JP4538037B2 - エンジンの可変バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの可変バルブ装置に関し、詳しくは、可変バルブ装置の温度対策技術に関する。

従来から、モータを用いて吸気バルブ及び／又は排気バルブのバルブリフト量及びバルブ作動角を連続的に変化させる構成の可変バルブ装置が知られている（特許文献１参照）。
上記可変バルブ装置は、制御軸の角度によってバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変化する構成であり、前記制御軸の角度が目標角度に収束するように、制御軸を回転駆動するモータへの駆動電流をフィードバック制御するようにしている。
特開２０００−０１２２６２号公報

ところで、上記の可変バルブ装置において、モータと該モータへの電流供給を制御するパワートランジシタを含む駆動回路とを一体として、シリンダヘッドに直付けする構成とした場合、前記モータ及び駆動回路が、エンジン温度の影響下に置かれ、然も、パワートランジスタの発熱があるため、熱的に厳しい環境となる。
このため、上記一体化構造を採用するには、エンジン温度が高く、然も、制御軸の目標角が頻繁に変化して高い駆動電流の供給が要求されることがあっても、モータや駆動回路の温度が高くなることを抑止できる対策が必要になる。

本願発明は上記実情に鑑みなされたものであり、上記のモータや駆動回路の温度が過剰に高くなることを未然に防止することができるエンジンの可変バルブ装置を提供することを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方のバルブ作動角を、モータを駆動源として連続的に変化させる可変バルブ装置において、エンジンの温度が、前記モータに駆動電流を供給すると前記モータ又は該モータの駆動回路の温度が過剰上昇する可能性がある温度として設定された判定温度を超えたときに、エンジン運転状態に応じて設定される目標作動角が、エンジンの運転性を維持できる値として予め決められた固定の所定値でないときは、前記目標作動角を前記所定値に設定して強制的に該所定値となるように前記モータを駆動し、前記バルブ作動角を前記所定値に固定するようにした。
また、請求項２記載の発明では、エンジンの温度が、前記モータに駆動電流を供給すると前記モータ又は該モータの駆動回路の温度が過剰上昇する可能性がある温度として設定された判定温度を超えたときに、エンジン運転状態に応じて設定される目標作動角が、エンジンの運転性を維持できる値として予め決められた固定の所定値でないときは、前記目標作動角を前記所定値に設定して強制的に該所定値となるように前記モータを駆動すると共に、前記所定値に設定された目標作動角に収束した後は、前記目標作動角を保持すべく、前記モータに対して保持電流を供給するようにした。

請求項１，２記載の発明によると、エンジンの温度が、前記モータに駆動電流を供給するとモータ又は該モータの駆動回路の温度が過剰上昇する可能性がある温度として設定された判定温度を超えたときに、エンジンの運転性を維持しつつ、モータ等における発熱を抑止して、モータや駆動回路の温度が過剰に高くなることを未然に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかる可変バルブ装置を備えたエンジンのシステム構成図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ３が設けられ、その下流側には、吸入空気量Ｑを制御するスロットル弁４が設けられている。
また、吸気通路２下流の吸気ポート部に燃料噴射弁６が設けられ、前記燃料噴射弁６より噴射された燃料と、前記スロットル弁４から吸気バルブ７を介して吸入された空気との混合気は、燃焼室５内でピストン８により圧縮され、前記燃焼室５内部に設けられた点火プラグ９による火花点火によって着火される。

エンジン１の排気は、排気バルブ１０を介して燃焼室５から排気通路１１に排出され、前記排気通路１１の下流に設けられた排気浄化触媒１２を介して大気中に排出される。
前記吸気バルブ７及び排気バルブ１０は、クランク軸１３を動力源として、各々吸気側カム軸１４及び排気側カム軸１５に設けられたカムの動作により開閉駆動される。吸気側には、前記吸気バルブ７のバルブリフト量及びバルブ作動角を連続的に可変制御する多節リンク状の機構で構成される可変バルブ機構（以下、ＶＥＬという）１６が設けられる。

