JP2003083099A - 内燃機関の制御方法 - Google Patents

内燃機関の制御方法

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JP2003083099A
JP2003083099A JP2001270241A JP2001270241A JP2003083099A JP 2003083099 A JP2003083099 A JP 2003083099A JP 2001270241 A JP2001270241 A JP 2001270241A JP 2001270241 A JP2001270241 A JP 2001270241A JP 2003083099 A JP2003083099 A JP 2003083099A
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cam
compression
valve
exhaust valve
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Takeshi Asai
豪 朝井
Toshiichi Imamori
敏一 今森
Koji Masuda
宏司 増田
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Yanmar Co Ltd
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Yanmar Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 過給機関において、アトキンソンサイクル化
による熱効率の向上と共に、充填効率の向上、過給機効
率の向上及びカム設計の自由度の増大化を図ることであ
る。 【解決手段】 内燃機関の制御方法であり、特に過給機
付の内燃機関の弁開閉制御方法に関している。圧縮行程
前期において排気弁を一時的に再啓開することにより、
圧縮比を下げ、圧縮比／膨張比を小さくし、これにより
筒内圧を高く上げ過ぎることなく、熱効率を向上させ
る。好ましくは、圧縮比／膨張比が０．６〜０．９の範
囲に納まるように圧縮比を下げる。また、始動時又は低
負荷運転時には、圧縮行程前期において排気弁を一時的
に開かないようにし、高負荷運転時に上記排気弁の再啓
開によるアトキンソンサイクル化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は内燃機関の制御方
法に関し、特に過給機を備えた内燃機関の弁の開閉制御
に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の熱効率を向上させる方法とし
ては、従来次のような方法が講じられている。
【０００３】［従来方法１] 最大筒内圧を増加する方
法 高圧縮比化あるいは高過給化することにより、最大筒内
圧を増加させ、熱効率を向上させる方法である。
【０００４】［従来方法２] 給気弁の遅閉じによりア
トキンソンサイクル化する方法 図２３に示すように、ピストン８が上昇している圧縮行
程前期まで給気弁１を開いた状態とし、通常よりも遅い
時期に給気弁１を閉じることにより、圧縮開始時期を遅
らせ、それにより圧縮比を小さくしてアトキンソンサイ
クル化する方法である。なお、図２３において、符号２
は給気ポート、符号３は燃焼室、符号５は排気弁、符号
６は排気ポートである。図２４はこの方法における吸気
弁リフトの変化を示しており、実線で示す給気弁リフト
は通常サイクルの場合であり、破線で示すように遅閉じ
の給気弁リフト形状に変更することにより、圧縮行程の
中盤近くまで給気吐出期間を確保している。
【０００５】図２５は、図２３及び図２４のようにアト
キンソンサイクル化された内燃機関の排気弁開期間と給
気弁開期間を表したものであり、符号ＯＬで示す範囲
（クランク角度）は排気弁開期間と給気弁開期間とのオ
ーバーラップ期間であり、クランク角度範囲θ２は給気
弁遅閉じにより確保された給気吐出期間である。
【０００６】図２６は図２３〜図２５の内燃機関におけ
るアトキンソンサイクル指圧線図であり、給気弁閉時期
ＳＣを圧縮行程前期で通常よりも遅く設定することによ
り、破線で示す通常の圧縮行程に比べて、斜線で示す区
域に相当する圧縮仕事量を低減させている。なお、ＥＯ
