JP5573567B2

JP5573567B2 - 弁開閉制御装置

Info

Publication number: JP5573567B2
Application number: JP2010222327A
Authority: JP
Inventors: 菊太郎宇田川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012077652A

Description

本発明は、カムシャフトを廃止し、吸気バルブ及び排気バルブを電子制御するようにしたカムレスエンジンの弁開閉制御装置に係り、エンジン回転速度の上限が高められる弁開閉制御装置に関する。

近年、エンジンに対する排気ガス規制強化と燃費改善の要求拡大に伴い、エンジンの燃焼制御が高度化している。燃焼制御のひとつとして、吸気バルブ及び排気バルブの開閉時期とリフト量をエンジンの運転状態に応じて変化させる可変動弁制御がある。カムシャフトを有するエンジンにおいてカムシャフトで決まる開閉時期とリフト量に対して変化を与える可変動弁制御が既に普及している。

これに対し、本発明者は、カムシャフトを使わずに、電磁弁で制御された油圧により、クランク角に対して機械的に固定されない開閉時期とリフト量で吸気バルブ及び排気バルブを動作させるカムレスエンジンを研究開発中である。

図３に、本発明者が研究開発中のカムレスエンジンに用いる弁開閉制御装置３０１を示す。弁開閉制御装置３０１は、吸気バルブと排気バルブのどちらも同じである。

シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体３０２は、スプリング３０３によって閉弁方向に付勢されている。シリンダヘッドに取り付けられたカムレスブロックには、バルブ本体３０２の上端側を動作油で圧してバルブ本体３０２を押し下げるための油圧制御室３０４が設けられている。油圧制御室３０４には、開弁用電磁弁３０５からの動作油が導入されるライン３０６が接続されている。開弁用電磁弁３０５には、高圧の動作油を供給する高圧油圧ポンプ３０７からの動作油が導入されるライン３０８が接続されている。開弁用電磁弁３０５に後述する開弁パルス信号が入力されると、開弁用電磁弁３０５内でライン３０６，３０８間を塞いでいたプランジャ３０９が退くことにより、高圧の動作油が油圧制御室３０４に導入され、バルブ本体３０２が押し下げられてバルブが開くようになっている。開弁パルス信号がなくなるとプランジャ３０９が進出してライン３０６，３０８間を塞ぎ、油圧制御室３０４への動作油の導入が止まる。

油圧制御室３０４には、低圧の動作油を蓄える低圧供給ユニット３１０からのライン３１１が接続されている。その接続口は、閉弁用電磁弁３１２のプランジャ３１３に取り付けられた油抜き弁３１４によって塞がれている。閉弁用電磁弁３１２に後述する閉弁パルス信号が入力されると、接続口を塞いでいた油抜き弁３１４がプランジャ３１３によって開かれ、油圧制御室３０４の動作油が低圧供給ユニット３１０に抜けるため、バルブ本体３０２がスプリング３０３によって押し上げられてバルブが閉じるようになっている。

高圧油圧ポンプ３０７は、クランクシャフト３１５により駆動される。クランクシャフト３１５には、クランク角度検出用のクランク角度プーリ３１６が取り付けられている。

クランク角度プーリ３１６に臨ませてクランク角度センサ３１７が設けられている。シリンダヘッドには、バルブ本体３０２の変位量であるリフト量（シリンダ内への突き出し量）を検出するリフト量センサ３１８が設けられている。高圧油圧ポンプ３０７からの油圧のライン３０８には、油圧を検出する油圧センサ３１９が設けられている。

弁開閉制御は、ＥＣＭ（Engine Control Module）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＭＰＵ（Micro Processor Unit）と呼ばれるプログラム式デジタル演算回路（以下、ＥＣＭ）３２０においてプログラム（ソフトウェア）が実行されることで行われる。各センサの出力はＥＣＭ３２０のＩＯポートに入力される。また、ＥＣＭ３２０がＩＯポートから各部に指令する信号は、ドライバ３２１を介して各部へ出力される。

１つのバルブのために開弁用電磁弁３０５と閉弁用電磁弁３１２がひとつずつある。１つのシリンダに２つの吸気バルブと２つの排気バルブがあるので、６気筒エンジンでは、全部で２４個のバルブがあり、電磁弁は４８個となる。

