JP3879227B2

JP3879227B2 - ミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置

Info

Publication number: JP3879227B2
Application number: JP02596498A
Authority: JP
Inventors: 創三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: JPH11223137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気弁の吸気下死点前の吸気弁閉時期を制御することにより吸入空気量を制御するミラーサイクルエンジンに関し、特に、ＥＧＲによる排気浄化対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スロットル弁によって吸入空気量を制御するエンジンでは、スロットル弁の絞り損失を伴い、これにより、燃費を悪化させている。これを改善するため、吸気弁の閉時期を制御して吸気を大気圧状態で取り入れつつ吸入空気量を制御するようにしたミラーサイクルエンジンが知られており、このものでは、前記スロットル弁の絞り損失解消に加えて有効圧縮比を減少させ、膨張比は通常通りに確保できること等により熱効率を十分に高めることができ、かつ、燃焼室温度の低下によりＮＯｘ低減も図れるなどの利点を有する（特開平７−９１２６５公報参照) 。なお、ミラーサイクルエンジンには、吸気弁の吸気下死点前の閉時期を制御する早閉じミラーサイクルと、吸気下死点後の閉時期を制御する遅閉じミラーサイクルとがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特に車両用エンジンではＮＯｘ低減や吸気温度上昇による燃焼性改善を目的としてＥＧＲを行うことが一般的であるが、前記従来のミラーサイクルエンジンでは、スロットル弁による絞り損失低減を無くし大気圧近傍で吸気を行うことを特徴とするものであるため、排気との差圧を十分確保することができず、良好なＥＧＲ制御を行えないという問題を生じていた。
【０００４】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、早閉じミラーサイクルの特性を利用して良好に内部ＥＧＲ制御を行えるようにしたミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、図１に示すように、
吸・排気弁を設定された開閉時期に開閉するように駆動する吸・排気弁駆動手段を備え、該吸気弁の吸気下死点前の吸気弁閉時期を制御することにより吸入空気量を制御するミラーサイクルエンジンにおいて、
前記吸気弁の閉弁後、圧縮行程に移行して吸気行程での吸気弁閉時期と同一のピストン位置となるまでの燃焼室内が負圧である期間の終了近傍に、内部ＥＧＲ用に排気弁の一時的に開弁する開弁期間を設定する内部ＥＧＲ用排気弁開弁期間設定手段と、
前記設定された内部ＥＧＲ用の開弁期間、排気弁を開弁する内部ＥＧＲ用排気弁制御手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、
吸・排気弁駆動手段により、吸気弁の吸気下死点前の吸気弁閉時期を制御する早閉じミラーサイクルを行うことにより、吸気は大気圧状態で燃焼室内に吸入される。燃焼室内に吸入された吸気は、ピストンが吸気下死点に下降するまで圧力を低下させ、圧縮行程に移行して吸気行程での吸気弁閉時期と同一のピストン位置となるまで負圧状態が継続する。
【０００８】
そして、上記燃焼室内が負圧となっている期間中に、内部ＥＧＲ用に一時的に排気弁を開弁することにより、排気圧と燃焼室内負圧との差圧によって排気が燃焼室内に流入し、いわゆる内部ＥＧＲが行われる。
これにより、ミラーサイクルエンジンにおいても、内部ＥＧＲによりＮＯｘ低減、ＥＧＲガスによる吸気温度上昇及びガス流動の発生等により燃焼性改善を図れ、排気浄化性能や燃費を改善できる。
【０００９】
ここで、負圧期間の初期に排気弁を開弁すると、排気の流入により吸気の初期温度が上昇するため膨張行程での温度低下が低くなり早閉じミラーサイクルの特徴である燃焼室壁からの受熱量が減少し、熱効率を低下させてしまう。また、負圧期間の中間の負圧が大きい状態のときに排気弁を開弁すると、排気の流入による負圧の減少に伴い、特にピストン上昇行程においてポンプ損失が大きくなると共に、その体積分の圧縮仕事が増大して同様にポンプ損失が増大してしまうことになる。
【００１０】
そこで、負圧期間終了近傍の大気圧に近い負圧状態のときに排気弁を開弁して排気を流入させることにより、膨張行程時に燃焼室壁から十分に受熱量を確保すると共に、ポンプ損失の増大を抑制する。
