JP2566232B2 - 過給機付エンジンのバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は過給機付エンジンのバルブタイミング制御装
置に関する。

（従来の技術） エンジンの吸気系に過給機を設けたものは一般に知ら
れている（例えば、特開昭59-39927号公報参照）。とこ
ろで、一般に過給機付エンジンにおいては、その排気ガ
ス温度が高いために高速運転領域では空燃比をリッチ
（混合気濃度を濃くすること）にすることにより、排気
ガス温度を排気系部品の耐熱限界以下に抑えるという制
御がなされている。

また、過給機付エンジンの場合、その幾何学的圧縮比
（ピストン下死点でのシリンダ内容積／ピストン上死点
でのすきま容積）を過給機無しのエンジンのものよりも
低く抑えて高負荷運転領域での異常燃焼（ノッキング）
を避けるようにしている。すなわち、幾何学的圧縮比を
7.0ないし8.5未満に、吸気ポートの閉時期を下死点から
クランク角度で20〜40度を経過した時点に設定して有効
圧縮比を6.5〜8.25程度にしているのが通常である。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように、過給機付エンジンでは高速運転領域で
空燃比のリッチ化を図ることから燃費が悪くなるという
問題があり、また、低圧縮比を用いることによっても熱
効率が悪くなるから燃費の点で好ましくない。

そこで、本発明では、ターボ過給機付エンジンにおい
て、高速運転領域での排気ガス温度の過度の上昇を防止
するための冷却手段として、上記空燃比のリッチ化に代
えて、断熱膨張を利用しようとするものである。しか
し、その場合、以下の問題が新たに生じる。

すなわち、断熱膨張による燃焼ガスの冷却を行なうに
は、吸気ポートを遅く閉じるようにして圧縮行程におけ
るピストンの実質的なストロークを短く、従って膨張行
程の同ストロークを相対的に長くすればよいが、圧縮期
間が短くなるため、逆に圧縮による温度上昇が得られず
に燃焼性が悪化することになる。

また、上記膨張行程の後、燃焼ガスは完全には排出さ
れずに、その一部は燃焼室に残るが、この残留ガスは高
温であるから次に燃焼する混合気の温度上昇、ひいては
異常燃焼を招き易くなるとともに、吸気の充填効率も残
留ガス分だけ低くなるという問題がある。

（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決するため、本発明では、吸気ポート
の遅閉じによって断熱膨張による燃焼ガスの冷却を行う
とともに、この吸気ポートの遅閉じの場合の吸気充填量
を過給機による過給及びインタクーラによる過給気の冷
却によって十分に賄うものであるが、その際に燃焼室に
残留ガスが残っているとその分吸気充填量が減ることか
ら、ターボ過給機付エンジンでは低回転高負荷の運転領
域で過給圧の方が排気圧よりも大になるという現象を生
ずることを利用して、この燃焼ガスの残留を掃気によっ
て解消するものである。

具体的に、本発明の解決手段は、吸気をエンジンに過
給するターボ過給機を備えるとともに該ターボ過給機か
ら過給される過給気を冷却するインタクーラを備えた過
給機付エンジンにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比は
8.5以上に設定されているとともに、吸気弁のバルブリ
フト量が1mmとなる時点で規定される吸気ポートの閉時
期はピストンの下死点からクランク角度で50度以上経過
した時点に設定されているものとする。さらに、低回転
高負荷側の過給圧が排気圧を上回る運転領域では吸気ポ
ートの開時期を他の運転領域よりも早めて吸気側と排気
側との開弁期間のオーバラップを大きくする手段を設け
たものとする。

（作用） すなわち、本発明においては、吸気ポートの閉時期が
遅いことにより、圧縮行程のピストンストロークが短く
なって膨張行程のピストンストロークが相対的に長くな
り、燃焼ガスの断熱膨張による冷却が図れる。そして、
上記吸気ポートの閉時期が遅くなっても、幾何学的圧縮
比が高いことにより、燃焼安定性の確保に必要な有効圧
縮比が得られ、また、ピストン上死点でのシリンダのす
きま容積が小さくなって燃焼室の残留ガスが減ることに
よっても上記燃焼安定性の確保に寄与することになる。
また、上記吸気ポートの閉時期が遅いことにより軽負荷
運転領域でのポンピングロス（吸気行程での負の仕事）
の低減が図れる。

この場合、上記吸気ポートの閉時期の設定に関しクラ
ンク角度でピストン下死点後50度以上の時点という特定
を与えたのは、比較的大きなポンピングロス低減効果が
得られるピストン変位（ピストン移動速度が比較的高く
なるクランク角度）まで吸気ポートを開放しておくため
である。また、幾何学的圧縮比に8.5以上という特定を
与えたのは、上記吸気ポートの閉時期の遅延による有効
圧縮比の低下を十分に補えるようにするためである。

一方、本発明においては、低回転高負荷側の過給圧が
排気圧を上回る運転領域では、吸気側と排気側との開弁
期間のオーバラップが大きくなるため、排気行程の終わ
りごろに残留している燃焼ガスが過給気で掃気され、吸
気の充填効率が高くなり、吸気ポートの閉時期が遅いこ
とになる有効圧縮比の低下や吸気充填量の低下を補うこ
とができる。

