JP4386199B2 - 可変バルブタイミング装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の吸気バルブや排気バルブの開閉タイミングを調整する可変バルブタイミング装置に関するものである。

冷態始動時に排気バルブと吸気バルブの開弁オーバラップ期間を増大させて、未燃ＨＣの排出を低減させる技術がある。例えば特開平１１−３３６５７４号公報（特許文献１）には、通常排気バルブは吸気上死点ＴＤＣで閉弁し、冷態始動時には後燃え効果を向上させるために進角させ、又、吸気バルブは最進角させてオーバラップ期間を増大させ、内部ＥＧＲを増加させる技術が開示されている。
特開平１１−３３６５７４号公報

しかしながら、上記公報に記載の技術では、オーバラップ期間を上死点ＴＤＣより前側、つまり排気行程に形成しているため、液状燃料が存在した場合、その一部が燃焼行程を経ずに排出されてしまうという不具合がある。
吸気管噴射式エンジンを例に挙げると、吸気ポートに噴射された燃料は冷態始動直後には吸気バルブの裏側や吸気ポートに付着し、開弁期間中に自重により下方のバルブシート付近に液状となって溜まる。排気行程のとき吸気バルブが開く（オーバラップが排気行程にある）と、各気筒の初爆の行程ではそのまま筒内に流入する。又、初爆以降でも筒内の排気が吸気管に逆流するが、燃料は液状となっているため自重により一部は筒内に流入する。

そして、ピストンの押出しによりそのまま、又は筒内で気化して一部が未燃状態で排気側に排出されてしまう。この後、上死点前で排気バルブが閉じてしまうので通り抜けた未燃燃料は筒内に戻ることなく、又は未燃燃料は温度が低いため後燃えも進み難く、そのまま大気へ排出されてしまう。その後燃焼を重ねてエンジン温度が上昇すると、排気行程中のオーバラップ増大による燃料蒸化の効果が現れて、液状燃料の筒内流入が抑えられて排気通路に通り抜けることが少なくなる。

従って、冷態始動時の未燃ＨＣ排出低減を行うには、内部ＥＧＲを増加させて燃料の蒸化を促進させる以前に、始動直後の蒸化しきれない液状燃料を排出させないようにする必要がある。
本発明の目的は、吸排気バルブの開弁オーバラップを適切に制御し、もって、冷態始動時の未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる可変バルブタイミング装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、吸気管噴射型内燃機関の吸気バルブと排気バルブとの開弁期間のオーバラップを制御する可変バルブタイミング装置において、冷態時には、クランキング開始から初爆後規定時間経過するまでは吸気上死点以降に吸気バルブが開弁し始める設定としておき規定時間経過後はオーバラップを温態時における初爆後規定時間経過後アイドル運転継続時のオーバラップよりも増大させて上死点の前側となる排気行程範囲より上死点の後側となる吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成させてから排気行程範囲のオーバラップを増大させるバルブタイミング制御手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明において、バルブタイミング制御手段は、増大されたオーバラップで且つ吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成する状態を所定時間継続させることを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１の発明において、バルブタイミング制御手段は、冷態時には、クランキング開始から初爆後規定時間経過するまでオーバラップをほぼ０とすることを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１の発明において、バルブタイミング制御手段は、排気行程範囲のオーバラップを増大させるに際して吸気行程範囲のオーバラップを減少させることを特徴とする。

本発明の請求項１の可変バルブタイミング装置によれば、冷態時において、初爆後規定時間経過後は吸排気バルブのオーバラップを温態時における初爆後規定時間経過後アイドル運転継続時のオーバラップよりも増大させて上死点の前側となる排気行程範囲より上死点の後側となる吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成させるようにまず制御される。燃料の蒸化が促進されない冷態始動時には、吸気ポート内に噴射された燃料が閉弁期間中にバルブシート付近に液状となって溜まるが、この液状燃料はそのまま排出されることなく、初爆後規定時間経過後はオーバラップが温態時における初爆後規定時間経過後アイドル運転継続時のオーバラップより増大されても吸気行程範囲のオーバラップ中にピストンの下降に伴って筒内に流入して確実に燃焼される。又、その後に排気行程範囲のオーバラップが増加されると、例えば、一旦排気側に排出された排ガスが吸気ポート内に逆流して、液状燃料の排出防止作用が奏され、もって、冷態始動時の未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

