JP2012219739A

JP2012219739A - 弁開閉制御装置

Info

Publication number: JP2012219739A
Application number: JP2011087464A
Authority: JP
Inventors: Kikutaro Udagawa; 菊太郎宇田川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP5668581B2

Abstract

【課題】開弁が失敗したままエンジンサイクルが終了することが防止される弁開閉制御装置を提供する。
【解決手段】計算開始タイミングｔｃａｌで計算を開始し、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎと時間幅ｗｍａｉｎ及び副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂと時間幅ｗｓｕｂを算出しておき、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから正時間幅ｗｍａｉｎまで開弁パルス信号を出力し、その後、実リフト量がしきい値Ｓ２に満たないときには、副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂから副時間幅ｗｓｕｂまで副開弁パルス信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カムシャフトを廃止し、吸気バルブ及び排気バルブを電子制御するようにしたカムレスエンジンの弁開閉制御装置に係り、開弁が失敗したままエンジンサイクルが終了することが防止される弁開閉制御装置に関する。

近年、エンジンに対する排気ガス規制強化と燃費改善の要求拡大に伴い、エンジンの燃焼制御が高度化している。燃焼制御のひとつとして、吸気バルブ及び排気バルブの開閉時期とリフト量をエンジンの運転状態に応じて変化させる可変動弁制御がある。カムシャフトを有するエンジンにおいてカムシャフトで決まる開閉時期とリフト量に対して変化を与える可変動弁制御が既に普及している。

これに対し、本発明者は、カムシャフトを使わずに、電磁弁で制御された油圧により、クランク角に対して機械的に固定されない開閉時期とリフト量で吸気バルブ及び排気バルブを動作させるカムレスエンジンを研究開発中である。

図４に、本発明者が研究開発中のカムレスエンジンに用いる弁開閉制御装置４０１を示す。弁開閉制御装置４０１は、吸気バルブと排気バルブのどちらも同じである。

シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体４０２は、スプリング４０３によって閉弁方向に付勢されている。シリンダヘッドに取り付けられたカムレスブロックには、バルブ本体４０２の上端側を動作油で圧してバルブ本体４０２を押し下げるための油圧制御室４０４が設けられている。油圧制御室４０４には、開弁用電磁弁４０５からの動作油が導入されるライン４０６が接続されている。開弁用電磁弁４０５には、高圧の動作油を供給する高圧油圧ポンプ４０７からの動作油が導入されるライン４０８が接続されている。開弁用電磁弁４０５に後述する開弁パルス信号が入力されると、開弁用電磁弁４０５内でライン４０６，４０８間を塞いでいたプランジャ４０９が退くことにより、高圧の動作油が油圧制御室４０４に導入され、バルブ本体４０２が押し下げられてバルブが開くようになっている。開弁パルス信号がなくなるとプランジャ４０９が進出してライン４０６，４０８間を塞ぎ、油圧制御室４０４への動作油の導入が止まる。

油圧制御室４０４には、低圧の動作油を蓄える低圧供給ユニット４１０からのライン４１１が接続されている。その接続口は、閉弁用電磁弁４１２のプランジャ４１３に取り付けられた油抜き弁４１４によって塞がれている。閉弁用電磁弁４１２に後述する閉弁パルス信号が入力されると、接続口を塞いでいた油抜き弁４１４がプランジャ４１３によって開かれ、油圧制御室４０４の動作油が低圧供給ユニット４１０に抜けるため、バルブ本体４０２がスプリング４０３によって押し上げられてバルブが閉じるようになっている。

高圧油圧ポンプ４０７は、クランクシャフト４１５により駆動される。クランクシャフト４１５には、クランク角度検出用のクランク角度プーリ４１６が取り付けられている。

クランク角度プーリ４１６に臨ませてクランク角度センサ４１７が設けられている。シリンダヘッドには、バルブ本体４０２の変位量であるリフト量（シリンダ内への突き出し量）を検出するリフト量センサ４１８が設けられている。高圧油圧ポンプ４０７からの油圧のライン４０８には、油圧を検出する油圧センサ４１９が設けられている。

