JPH09170440A

JPH09170440A - 内燃機関の出力制御装置

Info

Publication number: JPH09170440A
Application number: JP7330595A
Authority: JP
Inventors: Osamu Horata; 治洞田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】所謂ミラーサイクルを応用したエンジンの出
力制御装置において、吸気弁の直接制御に伴う重量増等
を防止する。【解決手段】本発明に係る内燃機関の出力制御装置
は、一定のバルブタイミングで開閉動される吸気弁２ａ
と、制御手段１８により開閉制御され、上記吸気弁２ａ
の開弁中に開放されると共に、上記吸気弁２ａの閉弁後
のピストン７上昇中に閉止され、内燃機関１への要求出
力に基いてシリンダ６内の吸気を吸気通路１０，４ａ，
５内に適宜逆流させる抽気弁１２とを備えたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所謂ミラーサイク
ルを応用した内燃機関の出力制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガソリンエンジンでは、吸入空
気（吸気）と燃料との混合比率（空燃比；A/F ）が狭い
範囲に制限され、特に３元触媒を搭載したエンジンで
は、空燃比は運転状態によらず常に一定の理論空燃比
（A/F ≒14.7）付近に制御されている。

【０００３】また、エンジンに供給される燃料の量は、
その時々におけるエンジンへの要求出力によって決まる
ため、出力を小さく（燃料流量を少なく）する際には吸
入空気量を少なくする必要がある。このため、通常は、
吸気通路中にスロットル弁を設け、このスロットル弁で
通路を絞ることにより、吸入空気量の調節を行っている
訳である。

【０００４】しかし、部分負荷時において通路を絞るこ
とは、吸気抵抗を増大させることに外ならず、この絞り
損失（ポンピングロス）が、ガソリンエンジンの燃費向
上を妨げる最大の要因となっている。

【０００５】これに対し、膨張行程が圧縮行程よりも長
い燃焼サイクル、所謂ミラーサイクルを応用した出力制
御方法が知られており、これによれば、スロットル弁で
の出力制御を行わなくて済むため、部分負荷時のポンピ
ングロスを低減でき、燃費を向上することができる。

【０００６】これに関する提案としては、特開平3-1112
0 号公報や特開平5-5430号公報で開示されたものがあ
る。

【０００７】特開平3-11120 号公報のものは、吸気弁を
電磁弁で構成し、吸気行程（ピストン下降行程）の途中
で強制的に吸気弁を閉じるもの（所謂早閉じ）で、吸気
弁の閉弁時期を制御することで、スロットル弁によらな
い実質的な吸気量調節が可能となり、エンジン出力を制
御することができる。この場合、閉弁時期を早める即ち
進角するほど出力は小さくなる。

【０００８】また、特開平5-5430号公報のものは、カム
シャフトの回転位相を変更する位相変更装置を用いて、
吸気弁の閉弁時期を制御している。この場合、吸気弁は
圧縮行程（ピストン上昇行程）の途中で閉じられ（所謂
遅閉じ）、閉弁時期を遅延させるほど出力は小さくな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、いずれの従
来技術も、吸気弁自体の開閉時期、即ちバルブタイミン
グを制御することにより出力制御を行っているが、これ
だと、その制御を行うための装置が大形化し、重量増に
なるという問題がある。

【００１０】即ち、一般に、最大出力時の吸気量確保の
ため吸気ポートの開口面積は大きくとられるが、これに
伴い吸気弁も、その弁体面積が大きいものが必要とされ
る。これによって吸気弁自体大形化し、重量が重くな
る。また、エンジンの低速から高速に至る全回転域で、
吸気弁の正確な開閉動を行わせるためには、バルブスプ
リングの付勢力やセットフォースを大きくする必要があ
り、これに抗じて吸気弁の開閉制御を行おうとすれば、
その制御装置に頑丈な構造が要求され、強大な駆動力も
発生できなければならないため、いきおい大形化、重量
増につながる。

【００１１】このような理由から、特開平3-11120 号公
報のものでは電磁弁が、特開平5-5430号公報のものでは
位相変更装置が、それぞれ大形、大重量のものとなりコ
ストアップも招き、ひいてはエンジン自体も大形化、重
量増となって燃費悪化の要因ともなる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内燃機関の
出力制御装置は、一定のバルブタイミングで開閉動され
る吸気弁と、制御手段により開閉制御され、上記吸気弁
の開弁中に開放されると共に、上記吸気弁の閉弁後のピ
ストン上昇中に閉止され、内燃機関への要求出力に基い
てシリンダ内の吸気を吸気通路内に適宜逆流させる抽気
弁とを備えたものである。

