エンジンの制御システム
【課題】背圧調節装置を利用した暖機促進を好適に図ることが可能なエンジンの制御システムを提供する。
【解決手段】エンジンの制御システム１００Ａはエンジン５０Ａが備える排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７と、排気系２０で発生する背圧を調節可能な背圧調節弁４０と、エンジン５０Ａの暖機時に排気系２０で発生する背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御するとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するＥＣＵ１Ａと、を備える。吸排気弁５４、５５のバルブタイミングは排気弁５５の作用角を拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように設定されている。
【解決手段】エンジンの制御システム１００Ａはエンジン５０Ａが備える排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７と、排気系２０で発生する背圧を調節可能な背圧調節弁４０と、エンジン５０Ａの暖機時に排気系２０で発生する背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御するとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するＥＣＵ１Ａと、を備える。吸排気弁５４、５５のバルブタイミングは排気弁５５の作用角を拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの制御システムに関し、特に排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構を備えるエンジンの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンが備える吸気弁や排気弁のバルブ特性を可変にする可変動弁機構が知られている。例えば特許文献１では、排気弁のリフト量を変更し得る第１の可変動弁機構と、排気弁の位相を変更し得る第２の可変動弁機構と、エンジンブレーキ要求時に第１および第２の可変動弁機構の作動を制御する制御手段とを有するエンジンの可変動弁装置が開示されている。特許文献１では、この可変動弁装置によってエンジンブレーキ力を変更できるようにすることが開示されている。
【０００３】
特許文献２では、機関の回転に同期して回転する駆動軸に設けられ、半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、カムシャフトに設けられ、半径方向方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、これらフランジ部にピンを介して係合する環状ディスクとを備え、環状ディスクの中心を偏心させることで吸排気弁のバルブリフト特性を可変制御する内燃機関の可変動弁装置が開示されている。
【０００４】
特許文献３では、アウタカム軸とインナカム軸からなるカム軸と、カム軸の両軸端部に設けられる第１位相制御機構と第２の位相制御機構とを備え、アウタカム軸およびインナカム軸間の相対的な位相を変更可能な動弁装置が開示されている。特許文献４では、吸気バルブの作用角を可変とするにあたり、作用角の拡大／縮小に併せてリフト量が拡大／縮小する作用角可変機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５７１９５号公報
【特許文献２】特開２００６−３３６６５９号公報
【特許文献３】特開２００９−１４４５２１号公報
【特許文献４】特開２００５−２９９５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンの排気系には背圧を調節可能な背圧調節装置が設けられることがある。背圧調節装置は排気系で発生する背圧を高めることで、例えばエンジンブレーキ力を高めることに用いられる。一方、背圧調節装置は排気系で発生する背圧を高めることで、エンジン筒内および吸気通路への排気の吹き戻しを発生させることもできる。そして、これにより内部ＥＧＲガス量を増加させることで、筒内温度の低下を抑制することもできる。このため、背圧調節装置は例えばエンジンの暖機中に背圧を高めることで、暖機促進を図ることにも用いられる。
【０００７】
ところが、背圧調節装置を暖機促進に利用する場合、排気弁のバルブ特性によっては、排気の吹き戻しに必要とされる排気ポートの開口面積を十分確保できない虞がある。具体的には例えば排気弁のバルブタイミングが固定である場合には、機関運転全体を考慮したバルブタイミングが求められる結果、排気ポートの開口面積を十分に確保できない虞がある。この点、排気の吹き戻しを十分に発生させるには、例えば吸排気弁のオーバラップ量を大きめに設定することも考えられる。ところが、この場合には例えば高負荷運転時のエンジン性能が悪化する虞がある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、背圧調節装置を利用した暖機促進を好適に図ることが可能なエンジンの制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はエンジンが備える排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構と、前記エンジンの排気系で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置と、前記エンジンの暖機時に前記エンジンの排気系で発生する背圧を高めるように前記背圧調節装置を制御するとともに、前記排気弁の作用角を拡大するように前記作用角可変機構を制御する制御部とを備えるエンジンの制御システムである。
【００１０】
本発明は前記排気弁の位相を変更可能な位相可変機構をさらに備え、前記制御部が前記エンジンの暖機時に前記排気弁の位相を遅角させるように前記位相可変機構を制御する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、背圧調節装置を利用した暖機促進を好適に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の全体構成図である。
【図２】実施例１のエンジンの概略構成図である。
【図３】実施例１のバルブタイミングの説明図である。
【図４】第１の制御動作をフローチャートで示す図である。
