JP2009293567A - 内燃機関の動弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ポンピングロス低減と燃焼改善とを両立させる内燃機関の動弁制御装置を提供。
【解決手段】カム軸２は、第１カム軸部２０１と、第１カム軸部に同軸かつ相対回転可能に支持される第２カム軸部２０２を有し、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの一方に固定され、一対の吸気弁２１ａ、２１ｂのうちの一方の吸気弁２１ａを駆動する固定カム２１１と、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの他方に連動され、一対の吸気弁のうちの他方の吸気弁２１ｂを、一方の吸気弁２１ａの開閉タイミングに対して相対的に可変に駆動する可動カム２１２と、第１カム軸部に対する第２カム軸部の回転位相を調整し、かつ外部ＥＧＲ装置４１、２９において還流排気を吸気通路側へ再循環させるとき、回転位相を調整することにより可動カムを固定カムに対して異なる開閉タイミングで駆動する回転位相調整手段２８、３８を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の動弁制御装置に関する。

従来、内燃機関においてクランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉駆動する例えば吸気バルブなどの動弁の開閉特性（以下、「バルブタイミング特性」という）を可変にする技術が知られている。

この技術の一つとして特許文献１には、カムプロフィール特性が異なる二つのカムを備え、その二つのカムに対応する二つのロッカアームの動きを切り換えるストッパピンを制御することにより、吸気バルブを駆動するカムを選択し、吸気バルブのバルブタイミング特性を、低速型及び高速型に切り換えるという装置が開示されている。この技術では、低速領域及び高速領域において出力向上（あるいは燃費向上）が可能となる。

また、上記技術の別の一つとして特許文献２には、カム軸を第１カム軸部及び第２カム軸部の二重構造とし、かつ各カム軸部にカムを結合すると共に、カム軸部間の位相をずらすことでカムプロフィールを両カムによる合成形状とすることにより、吸気バルブの開弁期間に相当する作用角を連続的に可変する装置が開示されている。この技術では、吸気バルブの作用角を遅い側に増加させることにより、ポンプピングロスなく実体積効率を低下させ、ひいては燃費向上が可能となる。
特開２０００−３２８９１１号公報 特開２００２−５４４１０号公報

特許文献２には記載されていないが、吸気バルブの作用角を早い側に増加させ、排気バルブと吸気バルブが共に開く期間（以下、オーバーラップ期間）を可変にすることが可能となる。このオーバーラップ期間を変更することで、気筒の燃焼室（以下、単に「気筒内」という）に残留する排気ガス量（以下、内部ＥＧＲ量）を制御することができ、ひいてはポンプピングロス低減が図れる。

本発明の発明者らは、吸気通路と排気通路とに接続するＥＧＲ通路に搭載される排気還流装置（以下、外部ＥＧＲ装置という）を備えた内燃機関を検討している。このような内燃機関に、特許文献１及び特許文献２の技術を組み合わせる装置を適用すると、外部ＥＧＲ装置及び内部ＥＧＲを利用して、ポンピングロス低減と燃費向上とを両立させることができるはずである。しかしながら、ポンピングロス低減のためＥＧＲ量を増加していくと、所定以上の量では燃焼が悪化し、ひいてはドラビリの悪化を招くとの懸念があるのである。

特許文献２に開示の装置では、排気通路へ流出する排気ガスを気筒内へ吸い戻し、気筒内に残留させるのが内部ＥＧＲである。故に、内部ＥＧＲを導入し易くするために、吸入圧より排気圧を高めおくことが必要になる。このように吸気圧と排気圧の差圧を大きく確保する場合、オーバーラップ期間に応じて内部ＥＧＲ量を増やすことになる。しかしながら、外部ＥＧＲ装置により吸気通路に外部ＥＧＲを導入すると、低負荷領域であっても、吸気負圧が減少することになるので、上記吸気圧と排気圧の差圧が小さくなり、内部ＥＧＲ量が不安定となったり、顕著に少なくなるという懸念がある。

一方、外部ＥＧＲ装置による外部ＥＧＲ量を増加し、ＥＧＲ量を高めると、気筒内の燃焼状態が悪化する懸念がある。そのようなＥＧＲ量に高める場合には、上記燃費向上の効果が低下し、ドラビリの悪化を招いてしまうのである。

このような装置を、特許文献１の開示の技術に準じて異なるカムプロフィールの二つのカムで、バルブタイミング特性を低速型及び高速型に切り換えるものとする場合、異なるバルブタイミング特性により気筒内へ流入する気流を変化させるというのは大量ＥＧＲ時の燃焼改善が可能となる。しかしながら、バルブタイミング特性を連続的に可変制御することはできないため、低速型及び高速型の切換え時に、気筒内の燃焼状態を悪化させてしまうという懸念があるのである。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、外部ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ポンピングロス低減と燃焼改善とを両立させる内燃機関の動弁制御装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。

即ち、請求項１乃至１０記載の発明では、内燃機関において吸気通路と排気通路を連通し、排気の一部（以下、「還流排気」という）を再循環させる排気還流装置（以下、「外部ＥＧＲ装置」という）を有し、内燃機関の気筒において一対の吸気弁を、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉駆動し、かつ開閉タイミングを制御する内燃機関の動弁制御装置において、
カム軸は、第１カム軸部と、第１カム軸部に同軸かつ相対回転可能に支持される第２カム軸部を有し、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの一方に固定され、一対の吸気弁のうちの一方の吸気弁を駆動する固定カムと、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの他方に連動され、一対の吸気弁のうちの他方の吸気弁を、一方の吸気弁の開閉タイミングに対して相対的に可変に駆動する可動カムと、第１カム軸部に対する第２カム軸部の回転位相を調整する回転位相調整手段であって、内燃機関の外部ＥＧＲ装置において還流排気を吸気通路側へ再循環させるとき（以下、単に「還流排気の再循環時」という）、回転位相を調整することにより可動カムを固定カムに対して異なる開閉タイミングで駆動する回転位相調整手段を備えていることを特徴とする。

