JP2004245104A

JP2004245104A - 過給式エンジン

Info

Publication number: JP2004245104A
Application number: JP2003034553A
Authority: JP
Inventors: Toshio Inui; 敏男乾; Seiji Ishida; 誠二石田; Takashi Murakami; 隆村上
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】既存の吸，排気バルブの開閉タイミングを調整するという簡単な構成でターボラグを改善して加速応答性を向上できる過給式エンジンを提供する。
【解決手段】エンジン１の排気流によりタービン２４及びコンプレッサ２３を駆動し吸気を過給する過給機２２と、前記エンジンの吸気弁７又は排気弁９の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することでバルブオーバラップを変更する可変バルブタイミング機構１３と、運転者の加速要求を検出する加速要求検出部により前記可変バルブタイミング機構１３を制御する電子制御ユニット１２と、を備えた過給式エンジンにおいて、前記電子制御ユニット１２は、前記加速要求検出部により運転者の加速要求を検出すると、前記可変バルブタイミング機構１３がバルブオーバラップを拡大するように制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気流によりタービン及びコンプレッサを駆動し吸気を過給する過給機（ターボチャージャ）を備えた過給式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
過給式エンジンは、排気のエネルギーを利用して圧縮機（コンプレッサ）を駆動するものであるので、圧縮機の運転状態（回転数）は、エンジン本体のように乗員がアクセル（吸気絞り弁）にて直接的に制御することができない。しかも、圧縮機の回転数は、排気の状態（排気の量や圧力）に大きく依存するため、過給式エンジンの回転数が低く、排気の量や圧力が低い時には、乗員が、車両を加速すべくアクセルの開度を大きくしても、排気の量や圧力が、これに連動して直ぐに上昇しないので、アクセルの開度の増加に対して圧縮機の回転数が増大しないという現象が発生してしまう（以下、この現象をターボラグと呼ぶ。）
【０００３】
そこで、このターボラグを小さくすべく従来では、イナーシャ（慣性重量）の低減など過給機本体に改良を施したり、減速時に排気マニホールド内の排気ガス中に空気（二次エア）を送り込んで再燃焼させて排気エネルギーを増大させ、過給機の回転を落とさないようにして次の加速に結びつけるという方法を実施している。
【０００４】
ところが、上記の方法でもある程度の効果は期待できるが、市場ではさらなる改良が望まれている。また、イナーシャを低減するものにあっては、過給機自体の能力低下を伴う一方、二次エアを送り込むものにあっては、二次エアの配管を施す必要が有る等で装置が大掛かりになるという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、既存の吸，排気バルブの開閉タイミングを調整するという簡単な構成でターボラグを改善して加速応答性を向上できる過給式エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
因みに、前述の再燃焼方式として、燃料噴射弁による燃焼室内への燃料の主噴射以降、燃焼室内または燃焼室近傍の排気通路内で再燃焼可能な時期に、燃料噴射弁から追加燃料が噴射され、当該追加燃料がタービン上流で再燃焼して排気通路内の排気圧力が上昇し、タービンの回転速度が増速させられるものが特許文献１で開示されているが、本発明のように吸，排気バルブの開閉タイミングを調整するものとは技術思想が異なる。
【０００７】
一方、吸，排気バルブの開閉タイミングを調整する方式として、主吸気バルブより早い時期に副吸気バルブを開いて排気バルブとのバルブオーバラップを増大して、主吸気バルブから混合気が供給される前に空気が燃焼室を通過して排気バルブより吹き抜けるようにして、燃焼室及び排気バルブ等を冷却するものが特許文献２で開示されているが、本発明のように空気の吹き抜けを利用して排気ガス中の未燃ＨＣを再燃焼させることにより排気エネルギーを増大させるものとは目的や構成が異なる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３４５８８９号公報
【特許文献２】
実公平４−１０３３５号公報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための、本発明の請求項１に係る過給式エンジンは、エンジンの排気流によりタービン及びコンプレッサを駆動し吸気を過給する過給機と、前記エンジンの吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することでバルブオーバラップを変更するバルブオーバラップ変更装置と、運転者の加速要求を検出する加速要求検出部と、前記バルブオーバラップ変更装置を制御する制御手段と、を備えた過給式エンジンにおいて、前記制御手段は、前記加速要求検出部が運転者の加速要求を検出すると、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御することを特徴とする。
【００１０】
これにより、加速時には、バルブオーバラップが増大され、空気の吹き抜けを利用して排気ガス中の未燃ＨＣが再燃焼させられ、排気エネルギーが増大される。この結果、通常よりも早く過給機の回転上昇が得られ、吸入空気量の増大が早まり、トルクの増大の速度も速くなって加速感が向上する。
【００１１】
