JP2007120327A - 内燃機関の可変動弁システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の可変動弁システムにおいて、カム軸と同期して回転している可変動弁機構にモータなどの電気的制御手段を装着し、モータの消費電力を低減する。
【解決手段】
カム軸タイミングプーリ１４は、うずディスク２１、リンク２２を介して、カム軸２０に接続されている。うずディスク２１は、モータ２３と一体になっている。モータ２３は、コイル３０、磁石３１、軸受２６、スリップリング２９、ブラシ保持器２７から構成されている。ＥＣＵ６からの電力が、ブラシ保持器２７、スリップリング２９を介して コイル３０に与えられる。コイル３０に加える電流を制御することによって、磁石３１と接続されているうずディスク２１が、コイル２４（カム軸タイミングプーリ１４）に対して回転運動を行い、カム軸タイミングプーリ１４に対するカム軸２０の位相を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、往復動エンジンの吸気弁、排気弁の可変動弁システムに係り、特に４ストロークおよび２ストロークのガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどに用いるのに好適なものである。

往復動エンジンの吸気弁、排気弁のリフト、タイミングを運転状態によって変える可変動弁システムは、エンジンの充填効率、有効圧縮比、残留ガスの量を制御し、エンジンの動力性能、エミッション性能を向上するため、近年、広く利用されている。ディーゼルエンジン、或いは、予混合圧縮着火エンジンでは、エンジンの圧縮行程に伴って生じるガスの温度上昇によって、噴射された燃料を自着火している。燃料の自着火は、温度が高く、圧力が高い条件でのみ行われる。燃料にもよるが、温度１０００K、圧力１MPa以上でないと自着火に至らない。

したがって、低温始動時においてはシリンダ壁の温度が低く、ガスの熱がシリンダに奪われるので、圧縮比を、例えば１５以上に高め、シリンダ内のガスの温度と圧力を高めないと、自着火が生ぜず、燃焼を達成することができない。しかし、エンジンの暖機が完了した時点では、高い圧縮比では、ピストンに作用する圧力が高いので機械摩擦損失が増大し、性能が低下しやすい。これを回避するためには、始動完了後は、圧縮比を15以下に低下させ、性能を向上するのが提案されている。

始動完了後は、シリンダ壁の温度が高くなり、圧縮比が低くてもシリンダ内混合ガスの熱がシリンダに奪われる割合が少なくなるので、ガスの温度、圧力が高くなり、自着火が行われる。圧縮比は、周知のように、ピストンのクリアランス容積を機械的に変えることによって、或いは、ピストンのストロークを機械的に変えることによって行われるが、機構が複雑になる。これに対して、吸気弁の閉じるタイミングを、クランク角に対して、遅らせるか、早めるかしても、圧縮始めのガスの質量を変えることができ、クランク角度に対する圧力、温度の上昇を遅らせることができる。すなわち、有効圧縮比を低下させることができる。

従来技術としては、２ストロークのディーゼルエンジンにおいて、エンジン始動時と判断されたときに、電動式の可変動弁装置（カムひねりタイプ）により、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）に近づけて、有効圧縮比を高めている。これで始動時の自着火を確保し、通常運転時はＩＶＣを遅らせて有効圧縮比を低下させて、燃費を低減させるものである。

これらの技術に対し、油圧式の可変動弁機構も開示されているが、低温始動時の応答性が低くなる問題があり、特に低温始動時の制御には電動式のアクチュエータが望ましい。電動モータによって回転しているカム軸の位相を変える場合、モータのケーシングがシリンダヘッドに固定されているほうがコイルへの給電が容易である。しかし、カム軸と同期して動いている可変動弁機構を駆動するのに、ボールベアリングなどを介在させて回転運動を吸収する必要がある（特許文献１）。または、モータのロータをカム軸と同期させて回転させなければならない。いずれも、操作に要する動力の他に摩擦損失などによって、多くの電力を消費する。

モータ本体、ケーシングを回転しているカム軸に搭載すると、カム軸の位相を変えるための電力を供給すればよいので、電力の消費の問題は解決される。これに関し、モータ（電磁ソレノイド、圧電式などのアクチュエータも含む）をカム軸に取り付ける構成も開示されている（特許文献２、特許文献３、特許文献４）。これらは、いずれも、スリップリングによって、カム軸に取り付けられたモータに電力を供給するようになっている。一方、電力の制御装置は、シリンダヘッドに固定されている。

