JP4019664B2

JP4019664B2 - エンジンの可変動弁制御装置

Info

Publication number: JP4019664B2
Application number: JP2001248923A
Authority: JP
Inventors: 尚夫川崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP2003056374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動式など開閉時期を任意に可変制御できるエンジンの吸・排気弁（可変動弁）を制御する装置に関し、特に、該装置により気筒間の燃焼効率を均一化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｖ型８気筒エンジンとして、２プレーン・クランクシャフトと称されるクランク配置がある。このものは、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、４個のクランクピンが９０°ずつの位相を持って配列されており、直交する２平面上に位置する。
【０００３】
もう一つは、図２（Ｄ）〜（Ｅ）に示すように、バンク毎のクランク配置が直列４気筒と同じで、４個のクランクピンが１８０°ずつの位相を持って配列されており、１平面上に位置するので、シングルプレーン・クランクシャフトと称されるクランク配置である。
上記２プレーン・クランクシャフトのクランク配置は、慣性力のバランスが良いため、乗り心地を重視する乗用車では専らこのクランク配置が採用される。
【０００４】
しかし、このクランク配置は、左右のバンクで燃焼順序が交互とならず同一バンク内の燃焼間隔が不等間隔となるため、吸・排気の脈動を全気筒に対して効果的に利用することが困難である。仮に脈動効果（慣性過給）を１８０°間隔の２気筒に合わせて設定しても、残りの２気筒にはその効果が得られず、エンジン全体としての出力が犠牲になっている。
【０００５】
脈動を効果的に利用するためには、両バンクにまたがる長大な吸・排気マニホールドのレイアウトが必要となり現実的でない。
なお、特開平６−２２９２１２号には、バンク毎の吸入空気量のずれを検出し、バンク毎のバルブタイミングを、吸入空気量のずれが無くなるように補正することが開示されているが、上記の２プレーン・クランクシャフトのＶ型８気筒エンジンに採用した場合、同一バンク内の気筒間で生じる吸入空気量のバラツキに対し、バンク毎のバルブタイミングの補正では対処できない。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、燃焼間隔が不等間隔で気筒間の吸入効率条件が同等でないときに吸入空気量を均等化して燃焼性のバラツキを無くせるようにしたエンジンの可変動弁制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
気筒毎に吸・排気弁のバルブ特性を独立に制御可能であり、気筒群に１本の排気管が接続され、かつ、気筒群内で各気筒間の燃焼間隔が相違するエンジンであって、
吸・排気の脈動による吸気慣性過給効果が小さい領域を除く領域で、前記各気筒間の燃焼間隔が相違する気筒群で、他の気筒に比較して吸入効率が劣る気筒の吸気弁または排気弁の少なくとも一方のバルブ特性を、吸入効率を高める方向に変化させ、
前記吸・排気の脈動による吸気慣性過給効果が小さい領域では、前記バルブ特性を変化させることなく、気筒間で同一のバルブ特性に維持することを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る発明によると、
吸・排気の脈動による吸気慣性過給効果が小さい領域を除く領域で、吸入効率が劣る気筒のバルブ特性を変化させて吸入効率を他の気筒と同等に高めることにより、エンジン全体のポテンシャルを高めることができ、出力性能、燃費が改善される。
一方、アイドル等の低負荷領域では、元々の吸気量が小さく他気筒からの影響も小さいため、吸・排気の脈動効果が小さく、バルブ特性を変えると残留ガスの差による燃焼差が大きくなってしまう。そこで、このような領域では、気筒間で同一のバルブ特性に維持することにより、良好な性能を確保する。
【０００９】
請求項２に係る発明によると、
既述のように、２プレーン・クランクシャフトのクランク配置とすることで、慣性力のバランスが良い効果を確保しつつ、該クランク配置で課題となっている気筒間の吸入空気量のバラツキを解消できる。
また、請求項３に係る発明は、
