JP4103833B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁の作動中心角の位相を可変とする吸気バルブタイミング可変機構と吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構とを備えた内燃機関の可変動弁装置に関し、特に、吸気バルブタイミング可変機構の作動不良時のフェールセーフ技術に関する。

内燃機関の出力・燃費の向上や排気清浄化等を図るために、従来より、吸・排気弁のバルブリフト特性を変更可能な様々な可変動弁機構が提案されている。例えば、特許文献１では、吸気弁又は排気弁のバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変機構を備える内燃機関において、バルブタイミング可変機構の制御系に係る故障を検出した際には、バルブオーバーラップを強制的に小さくして、一定の運転性能を確保するようにしている。

特許文献２では、内燃機関の異常を検出すると、吸・排気弁のバルブリフト量及び作動角を可変とする作動角可変機構の作動を制御して、バルブオーバーラップを強制的に低減又は解消している。

特許文献３では、吸・排気弁の双方にバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変機構を設け、一方のバルブタイミング可変機構の異常を検出した場合、それぞれのバルブタイミング可変機構を異常時用データを用いて制御している。例えば、異常が検知されたバルブタイミング可変機構を最遅角位置に強制的に固定し、他方のバルブタイミング可変機構を異常時用の作動マップに切り換えて駆動制御する。あるいは、異常検出時には双方のバルブタイミング可変機構を最遅角位置に固定する。
特開平７−１３９３７８号公報 特開２０００−１３０１９６号公報 特開２００３−４９６７１号公報

内燃機関、特にガソリンエンジンでは、燃費・出力の向上や排気清浄化等を図るために、機関回転数や機関負荷等に応じて吸気弁の開閉時期を幅広く調整することが望ましい。そこで、吸気弁の作動中心角のクランク角に対する位相、すなわちバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング可変機構と、吸気弁の作動角（及びバルブリフト量）の大きさを変更可能な吸気作動角可変機構と、を併用することが好ましい。このように、吸気弁側にバルブタイミング可変機構と作動角可変機構とを併用した内燃機関の可変動弁装置において、吸気バルブタイミング可変機構の異常や固着等の故障を含む作動不良時のフェールセーフ性については、上記の特許文献１〜３を含め、今まで考慮されていなかった。

例えば、吸気バルブタイミング可変機構の作動不良時に、仮に特許文献１や特許文献２のようにバルブオーバーラップを低減又は解消すると、特に高負荷域のような機関運転状態において、バルブオーバーラップによる残留ガスの吸気ポートへの吹き返しがなく、この吹き返しによる燃料の霧化促進効果が得られないため、燃焼安定性が低下するおそれがある。本発明は、このような新規な課題に着目してなされたものである。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、吸気弁の作動中心角の位相を可変とする吸気バルブタイミング可変機構と、吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構と、を備える。上記吸気バルブタイミング可変機構の作動不良を検出する作動不良検出手段を有し、上記吸気バルブタイミング可変機構の作動不良が検出された作動不良時には、吸気弁の開時期が上死点よりも進角するように、上記吸気作動角可変機構を駆動制御する。

吸気弁にバルブタイミング可変機構と作動角可変機構の２つの可変機構を併用しているため、吸気弁の開閉時期を機関運転状況に応じて幅広く調整することができ、燃費性能・出力性能及び排気浄化性能等を向上することができる。このような可変動弁装置において、吸気バルブタイミング可変機構の作動不良時には、吸気弁の開時期を上死点よりも進角して、積極的にバルブオーバーラップを付与している。このため、残留ガスによる吸気ポートへの吹き返しにより、燃料の霧化が促進され、燃焼状態を改善・向上することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１を参照して、この内燃機関では各気筒毎に一対の吸気弁１８及び一対の排気弁（図示省略）が設けられる。吸気弁１８には、そのバルブリフト特性を変更可能な２種の可変動弁機構、具体的には、クランク角に対する吸気弁１８（吸気カムシャフト１９）の作動中心角の位相、すなわちバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング可変機構である吸気ＶＴＣ（Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）３０と、吸気弁１８の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更可能な吸気作動角可変機構である吸気ＶＥＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ Ｅｖｅｎｔ ａｎｄ Ｌｉｆｔ）２０と、が適用されている。排気弁には可変動弁機構が設けられておらず、排気弁のバルブタイミング及びリフト特性は常に一定である。

吸気カムシャフト１９は、プーリ又はスプロケットを介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、このクランクシャフトの回転に連動して自身の軸回りに回転する。この吸気カムシャフト１９には、吸気弁１８のバルブリフタ１７の上方に、吸気弁１８を開閉する揺動カム２１が揺動自在に外嵌・支持されている。