弁開閉制御は、ＥＣＭ（Engine Control Module）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＭＰＵ（Micro Processor Unit）と呼ばれるプログラム式デジタル演算回路（以下、ＥＣＭ）４２０においてプログラム（ソフトウェア）が実行されることで行われる。各センサの出力はＥＣＭ４２０のＩＯポートに入力される。また、ＥＣＭ４２０がＩＯポートから各部に指令する信号は、ドライバ４２１を介して各部へ出力される。

１つのバルブのために開弁用電磁弁４０５と閉弁用電磁弁４１２がひとつずつある。１つのシリンダに２つの吸気バルブと２つの排気バルブがあるので、６気筒エンジンでは、全部で２４個のバルブがあり、電磁弁は４８個となる。

図５に示されるように、バルブ本体４０２は、油圧制御室４０４内からシリンダヘッド（図示せず）を貫通させて設けられた軸部４２２と、軸部４２２の先端で径が拡大されシリンダと吸排気ポート（図示せず）を遮断する傘部４２３と、軸部４２２の途中で径が拡大されたコッタ４２４とからなる。コッタ４２４には、スプリング４０３の後端を覆うアッパーシート４２５が当接されている。スプリング４０３の先端はシリンダヘッドに支持されている。これにより、油圧制御室４０４に動作油が導入されると、バルブ本体４０２がシリンダ内に向けて移動（リフト）し、傘部４２３がシリンダとポートを開放する。油圧制御室４０４と低圧供給ユニット４１０からのライン４１１との接続口を閉弁用電磁弁４１２のプランジャ４１３に取り付けられた油抜き弁４１４が開放すると、スプリング４０３の力でバルブ本体４０２が元に戻る。バルブ本体４０２の戻り位置（傘部４２３が完全に遮断となる位置）に合わせて、磁石４２６が設けられる。この磁石４２６は、アッパーシート４２５を吸引することでバルブ本体４０２を戻り位置に安定確保するためのものである。

図６（ａ）に示されるように、リフト量を制御することができる。すなわち、開弁用電磁弁４０５に印加する開弁パルス信号の時間幅により油圧制御室４０４に導入される油量を増減することで、バルブ本体４０２が押し下げられる距離、すなわちリフト量が制御できる。閉弁の動作は、基本的に全閉状態（傘部４２３が完全に遮断の状態）になるまで行うものとし、途中保持は行わないので、閉弁パルス信号の時間幅は開弁時のリフト量に対して十分余裕を持った長い時間とするのが好ましい。

図６（ｂ）に示されるように、開弁タイミングを変化させることができる。また、図６（ｃ）に示されるように、閉弁タイミングを変化させることができる。開弁パルス信号、閉弁パルス信号を何度のクランク角度で出力するかによりバルブを開く時期、閉じる時期が決まる。

このようにカムレスエンジンでは、開閉時期とリフト量が機械的にクランク角度に依存するのではなく、ＥＣＭ４２０からのパルス信号により開閉時期とリフト量を自由に制御することができる。実際には、ＥＣＭ４２０は、エンジン状態を表すエンジンパラメータ（例えば、エンジン回転速度、吸排気量、排気ガス濃度、出力トルク、燃費）に基づいて適切な開閉時期及びリフト量を求め、これに基づいて開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を生成することになる。

ＥＣＭ４２０において計算された通りの開閉時期及びリフト量でバルブ本体４０２が移動するためには、信号が出力された後における、ドライバ４２１及び開弁用電磁弁４０５の電気的な遅れ、プランジャ４０９の機械的な応答遅れ、ライン４０８からライン４０６を経て油圧制御室４０４までの動作油の移動の遅れ、燃焼室圧力とスプリング４０３に抗して油圧の作用でバルブ本体４０２が移動する遅れなど、複数の遅延要因が関係する遅延関係式により開弁パルス信号及び閉弁パルス信号が計算されなければならない。このような要因の多い遅延関係式は、計算手順が複雑となるため、一般的な処理速度を有する廉価なＥＣＭ４２０において実行されると時間を要する。従って、開閉時期及びリフト量の計算は、その信号が出力されるよりも十分に早い時期に開始されることが望ましい。

