JPS60104717A - 過給機付内燃機関 - Google Patents

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】 く技術分野〉 本発明は機関運転条件に応じて吸気弁の作動時期を切換
えることによシ出方向上を図る吸気弁作動切換装置を備
えるとともに、吸気弁作動の切換に応じて吸気通路長さ
を変化する装置を備えた過給機付内燃機関に関する。

〈背景技術〉 排気ターボ過給機等、吸入空気をコンプレッサで機関に
過給することによシ機関の吸入空気量を増大させ高出力
を発生させる過給機付内燃機関にあって社、現今の性能
改善の結果過給能力の面よりもノッキング防止の面から
出力が抑制されるようになってきた。

ここで、ノッキングに関しては第１図に示すように、圧
縮比が高い程、さらには圧縮温度が高い程、発生率が高
いという傾向を示すことがわかっている。

そこで、従来から過給機付内燃機関の圧縮比を若干低め
にと９、点火タイミングを遅らせる方策を採っている。

このように点火タイミングを遅らせると排気温度が上昇
するから、これを防止するため混合気の空燃比を濃化す
るが、これにより燃費が悪化するのはやむを得ないとい
う判断である。

しかし、排気ターボ過給機は低速低負荷等の部分負荷時
には過給能力がなくなシまたは小さくなるから、上記方
策は過給が効かない領域でかえってマイナス要因となシ
、出力ダウン、燃費悪化を招いてしまう。そこで、高速
運転時には低圧縮比、低速運転時には高圧縮比となるよ
うに圧縮比を可変制御することが望まれるがこれは難し
い。

ところで、吸気弁の閉時期を遅らせると、実質的な圧縮
比（以下実圧縮比と記す）が変化する。

その結果第１図に示すようにノッキングゾーンが高過給
圧側にスライドしてノッキングを発生しにくくするとと
もに、高過給圧化を図ることができる。ただし、吸気弁
の開時期を変化させて排気弁とのオーバーラツプを大き
くすると、第２図に示すように排気ターボ過給機では排
圧が吸気圧力（過給圧）よシも大幅に増大するため排気
逆流現象が生じて充填効率、掃気効率が低下して出力ダ
ウンを招くシ、ルーツブロア等による過給機では、逆に
排気抵抗が小さいため排圧があまり上昇せず過給圧が上
昇するからオーバーラツプ期間に混合気が排気系に吹き
抜けてしまうことになシ好ましくない。

この点％開昭５６−７７５１６号記載の発明が吸気弁の
閉弁時期を進遅制御していても排気弁の開閉弁時期並び
に吸気弁の開弁時期をも大きく変えて機関高速運転時の
オーバーラツプ量を増大していることは不都合である。

また、機関高速運転時に吸気弁閉時期を遅らせることは
、吸気が燃焼室に入った時点を見計らって吸気弁を閉じ
ることに相当し、吸気の慣性を利用して充填効率を向上
させることになる。しかも、この慣性過給は特徴的なこ
とに、過給機による外部仕事を受けない点で昇温しない
利点がある。この結果、第１図に示すようにノッキング
ゾーンがさらに高過給圧側にスライドしてノッキングの
発生を避けるとともに高過給圧化が図られるようになる
。

このようにノンキングが余裕度を向上させれば、点火時
期を進ませることが可能となるから、出力の増加ととも
に排温の低下が見込まれ、これに伴って空燃比の濃化を
軽減することができ、燃費向上を図ることができる。

ところが、このような慣性過給の効果は吸気弁開閉作動
周期と吸気通路長さとから定まるものでアシ、高速運転
時に十分な慣性過給効果を発揮するものであっても、吸
気弁開閉作動周期が高速運転時よりも増大する低速運転
時には十分な慣性過給効果を発揮するとは限らないもの
であった。

〈発明の目的〉 本発明は上記に鑑みなされたもので、過給機付内燃機関
の吸気弁の閉弁時期の進遅制御を行って実圧縮比を可変
とし、これに伴う慣性過給を行うことによシ昇温のない
過給を可能としてノッキング余裕度を大きくするととも
に、吸気弁の開時期を大略同一としてパルプオーバーラ
ツプ増大を防止することで前記ノッキング余裕代の中で
充填効率ひいては過給効果を高め、出方向上を図る。そ
して、前記慣性過給が高速運転時と同様に低速運転時に
おいても十分に行われるような過給機付内燃機間を提供
することを目的とするものである。