本発明の請求項２の可変バルブタイミング装置によれば、冷態始動時に、温態始動時よりも増大されたオーバラップで且つ吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成する状態が所定時間継続されるので、この所定時間を適宜確保することによって、バルブシート付近に溜まった燃料を始動直後の吸気行程範囲のオーバラップ中に筒内に確実に流入させて燃焼させることができる。

本発明の請求項３の可変バルブタイミング装置によれば、クランキング時にはオーバラップがほぼ０とされるので、噴射された燃料が排気側に通り抜けることなく燃焼されると共に、エンジンが容易に初爆に至ることができる。
本発明の請求項４の可変バルブタイミング装置によれば、排気行程範囲のオーバラップを増大させるときに吸気行程範囲のオーバラップを減少させるので、オーバラップのほとんどが排気行程範囲に位置することになり、排気バルブの早期開弁により筒内温度のピーク付近の排ガスが排出される。これにより、例えば排気通路に触媒を設けた場合において、後燃え効果により触媒の早期活性化を実現することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明を吸気バルブの開閉タイミングを可変する可変バルブタイミング装置に具体化した第１実施形態を説明する。
図１は第１実施形態の可変バルブタイミング装置を示す全体構成図である。この図に示すように、エンジン１は吸気管噴射型エンジンとして構成されており、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されている。シリンダヘッド２上の吸気カム軸３ａ及び排気カム軸３ｂの前端にはタイミングプーリ４ａ，４ｂが接続され、これらのタイミングプーリ４ａ，４ｂはタイミングベルト５を介してクランク軸６に連結されている。クランク軸６の回転に伴ってタイミングプーリ４ａ，４ｂと共にカム軸３ａ，３ｂが回転駆動され、これらのカム軸３，３ｂにより吸気バルブ７ａ及び排気バルブ７ｂが開閉駆動される。

吸気カム軸３ａと吸気側のタイミングプーリ４ａとの間には、ベーン式のタイミング可変機構８が設けられている。タイミング可変機構８の構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ４ａに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸気カム軸３ａを連結して構成されている。タイミング可変機構８にはオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）９が接続され、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油を利用して、ＯＣＶ９の切換に応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ４ａに対するカム軸３ａの位相、即ち、吸気バルブ７ａの開閉タイミングを調整するようになっている。

一方、シリンダヘッド２の吸気ポート１１には吸気通路１２が接続され、ピストン１６の下降に伴ってエアクリーナ１３から吸気通路１２内に導入された吸入空気は、スロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に燃料噴射弁１５からの噴射燃料と混合され、吸気ポート１１を経て吸気バルブ７ａの開弁時に筒内に流入する。
又、シリンダヘッド２の排気ポート１７には排気通路１８が接続され、点火プラグ１９により点火されて燃焼後の排ガスは、排気バルブ７ｂの開弁時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から排気通路１８に案内され、触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。

車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２、スロットルバルブ１４の開度ＴＰＳを検出するスロットルセンサ３３、冷却水温Ｔwを検出する水温センサ３４等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ３１の出力側には、前記ＯＣＶ９、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９等が接続されている。

ＥＣＵ３１は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ１９や燃料噴射弁１５を駆動制御する。又、予め設定されたマップに従って、エンジン回転速度Ｎe及びスロットル開度ＴＰＳからタイミング可変機構８の目標位相角を算出し、ＯＣＶ９を駆動して実際の位相角を目標位相角に制御する。更に、エンジン１の冷態始動時には、未燃ＨＣの排出を抑制するために、温態始動時の場合と異なる専用の位相角制御を実行する。

