JP2753093B2 - 可変バルブタイミングを有したエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、可変バルブタイミングを有したエンジンに
関し、特に、自動車等に使用される４サイクルエンジン
の改良に係るものである。

［従来の技術］ 一般に、４サイクルエンジンは、クランク角変化に同
期させて開閉駆動される吸気弁と、排気弁とをシリンダ
ヘッドにそれぞれ備えている。シリンダヘッドには、前
記吸気弁を介してシリンダ内に連通する吸気通路を接続
しておき、その吸気通路を介して混合気がシリンダ内に
導入されるようになっている。

ところが、吸気通路から単に混合気をシリンダ内に導
入するようにしたものでは、混合機の稀薄化に限界があ
るため、燃料経済性を向上させるのが難しい。そのた
め、本発明の先行技術として、例えば、特開昭61−9891
2号公報に示されるように、スロットルバルブを迂回さ
せたバイパス通路の下流端を吸気弁の近傍に開口させて
おき、一方の通路から濃混合気をシリンダ内に導入し、
他方の通路から稀薄混合気又は空気のみをシリンダ内に
導入して、シリンダ内に層状リーンバーンを形成し、燃
料経済性を向上させるようにしたものもある。

また、排気タービン過給機等の過給機を備えたエンジ
ンでは、過給圧が上昇しすぎるのを防止するために、排
気若しくは過給圧のリリーフバルブと、このリリーフバ
ルブを作動させるアクチュエータで過給圧を制御するよ
うにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この種の４サイクルエンジンは、吸気
弁の開閉タイミングがエンジンの負荷に拘りなく常に一
定である上に、吸気弁のみを介して混合気がシリンダ内
に導入されるため、アイドリング時などの軽負荷時に
は、混合気の充填効率を上げることができず、シリンダ
内の圧力が高負荷時に比べて大巾に低下する。このた
め、圧縮行程におけるシリンダ圧力および温度の上昇が
緩慢になり、発生熱量および最高圧力が低下して膨脹が
緩慢になる。その結果、シリンダ内の発生熱量に対する
吸気損失仕事が大きくなってポンプ損失の占める割合が
大きくなり、結果として熱効率が低下するため、軽負荷
時の燃料経済性が悪化することになる。

また、過給機を使用する場合には、リリーフバルブお
よびアクチュエータ等からなる過給圧制御機構が不可欠
なものとなるため、部品点数を削減することができない
等の不具合もある。

本発明は、このような不具合を解消することを目的と
している。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、次のような構
成を採用したものである。

すなわち、本発明にかかる可変バルブタイミングを有
したエンジンは、シリンダヘッドに設けられクランク角
変化に同期させて開閉駆動される混合気系吸気弁と、シ
リンダの側壁に設けたサイドポートと、途中に燃料供給
手段を有し前記混合気系吸気弁を介してシリンダ内に連
通する混合気系吸気通路と、前記サイドポートを介して
シリンダ内に連通する空気系吸気通路と、前記サイドポ
ートを開閉するとともに負荷変化に対応して開閉タイミ
ングが変化し得るように構成した開閉弁とを具備し、前
記開閉弁を前記混合気系吸気弁の閉成後に閉じるように
設定したものであって、エンジンの軽負荷時には、前記
開閉弁が閉じるタイミングを早めるようにしたことを特
徴とする。

なお、過給機付きのエンジンに適用する場合には、軽
負荷時のみならず、過給圧が設定圧を上回った際にも、
開閉弁が閉じるタイミングを早めるようにしてもよい。

［作用］ このような構成によれば、エンジンが高負荷側にある
場合、所定のクランク角に達した時点で混合気系吸気弁
と開閉弁が開くと、混合気系吸気通路から混合気がシリ
ンダ内に導入され、空気系吸気通路からは空気のみがシ
リンダ内に導入される。一定期間混合気をシリンダ内に
導入した後、前記混合気系吸気弁が閉じられる。その際
にも、空気系吸気通路からは空気のみがシリンダ内に導
入され続け、しかる後、開閉弁が閉じられる。このた
め、空気の充填量が高められるとともに、スパークプラ
グが配置されるシリンダ内の頂部付近にはリッチよりの
混合気層を形成することができ、その外側にはリーンよ
りの混合気層を形成することができる。したがって、着
火性を良くすることができるとともに、シリンダ内の混
合気は全体として層状リーンバーンにすることが可能と
なる。

