JPH068606B2 - デイ−ゼルエンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はディーゼルエンジンの始動促進およびエミッシ
ョンの改善等のため、断熱圧縮により吸気温度を上昇さ
せるようにした吸気装置に関するものである。

（従来技術） 従来、実開昭５９−１０７９３６号公報に示されるよう
に、ディーゼルエンジンにおいて始動時に着火性を高め
るため、燃焼室に供給する吸気を断熱圧縮して吸気温度
を上昇させるようにした吸気装置（始動促進装置）が知
られている。この装置は、吸気通路に吸気行程の途中で
開作動する開閉弁を設け、具体的には主吸気通路に吸気
絞り弁を設けるとともに、この吸気絞り弁を迂回するバ
イパス吸気通路に開閉弁を設け、始動時から暖機時まで
の低負荷運転状態時に、吸気絞り弁により主吸気通路を
絞つた状態で、上記開閉弁を動弁機構あるいは圧力応動
式の開閉弁等により吸気行程の途中で開作動させるよう
にしている。そしてこのような開閉弁の作動により、吸
気行程の途中までは燃焼室への吸気の導入を制限し、吸
気行程の途中から急激に燃焼室に吸気を導入して断熱圧
縮を行わせている。この装置によると、エアヒータによ
って吸気を加熱する場合と比べ、多大のエネルギーが電
力として消費されることがなく、しかも燃焼室内で効率
良く吸気温度を高めることができる。

ところで、上記従来の装置は、始動促進のため始動暖機
運転時にのみ上記開閉弁を作動させているが、始動暖機
後の通常運転時でも、運転状態等によっては失火や燃焼
不良が生じる場合があり、またこれらに起因して排気中
に白煙や未燃焼成分であるＨＣ，ＣＯが発生し易くなる
ことがあるので、上記開閉弁の作動による断熱圧縮を利
用して燃焼温度を上昇させれば、失火等の防止および排
気中のＨＣ等の低減に有効なものとなる。特に低温時や
大気圧が低くなる高地ではエンジン回転数がかなり高く
なっても失火や燃焼不良が生じる可能性があるので、比
較的広い回転数域に亘って上記開閉弁を作動させること
が望ましい。しかしこの場合、単に開閉弁がほぼ一定の
クランク角で開くように設定されているだけでは、開閉
弁が開いてから吸気弁が閉じるまでの吸気導入時間がエ
ンジン回転数によって変化するため、特定の回転数域で
は上記開閉弁が適正に機能したとしても、他の回転数域
では断熱圧縮効果や吸気充填量が低下し易く、例えばエ
ンジン回転数が高くなると、上記吸気導入時間が短くな
ることにより、充分に吸気を導入しきれなくなって吸気
充填量が低下するというような問題があった。

（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑み、低回転から高回転まで
に亘って、吸気充填量を確保しつつ充分な吸気の断熱圧
縮効果が得られ、エンジンの着火性、燃焼性の向上およ
びエミッションの改善を広い回転数域に亘る範囲で達成
することのできるディーゼルエンジンの吸気装置を提供
するものである。

（発明の構成） 本発明は、吸気通路に開閉弁を設け、吸気行程途中まで
は上記開閉弁を閉状態として燃焼室への吸気の導入を制
限し、吸気行程途中で上記開閉弁を開くことにより急激
に吸気を燃焼室に導入して断熱圧縮を行なわせる吸気導
入規制装置を備えたディーゼルエンジンの吸気装置にお
いて、上記吸気導入規制装置における開閉弁のクランク
角による開作動時期を可変にする駆動手段と、エンジン
回転数が高くなるほど上記開閉弁の開作動時期を進角さ
せるように上記駆動手段を制御する制御手段とを設けた
ものである。

この構成により、広い回転数域に亘り、開閉弁の開作動
時期から吸気行程終期までの時間が、吸気充填量の確保
および断熱圧縮効果を満足することができるように適正
に調整されるものである。

