JP2684842B2 - 内燃機関のカム切換制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は運転条件によってカムを切換える内燃機関の
カム切換制御装置に関する。

（従来の技術） 内燃機関の吸排気弁を駆動する動弁装置は、機関の要
求する出力特性に合わせて、最適なバルブタイミングが
得られるように設定されている。

ところが、この要求バルブタイミングは機関の運転条
件によってそれぞれ異なり、例えば低負荷域ではバルブ
リフト、開弁機関は共に小さく、これに対して高負荷域
では大きなバルブリフトと開弁期間が要求される。自動
車用内燃機関のように運転条件が広範囲にわたるもの
は、バルブタイミングをどの運転領域を対象に設定する
かがなかなか難しく、いずれにしても、総ての運転条件
で最適なマッチングとすることはできない。

そこで、特開昭63−167016号公報にあるように、カム
特性（カムプロフィル）の異なる複数のカムを備えてお
り、運転条件によってカムの切換えを行うことにより、
それぞれにおいて最適なバルブタイミングで運転するこ
とを可能とした可変動弁装置が提案されている。

これは低回転域で高いトルク特性をもつ低速型の出力
カムと、高回転域で高いトルク特性の高速型の出力カム
とを、運転条件により切換えることにより、低速域から
高速域まで高出力を発揮させようとするものである。ま
た、これに加えて部分負荷域での燃費特性にすぐれた燃
費カムを備え、部分負荷域での燃費向上を図ることも提
案されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上記したカムの切換えは、切換運転状態が
判断されると、各気筒のカム切換アクチュエータを一斉
に駆動して行っていた。

しかし、カムの切換が指令されてから実際に切換が終
了するまでにはある時間がかかり、しかもクランク角度
によっては切換が不能な範囲もあるので、総ての気筒で
カムの切換が同時に終了するとは限らず、このため、切
換を指定した直後は気筒によってどのカムで運転されて
いるのかは、必ずしも特定できない。

カムが切換えられると、スロットル開度が変化しなく
てもシリンダの吸気充填効率がカム特性によって変わる
ため、要求される燃料の供給量や点火時期も大きく変化
する。

ところが上記したように、カム切換が指令された直後
は気筒によって使用カムの特定ため、カムによって要求
の異なる燃料供給量や点火時期にマッチさせようとして
も、タイミングの合った制御ができず、この場合には切
換前後でトルク変動による切換ショックや、排気組成の
悪化が避けられなかった。

これに対して特定の気筒からカムの切換が終了するよ
うに制御するには、総ての気筒で共通にカム切換が可能
となる非常に狭いクランク角度範囲に的を合わせて駆動
アクチュエータを一斉に作動させる必要があるが、アク
チュエータの応答遅れのバラツキ等を考慮すると、とく
に高回転域では切換が可能となる絶対的な時間範囲が非
常に短くなることもあって、正確に目標タイミングで切
換ることはきわめて困難で、また実用化のためには高速
応答性にすぐれたアクチュエータや、入力の高速センシ
ング、CPUの高速演算等、非常に高性能な装置が必要と
なり、仮に実用化できても当然高価なものになる。

そこで本発明は、カムの切換を２つの気筒グループに
分けて行うことにより、切換タイミングに余裕をもた
せ、アクチュエータの応答性にバラツキがあっても確実
に特定気筒からカム切換を完了させられるようにしたカ
ム切換制御装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） そこで本発明は、第１図に示すように、出力特性の異
なるカムプロフィルをもつ複数のカム10と、運転状態に
応じてカム10の選択・切換えを判定する手段11と、選択
されたカム10により給排気弁の少なくとも一方を駆動す
るようにカム10を切換えるカム切換機構12とを備えた内
燃機関において、機関のクランク角度を検出する手段14
と、カムの切換が判定されると点火順序にしたがって分
けた少なくとも２つの気筒グループにおける各先頭気筒
の切換可能範囲でカム切換が終了するように遅れ時間を
含めてそれぞれ切換開始時期を演算する手段15と、この
切換開始時期に対応したクランク角度で同一切筒グルー
プのカム切換機構にカム切換信号を出力する手段16とを
備える。