一方、エンジンの軽負荷時に前記開閉弁の閉じるタイ
ミングを早めれば、吸気期間が短縮されることになる
が、ここ吸気行程においては、前記のように双方の吸気
通路から混合気と空気とがシリンダ内にそれぞれ導入さ
れるため、燃料と空気の充填量は必要量確保される。前
記混合気系吸気弁と開閉弁を、ピストンが不死点に達す
る前に順次閉じるようにすれば、混合気を導入した後も
シリンダ容積が一時的に増加するため、空気系吸気通路
からは空気が効率的にシリンダ内に導入でき、空気の充
填量が増加する。その結果、軽負荷時におけるシリンダ
圧力を有効に高めることが可能になるとともに、ポンプ
損失が低減し易くなる。

また、過給機を備えたエンジンの場合、過給圧が設定
圧を上回った際にも軽負荷時のように開閉弁を吸気行程
の途中で閉じると、シリンダ容積の増加によってシリン
ダ圧力が一旦低下するため、実圧縮比を下げることがで
き、シリンダ内の最大圧力を抑えることが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図を参照して
説明する。

第１図に概略的に示したエンジンは、シリンダヘッド
１に設けた混合気系吸気弁２および排気弁３と、シリン
ダ４の側壁4aに設けたサイドポート５と、混合気系吸気
通路６と、空気系吸気通路７と、開閉弁たるロータリバ
ルブ８とを備えた４サイクルエンジンである。サイドポ
ート５は、ピストン９の上死点付近に設けてあり、前記
ロータリバルブ８によって開閉されるようになってい
る。混合気系吸気通路６は、前記混合気系吸気弁２を介
してシリンダ４内に連通しており、途中に燃料供給手段
たる気化器10を有している。空気系吸気通路７は、前記
サイドポート５を介してシリンダ４内に連通させてあ
り、その人口は前記気化器10の上流に接続してある。そ
して、気化器10内のスロットルバルブ11と空気系吸気通
路７の人口付近に設けた空気制御弁12とが連動するよう
に、これらをリンク機構13を介して連結してある。ロー
タリバルブ８は、前記サイドポート５の近傍に位置させ
てピストン９の進退方向と直交する方向に設けてあると
ともに、内部に前記サイドポート５と空気系吸気通路７
とを連通させる連通孔8aを有している。このロータリバ
ルブ８の端部には、図示しないサーボモータを設けてあ
り、そのサーボモータの回転軸の先端にタイミングスプ
ロケット（図示せず）を装着してある。しかして、この
ロータリバルブ８は、図示しないクランクシャフトの２
分の１回転の速度で回転駆動されるようになっている。

また、前記混合気系吸気弁２を第２図および第３図に
示すように、クランク角変化に同期させて開閉駆動する
一方、前記ロータリバルブ８の開閉タイミングをエンジ
ンの負荷変化に対応させて変化させるようにしている。
エンジンが通常の運転時（高負荷時）である場合は、混
合気系吸気弁Ｉ・V2を、通常のものと同様にピストン９
が上死点TDCに達する直前に開き始め、混合気系吸気通
路６から混合気の導入を開始する。ピストン９が上死点
TDCから下死点BDCに向かう途中で前記ロータリバルブＲ
・V8を開き始めて、空気系吸気通路７から空気をシリン
ダ４内に導入する。一定期間混合気系吸気通路６から混
合気をシリンダ４内に導入した後、ピストン９が下死点
BDCに達する前に前記混合気系吸気弁Ｉ・V2を閉じる。
一定期間空気系吸気通路７からシリンダ４内に空気を導
入し、ピストン９が下死点BDCを過ぎて圧縮行程に入っ
てから前記ロータリバルブＲ・V8を閉じ、ピストン９が
上死点TDCに達する直前にスパークプラグ（図示せず）
により混合気に点火するようにしている。

