JP2023034304A - エンジンの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高回転域におけるポンプロスの増加を抑制する。【解決手段】エンジン1は、排気行程の初期よりも早い時期に第1排気弁7を開弁させて該第1排気弁よりも遅い時期に第2排気弁8を開弁させる排気動弁機構9と、第1排気ポート5に接続されて過給機19のタービン17が配置される第1排気通路161と、第2排気ポート6に接続されてタービンを迂回して第1排気通路に合流する第2排気通路162と、タービン上流側の第1排気通路および第2排気通路を接続する第3排気通路163と、第3排気通路の流路面積を変更する第1切替弁21と、第2排気通路の流路面積を変更する第2切替弁22と、ECU100と、を備える。ECUは、エンジン回転数が第1回転数Th1よりも低い場合には第1切替弁を閉弁させて第2切替弁を開弁させる一方、第1回転数よりも高い場合には第1切替弁を開弁させて前記第2切替弁を閉弁させる。【選択図】図8

Description

ここに開示する技術は、エンジンの制御装置に関する。
近年、電気自動車等の電動車両が普及しつつあるものの、動力源としてエンジンを用いる車両は依然として多い。また、熱効率のさらなる改善等、エンジンに対する要望も依然として高い。
例えば特許文献1には、ブローダウン過給方式を用いたエンジンの一例として、燃焼室毎に、互いに独立する排気通路に連通する複数の排気ポートと、各排気ポートに配設されていて互いに開弁時期が異なる複数の排気弁と、を備えたものが開示されている。
ここで、前記気通路は、早期に開弁する第1排気弁に連通しかつターボ過給機のタービンが配設された第1排気通路と、第1排気弁よりも遅い時期に開弁する第2排気弁に連通しかつタービンを迂回して第1排気通路に集合する第2排気通路と、から構成されている。
前記エンジンは、膨張行程終期から排気行程中期にかけては、第1排気弁の開弁に伴い噴出される高圧の排気ガスがタービンを回転させる。その一方、排気行程中期から終期にかけては、第1排気弁から排出しきれなかった排気ガスが、第2排気弁の開弁に伴ってタービンを迂回して排出される。
前記特許文献1に係るエンジンを採用した場合、第2排気通路はタービンに対して非接続となる。そのため、第2排気通路は第1排気通路よりも低圧となる。これにより、第2排気弁のポンプロス(以下、「押出損失」ともいう)が抑制される。それに加え、第2排気弁の開弁時期を遅くしたことより、シリンダ内の排気ガスは低ポンプロスで排出されることになる。
ここで、第2排気通路を介して排気ガスを排出させた場合、タービンを通過する排気ガス量が減少することになる。この場合、過給圧の低下が懸念される。しかしながら、第1排気弁の早期開弁を行うことで、高圧の排気ガスを噴出させて過給圧を確保することができる。
特開平11-210449号公報
前記特許文献1に開示されているようなブローダウン過給方式を採用した場合、過給圧の増加に伴う吸気弁のポンプロス(以下、「吸入損失」ともいう)の低下と、前述した押出損失の抑制とが相まって、エンジン全体のポンプロスは、過給圧を増加させるほど改善する傾向にあると考えられていた。
しかしながら、本願発明者らが従来の知見を検証したところ、エンジン回転数が低いときには前述の傾向が確認されたものの、エンジン回転数が高いときには、過給圧を増加させるほどエンジン全体ではポンプロスの増加を招く傾向にあることが新たに見出された。
本願発明者らは、新たに見出された傾向について、その要因を鋭意分析した。その結果、第2排気弁による排気抵抗の増加が主要因であることが判明した。すなわち、高回転域では所定時間あたりの燃焼回数が多いため、排気ガスの総量は多くなる。第2排気弁の面積が限られているため、多量の排気ガスを排出するにはより多くのポンプ仕事が必要となる。
第2排気弁のポンプ仕事を抑制するための方策としては、例えば第1排気弁による排気量を増加させることが考えられる。しかしながら、第1排気弁によって開閉される第1排気通路は相対的に高圧のため、第1排気弁に多量のポンプ仕事を課すことになり不都合である。
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高回転域におけるポンプロスの増加を抑制することにある。
本開示の第1の態様は、エンジンのシリンダ毎に開口する第1排気ポートおよび第2排気ポートと、前記第1排気ポートを開閉する第1排気弁と、前記第2排気ポートを開閉する第2排気弁と、少なくとも排気行程の初期よりも早い時期に前記第1排気弁を開弁させる一方、該第1排気弁よりも遅い時期に前記第2排気弁を開弁させるように構成された排気動弁機構と、前記第1排気ポートおよび前記第2排気ポートに接続される排気通路と、前記排気通路に設けられるタービンおよび前記エンジンの吸気通路に設けられるコンプレッサによって構成される過給機と、を備えるエンジンの制御装置に係る。
前記第1の態様によれば、前記排気通路は、前記第1排気ポートに接続され、前記タービンが配置される第1排気通路と、前記第2排気ポートに接続され、前記タービンを迂回して前記第1排気通路に合流する第2排気通路と、前記タービン上流側の前記第1排気通路と、前記第2排気通路と、を接続する第3排気通路と、を有する。
そして、前記エンジンの制御装置は、前記第3排気通路に配置され、該第3排気通路の流路面積を変更する第1切替弁と、前記第3排気通路との接続部よりも下流側かつ前記第1排気通路との合流部よりも上流側の前記第2排気通路に配置され、該第2排気通路の流路面積を変更する第2切替弁と、エンジン回転数を検出する回転数センサと、前記回転数センサの検出信号に基づいて、前記第1切替弁および前記第2切替弁の開閉を制御するコントローラと、をさらに備え、前記コントローラは、前記第1切替弁および第2切替弁を制御することで、前記エンジン回転数が所定の第1回転数よりも低い場合には、前記第1切替弁を閉弁させかつ前記第2切替弁を開弁させる一方、前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させる。
ここで、「閉弁」の語は、全開状態に対して相対的に閉じ状態にあることを含む。この語の意味するところは、全閉状態には限定されない。例えばエンジン回転数が第1回転数よりも低い場合、第2切替弁の開度は、全閉状態、または全開状態よりも閉じ側に設定すればよい。「開弁」の語についても同様である。
前記第1の態様によると、前記コントローラは、低回転域では第1切替弁を閉弁させて第2切替弁を開弁させることで、第1排気通路をタービンと接続するとともに、第2排気通路をタービンと非接続とする。この場合、第1排気弁の早期開弁によって排出された高エネルギーの排気ガスは、第1排気通路を介してタービンを通過する。高エネルギーの排気ガスを用いることで、必要な過給圧が確保される。一方、第1排気弁よりも遅れて実施される第2排気弁の開弁によって排出された排気ガスは、第2排気通路を介してタービンを迂回する。第2排気通路は相対的に低圧となるため、第2排気弁の低ポンプロス化を実現することができる。
一方、ポンプロスの悪化が懸念される高回転域では、コントローラは、第1切替弁を開弁させて第2切替弁を閉弁させる。第1排気通路がタービンと接続されるのに加え、第2排気通路もまた、第3排気通路および第1排気通路を介してタービンと接続されることになる。この場合、第2排気弁の開弁によって排出される排気ガスは、第1排気弁に係る排気ガスと同様に、第1排気通路を介してタービンに案内される。これにより、過給圧をさらに高めることができるため、吸気弁の低ポンプロス化(吸入損失の低下)を実現することができる。その結果、高回転域であっても、エンジン全体でのポンプロスの増加を抑制することが可能になる。
また、本開示の第2の態様によれば、前記第1回転数は、前記エンジンの負荷が高い場合には、該負荷が低い場合に比して低くなるように設定される、としてもよい。
前記第2の態様によると、負荷が高くなるほど第1回転数が低めに設定される。言い換えると、エンジン回転数が低くなるほど、より高めの負荷であっても“エンジン回転数<第1回転数”の関係が満足されて、ブローダウン過給方式が実施されることになる。ブローダウン過給方式では、高回転側でポンプロスの増加が懸念されるため、このように設定することで、燃費効率の最大化に有利になる。
また、本開示の第3の態様によれば、前記コントローラは、前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第2切替弁の開度を全開状態よりも閉じ側に設定するとともに、前記エンジンの負荷が高いときには、該負荷が低いときに比して前記第2排気通路の流路面積が大きくなるように、前記第2切替弁の開度を調整する、としてもよい。
前記第3の態様によると、前記コントローラは、第2排気弁の開弁によって排出される排気ガスの一部をタービンに案内しつつ、残りの排気ガスにはタービンを迂回させる。タービンに案内される排気ガス量は、第2切替弁の開度調整を通じて制御される。こうすることで、第2切替弁をいわゆるウェイストゲートバルブとして活用し、ひいては過給圧を安定させることができるようになる。
