JP4403982B2 - 可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジンに用いられるＰＣＶ装置に関し、特に、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）を備えたエンジンにおいてデポジット形成を抑制できるＰＣＶ装置に関する。ここで、ＰＣＶとは、「Positive Clankcase Ventilation」の略であり、ＰＣＶ装置とは、ブローバイガス還元装置を意味する。

一般の車両には、内燃機関（エンジン）のシリンダとピストンの隙間から吹き抜けるガスを大気中に放出せずに、再び吸気マニホールドを通してエンジンに導いて再燃焼させるブローバイガス還元装置が設けられている。ブローバイガスを再燃焼させることにより、炭化水素（ＨＣ）の低減が可能となるとともに、ＮＯｘの低減および燃費向上の効果が得られる。

このようなＰＣＶ装置に関して、実開平２−１４４１０号公報（特許文献１）は、ブローバイガス中のオイル状成分が燃料噴射弁のノズル先端部等に付着・堆積して良好な燃料噴射を阻害するという高濃度メタノール燃料を用いる内燃機関における弊害を排除するブローバイガス還元装置を開示する。このブローバイガス還元装置は、吸気通路に吸気に同期して燃焼を噴射し得る燃料噴射弁を設けた高濃度メタノール燃料を用いる内燃機関において、燃焼室内などから漏出するブローバイガスを燃料噴射弁の下流側吸気通路内に還流させ得る還流経路を形成するとともに、還流経路内に弁装置を設け、弁装置の作動により吸気行程中のみ所定期間ブローバイガスを還流させる。

このブローバイガス還元装置によると、吸気行程中の所定期間、弁装置により還流経路を通ってブローバイガスが吸気負圧により吸気通路に還流される。この還流装置は燃料噴射弁下流側の吸気通路内であり、また吸気行程中の所定期間のみ還流を行なうので、吸気通路内に導入されたブローバイガスは逆流することなく直ちに下流の燃焼室に入り込む。したがって、メタノールに不溶のブローバイガス中のオイル状成分が燃料噴射弁に先端部に付着しにくくなり、また吸気ポートや吸気弁などに付着する量が減少する。これにより、良好な燃料噴射と円滑なブローバイガス還元を行なうことができる。

また、近年、ＶＶＴを備える内燃機関を搭載する自動車が増加しているが、ＶＶＴのオーバーラップ時には、排気の還流（バックブローガス）が多くなることが考えられる。特開２００２−３０３１９４号公報（特許文献２）は、吸気流制御弁を有する内燃機関においてバックブローガスをはじめとするデポジット要因に対して有効な対策を施した内燃機関の制御装置を開示する。この内燃機関の制御装置は、吸気管内のスロットル弁下流に配置される吸気流制御弁を運転状態に応じて開閉制御するとともに、内燃機関の吸排気バルブのうち少なくとも一方の開閉タイミングを可変制御する内燃機関の制御装置であって、吸排気バルブがともに開状態となるバルブオーバーラップの時間が所定値以上の状態と、吸気流制御弁の閉状態とが同時に成立しないよう制御することを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によると、ＶＶＴのバルブオーバーラップが大きいと、燃焼室内の排ガスが吸気バルブを介して吸気管内に逆流するバックブローガスが多くなる。一方、吸気流制御バルブが閉じているときには、バルブと吸気管内壁（ボア）との接触面積が大きくなる。このため、バルブオーバーラップ時に吸気流制御バルブが閉じていると、バックブローガスに含まれるカーボン粒等がバルブとボアとの接触部あるいは隙間に堆積してデポジットを生成する。そして、デポジットの堆積量が多くなると吸気流制御バルブが固着して閉じたままの状態になってしまう可能性がある。このため、バックブローガスが多くなる可能性がある状態と、吸気流制御バルブの周りにデポジットが形成されやすい吸気流制御バルブの閉状態とを両立しないよう制御することで、デポジット形成を抑制する。
実開平２−１４４１０号公報 特開２００２−３０３１９４号公報

