JPS5870023A - 内燃機関の運転条件の改良方法および内燃機関 - Google Patents

内燃機関の運転条件の改良方法および内燃機関

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JPS5870023A
JPS5870023A JP57157933A JP15793382A JPS5870023A JP S5870023 A JPS5870023 A JP S5870023A JP 57157933 A JP57157933 A JP 57157933A JP 15793382 A JP15793382 A JP 15793382A JP S5870023 A JPS5870023 A JP S5870023A
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exhaust
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intake
pressure
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レミ・キユルテイル
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MACH TERUMITSUKU SOC ET
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DECHIYUUDO DO MACHINE TERUMITSUKU SOC
MACH TERUMITSUKU SOC ET
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の運転條件を調整適合させて作動及び
運転を改良する方法、およびこの方法を実施し実施の結
果として各種用途に適合する内燃機関を提供することを
目的とする。
本発明は特に圧縮点火型４サイクル過給デイ一ゼル機関
等の内燃機関の運転条件を改良することを目的とする４
、 出願人の特願昭５５−１２９５４号には、定圧過給ディ
ーゼル機関等の４サイクル内燃機関の効率を良くする方
法として、吸気弁を早期の所定の閉鎖とし、弁制御タイ
ミングギアは排気弁と吸気弁の開時期のオーバーラツプ
を同じシリンダに関して比較的大きくして排気弁の直接
下流で空気と燃焼生成物の供給を増す。この場合所謂改
良ミラー法及び装置を使用して機関圧縮ストロークの終
における実際の容積圧縮比と温度とを始動時の第１の点
火後の瞬間から定格馬力を得る瞬間まで自動的に緩やか
に低下させる。この時は過給圧縮空気圧力と機関作動シ
リンダからの排気ガス背圧との間の相関関係の必然的傾
向を考慮に入れる。このために、上述の特許願では吸気
弁を早期に閉鎖し、吸気過程の主部分では排気弁を少な
くとも部分的に閉鎖し１次に排気を部分再開し排気の閉
時期は吸気の閉の後の下死点附近とする。これによって
、各作動シリンダの充填率を各機関作動シリンダの吸気
排気の瞬間圧力に応じて変化させる３、上述の方法は次
の欠点がある。、所謂プロはう法則に３する中間負荷の
場合に光哨率の改善が不充分になる。この理由は上述の
方法が吸気と排気圧力間の比に応する制御で！５）す、
中間負荷では吸排気圧力が高いため十分な燃焼空気過剰
量が得られず、熱負荷特に機関排気弁温度の減少が不十
分である。
本明細Ｈで使用する用語の定義は次の通りとする。
充填率とは、シリンダ人［］における温度圧圧力性の下
でシリンダ容積内に収容される空気量にン・１する吸気
弁閉鎖の後に作用シリンダ内に収容されている空気量力
比、（過給状態においてはシリンダ人口における温窒圧