なお、大気圧近傍であっても燃焼室近傍の排気は高温・高圧であり、しかも燃焼室に直結しているため（ＥＧＲ通路を介する場合は、熱損失，圧力損失共に大きい) 、十分スムースに燃焼室内に流入する。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、
吸気弁と排気弁とを、気筒毎に２個ずつ有し、少なくとも所定の運転条件では、１つの吸気弁のみが開閉動作し、該開閉動作する吸気弁に対して対角線方向にある排気弁が前記内部ＥＧＲ用に開弁されることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
片方の吸気弁のみを開閉動作することにより燃焼室内に生成されるスワールを該吸気弁と対角線方向にある排気弁を開弁して流入させた排気により助長することができ、ひいては燃焼性を改善することができるため、排気弁の開弁期間を長くして高ＥＧＲ率とし、ＥＧＲによるＮＯｘ低減機能等をより高めることができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、
吸気弁を気筒毎に２個ずつ有し、低速・低負荷条件で１個ずつの吸気弁が開閉動作し、高速・高負荷条件で２個ずつの吸気弁が共に開閉動作することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、低速・低負荷条件では、空気量が少なく燃焼性改善のためスワールの強化が要求されるので、片側１個の吸気弁のみを開閉動作させることにより、接線方向から空気を流入させてスワールを強化することができる。
【００１３】
一方、高速・高負荷条件では、２つの吸気弁を同時に開閉動作させることにより、ガス流動による抵抗を少なくして充填効率を向上させる。
また、請求項４に係る発明は、
前記内部ＥＧＲ用に開弁する排気弁は、少なくとも低速・低負荷条件では１個の排気弁のみであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明によると、
少なくとも低速・低負荷条件では、１個の排気弁のみを開弁させることによりスワールを助長することができ、また、気筒毎に２個ずつ排気弁を備えたものでは要求ＥＧＲ量が増大する高速・高負荷条件では２個の排気弁を開弁させて好ましい期間に短時間で排気を流入させることができる。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間は、エンジンの運転条件に応じて設定されることを特徴とする。
請求項５に係る発明によると、
エンジン運転条件に応じて要求ＥＧＲ量が変化するので、運転条件に応じて一時的な排気弁の開弁期間を設定して、前記要求ＥＧＲ量を満たすようにする。
【００１６】
また、請求項６に係る発明は、
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間の開始時期と終了時期とをそれぞれエンジン運転条件に基づいて設定することを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
内部ＥＧＲ用開弁期間の終了時期については、例えば、既述したように負圧期間の終了近傍で開弁を終了するのが好ましいが、この時期はエンジン運転条件に応じた要求空気量が得られるように設定された吸気弁の吸気行程における閉時期と、同一のピストン位置近傍であるため、吸気弁の閉時期に関連してエンジン運転条件に応じて設定することができる。
【００１７】
一方、要求ＥＧＲ量も既述したようにエンジン運転条件に応じて決定される。ここで、簡易的には、要求ＥＧＲ量に応じて開弁時間を設定して、開弁の開始時期を設定することも可能であるが、エンジン運転条件に応じて燃焼室外側近傍の排気圧が変化することなどにより、精度が劣る。そこで、前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間の終了時期に対応して要求ＥＧＲ量が満たせるように予め実験や解析でエンジン運転条件に応じた内部ＥＧＲ用開弁期間の開始時期を設定することにより、高精度な内部ＥＧＲ制御を行うことができる。
【００１８】
また、請求項７に係る発明は、
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間を、エンジンの冷却水温度によって補正して設定することを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、
