JPH0680308B2 - 過給機付内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は過給機付内燃機関において過給機の作動に応
じて点火時期を制御する装置に関する。

〔従来の技術〕

過給機は内燃機関の全負荷運転域での出力向上のため採
用される。ところが、燃焼室の圧力及び温度が高くなり
ノッキングが発生し易くなる。そこで、圧縮比の設定は
過給機を備えない通常の内燃機関より小さく押さえら
れ、これによってノッキングの防止が図られている。と
ころが圧縮比を小さくすることにより、部分負荷運転域
では燃焼室の圧力が不足となり、燃焼効率が悪化しまた
燃料消費率が低下することになる。従って、過給機付付
内燃機関では全負荷時は圧縮比を低く、一方部分負荷時
は圧縮比を高くしたい要求がある。しかしながら、実際
のエンジンの構造上圧縮比を可変とするのは困難であ
る。

そこで、実開昭59−49742号では吸気弁の作動タイミン
グの変化が圧縮比を変えるのと同等の効果をもつことに
着目している。即ち、吸気弁のバルブタイミングを遅ら
せることにより、吸気弁の閉じるときの回転方向におけ
る下死点からの角度がより大きくなる。その結果、ピス
トンが有効に圧縮を開始する時期が遅延され、ピストン
の有効なストロークが小さくなり、圧縮比を下げるのと
同等の効果を奏する。そこで、過給機の作動時する全負
荷時には吸気弁のバルブタイミングを通常より遅らせ、
過給機が作動しない部分負荷時にはバルブタイミングを
通常の値に進ませるような制御をしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では過給機が作動か否かによってバルブタイミ
ングの遅らすか進めるかの言わばON−OFF的な制御を行
っている。ところが、過給機は応答が速いが可変バルブ
タイミング機構は応答が遅いため、高負荷への移行時に
過渡的にノッキングがでる問題がある。即ち、高負荷運
転に入ることによりただちに過給機が作動されるがバル
ブタイミングの切替のためにはステップモータが必要な
全ステップの回転を実行する必要があるがそれにはかな
りの時間をようする。そのため過給機の作動にも係わら
ずバルブタイミングは進んでいることになりノッキング
が生ずるのである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の過給機付内燃機関は、 内燃機関１の吸気弁５のバルブタイミングの可変制御を
行う可変バルブタイミング機構４、 点火信号に応じて内燃機関の点火を行わしめる手段Ａ、 内燃機関の吸気系に設けられる機械式過給機３、 機械式過給機を選択的に内燃機関１の回転軸１に連結す
るためのクラッチ６、 内燃機関のノッキング状態に応じてノッキングがあった
場合は点火時期を所定速度で遅角補正し、ノッキングが
解消した場合は点火時期は所定速度で進角補正するよう
に点火手段への点火信号を補正する点火信号補正手段
Ｂ、 内燃機関の負荷に応じて、負荷が大きい場合にクラッチ
６を係合することにより機械式過給機３を作動させ、負
荷が小さい場合にクラッチ６を解放することにより機械
式過給機３を停止する機械式過給機制御手段Ｃ、 機械式過給機３の作動時にバルブタイミングが遅れ、機
械式過給機３の停止時にバルブタイミングが進むように
可変バルブタイミング機構を制御する手段Ｄ、 バルブタイミングを進角側から遅角側に切り替える際
に、遅角側のバルブタイミングの目標値が得られるまで
の過渡的な期間において、点火信号形成手段による点火
時期の補正速度が早くなるように補正速度を演算する点
火時期補正速度演算手段Ｅ、 を具備して成る。

〔作用〕

点火信補正手段Ｂは、内燃機関のノッキング状態に応じ
てノッキングがあった場合は点火時期を所定速度で遅角
補正し、ノッキングが解消した場合は点火時期は所定速
度で進角補正するように点火手段Ａへの点火信号を形成
する。

機械式過給機制御手段Ｃは、内燃機関の負荷に応じて、
負荷が大きい場合にクラッチ６を係合することにより機
械式過給機３を作動させ、負荷が小さい場合にクラッチ
６を解放することにより機械式過給機３を停止する。

バルブタイミング制御手段Ｄは機械式過給機３の作動時
にバルブタイミングが遅れ、機械式過給機３の停止時に
バルブタイミングが進むように可変バルブタイミング機
構４を制御する。