また、本開示の第4の態様によれば、前記エンジンの制御装置は、前記第1排気弁および前記第2排気弁を駆動する排気動弁機構をさらに備え、前記排気動弁機構は、少なくとも排気行程の初期よりも早い時期に前記第1排気弁を開弁させる第1カムプロフィール、および該第1排気弁よりも遅い時期に前記第2排気弁を開弁させる第2カムプロフィールによって構成される第1カムセットと、前記第1カムプロフィールおよび前記第2カムプロフィールよりも開弁角が大きく設定され、かつ前記第1排気弁と前記第2排気弁を開弁させる一対の第3カムプロフィールによって構成される第2カムセットと、前記第1カムセットまたは前記第2カムセットへの切替を行うカム切替部と、を有し、前記コントローラは、前記回転数センサの検出信号に基づいて、前記カム切替部による切替を制御するように構成され、前記コントローラは、前記カム切替部を制御することで、前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも低い場合には、前記第1カムセットによって前記第1排気弁および前記第2排気弁を開閉させ、前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第2カムセットによって前記第1排気弁および前記第2排気弁を開閉させる、としてもよい。
前記第4の態様によると、コントローラは、低回転側では第1カムセットによって第1および第2排気弁を開閉させる一方、高回転側では第2カムセットによって第1および第2排気弁を開閉させる。第2カムセットを構成する第3カムプロフィールは、第1カムセットを構成する第1および第2カムプロフィールよりも開弁角が大きい。そのため、排気効率が向上し、高回転域における第1および第2排気弁の押出損失を抑制することができる。これにより、前述した吸気弁の低ポンプロス化と相まって、エンジン全体でのポンプロスの増加を抑制することが可能になる。
また、本開示の第5の態様によれば、前記第1カムプロフィールは、前記第1排気弁の開弁時期を、前記エンジンの燃焼行程の中期に設定し、前記第1排気弁の閉弁時期を、前記エンジンの排気行程の初期から中期までの期間内に設定する、としてもよい。
ここで、「燃焼行程の中期」とは、燃焼行程を初期、中期、終期に略3等分したときの中期を指す。同様に、「排気行程の初期」とは、排気行程を初期、中期、終期に略3等分したときの初期を指す。
前記第5の態様によると、第1排気弁の開弁時期は、燃焼行程の中期に設定される。これにより、例えば燃焼行程の終期に設定された場合と比較して開弁角を大きく設定し、バルブ加速度を低減することができる。そのことで、リフト量を可能な限り大きくしながらも、バルブジャンプの発生を抑制することができる。また、燃焼行程の中期に設定すると、例えば燃焼行程の初期に設定された場合と比較して、燃焼トルクへの影響を抑制する上でも有利になる。
また、本開示の第6の態様によれば、前記第2カムプロフィールは、前記第2排気弁の開弁時期を、前記エンジンの燃焼行程の終期に設定し、前記第2排気弁の閉弁時期を、前記エンジンの排気行程の終期から吸気行程の初期までの期間内に設定する、としてもよい。
ここで、「燃焼行程の終期」とは、燃焼行程を初期、中期、終期に略3等分したときの終期を指す。同様に、「排気行程の終期」とは、排気行程を初期、中期、終期に略3等分したときの終期を指し、「吸気行程の初期」とは、吸気行程を初期、中期、終期に略3等分したときの初期を指す。
前記第6の態様によると、第2排気弁の開弁時期は、燃焼行程の終期に設定される。これにより、例えば排気行程の初期に設定された場合と比較して開弁角を大きく設定し、バルブ加速度を低減することができる。そのことで、リフト量を可能な限り大きくしながらも、バルブジャンプの発生を抑制することができる。
また、本開示の第7の態様によれば、前記第1カムプロフィールは、前記第1排気弁のリフト量を、前記第3カムプロフィールによる前記第1排気弁のリフト量、および、前記第2カムプロフィールによる前記第2排気弁のリフト量よりも小さく設定し、前記第2カムプロフィールは、前記第2排気弁のリフト量を、前記第3カムプロフィールによる前記第2排気弁のリフト量よりも小さく設定する、としてもよい。
一般に、高回転側では第2排気弁が高速で動作することになるため、従来の構成では第2排気弁のバルブジャンプの発生が懸念されていた。しかしながら、本開示の場合、高回転側では第2カムプロフィールは使用されないため、リフト量を従来よりも大きくすることができる。
そこで、前記第7の態様に係る第2カムプロフィールは、第2排気弁のリフト量を、第1カムプロフィールによる第1排気弁のリフト量よりも相対的に大きく設定する。これにより、タービンを迂回させる排気ガス量を十分に確保することができ、ひいては第2排気弁の押出損失の抑制に有利になる。ここで、第2カムプロフィールによる第2排気弁のリフト量を、第3カムプロフィールによる第2排気弁のリフト量よりも相対的に小さく設定することで、バルブジャンプの発生をより確実に抑制することができる。
また、本開示の第8の態様によると、前記エンジンの運転領域は、前記第1回転数よりも低回転側の第1領域と、前記第1回転数よりも高回転側の第2領域と、を含み、前記コントローラは、前記第1領域から前記第2領域への移行に際し、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させるタイミングと、前記第1カムセットから前記第2カムセットへ切り替えるタイミングと、を相違させるように構成されている、としてもよい。
第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を開弁させること、および、第1カムセットから第2カムセットへの切替は、双方とも過給圧の増加を招く。そのため、過給圧が低い状態から高い状態への移行時にそれらの制御を同時に行ってしまうと、過給圧の急増を招く。過給圧の急増は、トルクショック、ひいてはドライバビリティの悪化を招くため不都合である。
そこで、前記第8の態様に係るコントローラは、第1および第2切替弁の開閉状態を切り替えるタイミングと、第1カムセットから第2カムセットに切り替えるタイミングとを相違させる。これにより、過給圧をスムースに上昇させることができる。これにより、過給圧の急変を抑制し、ひいてはドライバビリティを良好に保つことができる。
また、本開示の第9の態様によると、前記エンジンの制御装置は、前記過給機の過給圧を検出する過給圧センサをさらに備え、前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に応じて目標過給圧を設定し、前記コントローラは、前記過給圧センサの検出信号に基づいて、前記過給圧が前記目標過給圧に達しているか否かを判定し、前記コントローラは、前記第1領域から前記第2領域への移行に際し、前記過給圧が前記目標過給圧に達していると判定されるまでの間、前記第1カムセットから前記第2カムセットへの切替を猶予するとともに、前記過給圧が前記目標過給圧に達しているか否かに拘わらず、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させる、としてもよい。
前記第9の態様によると、コントローラは、過給圧が目標過給圧に達しているかに基づいて、第1カムセットから第2カムセットへの切替を実行する。これにより、例えば過給圧がある程度上昇した後に第1カムセットおよび第2カムセットの切替を行うことができ、過給圧をスムースに上昇させることができる。これにより、過給圧の急変を抑制し、ひいてはドライバビリティを良好に保つことができる。
以上説明したように、本開示によれば、高回転域におけるポンプロスの増加を抑制することができる。
図1は、エンジンの構成を例示する図である。 図2は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 図3は、排気弁の動弁機構の構成を例示する図である。 図4は、排気通路の切替について説明するための図である。 図5は、各カムセットに対応したリフトカーブを例示する図である。 図6は、エンジンの運転領域と、エンジンの制御方法の基本概念とを例示する図である。 図7は、エンジンの制御プロセスを例示するフローチャートである。 図8は、図7に対応したタイムチャートを例示する図である。 図9は、コンプレッサ出口圧力と、ポンプロスとの関係を例示するプロットである。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明は例示である。図1は、エンジンの構成を例示する図である。図2は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。図3は、排気弁の動弁機構の構成を例示する図である。図4は、排気通路の切替について説明するための図である。
エンジン1は、シリンダ2を有している。シリンダ2の中で、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程が繰り返される。エンジン1は、4ストロークエンジンである。また、エンジン1は、四輪の自動車に搭載される。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においては軽油である。
(エンジンの全体構成)
エンジン1は、シリンダブロック1aを備えている。シリンダブロック1aの内部には、複数のシリンダ2が形成されている。図1では、直列に並んだ4つのシリンダ2を示す。図1に示すエンジン1は、直列4気筒ディーゼルエンジンであると同時に、後述の過給機19を備えるターボ過給機付きエンジンでもある。
