JP2007032415A - エンジンのバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極低温の状態における燃焼安定性をバルブオーバーラップの制御で向上させ、これにより、極低温での始動性を向上させる。
【解決手段】 暖機時の極低温状態において、バルブオーバーラップをプラスラップに設定することで、燃焼室内の残留ガスを増加させ、この残留ガスの熱エネルギを利用して燃料の気化を促進させることで、燃焼安定性を向上させる。極低温状態でない場合には、バルブオーバーラップをマイナスラップとして残留ガスを少なくすることで、燃焼室内の混合気濃度を高め、エンジンの燃焼安定性を確保する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバーラップを可変とするエンジンのバルブタイミング制御装置に関し、詳しくは、エンジン始動後の暖機中におけるバルブオーバーラップの制御に関する。

特許文献１には、低温始動時にバルブオーバーラップを小さくすることで燃焼の安定化を図り、高温始動時にバルブオーバーラップを大きくしてポンピングロスを低減するバルブタイミング制御装置が開示されている。
特開２００４−１５６５１１号公報

上記のように、従来の低温始動時におけるバルブオーバーラップの制御においては、温度が高いときほど、バルブオーバーラップを大きくする一義的な制御を行っていたが、係る従来制御では、極低温の状態で充分な燃焼安定性を確保することができず、極低温時に良好な始動性が得られないという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、極低温の状態における燃焼安定性をバルブオーバーラップの制御で向上させ、これにより、極低温での始動性を向上させることを目的とする。

そのため、本発明に係るエンジンのバルブタイミング制御装置は、エンジン始動後の暖機中において、エンジン温度が所定温度未満である極低温のときには、前記所定温度以上のときに比べてバルブオーバーラップを大側に制御することを特徴とする。

かかる構成によると、エンジン温度が低くなるほどバルブオーバーラップを小さくするのではなく、エンジン温度が所定温度未満である極低温のときには、前記所定温度以上のときに比べてバルブオーバーラップを大側に制御する。
従来、エンジンの燃焼安定性を向上させるためには、バルブオーバーラップを小さくして、燃焼室内の残留ガス量を低下させることが必要と考えられていた。

しかし、極低温状態では、燃料噴射弁から噴射された燃料が液滴のまま燃焼室壁面に付着することにより、着火性が悪化したり燃焼が不安定になったりするため、燃焼室内の残留ガスを増加させ、その熱エネルギを利用して燃料の気化を促進させれば、極低温状態の燃焼安定性を向上させることができる。
そこで、極低温状態で、バルブオーバーラップを大側に制御することで、燃焼室内の残留ガスを増加させて燃焼安定性を向上させ、極低温での始動性を改善する。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態におけるエンジンのシステム図である。
図１に示すエンジン１は、ガソリンエンジンであり、吸気絞り弁２により調量される空気は、吸気コレクタ３に蓄えられた後、吸気マニホールド４、吸気バルブ５を介して各気筒の燃焼室１０に導入される。

燃料（ガソリン）は、各気筒の吸気ポート６に配置された燃料噴射弁７より、エンジン回転に同期した所定のタイミングで吸気ポート６内に噴射供給される。
ここで、燃料噴射弁７の開弁時間に比例する量の燃料が噴射されるようになっており、エンジンコントローラ３１から出力される噴射パルス信号のパルス幅によって前記開弁時間（燃料噴射量）が制御され、噴射パルス信号の出力タイミングによって燃料噴射時期が制御される。

前記エンジンコントローラ３１は、エアフローメータ３２により検出される吸入空気流量と、クランク角センサ３３からの信号に基づいて演算されるエンジン回転速度とに基づき燃料噴射量（噴射パルス幅）を演算する一方、カムセンサ３４からの信号に基づいて特定ピストン位置の気筒を判別し、各燃料噴射弁７それぞれに噴射パルス信号を出力する。
前記吸気ポート６内に噴射された燃料は吸気バルブ５を介して燃焼室１０内に吸引され、吸気と混合して燃焼室１０内に混合気が生成される。

この混合気は吸気バルブ５を閉じられることで燃焼室１０内に閉じこめられ、ピストン１１の上昇によって圧縮され、点火プラグ１２（点火装置）により着火されて燃焼する。
この燃焼によるガス圧がピストン１１を押し下げる仕事を行い、このピストン１１の往復運動はクランクシャフト１３の回転運動へと変換される。
燃焼後のガス（排気）は、排気バルブ１４が開いたとき、触媒コンバータ１６，１７が備えられる排気通路１５へと排出される。