かかる発明では、吸気通路を通じて新気と共に、還流排気を気筒内へ再循環させることになるため、新気のみを気筒内へ供給する場合に比べてポンピングロスの低減が図れるが、新気に還流排気が単に混入した状態にある場合においては気筒内の燃焼状態が悪化する懸念がある。

しかしながら、上記構成に加えて、「気筒に二つある吸気弁（一対の吸気弁）のうち一方の吸気弁を、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの一方の回転に連動して駆動する固定カムと、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの他方の回転に連動し、かつ固定カムが駆動する一方の吸気弁の開閉タイミングに対して他方の吸気弁を相対的に可変に駆動する可動カムとを備える」という構成とするので、気筒に二つある吸気弁の開閉タイミングを、それぞれ固定カム及び可動カムにより相対的に可変に変更することができる。

しかも、「還流排気の再循環時において、第１カム軸部に対する第２カム軸部の回転位相を調整することにより可動カムを固定カムに対して異なる開閉タイミングで駆動する回転位相調整手段を備える」という構成とするので、燃焼悪化の懸念がある上記還流排気の再循環時に、一対の吸気弁のうちの特定吸気弁を早開きさせることができる。そのような特定吸気弁の早開き（以下、「吸気片弁早開き」ともいう）により、気筒内にスワール（渦流）を発生させることができるので、発生したスワールによって燃焼状態を改善することができる。

以上の構成の請求項１に記載の発明によれば、外部ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ポンピングロス低減と燃焼改善とを両立させることができるのである。

また、請求項２に記載の発明では、回転位相調整手段は、内燃機関の１サイクルのうちの吸入行程において、固定カムで駆動される一方の吸気弁の開タイミングを吸入上死点近傍に制御することを特徴とする。

かかる発明では、吸気弁と排気弁が共に開くオーバーラップ期間を設定し、当該オーバーラップ期間の大きさを変更することで、気筒に残留する排気の量（以下、内部ＥＧＲ量）を制御する内部ＥＧＲを行なうことが可能となる。しかし、請求項２に記載の発明によれば、一対の吸気弁のうち、固定カムで駆動される一方の吸気弁としての特定吸気弁が、その開タイミングを吸入上死点近傍に制御される構成とするので、上記オーバーラップ期間が設定される場合があったとしても、そのオーバーラップ期間の大きさは、比較的僅かな大きさとなるのである。それ故に、外部ＥＧＲ装置及び内部ＥＧＲが併用されることになる場合があったとしても、外部ＥＧＲ装置による還流排気の量（以下、外部ＥＧＲ量）を、内部ＥＧＲ量より優先して気筒内に取り入れ易くなるので、気筒内に取り入れられるＥＧＲ量の総量が安定した量で得られるのである。

また、請求項３乃至４に記載の発明の如く、回転位相調整手段は、上記還流排気の再循環期間においては、内燃機関の１サイクルのうちの吸入行程における可動カムで駆動される他方の吸気弁の閉タイミングを、吸入下死点よりも遅角側に制御することが好ましい。

かかる発明では、吸気弁が開弁しても、吸気（新気及び還流排気）の慣性力により気筒内への流動遅れが生じる。しかし、請求項３に記載の発明によれば、一対の吸気弁のうちの特定吸気弁と異なる他の吸気弁の閉タイミングを、吸入下死点よりも遅角側に制御するので、実体積効率を低下させ、それによりスロットル開度をより大きく取れるため、ポンピングロスが低減でき、ひいては燃費向上が図れる。

特に、請求項４に記載の発明によれば、一対の吸気弁のうち、他の吸気弁の上記開タイミングを遅らせることにより、吸気片弁早い開き状態を形成することになるので、筒内にスワールが発生し、大量ＥＧＲ時での燃焼が改善されるため、ひいては更なる燃費向上が図れる。

また、請求項５に記載の発明では、回転位相調整手段は、他方の吸気弁の閉タイミングを、内燃機関の負荷状態が所定の負荷より高い高負荷領域にあるとき、進角側に向けて早める制御を行なうことを特徴とする。

このような構成によると、有効圧縮比（充填効率）を高めて燃焼圧力を高めることができ、ひいては燃焼安定性を更に向上することができる。

また、請求項６に記載の発明では、回転位相調整手段は、他方の吸気弁の閉タイミングを、内燃機関の回転数が所定の回転数より高い高回転領域にあるとき、遅角側に向けて遅らせる制御を行なうことを特徴とする。

このような構成によると、吸気の慣性効果により、吸気の充填効率を効果的に高めることができる。

また、請求項７に記載の発明では、回転位相調整手段は、可動カムで駆動される他方の吸気弁の開タイミングを、内燃機関の始動時、または内燃機関の負荷状態が全負荷にほぼ等しい全負荷領域にあるとき、固定カムで駆動される他方の吸気弁の開タイミングと一致させる制御を行なうことを特徴とする。

かかる発明では、ＥＧＲ量（還流排気の量）を抑制し、新気量を優先して気筒内へ取り込むことになる。それ故に、始動直後のラフアイドルや、高負荷時の出力低下を防止することが可能となる。

