JP5067331B2 - エンジンのバルブタイミング可変装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのバルブタイミング可変装置に関するものである。

エンジンにおいては、排気効率を向上させて体積効率つまりトルクを向上させるために、吸気弁と排気弁とが共に開弁された開弁オーバラップ期間を設定するのが一般的となっている。一方、排気弁により開閉される排気ポートには、排気脈動が作用するが、排気脈動の負圧波が上記オーバラップ期間に到達するタイミングでは排気効率が向上されることになる。特許文献１には、上記オーバラップ期間に排気脈動の負圧波が排気ポートに到達するようなタイミングではこのオーバラップ期間を大きくし、逆に、オーバラップ期間に正圧波が排気ポートに到達するタイミングではオーバラップ期間を小さくすることが開示されている。また、特許文献２には、上記オーバラップ期間の位相を変更可能として、このオーバラップ期間に負圧波が排気ポートに到達するタイミングとすることが開示されている。特許文献３、特許文献４には、吸気弁のリフト量と開弁角を変更する可変バルブ手段が開示されている。
特開平１１−０２２４９９号公報 特許第３６７８８６１号公報 特開２００６−３４８７７４号公報 特開２００１−３７２１号公報

ところで、吸気弁と排気弁が共に開弁される開弁オーバラップ期間に排気脈動の負圧波を到達させるように設定した場合に、エンジン回転数が変化すると負圧波のクランク角に対する位相が変更されるために、オーバラップ期間に負圧波を排気ポートに到達させることのできない場合が生じる。このため、排気弁の開弁時期を変更させて排気脈動の発生するタイミングつまり負圧波のクランク角に対する位相を変更させて、オーバラップ期間に負圧波が排気ポートに到達できるようにすることが考えられる。しかしながら、この場合、排気弁の開弁時期の変更に伴ってオーバラップ期間（オーバラップしているクランク角）の大きさが変更されてしまい。オーバラップ期間が不必要に大きくなり過ぎたり、あるいはオーバラップ期間が小さくなり過ぎてしまうことになる。このため、排気弁の開弁時期の変更に合わせて吸気弁の開弁時期を変更することも考えられる。しかしながら、吸気弁の開弁時期の変更に起因して吸気弁の閉弁時期が変更されると、吸気弁の閉弁時期は充填効率に大きな影響を与えたり、有効圧縮比に大きな影響を与えることになるので、好ましくないものとなる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、吸気弁と排気弁との開弁オーバラップ期間を所望の大きさに確保しつつ、排気脈動の負圧波をオーバラップ期間において排気ポートに確実に到達させることができ、しかも吸気弁の閉弁時期を大きく変更することのないようにエンジンの排気制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
同一気筒における吸気弁と排気弁との開弁オーバラップ期間において、排気脈動による負圧波が、排気弁が開閉する排気ポートに到達するようにしたエンジンのバルブタイミング可変装置であって、
排気弁の開弁角を一定にしたまま排気弁の開弁時期を変更する位相式とされた第１バルブタイミング可変手段と、
吸気弁の閉弁時期を一定あるいはほぼ一定としつつ、吸気弁の開弁角と開弁時期とを変更する第２バルブタイミング可変手段と、
エンジン回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段からの出力を受け、前記第１および第２のバルブタイミング可変手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、エンジン回転数の変化に対応して排気弁の開弁時期を変更すると共に、排気弁の開弁時期の変更方向と同方向に吸気弁の開弁時期を変更することにより前記オーバラップ期間を確保しつつ、該オーバラップ期間に排気脈動の負圧波が前記排気ポートに到達するように制御する、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、排気弁の開弁時期の変更方向と同方向に吸気弁の開弁時期を変更することにより、所望の大きさの開弁オーバラップ期間が確保されることになる。そして、エンジン回転数の変化に応じた排気弁の開弁時期の変更によって、オーバラップ期間に排気脈動の負圧波を排気ポートに到達させることができる。また、吸気弁の閉弁時期は一定あるいはほぼ一定なので、充填効率や有効圧縮比に大きな影響を与えてしまうことも防止される。さらに、第１バルブタイミング可変手段は、位相式とすることによって、開弁角および開弁時期の双方を可変とする第２バルブタイミング可変手段に比して安価な構成とすることができ、コストの上でも有利となる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
排気通路が、それぞれ排気順序の隣り合わない気筒の排気通路同士を一旦集合させてなる複数の集合排気通路を有する共に、該複数の集合排気通路の下流端同士を集合させた集合部を有するように構成され、
前記複数の集合排気通路同士を、前記集合部の上流側で連通・遮断する切換弁が設けられ、
前記制御手段は、エンジンの全回転域において前記オーバラップ期間に前記負圧波が前記排気ポートに到達するように、エンジン回転数に応じて前記切換弁を制御する、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、切換弁の切換によって、排気脈動の負圧波が排気ポートに到達するタイミング（位相）を変更することが可能となって、排気弁の開弁時期の変更と合わせて、エンジンの全回転域においてオーバラップ期間に負圧波を排気ポートに到達させることが可能となる。また、オーバラップ期間に排気ポートに到達される負圧波として極力小さい次数の負圧波として、つまり振幅が極力大きい負圧波がオーバラップ期間に排気ポートに到達するようにして、トルクをさらに向上させる上でも好ましいものとなる。