なお、可変動弁機構としては、非特許文献１に開示されているような、油圧で動作するロータリベーンなどがある。

特開平１-３１５６３１号公報 特開平１１‐５０８２５号公報 特開平１０‐１２１９１９号公報 特開平３‐２０６３０７号公報 赤坂、三浦、ガソリンエンジン：燃費及び排出ガス低減に貢献する可変動弁機構の技術動向、自動車技術 Ｖｏｌ．５９， Ｎｏ．２， ２００５， ｐｐ３３−３８

しかし、従来のモータをカム軸の取り付けた可変動弁システムでは、減速装置がないので、モータの電流が大きく、スリップリング、ブラシが短時間で磨耗し、信頼性と耐久性の問題があった。
本発明の目的は、このような、スリップリング、ブラシの信頼性と耐久の問題によって生じる可変動弁システムの不都合を解決することにある。

特許文献１では、モータの回転をカム軸方向の線形運動に変え、線形運動をボールベアリングを介して、回転しているカム軸に伝達しているが、摩擦損失が大きい。また、減速装置がついているが、摩擦損失のため消費電力が大きく、上記の問題を解決するまでには至らない。
特許文献２，３では、カム軸に取り付けられた圧電素子に、ブラシ、スリップリングを介して、電力を供給している。圧電素子によってカム軸が直接駆動されるので、減速装置がなく、ブラシ、スリップリングの電流が大きい。

特許文献４では、カム軸に装着された電磁マグネットの、ブラシ、スリップリングを介して電力が供給される。電磁マグネットによって、カム軸に直結されたアーマチュアが動かされる。電磁マグネットによって、直接カム軸が動かされるので、減速装置がなく、電流が大きい。
また、特許文献２から４のブラシとスリップリングは、潤滑油が存在する雰囲気の露出しており、潤滑油の付着による導通不良の問題がある。

非特許文献１には、種々の可変動弁システムが提示されている。位相を変える調整機構（ＶＴＣ）、リフトを変える調整機構（ＶＥＬ）は、エレクトロニクスコントロールユニットの出力により制御される電気的制御手段（電動モータ、電磁石）によって直接駆動される。あるいは、電気的制御手段で動作する、油圧パワー手段によって間接的に駆動される。

この課題を解決するため、ある局面において、本発明は、吸気弁、排気弁の一方或いは両方に機械的に接続されたカム軸、前記カム軸と同期して回動し、外部給電装置から給電される電気的制御手段によってエンジンの運転状態に応じて前記吸気弁、排気弁の一方或いは両方の開または閉タイミングを制御する調整機構を有する可変動弁システムであって、前記電気的制御手段は減速機構を介して前記調整機構を制御するように構成したことを特徴とする可変動弁システムを提供するものである。
これによって、電気的制御手段の駆動電流が少なくなり、スリップリング、ブラシの不具合を解決することができる。

この課題を解決するため、ある局面において、本発明は、 前記電気的制御手段は、エンジン回転と同期して回動する第１の部材と、前記カム軸に連結される前記減速機構と同期して回動する第２の部材と、前記第１の部材または前記第２の部材に電気的に接続され前記外部給電装置から給電を受ける摺動部材とを有し、前記第１の部材または前記第２の部材は電磁コイルよりなり、前記可変動弁システムは前記電磁コイルに電力を供給する主回路素子およぶエンジンの運転状況に応じて前記主回路素子を制御する制御素子を有し、前記主回路素子を前記第１の部材または前記第２の部材に取り付けたことを特徴とする可変動弁システムを提供するものである。
これによって、電気的制御手段の電流が少なくなると共に、スリップリング、ブラシの個数が低減し、スリップリング、ブラシの不具合を解決することができる。

この課題を解決するため、ある局面において、本発明は、回転している前述の電気的制御手段に電力を供給するためのブラシとスリップリングを潤滑油から保護するためのシールを具備したことを特徴とする可変動弁システムを提供するものである。
これによって、電気的制御手段の電流が少なくなると共に、スリップリング、ブラシが、潤滑油の付着によって導通不良になることが防止され、スリップリング、ブラシの信頼性の不具合を解決することができる。

この課題を解決するため、ある局面において、本発明は、回転している前述の電気的制御手段に位相に関する信号を検出する手段を具備したことを特徴とする可変動弁システムを提供するものである。
カム軸とカム軸タイミングプーリの相対位置をポテンショメータ、差動トランスなどによって直接測定することができるので、位相差の分解能が高まり、制御の応答性が向上し、制御電流が低減され、スリップリング、ブラシの不具合を解決することができる。