〈発明の概要〉 このため本発明は、機関吸気系に設けた過給機のコンプ
レッサにより吸入空気を機関に過給する過給機付内燃機
関において、吸気弁開閉作動装置に作用して吸気弁の閉
弁時期を可変調整するとともに吸気弁の開弁時期を前記
閉弁時期の変化よシ小さく調整する弁作動切換装置を設
け、かつ、吸気弁作動切換に応じて機関吸気通路長さを
変化させる装置を設けた構成とし、前記目的の達成を図
る。

〈実施例〉 以下本発明を第３図〜第７図に示す一実施例に基づき説
明する。

第３図は本発明が適用される排気ターボ過給機（以下過
給機と記す）１を備えた内燃機関２を示す。図において
内燃機関２の各気筒毎の吸気通路３の集合部上流の吸気
通路４に過給機１のコンプレッサ５が介装されておシ、
排気通路６に介装した排気タービン７を排気圧力で回転
することにより、これと同軸のコンプレッサ５を回転駆
動して、吸入空気を内燃機関２に圧送（過給）する。

そして、各気筒毎の吸気通路３の途中にはバイパス通路
８が並列して設けられる。ここでバイパス通路８はこれ
と並列する吸気通路３部分よシ十分大きな通路長さを有
している。該バイパス通路８の吸気通路３への２つの開
口部にはそれぞれ流路切換弁９，１０が設けられる。こ
の流路切換弁９．１０の作動は後述する吸気弁作動の切
換に対応してなされるようになっておシ、機関低速運転
に適した吸気弁作動がなされているときは、流路切換弁
９，１０の弁体は図示の位置となシ、バイパス通路８が
開通するので吸気通路長さが長くなる。一方、機関高速
運転に適した吸気弁作動がなされると、流路切換弁９，
１０の弁体がそれぞれ図で反時計方向および時計方向に
回動し、バイパス通路８の開口を塞ぎ吸気通路長さを短
くするようになっている。

排気タービン１をバイパスするバイパス排気通路１１に
は排気バイパス弁１２が介装されておυ、吸気通路４の
コンプレッサ５および吸気絞弁１３間の過給圧と大気圧
との比較によシ作動するダイヤフラム式アクチュエータ
１４を用いて前記排気バイパス弁１２を開閉制御する。

これによシ排気タービンＴを回転しないでバイパス排気
通路１１にバイパスする排気量を過給圧に応じて制御し
、もって過給圧が過大となるのを防止する。なお、図中
１５は吸気絞弁１３下流の吸入空気圧力が所定値以上と
なることを防止するリリーフ弁、１６はエアフローメー
タ、１７は燃料噴射弁、１８は吸気弁である。

次にこのような過給機付内燃機関における吸気弁１８の
動弁機構に作用して吸気弁１８の開閉作動時期切換を行
う弁作動切換装置（およびその制御装置）の実施例を第
４図〜第７図に基づいて説明する。

すなわち、第４図〜第６図に示すように４気筒内燃機関
２のロッカルーム２１内にハ、カムシャフト２２が回転
自由に軸支されておシ、その上方位置にロッカシャフト
２３が固定支持されている。

カムシャフト２２にはす１〜≠４の各気筒毎に一対の吸
気弁作動用カム２４Ａ、２４Ｂと排気弁作動用カム２５
とが形成される。吸気弁作動用カムの一方２４Ａは高速
用であシ、他方２４Ｂは低速用である。

ロッカシャフト２３には各気筒≠１〜す４毎に吸気弁を
作動するロッカアーム２６が回動並びに軸方向にスライ
ド自由に軸支されておシ、また排気弁を作動するロッカ
アーム２Ｔが回動自由に軸支されていて、吸気弁用ロッ
カアーム２６はその軸方向スライドによル高連用もしく
は低速用の一方のカム２４Ａまたは２４Ｂに選択的に係
合し、排気弁用のロッカアーム２７は排気弁作動用のカ
ム２５に係合する。