【００１３】この構成は、吸気弁の閉弁後のピストン上
昇中に、シリンダ内の吸気を吸気通路内に逆流させる所
謂遅閉じミラーサイクルのものである。そして、抽気弁
の閉止タイミングを内燃機関への要求出力に基いて制御
することで、エンジン出力の制御が可能となる。特に、
吸気弁とは別の抽気弁を独立して開閉制御し、抽気弁が
主に吸気の逆流のみに用いられることから、抽気弁が小
形のもので済み、重量増も防止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。

【００１５】図１は、本発明に係る出力制御装置が適用
されたエンジンの縦断面図であり、図２はその出力制御
装置の全体構成図である。図１に示すように、エンジン
１（内燃機関）は、各２つずつの吸気弁２ａ及び排気弁
２ｂをカムシャフト３ａ，３ｂで直動するＤＯＨＣ４バ
ルブの構成となっている。吸気弁２ａ及び排気弁２ｂは
吸気ポート４ａ及び排気ポート４ｂをそれぞれ開閉す
る。吸気ポート４ａは、吸気マニホールド５の吸気管部
５ａに接続される。シリンダ６内のピストン７は、その
往復動により図示しないクランク軸を回転させる。

【００１６】図２においてエンジン１は平面図で示さ
れ、これから分かるようにエンジン１は直列４気筒であ
り、吸気用カムシャフト３ａと排気用カムシャフト３ｂ
とは歯車機構８を介して互いに連結されている。そして
吸気用カムシャフト３ａには、図示しないベルト機構を
介してクランク軸からの入力が伝達される。従って、こ
の入力により、両方のカムシャフト３ａ，３ｂはクラン
ク角に対し同位相で連動されるようになる。

【００１７】一方、図１に戻って、吸気ポート４ａはエ
ンジン１のシリンダヘッド９内に形成されているが、シ
リンダヘッド９内にはその吸気ポート４ａから分岐され
た抽気ポート１０も区画形成されている。抽気ポート１
０は吸気ポート４ａ同様にその一端が燃焼室１１に臨ん
で開口され、その開口面積及び通路断面積は、吸気ポー
ト４ａのそれらと比べ小さい。また抽気ポート１０の位
置は、吸気ポート４ａに対し下方のシリンダ６側の位置
とされ、これによって吸気ポート４ａとのレイアウト上
の干渉を防止し、吸気ポート４ａの大径化を阻止せぬよ
うになっている。そして、この抽気ポート１０を開閉す
べく、吸気弁２ａとは独立して設けられたのが１２で示
す抽気弁である。

【００１８】抽気弁１２は具体的には電磁弁である。そ
の構成を述べると、シリンダヘッド９及び吸気マニホー
ルド５の接合部分に内部室１３が区画形成され、この内
部室１３に電磁ソレノイド１４が、弁体１５のロッド１
６を外側から囲繞して配置されている。ロッド１６は内
部室１３の底壁を移動自在に貫通して抽気ポート１０内
に延出する。そして電磁ソレノイド１４への通電（ON）
により、弁体１５はスプリング１７の付勢力に抗じて下
降し、抽気ポート１０を開放する。一方、通電の停止
（OFF ）により、スプリング１７の付勢力で上昇して抽
気ポート１０を閉止する。

【００１９】図２に示すように、抽気弁１２は各気筒に
対し１つずつ設けられ、且つこれら抽気弁１２は制御手
段としての電子制御装置(ECU) １８により一括して制御
される。ECU １８は、それぞれの抽気弁１２に対し単独
にON/OFF信号を送出し、それらの開閉制御を個別に実行
する。

【００２０】ECU １８はこの他、燃料噴射弁１９による
燃料噴射制御や、点火プラグ２０による点火時期制御等
の基本制御を実行する。さらにECU １８にはアクセルス
トロークセンサ２１も接続される。アクセルストローク
センサ２１は、アクセルペダル２２の踏み込み量に応じ
た電気信号をECU １８に出力する。そしてこの信号に基
づいて、ECU １８は運転手がエンジン１に要求する要求
出力を決定する。

【００２１】一方、吸気マニホールド５のチャンバ５ｂ
に設けられた吸気口には、ECU １８からの制御信号によ
ってアクチュエータ２３ａで開閉動作されるスロットル
弁２３が設けられる。ただしこのスロットル弁２３は、
詳しくは後述するが、アクセルペダル２２を踏んで走行
しているときは殆どの場合全開である。