また、請求項８に記載の発明では、回転位相調整手段は、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの一方と連動し、クランク軸と共に回転する第１回転体と、第１回転体に収容され、第１カム軸部及び第２カム軸部のうちの他方と連動して回転する第２回転体と、第２回転体を回転駆動する制御トルクを発生するトルク発生手段であって、第１回転体と第２回転体の間の相対位相を調整するトルク発生手段と、を備えていることを特徴とする。

このような構成では、上記一対の吸気弁を一つの吸気弁としてみると、吸気弁の開閉タイミング特性を可変とする機能と、吸気弁の開期間に相当する作用角を可変にする機能を、簡素な構成で得られるのである。

なお、第２回転体を回転駆動する制御トルクは、例えば電動駆動装置による電気的な駆動力、あるいは流体供給源からの作動流体が第２回転体の進角側又は遅角側へ供給される油圧力で形成されるものであればよい。

また、請求項９に記載の発明の如く、第２カム軸部は、第１カム軸部の内部に相対回転可能に支持され、固定カムは、第１カム軸部の外周に固定され、可動カムは、第１カム軸部の外周に相対回転可能に支持され、かつ第１カム軸部を挿通して第２カム軸部に結合する結合部材を備えるという構成が好ましい。これによると、固定カム及び可動カムの最大リフト量及び上記作用角を可変にするリフト量可変機構のような複雑な構成を用いることなく、比較的簡素な構成で吸気時間を可変にすることができる。

また、請求項１０に記載の発明の如く、外部ＥＧＲ装置は、還流排気を冷却する冷却装置を備えていることが好ましい。

このような構成よると、より多くの還流排気量（ＥＧＲ量）を気筒内に導入することが可能となる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符合を付すことにより、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１〜図３は本実施形態による内燃機関の動弁制御装置（以下、単に「動弁制御装置」という）を示している。図1及び図３は、動弁制御装置を適用する内燃機関の全体構成を示している。また、図１及び図２においては、主として動弁制御装置による第１カム軸部と第２カム軸部の間の相対位相を調整する装置の特徴的構成を示しており、図２及び３は、主として動弁制御装置による一対の吸気弁を駆動する固定カム及び可動カム間において相対的に開閉タイミングを可変にする装置の特徴的構成を示している。

なお、図１及び図３に示すように、内燃機関であるエンジン１０１において、「吸気通路」としての吸気管１１の最上流部にはエアクリーナ（図示せず）が設けられ、このエアクリーナの下流側には、「吸入空気流量検出手段」としての、吸入空気量を検出するための熱式エアフロメータ１３が設けられている。

この熱式エアフロメータ１３は、吸入空気の流れの中に配置される熱線（図示せず）と吸気温度センサ（図示せず）が内蔵され、吸入空気で冷やされる熱線の温度と吸気温度との温度差を一定に保つように熱線への供給電流が制御される。これにより、吸入空気流量に応じて変化する熱線の放熱量に応じて熱線への供給電流が変化し、この供給電流に応じた電圧信号が吸入空気流量信号として出力される。

この熱式エアフロメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１５に内蔵されたスロットル開度センサにより検出されるようになっている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には、「吸気圧力検出手段」としての、吸気管１１内の圧力を検出するための吸気圧センサ１７が設けられている。

また、サージタンク１６には、エンジン１０１の各気筒１０２に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒１０２の吸気ポート１８ａ周辺には、「燃料噴射手段」としての、燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁２０が取り付けられている。

シリンダブロック２３には円筒状のシリンダ内壁面２３ａが形成されると共にその下方にクランクケース２３ｂが形成されており、シリンダ内壁面２３ａ内にはピストン２４が図中の上下方向に摺動可能に収容されている。クランクケース２３ｂの下部には「潤滑油」としてのエンジンオイルを貯留するためのオイルパン（図示せず）が形成されている。そして、シリンダ内壁面２３ａと、ピストン２４の上端面と、シリンダヘッド２６の内周面により燃焼室（以下、単に「気筒内」という）２５が区画形成されている。

エンジン１０のシリンダヘッド２６には気筒毎に「点火手段」としての点火プラグ３０が取り付けられており、点火プラグ３０には、点火コイル等よりなる点火装置（図示略）を通じて、目標（所望）とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ３０の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２５内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

エンジン１０１の吸気ポート１８ａ及び排気ポート１９ａにはそれぞれ「吸気弁」としての吸気バルブ２１及び「排気弁」としての排気バルブ２２が設けられている。吸気バルブ２１及び排気バルブ２２は、それぞれ、カム軸２、３によって駆動される。ここで、エンジン１０１は、図１及び図２に示すように、４サイクル３気筒エンジンに適用した例を示すものであり、各気筒１０２には、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２がそれぞれ二つ設置されている。エンジン１０１のクランク軸１１２からの駆動力が駆動力伝達部材としてのタイミングチェーン１１３により各スプロケット１１４、１１５を介してカム軸としての吸気側カム軸２及び排気側カム軸３に伝達されるようになっている。

上記吸気側カム軸２には、エンジン１０１の運転状態に応じて吸気バルブ２１の開閉タイミング（以下、バルブタイミングという）を可変にする装置（以下、バルブタイミング調整装置）２８が設けられている。このバルブタイミング調整装置２８は油圧制御式であり、バルブタイミング調整装置２８を駆動する油圧を油圧制御弁３１によって制御される。なお、バルブタイミング調整装置２８の詳細については後述する。

一方、「排気通路」としての排気管２７には、排気（以下、排出ガスという）中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排出ガスを検出対象として混合気の空燃比（または酸素濃度）を検出するための空燃比センサ（Ｏ₂（酸素）センサ等）３２が設けられている。また、エンジン１０１のシリンダブロック２３には、冷却水温を検出する冷却水温センサ３３や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が取り付けられている。

