JPS6060223A - 自動車用エンジン - 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】 （技術分野） 本発明は自動車用エンジン、詳しくは低速定常走行時に
は稀薄混合気で出力走行時には濃厚混合気で燃焼を行う
ことにより、燃費の改善と有害排出物の低減とを図りつ
つ運転性の向上を図った自動車用エンジンに関する。

（従来技術） 近年とみに仲くなった省資源、低燃費の要求とも相まっ
て、排出ガスの無公害化は自動車用エンジンにおける最
も大きな課題の１つである。

一般に、排気ガス中のＨＣ，、ＣＯの発生はエンジンの
シリンダ内における不完全燃焼によるものであり、充分
な空気を供給し高温下で効率よく燃焼させれば、それら
の生成は大幅に減少させることが可能であり、これはエ
ンジンの燃焼効率の向上ともつながる。これに反して、
排気ガス中のＮＯｘの発生を減少させることは、本質的
に燃焼ザイクルの最高温度を下げ、エンジンの燃焼効率
の向上と相反する傾向にある。

従来その対策方法の１つととして混合比を変える方式が
知られており、この方式は燃焼を出来る限り稀薄混合気
で効率よく燃焼させるごとにより、燃焼効率を損なわず
に排気ガス中の有害成分（ＩＩＣ，Ｃｏ、Ｎ０ｘ）の減
少を図ろうとするものである。

この方式を採用した従来の自動車用エンジンとしては、
例えば特公昭５７−１２０１１号公報に記載されたもの
がある。このエンジンを第１〜３図に基づき説明すると
、１はシリンダヘッドを示し、シリンダへソド１には吸
・排気弁２．３および３個の点火プラグ４．５．６が設
けられている。このシリンダヘッド１はシリンダ７内に
移動可能に収納されたピストン８とともに燃焼室９を画
成しており、燃焼室９には図示していない吸気通路を通
して気化器から混合気が供給される。気化器は燃焼を促
進するため微粒化装置あるいは加熱による気化装置等を
備えており、通常はＨＣ，Ｃｏ、ＮＯｘ共極めて少ない
混合比２０程度の稀薄混合気を、また加速時等は濃厚混
合気を供給する。点火プラグ４．５．６には、クランク
ケース１０内のクランクシャフト１１に同期してその接
点が回転するディストリビュータ１２．１３．１４から
点火信号がそれぞれ供給されており、これらの点火信号
により点火プラグ４．５．６はすべて同時に点火する。

このような自動車用エンジンは、混合比を２０付近に維
持するとともに、混合気の稀薄化により生ずる燃焼速度
の遅れに対して３個の点火プラグ４．５．６を同時に点
火させ、火炎速度そのものは遅いが３方から火炎が伝播
することにより、所定のクランク角内で燃焼を完了させ
燃焼遅れによる出力低下、着火ミスによるエンジン不調
をなくし実用的な出力特性を得ている。

また、混合気をＮＯｘ発生が少ない混合比２０付近で上
記のように効率よく燃焼させることにより、排気ガス中
のＮＯｘの減少と共にＨＣ，ＣＯも最小に抑えつつ燃費
の向上を図っている。

しかしながら、このような従来の自動車用エンジンにあ
っては、低速定常走行では混合比２０程度の稀薄混合気
で運転し、絞り弁が全開となる出力走行時のみ混合気を
濃厚にして出力不足を補う構成となっていたため、低速
定常走行から出力走行に移行する際、絞り弁の作動に対
して吸気通路により供給される混合気の混合比　−変化
が緩慢であることから、絞り弁下流側の吸気通路（例え
ば、吸気マニホルド）番λ残留している稀薄混合気が供
給された後に、濃厚混合気が供給される。このため、エ
ンジン出方の立ち上がりが一瞬遅れいわゆる加速の息つ
きを生してしまう。その結果、運転車者の意図に反して
車両をスムーズに加速することができず運転性が悪化す
るという問題点があった。