【図５】排気の吹き戻しの説明図である。
【図６】作用角可変機構の作用角可変上限の説明図である。
【図７】作用角可変上限の第１の比較図である。
【図８】作用角可変上限の第２の比較図である。
【図９】実施例２の全体構成図である。
【図１０】実施例２のバルブタイミングの説明図である。
【図１１】第２の制御動作をフローチャートで示す図である。
【図１２】排気弁の作用角と遅角量の可変上限を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は実施例１の全体構成図である。図２はエンジン５０Ａの概略構成図である。図１に示すように、吸気系１０はエンジン５０Ａに吸気を供給する。排気系２０はエンジン５０Ａから排出される排気を流通させる。排気系２０には過給機３０と背圧調節弁４０とが設けられている。過給機３０は排気駆動式の過給機であり、排気系２０には具体的には過給機３０のタービン部が設けられている。背圧調節弁４０は開度を変更することで、排気通路の絞り度合いを変更する。背圧調節弁４０は排気系２０で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置に相当する。
【００１５】
エンジン５０Ａは圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、複数（ここでは４つ）の気筒５１ａを備えている。この点、吸気系１０からは吸気が各気筒５１ａに分配供給され、排気系２０には各気筒５１ａからの排気が排出される。エンジン５０Ａは燃料噴射弁５６と作用角可変機構５７とを備えている。燃料噴射弁５６は気筒５１ａ毎に設けられている。作用角可変機構５７は複数の気筒５１ａに亘って設けられている。
【００１６】
背圧調節装置は例えば排気を導入する流路の断面積を可変にする可変ノズルベーンを備えた可変容量型の過給機であってもよい。この点、背圧調節弁４０を設ける代わりに過給機３０をかかる過給機とすることで、過給機３０を背圧調節装置とすることもできる。
【００１７】
図２に示すように、エンジン５０Ａは燃料噴射弁５６や作用角可変機構５７のほか、シリンダブロック５１とシリンダヘッド５２とピストン５３と吸気弁５４と排気弁５５を備えている。シリンダブロック５１には気筒５１ａが形成されている。気筒５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド５２には吸気ポート５２ａと排気ポート５２ｂとが形成されている。また、吸気弁５４と排気弁５５とが設けられている。吸気ポート５２ａは燃焼室Ｅに吸気を導き、排気ポート５２ｂは燃焼室Ｅからガスを排出する。吸気弁５４は吸気ポート５２ａを開閉し、排気弁５５は排気ポート５２ｂを開閉する。吸気弁５４と排気弁５５とは一気筒あたりに２つずつ設けられている。燃料噴射弁５６は具体的には燃焼室Ｅの中央上部に噴孔を突出させた状態で、シリンダヘッド５２に設けられている。
【００１９】
作用角可変機構５７は具体的には排気弁５５に対して設けられている。作用角可変機構５７は排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構となっている。作用角可変機構５７には例えば前述した特許文献２で開示されているように、中心を偏心させることで、カム速度を可変にする偏心部材（環状ディスク）を駆動軸、カムシャフト間に備える構造を適用できる。作用角可変機構５７は気筒５１ａ毎に設けられている複数（ここでは２つ）の排気弁５５それぞれの作用角を同様に変更する。
【００２０】
図３は実施例１のバルブタイミングの説明図である。図３に示すように、排気弁５５の作用角（開弁期間）は作用角可変機構５７によって開弁期間中央に対応するクランク角度を中心として、拡大、縮小される。そして、吸排気弁５４、５５のバルブタイミングは排気弁５５の作用角が拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように設定されている。
【００２１】
図１に戻り、ＥＣＵ１Ａは電子制御装置であり、ＥＣＵ１Ａには背圧調節弁４０や燃料噴射弁５６や作用角可変機構５７が制御対象として電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１Ａにはエンジン５０Ａの運転状態を検出するためのセンサ群７０が電気的に接続されている。センサ群７０は例えばエンジン５０Ａに対する加速要求をするためのアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出可能なアクセル開度センサや、エンジン５０Ａの回転数ＮＥを検出可能なクランク角センサや、エンジン５０Ａの冷却水温を検出可能な水温センサを含む。
【００２２】
ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは各種の機能部が実現される。この点、ＥＣＵ１Ａでは例えば以下に示す制御部が機能的に実現される。
【００２３】
制御部はエンジン５０Ａの暖機時に排気系２０で発生する背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御するとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御する。背圧を高めるように背圧制御弁４０を制御するにあたり、制御部は具体的には全開状態よりも排気通路を絞るように背圧調節弁４０を制御する。また、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するにあたり、制御部は具体的には吸気弁５４の作用角よりも排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御する。
【００２４】
背圧調節弁４０と作用角可変機構５７を制御するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態（具体的にはここではアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温）に基づき、背圧調節弁４０の開度（排気通路の絞り度合い）と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出し、背圧制御弁４０の開度が算出した開度になるように背圧制御弁４０を制御するとともに、作用角制御状態が算出した作用角制御状態になるように作用角可変機構５７を制御する。機関運転状態には例えばアクセル開度の代わりに燃料噴射量が適用されてもよい。
