JP2855889B2

JP2855889B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2855889B2
Application number: JP15466091A
Authority: JP
Inventors: 眞木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH05125966A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は運転状態に応じて特性の
異なるカムを選択的に切換える可変動弁機構をもつ内燃
機関の制御装置に関する。

【０００２】

【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。

【０００３】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、開弁期間は共に小さく、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、全ての運転条件
で最適なマッチングとすることはできない。

【０００４】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（カム作動態様）を備えておき、運転条件によ
って選択的に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。

【０００５】カムの切換は予め設定されたカム切換領域
に基づいて行われ、機関回転数とアクセル開度（負荷）
から求めた運転条件が、所定のカム切換領域に入ると、
対応するカムへの切換が自動的に行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】ところで、通常はカ
ム切換と同時にスロットルバルブの開度を補正し、切換
の前後において機関発生トルクが変動しないようにして
いる。低出力カムと高出力カムでは吸気充填効率が相違
し、同一のスロットルバルブ開度のままではシリンダに
吸入される空気量が異なり、発生出力が変化するためで
ある。

【０００７】そこで、アクセルペダルとスロットルバル
ブとの機械的な連係を切り離し、スロットルバルブをア
クセル開度に対応した出力が得られるようにモータ等に
より駆動すると共に、低出力カムから高出力カムに切換
たときは、スロットルバルブの開度を相対的に減少さ
せ、逆に高出力カムから低出力カムに切換たときはスロ
ットルバルブの開度を相対的に増加させるように補正し
ている。

【０００８】ただし、カムの切換を発生出力が同一とな
るスロットルバルブの開度を境にして行うときは、スロ
ットルバルブの開度補正が不要で、スロットルバルブを
アクセルペダルから独立させる必要はないが、この場合
にはカムの使用領域が制限され、例えば燃費の良い低出
力カムの運転領域が狭められたする。

【０００９】いずれにせよこのようにスロットルバルブ
を操作して機関出力をコントロールしているが、もしも
何らかの原因によりスロットルバルブに作動不良が発生
し、スロットルバルブが開いたままになってしまうと、
出力を下げるにはエンジンキースッチをオフにして燃料
の供給を停止するか、あるいは、機関の作動は継続した
ままクラッチを切って動力の伝達を遮断し、ブレーキを
かけて強制的に車両を停止させたりする必要がある。

【００１０】アクセルペダルとスロットルバルブとが機
械的に連動しているときはリターンスプリングにより強
制的に戻されるので、このような異常が起きることはま
ずありえないが、両者の機械的な連動を切り離した場合
は、スロットルバルブの開度制御不能時等のフェールセ
ーフとして、上記した停止動作を採らなくても機関出力
をコントロールできるようにすることが好ましく、この
ため、例えばスロットルバルブ異常を検出した時に燃料
カットを行うことも考えられる。

【００１１】複数の出力特性の異なるカムを備える場
合、スロットルバルブの開度が同一であっても、上記の
ようにカムによって発生出力は大きく相違するため、仮
にスロットルバルブの開度制御が不能となったときには
低出力カムに切換ると、それだけ発生出力も小さくな
り、減速することができる。燃料カット等により出力を
制限することもひとつの方法ではあるが、カム切換によ
り機関出力を低下させていけば、それだけ円滑な減速が
可能となる。

【００１２】そこで本発明は、スロットルバルブの作動
不良等の異常が生じたら、発生出力の小さいカムに切換
ることにより、機関の出力を減少させ、減速することの
できるようにすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は図１に示すよう
に、低出力と高出力の少なくとも２つのカム作動態様１
と、運転状態に応じてカム作動態様の切換領域を判定す
る判定手段２と、カム作動態様切換指令にしたがってカ
ム作動態様を切換えるカム作動態様切換機構３とを備え
た内燃機関の制御装置において、スロットルバルブ開度
の制御に異常が発生したことを検出する手段４と、スロ
ットルバルブの異常検出時にその運転状態における発生
出力の小さいカム作動態様を選択する手段５と、選択し
たカム作動態様へ強制的に切換るように前記カム作動態
様切換機構に指令する強制カム作動態様切換手段６とを
備える。

【００１４】また、前記強制カム作動態様切換手段６は
制動状態が検出されたときにカム作動態様切換の指令を
出力する。

【００１５】

【作用】スロットルバルブの開度制御に何らかの異常が
発生すると、その運転状態において発生出力が小さいカ
ム作動態様に強制的に切換られるので、機関出力が低下
し、エンジンブレーキによる減速が行われる。したがっ
て、スロットルバルブが開いたまま故障したときでも、
可変動弁機構のもつ特性を活かして、安全サイドに機関
出力をコントロールすることができる。

