JP4396339B2 - 内燃機関の吸気弁駆動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の吸気弁の動弁機構として、吸気弁の作動角を変更する第１可変動弁機構と作動角の中心角を変更する第２可変動弁機構とを備えてなる内燃機関の吸気弁駆動制御装置に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされている。

特許文献１は、本出願人が先に提案したものであるが、吸気弁の可変動弁機構として、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小可能な第１可変動弁機構（リフト・作動角可変機構）と、作動角の中心角の位置を連続的に遅進させる第２可変動弁機構（位相可変機構）と、を備え、機関運転状態に応じて、主に吸気弁の開閉時期を変化させることで、吸入空気量を制御するようにした内燃機関の吸気弁駆動制御装置が開示されている。

このように２つの可変動弁機構を備えた吸気弁駆動制御装置では、運転状態に応じて、それぞれの目標値が与えられ、これに沿って各可変動弁機構が制御されることになる。
特開２００２−２５６９０５号公報

上記のように主に吸気弁の作動角と中心角との可変制御によって吸入空気量を制御する構成においては、機関始動時に、作動角および中心角から規定されるバルブリフト特性が、始動に適した所定の特性に保たれていないと、クランキングしても始動が不能ないしは困難となる。例えば、上記のような２つの可変動弁機構を備えた構成においては、部分負荷域では、作動角が比較的小さく制御されるとともに中心角が進角した位置に制御され、吸気弁閉時期が下死点よりも大きく進角した位置にあるが、この運転状態からエンジンストールにより突然に機関が停止した場合などに、作動角もしくは中心角が、所定の始動時の特性に復帰し得なかったとすると、吸気弁閉時期が始動に適した位置よりも進角側となり、始動に際してクランキングしても、適切な有効圧縮比が確保できずに、始動に至らない可能性がある。

そこで、この発明は、第１，第２可変動弁機構によって作動角と中心角とが個々に制御されることを利用し、一方の位置が所定の始動時位置から外れているときに、他方の可変動弁機構を用いて、始動に必要なバルブリフト特性により近付けるようにしたものである。

すなわち、この発明は、電動式のアクチュエータを用いて吸気弁の作動角を連続的に変更可能な第１可変動弁機構と、油圧式のアクチュエータを用いて上記作動角の中心角を連続的に変更可能な第２可変動弁機構と、を備え、主に吸気弁の作動角および中心角の変更によって吸入空気量を制御するとともに、機関始動時には、所定の始動時作動角および所定の始動時中心角が用いられ、両者の組み合わせにより吸気弁閉時期が下死点前となる内燃機関の吸気弁駆動制御装置において、機関始動時のスタータモータによるクランキング中に、上記第２可変動弁機構による現在の中心角が上記始動時中心角よりも進角側にある場合に、吸気弁閉時期が下死点に近づくように上記第１可変動弁機構の作動角を上記始動時作動角から拡大補正することを特徴としている。

この場合、現在の中心角と始動時中心角との乖離量が大きいほど、作動角の拡大補正量を大きくすることが望ましい。

始動時の本来の作動角は一般に小さく設定されるので、中心角が始動時中心角よりも進角していると、吸気弁閉時期が下死点よりも過度に進角側となり、始動に必要な有効圧縮比を確保できない。これに対し、本発明では、作動角を拡大補正することで、吸気弁閉時期が下死点に近づき、有効圧縮比が高くなる。

ここで、拡大補正後の作動角を、上記第１可変動弁機構の最大作動角より小さな所定の作動角に制限するようにしてもよい。中心角が進角した状態で作動角を拡大補正すると、吸気弁開時期が上死点よりも大きく進角することがあるが、過大なバルブオーバラップやピストンと吸気弁との干渉を回避するように補正後の作動角を制限することが望ましい。

また、上記第２可変動弁機構の最遅角位置における最遅角中心角を、上記始動時中心角とすることができ、機関停止中に上記第２可変動弁機構を上記最遅角位置に固定保持する保持機構を備えていることが望ましい。保持機構としては、例えば、始動に伴う油圧の発生により係合が解除されるロックピン等を用いることができる。

始動時の中心角の位置は、始動時に実際に検知するようにしても良いが、機関停止時の中心角を記憶装置に記憶し、機関始動時に、上記記憶装置に記憶された中心角を現在の中心角とみなして作動角の補正を行うことも可能である。この場合、実際の位置の検知を待たずに、作動角の補正を開始することが可能である。

本発明では、始動時に上記の可変動弁機構の位置の補正を行う場合に、スタータモータによるクランキング中に、その可変動弁機構の位置の補正を行う。クランキング開始前の静止状態では、第１，第２可変動弁機構の各部の静止摩擦係数により該可変動弁機構が作動しにく場合にあっても、クランキング中には、その作動が円滑となり、速やかに始動可能な状態に制御することができる。

そして、このクランキング中に、可変動弁機構の位置補正開始から所定の期間、燃料噴射を禁止することが望ましい。これにより未燃燃料の増加やオーバリッチによる始動性悪化が回避される。

