JP2003003871A - 過給機付内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】過給機付内燃機関の加速時の応答性を改善す
る。 【解決手段】加速状態を検出したときは（Ｓ１）、まず
排気バルブのバルブタイミングの目標進角値を設定する
（Ｓ２）。そして、実際の排気バルブのバルブタイミン
グが目標進角値となってから（Ｓ３）、吸気バルブのバ
ルブタイミングの目標進角値を設定し（Ｓ４）、該目標
値まで吸気バルブのバルブタイミングを制御する（Ｓ
５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過給機付内燃機関
の吸気バルブ及び排気バルブのバルブ作動特性を可変制
御する可変動弁装置に関し、特に、加速時の応答性を改
善する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】過給機付内燃機関においては、加速時に
おける排気タービンの回転上昇が遅いことから加速時の
応答性が悪く、その改良が望まれている。そのため、加
速時の吸気・排気バルブのバルブ作動特性を制御するこ
とにより加速時の応答性を改良しようとするものがある
（特開平９−１２５９９４号公報等参照）。

【０００３】このものは、加速を検出したときに、バル
ブオーバーラップ量（吸気バルブの開弁期間と排気バル
ブの開弁期間とが重なり合う期間）を減少させるように
吸気・排気バルブの作動特性を制御することで新気量
（及びこれに伴う燃料量）を増加させ、これにより排気
ガスを増加させて排気タービンに供給すると共に、排気
バルブの開弁期間を短くするよう開時期を遅らせて排気
ガスの圧力を高めることで、排気タービンの回転上昇の
遅れを防止し、いわゆるターボラグを解消して過給機付
内燃機関の加速時の応答性を改善しようとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のも
のでは過給機付内燃機関の加速時の応答性を十分に改善
できるとは言えず、更なる改良の余地があった。すなわ
ち、加速時の応答性の更なる改善のためには、排気ター
ビンの回転上昇（回転立ち上がり）を更に早めることが
必要となる。

【０００５】本発明は、上記問題に鑑みなされたもので
あって、過給機付内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブ
を適切に制御することによりブローダウンエネルギーを
有効に利用し、加速時の応答性を効果的に改善できる過
給機付内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、請求項１に係
る発明は、過給機付内燃機関の吸気バルブ及び排気バル
ブの作動特性を可変制御する可変動弁装置であって、機
関の加速状態を検出する加速状態検出手段を備え、加速
状態が検出されたときは、加速直前に設定されていた通
常運転時のバルブ作動特性に対して、排気バルブの開時
期を進角させると共に、吸気・排気バルブの開弁期間が
重なり合うバルブオーバーラップ量を減少させることに
より加速初期時のバルブ作動特性を設定し、その後に吸
気バルブの開時期、閉時期を制御して加速状態における
バルブ作動特性を設定することを特徴とする。

【０００７】請求項２に係る発明は、前記可変動弁装置
が、吸気バルブ及び排気バルブの開閉時期を作動角一定
のまま変化させるものであって、排気バルブの開閉時期
のみを所定量進角させることで前記加速初期時のバルブ
作動特性を設定し、その後に吸気バルブの開閉時期のみ
を所定量進角させることで前記加速状態におけるバルブ
作動特性を設定することを特徴とする。

【０００８】請求項３に係る発明は、前記吸気バルブ及
び排気バルブの開閉時期の進角量は、それぞれ機関の回
転速度に応じて設定されることを特徴とする。

【０００９】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、加速状態
が検出されたときは、排気バルブの開時期を進角させる
ので、筒内圧が高い状態のブローダウンエネルギーを、
排気タービンを回転させるためのエネルギーとして利用
できる。また、同時にバルブオーバーラップ量も減少さ
せているので、シリンダ内への残留ガスの逆流を抑制で
き新気の量が増加する。この新気量の増加に伴い供給す
る燃料量も増加させることで燃焼量が増加し、発生トル
クと共に排気ガスの量も増加させることができる。

【００１０】これにより、トルクの低下を招くことな
く、高エネルギーの排気ガスをより多く排気タービンに
供給でき、加速初期時における排気タービンの回転上昇
をはやめて過給圧を効果的に高めることができる（これ
により体積効率も向上する）。そして、その後は吸気バ
ルブの開閉時期を所定のバルブ作動特性、すなわち、体
積効率を向上させるように開時期又は／及び閉時期を制
御することで、トルク向上及び排気ガス量の増加させて
過給圧を更に増加し、加速時の応答性を効果的に改善す
る。

