JPH09280022A

JPH09280022A - ４サイクルディーゼル機関の動弁装置

Info

Publication number: JPH09280022A
Application number: JP8088090A
Authority: JP
Inventors: Kishirou Akiba; 機四郎秋葉; Sondesu Obaia; ソンデスオバイア
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-10-28

Abstract

(57)【要約】【課題】吸気行程中に排気弁を開くことでポンピン
グロスを低減でき、しかも排気弁を開くことで不具合を
生じるような運転状態時には、排気弁の開きをキャンセ
ルすることで、その不具合を防止できる４サイクルディ
ーゼル機関の動弁装置を提供する。【解決手段】排気弁を開閉する排気カム２２，２３を
設け、各排気カム２２，２３の排気行程で排気弁を開弁
する第１のカム山５２，５３を設け、一方の排気カム２
２に吸気行程で排気弁を開弁する第２のカム山５４を設
け、第２のカム山５４により弁リフト量を第１のカム山
５２によるものより小さく設定し、さらに、第２のカム
山５４の開弁のキャンセル機構６０と、そのキャンセル
機構６０を機関の運転状態に応じて働かせるコントロー
ラ１００を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として過給機付
４サイクルディーゼル機関におけるポンピングロスを逓
減して燃費の悪化を防止すると共に、排気ブレーキ作動
時の吸気行程中の、バルブジャンピングによるピストン
頂部と排気バルブの破損を防止できる動弁装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の４サイクルディーゼル機関におい
ては、排気行程におけるシリンダ内圧が吸気行程におけ
るシリンダ内圧よりも高く、この差圧がポンピングロス
としてその機関の燃費を悪化させる原因となっており、
しかも、このポンピングロスは例えば図８に示すＰＶ線
図において、斜線Ｘで示す如く大きな領域を形成してい
る。このポンピングロスは、特に過給機付の機関では自
然吸気機関（ガソリンエンジン）よりも大きなポンピン
グロスを生じている。

【０００３】従って、前記のような排気行程と吸気行程
との間の差圧を小さくしてポンピングロスを低減するこ
とが、特に過給機付ディーゼル機関における更なる燃費
低減のために必要である。一方、前記ポンピングロス低
減のために、吸気行程において排気弁を開き、この時の
排気ポート内圧がシリンダ内圧よりも高くなっているこ
とにより生じる排気ガスの逆流を利用して、吸気行程に
おけるシリンダ内圧を上昇させ、その結果、前記の差圧
を小さくさせてポンピングロスの低減をはかる装置が特
開平３−１２４９５１号公報及び特開平７−１２７４０
３号公報で提案されている。

【０００４】特開平３−１２４９５１号の発明における
内燃機械の排気吸入装置は、クランク軸の回転に同期し
て開閉し、かつ排気終期と吸気初期にオーバラップして
開放される吸気弁及び排気弁を備え、排気口に断面積が
ほぼ一定の排気管を接続すると共に、その排気弁にはオ
ーバラップの後の吸気行程中に再度短期間開放されるリ
フト機構を備え、排気管は端末部に絞りを有することを
特徴としており、排気弁が一旦閉じた吸気行程中に、排
気カムの小カム面により排気弁の再開放が強制的に行わ
れて内部ＥＧＲを行うようにしたものである。

【０００５】また、特開平７−１２７４０３号の発明に
おける内燃機関の動弁装置は、排気弁の閉じ遅れ角度
を、その一般的角度である１０〜３０°を越えて、吸気
行程側を大きく設定すると共に、この排気弁が開いてか
ら閉じるまでの排気行程におけるパルブリスト特性を非
対称に設定し、排気行程前半側で排気弁のリフト量が最
大となるように排気弁を駆動するカムのプロフィールを
形成したことを特徴としており、これにより排気行程後
半の排気ガス還流によるポンピングロスの低減を安価に
信頼性良く実現しようとしたものである。

