JPS6079110A - 過給機付内燃機関の吸気弁作動装置 - 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〉 本発明は過給機を備えた内燃機関における吸気弁開閉時
期の調整装置に関する。

〈背景技術〉 吸入空気をコンプレッサで機関に過給することにより機
関の吸入空気量を増大させ、燃焼ガス圧力を高めること
によシ、比較的小排気量の機関でも高出力を発生させる
ようにした過給機付内燃機関が知られる。

その代表的なものに、機関の排気圧力を利用して排気タ
ービンを回転し、これと同軸のコンプレッサな回転駆動
して吸入空気を過給するいわゆる排気ターボ過給機があ
る（第３図参照）。

このような過給機付内燃機関にあっては、従来から過給
能力の向上を図ることが機関出力の向上につ力がるもの
として過給機の能力改善に努めてきたのであるが、その
能力も充分となシ、今ではむしろ過給機付内燃機関の出
力を制約する要因としてノッキング防止が強調されてき
ている。即ち過給機付内燃機関においては昇圧した吸入
空気を圧縮・燃焼させるため、どうしてもノッキングが
発生し易ぐなシかつ排気温度が上昇するのである。

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

そこで過給機付内燃機関におっては、その圧縮比を通覚
機関に比べて１程度小さくｎ９計するのが一般的である
。

しかし過給機付内燃機関は常に過給を行うものではなく
、特に前記排気ターボ過給機付の場合、部分負荷時にお
いては過給を効かせないし、低速回転絞弁全開運転領域
では過給そのものが効か女くなる。その結果過給を行う
からこそ圧縮比を低下させたのに対し、過給がなされな
い領域でも圧縮比が低下することとなって、燃費が悪化
し出力トルクが小さく麿ってり、ｔう。

かかる不都合を防止するには圧縮比を高速高角荷では小
さく、低速低狗荷では大きくするというように可変制御
できるのが望ましいが、これは難しい。

ところで、＠槃弁は圧縮行程の適当な詩仙に閉弁し、こ
の時期から実質的な圧縮が開始される。

従って機関の仕様から決定される圧縮比に対し実質的カ
圧縮比（以下実圧縮比という）は前記機関の仕様とこの
吸気弁閉弁時期によって決定されることとなる。この結
果吸気弁閉時期を早め圧縮下死Ｉに近づけるように早め
れば実圧縮比は増大する。

との埃象を利用し過給の効かない領域（例えば排気ター
ボ過＃３機にあっては内燃機関の低速領域）でけ、唱気
弁の閉時期を早めて実圧縮比を向上させ出力・燃費の悪
化を防止する一方、過給領域（同上高速領域）において
は、吸気弁の閉時期を遅らせて実圧縮比を低下させ、ノ
ッキング領域を高過給圧側にスライドさせて、充分な過
給圧のもとて運転Ｌ／　、もって出力を確保することが
できる。

ここにおいて、上記のように実圧縮比を低下させて、圧
縮行程のストローク減少分を補うために過給機によυ過
給圧を増大させれば、過給機出口で吸入空気が昇温し、
その結果圧縮温度が高くな（３） って、第１図に示すようにノッキング領域を低過給圧側
にスライドさせる傾向となる。

しかし吸気弁閉弁時期を遅らすことは、過給圧上昇を過
給機に全面的に依存しなくても吸気の慣性効果で過給効
果を高めることができる。つまり、機関が高速回転に移
行すると、吸気の慣性による気筒内への充填時間のクラ
ンク角度に対する遅れが生じるから吸気弁付近の吸入空
気圧力が最も大きくたる時期が遅れる。従って吸入空気
が気筒内に押し込まれた時期を見計らって吸気弁を遅れ
て閉じるように決定すれば、吸入空包の慣性によシ充填
効率が向上する。一方機関が低速回転にある場合には、
クランク角度に対する吸入空気充填時間の遅れが小さい
から、吸気弁を遅れて閉じると一旦気筒内に充填された
吸入空気が逆流して出てくることとなり、充填効率が低
下する。このため吸気弁を早期に閉じればよい。特に、
過給機関においては、通常の機関よシも圧縮比を１前後
低くしであるため、吸気弁の閉時期が早まシ、実圧縮比
、暇人空気量が共に増大してもノッキングの制（４） 約が少ないためトルク増大の効果が大きい。

