JP2745810B2 - 内燃機関の制御装置 - 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可変動弁機
構を備える自動車用等の内燃機関の出力制御装置に関す
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
き、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、運転状態に応じ
て出力や燃費が最良となるカムを目標とする制御である
ため、車両の運転状況によってはカムの選択が必ずしも
適切ではないことがある。

例えば降坂路走行時などはエンジンブレーキを効かせ
ながら運転したいことがあるが、カムの選択が出力を中
心にして行なわれると、エンジンブレーキの効きが悪く
なる。

エンジンブレーキは降坂路走行だけでなく屈曲路走行
時にも要求されることがあり、また自動変速機付きの車
両では運転者の意志により第１、第２レンジ（自動変速
しない）が選択されたときなども、エンジンブレーキが
効いた方が運転しやすいことがある。

そこで本発明は、エンジンブレーキを要求される運転
状態では、その運転状況において比較的エンジンブレー
キの働きが良好となるようにカムの切換を制御すること
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（Ａ）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、これ
らのカム10を運転状態によって選択的に切換えると共に
このカムの運転を吸排気弁の少なくとも一方に伝達する
カム切換機構11とを備えた内燃機関において、エンジン
ブレーキを必要とする運転状態を検出する手段12と、エ
ンジンブレーキの要求されるときはそのときに使用して
いるカムに対してリフト量または作動角の少なくとも何
れか一方が大となるカムに切換える手段13を備える。

また、第１図（Ｂ）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、これらのカムを
運転状態によって選択的に切換えると共にこのカムの運
転を吸排気弁の少なくとも一方に伝達するカム切換機構
11とを備えた内燃機関において、エンジンブレーキを必
要とする運転状態を検出する手段12と、屈曲路走行状態
を判定する手段14と、エンジンブレーキが要求され、か
つ屈曲路走行状態にあるときはアクセル開度変化に対す
る出力変化量がより大となるカムに切換える手段15とを
備える。

さらに第１図（Ｃ）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、これらのカムを運
転状態によって選択的に切換えると共にこのカムの運転
を吸排気弁の少なくとも一方に伝達するカム切換機構11
とを備えた内燃機関において、エンジンブレーキを必要
とする運転状態を検出する手段12と、所定の減速状態で
行なわれる燃料供給の遮断を判定する手段16と、エンジ
ンブレーキが要求され、かつ燃料が遮断されるときはそ
の運転域においてポンピングロスがより大となるカムに
切換える手段17とを備える。

（作用） 第１の発明によれば、エンジンブレーキが必要となる
ときに、その運転域で使用していたカムよりもリフト量
または作動角の少なくとも何れか一方が大となるカムに
切り換えられる。これによりカム特性としてはそのとき
の運転状態における最適特性から外れるためそれだけ機
関出力が低下し、またリフト量または作動角が大となる
ことで動弁系の駆動損失が増大することから、軸出力が
より小となって強いエンジンブレーキが作用する。ま
た、このようにしてリフト量または作動角が大の状態で
減速している途中から再加速しようとするときにはその
時点ですでに比較的高負荷に適したカム特性となってい
るので、カム切換の頻度が低減するとともに良好な加速
応答性が発揮される。

第２の発明によれば、エンジンブレーキを必要とする
屈曲路走行時には、アクセル開度に対して出力トルクの
変化幅がより大きなカムを選択することにより、エンジ
ンブレーキと共に必要に応じてスムーズな加速もでき、
良好な運転性が確保される。

第３の発明によれば、燃料遮断時には機関発生出力は
ゼロで、ポンピングロスによるエンジンブレーキが効く
が、よりポンピングロスの大きなカムが選択されること
によりエンジンブレーキの効きが高められる。また、減
速時であっても燃料遮断がされていない条件下ではカム
切換えをしない構成であるので、減速途中で再加速する
ときに良好な加速性能を確保することが可能である。

（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
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に従って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、油圧室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。

コントローユニット51におけるこのカムの選択は第５
図の特性に基づいて、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、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、実際に選択されたカム位置を検出するカム
ポジションセンサ58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時期が判定されたら、前記
２つの油圧室38,39への油圧の切換を行う電磁弁45と46
の作動を制御するのである。

つまり、一方の電磁弁45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、他方の電磁弁46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に圧油が導かれるのである。

ところでコントロールユニット51は、同一のスロット
ル開度に対してカムの出力特性が異なり、そのままでは
カムの切換時に大きなトルク段差を生じ、不連続な出力
変動により運転性を悪化させたり、車体振動を誘発した
りするが、これらの現象を回避するために、切換に対応
して吸気通路に設けたスロットルバルブ57の開度と、点
火装置59の点火時期を補正制御する。

