(57)【要約】【課題】加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供する。【解決手段】２段過給システム２０を備えた内燃機関１０において、吸気弁１７ａの閉弁時期を遅角可能で、かつ、排気弁１７ｂの開弁期間全体を進角可能な可変動弁機構１８を備えて構成されると共に、この可変動弁機構１８を制御する制御装置３０が、エンジン回転速度Ｎｅと目標過給圧Ｐｔに応じて、吸気弁１７ａの開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行うように構成される。また、エンジン回転速度Ｎｅと、加速時の目標過給圧Ｐｔに応じて、排気弁１７ｂの開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行うように構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段過給システムを備えた内燃機関において、
吸気弁の閉弁時期を遅角可能で、かつ、排気弁の開弁期間全体を進角可能な可変動弁機構を備えて構成されると共に、該可変動弁機構を制御する制御装置が、エンジン回転速度と目標過給圧に応じて、前前記吸気弁の開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行うと共に、
【請求項２】
前記制御装置が、エンジン回転速度と、加速時の目標過給圧に応じて、前記排気弁の開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行うように構成される請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御装置が、前記吸気弁の閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行う際に、目標過給圧が大きくなるにつれて遅角量を大きくする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御装置が、前記排気弁の開弁時期を進角させる排気弁早開け制御を行う際に、過給圧を測定して、測定した過給圧と目標過給圧の差が大きくなるにつれて進角量を大きくする請求項１〜３にいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
２段過給システムを備え、吸気弁の閉弁時期を遅角可能で、かつ、排気弁の開弁期間全体を進角可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の制御方法において、
エンジン回転速度と目標過給圧に応じて、前記吸気弁の開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項６】
更に、エンジン回転速度と、加速時の目標過給圧に応じて、前記排気弁の開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行う請求項５に記載の内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、作動ガス量を低減させて、幅広い機関運転条件において高過給運転時のポンピングロスの悪化を回避でき、高過給条件においても高効率で運転することが可能になる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、車両に搭載されるディーゼルエンジンにおいては、機関の高出力化と低排ガスレベルを両立するために高過給運転が必須となっており、排気ターボシステムを適用している。この場合に、加速時におけるターボラグ（過給遅れ）の発生と、高過給化（高ブースト）による排気圧力の上昇という、システム上回避することのできない問題がある。
【０００３】
これに関連して、ターボ過給機を備えたエンジンの過給装置に関して、エンジンの発進・加速性を向上させるために、高段圧の小型ターボ過給機および低段圧の大型ターボ過給機を用いて、吸気通路には上流側から順に大型コンプレッサと小型コンプレッサとが直列に配設され、排気通路には上流側から順に小型タービンと大型タービンとが直列に配設されたエンジンの過給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この２段過給システムでは、加速時におけるターボラグの発生を回避するためには、比較的容量の小さい過給機を使用することが望ましいが、発進時以外の運転条件、特に作動ガス量が増加する機関高速回転速度領域では高効率で過給することが出来なくなり、排気圧力が過度に上昇するため機関性能が悪化する。従って、ターボラグの問題と排気圧力の上昇の問題を同時に解決することが困難となっている。