【００２５】
背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態を検出するとともに、背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を機関運転状態に応じて予め定めたマップデータそれぞれを参照し、検出した機関運転状態に対応する背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を読み込むことで、背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出する。これらマップデータには機関運転状態に応じて実現すべき背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態とが予め設定されている。これらマップデータはできるだけ燃費を悪化させることなく暖機完了が最短となる時間を達成することを目標として作成されている。
【００２６】
本実施例では背圧調節弁４０と作用角可変機構５７とＥＣＵ１Ａとを備えるエンジンの制御システム（以下、単に制御システムと称す）１００Ａが実現されている。
【００２７】
次に第１の制御動作であるＥＣＵ１Ａの動作を図４に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ１Ａは機関運転状態を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、具体的にはアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温を検出する。続いてＥＣＵ１Ａは冷却水温が所定値αよりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。所定値αは例えば４０℃であり、冷却水温が所定値αよりも低い場合にはエンジン５０Ａが暖機中であると判断される。ステップＳ２で否定判定であれば、本フローチャートを終了する。
【００２８】
一方、ステップＳ２で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは検出した機関運転状態に基づき、実現すべき背圧調節弁４０の開度および作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出する（ステップＳ３Ａ）。そして、算出した開度および作用角制御状態になるように背圧制御弁４０と作用角可変機構５７を制御する（ステップＳ４Ａ）。ステップＳ４Ａの後にはステップＳ２に戻る。これにより、エンジン５０Ａの暖機時に冷却水温が所定値αになるまでの間、背圧を高めるように背圧調節弁４０が制御されるとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７が制御される。
【００２９】
次に制御システム１００Ａの作用効果について説明する。図５は排気の吹き戻しの説明図である。制御システム１００Ａはエンジン５０Ａの暖機時に背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御する。このため、制御システム１００Ａは排気系２０からエンジン５０Ａの気筒５１ａ内に排気の吹き戻しを発生させることができる。また、制御システム１００Ａはエンジン５０Ａの暖機時に排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御することで、排気の吹き戻しに必要とされる排気ポート５２ｂの開口面積も確保できる。結果、排気の吹き戻し量を増加させることで、内部ＥＧＲガス量を増加させることができる。このため、制御システム１００Ａは背圧調節弁４０を利用した暖機促進を好適に図ることができる。
【００３０】
制御システム１００Ａでは、排気弁５５の作用角を拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように吸排気弁５４、５５のバルブタイミングが設定されている。このため、制御システム１００Ａは吸排気弁５４、５５のオーバラップ量の拡大によっても排気の吹き戻し量を増加させることができ、これによって内部ＥＧＲガス量を増加させることでも暖機促進を好適に図ることができる。
【００３１】
オーバラップ量の拡大を図るにあたって、制御システム１００Ａは以下の点で好適である。図６は作用角可変機構５７の作用角可変上限の説明図である。図６に示すように、バルブスタンプ（ピストン５３と排気弁５５との干渉）発生領域Ｒは位相が遅角側である場合ほど、小さなリフト量でバルブスタンプが発生するように形成されている。この点、作用角可変機構５７の作用角可変上限は作用角可変機構５７の構造そのものに起因する要因もさることながら、バルブスタンプを回避する観点から設定される。そして、排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７では、作用角の拡大に伴いリフト量の立ち上がりおよび立ち下がりが緩やかになることから、閉弁時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大することができる。
【００３２】
図７は作用角可変上限の第１の比較図である。図８は作用角可変上限の第２の比較図である。図７では、作用角可変機構５７の場合と、作用角の拡大／縮小に併せてリフト量が拡大／縮小する作用角可変機構の場合（ケース１の場合）とで作用角可変上限を比較している。図８では、作用角可変機構５７の場合と、アウタカム軸とインナカム軸からなるカム軸を備え、アウタカム軸およびインナカム軸間の相対的な位相を変更可能な動弁装置の場合（ケース２の場合）とで作用角可変上限を比較している。ケース２の場合、合成作用角（２つの排気弁５５のうち、一方の排気弁のみを遅角させた場合の全体としての開弁期間）の可変上限が作用角可変上限となっている。
【００３３】
図７に示すように、ケース１の場合には、作用角の拡大に伴いリフト量が拡大する。このためこの場合には、作用角を拡大するとリフト量減少時にバルブスタンプが発生する。結果、作用角可変機構５７の場合と比較して吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することができなくなる分、内部ＥＧＲガス量を増加させることができず、これによって暖機促進の効果が減少することになる。
【００３４】