請求項２に係る過給式エンジンは、前記制御手段は、前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御部を有し、前記空燃比制御部は、バルブオーバラップ拡大時に前記エンジンの空燃比をリッチ化することを特徴とする。
【００１２】
これにより、加速時には、未燃ＨＣが増大し、確実に再燃焼させられる。
【００１３】
請求項３に係る過給式エンジンは、前記制御手段は、前記エンジンの出力相当値を推定する出力推定部を有し、バルブオーバラップ拡大後に前記出力推定部が推定する出力相当値が目標出力相当値に達するまでバルブオーバラップを拡大し続け、目標出力相当値に達すると前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大前の値に戻すように制御することを特徴とする。
【００１４】
これにより、所定の出力到達後はバルブオーバラップが定常の状態に戻され、バルブオーバラップが拡大したままでの悪影響が未然に回避される。
【００１５】
請求項４に係る発明は、前記制御手段は、前記エンジンの回転速度が低い場合はそうでない場合に比べて、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップをより拡大するように制御することを特徴とする。
【００１６】
これにより、低速運転域での加速感がより一層向上される。
【００１７】
請求項５に係る発明は、エンジンの排気流によりタービン及びコンプレッサを駆動し吸気を過給する過給機と、前記エンジンの吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することでバルブオーバラップを変更するバルブオーバラップ変更装置と、前記過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域であるか否かを判定する運転領域判定部と、前記バルブオーバラップ変更装置を制御する制御手段と、を備えた過給式エンジンにおいて、前記制御手段は、前記運転領域判定部が前記過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域であると判定すると、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御することを特徴とする。
【００１８】
これにより、過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域での加速感がより一層向上される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る過給式エンジンを実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
［実施例］
図１は本発明の第１及び第２実施例を示す過給式エンジンの概略構成図、図２は本発明の第１実施例のバルブオーバラップの制御ルーチンを示すフローチャート、図３は本発明の第２実施例の特定の運転領域のグラフである。
【００２１】
先ず、第１実施例について説明する。
図１に示すように、過給式エンジン（以下、エンジンと記す）１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３と該シリンダブロック３に収装されたピストン４により燃焼室５が画成されてなる。
【００２２】
前記燃焼室５には、中央に位置して点火プラグ６が取り付けられると共に、吸気弁７で開閉される吸気ポート８と排気弁９で開閉される排気ポート１０がそれぞれ対向して連通される。前記点火プラグ６は点火コイル１１を介して制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと記す）１２に接続され、その点火時期等がエンジン１の運転状態に応じて制御されるようになっている。前記ＥＣＵ１２は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたマイクロコンピュータからなる。
【００２３】
前記吸気弁７にはバルブオーバラップ変更装置としての可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）１３が付設されている。この可変バルブタイミング機構１３は、例えばヘルカルギア付きピストンを油圧力で駆動し、カムシャフトとタイミングプーリとの位相を変化させて吸気弁７の開閉タイミングを変更することで吸，排気弁７，９のバルブオーバラップを変更する周知のものである。この可変バルブタイミング機構１３もその油圧切換バルブ（図示せず）を介して前記ＥＣＵ１２によりエンジン１の運転状態に応じて制御されるようになっている。
【００２４】
前記吸気ポート８には吸気マニホールド１４が連通接続されると共に、この吸気マニホールド１４に吸気管１５が連通接続され、この吸気管１５の先端にはエアクリーナ１６が装着されている。一方、前記排気ポート１０には排気マニホールド１７が連通接続されると共に、この排気マニホールド１７に排気管１８が連通接続され、この排気管１８には三元触媒１９を介してマフラー（図示せず）が接続されている。
【００２５】
また、吸気マニホールド１４には電磁式の燃料噴射弁１９とスロットル弁２０が取り付けられると共に、エアクリーナ１６近傍の吸気管１５には吸気量を測定するカルマン渦式のエアフローセンサ２１が取り付けられる。
【００２６】
前記燃料噴射弁１９は、その電磁弁（図示せず）がＥＣＵ１２によりＯＮ／ＯＦＦ制御されることで、燃料噴射（燃料噴射量及び噴射時期等）がエンジン１の運転状態に応じて制御されるようになっている。また、前記スロットル弁２０にはスロットル開度θｔｈを検知するスロットルセンサ２０ａが設けられ、その検知信号がＥＣＵ１２に入力されている。また、前記エアフローセンサ２１の検知信号もＥＣＵ１２に入力されている。
【００２７】