スロットルバルブ57はコントロールユニット51からの
信号を受けるサーボ駆動回路55、及びこの駆動信号に基
づいて作動するサーボモータ56を介して、図示しないア
クセルペダルとは独立して開度が増減され、同時にスロ
ットルバルブ57の実際の開度はスロットル開度センサ54
を介してコントロールユニット51にフィードバックされ
る。なお、スロットルバルブ57は各気筒毎に独立させた
吸気通路にそれぞれ設けることもできる。

コントロールユニット51は基本的にはアクセル操作量
センサ53の信号から要求トルクを判断し、カムポジショ
ンセンサ58の出力から求めたそのときのカム位置で、要
求トルクを発生するのに必要なスロットル開度位置を演
算し、サーボモータ57を介してスロットルバルブ57の開
度を決定する。

そして、カム切換が判断されたときは、第１カム21か
ら出力トルクの大きい第２または第３カム22、23への切
換時には、サーボ駆動回路55、サーボモータ56を介して
スロットルバルブ57の開度を、その切換目標とのトルク
段差に応じて減少するように補正し、トルク増大分を吸
収する。また、第２または第３カム22、23から出力トル
クの小さい第１カム21に切換るときは、逆にスロットル
バルブ57の開度を増大させてトルク段差を吸収するよう
に出力の補正制御を行う。

図示しないが、同時に点火装置の点火時期を補正制御
して出力の変動を抑制することも可能である。

一方、この発明において、コントロールユニット51は
エンジンブレーキが要求される運転条件下においては、
その運転状態において最も良くエンジンブレーキが効く
ようにカムの選択を行うようにもなっている。

前述したように各カムの選択は、そのときの運転状態
に応じて最も燃費がよく、また発生出力が最大となるこ
とを基準に実行されるが、同一のアクセル開度における
機関出力が小さいほど好ましい、エンジンブレーキが要
求される運転条件下では、このようなカムの選択は要求
とは必ずしも一致しない。そこで、エンジンブレーキが
要求される運転条件の下では、これに対応して機関出力
が比較的小さく（負の仕事も含めて）なるようにカムを
選択するのである。

エンジンブレーキが要求される運転条件とは、例えば
降坂路を走行するとき、自動変速機付き車両ではシフト
レバーを自動変速しない第１、第２レンジに操作したと
き、あるいは積極的にエンジンブレーキを効かすことを
要求された場合などがあり、そこでこのような条件を検
出する手段60として、例えば車両の前後の傾きを検出す
る傾斜計、またはスロットル開度に対する加速度の変化
量から降坂路走行を推定する手段、変速機のシフト位置
を検出するシフト位置センサ、運転者によって操作可能
なエンジンブレーキ要求スイッチ等の少なくとも一つが
備えられる。

また、エンジンブレーキを効かすにあたり、カーブが
連続する屈曲路走行時などは減速と加速とを交互に繰り
返すことが多いので、アクセル操作に対応して発生トル
クを増減しやすいカムを選択することが好ましい。さら
に、減速燃料遮断時のように機関出力がゼロの状態で
は、機関のポンピングロスの大きさによってエンジンブ
レーキの効きが変化し、このような場合は、エンジンモ
ータリング時にポンピングロスが最大となるカムを選択
すると良い。

そこでこれらの運転条件下でのエンジンブレーキの最
適制御も行うために、車両の操舵角度を検出する操舵角
センサの単位時間当たりの出力変化量が設定値を越えた
ときに屈曲路走行状態にあると判定する手段61と、アク
セル開度が所定の低開度以下で機関回転数が所定回転以
上のときに行なわれる減速燃料遮断状態を判定する手段
62とを備える。

コントロールユニット51ではこれらの出力に基づい
て、第７図のフローチャートに示すようにしてエンジン
ブレーキ要求時にその時点でのカムよりも比較的強いエ
ンジンブレーキが効くカムへと切換制御する。

ステツプ1,2でエンジンブレーキ要求検出手段60、屈
曲路走行判定手段61、減速燃料遮断判定遮断62等からの
エンジンブレーキを要求する判定入力を読み込むと、ま
ずエンジンブレーキの要求があるかどうかを判断し、な
いときはステツプ10で通常のカム切換制御に移行する
が、要求有りのときは、ステツプ3,4で屈曲路走行かど
うか、さらには燃料遮断中かどうかをそれぞれ判断す
る。