図８に示すように、ケース２の場合には、作用角可変機構５７の場合と比較してリフト量の立ち上がりおよび立ち下がりが急になっている。このためこの場合には、２つの排気弁５５のうち、一方の排気弁を遅角することで合成作用角を拡大すると、リフト量減少時にバルブスタンプが発生する。結果、この場合にも作用角可変機構５７の場合と比較して吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することができなくなる分、暖機促進の効果が減少する。また、この場合には作用角可変機構５７の場合と比較して体積効率が低下すると考えられる点でも、作用角可変機構５７のほうが有利である。
【００３５】
このように制御システム１００Ａは排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７を備えることで、作用角の可変上限を大きく確保することができる。このため、制御システム１００Ａは吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を好適に拡大することで、暖機促進性を高めることができる点で好適である。
【実施例２】
【００３６】
図９は実施例２の全体構成図である。エンジン５０Ｂは排気弁５５の位相（開閉時期）を変更可能な位相可変機構５８をさらに備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一である。位相可変機構５８には、例えば作用角可変機構５７が備える駆動軸の位相をエンジン５０Ｂの回転に対して変更する構造を適用できる。ＥＣＵ１Ｂは制御部がさらに後述するように実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一である。
【００３７】
図１０は実施例２のバルブタイミングの説明図である。図１０に示すように、実施例２では作用角可変機構５７によって排気弁５５の作用角を拡大、縮小することができるだけでなく、さらに位相可変機構５８によって排気弁５５の開閉時期を変更することができる。この点、位相可変機構５８は気筒５１ａ毎に設けられている複数（ここでは２つ）の排気弁５５それぞれの位相を同様に変更する。
【００３８】
ＥＣＵ１Ｂでは制御部がさらにエンジン５０Ｂの暖機時に排気弁５５の位相を遅角させるように位相可変機構５８を制御する。位相可変機構５８を制御するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態（具体的にはここではアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温）に基づき、位相可変機構５８の位相制御状態を算出し、位相制御状態が算出した位相制御状態になるように位相可変機構５８を制御する。
【００３９】
位相可変機構５８の位相制御状態を算出するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態を検出するとともに、位相可変機構５８の位相制御状態を機関運転状態に応じて予め定めたマップデータを参照し、検出した機関運転状態に対応する位相可変機構５８の位相制御状態を読み込むことで、位相可変機構５８の位相制御状態を算出する。このマップデータには機関運転状態に応じて実現すべき位相可変機構５８の位相制御状態が予め設定されている。
【００４０】
作用角可変機構５７と位相可変機構５８を制御する制御部は、リフト量減少時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するとともに、排気弁５５の位相を遅角させない場合にバルブスタンプを発生させることなく拡大可能な最大作用角よりも作用角が小さくなるように作用角可変機構５７を制御することができる。また、バルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を最大限遅角させるように位相可変機構５８を制御することができる。
【００４１】
本実施例では背圧調節弁４０と作用角可変機構５７と位相可変機構５８とＥＣＵ１Ｂとを備える制御システム１００Ｂが実現されている。
【００４２】
次に第２の制御動作であるＥＣＵ１Ｂの動作を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはステップＳ３Ａ、Ｓ４Ａの代わりにステップＳ３Ｂ、Ｓ４Ｂが設けられている点以外、図４に示すフローチャートと同じになっている。このためここでは特にこれらについて説明する。ステップＳ３Ｂで、ＥＣＵ１Ｂは検出した機関運転状態に基づき、実現すべき背圧調節弁４０の開度、作用角可変機構５７の作用角制御状態および位相可変機構５８の位相制御状態を算出する（ステップＳ３Ｂ）。そして、算出した開度、作用角制御状態および位相制御状態になるように背圧制御弁４０、作用角可変機構５７および位相可変機構５８を制御する（ステップＳ４Ｂ）。
【００４３】
次に制御システム１００Ｂの作用効果について説明する。図１２は排気弁５５の作用角と遅角量の可変上限を示す図である。図１２に示すように、制御システム１００Ｂではエンジン５０Ｂの暖機時に排気弁５５の位相を遅角させるように位相可変機構５８を制御することで、作用角の拡大を抑制しつつ、閉弁時にバルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を遅角させることができる。このため、制御システム１００Ｂは制御システム１００Ａの場合と比較して排気弁５５のリフト量を大きく確保しつつ、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することで、暖機促進性を高めることができる。
【００４４】
制御システム１００Ｂは具体的にはリフト量減少時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するとともに、排気弁５５の位相を遅角させない場合にバルブスタンプを発生させることなく拡大可能な最大作用角よりも作用角が小さくなるように作用角可変機構５７を制御し、またバルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を最大限遅角させるように位相可変機構５８を制御することで、上述のように暖機促進性を高めることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
ＥＣＵ １Ａ、１Ｂ
背圧調節弁 ４０
エンジン ５０Ａ、５０Ｂ
排気弁 ５５
作用角可変機構 ５７
位相可変機構 ５８
