JP5040740B2

JP5040740B2 - エンジンの可変動弁制御装置

Info

Publication number: JP5040740B2
Application number: JP2008059868A
Authority: JP
Inventors: 賢渡邊; 齊剛李; 淳前川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP2009215947A

Description

本発明はエンジンの可変動弁制御装置に関する。

従来のエンジンの可変動弁制御装置として、エンジン始動時に吸気弁又は排気弁のリフト量及び開閉時期を制御して、エミッションの悪化を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２１４２０３号公報

しかしながら、上述した従来のエンジンの可変動弁制御装置は、バッテリ電圧が低下しているときにエンジンを始動すると、可変動弁機構の応答性が悪くなり多量のエミッションを発生させてしまうので、バッテリ電圧の低下時には、単に可変動弁機構の制御を禁止するものであった。

したがって、バッテリ電圧が十分なとき、すなわち可変動弁機構の応答性に何ら問題がないときに、可変動弁機構を制御してエミッションを抑制するものではなかった。そのため、エミッションが悪化するという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、エンジン始動時のエミッションを向上させることを目的とする。

本発明は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大、縮小させることができるリフト作動角可変機構を備えるエンジンの可変動弁制御装置であって、エンジンが完爆したか否かを判定する完爆判定手段と、エンジン始動から完爆後所定時間が経過するまでの間は、前記吸気弁のリフト・作動角を大リフト・大作動角に設定する大リフト・大作動角設定手段と、エンジン始動から完爆後所定時間が経過した後に、前記吸気弁のリフト・作動角を小リフト・小作動角に設定する小リフト・小作動角設定手段と、前記吸気弁のリフト・作動角を小リフト・小作動角に設定した後に、点火時期を完爆判定前の点火時期よりも遅角させる点火時期遅角手段と、を備える。

完爆判定前の吸気弁のリフト・作動角を大リフト・大作動角に設定したため、エンジン始動時のエミッションを向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

図１は、吸気弁可変動弁機構を備えたエンジンの構成を示す図である。

エンジン１は、クランクケース１０と、クランクケース１０に連結されるシリンダブロック２０と、シリンダブロック２０の頂部を覆うシリンダヘッド３０とを備える。

クランクケース１０の内部には、クランクシャフト１１が回転可能に支持される。クランクシャフトの一端にはフライホイール１３が連結される。フライホイール１３の外周にはリングギヤ１４が形成される。エンジン１の始動時には、このフライホイール１３の外周に形成されたリングギヤ１４を介して、スタータモータ１２によってクランクシャフト１１に始動トルクが与えられる。

シリンダブロック２０には、複数のシリンダ２１が形成される。図１では図面の煩雑を防止するため、１つのシリンダのみを記載してある。シリンダ２１には、ピストン２２が摺動自在に嵌合する。ピストン２２は、コンロッド２３によってクランクシャフト１１に連結される。

シリンダヘッド３０には、燃焼室３１の頂壁に開口する吸気通路３２と排気通路３３とが形成され、燃焼室３１の頂壁中心に点火栓３４が設けられる。また、シリンダヘッド３０には、吸気通路３２の開口を開閉する一対の吸気弁３５と、排気通路３３の開口を開閉する一対の排気弁３６とが設けられる。図１では図面の煩雑を防止するため、一方の吸気弁及び排気弁のみを記載してある。さらに、シリンダヘッド３０には、吸気弁３５を開閉駆動すると共にその開閉時期を任意の時期に設定できる吸気弁可変動弁機構１００と、排気弁３６を開閉駆動する排気カムシャフト３７とが設けられる。

吸気通路３２には、上流から順にエアクリーナ３２１と、吸気温センサ３２２と、エアフローセンサ３２３と、燃料噴射弁３２４とが設けられる。

エアクリーナ３２１は、空気中に含まれる異物を除去する。吸気温センサ３２２は、エンジン１に吸入される空気の温度（吸気温）を検出する。エアフローセンサ３２３は、エンジン１に吸入される空気の流量（吸気量）を検出する。燃料噴射弁３２４は、エンジン運転状態に応じて燃料を噴射する。

排気通路３３には、排気中の炭化水素や窒素酸化物等の有害物質を取り除く触媒コンバータ３３１が設けられる。

コントローラ２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ２００には、運転状態を検出するべく、上述したセンサ信号のほかにも、エンジン１の水温を検出するエンジン水温センサ２０１、クランク角に基づいてエンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサ２０２等の各種センサからの信号が入力される。