このように吸気弁の閉時期を可変制御することは、過給
機の過給効果に加えて吸入空気の慣性過給効果を利用で
きるのである。ここで特徴的な廓は慣性過給は過給機の
ように外部から仕事をされないため（即ち過給機の仕事
量が増えていがいため）吸入空気が慣性効果によって昇
圧しても温度が上昇し力いことである。従って圧縮開始
温度が上昇しないこととなシ、実圧縮比の低減と相剰効
果をもってノッキング領域を高過給圧側に保持でき、こ
の分、よシ過給圧を増大させ得ることにょシ出方向上を
図ることができる。

この意味において、特開昭！５６−７７５１６号は、吸
気弁の閉弁時期を進遅制御しているから上記効果を有す
るとも官えなくはない。即ちこのものは、高速回転領域
で吸・排気弁のバルブオーバーラツプ量を比較的大きく
設定すると共に、吸気弁の閉時期を遅らせて慣性過給効
果を高めもって機関出力を得る一方、低速回転領域では
吸気弁の閉時期を早めて圧縮初期の吸気通路への吸気逆
流を防止すると共に、排気弁の開時期を早めかつ閉時期
を遅らせて、できるだけ多くの排気をυ１気タービンへ
供給するように構成しているのである。

しかしこの従来例では排気弁の開閉時期をも制御して過
給圧の上昇を図ると共に高速回転領域で吸・排気弁のバ
ルブオーバーラツプ量を大きくして出方向上を図ってい
るのでおる。これはせっかく実圧縮比を可変制御しなが
らもただやみくもに過給圧上昇を図ろうとするものであ
るから、実圧縮比を可変制御するというこれまで述べた
実利を何ら意識してい力いことになる。また特にパル・
ブオーバーランプ期間の制御については過給機付内燃機
関においては次のように不都合々のである。

即ち、例えば排気ターボ過給機の場合、第２図に示すよ
うに、最大出力時には排気タービンの抵抗によシ、排圧
が大気圧よシも１，０００τ−ＨＰ程度上昇するが、吸
気圧力の上昇は４００ｍ＊Ｈｆ程度であるため、オーバ
ーラツプの期間に排気がこの大きな差圧によって吸気系
に逆流する現象が生じる。従って機関高速運転時に、吸
気の慣性効果を狙って吸気弁開時期を早めようとすると
上ｕｅ、排気逆流現象によってむしろ充填効率、掃気効
率が低下し出力が低下するから畷気弁の開弁時期を閉弁
時期の遅れ程大きくは進めることができない。

マタ、一般のルーツブロア等による過給機の場合は、逆
に排気抵抗が小さいため、排圧があまり上昇せず、吸気
圧力のみが上昇するから、オーバーラツプ期辿に混合気
が排気系に吹き抜けてしまい、もって燃費の大幅な悪化
を招いてしまう。

従っていずれにせよ過給機付内燃機関の場合は吸気弁の
閉時期の変化を大とし開時期の変化（オーバーラツプ期
間）を小さく（変化なしを含む）する必要がある（例え
ば閉弁時期を下死点後２５゜から６５°に変えても、開
弁時期は上死戸酌５°から１０°に変える程度）。

〈発明の目的〉 本発明は上記の如き従来の過給機付内燃機関の不都合に
鑑み、実質的な圧縮比を吸気弁の閉時期を制御すること
によシ可変制御すると共に、これに伴う吸入空気の大き
な温度上昇のない慣性過給（７） 効果を相剰的に利用して、実圧縮比変化による出力低減
を充填効率の向上によって防止しつつ、ノッキングの抑
制を図シ、更にはバルブオーバーラツプ期間が比較的小
さくなるように吸気弁開時期の変化を小さく制御して充
填効率の向上を図ることを目的とする。

