JP2013245624A - バルブタイミング制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン1の運転状態に応じてクランク角度位置に対する吸気バルブ35の開弁時期を変化させるバルブタイミング制御装置を、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段54と、吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段58と、要求トルクを判別する要求トルク判別手段71とを備え、要求トルクが所定値未満である場合には、吸入空気量の増加に応じて吸気バルブの開弁時期を進角させる第1の開弁時期制御を行うとともに、要求トルクが所定値以上である場合には、吸気圧力の増加に応じて吸気バルブの開弁時期を進角させる第2の開弁時期制御を行う構成とする。
【選択図】図1
Description
また、近年では、エンジンの運転状態に応じてカムシャフトの位相を進角、遅角させたり、カムプロファイルを切替えることによって、各バルブの開弁時期及び閉弁時期を変更可能なバルブタイミング可変機構が普及している。
また、特許文献2には、可変バルブタイミング制御の過渡時の応答性と定常時の安定性とを両立させるため、吸入空気量又は吸気管圧力の変動に基づいて過渡状態、定常状態を判別し、バルブタイミングの制御におけるフィードバックゲインを切り替えることが記載されている。
また、特許文献3には、バルブリフト可変機構を備えるエンジンにおいて、大気圧の変化により外気の空気密度が変化した場合であってもアクセル操作に対して常に安定した性能を生じさせるため、大気圧に基づいて目標バルブリフト量を補正することが記載されている。
しかし、ターボ過給を行なうエンジンの場合には、過給の時間応答遅れ(ターボラグ)が存在することから、スロットルバルブを開いた直後には排気圧力に対して吸気圧力が低く、この状態でオーバーラップを拡大すると内部EGR量が増大し、トルクがかえって低下してしまい、ドライバビリティ(運転のしやすさ)が損なわれてしまう。このような現象は、特に高地などでは顕著となる。
本発明の課題は、過給応答遅れが存在する場合にも良好なドライバビリティが得られるバルブタイミング制御装置を提供することである。
請求項1に係る発明は、エンジンの運転状態に応じてクランク角度位置に対する吸気バルブの開弁時期を変化させるバルブタイミング制御装置であって、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、要求トルクを判別する要求トルク判別手段とを備え、前記要求トルクが所定値未満である場合には、前記吸入空気量の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第1の開弁時期制御を行うとともに、前記要求トルクが所定値以上である場合には、前記吸気圧力の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第2の開弁時期制御を行うことを特徴とするバルブタイミング制御装置である。
一方、過給圧が上昇して吸気圧力が十分に高くなった状態においては、吸気バルブの開弁時期を進角させてオーバーラップを大きくし、充填効率を高めてトルクアップを図ることができる。
特に、このような制御を、吸気圧力の絶対圧又は相対圧に基づいて行なうことによって、例えば吸入空気量に基づいた制御に対して、精度のよい制御を行なうことが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、過給応答遅れが存在する場合にも良好なドライバビリティが得られるバルブタイミング制御装置を提供することができる。
実施例のバルブタイミング制御装置は、例えば乗用車等の自動車に搭載されるDOHCの水平対向ガソリンエンジンに設けられ、クランクシャフトの位相に対する吸気カムシャフト、排気カムシャフトの位相を変化(進角・遅角)させるものである。
エンジン1は、クランクシャフト10、シリンダブロック20、シリンダヘッド30、ターボチャージャ40、インテークシステム50、エキゾーストシステム60、エンジン制御ユニット(ECU)70、吸気バルブタイミング可変機構100、排気バルブタイミング可変機構200等を有して構成されている。
クランクシャフト10には、図示しないコンロッドを介してピストンが連結されている。
クランクシャフト10の端部には、クランクシャフトの角度位置を検出するクランク角センサ11が設けられている。
クランク角センサ11の出力は、ECU70に伝達される。
シリンダブロック20の内部には、ピストンが挿入され内部で往復するシリンダが形成されている。
シリンダヘッド30には、燃焼室31、点火プラグ32、吸気ポート33、排気ポート34、吸気バルブ35、排気バルブ36等を備えて構成されている。
燃焼室31は、シリンダヘッド30のピストン冠面と対向する箇所を凹ませて形成されている。