そこで、この冷態始動時にＥＣＵ３１により実行される位相角制御を図２のタイムチャートに基づいて説明する。
吸気バルブ７ａの開閉タイミングは、タイミング可変機構８により図中の（１）〜（３）の範囲内で調整され、一方、排気バルブ７ｂの開閉タイミングは図に示す位置に固定されている。まず、エンジン停止時において、吸気バルブ７ａの開閉タイミングは、図中の（１）に示す最も遅角した最遅角位置に保持され、吸気上死点ＴＤＣ以降に吸気バルブ７ａが開弁し始めるようになっている。この開弁のタイミングは、排気バルブ７ｂが閉弁されるタイミングとほぼ一致しているため、吸気バルブ７ａと排気バルブ７ｂとの開弁オーバラップはほぼ０である。

運転者にてイグニションスイッチがスタート操作されると、この位相位置でエンジン１のクランキングが開始されると共に、ＥＣＵ３１により点火時期制御や燃料噴射制御が実行される。このようにクランキング時に吸排気の開弁オーバラップを０としているため、噴射された燃料は排気側に通り抜けることなく燃焼されると共に、エンジン１が容易にクランキングされて初爆に至る。

ここまでの位相角制御は温態始動と冷態始動で共通のものである。そして、ＥＣＵ３１により冷却水温Ｔw等に基づいて温態始動と判定されたときには、始動完了後もアイドル運転が継続されている限り、吸気バルブ７ａの開閉タイミングは最遅角位置に保持され続け、車両の発進等によりエンジン回転速度Ｎeやスロットル開度ＴＰＳが増加すると、それに応じて進角側に制御される。

一方、冷態始動時には、初爆から２secほど待機した後に吸気バルブ７ａの開閉タイミングが進角側に制御されて、図中の（２）の位置に移行される。進角側への制御により、吸気バルブ７ａは上死点ＴＤＣより僅かに先行して開弁し始めるようになる。よって、排気バルブ７ｂとの間に開弁オーバラップが形成され、このオーバラップ期間のほとんどは、上死点ＴＤＣの後側（以下、吸気行程範囲という）に位置することになる。

この冷態始動時においては、吸気ポート１１に噴射された燃料の蒸化が促進されないことから、燃料は吸気バルブ７ａの裏側や吸気ポート１１の内壁に付着し、閉弁期間中に自重により下方のバルブシート付近に液状となって溜まっている。この傾向は、点火を確実にするための燃料増量により一層顕著なものとなっている。そして、上記のように吸気行程範囲で吸気バルブ７ａが開くと、燃料は液状のままピストン１６の下降に伴って筒内に流入し、圧縮行程を経て燃焼行程で燃焼した後に、排気行程で排気側に排出されることになる。つまり、オーバラップ期間を排気行程に形成する特開平１１−３３６５７４号公報に記載の従来技術のように、筒内に流入した液状燃料がそのまま排気側に排出される事態が未然に防止される。

又、上記のように吸気バルブ７ａの開弁が上死点ＴＤＣより僅かに先行するため、上死点ＴＤＣの前側（以下、排気行程範囲という）にもごく短時間のオーバラップ期間が存在するが、この期間中に液状燃料が排気側に通り抜けたとしても、続く吸気行程範囲で筒内に引き戻されて、確実に蒸化・燃焼される。更に、この時点では未だエンジン温度が低くて燃焼が安定しないが、オーバラップが比較的小さくて内部ＥＧＲが発生し難いことから、一旦排気側に排出された後に筒内に逆流する排ガス量が少なく、始動後の回転の維持・上昇が容易となる。

