JPH0347407B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関、特にターボチヤージヤ付機
関の吸気弁及び排気弁の弁作動を切換える弁作動
切換装置に関する。

一般に内燃機関の吸・排気弁は吸入・排気のそ
れぞれの行程の間だけでなく、その行程の前後に
亘つて拡大して開弁している（第３図上参照）。

これは筒内のガス交換に際して作動ガスがその
慣性と絞り抵抗によつて流入・流出が遅れるため
で、例えばピストンの下降による吸入作用を上死
点より行わせるのに吸気弁を上死点前より開き始
め、下死点では流入の遅れによつて筒内圧力は吸
気管圧力よりも低く未だ流入が続いているので、
吸入効率を大きくするためにも下死点後に閉じる
ようにしている。

しかし、このような慣性効果は高速回転域では
顕著であるが、機関回転数が1000〜2000rpm程度
の低速回転域ではこのような慣性効果を期待でき
ず、前述のように吸・排気弁が開弁すると、逆に
次のような弊害を生ずることになる。

すなわち、排気終わりの上死点は吸気始めの上
死点でもあり、この上死点付近では吸・排気の両
弁が同時に開いており、この同時に開いている
（オーバーラツプ）期間に排気弁の下流から既燃
ガスが逆流し筒内の残留ガス量が増大する。ま
た、排気弁は膨張行程の終わりに開くため、ブロ
ーダウン損失を大きくし、一方吸気弁は圧縮行程
に入つても開弁しているため、一旦筒内に吸入さ
れた新気が吸気管に押し戻され、吸入効率を悪化
させる（例えば吸気終わりの下死点からクランク
角で60度遅れる場合、25％程度の新気が押し戻さ
れる）。

このような現象は古くから知られており、この
不合理を解消するために低速回転域では吸・排気
弁の開弁期間を変え、吸入・排気行程の前後に拡
大しないように吸・排気弁を上死点及び下死点近
傍で開くようにする弁作動切換装置が考案されて
いる（特開昭54−148919）。

一方、近年省資源の観点から圧縮比をノツキン
グ限界近くまで（8.8〜9.0程度）高めて燃費を向
上させている。

これは圧縮比を高めると熱効率が向上するから
であるが、こうした圧縮比の高い機関に前述の弁
作動切換装置を採用すると、低速高負荷（絞弁全
開）領域でノツキング現象が非常に発生し易くな
る。

すなわち、低速回転域では吸・排気弁の弁作動
が切換えられ、吸入・排気行程の前後に拡大する
ことなく吸・排気弁が開くと、前述のように残留
ガス量は減少し、さらに吸入効率の向上に基づき
実圧縮比が高まり、もともと圧縮比の高い所に更
に圧縮比を高めることになり、ノツキング現象の
発生が顕著となるのである。

このノツキング現象を回避するためには点火時
期を大幅に遅らせることが有効ではあるが、これ
は熱効率や出力を犠性にすることになり、低速高
負荷領域でのトルクの向上は望めず、吸入効率が
上昇したことによつてむしろ燃費が悪化する傾向
にある。

従つて、圧縮比の高い機関では低速回転域で
吸・排気弁の弁作動を切換えることは逆効果とな
り、むしろ低速回転域から高速回転域まで吸・排
気弁の弁作動が同一（吸入・排気行程の前後に拡
大して開く）であつても、少なくとも絞弁全開時
の機関出力に関する限りあまり問題は生じないこ
とになる。

ところで、排気のエネルギーを吸気コンプレツ
サの駆動力として回収することにより筒内に吸入
される新気の圧力を高めて吸入効率を向上させ出
力の増大を図るターボチヤージヤは、比較的小さ
な排気量の機関でも大きな出力を生じるため、機
関の小型軽量化を進める上で有効な手段であり、
近年急速に普及し始めている。

このようなターボチヤージヤを機関に付属させ
ると、ターボチヤージヤが吸気圧を高めることか
ら筒内の実圧縮比を上昇させ、ノツキング現象が
発生し易くなつている。

このため、機関にターボチヤージヤを付属する
場合には機関の圧縮比を下げてノツキングを回避
することが不可欠となつている（ノツキングに対
する機関性能により異なるがターボチヤージヤ付
機関はターボチヤージヤ無し機関に比べて圧縮比
を数値で１前後低くしている、例えば8.5のもの
を7.5に下げる）。

