JP2006233788A - ターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法 - Google Patents

ターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ターボチャージャ付きエンジンを低速域で減筒運転してもサージングを確実に防止し得るようにする。
【解決手段】各気筒８の吸・排気バルブ（図中では排気側のバルブ１７のみを図示）の開閉タイミング及びリフトを調節し得るようにした可変バルブ機構１８を備え且つ該可変バルブ機構１８により一部の気筒８における吸・排気バルブの開弁動作を不作動として残りの気筒８だけで減筒運転を行い得るようにしたターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法に関し、低速域での減筒運転時に吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間を狙って排気側のバルブ１７を開弁し、新気（吸気４）の排気側への吹き抜け量を増やして見掛け上の排気流量を増加し、これによりエンジン側の吸い込み特性を底上げする。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変バルブ機構により減筒運転を行い得るターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法に関するものである。
一般的に、自動車等のエンジンにおける燃費率は、７０〜８０％負荷運転最高回転速度の４０〜６０％回転の付近で最良となるように設計されているため、普通走行時には負荷が設計値より低い燃費率の悪い条件で運転されることになる。
この対策として、必要な出力に応じてエンジンの着火気筒を減らし、その減らした気筒だけで負荷条件を上げてエンジンを駆動することにより燃費率の向上等を図る減筒運転が従来より提案されている。
また、近年においては、排気管途中に装備した排気浄化用触媒が低負荷時に活性温度に達し難いことへの対策として、減筒運転を低負荷時に実行することで排気温度を高温に維持できるようにすることも提案されている。
尚、この種の減筒運転に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１や特許文献２等が既に存在している。
特開２００４−１３７９３２号公報 特開２００４−３６０５７７号公報
しかしながら、これら特許文献１や特許文献２では特に問題提起されていないものの、前述の減筒運転をターボチャージャ付きのエンジンに採用した場合には、その減筒運転時に排気流量の急激な低下によりエンジン側の吸い込み特性が著しく下がり、コンプレッサ性能曲線上でのエンジンの抵抗曲線が小空気量側に移動する結果、通常の全筒運転に対応したターボチャージャがサージング（コンプレッサの吐出圧力と吸込風量の関係がサージング領域に入った時に圧力と風量が大きく脈動して振動や異常音が発生する現象；コンプレッサを所要の回転数で回転している時に所定限度以下の流量又は所定限度以上の吐出圧力になるとサージングに陥る）に陥り易くなり、特に低速域（例えば１０００ｒｐｍ程度）での高負荷運転では、コンプレッサがサージングを起こして運転不能や性能低下を招く虞れが高かった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ターボチャージャ付きエンジンを低速域で減筒運転してもサージングを確実に防止し得るようにすることを目的とする。
本発明は、各気筒の吸・排気バルブの開閉タイミング及びリフトを調節し得るようにした可変バルブ機構を備え且つ該可変バルブ機構により一部の気筒における吸・排気バルブの開弁動作を不作動として残りの気筒だけで減筒運転を行い得るようにしたターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法であって、低速域での減筒運転時に吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間を狙って排気バルブを開弁することを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、エンジンを低速域で全筒運転から減筒運転に切り替えた際に、ターボチャージャにおけるコンプレッサの吐出圧力と吸込風量の関係がサージング領域に近づいても、吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間を狙って排気バルブを開弁すると、吸気バルブを通して気筒内に取り込まれた新気の一部がそのまま排気バルブを通して排気側へ吹き抜けることになり、この新気の吹き抜け量の分だけ見掛け上の排気流量が増加してエンジン側の吸い込み特性が底上げされ、これによりコンプレッサにおける吸込風量が増加されると共に、吸気側から排気側へ吹き抜ける量が増えることでコンプレッサ側の吐出圧力も低下するので、コンプレッサ性能曲線上でのエンジンの抵抗曲線が大空気量側に移動し、コンプレッサの運転状態がサージング領域から遠ざけられることになる。