（発明の目的） そこで本発明は、絞り弁下流から吸気弁までの吸気通路
容積をエンジン総排気量の１／３以下に設定するととも
に、吸気弁の閉弁時期をエンジン回転数に応して制御す
ることにより、絞り弁の作動に対してシリンダ内に供給
される混合気の混合比変化を速やかに行い加速時の息つ
き現象を防止するとともに、低速時にお＆Ｊる混合気の
充填効率を高めてエンジンの運転性を向上させることを
目的としている。

（発明の構成） 本発明による自動車用エンジンは、低速定常走行では稀
薄混合気が、出力走行では濃厚混合気が供給される。そ
して、上記自動車用エンジンは絞り弁下流から吸気弁ま
での吸気通路容積をエンジン総排気量の１／３以下に設
定するとともに、吸気弁の閉弁時期を可変にする弁開閉
時期可変手段を設け、低回転時には吸気弁を下死点近傍
で閉弁し高回転時には下死点より遅く閉弁することによ
り、絞り弁の作動に対してシリンダ内に供給される混合
気の混合比変化を速やかに行うとともに、低速時におり
る混合気の充填効率を高めるものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基いて説明する。

第４〜６図は本発明の第１実施例を示す図であり、本発
明を直列４気筒エンジンに適用した例を示している。

まず、構成を説明すると、２１は直列に４個のシリンダ
２２が配設されたエンジンを示し、エンジン２１のシリ
ンダヘッド２３には各シリンダ２２内の燃焼室に連通ず
る吸気ボート２４および排気ボート２５が形成されてい
る。これらの吸気ボート２４および排気ボート２５は吸
気弁２６および排気弁２７によりそれぞれ開閉される。

また、各シリンダ２２には吸気ボート２４を介して吸気
通路２８が接続されるとともに、排気ボー１−２５を介
して排気通路２９が接続されている。吸気通路２８は図
示していないエアクリーナを介して外気に連通しており
、その通路途中には上流側から気化器３０および絞り弁
３１が順次配設されている。また、吸気通路２８は絞り
弁３１下流側に位置する集合部３２と、該集合部３２か
ら分岐して各シリンダ２２内の燃焼室に連通ずる４個の
分岐部３３と、を有しており、分岐部３３の長さβ（第
５図参照）は出来る限り短く設定される。そして、絞り
弁３１下流から吸気弁２６までの吸気通路２８の容積（
すなわち、集合部３２および４個の分岐部３３の容積の
総和）はエンジン２１の総排気１（４（１１ｉ１ノシＩ
Ｊ　７ダ２２容積の総和）の１／３以下に設定されてい
る。前記気化器３０は上記のように設定される吸気通路
２８に絞り弁３■の開度に応して所定混合比の混合気を
供給しており、低速定席走行時（絞り弁３１の開度がＯ
〜３／４である範囲をいう）には混合比２０程度の稀薄
混合気を、出力走行時（絞り弁３１）の開度が３／４を
超え４／４までの範囲をいう）には混合比１４．７　（
理論空燃比）かあるいはそれ以下の濃厚混合気を供給す
る。

また、吸気弁２６は第６図に示す弁開閉時期可変手段３
４により、その閉弁時期が可変になされている。弁開閉
時期可変手段３４は一端がエンジン回転に同期して回転
する弁駆動カム３５に当接し他端が吸気弁２６のステム
エンＦ’　２６　ａに当接するロッカアーム３６と、ロ
ッカアーム３６の背面にその長手方向に沿って配設され
該ロッカアーム３６の回動軸３７を吸気弁２６の略軸線
方向に移動可ｆｉＨに保持するとともにスプリング３８
によりロッカアーム３６から離隔する方向にイ」勢され
ているレバー３９と、シリンダヘッド２３に固定された
ブラケット４０に埋設されるとともにその先端部である
アクチュエータ４１がレバー３９の端部に当接し図中上
下方向に移動してロッカアーム３６とレノ＼−３９との
離隔距離を変える油圧ピボット４２と、を有している。