再表０２／０７９６１４号公報

図４の弁開閉制御装置４０１では、動作油の圧力変動、スプリング４０３の力のバラツキなどが要因となって、吸排気バルブの開弁時に、開弁パルス信号の時間幅として与えられた目標リフト量とリフト量センサ４１８で検出された実リフト量との間に誤差が生じる。このような誤差があるときは、図６（ａ）で示したような目論み通りの開弁ができていないことになる。目標リフト量通りの実リフト量を得るには、実リフト量との誤差に基づいて目標リフト量が補正されるフィードバック制御が行われることが望ましい。

しかし、開弁パルス信号が出力されてから、弁が開き始める（バルブ本体４０２のリフトが始まる）までに、前述した様々の遅延があるため、当該エンジンサイクル内にて実リフト量を目標リフト量にリアルタイムで一致させられない。そこで、本発明者は、当該エンジンサイクルで算出した補正量により、次回以降のエンジンサイクルの目標リフト量（開弁パルス信号幅）が増減されるフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行うようにしている。

ところが、エンジンが高負荷運転になると、燃焼工程から排気行程において燃焼室の圧力が低負荷運転のときに比べて高くなる。バルブ本体４０２は、燃焼室圧力に抗してリフトされるため、燃焼室の圧力が高いとうまくリフトできないことがある。具体的には、排気行程における排気バルブの開弁時期に、排気バルブが開き遅れたり、実リフト量が不足して開度が不十分あるいは開弁にまで至らないといった不具合（以下、開弁失敗という）が生じる。

このように実リフト量が不足したとき、前述のフィードバック制御が行われると、次回以降のエンジンサイクルでは目標リフト量が補正によって大きくなり、開弁パルス信号幅が拡がる。したがって、次回以降のエンジンサイクルにおいて燃焼室圧力が前回と同程度であれば実リフト量が目標リフト量に達すること（以下、開弁成功という）が期待できる。しかし、エンジン状態が変化しているとき、例えば、エンジン負荷が増大しているときは、次回以降のエンジンサイクルにおいて燃焼室圧力が前回よりもさらに高くなるため、再び開弁失敗することもあり得る。

実験では、このような実リフト量の不足が複数回のエンジンサイクルに亘ったことがあり、この間、開弁失敗が続いた。しかし、エンジン運転中に排気バルブが連続して開弁失敗すると、性能の悪化やエンジンの損傷につながり、好ましくない。

また、この実験の際、複数回のエンジンサイクルに亘り実リフト量の不足が続いたため、前述のフィードバック制御が繰り返されて積分項（又は目標リフト量）が相当に大きくなっていた。このため、燃焼室圧力が低下に転じて排気バルブが開弁成功したとき、実リフト量が過大となった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、開弁が失敗したままエンジンサイクルが終了することが防止される弁開閉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に本発明は、エンジンのシリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、前記バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、前記シリンダヘッドの外部から前記バルブ本体を動作油で圧することにより、前記スプリングとシリンダ内圧力に抗して前記バルブ本体をシリンダ内にリフトさせる油圧制御室と、前記バルブ本体の実リフト量を検出するリフト量センサと、前記油圧制御室に動作油を導入する開弁用電磁弁と、前記油圧制御室から動作油を排出する閉弁用電磁弁と、前記開弁用電磁弁及び前記閉弁用電磁弁をそれぞれ作動させるドライバと、を備えた弁開閉制御装置において、エンジン状態に基づいてエンジンサイクルごとの開弁タイミングと目標リフト量と閉弁タイミングを生成する目標開閉時期及び開度生成部と、当該エンジンサイクルの開弁タイミングより前記ドライバから前記バルブ本体までの動作遅れ時間前に行われるリフト動作を正ドライブとし、正ドライブ開始のタイミングを算出する正ドライブ開始タイミング算出部と、前記バルブ本体が当該エンジンサイクルの目標リフト量までリフトされるよう正ドライブの時間幅（以下、正時間幅という）を算出する正ドライブ時間幅算出部と、開弁失敗時に行われるリフト動作を副ドライブとし、副ドライブの開始タイミングを算出する副ドライブ開始タイミング算出部と、副ドライブの時間幅（以下、副時間幅という）を算出する副ドライブ時間幅算出部と、前記正ドライブ開始タイミングから前記正時間幅まで開弁パルス信号を前記ドライバに出力し、その後、前記動作遅れ時間が経過した時点で、前記リフト量センサで検出された実リフト量がしきい値に満たないときには、開弁失敗と判定して当該エンジンサイクルの前記副ドライブ開始タイミングから前記副時間幅まで副開弁パルス信号を出力し、前記リフト量センサで検出された実リフト量が前記しきい値以上のときには、開弁成功と判定して副開弁パルス信号を出力しない開弁パルス信号出力部と、当該エンジンサイクルの閉弁タイミングより前記ドライバから前記バルブ本体までの動作遅れ時間前である閉弁ドライブ開始タイミングで所定時間幅の閉弁パルス信号を出力する閉弁パルス信号出力部とを備えたものである。