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの制御システムに関し、特に排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構を備えるエンジンの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンが備える吸気弁や排気弁のバルブ特性を可変にする可変動弁機構が知られている。例えば特許文献１では、排気弁のリフト量を変更し得る第１の可変動弁機構と、排気弁の位相を変更し得る第２の可変動弁機構と、エンジンブレーキ要求時に第１および第２の可変動弁機構の作動を制御する制御手段とを有するエンジンの可変動弁装置が開示されている。特許文献１では、この可変動弁装置によってエンジンブレーキ力を変更できるようにすることが開示されている。
【０００３】
特許文献２では、機関の回転に同期して回転する駆動軸に設けられ、半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、カムシャフトに設けられ、半径方向方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、これらフランジ部にピンを介して係合する環状ディスクとを備え、環状ディスクの中心を偏心させることで吸排気弁のバルブリフト特性を可変制御する内燃機関の可変動弁装置が開示されている。
【０００４】
特許文献３では、アウタカム軸とインナカム軸からなるカム軸と、カム軸の両軸端部に設けられる第１位相制御機構と第２の位相制御機構とを備え、アウタカム軸およびインナカム軸間の相対的な位相を変更可能な動弁装置が開示されている。特許文献４では、吸気バルブの作用角を可変とするにあたり、作用角の拡大／縮小に併せてリフト量が拡大／縮小する作用角可変機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５７１９５号公報
【特許文献２】特開２００６−３３６６５９号公報
【特許文献３】特開２００９−１４４５２１号公報
【特許文献４】特開２００５−２９９５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンの排気系には背圧を調節可能な背圧調節装置が設けられることがある。背圧調節装置は排気系で発生する背圧を高めることで、例えばエンジンブレーキ力を高めることに用いられる。一方、背圧調節装置は排気系で発生する背圧を高めることで、エンジン筒内および吸気通路への排気の吹き戻しを発生させることもできる。そして、これにより内部ＥＧＲガス量を増加させることで、筒内温度の低下を抑制することもできる。このため、背圧調節装置は例えばエンジンの暖機中に背圧を高めることで、暖機促進を図ることにも用いられる。
【０００７】
ところが、背圧調節装置を暖機促進に利用する場合、排気弁のバルブ特性によっては、排気の吹き戻しに必要とされる排気ポートの開口面積を十分確保できない虞がある。具体的には例えば排気弁のバルブタイミングが固定である場合には、機関運転全体を考慮したバルブタイミングが求められる結果、排気ポートの開口面積を十分に確保できない虞がある。この点、排気の吹き戻しを十分に発生させるには、例えば吸排気弁のオーバラップ量を大きめに設定することも考えられる。ところが、この場合には例えば高負荷運転時のエンジン性能が悪化する虞がある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、背圧調節装置を利用した暖機促進を好適に図ることが可能なエンジンの制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はエンジンが備える排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構と、前記エンジンの排気系で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置と、前記エンジンの暖機時に前記エンジンの排気系で発生する背圧を高めるように前記背圧調節装置を制御するとともに、前記排気弁の作用角を拡大するように前記作用角可変機構を制御する制御部とを備えるエンジンの制御システムである。
【００１０】
本発明は前記排気弁の位相を変更可能な位相可変機構をさらに備え、前記制御部が前記エンジンの暖機時に前記排気弁の位相を遅角させるように前記位相可変機構を制御する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、背圧調節装置を利用した暖機促進を好適に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の全体構成図である。
【図２】実施例１のエンジンの概略構成図である。
【図３】実施例１のバルブタイミングの説明図である。
【図４】第１の制御動作をフローチャートで示す図である。
【図５】排気の吹き戻しの説明図である。
【図６】作用角可変機構の作用角可変上限の説明図である。
【図７】作用角可変上限の第１の比較図である。
【図８】作用角可変上限の第２の比較図である。
【図９】実施例２の全体構成図である。
【図１０】実施例２のバルブタイミングの説明図である。
【図１１】第２の制御動作をフローチャートで示す図である。
【図１２】排気弁の作用角と遅角量の可変上限を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は実施例１の全体構成図である。図２はエンジン５０Ａの概略構成図である。図１に示すように、吸気系１０はエンジン５０Ａに吸気を供給する。排気系２０はエンジン５０Ａから排出される排気を流通させる。排気系２０には過給機３０と背圧調節弁４０とが設けられている。過給機３０は排気駆動式の過給機であり、排気系２０には具体的には過給機３０のタービン部が設けられている。背圧調節弁４０は開度を変更することで、排気通路の絞り度合いを変更する。背圧調節弁４０は排気系２０で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置に相当する。
【００１５】
エンジン５０Ａは圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、複数（ここでは４つ）の気筒５１ａを備えている。この点、吸気系１０からは吸気が各気筒５１ａに分配供給され、排気系２０には各気筒５１ａからの排気が排出される。エンジン５０Ａは燃料噴射弁５６と作用角可変機構５７とを備えている。燃料噴射弁５６は気筒５１ａ毎に設けられている。作用角可変機構５７は複数の気筒５１ａに亘って設けられている。
