JP5589635B2

JP5589635B2 - カムレスエンジン弁開閉制御装置

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Publication number: JP5589635B2
Application number: JP2010163222A
Authority: JP
Inventors: 菊太郎宇田川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP2012026301A

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カムレスエンジン弁開閉制御装置に係り、制御デバイスのソフトウェア及びハードウェア動作異常からエンジンを保護すると共に、エンジン性能をエンジン保護の限界まで高めるカムレスエンジン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６に、カムレスエンジンの弁開閉機構を示す。弁開閉機構は、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６０１は、スプリング６０２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６０１の上端側を動作油で圧してバルブ本体６０１を押し下げるための油圧制御室６０３が設けられている。油圧制御室６０３には、開弁用電磁弁６０４からの動作油が導入されるラインが接続されている。開弁用電磁弁６０４には、高圧の動作油を供給する高圧油圧ポンプ６０５からの動作油が導入されるラインが接続されている。開弁用電磁弁６０４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６０４内でライン同士を塞いでいたプランジャが退くことにより、高圧の動作油が油圧制御室６０３に導入され、バルブ本体６０１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が進出して油圧制御室６０３への動作油の導入が止まる。

油圧制御室６０３には、低圧の動作油を蓄える低圧供給ユニット６０６からのラインが接続されている。その接続口は、閉弁用電磁弁６０７のプランジャに取り付けられた油抜き弁によって塞がれている。閉弁用電磁弁６０７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がプランジャによって開かれ、油圧制御室６０３の動作油が低圧供給ユニット６０６に抜けるため、バルブ本体６０１がスプリング６０２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６０５は、クランクシャフト６０８により駆動される。クランクシャフト６０８には、クランク角度検出用のクランク角度プーリ６０９が取り付けられている。

クランク角度プーリ６０９に臨ませてクランク角度センサ６１０が設けられている。シリンダヘッドには、バルブ本体６０１の変位量であるリフト量を検出するリフト量センサ６１１が設けられている。高圧油圧ポンプ６０５からの油圧のラインには、油圧を検出する油圧センサ６１２が設けられている。

弁開閉機構の制御は、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）６１３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ＥＣＭ６１３のＩＯポートに入力される。また、ＥＣＭ６１３がＩＯポートから各部に指令する信号は、ドライバ６１４を介して各部へ出力される。

１つのバルブのための弁開閉機構に開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７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７（ａ）に示されるように、バルブのリフト量（燃焼室内への突き出し量）を制御することができる。すなわち、開弁用電磁弁６０４に印加する開弁パルス信号の時間幅により油圧制御室６０３に導入される油量を増減することで、バルブ本体６０１が押し下げられる距離、すなわちリフト量が制御できる。閉弁は基本的に全閉状態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７（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７（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、ＥＣＭ６１３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、ＥＣＭ６１３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

従来のカムレスエンジン弁開閉制御装置では、図８に示されるように、ＥＣＭ６１３が出力した開弁パルス信号と閉弁パルス信号は、ドライバ６１４を介して電力が増幅されて開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に伝達される。

ＥＣＭ６１３においてソフトウェア及びハードウェアが正常に動作していれば、エンジン状態に最適の時期に最適のリフト量でバルブが開閉される。しかし、ＥＣＭ６１３のハードウェア故障あるいはソフトウェアバグによる動作異常のために、不適切なクランク角度、リフト量でバルブの開弁指示信号が出力されたり、閉じるべき時期になっても閉弁指示信号が出力されなかったりすると、燃焼室内に突き出したバルブ本体６０１と上昇してきた（または下降し始めた）ピストンヘッド８０１が衝突してエンジン故障の原因となる。ＥＣＭ６１３に書き込む保護ソフトウェアでは、ＥＣＭ６１３のハードウェア故障や当該保護ソフトウェアをすり抜けて出力された不適切な開弁パルス信号又は閉弁パルス信号に対して対処することができない。

また、ＥＣＭ６１３では、エンジンパラメータに基づいて開閉時期及びリフト量を求めるが、このとき、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最適値を求めるのが好ましい。しかし、このようにエンジン性能を優先して求められた最適値は、燃焼室内に突き出したバルブ本体６０１がピストンヘッド８０１に衝突する可能性を含んでしまうことがある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、制御デバイスのソフトウェア及びハードウェア動作異常からエンジンを保護すると共に、エンジン性能をエンジン保護の限界まで高めるカムレスエンジン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発明は、シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、該バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、導入される動作油で圧して前記バルブ本体を前記スプリングに抗して押し下げて開弁する油圧制御室とを有するカムレスエンジンの吸排気バルブと、前記油圧制御室に動作油を供給して前記吸排気バルブを開弁する開弁用電磁弁と、前記油圧制御室内の動作油を抜いて前記吸排気バルブを閉弁する閉弁用電磁弁とを備え、前記カムレスエンジンの吸排気バルブの開弁用電磁弁と閉弁用電磁弁に対して開弁の時期と閉弁の時期に各電磁弁の作動時間を時間幅とする開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を出力して吸排気を制御するカムレスエンジン弁開閉制御装置において、あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイスからなり、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主制御デバイスと、あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイスからなり、書き込まれたプログラムに従い、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全値を読み出し、その安全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副制御デバイスと、前記主制御デバイス及び前記副制御デバイスの動作異常を判定する動作判定回路とその判定結果に従って前記開弁パルス信号及び前記閉弁パルス信号を選択または強制的に閉弁させる強制閉弁信号を選択して出力する信号選択回路とを有する固定論理回路からなり、前記動作判定回路は、前記主制御デバイスと前記副制御デバイスのそれぞれから開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を受け取ると共に、前記主制御デバイスと前記副制御デバイスの動作を監視し、前記主制御デバイスの動作が正常であれば、前記主制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力し、前記主制御デバイスの動作が異常で前記副制御デバイスの動作が正常であれば、前記副制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力し、前記主制御デバイスの動作と前記副制御デバイスの動作が異常であれば、前記信号選択回路が前記閉弁用電磁弁に対して強制閉弁信号を出力して前記吸排気バルブを閉弁する安全回路とを備えたものである。