少なくとも１つの気筒群で、直前の燃焼気筒との燃焼間隔が１８０°の各気筒と、それ以外の各気筒と、でバルブ特性を変更することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明によると、
上記８気筒エンジンでは、同一バンク内での燃焼間隔は理想的には等間隔つまり１８０°であり、前燃焼気筒との間隔が１８０°である気筒は、一般的に排気干渉等の影響を受けにくい。逆に、それ以外の気筒は、排気干渉等の影響を受けて吸入効率が低下する。したがって、その２つの群に分けてバルブ特性を変更することでエンジン全体の吸入効率を高めることができる。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、
少なくとも１つの気筒群で、直前の燃焼気筒との燃焼間隔が１８０°の各気筒と、同じく燃焼間隔が９０°の気筒と、同じく燃焼間隔が２７０°の気筒と、でバルブ特性を変更することを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
上記８気筒エンジンで、バンク毎に直前の燃焼気筒との燃焼間隔が１８０°の気筒は２つあり、残りは、同じく燃焼間隔が９０°の気筒と、同じく燃焼間隔が２７０°の気筒であるので、それぞれバルブ特性を変更することでエンジン全体の吸入効率を高めることができる。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の排気弁閉時期を、上死点後に設定された他の気筒の排気弁閉時期より早くして上死点に近づけることを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
吸入効率の劣る気筒の排気弁閉時期を、他の気筒に比較して早くすることにより、当該気筒のバルブオーバラップ量を小さくして残留ガス量を減少させ、相対的に新気量を増大することで吸入効率を高めることができる。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の吸気弁開時期を、上死点前に設定された他の気筒の吸気弁開時期より遅くして上死点に近づけることを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
吸入効率の劣る気筒の吸気弁開時期を、他の気筒に比較して遅くすることにより、当該気筒のバルブオーバラップ量を小さくして残留ガス量を減少させ、相対的に新気量を増大することで吸入効率を高めることができる。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の吸気弁閉時期を、吸入空気量が増大するように補正することを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、
吸気慣性により吸入ガス総量が最大となる吸気弁閉時期は下死点後所定量遅角された位置にある。そこで、該吸入ガス総量が最大となる時期に近づける方向に吸気弁閉時期を補正することにより、吸入ガス総量を増大させることにより、吸入空気量（吸入効率）を増大させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は、２プレーンクランクシャフトを採用し、図２に示すような燃焼順序であるＶ型８気筒エンジンを例にとって説明する。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、実施形態におけるエンジンのシステム構成図である。
図１において、車両に搭載されるＶ型８気筒エンジン１の各気筒には、エアクリーナ２、電制スロットルチャンバ３、吸気コレクタ４、吸気マニホールド５、吸気弁６を介して空気が吸入される。該Ｖ型８気筒エンジン１は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、４個のクランクピンが９０°ずつの位相を持って配列された既述の２プレーン・クランクシャフトと称されるクランク配置を有する。
【００１８】
各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁７が設けられており、該燃料噴射弁７から噴射される燃料と吸入空気とによって燃焼室内に混合気が形成される。
燃焼室内に形成された混合気は、点火栓８によって着火燃焼する。
ただし、エンジン１を上記の直接噴射式ガソリンエンジンに限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成のエンジンであってもよい。
【００１９】
エンジン１からの排気は、排気弁９、排気マニホールド１０、触媒１１及びマフラー１２を介して大気中に放出される。排気マニホールド１０は、各バンク（気筒群）に１本の排気管１０Ａ、１０Ｂが接続され、それらを下流側で合流した構造を有している。
