JP3932600B2 - ターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ターボ過給機付き内燃機関においては、発進加速時などには、ターボ過給機の回転上昇の遅れがあるために、過給圧の上昇が遅れるとともに、排気タービン側の流れの停滞により排圧が上昇する。これらの結果、発進加速時には過給圧に比べて排圧が大幅に高くなる現象が生じる。図13に示すように定常運転すなわちエンジンおよびターボ過給機の回転数が一定のときには、ほぼ全域で過給圧に対して排圧は+100mmHg程度であるのに対して、発進加速時には、過給圧100mmHgのとき排圧は400mmHgで両者の差圧は300mmHgであり、さらに過給圧500mmHgのとき排圧は1100mmHgで差圧は600mmHgと、定常運転時の差圧に比べて3〜6倍に達していることがわかる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このように過給圧に比べて排圧が大幅に高くなったとき、吸排気弁のバルブオーバーラップが大きいと残留ガス量が増大してノックを発生したり、充填効率が低下して出力が低下するなどの問題が生じる。このためターボ仕様ではオーバーラップを小さく設定するのが一般的である。しかしその必要性が高いのは発進加速時などの過渡時であり、定常時には逆にある程度のオーバーラップを設定しておかないと、吸排気上死点前後のバルブリフトを十分にとれず吸排ロスが大きくなり、定格出力が低下するという問題があった。かかる問題点には従来の固定動弁方式で対応するのは困難である。
【0004】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、発進加速時などの過渡運転時において、シリンダ内への残留ガス量の逆流を抑え、耐ノック性を向上させるとともに充填効率を向上させて出力増加を図ることができるターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムは、作動角を連続可変制御して吸気弁の開閉時期を変化させる可変動弁制御機構を備え、機関のアイドリング時には前記吸排気弁のバルブオーバーラップを減少させるように制御されるターボ過給機付き内燃機関において、加速の過渡運転条件を検出する過渡運転条件検出手段を備え、機関のアイドリング時には吸気弁の作動角を小さくして吸気弁の開弁時期を排気行程末期又は吸入行程初期まで遅らせるとともに吸気弁の閉弁時期を圧縮下死点側に早めるように制御され、前記過渡運転条件が検出された時には吸気弁の作動角の拡大を定常運転時よりも遅らせるように制御することで、前記吸排気弁のオーバーラップを定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における設定値よりも小さくするように制御することを特徴とする。
【0006】
この請求項1記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、発進加速時などの過渡運転条件が検出された時には吸排気弁のオーバーラップを小さくするように制御する。すなわち発進加速時などにはターボ過給機の回転上昇が遅れるため、排圧が増大し、シリンダ内に残留ガスが逆流しやすくなるが、本発明ではオーバーラップを小さくすることで、残留ガス量を抑えるようにする。これにより耐ノック性を向上させるとともに充填効率向上による出力増加が図られる。
【0007】
請求項1記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムにおいて、オーバーラップを小さくするためには吸気弁の開弁時期を遅らせるように制御することとなり、機関のアイドリング時には吸気弁の作動角を小さくして吸気弁の開弁時期を排気行程末期又は吸入行程初期まで遅らせるとともに吸気弁の閉弁時期を圧縮下死点側に早めるように制御され、前記過渡運転条件が検出された時には吸気弁の作動角の拡大を定常運転時よりも遅らせるように制御されることを特徴とする。
【0008】
この請求項1記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件が検出された時には、吸気弁の作動角の拡大を遅らせることで、吸気弁の実質的な開弁時期を遅らせて、オーバーラップを小さくしている。
【0009】
また請求項2記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムは、これに加えて、作動角を連続可変制御して排気弁の開閉時期を変化させる可変動弁制御機構を備え、機関のアイドリング時には排気弁の作動角を小さくして排気弁の閉弁時期を吸入行程初期又は排気行程末期まで早めるように制御され、前記過渡運転条件が検出された時には排気弁の作動角の拡大を定常運転時よりも遅らせるように制御されることを特徴とする。
【0010】
この請求項2記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件が検出された時には、排気弁の作動角の拡大を遅らせることで、排気弁の実質的な閉弁時期を早め、オーバーラップを小さくしている。
【0011】
請求項1又は2記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムにおいて、吸気弁又は排気弁の作動角を連続可変制御する手段は、種々に改変することができる。例えば、請求項3記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムは、前記吸気弁又は排気弁の作動角を連続可変制御する手段は、機関の回転に同期して回転する駆動軸と、この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸気弁又は排気弁を駆動するカムを外周に有するカムシャフトと、このカムシャフトの端部に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成された一方のフランジ部と、この一方のフランジ部に対向するように前記駆動軸側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成された他方のフランジ部と、上記両フランジ部の間に揺動自在に配設された環状ディスクと、この環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部の各係合溝内に各々係合するピンと、前記環状ディスクを機関の運転状態に応じて揺動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする。
【0012】
この請求項3記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、運転条件に対応して吸排気弁の作動角を変化させ、吸排気弁の開閉時期を変化させ、オーバーラップを変化させる。閉時期又は開時期のみを大きく変化させる可変制御も可能となり、従来のカムの位相差制御のような作動角が変化しない方式とは大きく異なった動作をする。
【0013】