（実施例） 第１図乃至第３図は本発明の第１実施例を示す。これら
の図において、１はディーゼルエンジンの各シリンダで
あって、その内部のピストン２上方には燃焼室３が形成
されており、この燃焼室３には、吸気弁４を備えた吸気
ポート５と、排気弁を備えた排気ポート（図示せず）と
が開口している。上記吸気ポート５に連通する吸気通路
６には、開閉弁１０によって吸気行程途中までは燃焼室
３への吸気の導入を制限し、吸気行程途中から急激に吸
気を燃焼室３に導入して断熱圧縮を行わせる吸気導入規
制装置が設けられている。この吸気導入規制装置は、当
実施例では主吸気通路６ａと、下流端が主吸気通路６ａ
に開口する副吸気通路６ｂとからなる吸気通路６が各シ
リンダ１別に形成され、かつ、主吸気通路６ａの副吸気
通路６ｂ開口位置より上流に吸気絞り弁７が設けられる
とともに、吸気絞り弁７によって主吸気通路６ａが絞ら
れているときに圧力変化に応じて吸気行程途中で開く自
動弁タイプの開閉弁１０が上記副吸気通路６ｂに設けら
れていることにより構成されている。なお、上記主吸気
通路６ａおよび副吸気通路６ｂはそれぞれサージタンク
８，９を介して図外のエアクリーナに接続されている。

上記開閉弁１０は、副吸気通路６ｂのサージタンク９へ
の開口部に配置されており、弁室１１内に設けられて弁
座１２に上流側から当接する弁体１３と、この弁体１３
に連結軸１４を介して連結されたダイヤフラム１５と、
このダイヤフラム１５により仕切られた２つの室１６，
１７と、その一方の室１６内に設けられて弁体１３を開
弁方向に付勢するリターンスプリング１８とを備えてい
る。そして上記一方の室１６は弁体１３、連結軸１４お
よびダイヤフラム１５を貫通した連通孔１９を介して弁
体１３より下流の副吸気通路６ｂに連通し、他方の室１
７はサージタンク９に連通してほぼ大気圧に保たれてい
る。この構造によると、弁体１３より下流の副吸気通路
６ｂ内に負圧が生じたとき、その負圧が上記一方の室１
６に導入されて両室１６，１７の圧力差により弁体１３
を開く方向の力がダイヤフラム１５に作用する一方、弁
体１３自体に加わる圧力およびリターンスプリング１８
のバネ力は抵抗力となり、かつ、弁体１３が開かれると
弁体１３自体に作用する負圧力は小さくなる。従って、
ダイヤフラム１５および弁体１３の受圧面積を適度に設
定し、かつリターンスプリング１８のバネ力を比較的小
さくしておくことにより、吸気絞り弁７により主吸気通
路６ａが絞られている状態では、燃焼室３内およびこれ
に連通する副吸気通路６ｂ下流側に生じる負圧が所定値
以上となる吸気行程途中で弁体１３が開かれ、逆に負圧
が充分に小さくなった時点で弁体１３が閉じられる。他
方、吸気絞り弁７が開かれている状態では、殆ど吸気負
圧が生じないので開閉弁１０の作動が停止され、つまり
閉弁状態に保たれる。なお、上記弁座１２を制振鋼板ま
たはプラスチックで形成するとともに、サージタンク９
の内面に吸音材を装着しておけば、開閉弁１０の作動中
の騒音を低減することができる。