本発明によれば、信頼性と耐久性に優れた可変動弁システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施例について図を用いて説明する。まず、４ストロークエンジンの可変動弁システムについて、図１を参照しながら説明する。エンジン１のクランク軸２は、図中、時計方向に回転している。ビストン３が、最も下に位置する状態が、下死点（ＢＤＣ）の状態で、クランク角度で１８０度とする。クランク軸２が回転し、ピストン３が、最も高い位置に達したときが上死点（ＴＤＣ）の状態で、このときのクランク角度は３６０度である。

通常のディーゼル燃焼の場合は、燃料は、燃料噴射弁４から、シリンダ内に噴射され、ガスの高温によって自着火し、燃焼する。予混合圧縮着火の場合は、吸気行程に、噴射弁４から燃料を噴射し、シリンダの充填空気と良く混合しておく。ピストン３が上昇すると、シリンダ内の予混合気の温度、圧力が上昇し、混合気が自着火し、燃焼に至る。噴射弁３の燃料噴射タイミングは、クランク角センサ５の信号に応じ、エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）６によって制御される。

ガソリンエンジンの場合は、吸気行程に、噴射弁４から燃料を噴射し、シリンダの充填空気と良く混合しておく。ピストン３が上昇すると、シリンダ内の予混合気の温度、圧力が上昇し、混合気が点火プラグによって着火され、燃焼に至る。
また、始動時には、スタータ７をクランク軸２に結合させ、クランク軸２を回転させる。さらに、始動時には、グロープラグ８に電流を印加し、グロープラグ８の温度を高めて、燃料の蒸発を促進し、自着火を支援する。触媒コンバータ３０１によって排気を浄化する。

吸気弁９と排気弁１０は、エンジン１の上部に配置され、それぞれ、吸気カム１１、排気カム１２によって駆動される。吸気カム１１は、カム軸２０、リフト位相可変タイプの可変動弁機構（ＶＴＣ）１３を介して、カム軸タイミングプーリ１４に接続されている。クランク軸２の回転は、タイミングベルト、或いはタイミングチェーンなどを介して、カム軸タイミングプーリ１４に伝えられる。水温センサ１５の信号は、ＥＣＵ６に入力される。ＶＴＣ位相差センサ２８の信号もＥＣＵ６に入力される。４ストロークエンジンの場合、クランク軸２が回転すると、２分の１の回転でカム軸タイミングプーリ１４が回転し、ＶＴＣ１３の定められた位相差でもって、吸気カム１１が回転し、２回転に一回、吸気弁９の開動作を行い、空気をシリンダに吸入する。

また、カム軸タイミングプーリ１４が回転すると、それに接続されている排気カム１２が回転し、２回転に一回、排気弁１２の開動作を行い、既燃ガスをシリンダから排出する。吸気弁９の上流の吸気システム２０には、吸入空気量を測定するためのエアフローセンサ１７、ターボチャージャ１８、及び排気還流弁（ＥＧＲ）１９が配置されている。

図２に、通常の４ストロークディーゼルエンジンにおける、吸気弁９と排気弁１０の開閉のタイミングを示す。排気弁１０は、排気行程の始め、クランク角度−１８０度で開かれる。このタイミングをＥＶＯとする。排気弁１０は、排気行程の終わりに閉じられる。このタイミングをＥＶＣとする。吸気弁９は、吸気行程の始め、クランク角度０度の近くで開かれる。このタイミングをＩＶＯとする。吸気弁９は吸気行程の終わりのＢＤＣの近くで、閉じられる。このタイミングをＩＶＣと称する。

ディーゼルエンジンの場合は、圧縮行程の終わりごろ、ＴＤＣの前で、自着火が生じる。ガソリンエンジンの場合は、点火プラグで混合気に着火する。ＩＶＣをＢＤＣより早めると、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下する。また、ＩＶＣをＢＤＣより遅らせると、シリンダに充填されたガスが、再度、吸気システム１６の方に戻され、シリンダの充填ガスの質量が低下し、有効圧縮比が低下する。

