JP2015098846A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃費性能の向上と、ブレーキブースタへの必要量の負圧の供給との両立を図る。【解決手段】吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタ５が付随した内燃機関において、ブレーキペダルが踏まれたときの内燃機関の運転状態から、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときにブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタが付随する内燃機関に関する。

従来より、車両の制動時に必要となる操作力、即ちブレーキペダルの踏力を軽減するために、内燃機関の吸気通路におけるスロットルバルブの下流側で発生する吸気負圧を利用して踏力を倍力するブレーキブースタが広く採用されている（例えば、下記特許文献を参照）。

ブレーキブースタは、吸気負圧が蓄えられる定圧室と、大気圧が導き入れられる変圧室とを有している。運転者がブレーキペダルを踏んでいないときには、定圧室と変圧室とが連通し、かつ変圧室への大気圧の導入が遮断されている。そして、運転者によりブレーキペダルが踏まれると、定圧室と変圧室とが遮断され、かつ変圧室に大気圧が導入されて、定圧室と変圧室との圧力差による倍力作用が営まれる。

特開２００５−２５５０７２号公報

近時、吸気バルブの閉弁タイミングの限界をできるだけ遅角化することで、内燃機関のポンピングロスを軽減する試みがなされている。吸気バルブの閉弁タイミングが遅くなれば、圧縮行程における気筒内での吸気の圧縮圧力が低下する。また、圧縮行程の前期に気筒から吸気の一部が吸気マニホルドに逆流し、吸気マニホルド及びサージタンク内の負圧が低減する（大気圧に近づく）。これにより、次回の吸気行程において気筒内に吸気を引き込むために要する仕事が小さくなる。

燃費性能をさらに追求するべく、内燃機関をミラーサイクル（アトキンソンサイクル）化することもある。ミラーサイクルでは、実効的な圧縮行程を膨張行程よりも十分に短くするために、吸気バルブの閉弁タイミングを顕著に遅角化する。

しかしながら、吸気マニホルドやサージタンク内の負圧が低減することは、吸気負圧を利用してブレーキ操作力を倍力するブレーキブースタに供給するべき負圧が不足することをも意味する。十分な負圧を確保できないと、ブレーキブースタによるブレーキ操作力の倍力作用が減殺され、ドライバビリティの低下を招く。

本発明は、内燃機関の燃費性能の向上と、ブレーキブースタへの必要量の負圧の供給との両立を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタが付随した内燃機関であって、ブレーキペダルが踏まれたときの内燃機関の運転状態から、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときにブレーキブースタ内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角する内燃機関を構成した。

加えて、予め吸気負圧を蓄え、吸気バルブの閉弁タイミングの進角化に対して吸気負圧の回復が遅れるときにその蓄えていた負圧をブレーキブースタに供給するための蓄圧タンクを設けることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の燃費性能の向上と、ブレーキブースタへの必要量の負圧の供給との両立を図り得る。

本発明の一実施形態の内燃機関の構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付随する可変バルブタイミング機構の構成を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の車両には、ブレーキブースタ５が付帯している。ブレーキブースタ５は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側の部位、より具体的にはサージタンク３３から吸気負圧を導き入れ、その負圧を用いてブレーキペダルの踏力を倍力する、この分野では広く知られているものである。ブレーキブースタ５は、負圧を蓄える定圧室と、大気圧が加わる変圧室とを有し、定圧室が負圧管路５１を介してサージタンク３３に接続している。負圧管路５１は、スロットルバルブ３２の下流側の吸気負圧を定圧室へと導く。負圧管路５１上には、負圧を定圧室内に留め、定圧室に正圧が加わることを防止するためのチェックバルブ５２を設けている。

運転者によりブレーキペダルが操作されていないとき、定圧室と変圧室とが連通し、かつ変圧室が大気圧から隔絶される。ブレーキペダルが操作されると、定圧室と変圧室との間が遮断され、かつ変圧室に大気が導入される。結果、定圧室と変圧室との圧力差が、ブレーキペダルの踏力を倍力する制御圧力となる。ブレーキブースタ５により増幅されたブレーキ踏力は、マスタシリンダにおいて液圧力に変換される。マスタシリンダが出力する作動液圧は、液圧回路（図示せず）を介してブレーキキャリパやホイールシリンダといったブレーキ装置（図示せず）に伝達され、当該ブレーキ装置による車両の制動に用いられる。