（作用） カムの切換が判定されると、２つの気筒グループのう
ち各先頭気筒（点火順序で）のカム切換可能範囲であ
る。吸気行程を除いた残り行程範囲で切換が終了するよ
うに、カム切換機構の応答遅れ期間を含めて、切換開始
時期が演算され、その時期にその気筒グループで同時に
カム切換が行なわれる。

したがってカム切換可能な範囲が広く、カム切換機構
の応答性にバラツキがあっても、先頭気筒ではその範囲
で確実にカム切換が終了するし、また、例えば４気筒機
関の場合、先頭気筒の切換可能な範囲は、同一グループ
の他の気筒にとっては吸気、圧縮、膨張行程に相当する
が、吸気行程では切換が不能でも、そのまま待機してい
れば圧縮または膨張行程で切換を完了させることがで
き、この場合も、全部の気筒で一斉に切換を行うのに比
べると切換可能な範囲が広いため、先頭気筒に次ぐ気筒
でも確実にカムの切換ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第２図，第３図に可変動弁装置の基本的な構成
を示すが、これ自体は本出願人により、特願平２−1172
61号として、既に提案されているもので、低回転域と高
回転域でそれぞれ出力を重視した２つの出力型カムと、
これとは別に部分負荷域などで燃費を重視した燃費カム
との３つのカムを運転状況に応じて切り換えるようにな
っている。

21は燃費重視型のカムプロフィルに設定され、カムリ
フトが小さく、かつリフト開始が遅くリフト終了が早い
リフト区間の小さい第１カム（燃費カム）、22は低回転
域で高トルクを発生するカムプロフィルに設定され、前
記第１カム21よりもカムリフトが相対的に大きい第２カ
ム（低速型出力カム）、23は高回転域で高トルクを発生
するカムプロフィルに設定され、第２カム22よりもカム
リフト、リフト区間の大きい第３カム（高速型出力カ
ム）で、これらは同一のカムシャフトに並列的に設けら
れる。

24は吸・排気弁（吸気弁または排気弁）、25はローラ
26を介して前記第１カム21と常時接触するメインロッカ
ーアームで、ロッカーシャフト27を支点に揺動して、吸
・排気弁24を開閉する。

メインロッカーアーム25にはシャフト30を支点にして
揺動する２つのサブロッカーアーム28,29が前記ローラ2
6と並列的に支持され、一方のサブロッカーアーム28は
前記第２カム22と、他方のサブロッカーアーム29は前記
第３カム23と接触する。

これらサブロッカーアーム28,29はメインロッカーア
ーム25と係合していないときは、ロストモーションスプ
リング31により常時第2,第３カム22,23に接触するよう
に付勢され、メインロッカーアーム25からは独立して運
動（揺動）する。

これらサブロッカーアーム28,29をメインロッカーア
ーム25に対して選択的に係合するため、まず一方のサブ
ロッカーアーム28の揺動部位には円柱形のピン32が、ま
たメインロッカーアーム25にもこのピン32と同軸上にピ
ン34が、それぞれカムシャフト方向に摺動自由に配設さ
れ、かつこれらピン32,34は常時はリターンスプリング3
6に付勢されて第２図の状態に保持され、メインロッカ
ーアーム25との係合を解かれているが、ピン34の収装さ
れた油圧室38に通路40を介して圧油が導かれると、ピン
32と34が所定量だけ押し出されて、サブロッカーアーム
28がメインロッカーアーム25と係合するようになってい
て、これらによりカム切換機構の油圧アクチュエータを
構成する。

サブロッカーアーム28がメインロッカーアーム25と一
体になるのは、第１カム21、第２カム22のベースサーク
ルにあるときで、一体後は第１カム21よりもリフトの大
きい第２カム22に従ったバルブタイミングに切換わる。

つまり、第１カム21による燃費重視の特性から、第２
カム22による低回転域での出力重視の特性に切換られる
のである。

他方のサブロッカーアーム29についても、これと同様
に構成され、油圧路39に通路41を介して圧油が導かれる
と、ピン35と33がリターンスプリング37に抗して押し出
され、サブロッカーアーム29がメインロッカーアーム25
に係合することにより、バルブタイミングは前記と同じ
く第１カム21よりもリフト量、リフト区間の共に大きい
第３カム23に依存するように切換られ、高回転域での出
力重視の特性が得られるのである。