は排気弁開時期、ＳＯは給気弁開時期、ＥＣは排気弁閉
時期である。このようにアトキンソンサイクル化する
と、最大筒内圧及び膨張比を通常と略同等に維持した状
態で、圧縮比／膨張比を小さくでき、熱効率を向上させ
ることができる。
【０００７】［従来方法３] 給気弁早閉じによりアト
キンソンサイクル化する方法 図２７に示すように、ピストン８が下降している給気行
程後期において、給気弁１を閉じてしまうことにより、
燃焼室３内に供給される給気量を減らし、圧縮仕事量を
減らすことにより、圧縮比／膨張比を小さくして、アト
キンソンサイクル化する方法である。
【０００８】図２８は図２７の内燃機関における排気弁
開期間と給気弁開期間とを表したものであり、符号ＯＬ
が排気弁開期間と給気弁開期間のオーバーラップ期間で
あり、クランク角度θ３が給気弁閉時期と給気下死点Ｂ
ＤＣとの間のクランク角度（進角度）である。すなわ
ち、給気下死点ＢＤＣよりクランク角度θ３手前で給気
弁１を早閉じしている。
【０００９】図２９は図２７及び図２８の内燃機関にお
けるアトキンソンサイクル指圧線図であり、給気弁閉時
期ＳＣを給気行程後期まで早めることにより、破線で示
す通常の圧縮行程に比べて、斜線で示す区域に相当する
圧縮仕事量を低減し、ガス交換仕事量を減少させてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来方法１の最大筒内
圧を増加する方法では、最大筒内圧が大きくなり過ぎる
と、熱損失及びフリクションロスが大きくなると共に各
部に強度不足が生じ、機関信頼性が低下するため、熱効
率の改善度に限度がある。
【００１１】従来技術２の給気弁遅閉じによるアトキン
ソンサイクル化では、次のような課題がある。 （ａ）給気温度の上昇及び充填効率の低下 一旦燃焼室で加熱された給気の一部が、給気弁の遅閉じ
作用によって給気ポートへ押し戻されるため、次の給気
行程において供給される給気の温度が上昇し、充填効率
が低下する。
【００１２】（ｂ）高過給化時の過給機効率の低下 圧縮行程前期で給気弁を開いているため、過給機を性能
アップして過給圧を増加させても、燃焼室から給気ポー
トに押し戻される加熱空気が上記過給機からの給気の抵
抗となり、過給機の負担が大きくなり、給気流量が制限
されると共に過給機効率が低下する。このように給気量
が制限される状態で、過給圧を上げて給気圧力比を増加
させた場合には、図１８のように現状機関の位置Ｂ１か
ら位置Ｂ２に変化することになり、過給機のサージング
ラインＢ４に近づき、サージング発生の恐れがある。
【００１３】（ｃ）給気の無駄な流出 給気弁閉時期を遅らせるのは、圧縮開始時期を遅らせる
ことが目的であるが、給気カム形状の設計上、給気カム
の形状は図２４の破線のようなリフト形状に限られてし
まい、圧縮下死点ＢＤＣ付近において給気弁が大きく開
いた状態となり、大量の空気が流出する。このように給
気の無駄な流出は、出力低下の原因となる。
【００１４】（ｄ）ピストンロスの増加 過給機を備えた内燃機関の場合、他の気筒の排気の影響
がある時期を除いては、給気マニホールド圧が排気マニ
ホールド圧力よりも高くなっているが、この高い給気マ
ニホールド圧に抗して燃焼室から給気ポートに給気を押
し戻すことになるので、ピストンの上昇仕事量が高くな
り、ピストンが上昇し難く、ピストンロスが大きくな
る。
【００１５】従来技術３の給気弁早閉じによる方法では
次のような課題がある。
【００１６】（ａ）給気弁のリフト量の減少 給気弁のリフト期間が短くなることにより、カム設計
時、幾何学的に給気弁リフト量も制限され、そのため給
気ポートから燃焼室への給気の流れが制限され、充分な
給気量の確保が困難になり、出力の低下につながる。
【００１７】（ｂ）過給機効率の低下 給気期間が短くなることに伴い、カム設計上、給気リフ
ト量も制限されてしまうので、給気量が大幅に減少し、
通常と同じ給気量を確保するためには、強力な過給機を
使用せざるを得なくなる。しかし過給圧を増加させて
も、給気リフト量が少ないこと等から給気量はあまり増
加せず、前記給気弁遅閉じ方法と同様、過給機効率が低
下すると共に、図１２の位置Ｂ２に示すように過給機の
サージングラインＢ４に近づき、サージング発生の恐れ
がある。
【００１８】（ｃ）筒内ガス温度の上昇 給気行程後期で給気弁を閉じてしまうので、筒内ガス温
度の上昇が大きく、それにより充填効率が低下し、圧縮