〈発明の概要〉 このために本発明では吸気弁の閉弁時期を可変調整する
と共に開弁時期を前記閉弁時期の変化よシ小さく調整す
る弁開閉時期調整装置を設ける。

尚、過給を行わない機関において、単に慣性過給を得る
目的で吸・排気弁の開閉時期を可変制御する例えばオイ
ルタペット等の動弁機構が従来みられるが、これらは全
て開閉時期双方を等量だけ進遅させるのに最適であって
、これらを本発明にそのまま適用しても上記の如く充填
効率の低下を招くから不適当であり、何らかの工夫が必
要となる。

ところで本発明は機関運転状態（機関回転速度等）によ
って吸気弁の閉時期若しくは開閉時期を（８） 可変制御するものとは限らない。過給機の実質的な過給
開始時の機関回転速度（インターセプト点）を境界とし
て吸気弁の閉若しくは開閉時期を自動的に進遅制御した
シ、機関運転状態に応じて前記吸気弁の開閉時期を連続
的に制御する他に例えば高速道路走行に入る直前の機関
アイドリンク状態において、手動によシ吸気弁の閉若し
くは開閉時期な進遅切換してもよいのである。

〈実施例〉 以下に本発明の詳細な説明する。

第３図は本発明が適用される排気ターボ過給機（以下過
給機という）１を備えた内燃機関２を示す。図において
、内燃機関２の吸気通路３には過給機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、吸入空気を内燃機関に圧
送（過給）する。排気タービン６をバイパスするバイパ
ス排気通路７には排気バイパス弁８が介装されておシ、
吸気通路３のコンプレッサ４及び吸気絞弁９間の過給圧
と大気圧との比較によシ作動するダイヤプラム式アクチ
ュエータ１０を用いて前記排気バイパス弁８を開閉制御
する。これによシ排気タービン６を回動しないでバイパ
ス排気通路７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。尚、図
中、１１は吸気絞弁９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、１２はエアフローメ
ータ、１３は燃料噴射弁である。

このような過給機付内燃機関における吸気弁２０の自動
開閉制御を行う吸気弁作動装置の実施例を第４図〜第７
図に示す。

即ち第４図〜第６図に示すように、４気筒内燃機関２の
ロッカールーム２１内には、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ーシャフト
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２４ＡＩ２４Ｂ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）、他方２４Ｂは低速用である。

ロッカーシャフト２３には、各気筒＋１〜÷４毎に、吸
気弁作動装置であるロッカアーム２６が回動並びに軸方
向スライド自由に軸支されておυ、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シ高連
用着しくは低連用の一方のカム２４１？は２４Ｂに選択
的に当接従動し排気弁用のロッカアーム２７は排気弁作
動用のカム２５に当接従動する。

本実施例の場合点火順序又は噴射順序が＋１−＋３−　
＋４−　＋２であるとすると、ナ１気筒及びす２気筒に
対応する吸惣弁用の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、ナ３気筒及びす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とを設け、これらホルダ２Ｂ
、２９ｅ夫々第１及び第２のアクチュエータ３１．３２
によυ軸方向に切換シフトし、ロッカアーム２６夫々を
対応する高速用カム２４Ａか低速用カム２４Ｂ（１１） の一方に選択接触させるようになっている。

鯖記第１及び第２アクチユエータ３１．３２は、夫々前
記ホルダ２８．２９に連結されたピストンを正又は逆方
向に移動させるための作動油出入口であるＡ、Ｂ及びＣ
，Ｄボートを有しておシ、これは第７図に油圧作動回路
及びその電子制御手段によって示された吸気弁作動時期
調整装置に接続されている。

即ち、第７図において、第１アクチユエータ３１のＡ、
Ｂポ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ボートは電磁方向切換弁３４を
介して、夫々アキュムレーク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によシ又は別置モータ３７により駆動
されるオイルポンプ３Ｂによって、オイルタンク３６か
ら汲み上げたエンジンオイルが導入される。３９はオイ
ルポンプ３８の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はマイクロコンビニー
り等の制御手段４０によシ機関（１２） ″運転状態の検出信号に応じて若しくは手動スイッチに
より切換制御される。制御手段４０の入力信号としては
、この他に車速、吸入弁圧、過給圧、トランスはツショ
ンギャ位置、機関冷却水温、油温、電装部品、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）信号とクランク角基準信号を一例
として入力させている。

