JPH05263669A

JPH05263669A - 機械式過給機付内燃機関

Info

Publication number: JPH05263669A
Application number: JP6469592A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kato; 雄一加藤; Hidemi Onaka; 英巳大仲
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】機械式過給機を用いて冷間時にエンジン吸気
の圧縮加熱を行う際に、低回転時の加熱効果を向上させ
る。【構成】エンジン１の吸気系２に過給機５を設け、エ
ンジンクランク軸からクラッチ６を介して駆動する。エ
ンジン１の吸気弁３１を駆動するカムシャフト４１には
可変バルブタイミング装置４０を設け、過給機５による
吸気圧縮加熱時に吸気弁３１の閉弁時期を遅延させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両用エンジン等に用い
る機械式過給機の過給制御装置に関し、詳細にはエンジ
ン冷間時に過給機を作動させて圧縮による吸気加熱を行
う過給制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの冷間運転では燃焼室壁温が低
く、圧縮後の混合気が燃焼室壁面で冷却されてしまい温
度が十分に上昇しない場合があり、このため混合気着火
性や火炎伝播速度が低下して燃焼状態が悪化する傾向が
ある。従来、この燃焼状態の悪化を補うために、冷間時
には燃料を増量して濃混合気を形成することによって安
定燃焼を得ることが行われている。

【０００３】しかし、燃料増量によりエンジン燃費が悪
化する他、冷間時に点火プラグのくすぶりが発生した
り、濃混合気の燃焼によりＨＣやＣＯの発生量が増大す
る等の問題が生じる。また燃焼悪化のため排気温度も低
いことから、触媒を使用する排気浄化装置では触媒温度
が活性領域に達するのが遅れるため冷間時に十分な排気
浄化が行われず、前述のＨＣ，ＣＯ発生量の増大も加わ
り、冷間時の排気エミッションが悪化する問題があっ
た。

【０００４】一方、エンジン出力軸から機械的に駆動さ
れる過給機（以下「機械式過給機」という）を設け、エ
ンジン冷間時にこの機械式過給機を作動させて圧縮によ
る吸気加熱を行うことにより上記問題の解決を図ったエ
ンジンが知られている。冷間時に過給を行い、圧縮によ
り予め吸気温度を上昇させ、燃焼室温度が低い場合でも
圧縮後の混合気温度を充分に高い温度に保持するように
して燃焼状態の改善を図ったものである。

【０００５】この種のエンジンの例としては、例えば特
開昭６１−１９９３３号公報に開示されたものがある。
同公報のエンジンは、クラッチを介してエンジンから駆
動される機械式過給機を設け、通常の運転条件ではエン
ジンの中高負荷運転領域のみクラッチを接続して過給を
行うが、エンジン冷間時には低負荷領域でもクラッチを
接続して過給運転を行うようにしている。エンジン冷間
時に過給機を作動させることにより高温になった吸気が
エンジンに供給され、燃焼状態の改善と暖機の促進が図
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記特開昭６
１−１９９３３号公報のように過給機のみを用いて吸気
の昇温を行う場合、条件によっては十分に高い温度の吸
気を得られないことがある。例えばエンジン始動後アイ
ドル回転で暖機を行うような場合、機械式過給機の回転
数も低く、従って圧縮比も小さい。このため外気温度が
低い状態では過給機吐出空気の温度も上昇せず十分な燃
焼改善効果が得られない場合がある。

【０００７】このような場合、機械式過給機を可変増速
比機構を用いて駆動し、冷間時の低速運転の際に過給機
回転数を上昇させることにより圧縮比を高めることも可
能であるが、過給機駆動系の構造が複雑になりコストも
上昇する問題がある。一方、エンジンの吸気弁駆動機構
にバルブタイミング可変機構を設け、エンジン回転速度
に応じて吸気弁の開閉時期を調節し、全運転領域でエン
ジン吸気体積効率を最適化したエンジンが知られてい
る。

