JP4630755B2 - 内燃機関の過給制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に取り付けられた遠心過給器（ターボチャージャ）の制御技術に関する。

遠心過給器（ターボチャージャ）を備えた内燃機関では、減速運転時のようにスロットル弁が急激に閉弁された時のサージを抑制するために、吸排気弁のバルブオーバーラップを利用してコンプレッサ下流の吸気圧を排気系へ解放させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
特開２００４−２５１２４０号公報 特許第３４６６９０９号公報

ところで、単に吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させるのみでは、コンプレッサ下流の吸気圧が排気系へ解放され難くなる場合もある。例えば、排気系の圧力（排気圧）が高い時期にバルブオーバーラップ期間が重なると、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されない可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、遠心過給器のコンプレッサより下流の吸気圧が所定値以上となった時に吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させて前記吸気圧を排気系へ解放する内燃機関の過給制御装置において、コンプレッサ下流の吸気圧を速やかに排気系へ解放可能な技術を提供することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、遠心過給器のコンプレッサより下流の吸気圧が所定値以上の時にスロットル弁の開度を増加させるとともに吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させて前記吸気圧を排気系へ解放させる内燃機関の過給制御装置において、バルブオーバーラップ量を増加させる時に、吸気弁開弁期間の進角量に対して排気弁開弁期間の遅角量が多くされるようにした。

コンプレッサより下流の吸気圧が所定値以上の時にスロットル弁の開度が増加されるとともに吸排気弁のバルブオーバーラップ量が増加させられると、コンプレッサ下流の吸気圧が内燃機関の気筒内を経由して排気系へ解放されるため、コンプレッサ下流の吸気圧が低下するようになる。

吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させる方法としては、吸気弁の開弁期間を進角させる方法、排気弁の開弁期間を遅角させる方法、及び吸気弁の開弁期間を進角させると同時に排気弁の開弁期間を遅角させる方法が考えられる。

排気弁の開弁時期は、通常、排気行程下死点（膨張行程下死点）より前に設定される。すなわち、排気弁は膨張行程の途中で開弁することになる。排気弁が膨張行程の途中で開弁すると、燃焼途中の混合気が排気系へ排出されて排気系において燃焼する可能性や、混合気の燃焼によって生じたエネルギの一部が内燃機関の出力に寄与せずに排気系へ排出される可能性がある。

燃焼途中の混合気が排気系において燃焼し、若しくは混合気の燃焼エネルギが排気系へ
排出されると、排気系の圧力（排気圧）が高くなる。遠心過給器（ターボチャージャ）を備えた内燃機関では、上記した現象を積極的に利用して遠心過給器（ターボチャージャ）による過給効果を高める場合もある。

ところで、コンプレッサ下流の吸気圧を低下させることを目的として吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させる際に、排気弁の開弁期間を固定したまま吸気弁の開弁期間が進角させられると、排気弁の開弁時期が排気行程下死点より前になるため、排気圧が比較的高くなる。排気圧が比較的高くなると、コンプレッサ下流の吸気圧と排気圧との差が小さくなるため、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放され難くなる。

また、コンプレッサ下流の吸気圧を低下させることを目的として吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させる際に、排気弁開弁期間の遅角量に対して吸気弁開弁期間の進角量が多くされると、排気弁の開弁時期が排気行程下死点より前になる可能性がある。このような場合にも、排気圧が比較的高くなるため、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放され難くなる。

これに対し、コンプレッサ下流の吸気圧を低下させる際に、吸気弁開弁期間の進角量（零も含む）に対して排気弁開弁期間の遅角量が多くされると、排気行程下死点より以前に排気弁が開弁している時間（開弁開始から排気行程下死点までの時間）が短くなり、或いは排気行程下死点より後に排気弁が開弁するようになる。

この場合、内燃機関の排気系で燃焼する混合気の量が減少するとともに排気系へ排出される燃焼エネルギの量が減少するため、排気圧が低くなる。排気圧が低くなると、該排気圧とコンプレッサ下流の吸気圧との差が大きくなるため、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるようになる。

ここで、コンプレッサ下流の吸気圧が所定値以上となる場合としては、内燃機関が減速運転状態にある場合を例示することができる。内燃機関が減速運転状態にある時にスロットル弁の開度が増加させられるとエンジンブレーキの効きが弱くなってしまうが、本発明のようにコンプレッサ下流の吸気圧を速やかに排気系へ解放することができれば、エンジンブレーキの効きが弱くなる期間を短くすることができるという利点もある。

また、減速運転が開始された直後（すなわち、スロットル弁が閉弁された直後）は、コンプレッサ下流の吸気圧が所定値以上まで上昇するとともにスロットル弁に反射して比較的大きな脈動を生じる。

上記したような圧力脈動が大きい時に、スロットル弁開度の増加及びバルブオーバーラップ量の増加が行われると、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されなくなる可能性がある。コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されなくなると、エンジンブレーキの効きが弱くなる期間が長くなり、ドライバビリティが低下する。

