JP2007182864A

JP2007182864A - 内燃機関のバルブ特性制御装置

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Publication number: JP2007182864A
Application number: JP2006002960A
Authority: JP
Inventors: Naohide Fuwa; 直秀不破; Takashi Kawasaki; 高志河崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP4802717B2

Abstract

【課題】吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときに、失火やノックの発生を抑制することができる内燃機関のバルブ特性制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵは、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明か否かを判定する（ステップＳ１１０）。作用角の絶対角度が不明である場合は、失火やノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定し（ステップＳ１３０，ステップＳ１４０）、バルブタイミングが所定の中間位相範囲となるようにバルブタイミング可変機構を駆動する（ステップＳ１５０）。そして、作用角の絶対角度を検出するための作用角検出制御を実行する（ステップＳ１６０）。
【選択図】図７

Description

本発明は、機関バルブのバルブ特性を可変設定するバルブタイミング可変機構と作用角可変機構とを備える内燃機関のバルブ特性制御装置に関するものである。

従来、吸気バルブや排気バルブといった機関バルブのバルブ特性を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変バルブ機構を搭載した内燃機関が実用化されている。このような可変バルブ機構としては、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変更することで、カムシャフトにて開閉される機関バルブのバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構が広く知られている。また近年、特許文献１に示されるように、吸気バルブの作用角及びリフト量を連続的に変更できるようにした作用角可変機構が提案されている。こうしたバルブタイミング可変機構及び作用角可変機構を搭載した内燃機関は、機関バルブのバルブタイミングと吸気バルブの作用角とを個別に設定できるように構成されている。このため、機関運転状況に応じて機関バルブのバルブ特性をより細密に制御することができ、内燃機関の出力特性、燃費性能及び排気性能の向上が図られるようになっている。
特開２００１−２６３０１５号公報

ところで、上記のような内燃機関においては、作用角可変機構の動作位置の検出が、基準位置からの相対移動量に基づいて行われる場合がある。この場合、作用角可変機構により設定される作用角の検出は、作用角可変機構を駆動するアクチュエータの作動に連動するエンコーダ等の相対的なパルス信号を、ＥＣＵ（電子制御装置）が計数するような方法で行われる。このため、作用角可変機構の駆動中において、ＥＣＵへの電源供給が瞬断されるような場合、又は電気ノイズ等によりパルス信号を把握できないような場合には、その期間中にパルス信号を検出できないので、パルス信号の計数値が不正確となり、現に設定されている作用角の絶対角度が不明となることがある。このようにして設定されている作用角の絶対角度が不明となると、ＥＣＵは機関運転状態に応じたバルブ特性の制御を行うことができなくなり、設定されている機関バルブのバルブ特性によっては、内燃機関が失火し易い態様又はノックし易い態様で運転される虞がある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときに、失火やノックの発生を抑制することができる内燃機関のバルブ特性制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、機関バルブのバルブタイミングを可変設定するバルブタイミング可変機構と、基準位置からの相対移動量に基づいて動作位置が検出される機構であって吸気バルブの作用角を可変設定する作用角可変機構とを備え、前記バルブタイミング可変機構と前記作用角可変機構とを併用して機関バルブのバルブ特性を制御する内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブのバルブタイミングの位相が所定の中間位相範囲となるように前記バルブタイミング可変機構を制御する制御手段を備えることをその要旨としている。

吸気バルブのバルブタイミングの位相が進角側に位置する状態で吸気バルブの作用角が大きくなるように設定される場合は、吸気バルブの開弁時期が早まるため、バルブオーバーラップ量が大きくなり、内部ＥＧＲ量が増加して失火し易いバルブ開閉態様となる。一方、吸気バルブのバルブタイミングの位相が遅角側に位置する状態で吸気バルブの作用角が小さくなるように設定される場合は、吸気バルブの開弁時期が吸気上死点以降となるため、吸気バルブの開弁時における燃焼室の負圧が大きくなり、空気の流入速度が大きくなるので、燃焼室の温度及び圧力が上昇してノックし易いバルブ開閉態様となる。このため、作用角可変機構の基準位置からの相対移動量を検出することができずに吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときには、内燃機関が失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様で運転される虞がある。

この点、同構成によれば、作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときは、吸気バルブのバルブタイミングが所定の中間位相範囲となるようにバルブタイミング可変機構を制御するため、吸気バルブが失火やノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。すなわち、吸気バルブのバルブタイミングの位相が、進角側若しくは遅角側に偏っていない所定の中間位相範囲となるようにすると、吸気バルブの作用角の大きさにかかわらず、失火やノックの発生を抑えた機関運転状態とすることができる。

