JP2013147956A - エンジンの動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡運転時に吸気弁の閉弁時期を好適に進角させることが可能なエンジンの動弁装置を提供する。
【解決手段】エンジンの動弁装置１は過給機３０付きのエンジン５０の燃焼室Ｅに対して設けられる吸気弁５４の開弁時期と閉弁時期とを個別に変更可能な可変動弁機構として、吸気弁５４のバルブ特性をリフト量一定で可変にする電動式のカム速度可変機構を有して構成される可変動弁機構５７を備える。そして、エンジン５０の過渡運転時に少なくともカム速度可変機構によって吸気弁５４の閉弁時期を進角させる。可変動弁機構５７は具体的にはさらに吸気弁５４のバルブタイミングを可変にする油圧式の位相可変機構を有して構成されることで、吸気弁５４の開弁時期と閉弁時期とを個別に変更可能な可変動弁機構となっている。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの動弁装置に関する。

エンジンでは吸気弁のバルブ特性を可変にすることがある。この点、本発明と関連性があると考えられる技術として、カムとバルブとの間に介在する制御軸を回転させることにより、カムの回転位置に対するバルブのリフト量を変化させることで、バルブの作用角を変化させる内燃機関の動弁システムが開示されている。この動弁システムでは電動モータで制御軸を一方の方向に回転させることでバルブの作用角およびリフト量を小さくするとともに、他方の方向に回転させることでバルブの作用角およびリフト量を大きくすることができる。

このほか本発明と関連性があると考えられる技術として、例えば特許文献２では駆動軸とカムシャフトとが不等速で連動するようにすることで、リフト量一定でバルブ特性を可変にする可変動弁装置と、この可変動弁装置が可変にするバルブ特性を検出する内燃機関の可変動弁装置のバルブリフト特性検出装置が開示されている。

特開２００９−２９９６５５号公報 特開２００６−３３６６５９号公報

過給機付きのエンジン（例えば圧縮自着火式のエンジン）では、過渡運転時に過給遅れが発生する結果、未燃ＨＣが増加したり失火が発生したりすることがある。この点、これに対しては例えば吸気弁の閉弁時期を進角させ、これにより実圧縮比を向上させることで、未燃ＨＣの増加や失火の発生を防止或いは抑制することができる。ところが、過渡運転時に吸気弁の閉弁時期を進角させる場合には以下に示す課題が存在する。

図５は過給機付きのエンジンで過渡運転時に行うバルブ特性の変更例を示す図である。図５（ａ）は吸気弁５４のバルブタイミングを可変にする油圧式の位相可変機構で吸気弁５４の閉弁時期を進角させる場合の変更例を示す。図５（ｂ）は図５（ａ）の位相可変機構と、リフト量とともに作用角を可変にする電動式の作用角可変機構とを有して構成される可変動弁機構で吸気弁５４の閉弁時期を進角させる場合の変更例を示す。図５では進角前の吸気弁５４のリフト量変化を破線で示す。また、排気弁５５のリフト量変化についても併せて示す。

図５（ａ）に示すように、油圧式の位相可変機構で吸気弁５４の閉弁時期を進角させる場合には変更動作の応答性が低いことから、過渡運転時に発生する過給遅れに対して実圧縮比の向上が遅れる結果となる。これに対して、図５（ｂ）に示すように油圧式の位相可変機構と電動式の作用角可変機構とを有して構成される可変動弁機構で吸気弁５４の閉弁時期を進角させる場合には、次のように吸気弁５４の閉弁時期を進角させることができる。

すなわち、この場合には変更動作の組み合わせによって吸気弁５４の開弁時期と閉弁時期とを個別に変更できる。このためこの場合には、油圧式の位相可変機構で応答遅れが生じている間、電動式の作用角可変機構で作用角を縮小することで、一時的に吸気弁５４の閉弁時期を進角させることができる。そしてこれにより、過給遅れに対して応答性良く吸気弁５４の閉弁時期を進角させることができる。

ところが、この場合には素早い作用角の縮小を実現するために高速で駆動可能な駆動モータが作用角可変機構に必要となる。結果、可変動弁機構のコストが高くなる虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、過渡運転時に吸気弁の閉弁時期を好適に進角させることが可能なエンジンの動弁装置を提供することを目的とする。

本発明は過給機付きのエンジンの燃焼室に対して設けられる吸気弁の開弁時期と閉弁時期とを個別に変更可能な可変動弁機構として、前記吸気弁のバルブ特性をリフト量一定で可変にする電動式のカム速度可変機構を有して構成される可変動弁機構を備え、前記エンジンの過渡運転時に少なくとも前記カム速度可変機構によって前記吸気弁の閉弁時期を進角させるエンジンの動弁装置である。