【０００６】しかしながら、前記先行技術は、何れも排
気圧の低いガソリン機関を前提とした発明であって、排
気圧の高い過給機付きディーゼル機関においては適用で
きないものである。即ち、前記先行技術においては、全
ての運転状態の吸気行程で排気弁を開くために、排気圧
（燃焼圧）の低いガソリン機関では適用可能な装置であ
るが、排気圧の高い、過給機付きディーゼル機関では、
逆流する排気ガス量が過大となるため、燃焼に寄与する
吸入空気（新気）の量が相対的に不足し、不完全燃焼を
引き起こす欠点がある。

【０００７】具体的には、過給圧が低く、即ち、吸入空
気量が少なく、且つ、燃料噴射量の多い、低速・高負荷
時には上記のような不具合を生ずる。また、ディーゼル
機関では排気ブレーキ（排気絞り弁）を備えることが一
般的に行なわれているが、排気ブレーキ作動（絞り弁閉
じ）の時の、吸気行程中に排気弁が開くと、高圧の排気
が逆流するためにバルブジャンピングを引き起こし、ピ
ストン頂面と排気弁が干渉し、両者の破損を招いてしま
うという問題がある。

【０００８】本発明は、過給機付きディーゼルエンジン
において、吸気行程中に排気弁を開くことによるポンピ
ングロスの逓減を図ると共に、排気弁を開くことにより
不具合を生ずるような運転状態では、排気弁の開きをキ
ャンセルするように操作してピストン頂面と排気弁との
衝突を防止することができる装置を提供するものであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、過給機付４
サイクルディーゼル機関において、その吸気行程中に排
気弁を開くことによりポンピングロスの低減を図ると共
に、排気弁を開くことにより不具合を生じるような運転
状態時には、排気弁の開きをキャンセルすることでバル
ブジャンプの不具合を防止できる、４サイクルディーゼ
ル機関の動弁装置を提供するたとを解決課題としたもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、過給機付４サ
イクルディーゼル機関の排気弁を開弁駆動する排気カム
に、排気行程において排気弁を開弁する第１のカム山
と、吸気行程において排気弁を開弁する第２のカム山を
設けると共に、この第２のカム山による弁リフト量を第
１のカム山による弁リフト量より小さく設定し、さら
に、第２のカム山による排気弁の開弁をキャンセルする
キャンセル機構及び上記機関の運転状態に応じてキャン
セル機構を働かせるコントローラを設けた４サイクルデ
ィーゼル機関の動弁装置である。

【００１１】また、上記コントローラは、機関の低速且
つ高負荷時にキャンセル機構を働かせるように構成して
いる。更に、上記構成に排気ブレーキを装備し、かつ前
記コントローラは、排気ブレーキ作動時にキャンセル機
構を働かせるように構成した４サイクルディーゼル機関
の動弁装置である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の４サ
イクルディーゼル機関の動弁装置の実施形態を説明する
が、図１及び図２はその一実施形態における動弁装置の
要部の一部を破断して示した斜視図及び制御系統図であ
る。まず、過給機付４サイクルディーゼル機関の動弁装
置においては、１つのシリンダ当たりの図示されていな
い排気弁を開弁駆動する２個の排気カム２２，２３をカ
ムシャフト６上に設けており、両方の排気カム２２，２
３に排気行程において常時排気弁を開弁する第１のカム
山５２，５３をそれぞれ設けている。

【００１３】また、一方の排気カム２２には吸気行程に
おいて排気弁を開弁する第２のカム山５４を設けてお
り、この第２のカム山５４による排気弁の弁リフト量
を、第１のカム山５２，５３による弁リフト量よりも小
さく設定している。さらに、上記第２のカム山５４によ
る排気弁の開弁をキャンセルするキャンセル機構６０
と、上記ディーゼル機関の運転状況に応じてキャンセル
機構６０を働かせるコントローラ１００を設けている。

