JP6464424B2 - 機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置に関する。詳しくは、機械式過給機の運転領域に応じて高速用カムと低速用カムを切り替えるようにしたものである。

動弁機構として、エンジンの低回転域における使いやすさ、即ち、低速高トルクを保持しつつ高速域におけるエンジンの出力トルクの向上を図るために、プロフィールの異なる低速用と高速用の２種類のカムをカムシャフトに設け、エンジン低速回転域では低速用カムで、高速回転域では高速用カムで吸気弁を駆動するように油圧を利用して切り替えるようにした可変バルブタイミング機構がある（特許文献１）。このような可変バルブタイミング機構において、低速用カムは、高速用カムよりも小さく、バルブのオーバラップとリフトは共に小さくなっており、吸気開弁時期（ＩＯ）が遅い。

可変バルブタイミング機構を備える自然吸気（Ｎ／Ａ）エンジンのトルク特性の一例を図１に示す。図１において、一点鎖線ａは低速用カムを示し、二点鎖線ｂは高速用カムを示す。図１に示すように、低速用カムは、低速回転域（約５０００ｒｐｍ未満）では高速用カムに比較して高トルクであるのに対し、高速用カムは、高速回転域（約５０００ｒｐｍ以上）では低速用カムに比較して高トルクとなる。そのため、低速回転域では低速用カムで、高速回転域では高速用カムで吸気弁を駆動するように切り替えるようにしている。

一方、エンジンのクランク軸又はモータの軸出力によって駆動される機械式過給機（いわゆるスーパーチャージャ：Ｓ／Ｃ）を吸気系に備えたエンジンは、排気ガスによって駆動されるターボチャージャとは異なり、低速時から十分な過給圧が得られる利点があるため、良好なレスポンスが得られる（特許文献２）。

なお、特許文献２に記載されるエンジンは、特開平６−１８５３２１号公報と同様に、不等速軸継手の原理を応用して、円筒状カムシャフトを不等速回転させることでバルブリフト特性を連続的に可変制御し得るようにした連続可変動弁機構を採用している。連続可変動弁機構は、高速用カムと低速用カムを切り替える可変バルブタイミング機構とは異なる。

特開平４−２０３２２２号公報 特開平９−３１７５２０号公報

機械式過給機を具備したエンジンにおいては、低速時から十分な過給圧が得られるため、更に高速用カムと低速用カムを切り替える可変バルブタイミング機構を併用すると、アクセルペダルを限界まで踏み込んだ全開運転時には、図２に二点鎖線ｂで示す高速用カムが同図中一点鎖線ａで示す低速用カムに比較して、低速回転時から高速回転時に至るまで、高トルクとなる特性が見られる。

一例として、低速用カムと高速用カム（遅閉）のＰＶ線図と出力の関係を図３に示す。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、縦軸は筒内圧力（ＭＰａ）、横軸はピストンとシリンダ間の容積（Ｌ）を示す。図３（ａ）（ｂ）は３０００ｒｐｍを、図３（ｃ）（ｄ）は２５００ｒｐｍを示す。図３（ａ）（ｃ）は全体的なグラフを、図３（ｂ）（ｄ）は筒内圧力の低い領域を拡大したグラフである。図３において、一点鎖線ａは低速用カムを示し、二点鎖線ｂは高速用カムを示す。

図３（ａ）に示すように、３０００ｒｐｍでは、高速用カムはＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）＝２．０７３０ＭＰａであるのに対し、低速用カムはＩＭＥＰ＝１．９９０７ＭＰａである。一方、図３（ｃ）に示すように、２５００ｒｐｍでは、高速用カムはＩＭＥＰ＝１．９７５３ＭＰａであるのに対し、低速用カムはＩＭＥＰ＝１．９５７０ＭＰａである。ＩＭＥＰとは、機関の１サイクル当たりの仕事量を機関の行程容積で割った値を、圧力の単位で示したものである。