【００１６】
背圧調節装置は例えば排気を導入する流路の断面積を可変にする可変ノズルベーンを備えた可変容量型の過給機であってもよい。この点、背圧調節弁４０を設ける代わりに過給機３０をかかる過給機とすることで、過給機３０を背圧調節装置とすることもできる。
【００１７】
図２に示すように、エンジン５０Ａは燃料噴射弁５６や作用角可変機構５７のほか、シリンダブロック５１とシリンダヘッド５２とピストン５３と吸気弁５４と排気弁５５を備えている。シリンダブロック５１には気筒５１ａが形成されている。気筒５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室Ｅはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド５２には吸気ポート５２ａと排気ポート５２ｂとが形成されている。また、吸気弁５４と排気弁５５とが設けられている。吸気ポート５２ａは燃焼室Ｅに吸気を導き、排気ポート５２ｂは燃焼室Ｅからガスを排出する。吸気弁５４は吸気ポート５２ａを開閉し、排気弁５５は排気ポート５２ｂを開閉する。吸気弁５４と排気弁５５とは一気筒あたりに２つずつ設けられている。燃料噴射弁５６は具体的には燃焼室Ｅの中央上部に噴孔を突出させた状態で、シリンダヘッド５２に設けられている。
【００１９】
作用角可変機構５７は具体的には排気弁５５に対して設けられている。作用角可変機構５７は排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構となっている。作用角可変機構５７には例えば前述した特許文献２で開示されているように、中心を偏心させることで、カム速度を可変にする偏心部材（環状ディスク）を駆動軸、カムシャフト間に備える構造を適用できる。作用角可変機構５７は気筒５１ａ毎に設けられている複数（ここでは２つ）の排気弁５５それぞれの作用角を同様に変更する。
【００２０】
図３は実施例１のバルブタイミングの説明図である。図３に示すように、排気弁５５の作用角（開弁期間）は作用角可変機構５７によって開弁期間中央に対応するクランク角度を中心として、拡大、縮小される。そして、吸排気弁５４、５５のバルブタイミングは排気弁５５の作用角が拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように設定されている。
【００２１】
図１に戻り、ＥＣＵ１Ａは電子制御装置であり、ＥＣＵ１Ａには背圧調節弁４０や燃料噴射弁５６や作用角可変機構５７が制御対象として電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１Ａにはエンジン５０Ａの運転状態を検出するためのセンサ群７０が電気的に接続されている。センサ群７０は例えばエンジン５０Ａに対する加速要求をするためのアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出可能なアクセル開度センサや、エンジン５０Ａの回転数ＮＥを検出可能なクランク角センサや、エンジン５０Ａの冷却水温を検出可能な水温センサを含む。
【００２２】
ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは各種の機能部が実現される。この点、ＥＣＵ１Ａでは例えば以下に示す制御部が機能的に実現される。
【００２３】
制御部はエンジン５０Ａの暖機時に排気系２０で発生する背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御するとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御する。背圧を高めるように背圧制御弁４０を制御するにあたり、制御部は具体的には全開状態よりも排気通路を絞るように背圧調節弁４０を制御する。また、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するにあたり、制御部は具体的には吸気弁５４の作用角よりも排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御する。
【００２４】
背圧調節弁４０と作用角可変機構５７を制御するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態（具体的にはここではアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温）に基づき、背圧調節弁４０の開度（排気通路の絞り度合い）と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出し、背圧制御弁４０の開度が算出した開度になるように背圧制御弁４０を制御するとともに、作用角制御状態が算出した作用角制御状態になるように作用角可変機構５７を制御する。機関運転状態には例えばアクセル開度の代わりに燃料噴射量が適用されてもよい。
【００２５】
背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態を検出するとともに、背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を機関運転状態に応じて予め定めたマップデータそれぞれを参照し、検出した機関運転状態に対応する背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を読み込むことで、背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出する。これらマップデータには機関運転状態に応じて実現すべき背圧調節弁４０の開度と作用角可変機構５７の作用角制御状態とが予め設定されている。これらマップデータはできるだけ燃費を悪化させることなく暖機完了が最短となる時間を達成することを目標として作成されている。
【００２６】
本実施例では背圧調節弁４０と作用角可変機構５７とＥＣＵ１Ａとを備えるエンジンの制御システム（以下、単に制御システムと称す）１００Ａが実現されている。
【００２７】
次に第１の制御動作であるＥＣＵ１Ａの動作を図４に示すフローチャートを用いて説明する。ＥＣＵ１Ａは機関運転状態を検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、具体的にはアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温を検出する。続いてＥＣＵ１Ａは冷却水温が所定値αよりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。所定値αは例えば４０℃であり、冷却水温が所定値αよりも低い場合にはエンジン５０Ａが暖機中であると判断される。ステップＳ２で否定判定であれば、本フローチャートを終了する。
