JP7418915B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は、動力源として車両に搭載される内燃機関に関する。
従来より、燃費性能の一層の向上を図るべく、低負荷運転時に特定の気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止することが知られている。
しかしながら、単純に対象の気筒における燃料噴射及び着火燃焼のみを休止し、吸排気バルブの開閉を続けると、当該気筒に空気が吸入されて排気系に排出されるため、当該気筒の燃焼室温度が大きく低下してしまう。これにつれて、エンジンオイルの温度低下に伴う粘性増加によりメカロスが増大することや、高負荷運転復帰時における燃料噴射量増大させる必要が生じること等の不具合が生じる。さらに、空気がそのまま排気系に排出されることにより、排気浄化用の触媒に過剰な量の酸素が吸着されるとともに触媒の温度が低下し、ＮＯｘの還元性能がつれて低下するという不具合も生じる。
そこで、下記非特許文献１に開示された内燃機関のように、特定の気筒において、燃料噴射及び着火燃焼だけでなく、吸排気バルブの開閉も休止することが行われている。このようにすれば、空気が当該気筒内に導入されることが防止され、前段で述べたような不具合の発生が抑制される。
ところで、非特許文献１に記載の内燃機関は３気筒機関であり、そのうちの１つの気筒における燃料噴射及び着火燃焼を休止するものである。３気筒内燃機関で１つの気筒の燃料噴射及び着火燃焼を休止すると、燃焼の間隔が不均等なものとなるのでエンジン回転数の瞬時値の変動が大きくなり、内燃機関及び車両の駆動系の振動も大きくなる。
"Ford to Offer Fuel-Saving Cylinder Deactivation Tech for 1.0 Litre EcoBoost; Global First for a 3-Cylinder Engine | Ford of Europe | Ford Media Center"、[online]、［令和2年1月20日検索］、インターネット<URL: https://media.ford.com/content/fordmedia/feu/en/news/2016/11/29/ford-to-offer-fuel-saving-cylinder-deactivation-tech-for-1-0-lit.html>
本発明は、燃焼の間隔を均等に保ちつつ、また特定の気筒の燃焼室温度の低下や排気浄化用の触媒の性能低下といった不具合を生じさせることなく、燃料噴射及び着火燃焼の休止を行い燃費性能の向上を図ることを目的とする。
以上の課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る内燃機関は、気筒数が３の倍数個の内燃機関であって、クランクシャフトが４回転するごとに１回転する吸気カムシャフトと、この吸気カムシャフトに軸支され当該吸気カムシャフトの軸心を挟んで対称な形状の２つのカムローブを有する第１の吸気カムと、前記吸気カムシャフトに軸支されカムローブを１つのみ有するか又は当該吸気カムシャフトの軸心を挟んで対称に配されカムリフト量が異なる２つのカムローブを有する第２の吸気カムと、クランクシャフトが４回転するごとに１回転する排気カムシャフトと、この排気カムシャフトに軸支され当該排気カムシャフトの軸心を挟んで対称な形状の２つのカムローブを有する第１の排気カムと、前記排気カムシャフトに軸支されカムローブを１つのみ有する第２の排気カムと、高負荷運転時に第１の吸気カム及び第１の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第１の状態をとり低負荷運転時に第２の吸気カム及び第２の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第２の状態をとるようにするための切替機構とを備える。そして、前記第１の状態をとるときには、各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなり吸排気バルブの開閉弁を伴うサイクルを反復する一方、前記第２の状態をとるときには、各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなり吸排気バルブの開閉弁を伴う１サイクルを行った後、次のサイクルに相当する期間は燃料噴射及び着火燃焼を休止するとともに吸排気バルブを開閉弁させないか吸気バルブの開閉弁のリフト量を第１の状態よりも小さくし排気バルブを開閉弁させないようにする。
