JPH10288056A

JPH10288056A - ターボ過給機付内燃機関

Info

Publication number: JPH10288056A
Application number: JP9097644A
Authority: JP
Inventors: Toru Wakimoto; 亨脇本; Hisashi Oki; 久大木
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ターボラグを小さくしつつ、エンジン出力を
向上させる。【解決手段】エンジン回転数が高くなるほど、吸気バ
ルブ５が開く時期を、吸入工程途中から排気工程側に変
化させる。これにより、吸気の吸入時に、エンジンより
吸気に多くの運動エネルギを与えることができるので、
排気のエネルギを増大させることができる。したがっ
て、タービン９を駆動する力が大きくなるので、ターボ
ラグを小さくしつつ、エンジン出力を向上させることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関が排出す
る排気のエネルギを利用して圧縮機（コンプレッサ）を
駆動し、吸気を過給するターボ過給機付内燃機関（以
下、ターボ付エンジンと呼ぶ。）に関するものであり、
車両に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】ターボ付エンジンは、前述のごとく、排
気のエネルギを利用して圧縮機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（排気の温度および圧力）に大きく依存すため、タ
ーボ付エンジンの回転数が低く、排気の温度や圧力が低
いときには、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、排気の温度や圧力が、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、
例えば、特開昭５９−３７２２８号公報に記載の発明で
は、ターボ付エンジンの回転数が低いときには、圧縮機
の容量を小さくするという手段が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
記載の手段のごとく、ターボ付エンジンの回転数が低い
ときに圧縮機の容量を小さくすると、ターボラグを小さ
くすることはできるが、圧縮機の容量そのものを小さく
しているので、過給機を備えているのにかかわらず、エ
ンジン出力の向上量が小さくなってしまう。

【０００５】本発明は、上記点に鑑み、ターボラグを小
さくしつつ、エンジン出力を増大させることを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に
記載の発明では、内燃機関の回転数が所定値より低いと
きには、内燃機関の吸入行程において、内燃機関のピス
トン（２）が上死点から下死点側に変位した時に、吸気
バルブ（５）を開くように可変バルブタイミング機構
（１１）を制御することを特徴とする。

【０００７】これにより、内燃機関のサイクルが吸入行
程に移行したにもかかわらず、吸気バルブ（５）が閉じ
ているので、後述するように、吸気バルブ（５）の上流
側と下流側との間で圧力差が大きくなる。そして、この
状態で吸気バルブ（５）を開くと、吸気は、大きくなっ
た圧力差により大きく加速されて、内燃機関内に流入す
るため、吸気の有する運動エネルギが増大する。

【０００８】したがって、この増大した運動エネルギに
より、排気のエネルギが増大させられるので、ターボ過
給機（９、１０）を駆動する力（エネルギ）が大きくな
る。延いては、ターボ過給機（９、１０）の回転数を増
大させて過給量を増大させることができるので、ターボ
ラグを小さくしつつ、内燃機関の出力を増大させること
ができる。

【０００９】請求項２に記載の発明では、内燃機関の回
転数が高くなるほど、吸気バルブ（５）が開く時期を、
内燃機関の吸入行程中から排気行程側に変化させるよう
に可変バルブタイミング機構（１１）を制御することを
特徴とする。これにより、所定の内燃機関の回転数より
低いときには、ピストン（２）が上死点から下死点側に
所定量変位した時に、吸気バルブ（５）が開くこととな
り、吸気バルブ５が開く時期が、請求項１に記載の発明
と同様に制御されることとなる。したがって、請求項１
に記載の発明と同様な効果を得ることができる。

【００１０】なお、請求項３に記載の発明のごとく、請
求項１または２に記載の発明の特徴に加えて、負荷検出
手段（１４）の検出値が大きくなるほど、吸気バルブ
（５）が開く時期を、内燃機関の吸入行程の上死点側か
ら下死点側に変化させるように可変バルブタイミング機
構（１１）を制御してもよい。また、請求項４に記載の
発明のごとく、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発
明の特徴に加えて、内燃機関の運転状態によらず、吸気
バルブ（５）が閉じる時期が一定となるように可変バル
ブタイミング機構（１１）を制御してもよい。

【００１１】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すもの
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明を４サイク
ルディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）に適
用したものであり、図１は、本実施形態に係るターボ付
エンジンの模式図である。図１中、１はエンジンのシリ
ンダブロックであり、２はシリンダブロック内で往復運
動するピストンである。なお、このピストン２は、コン
ロッド（図示せず）を介してクランクに連結されてお
り、このクランクは、周知のごとく、ピストン２が１往
復する間に一回転するように構成されている。