【００２８】
一方、ステップＳ２で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ａは検出した機関運転状態に基づき、実現すべき背圧調節弁４０の開度および作用角可変機構５７の作用角制御状態を算出する（ステップＳ３Ａ）。そして、算出した開度および作用角制御状態になるように背圧制御弁４０と作用角可変機構５７を制御する（ステップＳ４Ａ）。ステップＳ４Ａの後にはステップＳ２に戻る。これにより、エンジン５０Ａの暖機時に冷却水温が所定値αになるまでの間、背圧を高めるように背圧調節弁４０が制御されるとともに、排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７が制御される。
【００２９】
次に制御システム１００Ａの作用効果について説明する。図５は排気の吹き戻しの説明図である。制御システム１００Ａはエンジン５０Ａの暖機時に背圧を高めるように背圧調節弁４０を制御する。このため、制御システム１００Ａは排気系２０からエンジン５０Ａの気筒５１ａ内に排気の吹き戻しを発生させることができる。また、制御システム１００Ａはエンジン５０Ａの暖機時に排気弁５５の作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御することで、排気の吹き戻しに必要とされる排気ポート５２ｂの開口面積も確保できる。結果、排気の吹き戻し量を増加させることで、内部ＥＧＲガス量を増加させることができる。このため、制御システム１００Ａは背圧調節弁４０を利用した暖機促進を好適に図ることができる。
【００３０】
制御システム１００Ａでは、排気弁５５の作用角を拡大することで、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量が拡大するように吸排気弁５４、５５のバルブタイミングが設定されている。このため、制御システム１００Ａは吸排気弁５４、５５のオーバラップ量の拡大によっても排気の吹き戻し量を増加させることができ、これによって内部ＥＧＲガス量を増加させることでも暖機促進を好適に図ることができる。
【００３１】
オーバラップ量の拡大を図るにあたって、制御システム１００Ａは以下の点で好適である。図６は作用角可変機構５７の作用角可変上限の説明図である。図６に示すように、バルブスタンプ（ピストン５３と排気弁５５との干渉）発生領域Ｒは位相が遅角側である場合ほど、小さなリフト量でバルブスタンプが発生するように形成されている。この点、作用角可変機構５７の作用角可変上限は作用角可変機構５７の構造そのものに起因する要因もさることながら、バルブスタンプを回避する観点から設定される。そして、排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７では、作用角の拡大に伴いリフト量の立ち上がりおよび立ち下がりが緩やかになることから、閉弁時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大することができる。
【００３２】
図７は作用角可変上限の第１の比較図である。図８は作用角可変上限の第２の比較図である。図７では、作用角可変機構５７の場合と、作用角の拡大／縮小に併せてリフト量が拡大／縮小する作用角可変機構の場合（ケース１の場合）とで作用角可変上限を比較している。図８では、作用角可変機構５７の場合と、アウタカム軸とインナカム軸からなるカム軸を備え、アウタカム軸およびインナカム軸間の相対的な位相を変更可能な動弁装置の場合（ケース２の場合）とで作用角可変上限を比較している。ケース２の場合、合成作用角（２つの排気弁５５のうち、一方の排気弁のみを遅角させた場合の全体としての開弁期間）の可変上限が作用角可変上限となっている。
【００３３】
図７に示すように、ケース１の場合には、作用角の拡大に伴いリフト量が拡大する。このためこの場合には、作用角を拡大するとリフト量減少時にバルブスタンプが発生する。結果、作用角可変機構５７の場合と比較して吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することができなくなる分、内部ＥＧＲガス量を増加させることができず、これによって暖機促進の効果が減少することになる。
【００３４】
図８に示すように、ケース２の場合には、作用角可変機構５７の場合と比較してリフト量の立ち上がりおよび立ち下がりが急になっている。このためこの場合には、２つの排気弁５５のうち、一方の排気弁を遅角することで合成作用角を拡大すると、リフト量減少時にバルブスタンプが発生する。結果、この場合にも作用角可変機構５７の場合と比較して吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することができなくなる分、暖機促進の効果が減少する。また、この場合には作用角可変機構５７の場合と比較して体積効率が低下すると考えられる点でも、作用角可変機構５７のほうが有利である。
【００３５】
このように制御システム１００Ａは排気弁５５の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構５７を備えることで、作用角の可変上限を大きく確保することができる。このため、制御システム１００Ａは吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を好適に拡大することで、暖機促進性を高めることができる点で好適である。
【実施例２】
【００３６】
図９は実施例２の全体構成図である。エンジン５０Ｂは排気弁５５の位相（開閉時期）を変更可能な位相可変機構５８をさらに備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一である。位相可変機構５８には、例えば作用角可変機構５７が備える駆動軸の位相をエンジン５０Ｂの回転に対して変更する構造を適用できる。ＥＣＵ１Ｂは制御部がさらに後述するように実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一である。
【００３７】