本実施例の場合点火順序または噴射順序がす１−Φ３−
≠４−す２であるとすると、弁作動切換装置は、≠１気
筒および４−２気筒に対応する吸気弁用の２つのロッカ
アーム２６．２６を一体的に保持するホルダ２８と、＋
３気筒および＋４気筒に対応する吸気弁用の２つのロッ
カアーム２６゜２６を一体的に保持するホルダ２９とを
有し、これらホルダ２８．２９をそれぞれ第１および第
２アクチュエータ３１．３２にょシ軸方向に切換シフト
し、ロッカアーム２６それぞれを対応する高速用カム２
４Ａか低速用カム２４Ｂの一方に選択的に係合させるよ
うになっている。前記第１および第２アクチュエータ３
１．３２は、それぞれ前記ホルダ２８．２９に連結され
たピストンを正または逆方向に移動させるための作動油
出入口であるＡ、ＢおよびＣ，Ｄポートを有しておシ、
これは第７図に示された切換装置としての油圧作動回路
に接続され、同じく制御装置としての電子制御装置４０
によって切換制御される。

すなわち、第７図において第１アクチユエータ３１のＡ
、Ｂボートは電磁方向切換弁３３を介して、また第２ア
クチユエータ３２のＣ，Ｄポートは電磁方向切換弁３４
を介して、それぞれアキュムレータ３５とオイルタンク
３６とに切換自由に接続されている。前記アキュムレー
タ３５には、内燃機関２によシまたは別置モータ３７に
より駆動されるオイルポンプ３８によって、オイルタン
ク３６から汲み上げた潤滑油が導入される。３９はオイ
ルポンプ３８吐出圧を制御するリリーフパルプである。

前記電磁方向切換弁３３．３４はマイクロコンピュータ
等で構成された電子制御装置４０の機関運転状態の入力
信号としては、機関回転速度、車速、吸気圧力、過給圧
、トランスミッションギヤ位置、機関冷却水温度、油温
、電装部品の電気負荷等の各信号を選ぶことができるが
、本実施例では機関回転速度（クランク角）信号、クラ
ンク角基準信号を入力させている。

これら電磁方向切換弁３３．３４のそれぞれの切換作動
によりアキュームレータ３５内のオイルを第１および第
２アクチユ、エータ３１，３２のいずれか一方のポート
（ＡまたはＢ、ＣまたはＤ）に供給してピストンを一方
向に移動させ、もって吸気弁用ロッカアーム２６を軸方
向に移動して高速用カム２４Ａもしくは低速用カム２４
Ｂのいずれか一方と係合させ、吸気弁１８の開閉時期を
制御する。

ここで高速用カム２４Ａは第８図（Ａ）、（Ｂ）に示す
ように吸気弁の閉時期を大きく遅らせ（たとえば下死点
後５０′〜８０°）、低速用カム２４Ｂは第８図（Ｃ）
、（Ｄ）に示すように吸気弁の閉時期を上記よシ早める
（たとえば下死点後０°〜３０゛）カム形状とする。ま
た排気弁とのオーバーラツプ量を決定する吸気弁の開時
期は、たとえば上死点前Ｏ°〜１０゛程度にほぼ等しく
して排気弁とのオーバーラツプ量を小さいものとしてい
る。なお、このとき排気弁の開時期は下死点前４０°〜
５０゜閉時期は上死点後１０°〜２０°の一定値となっ
ている。

以上のカムの切換に応じて電子制御装置４０からバイパ
ス通路８の開口に設けられた流路切換弁９．１０に切換
信号が発せられ、図示しないアクチュエータを介してこ
れら流路切換弁９，１０が切換作動することによシ高連
用カム２４Ａ使用時には開口が塞さがれ吸気通路が短く
なるように、低速用カム２４Ｂ使用時には開口が開いて
吸気通路が長くなるようになっている。

次に本実施例の作用を述べる。

今吸気弁用カムのうち高速用カム２４Ａと低速用カム２
４Ｂとでは機関回転速度的２０００〜３０００ｒ、ｐ、
ｍ、を境界として機関の出力トルクが異なるようにカム
形状を形成したとする。

機関回転速度が約２０００〜３０００ｒ、ｐ、ｍ。

以下の低速回転領域では、電子制御装置４０が電磁方向
切換弁３３．３４の右ポジションを選択するよう切換信
号を出力する。このためアキュームレータ３５のオイル
は第１および第２アクチユエータのＢおよびＤボートに
導入され、ピストンを作動してホルダ２８．２９を介し
吸気弁用ロッカアーム２６を図で右方向に移動させてロ
ッカアーム２６が低速用カム２４Ｂと係合される。これ
により吸気弁１８の開時期はほぼ変らないが閉時期を下
死点方向に進ませ、機関ピストンの有効ストロークを増
加して実圧縮比を大きくする。また、電子制御装置４０
からは流路切換弁９，１０にも信号が発せられ、弁体を
図示の位置として吸気通路長を長くする。これによシ、
吸気通路内の気柱の固有振動数が低下し、低速運転時に
おいても十分慣性過給がなされるようになる。

