JP2015086730A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＶＴ装置が故障している状態で過給されることによる問題を防止する。
【解決手段】ＶＶＴ装置によるバルブの開閉タイミングの制御は、機関回転数や負荷（吸気負圧）などに基づいて行われる。そして、ＶＶＴ装置が故障して吸気バルブ又は排気バルブの回転位相がある状態に固定されてしまった場合は、過給領域であっても過給を禁止又は抑制する。これにより、異常燃焼によるノッキングの発生や排気ガスの異常高温化による触媒の損傷、或いは、吸気バルブと排気バルブとが共に開いているオーバーラップ状態が広がったままになることによる燃料の吹き抜け等の問題を防止できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は内燃機関に関するもので、特に、車両に搭載される内燃機関を好適な対象にしている。

近年の乗用車用内燃機関は、機関の回転数等に応じて吸気バルブ（及び排気バルブ）の開閉タイミングを制御するＶＶＴ装置（可変バルブタイミング装置）を搭載していることが多い。なお、ＶＶＴ装置は、カム軸の回転位相をクランク軸の回転位相に対して変更するものが一般的であるが、本願発明では、バルブのリフト量を調節するものもＶＶＴ装置に含めている。

ＶＶＴ装置は油圧方式が一般的であり、上記のとおり、一般にカム軸の回転位相を変更することでバルブの開閉タイミングを調節しているが、何らかの理由でＶＶＴ装置が故障又は制御不能に陥ってしまい、カム軸の回転位相（バルブの開閉タイミング）がある状態に固定されたままになることが有り得る。

そこで、特許文献１では、実際のバルブの開閉タイミングが目標タイミングと相違する場合は故障と判断して、故障と判断したら、その開閉タイミングを強制的に基準状態として制御することが開示されている。

他方、特許文献２では、開閉タイミングの目標値は運転状態に応じて大きく変動しているため、最進角側か最遅角側に固定された状態でないと故障が検知し難いとして、最進角と最遅角との間において開閉タイミングが固定された場合であっても故障を検知可能とするため、ＩＳＣバルブ（アイドル・スピード・コントロール・バルブ）の開度と点火時期と機関回転数とから故障状態を検知することが開示されている。但し、特許文献２にはＶＶＴ装置が故障と判定された場合の処置は記載されていない。

特公平６−２１５２６号公報 特開２０００−７３７９５号公報

さて、近年の車両用内燃機関の多くは過給機（排気ターボ過給機）を搭載しており、主として機関回転数に応じた過給が成される。従って、開閉タイミングが固定されてしまうと、目標タイミングよりも進角側に固定された場合は空気が過剰に供給されて、燃焼圧の異常上昇による早期着火（プレイグニッション）やノッキングの問題、排気ガスが異常高温化して排気系部材（特に触媒）を損傷させる問題、或いは、吸気バルブと排気バルブとが共に開いているオーバーラップ状態が大きい状態に固定されることによる燃料の吹き抜けの問題などが懸念され、逆に、目標タイミングよりも遅角側に固定されている場合（或いは、目標タイミングよりも少ない進角量に固定されている場合）は、過給量が少なくて気筒内に残っている残存排気ガス（内部ＥＧＲ）の量が新気の量に対して相対的に多くなることで失火を招来するおそれがある。

しかし、特許文献１，２はＶＶＴ装置の故障と過給との関係について何等考慮しておらず、従って、上記した問題については解決の糸口も示されていない。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の内燃機関は、請求項１のとおり、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを調節するＶＶＴ装置と、空気を燃焼室に向けて圧送する過給機とを備えており、前記バルブの開閉タイミングが固定されてしまって開閉タイミングが目標開閉タイミングに対して所定値以上乖離した場合は、前記過給機による過給が禁止又は抑制される。

本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。この請求項２の発明は、請求項１において、前記吸気バルブの開閉タイミングが固定された状態での吸気量が目標開閉タイミングの吸気量よりも大きい場合は、前記過給機による過給が禁止される。目標吸気量は、燃焼室の容積（体積）と残存排気ガス（内部ＥＧＲ）とを基本要素として、燃費を考慮したリーン化率との関係から回転数や負荷（吸気負圧）に応じて決定されるが、吸気弁の開閉タイミングが固定されてしまって過給によって適正空気量を超えて空気が供給される場合は、過給を禁止するものである。