上記した位相は初爆から所定時間継続され、その後、吸気バルブ７ａの開閉タイミングは更に進角側に制御されて、図中の（３）の最進角位置に保持される。よって、吸排気バルブ７ａ，７ｂの開弁オーバラップは進角側に大幅に増大されて、排気行程範囲まで完全に含むことになる。
このときの排気バルブ７ｂが閉弁するタイミングは上死点ＴＤＣ以降であり、且つ、初爆から数行程を経たこの時点では、エンジン回転速度Ｎeの上昇に伴って吸気ポート１１側に十分な負圧が発生することから、内部ＥＧＲが増大して、一旦排気側に排出された排ガス（排気行程の終期に排出された未燃ＨＣを多く含む排ガス）が吸気ポート１１内に逆流する。逆流した排ガスは次回の燃焼行程で燃焼されると共に、排ガスからの受熱により吸気ポート１１が昇温されて次回の噴射燃料の蒸化を促進することから、液状燃料の排気側への排出が確実に防止される。

その後、所定時間が経過すると、吸気バルブ７ａの開閉タイミングは遅角されて、図中の（１）に示す始動開始時の状態に戻される。その結果、吸排気バルブ７ａ，７ｂの開弁オーバラップが縮小されて、内部ＥＧＲの減少により燃焼が安定化され、円滑なアイドル運転が実現される。
このように本実施形態の可変バルブタイミング装置では、冷態始動の開始直後において、吸排気バルブ７ａ，７ｂの開弁オーバラップを吸気行程範囲に形成することにより（図２中の（２））、吸気ポート７ａ内の液状燃料をピストン１６の下降に伴って筒内に流入させて確実に燃焼させ、液状燃料がそのまま排出される事態を防止している。従って、オーバラップ期間を排気行程に形成する従来技術のように、筒内に流入した液状燃料がそのまま排出される事態を未然に防止でき、もって、冷態始動時の未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる。

尚、本実施形態では、吸気バルブ７ａの開閉タイミングを図２中の（１），（２），（３）の順に変化させたが、始動当初から（２）の位置に保持して、（２），（２），（３）の順に変化させるようにしてもよい。この場合でも、上記と同じく吸気ポート７ａ内の液状燃料を確実に燃焼させて、未燃ＨＣの排出を抑制することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明を別の可変バルブタイミング装置に具体化した第２実施形態を説明する。本実施形態の可変バルブタイミング装置は、吸気バルブ７ａに加えて排気バルブ７ｂの開閉タイミングも可変可能としたものであり、その他の構成は第１実施形態と同一である。従って、共通の構成部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。

図１に示すように、排気カム軸３ｂと排気側のタイミングプーリ４ｂとの間には、吸気側と同様のタイミング可変機構４１が設けられ、このタイミング可変機構４１はＯＣＶ４２を介してＥＣＵ３１に接続されている。冷態始動時において、タイミング可変機構４１は吸気側のタイミング可変機構８と共にＥＣＵ３１により位相角を制御され、以下、その制御状況を図３のタイムチャートに基づいて説明する。

まず、エンジン停止時においては、吸気バルブ７ａの開閉タイミングが図中の（４）に示す最遅角位置に保持される一方、排気バルブ７ｂの開閉タイミングが図中の（７）に示す最進角位置に保持され、両者の開弁オーバラップは完全に０となっている。
この位相位置でエンジン１のクランキングが開始され、２secほど経過後に、吸気バルブ７ａの開閉タイミングが図中の（５）に示すように進角側に制御されると共に、排気バルブ７ｂの開閉タイミングが図中の（８）に示すように遅角側に制御される。結果として両者の間にはオーバラップが形成され、第１実施形態の場合（図２中の（２））と同じく、オーバラップ期間のほとんどは吸気行程範囲に位置する。よって、吸気ポート１１内に溜まった液状の燃料は、ピストン１６の下降に伴って筒内に流入して確実に燃焼され、液状のまま排出される事態が防止される。

その後、初爆から所定時間が経過すると、吸気バルブ７ａの開閉タイミングが図中の（６）に示すように更に進角側に制御されると共に、排気バルブ７ｂの開閉タイミングが進角側に制御されて図中の（７）の位置に戻る。よって、吸排気バルブ７ａ，７ｂの開弁オーバラップのほとんどが排気行程範囲に位置することになり、排気バルブ７ｂの早期開弁により筒内温度のピーク付近の排ガスが排出され、後燃え効果により触媒２０の早期活性化が実現される。

