JPS5934434A

JPS5934434A - 内燃機関

Info

Publication number: JPS5934434A
Application number: JP14381182A
Authority: JP
Inventors: Mitsutama Nakamura; 中村　光「よう」
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-08-19
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1984-02-24

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】本発明は部分負荷時に吸気弁の閉時期及び圧縮比を変化
させ、燃費を改善するよう圧した火花点火式内燃機関に
関する。

ガソリン機関など、吸気通路に設けた絞弁によｐ吸入空
気量を制御する内燃機関においては、絞弁が全開する全
負荷状態で機関を運転するときに比較して、絞弁の開度
が小さい部分負荷運転時の燃費が著しく悪化する傾向が
ある。

これは、絞弁を絞Ｑ込むことにより機関吸入行程でのボ
ンピングロスが増大するためであり、そこで従来、例え
ば米国特杵第３４１３９６５号明細書に開示されている
が、吸入行程での吸気弁を閉じる時期を１部分負荷時に
は下死点に到達するが々り以前（あるいは下死点通過後
かなり経過してから）に設定することにより、ボンピン
グロスの低減をはかつているものがある。

つ１り、吸入行程でピストンに対して負の仕事として吸
入負圧が作用する期間を、吸気弁を早く閉じることによ
シ短縮し、ボンピングロスヲ減うすのである（吸気弁を
圧縮行程に入って遅らせて閉じても、閉じるまでの圧縮
ストローク中に同区間の吸入ストローク中の損失を回収
するので、同様にボンピングロスは減る（実開昭５４−
１５８９１９号公報））。

しかしながら、このように吸気弁を下死点から大きく離
れた位置で閉じると、実効圧縮比が吸気弁を閉じたとき
のシリンダ内容積と圧縮上死点でのシリンダ内容積との
比率である関係上、その分だけ圧縮比が小さくなシ、圧
縮作用による混合気の温度上昇も相対的に低下する。

この結果１点火時点における混合気の燃焼条件が悪く１
着火遅れ時間が長くなったり、火炎伝播速度も遅くなる
ため、燃焼安定性が阻害されることになり、ボンピング
ロスは減ったとしても、燃費改善効果はそれほど大きく
ならないという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するために、部分負荷時
に吸気弁の閉時期を下死点から遠ざける一方、そのとき
の燃焼室容積（圧縮上死点でのシリンダ容積９を小さく
して、実効圧縮比の低下を防ぐとともに膨張比を大きく
するようにした内燃機関を提供することを目的とする。

以下１本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブ
ロック、３はピストンであシ、これらにより燃焼室４を
区画形成している。

シリンダヘッド１には燃焼室４に開口する摺動孔５が形
成され、との摺動孔５に燃焼室容積の調整ピストン６が
摺動自由に挿入され、その摺動面には気密用のＯＩＪン
グ７が介装される。

調整ピストン６の上部にはリンク８を介してレバー９が
連結し、このレバー９は圧縮比調整軸１０に固着され１
図示しないアクチュエータによりこの調整軸１０を図中
反時計方向に回転させることで、調整ピストン６が降下
して燃焼室４と連通ずる摺動孔５の内部、即ち副燃焼室
１１の容積を減少させるようになっている。

一方、第２図、第３図にも示すように、ピストン３の頂
面には、吸気弁１２と排気弁１３．の下面に位置して浅
い凹部１４が形成されるとともに。

との凹部１４と連通して上記副燃焼室１１の下面に、そ
の略接線方向に延びる誘導溝１５が形成され、これによ
り副燃焼室１１の内部でスワールを生起し、燃焼を安定
させるようになっている。

また、との凹部１４の溝底には１点火栓１６の下方に位
置して断熱セラミック等からなる断熱層１７が形成され
５点火直後の火炎の放熱を減じて火炎伝播の拡大をはか
つている。

上記吸、排気弁１２．１３を駆動するカム２０゜２１は
、第４図に示すように、軸方向に移動可能なカム軸２２
に取付けられる。

カム軸２２の一端は中空のプーリ軸２３とスプライン部
２４を介して嵌合し、プーリ軸２３にはコグベルト（図
示せず）と噛み合うプーリ２５が固着され、これらによ
りカム軸２２を機関回転に同期して回転駆動する。

カム軸２２の他端には油圧シリンダ２６のピストン２７
がロンド２８を介して連結し、左右の油室３０Ａ、３０
Ｂに供給される油圧に応じてカム軸２２を軸方向に移動
させるようになっている。

なお、カム軸２２の移動は、油圧シリンダ２６以外のア
クチュエータ、例えば電磁ソレノイド、電動モータなど
も利用できる。

カム２０．２１の形状は、軸方向にその断面が第５図（
イ）、（ロ）にも示すように異って形成され、この実施
例では、それぞれ高速全開用カム而２０Ａ。

２１Ａ、低速全開用カム面２０Ｂ、２１Ｂ、部分負荷用
カム面２０Ｃ，２１Ｃの３つに分けて形成してあり、こ
れにより吸排気弁のパルプ開閉タイミングが第６図の（
Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）で示すように制御される
。

