JPH04166624A - 自動車用エンジンの吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車用エンジンの吸気制御装置に関し、さ
らに詳しくは、体積効率を向上させるための制御構造に
関する。

（従来の技術） 周知のように、自動車用エンジンにおける吸気系にあっ
ては、インテークマニホールドから燃焼室に連通してい
る吸気ボートの開閉をポペット弁により行うようになっ
ている。

そして、このポペット弁は駆動カムにより開閉タイミン
グを設定され、ピストンの上死点到達以前に開放されて
混合気を燃焼室内に取り込む。

ところで、上述したポペット弁を用いた吸気構造におい
ては、高速、低速およびこの間の中速域でスロットル弁
が全開された場合、各速度域での出力を向上させる要因
として吸気効率、換言すれば、吸気の体積効率を向上さ
せることがあり、この効率の向上が望まれている。

つまり、アクセル全開時での低速走行時には、上述した
ポペット弁による吸気行程において、吸気流速が低いこ
とが原因して吸気慣性を大きく取ることができず、−旦
、燃焼室内に導入した吸気がピストンの上昇にあわせて
インテークマニホールド側に押し戻される現象が生じや
すくなり、燃焼室内での吸気の体積効率を低下させ易く
なるのを防ぐ必要があり、また、高速域と低速域との間
の中速域では、吸気の充填効率を上げることが必要とさ
れる。

そこで、このような要求を達成させるために、上述した
ポペット弁とは別に、このポペット弁の開閉タイミング
に対して、開閉タイミング位相を高速、低速および中速
の各速度域で変化させることのできる構造が提案されて
いる。

すなわち、第８図は、上述した構造の一例を示す模式図
であり、この構造について説明すると次の通りである。

すなわち、エンジン本体１の燃焼室に連通ずるインテー
クマニホールドＩＡ中には、矢印で示す吸気方向におけ
る吸気ボートの上流側に、吸気ボートを開閉するポペッ
ト弁２とは別にインテークマニホールドＩＡを開閉する
ために回転可能に設けであるロータリ弁３が位置してい
る６ 上述したロータリ弁３は、インテークマニホールドＬＡ
中に設けである弁ハウジング４内に回転可能に支持され
ており、このロータリ弁３の回転支軸３Ａは、後述する
位相可変機構に付設されているエンジン側からの駆動力
伝達機構によって回転能動される。

すなわち２位相可変機構５は、その作動模型を表す第９
図に示すように、遊星歯車機構によって構成してあり、
この機構におけるサンギヤ６は、エンジのクランク軸の
回転を駆動源とするベルト伝達機構に用いられるプーリ
６Ａの軸と一体に設けである。

そして、このサンギヤ６は、外周面の等分位置、第９図
に示した構造では３等分された位置で遊星ギヤ７と噛み
合っており、そして、遊星ギヤ７は、キャリアとして設
けであるウオールホイール８により回転自在に支持され
ている。

上述した遊星ギヤ７は、その外周に位置するリングギヤ
９の内歯９＾に噛み合っており、このリングギヤ９の外
周に形成された外歯９Ｂには、ロータリ弁３の能動軸と
一体の駆動ギヤ１０が噛み合っている。従って、クラン
ク軸の回転は、サンギヤ６を介して遊星ギヤ７に伝達さ
れ、この遊星ギヤ７がウオームホイール８とともにサン
ギヤ６の回りを公転することでリングギヤ９を回転させ
ることで駆動ギヤＩＯを回転させてロータリ弁３への回
転力の伝達が行われる。

一方、上述したウオームホイール８には、ウオームギヤ
１１が噛み合っており、このウオームギヤ１１は、駆動
モータ１２の出力軸に一体に設けである。

この能動モータ１２は、正逆回転可能なパルスモータが
用いられており、その回転方向および回転量を図示しな
い制御部により設定されることでリングギヤ９に噛み合
うロータリ弁用の駆動ギヤ１０に対する回転開始位置の
位相可変制御を行い、換言すれば、回転位相を調整制御
するようになっており、この制御量は第１２図において
符号１３で示すスロットルポジションセンサを介してフ
ィードバック制御される。上述したスロットルポジショ
ンセンサ１３は、第１０図において、ウオームホイール
８の局部の一部に形成しであるセクタギヤに噛み合う従
動ギヤ１４の支軸に一体とさ・れ、ウオームホイール８
の回転方向および回転量を検出するようになっている。

