JP2004169612A - 内燃機関の可変動弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気バルブの作動特性を変化させて吸気量を制御する方式で、過渡運転中の燃費特性を向上する。
【解決手段】吸気バルブの作動角と共にリフト量を可変制御する機構において、目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴ０から目標開時期ＴＧＩＶＯを算出すると共に実作動角ＲＥＥＶＥＮＴから実開時期ＲＥＩＶＯを算出し（Ｂ１〜Ｂ１０）、実開時期ＲＥＩＶＯから目標開時期ＴＧＩＶＯを減算して求めた開弁時期偏差ＤＬＩＶＯを（Ｂ１１）、前記アクセル開度と機関回転速度に基づいて算出した目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴ０に加算し（Ｂ１２）、加算された目標作動角ＴＧＥＶＮＴに基づいてバルブリフト量を制御する（Ｂ１３〜Ｂ１４）。
【選択図】 図１１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気バルブなどの機関バルブ作動特性を可変制御する可変動弁制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、吸気バルブのリフト量を目標リフト量となるように実際のリフト量を検出しつつフィードバック制御する技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−７２０３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、フィードバック制御についての詳細な開示は無いが、一般のフィードバック制御に従えば、目標リフト量が決定されると共に、制御ゲインが決定され、目標と実際のリフト量偏差及び制御ゲインによって制御量が算出され、該制御量によって目標リフト量となるように制御されることになる。したがって、目標と実際のリフト量偏差が大きいときは制御量が大きくなり、リフト量偏差が小さいときは制御量が小さくなる。すなわち、目標リフト量に近づくにつれて徐々に制御量が減少することになる。
【０００５】
しかしながら、このような従来一般のフィードバック制御によれば、制御過渡時の制御量は、上記リフト量偏差が支配的になるため、目標リフト量に到達するまでの間、各時点の運転状態に対しては、最良となる燃費特性を考慮して制御されておらず、したがって、燃費向上に改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、制御過渡中にも最適な燃費性能を確保できる内燃機関の可変動弁制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、機関バルブのバルブ作動特性が目標バルブ作動特性に収束するまでの過渡時の制御を、燃費特性に影響を与えるパラメータに基づいて行う構成としたことにより、過渡運転中も燃費特性の良いバルブ作動特性に制御することができ、燃費を可及的に向上できる。
【０００８】
具体的には、機関運転状態に基づいて設定した目標バルブ作動特性か、または該目標バルブ作動特性と実際のバルブ作動特性に基づき設定される制御量を、燃費特性に影響を与えるパラメータに基づいて補正することにより、燃費特性の良いバルブ作動特性に制御することができる。
【０００９】
より具体的な発明としては、機関運転状態に基づいて設定された吸気バルブの目標作動角に応じた目標開弁時期と、該吸気バルブの目標開弁時期と実際の開弁時期との偏差を算出し、前記目標作動角を前記偏差に基づいて補正して最終的な目標作動角を設定し、該設定された目標作動角となるように実際の作動角を制御する構成とし、これにより、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期とで定まるバルブオーバラップ量により残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を適量に調整して燃費の良いバルブ作動特性に制御することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図であり、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。
【００１１】
燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カム軸１１０に軸支されたカム１１１によって一定のバルブリフト量及びバルブ作動角（開時期から閉時期までのクランク角）を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０５は、可変バルブリフト機構１１２によってバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変えられるようになっている。なお、バルブリフト量とバルブ作動角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。
【００１２】
同じく吸気側には、前記クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構２０１及び該吸気側カム軸の回転位置を検出するための吸気側カム角センサ２０２が吸気側カム軸の両端部に設けられる。
