JPH1122499A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気管の製作公差や経年変化による寸法の変
化にかかわらず、機関の吸気充填効率を高く維持する。 【解決手段】 機関１の各気筒からの排気管を２つの排
気通路５１、５２にまとめてデュアルエキゾースト系を
構成する。機関１は各気筒の吸気弁開閉タイミングを変
化させる可変バルブタイミング機構１０を備える。制御
回路３０は、吸気通路１３に設けたエアフローメータ１
５から入力した機関吸入空気量に基づいて可変バルブタ
イミング機構を制御し、排気脈動により生じる負圧波の
排気ポート到達時期が機関吸排気弁のバルブオーバラッ
プ期間に合致するように機関のバルブタイミングを変更
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のバルブタ
イミング制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機関排気の脈動により生じる負圧波を利
用して機関の吸気充填効率を向上させる技術が知られて
いる。例えば、この種の機関の例としては、特開昭６２
−２４３９０８号公報に記載されたものがある。同公報
の機関は、各気筒の排気弁を排気行程終了時に一旦閉弁
し、更に吸気行程初期に再度排気弁を所定期間開弁する
ようにしている。

【０００３】排気行程で気筒排気弁が開弁すると排気ポ
ートで発生した正圧波は排気通路内を音速で進行し、開
口部や通路断面積急拡大部に到達すると反射して逆位相
の負圧波となり排気ポートに向かって進行し、排気ポー
トと通路断面積急拡大部等との間で反射を繰り返す。こ
の負圧波が排気ポートに到達する時期には吸気ポート圧
力は低下するため、この時期に合わせて吸気弁と排気弁
との両方を開弁すると筒内の既燃ガスの排気ポートへの
排出と吸気ポートからの新気の流入との両方が促進され
吸気充填効率が向上する。

【０００４】上記特開昭６２−２４３９０８号公報の機
関は、機関が所定の負荷条件で運転されているときに、
排気行程終了に伴って一旦閉弁した排気弁を、上記排気
通路開放端で反射した負圧波が排気ポートに到達する吸
気行程初期に再度開弁し、吸気弁と排気弁とが同時に開
弁している期間（バルブオーバラップ期間）を強制的に
生じさせ、これにより上記負圧波を利用して吸気充填効
率を向上させるようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開昭
６２−２４３９０８号公報の機関では閉弁後の排気弁を
再度開弁して吸気弁と排気弁とのオーバラップ期間を生
じさせるタイミングは固定されているため、所望の吸気
充填効率の向上が得られない場合が生じる可能性があ
る。本来、排気管で負圧波の反射が生じる開口部、断面
積急拡大部等の位置は排気系が定まれば一定であり変化
することはないので、排気弁開弁から負圧波が反射して
排気ポートに戻ってくるまでの時間は略一定になる。こ
のため、予め吸排気弁のオーバラップ期間が上記負圧波
の排気ポート到達時期に一致するように機関運転条件に
応じてバルブタイミングを設定しておけば常に負圧波を
有効に利用して吸気充填効率を向上させることができる
はずである。

【０００６】ところが、実際の排気系では負圧波の反射
位置が設計とは異なって来る場合がある。例えば、排気
通路に接続部を有する場合等では製造公差などにより接
続部にクリアランスを生じてしまう場合がある。このよ
うなクリアランスが生じるとクリアランスの大きさによ
っては接続部が開放端として機能してしまい接続部で負
圧波が発生、反射する場合が生じる。この場合、負圧波
が設計した反射位置より排気ポートに近い位置で発生及
び反射するようになり負圧波の排気ポート到達タイミン
グが設計タイミングからずれてしまうことになる。この
ように負圧波の到達タイミングが設計タイミングからず
れてしまうと、上記公報の機関では吸排気弁のバルブオ
ーバラップ期間と負圧波の到達時期とが正確に一致しな
くなり負圧波を有効に利用することができなくなる。

【０００７】特に、各気筒の排気を２つの排気通路に分
けて流すデュアルエキゾーストシステムにおいて、１本
の排気管内に隔壁を設けて上記２つの排気通路として使
用するいわゆるθパイプシステムを採用する場合には排
気マニホルドとθパイプとの接合部にクリアランスが生
じると、クリアランスを介して２つの排気通路が連通し
流路急拡大部として機能しやすくなり上記のような負圧
波到達タイミングのずれが生じやすい。また、このよう
な接続部のクリアランスは製品毎の公差により異なる
他、同一の機関であっても使用時の熱膨張（機関負
荷）、使用による経年変化等により変化する。このた
め、負圧波の到達タイミングもクリアランスの有無、そ
の大きさ等により変化する場合があり予め負圧波の到達
タイミングの変化を予測することは困難である。

【０００８】本発明は上記問題に鑑み、個々の排気管の
製品公差によるばらつきや経年変化などにより、上述の
負圧波の排気ポート到達タイミングが設計値からずれた
ような場合でも負圧波を有効に利用して機関の吸気充填
効率を向上させることが可能な内燃機関のバルブタイミ
ング制御装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、内燃機関の吸気弁と排気弁との少なくとも一方
のバルブタイミングを変更するバルブタイミング調節手
段と、排気通路内の排気脈動により生じる負圧波が排気
ポートに到達する時期を検出する負圧波到達時期検出手
段と、前記バルブタイミング調節手段を制御して、前記
負圧波到達時期検出手段の検出した負圧波の排気ポート
到達時期に応じて前記バルブタイミングを変更する制御
手段と、を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置
が提供される。

【００１０】すなわち、請求項１の発明では負圧波到達
時期検出手段は負圧波が実際に排気ポートに到達する時
期を直接的または間接的に検出する。また、制御手段は
上記負圧波到達時期に応じてバルブタイミングを変更す
る。このため、負圧波到達時期が設計値からずれたよう
な場合でもバルブタイミングが実際の負圧波到達時期に
合わせて調節される。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、前記制御
手段は、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップ期間内
に前記負圧波が排気ポートに到達するようにバルブタイ
ミング調節手段を制御してバルブタイミングを変更する
請求項１に記載のバルブタイミング制御装置が提供され
る。すなわち、請求項２の発明では、機関バルブタイミ
ングは負圧波が排気ポートに到達する時期が吸排気弁の
バルブオーバラップ期間内になるようにバルブタイミン
グが変更されるため、負圧波到達時期が設計値からずれ
たような場合でも負圧波を利用して機関吸気充填効率を
向上させることが可能となる。