例えば、エンジンの冷却水温度が低いときは、ＥＧＲガス成分による燃焼性への影響とＥＧＲガスによる吸気温度上昇効果とを考慮するなどして、内部ＥＧＲ用の排気弁の開弁期間を補正することにより、要求ＥＧＲ量により適切に対応することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図に基づいて説明する。一実施形態の全体構成を示す図２において、エンジン（内燃機関) １には、弁駆動装置２により開閉を電子制御される吸気弁３及び排気弁４が装着されている。吸気弁３及び排気弁４は、図３に示すように気筒毎に２個ずつ設けられ、エンジンの低速・低負荷条件では、スワールを強化するために一方の吸気弁３のみが開閉動作され、高速・高負荷条件では吸気抵抗を小さくして充填効率を高めるために２個の吸気弁３を同時に開閉動作させるように制御する。また、排気弁４については、後述する内部ＥＧＲ用の開弁時を除く通常の排気行程時の開閉動作は、２つの排気弁４を同時に開弁させる。各気筒の吸気ポート５には、燃料噴射弁６が装着され、燃焼室７には点火栓８及び点火コイル９が装着されている。また、エンジン本体には各気筒の基準クランク角で基準信号を出力すると共に、微小クランク角毎に単位角信号を出力するクランク角センサ10、吸入空気流量を検出するエアフロメータ11、冷却水温度を検出する水温センサ12が装着される。この他、図示しない車両のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ13や車速センサ14等が配設されている。
【００２０】
前記各種センサ類の検出信号はコントロールユニット15に出力され、コントロールユニット15は、これらの検出信号に基づいて前記燃料噴射弁６に燃料噴射信号を出力して燃料噴射制御を行い、前記点火コイル９に点火信号を出力して点火制御を行い、更に、前記弁駆動装置２に弁駆動信号を出力して吸気弁３及び排気弁４の開閉を制御する。
【００２１】
前記弁駆動装置２の構成を図４に示す。図４において弁駆動装置２は、シリンダヘッド上に設けられる非磁性材料製のハウジング21と、吸気弁３（又は排気弁４、以下吸気弁３で代表する) のステム31に一体に設けられてハウジング21内に移動自由に収納されるアーマチュア22と、該アーマチュア22を吸引して吸気弁３を閉弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア22の上面に対向する位置でハウジング21内に固定配置される閉弁用電磁石23と、該アーマチュア22を吸引して吸気弁３を開弁作動させる電磁力を発揮可能なようにアーマチュア22の下面に対向する位置でハウジング21内に固定配置される開弁用電磁石24と、吸気弁３の閉弁方向に向けてアーマチュア22を付勢する閉弁側戻しバネ25と、吸気弁３の開弁方向に向けてアーマチュア22を付勢する開弁側戻しバネ26と、を備えて構成される。そして、閉弁用電磁石23と開弁用電磁石24とを共に消磁したときに、吸気弁３は全開位置と閉弁位置との間の略中央位置にあるように、閉弁側戻しバネ25と開弁側戻しバネ26とのバネ力が設定され、閉弁用電磁石23のみを励磁したときに吸気弁３は閉弁し、開弁用電磁石24のみを励磁したときに吸気弁３は開弁（全開) するように駆動される。該弁駆動装置２が吸気弁駆動手段を構成する。
【００２２】
前記弁駆動装置２による吸気弁３及び排気弁４の吸・排気のための開閉時期は、図５に示すように、エンジン１の運転状態に基づいて設定された目標開閉時期となるように制御されるが、特に、吸気弁３の吸気下死点前の閉時期ＩＶＣを、アクセル開度とエンジン回転速度、或いはこれらに基づいて設定された要求トルクなどに基づいて広範囲に可変制御して吸入空気量を制御するようになっており、これにより、早閉じミラーサイクルが形成される。
【００２３】
かかる構成において、図６に示すようなエンジンの回転速度と負荷とで定まるＥＧＲの要求される領域で、吸気弁３の閉弁後、燃焼室７内が負圧となっている期間中に、一時的に開弁して内部ＥＧＲ制御を行う。
以下に、一実施の形態に係る吸・排気弁の開閉時期設定ルーチンを、図６のフローチャートに従って説明する。このルーチンは、所定時間周期で実行される。
【００２４】
ステップ（図ではＳと記す。以下同様) １では、アクセル開度ＡＰＳ，エンジン回転速度Ｎｅ，冷却水温度Ｔｗ等を読み込む。
ステップ２では、前記アクセル開度ＡＰＳ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいてエンジンの要求トルクｔＴｅを算出する。なお、アクセル開度ＡＰＳと車速ＶＳＰとに基づいて車両の要求駆動力を算出し、該要求駆動力からエンジンの要求トルクｔＴｅを算出する構成としてもよい。
【００２５】
ステップ３では、エンジン回転速度Ｎｅと前記要求トルクｔＴｅとに基づいて、吸気弁３の開閉時期，排気弁４の排気行程における開閉時期を算出する。