２ストロークエンジンの場合は、図３に示すごとく、１回転（３６０度）でサイクルが完了するので、クランク角度１８０度の間に、４ストロークに相当する吸気行程と、圧縮行程が行われる。次の１８０度で、膨張行程と排気行程が行われる。ディーゼルエンジンの場合。ＴＤＣの前で自着火が行われる。一回転に一回、吸気弁９と排気弁１０の開動作が行われるので、２ストロークの場合は、図１において、カム軸タイミングプーリ１４は、クランク軸２と同じ回転数で駆動される。システムのその他の構成要素は、４ストロークの場合の要素を流用することができる。ＩＶＣをＢＤＣに近づけると、ガスの質量が多い状態で圧縮されるので、有効圧縮比が高くなる。また、ＩＶＣをＢＤＣに対して遅らせると、吸気システム１６の圧力が一定の場合、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下する。

図４に電気的制御手段であるＶＴＣ１３の一実施例を示す。カム軸タイミングプーリ１４は、うずディスク２１、リンク２２を介して、カム軸２０に接続されている。うずディスク２１は、モータ２３と一体に取り付けられている。モータ２３は、コイル３０、磁石３１、軸受２６、スリップリング２９、ブラシ保持器２７から構成されている。
ＥＣＵ６からの電力が、ブラシ保持器２７、スリップリング２９を介して コイル３０に与えられる。コイル３０に加える電流を制御することによって、磁石３１と接続されているうずディスク２１が、コイル２４に対して、すなわち、カム軸タイミングプーリ１４に対して回転運動を行う。

コイル３０は、カム軸タイミングプーリ１４に接続されているケーシング３２の内部に取り付けられる。したがって、モータ２３が回転すると、カム軸タイミングプーリ１４に対するうずディスク２１の位相が変化する。この位相は、センサ２８（図１ではｖｔｃ位相差センサ２８）によって検出され、信号がスリップリングを介してＥＣＵに送られる。スリップリング２９は、モータ２３と一緒に回転する。ブラシ保持器２７はシリンダヘッドに固定されている。
ＥＣＵ６には、エンジン回転速度と負荷の信号が入力される。これらの信号と、位相差センサ２８の信号をベースに、モータ２３の回転が制御される。

図５に示すように、うずディスク２１が、カム軸タイミングプーリ１４に対して回転すると、リンク２２の外側端がうずディスクの溝３１４内を摺動する。図５において、リンク２２の外側端が時計方向に移動するほど溝の中心との距離が大きくなる。言い換えると、うずディスク２１が時計方向に回転すると中心との距離が増大する。

一方。リンク２２の外側端は、カム軸タイミングプーリ１４に対して、溝３１３によって動きが制約されている。周方向には動けず、半径方向のみの摺動を行う。リンク２２の外側端はうずディスク２１の溝３１４に沿って摺動する。うずデスク２１がカム軸タイミングプーリ１４に対して回転すると、溝３１３内でリンク２２の外側端は半径方向の摺動を行う。うずディスク２１が反時計方向に回転すると、リンク３１２の外側端は、中心からの距離が大きく方向に移動する。
リンク２２の内側端はカム軸２０に接続されている。リンク２２の外側端が半径方向に沿って、溝３１３内を半径が大きい方向に移動すると、リンク２２の長さは変わらないので、カム軸２０は図５においてカム軸タイミングプーリ１４に対して時計方向に移動する。リンク２２の外側端が、溝３１３において、半径方向の小さい方向に摺動すると、カム軸２０は、図５において、カム軸タイミングプーリ１４に対して反時計方向に移動する。

うずディスク２１が回転しても、溝３１４の半径方向の変位は緩やかである。したがって、カム軸タイミングプーリに対し、うずディスク２１が一回転しても、カム軸２０は、４０度程度変化するに過ぎない。すなわち、回転が９分の１に減速される。溝３１４の回転に対する半径方向の変位の変化をゆるやかにすれば、より多く減速することができる。

図５において、うずディスク２１が、反時計方向に回転すると、リンク２２の外側端がディスク２１の面内において径の大きい方に動く。これによって、リンク２２の内側端が時計方向に引っ張られ、カム軸タイミングプーリ１４と、カム軸２０の位相が変化する。したがって、うずディスク２１とカム軸タイミングプーリ１４の位相差は、モータ２３によって制御される。

