JPS60145420A - 過給機付内燃機関の吸気装置 - 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、吸気通路に過給機を備えると共に、気筒毎に
複数の吸気弁を備えた内燃機関の運転性能を改善した吸
気装置に関する。

〈背景技術〉 過給機付内燃機関にあっては常に過給が行われるもので
はなく、特に排気ターボ過給機付の場合、例えに機関回
転数が２０００ｒｐｍを超えた付近から急激に過給が効
きはじめ過給圧が急上昇する特性となっている。このた
め過給圧が急上昇するインターセプト点よシ低速の殆ん
ど過給が効かない領域では吸気弁の閉時期を吸気弁下死
点近くまで早めて実質的な圧縮比を高める特性とすれば
、吸気充填効率が高められ、出力を向上させることがで
きる。

しかしながら、吸気弁閉時期を早めると、高速領域では
実圧縮比増大に伴う圧縮温度上昇によりノッキング発生
傾向が増大するため、ノッキングの発生を避けるべく点
火時期を大幅に遅らせざるを得す、折角吸入空気量が増
大しても、そのままトルク増大には結びつかず、大幅な
燃費悪化を招くという問題点を生じる。

一方、実開昭５５−１３９２２６号公報にみられるよう
に気筒毎に２つの吸気弁を有する機関において、高速用
吸気ボートに介装される吸気弁の閉時期を低速用吸気ボ
ートに介装される吸気弁の閉時期よシ遅らせて設定する
ことによシ、高速領域の吸気充填効率低下防止を図った
ものがある。

ところが、このものは過給機を備えない機関に適用され
ており、機関仕様による圧縮比が最高出力を確保すべく
限界に近い値にまで高められているため、低速で閉時期
の早い側の吸気弁のみを作動させて実圧縮比を高めよう
とすると、ノッキングの発生傾向が顕著となるため、点
火時期を大幅に遅らせざるを得す、結果的には出力の伸
びは僅かであり、逆に吸入空気量を増加させただけ燃費
を悪化させてしまうという弊害を招いてしまう。

これに対し過給機付内燃機関の場合は高速領域でのノッ
キングの発生を防止すべく、機関仕様による圧縮比はか
なり小さく設定しておるため、過給の効かない低速領域
で吸気弁閉時期を早めて実圧縮比を向上させることは、
ノッキングの発生を抑制しつつ吸気充填効率を可及的に
高めて出力を最大限にまで高めることができるので極め
て効果が高い。

又、高速領域で吸気弁閉時期を遅らせることは実圧縮比
の低下によってノッキング発生傾向を抑えられる一方、
吸気の慣性を利用した過給が行えるのであシ、この慣性
過給は外部から仕事を加えられるものではないため、温
度の上昇が殆んどなく、従ってノッキング発生傾向を助
長させることがない。換言すれば、吸気弁開時期を遅ら
せることはノッキング発生領域を大幅に高過給圧側にス
ライドさせることができ、従ってその分過給機の過給圧
を高めて最大出力を可及的に向上させることができるの
であるから、これまた過給機にとっては極めて効果が高
い。

以上の点に鑑みれば、気筒毎に閉時期の遅れを小さくし
た低速型の吸気弁と閉時期の遅れを大きくした高速型の
吸気弁を備えた内燃機関に過給機を搭載し、インタセプ
ト点よシ低速の殆んど過給が効かない領域では低速型の
吸気弁のみを使用して実圧縮比を高めることにより吸気
充填効率を向上させ、インタセプト点以上の過給の効く
領域では高速型の吸気弁を併用して実圧縮比を下げ慣性
を利用した過給を行って吸気充填効率を向上させること
によシ、全領域に亘って出方向上を図ることが考えられ
る。

しかしながら、従来過給機の最大過給圧は一定に制御さ
れているため、後述する理由により実際には２０００ｒ
ｐｍ付近のインタセプト点を超えて３０００ｒｐｍ程度
まで紘低速型の吸気弁を使用し続けて実圧縮比を高めに
保持しておいた方が吸気充填効率が高く、高速型の吸気
弁を併用した場合の慣性効果を利用した過給による充填
効率の向上は主として４０００ｒｐｍ以上の高速領域で
効いてくる。

例えは第１図に示すように２８００Ｔｐｍ付近で閉時期
の遅れが大きな高速型吸気弁に通じる吸気ボートに介装
した開閉弁を閉から開に切シ換えることにより、前記吸
気弁を併用して吸気を行う場合、切換時にトルクの落差
を生じてしまう。