【００１４】すなわち、上記の第２のカム山５４による
作動のオン・オフを図１に示すような油圧機構等からな
るキャンセル機構６０によって行なっており、その機構
を含む動弁装置について以下に説明する。このディーゼ
ル機関の吸気カム及びその弁系は通常通り１個である
が、本発明の動弁装置における排気側には上記のごとく
２個の排気カム２２，２３を使用している。そして排気
カム２３により排気弁を駆動するロッカーアーム１５に
係合腕１７を形成し、別の排気カム２２により排気弁を
駆動するロッカーアーム１６に油圧プランジャ装置１８
を組み込み、上記係合腕１７に取り付けたパッド５７が
プランジャボデー１９に当接することによってそれぞれ
のロッカーアーム１５と１６とを係合させるようにして
いる。

【００１５】プランジャボデー１９は周囲をフランジ状
に形成し、パッド５７側に付勢するスプリング２５に当
接させ、このパッド５７に接触する部分は僅かに球面状
に形成し、ロッカーアーム１５とロッカーアーム１６と
が異なる回転運動した際に、軽く運動できるように滑り
易くしている。そして、プランジャボデー１９にシリン
ダ２１を形成し、内部に筒状のプランジャ２６を嵌入
し、シリンダ２１とそのプランジャ２６とでロック用油
室２７を形成している。このロック用油室２７は、高圧
油を封じ込め、プランジャボデー１９をそのハウジング
１８ａ内に押し込み不能、即ちロックするものであり、
また、シリンダ２１は、ロッカーアーム１６側から油圧
プランジャ装置１８内に伸び出したスリーブハウジング
１８ｂに接して前後動するように取り付けられている。

【００１６】次に、プランジャ２６の中空部には、ピス
トン２８に突設したニードル２９が嵌入され、その周囲
及びピストン２８のニードル２９側の空間によって作動
油室３０を形成し、この作動油室３０と、隣接するロッ
ク用油室２７との間にはボール弁からなる閉止弁３１を
設けており、この閉止弁３１の周囲には作動油の通過を
可能にするガイド３１ａを取り付けている。

【００１７】また、ピストン２８に対し、作動油室３０
の反対側にスプリング３２を嵌入したスプリング室３３
を形成し、スプリング室３３内のスプリング３２は、ピ
ストン２８を常時閉止弁３１側に付勢しており、また、
ロック用油室２７内にプランジャ２６とプランジャボデ
ー１９との間に圧縮スプリング２７ａを装着し、さら
に、スプリング室３３を大気に連通させる空気通路３５
をロッカーアーム１６に穿設している。

【００１８】そして、スプール弁からなる切換弁３４
を、作動油室３０と作動油供給路１１０との間と前記空
気通路３５の中間部に取り付け、上記切換弁３４の弁体
をスプリング３６によって作動油供給路１１０側に付勢
するようにした。また、前記作動油供給路１１０は、ロ
ッカーシャフト４の中空部に形成した油路１１に連通す
るようにロッカーアーム１６に穿設している。

【００１９】この動弁機構の作用をまとめてみると、次
のようになる。〔ポンピングロスの改善状態〕先ず、第２のカム山を備
えたカム２２により排気弁を作動させる場合には、キャ
ンセル機構６０に作動油を供給して、油路１１及び作動
油供給路１１０の油圧を高くする。この高い油圧による
力は、スプリング３６に抗して切換弁３４の弁体を後退
させ、作動油室３０と作動油供給路１１０と油路１１を
連通させると共に、切換弁３４の弁体の胴部の周方向の
リング溝によってスプリング室３３を空気通路３５を通
じて大気に連通させる。

【００２０】すると、高圧の作動油が作動油室３０に入
り、ピストン２８をスプリング３２に抗してパッド５７
の反対側に動かすと共に、シリンダ２１をパッド５７側
に動かす。この時、ロック用油室２７は密閉状態なの
で、閉止弁３１が吸引されて開き、ガイド３１ａを通っ
てロック用油室２７に作動油が入る。そして、油路１
１、作動油供給路１１０、作動油室３０、ロック用油室
２７が連通するので、作動油の圧力でプランジャボデー
１９をパッド５７側に押しつける。