【００１１】請求項２に係る発明によれば、吸気バルブ
及び排気バルブの開閉時期を作動角一定のまま変化させ
る可変動弁装置においては、排気バルブの開閉時期（バ
ルブタイミング）のみを所定量進角させることにより、
排気バルブの開時期が早まると共にバルブオーバーラッ
プ量も減少するので、加速初期時の過給圧を効果的に高
めることができる。

【００１２】そして、その後に、吸気バルブの開閉時期
（バルブタイミング）を所定量進角させることにより、
吸気バルブの閉時期が早まりシリンダ内に流入した空気
の逆流を確実に防止して高い体積効率を得ることができ
る。この結果、加速時の応答性を効果的に改善できる。
請求項３に係る発明によれば、吸気バルブ及び排気バル
ブの開閉時期（バルブタイミング）の進角量を最適な値
にできる。すなわち、機関の回転速度に応じて排気バル
ブの開閉時期（バルブタイミング）の進角量を設定する
ことで、進角による熱効率の悪化が過給圧の上昇による
体積効率の上昇の効果よりも大きくなることを防止し、
同様に機関の回転速度に応じて吸気バルブの開閉時期
（バルブタイミング）を設定することで、進角による内
部ＥＧＲの増加により体積効率が悪化することを防止す
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す過
給機付内燃機関のシステム図である。図１において、機
関（エンジン）１の排気管２の下流側には排気タービン
３が設けられており、排気タービン３は、排気バイパス
弁４を閉じることにより、エンジン１から排出される排
気ガスが供給されて回転する。

【００１４】吸気管５の上流側に設けられたコンプレッ
サ６は前記排気タービン３に連結されており、排気ター
ビン３が回転することにより駆動され、大量の空気を圧
縮状態で燃焼室７に送り込む。吸気通路には、過給圧セ
ンサ８が設けられており、前記コンプレッサ６と吸気バ
ルブ９の間の圧力を検出する。

【００１５】排気通路には、排圧センサ１０が設けられ
ており、排気バルブ１１と前記排気タービン３の間の圧
力を検出する。前記吸気バルブ９及び排気バルブ１１
は、それぞれ吸気側カム軸１２及び排気側カム軸１３に
設けられた可変動弁機構１４によって開閉時期が変更さ
れる。この可変動弁機構１４は、クランク軸に対する吸
気側カム軸１２の回転位相、クランク軸に対する排気側
カム軸１３の回転位相をそれぞれ変化させることで、作
動角一定のまま吸気バルブ９及び排気バルブ１１の開閉
時期（バルブタイミング）を変化させるものであり、該
可変動弁機構１４を作動させることにより非作動時に最
遅角位置に設定されているバルブタイミングは進角側へ
と制御される。

【００１６】ここで、本実施形態では前記可変動弁機構
１４としてベーン式の可変動弁装置を用いる。以下、ベ
ーン式の可変動弁装置について説明する。ベーン式の可
変動弁装置は、図２に示すように、クランク軸（図示省
略）によってタイミングチェーンを介して回転駆動され
るカムスプロケット５１（タイミングスプロケット）
と、吸気側カム軸１２又は排気側カム軸１３の端部に固
定されカムスプロケット５１内に回転自在に収容される
回転部材５３と、該回転部材５３をカムスプロケット５
１に対して相対的に回転させる油圧回路５４と、カムス
プロケット５１と回転部材５３との相対回転位置を所定
の位置で選択的にロックするロック機構６０とを備えて
いる。

【００１７】前記カムスプロケット５１は、外周にタイ
ミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯
部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配
置されて前記回転部材５３を回転自在に収容するハウジ
ング５６と、該ハウジング５６の前後の開口部を閉塞す
るフロントカバー及びリアカバー（図示省略）と、を含
んで構成される。

【００１８】ハウジング５６は、その前後両端が開口形
成された円筒状を呈し、内周面には、（ハウジング５６
の）軸方向に沿って、横断面が台形形状を有する４つの
隔壁部６３が９０°間隔で突設されている。回転部材５
３は、吸気側カム軸１２又は排気側カム軸１３の前端部
に固定されており、円環状の基部７７の外周面に、９０
°間隔で４つのベーン７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄ
（順に、第１、第２、第３、第４ベーンとする）が設け
られている。

