JPH0635834B2 - 複吸気弁エンジン - Google Patents

複吸気弁エンジン

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JPH0635834B2
JPH0635834B2 JP60056126A JP5612685A JPH0635834B2 JP H0635834 B2 JPH0635834 B2 JP H0635834B2 JP 60056126 A JP60056126 A JP 60056126A JP 5612685 A JP5612685 A JP 5612685A JP H0635834 B2 JPH0635834 B2 JP H0635834B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、吸気弁を複数個備えた、いわゆる複吸気弁エ
ンジンにおける吸気制御に関するものである。
〔従来の技術〕
高出力化の傾向の中で種々のタイプの複吸気弁エンジン
が開発されてきている。そのような複吸気弁エンジンの
一つとして、燃焼室内でスワールを発生させることので
きるヘリカル型吸気ポートを改善したものがある。ヘリ
カル型吸気ポートはその名の通りに渦巻状に形成された
ものであり、燃焼室内にスワールを発生させることによ
り燃焼を改善するものである。しかしながら、高負荷時
にはその特殊形状により吸気抵抗が増大して充填効率が
低下する傾向が認められている。これを改善するために
第２の吸気ポート及び第２吸気弁を設け、この第２吸気
ポートにはさらに吸気制御弁を設けて、低負荷時にはこ
の吸気制御弁を閉じてヘリカル型吸気ポートの特徴を生
かし、高回転，高負荷時にはこの吸気制御弁を開いて第
１のヘリカル型吸気ポート及び第２ポートの両方から空
気を燃焼室に導入することができるようにしている。
一方、燃焼を良好にし燃費を向上させるためには可燃空
燃比の最大値すなわち燃焼のリーン限界を拡大すること
が必要であり、そのためには燃焼室上部の点火栓周りの
燃料を濃くしピストン側を薄くする（以下これを成層化
という）とよいことが知られている。
従来、複吸気弁エンジンにおいて成層化を行って燃焼を
良好にし燃費を向上させようとする提案が多くなされて
いる（特公昭47−24041号公報、特公昭52− 16521号公
報、実公昭57−52331号公報、特開昭52− 32406号公
報、特開昭56− 96118号公報参照）。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のような従来公知の装置、複吸気弁エンジンにおけ
る成層化燃焼の基本的条件を示唆しているが、実際にエ
ンジンを製作し、実用領域である低負荷低回転時には成
層化による稀薄混合気の燃焼を行なって低燃費、低エミ
ッションを達成し、高負荷高回転時には高出力を得ると
いう２つの目的を達成するには、上記公知の装置は未だ
十分とは云えないものである。
本発明は低負荷低回転域での成層化による稀薄混合気の
燃焼と、高負荷高回転域での高出力とが両立でき、低燃
費、低エミッションの達成と高出力を得ることのでき
る、実際的な複吸気弁エンジンを提供しようとするもの
である。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記の問題点を解決するため、その構成とし
て、燃焼室内へ供給する吸気にスワールを発生させる常
時開放の第１の吸気ポートと、エンジンの高負荷高回転
運転域においてのみ開放する吸気制御弁を有しかつ燃焼
室内にストレートの吸気を供給する第２の吸気ポート
と、燃料噴射弁を設けた第３の吸気ポートとを具備し、
これら第１，第２及び第３の各吸気ポートを、第１，第
２及び第３を吸気弁を介して燃焼室にそれぞれ接続し前
記第３の吸気弁の開弁時期を前記第１の吸気弁の開弁時
期より遅らせ、 前記第１及び第２の吸気弁はロッカーアームを介して駆
動するスイングアーム式としてバルブリフト量を大と
し、前記第３の吸気弁はバルブリフタとカムによる直接
駆動式としてバルブリフト量を小としたことを特徴とす
るものである。
〔実施例〕
本発明の実施例を図面に従って以下に説明する。
第１図を参照すると、１は第１の吸気ポートであって第
１のき吸気弁２を介して燃焼室３に接続され、ヘリカル
ポートとして公知のように第１の吸気弁２近くで渦巻状
に形成され、このポート１を通って吸入された空気が矢