【０００５】
つまり、図１３〜図１６に、過給機容量の違いによる全負荷運転時の過給圧と排気圧力、及び、コンプレッサ作動点を示すが、排気ガス流量が最も多くなるエンジンの定格点にて過給機容量を設定した場合は、図１３及び図１４に示すように比較的大容量ターボを用いることになる。しかし、エンジン低速側では過給圧が低くなってしまい、また加速時においてはターボラグ（過給遅れ）が長期化するという問題が生じる。
【０００６】
一方、図１５及び図１６に示すように、比較的低流量タイプの過給機を設定する場合、ターボラグ（過給遅れ）は短縮されるが、高速運転側では高効率領域から過給作動点が外れてしまい、排気圧力が大幅に上昇するという問題が生じる。また、これに加えて過渡時に過給圧と排気圧力の上昇を抑えるためにタービン側にウエストゲートを設定する必要が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２１４４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することにある。
【０００９】
さらには、
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、２段過給システムを備えた内燃機関において、吸気弁の閉弁時期を遅角可能で、かつ、排気弁の開弁期間全体を進角可能な可変動弁機構を備えて構成されると共に、該可変動弁機構を制御する制御装置が、エンジン回転速度と目標過給圧に応じて、前記吸気弁の開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行うように構成される。
【００１１】
この構成によれば、吸気弁遅閉じ制御を実施することにより、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、作動ガス量を低減させて、幅広い機関運転条件において高過給運転時のポンピングロスの悪化を回避できるので、高過給条件においても高効率で運転することが可能になる。
【００１２】
上記の内燃機関において、前記制御装置が、エンジン回転速度と、加速時の目標過給圧に応じて、前記排気弁の開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行うように構成される。
【００１３】
また、加速時に、排気弁早開け制御を実施することにより、排気エンタルピを瞬時に増大させることができ、迅速にタービン回転速度を上昇させ、最小限のターボラグで目標過給圧に到達させることができる。
【００１４】
従って、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる。
【００１５】
上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記吸気弁の閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行う際に、目標過給圧が大きくなるにつれて遅角量を大きくするように構成されると、より吸気弁遅閉じ制御の効果が大きくなる。
【００１６】
上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記排気弁の開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行う際に、過給圧を測定して、測定した過給圧と目標過給圧の差が大きくなるにつれて進角量を大きくするように構成されると、より排気弁早開け制御の効果が大きくなる。
【００１７】
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御方法は、２段過給システムを備え、吸気弁の閉弁時期を遅角可能で、かつ、排気弁の開弁期間全体を進角可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の制御方法において、エンジン回転速度と目標過給圧に応じて、前記吸気弁の開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる吸気弁遅閉じ制御を行うことを特徴とする方法である。
【００１８】