一方、エンジンがアイドリングなどの軽負荷時にある
場合は、第３図に示すように、前記ロータリバルブＲ・
V8の開閉タイミングを早めるようにしている。ロータリ
バルブＲ・V8の開閉タイミングを変化させる手法として
は、吸気圧の変化に応じて前記サーボモータに駆動電圧
を印加し、その回転軸を若干回転させることにより、ク
ランクシャフトとロータリバルブＲ・V8の回転速度を相
対的に徐々に変化させるようにしている。この軽負荷時
には、混合気系吸気弁Ｉ・V2と同時にロータリバルブＲ
・V8を開弁させ、混合気系吸気弁Ｉ・V2が閉じた後で、
ピストン９が下死点BDCに達する前にロータリバルブＲ
・V8を閉じて、圧縮行程に移行する。

このような構成によると、エンジンの高負荷時には、
先ず混合気系吸気弁２が開いて混合気がシリンダ４内に
頂部側から導入され、次いでロータリバルブ８が開いて
空気がシリンダ４内に下部側から導入される。このよう
にして、一定期間混合気と空気がシリンダ４内に導入さ
れた後、前記混合気系吸気弁２とロータリバルブ８が相
次いで閉じられる。その結果、スパークプラグが配置さ
れるシリンダ４内の頂部付近では、リッチよりの混合気
層が形成され、その周辺ではリーンよりの混合気層が形
成され、シリンダ４内の混合気全体としては層状リーン
バーンが形成されることになる。ピストン９が下死点BD
Cを通過して圧縮行程に移行すると、第４図のＰ−Ｖ線
図で示すように、シリンダ容積Ｖの減少や混合気の断熱
圧縮によってシリンダ圧力Ｐが上昇する。圧縮行程の終
了付近で混合気に着火されると、急激な膨脹によってシ
リンダ圧力Ｐが上昇し、ピストン９が押し下げられる。
これにより、シリンダ容積Ｖが増加するとともに、シリ
ンダ圧力Ｐが低下し、ピストン９が下死点BDCに達する
付近で排気弁３が開弁して排気行程に移行する。

一方、エンジンの軽負荷時には、混合気系吸気弁２と
ロータリバルブ８が同時に開弁し、前記のように混合気
と空気とが各別にシリンダ４内に導入される。一定期間
混合気と空気がシリンダ４内に導入された後、混合気系
吸気弁２とロータリバルブ８が、ピストン９が下死点BD
Cに達する前に相次いで閉じられる。その際にも、シリ
ンダ４内には、混合気の層状リーンバーンが形成される
ことになる。また、第５図のＰ−Ｖ線図で示すように、
混合気系吸気弁２が閉じられた後もシリンダ容積Ｖが増
加するため、空気系吸気通路７からはシリンダ４内に空
気が充填され、シリンダ圧力Ｐが比較的高い値に維持さ
れる。ロータリバルブ８が閉じられた後は、シリンダ容
積Ｖの増加によってシリンダ圧力Ｐが一時的に低下し、
その後圧縮行程に移行する。圧縮行程に移行すると、シ
リンダ容積Ｖの減少や混合気の断熱圧縮によってシリン
ダ圧力Ｐが急速に上昇し、その圧力は混合気の急激な燃
焼によって最大となる。これによりピストン９が押し下
げられてシリンダ容積Ｖが増加するとともに、シリンダ
圧力Ｐが低下し、ピストン９が下死点BDCに達する付近
で排気弁３が開弁して排気行程に移行する。

