JP2003074384A - 内燃機関の電磁吸気弁開弁誤差対処運転方法 - Google Patents

内燃機関の電磁吸気弁開弁誤差対処運転方法

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啓二 四重田
Masato Ogiso
誠人 小木曽
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の吸気弁が電磁駆動弁とされたとき
生ずる恐れのある開弁タイミングの標準特性よりのずれ
により機関作動制御において所期の制御効果が得られな
くなることを防止する。 【解決手段】 電磁駆動吸気弁を備えた内燃機関におい
て、吸気弁の開弁指令信号に対する開弁作動が所定の標
準特性より偏倚したとき、該偏倚により吸気装填状態が
変化することを内燃機関の運転制御に関するパラメータ
の少なくとも一つの修正により阻止する。修正を行うパ
ラメータは、該吸気弁の閉弁タイミングまたは該吸気弁
と共働する排気弁の閉弁タイミングであってよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の運転方
法に係り、特に電磁駆動吸気弁を備えた内燃機関の運転
方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】近年、内燃機関の分野においても、コン
ピュータ制御の発達に伴って、吸気弁あるいは排気弁
を、旧来からのクランク軸より同期駆動されるカム軸の
カムにて開閉駆動することに代えて、電磁アクチュエー
タにて開閉駆動し、それによって得られる開閉タイミン
グの自由度の拡大に応じて、内燃機関、特に車輌用内燃
機関の運転を種々の態様にて制御することが提案されて
きている。そのような運転制御の例は、特開２０００−
７３８００、同２００１−１８２５７０、同２００１−
１９３５０４の公報に記載されている。
【０００３】添付の図１は、本件出願人と同一人の出願
による上記特開２００１−１９３５０４の公報に図２と
して示されている電磁駆動吸気弁の概略断面図を略同様
に再現したものある。この図においで、２６は吸気ポー
トであり、弁座２００にて縁取られたその開口端が吸気
弁の弁体２８aにて開閉されるようになっている。弁体
２８aは弁軸２８bにより担持されており、弁軸２８bは
弁ガイド２０１により図にて上下に移動可能に案内され
ており、３０にて全体的に示された電磁駆動装置によ
り、弁体２８aは開弁位置と閉弁位置との間に移動され
るようになっている。
【０００４】電磁駆動装置３０は、ハウジング３００、
その中に組み込まれた閉弁用コア３０１、開弁用コア３
０２、閉弁用コイル３０３、開弁用コイル３０４、これ
らのコアおよびコイルにより構成された閉弁用電磁装置
と開弁用電磁装置の間に弁軸２８bにより担持されて移
動するアーマチュア３０５、コイル３０３と３０４のい
ずれもが通電されていないときアーマチュア３０５を図
示の如く両電磁装置間の中間位置に可撓的に位置決めす
る圧縮コイルばね３０６および３０７を有している。
【０００５】尚、図示の例では、電磁駆動装置３０に直
接組み付けられた構造にて、吸気弁リフトセンサ４０が
設けられている。このリフトセンサは電磁駆動装置３０
のハウジング３００に取り付けられたハウジング４０
０、同ハウジング内にあって弁軸２８bの上端に取り付
けられた円板状のターゲット４０１、このターゲットに
向かい合ってハウジング４００に取り付けられターゲッ
トの偏倚を検出するギャップセンサ４０２を有してい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の如き電磁駆動吸
気弁を備えた内燃機関は、その運転中、吸気ポートを閉
じるべきときには、吸気弁閉弁用コイル３０３に通電
し、吸気ポートを開くべきときには吸気弁開弁用コイル
３０４に通電するよう、適当な電気式運転制御装置によ
り、機関のクランク軸の回転位相に合わせて、これらの
閉弁用コイルおよび開弁用コイルへの通電を切換制御す