請求項２に記載の発明は、機関バルブのバルブタイミングを可変設定するバルブタイミング可変機構と、基準位置からの相対移動量に基づいて動作位置が検出される機構であって吸気バルブの作用角を可変設定する作用角可変機構とを備え、前記バルブタイミング可変機構と前記作用角可変機構とを併用して機関バルブのバルブ特性を制御する内燃機関のバルブ特性制御装置において、失火が発生する可能性のある機関バルブのバルブタイミングの位相範囲を、少なくとも吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定する失火位相推定手段と、前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、機関バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるように前記バルブタイミング可変機構を制御する制御手段とを備えることをその要旨としている。

同構成によれば、失火が発生する可能性のある機関バルブのバルブタイミングの位相範囲を、少なくとも吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定する。そして、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、機関バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるようにするため、機関バルブが失火の発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。このため、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、作用角の大きさにかかわらず、失火の発生を抑えた機関運転状態とすることができる。なお、失火が発生する可能性のある機関バルブのバルブタイミングの位相範囲は、空燃費等の機関運転状態との関係、失火が発生した経歴からの学習値等を加味して推定するようにしてもよい。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記失火位相推定手段は、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップ量に基づいて失火が発生する可能性のある前記位相範囲を推定することをその要旨としている。

同構成によれば、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップ量に基づいて失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定するため、内部ＥＧＲ量の増加に起因する失火の発生を好適に推定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、ノックが発生する可能性のある吸気バルブのバルブタイミングの位相範囲を、少なくとも吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定するノック位相推定手段を更に備え、前記制御手段は、前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるように前記バルブタイミング可変機構を制御することをその要旨としている。

同構成によれば、ノックが発生する可能性のある吸気バルブのバルブタイミングの位相範囲を、吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定する。そして、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるようにするため、吸気バルブがノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。このため、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、作用角の大きさにかかわらず、失火やノックの発生を抑えた機関運転状態とすることができる。なお、ノックが発生する可能性のある吸気バルブのバルブタイミングの位相範囲は、点火時期等の機関運転状態との関係、ノックが発生した経歴からの学習値等を加味して推定するようにしてもよい。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記ノック位相推定手段は、吸気バルブの開弁時期に基づいてノックが発生する可能性のある前記位相範囲を推定することをその要旨としている。

同構成によれば、吸気バルブの開弁時期に基づいてノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定するため、開弁時期が遅くなり燃焼室の温度及び圧力が上昇することに起因するノックの発生を好適に推定することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記制御手段は、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときの前記バルブタイミング可変機構の制御中に、前記作用角可変機構を駆動停止状態とすることをその要旨としている。

同構成によれば、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときのバルブタイミング可変機構の制御中に、作用角可変機構を駆動停止状態とするため、機関バルブのバルブタイミングの変更中に作用角が変更されて、機関バルブが失火やノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを回避することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記制御手段は、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときの前記バルブタイミング可変機構の制御後に、吸気バルブの作用角の絶対角度を検出するための作用角検出制御を実行することをその要旨としている。

同構成によれば、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときのバルブタイミング可変機構の制御後に、吸気バルブの作用角の絶対角度を検出するための作用角検出制御を実行するため、失火やノックが発生する虞のない安定した機関運転状態の下で、作用角検出制御を安全に行うことができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記作用角検出制御は、吸気バルブの作用角が設定可能な最大作用角又は最小作用角となる終端位置に設定されるように前記作用角可変機構を制御し、前記終端位置を前記作用角可変機構の基準位置とするように行われることをその要旨としている。

同構成によれば、吸気バルブの作用角が不明となったときの作用角検出制御は、吸気バルブの作用角が設定可能な最大作用角又は最小作用角となる終端位置に設定されるように作用角可変機構を制御し、その終端位置を作用角可変機構の基準位置として作用角の絶対角度を検出するように行われる。このため、失火やノックが発生する虞のない安定した機関運転状態の下で、作用角可変機構を駆動することができ、作用角の終端位置において絶対角度を検出することができる。

以下、図１〜７を参照して、本発明に係る内燃機関のバルブ特性制御装置を具体化した実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における可変バルブ機構付きのガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）の構成図である。内燃機関としてのエンジン１１は複数の気筒１２を有するシリンダブロック１３を備え、各気筒１２にはピストン１４が往復移動可能に設けられる。ピストン１４は、コンロッド１５を介してエンジン１１の下部に設けられたクランクシャフト１６に連結されている。そして、ピストン１４の往復運動は、コンロッド１５によりクランクシャフト１６の回転運動へと変換される。

