特許 6547405 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6547405

(24)【登録日】2019年7月5日

(45)【発行日】2019年7月24日

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/00 20060101AFI20190711BHJP

   F02D 13/04 20060101ALI20190711BHJP

   F02B 23/06 20060101ALI20190711BHJP

   F01L 9/02 20060101ALI20190711BHJP

【ＦＩ】

   F02B23/00 W

   F02D13/04 A

   F02B23/06 B

   F01L9/02 Z

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-100827(P2015-100827)

(22)【出願日】2015年5月18日

(65)【公開番号】特開2016-217203(P2016-217203A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2018年5月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100171619

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 顕雄

(72)【発明者】

【氏名】柿木 宗篤

【審査官】 村山 禎恒

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−０８５１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２８７４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０１１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０２６８５８６９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０４７８７８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ １／００−２３／１０

Ｆ０１Ｌ ９／０２

Ｆ０２Ｄ １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストンと、
前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、
前記ピストンの頂面及び、前記凹部の側面と底面とによって形成され、前記凹部に対応する拡大部分を備える燃焼室と、
前記燃焼室の前記拡大部分で開閉される吸気バルブ及び排気バルブと、を備え、
前記底面は、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されており、
前記頂面は、前記底面と同じ傾斜角度の傾斜面を含む円錐形状に形成されており、
前記ピストンが上死点に位置した際に、前記頂面と前記底面とが一連の傾斜面を形成する
内燃機関。

【請求項2】

前記吸気バルブは、１つの前記ピストンに対して複数備えられ、
複数の前記吸気バルブの開閉動作を個別に制御する吸気バルブ制御手段を、さらに備える
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記排気バルブは、１つの前記ピストンに対して複数備えられ、
複数の前記排気バルブ開閉動作を個別に制御する排気バルブ制御手段を、さらに備える
請求項１又は２に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピストンと吸排気バルブと燃焼室を備える内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

ピストンの往復移動と吸排気バルブの開閉動作を連動させることで、燃焼室への給気や圧縮、燃焼室での燃焼、燃焼室からの排ガスの排出を行わせる内燃機関が知られている。この内燃機関では、ピストンの直上に吸気バルブや排気バルブが配置されているので、これらのバルブがピストンに衝突しないように各バルブの開閉動作が制御される。例えば、特許文献１には、圧縮開放ブレーキの実行時における排気バルブのリフト量をピストンの位置との関係で制限する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−２０２３７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

吸気バルブや排気バルブのリフト量をピストンの位置にかかわらず制御できれば、筒内空気量の制御に対する自由度を高めることができ、ひいては圧縮開放ブレーキの強さや吸気量など種々の制御に対する自由度を高めることができる。

【0005】

開示の内燃機関は、吸気バルブや排気バルブのリフト量をピストンの位置にかかわらず制御可能にすることで、筒内空気量の制御に対する自由度を高めることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

開示の内燃機関は、ピストンと、前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、前記ピストン及び前記凹部によって形成され、前記凹部に対応する拡大部分を備える燃焼室と、前記燃焼室の前記拡大部分で開閉される吸気バルブ及び排気バルブとを備える。

【発明の効果】

【0007】

開示の内燃機関によれば、吸気バルブや排気バルブのリフト量をピストンの位置にかかわらず制御可能にすることで、筒内空気量の制御に対する自由度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】エンジンの模式的な断面図である。

【図2】燃焼室周辺の模式的な部分拡大断面図である。

【図3】燃焼室の模式的な平面図である。

【図4】（Ａ）は吸気バルブ側のバルブ可動範囲を模式的に説明する部分拡大断面図、（Ｂ）は排気バルブ側のバルブ可動範囲を模式的に説明する部分拡大断面図である。

【図5】（Ａ）は第２実施形態の燃焼室の模式的な平面図、（Ｂ）は吸気バルブの制御の一例を模式的に説明する図である。

【図6】変形例を説明する燃焼室周辺の模式的な部分拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１（内燃機関の一例，以下単にエンジン１という）について説明する。

【0010】

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を備えている。シリンダブロック２の上側半部はシリンダ部１０に相当し、上下方向に延びる円形状の穴部１１が形成されている。この穴部１１には、ピストン１２が往復移動可能な状態で収納される。穴部１１の下端（すなわちピストン１２の下死点側の端）はクランクケース部２０に接続されている。一方、穴部１１の上端（すなわちピストン１２の上死点側の端）に連通して凹部１３が形成されている。凹部１３は、ピストン１２の頂面１２ａやシリンダヘッド３の下面３ａと共に燃焼室Ｘを形成する。なお、凹部１３については、燃焼室Ｘと共に後で説明する。