【００１２】請求項３に記載の発明によれば、前記負圧
波到達時期検出手段は、機関吸入空気量を検出する吸入
空気量検出手段を備え、機関が所定の条件で運転されて
いる時の機関吸入空気量に基づいて前記負圧波の排気ポ
ート到達時期を検出する請求項１に記載のバルブタイミ
ング制御装置が提供される。すなわち、請求項３の発明
では、負圧波到達時期検出手段は機関の所定運転条件下
での吸入空気量に基づいて負圧波の排気ポート到達時期
を間接的に検出する。負圧波の排気ポート到達時期と現
在のバルブオーバラップ期間とのずれが大きいほど機関
吸気充填効率は低下し、機関吸入空気量は設計値より低
下する。このため、所定の運転条件下での吸入空気量の
設計値と絶対値とを比較することにより負圧波の排気ポ
ート到達時期（すなわち、設計到達タイミングからのず
れ）を算定することができる。

【００１３】請求項４に記載の発明によれば、前記負圧
波到達時期検出手段は、排気通路に配置した圧力検出手
段を備え、該圧力検出手段により検出した排気圧力の変
動に基づいて前記負圧波の排気ポート到達時期を検出す
る請求項１に記載のバルブタイミング制御装置が提供さ
れる。すなわち、請求項４の発明では、排気通路に配置
した圧力検出手段により直接的に負圧波の排気ポート到
達時期を検出する。圧力検出手段で検出した圧力変動か
ら圧力検出手段を配置した排気通路部分を負圧波が通過
するタイミングが検出できるため、圧力検出手段と排気
ポートとの距離と上記タイミングとから負圧波の排気ポ
ート到達時期が算出される。

【００１４】請求項５に記載の発明によれば、接続部を
有する排気通路を備えた内燃機関のバルブタイミング制
御装置であって、内燃機関の吸気弁と排気弁との少なく
とも一方のバルブタイミングを変更するバルブタイミン
グ調節手段と、排気脈動により生じる負圧波の排気ポー
ト到達時期が、前記排気通路接続部にクリアランスが生
じたために変化したことを検出する負圧波到達時期検出
手段と、前記負圧波到達時期検出手段により前記負圧波
の排気ポート到達時期の変化が検出されたときに、前記
バルブタイミング調節手段を制御して、吸気弁と排気弁
とのバルブオーバラップ期間中に前記負圧波が排気ポー
トに到達するように前記バルブタイミングを変更する制
御手段を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置が
提供される。

【００１５】すなわち、請求項５に記載の発明では排気
通路接続部のクリアランスのために生じた負圧波の排気
ポート到達タイミングのずれを負圧波到達手段により検
出し、制御手段はこのタイミングのずれ量に基づいて機
関バルブタイミングをバルブオーバラップ期間中に負圧
波が排気ポートに到達するように変更する。このため、
排気通路接続部にクリアランスが生じたような場合で
も、排気脈動による負圧波を有効に利用して機関吸気充
填効率を向上させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下添付図面を参照して本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明のバルブタイ
ミング制御装置を自動車用４気筒機関に適用した場合の
実施形態の概略構成を示す図である。図１において、参
照符号１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では機
関１は＃１から＃４の４つの気筒を有するＤＯＨＣ（ダ
ブルオーバーヘッドカムシャフト）型４気筒機関とされ
ている。本実施形態では機関１の排気系は、それぞれ互
いに排気の干渉を生じない点火順序の２つの気筒がそれ
ぞれ１つの排気通路に接続されたいわゆるデュアルエキ
ゾーストシステムとされており、本実施形態では図１に
示すように＃１と＃４気筒が吸気枝管４１と４４とを介
して排気集合管５１に接続され、＃２と＃３気筒は、そ
れぞれ吸気枝管４２と４３とを介して排気集合管５２に
接続されている。また、図２に示すように排気集合管５
１と５２とは実際には個別の配管ではなく、１つの管５
１０内に軸線方向に隔壁５１１を設けて、管５１０内に
個別の排気集合管として機能する流路５１、５２を設け
た断面θ形状の管（いわゆるθパイプ構造）とされてい
る。

【００１７】排気管５１０は、接続部５２０で排気流路
５３１、５３２を有する同様なθパイプ構造の排気管５
３０に接続されている。また、排気管５３０は下流側の
接続部５４０で通常の排気管５５０に接続され、排気管
５３０内の２つの排気流路５３１、５３２は１つの排気
流路に合流する。図１において、１３１は気筒＃１から
＃４を共通の吸気通路１３に接続する吸気マニホルド、
１７は吸気通路１３に配置されたスロットル弁である。
また、吸気通路１３には機関吸入空気量（重量流量）を
検出可能な、例えば熱線式等のエアフローメータ１５が
配置されている。

【００１８】更に、図１に７０で示したのは排気系の排
気枝管の一つ（図１では排気枝管４１）に必要に応じて
設けられる圧力センサである。圧力センサ７０は、後述
するように負圧波の排気ポート到達タイミングを排気枝
管内の排気圧力変動に基づいて検出する場合にのみ必要
とされる。また、本実施形態では機関１には可変バルブ
タイミング機構１０が設けられている。

【００１９】以下、図３を参照して図１の可変バルブタ
イミング機構の構成について簡単に説明する。図３にお
いて、１１は機関１の各気筒の吸気弁（図示せず）を開
閉駆動する吸気カムシャフト、その全体を１０で示すの
は吸気カムシャフト端部に設けられた可変バルブタイミ
ング機構である。

【００２０】可変バルブタイミング機構１０は、円筒状
スリーブ１３を有するタイミングプーリ１２と、カムシ
ャフト１の端部を覆うカバー１４とを備えており、タイ
ミングプーリ１２は円筒状スリーブ１３を介して吸気カ
ムシャフト１１の周囲にカムシャフト１１に対して回転
可能に装着されている。また、カバー１４はタイミング
プーリ１２にボルト１５とピン１ｂにより固定され、プ
ーリ１２と一体に回転するようになっている。