いずれにもないときは、ステップ５で機関回転数、ア
クセル開度などの運転状況を読み込んでから、その運転
域で機関出力が比較的小となるカムを予め設定してある
マップから選択し、カムの切換を行う（ステップ6,
7）。

第８図に各カムによる最大スロットル開度の出力特性
と、カム領域間の等出力特性を示すが、この特性領域に
したがって第９図のようにして、比較的小さな出力のカ
ムを選択するのである。

つまり、第８図のＡ領域で出力が最大となるのは第３
カム、Ｂ領域では第２カム、Ｃ領域では第１カムであ
り、したがって、各領域でそれぞれこれとは異なるカム
を選択すれば発生トルクは小さくなり、アクセル開度を
小さくすることにより即時に駆動力が減少し、高いエン
ジンブレーキ効果が得られる。

なお、第８図及び第９図に示すように、第３カムで運
転されるＡ領域からの減速時には第２カムまたは第１カ
ムの何れか、また第２カムで運転されるＢ領域からの減
速時には第３カムまたは第１カムの何れか、という具合
に運転領域によっては複数のカムを選択可能である。こ
の場合、何れのカムを選択してもカム特性としては最適
特性から外れることになるので出力が低下してエンジン
ブレーキ効果が増大する方向となる。ここで、エンジン
ブレーキ効果のみに着目すると、よりリフト量または作
動角の小さいカムに切換えればよいのであるが、減速途
中から再加速するような状況を考慮すると、加速当初に
高負荷に対応したカムつまりよりリフト量または作動角
の大きいカムに切換えてからの加速となるので加速応答
性が損なわれる場合がある。これに対して、減速時にそ
のときのカムよりリフト量または作動角の大きいカムに
切換えるものとした場合には、再加速の時点ですでに高
負荷に対応するカム特性となっているので、カム切換の
必要もなく、速やかに加速を開始できるので良好な加速
応答性が得られる。カムのリフト量または作動角を大き
くするとそれだけ動弁系の摩擦損失も大となるので、軸
出力の低下によるエンジンブレーキ効果の増大も十分に
期待できる。

次に、ステツプ３で屈曲路走行と判断されたときは、
ステツプ９に移行してアクセル開度変化に対して最も出
力変化量の大きいカムを選択する。

第10図にはアクセル開度と回転数に対する各カムの最
大出力特性を示してあり、したがって、等回転数におい
てアクセル開度の変化量に対して出力トルクの変化幅が
大きいのは、各領域において、最大出力をとるカムとい
うことになる。

第11図はこれを示すもので、第２カムか第３カムのい
ずれかが選択さされることになる。カーブの連続する屈
曲路走行時には、各カーブに入るときにエンジンブレー
キを効かせ、出るときに加速することが多く、したがっ
て運転者のアクセル操作に対して発生トルクの変化幅が
大きいほど運転操作性が良好となる。

また、ステツプ４で減速燃料遮断時と判断されると、
ステツプ８に移行して燃料遮断時にポンピングロスが最
大となるカムが選択される。

第12図は燃料を供給しないときのポンピングロスの大
きさを示すもので低回転域の第１カムのポンピングロス
が最大となり、以下、第２、第３カムとなる。

したがって、第13図に示すようにして、各領域でポン
ピングロスが最大のカムを選択することにより、エンジ
ンブレーキの効きを高められる。

なお、第１カムは同一トルクを発生するためのポンピ
ングロスは最小となるが、燃料遮断時（モータリング
時）のように発生トルクがゼロの状態での比較では、他
のカムに比較してカムリフトとリフト期間が小さい分だ
け吸入行程での仕事損失（負の仕事）が大きく、ポンピ
ングロスを増大させている。

このようにして、エンジンブレーキが要求されたら、
そのときの運転条件によって、最もエンジンブレーキ効
果が高く、かつ運転のしやすいカムが選択され、良好な
運転性が確保されるのである。

なお、カムの切換時には前述したようなトルク段差が
発生するので、コントロールユニット51により、これを
防ぐようにスロットル開度の補正制御が行なわれる。こ
のため、カム切換の直後は原則として発生トルクの変動
はないが、エンジンブレーキをさらに効かせるように運
転者がアクセル開度を減少すれば、選択されたカムによ
り大きなエンジンブレーキの効果が得られるのである。

