JP5151866B2 - エンジンの排気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気制御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、排気弁によって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

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、排気脈動度の負圧波を排気弁によって開閉される排気ポートに到達させるように設定した場合に、エンジンの暖機状態つまり排気温度が大きく相違すると、開弁オーバラップ期間において排気ポートに負圧波が到達できないばかりでなく、逆に正圧波が排気ポートに到達してしまって、トルクを大幅に低下させてしまうということが判明した。すなわち、排気通路内での排気脈動の伝達速度は音速となるが、音速（つまり排気脈動の周波数）は温度に応じて変化する一方、排気温度は、例えば冷間時では２００〜３００度Ｃであるのに対して、温間時には８００〜９００度Ｃとなり、この排気温度の大きな相違によって、負圧波が開弁オーバラップ期間において排気ポートに到達できない場合を生じさせてしまうことになる。

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、排気脈動の負圧波を開弁オーバラップ期間に排気ポートに確実に到達させることのできるようにした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制御するエンジンの排気制御装置であって、
排気弁の開弁時期を変更する排気弁用開弁時期変更手段と、
エンジンの排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記排気温度検出手段で検出される排気温度に応じて、前記負圧波が前記オーバラップ期間に前記排気ポートに到達するように前記排気弁用開弁時期変更手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、排気温度が上昇するのに伴って排気弁の開弁時期を遅角させるようにして、排気温度が低い冷間時には排気温度が高い温間時に比して排気弁の開弁時期を進角させ、
前記制御手段は、排気弁の開弁時期の変更範囲内において、より次数成分の小さい負圧波が前記オーバラップ期間において前記排気ポートに到達するタイミングが得られるときは、排気弁の開弁時期を大きく遅角させて、該より次数成分の小さい負圧波を該オーバラップ期間に到達させるようにする、
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（開弁開始時期）が変更されることにより、排気脈動の位相そのものが変更されて、つまり排気ポートに負圧波が到達するタイミング（位相）を変更することが可能になる。そして、排気温度に応じて排気弁の開弁時期を変更することによって、負圧波を確実にオーバラップ期間に排気ポートに到達させて、トルク向上が得られることになる。

また、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、これに応じて排気弁の開弁時期を遅くすることによって、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。

勿論、排気温度が低い冷間時には、排気温度が高い温間時に比して、排気弁の開弁時期を進角させるので上記の場合と同様に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。

以上に加えて、排気脈動の負圧波は、排気ポートに到着する順に１次、２次、３次・・・と複数の次数成分を有する一方、次数成分の小さい負圧波ほど振幅が大きくなるので、次数成分の小さい負圧波がオーバラップ期間に排気ポートに到達するほど排気ガスの吸い出し効果が高いものとなる。したがって、排気弁の開弁時期の変更の範囲内において、より次数成分の小さい負圧波をオーバラップ期間に排気ポートに到達させることが可能なときは、このより次数成分の小さい負圧波を利用した排気ガスの吸い出し効果を得るようにして、より十分にトルクを向上させることができる。

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、
前記排気弁用開弁時期変更手段が、位相変更式とされて、排気弁の開弁時期の変更に応じて排気弁の閉弁時期も変更されるように設定されている、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、排気弁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に到達するタイミングを得られないときには、オーバラップ期間を小さくすることによって、排気脈動の正圧波によって排気ガスの排出効率が悪化される事態を防止あるいは抑制することができる。

前記排気弁用開弁時期変更手段は、排気弁の閉弁時期を不変あるいはほぼ不変としつつ、排気弁の開弁時期を変更するように設定されている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、吸気弁の開弁時期を変更することなく、オーバラップ期間を常に所定の大きさに確保しておく上で好ましいものとなる。

本発明によれば、排気温度の変化にかかわらず、負圧波を利用したトルク向上を得ることができる。

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。そして、排気弁用カムシャフト１２には、排気弁５の開弁時期変更手段としての可変バルブ機構１３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。

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（正圧波）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、排気脈動の圧力波（正圧波、負圧波）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３は、吸気弁４の開弁タイミングと、排気弁５の開弁タイミングとを示すものである。吸気弁４の開弁タイミングは一定とされて、吸気上死点よりも前側（進角側）に開弁されて、吸気下死点よりも後側（遅角側）に閉弁される。一方、排気弁５は、可変バルブ機構１３によって、その閉弁時期は一定（実施形態では、一般的な設定と同様に吸気上死点よりも若干遅い時期）とされているが、開弁時期は可変とされている。

図３に示す排気弁５の開弁時期は、温間時用（排気温度が例えば８００度Ｃの高温時）とされており、吸気弁４と排気弁５とがそれぞれ開弁しているオーバラップする期間に排気脈動の負圧波が排気ポート３に到達するタイミングとされる。一方、図４は、冷間時用（排気温度が例えば３００度Ｃの冷温時）とされており、排気弁５の開弁時期が図３の場合と同じままでは、上記オーバラップ期間に、排気脈動の正圧波が排気ポート３に到達してしまうタイミングとなり、このままでは、トルクが低下してしまうことになる。

本発明では、冷間時には、図５に示すように、排気弁５の開弁時期を進角させて、排気脈動の負圧波のタイミングを、図４の場合に比して進角させるようにしてある。これにより、負圧波が排気ポート３に到達するタイミング（クランク角に対する位相）が進角されて、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とされて、トルク向上となる。なお、図３〜図５において、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し、図４、図５では３次の負圧波α３は示されない）。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。