上記の内燃機関の制御方法において、エンジン回転速度と、加速時の目標過給圧に応じて、前記排気弁の開弁期間全体を進角させる排気弁早開け制御を行う。これらの方法によれば、上記の内燃機関と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、吸気弁遅閉じ制御により、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる。
【００２０】
更に、加速時に、排気弁早開け制御を実施することにより、排気エンタルピを瞬時に増大させることができ、迅速にタービン回転速度を上昇させ、最小限のターボラグで目標過給圧に到達させることができる。
【００２１】
従って、この両方の制御を併用することにより、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関の気筒周辺の構成を示す図である。
【図３】本発明における吸気弁と排気弁の開閉のタイミングを模式的に示す図である。
【図４】本発明における吸気弁遅閉じ制御領域を模式的に示す図である。
【図５】本発明における吸気弁遅閉じ制御における、排気弁と吸気弁の開閉のタイミングを模式的に示す図である。
【図６】本発明における吸気弁遅閉じ制御のエンジン回転速度と吸気弁遅閉時量との関係を示す図である。
【図７】本発明における吸気弁遅閉じ制御を使用した場合のエンジン回転速度と過給圧、排気圧との関係を示す図である。
【図８】本発明における吸気弁遅閉じ制御を使用した場合の空気量とコンプレッサ圧力比との関係を示す図である。
【図９】本発明における排気弁早開け制御領域を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の排気弁早開け制御を使用した場合の加速時における排気弁と吸気弁の開閉のタイミングを模式的に示す図である。
【図１１】本発明における吸気弁遅閉じ制御と排気弁早開け制御の同時使用による、加速時における排気弁と吸気弁の開閉のタイミングを模式的に示す図である。
【図１２】本発明における吸気弁遅閉じ制御と排気弁早開け制御の同時使用による、加速時における過給応答性の改善の例を示す図である。
【図１３】従来技術の過給システムで大容量過給機を使用し、機関高速回転域でマッチングさせた場合の機関回転速度と過給圧、排気圧との関係を示す図である。
【図１４】従来技術の過給システムで大容量過給機を使用し、機関高速回転域でマッチングさせた場合の空気量とコンプレッサ圧力比との関係を示す図である。
【図１５】従来技術の過給システムで小容量過給機を使用し、機関低速回転域でマッチングさせた場合の機関回転速度と過給圧、排気圧との関係を示す図である。
【図１６】従来技術の過給システムで小容量過給機を使用し、機関低速回転域でマッチングさせた場合の空気量とコンプレッサ圧力比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、及び内燃機関の制御方法について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態のエンジン（内燃機関）１０は、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を備えている。また、エンジン本体１１には各気筒１５に、燃料噴射装置１６と、吸気通路１２に連通する部分に吸気弁１７ａと、排気通路１３に連通する部分に排気弁１７ｂと、これらの吸気弁１７ａと排気弁１７ｂを開閉弁操作するための可変バルブタイミングの可変動弁機構１８が設けられている。そして、この気筒１５にピストン１９が挿入されている。また、このエンジン１０は、低圧段ターボチャージャ（ターボ式過給器）２１と高圧段ターボチャージャ２２からなる２段過給システム２０を備えている。
【００２５】
そして、図１及び図２に示すように、大気から導入される空気（新気）Ａが、吸気通路１２において、エアクリーナ（図示しない）、低圧段ターボチャージャ２１の低圧段コンプレッサ２１ａ、高圧段ターボチャージャ２２の高圧段コンプレッサ２２ａ、インタークーラ２３、エンジン本体１１の吸気マニホールド１１ａと吸気弁１７ａを経由して、気筒１５内に送られて、燃料噴射装置１６より噴射された燃料と混合圧縮されて、燃料が着火及び燃焼することで、ピストン１９を押し下げて、クランク軸１９ａを回転させて、動力を発生する。
【００２６】