端温度も上昇する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明は内燃機関の制御方法において、給気弁の
閉じ時期を工夫する代わりに、排気弁を利用して圧縮開
始時期を遅らせることにより、燃焼サイクルのアトキン
ソンサイクル化を図るものであり、請求項１記載の発明
は、圧縮行程前期において排気弁を一時的に開くことに
より、圧縮比を下げることを特徴としている。
【００２０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の内
燃機関の制御方法において、圧縮比／膨張比が０．６〜
０．９の範囲に納まるように圧縮比を下げることを特徴
としている。
【００２１】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の内燃機関の制御方法において、始動時又は低負荷運
転時には、圧縮行程前期において排気弁を一時的に開か
ないことを特徴としている。
【００２２】請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載
の内燃機関の制御方法において、排気行程用のカム山の
みを有する第１の排気カムと、排気行程用のカム山及び
圧縮行程前期において排気弁を再啓開するためのカム山
を有する第２の排気カムとを備え、両排気カムを切換自
在に使用することを特徴としている。
【００２３】請求項５記載の発明は、請求項１〜４記載
の内燃機関の制御方法において、排気行程用のカム山の
みを有する第１の排気カムと、圧縮行程前期において排
気弁を再啓開するためのカム山のみを有する副排気カム
とを備え、第１の排気カムによる単独駆動と、第１の排
気カムと副排気カムとの並列駆動とを切換自在とするこ
とを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１は過給機付直噴式多気筒ディ
ーゼル機関に本願発明を適用した場合における気筒内の
行程変化を示しており、図１の上段に示す給気行程にお
いては、給気弁１が開いていることにより、過給機で加
圧された給気を給気ポート２から燃焼室３内に供給し、
中段に示すピストン上昇過程の圧縮行程前期において
は、給気弁１が閉じられると共に排気弁５が一時的に再
啓開し、燃焼室３内の圧縮圧力を排気ポート６から抜い
ている。そして、下段に示す圧縮行程後期においては、
上記再啓開の排気弁５も閉じ、実質的に給気が圧縮され
る。すなわち、排気弁５を圧縮行程前期で一時的に再啓
開することにより、圧縮開始時期を遅らせ、それにより
圧縮比を下げ、圧縮比／膨張比が小さくなるようにして
いる。
【００２５】図２は図１の排気弁再啓開時の排気弁リフ
トを、給気弁リフトと共に示しており、給気弁リフトの
形状は、前記遅閉じ又は早閉じでもない通常の給気弁リ
フトと同様であり、圧縮下死点ＢＤＣでは若干開いた状
態となっている。
【００２６】再啓開時の排気弁は、圧縮下死点ＢＤＣか
ら徐々にリフトし始め（開き始め）、一定量開いた状態
を一定期間持続した後、徐々に閉じ始め、圧縮行程の中
盤において閉じるように構成されている。この排気弁再
啓開期間が、排気側へ給気を排出する給気吐出期間とな
っている。
【００２７】図３は排気弁開期間と給気弁開期間と排気
弁再啓開期間の関係を示しており、排気弁開期間は、爆
発行程の後期から排気行程を経て給気行程の初期まで至
り、給気弁開期間は排気行程の終期から給気行程を経て
圧縮行程の初期まで至っており、排気上死点（給気上死
点）ＴＤＣの前後で給気弁開期間と排気弁開期間のオー
バーラップ期間ＯＬが存在している。排気弁再啓開期間
（給気吐出期間）は、前記図２で説明したように給気下
死点ＢＤＣから圧縮行程の中盤程度まで至っている。
【００２８】図４は排気弁再啓開時の排気弁リフトと、
排気マニホールド圧と、給気マニホールド圧と、筒内圧
との関係を示しており、他の気筒の排気が影響する時に
一時的に排気圧マニホールド圧は給気マニホールド圧よ
りも高くなるが、基本的には過給機により加圧されてい
る給気マニホールド圧が排気マニホールド圧よりも高く
なっており、該実施の形態においても、排気弁の再啓開
期間（給気吐出期間）は排気マニホールド圧に対して給
気マニホールド圧が高い期間内に位置している。
【００２９】このように圧縮行程前期で、排気マニホー
