JPH0331888B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は、内燃機関のアイドリング時等の燃焼
性改善と部分負荷時におけるNOx低減を同時に
図つた吸気装置に関する。

＜背景技術＞ 従来アイドリング時等の燃焼性改善を図つた公
知技術としては、例えば第１図〜第３図に示すよ
うなものがある。これは気筒毎に２個ずつ備えら
れた吸気弁１，２の開時期を変え、これら吸気弁
１，２に通じる２つの吸気ポート３，４を独立し
て設けると共に、排気弁５とのオーバラツプの大
きな高速用の吸気弁２が装着された吸気ポート４
に開閉弁６を設け、アイドリング時等低速領域で
は前記開閉弁６を閉じて実質的なバルブオーバラ
ツプ期間における排気の吹き返しを阻止し、燃焼
の改善を図つている（参考文献：特公昭47−
31724号参照）。

しかしながら、このような従来の吸気ポートを
遮断する方式にあつては、開閉弁６下流の吸気ポ
ート４の容積が種々の制約から小さくすることは
困難で、シリンダ容積の15〜20％程度になる。こ
の部分の吸気ポート４容積が大きいと特に吸気負
圧の大きなアイドリング時に以下のような問題が
生じる。

吸気行程が終り、圧縮行程の初期に吸気弁２が
閉じた時点で吸気ポート４内には圧縮初期の混合
気が閉じ込められるが、該混合気の圧力はアイド
リング時であるから400mmHg程度の負圧の状態で
ある。このため、排気行程の末期に吸気弁２が開
くと、排圧とこの負圧との差圧により、排気が吸
気ポート４内に流入し、吸気ポート４内は排圧近
くまで圧力上昇し、入り込んだ吸気ポート４容積
の約半分近くを占める排気（既燃ガス）が続く吸
気行程で燃焼室７内の混合気に混じる。特に、ア
イドリング時は吸気量が少ないため混合気中に含
まれる既燃ガス割合が大きく、これにより燃焼改
善効果は大幅に目減りしている。そこで、排気の
吸気ポートへの吹き返しを抑制してアイドリング
の燃焼改善効果を高めたものが本願出願人によつ
て提案されている。

このものを第４図及び第５図に基づいて説明す
る。

内燃機関１１の吸気通路１２は絞り弁１３下流
において分岐し、各気筒の燃焼室１４に至る低速
用及び高速用の吸気ポート１５Ａ，１５Ｂに夫々
低速用及び高速用の吸気弁、１６Ａ，１６Ｂが介
装される。又、燃焼室１４に接続する排気ポート
１７Ａ，１７Ｂには夫々排気弁１８Ａ，１８Ｂが
介装されている。そして、第５図に示すように、
前記低速用の吸気弁１６Ａは低速用のカム１９Ａ
に当接従動し、吸気行程上死点近傍で開き始め、
吸気行程下死点近傍で閉じ、一方、高速用の吸気
弁１６Ｂは高速用のカム１９Ｂに当接従動し、排
気行程後期の吸気上死点前30°付近から開き始め、
圧縮行程半ば付近で閉じる。又、排気弁１８Ａ，
１８Ｂは夫々同一形状のカム２０Ａ，２０Ｂに当
接従動して膨張行程後期から開き始め吸気行程初
期に閉じる。前記各気筒毎の低速用、高速用の吸
気ポート１５Ａ，１５Ｂには、高速用の吸気ポー
ト１５Ｂ側にバタフライ式の開閉弁２１を装着し
たバルブチヤンバ２２が介装されている。各気筒
毎の開閉弁２１の支軸２１ａのバルブチヤンバ２
２から突出した一端部にはレバー２３が固定さ
れ、該レバー２３を夫々一本のロツド２４に定間
隔毎に軸支し、該ロツド２４の一端部にリンク２
５を介してダイヤフラム式アクチユエータ２６の
出力２６ａが連結される。