前記エンジンコントローラ３１は、運転条件に応じて燃料噴射弁７からの基本燃料噴射量を定めると共に、前記触媒コンバータ１６の上流に設けた空燃比センサ１８からの信号に基づいて排気空燃比を検出し、該排気空燃比が目標空燃比になるように、燃料噴射量をフィードバック補正する。
前記吸気絞り弁２は、スロットルアクチュエータ２１により開閉駆動される。

エンジンコントローラ３１は、アクセルセンサ３５で検出されるアクセルペダル３６の開度に基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量を定め、この目標空気量が得られるように前記スロットルアクチュエータ２１（吸気絞り弁２の開度）を制御する。
また、本実施形態のエンジン１には、クランクシャフト１３と吸気バルブ側カムシャフト２２との回転位相差を可変制御して、吸気バルブ５のバルブタイミングを進遅角する可変バルブタイミング機構（以下「ＶＴＣ機構」という。）２３を備える。

前記ＶＴＣ機構２３としては、例えば特開２００４−１５６５１１号公報や特開２００３−００３８７２号公報に開示されるような公知の種々の機構を採用することができる。
前記ＶＴＣ機構２３により吸気バルブ５のバルブタイミングを進遅角させることで、図３に示すように、上死点付近で吸気バルブ５と排気バルブ１４とが共に開いている期間であるバルブオーバーラップが変化する。

前記排気バルブ１４の閉時期は上死点付近に固定である一方、前記吸気バルブ５の開時期は、前記ＶＴＣ機構２３による進遅角制御により、排気バルブ１４の閉時期よりも進角された角度位置から、排気バルブ１４の閉時期よりも遅角した角度位置までの範囲で変化し、バルブオーバーラップとしては、プラスラップからマイナスラップまで変化するようになっている。

ここで、前記エンジンコントローラ３１は、エンジン始動後の暖機中において、図２のフローチャートに示すようにして、前記ＶＴＣ機構２３を制御してバルブオーバーラップを調整する。
図２のフローチャートにおいて、まず、エンジン１が始動されると（ステップＳ１）、ステップＳ２へ進み、水温センサ３７からの検出信号に基づいてエンジン１の冷却水温度Ｔｗを検知する。

上記冷却水温度Ｔｗは、エンジン１の温度を代表する状態量であり、冷却水温度Ｔｗに代えて、吸気温度を検出させるようにすることができ、更に、シリンダヘッド又はシリンダブロックの温度や潤滑油温度などを検出させることができる。
冷却水温度Ｔｗを検知すると、ステップＳ３へ進み、暖機中であるか否かを、前記冷却水温度Ｔｗが暖機判定値を超えているか否かに基づいて判断する。

ここで、冷却水温度Ｔｗが暖機判定値以下であって暖機中であると判断されると、ステップＳ４へ進み、冷却水温度Ｔｗの検出値が設定温度（例えば５℃）よりも低い極低温状態であるか否かを判断する。
冷却水温度Ｔｗが前記設定温度よりも低い極低温状態であるときには、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、前記ＶＴＣ機構２３により吸気バルブ５のバルブタイミングを進角させ、図３（Ａ）に示すように、バルブオーバーラップがクランク角で４deg程度のプラスラップ状態になるようにする。
図３（Ａ）に示すバルブタイミングでは、排気バルブ１４の閉時期ＥＶＣ（ピストン上死点ＴＤＣ）よりも４deg前のクランク角位置（ＢＴＤＣ４deg）が吸気バルブ５の開時期ＩＶＯに設定され、排気バルブ１４の閉時期ＥＶＣ直前（吸気バルブ５の開き初め）に、クランク角で４degだけ吸気バルブ５と排気バルブ１４とが共に開いている期間が設けられる。

一方、冷却水温度Ｔｗが前記設定温度以上であって、暖機中であるものの極低温状態ではないときには、ステップＳ６へ進む。
ステップＳ６では、前記ＶＴＣ機構２３により吸気バルブ５のバルブタイミングを遅角させ、図３（Ｂ）に示すように、排気バルブ１４が閉じてからクランク角で４deg程度回転してから吸気バルブ５が開き始めるマイナスラップ状態とする。