前記制御手段は、排気温度が低いエンジン冷間時には、排気温度が高いエンジン温間時に比して、排気弁の開弁時期を進角させる、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、ある次数成分の負圧波に着目した場合、排気温度が上昇するほど負圧波はクランク角に対して進角方向に位相変更されるので、エンジン冷間時にはエンジン温間時に比して排気弁の開弁時期を進角させることによって、同一次数の負圧波をオーバラップ期間に排気ポートに到達させるようにして、トルクの段差を無くすあるいは抑制する上で好ましいものとなる。

本発明によれば、エンジン回転数の変化にかかわらず、排気脈動の負圧波を利用したトルク向上を得ることができる。また、吸気弁の閉弁時期を一定あるいはほぼ一定としてあるので、充填効率や有効圧縮比に大きな影響を与えることが防止される。さらに、第１バルブタイミング可変手段を安価な位相式としてあるので、コストの点でも好ましいものとなる。

図１において、エンジンＥは、実施形態では自動車用の直列４気筒の火花点火式エンジンとされている。エンジンＥの各気筒１Ａ〜１Ｄは、それぞれ、２つの吸気ポート２と２つの排気ポート３とを有する。図２に示すように、吸気ポート２は吸気弁４によって開閉され、排気ポート３は排気弁５によって開閉される。そして、各気筒１Ａ〜１Ｄには、燃料噴射弁６および点火プラグ７が配設されている。なお、燃料噴射弁６は、燃焼室内に直接燃料噴射を行う直噴式とされているが、吸気ポート２に燃料噴射するポート噴射式であってもよい。

図２において、８はシリンダブロック、９はシリンダヘッド、１０はピストン、１１は吸気弁４を開閉駆動する吸気弁用カムシャフト、１２は排気弁５を開閉駆動する排気弁用カムシャフトである。排気弁用カムシャフト１２には、第１バルブタイミング可変手段としての第１可変バルブ機構１３が設けられている。また、吸気弁用カムシャフト１１には、第２バルブタイミング可変手段としての第２可変バルブ機構１４が設けられている。勿論、上記各カムシャフト１１，１２は、ピストン１０に連結されたクランク軸（図示略）と連動されている。

上記第１可変バルブ機構１３は、位相式とされて、図３に示すように、排気弁５の開弁角を一定にしたまま、開弁時期を変更するものとされている（開弁時期の変更に伴って閉弁時期も変更される）。このような第１バルブ可変機構は、例えばクランク軸とカムシャフト１２との連動機構の一部を構成するプーリに組み込むことができる。図３では、排気弁５の開閉態様として高速時と低速時との２種類のみ示されているが、この間で連続可変式に位相変更される、

前記第２可変バルブ機構１４は、図３に示すように、吸気弁４の閉弁時期を一定あるいはほぼ一定としつつ、吸気弁４の開弁角と開弁時期とを変更するものとされている。図３では、吸気弁４の開閉態様として高速時と低速時との２種類のみ示されているが、この間で連続可変式に開弁角および開弁時期が変更される、このような第２バルブ可変機構１４は、例えば特許文献３や特許文献４に開示のものを利用して構成することができ、また、アクチュエータによって吸気弁４を直接的あるいは間接的に開閉駆動するものであれば、このアクチュエータを第２バルブ可変機構として用いることができる。

再び図１において、前記各吸気ポート２は、分岐吸気通路２１を介してサージタンク２２に接続されている。このサージタンク２２には、共通吸気通路２３が接続されて、この共通吸気通路２３には、その上流側から下流側へ順次、エアクリーナ２４，スロットル弁２５が配設されている。

前記各排気ポート３は、分岐排気通路３１に接続されている。各気筒毎の分岐排気通路３１は、集合部３２において集合された後、最終的に１本の共通排気通路３３へと連なっている。そして、共通排気通路３３には、排気ガス浄化触媒としての三元触媒３４が配設されている。