このようなターボチヤージヤ付機関を、前述し
た圧縮比の高い機関のように低速回転域から高速
回転域まで吸・排気弁の弁作動を同一（吸入・排
気行程の前後に拡大して吸・排気弁が開く）とす
る場合、高速回転域では実圧縮比を上昇させ出力
が増大することになるが、低速回転域では排気タ
ービンの回転速度が上昇しないため過給圧が十分
に得られず、機関出力はターボチヤージヤの無い
機関と同等程度になりターボチヤージヤをわざわ
ざ設けた意味がなくなつてしまう。

そこで本発明は、ターボチヤージヤ付機関では
低速回転域に吸・排気弁の弁作動を切換え、吸
入・排気行程の前後に拡大しないように吸・排気
弁を開くようにして低速回転域での出力及び燃費
の大幅向上を図ることを目的とする。

このような目的を達成するために本発明では、
機関排気圧力で駆動される排気タービンにより回
転駆動されるコンプレツサで吸気を過給するター
ボチヤージヤを備えた内燃機関において、吸気弁
又は排気弁の少なくとも一方についてその閉弁時
期が相互に異なるプロフイルのカムを隣接して形
成したカムシヤフトと、ロツカシヤフトに揺動可
能に支持され前記一対のカムの何れか一方に係合
するロツカアームと、このロツカアームを油圧に
応じて前記一対のカムの何れか一方との係合状態
に切り換えるアクチユエータと、このアクチユエ
ータに油圧供給源からの作動油圧を選択的に供給
する油圧制御部と、機関回転速度を検出して、一
対のカムのうち高速回転域では閉弁時期の遅いプ
ロフイルのカムで、低速回転域では閉弁時期の早
いプロフイルのカムでそれぞれロツカアームを作
動させるように前記油圧制御部を制御する制御回
路とを設けた。

以下本発明を図示実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例のターボチヤージヤ
付機関の概略構成図で、図中ターボチヤージヤ１
の排気タービン２は排気通路３の途中に、また排
気タービン２と連動する吸気コンプレツサ４は絞
弁５の上流の吸気通路６に介装される。

エアクリーナ７から吸入された空気はエアフロ
ーメータ８を通り吸気コンプレツサ４により加圧
された後、吸気通路６から絞弁５を介して吸気マ
ニホールド９へ導かれ、筒内へと過給される。

燃料は例えば吸気マニホールド９に設置された
燃料噴射弁１１から筒内に流入する過給気に向け
て噴射供給され、その噴射量はエアフローメータ
８から検出される吸入空気量と、イグニツシヨン
コイル（図示せず）等から検出される機関回転数
に基づいて最適な空燃比が得られるように制御さ
れる。

ところで、このターボチヤージヤ１は排気エネ
ルギーによつて駆動されるので、排気量が多いと
きに過回転を防止して過給圧があまり高くならな
いようにするため、排気バイパス弁１４が設けら
れ、吸気コンプレツサ４の吐出圧が所定値に達し
たら排気タービン２をバイパスする通路１５を開
いて導入排気量を減じている。これにより過給圧
が所定値を越えないようにしてノツキング現象を
回避している。

なお、１６は触媒装置、１７はマフラ、１８は
点火栓である。

このようなターボチヤージヤ付機関の弁作動切
換装置の一実施例を４気筒機関について第２図〜
第６図に示し、第２図は動弁機構の構造図、第３
図は吸気弁及び排気弁のリフト特性図、第４図は
弁作動切換システムの全体図、第５図は第４図の
要部拡大図、第６図は第５図の側面図である。

４気筒機関の点火順序を＃１−＃３−＃４−
＃２として、吸・排気弁のうち吸気弁だけを全気
筒の弁作動について切換える場合を述べると、第
２図中、２０は＃１気筒の吸気弁、２１は＃１気
筒の排気弁、２２は＃２気筒の吸気弁、２３は
＃２気筒の排気弁で、＃１気筒と＃２気筒は隣接
している。

カムシヤフト２９には吸気弁２０用のプロフイ
ルの異なる一対のカム３０ａ，３０ｂ（カム３０
ａは高速時用、カム３０ｂは低速時用）及び吸気
弁２２用のカム３２ａ，３２ｂ（カム３２ａは高
速時用、カム３２ｂは低速時用）がそれぞれ隣合
せに固定されている。排気弁２１，２３について
はこの例では弁作動を切換えないので専用のカム
３１，３３がカムシヤフト２９に固定されてい
る。

