JP4151602B2

JP4151602B2 - 可変動弁機構の基準位置学習装置

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Publication number: JP4151602B2
Application number: JP2004119797A
Authority: JP
Inventors: 勝博荒井; 克彦川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005299578A; CN100396899C; US7308873B2; CN1683767A; US20050229883A1

Description

本発明は、吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構に関し、特に、上記リフト特性の基準位置の補正又は学習処理に関する。

内燃機関、特に吸入空気量に応じた出力を生じるガソリン内燃機関では、従来より、燃費向上等を図るために、機関運転状態に応じて吸気弁のリフト特性を可変とする可変動弁機構が用いられる。例えば特許文献１や特許文献２には、制御軸の回転位置に応じて吸気弁のリフト特性（バルブリフト量及び作動角）を連続的に変化させる可変動弁機構が開示されている。また、リフト特性を精度良く制御するために、制御軸の回転位置を検出する制御軸センサが設けられ、このセンサ出力基準位置の補正・学習を行う技術が開示されている。このような補正・学習を行う際には、制御軸の回転位置を、ストッパ等により規制される機構上の限界位置であって、かつ、動弁反力が低い位置、つまりリフト特性が最小となる最小位置とする必要がある。
特開２００２−３４９２１５号公報特開２００３−４１９５５号公報

上記角度センサの出力に基づいて制御軸の角度位置を精度良くクローズドループ制御、フィードバック制御しようとすると、制御軸の回転位置の機構上の最小位置を、その制御範囲の最小目標位置よりも更に小さく設定しておく必要がある。つまり、ストッパ等により規制される機械的な最小位置は、通常の機関運転中には用いられることがない。従って、特許文献１のようにアイドル運転中や極低負荷運転中等の機関運転中に、制御軸回転位置を最小位置にすると、燃焼状態が非常に不安定となるおそれがある。また、特許文献２のように、イグニッションスイッチのＯＦＦ時，始動時，エンスト時等のようにクランクシャフトの回転が停止しているか極めて低い状態では、フリクションが高く、制御軸を最小位置に回転駆動することが非常に困難である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構において、上記リフト特性又はその相当値を検出する検出手段を有し、診断用の外部装置からの学習指令信号を受けて、内燃機関を所定の学習運転モードで運転し、この学習運転モード中に、上記リフト特性が通常の機関運転中には用いられることのない特性であって、かつ、少なくともそのバルブリフト量が最小となるように上記可変動弁機構を操作し、このときの上記検出手段の出力に基づいて、この検出手段の出力基準位置を補正又は学習する。

本発明によれば、整備工場等における整備・保守・点検等の際に、コンサルトのような整備用の特殊機材等からの学習指令信号を受けた場合に、内燃機関を所定の学習運転モードで運転しつつ、リフト特性が最小となるように可変動弁機構を操作して、検出手段の出力基準位置の補正・学習処理を行うようにしたので、経時劣化等によるリフト特性の検出精度の低下を抑制できることに加え、通常の機関運転中に補正・学習処理を行う必要がなく、つまり通常の機関運転中にリフト特性を最小としなくて良いので、これによる燃焼安定性の低下を確実に回避することができる。

以下、この発明に係る可変動弁機構の基準位置学習装置を、自動車用火花点火式ガソリン内燃機関の吸気弁側に適用した実施の形態について説明する。

図１は、内燃機関の吸気弁のリフト特性を変更する可変動弁機構を示す構成説明図である。各気筒には一対の吸気弁１１が設けられ、これら吸気弁１１のバルブリフタ１０の上方に、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸２が配設されている。可変動弁機構は、吸気弁のバルブリフト量及び作動角の大きさを連続的・無段階に変更可能なリフト・作動角可変機構（ＶＥＬ）１と、吸気弁の開閉時期、つまりクランク角に対する吸気弁の作動角の中心位相を連続的に進角もしくは遅角させる位相可変機構２１と、が組み合わされて構成されている。

リフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開平１１−１０７７２５号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。リフト・作動角可変機構１は、制御軸１２と、この制御軸１２に偏心して設けられた制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動可能に嵌合するロッカアーム６と、駆動軸２に偏心して設けられた駆動偏心軸部３と、駆動軸２に揺動可能に嵌合する揺動カム９と、駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とを連係するリング状の第１リンク４と、ロッカアーム６の他端と揺動カム９の先端とを連係する第２リンク８と、を有している。制御軸１２は、駆動軸２と同様にシリンダブロック等の機関固定要素に回転可能に支持されており、かつ、作動角アクチュエータ１３によりウォームギヤ１５を介して回転角度位置が変更・保持される。第１リンク４は駆動偏心軸部３の円形の外周に回転可能に嵌合している。ロッカアーム６の一端と第１リンク４の先端とは第１連結ピン５により回転可能に接続されている。ロッカアーム６の他端と第２リンク８の一端とは第２連結ピン７により回転可能に接続されている。第２リンク８の他端と揺動カム９の先端とは第３連結ピン１７により回転可能に接続されている。

クランクシャフトに連動して駆動軸２が回転すると、駆動偏心軸部３及び第１リンク４を介してロッカアーム６が揺動し、このロッカアーム６の揺動運動が第２リンク８を介して揺動カム９に伝達されて、揺動カム９が揺動する。揺動する揺動カム９が吸気弁１１の上方に設けられたバルブリフタ１０に接触してこれを押圧することにより、吸気弁１１がバルブスプリング反力に抗して開閉作動する。作動角アクチュエータ１３により制御軸１２の回転位置を変更すると、ロッカアーム６の揺動支点である制御偏心軸部１８の中心位置が変化する。これにより、揺動カム９の揺動範囲が変化して、吸気弁１１の作動角のクランク角（クランクシャフトの回転位置）に対する中心位相が略一定のままで、吸気弁１１のバルブリフト量（最大リフト量）及び作動角の双方の大きさが連続的・無段階に変化する。このリフト・作動角可変機構１の制御状態は、制御軸１２の回転位置に応答する角度センサである制御軸センサ（リフトセンサ）１４によって検出される。

このようなリフト・作動角可変機構１は、吸気弁１１のバルブリフト量及び作動角の双方を連続的に変更可能であることに加え、次のような特有の作用効果を有する。各リンク要素の連結部位の多くが面接触となっているため、潤滑が容易で信頼性・耐久性に優れている。リターンスプリング等の付勢手段を敢えて用いる必要がないので、簡素な構成で、ロスが少なく、かつ、信頼性・耐久性に優れている。既存の直動型動弁系のカムシャフト及び固定カムとほぼ同様の位置に駆動軸２及び揺動カム９を配置することができ、直動型動弁系の内燃機関に対してレイアウトを大幅に変更することなく容易に適用できる。

位相可変機構２１は、駆動軸２の前端部に設けられたスプロケット２２と、このスプロケット２２と駆動軸２とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相アクチュエータ２３と、から構成されている。上記スプロケット２２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに同期して軸周りに回転する。上記位相アクチュエータ２３は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、後述するエンジンコントロールユニット１９からの制御信号に応じて作動する。この位相アクチュエータ２３の作用によって、スプロケット２２と駆動軸２とが相対的に回転し、吸気弁１１の作動角のクランク角に対する中心位相（開閉時期）が遅角・進角する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構２１の制御状態は、駆動軸２の回転位置に応答する駆動軸センサ１６によって検出される。

図２は、上記内燃機関の吸気系のシステム構成図である。吸気通路２５のコレクタ２６の上流には、吸気通路２５を開閉する電子制御式のスロットル（弁）２７が設けられている。この内燃機関では、このスロットル２７と、上述したリフト・作動角可変機構１と、位相可変機構２１と、の三者を組み合わせて、気筒の燃焼室２８へ供給される吸入空気量を制御している。すなわち、エンジンコントロールユニット１９は、車速センサ３０により検出される車速、無段変速機３１の変速比、アクセル開度センサ３２により検出されるアクセル信号、回転速度センサ３３により検出・演算される機関回転速度（回転数）、水温センサ３６により検出される機関冷却水温、圧力センサ３７により検出される吸気マニホールド内の吸気通路２５の吸気圧力、ブレーキペダルが踏まれているかを検出するブレーキスイッチ３８のＯＮ／ＯＦＦ信号、駆動軸センサ１６により検出される駆動軸２の回転位置、及び制御軸センサ１４により検出される制御軸１２の回転位置等の様々な機関運転状態を表す入力信号に基づいて、スロットル２７、作動角アクチュエータ１３及び位相アクチュエータ２３へ指令信号を出力し、スロットル２７、リフト・作動角可変機構１及び位相可変機構２１の動作を制御する。なお、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２１の制御としては、各センサ１４，１６の検出信号に基づくクローズドループ制御に限らず、運転条件によっては単にオープンループ制御しても良い。また、エンジンコントロールユニット１９は、周知のように、機関運転状態に基づいて点火プラグ３４及び燃料インジェクタ３５へ制御信号を出力し、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。上記の無段変速機３１は、変速比を無段階・連続的に変更できるもので、ベルト式やトロイダル式のものが公知であり、ここでは説明を省略する。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の一実施例に係る学習制御について説明する。図３は、エンジンコントロールユニット１９により記憶及び実行されるフローチャートであり、図４は、そのタイムチャートである。

