JPS5922055B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は吸気絞弁とともに吸気弁の開弁期間を可変的に
して吸入空気量を制御するようにした火花点火式内燃機
関に関する。

一般に内燃機関の吸気弁の開閉時期は機関運転状態のい
かんにかかわらず固定的に設定されているのが普通であ
って、通常は吸入行程上死点前およそ１０°〜２０°に
て開き始め、下死点後５０゜〜６０°に閉じ終るように
設定されている。

このパルプタイミングは、吸気絞弁の全開する高負荷域
での最大出力の確保を重点において設定される。

火花点火式内燃機関にあっては、吸入空気量をコントロ
ールするために吸気通路に絞弁を設け、アクセルペダル
に連動して絞弁の開度を増減制御しているが、このため
に、とくに絞弁開度の小さい機関低負荷域では、絞弁下
流に大きな吸入負圧が発生し、この吸入負圧は吸入行程
でのピストンに対する負の仕事として作用し、つまりポ
ンピングロスとなって発生する熱エネルギの相当部分が
損失となる。

このポンピングロスは吸入負圧が強くなるほど増加し、
したがって自動車機関にとっては、低負荷域での運転頻
度が高い市街地走行時などに、燃費効率を悪化させる大
きな原因となっていた。

吸入空気量を制御する方法として、吸入行程で開弁する
吸気弁の開弁期間を可変とする、例えば吸気弁を吸入下
死点前に閉じてしまえば、それだけ気筒内に吸入される
混合気量は減少するが、従来このようにして吸入空気量
をコントロールする機構はなかった。

この場合、吸気通路を絞る必要がないため、上記したポ
ンピングロスはそれだけ減少し、また仮に絞弁を備えて
いても、ピストンによる吸入作用が吸気系に及ぶ期間が
短縮されるので、それだけ発生する吸入負圧か弱くなり
、相対重にポンピングロスは低減する。

吸気絞弁を全（設けずに、吸気弁の開弁期間のみを変化
して吸入空気量を匍脚する場合、吸入負圧がほとんどな
くなるために、ポンピングロス低減にとっては有効なの
だが、特に低負荷域で燃料の負圧による気化特性が低下
し燃焼に不利益をもたらし、さらには微小吸入空気量の
制御がかなり困難になるなどの問題もあった。

そこで本発明は、基本的には吸気弁の開弁機関を可変す
るとことにより吸入空気量を制御するとともに、主とし
て低負荷域での燃焼改善と制御精度改善をはかるための
吸気絞弁を併用し、ポンピングロスを低減しながら低負
荷域での燃焼特性を向上させるようにした火花点火式内
燃機関を提供することを目的とする。

以下、本発明の実施例を図面にもとすいて説明する。

本発明は基本的には、第１図に示すように吸気弁のパル
プタイミングを運転状態によって可変とすることにより
、吸入空気量を制御する。

吸気弁の開弁時期は原則として、例えば上死点前１０°
〜２０° （クランク用、以下同じ）に設定するが、そ
の閉弁時期は低負荷域で略一定値をとるが、中、高負荷
になるにしたがって変化させる。

ツマリ、負荷の小さい領域では吸気弁のリフトを小さく
、かつ吸入下死点前、例えば１２０°附近で閉弁するが
、負荷の増大に比例してリフトを増すとともに閉弁時期
も遅らせ、最大負荷時には下死点後５０°〜７０° と
、通常のバルブタイミング固定型と同程度に設定する。

したがって、吸入行程でピストンの降下に伴い吸気弁を
通って混合気が気筒内に吸入されるが、吸気弁を下死点
到達前に閉弁すると、シリンダ内への吸入作用はその時
点で終了し、このため、実質的なシリンダ有効容積は吸
気弁が閉じたときのピストン位置によって決まり、吸入
空気量は閉弁時期が早まるほど減少する。

ここで、吸気弁が閉じるとピストンによる吸入作用は吸
気系に及ばなくなり、この後は密閉状態のままシリンダ
容積が拡大し、やがて下死点を通過すると圧縮行程に移
行する。

吸入行程における吸気弁の閉弁位置までピストンが上昇
すると、それからは実質的な圧縮が始まりシリンダ内圧
力が大気圧以上に上昇する。

ここで吸入行程におけるポンピングロスを考えると、吸
気弁が吸気行程の途中で閉じてしまうため、吸気系に及
ぶピストンのポンピング作用はそれだけ小さくなり、し
たがって、吸気系に絞弁があったとしても発生する吸入
負圧は相対的に減少する。

その結果、吸気弁が開いている間のピストンに作用する
負の仕事は、吸気負圧の低下した分だけ軽減される。

また、吸気弁が閉じた後は、ピストンが下降する間のシ
リンダ内負圧が、ピストン上昇時の引き上げ力として作
用するので、降下時の負の仕事は上昇時にほとんど回収
される。

