JP4858729B2

JP4858729B2 - 可変動弁装置

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Publication number: JP4858729B2
Application number: JP2009243396A
Authority: JP
Inventors: 仁司戸田; 雅之高垣; 智吉川; 真一村田; 信明村上
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: US8205585B2; US20100116232A1; CN101737174B; DE102009052767A1; JP2010138898A; DE102009052767B4; CN101737174A

Description

本発明は、エンジンの吸気バルブの開閉時期を変更可能な可変動弁装置に関するものである。

従来より、エンジンの可変動弁装置として、吸排気バルブのリフト量を変化させる可変バルブリフト機構、吸排気バルブの開閉時期（位相）を変化させる可変バルブタイミング機構が知られている。そして、近年では、燃費や出力性能を更に向上させるために、これらの可変バルブリフト機構及び可変バルブタイミング機構の両方を備えたエンジンが増加している。

このように可変バルブリフト機構及び可変バルブタイミング機構を備えたエンジンでは、一般的に低負荷時に吸気バルブの閉弁時期を早めることで、吸気マニホールド内の負圧を抑えポンピングロスを低減して燃費を向上させている。一方、高負荷時には吸気バルブのリフト量を大きくし吸気量を増加させて出力を向上させている（特許文献１）。

特開２００６−９７６４７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、高負荷時に吸気バルブのリフト量を大きくするに伴い吸気バルブの閉弁時期が遅角する。そして、閉弁時期が遅角して下死点付近になると実圧縮比が大きくなりすぎ、ノッキングを起こしてしまう虞がある。このようにノッキングが発生すると、燃費が低下するといった問題点がある。
本発明の目的は、可変動弁装置を備えたエンジンにおいて、低負荷時には吸気バルブの閉弁時期を早めて燃費を向上させるとともに、高負荷時においても燃費の向上を図ることができる可変動弁装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、エンジンの吸気バルブの開閉時期を可変する可変動弁装置において、前記エンジンのクランクシャフトと吸気カムシャフトの位相を変更して前記吸気バルブの開閉時期を可変する可変バルブタイミング機構と、前記吸気バルブの少なくとも閉弁時期を遅角させながら前記吸気バルブのリフト量を増加する可変バルブリフト機構と、前記可変バルブタイミング機構とともに前記可変バルブリフト機構を制御して、前記エンジンの負荷が第１の所定値未満である場合には前記吸気バルブの閉弁時期が下死点を含む所定範囲より進角する一方、前記エンジンの負荷が前記第１の所定値以上である場合には前記吸気バルブの閉弁時期が前記所定範囲より遅角するように、前記吸気バルブの開閉時期を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、エンジンの負荷が前記第１の所定値未満である場合に、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの開閉時期を最進角するとともに前記可変バルブリフト機構を負荷に応じて制御し、エンジンの負荷が前記第１の所定値以上である場合に、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの開閉時期を最遅角するとともに前記可変バルブリフト機構を最大リフト量となるように制御することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、前記制御手段は、前記エンジンのアクセル開度が全開状態である場合には、前記吸気バルブの閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、前記吸気バルブのリフト量を最大量より低下させるように前記可変バルブタイミング機構及び前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または２において、前記制御手段は、前記エンジンのアクセル開度が全閉状態である場合には、前記吸気バルブのリフト量が最小値より大きくなるように前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記エンジンの回転速度が第２の所定値以上である場合には、エンジンの負荷に拘わらず、前記吸気バルブの閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、前記吸気バルブのリフト量を最大量より低下させるように前記可変バルブタイミング機構及び前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置によれば、エンジンの負荷が第１の所定値未満である場合には吸気バルブの閉弁時期が進角制御されるので、吸気マニホールド内の負圧が抑制され、ポンピングロスが低減して燃費を向上させることができる。一方、エンジンの負荷が第１の所定値以上である場合には吸気バルブの閉弁時期が下死点を含む所定範囲より遅角するので、ノッキングの発生が抑制されるとともに、ミラーサイクル効果により燃費を向上させることができる。したがって、低負荷から高負荷において燃費の向上を図ることができる。