【００１３】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１１４は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０５の開特性によってアクセル開度ＡＣＣに対応する目標吸入空気量が得られるように、アクセルペダルセンサＡＰＳ１１６で検出されるアクセルペダルの開度等に応じて前記電子制御スロットル１０４、可変バルブリフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構２０１を制御する。
【００１４】
前記コントロールユニット１１４には、前記アクセルペダルセンサＡＰＳ１１６、後述する回転角センサ１２７、前記吸気側カム角センサ２０２の他、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９等からの検出信号が入力される。
【００１５】
また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、前記コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
【００１６】
図２〜図４は、前記可変バルブリフト機構１１２の構造を詳細に示すものである。
図２〜図４に示す可変バルブリフト機構は、一対の吸気バルブ１０５，１０５と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３（駆動軸）と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５（駆動カム）と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０５，１０５の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。
【００１７】
前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。
【００１８】
上記ロッカアーム１８，１８，リンクアーム２５，２５，リンク部材２６，２６が伝達機構を構成する。
前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。
【００１９】
また、前記偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００２０】
前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。
また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。
【００２１】
前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。
【００２２】
前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。
【００２３】
また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。
【００２４】
即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００２５】
また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００２６】
更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
【００２７】
尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。
【００２８】
上記構成において、制御軸１６の軸心Ｐ２と制御カム１７の軸心Ｐ１との位置関係によって、図６，７に示すように、バルブリフト量が変化することになり、前記制御軸１６を回転駆動させることで、制御カム１７の軸心Ｐ１に対する制御軸１６の軸心Ｐ２の位置を変化させる。
【００２９】
前記制御軸１６は、図１０に示すような構成により、ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２１によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０５のバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変化する（図９参照）。
【００３０】
図１０において、ＤＣサーボモータ１２１は、その回転軸が制御軸１６と平行になるように配置され、回転軸の先端には、かさ歯車１２２が軸支されている。
一方、前記制御軸１６の先端に一対のステー１２３ａ，１２３ｂが固定され、一対のステー１２３ａ，１２３ｂの先端部を連結する制御軸１６と平行な軸周りに、ナット１２４が揺動可能に支持される。
【００３１】
前記ナット１２４に噛み合わされるネジ棒１２５の先端には、前記かさ歯車１２２に噛み合わされるかさ歯車１２６が軸支されており、ＤＣサーボモータ１２１の回転によってネジ棒１２５が回転し、該ネジ棒１２５に噛み合うナット１２４の位置が、ネジ棒１２５の軸方向に変位することで、制御軸１６が回転されるようになっている。
【００３２】
ここで、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６に近づける方向が、バルブリフト量が小さくなる方向で、逆に、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６から遠ざける方向が、バルブリフト量が大きくなる方向となっている。
【００３３】