４サイクル内燃機関では、吸気バルブの開閉タイミング（位相）が大きく進角した状態で固定さると、混合気が過剰供給気味になってノッキングが発生しやすくなったり排気バルブとのオーバーラップ期間が長くなって燃料の吹き抜けが増大するので、一般的には、吸気バルブの開閉タイミングがある程度以上進角した状態に固定された場合に過給を禁止するのが好ましいと云える。

また、バルブの開閉タイミングが固定されてしまうのは、ＶＶＴ装置自体の故障や可動部分への異物の噛み込みなどの原因があり、いずれにしても整備工場等において早期に修理する必要があるが、それまでは、バルブの実際の開度に応じた制御マップに基づいて、点火時期等を制御したらよい。

ＶＶＴ装置の故障等によってバルブの開閉タイミングが固定されると、過給領域であっても過給が禁止又は抑制されるため、過過給に起因した早期着火やノッキングの発生、混合気の過剰供給によるトルク過多、排気ガスの異常高温化による触媒等の排気系部材の損傷、燃料の吹き抜け増大といった問題や、過少過給に起因した失火といった問題を防止できる。

特に、吸気バルブの開閉タイミングが大きく進角した状態に固定されると、ノッキングは点火タイミングを遅角させることで対応はできても、オーバーラップ時間の増大による燃料の吹き抜けは防止できないので、特に、開閉タイミングの進角量がある程度以上（予め設定した基準進角量以上）に大きい状態で固定された場合に過給を禁止するのが有益であると云える。従って、請求項２の構成では、本願発明の効果がより顕著に発揮される。

実施形態に係る内燃機関の模式図である。 制御のフローチャートである。

(1).実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいて構造を説明する。本実施形態の内燃機関は４サイクル３気筒であり、シリンダブロック１には３つのシリンダボア２が直列に並べて形成されており、シリンダブロック１に重ね固定されたシリンダヘッド３には、各シリンダボア３に対応して２対ずつの吸気バルブ４と排気バルブ５とが設けられている。燃焼室の頂面には点火ブラグ６を設けている。

シリンダヘッド３の上面には、吸気バルブ４を駆動する吸気用カム軸７と排気バルブ５を駆動する排気用カム軸８とがクランク軸９と平行に延びるように配置されており、両カム軸７，８は、主動スプロケット１０と従動スプロケット１１及びこれらに巻き掛けられたタイミングチェーン１２により、クランク軸９と同期して回転駆動される。

この場合、従動スプロケット１１が固定された部分とカム１３，１４が設けられた部分とは別部材になっており、カム１３，１４が設けられた部分は、ＶＶＴ装置１５，１６により、従動スプロケット１１が固定された部分に対して相対的に回転する。すなわち、ＶＶＴ装置１５，１６により、吸気バルブ４及び排気バルブ５の開閉タイミングを変更することができる。なお、ＶＶＴ装置１５，１６は便宜的にカム軸７，８から離して表示しているが、実際に両者は一体になっている。

クランク軸９の回転位相は回転センサ１７で検知でき、カム軸７，８の回転位相（或いはカム１３，１４の回転位相）は、カム角度センサ１８，１９で検知できる。

シリンダヘッド３の両長手側面のうち、吸気バルブ４を設けた側の一方の長手側面には吸気マニホールド２１が固定されて、他方の長手側面には排気マニホールド２２が固定されている。吸気マニホールド２１には吸気通路２３が接続されており、この吸気通路２３に、サージタンク２４やスロットルバルブ２５、インタークーラ２６が介挿されている。図示の例では、サージタンク２４は吸気マニホールド２１に固定し、スロットルバルブ２２はサージタンク２４に固定されている。吸気系にはＩＳＣバルブを設けているが、これは省略している。サージタンク２４には吸気圧センサ２７を設けている。

排気マニホールド２２には、過給機の一例としての排気ターボ過給機２８が接続されている。排気ターボ過給機２８は、駆動翼が内蔵された駆動室２９と圧縮翼が内蔵されたコンプレッサ室３０とを有しており、駆動室２９の入口が排気マニホールド２２の集合部に直接に又は排気管を介して接続されて、駆動室２９の出口に排気管３１が接続されている。