上記主吸気通路６ａに設けられた吸気絞り弁７はアクチ
ュエータ２１に連結されている。このアクチュエータ２
１は例えばダイヤフラム装置により形成され、通路２２
を介して真空ポンプ２３に接続されており、上記通路２
２中には、デューティ比制御等により真空ポンプ２３か
らアクチュエータ２１への負圧導入量をコントロールす
る制御弁２４が設けられている。これらアクチュエータ
２１、通路２２、真空ポンプ２３および制御弁２４によ
り吸気導入規制装置に対する駆動手段が構成されてい
る。この駆動手段は、吸気絞り弁７の開閉ならびに開度
調節を可能とすることにより、開閉弁１０を作動、停止
可能とするとともに、吸気絞り弁７により主吸気通路６
ａを絞って開閉弁１０を作動状態とするときに主吸気通
路６ａから燃焼室３への吸気リーク量を調節可能とし、
この吸気リーク量の調節によって開閉弁１０のクランク
角による開作動時期を変えることができるようになって
いる。つまり、後に詳述するように、吸気行程で生じる
負圧が開閉弁１０の開弁圧に達して開閉弁１０が開作動
する時期（クランク角）は上記吸気リーク量に応じて変
化し、リーク量が少なくなるにつれて開閉弁１０の開作
動時期が進角する。

２５は上記駆動手段を制御する制御回路（制御手段）で
あって、マイクロコンピュータ等からなり、燃料噴射ポ
ンプ等に装備された回転数検出手段２６からの信号およ
びアクセル開度等により負荷を検出する負荷検出手段２
７からの信号を受け、制御弁２４を制御することによ
り、アクチュエータ２１を制御するようにしている。こ
の制御回路２５は、予め開閉弁１０を作動させるべき運
転領域を設定し、エンジン回転数および負荷によって検
出される運転状態が上記運転領域にあるときは吸気絞り
弁７を小開度に閉じて開閉弁１０を作動させるようにア
クチュエータ２１を制御するとともに、この場合にエン
ジン回転数の検出信号に応じ、制御弁２４およびアクチ
ュエータ２１を介して吸気絞り弁７の開度を制御するこ
とにより、エンジン回転数が高くなるほど開閉弁１０の
開作動時期を進角させるように吸気リーク量を制御して
いる。すなわち、エンジン回転数が高いときは吸気絞り
弁７の角度を小さくして吸気リーク量を少なくし、エン
ジン回転数が低くなるにつれて、吸気絞り弁７の開度を
少しずつ大きくして吸気リーク量を増加させるように制
御している。なお、開閉弁１０を作動させるべき運転領
域は着火性、燃焼性の向上が要求され、かつ開閉弁１０
が有効に機能し得るような領域に設定され、例えば始動
運転領域から開閉弁１０の追従限界回転数（それ以上の
回転数では負圧変動に開閉弁１０が正しく追従しきれな
くなる回転数）付近までのある程度広い回転数域に亘る
範囲で比較的低負荷の領域（始動運転領域を含む）に設
定されている。そしてこのような領域以外では、ポンピ
ングロスを低減するとともに吸気の導入を容易にするた
め、吸気絞り弁７を開くことにより主吸気通路６ａを開
通させて開閉弁１０の作動機能を停止させるようにして
いる。

上記のごとき吸気装置によると、吸気絞り弁７により主
吸気通路６ａが絞られた状態では、吸気行程の途中で開
閉弁１０が開き、つまり吸気行程の途中までは燃焼室３
への吸気導入が制限されて燃焼室３内の負圧が次第に大
きくなり、この負圧が所定値以上になると上記開閉弁１
０が開かれて副吸気通路６ｂから燃焼室３に急激に多量
の吸気が導入される。これによって吸気の断熱圧縮が行
われ、燃焼室３内の温度が上昇し、着火性および燃焼性
が高められる。

そしてこの場合に、エンジン回転数に応じ、制御回路２
５により駆動手段を介して開閉弁１０の開作動時期が適
正に制御される。この作用を第４図および第５図に基い
て次に説明する。

第４図は、吸気絞り弁７により主吸気通路６ａを絞って
自動弁タイプの開閉弁１０を作動させるようにした状態
での、吸気行程での燃焼室３内の圧力変動および開閉弁
１０の開作動時期を、横軸をクランク角として示してお
り、曲線Ａは主吸気通路６ａを通って燃焼室３に流入す
る吸気リーク量をある程度多くした場合の圧力変動、曲
線Ｂは上記吸気リーク量を少なくした場合の圧力変動を
表わしている。この図に示すように、燃焼室３内の圧力
はＴＤＣ時から次第に低下するが、開閉弁１０が開作動
し得る範囲で吸気リーク量を多くすれば、上記の圧力低
下が緩かになるため、負圧が上記開閉弁１０の開弁圧Ｐ
に達する開作動時期Ｔａが遅らされ、吸気リーク量を少
なくすれば開作動時期Ｔｂが進角される。そこで当実施
例では、前述のように、吸気絞り弁７の開度調節によ
り、高回転時ほど開作動時期を進角させるように吸気リ
ーク量を制御している。

