JPH0525004B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は過給機を備えた内燃機関における吸気
弁開閉時期の調整装置に関する。

＜背景技術＞ 吸入空気をコンプレツサで機関に過給すること
により機関の吸入空気量を増大させ、燃焼ガス圧
力を高めることにより、比較的小排気量の機関で
も高出力を発生させるようにした過給機付内燃機
関が知られる。

その代表的なものに、機関の排気圧力を利用し
て排気タービンを回転し、これと同軸のコンプレ
ツサを回転駆動して吸入空気を過給するいわゆる
排気ターボが過給機がある（第３図参照）。

このような過給機付内燃機関にあつては、従来
から過給能力の向上を図ることが機関出力の向上
につながるものとして過給機の能力改善に努めて
きたのであるが、その能力も充分となり、今では
むしろ過給機付内燃機関の出力を制約する要因と
してノツキング防止が強調されてきている。即ち
過給機付内燃機関においては昇圧した吸入空気を
圧縮・燃焼させるため、どうしてもノツキングが
発生し易くなりかつ排気温度が上昇するのであ
る。

ここでノツキングに関しては、第１図に示すよ
うに、圧縮比が高い程更には圧縮温度が高い程ノ
ツキング発生率が高いという傾向を示すことがわ
かつている。

そこで過給機付内燃機関にあつては、その圧縮
比を通常機関に比べて１程度小さく設計するのが
一般的である。

しかし過給機付内燃機関は常に過給を行うもの
ではなく、特に前記排気ターボ過給機付の場合、
部分負荷時においては過給を効かせないし、低速
回転絞弁全開運転領域では過給そのものが効かな
くなる。その結果過給を行うからこそ圧縮比を低
下させたのに対し、過給がなされない領域でも圧
縮比が低下することとなつて、燃費が悪化し出力
トルクが小さくなつてしまう。

かかる不都合を防止するには圧縮比を高速高負
荷では小さく、低速低負荷では大きくするという
ように可変制御できるのが望ましいが、これは難
しい。

ところで、吸気弁は圧縮行程の適当な時期に閉
弁し、この時点から実質的な圧縮が開始される。
従つて機関の仕様から決定される圧縮比に対し実
質的な圧縮比（以下実圧縮比という）は前記機関
の仕様とこの吸気弁閉弁時期によつて決定される
こととなる。この結果吸気弁閉時期を早め圧縮下
死点に近づけるように早めれば実圧縮比は増大す
る。

この現象を利用し過給の効かない領域（例えば
排気ターボ過給機にあつては内燃機関の低速領
域）では、吸気弁の閉時期を早めて実圧縮比を向
上させ出力・燃費の悪化を防止する一方、過給領
域（同上高速領域）においては、吸気弁の閉時期
を遅らせて実圧縮比を低下させ、ノツキング領域
を高過給圧側にスライドさせて、充分な過給圧の
もとで運転し、もつて出力を確保することができ
る。

ここにおいて、上記のように実圧縮比を低下さ
せて、圧縮行程のストローク減少分を補うために
過給機により過給圧を増大させれば、過給機出口
で吸入空気が昇温し、その結果圧縮温度が高くな
つて、第１図に示すようにノツキング領域を低過
給圧側にスライドさせる傾向となる。

しかし吸気弁閉弁時期を遅らすことは、過給圧
上昇を過給機に全面的に依存しなくても吸気の慣
性効果で過給効果を高めることができる。つま
り、機関が高速回転に移行すると、吸気の慣性に
よる気筒内への充填時間のクランク角度に対する
遅れが生じるから吸気弁付近の吸入空気圧力が最
も大きくなる時期が遅れる。従つて吸入空気が気
筒内に押し込まれた時期を見計らつて吸気弁を遅
れて閉じるように決定すれば、吸入空気の慣性に
より充填効率が向上する。一方機関が低速回転に
ある場合には、クランク角度に対する吸入空気充
填時間の遅れが小さいから、吸気弁を遅れて閉じ
ると一旦気筒内に充填された吸入空気が逆流して
出てくることとなり、充填効率が低下する。この
ため吸気弁を早期に閉じればよい。特に、過給機
関においては、通常の機関よりも圧縮比を１前後
低くしてあるため、吸気弁の閉時期が早まり、実
圧縮比、吸入空気量が共に増大してもノツキング
の制約が少ないためトルク増大の効果が大きい。

