JP4325514B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のバルブタイミング制御装置に関し、特に燃料カット前後における給排気バルブの制御に関する。

内燃機関には、出力の向上やエミッションの低減等を図るために、吸気バルブや排気バルブの開閉タイミングを調整する吸気バルブ調整機構や排気バルブ調整機構を備えているものや、エミッションをより一層低減させてり、燃料を節約するために、スロットルバルブ全閉で減速している場合に燃料噴射バルブから燃料が噴射されないように燃料カットするものがある。ところが、内燃機関において燃料カットを行う場合、吸気行程の際に燃焼室へ空気のみが吸入され、その後に燃焼室内の空気は排気行程の際に排気通路及び触媒を介して外部へ排出される。このため、排気経路に設けられている触媒を通過する空気に含まれる酸素により触媒の劣化が促進されてしまう。
そこで特許文献１には、燃料カット時には吸気バルブの開バルブ期間を短く変更するとともにその開弁時期を早めることによって、燃焼室へ吸入される空気量を少なくし、排気経路に流れる酸素量を低減させて酸素による触媒の劣化を防止する技術が開示されている。

特開平１０−１１５２３４号公報

特許文献１では、排気経路に流れる酸素量を低減しているが、これは、燃焼室へ吸入される空気量を少なくし吸気バルブの開弁時期を排気バルブの開バルブ期間に重なるように早めるなど、燃焼室への空気の流入を制限することに主眼を置いているため、強力なエンジンブレーキが作用することになり、強力なエンジンブレーキを必要としない局面では使用できず、適用範囲が極めて限られるという問題がある。このため、極端にエンジンブレーキを強めることなく燃料カット時の酸素による触媒の劣化を効果的に防止できる技術が望まれている。
本発明は、エンジンブレーキを強めることなく燃料カット時の酸素による触媒の一時的な性能低下を効果的に防止可能な内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置では、排気経路に触媒が設けられた内燃機関の吸気バルブの閉弁時期を調整する吸気閉弁時期調整機構と、アクセルペダルの全閉操作に伴い内燃機関への燃料供給を停止する燃料カット手段と、吸気閉弁時期調整機構の作動を制御して燃料カット手段の作動時に、圧縮行程で吸入空気の一部を吸気系に吹き返すように吸気バルブの閉弁時期を遅角させる制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置において、内燃機関の排気バルブの閉弁時期を調整する排気閉弁時期調整機構を更に有する場合、制御手段で、排気閉弁時期調整機構の作動を制御して燃料カット手段の作動時に、吸入行程で排気系内の排気の一部を再吸入するよう排気バルブの閉弁時期を遅角するように制御する。

本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置のうち、吸気閉弁時期調整機構を有する場合、制御手段で、アクセルペダルの全閉が検出されると燃料供給の停止前に吸気バルブの閉弁時期を遅角させるように制御してもよい。この場合、吸気バルブの閉弁時期の遅角が燃料カットよりも早めに行われるので、燃料カット開始時から確実に排気流量を減少させて触媒の一時的な性能低下を抑制できるようになる。

本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置のうち、排気閉弁時期調整機構を有する場合、制御手段が燃料供給の停止が実行されてから排気バルブの閉弁時期を遅角させるように制御してもよい。この場合、排気バルブの閉弁時期の遅角を燃料カットが実行されてから行うので、排気バルブ閉弁時期の遅角で燃焼及び排ガスの悪化を招くことを確実に回避できるようになる。

本発明によれば、アクセルペダルの全閉操作に伴う燃料カット時には、吸気バルブの閉弁時期の調整により一旦吸入した空気が吸気系に吹き返されるので、極端にエンジンブレーキ力を増大させることなく排気の流量を減少させることができ、酸素による触媒の一時的な性能低下も抑制できる。

本発明によれば、燃料カット時には、吸気バルブの閉弁時期の調整により一旦吸入した空気を吸気系に吹き返すだけでなく、排気バルブの閉弁時期の調整により排気系内の排気の一部を再吸入するので、エンジンブレーキ力の増大をより抑制できると共に、触媒に流入する排気の流量をより効果的に減少させることができ、酸素による触媒の一時的な性能低下をより効果的に抑制できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１において、符号１は内燃機関であるエンジンを示す。このエンジン１は、吸気管噴射型エンジンとして構成されており、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４バルブ式が採用されている。エンジン１を構成するシリンダーブロック２ａの上部にはシリンダーヘッド２が装着されている。吸気側の動弁機構５０は、燃焼室４０に通じるようにシリンダーヘッド２に形成された吸気ポート１１を開閉する吸気バルブ７ａと、吸気バルブ７ａの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する吸気カム３ａが形成された吸気カムシャフト２１と、吸気バルブ７ａを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。排気側の動弁機構５１は、燃焼室４０に通じるようにシリンダーヘッド２に形成された排気ポート１７を開閉する排気バルブ７ｂと、排気バルブ７ｂの上端に図示しないロッカーアームを介して当接する排気カム３ｂが形成された排気カムシャフト２２と、排気バルブ７ｂを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリングとから構成されている。