なお、第４図に第１カム21から第３カム23までのバル
ブリフト特性を示す。そして、各カムを用いたときの全
開出力特性は、第５図のようになり、第１カム21によれ
ば、発生トルクは低いものの燃費が良く、第２カム22で
は低回転域での最大トルクが最も高く、第３カム23は低
回転域での発生トルクは第２カム22よりも小さいもの
の、高回転域での最大トルクは最も大きくなる。

ところで、第１カム21から第２、第３カム22,23への
切換や、その反対に第２、第３カム22,23から第１カム2
1への切換を制御するために第６図に示すようなコント
ロールユニット51が備えられ、運転状態によって最適な
カムが選択されるのである。

コントロールユニット51におけるカムの選択切換は第
５図の特性に基づいて行なわれ、要求するトルクと回転
数が、例えば燃費カムである第１カム21の領域にあると
きはこの燃費カムを用い、この状態からアクセル開度が
増加して要求トルクが燃費カムの領域を外れて例えば低
速型出力カムである第２カム22の領域に移行すると、燃
費カムから低速型出力カムに切換られ、また、回転数が
低回転域から高回転域に上昇してくると、高速型出力カ
ムである第３カム23に切換られるのである。

このため第６図にも示すように、コントロールユニッ
ト51には機関回転数、クランク角度位置を検出するクラ
ンク角センサ52、アクセルペダルの操作量（踏込量）を
検出するアクセル操作量センサ53、吸入空気量を検出す
るエアフローセンサ54からの信号が入力し、これらに基
づいて上記のようにカムの切換領域が判定される。

なお、コントロールユニット51にはこの他、油圧を検
出する油圧センサ55、油温を検出する油温センサ56から
の各検出信号も入力する。

そしてこのようにしてカムが選択されると、そのカム
への切換は、予め点火順序にしたがって分けた少なくと
も２つの気筒グループにおける各先頭気筒の切換可能範
囲でカム切換が終了するように応答遅れ時間を含めてそ
れぞれ切換開始時期を演算し、この切換開始時期に対応
したクランク角度で同一気筒グループのカム気換機構に
カム切換信号を出力することにより、カム切換をグルー
プ毎に行うようになっており、これによって特定の気筒
から順に必ず新しく切換ったカムにより吸入行程に入る
ことを可能としている。

したがって、後述するように、この特定気筒から燃料
噴射弁59の燃料供給量と点火装置60による点火時期とを
補正することにより、切換時のトルクショックや排気組
成の悪化を確実に回避できる。

この実施例では４気筒＃１〜＃４のうち、＃1,＃２気
筒のカム切換機構に対しては電磁弁45a,46aにより、ま
た＃3,＃４気筒のカム切換機構に対しては電磁弁45b,46
bにより供給油圧が制御され、したがってカム切換は、
＃3,＃４気筒のグループと、＃1,＃２気筒のグループと
でそれぞれ同時に行なわれる。

この場合、点火順序を＃１−＃３−＃４−＃２（＝＃
３−＃４−＃２−＃１）とすると、各電磁弁に対する切
換信号は、各グループの先頭気筒、つまり＃3,＃４気筒
グループでは＃３気筒でカム切換可能な範囲である圧
縮、膨張、排気行程にあるときに切換が終了するよう
に、油圧アクチュエータの応答遅れ時間を含めて切換開
始時期が演算されるのであり、同様に＃2,＃１気筒グル
ープでは＃２気筒でカム切換可能な範囲に切明が終了す
るような時期に切換信号が出力される。

なお、電磁弁45a,46aが開かれると第２カム22を働か
せるために油圧室38にオイルポンプからの圧油が導か
れ、電磁弁46a,46bを開くことにより今度は第３カム23
を働かせるため油圧室39に圧油が導かれる。

