JPH09317520A

JPH09317520A - 過給機付内燃機関の吸気弁制御装置および制御方法

Info

Publication number: JPH09317520A
Application number: JP8137325A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Aoyama; 俊一青山; Hiroshi Miyakubo; 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】低速高負荷時の耐ノック性を向上させ、過給
機関の圧縮比の向上、触媒活性化のための点火時期リタ
ードを可能とする。【解決手段】吸気通路１０にスクリュー型コンプレッ
サからなる過給機１１が設けられており、その上流側お
よび下流側に、第１絞弁１４および第２絞弁１５を備え
ている。吸気弁３は、可変動弁機構を介して開閉時期が
可変制御される。高負荷時には、バルブオーバーラップ
が大となるように制御され、過給圧を利用した掃気作用
がなされ、残留ガスに起因するノッキングが抑制され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガソリン機関に
代表される４サイクル火花点火式内燃機関に関し、特
に、過給機と可変動弁機構とを具備した過給機付内燃機
関の吸気弁制御装置および制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の出力によって駆動される機械
式過給機（いわゆるスーパーチャージャ）を備えた内燃
機関は、排気ガスによって駆動されるターボチャージャ
とは異なり、低速時から十分な過給圧が得られる利点が
あるため、良好なレスポンスが得られる。また、近年の
排気浄化性能の要求に伴って排気系に効率の良い触媒シ
ステムを装着する場合にも、触媒入口の排気温度の低下
がターボチャージャに比較して少なくなることから、冷
機時におけるＨＣ抑制の上でも有利である。

【０００３】さらに、冷機時における触媒の活性化のた
めに、排気系の触媒コンバータ上流側に二次空気を導入
することは従来から知られているが、この二次空気導入
のための圧力源としても機械式過給機の利用が考えられ
ている。

【０００４】一方、内燃機関の吸気弁の開閉時期を可変
制御する可変動弁機構は従来から種々の形式のものが提
案されており、一部で既に実用に供されている。例え
ば、カムシャフトと該カムシャフトを駆動するクランク
シャフトとの間の位相関係を相対的にずらすことによっ
て、吸気弁の開閉時期を同方向へ変化させるものや、異
なるカムプロフィールを有する２つのカムに従動する２
つのロッカアームを設け、吸気弁が実際に連動するロッ
カアームを選択的に切り換えることによって、バルブリ
フト特性を２種類に切り換えるようにした装置などが実
用されている。また、特開平６−１８５３２１号公報に
は、不等速軸継手の原理を応用して、円筒状カムシャフ
トを不等速回転させることでバルブリフト特性を連続的
に可変制御し得るようにした可変動弁機構が開示されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、低速の高負
荷域はノッキングが発生し易い条件であり、この領域で
さらに高圧の過給を行う場合には、過給機を具備しない
自然給気機関に比べて、圧縮比を低く設定することが必
要となり、燃費の悪化を招く。

【０００６】また、機関冷機時には、触媒の早期の温度
上昇を図るために、機関から排出される排気ガスの温度
をなるべく高くするための工夫が必要となる。その代表
的な手段が点火時期を限界まで遅らせる方法であり、こ
れによって燃焼が遅れ、膨張行程の末期ぐらいまで燃焼
が長引くために、排気弁が開く時期の筒内温度は高くな
り、触媒コンバータ入口の排気温度を上昇させるには大
きな効果がある。しかし、このように点火時期を大幅に
遅らせるためには、燃焼の素質を改良することが必須で
あり、燃焼素質が良くないと、点火時期のリタード時に
失火が起きやすく、十分な排気温度上昇効果が得られな
い。

【０００７】上述したように、従来の過給機付内燃機関
は、主として低速時のノッキングを回避するために、圧
縮比を自然給気機関にくらべて１〜１．５程度低めに設
定することが一般的である。これによる燃費の悪化傾向
は、内燃機関の排気量を自然給気機関よりも小さく設定
できることによる摩擦損失の低減などによって相殺され
るため、機関全体としての燃費の悪化は回避することが
できる。しかしながら、圧縮比が低下すると、燃焼速度
が遅くなるため、上述したように点火時期を大幅に遅ら
せた場合に失火が発生し易くなり、大幅なリタードが不
可能となる。そのため、排気温度の上昇によるＨＣ低減
を図る上で不利となる。

【０００８】このように過給機付内燃機関の耐ノック性
能、とりわけ低速域における耐ノック性能を向上させ、
その圧縮比を高く設定することは、燃費性能の観点だけ
でなく、冷機時におけるＨＣ低減の上でも非常に重要と
なっている。

【０００９】本発明の目的は、過給機付内燃機関の低速
域での耐ノック性能を向上させ、圧縮比を高く設定でき
るようにすることにある。さらに、機関冷機時に過給機
を利用して燃焼の改善を図り、ＨＣの低減を図ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の請求項１に係る吸気弁制御装置および請
求項９に係る制御方法は、吸気系に過給機を有し、かつ
吸気弁の開閉時期を制御信号により連続的に制御可能な
可変動弁機構を備えた内燃機関において、アイドル時に
バルブオーバラップが小となり、高負荷時に大となるよ
うに、吸気弁開時期を可変制御するとともに、吸気弁の
閉時期を、アイドル時には下死点近傍に保ち、かつ高負
荷時にはこれよりも遅れるように可変制御することを特
徴としている。

【００１１】すなわち、機関アイドル時にはバルブオー
バラップが小さくなるため、残留ガスの吹き返しによる
燃焼の悪化が防止され、また吸気弁閉時期が下死点に近
付くことによって、実圧縮比が上昇し、燃焼が安定化す
る。