吸気弁２０用の一対のカム３０ａ，３０ｂ及び
吸気弁２２用の一対のカム３２ａ，３２ｂのプロ
フイルは第３図の上の高速時用のカム３０ａ，３
２ａに従うと、吸入行程の前後に拡大して吸気弁
が開き、第３図の下の低速時用カム３０ｂ，３２
ｂに従うと吸入行程の前後に拡大しないように吸
気弁が開くように設定する（第３図で実線が吸気
弁リフトを、破線が排気弁リフトを示す）。

吸気弁２０，２２用のロツカアーム２４，２６
はこれらのロツカアーム２４，２６をロツカシヤ
フト軸方向に連動する手段としてのカラー３４を
間に介して位置決めされており、一組のアクチユ
エータ３５，３６により軸方向に移動を制御さ
れ、高速時のカム３０ａ，３２ａ、低速時のカム
３０ｂ，３２ｂのいずれか一方と選択的に係合す
る。

一方、隣接する＃３，＃４気筒についても
＃１，＃２気筒について設けられたと同じ機構が
設けられ、＃３，＃４気筒の吸気弁用のロツカア
ームは同じく一組の油圧アクチユエータ３７，３
８により軸方向に移動を制御され、高速時のカ
ム、低速時のカムのいずれか一方と選択的に係合
する。

これらの油圧アクチユエータ３５，３６，３
７，３８は油圧室３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８
ａの油圧に応じピストン３５ｂ，３６ｂ，３７
ｂ，３８ｂをリフトするもので、一組のアクチユ
エータ３５，３６及び３７，３８への油圧回路を
第４図に示す。

オイルポンプ部４０は高圧のオイルポンプ４１
とチエツク弁４２から成り、オイルポンプ４１は
カムシヤフト２９に取付けられたオイルポンプ駆
動カム４３と、該カム４３により駆動されるプラ
ンジヤ４１ａとからなるオイルポンプであつて、
図示しないオイルギヤラリからチエツク弁４２を
介して吸入した油を油圧制御部４３に圧送する。

オイルポンプ４１の吐出側は後述するタイミン
グリフタ５６に接続されると共に、チエツク弁４
４を介してアキユムレータ４５に接続され、更に
このアキユムレータ４５からチエツク弁４６を介
して４ポート２位置の方向切換弁４７の供給側ポ
ートＰに接続されている。

方向切換弁４７はその両側の室ａ，ｂに後述す
るパイロツト弁５１から信号油圧が導かれ、この
信号油圧によつて切換えられて、供給側ポートＰ
が出力側ポートＡ又はＢのいずれかに接続される
ようになつている。ここで、出力側ポートＡは油
圧室３５ａ，３７ａに接続され、出力側ポートＢ
は油圧室３６ａ，３８ａに接続されており、各油
圧室３５ａ，３７ａ，３６ａ，３８ａへはロツカ
ブラケツトに形成した通孔４８を介して連通して
いる。

また、方向切換弁４７には戻り側ポートＲが形
成されていて、供給側ポートＰが出力側ポートＡ
又はＢのいずれか一方と連通したとき、他方が戻
り側ポートＲと連通するようになつている。この
戻り側ポートＲはオイルギヤラリ側に接続される
と共にリリーフ弁４９を介してオイルタンク５０
に接続されている。

パイロツト弁５１は方向切換弁４７の出力側ポ
ートＡと油圧室３５ａ，３７ａと間の油圧A₁と、
出力側ポートＢと油圧室３６ａ，３８ａとの間の
油圧B₁とをそれぞれ絞り５２ａ，５２ｂを介し
て受け、これらの大小に応じて切換えられて、方
向切換弁４７の両側の室ａ又はｂのいずれか一方
に油圧供給源すなわちアキユムレータ４５の油圧
を作用させ、他方を戻り側すなわちオイルタンク
５０と接続するようになつている。そして、この
切換特性は、方向切換弁４７が切換えられること
により変化した油圧A₁，B₁によりパイロツト弁
５１が方向切換弁４７を元の切換位置に戻すよう
切換えらるようになつている。

一方、方向切換弁４７は、第５図及び第６図に
明瞭に示されるように軸方向に２つの溝５３ａ，
５３ｂを有し、これらの溝５３ａ，５３ｂのいず
れかにストツパ５４が係合している状態では、い
ずれかの切換位置にロツクされるようになつてい
る。ストツパ５４はスプリング５５により係合方
向に付勢されている。