次にコントロールユニット51で実行されることからカ
ム切換の制御動作を、第７図のフローチャートによって
説明する。

運転条件を代表する信号として、アクセル開度、クラ
ンク角度、回転数、吸入空気量、油温、油圧等が読み込
まれ、予め設定されたカム使用領域に基づいてカムの切
換が安定される（ステップ1,2）。

カムの切換が判定されると、そのときの油温、油圧等
に基づいてカム切換機構の油圧アクチュエータの応答遅
れ時間τが演算され、この遅れ時間τをそのときの回転
数Neに基づいてクランク角範囲θτに変換する（ステッ
プ3,4）。

次いで、ステップ５で油圧アクチュエータを駆動する
ための切換開始時期を演算するのであるが、これは第８
図にも示すように、各気筒グループにおいて、点火順序
の先頭気筒のカム切換可能範囲、つまり、吸気弁がリフ
トしていない圧縮、膨張、排気行程の範囲で切換が終了
するように、油圧アクチュエータの応答遅れクランク角
範囲θτを含めて計算されるが、カム切換の終了目標が
カム切換可能範囲の中央値（膨張行程の中間）となるよ
う設定すると、応答のバラツキがあっても、その範囲で
最も確実にカム切換を終了させられるため、＃3,＃４気
筒グループでは、切換開始時期θ１＝｛（360゜＋540
゜）/2−θτ｝として演算し、また、＃1,＃２気筒グル
ープでは、これよりもクランク角にして360゜だけ遅ら
せた時期、つまりθ２＝θ１＋360゜として求める。

この場合、各気筒グループの残りの気筒、具体的には
＃４気筒と＃１気筒については、先頭気筒の切換可能範
囲は、それぞれ吸気、圧縮、膨張行程に相当するが、吸
気行程以外はカムの切換が可能であり、また、切換動作
が吸気行程にさしかかったときは、カム切換はできない
もののそのまま待機する状態となり、次の圧縮か膨張行
程で確実に切換られることになる。

このようにしてθ１とθ２を演算したら、まずステッ
プ６で、クランク角度がこのθ１に達したかどうかを判
断し、θ１のときに＃3,＃４気筒の電磁弁に切換信号を
出力し（ステップ７）、同じくステップ８でクランク角
度がθ２に達したかどうかを判断し、θ２のときに＃2,
＃１気筒の電磁弁に切換信号を出力（ステップ９）し
て、それぞれカム切換を行う。

なお、ステップ10で全気筒に対する切換が行なわれた
ことを確認し、そうでないときはステップ６に戻り、再
度同じ動作を繰り返す。

以上の結果、例えば従来のように、４気筒を同時に切
換る場合には、全気筒において切換が可能となる範囲
は、クランク角度にして180゜の範囲となるが、この発
明では４気筒を２つのグループに分けているので、切換
可能な範囲は540゜となって、３倍の余裕が生じること
になり、このため、油圧アクチュエータの応答遅れに多
少のバラツキがあっても、確実に目標とするクランク角
度でカム切換を終了させられ、したがって特定の気筒か
ら新しく切換えたカムで吸入行程に移行することでき、
これに合わせて燃料供給量と点火時期を補正制御するこ
とにより、切換時のトルクショックや排気組成の悪化を
確実に回避することが可能となるのである。

第９図は燃費カムから出力カム（低速型）に切換たと
きの、燃料供給量と点火時期の要求値を示すものである
が、カムの切換の前後でスロットル開度、機関回転数が
変化しなくても、シンリンダに対する吸気充填効率が大
きく変化（約２倍）するため、シリンダ内吸入空気量は
瞬間的に大きく増える。

したがって、燃料の供給量をこれに対応して増大させ
ないと燃料不足になり、燃焼が悪化し、失火する可能性
もある。また、要求点火時期もこれに伴って変化する。

とくに、カム切換直後はその要求値の変化も大きく、
このため、カム切換が特定の切筒から開始できると、こ
のカム切換気筒に対応して燃料供給量と点火時期を切換
えることにより、切換時のトルク変動を抑制して切換シ
ョックを無くすと共に、排気組成の悪化を防止すること
ができる。