点火時期補正速度演算手段Ｅはバルブタイミングを進角
側から遅角側に切り替える際に、遅角側のバルブタイミ
ングの目標値が得られるまでの過渡的な期間において、
点火信号補正手段Ｂによる点火時期の補正速度が早くな
るように補正速度を演算する。

〔実施例〕

この発明の実施例を示す第２図において、10はエアーク
リーナ、12はスロットル弁、14はルーツポンプ等の過給
機、16はサージタンク、18は吸気ポート、20は吸気弁、
22はシリンダブロック、23はシリンダヘッド、24はピス
トン、26はコネクティングロッド、28はクランク軸、30
は燃焼室、32は点火栓、34は排気弁、36は排気ポートで
ある。これらは内燃機関としては周知の構成要素ばかり
であり、その詳細な連結関係の説明は省略する。この内
燃機関は所謂DOHC型の内燃機関であり、吸気弁20の駆動
用の吸気カム軸38と、排気弁34の駆動用の排気カム軸40
とを備えている。これらのカム軸38及び40の軸端にプー
リ41及び42が取付られ、タイミングベルト43によってク
ランク軸28上のタイミングプーリに巻掛られている。こ
れらのカム軸38及び40の回転中に吸気弁20及び排気弁34
は夫々のタイミングでバルブスプリング44に抗し開弁す
ることには周知の通りである。46はディストリビュータ
であり、イグナイタ47からの信号により所定のタイミン
グで点火栓32に駆動信号に供給する。

過給機としてのルーツポンプ14は周知の通り一対の相互
に反対方向に回転駆動されるロータ（図示せず）を有
し、その一方のロータの回転軸14a上にプーリ48が固定
され、このプーリ48は実施例ではクラッチ（図示せず）
を内蔵しており、過給条件に応じて係合又は開放される
ようになっている。プーリ48はベルト50を介してクラン
ク軸28上のプーリ52に連結され、クラッチの係合時にク
ランク軸28の回転がルーツポンプ14に伝達され過給作動
が行われる。尚、クラッチは任意要素であり、かならず
しも設けてなくても良い。この場合はルーツポンプは常
時駆動されることになる。またルーツポンプ式の過給機
に限定されずターボ式の過給機にもこの発明は応用する
ことができる。

ルーツポンプ14を迂回するバイパス通路54が一端でルー
ツポンプ14とサージタンク16との間に接続され、バイパ
ス通路54の他端はスロットル弁12とルーツポンプ14との
間に接続される。バイパス通路54上にバイパス制御弁56
が配置される。この制御弁56は過給機の作動域において
は閉鎖され、非過給域に開放されるように作動される。

吸気弁20の駆動用の吸気カム軸28にはカム軸をクランク
軸28に対して相対的に捻ることによりバルブタイミング
を御するタイプの変変バルブタイミング機構58が連結さ
れる。この可変バルブタイミング機構は第３図から第５
図に示す構造のものである。吸気カム軸38の一端にイン
ナスリーブ59がボルト60によって固定され、このインナ
スリーブ59上にアウタスリーブ62がローラ軸受63によっ
て回転自在となっている。アウタスリーブ62は吸気カム
軸38の駆動用の前記プーリ41と一体に形成されている。
インナスリーブ59とアウタスリーブ62は軸方向に交互に
延びる円周方向の巾約90゜の突起59a及び62aを備えてい
る。各々の近接する突起59aと62aとの間にローラ63及び
64が同軸に配置され、夫々は突起59a及び62aは対抗する
縁部59b及び62bに接触している。ローラ63と64との対は
この実施例では４組設置され、スライダ65上に設けられ
る。スライダ65はローラ軸受66を介して内ねじを形成し
たナット66上で回転自在となっている。67はステップモ
ータであり、その出力軸67aは外面にねじを形成してお
り、ナット66の内ねじと係合している。モータ67はその
ハウジングに案内部67bを有し、この案内部67bはナット
66に形成される軸方向案内溝内に位置する。このような
構造よりステップモータ67の出力軸67aの回転運動はナ
ット66の直線運動に変換される。インナスリーブ59とア
ウタスリーブ62の突起部59a及び62aの対抗縁59bと62bと
は、第５図のように一方（59b）は軸方向と平行である
が他方（62b）は傾斜している。その結果ローラ63及び6
4が軸方向に矢印のようにステップモータ67の回転によ
って動く際にインナスリーブ59とアウタスリーブ62とは
相対的に回転する。従って、インナスリーブ59に連結さ
れる吸気カム軸38はアウタスリーブ62に連結される吸気
カム軸38はアウタスリーブ62に連結されるプーリ41、換
言すればクランク軸52に対して相対的に回され、吸気弁
20のバルブタイミングが変化される。第６図（イ）はス
テップモータ67の回転軸67aが基準位置にあるときのバ
ルブタイミング線図を示しており、吸気弁20は上死点TD
C手前のαの角度で開き始め（I.O）、下死点BDC後βの
角度で閉じ終わる（I.C）．一方第６図（ロ）はステッ
プモータ67の回転軸67aを基準位置から回したときのバ
ルブタイミング線図であり、TDC手前のα′（＜α）で
吸気弁20は開き始め、BDC後β′（＞β）で閉じ終わ
る。尚、排気弁34ではこの実施例ではバルブタイミング
は（イ）と（ロ）で共通であり、BDC角度で開き始めTDC
後の角度で閉じ終わる。