とのカム２０．２１の選択は、上記カム軸２２を軸方向
に移動させ、吸排気弁１２．１３を駆動するバルブロッ
カ３１．３２の、カム２０　、２１に対する接触位置を
変化させることによシ行う。

なお１図中３３はカム軸２２を回転自由に支持する軸受
を示す。

第７図は、前記調整ピストン６及びカム軸２２を駆動す
るための制御装置の一例であって１機関運転状態を検出
する手段として１機関回転数センサ３５と、機関負荷セ
ンサ（吸入負圧あるいは絞弁開度センサ）３６が設けら
れ、制御回路３７はこれら検出信号にもとづいて、後述
するように調整ピストン６のアクチュエータ３８や油圧
シリンダ２６に作動油を給排する電磁切換弁３９に駆動
信号を出力するのである。

次に作用について説明すると１本発明は機関部労資荷時
など要求吸入空気量（混合気吸入量）がそれ＃１ど大き
くない運転域で、吸気弁１２を吸入下死点から遠く離れ
た位置で早目に閉じると同時に、副燃焼室１１の容積を
縮少して実効圧縮比の低下を防ぐことに特徴がある。

そこで、まず機関高速全開時（高回転高負荷時）には、
シリンダ内に極力、大量の混合気を送り込んで高出力を
発揮させるために、吸気弁１２の閉時期を遅らせるとと
もに排気弁１３の開時期を進め、さらに吸気弁１２と排
気弁１３が共に開いているオーバラップ期間を大きくす
る。

このために、制御回路３７は回転数センサ３５と負荷セ
ンサ３６の出力にもとづき、高速高負荷と判断すると、
油圧シリンダ２６の左方の油室３０Ａに高圧を送り込む
ように電磁切換弁３９を切換動作する。

すると、ピストン２７が右方に移動して、カム軸２２を
高速全開用カム面２ＯＡ、２１Ａにそれぞれバルブロッ
カ３１．３２が接するように変位させる。

この結果、吸排気弁１２．１３のパルプタイミングは、
第６図（４）で示すように、吸気弁１２の閉時期が遅れ
、排気弁１３の開時期が早められ、いわゆる慣性過給に
より吸排気効率を高め、高回転化に伴う混合気の充填効
率の低下を防ぐ。

ところで、この運転域での圧縮比としては。

８．５〜９．５が適当であるため、調整ピストン６を駆
動して副燃焼室１１の容積を、この圧縮比が得られるよ
うに調整する。

圧縮比Ｅ６はピストン上死点におけるシリンダ容積ｅＶ
ｔ　、同じく下死点におけるシリンダ容積をＶｂとする
と、　　（Ｅｅ　−Ｖｂ　／Ｖｔ　）であシ、副燃焼室
１１の容積を減少芒せると、上死点でのシリンダ容積Ｖ
ｔの減少率（変化率）が同じく下死点での減少率よりも
大きくなる関係上、調整ピストン６の降下に伴い圧縮比
は増大する。

制御回路３７からの信号でアクチュエータ３８を駆動し
５第１図のレバー９を反時計方向に回動すると、リンク
８を介して調整ピストン６が降下し、副燃焼室１１の容
積が減少し、上記した圧縮比（８，５〜９．５）が得ら
れるように調整できる。

これに対して１機関低速全開時は、吸排気弁１２．１３
の開閉は上死点近傍で行うと最も多くの空気が導入され
、トルク、熱効率も最良となるので５カム２０．２１は
第５図の低速全開用カム面２０Ｂ、２１Ｂが選択される
ように、カム軸２２を上記と同様な制御動作にもとづい
て変位（第４図の図示位置）させる。

また、この運転状態で起きやすいノッキングを防ぐため
に、圧縮比としては、８、Ｏ〜８，５が得られるように
調整ピストン６の位置も制御する。

次に本発明の特徴が顕著に々る部分負荷運転時は、上記
したように機関要求吸入空気量は少ない。

そとで、上記と同様にカム軸２２を変位させ。

第５図Ｃ）の部分負荷用のカム面２０Ｃ，２１Ｃを選択
する。

この結果、吸入行程の途中、つまり下死点から大きく離
れた位置で吸気弁１２が閉じ、その時点でシリンダ内へ
の混合気の流入が停止する。吸気弁１２の閉じた後にピ
ストン３が降下すると、シリンダ内の負圧が強まるが、
との負圧は次の圧縮行程でピストン３を上昇させる方向
に働き、吸気弁１２が閉じたのと同ストローク位置にお
いて初期状態に復帰し、この間ピストン３に対する仕事
量はゼロとなる。