前記制御軸１６の先端には、図１０に示すように、制御軸１６の回転角を検出するポテンショメータ式の回転角センサ１２７が設けられており、該回転角センサ１２７で検出される実際の回転角が目標回転角に一致するように、前記コントロールユニット１１４が前記ＤＣサーボモータ１２１をフィードバック制御する。ここで、制御軸１６の回転角制御によってバルブリフト量とバルブ作動角とは同時に変えられるので、回転角センサ１２７はバルブ作動角を検出すると同時にバルブリフト量を検出するものである。
【００３４】
かかる可変バルブ機構により吸気バルブ１０５のバルブ作動特性を変更して吸気量を制御するが、本発明では制御過渡中にも最良な燃費特性を確保できるように、前記吸気バルブ１０５をフィードバック制御する。
【００３５】
以下に、コントロールユニット１１４による前記吸気バルブ１０５のフィードバック制御の第１の実施形態を、図１１のブロック図に従って説明する。
ブロック１（図ではＢ１と記す。以下同様）では、アクセルペダルセンサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＣＣとクランク角センサ１１７によって検出された機関回転速度Ｎｅとに基づいて目標トルクを算出し、該目標トルクに対応する前記可変バルブリフト機構１１２の目標制御量すなわち前記制御軸１６の目標回転角ＴＧＶＥＬ０を設定する。
【００３６】
ブロック２では、前記目標回転角ＴＧＶＥＬ０を吸気バルブ１０５の目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴに変換する。
ブロック３では、前記目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴにゲイン１／２を乗じて、目標作動角中心から目標開弁時期までのクランク角を算出する。
【００３７】
ブロック４では、前記可変バルブタイミング機構２０１の停止状態でのクランク角位置から前記ブロック３で算出されたクランク角を減算して、該停止状態での吸気バルブの目標開弁時期ＴＧＩＶＯＢを算出する。ここで、前記可変バルブタイミング機構２０１の停止状態では、吸気側カム軸は最も遅角された位置にセットされ、可変バルブタイミング機構２０１が作動されると機関運転状態に基づいて設定された制御量だけ進角される。
【００３８】
ブロック５では、アクセル開度ＡＣＣと機関回転速度Ｎｅ等に基づいて可変バルブタイミング機構２０１作動時の目標制御量ＴＧＶＴＣ０を設定する。
ブロック６では、前記目標開弁時期ＴＧＩＶＯＢから前記目標制御量ＴＧＶＴＣを減算して、可変バルブタイミング機構２０１作動時の目標開弁時期ＴＧＩＶＯを算出する。
【００３９】
上記吸気バルブ１０５の目標開弁時期ＴＧＩＶＯを算出するのと同様にして、実際の開弁時期ＲＥＩＶＯを以下のように算出する。
ブロック７では、回転角センサ１２７により検出された前記制御軸１６の実回転角ＲＥＶＥＬを吸気バルブ１０５の実作動角ＲＥＥＶＥＮＴに変換し、ブロック８で前記実作動角ＲＥＥＶＥＮＴにゲイン１／２を乗じて実作動角中心から実開弁時期までのクランク角を算出し、この値をブロック９で可変バルブタイミング機構２０１の停止状態でのクランク角位置から減算した後、さらにブロック１０で可変バルブタイミング機構２０１の実制御量ＶＴＣＮＯＷを減算して、吸気バルブ１０５の実開弁時期ＲＥＩＶＯを算出する。
【００４０】
そして、ブロック１１では、燃費特性に影響を与えるパラメータとして、前記実開弁時期ＲＥＩＶＯから前記目標開弁時期ＴＧＩＶＯを減算して開弁時期偏差ＤＬＩＶＯを算出する。固定された排気バルブ閉時期ＥＶＣと吸気バルブの開弁時期ＩＶＯとでバルブオーバラップ量が定まり、該バルブオーバラップ量と相関する残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を機関運転状態に見合った量に設定することにより、最良の燃費が得られる。機関運転状態に基づいて設定した目標作動角と実作動角とに基づいて通常制御を行うと、過渡時に残留ガス量の遅れが大きくなる。そこで、燃費特性に影響を与えるパラメータとして前記開弁時期偏差ＤＬＩＶＯを算出し、この偏差ＤＬＩＶＯを減少する補正を行う。
【００４１】
すなわち、ブロック１２では、前記機関運転状態に基づいて設定された吸気バルブの目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴ０に前記偏差ＤＩＶＯを加算して補正した最終的な目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴを算出する。
【００４２】
ブロック１３では、前記目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴを、可変バルブリフト機構１１２の制御軸１６の最終的な目標回転角ＴＧＶＥＬに変換する。
ブロック１４では、前記目標回転角ＴＧＶＥＬと前記回転角センサ１２７で検出された実際の回転角ＲＥＶＥＬとに基づいてＰＩＤ制御により制御量ＶＥＬＤＵＴＹを設定し、前記ＤＣサーボモータ１２１に出力する。
【００４３】
このようにすれば、吸気バルブの目標作動角が、前記目標開弁時期と実開弁時期との偏差ＤＩＶＯ分増大補正されるため、バルブリフト量及び作動角が目標値に収束するまでの過渡時においても開弁時期ＩＶＯを過渡中の運転状態変化に見合うように遅れなく目標値近傍に制御することができる。これにより、該吸気バルブの開弁時期ＩＶＯと排気バルブの閉弁時期ＥＶＣとで定まるバルブオーバラップ量により内部ＥＧＲ量を運転状態に見合った量として、最良の燃費特性に沿って制御することができる。
