JP2011007142A

JP2011007142A - 内燃機関およびその制御方法

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Publication number: JP2011007142A
Application number: JP2009152913A
Authority: JP
Inventors: Kikutaro Udagawa; 菊太郎宇田川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP5282679B2

Abstract

【課題】カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能なカムレス方式の駆動装置を有する内燃機関において始動性を向上させる。
【解決手段】エンジン１の始動時に、全気筒の少なくとも１つのバルブ４を燃焼室のピストンに干渉しない僅かな量だけ開く。これにより、エンジン１の始動時にセルモータへの負荷を軽減でき、クランクシャフトの回転数を速やかに上昇させることができ、角度同期および油圧上昇に要する時間も短縮できる。このため、エンジン１の始動時間を短縮でき、エンジン１の始動性を向上させることができる。このため、バッテリーへの負担も低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関およびその制御方法に関し、更に詳しくは、カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能なカムレス方式の駆動装置を有する内燃機関において始動性を向上させることができる内燃機関およびその制御方法に関する。

近年、自動車用エンジンに対する排ガス規制強化や燃費改善の要求増大に伴って燃焼制御の高度化が進んでいる。燃焼制御を改善するための１つの方法として、エンジンの吸排気バルブの動作タイミングを運転状態に応じて任意に変化させる可変バルブ機構があり、中でも、カムシャフトが無く、クランクシャフトの回転角度をセンサ等の検出手段によって認識し、コントローラが各気筒の運転行程（吸気、圧縮、膨張、排気）に合わせて最適なタイミングで吸排気バルブの動作を制御する、カムレスエンジンの開発が進められている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−３２８７１３号公報

ところで、上記したカムレスエンジンは、吸排気バルブの動作（タイミング、リフト量）の自由度が極めて高い反面、誤った指示を与えると吸排気バルブがピストンに簡単に干渉してエンジンに大きなダメージを与える危険性がある。このため、ピストンの位置（すなわち、クランク角度）の認識は、カムレスエンジンにおいて非常に重要であるが、一般のエンジンコントローラではソフトおよびハードの性能に限界があり、エンジン始動時および停止時の極低速領域で、クランク角度を認識することができない領域がある。

この領域では、エンジンを保護するため、吸排気バルブを強制的に閉弁状態にしている。この操作では、エンジンを停止する際、燃料噴射を停止して動力計をモータリング状態とし、コントローラへの手動指示で全バルブを全閉状態に保持してからエンジン（動力計）を停止させるという複雑な手順が必要である。これは、そのようにしないと、エンジンを停止する際の機関速度減少時に、一定回転数以下ではコントローラがクランク角度を認識することができない状態（回転同期がはずれた状態）となり、バルブを所望の角度タイミングで開閉制御することができないので、バルブが開いたままとなってピストンと干渉する危険があるためである。

しかし、上記の場合にはエンジン始動時にバルブを全て閉じた状態でセルモータを回すことになるので、セルモータへの負荷が大きく、クランクシャフトの回転速度（クランキング速度）が上がり難くなり、エンジンの始動性が低下するという問題がある。

本発明の目的は、カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能なカムレス方式の駆動装置を有する内燃機関において始動性を向上させることができる内燃機関およびその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能な駆動装置を備える内燃機関において、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブを、前記内燃機関の運転時の開弁状態の前記吸気バルブおよび排気バルブの第１リフト量よりも小さな第２リフト量で開くように前記駆動装置に指示する制御部を有するものである。

また、上記した内燃機関において、前記制御部は、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブを全て閉じ、前記内燃機関に設けられた前記排気バルブの１つ以上のバルブを前記第２リフト量で開くように前記駆動装置に指示するものである。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御方法は、カムを用いることなくクランク軸の回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能な駆動装置を備える内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブを、前記内燃機関の運転時の開弁状態の前記吸気バルブおよび排気バルブの第１リフト量よりも小さな第２リフト量で開く制御を行うものである。

また、上記した内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブを全て閉じ、前記内燃機関に設けられた前記排気バルブの１つ以上のバルブを前記第２リフト量で開く制御を行うものである。

本発明によれば、内燃機関の始動時または停止時に、内燃機関に設けられた吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブをピストンに衝突しないように僅かに開くことにより、内燃機関の始動時にセルモータへの負荷を軽減でき、クランクシャフトの回転数を速やかに上昇させることができるので、内燃機関の始動性を向上させることができる。

