JP4428219B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変動弁機構の制御装置に関する。

従来の自動車用エンジン、特にガソリンエンジンでは、吸気経路にスロットル弁を設け、空気量を調整してきた。これに対し、吸気弁の作動角、リフト量を調整制御して、吸入空気量をコントロールするエンジンも提案されている。たとえば、特許文献１では、揺動するカムとリンク部材を用いてリフト、作動角が連続的に変化する複リンク式の可変動弁機構が提案されている。また、特許文献２ではエンジン始動時における吸気弁のバルブ駆動力を十分小さな値に抑えるよう吸気弁のリフト・作動角の制御する提案がなされている。
特開平１１−１０７７２５号公報 特開２００２−８９３０３号公報

しかしながら、空気量の調整を吸気弁の作動角、リフト量のみで主に行う場合、暖気が終了しているアイドル状態よりも、冷機始動状態のほうが、要求される空気量が多い。これは、温度により、機械損失が増加するためである。従って、暖気が終了しているアイドル状態で機関を停止し冷機状態となってから機関を始動するような場合、暖機状態での機関停止から冷機状態での機関始動までの間に可変動弁機構の作動角、リフト量を拡大する必要がある。

一方、上述した複リンク式の可変動弁機構を有する場合、作動角、リフト量の変更を行う制御軸の回転駆動を、機関停止時に行おうとすると、停止時のクランク角度、制御軸角度によっては、制御軸にバルブ反力が影響し、制御軸を駆動できないことがある。このため、始動時に機関の始動が困難になってしまう虞がある。

そこで、本発明は、制御軸を回転させることで吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大、縮小制御な可能な可変動弁機構を備え、機関運転状態に応じて吸気弁のリフト・作動角を変更することにより吸入空気量を制御する可変動弁機構の制御装置において、機関停止前の機関回転数低下中、あるいは機関停止中に、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフト量よりも小さくなるよう制御軸を回転させ、その後、スタータモータ始動前に、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフトよりも大きくなる機関始動時に要求される始動時要求リフト量となるように制御軸を回転させることを特徴としている。

本発明によれば、機関停止前の機関回転数低下中、あるいは機関停止中に、始動時要求のリフト作動角となるように、制御軸の回転角度を変更することができ、冷機状態でも確実な始動性を確保することができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は内燃機関の吸気弁側可変動弁機構の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１０と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２０と、が組み合わされて構成されている。

まず、リフト・作動角可変機構１０について説明する。尚、このリフト・作動角可変機構１０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１０は、互いに並行に気筒列方向へ延びる駆動軸１１および制御軸１２を有している。駆動軸１１は、クランクシャフト（図示せず）から伝達される回転動力により軸周りに回転する。この駆動軸１１には、吸気弁１のバルブリフタ２に接触可能な揺動カム１３が回転自在に外嵌されているとともに、各気筒毎に偏心カム１４が固定又は一体形成されている。この偏心カム１４の外周面の軸心は駆動軸１１の軸心に対して偏心しており、この偏心カム１４の外周面にリング状の第一リンク１５が回転自在に外嵌している。

制御軸１２には、各気筒毎に制御カム１６が固定又は一体形成されている。この制御カム１６の外周面の軸心は制御軸１２の軸心に対して偏心しており、この制御カム１６の外周面に、ロッカーアーム１７の中央部が回転自在に連結されており、ロッカーアーム１７の他端はロッド状の第二リンク１８の一端部と回転自在に連結されている。この第二リンク１８の他端は揺動カム１３の先端部と回転自在に連結されている。

従って、クランクシャフトの回転に連動して駆動軸１１が軸周りに回転すると、偏心カム１４に外嵌する第一リンク１５がほぼ並進方向に作動し、この第一リンク１５の並進運動がロッカーアーム１７の揺動運動に変換されて、第二リンク１８を介して揺動カム１３が揺動する。この揺動する揺動カム１３が吸気弁１のバルブリフタ２に当接してこれを押圧することにより、吸気弁１が図外のバルブスプリングの反力に抗して開閉駆動される。

また、アクチュエータ（制御軸駆動用モータ）３０により、制御軸１２を回転駆動すると、ロッカーアーム１７の揺動中心となる制御カム１６の中心位置が変化して、このロッカーアーム１７及びリンク１５、１８の姿勢が変化し、揺動カム１３の揺動特性が変化する。これにより、吸気弁１の作動角およびバルブリフト量の双方が連続的、かつ気筒列毎に各気筒の吸気弁１が連動して作動する。換言すれば、基準に対して所定の回転方向に向かって制御軸１２の軸回転角度（回転角度）を大きくすると吸気弁１のリフト量が大きくなる。