したがって当該運転領域における過給機付内燃機関の出
力の低下および燃費の悪化が防止される。

また、機関回転速度が約２０００〜３０００ｒ。

ｐｌｍ、以上の高速回転領域では、排気エネルギが増大
して過給効果が増大し、ノッキングが発生し易くなシか
つ排気温度が上昇する。このとき電子制御装置４０が高
速回転信号を入力して電磁方向切換弁３３．３４の左ポ
ジションを選択するよう切換信号を出力するとともに、
流路切換弁９゜１０にも切換信号を発する。このため、
アキュームレータ３５のオイルは今度は第１および第２
アクチユエータのＡおよびＣポートに導入され吸気弁用
ロッカアーム２６を図で左方向に移動させることにより
高速用カム２４Ａと当接させるとともにバイパス通路８
の開口を閉じ吸気通路長さを短くする。これにより、吸
気弁の閉時期は下死点から離れて遅れ、機関ピストンの
有効ストロークが減じて実圧縮比が低下する。このため
、第１図に示すようにノッキング領域に入るだめの過給
圧が高くなシ、この分過給圧を増大して出方向上を図る
ことができるようになる。

ここにおいて、上記過給圧の増大化は過給機によっても
なされるが、吸気弁の開時期が遅れることおよび吸気通
路長さが短くなシ該通路内の気柱の固有振動数が高速運
転に対応して上昇することから、慣性過給によってもな
され、この慣性過給は過給機等外部の仕事を受けてなさ
れるのではないからシリンダ内に送シ込まれた圧縮開始
時の吸気温度を上昇させることがない。したがって第１
図に点線で示すようにノッキング領域はさらに高過給圧
側に存在することとなシ、よシ十分な過給圧を得ること
ができる。この結果、実圧縮比の低下分を十分な過給圧
増大によシ補償することができ、もって出力の低下を防
止しつつ燃費悪化を防ぐことができる。

このように機関そのものの圧縮比を可変とするものでは
ないが、実圧縮比を変えることによシ圧縮比可変と同効
を奏することができるのである。

上記作用において吸・排気弁の開弁期間のオーバーラツ
プ量は吸気弁の開時期および排気弁の閉時期が変らない
ためほぼ一定である。このため該オーバーラツプ期間に
おいて、排気圧力が過給圧よりも高いこと（第２図）に
よる排気の吹き返しを招くことがない。これによυ充填
効率が増大して上記実圧縮比低下を補償するために必要
な過給圧上昇を確保することができる。

また、吸気弁１８の高速用カム２４Ａと低速用カム２４
Ｂとの機関運転中の切換制御は第９図の如キタイミング
をとって行う。ロッカアーム２６と吸気弁用カム（２４
Ａ、２４Ｂ）とが接触中は、ロッカアーム２６の切換が
不可能であるから、第９図（Ａ）、（Ｂ）に示すように
各気筒す１〜す４のロッカアーム２６の切換可能な領域
が限定される。ナ１とす２．す３とす４のロッカアーム
２６がそれぞれ一組となっているから＋１．＋２のロッ
カアーム２６の共通の移動可能域およびす３゜ナ４の同
じく共通の移動可能域において電子制御装置４０がタイ
ミスグをとって切換制御しなければならない。したがっ
て第９図（Ｃ）に示すように第１アクチユエータ３１に
よる一＃−１．≠２のロッカアーム２６移動時間と第２
アクチユエータ３２によるす３．す４のロッカアーム２
６移動時間とではずれが生じるのはやむを得ない。この
他ホルダのレイアウトが可能ならば共通の十分な移動可
能域のある＋１とす３およびす２と＋４のロッカアーム
を一体動する組み合わせも可能である。

また、電磁方向切換弁３３．３４の切換信号として電子
制御装置４０を用いずに手動スイッチを用いて行うこと
もできる。この切換はその後の運転において高速高負荷
運転が予想されるたとえば高速道路に入る直前のアイド
リンク状態もしくは低速回転領域で行えばよい。