排気ターボ過給機２８には、排気ガスを駆動室２９の手前から出口にリークさせるバイパス通路と、排気ガスのリーク量を調節するウエストゲートバルブ３２とが設けられている。ウエストゲートバルブ３２を全閉すると排気ガスは略全量がバイパス通路から出口に逃げて、ウエストゲートバルブ３２を全開すると排気ガスの全量が駆動室２９に流入する。ウエストゲートバルブ３２を電動モータ等の遠隔操作できるアクチェータで駆動することで、過給圧を調節することができる。触媒ケース（図示せず）は、排気ターボ過給機２８の上流側又は下流側に配置される。

排気ターボ過給機２８のコンプレッサ室３０は吸気通路２３の中途部に介挿されており、吸気通路２３の始端にはエアクリーナ３３が接続されている。また、吸気通路２３のうち排気ターボ過給機２８を挟んだ両側が第１バイパス通路３４で接続されており、第１バイパス通路３４に過給圧調節バルブ３５を設けている。

更に、排気ターボ過給機２８の出口部と第１バイパス通路３４とが第２パイパス通路３６で接続されており、第２パイパス通路３６にダイヤフラム式のウエストゲートバルブ用自動アクチェータ３７を設けている。但し、本実施形態のウエストゲートバルブ３２は電動式等の遠隔操作方式なので、自動アクチェータ３７は必ずしも設ける必要はない（ウエストゲートバルブ３２は、通常状態では自動アクチェータ３７で制御して、ＶＶＴ装置故障時のみ遠隔操作式アクチェータで強制的に制御することも可能である。）。

内燃機関は、制御手段としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３８を備えており、このＥＣＵ３８に、点火プラグ６、回転センサ１７、カム角度センサ１８，１９、ＶＶＴ装置１５，１６、スロットルバルブ２１、吸気圧センサ２６、燃料噴射インジェクタ（図示せず）、ウエストゲートバルブ３２が接続されている。

(2).制御の態様
さて、吸気バルブ４及び排気バルブ５は、回転数や負荷に応じて開閉タイミングが制御される。すなわち、ピストンの速度によって吸気や排気の慣性力が変化するので、タンブル流やスワール流の生成、排気ポートから排出されずにシリンダボア内に残った排気ガス（内部ＥＧＲ）なども考慮して、適切なトルクと燃費とが実現されるように、主として機関回転数及び吸気負圧（機関負荷）に基づき、予め定めたマップに基づいて吸気バルブ４と排気バルブ５の開閉タイミングが制御される（スロットル開度やアクセルペダルの踏み込み量、機関温度（冷却水温度）などを制御条件に含めることも可能である。）。

バルブ４，５の開閉タイミング制御に際しては原点を定める必要があり、この場合、原点を基準にして開閉タイミングを進角させたり遅角させたり制御することも可能であるが、最遅角状態（例えばアイドル状態での開閉タイミング）を原点として、進角量のみを制御するのが単純で好ましい。本実施形態では、この方式を採用している。

そして、ＶＶＴ装置１５，１６自体が機械的又は電気的に故障したり、可動部分に異物が噛み込んだりして、カム１３，１４の回転位相がある状態に固定されてしまうことが有り得る。すなわち、ＥＣＵ３８からカム軸７，８の回転位相変更指令が発せられているのに、実際のカム軸７，８の位相が所定時間を経過しても目標位相に届かずに、実際の位相と目標位相とが乖離したままになることがある。そこで、この場合は、予め定めた所定時間を経過しても乖離状態が継続している場合はＶＶＴ装置１５，１６の故障と判断して、過給領域に重なっている場合には、排気ターボ過給機２４のウエストゲートバルブ３１を操作して、過給を禁止又は抑制する。

つまり、図２に示すように、過給の有無と量とが、実際の機関回転数Ｒが予め定めた基準回転数Ｒ０以上でかつ、実際の吸気負圧（負荷）Ｑが予め定めた基準負圧Ｑ０以上であるか否かを基準にして実行されると過程した場合、この過給制御システムにカム軸７，８の回転位相（進角量）がＥＣＵ３８の指示どおりに変化しているかどうかの判断を組み込み、カム軸７，８の実際の位相と目標位相との間に予め定めた範囲以上の乖離があってこれが予め定めた時間（例えば１秒〜数秒）継続している場合は、ＶＶＴ装置１５，１６が故障しているものと判断して、過給を禁止又は抑制する。