そして、このロツク状態はタイミングリフタ５
６のピストン５６ａに連結された出力ロツド５６
ｂによりアーム５７を介してストツパ５４を前記
付勢方向と反対方向に回動することにより解除さ
れるようになつているが、アーム５７に連結され
た電磁アクチユエータ５８が吸引作動していると
きのみ、タイミングリフタ５６の出力ロツド５６
ｂがアーム５７と係合するようになつている。

タイミングリフタ５６はオイルポンプ４１の吐
出側圧力を直接ピストン５６ａに受け、オイルポ
ンプ４１のプランジヤ４１ａのリフト、つまりは
カムリフトと同期して出力ロツド５６ｂを往復動
させるようになつている。

電磁アクチユエータ５８は、回転速度を検出す
る回転速度センサ５９からの信号を受ける制御回
路６０により、高速運転域から低速運転域に移つ
たとき、あるいは低速運転域から高速運転域に移
つたときに一定の時間通電されるようになつてい
る。

次に作用を説明する。

今、高速運転域では、方向切換弁４７が図示の
如く切換わつていて、油圧室３５ａ，３７ａの側
に油圧が導入されて、＃１，＃２気筒用の吸気弁
用ロツカアーム２４，２６が図示（第２図）の如
く高速時用カム３０ａ，３２ａにより駆動され、
また＃３，＃４気筒の吸気弁用ロツカアームも図
示しないが高速時用カムにより駆動されているも
のとすると、パイロツト弁５１に作用する油圧は
A₁の方が大きいので、パイロツト弁５１は図示
の状態にあり、これに伴ない方向切換弁４７の室
ａへ油圧を作用させるため、方向切換弁４７は図
示状態とは反対の状態へ切換わろうとするが、こ
れはストツパ５４により阻止されている。

この状態から運転条件の変化、すなわち回転速
度の減少を回転速度センサ５９の出力変化から制
御回路６０が検出すると、制御回路６０により電
磁アクチユエータ５８が一定時間作動して、アー
ム５７を第５図で左方に移動させるから、タイミ
ングリフタ５６の出力ロツド５６ｂとアーム５７
とが係合可能な状態になる。

一方、タイミングリフタ５６は前述の如くカム
リフトに同期して往復動するが、オイルポンプ駆
動カム４３の位相の設定により出力ロツド５６ｂ
が突出し、アーム５７を介してストツパ５４を回
動することにより、ストツパ５４を下死点付近で
解除する。

ストツパ５４が解決されると、パイロツト弁５
１からの信号油圧により方向切換弁４７が第４図
で右方に切換えられ、切換わつた状態で再びスト
ツパ５４がかかつてロツクされる。なぜなら、タ
イミングリフタ５６はアキユムレータ４５に再び
油圧が満たされるまではリフトしてこないし、ま
た電磁アクチユエータ５８はその間に再びオフと
なるからである。

そして、方向切換弁４７が切換わつた状態で
は、アキユムレータ４５からの油圧が油圧室３６
ａ，３８ａに供給され、油圧室３５ａ，３７ａの
油圧は排出される。ここにおいて、第７図を参照
し、＃１，＃２気筒では＃１気筒の吸気弁２０の
高速時のリフトがクランク角で180度をすぎて終
了すると、＃１，＃２気筒の吸気弁２０，２２
共、ロツカアーム２４，２６とカム３０ａ，３２
ａとの接触面にクリアランスが生じるため、油圧
室３６ａに供給される油圧によりロツカアーム２
４，２６が低速時用カム３０ｂ，３２ｂ側に一気
に移動し、これによりこれらのカム３０ｂ，３２
ｂとロツカアーム２４，２６とが相対するように
なる。また、＃３気筒では180度手前で既に吸気
弁の高速時のリフトが開始されていて、180度付
近で方向切換弁４７が切換わつても引続く＃４気
筒の吸気弁の高速時のリフトが終るまでは＃３，
＃４気筒の吸気弁の少なくとも一方について高速
時用カムがロツカアームを駆動しており、バルブ
スプリング（図示せず）の荷重による摩擦力が大
きいためロツカアームが軸方向へ移動することは
ないが、＃４気筒の吸気弁の高速時のリフトが終
了した時点でクリアランスを生じることにより、
同様に一気に移動し、これにより切換が終了する
（第７図参照）。

また、方向切換弁４７が切換わるとパイロツト
弁５１に作動する油圧が逆転するので、パイロツ
ト弁５１が切換わり、パイロツト弁５１からの信
号油圧が方向切換弁４７を再び元の状態に戻すよ
うに作用する。但し、方向切換弁４７はストツパ
５４によりロツクされているので、実際には切換
わらず、次の切換に備えることになる。

