JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートと掃気ポートを備えた（１）吸気、（２）圧縮、（３）爆発・膨張、（４）
排気、（５）掃気導入、（６）掃気排気の全６行程を持つ内燃機関（以下、６サイクル機
関という。）であって、排気ポートから分離した循環ポートを掃気ポートに接続し、掃気
を全て排気循環ガスに置換可能なことを特徴とする６サイクル機関。
【請求項２】
吸気ポートに第１バルブを備え、掃気ポートに第２バルブを備え、これらのバルブはア
クセル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作により第１バルブの開度と
第２バルブの開度を相対的に変化させることのできる手段を備えたことを特徴とする、請
求項１の６サイクル機関。
【請求項３】
直噴式６サイクル機関であって、吸気バルブが掃気導入行程のときにも開き、かつその
掃気導入行程時のバルブ開角を変化させることの出来る連続可変バルブタイミング機構を
備えたことを特徴とする、請求項２の６サイクル機関。
【請求項４】
請求項２又は請求項３の６サイクル機関のバルブ制御システムであって、排気触媒の温
度を感知する手段を備え、排気触媒の温度により第１のバルブと第２のバルブの相対的な
開度を制御するアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御シス
テム。
(2) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
【請求項５】
第２のバルブとは別に掃気ポートの上流に掃気ポートバルブを備え、当該掃気ポートバ
ルブと第２バルブの中間に排気ポートから排気ガスを循環供給する循環ポートの接続部を
備えたことを特徴とする、請求項２又は請求項３の６サイクル機関
【請求項６】
請求項５の６サイクル機関の掃気ポートバルブのコンピュータを用いた制御システムであ
って、当該コンピュータは排気触媒の状態を感知する手段と、第１バルブの開度を感知す
る手段と、掃気ポートバルブの開口量を変化させるアクチュエータを駆動する手段を備え
たことを特徴とするバルブ制御システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６サイクル機関の排気触媒の状態の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料供給装置を備え、混合気を供給する吸気ポートと、新気のみを供給する掃気ポー
トを備える予混合式６サイクル機関は知られている（例えば、特許文献１参照）。６サイ
クル機関の掃気ポートを省略し、掃気導入行程で排気バルブを開き、排気を導入する方法
は知られており、燃費競技車両で使われ好成績を残している事実がある（例えば、非特許
文献１参照）。
【０００３】
機関の運転状態によりバルブを駆動するカムを切換えて使用する可変バルブタイミン
グ機構は種々のタイプのものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
連続可変バルブタイミング機構はスロットル弁の代用となるものであり、ポンピングロ
スが低減されることは知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】実開平２－９６４３５ 公報
【特許文献２】特開平５－１７９９１３ 公報
【特許文献３】特開昭５５－１３７３０５ 公報Ｐ９からＰ10
【非特許文献１】自動車技術 ２００４年Ｖｏｌ．５８ Ｎｏ．１０ Ｐ２７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
６サイクル機関の特徴は、掃気導入行程と掃気排気行程の存在により燃焼室の温度を低
下させ、４サイクル機関に対して高い圧縮比を実現することにより燃費が向上することに
ある。特許文献１の６サイクル機関は、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサを
安定作動させるために、排気ポートを燃焼ガスの排気用と掃気排気用の２つ備えた。しか
し、実際には触媒のセンサの反応速度はそれほど早くなく、平均的な数値が感知されるの
で危惧するほどの問題ではなかった。逆に、燃焼室に残る燃焼ガスが掃気に混合するので
、その燃焼ガスが後処理なく排出されてしまうことが問題となる。そこで、特許文献１で
言うところの従来型６サイクル機関のように排気ポートは1つとし、排気と掃気排気のガ
スを全て触媒を通過させた上で排出することとし、そのことにより問題となる触媒の温度
低下や酸素過多となる問題を、掃気ポートのバルブの開度調整によって制御しようとする
ものである。
【０００６】
排気ポートを1つとした場合、掃気が排気に混じることにより排気触媒の温度が低下し
、触媒が活性化しにくいという問題が生じる。この問題に対しては、６サイクル機関の排
気の保温に配慮することにより解決する。燃焼室ばかりでなく触媒を含めた排気ポート内
壁も断熱材を多用し、排気ガスの温度維持に配慮することである。そのとき、排気触媒温
度が高くなり過ぎる場合が生じるので、温度を調整するための冷却手段を確保すべきであ
(3) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
る。本発明はこの温度を調整するための適切な冷却手段を与えるものである。
【０００７】
同様に掃気を新気により構成した場合に触媒が酸素過多となり、触媒の還元作用が働か
なくなる問題が生じる。その対策として、４サイクル機関では燃料噴射量を増やしたり、
吸気に排気ガスを循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排出ガス再循環）シ
ステムを備えたりする手段が成立するが、６サイクル機関では燃焼に使われない掃気の存
在により、これらの手段を単純に採用しただけではやはり酸素過多の問題が残る。また、
この掃気の存在によりＥＧＲシステムが大きくなるという問題や、暖気に時間が掛かると
いう問題が生じる。
【０００８】