このように吸気弁の閉時期を可変制御すること
は、過給機の過給効果に加えて吸入空気の慣性過
給効果を利用できるのである。ここで特徴的な点
は慣性過給は過給機のように外部から仕事をされ
ないため（即ち過給機の仕事量が増えていないた
め）吸入空気が慣性効果によつて昇圧しても温度
が上昇しないことである。従つて圧縮開始温度が
上昇しないこととなり、実圧縮比の低減と相剰効
果をもつてノツキング領域を高過給圧側に保持で
き、この分、より過給圧を増大させ得ることによ
り出力向上を図ることができる。

この意味において、特開昭56−77516号は、吸
気弁の閉弁時期を進遅制御しているから上記効果
を有するとも言えなくはない。即ちこのものは、
高速回転領域で吸・排気弁のバルブオーバーラツ
プ量を比較的大きく設定すると共に、吸気弁の閉
時期を遅らせて慣性過給効果を高めもつて機関出
力を得る一方、低速回転領域では吸気弁の閉時期
を早めて圧縮初期の吸気通路への吸気逆流を防止
すると共に、排気弁の開時期を早めかつ閉時期を
遅らせて、できるだけ多くの排気を排気タービン
へ供給するように構成しているのである。

しかしこの従来例では排気弁の開閉時期をも制
御して過給圧の上昇を図ると共に高速回転領域で
吸・排気弁のバルブオーバーラツプ量を大きくし
て出力向上を図つているのである。これはせつか
く実圧縮比を可変制御しながらもただやみくもに
過給圧上昇を図ろうとするものであるから、実圧
縮比を可変制御するというこれまで述べた実利を
何ら意識していないことになる。また特にバルブ
オーバーラツプ期間の制御については過給機付内
燃機関においては次のように不都合なのである。

即ち、例えば排気ターボ過給機の場合、第２図
に示すように、最大出力時には排気タービンの抵
抗により、排圧が大気圧よりも1000mmHg程度上
昇するが、吸気圧力の上昇は400mmHg程度である
ため、オーバーラツプの期間に排気がこの大きな
差圧によつて吸気系に逆流する現象が生じる。従
つて機関高速運転時に、吸気の慣性効果を狙つて
吸気弁開時期を早めようとすると上記排気逆流現
象によつてむしろ充填効率、掃気効率が低下し出
力が低下するから吸気弁の開弁時期を閉弁時期の
遅れ程大きくは進めることができない。

また、一般のルーツブロア等による過給機の場
合は、逆に排気抵抗が小さいため、排圧があまり
上昇せず、吸気圧力のみが上昇するから、オーバ
ーラツプ期間に混合気が排気系に吹き抜けてしま
い、もつて燃費の大幅な悪化を招いてしまう。

従つていずれにせよ過給機付内燃機関の場合は
吸気弁の閉時期の変化を大とし開時期の変化（オ
ーバーラツプ期間）を小さく（変化なしを含む）
する必要がある（例えば閉弁時期を下死点後25°
から65°に変えても、開弁時期は上死点前5°から
10°に変える程度）。

＜発明の目的＞ 本発明は上記の如き従来の過給機付内燃機関の
不都合に鑑み、実質的な圧縮比を吸気弁の閉時期
を制御することにより可変制御すると共に、これ
に伴う吸入空気の大きな温度上昇のない慣性過給
効果を相剰的に利用して、実圧縮比変化による出
力低減を充填効率の向上によつて防止しつつ、ノ
ツキングの抑制を図り、更にはバルブオーバーラ
ツプ期間が比較的小さくなるように吸気弁開時期
の変化を小さく制御して充填効率の向上を図るこ
とを目的とする。

