JP2020041534A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンバルブへの過剰な負荷を回避する。【解決手段】内燃機関の可変動弁装置は、エンジンバルブのバルブタイミングを変更する可変機構と、筒内圧を検出するための筒内圧センサと、エンジンバルブの開タイミングθＳ１において筒内圧センサにより検出された筒内圧Ｐが所定の上限値Ｐｌｉｍを超えぬよう、可変機構を制御して開タイミングを制御するように構成された制御ユニットと、を備える。【選択図】図５

Description

本開示は内燃機関の可変動弁装置に関する。

例えば車両用の内燃機関において、吸気弁または排気弁（これらを総称してエンジンバルブという）のバルブタイミングを変更する可変機構を備えたものが公知である。こうした内燃機関では、バルブタイミングがエンジン運転状態に応じた最適な値になるよう、可変機構が制御され、バルブタイミングが制御される。

特開２０１７−１６６３５０号公報

ところで、エンジンバルブの開タイミングにおける筒内圧が、何等かの原因で予想以上に上昇し、許容される上限値を超えてしまうことがある。こうなると、過度に高い筒内圧に逆らってエンジンバルブを押し下げて開弁するため、エンジンバルブに過剰な負荷が掛かり、最悪エンジンバルブを破損させてしまう虞がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、エンジンバルブへの過剰な負荷を回避することができる内燃機関の可変動弁装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
エンジンバルブのバルブタイミングを変更する可変機構と、
筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
前記エンジンバルブの開タイミングにおいて前記筒内圧センサにより検出された筒内圧が所定の上限値を超えぬよう、前記可変機構を制御して前記開タイミングを制御するように構成された制御ユニットと、
を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置が提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、検出された前記筒内圧が前記上限値を超えたとき、前記筒内圧が前記上限値以下に低下するまで前記開タイミングを変更する。

好ましくは、前記エンジンバルブは排気弁であり、
前記制御ユニットは、検出された前記筒内圧が前記上限値を超えたとき、前記筒内圧が前記上限値以下に低下するまで前記開タイミングを遅角させる。

本開示によれば、エンジンバルブへの過剰な負荷を回避することができる。

本開示の実施形態の内燃機関を示す概略図である。 排気動弁系の概略縦断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 排気動弁系の概略平面図である。 筒内圧およびバルブリフト量の変化を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意すべきである。

図１は、本実施形態に係る内燃機関（エンジン）を概略的に示す。エンジン１は車両に搭載されたディーゼルエンジンであり、車両はトラック等の大型車両である。しかしながら、車両およびエンジンの種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。本実施形態の場合、エンジンは直列４気筒エンジンであり、エンジンの前方から順に＃１気筒〜＃４気筒が配置される。

エンジン１は、排気管等により画成されて排気ガスＧが流される排気通路２を有する。排気通路２には、上流側から順に、酸化触媒（ＤＯＣ）９１、フィルタ（ＤＰＦ）９２、ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）９３およびアンモニア酸化触媒（ＡＳＣ）９４が設けられる。これらはそれぞれ排気後処理を実行する後処理部材をなす。ＳＣＲ９３の直前には尿素水を添加する添加弁９５が設けられる。なお、後処理部材の数や種類は変更可能である。

エンジン１は、吸気弁を開閉するための吸気カムシャフト３と、排気弁を開閉するための排気カムシャフト４とを有する。吸気弁および排気弁を総称してエンジンバルブという。またエンジン１は、エンジンバルブのバルブタイミングを変更する可変機構５を有する。

本実施形態の可変機構５は、排気弁のバルブタイミングを変更するものであり、排気カムシャフト４に付設される。なお吸気弁のバルブタイミングを変更する別の可変機構が代替的または追加的に設けられてもよい。

またエンジン１は、シリンダ内の燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ（図示せず）と、シリンダ内の筒内圧を検出するための筒内圧センサ９６とを気筒毎に有する。

以下、図２〜図４を参照して、排気カムシャフト４および可変機構５を含む排気動弁系の構成を説明する。便宜上、排気カムシャフト４の中心軸Ｃ１の方向（軸方向）における一端側（図２，図４の左側）を前、他端側（図２，図４の右側）を後とする。これら前後方向は、エンジンおよび車両の前後方向と一致する（エンジンは縦置きされる）。但し必ずしも一致しなくてもよい。前方から順に＃１気筒〜＃４気筒が配置され、図２，図４は最後端の＃４気筒周辺の構成を示す。