尚、可変バルブタイミング装置は図示の構造に限定され
ず、連続的に変化するバルブタイミングを取りえるもの
であればよい。

第２図において70は各運転条件センサからの信号によっ
てこの発明のバルブタイミング及び点火時期更に過給機
の制御を行う制御回路である。それらのセンサとしてま
ずエアーフローメータ72は例えばポテンショメータ型で
あり、スロットル弁12の上流に設けられ、吸入空気量Ｑ
に応じた信号を生ずる。サージタンク16には例えば半導
体型の圧力センサ74が設置され、過給圧Ｐに応じた信号
を得る。更に、ディストリビュータ46にはその分配軸46
a上の永久磁石片46bと対面するホール素子としての回転
角センサ78が設けられ、機関の回転数Neに応じた信号を
生じている。さらに機関の一回転に応じた信号を発生す
る気筒判別センサ79が設けられている。そして出力ポー
ト22には機関の機械的な振動を検知することによりノッ
キングを検知するノックセンサ80が設けられている。

制御回路70はこの実施例ではマイクロコンピュータとし
て構成され、マイクロプロセシングユニット（MPU）82
と、メモリ84と、入力ポート86と、出力ポート88と、こ
れらのユニットを接続し命令及びデータの遣り取りをす
るバス90とより成る。入力ポート76には前記の各セン
サ、即ち、エアーフローメータ72、圧力センサ74、回転
数センサ78、気筒判別センサ79及びノックセンサ80が接
続される。入力ポート86は各センサのうちアナログ信号
を発生するセンサ即ちエアーフローメータ72、圧力セン
サ74、ノックセンサ80からのアナログ信号をディジタル
信号に変換する変換器、並びにクランク角毎のパルス信
号を発生するゼンサ78より機関の回転数Neを計算する回
路を備えている。一方出力ポート88はルーツポンプ14の
プーリ14aのクラッチ部の作動ソレノイド（図示せ
ず）、バイパス制御弁56及び可変バルブタイミング機構
58のステップモータ67、更にイグナイタ47に接続され
る。

メモリ84の不揮発部分、例えばリードオンリメモリ（RO
M）にはこの発明によりバルブタイミング制御を実行す
るためのプログラムが格納される。その他この発明とは
直接関係しないがエンジンの種々の制御（例えば燃料噴
射制御等）を行うためのプログラムが格納されている。
以下この発明のプログラムを説明するが、それに先立っ
て制御の概要を説明する。過給機付の内燃機関では始め
に述べたように過給機無しの内燃機関と比較してピスト
ン24の圧縮比は小さく設定される。ところが、そのまま
では過給機14の働かない高負荷以外の運転時の燃焼効率
が悪化する問題があった。そこで実開昭59−49742号の
ように、バルブタイミングを基本的には進み側に設定し
ておきこれによって非過給時に圧縮比を高めると同等の
効果を得るようにし、一方過給時にはバルブタイミング
を遅らせ圧縮比を下げると同等の働きをさせている。即
ち、第６図でピストンの有効な圧縮は吸気弁が閉じる時
点I.Cから開発し、l₁,l₂が有効な圧縮を行うピストンの
ストロークとなる。l₁＞l₂であることから、吸気弁が速
く閉じる（イ）の設定によって圧縮比を高くしたのと同
等の効果を得ることができる。即ち、非過給時にはバル
ブタイミングを（イ）の設定とすれば高負荷時以外の燃
焼効率を改善することができ、過給時には（ロ）の設定
とすることでノッキングを防止しつつ有効な過給機をす
ることができる。ところが過給機はその応答が速くクラ
ッチの係合から直ぐに過給をはじめるが、バルブタイミ
ング制御はステップモータが第６図の（イ）から（ロ）
に切替が完了するのに時間を要することからその間過給
機が働いているにも係わらずバルブタイミングが進むこ
とによって過渡的なノッキングがでる。これを防止する
この発明では切替が完了するまでノッキング制御を切替
時の過渡的ノッキングが出ないように制御している。