シリンダブロック１３の上部には、シリンダヘッド１７が設けられる。シリンダヘッド１７の底面とピストン１４の上端面とによって囲まれた空間により燃焼室１８が形成される。このシリンダヘッド１７には、吸気ポート２０及び排気ポート２１が燃焼室１８と連通するよう形成される。吸気ポート２０には、スロットルバルブ２２を有する吸気通路２３が接続されている。エンジン１１の外部の空気は、吸気ポート２０、吸気通路２３等を通って燃焼室１８に吸入される。スロットルバルブ２２は、吸気通路２３の途中に回動可能に設けられるとともに、電動モータ等からなるアクチュエータ２４により駆動される。吸気通路２３を流れる吸気量は、スロットルバルブ２２の開度に応じて調整される。排気ポート２１には、図示しない排気通路が接続されており、燃焼室１８で生じた排気が、排気ポート２１、排気通路等を通ってエンジン１１の外部へ排出される。

さらに、シリンダヘッド１７には、電磁式の燃料噴射弁２５が配設される。燃料噴射弁２５は通電により開弁し、燃焼室１８に高圧燃料を直接噴射供給する。燃料噴射弁２５から噴射された燃料は、燃焼室１８内に吸入された空気と混ざり合って混合気となる。シリンダヘッド１７には、燃焼室１８内の混合気に対して点火を行う点火プラグ２６が設けられる。

また、シリンダヘッド１７には、吸気ポート２０及び排気ポート２１をそれぞれ開閉するための機関バルブとしての吸気バルブ２７及び排気バルブ２８が往復移動可能に設けられる。シリンダヘッド１７上部には、吸気バルブ２７及び排気バルブ２８を開閉駆動させるための吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０が回動可能に設けられる。吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０は、図示しないタイミングベルトによってクランクシャフト１６に駆動連結されている。吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０の回転により、吸気バルブ２７及び排気バルブ２８が開閉駆動されることで、吸気ポート２０及び排気ポート２１と燃焼室１８とが連通・遮断される。

吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０には、それぞれバルブタイミング可変機構３１，３２が設けられている。バルブタイミング可変機構３１，３２は、クランクシャフト１６の回転位相に対する吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０の相対回転位相を調節して、バルブタイミングを可変設定するものである。すなわち、図２に示すように、吸気バルブ２７の開弁期間（作用角）ＩＶＯＴが一定に維持された状態で、開弁時期ＩＶＯ及び閉弁時期ＩＶＣが進角側又は遅角側に変更され、排気バルブ２８の開弁期間ＥＶＯＴが一定に維持された状態で、開弁時期ＥＶＯ及び閉弁時期ＥＶＣが進角側又は遅角側に変更される。バルブタイミング可変機構３１，３２は、油圧アクチュエータ３３，３４を通じて同機構３１，３２に作用する油圧を制御することにより駆動される。

また、吸気カムシャフト２９と吸気バルブ２７との間には作用角可変機構３５が設けられている。作用角可変機構３５は、吸気バルブ２７の作用角及びリフト量を可変設定するものである。作用角可変機構３５は、吸気カムシャフト２９と吸気ロッカーアーム３６との間に、アームアッシ３７を介在させて構成される。アームアッシ３７は、シリンダヘッド１７に対して揺動可能に支持されるとともに、吸気カムシャフト２９の回転が入力される入力ローラ３８と、吸気ロッカーアーム３６を揺動させる出力カム３９とを有する。アームアッシ３７は、内部に設けられたコントロールシャフト４０が揺動軸方向（紙面と垂直方向）に駆動されることによって、入力ローラ３８と出力カム３９との揺動方向における相対位置を変更できるように構成されている。作用角可変機構３５は、シャフト駆動機構４１がコントロールシャフト４０を軸方向に駆動することで動作する。コントロールシャフト４０を駆動するシャフト駆動機構４１の構成については後述する。

そして、作用角可変機構３５の駆動により、図３に示すように、吸気バルブ２７の作用角ＩＮＣＡＭが最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘから最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎまでの間で連続的に変更される。また、この作用角ＩＮＣＡＭの連続的な変更に同期して、吸気バルブ２７の最大リフト量ＶＬも連続的に変更される。すなわち、最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘにおいて最大リフト量ＶＬは上限リフト量ＶＬｍａｘとなり、作用角ＩＮＣＡＭが小さくなるほど最大リフト量ＶＬも小さくなっていく。そして、最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎにおいて最大リフト量ＶＬは下限リフト量ＶＬｍｉｎとなる。