うずディスク２１の溝３１４の位置の回転に対する半径方向の変化を緩やかにすると、うずディスク２１の回転に対する位相の変化が小さくなる。すなわち、このうずディスク２１は減速機能を有している。例えば、うずディスク２１が２３８．５度だけ、カム軸タイミングプーリ１４に対して変化するように設定されている。うずディスク２１の回転は、９分の１に減速されて、カム軸２０に伝わる。この減速の程度は、溝のパターンによって変えることができる。

ガソリンエンジンにおけるカム軸２０における戻しトルクの平均は、０．２４Ｎｍ程度である。カム軸駆動トルクとしては約１Ｎｍが望ましい。ＶＴＣ１３の変換応答時間を０．２ｓとすると、モータ２３の回転速度は、２００ｒｐｍ程度になる。このときのモータ２３のパワーは５Ｗ程度である。モータなどの可動部の遅れを回避するためには、２０Ｗ程度の電力が必要である。モータ２３としては、フラットタイプが軸方向長さを短くすることができるので、エンジン１のシリンダヘッドへの取り付け制約上望ましい。

図６にモータ２３の一実施例を示す。ロータヨーク３２１が、うずディスク２１に固定されている。ロータヨーク３２１には、永久磁石３１が取り付けられている。また、ケーシング３２基板には、ステータコイル３２３、ホール素子３２４が取り付けられている。モータ２３は、フラットタイプであるので、図４に示したごとく、カム軸２０の先端に容易に取り付けることができる。エンジン１の長さを増すことなく、可変動弁システムをエンジン１に組み込むことができる。

図７にモータ２３の他の実施例を示す。図７において、軸３３１は、ハブ３３２、ロータヨーク３３６に固定されている。プリント基板３３４にはホール素子３３６、アマチュアコイル３３８が取り付けられている。ロータヨーク３３６にはロータマグネット３３７が取り付けられている。軸３３１は、ボールベアリング３３９によって支持されている。ＦＧマグネット３３５は、ロータヨーク３３６に取り付けられている。このＦＧマグネット３３５は、ローヨーク３３６の回転に伴い周波数信号を出力する。この周波数信号は、モータ２３の制御に使用される。

図７において、電磁誘導、ホール素子、磁気抵抗などを利用した、角度ピックアップ３４０が配置されている。これによって、ハブ３３２の回転をピックアップし、ＶＴＣ位相信号を取得する。図４においては、これらはセンサ２８として図示されており、その信号はスリップリング２９を介してＥＣＵ６に送られる。

図８にインバータを用いたモータ２３の駆動回路の一実施例を示す。ホール素子３４２で、ロータ３４１の磁極の位置を検出する。磁極の位置信号Ｐ１は、制御回路３４６に入力される。主回路素子３４５を制御する信号Ｐ２（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）が、制御回路３４６から主回路素子３４５の制御ゲートに与えられる。これによって、各相のコイル３４３の端子電圧Ｐ３が制御される。動作原理に従い、Ｐ１信号から、１２０度通電の矩形指令となるように、インバータ制御される。Ｕ，Ｖ，Ｗ層のＰ２信号を１２０度ずらすことによって、ロータ３４１が回転する。

図８の駆動回路において１２０度通電駆動で振動が発生する場合は、180度通電方式を用いてもよい。また、ホール素子３４２の信号を省略し、誘起起電力を観測して、ロータの位置を検出することもできる。この場合、起動のときは、誘起起電力が観測されないので、位置を推定することが困難である。このときは、ＶＴＣの位相信号を用いて、ソフトウェア的に通電制御を行う。

図８において、主回路素子３４５、制御回路３４６がカム軸２０に装着されている場合は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のスリップリングによる供給は不要となる。このときは、電源３４４のみが、エンジンの固定側に取り付けられる。スリップリング３４７，３４８を介して、主回路素子３４５、制御回路３４６に電力が供給される。また、スリップリング３４９を制御回路３４６とＥＣＵ６は、信号をやりとりする。

制御回路３４６がＥＣＵ６の方から、エンジン回転速度とエンジン負荷の情報を取得することによって、制御回路３４６は自律的に、モータ２３を制御することができる。また、ＥＣＵが、制御回路３４６から吸排気弁のリフトの情報を取得することによって、燃料噴射の制御などに利用することができる。

図９、図１０に、うずディスク２１の代わりに、遊星ギアを用いたＶＴＣ１３の他の実施例を示す。図９において、リングギア３５１が遊星ギア３５２と結合している。リングギア３５１に対して、遊星ギア３５２の歯の数は１個だけ少なくなっている。リングギア３５１は、カム軸タイミングプーリ１４に固定されている。回転中心点Ｏを中心に、偏心軸３５０が回転する。この偏心軸３５４に、遊星ギア３５２が軸受を介して取り付けられている。遊星ギア３５２の中心点Ｐは、回転中心点Ｏの周りを、一回転に一回遊星運動する。