以下、第７図及び第８図のフローチャートによって説明
する。第７図は過給機の制御ルーチンを示す。このルー
チンは、所定時間、例えば25m秒毎に実行される時間割
り込みルーチンとして構成される。100はその開始を示
す。102では機関が高負荷運転に応じてセット又はリセ
ットされるフラグHIGHが１か否か判定する。高負荷時で
あれば、フラグHIGH＝１であり、Yesに分岐され104に進
む。104のステップではMPU82は出力ポート88よりルーツ
ポンプ14の駆動プーリ48のクラッチ部に信号が印加さ
れ、同クラッチ部は係合される。106ではバイパス制御
弁56に信号が送られ、同バイパス制御弁56は閉鎖され
る。従って、エンジンのクラッチ28の回転はプーリ42、
ベルト50、プーリ48を介してルーツポンプ14に伝達さ
れ、バイパス制御弁56が閉鎖していることからルーツポ
ンプ14からの吸入空気は全量が圧縮状態でサージタンク
16を経て燃焼室30に送られ過給が行われる。

102のステップで高負荷運転でないときはフラグHIGH＝
０であり、Noと判定され、110に進み、MPU82は出力ポー
ト88よりクラッチを開放すべき命令が出力される。その
ため、クランク軸28はルーツポンプ14から切り離され、
過給は行われない。112はバイパス制御弁56の開放命令
が出力され、その結果ルーツポンプ14を迂回するバイパ
イ通路54が開放され吸入空気の一部はバイパス通路54を
通過することになる。

第８図はバルブタイミング制御ルーチンのフローチャー
トを示す。このルーチンはステップモータが67の出力軸
67aが１ステップ回転を実行するのに要するより長いが
所定の制御精度は得ることができる所定時間毎に実行さ
れる時間割り込みルーチンである。200はその開始を示
す。201では機関が高負荷運転か否かが判定される。こ
の判定は吸入空気量Ｑ（エアフローメータによって検知
される。）に対する回転数Ne（回転数センサによって検
知される。）の比が所定値より大きいか否かによって判
定することができる。Noであれば202に進みフラグHIGH
を０とし、204ではステップモータの目標値を０に設定
する。ここにSTEP＝０は第６（イ）に示す最も進み側の
バルブタイミングをとるときのステップモータ67の出力
軸67aの位置に相当する。

Yesであれば205に進みフラグHIGHが１か否か判定する。
低負荷から高負荷域への切り替わりの時点ではフラグHI
GHは０でありNoと判定され206に進み、フラグHIGHが１
とされ、フラグＦが０とされる。このフラグＦはバルブ
タイミングを進み（第６図（イ））から遅れ（ロ）に切
り替える最中は０、それ以外は１とされるフラグであ
る。次に、207に進み吸気弁20のバルブタイミングの目
標値即ちステップモータ67の出力軸67a目標位置STEPが
第６図の（ロ）の遅れ側のバルブタイミングを得るのに
必要な値Ｘに設定される。この遅れ量は回転数、圧力に
よって設定される。

208のステップではステップモータ67の出力軸67aの位置
の目標値STEPとその現在位置REALとが等しいか否か判定
される。不一致の場合はNoと判定され、210に進み目標
値が現在値より大きいか否か判定される。目標値STEPが
現在値RELより大きいときは、バルブタイミングが遅れ
る方向に修正する必要があると認識し、212に進み、出
力ポート88よりステップモータ67aに進み同モータを１
ステップ正転させる。（ここに正転とはバルブタイミン
グを第６図に（イ）から（ロ）の方向に遅らせるステッ
プモータの回転方向を意味する。）213では１ステップ
正転を実行したことからステップモータの現在値REALを
１だけインクリメントする。