また、内燃機関に設けられた吸気バルブおよび排気バルブの全てのバルブを開いた場合は、吸気バルブおよび排気バルブの制御系の異常をも確認することができるので、内燃機関の安全性をも向上させることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の要部構成図である。ノーマルカムとカムレスとでバルブプロファイルを比較して示したグラフ図である。図１の内燃機関の始動時のバルブ動作プロセスを示した行程図である。図１の内燃機関の始動時のバルブタイミングの一例を示したグラフ図である。図１の内燃機関の通常運転時のバルブタイミングの一例を示したグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施の形態の内燃機関の要部の構成図を示している。

本実施の形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１である。このエンジン１は、シリンダ（燃焼室）内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ内のピストンを押し出す構成を有しており、トラック等のような自動車に搭載される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。

このエンジン１は、電子制御ユニット（Engine Control Unit：以下、ＥＣＵという）２と、動弁システム（駆動装置）３とを備えている。

ＥＣＵ２は、エンジン１の運転における電気的な制御を総合的に行うためのマイクロコントローラである。ＥＣＵ２には、エンジン１の運転状態（クランク角度、回転速度、エンジン負荷等）を検出するセンサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、その各センサからの信号に基づいてエンジン１の運転状態を把握し、それに応じた駆動信号をインジェクタ（燃料噴射装置）の電磁ソレノイドに送信することにより、インジェクタからの燃料の噴射を実行したり停止したりする。

動弁システム３は、カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とでバルブ４を開閉可能なカムレス型の駆動システムで構成される。なお、図１では１個のバルブ４を例示している。このバルブ４は吸気バルブまたは排気バルブのいずれかである。

バルブ４は、バルブヘッド４ａとバルブステム４ｂとを一体的に有している。このバルブ４は、昇降可能な状態でシリンダヘッド６に設置されている。バルブステム４ｂの外周には、リフトセンサ７が設置されている。このリフトセンサ７は、バルブ４のリフト量を検出するためのセンサであり、ＥＣＵ２と電気的に接続されている。また、バルブステム４ｂの外周には、バルブスプリング８がバルブステム４ｂの外周を囲繞するように設置されている。このバルブスプリング８は、例えばコイルバネからなり、バルブ４を閉弁方向に付勢するように圧縮状態で設置されている。

また、バルブ４は、例えば油圧で動作する。この油圧は、専用の高圧供給ポンプ（油圧ポンプ）１１により形成される。この高圧供給ポンプ１１は、ドライバ回路１２を介してＥＣＵ２と電気的に接続されており、そのポンプ動作がＥＣＵ２により制御される。

また、この高圧供給ポンプ１１の回転軸にはギア１３ａが接続されており、クランクシャフトの１／２の速度で回転している。このギア１３ａの近傍には回転センサ１４ａが配置されている。一方、クランクシャフトにはギア１３ｂが接続されており、このギア１３ｂの近傍には回転センサ１４ｂが配置されている。回転センサ１４ａ，１４ｂは、ギア１３ａ，１３ｂの回転角度を検出するためのセンサであり、ＥＣＵ２と電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、このような速度の異なる２軸の回転速度を検出し、演算することで、クランク角度（０〜７２０°ＣＡ）を把握する。作動流体としては、例えばエンジン１の燃料と共通の軽油が使用されている。

高圧供給ポンプ１１から供給された油圧は、それぞれのバルブ４の機構部に加わっているが、非制御状態では油圧経路が遮断されており、バルブ４は現在位置で保持されている。この油圧経路には、電磁弁１５が設置されており、この電磁弁１５のオンオフにより、バルブ４の開閉動作が制御されている。電磁弁１５は、１つのバルブ４に対して、開弁用電磁弁１５ａと閉弁用電磁弁１５ｂとの２つの電磁弁がある。例えば６気筒２４バルブエンジンでは、合計で４８個の電磁弁１５が設置される。

開弁用電磁弁１５ａは、バルブ４の開弁動作を制御するための制御弁であり、高圧供給ポンプ１１と圧力室１８とを結ぶ油圧経路に設置されている。圧力室１８は、バルブ４の開弁のための加圧された作動流体が高圧供給ポンプ１１から供給される部屋であり、シリンダヘッド６上のカムレスブロック２０においてバルブステム４ｂの上部に形成されている。圧力室１８の底面にはバルブステム４ｂの上端面（受圧面）が露出されている。

