JP4053634B2

JP4053634B2 - Ｄｏｈｃエンジンの可変バルブタイミング装置

Info

Publication number: JP4053634B2
Application number: JP29887697A
Authority: JP
Inventors: 正高橋
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JPH11132067A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともエンジン回転数と吸入空気量に基づいて吸・排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミング（バルブタイミング）を変えるようにしたＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＯＨＣエンジンにおいて吸気カム軸と排気カム軸の少なくとも一方に可変バルブタイミング装置を備え、吸・排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを少なくともエンジン回転数と吸入空気量に基づいて制御して両バルブのオーバーラップを大きくして掃気効率向上によるトルクアップや内部ＥＧＲ率向上による燃費の改善とＮＯ_X の低減を図ったり、吸・排気バルブの少なくとも一方を遅閉じとして圧縮行程におけるポンピングロスを小さく抑えて燃費の改善を図ることは従来から行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気脈動の周波数は排気温度によって変化するが、従来はエンジンの定常運転時の排気温度に基づいてバルブタイミングを決定していたため、エンジンが定常運転域に達するまでの過渡状態であって、排気温度が上昇している過程においてはバルブタイミングにミスマッチングが生じ、掃気効率や内部ＥＧＲ率の低下に伴うトルクダウンが発生して車両の加速感が損なわれ、ドライバビリティが低下する等の問題が発生していた。特に、バルブオーバーラップの大きなエンジンにおいては、低・中速、高負荷等のように車両の走行条件によって排気温度が変わり易く、掃気効果の大きな領域での排気温度のトルクへの影響が大きかった。
【０００４】
そこで、上記問題に対してバルブオーバーラップを縮小する等の対策が考えられるが、斯かる対策を講じれば低・中速トルクの大幅な低下を招いてしまう。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、エンジンの運転条件に拘らずバルブタイミングを最適に制御して低・中速トルクの向上と燃費及び排ガス特性の改善を図ることができるＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためのＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置は、少なくともエンジン回転数と吸入空気量に基づいて吸・排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを制御するようにしたＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、排気温度を検出する排気温度検出手段を設け、該排気温度検出手段によって検出された排気温度を制御パラメータに加えてバルブの開閉タイミングを制御するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、上記ＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、低・中速−高負荷領域においては、吸・排気バルブのオーバーラップ領域が排気圧力波の低い谷の領域に一致するようバルブの開閉タイミングを制御してもよい。
【０００８】
また、上記ＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、低・中速−中負荷領域においては、吸・排気バルブのオーバーラップ領域が排気圧力波の高い山の領域に一致するようバルブの開閉タイミングを制御してもよい。
【０００９】
また、上記ＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、エンジン回転数、吸入空気量及び排気温度の３次元マップを作成し、その３次元マップからバルブタイミングを算出してもよい。
【００１０】
また、上記ＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、エンジン回転数と吸入空気量によって基準となるバルブタイミングを算出した後、排気温度による係数で基準となるバルブタイミングを補正してもよい。
【００１１】