この弁開閉時期可変手段３４はエンジンの回転数に基い
てオイルギヤラリ４３がら油圧ピボット４２の第１油圧
室４４に供給する制御油圧を変えることにより、アクチ
ュエータ４１の移動距離を変えレバー３９とロッカアー
ム３６との離隔距離を変更して該ロッカアーム３６の揺
動支点をその背面に沿って移動させ吸気弁２６のリフト
量および開閉時期を可変とする。すなわち、エンジン２
１が低回転域にあるときには、オイルギヤラリ４３から
供給される制御油圧が第２油圧室４５内の油圧およびコ
イルスプリング４６の付勢力より小さくアクチュエータ
４１が下方へ移動せずレバー３９とロッカアーム３６と
の離隔距離が大きい。このため、弁駆動カム３５０回転
によりロッカアーム３６はその支点を移動させながら図
中時計回りの方向に回動するが、この場合ロッカアーム
３６の支点は該アーム３６の屈曲部の頂点近傍までは移
動しない。したがって、バルブスプリング４７により閉
弁方向にイ」勢されている吸気弁がのリフト量（押し下
げ量）は小さく、また開弁時期が遅くなり閉弁時期が早
くなる。一方、エンジン２１が高回転域にあるときには
、上記制御油圧が第２油圧室４５内の油圧およびコイル
スプリング４６の付勢力より大きく逆止弁４Ｂが閉弁し
て第２油圧室４５に制御油圧が導入されアクチュエータ
４１が下方へ移動してレバー３９とロッカアーム３６と
の離隔距離を狭める。この場合、ロッカアーム３６は弁
駆動カム３５の回転によりその支点を徐々に該アーム３
６の屈曲部頂点近傍まで移動させながら図中時計回りの
方向に回動する。

したがって、吸気弁ルのリフト量が大きくなるとともに
、開弁時期が早くなり閉弁一時期が遅くなる。

なお、シリンダヘッド２３には各シリンダ２２に対向す
る位置に１つのシリンダ２２毎に複数の点火プラグ（図
示路）が取り付けられており、これらの点火プラグはシ
リンダ２２毎にすべて同時に点火する。

次に作用を説明するが、最初に本発明の原理について説
明する。

第７図は一般的な自動車エンジンにおいて総排気量１８
００ｃｃ、回転数１５０Ｏｒｐｍ　、　）ルク３ｋｇ・
ｍのとき１、ＮＯｘの低減率９０％が得られるように排
気還流（ＥＧＲ）を行った場合の混合比と燃料消費率と
の関係を示す図である。この図から明らかであるように
、混合比が稀薄化する程燃料消費率が低減し、またＥＧ
Ｒ量も減少している。特に、混合比２０付近においては
、燃焼温度が低下してＮＯｘの発生が少なくなるととも
に燃料消費率も極めて少ないものとなる。しかしながら
、ＥＧＲを全く行わずにＮＯｘの低減率９０％を達成し
混合比２０以上で運転することができる実用的なエンジ
ンは実際上未だ実現されていない。その理由は大別して
２つあり、第１の理由は混合比２０以上で運転した場合
エンジン加速時に大きな息つき現象が発生して運転性が
悪化することであり、第２の理由はこのような息つき現
象を防止するために、例えば吸気通路の長さを短くする
と低速時に混合気の充填効率が低下しやはり運転性が悪
化することである。

すなわち、このような稀薄燃焼を行うエンジンにおいて
、第８図ａに示すように所定の加速タイミングも、で低
速定常走行から絞り弁開度を全開とする加速走行（出力
走行）に移行する際、低速定常走行時に混合比１４〜１
５程度の理論空燃比近傍の混合気で運転していれば、第
８図すに破線Ｂ、で表示するように混合気を直しに濃化
して第８図Ｃに同しく破線Ｃ１で表示するようにエンジ
ン出力を速やかに増大さ−ヒることができる（息つき現
象が発生しない）。一方、低速定常走行時に混合比２０
程度の稀薄混合気で運転していれば、第８図すに実線Ｂ
２で表示するように加速タイミングｔ、から遅れたタイ
ミングｔ２でようやく混合気を濃化することができ、第
８図Ｃに実線Ｃ２で表示するようにエンジン出力の増大
が遅れて加速応答遅れ（タイムラグ）Ｔが生じる（すな
わち、大きな息つき現象が発生ずる）。この原因は従来
技術の項でも説明したように、加速走行時には混合比を
理論空燃比と同程度かあるいはそれ以上に濃化しなけれ
ば加速に必要なエンジン出力を十分に確保することがで
きないが、絞り弁の開度変化に対して混合比の変化が緩
慢であることからどうしても混合比変化に応答遅れが生
じるためである。