ルド圧が給気マニホールド圧よりも低い期間に、排気弁
を一時的に再啓開して給気の一部を排気ポートに排出す
ることにより、圧縮開始時期を遅らせ、それにより圧縮
比／膨張比を小さくして、アトキンソンサイクル化を達
成している。
【００３０】図１１は周知の理論的アトキンソンサイク
ル（出力サイクル）の概要を示す指圧線図であり、この
図１１を利用して、アトキンソンサイクルの概念を簡単
に説明する。Ｖは全容積、Ｖ１は断熱圧縮開始時Ａ1の
容積、Ｖ２は断熱圧縮終了時Ａ2の容積、Ｖ4は断熱膨張
開始時Ａ4の容積、Ｖ6は断熱膨張終了時（排気弁開時
期）Ａ5の容積である。ＱＶは等容加熱期間（Ａ２→Ａ
３）の加熱量、ＱＰは等圧加熱期間（Ａ３→Ａ４）の加
熱量、ＱｌＶは等容放熱期間（Ａ５→Ａ６）の放熱量、
ＱｌＰは等圧放熱期間（Ａ６→Ａ１）の放熱量である。
【００３１】上記各期間における熱量等の式は次のよう
になる。 断熱圧縮期間（Ａ１→Ａ２） Ｐ1Ｖ１ κ＝Ｐ２Ｖ２ κ 等容加熱期間（Ａ２→Ａ３） ＱＶ＝ＣＶ・Ｖ２・（Ｐ
max−Ｐ2）／Ｒ 等圧加熱期間（Ａ３→Ａ４） ＱＰ＝ＣＰ・Ｐmax・
（Ｖ４−Ｖ２）／Ｒ 断熱膨張期間（Ａ４→Ａ５） Ｐmax・Ｖ４ κ＝Ｐ５Ｖ
６ κ 等容放熱期間（Ａ５→Ａ６） ＱｌＶ＝ＣＶ・Ｖ６・
（Ｐ５−Ｐ１） 等圧放熱期間（Ａ６→Ａ１） ＱｌＰ＝ＣＰ・Ｐ１・
（Ｖ６−Ｖ１） κはポリトロープ指数、Ｒはガス定数、ＣＶは定積比
熱、ＣＰは定圧比熱である。
【００３２】アトキンソンサイクルにおいて理論熱効率
ηthは次の式で表される。 ηth＝１−（ＱｌＶ＋ＱｌＰ）／（ＱＶ＋ＱＰ）…式（１）
【００３３】上記熱効率の式（１）に上記熱量等の関係
と以下の関係を導入すると理論熱効率ηthは式（２）の
ようになる。 ＥＯ容積比 ν＝Ｖ6／Ｖ 圧縮比／膨張比 ψ＝Ｖ１／Ｖ6 爆発度 ρ＝Ｐmax／Ｐ2 締切比 σ＝Ｖ４／Ｖ２ 圧縮比 ε＝Ｖ／Ｖ２ ηth＝１−{１／（νψε）κ}×［νε{ρ（σψ）κ−１＋κ（１−ψ） ）}／{ρ−１＋κρ（σ−１）}］…式（２）
【００３４】本願発明は、式（２）において、好ましく
は、ＥＯ容積比νを０．８〜０．９５、圧縮比／膨張比
ψを０．６〜０．９、圧縮比εを１２〜２０の範囲内に
納めるように設定する。
【００３５】［排気カムの構造]図５及び図６は、圧縮
行程前期において排気弁の再啓開を行なうための排気カ
ム構造の一例を示しており、排気行程用のカム山１２と
再啓開用のカム山１３を、同じの排気カム１１に形成し
てある。
【００３６】図７及び図８は、排気弁再啓開を実施する
ための排気カム構造の別の例を示しており、排気行程用
のカム山１２のみを有する第１の排気カム２１と、排気
行程用のカム山１２と再啓開用のカム山１３を有する第
２のカム２２を備えており、両排気カム２１，２２を切
換自在に使用する。たとえば、始動時又は低負荷運転時
は、燃料の蒸発を充分に確保することと熱効率（最大筒
内圧）向上のために、圧縮比を高く取りことが好まし
く、第１の排気カム２１を利用する。一方、高負荷時
は、第２の排気カム２２を利用し、圧縮行程前期におい
て排気弁の再啓開を行ない、アトキンソンサイクル化を
行なう。
【００３７】（２）図９及び図１０は、排気カム構造の
さらに別の例を示しており、排気行程用のカム山１２の
みを有する第１の排気カム２１と、再啓開用のカム山１
３のみを有する副排気カム２３を備え、両排気カム２
１，２３の同時並列使用と、第１の排気カム２１の単独
使用とを切り換えて使用する。たとえば、始動時又は低
負荷運転時は、燃料の蒸発を充分に確保するために、圧
縮比を高く取りことが好ましく、第１の排気カム２１の
みを単独使用し、一方、高負荷時は、第１の排気カム２
１と副排気カム２３を同時並列使用して、圧縮行程前期
において排気弁の再啓開を行ない、アトキンソンサイク
ル化を行なう。
【００３８】
【作用】図１２は本願発明にしたがって圧縮行程前期で
排気弁を一時的に再啓開した場合の燃焼サイクルの指圧
線図であり、黒丸で示すＥＯは排気弁開時期、ＳＯは給
気弁開時期、ＥＣは排気弁閉時期、ＳＣは給気弁閉時期
であり、白丸で示すＲＥＯは排気弁再啓開の開始時期、
ＲＥＣは排気弁再啓開の閉時期（終了時）である。排気
弁の再啓開（ＲＥＯ→ＲＥＣ）によって圧縮開始時期を
ＲＥＣの時点まで遅らせることにより、破線で示す通常
サイクルの圧縮行程に比べて、ハッチングで示す区域に
相当する圧縮仕事量が低減し、ガス交換仕事量が減少す