排気管２７のうちの空燃比センサ３２の上流側と吸気管１１のうちのサージタンク１６の下流側との間には、排出ガスの一部を吸気側に還流するための還流通路（以下、ＥＧＲ配管という）２９が接続され、このＥＧＲ配管２９の途中に吸気側に再循環（還流）する「還流排気量」としての排出ガス還流量を制御する排気還流弁（以下、ＥＧＲ弁）４１が設けられている。ＥＧＲ弁４１はその開度を調整することにより上記排出ガス還流量を調整する。

ＥＧＲ配管２９のうち、ＥＧＲ弁４１の下流側（吸気側）には、還流される排出ガス（以下、ＥＧＲガス）を冷却する冷却装置（以下、ＥＧＲクーラ）４２が設けられている。ＥＧＲクーラ４２は、ＥＧＲガスが流通する複数のガス通路をほぼ平行に配置し、これらのガス通路に接して冷却媒体としての冷却水が流通する冷却媒体通路を設けて、ＥＧＲガスと冷却水を熱交換する熱交換部を構成するものである。

上述した各種センサの出力は、制御回路（以下、ＥＣＵという）６０に入力される。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２０の燃料噴射量、及びこの燃料噴射量を形成する噴射開始時期並びに噴射終了時期の制御と、点火プラグ３０による点火時期の制御と、吸気バルブ２１のバルブタイミングの制御などの各種の構成要素の制御を実行する。

ここで、ＥＧＲ弁４１及びＥＧＲ配管２９は請求範囲に記載の排気還流装置（以下、外部ＥＧＲ装置という）に相当する。外部ＥＧＲ装置はＥＧＲクーラ４２を有していることが好ましい。

エンジン１０１の運転に際し吸気バルブ２１が開放されると、燃料噴射弁２０による噴射燃料と、吸入空気との混合気が燃焼室２５内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２７に排出される。ＥＣＵ６０は、エンジン１０１の始動時及び停止時には、ＥＧＲ弁を駆動制御することにより閉弁し、ＥＧＲ配管２９が閉じられている。また、ＥＣＵ６０が各種センサにより検出したエンジン１０１の運転状態（以下、単に「運転状態」という）が上記始動時またはエンスト以外の通常運転状態である場合、ＥＣＵは、冷却水温が所定の温度以上であることを条件（以下、冷却水温条件）として、ＥＧＲ弁４１を開弁制御することにより、ＥＧＲ配管２９を開いて排出ガスを吸気側に導入する。

ＥＣＵ６０は、上記冷却水温条件を満足する場合には、図４に示すようなＥＧＲ量の目標量（以下、目標ＥＧＲ量）を示すマップを読み込み、エンジン１０１の運転状態に適した目標ＥＧＲ量に応じて、ＥＧＲ弁４１の開度を調節することで、ＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に一致させるようにしている。なお、図４において、運転状態Ｃはエンジン１０１の回転数が所定の回転数より高い高回転領域を示し、運転状態Ｂは負荷が所定の負荷より大きい高負荷領域を示しており、運転状態Ａは、通常運転状態のうち、運転状態Ｂ、Ｃを除く常用運転状態を示している。

ＥＣＵ６０は、運転状態Ａにおいては、燃焼悪化により燃焼変動が生じる限界まで導入するＥＧＲ量を高める。運転状態Ａの低負荷領域では吸気（新気）にＥＧＲガスを導入することでスロットルバルブ１４を、ＥＧＲガスの導入がない場合に比べてより開けて（スロットル開度を大きく）運転することを可能にし、ポンピングロス低減を可能にするのである。

また、運転状態Ｂのうち、全負荷を除く高負荷領域では、ノッキング（以下、ノック）の影響により点火時期を最適値（以下、ＭＢＴ）に設定できない場合があるが、ＥＣＵ６０は、ＥＧＲ弁４１を駆動制御しＥＧＲガスを導入することで燃焼速度を遅くするのである。これにより点火時期をＭＢＴに設定することが保証され、それ故にトルク向上し結果として燃費の向上を図るのである。上記全負荷の近傍では出力トルクが要求されるため、ＥＣＵ６０は、ＥＧＲ量を全負荷側に向けて減らし、運転状態がほぼ全負荷にある場合にはＥＧＲ量を零（０）に制御する。

また、運転状態Ｃでは、ＥＣＵ６０は、燃焼速度低下による燃焼変動の発生を回避するため、ＥＧＲ量を減らすように制御するのである。運転状態Ｄでは、ラフアイドルを抑制するためＥＧＲをカットする。

次に、本実施形態による動弁制御装置１の特徴構成について以下説明する。動弁制御装置１は、各気筒１０２に一対の吸気バルブ２１、及び外部ＥＧＲ装置４１、４２を有するエンジン１０２に適用されるものであり、「回転位相調整手段」として機能する回転位相調整部としてのバルブタイミング調整装置２８と、気筒１０２の一対の吸気バルブ２１を相対的に可変に駆動するカム機構３８、バルブタイミング調整装置２８を駆動制御するＥＣＵ６０を備えている。

カム機構３８は、図２及び図３の多気筒のＤＯＨＣ型エンジン１０１に適用する例で示すように、吸気側カム軸２がシリンダヘッド２６内に回転自在に支持されており、この吸気側カム軸２は、径方向外側の「第１カム軸部」としての第１カムシャフト２０１と、その径方向外側に同軸に回転可能に支持される「第２カム軸部」としての第２カムシャフト２０２とを備えている。