前記ＶＥＬ１６は、駆動源としてのモータによって回転駆動される制御軸の角度に応じて、吸気バルブ７のバルブリフト量及びバルブ作動角を連続的に変化させる構成であり、ＶＥＬ１６には、前記制御軸の角度を検出するＶＥＬ角センサ１７が併設されている。
尚、前記制御軸・モータを含む前記ＶＥＬ１６の構造については、後で詳細に説明する。また、前記モータとしては、例えばＤＣモータが用いられる。

エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０は、前記エアフローメータ３から出力信号や、前記クランク軸１３に設けられて回転位置を検出するクランク角センサ２１から出力されるクランク角信号に基づいて、エンジン負荷およびエンジン回転速度を求め、燃料噴射量，ＶＥＬ目標角（制御軸の目標角度）を各々演算する。
そして、前記ＶＥＬ目標角（目標バルブ作動角）を、前記ＶＥＬ１６のアクチュエータを駆動する駆動回路１８に出力する。

前記駆動回路１８は、ＶＥＬ角センサ１７より出力されるＶＥＬ角信号（実際の制御軸の角度）に基づき、実際の制御軸の角度が前記ＶＥＬ目標角に収束するように、前記制御軸を回転駆動する電磁アクチュエータ（後述するＤＣモータ３６）への駆動電流の供給を制御するパワートランジスタの制御デューティ（ＯＮ時間割合）をフィードバック制御する。

次に、前記ＶＥＬ１６の構成を、図２及び図３に基づいて説明する。
ＶＥＬ１６の制御軸２３は吸気側カム軸１４と平行に配置され、両端は図示しないシリンダブロックに固定された軸受２４により軸支される。
制御カム２５は、前記制御軸２３より外径の大きい略円筒形状をなし、前記制御軸２３に軸心を所定量αだけ偏心させた状態で配設されている。

ロッカーアーム２６は、略菱形の形状をなし、中央に貫通した孔に前記制御カム２５の外周が摺動自由に挿入されている。
リンクロッド２７は、略三日月形状をなし、一端が前記ロッカーアーム２６の一端部にピン２８を介して回動自由に連結されると共に、他端が吸気側カム軸１４の軸心から偏心した位置にピン２９を介して回動自由に連結される。

駆動カム３０は、外径が大きな円筒形状をなすカム本体３０ａと、前記カム本体３０ａの一端に隣接して設けられた外径が小さな円筒形状をなす筒状部３０ｂとからなり、前記筒状部３０ｂの中心部には軸孔３０ｃが貫通して形成され、該軸孔３０ｃ内に、前記吸気側カム軸１４が摺動自由に挿入される。
また、前記筒状部３０ｂの軸心は前記吸気カム軸１４の軸心Ｘと一致しているが、前記カム本体３０ａの軸心Ｙは、前記吸気カム軸１４の軸心Ｘより所定量だけ偏心している。

リンクアーム３１は、前記駆動カム３０より外周の大きな円環形状をなし、中心部を貫通して形成された孔に、前記駆動カム３０のカム本体３０ａの外周がベアリング３２を介して摺動自由に挿入される。また、前記リンクアーム３１の外径方向に突出した端部は、前記ロッカーアーム２６の他端にピン３３を介して回動自由に連結される。
吸気カム３４は、雨滴形状をなし、基端部３４ａを貫通する軸孔３４ｂに前記吸気側カム軸１４が嵌挿して固定される一方、前記基端部から外径方向に突出する端部側に位置するカムノーズ部３４ｃにピン孔３４ｄが貫通して形成され、該ピン孔３４ｄに前記ピン２９を嵌挿させて、前記リンクロッド２７に回動自由に連結されている。