【００２１】カバー１４内部にはピストン部材１７が設
けられている。ピストン部材１７は、円環状のピストン
部１９と、ピストン部１９から延びる円筒部２１とを備
えており、ピストン部１９の外周面と内周面とは、カバ
ー１４の内周面とプーリ１２のスリーブ１３の外周面と
にそれぞれ摺接している。また、ピストン部材１７の円
筒部２１の外周面と内周面とには、それぞれ所定の捩じ
れ角を有するアウターヘリカルギヤ２１ａとインナーヘ
リカルギヤ２１ｂとが刻設されており、アウターヘリカ
ルギヤ２１ａはカバー１４内周面に形成された内歯ヘリ
カルギヤ２２ａと、またインナーヘリカルギヤ２１ｂは
カムシャフト１１の端面にボルト１ａ、ピン１ｂにより
一体に装着されたリング状の外歯ヘリカルギヤ２２ｂと
それぞれ噛合している。

【００２２】本実施形態の可変バルブタイミング機構１
０では、機関のクランク軸（図示せず）の回転は、タイ
ミングベルト１２ａを介してタイミングプーリ１２に伝
えられる。プーリ１２が回転すると、カバー１４がプー
リ１２と一体に回転し、ヘリカルギヤ２２ａ、２１ａを
介してカバー１４に連結されたピストン部材１７がカバ
ー１４と一体に回転する。ピストン部材１７は、ヘリカ
ルギヤ２１ｂ、２２ｂを介して同時にカムシャフト１１
にも連結されているため、これによりカムシャフト１１
がプーリ１２と一体に回転する。

【００２３】すなわち、本実施形態の可変バルブタイミ
ング機構１０では、カムシャフト１１の回転駆動力は、
クランク軸からタイミングベルト１２ａを介してタイミ
ングプーリ１２に伝達され、プーリ１２からカバー１
４、ヘリカルギヤ２２ａ、２１ａ、ピストン部材１７及
びヘリカルギヤ２１ｂ、２２ｂを経てカムシャフト１１
に伝達される。

【００２４】本実施形態の可変バルブタイミング機構１
０は、ピストン部材１７をカムシャフト１１軸線方向に
移動させることにより吸気弁のバルブタイミングの変更
を行う。すなわち、ピストン部材１７は、互いに噛合す
るそれぞれ所定の捩じれ角のヘリカルギヤ２２ａ、２１
ａと２１ｂ、２２ｂとによってカバー１４およびカムシ
ャフト１１に連結されている。このため、ピストン部材
１７がカムシャフト軸線方向に移動すると、ヘリカルギ
ヤ２２ａと２１ａ及び２１ｂ、２２ｂの噛合位置はそれ
ぞれの歯筋に沿って軸線方向に移動する。ところが、そ
れぞれのギヤの歯面は、カムシャフト軸線方向に対して
捩じれ角を有するため、噛合位置が軸線方向に移動する
と、カバー１４とピストン部材１７、及びピストン部材
１７とカムシャフト１１とはそれぞれヘリカルギヤの歯
筋に沿って円周方向に相対移動する。このため、ピスト
ン部材１７の軸線方向移動にともなってカバー１４とピ
ストン部材１７、及びピストン部材１７とカムシャフト
１１とは相対的に回転することになる。従って、機関の
運転中にピストン部材１７をカムシャフト１１軸線方向
に移動させることにより、タイミングプーリ１２の回転
位相、すなわちクランク軸の回転位相に対するカムシャ
フト１１の回転位相を進める（或いは遅らせる）ことが
可能となり、カムシャフト１１に駆動される吸気弁の開
閉タイミングを進角（或いは遅角）させることができ
る。

【００２５】上述のように、本実施形態の可変バルブタ
イミング機構１０は吸気カムシャフト１１の回転位相の
みを変化させるものであるため、バルブタイミング変更
の際には吸気弁の開弁時期と閉弁時期とは常に同じ量だ
け変化し、吸気弁の開弁期間自体は一定に維持される。
本実施形態では、機関運転中に、油圧を用いてピストン
部材１７を移動させることによって吸気弁のバルブタイ
ミング変更操作を行う。図３に示すように、カムシャフ
ト１１内には２つの油通路２及び３が軸線方向に沿って
穿設されている。油通路２はカムシャフト１１の中心に
設けられ、油通路２の軸端側はボルト１ａに穿設された
ポート２ａを介してカバー１４内面とピストン１７の軸
端側端面との間に形成される油圧室５に連通している。
また、油通路２のもう一方の端部はカムシャフト１１に
半径方向に穿設されたポート２ｂを介して後述するリニ
アソレノイドバルブ２５に接続されている。一方、油通
路３の軸端側端部は前述のリング状外歯ヘリカルギヤ２
２ｂにより閉塞されている。また、油通路３は半径方向
に穿設されたポート３ａを介して、ピストン１７端面と
タイミングプーリ１２及びカバー１４とで形成される油
圧室８に連通するとともに、別のポート３ｂを介してリ
ニアソレノイドバルブ２５に連通している。

【００２６】リニアソレノイドバルブ２５は、スプール
２６を有するスプール弁であり、前述の油通路２のポー
ト２ｂに配管を介して接続された油圧ポート２６ａと、
油通路３のポート３ｂに配管を介して接続された油圧ポ
ート２６ｂ、機関潤滑油ポンプ等の圧力油供給源２８に
接続されたポート２６ｃ及び２つのドレーンポート２６
ｄ、２６ｅを備えている。バルブ２５のスプール２６は
ポート２６ａと２６ｂのうちのいずれかをポート２６ｃ
に連通し、他方をドレーンポートに接続するように動作
する。