前記アクチユエータ２６は出力ロツド２６ａを
固定したダイヤフラム２６ｂにより一側に仕切ら
れた圧力作動室２６ｃが電磁弁２７、チエツクバ
ルブ２８を介装した信号空気圧導入管２９により
空気圧力源に接続され、電磁弁２７とチエツクバ
ルブ２８との間には空気圧力源からの供給空気を
畜圧するエアリザーバ３０が介装されている。
又、アクチユレータ２６のダイヤフラム２６ｂに
より他側に仕切られた大気圧室２６ｄにはリター
ンスプリング２６ｅが装着される。

開閉弁２１上流の吸気通路１２には吸気負圧を
検出する圧力センサ３１からの信号がコントロー
ルユニツト３２に入力される。コントロールユニ
ツト３２は吸気負圧に応じて、アイドリングを含
む低速領域で前記電磁弁２７への出力をOFFと
し、高速領域でONとするように切換制御する。

電磁弁２７は、非通電時即ち低速領域では、信
号空気圧導入管２９に接続されたポート２７ａを
遮断しつつ下流側の信号空気圧導入管に接続され
たポート２７ｂを大気圧ポート２７ｃと連通さ
せ、高速領域では通電して大気圧ポート２７ｃを
遮断しつつ、両ポート２７ａ，２７ｂ間を連通さ
せるように切換動作する。

したがつて、前記アクチユエータ２６は、低速
領域では、圧力作動室２６Ｃが電磁弁２７を介し
て大気圧と等しくなつているため、リターンスプ
リング２６ｅの付勢力により出力ロツド２６ａが
最短位置まで引き込まれ、この位置でリンク２
５、ロツド２４、レバー２３を介して開閉弁２１
を全閉状態に保持する。又、高速領域では、圧力
作動室２６ｃに電磁弁２７を介してエアリザーバ
３０内の高圧空気が導入され、これにより出力ロ
ツド２６ａがリターンスプリング２６ｅの付勢力
に抗して延び出し、リンク２５、ロツド２４、レ
バー２３の作動を介して各気筒の開閉弁２１を支
軸２１ａ回りに回動させて全開とするようになつ
ている。

また、アクチユエータ２６の出力ロツド２６ａ
が延び出した時に押圧されてONとなるアクチユ
エータ２６の作動完了モニター用のリミツトスイ
ツチ３３が設けてあり、その信号がコントロール
ユニツト３２に入力される。

そして、前記バルブチヤンバ２２壁を貫通して
形成された空気導入孔２２ａと絞り弁１３上流の
吸気通路１２壁を貫通して形成された空気流出孔
１２ａとが下流端部にオリフイス３４を介装した
連通管３５によつて接続される。

尚、３６は各気筒の低速用吸気ポート１５Ａに
装着されたフユーエルインジエクタである。

次に、このものの作用を説明する。

圧力センサ３１からの吸気負圧信号によつて検
出される低速領域においては、電磁弁２７が
OFFとされ、アクチユエータ２６の出力ロツド
２６ａは引き込まれ、各気筒の開閉弁２１は全閉
位置にある。

この状態で、絞り弁１３上流の吸気通路１２は
大気圧を上回り、一方アイドリング等の低負荷条
件では絞り弁１３下流側の高速吸気ポート１５Ｂ
は負圧となつているため、大気圧に近い新気が連
通管３５を介してオリフイス３４により調量され
て高速用吸気ポート１５Ｂ内に流入する。

したがつて、高速用吸気ポート１５Ｂ内の圧力
は高速用吸気弁１６Ｂが閉じて燃焼室１４からの
負圧の影響が断たれた後は、新気の流入により
徐々に昇圧して大気圧に近づく（第６図参照）。

そして、高速用吸気弁１６Ｂが開くまでに高速
用吸気ポート１５Ｂ内圧力は大気圧近くまで上昇
しており、一方、高速用吸気弁１６Ｂが開かれる
時、燃焼室１４内には残留排気が略大気圧に近い
状態で満たされているため、引続き排気行程上死
点に至るまでに燃焼室１４内の残留排気は高速用
吸気ポート１５Ｂへの吹き返しを抑制され、大部
分は排気ポート１７Ａ，１７Ｂへ排出される。