このようなものであれば、高負荷運転時には従来のクランクシャフトが２回転するごとに（すなわち７２０°ＣＡ（クランク角度）ごとに）１回転するカムシャフトを備えた４ストローク式内燃機関と同様の運転を行うようにしつつ、低負荷運転時には各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなる１サイクルを行った後、次のサイクルに相当する期間すなわち７２０°ＣＡの間は燃料噴射及び着火燃焼を休止するようにできる。従って、燃焼の間隔を均等に保ちつつ、また特定の気筒の燃焼室温度を他の気筒の燃焼室温度と比較して大きく低下させることなく、燃料噴射及び着火燃焼を休止させることができる。
本発明によれば、燃焼の間隔を均等に保ちつつ、また特定の気筒の筒内温度の低下や三元触媒の性能低下といった不具合を生じさせることなく、燃料噴射及び着火燃焼の休止を行い燃費性能の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態を図１～図７を参照しつつ以下に述べる。
図１に示すように、本実施形態の内燃機関の吸気バルブ１及び排気バルブ２はシリンダヘッド３において往復摺動可能に支持されている。これら吸気バルブ１及び排気バルブ２はその往復運動に基づいて燃焼室４と吸気通路５又は排気通路６との間に位置する吸気ポート７又は排気ポート８をそれぞれ開閉する。
吸気バルブ１及び排気バルブ２は、それぞれシリンダヘッド３に回転可能に支持された吸気カムシャフト９及び排気カムシャフト１０からの回転によりロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂを介して回転駆動される。このロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂの支点１１ｘはシリンダヘッド３に回転可能に支持されており、作用点は吸気バルブ１又は排気バルブ２のステムエンド１ａ、２ａに当接する。また、このロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂの力点部分１１ｆは吸気カムシャフト９又は排気カムシャフト１０に軸支された吸気カム１２Ａ、１２Ｂ又は排気カム１３Ａ、１３Ｂにより押圧される。
一方、吸気カムシャフト９及び排気カムシャフト１０は、いずれもクランクシャフト１４が４回転するごとに１回転するようになっている。具体的には、図２に示すように、クランクシャフト１４は減速比２の第１の減速機１５の入力端１５ａに接続されており、第１の減速機１５の出力端１５ｂは減速比２の第２の減速機１６の入力端１６ａに接続されている。そして、第２の減速機１６の第１及び第２の出力端１６ｂ、１６ｃに吸気カムシャフト１及び排気カムシャフト２がそれぞれ接続されているので、吸気カムシャフト１及び排気カムシャフト２はクランクシャフトが４回転するごとに１回転する。なお、第２の減速機１６は、従来のクランクシャフトが２回転するごとに吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを１回転させるための、従来の内燃機関に用いられているこの種の減速機とほぼ同様の構成を有する。
ここで、各気筒の吸気バルブ１と排気バルブ２とは、これらの間の中間線に対して左右対称に配されている。以下、吸気バルブ１側のみに着目して説明するが、排気バルブ２側も同様の構成を有する。
各気筒の吸気バルブ１には、図３～図５に示すように、吸気カムシャフト９に軸支され当該カムシャフト９の軸心を挟んで対称な形状を有する２つのカムローブ１２ｘを有する第１の吸気カム１２Ａと、吸気カムシャフト９に軸支されカムローブ１２ｘを１つのみ有する第２の吸気カム１２Ｂをそれぞれ対応させて設けてある。より具体的には、各気筒には吸気バルブ１が２つ備えられており、両吸気バルブ１の中間に対応する位置に第１のロッカーアーム１１Ａが、また両吸気バルブ１に対応する位置に第２のロッカーアーム１１Ｂがそれぞれ設けられており、第１のロッカーアーム１１Ａを第１の吸気カム１２Ａが押圧するとともに、両第２のロッカーアーム１１Ｂをそれぞれ第２の吸気カム１２Ｂが押圧するようになっている。