【００２７】すなわち、図３においてスプール２６が左
方向に移動すると、油圧通路２のポート２ｂに連通する
ポート２６ａはポート２６ｃを介して油圧供給源２８に
接続され、ドレーンポート２６ｄは閉鎖される。また、
この時同時に油圧通路３のポート３ｂに接続されたポー
ト２６ｂはドレーンポート２６ｅに連通する。このた
め、可変バルブタイミング機構１０の油圧室５には、機
関の潤滑油ポンプ等の油圧供給源２８から油圧通路２、
ポート２ａを介して潤滑油が流入し、ピストン１９を図
３右方向に押動する。また、この時油圧室８内の潤滑油
はポート３ａから油通路３、ポート３ｂ、リニアソレノ
イドバルブ２５のポート２６ｂ等を通りドレーンポート
２６ｅから排出される。このため、ピストン部材１７は
図３右方向に移動する。

【００２８】また、図３において逆にスプール２６が右
方向に移動すると、ポート２６ｂはポート２６ｃに接続
され、ポート２６ａはドレーンポート２６ｄに接続され
る。これにより、油圧室８には油通路３を通って潤滑油
が流入し、油圧室５からは油通路２を通ってドレーンポ
ート２６ｄに潤滑油が排出されるため、ピストン部材１
７は図３左方向に移動する。

【００２９】なお、本実施形態では、油圧室５に潤滑油
が供給されてピストン部材１７が図３右方向に移動する
と吸気弁バルブタイミングは進角側に変更され、油圧室
８に潤滑油が供給されてピストン部材１７が図３左方向
に移動すると吸気弁バルブタイミングは遅角側に変更さ
れるようにヘリカルギヤ２１ａ、２１ｂ及び２２ａ、２
２ｂの捩じり角が設定されている。

【００３０】また、図３に２５ｂで示すのは、スプール
２６を駆動するリニアソレノイドアクチュエータであ
る。リニアソレノイドアクチュエータ２５ｂは後述する
制御回路３０からの制御信号を入力し、この制御信号の
大きさに比例する量だけスプール２６を移動させること
により、ピストン部材１７の位置、すなわち吸気弁のバ
ルブタイミングを変更する。

【００３１】図３に３０で示すのは、リニアソレノイド
バルブ２５の動作を制御する制御回路である。本実施形
態では、制御回路３０はリードオンリメモリ（ＲＯＭ）
３２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３３、マイク
ロプロセッサ（ＣＰＵ）３４、入力ポート３５、出力ポ
ート３６を相互に双方向性バス３１で接続した公知の構
成のディジタルコンピュータとして構成される。また、
制御回路３０は、バッテリ等の電源に直結され機関が停
止されても記憶保持が可能なバックアップＲＡＭ３７を
備えている。本実施形態の制御回路３０は、機関運転条
件に応じてリニアソレノイドバルブ２５の動作を制御し
て吸気弁のバルブタイミングを調節し、吸排気弁のバル
ブオーバラップ量を制御する。この制御のため、制御回
路３０の入力ポート３５には、機関の吸気通路１３に設
けられたエアフローメータ１５（例えば熱線式エアフロ
ーメータ）から機関吸入空気量（重量流量）Ｇに比例す
る電圧信号と、設置されている場合には排気枝管４１の
圧力センサ７０から排気圧力ＰＥに比例する電圧信号と
が、それぞれＡＤ変換器４３を介して入力されているほ
か、機関クランク軸に設けられたクランク軸回転角セン
サ４４からクランク軸回転角を表すパルス信号と、カム
シャフトに設けられたカム回転角センサ４５からカムシ
ャフト１１の回転角を表すパルス信号とが入力されてい
る。

【００３２】エアフローメータ１５で検出した機関吸入
空気量Ｇからは、更に機関回転数ＮＥを用いて機関１回
転当たりの吸気重量流量ＧＮ（＝Ｇ／ＮＥ）が一定時間
毎に算出され、制御回路３０のＲＡＭ３３に格納され
る。クランク軸回転角センサ４４からのパルス信号は、
クランク軸回転７２０度毎に発生するクランク軸の基準
位置を示すＮ１信号と、クランク軸回転３０度毎に発生
するＮＥ信号とからなり、カム回転角センサ４５からは
カムシャフト回転３６０度毎に、カムシャフトが基準位
置に到達したことを示すＣＮ１パルス信号が発生する。
制御回路３０は一定時間毎にＮＥ信号のパルス間隔から
機関回転数ＮＥを計算するとともに、この機関回転数Ｎ
Ｅを用いてＮ１信号とＣＮ１信号との時間間隔からカム
シャフト１１の実際の回転位相（吸気弁のバルブタイミ
ング）ＶＴを演算する。この演算結果はＲＡＭ３３に格
納される。また、排気圧力ＰＥは一定時間毎にＡＤ変換
され同様にＲＡＭ３３に格納される。つまり、ＲＡＭ３
３に格納されるＮＥ、ＶＴ、ＧＮ、ＰＥ等の値は一定時
間毎に更新され、常時最新の値がＲＡＭ３３に格納され
ている。

【００３３】後述するように、機関回転数ＮＥと機関吸
入空気量ＧＮとは機関の負荷条件を表すパラメータとし
て使用される。一方制御回路３０の出力ポート３６は、
駆動回路４８を介してリニアソレノイドバルブ２５のア
クチュエータ２５ｂに接続され、制御信号をアクチュエ
ータ２５ｂに供給している。

【００３４】図４は吸気弁と排気弁との一般的な開閉時
期を模式的に示す図である。図４において、ＴＤＣはピ
ストン行程上死点、ＢＤＣは下死点を示し、ＩＯ、ＩＣ
はそれぞれ吸気弁の開弁時期と閉弁時期、ＥＯ、ＥＣは
それぞれ排気弁の開弁時期と閉弁時期とを表している。
図４に示すように、吸気弁は排気行程上死点（ＴＤＣ）
前から開弁し、吸気行程下死点（ＢＤＣ）後に閉弁す
る。また、排気弁は爆発行程下死点（ＢＤＣ）前から開
弁し、排気行程上死点（ＴＤＣ）後に閉弁する。図４で
は、排気行程では排気弁が閉じる（ＥＣ）前に吸気弁が
開く（ＩＯ）ようにバルブタイミングが設定されている
ため、吸気弁と排気弁との両方が開弁している状態（図
４にＯＬ）が存在する。本実施形態ではＯＬの長さ（角
度）をバルブオーバラップ期間と称する。また、本実施
形態では吸気弁のバルブタイミングを最も遅角した状態
（図４、ＩＯ₀ ）からのバルブタイミング進角量をバル
ブタイミングＶＴと定義している。図４から判るよう
に、本実施形態では排気弁の閉弁時期は固定されている
ため、バルブタイミングＶＴとバルブオーバラップ量Ｏ
Ｌとは一対一に対応する。すなわち、バルブタイミング
ＶＴを変化させることによりバルブオーバラップ期間を
変化させることができる。