この結果、引き続く吸気行程において燃焼室１
４内に流入する排気の割合を可及的に減少でき、
燃焼改善効果を十分に高めることができるのであ
る。

因みに、連通管３５を設けない場合、開閉弁２
１下流の高速用吸気ポート１５Ｂは第６図に点線
で示すように高速用吸気弁１６Ｂが閉じると高速
用吸気ポート１５Ｂへのガスの出入りがなくなる
ため、次に高速用吸気弁１６Ｂが開くまでの間、
一定の負圧に保たれる。したがつて高速用吸気弁
１６Ｂが開くと排気行程末期に有る燃焼室１４内
の大気圧に近い排気が高速用吸気ポート１５Ｂ内
に急速に逆流し、開閉弁２１下流の高速用吸気ポ
ート１５Ｂ容積の半分近くを排気が大気圧に近い
状態で残留し、続く吸気行程で一気に膨張して燃
焼室１４内に流入する。この場合、例えば、開閉
弁２１下流の高速用吸気ポート１５Ｂの容積がシ
リンダ行程容積の20％、シリンダ隙間容積が12％
程度である。

したがつて、特にアイドリング時等は燃焼室１
４に吸入される吸気中に占める残留排気の割合は
相当大きなものとなり、開閉弁２１を閉じること
による燃焼改善効果が小さいことが明らかであ
る。

一方、高速領域では、電磁弁２７が通電されて
アクチユエータ２６の出力ロツド２６ａが延び出
し、開閉弁２１が支軸２１ａ回りに回動して高速
用吸気ポート１５Ｂを開通させる。

この場合、低速用吸気弁１６Ａに比べて開時期
が早く閉時期が大幅に遅くした高速用吸気弁１６
Ｂを併用して吸気が行われるため、有効圧縮比の
減少により吸気の圧縮上死点温度の上昇を抑制し
てノツキングの発生を抑制しつつ、慣性過給の利
用と高速用吸気ポート１５Ｂ開通による吸気流通
抵抗減少とにより充填効率を向上させて最高出力
の増大を図ることができる。

このように、上記のものは排気の吹き返し防止
により燃焼性改善効果を高めるようにしたもの
で、アイドリング時についてはこれで問題ない。

ところが、それ以外の部分負荷領域において
は、NOx低減のために外部よりEGR排気還流を
行う必要がある現状では、ある程度の残留排気を
残しておいた方が有利であり、バルブオーバラツ
プ期間を適切に設定すれば別途EGR装置設ける
ことなく残留ガス量の調整により十分なNOx低
減を図ることができる。

＜発明の目的＞ 本発明は上記の点に鑑みなされたもので、開閉
弁下流側に導かれる新気の流量を機関運転条件に
応じて調節することによつて、アイドリング時に
は排気の吹き返しを防止して燃焼性改善効果を高
める一方、それ以外の部分負荷領域では負荷の大
きさに応じた量の残留排気を残してNOx低減を
図れるようにした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、本発明は絞り弁下流の吸気通路から
分岐して各気筒毎に吸気行程上死点近傍で開き始
めると低速用吸気弁を装着した低速用吸気ポート
と、前記低速用吸気弁よりも早くかつ排気弁が閉
じる前に開き始めると高速用吸気弁を装着した高
速用吸気ポートとを備えると共に、前記高速用吸
気ポートにアイドリングを含む低速領域で閉じ、
高速領域で開く開閉弁を備えた内燃機関の吸気装
置において、前記高速用吸気ポートの開閉弁下流
部分に大気圧に近い空気を導く空気導入通路と、
該空気導入路に介装され、低負荷時ほど空気導入
量を増大する流量制御弁とを設けた構成とした。

＜作用＞ 上記構成に基づき、流量制御弁を介してアイド
リング運転時には高速用吸気ポートの開閉弁より
も下流側の部分に比較的大量の空気が導入される
ので燃焼室からの燃焼ガスの吹き返しを抑制して
良好な燃焼状態が得られる。

また、この状態から負荷が増大すると高速用吸
気ポートに導入される空気量が減少して、それだ
け開閉弁下流部分に残留する負圧が強くなるの
で、排気行程終了時に排気弁が閉じる以前の大気
圧に近い燃焼ガスの一部が燃焼室から高速用吸気
ポートへと吸入され、あるいは燃焼室内に一部が
留まつて内部EGR状態となる。この結果、アイ
ドリングよりもやや負荷の高い常用運転領域での
NOxの排出量が確実に減少する。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて発明す
る。