また、その他にもイグニッションキースイッチ２０３やスタータスイッチ２０４からの信号が入力される。運転者のキー操作によって、イグニッションキースイッチ２０３がオンにされると車載バッテリからの電源が投入され、スタータスイッチ２０４がオンにされるとクランキングが開始される。

次に、図２を参照して、吸気弁可変動弁機構１００について説明する。図２は、吸気弁可変動弁機構１００の斜視図である。

吸気弁可変動弁機構１００は、吸気弁３５のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１１０と、吸気弁３５のリフト中心角（吸気弁３５が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構１４０とを備え、吸気弁３５のバルブタイミングを可変制御する。なお、図２では１つの気筒に対応する一対の吸気弁３５及びその関連部品のみを簡略的に図示している。

まず、リフト・作動角可変機構１１０の構成について説明する。

吸気弁３５の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸１１３が設けられる。駆動軸１１３は、一端部に設けられたスプロケット１４２等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフト１１と連係され、クランクシャフト１１に連動して軸周りに回転する。

駆動軸１１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３に対して回転自在に取り付けられる。この一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置する吸気弁のバルブリフタ１１９が押圧され、吸気弁３５が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１２０は、互いに円筒等で同位相に固定されている。

駆動軸１１３の外周には、円筒状の駆動カム１１５が圧入等によって固定される。駆動カム１１５の中心Ｐ₄（図３参照）は、駆動軸１１３の軸心Ｐ₃（図３参照）から所定量だけ偏心した位置にある。駆動カム１１５は、揺動カム１２０から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム１１５の外周面には、リンクアーム１２５の基端１２５ａが、回転自在に嵌合する。

駆動軸１１３の斜め上方には、制御軸１１６が、駆動軸１１３と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。

制御軸１１６の一端部には、制御軸１１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ１３０が設けられる。リフト量制御アクチュエータ１３０は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ２００からの制御信号に基づいて、第１油圧装置２０５によって制御される。

制御軸１１６の外周面には、制御カム１１７が圧入等によって固定される。制御カム１１７の中心Ｐ₁（図３参照）は、制御軸１１６の軸心Ｐ₂（図３参照）から所定量だけ偏心した位置にある。制御カム１１７には、ロッカアーム１１８が、制御カム１１７の外周面に回転自在に嵌合する。ロッカアーム１１８は、制御カム１１７の軸心Ｐ₁を支点として揺動する。

ロッカアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸び、その両端には一端部１１８ｂと他端部１１８ｃ（図３参照）とを有する。そして一端部１１８ｂと揺動カム１２０とがリンク部材１２６によって連結され、他端部１１８ｃとリンクアーム１２５の端部１２５ｂとが連結される。

次に、位相可変機構１４０の構成について説明する。

位相可変機構１４０は、位相角制御アクチュエータ１４１と第２油圧装置２０６とを備える。

位相角制御アクチュエータ１４１は、スプロケット１４２と駆動軸１１３とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。

第２油圧装置２０６は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ２００からの制御信号に基づいて、位相角制御アクチュエータ１４１を制御する。

第２油圧装置２０６による位相角制御アクチュエータ１４１への油圧制御によって、スプロケット１４２と駆動軸１１３とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。

続いてリフト・作動角可変機構１１０の作用を詳述する。

図３（Ａ）（Ｂ）は、リフト・作動角可変機構１１０の駆動軸方向視図である。図３（Ａ）は、吸気弁３５のゼロリフト時における揺動カム１２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図３（Ｂ）は、吸気弁３５のフルリフト時における揺動カム１２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。

ここで、吸気弁のゼロリフト時とは、吸気弁３５がリフトしないことをいう（つまり吸気弁のリフト量はゼロ）。また、吸気弁のフルリフト時とは、吸気弁３５が最大のリフト量となることをいう。

図３（Ａ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ₁が制御軸１１６の軸心Ｐ₂の上方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して上方に位置しているときは、ロッカアーム１１８は全体として上方へ位置し、揺動カム１２０の端部１２０ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、カム面１２０ｂがバルブリフタ１１９から離れる方向に傾く（図３（Ａ）の左側参照）。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、基円面１２０ｃが長くバルブリフタに接触し続け、カム面１２０ｂがバルブリフタに接触する期間が短くなる。このため、吸気弁３５の最大リフト量が小さくなる（図３（Ａ）の右側参照）。また、吸気弁３５の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁３５の作動角も縮小する。