本発明によれば、過渡運転時に吸気弁の閉弁時期を好適に進角させることができる。

実施例の全体構成図である。 実施例のエンジンの概略構成図である。 実施例の制御をフローチャートで示す図である。 実施例のバルブ特性の変更例を示す図である。 バルブ特性の変更例を示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジン５０およびその周辺の全体構成図である。図２はエンジン５０の概略構成図である。図１に示す各構成は車両に搭載されている。図１に示すように、吸気系１０はエアフロメータ１１とインタークーラ１２とインテークマニホールド１３とを備えている。エアフロメータ１１は吸入空気量を計測する。インタークーラ１２は吸気を冷却する。インテークマニホールド１３はエンジン５０の各気筒５１ａに吸気を分配する。排気系２０はエキゾーストマニホールド２１と触媒２２とを備えている。エキゾーストマニホールド２１は各気筒５１ａからの排気を下流側で一つの排気通路に合流させる。触媒２２は排気を浄化する。過給機３０はエンジン５０に吸気を過給する。

過給機３０は排気駆動式の過給機であり、コンプレッサ部３１とタービン部３２とを備えている。コンプレッサ部３１は吸気系１０に、タービン部３２は排気系２０にそれぞれ介在するようにして設けられている。排気還流系４０はＥＧＲ配管４１とＥＧＲクーラ４２とＥＧＲバルブ４３とを備えている。ＥＧＲ配管４１は吸気系１０と排気系２０とを連通している。具体的にはＥＧＲ配管４１はインテークマニホールド１３の上流側の集合部分とエキゾーストマニホールド２１の下流側の集合部分とを連通している。ＥＧＲクーラ４２は還流される排気を冷却する。ＥＧＲバルブ４３は還流される排気の量を調節する。

エンジン５０は圧縮自着火式のエンジンとなっている。図２に示すようにエンジン５０はシリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、燃料噴射弁５６と、可変動弁機構５７とを備えている。シリンダブロック５１には気筒５１ａが形成されている。気筒５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。

シリンダヘッド５２には吸気ポート５２ａと排気ポート５２ｂが形成されている。また、吸気弁５４と排気弁５５が設けられている。吸気ポート５２ａは燃焼室Ｅに吸気を導き、排気ポート５２ｂは燃焼室Ｅからガスを排気する。吸気弁５４は吸気ポート５２ａを開閉し、排気弁５５は排気ポート５２ｂを開閉する。シリンダヘッド５２には、燃料噴射弁５６と可変動弁機構５７とが設けられている。燃料噴射弁５６は燃焼室Ｅに燃料を噴射する。可変動弁機構５７は吸気弁５４のバルブ特性を可変にする。

この点、可変動弁機構５７はリフト量一定で吸気弁５４のバルブ特性を可変にする電動式のカム速度可変機構を有している。カム速度可変機構は具体的には吸気弁５４に対して設けられるカムシャフトと動力の入力軸である駆動軸とが不等速で連動するようにすることで、吸気弁５４のバルブ特性をリフト量一定で可変にする構造を備えている。カム速度可変機構には例えば前述した特許文献１が開示する可変動弁装置に対し、駆動機構として回転型の油圧アクチュエータの代わりに電動の駆動モータを用いたものを適用できる。

可変動弁機構５７はさらに吸気弁５４のバルブタイミングを可変にする油圧式の位相可変機構を有して構成されている。位相可変機構は具体的にはエンジン５０のクランクシャフトに対する駆動軸の相対的な位相を可変にすることで、吸気弁５４のバルブタイミングを可変にする（すなわち、吸気弁５４の開閉時期を一体的に可変にする）構造を備えている。そして、可変動弁機構５７はカム速度可変機構とともに位相可変機構を有して構成されることで、吸気弁５４の開弁時期（以下、ＩＶＯと称す）と吸気弁５４の閉弁時期（以下、ＩＶＣと称す）とを個別に変更可能な可変動弁機構となっている。

可変動弁機構５７は具体的には変更動作の組み合わせによってＩＶＯとＩＶＣとを結果的に個別に変更可能にする。この点、可変動弁機構５７は例えばカム速度可変機構によってＩＶＯおよびＩＶＣのうち一方を進角または遅角するとともに、位相可変機構によってＩＶＯおよびＩＶＣのうち他方が変更されないように調整することで、ＩＶＯとＩＶＣとをリフト量一定で個別に変更することができる。