ここで、ミラーサイクルでは吸気弁の閉時期によって空気量を制御するものであり、開時期については、吸気上死点又は高速時の慣性遅れを考慮して少し早めの時期に固定して設定すればよく、一方、閉時期は、エンジン回転速度と前記要求トルクとに基づいて図８に示すようなマップからの検索等により設定する。この場合、高速・高トルクになるほど要求空気量が増大するので、閉時期ＩＶＣを遅らせるように設定する。一方、排気弁４の開時期も、エンジン回転速度と前記要求トルクとに基づいて図９に示すようなマップからの検索等により設定する。この場合、高速・高トルクになるほど排出排気量が増大するので早く設定する。一方、閉時期は、排気上死点又はそれより少し遅めの時期に固定して設定すればよい。
【００２６】
ステップ４〜ステップ６では、内部ＥＧＲのため、前記燃焼室７が負圧である期間中に排気弁４を一時的に開弁するときの開閉時期を設定する。
まず、ステップ４では、前記排気弁４の内部ＥＧＲ用開弁時の終了時期ＥＶＣｔを設定する。ここで、既述したように、負圧期間中の初期に排気弁を開弁すると、流入排気による吸気温度上昇で燃焼室壁からの受熱量が減少して熱効率が低下し、また、負圧が大きいときに排気弁を開弁すると、排気流入による負圧の減少により、特にピストン上昇行程においてポンプ損失が大きくなると共に、その体積分の圧縮仕事が増大して同様にポンプ損失が増大してしまうことになる。そこで、負圧期間終了近傍の大気圧に近い負圧状態のときに排気弁を開弁して排気を流入させ、膨張行程時に燃焼室壁から十分に受熱量を確保すると共に、ポンプ損失を抑制するのがよい。なお、大気圧近傍であっても燃焼室近傍の排気は高温・高圧であり、しかも燃焼室に直結しているため、通常のＥＧＲ通路を介しての外部ＥＧＲ制御のように熱損失，圧力損失を伴うことなく、十分スムースに燃焼室内に流入する。
【００２７】
したがって、排気弁の内部ＥＧＲ用の開弁の終了時期を前記負圧期間中の終了近傍に設定するが、この時期はエンジン運転条件に応じた要求空気量が得られるように設定された吸気弁の吸気行程における閉時期と、同一のピストン位置近傍であるため、エンジン回転速度と前記要求トルクとに基づいて図10に示したマップからの検索等により設定する。
【００２８】
次に、ステップ５では、前記排気弁４の内部ＥＧＲ用の開弁時の基本開始時期ＥＶＯｔｂを設定する。ここで、内部ＥＧＲの要求量は、エンジン運転条件に応じて決定される。そこで、前記排気弁の内部ＥＧＲ用の開弁の終了時期に対応して要求内部ＥＧＲ量が満たせるように予め実験や解析でエンジン運転条件に応じた開弁の基本開始時期を図11に示すようなマップに設定する。そしてエンジン回転速度と前記要求トルクとに基づいて図11に示したマップからの検索により設定する。
【００２９】
ステップ６では、冷却水温度Ｔｗに基づいて、前記基本開始時期を補正するための水温補正係数Ｋｗをマップからの検索等により設定する。具体的には、水温が特に低い場合は、ＥＧＲ実行による燃焼性の悪化の影響を重視して排気弁の開弁期間を減少又は停止したり、逆に、ＥＧＲガスによる吸気温度上昇で燃焼性改善が見込めるような運転状態では開弁期間を長引かせるような補正を行う。これは実験等で適正な状態が得られるように予め設定しておくことができる。
【００３０】
ステップ７では、次式により、排気弁４の内部ＥＧＲ用の開弁の開始時期ＥＶＯｔを水温補正して設定する。
ＥＶＯｔ＝ＥＶＣｔ＋Ｋｗ・（ＥＶＯｔｂ−ＥＶＣｔ) ・・・(1)
但し、ＥＶＯｔｂ；排気弁４の内部ＥＧＲ用開弁の基本開始時期（進角値，以下の値も同様)
ＥＶＣｔ；同じく終了時期
ＥＶＯｔ；同じく補正後の開始時期
図12は、前記のようにして設定された吸・排気弁の開閉時期に基づいて吸・排気弁を開閉制御するルーチンのフローチャートを示す。
【００３１】
ステップ11で、前記クランク角センサ10から現在のクランク角度（位置) を読み込む。
ステップ12では、それぞれ吸・排気弁の吸気行程，排気行程及び前記排気弁４の内部ＥＧＲ用開弁時における開閉時期にあるかを判断しつつ、吸・排気弁の開閉を制御する。
【００３２】
ここで、エンジンの低速・低負荷条件では、燃焼性改善のため２個の吸気弁３の中の一方のみを開閉動作させて燃焼室７内にスワールを生成すると共に、前記内部ＥＧＲ用の開弁は、前記開閉動作する吸気弁３に対して対角線方向にある排気弁４のみを開弁させて行う。例えば、図３で吸気弁３Ａと排気弁４Ｂの組合せ又は吸気弁３Ｂと排気弁４Ａとの組合せにより行う。
【００３３】
このようにすれば、前記開閉動作する吸気弁と対角線方向にある排気弁を開弁して流入させた排気により前記スワールを助長することができ、ひいては燃焼性を改善することができるため、排気弁の開弁期間を長くして高ＥＧＲ率とし、ＥＧＲによるＮＯｘ低減機能等をより高めることができる。