前記正ドライブ開始タイミング算出部、前記正ドライブ時間幅算出部、前記副ドライブ開始タイミング算出部、前記副ドライブ時間幅算出部に対し、各計算が前記正ドライブ開始タイミングよりも早く終わるように、あらかじめ設定された計算開始タイミングで計算を開始させる計算開始部を備えてもよい。

当該エンジンサイクルの目標リフト量に基づいて開弁成功・失敗のしきい値を設定するしきい値設定部とを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）開弁が失敗したままエンジンサイクルが終了することが防止される。

本発明の一実施形態を示す弁開閉制御装置の構成図である。本発明の弁開閉制御装置における開弁成功時に得られる諸量のプロファイルが示されたタイミングチャートである。本発明の弁開閉制御装置における開弁失敗時に得られる諸量のプロファイルが示されたタイミングチャートである。研究開発中の弁開閉制御装置の構成図である。バルブ本体の拡大図である。（ａ）は可変リフト量を説明する図、（ｂ）は開弁タイミング可変を説明する図、（ｃ）は閉弁タイミング可変を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る弁開閉制御装置１は、図４の弁開閉制御装置４０１に対しハードウェアは同じにしたままでソフトウェアに改良を加えたものである。

すなわち、本発明の弁開閉制御装置１は、エンジン状態に基づいてエンジンサイクルごとの開弁タイミングＡ１（以下、変数・定数については図２参照）と目標リフト量Ｓ１と閉弁タイミングＡ２を生成する目標開閉時期及び開度生成部２と、当該エンジンサイクルの開弁タイミングＡ１よりドライバ４２１からバルブ本体４０２までの動作遅れ時間Ｄ１＋Δ前に行われるリフト動作を正ドライブとし、正ドライブ開始のタイミングｔｍａｉｎを算出する正ドライブ開始タイミング算出部３と、バルブ本体４０２が当該エンジンサイクルの目標リフト量までリフトされるよう正ドライブの時間幅ｗｍａｉｎを算出する正ドライブ時間幅算出部４と、開弁失敗時に行われるリフト動作を副ドライブとし、副ドライブの開始タイミングｔｓｕｂを算出する副ドライブ開始タイミング算出部５と、副ドライブの時間幅ｗｓｕｂを算出する副ドライブ時間幅算出部６と、正ドライブ開始タイミング算出部３、正ドライブ時間幅算出部４、副ドライブ開始タイミング算出部５、副ドライブ時間幅算出部６に対し、各計算が正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎよりも早く終わるように、あらかじめ設定された計算開始タイミングｔｃａｌで計算を開始させる計算開始部７と、当該エンジンサイクルの目標リフト量Ｓ１に基づいて開弁成功・失敗のしきい値Ｓ２を設定するしきい値設定部８と、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから正時間幅ｗｍａｉｎまで開弁パルス信号をドライバ４２１に出力し、その後、動作遅れ時間Ｄ１＋Δが経過した時点で、リフト量センサ４１８で検出された実リフト量がしきい値Ｓ２に満たないときには、開弁失敗と判定して当該エンジンサイクルの副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂから副時間幅ｗｓｕｂまで副開弁パルス信号を出力し、リフト量センサ４１８で検出された実リフト量がしきい値Ｓ２以上のときには、開弁成功と判定して副開弁パルス信号を出力しない開弁パルス信号出力部９と、当該エンジンサイクルの閉弁タイミングＡ２よりドライバ４２１からバルブ本体４０２までの動作遅れ時間Ｄ３前である閉弁ドライブ開始タイミングｔｃｌｏｓｅで所定時間幅の閉弁パルス信号を出力する閉弁パルス信号出力部１０とを備える。