【００１９】なお、第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｄ
は、図に示すように、それぞれ略台形状の断面形状を有
し、隔壁部６３の間に形成される凹部に配置される。こ
れにより第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｄは、それぞれ
凹部を回転方向前後に隔成し、該前後に隔成された凹部
がそれぞれ進角側油圧室８２と遅角側油圧室８３を構成
する。

【００２０】ロック機構６０は、回転部材５３の最大遅
角側の回動位置（基準作動状態）において図示しない係
合孔に係合（係入）するロックピン８４を有している。
油圧回路５４は、進角側油圧室８２に対して油圧を給排
する第１油圧通路９１と、遅角側油圧室８３に対して油
圧を給排する第２油圧通路９２との２系統の油圧通路を
有し、この２つの油圧通路９１、９２には、供給通路９
３とドレン通路９４ａ、９４ｂとがそれぞれ通路切り換
え用の電磁切換弁９５を介して接続されている。

【００２１】供給通路９３には、オイルパン９６内の油
を圧送する機関駆動のオイルポンプ９７が設けられてお
り、ドレン通路９４ａ、９４ｂは、その下流端がオイル
パン９６に連通している。第１油圧通路９１は、回転部
材５３の基部７７内で略放射状に形成されて各進角側油
圧室８２に連通する４本の分岐路９１ｄに接続されてお
り、第２油圧通路９２は、各遅角側油圧室８３に開口す
る４つの油孔９２ｄに接続されている。

【００２２】電磁切換弁９５は、内部のスプール弁体に
よって前記第１、第２油圧通路９１、９２と供給通路９
３又はドレン通路９４ａ、９４ｂとの連通を切り換え制
御するようになっている。なお、電磁切換弁９５の駆動
は、ディザ信号が重畳されたデューティ制御信号に基づ
いて、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）２０が電磁アク
チュエータ９９への通電量を制御することにより行う。

【００２３】例えば、電磁アクチュエータ９９にデュー
ティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、オ
イルポンプ９７から圧送された作動油は、第２油圧通路
９２を通って遅角側油圧室８３に供給されると共に、進
角側油圧室８２内の作動油が第１油圧通路９１を通って
第１ドレン通路９４ａからオイルパン９６内に排出され
る。

【００２４】この結果、遅角側油圧室８３の内圧が高
く、進角側油圧室８２の内圧が低くなり、回転部材５３
は第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｂを介して遅角側に回
転して最大遅角位置となる。一方、電磁アクチュエータ
９９にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を
出力すると、作動油が第１油圧通路９１を通って進角側
油圧室８２内に供給されると共に、遅角側油圧室８３内
の作動油が第２油圧通路９２及び第２ドレン通路９４ｂ
を通ってオイルパン９６に排出されて、遅角側油圧室８
３の内圧が低くなる。

【００２５】この結果、回転部材５３は第１〜第４ベー
ン７８ａ〜７８ｄを介して進角側に回転して最大進角位
置となる。なお、前記Ｃ／Ｕ２０は、カムスプロケット
５１とカム軸（吸気側、排気側）との回転位相（進角
量）検出値と、運転状態に応じて設定した目標値（目標
進角量）とを一致させるためのフィードバック補正分Ｐ
ＩＤＤＴＹを比例・積分・微分（ＰＩＤ）動作によって
設定し、所定のベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹ（中
立制御値）とフィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹとの加
算結果を最終的なデューティ比ＶＴＣＤＴＹとし、該デ
ューティ比ＶＴＣＤＴＹの制御信号を電磁アクチュエー
タ９９に出力する。

【００２６】つまり、前記回転位相を遅角方向へ変化さ
せる必要がある場合には、前記フィードバック補正分Ｐ
ＩＤＤＴＹによりデューティ比が減少され、オイルポン
プ９７から圧送された作動油が遅角側油圧室８３に供給
されると共に、進角側油圧室８２内の作動油がオイルパ
ン９６内に排出されるようになり、逆に、前記回転位相
を進角方向へ変化させる必要がある場合には、前記フィ
ードバック補正分ＰＩＤＤＴＹによりデューティ比が増
大され、作動油が進角側油圧室８２内に供給されると共
に、遅角側油圧室８３内の作動油がオイルパン９６に排
出されるようになる。