第１カムシャフト２０１は、一対の吸気バルブ２１のうち、一方の吸気バルブ（第１吸気バルブという）２１ａを駆動する固定カム２１１が設けられており、固定カム２１１は第１カムシャフト２０１と一体回転する。また、第１カムシャフト２０１の外周には、一対の吸気バルブ２１のうち、他方の吸気バルブ（第２吸気バルブという）２１ｂに対向する位置に、第２吸気バルブ２１ｂを駆動する可動カム２１２が設けられており、可動カム２１２は第１カムシャフト２０１に対して相対回転可能に配置されている。

第１カムシャフト２０１には、周方向に延びる開口部（以下、長孔）２２１が形成されており、この長孔２２１を挿通する「結合部材」としてのピン２２２によって第２カムシャフト２０２と可動カム２１２とが結合されている。このような構成により、第１カムシャフト２０１及び第２カムシャフト２０２が相対回転すると、固定カム２１１に対して可動カム２１２が相対回転する。

固定カム２１１と可動カム２１２のカムプロフィールはほぼ同一に形成されており、上記相対回転する過程において第１カムシャフト２０１及び第２カムシャフト２０２が同期する場合には、第１吸気バルブ２１ａ及び第２吸気バルブ２１ｂが同じ開閉タイミングでカム２１１、２１２により駆動される。また、第１カムシャフト２０１と第２カムシャフト２０２との間で相対位相が生じる場合には、第１吸気バルブ２１ａ及び第２吸気バルブ２１ｂは、各カム２１１、２１２によって相対位相分だけ異なる開閉タイミングで駆動される。

バルブタイミング調整装置２８は、作動流体として作動油を用いる油圧制御式であり、エンジン１０１のクランク軸１１２の駆動力を吸気側カム軸２へ伝達する駆動力伝達系において油圧駆動される駆動部５０、並びに駆動部１０への作動油供給を制御する「供給制御手段」としての制御部７０を備えている。

（駆動部）
まず、駆動部５０について説明する。駆動部５０において、「第一回転体」としてのハウジング５８は、スプロケット５１及びシューハウジング５２から構成されている。

シューハウジング５２は有底円筒状に形成され、回転方向に略等間隔となる箇所から径方向内側へ突出する仕切部として複数のシュー５２ａを有している。各シュー５２ａの突出側端面は図２の左方向からみて円弧状であり、ベーンロータ５４のボス部５４ａの外周壁面に摺接する。回転方向において隣り合うシュー５２ａの間には、それぞれ収容室（図示せず）が形成される。各収容室は、対応するシュー５２ａの側面とシューハウジング５２の内周壁面とで囲まれており、図２の左方向からみて扇状である。

スプロケット５１は円筒状に形成され、シューハウジング５２の開口側に同軸上にボルト固定されている。スプロケット５１は、タイミングチェーン１１３を介してクランク軸１１２と連繋している。これによりハウジング５８は、エンジン１０１の運転によりクランク軸１１２からスプロケット１１へ駆動力が伝達されるときに、クランク軸１１２と共に一体回転する。

「第二回転体」としてのベーンロータ５４はハウジング５８内に収容されており、ベーンロータ５４の軸方向の両端面はスプロケット５１の内側面及びシューハウジング５２の内底面に摺接する。ベーンロータ５４は、円柱状のボス部５４ａと、複数のベーン５４ｂとを有している。ボス部５４ａの外周壁面において各シュー５２ａの突出側端面が摺接する部分に設けられた凹部には、シール部材５５が嵌合装着されている。

円筒状のブッシュ８０は、シューハウジング５２の底部の内周側に相対回転可能に挿入された状態で、ボス部５４ａの一端部に同軸上に嵌合している。ボス部１４ａは、同軸上の吸気側カム軸２のうちの第２カムシャフト２０２に対してブッシュ８０と共にボルト固定されている。したがって、吸気側カム軸２の第２カムシャフト２０２及びブッシュ８０と共にベーンロータ１４は、一体回転する。また、ベーンロータ５４は、ハウジング５８に対して吸気側カム軸２のうちの第２カムシャフト２０２と共に相対回転可能である。

また、ハウジング５８の吸気側カム軸２側には開口部５８ｏが形成され、第１カムシャフト２０１が開口部５８ｏに取り付けられており、ハウジング５８及び第１カムシャフト２０１が、ベーンロータ５４及び第２カムシャフト２０２に同心的に配置されている。

各ベーン５４ｂは、それぞれ対応する上記収容室を回転方向に二分することによって、進角室と遅角室とをハウジング５８との間に形成している。これによると、ベーンロータ５４がハウジング５８に対して進角の最端位置にあるときには、各進角室の容積が最大となり、各遅角室の容積が最小となる。一方、ベーンロータ５４がハウジング５８に対して遅角側の最端位置にあるときには、各遅角室の容積が最大となり、各進角室の容積が最小となるのである。進角室はそれぞれ、スプロケット５１に形成された進角通路と連通し、それら進角通路はいずれも、カム軸２の第１カムシャフト２０１に形成された進角通路７１と連通している。一方、遅角室はそれぞれ、ベーンロータ５４に形成された遅角通路と連通し、それら遅角通路はいずれも、カム軸２の第１カムシャフト２０１に形成された遅角通路７２と連通している。

ベーン５４ｂには、ストッパピン６６が収容されている。ストッパピン６６は、圧縮コイルスプリング６８の復原力によりシューハウジング５２の底部に嵌合することで、ベーンロータ５４をハウジング５８に対する進角側の最端位置に拘束する。一方、ストッパピン６６は、ベーン５４ｂに形成された通路を通じて遅角室から供給される作動油の圧力を受けて、シューハウジング５２の上記底部からの離脱位置に軸方向変位することで、ハウジング５８に対するベーンロータ５４の相対回転を許容する。