従って、本発明によれば、可変バルブタイミング装置の制御パラメータとして排気温度を加えたため、エンジンの運転状態に拘らず、エンジン始動後の排気温度が低い過渡状態から定常状態までの全運転範囲でバルブの開閉タイミングを最適に保つことができ、低・中速トルクの向上と燃費及び排ガス特性の改善を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの構成図、図２は同エンジンの負荷特性を示す図（エンジン回転数−負荷曲線）、図３はエンジンの低・中速−高負荷域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）におけるクランク角と排気圧力及び吸・排気バルブの開閉タイミング（バルブリフト量）との関係を示す図、図４は低・中速−高負荷域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）におけるバルブタイミングとトルクの時間変化を示す図、図５はエンジンの低・中速−中負荷域（パーシャル域）におけるクランク角と排気圧力及び吸・排気バルブの開閉タイミング（バルブリフト量）との関係を示す図である。
【００１４】
先ず、本実施の形態に係るＤＯＨＣエンジン１の概略構成を図１に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すＤＯＨＣエンジン１は自動車用の水冷４気筒エンジンであって、そのシリンダブロック２には各気筒毎にピストン３が上下摺動自在に嵌装されており、各ピストン３はコンロッド４を介してクランク軸５に連結されている。尚、クランク軸５はクランク室６内に図１の紙面垂直方向に長く配されており、エンジン１の下部にはエンジン回転数を検出するための回転センサ７が取り付けられ、この回転センサ７はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと略称する）８に電気的に接続されている。
【００１６】
又、上記シリンダブロック２の上部に被着されたシリンダヘッド９には各気筒毎に吸気通路１０と排気通路１１が形成されており、各吸気通路１０と排気通路１１が燃焼室に開口する吸気ポートと排気ポートは吸気バルブ１２と排気バルブ１３によってそれぞれ適当なタイミングで開閉されて所要のガス交換がなされる。
【００１７】
即ち、上記吸気バルブ１２と排気バルブ１３は吸気カム軸１４と排気カム軸１５にそれぞれ一体に形成された吸気カム１４ａと排気カム１５ａにそれぞれ当接しており、吸気カム軸１４と排気カム軸１５が回転駆動されることによって前述のようにそれぞれ適当なタイミングで開閉される。
【００１８】
ところで、上記吸気カム軸１４と排気カム軸１５の各端部には、吸気バルブ１２と排気バルブ１３の開閉タイミングを変えるための可変バルブタイミング装置（以下、ＶＶＴと略称する）１６，１７がそれぞれ取り付けられており、これらのＶＶＴ１６，１７は前記ＥＣＵ８からの制御信号によってその駆動が制御される。
【００１９】
尚、シリンダヘッド９の上部にはシリンダヘッドカバー１８が被着されており、シリンダヘッド９の側部には冷却水温度を検出するための水温センサ１９が取り付けられ、この水温センサ１９は前記ＥＣＵ８に電気的に接続されている。
【００２０】
又、前記シリンダヘッド９の吸気側には、各気筒の前記吸気通路１０に連なる吸気マニホールド２０が取り付けられており、該吸気マニホールド２０にはスロットルボディ２１が接続されている。そして、このスロットルボディ２１には不図示のスロットルバルブが内蔵されている。尚、吸気マニホールド２０のシリンダヘッド９に近い部位には負圧センサ２２が取り付けられており、この負圧センサ２２は前記ＥＣＵ８に電気的に接続されている。
【００２１】
他方、シリンダヘッド９の排気側には、各気筒の前記排気通路１１に連なる排気マニホールド２３が取り付けられており、この排気マニホールド２３の集合部２３ａには排気温度を検出するための排気温センサ２４が取り付けられ、この排気温センサ２４は前記ＥＣＵ８に電気的に接続されている。
【００２２】
而して、以上の構成を有するＤＯＨＣエンジン１においては、前記回転センサ７によって検出されたエンジン回転数と、前記水温センサ１９によって検出された冷却水温と、前記負圧センサ２２によって検出された吸気マニホールド２０内の負圧及び前記排気温センサ２４によって検出された排気温度は前記ＥＣＵ８に入力され、ＥＣＵ８はこれらのデータに基づいて前記ＶＶＴ１６，１７の駆動を制御して前記吸気バルブ１２と排気バルブ１３の開閉タイミングをそれぞれ調整する。尚、ＥＣＵ８は負圧センサ２２から入力される負圧に基づいて吸入空気量（エンジン負荷）を算出するが、吸入空気量はエンジン回転数とスロットル開度及び吸入空気温度に基づいて算出することもでき、或はエアーフローメータによって直接計測することもできる。
【００２３】
即ち、ＥＣＵ８は従来の制御パラメータであるエンジン回転数と冷却水温及び吸入空気量（エンジン負荷）に排気温度を制御パラメータに加えて吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを調整するものであって、具体的には図２に示す低・中速−高負荷領域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）Ａ、低・中速−中負荷領域（パーシャル域）Ｂ、低・中速−低負荷領域（低負荷域）Ｃ及び高回転領域Ｄに分けてそれぞれ以下のように吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを制御する。
【００２４】
１）低・中速−高負荷領域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）Ａ：