【００３５】本実施形態では、機関１のバルブタイミン
グは各運転条件下で排気脈動により生じる負圧波が排気
ポートに到達する時期がバルブオーバラップ期間内に含
まれるように機関運転条件に応じて設定される。図５は
実線気筒の各行程における気筒排気ポートの圧力の変動
を模式的に示した図である。図５実線に示すように、排
気行程が開始され排気弁が開弁すると気筒内の高圧のガ
スが排気ポートに流出しブローダウンが生じて排気ポー
トの圧力は上昇する。このブローダウンにより発生した
正圧波は音速で各気筒の排気枝管から排気マニホルド５
１、５２を通って排気管５３０内から排気管５５０との
接続部５４０に向けて進行する。ところが、接続部５４
０では２つの排気通路が流路断面積の大きい排気管５５
０に合流するため流路が急拡大しており、ブローダウン
の正圧波はこの流路急拡大部で反射し、位相が逆転して
負圧波となって排気ポートに向けて逆方向に音速で進行
する。このため、図５にＩで示すようにブローダウンの
直後には反射した負圧波が排気ポートに到達すると排気
ポートの圧力が低下する。また、この負圧波は排気ポー
トと接続部５４０との間で反射を繰り返すため、排気ポ
ートには図５にＩで示した１次反射の負圧波に続き２次
反射による正圧波（同、ＩＩ）、３次反射による負圧波
（同ＩＩＩ）、４次反射による正圧波（同ＩＶ）、５次
反射による負圧波（同Ｖ）、と各次数の反射波が順に徐
々に減衰しながら到達し排気ポートの圧力が正圧と負圧
とに交互に変動する。

【００３６】本実施形態では、図５実線に示すように３
次反射による負圧波が排気ポートに到達して排気ポート
圧力が低下したときに吸排気弁のバルブオーバラップ期
間（図５ＯＬ）が生じるように各運転条件のバルブタイ
ミングが設定されている。このように排気ポート圧力が
低下したときに吸排気弁の両方を開弁させることによ
り、筒内の既燃ガスの排気ポートへの排出に加えて吸気
ポートからの新気の導入が促進され、機関の吸気充填効
率が向上する。

【００３７】ところが、排気管の上記接続部５４０以外
の部分で圧力波の反射が生じると反射部位と排気ポート
との距離が変化するため排気ポートへの３次負圧波の到
達タイミングが変化する場合がある。本実施形態のよう
に排気系にθパイプ５３０を用いた場合には接続部５４
０以外に例えば上流側の接続部５２０でこのような反射
が生じてしまう場合がある。

【００３８】図６は、接続部５２０の構造の一例を示す
断面図である。図６に示すように接続部５２０は、排気
マニホルド５１０と排気管５３０とをガスケット５１３
を介して突き合わせ、それぞれのフランジ５１５、５１
７を圧縮スプリング５１９を介してボルト５１８で締結
した構成とされている。このため、排気マニホルド５１
０内の隔壁５１１端部と排気管５３０内の隔壁５１２端
部との間に隙間（クリアランス）Ｃが生じる場合があ
る。このような隙間Ｃは、排気マニホルド５１０と排気
管５３０の製品公差により工場出荷時から生じている場
合もあり、また工場出荷時には生じていなくともその後
の例えばガスケット５１３のへたり（経年変化）により
生じる場合がある。隙間Ｃの大きさがある程度大きいと
この部分で排気通路５３１と５３２とが連通し、流路の
急拡大部が生じてしまい、この部分で圧力波が反射する
ようになる。

【００３９】接続部５２０で圧力波の反射が生じるよう
になると、排気ポートと反射部位との距離が設計値（す
なわち、接続部５４０と排気ポートとの距離）より短縮
されるため、図５に点線で示すように各次数の反射波の
到達タイミングが早まり、しかも各次数の反射波の到達
周期が短くなる。これにより、図５点線に示したように
３次の負圧波の排気ポート到達タイミングとバルブオー
バラップ期間とが一致しなくなり、バルブオーバラップ
期間中に４次の正圧波が排気ポートに到達するようにな
る。また、接続部５２０の隙間Ｃが大きくなるほど圧力
波の振幅は大きくなり、４次の正圧波による排気ポート
の圧力上昇も大きくなる。

【００４０】この場合、４次の正圧波の到達により排気
ポート圧力が上昇した状態でバルブオーバラップが生じ
ることになるため吸気充填効率は設計値より低下してし
まい、各運転条件下で設計出力が得られなくなる問題が
生じる。本実施形態では、上記のように負圧波の到達タ
イミングがずれて設計バルブタイミングではバルブオー
バラップ期間ＯＬと３次の負圧波到達タイミングとが一
致しなくなった場合には、バルブタイミングＶＴを遅角
して図５にＯＬ′で示す位置にバルブオーバラップ期間
を変化させる。すなわち、３次の負圧波の代わりに５次
の負圧波の到達タイミングとバルブオーバラップ期間と
が一致するようにバルブタイミングを変更するようにす
る。これにより、負圧波の到達タイミングが変化した場
合でも吸気充填効率をほぼ設計値に維持することが可能
となる。

【００４１】上記のように、負圧波到達タイミングに合
わせてバルブオーバラップ期間を変更するためには、３
次の負圧波の排気ポート到達タイミングが設計値から変
化したことと５次の負圧波の排気ポート到達タイミング
とを検出し、更に５次の負圧波の到達タイミングに一致
するようにバルブオーバラップ期間を変更する必要があ
る。本実施形態では、以下に説明する２つの方法のいず
れか１つを用いて上記負圧波到達タイミングの検出とバ
ルブオーバラップ期間の変更とを行っている。