エンジン１１にはその機関運転状態を検出するための各種センサが設けられている。例えば、クランク角センサ５１によってクランクシャフト１６の回転位相、すなわちクランク角が検出され、アクセルセンサ５２によってアクセルペダル４２の踏み込み量が検出される。また、スロットルセンサ５３によってスロットルバルブ２２の開度が検出され、吸入空気量センサ５４によって燃焼室１８に吸入される空気量が検出される。また、カム角センサ５５，５６によって吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３０の回転位相、すなわち吸気バルブ２７及び排気バルブ２８のバルブタイミングが検出され、作用角センサ５７によって吸気バルブ２７の作用角ＩＮＣＡＭが検出される。

エンジン１１の各種制御は、制御手段としてのＥＣＵ６１によって行われる。ＥＣＵ６１はマイクロコンピュータを中心に構成されており、上記各センサの検出信号がそれぞれ取り込まれる。そして、それらの検出信号に基づいてＥＣＵ６１の中央処理装置は、メモリに記憶されているプログラムや制御データ等に従って演算処理を行い、その演算結果に基づいて各種制御を行う。例えば、上記各センサ等により検出される機関運転状態に基づいて点火プラグ２６や燃料噴射弁２５の駆動を制御する。また、アクセルペダル４２の踏み込み量等に基づいてスロットルバルブ２２の開度目標値を設定し、その設定された開度目標値となるようにスロットルバルブ２２の開度制御を行う。また、吸気バルブ２７及び排気バルブ２８のバルブタイミングや作用角のバルブ特性が機関運転状態等に応じて所望の特性となるように、バルブタイミング可変機構３１，３２及び作用角可変機構３５の駆動を制御する。

次に、コントロールシャフト４０を軸方向に駆動するシャフト駆動機構４１の構成について説明する。図４は、シャフト駆動機構４１の構成を示す斜視図である。シャフト駆動機構４１は、電動モータ７２と、コントロールシャフト４０を駆動するカム機構７３と、電動モータ７２の回転量を検出する作用角センサ５７とを備える。

電動モータ７２は、ＤＣブラシレスモータ等により構成され、シリンダヘッド１７に固定されるとともに、ＥＣＵ６１からの駆動信号によりモータギア７２ａを回転させる。モータギア７２ａは、カム機構７３に設けられた大径ギア７３ａを回転させることにより、シリンダヘッド１７に回転可能に支持されているカム軸７３ｂを介して螺旋カム７４の回転位相を変化させる。カム軸７３ｂには、ストッパアーム７３ｃが一体的に設けられており、このストッパアーム７３ｃがシリンダヘッド１７に固定されている２つのストッパ７３ｄ，７３ｅと当接することより、螺旋カム７４の回転範囲を制限している。

カム機構７３は、コントロールシャフト４０の一端が固定されるカムフレーム７５を有している。カムフレーム７５には、螺旋カム７４のカム面７４ａと接触するローラ７５ａが回動可能に設けられている。カムフレーム７５又はコントロールシャフト４０には、コントロールシャフト４０の軸方向に作用してローラ７５ａを螺旋カム７４側へ押圧するばね力が付与されているため、ローラ７５ａは常に螺旋カム７４のカム面７４ａに当接した状態に維持される。

このように構成されたシャフト駆動機構４１において、電動モータ７２が回転すると螺旋カム７４が回転し、そのカムリフト量に応じてカムフレーム７５をコントロールシャフト４０の軸方向に駆動する。これにより、コントロールシャフト４０が軸方向に作動して、吸気バルブ２７の作用角ＩＮＣＡＭ及びリフト量ＶＬを変化させることができる。図４からわかるように、ストッパアーム７３ｃがストッパ７３ｄに当接するときに、コントロールシャフト４０が最もＬ方向に移動した状態となり、ストッパアーム７３ｃがストッパ７３ｅに当接するときに、コントロールシャフト４０が最もＲ方向に移動した状態となる。

作用角センサ５７は、シリンダヘッド１７に固定されるとともに、内部にエンコーダを有する。カム軸７３ｂの回転は、一体的に設けられた小径ギア７３ｆを通じて、作用角センサ５７の大径ギア５７ａに伝達される。これにより、作用角センサ５７内部のエンコーダが回転して、そのパルス信号がＥＣＵ６１に入力される。ここで、ＥＣＵ６１は、ストッパアーム７３ｃがストッパ７３ｄ，７３ｅと当接する位置、すなわち作用角が最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘ又は最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎとなる終端位置を基準位置とし、その基準位置からのエンコーダのパルス信号をカウンタにより計数することで作用角ＩＮＣＡＭの絶対角度を算出している。