即ち、過給機の過給圧は低速型の吸気弁のみを使用して
実圧縮比を高めた場合のノッキングの制約からある値以
下に抑えられているため、そのままではインタセプト点
付近での切換後のトルクの落差は避けられない。

しかし、高速型の吸気弁を併用して実圧縮比を下げた後
は、ノッキング発生傾向が低下するため、現状よシ過給
圧を上げて出力アップを図ることが可能となる。

〈発明の目的〉 本発明は、上記の点に着目してなされたもので、閉時期
の遅れの大きな高速型の吸気弁の併用の切換に伴って過
給機の過給圧を上昇させることによシ、切換時のトルク
の段差を防止し、全ての領域に亘って可及的に出力を向
上できるようにした過給機付内燃機関の吸気装置を提供
することを目的とする。

〈発明の構成〉 このため本発明は気筒毎に複数個の吸気弁とこれら吸気
弁に至る複数個の吸気ボートとを備えると共に、これら
吸気ボートより上流の合流された吸気通路に過給機を備
えてなる内燃機関の吸気装置において前記複数個の吸気
弁のうち一部の吸気弁の閉時期を圧縮行程途中で閉じる
ように設定し、他の吸気弁の閉時期を前記一部の吸気弁
の閉時期よシ早く吸気行程下死点近傍で閉じるように設
定する一方、前記一部の吸気弁に至る吸気ボートに介装
される開閉弁と、前記過給機の最大過給圧を機関運転条
件に応じて切換制御する過給圧制御手段と、前記過給圧
制御手段による過給機の最大過給圧の増大側への切換手
段に連動して前記開閉弁を閉から開に切換作動する開閉
弁作動制御手段とを設けた構成とする。

〈実施例〉 以下に本発明の詳細な説明する。

第２図〜第５図は排気ターボ過給機（以下過給機という
）１を備えた内燃機関２に適用した実施例を示す。図に
おいて、内燃機関２の吸気通路３には排気ターボ過給機
１のコンプレッサ４が介装されておシ、排気通路５に介
装した排気タービン６を排気圧力で回転することによシ
、これと同軸のコンプレッサ４を回転駆動して吸入空気
をスロットル弁７を介して内燃機関２に圧送（過給）す
る。排気タービン６をバイパスする排気バイパス通路８
には排気バイパス弁９が介装されており、該排気バイパ
ス弁９はこれに連結されたダイヤフラム式アクチュエー
タ１０によシ開閉駆動される。

前記ダイヤフラム式アクチュエータ１０のダイヤフラム
１０ａで一側に画成される圧力作動室１０ｂには、コン
プレッサ４及びスロットル弁Ｔ間の吸気通路３から分岐
して２つのオリフィス１１゜１２及び電磁弁１３を介し
て大気に通じるように形成した過給圧制御用通路１４０
２つのオリフィス１１．１２の中間部分の圧力が導かれ
る。前記電磁弁１３はコントロールユニット１５からの
出力によシ開閉制御され、電磁弁１３を閉じた場合は圧
力作動室１０ｂ内の圧力は吸気通路３内の過給圧と同一
であるが、電磁弁１３を開いた時は、オリフィス１１．
１２の絞り作用で圧力作動室１０ｂ内の圧力は吸気通路
３内の過給圧と大気中との中間の値となる。そして、圧
力作動室１０ｂ内の圧力がリターンスプリング１０Ｃの
セット荷重を上回ると出力ロット１０ｄが伸長して排気
バイパス弁９が開かれ、これによシ排気の一部は排気タ
ービン６をバイパスして排気バイパス通路８に流れ、排
気タービン６の回転駆動力、従ってコンプレッサ４の（
最大）過給圧が減少する。過給圧が減少すると圧力作動
室１０ｂ内の圧力も減少し再び排気バイパス弁９が閉じ
る。

このようにして圧力作動室１０ｂ内の圧力を一定に保つ
ように排気バイパス弁９が開閉駆動され、過給圧は、前
記したように電磁弁１３の閉時は圧力作動室１０ｂ内の
圧力と等しく、開時はこれより大きぐ設定されるため、
１１磁弁１３を閉から開に切り換えることによりコンプ
レッサ４の最大過給圧を増大させることができる。