印Ａで示されるように燃焼室３内でスワールを生じるよ
うになっている。４は第２の吸気ポートであって第２の
吸気弁５を介して燃焼室３に接続され、ストレート状で
ある。この第２の吸気ポート４には吸気制御弁６が配置
され、エンジン回転数，負荷が小さい時には第２の吸気
ポート４を閉じ、エンジン回転数，負荷が大きいときに
は前記第２の吸気ポート４を開くことができるようなっ
ている。この吸気弁６は適宜のアクチエータ（図示しな
い）により開放駆動され、エンジンを低速，低負荷で運
転する時、この第２の吸気通路４を閉じ、エンジンを高
速，高負荷で運転する時、第２吸気通路４を開くよう作
動する。前記アクチエータとしては例えばダイヤフラム
により大気圧と変圧室とに仕切られたダイヤフラム室を
有し、この変圧室にエンジンの上記運転状態に応じて負
圧（例えば第１の吸気通路１中の負圧）又は大気圧を導
入して副吸気制御弁６の開閉を制御する負圧制御式アク
チエータを用いる。
そしてこのアクチエータは後述のＥＣＵ（電子制御装
置）によって制御される。７は第３の吸気ポートであっ
て第３の吸気弁８を介して燃焼室３に接続されている。
この第３の吸気ポート７は前記両ポート１，４の間にあ
ってその通路断面積は比較的小さく、従って第３の吸気
弁８も他の吸気弁２，５と比較して小さい。
この第３の吸気ポート７には燃料噴射弁９が配設され、
この燃料噴射弁９はＥＣＵ１９によって制御される。
前記第１，第２及び第３の吸気弁２，５及び８相互間の
位置関係は、第１図に示すように、平面視において、燃
焼室３の中心１０に関し第３の吸気弁８が、第１及び第
２の吸気弁２及び５の各中心を結んだ直線Ｃ，Ｃより外
側に位置するように配置される。１１は点火栓であっ
て、吸気弁２，５，８及び２つの排気弁１３，１４に囲
まれたほぼシリンダ中央に配設されている。また第３の
吸気弁８の周囲のシリンダヘッド下面にはそのシリンダ
壁側にスキッシュを兼ねたマスキング１２が設けられ、
噴射された燃料が矢印Ｂ方向に導びかれ点火栓１１の周
囲に漂うようにされている。15は排気ポートである。排
気ポート１５からは EGRポート１６が分岐されＥＧＲ弁
１７を介して第３の吸気通路７に接続されている。
第２図を参照すると、ピストン２０にはその頂部にキャ
ビティ２１が形成される。このキャビティ２１の形状は
第３図，第４図に示すように、点火栓１１がキャビティ
２１の内接円２２の内側の、第３の吸気弁８とは反対側
の端部に位置するような形状とし、同図の矢印Ａで示す
スワールに沿って火炎の伝播がスムーズに行なわれるよ
うにしている。
また、第１及び第２の吸気弁２及び５は、第２図の鎖線
で示すように、ロッカーアーム２３を介して、ピボット
中心２４を支点として駆動されるスイングアーム方式と
する。これは高出力を得るためにリフト量を大きくする
必要があるためで、その最大バルブリフト量Ｃ（第５
図）は最大カムリフト量の b/a倍（ａはピボット中心２
４からロッカーアーム２３のカム２５との接触点までの
距離、ｂはピボット中心２４とロッカーアーム２３の先
端との間の距離、第２図参照）、すなわちロッカー比分
だけ大きく取ることができる。一方、第３の吸気弁８は
第２図の実線で示すようにバルブリフタ１８とカム２５
による直接駆動方式とする。これは第３の吸気弁８の最
大バルブリフトｄ（第５図）は濃混合気をシリンダヘッ
ド付近に滞留させるためには適当な小さい値（例えばｄ
＝１〜３mm）が良いためであるり、この直接駆動方式に
より第３の吸気弁８は小さなリフト曲線を安定して得ら
れるものとなる。２６は冷却水路に取付けられた水温セ
ンサであって、その信号は ECU１９へ送られるようにな
っている。
前記第１，第２及び第３の吸気弁２，５及び８と燃料噴
射弁９の作動時期は第５図に示されている。第３図の吸
気弁８の開弁時期はその動作曲線Ｙに示すように、Ｘで
その動作曲線が示される第１及び第２の吸気弁２及び５
よりも遅く、吸気行程の中央付近Ｆで開弁し、第１及び
第２の吸気弁２及び５とほぼ同じ時期Ｇ（第１，第２吸
気弁はＥ）で閉弁するようにしている。また燃料噴射弁
９は同図のＺに示すように噴射終了時期Ｈが、第３の吸
気弁８の開弁時期Ｆの前後となるように、回転数，負荷
に対して、噴射開始時期Ｉが進退制御される。
本実施例の作用を次に説明する。
エンジンの低負荷低回転域においては、第５図に示すよ
うに、まず第１及び第２の吸気弁２及び５がＤで開弁
し、第２の吸気ポート４は吸気制御弁６で閉じられてい
