JPH07119502A - 減筒機構における弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多気筒内燃機関の減筒運転時における休止気
筒へのオイル上がりを防止すると共に、燃費の悪化や回
転変動の増加をも抑制する。 【構成】 一部の気筒を休止させることによって減筒運
転を行う減筒機構を備えている多気筒内燃機関におい
て、減筒運転時に休止気筒の吸気弁を常に閉弁状態に維
持すると共に、休止気筒の最高筒内圧力が、発明者によ
って最適範囲として見出された５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ²
の範囲内の値となるように、休止気筒の排気弁をピスト
ンの下死点よりも後の点ａにおいて開弁させると共に、
短時間の後の点ｂにおいて閉弁させる。排気マニホール
ド内の圧力は略大気圧であるから、休止気筒の本来は排
気行程であるピストンの移動方向における点ｂにおいて
排気弁が閉弁すると、それから後に筒内圧力が正圧とし
て上昇するので、最高筒内圧力を自由に制御することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多気筒内燃機関におい
て、その一部の気筒の有効な作動を停止させる減筒機構
における吸気弁及び排気弁の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特開昭５８−１７４１３６号公
報に記載されているように、多気筒内燃機関において、
低負荷の状態となったときに一部の気筒の吸気弁及び排
気弁の作動を休止させることによって、それら一部の休
止気筒の出力とそれに伴う燃料消費を削減すると共に、
残る気筒の負荷を増大させることにより、機関全体の効
率を向上させる多気筒内燃機関の減筒運転方法、或いは
その運転方法を実現するために多気筒内燃機関の吸気弁
及び排気弁の駆動機構に組み込まれる所謂減筒機構は古
くから知られている。

【０００３】そのような減筒機構によって多気筒内燃機
関の一部の気筒の有効な作動を休止させるとき、休止気
筒の吸気弁及び排気弁は、共に減筒機構によってカムの
ような動弁機構から切り離され、それによって閉弁状態
を継続するようになって、ピストンの運動と無関係に、
その気筒の燃焼室を密閉状態に維持する。このような減
筒運転を行うとき、休止気筒のピストンが動力を発生し
ないのは言うまでもないことであるが、休止気筒のピス
トンがクランク軸によって逆に駆動されるにしても大き
な動力を消費することはないので、休止気筒はあたかも
空気ばねのような働きをして、単に往復運動を繰り返し
ているだけのように考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】休止気筒が単なる空気
ばねとなって、そのピストンが動力消費の少ない往復運
動だけをしているのならばさほど問題はないが、休止気
筒のシリンダとピストンの間にはピストンリングやオイ
ルリングが設けられていても休止気筒の気密性は完全で
はないので、減筒運転が長時間継続すると、休止気筒の
燃焼室内の空気がブローバイガスと同様に少量ずつクラ
ンクケース内へ洩れ出て、休止気筒の気筒内の圧力（筒
内圧力）の平均的な数値は徐々に低下する傾向を示し、
筒内圧力が負圧になっている期間が長くなる。

【０００５】休止気筒内の筒内圧力の時間的変化を図７
のＰ−Ｖ線図に示す。休止気筒の気筒内圧力Ｐと気筒内
容積Ｖとの関係は、減筒運転に移行した時に休止気筒の
吸気弁又は排気弁のいずれかが最後に閉弁状態とされた
時期のピストンの位置によって決まるが、休止の初期に
例えば曲線Ａのような特性を示して、負圧となる期間が
ｌのように短かったとしても、休止期間が長時間継続す
ると休止気筒内の空気が徐々に抜けるため、特性が曲線
Ｂのように変化して負圧期間がｍのように長くなり、更
に休止期間が継続すると曲線Ｃのように変化して負圧期
間がｎのように非常に長くなる。

【０００６】実際の負圧期間は図７に示した負圧期間ｎ
の２倍であるから、残余の正圧期間（図示の２倍）より
も遙かに長くなるし、負圧の強さも次第に増大する。そ
の結果、クランクケース内にあるエンジンオイルが休止
気筒内に侵入する所謂オイル上がりの現象が生じて、エ
ンジンオイルの消費量が増大するだけでなく、点火プラ
グのくすぶりや、機関を減筒運転から通常の運転状態に
復帰させたときに、休止していた気筒内に溜まっている
多量のエンジンオイルが、供給を再開された燃料と共に
一度に燃焼しようとする結果、燃焼状態が悪化して有害
な排気ガスを放出したり、最悪の場合には機関の失火や
停止を招く可能性があった。

