JPS5810573B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は吸気弁の閉時期及びリフトを変化させて吸入空
気量を制御するようにした火花点火式内燃機関に関する
。

一般に内燃機関の吸気弁の開閉時期は機関運転状態のい
かんによらず固定的に設定されるのが普通であり、第１
図に示すように、上死点前、および１０°〜２０°にお
いて開き始め、下死点後５０°〜６０°で閉じ終る。

そして、このバルブタイミングは、通常は、吸気絞弁の
全開する高負荷域での最大出力の確保を対象として設定
される。

ところで、機関吸入空気量は運転状態によって大幅に変
動し、通常の火花点火式内燃機関では、吸気通路の絞弁
によって吸入空気量をコントロールしている。

したがって、機関低負荷域、即ち機関に対する混合気供
給量が比較的少ない領域では絞弁の開度を絞ってやる必
要があり、この場合には絞弁下流に大きな負圧が発生す
る。

この吸入負圧は吸気行程でのピストンに対して負の仕事
として作用、つまりポンピングロスとなり、気筒内で発
生する熱エネルギーの相当部分が損失となる。

前述したようなバルブタイミングによるポンピングロス
をＰ−Ｖ線図にもとづき第３図に示すと、斜線域（Ｃ−
Ａ−Ｈ−Ｂで囲まれる面積）が負の仕事に該当する。

図において、膨張行程（Ｄ−Ｅ）の終期で排気弁が開く
と、シリンダ内圧力は略大気圧となり（Ｅ点）、排気行
程（Ｅ−Ｆ−Ａ）ではこの大気圧の状態で上死点（Ａ点
）に達する。

次に吸入行程（Ａ−Ｈ−Ｂ）では、絞弁による吸気抵抗
の度合に応じて負圧が発生し、上記のようにピストンは
負の仕事を強いられる。

この負の仕事量は、吸気抵抗が大きいほど、つまり絞弁
開度が小さい低負荷域はど増大し、逆に絞弁全開となる
領域ではほとんど吸入負圧がなくなるため、ポンピング
ロスはきわめて小さくなる。

自動車用機関のように、負荷変動がきわめて頻繁にしか
も広範囲にわたる場合は、このポンピングロスが与える
燃費効率への影響は非常に大きく、とくに市街地走行時
のように低負荷で運転する状態の占める比率が高いとき
は、燃費改善にとって大きな障害となっていた。

したがって、ディーゼルエンジンのように絞弁をもたな
いものは、ポンピングロスを大幅に低減できるのだが、
ガソリンエンジンのように火花点火式内燃機関では、空
燃比を略一定として混合気供給量で出力を制御する関係
上、吸入空気量を制御する手段を除去することはできな
い。

この吸入空気量を制御する方法として、吸入行程で吸気
弁を閉じる時期を運転状態に応じて変えれば、実質的な
シリンダ容積を増減でき、ポンピングロスの増大を招か
ずに吸入混合気の量を変化させられる。

バルブタイミングを可変とする方式として例えば、米国
特許第２９６９０５１号、第２９８００８９号、あるい
は実公昭５０−１９０４１号、５０−２０１６４号など
に、吸排気弁のバルブタイミングを運転状態によって可
変とする技術的思想が開示されているが、これらはいず
れも積極的に吸入空気量の制御を目的としての開閉時期
の可変制御ではない。

そこで本発明は、機関に供給する混合気量又は吸入空気
量を、従来のアクセルペダルに連動した絞弁開度による
制御に代えて、吸気弁の閉弁時期、または閉弁時期とと
もにリフト量を可変的に制御することにより、任意に増
減制御し、機関のポンピングロスを低減して熱エネルギ
ーの有効利用をはかり、もって機関の燃費効率及び出力
を向上させることのできる火花点火式内燃機関を提供す
るものである。

以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

本発明は第２図に示すように吸気弁のバルブタイミング
を可変的に制御することにより、吸入空気量をコントロ
ールする。

吸気弁の開時期は機関の運転状態のいかんにかかわらず
常に一定に、例えば上死点１０°〜２０゜（クランク角
、以下同じ）に設定されるが、閉弁時期が機関の負荷に
応じて次のように設定される。