また、上記ブッシュ８０側のベーンロータ５４とシューハウジング５２の間には、ベーンロータ５４をシューハウジング５２に対して進角側に付勢するアシストプリング８１が設けられている。

（制御部）
次に、制御部７０について説明する。制御部７０において、駆動部５０側の進角通路及び遅角通路はそれぞれ、カム軸２の第１カムシャフト２０１の進角通路７１及び遅角通路７２と連通する。

油圧制御弁３１は、進角通路７３、遅角通路７４、ポンプ通路７５及びドレイン通路７６、７７と接続されている。ここでポンプ通路７５には、流体供給源であるオイルポンプ４が設置されており、オイルポンプ４はポンプ通路７５の上流側を通じてオイルタンク５から作動油を汲み上げ、ポンプ通路７５の下流側を通じて作動油を油圧制御弁３１側へと吐出する。なお、本実施形態のオイルポンプ４は、クランク軸１１２によって駆動される即ちエンジン１０１の駆動力を得て回転駆動されるメカポンプである。また、ドレイン通路７６、７７は、油圧制御弁３１からオイルタンク５側へ作動油を排出可能に設けられている。

油圧制御弁３１は、通電により電磁駆動部３１ａが発生する駆動力と、リターンスプリング３１ｂが当該駆動力の反対向きに発生する復原力との釣り合いに応じて、上記通路を切り換えるスプール（図示せず）を軸方向移動させる周知構造の電磁スプール弁である。上述の如き通路７３〜７７の接続形態にある油圧制御弁３１は、電磁駆動部３１ａに与えられる駆動電流に従ったスプールの軸方向移動によって、ポンプ通路７５及びドレイン通路７６、７７のうち進角通路７３及び遅角通路７４にそれぞれ連通する通路を切り換える。

具体的に、電磁駆動部３２に与えられる駆動電流が基準値Ｉ_ｂよりも小さい値となるときには、進角通路７３がポンプ通路７５と連通し、オイルポンプ４からの吐出油がポンプ通路７５を通じて進角通路７３へ供給される。またこのとき、遅角通路７４がドレイン通路７６と連通し、遅角通路７４の作動油がドレイン通路７６を通じてオイルタンク５へ排出される。

電磁駆動部３２に与えられる駆動電流が基準値Ｉ_ｂよりも大きい値となるときには、遅角通路７４がポンプ通路７５と連通し、オイルポンプ４からの吐出油がポンプ通路７５を通じて遅角通路７４へ供給される。またこのとき、進角通路７３がドレイン通路７７と連通し、進角通路７３の作動油がドレイン通路７７を通じてオイルタンク５へ排出される。

電磁駆動部３２に与えられる駆動電流が基準値Ｉ_ｂとなるときには、進角通路７３及び遅角通路７４と、ポンプ通路７５及びドレイン通路７６、７７との間の連通が遮断される。したがって、オイルポンプ４からの吐出油は進角通路７３及び遅角通路７４のいずれにも供給されず、また進角通路７３及び遅角通路７４の作動油は、それら通路７３、７４に滞留することとなる。

さて、制御部３０において制御回路６０は、制御回路３６は、クランク軸１１２に対するカム軸２のカム角位相（機関位相）に関して実位相及び目標位相を各センサの出力に基づき算出し、それら位相の算出結果に応じて油圧制御弁３１への通電、即ち当該弁３１に与える駆動電流を制御する。なお、図２に示すように第２カムシャフト２０２には、第１カムシャフト２０１に対する相対位相を検出するカム角センサ３５が設置されている。

なお、ここで、油圧制御弁３１は請求範囲に記載の位相制御手段においてトルク発生手段に相当し、進角室に供給する作動油及び遅角室に供給する作動油を切り換えることにより、ベーンロータ５４即ち第２カムシャフト２０２に、ハウジング５０即ち第１カムシャフト２０１に対して相対回転するための油圧力を形成するものに相当するのである。

なお、上記油圧制御弁３１を、以下の説明では、ＯＣＶともいう。

上述の動弁制御装置１の作動を、図５に示す制御回路６０のメモリ内に記憶されたプログラムを実行することで得られる制御処理に基づいて説明する。図５において、Ｓ（Ｓはステップ）５０１及びＳ５０２の制御処理では、エンジン１０１の運転状態が、外部ＥＧＲ装置４１、２９が作動しない状態であるか否かを判定するものである。そのような非作動状態では、外部ＥＧＲ装置４１、２９の作動に対応した動弁制御装置１の作動を停止するからである。

具体的には、Ｓ５０１では、各種センサからの検出によりエンジン１０１の運転状態を検出する。そして、エンジン１０１の運転状態が始動時または停止状態（エンストも含む）であるか否かを判定する。運転状態が始動時または停止状態である場合には、外部ＥＧＲ装置４１、２９の非作動状態であると判断し、Ｓ５０３へ移行する。逆に、運転状態が始動時または停止状態でない場合には、外部ＥＧＲ装置４１、２９が作動している可能性がると判断し、Ｓ５０２に移行してエンジン１０１の冷却水温が所定温度以上であるか否かを判定する。Ｓ５０２にて冷却水温が所定温度未満であると判定される場合には、外部ＥＧＲ装置４１、２９が非作動であると判断し、Ｓ５０３へ移行する。Ｓ５０２にて冷却水温が所定温度以上であると判定される場合には、外部ＥＧＲ装置４１、２９が作動常態にあると判断し、Ｓ５０４へ移行する。