【０００７】なお、先に従来技術として挙げた特開昭５
８−１７４１３６号公報に記載されている発明において
は、減筒運転時に休止気筒の筒内圧力が低下する結果、
機関のトルク変動が増加するという問題に対処するた
め、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを切り換え
て、吸気弁又は排気弁のいずれか一方を閉弁状態に維持
すると共に、他方も閉弁状態とするが、ピストンの下死
点の近傍でのみ短時間開弁させることにより、吸気又は
排気を休止気筒の気筒内に補給して圧力が低下するのを
防止し、常時安定した圧縮圧力を確保してトルク変動を
防止することを発明の目的としている。

【０００８】しかしながら、図８に示すように、上記の
従来技術においては、例えばＢＤＣ（下死点）よりも少
し前のｏ点において吸気弁又は排気弁を開弁すると共
に、ＢＤＣよりも少し後のｃ点（Ｐ−Ｖ線図上では同じ
点として示される。）においてそれを閉弁させて、筒内
圧力を高めるとすれば、休止気筒の吸気弁又は排気弁が
開弁したときに筒内圧力が略大気圧（０ｋｇｆ／ｃ
ｍ² ）となるから、休止気筒が本来ならば排気行程又は
圧縮行程となるべきピストンの移動方向においては、筒
内の空気等のガスが圧縮されて、最高筒内圧力Ｐｃが２
０ｋｇｆ／ｃｍ² を越えるような高い圧力に達する。

【０００９】その結果、休止気筒のピストンとシリンダ
の間のピストンリングを通過してクランクケース内へ洩
れる加圧されたガスの量が増加し、ポンプロスや摩擦損
失等のメカニカルロスが増加し、それによって燃費向上
率が大幅に悪化するという不具合が生じる。また、休止
気筒の筒内圧力が機関の１回転毎に１回づつ２０ｋｇｆ
／ｃｍ² 以上の高圧となるために、機関全体ではバラン
スが崩れて回転不安定率が増加し、減筒運転が回転むら
や振動の原因となることが発明者らの実験によって確認
された。

【００１０】前述の従来技術は本発明と目的を異にする
ものの、休止気筒の吸気弁又は排気弁のいずれか一方を
短期間開弁させて休止気筒の筒内圧力を高めるものであ
るから、本発明による後述の解決手段と若干類似する面
がある。しかし、従来技術はあくまでもＢＤＣ近傍にお
いて吸気弁又は排気弁の一方を開弁させるものであるか
ら、それによって従来技術が意図していないオイル上が
りを付随的に防止することができたとしても、その反面
において前述のような諸問題が発生する。そこで本発明
は、減筒運転時における休止気筒へのオイル上がりを防
止すると共に、前述の従来技術が有する問題にも対処し
て、燃費の悪化や回転変動の増加をも抑制することがで
きる減筒機構における弁の制御方法を提供することを発
明の目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】多気筒内燃機関を減筒制
御するような低負荷の運転条件においては、排気マニホ
ールド内は略大気圧となっているため、減筒運転に入っ
て排気弁が閉じた瞬間の休止気筒の筒内圧力も略大気圧
となっている。従って、減筒運転に入る時に吸気弁が先
に閉弁している条件において、排気弁の閉弁時期、即ち
筒内圧力を大気圧とする時期を適当に選定することによ
って、それ以後の筒内圧力の変化のパターンや最高筒内
圧力Ｐｃの高さを自由に制御することが可能になる。

【００１２】発明者はこの点に着目して実験を重ねた結
果、休止気筒の排気弁の閉弁を特定の範囲の時期に行え
ば、休止気筒内の筒内圧力を適度の高さとしてオイル上
がりを大幅に低減させ得ると共に、休止気筒の最高筒内
圧力Ｐｃが比較的低く抑えられることからクランクケー
スへのガス洩れを防止することもできて、燃費向上率や
回転不安定率を悪化させることもないという排気弁の閉
弁時期の最適の領域があることを見出した。新たに見出
された最適の閉弁時期とは、休止気筒の最高筒内圧力Ｐ
ｃを５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ² とするような閉弁時期であ
る。