また、図３（ｂ）に示すように、３０００ｒｐｍでは、高速用カムはＰｐ＝＋０．０４４６ＭＰａであるのに対し、低速用カムはＰｐ＝＋０．００７９ＭＰａである。一方、図３（ｄ）に示すように、２５００ｒｐｍでは、高速用カムはＰｐ＝＋０．０６７５ＭＰａであるのに対し、低速用カムはＰｐ＝＋０．０２２６ＭＰａである。Ｐｐとは、回収できるエネルギーを示す。

図３は一例を示すものであるが、全開運転時には吸気開弁時期の遅い低速用カムで運転すると、ピストンで真空引きするようにエネルギーのロスが大きく、吸気中に機械式過給機で回収できる仕事量が少ないのに対して、高速用カムを使用して吸気開弁時期を早めることにより、機械式過給機からシリンダ内に吸気がスムーズに流れ込み、機械式過給機で回収できる仕事量が増大し、出力が向上することが判る。

そのため、機械式過給機を併用したエンジンにおいては、図２に示す特性からすると、油圧を利用して低速用カムから高速用カム切り替えることが可能であれば、常に高速用カムを使用する方が高性能となると言える。
しかし、機械式過給機を具備したエンジンでは、トルクが低い一部の運転領域では過給圧が必要でない領域、つまり、非過給域（Ｎ／Ａ域）が存在することが知られている。機械式過給機には下流と上流をバイパスするバイパス通路とこのバイパス通路を開閉するバイパスバルブが設けられており、このような領域では、機械式過給機で一端過給した過給圧をインテークホールド前で機械式過給機の上流に戻すことで、非過給とする。

つまり、機械式過給機は、低速時から十分な過給圧が得られるのであるが、運転領域によっては非過給域となるため、図２に示す特性が常に得られるのではなく、十分な過給圧が生じる過給域では高速用カムが低速用カムの性能を上回るが、非過給域では逆に低速用カムが高速用カムの性能を上回ることとなっていた。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンにおいて、機械式過給機の運転領域に応じて高速用カムと低速用カムを切り替える制御装置を提供するにある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係るエンジンの制御装置は、吸気系に機械式過給機を備え、高速用カムと低速用カムとを切り替えて吸気弁の開閉を行う可変バルブタイミング機構を備えたエンジンの制御装置において、前記低速用カムは前記高速用カムに対し前記吸気弁を開弁する時期が遅く、バルブオーバーラップ及びリフトが共に小さくなる一方、前記機械式過給機の過給域においては、前記高速用カムが前記低速用カムの出力性能を上回り、前記機械式過給機の非過給域においては、前記低速用カムが前記高速用カムの出力性能を上回り、前記機械式過給器の過給域では、前記低速用カムから前記高速用カムに切り替え、前記機械式過給機の非過給域では、前記可変バルブタイミング機構を制御して、限界回転数を超えない限り、前記低速用カムを使用するよう制御することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係るエンジンの制御装置は、請求項１において、前記機械式過給器の過給域では、前記可変バルブタイミング機構を制御して、前記エンジンにより駆動されるオイルポンプにより発生する一定圧以上の油圧を利用して前記低速用カムから前記高速用カムに切り替える。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係るエンジンの制御装置は、請求項１又は２において、前記可変バルブタイミング機構により前記高速用カムに切り替えたときには、吸気工程噴射を行うことを特徴とする。

本発明のエンジンの制御装置によれば、機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンにおいて、機械式過給機の非過給域では高速用カムに比べて吸気開弁時期の遅い低速用カムに切り替え、機械式過給器の過給域では高速用カムに切り替えるため、運転領域に関わらず常に高性能を発揮できるという効果を奏する。

自然吸気エンジンの出力特性を示すグラフである。 機械式過給機を具備したエンジンの出力特性を示すグラフである。 低速用カムと高速用カム（遅閉）のＰＶ線図と出力の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る可変バルブタイミング機構の一例を示す組立斜視図である。 図５中の矢線ＶＩ-ＶＩに沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る可変バルブタイミング機構のバルブリフトカーブを示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置によるカム切替制御マップを示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について、実施例に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係る機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置を図４〜図８に示す。