過給がＥＣＵ３８を介さずに機関回転数に応じて自動的に行われている場合は、カム軸７，８の実際の位相と目標位相との間に予め定めた範囲以上の乖離があったときのみ、ウエストゲートバルブ３１を操作して過給を禁止又は抑制したらよい。また、過給がＥＣＵ３８を介して行われる場合、回転数のみに基づいて制御することも可能である。

カム軸７，８の進角量（回転位相）は、回転センサ１７で検知したクランク軸９の回転位相と、カム角度センサ１８，１９で検知したカム軸７，８の回転位相から検知できる。すなわち、例えばピストンが上死点にあるときのような共通した状態をクランク軸９及びカム軸７，８の共通の原点として定めておき、クランク軸９の回転位相に対してカム軸７，８の進角量（回転位相）の回転位相がどれだけ進んでいるかを比較することで、カム軸７，８の進角量を検知できる。

そして、カム軸７，８の実際の進角量と目標進角量との差を比較回路によって検出し、その差が所定時間を経過しても縮まらない場合は、ＶＶＴ装置１５，１６の故障と判断して過給を禁止又は抑制するのである。

この場合、過給を禁止するか抑制するかは、カム軸７，８の進角量がどの段階で固定されているかで判断することができる。例えば、進角量を２つのゾーンに分けて、進角量が少ないゾーンで固定されている場合は過給量を半分に抑制して、進角量が大きいゾーンで固定されている場合は過給を全面的に禁止することができる。ゾーンを３つ以上に分けたり、固定されている進角量に応じて過給抑制量を調節するなどのきめ細かい制御も採用可能である。

カム軸７，８の現実の開閉タイミングが目標タイミングに対して遅角側に固定されている場合（或いは、現実の開閉タイミングの進角量が目標進角量に対して少ない場合）は、気筒内に残っている残存排気ガス（内部ＥＧＲ）の量が新気に対して相対的に多くなるので、失火防止のためには過給は継続するのが好ましい。従って、この場合は、過給量を抑制したらよい（抑制量を０とすることも可能である。）。

点火タイミングも機関回転数や吸気負圧、冷却水温度等によって制御されるが、本実施形態では、点火タイミングはカム軸７，８の進角量に応じたマップに基づいて制御される。但し、カム軸７，８が大きい進角量で固定されている場合は、点火時期を基準状態よりも遅角させるように制御することも可能である。

吸気用カム軸７と排気用カム軸８との開閉タイミング（回転位相）のうち片方だけが固定されることも有り得る（現実には、このパターンが多いと云える。）が、位相が固定されることによる危険度は吸気用カム軸７の方が高いので、吸気用カム軸７の位相が固定された場合は進角量に関係なく過給の禁止又は抑制を実行して、排気用カム軸８の位相固定については、予め定めた進角量を超えた状態から過給の制限を実行することも可能である。

ＶＶＴ装置１５，１６の故障は適切な走行に支障をきたすので、ディスプレイへの表示やランプの点灯、或いは音声などで警告して、早期にサービス工場に向かうように運転者に注意を促すのが好ましい。

本願発明は車両用等の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ 吸気バルブ
５ 排気バルブ
７ 吸気用カム軸
８ 排気用カム軸
９ クランク軸
１２，１３ カム
１５，１６ ＶＶＴ装置
１７ 回転センサ
１８，１９ カム角度センサ
２１ 吸気マニホールド
２２ 排気マニホールド
２８ 排気ターボ過給機
３２ ウエストゲートバルブ
３８ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを調節するＶＶＴ装置と、空気を燃焼室に向けて圧送する過給機とを備えており、前記バルブの開閉タイミングが固定されてしまって開閉タイミングが目標開閉タイミングに対して所定値以上乖離した場合は、前記過給機による過給が禁止又は抑制される、
   内燃機関。
2. 前記吸気バルブの開閉タイミングが固定された状態での吸気量が目標開閉タイミングの吸気量よりも大きい場合は、前記過給機による過給が禁止される、
   請求項１に記載した内燃機関。

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