閉弁用電磁弁１５ｂは、バルブ４の閉弁動作を制御するための制御弁であり、低圧ライン２１と圧力室１８とを結ぶ油圧経路に設置されている。低圧ライン２１は閉弁時に圧力室１８の高圧作動流体を逃がすためのラインであり、低圧となった作動流体は高圧供給ポンプ１１により再加圧される。

開弁用電磁弁１５ａおよび閉弁用電磁弁１５ｂは、それぞれドライバ回路１２を介してＥＣＵ２に電気的に接続されており、その各々の電磁弁の開閉動作がＥＣＵ２により制御される。バルブ動作量（燃焼室内へのバルブ突き出し量）は、開弁用電磁弁１５ａに加えるパルス幅により決定され、バルブ動作タイミングは、そのパルスをクランク角の何度で出力するかにより決定される。バルブ４を閉じる場合も同様である（ただし、必ず全閉状態になる）。

バルブ４の開弁動作に際しては、開弁用電磁弁１５ａを開き、閉弁用電磁弁１５ｂを閉じた状態で、矢印Ａで示すように、高圧供給ポンプ１１から圧力室１８に高圧の作動流体を供給するとバルブ４が開方向（図１の下方側）に押され、この押圧力がバルブスプリング８の付勢力を上回るとバルブ４が下方に開弁する。

バルブ４の閉弁動作に際しては、開弁用電磁弁１５ａを閉じ、閉弁用電磁弁１５ｂを開いた状態で、矢印Ｂに示すように、圧力室１８内の不要となった高圧作動流体が低圧ライン２１に流れ込み、バルブ４がバルブスプリング８の付勢力により閉方向（図１の上方側）に戻され、バルブ４が上方に閉弁する。

このようなカムレス型の動弁システム３においては、ＥＣＵ２からの制御パルス幅やタイミング等を変えることによりバルブ４の開閉を自由に制御することができる。図２は、ノーマルカムとカムレスとでバルブプロファイルを比較して示している。符号Ｖ０はカムを用いるノーマルカムのバルブプロファイルを示し、符号Ｖ１はカムを用いないカムレスのバルブプロファイルを示している。カムレスの場合、バルブリフト量を種々変えることができる。なお、図２ではリフト量のみを変更しているが、カムレスの場合、動作開始・終了タイミングも自由に設定できる。

次に、本実施の形態のエンジン１のＥＣＵ２の制御によるバルブ動作の一例を図３〜図５を参照しながら説明する。

図３は、エンジン１の始動時のバルブ動作プロセスを示した行程図である。

まず、図３に示すように、エンジン１の始動１００、クランキング１０１、クランクシャフトの回転上昇行程１０２を経て、角度同期行程１０３ａおよびバルブ作動油圧の上昇行程１０３ｂを並列的に行う。

エンジン１の始動１００に際して、全気筒の全バルブを閉じたままとすると、クランキング時の燃焼室のピストンの上下運動により燃焼室内は高圧または負圧を繰り返し、セルモータの負担が増大することによりクランキング速度（クランクシャフトの回転数）が上昇し難い。また、バルブ動作のためには、カム・クランクセンサが現在のクランク角度を認識するための角度同期行程１０３ａおよびバルブ作動油圧の上昇行程１０３ｂが必要であるが、上記のようにクランク速度が上昇し難いと、角度同期行程１０３ａおよびバルブ作動油圧の上昇行程１０３ｂに要する時間が増えてエンジン１の始動性が低下し、バッテリーへの負担も大きい。

そこで、本実施の形態のエンジン１においては、エンジン１の始動１００に際して、全気筒の全バルブ４を、第２リフト量だけ開く。この第２リフト量は、エンジン１の通常運転時における開弁状態のバルブ４（吸気バルブおよび排気バルブ）の第１リフト量よりも小さなリフト量であり、燃焼室のピストンに干渉しない僅かな量（１〜２ｍｍ程度）である。

これにより、エンジン１の始動時にセルモータへの負荷を軽減でき、クランクシャフトの回転数を速やかに上昇させることができ、角度同期および油圧上昇に要する時間も短縮できる。このため、エンジン１の始動時間を短縮でき、エンジン１の始動性を向上させることができる。このため、バッテリーへの負担も低減できる。

