JP2000220479A - バルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に吸気バルブ遅閉型の高膨張比エンジンに
おいて、高出力が望まれる状況での出力特性を改善する
ことのできるバルブ制御装置を提供すること。 【解決手段】 本発明のバルブ制御装置は、スロットル
バルブ８と、各シリンダー４毎に少なくとも二つずつ配
設された吸気バルブ２と、吸気バルブ２の駆動を制御す
る制御手段６とを有しており、制御手段６は、スロット
ルバルブ８の開度が所定開度未満のときには、吸気行程
の全行程で全ての吸気バルブ２を開状態とし、スロット
ルバルブ８の開度が所定開度以上のときには、ピストン
６の位置が下死点となるまでの吸気行程前半で全ての吸
気バルブ２を開状態とし、ピストン６の位置が下死点と
なった後の吸気行程後半で一部の吸気バルブ２を開状
態、かつ、残りの吸気バルブ２を閉状態とするように構
成されていることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高膨張比エンジン
のバルブ駆動を制御するバルブ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮比に対して膨張比を大きくすること
によって膨張圧力を余すことなく運動エネルギーに変換
して熱効率を高め、燃費向上を図る高膨張比エンジンが
知られている。高膨張比エンジンには、吸気バルブを閉
じる時期の相違によって遅閉型と早閉型とがある。吸気
バルブ遅閉型の高膨張比エンジンは、吸気バルブが開状
態のときにシリンダー内をピストンが下降することによ
ってシリンダー内に吸入空気（混合気）を吸入し、ピス
トンの位置が下死点を過ぎた後に吸気バルブを閉じて圧
縮行程の開始を実質的に遅らせるものである。即ち、シ
リンダー内に吸気された吸入空気（混合気）は、ピスト
ンが下死点を過ぎて上昇する際に、吸気ポート側にその
一部が戻される形となる。

【０００３】これに対して、吸気バルブ早閉型の高膨張
比エンジンは、ピストンの位置が下死点に来る以前に吸
気バルブを閉じて高膨張化を行うものである。なお、高
膨張比エンジンにおいては、吸入空気（混合気）量を調
節するスロットルバルブの開度を大きくとることが可能
となるので、吸気通路負圧を小さくすることもできる。
この結果、吸気損失を小さくすることができ、この点か
らも燃費向上に寄与している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高膨張比エン
ジンにおいては、燃費の向上を図れる反面、高出力化を
行いにくいという特性がある。特に、高出力が望まれて
いる運転状態のとき、即ち、スロットル開度が大きいと
きにおける出力の向上が望まれている。なお、遅閉型の
高膨張比エンジンにおいては、高出力を実現するために
より多くの吸入空気（混合気）を吸入するために、スロ
ットル開度が大きくされているときのみ、吸気バルブを
早めに閉じてしまうことも考えられる。しかし、このよ
うにすると、吸気ポート側に押し戻される吸入空気（混
合気）量が減り、実質吸入空気量が増えるが、圧縮比が
高くなるのでノッキングが発生しやすくなってしまう。

【０００５】従って、本発明の目的は、特に吸気バルブ
遅閉型の高膨張比エンジンにおいて、高出力が望まれる
状況での出力特性を改善することのできるバルブ制御装
置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のバルブ制御装置
は、エンジンの吸気通路上に配置されたスロットルバル
ブと、エンジンの各シリンダー毎に少なくとも二つずつ
配設された吸気バルブと、吸気行程にあるシリンダー内
のピストンの位置が下死点となった後に吸気バルブを閉
じて、圧縮比よりも膨張比が大きくなるように吸気バル
ブの駆動を制御する制御手段とを有する吸気バルブ遅閉
型高膨張比エンジンのバルブ制御装置において、スロッ
トルバルブの開度が所定開度未満のときには、各シリン
ダについて、吸気行程の全行程で全ての吸気バルブを開
状態とし、スロットルバルブの開度が所定開度以上のと
きには、各シリンダについて、ピストンの位置が下死点
となるまでの吸気行程前半で全ての吸気バルブを開状態
とし、ピストンの位置が下死点となった後の吸気行程後
半で一部の吸気バルブを開状態、かつ、残りの吸気バル
ブを閉状態とするように、上述した制御手段が構成され
ていることを特徴としている。