図５にエンコーダのパルス信号とＥＣＵ６１のカウンタと電動モータ７２との関係を示す。作用角可変機構３５が基準位置にあるときにカウンタは０にセットされる。カウンタは、パルス信号の「Ｈ」から「Ｌ」への変化及び「Ｌ」から「Ｈ」への変化と、電動モータ７２の回転方向との関係に基づいて、カウントアップ又はカウントダウンを行う。すなわち、電動モータ７２が正転しているときはパルス信号に基づいてカウントアップを行い、電動モータ７２が逆転しているときはカウントダウンを行う。ＥＣＵ６１は、カウンタの計数値から作用角ＩＮＣＡＭの絶対角度を算出する。このようにして、ＥＣＵ６１は、基準位置からの相対移動量に基づいて作用角可変機構３５の動作位置を検出し、作用角ＩＮＣＡＭの絶対角度を検出するようにしている。

次に、吸気バルブ２７のバルブ特性について説明する。図６は、吸気バルブ２７のバルブタイミング及び作用角をそれぞれ変更させたときのバルブ開閉態様を示す関係図である。図６の横軸は吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相を示し、縦軸は吸気バルブ２７の作用角を示す。バルブタイミング可変機構３１は、吸気バルブ２７のバルブタイミングを、最も進角側の位相ＶＶＴａから最も遅角側の位相ＶＶＴｄまでの間の位相に可変設定することができる。一方、作用角可変機構３５は、吸気バルブ２７の作用角を最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘから最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎまでの間の作用角に可変設定することができる。

図６の４隅の位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、その位置における吸気バルブ２７の開弁時期及び閉弁時期を示すダイヤグラムを示している。例えば、位置Ａは、バルブタイミングが最も進角側の位相ＶＶＴａに設定され且つ作用角が最も大きくなる最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘに設定される位置であり、開弁時期ＩＶＯが吸気上死点ＴＤＣ以前となるとともに閉弁時期ＩＶＣが吸気下死点ＢＤＣ以降となるようなバルブ開閉態様を有する。また、位置Ｄは、バルブタイミングが最も遅角側の位相ＶＶＴｄに設定され且つ作用角が最も小さくなる最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎに設定される位置であり、開弁時期ＩＶＯが吸気上死点ＴＤＣ以降となるとともに閉弁時期ＩＶＣがほぼ吸気下死点ＢＤＣと一致するようなバルブ開閉態様を有する。

図６に示すように、吸気バルブ２７は、バルブタイミングの位相が進角側に設定されるほど、また作用角が大きくなるように設定されるほど開弁時期ＩＶＯが早くなる。すなわち、図の左上に近づくほど吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯが早まり、位置Ａにおいて開弁時期ＩＶＯが最も早くなる。このため、位置Ａに近接する領域Ｅにおいては、バルブオーバーラップ量が大きくなり、内部ＥＧＲ量が増加して失火し易いバルブ開閉態様となる。

また、図６に示すように、吸気バルブ２７は、バルブタイミングの位相が遅角側に設定されるほど、また作用角が小さくなるように設定されるほど開弁時期ＩＶＯが遅くなり、その開弁時期ＩＶＯが吸気上死点ＴＤＣ以降となる。すなわち、図の右下に近づくほど吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯが遅くなり、位置Ｄにおいて開弁時期ＩＶＯが最も遅くなる。このため、位置Ｄに近接する領域Ｆにおいては、吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯが吸気上死点ＴＤＣ以降となるため、開弁時における燃焼室の負圧が大きくなり、空気の流入速度が大きくなる。開弁時にはリフト量が小さく吸気バルブ２７近傍で気流が大きく曲げられるため、気流方向の変化に起因する熱エネルギの発生量が空気の流入速度の増大によってより一層増加することとなり、燃焼室１８内の空気の温度が上昇する。また、領域Ｆにおいては、吸気バルブ２７の閉弁時期ＩＶＣが吸気下死点ＢＤＣに近づくため、エンジン１１の圧縮工程における実質的な圧縮比が高くなり、混合気の燃焼時における燃焼室１８内の圧力が上昇する。従って、領域Ｆにおいては、混合気の燃焼時における燃焼室１８内の温度及び圧力が上昇してノックし易いバルブ開閉態様となる。

ここで、通常運転時におけるバルブ開閉態様を図６中に示す。車両走行時は実線Ｇで示すようなバルブ開閉態様をとる。エンジン１１が低負荷のときは、燃焼室１８に吸入する空気量を制限し、スロットルバルブ２２の開度制御によって生ずるポンピングロスを小さくして燃費の向上を図るため、位置Ｃに近いバルブ開閉態様をとる。エンジン１１が高負荷のときは、吸気充填効率を向上させて大きな機関出力を確保するために位置Ｂに近いバルブ開閉態様をとる。また、位置Ｃはアイドル時のバルブ開閉態様であり、位置Ｈは始動時及び停止時のバルブ開閉態様である。