第７図及び第８図は第１の実施例の構成を示
し、第４図で示したものと同一の構成要素には同
一符号を付してあり、説明を省略する。

図において、各気筒のバルブチヤンバ２２に形
成された大気導入孔２２ａにブランチ部を接続し
た大気導入マニホールド４０を設け、該大気導入
マニホールド４０の上流開口端に大気の導入量を
制御するダイヤフラム式の流量制御弁４１を接続
する。

流量制御弁４１はダイヤフラム４１ａによつて
一側に仕切られリターンスプリング４１ｂを内装
した圧力作動室４１ｃと、ダイヤフラム４１ａの
反対側に固定され、弁ケース４１ｄと大気導入マ
ニホールド４０との接続部に形成される弁孔４１
ｅの開口面積を可変制御する弁体４１ｆとを備え
て形成される。弁ケース４１ｄには大気導入孔４
１ｇが形成されている。前記圧力作動室４１ｃ
は、負圧導入管４２によつて絞り弁１３下流の吸
気通路１２と連通接続される。

また、大気導入マニホールド４０の下流端部に
は、第４図のものと同様、流量制御弁４１全開時
における大気の導入量を調節するオリフイス４３
が介装されている。

次に本実施例の作用を説明する。

圧力センサ３１からの吸気負圧信号によつて検
出される低速領域においては、電磁弁２７が
OFFとされ、アクチユエータ２６の出力ロツド
２６ａは引き込まれて各気筒の開閉弁２１が全閉
となつている。

一方、アイドリング時には絞り弁１３下流側の
吸気負圧が大きく、この負圧が圧力作動室４１ｃ
に導かれるため、リターンスプリング４１ｂを圧
縮して弁体４１ｅがリフトし、弁孔４１ｅが開か
れて全開となる。

したがつて、大気導入孔４１ｇから導入された
大気が大気導入マニホールド４０を介してオリフ
イス４３により調量されて、負圧状態にある開閉
弁２１下流の高速用吸気ポート１５Ｂ内に流入す
る。このため、高速用吸気ポート１５Ｂ内の圧力
は第４図に示したものと同様、第６図に示すよう
に高速用吸気弁１６Ｂが閉じて燃焼室１４からの
負圧の影響が断たれた後は大気の流入により徐々
に昇圧して大気圧に近づき、高速用吸気弁１６Ｂ
開後の排気の高速用ポート１５Ｂへの吹き返しを
抑制して燃焼性能の改善効果を十分に高めること
ができる。

かかるアイドリング状態から絞り弁１３を開き
始めると第９図に示すように絞り弁１３下流の吸
気負圧が（絶対値；以下同様）が減少し、これに
伴つて圧力作動室４１ｃ内のリターンスプリング
４１ｂの付勢力とバランスする弁体４１ｆのリフ
ト量が減少し弁孔４１ｅの開口面積を絞る。

この結果、第１０図に示すように弁孔４１ｅ開
口面積の減少に応じて、開閉弁２１下流の高速用
吸気ポート１５Ｂに導入される大気の量が減少す
るため、高速用吸気弁１６Ｂが開弁するまでの高
速用吸気ポート１５Ｂ内の圧力上昇が小さくな
る。したがつて、圧力上昇が減少した分だけ高速
用吸気弁１６Ｂの開弁時に燃焼室１４内の大気圧
に近い残留排気が高速用吸気ポート１５Ｂに吹き
返され、次の吸気行程で再びシリンダ内に吸入さ
れる。

このようにして、吸気中に含まれる残留排気の
量が吸気負圧の減少、即ち負荷の増大に応じて増
大し、EGRと同様の作用で燃焼温度を下げられ
る結果、NOxの低減を図れる。負荷が増大して
吸気負圧が所定値（−200ｍHg）程度以上に減少
すると、弁体４１ｆは弁孔４１ｅに圧着して全閉
となり、開閉弁２１下流への大気の導入が停止さ
れる。