この際、吸気バルブの閉弁時期を可変バルブタイミング機構と可変バルブリフト機構との２つの機構により行うため、吸気バルブの閉弁時期の下死点を含む所定範囲より進角および遅角の切り替えをスムーズに行うことができる。
特に、エンジンの負荷が第１の所定値未満である場合には可変バルブタイミング機構によって吸気バルブの開閉時期が最進角するとともに可変バルブリフト機構の制御によって吸気バルブのリフト量の低下に伴い吸気バルブの閉弁時期が更に進角するので、吸気流速が上昇して燃焼が安定化するとともにポンピングロスの更なる低減により燃費を更に向上させることができる。

さらに、エンジンの負荷が第１の所定値以上である場合には、吸気バルブの閉弁時期が最遅角するとともにリフト量が最大量となるので、ミラーサイクル効果を最大限発揮させて燃費の更なる向上を図ることができる。
本発明の請求項２の可変動弁装置によれば、アクセル開度が全開状態である場合には、吸気バルブの閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、吸気バルブのリフト量を最大量より低下させることで、エンジンの出力性能を最大限発揮させることができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置によれば、アクセル開度が全閉状態である場合には、吸気バルブのリフト量を最小量より大きくするので、吸気マニホールド内の圧力を低下させることができる。したがって、アイドル時やブレーキ操作時にブレーキマスタバックの負圧を確保することができる。
本発明の請求項４の可変動弁装置によれば、エンジン回転速度が所定値以上である場合には、負荷に拘わらずリフト量及び位相が規定されるので、不要な可変バルブタイミング機構の切り換えが抑制される。したがって、高回転域でのアクチュエータの作動が抑制され、耐久性を向上させることができる。

本実施形態の可変動弁装置を備えたエンジンの概略構造図である。カム軸位相可変機構の構造図である。可変バルブリフト機構の構造図である。第１の実施形態におけるカム軸位相可変機構及び可変バルブタイミング機構の設定に用いられるマップである。負荷に応じたカム軸位相可変機構及び可変バルブリフト機構の設定状態とエンジン状態とを示すグラフである。第２の実施形態におけるカム軸位相可変機構及び可変バルブリフト機構の設定に用いられるマップである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態の可変動弁装置を備えたエンジン１の概略構成図である。
本実施形態のエンジン１は、ＤＯＨＣ式の動弁機構を有しており、走行用駆動源として車両に搭載されている。エンジン１の吸気カムシャフト２及び排気カムシャフト３の前端には、夫々タイミングプーリ４、５が接続され、これらのタイミングプーリ４、５はタイミングベルト６を介してクランクシャフト７に連結されている。クランクシャフト７の回転に伴ってタイミングプーリ４、５と共に吸気シャフト２及び排気カムシャフト３が回転駆動され、この吸気カムシャフト２に備えられた吸気カム２ａにより吸気バルブ８が、排気カムシャフト３に備えられた排気カム３ａより排気バルブ９が開閉駆動される。

吸気バルブ８を駆動する動弁機構に本実施形態の可変動弁装置が採用されている。可変動弁装置は、後述するカム軸位相可変機構（可変バルブタイミング機構）１１及び可変バルブリフト機構１２を備えている。
図２は、カム軸位相可変機構構１１の内部構造図である。以下、図１と合わせて、カム軸位相可変機構構１１について説明する。

カム軸位相可変機構１１は、吸気カムシャフト２と吸気側のタイミングプーリ４との間に設けられており、例えば特開２０００−２７６０９号公報や特許第３８４６６０５号公報に記載されているようなベーン式カム軸位相可変機構が採用される。
図２に示すように、カム軸位相可変機構１１は、タイミングプーリ４に設けたハウジング１３内にベーンロータ１４を回動可能に設け、そのベーンロータ１４に吸気カムシャフト２を連結して構成されている。