【０００８】本発明は、このバルブタイミング可変機構
を有するエンジンで機械式過給機を用いて冷間時の吸気
圧縮加熱を行う際に、過給機の可変増速比機構等を付加
することなく、効果的に吸気加熱を行う手段を提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、機械式
過給機を備え、機関冷間時に過給機を作動させて吸気圧
縮加熱を行う機械式過給機付内燃機関において、機関吸
気弁の閉弁時期を遅延させる手段を設け、前記吸気圧縮
加熱時に吸気弁閉弁時期を遅延させて過給機吐出空気温
度を上昇させることを特徴とする機械式過給機付内燃機
関が提供される。

【００１０】

【作用】通常の運転時、吸気弁は排気行程の後期（ピス
トン上死点前）に開弁し、吸気行程終了後圧縮行程初期
（ピストン下死点後）に閉弁するようになっている。従
って、吸気弁の閉弁時期を遅延させると吸気弁が圧縮行
程中に開弁している期間が長くなってくる。このためエ
ンジン低速時に吸気弁閉弁時期を遅延させると、吸気行
程中にシリンダ内に吸入された空気が圧縮行程時に再び
吸気弁から吸気ポートに逆流することになり吸気体積効
率の低下によりシリンダに吸入される空気量は減少す
る。

【００１１】一方、機械式過給機は回転数が同じであれ
ば常に同じ流量の空気を吸気ポートに送り込むため、吸
気ポート圧力（即ち、過給機吐出圧力）はシリンダに吸
入される空気量が減少した分だけ上昇することになる。
このため、過給機回転数を増大させることなく過給機の
圧縮比が増加し、高い吐出温度を得ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、添付図面を用いて本発明の実施例を説
明する。図１は本発明を適用した機械式過給機付内燃機
関の実施例構成を示す略示図である。図において１はエ
ンジン、２はエンジンの吸気通路、３は運転者のアクセ
ルペダル（図示せず）の操作に応じて吸気流量を連続的
に変化させるスロットル弁、５はスロットル弁３の下流
側吸気通路に設けられた過給機である。

【００１３】過給機５は本実施例では容積型の圧縮機が
用いられ、エンジン１のクランク軸プーリ４から電磁ク
ラッチ６を介して機械的に駆動される。図に７で示すの
は過給機５をバイパスしてスロットル弁３下流側吸気通
路と過給機出口側吸気通路とを接続する吸気バイパス通
路であり、この吸気バイパス通路７にはバイパス通路を
通る空気流量を連続的に調節可能なバイパス制御弁９が
設けられている。８はバイパス制御弁を開閉駆動するス
テップモータ等のアクチュエータ、１９はバイパス制御
弁９の開度を検出するバイパス開度センサである。

【００１４】バイパス制御弁９の開度を変更すると、バ
イパス通路７を通って過給機５の吐出側から入口側に還
流する空気量が変化するため過給機５の圧縮比を調節す
ることができる。すなわちバイパス制御弁９の開度を大
きくすれば過給機５の圧縮比は減少し、過給圧が低下す
る。逆にバイパス制御弁９の開度を小さくすることによ
り過給機圧縮比は増大し、過給圧が上昇する。

【００１５】本実施例ではエンジンの暖機状態を検出す
るためエンジン冷却水通路には冷却水温度を検出する冷
却水温度センサ１１が設けられている他、スロットル弁
３にはスロットル弁開度を検出するスロットルセンサ１
２、クランク軸４にはエンジン回転数を検出する回転数
センサ１３が、また吸気通路２にはスロットル弁３上流
側に吸気流量を検出するエアフローメータ１５と、エン
ジン入口部分に吸気温度を検出する吸気温度センサ１７
とがそれぞれ設けられている。