中心点Ｐの遊星運動に伴い、遊星ギア３５３とリングギア３５２とのギャップが大きくなるが、Ｐが一回転すると、再び、遊星ギア３５３とリングギア３５２とのギャップが狭くなり、両者の歯がきつく噛合うようになる。これによって、遊星ギア３５２の歯は、リングギア３５２の歯に対して、回転方向に対して進んだ位置で噛合うようになる。これによって、遊星ギア３５２は、リングギアに対して、歯のピッチだけ回転する。したがって、偏心軸３５０の回転に対して、遊星ギアの回転は２０分の１程度に減速される。

遊星ギア３５２には、穴３５３が設けられている。図１０に示すように、穴３５３には、出力ディスク３５４の突起３５５が、ゆるく挿入されている。遊星ギア３５２の回転は、出力ディスク３５４を介して、カム軸２０に伝達される。リングギア３５１は、カム軸タイミングプーリ１４に接続されている。カム軸タイミング１４の動きは、リングギアリングギア３５１、遊星ギア３５２、穴３５３、突起３５５、出力ディスク３５４を介して、カム軸２０に伝えられる。リングギア３５１にはモータ３５８が取り付けられている。

モータ３５８によって偏心軸３５０を回転させる。モータ３５８には、遊星歯車などから構成された減速装置が組み込まれていても良い。スリップリング３５６を介して、制御装置３５７から電力が供給される。遊星ギア３５２がリングギア３５１との相対位置を変えないとき、すなわち、モータ３５８が停止している場合は、リングギア３５１と遊星ギア３５２は一緒に回転する。

モータ３５８が回転すると、リングギア３５１と遊星ギア３５２の回転の位相が変化する。これによって、カム軸タイミングプーリ１４とカム軸２０の回転の位相が変化する。この実施例においては、図４のうずディスク２１を用いた場合に比べて、リンク機構が省略できるので、摩擦損失が低減でき、モータ３５８のパワーを低減し、小型化を図ることができる。

図１１にＶＴＣ１３の他の実施例を示す。カムシャフト２０、カム軸タイミングプーリ１４、リンク２２、モータ２３、うずディスク２１の配置は、図４の場合と同じである。シリンダヘッドカバー３６３の中にカム軸タイミングプーリ１４、モータ２３、うずディスク２２が配置されている。シリンダへッドカバー３６３の中の潤滑油が外に漏れないように、シール３６１がシリンダヘッドカバー３６３とスリップリングの回転軸３６６の間に設けられている。

また、ブラシ保持器３６４と、中空の回転軸３６６の隙間を通って、スリップリング、センサ３６５の方に侵入するダストを防止するため、シール３６２が設けられている。スリップリングは、フラットタイプで、ブラシは、軸方向に配置されている。センサ３６５の信号は、スリップリングを介して、コントロールユニット３６７へ送られる。このようにしてスリップリングの部分が、エンジンオイルなどのミストから保護されている。

図１２にＶＴＣ１３の位相制御動作のブロック線図を示す。フィードバック素子５０４、例えば、ＶＴＣ位相差センサ２８によって、動弁機構５０３の実際のカム軸２０の位相を把握する。この値を指令値と比較し、偏差を増幅器５０１に入力する。ＶＴＣ５０２は、モータ２３から構成され、モータ２３の回転を、動弁機構５０３の位相が指令値になるように増幅器５０１の出力を制御する。

カム軸２０を駆動するためのトルクは、回転速度、潤滑油の温度などによって変化する。したがって、運転状態に応じて、図５０１のゲインを変化させて、ＶＴＣ１３の動作の応答性と、安定性を両立させている。

モータ２３としては、永久磁石式のモータのほかに、直流のブラシ付きのモータを使用することができる。永久磁石式のモータの場合、図８のように、コイル３４３に電力を供給する必要があり、少なくとも、三つのスリップリングが必要となる。これを回避するために、図１３においては、図８の制御回路３４６と主回路素子３４５、ＶＴＣ位相差センサ２８を、モータ２３に一体化して取り付けている。