しかしながら、特許文献１はＶＶＴに言及しておらず、特許文献２はＰＣＶに言及していない。このため、ＶＶＴを備えたエンジンにおいて、バルブオーバラップ量が大きいときにＰＣＶ流量が多いと、以下のような問題が発生する。すなわち、ブローバイガスに含まれるオイル状成分が吸気ポート壁面や吸気バルブ面に付着していると、ＶＶＴオーバラップ量が大きいときに、燃焼室から吸気系に燃えかすを含む吹き返し分（バックブローガス）を取り込みやすくなる。このような状態になると、吸気系にデポジットが生成しやすくなる。この対策として、ブローバイガスの導入位置を変更することも考えられるが、エンジンにおける他の実装品との競合等により困難な場合が多い。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ＰＣＶ装置およびＶＶＴを備えたエンジンにおいて、エミッション性能向上および燃費向上の効果を実現するとともに、デポジットの生成を抑制することができる、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置を提供することである。

第１の発明に係るブローバイガス還元装置は、クランクケースと吸気管と吸気管に設けられエンジンへ供給される吸気量を制御するスロットルバルブと可変バルブタイミング機構とを有するエンジンに適用されるブローバイガス還元装置である。クランクケース内に生じるブローバイガスは、シリンダヘッドカバーからブローバイガスバルブを介して、吸気管に還流される。このブローバイガス還元装置は、可変バルブタイミング機構におけるバルブオーバラップの度合いを検知するための検知手段と、ブローバイガスバルブを制御するための制御手段とを含む。この制御手段は、検知されたバルブオーバラップの度合いが大きいほどブローバイガスバルブを閉じるように、ブローバイガスバルブを制御するための手段を含む。

第１の発明によると、ブローバイガスはオイル状成分を含み、かつ吸気系統に還流されるので、ブローバイガスが還流されているときには、吸気系統（吸気管の壁面や吸気バルブの壁面）にブローバイガスのオイル状成分が付着している。この状態において、可変バルブタイミング機構における吸排気バルブのバルブオーバラップ量が大きいと、燃焼室から吸気系統に燃えかすを含むバックブローガスが流れ込み、吸気系統に付着したオイル状成分をデポジットする傾向がある。このため、このようなバルブオーバラップ量が大きい場合には、ブローバイガスバルブを閉じてブローバイガスの還流量を制限する。このようにすると、吸気系統に付着したブローバイガス内に含まれるオイル状成分が少なくなり、たとえ、ＶＶＴオーバラップ量が大きくてバックブローガスが多くても、デポジットの形成を抑制しつつ、ＶＶＴの所望の効果を発現させることができる。その結果、ＰＣＶ装置およびＶＶＴを備えたエンジンにおいて、エミッション性能向上および燃費向上の効果を実現するとともに、デポジットの生成を抑制することができる、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置を提供することができる。

第２の発明に係るブローバイガス還元装置は、クランクケースと吸気管と吸気管に設けられエンジンへ供給される吸気量を制御するスロットルバルブと可変バルブタイミング機構とを有するエンジンに適用されるブローバイガス還元装置である。クランクケース内に生じるブローバイガスは、シリンダヘッドカバーから吸気の負圧により、吸気管に還流される。ブローバイガス還元装置は、可変バルブタイミング機構におけるバルブオーバラップの度合いを検知するための検知手段と、ブローバイガスを遮断するバルブを制御するための制御手段とを含む。この制御手段は、検知されたバルブオーバラップの度合いが大きいとバルブを閉じてブローバイガスを遮断するようにバルブを制御するための手段を含む。

第２の発明によると、第１の発明と同じように、吸気系統にブローバイガスのオイル状成分が付着している状態において、可変バルブタイミング機構における吸排気バルブのバルブオーバラップ量が大きいと、燃焼室から吸気系統に燃えかすを含むバックブローガスが流れ込み、吸気系統に付着したオイル状成分をデポジットする傾向がある。このため、このようなバルブオーバラップ量が大きい場合には、バルブを閉じてブローバイガスの還流を遮断する。このようにすると、吸気系統に付着したブローバイガス内に含まれるオイル状成分が少なくなり、たとえ、ＶＶＴオーバラップ量が大きくてバックブローガスが多くても、デポジットを形成を抑制しつつ、ＶＶＴの所望の効果を発現させることができる。その結果、ＰＣＶ装置およびＶＶＴを備えたエンジンにおいて、エミッション性能向上および燃費向上の効果を実現するとともに、デポジットの生成を抑制することができる、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係るエンジン制御システムが制御する、ＶＶＴおよびＰＣＶ装置が実装されたエンジン１００の断面について説明する。図１には、エンジン１００の軽負荷時の状態を示す。