図４に示すように、排気カムシャフト４には、バルブスプリング６の付勢力に抗じて排気弁７を開弁するカム８が固設されている。排気弁７は１気筒当たりに二つ設けられ、これら二つの排気弁７にバルブブリッジ９が掛け渡される。カム８は、ロッカーシャフト１０に回動可能に支持されたロッカーアーム１１と、バルブブリッジ９とを介して、二つの排気弁７を同時に開閉するようになっている。Ｃ２はロッカーシャフト１０の中心軸を示す。

図２に示すように、排気カムシャフト４は、下側のカムキャリア１２と、上側のシリンダヘッド１３との間に挟まれてラジアル方向に回転可能に支持される。排気カムシャフト４には、これらカムキャリア１２およびシリンダヘッド１３を軸方向に挟んで排気カムシャフト４をスラスト方向に位置決めするフランジ１４，１５が設けられる。

カムキャリア１２およびシリンダヘッド１３の後方に位置する排気カムシャフト４の後端部は、可変機構５のハウジング３０内に回転可能に収容されている。クランクシャフトから動力を伝達する動力伝達機構の最終ギヤ１６が、ハウジング３０に設けられた入力ギヤ１７に噛合されている。排気カムシャフト４は、この入力ギヤ１７を通じて、クランクシャフトからの回転駆動力を受ける。

可変機構５は、排気弁７のバルブタイミングを、図５に示すような最進角位置Ｓ１と最遅角位置Ｓ２との間で無段階かつ連続的に変化させるように構成されている。ここでバルブタイミングには、排気弁７が開弁を開始する開タイミングと、排気弁７が開弁を終了する閉タイミングとの両方が含まれる。また排気弁７が開弁している（すなわちバルブリフト量ＶＬがゼロより大きくなっている）クランク角期間を作用角という。本実施形態では、作用角Δθと最大バルブリフト量ＶＬｍａｘとが一定とされる一方で、開タイミングと閉タイミングが可変幅Ｘだけ連続的に変化させられる。

図２および図３に示すように、可変機構５は、排気カムシャフト４の後端部に形成されたロータ３１と、ロータ３１を相対回転可能に収容する前述のハウジング３０とを有する。

図３に示すように、ハウジング３０には半径方向内側に突出する複数（４つ）のハウジングベーン３２が周方向等間隔で形成され、これらハウジングベーン３２の間に油圧室３３が形成される。他方、ロータ３１には半径方向外側に突出する複数（４つ）のロータベーン３４が周方向等間隔で形成され、これらロータベーン３４は各油圧室３３を、カムシャフト回転方向Ｒの前後に仕切る。仕切られた油圧室３３のうち、回転方向後方に位置するのは進角室３５であり、回転方向前方に位置するのは遅角室３６である。

図２に示すように、排気カムシャフト４の内部には、進角室３５に連通された進角用オイル通路３７と、遅角室３６に連通された遅角用オイル通路３８とが形成される。シリンダヘッド１３の内部には、進角用オイル通路３７をオイルギャラリ４１に連通させるための進角用オイル供給穴３９が形成される。カムキャリア１２の内部には、遅角用オイル通路３８をオイルギャラリ４１に連通させるための遅角用オイル供給穴４０が形成される。オイルギャラリ４１は、シリンダブロックの内部に形成され高圧オイル（圧力流体としての圧油）を貯留するオイル溜めとしての空間である。

進角室３５、進角用オイル通路３７および進角用オイル供給穴３９は進角用流路を構成する。また遅角室３６、遅角用オイル通路３８および遅角用オイル供給穴４０は遅角用流路を構成する。これら進角用流路および遅角用流路に供給される油圧を制御し、ひいては可変機構５に供給される油圧を制御するため、油圧回路が構成される。