本発明において直噴式機関とは、ディーゼル機関のような圧縮着火機関と、ガソリンな
どの燃料を気筒内に直噴する火花着火機関の総称である。また、第１および第２バルブは
一般的には吸気および掃気ポートに設けられたスロットルバルブとしてのバタフライバル
ブやスライドバルブ等を言うが、本発明においては機関のクランク回転に対するバルブの
開く角度やリフト量を連続的に制御する連続可変バルブタイミング機構を採用した吸気や
掃気のポペットバルブも含まれる。第１および第２バルブをこのようなバルブとした場合
、吸気や掃気のガス流入量を絞る場合にバルブ部での圧力低下が無くポンピングロスを削
減することができるので、当該機構を採用した機関はより燃費効率の高いものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の課題解決手段は、吸気ポートに第１バルブと燃料供給装置を備え、掃気
ポートに第２バルブを備え、これらのバルブはアクセル操作に連動して動作する手段と、
アクチュエータの動作により第１バルブの開度と第２バルブの開度を相対的に変化させる
ことのできる手段を備えたことを特徴とする予混合式６サイクル機関である。
【００１０】
第２の課題解決手段は、吸気ポートに第１バルブを備え、掃気ポートに第２バルブを備
え、これらのバルブはアクセル操作に連動して動作する手段と、アクチュエータの動作に
より第１バルブの開度と第２バルブの開度を相対的に変化させることのできる手段を備え
、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なシステムを備えたことを特徴とする直噴式６サイ
クル機関である。
【００１１】
第３の課題解決手段は、掃気を全て排気循環ガスに置換可能なシステムを備えたことを
特徴とする、第１の課題解決手段による６サイクル機関である。
【００１２】
第４の課題解決手段は、吸気行程のときに吸気バルブと掃気バルブの両方のバルブが開
くことを特徴とする、第１の課題解決手段による６サイクル機関である。
【００１３】
第５の課題解決手段は、吸気バルブが掃気導入行程のときにも開き、かつその掃気導入
行程時のバルブ開角を変化させることの出来る連続可変バルブタイミング機構を備えたこ
とを特徴とする、請求項２の６サイクル機関である。
【００１４】
第６の課題解決手段は、第１の課題解決手段から第５の課題解決手段の６サイクル機関
のバルブ制御システムであって、排気触媒の温度を感知する手段を備え、排気触媒の温度
により第１バルブと第２バルブの相対的な開度を制御するアクチュエータを駆動する手段
を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。
【００１５】
第７の課題解決手段は、排気バルブに可変バルブタイミング機構を備え、当該可変バル
ブタイミング機構は排気行程と掃気排気行程で排気バルブを開くノーマルモードと、排気
行程と掃気導入行程と掃気排気行程で開く暖気モードに相互に移行可能なものであること
を特徴とする、請求項1から請求項５の６サイクル機関である。
(4) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
【００１６】
第８の課題解決手段は、第７の課題解決手段の６サイクル機関の可変バルブタイミング
機構のコンピュータを用いた制御システムであって、当該コンピュータは排気触媒の状態
を感知する手段と、当該可変バルブタイミング機構のバルブ開角を変化させるアクチュエ
ータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。
【００１７】
第９の課題解決手段は、第２のバルブとは別に掃気ポートの上流に掃気ポートバルブを
備え、当該掃気ポートバルブと第２バルブの中間に排気ポートから排気ガスを循環供給す
るポートを備えたことを特徴とする、第1の課題解決手段から第５の課題解決手段の６サ
イクル機関である。
【００１８】
第１０の課題解決手段は、第９の課題解決手段の６サイクル機関の掃気ポートバルブの
コンピュータを用いた制御システムであって、当該コンピュータは排気触媒の状態を感知
する手段と、第１バルブの開度を感知する手段と、掃気ポートバルブの開口量を変化させ
るアクチュエータを駆動する手段を備えたことを特徴とするバルブ制御システムである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の課題解決手段は、予混合式６サイクル機関の排気の温度の管理を行うこ
とができる利点がある。例えば排気触媒の温度が低い場合には、第２バルブの開度を通常
の負荷に対応した第１バルブの開度に対して相対的に開度を下げ、掃気の割合を減らす。
必要な場合には第２バルブを閉じてしまう。それにより掃気の割合を減らし排気温度を高
め、触媒温度を上げることが出来る。このことは暖気時の暖気時間の短縮にも効果があり
、より早く触媒温度を高めることができる。また逆に排気触媒温度が高い場合には、第２
バルブの開度を相対的に開くことにより、掃気の割合を増やし排気温度を下げ、触媒温度
を下げることができる。このとき掃気導入行程での通路抵抗が減りポンピングロスが削減
できる利点がある。吸気の量に影響する第1バルブと異なり、第２バルブの開閉は機関出
力に大きな影響を与えないため、排気温度を制御するためにスロットルバルブに相当する
第１バルブとは関連しながらも独立して開度を制御することが可能だからである。
【００２０】
本発明の第２の課題解決手段は、直噴式６サイクル機関の排気触媒が酸素過多となる問
題を解決し、かつ排気の温度管理を行うことができる利点がある。排気触媒の温度管理の
方法としては第１の課題解決手段と同様である。排気循環ガスは一般的に冷却されて掃気
として利用される。吸気と掃気を区別せずに一様に循環ガスを混合するのと比較して、吸
気の酸素濃度は変化しないため、燃料供給量はあまり減らさずに済むので、出力を下げる
ことなく排気触媒の温度管理が行なえる利点がある。４サイクルのＥＧＲシステムとは異
なり、基本的に掃気の全てを排気循環ガスに置き換えるので、循環ガス量は多くなるが構
