JP2673427B2 - 過給機付エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの幾何学的圧縮比すなわちの上死
点におけるシリング内容積と下死点における容積との比
が大きくなるように構成された過給機付エンジンに関
し、特に独特の吸気弁制御を行うようになった過給機付
エンジンに関する。 （従来技術） 従来から吸気充填量を高めこれによって高出力を得る
ようにするために過給機を備えたエンジンは公知であ
り、たとえば、実開昭56−171630号には、このような過
給機付エンジンの１例が開示されている。 しかし、過給圧が高く成り済ぎると燃焼室温度が不当
に上昇して、ノッキング等の異常燃焼が生じ、却って出
力性能の面で悪影響が生じる。このため従来では、幾何
学的圧縮比を高く設定することが出来ず、従って過給効
果のない低負荷時ではエンジンの熱効率が悪くなり必ず
しも満足の行く燃費性能を得ることが出来なかった。 また、高過給域における排気ガス温度抑制及び上記の
ようなノッキングの発生を抑えるために出力上の要求空
燃比混合気を濃くして、燃料の気化潜熱によって燃焼室
温度を低下させるようにする方法も知られている。しか
し、この方法では、エンジン出力に寄与しない燃料を供
給することとなるので燃費が悪化するという問題が生じ
る。 このため本出願は、高出力を得るために幾何学的圧縮
比を8.5以上の比較的高い値に設定し、かつ吸気弁の閉
弁時期を下死点よりも50度以上遅く設定して、有効圧縮
比、即ち吸気の実際の圧縮率が不当に大きくならないよ
うに制御してノッキングの発生を抑え、しかも排気ガス
温の上昇を抑え、その弊害を防止するように構成したエ
ンジンが提案されている。 （解決しようとする問題点） しかし、ノッキングの発生状況は、運転状態に応じて
変化するので吸気弁の閉弁時期は運転状態に応じて適正
に制御する必要がある。すなわち、上記のように運転状
態に係わらず吸気弁の閉弁時期を遅く設定するのは、ノ
ッキング対策として適正を欠くだけでなく、高出力性能
を得る目的で幾何学的圧縮比を高く設定した意義を減殺
することとなる。 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記事情に鑑みて構成されたもので、幾何学
的圧縮比を高く設定した過給機付エンジンにおいて、ノ
ッキングの発生を有効に抑制しつつ所望の出力性能を得
ることができるエンジンを提供することを目的としてい
る。 さらに、本発明は、燃費の面でも従来の過給機付エン
ジンに比して好ましい結果を得ることができる過給機付
エンジンを提供することを目的としている。 本発明の構成は、エンジンの幾何学的圧縮比が8.5と
なるように構成され、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁
閉時期変更手段と、 上記吸気弁閉時期変更手段をエンジンの高負荷高回転
時では吸気弁の閉時期を少なくとも下死点よりも50度以
上の遅い時期に設定する一方、 低回転時での吸気弁の閉時期を、低負荷時には、吸気
の吹き返しが生じる程度の閉時期に設定するとともに、 高負荷時には上記低負荷低回転の吸気弁閉時期よりも
早い閉時期に設定するように制御する制御手段とを備え
たことを特徴とする過給機付エンジンである。 （作用） 本発明によれば、エンジンの幾何学的圧縮比はすなわ
ちピストンが下死点にある状態でのシリンダ容積と、上
死点にある場合にシリンダ容積との比は、通常のエンジ
ン構成よりも高く設定されている。 また、吸気弁の閉弁時期は、変更できるようになって
いる。特に、吸気弁は、クランク角で上記下死点よりも
遅い側で閉弁時期が制御されるように、すなわち、遅閉
量が制御されるようになっている。 そして、通常の運転状態では、運転状態に応じて吸気
弁は比較的遅く閉じられるようになっている、すなわ
ち、クランク角において比較的大きい遅閉量が設定され
ている。 しかし、エンジンの低回転高負荷運転領域では相対的
に吸気弁は、早い時期に閉じられるように制御される。
すなわち、上記遅閉量が減少するように制御される。 なお、上記運転状態は、基本的には、エンジン回転数
及びエンジン負荷により決まるものでありエンジン負荷
は、たとえば、吸気管圧力、スロットル弁開度等を検出
することによって検出することができる。 （発明の効果） 本発明によれば、エンジンの低回転時での吸気弁の閉
時期を、低負荷時には、吸気の吹き返しが生じる程度の