カム軸位相可変機構構１１には、吸気カムシャフト２内に形成された油路を介してオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）１５が接続され、エンジン１のオイルポンプ１６から供給される作動油を、ＯＣＶ１５の切換に応じてベーンロータ１４とハウジング１３との間に形成された油室１７に供給してベーンロータ１４を回動させることで、タイミングプーリ４に対する吸気カムシャフト２の位相角、即ち、吸気バルブ８の開閉時期を連続的に調整可能となっている。

また、カム軸位相可変機構１１は、ロックピン１８と、スプリング１９（付勢手段）を備えている。ロックピン１８は、ベーンロータ１４に設けられた嵌合孔２０に挿入してベーンロータ１４の回動を規制する機能を有しており、ベーンロータ１４の最進角位置を設定する。スプリング１９は、ハウジング１３とベーンロータ１４との間に設けられ、ベーンロータ１４を進角方向に付勢する。

図３は、可変バルブリフト機構１２の該略構造図である。以下、図１と合わせて、可変バルブリフト機構１２の構造について説明する。
可変バルブリフト機構１２の構造は、例えば特開２００５−２９９５３６号公報に記載されており、詳細な構造については省略するが、図３に示すように、吸気カムシャフト２と吸気バルブ８を駆動するロッカアーム３０との他にセンタロッカアーム３１及びスイングカム３２が設けられている。そして、吸気カムシャフト２の回転駆動によりロッカアーム３０を上下動する際に、電動モータ３３によりロッカシャフト３４を回動し、センタロッカアーム３１の支点位置を移動させることで、吸気バルブ８の最大リフト量を変化させることができるとともに、最大リフト量と最小リフト量まで、開弁時期を略一定に保ちながらリフト量の減少に伴って閉弁時期を進角させる。即ち、可変バルブリフト機構１２は、吸気カムシャフト２及びロッカアーム３０に、センタロッカアーム３１、スイングカム３２を組み合わせた単一の機構であって、吸気バルブ８のリフト量と開弁期間とを一義的に連続可変する機能を有する。

ＥＣＵ４０は、図示しない入出力装置、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備ており、エンジン１の総合的な制御を行う。
ＥＣＵ４０の入力側には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４１、図示しないスロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサ４２、ドライバーによるアクセルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ４６等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ４０の出力側には、上記ＯＣＶ１５、電動モータ３３の他に、燃料噴射弁４３、点火プラグ４４等が接続されている。ＥＣＵ４０は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ４４や燃料噴射弁４３を駆動制御するとともに、ＯＣＶ１５及び電動モータ３３を駆動制御、即ちカム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２を制御する。

図４は、本発明の第１の実施形態におけるカム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の設定に用いられるマップである。
ＥＣＵ４０は、図４に示すように、エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｌに応じて可変バルブリフト機構１２及びカム軸位相可変機構１１を切換制御する。なお、エンジン回転速度Ｎはクランク角センサ４１により検出したクランク角の推移より計測されるとともに、負荷Ｌはアクセルポジションセンサ４６により検出したアクセルの踏み込み量から演算すればよい。

ＥＣＵ４０は、負荷Ｌが第１の所定値Ｌ1未満である場合には、カム軸位相可変機構１１を制御して吸気バルブ８を最進角に設定するとともに、可変バルブリフト機構１２を制御して負荷Ｌに対応した最小のリフト量にする（図中領域１）。
負荷Ｌが第１の所定値Ｌ1以上である場合には、カム軸位相可変機構１１を最遅角に制御するとともに、可変バルブリフト機構１２によりリフト量を最大値に設定する（図中領域２）。

負荷Ｌが最大領域、具体的にはアクセル全開時には、エンジン１の出力が極力最大となるように、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２を制御する。本実施形態のエンジン１では、閉弁時期は最遅角より若干進角し、リフト量は最大値より若干少なくすることで出力が最大となる（図中領域３）。
負荷Ｌが極小領域、具体的にはアイドル状態または減速時のようにアクセル全閉時には、カム軸位相可変機構１１は最進角制御したまま、可変バルブリフト機構１２は最小リフト量より大きく制御する（図中領域４）。