【００１２】これに対し、過給圧が高くなる高負荷時に
は、バルブオーバラップが比較的大きくなるため、燃焼
室内の掃気効果が得られる。つまり、吸気弁が開く前に
は、過給により吸気ポート内に排圧よりもはるかに高い
圧力レベルの新気が蓄えられている。これに対し燃焼室
内の圧力は排気行程の末期であり、かつ排気弁が開いて
いるため、排圧に近い圧力レベルとなる。この排圧は過
給機を機械式過給機とした場合には低いものであり、特
に低速域では大気圧に近いものとなる。従って、排気弁
が開いている状態で吸気弁が開き始めると、吸気ポート
から音速に近い流速で新気が燃焼室内に流入し、燃焼室
内の残留ガスはこの新気の流れに押されて排気ポートか
ら押し出される。排気弁が閉じたところで、この掃気作
用は終了し、吸入行程に入ることになる。

【００１３】燃焼室内の残留ガスは、運転条件にもよる
が、８００℃以上の温度であり、これが吸気と混合する
ことによって圧縮時の吸気温度を上昇させ、ノッキング
を発生させる大きな要因になっていることが知られてい
る。従って、上記のように低速高負荷時に燃焼室内の残
留ガス濃度を大幅に低下させることにより、その耐ノッ
ク性能が大幅に向上するのである。

【００１４】尚、当然ながらオーバラップが過大である
と、掃気効果も過大となり、大量の新気が排気系へ吹き
抜けてしまうため、オーバーラップには適当な値があ
る。また内燃機関の回転数が高くなると、バルブオーバ
ーラップの時間は短くなるため、同じ掃気効果を得るた
めには、回転数の上昇とともにバルブオーバーラップ
（角度）を拡大することが好ましい。

【００１５】また、高負荷時に吸気弁閉時期が下死点よ
りも遅れるため、ストロークが実質的に短くなり、ポン
プ損失の低減に寄与する。そして、それだけ高圧で過給
することによって、良く知られたミラーサイクル効果が
得られる。

【００１６】尚、このようにミラーサイクル効果を得る
ためには高圧で過給する必要があるので、請求項３のよ
うに、過給機として、内部圧縮を行うスクリュー型コン
プレッサを用いることが好ましい。

【００１７】尚、このスクリュー型コンプレッサは、ク
ラッチによる断続には機構上の困難があるため、通常、
部分負荷時にも駆動することになるが、本発明のような
吸気弁の作動特性においては、過給機による圧縮の分だ
け内燃機関側で実圧縮比を落とすことによって、そのバ
ランスを保つようにすれば、部分負荷時にも過給機の圧
縮仕事を有効に利用することができる。

【００１８】また請求項２に係る吸気弁制御装置は、過
給機の上流に第１絞弁を有するとともに、過給機の下流
に第２絞弁を有し、かつこの第２絞弁と過給機との間か
ら機関排気系に至る二次空気通路を備え、機関冷機時に
は上記第２絞弁の開度が第１絞弁の開度よりも小さく制
御されることを特徴としている。

【００１９】この構成においては過給機による過給作用
を利用して機関排気系に二次空気を積極的に導入するこ
とができ、触媒の活性化を促進することができる。そし
て、機関冷機時には、過給機下流の第２絞弁によって内
燃機関の吸入空気量が調整される。このとき、吸気は過
給機によって加圧されることにより温度上昇し、その後
第２絞弁において絞り膨張により減圧し（温度は低下し
ない）、燃焼室に導入される。つまり、機関冷機時に燃
焼室に導入される吸気の温度が上昇し、これによって燃
焼が改善される。

【００２０】上記のような吸気弁開閉時期の可変制御を
実現するために、請求項４に係る吸気弁制御装置は、上
記可変動弁機構として、機関の回転に同期して回転する
駆動軸と、この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸気弁
を駆動するカムを外周に有するカムシャフトと、このカ
ムシャフトの端部に設けられ、かつ半径方向に沿って係
合溝が形成された一方のフランジ部と、この一方のフラ
ンジ部に対向するように上記駆動軸側に設けられ、かつ
半径方向に沿って係合溝が形成された他方のフランジ部
と、上記両フランジ部の間に揺動自在に配設された環状
ディスクと、この環状ディスクの両側部に互いに反対方
向に突設されて、上記両フランジ部の各係合溝内に夫々
係合するピンと、上記環状ディスクを機関運転状態に応
じて揺動させる駆動機構と、を備えている。

【００２１】この構成においては、環状ディスクの回転
中心が駆動軸およびカムシャフトの中心と同心状態にあ
る場合には、駆動軸とカムシャフトとが等速回転し、ま
た環状ディスクが偏心位置にある場合には、両者が不等
速回転する。従って、上記環状ディスクの位置に応じ
て、吸気弁のバルブリフト特性が連続的に変化し、その
開閉時期および作動角が変化する。

【００２２】次に、請求項５および請求項１０に係る過
給機付内燃機関の吸気弁制御装置および方法は、電磁ク
ラッチを介して機関運転条件に応じてＯＮ・ＯＦＦされ
る機械式過給機を吸気系に備え、かつ吸気弁を開閉する
カムシャフトのクランクシャフトに対する位相を制御信
号により可変制御可能な可変動弁機構を備えた内燃機関
において、アイドル時にバルブオーバラップが小とな
り、高負荷時にはバルブオーバラップが大となるよう
に、上記可変動弁機構を制御することを特徴としてい
る。

【００２３】上記過給機としては、例えば請求項７のよ
うに、内部圧縮を伴わない容積型のルーツブロワが用い
られる。

【００２４】この構成においては、上述した請求項１と
同様に、アイドル時には、バルブオーバーラップが小さ
くなることにより、残留ガスの吹き返しによる燃焼の悪
化が防止される。また過給圧が高くなる高負荷時には、
バルブオーバーラップを大きくすることにより、前述し
た燃焼室内の掃気効果が同様に得られ、低速時の燃焼室
内残留ガス濃度が低減する。これによりノッキングが抑
制される。

【００２５】また請求項６の吸気弁制御装置において
は、過給機の下流に絞弁が位置しており、この絞弁と過
給機との間から機関排気系に至る二次空気通路を備え、
機関冷機時には上記過給機のＯＮ領域が機関の部分負荷
領域まで拡大補正されることを特徴としている。