る。このようなアトキンソンサイクル化により、最大筒
内圧及び膨張比を通常と略同等に維持した状態で、圧縮
比／膨張比を小さくでき、燃焼による膨張エネルギーを
運動エネルギーとしてより多く回収し、熱効率が向上す
る。
【００３９】排気再啓開のタイミングを合わせることに
より、他気筒からの排気パルスを筒内に導き、これによ
り内部ＥＧＲ効果を発揮させ、ＮＯxの低減を図ること
ができる。
【００４０】圧縮行程で排気弁を再啓開することによ
り、給気の吹き抜けに伴う排気弁等の冷却を行なうこと
ができ、これにより、排気系の熱負荷を一定に保ちなが
ら排気弁開期間と給気弁開期間のオーバーラップ期間を
短縮することが可能となり、ガス交換仕事量が向上し、
高熱効率化を達成できると共に、内部ＥＧＲガス量も増
加し、低ＮＯx化を達成できる。
【００４１】図１３は圧縮比／膨張比と空気過剰率の関
係を示すグラフであり、アトキンソンサイクルを導入し
ない通常サイクルの場合は、圧縮比／膨張比は１であ
り、これに対して排気弁再啓開により圧縮比／膨張比ψ
を０．６〜０．９の範囲に納まる程度に小さくして、熱
効率を向上させているが、圧縮比／膨張比が１より小さ
くなるにしたがって空気過剰率が低下することにより、
スモークが発生しやすくなる。これに対処するために
は、燃焼噴射圧を通常よりも高くして、スモークの発生
を抑える。すなわち、図１４のように燃焼噴射圧とスモ
ーク量は反比例的な関係にあるので、圧縮比／膨張比ψ
を上記のように０．６〜０．９の範囲に低下させる一
方、噴射圧を上げることにより、熱効率の向上とスモー
ク量低下を達成することができる。
【００４２】図１５は燃料消費率と最高筒内圧力との関
係を示しており、黒丸の位置は、アトキンソンサイク
ルを導入しない通常サイクルの場合であり、黒三角の位
置は、本願発明にしたがってアトキンソンサイクルを
導入すると同時に、ＯＬ期間を短縮し、かつ給気圧を増
加させた状態である。位置では、位置に比べて燃料
消費率を大幅に低減でき、また、最高筒内圧の上昇も、
強度等の点で許容できる程度に抑えられている。
【００４３】白四角の位置及び白三角の位置は、熱
効率向上のための従来のアプローチであり、位置から
圧縮比を上げると共にＯＬ期間を短縮することにより、
矢印Ｇ１のように位置に至り、さらに給気圧を増加す
ることにより、矢印Ｇ３のように位置に至っている。
位置では、最高筒内圧は強度等の点で許容できる程度
に上がっているが、燃料消費率は殆ど低下していない。
位置では、燃料消費率は大幅に低下しているが、最高
筒内圧は強度不足等が生じる程度まで上がり過ぎてい
る。
【００４４】黒四角の位置は、位置から本願発明に
したがってアトキンソンサイクルを導入すると同時に、
ＯＬ期間を短縮した状態であり、矢印Ｇ２のように前記
従来例の位置に比べ、筒内圧は位置の通常サイクル
と同じ程度まで下がっており、燃料消費率は位置より
も低減している。
【００４５】上記位置の状態から過給圧を高くするこ
とにより位置の状態に至るが、矢印Ｇ５のように燃料
消費率が大幅に低減し、かつ筒内圧力の上昇は前記位置
程度の上昇に抑えることができる。
【００４６】なお、前記位置から本願にしたがったア
トキンソンサイクルを導入することによっても、矢印Ｇ
４に示すように位置に至る。
【００４７】図１６は燃焼消費率とＮＯxとの関係を示
すグラフであり、黒丸の位置はアトキンソンサイクル
を採用していない通常サイクルの場合であり、黒四角の
位置は上記位置から過給圧は変えずに、本願発明に
したがってアトキンソンサイクルを導入した場合であ
る。位置ではＮＯｘは下がっているが、燃料消費率は
少し増加している。そこで給気圧を上げると、黒三角の
位置のように、ＮＯｘを位置と同じ程度に抑えなが
ら、燃料消費率を大幅に低減することができる。
【００４８】図１７はスモーク指数とＮＯxとの関係を
示すグラフであり、位置，，は、前記図１６と対
応する条件である。位置は、通常サイクルに対応する
位置から過給圧は変えずに、アトキンソンサイクルを
導入した場合であり、ＮＯxは低減するがスモークが多
くなっている。これに対して給気圧をアップすることに
より、位置のようにＮＯxとスモークを現状の位置
と同程度に抑えることができる。
【００４９】図１８は過給機コンプレッサーの作動状態
の指標である。縱軸に給気圧力比（給気圧／大気圧）、
横軸に給気流量に対するコンプレッサー効率とサージン