前記吸気弁６及び排気弁９は、それぞれ弁駆動装置１３により開閉を電子制御される。
【００２０】
エンジン１の各種状態を検出するセンサ類として、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４、スロットル開度を検出するスロットルセンサ１５、各気筒の基準クランク角で基準信号を出力すると共に微小クランク角毎に単位角信号を出力し該信号に基づいて機関回転速度を検出できるクランク角センサ１６、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１７等が設けられる。
【００２１】
前記各種センサ類からの検出信号はコントロールユニット１８に入力され、コントロールユニット１８は、これらの検出信号に基づいて前記燃料噴射弁７に燃料噴射信号を出力して燃料噴射制御を行い、前記点火栓８に点火信号を出力して点火制御を行い、更に、前記弁駆動装置１３に弁駆動信号を出力して吸気弁６及び排気弁９の開閉を制御する。
【００２２】
ここで、前記吸気弁６及び排気弁９と、これらを駆動するための弁駆動装置１３からなる電磁動弁装置のハードウエアについて、図３に基づいて説明する。
図３において、シリンダヘッド２１に従来と同様の方法で、排気弁９は取り付けられている。即ち、シリンダヘッド２１に設けられるバルブガイド２２に、排気弁９のステム３１が摺動自由に挿通されており、ステム３１上端部には、バルブコッター等を介してアッパーシート３２が取り付けられ、該アッパーシート３２と、シリンダヘッド側のロアシートとの間に、排気弁９を閉弁方向に付勢する（自由長から所定量圧縮された）閉弁用スプリング３３が配設されている。
【００２３】
そして、排気弁９が全閉状態で、後述する閉弁用電磁石４３でアーマチャを吸着している状態において、前記ステム３１の上端部から、所定量離間して、言い換えれば所定のバルブクリアランスを持って、弁駆動装置１３の可動軸４０が、前記ステム３１と同軸上に配設されるようになっている。
前記弁駆動装置１３は、非磁性体製のハウジング４１と、前記可動軸４０に一体に設けられてハウジング４１内に摺動自由に収納されるアーマチャ４２と、該アーマチャ４２を磁気吸引可能にアーマチャ４２の上面に対向する位置でハウジング４２内に固定配置される閉弁用電磁石４３と、該アーマチャ４２を磁気吸引して排気弁４を開弁保持可能にアーマチャ４２の下面に対向する位置でハウジング４１内に固定配置される開弁用電磁石４４と、排気弁４の開弁方向に向けてアーマチャ４２を付勢する開弁用スプリング４５と、を含んで構成されている。
【００２４】
そして、図４に示すように、閉弁用電磁石４３と開弁用電磁石４４とを共に消磁したときに、排気弁９は、半開位置となるように構成されており、この半開位置から前記閉弁用電磁石４３のみを通電励磁すると、アーマチャ４２は開弁用スプリング４５を押し縮める方向に閉弁用電磁石４３によって磁気吸引され、一方前記半開位置から開弁用電磁石４４のみを通電励磁すると、アーマチャ４２は閉弁用スプリング３３を押し縮めて排気弁９を開弁する方向に開弁用電磁石４４によって磁気吸引される。
【００２５】
以上、排気弁９の開閉動作について示したが、吸気弁６についても全く同様の構成によって同様に動作する。
そして、始動前に、前記吸気弁６及び排気弁９を前記半開位置から、開弁（全開）位置または閉弁位置に保持する初期化を行った後、エンジン運転状態に応じて設定された開閉時期に開閉されるように開閉制御が行なわれる。
【００２６】
ところで、本実施形態における２プレーン・クランクシャフトのＶ型８気筒エンジンは、既述したように、左右のバンクで燃焼順序が交互とならず同一バンク内の燃焼間隔が不等間隔となるため（図５参照）、吸・排気の脈動を効果的に利用した吸気慣性過給を行えず、各気筒の爆発圧力がばらつくことになる。
すなわち、エンジン１は、前記弁駆動装置１３によって気筒毎に吸気弁６及び排気弁９のバルブ特性を独立に制御可能であり、各気筒群に１本の排気管１０Ａ、１０Ｂが接続され、かつ、気筒群内で各気筒間の燃焼間隔が相違する。
【００２７】
そこで、本発明では残留ガスが増大して燃焼が悪化する気筒に対し、バルブタイミングを変更することで、その気筒の残留ガス量を減らし、あるいは吸入新気量を増やし、各気筒の燃焼特性を均等化することによって、エンジン全体の燃焼効率を高め、ポテンシャルを向上させる。
すなわち、前記各気筒間の燃焼間隔が相違する気筒群で、他の気筒に比較して吸入効率が劣る気筒の吸気弁または排気弁の少なくとも一方のバルブ特性を、吸入効率を高める方向に変化させる