＜発明の概要＞ このため本発明は、機関吸気系に設けた過給機
のコンプレツサにより吸入空気を機関な過給する
過給機付内燃機関において、異なるカム山形状を
有する複数のカムの選択切換により、吸気弁の開
閉作動特性を切換える吸気弁作動特性調整装置を
設け、該吸気弁作動特性調整装置は、前記吸気弁
の開閉作動特性として閉弁時期を圧縮行程初期と
圧縮行程半ば付近とに選択的に切換える設定とす
る一方、開弁時期の変化量を上死点近傍の期間に
おいて前記閉弁時期の変化量より小さく設定する
ものであり、機関低回転速度領域では、吸気弁の
作動角を小として閉弁時期を圧縮行程初期に進
め、高速回転速度領域では吸気弁の作動角を大と
して閉弁時期を圧縮行程半ば付近に遅らせるよう
前記複数のカムの切換え作動を行なう構成とし
た。

尚、過給を行わない機関において、単に慣性過
給を得る目的で吸・排気弁の開閉時期を可変制御
する例えばオイルタペツト等の動弁機構が従来み
られるが、これらは全て開閉時期双方を等量だけ
進遅させるのに最適であつて、これらを本発明に
そのまま適用しても上記の如く充填効率の低下を
招くから不適当であり、何らかの工夫が必要とな
る。

ところで本発明は機関運転状態（機関回転速度
等）によつて吸気弁の閉時期若しくは開閉時期を
可変制御するものとは限らない。過給機の実質的
な過給開始時の機関回転速度（インターセプト
点）を境界として吸気弁の閉若しくは開閉時期を
自動的に進遅制御したり、機関運転状態に応じて
前記吸気弁の開閉時期を連続的に制御する他に例
えば高速道路走行に入る直前の機関アイドリング
状態において、手動により吸気弁の閉若しくは開
閉時期を進遅切換してもよいのである。

＜実施例＞ 以下に本発明の実施例を説明する。

第３図は本発明が適用される排気ターボ過給機
（以下過給機という）１を備えた内燃機関２を示
す。図において、内燃機関２の吸気通路３には過
給機１のコンプレツサ４が介装されており、排気
通路５に介装した排気タービン６を排気圧力で回
転することにより、これと同軸のコンプレツサ４
を回転駆動して、吸入空気を内燃機関に圧送（過
給）する。排気タービン６をバイパスするバイパ
ス排気通路７には排気バイパス弁８が介装されて
おり、吸気通路３のコンプレツサ４及び吸気絞弁
９間の過給圧と大気圧との比較により作動するダ
イヤフラム式アクチユエータ１０を用いて前記排
気バイパス弁８を開閉制御する。これにより排気
タービン６を回動しないでバイパス排気通路７に
バイパスする排気量を過給圧に応じて制御し、も
つて過給圧が過大となるのを防止する。尚、図
中、１１は吸気絞弁９下流の吸入空気圧力が所定
値以上となることを防止するリリーフ弁、１２は
エアフローメータ、１３は燃料噴射弁である。

このような過給機付内燃機関における吸気弁２
０と自動開閉制御を行う吸気弁作動装置の実施例
を第４図〜第７図に示す。

即ち第４図〜第６図に示すように、４気筒内燃
機関２のロツカールーム２１内には、カムシヤフ
ト２２が回転自由に軸支されており、その上方位
置にロツカーシヤフト２３が固定支持されてい
る。カムシヤフト２２には＃１〜＃４の各気筒毎
に一対の吸気弁作動用カム２４Ａ，２４Ｂと排気
弁作動用カム２５とが形成される。吸気弁作動用
カムの一方２４Ａは高速用であり、他方２４Ｂは
低速用である。

ロツカーシヤフト２３には、各気筒＃１〜＃４
毎に、吸気弁作動装置であるロツカアーム２６が
回動並びに軸方向スライド自由に軸支されてお
り、また排気弁を作動するロツカアーム２７が回
動自由に軸支されていて、吸気弁用ロツカアーム
２６はその軸方向スライドにより高速用若しくは
低速用の一方のカム２４Ａ又は２４Ｂに選択的に
当接従動し排気弁用のロツカアーム２７は排気弁
作動用のカム２５に当接従動する。