【００４２】まず負圧波到達タイミング検出とバルブオ
ーバラップ期間変更の第１の方法について説明する。本
方法では、負圧波到達タイミングの検出とバルブオーバ
ラップ期間変更とをエアフローメータ１５で検出した機
関吸入空気重量流量に基づいて行う。前述したように、
３次の負圧波の排気ポート到達タイミングが変化してバ
ルブオーバラップ期間に一致しなくなった状態では機関
の吸気充填効率が低下するため、機関の吸入空気重量流
量が設計値より低下する。また、負圧波の到達タイミン
グの変化が大きいほど吸入空気量の低下も大きくなる。
そこで、本実施形態ではエアフローメータ１５で検出し
た実際の吸入空気重量流量と設計値との差が所定値以上
になった場合には３次の負圧波到達タイミングが変化し
たと判断し、吸入空気重量流量の設計値と実測値との差
に応じて、バルブオーバラップ期間が５次の負圧波到達
タイミングに一致するようにバルブタイミングＶＴを遅
角させる。これにより、バルブオーバラップ期間は図５
のＯＬ′で示した位置に変化し、略設計値に等しい吸気
充填効率が得られるようになる。

【００４３】図７は、上記負圧波到達タイミングの検出
とバルブタイミング変更操作の詳細を示すフローチャー
トである。本操作は、制御回路３０により一定時間毎に
実行されるルーチンとして行われる。図７において、ス
テップ７０１では、機関回転数ＮＥ、吸入空気重量流量
Ｇ及び機関負荷のパラメータとしての機関１回転当たり
の吸入空気重量流量ＧＮがそれぞれ読み込まれる。そし
て、ステップ７０３では負圧波到達タイミング検出条件
が成立しているか否かが判定される。上述したように本
実施形態では負圧波到達タイミングを機関吸入空気重量
流量Ｇに基づいて検出しているため、機関吸入空気量Ｇ
が十分に大きくしかも安定した状態で検出を行うことが
好ましい。そこで、ステップ７０３では、機関負荷がＷ
ＯＴ（全負荷）に近い大きな値であり、かつ機関回転数
が安定した状態であるときに負圧波到達タイミング検出
条件が成立したと判断するようにしている。

【００４４】ステップ７０３で検出条件が成立していた
場合には、次にステップ７０５ではステップ７０１で読
み込んだ機関回転数ＮＥと負荷ＧＮとの条件における吸
入空気重量流量の設計値Ｇ₀ が算出される。Ｇ₀ の値は
予め機関をＮＥとＧＮとの条件を変えて実際に運転して
計測し、この計測結果をＮＥとＧＮとを用いた数値テー
ブルの形で制御回路３０のＲＯＭ３２に格納してあり、
ステップ７０５ではこのマップに基づいてＧ₀ の値を決
定する。

【００４５】次いでステップ７０７では、ステップ７０
１で読み込んだ実際の吸入空気量Ｇが上記により算出し
た設計吸入空気量Ｇ₀ より所定値α以上低下しているか
否かを判断する。ステップ７０７で、Ｇ＜Ｇ₀ −αであ
った場合には実際の吸入空気量Ｇが設計値Ｇ₀ より低下
しているため、負圧波の到達タイミングが設計値から変
化したと判断される、ステップ７０９以下のバルブタイ
ミング変更操作を行う。ここで、αは正の値であり外乱
等により誤ってステップ７０９以下のバルブタイミング
変更操作を行わないようにするために判定値（設計吸入
空気量Ｇ₀ ）に対して付加した適宜な大きさの不感帯で
ある。従って、ステップ７０７でＧ≧Ｇ ₀ −αであった
場合にはステップ７０９、ステップ７１１のバルブタイ
ミング変更操作をスキップしてステップ７１３に進む。
ステップ７０９、ステップ７１１のバルブタイミング変
更操作では、まず設計吸入空気量Ｇ₀ と実際の吸入空気
量Ｇとの差ΔＧを算出し（ステップ７０９）、次いでこ
のΔＧに基づいてバルブタイミング遅角量ΔＶＴを算出
する（ステップ７１１）。ΔＶＴはバルブオーバラップ
期間を図５にＯＬ′で示したように５次の負圧波到達タ
イミングに合致させるために必要とされる遅角量であ
る。図８は、吸入空気量の低下量ΔＧとバルブタイミン
グ遅角量ΔＶＴとの関係を示す図である。前述のよう
に、負圧波到達タイミングの変化が大きい場合には、そ
れに応じて吸入空気量の低下量ΔＧも大きくなる。実際
にはΔＧとΔＶＴとの関係は実験等により求めることが
好ましいが、本実施形態では図８に示すようにΔＶＴの
値はほぼΔＧに対して直線的に変化するように設定され
ている。

【００４６】上記によりバルブタイミング遅角量ΔＶＴ
算出後、ステップ７１３ではステップ７０１で読み込ん
だＮＥとＧＮとの値に基づいてバルブタイミングＶＴの
目標値（バルブタイミング設計値）ｔＶＴが決定され
る。図９は目標バルブタイミングｔＶＴと機関回転数Ｎ
Ｅ、負荷ＧＮとの関係を示す図である。本実施形態で
は、図９に示すようにバルブタイミングＶＴは中負荷中
回転領域で最も大きくなるように設定されている。

【００４７】そして、ステップ７１５では、ステップ７
１５で決定した目標バルブタイミングｔＶＴの値をステ
ップ７１３で算出した遅角量ΔＶＴだけ遅角補正し、ス
テップ７１７では実際のバルブタイミングＶＴが補正後
の目標バルブタイミングｔＶＴになるように前述のリニ
アソレノイドアクチュエータ２５の作動量をフィードバ
ック制御する。これにより、バルブオーバラップ期間は
５次の負圧波の到達時期に合致して吸気充填効率の低下
が防止される。