各シリンダ2内には、不図示のピストンが収容されている。このピストンは、シリンダ2と共に燃焼室を形成する。なお、「燃焼室」は、ピストンが圧縮上死点に至ったタイミングで形成される空間の意味には限定されない。「燃焼室」は、ピストンの位置に関わらず、シリンダ2等によって形成される空間を意味する場合がある。
このエンジン1は、シリンダ2毎に、2つの吸気ポート3,3と、2つの吸気弁4,4と、を備えている。2つの吸気ポート3,3は、シリンダ2毎に燃焼室上面に開口していて、シリンダ2の並び方向(気筒列方向)に直交する吸排気方向の一方(図1の上側)に設けられている。2つの吸気弁4,4は、それぞれ、対応する吸気ポート3,3を開閉する。
エンジン1はまた、シリンダ2毎に、第1および第2排気ポート5,6と、第1および第2排気弁7,8と、排気動弁機構9と、を備えている(排気動弁機構9は、図2にのみ示す)。第1および第2排気ポート5,6は、シリンダ2毎に燃焼室上面に開口していて、前記吸排気方向の他方(図1の下側)に設けられている。ここで、「吸排気方向の他方」は「吸排気方向の一方」の反対方向を指す。第1排気弁7は、第1排気ポート5を開閉する。第2排気弁8は、第2排気ポート6を開閉する。排気動弁機構9は、所定のバルブタイミングおよびバルブリフトを実現するように、第1排気弁7と第2排気弁8を駆動する。後述の如く、排気動弁機構9は、排気行程の初期よりも早い時期に第1排気弁7を開弁させる一方、該第1排気弁7よりも遅い時期に第2排気弁8を開弁させることができる。
ここで、排気動弁機構9は、図2および図3に示すようにカム切替型の可変バルブ機構によって構成されている。詳細は後述するが、排気動弁機構9は、第1カムセット9Aによって第1排気弁7および第2排気弁8を開弁させる第1モードと、第2カムセット9Bによって第1排気弁7および第2排気弁8を開弁させる第2モードと、を切替可能に構成されている。
エンジン1は、シリンダ2毎に燃料噴射弁10を備えている(図2にのみ図示)。燃料噴射弁10は、前記燃焼室上面の略上面に取り付けられていて、該燃焼室内に直接燃料を噴射する。
エンジン1は、各シリンダ2に供給される吸気が流れる吸気通路11を備えている。吸気通路11の下流端はシリンダ2の数だけ分岐していて、それぞれ、各シリンダ2の吸気ポート3,3に接続されている。一方、吸気通路11の上流端は、新気を濾過するエアクリーナ12に接続されている。吸気通路11の上流端と下流端との間には、上流側から順に、後述のタービン17によって駆動されて吸気を加圧するコンプレッサ13と、このコンプレッサ13によって加圧された吸気を冷却するインタークーラ14と、サージタンク15と、が設けられている。
エンジン1は、各シリンダ2から排出された排気ガスが流れる排気通路16を備えている。排気通路16は、各シリンダ2の第1および第2排気ポート5,6に接続されている。
詳しくは、排気通路16は、第1排気ポート5に接続されかつ前記タービン17が配置された第1排気通路161と、第2排気ポート6に接続されかつタービン17を迂回して第1排気通路161に合流する第2排気通路162と、を有している。排気通路16はさらに、タービン17上流側の第1排気通路161と、第2排気通路162と、を接続する第3排気通路163も有している。
さらに詳しくは、第1排気通路161の上流端は、シリンダ2の数だけ分岐していて、それぞれ、各シリンダ2の第1排気ポート5に接続されている。第1排気通路161には、上流側から順に、各第1排気ポート5に対応した分岐部と、第3排気通路163との接続部である第1接続部16aと、ケーシング18および該ケーシング18に収容されたタービン17と、第2排気通路162との合流部16bと、が設けられている。
なお、「第1排気通路」という名称は便宜的なものに過ぎず、当該通路を形成する配管の数等、その具体的な構成を限定するものではない。本実施形態における「第1排気通路」は、第1排気ポート5およびケーシング18を接続する一配管と、ケーシング18と、ケーシング18および前記合流部を接続する他配管と、によって構成される通路を含む。
ここで、排気通路16、特に第1排気通路161に設けられたタービン17と、吸気通路11に設けられた前記コンプレッサ13とによって、エンジン1の過給機19が構成されている。この過給機19はいわゆるターボ過給機であって、排気流速が低いときの過給性能が高くなるように、タービン17の直径および厚さの少なくとも一方が小さく設計された低速用の小型のものである。
一方、第2排気通路162の上流端は、第1排気通路161と同様にシリンダ2の数だけ分岐していて、それぞれ、各シリンダ2の第2排気ポート6に接続されている。第2排気通路162には、上流側から順に、各第2排気ポート6に対応した分岐部と、第3排気通路163との接続部である第2接続部16cと、後述の第2切替弁22と、第1排気通路161との合流部16bと、が設けられている。
第3排気通路163の上流端は、第2切替弁22上流の第2排気通路162に接続されている。一方、第3排気通路163の下流端は、タービン17上流の第1排気通路161に接続されている。第3排気通路163には、後述の第1切替弁21が設けられている。
ここで、第1切替弁21は、コントローラとしてのECU100と電気的に接続されている。第1切替弁21は、ECU100からの制御信号を受けて開閉することで、第3排気通路163の流路面積を変更することができる。
一方、第2切替弁22は、第2接続部16cよりも下流側かつ前記合流部16bよりも上流側の第2排気通路162に設けられていて、第1切替弁21と同様にECU100と電気的に接続されている。第2切替弁22は、ECU100からの制御信号を受けて開閉することで、第2排気通路162の流路面積を変更することができる。
また、第1排気通路161と第2排気通路162との合流部16bよりも下流側の第4排気通路164には、排気ガスを浄化する触媒20が配置されている(図4にのみ図示)。この触媒20は、第1排気通路161および第2排気通路162からの排気ガスを浄化した後に大気中に放出するようになっている。
(排気通路の詳細)
図4は、エンジン1の排気通路16のみを示している。このエンジン1は、ECU100が第1切替弁21および第2切替弁22を制御することで、第1切替弁21を閉弁しかつ第2切替弁22を開弁したブローダウン状態と、第1切替弁21を開弁しかつ第2切替弁22を閉弁した非ブローダウン状態と、を切り替えることができる。
具体的に、ブローダウン状態では、第1切替弁21の開度は全閉に設定される一方、第2切替弁22の開度は全開に設定されるようになっている。このブローダウン状態では、第1排気通路161から、第4排気通路164および触媒20へ至る途中にタービン17が介在するとともに、第2排気通路162から第4排気通路164および触媒20至る途中にタービン17が非介在となる。言い換えると、ブローダウン状態では、第1排気ポート5と触媒20との間にタービン17が配置され、第2排気ポート6と触媒20との間にタービン17が配置されない。
ブローダウン状態でエンジン1を運転すると、第1排気弁7から第1排気通路161に排出された排気ガスのみがタービン17を通過し、第2排気弁8から第2排気通路162に排出された排気ガスは、全てタービン17を迂回することになる。ブローダウン状態は、後述の第1定常モードおよび過渡モードで用いることができる。
また、非ブローダウン状態では、第1切替弁21の開度は全開に設定される一方、第2切替弁22の開度は、第1切替弁21よりも閉じ側に設定されるようになっている。つまり、非ブローダウン状態における「第2切替弁22の閉弁」とは、第2切替弁22を全閉にすることには限定されず、第1切替弁21よりも相対的に閉弁することを指す。この非ブローダウン状態では、ブローダウン状態と同様に、第1排気通路161から第4排気通路164および触媒20へ至る途中にタービン17が介在する。同様に、非ブローダウン状態では、第2排気通路162から第4排気通路164および触媒20へ至る途中にもタービン17が介在するようになる。言い換えると、非ブローダウン状態では、第1排気ポート5と触媒20との間にタービン17が配置されるとともに、第2排気ポート6と触媒20との間にもタービン17が配置される。
非ブローダウン状態でエンジン1を運転すると、第1排気弁7から第1排気通路161に排出された排気ガスと、第2排気弁8から第2排気通路162に排出された排気ガスの少なくとも一部と、がタービン17を通過することになる。非ブローダウン状態は、第2定常モードで用いることができる。
(排気動弁機構の詳細)
図3は、エンジン1における特定のシリンダ2のみを示している。排気動弁機構9は、複数のシリンダ2で共通のカム軸96と、シリンダ2毎に1つずつ設けられた軸受部90、第1カム要素部91および第2カム要素部92を備えている。
排気動弁機構9はまた、シリンダ2毎に2つずつ、電磁式アクチュエータ93,93と、リターンスプリング94,94と、ロッカーアーム95,95と、端面カム97,97と備えている。これらの要素は、第1排気弁7を駆動するための要素と、第2排気弁を駆動するための要素とに2分されるものであり、その詳細な構造は、第1排気弁7と第2排気弁8とで概ね共通である。
リターンスプリング94,94は、第1および第2排気弁7,8を閉方向に付勢する。カム軸96は、第1および第2排気弁7,8の基端部(燃焼室から離れる方向における端部)付近に配置されており、ロッカーアーム95,95を介してリターンスプリング94,94の付勢力に抗して第1および第2排気弁7,8を開弁する。カム軸96は、エンジン1に取り付けられた軸受部90に回転自在に支持されている。カム軸96は、不図示のクランクシャフトにより、チェーンを介して回転駆動される。