【００２２】次に、本装置によるエンジン出力の制御方
法について説明する。なお、上述したように、本装置の
構成は遅閉じミラーサイクルのものである。

【００２３】図３は、吸気弁２ａ、排気弁２ｂ及び抽気
弁１２のバルブリフト線図で、横軸にはクランク角に相
当するピストン位置がとってある。これから、吸気弁２
ａ及び排気弁２ｂは、常に一定の開閉時期ないしバルブ
タイミングで開閉するのに対し、抽気弁１２は、異なる
タイミングで開閉するのが分かる。

【００２４】つまり、アクセルペダル２２の踏み込み量
が最大未満で、エンジン１への要求出力が最大未満の部
分負荷の場合に、抽気弁１２の開閉タイミング、特にそ
の閉止タイミングが遅延乃至遅角させられる。こうなる
と、抽気弁１２がピストン上昇中の圧縮行程の途中で閉
弁されるようになり、その閉弁前のピストン上昇中に、
シリンダ６内の吸気が、抽気ポート１０、吸気ポート４
ｂ及び吸気マニホールド５からなる吸気通路内に押し戻
されて逆流され、これにより、シリンダ６内の吸気量が
要求出力に応じた値に減小される。そして、その残され
た吸気量に見合った燃料噴射がなされて、エンジン出力
が要求出力に制御される訳である。

【００２５】より具体的には、アクセルペダル２２の踏
み込み量に応じて、つまり要求出力に基づき、ECU １８
が抽気弁１２の閉弁時期を制御し、エンジン出力を制御
する。そして、その閉弁時期は、要求出力が大なるほど
に進角され、要求出力が小なるほどに遅角される。

【００２６】なお、運転手がアクセルペダル２２を最大
に踏み込めば、要求出力は最大となり、抽気弁１２の開
閉タイミング、特にその閉弁時期が吸気弁２ａのそれと
一致する時期以前に閉弁され、抽気機能を停止する。

【００２７】ここで、抽気弁１２は、その閉弁時期のみ
がエンジン出力制御のために重要で、開弁時期はそれほ
ど重要ではない。言い換えれば、抽気弁１２は吸気弁２
ａの開弁中に開放すればいいのであって、その制御もそ
れほど正確である必要はない。従って、本装置におい
ても、抽気弁１２の開弁時期の制御はそれほど正確にな
されず、これによって制御の容易化を図っている。ま
た、開弁自体に要する時間も急速である必要がないの
で、スプリング１７の付勢力や、電磁ソレノイド１４の
電磁力を弱められ、さらには抽気弁１２の弁体１５に至
っても、単に吸気の逆流のみ許容すればよいので小形の
ものが使用できる。これによって抽気弁１２全体として
小形化を図り、重量増を未然に防げる。

【００２８】一方、抽気弁１２の閉弁時期制御は極めて
正確に行う必要があるが、ここでは抽気弁１２が電磁弁
であることから、その正確な制御が容易に達成できる。
即ち、図３に示すように、抽気弁１２の閉弁時の立下り
は急激であり、抽気弁１２は極めて短時間で閉弁するこ
とができる。これは電磁弁の有する特性上の理由による
もので、また抽気弁１２の弁体１５が吸気の逆流によっ
て押し戻されることにもよる。このように、抽気弁１２
を電磁弁とすると、閉弁時期制御ひいてはエンジン出力
制御が極めて正確に行える利点がある。

【００２９】次に、スロットル弁２３を設けた理由につ
いて説明し、併せてその作動についても説明する。

【００３０】かかる装置は所謂遅閉じミラーサイクルの
ものであるが、この場合、要求出力の減小に伴い抽気弁
１２の閉弁時期は遅延される。一方、一般に燃焼速度が
有限で一定の燃焼時間の確保の必要性から、圧縮行程の
上死点前30〜50°CAで点火プラグ２０による点火を行わ
なければならず、この点火時期前で抽気弁１２の閉弁を
終了しなければならない。よって閉弁時期の遅延には限
界がある。

【００３１】この遅延限界が、最大遅延時期に相当する
図３に示す最大遅角θmin で、この最大遅角θmin を越
えて閉弁時期を遅角させることはできず、閉弁時期制御
による出力制御はできない。

【００３２】また、この最大遅角θmin を越えて遅角し
なければならない場合に、要求出力がアイドリングやエ
ンジンブレーキ等に相当する極低出力となる場合が含ま
れることが多く、こうなると出力制御ができない、即
ち、最少吸入空気量によって決定される出力以下に出力
を制御できないこととなり問題である。