しかして、本実施形態では、ブレーキブースタ５の定圧室とは別に、サージタンク３３内の吸気負圧を取り入れて蓄える蓄圧タンク５３を備えている。蓄圧タンク５３は、負圧管路５１上の、チェックバルブ５２とサージタンク３３との間に介在する。さらに、蓄圧タンク５３とサージタンク３３との間には、差圧バルブ５４を設けてある。差圧バルブ５４は、蓄圧タンク５３内の負圧がサージタンク３３内の吸気負圧よりも小さい（蓄圧タンク５３内がサージタンク３３内よりも高圧である）状況において開弁し、蓄圧タンク５３内の負圧がサージタンク３３内の吸気負圧よりも大きい（蓄圧タンク５３内がサージタンク３３内よりも低圧である）状況において閉弁するバルブである。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプールは、進退動作により内部粒体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｍのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１２に供給される一方、既に遅角室６１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１２の容積が拡大、遅角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１１に供給される一方、既に進角室６１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１１の容積が拡大、進角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

本実施形態の内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルが踏まれているか否かまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキスイッチまたは踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気負圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、マスタシリンダが吐出する作動液の圧力であるマスタシリンダ圧を検出する液圧センサから出力されるマスタシリンダ圧信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、吸気バルブタイミングといった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態において、ＥＣＵ０は、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角する補正制御を実行する。

ブレーキブースタ５内の負圧が不足するためには、少なくとも、ブレーキペダルが踏まれていなければならない。ブレーキペダルの踏込量が０または０に近い所定値未満であるならば、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれはなく、吸気バルブタイミングを進角補正する必要はない。

ブレーキペダルの踏込量が０ないし所定値以上であるならば、現在の内燃機関の運転状態、より具体的には現在のサージタンク３３内の吸気負圧、スロットルバルブ３２の開度、エンジン回転数または車速のうち少なくとも一つを基に、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあるか否かを判断する。原理的には、サージタンク３３内の吸気負圧の大きさが閾値未満であるときに、ブレーキペダルが再び踏まれたときのブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがある。吸気負圧こそがブレーキブースタ５内負圧の原資だからである。

だが、ブレーキブースタ５内の負圧の欠乏の危険性は、そのときのスロットルバルブ３２の開度やエンジン回転数、車速、吸気バルブタイミング（の進角量または遅角量）に左右される。現時点でサージタンク内３３の吸気負圧が小さくとも、スロットルバルブ３２の開度が絞られていれば、直後にサージタンク３３内に吸気負圧を生ずる可能性が高く、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれは小さい。また、スロットルバルブ３２の開度の条件を同一とすれば、エンジン回転数が高いほどサージタンク３３内が負圧化しやすい。一方、現在の車速が高いということは、以後に車両の制動が複数回発生する蓋然性が高く、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれが大きいと言える。吸気バルブタイミングについて言えば、その開タイミングや閉タイミングが遅いほど気筒１に充填される吸気量が減る傾向にあり、その分だけサージタンク３３内の吸気負圧が小さくなって、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれが大きくなる。

以上を総合すると、サージタンク３３内の吸気負圧を閾値と比較して、前者が後者を下回るとき、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあると判断されるが、その閾値は、現在のスロットルバルブ３２の開度が大きいほど低くなり、現在のエンジン回転数が低いほど低くなり、現在の車速が高いほど低くなり、また、吸気バルブタイミングが遅角するほど低くなる傾向にある。

ＥＣＵ０のメモリには予め、サージタンク３３内の吸気負圧、スロットルバルブ３２の開度、エンジン回転数、車速または吸気バルブタイミングの進角（遅角）量のうち少なくとも一つと、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあるか否か（即ち、吸気バルブタイミングを進角補正する必要があるか否か）の判定結果との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルが踏まれてその踏込量が０ないし所定値以上となったときに、計測された現在のサージタンク３３内の吸気負圧、スロットルバルブ３２の開度、エンジン回転数、車速、吸気バルブタイミングのうち少なくとも一つをキーとして当該マップを検索し、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときのブレーキブースタ５内の負圧の不足が発生し得るか否かの判定結果を知得する。そして、当該マップから得た判定結果が、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれのあることを示している場合に、吸気バルブの開閉タイミングを進角させる。

吸気バルブの開タイミングを早めることは、吸気行程にて吸気通路３から気筒１に流入する吸気の量を増す方向に作用する。並びに、吸気バルブの閉タイミングを早めることは、一旦気筒１に流入したにもかかわらず吸気下死点から圧縮上死点に向かうピストンによって吸気通路３に押し返される吸気の量を減らす方向に作用する。何れも、気筒１に充填される実効的な吸気量を増加させ、サージタンク内３３の吸気負圧を増大させる働きをする。

