JPS6079122A - 排気ターボ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〉 本発明は過給機を備えると共に１気筒に複数の吸気弁を
備えた内燃機関の出力改善に関する。

く背景技術〉 吸入空気をコンプレッサで機関に過給することＫ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
罠より、昆較的小排気量の機関でも高出力を発生させる
ようにした例えば排気ターボ過給機（第３図参照）等の
過給機付内燃機関が知られる。

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方の向上につながるもの
として過給機の能力改善に努めてきたのであるが、その
能力も充分となり、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
発生し易くなり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【は、第１図に示すように、圧
縮比が高い程更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あっては、その圧縮比を通常
機関に比べて１程度小さく設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なくなる。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なってしまう。

かかる不都合を防止するには圧縮比を高速高負荷では小
さく、低速低負荷では大きくするというよ５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、吸気弁は圧縮行程の適当な時間に閉弁し、こ
の時点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な
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、吸気弁閉時期を圧縮下死点に近づけるように早めれ
ば実圧縮比は増大する。

この現象を利用し過給の効かない領域（例えば排気ター
ボ過給機にあっては内燃機関の低速領域）では、吸気弁
の閉時期を早め【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
圧のもとで運転し、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）ａ−り減少分を補うために過給機により過
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
過給機に全面的罠依存しなく【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なる時期が遅れる。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、吸入空気の慣性により
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。

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。ここで特徴的な点は、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
事量が増えていないため）吸入空気が慣性効果によって
昇圧しても温度が上昇しないことである。従って、圧縮
開始温度が上昇しないこととなり、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、より過給圧を増大させ得ることＫより出方向
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
弁の閉弁時期な進遅制御しているから、上記効果を有す
るとも言えなくはない。即ちこのものは、高速回転領域
で吸・排気弁のパルプ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【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排気タービンへ供
給す、るよ５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
のバルブオーバラップ量を大きくして出方向上を図って
いるのである。これは、せりか（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ないことになる。また特に
パルプオーバーラツプ期間の制御については過給機付内
燃機関においては、次のように不都合なのである。

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り、排圧
が大気圧よりも１０００　ｍｍＨＩ程度上昇するが、吸
気圧力の上昇は４００　ｍｍＨ９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、上記排気逆流現象によ
ってむしろ充填効率、掃気効率が低下し出力が低下する
から吸気弁の開弁時期を閉弁時期の遅れ程太き（は進め
ることができない。

また、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、排圧があまり上昇砺ず、吸気
圧力のみが上昇するから、オーバラップ期間に混合気が
排気系に吹き抜け【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を（オーバー
ラツプ期間）小さく（変化なしな含む）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
、開弁時期は上死点前５から１０に変える程度）。

一方、特開昭５２−１４２１１８号公報或いは実開昭５
５−１３９２２６号公報にみられるように。

１気筒に２つの吸気弁を有する機関において、２つの吸
気弁の作動タイミングを別個に設定し、低速回転領域と
高速回転領域とでの使い分けを行っている。

このような機関は、吸気通路抵抗が小さいため充填効率
が大きく、吸気弁の冷却作用により耐ノツク性が良く、
また中心点火役のため燃焼距離が等しくなってノッキン
グが発生しにくい等の特徴を有するものとして知られて
いるが、上記従来例では更に低速で１つのボートを閉じ
ることにより、１つのボートから燃焼室内壁に対し接線
方向に流入する吸気流を利用して燃焼室内にスワールを
大きく発生させ燃焼を改善しようとしている。かかる機
関の吸気弁の一方の閉弁時期を遅らせることにより、前
記と同様に実圧縮比を可変とすることが可能で、該吸気
弁を通る吸気流に関しては慣性過給効果を利用できるこ
とについては前述の通りである。

しかしながら、これ゛を一般の機関（過給機なし）に適
用した場合、圧縮比は限界に近い値にまで高められてお
り、低速で吸気弁の閉時期の早い方のボートのみを使用
して吸入空気の逆流を防止して吸気量を増大させ、実圧
縮比も向上させるとノッキングの発生が顕著となり、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
びはわずかとなる１方５点火時期を大幅に遅らせた結果
、吸入空気量の増加分の大半が燃費を悪化させるだけ（
＋１） の効果となってしまい、ターボ付機関のように低速トル
クの大幅な向上のような効果は得られない。