力条件は過給圧縮空気の密度となる）である。
燃焼空気過剰量とは作動シリンダに供給さｔした燃料量
を燃焼するに要する化学当量空気量にχ・１する作動シ
リンダ内空気量の比を称する。
本発明の主目的は上述の特許願に記載さえした方法の欠
点を除き、新しい方法を提供して過給）１ミ縮空気圧力
と作動シリンダからの排気ガスの背圧との間の相関関係
の本質的傾向を打破し、シリンタ゛排気におけるガスの
背圧に作用することにより一〇作動シリンダの充填率を
選択的に変更又は調整１′る。この目的な達するための
本発明の方法は吸気排気圧力の自然の傾向を人工的に変
化させて７１ノンダ充填率を選択的に変化させるにある
。
本発明の好適な実施例によれば、排気圧力の吸気圧力に
対する比を増加して第１の点火の前の機開始動期の間に
機関の純粋空気充填率を改善する。
このための実施例は、始動１け］の間に吸気及び又は排
気に調整可能のヘッド即ら圧力損失を生ぜしぬる。
別の実施例によれば１機関排気ガスの少なくとも一部の
エネ゛ルギによって過給圧縮空気を生成する場合に１機
関１転数及び又は現在機関負荷に応じて過給圧縮空気の
バイパス流を選択的に取出して排気ガスがエネルギ発生
膨張を行なう前に排気ガスに加えることによって排気ガ
ス圧力を空気圧力よりも高くしてシリンダ充填率を増す
。この構成は機関の運転特に低速中速の場合に有効であ
る。
かくして、圧力上昇効宋によって、圧縮及び燃焼時に各
作動シリンダ内に大量の空気が保留され。
空気対燃料質敬比即ち燃焼空気過剰量が大きくなり、圧
縮空気流欧が増し、過給圧力比が大となり、機関の低速
中速域の作動点て次の利点が得られる３゜機関の冷間始
動条件が良くなる。
燃焼効率が向上し、燃料節約となり、更に空気過剰量が
犬となる。
点火遅れが減少し、圧力増加勾配が減少するため、低い
七テン価の燃料を燃焼させ得る。
黒煙の排出が減少する。
過給空気用遠心圧縮機を機関の低回転速度の万に戻す。
特に緩速低速運転間の騒音発生を減少する。これは残存
ガス流歓の有効な制御によるものであり。
更に、排気の窒素酸化物の排出量を減少して大気汚染問
題を少なくする。
弁制御タイミング装置に圧縮空気の分流部ヤ）バイパス
流を組合せることによって、低速又は中速運転機関の所
定速度において平均有効圧力が増加し、各作動シリンダ
からの機関トルクが増加する。
かくして使用可能運転範囲は高トルク低速度に向って広
くなる。
既知の技法でも圧縮空気０分流即ちバイパス流を使用し
、特に機関の吸気入口と排気との間に所定のヘッド即ち
圧力損失を生ぜしぬ、過給ターホ圧縮機特に遠心圧縮機
をガスタービンとして・・ンｊング曲線附近で高効率で
運転させる。
圧縮空気のパイ・ξス流を機関の利用可能の運転範囲内
で使用することは排気圧力の増加を空気圧力の増加より
犬とするが、排気圧力が空気圧力値に達することはない
。本発明の基本的構成は前述の特定の弁制御タイミング
と圧縮空気のバイパス流の効果とを組合せたものである
。
この組合せによって作動シリンダ内に保留される空気量
の増加を得ることが可能となり、既知の弁制御タイミン
グと圧縮空気のバイパス流の組合せでは得られない。本
発明は物理的現象即ち吸入空気と排気ガスとの間の差圧
の減少によって利点が得られ、この点は排気圧力がシリ
ンダ充填率を定めるため通常は不利と考えられていた。
本発明の他の実施例によれば１機関の排気弁の一部閉は
弁の作動みび即ちバックラッシュ程度以下の残存リフト
とする。この構成による利点は、排気弁の弁座に７１す
る衝突と摩耗とが部分再開前の全閉時に生ずるのを防ぐ
。史に残存リフトによって排気弁の冷却を良くする。（
特願昭５４−２１２８６号参照） 再開を行なはないで太きｔ［一定の残存リフトな設ける