図５は、負荷に応じた可変バルブリフト機構１２及びカム軸位相可変機構１１の設定状態とエンジン状態とを示すグラフである。（Ａ）は吸気バルブ８の閉弁時期、（Ｂ）はカム軸位相可変機構１１によって可変する吸気バルブ８の位相、（Ｃ）は可変バルブリフト機構１２によって可変する吸気バルブ８のリフト量、（Ｄ）は吸気マニホールド内の圧力、（Ｅ）は燃費を示し、夫々エンジン１の負荷に応じた値を示している。図中○は吸気バルブ８の閉弁時期が最も早い場合での値を示す一方、◇は吸気バルブ８の閉弁時期が最も遅い場合での値を示す。

図５に示すように、負荷Ｌが第１の所定値Ｌ1未満である領域１では、吸気バルブ８の閉弁時期が早められるので、吸気マニホールドの負圧を低減（圧力を上昇）させることができる。したがって、ポンピングロスが低減し、燃費を向上させることができる。
負荷Ｌが第１の所定値Ｌ1以上である領域２では、カム軸位相可変機構１１を最遅角制御するとともに、可変バルブリフト機構１２によりリフト量を最大値に設定することで、吸気バルブ８の閉弁時期を最も遅らせる。これにより、吸気バルブ８の閉弁時期を下死点を含む所定範囲Ｔ1より遅らせることで、ノッキングの発生を抑えるとともにミラーサイクル効果により燃費を向上させることができる。

アクセル全開時である領域３では、吸気バルブ８の閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、リフト量を最大値より少なくして、エンジン１の出力性能を最大限発揮させる。
アクセル全閉時である領域４では、バルブリフト量を最小値より若干大きく設定することで、吸気マニホールド内の圧力を低下させて、ブレーキマスタバック用の負圧を十分に確保することができる。

以上のように、本実施形態では、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の両方を備えたエンジンにおいて、低負荷域では吸気マニホールド内の負圧を低減してポンピングロスを低減させる一方、高負荷域では吸気バルブ８の閉弁時期を下死点付近より遅角してノッキングの発生を抑えるとともにミラーサイクル効果により燃費を向上させることができる。したがって、低負荷域から高負荷域までの全域において、燃費性能を向上させることができる。

また、カム軸位相可変機構１１と可変バルブリフト機構１２との双方により吸気バルブ８の閉弁時期を変更できるため、下死点を含む所定範囲Ｔ1を挟んで進角と遅角の切り替えがスムーズに行え、切り替え制御の過渡中に吸気バルブ８の閉弁時期が下死点を含む所定範囲Ｔ1に滞在する時間を抑制することができる。更にカム軸位相可変機構１１を油圧式、可変バルブリフト機構１２を電動式とそれぞれ異なる駆動方式としているため、例えば同じ駆動方式として油圧不足や電力不足により作動不良等が発生することを抑制できる。

更に、可変バルブリフト機構１２を電動式とすることで、冷態始動時のように油温が低下している場合や、低回転時のように油圧が十分に上昇していない場合でもリフト量を正確に制御可能である。したがって、低温、低回転時においても燃費の改善を図ることができる。
また、バルブのリフト量は空気量に大きく関係するため、可変バルブリフト機構１２には非常に高い可変応答性が必要であり、電動化が適している。

また、アクセル全閉時のような負荷が極小領域である場合は、吸気マニホールド内の負圧の低減を緩和してブレーキマスタバック用の負圧を確保する。これにより、ブレーキマスタバックの負圧を確保するため負圧ポンプを必要とすることがなく、部品コストの上昇を抑えることができる。
アクセル全開時のような負荷が最大領域である場合は、吸気バルブ８の閉弁時期を最遅角及びリフト量を最大値にするのではなく、最遅角より若干進角させるとともにリフト量を最大量より若干少なくすることで、エンジン１の出力が最も得られるように制御される。したがって、必要に応じてエンジンの性能を最大限発揮させることができるので、車両の加速性能を向上させることができる。