エンジン５０に対してはＥＣＵ７０が設けられている。ＥＣＵ７０は電子制御装置であり、図１、図２に示すようにＥＣＵ７０には燃料噴射弁５６や可変動弁機構５７が制御対象として電気的に接続されている。また、エアフロメータ１１や、クランクシャフトの位相に対する駆動軸の位相を検出可能な第１の位相センサ８１や、駆動軸の位相に対するカムシャフトの位相を検出可能な第２の位相センサ８２や、エンジン５０の運転状態を検出可能なセンサ群８３がセンサ・スイッチ類として電気的に接続されている。センサ群８３は例えばエンジン５０の回転数ＮＥを検出可能なクランク角度センサを含む。ＥＣＵ７０はクランク角度センサと位相センサ８１、８２との出力に基づき、ＩＶＯやＩＶＣを検出できる。また、燃料噴射弁５６の開弁期間によって燃料噴射量を検出できる。

ＥＣＵ７０ではＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、各種の機能部が実現される。この点、ＥＣＵ７０では例えば以下に示す制御部が機能的に実現される。

制御部はエンジン５０の過渡運転時に少なくともカム速度可変機構によってＩＶＣを進角させる。制御部は具体的には位相可変機構によってＩＶＣを目標位相である目標ＩＶＣに進角させる一方、カム速度可変機構によって位相可変機構で生じる応答遅れを補うようにしてＩＶＣを進角させる。

このようにＩＶＣを進角させるにあたり、制御部はさらに具体的には位相可変機構によってＩＶＣを目標ＩＶＣに進角させる一方、位相可変機構によるＩＶＣの進角量である第１の進角量と、カム速度可変機構によるＩＶＣの進角量である第２の進角量との和がＩＶＣを目標ＩＶＣに進角させるのに必要な補正量である補正ＩＶＣ量になるようにカム速度可変機構によってＩＶＣを進角させるとともに調整する。

この点、ＥＣＵ７０は機関運転状態（ここでは回転数ＮＥおよび燃料噴射量）に応じて予め設定したＩＶＣ（以下、基準ＩＶＣと称す）のマップデータをさらにＲＯＭに格納している。また、機関運転状態と加速度合い（ここでは回転数ＮＥの変化率ΔＮＥ）とに応じて予め設定したＩＶＣの補正量（以下、補正ＩＶＣ量と称す）のマップデータをさらにＲＯＭに格納している。補正ＩＶＣ量のマップデータにおいて、補正ＩＶＣ量は同一の機関運転状態で加速度合いが大きい場合ほど、大きくなるように設定されている。

そして、制御部はこれらのマップデータを用いてさらに具体的には次のようにして目標ＩＶＣを決定する。すなわち、制御部は機関運転状態および加速度合いを検出し、検出した機関運転状態に基づき基準ＩＶＣのマップデータから対応する基準ＩＶＣを読み込むことで、基準ＩＶＣを決定する。また、検出した機関運転状態および加速度合いに基づき補正ＩＶＣ量のマップデータから対応する補正ＩＶＣ量を読み込むことで、補正ＩＶＣ量を決定する。そして、基準ＩＶＣを補正ＩＶＣ量で補正することで目標ＩＶＣを決定する。

エンジン５０の過渡運転時に少なくともカム速度可変機構によってＩＶＣを進角させるにあたり、制御部は例えば機関運転状態に応じてＩＶＯを制御する一方、目標ＩＶＣになるようにＩＶＣを制御してもよい。この場合には次のような概念で変更動作を行うなかでカム速度可変機構によってＩＶＣを進角させることができる。

すなわち、この場合にはまずカム速度可変機構によってＩＶＣを目標ＩＶＣまで進角させ、その後カム速度可変機構によってＩＶＣが目標ＩＶＣから変更されないようにＩＶＣを調整しながら、位相可変機構で機関運転状態に応じてＩＶＯを制御するといった概念で変更動作を行うなかで、カム速度可変機構によってＩＶＣを進角させることができる。なお、この場合に各変更動作は重畳的に行われてよい。この場合、カム速度可変機構は位相可変機構がＩＶＯを進角させる場合に位相可変機構が最終的に進角させることになる進角量の分につき、位相可変機構に代わってＩＶＣを一時的に進角させることができる。本実施例ではＥＣＵ７０と可変動弁機構５７とを備えるエンジンの動弁装置（以下、動弁装置と称す）１が実現されている。