【００２７】そして、前記回転位相を現状の状態に保持
する場合には、前記フィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹ
の絶対値が減ることで、ベースデューティ比付近のデュ
ーティ比に戻るよう制御される。なお、上記ベーン式可
変動弁装置は本実施形態で使用する可変動弁機構１４の
一例として挙げたものであり、これに限定されることな
く他の構成でバルブタイミングを可変制御するものであ
っても良い。

【００２８】Ｃ／Ｕ２０には、前記過給圧センサ８及び
排圧センサ１０の圧力信号の他、クランク角センサ１５
からのクランク角信号、水温センサ１６からの機関の冷
却水温度信号、カムセンサ１７からのカム信号、アクセ
ル開度センサ１８からアクセル開度信号等の各種センサ
からの信号が入力される。また、Ｃ／Ｕ２０は前記クラ
ンク角センサ１５及び吸気側、排気側それぞれのカムセ
ンサ１７からの検出信号に基づいて、クランク軸に対す
る吸気側カム軸１２の現在の回転位相ＶＴＣＮＯＷ
（Ｉ）、クランク軸に対する排気側カム軸１３の現在の
回転位相ＶＴＣＮＯＷ（Ｅ）をそれぞれ検出すると共
に、運転状態に基づいて吸気側カム軸１２、排気側カム
軸１３それぞれの目標回転位相（目標進角値又は遅角
値）ＶＴＣＴＲＧを決定し、吸気バルブ９及び排気バル
ブ１１のバルブタイミングを進角側又は遅角側に制御す
る。

【００２９】次に、本実施形態における加速時の吸気バ
ルブ９及び排気バルブ１１の開閉時期（バルブタイミン
グ）制御について図３のフローチャートに基づいて説明
する。ステップ１（図中、Ｓ１と記す。以下同様）で
は、加速判定を行う。この加速判定は、通常の運転状態
（加速時以外の運転状態）から加速状態に移行したか否
かを判断するものであり、例えばアクセル開度センサ１
８の検出値や過給圧センサ８及び排圧センサ１０の検出
値に基づいて、加速状態を検出することにより行う。

【００３０】加速を検出した場合はステップ２に進み、
加速を検出しなければ本制御は行わず、通常の制御を実
行する。ステップ２では、排気側カム軸１３の（クラン
ク軸に対する）回転位相の目標進角値ＶＴＣＴＲＧ
（Ｅ）を、エンジン回転速度Ｎｅに応じてあらかじめ実
験等を行って設定されたテーブル（図４参照）を参照し
て設定する。

【００３１】ステップ３では、排気側カム軸１３の実際
の回転位相ＶＴＣＮＯＷ（Ｅ）が前記目標進角値ＶＴＣ
ＴＲＧ（Ｅ）に一致したか、すなわち、排気バルブ１１
の開閉時期が所定量進角されたか（早まったか）否かを
判定する。そして、排気側カム軸１３の実際の回転位相
ＶＴＣＮＯＷ（Ｅ）が、目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｅ）
に制御される（一致する）のを待ってステップ４に進
む。

【００３２】以上のステップ１からステップ３まで設定
された加速状態初期時のバルブ特性を図５に示す（図中
の破線は加速直前のバルブ特性である）。図に示すよう
に、加速初期時においては、排気バルブ１１の開時期を
早めると共に、排気バルブ９と吸気バルブ１１のバルブ
オーバーラップ量も減少させる。これにより、ブローダ
ウンエネルギーを排気タービ３ンの回転のために効果的
に利用すると共に、燃焼量を増加させて、トルク低下を
招くことなく、排気タービン３の回転を早期に立ち上げ
ることができる。

【００３３】ステップ４では、吸気側カム軸１２の回転
位相の目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｉ）を、エンジン回転
速度Ｎｅに応じてあらかじめ実験等により設定されたテ
ーブル（図６参照）を参照して設定する。ステップ５で
は、吸気側カム軸１２の実際の回転位相ＶＴＣＮＯＷ
（Ｉ）が前記目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｉ）に一致した
か、すなわち、排気バルブ１２の開閉時期が所定量進角
されたか（早まったか）否かを判定する。

