JPH0545770B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は機関運転条件に応じて吸気弁の作動時
期を切換えることにより出力向上を図る吸気弁作
動切換装置を備えるとともに、吸気弁作動の切換
に応じて吸気通路長さを変化する装置を備えた過
給機付内燃機関に関する。

＜背景技術＞ 排気ターボ過給機等、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
増大させ高出力を発生させる過給機付内燃機関に
あつては、現今の性能改善の結果過給能力の面よ
りもノツキング防止の面から出力が抑制されるよ
うになつてきた。

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、さらには圧縮温度が高い
程、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、従来から過給機付内燃機関の圧縮比を
若干低めにとり、点火タイミングを遅らせる方策
を採つている。このように点火タイミングを遅ら
せると排気温度が上昇するから、これを防止する
ため混合気の空燃比を濃化するが、これにより燃
費が悪化するのはやむえ得ないという判断であ
る。

しかし、排気ターボ過給機は低速低負荷等の部
分負荷時には過給能力がなくなりまたは小さくな
るから、上記方策は過給が効かない領域でかえつ
てマイナス要因となり、出力ダウン、燃費悪化を
招いてしまう。そこで、高速運転時には低圧縮
比、低速運転時には高圧縮比となるように圧縮比
を可変制御することが望まれるがこれは難しい。

ところで、吸気弁の閉時期を遅らせると、実質
的な圧縮比（以下実圧縮比と記す）が変化する。
その結果第１図に示すようにノツキングゾーンが
高過給圧側にスライドしてノツキングを発生しに
くくするとともに、高過給圧比を図ることができ
る。ただし、吸気弁の開時期を変化させて排気弁
とのオーバーラツプを大きくすると、第２図に示
すように排気ターボ過給機では排圧が吸気圧力
（過給圧）よりも大幅に増大するため排気逆流現
象が生じて充填効率、掃気効率が低下して出力ダ
ウンを招くし、ルーツブロア等による過給機で
は、逆に排気抵抗が小さいため排圧があまり上昇
せず過給圧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うことになり好
ましくない。

この点特開昭56−77516号記載の発明が吸気弁
の閉弁時期を進遅制御していても排気弁の開閉弁
時期並びに吸気弁の開弁時期をも大きく変えて機
関高速運転時のオーバーラツプ量を増大している
ことは不都合である。

また、機関高速運転時に吸気弁閉時期を遅らせ
ることは、吸気が燃焼室に入つた時点を見計らつ
て吸気弁を閉じることに相当し、吸気の慣性を利
用して充填効率を向上させることになる。しか
も、この慣性過給は特徴的なことに、過給機によ
る外部仕事を受けない点で昇温しない利点があ
る。この結果、第１図に示すようにノツキングゾ
ーンがさらに高過給圧側にスライドしてノツキン
グの発生を避けるとともに高過給圧化が図られる
ようになる。

このようにノツキングが余裕度を向上させれ
ば、点火時期を進ませることが可能となるから、
出力の増加とともに排温の低下が見込まれ、これ
に伴つて空燃比の濃化を軽減することができ、燃
費向上を図ることができる。

ところが、このような慣性過給の効果は吸気弁
開閉作動周期と吸気通路長さとから定まるもので
あり、高速運転時に十分な慣性過給効果を発揮す
るものであつても、吸気弁開閉作動周期が高速運
転時よりも増大する低速運転時には十分な慣性過
給効果を発揮するとは限らないものであつた。

＜発明の目的＞ 本発明は上記に鑑みなされたもので、過給機付
内燃機関の吸気弁の閉弁時期の進遅制御を行つて
実圧縮比を可変とし、これに伴う慣性過給を行う
ことにより昇温のない過給を可能としてノツキン
グ余裕度を大きくするとともに、吸気弁の開時期
を大略同一としてバルブオーバーラツプ増大を防
止することで前記ノツキング余裕代の中で充填効
率ひいては過給効果を高め、出力向上を図る。そ
して、前記慣性過給が高速運転時と同様に低速運
転時においても十分に行われるような過給機付内
燃機関を提供することを目的とするものである。