機関の低負荷時は、吸気弁のリフト量が小さくかつ下死
点前の早い時期、例えば下死点前１２０゜程度に閉弁す
るが、機関の負荷増大に伴って吸気弁の最大リフト量が
増大するとともに閉弁時期も遅くなり、高負荷時は下死
点後５０°〜７０°付近で閉弁し、リフト量も通常のバ
ルブタイミング固定タイプのエンジンと同程度に設定さ
れる。

第４図ａ〜ｄに吸気弁のタイミング及びリフト特性を示
すが、要求に応じて最適な特性を選べばよい。

なお、第４図ａ〜ｃはタイミングとともにリフトも変わ
るが、第４図ｄはタイミングのみでリフトは不変とする
例を示す。

吸入行程でピストンの降下に伴い吸気弁を通ってシリン
ダ内に混合気が吸い込まれるが、吸気弁を吸入下死点に
達する前に閉弁すると、シリンダ内に吸入される空気量
は、閉弁時期が早まるほど減少する。

吸気弁が閉じると下死点に達するまでは、シリンダ内部
空間は密閉状態を保ったまま拡大し、次いで上死点に向
かって圧縮行程に入る。

したがって、第３図の点線で示すように、吸気弁が閉じ
るまで（Ａ−Ｉ）は、吸気通路の絞弁を除去したため、
シリンダ内圧力はほぼ大気圧のまま混合気を吸い込み、
吸気弁が閉じてからは気筒内容積膨張に比例して圧力が
低下しく負圧となり）吸入下死点Ｊで最低圧となった後
、ピストンの上昇に伴いほぼ吸入行程での特性に等しい
状態で圧力が上昇し、下死点に対して吸気弁の閉弁位置
と対称な位置を過ぎた点から気筒内圧力が大気圧を越え
、圧縮度合に応じてＧ−Ｈと圧力が上昇する。

ここで、吸入行程におけるポンピングロス、つまり負の
仕事について考えてみると、吸気弁が閉じてから筒内圧
力が大気圧に達するまでのＩ−Ｊ−Ｇにおいて、負の仕
事量はほとんどゼロとなる。

吸気弁が閉じた後のピストンの下降に伴う負圧は、その
時点でピストンの降下に対する抵抗となるが、圧縮行程
の初期においてそっくりピストンを引き上げる力として
作用するため、吸気弁の閉じた位置から生じた負の仕事
は、下死点を境いとしてピストン上昇時にほとんど回収
され、圧縮行程で吸気弁の閉弁位置まで戻ったときに相
殺される。

この結果、吸入行程での負の仕事量は、吸気弁が閉弁す
るまでの若干の吸入仕事（はとんど大気圧のもとに行わ
れる）を加えても、従来の絞弁付内燃機関に比べて、は
るかに小さいものとなる。

そして、その後の圧縮仕事については、従来機関とほぼ
同等であるから、上記ポンピングロスの低減した分だけ
熱効率の改善がはかれるわけで、それだけ燃費が向上す
る。

ところで、吸入空気量は吸入行程における吸気弁の開弁
期間（閉時期）と弁リフトに影響されるが、中低速では
実質的には開弁期間の短縮による影響が支配的である。

機関の吸入混合気量を一定とした場合には、通常の機関
に比較して低負荷時に第４図ｄのように吸気弁が開いて
いる期間を短かくするとその分だけ、吸気弁通過時の混
合気の流速が早くなり、そのために、混合気の乱れが強
くなり燃焼が改善されるが、更に第４図ａ〜ｃのように
リフトも少なくすることによって、一層流速が早まり、
燃焼が更に改善される効果がある。

このようにして、本発明では吸気弁の開弁時期について
は 吸入上死点前近傍の一定時期に設定しであるが、そ
の閉弁時期に関しては運転状態に対応して吸入行程また
は圧縮行程において大きく変化させることにより、吸入
空気量をコントロールするのであり、次にその具体的な
構造について第５図にもとづいて説明する。

カム軸２はシリンダヘッド１０に設けられた軸受部９，
９によって回転自由かつ軸方向に摺動自由に支持され、
各吸気弁２５に対応した位置には、カム軸２の軸方向変
位に伴ってプロフィルが変化するカム４（いわゆる三次
元カム）が一体的に形成される。