そこで、本発明に係る内燃機関の過給制御装置では、内燃機関が減速運転状態にある時であって、コンプレッサ下流の圧力変動が所定量以下である時にスロットル弁開度の増加及びバルブオーバーラップ量の増加が行われるようにしてもよい。

コンプレッサ下流の圧力変動が小さい時にスロットル弁開度の増加及びバルブオーバーラップ量の増加が行われると、コンプレッサ下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるようになるため、エンジンブレーキの効きが弱まる期間を短くすることができ、依ってドライバビリティの低下を抑制することが可能となる。

本発明によれば、遠心過給器のコンプレッサより下流の吸気圧が所定値以上となった時に吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させて前記吸気圧を排気系へ解放する内燃機関の過給制御装置において、コンプレッサ下流の吸気圧を速やかに排気系へ解放することが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１は、複数の気筒２を有するエンジンである。

内燃機関１は、１番気筒（＃１）２ａ、２番気筒（＃２）２ｂ、３番気筒（＃３）２ｃ、及び４番気筒（＃４）２ｄの４つの気筒を有している。尚、上記した４つの気筒２ａ〜２ｄの燃焼順序（着火順序）は、１番気筒（＃１）２ａ、３番気筒（＃３）２ｃ、４番気筒（＃４）２ｄ、２番気筒（＃２）２ｂの順とする。

各気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄには、吸気弁３及び排気弁４が設けられている。排気弁４は、可変動弁機構４０により開閉タイミング（クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相）を変更可能に構成されている。

内燃機関１には、エキゾーストマニフォルド５が接続されている。エキゾーストマニフォルド５は、１番気筒（＃１）２ａに連通する第１分岐管５ａと、２番気筒（＃２）２ｂに連通する第２分岐管５ｂと、３番気筒（＃３）２ｃに連通する第３分岐管５ｃと、４番気筒（＃４）２ｄに連通する第４分岐管５ｄを備えている。

第１分岐管５ａと第４分岐管５ｄは、相互に合流して第１合流管５０を形成している。第２分岐管５ｂと第３分岐管５ｃも相互に合流して第２合流管５１を形成している。第１合流管５０と第２合流管５１は、遠心過給器（ターボチャージャ）６のタービンハウジング６０に設けられた２つのエントリ６１、６２（以下、第１エントリ６１、第２エントリ６２と記す）に各々接続されている。

タービンハウジング６０は、スクロール室が２つに区画されたツインスクロール式のタービンハウジングであり、第１エントリ６１及び第２エントリ６２は２本のスクロール室と各々連通している。タービンハウジング６０のスクロール室を通過した排気は、排気管７へ排出されるようになっている。

上記したように、排気行程が相互に連続若しくは重複しない気筒（１番気筒（＃１）２ａと４番気筒（＃４）２ｄ、２番気筒（＃２）２ｂと３番気筒（＃３）２ｃ）の排気を合流させ、且つ、合流後の排気を相互に独立したスクロール室に流通させると、排気干渉が抑制されるため、タービンブレードに対して大きな排気脈動を作用させることが可能となる。

また、内燃機関１には、吸気管１６が接続されている。吸気管１６は、ターボチャージャ６のコンプレッサハウジング６３に接続されている。吸気管１６の途中にはスロットル弁１７が配置され、スロットル弁１７より下流の吸気管１６には吸気圧センサ１８が取り付けられている。

前記したスロットル弁１７や可変動弁機構４０は、ＥＣＵ１２により制御される。ＥＣＵ１２は、クランクポジションセンサ１３、アクセルポジションセンサ１４、吸気圧センサ１８等の各種センサの出力信号に基づいて、スロットル弁１７や可変動弁機構４０を制
御する。

本実施例では、ＥＣＵ１２は、図２に示す減速時過給制御ルーチンに従ってスロットル弁１７及び可変動弁機構４０を制御する。減速時過給制御ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、先ずＳ１０１において、内燃機関１の減速運転要求が発生したか否かを判別する。

前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０２へ進み、吸気圧センサ１８の出力信号ＰＭが所定値ＰＭｓ以上であるか否かを判別する。

前記Ｓ１０２において肯定判定された場合（ＰＭ≧ＰＭｓ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０３へ進み、吸気圧低減制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ１２は、スロットル弁１７の開弁状態を保持若しくは開度を増加させるとともに、排気弁４の開閉タイミング（開弁期間）を遅角させるべく可変動弁機構４０を制御する。

尚、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０３の処理を実行する前に、吸気圧センサ１８の出力信号に基づいて単位時間当たりの吸気圧の変動量を演算し、その変動量が所定量以下であることを条件に前記Ｓ１０３の処理を実行するようにしてもよい。これは、減速運転開始直後は、コンプレッサハウジング６３より下流の吸気管１６に比較的大きな脈動が発生するため、該脈動の影響によってコンプレッサハウジング６３下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されない可能性があるからである。

図３は、吸気圧低減制御実行時において第１合流管５０の排気圧を計測した結果を示した図である。図３中の実線は吸気圧低減制御実行時（図３中の実線で示す開閉タイミング（開弁期間））の排気圧を示しており、点線は吸気圧低減制御非実行時（図３中の点線で示す開閉タイミング（開弁期間））の排気圧を示している。

