JP2012122387A

JP2012122387A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2012122387A
Application number: JP2010273116A
Authority: JP
Inventors: Hideki Takase; 秀樹高瀬
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】チョーク現象に起因するポンピングロスによる燃費の悪化を有効に回避し得る内燃機関を提供する。
【解決手段】エンジンは、ターボチャージャが作動する過給域において可変バルブタイミング機構が作動している高負荷での運転時に、上流側排気圧センサから得られた圧力値の時間平均と、予め定めた排気圧力目標値との差、或いは、タービン下流に設けられた下流側排気圧センサの出力値との差が一定以下となるように排気バルブの開きタイミングを遅角させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関に関するものである。

従来、可変バルブタイミング機構を備えたエンジンすなわち内燃機関においては、種々の目的で、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを制御する旨の技術が多く開示されている。その一例としては特許文献１に示されるように、オイルの燃料室への逆流を防止する目的で、エンジン回転数が所定値以上且つ低負荷の領域では、その他の領域に比べて排気バルブを遅開きに制御する技術が提案されている。

他方、高負荷となる過給域では通常、排気バルブはシリンダが膨張行程を終える前に開かれるという、いわゆる早開きにするように制御が行われるのが一般的である。

しかしながら、排気脈動が大きい場合、上記のように高負荷の領域で排気バルブを早開きに制御した場合には脈動がさらに顕著となり、過給機のタービンを流れる排気ガスの速度が瞬間的に音速を超えるという事態を招来することがある。このような現象はチョーク現象と呼ばれ、このチョーク現象が発生すると、タービンよりも上流側に背圧が発生し、当該背圧が排気圧の上昇に比べて指数関数的に急激に上昇してしまう。そうなるとポンピングロスも急激に増大することとなり、燃費を悪化させてしまう要因となる。

また上記の不具合を解消すべく、過給機の容量自体を大きいものとして排気ガスの流速を抑制する方策も考えられるが、斯かる方策を適用した場合、特に小排気量の内燃機関では低速域でのトルクが低下したり、また例えば必要なＥＧＲガス量が確保できなくなったりといった不具合を却って招来してしまうものとなる。

特開平５−３３６８２号公報

本発明は、上述した不具合のうち、チョーク現象に起因する燃費の悪化という不具合に着目したものであり、チョーク現象を抑制してポンピングロスによる燃費の悪化を有効に回避し得る内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関は、過給機と、排気バルブの開弁タイミングを可変にする可変バルブタイミング機構と、過給機のタービン上流の排気圧力を測定する排気圧センサとをそなえた内燃機関であって、排気圧センサの出力値と予め定めた排気圧力目標値との差、或いは、タービン下流に設けられた下流側排気圧センサの出力値との差が一定以下となるように排気バルブの開きタイミングを遅角させることを特徴とする。

本願発明者は、高負荷の過給域において排気バルブの開きタイミングを遅角させると、筒内圧が遅角前よりも下げることが出来、筒内圧力と排気管圧力との差が小さくなることで排気脈動が小さくなりチョーク現象を有効に回避し得ることを初めて見出した。そしてこれにより本願発明がなされたものである。

すなわちこのようなものであれば、高負荷の運転状態で起こるチョーク現象を好適に抑制することによりポンピングロスを低減させて、燃費を有効に向上させ得る内燃機関を実現することが可能となる。

本発明によれば、高負荷の運転状態で起こるチョーク現象を抑制することによりポンピングロスを低減させて、燃費を有効に向上させ得る内燃機関を提供することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。同実施形態の制御手順の概略を示すフローチャート。同実施形態の制御手順の概略を示す他のフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態のエンジン１００は、排気エネルギでタービン５２を駆動する過給機たるターボチャージャ５０を備えるとともに、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の例えば二気筒のもので、その吸気系１には、ターボチャージャ５０を構成するコンプレッサ５１が接続され、コンプレッサ５１の下流には、図示しないアクセルペダルの操作に対応して開閉するスロットル弁２が設けてある。そしてそのスロットル弁２の下流側にはサージタンク３が設けられる。サージタンク３に供給されたコンプレッサ５１により過給された吸入空気は、吸気ポート１０及び吸気バルブ３７を介してシリンダ３８内に吸入される。サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルド４のシリンダヘッド側の端部近傍には、さらにインジェクタ５が設けてあり、このインジェクタ５を、電子制御装置６により制御するようにしている。

また、排気系２０には、燃焼室から排気バルブ３６を介して排出された排気ガスにより駆動される、過給機たるターボチャージャ５０を構成するタービン５２が接続される。タービン５２までの管路には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１、及び排気ガスの圧力（排気圧）を検出する上流側排気圧センサ２２ａが取り付けられる。そして本実施形態ではタービン５２の下流側に、さらに下流側排気圧センサ２２ｂが取り付けられている。そして、タービン５２の下流には、図示しないマフラに至るまでの位置に三元触媒６３が取り付けられている。さらに、サージタンク１３と、排気マニホルド５３を備える排気系５との間には、排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）６０が接続される。このＥＧＲ装置６０は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。