方法は前述の特願昭５５−１２９５４号に記載したが、
ピストンがこの時はほり下死点にあるため、流通路の自
由有効断面積が不十分であって所要の効果を得難く、更
に大きな残存リフトとすれば緩速運転又は緩速と低速と
の間の排気ガス圧が空気圧よりも高い時に排気ガスを過
大に吸込む結果となる。
本発明は更に、上述の本発明の方法を実施するための内
燃機関を提供する。
本発明の理解を容易にし、目的と利点とを明らかにする
ための例示とした実施例並びに図面について説明する。
第１図は本発明の実施例による機関の４行程作動サイク
ル間の排気弁リフト曲線Ｅと吸気升′リフト曲線Ａとを
示し、破線で示す直線Ｂは弁の遊び即ちバックラッシュ
の代表値を示す。即ち、基準線Ｂは実際のゼロリフトの
位桁、即ち弁の全閉信置を示す。図の左から右に向って
、弁の動きは次の通りとなる。
排気弁の曲線Ｅについては、排気弁の：（４（☆：　ｉ
＆　Ｅ　Ｏはピストンの下死点ＰＭＢに対して進角例え
ば約５５°であり、次第に開いて全開位置Ｅ、は下死点
ＰＭＢの後約５０°であり、約ＬＯ［］’の間合開位置
を保ち、閉鎖開始点Ｅ２は上死点ＰＭＨ前約３０°であ
り、上死点後約６０°の点Ｅ３がら一部開位置となり、
約６０°の間続いて点Ｅ４となる。この−再開の寸法は
排気弁の遊び即ちバックラッシュの寸法とはＶ等しくす
る。次に下死点ＰＭＢ前約６０°の点Ｅ４で部分再開（
’＋−動が開始され１次第に開いて約４０°の点Ｅ、で
１°役大値に達する。再開の最大値は約２０％とし、下
死点前約２０’の位置とする。最大値の点Ｅ、から次第
に閉じて下死点後約２５°の点Ｅ６で全閉となる。
吸気弁のリフト曲線Ａについては次の通りである。吸気
弁開の点Ａｏは上ｌ／２　ｗＰ　Ｍ　Ｈ前約４００であ
り、次第に開いて全開の点Ａ１は上死点ＰＭＨ後約６５
°である。全開点Ａ、から次第に閉じて全閉点Ａ２は下
死点前約５°である。
第１図に示す通り、排気弁吸気弁共に早く開く。
吸気弁は早く閉じるが排気弁は閉鎖遅れがある、。
第１図に示す開閉の角度位置は例示で、Ｇ）つて機関の
型式に応じて変更する。
排気弁吸気弁のリフト曲線Ｅ、Ａは点Ｇ、　、　Ｃ２で
交叉し、両弁の開のオーバーラツプを線、Ｂと線ＡｏＣ
１Ｅ３．Ｅ４Ｃ２Ａ２の間トシテ斜線Ｆｉ’５　％　Ｙ
：：　示す。第１の重なり部分ＡｏＣ，Ｅ３は作動シリ
ンダからの排気ガスの掃気を示すが、後述の重なり部Ｅ
、Ｃ２Ａ２があるため、廃止又は縮小することも可能で
ある。排気弁吸気弁開の最大重なりは燃焼室構造ＬＬ死
点とすることが不可能であるため。
最大開位置Ｃ４は上死点ＰＭＨ後約１５°とし、リフト
約５８％とする。第２のオーバーラツプの最大点Ｃ２は
例えば下死点ＰＭＢ前約３８°とし、リフトは例えば約
１５％とする。
第１図においては弁の遊び即ちバックラッシュは水平線
Ｂの位置として全リフトＨの約２．５％とし、Ｅ３−Ｅ
、間の排気弁の残存リフトは全リフトＨの約１．５％と
して示した。この残存リフトは廃止することもでき、前
述の特願昭５５−１２９５４号の第２図に示す曲線Ａ２
ａは、吸気弁の閉鎖点Ａ２　直前の排気弁の部分再開前
には全閉となることを示す。
リフト曲線Ｅの一部Ｅ、−Ｅ、−Ｅ６として示す部分再
開は排気マニホールドと作動シリンダとの間の排気弁に
よる連通を自動的に制御する追加充填過程に相当し、ピ
ストンの不死＠ＰＭＢより僅に遅く、吸気弁の閉鎖点よ
り前に再び閉鎖する。
第２図は第１図に示す曲ＭＥとした排気弁リフトを行な
わせる排気弁作動カムの実施例を示す。
カム１は常に弁口ツカ−リフタ、タペット又はブツシュ
ロッドの従動ローラ２と共働し、ベース円３に対して半
径方向外方に突出した部分として形成する。カム６は次
の部分を有する。
曲線Ｅの部分Ｅｏ−Ｅ、Ｅ２Ｅ３に沿って排気弁の主リ