上記した本発明のターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法によれば、ターボチャージャ付きエンジンを低速域で減筒運転してもサージングを確実に防止することができるので、ターボチャージャがサージングに陥ることによる運転不能や性能低下を未然に回避することができ、延いては、ターボチャージャ付きのエンジンでの減筒運転を支障なく実現することができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中１はターボチャージャ２を搭載したエンジンを示し、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてエンジン１の各気筒８に分配されるようになっている。
また、このエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１及びマフラ１２を介し車外へ排出されるようになっている。
また、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１３（制御手段）には、図示しないアクセルの開度をエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１４（負荷センサ）と、エンジン１の回転数を検出する回転センサ１５とからのアクセル開度信号１４ａ及び回転数信号１５ａが入力されるようになっており、これらのアクセル開度信号１４ａ及び回転数信号１５ａに基づいて、各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１６に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号１６ａが出力されるようになっている。
ここで、前記燃料噴射装置１６は、各気筒８毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置１３からの燃料噴射信号１６ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
ただし、本形態例においては、制御装置１３でアクセル開度信号１４ａ及び回転数信号１５ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１６ａが決定されるようになっている一方、アクセル開度信号１４ａ及び回転数信号１５ａに基づきエンジン１が所定の運転領域で運転されていると判定された時に通常モードから減筒モードに切り替わり、この減筒モードに切り替わった際には、一部の気筒８の燃料噴射をカットするよう燃料噴射信号１６ａ（燃料噴射指令）が出力されるようになっている。
例えば、ここで例示しているエンジン１が、図２に＃１〜＃６で示す如き６つの気筒８から成る直列６気筒エンジンであって、その着火順序が＃１→＃４→＃２→＃６→＃３→＃５である場合には、半分の気筒の燃料噴射をカットした後も燃焼が等間隔で行われるよう＃１，＃２，＃３の気筒８と＃４，＃５，＃６の気筒８とにグループ分けし、何れか一方のグループ（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）の燃料噴射をカットするようにすれば良い。
また、本形態例におけるエンジン１では、その回転数に応じた最適な熱効率を実現して燃費の向上を図ること等を目的として、図３に示す如きバルブ１７（図中には排気バルブを図示）の開閉タイミング及びリフトを変化させ得るようにした可変バルブ機構１８が採用されており、前述の減筒モードで燃料噴射をカットされるグループの気筒８（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）について、そのバルブ１７の開弁動作を減筒モードの間だけ不作動とするバルブ動作休止手段としても前記可変バルブ機構１８が利用されるようになっている。
即ち、図３は油圧式の可変バルブ機構１８の一例を示し、気筒８の並び方向に延びるカムシャフト１９に、各気筒８に対応して吸気用と排気用のカム２０（図中では排気用のカムを図示）が並設されており、前記カムシャフト１９の近傍を平行に延びるロッカーシャフト２１には、前記カム２０により一端をローラ２２を介し押し上げられて傾動するロッカーアーム２３が装備されている。