なお、切換直後の最初の吸入行程に比べて、次回以降
の吸入行程でシリンダ内に吸入される空気量の変化は少
なくなる。これは切換直後が元の比較的小さい（弱い）
吸入負圧のままシリンダ内に空気を吸入することで充填
効率が一時的に非常に高くなるためで、その後は吸入負
圧の増加により、シリンダ内に吸入される実質的な空気
量は減少する。

したがって、燃料や点火時期の補正量は、切換直後に
最も大きく、その後は計測される吸入空気量と回転数に
対応しての通常の演算制御値に戻せばよく、この値は前
述の高回転域のカム切換時の制御と同様なものとなる。

なお、上記実施例は吸気弁に対するカム切換について
説明したが、排気弁についても同様にして実施すること
ができる。

また、４気筒機関を例にして説明したが、６気筒や８
気筒機関についても、同様にして実施でき、このように
気筒数が増えるときは、分割する気筒グループ数をさら
に増やすことにより、油圧アクチュエータ等に求められ
る高速応答性等をそれほど高めることなく、したがって
安価なシステムで対応することが可能となる。

制御と同様なものとなる。

なお、上記実施例は吸気弁に対するカム切換について
説明したが、排気弁についても同様にして実施すること
ができる。

また、４気筒機関を例にして説明したが、６気筒や８
気筒機関についても、同様にして実施でき、このように
気筒数が増えるときは、分割する気筒グループ数をさら
に増やすことにより、油圧アクチュエータ等に求められ
る高速応答性等をそれほど高めることなく、したがって
安価なシステムで対応することが可能となる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、カムの切換が判定され
ると、少なくとも２つの気筒グループのうち各先頭気筒
（点火順序で）のカム切換可能範囲である、吸気行程を
除いた残り行程範囲で切換が終了するように、カム切換
機構の応答遅れ期間を含めて、切換開始時期が演算さ
れ、その時期にその気筒グループで同時にカム切換が行
なわれるため、カム切換可能な範囲が広く、カム切換機
構の応答性にバラツキがあっても、先頭気筒ではその範
囲で確実にカム切換が終了するし、また、同一グループ
の他の切筒にとっても、吸気行程では切換が不能でも、
そのまま待機していれば圧縮または膨張行程で切換を完
了させることができ、この場合も、全部の切筒で一斉に
切換を行うのに比べると切換可能な範囲が広いため、先
頭気筒に次ぐ気筒でも確実にカムの切換ができ、安価な
システムでも確実に特定気筒からのカム切換が可能とな
り、切換と同期して燃料や点火時期を補正することによ
り、切換時のトルクショックや排気組成の悪化も確実に
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図は本発明の実施例を示
すカム切換機構の平面図、第３図は同じくそのＸ−Ｘ線
断面図、第４図は各カムによるバルブリフト特性を示す
説明図、第５図は各カムによる出力特性を示す説明図、
第６図は制御系のブロック図、第７図はコントロールユ
ニットで実行される制御動作を示すフローチャート、第
８図はカムの切換可能範囲を示す説明図、第９図はカム
切換時の制御特性を示すタイミングチャートである。 21,22,23……カム、24……吸・排気弁、25……メインロ
ッカーアーム、28,29……サブロッカーアーム、45a,45
b,46a,46b……電磁弁、51……コントロールユニット、5
2……クランク角センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−167016（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185227（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−179837（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143431（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140822（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185227（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−215418（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−187853（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−103711（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】出力特性の異なるカムプロフィルをもつ複
   数のカムと、運転状態に応じてカムの選択切換えを判定
   する手段と、選択されたカムによる吸、排気弁の少なく
   とも一方を駆動するようにカムを切換えるカム切換機構
   とを備えた内燃機関において、機関のクランク角度を検
   出する手段と、カムの切換が判定されると点火順序にし
   たがって分けた少なくとも２つの気筒グループにおける
   各先頭気筒の切換可能範囲でカム切換が終了するように
   遅れ時間を含めてそれぞれ切換開始時期を演算する手段
   と、この切換開始時期に対応したクランク角度で同一気
   筒グループのカム切換機構にカム切換信号を出力する手
   段とを備えたことを特徴とする内燃機関のカム切換制御
   装置。