吸気ＶＥＬ２０は、吸気カムシャフト１９に偏心して固定又は一体形成された円形の偏心カム２３と、吸気カムシャフト１９と平行に気筒列方向へ延びる制御軸２４と、この制御軸２４に偏心して固定又は一体形成された円形の制御カム２５と、この制御カム２５に揺動可能に外嵌して取り付けられるロッカーアーム２６と、このロッカーアーム２６の一端と偏心カム２３とを連係するリング状の第１リンク２７と、ロッカーアーム２６の他端と揺動カム２１の先端とを連係するロッド状の第２リンク２８と、制御軸２４の回転角度を変更・保持する制御軸アクチュエータとしての電動駆動式のＶＥＬ変換デバイス２２と、を有している。第１リンク２７の一端は偏心カム２３に回転可能に外嵌して取り付けられている。

クランクシャフトに連動して吸気カムシャフト１９が回転すると、偏心カム２３に嵌合する第１リンク２７の一端が吸気カムシャフト１９の軸心に対して回転変位して、この第１リンク２７が全体としてほぼ並進作動し、この第１リンク２７に連係するロッカーアーム２６及び第２リンク２８を介して揺動カム２１が所定の揺動角度範囲内で揺動する。この揺動カム２１がバルブリフタ１７を押し下すことにより、吸気弁１８が開閉する。

そして、ＶＥＬ変換デバイス２２により制御軸２４の回転角度を変更すると、ロッカーアーム２６の揺動中心となる制御カム２５の中心が制御軸２４の軸心に対して回転変位し、リンク２７，２８を介して揺動カム２１の初期姿勢（揺動範囲の中心位相）が変化する。これにより、クランク角に対する吸気弁１８の作動中心角の位相が略一定のままで、吸気弁１８の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。

このような吸気ＶＥＬ２０は、ロッカーアーム２６や各リンク２７，２８が吸気カムシャフト１９の周囲に集約されており、コンパクトで機関搭載性に優れている。また、偏心カム２３と第１リンク２７との軸受部や、制御カム２５とロッカーアーム２６との軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすいことに加え、リターンスプリング等の付勢手段を敢えて必要とせず、耐久性，信頼性にも優れている。更に、実質的に直動式の動弁レイアウトとなっているため、簡素かつコンパクトな構成で回転限界の向上を図ることができる。

吸気ＶＴＣ３０は、特開平５−９８９１６号公報等にも開示されているように公知であり、ヘリカルスプラインを利用した形式やベーンを用いた形式が良く知られている。簡単に説明すると、吸気ＶＴＣ３０は、クランクシャフトと連動して回転するカムプーリ（又はスプロケット）を含む外部回転体３１と、この外部回転体３１の内部に収容され、吸気カムシャフト１９と一体的に回転する内部回転体と、を有し、油圧駆動式の吸気ＶＴＣ変換デバイス３２により両回転体を互いに回動することにより、クランク角に対する吸気弁の作動中心角（吸気中心角）の位相、すなわち吸気弁のバルブタイミングを進角・遅角するものである。
この吸気ＶＴＣ３０は、図示していないが、油圧ポンプを作動源とする油圧駆動方式である。

エンジンコントロールユニット１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、後述するような各種制御処理を記憶及び実行する機能を有している。このエンジンコントロールユニット１には、水温センサからの信号２、エアフローメータからの吸入空気量信号３、スロットルセンサからの信号４，クランク角度センサからの信号５、排気通路に設けられる酸素センサからの信号６、回転信号７、油温センサからの信号８、制御軸２４の回転角度を検出するＶＥＬ角度検出センサ１５からの信号１１、及び吸気カムシャフト１９の回転角度を検出する吸気カム角度センサ１６からの信号１２等の車両運転状態を表す様々な検出信号が入力される。これらの信号に基づいて、エンジンコントロールユニット１は、燃料噴射装置、点火装置、ＶＥＬ変換デバイス２２，吸気ＶＴＣ変換デバイス３２等の各種アクチュエータへそれぞれ制御信号９，１０，１３，１４を出力し、その動作を制御する。

図３は、吸気弁の開閉時期及び開閉期間（作動角）の一例を示すバルブタイミング図である。同図に示すように、固定動弁系である排気弁の開時期ＥＶＯは吸気下死点（ＢＤＣ）よりも遅角した位置に設定され、排気弁閉時期（ＥＶＣ）は排気上死点（ＴＤＣ）付近に設定される。吸気弁の開閉時期は機関運転状態に応じて変更・制御される。例えば高回転・高負荷域では、吸気充填効率の向上を図るために、図３（ｂ）に示すように、吸気弁及び排気弁がともに開いている領域、いわゆるバルブオーバーラップ区間ＢＯを付与する。具体的には、図３（ａ）に示す基準設定状態に比して、吸気ＶＴＣ３０による吸気弁の吸気中心角θの位相を進角側に設定する。また、吸気ＶＥＬ２０による吸気弁の作動角を大きくしても良い。