ＥＧＲ装置６０は、サージタンク３に連通するように一方の端部が接続される排気ガス還流管路（以下、ＥＧＲ管路と称する）６１と、そのＥＧＲ管路６１に設けられてＥＧＲ管路６１を通過する排気ガスの流量を制御する排気ガス還流制御弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）６２とを備えて構成される。ＥＧＲ管路６１の他方の端部は、排気系２０に設けられるタービン５２の上流において排気系２０に連通するように接続される。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲ弁６２が制御されるつまり開かれると、排気ガスがＥＧＲ弁６２の開度に応じた流量でＥＧＲ管路６１を通過して、スロットルバルブ１１よりも下流側つまりサージタンク１３内に還流させるものである。還流される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量は、ＥＧＲ弁６２の開度に依存するもので、ＥＧＲ弁６２の開度の制御は、電子制御装置６により行われる。

なお、この実施形態のスロットルバルブ２は、後述するアクセルセンサ１６から出力される開度信号ｄに基づいて、その時の運転状態に応じてその開度を電気的に制御される型式のもので、アクセルペダルが操作されることにより、その操作に対応して必ずしも開度が変更されるものではない。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置６により制御されて、排気バルブ３６と吸気バルブ３７との内の排気バルブ３６の開閉タイミング（バルブタイミング）を制御できるものである。すなわち本実施形態では、電子制御装置６が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気バルブ３６を全開にする作動中心を、ピストン３９が最下位置となる下死点に対して所定角度進角及び遅角する。

可変バルブタイミング機構３０とともにエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、スロットル弁２の開度を検出するスロットルセンサ１６から出力される開度信号ｄ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電圧信号ｈ、上流側排気圧センサ２２ａから出力される上流側排気圧信号ｋ、下流側排気圧センサ２２ｂから出力される下流側排気圧信号ｌ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆが、また火花着火の実施に際してスパークプラグ１８に対して点火信号ｇ等が出力されるようになっている。

電子制御装置６には、本実施形態では、ターボチャージャ５０が作動する過給域において可変バルブタイミング機構３０が作動している運転時に、上流側排気圧センサ２２ａの上流側排気圧信号ｋの値と、予め定めた排気圧力目標値との差が一定以下となるように排気バルブ３６の開きタイミングを遅角させるプログラム、並びに、上流側排気圧センサ２２ａの上流側排気圧信号ｋに基づいた値とタービン５２の下流に設けられた下流側排気圧センサ２２ｂから出力される下流側排気圧信号ｌに基づいた値との差が一定以下となるように排気バルブ３６の開きタイミングを遅角させるプログラムがそれぞれ格納してある。

まず、以下において、図２に示すフローチャートに基づいて、前者のプログラムの制御の手順、すなわち、上流側排気圧センサ２２ａの上流側排気圧信号ｋの値と、予め定めた排気圧力目標値との差が一定以下となるように排気バルブ３６の開きタイミングを遅角させる制御の手順を説明する。

ターボチャージャ５０が作動する過給域で可変バルブタイミング機構３０が作動している高負荷の運転時において、当該プログラムは作動する。斯かる運転領域では、排気バルブ３６の開きタイミングは、シリンダ３８からの排気を速やかに行わせるために膨張行程にある下死点よりも３０°〜４０°進角側に設定されている。この運転状態において、まず上流側排気圧センサ２２ａからの上流側排気圧信号ｋを検出することにより上流側排気圧を検出する（ステップＳ１１）。続いて、予め定めている排気圧力目標値と、上流側排気圧、詳細には脈動している上流側排気圧の時間平均との差を算出する（ステップＳ１２）。ここで排気圧力目標値とは、例えば斯かる運転状態においてチョーク現象を起こさすに好適に排気が行われている状態にあるときの圧力値の時間平均として、予め実験的に得られている値である。そして上記した排気圧力目標値と上流側排気圧の時間平均との差が所定値ｘを超えた場合、排気バルブ３６の開きタイミングを遅角させる（ステップＳ１３）。このときの排気バルブ３６の開きタイミングは、一例としては、膨張行程が完全に終了する下死点近傍のタイミングまで遅角させるものとしている。

続いて以下において、図３に示すフローチャートに基づいて、後者のプログラムの制御の手順、すなわち、上流側排気圧センサ２２ａの上流側排気圧信号ｋの値とタービン５２の下流に設けられた下流側排気圧センサ２２ｂから出力される下流側排気圧信号ｌの値との差が一定以下となるように排気バルブ３６の開きタイミングを遅角させる制御の手順を説明する。