吸気カムシャフト２１と排気カムシャフト２２の各端端には、タイミングプーリ４ａ，４ｂがそれぞれ装着されている。これらタイミングプーリ４ａ，４ｂはタイミングベルト５を介してクランク軸６に連結されている。タイミングプーリ４ａ，４ｂとカムシャフト２１，２２は、クランク軸６の回転に伴って回転駆動され、これらのカムシャフト２１，２２により吸気バルブ７ａ及び排気バルブ７ｂがエンジン１の回転に同期して開閉駆動される。

各カムシャフト２１，２２とタイミングプーリ４ａ，４ｂとの間には、吸気側及び排気側の可変タイミング機構としてのベーン式のタイミング可変機構８ａ，８ｂ（以下「ＶＶＴ８ａ，８ｂ」と記す）が設けられている。ＶＶＴ８ａ，８ｂの構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ４ａ，４ｂに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸気カムシャフト２１あるいはカムシャフト２２を連結して構成されている。ＶＶＴ８ａ，８ｂにはオイルコントロールバルブ（以下、「ＯＣＶ」と記す）９ａ，９ｂが接続され、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油を利用して、ＯＣＶ９ａ，９ｂの切替えに応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ４ａ，４ｂに対するカムシャフト２１，２２の位相、即ち、進角方向あるいは遅角方向へその位相を制御して、吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂとの開閉タイミングを調整するようになっている。本形態において、本形態において、ＶＶＴ８ａとＯＣＶ９ａは吸気閉弁時期調整機構を構成し、ＶＶＴ８ｂとＯＣＶ９ｂは排気閉弁時期調整機構をそれぞれ構成する。

吸気ポート１１と接続する吸気経路１２内には、スロットルバルブ１４と燃料噴射手段としての電磁式の燃料噴射弁１５とが設けられている。スロットルバルブ１４は、図示しないワイヤまたは電子制御機構を介してアクセルペダル３４と連結されていて、アクセルペダル３４の踏込量に応じてその開度が調整されるようになっている。アクセルペダル３４の全閉操作とは、アクセルペダル３４に対するドライバーの踏込操作が無い状態のことを指す。

吸気経路１２内には、エンジン１の始動に伴いシリンダー内を図１において上下に往復移動するピストン１６の下降に伴って、エアクリーナ１３から吸入空気が導入され、吸気経路１２内のスロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に燃料噴射弁１５からの噴射燃料と混合され、吸気ポート１１を経て吸気バルブ７ａの開弁時にシリンダー内に流入する。燃料噴射弁１５は、エンジン１の運転状態に対応して設定される燃料噴射量に応じた開弁時間が設定され、制御手段としてのＥＣＵ３１から噴射信号が印加されることで燃焼に最適なタイミングで燃料噴射を実行する。

シリンダーヘッド２には、燃焼室４０に臨み、燃焼室４０内において点火を行う点火手段としての点火プラグ１９が設けられている。この点火プラグ１９は、ＥＣＵ３１により制御された点火信号が印加されることで点火される。

排気ポート１７と接続する排気経路１８には、燃焼室４０内での燃焼後の排ガスが、排気バルブ７ｂの開バルブ時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から案内され、排気経路１８上に設けられた触媒としての三元触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。排気経路１８と吸気通路１２は、排気ガスを吸気側に戻す排気環流路２７で連通されている。排気環流路２７には、この環流路を開閉する開閉弁としてのＥＧＲ弁２８が設けられている。ＥＧＲ弁２８は電子制御可能な弁であって、ＥＣＵ３１からの信号によって開閉度合いが制御され、吸気側に環流する排気ガス導入量としてのＥＧＲ導入量を制御する。

車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン回転数を検出する回転数検出手段としての回転数センサ３２、エンジン負荷となるスロットルバルブ１４の開度を検出する負荷検出手段としてのスロットル開度センサ３３等の各種センサと、図示しないタイマが接続されている。ＥＣＵ３１の出力側には、ＯＣＶ９ａ，９ｂ、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９、ＥＧＲ弁２８等が接続されている。本形態において、回転数センサ３２とスロットル開度センサ３３は、エンジン１の運転状態を検出するための運転状態検出手段を構成する。ＥＣＵ３１は、スロットル開度センサ３３からの情報からアクセルペダル３４の全閉状態を判断し、全閉状態であると、燃料噴射弁１５からの燃料噴射を停止して、エンジン１への燃料供給を停止する燃料カット手段として機能する。