造は単純である。更に精密な排気触媒の酸素濃度については吸気と掃気に含まれる新気の
量に対する燃料噴射量を調整することにより行う。必要であれば４サイクル機関と同様に
更に吸気にも循環ガスを回す。
【００２１】
本発明の第３の課題解決手段は、第２の課題解決手段と同様に、予混合式６サイクル機
関の掃気を排気循環ガスに置き換えることによって、出力をあまり下げずに排気触媒が酸
素過多となる問題を解決することができる利点がある。
【００２２】
本発明の第４の課題解決手段は、６サイクル機関の最高出力を向上させることのできる
利点がある。掃気導入時には掃気バルブのみが開き、新気を多く含む掃気を気筒内に導入
し、吸気時には吸気ポートからは混合気が、掃気ポートからは掃気が導入され気筒内で混
合される。吸気行程では、吸気ポートからの吸気のガス量と関係なく、吸気と掃気のガス
量の合計に比例した燃料を含む濃厚の混合気を導入することにより、気筒内に適切な混合
気を生成することができる。吸気バルブの面積は小さくすることができ、相対的に掃気バ
(5) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
ルブの面積は大きく取ることができる。そのため本課題解決手段を採用した予混合式機関
は、掃気時のバルブ開口面積を２バルブの４サイクル機関の吸気バルブと匹敵する大きさ
とすることができ、更に出力に最も影響する吸気時には吸気バルブと掃気バルブの両方の
バルブからガスを導入することになるので、合計のバルブ開口面積は２バルブの４サイク
ル機関以上のものとすることができ、４サイクル機関以上の回転数を実現可能とするもの
である。バルブ面積が確保できることによって通路抵抗が下がりポンピングロスが削減で
きる効果もある。
【００２３】
本発明の第５の課題解決手段は、直噴式６サイクル機関の排気触媒の温度と酸素濃度管
理を行うことができる簡単な構成の自己ＥＧＲシステムであり、外部ＥＧＲシステムと掃
気系をコンパクトに出来る利点がある。乗用車などに使われる機関では最大出力で使われ
る機会は少ないので、最高出力時にまで必要な充分な大きさのＥＧＲシステムを備えるこ
とはあまり合理的なことではない。機関回転数が低い場合には主に掃気ポートから排気循
環ガスを主体とした掃気を導入するが、機関回転数の高いところでは更に吸気バルブから
新気を不足する分だけ導入する。このようにすることにより掃気ポートと掃気バルブをコ
ンパクトに出来、その分吸気バルブや排気バルブを大きく取る事ができ、機関出力を向上
させ、ポンピングロスを削減することができる。また排気循環ガスの設定量が少なくて済
むことにより外部ＥＧＲシステム、特にその冷却系をコンパクトに出来る。一時的に高い
機関出力を要求されたときには、より温度の低い新気を吸気バルブから導入し、燃焼室の
温度を冷やす。機関が高出力で運転している場合であるので、排気触媒の温度が低くなり
すぎることはない。一時的に酸素濃度が高くなることになるが機関出力が低くなったとき
に燃料を濃くすることにより触媒の状態を調整することが可能である。
【００２４】
本発明の第６の課題解決手段は、排気触媒の温度を感知して、それに対してアクチュエ
ータを駆動することにより、第１バルブと第２バルブの相対的な開度を変えることにより
、触媒の温度を自動的に適切に制御するシステムが得られる利点がある。
【００２５】
本発明の第７の課題解決手段は、掃気導入行程で排気ポートから燃焼室に直接大量の排
気ガスを導入し、その量を可変とする内部ＥＧＲシステムを簡単な構成で実現することが
できる利点がある。また、制御システムと組み合わせることにより触媒の温度や酸素濃度
を自動制御することが可能となる利点と、機関の暖気を早める利点がある。予混合式の４
サイクル機関の吸気時に、大量の排気ガスを冷却せずに排気ポートから循環させれば、高
温の排気ガスが混合気に直接触れバックファイヤーなどの障害を起こすものであるが、６
サイクル機関の場合には排気に直接触れるのは燃料が含まれていない掃気であることによ
り可能となることである。
【００２６】
６サイクル機関では、掃気導入行程で掃気ポートから新気及び冷却した排気循環ガスで
構成された掃気が導入され、燃焼室内部が冷却される。しかし圧縮比等は機関が常に正常
に作動可能なように運転状態が限界的な場合に合わせて設定してあるので、コールド状態
ではもちろんのこと、ある程度暖気された後においても、機関の温度や負荷やその継続時
間などによっては掃気により冷却する必要性が低い場合もある。本課題解決手段は、この
ように必ずしも排気循環ガスを全て冷却する必要がない事情に鑑み、発明されたものであ
る。
【００２７】
本発明の第８の課題解決手段は、排気触媒の温度や酸素濃度などの状態を感知して、掃
気導入行程での排気ポートからの排気循環ガス量を自動制御して、触媒の状態を適切に保
つシステムを得られる利点がある。
【００２８】
本発明の第９の課題解決手段は、掃気に対する外部ＥＧＲによる循環ガス量と新気の量
を、第２バルブと掃気ポートバルブの開度を制御することにより簡単なシステムで変化さ
(6) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
せることが出来、自動制御システムと組み合わせることにより触媒の温度や酸素濃度を調
整することが可能となる利点がある。中でも第５の課題解決手段との組み合わせた場合に
は、排気バルブからの内部EGRによる排気循環ガス量と掃気の量の比率を変化させること
ができ、機関の暖気を早める利点と、排気温度を精密に管理できる利点がある。
【００２９】
本発明の第１０の課題解決手段は、排気触媒の温度や酸素濃度などの状態を感知して、
第２バルブと掃気ポートバルブの開度を自動制御することにより、掃気の中の外部ＥＧＲ
による排気ガス循環量と新気の割合を調整することにより、触媒の温度や酸素濃度の状態
を適切に保つシステムを得られる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の課題解決手段を採用した多気筒予混合式６サイクル機関のシリンダーヘッ
ドの１気筒部分をピストン側から見た平面図（実施例１）