請求項1乃至3記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムにおいて、過渡運転条件を検出する手段は、種々に改変することができる。例えば、請求項4記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件検出手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段と、この過給圧力検出手段で検出した過給圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における過給圧と比較する比較手段とからなる。
【0014】
また請求項5記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件検出手段は、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段と、この排気圧力検出手段で検出した排気圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における排気圧と比較する比較手段とからなる。
【0015】
また請求項6記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件検出手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段と、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段とを備えてなる。
【0016】
さらに請求項7記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、前記過渡運転条件検出手段は、吸気絞り弁の開度を検出する絞り弁開度検出手段を有し、絞り弁の開度の変化から過渡運転条件を検出することを特徴とする。
【0017】
これら請求項4乃至7記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムでは、過渡運転条件が検出されたときに吸排気弁のオーバーラップを小さくするように制御する。
【0018】
【発明の効果】
請求項1乃至7記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムによれば、発進加速時などの過渡運転条件が検出された時には吸排気弁のオーバーラップを小さくするように制御するので、ターボ過給機の回転上昇遅れにともなって排圧が高くなっても、シリンダ内への残留ガス量の逆流を抑えることができる。これにより耐ノック性を向上させるとともに充填効率向上による出力増加を図ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システムの実施形態を説明する。
【0020】
図1は、本発明の動弁制御システムを備えた内燃機関の構成を示す模式図である。
【0021】
図示の通りこの内燃機関では、吸気系においてコンプレッサ1と吸気弁2との間の圧力を検出する過給圧センサ3が備えられるとともに、排気系側には排気弁4と排気タービン5との間の圧力を検出する排圧センサ6が備えられており、これらの検出圧力はコントロールユニット7に入力されている。コントロールユニット7には内燃機関の回転数や冷却水温,油圧などの運転条件が入力され、内部に記憶されたマップに従って、後述するアクチュータ8を駆動制御する。なお9は排気バイパス弁(ウエストゲートバルブ)である。
ここで、過渡運転条件を検出する手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段、すなわち過給圧センサ3と、この過給圧力検出手段で検出した過給圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における過給圧と比較する比較手段、すなわちコントロールユニット7とで構成することができる。
またこれに代えて、過渡運転条件を検出する手段は、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段、すなわち排圧センサ6と、この排気圧力検出手段で検出した排気圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における排気圧と比較する比較手段、すなわちコントロールユニット7とで構成することもできる。
さらにこれに代えて、過渡運転条件検出手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段、すなわち過給圧センサ3と、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段、すなわち排圧センサ6との両方を備えることもできる。
さらにこれに代えて、過渡運転条件検出手段に、吸気絞り弁の開度を検出する絞り弁開度検出手段を設け、この絞り弁の開度の変化から過渡運転条件を検出するようにしても良い。
【0022】
図2は、吸気弁の作動角を連続可変制御するための動弁機構を示す斜視図である。
【0023】
図示の通りこの機構は、機関の回転に同期して回転する駆動軸10と、駆動軸10と同軸上に配設され、かつ吸気弁11を駆動するカム12を外周に有するカムシャフト13と、カムシャフト13の端部に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝14aが形成された一方のフランジ部14と、この一方のフランジ部に対向するように前記駆動軸10側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝15aが形成された他方のフランジ部15と、両フランジ部14,15の間に揺動自在に配設された環状ディスク16と、環状ディスク16の両側部に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部14,15の各係合溝14a,15a内に各々係合するピン17,18と、環状ディスク16を機関の運転状態に応じて揺動させる偏心カム19と、偏心カム19をコントロールシャフト20を介して回転させるアクチュータ8とから構成されている。
【0024】
この機構では、アクチュータ8を駆動すると環状ディスク16の中心位置が駆動軸10に対して揺動し、環状ディスク16による駆動軸10からカムシャフト13への回転の伝達がいわゆる不等速継手のように作用して、カムの作動角を図3のように大きくしたり小さくしたりすることができる。アクチュータ8の駆動は図4のフローチャートに従って行われ、過給圧センサ3および排圧センサ6の検出圧力から発進加速等の過渡運転条件を検出すると、あらかじめ記憶された過渡運転のマップに切換えて吸気弁の開閉時期を制御する。
【0025】
図5にバルブリフト制御特性を示す。図示の通り本実施形態では吸気弁のみについて開閉時期を可変制御するようにしており、発進加速中の吸気弁の作動角を定常時に比べて小さく抑えるように制御している。
【0026】
図6は定常時における吸気弁の閉時期特性を示している。通常の固定動弁方式の場合、運転条件にかかわらず吸気弁の閉時期は下死点後(ABDC)50゜前後に設定され、この設定は中速域では良好であるが、低速域では慣性効果が小さいために圧縮行程の初期にシリンダ内から吸気が逆流する特性となる。本発明では可変動弁機構を用いているために図示の通り機関回転数に対応した最適な吸気弁閉時期特性を与えることができている。これにより低速域の圧縮行程初期の吸気逆流を防止することができ、低速トルクを増強させることができる。