一方、図３（Ｂ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ₁が制御軸１１６の軸心Ｐ₂の下方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して下方に位置している場合には、ロッカアーム１１８は全体として下方へ位置し、揺動カム１２０の端部１２０ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、カム面１２０ｂがバルブリフタ１１９に近付く方向に傾く（図３（Ｂ）の左側参照）。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、バルブリフタ１１９と接触する部位が基円面１２０ｃからカム面１２０ｂへと直ちに移行する。このため、吸気弁３５の最大リフト量が大きくなる（図３（Ｂ）の右側参照）。また、吸気弁３５の作動角も拡大する。

図４は、吸気弁可変動弁機構１００の作用を説明する図である。

先に図３を参照して説明した制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁３５のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図４の実線に示したように、吸気弁可変動弁機構１００は、リフト・作動角可変機構１１０によって、吸気弁３５のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁３５のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁３５の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

さらに、図４の破線に示したように、吸気弁可変動弁機構１００は、位相可変機構１４０によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。

このように、リフト・作動角可変機構１１０と位相可変機構１４０とを組み合わせることによって、吸気弁可変動弁機構１００は、任意のクランク角度位置で吸気弁３５を開閉でき、吸気弁３５の閉時期を任意の時期に設定することができる。つまり、吸気弁３５のバルブタイミングを任意に設定することができる。

ここで、最終的に外気に排出される排気中のハイドロカーボンの濃度を低減するためには、エンジン始動から完爆までの間にエンジン１から排出されるハイドロカーボンを低減することと、触媒を早期に活性させることが重要である。以下、図５を参照してこの点について説明する。

図５は、エンジン始動時にエンジン１から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度を示した図である。なお実線が排気中のハイドロカーボンの濃度を示し、破線がエンジン回転速度を示す。

エンジン始動から完爆までの間は、完爆させるために噴射した燃料のうちの未燃燃料がエンジン１から排出される。そのため、図５に実線で示すように、エンジン１から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度は、完爆時に最も高くなる。しかし、冷機始動の場合には、完爆までの間に触媒を活性させることは難しい。

よって、上述したように、最終的に外気に排出される排気中のハイドロカーボンの濃度を低減するためには、この完爆時近傍に排出されるハイドロカーボンを低減することが重要となる。そして、完爆後は、触媒を早期に活性させることが重要となる。

図６は、吸気弁を小リフト・小作動角としてエンジン１を始動させたときと、大リフト・大作動角としてエンジン１を始動させたときとの、完爆時における排気中のハイドロカーボン濃度の違いを示した図である。

図６に示すように、吸気弁を大リフト・大作動角としてエンジン１を始動させたときの方が、完爆時における排気中のハイドロカーボン濃度は低くなる。なお点火時期を遅角させるほど、排気中のハイドロカーボン濃度が高くなるのは、点火時期の遅角により未燃燃料が増加するためである。

そこで、本実施形態では、エンジン始動から完爆後所定時間経過するまでは、吸気弁を大リフト・大作動角に設定する。これによって、完爆時近傍に排出されるハイドロカーボンを相対的に低減することができる。

そして完爆後は、吸気弁を小リフト・小作動角に設定する。完爆後に吸気弁を小リフト・小作動角に設定するのは、小リフト・小作動角のときは、大リフト・大作動角のときよりも噴射燃料が少ない。そうすると、その分だけ未燃燃料も少なくなるので、大リフト・大作動角のときよりも点火時期を遅角させることができ、排気温度を高くすることができるためである。これによって、完爆後は触媒を早期に活性させることができる。

以下では、このハイドロカーボンの排出濃度低減制御について説明する。

図７は、ハイドロカーボンの排出濃度低減制御を示すフローチャートである。本制御はイグニッションキースイッチ２０３がオンである間は所定時間（例えば１０ミリ秒）ごとに実行される。

ステップＳ１において、コントローラ２００は、クランキング中か否かを判定する。具体的には、スタータスイッチ２０４がオンか否かを判定する。コントローラ２００は、スタータスイッチ２０４がオンであればステップＳ２に処理を移行し、オフであれば今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、コントローラ２００は、吸気弁３５を大リフト・大作動角に設定する。

ステップＳ３において、コントローラ２００は、完爆を判定する。具体的にはクランキング開始後にエンジン回転速度が所定速度（完爆回転速度）を超えて上昇したときに完爆と判定する。コントローラ２００は、完爆を判定したときはステップＳ４に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ４において、コントローラ２００は、完爆後所定時間が経過したか否かを判定する。コントローラ２００は、完爆後所定時間を経過していればステップＳ５に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ５において、コントローラ２００は、吸気弁３５を小リフト・小作動角に設定する。