このようにして、第１１図に示すような特性が
得られ、通常のEGRを行つた場合と同様、運転
性能を満足させつつ効果的にNOxの発生を抑制
することができる。

因みに、大気導入を行わない場合には第１１図
で点線に示すようにアイドリング時等低負荷域で
吸気量に対する残留排気の割合が著しく増大し
て、燃費、安定性の大幅は悪化を招く。このた
め、バルブオーバラツプ期間を拡大すればNOx
の発生を抑制できることはわかつていても、バル
ブオーバラツプ期間は控え目な値に抑えざるを得
ず、代わりに外部設置のEGR装置によつて必要
な排気還流を行つていたわけである。３元触媒方
式の場合、10〜12％程度のEGR率が得られれば
よいから、本実施例の残留排気量の調整により
EGR装置を省略することは十分に可能となるわ
けである。

第１２図は本発明の第２の実施例を示し、大気
導入マニホールド４０の上流端に電磁式の流量制
御弁５１を設け、該流量制御弁５１をコントロー
ルユニツト５２からの出力により機関回転速度や
暖機状態の検出に応じて極め細かく開度制御し
て、運転条件にマツチングした高精度な制御を行
えるようにしたものである。従つて、急加速時等
の開閉弁２１が閉じた状態下絞り弁１３が全開と
なつた場合でも、流量制御弁５１を全閉とすれ
ば、オリフイスからの吸気の逆流（圧縮行程初期
に発生する）現象の抑制が可能である。

＜発明の効果＞ 以上説明したように本発明によれば、開閉弁下
流に導入する大気圧に近い空気の量を機関運転条
件に応じて可変制御する構成としたため、アイド
リング時には残留排気の吹き返しを抑制して燃焼
性改善を可及的に図れると共に、NOxを低減す
べき運転条件においては負荷の大きさに応じて吸
気中に含まれる残留排気量を適切にコントロール
して良好なNOx低減機能を得ることができ、こ
れにより外部に設置されるEGR装置を省略する
ことができ、コスト低減を図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関の吸気装置の一例を示
す要部平面図、第２図は同上装置の吸・排気弁の
リフト特性を示すグラフ、第３図は同上装置の要
部縦断面図、第４図は本願出願人により提案済の
内燃機関の吸気装置の全体概要を示す構成図、第
５図は同上装置の要部平面図、第６図は同上装置
のアイドリング時の各部特性を示すグラフ、第７
図は本発明の第１の実施例の全体概要を示す構成
図、第８図は同上実施例の要部平面図、第９図は
同上実施例の流量制御弁のリフト特性を示すグラ
フ、第１０図は同じく大気導入量の特性を示すグ
ラフ、第１１は同じく吸気中に含まれる残留排気
量を示すグラフ、第１２図は本発明の第２の実施
例の要部平面図である。 １１……内燃機関、１２……吸気通路、１３…
…絞り弁、１５Ａ……低速用吸気ポート、１５Ｂ
……高速用吸気ポート、１６Ａ……低速用吸気
弁、１６Ｂ……高速用吸気弁、２１……開閉弁、
２３……レバー、２４……ロツド、２５……リン
ク、２６……ダイヤフラム式アクチユエータ、２
７……電磁弁、２９……信号空気圧導入管、４０
……大気導入マニホールド、４１……ダイヤフラ
ム式流量制御弁、５１……電磁式流量制御弁、５
２……コントロールユニツト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 絞り弁下流の吸気通路から分岐して各気筒毎
   に吸気行程上死点近傍で開き始める低速用吸気弁
   を装着した低速用吸気ポートと、前記低速用吸気
   弁よりも早くかつ排気弁が閉じる前に開き始める
   高速用吸気弁を装着した高速用吸気ポートとを備
   えると共に、前記高速用吸気ポートにアイドリン
   グを含む低速領域で閉じ、高速領域で開く開閉弁
   を備えた内燃機関の吸気装置において、前記高速
   用吸気ポートの開閉弁下流部分に大気圧に近い空
   気を導く空気導入通路と、該空気導入通路に介装
   され、低負荷時ほど空気導入量を増大する流量制
   御弁とを設けたことを特徴とする内燃機関の吸気
   装置。