【００１６】また、本実施例ではエンジン１の吸気弁３
１を駆動する吸気カムシャフト４１には後述する可変バ
ルブタイミング装置４０が設けられており、エンジンへ
の運転中に吸気弁３１の開閉タイミングを変更できるよ
うになっている。図に２１で示すのはエンジンの制御を
行う電子制御装置（ＥＣＵ）である。本実施例ではＥＣ
Ｕ２１は、中央演算装置（ＣＰＵ）２３、ランダムアク
セスメモリ（ＲＡＭ）２４、リードオンリメモリ（ＲＯ
Ｍ）２５及び入、出力ポート２６，２７をそれぞれ相互
に双方向性バス２８で接続した構成のディジタルコンピ
ュータが用いられている。

【００１７】ＥＣＵ２１の入力ポート２６には本制御の
ため冷却水温度センサ１１、回転数センサ１３、エアフ
ローメータ１５、吸気温度センサ１７、スロットルセン
サ１２、バイパス開度センサ１９が接続され、それぞれ
冷却水温度、エンジン回転数、吸気流量、吸気温度、ス
ロットル開度及びバイパス開度が入力されている。また
ＥＣＵ２１の出力ポートは図示しない駆動回路を介して
バイパス制御弁９のアクチュエータ８に接続されバイパ
ス制御弁９の開度変更を行うほか、電磁クラッチ６と可
変バルブタイミング装置４０とに接続されクラッチＯＮ
／ＯＦＦ及び吸気弁のバルブタイミングを制御するよう
になっている。

【００１８】図２に本実施例の可変バルブタイミング装
置４０の断面図を示す。図において４１はカムシャフ
ト、４３はタイミングプーリ、４５はタイミングプーリ
４３の中央部に形成されたスリーブである。タイミング
プーリ４３のスリーブ４５内にはカムシャフト４１が挿
通されプーリ４３とカムシャフト４１とは相互に回転可
能となっている。

【００１９】また、図に５１で示すのは円筒形状のハウ
ジングであり、ハウジング５１はカムシャフト４１の端
面に取付ボルト５３及びピン５３ａとにより固定され、
カムシャフト４１と一体に回転する。タイミングプーリ
４３のスリーブ４５外周とハウジング５１の内周面には
軸線方向に対してそれぞれ逆向きのねじれ角を有するヘ
リカルスプライン４５ａ及び５１ａが形成されている。

【００２０】また、ハウジング５１とスリーブ４５との
間には、これらと同心の環状ピストン５５が配置されて
おり、ピストン５５の外周面には前記ハウジング５１内
周面に形成されたヘリカルスプライン５１ａと噛合する
ヘリカルスプライン５１ｂが、また環状ピストン５５の
内周面には前記スリーブ４５外周面のヘリカルスプライ
ン４５ａと噛合するヘリカルスプライン４５ｂがそれぞ
れ設けられている。従ってタイミングプーリ４３の回転
はスリーブ４５からスプライン４５ａ，４５ｂを介して
ピストン５５に、又スプライン５１ｂ，５１ａを介して
ピストン５５からハウジング５１に伝達され、タイミン
グプーリ４３とカムシャフト４１とは一体になって回転
する。

【００２１】カムシャフトに加わるトルク変動によりピ
ストン５５のヘリカルスプライン部でチャタリングによ
る騒音が生じるのを防止するためハウジング５１とプー
リ４３との間にはシリコンオイルを封入した粘性ダンパ
６５が設けられている。ピストン５５の外周面とハウジ
ング５１の内周面との間にはＯ−リング等のオイルシー
ル５７が設けられ、ピストン５５の軸端側端面とハウジ
ング５１との間に環状の油圧室５９を形成している。こ
の油圧室５９はカムシャフト４１内に形成される油圧通
路６１を介して図示しない油圧回路に接続されている。

【００２２】また図に６７で示すのはピストン５５を油
圧室５９側に押圧付勢する圧縮ばねである。図２に示す
ように圧縮ばね６７は、油圧室に作動油圧力が供給され
ていないときにピストン５５を図の左方向に押圧し、ハ
ウジングの左端位置に保持している。

