JP5272671B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

この発明は、吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小可能な第１可変動弁機構と、中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を備え、各々の制御の組み合わせによって機関運転条件に応じたバルブリフト特性を実現する内燃機関の可変動弁装置に関し、特に、第２可変動弁機構の制御機構のいわゆるゼロ点校正のための基準位置の学習に関する。

本出願人は、内燃機関の吸気弁もしくは排気弁の可変動弁装置として、作動角を連続的に拡大・縮小可能な第１可変動弁機構と、中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を組み合わせ、各々の制御によって機関運転条件に応じたバルブリフト特性を実現するようにした構成を種々提案している（特許文献１等）。

ここで、上記第２可変動弁機構としては、例えば、クランクシャフトに同期して回転するハウジングと、このハウジング内に同軸状に収容され、かつ例えば第１可変動弁機構の駆動軸前端に固定されるロータと、を備え、両者間に周方向に形成される進角側油圧室および遅角側油圧室に各々供給される油圧を制御することで、ロータをハウジングに対し相対的に回動させ、バルブリフトのクランク角に対する位相を変化させる油圧式のものが多く用いられるが、この種の可変動弁機構においては、油圧がまだ十分に発生し得ない始動時に、バルブタイミングを所定の位置に安定的に確保するために、ロータとハウジングとの間にロック機構が設けられるのが一般的であり、引用文献２等に開示されているように、ロックピン等のロック機構により、始動時（つまり機関停止後の油圧が低いとき）には、例えば最遅角位置に機械的に固定される。

一方、第２可変動弁機構の制御の精度確保のために、何らかの基準点でのいわゆるゼロ点校正が必要であるが、従来は、制御目標値が上記の始動時中心角位置（つまり最遅角位置）に制御されているときに、センサで検出される中心角位置の検出値を読み込み、これを学習値としてゼロ点校正を行っていた。この中心角の最遅角位置は、一般に、機関のアイドル状態での制御位置に対応しており、従って、機関がアイドル状態にある間に、繰り返し学習が行われる。
特開２００１−２６３１０５号公報 特開平１−９２５０４号公報

しかしながら、上記のようにロック機構によりロックされる最遅角側の始動時中心角位置で学習を行う構成では、アイドル運転のたびにロックされ、そのロック解除に必要なレベルの油圧をアイドル回転数において生成し得る必要があるため、アイドル時の最低油圧を比較的高く設定せざるを得ず、油圧ポンプが大型化する、といった問題がある。

そこで、この発明は、機関の始動後は最遅角側或いは最進角側の始動時中心角位置つまり基準始動位置に戻らないようにして、暖機完了後のアイドル運転ではロック解除の必要がないようにするとともに、上記基準始動位置から進角側もしくは遅角側へ所定の最大角度駆動させた第２の制御位置においてゼロ点校正のための学習を行うようにした。ここで、本発明では、吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小する第１可変動弁機構として、作動角の増減変化に対し開弁時期もしくは閉弁時期のいずれか一方の変化が小となるように、中心角が作動角の拡大に伴って遅角側もしくは進角側に変化する特性を有するものを前提としており、このような特性を有する構成では、アイドル〜低負荷域を除く殆どの負荷領域では、第２可変動弁機構により中心角位相が基準始動位置から進角側もしくは遅角側へ所定の最大角度駆動させた第２の制御位置に制御されるため、学習の頻度が十分に得られる。