グラインを示すグラフであり、Ｂ１はアトキンソンサイ
クルを導入していない通常サイクルの場合、Ｂ２は給気
弁遅閉じ又は給気弁早閉じによりアトキンソンサイクル
化した場合、Ｂ３は本願発明にしたがって排気弁の再啓
開によりアトキンソンサイクル化した場合を示し、Ｂ４
は過給機のサージングラインを示している。
【００５０】この図１８において、給気弁早閉じ又は給
気弁遅閉じによるアトキンソンサイクル化では、過給圧
を上げることにより給気圧力比を上げても、給気弁から
給気ポートに給気を戻すので、Ｂ２のように過給圧だけ
が上昇して給気流量は増加せず、過給機のサージライン
Ｂ４に近づいてしまい、過給機を効率よく利用すること
ができない。
【００５１】これに対して本願の排気弁再啓開によるア
トキンソンサイクル化の場合には、給気の流れに沿って
排気ポートに給気を排出するので、過給圧を増加させる
と、給気圧力比と共に給気流量も増加し、Ｂ３のように
サージングラインＢ４には近づかず、過給機を効率良く
利用することができる。
【００５２】図１９は、排気弁開期間と給気弁開期間の
オーバーラップ期間（図３の期間ＯＬ）と新気吹き抜け
割合との関係を示すグラフであり、グラフＤ１の量産カ
ムとは、アトキンソンサイクル化していない通常サイク
ルの場合であり、この場合の新気吹き抜け割合を１とし
ている。
【００５３】オーバーラップ期間ＯＬが長いと、図２０
のように給気弁開時期ＳＯから排気弁閉時期ＥＣの間が
萎んだ状態となり、ハッチングで示す面積が小さくな
り、熱効率の損失になる。一方、単にオーバーラップ期
間ＯＬを短縮する場合には、図２１のように給気弁開時
期ＳＯから排気弁閉時期ＥＣまでの立ち上がりＬを確保
し、それによりハッチングで示す面積を大きく確保し、
熱効率は向上するが、図１９のグラフＤ２のように新気
吹き抜け割合が大幅に減少して、排気温度が高くなり過
ぎる。
【００５４】これらに対して、グラフＤ３のようにオー
バーラップ期間ＯＬを短縮し、本願発明にしたがって排
気弁の圧縮行程前期における再啓開期間（図３のクラン
ク角度θ１範囲）を６０°で行なった場合には、前記図
２１で説明したように熱効率の向上が得られると同時
に、図１９のように新気吹き抜け割合も従来量産カムＤ
１と同様に得られ、排気温度の上昇を防ぎ、排気負荷を
一定に維持できる。
【００５５】なお、グラプＤ４のようにオーバーラップ
期間ＯＬを短縮し、排気弁の圧縮行程前期における再啓
開期間（図３のθ１の範囲）を９０°まで大きくした場
合には、前記図２１で説明したように熱効率の向上は得
られるが、排気弁再啓開期間における新気吹き抜け量が
増加し過ぎる傾向になる。
【００５６】したがって、好ましくは、オーバーラップ
期間ＯＬを短縮すると共に、図３の排気弁再啓開期間θ
１を３０°〜６０°程度に設定することにより、熱効率
の向上と、排気温度の上昇防止と、新気吹き抜け過多の
防止を達成できる。
【００５７】図２２は筒内残留ガス割合とオーバーラッ
プ期間ＯＬとの関係を示しており、オーバーラップ期間
ＯＬが短縮されると、筒内残留ガス割合が増加し、これ
により内部ＥＧＲ効果を発揮し、ＮＯxの低減を図るこ
とができる。
【００５８】
【その他の発明の実施の形態】本願発明は、ガス、ガソ
リン直噴式内燃機関にも適用可能である。
【００５９】
【発明の効果】本願発明は、従来のアトキンソンサイク
ルのように、給気弁の閉時期を遅らせたり早めたりする
のではなく、排気弁を圧縮行程前期で一時的に再啓開す
ることにより、圧縮開始時期を遅らせ、圧縮比すなわち
圧縮比／膨張比を小さくして、アトキンソンサイクル化
を行なうので、最高筒内圧の増加を抑えながら、熱効率
の向上を達成できると共に、次のような効果がある。
【００６０】（１）圧縮行程前期において排気弁を再啓
開させるので、従来の給気弁遅閉じ又は早閉じによるア
トキンソンサイクル化に比べると、カム設計の自由度が
維持され、必要な空気量を、必要な時期に的確に排気ポ
ートに逃がすように設計することができる。すなわち、
給気弁遅閉じ方法に比べると、圧縮下死点で大量の給気
が逃げるのを防ぐように設計することが簡単に行なえ、
また、給気弁早閉じ方法に比べ、給気リフト量を充分に
確保するように設計することができる。
【００６１】（２）燃焼室に供給された給気の一部を排
気ポートに排出するので、過給機を性能アップして過給
圧を増加させても、上記排出される給気が給気ポートか