そして、このロッカーアーム２３の一端が上方の油圧ユニット２４に備えられたマスターピストン２５を押し上げ、前記油圧ユニット２４内に穿設された開弁用油通路２６に油圧を発生させてブリッジ３１直上のスレーブピストン２７を下降せしめ、このスレーブピストン２７によりブリッジ３１を介し両バルブ１７を押し下げて開弁し得るようになっている。
ここで、前記油圧ユニット２４内の開弁用油通路２６には、該開弁用油通路２６の油圧の保持・開放を切り替えるための３ウェイ式のソレノイドバルブ２８（油圧供給手段）を介して給油通路２９が接続されており、図示しないエンジン駆動のオイルポンプにより送り込まれる作動油３０を開弁用油通路２６に導き入れて該開弁用油通路２６内を満たし、マスターピストン２５の作動時には、前述の制御装置１３からの制御信号２８ａに基づき、開弁用油通路２６の油圧の保持・開放を適宜に切り替えてスレーブピストン２７の追従時期や作動量を制御することでバルブ１７の開閉タイミングやリフトを調節し得るようにしてある。
即ち、マスターピストン２５の作動時において、ソレノイドバルブ２８により開弁用油通路２６の油圧を保持すれば、マスターピストン２５の作動に直ちに追従してスレーブピストン２７が作動することになるが、マスターピストン２５の作動により生じる開弁用油通路２６の油圧をソレノイドバルブ２８の切り替えでアキュームレータ等へ逃がせば、マスターピストン２５が作動していてもスレーブピストン２７が追従しなくなるので、その追従時期を遅らせたり作動量を減らしたりすることが可能となり、更には、バルブ１７の開弁動作を全く不作動とすることも可能となる。
従って、前述の減筒モードで燃料噴射をカットされるグループの気筒８（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）に関し、そのバルブ１７の開弁動作を減筒モードの間だけ不作動とするバルブ動作休止手段として可変バルブ機構１８を利用するにあたっては、制御装置１３での制御が通常モードから減筒モードに切り替わった際に、制御装置１３から制御信号２８ａが休止指令として可変バルブ機構１８のソレノイドバルブ２８に出力されて、該ソレノイドバルブ２８がアキュームレータ等へ油圧を開放した状態に保持されるようにしておけば良い。
そして、以上に述べた如き減筒運転を行い得るようにしたエンジン１に関し、本形態例においては、低速域での減筒運転時に稼働継続中の気筒８（例えば＃４，＃５，＃６の気筒８）について吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間を狙って排気側のバルブ１７を通常開弁動作時よりも小さなリフトで開弁するようにしてある。
即ち、図４の下段のグラフで示す如く、低速域では排気の脈動が大きく、吸気バルブが開いている間に排気圧力（排気マニホールド１０内の圧力）の方が吸気圧力（吸気マニホールド７内の圧力）よりも低い期間が存在しているので、この期間を狙って図４の下段のグラフ中の期間ｘで排気バルブ（排気側のバルブ１７）を開け、新気（吸気４）の一部を排気側へ吹き抜けさせるようにしている。尚、この期間ｘの初期にあっては、排気圧力の方が吸気圧力よりも高い期間が若干含まれているが、排気バルブを開く期間ｘの大半で排気圧力の方が吸気圧力よりも低くなっていれば新気の一部を排気側へ吹き抜けさせるのに格別な支障はない。
事実、このように吸気行程中の期間ｘで排気リフトを追加すると、図４の上段のグラフ（負の流量は気筒からの流出、正の流量は気筒内への流入を示し、実線は排気バルブを通過したガス流量、鎖線は吸気バルブを通過したガス流量を示す）にハッチングを付して示している通り、吸気バルブを通過して気筒内へ流入するガス流量が通常より増加し且つ排気バルブを通過して気筒外へ流出するガス流量が増加する現象、つまり、吸気バルブを通して気筒内に取り込まれた新気の一部がそのまま排気バルブを通して排気側へ吹き抜ける現象が起こることが確認されている。
ここで、吸気行程で排気側のバルブ１７を開弁する具体的な手段について説明すると、図３に図示している排気用のカム２０には、吸気行程でも排気側のバルブ１７を開弁し得るようサブリフト３２（追加の小さなカム山）が形成されており、通常の開弁動作にあっては、このサブリフト３２による油圧がソレノイドバルブ２８により瞬時に逃がされて吸気行程における排気側のバルブ１７の開弁動作が行われないようになっているが、低速域での減筒運転時には、制御装置１３からの制御信号２８ａに基づきソレノイドバルブ２８でサブリフト３２による油圧が保持され、吸気行程でも排気側のバルブ１７が比較的小さなリフトで開弁されるようになっている。