次にＥＣＵ７０が行う動弁装置１の制御動作を図３に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートを実行するにあたり、ＩＶＯとＩＶＣとは機関運転状態に応じて別途制御されており、機関運転状態など本フローチャートで必要な検出はこのときに検出したものを利用できる。ＥＣＵ７０は変化量ΔＮＥが基準値αよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１）。そしてこれにより、過渡運転時であるか否かを判定する。変化量ΔＮＥは回転数ＮＥに基づき別途算出できる。ステップＳ１で否定判定であれば本フローチャートを一旦終了する。

ステップＳ１で肯定判定であれば、ＥＣＵ７０は補正ＩＶＣ量を決定するとともに（ステップＳ２）、目標ＩＶＣを決定する（ステップＳ２）。また、第１の進角量を検出するとともに（ステップＳ３）、第１の進角量と補正ＩＶＣ量とが等しいか否かを判定する（ステップＳ４）。否定判定であれば、第１の進角量が補正ＩＶＣ量よりも小さい結果、ＩＶＣが位相可変機構によって目標ＩＶＣに進角されていないと判断される。このため、否定判定であればＥＣＵ７０はＩＶＣを進角させる（ステップＳ５）。この際、ＥＣＵ７０は具体的には位相可変機構によってＩＶＣを進角させる。

続いてＥＣＵ７０は第１および第２の進角量を検出するとともに（ステップＳ６）、第１および第２の進角量の和が補正ＩＶＣ量より小さいか否かを判定する（ステップＳ７）。そして肯定判定であれば、カム速度可変機構によってＩＶＣを進角させ（ステップＳ８）、否定判定であればカム速度可変機構によって第１および第２の進角量の和が補正ＩＶＣ量になるようにＩＶＣを調整する（ステップＳ９）。ステップＳ８またはステップＳ９の後にはステップＳ３に戻る。そして、その後ステップＳ４で肯定判定であれば本フローチャートを終了する。

次に動弁装置１の作用効果について説明する。図４は動弁装置１が行うバルブ特性の変更例を示す図である。図４（ａ）は動弁装置１の場合と、ケース１で示す図５（ｂ）で前述した場合とでＩＶＣの進角量が同等である場合を示す。図４（ｂ）は動弁装置１の場合とケース１の場合とで得られる効果が同等である場合を示す。図４では進角前の吸気弁５４のリフト量変化を破線で示す。また、排気弁５５のリフト量変化についても併せて示す。動弁装置１はエンジン５０の過渡運転時に少なくともカム速度可変機構によってＩＶＣを進角させる。そしてこれにより、実圧縮比を高めることで、過給遅れによって未燃ＨＣが増加したり失火が発生したりすることを抑制する。

この点、図４（ａ）に示すように動弁装置１の場合にはこれによってリフト量一定で作用角を減少させるようにしながらＩＶＣを進角させる結果、ケース１の場合と比較して吸排気弁５４、５５のバルブオーバラップ面積を増加させることができる。このため、動弁装置１はこれによって掃気効果を高めることができる分、未燃ＨＣの増加や失火の発生を好適に抑制できる点で、過渡運転時にＩＶＣを好適に進角させることができる。

図４（ｂ）に示すように、動弁装置１はケース１の場合と同等の効果を得るにあたって、掃気効果を高めることができる分、実圧縮比を低くすることもできる。このため、動弁装置１はケース１の場合と同等の効果を得るにあたって、ＩＶＣ補正量をより小さく設定するとともに、より低速で駆動する駆動モータをカム速度可変機構に用いることもできる。そしてこれにより、ケース１の場合と同等の効果を得るにあたって可変動弁機構５７のコストを抑制できる点でも、過渡運転時にＩＶＣを好適に進角させることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えばエンジンは必ずしも圧縮自着火式のエンジンに限られない。この点、本発明は例えばガソリンエンジンなど火花点火式のエンジンで、過渡運転時に良好な燃焼を得ることで燃費や排気エミッションの悪化を抑制するために用いられてもよい。

動弁装置 １
過給機 ３０
エンジン ５０
吸気弁 ５４
排気弁 ５５
可変動弁機構 ５７
ＥＣＵ ７０

Claims (1)

1. 過給機付きのエンジンの燃焼室に対して設けられる吸気弁の開弁時期と閉弁時期とを個別に変更可能な可変動弁機構として、前記吸気弁のバルブ特性をリフト量一定で可変にする電動式のカム速度可変機構を有して構成される可変動弁機構を備え、
   前記エンジンの過渡運転時に少なくとも前記カム速度可変機構によって前記吸気弁の閉弁時期を進角させるエンジンの動弁装置。
   

Images