図１に示すように、このエンジン１００は、主として、シリンダ１０４と、ピストン１０６と、クランクケース１０２と、シリンダヘッド１１６とから構成される。ブローバイガスは、ピストンリングとシリンダ１０４との隙間からクランクケース１０２へ漏れる混合ガスのことであって、このブローバイガスには多量の炭化水素や水分が含まれており、かつ強酸性であるため、あまり多いとエンジンオイルの劣化やエンジン内部の錆の原因になる。また、炭化水素が含まれているため、このまま大気に解放することは環境によくない。そのため、ブローバイガスはＰＣＶ管路１２２Ａ（軽負荷時）、ＰＣＶ管路１２２ＡおよびＰＣＶ管路１２２Ｂ（高負荷時）を通して、吸気マニホールドの負圧を利用して強制的に吸気系統へ戻されることになる。この軽負荷時におけるブローバイガスおよび新気の流れを矢印で示す。

軽負荷時においては、電子スロットルバルブ１１８が閉じる傾向に制御されており、電子スロットルバルブ１１８下流側のシリンダヘッド１１６側の負圧が大きくなっているので、ＰＣＶ管路１２２Ｂを通って新気が導入される。ＰＣＶ管路１２２Ｂを通って導入された新気はブローバイガスと混合されて、電子ＰＣＶバルブ（電子ブローバイガスバルブ）１２３およびＰＣＶ管路１２２Ａを通って燃焼室に供給される。

吸気系には電子スロットルバルブ１１８が設けられている。電子スロットルバルブ１１８にてエンジン１００へ供給される吸気の量が調整され、吸気管１１２を、その量が調整された吸気が通って吸気バルブ１０８からエンジン１００の内部の燃焼室に供給される。供給された吸気により燃料が燃焼され、排気バルブ１１０および排気管１１４を介して燃焼ガスがエンジン外部に排出される。

ピストンリングとシリンダ１０４との隙間で発生したブローバイガスは、シリンダヘッド１１６内を通り、軽負荷時にはＰＣＶ管路１２２Ａを通って、高負荷時にはＰＣＶ管路１２２ＡおよびＰＣＶ管路１２２Ｂを通って吸気管１１２へと導かれる。ＰＣＶ管路１２２Ａには、電子ＰＣＶバルブ１２３が設けられている。この電子ＰＣＶバルブ１２３は、後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）からの制御デューティ信号により、その
開度が調整される電磁弁であって、その開度によりＰＣＶ流量が調節される。すなわち、図１に示すように、ＰＣＶ管路１２２Ａは、電子ＰＣＶバルブ１２３によりその流量が調節されて電子スロットルバルブ１１８の下流側にブローバイガスを還元する。エンジン１００の高負荷時において、電子スロットルバルブ１１８の開度が大きくなり負圧が高まるので、ＰＣＶ管路１２２Ｂには、電子スロットルバルブ１１８の上流側に供給されるブローバイガスが流されて、ブローバイガスが還元される。

また、電子スロットルバルブ１１８も、電子ＰＣＶバルブ１２３と同様に、ＥＣＵからの制御デューティ信号により、その開度が調整される電磁弁であって、その開度によりエンジンに供給される流量が調節される。

さらに、ブローバイガスの性質が前述のようなものであってオイル状成分を含み、かつ吸気系統に還流されるので、ブローバイガスが還流されているときには、吸気管の壁面や吸気バルブ１０８の壁面にブローバイガスのオイル状成分が付着している。この状態において、ＶＶＴにおける吸排気バルブのバルブオーバラップ量が大きいと、燃焼室から吸気系統に燃えかすを含むバックブローガスが流れ込み、吸気管の壁面や吸気バルブ１０８の壁面に付着しているブローバイガスのオイル状成分によりデポジットを生成する傾向がある。

本実施の形態に係るＰＣＶ装置においては、ＶＶＴオーバラップ量に基づいて、電子ＰＣＶバルブ１２３を制御する。電子ＰＣＶバルブ１２３を開くとブローバイガスが多く還流され、電子ＰＣＶバルブ１２３を閉じるとブローバイガスが少なくしか還流されない。ＥＣＵは、ＶＶＴオーバラップ量が大きいほどバックブローガスの発生が多いのでブローバイガスのオイル状成分のデポジット化を促進しやすいので、電子ＰＣＶバルブ１２３を閉じてブローバイガスが少なくしか還流させないか、またはブローバイガスの還流を遮断する。