【００３３】また、抽気弁１２の閉弁時期を遅延して吸
入空気量をあまりに制限すると、その吸気が爆発、膨張
行程を経て排気行程に移行するとき、シリンダ６内圧力
が大気圧以下即ち負圧となり排気の逆流が生ずるため、
このような事態を防止する必要もある。

【００３４】そこで、かかる構成においては、このよう
な要求出力が極低出力の場合に、抽気弁１２の閉弁時期
を最大遅角θmin に固定する一方、スロットル弁２３の
開閉制御を実行し、吸気に絞りを与えて吸入空気量を制
限し、エンジン出力を制御するようにしている。この場
合にも、抽気弁１２の存在により、スロットル弁２３に
よる吸入空気の絞り損失は、抽気弁１２のない通常の構
造より少なくてすみ、ポンピングロスは少なくすること
ができる。

【００３５】図４にはこの様子が具体的にグラフで示さ
れ、その横軸には要求出力がとってある。Ｐ₀は、閉弁
時期の最大遅角θmin に相当する要求出力値で、このＰ
₀以上では抽気弁１２の閉弁時期制御がなされ、Ｐ₀以
下では閉弁時期が最大遅角θmin に固定される。なおθ
max は抽気弁１２の閉弁時期の最小遅角即ち最大進角値
である。

【００３６】一方、Ｐ₀よりやや大きいＰ₂から、エン
ジン１の可燃最小出力Ｐ₁の範囲において、スロットル
弁２３の開閉制御がなされているのが分かる。Ｐ₀，Ｐ
₂間は段付き感をなくすためのオーバーラップである。
スロットル弁２３は抽気弁１２による閉弁時期での出力
制御中は前述の如く全開であり、要求出力がＰ₂以下と
なると、比較的急激な立ち下がりカーブに沿って狭い出
力域で開閉動作されるようになる。なおＰmax は最大要
求出力値である。

【００３７】そして例えば、Ｐ₀以上の低、中、或いは
高出力域からＰ₀以下の極低出力域に戻るよう、アクセ
ルペダル２２を踏み込み状態から戻すと、あたかも従来
のスロットル弁のみのエンジンのような、リニアな感覚
で出力が減小していく。

【００３８】このように、抽気弁１２の閉弁時期制御に
加え、スロットル弁２３の開閉制御を併用すると、閉弁
時期制御のみでは制御不能な極低出力域で制御が可能と
なり、高精度なアイドル制御を実行することができる。

【００３９】図５は、抽気弁１２の遅角の様子を、エン
ジン１の回転数とトルク（負荷）とのマップ上に示した
線図で、θmin ，θ₁，θ₂…といった順に閉弁時期が
進角され、θmax では最大進角（最小遅角）となって最
大トルク線図が描かれる。θmin の上側の領域Ａではス
ロットル弁２３が全開とされ、その下側の領域Ｂではス
ロットル弁２３の開閉制御がなされる。特にトルクが負
となる領域はエンジンブレーキとなる領域で、このとき
にはスロットル弁２３はほぼ全閉である。なお、各θの
線図は回転数の上昇につれ右上がりのラインを描く。

【００４０】次に、本発明の別の実施の形態について説
明する。なお前記形態と同一の構成については図に同一
符号を付し説明を省略する。

【００４１】図６に示すように、この形態にあっては、
抽気弁１２ａが機械式弁の構成となっており、即ち抽気
弁１２ａは、弁体２４、バケットタイプの弁リフタ２５
及びスプリング２６からなっている。スプリング２６は
弁リフタ２５を介して弁体２４を閉方向に付勢し、これ
に抗じて弁体２４を押動し開弁させるのが、制御用カム
シャフト２７に一体的に設けられた可変カム２８であ
る。可変カム２８は、図７に示すように、吸気マニホー
ルド５の吸気管部５ａの各気筒部分にそれぞれ配置され
ており、制御用カムシャフト２７は、これら全気筒部分
を連結させており、吸気管部５ａによって回転可能に支
持されている。

【００４２】ここで、抽気弁１２ａは、その開閉時期が
吸気弁２ａに対し等しいか或いは遅延側に変更されるよ
うになっている。この変更を実質的に行うのが位相変更
装置２９である。

【００４３】図８にも詳細に示すように、位相変更装置
２９は、特開昭59-183010 号公報と同様に構成され、制
御用カムシャフト２７の外側に相対回転自在に嵌合され
たタイミングプーリ３０を有する。なおこの相対回転を
許容するのが制御用カムシャフト２７に固設された中間
軸受３１である。タイミングプーリ３０は、図７に示す
吸気用カムシャフト３ａのドライブプーリ３２にベルト
３２ａを介して連動され、これによってタイミングプー
リ３０は、クランク軸と連動する吸気用カムシャフト３
ａの位相がそのまま伝達されることになる。