【００２３】また、図示しない油圧回路から油圧通路６
１を介して油圧室５９に作動油を供給するとピストン５
５は油圧室５９内の作動油圧力によりばね６７を圧縮し
ながら図の右方向に移動する。ピストン５５が軸線方向
に移動するとスリーブ４５とハウジング５１はそれぞれ
ピストン５５に対してヘリカルスプライン４５ａ，４５
ｂと５１ａ，５１ｂの歯筋に沿って相対的に回動するた
め、タイミングプーリ４３とカムシャフト４１の回転位
相が相対的に変化する。タイミングプーリ４３は歯付き
ベルト等によりエンジンクランクシャフトから同期駆動
されているためタイミングプーリ４３とカムシャフト４
１との回転位相を変化させることによりカムシャフト４
１のクランク軸に対する回転位相、すなわち吸気弁３１
のバルブタイミングを運転中に変更することができる。

【００２４】また、油圧通路６１にはＥＣＵ２１により
制御される油圧制御弁（図示せず）が設けられており、
ＥＣＵ２１により油圧室５９内の油圧を制御することに
よりピストン５５の軸方向位置を調節して吸気弁のバル
ブタイミングを無段階に変更することができるようにな
っている。上記説明からわかるように本実施例の可変バ
ルブタイミング装置４０によれば吸気弁の開弁時期とは
常に等しい量だけ変化し、吸気弁の開弁期間は一定に保
持される。

【００２５】図３に本発明のバルブタイミング設定の一
例を示す。図においてＴＤＣ，ＢＤＣはそれぞれピスト
ン上死点と下死点とを示し、ＥＯ，ＥＣはそれぞれ排気
弁の開弁時期と閉弁時期とを示す。また、吸気弁開弁時
期ＩＯ及び閉弁時期ＩＣはそれぞれＩＯ₁〜ＩＯ₂，Ｉ
Ｃ₁〜ＩＣ₂の間で可変とされている。本実施例では暖
機完了後の低速運転時には吸気弁のバルブタイミングは
ＩＯ₁，ＩＣ₁に設定される。一方、エンジン冷間時に
は吸気弁のバルブタイミングは遅延され、後述のように
エンジン吸気温度に応じてＩＯ₁〜ＩＯ₂及びＩＣ₁〜
ＩＣ₂の間の閉弁時期をとる。

【００２６】図４は吸気弁閉弁時期ＩＣを変化させた場
合のシリンダ吸気体積効率η_vと過給機出口温度Ｔc と
のエンジン回転数Ｎe に対する変化傾向を示したもので
ある。閉弁時期をＩＣ₁（図３）とした場合に比較し、
閉弁時期をＩＣ₂（図３）まで遅延させた場合には低中
速領域ではη_vが低く、高速領域では逆にη_vが高くな
っている。これは吸気弁閉弁時期を遅延させると低中速
領域では吸気ポートに逆流する空気量が増加してη_vが
低下するが、高速領域では吸気慣性効果により吸気弁閉
弁時期を遅らせた方がη_vが向上するためである。この
ため、過給機出口温度は低中速領域では吸気弁閉弁時期
を遅延させた方が高いが、高速領域では逆に吸気弁閉弁
時期を遅延させた方が低くなる。

【００２７】しかし、エンジン冷間時の吸気圧縮加熱が
必要となる低中速領域について見れば、吸気弁閉弁時期
は遅延させる程過給機出口温度は高くなる。図５はエン
ジン低中速領域で回転数を一定に保持したときの吸気弁
閉弁時期と過給機出口温度との関係を示す。図５に示す
ように低中速領域では吸気弁閉弁時期を遅延させると略
直線的に過給機吐出温度が上昇する。