このように本実施形態の可変バルブタイミング装置は第１実施形態と同じく、冷態始動の開始直後に吸排気バルブ７ａ，７ｂの開弁オーバラップを吸気行程範囲に形成するため（図３中の（５）と（８））、吸気ポート１１内の液状燃料を確実に燃焼させて、未燃ＨＣの排出を確実に抑制することができる。
又、吸気バルブ７ａに加えて排気バルブ７ｂの開閉タイミングを可変可能としたため、オーバラップ期間の長さや位置を自由に設定できる。その結果、例えば、第１実施形態では吸気バルブ７ａの進角に伴って必然的にオーバラップが増大したが（図２中の（２）から（３））、本実施形態ではオーバラップを増大することなく吸気行程範囲から排気行程範囲に移動可能となり（図３中の（５），（８）から（６），（７））、結果として、その時々の運転状態に最適なオーバラップ量、即ち内部ＥＧＲ量を達成して、安定した燃焼を実現できるという効果もある。

尚、本実施形態では、始動の過程に応じて吸気バルブ７ａの開閉タイミングを図３中の（４），（５），（６）の順に変化させ、排気バルブ７ｂの開閉タイミングを（７），（８），（７）の順に変化させたが、その他の制御順序も考えられる。例えば、吸気バルブ７ａについては、上記第１実施形態の別例と同様に（５），（５），（６）の順に変化させてもよく、排気バルブ７ｂについては、（８），（８），（７）の順に変化させたり、（７），（８），（８）の順に変化させたりしてもよい。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、ベーン式のタイミング可変機構８を備えたが、タイミング可変機構の構成はこれに限らず、例えば、ヘリカル式のタイミング可変機構に代えてもよいし、カム軸に対するカムの偏心量を変更する偏心式のタイミング可変機構、或いは、異なる特性のカムを選択的に作動させる切換式のタイミング可変機構、電磁式アクチュエータによりバルブを直接的に開閉する電磁式のタイミング可変機構等に代えてもよい。

又、上記各実施形態では吸気管噴射型のエンジン１に適用したが、例えば、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンにも適用できる。この場合でも吸気行程範囲にオーバラップを形成することにより、上死点ＴＤＣ近傍で噴射された燃料をそのまま排出することなく確実に燃焼させることができ、結果として上記各実施形態と同様に未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

第１実施形態の可変バルブタイミング装置を示す全体構成図である。 第１実施形態の可変バルブタイミング装置による位相角制御の実行状況を示すタイムチャートである。 第２実施形態の可変バルブタイミング装置による位相角制御の実行状況を示すタイムチャートである。

符号の説明

７ａ 吸気バルブ
７ｂ 排気バルブ
３１ ＥＣＵ（バルブタイミング制御手段）

Claims (4)

1. 吸気管噴射型内燃機関の吸気バルブと排気バルブとの開弁期間のオーバラップを制御する可変バルブタイミング装置において、
   冷態時には、初爆後規定時間経過後はオーバラップを温態時における初爆後規定時間経過後アイドル運転継続時のオーバラップよりも増大させて上死点の前側となる排気行程範囲より上死点の後側となる吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成させてから上記排気行程範囲のオーバラップを増大させるバルブタイミング制御手段を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置。
2. 上記バルブタイミング制御手段は、上記増大されたオーバラップで且つ上記吸気行程範囲を多く含むオーバラップを形成する状態を所定時間継続させることを特徴とする請求項１記載の可変バルブタイミング装置。
3. 上記バルブタイミング制御手段は、上記冷態時には、クランキング開始から初爆後規定時間経過するまでオーバラップをほぼ０とすることを特徴とする請求項１記載の可変バルブタイミング装置。
4. 上記バルブタイミング制御手段は、上記排気行程範囲のオーバラップを増大させるに際して吸気行程範囲のオーバラップを減少させることを特徴とする請求項１記載の可変バルブタイミング装置。

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