点火プラグ32は、燃焼室31の中央に設けられ、ECU70からの点火信号に応じて混合気に点火するものである。
吸気ポート33は、燃焼用空気(新気)を燃焼室31に導入する流路である。
排気ポート34は、燃焼室31から既燃ガス(排ガス)を排出する流路である。
吸気バルブ35、排気バルブ36は、吸気ポート33、排気バルブ34を所定のタイミングで開閉するものである。
吸気バルブ35、排気バルブ36は、タイミングチェーンによって駆動され、クランクシャフト10の1/2の回転数で回転する図示しない吸気カムシャフト、排気カムシャフトによって開閉される。
吸気カムシャフト、排気カムシャフトのカムスプロケット部には、各カムシャフトの位相を進角・遅角させて各バルブの開弁時期、閉弁時期を変化させる吸気バルブタイミング可変機構100、排気バルブタイミング可変機構200が設けられている。
これらについては、後に詳しく説明する。
ターボチャージャ40は、タービン41、コンプレッサ42等を備えている。
タービン41は、エンジン1の排ガスによって回転駆動される。
コンプレッサ42は、タービン41に同軸に取り付けられ、タービン41によって回転駆動され新気を圧縮する。
インテークシステム50は、インテークダクト51、チャンバ52、エアクリーナ53、エアフローメータ54、インタークーラ55、スロットルバルブ56、インテークマニホールド57、吸気圧センサ58、インジェクタ59等を備えて構成されている。
インテークダクト51は、外気を導入して吸気ポート33に導入するものである。
チャンバ52は、インテークダクト51の入口部近傍に連通して設けられた空間部である。
エアクリーナ53は、インテークダクト51におけるチャンバ52との連通箇所の下流側に設けられ、新気を濾過してダスト等を取り除くものである。
エアフローメータ54は、エアクリーナ53の出口近傍に設けられ、インテークダクト51内を通過する空気流量を計測するものである。
エアフローメータ54の出力は、ECU70に伝達される。
ターボチャージャ40のコンプレッサ42は、エアフローメータ54の下流側に設けられている。
スロットルバルブ56は、インテークダクト51におけるインタークーラ55の下流側に設けられ、新気の流量を調節してエンジン1の出力を制御するバタフライバルブである。
スロットルバルブ56は、ドライバによる図示しないアクセルペダル操作等に応じて、図示しないスロットルアクチュエータによって開閉駆動される。
また、スロットルバルブ56には、その開度を検出するスロットルセンサが設けられ、その出力はECU70に伝達される。
インテークマニホールド57は、スロットルバルブ56の下流側に設けられ、新気を各気筒の吸気ポート33に分配する分岐管である。
吸気圧センサ58は、インテークマニホールド57内の新気の圧力(吸気圧力)を検出するものである。
吸気圧センサ58の出力は、ECU70に伝達される。
インジェクタ59は、インテークマニホールド57のシリンダヘッド30側の端部に設けられ、ECU70が発する開弁信号に応じて、吸気ポート33内に燃料を噴射して混合気を形成するものである。
エキゾーストシステム60は、エキゾーストマニホールド61、エキゾーストパイプ62、触媒コンバータ63、サイレンサ64等を有して構成されている。
エキゾーストマニホールド61は、各気筒の排気ポート34から出た排ガスを集合させる集合管である。
ターボチャージャ40のタービン41は、エキゾーストマニホールド61の下流側に配置されている。
エキゾーストパイプ62は、タービン41から出た排ガスを外部に排出する管路である。
触媒コンバータ63は、エキゾーストパイプ62の中間部分に設けられ、排ガス中のHC、NOx、CO等を浄化する三元触媒を備えている。
サイレンサ64は、エキゾーストパイプ62の出口近傍に設けられ、排ガスの音響エネルギを低減するものである。
ECU70は、CPU等の情報処理手段、RAMやROM等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を備えて構成されている。
また、ECU70には、ドライバによる図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ71が設けられている。
ECU70は、アクセルペダルセンサ71の出力に基づいて、ドライバ要求トルクを算出する機能を備えている。
以下、吸気バルブタイミング可変機構100について説明するが、排気バルブタイミング可変機構200も実質的に同様の構成を備えている。
図2は、吸気バルブタイミング可変機構100の構成を示す図である。
吸気バルブタイミング可変機構100は、ハウジング110、ロータ120、カム角制御弁130、ロック機構140、カム角センサ150等を有して構成されている。
ロータ120は、ハウジング110の内径側に挿入されるとともに、吸気カムシャフトに固定された部材である。
ロータ120は、ハウジング110に対して、吸気カムシャフトの中心軸回りに相対回転可能とされ、この相対回転によって、吸気カムシャフトの位相を変化させ、吸気バルブ35の開弁時期、閉弁時期を無段階に進角・遅角させることが可能である。