バルブリフタ３５は、有蓋円筒形状をなし、上面には前記吸気カム３４のカム面３４ｅが揺動位置に応じて所定位置に当接する一方、下部に吸気バルブ７が固定される。アクチュエータとしてのＤＣモータ３６は、駆動軸端部に固定されたウォームギア３７が前記制御軸２３の一端部に固定されたギアと噛み合い、ＥＣＵ２０より出力される駆動信号により制御軸２３を一定の範囲内で回動させる。

尚、前記ＤＣモータ３６，パワートランジスタを含む駆動回路１８及びＶＥＬ作動角センサ１７は一体的にエンジン１のシリンダヘッドに直接取り付けられる。
また、制御軸２３の一端には、ＶＥＬ作動角センサ１７が設けられており、制御軸２３の角度を検出し、前記駆動回路１８へ検出信号を出力する。
次にＶＥＬ１６の作動原理を説明する。

図４（Ａ）,（Ｂ）は、最小リフト量制御を行う時のＶＥＬの関弁状態を表しており、リフト量を最小に制御すべくＤＣモータ３６を駆動して、制御軸２３に時計周りの回転を与えると、制御カム２５の肉厚部２５ａが上方に移動し、これに同期してロッカーアーム２６も上方へ移動する。
この時、吸気カム３４のカムノーズ部３４ｃがリンクロッド２７を介して上方へ持ち上げられる。

このため、吸気側カム軸１４の回転によりバルブリフタ３５に当接する吸気カム３４のカム面３４ｅは基端部３４ａ近傍となり、バルブリフト量は図中Ｌ１に示す小さなリフト量に制御される。
一方、図５（Ａ）,（Ｂ）は、最大リフト量制御を行う時のＶＥＬの開弁状態を表しており、リフト量を最大にすべくＤＣモータ３６を駆動して、制御軸２３に反時計周りの回転を与えると、制御カム２５の肉厚部２５ａが下方に移動し、これに同期してロッカーアーム２６も下方へ秒動する。

この時、吸気カム３４のカムノーズ部３４ｃがリンクロッド２７を介して下方へ押し下げられる。
このため、吸気側カム軸１４の回転によりバルブリフタ３５に当接する吸気カム３４のカム面３４ｅはカムノーズ部３４ｃの先端から基端部３４ａまでの間となり、バルブリフト量は図中Ｌ２に示す大きなリフト量に制御される。

次に、前記ＶＥＬ１６のフィードバック制御における各種パラメータを、温度対策のために設定する処理を、図６のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１では、油温センサ７１で検出されるエンジンの潤滑油温度（油温）を読み込む。
尚、前記油温はエンジンの温度を代表するパラメータであり、油温に代えて冷却水温度を読み込ませるようにすることができる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだ油温が、予め記憶された第１判定温度Ｔ１（例え１３０℃）よりも高いか否かを判別する。
油温が第１判定温度Ｔ１よりも高いときには、ステップＳ３へ進み、前記ＤＣモータ３６への通電を強制的に停止させる。
油温が第１判定温度Ｔ１よりも高い条件下で、ＤＣモータ３６に対する駆動電流の供給を行なうと、高い温度環境下で更に駆動回路１８におけるパワートランジスタの発熱が加わり、駆動回路１８（パワートランジスタ）の温度が過剰に高くなる可能性があると共に、一体的に設けられるＤＣモータ３６の温度も過剰に上昇する惧れがある。

そこで、ＤＣモータ３６に対する駆動電流の供給を停止させて、パワートランジスタが発熱しないようにする。
尚、ＤＣモータ３６への駆動電流の供給を停止させると、カムの反力によって最小リフト量状態になり、これにより、エンジンの運転性は低下するものの、ＤＣモータ３６駆動回路１８の温度が過剰に上昇することが回避される。