閉時期に設定するようになっているので、ポンピングロ
スを抑えて燃費向上を図ることができるとともに、エン
ジンの低回転高負荷状態では、遅閉量が小さくなるよう
に制御されるので吸気慣性力の小さい当該領域において
吸気の吹き返し量を極力抑えることができ、したがって
高充填量を確保して所望の出力性能を発揮させることが
できる。 また、高負荷状態において回転数が増加すると過給圧
が増大して、吸気慣性力も増大するので上記のような吹
き返しの問題はなくなる。したがって、充填量の面での
要請は、満足することができる。しかしこの場合には、
過給気温度が上昇すること、及び断熱圧縮効果が強まる
こと等の理由から燃焼室温度が高くなってノッキングが
発生するという別の問題が発生する。 本発明によれば、上記のような運転状態では、吸気弁
の遅閉量を運転状態の変化に応じて制御しノッキングを
抑制し得る範囲内において極力高出力を確保することが
できる調和点において遅閉量を設定するようにしてい
る。 すなわち、本発明により有効に燃焼室温度上昇を抑制
することができ、ノッキングの防止及び高出力の確保の
両面での要請を満足させることができる。 また、本発明によれば、燃焼室温度の不当上昇を抑え
るにあたり、燃料の気化熱に依存しないので、また、幾
何学的圧縮比を大きく設定しているため、エネルギー効
率が良い、従って、燃費を改善することができる。 （実施例の説明） 以下、本発明の実施例につき、図面を参照しつつ説明
する。 第１図を参照すれば、第１図を参照すれば、本例のエ
ンジン１の内部にはピストン２が往復動自在に収容され
ており、このピストン２の上方空間は、燃焼室３を構成
している。この燃焼室３には吸気通路４および排気通路
５が連通しており、吸気弁６および排気弁７が各通路
４、５のそれぞれのポートに組合わされる。 吸気通路４の上流には、エアクリーナ7a、エアフロー
センサ８が取りつけられ、その下流側には、ターボスー
パーチャーヂャ10のコンプレッサ11が配置されている。 このコンプレッサ11の下流には、インタークーラ12及
びスロットル弁13がそれぞれ、この順で配置される。そ
して、スロットル弁13の下流にはサージタンク14が設け
られている。 さらに下流の燃焼室３の近傍には、燃料を噴射するイ
ンジェクタ15が取り付けられ吸気系を構成する。 さらに、エアクリーナ7aには、吸気温度を計測する吸
気温センサ7bが、スロットル弁13には、該弁の開度を検
出するスロットルセンサ13aが、そしてサージタンク14
には、吸気管圧力を検出する圧力センサ14aがそれぞれ
取り付けられる。 また、排気通路５には、コンプレッサ11と共通軸上に
タービン16が配置されるとともに、タービン16をバイパ
スして排気ガスを下流側に導くバイバス通路17が形成さ
れる。そして、このバイパス通路17には、ウエストゲー
ト弁18が配置されている。 また、タービン16の上流には、排気ガス中の酸素濃度
を検出することにより、空燃比を検出する空燃比センサ
19が取り付けられる。 さらに、本例のエンジン１には、エンジン振動を検出
することによりノッキングを検出するノックセンサ20が
取り付けられる。 本例にエンジンの動弁機構は、吸気弁６用のカムシャ
フト21及び、排気弁７用にカムシャフト22をそれぞれ備
えている。 吸気弁６及び排気弁７は、カムシャフト21及び22に形
成されたカムにより、タペット23、24を介して駆動され
る。本例の吸気弁６用タペット23はカムシャフト21に揺
動自在に支持された揺動部材25に保持されている。 この揺動部材25は、一端においてウォームギヤ26に係
合するようになっており、ウォームギヤ26は、モータ27
によって駆動されるようになっている。 ウォームギヤ26がモータ27によって駆動されるとウォ
ームギヤ26と揺動部材25との係合位置が変化し、タペッ
ト23とカムとの係合関係が変化する。これに応じて、吸
気弁６の開閉タイミングが変化することとなる。 また、エンジン１は、インジェクタ15に対する燃料噴
射量、あるいはモータ27に対する吸気弁６開閉タイミン
グを制御する信号、さらには、過給圧制御、点火時期制
御のための制御信号を出力する好ましくはマイクロコン
ピュータを含んで構成される電子コントロールユニット
28を設けられている。 コントロールユニット28には、エアフローセンサ８ら
の吸入空気量を表す信号、スロットル弁13の開度を表す
スロットルセンサ13aからの信号、ノックセンサ20から