これら電磁方向切換弁３３．３４の夫々の切換作動によ
ｐ、アキュムレータ３５内のオイルを第１及び第２のア
クチュエータ３１．３２のいずれか一方のボー）（Ａ又
はＢ、Ｃ又は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着しくは低速用カム２４Ｂのいずれ
か一方と係合させ、吸気弁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（例えば下死点後５
０″〜８０°）、低速用カム２４Ｂは第８図（ＣＩ　。

０に示すように吸気弁の閉時期を上記よシ早める（例え
ば同じく０〜３０°）カム形状とする。このトキの各カ
ム２４Ａ、２４Ｂのトルク特性ｆ第９図に示す。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
例えば下死点前Ｏ〜１０゜程度と略等しくするか若しく
は機関回転速度に応じて多少変化させてもその変化量を
閉時期の変化量よυ小さくしてオーバーラツプ量を小さ
いものとしている。尚このとき排気弁の開時期は下死点
前４０〜５０°閉時期は上死戸後１０〜２０°の一定値
となっている。

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２０００〜３０００　ｒｐｍ以下の低
速回転領域では、制御手段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
。このためアキュムレータ３５のオイルは第１及び第２
アクチユエータのＢ及びＣボートに導入され、ピストン
を作動してホルダ２８．２９ａ−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低速用カム２４Ｂと
係止させる。これにより吸気弁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
トロークを増大して実圧縮比を大きくする。

従って当該運転傾城では、過給圧力がさほど上らないが
、過給機付機関特有の比較的小さな圧縮比であっても実
圧縮比が他の運転領域よシも増大するから出力の低下・
燃費の悪化を招くことを防止できる。

また機関回転速度が約２０００〜３０００　ｒｐｍ以上
の高速回転信号では、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。このとき制御手段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。このため、アキュムレータ
３５のオイルは今度は第１及び第２アクチユエータのＡ
及びＣボートに導入され吸気弁用ロッカアーム２６を図
（１５） で左方向に移動させることによシ高連用カム２４Ａと当
接させる。これによシ、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
グ領域に入らないだめの限界過給圧が高くなシ、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比は過給機によってもた
されるが、吸気弁の閉時期が遅れることによシ、慣性に
基づく吸気流のクランク角度に対する遅れ分を吸気弁閉
時期直前にシリンダ内に送シ込むいわゆる慣性に基づく
過給によってもなされる。この慣性過給は過給機等の外
部の仕事を受けてガされるのではないからシリンダ内に
送シ込まれた即ち圧縮開始時の吸気温度を上昇させるこ
とがない。従って第１図に点線で示すようにノッキング
領域は更に高過給圧側に存在することとなり、よシ充分
力過給圧を得ることができる。この結果、実圧縮比の低
下分を充分な過給圧増大によ）補償することができ、も
って出力の低下を防止（１６） 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
表いが、実圧縮比を変えることにより圧縮比可変と同効
を果たすことができるのである。

上記作用において吸・排気弁の開弁時期のオーバーラツ
プ量は吸気弁の開時期及び排気弁の閉時期が変らないた
め略一定である。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シも高いこと（第２図）による
排気の吹き帰しを招きにくい。これによ多充填効率が増
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。

上記の如き吸気弁の高速用カムと低速用カムとの機関運
転中の切換制御は第１０図の如き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（２４Ａ、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１０図（Ａ）。

■）に示すように各気筒＋１〜＋４のロッカアーム２６
の切換可能な領域が限定される。÷１と≠２、ナ３とφ
４のロッカアーム２６は夫々−組と力っているから＋１
．＋２のロッカブームの共通の移動可能＠斌及び＋３．
＋４の同じく共通の移動可能域において制御手段４０が
タイミングをとって切換制御しなければ寿らない。従っ
て第１０図（Ｏに示すように第１のアクチェエータ３１
による４Ｐ１．Ｉ＃＋２のロッカアーム移動時間と第２
のアクチュエータ３２によるφ３．す４のロッカアーム
移動時間とではずれが生じるのは止むを得ない。この他
ホルダのレイアウトが可能ならば共通の充分な移動可能
域のある＋１と＋３及びす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おる。