フ）Ｈな生じさせるｊ６當の主ボス４゜主ボスに対して
回転方向即ち第２図の反時計方向について後方であり、
主ホスに接続した小ポス５を有する。この小ポス５は曲
線Ｅの部分Ｅ３−Ｅ、　した一部リフトｈ、を生じ、ベ
ース円乙に同一軸線の弧として一定リフトとする。
カムろに更に小ポス５のカム回転方向について後方に接
続した別のボス６を設ける。この別のポス６は鋭い頂点
を有し、リフトｈ２、例えば全開リフトＨの約２０％（
弁の遊びを無視した場合）の部分再開を排気弁のリフト
曲線Ｅの一部Ｅ、　−Ｅ、−Ｅ、に沿うリフトを生じさ
せ、終端はカムのベース円乙に一致して排気弁の全開明
とする。。
第６図は本発明の実施例として往復ピストン付き内燃機
関例えば、ディーゼル機関７に適用した例を示し、少な
くとも１列の作動シリンダ、例えば６個を直列とする。
機関は数列の作動シリンダ。
例えば２列のＶ型シリンダとし、この場合は禰給機の組
は作動シリンダの各列について設けるのが好適である。
機関の各列の作動シリンダは吸気マニホールド９と少な
くとも１個の燃焼済ガスの排気マニホールド１０を有す
る。この場合４〜１０個の作動シリンダの列ＩＣついて
各列１個のマニホールドゝとし、新漬パルスコンバータ
モジュラー型とするのが好適である。機関負荷を形成す
る入力装ｍ１１２を駆動する駆動軸１１で利用可動出力
な回収する。
機関７は単段又は多段ターボ圧縮機１３によって過給さ
れる。ターボ圧縮機１３は遠心空気圧縮機１４に直接中
間軸１５を介して機械的に結合した機関排気ガス駆動軸
流駆動タービン１６を有する。圧縮機の出力ポートは供
給ダクト１７、熱交換器１８を経て機関の吸気マニホー
ルド９に接続する。熱交換器１８は機関必給用圧縮空気
を冷却する空気冷却器を形成し、冷却すべき高温流体は
熱交換器１８を通って供給導管１７に直列に接続され、
低温冷却流体通路は冷却へ１１回路に接続する１゜ター
ビン１６のガス入口ボートはダクト１９を経て機関の排
気マニホールド１０力出口ポートに接続する。
本発明の特長として、圧縮空気のバイパス流を圧縮空気
冷却器１８の前でバイパスダク）２０ＶＣよって分岐さ
せ、ダクト２０の上流端は供給導管１７に接続し、下流
端は機関の排気マニホールドに接続する。好適な例とし
て排気マニホールド１０の上流端に接続し、これによっ
て、圧縮空気のバイパス流を排気マニホールドの排気ガ
スの瞬間最低圧力の生ずる点に供給する。排気マニホー
ルドの上流端に圧縮空気を供給することによって。
機関の第１の作動シリンダがこの流体を吸入し得る利点
がある。
過給圧縮空気のバイパス流歓は、調整可能とし。
更に機関作動出力が十分高くターボ圧縮機の効率が高い
場合はバイパス流を停止可能とするのが望ましい。この
目的のために、バイパスダクト２０にシャッター、絞り
調整部材を介挿し、ダクトの流通路の自由断面の選択的
変化による調整可能とする。例えば、作動弁２１を介挿
し、オンオフ作動型又は機関７の回転速度が減少すれば
圧縮空気のバイパス流敏を増り口する作動とした順次開
閉可能の型式とする。この弁の作動は所要のサーボ制御
等による追随又は位相ロック装置を使用した自動作動と
することができる。
ノミイパスダクト２０内の圧縮空気のバイパス流ノ流れ
の方向の逆転を防ぐためには排気マニホールド１０内の
排気ガス圧力がバイパスダクト２０内の圧縮空気圧力よ
り低いことを必要とする。ガス流方向の逆転を自動的に
防ぐための好適な実施例は弁２１の前にバイパスダクト
２０に逆市弁２２を介挿する。
既知の通り、機関の吸気マニホールド９に入る供給導管
１７、及び各排気ダクト１９の排出側導管２５にダクト
の断面積を変えて選択作動による調整を行なうために、
絞り弁、ダンパー、バタフライ弁管２６を吸気マニホー