目標開閉時期及び開度生成部２、正ドライブ開始タイミング算出部３、正ドライブ時間幅算出部４、副ドライブ開始タイミング算出部５、副ドライブ時間幅算出部６、計算開始部７、しきい値設定部８、開弁パルス信号出力部９、閉弁パルス信号出力部１０は、ＥＣＭ４２０にソフトウェアとして設けられる。ＥＣＭ４２０は、あらかじめ書き込まれたプログラムに従い、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値を求め、その最適値に基づいて開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を生成するものである。なお、エンジン状態を表すエンジンパラメータは、エンジンの燃料噴射制御を行う燃料噴射ＥＣＭ、変速制御を行う変速ＥＣＭ、車両の各部を制御する車両ＥＣＭなど、他のＥＣＭと共通に用いられる公知のものである。開閉時期及びリフト量の最適値とは、それぞれのエンジン状態において排気ガス性能、燃費性能、トルク性能などのエンジン性能を最も高めることのできる開閉時期及びリフト量のことである。

ＥＣＭ４２０では、本発明の制御と並行して、当該エンジンサイクルでの目標リフト量と実リフト量の誤差に基づいて算出された補正量により、次回以降のエンジンサイクルの目標リフト量（開弁パルス信号幅）が増減されるフィードバック制御が行われるのが好ましい。

以下、本発明の弁開閉制御装置１の動作を図１〜３により説明する。

図２は、開弁成功時のタイミングチャートであり、図３は、開弁失敗時のタイミングチャートである。下段にはＥＣＭ４２０の閉弁パルス信号出力部１０からドライバ４２１に出力される閉弁パルス信号の波形、中段には、開弁パルス信号出力部９からドライバ４２１に出力される開弁パルス信号の波形、上段にはリフト量センサ４１８で検出された実リフト量の波形がそれぞれ示される。

弁開閉制御装置１では、目標開閉時期及び開度生成部２がエンジン状態に基づいてエンジンサイクルごとの開弁タイミングＡ１と目標リフト量Ｓ１と閉弁タイミングＡ２を生成する。

次いで、計算開始部７は、正ドライブ開始タイミング算出部３、正ドライブ時間幅算出部４、副ドライブ開始タイミング算出部５、副ドライブ時間幅算出部６に対し、各計算が正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎよりも早く終わるように、あらかじめ設定された計算開始タイミングｔｃａｌで計算を開始させる。計算開始タイミングｔｃａｌは、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎが早い時間となるようなエンジン状態であっても計算が間に合うよう実験等により十分早い時間に設定されるものとする。

次いで、正ドライブ開始タイミング算出部３、正ドライブ時間幅算出部４、副ドライブ開始タイミング算出部５、副ドライブ時間幅算出部６は、それぞれの計算を開始する。しきい値設定部８の計算もこのとき行われるとよい。

すなわち、正ドライブ開始タイミング算出部３は、当該エンジンサイクルの開弁タイミングＡ１よりドライバ４２１からバルブ本体４０２までの動作遅れ時間Ｄ１＋Δ前である正ドライブ開始のタイミングｔｍａｉｎを算出する。ここで、Ｄ１はドライバ４２１に入力される開弁パルス信号が立ち上がってからバルブ本体４０２がリフト開始するまでの時間、Δはバルブ本体４０２がリフト開始から開弁成功と見なせるまでリフトする時間を見込んだマージンである。正ドライブ開始タイミング算出部３では、これらＤ１、Δは前述した遅延関係式により計算される。

これと同時に、正ドライブ時間幅算出部４は、バルブ本体４０２が当該エンジンサイクルの目標リフト量Ｓ１までリフトされるよう正ドライブの時間幅ｗｍａｉｎを算出する。算出方法は、図６（ａ）〜図６（ｃ）で説明した原理に従う。

副ドライブ開始タイミング算出部５は、開弁失敗時に行われるリフト動作を副ドライブとし、副ドライブの開始タイミングｔｓｕｂを算出し、副ドライブ時間幅算出部６は、副ドライブの時間幅ｗｓｕｂを算出する。副ドライブの開始タイミングｔｓｕｂは、開弁成功・失敗を判定するタイミングの直後であることが好ましい。副ドライブの時間幅ｗｓｕｂは、正ドライブの時間幅ｗｍａｉｎよりも少ないことが好ましい。副ドライブの時間幅ｗｓｕｂの算出方法は、正ドライブの時間幅ｗｍａｉｎの算出方法と同様、図６（ａ）〜図６（ｃ）で説明した原理に従うが、副ドライブのときには、既に正ドライブによって油圧制御室４０４に動作油が導入されていること、及び副ドライブによる実リフト量が目標リフト量Ｓ１より過大にならないのが望ましいことから、副時間幅ｗｓｕｂが正時間幅ｗｍａｉｎより短くなるよう、実験等により調整される。