なお、本発明では、吸排気ポートの開閉時期に関して
は、バルブリフト量1mmの時点は実質的な吸排気がなく
閉弁状態としてとらえて規定している。例えば、吸気ポ
ート閉時期が下死点からクランク角度で50度というとき
は、この50度の時点でバルブリフト量が1mmになるとい
う意味である。

（発明の効果） 従って、本発明によれば、ターボ過給機付エンジンに
おいて、高い幾何学的圧縮比と吸気ポート開時期との制
御により燃焼安定性を確保しながら、吸気ポート閉時期
の遅延により断熱膨張を有効に利用して燃焼ガスを冷却
できることで、排気ガス温度の過度の上昇を空燃比のリ
ッチ化を用いずに防止することができ、高速運転領域で
の燃費の改善が図れる。

また、低回転高負荷側の過給圧が排気圧を上回る運転
領域では、過給気による燃焼ガスの掃気が促進されるた
め、低い過給圧でも加速時に十分な吸気充填量が得られ
て出力の向上が図られ、燃費も改善されるととも、上記
の高い幾何学的圧縮比と相俟って残留ガスの低減が図れ
ることにより、この残留ガスによる混合気温度の上昇が
抑えられ耐ノッキング性も向上することになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図に示す過給機付エンジンにおいて、１は４サイ
クルのエンジン本体、２はターボ過給機である。吸気通
路３はその上流側から過給機２のコンプレッサ2a、イン
タクーラ５、スロットル弁６が順に介装されてサージタ
ンク７に続き、このサージタンク７から各気筒のそれぞ
れ第１と第２の吸気バルブ8,9で開閉される第１と第２
の吸気ポート10,11に対し第１と第２の通路12,13が連な
っている。そして、各第２通路13には通路開閉用のシャ
ッター弁14が介装され、このシャッター弁14の下流側に
おいて第１と第２の吸気ポート10,11へ向けた燃料噴射
弁15が設けられている。

また、各気筒はそれぞれ第１と第２の排気バルブ16,1
7で開閉される第１と第２の排気ポート18,19を備える。
そして、各気筒に連なる排気通路20には過給機２のター
ビン2bが介装されているとともに、このタービン2bをバ
イパスする通路21にウエストゲートバルブ22が介装され
ている。

しかして、上記エンジンの幾何学的圧縮比は8.5以上
に設定されている。バルブリフト量が1mmとなる時点で
規定される吸気ポート10,11の開閉時期に関しては第２
図に示す如く、第１吸気バルブ８は第１吸気ポート10を
ピストン上死点（TDC）の直前で開き、ピストン下死点
（BDC）からクランク角度で50度以上経過した時点で閉
じ、第２吸気バルブ９は第２吸気ポート11を第１吸気バ
ルブ８の場合よりも早く開き、第１吸気バルブ８と同時
期に第２吸気ポート11を閉じるようにカムシャフトでタ
イミングが設定されている。そして、第２吸気ポート11
に関しては、制御手段23によりシャッター弁14を開閉制
御して、第３図に斜線で示す如く過給効率が高くて過給
圧が排気圧を上回る低回転高負荷側の運転領域でのみシ
ャッター弁14の開作動により燃焼室に対する吸気の導入
を行なうようになっている。すなわち、制御手段23はサ
ージタンク７に設けた圧力センサ24で検出される吸気管
圧力と、回転センサ25で検出されるエンジン回転数の信
号に基づき、低回転高負荷の運転領域でシャッター弁14
のアクチュエータ26に開信号を出力するようになってい
る。

そうして、上記幾何学的圧縮比と吸気ポート閉時期の
設定のもとに、上記エンジンの有効圧縮比（圧縮始めの
シリンダ内容積／ピストン上死点でのすきま容積）は、
第４図に実線で右下り斜線を引いて設定領域を示す如く
6.5〜8.25程度になされている。なお、同図に破線の斜
線で示す領域は従来の過給機付エンジンの設定範囲であ
る。そして、第４図から、幾何学的圧縮比と吸気ポート
閉時期との関係を第５図に示す領域において設定すれ
ば、上記有効圧縮比6.5〜8.25が得られることがわか
る。また、上記吸気ポート閉時期に関し、ピストン下死
点後のクランク角度50度の時点は、第６図に示す如くク
ランク角度の変化に対してピストンの変位割合（ピスト
ン変位量x/ピストンの全ストロークx st）が急激に大き
くなっていく時点である。