而して、制御装置１３にて通常モードから減筒モードに切り替わると、該制御装置１３からの休止指令として制御信号２８ａを受けた可変バルブ機構１８のソレノイドバルブ２８がアキュームレータ等へ油圧を開放した状態に保持され、マスターピストン２５が作動していてもスレーブピストン２７が追従しなくなる結果、一部の気筒８（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）におけるバルブ１７の開弁動作が不作動となり、しかも、バルブ１７の開弁動作が不作動となった気筒８（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）の燃料噴射が制御装置１３から燃料噴射装置１６に向けた燃料噴射信号１６ａによりカットされるので、これら一部の気筒８（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）が完全に休止状態となって残りの気筒８（例えば＃４，＃５，＃６の気筒８）だけで減筒運転が成されることになる。
この際、排気流量の急激な低下によりエンジン１側の吸い込み特性が著しく下がり、低速域でターボチャージャ２におけるコンプレッサ２ａの吐出圧力と吸込風量の関係がサージング領域に近づいても、制御装置１３からの制御信号２８ａに基づき稼働継続中の気筒８（例えば＃４，＃５，＃６の気筒８）に対応した可変バルブ機構１８のソレノイドバルブ２８によりサブリフト３２による油圧が保持され、吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間ｘ（図４下段のグラフ参照）で吸気側のバルブ１７が開弁されるので、吸気側のバルブ１７を通して気筒８内に取り込まれた新気（吸気４）の一部がそのまま排気側のバルブ１７を通して排気側へ吹き抜けることになり、この新気の吹き抜け量の分だけ見掛け上の排気流量が増加してエンジン１側の吸い込み特性が底上げされる。
これによりコンプレッサ２ａにおける吸込風量が増加されると共に、吸気側から排気側へ吹き抜ける量が増えることでコンプレッサ２ａ側の吐出圧力も低下するので、コンプレッサ性能曲線上でのエンジン１の抵抗曲線が大空気量側に移動し、コンプレッサ２ａの運転状態がサージング領域から遠ざけられることになる。
尚、休止している気筒（例えば＃１，＃２，＃３の気筒８）では、バルブ１７が閉じた状態に保持されて内部に空気が封止されることになるが、この空気は気筒８内で拡縮されるだけで出力を下げる作用が生じることはなく（圧縮時の抵抗が膨張時に相殺されるため）、寧ろバルブ１７の開弁動作を継続させた場合（燃料噴射だけをカットした場合）に空気が出入りすることで生じる抵抗が回避されることになる。
従って、上記形態例によれば、ターボチャージャ２付きのエンジン１を低速域で減筒運転してもサージングを確実に防止することができるので、ターボチャージャ２がサージングに陥ることによる運転不能や性能低下を未然に回避することができ、延いては、ターボチャージャ２付きのエンジン１での減筒運転を支障なく実現することができる。
尚、本発明のターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示以外の可変バルブ機構を用いて実施することも可能であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のエンジンの減筒気筒について説明する模式図である。 図１のエンジンに用いられている可変バルブ機構の一例を示す概略図である。 吸気側から排気側への新気の吹き抜けについて説明するグラフである。
符号の説明
１ エンジン
２ ターボチャージャ
２ａ コンプレッサ
２ｂ タービン
４ 吸気（新気）
８ 気筒
９ 排気ガス
１３ 制御装置
１７ バルブ
１８ 可変バルブ機構
３２ サブリフト

Claims (1)

  1. 各気筒の吸・排気バルブの開閉タイミング及びリフトを調節し得るようにした可変バルブ機構を備え且つ該可変バルブ機構により一部の気筒における吸・排気バルブの開弁動作を不作動として残りの気筒だけで減筒運転を行い得るようにしたターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法であって、低速域での減筒運転時に吸気行程における吸気圧力が排気圧力よりも高くなる期間を狙って排気バルブを開弁することを特徴とするターボチャージャ付きエンジンのバルブ駆動制御方法。
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