図４は、本発明の第１実施例に係る吸・排気弁の開閉時期及び開弁期間（作動角）を示すバルブタイミング図であり、図７は、この第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。

図７を参照して、先ずＳ（ステップ）１１では、機関運転状態に応じて、吸気ＶＴＣ３０による吸気中心角の目標値である目標変換角を決定する。この目標変換角は、クランク角に対する吸気カムシャフト１９の位相差の目標値ｔ１（図２参照）に相当する。Ｓ１２では、上記ＶＴＣ３０の目標変換角に対応する制御信号をＶＴＣ変換デバイス３２へそれぞれ出力し、ＶＴＣ３０を目標変換角へ向けて駆動制御する。

Ｓ１３では、油圧式の変換デバイス３２の固着等の理由により吸気ＶＴＣ３０が正常に作動しない状態、つまり吸気ＶＴＣ３０の異常・故障を含む作動不良を検出する（作動不良検出手段）。例えば、クランク角度センサ信号５と吸気カム角度センサ信号１２とに基づいて、吸気ＶＴＣ３０の実変換角を検出・演算し、この実変換角と上記の目標変換角とを比較して、作動不良の検出・判定を行う。上記の実変換角は、クランク角度センサ信号に対するカム角センサ信号の差ｔ２（図２参照）、つまりクランク角に対するカムシャフトの位相差に相当する。このｔ２とｔ１とが一致せず、その差が所定値を越えると、吸気ＶＴＣ３０が作動不良であると判断する。なお、警告ランプ等により運転者に吸気ＶＴＣ３０が作動不良であることを警告するようにしても良い。

Ｓ１３で吸気ＶＴＣ３０の作動不良が検出されると、Ｓ１５へ進み、吸気弁開時期ＩＶＯが上死点（ＴＤＣ）よりも進角するように、吸気ＶＥＬ２０の目標作動角を算出する。具体的には、図４に示すように、主として電動駆動型で応答性の良い吸気ＶＥＬ２０を大作動角・大バルブリフト側へ変更することにより、ＩＶＯをＴＤＣよりも進角させている。Ｓ１６では、Ｓ１５で算出した目標作動角に対応する制御信号をＶＥＬ変換デバイス２２へ出力し、吸気ＶＥＬ２０を目標作動角へ向けて駆動制御する。これらＳ１５及びＳ１６の処理内容が、吸気ＶＴＣ３０の作動不良時におけるフェールセーフ処理、つまりフェールセーフ手段を構成している。

排気弁閉時期ＥＶＣはＴＤＣ付近に設定されているので、吸気弁開時期ＩＶＯを上死点ＴＤＣよりも進角することにより、吸気弁と排気弁とが同時に開弁するバルブオーバーラップＢＯ（図３参照）が積極的に付与されることとなる。言い換えるならば、Ｓ１５，Ｓ１６では、バルブオーバーラップを積極的に付与するように、ＩＶＯをＥＶＣよりも進角させている。

このように、吸気ＶＴＣ３０の作動不良を検出した場合に、吸気ＶＥＬ２０を駆動制御して、ＩＶＯをＴＤＣよりも進角させることにより、残留ガスの吸気ポートへの吹き返しにより燃料の霧化を促進し、その燃焼状態を改善することができる。従って、吸気ＶＴＣ３０の作動不良時にも、安定した着火性・燃焼性を得ることができ、始動不良や失火等を回避することができるため、フェールセーフ性が向上する。吸気ＶＥＬ２０は電動駆動型で応答性が良いので、作動不良検出後に速やかに燃焼状態を安定させることが可能である。

図８は、本発明の第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１１〜１４までの処理の流れは第１実施例と同様である。すなわち、Ｓ１３で吸気ＶＴＣ３０の作動不良が検出されると、Ｓ１４へ進み、クランク角度センサ信号５と吸気カム角度センサ信号１２とに基づいて、吸気ＶＴＣ３０の作動不良位置、すなわち吸気弁の作動中心角の位相である吸気中心角θを算出する。

続くＳ１５ａでは、図５に示すように、ＩＶＯをＴＤＣよりも進角し、このＩＶＯのＴＤＣに対する進角量（ＢＴＤＣ）が所定値α（例えば、ＢＴＤＣ２０〜３０°ＣＡ）以内となるように、吸気ＶＥＬ２０による吸気作動角の目標値を算出する。更に望ましくは図６に示すように、上記のように進角量が所定値α以内の範囲で、吸気弁閉時期ＩＶＣを吸気下死点（ＢＤＣ）に近づけるように、吸気作動角の目標値を算出する。この目標値に基づいて、吸気ＶＥＬ２０の作動制御を行う（Ｓ１６）。