位相可変機構２０は、上述したリフト・作動角可変機構２０の駆動軸１１の一端側に設けられたものである。

駆動軸１１の一端側には、その外周上にカムスプロケット２１が同軸上に配置されている。このカムスプロケット２１は、チェーン又はタイミングベルトを介してクランクシャフトからの回転動力が伝達され、クランクシャフトと同期して回転する。

位相可変機構２０は、上記のカムスプロケット２１と駆動軸１１との間の回転伝達経路に設けられ、ソレノイドバルブ４１により供給油圧を制御することによって、両者の回転位相を連続的かつ多段階に変化させるよう構成されたものである。尚、このような位相可変機構は、ベーンを用いたタイプ、ヘリカルスプラインを用いたタイプ等が公知であり、詳細な説明は省略する。

図２は本発明の一実施形態を示すシステム構成図である。燃焼室４は、エンジン各気筒のピストン３冠面部と、点火栓５を囲むように、吸気弁１および排気弁６によって構成される。７は吸気通路、８は排気通路である。吸気通路７には、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁９が設けられている。ここにおいて、吸気弁１、排気弁６、燃料噴射弁９および点火栓５の作動はコントロールユニット５０により制御され、このコントロールユニット５０には、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力し、これによりエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ５３、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルペダルセンサ５５、吸気通路７にて吸入空気量Ｑａを計測するエアフローメータ５１、排気触媒５６の上流側に位置して排気中の酸素濃度から空燃比のリッチ・リーンを検出する酸素センサ６０、点火する気筒を判別する気筒判別センサ５４、から信号が入力されている。

また、エアフローメータ５１の下流側には、電子制御式スロットル８０が配置され、アクセル開度ＡＰＯ検出結果、機関回転数など機関の運転状況に応じてエンジンコントロールユニット５０により駆動制御されている。

電子制御スロットル８０の下流側には、吸気コレクタ８１が配設され、吸気コレクタ８１の下流側には、前述した吸気通路７が配置されている。

吸気コレクタ８１には、内部の圧力を検知する圧力センサ９０が配置されており、検出されたコレクタ８１内部の圧力はコントロールユニット５０に入力されている。この他、冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ等からも信号が入力されるが、図示は省略した。尚、図２中の５２は、エアクリーナである。

そして、本実施形態では、リフト・作動角可変機構１０と、位相可変機構２０とで主に吸気量を制御し、アイドル回転数制御を行なう。

停止状態で、上述したリフト・作動角可変機構１０の制御軸１２を変更（回転）する場合の特性について、図３及び図４に示す。

図３は、上述したリフト・作動角可変機構１０において、機関停止状態で制御軸１２をもっとも作動角、リフト量が小となる位置から、上述した制御軸駆動用モータに最大電力を印加した際にどの程度制御軸１２が変更できるか（回転できるか）を示したものである。

図３中の特性線Ａはクランク角度毎のリフト量（設計リフト）を表し、図３中の特性線Ｂ（左側の縦軸Ｃ／ＳＦＴａｎｇｌｅに対応）は、制御軸１２の最小角度位置、すなわち制御軸１２を下限ストッパー（図示せず）に付き当てた状態から、アクチュエータ（制御軸駆動用モータ）３０に電流を印可することでどこまで制御軸１２を回転させることができるかを示したものである。また、図３中に示す冷機始動要求下限値は、例えば−２０℃の冷機始動時に必要となる空気量を確保するのに必要な制御軸１２の回転角度（ねじり量、回転量）を示すものである。

変更可能な制御軸１２角度（リフト量、作動角）は、クランク角度に応じて変化する。これは、リフトによるばねの反力による。従って、リフト量が最大リフト量付近では、制御軸１２をひねって、リフト量が大となるまでの制御軸１２の変化が小さい状態であっても、反力が大となるため制御軸１２のねじり量（回転量）は少ない。一方、リフトをしない状態、すなわち制御軸１２の最小角度位置から、制御軸１２をひねった場合、リフト量が大となるまでのねじり量（回転量）は相対的に大となる。いずれの場合でも、制御軸１２はもっとも作動角、リフト量が小となる位置（制御軸最小角度位置）からであれば、最大電力を印加することで冷機始動時に要求されるリフト量、作動角を確保できることが判る。

