JPS61187526A - 過給機付内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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条
件に応じてバルブタイミング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
、これによってノン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
ングを遅らすか進めるかの言わば０Ｎ−ＯＦＦ的な制御
を行っている。ところが、過給機の効率、換言すればノ
ッキングの生じ易さはその作動条件、たとえば機関の回
転数によって変化する。したがって、過給機の作動か否
かでバルブタイミングの０Ｎ−ＯＦＩ’的な制御をする
のみでは、十分な過給効率を得つつノッキングを完全に
抑制することはできない。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の構成を図示する第１図において、内燃機関１
はその吸気管２に過給ｍ３を配置している。バルブタイ
ミング制御装置は内燃機関ｌの吸気弁１゛のバルブタイ
ミングを制御する可変バルブタイミング機構４と、過給
機３の作動条件を検知する手段５と、該検知手段５から
の信号によって吸気弁のバルブタイミングを演算する手
段６と、この演算されたバルブタイミングが得られるよ
うに可変バルブタイミング機構４を駆動する駆動手段７
とより成る。

〔作　用〕

過給機作動条件検知手段５はエンジン回転数Ｎｅ過給圧
力Ｐ、又は吸入空気温度Ｔといった過給機作動条件因子
を検知する。バルブタイミング遅角演算手段６は検知さ
れた過給条件に応じてバルブタイミングの必要な遅れ量
を演算する。駆動手段７はこの演算された遅れ量が得ら
れるように可変バルブタイミング機構４を駆動すること
になる。

〔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、２
０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
、２日はクランク軸、３０は燃焼室、３２は点火栓、３
４は排気弁、３６は排気ボートである。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あ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４
１及び４２が取付けられ、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４
４に抗して開弁することは周知の通りである。４６はデ
ィストリビュータであり、所定のタイミングで点火栓３
２に駆動信号を供給する。

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。ブー１Ｊ４８はベルト５０を
介してクランク軸２８上のベルト５２に連結され、クラ
・ノ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、必ずしも設けてなくても良イ。この場合
はルーツポンプは當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
ルーツポツプ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３８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
ミングを制御するタイプの可変バルブタイミング機構５
８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
巾が約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６２
ａに対向する縁部５９ｂ及び６２ｂに接触している。ロ
ーラ・（３３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６５′を介して内ねじを形成したナンド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、ナツト
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はナツト
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クロアの出力軸６７ａの回転運
転はナツト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
の対向縁５９ｂと６２ｂとは、第５図のように一方（５
９ｂ　）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６４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３
８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ＴＤＣ手前のαの角度で開き始め（１，０）　、
下死点ＢＤＣ後βの角度で閉じ終わる（ｌ　　Ｃ”）。

一方、第６図（ロ）はステップモータ６７の回転軸６７
ａ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′（く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３
４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手前の角度で開き始め、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うるちの
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７
２は例えばポテンショメータ型であり、スロットル弁１
２の上流に設けられ、吸入空気ｉＱ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とともに
温度センサ７６が配置され、サージタンクに入る吸入空
気の温度Ｔ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４６ａ上の永久磁石片４６ｂと
対面するホール素子としての回転数センサ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。また
、エアークリーナ１０にはエンジンに入る外気の温度Ｔ
°に応じた信号を発生する外気温度センサ８０が配置さ
れる。

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、入力ボート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
遺り取りをするバス９０とより成る。入力ポート８６に
は前記の各センサ、部ち、エアーフローメーク７２、圧
力センサ７４、吸入空気温度センサ７６、回転数センサ
７８及び外気温度上ンサ８０が接続される。入力ボート
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、温度セン
サ７６及び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
生するセンサ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１
４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　
（ＲＯＭ）にはこの発明による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、点火制御等）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なしの内燃機関と比較してピス
トン２４の圧縮率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５９−４
９７４２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■、Ｃから開始し、１１　ｐｌ！
２が有効な圧縮を行うピストンのストロークとなる。１
２１　　＞１２は明らかであり、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
しつつ有効な過給をすることができる。ところがルーツ
ポンプはその駆動軸の回転数によって体積効率が違って
くる。これを第９図に示す。従って、ノンキングに対す
る余裕が機関回転数に応じて違ってくることになる。と
ころが従来はバルブタイミングの遅れは一律であったた
め、過給による効率増加とノンキング防止との間に妥協
をしていたことになる。例えば、低回転側で最適の遅れ
量に設定すれば高回転側での遅れが足りずノッキングが
発生する可能性がある。

逆に高回転側で最適の遅れ量とすれば、低回転側では必
要以上に遅れてしまい、効率的に損失となる。この実施
例ではエンジンの回転数に対して第１０図のように吸気
弁２０のバルブタイミング、即ち吸気弁の閉じ時期を連
続変化させることによって各回転数にわたってノッキン
グに対して余裕をもちつつ効率的なエンジンの作動を得
ようとするものである。

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か否か判定される
。この判定は例えばエアーフローメータ７２によって検
知される吸入空気量の、回転数センサ７８によって検知
されるエンジン回転数の比Ｑ／Ｎｅが所定値より大きい
か否か見ることによって知ることができる。高負荷時で
あれば１０２のステップでＹｅｓと判定され１０４に進
む。１０４のステップではＭＰＵ　８２は出力ポート８
８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２
８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。１０８では過給作動中を表示
するフラグＦがセットされる。