【００１３】従って、本発明は、前述の課題を解決する
ための手段として、一部の気筒を休止させることによっ
て減筒運転を行うための減筒機構を備えている多気筒内
燃機関において、減筒運転時に休止気筒の吸気弁を常に
閉弁状態に維持すると共に、前記休止気筒の最高筒内圧
力が５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲内の値となるよう
に、前記休止気筒の排気弁をピストンの下死点よりも後
に開弁させ、且つ短時間の後に閉弁させることを特徴と
する減筒機構における吸気弁及び排気弁の制御方法を提
供する。

【００１４】

【実施例】図３〜図５に本発明の方法を実施するための
排気弁減筒機構の実施例を示す。本発明においては、休
止気筒の吸気弁は減筒運転時に単に閉弁状態を維持すれ
ばよいので、特に吸気弁に適用される減筒機構を示して
いないが、後述の排気弁減筒機構２０と同様なものを用
いてもよいし、また、従来から知られているような減筒
機構を用いてもよい。

【００１５】排気弁のステム１は、この場合は可変リフ
タと呼ぶ特別の構造を有するバルブリフタ２を介してカ
ムシャフト３によって駆動されるが、カムシャフト３に
は、図５に例示したような駆動用カム３ａと、筒内圧力
制御用カム３ｂとが形成されている。可変リフタ２は、
カムケース４に形成された円筒穴４ａの中に液密的に且
つ摺動自由に嵌合されている概ね円筒形状の外リフタ５
と、その内部の円筒面５ａに対してピストン状に摺動自
由に挿入嵌合された略円柱形状の内リフタ６等からなっ
ている。

【００１６】内リフタ６の外表面の一部には、排気弁の
ステム１の方向に溝７が形成されており、その溝７に対
して外リフタ５の円筒面５ａから内方に向かって突出す
るピン８が係合していて、外リフタ５と内リフタ６の相
対回転を防止している。図３に示すように、外リフタ５
と内リフタ６の頂面が揃って同じ高さとなる位置にある
ときに、連続する一つの円形の孔を形成するように、外
リフタ５の側面にはカムシャフト３の軸方向に嵌合孔５
ｂが設けられると共に、内リフタ６の側面には同様に嵌
合孔６ａが設けられている。そして図３のような状態に
あるとき、それらの嵌合孔５ｂと嵌合孔６ａには共通の
プランジャ９が液密的に、且つ摺動自由に嵌合される。
プランジャ９はコイルスプリング１０によって図３及び
図４において左方へ押圧されており、プランジャ９が図
３に示す左端位置にあるときはストッパとなるサークリ
ップ１１に当接して停止している。この状態において
は、プランジャ９が外リフタ５と内リフタ６を一体化し
ている。

【００１７】外リフタ５の頂面には環状のシム１２が取
り付けられており、外リフタ５と駆動用カム３ａとの隙
間を調整している。また、内リフタ６の頂面にはキャッ
プ状の内シム１３を嵌合させて、内リフタ６と筒内圧力
制御用カム３ｂとの隙間を調整している。カムケース４
の円筒穴４ａには、嵌合孔５ｂと常に連通している環状
のオイル供給溝１４が形成されており、油路１５を介し
て油圧が導入される。そして、内リフタ６の下端は排気
弁のステム１の上端に当接している。一方、外リフタ５
の下方にはスプリング１６が設けられており、外リフタ
５を駆動用カム３ａに押しつけている。なお、排気弁の
ステム１は、通常のものと同様に、バルブコッタ１７と
バルブリテーナ１８を介して、バルブスプリング１９に
よって閉弁方向へ付勢されている。

【００１８】本発明の実施例において使用される排気弁
減筒機構２０は以上のように構成されているので、次に
その作動を説明する。図３は機関が減筒運転をしていな
い通常の運転状態にあるときのもので、図３から明らか
なように、環状のオイル供給溝１４へ油圧が供給されて
いない時には、プランジャ９はコイルスプリング１０に
押されて外リフタ５の嵌合孔５ｂ内に嵌合するため、外
リフタ５と内リフタ６はプランジャ９によって一体化さ
れる。そのため、カムシャフト３の回転によって可変リ
フタ２は一体として駆動用カム３ａによって駆動され、
ステム１を有する排気弁は駆動用カム３ａのプロフィル
の凹凸に応じて開閉作動をする。