のノッキングを表す信号、吸気温センサ7b、圧力センサ
14a、及び空燃比センサ19等からの信号あるいは、エン
ジン回転数を表す信号等が入力される。 コントロールユニット28は、上記入力信号を演算し
て、モータ27に対し吸気弁６の駆動制御信号を出力す
る。 また、インジェクタ15に対して所定の燃料噴射制御信
号を出力する。 以上の構成の過給機付エンジンに関し、吸気弁６の開
閉タイミングの制御について説明する。 第２図を参照すれば、本例の吸気弁６の制御のフロー
チャートが示されている。 第２図において、コントロールユニット28は先ず、シ
ステムを初期化するとともに、種々のデータを読み込む
（S1）。このデータには、エンジン回転数Ne、圧力セン
サ14aからの信号により吸気管内圧力Pb、スロットルセ
ンサ13aからの信号によりスロットル弁開御TA、またウ
ォームギヤ26と揺動部材25との係合位置から現在の吸気
弁６のカムポジションCAをそれぞれ読み込む。なお、吸
気弁６のカムポジションCAは、吸気弁６の開閉タイミン
グに関する情報である。 つぎに、コントロールユニット28は、スロットル弁開
度TAの変化率ΔTAの大きさからエンジンが加速状態かど
うかを判定する（S2）。 この場合、変化率ΔTAが所定値TA₀をこえる場合に
は、加速状態と判定する。 そして、コントロールユニット28は、ステップ（S2）
において加速状態でないと判定した場合には、次にエン
ジンがアイドル状態かどうかを判定する（S3）。 エンジンが、アイドル状態である場合には、コントロ
ールユニット28は、吸気弁６の開閉タイミングが基準と
なるタイミングとして設定されたベースタイミングにな
っているかどうかを判定する（S4）。このベースタイミ
ングでは、吸気弁６は実質的にピストンの下死点後20度
乃至40度程度において閉じる。すなわち、このときの遅
閉量は最小である。アイドル状態において吸気弁６の閉
弁タイミングがベースタイミングになっている場合に
は、コントロールユニット28はこのタイミングを修正し
ない。またベースタイミング以外の閉タイミングになっ
ている場合には、コントロールユニット28は、ベースタ
イミングになるようにウォームギヤ26のアクチュエータ
すなわちモータ27に遅閉量を最小にする信号を出力する
（S5）。これによって、吸気弁６に対する遅閉制御は解
除されることとなる。 この操作は、アイドレ状態のような極めて低回転かつ
低負荷の運転状態では、燃焼状態が不安定であり、この
ような状態で、吸気弁６の遅閉制御をおこなうと吸気の
吹き返しによって燃焼の不安定化を助長することとなる
ことを考慮したものである。 またステップ（S3）において、アイドル状態でないと
判定した場合には、コントロールユニット28は、吸気管
内圧力Pbの値が所定Pb₂以上かどうかを判定する（S
6）。この判定において吸気管内圧力Pbの値が所定Pb₂以
下の場合には、吸気弁６の遅閉量を最大に設定する（S
7）。この場合、遅閉量は、少なくとも下死点後、クラ
ンク角で50度以上に設定される。 このような運転領域において遅閉制御を行うようにし
ているのは、吸気の吹き返し現象を積極的に生じさせる
ことにより、ポンピングロスの低減を図り、燃費を向上
させることを意図したものである。 このような運転領域では、エンジン負荷がそれ程大き
くないので、スロットル弁13の開度も比較的小さい。従
って、スロットル弁13によるポンピングロスが大きいと
いう問題がある。このような領域において、吸気弁６の
遅閉制御を行うと吸気の吹き返しが生じることとなる
が、この吸気の吹き返しによる充填量の損失を補うた
め、スロットル弁13の開度が増大して、これによってポ
ンピングロスが減少して却って低燃費化を図ることがで
きる。 また、ステップ（S6）において吸気管内圧力Pbの値が
所定Pb₂以上の場合には、エンジン回転数Ne及び吸気管
内圧力Pbのマップから適正なカムポジションCAを算出す
る（S8）。この場合、適当に吸気の吹き返しを生じさせ
てノッキングが生じないような吸気弁６の閉タイミング
は、運転状態に応じて変化する。したがって、このマッ
プには、運転状態をエンジン回転数Neと吸気管内圧力Pb
の値で評価し、この変数との関係で、カムポジションCA
がそれぞれ設定されている。 そして、コントロールユニット28は、算出されたカム
ポジションCAの値に基づき、モータ27の駆動信号を出力
する（S9）。 以上のアイドル状態およびその後の運転状態における