したがって、このような構成によれば、双方の吸気通
路６、７から混合気および空気がシリンダ４内に導入で
きるので、その充填効率を有効に高めることができると
ともに、シリンダ４内に混合気の層状リーンバーンを形
成することができる。その結果、軽負荷域から高負荷域
の広い領域において、着火不良による運転性の悪化を招
くことなく、燃料経済性を高めることができる。

また、エンジンの軽負荷時には、ロータリバルブ８の
開弁タイミングが早まるため、混合気系吸気通路６と空
気系吸気通路７との双方から速やかにシリンダ４内に混
合気と空気が導入できる。しかも、ロータリバルブ８
は、混合気系吸気弁２が閉じた後で、ピストン９が下死
点BDCに達する前に閉じるられるので、吸気期間全体と
しては短縮されることになるが、短期間内に効率的に空
気がシリンダ４内に充填でき、シリンダ圧力を高めるこ
とができる。その結果、ポンプ損失（斜線部）が低減で
きるとともに、発生熱量に対するポンプ損失の占める割
合を小さくすることができる。すなわち、このようなバ
ルブタイミングによれば、熱効率を良くすることができ
るので、混合気の層状リーンバーンと相俟って、軽負荷
時の燃料消費量を有効に低減することができる。

次に、本発明の他の実施例を第６図〜第11図を参照し
て説明する。なお、前記実施例と重複する部分には同符
号を用いるとともに、説明を省略する。

第６図に概略的に示したエンジンは、排気タービン過
給機14から吐出される吸気を、混合気系吸気通路６と空
気系吸気通路７との双方に導入し得るように構成した４
サイクルエンジンである。給気が無過給状態にある場合
には、第７図に示すように、ロータリバルブＲ・V8を混
合気系吸気弁Ｉ・V2とともに、クランク角変化に同期さ
せて開閉駆動するようにしている。一方、エンジンが軽
負荷時および過給圧が設定圧を上回る過給圧過大時に
は、第８図に示すように、ロータリバルブＲ・V8の開閉
タイミングを早めるようにしている。

このような構成によると、過給圧の過大時には、軽負
荷時と同様にロータリバルブ８の開閉タイミングが早ま
るため、吸気期間は短縮されることになるが、排気ター
ビン過給機14の過給作用によって混合気および空気が強
制的にシリンダ４内に充填される。そして、前記混合気
系吸気弁２およびロータリバルブ８は、ピストン９が下
死点BDCに達する前に順次閉じられるので、第11図のＰ
−Ｖ線図で示すように、これらの閉成後におけるシリン
ダ容積Ｖの増加によってシリンダ圧力Ｐが一時的に低下
し、その後圧縮行程に移行することになる。このため、
実圧縮比を下げることができ、シリンダ４内の最大燃焼
圧力が抑えられる。

したがって、このような構成によれば、エンジン本体
側でシリンダ４内の最大燃焼圧力を有効に調節すること
ができるので、排気タービン過給機から排気のリリーフ
バルブと該リリーフバルブを作動させるアクチュエータ
を廃止することができる。また、エンジン本体側でシリ
ンダ圧力が調節できるので、排気をリリーフさせる場合
に比べて制御遅れを招き難い上に、排気エネルギを有効
に利用することもできる。

以上、本発明の実施例について述べたが、本発明は、
前記実施例に限定されないのは勿論である。

例えば、前記各実施例において、混合気系吸気弁は単
弁形式のものであってもよいし、複数弁形式のものであ
ってもよい。

多気筒エンジンの場合には、通常、前記混合気系吸気
通路および前記空気系吸気通路は、それぞれ途中で分岐
させて各々のシリンダに接続する。その際、前記燃料供
給手段は、前記混合気系吸気通路の分岐していない上流
部分に設けてもよいし、分岐した後の各分岐通路部分に
設けてもよい。燃料供給手段としては、インジェクタを
使用することも可能である。