【００２８】次に、図６に本発明の過給機による吸気温
度制御の一実施例のフローチャートを示す。本ルーチン
はＥＣＵ２１により一定時間（例えば１６ミリ秒）毎に
実行される。図でルーチンがスタートするとステップ１
００では前述の各センサからエンジン回転数Ｎe 、スロ
ットル弁開度θt 、吸気流量Ｑ、吸気温度ＴＳ、冷却水
温度ＴＷが読込まれる。

【００２９】次いでステップ１０５ではエンジン暖機が
完了しているか否かを冷却水温度ＴＷから判定する。冷
却水温度ＴＷが所定値ＴＷ₀（本実施例ではＴＷ₀＝５
０℃）より低い場合には機関冷間運転であるためステッ
プ１１０からステップ１６５により吸気温度制御を実施
する。ステップ１１０は機関運転条件が過給機作動可能
領域にあるか否かの判定を示す。本実施例では機関冷間
運転時の過給機作動可否は図７の実線Ａを用いて判定す
る。

【００３０】図７横軸はエンジン回転数Ｎe 、縦軸はエ
ンジン負荷を表わすパラメータとしてエンジン１回転当
りの吸気量（Ｑ／Ｎ）で表示してある。図７、実線Ａか
らわかるように冷間時には、エンジンの極低負荷、低回
転領域を除く全領域で過給機が作動するようになってい
る。ステップ１１０で過給機作動領域にあると判定され
た場合ステップ１１５でバイパス制御弁を全閉にしてか
らステップ１２０に進み冷却水温度ＴＷから図８を用い
て目標吸気温度ＴＳ₀を設定する。

【００３１】図８は目標吸気温度ＴＳ₀と冷却水温度Ｔ
Ｗとの関係を示す。図示のように冷却水温度ＴＷが低い
場合には、目標吸気温度は高く設定され燃焼室内での混
合気温度低下を防いでいるが、暖機が進み冷却水温度が
上昇するにつれて目標吸気温度は略直線的に低下するよ
うに設定される。上記のように目標吸気温度を設定する
ことにより暖機の進行と共に目標吸気温度も低く設定さ
れるため不要な吸気加熱が低減される。

【００３２】次にステップ１２５及び１３０ではステッ
プ１００で読込んだ実際の吸気温度ＴＳとステップ１２
０で算出した目標吸気温度ＴＳ₀とを比較し、ＴＳ＝Ｔ
Ｓ₀であれば吸気弁の閉弁時期は変更せず現状のままル
ーチンを終了する。また、ＴＳ≠ＴＳ₀である場合はス
テップ１３５に進み、目標吸気温度ＴＳ₀と実際の吸気
温度ＴＳとの差ΔＴＳから吸気弁の閉弁時期ＩＣの目標
値ＩＣ₀を決定する。図９はΔＴＳとＩＣ₀との関係を
示す。ＩＣ₀は目標吸気温度ＴＳ₀と実際の吸気温度Ｔ
Ｓとの差ΔＴが大きい程（実際の吸気温度ＴＳが低い
程）遅角される。なお、図９に示すようにＩＣ₀の値は
図３の限界値ＩＣ₁とＩＣ₂との間で設定される。

【００３３】なお、本実施例ではＥＣＵ２１は図７〜図
９の関数をＲＯＭ２５に格納しておりこれらを用いて上
記の操作を行っている。ステップ１４０，１４５は吸気
加熱の終了の判断を示す。本実施例では暖機の進行等に
よりＴＳがＴＳ₀より高い状態になり（ステップ１４
０）、吸気弁閉弁時期の目標値ＩＣ₀が最も早められた
状態ＩＣ₀＝ＩＣ₁が続いた場合（ステップ１４５）に
は、もはや吸気加熱の必要がないため電磁クラッチを切
り過給機を停止させる（ステップ１９５）。