図４に示すように、このエンジン１００は、各シリンダ２１の上部の燃焼室２２に対し、一対の吸気弁２，３と一対の排気弁２３とが配置されたシリンダヘッド２７を備え、吸気弁２，３によって吸気ポート２４が開閉されるとともに、排気弁２３によって排気ポート２５が開閉されるようになっている。ここで、排気弁５は、シリンダヘッド２７内に設けた排気側カムシャフト２６の排気用カム２６ａによって固定的なバルブタイミングでもって開閉されるようになっている。これに対し、吸気弁２，３は後述する可変バルブタイミング機構１によって、プロフィールの異なる２種類のカムを切り替えて制御できる構成となっている。

また吸気ポート４が接続される吸気マニホールド及び吸気通路２８の上流側には機械式過給機２９が備えられている。この機械式過給機２９は、機関出力よって駆動される機械式のものであり、通常、機関出力によって常時駆動されている。機械式過給機２９としては、モータの出力軸によって駆動されるものを使用しても良い。機械式過給機２９、可変バルブタイミング機構１は、何れも電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって制御される。なお、吸気マニホールド内には、吸気ポート４に向けて燃料を噴射する図示しない燃料噴射弁（ＭＰＩ:multi point injection）が設けられている。

可変バルブタイミング機構１の具体的な構成を図５に示す（特開平０４‐２０３２２２）。この可変バルブタイミング機構１は、吸気弁２，３と、これらの吸気弁２，３を開閉するロッカシャフト４，４’と一体のＴ型ロッカアーム（以下「低速用ロッカアーム」という）６と、高速用ロッカアーム７と、低速用ロッカアーム６に内蔵され当該低速用ロッカアーム６に高速用ロッカアーム７を結合又は解除するためのピストン９及びカムシャフト１３に設けられた低速用カム１４、高速用カム１５等により構成されている。

低速用カム１４は、高速用カム１５よりも小さく、バルブオーバラップとリフトは共に小さくなっており、吸気開弁時期が遅い。即ち、図７に、低速用カム１４、高速用カム１５及び排気用カム２６ａのバルブリフトカーブを示す。図７において、一点鎖線ａは低速用カム１４を、二点鎖線ｂは高速用カム１５を、細線ｃは排気用カム２６ａを示す。
図７に示すように、高速用カム１５は、低速用カム１４に比較してリフト量が大きく、吸気開弁時期が低速用カム１４よりも早い。言い換えると、低速用カム１４は、高速用カム１５よりも吸気開弁時期が遅い。詳しくは、低速用カム１４の吸気開弁時期は、吸気上死点（ＴＤＣ）の後であるのに対し、高速用カム１５の吸気開弁時期は吸気上死点の前である。そのため、排気用カム２６ａに対するバルブオーバーラップは、低速用カム１４に比較して、高速用カム１５が大きい。

一方、低速用ロッカアーム６の両端のロッカシャフト４，４’は、図６に示すように、ロッカシャフトジャーナル１２，１２’に回転可能に軸支されており、ロッカシャフトジャーナル１２，１２’、ロッカシャフト４，４’に設けられた油路４ａ，４’ａを通してピストン９に油圧Ｐが供給されるようになっている。高速用ロッカアーム7の基端は、軸孔７ａを介して低速用ロッカアーム６の側のロッカシャフト４に揺動可能に外嵌されている。これらの低速用ロッカアーム６、高速用ロッカアーム７の各先端には夫々ローラベアリング１０，１１が軸支されており、夫々低速用カム１４、高速用カム１５に当接されて転動する。

ピストン９は、スプリング１７のばね力により低速用ロッカアーム６のピストン孔内に引き込まれており、油圧Ｐが供給されると当該スプリング１７のばね力に抗して突出されてその先端が高速ロッカアーム７のピストン孔７ｂに嵌入して、低速用ロッカアーム６に高速用ロッカアーム７を結合する。ロッカシャフトジャーナル１２は、電磁切換弁（図示せず）を介してエンジン１００により駆動されるオイルポンプ（図示せず）に接続されている。この電磁切換弁を開くと、オイルポンプからピストン９へ油圧Ｐが供給され、この電磁切換弁を閉じると、オイルポンプからピストン９への油圧Ｐの供給が停止する。この電磁切換弁は、電子制御装置３０により制御される。