なお、高負荷域において、吸気バルブ８が最遅角制御されたときでも、吸気バルブ８と排気弁９の両方が開弁する状態であるオーバーラップが設けられるように設定するとよい。このようにすれば、吸気行程初期においてポンピングロスが低減されるので燃費を更に向上させることができる。
次に、図６を用いて本実施形態の第２の実施形態について説明する。

図６は、本発明の第２の実施形態におけるカム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の設定に用いられるマップである。
第２の実施形態は、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の切換制御を第１の実施形態のように負荷に応じてだけでなく、エンジン回転速度Ｎに応じても切り換える。

詳しくは、エンジン回転速度Ｎが第２の所定値Ｎ1未満である場合には、第１実施形態と同様に負荷に応じて領域１〜４の制御を選択する。本実施形態では、エンジン回転速度Ｎが第２の所定値Ｎ1以上である場合には、負荷に拘わらず、領域３と同様にエンジンの出力性能が最大限発揮されるように、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２を制御する。

以上により、第２の実施形態では、実用燃費への影響が小さい高回転時においては、負荷に応じてカム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の無駄な切換制御を行わないので、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２の耐久性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、カム軸位相可変機構１１及び可変バルブリフト機構１２との両方を備えたエンジンに対して本願発明を適用しているが、これに限定するものではなく、吸気バルブ８の閉弁時期を可変する機能を備えたエンジンに適用可能である。この場合、負荷Ｌが第１の所定値Ｌ1以上である場合に吸気バルブ８の閉弁時期を下死点を含む所定範囲Ｔ1より遅角することで、少なくとも高負荷域での燃費の向上を図ることができる。

１エンジン
８吸気バルブ
１１カム軸位相可変機構
１２可変バルブリフト機構
４０ＥＣＵ

Claims

エンジンの吸気バルブの開閉時期を可変する可変動弁装置において、
前記エンジンのクランクシャフトと吸気カムシャフトの位相を変更して前記吸気バルブの開閉時期を可変する可変バルブタイミング機構と、
前記吸気バルブの少なくとも閉弁時期を遅角させながら前記吸気バルブのリフト量を増加する可変バルブリフト機構と、
前記可変バルブタイミング機構とともに前記可変バルブリフト機構を制御して、前記エンジンの負荷が第１の所定値未満である場合には前記吸気バルブの閉弁時期が下死点を含む所定範囲より進角する一方、前記エンジンの負荷が前記第１の所定値以上である場合には前記吸気バルブの閉弁時期が前記所定範囲より遅角するように、前記吸気バルブの開閉時期を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、エンジンの負荷が前記第１の所定値未満である場合に、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの開閉時期を最進角するとともに前記可変バルブリフト機構を負荷に応じて制御し、エンジンの負荷が前記第１の所定値以上である場合に、前記可変バルブタイミング機構により前記吸気バルブの開閉時期を最遅角するとともに前記可変バルブリフト機構を最大リフト量となるように制御することを特徴とする可変動弁装置。
前記制御手段は、前記エンジンのアクセル開度が全開状態である場合には、前記吸気バルブの閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、前記吸気バルブのリフト量を最大量より低下させるように前記可変バルブタイミング機構及び前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置。
前記制御手段は、前記エンジンのアクセル開度が全閉状態である場合には、前記吸気バルブのリフト量が最小値より大きくなるように前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の可変動弁装置。
前記制御手段は、前記エンジンの回転速度が第２の所定値以上である場合には、エンジンの負荷に拘わらず、前記吸気バルブの閉弁時期を最遅角より進角させるとともに、前記吸気バルブのリフト量を最大量より低下させるように前記可変バルブタイミング機構及び前記可変バルブリフト機構を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変動弁装置。