【００１６】また、カム作動態様の切換はブレーキペダ
ルが踏まれたとき、つまり運転者による制動操作時に行
うことにより、コーナリング時や低摩擦路面走行時など
においても、運転者の予期しないカム作動態様切換に伴
う急減速にもとづく悪影響を回避できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１８】まず、図２、図３に可変動弁機構の基本的
な構成を示すが、これ自体は本出願人により、特願平２
−１１７２６１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つの高出
力カムと、これとは別に部分負荷域などで燃費を重視し
た低出力（燃費）カムとの３つのカム（カム作動態様）
を運転状況に応じて切り換えるようになっている。

【００１９】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(低出力カ
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(低速型高出力カム)、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(高速型高出力カム)で、これらは同一のカム
シャフトに並列的に設けられる。

【００２０】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。

【００２１】メインロッカーアーム２５にはシャフト３
０を支点にして揺動する２つのサブロッカーアーム２
８,２９が前記ローラ２６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。

【００２２】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。

【００２３】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２４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３６に付勢されて図２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４
０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。

【００２４】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及び第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。

【００２５】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２
９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。

【００２６】なお、図４に第１カム２１から第３カム２
３までのバルブリフト特性を示す。各カムを用いたとき
の全開出力特性は、図５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。

【００２７】第１カム２１から第２、第３カム２２,２
３への切換や、その反対に第２、第３カム２２,２３か
ら第１カム２１への切換を制御するために図６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。

【００２８】コントローユニット５１におけるこのカム
の選択は図５の特性に基づいて、要求するトルクと回転
数が、例えば低出力の燃費カムである第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。

【００２９】コントロールユニット５１には運転状態を
代表するパラメータとして、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５
３、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からの各信号が入力し、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。

【００３０】一方の電磁弁４５が開かれると第２カム２
２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。

【００３１】また、コントロールユニット５１はカムの
切換時におけるトルク変動を防ぐために、カム切換に対
応して吸気通路に設けたスロットルバルブ５７の開度を
補正制御している。

【００３２】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。

【００３３】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、カムポジョシンセンサ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５６を介してス
ロットルバルブ５７の開度を決定する。

【００３４】カム切換が判断され、例えば第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、トルク増大分を吸収するように、切換
目標カムとのトルク段差に応じてスロットルバルブ５７
の開度を減少補正し、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。

【００３５】ところで、このように機関出力の制御を行
うスロットルバルブ５７に作動不良など何らかの異常が
起こり、スロットルバルブ５７が開いたままになったり
すると、機関出力を減少させるには、エンジンキースイ
ッチを切って機関を停止させる等の操作が必要となる
が、このように複数の出力特性の異なるカムを備える場
合には、同一のスロットル開度に対しても、使用カムに
よって発生出力が大きく相違し、第１カム２１のように
低出力カムに切換ると、エンジンブレーキを効かして減
速することができる。

【００３６】図７に示すように、各カムの出力特性は、
等スロットル等トルク線ＴＶＯ₁とＴＶＯ₂を境にして、
第１カム２１と第２カム２２、第２カム２２と第３カム
２３の発生トルクがそれぞれ切り換わり、各領域におい
て同一のスロットル開度に対する発生出力は、カムの種
類によって領域毎に変化する。

【００３７】例えば第１カム２１と第２カム２２との出
力トルクの大きさは、ＴＶＯ₁線を境に逆転するが、こ
れは以下の理由による。

【００３８】第１カム２１に比べて第２カム２２は体積
効率が大きく、一回当たりのシリンダ吸入空気量が大き
くなるが、実際の出力トルクは、体積効率と吸入空気密
度（吸入負圧）に関連する吸気充填効率に依存する。例
えばＴＶＯ₁線よりもスロットル開度が小さくなる領域
では、第１カム２による吸入負圧に比べて第２カム２２
による吸入負圧が著しく大きく（強く）なり、カムプロ
フィルに依存する体積効率の差を補って、実質的な吸気
充填効率が逆転し、第１カム２１による出力トルクが大
きくなるのである。