【００２１】この時に、プランジャボデー１９が、作動
油の圧力による力よりも大きい力で、パッド５７側から
押されると、ロック用作動油室２７の油圧が上昇し、閉
止弁３１が押じ込まれで閉じるので、ロック用油室２７
は密閉され、プランジャボデー１９の動きをロックす
る。こうして、プランジャボデー１９が押し出された状
態でロックされ、ロッカーアーム１５のパッド５７に当
接している状態が保たれ、第２のカム山５４を備えたカ
ム２２によって、ロッカーアーム１６がロッカーシャフ
ト４回りに回動すると、パッド５７を押し込んで、排気
弁を作動させることができる。なお、この時、スプリン
グ室３３は大気と連通されており、スプリング室３３内
の空気の圧力は大気圧に保たれるので、ピストン２８に
抗する力にならない。

【００２２】〔ロッカーアーム１６の通常作動状態〕次
に、第２のカム山５４の作動をキャンセルする場合に
は、キャンセル機構６０への作動油の供給用の弁を絞っ
て、油路１１及び作動油供給路１１０の油圧を低くす
る。この油圧が低くなると、スプリング３２の付勢力に
より、ピストン２８がパッド５７側に動き、ピストン２
８に連結しているニードル２９が閉止弁３１を押し開
き、ロック用油室２７に溜まっていた作動油はガイド３
１ａを通って作動油室３０に戻る。従ってプランジャボ
デー１９のロックが外れ、プランジャボデー１９が、パ
ッド５７によって押されると、スリーブハウジング１８
ｂに接しながら後退することになる。

【００２３】この時に作動油の圧力は徐々に下がるが、
スプリング３６の付勢力より切換弁３４を押す圧力が強
い間は、油路１１、作動油供給路１１０、作動油室３
０、ロック用油室２７が連通しているので、作動油は油
路１１に戻る。さらに作動油の圧力が下がると、スプリ
ング３６の付勢力により切換弁３４の弁体が前進し、作
動油室３０と作動油供給路１１０を遮断し、作動油室３
０とロック用油室２７が連通したまま、両室３０，２７
が密閉状態となる。そのため、プランジャボデー１９が
引っ込んだ状態でロックされる。一方、切換弁３４の弁
体の胴部の周方向のリング溝が空気通路３５からずれ
て、スプリング室３３を密閉する。

【００２４】こうして、プランジャボデー１９が引き込
まれた状態でロックされるので、カム山５４によって、
ロッカーアーム１６がロッカーシャフト４回りに回動し
ても、パッド５７を押し込むことができないので、排気
弁の作動をキャンセルできることになる。以上の動弁装
置において、排気カム２２に設けられた第２のカム山５
４による排気弁の開弁をキャンセルするキャンセル機構
６０を、そのディーゼル機関の運転状況に応じて働かせ
るコントローラ１００（図１）としては、このディーゼ
ル機関のオイルタンク３７の作動油をポンプ３８によっ
て汲み上げ、オイルギャラリー３９に供給する。そし
て、このオイルギャラリー３９ではこのディーゼル機関
の各部にエンジンオイルを供給するライン５８に分岐
し、油圧・油量制御弁４０からロッカーシャフト４の中
空部に形成した油路１１に作動油を供給する。

【００２５】なお、油圧・油量制御弁４０はこのディー
ゼル機関を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）４１によっ
て制御するようにしている。次に、図３は図１及び図２
の実施形態の動弁装置を装備した４サイクルディーゼル
機関のシステム図であり、過給機６１により加圧された
吸気は、インタークーラ６２を経由してこの４サイクル
ディーゼル機関のシリンダ６３の吸気カム６６で駆動さ
れる吸気弁６４を介して導入され、燃焼により発生した
排気ガスは２個の排気カム２２，２３により開閉駆動す
る排気弁６５を介して排気弁ブレーキ２００を経由して
過給機６１に導入されるようになっている。