また、電磁方向切換弁３３，３４の切換信号として制御
手段４０を用いずに手動スイッチを用いて行うこともで
きる。しかし機関に負荷がかかつている間はロッカアー
ムの移動速度、タイミングとも要求が高いものであるか
ら、例えば高速道路に入る直前のアイドリンク状態若し
くは低速回転領域等を狙って低速から高速用カムへの切
υ換えを行うようにする。このようにすれば低速、高速
用カムの切換えに時間的余裕が出来るので、切換装置の
簡累化ができる。

〈発明の効果〉 以上述べ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したから、実圧縮比を可変にする
ことができると共に慣性過給を利用して昇温のない過給
を一部行うことができる。

これら２つの効果が相乗的に作用して出力低下なくノッ
キングの発生しにくい領域で充分な過給を行って機関を
運転することができる。

またバルブオーバーラツプ期間が比較的小さくなるよう
に嘔気弁開時期の唆化を小さく（０を含めて）シ、もっ
て充填効率の向上を図ったので、上記効果を更に助長す
る仁とができる。

従来の過給機付内燃機関では、一般にノッキングを避け
るため、点火タイミングを遅らせると共に、これによっ
て排温が上昇し排気弁、弁座等の耐久性に問題が生じる
からこれを防止するために混合比の空燃比を濃くして排
温を低下させている。

このため燃費が大きく悪化するものであった。しかし本
発明によると上記の如くタイミングに対す（１９） る余裕度が大きいため点火時期をあまシ遅らせる必要が
なくなる。これによυ出力の増大と共に、排温の低下と
燃費の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は過給機付内燃機関の圧縮比、過給圧及び、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図は過給機付内燃機関の概
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ＦＰ［ｉｌ閉時期調整装置の一部を
示し、第４図はロツ−ＩＦ”’７１／−ム内の平面図、
第５図は吸気弁開閉作動装置の横断面図、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図は本発明の一突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・排気弁の開閉時期を示し
、（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、（ｐ）
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図は本実施例の吸気弁用の低速用カムと高速（２ｏ） 用カムのトルク特性を示すグラフ、第１０図は各気筒の
ロッカアーム移動回部タイミングを示し、仏）は吸気弁
リフト特性図、（Ｂ）はロッカアーム移動可能力領域を
示すタイムチャート、（ｑはカムリフト特性を示すグラ
フである。 １・・・過給機　２・・・内燃機関　２０・・・吸気弁
２２・・・カムシャフト　２３・・・ロッカーシャフト
２４Ａ・・・吸気弁作動用カム（高速用）　２４Ｂ・・
・吸気弁作動用カム（低速用）　２５・・・排気弁作動
用カム　２Ｂ・・・ロッカアーム　２Ｂ・・・ホルダ　
３１・・・第１のアクチュエータ　３２・・・第２のア
クチェエータ　３３，３４・・・電磁方向切換弁　４０
・・・制御手段　≠１〜す４・・・気筒特許出願人　日
産自動車株式会社 代理人弁理士　笹　島　富二雄

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　機関吸気系に設けた過給機のコンプレッサによ
   シ吸入空気を機関に過給する過給機付内燃機関において
   、吸気弁の開閉作動装置に作用して吸気弁の閉弁時期を
   可変調整すると共に吸気弁の開弁時期を前記閉弁時期の
   変化よυ小さく調整する弁開閉時期調整装置を設けたこ
   とを特徴とする過給機付内燃機関の吸気弁作動装置。
2. （２）弁開閉時期調整装置社吸気弁の閉時期を機関運転
   状態に応じて切換調整する構成である特許請求の範囲第
   １項に記載の過給機付内燃機関の吸気弁作動装置。
3. （３）弁開閉時期調整装置は吸気弁の閉時期を手動で切
   換調整する構成である特許請求の範囲第２項に記載の過
   給機付内燃機関の嘔気弁作動装置。