【００３９】このようにして、運転状態によって同一の
スロットル開度でもカムの種類に応じて発生出力が異な
る。

【００４０】したがって、本発明では、スロットルバル
ブ５７の開度制御に何らかの異常が発生したときは、そ
の運転状態において最も出力が小さいカムへと切換るこ
とにより、特別に機関出力をコントロールする手段、例
えば燃料カット手段等を備えなくても（あるいはこれと
共に）、機関出力を減少させ、安全サイドに出力を制御
することを可能とした。万一スロットルバルブ５７が開
いたまま閉じなくなっても、カム切換により機関出力が
低下すれば、手動変速機付き車両の場合は、クラッチを
切ってブレーキをかけることにより、安全かつ速やかに
車両を停止させられるし、また、自動変速機付き車両の
場合にもブレーキをかけることより、安全に車両を停止
させられる。

【００４１】コントロールユニット５１はスロットルバ
ルブ５７の作動に何らかの異常が発生したことを検出す
るために、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル
操作量センサ５３と、実際のスロットルバルブ５７の開
度を検出するスロットル開度センサ５４の各検出信号に
基づいて、そのときの使用カムによって異なるアクセル
操作量に対応した目標とするスロットル開度と、実際の
スロットル開度とを比較し、この偏差が所定値以上のと
きにはスロットルバルブ５７の制御に異常が発生したも
のと判定し、その運転状態において機関発生出力の小さ
いカムを選択して、強制的にそのカムへの切換を行う。

【００４２】ただし、この実施例にあっては、３つの出
力特性の異なるカムを備えているため、カム切換は異常
が発生した時点で、最も出力小さいカムに向けて、順次
段階的に切換ていくことにより円滑な減速を行う。ま
た、この強制的なカム切換は、ブレーキペダルの作動を
検出するブレーキスイッチ６０からの信号により、運転
者が制動動作に入ってから開始することにより、運転者
の予期しない減速を防いで、例えば高速でのコーナリン
グ時や低摩擦路面での走行中などでも、より安全に減速
できるようにする。

【００４３】コントロールユニット５１で実行される制
御動作を図８、図９のフローチャートにしたがって説明
する。

【００４４】図８において、アクセル開度とスロットル
開度とを読み込み、実際のスロットル開度をその運転状
態での使用カムとアクセル開度によって決まる目標開度
と比較し、その偏差が一定値を越えたときにスロットル
バルブ５７の作動に異常が発生したことを判定する（ス
テップ１，２）。正常時はスロットル開度は目標開度と
一致し、この場合にはステップ３に移り、通常のカム制
御を行うが、異常時はステップ３でブレーキスイッチ６
０の信号により、ブレーキング中かどうかを判定し、さ
らにステップ４で異常の発生に伴い燃料カットの処置を
とっているかどうかを判定する。

【００４５】ブレーキは作動しているが燃料カットをし
ていないときは、ステップ５，６により、運転状態を読
み込んだ後、出力を抑制するための強制的カム切換を行
うべく次期使用カムの選択を行う。この選択動作の内容
は図９に示すが、その運転状態において順次、発生出力
の小さい方のカムに切換ていく。

【００４６】なお、前記燃料カット時はステップ７に移
行して、燃料カット時の次期使用カムの選択を行う。燃
料カット時は機関出力は発生しないものの、惰性により
走行している車両のもつ慣性エネルギを吸収するため、
高出力カムに比較してポンピングロス（吸入行程での）
が大きい低出力カムへと切換ていき、エンジンブレーキ
の効きを高めるようにした（この場合はどの運転状態に
あっても必ず低出力カムへと切換ていく）。

【００４７】これに対して燃料カットしていないとき
は、運転状態によって発生出力の小さくなるカムの種類
は異なり、そこで図１０、図１１のように、運転領域毎
に出力の小さいカムを選択して、段階的に切換ていく。

【００４８】図９に示すように、ステップ１でタイマを
セットした後、ステップ２〜５において、図１０のカム
切換内容にしたがって、テーブルルックアップにより切
換カムを読み込み、さらに切換タイミングの読み込みを
行う。

【００４９】選択されるカムは、そのときの運転状態に
よって異なり、例えば図７の領域で、そのときの使用
カムが第２カム２２のときは、次期カムとして、これよ
りも発生出力の小さい第３カム２３が選択され、その後
に、さらに発生出力の小さい第１カム２１が選択される
ことになる。あるいは、領域で第１カム２１を使用し
ているときは、まずこの領域では第１カム２１よりも出
力の小さな第２カム２２に切換て、その後にさらに出力
の小さい第３カム２３へと切換る。このように発生出力
の小さくなるカムは、そのときの運転状態によって異な
り、前述した理由により、第１カム２１よりも、第２カ
ム２２、第３カム２３の方が発生出力が小さいときもあ
り、予め、これらを求めて図１０のテーブルに格納して
おき、そのときの運転状態と使用カムを基準にして、順
次、発生出力の小さいカムを選び出すのである。