すなわち、本発明は、吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小可能であるとともに、この作動角の増減変化に対し開弁時期もしくは閉弁時期のいずれか一方の変化が小となるように、中心角が作動角の拡大に伴って遅角側もしくは進角側に変化する第１可変動弁機構と、油圧により作動し、上記中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を備え、各々の制御の組み合わせによって機関運転条件に応じたバルブリフト特性を実現する内燃機関の可変動弁装置において、
上記第２可変動弁機構は、機関停止中にその最遅角側或いは最進角側の基準始動位置において機械的なロックを行うとともに機関の所定の油圧によりロック解除されるロック機構を備え、
通常の運転中は、上記基準始動位置とは異なる第１の制御位置と第２の制御位置との間で上記第２可変動弁機構を制御し、
ここで上記第１の制御位置は、上記基準始動位置が最遅角側であるときは該基準始動位置から進角側へ所定角度だけ駆動させた位置にあり、上記基準始動位置が最進角側であるときは該基準始動位置から遅角側へ所定角度だけ駆動させた位置にあり、かつ上記第２の制御位置は、上記基準始動位置が最遅角側であるときは該基準始動位置から進角側へ所定の最大角度駆動させた位置にあり、上記基準始動位置が最進角側であるときは該基準始動位置から遅角側へ所定の最大角度駆動させた位置にあり、
上記第２可変動弁機構により制御される中心角位置を検出する検出手段を備え、上記第２の制御位置に制御されている状態で、該第２可変動弁機構の上記第２の制御位置の学習を行うことを特徴としている。

望ましくは、上記の所定の油圧は、暖機完了後のアイドル回転数における機関の油圧よりも高く設定され、かつ冷間始動後の高速アイドル回転数における機関の油圧でロック解除可能となっている。つまり、冷間始動後、暖機促進のためにアイドル回転数が高く維持されている間に、ロック解除され、その後は、機関停止まで、基準始動位置に戻ることはない。

この発明によれば、運転中にアイドル状態となってもロック機構がロックすることはなく、そのロック解除に必要なレベルの油圧をアイドル回転数において生成する必要がないので、油圧ポンプの小型化や油圧ポンプ駆動に要するエネルギの低減が図れる。そして、中心角が作動角の拡大に伴って遅角側もしくは進角側に変化する特性を有する第１可変動弁機構と組み合わせたことで、基準始動位置から最大角度駆動させた第２の制御位置となる頻度が高く、運転中に繰り返し学習を行うことが可能である。

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、この発明に係る可変動弁装置を吸気弁３側に備えた内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図であって、吸気弁３の駆動機構として、該吸気弁３のリフト・作動角を両者同時に連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構５と、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６と、が設けられている。なお、排気弁４は、この実施例では固定のバルブリフト特性となっているが、吸気弁３側と同様に第１，第２可変動弁機構５，６を設けてバルブリフト特性を可変制御するようにしてもよく、あるいは第２可変動弁機構６に相当する位相の遅進機構のみを備えることもできる。

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が設けられているとともに、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ８が設けられている。なお、吸入空気量の調整は、基本的には、吸気弁３側のバルブリフト特性の可変制御によって実現される。そして、燃料噴射弁９が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３等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９から噴射される。また、排気通路１０には、排気空燃比を検出するための空燃比センサ（例えば酸素センサ）１１が配設されている。

コントロールユニット１２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１３からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１４からの回転速度信号Ｎｅ、上記エアフロメータ８からの吸入空気量信号、などが入力され、これらの信号に基づいて、電子制御スロットル弁２の目標スロットル弁開度、燃料噴射弁９からの燃料噴射量、点火プラグ１５による点火時期、第１可変動弁機構５の作動角目標値、第２可変動弁機構６の中心角目標値をそれぞれ演算する。そして、要求の燃料噴射量および点火時期を実現するように燃料噴射弁９および点火プラグ１５を制御するとともに、作動角目標値および中心角目標値を実現するように、第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６をそれぞれ制御する。なお、上記第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、その詳細な説明は省略する。