【００４８】なお、ステップ７０３で前述の検出条件が
成立しなかった場合、及びステップ７０７でＧ≧Ｇ₀ −
αであった場合には、前回までのルーチン実行により算
出された遅角量ΔＶＴの値を用いてステップ７１５が実
行される。本実施形態では、ΔＶＴの初期値は０に設定
されている。これにより、負圧波到達タイミングが一度
も変化していない場合にはΔＶＴの値は０に保持される
ためステップ７１７では実質的に遅角補正は行われな
い。また、負圧波到達タイミングが変化して遅角補正に
より吸気充填効率が回復した場合（ステップ７０７で再
度Ｇ≧Ｇ₀ −αになった場合）には、ステップ７１１で
設定した遅角量ΔＶＴがその後も使用されるため、吸気
充填効率は高いままに維持される。

【００４９】次に、負圧波到達タイミング検出とバルブ
オーバラップ期間変更の第２の方法について説明する。
本方法では、機関１の第１気筒の排気枝管４１に設けた
圧力センサ７０により枝管４１内の排気圧力変動を検出
することにより、直接的に負圧波到達タイミングを検出
し、負圧波到達タイミングが所定値以上変化している場
合には、５次の負圧波到達タイミングにバルブオーバラ
ップ期間が合致するようにバルブタイミングを変更す
る。

【００５０】図１０は、本方法によるバルブタイミング
変更の原理を説明する図５と同様なタイミング図であ
る。図１０実線は正常な場合（負圧波到達タイミングが
変化していない状態）における圧力センサ７０で検出し
た排気圧力変動を示している。図１０においてＡ点は３
次の負圧波が圧力センサ７０の位置に到達したタイミン
グ、すなわち二次の正圧波が圧力センサ７０を通過した
ことにより、センサ７０で検出した排気管圧力が正圧か
ら負圧に変化した瞬間を示す。また、図１０にＣＡ３₀
で示したのはこのときのクランク角である。図１０に示
すように、負圧波到達タイミングＣＡ３₀ は＃１気筒の
排気ＴＤＣ（排気行程上死点）までのクランク軸回転角
で表している。

【００５１】本実施形態では、この状態から負圧波到達
タイミングが変化して、図１０点線で示すように３次の
負圧波の到達タイミングが正常な状態に較べてクランク
角β以上早くなった場合にバルブタイミング変更操作を
行う。すなわち、圧力センサで検出した排気圧力の位相
逆転タイミングＣＡ３が、ＣＡ３≧ＣＡ３₀ ＋βとなっ
たときにバルブタイミング変更操作が実行される。バル
ブタイミング変更操作では、タイミング変化後の５次の
負圧波が圧力センサ７０に到達した瞬間（図１０、Ｂ
点）のタイミングＣＡ５を検出し、正常状態における３
次の負圧波到達タイミングＣＡ３₀ と、変化後の５次の
負圧波到達タイミングＣＡ５との差ΔＶＴ（ΔＶＴ＝Ｃ
Ａ３₀ −ＣＡ５）だけバルブタイミングを遅角させる。
負圧波が圧力センサを通過してから排気ポートに到達す
るまでの時間は圧力センサ７０から排気ポートまでの距
離と音速とによってのみ決まるため、バルブタイミング
変化の有無にかかわらずほぼ一定となる。一方、正常時
のバルブタイミングは、ＣＡ３₀ のタイミングで圧力セ
ンサに到達した３次の負圧波が排気ポートに到達する時
期に合わせてバルブオーバラップが開始されるように設
定されている。従って、正常時のバルブタイミングをΔ
ＶＴ（＝ＣＡ３₀ −ＣＡ５）だけ遅角させれば、変化後
の５次の負圧波が排気ポートに到達する時期にバルブオ
ーバラップが開始されるようになり、バルブオーバラッ
プ期間を５次の負圧波の排気ポート到達時期に合致させ
ることができる。このため、負圧波到達タイミングが変
化した場合にはバルブタイミングをΔＶＴ（＝ＣＡ３₀
−ＣＡ５）だけ遅角させることにより５次の負圧波を有
効に利用して吸気充填効率をほぼ設計値通りに維持する
ことが可能となる。

【００５２】図１１は３次負圧波と５次負圧波の圧力セ
ンサ７０到達タイミングを検出するための操作を示すフ
ローチャートである。本操作は、制御回路３０により一
定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。図１１
において、ステップ１１０１では、クランク軸回転角セ
ンサ４４で検出された現在のクランク軸回転位置ＣＡと
圧力センサ７０で検出した排気圧力ＰＥとが読み込ま
れ、ステップ１１０３では、ＣＡから第１気筒排気行程
上死点までのクランク軸回転角ＣＡ₁ が算出される。そ
して、ステップ１１０５では現在の排気圧力ＰＥが負の
値か否か、またステップ１１０７では前回ルーチン実行
時の排気圧力ＰＥ_i-1 が正の値か否かが判定される。Ｐ
Ｅ≦０かつＰＥ_i-1 ≧０であった場合には前回ルーチン
実行時から今回ルーチン実行時までの間に排気圧力が正
から負に変化したのであるから現在負圧波が圧力センサ
に到達していると判断できる。このため、ステップ１１
０９とステップ１１１３ではこの負圧波が排気弁開弁後
２回目に到達した負圧波（３次の負圧波）か否か、及び
３回目に到達した負圧波（５次の負圧波）か否かを判定
し、３次の負圧波であった場合にはステップ１１０３で
算出したクランク軸回転角ＣＡ₁ を３次の負圧波到達タ
イミングＣＡ３として、また５次の負圧波であった場合
にはＣＡ₁ を５次の負圧波到達タイミングＣＡ５として
それぞれ記憶する（ステップ１１１１、ステップ１１１
５）。ステップ１１０５、１１０７のいずれか一つ以
上、またはステップ１１０９とステップ１１１３との両
方が成立しない場合には現在のクランク軸回転角ＣＡ ₁
は３次負圧波と５次負圧波のいずれの到達タイミングで
もないためそのままルーチンを終了する。これにより、
３次と５次の負圧波の圧力センサ７０到達タイミングＣ
Ａ３、ＣＡ５が検出される。