このため、いわゆる吸入行程でのボンピングロスは、吸
気弁１２が閉じるまでの間、ピストン３に作用する吸入
負圧に応じて生じるのであるが。

閉じるまでの期間が少ない分だけ負の仕事が小さく、ま
た吸入負圧の発達も少ないこともあり、これらが相まっ
てボンピングロスが減少するのである。

ところで、この場合の実効圧縮比は、吸気弁１２が閉じ
たときのシリンダ容積Ｖｉと、上死点でのシリンダ容積
Ｖｔとの比率となるため、前述のように、下死点（また
は下死点近傍）で閉じる場合に比べて圧縮比が低くなり
、混合気の温度が上昇せずに燃焼が悪化する。

そこで、調整ピストン６を降下させて副燃焼室１１の容
積を減少させ、これにより実効圧縮比Ｅａが８〜１０程
度になるように設定する。

このため、混合気温度は十分に上昇して効率よく燃焼が
行われるととになり、上記したボンピングロスの低減効
果が生かされ、燃費効率の向上がはかれるのである。

また、燃＃（膨張）行稈でピストン３に与える仕事量に
関与する膨張比Ｅ、ＴＩは、排気弁１３を下死点で開き
始めるとして、　　（Ｂｍ＝Ｖｂ／Ｖｔ　）であるから
、上記と同様にＶｔが小さくなるほど膨張比が大きくな
り、膨張仕事が増大して排気中に捨てるエネルギが減じ
られるため、さらに笑質的燃費効率の向上が得られるの
である。

次に、第８図は１本発明を従来の標準的機関等と対比し
てＰ−ｖ線図に表わしたものである。

これは、排気量１５００　ｃｃの４気筒機関について試
算したもので、（１気筒当りの排気量は３７５弘）。

■は従来の標準的仕様の圧縮比Ｅ、　＝　８．５の場合
、■は同一圧縮比で吸気弁閉時期を早めてシリンダ容積
Ｖ％−３００ＣＣで閉じるようにした場合、■は吸気弁
の閉時期は標準仕様で圧縮比Ｅ、＝１２．０にした場合
、■は本発明であって、吸気弁を閉じるときのシリンダ
容積Ｖｉ＝２９０ＣＣで、実効圧縮比Ｅｅ””　８．５
にした場合をそれぞれ示す。

なお、いずれのケースも、ＮＯｘ低減の目的から約２０
チの排気還流を行い空燃比はＡ／Ｆ＝１．５として試算
しである。

また、■の場合は燃焼不良で安定度が悪く、■の場合は
ノッキングが著しく、いずれも実用上は問題があるが、
良好に燃焼したものと想定して試算し、この結果を次表
に示す。

表１１− この表において５ｗ−＋は膨張仕事から圧縮仕事を差引
いたもの、Ｗ−はガス交換に要する仕事、即ちボンピン
グロスをあられしている。なおこの場合。

Ｗ−＝（Ｐｏ　　ＰＩ）（Ｖｓ　　Ｖｔ）、　Ｃｆｃだ
しＰ、＝大気圧＝１気圧〕として定義しである。

また、Ｗｌは図示仕事であって、　ｗ、　＝Ｗｔ　−Ｗ
−で座り、これらｗ＋　、　Ｗ−、Ｗ１ノ値は、上記■
のＷｉを１００とした比率であられしている。

この計算給米によれば、■に比べて■ではＷ−が減るこ
とにより、また■ではＷｔが増加することによりそれぞ
れＷｔが増加、即ち図示燃費率か改善されておシ、■で
は背が増加すると同時にＷ−が減少し、このためＷｉが
大幅に増加している。

しかも前述の通り、■、■は燃焼の問題で実現不可能で
あるが、■は燃焼上の問題はな〈実施可能である。

ただし、■の場合■に比べて筒内圧力が増加する分だけ
フリクションが増加し、正味熱効率の増加率は図示熱効
率の増加率を若干下回わることになる。

１２− 次に第９図の実施例を説明すると、これは吸気弁１２の
開閉時期を調整する手段として、特願昭５６−７４５８
２　号で開示されている装置を利用したものである。

これは通常のカム４５にバルブロッカ４６が接触し、バ
ルブロッカ４６の他端が吸気弁１２のパルプステム４７
を押圧する。

バルブロッカ４６の上部には揺動アーム４８が設けられ
、との揺動アーム４８はシリンダヘッドに取付けるブラ
ケット４９にビン５０を介シて揺動自在に支持され、そ
の上面には調整軸５１に固着された偏心カム５２が当接
している。