【００５０】また、カムの切換タイミングについては、
選択された次期カムについては直ぐに切換られるが、そ
の次のカムには、所定の時間が経過してから切換ること
により、出力削減を段階的に行う。

【００５１】このためステップ６，７で、テーブルルッ
クアップした所定の時間Ｔ₁が経過したら、次期カムへ
の切換を行い、さらにステップ８，９において次の設定
時間Ｔ₂が経過した時点で、次々期カムへの切換を行
う。

【００５２】このようにして、スロットルバルブ５７の
作動に何らかの異常が発生したら、発生出力の小さいカ
ムへと順次切換ていくことにより、円滑に減速して、機
関出力を安全サイドへと自動的にコントロールすること
ができる。

【００５３】カムの切換は運転者の制動操作によって開
始され、また段階的に出力の小さなカムへと切換られる
ため、高速でコーナリング中など運転者がブレーキを踏
まない限り、カム切換による減速動作は行われず、運転
者の予期しないエンジンブレーキによる駆動トルクの変
動を避け、円滑な減速動作が確保される。

【００５４】なお、この実施例ではスロットルバルブ５
７はアクセルペダルから機械的な連係が分離されている
が、機械的に連動しているタイプのものにも本発明を適
用することはできる。

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、スロット
ルバルブの開度制御に何らかの異常が発生すると、その
運転状態において発生出力が小さいカム作動態様に強制
的に切換られるため、機関出力を低下させて、エンジン
ブレーキによる減速を行うことができ、万一スロットル
バルブが開いたまま故障したときでも、特別な出力制御
装置を設けなくても、あるいはこれと共に、可変動弁機
構のもつ特性を活かして、安全サイドに機関出力をコン
トロールすることができる。

【００５６】また、カム作動態様の切換はブレーキペダ
ルが踏まれたとき、つまり運転者の制動動作に同期させ
ることにより、コーナリング時や低摩擦路面走行時など
において、運転者の予期しないカム作動態様切換に伴う
減速がもたらす悪影響を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成図である。

【図２】本発明の実施例を示す可変動弁機構の平面図で
ある。

【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図である。

【図４】各カムのリフト特性を示す説明図である。

【図５】各カムによる出力特性をトルクと回転数に基づ
いて示す説明図である。

【図６】コントロールユニットのブロック図である。

【図７】カムの切換領域をトルクと回転数に基づいて示
す説明図である。

【図８】コントロールユニットで実行されるカム強制切
換の制御動作を示すフローチャートである。

【図９】コンロールユニットで実行されるカム強制切換
時のカム選択動作を示すフローチャートである。

【図１０】カムの切換パターンを示す説明図である。

【図１１】カムの切換タイミングを示す説明図である。

【符号の説明】

１カム作動態様２判定手段３カム作動態様切換機構４スロットルバルブ異常検出手段５カム作動態様選択手段６強制カム作動態様切換手段２１第１カム２２第２カム２３第３カム２４吸・排気弁５１コントロールユニット５３アクセル操作量センサ５４スロットル開度センサ５７スロットルバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−91331（ＪＰ，Ａ) 特開平２−125944（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−219832（ＪＰ，Ａ) 特開平４−269313（ＪＰ，Ａ) 特開平４−265435（ＪＰ，Ａ) 特開平４−191449（ＪＰ，Ａ) 特開平４−143408（ＪＰ，Ａ) 特開平４−203232（ＪＰ，Ａ) 特開平４−203248（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 13/02 F01L 13/00 301 F02D 9/02 341 F02D 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】低出力と高出力の少なくとも２つのカム
作動態様と、運転状態に応じてカム作動態様の切換領域
を判定する判定手段と、カム作動態様切換指令にしたが
ってカム作動態様を切換えるカム作動態様切換機構とを
備えた内燃機関の制御装置において、スロットルバルブ
開度の制御に異常が発生したことを検出する手段と、ス
ロットルバルブの異常検出時にその運転状態における発
生出力の小さいカム作動態様を選択する手段と、選択し
たカム作動態様へ強制的に切換るように前記カム作動態
様切換機構に指令する強制カム作動態様切換手段とを備
えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】前記強制カム作動態様切換手段は制動状
態が検出されたときにカム作動態様切換の指令を出力す
るように構成される請求項１に記載の内燃機関の制御装
置。