【００４４】
特に、市街地走行など運転状態が煩雑に変化する状態のときは、絶えず目標バルブ作動特性が変化するため、制御過渡状態の時間が長くなるので、上記制御を行うことにより、中低速走行時の燃費特性が飛躍的に向上する。
【００４５】
なお、上記実施形態では、目標作動角ＴＧＥＶＥＮＴに偏差ＤＩＶＯをそのまま加算して補正する構成としたが、偏差ＤＩＶＯに係数Ｋを乗じた値を加算して補正する構成としてもよい。
【００４６】
上記実施形態では、目標作動角を補正するものを示したが、目標作動角は補正せず、目標作動角と実作動角とに基づいて設定される制御量を補正することで、同様の効果を得ることもできる。
【００４７】
図１２は、上記構成による第２の実施形態のブロック図を示す。図において、第１の実施形態同様にブロック１〜１１で開弁時期偏差ＤＬＩＶＯを算出し、ブロック１４で、ブロック１で算出した目標回転角ＴＧＶＥＬ０と実回転角ＲＥＶＥＬとに基づいてＰＩＤ制御により制御量ＶＥＬＤＵＴＹを設定する際に、前記開弁時期偏差ＤＬＩＶＯに基づいて設定した比例ゲインＰを用いる。ここで、開弁時期偏差ＤＬＩＶＯの絶対値が大きいときほど、比例ゲインＰが大きい値に設定される。これにより、第１の実施形態同様にバルブリフト量及び作動角が目標値に収束するまでの過渡時においても開弁時期ＩＶＯを過渡中の運転状態変化に見合うように遅れなく目標値近傍に制御することができ、燃費特性を向上させることができる。
【００４８】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜請求項３のいずれか２つに記載の内燃機関の可変動弁制御装置において、可変制御されるバルブ作動特性は、バルブリフト量、作動角及びバルブタイミングであることを特徴とする。
【００４９】
このようにすれば、きめ細かくバルブ作動特性を可変制御しながら、過渡運転中の燃費特性を最良とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変動弁制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。
【図２】可変バルブ機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】上記可変バルブ機構の側面図。
【図４】上記可変バルブ機構の平面図。
【図５】上記可変バルブ機構に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図６】上記可変バルブ機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図７】上記可変バルブ機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。
【図８】上記可変バルブ機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図９】上記可変バルブ機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図１０】上記可変バルブ機構における制御軸の回転駆動機構を示す斜視図。
【図１１】第１実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。
【図１２】第２実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。
【符号の説明】
１３…カム軸 １５…偏心カム １６…制御軸 １７…制御カム
１８…ロッカアーム ２０…揺動カム ２５…リンクアーム １０１…内燃機関 １０４…電子制御スロットル １０５…吸気バルブ １１２…可変バルブリフト機構 １１４…コントロールユニット １１５…エアフローメータ １１６…アクセルペダルセンサ １１７…クランク角センサ
１１８…スロットルセンサ １２１…ＤＣサーボモータ（アクチュエータ） １２７…回転角センサ １３０…吸気ポート ２０１…可変バルブタイミング機構 ２０２…吸気側カム角センサ

Claims (3)

1. 機関バルブのバルブ作動特性を目標バルブ作動特性となるように可変制御する内燃機関の可変動弁制御装置であって、
   前記実際のバルブ作動特性が前記目標バルブ作動特性に収束するまでの過渡時の制御を、燃費特性に影響を与えるパラメータに基づいて行うことを特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。
2. 前記過渡時の制御を、機関運転状態に基づいて設定した目標バルブ作動特性、または該目標バルブ作動特性と実際のバルブ作動特性に基づき設定される制御量を、燃費特性に影響を与えるパラメータに基づいて補正することにより行うことを特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。
3. 吸気バルブのバルブ作動特性を目標バルブ作動特性となるように可変制御する内燃機関の可変動弁制御装置であって、
   機関運転状態に基づいて設定された吸気バルブの目標作動角に応じた目標開弁時期と、該吸気バルブの目標開弁時期と実際の開弁時期との偏差を算出し、前記目標作動角を前記偏差に基づいて補正して最終的な目標作動角を設定し、該設定された目標作動角となるように実際の作動角を制御することを特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。

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