ルド９の人口附近に介挿し、同様の絞り弁管２４を排気
導管２５に介挿することができる。絞り弁管２４はター
ビン１６からの排気ガス排出ダクト２５に介挿するのが
好適である。絞り弁管２６．２４は本発明自体の構成要
件ではない。
第４図は本発明の適用範囲をグラフとして示す。
図には次の曲線と相対値とを示す。
横軸Ｎ／Ｎ　ｎは機関の回転速度Ｎと定格回転速度Ｎｎ
との比を示す。
縦’ｌ’ＩＩＩ　Ｐｍｃ／Ｐｍｅ　ｎは平均有効サイク
ル圧力Ｐｍｅと定格平均有効サイクル圧力Ｐｍｅｎとの
比を示す。
左側の曲線Ｌ１、頂部の曲線Ｌ２、右側の垂直線Ｌ３は
上部で交はり、外側に斜線を引いて示す。こσ）６本の
線は機関の定常作動範囲の限界線を示す。
５本の管馬力曲線ｗ、　、ｗ２、ｗ３、ｗ４、ｗ、、は
シリンダ当り一定比馬力曲線を示し、下方から、Ｌ方に
定格馬力に対して２０％、４０％、６０％、８０％、１
００％の線を示す。
鎖線で示した曲線には平均有効圧力と機関同転速度との
関係をプロＲう法則に関して示す。プロはう法則によれ
ば、平均有効圧力は機関回転速度の二乗に比例する。機
関出力は回転速度の三乗に比例する。
線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ａで囲んが垂直線を引いた部分
は本発明による改良を行ない得る範囲を示す。
上述の範囲は機関の定格出力のはソ１０％〜８０％であ
り、本発明による改良は矢印の方向に右から左に、即ち
、機関の回転速度が低下した時に管馬力曲線にほぼ平行
の方向に増加する。
第５図はプロペラ法則による運転條件の下で本発明によ
って得られる利点を示す。第５図での曲線及び数値は次
の通りである。
横軸のＰ／／Ｐ　ｎは機関出力Ｐと定格出力Ｐｎとの比
を非直線目盛で示す。Ｐｍｅ／Ｐｍｅ　ｎは相対平均有
効圧力であり、平均有効サイクル圧力Ｐｍｅと定格平均
有効サイクル圧力Ｐｍｅｎとの比を示す。
縦軸のＰ３は吸気の絶対圧力、Ｐ、は排気ガスの絶対圧
力をバールで示す。下方のａｃは燃焼空気過剰、ｒｔは
充填率を示す。右側のｄ／ｄｏはバイパス空気ダク）２
０の相Ｚ・ｊ開度を示し、現在開度ｄと全開ｄｏとの比
で示す。Ｔは排気弁温度であり、特に弁座に接触する弁
座接触面温度を示す。
第５図において、曲線Ｐ、　Ｐ３．　Ｐ、　、　ａｃ、
　　ｒｔ、ｄ、Ｔの実線で示す曲線は本発明による過給
圧縮空気のバイパス流、即ちバイパスダクト２ｏのない
場合の実験結果であり、９、＋Ｊ−願昭５５−１２−９
５４号による弁制御タイミング装置ａを使用して、機関
の各作動シリンダについて、吸気弁はピストンの下死点
前に閉鎖し、排気弁を部分再開とした作動を行なわせた
。点線とした曲線Ｐ′、Ｐ３′、Ｐ、／、ａ’ｃ、　　
ｒ’ｔ、　ｄ’、’Ｉ’　は上述の弁制御タイミング装
置に本発明によるバイパス空気ダクト２０を使用した過
給圧縮空気のバイパス流によって得られた改善を示す。
バイパスダクトの開度は曲線ｄとし、て示す。
夫々の曲線について下から順に説明する。
曲線ｄ、ぼけバイパスダク）２０の開度な示し、最大開
度はｄｏである。線ｄは横軸１（一致した水平の直線で
ある。
曲線Ｐ、　、　Ｐ４／は排気ガス圧力の変化を示す。
曲線Ｐ３．Ｐ３′は吸入空気の圧力の変化を示す。
曲線ａｃ、ａｄは燃焼空気の過剰の変化を示す。
曲線ｒｔ、ｒｔ’はシリンダ充填率の変化を示す。
曲線Ｔ、Ｔ’は排気弁温度を示す。
上述の曲線から得られる結果は次の通りである。
過給圧縮空気のバイパス流を使用し、即ち′ｊＦ２１が
少なくとも部分的に開き、バイパス空気ダクト２０内に
空気流が生じた時は排気ガス圧力Ｐ４の増７ＪＯは吸入
空気圧力Ｐ３の増加よりも犬となる。
このため次の結果が得られる。
シリンダ充填率はｒｔからｒｔ’に増加し、燃焼空気過