ここで、前記集合部３２は、各排気ポート３から排出される排気ガスの圧力波が反転される反転部となり、集合部３２から各排気ポート３までの排気通路長さが、排気脈動の等価排気管長となる。すなわち、排気脈動の負圧波（正圧波）は、音速でもって各排気ポート３と集合部３２との間で往復することになる。

図２に示すように、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）Ｕによって、可変バルブ機構１３、１４が後述のように制御される。また、コントローラＵには、エンジン回転数を検出する回転数センサＳ１からの信号と、共通排気通路３３に配設された排気ガス温度を検出する温度センサＳ２からの信号が入力される。

図４は、吸気弁４と排気弁５とがそれぞれ開弁するオーバラップ期間（以下、オーバラップ期間と称す）に排気脈動の負圧波が排気ポート３に到達する様子の一例を示すものである。図中、１次の負圧波が符合α１で示され、２次の負圧波が符合α２で示され、３次の負圧波が符合α３で示される（αの後の数値が次数を示す）。そして、次数の小さい負圧波ほどその振幅が大きくなって、排気ガスの吸い出し効果が高いものとなる。

図４では、２次の負圧波α２がオーバラップ期間に到達する状態となっているが、エンジン回転数や排気温度が変化すると、２次の負圧波α２のクランク角に対する位相が変更されて、オーバラップ期間に２次の負圧波α２が排気ポート３に到達しない状態となってしまうことになる。このため、エンジン回転数や排気温度の変化に対応して、排気弁５の開弁時期を変更して、オーバラップ期間に負圧波が排気ポート３に到達するように制御される。この場合、オーバラップ期間が所望の一定値（あるいはほぼ一定値）となるように、吸気弁４の開弁時期が、排気弁５の開弁時期の変更に合わせて変更される。すなわち、排気弁５の開弁時期が進角されると吸気弁４の開弁時期が進角され、逆に排気弁５の開弁時期が遅角されると吸気弁４の開弁時期が遅角されて、常に所望の一定値のオーバラップ期間が確保される。なお、排気温度が低くなるほど、負圧波（例えば２次負圧波α２）のクランク角に対する位相が遅角されることになる。

図５において、エンジン回転数と体積効率との関係が示される。図５の破線は、吸気弁４，排気弁５共にその開弁時期を変更しない場合であり（従来）、この場合は、エンジン回転数がＲ１、Ｒ２付近でもって大きくトルク低下となっている（オーバラップ期間に排気ポート３に負圧波が到達する代わりに、正圧波が到達した状態）。また、図５の実線が、本発明の場合を示し、吸気弁４，排気弁５の開弁時期をエンジン回転数の変化に応じて変更することによって、オーバラップ期間に確実に排気ポート３に負圧波を到達させて、上記エンジン回転数Ｒ１、Ｒ２付近でのトルクを向上させることができる。

図６は、エンジン回転数および排気温度に応じた排気弁５の開弁時期の変更の様子を示すものであり、同じエンジン回転数であれば、排気温度が低いエンジン冷間時の方が、排気温度が高いエンジン温間時よりも排気弁５の開弁時期が進角される。これにより、排気温度の変化（排気脈動の伝達速度となる音速の変化）に対応して、オーバラップ期間において、負圧波を排気ポート３に確実に到達させることができる。また、排気弁５の開弁時期は、エンジン回転数の上昇に伴って徐々に進角されるが、進角量が大きくなると、一気に大きく遅角されて、その後再びエンジン回転数の上昇に伴って進角されるようになっている。一気に大きく遅角させる処理は、より次数の小さい（より振幅の大きい）負圧波をオーバラップ期間に排気ポート３に到達させるための処理となる。

図７は、本発明の第２の実施形態を示すものである。本実施形態では、排気ガスの排出順序（つまり点火順序）が、例えば１番気筒１Ａ、３番気筒１Ｃ、４番気筒１Ｄ、２番気筒１Ｂとされている。そして、排気ガスの排出順（つまり点火順）が隣り合わない気筒となる１番気筒１Ａと４番気筒１Ｄとを一旦集合させた集合排気通路４１を構成し、また２番気筒１Ｂと３番気筒３Ｃとを一旦集合させた集合排気通路４２を構成してある。そして、各集合排気通路４１と４２とを集合部４３で集合させて、この集合部４３下流側を１本の共通排気通路４４として構成してある。