ところで、このような不具合を解消するには、絞り弁が
全開となる加速タイミングｔ１で速やかに濃厚混合気を
シリンダ内に供給すればよいことは明白である。その方
法として、例えば、絞り弁下流から吸気弁までの吸気通
路容積をエンジン総排気量の１／３以下に減少させれば
、加速応答遅れを実用上支障のない値以下とすることが
できるという事実が実験の結果判明している。第９．１
０図は総排気量１８００ｃｃのエンジンについてその実
験結果を示す図である。第９図において、曲線Ｄ２は上
記容積が８００ｃｃ　（総排気量の約１／２）である従
来の吸気通路における稀薄混合気からの加速特性を示し
、また曲線Ｄ３はその容積が６００ｃｃ　（総排気量の
ｌ／３）、曲線り一はその容積が４５０ｃｃ　（ｍ排気
量の１／４）である場合をそれぞれ示し、さらに曲線り
、はその容積が８００ｃｃで理論空燃比近傍の濃厚混合
気からの加速特性を示している。また、第１θ図におい
て、加速応答遅れが実用上支障のない値Ｔ、となる場合
を上記容積が８００ｃｃで濃厚混合気からの加速時とす
ると、稀薄混合気からの加速応答遅れは上記容積を８０
０ｃｃ　、６００ＣＣ’−４５０ｃｃと変えた場合、図
中実線上のＥ２、Ｅ３、Ｅ−４とそれぞれ変化する。以
上のことから、上記容積を少なくともエンジン総排気量
の１／３以下に設定すれば、加速応答遅れをなくするこ
とができる。

しかしながら、吸気通路容積を減少させるには吸気抵抗
の点から吸気通路の長さを短くするのが一般的であり、
その場合低回転域において吸気の脈動効果を活用するこ
とができず混合気の充填効率が低下する（エンジン出力
の低下を招き、特に低速出力走行時の運転性が悪化する
）という新たな不具合が発生ずる。これは前述した第２
の理由に該当する。すなわち、第１１図に示すように吸
気通路の長さしを０〜３ｍの範囲で変化させた場合、該
長さＬが短くなると吸気の脈動効果により高回転域での
充填効率は高められるが、低回転域でのそれは低下して
しまう。ここで、吸気通路の長さしと吸気の脈動効果を
得ることができる同調回転数ＮＯとの間には次式で示さ
れる関係がある。

ただし、　ｎニジリンダ数 ａ：音速（ｍ／ｓｅｃ’ｌ 上式は吸気通路の長さしが短くなると、上記同調回転数
Ｎｏが上昇し低回転域での充填効率が低下することを示
している。

一方、充填効率は吸気弁の閉弁時期に対して第１２図に
示す相関関係（すなわち、吸気の慣性効果）を有してい
る。この図において、曲線Ｆ１は通電の閉弁時期（例え
ば、下死点後５２゜近傍）、曲線Ｆ２は早い（下死点近
傍）閉弁時期におけるそれぞれの充填効率を示しており
、閉弁時期を早めると低回転域での充填効率が高められ
る。これは、次のような理由による。すなわち、吸気行
稈の下死点では吸気流入の遅れ（吸気の慣性）によって
シリンダ内圧力は吸気通路圧力よりも低い。したがって
、未だ吸気の流入が続いているので、吸気弁の閉弁時期
を遅らせたほうが充填効率が高くなる。下死点を過ぎる
と、ピストンによる圧縮が始まり、圧力が上昇し始め、
やがてシリンダ内圧は一気通路圧力に等しくなる。ここ
でなお吸気弁が開いていると、今度はシリンダ内圧が吸
気通路圧力よりも高くなって、一度シリンダに吸入され
たものが吸気通路へ押し戻されることになる。したがっ
て、最大の充填効率を得るには、シリンダ内圧が吸気通
路圧力に等しくなった瞬時に吸気弁を閉じればよい。回
転数が高いときは吸気の流入遅れが大きいため、最大の
充填効率を得る閉弁時期は遅くなる。一方、回転数が低
い、ときは、逆に吸気弁を早く閉しる場合に最大の充填
効率が得られる。このような現象は、一般には吸気の慣
性効果と称されている。