【図２】同 側面図（実施例１）
【図３】第１及び第２バルブとしての連続可変バルブタイミング駆動システム図（実施例
２）
【図４】第２の課題解決手段による直噴式６サイクル機関のＥＧＲシステム図（実施例３
）
【図５】第４の課題解決手段による第１実施例の６サイクル機関のシリンダーヘッドをピ
ストン側から見た平面図（実施例４）
【図６】第４の課題解決手段による第２実施例の６サイクル機関のシリンダーヘッドをピ
ストン側から見た平面図（実施例５）
【図７】第５の課題解決手段による６サイクル機関のＥＧＲシステム図（実施例６）
【図８】同機関の吸気バルブの連続可変バルブタイミング駆動システム図（実施例６）
【図９】第７の課題解決手段による第１実施例の排気バルブ駆動カムシャフトの断面図（
実施例７）
【図１０】図９のカムのクランクの回転角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリ
フト量のグラフ（実施例７）
【図１１】第７の課題解決手段による第２実施例の排気バルブ駆動システム図（実施例８
）
【図１２】第６、第８、第１０の課題解決手段を用いたバルブ制御システム図（実施例９
）
【図１３】第６の課題解決手段のアクチュエータ９３の制御フローチャート（実施例９）
【図１４】第６の課題解決手段による第１バルブ開度に対する第２バルブ開度のマップ（
実施例９）
【図１５】第８の課題解決手段による排気バルブ制御マップ（実施例９）
【図１６】第１０の課題解決手段による掃気ポートバルブ制御マップ（実施例９）
【符号の説明】
【００３１】
１ ６サイクル機関
１６ 燃料供給装置
１７ 点火プラグ
１８ 直噴インジェクター
２０ シリンダーヘッド
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ シリンダーヘッドに設けられたポペットバルブの嵌入部
２１ 吸気ポート
２２ 吸気バルブ
２３ 第１バルブ
２４ 第１バルブ開度センサ
３１ 排気ポート
(7) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
３２ 排気バルブ
４１ 掃気ポート
４２ 掃気バルブ
４３ 第２バルブ
４３Ｂ 掃気ポートバルブ
５２ 回転数センサ
６３ 排気触媒
６８ 触媒センサ
８１、８２ レバー
８３、８４ ロッド
８５ リンク
９１，９１Ｂ アクチュエータ
９２ アクチュエータロッド
９３ 排気バルブアクチュエータ
９４ 掃気ポートバルブアクチュエータ
１１１ 循環ポート
１１２ 循環ガス冷却器
１２０ 吸気バルブタイミングカムシャフト
１２１，１２１Ｂ 吸気カム
１２３，１２３Ｂ，１３３，１４３ コントロールシャフト
１２４，１２４Ｂ，１４４ ロッド
１２６，１２６Ｂ，１３６，１４６ ロッカーアーム
１２６ＣＦ，１３６ＣＦ，１４６ＣＦ カムフォロワー
１２７，１３７，１４７ バルブリフター
１２７ＲＡ ラッシュアジャスター
１２７ＳＨ，１３７ＳＨ バルブリフターシャフト
１２８，１２８Ｂ，１４８ ロッカーアームシャフト
１２９，１２９Ｂ，１４９ ロッカーアームホルダー
１３０ 排気バルブタイミングカムシャフト
１３１ ノーマルカム
１３１Ｂ 排気カム
１３２ 暖気カム
１３２Ｂ 排気バルブの掃気カム
１３８ 偏心輪
１３９ スプリングピン
１４１ 掃気ノーマルカム
５１０ アクセルペタル
６１０ 制御用コンピュータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
６サイクル機関の排気ポートは1つとし、排気と掃気排気の全てを排気触媒を通過させ
ることとし、排気触媒の温度低下の問題に対しては燃焼室及び排気系を断熱化し、掃気ポ
ートのバルブの吸気ポートのバルブに対する相対開度の調整を行なうことにより温度管理
を行なう。触媒が酸素過多となる問題に対しては、掃気の全てを排気循環ガスに置換する
ＥＧＲシステムにより、ＥＧＲシステムが大きくなる問題や暖気に時間が掛かる問題に対
しては、排気バルブを掃気導入行程において開く自己ＥＧＲシステムにより解決した。
【実施例１】
【００３３】
図１の多気筒機関予混合式６サイクル機関は、燃焼室に吸気バルブ２２と排気バルブ３
２と掃気バルブ４２の３種のバルブを備えている。点火プラグ１７はこれらのバルブ面積
(8) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
を少しでも大きく取るように中心を外れて配置されている。吸気ポート２１と掃気ポート
４１はそれぞれ独立しており、吸気ポート２１には燃料供給装置１６があり混合気が、掃
気ポート４１からは新気である掃気が導入される。吸気ポート２１にはバタフライバルブ
である第１バルブ２３が、掃気ポート４１にも同一の形式の第２バルブ４３が、それぞれ
独立して回転可能なシャフトに固定されている。
【００３４】
図２は、図１のシリンダーヘッド２０を図１の上方から見た側面図であり、その第１と
第２バルブ制御機構のリンク周りの作動を示している。一般的に自動車などの移動体では
アクセルペタルを踏み込むことによって、もしくはスロットルグリップを回すことによっ
て、搭載している内燃機関の吸気ポートにあるスロットルバルブを開く方向に連動して動
作させる（図１２参照）。本実施例にも図示されていない同様の連動機構を備え、運転者
の操作に対して、スロットルバルブに相当する第１バルブ２３を連動して動作する。更に
第１バルブに対して、レバー８１、ロッド８３、リンク８５、ロッド８４、レバー８２を
介して、第２バルブ４３が連動している。アクチュエータ９１は外部から排気温度などに
よりロッド９２の突き出し量を変えるように駆動される。排気触媒温度が適切な場合、ア
クチュエータ９１は（Ａ）図に示された状態にあり、第２バルブ４３は第１バルブ２３の
開度と同一の開度となる。排気ガス温度検出値が高くなると（もしくは排気触媒温度が高
くなると予想されると）（Ｂ）図に示すようにアクチュエータ９１が駆動されリンク８５
の支点を支えているロッド９２を突き出す。その動きに伴いロッド８４は第２バルブ４３
を２点鎖線の（Ａ）図の位置から開く方向に動作し、より多くの掃気を導入する。逆に排