図３を参照して、ステップ（図ではＳと記す）１では、学習指令信号が入力されたかを判定する。例えば、整備工場等において、作業者が電子システム診断テスタ、いわゆるコンサルト４０（図２参照）を車両に設けられたコンサルト接続コネクタ４１に接続して、このコンサルト４０に設けられたスイッチやボタン等を操作することにより、上記の学習指令信号が入力される。なお、コンサルト４０は、このようなリフト特性の学習の他、様々な診断処理の指令信号を入力することが可能である。

学習指令信号が入力された場合には、ステップ２へ進み、学習終了フラグを０にリセットする。続くステップ３では、内燃機関を所定の学習運転モードで運転する学習運転を行うための条件、例えば制御軸センサ１４がＮＧ（異常）でないかを判定する。なお、この図３では簡略的に制御軸センサの正常判定のみを記載しているが、実際には、車速が０（零）、機関回転数が所定範囲内、かつ、冷却水温が所定温度以下等の条件が含まれる。

学習運転モードでは、ステップ８で吸気弁のリフト特性を最小とすることによって機関回転数が過度に低下したり停止することなく、機関回転数を良好に持続し易くするために、予めステップ４〜７の処理を行う。先ずステップ４では、スロットル開度ＴＶＯを所定の学習時目標値ｇＴＶＯに設定・操作する。この学習時目標値ｇＴＶＯは、アイドル運転時におけるスロットル開度ｉＴＶＯよりも高く設定される。ステップ５では、燃料噴射量ＴＩを学習時目標値ｇＴＩに設定・操作する。この学習時目標値ｇＴＩは、アイドル運転時における燃料噴射量ｉＴＩよりも高く設定される。言い換えると、空燃比をアイドル運転時に比して濃く設定する。ステップ６では、点火時期ＩＴを学習時目標値ｇＩＴに設定・操作する。この学習時目標値ｇＩＴは、アイドル運転時における点火時期ｉＩＴよりも進角側に設定される。ステップ７では、補機負荷等の外部負荷を停止（又は低減）する。補機負荷として、例えば、エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング装置、及びデフォッガ等の電気負荷が挙げられる。

ステップ８では、制御軸１２の回転位置がストッパ等により機械的に制限・規制される機構上の最小位置となるように、吸気弁のバルブリフト量ＶＬ（及び作動角）を最小値ＶＬｍｉｎへ向けて操作する。例えば、上記の特許文献２にも記載されているように、通常の機関運転状態における制御軸の回転位置の最小目標値よりも更に小さい目標値を与えることで、制御軸１２を機械的な最小位置へ突き当てるようにする。この実施例では、バルブリフト量の操作可能範囲を幅広く確保するために、その最小値ＶＬｍｉｎは、通常の機関運転中に制御目標値として使用される制御範囲の最小目標値である例えばアイドル目標値ｉＶＬ（１．５ｍｍ程度）よりも更に低い値に設定されており、例えば吸入空気量が極度に小さいか実質的に０（ゼロ）となる１ｍｍ以下の極小リフトに設定される。

ステップ９では、バルブリフト量ＶＬが最小値ＶＬｍｉｎに達したかを判定する。例えば制御軸センサ１４の出力に基づいて判定し、あるいは吸入空気量等に基づいて判定しても良い。

バルブリフト量ＶＬが最小値ＶＬｍｉｎに達したと判定されると、ステップ１０へ進み、制御軸センサ１４の学習（補正）処理を行う。具体的には、バルブリフト量ＶＬが最小値ＶＬｍｉｎの状態、つまり制御軸１２が最小位置にある状態での制御軸センサ１４の出力を、このセンサ１４の出力基準位置としてバックアップメモリに記憶・更新する。更に、学習終了フラグを１として、後述するステップ１２へ進む。この学習終了フラグの値に応じて、図示せぬ他のルーチンにより、学習処理が正常に終了したか否かがコンサルト４０の表示部に表示される。