一方、ロータ120には、外周面部から突き出して形成され、扇状空間部111に挿入されるベーン部121が形成されている。
ロータ120は、ベーン部121が扇状空間部111内で移動可能な範囲において、ハウジング110に対して相対回転可能となっている。
扇状空間部111内は、ベーン部121によって、進角室111a(進角作動の油圧室)、遅角室111b(遅角作動の油圧室)に2分されている。
カム角制御弁130は、複数のポートが形成されたスリーブ131の内部に、スプール132を挿入して構成されたスプール弁である。
スリーブ131の各ポートには、チェックバルブ133を介してスリーブ131内へ油圧を供給する油圧供給ライン134、進角室111aに油圧を供給する進角用油圧供給ライン135、遅角室111bに油圧を供給する遅角用油圧供給ライン136、スリーブ131内から不要な作動油を排出するドレンライン137がそれぞれ接続されている。
また、カム角制御弁130には、スプール132を一方向に駆動するソレノイド138、及び、ソレノイド138のオフ時にスプール132をソレノイド138の駆動方向と反対方向に付勢するリターンスプリング139が設けられている。
ソレノイド138は、ECU70からの制御信号に応じて作動する。
カム角制御弁130は、ソレノイド138及びリターンスプリング139によってスプール132をスリーブ131に対して進退駆動することによって、進角室111a、遅角室111bへの油圧供給を切り替え、バルブタイミングの変更を行なうものである。
ロック機構140は、ロックピン141、フランジ142、アンロックシリンダ143、油圧通路144、スプリング145等を有して構成されている。
ロックピン141は、ロータ120がハウジング110と対向する部分に設けられ、突端部がハウジング110に形成された凹部112に挿入されることによって、バルブタイミングのロックを行なうものである。
ロックピン141は、円柱状に形成されるとともに、ロータ120に対してロックピン141の軸方向に沿って相対移動可能に保持されている。
フランジ142は、ロックピン141の基部側から外径側につば状に張り出して形成されている。
アンロックシリンダ143は、フランジ142が挿入される円筒状の部分であって、フランジ142の外周縁部は、アンロックシリンダ143の内周面に対して摺動可能に接している。
油圧通路144は、遅角用油圧供給ライン136から抽出した油圧をアンロックシリンダ143内に導入するものである。
スプリング145は、ロックピン141を繰り出し方向に付勢するものである。
上述した構成により、油圧通路144から供給される油圧が所定値以上である場合は、アンロックシリンダ143内の作動油がフランジ142を押すことによってロックピン141は凹部112から抜き出され、ロックは解除される。
また、油圧回路144から供給される油圧が所定値より小さい場合には、ロックピン141はスプリング145の付勢力によって繰り出され、凹部112内に挿入されてバルブタイミングはロックされる。
カム角センサ150の出力は、ECU70に伝達される。
ソレノイド138は、カム角センサ150の検出値を用いてECU70によりフィードバック制御され、吸気カムシャフトの進角量、遅角量が所定の制御目標値となるようにする。
実施例1においては、アクセルペダルセンサ71の出力に基づいて算出されるドライバ要求トルクが所定の閾値未満である場合には、出力を犠牲にして燃費を優先した燃費重視制御を行い、ドライバ要求トルクが所定の閾値以上である場合には、燃費を犠牲にして出力(トルク)性能を優先した出力重視制御を行なう。
この燃費重視吸気バルブタイミングマップの一例を表1に示す。
この出力重視吸気バルブタイミングマップの一例を表2に示す。
一方、過給圧が上昇して吸気圧力が十分に高くなった状態においては、吸気バルブ35の開弁時期を進角させてオーバーラップを大きくし、充填効率を高めてトルクアップを図ることができる。
特に、このような制御を、吸気圧力に基づいて行なうことによって、例えば吸入空気量に基づいた制御に対して、精度のよい制御を行なうことが可能である。
図3に示すように、標準大気状態においては、アクセルを踏み始めた直後からインテークマニホールド内の圧力は大気圧相当となっているため、バルブオーバーラップを拡大することによって充填効率を向上し、トルクアップすることが可能である。
しかし、高地では、アクセルの踏み始め直後はターボ過給の時間応答遅れによって過給がかからないため、インテークマニホールド内の圧力が低い状態が所定期間にわたって継続する。このとき、バルブオーバーラップを拡大すると、内部EGRの増大を招き、トルクダウンしてしまう。
この点、実施例1によれば、過給圧がかかり始めてインテークマニホールド内圧力が向上するまではバルブオーバーラップを拡大しないことによって、内部EGRの増大によるトルクアップを抑制しつつ、過給がかかり始めた後は、バルブオーバーラップを拡大して充填効率を向上し、トルクアップを図ることができる。