ステップＳ６において、コントローラ２００は、点火時期を完爆判定前よりも遅角させる。

図８は、ハイドロカーボンの排出濃度低減制御の動作を示すタイムチャートである。なお発明の理解を容易にするため、吸気弁を小リフト・小作動角としたままエンジンを始動したときの動作を破線で示す。以下、図７のフローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ０で、運転者がエンジン始動操作を行ってスタータスイッチ２０４をオンにすると、コントローラ２００は、スタータモータ１２を駆動させてクランキングを開始するとともに（図８（Ａ）；Ｓ１でＹｅｓ）、吸気弁３５を大リフト・大作動角に設定する（図８（Ｃ）；Ｓ２）。

時刻ｔ１で、エンジン回転速度が完爆回転速度に達すると（図８（Ａ））、コントローラ２００は完爆を判定する（Ｓ３でＹｅｓ）。

時刻ｔ２で完爆判定されてからの時間が所定時間に達すると（Ｓ４でＹｅｓ）、コントローラ２００は、吸気弁３５を小リフト・小作動角に設定するとともに（図８（Ｃ）；Ｓ５）、点火時期を完爆判定前よりも遅角させる（図８（Ｂ）；Ｓ６）。

このように、エンジン始動から完爆判定後、所定時間が経過するまでの間、吸気弁３５を大リフト・大作動角に設定したので、図８（Ｄ）に示すように、この間を小リフト・小作動角に設定したときと比べてエンジン１から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度を低減することができる。また、完爆判定後、所定時間を経過した後は、吸気弁３５を小リフト・小作動角に設定して、点火時期を完爆判定前よりも遅角させたので、図８（Ｅ）に示すように、この間を小リフト・小作動角に設定したときと同等の触媒暖機効果を得ることができる。

以上説明した本実施形態によれば、エンジン始動から完爆判定後、所定時間が経過するまでの間は吸気弁３５を大リフト・大作動角に設定した。ここで、エンジン１の特性として、吸気弁３５を大リフト・大作動角としてエンジン１を始動させたときの方が、小リフト・小作動角としてエンジン１を始動させたときよりも、完爆時における排気中のハイドロカーボン濃度は低くなる。

したがって、エンジン始動から完爆までの間にエンジン１から排出されるハイドロカーボンを低減することができる。

そして、完爆判定後、所定時間を経過した後は、吸気弁３５を小リフト・小作動角に設定して、点火時期を完爆判定前よりも遅角させたので、排気温度を上昇させることができ、この間を小リフト・小作動角に設定したときと同等の触媒暖機効果を得ることができる。

なお、以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることは明白である。

吸気弁可変動弁機構を備えたエンジンの構成を示す図である。吸気弁可変動弁機構の斜視図である。リフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。吸気弁可変動弁機構の作用を説明する図である。エンジン始動時にエンジンから排出される排気中のハイドロカーボンの濃度を示した図である。吸気弁を小リフト・小作動角としてエンジンを始動させたときと、大リフト・大作動角としてエンジンを始動させたときとの、完爆時における排気中のハイドロカーボン濃度の違いを示した図である。ハイドロカーボンの排出濃度低減制御を示すフローチャートである。ハイドロカーボンの排出濃度低減制御の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン
３５吸気弁
１００可変動弁機構
１１０リフト・作動角可変機構
Ｓ２大リフト・大作動角設定手段
Ｓ３完爆判定手段
Ｓ５小リフト・小作動角設定手段
Ｓ６点火時期遅角手段

Claims

吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大、縮小させることができるリフト作動角可変機構を備えるエンジンの可変動弁制御装置であって、
エンジンが完爆したか否かを判定する完爆判定手段と、
エンジン始動から完爆後所定時間が経過するまでの間は、前記吸気弁のリフト・作動角を大リフト・大作動角に設定する大リフト・大作動角設定手段と、
エンジン始動から完爆後所定時間が経過した後に、前記吸気弁のリフト・作動角を小リフト・小作動角に設定する小リフト・小作動角設定手段と、
前記吸気弁のリフト・作動角を小リフト・小作動角に設定した後に、点火時期を完爆判定前の点火時期よりも遅角させる点火時期遅角手段と、
を備えることを特徴とするエンジンの可変動弁制御装置。
エンジンの運転状態に応じて燃料を噴射する燃料噴射手段を備え、
前記燃料噴射手段は、前記吸気弁のリフト・作動角を小リフト・小作動角に設定したときは、大リフト・大作動角に設定したときよりも噴射燃料を少なくする、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの可変動弁制御装置。