ステップ１１では、学習運転モードを開始してから所定時間が経過したかを判定する。つまり、学習処理に所定の制限時間を設けている。所定時間が経過してもバルブリフト量ＶＬが最小位置ＶＬｍｉｎへ達しない場合には、ステップ１０の学習処理を行うことなく、ステップ１２へ進む。

ステップ１２では、バルブリフト量ＶＬを通常の目標値であるアイドル目標値ｉＶＬへ向けて制御・操作する。ステップ１３では、点火時期ＩＴを通常の目標値であるアイドル目標値ｉＩＴへ向けて制御・操作する。ステップ１４では、燃料噴射量ＴＩを通常の目標値であるアイドル目標値ｉＴＩへ向けて制御・操作する。ステップ１５では、スロットル開度ＴＶＯを通常の目標値であるアイドル目標値ｉＴＶＯへ向けて制御・操作する。ステップ１６では、ステップ７による外部負荷の停止を解除する。

以上のような本実施例によれば、コンサルト４０等の外部装置から学習指令信号を受け取った場合にのみ、バルブリフト量ＶＬを最小値ＶＬｍｉｎとしてセンサ出力基準位置の学習を行っており、言い換えると、通常の機関運転中に、学習のためにリフト特性を最小とする必要がないので、これによる燃焼安定性の低下を確実に回避できる。

加えて、学習運転モードでは、アイドル運転時に比して、スロットル開度を増加し、燃料噴射量を増加し（空燃比を低下し）、点火時期を進角化し、かつ、外部負荷を停止又は減少させることにより、リフト特性を最小としても機関回転数が極端に低下したり停止することを防止して、学習運転モードでの機関回転数を良好に持続することができる。従って、機関回転数の低下又は停止によるフリクションの増加を防止し、制御軸１４を迅速・良好に最小位置へ回転駆動することができ、センサ出力基準位置の学習・補正を安定して行うことができる。

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、本発明は上記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、以下の（Ａ）〜（Ｃ）のような種々の変形・変更を含むものである。

（Ａ）上記実施例ではステップ１０でセンサの最小出力基準位置を学習値としてバックアップメモリに記憶する態様としているが、この値を補正値として一時メモリに格納する態様としても良い。

（Ｂ）バルブリフト量を検出するリフトセンサとして、上記実施例では制御軸１２の角度位置を検出する角度センサ１４を用いているが、これに限らず、リフト特性に相当する値を直接的あるいは間接的に検出するものであれば良く、例えば吸気弁のバルブリフト量を直接的に検出するセンサであっても良い。

（Ｃ）上記実施例では吸気弁に本発明を適用しているが、同様に排気弁に適用することも可能である。また、位相可変機構２１に本発明を適用しても良い。

以上の説明より把握し得る技術思想について以下に列記する。

（１）吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構（リフト・作動角可変機構１）において、上記リフト特性又はその相当値を検出する検出手段（制御軸センサ１４）を有し、外部からの学習指令信号を受けて（ステップ１）、内燃機関を所定の学習運転モードで運転し（ステップ４〜７）、この学習運転モード中に、上記リフト特性が最小となるように上記可変動弁機構を操作し（ステップ８）、このときの上記検出手段の出力に基づいて、この検出手段の出力基準位置を補正又は学習する（ステップ１０）。

（２）制御軸１２の回転位置に応じて吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構（リフト・作動角可変機構１）において、上記制御軸１２の回転位置を検出する制御軸センサ１４を有し、外部からの学習指令信号を受けて（ステップ１）、内燃機関を所定の学習運転モードで運転し（ステップ４〜７）、この学習運転モード中に、上記リフト特性が最小ＶＬｍｉｎとなるように上記制御軸１２を回動操作し（ステップ８）、このときの上記制御軸センサ１４の出力に基づいて、この制御軸センサ１４の出力基準位置を補正又は学習する（ステップ１０）。