＜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に過給する
過給機付内燃機関において、吸気弁と排気弁との
開弁オーバーラツプ時期を上死点近傍とし、か
つ、開弁オーバーラツプ量を所定値以下の略一定
値に維持して、吸気弁の閉弁時期を、過給機の過
給能力の高い機関運転に移行したときに圧縮行程
初期から圧縮行程半ば付近に切り換える弁作動切
換装置と、吸気弁の閉時期が圧縮行程初期に切り
換えられているときに所定の通路長に設定した第
１の吸気通路を選択し、吸気弁の閉弁時期が圧縮
行程半ば付近に切り換えられたときに第１の吸気
通路長よりも短く設定した第２の吸気通路を選択
する装置と、を設けた構成とした。

＜実施例＞ 以下本発明を第３図〜第７図に示す一実施例に
基づき説明する。

第３図は本発明が適用される排気ターボ過給機
（以下過給機と記す）１を備えた内燃機関２を示
す。図において内燃機関２の各気筒毎の吸気通路
３の集合部上流の吸気通路４に過給機１のコンプ
レツサ５が介装されており、排気通路６に介装し
た排気タービン７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５を回転駆動して
吸入空気を内燃機関２に圧送（過給）する。

そして、各気筒毎の吸気通路３の途中にはバイ
パス通路８が並列して設けられる。ここでバイパ
ス通路８はこれと並列する吸気通路３部分より十
分大きな通路長さを有している。該バイパス通路
８の吸気通路３への２つの開口部にはそれぞれ流
路切換弁９，１０が設けられる。この流路切換弁
９，１０の作動は後述する吸気弁作動の切換に対
応してなされるようになつており、機関低速運転
に適した吸気弁作動がなされているときは、流路
切換弁９，１０の弁体は図示の位置となり、バイ
パス通路８が開通するので吸気通路長さが長くな
る。一方、機関高速運転に適した吸気弁作作動が
なさされると、流路切換弁９，１０の弁体がそれ
ぞれ図で反時計方向および時計方向に回動し、バ
イパス通路８の開口を塞ぎ吸気通路長さを短くす
るようになつている。

排気タービン７をバイパスするバイパス排気通
路１１には排気バイパス弁１２が介装されてお
り、吸気通路４のコンプレツサ５および吸気絞弁
１３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１４を用いて前記
排気バイパス弁１２を開閉制御する。これにより
排気タービン７を回転しないでバイパス排気通路
１１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。な
お、図中１５は吸気絞弁１３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、
１６はエアフローメータ、１７は燃料噴射弁、１
８は吸気弁である。

次にこのような過給機付内燃機関における吸気
弁１８の動弁機構に作用して吸気弁１８の開閉作
動時期切換を行う弁作動切換装置（およびその制
御装置）の実施例を第４図〜第７図に基づいて説
明する。

すなわち、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。

ロツカシヤフト２３には各気筒＃１〜＃４毎に
吸気弁を作動するロツカアーム２６が回動並びに
軸方向に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もしくは低速用の一
方のカム２４Ａまたは２４Ｂに選択的に係合し、
排気弁用のロツカアーム２７は排気弁作動用のカ
ム２５に係合する。

本実施例の場合点火順序または噴射順序が＃１
−＃３−＃４−＃２であるとすると、弁作動切換
装置は、＃１気筒および＃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気筒および＃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とを有し、こ
れらホルダ２８，２９をそれぞれ第１および第２
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それぞれを対応する高
速用カム２４Ａか低速用カム２４Ｂの一方に選択
的に係合させるようになつている。前記第１およ
び第２アクチユエータ３１，３２は、それぞれ前
記ホルダ２８，２９に連結されたピストンを正ま
たは逆方向に移動させるための作動油出入口であ
るＡ，ＢおよびＣ，Ｄポートを有しており、これ
は第７図に示された切換装置としての油圧作動回
路に接続され、同じく制御装置としての電子制御
装置４０によつて切換制御される。