【００５３】図１２は、図１１の操作で検出した３次と
５次の負圧波到達タイミングＣＡ３とＣＡ５とに基づく
バルブタイミング変更操作を示すフローチャートであ
る。本操作も制御回路３０により一定時間毎に実行され
る。図１２、ステップ１２０１では機関回転数ＮＥと機
関負荷ＧＮとが読み込まれ、ステップ１２０３では図１
１の操作で検出した現在の３次の負圧波の到達タイミン
グＣＡ３が正常時のタイミング（設計タイミング）ＣＡ
３₀ よりβ以上早くなっているか、すなわちＣＡ３＞Ｃ
Ａ３₀ ＋βであるか否かが判定される。そして、ＣＡ３
≦ＣＡ３₀ ＋βであった場合には負圧波到達タイミング
の変化量は小さいと判断してステップ１２０７に進み、
バルブタイミング遅角量ΔＶＴを０にセットしてステッ
プ１２０９に進む。すなわち、この場合にはバルブタイ
ミングの遅角補正は行わない。ここで、βは吸気充填効
率の低下が無視できなくなるほど度の負圧波到達タイミ
ングの遅れに相当する値である。

【００５４】一方、ステップ１２０３でＣＡ３＞ＣＡ３
₀ ＋βであった場合には、負圧波到達タイミングの遅れ
が大きいため、３次の負圧波に代えて５次の負圧波を利
用する必要が生じていると判断し、ステップ１２０５で
バルブタイミングの遅角補正量ΔＶＴを、ΔＶＴ＝ＣＡ
３₀ −ＣＡ５として算出し、ステップ１２０９以下を実
行する。

【００５５】ステップ１２０９では、ステップ１２０１
読み込んだＮＥとＧＮとに基づいて図９の関係から目標
バルブタイミングｔＶＴを決定し、ステップ１２１１で
はこの目標バルブタイミングをΔＶＴだけ遅角補正した
値を新たな目標バルブタイミングｔＶＴとして設定す
る。そして、ステップ１２１３では機関バルブタイミン
グＶＴが補正後の目標バルブタイミングｔＶＴになるよ
うにリニアソレノイドアクチュエータ２５をフィードバ
ック制御する。

【００５６】図１２の操作により、負圧波到達タイミン
グが変化した場合には３次の負圧波に代えて５次の負圧
波の到達時期に合わせて機関のバルブオーバラップ期間
が変更されるようになるため、機関の吸気充填効率は略
設計値に維持されるようになる。なお、上述の実施形態
では可変バルブタイミング機構１０は吸気弁の開閉タイ
ミングのみを変更する形式のものを例にとって説明して
いるが、排気弁の開閉タイミングのみを変更する形式の
可変バルブタイミング機構、あるいは吸排気弁両方の開
閉タイミングを変更する形式の可変バルブタイミング機
構を用いた場合についても同様な操作により、負圧波到
達タイミング変化にかかわらず吸気充填効率を高く維持
することができるのは言うまでもない。

【００５７】

【発明の効果】上述のように、各請求項に記載の発明に
よれば、個々の排気管の製品公差によるばらつきや経年
変化などにより、排気脈動による負圧波の排気ポート到
達タイミングが設計値から変化したような場合でも負圧
波を有効に利用して機関の吸気充填効率を向上させるこ
とが可能となる共通の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態
の概略構成を示す図である。

【図２】θパイプの構造を示す断面図である。

【図３】図１の実施形態に使用する可変バルブタイミン
グ機構の構成を説明する図である。

【図４】吸排気弁のバルブオーバラップ期間を説明する
図である。

【図５】機関運転中の排気ポートの圧力変動を示すタイ
ミング図である。

【図６】θパイプ接続部構成の一例を示す断面図であ
る。

【図７】図１の実施形態のバルブタイミング変更操作を
示すフローチャートである。

【図８】図７におけるバルブタイミング遅角量の設定を
説明する図である。

【図９】図７における目標バルブタイミングの設定を説
明する図である。

【図１０】図１の実施形態のバルブタイミング変更操作
の別の実施形態を説明するタイミング図である。

【図１１】負圧波到達タイミングの検出操作を示すフロ
ーチャートである。

【図１２】図１０のバルブタイミング変更操作を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１…内燃機関 １０…可変バルブタイミング機構 １５…エアフローメータ ７０…排気圧力センサ ５１０…排気マニホルド ５２０、５４０…接続部 ５３０、５５０…排気管

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の吸気弁と排気弁との少なくと
   も一方のバルブタイミングを変更するバルブタイミング
   調節手段と、 排気通路内の排気脈動により生じる負圧波が排気ポート
   に到達する時期を検出する負圧波到達時期検出手段と、 前記バルブタイミング調節手段を制御して、前記負圧波
   到達時期検出手段の検出した負圧波の排気ポート到達時
   期に応じて前記バルブタイミングを変更する制御手段
   と、 を備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、吸気弁と排気弁とのバ
   ルブオーバラップ期間内に前記負圧波が排気ポートに到
   達するようにバルブタイミング調節手段を制御してバル
   ブタイミングを変更する請求項１に記載のバルブタイミ
   ング制御装置。
3. 【請求項３】 前記負圧波到達時期検出手段は、機関吸
   入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、機関が
   所定の条件で運転されている時の機関吸入空気量に基づ
   いて前記負圧波の排気ポート到達時期を検出する請求項
   １に記載のバルブタイミング制御装置。
4. 【請求項４】 前記負圧波到達時期検出手段は、排気通
   路に配置した圧力検出手段を備え、該圧力検出手段によ
   り検出した排気圧力の変動に基づいて前記負圧波の排気
   ポート到達時期を検出する請求項１に記載のバルブタイ
   ミング制御装置。
5. 【請求項５】 接続部を有する排気通路を備えた内燃機
   関のバルブタイミング制御装置であって、 内燃機関の吸気弁と排気弁との少なくとも一方のバルブ
   タイミングを変更するバルブタイミング調節手段と、 排気脈動により生じる負圧波の排気ポート到達時期が、
   前記排気通路接続部にクリアランスが生じたために変化
   したことを検出する負圧波到達時期検出手段と、 前記負圧波到達時期検出手段により前記負圧波の排気ポ
   ート到達時期の変化が検出されたときに、前記バルブタ
   イミング調節手段を制御して、吸気弁と排気弁とのバル
   ブオーバラップ期間中に前記負圧波が排気ポートに到達
   するように前記バルブタイミングを変更する制御手段を
   備えた内燃機関のバルブタイミング制御装置。