【0011】

クランクケース部２０には、クランクシャフト２１が回転可能な状態で配置されている。クランクシャフト２１が備えるクランクピン２２には、コンロッド２３の下端が回転可能な状態で取り付けられている。コンロッド２３の上端は、ピストン１２が備えるピストンピン１２ｂに回転可能な状態で取り付けられている。クランクケース部２０の上端には、オイル流路２４から供給されたオイルを上方に向けて噴射するオイルジェット２５が設けられている。オイルジェット２５から噴射されたオイルは、ピストン１２の内部に形成されたクーリングチャンネル１２ｃ（図２を参照）に流入され、ピストン１２の冷却に使用される。また、シリンダ部１０における凹部１３の周囲には、冷却水等の冷媒が流れる冷媒流路１４が設けられている。

【0012】

シリンダヘッド３には、吸気ポート３１と排気ポート３２が形成されている。吸気ポート３１は新気を導入する流路であり、排気ポート３２は排気を排出する流路である。吸気ポート３１の出口は、シリンダヘッド３の下面３ａにおける凹部１３（底面１３ａ）の直上位置に開口されている。排気ポート３２の入口は、吸気ポート３１の出口と同様に、シリンダヘッド３の下面３ａにおける凹部１３（底面１３ａ）の直上位置に開口されている。

【0013】

吸気ポート３１には吸気バルブ３３が配置され、排気ポート３２には排気バルブ３４が配置されている。具体的には、吸気バルブ３３の傘部が吸気ポート３１の出口に配置され、排気バルブ３４の傘部が排気ポート３２の入口に配置されている。吸気バルブ３３及び排気バルブ３４には、それぞれの軸部に設けられたバルブスプリング３５によって上向きの力が加えられている。また、吸気バルブ３３と排気バルブ３４の上端には、それぞれ油圧プランジャ３６が配置されている。

【0014】

油圧プランジャ３６は、油圧に応じて上下方向に移動されるピン３６ａを備えており、ピン３６ａの下端面が各バルブ３３，３４の軸部上端面に当接されている。油圧の上昇により、バルブスプリング３５の復元力に抗してピン３６ａが下方向に移動されると、対応する吸気バルブ３３や排気バルブ３４は開弁方向にリフトする。一方、油圧の低下によってバルブスプリング３５の復元力が勝ると、ピン３６ａは上方向に移動され、対応する吸気バルブ３３や排気バルブ３４は閉弁方向に移動する。

【0015】

油圧プランジャ３６は、電子制御ユニット５０（以下、ＥＣＵ５０という）と電気的に接続されており、ＥＣＵ５０からの制御信号に応じて動作（ピン３６ａの移動量）が制御される。このため、油圧プランジャ３６とＥＣＵ５０の組は、本発明の吸気バルブ制御手段及び排気バルブ制御手段の一例である。

【0016】

吸気バルブ３３と排気バルブ３４の間にはインジェクタ４１が配置されている。インジェクタ４１は、燃料を燃焼室Ｘ内に噴射する部材であり、燃焼室Ｘ内に配置された先端部には複数の噴射孔４２が形成されており、これらの噴射孔４２から燃料が噴射される。なお、噴射孔４２の形成数は、５個、７個、１０個など適宜に定めることができる。

【0017】

次に、燃焼室Ｘについて詳細に説明する。図２に示すように、燃焼室Ｘは、シリンダブロック２に形成された凹部１３と、ピストン１２と、シリンダヘッド３によって形成されている。すなわち、凹部１３の底面１３ａ及び側面１３ｂと、上死点に位置するピストン１２の頂面１２ａと、シリンダヘッド３の下面３ａによって区画された空間全体が燃焼室Ｘとなっている。そして、燃焼室Ｘにおけるピストンの頂面１２ａ（穴部１１）の上方に位置する部分が中心側部分Ｘ１であり、同じく凹部１３の底面１３ａの上方に位置する部分が拡大部分Ｘ２である。この燃焼室Ｘの容積は、凹部１３を備えずに穴部１１の上端部に形成された一般的な燃焼室の容積と同じである。言い換えれば、本実施形態の燃焼室Ｘと一般的な燃焼室は同じ圧縮比である。

【0018】

凹部１３は、ピストン１２が往復移動する穴部１１の縁よりも外周方向（穴部１１の半径方向）に拡大された形状とされ、底面１３ａと側面（周面）１３ｂによって形成されている。

【0019】

穴部１１の縁よりも外周方向に拡大された凹部１３を形成したことから、図３に示すように、インジェクタ４１の中心から底面１３ａの外周縁までの距離Ｌ２が、インジェクタ４１から穴部１１の内壁面までの距離Ｌ１よりも長くなる。そして、底面１３ａは、平面方向から見て穴部１１を中心とする円形リング形状に設けられる。吸気バルブ３３及び排気バルブ３４は、底面１３ａと対向する位置に配置されている。