この第２実施例によれば、吸気ＶＴＣ３０の作動不良時に、第１実施例と同様、バルブオーバーラップを付与して、残留ガスの吹き返しによる燃料の霧化促進を行い、燃焼状態を改善・向上できることに加え、ＩＶＯの進角量を所定値α以下に制限しているため、過大なオーバーラップにより残留ガスが過剰となることを有効に防止することができ、吸気ＶＴＣ３０の作動不良時における燃焼安定性が更に向上し、かつ、ＩＶＣをＢＤＣに近づけることにより、圧縮比を高めて燃焼状態をより改善・向上することができる。

図９は、本発明の第３実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１１〜１４までの処理の流れは第１実施例と同様である。Ｓ１４ａでは、機関負荷が高負荷域であるかを判定する。高負荷域であれば、第１実施例と同様、Ｓ１５ａへ進み、ＩＶＣの進角量を所定値α以下に制限しつつ、吸気弁の閉時期を吸気下死点に近づけるように、吸気作動角の目標値を算出する。

一方、Ｓ１４ａにおいて、高負荷域ではない、つまり低・中負荷域であると判定された場合、Ｓ１５ｂへ進み、上記Ｓ１５ａの場合とは逆に、吸気弁開時期ＩＶＯが上死点ＴＤＣよりも遅角するように、吸気作動角の目標値を算出する。Ｓ１６では、Ｓ１５ａ又はＳ１５ｂで設定された目標値へ向けて吸気ＶＥＬ２０の作動制御を行う。

このように本実施例では、吸気ＶＴＣ３０の作動不良時であって、かつ、高負荷域では、第２実施例と同様、バルブオーバーラップを積極的に付与するフェールセーフ処理を行うことにより（Ｓ１５ａ）、燃焼安定性を向上することができる。但し、作動不良時であっても低・中負荷域の場合には、仮に高負荷域と同じようにバルブオーバーラップを積極的に付与するフェールセーフ処理を行うと、残留ガスの吸気系への吹き返しにより、逆に燃焼安定性が低下するおそれがある。従って、この実施例では、作動不良時であって、かつ、低・中負荷域では、高負荷域の場合とは逆に、ＩＶＯをＴＤＣよりも遅角させることにより、一定の運転性を確保するようにしている。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、機関回転数や機関負荷に応じて、進角量の制限値である所定値α（図９のＳ１５ａ参照）を変更しても良い。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置を示す概略構成図。 吸気バルブタイミング可変機構の作動不良検知を説明するためのタイムチャート。 吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第１実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第２実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 同じく第２実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 上記第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 上記第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第３実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジンコントロールユニット（フェールセーフ手段）
２０…吸気作動角可変機構（吸気ＶＥＬ）
３０…吸気バルブタイミング可変機構（吸気ＶＴＣ）

Claims (4)

1. 吸気弁の作動中心角の位相を可変とする吸気バルブタイミング可変機構と、
   吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構と、
   上記吸気バルブタイミング可変機構の作動不良を検出する作動不良検出手段と、
   上記吸気バルブタイミング可変機構の作動不良が検出された作動不良時に、吸気弁の作動中心角の位相を算出し、この作動中心角の位相に基づいて、吸気弁の開時期が上死点よりも進角しつつ、上死点に対する吸気弁開時期の進角量を所定値以下に制限するように、上記吸気作動角可変機構を駆動制御するフェールセーフ手段と、
   を有する内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記フェールセーフ手段は、上記作動不良時に、上記吸気弁開時期の進角量が所定値以下となる範囲で、吸気弁閉時期を下死点に近づける請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 上記フェールセーフ手段は、上記作動不良時に、高負荷域のときには吸気弁の開時期が上死点よりも進角し、低・中負荷域のときには吸気弁の開時期が上死点よりも遅角するように、上記吸気作動角可変機構を駆動制御する請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 上記吸気作動角可変機構が、クランクシャフトにより回転駆動される吸気カムシャフトと、この吸気カムシャフトに揺動可能に嵌合し、吸気弁を開閉作動させる揺動カムと、上記吸気カムシャフトに偏心して設けられた偏心カムと、制御軸と、この制御軸に偏心して設けられた制御カムと、この制御カムに揺動可能に嵌合するロッカーアームと、偏心カムとロッカーアームの一端とを連係する第１リンクと、揺動カムとロッカーアームの他端とを連係する第２リンクと、上記制御軸の回転位置を変更・保持する制御軸アクチュエータと、を有する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。

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