Ｓ５０３では、Ｓ５０１及びＳ５０２のいずれかにおいて外部ＥＧＲ装置４１、２９が作動常態にあると判断されたので、油圧制御弁（ＯＣＶ）３１の通電を停止し、動弁制御装置１の作動を停止する。始動時や停止時においてはオイルポンプ４から供給される油圧がないか殆どない状態に相当する。それ故に、そのような場合には、動弁制御装置１のバルブタイミング調整装置２８は、ベーンロータ５４がアシストスプリング８１によって進角側に付勢され、ストッパピン（ロックピンともいう）６６で最進角位置に固定される。それによって、第１カムシャフト２０１と第２カムシャフト２０２の間の相対位相が生じなくなる。その結果、第１吸気バルブ２１ａ及び第２吸気バルブ２１ｂが同じ開閉タイミングでカム２１１、２１２により駆動される。

Ｓ５０４では、図６に示すような目標遅角量（目標位相）のマップを読み込み、可動カム２１２）を回転する第２カムシャフト２０２の目標位相、即ち第１カムシャフト２０１（固定カム２１）に対する相対位相（遅角差）Δ（図７参照）を決定する。図６において、運転状態Ａでは、固定カム２１１で駆動される第１吸気バルブ２１ａに対して、可動カム２１２で駆動される第２吸気バルブ２１ｂの相対位相Δが大きくなるように設定されている。運転状態Ｂでは、高負領域となり必要な吸気（新気）を確保するため、ＥＧＲ量が減るので、相対位相Δも減らすようにする。また、運転状態Ｃでは、吸気の慣性効果を利用し、充填効率を向上するため、相対位相Δが大きくなるように設定されている。

上記相対位相Δに対応した油圧制御弁（ＯＣＶ）３１の目標開度に設定し、Ｓ５０５にて油圧制御弁（ＯＣＶ）３１を目標開度に相当する駆動電流値またはデューティ出力（本実施例では、デューティ出力）で駆動制御する。Ｓ５０６では、カム角センサ３５の検出により第２カムシャフト２０２の実相対位相Δを検出し、Ｓ５０７へ移行し実相対位相Δが目標相対位相Δと一致しているか否かを判断する。

Ｓ５０７にて実相対位相Δと目標相対位相Δの差が所定値以下であると判定される場合には、実相対位相Δが目標相対位相Δとほぼ一致していると判断し、当該制御処理を終了し、Ｓ５０１へ戻る。

一方、Ｓ５０７にて実相対位相Δと目標相対位相Δの差が所定値を超えると判定される場合には、Ｓ５０８へ移行し上記油圧制御弁（ＯＣＶ）３１を駆動するデューティ出力を補正する。そして、補正したデューティ出力によってＳ５０５及びＳ５０６の制御処理を実行し、Ｓ５０７にて実相対位相Δが目標相対位相Δと一致するという判定となるまで繰り返し実行する。

それ故に、第１カムシャフト２０１と第２カムシャフト２０２の間の相対位相が、目標相対位相Δとなって形成される。その結果、第１吸気バルブ２１ａ及び第２吸気バルブ２１ｂが、図７に示すような異なる開閉タイミングでカム２１１、２１２により駆動されることになる。第１カムシャフト２０２の固定カム２１１によって駆動される第１吸気バルブ２１ａが、第２吸気バルブ２１ｂに対して早く開くようになり、いわゆる吸気片弁早開きとなるので、気筒内２５へ第２吸気バルブ２１ｂを通じて流入する吸気の流れが、気筒内２５にスワール（渦流）を発生する。気筒内２５にスワール（渦流）が発生すると、ＥＧＲガスの導入により燃焼悪化しても、スワールによって燃焼改善が図れ、気筒内２５に導入可能な限界ＥＧＲ量を増やすことができる（図８（ａ）参照）。

また、上記吸気片弁早開きとなると、第２吸気バルブ２１ｂが第１吸気バルブ２１ａに対して遅く閉じるようになり、いわゆる吸気片弁遅閉じとなるのである。そのような吸気片弁遅閉じ状態の第２吸気バルブ２１ｂは、下死点以降も開弁することになるため、吸気を吹戻し、その結果、図８（ｂ）に示すように、スロットルバルブ１４のスロットル開度を従来技術より大きくすることができ、ポンピングロス低減が更に図れる。

なお、吸気バルブ２１ａ、２１ｂの開期間の設定方法としては以下のようにすることが好ましい。即ち、第1吸気バルブ２１ａの開時期は吸入上死点（ＴＤＣ）近傍とし、閉時期は吸入下死点（ＢＤＣ）近傍でかつ、エンジン１０１の温間再始動の際にも異常燃焼を生じない時期に設定するのが好ましい。具体的にはＢＤＣ以降３０°ＣＡ〜６０°ＣＡの範囲にあることが好ましい。第２吸気バルブ２１ｂは、動弁制御装置１のバルブタイミング調整装置２８が最進角の際に第1吸気バルブ２１ａと同時期で、バルブタイミング調整装置２８が最遅角の際に閉じ時期がＢＤＣ以降であり、常用領域で燃費が最大となる時期に設定することが好ましい。具体的にはＢＤＣ以降９０°ＣＡ〜１２０°ＣＡの範囲にあることが好ましい。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用可能である。
（１）例えば以上説明した本実施形態では、動弁制御装置１のうちのバルブタイミング調整装置２８を、油圧制御式としたが、電動モータ等の電動駆動装置により制御されるものであってもよい。