油圧回路は、油圧源としてのオイルギャラリ４１と、オイルを常圧で貯留するオイルタンクとしてのオイルパン４３と、これらオイルギャラリ４１、オイルパン４３、進角用オイル供給穴３９および遅角用オイル供給穴４０の連通状態を切り替える切替バルブ（ＯＣＶという）４２とを含む。ＯＣＶ４２はソレノイドバルブにより構成される。

なお、図示しないオイルポンプがオイルパン４３のオイルを吸引し、オイルギャラリ４１に向けて吐出する。オイルギャラリ４１の代わりに、オイルポンプを直接的に油圧源として用いてもよい。

他方、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラとしての電子制御ユニット（ＥＣＵという）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はエンジン全体の制御を司るもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、ＯＣＶ４２を制御し、可変機構５ひいては排気弁７のバルブタイミングを制御するように構成されている。またＥＣＵ１００は、添加弁９５をも制御するように構成されている。

可変機構５は次のように制御される。バルブタイミングの進角時、ＯＣＶ４２がＥＣＵ１００により進角位置に切り替えられ、オイルギャラリ４１に貯留された高圧オイルが進角用オイル供給穴３９、進角用オイル通路３７を順に経て進角室３５に導入される。また遅角室３６内の高圧オイルは、遅角用オイル通路３８および遅角用オイル供給穴４０を順に経てオイルパン４３に排出される。すると、進角室３５内の油圧が遅角室３６内の油圧より高くなり、ロータ３１ひいては排気カムシャフト４が、進角動作させられる。

他方、バルブタイミングの遅角時には、ＯＣＶ４２がＥＣＵ１００により遅角位置に切り替えられ、進角室３５内の高圧オイルが進角用オイル通路３７、進角用オイル供給穴３９を順に経てオイルパン４３に排出される。またオイルギャラリ４１に貯留された高圧オイルは、遅角用オイル供給穴４０、遅角用オイル通路３８を順に経て遅角室３６に導入される。すると、遅角室３６内の油圧が進角室３５内の油圧より高くなり、ロータ３１ひいては排気カムシャフト４が、ハウジング３０に対し遅角動作させられる。

他方、バルブタイミングの保持時には、ＯＣＶ４２がＥＣＵ１００により保持位置に切り替えられ、進角室３５および遅角室３６に対する高圧オイルの供給および排出は停止される。これにより、ロータ３１および排気カムシャフト４は、進角室３５内の油圧と遅角室３６内の油圧とが等しくなるような、ハウジング３０に対する相対位置に保持され、バルブタイミングは一定のタイミングに保持される。

こうした可変機構５ないしバルブタイミングの制御は、ＥＣＵ１００がエンジンの運転状態や暖機状態等の各種条件に基づいて行う。この際、最遅角位置Ｓ２を基準とした進角量を制御することによりバルブタイミングが制御される。例えば冷間始動後で前述の後処理部材（ＤＯＣ９１、ＤＰＦ９２、ＳＣＲ９３、ＡＳＣ９４）が未だ活性化していないようなときに、後処理部材の暖機を促進する目的で、排気ガスの温度を上昇させる排気昇温制御が行われる。このとき、バルブタイミングが最進角位置Ｓ１まで進角させられる。すると、最遅角位置Ｓ２で排気ＢＤＣの近傍もしくは直前であった排気弁開タイミングが、膨張行程の中間部付近まで進角され、排気弁開タイミングが早まった分だけ温度が高くなった排気ガスが排気通路２に排出され、排気昇温が実行される。そして後処理部材の暖機が促進される。

ところで、排気弁の開タイミングにおける筒内圧が、何等かの原因で予想以上に上昇し、許容される上限値を超えてしまうことがある。こうなると、過度に高い筒内圧に逆らって排気弁を押し下げて開弁するため、排気弁に過剰な負荷が掛かり、最悪排気弁を破損させてしまう虞がある。

これを図５を参照してより詳細に説明する。図５の上段は筒内圧Ｐ、下段はバルブリフト量ＶＬを示す。あるエンジン運転状態における筒内圧の変化を線ａで示す。この線ａにおいて、バルブタイミングが最遅角位置Ｓ２のとき、開タイミングθＳ２における筒内圧はＰＳ２である。バルブタイミングが最進角位置Ｓ１のとき、開タイミングθＳ１における筒内圧はＰＳ１である。ＰＳ１＞ＰＳ２であり、最遅角位置Ｓ２を基準としてバルブタイミングが進角されるほど、開タイミングにおける筒内圧は高くなる。なお、燃料の燃焼により筒内圧が最大となるタイミングθｐｍａｘは圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後に現れる。エンジン運転状態が一定であれば、バルブタイミングが変化しても、最大筒内圧の大きさと筒内圧変化曲線ａとは実質的に変化しない。