【００２６】この構成においては、過給機による過給圧
を利用して機関排気系に二次空気が積極的に導入され、
触媒の活性化が促進される。また機関冷機時において
は、絞弁が絞られた状態で過給機が作動するため、燃焼
室内に導入される吸気が温度上昇し、機関冷機時におけ
る燃焼が改善される。

【００２７】この発明の吸気弁制御装置が適用される内
燃機関としては、請求項８のように、燃料を筒内に直接
噴射する筒内直噴型機関であることが望ましい。この場
合、その燃料噴射開始時期が、吸入行程でかつ排気弁が
閉じた後に設定される。

【００２８】このような構成とすれば、高負荷時にバル
ブオーバーラップが大となって上述した掃気作用がなさ
れる際に、燃料を含まない新気のみが燃焼室に流入し
て、残留排気ガスを排気ポートへ押し出す。そのため、
仮にオーバーラップが過大であっても燃料を含まない空
気のみが排気系へ吹き抜けることになり、触媒コンバー
タでの燃焼を生じることがない。従って、掃気効率を高
めるために、バルブオーバーラップを十分に大きく設定
することが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
に係る過給機付内燃機関の吸気弁制御装置および制御方
法によれば、低速高負荷時に過給圧を利用して燃焼室内
を掃気することができ、高温残留ガスによるノッキング
を抑制できる。従って、従来の過給機付内燃機関に比べ
て圧縮比を高めることが可能となり、例えば機関冷機時
における触媒の早期活性化のための点火時期の大幅なリ
タードが可能となる。

【００３０】また請求項２あるいは請求項６の発明によ
れば、二次空気の積極的な導入による触媒の早期活性化
が可能になるとともに、機関冷機時において燃焼室内に
導入される吸気を温度上昇させることができ、機関冷機
時における燃焼改善が図れる。これにより、燃焼によっ
て発生する未燃ＨＣそのものを低減できるとともに、点
火時期の大幅なリタードが可能となり、触媒の早期活性
化が図れる。

【００３１】また請求項３によれば、高圧で過給するこ
とによりミラーサイクルとして構成することができ、部
分負荷域での燃費向上が図れる。

【００３２】さらに、請求項８のように筒内直噴型内燃
機関と組み合わせることにより、高負荷時における掃気
効果を一層確実なものとすることが可能となり、低速高
負荷域における耐ノック性をさらに向上させることが可
能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００３４】図１は、この発明に係る過給機付内燃機関
の吸排気系の構成を示すものであり、各シリンダ１の上
部の燃焼室２に対し、一対の吸気弁３と一対の排気弁５
とが配置されており、吸気弁３によって吸気ポート４が
開閉されるとともに、排気弁５によって排気ポート６が
開閉されるようになっている。ここで、上記排気弁５
は、図示せぬ排気側カムシャフトによって固定的なバル
ブタイミングでもって開閉されるようになっている。こ
れに対し、吸気弁３は後述する可変動弁機構によって、
その開閉時期を可変制御できる構成となっている。

【００３５】上記排気ポート６は、排気通路８に接続さ
れており、この排気通路８には、触媒コンバータ７が介
装されている。

【００３６】また上記吸気ポート４が接続される吸気通
路１０は、コレクタ９を有し、かつこのコレクタ９の上
流側に過給機１１を備えている。この過給機１１は、機
関出力によって駆動される機械式のものであり、例え
ば、図１８に示すように、一対のスクリュー１２，１３
を噛み合わせてなるスクリュー型コンプレッサが用いら
れる。このスクリュー型過給機１１は、周知のように、
内部圧縮を伴うものであり、高圧過給が可能である。ま
た、このスクリュー型過給機１１の場合は、電磁クラッ
チによる断続が困難であるため、通常、機関出力によっ
て常時駆動されている。

【００３７】上記吸気通路１０の過給機１１上流側には
第１絞弁１４が介装されており、さらに、過給機１１下
流側、つまりコレクタ９との間には、第２絞弁１５が介
装されている。これらの第１，第２絞弁１４，１５は、
いずれもパルスモータ等のアクチュエータを介して図示
せぬコントロールユニットにより開度制御されている。
すなわち、図示せぬアクセルペダルの踏み込み量がポテ
ンショメータ等からなるアクセル開度センサにて検出さ
れ、このアクセル開度に基づいて、後述するように、第
１絞弁１４あるいは第２絞弁１５のいずれか一方が絞ら
れることになる。

【００３８】上記過給機１１の上流側と下流側とは、過
給機１１をバイパスするように設けられたバイパス通路
１６によって互いに接続されている。このバイパス通路
１６の一端は、第１絞弁１４と過給機１１との間に、他
端は過給機１１と第２絞弁１５との間にそれぞれ接続さ
れている。このバイパス通路１６には、図示せぬコント
ロールユニットにより開閉制御されるバタフライバルブ
等からなるバイパス制御弁１７が介装されている。

【００３９】さらに、内燃機関の吸気系から排気系へ二
次空気を導入するように、二次空気通路１８が設けられ
ている。この二次空気通路１８は、吸気通路１０の過給
機１１と第２絞弁１５との間に一端が接続されており、
かつ排気通路８の触媒コンバータ７上流側に他端が接続
されている。そして、この二次空気通路１８は、後述す
るように機関運転条件によって開閉される電磁弁１９を
備えている。

【００４０】また内燃機関としては、燃焼室２内へ向け
て直接燃料を噴射するように燃料噴射弁２０が設けられ
た筒内直噴型内燃機関が用いられている。ここで、燃料
噴射開始時期は、機関の吸入行程でかつ排気弁５が閉じ
た後のタイミングに設定されている。これにより、バル
ブオーバーラップにおける燃料の排気系への吹き抜けが
防止できる。

【００４１】図１は、内燃機関の暖機が完了した後の部
分負荷領域における運転状態を示している。この運転条
件においては、図示するように、過給機１１下流側の第
２絞弁１５が全開に保たれており、過給機１１上流側の
第１絞弁１４がアクセル開度に応じて開閉制御され、吸
入空気量を調整している。尚、過給機１１は、内燃機関
の回転に同期して駆動されている。