この発明によれば、始動時に、実際の作動角および中心角が何らかの原因で所定の始動時作動角および始動時中心角から外れているような場合に、始動により適したバルブリフト特性となるように補正制御が行われるので、有効圧縮比を速やかに確保して、確実かつ容易に始動を行うことができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関の吸気弁駆動制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、基本的に、上記第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のバルブリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。これらの第１，第２可変動弁機構５，６および電子制御スロットル弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０には、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１２からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、などが入力されており、コントロールユニット１０は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁開度、作動角目標値、中心角目標値、等を演算し、燃料噴射弁８、点火プラグ９、スロットル弁２、第１，第２可変動弁機構５，６、等を制御する。また、図示せぬスタータモータを備えており、機関始動時には、図示せぬスタータスイッチ（キースイッチ）からの入力に基づいて、クランキングを含む所定の始動時の制御を実行する。

図２は、上記第１，第２可変動弁機構５，６の構成を示す構成説明図である。これらの第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その概要のみを説明する。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構５は、内燃機関１のクランクシャフトにより駆動される駆動軸２２と、この駆動軸２２に固定された偏心カム２３と、回転自在に支持された制御軸３２と、この制御軸３２の偏心カム部３８に揺動自在に支持されたロッカアーム２６と、吸気弁３のタペット３０に当接する揺動カム２９と、を備えており、上記偏心カム２３とロッカアーム２６とはリンクアーム２４によって連係され、ロッカアーム２６と揺動カム２９とは、リンク部材２８によって連係されている。

上記ロッカアーム２６は、略中央部が上記偏心カム部３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン２５を介して上記リンクアーム２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン２７を介して上記リンク部材２８の上端部が連係している。上記偏心カム部３８は、制御軸３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸３２の角度位置に応じてロッカアーム２６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム２９は、駆動軸２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン３７を介して上記リンク部材２８の下端部が連係している。この揺動カム２９の下面には、駆動軸２２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム２９の揺動位置に応じてタペット３０の上面に当接する。

上記制御軸３２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ３３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ３３は、例えばウォームギア３５を介して制御軸３２を駆動する電動モータからなり、コントロールユニット１０からの制御信号によって制御される。上記制御軸３２の回転角度は、制御軸センサ３４によって検出される。

上記第１可変動弁機構５によれば、上記制御軸３２の回転角度位置に応じて吸気弁３のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁３の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸３２の回転角度によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示されることになる。

なお、本実施例では、リフト・作動角が最小となる位置が、始動時作動角に相当しており、従って、上記制御軸３２の回転角度位置をリフト・作動角の最小位置で固定保持する図示せぬロックピン等からなる保持機構が設けられている。この保持機構となるロックピンは、例えば、機関停止後にリフト・作動角の最小位置に制御軸３２が回転してきたときに該制御軸３２と係合し、かつ機関完爆時にソレノイド等により係合離脱する構成となっている。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構６は、上記駆動軸２２の前端部に設けられたスプロケット４２と、このスプロケット４２と上記駆動軸２２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制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。上記スプロケット４２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連動している。上記位相制御用アクチュエータ４３は、本実施例では油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の作用によって、スプロケット４２と駆動軸２２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。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。この第２可変動弁機構６の制御状態は、駆動軸２２の回転位置に応答する駆動軸センサ３６によって検出される。

なお、本実施例では、最も遅角したときの中心角が、始動時中心角となり、従って、位相制御用アクチュエータ４３内部に、スプロケット４２と駆動軸２２との相対位置を、中心角の最遅角位置でもって固定保持する図示せぬロックピン等からなる保持機構が設けられている。この保持機構となるロックピンは、機関停止後に最遅角位置となったときに係合し、かつ機関の始動後に油圧が供給されると係合離脱する構成となっている。

図３は、代表的な運転条件における吸気弁３のバルブリフト特性を示したもので、図示するように、アイドル等の極低負荷域においては、リフト・作動角が最小となり、かつ中心角の位相は、最も遅角した位置となる。これによって、閉時期は、下死点直前位置となる。本実施例では、始動時の特性もこのアイドル時の特性と同じであり、始動時作動角となる最小作動角ならびに始動時中心角となる最遅角中心角の下で、クランキングが行われる。

アイドル等の極低負荷域よりも負荷の大きな低負荷領域（補機負荷が加わっているアイドル状態を含む）においては、リフト・作動角が大きくなり、かつ中心角は進角した位置となる。このときには、吸気弁閉時期を早めることで、吸気量が比較的少量に制御される。

さらに負荷が増加し、燃焼が安定してくる中負荷域では、リフト・作動角をさらに拡大しつつ、中心角の位相を進角させる。中心角の位相は、中負荷域のある点で、最も進角した状態となる。

また、最大負荷時には、さらにリフト・作動角を拡大し、かつ最適なバルブタイミングとなるように第２可変動弁機構６を制御する。なお、図示するように、機関回転数によっても最適なバルブリフト特性は異なるものとなる。