しきい値設定部８は、当該エンジンサイクルの目標リフト量Ｓ１に基づいて開弁成功・失敗のしきい値Ｓ２を設定する。しきい値Ｓ２は、例えば、目標リフト量Ｓ１に対して実験等により設定された割合だけ小さい値である。あるいは、しきい値Ｓ２は、確実に開弁成功と見なせる固定値でもよい。

これらの各計算は、計算開始タイミングｔｃａｌで計算開始されるため、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎよりも早く終わる。

各計算が終了した後、時間が正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎになると、開弁パルス信号出力部９は、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから正時間幅ｗｍａｉｎまで開弁パルス信号をドライバ４２１に出力する。ドライバ４２１で増幅された開弁パルス信号が開弁用電磁弁４０５に入力され、開弁用電磁弁４０５内でライン４０６，４０８間を塞いでいたプランジャ４０９が退くことにより、高圧の動作油が油圧制御室４０４に導入され、バルブ本体４０２がリフトし始める。

その後、開弁パルス信号出力部９は、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから動作遅れ時間Ｄ１＋Δが経過した時点で、リフト量センサ４１８で検出された実リフト量としきい値Ｓ２を比較する。図２のように、この時点で実リフト量がしきい値Ｓ２以上のときには、開弁パルス信号出力部９は、開弁成功と判定して副開弁パルス信号を出力しない。図３のように、この時点で実リフト量がしきい値Ｓ２に満たないときには、開弁パルス信号出力部９は、開弁失敗と判定して当該エンジンサイクルの副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂから副時間幅ｗｓｕｂまで副開弁パルス信号を出力する。

次に、閉弁パルス信号出力部１０は、当該エンジンサイクルの閉弁タイミングＡ２よりドライバ４２１からバルブ本体４０２までの動作遅れ時間Ｄ３前である閉弁ドライブ開始タイミングｔｃｌｏｓｅで所定時間幅ｗｃｌｏｓｅの閉弁パルス信号を出力する。動作遅れ時間Ｄ３は、前述した遅延関係式により計算される。また、所定時間幅ｗｃｌｏｓｅは、十分に長い時間であれば良く、実験等により固定値を設定するとよい。ドライバ４２１で増幅された閉弁パルス信号が閉弁用電磁弁４１２に入力され、低圧供給ユニット４１０とライン４１１の接続口を塞いでいた油抜き弁４１４がプランジャ４１３によって開かれることにより、油圧制御室４０４の動作油が低圧供給ユニット４１０に抜けるため、バルブ本体４０２が戻り始める。

ここで、図２と図３を比較しつつ、副ドライブの効果について考察する。

図２の開弁成功の例では、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから動作遅れ時間Ｄ１＋Δが経過した時点で、実リフト量がしきい値Ｓ２以上となり、さらに実リフト量が大きくなって目標リフト量Ｓ１に達している。これは、例えば、エンジンが低負荷運転されているとき、燃焼工程から排気行程において燃焼室の圧力が高負荷運転のときに比べて低く、油圧制御室４０４の力によって容易にバルブ本体４０２がリフトされたことによる。このように実リフト量がしきい値Ｓ２以上の場合、開弁成功と判定されるため、副開弁パルス信号は出力されない。

図２に示された実リフト量のプロファイルを見ると、目標開閉時期及び開度生成部２が生成した開弁タイミングＡ１と目標リフト量Ｓ１と閉弁タイミングＡ２が全て達成されたことが分かる。