コントロールユニット１５には、ディストリビュータ１
６からの機関回転速度信号、機関シリンダブロックに設
けた水温水ンサ１７からの水温信号、同じくノックセン
サ１Ｂからのノック検出信号、排気通路５に設けた０２
センサ１Ｂからの排気中酸素濃度信号、トランスミッシ
ョン出力軸に設けた車速センサ２０からの車速信号等が
入力され、機関回転速度を主とした運転状態に応じて所
定回転速度例えば２８０Ｏｒｐｍ以下の低速領域ではｔ
ａ弁１３を閉じ、これを上回る高速領域では電磁弁１３
を開くようにＯＮ、ＯＦＦ信号を出力する。

その他点火コイル２１に点火時期制御信号を出力し、フ
ューエルインジェクタ２２に燃料噴射制御信号を出力す
る。

一方、内燃機関２の燃焼室２３には第１．第２の２つの
吸気弁２４Ａ、２４Ｂと２つの排気弁２５Ａｔ２５Ｂと
が設けられている。

前記第１及び第２の吸気弁２４Ａ、２４Ｂ並びに排気弁
２５Ａ、２５Ｂは、夫々当接作動するカム２８（２６Ａ
、２６Ｂ）並びに２７（２７Ａ。

２７Ｂ）に従動して開閉される。ここで第７図に示すよ
うに第１の吸気弁２４Ａ用の第１のカム２６Ａは吸気弁
２４Ａの閉時期を大きく遅らせて圧縮行程中ば近くとし
、第２の吸気弁２４Ｂ用の第２のカム２６Ｂは吸気弁２
４Ｂの閉時期を上記より早めて下死点近傍とするカム形
状に設定しである。

ま九排気弁２５Ａ、２５Ｂとのオーバラップ量を決定す
る吸気弁２４Ａ、２４Ｂの開時期は第１の吸気弁２４Ａ
の開時期を第２の吸気弁２４Ｂの開時期に比べて早めと
なるように第１．第２のカム２６Ａ、２６Ｂのカム形状
を設定している。

排気弁２５Ａ、２５Ｂの開時期は、例えは下死点前４０
°〜５０°、閉時期は上死点１０°〜２０°と共に等し
くなるようにカム２７の形状を設定してあシ、したがっ
て、第１の吸気弁１７Ａとはオーバラップ量がかなシ大
きいが、第２の吸気弁２４Ｂとはオーバラップ量が極力
小さくなるようにしである。

又、吸気通路３は、これら吸気弁２４Ａ、２４Ｂに独立
して夫々連通する第１．第２の吸気ボー）３Ａ、３Ｂを
有し、排気通路５は排気弁２５Ａ。

２５Ｂに独立して夫々連通する排気ボー）５Ａ。

５Ｂを有する。

（１１） そして、前記各気筒毎の第１．第２の吸気ボー）３Ａ、
３Ｂには第１の吸気ボー）３Ａ側にバタフライ式の開閉
弁２８を装着したバルブチャンバ２９が介装されている
。

各気筒の開閉弁２８の支軸２８＆は両端部がバルブチャ
ンバ２９の外方に突出し、そのうち一端部にはレバー３
０が固定され、該レバー３０の端部とバルブチャンバ２
９外壁とに夫々固定されたビン３０ｍ、２９ｍに引張ス
プリング３１の両端が係止して取り付けられる。これに
より開閉弁２８は第５図（Ａｌに示すように引張スプリ
ング３１の付勢力によって開弁方向に付勢される。

又、支軸２８ＩＬの他端部にもレバー３２が固定され、
各気筒のレバー３２を夫々一本のロッド３３に定間隔毎
に軸支し、該ロッド３３の一端部にリンク３４を介して
ダイヤフラム式アクチュエータ３５の出力ロット３５ａ
が連結される。

前記アクチュエータ３５は出力ロット３５＆を固定した
ダイヤフラム３５ｂによシー側に仕切られる圧力作動室
３５ｅが過給圧導入管３６を介しく１２） て排気ターボ過給機１のコンプレッサ４下流の吸気通路
３に連通接続され、他側に仕切られる大気圧室３５ｄに
はリターンスプリング３５ｅが介装される。

そして、圧力作動室３５ｃに導かれるコンプレッサ４の
過給圧が前記電磁弁１３を閉じた時の設定値では、リタ
ーンスプリング３５ｅのセット荷重の方が大きく、出力
ロット３５＆は引込まれており、この状態で出力ロット
３５ａに連結する各気筒の開閉弁２８は全閉位置に保持
されているが、ｋ磁１３を開いてコンプレッサ４の過給
圧が増大するとリターンスプリング３５ｅのセット荷重
を上回ってこれを押し縮めつつ出力ロット３５ｅが延出
し、リンク３４、ロッド３３のストローク、レバー３２
の回動を介して各気筒の開閉弁２８を閉から開に切換作
動させるようになっている。