第1および第2カム要素部91,92は、それぞれ略筒状に形成されており、双方ともカム軸96にスプライン嵌合されている。第1および第2カム要素部91,92は、カム軸96に対して回転方向に結合して一体回転するとともに、カム軸96の軸方向(カム軸方向)にスライド可能に嵌合されている。第1および第2カム要素部91,92は、図示は省略するが、各シリンダ2に対応するように、カム軸96上でカム軸方向に列状に配置されている。
第1カム要素部91は、カムローブの形状を異ならせた2つのカムプロフィールを有している。以下、2つのカムプロフィールのうちの一方を第1カムプロフィール911とし、他方を第3カムプロフィール913とする。第1カム要素部91の第1カムプロフィール911および第3カムプロフィール913は、双方とも第1排気弁7を開弁させるためのカムプロフィールである。
具体的に、第1カム要素部91の第1カムプロフィール911および第3カムプロフィール913は、カム軸方向に隣接するように設けられており、いずれか一方を第1排気弁7側に配置されたロッカーアーム95のカムフォロア95aに摺接させることで、各カムプロフィールに対応した開弁角となるように第1排気弁7を開弁させることができる。
第1カムプロフィール911は、少なくとも排気行程の初期よりも早い時期に第1排気弁7を開弁させるように構成されており、第2排気弁8を開弁させる後述の第2カムプロフィール912とともに第1カムセット9Aを構成している。
第3カムプロフィール913は、第1カムプロフィール911および第2カムプロフィール912よりも開弁角が大きく設定されており、第2カム要素部92に設けられた共通の第3カムプロフィール913と対をなす。一対の第3カムプロフィール913,913によって、第2カムセット9Bが構成されている。
第2カム要素部92は、第1カム要素部91と同様に、カムローブの形状を異ならせた2つのカムプロフィールを有している。以下、2つのカムプロフィールのうちの一方を第2カムプロフィール912とし、他方を第3カムプロフィール913とする。第2カム要素部92の第2カムプロフィール912および第3カムプロフィール913は、双方とも第2排気弁8を開弁させるためのカムプロフィールである。
具体的に、第2カム要素部92の第2カムプロフィール912および第3カムプロフィール913は、カム軸方向に隣接するように設けられており、いずれか一方を第2排気弁8側に配置されたロッカーアーム95のカムフォロア95aに摺接させることで、各カムプロフィールに対応した開弁角となるように第2排気弁8を開弁させることができる。
第2カムプロフィール912は、第1排気弁7よりも遅い時期に第2排気弁8を開弁させるように構成されており、第1カムプロフィール911とともに前記第1カムセット9Aを構成している。
第2カム要素部92の第3カムプロフィール913は、第1カム要素部91の第3カムプロフィール913と共通である。つまり、2つの第3カムプロフィール913は、第1および第2排気弁7,8を位相差なく同じ開弁角で開弁するようになっている。第2カム要素部92の第3カムプロフィール913は、第1カム要素部91の第3カムプロフィール913と対をなす。一対の第3カムプロフィール913,913によって、前記第2カムセット9Bが構成されている。
第1カム要素部91におけるカム軸方向の一端側(図4の紙面左側)と、第2カム要素部92におけるカム軸方向の他端側(図4の紙面右側)とには、それぞれ端面カム97が設けられている。各端面カム97は、回転方向に対して基準面からカム軸方向のリフト量が漸増し、リフト終了位置で基準面に戻るように形成されている。
電磁式アクチュエータ93は、第1および第2カム要素部91,92それぞれの径方向(カム軸96の径方向)外側かつ、カム軸方向における両側の端面カム97に対応する位置に配置されている。電磁式アクチュエータ93は、通電時にカム軸96に向かって突出可能なピン部93aを有する。ECU100からの制御信号に応じて、電磁式アクチュエータ93に通電されていない状態では、ピン部93aは、アクチュエータ内部に設けられた永久磁石によって径方向外側の不作動位置に保持される。一方、電磁式アクチュエータ93に通電されると、ピン部93aは、永久磁石に抗して径方向内側へ突出し、作動位置に進出する。
前記ピン部93aが作動位置に進出すると、ピン部93aの先端部が対応する端面カム97に摺接することになり、第1および第2カム要素部91,92が一体的にカム軸方向へスライドされる。
具体的に、第1カム要素部91の前記一端側の電磁式アクチュエータ93を作動させて、ピン部93aを第1カム要素部91の一端側の端面カム97に摺接させると、第1カム要素部91および第2カム要素部92は、カム軸方向の前記他端側にスライドする。このスライドによって、2つの第3カムプロフィール913がそれぞれ第1排気弁7側のロッカーアーム95と第2排気弁8側のロッカーアーム95とに摺接するようにシフトする。このシフトが完了すると、第1排気弁7および第2排気弁8は、2つの第3カムプロフィール913によって構成された第2カムセット9Bによって開閉するようになる。
一方、第2カム要素部92の他端側の電磁式アクチュエータ93を作動させて、ピン部93aを第2カム要素部92の他端側の端面カム97に摺接させると、第1カム要素部91および第2カム要素部92は、カム軸方向の一端側にスライドする。このスライドによって、第1カムプロフィール911が第1排気弁7側のロッカーアーム95に摺接するとともに、第2カムプロフィール912が第2排気弁8側のロッカーアーム95に摺接するようにシフトする。このシフトが完了すると、第1排気弁7および第2排気弁8は、第1カムプロフィール911および第2カムプロフィール912によって構成された第1カムセット9Aによって開閉するようになる。
このように、第1カム要素部91および第2カム要素部92をカム軸方向にスライドさせることで、第1カムセット9Aまたは第2カムセット9Bへの切替を行うことができる。端面カム97および電磁式アクチュエータ93によって、本実施形態におけるカム切替部が構成されている。
(開弁角の詳細)
第1カムセット9Aに切り替えられた状態では、第1カムプロフィール911によって第1排気弁7が開閉され、第2カムプロフィール912によって第2排気弁8が開閉される。一方、第2カムセット9Bに切り替えられた状態では、第3カムプロフィール913によって第1排気弁7と第2排気弁8とが開閉される。
-バルブタイミング-
図5は、各カムセットに対応したリフトカーブを例示する図である。
図5には、第1カムセット9Aにおける開弁角を例示すべく、第1カムプロフィール911による第1排気弁7のリフトカーブL1と、第2カムプロフィール912による第2排気弁8のリフトカーブL2と、が図示されている。図5にはまた、第2カムセット9Bにおける開弁角を例示すべく、第3カムプロフィール913による第1排気弁7および第2排気弁8のリフトカーブL3も図示されている。
第1カムプロフィール911は、図5に示すように、第1排気弁7の開弁時期(第1開弁時期)EO1を、第3カムプロフィール913による第1排気弁7の開弁時期(第3開弁時期)EO3よりも早い時期に設定する。
具体的に、第1カムプロフィール911による第1排気弁7の開弁時期EO1、つまり第1開弁時期EO1は、エンジン1の燃焼行程の中期に設定され、第3開弁時期EO3は、エンジン1の燃焼行程の中期後半から終期前半までの期間内に設定されるようになっている。
ここで、燃焼行程の中期とは、燃焼行程を初期、中期および終期に3等分した場合の中期を指す。燃焼行程の終期についても同様である。また、「中期後半」および「終期前半」とは、それぞれ、対応する期間を2分したときの後半および前半を指す。
第1カムプロフィール911はまた、第1排気弁7の閉弁時期(第1閉弁時期)EC1を、第3開弁時期EO3よりも遅く、かつ第3カムプロフィール913による第1排気弁7の閉弁時期(第3閉弁時期)EC3よりも早い時期に設定する。
具体的に、第1カムプロフィール911による第1排気弁7の閉弁時期EC1、つまり第1閉弁時期EC1は、エンジン1の排気行程の初期に設定され、第3閉弁時期EC3は、エンジン1の排気行程の終期後半に設定されるようになっている。
ここで、排気行程の初期とは、排気行程を初期、中期および終期に3等分した場合の中期を指す。排気行程の終期についても同様である。また、「終期後半」とは、「中期後半」と同様に、終期を2分したときの後半を指す。
第2カムプロフィール912は、図5に示すように、第2排気弁8の開弁時期(第2開弁時期)EO2を、第1開弁時期EO1、および、第3カムプロフィール913による第2排気弁8の開弁時期、つまり第3開弁時期EO3よりも遅く、かつ、第1閉弁時期EC1、および、第3カムプロフィール913による第2排気弁8の閉弁時期、つまり第3閉弁時期EC3よりも早い時期に設定する。
具体的に、第2カムプロフィール912による第2排気弁8の開弁時期EO2、つまり第2開弁時期EO2は、エンジン1の燃焼行程の終期後半に設定されるようになっている。
第2カムプロフィール912はまた、第2排気弁8の閉弁時期(第2閉弁時期)EC2を、第1閉弁時期EC1よりも遅く、かつ第3カムプロフィール913による第2排気弁8の閉弁時期、つまり第3閉弁時期EC3と略同じ時期に設定する。