尤も、吸気バルブタイミングを進角しても、即時には吸気負圧は増大しない。蓄圧タンク５３の存在は、吸気バルブタイミングの進角操作と吸気負圧の増大との間のタイムラグにおいて、ブレーキ操作力の倍力に必要な負圧をブレーキブースタ５の定圧室に供給するために寄与する。サージタンク３３内の吸気負圧が蓄圧タンク５３内の負圧よりも小さければ差圧バルブ５４は閉じたままであり、ブレーキブースタ５内の負圧が蓄圧タンク５３内の負圧よりも小さくなればチェックバルブ５２が開いて蓄圧タンク５３内に蓄えられた負圧がブレーキブースタ５の定圧室に流入するようになる。

本実施形態では、吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構６、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタ５が付随した内燃機関であって、ブレーキペダルが踏まれたときの内燃機関の運転状態、即ちそのときの吸気負圧、スロットルバルブ３２開度、エンジン回転数、車速または吸気バルブタイミングのうち少なくとも一つから、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときにブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあるか否かを判断し、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、ブレーキペダルが踏まれていないときには吸気バルブタイミングを遅角して内燃機関のポンピングロスの低減及び熱効率の改善を追求し、一層の低燃費化を実現することができる。そして、ブレーキペダルが踏まれ、かつその後に再度ブレーキペダルが踏まれたときにブレーキブースタ５内の負圧が欠乏する懸念が生じた場合に限り、吸気バルブタイミングを進角してブレーキ操作力の倍力に必要な負圧を確保し、ドライバビリティを高く保つことができる。

並びに、本実施形態では、吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構６、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタ５が付随した内燃機関であって、ブレーキブースタ５内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角するものとし、予め吸気負圧を蓄え、吸気バルブの閉弁タイミングの進角化に対して吸気負圧の回復が遅れるときにその蓄えていた負圧をブレーキブースタ５に供給するための蓄圧タンク５３を設けている内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、吸気バルブタイミングの進角操作と吸気負圧の増大との間にタイムラグがあったとしても、ブレーキブースタ５に必要な負圧を蓄圧タンク５３から供給して、ドライバビリティを高く保つことができる。

また、ブレーキブースタ５に負圧を供給するためのバキュームポンプ等を実装することが不要となり、内燃機関の大形化やコストの騰貴を回避できる。ブレーキブースタ５自体の小形化にも有利である。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。ＥＣＵ０が、ブレーキペダルが踏まれたときの内燃機関の運転状態により、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときのブレーキブースタ５負圧の大きさを推測（マップデータから知得、または関数計算により算出）し、その負圧がブレーキ操作力の増幅に必要な所要量以下となる場合に、吸気バルブの閉タイミングを進角補正するものとしてもよい。ここに言うブレーキブースタ５内負圧の推測は、少なくともブレーキペダルが踏まれたときのサージタンク３３内吸気負圧を参照して行うことができ、必要であればその推測したブレーキブースタ５内負圧を現在のスロットルバルブ３２開度、エンジン回転数及び／または車速に応じて補正した上で、上記の所要量と比較する。

可変バルブタイミング機構６の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。液圧（油圧）力で吸気カムシャフトの（クランクシャフトに対する）の回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、電動モータで吸気カムシャフトの回転位相を進角／遅角させるもの、吸気バルブを開弁駆動する吸気カムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、電動モータでロッカーアームのレバー比を変化させるもの、吸気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
５…ブレーキブースタ
５３…蓄圧タンク
６…可変バルブタイミング機構

Claims (2)

1. 吸気バルブの閉弁タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構、及び吸気負圧を利用してブレーキ踏力を増幅するブレーキブースタが付随した内燃機関であって、
   ブレーキペダルが踏まれたときの内燃機関の運転状態から、次回以降ブレーキペダルが踏まれたときにブレーキブースタ内の負圧が不足するおそれがあると判断される場合に、そうでない場合と比較して吸気バルブの閉弁タイミングを進角する内燃機関。
2. 予め吸気負圧を蓄え、吸気バルブの閉弁タイミングの進角化に対して吸気負圧の回復が遅れるときにその蓄えていた負圧をブレーキブースタに供給するための蓄圧タンクを設けている請求項１記載の内燃機関。

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