したがって、実圧縮比可変の効果はターボ付機関のよう
に過給のきかない低速で実圧縮比を向上させ、過給の十
分にきく高速で実圧縮比を下げるというように機関側固
有の問題点と組み合わせ【初めて本来の効果を発揮する
ものである。

また、ターボ過給機は低速では吸入空気量の増大につれ
て効率が急上昇する特性があり１例えば１６００ｒＰｒ
ＩＬ全開で吸気弁閉時期を早めたことにより充填効率が
１０％向上した場合、吸入空気量が増えて排圧が上昇す
る結果、ターボの回転が上がり、コンプレッサの吐出圧
が上昇する。このため、吐出圧が１．２にシー２から１
．２５Ｋｐ／Ｊ　（絶対圧）で向上すれば吸入空気量の
向上分はトータルで１４．６％となり、正に相乗効果が
得られることになる。

〈発明の目的〉 本発明は上記の如鎗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変化させるこ
とにより可変制御すると共に、こ（４ｏ） れに伴う大きな温度上昇のない吸入空気の慣性過給効果
を相剰的に利用し、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て、ノッキングの抑制を図り
、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して、充填効率の向
上を図る。そしてこれを１気筒に吸気弁を複数備えた機
関を用い【行い該機関の有する前記特徴を利用すること
を目的とする。

〈発明の概要〉 この目的達成のため本発明では、気筒毎に設けた複数の
吸気弁と該吸気弁に至る複数の吸気ボートを有する過給
機付内燃機関であって、前記複数の吸気弁の開時期を概
略同一とし、かつこのうち一部の吸気弁と残部の吸気弁
の閉時期を異ならせる吸気弁作動装置と、閉弁時期が遅
い方の吸気弁に至る吸気ボートに設けた開閉弁と、該開
閉弁の作動装置と、を設げ、前記開閉弁の開閉により。

閉弁時期が遅い方の吸気弁を有する吸気ボートの吸気流
を制御する。

（１１） これにより閉弁時期が遅い方の吸気弁を有する吸気ボー
トが開くと、実圧縮比が低下すると共に圧縮開始温度の
低い慣性過給効果を利用でき、かつパルプオーバーラツ
プ量が小さいことによる充填効率向上を利用してノッキ
ングの防止と出方向上を図る。また開閉弁を閉じると閉
弁時期が早い方の吸気弁を有する吸気ボートのみ開通す
ることになるから圧縮比の低下を防止して出方向上、燃
費悪化の防止を行い、更にはスワール強化による燃焼の
改善を図る。これら得失を効果的に利用すべく前記開閉
弁の作動を行う。

本発明は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）を境界として開閉弁を作動したり、
機関運転状態に応じズ開閉弁の開閉を連続的に制御する
他に、手動信号により開閉作動を行うよ５にしてもよい
の、である。

く実　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（ｌす 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が介装されており、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り、
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
装されており、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り作動するダイヤ
ス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。これにより排気タービン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１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
はエアフ目−メータ、１３は燃料噴射弁である。

かかる過給機付内燃機関は第４図〜第６図に示すように
、燃焼室１９に第１．第２の２つの吸気弁２０Ａ、２０
Ｂと２つの排気弁２１Ａ、２１Ｂとが設け（１３） である。前記吸気通路３はこれら吸気弁２０Ａ。

２０ＢＫ独立し【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２１Ａ、２１Ｂ
に独立して夫々連通する排気ボート５Ａ。