剰はａＣからａｃ’に増加し、機関の熱的条件を代表す
る排気弁温度はＴからＴ′に著しく減少する。
上述した通り１本発明によって１機関出力が低下すれば
機関温度が低下する。本発明の装置のない場合には機関
出力が低下すれば機関温度が上昇する。例えば高過給舶
用ディーゼル機関で固定ピッチのプロはうを駆動する場
合には部分出力の時に機関”温度が上昇するのは著し２
い悪影響があり、本発明によって上述の欠点をな（し、
大きな利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による吸気弁の弁リフトと機関クランク
角に関する制御チャート、第２図は本発明による排気弁
のカムプロフィルを示す図、第６図は本発明によるディ
ーゼル機関の吸排気系の線図、第４図は比回転数と比平
均有効圧力に関して示した本発明の適用範囲を示す図、
第５図は世平均有効圧力に対して機関各運転・ξラメー
タの既知の機関と本発明による機関との差を示す図やあ
る。 １、排気弁作動カム ２、　ローラー ろ、ベース円 ４．５．６ボス 入　機関 ８、シリンダ ９、吸気マニホールド １０、排気マニホールド １２、負荷 １ろ、　ターボ圧縮機 １８、空気冷却器 ２０、　　バイパスダクト ２１、調整弁 ２２、逆上弁 代理人弁理士　湯　浅　恭　三 （外千名）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、過給ディーゼル機関等の四サイクル内燃機関の運転
    条件を改良する方法であって、吸気を早期所定閉鎖とし
    、排気弁吸気弁の開時期を同じシリンダについて部分的
    にオーバーラツプさせ、吸気過程の大部分の間排気を少
    なくとも部分閉鎖とし、排気を一部再開させ吸気の閉の
    後に下死点附近で閉鎖させ、機関の各作動シリンダの吸
    気排気の瞬間圧力に応じてシリンダ充填率を変化させる
    ものにおいて、上記瞬間圧力の自然の傾向を人為的に変
    化させてシリンダ充填率の選択的変化を行なわせること
    を特徴とする内燃機関の運転条件の改良方法。 ２、排気圧力の吸気圧力に対する比を増ａｏして、第１
    の点火の前の機開始動期の間に１機関の純粋空気充填率
    を改善する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６、機関排気ガスの少なくとも一部のエネルギによって
    過給圧縮空気を生成させる場合に１機関回転数及び又は
    現在機関負荷に応じて過給圧縮空気のバイパス流を選択
    的に取出して、排気ガスがエネルギ発生膨張を行なう前
    に排気ガスに加えることによって排気ガス圧力を空気圧
    力よりも高（してシリンダ充填率を増す特許請求の範囲
    第１項記載の方法。 ４、前記排気弁の部分閉鎖を弁の作動遊び以下程度の残
    存リフトに相当させる特許請求の範囲第１項記載の方法
    。 ５、過給ディーゼル機関等の四サイクル内燃機関であっ
    て、各排気弁作動カムは主定常作動ボスに加えて主ボス
    からカム回転方向に後方に離間した部分再開作動補助ボ
    スを設けたものにおいて。 圧縮機の圧縮空気供給ダクトの圧縮空気冷却器より手前
    と機関の排気マニホールドとの間に接続したバイパスダ
    クトを備えることを特徴とする四サイクル内燃機関。 ６、前記排気弁作動カムには主ボスと補助ボスとの間を
    互に接続して排気弁の残存リフトを生じさせる中間ボス
    を設ける特許請求の範囲第５項記載の機関。
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