【0020】

本実施形態では図３における左側部分に２つの吸気バルブ３３が配置され、同じく右側部分に２つの排気バルブ３４が配置されている。底面１３ａの幅（距離Ｌ２と距離Ｌ１の差）は、吸気バルブ３３の傘部及び排気バルブ３４の傘部の直径以上とされている。言い換えれば、ピストン１２の直径Ｄｐ、各バルブ３３，３４の直径Ｄｂ、穴部１１の直径Ｄｃとしたとき、Ｌ２−Ｌ１＞Ｄｂ、かつ、Ｄｃ＞Ｄｐの関係を満たすように、各部の直径が定められる。

【0021】

側面１３ｂは、底面１３ａの外周縁から上方に立ち上がる面によって形成されている。側面１３ｂの高さは、吸気バルブ３３及び排気バルブ３４の最大リフト量以上に定められている。これも吸気バルブ３３や排気バルブ３４を、燃焼室Ｘの拡大部分Ｘ２で開閉動作をするためである。

【0022】

また、底面１３ａは、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されている。ピストン１２の頂面１２ａは、高さの低い円錐形状に形成されていることから、凹部１３の底面１３ａもピストン１２の頂面１２ａと同じ傾斜角度の傾斜面とされている。これにより、ピストン１２が上死点に位置した際に、ピストン１２の頂面１２ａと凹部１３の底面１３ａが一連の傾斜面（円錐面）を形成する。

【0023】

以上の構成を有する第１実施形態のエンジン１では、吸気バルブ３３や排気バルブ３４をピストン１２の高さ位置にかかわらず開閉させることができる。

【0024】

図４（Ａ）に示すように、燃焼室Ｘの拡大部分Ｘ２がピストン１２よりも外周方向に形成されているので、この拡大部分Ｘ２に配置されている吸気バルブ３３は、ピストン１２が上死点に位置していてもバルブ可動範囲Ｈ１の中で自由に開閉動作できる。同様に、図４（Ｂ）に示すように、吸気バルブ３３も拡大部分Ｘ２に配置されているので、ピストン１２が上死点に位置していてもバルブ可動範囲Ｈ２の中で自由に開閉動作できる。

【0025】

このように、吸気バルブ３３や排気バルブ３４のリフト量をピストン１２の位置にかかわらず定めることができ、筒内空気量の制御に対する自由度を高めることができる。これにより、筒内圧力を調整したり、筒内の気体の流れを調整したりできる。その結果、圧縮開放ブレーキの強さや吸気量など種々の制御に対する自由度を高めることができる。

【0026】

また図２に示すように、ピストン１２が上死点に位置した場合に、ピストン１２の面方向中心から凹部１３の外周縁に至る燃焼室Ｘの底面（ピストン１２の頂面１２ａ，凹部１３の底面１３ａ）が下り傾斜面となる。このため、燃焼室Ｘは、外周側に向かうほどに深くなる空間となる。そして、インジェクタ４１は、側面１３ｂにおける高さ方向の中央に向けて燃料を噴射させる。

【0027】

従って、噴射孔４２から噴射された燃料が上下方向へ拡がっても、燃焼室Ｘの底面や燃焼室Ｘの天井面（シリンダヘッド３の下面３ａ）へ直接衝突する燃料の量を抑えることができる。その結果、燃料と空気を均一に混合させ易くなり、過剰燃料領域の発生を抑制できる。また、燃焼室Ｘを、一般的な形状の燃焼室よりも浅く、面方向に拡がった形状にできるため、拡散途中の燃料に火炎が接触し難くなり、効率よく燃料を燃焼させることができる。

【0028】

また、この燃焼室Ｘに関し、平面方向に見て円形であり、外周側に向かうにつれて深くなる形状であるため、噴射孔４２から噴射された燃料が外周側に向かうにつれて上下方向に拡がっても、天井面や底面１３ａに直接衝突する燃料の量を抑えることができ、燃焼室Ｘ内に噴射された燃料の濃度を均等化できる。

【0029】

また、ピストン１２に関し、頂面１２ａが高さの低い円錐形状とされているので、高温や高圧下においても十分な強度を確保できる。加えて、シリンダブロック２における凹部１３の周囲に、冷媒が流れる冷媒流路１４が設けられている。シリンダブロック２は、エンジン１を構成する部品群の中で体積の大きな部品であることから、エンジン１の強度を損なうことなく必要な冷却能力が容易に得られる。

【0030】

次に、本発明の第２実施形態に係るエンジン１について説明する。第２実施形態のエンジン１では、吸気バルブ３３及び排気バルブ３４の個数と制御が第１実施形態のエンジン１と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。

【0031】

図５（Ａ）に示すように、第２実施形態の燃焼室Ｘもまた、ピストン１２の上方に形成される中心側部分Ｘ１と、凹部１３の底面１３ａの上方に形成される拡大部分Ｘ２を備える。第２実施形態においても、燃焼室Ｘの容積は、一般的な燃焼室の容積と同じである。