残留ガス量を減らす方法として、吸気弁６と排気弁９のバルブオーバーラップ量を縮小する方向に変化させる方法がある。具体的には、図６に示すように、排気弁９の閉時期（ＥＶＣ）を早めるか、図７に示すように吸気弁６の開時期（ＩＶＯ）を遅らせることの少なくとも一方を行うことで実現できる。
【００２８】
また、図８に示すように、バルブオーバラップ中心が元々上死点より大きく進角側に設定されている場合は、排気弁９の閉時期（ＥＶＣ）及び吸気弁６の開時期（ＩＶＯ）を、同量ずつ遅角させてもバルブオーバラップ量を同一としたまま残留ガス量を減らすことができる。
また、吸入ガスの総量を増やすことで、吸入新気量を増加させる方法として、吸気弁６の閉時期（ＩＶＣ）を吸入ガス総量が増える方向に変えることで実現できる。図９に示すように、吸気慣性により吸入空気量が最大となる吸気弁閉時期ＩＶＣは下死点後所定量遅角された位置にある。そこで、該吸入空気量最大となるＩＶＣQmaxに近づける方向にＩＶＣを補正する。一般的なエンジンでは、ＩＶＣ自体が最も空気が入る位置に設定されているため、実現性が無いが、本実施形態のように吸気弁を電磁駆動してＩＶＣ制御により吸入空気量を制御するものでは有効である。
【００２９】
そして、上記排気干渉等の影響は、エンジンの運転条件（回転速度、負荷、大気圧等）によって変化する。したがって、前記吸入空気量のバラツキ補正の有無及びその補正量は、エンジン運転条件によって変化させるのが望ましい。例えば、アイドル運転時は、排気干渉の影響がほとんど無く、逆に各気筒のバルブタイミングを変えることによる残留ガス量変化の影響が大きい。そのため、回転の安定度の低下等を招く可能性があるため、補正自体を行わないことが望ましい。
【００３０】
以下、図１０〜図１４に示したフローチャートにしたがって、各実施形態を説明する。
図１０において、ステップ１では、各種センサからの検出信号に基づいて、エンジン運転領域（回転速度、負荷等）を検出する。
ステップ２では、検出された現在のエンジン運転領域が、吸入空気量のバラツキが大きく、該バラツキ補正を行う設定領域であるかを判定する。具体的には、前記アイドル等の低負荷領域を除く中・高負荷領域を吸入空気量補正を行う設定領域とする。
【００３１】
ステップ２で、設定領域と判定されたときは、ステップ３へ進み、吸入空気量を補正する気筒を判別する。具体的には、同一バンク内で前回燃焼行程にあった気筒からの間隔（クランク角度）が１８０°のときは、排気脈動効果が得られるので吸入効率が高いが、９０°のとき、または、２７０°のときは排気干渉を生じて排気脈動効果が得られず吸気効率が低下し、吸入空気量を増量補正する必要がある。図５を参照して、左バンクの第７気筒および第５気筒、右バンクの第８気筒および第４気筒は、前燃焼気筒との間隔が１８０°であるので、吸入空気量補正を行わず、左バンクの第１気筒および第３気筒、右バンクの第６気筒および第２気筒は前燃焼気筒との間隔が２７０°または９０°なので吸入空気量の補正を行う気筒と判別する。
【００３２】
ステップ４では、吸入空気量補正する気筒に対して、エンジン運転条件に基づいて排気弁９の閉時期ＥＶＣを早める補正の補正量を算出する。
ステップ５では、同じく吸気弁６の開時期ＩＶＯを遅らせる補正の補正量を算出する。
ステップ６では、同じく吸気弁６の閉時期ＩＶＣを前記吸入空気量最大となるＩＶＣQmaxに近づける補正の補正量を算出する。
【００３３】
ここで、ステップ４〜ステップ６での補正量は、エンジン運転条件に基づいて前記前燃焼気筒との間隔が１８０°の気筒に対する吸入空気量の低下量を、補正できるように、ＥＶＣを早めＩＶＯを遅らせてバルブオーバラップ量を減少することにより残留ガス量を減少し、かつ、ＩＶＣQmaxに近づけて吸入ガス総量を増大するような補正を行うための補正量として算出する。
【００３４】
ステップ２で、吸入空気量のバラツキ補正を行う設定領域でないと判定されたときは、ステップ７へ進んでバルブタイミングの補正量を０とし、補正を禁止する。
ステップ８では、上記のように算出された各補正量で補正して設定されたバルブタイミング信号を出力して、吸気弁6及び排気弁９のバルブタイミングを制御する。
【００３５】
図１１は、第２の実施形態のフローチャートを示し、ＥＶＣとＩＶＯのみを補正し、ＩＶＣの補正は行わないものを示す。このものでは、ＥＶＣを早めＩＶＯを遅らせてバルブオーバラップ量を減少するものだけでなく、図８に示したように、バルブオーバラップ量を一定のまま、ＥＶＣおよびＩＶＯを等量ずつ遅角するようにしてもよい。
【００３６】