排気弁４の開閉タイミング（開弁期間）が遅角されていない時は、排気弁４の開弁時期が排気行程下死点（排気ＢＤＣ）より前となるため、燃焼途中の混合気が第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出された後に燃焼する可能性や、混合気の燃焼によって生じたエネルギの一部が内燃機関の出力に寄与せずに第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出される可能性がある。

燃焼途中の混合気が第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出された後に燃焼し、若しくは混合気の燃焼によって生じたエネルギの一部が内燃機関の出力に寄与せずに第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出されると、タービンハウジング６０より上流の排気圧が高くなる（図中の点線を参照）。その結果、タービンハウジング６０より上流の排気圧と吸気圧との差が小さくなるため、コンプレッサハウジング６３より下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放され難くなる。

これに対し、排気弁４の開閉タイミング（開弁期間）が遅角された時は、排気弁４の開弁時期が排気行程下死点（排気ＢＤＣ）より後となるため、燃焼途中の混合気が第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出されなくなるとともに、混合気の燃焼によって生じたエネルギの一部が内燃機関の出力に寄与せずに第１分岐管５ａ、第４分岐管５ｄ、及び第１合流管５０へ排出されることがなくなる。

この場合、タービンハウジング６０より上流の排気圧が吸気圧に比して十分に低くなるとともに（図中の実線を参照）、排気弁４の開閉タイミング（開弁期間）の遅角によりバルブオーバーラップ期間（Ｖ／Ｏ）が増加するため、コンプレッサハウジング６３より下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるようになる。

尚、吸気圧低減制御実行時における第２合流管５１の排気圧も、上記した第１合流管５０と同様に吸気圧に比して十分に低くなるため、コンプレッサハウジング６３より下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるようになる。

ここで図２のフローチャートに戻り、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、Ｓ１０４へ進み、吸気圧低減制御の実行中であるか否かを判別する。前記Ｓ１０４において否定判定された場合は、ＥＣＵ８は、本ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ１０４において肯定判定された場合は、ＥＣＵ８は、Ｓ１０２へ進む。

ＥＣＵ１２は、Ｓ１０２において、吸気圧センサ１８の出力信号ＰＭが所定値ＰＭｓ以上であるか否かを判別する。Ｓ１０２において肯定判定された場合（ＰＭ≧ＰＭｓ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０３へ進んで吸気圧低減制御の実行を継続する。一方、前記Ｓ１０２において否定判定された場合（ＰＭ＜ＰＭｓ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ１２は、吸気圧低減制御の実行を終了する。すなわち、ＥＣＵ１２は、スロットル弁１７を閉弁させるとともに排気弁４の開閉タイミング（開弁期間）を通常の開閉タイミング（開弁期間）まで進角させる。

このようにＥＣＵ１２が減速時過給制御ルーチンを実行すると、内燃機関１が減速運転された時にコンプレッサハウジング６３より下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるため、コンプレッサハウジング６３より下流の吸気管１６においてサージの発生が抑制される。

更に、本実施例の吸気圧低減制御ではスロットル弁１７の開度増加によりエンジンブレーキの効きが弱くなることが懸念されるが、コンプレッサハウジング６３下流の吸気圧が速やかに排気系へ解放されるため、吸気圧低減制御の実行時間が極めて短くなる。依って、エンジンブレーキの効きが弱くなる期間を短くすることができるため、ドライバビリティの低下も最小限に抑えることが可能となる。

尚、本実施例では、本発明に係る遠心過給器（ターボチャージャ）として２つのエントリを有するターボチャージャを例に挙げたが、一つのエントリを有するターボチャージャであってもよいことは勿論である。

本発明を適用する内燃機関の実施例を示す図である。 減速時過給制御ルーチンを示すフローチャートである。 吸気圧低減制御実行時において第１合流管の排気圧を計測した結果を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
３・・・・・吸気弁
４・・・・・排気弁
６・・・・・遠心過給器（ターボチャージャ）
１２・・・・ＥＣＵ
１７・・・・スロットル弁
１８・・・・吸気圧センサ
４０・・・・可変動弁機構
５０・・・・第１合流管
５１・・・・第２合流管
６０・・・・タービンハウジング
６３・・・・コンプレッサハウジング

Claims (2)

1. 遠心過給器のコンプレッサより下流の吸気圧がサージを発生させると判定される圧力である所定値以上の時にスロットル弁の開度を増加させるとともに吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させて前記吸気圧を排気系へ解放させる内燃機関の過給制御装置において、
   前記吸排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させるために排気弁の閉弁タイミングを遅角させる時に、排気弁の閉弁タイミングとともに開弁タイミングも遅角させるものとし、その際の遅角量は吸気弁の開弁タイミングの進角量より多くされることを特徴とする内燃機関の過給制御装置。
2. 請求項１において、排気弁の開弁タイミング及び閉弁タイミングを遅角させる量は、排気弁の開弁タイミングが排気行程下死点より後になるように決定されることを特徴とする内燃機関の過給制御装置。

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