すなわち、第７図において第１アクチユエータ
３１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、それぞれアキユ
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によりまたは別置モータ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から汲み上げた潤滑油が導入される。３９
はオイルポンプ３８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で構成された電子制御装置
４０の機関運転状態の入力信号としては、機関回
転速度、車速、吸気圧力、過給圧、トランスミツ
シヨンギヤ位置、機関冷却水温度、油温、電装部
品の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、
クランク角基準信号を入力させている。

これら電磁方向切換弁３３，３４のそれぞれの
切換作動によりアキユームレータ３５内のオイル
を第１および第２アクチユエータ３１，３２のい
ずれか一方のポート（ＡまたはＢ，Ｃまたは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もしくは低速用カム２４Ｂのいず
れか一方と係合させ、吸気弁１８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、吸気弁の閉弁時期を圧縮行程半ば付
近、例えば下死点後50゜〜80゜まで大きく遅らせた
カム形状とし、低速用カム２４Ｂは第８図Ｃ，Ｄ
に示すように、吸気弁の閉時期を圧縮行程初期、
例えば下死点後0゜〜30゜に早めたカム形状とする。

一方、第８図Ａ，Ｃに示されるように、排気弁
の開弁時期は下始点前40゜〜50゜、閉弁時期は上死
点後10゜〜20゜の一定値となつている。

しかも、排気弁とのオーバーラツプ量を決定す
る高速用及び低速用の吸気弁の開弁時期は、例え
ば、上死点前0゜〜10゜程度に略等しくして排気弁
とのオーバーラツプ量を所定値以下の一定値とし
ている。よつて、オーバーラツプ時期は、第８図
Ｂ，Ｄに示すように吸気弁の作動の切換に拘ら
ず、上死点近傍に維持されることになる。

以上のカムの切換に応じて電子制御装置４０か
らバイパス通路８の開口に設けられた流路切換弁
９，１０に切換信号が発せられ、図示しないアク
チユエータを介してこれら流路切換弁９，１０が
切換作動することにより高速用カム２４Ａ使用時
には開口が塞さがれ吸気通路が短くなるように、
低速用カム２４Ｂ使用時には開口が開いて吸気通
路が長くなるようになつている。ここで、低速用
カム２４Ｂの使用時は吸気弁の閉時期が圧縮行程
初期であるため、これに対応して吸気通路内の気
柱の個有振動数を低下させて良好な慣性過給が行
われるようにバイパス通路８を経由する第１の吸
気通路の長さが設定されている。

また、高速用カム２４Ａの使用時は吸気弁の閉
時期が圧縮行程半ば付近であるため、これに対応
して吸気通路内の気柱の固有振動数を増大させて
良好な慣性過給が行われるようにバイパス通路８
を経由しない第２の吸気通路の長さが設定されて
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2000〜3000r.
p.m.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2000〜3000r.p.m.以下の低速
回転領域では、電子制御装置４０が電磁方向切換
弁３３，３４の右ポジシヨンを選択するよう切換
信号を出力する。このためアキユームレータ３５
のオイルは第１および第２アクチユエータのＢお
よびＤポートに導入され、ピストンを作動してホ
ルダ２８，２９を介し吸気弁用ロツカアーム２６
を図で右方向に移動させてロツカアーム２６が低
速用カム２４Ｂと係合される。これにより吸気弁
１８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
加して実圧縮比を大きくする。また、電子制御装
置４０からは流路切換弁９，１０にも信号が発せ
られ、弁体を図示の位置として吸気通路長を長く
する。これにより、吸気通路内の気柱の固有振動
数が低下し、低速運転時においても十分慣性過給
がなされるようになる。