これによって、電源電力のみを、ブラシ、スリップリングを介して、モータ２３に送ればすむので、ブラシ、スリップリングの構造が簡単になる。このとき、主回路素子３４５は、モータ２３の近傍に取り付けられ、遠心力によって機械的に主回路素子３４５が破損するのを防止している。主回路素子３４５は、図８に示すように６つのパワー半導体から構成され、これにスリップリング３５６によって電力が供給される。ホール素子３４２の信号は、モータ２３と一体になっている制御回路３４６にスリップリング無しで供給される。これによって、スリップリングの数が大幅に低減し、ＶＴＣ１３の信頼性、耐久性が大幅に向上する。

また、ＶＴＣ位相差センサ２８が、モータと一体化することができるので制御性が向上する。従来、回転しているカム軸２０と、カム軸タイミングプーリ１４のそれぞれの回転情報を別々に検出して、ＶＴＣ位相差信号を得ていたが、分解能が低く、制御の精度が低かった。

これに対し、本発明においては、カム軸２０とカム軸タイミングプーリ１４の相対位置をポテンショメータ、差動トランスなどによって直接測定することができるので、位相差の分解能が高まり、制御の応答性が向上する。

直流ブラシ付きモータの場合も、制御回路をモータと一体化することによって、位相差センサの信号をスリップリングを介して、外部に取り出す必要がなくなるので、耐久性、信頼性が向上する。

図１４に始動時のＶＴＣの制御動作を示す。エンジン１の始動時には、クランク角センサの５の信号から、ＶＴＣのタイミングを求まる、エンジンの回転速度がゼロで、またはキーオンで、図１４のフローチャートのごとく、水温センサ１５から求まるエンジンの温度が４０℃以下の場合には,低温始動と判断し、ＶＴＣ１３を制御し、ＩＶＣをＢＤＣに近づけ有効圧縮比が高いモードで運転する。ＩＶＣは、ＶＴＣ位相センサ２８によって正確に制御される。

回転速度が５００ｒｐｍ以上になると、始動が完了したものみなし、ＶＴＣを制御しＩＶＣをＢＤＣから位相角Δ（例えばクランク角度で１０度）だけ遅らせる。或いは、４ストロークエンジンの場合は、ＩＶＣをＢＤＣより早くしても有効圧縮比を低下させることができる。

ここで、エンジン停止状態において、ＩＶＣがＢＤＣに設定されている場合と、キーオンと同時に、ＢＤＣに制御される場合が想定される。したがって、ステップ８３、８４、８６では、ＶＴＣ位相センサ２８の信号をベースに、位相角度Δの検出、制御が行われる。すでに、エンジン停止時に、ＩＶＣ＝ＢＤＣに設定されている場合は、ステップ８３でＩＶＣをチェックするだけで、そのままスタータオンの動作に入る。エンジン回転が上昇した時に、ステップ８６で位相角Δだけ、ＩＶＣを遅らせる動作を行う。

エンジン停止時に、ＢＤＣに設定されていない場合は、ステップ８３で、ＩＶＣ＝ＢＤＣの動作を行う。燃料噴射弁４から噴射する燃料質量は、エアフローセンサ１７の空気量、エンジンの回転速度の信号に応じて制御される。また、排気還流弁１９、ターボチャージャ１８の状態も考慮して、燃料質量、燃料噴射のタイミングが決定される。当然、吸気弁のＩＶＣ，ＩＶＣが変化すると、噴射量、噴射タイミングを変更する必要がある。
このため、ＶＴＣ位相センサ２８の信号が、ＥＣＵ６に入力され、ＶＴＣの位相、すなわち、ＩＶＣの位置によって、燃料噴射量が変更される。

有効圧縮比は、ＩＶＣをＢＤＣより早めても低下することができる。吸気行程の途中で、吸気弁９が閉じるので、充填空気量が減り、有効圧縮比が低下する。最遅角の場合のＩＶＣはＢＤＣに近い。最進角の場合のＩＶＣは、ＢＤＣより進んでいる。始動時には、ＩＶＣ≒ＢＤＣに制御し、有効圧縮比を高め、始動性を確保する。始動が完了すると、最進角の位置に制御し、ＩＶＣをＢＤＣより進める。これによって、吸気行程中に吸気弁９が閉じられるので、充填されるガスの質量が低下し、有効圧縮比が低減し、摩擦損失が小さくなり、燃費が低減する。