【０００７】本発明のバルブ制御装置によれば、スロッ
トルバルブの開度が所定値以上の場合は、吸気行程にお
いてピストン位置が下死点となったときに、複数の吸気
バルブの一部を開いたままにし、残りの吸気バルブを閉
じる。これにより、吸気行程後半に吸気ポート側に戻さ
れる吸入空気（混合気）量を規制し、実質吸入空気量を
増加させて出力を向上させる。スロットル開度が所定値
未満の場合は、通常の高膨張比エンジンと同様の燃焼を
行い、熱効率の良い燃焼を行って低燃費を実現する。

【０００８】また、スロットルバルブの開度が所定値以
上の場合の吸気行程でピストン位置が下死点となったと
きに一部の吸気バルブを閉じてしまうことによって、シ
リンダー内の吸気の乱れ（スワールなど）を充分に発生
させることができ、その結果、燃焼速度が向上し、ノッ
キングが改善される。このとき、ピストン位置が下死点
となったときに一部の吸気バルブを閉じて吸気の乱れを
発生させるので、混合気を点火燃焼させる直前に吸気の
乱れを発生させることになり、ノッキング改善効果がよ
り大きくなる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明のバルブ制御装置の一実施
形態を図面を参照しつつ説明する。

【００１０】本実施形態のバルブ制御装置は、図１に示
されるように、エンジン１の吸気バルブ２の駆動を制御
するものであり、吸気バルブ２は各シリンダー４毎に二
つずつ配されている。ここでは、排気バルブ３も、各シ
リンダー４毎に二つずつ配されている。吸気バルブ２
は、上部に配置された駆動機構５によって開閉される。
駆動機構５は、吸気バルブ２の開閉タイミングとリフト
量とを可変制御することができるように構成されてい
る。

【００１１】駆動機構５による吸気バルブ２の開閉タイ
ミングとリフト量との可変制御は、通常用いられる可変
機構が用いられる。例えば、各吸気バルブ２毎にカムプ
ロフィールの異なる複数種類のカム（図示せず）を吸気
バルブ２側のカムシャフト（図示せず）に形成させると
共に、各カムに対応する複数種類のロッカーアーム（図
示せず）を配置し、吸気バルブ２を実際に駆動させるロ
ッカーアームを切り換えることによって、開閉タイミン
グとリフト量とを可変制御することができる。

【００１２】あるいは、吸気バルブ２側のカムシャフト
を回転させるスプロケットをカムシャフトに対して回転
制御可能にする機構を組み込むことによって、吸気バル
ブ２の開閉タイミングを可変制御することもできる。即
ち、駆動機構５によって、各シリンダー４内のピストン
６の位置が下死点（以下、ＢＤＣ：Bottom Dead Center
ともいう）となったときに、各シリンダー４における二
つの吸気バルブ２のうちの一方のみを先に閉じることが
できれば、どのような機構であっても良い。

【００１３】また、駆動機構５には、各カムシャフトの
カム位置を検出するカムポジションセンサー（図示せ
ず）も組み込まれており、カム位置、即ち、吸排気バル
ブ２，３の状態も検出している。

【００１４】エンジン１の吸気通路７上には、シリンダ
ー４内に吸入される吸入空気（混合気）量を調節するス
ロットルバルブ８が配設されている。このスロットルバ
ルブ８には、その開度を検出するスロットルポジション
センサー９が接続されている。吸気通路７のシリンダー
４寄りには、吸気通路７上に燃料を噴射するインジェク
ター１０が配設されている。インジェクター１０によっ
て燃料を噴射することによって吸入空気とミスト状の燃
料とを混合させて混合気とし、この混合気が吸気ポート
を介してシリンダー４内に吸入される。