したがつて当該運転領域における過給機付内燃
機関の出力の低下および燃費の悪化が防止され
る。

また、機関回転速度が約2000〜3000r.p.m.以上
の高速回転領域では、排気エネルギーが増大して
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。このとき電子訟御装置
４０が高速回転信号を入力して電磁方向切換弁３
３，３４の左ポジシヨンを選択するよう切換信号
を出力するとともに、流路切換弁９，１０にも切
換信号を発する。このため、アキユームレータ３
５のオイルは今度は第１および第２アクチユエー
タのＡおよびＣポートに導入され吸気用ロツカア
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と当接させるとともにバイパス通
路８の開口を閉じ吸気通路長さを短くする。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るための過給圧が高くなり、
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、上記過給圧の増大化は過給機に
よつてもなされるが、吸気弁の開時期が遅れるこ
とおよび吸気通路長さが短くなり該通路内の気柱
の固有振動数が高速運転に対応して上昇すること
から、慣性過給によつてもなされ、この慣性過給
は過給機等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圧縮開始時の吸
気温度を上昇させることがない。したがつて第１
図に点線で示すようにノツキング領域はさらに高
過給圧側に存在することとなり、より十分な過給
圧を得ることができる。この結果、実圧縮比の低
下分を十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
縮比可変と同効を奏することができるのである。

上記作用において吸・排気弁の開弁期間のオー
バーラツプ量は吸気弁の開時期および排気弁の閉
時期が変らないためほぼ一定である。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）による排気の吹き返し
を招くことがない。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。

また、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラツプ
時期が上死点近傍に維持されることから、上死点
後、排気弁のみが開状態という機会は存在せず、
しかも、排気弁の閉弁は圧縮行程初期までには完
了するものであるから、ピストンの下降に伴つ
て、多量の排気がシリンダ内に逆流することが抑
制される。特に、排気ターボ過給機を備える本実
施例の場合、過給能力の高い機関運転に移行した
とき排気圧力が高まるので、開弁オーバーラツプ
時期を上死点近傍に維持することは大変に有効で
ある。したがつて、排気逆流現象を抑制できる分
だけ、吸気温度の上昇を抑制できるのでノツキン
グ限界に対して生じる余裕代を稼ぐことができる
のである。

また、吸気弁１８の高速用カム２４Ａと低速用
カム２４Ｂとの機関運転中の切換制御は第９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９
図Ａ，Ｂに示すように各気筒＃１〜＃４のロツカ
アーム２６の切換可能な領域な限定される。＃１
と＃２，＃３と＃４のロツカアーム２６がそれぞ
れ一組となつているから＃１，＃２のロツカアー
ム２６の共通の移動可能域および＃３，＃４の同
じく共通の移動可能域において電子制御装置４０
がタイミングをとつて切換制御しなければならな
い。したがつて第９図Ｃに示すように第１アクチ
ユエータ３１による＃１，＃２のロツカアーム２
６移動時間と第２アクチユエータ３２による
＃３，＃４のロツカアーム２６移動時間とではず
れが生じるのはやむを得ない。この他ホルダのレ
イアウトが可能ならば共通の十分な移動可能域の
ある＃１と＃３および＃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。

＜第２の実施例＞ 前記実施例においては各気筒から吸気通路集合
部までの吸気通路長さを高速用カム２４Ａと低速
用カム２４Ｂとの切換に応じて変化させるもので
あつたが、吸気通路長さの変化は第１０図に示す
ようにして行つてもよい。

すなわち、コンプレツサ５の吸気上流側の吸気
通路５１に分岐通路５２が設けられ、分岐通路５
２の両端は大気に開口し、新気を取り入れるよう
になつている。ここに分岐部から２つの開口まで
の距離は一方は短く、他方は長くなつており、分
岐部に設けられた流路切換弁５３を切換えること
により吸気通路長さを変化する。