（３）上記可変動弁機構１が、上記制御軸１２に偏心して設けられた制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動可能に嵌合するロッカアーム６と、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸２と、この駆動軸２に揺動可能に嵌合し、吸気弁又は排気弁を開閉する揺動カム９と、上記駆動軸２に偏心して設けられた駆動偏心軸部３と、この駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とを連係する第１リンク４と、上記ロッカアーム６の他端と揺動カム９の先端とを連係する第２リンク８と、を有する。

（４）センサ出力に基づいてリフト特性を高精度にフィードバック制御・クローズドループ制御しようとすると、学習運転モードで用いられるようなリフト特性の機構上の最小値ＶＬｍｉｎを、通常の機関運転中におけるリフト特性の最小目標値ｉＶＬよりも更に小さく設定しておく必要がある。従って、仮に通常の機関運転中にリフト特性を最小値ＶＬｍｉｎとすると、燃焼安定性を確保することが非常に困難であり、このようなものに本発明が極めて有効である。

（５）上記学習運転モードでは、リフト特性を最小としても機関回転数を良好に持続するために、アイドル運転時に比してスロットル開度ＴＶＯを増加する。

（６）上記学習運転モードでは、リフト特性を最小としても機関回転数を良好に持続するために、アイドル運転時に比して燃料噴射量を増量する。

（７）上記学習運転モードでは、リフト特性を最小としても機関回転数を良好に持続するために、アイドル運転時に比して点火時期を進角する。

本発明の一実施例に係るリフト可変機構を示す斜視図。本発明の一実施例に係る制御装置が適用される内燃機関の吸気系のシステム構成図。本実施例に係る学習制御の流れを示すフローチャート。本実施例に係る学習運転時のタイムチャート。

符号の説明

１…リフト・作動角可変機構（可変動弁機構）
２…駆動軸
３…駆動偏心軸部
４…第１リンク
６…ロッカアーム
８…第２リンク
９…揺動カム
１２…制御軸
１３…作動角アクチュエータ
１４…制御軸センサ（検出手段）
１８…制御偏心軸部
１９…エンジンコントロールユニット
２１…位相可変機構
４０…コンサルト

Claims

吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構において、上記リフト特性又はその相当値を検出する検出手段を有し、
診断用の外部装置からの学習指令信号を受けて、内燃機関を所定の学習運転モードで運転し、この学習運転モード中に、上記リフト特性が通常の機関運転中には用いられることのない特性であって、かつ、少なくともそのバルブリフト量が最小となるように上記可変動弁機構を操作し、このときの上記検出手段の出力に基づいて、この検出手段の出力基準位置を補正又は学習する可変動弁機構の基準位置学習装置。
制御軸の回転位置に応じて吸気弁又は排気弁のリフト特性を連続的に変化させる可変動弁機構において、上記制御軸の回転位置を検出する制御軸センサを有し、
診断用の外部装置からの学習指令信号を受けて、内燃機関を所定の学習運転モードで運転し、この学習運転モード中に、上記リフト特性が通常の機関運転中には用いられることのない特性であって、かつ、少なくともそのバルブリフト量が最小となるように上記制御軸を回動操作し、このときの上記制御軸センサの出力に基づいて、この制御軸センサの出力基準位置を補正又は学習する可変動弁機構の基準位置学習装置。
上記可変動弁機構が、上記制御軸に偏心して設けられた制御偏心軸部と、この制御偏心軸部に揺動可能に嵌合するロッカアームと、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸と、この駆動軸に揺動可能に嵌合し、吸気弁又は排気弁を開閉する揺動カムと、上記駆動軸に偏心して設けられた駆動偏心軸部と、この駆動偏心軸部とロッカアームの一端とを連係する第１リンクと、上記ロッカアームの他端と揺動カムの先端とを連係する第２リンクと、を有する請求項２に記載の可変動弁機構の基準位置学習装置。
上記学習運転モードでのリフト特性の最小値は、通常の機関運転中におけるリフト特性の最小目標値よりも更に小さい請求項１〜３のいずれかに記載の可変動弁機構の基準位置学習装置。
上記学習運転モードでは、アイドル運転時に比してスロットル開度を増加する請求項１〜４のいずれかに記載の可変動弁機構の基準位置学習装置。
上記学習運転モードでは、アイドル運転時に比して燃料噴射量を増量する請求項１〜５のいずれかに記載の可変動弁機構の基準位置学習装置。
上記学習運転モードでは、アイドル運転時に比して点火時期を進角する請求項１〜６のいずれかに記載の可変動弁機構の基準位置学習装置。