一方、ステップＳ２で、油温が第１判定温度Ｔ１以下であると判別されたときには、ステップＳ４へ進み、油温が第１判定温度Ｔ１よりも低い第２判定温度Ｔ２（例えば１２０℃）よりも油温が高いか否か、換言すれば、Ｔ２＜油温≦Ｔ１であるか否かを判別する。ステップＳ４で、Ｔ２＜油温であると判別されると、ステップＳ５へ進む。
ここで、Ｔ２＜油温≦Ｔ１であるから、Ｔ１＜油温であるときに比べて、温度環境としては比較的低いが、通常にＤＣモータ３６に電流を供給すると、ＤＣモータ３６や駆動回路１８の温度が過剰に高くなる可能性がある。そこで、ステップＳ５では、前記ＶＥＬ目標角度を予め記憶された基準角度に固定する。

前記基準角度は、吸気バルブ７のリフト量及びバルブ作動角を前記基準角度相当に固定してもエンジンの運転性を充分に維持できる値として予め設定されており、そのときの目標角度（目標バルブ作動角）が前記基準角度（所定値）でない場合には、目標の切換えを行なって前記基準角度に固定させる。
従って、基準角度に目標を切り換えたときに、駆動電流を供給して実際の制御軸の角度を目標に一致させるためのフィードバック制御が行なわれるが、その後は目標が変化せず、ＤＣモータ３６に低い保持電流を供給すれば良いので、エンジンの運転条件の変化に対してＤＣモータ３６への駆動電流が抑制されることになる。

そして、駆動電流の抑制によってパワートランジスタの発熱が抑制され、エンジン１の運転性を大きく悪化させることなく、ＤＣモータ３６や駆動回路１８の温度が過剰に高くなることを回避できる。
また、ステップＳ４で、油温が第２判定温度Ｔ２以下であると判別されたときには、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、油温が第２判定温度Ｔ２よりも低い第３判定温度Ｔ３（例えば１０５℃）よりも高いか否か、換言すれば、Ｔ３＜油温≦Ｔ２＜Ｔ１であるか否かを判別する。ステップＳ６で、Ｔ３＜油温であると判別されると、ステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、前記駆動回路１８に含まれるパワートランジスタの制御デューティ（ＯＮデューティ）を、予め記憶される上限値（例えば７０％）以下に制限する。

上記ＯＮデューティ（制御信号）の上限値を制限すると、フィードバック制御によるＯＮデューティの増大が制限され、目標角変化時の駆動電流が抑制されることになる。
従って、目標角度の変化に対する応答性は低下するものの、そのときの運転条件に対応する目標角度（リフト量及びバルブ作動角）に制御することができる。
尚、ステップＳ７では、パワートランジスタのＯＮデューティに制限を設ける代わりに、ＶＥＬ目標角の変化速度を制限する構成とすることができる。

具体的には、例えば、エンジン運転条件（エンジン負荷・エンジン回転速度など）に基づきマップから検索されるマップ目標角と、前回における最終的なＶＥＬ目標角度との単純平均値を、今回のＶＥＬ目標角（目標バルブ作動角）として設定する。
これにより、エンジン運転条件から要求される目標角度に対して実際の制御に用いる目標角度の変化が遅れることになり、目標角度の変化が遅いと相対的にフィードバック制御の応答遅れが小さくなって、フィードバック制御による駆動電流の振れ幅が抑制され、駆動電流の絶対値が低く抑制されることになる。

また、Ｔ２＜油温≦Ｔ１であるときに、目標角度を基準角度に固定する構成としたが、そのときの目標角度が基準角度に一致しない場合には、フィードバック制御によって実際の角度を変化させる必要が生じるので、係るフィードバック制御時における駆動電流を抑制すべく、同時に、ステップＳ７と同様な制御デューティの制限を施す構成としても良い。

上記のように、上記実施形態では、エンジン温度を示す油温（又は冷却水温度）が高くなるほど、より駆動電流を小さく抑制して、駆動電流の供給による発熱を抑制する構成であり、これにより、なるべく運転性を悪化させることなく、モータ３６や駆動回路１８の温度が過剰に高くなることを回避できる。
図７のフローチャートは、温度対策の参考例を示すものであり、ステップＳ１１では、エンジンの潤滑油温度（又は冷却水温度）を読み込む。