ればよい。
【０００７】しかし、かかるコアとコイルとアーマチュ
アとばねとからなる電磁駆動装置におけるアーマチュア
の偏倚は、力の不均衡による偏倚であり、カム駆動にお
けるカムの輪郭による偏倚のごとき位置規制による偏倚
ではないので、弁の開閉を指示する電気的指令信号に対
する弁の開閉作動には、その都度、標準特性よりの偏倚
が生ずるおそれがある。特に開弁時には、弁体は弁座に
密着して着座した状態にあり、両者の間にはその大きさ
がばらつきやすい摩擦力が作用している。特に環状の弁
座に弁体の環状肩部が両者の中心軸線に沿って当接係合
する内燃機関の吸気弁や排気弁においては、弁体を弁座
に押し当てたとき両者間に作用する摩擦力は、両者間の
同心度によって大きく異なるので、この種の弁を閉弁状
態から開かんとする開弁時に弁に作用する摩擦抗力は、
同一の設計になる弁であっても、複数の製品の間でばら
つき、また同一の弁においても、開閉作動ごとにばらつ
く恐れがある。しかるに、吸気弁の開弁タイミングは一
部にて排気弁の閉弁タイミングと重なることから、その
開弁特性の僅かの違いも、吸気装填状態の変化を経て機
関の作動性能に影響し、吸気弁開弁タイミングが僅かで
も制御目標値よりずれると、機関の作動制御において所
期の制御効果が得られなくなる恐れがある。
【０００８】尚、弁が電磁駆動弁とされたときの弁と弁
座の係合摩擦のばらつきによる開弁作動の標準特性から
の偏倚は、排気弁が電磁駆動弁とされるときにも同様に
生ずる。しかし排気弁における開弁作動は吸気弁の開弁
とも閉弁とも重ならないので、その開弁特性の僅かのば
らつきは、内燃機関の運転制御上、特に問題とはならな
い。
【０００９】本発明は、内燃機関の吸気弁が電磁駆動弁
とされた場合に生ずる恐れのある上記の問題に想到し、
この問題を予め解決しておくことを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するも
のとして、本発明は、電磁駆動吸気弁を備えた内燃機関
の運転方法にして、該吸気弁の開弁指令信号に対する開
弁作動が所定の標準特性より偏倚したとき、該偏倚によ
り吸気装填状態が変化することを内燃機関の運転制御に
関するパラメータの少なくとも一つの修正により阻止す
ることを特徴とする内燃機関運転方法を提案するもので
ある。
【００１１】前記の修正を行うパラメータは、該吸気弁
の閉弁タイミングであってよい。あるいはまた、前記の
修正を行うパラメータは該吸気弁と共働する排気弁の閉
弁タイミングであってもよい。
【００１２】
【発明の作用および効果】上記の如く、内燃機関の吸気
弁が電磁駆動弁とされ、吸気弁が電気的開弁指令信号に
応じて開弁されるとき、吸気弁は必ずしも該開弁指令信
号に対応した所定の標準開弁特性にて開いたとはみなさ
ず、吸気弁の実際の開弁作動を当該開弁指令信号に対す
る開弁作動の所定の標準特性と比較してその偏倚を検出
し、該偏倚により吸気装填状態が変化することを阻止す
るよう、内燃機関の運転制御に関するパラメータの少な
くとも一つを修正するようにすれば、吸気弁の実際の開
弁作動が開弁指令信号に対する所定の標準特性よりずれ
ることにより吸気装填状態に予定値よりのずれを来たし
て内燃機関が所期の制御効果を発揮しなくなることを防
止することができる。
【００１３】この場合、前記の修正を行うパラメータと
してこれを吸気弁の閉弁タイミングとすれば、吸気弁の
開弁作動の標準特性からの偏倚により生じようとする吸
気装填状態の差異を吸気弁の閉弁タイミングの修正によ
り阻止することができる。あるいはまた、前記の修正を
行うパラメータを当該吸気弁と共働する排気弁の閉弁タ
イミングとし、吸気弁の開弁作動の標準特性からの偏倚
により生じようとする吸気装填状態の差異を、該排気弁
の閉弁タイミングの修正により回避することもできる。
【００１４】
【発明の実施の態様】図２は、電磁駆動吸気弁の開閉作
動における閉弁用コイルおよび開弁用コイルへの電流の
供給経過と、それに伴うバルブリフトの変化を例示する
線図である。弁が閉じられている時には、一般に、図示