【００１３】３は、シリンダブロック１、ピストン２お
よびシリンダヘッド４からなる燃焼室であり、５は燃焼
室３のうち吸気が流通する開口部を開閉する吸気バルブ
であり、６は燃焼室３のうち排気が流通する開口部を開
閉する吸気バルブである。また、７は吸気が流通する吸
気管（吸入ポート）であり、８は排気が流通する排気管
（排気ポート）である。そして、排気管８には、排気の
有するエネルギ（熱エネルギおよび圧力エネルギ）によ
り回転駆動される、周知のタービン９が配設されてい
る。一方、吸気管７には、タービン９によって駆動され
て吸気を圧縮機する圧縮機（ターボチャージャ）１０が
配設されている。そして、タービン９と圧縮機とを合わ
せて吸気を過給するターボ過給機と呼ぶ。

【００１４】ところで、１１は、両バルブ５、６の開閉
時期（開閉タイミング）を変化させる可変バルブタイミ
ング機構であり、この可変バルブタイミング機構１１
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
せて両バルブ５、６の開閉時期（開閉タイミング）を変
化させる等の周知のものである。

【００１５】そして、可変バルブタイミング機構１１
は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）１２によっ
て制御されており、このＥＣＵ１２は、周知のごとく、
中央演算装置（ＣＰＵ）、随時読み書き可能記憶装置
（ＲＡＭ）および読み出し専用記憶装置（ＲＯＭ）から
なるマイクロコンピュータである。また、ＥＣＵ１２に
は、吸入管７に配設されたアクセル（吸気絞り弁）１３
の開度を検出するアクセル開度センサ（開度検出手段）
１４、および前記クランクの回転角（以下、クランク角
と呼ぶ。）を検出するクランク角センサ（クランク角検
出手段）１５からの信号が入力さている。なお、本実施
形態では、エンジンの回転数は、クランク角センサ１５
の検出に基づいてＥＣＵ１２にて算出されており、クラ
ンク角センサ１５はエンジンの回転数を検出する回転セ
ンサ（回転検出手段）をも兼ねている。

【００１６】因みに、１６は燃焼室３内に燃料（軽油）
を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）であり、このイ
ンジェクタ１６もＥＣＵ１２にて制御されている。図２
は、ＥＣＵ１２の制御フローを示すでフローチャートあ
り、以下、このフローチャートに基づいて本実施形態に
係るターボ付エンジンの作動を述べる。先ず、イグニッ
ションスイッチ（図示せず）が投入されてエンジンが始
動されると、各センサ１４、１５の検出値を読み込み
（Ｓ１００）、これら読み込まれた検出値（エンジンの
回転数およびアクセル１３の開度）から吸気バルブ５を
開く時期を、図３、４に示されるように、エンジンの回
転数およびアクセル１３の開度と吸気バルブ５が開く時
期との関係を示すマップに基づいて決定する（Ｓ１１
０）。

【００１７】次に、実際に吸気バルブ５が開く時期がＳ
１１０で決定された時期となるように可変バルブタイミ
ング機構１１に向けて制御信号を出力する（Ｓ１２
０）。次に、図３、４に示すマップについて述べる。す
なわち、図３は、エンジンの回転数が高くなるほど、吸
気バルブ５が開く時期が、エンジンの吸入行程中から排
気行程側に変化することを意味し（図５の実線Ｌ₁、Ｌ
₂参照）、図４は、アクセル１３の開度が大きくなるほ
ど、吸気バルブ５が開く時期が、吸入行程中から排気行
程側に変化することを意味する（図５の実線Ｌ₁、Ｌ₂
参照）。

【００１８】つまり、吸気バルブ５が開く時期をＴ_Oと
すると、Ｔ_Oはエンジンの回転数Ｎ _eとアクセル１３の
開度Ａ_cと関数（Ｔ）として表され（数式１参照）、こ
の関数（Ｔ）を回転数Ｎ_eで偏微分した値が負であり
（数式２参照）、かつ、関数（Ｔ）を開度Ａ_cで偏微分
した値が正であることを意味する（数式３参照）。