そしてこのように制御した場合に、横軸を時間軸とした
燃焼室３内の圧力変動は、低回転時と高回転時とにおい
てそれぞれ第５図（ａ） (b)に実線Ａ₁，Ｂ₁で示す
ようになり、いずれのときも開閉弁１０の開作動時期Ｔ
ａ，Ｔｂから吸気行程終期までの時間が適正に保たれ
る。つまり、吸気行程での開閉弁１０の開作動後は、副
吸気通路６ｂから燃焼室３に吸気が導入されて燃焼室３
内の負圧が小さくなり、大気圧付近まで復帰すると開閉
弁１０が閉じるが、もし低回転時に開閉弁１０の開作動
時期を不必要に進角させたとすると、第５図(a)に２点
鎖線Ａ′で示すように、ＢＤＣ時点より前に開閉弁１０
が早く閉じすぎてその後に再び圧力低下が生じ充填量が
低下する。このため、低回転時には実線Ａ₁で示すよう
に吸気リーク量をある程度多くして適度に開閉弁１０の
開作動時期Ｔａを遅らせることにより、開閉弁１０の閉
作動時期を吸気行程終期とほぼ一致させており、これに
よって充填量が確保される。

一方、高回転時には、もし低回転時において適正な開作
動時期Ｔａと同じクランク角で開閉弁１０を開作動させ
たとするとその開作動時期Ｔａから吸気行程終期までの
吸気導入時間が低回転時と比べて短くなるので、第５図
(b)に２点鎖線Ｂ′で示すように、負圧が充分小さくな
るまでに上記吸気導入時間が経過して吸気を充分に導入
しきれず、充填量および断熱圧縮効果が低下する。この
ため、高回転時には開閉弁１０の開作動時期Ｔｂを進角
させることにより、上記吸気導入時間が短くならないよ
うにしており、これによって高回転時にも吸気充填量が
確保され、かつ断熱圧縮効果が高められる。

なお、開閉弁１０が作動状態にあるとき、吸気行程で開
閉弁１０が開くまでの期間はピストン２まわりからも少
量ずつ空気がリークして燃焼室３内に流入するので、こ
のリーク分を考慮して吸気絞り弁７での吸気リーク量は
充分に少なくしつつコントロールするようにし、特に作
動時期を進角させるときには吸気絞り弁７をほぼ全閉状
態とし、閉鎖不良による吸気の洩れを防止する必要があ
る。このため、例えば吸気絞り弁７の弁軸を吸気絞り弁
７の中心よりオフセットさせ、あるいは吸気絞り弁７の
周辺に対応する主吸気通路６ａの内面をゴム等のシール
性に富む材料で形成する等により、閉鎖不良を防止して
リークコントロールを高精度に行うようにしておくこと
が好ましい。