ら燃焼室に入る加圧給気の抵抗となることはなく、給気
流量を充分に確保できると共に、過給機の負担が軽減さ
れ、過給機効率が向上する。すなわち過給圧を上げて
も、給気流量を増大させることができるので、図１８の
位置Ｂ３に示すように、過給機のサージングラインＢ４
から離れ、サージング発生の心配はなく、過給機を効率
良く利用することができる。
【００６２】（３）燃焼室に供給された給気の一部を排
気ポートに排出するので、給気弁の遅閉じ方法に比べ、
給気ポートにおける給気温度の上昇を防ぐことができ、
充填効率の低下を防ぐことができる。
【００６３】（４）圧縮行程前期において排気弁を再啓
開することにより、給気の一部を排気ポートに逃がし、
排気系を冷却するので、排気系の熱負荷を一定としなが
らも給気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期
間を短縮することが可能となる。上記のように排気系の
熱負荷を一定としながらオーバーラップ期間を短縮でき
ることにより、図２１のようにガス仕事交換量を増加さ
せることができ、また、図２２のように筒内残留ガス量
を増加させ、内部ＥＧＲ効果によりＮＯxの低減を図る
ことも可能となる。
【００６４】（５）過給機付多気筒内燃機関において、
他の気筒の排気の影響がある時期を除いては、給気マニ
ホールド圧よりも排気マニホールド圧力が低くなってお
り、この排気マニホールドに給気の一部を排出するの
で、給気弁遅閉じ方法に比べ、ピストンの上昇仕事量を
低く抑えることができ、ピストンロスを小さくすること
ができる。
【００６５】（６）圧縮行程前期で排気弁を一時的に開
くことにより、タイミングや配管をうまく合わせた場
合、他気筒からの排気パルスを導くことができ、これに
よっても内部ＥＧＲ効果を得て、ＮＯxの低減あるいは
増加防止を図ることができる。
【００６６】（７）圧縮比／膨張比を０．６〜０．９の
範囲に納まる程度に圧縮比を下げるようにすることによ
り、熱効率を向上させながらも、空気過剰率の低下を一
定範囲内に抑え、しかも燃焼噴射圧を高くすることによ
りスモークの発生を抑えるようにすることが可能とな
る。
【００６７】（８）始動時又は低負荷運転時には、圧縮
行程前期において排気弁を開かないようにすると、燃料
の蒸発を充分に確保し、始動性能及び低負荷運転性能を
維持でき、一方、高負荷時は、排気行程前期において排
気弁の再啓開を行ない、アトキンソンサイクル化を行な
うことにより、熱効率の向上を達成できる。
【００６８】（９）排気行程用のカム山のみを有する第
１の排気カムと、排気行程用のカム山及び圧縮行程前期
において排気弁を再啓開するためのカム山を有する第２
の排気カムを備え、両排気カムを切換自在に使用する
と、始動時又は低負荷運転時と、高負荷運転時とで、通
常の燃焼サイクルとアトキンソンサイクルとを簡単に切
り換えることができる。
【００６９】（１０）排気行程用のカム山のみを有する
第１の排気カムと、圧縮行程前期において排気弁を再啓
開するためのカム山のみを有する副排気カムを備え、第
１の排気カムによる単独駆動と、第１の排気カムと副排
気カムとの並列駆動とを切換自在に使用すると、始動時
又は低負荷運転時と、高負荷運転時とで、通常の燃焼サ
イクルとアトキンソンサイクルとを簡単に切り換えるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明にしたがったピストン行程を示す気
筒の断面略図である。
【図２】 本願発明にしたがった排気弁リフト及び給気
弁リフトを示す図である。
【図３】 本願発明にしたがった給気弁開期間、排気弁
開期間及び排気弁再啓開期間を示す図である。
【図４】 本願発明にしたがった排気弁再啓開時の排気
弁リフトと、排気マニホールド圧、給気マニホールド圧
及び筒内圧との関係を示すグラフである。
【図５】 本願発明を実施するための排気カムの斜視図
である。
【図６】 図５の排気カムの軸芯と直角な切断面での断
面図であって、両排気カムを並列に記載した図である。
【図７】 本願発明を実施するための別の排気カムの斜
視図である。
【図８】 図７の排気カムの軸芯と直角な切断面での断
面図であって、両排気カムを並列に記載した図である。
【図９】 本願発明を実施するための別の排気カムの斜
視図である。
【図１０】 図９の各排気カムの軸芯と直角な切断面で
の断面図であって、両排気カムを並列に記載した図であ