従って、電子制御装置３０の制御により、電磁切換弁を閉じると、オイルポンプからピストン９への油圧Ｐの供給が停止し、ピストン９はスプリング１７のばね力により後退し、高速用ロッカアーム７は、低速用ロッカアーム６との結合を解除されて自由に揺動可能とされる。そのため、低速用カム１４により低速用ロッカアーム６を介して吸気弁２，３が駆動される。

一方、電子制御装置３０の制御により、電磁切換弁を開くと、オイルポンプからピストン９に油圧Ｐが供給され、当該ピストン９はスプリング１７のばね力に抗して押し出され、高速用ロッカアーム７のピストン孔７ｂに嵌入し、当該高速用ロッカアーム7が低速用ロッカアーム６に結合される。そのため、高速用カム１５により高速用ロッカアーム７、低速用ロッカアーム６を介して吸気弁２，３が駆動される。このようにして低速用カム１４と高速用カム１５の切換を行なう。

電子制御装置３０は、エンジン回転数センサ、トルクセンサ等の各センサ（何れも図示せず）からの信号に基づき、図８に示すカム切替制御マップに沿って、電磁切換弁を開閉して可変バルブタイミング機構１を制御する。
ここで、機械式過給機２９においては、例えば、図８に破線ｄで示すようにトルクが約２００Ｎｍ以下の領域が非過給域（Ｎ／Ａ域）であり、トルクが約２００Ｎｍを超える領域が過給域であるとする。

機械式過給機２９においては、過給域においては高速用カム１５が低速用カム１４の性能を上回り、非過給域において逆に低速用カム１４が高速用カム１５の性能を上回る。そのため、トルクが約２００Ｎｍ以下の非過給域においては低速用カム１４を使用し、トルクが約２００Ｎｍを超える過給域においては高速用カム１５を使用するようにカムを切り替えることが理論上は高性能となると言える。例えば、図２に示す全開運転時は、過給域であり、高速用カム１５が低速用カム１４よりも常に高性能である。

しかし、現実的な条件としては、低速用カム１４は約４０００ｒｐｍ以上では耐久性の問題があるため使用できない。つまり、低速用カム１４の限界回転数は約４０００ｒｐｍということになる。そのため、トルクが約２００Ｎｍ以下の非過給域であっても、回転数が約４０００ｒｐｍを超えるときには、高速用カム１５に切り替える。

また、低速用カム１４から高速用カム１５へ切り替えるためには、一定圧以上の油圧Ｐが生じないと切り替えられない。オイルポンプはエンジン１００により駆動される為、オイルポンプにより発生する油圧Ｐは回転数に依存する。ここでは、回転数が１０００ｒｐｍを超えないと、低速用カム１４から高速用カム１５へ切り替えできないとする。

その結果、低速用カム１４を使用する領域は、非過給域より更に制限され、具体的には、図８に斜線を入れて示すように、トルクが約２００Ｎｍ以下で、かつ、回転数が約１０００ｒｐｍ〜約４０００ｒｐｍ以下の領域である。低速用カム１４は限界回転数＝約４０００ｒｐｍを超えて使用できないからである。更に、アイドル回転数から約１０００ｒｐｍの間のトルクが極めて低い領域においても、トルクが約２００Ｎｍ以下となるので、低速用カム１４を使用する。

一方、高速用カム１５を使用する領域は、例えば、図８においてドットを入れて示すように、低速用カム１４を使用する領域以外の領域、即ち、トルクが約２００Ｎｍ以上の過給域で、かつ、回転数が１０００ｒｐｍ以上に制限される。１０００ｒｐｍ以下では、一定圧以上の油圧Ｐが生じないため、高速用カム１５へ切り替えできないからである。更に、高速用カム１５を使用する領域は、トルクが約２００Ｎｍ以下で、回転数が約４０００ｒｐｍ以上の非過給域を含む。低速用カム１４は限界回転数＝約４０００ｒｐｍを超えて使用できないからである。
なお、図８において、高速用カム１５を使用する領域は、一例として、トルクが約４００Ｎｍ以下で、かつ、回転数が５０００ｒｐｍ以下として図示しているが、これは単なる例示に過ぎない。