【００１９】図３のような通常の運転状態から、減筒条
件の成立によって減筒運転に移行するとき、油路１５を
通じて環状のオイル供給溝１４へ油圧が供給される。こ
の油圧はプランジャ９の図における左端面に作用して、
コイルスプリング１０に抗してプランジャ９全体を内リ
フタ６の嵌合孔６ａ内へ押し込もうとする。しかし、ス
テム１を有する排気弁が開弁しているときは、バルブス
プリング１９に抗して排気弁を開弁させる大きな力が、
外リフタ５からプランジャ９を介して内リフタ６へ（プ
ランジャ９に対する剪断力として）作用しているため、
プランジャ９は未だ移動しない。これは、その程度のあ
まり大きくない油圧を油路１５から環状のオイル供給溝
１４へ供給しているということである。

【００２０】そのような状態でカムシャフト３が回転を
続けて、外リフタ５がカムシャフト３の駆動用カム３ａ
と連続している基礎円部３ｃ（図５参照）に乗る図３の
ような状態になったときには、バルブスプリング１９が
伸びてその押圧力が減少するので、そのようなときにの
み、油路１５から供給された油圧によってプランジャ９
が内リフタ６の嵌合孔６ａ内に移動することができ、そ
の結果、外リフタ５と内リフタ６とを一体化する係合が
解かれる。プランジャ９が嵌合孔６ａ内に完全に没入し
た状態でカムシャフト３が回転を続けると、カムシャフ
ト３の駆動用カム３ａが外リフタ５を下方へスプリング
１６に抗して押し下げても、その力は内リフタ６に伝達
されず、内リフタ６はバルブスプリング１９によって押
し上げられた状態を維持する結果、排気弁減筒機構２０
は図４に示したような作動状態になり、駆動用カム３ａ
によってはスプリング１６が圧縮されるだけで、ステム
１を有する排気弁は開弁しない。しかし、内リフタ６の
頂面がカムシャフト３の比較的小さな筒内圧力制御用カ
ム３ｂによって押し下げられたときだけ、ステム１を有
する排気弁は短期間の開弁を行うことになる。なお、休
止気筒の吸気弁は減筒運転時には常に閉弁状態とされ
る。

【００２１】このようにステム１を有する排気弁は、内
リフタ６を介して筒内圧力制御用カム３ｂにより、図１
に示した休止気筒の排気弁のリフト曲線を含む吸気弁及
び排気弁のタイミングチャートにおいてａ−ｂとして示
したような僅かの期間だけ開弁する。なお、図１におい
て破線によって示した曲線は、通常の運転状態における
同じ排気弁と、それに連動している吸気弁のリフト曲線
である。そのような排気弁の僅かな開弁期間ａ−ｂを含
む休止気筒の筒内圧力の変化を図２に示す。休止気筒の
見掛けの排気行程の途中の点ａにおいて、カムシャフト
３の筒内圧力制御用カム３ｂがステム１を有する排気弁
を開弁させると、排気マニホールド内は略大気圧になっ
ているので、微量の排気ガスが休止気筒内に入って点ａ
における僅かな負圧を解消させ、筒内圧力を大気圧とす
るので点ｃの状態となる。そして言うまでもなく、点ｂ
までの短時間は筒内圧力が大気圧を維持する。

【００２２】従って、休止気筒内のガスが大気圧以上に
加圧されて最高筒内圧力Ｐｃまで上昇するのは、点ａか
ら僅かな時間の後に行われる点ｂにおける排気弁の閉弁
から後である。本発明の実施例においては、排気弁が閉
弁する時期である点ｂが、従来技術のようにＢＤＣ（下
死点）近傍の排気行程や圧縮行程の始めの時期ではな
く、排気行程の中間の、具体的にはクランク角にしてＢ
ＤＣ後の６０°から同じく１００°程度の範囲に選定さ
れるため、それ以後の圧縮による筒内圧力の上昇は低め
になって、発明者が最適の最高筒内圧力Ｐｃと考えてい
る５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ² 程度の範囲になる。

【００２３】なお、この最高筒内圧力Ｐｃは、良く知ら
れている次の数式に実際の数値を与えることによって算
出される。 Ｐｃ＝Ｐｂ・Εｅ^m この場合、与えるべき数値の一つであるＰｂは休止気筒
における排気弁の閉弁時期、即ち点ｂにおける筒内圧力
であって、とりも直さず大気圧のことであり、Εｅは実
圧縮比、ｍはポリトロープ指数である。排気弁の閉弁時
期（点ｂ）を変化させることによって実圧縮比Εｅの値
が変化するので、最高筒内圧力Ｐｃを制御して最適値の
範囲内におさめることが可能となる。