気ガス温度検出値が低くなると（もしくは排気触媒温度が低くなると予想されると）アク
チュエータ９１のロッド９２が引っ込み、第２バルブ４３を第１バルブ２３に対して相対
的に閉じ、より少ない量の掃気しか導入されないように作動する。
【００３５】
本発明の第１の課題解決手段において、アクセルペタルやスロットルグリップに連動す
るバルブを吸気ポートにある第１バルブ２３に限定するものでは無く、吸気ポートと掃気
ポート全体に対して、一つのスロットルバルブを備え、その下流の吸気ポートか掃気ポー
トの片方にアクチュエータで開閉する別のバルブを備えた場合でも同様な効果があること
は当業者にとっては自明なものである。また、リンク機構に変えて、直接第２バルブを動
作するアクチュエータを備え、それを第１バルブの動きに連動するように電子制御により
動かすものであっても良い。これらは第１の課題解決手段の発明概念に含まれるものであ
る。
【実施例２】
【００３６】
図３は、第１バルブとして吸気バルブに、第２バルブとして掃気バルブにそれぞれ連続
可変バルブタイミング機構を採用した、第１の課題解決手段による６サイクル機関のバル
ブ駆動システムである。シリンダーヘッドは省略されている。吸気バルブ２２と掃気バル
ブ４２の大きさは等しく、手前が掃気バルブであり、本図ではこのバルブも含めて吸気系
の可変バルブタイミング機構の構成部品（１２６～１２９）は掃気系の構成部品と重なり
合っている。掃気バルブや吸気バルブに連続可変バルブタイミング機構を採用した場合、
バルブ部での圧力低下が無くポンピングロスを削減することができるので、吸気や掃気の
ガス流入量を絞るパーシャル領域でより燃費効率の高いものとなる。このポンピングロス
の削減効果は予混合式機関ばかりでなく、直噴式機関でも効果がある。またポンピングロ
スを配慮しないですむので、燃焼速度の遅いリーン燃焼を用いる必要がなく、素早い燃焼
が可能な点でも燃費向上に効果がある。
【００３７】
本実施例の吸気バルブ２２と掃気バルブ４２の連続可変バルブタイミング機構は、それ
ぞれにクランク状のコントロールシャフト１２３、１４３を備え、実施例１と同様の２点
鎖線で示したリンク機構（８５等）を備え、アクチュエータ９１によりバルブ開度を相対
的に制御することができるものである。本実施例では両コントロールシャフトとカムシャ
(9) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
フトは２点鎖線で表したシリンダーヘッド上面に位置している。排気触媒温度が適切な場
合、アクチュエータ９１は本図の状態となり、吸気バルブ２２と掃気バルブ４２は比例す
るバルブ開口量となるようにリンク機構により連動して動作する。アクチュエータ９１は
外部からロッド９２の突き出し量を変えるように駆動され、吸気バルブのバルブ開口量に
対して掃気バルブの相対的開口量を調整する。
【００３８】
当該システムは共通のカムシャフト１２０に対して、それぞれのバルブ機構としてそれ
ぞれのカム１２１，１４１が備えられ、それらのカムに対してカムフォロワー１２６ＣＦ
，１４６ＣＦを備えたロッカーアーム１２６，１４６を備え、当該ロッカーアームの揺動
運動に連動して揺動するバルブリフター１２７，１４７により、それぞれのバルブを押し
開く。それぞれの連続可変バルブタイミング機構はそれぞれのコントロールシャフトの回
転により、ロッド１２４，１４４を介してカムの回転方向にロッカーアームホルダー１２
９，１４９ごと２点鎖線で示したシリンダーヘッドにより形成された円弧状のガイドに沿
ってロッカーアームを移動することにより、カムの回転角に対するカムフォロワーの位置
を変え、それぞれのバルブの開閉タイミングを変化させ、同時にバルブリフターに対する
作用点の位置を変えることによりバルブリフト量を変化させる。
【００３９】
本実施例のカムシャフトは反時計回りに回転している。アクセルペタルを踏み込むこと
によって、搭載している内燃機関の第１バルブである吸気バルブのコントロールシャフト
１２３を反時計回りに回転させ、バルブの開口量を大きくする方向に連動して回転する。
本図の状態がアクセルを踏み込んだ状態に対応し、バルブのリフト量が最大となっている
。アクセルを緩めるとコントロールシャフト１２３、１４３が図に対して時計周りに回転
することにより、ロッカーアーム１２６，１４６が右に移動し、ロッカーアームの揺動中
心であるロッカーアームシャフト１２８，１４８がバルブリフターとの作用点に近づきバ
ルブリフトが減り、同時に開閉タイミングが早くなる。各バルブのポペットバルブ２２，
４２のヘッド部分にはシリンダーヘッドに嵌入部２０Ａ，２０Ｂが設けられており、バル
ブヘッドが当該嵌入部にある場合開口面積が０になる構成になっており、バルブの開口面
積が急速に開くようになっている。
【００４０】
本実施例の連続可変バルブタイミング機構はこのコントロールシャフト１２３，１２３
Ｂの回転のみで開角とタイミングを同時に変化させることができ、ロッカーアームに掛か
る力は対向しているのでほぼ打ち消しあい、支持トルクが小さくてすむのでスロットルバ
ルブと同様に操作系に連動させて動作させることができる。電子制御を用いてアクチュエ
ータで動作させる場合にも小さな駆動力のもので済む特徴がある。
【実施例３】
【００４１】
図４は第２の課題解決手段による直噴式３バルブ６サイクル機関のＥＧＲシステムの概
念図である。シリンダーヘッド２０はピストン側から見た図となっている。本実施例では
排気ポート３１から掃気ポート４１への循環ポート１１１を有し、そこに排気ガスを冷却
する冷却器１１２を備えている。掃気導入行程では掃気バルブ４２から冷却された排気循
環ガスを掃気として導入し、吸気行程では吸気バルブ２２から新気を導入する。本実施例
の第１バルブ２３及び第２バルブ４３の作動は実施例１と同様である。排気温度検出値が
高いときは、第２バルブは第１バルブに対して相対的に開き、排気温度検出値が低いとき
は、第２バルブは第１バルブに対して相対的に閉じる。
【００４２】
本図のＥＧＲシステムを第１の課題解決手段による吸気ポートに燃料供給装置を備えた