るので燃焼室３内には第１吸気弁２から空気が吸入され
安定したスワールＡが発生する。続いて吸気行程のほぼ
中央付近Ｆで第３の吸気弁８が開弁される。第３の吸気
ポート７にはＥＣＵ１９からの信号によって燃料噴射弁
９から燃料が、その燃料噴射終了時期Ｈが第３の吸気弁
８の開弁時期Ｆとほぼ同じになるような噴射時期で噴射
される。そのため第３の吸気弁８からは、吸気行程の後
半に濃混合気３０（第４図）が燃焼室３内に流入し、こ
の第３の吸気弁８の周りに設けられているスキッシュを
兼ねたマスキング１２の作用により、この濃混合気３０
が点火栓１３へ向うとともにスワールＡに乗って矢印Ｂ
方向へ吸入される。
吸気行程の前半は第１の吸気弁２から空気のみが吸入さ
れピストン２０上面付近に滞留し、吸気行程後半には第
３の吸気弁８から濃混合気が吸入され、シリンダヘッド
近傍に滞留することになる。また第３の吸気弁８は吸気
行程後半のみ開弁するので、そこから吸入される流れは
比較的弱く、第１の吸気弁２で発生されたスワールＡを
ほとんど乱すことなく、安定したスワールが保たれる。
この成層状態はスワールＡによって、圧縮上死点まで安
定して保持されるので、点火時には点火栓９近傍に濃混
合気が漂っており、全体の空燃比が薄かったり、またＥ
ＧＲポート１６から大量のＥＧＲガスが燃焼室３内に導
入される場合でも、安定した着火，火炎の伝播が達成さ
れる。
また燃料噴射時期は、その終了時期Ｈが第３吸気弁８の
開弁時期Ｆ近傍になるよう、エンジンの回転数，負荷に
応じてＥＣＵ１９により進退制御されるので、噴射燃料
のほとんどが、第３の吸気ポート７内で蒸発してから燃
焼室３内へ吸入されることになり、エミッションの悪化
が防止できるとともに、最新の吸入空気量の信号に基づ
いて噴射時間Ｚを決定できるので良好な加速応答が得ら
れる。
さらに、第１，第２の吸気弁２，５はロッカーアーム２
２で駆動され、第３の吸気弁８はバルブリフタ１８を介
してカム２４で直接駆動されているので、各々の吸気弁
の最大バルブリフト量に適した開閉制御が可能になると
ともに、上記３つの吸気弁を全て直接駆動とした場合の
ようなバルブリフタ同志が干渉することが避けられ、ま
たこれら吸気弁を全てスイングアーム方式とした場合の
ようなピボット２３が相互にあるいは点火栓１１と干渉
するという不具合をなくすことができる。またＥＧＲガ
スは従来のようにサージタンクに供給せず第３の吸気ポ
ートに供給するためにＮＯｘの低減がより効果的とな
る。
第６図は第３の吸気弁８の開弁時期Ｆと低負荷低回転域
でのリーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を示すグラフ
である。同図に示すように、リーン限界は第３の吸気弁
３の開弁時期に大きく影響され、その開弁時期がほぼ吸
気行程中央〔吸気上死点（ＴＤＣ）後90゜〕前後で最良
となる。したがって第３の吸気弁８の開弁時期はその最
良時期がエンジン回転数、負荷で若干変化することを考
慮して、吸気行程中央±20゜ＣＡ（クランク角）〔吸気
上死点（ＴＤＣ）後70゜〜 110゜〕付近に設定すること
が好ましい。さらに最適制御とするには第３の吸気弁８
のみ可変バルブタイミング機構を持たせて、エンジン回
転数、負荷によって可変制御することもできる。
第７図は、第３の吸気弁８の閉弁時期Ｇと、低速トル
ク、高速トルクとの関係を示したもので、第１又は第２
の吸気弁と同一の閉弁時期とした時の軸トルクを１．０
とした場合の比で示している。同図によれば、第３の吸
気弁８の閉弁時期Ｇを早くすると第３の吸気弁の作用角
が小さくなって十分なリフトが取れず、遅くなると低速
ばかりでなく高速トルクも低下してしまう。そこで第３
吸気弁３の閉弁時期Ｇは第１，第２吸気弁２，５の閉弁
時期Ｅとほぼ同じか、それより遅れても40゜クランク角
程度以内とすることが好ましい。
なお、エンジン冷間時には水温センサ２６の信号を用い
て燃料噴射時期を吸気行程以外に設定すれば、エミッシ
ョン悪化を防ぐこともできる。
また第１の吸気弁２から大気の代わりに稀薄混合気を吸
入しても同様な効果を得ることができる。
第８図及び第９図は本発明の他の実施例を示す。
本実施例では、ピストン２０の上部に設けたキャビティ
２１の形状として、点火栓１１がキャビティ２１に内接
する円２２の外側21ａに接ししかもキャビティ２１内に
配置されるような形成したものである。このようにキャ