〈第２の実施例〉 前記実施例においては各気筒から吸気通路集合部までの
吸気通路長さを高速用カム２４Ａと低速用カム２４Ｂと
の切換に応じて変化させるものであったが、吸気通路長
さの変化は第１０図に示すようにして行ってもよい。

すなわち、コンプレッサ５の吸気上流側の吸気通路５１
に分岐通路５２が設けられ、分岐通路５２０両端は大気
に開口し、新気を取り入れるようになっている。ここに
分岐部から２つの開口までの距離は一方は短く、他方は
長くなっており、分岐部に設けられた流路切換弁５３を
切換えることによ夕吸気通路長さを変化する。

流路切換弁５３は油圧アクチュエータ５４によシ駆動さ
れるようになっておシ、ロッカアーム２６と係合するカ
ムが高速用カム２４Ａに切換えられると、油圧アクチュ
エータ５４に油圧が加えられワイヤ５５が係止されてい
るピストンを図で左に移動し、流路切換弁５３を図で反
時計方向に回動して吸気通路長さを短くする（同図（Ｂ
）参照）。

そして、低速用カム２４Ｂに切換えられたときは、上記
と全く逆の作動によシ流路切換弁５３を図で時計方向に
回動し、吸気通路長さを長くする（同図（Ａ）参照）。

このように吸気通路長さの変化を新気導入部で行うこと
によっても、機関運転状態に応じた慣性過給がなされる
ことは前記実施例と同様である。

なお、吸気通路長さの変化は直接蛇腹等によシ変化させ
るようにしてもよいことは勿論である。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、過給機付内燃機関
の吸気弁閉時期を可変にするとともに、吸気通路長さも
可変にしたから、実圧縮比を可変にすることができると
ともに、すべての運転領域において十分に慣性過給を行
うことができることとなり、これら２つの効果の相乗作
用によシ広範囲の運転領域において運転性の向上が図ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は過給機（；Ｊ内燃機関の圧縮比、過給圧および
ノッキング領域の関係を示すグラフ、第２図は過給圧と
排圧との関係を示すグラフ、第３図は本発明の一実施例
を示す概略構成図、第４図〜第６図は本発明の一実施例
に係る吸気弁開閉作動装置と開閉弁時期切換装置の一部
を示し、第４図はロッカルーム内の平面図、第５図は吸
気弁開閉作動装置の縦断面図、第６図は同上の吸気弁用
ロッカアームとカムとの関係を示す要部平面図、第７図
は本発明の一実施例に係る弁開閉時期調整装置の油圧回
路図、第８図は吸排気弁の開弁時期を示しくＡ）は高速
用吸気弁の開閉時期を示すグラフ、（Ｂ）は高速用吸気
弁と排気弁との弁開特性を示すグラフ、（Ｃ）は低速用
吸気弁の開閉時期を示すグラフ、（Ｄ）は低速用吸気弁
と排気弁との弁開特性を示すグラフ、第９図は各気筒の
ロッカアーム移動可能タイミングを示し、（Ａ）は吸気
弁リフト特性図、（Ｂ）はロッカアーム移動可能な領域
を示すタイムチャート、（Ｃ）はカムリフト特性を示す
グラフ、第１０図は本発明の第２の実施例を示し、（Ａ
）は吸気通路長が長くなった状態を示す要部断面図、（
Ｂ）は吸気通路長が短くなった状態を示す要部断面図で
ある。 １・・・過給機　２・・・４気筒内燃機関　５・・・コ
ンプレッサ　Ｔ・・・排気タービン　８・・・バイパス
通路　９，１０・・・流路切換弁　１８・・・吸気弁　
２４Ａ・・・高速用カム　２４Ｅ・・・低速用カム　２
６・・・ロッカアーム　３１，３２・・・第１゜第２ア
クチユエータ　３３．３４・・・電磁方向切換弁　４０
・・・電子制御装置 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士笹　島　富二雄

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関吸気系に設けた過給機のコンプレッサにより吸入空
   気を機関に過給する過給機付内燃機関において、吸気弁
   開閉作動装置に作用して吸気弁の閉弁時期を可変１整す
   るとともに吸気弁の開弁時期を前記閉弁時期の変化よシ
   小さく調整する弁作動切換装置を設け、かつ、前記吸気
   弁作動切換に応じて機関吸気通路長さを変化させる装置
   を設けたことを特徴とする過給機付内燃機関。