本実施例の場合点火順序又は噴射順序が＃１−
＃３−＃４−＃２であるとすると、＃１気筒及び
＃２気筒に対応する吸気弁用の２つのロツカアー
ム２６，２６を一体的に保持するホルダ２８と、
＃３気筒及び＃４気筒に対応する吸気弁用の２つ
のロツカアーム２６，２６を一体的に保持するホ
ルダ２９とを設け、これらホルダ２８，２９を
夫々第１及び第２のアクチユエータ３１，３２に
より軸方向に切換シフトし、ロツカアーム２６
夫々を対応する高速用カム２４Ａか低速用カム２
４Ｂの一方に選択接触させるようになつている。

前記第１及び第２アクチユエータ３１，３２
は、夫々前記ホルダ２８，２９に連結されたピス
トンを正又は逆方向に移動させるための作動油出
入口であるＡ、Ｂ及びＣ、Ｄポートを有してお
り、これは第７図に油圧作動回路及びその電子制
御手段によつて示された吸気弁作動時期調整装置
に接続されている。

即ち、第７図において、第１アクチユエータ３
１のＡ、Ｂポートは電磁方向切換弁３３を介し
て、また第２アクチユエータ３２のＣ、Ｄポート
は電磁方向切換弁３４を介して、夫々アキユムレ
ータ３５とオイルタンク３６とに切換自由に接続
されている。前記アキユムレータ３５には、内燃
機関２により又は別置モータ３７により駆動され
るオイルポンプ３８によつて、オイルタンク３６
から汲み上げたエンジンオイルが導入される。３
９はオイルポンプ３８の吐出圧を制御するリリー
フバルブである。前記電磁方向切換弁３３，３４
はマイクロコンピユータ等の制御手段４０により
機関運転状態の検出信号に応じて若しくは手動ス
イツチにより切換制御される。制御手段４０の入
力信号としては、この他に車速、吸入負圧、過給
圧、トランスミツシヨンギヤ位置、機関冷却水
温、油温、電装部品、電気負荷等の各信号を選ぶ
ことができるが、本実施例では機関回転速度（ク
ランク角）信号とクランク角基準信号を一例とし
て入力させている。

これら電磁方向切換弁３３，３４の夫々の切換
作動により、アキユムレータ３５内のオイルを第
１及び第２のアクチユエータ３１，３２のいずれ
か一方のポート（Ａ又はＢ、Ｃ又はＤ）に供給し
てピストンを一方向に移動させ、もつて吸気弁用
ロツカアーム２６を軸方向に移動して高速用カム
２４Ａ若しくは低速用カム２４Ｂのいずれか一方
と係合させ、吸気弁の開閉時期を制御する。

ここで高速用カム２４Ａは第８図Ａ，Ｂに示す
ように吸気弁の閉時期を大きく遅らせ（例えば下
死点後50°〜80°）、低速用カム２４Ｂは第８図Ｃ，
Ｄに示すように吸気弁の閉時期を上記より早める
（例えば同じく０〜30°）カム形状とする。このと
きの各カム２４Ａ，２４Ｂのトルク特性を第９図
に示す。また排気弁とのオーバーラツプ量を決定
する吸気弁の開時期は例えば下死点前０〜10°程
度と略等しくするか若しくは機関回転速度に応じ
て多少変化させてもその変化量を閉時期の変化量
より小さくしてオーバーラツプ量を小さいものと
している。尚このとき排気弁の開時期は下死点前
40〜50°閉時期は上死点後10〜20°の一定値となつ
ている。

次に本実施例の作用を述べる。

今吸気弁用カムのうち、高速用カム２４Ａと低
速用カム２４Ｂとでは機関回転速度約2000〜
3000rpmを境界として機関の出力トルクが異なる
ようにカム形状を形成したとする。

機関回転速度が約2000〜3000rpm以下の低速回
転領域では、制御手段４０が電磁方向切換弁３
３，３４の右ポジシヨンを選択するよう切換信号
を出力する。このためアキユムレータ３５のオイ
ルは第１及び第２アクチユエータのＢ及びＤポー
トに導入され、ピストンを作動してホルダ２８，
２９を介して吸気弁用ロツカアーム２６を図で右
方向に移動させて低速用カム２４Ｂと係止させ
る。これにより吸気弁の開時期はほぼ変らないが
閉時期を下死点方向に進ませ、機関ピストンの有
効ストロークを増大して実圧縮比を大きくする。