５Ｂを有する。そして第１の吸気弁２ＯＡに連なる第１
の吸気ボー）３ＡＫバタフライ式開閉弁２２を介装する
。

多気筒機関例えば＃１〜４＃４気筒を有する機関の場合
、核間閉弁２２のシャツ）２２Ａは各気筒にわたって第
７図に示すように一軸に形成されている。該シャツ）２
２Ａの一端に軸着したプーリ２３にベルト２４を掛は廻
して、該ベルト２４の一端に出力端を固定したアクチュ
エータ２５によりベルト２４をリターンスプリング２６
に抗し【引っ張ることにより、前記開閉弁２２の開度な
調整する開閉弁作動装置が構成される。アクチュエータ
２５は機関運転状態信号例えば機関回転速度信号に応じ
て開閉弁２２の開度を制御すべく例えば電磁モータ式の
アクチュエータ２５に電気信号を供給する制御手段２Ｔ
により【作動される。

（１４） 前記第１及び第２の吸気弁２ＱＡ、２０Ｂ並びに排気弁
２１Ａ、２１Ｂは、夫々に当接作動するカム３１並びに
カム３２に従動して開閉される。ここで第１の吸気弁２
０Ａ用の第１のカム３１Ａ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５Ｃ〜８σの圧縮行程中間付近）、第２の
吸気弁２０Ｂ用の第２のカム３１Ｂは第８図（Ｃ）、（
至）に示すように、吸気弁の閉時期を上記より早めて下
死点近傍（例えば同じくＯ〜３０°）となるカム形状と
する。また排気弁とのオーバーラツプ量を決定する吸気
弁の開時期は第１カム３１Ａ、第２カム３１Ｂ共例えば
上死点前Ｏ〜１♂程度と概略等しくする。尚、このとき
排気弁２１Ａ、２１Ｂの開時期は例えば下死点前４０〜
５０°、閉時期は上死点後１０〜２δと、共に等しい値
となっていて吸気弁２０Ａ、２０Ｂとはオーバーラツプ
量が極力小さな値になるようにしである。

次に本発明の作用を述べる。

機関回転速度が例えば約２０００〜３ｏｏｏｒｐｍ以下
の低速回転領域では、制御手段２７がアクチュ←■） エータ２５に電気信号を付与し【ベルト２４を引っ張り
、各気筒の開閉弁２２を同時に回動し【第５図に示すよ
うに第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２１の内壁に接線方向に流入するから、燃焼室１
９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２０Ｂの閉時期は下死点付近となり
早くなっているから、機関ピストンの有効ストロークを
増大して來圧縮比を大きくしている。

従って、尚該運転領域では、排気エネルギが小さいため
過給圧力はさほど上らないが、実圧縮比が他の運転領域
よりも増大するし、第２の吸気弁２０Ｂが早期に閉じる
ので一旦燃焼室に吸入した吸入空気の吹き戻りがなく吸
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１機関回転速度が約２０００〜３０００　ｒｐｍ以
上の高速回転領域では、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り（１６） かつ排気温度が上昇する。このとき制御手段２７が高速
回転信号を入力してアクチュエータ２５による引張力を
なくすように切換信号を出力する。

このためリターンスプリング２６０弾性力でベルト２４
が引き戻され、プーリ２３を介して各気筒毎の開閉弁２
２を開弁し、第１の吸気ボー）３Ａを第４図に示す如く
開通させる。この結果、吸気（吸入混合気）は第１．第
２双方の吸気ボー）３Ａ、３Ｂを通って燃焼室１９に吸
入され、吸・排気弁２ＱＡ、２０Ｂ、２１Ａ、２１Ｂの
中央に配設した点火栓・　３５により点火燃焼される。

ここにおい【、吸気ボート及び排気ボートの合計断面積
が増大して通路抵抗が減少するから充填効率及び掃気効
率が良く、また点火栓３５からの火炎伝播距離が等しい
ためホットスポットができ罠＜＜ノッキング発生率が減
少するといういわゆる４パルプ機関の特徴を充分に享有
することができる。

また、当骸領域では排気エネルギが増大して過給効果が
増大し、ノッキング発生要因を作り出す。

０す しかし、第１の吸気ボー）３Ａの吸気弁２０Ａは第１の
カム３１Ａの作動により、閉弁時期が遅く設定されてい
るから、機関ピストンの有効ストｐ−りが減じ【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
領域に入るための過給圧が高くなり、この分過給圧を増
大して出方向上を図ることができる。