また、高速・高負荷条件では、既述したように充填効率確保のため２個の吸気弁３を同時に開閉動作するが、該条件では要求ＥＧＲ量が増大するので、２個の排気弁を開弁させて好ましい期間に短時間で排気を流入させることができる。
【００３４】
この場合の、各排気弁４の開弁開始時期は、前記(1) 式から次式のように変更すればよい。
ＥＶＯｔ＝ＥＶＣｔ＋１／２・Ｋｗ・（ＥＶＯｔｂ−ＥＶＣｔ) ・・・(2)
される。
図13は、上記吸・排気弁の開閉制御の様子を示したものである。
【００３５】
以上のように、本発明によれば、吸気負圧を殆ど生じないミラーサイクルエンジンにおいても、内部ＥＧＲにより高精度なＥＧＲ制御を行うことができ、排気浄化性能、特にＮＯｘ低減機能を向上でき、また、燃焼性改善による燃費の改善なども図ることができる。
なお、前記実施の形態では、吸気ポートに燃料噴射するものを示したが、本発明は、近年開発の著しい火花点火エンジンでの燃焼室内に直接燃料を噴射するものにも適用でき、また、４弁方式以外の多弁方式エンジンにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項２に係る発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】一実施の形態に係るシステム構成図。
【図３】同上実施の形態における吸・排気弁の配置を示す断面図。
【図４】弁駆動装置の構成を示す断面図。
【図５】前記弁駆動装置による吸気弁及び排気弁の開閉時期特性を示す図。
【図６】同上実施の形態における内部ＥＧＲ実行領域を示す図。
【図７】同上実施の形態における吸・排気弁の開閉時期設定ルーチンを示すフローチャート。
【図８】同上実施の形態における吸気弁の閉時期の特性を示すマップ。
【図９】同上実施の形態における排気弁の開時期の特性を示すマップ。
【図１０】同上実施の形態における排気弁の内部ＥＧＲ用の開弁終了時期の特性を示すマップ。
【図１１】同上実施の形態における排気弁の内部ＥＧＲ用の開弁開始時期の特性を示すマップ。
【図１２】同上実施の形態における吸・排気弁を開閉制御するルーチンのフローチャート。
【図１３】同上実施の形態における吸・排気弁の開閉制御の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１エンジン
２弁駆動装置
３吸気弁
４排気弁
６燃料噴射弁
７燃焼室
10 クランク角センサ
11 エアフロメータ
12 水温センサ
13 アクセル開度センサ

Claims

吸・排気弁を設定された開閉時期に開閉するように駆動する吸・排気弁駆動手段を備え、該吸気弁の吸気下死点前の吸気弁閉時期を制御することにより吸入空気量を制御するミラーサイクルエンジンにおいて、
前記吸気弁の閉弁後、圧縮行程に移行して吸気行程での吸気弁閉時期と同一のピストン位置となるまでの燃焼室内が負圧である期間の終了近傍に、内部ＥＧＲ用に排気弁の一時的に開弁する開弁期間を設定する内部ＥＧＲ用排気弁開弁期間設定手段と、
前記設定された内部ＥＧＲ用の開弁期間、排気弁を開弁する内部ＥＧＲ用排気弁制御手段と、
を含んで構成したことを特徴とするミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
吸気弁と排気弁とを、気筒毎に２個ずつ有し、少なくとも所定の運転条件では、１つの吸気弁のみが開閉動作し、該開閉動作する吸気弁に対して対角線方向にある排気弁が前記内部ＥＧＲ用に開弁されることを特徴とする請求項１に記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
吸気弁を気筒毎に２個ずつ有し、低速・低負荷条件で１個の吸気弁が開閉動作し、高速・高負荷条件で２個の吸気弁が共に開閉動作することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
前記内部ＥＧＲ用に開弁する排気弁は、少なくとも低速・低負荷条件では１個の排気弁のみであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間は、エンジンの運転条件に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間の開始時期と終了時期とをそれぞれエンジン運転条件に基づいて設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。
前記排気弁の内部ＥＧＲ用開弁期間を、エンジンの冷却水温度によって補正して設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のミラーサイクルエンジンの吸・排気弁制御装置。