尚、第２図で４３はエアクリーナ、４４はエアフローメ
ータ、４５は吸入空気圧力が所定値以上となることを防
止するリリーフ弁である。

次に作用を説明する。

機関回転速度が所定値例えば２８００ｒｐｍ以下の低・
中速領域ではコントロールユニット１５の出力がＯＦＦ
とされて電磁弁１３が閉じておシ、コンプレッサ４の過
給圧はダイヤフラム式アクチュエータ３５のリターンス
プリング３５ｅのセット荷重よシ小さな値以下に設定さ
れているため、各気筒の開閉弁２Ｂは全閉となって第１
の吸気ボー）３Ａを遮断する。

このため吸入空気は第２の吸気ボー）３Ｂのみを通って
燃焼室２３の内壁に接線方向に流入するから、燃焼室２
３内にスワールが大きく形成され、燃焼が良好となる。

また第２の吸気弁２４Ｂの閉時期は下死点付近となシ早
くなっているから、機関ピストンの有効ストロークが増
大して実圧縮比が大きくなる。従って当該運転領域では
排気エネルギが小さいため過給圧力はさはど上らないが
、実圧縮比が他の運転領域よシも増大するし、第２の吸
気弁２４Ｂが早期に閉じるので一旦燃焼室２３に吸入し
た吸気の吹き戻シがなく吸気充填効率が良いから、燃費
及びトルクの増大が得られる。

一方、機関回転速度が所定値（２８０Ｏｒｐｍ　）を超
える高速領域ではコントロールユニット１５からの出力
によシミ磁弁１３が開かれ、第１図のようにコンプレッ
サ４の過給圧が電磁弁１３閉時の値を上回る設定値に制
御される。

そして、かかる過給圧の上昇によりダイヤフラム式アク
チュエータ３５の出力ロット３５ａが延出し、リンク３
４、ロッド３３、レバー３２を介して各気筒の開閉弁２
８が支軸２８＆回シに回動して開かれ、第１の吸気ボー
）３Ａが開通する。

この場合、第１の吸気弁２４Ａの閉時期の遅れが大であ
るため、実圧縮比が減少して吸気充填効率が低下しよう
とするが、これに先立って、コンプレッサ４の過給圧が
増大制御されているため、吸気充填効率の低下が抑制さ
れる。この結果第１図に鎖線で示すように開閉弁２８切
換時のトルクの段差が無くなシ、高速域でのトルク特性
を過給圧を増大させた分だけ引き上けることができ、可
及的に出方向上を図れる。

（１５） 又、第４図に点線で示すように、過給圧導入管３６の途
中に三方電磁弁３９を介装し、該電磁弁３９を最大過給
圧切換用の電磁弁１３と連動させ、電磁弁１３の閉時は
電磁弁３９の大気ボートとダイヤフラム式アクチュエー
タ３５の圧力作動室３５Ｃとを連通させ、電磁弁１３の
開時は、電磁弁３９の上下流側を開通（大気ボートは遮
断）させる構成としてもよい。このようにすればリター
ンスプリング３５ｅのセット荷重を小さくしてアクチュ
エータ３５の作動開始圧力を低く設定でき、かつ大気圧
から過給圧への急激な圧力変化によシアクチュエータ３
５の作動速度を増大させて開閉弁２８を一気に開くこと
ができるため開閉弁２８切換時の一時的なトルク変動も
良好に抑制できる。

第６図は、本発明の別の実施例を示し、前記第１の実施
例の構成に、吸気行程末期から圧縮行程初期にかけて過
給を行う構成を付加したものである。

即ち、前記過給を行うためのエアポンプ４０を設け、該
エアポンプ４０の吐出口４０＆とバルブ（１６） チャンバ２９壁を貫通して形成された吸入孔２９ｂとを
ロータリ一式のタイミング制御弁４１を介装した過給通
路４２によって接続する。エアポンプ４０は例えは機関
駆動される。

前記タイきング制御弁４１はカムシャフトの％の速度で
回転する弁体４１Ａに弁孔４１ａが設けられ、第７図に
示すように該弁孔４１ａが第２の吸気弁２４Ｂが閉じる
吸気行程下死点近傍から第１の吸気弁２４Ａが閉じる圧
縮行程半ばまでの間だけ開となるように設定されている
。