【００３４】それ以外の場合はステップ１５０に進み、
可変バルブタイミング装置４０を駆動して、吸気弁閉弁
時期を目標値ＩＣ₀になるようにフィードバック制御す
ると共に、ステップ１５５で電磁クラッチを接続して過
給機を作動させる。上述のように目標吸気温度ＴＳ₀と
実際の吸気温度ＴＳとの差に応じて吸気弁バルブタイミ
ングを調節するようにしたことにより、吸気の昇温が速
やかに行われる。

【００３５】ステップ１０５で冷却水温度ＴＷがＴＷ₀
以上である場合は、暖機が完了しているため、ステップ
１６５で吸気弁バルブタイミングをエンジンの回転数で
決まる暖機完了後の値にセットした後ステップ１７０以
下の通常時の過給制御が行われる。すなわち、ステップ
１７０では機関運転条件が過給機作動領域にあるか否か
が図７を用いて判定される。

【００３６】通常運転時は過給機は図７の点線Ｂに示す
作動線でＯＮ／ＯＦＦされる。すなわち冷間運転時（図
７実線Ａ）の場合とは異なり、機間中高負荷領域におい
てのみ過給機が作動するように設定されている。ステッ
プ１７０で過給機作動領域にあると判定された場合はス
テップ１７５に進みバイパス制御弁９（図１）の開度θ
_b0を設定する。

【００３７】通常運転時（暖機完了後）のバイパス制御
弁開度は図１０に示すようにスロットル弁開度θt の関
数として与えられ、スロットル弁開度θt が小さい場合
は全開に設定され、中負荷領域ではスロットル弁開度θ
t が増大するにつれて開度が小さくなり高負荷領域では
全閉になり最大過給圧を発生するように設定される。次
いでステップ１８０ではバイパス制御弁９のアクチュエ
ータ８駆動回路にθ_b0を出力し、バイパス制御弁９を所
定開度に調節した後、ステップ１８５で電磁クラッチを
接続し、過給機を作動させる。

【００３８】ステップ１７０で過給機の作動領域にない
と判定された場合はステップ１９０でバイパス制御弁を
全開にした後ステップ１９５で電磁クラッチを切ってル
ーチンを終了する。なお、本実施例では吸気弁閉弁時期
をエンジン吸気温度に応じて連続的に変化させている
が、吸気弁閉弁時期は遅角側位置（例えば図３，Ｉ
Ｃ₂）と進角側位置（例えば図３，ＩＣ₁）の２つの位
置のどちらかのみをとるようにして、暖機中は遅角側位
置（ＩＣ₂）をとり、暖機完了後はエンジン回転速度に
応じてどちらか一方を選択するようにしても良い。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、上述のように構成したことに
より、エンジン冷間時の低速運転の際に、過給機駆動増
速比を変えることなく効果的に吸気温度を上昇させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した機械式過給機付内燃機関の実
施例略示図である。

【図２】可変バルブタイミング装置の構成を示す断面図
である。

【図３】吸気弁バルブタイミング設定の一例を示す図で
ある。

【図４】吸気弁バルブタイミング遅延設定の効果を示す
図である。

【図５】吸気弁バルブタイミング遅延設定の効果を示す
図である。

【図６】吸気温度制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図７】冷間時及び通常運転時の過給機作動領域を示す
図である。

【図８】目標吸気温度の設定値を示す図である。

【図９】吸気弁閉弁時期の設定値を示す図である。

【図１０】通常運転時のバイパス制御弁開度特性を示す
図である。

【符号の説明】

１…エンジン２…吸気管３…スロットル弁５…過給機６…電磁クラッチ７…バイパス通路９…バイパス制御弁２１…制御装置（ＥＣＵ）４０…可変バルブタイミング装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 43/00 Ｚ 7536−3Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械式過給機を備え、機関冷間時に過給
機を作動させて吸気圧縮加熱を行う機械式過給機付内燃
機関において、機関吸気弁の閉弁時期を遅延させる手段
を設け、前記吸気圧縮加熱時に吸気弁閉弁時期を遅延さ
せて過給機吐出空気温度を上昇させることを特徴とする
機械式過給機付内燃機関。