次に、上記のように構成された吸気弁駆動制御装置の始動時の制御について説明する。

図４は、始動時制御の一実施例を示すフローチャートであって、図示せぬキースイッチがＯＮ位置を経てスタート位置となると、スタータモータによるクランキングが開始されるとともに、本制御が開始される。ステップ１で、そのときの中心角つまり第２可変動弁機構６の位置が読み込まれ、ステップ２で、この中心角が所定の始動時位置（つまり最遅角位置）であるか判定される。ここで、中心角が始動時位置である最遅角中心角でなければ、ステップ３において、作動角目標値の補正、詳しくは、作動角が拡大する方向への補正を行う。実際の中心角の始動時中心角からの乖離量が大きいほど、大きな補正量が与えられる。

図５は、この実施例による作用を説明するタイムチャートであって、内燃機関１を停止して再始動するときの機関回転数と作動角と中心角の変化を対比して示している。ここで、実線は、通常時の動作を示し、破線は本実施例による対処がなされた異常時の動作を示す。

エンジン停止の際に、通常は、実線で示すように、ある程度緩やかに回転数が低下していくので、仮に直前に中心角が進角した位置にあっても、第２可変動弁機構６はカムトルク変動を受けることにより徐々に遅角化していき、内燃機関１の回転が完全に停止する前には、最遅角位置に達する。また、第１可変動弁機構５は、バルブスプリング反力により、リフト・作動角が縮小する方向に常に付勢されるので、エンジン停止に伴い、速やかに最小作動角となる。従って、通常は、このような最小作動角および最遅角中心角の下で、次の始動が行われることになる。

これに対し、エンジンストールによる機関の停止などの際には、破線で示すように、機関の回転が急激に停止するので、第２可変動弁機構６が最遅角位置まで復帰せずに、中心角が進角した状態のまま停止してしまうことがある。このような場合に、そのままでは、再始動時に所定の有効圧縮比が得られず、始動性が悪化するが、本発明では、クランキングの際に作動角が破線で示すように拡大補正され、吸気弁閉時期が下死点に近付けられる。これにより、始動性が確保される。なお、作動角および中心角の基本的な制御は、クランキングとともに開始されるので、実際の中心角もクランキング開始後に徐々に本来の目標値へ向かって動き始めていく。なお、作動角を変更する第１可変動弁機構５は、電動モータによって制御されるので、油圧が低い状態でも、作動角を確実に変更することができる。

図６は、上記実施例の変形例を示すもので、ステップ３において作動角の拡大補正を開始した後に、ステップ４において、作動角が所定の大きさに達したか、つまり第１可変動弁機構５の制御位置が所定位置に達したかを判定し、作動角が所定の大きさとなった時点で、ステップ５に進んで燃料噴射を開始する。換言すれば、作動角の拡大補正がある程度完了するまでの間は、燃料噴射を禁止するようにしている。これにより、排気組成の悪化や、オーバリッチによる始動性のさらなる悪化が回避される。

本発明に係る内燃機関の吸気弁駆動制御装置のシステム構成図。 可変動弁機構の概略を示す斜視図。 代表的な運転条件でのバルブリフト特性を示す特性図。 始動時の補正制御の一実施例を示すフローチャート。 この実施例による作用を示すタイムチャート。 この実施例の変形例を示すフローチャート。

符号の説明

３…吸気弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
１０…コントロールユニット

Claims (7)

1. 電動式のアクチュエータを用いて吸気弁の作動角を連続的に変更可能な第１可変動弁機構と、油圧式のアクチュエータを用いて上記作動角の中心角を連続的に変更可能な第２可変動弁機構と、を備え、主に吸気弁の作動角および中心角の変更によって吸入空気量を制御するとともに、機関始動時には、所定の始動時作動角および所定の始動時中心角が用いられ、両者の組み合わせにより吸気弁閉時期が下死点前となる内燃機関の吸気弁駆動制御装置において、
   機関始動時のスタータモータによるクランキング中に、上記第２可変動弁機構による現在の中心角が上記始動時中心角よりも進角側にある場合に、吸気弁閉時期が下死点に近づくように上記第１可変動弁機構の作動角を上記始動時作動角から拡大補正することを特徴とする内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
2. 現在の中心角と始動時中心角との乖離量が大きいほど、作動角の拡大補正量を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
3. 拡大補正後の作動角が、上記第１可変動弁機構の最大作動角より小さな所定の作動角に制限されることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
4. 上記第２可変動弁機構の最遅角位置における最遅角中心角が上記始動時中心角であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
5. 機関停止中に上記第２可変動弁機構を上記最遅角位置に固定保持する保持機構を備えていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
6. 機関停止時の中心角を記憶する記憶装置を備え、
   機関始動時に、上記記憶装置に記憶された中心角を現在の中心角とみなして作動角の補正を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
7. 上記可変動弁機構の位置補正開始から所定の期間、燃料噴射を禁止することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。

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