具体的に、第2カムプロフィール912による第2排気弁8の閉弁時期EC2、つまり第2閉弁時期EC2は、エンジン1の排気行程の終期後半に設定されるようになっている。
具体的に、第1カムプロフィール911による第1排気弁7の閉弁時期EC1は、エンジン1の排気行程の初期に設定され、第3カムプロフィール913による第1排気弁7の閉弁時期EC3は、エンジン1の排気行程の終期後半に設定されるようになっている。
また、図5に示すように、第1カムプロフィール911による第1排気弁7のリフトカーブL1と、第2カムプロフィール912による第2排気弁8のリフトカーブL2とは、燃焼行程と排気行程との境界をなす下死点(Bottom Dead Center:BDC)を含んだ期間内でオーバーラップするようになっている。
-バルブリフト-
第1カムプロフィール911は、第1排気弁7のリフト量(第1リフト量)を、第3カムプロフィール913による第1排気弁7のリフト量(第3リフト量)、および、第2カムプロフィール912による第2排気弁8のリフト量(第2リフト量)よりも小さく設定する。図5に示すように、第1リフト量のピーク位置P1は、第3開弁時期EO3と、第2開弁時期EO2と、の間に位置する。
第2カムプロフィール912は、第2排気弁8のリフト量(第2リフト量)を、第3カムプロフィール913による第2排気弁8のリフト量(第3リフト量)よりも小さく設定する。図5に示すように、第2リフト量のピーク位置P2は、第1閉弁時期EC1と、第3閉弁時期EC3と、の間に位置する。また、第3リフト量のピーク位置P3は、第2リフト量のピーク位置P2と、第2閉弁時期EC2と、の間に位置する。
(エンジンの制御系)
エンジンの制御装置は、図2に示すように、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)100を備えている。このECU100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラである。ECU100は、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)およびROM(Read Only Memory)により構成されてプログラムおよびデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。ECU100は、コントローラの一例である。
ECU100には、図2に示すように、各種のセンサSW1~SW3が接続されている。センサSW1~SW3は、各々の検知信号をECU100に入力する。
具体的に、センサSW1~SW3には、吸気通路11におけるコンプレッサ13の下流に配置され、該コンプレッサ13によって加圧された直後のガスの圧力(以下、これを「過給圧」と定義する)を検知する過給圧センサSW1と、エンジン1に取り付けられ、エンジン回転数を検知する回転数センサSW2と、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサSW3と、が含まれる。
ECU100は、それらの検知信号に基づいてエンジン1の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ECU100は、計算された制御量に係る制御信号を、カム切替部を構成する電磁式アクチュエータ93、燃料噴射弁10、第1切替弁21および第2切替弁22に出力する。
例えばECU100は、アクセル開度センサSW3の検知信号から得られるアクセル開度に基づいて、エンジン1の負荷の目標値(目標負荷)を算出する。ECU100は、算出された目標負荷と、回転数センサSW2の検知信号から得られるエンジン回転数とに基づいて、前記過給圧の目標値(目標過給圧)、燃料噴射弁10から噴射すべき燃料量、第1切替弁21および第2切替弁の開度の目標値(目標開度)、ならびに、電磁式アクチュエータ93の作動状態を決定する。
ECU100は、そうして算出された開度等を実現するように、第1切替弁21および第2切替弁22の開閉を制御したり、カム切替部によるカムの切り替えを制御したりするようになっている。ECU100によるエンジン1の制御の詳細は、後述する。
(エンジンの運転領域)
図6は、エンジン1の運転領域と、エンジン1の制御方法の基本概念とを例示する図である。図6に示すように、エンジン1の運転領域は、負荷(トルク)の高低およびエンジン回転数の高低に応じて、複数の領域に分けられている。具体的に、エンジン1の運転領域には、第1回転数Thよりも低回転側の第1領域R1と、この第1回転数Th1よりも高回転側の第2領域R2と、が含まれる。
ここで、第1回転数Th1は、エンジン1の負荷が高い場合には、該負荷が低い場合に比して低くなるように設定される。つまり、第1領域R1は、低負荷かつ低回転域の運転領域となり、第2領域R2は、高負荷かつ高回転域の運転領域となる。第1領域R1と第2領域R2との間の境界は、負荷が高くなるほど低回転側に推移し、エンジン回転数が高くなるほど低負荷側に推移するようになっている。
また、図6に示すように、第1回転数Th1は、最低負荷(縦軸の値=0)においても0を上回る値となる。本実施形態に係るECU100は、負荷の高低に応じて2分されたうちの低負荷側の運転領域では、後述の第1定常モードと第2定常モードを両方とも実行することができる。ECU100は、2分されたうちの高負荷側の運転領域では、負荷の大きさに応じて、第2定常モードのみを実行することができる。
本実施形態に係るECU100は、第1領域R1ではブローダウン過給方式に相当する第1定常モードでエンジン1を運転し、第2領域R2では通常の過給方式に類似した第2定常モードでエンジン1を運転し、第1領域R1から第2領域R2へ移行する過渡時には、ブローダウン過給方式とも通常の過給方式とも異なる過渡モードでエンジン1を運転する。
(第1定常モード)
-第1定常モードの基本概念-
図6に示すように、ECU100は、エンジン回転数が第1回転数Th1よりも低い場合、すなわちエンジン1の運転状態が第1領域R1にある場合には、ブローダウン過給方式に相当する第1定常モードでエンジン1を運転する。
具体的に、第1定常モードでは、ECU100は、第1切替弁21および第2切替弁22を制御することで、第1切替弁21を閉弁させかつ第2切替弁22を開弁させたブローダウン状態に排気通路16を設定する(図6の符号M1を参照)。ブローダウン状態では、第1排気弁7から第1排気通路161に排出された排気ガスは、タービン17を通過して触媒20に導かれるとともに、第2排気弁8から第2排気通路162に排出された排気ガスは、タービン17を迂回して触媒20に排出されることになる。
さらに具体的には、第1定常モードにおいて、ECU100は、第1切替弁21の開度を全閉状態に設定し、第2切替弁22の開度を全開状態に設定する。
第1定常モードではさらに、ECU100が電磁式アクチュエータ93を制御することで、第1カムセット9Aによって第1排気弁7および第2排気弁8を開弁させる。これにより、少なくとも排気行程の初期よりも早い時期EO1に第1排気弁7が開弁し、その第1排気弁7よりも遅れた時期EO2に第2排気弁8が開弁することになる。
第1定常モードでは、いわゆるブローダウン過給が実現される。すなわち、排気行程の初期よりも早いタイミングで第1排気弁7を開弁すると、その開弁に伴って高圧の排気ガスが第1排気通路161に噴出されて、その高圧の排気ガスがタービン17を回転させる。その一方、第1排気弁7よりも遅いタイミングで第2排気弁8を開弁することで、第1排気弁7から排出しきれなかった排気ガスが、タービン17を迂回して車外に排出される。
第1定常モードにおいて、第1排気通路161はタービン17を介し触媒20に接続される一方、第2排気通路162は、タービン17を介さずに触媒20に接続されることになる。タービン17を経由しない分、第2排気通路162は第1排気通路161よりも低圧となる。これにより、第2排気弁8のポンプロス(押出損失)が抑制される。それに加え、第2排気弁8の開弁時期EO2を遅くしたことより、シリンダ2内の排気ガスは低ポンプロスで排出されることになる。
一方、第2排気通路162を介して排気ガスを排出させると、タービン17を通過する排気ガス量が減少することになる。タービン17を通過する排気ガス量が減少した分だけ、過給圧の低下が懸念される。しかしながら、第1カムセット9Aを用いて第1排気弁7の早期開弁を行うことで、高圧の排気ガスを噴出させて過給圧を確保することができる。
一般に、過給圧の増加に伴って吸気弁4のポンプロス(吸入損失)は低下する。そのことと、前述した第2排気弁8の押出損失の抑制とが相まって、エンジン1全体のポンプロスは、過給圧を増加させるほど低下する傾向にあると考えられていた。
しかしながら、本願発明者らが前記第1定常モードのようなブローダウン過給方式について検証したところ、新たな知見が発見された。すなわち、エンジン回転数が低いときには前述の傾向が確認されたものの、エンジン回転数が高いときには、過給圧を増加させるほどポンプロスの増加を招く傾向にあることが新たに見出された。
-ブローダウン過給方式の課題-
図9は、コンプレッサ出口圧力と、ポンプロスとの関係を例示するプロットである。図9の横軸は、コンプレッサ13の出口圧力、つまり過給圧を示し、図9の縦軸は、排気弁に起因した押出損失と、吸気弁に起因した吸入損失とを合算してなるポンプロスの大きさを示すPMEP(Pumping Mean Effective Pressure)である。図9に示すプロットは、縦軸の値が大きいほどポンプロスは低く、燃費性能に優れることを意味している。
