JP2004346825A

JP2004346825A - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP2004346825A
Application number: JP2003144625A
Authority: JP
Inventors: Shigeteru Shindo; 茂輝新藤; Maki Chokai; 真樹鳥海; Tsuneyasu Nohara; 常靖野原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: US20040231624A1; CN1573032A; CN100354510C; JP4092490B2; US6990937B2

Abstract

【課題】可変バルブタイミング機構３０の作動不良時に、バルブオーバーラップが与えられていると、過度な残留ガスにより燃焼安定性が低下し、始動不良や失火等を招くおそれがある。
【解決手段】吸気弁１８のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構３０と、吸気弁の作動角・バルブリフト量を変更する可変バルブリフト機構２０と、を備える。可変バルブタイミング機構３０の作動不良を検出すると、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期に対して一致又は遅角するように、可変バルブリフト機構２０を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸・排気弁のバルブリフト特性を変更可能な２つの可変動弁機構を備えた可変動弁装置に関し、特に、一方の可変動弁機構の作動不良時のフェールセーフ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の出力や燃費の向上を図るために、従来より、吸・排気弁のバルブリフト特性を変更可能な様々な可変動弁機構が提案されている。例えば、特許文献１には、複数の気筒群のそれぞれに、吸・排気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を設けた装置において、一つの可変バルブタイミング機構の作動不良が検出された場合、気筒群間のトルクバランスを保持するように、他の可変バルブタイミング機構のバルブタイミングを、作動不良が検出された可変バルブタイミング機構の実バルブタイミングに強制的に一致させている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−９８９１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、所定の吸気弁又は排気弁に対して、そのバルブリフト特性を変更可能な複数の可変動弁機構を適用した場合、一つの可変動弁機構が作動不良となると、その吸・排気弁のバルブリフト特性を望ましい特性とすることができなくなり、例えば機関始動時や急減速時に、不用意にバルブオーバーラップが与えられて残留ガスが過大となり、始動不良や失火を防ぐのに十分な燃焼安定性が得られなくなるおそれがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、吸気弁又は排気弁に対し、そのバルブリフト特性を変更可能な複数の可変動弁機構を適用した装置であって、１つの可変動弁機構の作動不良が検出された場合に、他の可変動弁機構を利用して、始動不良や失火を回避するのに十分な機関運転性・燃焼安定性を確保するものである。すなわち、第１可変動弁機構の作動不良が検出されると、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期に対して一致又は遅角するように、第２可変動弁機構を駆動制御する。
【０００６】
【発明の効果】
第１可変動弁機構の作動不良時に、第２可変動弁機構を駆動制御してバルブオーバーラップを無くすことができるため、バルブオーバーラップにより残留ガスが過度に与えられるおそれがなく、始動不良や失火等を回避するのに十分な機関運転性・燃焼安定性を確保することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１を参照して、この内燃機関では各気筒毎に一対の吸気弁１８が設けられ、これら吸気弁１８に対し、そのバルブリフト特性を変更可能な２つの可変動弁機構、具体的には、吸気弁１８のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）３０と、吸気弁１８の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更可能な可変バルブリフト機構（ＶＥＬ）２０と、が適用されている。