なお、上述した実施例1と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
実施例2においては、出力重視制御において、実施例1におけるインテークマニホールド57内の絶対圧に代えて、エキゾーストマニホールド61内(排気ポート内)の排気圧力に対する、インテークマニホールド57内の吸気圧力(相対圧力)に基づいて吸気バルブタイミングの制御を行なっている。
排気圧力は、例えば、機関回転数と吸入空気量から、予め実験や演算によって作成したマップを用いて推定することが可能である。
以上説明した実施例2においては、上述した実施例1の効果と実質的に同様の効果に加えて、排気圧力に対する吸気圧力の相対圧力を用いて吸気バルブタイミングを制御することによって、精度のよい制御が可能となり、よりいっそう高い効果を得ることができる。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)エンジン及びその補機類の構成は、上述した実施例に限定されず適宜変更することができる。例えば、実施例のエンジンは水平対向ガソリンエンジンであったが、本発明はこれに限らず、直列エンジンやV型エンジン等の他のシリンダレイアウトのエンジンにも適用することが可能であり、気筒数も特に限定されない。また、4ストロークエンジンであれば、ディーゼルエンジンや、ガソリン以外の燃料を用いたものにも適用が可能である。
(2)吸気圧力、排気圧力を検出あるいは推定する手法は、上述した実施例のものに限定されない。
(3)吸気バルブの開弁時期を変化させる手法は、上述した実施例のように油圧によってカムシャフトの位相を進角、遅角させるものに限らず、適宜変更することが可能である。
11 クランク角センサ 20 シリンダブロック
30 シリンダヘッド 31 燃焼室
32 点火プラグ 33 吸気ポート
34 排気ポート 35 吸気バルブ
36 排気バルブ 40 ターボチャージャ
41 タービン 42 コンプレッサ
50 インテークシステム 51 インテークダクト
52 チャンバ 53 エアクリーナ
54 エアフローメータ 55 インタークーラ
56 スロットルバルブ 57 インテークマニホールド
58 吸気圧センサ 59 インジェクタ
60 エキゾーストシステム 61 エキゾーストマニホールド
62 エキゾーストパイプ 63 触媒コンバータ
64 サイレンサ 70 エンジン制御ユニット(ECU)
71 アクセルペダルセンサ 100 吸気バルブタイミング可変機構
110 ハウジング 111 扇状空間部
111a 進角室 111b 遅角室
112 凹部 120 ロータ
121 ベーン部 130 カム角制御弁
131 スリーブ 132 スプール
133 チェックバルブ 134 油圧供給ライン
135 進角用油圧供給ライン 136 遅角用油圧供給ライン
137 ドレンライン 138 ソレノイド
139 リターンスプリング 140 ロック機構
141 ロックピン 142 フランジ
143 アンロックシリンダ 144 油圧通路
145 スプリング 150 カム角センサ
200 排気バルブタイミング可変機構
230 カム角制御弁 250 カム角センサ
Claims (2)
- エンジンの運転状態に応じてクランク角度位置に対する吸気バルブの開弁時期を変化させるバルブタイミング制御装置であって、
エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、
要求トルクを判別する要求トルク判別手段と
を備え、
前記要求トルクが所定値未満である場合には、前記吸入空気量の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第1の開弁時期制御を行うとともに、前記要求トルクが所定値以上である場合には、前記吸気圧力の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第2の開弁時期制御を行うこと
を特徴とするバルブタイミング制御装置。 - エンジンの運転状態に応じてクランク角度位置に対する吸気バルブの開弁時期を変化させるバルブタイミング制御装置であって、
エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、
排気ポート近傍の排気圧力を推定する排気圧力推定手段と、
要求トルクを判別する要求トルク判別手段と
を備え、
前記要求トルクが所定値未満である場合には、前記吸入空気量の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第1の開弁時期制御を行うとともに、前記要求トルクが所定値以上である場合には、前記排気圧力に対する前記吸気圧力の相対圧力の増加に応じて前記吸気バルブの開弁時期を進角させる第2の開弁時期制御を行うこと
を特徴とするバルブタイミング制御装置。
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