図３の開弁失敗の例では、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎから動作遅れ時間Ｄ１＋Δが経過した時点で、実リフト量がしきい値Ｓ２に満たない。これは、例えば、エンジンが高負荷運転されているとき、燃焼工程から排気行程において燃焼室の圧力が低負荷運転のときに比べて高くなり、バルブ本体４０２をリフトさせようとする油圧制御室４０４の力が不足することによる。あるいは、エンジン負荷が上昇しているとき、前述したフィードバック制御により前回以前のエンジンサイクルでの実リフト量不足に対して今回のエンジンサイクルでの目標リフト量を増加させても、エンジン負荷の上昇が急激であるため追従できない場合にも開弁失敗となり得る。

このように実リフト量がしきい値Ｓ２に満たない場合、開弁失敗と判定されるため、副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂから副時間幅ｗｓｕｂまで副開弁パルス信号が出力される。このとき油圧制御室４０４には正ドライブの開弁パルス信号によって既に動作油が導入されているので、副ドライブの開弁パルス信号によって動作油が追加導入されることになる。これにより、副ドライブ開始タイミングｔｓｕｂから動作遅れ時間Ｄ２が経過するとバルブ本体４０２がリフトされ始め、その後、開弁が成功する。副ドライブが実施される時点では、正ドライブが実施された時点よりもクランク角度が進んでいるため、燃焼室圧力が低下している場合がある。この場合、開弁が成功しやすい。また、正ドライブが実施されたとき、バルブが若干（＝実リフト量がしきい値Ｓ２には満たないが排気が漏れ出す程度）でも開いていれば、徐々に燃焼室圧力が低下するので、副ドライブでは開弁が成功しやすい。

図３に示された実リフト量のプロファイル（実線）を見ると、理想的なプロファイル（一点鎖線）には一致しないが、当初の目標である開弁タイミングＡ１より遅れて開弁が成功していることが分かる。

なお、正ドライブの開弁パルス信号と副ドライブの開弁パルス信号とでは時間幅が異なる。この理由は、副ドライブのときには、正ドライブによって油圧制御室４０４に動作油が導入されているからである。副ドライブのときの動作油の導入量は正ドライブのときより少なくするのが好ましく、副時間幅ｗｓｕｂは正時間幅ｗｍａｉｎより短いのがよい。

また、副ドライブにおいては、正ドライブでの開弁が失敗した状況でリフトが行われるため、全く目論み通りにはリフトができないと思われる。このとき実リフト量が過大とならないためには、図３に示されるように、副ドライブにおける実リフト量が目標リフト量Ｓ１より少なくなることが望ましい。この点からも、副時間幅ｗｓｕｂは正時間幅ｗｍａｉｎより短いのがよい。

このとき副ドライブにおける実リフト量が目標リフト量Ｓ１より小さいため、リフト量のフィードバック制御を適用すると、次回以降の目標リフト量Ｓ１が大きくなり、燃焼室圧力が低下したときに実リフト量が過大になるおそれがある。これを回避するために、副ドライブが実行されたときはフィードバック制御を保留したり係数を変更して前回以前の積分項を保持させるなど、目標リフト量Ｓ１が大きくなりすぎないようにするのが望ましい。

次に、正ドライブと副ドライブの開始タイミングと時間幅が計算開始タイミングｔｃａｌで計算開始される効果について考察する。

開始タイミングと時間幅の計算は、複数の遅延要因が関係する遅延関係式を計算することから、計算手順が複雑であり、一般的な処理速度を有する廉価なＥＣＭ４２０において実行されると時間を要する。仮に、正ドライブの開弁失敗が認識されてから副ドライブの計算が行われると、副ドライブの開始タイミングが遅くなってしまう。その点、本発明では、副ドライブの開始タイミング及び時間幅を正ドライブの開始タイミング及び時間幅と同時期に計算しておくので、正ドライブの開弁失敗が認識されると直ちに、副ドライブが開始可能となる。正ドライブで開弁成功した場合は、副ドライブを実行しないだけなので、ＥＣＭ４２０の負荷は増加しない。

計算開始タイミングｔｃａｌは、正ドライブと副ドライブの計算が正ドライブの開始タイミングより早く終わるように設定される。計算開始タイミングｔｃａｌは、例えば、バルブ本体４０２がリフト開始されるタイミングより数十°ＣＡ（クランク角度）前とするのが好ましい。