ここで、第１可変動弁機構５のアクチュエータは制御軸（図示せず）の回転位置を変化させる電動モータであるのに対し、第２可変動弁機構６は、機関の潤滑油圧を油圧源とする油圧駆動式の構成であり、周知のように、油圧制御弁を介して進角側油圧室もしくは遅角側油圧室に油圧を供給することでロータを外周のハウジングに対し相対回転させ、中心角の位相を進角・遅角させる構成となっている。そして、この第２可変動弁機構６は、機関停止中にその最遅角側の基準始動位置において機械的なロックを行うロック機構１６を備えている。このロック機構１６は、例えばばね力により突出してロータと係合するロックピンからなり、進角側油圧室ないし遅角側油圧室に作動油圧が供給されると、ロックピンが後退してロック解除される。

図２は、上記第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６によって実現される吸気弁３のバルブリフト特性を示している。図示するように、第１可変動弁機構５は、バルブリフト特性の変化が非対称に生じるように、そのリンク構成が設定されているものであって、具体的には、吸気弁３側に適したものとして、リフト・作動角の増減変化に対し開弁時期は実質的に変化せず、閉弁時期が大きく変化する特性となっている。換言すれば、第１可変動弁機構５は、リフト・作動角の増加に伴って中心角が遅角し、開弁時期が殆ど変化しない。そして、第２可変動弁機構６は、図示する所定のクランク角度αの範囲で中心角の位相を遅進させることができる。

図３は、横軸を第１可変動弁機構５によるリフト・作動角（図中にはＶＥＬ作動角と記す）とし、縦軸を第２可変動弁機構６による中心角位相の変位量（図中にはＶＴＣ変換角と記す）として、基本的な両者の組み合わせ（両者からバルブリフト特性が一義的に定まる）、特に、負荷変化に対する両者の組み合わせの変化を示している。点Ｐ１として示するように、機関のアイドル状態では、ＶＥＬ作動角は最小であり、またＶＴＣ変換角は、制御範囲の最も遅角側である最遅角制御位置（請求項における「第１の制御位置」に相当する）にある。そして、負荷の増加に伴ってＶＥＬ作動角が増加するとともに、ＶＴＣ変換角は進角し、点Ｐ２で示す部分負荷時に、ＶＴＣ変換角は制御範囲の最も進角側である最進角制御位置（請求項における「第２の制御位置」に相当する）に達する。この段階では、ＶＥＬ作動角はまだそれほど大きくなく、以後は、点Ｐ４で示す全負荷時に達するまで、負荷の増加に伴ってＶＥＬ作動角が増加していく。従って、点Ｐ２から点Ｐ４の広い運転範囲でＶＴＣ変換角は最進角制御位置となる。なお、点Ｐ１から点Ｐ２の間では、ＶＥＬ作動角およびＶＴＣ変換角の双方が連続的に変化する。

ここで、本発明では、上記最遅角制御位置は、ロック機構１６がロックする最遅角側の基準始動位置よりも僅かに（例えばクランク角で数度程度）進角側に設定されている。従って、機関の始動後、一旦ロック機構１６が解除された後は、上記の基準始動位置まで戻ることはなく、つまり運転中に再度ロックされることはない。なお、機関が停止されると、バルブスプリング反力によって第２可変動弁機構６は遅角側へ付勢されるため、最終的に所定の基準始動位置まで遅角してロックされた状態となる。

次に、図４のフローチャートを参照して、第２可変動弁機構６のゼロ点校正のための学習について説明する。

本発明では、従来のようなロック位置ではなく、ＶＴＣ変換角が最進角制御位置にあるときに、該ＶＴＣ変換角を示す中心角センサの値を読み込んで、その学習を行うのであるが、機関が始動（ステップ１）すると、直ちに第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６の制御が開始（ステップ２）されるので、先ず、ロック機構１５が解除される前に、始動初期位置つまりロックが行われる基準始動位置での中心角センサの値を仮学習する（ステップ３）。ステップ４では、この仮学習が済んでいるかを確認し、仮学習が済んでいれば、ステップ５で、ＶＴＣ作動許可信号が出力されたか否かを判定する。このＶＴＣ作動許可信号は、機関回転速度、負荷、油温、等に基づいて第２可変動弁機構６の実質的な制御開始（目標値への駆動）を許可するものであり、この信号が出力されたことは、ロック機構１６が既にロック解除されていることを意味する。