本形態では、エンジン１における吸気行程、圧縮行程、爆発・膨張行程及び排気行程の一連の四行程に対してクランクシャフト６が２回転するものとして、回転数センサ３２では１パルス当たり３０°ＣＡの割合でクランク角が検出される。ＥＣＵ３１は、各センサからの検出情報に基づいて燃料噴射量等を決定し、燃料噴射弁１５を駆動制御する。

ＥＣＵ３１には、所定のエンジン回転数に相当する設定値と所定の負荷に相当する設定値、及びエンジン回転数とスロットル開度から吸気ＶＶＴ８ａと排気ＶＶＴ８ｂの基本位相、（基本ＶＶＴ位相）を算出する図示しないＶＶＴ位相マップとがそれぞれ記憶されている。ＥＣＵ３１は、これらマップ情報により適宜ＶＶＴ８ａ，ＶＶＴ８ｂの駆動を制御して、吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂの位相の制御を行う。本形態では、燃料カット手段の作動時に、圧縮行程で吸入空気の一部を吸気系に吹き返すように吸気バルブ７ａの閉弁時期を遅角させるとともに、燃料カット手段の作動時に、吸入行程で排気系内の排気の一部を再吸入するよう排気バルブ７ｂの閉弁時期を遅角する。

ＥＣＵ３１には、回転数センサ３２からの回転情報とスロットル開度センサ３３からのか負荷情報を基にして、燃料噴射弁１５からの燃料噴射量と、点火プラグ１９に対する点火タイミングと、ＥＧＲ弁２８の開弁率を定めた図示しないマップが設定されていて、そのマップ情報に基づいて、適宜、燃料噴射量と点火タイミング、ＥＧＲ導入量を制御している。

図２は、ＶＶＴ８ａ，ＶＶＴ８ｂに必要なパラメーターと位相制御によって変動する構成要素の時間的な変化を示す線図である。図２において、ＮＯｘの線は三元触媒２０よりも排ガスの下流側におけるＮＯｘの変化を、吸蔵酸素の線は三元触媒に吸蔵される酸素量の変化を、マニ圧の線は排気ポート１７内の圧力変化を、体積効率の線は燃焼室４０に導入される空気量をそれぞれ示す。また、排気ＶＶＴ位相及び吸気ＶＶＴ位相の線は、一点鎖線が基本ＶＶＴ位相で、この線よりも上方が進角側を、下方が遅角側をそれぞれ示す。噴射信号の線は、燃料噴射弁１５に対する噴射信号の変化を示し、ここでは燃料供給の有無を示す。エンジン回転数及びアクセル開度の線は、エンジン回転数とアクセル開度の変化をそれぞれ示す。

このような構成のＥＣＵ３１による処理動作の一例を図３に示すフローチャートを用いて説明する。図３のフローチャートはＥＣＵ３１により実行される各処理のうち、吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂの開閉タイミング（位相）の切替えを行うためのものである。この処理は、エンジン１の運転中に所定時間毎の所定の間隔で割り込み実行される。

図３の処理が開始されると、ステップＳ１においてエンジン回転数や負荷、アクセル開度の情報が、回転数センサ３２、スロットル開度センサ３３から検出される。ステップＳ２では、これら検出されたエンジン回転数や負荷情報により吸気及び排気用のＶＶＴ位相マップからＶＶＴ８ａ、８ｂの基本ＶＶＴ位相を決定しステップＳ３に進む。ステップＳ３では、検出されたアクセル開度情報から、アクセル開度が全閉か否かが判断される。そして、アクセル開度が全閉の場合にはステップＳ４に進んで、ＯＣＶ９ａを制御して吸気側のＶＶＴ８ａを最遅角へと移動させてステップＳ５に進み、アクセル開度が全閉で無い場合には、ステップＳ６に進んで基本ＶＶＴ位相による吸気及び排気のＶＶＴ８ａ、８ｂに対する位相制御を実行する。

ステップＳ５では、燃料カット中か否かが燃料噴射弁１５に対する噴射信号の出力変動から判断される。そして、噴射信号が無い場合には、燃料カット中であるとしてステップＳ６に進んでＯＣＶ９ｂを制御して排気側のＶＶＴ８ｂを最遅角へと移動させ、燃料カット中でなければ、ステップＳ６に進んで基本ＶＶＴ位相による吸気及び排気のＶＶＴ８ａ、８ｂに対する位相制御を実行する。

このため、ステップＳ４においてＶＶＴ８ａが最遅角へと移動されると、吸気バルブ７ａの閉弁時期が遅くなるので、吸気ポート１１は圧縮行程においても開いた状態となり、燃焼室４０内に一旦吸入した空気の一部が燃焼室４０内の圧により吸気ポート１１内へと吹き返される。このため、排気の流量を減少させることができるとともに、エンジンブレーキ力の増大を抑制することができる。