さらに詳述すると、図３及び図４に示すように、第１の吸気カム１２Ａは、ベースサークル上において互いに１８０度離間した位置に両カムローブ１２ｘがそれぞれ配されている。第２の吸気カム１２Ｂは、カムローブ１２ｘを１つのみ有しており、このカムローブ１２ｘは第１の吸気カム１２Ａにおける一方のカムローブ１２ｘと位相が一致する位置に配されている。
一方、第１及び第２のロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂには、高負荷運転時に第１の吸気カム１２Ａが吸気バルブ１を開弁駆動する第１の状態をとり低負荷運転時に第２の吸気カム１２Ｂがそれぞれ吸気バルブ１を開弁駆動する第２の状態をとるようにするための切替機構１７が内蔵されている。この切替機構１７は、例えば、図５に示すように、第１及び第２のロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂを接続しこれらを同期して移動させることが可能な第１の位置（Ｐ）と第１又は第２のロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂ内に収納されこれらを接続しない第２の位置（Ｑ）との間を移動可能な接続ピン１８と、接続ピン１８を第１の位置（Ｐ）に向けて移動させるための油圧を供給する油圧通路１９と、この油圧通路１９に油圧を共有する図示しない油圧供給源と、接続ピン１８を第２の位置（Ｑ）に向けて付勢するコイルバネ２０と、アクセル操作量が所定を上回る高負荷運転時に接続ピン１８を第１の位置（Ｐ）に、アクセル操作量が所定を下回る低負荷運転時に接続ピン１８を第２の位置（Ｑ）にすべく油圧通路１９中の図示しない弁を制御する信号を出力する図示しない制御装置とを備えている。この制御装置は、マイクロコンピュータシステムを利用して形成されたものであり、アクセル操作量を示す信号を受け付け、この信号が示すアクセル操作量が所定の値を上回るある場合に高負荷運転時であるものと判定し接続ピン１８を第１の位置（Ｐ）に向けて移動させるべく弁に信号を出力し、アクセル操作量が所定の値を下回る場合に低負荷運転時であるものと判定し接続ピン１８を第２の位置（Ｑ）に向けて移動させるべく弁に信号ｓを出力するものである。なお、図５においては、切替機構１７の接続ピン１８の存在を示すべくロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂの一部を破断して示している。
ここで、高負荷運転時には、前述したように接続ピン１８が第１の位置（Ｐ）に配されているので、第１の吸気カム１２Ａの２つのカムローブいずれが第１のロッカーアーム１１Ａを押圧する場合でも、第２のロッカーアーム１１Ｂは第１のロッカーアーム１１Ａと一体的に動作して吸気バルブ１を駆動する。換言すれば、第１の吸気カム１２Ａが吸気バルブ１を駆動する。従って、クランクアーム１４が４回転する間（１４４０°ＣＡごと）に吸気バルブ１は２回開弁動作を行う。
一方、低負荷運転時には、前述したように接続ピン１８が第２の位置（Ｑ）に配されているので、第１のロッカーアーム１１Ａは第２のロッカーアーム１１Ｂと連動せず、吸気バルブ１は第２の吸気カム１２Ｂから第２のロッカーアーム１１Ｂを経て駆動される。換言すれば、第２の吸気カム１２Ｂが吸気バルブ１を駆動する。従って、クランクアーム１４が４回転する間（１４４０°ＣＡごと）に吸気バルブ１は１回開弁動作を行う。