の例の如く、閉弁用コイルには弁を閉弁状態に保持する
低レベルの保持電流が供給されている。そして弁が開か
れるべきときには、時点ｔ１にて保持電流が切られると
同時に、閉弁用コイルには保持を切り離すための逆電流
が時点ｔ２まで短時間かけられ、かかる逆電流によりア
ーマチュアは閉弁用電磁装置より離れやすくなり、弁体
は、ばねの作用により弁座との間の摩擦を伴った密着係
合より外れ、弁体と弁軸とアーマチュアとは一体となっ
てばねの力により図１に示されている如き中立位置へ向
けて移動し始める。次いで、時点ｔ３にて開弁用コイル
に通電が開始されると、アーマチュアは中立点を横切っ
て開弁方向へ進行し、中立点を過ぎた後は慣性と電磁吸
引力によりばねによる中立点への戻し付勢力に打ち勝っ
て開弁用電磁装置へ向けて吸引され、時点ｔ４にて全開
位置に達する。開弁用コイルへの通電は、時点ｔ４より
低レベルの保持電流に切り換えられ、該保持電流は閉弁
指令信号が発せられる時点ｔ５まで維持される。
【００１５】時点ｔ５にて閉弁指令信号が発せられる
と、開弁用コイルにおける保持電流はここで停止され、
同時に開弁用コイルにはアーマチュアを保持状態より引
き離すための逆電流が時点ｔ６まで短時間供給される。
アーマチュアはこれよりばねの力にて中立位置へ向けて
移動し始める。そして時点ｔ７にて閉弁用コイルへの通
電が開始されると、閉弁用電磁装置からの吸引力を受け
たアーマチュアは中立点を越えた後、ばねによる戻し力
を克服しつつ時点ｔ８にて全閉位置に達し、ここで閉弁
用コイルへの電流は低レベルの保持電流に下げられる。
【００１６】かかる図２の線図において、閉弁用コイル
および開弁用コイルに対する実線にて示す如き通電経過
が吸気弁に対する指令信号であり、これに対し実線にて
示されているバルブリフトの経過が同指令信号に対する
弁の開閉作動の標準特性である。ところが、弁体が弁座
に密着して着座している状態においては、上記の如くそ
れが開弁に対して呈する摩擦抵抗にばらつきがあるた
め、同じ開弁指令信号に対しても、ある場合には時点ｔ
１からｔ４に至る開弁作動は、図中破線にて示されてい
る如く標準特性より偏倚することがある。図示の例は弁
体と弁座の間の摩擦係合状態が標準状態よりも緩く、時
点ｔ１にて閉弁用コイルに通されていた保持電流が解除
されて逆電流が通されたとき、開弁が標準特性における
よりも早く始まる例である。かかる開弁作動の標準特性
よりのばらつきは、弁体が弁座との摩擦係合より外れる
までの時間差によるので、バルブリフトが０より立ち上
がる瞬間の早遅の差であり、従ってバルブリフトが立ち
上がるときの影響がなくなるようなある低リフトＬ１以
上においては、破線による開弁作動特性は実線による標
準作動特性を時間軸に沿ってほぼ平行移動させたものと
なる。従って、各開弁時の開弁作動が標準作動特性より
どれほど偏倚しているかは、弁が開く途中においてバル
ブリフトがＬ１の如き初期の立上がり領域を過ぎた任意
の所定バルブリフトに達する時点を対応する標準特性に
よる場合の時点と比較してその時差Δｔにより検出する
ことができる。
【００１７】尚、そのような偏差は、上記の通りそれに
基づいて内燃機関の運転制御に関する何らかのパラメー
タを修正するために用いられるので、可及的に早期に検
出されるのが好ましく、したがって上記偏差は、標準特
性からの偏倚が明確になるバルブリフトであってＬ１の
如き比較的小さい所定のバルブリフトに達した時点にて
標準特性に沿う対応時点との対比より求められるのが好
ましい。
【００１８】また弁体と弁座の摩擦係合のばらつきによ
る開弁作動の標準特性よりの偏倚は、上記の通り凡そ標
準特性曲線を時間軸に沿って平行移動したものとなるの
で、かかる偏倚に対し吸気装填状態を一定に維持するに
は、閉弁作動の特性曲線を同様に時間軸に沿って平行移
動させればよいことが分かる。したがって上記の修正を
行うパラメータが吸気弁閉弁タイミングとされるときに
は、該修正は吸気弁に対する閉弁指令信号を前記の時差
に対応して時間的にずらせばよい。