図１及び図２に示すように、この気筒１５内での燃焼により発生した排気ガスＧが、排気弁１７ｂと排気マニホールド１１ｂを経由して排気通路１３に流出し、その一部がＥＧＲクーラ２４とＥＧＲバルブ２５が設けられているＥＧＲ通路１４にＥＧＲガスＧｅとして分岐され、残りの排気ガスＧｏは高圧段タービン２２ｂ、低圧段タービン２１ｂを経由して後処理装置（図示しない）により浄化され、この浄化処理された排気ガスＧｏは、マフラー（図示しない）を経由して大気へ放出される。
【００２７】
また、エンジン１０を制御する制御装置３０を備える。この制御装置３０は、エンジン１０に備えた各種センサ、または、エンジン１０を搭載した車両に備えた各種センサの情報に基づいて、可変動弁機構１８を介しての吸気弁１７ａと排気弁１７ｂの開閉制御や燃料噴射装置１６の燃料噴射制御やＥＧＲバルブ２５の開度制御等の、エンジン１０の全般の制御や車両の全般の制御を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置である。
【００２８】
そして、本発明においては、図１及び図２に示すように、吸気マニホールド１１ａの内部の圧力を測定する圧力センサ（ＭＡＰセンサ：Ｍａｎｉｆｏｌｄ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  センサ）３１を設けて、制御装置３０が、この圧力センサ３１で過給圧Ｐｉｎを監視（モニター）できるようにする。
【００２９】
そして、この２つの過給機２０Ａ、２０Ｂを備えた高過給システムのエンジン１０において、可変動弁機構１８は、吸気弁１７ａと排気弁１７ｂの開閉タイミングにおいて、図３に示すように、吸気弁１７ａに対しては、通常のバルブ閉弁時期（ノーマルカムポジション：細線）Ａｎに対して、バルブ開弁時期はそのままで遅らせることなく、バルブ閉弁時期を中線Ａａや太線Ａｂで示すように、遅角することが可能に構成される。また、更に、排気弁１７ｂに対しては、通常のバルブ開閉弁時期（ノーマルカムポジション：細線）に対して、バルブ開閉弁時期の全体を中線Ｂａや太線Ｂｂで示すように、進角することが可能なように構成される。
【００３０】
また、制御装置３０は、動弁機構１８の制御において、予め設定された図４に示すようなマップデータに基づいて、ノーマルバルブ領域Ｒａｎでは、吸気弁１７ａにおいて、通常のバルブ閉弁時期の開閉制御を行い、予め設定された、吸気弁遅閉じ制御領域Ｒａｃでは、圧力センサ３１で過給圧Ｐｉｎを監視しながら、「エンジン回転速度Ｎｅ」と「目標過給圧Ｐｔ」に応じて、図５に示すように、吸気弁１７ａの開弁時期を進角させることなく、閉弁時期を遅角させる閉弁時期を遅角する吸気弁遅閉じ制御を実施するように構成される。なお、排気弁１７ｂは、ノーマルバルブ領域Ｒａｎと吸気弁遅閉じ制御領域Ｒａｃの両方の領域で、通常のバルブ閉弁時期の開閉制御を行う。
【００３１】
また、この遅角の度合いである遅閉じ量Δθ１は、例えば、図６に示すように、過給圧Ｐｉｎが大きい程大きくなるように制御される。この過給圧Ｐｉｎと遅閉じ量Δθ１の関係は、予め実験などにより設定しておくことができる。この関係は、図６では直線で示しているが、必ずしも直線とは限らず、実験的に求めることが好ましい。
【００３２】
例えば、吸気弁１７ａの開弁時期は従来技術と同様に、クランク角度で３２０度（°）ＡＴＤＣ〜３７０度ＡＴＤＣの範囲で開弁し、閉弁時期は従来技術のクランク角度で５４０度ＡＴＤＣ〜５９０度ＡＴＤＣの範囲から０度〜１００度程度、遅角させる。なお、吸気弁１７ａのリフト量は使用している可変動弁機構の機構により、閉弁時期を遅角させる場合において同じリフト量を維持できる場合もあり、異なる場合もある。
【００３３】
通常、高過給運転条件にて過渡的な排気圧力Ｐｏｕｔの増加を抑制するためには、排気タービン側にウエストゲートを設けて、最高回転速度を抑制することが必要になるが、図１５及び図１６に示すように高効率運転領域から外れてしまう。そこで、本発明では、吸気弁遅閉じ制御を実施することにより、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、作動ガス量を低減させて、高過給条件においても高効率で運転することを可能とする。これにより、幅広い機関運転条件において高過給運転時のポンピングロスの悪化を回避できる。従って、この吸気弁遅閉じ制御により、図７及び図８に示すように、幅広い機関運転条件において高効率で高過給を行うことが可能となり、ポンピングロスの悪化を回避できるようになる。
【００３４】