図２に、本実施の形態に係るエンジン制御システムの制御ブロック図を示す。図２には、このエンジン制御システムにおけるＰＣＶのＶＶＴ補正制御に関する部分のみを示す。

図２に示すように、このエンジン制御システムは、エンジンの吸気バルブ１０８および排気バルブ１１０の開閉タイミングを制御するＶＶＴコントローラ１０１０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびバルブの駆動回路を含み、電子スロットルバルブ１１８および電子ＰＣＶバルブ１２３のバルブ開度をデューティ制御することにより流量を調整するＥＣＵ１０００とを含む。

このＥＣＵ１０００には、後述するプログラム、各種マップ、テーブル等のデータが記憶されたメモリを含む。プログラムは、ＶＶＴコントローラ１０１０から入力された信号（吸排気バルブのオーバラップ量）に基づいて、ＣＰＵにより実行され、その結果により電子ＰＣＶバルブ１２３に駆動指令信号（デューティ信号）を出力する。

図３を参照して、本実施の形態に係るエンジン制御システムを制御するＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、ＥＣＵ１０００は、エンジンにおける吸排気バルブのオーバラップ量（ＶＶＴオーバラップ量）を検知する。このとき、ＶＶＴコントローラ１０１０からＥＣＵ１０００に入力された信号に基づいて、ＶＶＴオーバラップ量が検知される。

Ｓ２００にて、ＥＣＵ１０００は、ＶＶＴオーバラップ量が予め定められたしきい値よりも大きいか否かを判断する。このしきい値は、燃焼室から吸気系統に燃えかすを含むバックブローガスが流れ込み、吸気管の壁面や吸気バルブ１０８の壁面に付着しているブローバイガスのオイル状成分によりデポジットを生成する傾向が発生し始めるＶＶＴオーバラップ量に対応して定められる。ＶＶＴオーバラップ量が予め定められたしきい値よりも大きいと（Ｓ２００にてＹＥＳ）、処理はＳ３００へ移される。もしそうでないと（Ｓ２００にてＮＯ）、処理はＳ４００へ移される。

Ｓ３００にて、ＥＣＵ１０００は、電子ＰＣＶバルブ１２３を閉じる方向への制御信号（デューティ信号）を出力する。このとき、電子ＰＣＶバルブ１２３を完全に閉じるようにしてもよいし、可能な範囲で（デポジット形成がされない範囲で）電子ＰＣＶバルブ１２３を少しだけ開いているようにしてもよい。

Ｓ４００にて、ＥＣＵ１０００は、電子ＰＣＶバルブ１２３を開く方向への制御信号（デューティ信号）を出力して、ＰＣＶ流量を元の流量まで復帰させる。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るエンジン制御システムの動作について、説明する。

可変バルブタイミング機構を備えたエンジンにおいて、ＶＶＴオーバラップ量が検知され（Ｓ１００）、このＶＶＴオーバラップ量が予め定められたしきい値（ブローバイガス内に含まれるオイル状成分が付着した吸気系統の吸気管の壁面や吸気バルブの壁面にデポジットを形成するほどのバックブローガスが逆流するＶＶＴオーバラップ量についてのしきい値）よりも大きいと（Ｓ２００にてＹＥＳ）、電子ＰＣＶバルブ１２３が閉じられる（Ｓ３００）。これにより、吸気系統の吸気管の壁面や吸気バルブの壁面に付着したブローバイガス内に含まれるオイル状成分が少なくなり、たとえ、ＶＶＴオーバラップ量が大きくてバックブローガスが多くても、デポジットの形成を抑制しつつ、ＶＶＴの所望の効果を発現させることができる。

さらにエンジンの運転中には繰り返しＶＶＴオーバラップ量が検知され（Ｓ１００）、このＶＶＴオーバラップ量が予め定められたしきい値以下になると（Ｓ２００にてＮＯ）、電子ＰＣＶバルブ１２３が元の状態まで開かれる（Ｓ４００）。これにより、ＰＣＶ装置の所望の効果を発現させることができる。

以上のようにして、本実施の形態に係るエンジン制御システムによると、吸気系統（吸気管の壁面や吸気バルブの壁面）にブローバイガスのオイル状成分が付着しているときに、可変バルブタイミング機構における吸排気バルブのバルブオーバラップ量が大きいと、燃焼室から吸気系統に燃えかすを含むバックブローガスが流れ込み、吸気系統に付着したオイル状成分をデポジット化する。このようなバルブオーバラップ量が大きい場合には、ブローバイガスバルブを閉じてブローバイガスの還流量を制限して、吸気系統に付着したブローバイガス内に含まれるオイル状成分が少なくさせる。このようにするので、たとえ、ＶＶＴオーバラップ量が大きくてバックブローガスが多くても、デポジットを形成を抑制しつつ、ＶＶＴの所望の効果を発現させることができる。