以上説明したように、本発明の弁開閉制御装置１によれば、正ドライブにおいて開弁失敗となっても、当該エンジンサイクルにて副ドライブが行われるので、開弁が失敗したままエンジンサイクルが終了することが防止され、排気バルブの開弁失敗によるエンジン性能の悪化やエンジンの損傷が回避される。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎより十分早い計算開始タイミングｔｃａｌで正ドライブと副ドライブの開始タイミングと時間幅が計算開始されるので、正ドライブ開始タイミングｔｍａｉｎまでには全ての計算が終了しており、開弁失敗のときは計算が省略でき、開弁失敗を認識してから副ドライブの計算を実行するのに比べて、副ドライブを迅速に開始できる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、各計算が計算開始タイミングｔｃａｌで計算開始されるので、一般的な処理速度を有する廉価なＥＣＭ４２０において各計算が実行可能である。したがって、高速処理用の高価なＥＣＭは必要ない。

本発明の弁開閉制御装置１は、排気バルブに適用するのが好ましい。排気バルブは燃焼室圧力が高い時期に開弁されるからである。吸気バルブであっても、何らかの補助的な動作のため燃焼室圧力が高い時期に開弁される場合には、本発明が有効である。

１弁開閉制御装置
２目標開閉時期及び開度生成部
３正ドライブ開始タイミング算出部
４正ドライブ時間幅算出部
５副ドライブ開始タイミング算出部
６副ドライブ時間幅算出部
７計算開始部
８しきい値設定部
９開弁パルス信号出力部
１０閉弁パルス信号出力部

Claims

エンジンのシリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、
前記バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、
前記シリンダヘッドの外部から前記バルブ本体を動作油で圧することにより、前記スプリングとシリンダ内圧力に抗して前記バルブ本体をシリンダ内にリフトさせる油圧制御室と、
前記バルブ本体の実リフト量を検出するリフト量センサと、
前記油圧制御室に動作油を導入する開弁用電磁弁と、
前記油圧制御室から動作油を排出する閉弁用電磁弁と、
前記開弁用電磁弁及び前記閉弁用電磁弁をそれぞれ作動させるドライバと、
を備えた弁開閉制御装置において、
エンジン状態に基づいてエンジンサイクルごとの開弁タイミングと目標リフト量と閉弁タイミングを生成する目標開閉時期及び開度生成部と、
当該エンジンサイクルの開弁タイミングより前記ドライバから前記バルブ本体までの動作遅れ時間前に行われるリフト動作を正ドライブとし、正ドライブ開始のタイミングを算出する正ドライブ開始タイミング算出部と、
前記バルブ本体が当該エンジンサイクルの目標リフト量までリフトされるよう正ドライブの時間幅（以下、正時間幅という）を算出する正ドライブ時間幅算出部と、
開弁失敗時に行われるリフト動作を副ドライブとし、副ドライブの開始タイミングを算出する副ドライブ開始タイミング算出部と、
副ドライブの時間幅（以下、副時間幅という）を算出する副ドライブ時間幅算出部と、
前記正ドライブ開始タイミングから前記正時間幅まで開弁パルス信号を前記ドライバに出力し、その後、前記動作遅れ時間が経過した時点で、前記リフト量センサで検出された実リフト量がしきい値に満たないときには、開弁失敗と判定して当該エンジンサイクルの前記副ドライブ開始タイミングから前記副時間幅まで副開弁パルス信号を出力し、前記リフト量センサで検出された実リフト量が前記しきい値以上のときには、開弁成功と判定して副開弁パルス信号を出力しない開弁パルス信号出力部と、
当該エンジンサイクルの閉弁タイミングより前記ドライバから前記バルブ本体までの動作遅れ時間前である閉弁ドライブ開始タイミングで所定時間幅の閉弁パルス信号を出力する閉弁パルス信号出力部とを備えたことを特徴とする弁開閉制御装置。
前記正ドライブ開始タイミング算出部、前記正ドライブ時間幅算出部、前記副ドライブ開始タイミング算出部、前記副ドライブ時間幅算出部に対し、各計算が前記正ドライブ開始タイミングよりも早く終わるように、あらかじめ設定された計算開始タイミングで計算を開始させる計算開始部を備えたことを特徴とする請求項１記載の弁開閉制御装置。
当該エンジンサイクルの目標リフト量に基づいて開弁成功・失敗のしきい値を設定するしきい値設定部とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の弁開閉制御装置。