【００１５】また、エンジン１のクランクシャフト近傍
には、クランクシャフトの位置を検出するクランクポジ
ションセンサー１１が取り付けられている。クランクポ
ジションセンサー１１の出力結果からは、シリンダー４
内のピストン６の位置や、エンジン１の回転数を知るこ
とができる。

【００１６】これらの駆動機構５、スロットルポジショ
ンセンサー９、インジェクター１０やクランクポジショ
ンセンサー１１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２に
接続されており、ＥＣＵ１２からの信号に基づいて制御
されたり、検出結果をＥＣＵ１２に対して送出したりし
ている。ＥＣＵ１２は、駆動機構５などと共に吸気バル
ブ２の駆動を制御する制御手段として機能している。Ｅ
ＣＵ１２には、その他のセンサ類や補機類も接続されて
おり、エンジン１を統括して制御している。

【００１７】次に、上述したバルブ制御装置による吸気
バルブの駆動を制御について説明する。

【００１８】ＥＣＵ１２は、スロットルポジションセン
サー９からの検出結果を常に監視しており、スロットル
バルブ８の開度が全開でない場合は、通常通り吸気バル
ブ２の駆動を制御する。即ち、各シリンダー４共、ピス
トン６の位置がＢＤＣ時を過ぎてから、全ての吸気バル
ブ２を同時に閉じることによって、吸気損失低減による
燃費向上を実現する。なお、一般に高膨張比エンジンと
言う場合、膨張比〔（膨張行程容積＋燃焼室容積）／燃
焼室容積〕が12以上、圧縮比〔（圧縮行程容積＋燃焼室
容積）／燃焼室容積〕が11以下となるようにされている
エンジンのことを指す。

【００１９】一方、スロットルバルブ８の開度が全開で
ある場合は、各シリンダー４について、一方の吸気バル
ブ２をＢＤＣ時に閉じ、他方の吸気バルブ２はＢＤＣ時
を過ぎてから閉じる。これにより、ＢＤＣ以降は二つの
うちの一方の吸気バルブ２が閉じた状態となるので、一
旦シリンダー４内に吸入され、ＢＤＣ後に吸気ポート側
に戻される吸入空気（混合気）量が規制される。この結
果、実質吸入空気量が増加しつつ、吸気の乱れ（スワー
ルなど）が強くなりノッキングが改善されるため、エン
ジン１の出力が向上する。なお、スロットルバルブ８の
開度が全開でない場合は、通常の高膨張比エンジンと同
様の燃焼が行われるため、熱効率の良い燃焼が行われて
低燃費が実現される。

【００２０】ここでは、図２に示されるように、一方の
吸気バルブ２を他方の吸気バルブ２よりも早期に閉じる
ために、バルブリフト量を吸気バルブ２毎に変えてい
る。図２中、Ｉ_w-1がＢＤＣ時に閉じられる吸気バルブ
２の状態を示しており、Ｉ_w-2がＢＤＣ後に閉じられる
吸気バルブ２の状態を示している。図２中、Ｅ-1,2は、
二つの排気バルブ３の状態を示している。

【００２１】また、図２中、Ｉ_p-1,2は、吸気バルブ２
の一部開・一部閉制御を行わない場合（即ち、スロット
ルバルブ８の開度が全開でない場合）の二つの吸気バル
ブ２の状態を示している。このように、スロットルバル
ブ８の開度に応じて吸気バルブ２の開閉タイミング（位
相）を変えることによって、吸排気バルブ２，３の閉じ
時期（吸入空気量）やオーバーラップ量などを制御する
ことができ、その結果、エンジン１の出力特性をエンジ
ン１の運転状態に応じて向上させることができる。