１０２のステップで高負荷運転でないと判定されたとき
は１１０に進み、ＭＰＵ　８２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ではバイパス制御弁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
イパス通路５４が開放され、吸入空気の一部はバイパス
通路５４を通過することとなる。１１４ではフラグＦが
リセットされる。

第８図はパルプ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。２０２では過給作動表示フラグＦが１か否か判
定される。過給中でなければＦ＝Ｏであり、Ｎｏに分岐
し２０４に進み吸気弁２０のバルブタイミングの目標値
、叩ちステップモータ６７の出力軸６７ａの目標位置５
ＴＥＰが零に設定される。ここに５ＴＥＰ　＝　０は第
６図（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。

過給作動中には２０２のステップでＦは１であり、Ｙｅ
ｓと判定され、２０６に進み吸気弁２０のバルブタイミ
ングを決める可変バルブタイミング機構５８のステップ
モータ６７の出力軸６７ａの目標位置５ＴＥＰが過給条
件因子Ｘに応じて演算される。この実施例では前述のよ
うにエンジン回転数に応じたバルブタイミングの制御が
行われる。叩ち、メモリには第１０図のようなエンジン
回転数に応じた吸気弁２０の閉じ時期の設定値、すなわ
ちステップモータ６７の出力軸６７ａの目標値１ｓＴＩ
ＥＰのマツプがある。ＭＰＵ　８２は回転数センサ７８
によって実測されるエンジン回転数Ｎｅよりそのときの
ステップモータ軸位置の目標値５ＴＥＰの演算を実行す
る（第１０図破線参照）。

２０８のステップではステップモータ６７の出力軸６７
ａの位置の目標値５ＴＩＥＰ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Ｎ。

と判定され、２１０に進み目標値５ＴＥＰが現在値ＲＥ
ＡＬより大きいか否か判定される。目標値５ＴＥＰが現
在値ＲＩＥＡＬ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ステツプ正転させる。（ここに正転とはバル
ブタイミングを第６図の（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ステツ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５ＴＥＰが現在値ＲＥＡＬより小さいときは２１
０でＮｏと判定され２１４に進み、ステップモータを１
ステツプ逆転する命令が出力される。ここに逆転とは、
バルブタイミングを第６図の（ロ）から（イ）の方向に
進める方向の回転を意味する。

２１６ではｌ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、即ちバルブタイミングを回転数に応じ第１
０図の設定に従って制御することができる。

次に第２の実施例を説明する。第１の実施例ではバルブ
タイミング、叩ち吸気弁の閉じ時期（第６図の１．Ｃ）
はエンジン回転数に応じて第１０図のマツプに従って制
御しているが、第２の実施例としては圧力センサ７４に
よって検知される吸気圧力Ｐによって制御している。即
ち、バルブタイミング（吸気弁の閉じ時期）は過給圧の
増大に応じて第１１図のように閉じ時期が遅れるように
制御することによって、ノッキングに対して余裕をもっ
た最大躍進められたバルブタイミングとすることができ
る。第１の実施例と同様メモリ８４内には第１１図のマ
ツプがあり、プログラムは第８図の２０６で、圧力セン
サ７４によって検知される圧力Ｐよりステップモータ６
７の出力軸６７ａの位置の目標値５ＴＥＰを計算する以
外は同じである。

第３の実施例では吸入空気温度Ｔに応じた吸気弁２０の
閉じ時期の制御を行っている。即ち、吸入空気の温度の
増大に応じてノンキングに対する余裕がなくなり、吸気
弁の閉じ時期を遅らせる必要がある。吸入空気温度とパ
ルプタイミングとの関係を模式的に第１２図に示す。Ｒ
ＯＭには第１２図に相当するマツプがあり、エンジン運
転中にバルブタイミングの目標値をマツプ演算すること
になる。プログラムは同様であり、第８図のステップ２
０６で、温度センサ７６又は８０によって検知した空気
温度に従って５ＴＥＰを演算する以外は同じである。

〔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パルプ
タイミングの遅れ量を過給条件に応じて変化させている
。そのため、各過給条件にわたってノッキング限界に対
して余裕をもった、できるだけ進み側のバルブタイミン
グとすることができる。その結果、ノンキングを生ずる
ことなしに燃料消費率を向上することができる。

【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図はパルプタイミング線図。 第７図及び第８図はフローチャート図。 第９図はポンプ回転数と容積効率の関係線図。 第１０図は最適な吸気弁の閉じ時期を各エンジン回転数
に対して示す模式的線図。 第１１図は過給圧に対する第１０図と同様な線図。 第１２図は吸気温度に対する第１０図と同様な線図。 １４・・・過給機、　　　２０・・・吸気弁、３８・・
・吸気カム軸、　　４１・・・タイミングプーリ、５８
・・・可変バルブタイミング機構、７０・・・制御回路
、 ７２・・・エアーフローメータ、 ７４・・・圧力センサ、　７８・・・回転数センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　過給機を備えた内燃機関において、吸気弁のバルブタ
   イミングを制御する可変バルブタイミング機構と、過給
   機の作動条件を検知する手段と、該検知手段からの信号
   によって吸気弁のバルブタイミングを演算する手段と、
   この演算されたバルブタイミングが得られるように可変
   バルブタイミング機構を駆動する手段とより成る過給機
   付内燃機関のバルブタイミング制御装置。