図４は、上述したリフト・作動角可変機構１０において、アクチュエータ（制御軸駆動用モータ）３０への印加電力とつりあい電力（静止摩擦力）を計測した例である。これによると、今回の場合、モータ最大電力が静止摩擦力とつりあってしまう制御軸角度は数ｄｅｇと小さく、暖気状態アイドル時の要求制御軸角度よりも小さい。

このため、エンジン停止時に制御軸１２を変更（回転駆動）するには、暖気状態アイドル時の制御軸１２角度から、さらにリフト量、作動角が小となるように変更（回転駆動）する必要があることが判る。

これらのことをふまえ、本実施形態における始動、停止状態、すなわちエンジン停止からエンジン始動するまでの過程で行われる可変動弁機構の制御の例を図５及び図６に示す。

図５はアイドル状態からエンジンを停止する場合を示し、図６は制御軸１２の作動角が大きい（制御軸１２の回転角度が大きい）状態から急激にエンジン停止する場合を示している。

図５において、右側が暖気後アイドル状態からの停止状態を表し、図５において左側がその後の始動状態を表す。アイドルから、機関が停止行程に移行したと判断した場合、制御軸１２は一旦最小側（制御軸最小角度位置）へ変更（回転駆動）する。これは最小でなくとも良いが、モータの最大電力（駆動力）よりも静止摩擦力が小となるところまで、変更する必要がある。次に、次回のスタータモータ始動までのうち、電源ＯＮからスタータＯＮまでの間で、制御軸１２を始動時要求まで変更する。

図６は、制御軸１２の作動角が大きい（制御軸１２の回転角度が大きい）状態から急激にエンジン停止する場合の一例として、加速状態から急激にエンジン停止した場合を示している。

この場合、制御軸１２の作動角は、アイドル時の作動角よりも大きく、制御軸１２はエンジン停止までに十分な変更（回転角度を小さくすること）ができないため、制御軸１２の作動角（回転角度）の目標を回転低下中に始動時要求に変更する。

図７は、上述した図５及び図６に示す制御の流れを示すフローチャートである。尚、本フローが開始されるのは、回転数Ｎｅが所定の回転数以下となったときである。

ステップ（以下、Ｓと記す）１０１では、制御軸角度ＲＥＶＥＬを読み込み、続くＳ１０２では、制御軸角度ＲＥＶＥＬがＲＥＶＥＬ１（始動時要求下限値）よりも小さい場合、Ｓ１０３へ進む。尚、Ｓ１０２においては、エンジン回転数の変化速度（変化率）に応じてＲＥＶＥＬ１を変化させてもよい。

Ｓ１０３では制御軸１２の作動角を一旦制御軸最小角度位置を目標とし、続いてＳ１０４で始動時要求とする。このＳ１０４の行程は、次回の電源投入時から、スタータ始動までに行う。こうすることにより、機関停止中におしがけ等により、リフト・作動角可変機構１０の制御軸１２の作動角（回転角度）が変化しても、適切な始動時要求の制御軸角度とすることができる。

一方Ｓ１０２で制御軸ＲＥＶＥＬがＲＥＶＥＬ１よりも大あるいは等しい場合、Ｓ１０５へ進み、エンジン回転数低下行程で制御軸１２の作動角（回転角度）の目標値ＴＧＶＥＬを始動時要求である目標値ＶＥＬＳＴＡＲＴとする。

このような作動とすることで、可変動弁機構を用いて主に吸気量を制御しても、エンジン回転数が低下中、回転停止中、および始動時の電源ＯＮからスタータＯＮまでの期間のいずれかで、吸気弁１のリフト、作動角が次回の始動要求値となるよう制御軸１２を変更（回転駆動）することができ、冷機状態でも、確実な始動性を確保できる。

すなわち、エンジン回転数が低下中に、制御軸１２の作動角（回転角度）を最小角度位置まで変更（回転駆動）した場合には、制御軸１２の静止摩擦力が十分に小さくなるため、エンジン停止時（次回のエンジン始動時）に制御軸１２の回転角度を始動時要求の作動角（回転角度）に変更（回転駆動）することができると共に、制御軸角度のゼロ点補償を行うことができる。

また、負荷からのエンスト等、制御軸１２の作動角（回転角度）が大きい状態からエンジン停止に至ってしまって、エンジン停止状態までに制御軸摩擦力（静止摩擦力）が小さくならない状態までしか制御軸１２が変更できないことが予想された場合には、エンジン回転数が低下中に、制御軸１２の作動角（回転角度）が始動時要求の作動角（回転角度）となるよう制御されるため、次回のエンジン始動時に、確実に始動要求空気量を確保することができる。