また、図9の菱型のプロットG1は、1000rpm付近の低回転域に相当し、丸型のプロットG2は2000rpm付近の中回転域に相当し、四角のプロットG3は、3000rpm付近の高回転域に相当する。これら3種のプロットは、いずれも、上記第1定常モードと同様に、ブローダウン過給方式を行うエンジンに対してシミュレーションを行うことで得られたものである。
プロットG1に示す低回転域では、従来の知見と同様に、過給圧の増加に伴って、ポンプロスは、燃費性能を向上させる方向に変化していくことになる。一方、プロットG2に示す中回転域では、低回転数ほどではないが、過給圧の増加に伴って、ポンプロスは若干低下ないし略一定の値で推移するようになっている。また、プロットG2は、各過給圧において、プロットG1よりもポンプロスが悪化していることも示している。
ところが、プロットG3に示す高回転域では、従来の知見とは異なり、過給圧の増加に伴って、ポンプロスは高くなっていくことが判明した。また、プロットG3は、各過給圧において、プロットG1およびプロットG2よりもポンプロスが悪化していることも示している。
本願発明者らは、新たに見出された傾向について、その要因を鋭意分析した。その結果、第2排気弁8による排気抵抗の増加が主要因であることが判明した。すなわち、高回転域では所定時間あたりの燃焼回数が多いため、排気ガスの総量は多くなる。第2排気弁8の面積が限られているため、多量の排気ガスを排出するにはより多くのポンプ仕事が必要となる。
第2排気弁8のポンプ仕事を抑制するための方策としては、例えば第1排気弁7による排気量を増加させることが考えられる。しかしながら、第1排気弁7によって開閉される第1排気通路161は相対的に高圧のため、第1排気弁7に多量のポンプ仕事を課すことになり不都合である。
そこで、本願発明者らは、前記第1領域R1よりも高回転側の第2領域R2では、前記第1定常モードとは異なる第2定常モードでエンジン1を運転することを、新たに想到した。
(第2定常モード)
-第2定常モードの基本概念1(通路切替)-
図6に示すように、ECU100は、エンジン回転数が第1回転数Th1以上または第1回転数Th1よりも高い場合、すなわちエンジン1の運転状態が第2領域R2にある場合には、エンジン1をブローダウン過給方式とは異なる第2定常モードでエンジン1を運転する。第1定常モードから第2定常モードへの切替は、例えばECU100が第1切替弁21および第2切替弁22を制御することで実行可能である。
具体的に、第2定常モードでは、ECU100は、第1切替弁21および第2切替弁22を制御することで、第1切替弁21を開弁させかつ第2切替弁22を閉弁させた非ブローダウン状態に排気通路16を設定する(図6の符号M2を参照)。この非ブローダウン状態では、第1排気通路161がタービン17と接続されるのに加え、第2排気通路162もまた、第3排気通路163および第1排気通路161を介してタービン17と接続されることになる。この場合、第2排気弁8の開弁によって排出される排気ガスは、第1排気弁7に係る排気ガスと同様に、第1排気通路161を介してタービン17に案内される。これにより、過給圧をさらに高めることができるため、吸気弁4の低ポンプロス化を実現することができる。その結果、高回転域であっても、エンジン全体でのポンプロスの増加を抑制することが可能になる。
図9における三角のプロットG4は、3000rpm付近の高回転域において、第1および第2切替弁21,22の切替、ならびに、後述のカム切替のうちの一方を行った場合のポンプロスを示している。図9に示すように、プロットG4は、各過給圧において、プロットG3よりもポンプロスが向上していることを示している。また、過給圧の増加に伴って、プロットG4に示すポンプロスは、プロットG3に示すポンプロスよりも緩やかに変化していく。
また、図6に示すように、第1回転数Th1は、負荷が高くなるほど低めに設定される。言い換えると、エンジン回転数が低くなるほど、より高めの負荷であっても「エンジン回転数<第1回転数Th1」の関係が満足されて、第1定常モードでエンジン1が運転されることになる。前述のように、第1定常モードの高回転側でポンプロスの増加が懸念されるため、このように設定することで、燃費効率の最大化に有利になる。
ここで、第2定常モードにおいて「第2切替弁22を閉弁させる」とは、第2切替弁22を全閉状態にすることには限定されない。第2切替弁22の開度は、少なくとも、全開状態よりも閉じ側、または、第1切替弁21よりも閉じ側に設定すればよい。例えば、本実施形態に係るECU100は、エンジン回転数が第1回転数Th1よりも高い場合には、第2切替弁22の開度を全開状態よりも閉じ側に設定する。
さらに具体的には、第2定常モードにおいて、ECU100は、第1切替弁21の開度を全開状態に設定し、第2切替弁22の開度を全閉状態、または全開状態よりも閉じ側に設定する。
そして、ECU100は、第2定常モードにおいてエンジン1の負荷が高いときには、該負荷が低いときに比して第2排気通路162の流路面積が大きくなるように、第2切替弁22の開度を調整する。ECU100は、エンジン1の負荷が高いときには、低いときに比して第2切替弁22の開度を大きく設定してもよい。
例えばECU100は、第2領域R2を高回転高負荷領域と低回転低負荷領域とに2分して、前者の領域で第2切替弁22の開度調整を実施する。その場合、第2領域R2を2分する回転数(第2回転数Th2)は、前記第1回転数Th1と同様に、エンジン1の負荷が高いときには、低いときよりも高く設定することができる。このように設定することで、第2回転数Th2は、前記第1回転数Th1と略平行に変化することになる。
図6のA1に示すように、第2領域R2の高回転高負荷領域において、ECU100は、エンジン1の負荷が高いときには、該負荷が低いときよりも開度(W/G開度)を大きくするように、第2切替弁22を制御する。言い換えると、第2切替弁22の開度(W/G開度)は、エンジン1の負荷が高くなるほど大きくなるように設定される。
この場合、ECU100は、第2排気弁8の開弁によって排出される排気ガスの一部をタービン17に案内しつつ、残りの排気ガスにはタービン17を迂回させることになる。タービン17に案内される排気ガス量は、第2切替弁22の開度調整を通じて制御される。こうすることで、第2切替弁22をいわゆるウェイストゲートバルブとして活用し、ひいては過給圧を安定させることができるようになる。
-第2定常モードの基本概念2(カム切替)-
図6に示すように、本実施形態に係るECU100は、エンジン回転数が第1回転数Th1以上または第1回転数Th1よりも高い場合、すなわちエンジン1を第2定常モードで運転させる場合には、前述のブローダウン状態から非ブローダウン状態への切替に加えて、第2カムセット9Bによって第1および第2排気弁7,8を開閉させるように構成されている。第2カムセット9Bへの切替は、ECU100が少なくとも電磁式アクチュエータ93を制御することで実行可能である。
具体的に、ECU100は、低回転側の第1領域R1では第1カムセット9Aによって第1および第2排気弁7,8を開閉させる一方、高回転側の第2領域R2では第2カムセット9Bによって第1および第2排気弁を開閉させる(図6の符号M2を参照)。第2カムセット9Bを構成する第3カムプロフィール913は、第1カムセット9Aを構成する第1および第2カムプロフィール911,912よりも開弁角が大きい。そのため、排気効率が向上し、高回転域における第1および第2排気弁7,8の押出損失を抑制することができる。第1および第2切替弁21,22の制御による吸気弁4の低ポンプロス化と相まって、エンジン1全体でのポンプロスの増加を抑制することが可能になる。
図9におけるクロス状のプロットG5は、3000rpm付近の高回転域において、第1および第2切替弁21,22の切替と、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替と、を双方とも行った場合のポンプロスを示している。図9に示すように、プロットG4は、各過給圧において、プロットG3およびプロットG4よりもポンプロスが向上していることを示している。また、過給圧の増加に伴って、プロットG5に示すポンプロスは、プロットG3およびプロットG4に示すポンプロスとは異なり、緩やかに変化していく。
ここで、図5を用いて説明したように、第1カムプロフィール911は、第1排気弁7の開弁時期EO1を燃焼行程の中期に設定する。これにより、例えば燃焼行程の終期に設定された場合と比較して開弁角を大きく設定し、バルブ加速度を低減することができる。そのことで、リフト量を可能な限り大きくしながらも、バルブジャンプの発生を抑制することができる。また、燃焼行程の中期に設定すると、例えば燃焼行程の初期に設定された場合と比較して、燃焼トルクへの影響を抑制する上でも有利になる。
また、図5を用いて説明したように、第2カムプロフィール912は、第2排気弁8の開弁時期EO2を燃焼行程の終期に設定する。これにより、例えば排気行程の初期に設定された場合と比較して開弁角を大きく設定し、バルブ加速度を低減することができる。そのことで、リフト量を可能な限り大きくしながらも、バルブジャンプの発生を抑制することができる。