【００４２】次に、図２は、暖機完了後の全負荷運転に
おける制御状態を示している。この状態においては、第
１絞弁１４がアクセル開度に連動して全開状態となって
いる。この状態では、過給機１１による十分な過給が行
われる。また、後述するように、バルブオーバーラップ
を大とすることによる掃気作用が得られる。

【００４３】次に、図３は、機関冷機時の部分負荷領域
における制御状態を示している。特に、内燃機関の始動
直後のように、触媒コンバータ７の温度が非常に低いと
きの制御状態を示している。このような機関冷機時にお
いては、過給機１１上流側の第１絞弁１４が全開状態に
保たれ、過給機１１下流側の第２絞弁１５がアクセル開
度に応じて開度制御される。従って、第２絞弁１５の開
度が小さなものとなっているため、吸気は過給機１１に
よって加圧されることにより温度上昇し、その後、第２
絞弁１５を通過し、コレクタ９を経て燃焼室２に導入さ
れる。ここで、第２絞弁１５においては、絞り膨張によ
り減圧されるが、温度は降下しない。そして、余剰の吸
気はバイパス通路１６を介して過給機１１下流側から過
給機１１上流側へ循環し、繰り返し圧縮作用を受けて温
度上昇する。そのため、燃焼室２に導入される吸気の温
度が大幅に上昇し、機関冷機時における燃焼が改善され
る。これにより、燃焼によって発生する未燃ＨＣそのも
のが低減するとともに、触媒活性化促進のための点火時
期の大幅なリタードが可能となる。尚、この状態では触
媒コンバータ７の温度が低すぎるため、二次空気の導入
は行われない。これは、この段階で二次空気を導入する
と、逆に触媒コンバータ７を冷却してしまうためであ
る。

【００４４】図３に示した状態から触媒コンバータ７の
温度がある程度上昇した段階では、図４に示すように、
電磁弁１９が開き、二次空気通路１８を介して排気系に
二次空気の導入が行われる。このとき、第２絞弁１５の
開度は第１絞弁１４の開度よりも小さくなっているた
め、過給機１１の作用により十分に二次空気が供給され
る。この二次空気の供給により触媒コンバータ７の温度
は速やかに上昇する。

【００４５】図５は、上述したような第１，第２絞弁１
４，１５および電磁弁１９に関する制御の内容を示すフ
ローチャートである。すなわち、ステップ１において機
関回転数、機関負荷および触媒温度等の運転条件を読み
込む。次に、ステップ２で機関の暖機が完了しているか
否か、つまり触媒温度ｔｃが十分に高い温度ｔ０に達し
ているか否かを判断する。ここで、暖機完了状態であれ
ば、ステップ８へ進み、前述したように、第２絞弁１５
を全開とし、第１絞弁１４の開度をアクセル開度に応じ
て制御する。また、ステップ２で暖機が完了していない
と判断した場合には、ステップ３へ進み、第１絞弁１４
を全開状態に保つとともに、第２絞弁１５をアクセル開
度に応じて制御する。

【００４６】そして、ステップ４で触媒温度が二次空気
導入が可能な温度ｔ１まで達しているか否かを判断す
る。触媒温度ｔ１より低い場合には、二次空気導入によ
って逆に触媒コンバータ７が温度低下してしまうため、
二次空気を導入せずに、そのまま待機する。ｔ１に達し
た段階で、ステップ５へ進み、電磁弁１９を開いて、二
次空気の導入を開始する。また同時に、空燃比を理論空
燃比よりもリッチ側へ補正し、触媒コンバータ７の温度
上昇を促進する。次に、ステップ６で触媒温度が所定の
活性化温度ｔ２まで上昇したか否かを判断し、このｔ２
に達した段階で、ステップ７へ進み、電磁弁１９を閉じ
て二次空気導入を停止する。また同時に、空燃比を理論
空燃比に復帰させる。

【００４７】次に、上述した吸気弁３を開閉駆動する可
変動弁機構ならびにその制御の内容について説明する。

【００４８】上記可変動弁機構は、特開平６−１８５３
２１号公報や米国特許第５，３６５，８９６号明細書等
において開示されているように、不等速軸継手の原理を
応用して各気筒の円筒状カムシャフト２２を不等速回転
させることでバルブリフト特性を連続的に可変制御し得
るようにしたものである。

【００４９】この機構自体は公知であるので、図６およ
び図７を参照して簡単に説明すると、図において、２１
は図外の機関クランク軸からタイミングチェーン２３
（図７参照）を介して回転力が伝達される駆動軸、２２
は該駆動軸２１の外周に回転自在に嵌合した中空円筒状
のカムシャフトである。このカムシャフト２２は、各気
筒毎に分割して構成されている。

【００５０】上記カムシャフト２２は、シリンダヘッド
２４上端部のカム軸受に回転自在に支持されていると共
に、外周に、各気筒一対の吸気弁３を開作動させる一対
のカム２６が形成されている。また、カムシャフト２２
は、上述したように複数個に分割形成されているが、そ
の一方の分割端部に、第１フランジ部２７が設けられて
いる。また、この複数に分割されたカムシャフト２２の
端部間に、それぞれスリーブ２８と環状ディスク２９が
配置されている。上記第１フランジ部２７には、半径方
向に沿った細長い係合溝が形成されている。

【００５１】上記スリーブ２８は、駆動軸２１に固定さ
れているものであって、該スリーブ２８に、上記第１フ
ランジ部２７に対向する第２フランジ部３２が形成され
ている。この第２フランジ部３２には、やはり半径方向
に沿った細長い係合溝が形成されている。

【００５２】両フランジ部２７，３２の間に位置する上
記環状ディスク２９は、略ドーナツ板状を呈し、駆動軸
２１の外周面との間に環状の間隙を有するとともに、デ
ィスクハウジング３４の内周面に回転自在に保持されて
いる。また、互いに１８０°異なる直径線上の対向位置
にそれぞれ反対側へ突出する一対のピン３６，３７を有
し、各ピン３６，３７が各係合溝に係合している。