【0032】

第２実施形態のエンジン１は、４つの吸気バルブ３３Ａ〜３３Ｄと、４つの排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄを備えている。この例では、各吸気バルブ３３Ａ〜３３Ｄを図における左側半部に、図の下側から時計回り方向で円弧状に配置している。同様に各排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄを図における右側半部に、図の下側から反時計回り方向で円弧状に配置している。

【0033】

図１で説明したように、これらの吸気バルブ３３Ａ〜３３Ｄ及び排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄのそれぞれに対応して、油圧プランジャ３６が設けられている。そして、各油圧プランジャ３６はＥＣＵ５０と電気的に接続されており、動作が独立して制御される。各吸気バルブ３３Ａ〜３３Ｄは同じ制御としてもよいし、個別に制御してもよい。同様に、各排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄについても同じ制御としてもよいし、個別に制御してもよい。

【0034】

そして、これらの吸気バルブ３３Ａ〜３３Ｄ及び排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄを個別に制御することにより、筒内の気体流動を制御することが可能になる。例えば、図５（Ｂ）に示すように、タイミングｔ１で第１吸気バルブ３３Ａを開弁し、タイミングｔ２で第２吸気バルブ３３Ｂを開弁し、タイミングｔ３で第３吸気バルブ３３Ｃを開弁し、タイミングｔ４で第３吸気バルブ３３Ｄを開弁することにより、筒内に旋回流を積極的に生じさせることが可能になる。

【0035】

また、各排気バルブ３４Ａ〜３４Ｄについても、開弁される排気バルブ３４の数とバルブリフト量を調整することで、圧縮開放ブレーキの強さを調整することも可能になる。

【0036】

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

【0037】

例えば、燃焼室Ｘ（凹部１３）に関し、前述の各実施形態では、平面方向から見て円形の窪みとなっているが、この形状に限定されない。例えば、平面方向から見て楕円形の窪みとしてもよいし、扇状の窪みとしてもよい。

【0038】

さらに、図６に示すように、凹部１３の側面（周面）１３ｂを、凹部１３の底面１３ａから上方へ離隔する程に、凹部１３の底面外周縁から外周側に立ち上がる傾斜面としてもよい。このように、吸気バルブ３３や排気バルブ３４の傘部分における直径を、燃焼室Ｘの拡大部分Ｘ２の幅（底面１３ａの幅）よりも小さくすることで、拡大部分Ｘ２の最外周部の深さが０であっても、各バルブ３３，３４を自由に稼働できる。

【0039】

前述の各実施形態では、吸気バルブ３３と排気バルブ３４の開閉動作を、油圧プランジャ３６及びＥＣＵ５０の組（吸気バルブ制御手段，排気バルブ制御手段）によって制御したが、この構成に限定されるものではない。例えば、吸気カム、排気カム及びロッカーアームの組を、吸気バルブ３３と排気バルブ３４のそれぞれに設け、これらによって各バルブ３３，３４の開閉動作を制御してもよい。この場合には、吸気カム、排気カム及びロッカーアームの組が、本発明の吸気バルブ制御手段や排気バルブ制御手段に相当する。

【0040】

また、前述の各実施形態では、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を備えるエンジン１を例示したが、この構成のエンジン１に限定されるものではない。ピストンと、ピストンが往復移動される穴部と、穴部の上端でこの穴部と連通される凹部を少なくとも備えるエンジンであればよい。

【符号の説明】

【0041】

１…ディーゼルエンジン，２…シリンダブロック，３…シリンダヘッド，３ａ…シリンダヘッドの下面，１０…シリンダ部，１１…穴部，１２…ピストン，１２ａ…ピストンの頂面，１２ｂ…ピストンピン，１２ｃ…クーリングチャンネル，１３…凹部，１３ａ…凹部の底面，１３ｂ…凹部の側面，１４…冷媒流路，２０…クランクケース部，２１…クランクシャフト，２２…クランクピン，２３…コンロッド，２４…オイル流路，２５…オイルジェット，３１…吸気ポート，３２…排気ポート，３３…吸気バルブ，３３Ａ…第１吸気バルブ，３３Ｂ…第２吸気バルブ，３３Ｃ…第３吸気バルブ，３３Ｄ…第４吸気バルブ，３４…排気バルブ，３４Ａ…第１排気バルブ，３４Ｂ…第２排気バルブ，３４Ｃ…第３排気バルブ，３４Ｄ…第４排気バルブ，３５…バルブスプリング，３６…油圧プランジャ，３６ａ…油圧プランジャのピン，４１…インジェクタ，４２…噴射孔，５０…ＥＣＵ，Ｘ…燃焼室，Ｘ１…燃焼室の中心側部分，Ｘ２…燃焼室の拡大部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】