従って、上記実施例の場合、吸気ポート閉時期の遅延
により、膨張行程のピストンストロークが圧縮行程の同
ストロークよりも相対的に長くなり、燃焼ガスが断熱膨
張により有効に冷却され、排気ガス温度は排気系部品の
耐熱限界温度以下に抑えられることになる。すなわち、
高速運転領域での空燃比のリッチ化は不要となり燃費の
改善が図れる。また、吸気ポート10,11は、ピストンの
変位割合が急激に大きく成ってきてから閉じられるた
め、軽負荷でのポンピングロスの低減が有効に図れる。
しかも、上記吸気ポート閉時期の遅延にかかわらず、幾
何学的圧縮比を高くして有効圧縮比を確保するととも
に、排気行程での燃焼室の残留ガスを減らしているか
ら、燃焼安定性の確保ないしは改善が図れ、有効圧縮比
を低く抑えることあるいは吸気ポート閉時期をさらに遅
らせることも可能となる。

一方、低回転高負荷側の過給圧が排気圧よりも高い運
転領域では、シャッター弁14の開作動により第２吸気ポ
ート11が吸気作用を呈し、吸気側と排気側の開弁期間の
オーバラップが大きくなるため、過給気により燃焼ガス
が掃気され、上記幾何学的圧縮比が高いこともあって、
燃焼室の残留ガスの低減がより一層図られる。そして、
この残留ガスの低減により、燃焼室は低い過給圧でも吸
気の充填量が高くなり、出力の向上ないしは燃費の改善
が図れるとともに、残留ガスによる混合気温度の上昇が
抑えられ、耐ノッキング性も改善される。なお、吸気ポ
ート閉時期と幾何学的圧縮比の関係を調整することによ
り、有効圧縮比が過度に高くなることは防止できる。ま
た、オーバラップを大きくして掃気をさせた場合の未燃
ガスの排出は、排気ポート18,19が閉じられた後に燃料
噴射を行なうようにすることにより防止することができ
る。

上記実施例では第１と第２の両吸気ポート10,11を同
時に閉じるようにしたが、第７図に示す如く、第２吸気
バルブは第２吸気ポートを第１吸気バルブよりも遅れて
閉じるようにしてもよい。これにより低回転高負荷の運
転領域での燃焼ガスの断熱膨張による冷却効率をさらに
高め、また、有効圧縮比の低下を図って、ノッキングの
発生をより確実に防止することができる。

また、第８図に示す如く、第１吸気バルブは第２吸気
バルブよりも吸気ポートを早く（ピストン下死点からク
ランク角度50度に至る間に）閉じるようにして、軽負荷
側では有効圧縮比を高くして空燃比のリーン（希薄）化
ないしは燃焼安定性の向上を図り、高負荷側でのみ吸気
ポートの閉時期を遅らせて有効圧縮比の低下を図りなが
ら燃焼ガスの冷却を有効に行なえるようにしてもよい。

また、上記実施例ではシャッター弁14を用いて第２吸
気バルブ９により吸気ポートの開閉時期を制御している
が、第２吸気バルブに弁停止機構を設けてこれをシャッ
ター弁と同様に制御する方式としてもよく、さらにこの
第２吸気バルブの位相を吸気カム側でモータにより任意
に変更できるようにして、第３図に破線で等位相線を示
す如く高負荷になるに従って吸気側と排気側との開弁期
間のオーバラップが漸次大きくなるように制御してもよ
い。

なお、バルブの位相をモータで変える方式を採用する
場合、第２吸気バルブだけでなく第１吸気バルブも同時
に制御してもよい。もちろん、２バルブ方式に限らず吸
気バルブが１つの方式のエンジンでも本発明は実施する
ことができる。

また、上記オーバラップの制御は過給圧と排気圧をそ
れぞれセンサで検出し両者を直接比較しながら行なって
もよく、さらにオーバラップ量を変更する場合、排気ポ
ートの閉時期を変えるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明の実施例を示し、第１図は過給機付エンジ
ンの全体構成図、第２図は吸気バルブのタイミング特性
を示す図、第３図はターボ式過給機の場合のオーバラッ
プ拡大領域を示す特性図、第４図は幾何学的圧縮比と吸
気ポート閉時期と有効圧縮比との関係に関し本発明と従
来例の設定領域を示す特性図、第５図は幾何学的圧縮比
と吸気ポート閉時期に関する設定領域を示す特性図、第
６図はクランク角度とピストンの変位割合との関係を示
す図、第７図および第８図は吸気バルブのタイミング特
性の他の例を示す図である。 １……エンジン本体、２……過給機、３……吸気通路、
８……第１吸気バルブ、９……第２吸気バルブ、10……
第１吸気ポート、11……第２吸気ポート、14……シャッ
ター弁、18,19……排気ポート。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気をエンジンに過給するターボ過給機を
   備えるとともに該ターボ過給機から過給される過給気を
   冷却するインタクーラを備えた過給機付エンジンにおい
   て、 エンジンの幾何学的圧縮比は8.5以上に設定されている
   とともに、吸気弁のバルブリフト量が1mmとなる時点で
   規定される吸気ポートの閉時期はピストンの下死点から
   クランク角度で50度以上経過した時点に設定されてお
   り、 低回転高負荷側の過給圧が排気圧を上回る運転領域では
   吸気ポートの開時期を他の運転領域よりも早めて吸気側
   と排気側との開弁期間のオーバラップを大きくする手段
   を設けたことを特徴とする過給機付エンジンのバルブタ
   イミング制御装置。