上記と同じ運転状態において上流側排気圧センサ２２ａからの上流側排気圧信号ｋを検出することにより上流側排気圧を検出する（ステップＳ２１）。続けて、下流側排気圧センサ２２ｂからの上流側排気圧信号ｌを検出することにより下流側排気圧を検出する（ステップＳ２２）。そして、検出した上流側排気圧と、下流側排気圧との差を算出する（ステップＳ２３）。詳細には、検出した脈動している上流側排気圧の時間平均と下流側排気圧の時間平均との差を算出する。そして上流側排気圧と下流側排気圧との差が所定値ｙを超えた場合、排気バルブ３６の開きタイミングを例えば膨張行程が完全に終了する下死点近傍のタイミングまで遅角させる（ステップＳ２４）。ここて所定値ｙとは、チョーク現象が起こらずに運転を継続させ得る、実験的に得た値を適用している。

以上のような構成とすることにより、本実施形態に係る内燃機関たるエンジン１００は、高負荷の運転状態で起こるチョーク現象を好適に抑制することによりポンピングロスを低減させて、燃費を有効に向上させ得るものとなっている。

つまり本実施形態におけるエンジン１００のような二気筒のターボ過給エンジンでは、同じ排気量である三気筒以上の多気筒エンジンと比べて、各シリンダ３８から排出される排気ガス流量が多く、それに伴い排気脈動も大きいものとなっている。そのため、瞬間的にはタービン５２を流れる排気ガス流量は音速に達し、チョーク現象を招来するような状態となる。そしてチョーク現象に陥ると、タービン５２よりも上流側排気圧の増大に対して背圧が指数関数的に増大することとなってしまう。このようにしてポンピングロスも指数関数的に増大することとなり、これが燃費を顕著に悪化させてしまう要因となっていた。

そこで、本実施形態に係る内燃機関であるエンジン１００では、高負荷となるターボ過給域での排気バルブ３６の開きタイミングを遅角化し、膨張行程を経過させた後に排気バルブ３６を開き、排気行程時の筒内圧力を早期に低下させている。これにより排気バルブ３６を開いた瞬間の筒内圧力とタービン５２よりも上流の排気系２０内の排気圧との差を小さくし、排気脈動を弱くすることを実現している。その結果、チョーク現象を抑制することができ、ポンプピングロスを低減することによる燃費性能の向上を実現している。

詳細には、前者のプログラム、すなわち図２に示すプログラムによれば、予め実験的に得られた排気圧力目標値から乖離しそうな場合に排気バルブ３６の開きタイミングを制御して排気脈動を弱くすることにより、有効にチョーク現象に起因する燃費の悪化を有効に回避し得るものとなっている。

他方、図３に示す後者のプログラムによれば、上流側排気圧センサ２２ａ並びに下流側配気圧センサ２２ｂからの上流側排気圧信号ｋ並びに下流側排気圧信号ｌを制御入力パラメータとして有効に利用してタービン５２の上流と下流の圧力差をセンシングすることにより、チョーク現象による背圧の上昇を高精度で検知し得るものとなっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態では２つのプログラムを実行し得る内燃機関を開示したが勿論、何れか一のプログラムを実行し得るものであっても良い。また、上記プログラムのうち前者のプログラムを適用するのであれば、下流側排気圧センサを設けなくとも良い。そして上述の実施形態にあっては排気バルブの位相角を可変する可変バルブタイミング機構としたが、吸気バルブと排気バルブとの両方の位相角を可変にするものであってもよい。さらに、可変バルブタイミング機構は、上述した油圧式のものではなく、電気式のものであってもよい。また上述の実施形態にあっては高圧ループＥＧＲを適用したが、勿論タービンの下流から排気ガスを環流させる低圧ループＥＧＲを適用した内燃機関としても良い。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、排気バルブの位相角を可変する可変バルブタイミング機構と過給機とを備えた内燃機関が挙げられる。

６…電子制御装置
２２ａ…排気圧センサ（上流側排気圧センサ）
２２ｂ…下流側排気圧センサ
３０…可変バルブタイミング機構
３６…排気バルブ
５０…過給機（ターボチャージャ）
１００…内燃機関（エンジン）

Claims

過給機と、排気バルブの開弁タイミングを可変にする可変バルブタイミング機構と、過給機のタービン上流の排気圧力を測定する排気圧センサとをそなえた内燃機関であって、排気圧センサの出力値と予め定めた排気圧力目標値との差、或いは、タービン下流に設けられた下流側排気圧センサの出力値との差が一定以下となるように排気バルブの開きタイミングを遅角させることを特徴とする内燃機関。