また一般に、高回転側では第2排気弁8が高速で動作することになるため、従来の構成では第2排気弁8のバルブジャンプの発生が懸念されていた。しかしながら、本実施形態の場合、高回転側の第2領域R2では第2カムプロフィール912は使用されないため、リフト量を従来よりも大きくすることができる。
そこで、図5を用いて説明したように、第2カムプロフィール912は、第2排気弁8のリフト量を、第1カムプロフィール911による第1排気弁7のリフト量よりも相対的に大きく設定する。これにより、タービン17を迂回させる排気ガス量を十分に確保することができ、ひいては第2排気弁8の押出損失の抑制に有利になる。ここで、第2カムプロフィール912による第2排気弁8のリフト量を、第3カムプロフィール913による第2排気弁8のリフト量よりも相対的に小さく設定することで、バルブジャンプの発生をより確実に抑制することができる。
(過渡モード)
図6に示すように、ECU100は、第1領域R1から第2領域R2への移行に際し、エンジン1を過渡モードで運転する。この過渡モードにおいて、ECU100は、第1切替弁21を開弁させかつ第2切替弁22を閉弁させるタイミング、つまりブローダウン状態から非ブローダウン状態へと切り替えるタイミングと、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへ切り替えるタイミングと、を相違させることができる。
第1切替弁21を開弁させかつ第2切替弁22を閉弁させること、および、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替は、双方とも過給圧の増加を招く。そのため、過給圧が低い状態から高い状態への移行時にそれらの制御を同時に行ってしまうと、過給圧の急増を招く。過給圧の急増は、トルクショック、ひいてはドライバビリティの悪化を招くため不都合である。
そこで、図6に示す例では、第1定常モードから第2定常モードへの移行に際し、一時的に過渡モードを経由する。この過渡モードでは、第1切替弁21および第2切替弁22の開度切替のみが実行され、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替は猶予される(図6の符号M3を参照)。その後、ECU100は、例えば過給圧が目標過給圧に達したことを受けて、過渡モードから脱出して第2定常モードへと移行する。ECU100は、第2定常モードへの移行後に、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替を実行する。このように構成することで、過給圧をスムースに上昇させることができる。これにより、過給圧の急変を抑制し、ひいてはドライバビリティを良好に保つことができる。
例えば、本実施形態に係るECU100は、後述の図7および図8に示されるように、過給圧センサSW1の検出信号に基づいて、過給圧が目標過給圧に達しているか否かを判定する。そして、ECU100は、第1領域R1から第2領域R2への移行に際し、過給圧が目標過給圧に達していると判定されるまでの間、一時的に過渡モードでエンジン1を運転する。過渡モードの最中、ECU100は、第1カムセット9Aから第2カムセットへの切替を猶予するとともに、過給圧が目標過給圧に達しているか否かに拘わらず、ブローダウン状態から非ブローダウン状態への切替を実行する。
このように構成することで、例えば過給圧がある程度上昇した後に第1カムセット9Aおよび第2カムセット9Bの切替を行うことができ、過給圧をスムースに上昇させることができる。これにより、過給圧の急変を抑制し、ひいてはドライバビリティを良好に保つことができる。
さらに具体的には、過渡モードにおいて、ECU100は、第1切替弁21の開度を全開状態に設定し、第2切替弁22の開度を全閉状態、または全開状態よりも閉じ側に設定する。
(制御プロセスの具体例)
続いて、前記基本概念を実施するための制御プロセスと、その制御プロセスを実施した場合におけるタイムチャートについて説明する。ここで、図7はエンジン1の制御プロセスを例示するフローチャートであり、図8は図7に対応したタイムチャートを例示する図である。
まず、図7のステップS1で、ECU100が過給圧センサSW1、回転数センサSW2およびアクセル開度センサSW3等の検出信号を読み込む。
続くステップS2で、ECU100は、ステップS1で読み込まれた検出信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判定する。具体的に、このステップS2で、ECU100はエンジン1の負荷を算出するとともに、算出された負荷とエンジン回転数とに基づいて、エンジン1の目標過給圧等を算出する。第1領域R1から第2領域R2への移行に際し、目標過給圧はより高く設定される。
続くステップS3で、ECU100は、ステップS2で算出された負荷に基づいて、第1領域R1および第2領域R2の境界となる第1回転数Th1を算出する。前述のように、第1回転数Th1は、エンジン1の負荷が大きくなるほど低くなる。
続くステップS4で、ECU100は、ステップS1で検出されたエンジン回転数と、
ステップS3で算出された第1回転数Th1に基づいて、現在のエンジン回転数が第1回転数Th1未満か否かを判定する。この判定は、現在の運転状態が第1領域R1内に在るか否かを判定することに等しい。ECU100は、この判定がYESの場合は制御プロセスをステップS5へ進める一方、NOの場合は制御プロセスをステップS6へ進める。
ステップS5で、ECU100は、エンジン1を第1定常モードで運転する。
例えば、図8の時間T1より前の期間のように、エンジン回転数が第1回転数Th1よりも低い場合、制御プロセスは、ステップS4からステップS5に進むことになる。この場合、ECU100は、第1切替弁21を閉弁し、これを全閉状態に設定する一方、第2切替弁22を開弁し、これを全開状態に設定する。ECU100はまた、第1カムセット9Aで第1排気弁7および第2排気弁8を開弁させる。ECU100は、運転状態が第1領域R1内に在る限り、第1定常モードでエンジン1を運転する。
その後、図8の時間T1でエンジン回転数が第1回転数Th1に達したものとする。この場合、ECU100は、現在の運転状態が第1領域R1外に在ると判定し、制御プロセスをステップS6へ進めることになる。
ステップS6で、ECU100は、ステップS1で読み込まれた過給圧センサSW1の検出信号に基づいて、検出された過給圧が目標過給圧Pcに達したか否かを判定する。ECU100は、この判定がYESの場合は制御プロセスをステップS7へ進める一方、制御プロセスがNOの場合は制御プロセスをステップS8へ進める。
ステップS8では、ECU100はエンジン1を過渡モードで運転する。一方、ステップS7では、ECU100はエンジン1を第2定常モードで運転する。
例えば図8の時間T1以降かつ時間T2より前の期間のように、エンジン回転数が第1回転数Th1より高くかつ過給圧が目標過給圧Pc未満の場合、制御プロセスは、ステップS6からステップS8へ進むことになる。この場合、ECU100は、第1切替弁21を開弁し、これを全開状態に設定する一方、第2切替弁22を閉弁し、これを全閉状態に設定する(つまり、排気通路16をブローダウン状態に設定する)。ECU100はまた、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替を保留し、第1カムセット9Aによる第1および第2排気弁7,8の開弁を継続する。ECU100は、エンジン回転数が第1回転数Th1より高い場合、過給圧が目標過給圧Pc未満である限り、過渡モードでエンジン1を運転する。
その後、図8の時間T2で過給圧が目標過給圧Pcに達したものとする。この場合、ECU100は、第1定常モードから第2定常モードへの移行を完了すべく、制御プロセスをステップS7へ進めることになる。この場合、ECU100は、排気通路16をブローダウン状態に設定しつつ、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替を実行し、第2カムセット9Bによる第1および第2排気弁7,8の開弁を開始する。
その後、図8の時間T3以降で、エンジン回転数が第2回転数Th2以上になったものとする。この第2回転数Th2は、例えば前記ステップS3で、エンジン1の負荷に基づいて算出してもよい。ECU100は、第2切替弁22を全閉状態から次第に開弁させ、これをウェイストゲートバルブとして活用する。これにより、過給圧を安定させることができる。その際、第2切替弁22の開度は、エンジン1の負荷が高いときには、負荷が低いときよりも大きくなるように設定される。
なお、図7のフローチャートに例示したように、エンジン1の運転状態が第1領域R1外に在る場合は、過給圧に関する判定に応じて過渡モードが実行されることになるが、エンジン1の運転状態が第1領域R1内に在る場合(言い換えると、エンジン回転数が第1回転数よりも低い場合)は、過渡モードに係るステップを経ることなく、直ちに第1定常モードが実行されるようになっている。
つまり、本実施形態に係るECU100は、高回転側から低回転側への移行時、つまり第2領域R2から第1領域R1への以降に際しては、第1切替弁21を閉弁させかつ第2切替弁22を開弁させること(排気通路16を非ブローダウン状態からブローダウン状態に切り替える処理)と、第2カムセット9Bから第1カムセット9Aへの切替と、を略同じタイミングで行うように構成されている。この処理は、第1領域R1から第2領域R2への移行と同様に、ECU100が第1切替弁21、第2切替弁22および電磁式アクチュエータ93を制御することで実行可能である。