【００５３】ディスクハウジング３４は、略三角形をな
し、その円形の開口部内に環状ディスク２９が保持され
ているとともに、三角形の頂部となる２カ所に、それぞ
れ第１カム嵌合孔３８および第２カム嵌合孔３９が貫通
形成されている。

【００５４】そして、上記第１カム嵌合孔３８および第
２カム嵌合孔３９内には、それぞれ第１偏心カム４１お
よび第２偏心カム４３の円形カム部４１ａ，４３ａが回
動自在に嵌合している。

【００５５】上記第２偏心カム４３は、図６に示すよう
に、互いに所定量偏心している円柱状の軸部４３ｂと円
形カム部４３ａとからなり、両者が回転可能に嵌合され
て一体化されている。なお、円形カム部４３ａは、スナ
ップリング３０により抜け止めされている。上記軸部４
３ｂは、図６に示すように、フレーム３３の隔壁部に圧
入固定されている。

【００５６】また上記第１偏心カム４１は、機関前後方
向に沿って複数気筒に亙って連続した制御カム軸４２
と、該カム軸４２に各気筒に対応して固設された複数個
の円形カム部４１ａとからなり、両者が所定量偏心して
いる。なお、各気筒の円形カム部４１ａは、それぞれカ
ム軸４２の所定の角度位置において偏心している。上記
制御カム軸４２は、上記フレーム３３にカムブラケット
３５を介して回転自在に保持されている。内燃機関の一
端部に位置する上記制御カム軸４２の一端には、駆動機
構として回転型の油圧アクチュエータ４６が取り付けら
れている。また、内燃機関の前部に位置する制御カム軸
４２の他端には、該制御カム軸４２の回転位置つまり円
形カム部４１ａの位相を検出する回転型のポテンショメ
ータ４７が取り付けられている。

【００５７】上記の可変動弁機構においては、第１偏心
カム４１を介して環状ディスク２９の偏心位置を可変制
御することにより、カムシャフト２２が不等速回転し、
駆動軸２１との間で、その偏心量に応じた位相差が生じ
る。例えば、環状ディスク２９の中心と駆動軸２１の中
心とが一致している状態では、カムシャフト２２が駆動
軸２１と等速で同期回転するため、図８の（Ａ）の実線
に示すようなバルブリフト特性が得られる。これに対
し、環状ディスク２９の中心が一方へ偏心した状態で
は、図８（Ｂ）の一点鎖線に示すように偏心量に応じた
位相差が生じ、これに伴って図８（Ａ）に一点鎖線で示
すようなバルブリフト特性が得られる。すなわち、偏心
量を制御することにより、吸気弁３の開時期と閉時期と
の双方を連続的に可変制御することができる。

【００５８】図１０および図１１は、上述した可変動弁
機構の制御特性の一例を示したものであり、図１０は吸
気弁開時期つまりバルブオーバーラップの制御特性を示
し、図１１は吸気弁閉時期の制御特性を示している。

【００５９】これらの特性図に示すように、機関のアイ
ドル時には、バルブオーバーラップが非常に小さく制御
される。また同時に、吸気弁３の閉時期が下死点に近付
く。従って、残留ガスの吹き返しによる燃焼の悪化が防
止され、かつ実圧縮比が上昇して、燃焼が安定化する。

【００６０】これに対し、部分負荷域では、バルブオー
バーラップが大きく制御される。これにより、内部排気
還流が積極的に行われ、ＮＯｘが低減されるとともに、
ポンプ損失が低減し、燃費が向上する。また吸気弁３の
閉時期は、圧縮行程の半ばに近くなり、ストロークが実
質的に短くなる。これもポンプ損失の低減に寄与する。

【００６１】尚、低速高負荷時には、バルブオーバーラ
ップの拡大とともに、吸気弁閉時期が圧縮行程の半ばに
近付くような特性であるので、スクリュー型の過給機１
１を用いて高圧で過給することによって、周知のミラー
サイクル効果を得ることができ、部分負荷域における燃
費の向上が図れる。

【００６２】次に、過給圧が上昇する高負荷時には、バ
ルブオーバーラップが比較的大きく保たれ、過給圧を利
用した掃気作用が得られる。

【００６３】図１２は、この高負荷域における掃気作用
を説明する特性図であって、吸気弁３が開く前の時点で
は、吸気ポート４内には過給作用により排圧よりもはる
かに高い圧力レベルの新気が蓄えられている。これに対
し、燃焼室２内の圧力は、排気行程末期であり、かつ排
気弁５が開いているため、排圧（触媒コンバータ７や消
音器などの流動抵抗で定まる圧力損失であり、機械式過
給機の場合は低く、特に低速域では大気圧に近いものと
なる）に近い圧力レベルとなっている。このように排気
弁５が開いている状態で吸気弁３が開き始めると、図１
３に矢印で示すように、吸気ポート４から音速に近い流
速で新気が燃焼室２内に流入し、燃焼室２内の残留ガス
がこの新気の流れに押されて排気ポート６へと追い出さ
れる。その後、排気弁５が閉じた段階でこの掃気作用は
終了し、実質的な吸入行程に入ることになる。このよう
な掃気作用により、高負荷域、特に低速高負荷域におい
て燃焼室２内の残留ガス濃度が大幅に低くなり、吸気温
度に起因するノッキングが抑制される。

【００６４】図１４および図１５は、バルブオーバーラ
ップが小さい場合の掃気作用を示したものであり、この
ようにバルブオーバーラップが短い場合にも、過給圧に
よる掃気流は発生するが、その流量が少なく、かつ期間
も短いので、掃気による残留ガスの低減効果が殆ど期待
できない。

【００６５】尚、オーバーラップが過度に大きいと新気
が排気系へ吹き抜けることになるが、この実施例のよう
に燃焼室２内に直接燃料を噴射する筒内直噴型内燃機関
とすれば、排気系へ燃料が流出することはない。