カム軸２の一端にはスプライン部３を介してスプロケッ
トホイール１が結合し、機関回転に同期してカム軸２を
回転させる。

一方、カム軸２の他端２′には、油圧シリンダ６に収め
られたピストン５が相対回転可能に連結し、油圧室１１
に供給される油圧コントローラ１４を介しての油圧によ
り、リターンスプリング８に抗して軸方向に移動する。

油圧コントローラ１４は、図示しないアクセルペダルに
連動するニードル弁１６が油圧逃がし通路１９の面積を
制御することにより、オリフィス１５を介して供給通路
１２に伝達される油圧を増減する。

油圧ポンプ１８は機関に同期して駆動され、タンク２０
のオイルを前記コントローラ１４を介して油圧シリンダ
１１に供給する。

したがって、アクセルペダルの踏み込み量を増して油圧
コントローラ１４のニードル弁１６を、スプリング１７
に抗して変位させると、逃がし通路１９の弁孔１９ａの
開度が減少するため、オリフィス１５を介して油圧シリ
ンダ６に供給される油圧は上昇する。

ピストン５はこの油圧とリターンスプリング８とがバラ
ンスする位置まで変位し、結局油圧に応じてカム軸２を
軸方向に移動させる。

カム４のプロフィルは、前述した第４図ａ〜ｄに示すパ
ルプ特性が得られるように形成してあり、カム軸２の移
動により吸気弁２５に対する接触位置が変化すると、吸
気弁２５の閉弁時期が移動量に対応して変わってくる。

したがってこの実施例では、アクセルペダルの踏み込み
量に応じて、吸気弁２５のリフトが増すとともに閉弁時
期（ただし吸入行程においての）が遅れ、吸入空気量が
増大する構成となっている。

このようにして運転状態に応じて吸気弁２５の開弁期間
を可変的に制御することができ、これにもとづいてポン
ピングロスをほとんど生ずることなく吸入空気量を自由
にコントロールすることが可能となる。

本発明は、機関吸排気効率を高めるため、あるいは排気
対策の面からシリンダ内残留ガスをコントロールするた
め、運転状態に応じて吸排気弁のオーバラップ量を最適
値にするように吸排気弁の時期も併せて可変的に制御し
てもよい。

本発明は従来のアクセルペダル連動の絞弁を設けないも
のにおいて吸入弁の閉時期のみで制御するようにしたも
のであるが、絞弁の所定開度まではアクセルペダルに連
動しそれ以上ではポンピングロスを生じない程度の開度
に保つ絞弁装置を設けたものにおいても成立する。

以上説明したように本発明は、吸気弁の開時期は上死点
近傍に固定するが、閉時期を運転状態（アクセル開度）
に応じて可変的に制御し、吸入空気量を増減するように
したので、吸気行程におけるポンピングロスの少ない状
態で機関を運転することができ、低負荷域を始めとして
燃費効率の著しい改善がはかれる。

また吸気弁の閉時期及び最大リフトは、各負荷状態に応
じて最適値に設定できるので、とくに全開運転時の出力
向上にとっても有効的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の吸気弁の開弁時期を示す説明図、第２図
は本発明の吸気弁の開弁時期を示す説明図、第３図はシ
リンダ内圧力特性を本発明と従来と比較してあられすＰ
−Ｖ線図、第４図ａ〜ｄは負荷に応じての吸気弁の開弁
特性を示す説明図、第５図は吸気弁の駆動機構の実施例
を示す断面図である。 ２・・・・・・カム軸、４・・・・・・三次元カム、５
・・・・・・ピストン、６・・・・・・油圧シリンダ、
１０・・・・・・シリンダヘッド、１４・・・・・油圧
コントローラ、１８・・・・・・油圧ポンプ、２５・・
・・・・吸気弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸気弁と排気弁とを有し、ピストンの往復運動に同
   期して吸排気弁を開閉するようにした火花点孔式内燃機
   関において、機関負荷を検出する手段と、吸気弁閉時期
   可変制御手段とを備え、少くともアイドリンク時を含む
   小吸入空気量域を除いた低負荷域において吸気弁の開時
   期は変えずに閉時期を変化させて吸入空気量を制御する
   ようにしたことを特徴とする火花点火式内燃機関。