《他の実施形態》
なお、前記実施形態では、第1領域R1から第2領域R2へ移行後の第2定常モードにおいて、排気通路16の非ブローダウン状態への切替と、第1カムセット9Aから第2カムセット9Bへの切替と、を共に行うように構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。例えば、排気通路16の切替のみを行うように構成してもよい。
また、前記実施形態では、過給圧が目標過給圧に達したことを受けて、過渡モードから第2定常モードへ移行するように構成されていたが、本開示は、そうした構成には限定されない。例えば、エンジン回転数が前記第2回転数Th2以上になった場合に、過渡モードから第2定常モードへ移行するように構成してもよいし、エンジン負荷に基づいて移行するように構成してもよい。
なお、ここに開示する技術が適用可能なエンジンは、前述した構成のエンジンに限らない。ここに開示する技術は、様々な構成のエンジンに適用可能である。本開示は、例えばターボ過給機付ロータリーエンジンに適用することができる。また、本開示は、ガソリンを燃料としたガソリンエンジンに適用することもできる。
1 エンジン
2 シリンダ
5 第1排気ポート
6 第2排気ポート
7 第1排気弁
8 第2排気弁
9 排気動弁機構
9A 第1カムセット
9B 第2カムセット
911 第1カムプロフィール
912 第2カムプロフィール
913 第3カムプロフィール
93 電磁式アクチュエータ(カム切替部)
97 端面カム(カム切替部)
11 吸気通路
13 コンプレッサ
16 排気通路
161 第1排気通路
162 第2排気通路
163 第3排気通路
17 タービン
19 過給機
21 第1切替弁
22 第2切替弁
100 ECU(コントローラ)
R1 第1領域
R2 第2領域
SW1 過給圧センサ
SW2 回転数センサ
Th1 第1回転数

Claims (9)

  1. エンジンのシリンダ毎に開口する第1排気ポートおよび第2排気ポートと、
    前記第1排気ポートを開閉する第1排気弁と、
    前記第2排気ポートを開閉する第2排気弁と、
    少なくとも排気行程の初期よりも早い時期に前記第1排気弁を開弁させる一方、該第1排気弁よりも遅い時期に前記第2排気弁を開弁させるように構成された排気動弁機構と、
    前記第1排気ポートおよび前記第2排気ポートに接続される排気通路と、
    前記排気通路に設けられるタービンおよび前記エンジンの吸気通路に設けられるコンプレッサによって構成される過給機と、を備えるエンジンの制御装置であって、
    前記排気通路は、
    前記第1排気ポートに接続され、前記タービンが配置される第1排気通路と、
    前記第2排気ポートに接続され、前記タービンを迂回して前記第1排気通路に合流する第2排気通路と、
    前記タービン上流側の前記第1排気通路と、前記第2排気通路と、を接続する第3排気通路と、を有し、
    前記第3排気通路に配置され、該第3排気通路の流路面積を変更する第1切替弁と、
    前記第3排気通路との接続部よりも下流側かつ前記第1排気通路との合流部よりも上流側の前記第2排気通路に配置され、該第2排気通路の流路面積を変更する第2切替弁と、
    エンジン回転数を検出する回転数センサと、
    前記回転数センサの検出信号に基づいて、前記第1切替弁および前記第2切替弁の開閉を制御するコントローラと、をさらに備え、
    前記コントローラは、前記第1切替弁および第2切替弁を制御することで、
    前記エンジン回転数が所定の第1回転数よりも低い場合には、前記第1切替弁を閉弁させかつ前記第2切替弁を開弁させる一方、
    前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させる
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  2. 請求項1に記載のエンジンの制御装置において、
    前記第1回転数は、前記エンジンの負荷が高い場合には、該負荷が低い場合に比して低くなるように設定される
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  3. 請求項1または2に記載のエンジンの制御装置において、
    前記コントローラは、前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第2切替弁の開度を全開状態よりも閉じ側に設定するとともに、前記エンジンの負荷が高いときには、該負荷が低いときに比して前記第2排気通路の流路面積が大きくなるように、前記第2切替弁の開度を調整する
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
    前記第1排気弁および前記第2排気弁を駆動する排気動弁機構をさらに備え、
    前記排気動弁機構は、
    少なくとも排気行程の初期よりも早い時期に前記第1排気弁を開弁させる第1カムプロフィール、および該第1排気弁よりも遅い時期に前記第2排気弁を開弁させる第2カムプロフィールによって構成される第1カムセットと、
    前記第1カムプロフィールおよび前記第2カムプロフィールよりも開弁角が大きく設定され、かつ前記第1排気弁と前記第2排気弁を開弁させる一対の第3カムプロフィールによって構成される第2カムセットと、
    前記第1カムセットまたは前記第2カムセットへの切替を行うカム切替部と、を有し、
    前記コントローラは、前記回転数センサの検出信号に基づいて、前記カム切替部による切替を制御するように構成され、
    前記コントローラは、前記カム切替部を制御することで、
    前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも低い場合には、前記第1カムセットによって前記第1排気弁および前記第2排気弁を開閉させ、
    前記エンジン回転数が前記第1回転数よりも高い場合には、前記第2カムセットによって前記第1排気弁および前記第2排気弁を開閉させる
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  5. 請求項4に記載のエンジンの制御装置において、
    前記第1カムプロフィールは、
    前記第1排気弁の開弁時期を、前記エンジンの燃焼行程の中期に設定し、
    前記第1排気弁の閉弁時期を、前記エンジンの排気行程の初期から中期までの期間内に設定する
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  6. 請求項4または5に記載のエンジンの制御装置において、
    前記第2カムプロフィールは、
    前記第2排気弁の開弁時期を、前記エンジンの燃焼行程の終期に設定し、
    前記第2排気弁の閉弁時期を、前記エンジンの排気行程の終期から吸気行程の初期までの期間内に設定する
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  7. 請求項4から6のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
    前記第1カムプロフィールは、前記第1排気弁のリフト量を、前記第3カムプロフィールによる前記第1排気弁のリフト量、および、前記第2カムプロフィールによる前記第2排気弁のリフト量よりも小さく設定し、
    前記第2カムプロフィールは、前記第2排気弁のリフト量を、前記第3カムプロフィールによる前記第2排気弁のリフト量よりも小さく設定する
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  8. 請求項4から7のいずれか1項に記載のエンジンの制御装置において、
    前記エンジンの運転領域は、
    前記第1回転数よりも低回転側の第1領域と、
    前記第1回転数よりも高回転側の第2領域と、を含み、
    前記コントローラは、前記第1領域から前記第2領域への移行に際し、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させるタイミングと、前記第1カムセットから前記第2カムセットへ切り替えるタイミングと、を相違させるように構成されている
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
  9. 請求項8に記載のエンジンの制御装置において、
    前記過給機の過給圧を検出する過給圧センサをさらに備え、
    前記コントローラは、前記エンジンの運転状態に応じて目標過給圧を設定し、
    前記コントローラは、前記過給圧センサの検出信号に基づいて、前記過給圧が前記目標過給圧に達しているか否かを判定し、
    前記コントローラは、前記第1領域から前記第2領域への移行に際し、
    前記過給圧が前記目標過給圧に達していると判定されるまでの間、前記第1カムセットから前記第2カムセットへの切替を猶予するとともに、
    前記過給圧が前記目標過給圧に達しているか否かに拘わらず、前記第1切替弁を開弁させかつ前記第2切替弁を閉弁させる
    ことを特徴とするエンジンの制御装置。
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