揺動アーム４８とバルブロッカ４６とは、揺動アーム４
８のガイド溝５３に転動自由に挿入したピン５５及び圧
縮スプリング５６を介して接触する。

カム４５の回転に伴いバルブロッカ４６がリフト部分に
乗り上げると、揺動アーム４８の下面に沿ってバルブロ
ッカ４６が転動し々がら左端部が下がり、吸気弁１２が
押下げられて開弁する。

偏心カム５２を回転させて揺動アーム４８を図の位置か
ら時計方向に回動（押下げる）させると、揺動アーム４
８とバルブロッカ４６の接触初期位置が、カム４５側に
近づくため、カム４５のリフ・トが増幅されて吸気弁１
２に伝達され、吸気弁１２のリフトが増加するし、逆に
偏心カム５２による揺動アーム４８の押下げ量を減じる
と、吸気弁１２のリフトは減少する。

ところで、この場合には、吸気弁１２の開弁時期と閉弁
時期は、開弁期間の中心に対して対称的に変化するため
、閉時期のみを早めにすることはできない。

したがって、第１０図に吸排気弁のバルブタイミングな
示しであるが１部分負荷運転時には、第１０図（Ｃ）の
ように、吸気弁１２を吸気行程の途中で閉じるのではな
く、圧縮行程の途中で閉じるようＫして、シリンダ内へ
の混合気の充填量を減少させている。

なお、第１０図（４）の高速全開時は部分負荷時とほぼ
近似しており、低速全開時には第１０図（Ｂ）のように
、開弁期間（換言するとバルブリフト）を相対的に減じ
て、シリンダ内に最も多く空気を吸入さぜる。

上記部分負荷時に吸気弁１２を圧縮行程の途中で閉じる
場合も、前述したように吸気行程の途中で閉じるときと
仕事的には変化がなく、いずれもボンピングロスの低減
を行えるが、いったんシリンダ内に吸入された余分の空
気が、圧縮行程で吸気通路側へ吸気弁１２の開弁間隙を
経由して戻されるので、この通過時の圧力損失を考慮す
ると。

吸入行程で早く閉じる方が損失は少ないといえる。

この実施例では、排気弁１３の開閉時期は不変として、
特に制御していない。

以上のように本発明は、吸気弁の閉時期を調整する手段
と、圧縮比を調整する手段を設け１部分負荷運転時には
吸気弁の閉時期全下死点から遠ざけるとともに圧縮比を
高めるようにしたので１部分負荷時のボンピングロスを
減じ、かつ燃焼を良好に保つことができ、これらにより
主として部分負荷時の燃費効率の大幅な向上がはかれる
という効果を牛しる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は燃焼
室の平面図、第３図はピストン頂面の平面図、第４図は
カム軸部分の断面図、第５図囚〜Ｃ）は、それぞれ吸排
気弁のカム面の説明図、第６図（４）〜（Ｃ）は第５図
囚〜（Ｑに対応する吸排気弁バルブタイミングをあられ
す説明図、第７図は制御回路のブロック図、第８図は本
発明を従来と比較しながら示すＰ−ｖ線図、第９図は第
２実施例の縦断面図、第１０図（４）〜（Ｃ）は同じく
吸排気弁のバルブタイミングをあられす説明図である。１・・・シリンダヘッド、２・・・シリンダブロック。３・・・ピストン、４・・・燃焼室、６・・・調整ピス
トン。９・・・レバー、１１・・・副炉焼室、１２・・・吸気
弁。１３・・・排気弁、１６・・・点火栓、２０．２１・・
・吸。排気弁用カム、２２・・・カム軸、２６・・・油圧シリ
ンダ、２７・・・ピストン、３１．３２・・・バルブロ
ッカ。３５・・・回転数センサ、３６・・・負荷センサ、３７
・・・制御回路、４６・・・バルブロッカ、４８・・・
揺動アーム、５２・・・偏心カム。特許出願人　　日産自動車株式会社手続補正書（方式）昭和５７年１２月７　日２、発明の名称内燃機関３、補正をする者事件との関係　特許出願人住所　神奈川県横浜市神奈用区宝町二番地氏名　（３９
９）　日産自動車株式会社４、代理人住　所　　〒１０４東京都中央区銀座８丁目１０番８号
銀座８−１０ビル３階す、説明文字全削除して適正な図面とし補正致しま第５
図（Ａ）　　　（Ｂ）（Ｃ）１ＮＸ（Ａ）　　　（Ｂ）　　　（Ｃ）ＴＤＣＴＤＣＴＤＣＧ抹ト □

Claims

【特許請求の範囲】

火花点火式内燃機関において、吸気弁の閉時期を可変的
に制御する調整手段と、ピストン上死点における気筒容
積全調整する手段と１機関運転状態を検出する手段と１
機関部分負荷時に吸気弁閉時期を下死点から遠ざけると
ともに上死点での気筒容積を小さくするように上記各手
段を制御する手段とを備えたことを特徴とする内燃機関
。