本発明は、吸気通路容積を１／３以下に設定して加速応
答遅れを防止する一方、吸気弁の閉弁時期を回転数に応
じて可変制御し低回転域での充填効率を高めることによ
り、稀薄混合気による実用的なエンジンを得るという原
理に基づいている。

次に、本実施例によるエンジンの作用について説明する
。

低速定席走行においては、混合気は混合比２０程度に稀
薄化されて吸、気通路２８から吸気弁２６を介してシリ
ンダ２２内に供給される。このとき、吸気弁２６の閉弁
時期は、弁開閉時期可変手段３４により早められ第１３
図に曲線Ｇ、で示すように略下死点（Ｂ　Ｄ　Ｃ）近傍
となっている（なお、第１３図中ＴＤＣは上死点を示す
）。このため、稀薄混合気は高い充填効率でシリンダ２
２内に供給される。この稀薄混合気は所定の着火タイミ
ングに複数の点火プラグで着火され、一般の実用的エン
ジンと同程度の燃焼完了時間で燃焼する。したがって、
十分なエンジン出力を得ることができるとともに、あわ
せてＮＯｘの低減と燃費の改善とを図ることができる。

次に、所定の加速タイミングで絞り弁３１を全開にする
と、気化器３０により混合気が理論空燃比近傍に濃化さ
れ、吸気通路四を通してシリンダ２２内に供給される。

このとき、絞り弁３１下流側の吸気通路２８容積が減少
しており、すなわちエンジン２１の総排気量の１／３以
下に設定されており、濃厚混合気は直ちにシリンダ２２
内に供給される。したがって、絞り弁３１の作動に対し
て加速応答遅れが生ずることなくエンジン出力を速やか
に増大させ、出力走行にスムーズに移行することができ
る。また、この出力走行時においてエンジン２１が高回
転域にあれば、弁開閉時期可変手段３４により吸気弁２
６の閉弁時期が第１３図に曲線Ｇ２で示すように下死点
１＆５２°近傍まで遅くなされており、混合気は吸気の
慣性効果を十分に活用し高い充填効率でシリンダ２２内
に供給される。さらにこのとき、吸気は吸気通路２８の
長さが短いことから、吸気の脈動効果をも受けている。

したがって、高回転域におけるエンジン出力をより一層
向上させることができる。

一方、低回転域にあるときには、吸気弁２６の閉弁時期
が早められており、吸気の慣性効果により充填効率のピ
ークが低回転域に移行している。したがって、低速出力
走行時におけるエンジン出力も向上させることができる
。

次に、第１４〜１６図は本発明の第２実施例を示す図で
あり、この実施例では弁開閉時期可変手段５１の構成が
前記実施例と異なる。すなわち、吸気弁２６のステムエ
ンド２６ａにはロッカアーム５２の一端が当接しており
、該ロッカアーム５２の他端はエンジン回転に同期して
回転する弁駆動カム５３に当接している。弁駆動カム５
３はカムシャフト５４の軸線方向に沿って順次配設され
た高速カム部５３ａおよび低速カム部５３ｂを有してい
る。また、ロッカアーム５２はロッカシャフト５５の軸
線方向に沿って移動可能であり、このロッカアーム５２
の移動はソレノイド５６を有する電磁アクチユエ−り５
７への通電をエンジン回転数に基づいて制御することに
より行われる。電磁アクチュエータ５７はエンジン高回
転時そのソレノイド５６に通電されると、ロッカアーム
５２を第１４図中上方へ移動させて該ロッカアーム５２
の他端を高速カム部５３ａに当接させ第１６図に曲線Ｈ
２で示すように吸気弁２６をリフトさせ（閉弁時期を遅
くする）、一方、エンジン低回転時ソレノイド５６への
通電が遮断されると、ロッカアーム５２を下方へ移動さ
せてその他端を低速カム部５３ｂに当接させ第１６図に
曲線Ｈ８で示すように吸気弁２６をリフトさせる（閉弁
時期を早める）。