このようにして、ＥＣＵ６１は、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様とならないようにするとともに、機関運転状態に応じて最適なバルブ開閉態様となるように、バルブタイミング可変機構３１及び作用角可変機構３５の駆動を制御している。

ところで、作用角可変機構３５の駆動中において、ＥＣＵ６１への電源供給が瞬断されるような場合、又は電気ノイズ等により作用角センサ５７からのパルス信号を把握できないような場合には、その期間中にパルス信号を検出できないため、カウンタの計数値が不正確となる。このようにして、カウンタの計数値が不正確となる、すなわち相対移動量が不正確となると、作用角可変機構３５の動作位置が不明となり、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明となってしまう。このとき、作用角可変機構３５の基準位置を検出するために、作用角が最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘ又は最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎとなるように作用角可変機構３５を駆動すると、駆動中の作用角とバルブタイミングとの関係によっては、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様となってしまう虞がある。このため、ＥＣＵ６１は、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明となった場合に、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様とならないように、以下のような制御を行う。

図７のフローチャートは、ＥＣＵ６１によって行われるバルブ開閉態様制御ルーチンを示している。ＥＣＵ６１は、作用角可変機構３５の駆動中に、このバルブ開閉態様制御ルーチンを所定タイミングごとに繰り返し行う。

バルブ開閉態様制御ルーチンが開始されると、ＥＣＵ６１は、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明か否かを判定する（ステップＳ１１０）。このステップでは、ＥＣＵ６１への電源供給が瞬断される等により、作用角センサ５７から入力されるパルス信号を計数できない期間があったか否かを判断する。パルス信号を計数できない期間があるときは、その後に計数を開始してもパルス信号の計数値が不正確であると想定される。このため、パルス信号を計数できない期間があったことを以って、作用角の絶対角度が不明である旨の判定をする。ステップＳ１１０で、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明でないと判定されたときは、作用角可変機構３５の制御が可能であるため、通常運転を継続して行う（ステップＳ１７０）。

ステップＳ１１０で、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明であると判定されたときは、ＥＣＵ６１は、作用角可変機構３５の駆動を停止させる（ステップＳ１２０）。これにより、作用角の絶対角度が不明のまま作用角可変機構３５が駆動されて、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様となってしまうことを回避している。そして、失火位相推定手段としてのＥＣＵ６１は、失火が発生する可能性のある吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相範囲を推定する（ステップＳ１３０）。このステップでは、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められるバルブオーバーラップ量に基づいて、失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定する。バルブ開閉態様が図６の領域Ｅにあるときは、バルブオーバーラップ量が大きくなり失火し易いバルブ開閉態様となるため、吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相が進角側の位相範囲Ｉにあるときに、失火の可能性があると推定する。

次いで、ノック位相推定手段としてのＥＣＵ６１は、ノックが発生する可能性のある吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相範囲を推定する（ステップＳ１４０）。このステップでは、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められる吸気バルブ２７の開弁時期に基づいて、ノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定する。バルブ開閉態様が図６の領域Ｆにあるときは、上述のようにノックし易いバルブ開閉態様となるため、吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相が遅角側の位相範囲Ｊにあるときに、ノックの可能性があると推定する。

次いで、ＥＣＵ６１は、吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相が位相範囲Ｉ以外で且つ位相範囲Ｊ以外の中間位相範囲Ｋとなるようにバルブタイミング可変機構３１を駆動する（ステップＳ１５０）。図６に示すように、吸気バルブ２７のバルブタイミングの位相が中間位相範囲Ｋとなるようにすると、吸気バルブ２７の作用角の大きさにかかわらず、失火やノックの発生を抑えた機関運転状態とすることができる。

次いで、ＥＣＵ６１は、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度を検出するための作用角検出制御を実行する（ステップＳ１６０）。作用角検出制御が実行されると、まず、吸気バルブ２７の作用角が最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘ又は最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎとなるように作用角可変機構３５が駆動される。そして、その位置を基準位置として作用角センサ５７から入力されるパルス信号の計数が開始される。このように作用角検出制御が行われる際には、ステップＳ１５０の処理によって、吸気バルブ２７の作用角を変更しても失火やノックが発生する虞のない安定した機関運転状態となっている。このため、作用角検出制御を安全に行うことができる。

ここで、ＥＣＵ６１は、ステップＳ１２０で作用角可変機構３５の駆動を停止させてから、ステップＳ１６０で作用角検出制御を行うまでの間、作用角可変機構３５を駆動停止状態にしている。これは、バルブタイミングの変更中に作用角が変更されて、失火やノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを回避するためである。

ＥＣＵ６１は、作用角検出制御を実行して作用角の絶対角度を検出した後に、エンジン１１を通常運転の状態に戻す（ステップＳ１７０）。そして、このバルブ開閉態様制御ルーチンを終了させる。

