前方側、遅角スライド側は後方側である。
駆動側ギヤ(１０)から動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)に発生する遅角スライド側の推力(１０ａ)は、動弁装置(２)の抵抗を受けている動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)を駆動側ギヤ(１０)で駆動する際に、噛み合った駆動側ギヤ(１０)と動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の斜歯の傾斜によって発生する。
図１(Ａ)に示すように、エンジン回転数が低回転寄りのエンジン始動時には、駆動側ギヤ(１０)に対する進角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が進角寄りになるように構成されている。
エンジン回転数が高回転寄りのエンジン始動後には、駆動側ギヤ(１０)に対する遅角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が遅角寄りになるように構成されている。
図１(Ａ)に示すように、エンジン始動時に吸気弁(１)の開閉時期が進角寄りになるのは、エンジン回転数が低回転寄りで、推力(１０ａ)が小さく、動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)が進角スライド側寄りになり、斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相が進角寄りの位相になるからである。
エンジン始動後に吸気弁(１)の開閉時期が進角寄りになるのは、エンジン回転数が高回転寄りで、推力(１０ａ)が大きく、動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)が遅角スライド側寄りに後退し、駆動側ギヤ(１０)の斜歯に沿って動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の斜歯が滑ることで動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)に遅角回転方向のずれ(９ｂ)が生じ、吸気カム(８)が遅角寄りの位相になるからである。
このエンジンでは、図１(Ａ)に示すように、斜歯の動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)及び駆動側ギヤ(１０)と付勢手段(１１)による簡易な機械的構造で開閉時期調節装置(３)を構成することができる。
図１(Ｅ)に示すように、吸気カム(８)の基本例では、エンジン始動時は、前記付勢力(１１ａ)で進角スライド側に位置する吸気カム(８)のカム面(８ａ)で押し上げられたタペット(８ｄ)とプッシュロッドとロッカアームを順に介して吸気弁(１)が開弁され、エンジン始動後は、前記推力(１０ａ)で、前記付勢力(１１ａ)に抗して、動弁カム軸(９)と共に遅角スライド側に押し戻された吸気カム(８)のカム面(８ａ)で同様に吸気弁(１)が開弁され、吸気弁(１)の開度は、エンジン始動時とエンジン始動後で変化しない。
図１(Ｆ)に示す吸気カム(８)の変形例では、吸気カム(８)は、カム面(８ａ)の遅角スライド側寄りの領域(８ｂ)に突起(８ｃ)を備えている。
エンジン始動時は、エンジン始動時は、図１(Ｆ)に示す進角スライド側寄りに位置する突起(８ｃ)へのタペット(８ｄ)の乗り上げで、図１(Ｄ)に示す圧縮行程終期の吸気弁(１)の開度が増大し、エンジン始動後は、図１(Ｆ)に示す遅角スライド側寄りに位置する突起(８ｃ)にタペット(８ｄ)が乗り上げず、前記吸気弁(１)の開度が増大しないように構成されている。
この変形例の吸気カム(８)を備えたエンジンでは、次の利点がある。
このエンジンでは、エンジン始動時は、吸気弁(１)の開閉時期の進角と共に、図１(Ｄ)に示す排気行程終期の吸気弁(１)の開度が増大するため、排気行程終期に吸気ポート(５)に押し込まれる排気(４)の量が増加し、多くの排気(４)の混入で高温になった吸気ポート(５)の空気が吸気行程で燃焼室(６)に吸入され、エンジンの始動性が高まる。
このエンジンでは、エンジン始動後は、前記前記吸気弁(１)の開度が増大しないため、図１(Ｄ)に示す排気行程終期に吸気ポート(５)に押し込まれる排気(４)の量の増加がなく、吸気行程で酸素濃度の高い吸気ポート(５)の空気が燃焼室(６)に吸入され、不完全燃焼が抑制され、黒煙の発生が抑制される。
また、このエンジンでは、エンジン始動後は、前記のように不完全燃焼が抑制されるため、高負荷に対応できる高出力が得られる。
なお、図２に示すように、動弁カム軸(９)は、排気カム(２２)を備えているため、エンジン始動時の吸気弁(１)の開閉時期が、エンジン始動後よりも進角すると同様、図１(Ｄ)に示す排気弁(１４)の開閉時期も、エンジン始動時はエンジン始動後よりも進角する。
この実施形態では、開閉時期調節装置(３)と同じ機構を用いて、燃料噴射装置(２０)のタイマ機構(図示せず)が構成されている。すなわち、タイマ機構は、燃料噴射カム軸(２３)を軸長方向にスライド自在とし、燃料噴射カム軸(２３)に付勢手段(図示せず)で進角スライド側の付勢力(１１ａ)を付与するように構成されている。
このため、エンジン始動時の燃料噴射開始時期が、エンジン始動後よりも進角し、始動性が高くなる。
(１)…吸気弁、(２)…動弁装置、(３)…開閉時期調節装置、(８)…吸気カム、(８ａ)…カム面、(８ｂ)…遅角スライド側寄りの領域、(８ｃ)…突起、(８ｄ)…タペット、(９)…動弁カム軸、(９ａ)…カム軸入力ギヤ、(９ｂ)…遅角回転方向のずれ、(１０)…駆動側ギヤ、(１０ａ)…推力、(１１)…付勢手段、(１１ａ)…付勢力。

Claims (2)

  1. 吸気弁(１)を開閉する動弁装置(２)と、吸気弁(１)の開閉時期を調節する開閉時期調節装置(３)を備え、開閉時期調節装置(３)で、エンジン始動時の吸気弁(１)の開閉時期が、エンジン始動後よりも進角するように構成され、
    開閉時期調節装置(３)は、クランク軸(２７)で駆動される斜歯の駆動側ギヤ(１０)と、斜歯の従動側ギヤとなる動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)と、軸長方向両端の一方側を進角スライド側、他方側を遅角スライド側として、両側にスライド可能な動弁カム軸(９)と、動弁カム軸(９)に進角スライド側の付勢力(１１ａ)を付与する付勢手段(１１)となる皿バネを備え、動弁カム軸(９)は吸気カム(８)を備え、
    エンジン回転時には、駆動側ギヤ(１０)と動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いで、駆動側ギヤ(１０)から動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)に発生する遅角スライド側の推力(１０ａ)と、皿バネの付勢力(１１ａ)の不釣合い力で、動弁カム軸(９)と一体で動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)がスライドするように構成され、
    エンジン回転数が低回転寄りのエンジン始動時には、駆動側ギヤ(１０)に対する進角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が進角寄りになり、
    エンジン回転数が高回転寄りのエンジン始動後には、駆動側ギヤ(１０)に対する遅角スライド側寄りの動弁カム軸入力ギヤ(９ａ)の外周の斜歯の噛み合いによる吸気カム(８)の位相で、吸気弁(１)の開閉時期が遅角寄りになるように構成されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
  2. 請求項１に記載された圧縮着火式エンジンにおいて、
    吸気カム(８)は、カム面(８ａ)の遅角スライド側寄りの領域(８ｂ)に突起(８ｃ)を備え、
    エンジン始動時は、進角スライド側寄りに位置する突起(８ｃ)へのタペット(８ｄ)の乗り上げで、圧縮行程終期の吸気弁(１)の開度が増大し、エンジン始動後は、遅角スライド側寄りに位置する突起(８ｃ)にタペット(８ｄ)が乗り上げず、前記吸気弁(１)の開度が増大しないように構成されている、ことを特徴とする圧縮着火式エンジン。
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