また、制御装置３０は動弁機構１８の制御において、加速時に、圧力センサ３１で過給圧Ｐｉｎを監視しながら、予め設定された図９に示すようなマップデータに基づいて、ノーマルバルブ領域Ｒｂｎでは通常のノーマルバルブ制御を行うが、排気弁早開け制御領域Ｒｂｃにある場合は、「エンジン回転速度Ｎｅ」と「過給圧Ｐｉｎと目標過給圧Ｐｔの差ΔＰ」に応じて、図１０及び図１１に示すように、排気弁１７ａの閉弁時期全体を進角させる排気弁早開け制御を実施するように構成される。この進角の度合いである可変位相量Δθ２は、過給圧Ｐｉｎと目標過給圧Ｐｔの差ΔＰが大きい程大きくなるように制御される。なお、この過給圧Ｐｉｎと目標過給圧Ｐｔの差ΔＰと可変位相量Δθ２の関係は、予め実験などにより設定しておくことができる。この関係は、図９では直線で示しているが、必ずしも直線とは限らず、実験的に求めることが好ましい。
【００３５】
また、図１０は吸気弁に関するノーマルバルブ領域Ｒａｎ（図４）にある場合を示し、図１１は吸気弁に関する吸気弁遅閉じ領域Ｒａｃ（図４）にある場合を示す。
【００３６】
例えば、排気弁１７ｂの開弁時期は従来技術のクランク角度で１２０度ＡＴＤＣ〜１７０度ＡＴＤＣの範囲から０度〜８０度程度進角させて開弁し、閉弁時期は従来技術のクランク角度で３６０度ＡＴＤＣ〜４００度ＡＴＤＣの範囲から、同じく０度〜８０度程度進角させて閉弁する。なお、排気弁１７ｂのリフト量は使用している可変動弁機構の機構により、開弁期間全体を進角させる場合において同じリフト量を維持できる場合もあり、異なる場合もある。
【００３７】
通常、エンジン加速時にはターボラグを最小限にするために，迅速にターボ回転数を増加する必要があり、そのためには、排気エンタルピを増加することが必要になるが、本発明の排気弁早開け制御は、排気エンタルピを増大させるためには有効な手段であるので、このときに、排気弁早開け制御を実施することにより、図１２に示す実施例と従来例の比較で示すように、排気エンタルピを瞬時に増大させることができる。従って、迅速にタービン回転速度を上昇させ、最小限のターボラグで目標過給圧Ｐｔに到達させることができるので、迅速に目標過給圧Ｐｔが得られるようになる。なお、図１２では、吸気弁遅閉じ制御と排気弁早開け制御の両方を実施した実施例と、両方を実施しない従来例とを比較している。
【００３８】
従って、上記の構成の内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、吸気弁遅閉じ制御により、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる。
【００３９】
更に、加速時に、排気弁早開け制御を実施することにより、排気エンタルピを瞬時に増大させることができ、迅速にタービン回転速度を上昇させ、最小限のターボラグで目標過給圧に到達させることができる。
【００４０】
従って、この両方の制御を併用することにより、加速時のターボラグを短縮して過給特性を改善すると共に、タービン側におけるウエストゲートの設定を不要にしたままで、エンジン運転領域の全体に亘って高効率で過給機を作動させることが可能となる
【符号の説明】
【００４１】
１０  ディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）
１１  エンジン本体
１１ａ  吸気マニホールド
１１ｂ  排気マニホールド
１２  吸気通路
１３  排気通路
１４  ＥＧＲ通路
１５  気筒（シリンダ）
１６  燃料噴射装置
１７ａ  吸気弁
１７ｂ  排気弁
１８  動弁機構
１９  ピストン
１９ａ  クランク軸
２０  ２段過給システム
２１  低圧段ターボチャージャ（ターボ式過給器）
２１ａ  低圧段コンプレッサ
２１ｂ  低圧段タービン
２２  低圧段ターボチャージャ（ターボ式過給器）
２２ａ  低圧段コンプレッサ
２２ｂ  低圧段タービン
２３  インタークーラ
３０  制御装置（ＥＣＵ）
３１  圧力センサ
Ａ  空気（新気）
Ｇ  排気ガス
Ｇｏ  排気ガス（ＥＧＲガス分が除かれた残りの排気ガス）
Ｐｉｎ  過給圧
Ｐｔ  目標過給圧
Ｒａｎ  ノーマルバルブ制御領域（吸気弁）
Ｒａｃ  吸気弁遅閉じ制御領域
Ｒｂｎ  ノーマルバルブ制御領域（排気弁）
Ｒｂｃ  排気弁早開け制御領域
Δθ１  遅閉じ量
Δθ２  可変位相量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2016061248.tif 000013
【図１２】
2016061248.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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