本発明の第１実施形態による内燃機関の動弁制御装置を適用した内燃機関の制御装置の全体構成を示す模式図である。 図１中のII-II線断面図である。 図１の内燃機関の横断面概略図であって、図２中のIII-III線断面図である。 図３中の排気還流装置による還流排気量の目標量を示す図であって、運転状態と目標量との関係を示す模式図である。 図１中のＥＣＵで実行される制御方法を示す図であって、排気還流装置の作動に応じて気筒にある一対の吸気弁の開閉タイミングを相対的に可変にする動弁制御を実施するための制御処理を示すフローチャートである。 図２中の動弁制御装置による一対の吸気弁の開閉タイミングにおける目標タイミングを示す図であって、運転状態と、一対の吸気弁間で相対的に開閉タイミングを変化させる量との関係を示す模式図である。 図２中の動弁制御装置による一対の吸気弁の開閉タイミングの一例を示す特性図である。 図２中の動弁制御装置による作用効果の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 動弁制御装置（内燃機関の動弁制御装置）
１０１ エンジン（内燃機関）
１０２ 気筒
２ 吸気側カム軸
２０１ 第１カムシャフト（第１カム軸部）
２０２ 第２カムシャフト（第２カム軸部）
２１１ 固定カム
２１２ 可動カム
２２１ 長孔（開口部）
２２２ ピン（結合部材）
３ 吸気側カム軸
１１ 吸気管（吸気通路）
１３ 熱式エアフロメータ（吸入空気流量検出手段）
１４ スロットルバルブ
１６ サージタンク（吸気通路）
１７ 吸気圧センサ（吸気圧力検出手段）
１８ 吸気マニホールド
１８ａ 吸気ポート
２０ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２１ 吸気バルブ
２１ａ 第１吸気バルブ
２１ｂ 第２吸気バルブ
２２ 排気バルブ
２４ ピストン
２５ 燃焼室
２８ バルブタイミング調整装置
２９ ＥＧＲ配管（還流通路）
４１ ＥＧＲ弁（排気還流弁）
４２ ＥＧＲクーラ（冷却装置）
５０ 駆動部
５８ ハウジング
５４ ベーンロータ
６０ ＥＣＵ（制御回路）
７０ 制御部

Claims (10)

1. 内燃機関において吸気通路と排気通路を連通し、排気の一部を再循環させる排気還流装置を有し、前記内燃機関の気筒において一対の吸気弁を、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉駆動し、かつ開閉タイミングを制御する内燃機関の動弁制御装置において、
   前記カム軸は、第１カム軸部と、前記第１カム軸部に同軸かつ相対回転可能に支持される第２カム軸部を有し、
   前記第１カム軸部及び前記第２カム軸部のうちの一方に固定され、前記一対の吸気弁のうちの一方の吸気弁を駆動する固定カムと、
   前記第１カム軸部及び前記第２カム軸部のうちの他方に連動され、前記一対の吸気弁のうちの他方の吸気弁を、前記一方の吸気弁の開閉タイミングに対して相対的に可変に駆動する可動カムと、
   前記第１カム軸部に対する前記第２カム軸部の回転位相を調整する回転位相調整手段であって、前記内燃機関の前記排気還流装置において排気の一部を前記吸気通路側へ再循環させるとき、前記回転位相を調整することにより前記可動カムを前記固定カムに対して異なる開閉タイミングで駆動する回転位相調整手段を備えていることを特徴とする内燃機関の動弁制御装置。
2. 前記回転位相調整手段は、前記内燃機関の１サイクルのうちの吸入行程において、前記固定カムで駆動される前記一方の吸気弁の開タイミングを吸入上死点近傍に制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の動弁制御装置。
3. 前記回転位相調整手段は、前記排気還流装置による排気の一部の再循環する期間においては、前記内燃機関の１サイクルのうちの吸入行程における前記可動カムで駆動される前記他方の吸気弁の閉タイミングを、吸入下死点よりも遅角側に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の動弁制御装置。
4. 前記回転位相調整手段は、前記他方の吸気弁の開タイミングを、前記一方の吸気弁の開タイミングよりも遅角側に制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の動弁制御装置。
5. 前記回転位相調整手段は、前記他方の吸気弁の閉タイミングを、前記内燃機関の負荷状態が所定の負荷より高い高負荷領域にあるとき、進角側に向けて早める制御を行なうことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関の動弁制御装置。
6. 前記回転位相調整手段は、前記他方の吸気弁の閉タイミングを、前記内燃機関の回転数が所定の回転数より高い高回転領域にあるとき、遅角側に向けて遅らせる制御を行なうことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁制御装置。
7. 前記回転位相調整手段は、前記可動カムで駆動される前記他方の吸気弁の開タイミングを、前記内燃機関の始動時、または前記内燃機関の負荷状態が全負荷にほぼ等しい全負荷領域にあるとき、前記固定カムで駆動される前記他方の吸気弁の開タイミングと一致させる制御を行なうことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁制御装置。
8. 前記回転位相調整手段は、
   前記第１カム軸部及び前記第２カム軸部のうちの一方と連動し、前記クランク軸と共に回転する第１回転体と、
   前記第１回転体に収容され、前記第１カム軸部及び前記第２カム軸部のうちの他方と連動して回転する第２回転体と、
   前記第２回転体を回転駆動する制御トルクを発生するトルク発生手段であって、前記第１回転体と前記第２回転体の間の相対位相を調整するトルク発生手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁制御装置。
9. 前記第２カム軸部は、前記第１カム軸部の内部に相対回転可能に支持され、
   前記固定カムは、前記第１カム軸部の外周に固定され、
   前記可動カムは、前記第１カム軸部の外周に相対回転可能に支持され、かつ前記第１カム軸部を挿通して前記第２カム軸部に結合する結合部材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁制御装置。
10. 前記排気還流装置は、前記吸気通路に再循環する前記排気の一部としての還流排気を冷却する冷却装置を備えていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁制御装置。

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