尚、上述した始動時要求値ＶＥＬＳＴＡＲＴは、大気温度、暖気状態を示す水温Ｔｗにより変化させてもよい。すなわち、大気温度が高い場合には、空気の密度が粗となるため、始動時要求値ＶＥＬＳＴＡＲＴを大に補正し、水温Ｔｗが高い場合にはフリクションが低下するため、ＶＥＬＳＴＡＲＴを小に補正するようにしてもよい。このようにすることで、始動時の大気温度、機関の暖気状態等により、要求される空気量を予測し、始動時の回転の吹けあがりを抑止でき、始動時の大気温度、機関の暖気状態によらずに静粛な始動が確保できる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 制御軸を回転させることで吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大、縮小制御な可能な可変動弁機構を備え、機関運転状態に応じて吸気弁のリフト・作動角を変更することにより吸入空気量を制御する可変動弁機構の制御装置において、機関停止前の機関回転数低下中、あるいは機関停止中に、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフト量よりも小さくなるよう制御軸を回転させる。これによって、機関停止前の機関回転数低下中、あるいは機関停止中に、始動時要求のリフト作動角となるように、制御軸の回転角度を変更することができ、冷機状態でも確実な始動性を確保することができる。

（２） 上記（１）に記載の可変動弁機構の制御装置において、可変動弁機構は、基準に対して制御軸の軸回転角度を大きくすると吸気弁のリフト量が大きくなるよう構成されたものであって、機関停止前の機関回転数低下中に、制御軸を略最小角度位置となるよう回転させる。

（３） 上記（１）に記載の可変動弁機構の制御装置において、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフト量よりも小さくなるよう制御軸を回転させた後に、吸気弁のリフト量が機関始動時に要求される始動時要求リフト量となるよう、制御軸を回転させる。

（４） 上記（３）に記載の可変動弁機構の制御装置において、始動時要求リフト量は、機関始動時の機関温度もしくは外気温度の少なくとも一方の温度に応じて変更される。これによって、始動時の大気温度、機関の暖気状態等により、要求される空気量を予測し、始動時の回転の吹けあがりを抑止でき、始動時の大気温度、機関の暖気状態によらずに静粛な始動が確保できる。

（５） 上記（１）に記載の可変動弁機構の制御装置において、可変動弁機構は、基準に対して制御軸の軸回転角度を大きくすると吸気弁のリフト量が大きくなるよう構成されたものであって、機関停止前の機関回転数低下中に、制御軸が所定の軸回転角度よりも大きい角度位置にある場合、制御軸の回転を中止させる。

本発明に係る可変動弁機構の構成を示す構成説明図。 本発明係る可変動弁機構の制御装置のシステム構成を示す構成説明図 停止時における制御軸の変更可能量を示す説明図。 印加電力とつりあい電力（静止摩擦力）の相関を示す説明図。 アイドル状態からエンジンを停止する場合のエンジン停止からエンジン始動するまでの過程を示すタイミングチャート。 制御軸の作動角が大きい状態から急激にエンジン停止する場合のエンジン停止からエンジン始動するまでの過程を示すタイミングチャート。 本発明における可変動弁機構の制御装置の制御の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１０…リフト・作動角可変機構
１２…制御軸

Claims (4)

1. 制御軸を回転させることで吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大、縮小制御な可能な可変動弁機構を備え、機関運転状態に応じて吸気弁のリフト・作動角を変更することにより吸入空気量を制御する可変動弁機構の制御装置において、
   機関停止前の機関回転数低下中、あるいは機関停止中に、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフト量よりも小さくなるよう制御軸を回転させ、その後、スタータモータ始動前に、吸気弁のリフト量がアイドル状態における吸気弁のリフトよりも大きくなる機関始動時に要求される始動時要求リフト量となるように制御軸を回転させることを特徴とする可変動弁機構の制御装置。
2. 可変動弁機構は、基準に対して制御軸の軸回転角度を大きくすると吸気弁のリフト量が大きくなるよう構成されたものであって、
   機関停止前の機関回転数低下中に、制御軸を略最小角度位置となるよう回転させることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
3. 始動時要求リフト量は、機関始動時の機関温度もしくは外気温度の少なくとも一方の温度に応じて変更されることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
4. 可変動弁機構は、基準に対して制御軸の軸回転角度を大きくすると吸気弁のリフト量が大きくなるよう構成されたものであって、
   機関停止前の機関回転数低下中に、制御軸が所定の軸回転角度よりも大きい角度位置にある場合、制御軸の回転を中止させることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。