また、前記ＥＣＵ１２には、エンジン回転数（速度）を検知するクランク角センサ２６や図示しないエンジン冷却水温を検知する水温センサ，外気温を検知する外気温センサ及びアクセル開度を検知するアクセル開度センサ等の運転状態検出手段からの各種検知信号が入力されている。
【００２８】
また、吸気管１５と排気管１８との間に介装されて過給機２２が設けられている。この過給機２２は、吸気管１５側に設けられたコンプレッサ（ホイール）２３と排気管１８側に設けられたタービン（ホイール）２４とがシャフト２５で同期回転可能に連結されてなり、排気エネルギーによりタービン２４及びコンプレッサ２３を高速回転させ、吸気管１５内の吸気を圧縮して燃焼室５内の充填効率を上昇させるものである。
【００２９】
そして、第１実施例では前記ＥＣＵ１２は、その内部に設けた加速要求検出部により、一定以上の加速（減速も含む）が運転者により要求されたのを検出すると、可変バルブタイミング機構１３によりバルブオーバラップ（吸気弁７と排気弁９の双方が開いている期間）を拡大・制御するようになっている。
【００３０】
また、一定以上の加速要求は、図２に示すバルブオーバラップの制御ルーチンでも判るように、アクセル開度センサからの信号によるアクセル開度が所定開度以上であり、かつ水温センサからの信号によりエンジン冷却水温が所定の範囲に在り（ステップＳ２参照）、外気温センサからの信号により外気温度が所定の範囲に在り（ステップＳ３参照）、クランク角センサ２６からの信号によりエンジン回転数が所定の範囲に在り（ステップＳ４参照）、さらにはエアフローセンサ２１からの信号による実体積効率（Ｅｖ実）が目標体積効率（Ｅｖ目標）に達していない場合に（ステップＳ５参照）、判定される。
【００３１】
そして、前記ＥＣＵ１２では、ステップＳ１からステップＳ５の条件がすべて満たされると、ステップＳ６で可変バルブタイミング機構１３を作動させてバルブオーバラップを拡大・制御する一方、ステップＳ１からステップＳ５の条件が一つでも欠けると、ステップＳ７で定常バルブオーバラップを維持するのである。
【００３２】
このようにして第１実施例では、前記ＥＣＵ１２は、前記加速要求検出部が運転者の加速要求を検出すると、前記可変バルブタイミング機構１３によりバルブオーバラップを拡大・制御するので、加速時には、バルブオーバラップが増大され、空気の吹き抜けを利用して排気ガス中の未燃ＨＣが再燃焼させられ、排気エネルギーが増大される。この結果、通常よりも早く過給機の回転上昇が得られ、吸入空気量の増大が早まり、トルクの増大の速度も速くなって加速感が向上する。
【００３３】
また、この際、ＥＣＵ１２は、前記エンジン１の空燃比を制御する空燃比制御部を有し、この空燃比制御部により、前記バルブオーバラップ拡大時に前記空燃比をリッチ化すると、加速時には、未燃ＨＣが増大し、確実に再燃焼させられて好適である。
【００３４】
また、ＥＣＵ１２は、前記エンジン１の出力相当値を推定する出力推定部を有し、前記バルブオーバラップ拡大後に前記出力推定部が推定する出力相当値が目標出力相当値に達するまでバルブオーバラップを拡大し続け、目標出力相当値に達すると前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大前の値に戻すように制御すると、所定の出力到達後はバルブオーバラップが定常の状態に戻され、バルブオーバラップが拡大したままでの悪影響が未然に回避されて好適である。
【００３５】
また、本実施例では、出力相当値としてエアフローセンサ２１からの信号による実体積効率を、目標出力相当値として目標体積効率を用いて先述の図２のステップＳ５の如く制御する。尚、目標体積効率はエンジン回転数及びアクセル開度等によるマップとして予めＥＣＵ１２に記憶させてある。
【００３６】
また、ＥＣＵ１２は、前記エンジン１の回転速度が低い場合はそうでない場合に比べて、前記可変バルブタイミング機構１３がバルブオーバラップをより拡大するように制御すると、低速運転域での加速感がより一層向上されて好適である。
【００３７】
次に、第２実施例について説明する。尚、本実施例において、先述の第１実施例と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３８】
本実施例では、ＥＣＵ１２が、その内部に設けた運転領域判定部により過給機２２の過給能力が低くなる特定の運転領域（例えば図３にハッチングで示す低中速・低中負荷域）を判定（検出）すると、可変バルブタイミング機構１３によりバルブオーバラップを拡大・制御するようになっている。前記特定の運転領域はクランク角センサ２６から検知されるエンジン回転数（速度）とスロットルセンサ２０ａから検知されるスロットル開度θｔｈ（即ち、エンジン負荷）により判定される。
【００３９】
このように第２実施例では、ＥＣＵ１２が本来過給機２２の回転数が低い運転領域でバルブオーバラップを拡大・制御して排気エネルギーを増大させるので、過給機２２の回転数が比較的高く保たれ、いざ加速要求があった際の加速応答性が向上する。
【００４０】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、可変バルブタイミング機構１３で吸気弁７の開閉タイミングを変化させるようにしたが、排気弁９の開閉タイミングを変化させても良いし、吸気弁７と排気弁９の両方を変化させても良い。また、ポート噴射型のエンジンに適用した例を示したが、本発明は筒内噴射型のエンジンにも適用することが出来る。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、過給機とバルブオーバラップ変更装置と加速要求検出部と制御手段とを備えた過給式エンジンにおいて、前記制御手段は、前記加速要求検出部が運転者の加速要求を検出すると、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御するので、加速時には、バルブオーバラップが増大され、空気の吹き抜けを利用して排気ガス中の未燃ＨＣが再燃焼させられ、排気エネルギーが増大される。この結果、通常よりも早く過給機の回転上昇が得られ、吸入空気量の増大が早まり、トルクの増大の速度も速くなって加速感が向上する。
