JP4019664B2 - エンジンの可変動弁制御装置 - Google Patents
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Description
【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】
1 V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 (7)
- 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。
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