【００３４】そして、吸気側カム軸１２の回転位相が前
記目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｉ）に制御される（一致す
る）と、本制御を終了する。以上のステップ４、５で設
定された初期時経過後の加速中のバルブ特性を図７に示
す（図中の一点鎖線は、前記ステップ１から３までで設
定された加速状態初期時のバルブ特性である）。これに
より、吸気バルブ９の開閉時期を制御して（本実施形態
においては、閉時期を早めて）体積効率を向上させて、
トルクの向上及び排気の増加を図り、過給圧を更に増加
させて加速時の応答性を改善する。

【００３５】なお、本実施形態では、吸気バルブ及び排
気バルブのバルブタイミングを作動角一定のまま変更す
る可変動弁装置、すなわち、可変バルブタイミング装置
について説明したが、これに限られず、バルブタイミン
グと共に、又は、バルブタイミングを変化させることな
くバルブリフト及び／又は作動角を可変とする可変動弁
装置であっても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すシステム図。

【図２】本実施形態におけるベーン式可変動弁装置の概
略図。

【図３】加速状態におけるバルブタイミング制御を示す
フローチャート。

【図４】排気バルブの目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｅ）設
定用のテーブルの一例を示す図。

【図５】加速状態初期時のバルブ作動特性を示す図（排
気バルブを進角）。

【図６】吸気バルブの目標進角値ＶＴＣＴＲＧ（Ｉ）設
定用のテーブルの一例を示す図。

【図７】加速状態のバルブ作動特性を示す図（吸気バル
ブを進角）。

【符号の説明】

１ エンジン ３ 排気タービン ６ コンプレッサ ７ 点火プラグ ８ 過給圧センサ ９ 吸気バルブ １０ 排圧センサ １１ 排気バルブ １２ 吸気側カム軸 １３ 排気側カム軸 １４ 可変動弁機構 ２０ コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G018 AA00 AB07 AB17 BA33 CA20 DA70 EA02 EA08 EA11 EA17 EA20 EA31 EA32 EA33 EA35 FA01 FA08 FA09 FA22 GA03 3G084 BA07 BA23 CA04 CA09 DA05 EA07 EB08 EB12 EC02 EC06 FA00 FA10 FA12 FA20 FA30 FA39 3G092 AA01 AA11 AA18 BA02 DA01 DA02 DA10 DB03 DG05 DG10 EA01 EA02 EA03 EA04 EB03 EC08 EC09 FA03 FA10 GA06 GA12 GA16 HA06Z HA13X HA16Z HD08Z HE01Z HE04Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA11 HA19 JA03 KA12 KA23 LA07 LC08 NA04 NA05 NA07 NC02 ND02 NE11 NE12 PA16Z PD14Z PE01Z PE04Z PE08Z PE10A

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】過給機付内燃機関の吸気バルブ及び排気バ
   ルブの作動特性を可変制御する可変動弁装置であって、 機関の加速状態を検出する加速状態検出手段を備え、 加速状態が検出されたときは、加速直前に設定されてい
   た通常運転時のバルブ作動特性に対して、排気バルブの
   開時期を進角させると共に、吸気・排気バルブの開弁期
   間が重なり合うバルブオーバーラップ量を減少させるこ
   とにより加速初期時のバルブ作動特性を設定し、 その後に吸気バルブの開時期、閉時期を制御して加速状
   態におけるバルブ作動特性を設定することを特徴とする
   過給機付内燃機関の可変動弁装置。
2. 【請求項２】前記可変動弁装置が、吸気バルブ及び排気
   バルブの開閉時期を作動角一定のまま変化させるもので
   あって、 排気バルブの開閉時期のみを所定量進角させることで前
   記加速初期時のバルブ作動特性を設定し、 その後に吸気バルブの開閉時期のみを所定量進角させる
   ことで前記加速状態におけるバルブ作動特性を設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の過給機付内燃機関の可
   変動弁装置。
3. 【請求項３】前記吸気バルブ及び排気バルブの開閉時期
   の進角量は、それぞれ機関の回転速度に応じて設定され
   ることを特徴とする請求項２記載の過給機付内燃機関の
   可変動弁装置。