図３において実線は排気温度が高い状態（エンジンの定常運転状態）における排気圧力とバルブの開閉タイミングを示すが、この領域Ａにおいては高トルクを得るために吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ（両バルブ１２，１３が共に開いている斜線領域）が排気圧力が最も低い領域（排気圧力波の谷の領域）に位置するように吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングがＶＶＴ１６，１７によって制御される。
【００２５】
ところが、エンジン１の始動後の排気温度が低い過渡状態における排気圧力は図３に破線にて示すように排気温度が高い定常状態のそれに対してずれるため、図４に実線にて示すように（従来のように）排気温度とは無関係に（排気温度が低いにも拘らず）領域Ａにおいて吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを進角させると、図３に示すように吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ領域が排気温度が低い状態における排気圧力の最も低い領域から外れ、吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングにミスマッチングが生じて高い掃気効果が得られず、図４に実線にて示すように排気温度が定常値に達するまでの過渡域においてトルクの低下が生じて車両の良好な加速感が得られず、ドライバビリティの低下を招いてしまう。
【００２６】
而して、本実施の形態では、図４に破線にて示すようにＥＣＵ８は排気温度の上昇に応じて吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを徐々に進角するようＶＶＴ１６，１７を制御し、図３に破線にて示すように吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ領域を排気温度が高い場合のそれに対してずらせ、このオーバーラップ領域がそのときの排気圧力が最も低い領域（排気圧力波の谷の領域）に一致するようにしている。この結果、エンジン１の始動後の排気温度が定常値に達しない過渡域においても高い掃気効果が得られ、図４に実線にて示すようにトルクの低下が防がれ、車両の良好な加速感が得られて高いドライバビリティが確保される。
【００２７】
２）低・中速−中負荷領域（パーシャル域）Ｂ：
図５において実線は排気温度が高い状態（エンジンの定常運転状態）における排気圧力とバルブの開閉タイミングを示すが、この領域Ｂにおいては内部ＥＧＲ率を高めてエミッションの低減（ＮＯ_X 量の低減）を図るために吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ領域（斜線領域）が排気圧力が高い領域（排気圧力波の山の領域）に位置するように吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングがＶＶＴ１６，１７によって制御される。
【００２８】
ところが、エンジン１の始動後の排気温度が低い過渡状態における排気圧力は図５に破線にて示すように排気温度が高い定常状態のそれに対してずれるため、吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ領域が排気温度が低い状態における排気圧力の高い領域から外れ、吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングにミスマッチングが生じて高い内部ＥＧＲ率が得られず、燃焼最高温度を十分低く抑えることができない。この結果、ＮＯ_X 量が増えるとともに、燃費が悪化してしまう。
【００２９】
而して、本実施の形態では、ＥＣＵ８は排気温度に応じて吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを制御し、図５に破線にて示すように排気温度が低い状態において吸・排気バルブ１２，１３のオーバーラップ領域を排気温度が高い場合のそれに対してずらせ、このオーバーラップ領域がそのときの排気圧力が高い領域（排気圧力波の山の領域）に一致するようにしている。この結果、エンジン１の始動後の排気温度が定常値に達しない過渡域においても高い内部ＥＧＲ率が得られ、最高燃焼温度が抑制されてＮＯ_X 量が低減され、排気特性と燃費の改善が図られる。
【００３０】
３）低・中速−低負荷領域（低負荷域）Ｃ：
この領域Ｃにおいては吸気及び排気の脈動は共に小さいため、ＶＶＴ１６，１７は駆動されず、吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングの調整はなされない。
【００３１】
４）高回転領域Ｄ：
この領域Ｄにおいては排気温度は十分高いため、排気温度の違いによる排気脈動のずれは小さく、排気脈動のずれがエンジン性能及び車両のドライバビリティに及ぼす影響は無視し得る。従って、この領域ＤではＶＶＴ１６，１７による吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングの制御において排気温度は制御パラメータに加えられず、従来と同様の制御がなされる。
【００３２】
以上のように、本実施の形態では、可変バルブタイミング装置の制御パラメータとして排気温度を加えたため、エンジン１の運転状態に拘らず、エンジン始動後の排気温度が低い過渡状態から定常状態までの全運転範囲で吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを最適に保つことができ、低・中速トルクの向上と燃費及び排ガス特性の改善を図ることができる。