以上のようにして、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明となったときに、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様とならないように、バルブタイミング可変機構３１及び作用角可変機構３５の駆動を制御することができる。また、失火し易いバルブ開閉態様又はノックし易いバルブ開閉態様とならないような機関運転状態の下で、作用角検出制御を安全に行うことができる。そして、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度を検出することにより、エンジン１１を通常運転の状態に戻すことができる。

上記実施形態のバルブ特性制御装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、作用角可変機構３５により設定される吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明であるときは、吸気バルブ２７のバルブタイミングが中間位相範囲Ｋとなるようにバルブタイミング可変機構３１，３２を駆動する。このため、吸気バルブ２７が領域Ｅや領域Ｆのようなバルブ開閉態様となることを抑止することができ、失火やノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。すなわち、吸気バルブ２７のバルブタイミングが中間位相範囲Ｋとなるようにすると、吸気バルブ２７の作用角の大きさにかかわらず、失火やノックの発生を抑えた機関運転状態とすることができる。

（２）上記実施形態では、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められるバルブオーバーラップ量に基づいて、失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｉを推定する。そして、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブ２７のバルブタイミングが位相範囲Ｉ以外の位相となるようにするため、吸気バルブ２７が失火の発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。また、バルブオーバラップ量に基づいて失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定するため、内部ＥＧＲ量の増加に起因する失火の発生を好適に推定することができる。

（３）上記実施形態では、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められる吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯに基づいて、ノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｊを推定する。そして、吸気バルブ２７の作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブ２７のバルブタイミングが位相範囲Ｊ以外の位相となるようにするため、吸気バルブ２７がノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを抑制することができる。また、吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯに基づいてノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲を推定するため、開弁時期ＩＶＯが遅くなり混合気の燃焼時における燃焼室１８の温度及び圧力が上昇することに起因するノックの発生を好適に推定することができる。

（４）上記実施形態では、バルブ開閉態様制御ルーチンのステップＳ１２０で作用角可変機構３５の駆動を停止させてから、ステップＳ１６０で作用角検出制御を行うまでの間、作用角可変機構３５を駆動停止状態にしている。このため、ステップＳ１５０におけるバルブタイミング可変機構３１の駆動中に吸気バルブ２７の作用角が変更されて、失火やノックの発生し易いバルブ開閉態様となってしまうことを回避することができる。

（５）上記実施形態では、作用角検出制御が実行されると、吸気バルブ２７の作用角が最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘ又は最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎとなるように作用角可変機構３５が駆動されて基準位置が検出される。このように作用角可変機構３５が駆動される際には、バルブ開閉態様制御ルーチンのステップＳ１５０の処理によって、吸気バルブ２７の作用角を変更しても失火やノックが発生する虞のない安定した機関運転状態となっているため、作用角検出制御を安全に行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められるバルブオーバーラップ量に基づいて、失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｉを推定しているが、空燃費等の機関運転状態との関係、失火が発生した経歴からの学習値等を加味して位相範囲Ｉを推定するようにしてもよい。

・上記実施形態では、吸気バルブ２７の作用角との関係から求められる吸気バルブ２７の開弁時期ＩＶＯに基づいて、ノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｊを推定しているが、点火時期等の機関運転状態との関係、ノックが発生した経歴からの学習値等を加味して位相範囲Ｊを推定するようにしてもよい。

・上記実施形態では、失火が発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｉ及びノックが発生する可能性のあるバルブタイミングの位相範囲Ｊを推定して、バルブタイミング可変機構３１を駆動制御しているが、位相範囲Ｉ及び位相範囲Ｊのいずれかのみを推定してバルブタイミング可変機構３１を駆動制御するようにしてもよい。

・上記実施形態では、失火し易いバルブ開閉態様とならないように、吸気バルブ２７のバルブタイミングを制御するようにしているが、排気バルブ２８のバルブタイミングについてもバルブオーバーラップ量に基づいて失火の可能性のある位相範囲を推定し、その範囲外となるようにバルブタイミング可変機構３２を駆動するようにしてもよい。

・上記実施形態では、作用角可変機構３５の基準位置を、作用角が最大作用角ＩＮＣＡＭｍａｘ又は最小作用角ＩＮＣＡＭｍｉｎとなる位置、すなわちシャフト駆動機構４１のストッパアーム７３ｃがストッパ７３ｄ，７３ｅと当接する位置としているが、他の中間位置を検出して、その位置を基準位置としてもよい。また、基準位置を複数箇所設けて、各位置からの相対移動量に基づいて作用角可変機構３５の動作位置を検出するようにしてもよい。基準位置を複数箇所設けると、動作位置の検出精度を向上させることができる。