吸気管内圧力Pbと吸気弁の遅閉量との関係が第３図に示
されている。 すなわち、アイドル状態のような回転数が低くかつ負
荷が極めて低い場合には、遅閉制御を抑制して燃焼安定
性を確保するとともに、その後負荷が増大すると、遅閉
制御をおこなって、スロットル弁の開度を増大させ、ポ
ンピングロス減少させることによって、燃費を向上させ
るように制御する。 さらに、吸気管内圧力がほぼ正圧状態に達するとスロ
ットル弁の開度が十分大きくなり、したがって上記ポン
ピングロスの問題はなくなるので、遅閉量を減少させ
る。しかし、この領域では、余り充填量を多くするとノ
ッキング等の問題が生じるので、上記のようにマップを
用いて運転状態、及び過給圧に応じたカムポジションCA
すなわち、遅閉量を制御するようにしている。 つぎに、加速状態における制御について説明する。 第２図のステップ（S2）において、スロットル弁開度
変化率ΔTAが所定値TA₀を越えており、したがって加速
状態と判定した場合には、コントロールユニット28は、
次に、吸気管内圧力Pbが所定値Pb₁より小さいかどうか
を判定する（S10）。 加速判定時において、吸気管内圧力Pbが所定値Pb₁よ
り小さい場合において、吸気弁遅閉制御を行っていない
場合にはその状態を継続し、行っている場合（S11）に
は、第４図（ａ）に示すように遅閉量をベースの閉タイ
ミングに戻す（S12）。 一方、吸気管内圧力Pbが所定値Pb₁を越える場合に
は、その時のエンジン回転数Ne、吸気管内圧力Pbに基づ
き、マップからカムポジションCAを算出しアクチュエー
タであるモータ27に制御信号を出力する（S13、S14、及
びS15）。これによって加速応答性を確保し、しかもノ
ッキングを有効に抑制することができる。 以上のように本例の構成により、ノッキングを抑制し
つつ所望の出力性能を確保することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の１実施例にかかる過給機付エンジン
の概略構成図、第２図は、本発明の１実施例にかかる吸
気弁制御の内容を示すフローチャート、第３図は、吸気
管内圧力と吸気弁遅閉量との関係を示すグラフ及び第４
図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、加速時における吸気管
内圧力と吸気弁遅閉量との関係を示すグラフである。 １……エンジン、２……ピストン、３……燃焼室、 ４……吸気通路、５……排気通路、６……吸気弁、 ７……排気弁、7a……エアクリーナ、 ８……エアフローセンサ、 10……ターボスーパーチャーヂャ、 11……コンプレッサ、12……インタークーラ、 13……スロットル弁、14……サージタンク、 15……インジェクタ、16……タービン、 17……バイバス通路、 18……ウエストゲート弁、 19……空燃比センサ、20……ノックセンサ、 21、22……カムシャフト、 23、24……タペット、25……揺動部材、 26……ウォームギヤ、27……モータ、 28……電子コントロールユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅園 和明 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−69411（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−131714（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−240809（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．エンジンの幾何学的圧縮比が8.5となるように構成
   され、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期変更手段
   と、 上記吸気弁閉時期変更手段をエンジンの高負荷高回転時
   では吸気弁の閉時期を少なくとも下死点よりも50度以上
   の遅い時期に設定する一方、 低回転時での吸気弁の閉時期を、低負荷時には、吸気の
   吹き返しが生じる程度の閉時期に設定するとともに、 高負荷時には上記低負荷低回転の吸気弁閉時期よりも早
   い閉時期に設定するように制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とする過給機付エンジン。