従つて当該運転領域では、過給圧力がさほど上
らないが、過給機付機関特有の比較的小さな圧縮
比であつても実圧縮比が他の運転領域よりも増大
するから出力の低下・燃費の悪化を招くことを防
止できる。

また機関回転速度が約2000〜3000rpm以上の高
速回転領域では、排気エネルギが増大して過給効
果が増大し、ノツキングが発生し易くなりかつ排
気温度が上昇する。このとき制御手段４０が高速
回転信号を入力して電磁方向切換弁３３，３４の
左ポジシヨンを選択するよう切換信号を出力す
る。このため、アキユムレータ３５のオイルは今
度は第１及び第２アクチユエータのＡ及びＣポー
トに導入され吸気弁用ロツカアーム２６を図で左
方向に移動させることにより高速用カム２４Ａと
当接させる。これにより、吸気弁の閉時期は下死
点から離れて遅れ、機関ピストンの有効ストロー
クが減じて実圧縮比が低下する。このため第１図
に示すようにノツキング領域に入らないための限
界過給圧が高くなり、この分過給圧を増大して出
力向上を図ることができるようになる。

ここにおいて上記過給圧の増大比は過給機によ
つてもなされるが、吸気弁の閉時期が遅れること
により、慣性に基づく吸気流のクランク角度に対
する遅れ分を吸気弁閉時期直前にシリンダ内に送
り込むいわゆる慣性に基づく過給によつてもなさ
れる。この慣性過給は過給機等の外部の仕事を受
けてなされるのではないからシリンダ内に送り込
まれた即ち圧縮開始時の吸気温度を上昇させるこ
とがない。従つて第１図に点線で示すようにノツ
キング領域は更に高過給圧側に存在することとな
り、より充分な過給圧を得ることができる。この
結果、実圧縮比の低下分を充分な過給圧増大によ
り補償することができ、もつて出力の低下を防止
しつつ燃費悪化を防ぐことができる。

このように機関そのものの圧縮比を可変とする
ものではないが、実圧縮比を変えることにより圧
縮比可変と同効を果たすことができるのである。

上記作用において吸・排気弁の開弁時期のオー
バーラツプ量は吸気弁の開時期及び排気弁の閉時
期が変らないため略一定である。このため該オー
バーラツプ期間において、排気圧力が過給圧より
も高いこと（第２図）による排気の吹き帰しを招
きにくい。これにより充填効率が増大して上記実
圧縮比低下を補償するために必要な過給圧上昇を
確保することができる。

上記の如き吸気弁の高速用カムと低速用カムと
の機関運転中の切換制御は第１０図の如きタイミ
ングをとつて行う。ロツカアーム２６と吸気弁用
カム２４Ａ，２４Ｂとが接触中は、ロツカアーム
２６の切換が不可能であるから、第１０図Ａ，Ｂ
に示すように各気筒＃１〜＃４のロツカアーム２
６の切換可能な領域が限定される。＃１と＃２、
＃３と＃４のロツカアーム２６は夫々一組となつ
ているから＃１，＃２のロツカアームの共通の移
動可能領域及び＃３，＃４の同じく共通の移動可
能域において制御手段４０がタイミングをとつて
切換制御しなければならない。従つて第１０図Ｃ
に示すように第１のアクチユエータ３１による
＃１，＃２のロツカアーム移動時間と第２のアク
チユエータ３２による＃３，＃４のロツカアーム
移動時間とではずれが生じるのは止むを得ない。
この他ホルダのレイアウトが可能ならば共通の充
分な移動可能域のある＃１と＃３及び＃２と＃４
のロツカアームを一体動する組み合わせも可能で
ある。

また、電磁方向切換弁３３，３４の切換信号と
して制御手段４０を用いずに手動スイチを用いて
行うこともできる。しかし機関に負荷がかかつて
いる間はロツカアームの移動速度、タイミングと
も要求が高いものであるから、例えば高速道路に
入る直前のアイドリング状態若しくは低速回転領
域等を狙つて低速から高速用カムへの切り換えを
行うようにする。このようにすれば低速、高速用
カムの切換えに時間的余裕が出来るので、切換装
置の簡素化ができる。

＜発明の効果＞ 以上述べたように本発明によれば、過給機付内
燃機関の吸気弁閉時期を可変にしたから、実圧縮
比を可変にすることができると共に慣性過給を利
用して昇温のない過給を一部行うことができる。