排気バルブ２及び排気カム１３Ａ、１３Ｂについても、前述した吸気バルブ１及び吸気カム１２Ａ、１２Ｂと同様に第１及び第２のロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂを介して接続されており、切替機構１７により高負荷運転時に第１の排気カム１３Ａがそれぞれ排気バルブ２を開弁駆動する第１の状態をとり低負荷運転時に第２の排気カム１３Ｂがそれぞれ吸気バルブ２を開弁駆動する第２の状態をとるようになっている。第１及び第２の排気カム１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ第１及び第２の吸気カム１２Ａ、１２Ｂと同様の形状を有する。換言すれば、第１の排気カム１３Ａは、ベースサークル上において互いに１８０度離間した位置に両カムローブ１３ｘがそれぞれ配されている。第２の排気カム１３Ｂは、カムローブ１３ｘを１つのみ有しており、このカムローブ１３ｘは第１の排気カム１３Ａにおける一方のカムローブ１３ｘと位相が一致する位置に配されている。第１及び第２のロッカーアーム１１Ａ、１１Ｂ、並びに切替機構１７は吸気バルブ１と吸気カム１２Ａ、１２Ｂとの間に配されたものと同様の構成を有するので、対応する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
従って、高負荷運転時には第１の吸気カム１２Ａ及び第１の排気カム１３Ａがそれぞれ吸気バルブ１及び排気バルブ２を開弁駆動する第１の状態をとり、低負荷運転時には第２の吸気カム１２Ｂ及び第２の排気カム１３Ｂがそれぞれ吸気バルブ１及び排気バルブ２を開弁駆動する第２の状態をとる。
以上のことから、高負荷運転時の運転態様はタイムチャートを図６に示すようなものであり、低負荷運転時の運転態様はタイムチャートを図７に示すようなものである。
すなわち本実施形態によれば、クランクシャフト１４が４回転するごとに吸気カムシャフト９及び排気カムシャフト１０が１回転するようにした上で、低負荷運転時にはカムローブを１つのみ有する第２の吸気カム１２Ｂ又は第２の排気カム１３Ｂにより吸気バルブ１及び排気バルブ２が開弁駆動される第２の状態をとるようにしているので、前述した図７のタイムチャートに示すように、各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなる１サイクルを行った後次のサイクルに相当する７２０°ＣＡの間は燃料噴射及び着火燃焼を休止するようにできる。従って、各気筒の燃焼の間隔を均等に保ちつつ、また気筒の燃焼室温度を大きく低下させることなく、燃料噴射及び及び着火燃焼を休止することにより燃費性能を向上させることができる。
その一方で、高負荷運転時には吸気カムシャフト９又は排気カムシャフト１０の軸心を挟んで対称な形状を有する２つのカムローブ１２ｘを有する第１の吸気カム１２Ａ及び第１の排気カム１３Ａにより吸気バルブ１及び排気バルブ２が開弁駆動される第１の状態をとるようにしているので、前述した図６のタイムチャートに示すように、通常のクランクシャフトが２回転するごとに吸気カムシャフト及び排気カムシャフトが１回転する４ストローク式内燃機関と同様の運転を行うことができる。
換言すれば、各気筒の燃焼の間隔を均等に保ち車両等の振動を抑えつつ、また気筒の燃焼室温度の低下に伴うメカロスの増大及び気筒の運転再開時の燃料噴射量の増大、並びに三元触媒の性能低下といった不具合を生じさせることなく、高負荷運転時には従来の内燃機関と同様の運転を行いつつ、低負荷運転時には、燃料噴射及び着火燃焼の休止を行うことによる燃費性能の向上を図ることができる内燃機関を実現できる。
その上、吸気カムシャフト９及び排気カムシャフト１０の回転速度が一般的な内燃機関の半分であるので、特にカムシャフト９、１０の軸承部分のフリクションロスや摩耗の低減を図ることもできる。
そして、１つの気筒の燃料噴射及び着火燃焼の休止を行う際には当該気筒に対応する吸気バルブ１及び排気バルブ２の開閉弁を停止することによりポンピングロスを大幅に低減できるので、さらなる燃費性能の向上を図ることもできる。
なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。
例えば、上述した実施形態では第２の吸気カムがカムローブを１つのみ有するが、吸気カムシャフトの軸心を挟んで対称に配されカムリフト量が異なる２つのカムローブを備える第２の吸気カムを採用してもよい。換言すれば、７２０°ＣＡごとに、通常のカムリフト量を有するカムローブにより吸気バルブを駆動し燃料を噴射して点火する運転状態と、通常のカムリフト量より小さいカムリフト量を有するカムローブにより吸気バルブを駆動し燃料噴射及び着火燃焼を休止する休止状態とを交互にとるようにしてもよい。この場合、休止状態であっても吸気バルブはわずかに開弁するので、吸気バルブを閉じたままピストンを下死点に向けて下降させる態様と異なり、エンジンオイルが燃焼室側に引き込まれる不具合が発生しにくい。