そして、上述した位相可変制御は、第１１図に示すよう
に１例えば、アクセル全開時では、エンジン回転数に応
じて速度域を選択し、アクセル全開時でのポペット弁３
の開閉時期に対して、高速域では、ポペット弁の開閉期
間の全域をオーバラップさせるように位相を設定しく第
１１図（Ａ）参照）、低速域では、ポペット弁３の開放
時期よりも早く吸気を開始すると共にポペット弁３の閉
時期よりも早く吸気の導入を終了させる期間を得られる
ように位相を設定しく第１１図（Ｂ）参照）、そして、
中速域では、ポペット弁３の開放開始時期よりも遅開き
となるように位相を設定するようにしである（第１１図
（Ｃ）参照）。

従って、アクセル全開時での高速域では、ロータリ弁３
の開放期間とポペット弁２の開放期間とを重ねることで
通気面積をオーバラップさせて吸気の導入時間を最大に
することができ、これにより体積効率を上昇させること
になり、そして、低速域においては、吸気慣性、共鳴お
よび脈動効果等の吸気効果を利用することで筒内圧ある
いはロータリ弁下流のインマニホールド内圧がピークに
達した時若しくはその直後に閉じることでピストンが下
死点を通過した後に上昇する過程が起こる吸気の押出し
作用が防止されて体積効率の低下を抑えることになる。

また、中速域においては、遅開きすることで、ピストン
の下降行程での負圧を利用して吸気の流速を大きくする
ことで体積効率を上げることとなる。なお、第１０図中
において。

斜線で示した範囲が実際の通気面積を表している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述したロータリ弁を備えた構造にあっては
１例えば、エンジン運転時の部分負荷条件下での圧力−
容積線図（ｐ−ｖ線図）を示す第１２図から明らかなよ
うに、符号６〜７〜８〜１で示す吸気行程中の符号８で
示す位置でロータリ弁を閉じた場合、この間での面積で
表されるポンピングロスは、破線で示す普通サイクルで
のものに比べて少なくできる利点がある反面、ロータリ
弁が閉じられた後の符号８〜１に至る範囲では、断熱膨
張が発生したことになる。従って、この範囲符号１で示
す位置での温度は普通サイクルのものに比べて低くなっ
てしまい、具体的には、第１３図に示すように５００°
に程度の差として現れ、結果として、吸気後の空気の温
度が低下してしまうことになる。このような現象は、部
分負荷運転時の燃焼が悪化する原因となる問題を招いて
いた。

そこで、本発明の目的は上述した従来のロータリ弁を備
えた吸気制御装置における問題に鑑み、部分負荷運転時
での燃焼特性の悪化を防止することのできる自動車用エ
ンジンの吸気制御装置を得ることにある。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するため、本発明は、燃焼室に連通ずる
吸気ボートを開閉するポペット弁と、上記ポペット弁に
対し、吸気方向上流側に位置して回転可能とされること
で吸気通路を開閉するロータリ弁と、上記ロータリ弁の
支軸を出力軸とし、エンジンのクランク回転力を入力と
して上記出力軸に伝達するとともに、このクランク回転
位相に対して上記出力軸の回転位相を変化させる構造を
備えた位相可変機構と、上記位相可変機構における上記
出力軸の回転位相を変化させる駆動部とを備えた自動車
用エンジンの吸気装置において、エンジン側のピストン
に有するコネクティングロッドの大端部とクランクピン
との間に偏心スリーブを挿嵌し、通常時の態位として上
記スリーブがコネクティングロッドと一体で協動する態
位とされ、そして上記通常態位から偏心スリーブとコネ
クティングロッドとの固定位置を変えることでピストン
の上死点位置を上下させ、排気量の変化を伴わないで圧
縮比を変えることのできる構造とされた可変圧縮比機構
を設けると共に、上記ロータリ弁の位相可変機構におけ
る駆動部、上記可変圧縮比機構におけるコネクティング
ロッドと偏心スリーブとの連断用の駆動部を出力側に接
続され、そして、入力側には少なくともエンジン回転数
信号。