そして、ステップＳ１２では、前記ステップＳ１１で読み込んだ油温（又は冷却水温度）に応じて、制御軸の作動角のフィードバック制御におけるフィードバックゲインを設定する。具体的には、図中に示すように、油温（又は冷却水温度）が高くなるほど、フィードバックゲインを低くする設定としてある。
油温（又は冷却水温度）が高い温度環境下で、低温時と同等のフィードバックゲインを設定すると、フィードバックにより駆動電流が高く制御される結果、パワートランジスタの発熱が大きくなってしまう。これに対し、フィードバックゲインを小さくすれば、同じ偏差に対して駆動電流の変化が小さく、応答性は低下するものの、駆動電流が低く抑制されることになる。

即ち、目標角度の変化速度を遅くする場合と同様な作用・効果を発揮するものであるが、ここでは、段階的にフィードバックゲインを変化させることで、そのときの温度環境で、モータ３６や駆動回路１８の過剰な温度上昇を回避できる最大限のゲイン設定を行なわせるようにしてあり、前記実施形態のように温度条件毎に異なる方法で駆動電流の制限を行なう煩雑さがない。

本発明の実施形態のシステム構成図。 本発明の実施形態に用いられる可変バルブ機構（ＶＥＬ）の要部斜視図。 図２のＡ矢視図。 前記可変バルブ機構ＶＥＬの作用説明図であり、（Ａ）は最小リフト量時の開弁状態、（Ｂ）は最小リフト量時の閉弁状態を示す図。 前記可変バルブ機構ＶＥＬの作用説明図であり、（Ａ）は最大リフト量時の開弁状態、（Ｂ）は最大リフト量時の閉弁状態を示す図。 可変バルブ機構（ＶＥＬ）のフィードバック制御の実施形態を示すフローチャート。 可変バルブ機構（ＶＥＬ）のフィードバック制御の参考例を示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジン
３…エアフローメータ
６…燃料噴射弁
７…吸気バルブ
１３…クランク軸
１４…吸気側カム軸
１５…排気側カム軸
１６…可変バルブ機構（ＶＥＬ）
１７…ＶＥＬ角センサ
１８…駆動回路
２０…コントロールユニット（ＥＣＵ）
２１…クランク角センサ
３６…ＤＣモータ
７１…油温センサ

Claims (2)

1. 吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方のバルブ作動角を、モータを駆動源として連続的に変化させる構成であって、実際のバルブ作動角を目標作動角に収束させるべく、前記モータに供給する駆動電流を設定し、前記モータに駆動電流を供給するように構成されたエンジンの可変バルブ装置において、
   エンジンの温度が、前記モータに駆動電流を供給すると前記モータ又は該モータの駆動回路の温度が過剰上昇する可能性がある温度として設定された判定温度を超えたときに、
   エンジン運転状態に応じて設定される目標作動角が、エンジンの運転性を維持できる値として予め決められた固定の所定値でないときは、前記目標作動角を前記所定値に設定して強制的に該所定値となるように前記モータを駆動し、前記バルブ作動角を前記所定値に固定することを特徴とするエンジンの可変バルブ装置。
2. 吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方のバルブ作動角を、モータを駆動源として連続的に変化させる構成であって、実際のバルブ作動角を目標作動角に収束させるべく、前記モータに供給する駆動電流を設定し、前記モータに駆動電流を供給するように構成されたエンジンの可変バルブ装置において、
   エンジンの温度が、前記モータに駆動電流を供給すると前記モータ又は該モータの駆動回路の温度が過剰上昇する可能性がある温度として設定された判定温度を超えたときに、エンジン運転状態に応じて設定される目標作動角が、エンジンの運転性を維持できる値として予め決められた固定の所定値でないときは、前記目標作動角を前記所定値に設定して強制的に該所定値となるように前記モータを駆動すると共に、前記所定値に設定された目標作動角に収束した後は、前記目標作動角を保持すべく、前記モータに対して保持電流を供給することを特徴とするエンジンの可変バルブ装置。

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