ここで、上記ロック機構１６のロック解除に必要な油圧は、暖機完了後のアイドル回転数における機関の油圧よりは高いものの、冷間始動後の暖機促進のための高速アイドル回転数における機関の油圧よりは低く設定されている。従って、通常は、冷間始動後の高速アイドル運転（いわゆるアイドルアップ）中に、その油圧を利用してロック解除がなされ、ＶＴＣ作動許可信号が出力される。なお、暖機再始動で高速アイドル運転がなされないような場合には、運転者の加速操作などにより機関回転数が所定レベルまで上昇したときに、その発生油圧によってロック解除がなされ、ＶＴＣ作動許可信号が出力される。

従って、ステップ６以降では、機関運転条件に応じて第２可変動弁機構６が第１可変動弁機構５とともに可変制御されることになるが、ステップ６では、第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６の制御目標値が最進角制御位置であるか否かを判定する。ステップ７は、実際に最進角制御位置にあるか否かを判定しており、具体的には、ステップ３で仮学習した基準始動位置からそのときに中心角センサにより検出された中心角位置までの変位量をＡ、最進角制御位置に相当する制御目標値をＢ、としたときに、両者の差の絶対値（｜Ａ−Ｂ｜）が所定の許容角度差Ｘ（例えば±１．５°ＣＡ）以下であるときに、第２可変動弁機構６が実質的に最進角制御位置にあるものとみなしている。そして、ステップ８では、この状態が所定時間Ｔ１（例えば１秒間）以上継続したかを判定する。これらのステップ７，８の条件が成立すれば、ステップ９へ進んで、そのときの中心角センサの値を最遅角制御位置として学習する。なお、図５は、上記のステップ７，８の説明図である。

上記のステップ５〜ステップ９の学習は、ステップ１０のタイマにより所定時間（Ｔ０秒）毎に繰り返し行われる。前述したように、第２可変動弁機構６はアイドル〜部分負荷域を除く広い運転領域で最進角制御位置に保持されるので、ステップ７，８の条件が成立する学習の機会を十分に確保することができる。そして、運転者の操作により機関を停止すべくキーオフ信号が出されると、第２可変動弁機構６の制御が終了し、かつ機関が停止する（ステップ１１，１２）。

次に、図６は、最進角制御位置の学習の第２実施例を示すフローチャートである。このフローチャートは、ステップ７，８およびステップ９Ａを除き、前述した図４のフローチャートと変わりがないので、重複する説明は省略するが、ステップ９で最進角制御位置の学習が行われると、この学習値は、車載バッテリに依存せずにデータを保持し得る不揮発性メモリ等の記憶手段に記憶される（ステップ９Ａ）。そして、ステップ７では、この記憶手段に記憶された学習値をＣとしたときに、前述の変位量Ａとこの前回値Ｃとの差の絶対値（｜Ａ−Ｃ｜）が所定の許容角度差Ｘ（例えば±１．５°ＣＡ）以下であるときに、第２可変動弁機構６が実質的に最進角制御位置にあるものとみなす。ステップ８では、この状態が所定時間Ｔ２（例えば１秒間）以上継続したかを判定している。

次に、図７は、上記のようにして学習した最進角制御位置の誤学習を空燃比に基づいて検出するようにした処理を示している。これは、吸気弁３のバルブリフト特性によって吸気量が変化することを利用したもので、例えば機関運転条件に沿って第２可変動弁機構６を最進角制御位置としたとき（ステップ２１）に、本来のバルブリフト特性に対応する空気量を推定し、目標空燃比例えば理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する（ステップ２２）。そして、前述した空燃比センサ１１の検出信号から実際の空燃比（あるいは理論空燃比からの片寄り）を求め（ステップ２３）、これが本来の想定値からずれていないか判定する（ステップ２４）。実際の空燃比が想定値からずれている場合には、第２可変動弁機構６の最進角制御位置を誤学習している可能性があるので、再度学習を行い（ステップ２５）、想定値に近似していれば、学習値が適正なものと判断する（ステップ２６）。