これら２つの効果が相乗的に作用して出力低下
なくノツキングの発生しにくい領域で充分な過給
を行つて機関を運転することができる。

またバルブオーバーラツプ期間が比較的小さく
なるように吸気弁開時期の変化を小さく（０を含
めて）し、もつて充填効率の向上を図つたので、
上記効果を更に助長することができる。

尚且つ、一般に排気弁の閉弁は上死点近傍にて
完了するので、吸気弁と排気弁との開弁オーバー
ラツプ時期は上死点近傍に維持され、吸気弁の作
動切り換えに拘らず、吸気行程において吸気系に
多量の排気が逆流することを抑制でき、充填効率
の低下や耐ノツキング性の低下を防止できる。

従来の過給機付内燃機関では、一般にノツキン
グを避けるため、点火タイミングを遅らせると共
に、これによつて排温が上昇し排気弁、弁座等の
耐久性に問題が生じるからこれを防止するために
混合比の空燃比を濃くして排温を低下させてい
る。このため燃費が大きく悪化するものであつ
た。しかし本発明によると上記の如くタイミング
に対する余裕度が大きいため点火時期をあまり遅
らせる必要がなくなる。これにより出力の増大と
共に、排温の低下と燃費の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は過給機付内燃機関の圧縮比、過給圧及
び、ノツキング領域の関係を示すグラフ、第２図
は過給圧と排圧との関係を示すグラフ、第３図は
過給機付内燃機関の概略構成図、第４図〜第６図
は本発明の一実施例に係る吸気弁開閉作動装置と
弁開閉時期調整装置の一部を示し、第４図はロツ
カールーム内の平面図、第５図は吸気弁開閉作動
装置の横断面図、第６図は同上の吸気弁用ロツカ
アームとカムとの関係を示す要部平面図、第７図
は本発明の一実施例に係る弁開閉時期調整装置の
油圧回路図、第８図は吸・排気弁の開閉時期を示
し、Ａは高速要吸気弁の開閉時期を示すグラフ、
Ｂは高速用吸気弁と排気弁との弁開特性を示すグ
ラフ、Ｃは低速用吸気弁の開閉時期を示すグラ
フ、Ｄは低速用吸気弁と排気弁との弁開特性を示
すグラフ、第９図は本実施例の吸気弁用の低速用
カムと高速用カムのトルク特性を示すグラフ、第
１０図は各気筒のロツカアーム移動可能タイミン
グを示し、Ａは吸気弁リフト特性図、Ｂはロツカ
アーム移動可能な領域を示すタイムチヤート、Ｃ
はカムリフト特性を示すグラフである。 １……過給機、２……内燃機関、２０……吸気
弁、２２……カムシヤフト、２３……ロツカーシ
ヤフト、２４Ａ……吸気弁作動用カム（高速用）、
２４Ｂ……吸気弁作動用カム（低速用）、２５…
…排気弁作動用カム、２６……ロツカアーム、２
８……ホルダ、３１……第１のアクチユエータ、
３２……第２のアクチユエータ、３３，３４……
電磁方向切換弁、４０……制御手段、＃１〜＃４
……気筒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機関吸気系に設けた過給機のコンプレツサに
   より吸入空気を機関に過給する過給機付内燃機関
   において、 異なるカム山形状を有する複数のカムの選択切
   換により、吸気弁の開閉作動特性を切換える吸気
   弁作動特性調整装置を設け、 該吸気弁作動特性調整装置は、前記吸気弁の開
   閉作動特性として閉弁時期を圧縮行程初期と圧縮
   行程半ば付近とに選択的に切換える設定とする一
   方、開弁時期の変化量を上死点近傍の期間におい
   て前記閉弁時期の変化量より小さく設定するもの
   であり、機関低回転速度領域では、吸気弁の作動
   角を小として閉弁時期を圧縮行程初期に進め、高
   速回転速度領域では吸気弁の作動角を大として閉
   弁時期を圧縮行程半ば付近に遅らせるよう前記複
   数のカムの切換え作動を行なうことを特徴とする
   過給機付内燃機関の吸気弁作動装置。