＜第１の変形例＞
上述した実施の形態における電子ＰＣＶバルブ１２３に代えて、通常のＰＣＶバルブ（吸気の負圧でブローバイガスを還流）に遮断バルブを設けるようにして、ＶＶＴオーバラップ量が予め定められたしきい値よりも大きいと（Ｓ２００にてＹＥＳ）、遮断バルブを閉じてブローバイガスの還流を止めるようにしてもよい。

＜第２の変形例＞
ＰＣＶ装置により還流されるブローバイガスの要求量（還流量）が大きくなることが想定される場合には、以下のようにしてもよい。このような場合には、電子ＰＣＶバルブや通常のＰＣＶバルブに通常よりも還流量が大きくなるような開度を設定しておく。ＶＶＴのバルブオ−バラップ量がしきい値よりも大きくなると還流量を制限または還流を遮断しておいて、還流されるブローバイガスの要求量が大きくなるか、または／およびＶＶＴのバルブオ−バラップ量がしきい値以下になると、還流量が大きくなるように制御する。

＜第３の変形例＞
筒内噴射用インジェクタと吸気通路噴射用インジェクタとの両方を有するエンジンにおいては、以下のようにしてもよい。

吸気通路噴射用インジェクタから噴霧された燃料によりブローバイガスを筒内に押し込めるようなブローバイガスの導入口を配置しておいて、吸気通路噴射用インジェクタからの燃料噴霧直前にブローバイガスを還流させる。このようにすると、吸気系統におけるブローバイガス中のオイル状成分の壁面付着を抑制することができる。さらに、このようなタイミングでブローバイガスを還流させ吸気通路噴射用インジェクタから燃料を噴射することを、ＶＶＴのバルブオーバラップ量が大きいときのみを行なうようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係るエンジン制御システムで制御されるＰＣＶ装置を有するエンジンの断面図である。 エンジン制御システムの制御ブロック図である。 本発明の実施の形態に係るエンジン制御システムのＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ エンジン、１０２ クランクケース、１０４ シリンダ、１０６ ピストン、１０８ 吸気バルブ、１１０ 排気バルブ、１１２ 吸気管、１１４ 排気管、１１６ シリンダヘッド、１１８ 電子スロットルバルブ、１２２Ａ，１２２Ｂ ＰＣＶ管路、１２３ 電子ＰＣＶバルブ、１０００ ＥＣＵ、１０１０ ＶＶＴコントローラ。

Claims (2)

1. クランクケースと吸気管と前記吸気管に設けられエンジンへ供給される吸気量を制御するスロットルバルブと可変バルブタイミング機構とを有するエンジンに適用されるブローバイガス還元装置であって、
   前記クランクケース内に生じるブローバイガスは、シリンダヘッドカバーからブローバイガスバルブを介して、前記吸気管に還流され、前記ブローバイガス還元装置は、
   前記可変バルブタイミング機構におけるバルブオーバラップの度合いを検知するための検知手段と、
   前記ブローバイガスバルブを制御するための制御手段とを含み、
   前記制御手段は、
   前記検知されたバルブオーバラップの度合いが大きいほど前記ブローバイガスバルブを閉じるように、前記ブローバイガスバルブを制御するための手段を含む、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置。
2. クランクケースと吸気管と前記吸気管に設けられエンジンへ供給される吸気量を制御するスロットルバルブと可変バルブタイミング機構とを有するエンジンに適用されるブローバイガス還元装置であって、
   前記クランクケース内に生じるブローバイガスは、シリンダヘッドカバーから吸気の負圧により、前記吸気管に還流され、前記ブローバイガス還元装置は、
   前記可変バルブタイミング機構におけるバルブオーバラップの度合いを検知するための検知手段と、
   前記ブローバイガスを遮断するバルブを制御するための制御手段とを含み、
   前記制御手段は、
   前記検知されたバルブオーバラップの度合いが大きいと前記バルブを閉じて前記ブローバイガスを遮断するように前記バルブを制御するための手段を含む、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのブローバイガス還元装置。

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