前述の実施例では、第２可変動弁機構６の基準始動位置が最遅角側であるものについて説明したが、第２可変動弁機構６の基準始動位置が最進角側に設定されているものについても適用することが可能である。その場合は、最大角度駆動させた第２の制御位置が最遅角制御位置となり、最遅角制御位置の学習を行うこととなる。

この発明に係る可変動弁装置を備えた内燃機関のシステム構成図。 第１，第２可変動弁機構によって実現される吸気弁のバルブリフト特性を示す特性図。 作動角と中心角変位量との組み合わせを示す特性図。 第２可変動弁機構の最進角制御位置の学習の処理を示すフローチャート。 ステップ７，８の処理の説明図。 第２可変動弁機構の最進角制御位置の学習の処理の異なる例を示すフローチャート。 誤学習を判定するための処理を示すフローチャート。

符号の説明

１…内燃機関
３…吸気弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
１２…コントロールユニット
１６…ロック機構

Claims (7)

1. 吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小可能であるとともに、この作動角の増減変化に対し開弁時期もしくは閉弁時期のいずれか一方の変化が小となるように、中心角が作動角の拡大に伴って遅角側もしくは進角側に変化する第１可変動弁機構と、油圧により作動し、上記中心角を連続的に遅進させる第２可変動弁機構と、を備え、各々の制御の組み合わせによって機関運転条件に応じたバルブリフト特性を実現する内燃機関の可変動弁装置において、
   上記第２可変動弁機構は、機関停止中にその最遅角側或いは最進角側の基準始動位置において機械的なロックを行うとともに機関の所定の油圧によりロック解除されるロック機構を備え、
   通常の運転中は、上記基準始動位置とは異なる第１の制御位置と第２の制御位置との間で上記第２可変動弁機構を制御し、
   ここで上記第１の制御位置は、上記基準始動位置が最遅角側であるときは該基準始動位置から進角側へ所定角度だけ駆動させた位置にあり、上記基準始動位置が最進角側であるときは該基準始動位置から遅角側へ所定角度だけ駆動させた位置にあり、かつ上記第２の制御位置は、上記基準始動位置が最遅角側であるときは該基準始動位置から進角側へ所定の最大角度駆動させた位置にあり、上記基準始動位置が最進角側であるときは該基準始動位置から遅角側へ所定の最大角度駆動させた位置にあり、
   上記第２可変動弁機構により制御される中心角位置を検出する検出手段を備え、上記第２の制御位置に制御されている状態で、該第２可変動弁機構の上記第２の制御位置の学習を行うことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記の所定の油圧は、暖機完了後のアイドル回転数における機関の油圧よりも高く設定され、かつ冷間始動後の高速アイドル回転数における機関の油圧でロック解除可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 機関始動後のロック状態における基準始動位置の検出値を記憶し、この記憶した基準始動位置を基準として、上記学習を行う上記第２の制御位置を判断することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 上記の記憶した基準始動位置からそのときの検出された中心角位置までの変位量が、上記第２の制御位置に相当する制御目標値に所定の許容角度差内で近似しているときに、上記第２の制御位置の学習を行う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可変動弁装置。
5. 上記の許容角度差内の状態が所定時間継続したことを条件として上記第２の制御位置の学習を行うことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の可変動弁装置。
6. 前回の学習により記憶した第２の制御位置と、そのときの検出された中心角位置とが、所定の許容角度差内で近似しているときに、上記第２の制御位置の学習を行う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可変動弁装置。
7. 運転中に上記第２の制御位置の学習を繰り返し行う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可変動弁装置。

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