【００３３】
ところで、可変バルブタイミング装置において排気温度を制御パラメータに加えて吸・排気バルブ１２，１３の排気タイミングを制御する具体的方法としては下記の３つが考えられる。
【００３４】
▲１▼エンジン回転数、吸入空気量及び排気温度の３次元マップを作成し、その３次元マップからＶＶＴ作動角を算出する方法。
▲２▼エンジン回転数と吸入空気量によって基準となるＶＶＴ作動角を算出した後、排気温度による係数で基準となるＶＶＴ作動角を補正する方法。但し、係数はエンジン回転数及び吸入空気量毎に持つものとする。
▲３▼上記▲２▼と同様に排気温度による係数で基準となるＶＶＴ作動角を補正する方法。但し、係数は高負荷領域のみとし、エンジン回転数毎に持つものとする。
尚、以上は吸・排気側に設けられたＶＶＴ１６，１７によって吸・排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを可変とする例について述べたが、本発明は吸・排気バルブ１２，１３の少なくとも一方の開閉タイミングを可変とする可変バルブタイミング装置をもその適用対象に含むものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、可変バルブタイミング装置の制御パラメータとして排気温度を加えたため、エンジンの運転状態に拘らず、エンジン始動後の排気温度が低い過渡状態から定常状態までの全運転範囲でバルブの開閉タイミングを最適に保つことができ、低・中速トルクの向上と燃費及び排ガス特性の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの構成図である。
【図２】本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの負荷特性を示す図（エンジン回転数−負荷曲線）である。
【図３】本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの低・中速−高負荷域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）におけるクランク角と排気圧力及び吸・排気バルブの開閉タイミング（バルブリフト量）との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの低・中速−高負荷域（Ｗ．Ｏ．Ｔ．域）におけるバルブタイミングとトルクの時間変化を示す図である。
【図５】本発明に係る可変バルブタイミング装置を備えるＤＯＨＣエンジンの低・中速−中負荷域（パーシャル域）におけるクランク角と排気圧力及び吸・排気バルブの開閉タイミング（バルブリフト量）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ＤＯＨＣエンジン
７回転センサ
８エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２吸気バルブ
１３排気バルブ
１６，１７可変バルブタイミング装置（ＶＶＴ）
２２負圧センサ
２４排気温センサ（排気温度検出手段）

Claims

少なくともエンジン回転数と吸入空気量に基づいて、吸・排気バルブのオーバーラップ期間に対応する開閉タイミングを制御するＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置において、
排気圧力が最も低くなるタイミングに応じた前記開閉タイミングを、排気温度が上昇するにしたがって徐々に進角するように、排気温度に対応付けて定めておき、排気温度を検出する排気温度検出手段を設け、該排気温度検出手段によって検出された排気温度に対応する前記開閉タイミングにて前記吸・排気バルブを開閉し、当該排気温度が上昇するにしたがって前記開閉タイミングを徐々に進角させることを特徴とするＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置。
低・中速−高負荷領域において、吸・排気バルブのオーバーラップ期間が、排気圧力が最も低くなるタイミングに一致するよう前記開閉タイミングにて前記吸・排気バルブを開閉することを特徴とする請求項１記載のＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置。
低・中速−中負荷領域においては、吸・排気バルブのオーバーラップ期間が、排気圧力が最も高くなるタイミングに一致するようバルブの開閉タイミングを制御することを特徴とする請求項１又は２記載のＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置。
エンジン回転数、吸入空気量及び排気温度の３次元マップを作成し、その３次元マップから開閉タイミングを算出することを特徴とする請求項１，２又は３記載のＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置。
エンジン回転数と吸入空気量によって基準となる開閉タイミングを算出した後、排気温度による係数で基準となるバルブタイミングを補正することを特徴とする請求項１，２又は３記載のＤＯＨＣエンジンの可変バルブタイミング装置。