（発明の効果） 以上のように第１の発明によれば、エンジンブレーキ
を必要とする運転状態を検出する手段と、エンジンブレ
ーキの要求されるときはそのときに使用しているカムに
対してリフト量または作動角の少なくとも何れか一方が
大となるカムに切換える手段を備えたので、エンジンブ
レーキが必要となるときにその運転域での出力を抑えて
エンジンブレーキ効果を高められるとともに、この減速
途中から再加速するときにカム切換の頻度を低減しつつ
良好な加速性能を確保できるという効果が得られる。

また、第２の発明によれば、エンジンブレーキを必要
とする運転状態を検出する手段と、屈曲路走行状態を判
定する手段と、エンジンブレーキが要求され、かつ屈曲
路走行状態にあるときはアクセル開度変化に対する出力
変化量がより大となるカムに切換える手段とを備えたの
で、エンジンブレーキを必要とする屈曲路走行時には、
アクセル開度に対して出力トルクの変化幅がより大きな
カムを選択することにより、エンジンブレーキと共に必
要に応じてスムーズな加速もでき、良好な運転性が確保
される。

さらに、第３の発明によれば、エンジンブレーキを必
要とする運転状態を検出する手段と、所定の減速状態で
行なわれる燃料供給の遮断を判定する手段と、エンジン
ブレーキが要求され、かつ燃料が遮断されるときはその
運転域においてポンピングロスがより大となるカムに切
換える手段とを備えたので、ポンピングロスが支配的と
なる燃料遮断時にはよりポンピングロスがより大きくな
るカムが選択され、したがって適正なエンジンブレーキ
の効きが得られると共に、燃料遮断時でない限りカム切
換がなされないので、減速途中での再加速時に良好な加
速性能を確保することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明のそれぞれ構成図、第２
図は本発明の実施例を示す可変動弁機構の平面図、第３
図は同じくそのＸ−Ｘ線断面図、第４図は各カムのリフ
ト特性を示す説明図、第５図は各カムによる出力特性を
トルクと回転数に基づいて示す説明図、第６図はコント
ロールユニットのブロック図、第７図はコントロールユ
ニットにおいて実行される制御動作を示すフローチャー
ト、第８図は各カムの最大出力特性と等出力特性とによ
るカム領域を示す出力と回転数に基づいて示す説明図、
第９図はエンジンブレーキ要求時の各カムの選択領域を
示す説明図、第10図は各カムによる出力特性をアクセル
開度と回転数に基づいて示す説明図、第11図は屈曲路走
行時の各カムの選択領域を示す説明図、第12図は各カム
のポンピングロス特性を回転数に基づいて示す説明図、
第13図は燃料遮断時の各カムの選択領域を示す説明図で
ある。 21……第１カム、22……第２カム、23……第３カム、24
……吸・排気弁、25……メインロッカアーム、28,29…
…サブロッカアーム、51……コントロールユニット、52
……クランク角センサ、53……アクセル操作量センサ、
60……エンジンブレーキ検出手段、61……屈曲路走行判
定手段、62……燃料遮断判定手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉内 仁 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 実開 昭62−61908（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭63−30481（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

(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、これらのカムを運転状態によって選択的に
   切換えると共にこのカムの運転を吸排気弁の少なくとも
   一方に伝達するカム切換機構とを備えた内燃機関におい
   て、エンジンブレーキを必要とする運転状態を検出する
   手段と、エンジンブレーキの要求されるときはそのとき
   に使用しているカムに対してリフト量または作動角の少
   なくとも何れか一方が大となるカムに切換える手段を備
   えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 【請求項２】出力特性の異なるカムプロフィルをもつ複
   数のカムと、これらのカムを運転状態によって選択的に
   切換えると共にこのカムの運転を吸排気弁の少なくとも
   一方に伝達するカム切換機構とを備えた内燃機関におい
   て、エンジンブレーキを必要とする運転状態を検出する
   手段と、屈曲路走行状態を判定する手段と、エンジンブ
   レーキが要求され、かつ屈曲路走行状態にあるときはア
   クセル開度変化に対する出力変化量がより大となるカム
   に切換える手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の
   制御装置。
3. 【請求項３】出力特性の異なるカムプロフィルをもつ複
   数のカムと、これらのカムを運転状態によって選択的に
   切換えると共にこのカムの運転を吸排気弁の少なくとも
   一方に伝達するカム切換機構とを備えた内燃機関におい
   て、エンジンブレーキを必要とする運転状態を検出する
   手段と、所定の減速状態で行なわれる燃料供給の遮断を
   判定する手段と、エンジンブレーキが要求され、かつ燃
   料が遮断されるときはその運転域においてポンピングロ
   スがより大となるカムに切換える手段とを備えたことを
   特徴とする内燃機関の制御装置。