【００１９】

【数１】Ｔ_O≡Ｔ（Ｎ_e，Ａ_c）ここで、Ｔ_Oは図３、４に示すように、吸入行程におい
て上死点から下死点に向かう向きを正としているので、
Ｔ_Oが正のときは、吸気バルブ５が吸入行程に入ってか
ら（吸入行程中）開くことを意味し、一方、Ｔ_Oが負の
ときは、吸気バルブ５が排気行程中に開くことを意味す
る。

【００２０】

【数２】∂Ｔ／∂Ｎ_e＜０

【００２１】

【数３】∂Ｔ／∂Ａ_c＞０なお、アクセル開度は、アクセル１３を全開としたとき
の開度を１００として百分率で示したものである。ま
た、図５中、実線Ｌ₁はエンジン回転数が１００００ｒ
ｐｍであり、アクセル開度が、０％のときの吸気バルブ
５のリフト量（吸気バルブ５の開度）とクランク角との
関係を示し、破線Ｌ₂はエンジン回転数が１０００ｒｐ
ｍであり、アクセル開度が、５０％のときの吸気バルブ
５のリフト量とクランク角との関係を示している。因み
に、実線Ｌ₃はエンジン回転数が１０００ｒｐｍであ
り、アクセル開度が、０％のときの排気バルブ６のリフ
ト量とクランク角との関係を示している。

【００２２】ところで、念のために述べておくが、「吸
入行程中から排気行程側に変化する」というときの排気
行程とは、上記説明からも明らかなように、今、考えて
いる吸入行程の前の排気行程を示すものであって、今、
考えている吸入行程の次の排気行程（正確には、圧縮行
程および爆発行程を経た後の次の排気行程）を示すもの
ではない。

【００２３】次に、本実施形態の特徴を述べる。本実施
形態によれば、エンジンの回転数が高くなるほど、吸気
バルブ５が開く時期を、エンジンの吸入行程中から排気
行程側に変化させるので、図３、５に示すように、所定
のエンジン回転数（本実施形態では、約２５００ｒｐ
ｍ）より低いときには、吸入行程中のピストン２が上死
点から下死点側に所定量変位した時に、吸気バルブ５が
開くこととなる。

【００２４】このため、エンジンのサイクルが吸入行程
に移行したにもかかわらず、吸気バルブ５が閉じている
ので、燃焼室３内の圧力が大きく低下し、吸気管７内と
燃焼室３内との圧力差が大きくなる。そして、この状態
で吸気バルブ５を開くと、吸気は、大きくなった圧力差
により大きく加速されて燃焼室３内に流入するため、燃
焼室３内の吸気の有する運動エネルギが増大する。

【００２５】したがって、この増大した運動エネルギに
より、排気のエネルギが増大させられるので、タービン
９（圧縮機１０）を駆動する力（エネルギ）が大きくな
る。延いては、タービン９の回転数を増大させて過給量
を増大させることができるので、ターボラグを小さくし
つつ、エンジン出力を増大させることができる。換言す
れば、本発明は、エンジンに、燃焼室３を膨張させる膨
張仕事をさせ、この膨張仕事分のエネルギにより排気の
エネルギを増大させるものである。

【００２６】なお、上記所定のエンジン回転数、すなわ
ち吸気バルブ５が開く時期Ｔ_Oが零となる（上死点位置
にて吸気バルブ５が開く時の）回転数は、通常のエンジ
ン使用状態における最大回転数、または、ウェストゲー
トバルブ（過給圧の異常上昇を防止するバルブ）が開く
時の回転数を示しており、この回転数は、エンジンの排
気量、特性（ボアおよびストローク等）および形式やタ
ーボ過給機の容量等により個々に設定されるものであ
る。

【００２７】また、吸気バルブ５が開く時期Ｔ_Oを決定
するパラメータとして、エンジンの回転数に加えて、ア
クセル１３の開度も考慮されているので、運転者のアク
セル操作に、より良く応答してターボ過給機の稼動状態
を制御することができる。また、アクセル１３の開度が
小さくなるほど、排気行程側で吸気バルブ５が開くの
で、大きなエンジン出力を必要としないアクセル１３の
開度が小さい領域ほど、エンジンに対して不必要な膨張
仕事をさせることを防止することができる。

【００２８】因みに、図６、７は、本実施形態に係るタ
ーボ付エンジンのターボ効率（実線）と上記公報に記載
のターボ付エンジンのターボ効率（破線）との比較試験
を示しており、本実施形態に係るターボ付エンジンのタ
ーボ効率は、エンジンの回転数およびアクセル１３の開
度のいずれの場合においても、上記公報に記載のターボ
付エンジンより向上していることが判る。因みに、ター
ボ効率とは、圧縮機の有する最大過給量に対する、実際
に過給された量との比を百分率で示したものである。