吸入空気量信号、水温信号、アクセル位置信号、ロータ
リ弁の位相を含むスロットル弁の位置信号、ブレーキ踏
み込み信号およびフェール信号が入力される制御部を備
えて構成され、上記制御部は。

エンジンの部分負荷運転時に相当する信号の入力に応じ
て、上記可変圧縮比機構におけるコネクティングロッド
と偏心スリーブとをピストンの上死点位置が普通サイク
ルでの上死点位置よりも上方に位置するように上記コネ
クティングロッドと偏心スリーブとの速断用駆動部を作
動させることを特徴としている。

（作　用） 本発明によれば、エンジンの部分負荷運転時には、コネ
クティングロッドと偏心スリーブとの態位が、ピストン
の上死点位置を普通サイクルの場合よりも上方に設定さ
れて高圧縮比を得られる状態される。

（実　施　例） 以下、第１図乃至第７図において１本発明実施例の詳細
を説明する。

第１図は１本発明実施例による吸気制御装置を適用する
自動車用エンジンの吸気系のシステム構成の概略を示す
模式図である。

すなわち、第１図において、ロータリ弁３は、第８図乃
至第１１図において説明した構造および作動特性をもつ
もので構成されている。

一方、エンジンのコネクティングロッドＩＣとクランク
ピン１０との間には可変圧縮比機構ＩＫｆｆｉ設けであ
る。

すなわち、上述した可変圧縮比機構ＩＫは、その動作原
理を説明するための模式図である第２図において、コネ
クティングロッドＩＣの大端部ＩＣ１とクランクピンＩ
Ｄとの間に、第２図（Ｃ）に示すように、クランクピン
ＩＤの中心をコネクティングロッドＩＣの中心位置から
偏心させた偏心スリーブｌＥを挿嵌し、この偏心スリー
ブＩＥにおける周縁しこ１１鍔が形成してあり、この鍔
の局方向で１８０度位相をずらした対向位置には切欠き
か設けである。

そして、この切欠きには１図示しない油圧機構により駆
動されるロックピンＩＦが係脱可能に配置してあり、こ
のロックピンＩＦは通常態位として係合が外れた状態を
設定されており、この状態で偏心スリーブＩＥはコネク
ティングロッドＩＣの往復。

回転慣性力および気筒内圧により与えられる回転トルク
によって回転できるようになっている。

従って、上述した偏心スリーブＩＥとロックピンＩＦと
の係合関係を設定することで、第２図（Ａ）に示すよう
に、偏心スリーブ１εの長径部が下方に位置したときに
ロックピンＩＦと係合させると、ピストンの上死点位置
でのピストン頂部は普通サイクルでの頂部位置よりも低
くなり、所謂、低圧縮比が得られ、また、第２図（Ｂ）
に示すように偏心スリーブＩＨの長径部が上方に位置し
たときにロックピンＩＦを係合させるとピストン上死点
でのピストン頂部の位置は第２図（Ｂ）中、符号りで示
すように、普通サイクルの場合に比べ上方に位置し、所
謂、高圧縮比が得られる。

一方、上述したロータリ弁３および、上述したロックピ
ンＩＦの係脱を行う油圧回路での油圧切り換え用ソレノ
イドは、それぞれ後述する制御部２８により作動態位を
制御されるようになっている。

すなわち、制御部２０は、第３図に示すように、マイク
ロコンピュータ２０Ａを主要部として備えており、この
マイクロコンピュータ２０Ａに装備しであるＩ１０イン
ターフェース（図示されず）を介して外部機器に接続さ
れている。

上述したＩ１０インターフェースの入力部には、エンジ
ン回転数信号、エアフローセンサからの吸気量信号、水
温センサからの水温信号、アクセルポジションセンサか
らのアクセル位置信号、ブレーキセンサからのブレーキ
信号、イグニッションスイッチからのエンジンオン信号
、スロットルポジシミンセンサからのスロットル信号が
それぞれ入力され、そして、出力部には、上述したロー
タリ弁３の位相可変機構５に装備しである駆動モータ１
２用のドライバ１２Ａおよび油圧切り換え用ソレノイド
２１がそれぞれ接続しである。