かかる構成によれば、タイミング制御弁４１が開となる
吸気行程下死点近傍から圧縮行程半ばにかけて、エアポ
ンプ４０から吐出される高圧空気が過給通路４２を介し
て開閉弁２８下流の第１の吸気ボー）３Ａから燃焼室２
３内に過給される。

この場合、第７図に示すように第２の吸気弁２４Ｂが閉
じる時点では第１の吸気弁２４ＡＦｉまだ相当リフト量
があシ（最大リフトの局程度、例えば４■）過給のため
の高圧空気は大きな抵抗を受けることなく速やかに充填
される。又、第２の吸気弁２４Ｂはエアポンプ４０から
の過給開始と略同時に閉じるので、過給空気の第２の吸
気ボート３Ｂへの吹き返しを防止できる。

したがって、特に排気ターボ過給機１の過給圧が小さい
インターセプト点以下の低速領域において、エアポンプ
４０による過給で排気ターボ過給機１の過給不足を十二
分に補うことができ、高い充填効率が得られ出力を高め
ることができる。この他、エアポンプ４０で過給された
高圧空気が第１の吸気弁２４Ａが閉じた後筒１の吸気ボ
ート３Ａ内に残留し、第１の吸気弁２４Ａが開いた直後
、排圧まで膨張し、燃焼室２３内に残留している燃焼ガ
スを排気ポー）５Ａ、５Ｂに押し出して効果的に掃気す
ることができるので、この面からも新気の充填効率を高
めて出方向上に寄与できる等の利点を兼ね備える。

又、本発明に係る作用効果、即ち、開閉弁２８切換時の
トルクの段差を防止できると共に、高速領域での出方向
上を図れることは第１実施例同様である。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、閉時期の遅れ大の
高速型吸気弁に通じる吸気ボートに設けた開閉弁を機関
回転速度の増大に応じて閉から開に切シ換えるム台←際
に、これ伜よシ上流の吸気通路に介装した過給機の過給
圧を増大する構成としたため、低速領域では、開閉弁を
閉じて実圧縮比を＾めることによシ充横効率を向上でき
ると共に、開閉弁切換時はトルクの段差がなくなシ、か
つ、高速領域での出方向上が図れる等、機関運転領域の
全域に亘って運転特性、特に出力特性を向上できるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来例及び本発明の実施例における機関回転
速度に対する軸トルク及び過給圧の特性を示す線図、第
２図は、本発明の第１の実施例を示す全体構成図、第３
図は同じく燃焼室付近の概略横断面図、第４図は同じく
要部縦断面図、第５図（相は、同じく開閉弁駆動機構部
分の平面図、同図（Ｂｌは、同じく開閉弁駆動機構部分
の正面図、第（１９） ６図は本発明の第２の実施例を示す要部縦断面図、第７
図は前記第１．第２の実施例における各部の作用及び作
動特性を示す線図である。 １・・・排気ターボ過給機　２・・・内燃機関　３・・
・吸気通路　３Ａ・・・第１の吸気ボー）　３Ｂ・・・
第２の吸気ボート　４・・・コンプレッサ　５・・・排
気通路　８・・・排気バイパス通路　９・・・排気バイ
パス弁　１０・・・ダイヤフラム式アクチュエータ　１
１．１２・・・オリフィス　１３・・・電磁弁　１４・
・・過給圧制御用通路　１５・・・コントロールユニツ
）　２４Ａ・・・第１の吸気弁２４Ｂ・・・第２の吸気
弁　２８・・・開閉弁　３２・・・レバー　３３・・・
ロッド　３４・・・リンク３５・・・ダイヤフラム式ア
クチュエータ　３６・・・過給圧導入管 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 （２０）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気筒毎に複数個の吸気弁とこれら吸気弁に至る複数個の
   吸気ボートとを備えると共に、これら吸気ボートより上
   流の合流された吸気通路に過給機を備えてなる内燃機関
   の吸気装置において、前記複数個の吸気弁のうち一部の
   吸気弁の閉時期を圧縮行程途中で閉じるように設定し、
   他の吸気弁の閉時期を前記一部の吸気弁の閉時期よシ早
   く吸気行程下死点近傍で閉じるように設定する一方、前
   記一部の吸気弁に至る吸気ボートに介装される開閉弁と
   、前記過給機の最大過給圧を機関運転条件に応じて切換
   制御する過給圧制御手段と、前記制御手段による過給機
   の最大過給圧の増大側への切換制御に連動して前記開閉
   弁を閉から開に切換作動する開閉弁作動制御手段とを設
   けて構成したことを特徴とする過給機付内燃機関の吸気
   装置。