【００２４】また、図２において点ａｂｃによって囲ま
れる小さな面積（斜線の範囲）はポンプロスに相当する
が、ａ−ｂに対応する排気弁の開弁から閉弁までの時間
が非常に短く、１サイクル毎に１回の排気ガスの休止気
筒内への流入量もきわめて僅かであるから、ポンプロス
が問題になるような値に達することはない。点ａの時期
の選定は、ポンプロスをあまり大きくしないことを条件
にして行うが、点ｂよりも前のきわめて短い時間を置い
た時点でよい。この実施例では排気弁の開弁が１サイク
ルに１回づつ行われるので、そのときに供給される排気
ガスの量はきわめて僅かであり、長時間の開弁を必要と
しない。

【００２５】このように、１サイクル毎に１回づつ微量
の排気ガスを休止気筒内に補給することにより、筒内圧
力の平均値が負圧に傾くのを防止しているので、休止気
筒内へのオイル上がりが効果的に防止される。しかも、
最高筒内圧力Ｐｃを発明者が見出した５〜１２ｋｇｆ／
ｃｍ² という最適の範囲内の数値に常におさめることに
より、減筒による燃費向上率や回転不安定率の悪化も防
止することができる。この結果を図６の機関の特性図に
示す。Ｐｃが５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲において
は、オイル上がり量が著しく減少すると共に、燃費向上
率が低下することがなく、且つ回転不安定率も低いレベ
ルにある。前述の最高筒内圧力Ｐｃの最適範囲はこのよ
うな解析によって見出されたものである。

【００２６】言うまでもなく、本発明は、排気弁の閉弁
時期（点ｂ）を制御することによって、減筒運転時にお
ける休止気筒の最高筒内圧力Ｐｃを最適範囲の５〜１２
ｋｇｆ／ｃｍ² として、休止気筒内へのオイル上がりを
大幅に低減させることを発明の解決手段とするものであ
るから、図３〜図５に示したような具体的な構成の減筒
機構のみによって実施されるとは限らず、特許請求の範
囲において限定された技術的範囲において自由に実施さ
れ得る。

【００２７】

【発明の効果】本発明を実施することにより、減筒運転
時における休止気筒へのオイル上がりを防止することが
可能になると共に、燃費の悪化や回転変動の増加をも抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弁の制御方法による排気弁の開弁時期
を例示するタイミングチャートである。

【図２】本発明によって制御される休止気筒の筒内圧力
の変化を例示するＰ−Ｖ線図である。

【図３】本発明を実施するための減筒機構を含む動弁機
構の一つの作動状態（通常の運転状態）を例示する縦断
正面図である。

【図４】図３の動弁機構の他の作動状態（減筒運転状
態）を示す縦断正面図である。

【図５】図３及び図４のカムの部分を示す側断面図であ
る。

【図６】本発明の効果を示す機関の特性図である。

【図７】従来の減筒機構による問題点を説明するための
Ｐ−Ｖ線図である。

【図８】従来の他の減筒機構による問題点を説明するた
めのＰ−Ｖ線図である。

【符号の説明】

１…排気弁のステム ２…可変リフタ ３…カムシャフト ３ａ…駆動用カム ３ｂ…筒内圧力制御用カム ３ｃ…基礎円部 ４…カムケース ４ａ…円筒穴 ５…外リフタ ５ａ…円筒面 ５ｂ…嵌合孔 ７…溝 ８…ピン ９…プランジャ １０…コイルスプリング １１…サークリップ １２…環状の外シム １３…キャップ状の内シム １４…環状のオイル供給溝 １５…油路 １６…スプリング １９…バルブスプリング ２０…排気弁減筒機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一部の気筒を休止させることによって減
   筒運転を行うための減筒機構を備えている多気筒内燃機
   関において、減筒運転時に休止気筒の吸気弁を常に閉弁
   状態に維持すると共に、前記休止気筒の最高筒内圧力が
   ５〜１２ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲内の値となるように、前
   記休止気筒の排気弁をピストンの下死点よりも後に開弁
   させ、且つ短時間の後に閉弁させることを特徴とする減
   筒機構における吸気弁及び排気弁の制御方法。