便宜上、最進角位置Ｓ１のときの開タイミングθＳ１における筒内圧ＰＳ１を例に挙げて説明する。通常、この筒内圧ＰＳ１は、問題のない大きさであり、逆に言えば、開タイミングθＳ１における筒内圧ＰＳ１が問題のない大きさとなるよう、最進角位置Ｓ１の開タイミングθＳ１が実機試験等に基づいて予め設定されている。

しかし、例えばエンジンに異常が発生し、インジェクタが故障して、実際の燃料噴射量が目標燃料噴射量より大きく増大側にずれると、開タイミングθＳ１における筒内圧が例えばＰＳ１’で示すように、許容される所定の上限値Ｐｌｉｍを超えて、大きく増大側にずれる。すると、こうした過度に高い筒内圧ＰＳ１’に逆らって排気弁を押し下げて開弁するため、排気弁に過剰な負荷が掛かり、最悪排気弁を破損させてしまう虞がある。

そこで本実施形態において、ＥＣＵ１００は、筒内圧センサ９６により検出された開タイミングθＳ１における実際の筒内圧Ｐが所定の上限値Ｐｌｉｍを超えぬよう、可変機構５を制御して開タイミングを制御するように構成されている。ＥＣＵ１００は、実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍを超えたとき、実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍ以下に低下するまで開タイミングを変更する。上限値Ｐｌｉｍは、排気弁の開弁開始時に排気弁に印加される機械的負荷が許容範囲内となるような筒内圧の最大値として設定されており、例えば約２（ＭＰａ）に設定されている。

より具体的には、ＥＣＵ１００は、実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍを超えたとき、実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍ以下に低下するまで開タイミングを遅角させる。図５に示す例では、正常時にＰＳ１であった開タイミングθＳ１の実際の筒内圧（線ａ）が、何等かの原因、例えば異常の発生によりＰＳ１’まで増大したため（線ｂ）、バルブタイミングが位置Ｓ３まで遅角されると共に、開タイミングがθＳ３まで遅角され、その結果、実際の筒内圧が上限値Ｐｌｉｍまで低下されている。

このように本実施形態によれば、排気弁の開タイミングにおける実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍを超えぬよう、ＥＣＵ１００が可変機構５を制御して開タイミングを制御するので、排気弁への過剰な負荷を回避することができ、排気弁の破損をも確実に抑制することができる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態は他にも様々考えられる。

（１）例えば、実際の筒内圧Ｐが上限値Ｐｌｉｍより低い所定値まで低下するように、開タイミングを変更もしくは遅角させてもよい。

（２）上記実施形態では、最進角位置Ｓ１のときに開タイミングθＳ１が上限値Ｐｌｉｍを超えた場合を説明したが、最進角位置Ｓ１以外の位置、すなわち最進角位置Ｓ１より遅角側の任意の位置のときに開タイミングが上限値Ｐｌｉｍを超えた場合でも、本開示は適用可能である。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

５ 可変機構
７ 排気弁
９６ 筒内圧センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. エンジンバルブのバルブタイミングを変更する可変機構と、
   筒内圧を検出するための筒内圧センサと、
   前記エンジンバルブの開タイミングにおいて前記筒内圧センサにより検出された筒内圧が所定の上限値を超えぬよう、前記可変機構を制御して前記開タイミングを制御するように構成された制御ユニットと、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記制御ユニットは、検出された前記筒内圧が前記上限値を超えたとき、前記筒内圧が前記上限値以下に低下するまで前記開タイミングを変更する
   請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記エンジンバルブは排気弁であり、
   前記制御ユニットは、検出された前記筒内圧が前記上限値を超えたとき、前記筒内圧が前記上限値以下に低下するまで前記開タイミングを遅角させる
   請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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