【００４２】
請求項２の発明によれば、前記制御手段は、前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御部を有し、前記空燃比制御部は、バルブオーバラップ拡大時に前記エンジンの空燃比をリッチ化するので、加速時には、未燃ＨＣが増大し、確実に再燃焼させられる。
【００４３】
請求項３の発明によれば、前記制御手段は、前記エンジンの出力相当値を推定する出力推定部を有し、バルブオーバラップ拡大後に前記出力推定部が推定する出力相当値が目標出力相当値に達するまでバルブオーバラップを拡大し続け、目標出力相当値に達すると前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大前の値に戻すように制御するので、所定の出力到達後はバルブオーバラップが定常の状態に戻され、バルブオーバラップが拡大したままでの悪影響が未然に回避される。
【００４４】
請求項４の発明によれば、前記制御手段は、前記エンジンの回転速度が低い場合はそうでない場合に比べて、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップをより拡大するように制御するので、低速運転域での加速感がより一層向上される。
【００４５】
請求項５の発明によれば、過給機とバルブオーバラップ変更装置と運転領域判定部と制御手段とを備えた過給式エンジンにおいて、前記制御手段は、前記運転領域判定部が前記過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域であると判定すると、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御するので、過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域での加速感がより一層向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２実施例を示す過給式エンジンの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例のバルブオーバラップの制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例の特定の運転領域のグラフである。
【符号の説明】
１過給式エンジン，２シリンダヘッド，３シリンダブロック，４ピストン，５燃焼室，６点火プラグ，７吸気弁，８吸気ポート，９排気弁，１０排気ポート，１１点火コイル，１２電子制御ユニット（ＥＣＵ），１３可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ），１４吸気マニホールド，１５吸気管，１６エアクリーナ，１７排気マニホールド，１８排気管，１９三元触媒，２０スロットル弁，２０ａスロットルセンサ，２１エアフローセンサ，２２過給機，２３コンプレッサ，２４タービン，２５シャフト，２６クランク角センサ。

Claims

エンジンの排気流によりタービン及びコンプレッサを駆動し吸気を過給する過給機と、
前記エンジンの吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することでバルブオーバラップを変更するバルブオーバラップ変更装置と、
運転者の加速要求を検出する加速要求検出部と、
前記バルブオーバラップ変更装置を制御する制御手段と、
を備えた過給式エンジンにおいて、
前記制御手段は、
前記加速要求検出部が運転者の加速要求を検出すると、
前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御することを特徴とする過給式エンジン。
前記制御手段は、前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御部を有し、
前記空燃比制御部は、
バルブオーバラップ拡大時に前記エンジンの空燃比をリッチ化することを特徴とする請求項１記載の過給式エンジン。
前記制御手段は、前記エンジンの出力相当値を推定する出力推定部を有し、
バルブオーバラップ拡大後に前記出力推定部が推定する出力相当値が目標出力相当値に達するまでバルブオーバラップを拡大し続け、目標出力相当値に達すると前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大前の値に戻すように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の過給式エンジン。
前記制御手段は、前記エンジンの回転速度が低い場合はそうでない場合に比べて、前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップをより拡大するように制御することを特徴とする請求項１，２又は３記載の過給式エンジン。
エンジンの排気流によりタービン及びコンプレッサを駆動し吸気を過給する過給機と、
前記エンジンの吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉タイミングを変更することでバルブオーバラップを変更するバルブオーバラップ変更装置と、
前記過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域であるか否かを判定する運転領域判定部と、
前記バルブオーバラップ変更装置を制御する制御手段と、
を備えた過給式エンジンにおいて、
前記制御手段は、
前記運転領域判定部が前記過給機の過給能力が低くなる特定の運転領域であると判定すると、
前記バルブオーバラップ変更装置がバルブオーバラップを拡大するように制御することを特徴とする過給式エンジン。