ビティ２１を形成することにより点火栓１１はスワール
Ａの直撃を避けることができるので着火性が向上するも
のとなる。
一方、エンジンの高回転，高負荷域では吸気制御弁６が
開弁されるので、第１，第２，第３の吸気弁２，５，８
から大量の新気を燃焼室内に吸入することが可能とな
り、良好な軸トルク，出力が得られる。また成層化によ
り燃焼が改善され、ノッキングの発生も抑えることがで
きる。
〔発明の効果〕
本発明は以上のような構成，作用を有するものであるか
ら、エンジンの低負荷、低回転域では、混合気が点火栓
周りで濃く、ピストン側で稀薄となる、いわゆる成層化
が良好かつ安定した状態で得られ、そのため大量のＥＧ
Ｒ燃焼も可能となり、低燃費，低エミッションを達成で
きるものとなる。
またエンジンの高負荷高回転域は良好な軸トルク，軸出
力が効果的に得られるものとなる。
このようにして、低負荷低回転域から高負荷高回転域に
至る前運転域において所期の燃焼状態、高出力が得られ
る、実際的な複吸気弁エンジンを提供することができ
る。
また、第１及び第２の吸気弁はロッカーアームで駆動さ
れ第３の吸気弁はバルブリフタとカムにより直接駆動さ
れるので、各吸気弁の最大バルブリフト量に適した開閉
制御が可能となり、上記２つの吸気弁を全て直接駆動し
た場合のようなバルブリフタ同志が干渉することが避け
られ、またこれら吸気弁を全てロッカーアーム式とした
場合のようなロッカーアームのピボットが相互にまたは
点火栓と干渉するという不具合をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例の平面図、第２図は同上実
施例の要部の縦断正面図、第３図は同上実施例のキャビ
ティの形状を示す平面図、第４図は第３図のキャビティ
の縦断面、第５図は各吸気弁の動作時期及びリフトと、
燃料噴射弁の噴射時期を示すグラフ。第６図は第３の吸
気弁の開弁時期とリーン限界との関係を示すグラフ、第
７図は第３の吸気弁の閉弁時期と軸トルクとの関係を示
すグラフ、第８図は本発明の第２実施例のキャビティの
形状を示す平面図、第９図は第８図の縦断面図である。 １……第１吸気ポート、２……第１吸気弁、 ３……燃焼室、４……第２吸気ポート、 ５……第２吸気弁、６……吸気制御弁、 ７……第３吸気ポート、８……第３吸気弁、 ９……燃料噴射弁、１１……点火栓、 １２……マスキング、１５……排気ポート、 １６……ＥＧＲポート、１８……バルブリフタ、 １９……ＥＣＵ、２１……キャビティ、 ２３……ロッカーアーム、２５……カム、 ２６……水温センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栢沼 信明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 実公 平２−47239（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼室内へ供給する吸気にスワールを発生
    させる常時開放の第１の吸気ポートと、エンジンの高負
    荷高回転運転域においてのみ開放する吸気制御弁を有し
    かつ燃焼室内にストレートの吸気を供給する第２の吸気
    ポートと、燃料噴射弁を設けた第３の吸気ポートとを具
    備し、これら第１，第２及び第３の各吸気ポートを、第
    １，第２及び第３の吸気弁を介して燃焼室にそれぞれ接
    続し前記第３の吸気弁の開弁時期を前記第１の吸気弁の
    開弁時期より遅らせ、 前記第１及び第２の吸気弁はロッカーアームを介して駆
    動するスイングアーム式としてバルブリフト量を大と
    し、前記第３の吸気弁はバルブリフタとカムによる直接
    駆動式としてバルブリフト量を小としたことを特徴とす
    る複吸気弁エンジン。
JP60056126A 1985-03-22 1985-03-22 複吸気弁エンジン Expired - Lifetime JPH0635834B2 (ja)

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DE19863609693 DE3609693A1 (de) 1985-03-22 1986-03-21 Brennkraftmaschine mit kraftstoffeinspritzung

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