また、上述した駆動モータ１２のドライバ１２Ａには駆
動モータ１２が接続してあり、この駆動モータ１２の回
転量および回転方向は位相可変機構５内に装備しである
スロットルポジションセンサ１３により検出されてマイ
クロコンピュータに入力されてフィードバック制御に供
される。

上述した制御部２０にあっては、第４図（Ａ）に示すマ
ツプを基に、エアーフローセンサ（ＡＦＳ）からの吸気
量信号あるいは第４図（Ｂ）に示すアクセルポジション
センサ（ＡＰＳ）からのアクセル位置信号およびエンジ
ン回転数信号から、負荷域の判別を行うようになってお
り、第４図中、符号ＡＦＳＬ（第４図（Ａ））およびＡ
ＰＳｃ（第４図（Ｂ））で示す全開下限値を基準にして
部分負荷域と全負荷域との判別を行うようになっている
。

本実施例は以上のような構造であるから、制御部の作動
を説明するためのフローチャートを示した第５図に示す
手順で動作する６ すなわち、制御部２０においては、エアフローセンサあ
るいはアクセルポジションセンサからの上方とエンジン
回転数を入力し、この各情報を、第４＠に示したマツプ
を基に、全開下限値を読み取る。

そして、マツプを基準とした、全開下限値に対する現段
階での吸気量あるいはアクセル位置が部分負荷域に相当
しているかあるいは全負荷域に相当しているかを判別し
、その結果により、ロータリ弁３および可変圧縮比機構
ＩＫの作動制御を行う。

すなわち、部分負荷域にあると判断された場合には、ロ
ータリ弁３に対する位相可変機構における駆動モータ１
２を制御することで第１１図に示すロータリ弁３の早開
じあるいは遅開きを設定すると共に、可変圧縮比機構Ｉ
Ｋにおける油圧切り換え用ソレノイド２１を制御して第
４図（１３）に示す態位にある偏心スリーブＩＥにロッ
クピンＩＦが係合するようにする。

従って、ピストンの上死点位置は普通サイクルの場合に
比べて上方に位置させることができるので高圧縮比を設
定される。つまり、このような設定により、吸気量が少
ない状態で燃焼特性が悪化しやすいのを高圧縮比にする
ことで改善することになる。

一方、全負荷域にあると判断された場合には、第１１図
に示す全開位相を設定し、そして、可変圧縮比機構ＩＫ
においては、第２図（Ａ）に示す態位に偏心スリーブＩ
ＥがあるときにロックピンＩＦを係合させる。

従って、ピストンの上死点位置は普通サイクルの場合に
比べて下方に位置させることができるので低圧縮比を設
定される。つまり、このような設定により、吸気量は多
くなっているのでピストンの圧縮行程での吸気の温度上
昇は満足されているので低圧縮比を設定して排気ガス中
の有害成分の発生を抑える。

上述した制御による結果は第６図に示す通りである。

すなわち、例えば、部分負荷域においてロータリ弁３を
第１１図に示す全負荷域に対して早開じを設定した場合
、第６図中、符号８で示す位置でロータリ弁３を閉じた
とすると、ロータリ弁３の開閉タイミング位相の設定に
よる実圧縮比は８〜２の期間で普通サイクルにおける期
間１〜２に比べ低くなるが、可変圧縮機構↓こよる高圧
縮比の設定によって、実圧縮比は、第６図中、８〜２′
で示す状態が得られ、普通サイクルの場合と略同じ結果
になる。しかも、この結果から、第７図に示すように吸
気後の吸気の温度も普通サイクルの場合と略同じにする
ことができ、普通サイクルの場合と同様な燃焼特性を得
ることができる。

本実施例によれば、ロータリ弁を用いた圧縮比の設定に
対して可変圧縮比機構を併用することで圧縮仕事量を増
大させることができるので、換言すれば、実圧縮比に比
べ膨張比を高くすることができるので、熱効率を改善さ
れて低燃費を得ることができる。

（発明の効果） 以上、本発明によれば、ロータリ弁を用いて負荷および
エンジン回転数に応じた吸気制御を行う場合、部分負荷
運転時には、可変圧縮比機構の作動を併せて制御するこ
とで、ロータリ弁による吸気制御において生じる断熱膨
張による吸気後の空気の温度低下を未然に防止して、上
述したアイドル時および極低負荷時での燃焼特性の悪化
を防止することができる。