また、開閉弁は、ON・OFF的に作動してサイドポート
を開閉するようなものでもよい。

さらに、サイドポートをシリンダ内の中心から離れた
方向に向けて開口するようにした場合には、シリンダ内
の空気にスワールを発生させることができ、燃焼を良く
することが可能となる。

［発明の効果］ 以上のような構成からなる本発明によれば、軽負荷域
から高負荷域の広い領域において、運転性を損ねること
なく、燃料経済性を有効に高めることができる。特に、
このものによれば、軽負荷時のポンプ損失が低減でき、
熱効率を良くすることができるので、軽負荷時の燃費を
無理なく改善することができる。

また、本発明を過給機を備えたエンジンに適用し、過
給圧が設定圧を上回った場合にも開閉弁の閉弁タイミン
グを早めるようにすれば、過給圧の過大時にシリンダ圧
力を制御することもできるので、過給機の過給圧制御機
構を廃止して構造の簡略化を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は本発明の一実施例を示し、第１図は
エンジンの概略的な縦断面図、第２図は高負荷時のバル
ブタイミング・ダイヤグラム図、第３図は軽負荷時のバ
ルブタイミング・ダイヤグラム図、第４図は高負荷時の
Ｐ−Ｖ線図、第５図は軽負荷時のＰ−Ｖ線図である。第
６図から第１図は本発明の他の実施例を示し、第６図は
エンジンの概略的な縦断面図、第７図は高負荷時のバル
ブタイミング・ダイヤグラム図、第８図は軽負荷時およ
び過給圧過大時のバルブタイミング・ダイヤグラム図、
第９図は無過給時のＰ−Ｖ線図、第10図は軽負荷時のＰ
−Ｖ線図、第11図は過給圧過大時のＰ−Ｖ線図である。 １……シリンダヘッド ２……混合気系吸気弁 ４……シリンダ 4a……シリンダの側壁 ５……サイドポート ６……混合気系吸気通路 ７……空気系吸気通路 ８……開閉弁（ロータリバルブ） 10……燃料供給手段（気化器）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッドに設けられクランク角変化
   に同期させて開閉駆動される混合気系吸気弁と、シリン
   ダの側壁に設けたサイドポートと、途中に燃料供給手段
   を有し前記混合気系吸気弁を介してシリンダ内に連通す
   る混合気系吸気通路と、前記サイドポートを介してシリ
   ンダ内に連通する空気系吸気通路と、前記サイドポート
   を開閉するとともに負荷変化に対応して開閉タイミング
   が変化し得るように構成した開閉弁とを具備し、前記開
   閉弁が前記混合気系吸気弁の閉成後に閉じるように設定
   したものであって、エンジンの軽負荷時には、前記開閉
   弁が閉じるタイミングを早めるようにしたことを特徴と
   する可変バルブタイミングを有したエンジン。
2. 【請求項２】シリンダヘッドに設けられクランク角変化
   に同期させて開閉駆動される混合気系吸気弁と、シリン
   ダの側壁に設けたサイドポートと、途中に燃料供給手段
   を有し前記混合気系吸気弁を介してシリンダ内に連通す
   る混合気系吸気通路と、前記サイドポートを介してシリ
   ンダ内に連通する空気系吸気通路と、前記サイドポート
   を開閉するとともに負荷変化に対応して開閉タイミング
   が変化し得るように構成した開閉弁とを具備し、前記開
   閉弁を前記混合気系吸気弁の閉成後に閉じるように設定
   した過給機付きのエンジンであって、エンジンの軽負荷
   時と過給圧が設定圧を上回った場合には、前記開閉弁が
   閉じるタイミングを早めるようにしたことを特徴とする
   可変バルブタイミングを有したエンジン。