流路切換弁５３は油圧アクチユエータ５４によ
り駆動されるようになつており、ロツカアーム２
６と係合するカムが高速用カム２４Ａに切換えら
れると、油圧アクチユエータ５４に油圧が加えら
れワイヤ５５が係止されているピストンを図で左
に移動し、流路切換弁５３を図で反時計方向に回
動して吸気通路長さを短くする（同図Ｂ参照）。
そして、低速用カム２４Ｂに切換えられたとき
は、上記と全く逆の作動により流路切換弁５３を
図で時計方向に回動し、吸気通路長さを長くする
（同図Ａ参照）。この実施例でも、低速用カム２４
Ｂの使用により吸気弁の閉時期が圧縮行程初期と
なるときと、高速用カム２４Ａの使用により吸気
弁の閉時期が圧縮行程半ば付近となるときとで、
吸気通路内の気柱の固有振動数を切り換えて、
夫々良好な慣性過給が行われるように通路長さを
設定した吸気通路に切り換えられることは前記実
施例と同様である。

このように吸気通路長さの変化を新気導入部で
行うことによつても、機関運転状態に応じた慣性
過給がなされることは前記実施例と同様である。

なお、吸気通路長さの変化は直接蛇腹等により
変化させるようにしてもよいことは勿論である。

尚、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラツプ時
期が、吸気弁の作動の切り換えに拘らず、上死点
近傍の維持されることは前記実施例と同様であ
る。

＜発明の効果＞ 以上説明したように本発明によれば、吸気弁と
排気弁との開弁オーバーラツプ時期を上死点近傍
とし、かつ、開弁オーバーラツプ量を所定値以下
の略一定値に維持して、吸気弁の閉弁時期を、圧
縮行程初期と圧縮行程半ば付近とに切り換え、し
かも、吸気弁閉弁時期の切り換えに対応して気柱
の固有振動数を切り換えて良好な慣性過給が得ら
れるように吸気通路の長さをも切り換えられるよ
うにしたから、実圧縮比を可変にすることができ
るとともに、すべての運転領域において十分に慣
性過給を行うことができることとなり、これら２
つの効果の相乗作用により広範囲の運転領域にお
いて運転性の向上が図られる。

尚且つ、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るので、吸気弁の
作動切り換えに拘らず、排気弁の閉弁は上死点近
傍にて完了するので、上死点を過ぎてからの多量
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。

【図面の簡単な説明】

第１図は過給機付内燃機関の圧縮比、過給圧お
よ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
本発明の一実施例を示す概略構成図、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
置と開閉弁時期切換装置の一部を示し、第４図は
ロツカルーム内の平面図、第５図は吸気弁開閉作
動装置の継断面図、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図は吸排気弁の開弁時期を示
しＡはは高速用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、第１
０図は本発明の第２の実施例を示し、Ａは吸気通
路長が長くなつた状態を示す要部断面図、Ｂは吸
気通路長が短くなつた状態を示す要部断面図であ
る。 １……過給機、２……４気筒内燃機関、５……
コンプレツサ、７……排気タービン、８……バイ
パス通路、９，１０……流路切換弁、１８……吸
気弁、２４Ａ……高速用カム、２４Ｂ……低速用
カム、２６……ロツカアーム、３１，３２……第
１，第２アクチユエータ、３３，３４……電磁方
向切換弁、４０……電子制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、吸気弁と排気弁との開弁オーバーラツ
   プ時期を上死点近傍とし、かつ、開弁オーバーラ
   ツプ量を所定値以下の略一定値に維持して、吸気
   弁の閉弁時期を、過給機の過給能力の高い機関運
   転に移行したときに圧縮行程初期から圧縮行程半
   ば付近に切り換える弁作動切換装置と、吸気弁の
   閉弁時期が圧縮行程初期に切り換えられていると
   きに所定の通路長に設定した第１の吸気通路を選
   択し、吸気弁の閉弁時期が圧縮行程半ば付近に切
   り換えられたときに第１の吸気通路長よりも短く
   設定した第２の吸気通路を選択する装置と、を設
   けたことを特徴とする過給機付内燃機関。