このように予め信号油圧を切換えておくことに
より、切換に際しストツパ５４が解除されたとき
に方向切換弁４７が一気に切換わるので、応答性
を高めることができる。即ち、パイロツト弁５１
に電磁弁を用いた場合、その応答性は速いもので
も、10msecであり、高速運転時に切換える場合
に通常はネツクとなるが、上述のように予め切換
えておくならば応答速度は小さくても良く、ロツ
カアームが例えば弁リフトの直前に移動してロツ
カアームの移動が終了しないうちに弁リフトが開
始し、カムとロツカアームが一部分で接触して面
圧が過大となり破損するといつた現象を防止する
ことが可能となる。

従つて高速運転域で吸気弁の閉弁時期が遅れる
ため、吸入空気量の吸入効率を高めて機関出力を
増大しており、低速運転域になると、吸気弁の閉
弁時期が早まるので、絞弁開度が小さい状態での
排気の逆流を防ぎ、低速運転域でも吸入効率を高
めて機関出力を維持することになる。

ここでは吸気弁の作動のみを切換える場合を説
明したが、排気弁の作動のみを切換えてもよく、
また排気弁についても吸気弁と同様な機構を設
け、排気弁用の一対のカムについて高速時用カム
は第３図上の破線の弁リフトを、低速時用カムは
第３図下の一点鎖線の弁リフトを与え、吸・排気
弁共に切換えるようにすれば、低速運転域での吸
入効率を更に高く維持することが出来る。

ターボチヤージヤを用いている場合高速運転域
では排気圧が非常に高くなるため、排気弁の開く
時期を高速運転域に低速運転域よりも早く設定す
ることはブローダウンを利用してのガス交換効率
を高めることになり、弁作動を切換える効果は大
きい。

また、この実施例では２段カムとしての切換装
置を示したが、低速運転域から高速運転域まで連
続して吸・排気弁の作動を変化させるものであれ
ば更によいことはもちろんである。

以上のように本発明はターボチヤージヤ付機関
において、高速運転域と低速運転域で吸・排気弁
の開閉時期を切換え、高速運転域では慣性効果を
充分に生かしてガス交換性能を高め、ターボチヤ
ージヤの特長を発揮させるとともに、低速運転域
では吸気量を増大させて実圧縮比を高めるように
したので、ターボチヤージヤの欠点を補つて低速
運転域での出力の増大、燃費の向上が得られると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示しターボチヤー
ジヤ付機関の全体構成図、第２図は弁作動切換装
置の一実施例を示す平面図、第３図は同上の弁リ
フトの特性図、第４図は同上のシステム全体図、
第５図は第４図の要部拡大図、第６図は第５図の
側面図、第７図は同上のロツカアーム移動タイミ
ングの説明図である。 １……ターボチヤージヤ、２……排気タービ
ン、４……吸気コンプレツサ、２０，２２……吸
気弁、２１，２３……排気弁、２４，２６……吸
気弁用ロツカアーム、２５，２７……排気弁用ロ
ツカアーム、２８……ロツカシヤフト、２９……
カムシヤフト、３０ａ，３２ａ……高速時用カ
ム、３０ｂ，３２ｂ……低速時用カム、３５，３
６，３７，３８……アクチユエータ、４０……油
圧供給源、４３……油圧制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関排気圧力で駆動される排気タービンによ
   り回転駆動されるコンプレツサで吸気を過給する
   ターボチヤージヤを備えた内燃機関において、吸
   気弁又は排気弁の少なくとも一方についてその閉
   弁時期が相互に異なるプロフイルのカムを隣接し
   て形成したカムシヤフトと、ロツカシヤフトに揺
   動可能に支持され前記一対のカムの何れか一方に
   係合するロツカアームと、このロツカアームを油
   圧に応じて前記一対のカムの何れか一方との係合
   状態に切り換えるアクチユエータと、このアクチ
   ユエータに油圧供給源からの作動油圧を選択的に
   供給する油圧制御部と、機関回転速度を検出し
   て、一対のカムのうち高速回転域では閉弁時期の
   遅いプロフイルのカムで、低速回転域では閉弁時
   期の早いプロフイルのカムでそれぞれロツカアー
   ムを作動させるように前記油圧制御部を制御する
   制御回路とを備えたことを特徴とするターボチヤ
   ージヤ付機関の弁作動切換装置。