【００２９】ところで、上述の実施形態では、エンジン
の回転数Ｎ_eおよびアクセル１３の開度Ａ_cに基づいて
吸気バルブ５が開く時期を決定していたが、エンジンの
回転数Ｎ_eのみに基づいて吸気バルブ５が開く時期を決
定してもよい。また、上述の実施形態では、図５に示す
ように、吸気バルブ５が開く時期のみを変化させ、吸気
バルブ５が閉じる時期については、エンジンの運転状態
によらず一定としていたが、吸気バルブ５が開く時期の
変化に連動させて吸気バルブ５が閉じる時期を変化させ
てもよく、また、吸気バルブ５が開いている時間を一定
としてもよい。

【００３０】また、上述の実施形態では、ディーゼルエ
ンジンを例に本発明を説明したが、本発明はターボ付ガ
ソリンエンジンなどその他のターボ付内燃機関に対して
も適用することができる。また、上述の実施形態では、
アクセル１３の開度をアクセル開度センサ１４で検出す
ることにより、エンジンの負荷を検出する負荷検出手段
を構成したが、アクセルペダル等の操作員（乗員）が直
接操作するアクセル操作手段の作動量（例えばアクセル
ペダルでは、踏み込み量）を検出することにより負荷検
出手段を構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】ターボ付ディーゼルエンジンの模式図である。

【図２】電子制御装置の制御フローを示すフローチャー
トである。

【図３】吸気バルブが開く時期とエンジンの回転数との
関係を示すマップである。

【図４】吸気バルブが開く時期とアクセルの開度との関
係を示すマップである。

【図５】吸気バルブおよび排気バルブのリフト量とクラ
ンク角との関係を示すチャートである。

【図６】ターボ効率とエンジンの回転数との関係を示グ
ラフである。

【図７】ターボ効率とアクセルの開度との関係を示グラ
フである。

【符号の説明】

５…吸入バルブ、６…排気バルブ、９…タービン、１０
…圧縮機、１１…可変バルブタイミング機構、１２…電
子制御装置、１４…アクセル開度センサ（開度検出手
段）、１５…クランク角センサ（回転検出手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の吸気バルブ（５）の開閉時期
を変化させる可変バルブタイミング機構（１１）と、前記可変バルブタイミング機構（１１）を制御する制御
手段（１２）と、前記内燃機関の排気により、前記内燃機関の吸気を過給
するターボ過給機（９、１０）と、前記内燃機関の回転数を検出する回転検出手段（１５）
とを備え、前記制御手段（１２）は、前記回転検出手段（１５）の
検出値が所定値より低いときには、前記内燃機関の吸入
行程において前記内燃機関のピストン（２）が上死点か
ら下死点側に変位したときに、前記吸気バルブ（５）を
開くように前記可変バルブタイミング機構（１１）を制
御することを特徴とするターボ過給機付内燃機関。
【請求項２】内燃機関の吸気バルブ（５）の開閉時期
を変化させる可変バルブタイミング機構（１１）と、前記可変バルブタイミング機構（１１）を制御する制御
手段（１２）と、前記内燃機関の排気により、前記内燃機関の吸気を過給
するターボ過給機（９、１０）と、前記内燃機関の回転数を検出する回転検出手段（１５）
とを備え、前記制御手段（１２）は、前記回転検出手段（１５）の
検出値が高くなるほど、前記吸気バルブ（５）が開く時
期を、前記内燃機関の吸入行程中から排気行程側に変化
させるように前記可変バルブタイミング機構（１１）を
制御することを特徴とするターボ過給機付内燃機関。
【請求項３】前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出
手段（１４）を備えており、前記制御手段（１２）は、前記負荷検出手段（１４）の
検出値が大きくなるほど、前記吸気バルブ（５）が開く
時期を、前記内燃機関の吸入行程の上死点側から下死点
側に変化させるように前記可変バルブタイミング機構
（１１）を制御することを特徴とする請求項１または２
に記載のターボ過給機付内燃機関。
【請求項４】前記制御手段（１２）は、前記内燃機関
の運転状態によらず、前記吸気バルブ（５）が閉じる時
期が一定となるように前記可変バルブタイミング機構
（１１）を制御することを特徴とする請求項１ないし３
のいずれか１つに記載のターボ過給機付内燃機関。