【００６６】このように内燃機関の高負荷域での耐ノッ
ク性能が向上することから、その圧縮比を比較的高く設
定することが可能となり、燃費向上が図れる。

【００６７】上述した制御特性は、機関の暖機が完了し
た状態のものであり、機関冷機時には、図１６および図
１７に示す制御特性となる。図１６と上述した図１０と
の対比から明らかなように、機関冷機時には、部分負荷
域においてバルブオーバーラップが小さく制御される。
これにより、内部排気還流が少なくなり燃焼が安定化す
る。また、これに伴って吸気弁３の閉時期が下死点に近
付くことになり（図１７参照）、実圧縮比が高くなる。
これも、バルブオーバーラップの縮小による残留ガスの
低減と同様に、燃焼の安定化に寄与する。従って、前述
したような点火時期の大幅なリタードが可能となり、排
気温度の上昇による触媒コンバータ７の早期活性化が図
れる。

【００６８】図９は、上記の制御特性の切換のためのフ
ローチャートを示しており、ステップ１１において、機
関回転数、機関負荷および冷却水温度を読み込む。そし
て、ステップ１２において、冷却水温度ｔｗを暖機完了
とみなせる所定の温度ｔ０と比較し、これよりも低い場
合には、ステップ１３へ進んで冷機時の制御マップを選
択し、また所定温度ｔ０以上の場合はステップ１４へ進
んで暖機時の制御マップを選択する。そして、ステップ
１５において、いずれかの制御マップに基づき、機関運
転条件に応じてアクチュエータ４６が制御される。

【００６９】次に、図１９〜図３１は、この発明の第２
の実施例を示している。

【００７０】図１９は、この第２実施例における吸気系
および排気系の構成を示すもので、前述した実施例と特
に変わりがない部分については同一符号を付してある。
この実施例においては、吸気通路１０のコレクタ９上流
側に過給機５１が設けられているが、この過給機５１
は、図２３に示すように、一対のまゆ型のロータ５３を
ケーシング５４内に収納してなるルーツブロワが用いら
れている。この形式の過給機５１は、よく知られている
ように、内部圧縮を伴わない容積型のものであり、高圧
化には適していない。またこの過給機５１は、電磁クラ
ッチ５２を介して機関クランク軸に連動しており、所定
の低負荷時には停止する構成となっている。

【００７１】また、この実施例においては過給機５１の
下流側のみに絞弁５５が設けられている。この絞弁５５
は、常時アクセルペダル開度に応じて開閉するものであ
り、従って、通常のアクセルリンケージを介して機械的
に連結した構成でよい。二次空気通路１８の一端つまり
上流側端部は、過給機５１と絞弁５５との間に接続され
ている。また、上記実施例と同様に、過給機５１の下流
側と上流側とを連通するバイパス通路１６が設けられて
おり、その通路中に、コントロールユニットにより開閉
制御されるバタフライバルブ等からなるバイパス制御弁
１７が介装されている。

【００７２】図１９は、暖機完了後の部分負荷域での制
御状態を示しており、この状態では、電磁クラッチ５２
がＯＦＦとなり、過給機５１は停止している。この状態
では、バイパス通路１６を介して吸気が導入される。ま
た、二次空気通路１８と電磁弁１９は閉じており、二次
空気は導入されない。

【００７３】次に、図２０は、暖機完了後の全負荷運転
のときの制御状態を示している。この場合には、電磁ク
ラッチ５２がＯＮとなっており、過給機５１による過給
がなされる。また、この状態では後述するようにバルブ
オーバーラップが大きく与えられており、過給圧を利用
した掃気作用がなされる。

【００７４】次に、図２１は、機関冷機時の部分負荷領
域における制御状態を示している。特に、この図は、始
動直後のような触媒コンバータ７の温度が非常に低い段
階の状態を示している。この機関冷機時の場合は、暖機
完了後（図１９参照）と異なり、部分負荷領域であって
も、電磁クラッチ５２がＯＮとなり、過給がなされる。
そのため、吸気は過給機５１を通過することにより温度
上昇し、絞弁５５を経て燃焼室２内へ流入する。また、
絞弁５５上流側で余剰となった吸気は、バイパス通路１
６を介して過給機５１上流側に戻るため、繰り返し加圧
作用を受けて温度上昇する。従って、燃焼室２に導入さ
れる吸気の温度が上昇し、冷機時における燃焼が改善さ
れる。尚、この段階では、二次空気による触媒コンバー
タ７の冷却を回避するために、電磁弁１９は閉じてお
り、二次空気は導入されない。

【００７５】そして、触媒コンバータ７の温度がある程
度上昇した段階で、図２２に示すように電磁弁１９が開
き、二次空気の導入が開始される。これによって触媒コ
ンバータ７の温度上昇が促進される。

【００７６】上記のように冷機時の燃焼改善によって、
未燃ＨＣの発生そのものを抑制できるとともに、点火時
期の大幅なリタードが可能となる。

【００７７】図２４は、上記のような電磁クラッチ５２
ならびに電磁弁１９の制御の内容を示すフローチャート
である。

【００７８】ステップ１において、機関回転数、機関負
荷および触媒温度等の機関運転条件を読み込み、ステッ
プ２で絞弁５５の開度θＴを所定開度θ０と比較する。
ここでθ０以上の高負荷領域であれば、ステップ４へ進
み、電磁クラッチ５２をＯＮとして、過給機５１を作動
させる。

【００７９】一方、絞弁開度がθ０よりも小さな部分負
荷領域であれば、ステップ３へ進み触媒温度ｔｃに基づ
き機関の暖機が完了しているか否かを判断する。ここで
暖機が完了している場合には、そのままこのルーチンを
終了する。触媒温度がｔ０よりも低い冷機状態の場合に
は、ステップ４へ進み、負荷に無関係に過給機５１を作
動させる。

【００８０】次にステップ５において、触媒温度が二次
空気の導入可能な所定温度ｔ１に達するまで待機し、ｔ
１に達した時点でステップ６へ進み、二次空気通路１８
の電磁弁１９を開く。また同時に、空燃比をリッチ側へ
補正する。これにより、触媒コンバータ７が速やかに温
度上昇する。

【００８１】そして、ステップ７で触媒温度が所定の活
性化温度ｔ２に達したことを確認し、ステップ８で電磁
弁１９をＯＦＦとする。同時に、空燃比を理論空燃比に
復帰させる。