予混合式機関に採用したものが第３の課題解決手段による６サイクル機関である。
【実施例４】
【００４３】
図５は第４の課題解決手段による予混合式６サイクル機関のシリンダーヘッド２０をピ
(10) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
ストン側から見た平面図である。本実施例では掃気バルブ４２と排気バルブ３２は大きく
、吸気バルブ２２は相対的に小さくなっている。吸気ポートからは混合気が、掃気ポート
からは基本的に新気が供給される。掃気導入行程では掃気バルブのみが開くが、吸気行程
では吸気バルブと同時に掃気バルブも開き混合気と新気を導入する。吸気ポートには１回
の爆発に必要な燃料が噴射されており、通常の機関の吸気と比べると濃い混合気となって
おり、吸気行程と圧縮行程の間に掃気バルブから導入された掃気と混合されシリンダー内
を所定の混合気状態とする。本課題解決手段によれば、実施例１の機関のバルブ配置に比
較して掃気バルブ面積を大きく設定することができ、特に出力に最も影響する吸気行程時
のバルブ面積は吸気と掃気の２つのバルブの合計となるため４サイクル機関以上の面積と
なり、４サイクル機関と同等もしくはそれ以上の回転数を実現できるものである。図示さ
れていないが本実施例でも第１と第２バルブが存在し、吸気に対する掃気の量を調整可能
としている。
【実施例５】
【００４４】
図６は第４の課題解決手段による５バルブのシリンダーヘッド２０をピストン側から見
た平面図である。本実施例ではバルブサイズはほぼ等しいが、掃気バルブ４２が２つ、吸
気バルブ２２は１つ、排気バルブ３２は２つとバルブの数で各バルブの合計面積に差を付
けている。バルブのひとつひとつが小さいことにより、少ないリフト量で全開となるので
機関回転数を高められる利点がある。
【実施例６】
【００４５】
図７は、第５の課題解決手段による６サイクル機関のシリンダーヘッド２０をピストン
側から見た平面図とそれを含めたシステム模式図である。本機関の掃気バルブ４２は排気
バルブ３２、吸気バルブ２２より一回り小さく、排気バルブに隣接している。排気ポート
３１から排気循環ガスを循環ポート１１１に備えた冷却器１１２で冷却して掃気ポート４
１に導き、掃気バルブを通してそのガスを燃焼室に導入している。本実施例のＥＧＲシス
テムの容量は機関出力が高い場合には不足する設定となっており、その分ＥＧＲシステム
はコンパクトになっている。機関出力が低い場合では掃気導入行程で吸気バルブは開かず
、掃気バルブからのみ掃気を導入する。機関出力が高い場合には掃気ガス量が不足するの
で掃気導入行程で吸気バルブが開き、不足分の新気を燃焼室に導入する。つまり掃気導入
行程で吸気バルブを開くのは一定以上の機関回転数とスロットルバルブ開度で、その開口
量は最大出力付近で最大となる。掃気導入行程における吸気バルブの開口量を制御マップ
で表すと図１６のようになる。
【００４６】
図８は、本実施例の吸気バルブの連続可変バルブタイミング駆動システムを示している
。本システムは図３のシステムに類似しているが、２つのロッカーアーム１４６、１４６
Ｂの動きに対して作動角の大きい方のロッカーアームに追随する単一のバルブリフター１
２７を備え、吸気バルブ２２のみを駆動する。コントロールシャフト１２３は第１バルブ
としての吸気行程での吸気バルブの開口量を、コントロールシャフト１２３Ｂは吸気バル
ブの掃気行程での開口量を変化させる。本実施例ではコントロールシャフト１２３Ｂは１
２３とリンク機構で連動しておらず、独立して駆動されるアクチュエータ９１Ｂにより動
作している。
【実施例７】
【００４７】
図９は、第７の課題解決手段による６サイクル機関の排気バルブの可変バルブタイミン
グ機構のカムシャフト１３０の断面図である。本カムシャフトを含めた６サイクル機関の
全てのバルブ駆動用カムシャフトはクランクが３回転する間に１回転する。本図のカムの
１２時方向が爆発・膨張行程の開始のピストンが上死点となるポイントに対応し、本カム
シャフトは反時計回りに回転する。カムシャフト１３０には２種のカムがあり、手前側に
あるカムが排気バルブ駆動用のノーマルモード用のカム１３１（以下、ノーマルカムとい
(11) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
う。）であり、排気行程及び掃気排気行程でバルブが開くように設定されている。奥に見
えているのが暖気モード用のカム１３２（以下、暖気カムという。）で、更に掃気導入行
程でもバルブが開くように設定されている。
【００４８】
図１０は本実施例の排気バルブカムシャフトを用いた６サイクル機関のクランクの回転
角度に対する排気バルブの設定加速度とバルブリフト量を示すグラフである。上のグラフ
の縦軸は排気バルブ設定加速度を表しておりバルブが開く方向の加速度を正としてある。
下のグラフの縦軸は排気バルブのバルブリフト量を表し、横軸は共にクランクの回転角度
を表している。１サイクル６行程でクランクは３回転するが、その内の第３行程である爆
発・膨張行程の開始するピストンが上死点となるポイントを０°として、爆発・膨張、排
気、掃気導入、掃気排気、吸気の第３行程から次のサイクルの第１行程までの全５行程の
クランク角度として計９００°を１８０°を１目盛として表している。
【００４９】
点線はノーマルカム１３１の排気バルブの設定加速度とバルブリフトカーブを示してい
る。バルブリフトカーブの最初と最後の部分にはわずかな傾きの直線で表された緩衝部が
ある。最初の緩衝部の終了ポイントでバルブの設定加速度によるバルブリフトが始まる。
バルブの設定加速度は一定の加速度以下で連続するように設定されている。加速度が連続
していることによりバルブリフトカーブは全体としては滑らかな曲線を描く。ノーマルカ
ムは、排気行程も掃気排気行程も同様に最大バルブリフトの１／８のリフトのところでク
ランク角を見ると、下死点前３０°で始まり上死点後５°で終わる合計２１５°のカム山
を持つ。
【００５０】
本実施例の暖気カム１３２の設定加速度とバルブリフトカーブは実線のように設定され
ている。暖気カムの排気行程におけるバルブ開角はノーマルモード用のカムと同一で、上