目標値STEPが現在値REALより小さいときは210でNoと判
定され214に進みステップモータを１ステップ逆転する
命令が出される。ここに逆転とはバルブタイミングを第
６図の（ロ）から（イ）に進める方向の回転を意味す
る。216では１ステップ逆転を実行したことからステッ
プモータの現在値REALを１だけデクリメントする。

以上のようなフィードバック制御によってステップモー
タの軸位置を制御することができる。その結果バルブタ
イミングが計算と一致すると208でNoと判定され、218で
はフラグＦは１となる。

第９図は点火制御ルーチンであり、その気筒の圧縮上死
点の手前の所定のクランク角度をセンサ78および79によ
って検知して実行開始される割り込みルーチンである。
302のステップではフラグＦが１か否か判定され、通常
はＦ＝１であり、Yesに分岐され304では点火時期の修正
量αが設定される。このαはノッキング時の点火時期の
修正巾である。306ではノックセンサ80からの信号によ
ってノッキングか否かの判定がされる。ノッキング有り
の場合は308に進み点火時期修正量Δθをインクリメン
トする。一方、ノッキング無しのときは306でNoの判定
となり、312に進み点火時期修正量Δθからα′減算し
たものとなる。310では点火時期θを基本点火時期θ
_BASEからΔθを加算したものとする。次の312では計算
された点火時期で点火されるように点火信号が出力ポー
ト88よりイグナイタに印加される。以上のようにノッキ
ングがあるときは点火時期が遅らされ、無しのときは進
められ、このようなフィードバック制御によってノッキ
ングが押えられる。

ところが、バルブタイミングを第６図の（イ）から
（ロ）に遅らせる過渡状態では先に過給機が作動に入っ
てしまうため上のようなノッキング制御が旨く行かず過
渡ノッキングが発生することがある。そこでこの実施例
では次の処理を加えている。即ち、バルブタイミングの
遅れへの切り替わり時フラグＦが０であり、302ではNo
と判定される。したがって316へ分岐し、点火時期のイ
ンクリメント幅αが２倍となる。（尚、この２倍という
数値自体に限定的な意味はない。）そのため、ノッキン
グ処理ルーチンでノッキングが発生したときの点火時期
の遅れ修正巾Δθが大きくなる。その結果過渡的ノッキ
ングの発生を抑えることができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、過給機付の内燃機関においてバルブ
タイミングの遅れ側への切り替わり時にノッキング制御
を強力に行うことにより過渡的なノッキングの発生を抑
制することができ、かつ通常のノッキング制御について
は通常の制御速度で点火時期が制御され、定常時におい
ても過補正することなく最適なノッキング制御を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成図。 第２図は実施例を示す図。 第３図は可変バルブタイミング機構のカム軸方向断面
図。 第４図は第３図のIV−IV線に沿う断面図。 第５図は第４図のＶ方向矢視図。 第６図はバルブタイミング線図。 第７図、第８図及び第９図はフローチャート図。 14……過給機、32……点火栓、46……ディストリビュー
タ、47……イグナイタ、58……可変バルブタイミング機
構、70……制御回路、80……ノックセンサ。

───────────────────────────────────────────────────── 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 43/00 ３０１ Ｂ 7536−3Ｇ Ｚ 7536−3Ｇ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｄ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の吸気弁のバルブタイミングの可
   変制御を行う可変バルブタイミング機構、 点火信号に応じて内燃機関の点火を行わしめる手段、 内燃機関の吸気系に設けられる機械式過給機、 機械式過給機を選択的に内燃機関の回転軸に連結するた
   めのクラッチ、 内燃機関のノッキング状態に応じてノッキングがあった
   場合は点火時期を所定速度で遅角補正し、ノッキングが
   解消した場合は点火時期は所定速度で進角補正するよう
   に点火手段への点火信号を補正する点火信号補正手段、 内燃機関の負荷に応じて、負荷が大きい場合にクラッチ
   を係合することにより機械式過給機を作動させ、負荷が
   小さい場合にクラッチを解放することにより機械式過給
   機を停止する機械式過給機制御手段、 機械式過給機の作動時にバルブタイミングが遅れ、機械
   式過給機の停止時にバルブタイミングが進むように可変
   バルブタイミング機構を制御する手段、 バルブタイミングを進角側から遅角側に切り替える際
   に、遅角側のバルブタイミングの目標値が得られるまで
   の過渡的な期間において、点火信号形成手段による点火
   時期の補正速度が早くなるように補正速度を演算する点
   火時期補正速度演算手段、 を具備して成る過給機付内燃機関。