上記各集合排気通路４１と４２とは、集合部４３の上流側で、連通口４５によって連通され、この連通口４５が切換弁４６によって開閉される。これにより、切換弁４６が閉弁されているとき（連通口４５が遮断されているとき）は、排気脈動は、集合部４３で反転されて排気ポート３へ戻ることになる。この一方、切換弁４６が開弁されているときは、連通口４５が排気脈動の反転部となって、排気脈動が往復される等価排気管長が実質的に短いものとされる。このように、切換弁４６の開閉に応じて、等価排気管長が変更されて、オーバラップ期間に負圧波が排気ポート３に到達するタイミングを変更することができる。なお、切換弁４６を開弁したときと閉弁したときとで、排気脈動の負圧波が排気ポート３に生じるタイミングが一致しないように連通口４の位置が選択されている。

本実施形態では、排気弁５の開弁時期を変更してもオーバラップ期間に負圧波が排気ポート３に到達するタイミングを得られないときでも、切換弁４６の開閉を利用して、オーバラップ期間に確実に負圧波を排気ポート３に到達させることが可能となる。また、排気弁５の開弁時期の変更のみでオーバラップ期間に負圧波を排気ポート３に到達させることが可能であっても、切換弁４６の開閉を利用して、より振幅の大きい（次数の小さい）負圧波をオーバラップ期間に排気ポート３に到達させることも可能となる。勿論、切換弁４６の開閉制御は、コントローラＵによって行われるものである。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジンＥとしては、３気筒や６気筒等、他の多気筒エンジンであってもよい。また、ガソリンエンジンで代表される火花点火式エンジンに限らず、ディーゼルエンジンで代表される圧縮着火式エンジンであってもよい。排気温度の検出は、間接的に検出するようにしてもよい（例えばエンジン冷却水温に基づいて検出）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明の一実施形態を示すもので、エンジンの全体系統を示す簡略平面図。 図１に示すエンジンの簡略側面断面図。 バルブ可変機構による吸気弁と排気弁の開閉態様の一例を示す図。 オーバラップ期間と排気脈動の負圧波との関係を示す図。 本発明によってトルクが向上される様子を示す図。 排気弁の開弁時期の変更例を示す図。 本発明の第２の実施形態を示す要部簡略平面断面図。

符号の説明

Ｕ：コントローラ
Ｓ１：回転数センサ
Ｓ２：温度センサ
α１：１次負圧波
α２：２次負圧波
α３：３次負圧波
Ｅ：エンジン
１Ａ〜１Ｄ：気筒
２：吸気ポート
３：排気ポート
４：吸気弁
５：排気弁
１３：可変バルブ機構（第１バルブタイミング可変手段）
１４：可変バルブ機構（第２バルブタイミング可変手段）
３２：集合部
４１，４２：集合排気通路
４３：集合部
４５：連通口
４６：切換弁

Claims (3)

1. 同一気筒における吸気弁と排気弁との開弁オーバラップ期間において、排気脈動による負圧波が、排気弁が開閉する排気ポートに到達するようにしたエンジンのバルブタイミング可変装置であって、
   排気弁の開弁角を一定にしたまま排気弁の開弁時期を変更する位相式とされた第１バルブタイミング可変手段と、
   吸気弁の閉弁時期を一定あるいはほぼ一定としつつ、吸気弁の開弁角と開弁時期とを変更する第２バルブタイミング可変手段と、
   エンジン回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記回転数検出手段からの出力を受け、前記第１および第２のバルブタイミング可変手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、エンジン回転数の変化に対応して排気弁の開弁時期を変更すると共に、排気弁の開弁時期の変更方向と同方向に吸気弁の開弁時期を変更することにより前記オーバラップ期間を確保しつつ、該オーバラップ期間に排気脈動の負圧波が前記排気ポートに到達するように制御する、
   ことを特徴とするエンジンのバルブタイミング可変装置。
2. 請求項１において、
   排気通路が、それぞれ排気順序の隣り合わない気筒の排気通路同士を一旦集合させてなる複数の集合排気通路を有する共に、該複数の集合排気通路の下流端同士を集合させた集合部を有するように構成され、
   前記複数の集合排気通路同士を、前記集合部の上流側で連通・遮断する切換弁が設けられ、
   前記制御手段は、エンジンの全回転域において前記オーバラップ期間に前記負圧波が前記排気ポートに到達するように、エンジン回転数に応じて前記切換弁を制御する、
   ことを特徴とするエンジンのバルブタイミング可変装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記制御手段は、排気温度が低いエンジン冷間時には、排気温度が高いエンジン温間時に比して、排気弁の開弁時期を進角させる、ことを特徴とするエンジンのバルブタイミング可変装置。

Images