また、吸気バルブおよび排気バルブの全てのバルブ４を開くことにより、吸気バルブおよび排気バルブの制御系（電気系および油圧系）の異常をも同時に確認することができるので、エンジン１の安全性をも向上させることができる。

ただし、エンジン始動時のバルブ４の開弁動作においては、セルモータの負荷を低減できれば良いので、必ずしもエンジン１の全気筒の全バルブ４を開弁する必要は無く、エンジン１の吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブ４を、上記した第２リフト量で開けば良い。

例えば図４に示すように、エンジン始動時に、全ての吸気バルブを閉弁し、全ての排気バルブを第２リフト量で開弁しても良い。図４はエンジン１の始動時のバルブの開弁例（排気バルブのみ開弁した例）のバルブタイミングを示している。符号Ｖａは吸気バルブのプロファイルを示し、符号Ｖｅは排気バルブのプロファイルを示している。また、Ｌ０はバルブリフト量が零（すなわち、バルブ４が閉じている時）を示している。また、Ｌ１は上記の第２リフト量を示し、Ｌ２はエンジン１の通常運転時の吸気バルブおよび排気バルブの開弁時の第１リフト量を示している。この場合も全気筒の全ての排気バルブを開けても良いが、１つ以上開けてあれば良い。

続いて、図３に示すように、クランキングにより、角度同期と必要なバルブ作動油圧上昇が得られたら、バルブ４を通常のタイミングおよび量で動作させ、燃料・空気系制御を開始し、その後、エンジン１の自力運転を開始する（行程１０４，１０５，１０６）。図５はエンジン１の通常運転時の標準的なバルブタイミングを示している。符号Ｆは燃料噴射のタイミングを示している。

続いて、図３に示すように、エンジン１を停止する。エンジン１の停止時においては、角度同期を外れる一定回転数以下ではエンジン１の保護のため全気筒の全バルブ４を閉弁した状態とする。ただし、エンジン１の停止期間中、カムレス作動用油が蓄圧装置から徐々に漏れる等の理由によりバルブ作動油圧が低下し、エンジン１の始動時の微少バルブ動作に支障がある場合は、エンジン１の停止時に、上記のエンジン１の始動時と同様に、バルブ４を微少開弁状態（第２リフト量）で終了しても良い。この場合は、この後のエンジン１の始動時には、バルブ４を第２リフト量で開弁する動作を省略することができる。

本発明の内燃機関およびその制御方法は、内燃機関の始動時または停止時に、内燃機関に設けられた吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブを、ピストンに衝突しない程度に僅かに開くことにより、内燃機関の始動時にセルモータへの負担を軽減することができ、クランクシャフトの回転数を速やかに上昇させることができるので、自動車等の内燃機関およびその制御方法に利用できる。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２電子制御ユニット（制御部）
３動弁システム（駆動装置）
４バルブ
４ａバルブヘッド
４ｂバルブステム
６シリンダヘッド
１１高圧供給ポンプ
１５電磁弁
１５ａ開弁用電磁弁
１５ｂ閉弁用電磁弁
１８圧力室
２１低圧ライン

Claims

カムを用いることなくクランクシャフトの回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能な駆動装置を備える内燃機関において、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブを、前記内燃機関の運転時の開弁状態の前記吸気バルブおよび排気バルブの第１リフト量よりも小さな第２リフト量で開くように前記駆動装置に指示する制御部を有する内燃機関。
前記制御部は、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブを全て閉じ、前記内燃機関に設けられた前記排気バルブの１つ以上のバルブを前記第２リフト量で開くように前記駆動装置に指示する請求項１記載の内燃機関。
カムを用いることなくクランク軸の回転角度に依存しない任意のタイミングと任意のリフト量とで吸気バルブおよび排気バルブを開閉可能な駆動装置を備える内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブおよび排気バルブの１つ以上のバルブを、前記内燃機関の運転時の開弁状態の前記吸気バルブおよび排気バルブの第１リフト量よりも小さな第２リフト量で開く制御を行う内燃機関の制御方法。
前記内燃機関の始動時または停止時に、前記内燃機関に設けられた前記吸気バルブを全て閉じ、前記内燃機関に設けられた前記排気バルブの１つ以上のバルブを前記第２リフト量で開く制御を行う内燃機関の制御方法。