図４に示されるように、バルブ本体３０２は、油圧制御室３０４内からシリンダヘッド（図示せず）を貫通させて設けられた軸部３２２と、軸部３２２の先端で径が拡大されシリンダと吸排気ポート（図示せず）を遮断する傘部３２３と、軸部３２２の途中で径が拡大されたコッタ３２４とからなる。コッタ３２４には、スプリング３０３の後端を覆うアッパーシート３２５が当接されている。スプリング３０３の先端はシリンダヘッドに支持されている。これにより、油圧制御室３０４に動作油が導入されると、バルブ本体３０２がシリンダ内に向けて移動（リフト）し、傘部３２３がシリンダとポートを開放する。油圧制御室３０４と低圧供給ユニット３１０からのライン３１１との接続口を閉弁用電磁弁３１２のプランジャ３１３に取り付けられた油抜き弁３１４が開放すると、スプリング３０３の力でバルブ本体３０２が元に戻る。バルブ本体３０２の戻り位置（傘部３２３が完全に遮断となる位置）に合わせて、磁石３２６が設けられる。この磁石３２６は、アッパーシート３２５を吸引することでバルブ本体３０２を戻り位置に安定確保するためのものである。

図５（ａ）に示されるように、リフト量を制御することができる。すなわち、開弁用電磁弁３０５に印加する開弁パルス信号の時間幅により油圧制御室３０４に導入される油量を増減することで、バルブ本体３０２が押し下げられる距離、すなわちリフト量が制御できる。閉弁の動作は、基本的に全閉状態（傘部３２３が完全に遮断の状態）になるまで行うものとし、途中保持は行わないので、閉弁パルス信号の時間幅は開弁時のリフト量に対して十分余裕を持った長い時間とするのが好ましい。

図５（ｂ）に示されるように、開弁タイミングを変化させることができる。また、図５（ｃ）に示されるように、閉弁タイミングを変化させることができる。開弁パルス信号、閉弁パルス信号を何度のクランク角度で出力するかによりバルブを開く時期、閉じる時期が決まる。

このようにカムレスエンジンでは、開閉時期とリフト量が機械的にクランク角度に依存するのではなく、ＥＣＭ３２０からのパルス信号により開閉時期とリフト量を自由に制御することができる。実際には、ＥＣＭ３２０は、エンジン状態を表すエンジンパラメータに基づいて適切な開閉時期及びリフト量を求め、これに基づいて開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を生成することになる。

再表０２／０７９６１４号公報

図３に示した研究開発中の弁開閉制御装置３０１において、前述したように、閉弁パルス信号の時間幅は開弁時のリフト量に対して十分余裕を持った長い時間（例えば、２５ｍｓ）とすることで、バルブが全閉となることを保証していた。

ところが、エンジン回転速度が高くなると、閉弁パルス信号の時間幅をあまり長くとることができなくなる。なぜならば、エンジン回転速度が高くなると、閉弁パルス信号の出力中に、次の閉弁時期が来てしまうことがあり得るからである。例えば、エンジン回転速度が３０００ｒｐｍのとき、１回転当たり２０ｍｓとなるので、１エンジンサイクルは４０ｍｓとなる。これよりさらにエンジン回転速度が高くなると、１エンジンサイクルの時間幅が閉弁パルス信号の時間幅に近づいてくる。このようにして、閉弁パルス信号の出力中に、次の閉弁時期が来てしまうと、制御シーケンスが乱れてしまう。また、閉弁用電磁弁３１２によって油抜き弁３１４が開放されたままになるため、開弁用電磁弁３０５を駆動してもバルブ本体３０２をリフトさせることができなくなる。つまり、ある程度より高いエンジン回転速度ではエンジンを制御することができない。

このように、弁開閉制御装置３０１の閉弁パルス信号の時間幅をあまり長くしてしまうと、それのためにエンジン回転速度の上限が規定されてしまう。研究開発の初期段階では、それでも問題なかったが、カムレスエンジンを実用の領域に近づけるには、エンジン回転速度を高めていく必要がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジン回転速度の上限が高められる弁開閉制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本願発明は、シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、前記バルブ本体のシリンダ内への突き出し量であるリフト量が減少する方向に前記バルブ本体を付勢するスプリングと、前記シリンダヘッドの外部から動作油で圧することにより、前記スプリングに抗して前記バルブ本体をシリンダ内に突き出す油圧制御室と、開弁して前記油圧制御室に動作油を導入する開弁用電磁弁と、開弁して前記油圧制御室から動作油を抜き出す閉弁用電磁弁と、前記開弁用電磁弁を開弁してリフト量を増加させ、前記開弁用電磁弁を閉弁してリフト量の増加を停止させ、前記閉弁用電磁弁を開弁してリフト量を減少させ、リフト量のない状態に戻すリフト制御部とを備えた弁開閉制御装置において、前記バルブ本体のリフト量を検出するリフト量センサと、前記リフト制御部が前記閉弁用電磁弁を開弁し始めた後、前記リフト量センサが検出するリフト量があらかじめ設定された下限値を下回ったとき、前記閉弁用電磁弁を閉弁する動作確認閉弁終了部と、前記リフト制御部が前記閉弁用電磁弁を開弁し始めてからの経過時間を測定する経過時間測定部と、測定された経過時間が、前記閉弁用電磁弁が過熱されない範囲内であらかじめ設定した上限値に達したとき、前記閉弁用電磁弁を閉弁する時間制限閉弁終了部とを備えたものである。