図１０は実施例２のバルブタイミングの説明図である。図１０に示すように、実施例２では作用角可変機構５７によって排気弁５５の作用角を拡大、縮小することができるだけでなく、さらに位相可変機構５８によって排気弁５５の開閉時期を変更することができる。この点、位相可変機構５８は気筒５１ａ毎に設けられている複数（ここでは２つ）の排気弁５５それぞれの位相を同様に変更する。
【００３８】
ＥＣＵ１Ｂでは制御部がさらにエンジン５０Ｂの暖機時に排気弁５５の位相を遅角させるように位相可変機構５８を制御する。位相可変機構５８を制御するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態（具体的にはここではアクセル開度、回転数ＮＥおよび冷却水温）に基づき、位相可変機構５８の位相制御状態を算出し、位相制御状態が算出した位相制御状態になるように位相可変機構５８を制御する。
【００３９】
位相可変機構５８の位相制御状態を算出するにあたり、制御部は具体的には機関運転状態を検出するとともに、位相可変機構５８の位相制御状態を機関運転状態に応じて予め定めたマップデータを参照し、検出した機関運転状態に対応する位相可変機構５８の位相制御状態を読み込むことで、位相可変機構５８の位相制御状態を算出する。このマップデータには機関運転状態に応じて実現すべき位相可変機構５８の位相制御状態が予め設定されている。
【００４０】
作用角可変機構５７と位相可変機構５８を制御する制御部は、リフト量減少時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するとともに、排気弁５５の位相を遅角させない場合にバルブスタンプを発生させることなく拡大可能な最大作用角よりも作用角が小さくなるように作用角可変機構５７を制御することができる。また、バルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を最大限遅角させるように位相可変機構５８を制御することができる。
【００４１】
本実施例では背圧調節弁４０と作用角可変機構５７と位相可変機構５８とＥＣＵ１Ｂとを備える制御システム１００Ｂが実現されている。
【００４２】
次に第２の制御動作であるＥＣＵ１Ｂの動作を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはステップＳ３Ａ、Ｓ４Ａの代わりにステップＳ３Ｂ、Ｓ４Ｂが設けられている点以外、図４に示すフローチャートと同じになっている。このためここでは特にこれらについて説明する。ステップＳ３Ｂで、ＥＣＵ１Ｂは検出した機関運転状態に基づき、実現すべき背圧調節弁４０の開度、作用角可変機構５７の作用角制御状態および位相可変機構５８の位相制御状態を算出する（ステップＳ３Ｂ）。そして、算出した開度、作用角制御状態および位相制御状態になるように背圧制御弁４０、作用角可変機構５７および位相可変機構５８を制御する（ステップＳ４Ｂ）。
【００４３】
次に制御システム１００Ｂの作用効果について説明する。図１２は排気弁５５の作用角と遅角量の可変上限を示す図である。図１２に示すように、制御システム１００Ｂではエンジン５０Ｂの暖機時に排気弁５５の位相を遅角させるように位相可変機構５８を制御することで、作用角の拡大を抑制しつつ、閉弁時にバルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を遅角させることができる。このため、制御システム１００Ｂは制御システム１００Ａの場合と比較して排気弁５５のリフト量を大きく確保しつつ、吸排気弁５４、５５のオーバラップ量を拡大することで、暖機促進性を高めることができる。
【００４４】
制御システム１００Ｂは具体的にはリフト量減少時にバルブスタンプが発生しない範囲内で作用角を拡大するように作用角可変機構５７を制御するとともに、排気弁５５の位相を遅角させない場合にバルブスタンプを発生させることなく拡大可能な最大作用角よりも作用角が小さくなるように作用角可変機構５７を制御し、またバルブスタンプが発生しない範囲内で排気弁５５の位相を最大限遅角させるように位相可変機構５８を制御することで、上述のように暖機促進性を高めることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
ＥＣＵ １Ａ、１Ｂ
背圧調節弁 ４０
エンジン ５０Ａ、５０Ｂ
排気弁 ５５
作用角可変機構 ５７
位相可変機構 ５８
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンが備える排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構と、
前記エンジンの排気系で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置と、
前記エンジンの暖機時に前記エンジンの排気系で発生する背圧を高めるように前記背圧調節装置を制御するとともに、前記排気弁の作用角を拡大するように前記作用角可変機構を制御する制御部と、を備えるエンジンの制御システム。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの制御システムであって、
前記排気弁の位相を変更可能な位相可変機構をさらに備え、
前記制御部が前記エンジンの暖機時に前記排気弁の位相を遅角させるように前記位相可変機構を制御するエンジンの制御システム。
【請求項１】
エンジンが備える排気弁の最大リフト量を一定にしつつ、作用角を変更可能な作用角可変機構と、
前記エンジンの排気系で発生する背圧を調節可能な背圧調節装置と、
前記エンジンの暖機時に前記エンジンの排気系で発生する背圧を高めるように前記背圧調節装置を制御するとともに、前記排気弁の作用角を拡大するように前記作用角可変機構を制御する制御部と、を備えるエンジンの制御システム。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの制御システムであって、
前記排気弁の位相を変更可能な位相可変機構をさらに備え、
前記制御部が前記エンジンの暖機時に前記排気弁の位相を遅角させるように前記位相可変機構を制御するエンジンの制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６０８３７（Ｐ２０１３−６０８３７Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８６００（Ｐ２０１１−１９８６００）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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