【００１９】尚、排気弁が電磁駆動弁とされたときの開
弁時における弁と弁座の係合摩擦のばらつきによる開弁
作動の標準特性からの偏倚も同様に生ずるが、排気弁の
開弁作動は吸気弁の開弁とも閉弁とも重ならないので、
内燃機関の運転制御上さして問題とはならない。一方、
排気弁については、その閉弁タイミングの制御により吸
気行程における排気ガス再循環率の制御ができるという
局面がある。これは、内燃機関が少なくとも幾分かの排
気ガス再循環を伴って運転されるときには、上記の吸気
弁開弁作動の標準特性よりのずれを、排気弁の閉じタイ
ミングの修正により補償できることを意味する。したが
って上記の吸気弁開閉作動の標準特性よりの偏倚に対す
る修正を行うパラメータの他の一つとして、排気弁の閉
弁タイミングを採用することが可能である。
【００２０】更にまた、図１に示されている如き電磁駆
動弁に弁の開閉リフトを変更する構成を組み込めば、弁
の開閉リフトを上記の修正用パラメータとして修正制御
することにより、吸気弁開閉作動の標準特性よりの偏倚
に対する修正を行うことができる。
【００２１】図３は、車輌用内燃機関でおいて本発明の
内燃機関運転方法を実施する制御構成を本発明に係る構
成要素のみについて示す概略図である。かかる車輌用内
燃機関においては、内燃機関の運転制御は車輌運転制御
装置により行われる。図にて車輌運転制御装置１００は
マクロコンピュータを備えた制御装置であり、それには
運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するア
クセル開度センサ１よりアクセル開度を示す信号、機関
回転数センサ２より内燃機関の回転数を示す信号、車速
センサ３より車速を示す信号、縦加速度センサ４より車
輌の前後方向の加速度を示す信号、機関冷却水温センサ
５より内燃機関の温度状態を示す信号、クランク軸角度
センサ６よりクランク軸の回転位置を示す信号、吸気弁
リフトセンサ７（図１の例では４０）より吸気弁の開度
を示す信号、排気弁リフトセンサ８より排気弁の開度を
示す信号が供給される。車輌運転制御装置１００はこれ
らの入力値信号により与えられる車輌および内燃機関の
運転状態に関する情報に基づいて時々刻々に内燃機関を
どのように運転すべきかを判断し、内燃機関の吸気通路
に設けられた絞り弁９、内燃機関の吸気中に燃料を噴射
する燃料噴射弁１０、内燃機関の点火栓を作動させる点
火コイル１１、吸気弁閉弁用コイル１２（図１の例では
３０３）、吸気弁開弁用コイル１３（同３０４）、排気
弁閉弁用コイル弁１４、排気弁開弁用コイル１５の作動
を制御する。
【００２２】かかる制御構成により吸気弁の開閉が図２
に示す要領にて行われるときには、車輌運転制御装置１
００は、センサ１〜８からの信号により得られる車輌お
よび内燃機関の運転状態と、該制御装置内に予め組み込
まれた制御プログラムや制御マップに基づいて、車輌の
運転、特にこの場合、内燃機関の運転についての制御演
算を行い、通常数十ミリセカンドのサイクルタイムにて
逐次絞り弁９以下の作動要素へ制御信号を送ってそれら
の作動を制御する。
【００２３】特に本発明にかかわる内燃機関運転制御に
おいては、各気筒に対し設けられた吸気弁閉弁用コイル
１２および吸気弁開弁用コイル１３に対する電流の供給
を図２に実線にて示す要領により制御することにより各
吸気弁の開閉作動を制御せんとするとき、先ず制御演算
結果に基づいて吸気弁閉弁用コイル１２への電流を時点
ｔ１にて保持電流より逆電流に切り換え、それを時点ｔ
２まで維持し、次いで吸気弁リフトセンサ７からの信号
に基づき、そのバルブリフトがＬ１になった時点を検出
し、該時点を時点ｔ１およびｔ２に基づき吸気弁バルブ
リフトが標準特性に従ってＬ１に達するはずの時点に対
比させて、時差Δｔを算出することが行われる。
【００２４】そして制御装置１００は、この時差を直ち
にフィードフォワード的に使用して、当該吸気弁の閉弁
にあたって吸気弁開弁用コイル１３の保持電流を切る時
点ｔ５およびそれに逆電流を付与する期間の終点を定め
る時点ｔ６を上記の時差に対応させて図中破線にて示さ