【0027】
図7は定常時におけるバルブオーバーラップの特性を、図9は過渡運転時におけるバルブオーバーラップの特性を示している。過渡運転時には定常時よりもバルブオーバーラップが小さく制御される。これにより高い排圧による残留ガスの増加を防止している。
【0028】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば上記実施形態に以下のような変形を加えてもよい。
【0029】
上記実施形態では吸気弁について開閉時期を可変制御するようにしたが、図10に示すように吸排気弁ともに開閉時期を可変制御するようにしてもよい。吸排気弁ともに制御するようにすると、吸気弁の作動角設定の自由度を拡大することができる。またこのときには吸気弁の作動角を定常運転時と同じ設定にしてもよい。また図11には吸排気弁ともに過渡補正を行った例を、図12には吸気弁にのみ過渡補正を行った例を示している。
【0030】
すなわち、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の動弁制御システムを備えた内燃機関の構成を示す模式図である。
【図2】吸気弁の作動角を連続可変制御するための動弁機構を示す斜視図である。
【図3】カムの作動角の変化によって得られるバルブリフト特性を説明する図である。
【図4】コントロールユニットにおける制御動作のフローチャートである。
【図5】実施形態における各種運転時のバルブリフト制御特性を示す図である。
【図6】定常走行時における吸気弁閉時期の制御特性を示すグラフである。
【図7】定常走行時におけるバルブオーバーラップの制御特性を示すグラフである。
【図8】過渡走行時における吸気弁閉時期の制御特性を示すグラフである。
【図9】過渡走行時におけるバルブオーバーラップの制御特性を示すグラフである。
【図10】第1の変形例における各種運転時のバルブリフト制御特性を示す図である。
【図11】第2の変形例における各種運転時のバルブリフト制御特性を示す図である。
【図12】第3の変形例における各種運転時のバルブリフト制御特性を示す図である。
【図13】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
1…コンプレッサ
2…吸気弁
3…過給圧センサ
4…排気弁
5…排気タービン
6…排圧センサ
7…コントロールユニット
8…アクチュータ
9…排気バイパス弁
10…駆動軸
11…吸気弁
12…カム
13…カムシャフト
14…フランジ部
14a…係合溝
15…フランジ部
15a…係合溝
16…環状ディスク
17,18…ピン
19…偏心カム
20…コントロールシャフト
Claims (7)
- 作動角を連続可変制御して吸気弁の開閉時期を変化させる可変動弁制御機構を備え、機関のアイドリング時には前記吸排気弁のバルブオーバーラップを減少させるように制御されるターボ過給機付き内燃機関において、
加速の過渡運転条件を検出する過渡運転条件検出手段を備え、
機関のアイドリング時には吸気弁の作動角を小さくして吸気弁の開弁時期を排気行程末期又は吸入行程初期まで遅らせるとともに吸気弁の閉弁時期を圧縮下死点側に早めるように制御され、前記過渡運転条件が検出された時には吸気弁の作動角の拡大を定常運転時よりも遅らせるように制御することで、前記吸排気弁のオーバーラップを定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における設定値よりも小さくするように制御することを特徴とするターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。 - 作動角を連続可変制御して排気弁の開閉時期を変化させる可変動弁制御機構を備え、機関のアイドリング時には排気弁の作動角を小さくして排気弁の閉弁時期を吸入行程初期又は排気行程末期まで早めるように制御され、前記過渡運転条件が検出された時には排気弁の作動角の拡大を定常運転時よりも遅らせるように制御されることを特徴とする請求項1記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。
- 前記吸気弁又は排気弁の作動角を連続可変制御する手段は、
機関の回転に同期して回転する駆動軸と、
この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸気弁又は排気弁を駆動するカムを外周に有するカムシャフトと、
このカムシャフトの端部に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成された一方のフランジ部と、
この一方のフランジ部に対向するように前記駆動軸側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成された他方のフランジ部と、
上記両フランジ部の間に揺動自在に配設された環状ディスクと、
この環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部の各係合溝内に各々係合するピンと、
前記環状ディスクを機関の運転状態に応じて揺動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする請求項1又は2記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。 - 前記過渡運転条件検出手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段と、この過給圧力検出手段で検出した過給圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における過給圧と比較する比較手段とからなる請求項1乃至3いずれか記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。
- 前記過渡運転条件検出手段は、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段と、この排気圧力検出手段で検出した排気圧を定常運転での同一負荷,同一回転数の運転条件における排気圧と比較する比較手段とからなる請求項1乃至3いずれか記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。
- 前記過渡運転条件検出手段は、吸気弁上流の圧力を検出する過給圧力検出手段と、ターボ過給機の排気タービンの上流の圧力を検出する排気圧力検出手段とを備えてなる請求項1乃至3いずれか記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。
- 前記過渡運転条件検出手段は、吸気絞り弁の開度を検出する絞り弁開度検出手段を有し、絞り弁の開度の変化から過渡運転条件を検出することを特徴とする請求項1乃至3いずれか記載のターボ過給機付き内燃機関の動弁制御システム。
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