【００２２】また、本実施形態のエンジンにおいては、
図３(a)に示されるように、スロットルバルブ８が全開
状態であっても、エンジン回転数が高くなると、吸気バ
ルブ２を一部開・一部閉制御させたときに各シリンダー
４内に吸入される吸入空気（混合気）量〔図３(a)中
参照〕が、吸気バルブ２を通常通りＢＤＣ後に同時に閉
制御させたときに各シリンダー４内に吸入される吸入空
気（混合気）量〔図３(a)中参照〕よりも少なくなる
逆転現象が生じる。

【００２３】このため、本実施形態においては、上述し
た逆転現象が起きる境界となるエンジン回転数Ｒを境
に、吸気バルブ２の一部開・一部閉制御と通常制御とを
切り換えるようにしている。なお、上述したような逆転
現象が生じないような特性のエンジンであるならば、こ
のような切り換え制御を行う必要はない。

【００２４】上述したバルブ制御を行ったエンジン１の
エンジン回転数と出力トルクとの関係を図３(b)に示
す。図３(b)中、Ｔ_wで示される折れ線が、スロットルバ
ルブ８が全開時のときの出力トルク曲線である。また、
図３中、点線で表されている部分が、上述した吸気バル
ブ２の一部開・一部閉制御を行わなかったときの出力ト
ルク曲線である。即ち、Ｔ_wと点線との間が、吸気バル
ブ２の一部開・一部閉制御を行ったことによる出力トル
クの向上分である。

【００２５】なお、上述した逆転現象が発生するエンジ
ン回転数Ｒよりもエンジン回転数が高い領域は、吸気バ
ルブ２の一部開・一部閉制御は行われていないのは上で
述べたとおりである。なお、図３(b)中、Ｔ_p1〜Ｔ
_p3は、スロットルバルブ８の開度が全開でない状態（パ
ーシャル域）での出力トルク曲線である。

【００２６】なお、本発明のバルブ制御装置は、上述し
た実施形態に限定されるものではない。例えば、吸気バ
ルブ２の開閉タイミングとリフト量の可変制御は、上述
したものに制限されず、種々の機構によって実現すれば
よい。上述した一例においては、ロッカーアームを用い
たが、これを用いない機構であってもよいし、開閉タイ
ミングのみ、または、リフト量のみを可変制御する機構
であってもよい。即ち、ＢＤＣ時に各シリンダー４にお
ける複数の吸気バルブ２のうちの一部のみを先に閉じる
ことができれば、どのような機構であっても良い。

【００２７】また、本実施形態においては、排気バルブ
３については可変制御を行っていないが、吸気バルブ２
に加えて排気バルブ３についても、その開閉タイミング
とリフト量と（あるいは何れか一方）を可変制御しても
よいことは言うまでもない。さらに、上述した実施形態
におけるエンジン１は、吸気通路７上に燃料噴射を行う
ものであったが、シリンダー４内に直接燃料噴射を行
う、いわゆる筒内噴射エンジンに本発明を適用してもよ
い。

【００２８】また、上述した実施形態においては、スロ
ットルバルブ８の開度が全開未満である場合と全開であ
る場合とで吸気バルブ２の制御方法を変えた。即ち、吸
気バルブ２の制御方法を変える基準となるスロットルバ
ルブ８の所定開度が全開てあった。しかし、上述した所
定開度は、全開に限られることはなく、全開に対して98
％の開度や95％の開度とされてもよい。ただし、所定開
度は、高出力が望まれているか否かを判定するための基
準値として用いられているので、この所定開度を低くし
てしまうと高出力化には都合がよいが、その反面、燃費
向上が阻害されてしまう。このため、所定開度は、高出
力が望まれている状態、即ち、全開であることが好まし
い。

【００２９】また、上述した実施形態においては、スロ
ットルバルブ８が全開であることが検出された場合に
は、直ぐに吸気バルブ２の一部開・一部閉制御が行われ
るようにされたが、以下に説明するような制御を行うこ
とも考えられる。即ち、スロットルバルブ８が全開であ
ることが検出された直後には、まず、全ての吸気バルブ
２の閉タイミングをＢＤＣ時に近づけると共に、シリン
ダー４に取り付けられたノックセンサ１３によってノッ
キングが発生していないかを監視する。これにより、吸
気ポート側に押し戻される吸入空気（混合気）量を減ら
すことができ、高出力化を行える。