このようにして、ポンピングロスを低減しつつ吸入空気
量のコントロールを行うのであるが、上記吸入弁の閉時
期はピストンの上昇する圧縮行程にて可変としても、同
様の効果をもたらす。

即ちこの場合には閉時期を低負荷時はど遅らす（上死点
側に近づけ例えば下死点後１２０°位で閉じるようにす
る）。

この場合にはいったんシリンダに吸い込んだ空気を吸気
系に押し戻すことにより、実質的な吸入空気量の制御を
行う。

次に、第２図にもとすいて具体的に吸気弁の動弁機構及
び絞弁との関連機構を説明する。

シリンダヘッド１の上部には軸受２，２′間で回転並び
に軸方向に摺動自由にカム軸３が支持され、各吸気弁４
に対応した位置には、カム軸３の変位に伴ってプロフィ
ルが変化するカム５（いわゆる三次元カム）が一体的に
形成される。

このカム５の形状は、軸方向への変位により、前述のよ
うに、吸気弁４の閉弁時期を負荷の減少に伴って早める
（ただし吸入行程で可変とする場合）ように形成されて
いる。

カム軸３の一端にはスプライン部６を介してスプロケッ
トホイールＩが結合し、機関回転に同期してカム軸３を
回転させる。

一方、カム軸３の他端には油圧シリンダ８に摺動自由な
ピストン９が連結し、油圧室１０に供給される油圧制御
装置１１を介しての匍脚油圧により、リターンスプリン
グ１２に抗してカム軸３を軸方向に移動させる。

油圧制御装置１１は、図示しないアクセルペダルに対し
て連結するスロットルレバー１３と連動して油圧をコン
トロールするもので、バルブ／Ａウジング１４のボア１
５には、２つの有底筒状のピストン１６と１７とが収め
られ、内側のピストン１６にはロッド１８を介して弁体
１９が結合し、弁体１９は油圧ポンプ２０からの圧油が
供給されるポンプ通路２１と、上記した油圧シリンダ８
の油圧室１０に連通ずる供給通路２２及びタンク２３に
連通する還流通路２４が接続する調圧室２５とを結ぶ弁
口２６を開閉する。

前記ピストン１６と１７との間、及びピストン１６とボ
ア端壁１５ａとの間には、それぞれリターンスプリング
２７と２８が介装される。

また、ピストン１６とボア端壁１５ａとの間の室２９は
圧力補償室として、通路３０を介して前記調圧室２５と
連通し、ピストン１６と１７との間の室３２は、ピスト
ン１７に形成した通孔３１を介して大気と連通している
。

前述したスロットルンバー１３は、吸気通路３３に設け
た絞弁３４の弁軸３５に対して回動自在に基端を連結す
るとともに、弁軸３５に固着したレバー３６にスプリン
グ３７を介してこのスロットルンバー１３が係合し、絞
弁３４が全開してストッパ３８に当接するまでは、互に
一体的に回動スるが、その後はスロットルンバー１３の
みがリターンスプリング３９に抗して単独で回動する。

このスロットルンバー１３の先端部１３ａが、前記ピス
トン１７の端面に当接し、ピストン１７をスプリング２
７．２８に抗して左方に押し込む。

ピストン１７をスプリング２８に抗して圧力に移動する
と、ピストン１６はこの圧縮スプリングの作用力により
同方向に移動し、弁体１９による開度が増大して、調圧
室２５の油圧が上昇するし、逆にピストン１６が右方に
移動すると弁体１９の開度が減少し、調圧室２５の油圧
が低下する。

ここで、ピストン１６を押圧するスプリング２８の弾圧
力）よ、スロットレルバー１３によるピストン１７の変
位量が所疋値を越えると、つまり第３図のように、絞弁
３４の開度が一定値を越えると、リターンスプリング２
７に打勝ってピストン１６を変位させ始めるように設定
してあり、したがって、絞弁開度の一定以下に小さい領
域では調圧室２５の油圧がタンク圧（低圧）になってお
り、前述したカム軸３は同一位置に保持される（吸気弁
４の開弁期間が最小の値）。

本発明は以上のように構成されており、次にその作用に
ついて第３図（実線は従来例、点線は本発明実施例）を
参照しながら説明する。

機関低負荷域などアクセルペダルの踏み量が少ないとき
は、吸気通路３３の絞弁３４の開度が小さく、また、ス
ロットルンバー１３を介してのピストン１７の変位も少
ないため、ピストン１６はリターンスプリング２７の動
きで弁体１９を右限まで変位して弁口２６を閉じるか、
あるいは微小開度に保つ。

このため、調圧室２５の圧力は、還流通路２４による逃
がし量が細径通路（オリフィス）２４ａにより規制され
ていても、弁口２６を通しての供給圧が少ないことから
ほぼタンク圧になり、したがって、油圧シリンダ８のピ
ストン９はリターンスプリング１２によって、右限へと
押し付けられた状態となり、カム５は吸気弁４の開弁期
間が最短、つまり閉弁時期が下死点前のかなり早い位置
となるように制御する。