【００２６】図３において７０で示すのはエンジンオイ
ルポンプであり、排気カム２２の第２のカム山５４（図
１，２）による排気弁６５の開弁をキャンセルするキャ
ンセル機構６０を働かせるコントローラ１００は、機関
回転数センサー７３及び機関負荷センサー７４、さらに
は排気ブレーキセンサー７５などからの信号によりキャ
ンセル機構６０を制御するものである。

【００２７】即ち、このコントローラ１００は、図４に
示すようなフローチャートで操作するように構成され、
ディーゼル機関の低速且つ高負荷時にキャンセル機構６
０を働かせるようになっており、また、この機関に装備
された排気ブレーキ２００作動時にこのコントローラ１
００がキャンセル機構６０を働かせるようになってい
る。

【００２８】排気カム２３の作動は、この例においては
低速回転（アイドリング）から中速回転（１６００ｒｐ
ｍ）まで、及び排気ブレーキ２００の時である。また、
排気カム２３と２２の両者を作動させる時は、中速回転
以上の時と、低速低負荷（６０％以下）の時であるよう
に制御される。従って、排気カム２２，２３の第１のカ
ム山５２，５３は、従来技術で問題とされた高速運転時
のバルブのジャンピングを防止し、排気ガスをシリンダ
６３から効率良く排出するように設計するものとしてい
る。

【００２９】図５はこの排気カム２３と吸気カム６６の
バルブリフトカーブ線図で、排気カム２３の第１のカム
５３のリフトカーブをＤ、そして吸気カム６６の第１の
カム５２のリフトカーブＥでそれぞれ示している。次
に、排気カム２２に形成した第２のカム山５４は、機関
の低速且つ高負荷時、及び排気ブレーキ２００の作動時
を除く運転状態において、油量制御弁４０を開放して前
記キャンセル機構６０の油圧回路へオイルを供給するこ
とにより、作動させるようにしており、図６に排気カム
２２の第１のカム５２のリフトカーブＤと第２のカム５
４のリフトカーブＦとを連続して示し、そして吸気カム
６６のリフトカーブをＥで示している。

【００３０】以上のごとく、本発明の動弁装置の特徴
は、排気カム２２に設けた第１のカム山５２による弁リ
フト量よりも弁リフト量を小さく設定した、より小さな
第２のカム山５４の開閉時期と、その弁リフト量にあ
る。一般に、従来の４サイクルディーゼル機関は図８の
ＰＶ線図において斜線Ｘで示したポンピングロスと呼ば
れる、吸排気行程で通常負の仕事を行なっている。特
に、過給機付のディーゼル機関でこのポンピングロスが
顕著であるが、燃費向上のために、本発明ではこの排気
カム２２に第１のカム山５２と、このカム山よりも小さ
な第２のカム山５４を形成し、この第２のカム山５４を
吸気行程の初期に開けることにより、図７に示すガス流
量とクランク角度との関係線図において矢印Ｒで示す排
気ガスの逆流分が発生する。

【００３１】その結果、図８のＰＶ線図に示すように、
吸排気期間におけるポンピングロスが斜線Ｙで示すよう
に、従来の斜線Ｘの部分よりも減少し、燃費の向上がは
かれる。この線図は、ＷＡＶＥと称する吸排気系を脈動
流で解いたコンピュータプログラムによる計算結果であ
り、本発明の第２のカム山５４を使用することで、ポン
ピングロスは、図８の各斜線部分Ｙ₂−（Ｙ₁＋Ｙ₃）
となる。前記Ｙ₁とＹ₃は正の仕事となり、従来の斜線
Ｘで示されるポンピングロスを発生する領域に比べて顕
著に改善されることになる。

【００３２】次に、図９に図３の機関のシリンダ圧力と
排気ポート圧力と吸気圧力とを、膨張，排気，吸入及び
圧縮の各行程で示しているが、排気ポート圧力がシリン
ダ圧力より大きくなり、排気ポートからシリンダへの流
れ、即ち矢印Ｚで示す逆流部分が吸入行程で起きること
を示している。すなわち、排気圧がシリンダ内圧より高
い間に排気弁を開くことで排気ガスが逆流することにな
る。