前記閉弁用電磁弁が前記時間制限閉弁終了部によって閉弁された場合に警告を行うものでもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）エンジン回転速度の上限が高められる。

本発明の一実施形態を示す弁開閉制御装置の回路構成図である。本発明の弁開閉制御装置における弁開閉時タイミングチャートである。研究開発中の弁開閉制御装置の構成図である。バルブ本体の拡大図である。（ａ）は可変リフト量を説明する図、（ｂ）は開弁タイミング可変を説明する図、（ｃ）は閉弁タイミング可変を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る弁開閉制御装置１は、図３の弁開閉制御装置３０１に対しソフトウェアに改良を加えたものである。

すなわち、弁開閉制御装置１は、シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体３０２と、バルブ本体３０２をリフトしない方向に付勢するスプリング３０３と、シリンダヘッドの外部からバルブ本体３０２を動作油で圧することにより、スプリング３０３に抗してバルブ本体３０２をシリンダ内にリフトさせる油圧制御室３０４と、油圧制御室３０４に動作油を導入する開弁用電磁弁３０５と、油圧制御室３０４から動作油を抜き出す閉弁用電磁弁３１２と、開弁用電磁弁３０５を駆動してバルブ本体３０２をリフトさせ、閉弁用電磁弁３１２を駆動して前記リフトされたバルブ本体３０２をリフトされない状態に戻すリフト制御部２とを備えた弁開閉制御装置１である。

本発明の弁開閉制御装置１は、バルブ本体３０２のリフト量を検出するリフト量センサ３１８と、リフト制御部２が閉弁用電磁弁３１２を駆動し始めた後、リフト量センサ３１８が検出するリフト量があらかじめ設定された下限値を下回ったとき、閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止する動作確認閉弁終了部３とを備える。

さらに、本発明の弁開閉制御装置１は、リフト制御部２が閉弁用電磁弁３１２を駆動し始めてからの経過時間を測定する経過時間測定部４と、測定された経過時間があらかじめ設定された上限値に達したとき、閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止する時間制限閉弁終了部５とを備える。

リフト制御部２、動作確認閉弁終了部３、経過時間測定部４、時間制限閉弁終了部５は、ＥＣＭ３２０にソフトウェアとして設けられる。ＥＣＭ３２０は、あらかじめ書き込まれたプログラムに従い、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値を求め、その最適値に基づいて開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を生成するものである。なお、エンジン状態を表すエンジンパラメータは、エンジンの燃料噴射制御を行う燃料噴射ＥＣＭ、変速制御を行う変速ＥＣＭ、車両の各部を制御する車両ＥＣＭなど、他のＥＣＭと共通に用いられる公知のものである。開閉時期及びリフト量の最適値とは、それぞれのエンジン状態において排気ガス性能、燃費性能、トルク性能などのエンジン性能を最も高めることのできる開閉時期及びリフト量のことである。

以下、本発明の弁開閉制御装置１の動作を説明する。

図２に示されるように、ＥＣＭ３２０は、エンジンパラメータに応じて開閉時期（目標クランク角度）及びリフト量の最適値を求め、その開弁時期にリフト量制御開弁が実行できるよう、開弁パルス信号の出力時期と時間幅を決定する。これに従いリフト制御部２が開弁パルス信号をドライバ３２１に出力する。

開弁パルス信号が立ち上がると開弁用電磁弁３０５が駆動され、ライン３０６，３０８間を塞いでいたプランジャ３０９が退くことにより、高圧の動作油が油圧制御室３０４に導入される。これにより、バルブ本体３０２が押し下げられ、シリンダ内に突き出される。よって、シリンダ内への突き出し量であるリフト量は、開弁パルス信号の立ち上がり後、増加し始める。開弁パルス信号が立ち下げられると、開弁用電磁弁３０５の駆動が停止され、プランジャ３０９が進出してライン３０６，３０８間を塞ぐため、油圧制御室３０４には動作油が導入されなくなる。よって、リフト量の増加が止まる。

その後、閉弁時期になると、リフト制御部２は閉弁パルス信号をドライバ３２１に出力する。ただし、本発明においては、閉弁パルス信号はあらかじめ時間幅を設定してあるのでなく、リフト制御部２が立ち上げを行い、動作確認閉弁終了部３が立ち下げを行うようになっている。