・上記実施形態では、作用角センサ５７は、電動モータ７２の回転量に対応したエンコーダの回転量を検出するようにしているが、電動モータ７２により駆動される可動部材の相対移動量を検出するものであればよい。例えば、コントロールシャフト４０の軸方向の相対移動量を直接検出するように構成してもよい。

・上記実施形態では、作用角可変機構３５は、アームアッシ３７の入力ローラ３８と出力カム３９との相対位置を変更して作用角を可変設定するように構成されているが、異なる構成の作用角可変機構を用いてもよい。例えば、吸気カムシャフトの吸気カムを軸方向にカム形状が変化する立体カムとして、吸気カムシャフトを軸方向に変位させることで作用角を可変設定するような作用角可変機構を用いてもよい。

・上記実施形態では、電動モータ７２により作用角可変機構３５を駆動するように構成しているが、電動モータ以外のアクチュエータ、例えば油圧アクチュエータにより作用角可変機構３５を駆動するように構成してもよい。

・上記実施形態は、吸気バルブ２７の作用角を可変設定する作用角可変機構３５を備えるエンジン１１に本発明を適用したものであるが、排気バルブ２８の作用角を可変設定する作用角可変機構を備えるエンジンについても、同様な原理を用いて本発明を適用することができる。

本実施形態におけるエンジンの構成図。バルブタイミングの変更態様を示す模式図。吸気バルブの作用角及び最大リフト量の変更態様を示す模式図。シャフト駆動機構の構成を示す斜視図。エンコーダのパルス信号とＥＣＵのカウンタと電動モータとの関係図。吸気バルブのバルブタイミング及び作用角をそれぞれ変更させたときのバルブ開閉態様を示す関係図。バルブ開閉態様制御ルーチンのフローチャート。

符号の説明

１１…エンジン、１８…燃焼室、２０…吸気ポート、２１…排気ポート、２７…吸気バルブ、２８…排気バルブ、２９…吸気カムシャフト、３０…排気カムシャフト、３１，３２…バルブタイミング可変機構、３５…作用角可変機構、３７…アームアッシ、４０…コントロールシャフト、４１…シャフト駆動機構、５７…作用角センサ、６１…ＥＣＵ、７２…電動モータ、７３…カム機構。

Claims

機関バルブのバルブタイミングを可変設定するバルブタイミング可変機構と、基準位置からの相対移動量に基づいて動作位置が検出される機構であって吸気バルブの作用角を可変設定する作用角可変機構とを備え、前記バルブタイミング可変機構と前記作用角可変機構とを併用して機関バルブのバルブ特性を制御する内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブのバルブタイミングの位相が所定の中間位相範囲となるように前記バルブタイミング可変機構を制御する制御手段を備える
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
機関バルブのバルブタイミングを可変設定するバルブタイミング可変機構と、基準位置からの相対移動量に基づいて動作位置が検出される機構であって吸気バルブの作用角を可変設定する作用角可変機構とを備え、前記バルブタイミング可変機構と前記作用角可変機構とを併用して機関バルブのバルブ特性を制御する内燃機関のバルブ特性制御装置において、
失火が発生する可能性のある機関バルブのバルブタイミングの位相範囲を、少なくとも吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定する失火位相推定手段と、
前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、機関バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるように前記バルブタイミング可変機構を制御する制御手段とを備える
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項２に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記失火位相推定手段は、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップ量に基づいて失火が発生する可能性のある前記位相範囲を推定する
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項２又は３に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
ノックが発生する可能性のある吸気バルブのバルブタイミングの位相範囲を、少なくとも吸気バルブの作用角との関係に基づいて推定するノック位相推定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記作用角可変機構により設定される吸気バルブの作用角の絶対角度が不明であるときに、吸気バルブのバルブタイミングが前記推定される位相範囲以外の位相となるように前記バルブタイミング可変機構を制御する
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項４に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記ノック位相推定手段は、吸気バルブの開弁時期に基づいてノックが発生する可能性のある前記位相範囲を推定する
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記制御手段は、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときの前記バルブタイミング可変機構の制御中に、前記作用角可変機構を駆動停止状態とする
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記制御手段は、吸気バルブの作用角の絶対角度が不明となったときの前記バルブタイミング可変機構の制御後に、吸気バルブの作用角の絶対角度を検出するための作用角検出制御を実行する
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
請求項７に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記作用角検出制御は、吸気バルブの作用角が設定可能な最大作用角又は最小作用角となる終端位置に設定されるように前記作用角可変機構を制御し、前記終端位置を前記作用角可変機構の基準位置とするように行われる
ことを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。