【００４４】一方、タイミングプーリ３０に伝達された
入力は、位相変更機構３３により、位相差をもって制御
用カムシャフト２７に伝達可能である。即ち、制御用カ
ムシャフト２７には斜め溝付ボス３４が固定されてい
る。このボス３４の斜め溝３５は、制御用カムシャフト
２７の軸方向に対し周方向に向かって斜めに形成されて
いる。一方、タイミングプーリ３０の一端にも溝付ボス
３６が固定され、このボス３６の溝３７は軸方向に沿っ
て形成されている。これら溝３５，３７には可動片３８
が摺動自在に嵌合され、可動片３８は可動ブラケット３
９に一体的に固定される。可動ブラケット３９には軸受
４０を介して制御レバー４１が相対回転可能に取り付け
られ、この制御レバー４１を軸方向に動かすことで、可
動片３８が溝３５，３７に沿って移動し、制御用カムシ
ャフト２７の位相が、タイミングプーリ３０に対して等
しいか或いは遅延させられる。

【００４５】制御レバー４１は、図７に示す電気式アク
チュエータ４２によって実質的に操作される。このアク
チュエータ４２に制御信号を送るのがECU １８である。
ECU１８は、アクセルストロークセンサ２１からの出力
信号に基づいて、つまり要求出力に基づいてアクチュエ
ータ４２を動作させる。

【００４６】特に上記構成においては、ECU １８に加
え、位相変更装置２９及びアクチュエータ４２も、抽気
弁１２ａの開閉制御を行うための制御手段を構成する。

【００４７】この抽気弁１２ａも先と同様に、要求出力
に基づいて閉弁時期が遅延制御される。図９はこの様子
を示すが、ここでは抽気弁１２ａが可変カム２８によっ
て動作されるので、そのバルブリフト線図も吸気弁２ａ
等と相似形となる。特に抽気弁１２ａが吸気の逆流のみ
を許容すればよいので、そのバルブリフト量は吸気弁２
ａ等に比べ小さく設定されている。このように機械式弁
としても、抽気弁１２ａが小形で済むため位相変更装置
２９やアクチュエータ４２等を小形化でき、また頑丈な
構造も採らなくて済むため重量増等を防止できる。なお
この場合、電気式アクチュエータ４２に代えて、制御レ
バー４１を機械式リンケージ（ワイヤケーブルやリンク
機構等）を介してアクセルペダル２２に連動させるよう
にしてもよい。

【００４８】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明してきたが、本発明は上記の形態に限定されず様々
な形態が可能である。そして本装置は、筒内噴射エンジ
ンやリーンバーンエンジンに組み合わせることも当然可
能である。また、本実施の形態では、吸気弁２弁、排気
弁２弁、抽気弁１弁の構成を述べたが、吸気弁，排気弁
の個数は２弁に限定するものではない。

【００４９】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００５０】（１）吸気弁とは別の抽気弁を開閉制御
するため、その制御装置等を小形化でき、軽量化、燃費
改善等を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る出力制御装置が適用されたエンジ
ンの縦断面図である。

【図２】本発明に係る出力制御装置の全体構成図であ
る。

【図３】吸気弁、排気弁及び抽気弁のバルブリフト線図
である。

【図４】抽気弁及びスロットル弁の制御の様子を示すグ
ラフである。

【図５】抽気弁の遅角の様子をマップ上に示した線図で
ある。

【図６】本発明の別の形態に係る出力制御装置が適用さ
れたエンジンの縦断面図である。

【図７】本発明の別の形態に係る出力制御装置の全体構
成図である。

【図８】位相変更装置の詳細を示す縦断面図である。

【図９】吸気弁、排気弁及び別の形態に係る抽気弁のバ
ルブリフト線図である。

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）２ａ吸気弁４ａ吸気ポート（吸気通路）５吸気マニホールド（吸気通路）６シリンダ７ピストン１０抽気ポート（吸気通路）１２抽気弁１８ ECU （制御手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一定のバルブタイミングで開閉動される
吸気弁と、制御手段により開閉制御され、上記吸気弁の
開弁中に開放されると共に、上記吸気弁の閉弁後のピス
トン上昇中に閉止され、内燃機関への要求出力に基いて
シリンダ内の吸気を吸気通路内に適宜逆流させる抽気弁
とを備えたことを特徴とする内燃機関の出力制御装置。