また、本発明における吸気導入装置および駆動装置の具
体的構造は上記実施例に限定されず、種々変更可能であ
って、その数例を次に説明する。

第６図および第７図に示す第２実施例では、自動弁タイ
プの開閉弁１０が主吸気通路６ａに設けられており、副
吸気通路６ｂは設けられていない。この開閉弁１０は、
第１実施例のものと同様の構造により圧力変化に応じて
開閉作動するようになっているが、その端部が主吸気通
路６ａに回転軸１０ａを介して取付けられることによ
り、主吸気通路６ａ中に位置して吸気導入を規制する作
動状態と、主吸気通路６ａの側壁に設けられた凹部３０
に格納されて主吸気通路６ａを開通させる停止状態とに
回動可能となっている。そしてこの開閉弁１０は、上記
回転軸１０ａを介してこの開閉弁１０を回動させるアク
チュエータ３１等で構成された作動、停止切替用の駆動
部により、運転状態に応じて作動状態と停止状態とに切
替えられるようになっている。また、主吸気通路６ａの
開閉弁１０より上流側と下流側との間には小径のリーク
通路６ｃが設けられ、このリーク通路６ｃには、チェッ
ク弁３２が設けられるとともに、開閉弁１０の開作動時
間を可変にする駆動手段としてリニアソレノイドバルブ
等を用いたリークコントロールバルブ３３が設けられて
いる。

この構造による場合、開閉弁１０が作動状態にあると
き、制御回路２５によるエンジン回転数に応じてリーク
コントロールバルブ３３の制御により、第１実施例の場
合と同様に開閉弁１０の開作動時期が調整されるよう
に、吸気リーク量を制御すればよい。つまり、リークコ
ントロールバルブ３３の開度を大きくすると、リーク通
路６ｃを通つて燃焼室３に流入する吸気リーク量が多く
なって、吸気行程での燃焼室３内の圧力の低下が緩やか
になることにより、負圧が開閉弁の開弁圧に達する開作
動時期が遅らされ、逆にリークコントロールバルブ３３
の開度を小さくすると、上記開作動時期が進角される。
従って、エンジン回転数が高くなるにつれてリークコン
トロールバルブ３３の開度を小さくすればよい。またこ
の構造においてリーク通路６ｃに設けられたチェック弁
３２は、開閉弁１０が開から閉に作動したのち吸気弁４
が閉じるまでの間に、吸気がリーク通路６ｃに逆流する
ことを防止し、つまり吸気の吹返しによる充填率の低下
を防止する作用をなす。

これら第１実施例および第２実施例はいずれも、吸気リ
ーク量の制御によって自動弁タイプの開閉弁１０の開作
動時期をコントロールしているが、開閉弁１０における
リターンスプリング１８のバネ力を調節可能とすること
により開閉弁１０の開弁圧を可変とし、この開弁圧を制
御することにより、開閉弁１０の開作動時期を制御する
ようにしてもよい。

第８図，第９図は本発明装置の第３実施例を示し、この
実施例では、吸気導入規制装置として、主吸気通路６ａ
に吸気絞り弁７が設けられる一方、副吸気通路６ｂに、
ロータリバルブからなる開閉弁４０が設けられている。
この開閉弁４０はエンジン出力軸４１にギヤ４２，４３
および連動軸４４，４５を介して連動し、連動軸４４，
４５間には一対のヘリカルスプライン４６，４７および
これらに係合する調整部材４８からなるタイミング調整
機構が設けられている。このタイミング調整機構は、上
記調整部材４８の軸方向移動により上記両連動軸４４，
４５が回転方向に相対変位して開閉弁４０の開閉タイミ
ングを変えることができるようになっており、このタイ
ミング調整機構とこの機構の上記調整部材４８を作動す
るアクチュエータ４９、真空ポンプ５０、通路５１、制
御弁５２等により開閉弁４０の開作動時期を可変とする
駆動手段が構成されている。そして制御回路２５により
この制御弁５２等を介して上記タイミング調整機構が制
御されることにより、エンジン回転数に応じて開閉弁４
０の開作動時期が制御されるようになっている。吸気リ
ーク量をコントロールする必要はないので、主吸気通路
６ａ中の吸気絞り弁７は図外のアクチュエータにより単
に運転領域に応じて開閉させればよい。

この構造による場合も、低速時には、開閉弁１０が必要
以上に早く開くと断熱圧縮効果が低下したり吸気の吹返
しが生じたりするため、開閉弁１０の開作動時期が適度
に遅らされ、エンジン回転数が高くなると開閉弁１０の
開作動時期が進角されることにより吸気行程終期までの
時間が適正に確保される。