【０００８】
吸気カムシャフト１９は、プーリ又はスプロケットを介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、このクランクシャフトの回転に連動して自身の軸回りに回転する。この吸気カムシャフト１９には、吸気弁１８のバルブリフタ１７の上方に、吸気弁１８を開閉する揺動カム２１が揺動自在に外嵌・支持されている。
【０００９】
可変バルブリフト機構２０は、吸気カムシャフト１９に偏心して固定又は一体形成された円形の偏心カム２３と、吸気カムシャフト１９と平行に気筒列方向へ延びる制御軸２４と、この制御軸２４に偏心して固定又は一体形成された円形の制御カム２５と、この制御カム２５に揺動可能に外嵌すて取り付けられるロッカーアーム２６と、このロッカーアーム２６の一端と偏心カム２３とを連携するリング状の第１リンク２７と、ロッカーアーム２６の他端と揺動カム２１の先端とを連携するロッド状の第２リンク２８と、制御軸２４の回転角度を変更するアクチュエータとしての電動式のＶＥＬ変換デバイス２２と、を有している。第１リンク２７の一端は偏心カム２３に回転可能に外嵌して取り付けられている。
【００１０】
クランクシャフトに連動して吸気カムシャフト１９が回転すると、偏心カム２３に嵌合する第１リンク２７の一端が吸気カムシャフト１９の軸心に対して回転変位して、この第１リンク２７が全体としてほぼ並進作動し、この第１リンク２７に連携するロッカーアーム２６及び第２リンク２８を介して揺動カム２１が所定の揺動角度範囲内で揺動する。この揺動カム２１がバルブリフタ１７を押し下すことにより、吸気弁１８が開閉する。
【００１１】
そして、ＶＥＬ変換デバイス２２により制御軸２４の回転角度を変更すると、ロッカーアーム２６の揺動中心となる制御カム２５の中心が制御軸２４の軸心に対して回転変位し、リンク２７，２８を介して揺動カム２１の初期姿勢（揺動範囲の中心位相）が変化する。これにより、クランク角度に対する吸気弁の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気弁の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。
【００１２】
このような可変バルブリフト機構２０は、ロッカーアーム２６や各リンク２７，２８が吸気カムシャフト１９の周囲に集約されており、コンパクトで機関搭載性に優れている。また、偏心カム２３と第１リンク２７との軸受部や、制御カム２５とロッカーアーム２６との軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすいことに加え、リターンスプリング等の付勢手段を敢えて必要とせず、耐久性，信頼性にも優れている。更に、実質的に直動式の動弁レイアウトとなっているため、簡素かつコンパクトな構成で回転限界の向上を図ることができる。
【００１３】
可変バルブタイミング機構３０は、上記の特開平５−９８９１６号公報にも開示されているように公知であり、ヘリカルスプラインを利用した形式やベーン形式が良く知られている。簡単に説明すると、クランクシャフトと連動して回転するカムプーリ（又はスプロケット）を含む外部回転体３１と、この外部回転体３１の内部に収容され、吸気カムシャフト１９と一体的に回転する内部回転体と、を有し、油圧式のＶＴＣ変換デバイス３２により両回転体を互いに回動することにより、クランク角に対する吸気弁の作動角の中心位相すなわち吸気中心角を進角・遅角するものである。
【００１４】
エンジンコントロールユニット１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、後述するような各種制御処理を記憶及び実行する機能を有している。このエンジンコントロールユニット１には、水温センサからの信号２、エアフローメータからの吸入空気量信号３、スロットルセンサからの信号４，クランク角度センサからの信号５、排気通路に設けられる酸素センサからの信号６、回転信号７、油温センサからの信号８、制御軸２４の回転角度を検出するＶＥＬ角度検出センサ１５からの信号１１、及び吸気カムシャフト１９の回転角度を検出するカム角度センサ１６からの信号１２等の車両運転状態を表す様々な検出信号が入力される。これらの信号に基づいて、エンジンコントロールユニット１は、燃料噴射装置、点火装置、ＶＥＬ変換デバイス２２及びＶＴＣ変換デバイス３２等の各種アクチュエータへそれぞれ制御信号９，１０，１３，１４を出力し、その動作を制御する。
【００１５】