図１２に示す第３の実施形態のフローチャートでは、ＥＶＣのみを進角補正し、図１３に示す第４の実施形態のフローチャートでは、ＩＶＯのみを遅角補正し、図１４に示す第４の実施形態のフローチャートでは、ＩＶＣのみをＩＶＣQmaxに近づける補正のみを行うものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるエンジンのシステム構成図。
【図２】実施の形態における電磁動弁装置の吸・排気弁閉弁状態時の構成を示す断面図。
【図３】同上電磁動弁装置の排気弁開状態時の構成を示す断面図。
【図４】２プレーン・クランクシャフトのＶ型８気筒エンジンの概略構成と作用を、シングルプレーン・クランクシャフトのＶ型８気筒エンジンの作用と比較して示した図。
【図５】同上２プレーン・クランクシャフトのＶ型８気筒エンジンの燃焼行程順序を説明する図。
【図６】排気弁の閉時期を早めて残留ガス量を減らす方法を示す図。
【図７】吸気弁の開時期を遅らせて残留ガス量を減らす方法を示す図。
【図８】排気弁の閉時期と吸気弁の開時期を遅らせて残留ガス量を減らす方法を示す図。
【図９】吸気弁閉時期を吸入ガス総量最大となる方向に補正して吸入空気量を増大する方法を示す図。
【図１０】第１の実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】第２の実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１２】第３の実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１３】第４の実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１４】第５の実施形態の制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１Ｖ型８気筒エンジン
６吸気弁
９排気弁
１３弁駆動装置
１４エアフローメータ
１６クランク角センサ
１８コントロールユニット

Claims

気筒毎に吸・排気弁のバルブ特性を独立に制御可能であり、気筒群に１本の排気管が接続され、かつ、気筒群内で各気筒間の燃焼間隔が相違するエンジンであって、
吸・排気の脈動による吸気慣性過給効果が小さい領域を除く領域で、前記各気筒間の燃焼間隔が相違する気筒群で、他の気筒に比較して吸入効率が劣る気筒の吸気弁または排気弁の少なくとも一方のバルブ特性を、吸入効率を高める方向に変化させ、
前記吸・排気の脈動による吸気慣性過給効果が小さい領域では、前記バルブ特性を変化させることなく、気筒間で同一のバルブ特性に維持することを特徴とするエンジンの可変動弁制御装置。
前記エンジンは、１つのバンクに４気筒ずつの気筒群を持つ８気筒エンジンであって、４個のクランクピンが９０°ずつの位相を持って配列されて、直交する２平面上に位置する２プレーン・クランクシャフトのクランク配置であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの可変動弁制御装置。
少なくとも１つの気筒群で、直前の燃焼気筒との燃焼間隔が１８０°の各気筒と、それ以外の各気筒と、でバルブ特性を変更することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの可変動弁制御装置。
少なくとも１つの気筒群で、直前の燃焼気筒との燃焼間隔が１８０°の各気筒と、同じく燃焼間隔が９０°の気筒と、同じく燃焼間隔が２７０°の気筒と、でバルブ特性を変更することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエンジンの可変動弁制御装置。
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の排気弁閉時期を、上死点後に設定された他の気筒の排気弁閉時期より早くして上死点に近づけることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの可変動弁制御装置。
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の吸気弁開時期を、上死点前に設定された他の気筒の吸気弁開時期より遅くして上死点に近づけることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの可変動弁制御装置。
少なくとも１つの気筒群で、吸入効率の劣る気筒の吸気弁閉時期を、吸入空気量が増大するように補正することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの可変動弁制御装置。