また、本発明は３気筒の内燃機関以外にも適用できる。特に奇数個の気筒を直列に配置した内燃機関や、直列６気筒、Ｖ型６気筒、Ｖ型１２気筒といった気筒が３の倍数個の内燃機関において前述した本発明の効果を有効に得ることができる。
さらに、クランクシャフトが４回転するごとに吸気カムシャフトを１回転させるためには、前述した実施形態のように減速比２の減速機を２個使用する代わりに、減速比４の減速機を１個のみ使用するようにしてもよい。
加えて、前述した実施形態では高負荷運転時または低負荷運転時であることの判定に用いるパラメータとしてアクセル操作量を利用しているが、アクセル操作量に限らず、アクセル操作の速度、スロットルバルブの開度、新気の吸入空気量、吸気管圧力といった、運転者が要求する内燃機関の出力（要求負荷）を示す任意の量を利用してもよい。
そして、吸排気カムと吸排気カムシャフトとの間にロッカーアームを介在させない内燃機関に本発明を適用してもよく、高負荷運転時に第１の吸気カム及び第１の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第１の状態をとり低負荷運転時に第２の吸気カム及び第２の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第２の状態をとるようにするための切替機構も前述した実施形態のものに限らず任意のものを採用してよい。また、火花点火内燃機関に限らず、ディーゼルエンジン等の圧縮着火内燃機関に本発明を適用してもよい。
その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。
９…吸気カムシャフト
１０…排気カムシャフト
１２Ａ…第１の吸気カム
１２Ｂ…第２の吸気カム
１２ｘ…カムローブ
１３Ａ…第１の排気カム
１３Ｂ…第２の排気カム
１４…クランクシャフト
１７…切替機構
１０…排気カムシャフト
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１２Ｂ…第２の吸気カム
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Claims (1)
- 気筒数が３の倍数個の内燃機関であって、
クランクシャフトが４回転するごとに１回転する吸気カムシャフトと、
この吸気カムシャフトに軸支され当該吸気カムシャフトの軸心を挟んで対称な形状の２つのカムローブを有する第１の吸気カムと、
前記吸気カムシャフトに軸支されカムローブを１つのみ有するか又は当該吸気カムシャフトの軸心を挟んで対称に配されカムリフト量が異なる２つのカムローブを有する第２の吸気カムと、
クランクシャフトが４回転するごとに１回転する排気カムシャフトと、
この排気カムシャフトに軸支され当該排気カムシャフトの軸心を挟んで対称な形状の２つのカムローブを有する第１の排気カムと、
前記排気カムシャフトに軸支されカムローブを１つのみ有する第２の排気カムと、
高負荷運転時に第１の吸気カム及び第１の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第１の状態をとり低負荷運転時に第２の吸気カム及び第２の排気カムがそれぞれ吸気バルブ及び排気バルブを開弁駆動する第２の状態をとるようにするための切替機構とを備え、
前記第１の状態をとるときには、各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなり吸排気バルブの開閉弁を伴うサイクルを反復する一方、
前記第２の状態をとるときには、各気筒が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４工程からなり吸排気バルブの開閉弁を伴う１サイクルを行った後、次のサイクルに相当する期間は燃料噴射及び着火燃焼を休止するとともに吸排気バルブを開閉弁させないか吸気バルブの開閉弁のリフト量を第１の状態よりも小さくし排気バルブを開閉弁させないようにする内燃機関。
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