図３は、本発明の第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ（ステップ）１１では、機関運転状態に応じて、ＶＴＣ３０による吸気中心角の目標値である目標変換角を決定する。この目標変換角は、クランク角に対する吸気カムシャフト１９の位相差の目標値ｔ１（図２参照）に相当する。Ｓ１２では、上記ＶＴＣ３０の目標変換角に対応する制御信号をＶＴＣ変換デバイス３２へ出力し、ＶＴＣ３０を目標変換角へ向けて駆動制御する。
【００１６】
Ｓ１３では、何らかの理由によりＶＴＣ３０が正常に作動しない状態、つまりＶＴＣ３０の作動不良を検出する（作動不良検出手段）。例えば、クランク角度センサ信号５とカム角度センサ信号１２とに基づいて、ＶＴＣ３０の実変換角を検出・演算し、この実変換角と上記の目標変換角とを比較して、作動不良の検出・判定を行う。上記の実変換角は、クランク角度センサ信号に対するカム角センサ信号の差ｔ２（図２参照）、つまりクランク角に対するカムシャフトの位相差に相当する。このｔ２とｔ１とが一致せず、その差が所定値を越えると、ＶＴＣ３０が作動不良であると判断して、Ｓ１４以降へ進み、ＶＥＬ２０によるバルブオーバーラップの回避制御を行う。また、ここでは図示していないが、警告ランプ等により運転者にＶＴＣ３０が作動不良であることを警告する。
【００１７】
Ｓ１４では、クランク角度センサ信号５とカム角度センサ信号１２とに基づいて、ＶＴＣ３０の作動不良位置、すなわち吸気中心角θを算出する。この吸気中心角θは、図４に示すように、ＶＴＣ３０の初期位置である最遅角位相θ０に対する進角側への角度であり、進角するほど大きな値となる。
【００１８】
続くＳ１５では、吸気弁開時期ＩＶＯが排気弁閉時期ＥＶＣに一致（又は遅角）するように、つまり吸気弁と排気弁とが同時に開弁するバルブオーバーラップ区間４１（図４参照）が無くなるように、ＶＥＬ２０の目標作動角を算出する。Ｓ１６では、Ｓ１５で算出した目標作動角に対応する制御信号をＶＥＬ変換デバイス２２へ出力し、ＶＥＬ２０を目標作動角へ向けて駆動制御する。
【００１９】
例えば図４に示すように、バルブオーバーラップ４１が存在する状態で、ＶＴＣ３０の作動不良が検出された場合、ＩＶＯがＥＶＣへ向けて遅角するように、ＶＥＬ２０を小作動角・小バルブリフト側へ駆動制御する。
【００２０】
このような本実施例によれば、ＶＴＣ３０の作動不良を検出した場合に、ＶＥＬ２０を駆動制御してバルブオーバーラップ４１を速やかに無くしているので、機関始動時や急ブレーキ等により機関回転数が急激に低下する急減速時にも、バルブオーバーラップ４１により残留ガスが過剰に付与されることがなく、始動不良や失火を回避するのに十分な機関運転性・燃焼安定性を得ることができる。
【００２１】
また、ＶＥＬ変換デバイス２２が応答性に優れた電動式であるため、作動不良時にもオーバーラップを速やかに無くすことができる。
【００２２】
図５は、本発明の第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１１〜Ｓ１４までの処理は第１実施例と同様である。すなわち、Ｓ１１ではＶＴＣ３０の目標変換角を決定し、Ｓ１２では目標変換角へ向けてＶＴＣ３０を駆動制御し、Ｓ１３においてＶＴＣ３０の作動不良を検出するとＳ１４へ進み、ＶＴＣ３０の作動不良位置に対応する吸気中心角θを算出する。
【００２３】
続くＳ２１〜Ｓ２４では、バルブオーバーラップが生じることのない範囲で、吸気弁閉時期ＩＶＣが下死点ＢＤＣに近づくように、ＶＥＬ２０の駆動制御を行う。
【００２４】
すなわち、Ｓ２１では、作動不良位置としての吸気弁の吸気中心角θが基準中心角θ１以上であるかを判定する。この基準中心角θ１は、排気弁の閉時期ＥＶＣから下死点ＢＤＣまでの角度範囲の中間の角度であり、図６（ｂ）に示すように、ＩＶＯがＥＶＣに一致するとともにＩＶＣがＢＤＣに一致し得る吸気中心角に相当する。
【００２５】
図６（ａ）に示すように、吸気中心角θが基準中心角θ１よりも進角している場合（θ＞θ１）、ＩＶＯとＥＶＣとが一致する吸気作動角のときにＩＶＣがＢＤＣよりも進角することとなる。従って、仮にＩＶＣをＢＤＣに近づけるために吸気作動角を増加していくと、ＩＶＯがＥＶＣよりも進角してバルブオーバーラップが与えられるおそれがある。そこで本実施例では、吸気中心角θが基準中心角θ１よりも進角している場合、Ｓ２２へ進み、第１実施例のＳ１５と同様、ＩＶＯがＥＶＣに対してほぼ一致（又は遅角）するように、ＶＥＬ２０の目標作動角を算出する。
【００２６】
図６（ｃ）に示すように、吸気中心角θが基準中心角θ１よりも遅角している場合（θ＜θ１）、ＩＶＯとＥＶＣとが一致する吸気作動角のときに、ＩＶＣがＢＤＣよりも遅角することとなる。従って、ＩＶＣをＢＤＣに一致させるために吸気作動角を小さくしていくと、ＩＶＯがＥＶＣから遅角側へ離れていき、いわゆるマイナスオーバーラップ４２が増加していくものの、バルブオーバーラップが生じることはない。従って、このように吸気中心角θが基準中心角θ１よりも進角している場合には、Ｓ２３へ進み、ＩＶＣがほぼ下死点ＢＤＣなるように、ＶＥＬ２０の目標作動角を算出する。そしてＳ２４では、Ｓ２２又はＳ２３で算出された目標作動角へ向けてＶＥＬ２０の駆動制御を行う。