死点付近のバルブとピストンのクリアランスはノーマルカムと同じである。しかし上死点
を過ぎるとノーマルカムとは異なりバルブは着座せずに再度リフトを開始し、ノーマルモ
ードの最大カムリフト量を超えたところで一旦リフト量が一定となる。ノーマルモードの
掃気排気行程でのカムリフト最大ポイントに近づくと再度着座方向に加速し始め、バルブ
を着座させるまでノーマルカムに倣う形となる。このように暖気カムはノーマルカムに対
して常にカムリフトが同じか大きい。これにより特許文献２のような単純な可変バルブタ
イミング機構を用いることが出来る特徴がある。
【００５１】
本実施例では２つのカム山間のバルブリフトの最小リフトポイントは掃気導入行程が開
始した後のクランク角で上死点後２６．５°のポイントとなる。しかし、下死点ではピス
トンとバルブは離れているのでバルブは閉じる必要がなく、バルブリフト量を最大のまま
維持することが出来るので、掃気導入行程におけるバルブ開口量は充分確保することがで
きる上、掃気排気行程におけるバルブ開口量も増える。このバルブ開口量の増加はポンピ
ングロスの削減に効果がある。
【実施例８】
【００５２】
図１１は、第７の課題解決手段を採用した第２実施例の６サイクル機関の排気バルブ３
２の連続可変バルブタイミング駆動システムである。シリンダーヘッドは省略してある。
時計回りで回転するカムシャフト１３０に排気行程でバルブを開く排気カム１３１Ｂと、
掃気導入行程と掃気排気行程で開く掃気カム１３２Ｂを備えており、掃気カムに対しての
み連続可変バルブタイミング機構が備えられている。ロッカーアーム１３６の支点となる
偏心輪１３８はコントロールシャフト１３３とスプリングピン１３９により１体となり回
転する。当該ロッカーアームの奥に排気カム用のロッカーアーム１３６Ｂがあり、その支
点はコントロールシャフト１３３によって直接支持されているので、コントロールシャフ
トが回転しても支点は移動せず、ロッカーアーム１３６Ｂの揺動には変化が無い。これら
２つのロッカーアーム１３６，１３６Ｂは共通のバルブリフター１３７を揺動させ、排気
(12) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
40
50
バルブ３２を開口する。なお、図示されていないがロッカーアームにはカムフォロワーを
カムに押し付けるスプリングが備えられている。
【００５３】
本図は暖気状態であり、掃気導入行程での排気バルブの開口量が最大となるコントロー
ルシャフトの回転角となっている。コントロールシャフトを時計回りに回転させることに
より、カム１３２の回転方向にロッカーアームの支点位置を移動させることになり、カム
の回転に対するタイミングを遅らせバルブの開閉時期を遅れる。同時にバルブリフターに
対する作用点位置をバルブリフターシャフト１３７ＳＨから遠ざけることにより、バルブ
リフターの揺動が減り、バルブリフト量を減らす。このようにコントロールシャフトが本
図から右回転することにより、掃気導入行程の間で開き掃気排気行程の終わりで閉じてい
た排気バルブが、徐々に開くポイントを遅らせ、掃気導入行程での開口量を減らして行く
。この間、排気行程では同じタイミングでバルブが開閉している。
【実施例９】
【００５４】
図１２は、第６、第８および第１０の課題解決手段を採用したバルブ制御システム図で
ある。本実施例の６サイクル機関１は、第１バルブと第２バルブとして図３の連続可変バ
ルブタイミング機構を備えた吸気バルブ２２と掃気バルブ４２を備え、更に第９の課題解
決手段の掃気ポートバルブ４３Ｂを備えている。吸気ポートは掃気ポートの向こう側に有
り、本図では図示されていない。排気バルブには図１１の連続可変バルブタイミング駆動
システムが備えられている。排気ポートと掃気ポートの間には排気ガスを循環させるポー
ト１１１が備えられており、そこには冷却器１１２が備えられている。
【００５５】
制御用コンピュータ６１０は、ドライバーの操作するアクセルペタル５１０に連動して
作動する第１バルブのコントロールシャフトに取り付けられた第１バルブ開度センサ２４
と、排気の温度と酸素濃度を感知する触媒センサ６８からの信号を受ける手段と、排気の
状態により第１バルブと第２バルブの相対的な開度を制御するアクチュエータ９１を駆動
する手段を備えている。触媒センサ位置はセンサの感知遅れと、排気ガス変化に対する触
媒の状態変化の遅れがほぼ等しい位置に置かれており、センサの感知遅れの補正を物理的
に行っている。更に制御用コンピュータ６１０は機関回転数を検知する回転数センサ５２
を備え、バルブ４３Ｂの開閉動作をさせるアクチュエータ９４を駆動する機能を備え、掃
気吸入時に排気循環ガスが不足する分の新気を掃気ポートに導入する。制御用コンピュー
タ６１０は、更に排気バルブのコントロールシャフトを回転動作させるアクチュエータ９
３を駆動する機能を備えている。
【００５６】
図１３は本実施例のアクチュエータ９１の駆動制御をフローチャートで示したものであ
る。暖気が済み、排気温度検出値が適切な値となればアクチュエータ９１は定常の位置に
あり第１バルブと第２バルブは比例した開口量となるが、排気温度検出値が高いとき（も
しくは排気触媒温度が高くなると予想されるとき）はロッドを押し出し、第２バルブの開
口量を相対的に増やし、排気温度検出値が低いとき（もしくは排気触媒温度が低くなると
予想されるとき）はロッドを引き、第２.バルブの開口量が減らす。本制御のロジックは
単純なものであるので、必ずしもコンピュータ等によって制御する必要はない。例えば熱
によって膨張する流体によりアクチュエータを駆動するシステムであっても制御すること
ができる。
【００５７】
図１４は、本実施例の排気温度検出値に対する第１バルブ開度に対する第２バルブ開度
をマップに表したものである。電子制御を行なう場合には、第２バルブが常に作動範囲内
にあるように、このようなマップとなっている。
【００５８】
図１５は、本実施例の排気温度検出値に対する排気バルブ３２が開くタイミングを表し
た制御マップである。角度は、掃気導入行程終了点であるピストン下死点から何度手前で