従って、ロータリ弁とポペット弁とを組み合わせた吸気
制御において、ロータリ弁と可変圧縮比機構との組合せ
を用いることで燃焼特性を悪化させないでアクセル踏み
込み量により決定されるの全負荷時あるいは部分負荷時
での吸気を最適制御して全開時での出力向上およびそれ
以外での燃焼効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による吸気制御装置の吸気系構造
を示す模式図、第２図は第１図に示した構造の要部の作
動原理および概略構造を説明する模式図、第３図は第１
図に示した吸気系構造に用いられる制御部の構造を示す
ブロック図、第４図は第３図に示した制御部において用
いられるマツプを説明するための線図、第５図は第３図
に示した制御部での動作を説明するためのフローチャー
ト、第６図は第１図に示した本実施例による吸気制御装
置の構造から得られる特性を説明するためのＰ−ｖ線図
、第７図は第６図に示した行程から得られる気筒内の温
度変化を説明するための線図、第８図は従来のロータリ
弁を用いた吸気系の構造を示した模式図、第９図は第８
図に示したロータリ弁の位相可変機構の動作機構の原理
を説明するための模型示的な斜視図、第１０図は第９図
に示した機構の具体的な構造を説明するための断面図、
第１Ｉ図はロータリ弁の開閉タイミングを説明するため
の線図、第１２図は第９図に示したロータリ弁の開閉状
態により得られる特性を説明するためのｐ−ｖ＠図、第
１３図は第１２図に示した行程から得られる気筒内の温
度の変化を説明するための線図である。 １・・・エンジン本体、ＩＡ・・・インテークマニホー
ルド、ＩＫ・・・可変圧縮比機構、ＩＣ・・・コネクテ
ィングロッド、ＩＣ１・・・コネクティングロッドの大
端部、ＩＤ・・・クランクピン＋　ＩＥ・・・偏心スリ
ーブ、ＩＦ・・・ロックピン、２・・・ポペット弁、３
・・・ロータリ弁、５・・・位相可変機構、１０・・・
ロータリ弁用開動ギヤ、１２・・・能動モータ、１２Ａ
・・・ドライバ、２０・・・制御部、２１・・・油圧切
り換え用ソレノイド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 燃焼室に連通する吸気ポートを開閉するポペット弁と、
   上記ポペット弁に対し、吸気方向上流側に位置して回転
   可能とされることで吸気通路を開閉するロータリ弁と、
   上記ロータリ弁の支軸を出力軸とし、エンジンのクラン
   ク回転力を入力として上記出力軸に伝達するとともに、
   このクランク回転位相に対して上記出力軸の回転位相を
   変化させる構造を備えた位相可変機構と、上記位相可変
   機構における上記出力軸の回転位相を変化させる駆動部
   とを備えた自動車用エンジンの吸気装置において、 エンジン側のピストンに有するコネクティングロッドの
   大端部とクランクピンとの間に偏心スリーブを挿嵌し、
   通常時の態位として上記スリーブがコネクティングロッ
   ドと一体で協動する態位とされ、そして上記通常態位か
   ら偏心スリーブとコネクティングロッドとの固定位置を
   変えることでピストンの上死点位置を上下させ、排気量
   の変化を伴わないで圧縮比を変えることのできる構造と
   された可変圧縮比機構を設けると共に、上記ロータリ弁
   の位相可変機構における駆動部、上記可変圧縮比機構に
   おけるコネクティングロッドと偏心スリーブとの連断用
   の駆動部を出力側に接続され、そして、入力側には少な
   くともエンジン回転数信号、吸入空気量信号、水温信号
   、アクセル位置信号、ロータリ弁の位相を含むスロット
   ル弁の位置信号、ブレーキ踏み込み信号およびフェール
   信号が入力される、制御部を備えて構成され、 上記制御部は、エンジンの部分負荷運転時に相当する信
   号の入力に応じて、上記可変圧縮比機構におけるコネク
   ティングロッドと偏心スリーブとをピストンの上死点位
   置が普通サイクルでの上死点位置よりも上方に位置する
   ように上記コネクティングロッドと偏心スリーブとの連
   断用駆動部を作動させることを特徴とする自動車用エン
   ジンの吸気制御装置。