ステップＳ６においてＶＶＴ８ｂが最遅角へと移動されると、排気バルブ７ｂの閉弁時期が遅くなるので、吸気行程においても開弁状態となって三元触媒２０に流入する排ガスの流量を減少させることができるとともに、エンジンブレーキ力の増大を抑制することができる。

本形態のように、燃料カットの前後において吸気量や排気量を抑制すると、図２に示すように燃料カット中における三元触媒２０に吸蔵される酸素を低減することができる。このように吸蔵酸素量が低減されると、燃料供給が再開された場合に、三元触媒２０の還元剤となる排気ガス中のＣＣ、ＨＣと吸蔵酸素との反応量を低減することができるので、吸蔵酸素による還元剤の消費を抑制することができる。このため、還元剤不足により三元触媒２０の一時的な性能低下を防止することができ、図２に示すように触媒性能の低下によりＮＯｘが一時的に増大するＮＯｘスパイクの発生を効果的に抑制することができる。

本形態では、アクセルペダル３４の全閉が検出されると、燃料カット前に吸気バルブ７ａの閉弁時期を遅角させている。これは、ＶＶＴ８ａはＯＣＶ９ｂを制御して油圧によって動作させるため応答遅れを否めず、この遅れの分を見込んで、早めに作動させている。この結果、吸気バルブ７ａの閉弁時期の遅角が燃料カット動作よりも早めに行われるので、燃料カット開始時から確実に排気流量を減少させることができ、三元触媒の一時的な性能低下を確実に抑制できるようになる。

本形態では、燃料カットが実行されてから排気バルブ７ｂの閉弁時期を遅角させるようにしている。これは排気バルブ７ｂの遅角により、三元触媒２０に対する排ガスの供給量を低減できる反面、吸気側へ戻されるＥＧＲ量が多くなり燃焼、排ガス無化する傾向となる。このため、排気バルブ７ｂの閉弁時期の遅角が、燃料カットが実行されてから行われることになり、排気バルブ７ｂの閉弁時期の遅角で燃焼及び排ガスの悪化を招くことを確実に回避できるようになる。

上記形態は、吸気側と排気側とにそれぞれＶＶＴ８ａ，８ｂを有する例で説明したが、吸気側にのみＶＶＴ８ａを有するものに本発明を適用してもよい。上記形態では、ベーン式のＶＶＴ８ａ，８ｂを備えたが、可変タイミング機構の構成はこれに限らず、例えば、ヘリカル式の可変タイミング機構に代えてもよいし、カム軸に対するカムの偏心量を変更する偏心式の可変タイミング機構、あるいは、異なる特性のカムを選択的に作動させる切替え式の可変タイミング機構、電磁式アクチュエータによりバルブを直接的に開閉する電磁式のタイミング可変機構等に代えてもよい。

本発明の一実施の形態を示すエンジンの制御装置の構成を示す図である。 吸気閉弁時期調整機構と排気閉弁時期調整機構に対する位相制御によって変動する構成要素の時間的な変化を示す線図である。 制御手段による吸気閉弁時期調整機構と排気閉弁時期調整機構に対する位相制御の一形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
７ａ 吸気バルブ
７ｂ 排気バルブ
８ａ，９ａ 吸気閉弁時期調整機構
８ｂ，９ｂ 排気閉弁時期調整機構
１８ 排気経路
２０ 触媒
３１ 制御手段（燃料カット手段）
３４ アクセルペダル

Claims (3)

1. 排気経路に触媒が設けられた内燃機関の吸気バルブの閉弁時期を調整する吸気閉弁時期調整機構と、
   アクセルペダルの全閉操作に伴い上記内燃機関への燃料供給を停止する燃料カット手段と、
   上記吸気閉弁時期調整機構の作動を制御して、上記燃料カット手段の作動時に、圧縮行程で吸入空気の一部を吸気系に吹き返すように上記吸気バルブの閉弁時期を遅角させる制御手段とを備え、
   
   上記制御手段は、上記アクセルペダルの全閉が検出されると燃料供給の停止前に上記吸気バルブの閉弁時期を遅角させることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   上記内燃機関の排気バルブの閉弁時期を調整する排気閉弁時期調整機構を有し、
   上記制御手段は、上記排気閉弁時期調整機構の作動を制御して、上記燃料カット手段の作動時に、吸入行程で排気系内の排気の一部を再吸入するよう排気バルブの閉弁時期を遅角することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   上記制御手段は、上記燃料供給の停止が実行されてから上記排気バルブの閉弁時期を遅角させることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。

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