(13) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
排気バルブ開くかをクランク角で表している。基本的に一定温度以下では掃気行程での開
角を広げ、一定温度以上では徐々に開角を減らす。また第１バルブが閉じたときには掃気
導入行程で排気バルブを開ける必要がないので、その場合も開角を減らす。開角が最低の
場合でも掃気行程でのバルブリフト量を確保するため下死点後１０°で閉じる。コンピュ
ータ６１０は当該マップで各検出値に対するアクチュエータ９３の作動目標値を算出し、
適切な位置にアクチュエータを動作させる。本実施例では連続可変バルブタイミング機構
を使用しているので、連続的にバルブ開度を変化させているが、図９のようなカムを切換
る方式の可変バルブ機構では、第1バルブ開度と温度による１本のラインより上になると
暖気カムからスタンタードカムに切換える。本実施例では酸素濃度の調整は燃料供給量を
調整することにより行なっているが、排気バルブを掃気吸気時に開ける場合には排気が導
入される分掃気の導入量が減ることを考慮して行なっている。
【００５９】
図１６は、本実施例の機関回転数検出値と機関トルクと対する掃気ポートバルブ４３Ｂ
の開度の制御マップである。制御用コンピュータ６１０は、まず、機関回転数検出値と第
１バルブ開度検出値から機関トルクを推定する。次にこの機関トルクと機関回転数検出値
から当該マップにより掃気ポートバルブの目標開度を読み取り、適切な位置にアクチュエ
ータ９４を動作させる。基本的には供給可能な循環ガス量に対して掃気が不足する領域で
掃気ポートバルブ４３Ｂを開き、不足分の新気を導入する。そのため、掃気ポート４１の
圧力を感知して、圧力が低くなった場合に掃気ポートバルブを開く制御を行なっても同様
である。制御用コンピュータ６１０は、触媒の酸素濃度が低く還元雰囲気になっている場
合や、排気温度が高すぎる場合には新気の比率を高める方向、すなわち掃気ポートバルブ
を開ける方向に補正する。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
６サイクル機関は燃費競技車で使用されたと伝えられ、その実績から燃費に対してのポ
テンシャルが高いことは示されてきたが、使われた機関の具体的内容が公開されておらず
、反面、市場では４サイクル機関が技術的に完成されていることもあり、４サイクル機関
に比べて同一回転数で爆発回数が少なく出力低下が予想されたことなどから、本格的に量
産化に向けての検討がなされた形跡がない。しかし、実際に検討してみると、１）圧縮比
が高められるので燃費効率が向上し、２）吸気時の燃焼室温度が４サイクル機関に対して
低いので充填効率が向上し、３）吸気が開始されるときに燃焼室に残っているガスは掃気
なので酸素が存在するのでその分燃料の濃い混合気の使用ができる、という理由から６サ
イクル機関の出力は同一の排気量の４サイクル機関にかなり近い出力を出せることが分か
ってきた。
【００６１】
更に、本発明の各課題解決手段により、懸念された触媒の状態を精密に制御する手段を
確立でき、その結果、実用化する際の全ての懸念が解決された。すなわち本発明による６
サイクル機関の利用可能性は、燃費の優れた内燃機関を必要とするすべての利用用途に対
して存在する。
(14) JP 4314595 B2 2009.8.19
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
(15) JP 4314595 B2 2009.8.19
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
(16) JP 4314595 B2 2009.8.19
【図１６】
(17) JP 4314595 B2 2009.8.19
10
20
30
フロントページの続き
(51)Int.Cl. ＦＩ
Ｆ０１Ｌ 13/00 (2006.01) Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｊ
Ｆ０１Ｌ 1/12 (2006.01) Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｌ
Ｆ０１Ｌ 1/18 (2006.01) Ｆ０１Ｌ 13/00 ３０１Ｆ
Ｆ０１Ｌ 1/26 (2006.01) Ｆ０１Ｌ 1/12 Ｄ
Ｆ０１Ｌ 1/38 (2006.01) Ｆ０１Ｌ 1/18 Ａ
Ｆ０１Ｎ 3/20 (2006.01) Ｆ０１Ｌ 1/26 Ｄ
Ｆ０１Ｎ 3/24 (2006.01) Ｆ０１Ｌ 1/38
Ｆ０２Ｍ 25/07 (2006.01) Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｚ
Ｆ０２Ｄ 9/02 (2006.01) Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｚ
Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ａ
Ｆ０１Ｎ 3/20 Ａ
Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｄ
Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｒ
Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｚ
Ｆ０２Ｄ 9/02 ３６１Ｊ
Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｂ
(56)参考文献 実開平０２－０９６４３５（ＪＰ，Ｕ）
特表２００４－５１６４０５（ＪＰ，Ａ）
特開平０５－０５９９３６（ＪＰ，Ａ）
特開２０００－１７０５５９（ＪＰ，Ａ）
特開平０４－３２５７２３（ＪＰ，Ａ）
特開平１１－１８２２７２（ＪＰ，Ａ）
特開平０８－２９６４５０（ＪＰ，Ａ）
(58)調査した分野(Int.Cl.，ＤＢ名)
F02B75/02
F02B25/00
F02D13/02
F02D21/08
F02M25/07 |
トップページに戻る 