低負荷域では、吸気弁４の閉弁時期が早められるので吸
入空気量は相対的に減少する。

そして、この状態において絞弁３４の開度に応じて吸入
室気量が増減するので、微小吸気量の制御は絞弁３４に
よって精度よく行われることになる。

一方、このときに発生する吸入負圧は、ピストンにもと
づくポンピング作用が吸気系に及ぶ時間（期間）が相対
的に減るのに対応して低下した状態で、絞弁開度に比例
することになる。

つまり、ポンピングロスは絞弁の開度の割にはそれほど
大きくならないのである。

次に低負荷から中負荷域にかげては、スロットルンバー
１３の図中反時計方向への回動にもとづき、絞弁３４が
ほぼ全開となり、それ以上の回動はストッパ３８により
阻止される。

この全開位置からはスロットルンバー１３のみがスプリ
ング３７をたわませつつ回動し、ピストン１７を左方に
押圧する。

ピストン１７の移動に伴いスプリング２８がたわみ、こ
の弾性力と、もう−力のスプリング２７及び室２９の油
圧の合成力とのバランスする位置までピストン１６を変
位させる。

この結果、弁口２６が開いて油圧ポンプ２０かもの吐出
圧が調圧室２５に作用し、制御圧力Ｐが上昇する。

この制御圧力Ｐによって油圧シリンダ８のピストン９は
、カム軸３を左方に押圧して吸気弁４のバルブタイミン
グを変化、つまり開弁期間を伸ばしリフトを増加させる
。

吸気弁４がこのようにバルブタイミングを制御されると
、絞弁３４の開度が全開で一定であるのにもかかわらず
、吸入空気量は次第に増加し、また吸入負圧は絞弁全開
により低下するようになる。

このようにして、低負荷域では吸気弁４の開度（開弁期
間）を最小値で一定化するとともに、絞弁３４の開度に
よって吸入空気量の微妙な制御を行い、中高負荷域では
絞弁３４を全開とした状態で吸気弁４の開度を増減して
吸入空気量を制御する。

なお、前記油圧制御装置１１は、機関回転数の上昇に略
比例して油圧ポンプ２０の吐出圧が上昇しても、調圧室
２５の圧力が通路３０を介して圧力補償室２９にフィー
ドバックされ、圧力上昇に応じてピストン１６を右方に
押圧し弁口２６の開度を減じ、ポンプ圧力の影響を小さ
くするため、ポンプ吐出圧の増加によってはカム軸３を
駆動する油圧シリンダ８のピストン９が作動するような
ことはない。

以上のように本発明は、吸気弁の開弁期間と絞弁の開度
を運転状態に応じて制御することにより、燃料の気化を
促進させるに適切でしかもポンピングロスをそれほど太
きくしない程度の吸入負圧を発生させつつ、吸入空気量
の低量域から高量域まで精度のよい流量制御を実現でき
る。

また、本発明によれば、圧縮上死点での混合気の温度低
下を防ぐために、混合気の絞り膨張（はぼ等温膨張）を
利用でき、燃焼条件の改善がはかれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は吸気弁の開弁期間を示す説明図、第２図は本発
明の断面図、第３図はアクセル開度に対するスロットル
開度、吸入負圧、吸気弁開度の特性を従来と比較してあ
られす特性図である。 ３・・・・・・カム軸、４・・・・・・吸気弁、５・・
・・・・カム、８・・・・・・油圧シリンダ、９・・・
・・・ピストン、１１・・・・・・油圧制御装置、１３
・・・・・・スロットルレバー、１６゜１７・・・・・
・ピストン、１９・・・・・・弁体、２０・・・・・・
油圧ポンプ、２９・・・・・・圧力補償室、３４・・・
・・・絞弁、３６・・・・・・レバー、３７・・・・・
・スプリング、３８・・・・・・ストッパ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アクセルペダルに連動して吸気通路を開閉する絞弁
   と、吸気弁の開弁時期が吸入上死点附近のほぼ一定時期
   に設定される一方、閉弁時期が吸入行程において低負荷
   はど早（閉弁するようにアクセル開度に応じて可変とす
   る動弁機構を備え、機関吸入空気量を絞弁と吸気弁開弁
   期間に応じて制御するようにした火花点火式内燃機関。 ２ 動弁機構は、アクセル開度に対応して付勢力が変化
   するスプリングと、このスプリング付勢力に応動スるピ
   ストンを介して油圧ポンプ吐出通路の開度を増減する弁
   体と、弁体による絞り下流の油圧を前記ピストンのスプ
   リングに対抗的に作用させる圧力補償手段とを有する油
   圧制御装置を有する動弁機構であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の火花点火式内燃機関。 ３ 絞弁は、アクセル開度に応じて回動するスロットル
   レバーとスプリングを介して連結し、絞弁全開後にもア
   クセル開度を増大しうる絞弁であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項または第２項に記載の火花点火式内
   燃機構。