図３（Ｂ）に示すバルブタイミングでは、排気バルブ１４の閉時期ＥＶＣ（ピストン上死点ＴＤＣから）よりも４degだけ後のクランク角位置（ＡＴＤＣ４deg）が吸気バルブ５の開時期ＩＶＯに設定され、排気バルブ１４の閉時期ＥＶＣ直前に、吸気バルブ５と排気バルブ１４とが共に開いている期間が設けられない設定である。
一方、ステップＳ３で暖機中ではないと判断されると、ステップＳ７へ進み、例えばエンジン負荷及び／又はエンジン回転速度に応じて吸気バルブ５のバルブタイミングを進遅角させる通常制御を行わせる。

エンジン１の排気性能は、始動時に排出される未燃ＨＣによる影響が大きく、大気中に排出される未燃ＨＣを減らすには、点火時期を遅角して燃焼期間を増大させる方法や、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化させる方法がある。
しかし、点火時期を遅角させると燃焼安定性が悪化するため、遅角できる限界はエンジンの燃焼安定性の性能に因るところが大きい。

従来、エンジンの燃焼安定性を向上させるためには、吸排気バルブのバルブオーバーラップを小さくして、燃焼室内の残留ガス量を低下させることが必要と考えられていた。
即ち、バルブオーバーラップが大きく燃焼室内の残留ガス量が多いと、燃焼室内の混合気濃度が低下するため、点火プラグ１２近傍の空燃比が薄くなり、着火性が悪化したり火炎伝播が遅くなったりすることにより、燃焼期間が増加し、燃焼が不安定になる。

ところが、エンジンの暖機中であっても極低温状態では、バルブオーバーラップ量を逆に増加させて残留ガスを増加させることで、燃焼安定性が向上することを見出した。
これは、極低温状態では、燃料噴射弁７から噴射された燃料の霧化が疎外され、燃料が液滴のまま燃焼室壁面に付着することにより、着火性が悪化したり燃焼が不安定になったりする。

そこで、本実施形態では、極低温状態においてバルブオーバーラップを大側に制御することで、燃焼室内の残留ガスを増加させ、この残留ガスの熱エネルギを利用して燃料の気化を促進させることで、燃料が液滴のまま燃焼室壁面に対して付着することがないようにし、燃焼安定性を向上させる。
そして、極低温状態を脱した後においては、バルブオーバーラップをマイナスラップとして残留ガスを少なくすることで、燃焼室内の混合気濃度を高め、エンジンの燃焼安定性を確保する。

尚、上記実施形態では、暖機中でも設定温度よりも低い極低温状態であれば、プラスラップとし、前記設定温度以上の暖機状態では、マイナスラップとしたが、温度の上昇に応じて連続的或いはより多段階にバルブオーバーラップを減少変化させても良いし、バルブオーバーラップの減少変化を、マイナスラップまでの変化に限定するものではなく、プラスラップ状態を保持したまま、プラスラップ量を減少変化させても良い。

また、クランクシャフト１３と吸気バルブ側カムシャフト２２との回転位相差を可変制御する可変バルブタイミング機構（以下「ＶＴＣ機構」という。）２３に代えて、吸排気バルブを電磁力で開閉駆動する機構や、駆動カムを切り換える機構や、リフト量及び作動角を連続的に変化させる機構を用いて、バルブオーバーラップを変化させることができる。

更に、排気バルブ１４のバルブタイミングを可変にする機構を備え、排気バルブ１４のバルブタイミングの可変、又は、吸気バルブ５と排気バルブ１４との双方のバルブタイミングの可変によって、バルブオーバーラップを制御することができる。

実施形態におけるエンジンのシステム図。 同上実施形態における暖機時におけるバルブオーバーラップ制御を示すフローチャート。 同上実施形態におけるバルブオーバーラップの切り換え特性を示す図。

符号の説明

１…エンジン、２…吸気絞り弁、５…吸気バルブ、１４…排気バルブ、２３…可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ機構）、３１…エンジンコントローラ、３７…水温センサ

Claims (4)

1. 吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバーラップを可変とするエンジンのバルブタイミング制御装置において、
   エンジン始動後の暖機中において、エンジン温度が所定温度未満である極低温のときには、前記所定温度以上のときに比べてバルブオーバーラップを大側に制御することを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。
2. 前記所定温度未満である極低温のときにはプラスラップとし、前記所定温度以上のときにはマイナスラップとすることを特徴とする請求項１記載のエンジンのバルブタイミング制御装置。
3. 前記エンジンの冷却水温度に基づいてエンジン温度を判定することを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのバルブタイミング制御装置。
4. 前記エンジンの吸気温度に基づいてエンジン温度を判定することを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのバルブタイミング制御装置。

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