【００３０】しかし、このようにすると、圧縮比が高く
なるのでノッキングが発生しやすくなる。そこで、ノッ
クセンサ１３によってノッキングが発生していることが
検出される場合には、一部の吸気バルブ２についてはＢ
ＤＣ時以降は開状態となるようにして圧縮比を下げてノ
ッキングを防止する。ノッキングが発生しないのであれ
ば、吸気バルブ２の一部開・一部閉制御を行わなくても
良い。

【００３１】あるいは、以下のような制御を行うことも
考えられる。即ち、スロットルバルブ８の開度が大きく
なるにつれて（全開となる以前に）、全ての吸気バルブ
２の閉タイミングがＢＤＣ時に徐々に近づけられるよう
に制御し、ノックセンサ１３によってノッキングが検出
されるようになったら（スロットルバルブ５の開度が全
開でなくてもノッキングが発生するような開度となった
ら）、一部の吸気バルブ２についてはＢＤＣ時以降は開
状態となるようにしてノッキングを防止する。

【００３２】

【発明の効果】本発明のバルブ制御装置においては、ス
ロットルバルブの開度が所定開度未満のときには、全て
の吸気バルブを開状態とし、スロットルバルブの開度が
所定開度以上のときには、ピストンの位置が下死点とな
るまでの吸気行程前半で全ての吸気バルブを開状態と
し、ピストンの位置が下死点となった後の吸気行程後半
で一部の吸気バルブを開状態、かつ、残りの吸気バルブ
を閉状態とするように、制御手段が構成されているの
で、高膨張比エンジンにおいて、燃費向上と高出力が望
まれている状況での出力特性の改善とを両立することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバルブ制御装置の一実施形態を示す構
成図である。

【図２】図１に示す装置におけるバルブの駆動状態を示
す説明図である。

【図３】(a)は図１に示す装置におけるエンジンについ
てのエンジン回転数と吸入空気（混合気）量との関係を
示すグラフであり、(b)は図１に示す装置におけるエン
ジンについてのエンジン回転数と出力トルクとの関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１…エンジン、２…吸気バルブ、３…排気バルブ、４…
シリンダー、５…駆動機構（制御手段）、６…ピスト
ン、７…排気通路、８…スロットルバルブ、９…スロッ
トルポジションセンサ、１１…クランクポジションセン
サ、１２…ＥＣＵ（制御手段）。

フロントページの続き (72)発明者 茂木 和久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G092 AA05 AA10 AA11 DA01 DA04 DA05 DA09 DA12 DA14 DC06 DD03 EA11 EA21 FA01 FA24 GA03 HA08Z HA13X HA13Z HC05Z HE01Z HE03Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの吸気通路上に配置されたスロ
   ットルバルブと、前記エンジンの各シリンダー毎に少な
   くとも二つずつ配設された吸気バルブと、吸気行程にあ
   る前記シリンダー内のピストンの位置が下死点となった
   後に前記吸気バルブを閉じて、圧縮比よりも膨張比が大
   きくなるように前記吸気バルブの駆動を制御する制御手
   段とを有する吸気バルブ遅閉型高膨張比エンジンのバル
   ブ制御装置において、 前記スロットルバルブの開度が所定開度未満のときに
   は、前記各シリンダについて、吸気行程の全行程で全て
   の前記吸気バルブを開状態とし、 前記スロットルバルブの開度が所定開度以上のときに
   は、前記各シリンダについて、前記ピストンの位置が下
   死点となるまでの吸気行程前半で全ての前記吸気バルブ
   を開状態とし、前記ピストンの位置が下死点となった後
   の吸気行程後半で一部の前記吸気バルブを開状態、か
   つ、残りの前記吸気バルブを閉状態とするように、前記
   制御手段が構成されていることを特徴とするバルブ制御
   装置。