【００３３】なお、図９においては機関回転数を定速回
転とし、負荷を１００％として計算している。上記矢印
Ｚで示す逆流部分は、排気カム２２に形成した小さな第
２のカム５４の開閉期間により効果的な時期があり、シ
ミュレーション計算で求めたが、この結果により弁開時
期は上死点後２０°近辺が望ましく、弁閉時期は弁リフ
トによるが、下死点前３０°近辺が望ましい。さらに弁
リフトは耐久性を考慮すると、排気弁リフトの３０％前
後が望ましい。

【００３４】また、本発明によれば、燃費が高速で３％
前後、中速で４％前後向上するという効果が計算により
予測できた。なお、上記の第２のカム山５４の最大リフ
トは、排気ガスの還流量や弁機構の耐久性で決定される
が、各種シミュレーション計算で効果の出る範囲内で、
しかも実用的な範囲内に絞るものとする。

【００３５】また、本発明の動弁装置に適用される弁機
構は前記の実施形態のものに限定するものではなく、例
えばＯＨＶ型でもＯＨＣ型でもよく、また、第２のカム
山５４による排気弁の開弁のキャンセル機構６０につい
ても図１に示す機構のものに限定されるものではない。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明した本発明の４サイクルディ
ーゼル機関の動弁装置によれば、特に過給機付４サイク
ルディーゼル機関におけるポンピングロスの低減を図る
ことができる上に、その機関の燃費の向上をはかること
ができる。また、本発明の動弁装置の特徴として設けら
れた、２個の排気カム上の小さな第２のカム山５４によ
り排気弁を開くことにより不具合を生じるような機関の
運転状態においては、キャンセル機構６０をコントロー
ラ１００で働かせることにより、排気弁の開動作をキャ
ンセルでき、不具合の発生を防止でき、機関の信頼性の
向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における動弁装置の一部破
断状態で示した要部斜視図及び制御系統図である。

【図２】図１の動弁装置の側面図である。

【図３】図１の動弁装置を装備した４サイクルディーゼ
ル機関のシステム図である。

【図４】前記３の動弁装置を駆動するフローチャートで
ある。

【図５】図１のディーゼル機関の弁リフトカーブ線図で
ある。

【図６】図３のディーゼル機関の弁リフトカーブ線図で
ある。

【図７】図３のディーゼル機関のガス流量とクランク角
度との関係線図である。

【図８】図２のディーゼル機関と従来の機関とのポンピ
ングロスを対比して示すＰＶ線図である。

【図９】図３の機関のシリンダ圧力、排気ポート圧力、
吸気圧力とクランク角度との関係線図である。

【符号の説明】

２２排気カム２３排気カ
ム５２第１のカム山５３第１の
カム山５４第２のカム山６０キャン
セル機構１００コントローラ２００排気
ブレーキ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 13/04 Ｆ０２Ｄ 13/04 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】過給機付４サイクルディーゼル機関の排
気弁を開弁駆動する排気カムに、排気行程において排気
弁を開弁する第１のカム山と、吸気行程において排気弁
を開弁する第２のカム山を設けると共に、この第２のカ
ム山による弁リフト量を第１のカム山による弁リフト量
より小さく設定し、さらに、第２のカム山による排気弁
の開弁をキャンセルするキャンセル機構及び上記機関の
運転状態に応じてキャンセル機構を働かせるコントロー
ラを設けた４サイクルディーゼル機関の動弁装置。
【請求項２】コントローラは、機関の低速且つ高負荷
時にキャンセル機構を働かせるように構成した請求項１
記載の４サイクルディーゼル機関の動弁装置。
【請求項３】排気ブレーキを装備し、かつ前記コント
ローラは、排気ブレーキ作動時にキャンセル機構を働か
せるように構成した請求項１記載の４サイクルディーゼ
ル機関の動弁装置。