【００２７】
このような第２実施例によれば、上記第１実施例と同様の効果が得られることに加え、バルブオーバーラップを与えることなく、ＩＶＣをＢＤＣに近づけることができ、実圧縮比を上げて燃焼安定性を更に向上することができる。
【００２８】
上述したＶＴＣ作動不良時における図３，図５の制御処理は、全ての機関運転領域で行うようにしても良く、あるいは特定の機関運転領域でのみ行うようにしても良い。例えば、機関始動時では、ＶＴＣ３０の作動不良により所望のバルブリフト特性が得られなくなると始動不良を招くおそれがある。従って、機関始動時、あるいは機関始動時を含む所定の運転領域でのみ、図３，図５の制御処理を行うようにしても良い。
【００２９】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、ＶＥＬの作動不良を検出し、ＶＥＬの作動不良が検出された場合には、バルブオーバーラップをなくすようにＶＴＣを駆動制御するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の可変動弁装置を示す概略斜視図。
【図２】可変バルブタイミング機構の作動不良検知を説明するためのタイムチャート。
【図３】本発明の第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図４】第１実施例の作用説明図。
【図５】本発明の第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図６】第２実施例の作用説明図。
【符号の説明】
１…エンジンコントロールユニット（制御手段）
２０…可変バルブリフト機構（第２可変動弁機構）
３０…可変バルブタイミング機構（第１可変動弁機構）

Claims

吸気弁又は排気弁のバルブリフト特性を変更可能な第１可変動弁機構及び第２可変動弁機構と、
上記第１可変動弁機構の作動不良を検出する作動不良検出手段と、
上記第１可変動弁機構の作動不良が検出された作動不良時に、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期に対して一致又は遅角するように、上記第２可変動弁機構を駆動制御する制御手段と、
を有する内燃機関の可変動弁装置。
上記第１可変動弁機構が、吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構であり、
上記第２可変動弁機構が、吸気弁の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更可能な可変バルブリフト機構である請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記可変バルブリフト機構が、クランクシャフトに連動して回転する吸気カムシャフトと、この吸気カムシャフトに揺動可能に取り付けられ、吸気弁を開閉させる揺動カムと、上記吸気カムシャフトに偏心して設けられた円形の偏心カムと、制御軸と、この制御軸に偏心して設けられた円形の制御カムと、この制御カムに回転可能に取り付けられたロッカーアームと、このロッカーアームの一端と偏心カムとを連携する第１リンクと、上記ロッカーアームの他端と揺動カムとを連携する第２リンクと、上記制御軸の回転角度を変更するアクチュエータと、を有する請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記制御手段は、上記作動不良時であって、かつ、吸気中心角が排気弁の閉時期から下死点までの区間の中間である基準中心角よりも遅角している場合、吸気弁の開時期を下死点に近づけるように、可変バルブリフト機構を駆動制御する請求項２又は３に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記制御手段は、上記作動不良時であって、吸気中心角が排気弁の閉時期から下死点までの区間の中間である基準中心角よりも進角している場合、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期とほぼ一致するように、可変バルブリフト機構を駆動制御する請求項２〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記作動不良時であって、かつ、機関始動時を含む所定の運転状態のときにのみ、上記制御手段による駆動制御が行われる請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。