れている如く修正し、また吸気弁閉弁用コイル１２に対
する閉弁用電流の通電開始時点ｔ７および通電終了時点
ｔ８を同時差に基づいて同じく図中破線にて示されてい
る如く修正する。
【００２５】あるいはまた、吸気弁の開弁作動における
上記の時差に対する補償を排気ガス再循環を伴う内燃機
関運転において排気弁の閉弁作動の修正により行うとき
には、図２の例の如く吸気弁の開弁作動が標準特性より
早く生じた場合には、図２において一点鎖線にて示され
ている如き排気弁の閉弁作動におけるその時の標準特性
を図中二点鎖線にて示されている如く遅らせ、吸気行程
の初期においてシリンダ室内への吸気の流入に対し排気
の流入を相対的に増大させることにより、吸気弁の閉弁
作動が図にて実線にて示されている如く標準特性に従っ
たまま行われても、吸気弁の開弁作動が標準特性より早
く行われたことにより吸気の過剰吸入が生ずることを抑
制する。
【００２６】以上においては本発明を二つの実施例につ
いて詳細に説明したが、上記の弁リフトによる修正を含
み、本発明の範囲内にて他に種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁駆動吸気弁とそれに組み付けられた吸気弁
リフトセンサの一つの構造例を示す解図的断面図。
【図２】吸気弁の開閉にあたって吸気弁閉弁用コイルお
よび吸気弁開弁用コイルに対し行われる通電と、それに
対応して吸気弁に生ずるバルブリフトの変化の典型例を
示す線図。
【図３】車輌用内燃機関において本発明の内燃機関運転
方法を実施する場合の制御構成を本発明に関与する構成
要素のみについて例示する概略図。
【符号の説明】
２６…吸気ポート ２８a…弁体 ２８b…弁軸 ３０…電磁駆動装置 ３００…ハウジング ３０１…閉弁用コア ３０２…開弁用コア ３０３…閉弁用コイル ３０４…開弁用コイル ３０５…アーマチュア ３０６、３０７…圧縮コイルばね ４０…吸気弁リフトセンサ ４００…ハウジング ４０１…ターゲット ４０２…ギャップセンサ
フロントページの続き (72)発明者 白谷 和彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 勝間田 正司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 四重田 啓二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 小木曽 誠人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 西田 秀之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G018 AB09 BA38 CA12 EA02 EA05 EA17 EA22 EA35 FA01 FA06 FA07 GA02 GA03 3G092 AA11 BA01 DA01 DA02 DA08 DG09 FA06 HA13X HE01Z HE10Z HF08Z HF21Z

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電磁駆動吸気弁を備えた内燃機関の運転方
    法にして、該吸気弁の開弁指令信号に対する開弁作動が
    所定の標準特性より偏倚したとき、該偏倚により吸気装
    填状態が変化することを内燃機関の運転制御に関するパ
    ラメータの少なくとも一つの修正により阻止することを
    特徴とする内燃機関運転方法。
  2. 【請求項２】前記の修正を行うパラメータは該吸気弁の
    閉弁タイミングであること特徴とする請求項１に記載の
    内燃機関運転方法。
  3. 【請求項３】前記の修正を行うパラメータは該吸気弁と
    共働する排気弁の閉弁タイミングであることを特徴とす
    る請求項１に記載の内燃機関運転方法。
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