上記ロッカアーム５２、弁駆動カム５３および電磁アク
チュエータ５７は全体として弁開閉時期可変手段５１を
構成している。その他の部分は前記実施例と同様である
。

したがって、この実施例においても前記実施例と同様の
効果を得ることができるが、吸気弁２６の開弁時期が一
定であるため排気弁２７とのバルブオーバラップが変化
せず、特に吸気弁２６開弁時における吸気の慣性を効率
よく利用することができる利点がある。

なお、上記各実施例は本発明を気化器を備えたエンジン
に適用した例であるが、気化器に限らず、例えば電子制
御式の燃料噴射装置を備えたエンジンにも適用すること
ができるのは勿論である。

また、本発明は低速定常走行において稀薄混合気で燃焼
を行うエンジンに限らず、例えば理論空燃比近傍の混合
気で燃焼を行うとともに大量の排気還流を行うエンジン
に対しても適用することができる。そして、その場合に
も加速応答性の改善や低速出力走行時の充填効率の向上
を図ることができる。

（効果） 本発明によれば、加速応答性を改善することができると
ともに、低速時における混合気の充填効率を高めること
ができ、エンジンの運転性を向上させることができる。

また、上記各実施例においては、吸気弁の閉弁時期をエ
ンジン回転数に応じて可変しているため、高速出力走行
時には吸気の脈動効果のみならず慣性効果も利用するこ
とができエンジン出力をより一層向上させることが−で
き、一方低速出力走行時には吸気の慣性効果によりエン
ジン出力を向上させることができる。その結果、出力走
行時の運転性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は従来の自動車用エンジンを示す図であり、
第１図はそのシリンダヘッドの平面図、第２図はそのシ
リンダ部の断面図、第３図はそのシリンダ部の要部断面
図、第４〜６し１は本発明に係る自動小用エンジンの第
１実施例を示す図であり、第４図はその平面図、第５図
は第４図のＶ−Ｖ矢視断面図、第６図はその弁開閉時期
可変手段を示す断面図、第７〜１３図は同実施例の作用
を説明するための図であり、第７図はその混合比と燃料
消費率、排気還流量との関係を示す図、第８図ａ・〜Ｃ
はその絞り弁の開度と混合比、ニアシン出力との関係を
示す図、第９図はその吸気通路容積に対する加速特性を
示す図、第１０図はその吸気通路容積に対する加速応答
遅れを示す図、第１１図はその吸気通路の長さに対する
エンジン回転数、充填効率の関係を示す図、第１２図は
その吸気弁閉弁時期に対するエンジン回転数、充填効率
の関係を示す図、第１３図はその吸気弁の開閉時期を示
す図、第１４〜１６図は本発明に係る自動車用エンジン
の第２実施例を示す図であり、第１４図はその弁開閉時
期可変手段を示す平面図、第１５図はその弁開閉時期可
変手段を示す断面図、第１６図はその吸気弁開閉時期を
示す図である。 ２１−−−−−エンジン、 ２６−−−−吸気弁、 ２８−−−ｍ−吸気通路、 ３Ｉ−一絞り弁、 ３４．５１−−−弁開閉時期可変手段。 第１図 第２図 第９図 第１０図 咀λ走、卦１ 第１１図 第１２図 エンジーン口片り蛋１ｃｒｐ慮り 第１３図 第１４図 第１５図 第１６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 低速定常走行では稀薄混合気が、出力走行では濃厚混合
   気が供給される自動車用エンジンにおいて、絞り弁下流
   から吸気弁までの吸気通路容積をエンジン総排気量の１
   ／３以下に設定するとともに、吸気弁の閉弁時期を可変
   にする弁開閉時期可変手段を設け、低回転時には吸気弁
   を下死点近傍で閉弁し高回転時には下死点より遅く閉弁
   するようにしたことを特徴とする自動車用エンジン。