る。
【図１１】 標準のアトキンソンサイクルの指圧線図で
ある。
【図１２】 本願発明によるアトキンソンサイクルの指
圧線図である。
【図１３】 圧縮比／膨張比と空気化過剰率との関係を
示す図である。
【図１４】 燃料噴射圧とスモークとの関係を示す図で
ある。
【図１５】 燃料消費率と最高筒内圧との関係を示す図
である。
【図１６】 燃料消費率とＮＯx濃度との関係を示す図
である。
【図１７】 スモーク指数とＮＯx濃度との関係を示す
図である。
【図１８】 給気流量と給気圧力比との関係を示す図で
ある。
【図１９】 オーバーラップ期間と新気吹き抜け割合と
の関係を示す図である。
【図２０】 排気弁開期間と給気弁開期間のオーバーラ
ップ期間が長い場合の燃焼サイクルの指圧線図である。
【図２１】 排気弁開期間と給気弁開期間のオーバーラ
ップ期間が短い場合の燃焼サイクルの指圧線図である。
【図２２】 オーバーラップ期間と筒内残留ガス割合の
関係を示す図である。
【図２３】 従来の給気弁遅閉じによるアトキンソンサ
イクルのピストン行程を示す気筒の断面略図である。
【図２４】 図２３に対応する給気弁リフトを示す図で
ある。
【図２５】 図２３に対応する給気弁開期間及び排気弁
開期間を示す図である。
【図２６】 図２３に対応するアトキンソンサイクルの
指圧線図である。
【図２７】 従来の給気弁遅早閉じによるアトキンソン
サイクルのピストン行程変化を示す気筒の断面略図であ
る。
【図２８】 図２７に対応する給気弁開期間及び排気弁
開期間を示す図である。
【図２９】 図２７に対応するアトキンソンサイクルの
指圧線図である。
【符号の説明】
１ 給気弁 ２ 給気ポート ３ 燃焼室 ５ 排気弁 ６ 排気ポート ８ ピストン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増田 宏司 大阪府大阪市北区茶屋町１番32号 ヤンマ ーディーゼル株式会社内 Ｆターム(参考） 3G016 AA02 AA06 BA06 BA10 BA18 BA28 BA34 BA35 BA36 BA41 BA43 BB09 DA22 GA01 GA07 3G018 AA11 AB02 AB05 AB16 BA02 BA07 BA09 CA01 DA04 DA05 DA31 DA82 DA84 DA85 EA12 EA13 EA21 EA22 FA03 FA07 FA09 FA11 FA16 FA20 FA27 GA07 GA09 GA11 3G092 AA02 AA11 AA12 AA18 AB03 BA02 CA02 CB02 CB03 DA02 DA04 DD01 DD10 EA01 EA09 EA11 EB02 EC03 FA24 FA25 FA31 GA01 GA04 GA05 GA06

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮行程前期において排気弁を一時的に
    開くことにより、圧縮比を下げることを特徴とする内燃
    機関の制御方法。
  2. 【請求項２】 圧縮比／膨張比が０．６〜０．９の範囲
    に納まるように圧縮比を下げることを特徴とする請求項
    １記載の内燃機関の制御方法。
  3. 【請求項３】 始動時又は低負荷運転時には、圧縮行程
    前期において排気弁を一時的に開かないことを特徴とす
    る請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法。
  4. 【請求項４】 排気行程用のカム山のみを有する第１の
    排気カムと、排気行程用のカム山及び圧縮行程前期にお
    いて排気弁を再啓開するためのカム山を有する第２の排
    気カムとを備え、両排気カムを切換自在に使用すること
    を特徴とする請求項１〜３記載の内燃機関の制御方法。
  5. 【請求項５】 排気行程用のカム山のみを有する第１の
    排気カムと、圧縮行程前期において排気弁を再啓開する
    ためのカム山のみを有する副排気カムとを備え、第１の
    排気カムによる単独駆動と、第１の排気カムと副排気カ
    ムとの並列駆動とを切換自在とすることを特徴とする請
    求項１〜４記載の内燃機関の制御方法。
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