【００８２】次に、この第２の実施例に用いられる吸気
弁３の可変動弁機構ならびにその制御について説明す
る。

【００８３】図２５は、可変動弁機構６１の要部を拡大
して示す断面図であって、この可変動弁機構６１は、内
筒６２，外筒６３，ピストン６４等を主体として構成さ
れている。

【００８４】すなわち、カムシャフト６５の前端に、内
筒６２が取付ボルト６６を介して固着され、この内筒６
２の外周側に、カップ状の外筒６３が一定角度相対回転
可能に嵌合されている。上記外筒６３には、タイミング
ベルトとかみ合うスプロケット部６３ａが設けられてい
る。

【００８５】また、内筒６２と外筒６３との間にはリン
グ状のピストン６４が設けられ、このピストン６４はヘ
リカル状の螺条を介して内筒６２の外周面と外筒６３の
外周面とにそれぞれ噛合している。

【００８６】さらに、ピストン６４は、リターンスプリ
ング６７により前方に向けて常時付勢されており、この
ばね力に対抗すべく、ピストン６４の前面と外筒６３の
蓋部裏面との間に油圧室６８が環状に画成されている。
そして、この油圧室６８は、取付ボルト６６内の油通路
６９とカムシャフト６５内部を通る油通路７０を介し
て、その制御用油圧回路に接続されている。

【００８７】すなわち油通路７０等を介して油圧室６８
内に油圧が供給されると、ピストン６４が軸方向に移動
し、この軸方向の運動が内筒６２と外筒６３との相対回
転運動に変換される。このため、カムシャフト６５とク
ランクシャフトとの位相が所定量だけ変化する。従っ
て、図２６に示すように、所定の角度範囲以内で、バル
ブリフト特性の位相を連続的に変化させることができ
る。

【００８８】ここで、上記可変動弁機構の制御特性は、
内燃機関の暖機状態に応じて、二通りに切り換えられる
ようになっている。図２７は、この切換のためのフロー
チャートを示しており、ステップ１１において、機関回
転数、機関負荷および冷却水温度を読み込む。そして、
ステップ１２において、冷却水温度ｔｗを暖機完了とみ
なせる所定の温度ｔ０と比較し、これよりも低い場合に
は、ステップ１３へ進んで冷機時の制御マップを選択
し、また所定温度ｔ０以上の場合はステップ１４へ進ん
で暖機時の制御マップを選択する。そして、ステップ１
５において、いずれかの制御マップに基づき、機関運転
条件に応じてカムシャフト６５の位相が制御される。

【００８９】図２８および図２９は、暖機時の制御特性
の一例を示しており、図２８がバルブオーバーラップの
特性を、図２９が吸気弁閉時期の特性をそれぞれ示して
いる。尚、この実施例では、図２６に明らかなように、
吸気弁３の開時期と閉時期とが同時に同一量だけ変化す
るので、図２８と図２９とは互いに一対一に対応した特
性となる。これらの特性図に示すように、内燃機関のア
イドル時には、前述した実施例と同様にバルブオーバー
ラップが非常に小さくなり、残留ガスの吹き返しによる
燃焼の悪化が回避される。また、この実施例では、アイ
ドル時の吸気弁閉時期は下死点から遅れたものとなり、
実効ストロークの減少によるポンプ損失の低減が図れ
る。

【００９０】また、部分負荷域では、バルブオーバーラ
ップが大となり、内部排気還流によるＮＯｘの低減が可
能となる。またポンプ損失が低減し、燃費が向上する。
同時に、吸気弁閉時期は下死点に近付き、実圧縮比が向
上して燃焼が安定する。

【００９１】そして、過給圧が上昇する高負荷時には、
バルブオーバーラップが比較的大きく保たれ、前述した
実施例と同様に過給圧を利用した掃気作用がなされる。
尚、この掃気作用は、前述した図１２および図１３に示
したものと全く同様の作用によるものであり、その説明
は重複するため省略する。

【００９２】また、この実施例においても、内燃機関と
して筒内直噴型内燃機関が用いられており、バルブオー
バーラップに起因する燃料の吹き抜けが確実に防止され
る。

【００９３】次に、図３０および図３１は、冷機時にお
ける吸気弁制御特性を示している。図３０と図２８との
対比から明らかなように、機関冷機時においては、特に
部分負荷域において、バルブオーバーラップが非常に小
さく制御される。これにより内部排気還流が抑制され、
機関冷機時における燃焼が安定化する。これにより前述
したような点火時期の大幅なリタードが可能となり、触
媒コンバータ７を早期に活性化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例における吸気系および排
気系の構成を示し、暖機完了後の部分負荷域における制
御状態を示す構成説明図。