閉弁パルス信号が立ち上がると閉弁用電磁弁３１２が駆動され、閉弁用電磁弁３１２の接続口を塞いでいた油抜き弁３１４がプランジャ３１３によって開かれる。油圧制御室３０４の動作油が低圧供給ユニット３１０に抜けて、バルブ本体３０２がスプリング３０３によって押し上げられる。よって、リフト量が減少する。

動作確認閉弁終了部３は、リフト量センサ３１８が検出するリフト量があらかじめ設定された下限値を下回ったとき、閉弁パルス信号を立ち下げることにより、閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止する。図２の下限値は、図を見やすくするためにリフト量＝０のラインより離して示したが、シリンダと吸排気ポートが傘部３２３によって完全に遮断された状態、すなわちリフト量＝０とみなせる十分小さい値とするのが望ましい。

このように、閉弁用電磁弁３１２の駆動停止が実際にバルブ本体３０２のリフト量が下限値を下回ったという動作確認によって行われるので、閉弁パルス信号の時間幅が短くなる。これにより、エンジン回転速度が高い場合でも、閉弁パルス信号が１エンジンサイクルに及ぶことがなくなり、エンジン回転速度の上限が高められる。

ところで、閉弁パルス信号の時間幅を設定しない本発明では、リフト量センサ３１８が検出するリフト量が下限値を下回るまで閉弁パルス信号が出続ける。仮に、バルブ本体３０２が何かの故障によって戻らなくなった、あるいは戻りが遅いとき（破線による図示例は、戻りが遅い場合）、そのまま閉弁パルス信号が出続けると、閉弁用電磁弁３１２に電流が流れ続け、過熱のおそれが出てくる。

そこで、本実施形態では、リフト制御部２によって閉弁用電磁弁３１２が駆動され始めてからの経過時間を経過時間測定部４が測定する。測定された経過時間があらかじめ設定された上限値に達したとき、時間制限閉弁終了部５が閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止する。これにより、上限値より長く閉弁パルス信号が出続けることはなくなり、閉弁用電磁弁３１２の過熱は防止される。経過時間の上限値は、実験により設定するとよい。

時間制限閉弁終了部５によって閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止した場合、電気系統、油圧系統、機械系統の何かに異常があると考えられるので、音声やランプで警告を行うとよい。

以上説明したように、本発明の弁開閉制御装置１によれば、リフト制御部２が閉弁用電磁弁３１２を駆動し始めた後、リフト量センサ３１８が検出するリフト量があらかじめ設定された下限値を下回ったとき、動作確認閉弁終了部３が閉弁用電磁弁３１２の駆動を停止する。これにより、速やかに閉弁パルス信号が立ち下げられるため、カムレスエンジンの回転に閉弁パルス信号による制約がなくなり、エンジン回転速度の上限が高められる。

１弁開閉制御装置
２リフト制御部
３動作確認閉弁終了部
４経過時間測定部
５時間制限閉弁終了部
３０２バルブ本体
３０３スプリング
３０４油圧制御室
３０５開弁用電磁弁
３１２閉弁用電磁弁
３１８リフト量センサ
３２１ドライバ

Claims

シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、
前記バルブ本体のシリンダ内への突き出し量であるリフト量が減少する方向に前記バルブ本体を付勢するスプリングと、
前記シリンダヘッドの外部から動作油で圧することにより、前記スプリングに抗して前記バルブ本体をシリンダ内に突き出す油圧制御室と、
開弁して前記油圧制御室に動作油を導入する開弁用電磁弁と、
開弁して前記油圧制御室から動作油を抜き出す閉弁用電磁弁と、
前記開弁用電磁弁を開弁してリフト量を増加させ、前記開弁用電磁弁を閉弁してリフト量の増加を停止させ、前記閉弁用電磁弁を開弁してリフト量を減少させ、リフト量のない状態に戻すリフト制御部とを備えた弁開閉制御装置において、
前記バルブ本体のリフト量を検出するリフト量センサと、
前記リフト制御部が前記閉弁用電磁弁を開弁し始めた後、前記リフト量センサが検出するリフト量があらかじめ設定された下限値を下回ったとき、前記閉弁用電磁弁を閉弁する動作確認閉弁終了部と、
前記リフト制御部が前記閉弁用電磁弁を開弁し始めてからの経過時間を測定する経過時間測定部と、
測定された経過時間が、前記閉弁用電磁弁が過熱されない範囲内であらかじめ設定した上限値に達したとき、前記閉弁用電磁弁を閉弁する時間制限閉弁終了部とを備えたことを特徴とする弁開閉制御装置。
前記閉弁用電磁弁が前記時間制限閉弁終了部によって閉弁された場合に警告を行うことを特徴とする請求項１記載の弁開閉制御装置。