モータ２３が固着して、ＶＴＣ１３の制御ができず、キーオンで、ＩＶＣがＢＤＣより大きく乖離している場合には、グロープラグ８の印加電流を高めて、燃料の気化を促進し、有効圧縮比が低いときでも、燃焼を確実にする。また、吸気システム１６に電気ヒータを配置し、吸入空気の温度をあらかじめ高め、さらに、電気ヒータで、燃料自体を加熱し、燃料の気化を促進してもよい。

可変動弁システムとしては、位相角を変えるシステムの他に、例えば、特願２００２−２３５４０に開示されているような、リフトを連続的に変えるシステム（ＶＥＬ）もある。本発明の可変動弁システムは、これらのＶＥＬシステムと組み合わせても利用することができる。

スリップリングには、りん脱酸銅が用いられる。ブラシとしては、黒鉛が用いられる。水分子に代る吸着ガスを摺動時の発熱により、バインダーから発生させて、潤滑性を向上させた。これにより、ブラシの磨耗が大幅な低減が期待できる。
電気的な制御手段としては永久磁石式モータを例示したが、電磁ソレノイド、圧電素子、リラクタンスモータ、ロータリソレノイドなどを用いることもできる。

本発明の一実施例の可変動弁システムの構成図である。 本実施例の可変動弁システムの４ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例の可変動弁システムの２ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例に用いる可変動弁システムの可変動弁機構である。 本実施例に用いる可変動弁機構のうずディスクの構成図である。 本発明の一実施例の可変動弁機構のモータの構成図である。 本発明の実施例の可変動弁機構のモータの他の実施例の構成図である。 本実施例に用いるモータの制御回路図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の他の実施例の構成図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の他の実施例の構成図である。 本発明の他の実施例の可変動弁機構の第３の実施例の構成図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の制御動作のブロック線図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の第４の実施例の構成図である。 本発明の他の実施例の可変動弁システムの制御動作のフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン、２…クランク軸、３…ピストン、４…燃料噴射弁、５…クランク角センサ、６…エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）、７…スタータ、８…グロープラグ、９…吸気弁、１０…排気弁、１１…吸気カム、１２…排気カム、１３…可変動弁機構（ＶＴＣ）、１４…カム軸タイミングプーリ、１５…水温センサ、１６…ＶＴＣ位相差センサ、１７…エアフローセンサ、１８…ターボチャージャ、１９…排気還流弁（ＥＧＲ）、２０…吸気カム軸、２１…うずディスク、２３…モータ、２８…センサ、２９…スリップリング

Claims (6)

1. 吸気弁、排気弁の一方或いは両方に機械的に接続されたカム軸、前記カム軸と同期して回動し、外部給電装置から給電される電気的制御手段によってエンジンの運転状態に応じて前記吸気弁、排気弁の一方或いは両方の開または閉タイミング又はリフト特性を制御する調整機構を有する可変動弁システムであって、前記電気的制御手段は減速機構を介して前記調整機構を制御するように構成したことを特徴とする可変動弁システム。
2. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、前記電気的制御手段は、エンジン回転と同期して回動する第１の部材と、前記カム軸に連結される前記減速機構と同期して回動する第２の部材と、前記第１の部材または前記第２の部材に電気的に接続され前記外部給電装置から給電を受ける摺動部材とを有し、エンジンの運転状態に応じて、前記第１の部材と前記第２の部材の相対位置を制御して前記調整機構を制御することを特徴とする可変動弁システム。
3. 請求項２に記載の可変動弁システムにおいて、前記第１の部材または前記第２の部材の少なくとも一つは電磁コイルよりなり、前記可変動弁システムは前記電磁コイルに電力を供給する主回路素子およぶエンジンの運転状況に応じて前記主回路素子を制御する制御素子を有し、前記主回路素子を前記第１の部材または前記第２の部材に取り付けたことを特徴とする可変動弁システム。
4. 請求項３に記載の可変動弁システムにおいて、前記主回路素子および前記制御素子を前記第１の部材または前記第２の部材に取り付けたことを特徴とする可変動弁システム。
5. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、回転している前記電気的制御手段に電力を供給するためのブラシとスリップリングをエンジン潤滑油から保護するためのシールを具備したことを特徴とする可変動弁システム。
6. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、前記カム軸と同期して回動する前記電気的制御手段にエンジン回転とカム軸回転の位相差に関する信号を検出する手段を具備せしめたことを特徴とする可変動弁システム。

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