さらに他の実施例として、第２実施例に示すような主吸
気通路とリーク通路とからなる吸気通路構成で、エンジ
ン出力軸に連動するロータリバルブタイプの開閉弁を主
吸気通路に設けてもよい。この場合も、エンジン出力軸
と開閉弁との間の連動機構にタイミング調整機構を組込
み、これをエンジン回転数に応じて制御すればよい。つ
まり、前述の第２実施例では主吸気通路６ａに自動弁タ
イプの開閉弁１０を設けているが（第６図参照）、これ
の代りにロータリバルブタイプの開閉弁を設けるととも
に、その開弁タイミングを可変とするタイミング調整機
構を制御して、吸気の断熱圧縮を行わせるべき運転領域
では、開閉弁を吸気行程途中で開かせ、かつエンジン回
転数が高くなるにつれて開閉タイミングを進角させるよ
うにすればよい。また吸気の断熱圧縮を行わせるべき運
転領域以外では、開閉弁を吸気行程の全期間中間かせる
ように開閉タイミングを調整し、あるいは連動遮断手段
を組込んで開閉弁を開状態に停止させるようにしておけ
ばよい。

また、吸気通路に過給機を備えたディーゼルエンジンに
おいては、第３実施例や上記実施例のようにロータリバ
ルブからなる開閉弁とエンジン出力軸との間にタイミン
グ調整機構を組込んだ構造による場合に、特定の運転領
域で吸気の断熱圧縮を行わせるように開閉弁を作動させ
るほかに、高負荷時等には開閉弁を吸気行程途中までの
期間だけ開かせるようにして、燃焼室内の最高圧力を抑
えつつ過給効果を高めるアトキントンサイクルに上記開
閉弁を利用することもできる。

（発明の効果） 以上のように本発明は、吸気通路に設けた開閉弁を吸気
行程の途中で作動させて吸気の断熱圧縮を行わせるとと
もに、この開閉弁のクランク角による開作動時期をエン
ジン回転数が高くなるにつれて進角させるようにしてい
るため、広い回転数域に亘り、開閉弁の開作動時期から
吸気行程終期までの時間を適正に調整して吸気充填量を
確保しつつ断熱圧縮効果を高めることができる。従って
始動性の改善に加え、低温時あるいは高地等における失
火や燃焼不良および白煙やＨＣ等の発生を防止するとい
う効果を、広い回転数域に亘って達成することができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の装置の縦断側面図、第２
図はこの装置の概略横断平面図、第３図は開閉弁の拡大
断面図、第４図は第１実施例の装置による場合の燃焼室
内の圧力変動および開閉弁の開作動時期をクランク角に
対応させて示す説明図、第５図(a) (b)は低回転時と高
回転時とにおける燃焼室内の圧力変動および開閉弁の開
作動時期を時間に対応させて示す説明図、第６図は第２
実施例の装置の縦断側面図、第７図は第６図のVII−VII
線に沿った断面図、第８図は第３実施例の装置の縦断側
面図、第９図はこの実施例の装置の概略平面図である。 １…シリンダ、３…燃焼室、４…吸気弁、６…吸気通
路、７…吸気絞り弁、１０，４０…開閉弁、４０…開閉
弁、２１〜２４，３３，４１〜５２…開閉弁の開作動時
期を可変にする駆動手段、２５…制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気通路に開閉弁を設け、吸気行程途中ま
   では上記開閉弁を閉状態として燃焼室への吸気の導入を
   制限し、吸気行程途中で上記開閉弁を開くことにより急
   激に吸気を燃焼室に導入して断熱圧縮を行なわせる吸気
   導入規制装置を備えたディーゼルエンジンの吸気装置に
   おいて、上記吸気導入規制装置における開閉弁のクラン
   ク角による開作動時期を可変にする駆動手段と、エンジ
   ン回転数が高くなるほど上記開閉弁の開作動時期を進角
   させるように上記駆動手段を制御する制御手段とを設け
   たことを特徴とするディーゼルエンジンの吸気装置。