排気弁５の開弁時期の変更範囲において、より次数の小さい（低い）負圧波をオーバラップ期間に到達させることができる場合がある。すなわち、オーバラップ期間に例えば３次の負圧波が排気ポート３に到達するタイミングであっても、排気弁５の開弁時期を変更することによって２次の負圧波をオーバラップ期間において排気ポート３に到達させることが可能な場合は、排気弁５の開弁時期を変更して、より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に到達させるようにしてある。図６には、より小さい次数の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排気弁５の開弁時期の設定例が示される。この図６において、実線が温間時用であり、破線が冷間時用を示す。エンジン回転数が上昇するのに伴って、排気弁５の開弁時期は徐々に進角されるが、冷間時は温間時に比して、より進角された状態とされる。そして、温間時、冷間時共に、排気弁５の開弁時期を一気に遅角させる場合が、より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に到達させるための処理となる。

図６に示すような排気弁５の開弁時期は、エンジン回転数と排気温度とに対応づけてあらかじめコントローラＵに記憶されているものである。勿論、図６に示されない排気温度のときの排気弁５の開弁時期が複数（例えば５段階）に設定されて、この設定排気温度以外のときの排気温度に対応した排気弁５の開弁時期は、補間によって得るようにしてある。なお、排気脈動の伝達速度は音速という一定速度である一方、オーバラップ期間の生じるタイミングはエンジン回転数に応じて変化されるために、エンジン回転数をもパラメータとして排気弁５の開弁時期を変更するようにしてある。

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、排気ポート３に排気脈動の負圧波が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。

図８は、本発明の第３の実施形態を示すもので、可変バルブ機構１３として、可変位相機構を用いたものとなっている。すなわち、排気弁５の開弁期間を全体的にオフセット（位相変更）するようにしてある。本実施形態では、オーバラップ期間が０となる状態まで排気弁５を進角可能としてある。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には、オーバラップ期間を小さく（０も含む）することによって、排気脈動の正圧波によって排気ガスの排出効率が悪化される事態を防止あるいは抑制することが可能となる。

図８の実施形態において、吸気弁４の開弁時期を変更する吸気弁用の可変バルブ機構を別途設けて、少なくとも吸気弁５の開弁時期を変更可能として、排気弁５の開弁時期の変更方向と同一の方向（特に進角方向）に吸気弁４の開弁時期を変更するようにしてある。これにより所定の大きさ（期間）のオーバラップ期間を常時確保することができる（オーバラップ期間の中心位置がクランク角に対して位相変更される）。なお、図８に示す吸気弁４の開弁時期の変更は、全体的に位相変更する位相変更式となっているが、閉弁時期を一定あるいはほぼ一定にしたまま開弁時期のみを変更する形式のものであってもよい。

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。排気弁用や吸気弁用の可変バルブ機構としては適宜のものを選択することができ、例えば排気弁５（吸気弁４についても同じ）をアクチュエータによって直接的あるいは間接的に駆動するようにして、このアクチュエータを駆動制御することによって行うことができる（アクチュエータが可変バルブ機構を構成することになる）。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。 温間時において、オーバラップ期間と排気脈動との関係を示す図。 冷間時において、排気弁の開弁時期を図３の場合と同じにした状態でのオーバラップ期間と排気脈動との関係を示す図。 冷間時において、排気弁の開弁時期を進角させたときのオーバラップ期間と排気脈動との関係を示す図。 排気弁の開弁時期の設定例を示す図。 本発明の第２の実施形態を示す要部簡略平面断面図。 本発明の第３の実施形態を示すもので、図３に対応した図。

Ｕ：コントローラ
Ｓ１：回転数センサ
Ｓ２：温度センサ
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
３２：集合部

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制御するエンジンの排気制御装置であって、
   排気弁の開弁時期を変更する排気弁用開弁時期変更手段と、
   エンジンの排気温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記排気温度検出手段で検出される排気温度に応じて、前記負圧波が前記オーバラップ期間に前記排気ポートに到達するように前記排気弁用開弁時期変更手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、排気温度が上昇するのに伴って排気弁の開弁時期を遅角させるようにして、排気温度が低い冷間時には排気温度が高い温間時に比して排気弁の開弁時期を進角させ、
   前記制御手段は、排気弁の開弁時期の変更範囲内において、より次数成分の小さい負圧波が前記オーバラップ期間において前記排気ポートに到達するタイミングが得られるときは、排気弁の開弁時期を大きく遅角させて、該より次数成分の小さい負圧波を該オーバラップ期間に到達させるようにする、
   ことを特徴とするエンジンの排気制御装置。
2. 請求項１において、
   前記排気弁用開弁時期変更手段が、位相変更式とされて、排気弁の開弁時期の変更に応じて排気弁の閉弁時期も変更されるように設定されている、ことを特徴とするエンジンの排気制御装置。
3. 請求項１において、
   前記排気弁用開弁時期変更手段は、排気弁の閉弁時期を不変あるいはほぼ不変としつつ、排気弁の開弁時期を変更するように設定されている、ことを特徴とするエンジンの排気制御装置。

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