ここにおいて、上記過給圧の増大化は過給機によつ【も
なされるが、吸気弁の閉時期が遅れることにより、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り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外
部の仕事を受けてなされるの士はないから、シリンダ内
に送り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５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、より充
分な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り補償することができ、
もつ【出力の低下を防（五〇 止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
ないが、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
ツプ量は第１及び第２の吸気弁２０Ａ、２０Ｂの開時期
及び排気弁２１Ａ、２１Ｂの閉時期が大略同一なため小
さく略一定となっている。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りも高いこと（第２図
）による排気の吹き返しを招きにくい。これにより充填
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かできる。

尚、上記実施例において開閉弁２２の弁開度は機関回転
速度等の機関運転状態に応じて連続的に変化するように
してもよく、或いは手動信号により切換われるようにし
てもよい。過給機は排気ターボ過給機の他に吸気通路に
コンプレッサを用いて吸気を圧送するタイプのものであ
ればこれを問うものではない。また吸気弁、排気弁、吸
気ボー（１リ ド、排気ボートの数は３以上でもよい。

〈発明の効果〉 以上述べたように本発明によれば、過給機付内燃機関で
あって吸気弁及びこれに接続する吸気ボートを複数個備
えかつ一部の吸気ボートに開閉弁を設ける一方、複数の
吸気弁の開弁時期を大略同一とし閉弁時期を大巾に異な
らせたため、いわゆる多数パルプ機関の燃焼性、吸気充
填効率の向上。

耐ノツキング性に優れるという特徴を充分に享有しつつ
過給機付内燃機関の出方向上を図ることができる。

また、これに加え、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。

これらの効果が相剰的に作用して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の出方向上を図るこ
とができる。

また、パルプオーバラップ期間が比較的小さくなるよう
に各吸気弁開時期を大略同一にしたから充填効率の向上
を図ることができ、上記効果を更（２０） Ｋ助長することができる。

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０点火タイミングを遅らせると共に、これＫ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１本発明圧よると上記の如く
タイミングに対する余裕度が大きいため点火時期をあま
り遅らせる必要がなくなる。これＫより出力の増大と共
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７図は本発明の一実施例に係る４パ
ルプ機関を示し第４図は開閉弁開状態の概略横断面図、
第５図は開閉弁閉状態の概略横断面図、第６図は第５図
のＶｌ−■矢視縦断面図、第７図は開閉弁作動装置の斜
視（２１） 図を示す、第８図は上記実施例に用いた吸・排気弁の開
閉時期を示し、（イ）は第１の吸気弁の開閉時時期を示
すグラフ・、■は第 ２の吸気弁と排気弁との弁開特性を示す第２のカムのカ
ムリフト線図である。 １・・・過給機　２・・・内燃機関　３・・・吸気通路
３Ａ、３Ｂ・・・吸気ボー）　２０Ａ、２０Ｂ・・・吸
気ボー）　２１Ａ、２１Ｂ・・・排気弁　２２・・・開
閉弁２２Ａ・・・シャフト　２３・・・プーリ　２４・
・・ベルト２５・・・アクチュエータ　２６・・・リタ
ーンスプリング　２７・・・制御手段　３１．３１Ａ、
３１Ｂ、３２・・・カム 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 （２２）

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り
   吸入空気を機関に過給する過給機付内燃機関において、
   気筒毎に設けた複数の吸気弁と。 該吸気弁に至る複数の吸気ボートと、前記複数の吸気弁
   の開時期を概略同一としかつこのうち一部の吸気弁と残
   部の吸気弁の閉時期を異ならせる吸気弁作動装置と、閉
   弁時期が遅い方の前記吸気弁に至る前記吸気ポートに設
   け“た開閉弁と、該開閉弁の作動装置と、を備えたこと
   を特徴とする過給機付内燃機関の吸気装置。
2. （２）開閉弁の作動装置は機関運転状態に応じて作動す
   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
   燃機関の放気装置。
3. （３）過給機は排気ターボ過給機であり、開閉弁の作動
   装置は、開閉弁を高速運転領域で開、低速運転領域で閉
   とする構成である特許請求の範囲第２項に記載の過給機
   付内燃機関の吸気装置。