【図２】暖機完了後の全負荷運転における制御状態を示
す構成説明図。

【図３】機関冷機時の部分負荷領域でかつ触媒温度が低
い場合の制御状態を示す構成説明図。

【図４】触媒温度が二次空気導入可能な温度に達した状
態での冷機時の部分負荷領域の制御状態を示す構成説明
図。

【図５】第１，第２絞弁および電磁弁の制御を示すフロ
ーチャート。

【図６】この実施例の可変動弁機構を示す断面図。

【図７】同じく可変動弁機構の構成を示す斜視図。

【図８】この可変動弁機構における駆動軸とカムシャフ
トとの回転位相差の特性およびバルブリフト特性を対比
して示す特性図。

【図９】可変動弁機構の制御特性の切換処理を示すフロ
ーチャート。

【図１０】暖機時におけるバルブオーバーラップの制御
特性を示す特性図。

【図１１】暖機時における吸気弁閉時期の制御特性を示
す特性図。

【図１２】高負荷時におけるバルブオーバーラップの特
性と圧力等の関係を示す特性図。

【図１３】バルブオーバーラップ期間における掃気作用
を示す説明図。

【図１４】バルブオーバーラップが小さい場合の圧力変
化等を示す特性図。

【図１５】バルブオーバーラップが小さい場合の掃気作
用を示す説明図。

【図１６】冷機時におけるバルブオーバーラップの制御
特性を示す特性図。

【図１７】冷機時における吸気弁閉時期の制御特性を示
す特性図。

【図１８】スクリュー型コンプレッサの要部を示す斜視
図。

【図１９】この発明の第２の実施例を示す暖機完了後の
部分負荷領域での制御状態を示す構成説明図。

【図２０】暖機完了後の全負荷運転における制御状態を
示す構成説明図。

【図２１】冷機時の部分負荷運転でかつ触媒温度が低い
時の制御状態を示す構成説明図。

【図２２】冷機時の部分負荷運転でかつ触媒温度が二次
空気導入可能な温度に達した時の制御状態を示す構成説
明図。

【図２３】ルーツブロワの構成を示す断面図。

【図２４】この実施例の電磁クラッチおよび電磁弁の制
御の内容を示すフローチャート。

【図２５】この実施例における可変動弁機構の構成を示
す断面図。

【図２６】この可変動弁機構のバルブリフト特性を示す
特性図。

【図２７】この可変動弁機構の制御特性の切換処理を示
すフローチャート。

【図２８】暖機時におけるバルブオーバーラップの制御
特性を示す特性図。

【図２９】暖機時における吸気弁閉時期の制御特性を示
す特性図。

【図３０】冷機時におけるバルブオーバーラップの制御
特性を示す特性図。

【図３１】冷機時における吸気弁閉時期における制御特
性を示す特性図。

【符号の説明】

２…燃焼室３…吸気弁５…排気弁７…触媒コンバータ１１…過給機１４…第１絞弁１５…第２絞弁１８…二次空気通路１９…電磁弁２０…燃料噴射弁５１…過給機５２…電磁クラッチ５５…絞弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｂ 23/10 Ｆ０２Ｂ 23/10 Ｄ 29/08 29/08 Ａ 33/36 33/36 33/38 33/38 Ｆ０２Ｄ 9/02 ３０５Ｆ０２Ｄ 9/02 ３０５Ｂ３０５Ｍ３６１３６１Ｈ 13/02 13/02 ＢＨＪ 23/00 23/00 Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気系に過給機を有し、かつ吸気弁の開
閉時期を制御信号により連続的に制御可能な可変動弁機
構を備えた内燃機関において、アイドル時にバルブオー
バラップが小となり、高負荷時に大となるように、吸気
弁開時期を可変制御するとともに、吸気弁の閉時期を、
アイドル時には下死点近傍に保ち、かつ高負荷時にはこ
れよりも遅れるように可変制御することを特徴とする過
給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項２】過給機の上流に第１絞弁を有するととも
に、過給機の下流に第２絞弁を有し、かつこの第２絞弁
と過給機との間から機関排気系に至る二次空気通路を備
え、機関冷機時には上記第２絞弁の開度が第１絞弁の開
度よりも小さく制御されることを特徴とする請求項１記
載の過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項３】過給機としてスクリュー型コンプレッサ
が用いられていることを特徴とする請求項１または請求
項２に記載の過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項４】上記可変動弁機構は、機関の回転に同期
して回転する駆動軸と、この駆動軸と同軸上に配設さ
れ、かつ吸気弁を駆動するカムを外周に有するカムシャ
フトと、このカムシャフトの端部に設けられ、かつ半径
方向に沿って係合溝が形成された一方のフランジ部と、
この一方のフランジ部に対向するように上記駆動軸側に
設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成された他
方のフランジ部と、上記両フランジ部の間に揺動自在に
配設された環状ディスクと、この環状ディスクの両側部
に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部の各
係合溝内に夫々係合するピンと、上記環状ディスクを機
関運転状態に応じて揺動させる駆動機構とを備え、上記
環状ディスクの位置に応じて吸気弁の開閉時期と作動角
とが変化するものであることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の過給機付内燃機関の吸気弁制御装
置。
【請求項５】電磁クラッチを介して機関運転条件に応
じてＯＮ・ＯＦＦされる機械式過給機を吸気系に備え、
かつ吸気弁を開閉するカムシャフトのクランクシャフト
に対する位相を制御信号により可変制御可能な可変動弁
機構を備えた内燃機関において、アイドル時にバルブオ
ーバラップが小となり、高負荷時にはバルブオーバラッ
プが大となるように、上記可変動弁機構を制御すること
を特徴とする過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項６】過給機の下流に絞弁が位置しており、こ
の絞弁と過給機との間から機関排気系に至る二次空気通
路を備え、機関冷機時には上記過給機のＯＮ領域が機関
の部分負荷領域まで拡大補正されることを特徴とする請
求項５記載の過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項７】上記過給機としてルーツブロワが用いら
れていることを特徴とする請求項５または請求項６に記
載の過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項８】内燃機関として、燃料を筒内に直接噴射
する筒内直噴型機関が用いられており、その燃料噴射開
始時期が、吸入行程でかつ排気弁が閉じた後に設定され
ていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載
の過給機付内燃機関の吸気弁制御装置。
【請求項９】吸気系に過給機を有し、かつ吸気弁の開
閉時期を制御信号により連続的に制御可能な可変動弁機
構を備えた内燃機関において、アイドル時にバルブオー
バラップが小となり、高負荷時に大となるように、吸気
弁開時期を可変制御するとともに、吸気弁の閉時期を、
アイドル時には下死点近傍に保ち、かつ高負荷時にはこ
れよりも遅れるように可変制御することを特徴とする過
給機付内燃機関の吸気弁制御方法。
【請求項１０】電磁クラッチを介して機関運転条件に
応じてＯＮ・ＯＦＦされる機械式過給機を吸気系に備
え、かつ吸気弁を開閉するカムシャフトのクランクシャ
フトに対する位相を制御信号により可変制御可能な可変
動弁機構を備えた内燃機関において、アイドル時にバル
ブオーバラップが小となり、高負荷時にはバルブオーバ
ラップが大となるように、上記可変動弁機構を制御する
ことを特徴とする過給機付内燃機関の吸気弁制御方法。