更に、図８において、縦線を入れて示す低速高負荷領域では、高速用カム１５を使用すると、高速用カム１５は低速用カム１４に比べてバルブオーバーラップが大きい為、燃料の吹き抜けの問題が発生する。
即ち、排気弁２３が閉まりきらないうちに吸気弁２，３が開くバルブオーバーラップ時に、燃料を噴射する排気工程噴射では、噴射した燃料が排気ポート２５から吹き抜ける問題があり、特に低速用カム１４に比べてバルブオーバーラップが大きい高速用カム１５では著しい。

そこで、バルブオーバーラップ後、即ち、排気弁２３が閉じた後に、各吸気ポート２４に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射する吸気工程噴射を行うのである。吸気工程噴射では、排気弁２３が閉じた後に燃料噴射するので燃料の吹き抜けの問題が解消する。
なお、低速高負荷領域とは、図８に示すように、例えば、トルクが約２００Ｎｍ以上４００Ｎｍ以下で、かつ、回転数が１０００−２５００ｒｐｍの領域としたが、これは単なる例示に過ぎない。

以上、実施形態に基づいて具体的に説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、機械式過給機２９及び可変バルブタイミング機構１を具備したエンジン１００において、機械式過給機２９の非過給域では高速用カム１５に比べて吸気開弁時期の遅い低速用カム１４に切り替え、機械式過給器２９の過給域では高速用カム１５に切り替えるため、運転領域に関わらず常に高性能を発揮できるという効果を奏する。特に、全開運転時には吸気開弁時期の遅い低速用カム１４から高速用カム１５に切り替えて吸気開弁時期を早めることにより、機械式過給機２９で回収できる仕事量が増大し、出力が向上するという効果を奏する。

本発明は、機械式過給機及び可変バルブタイミング機構を具備したエンジンの制御装置として産業上広く利用可能なものである。

１ 可変バルブタイミング機構
２，３ 吸気弁
４，４’ ロッカシャフト
４ａ，４’ａ 油路
６ 低速用ロッカアーム（Ｔ型ロッカアーム）
７ 高速用ロッカアーム
７ａ 軸孔
７ｂ ピストン孔
９ ピストン
１０，１１ ローラベアリング
１２，１２’ ロッカシャフトジャーナル
１３ カムシャフト
１４ 低速用カム
１５ 高速用カム
１７ スプリング
２１ シリンダ
２２ 燃焼室
２３ 排気弁
２４ 吸気ポート
２５ 排気ポート
２６ 排気カムシャフト
２７ シリンダヘッド
２８ 吸気マニホールド及び吸気通路
２９ 機械式過給機
３０ 電子制御装置
１００ エンジン

Claims (3)

1. 吸気系に機械式過給機を備え、高速用カムと低速用カムとを切り替えて吸気弁の開閉を行う可変バルブタイミング機構を備えたエンジンの制御装置において、
   前記低速用カムは前記高速用カムに対し前記吸気弁を開弁する時期が遅く、バルブオーバーラップ及びリフトが共に小さくなる一方、
   前記機械式過給機の過給域においては、前記高速用カムが前記低速用カムの出力性能を上回り、前記機械式過給機の非過給域においては、前記低速用カムが前記高速用カムの出力性能を上回り、
   前記機械式過給器の過給域では、前記低速用カムから前記高速用カムに切り替え、
   前記機械式過給機の非過給域では、前記可変バルブタイミング機構を制御して、限界回転数を超えない限り、前記低速用カムを使用するよう制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記機械式過給器の過給域では、前記可変バルブタイミング機構を制御して、前記エンジンにより駆動されるオイルポンプにより発生する一定圧以上の油圧を利用して前記低速用カムから前記高速用カムに切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記可変バルブタイミング機構により前記高速用カムに切り替えたときには、吸気工程噴射を行う
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。

Images