前記主制御デバイスは、前記副制御デバイスの動作を監視し、前記副制御デバイスの動作が異常であれば、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値よりも安全値側の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してもよい。

前記副制御デバイスは、前記主制御デバイスが求めた開閉時期及びリフト量の最適値から排気バルブ及び吸気バルブの開閉とリフト量の軌跡を推定すると共にピストンの上死点付近で設定されたエンジン回転速度に基づく新規開弁禁止領域と強制閉弁領域から、前記排気バルブ及び吸気バルブの軌跡がピストンと衝突する可能性が高い、開閉時期及びリフト量の限界値があらかじめ設定されており、前記主制御デバイスが求めた最適値が限界値を超えているときは、前記安全回路に保護動作を要求し、前記安全回路の前記動作判定回路は、保護動作が要求されたとき、前記開弁用電磁弁に対する開弁パルス信号の出力を禁止すると共に、前記信号選択回路を介して前記閉弁用電磁弁に対して強制閉弁信号を出力してもよい。

前記副制御デバイスは、前記主制御デバイスが求めた開閉時期及びリフト量の最適値から排気バルブ及び吸気バルブの開閉とリフト量の軌跡を推定すると共にピストンの上死点付近で設定されたエンジン回転速度に基づく新規開弁禁止領域と強制閉弁領域から、前記排気バルブ及び吸気バルブの軌跡がピストンと衝突する可能性が高い、開閉時期及びリフト量の限界値があらかじめ設定されており、前記主制御デバイスが求めた最適値が限界値を超えているときは、前記安全回路に保護動作を要求し、前記安全回路の前記動作判定回路は、保護動作が要求されたとき、前記副制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を、前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）制御デバイスのソフトウェア及びハードウェア動作異常からエンジンを保護することができる。

（２）エンジン性能をエンジン保護の限界まで高めることができる。

本発明の一実施形態を示すカムレスエンジン弁開閉制御装置の構成図である。本発明に用いる安全回路の詳細回路図である。本発明における排気ＴＤＣ付近でのバルブ開閉禁止領域を示す図である。（ａ）は通常モードでの開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを示す図、（ｂ）は通常モードでの保護動作における開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを示す図、（ｃ）はリンプモードでの開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを示す図、（ｄ）はバックアップモードでの開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを示す図、（ｅ）は制御停止モードでの開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを示す図である。本発明における弁開閉制御手順を示すフローチャートである。弁開閉機構の構成図である。（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。従来の弁開閉制御装置の構成図である。

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、本発明に係るカムレスエンジン弁開閉制御装置（以下、弁開閉制御装置）１は、図６のカムレスエンジンの吸排気バルブの開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に対して開弁の時期と閉弁の時期に各電磁弁の作動時間を時間幅とする開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を出力して吸排気を制御する弁開閉制御装置１である。弁開閉制御装置１は、主制御デバイス２と副制御デバイス３と安全回路４とを備える。

主制御デバイス２は、あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイス、いわゆるＥＣＭから構成される。主制御デバイス２は、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。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。

副制御デバイス３は、あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイス、いわゆるＥＣＭから構成される。副制御デバイス３は、主制御デバイス２とは独立して動作するデバイスであり、主制御デバイス２と同じ半導体チップ内に収容してもよいが、主制御デバイス２とは別の半導体チップに収容するのが好ましい。副制御デバイス３は、主制御デバイス２と命令ステップ数やメモリ容量やＩＯポート数が同等のデバイスを用いてもよいが、エンジン保護目的に特化したプログラムのみを実行できればよいので、命令ステップ数やメモリ容量やＩＯポート数が小さい低コストなデバイスで実現できる。副制御デバイス３は、書き込まれたプログラムに従い、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全値を読み出し、その安全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。安全値とは、バルブ本体６０１がピストンヘッド８０１に衝突する可能性が全くないように設定された開閉時期及びリフト量のことであり、エンジン状態に関係なく固定の値である。

安全回路４は、論理素子を複数組み合わせた固定論理回路、いわゆるディスクリート回路から構成される。安全回路４は、主制御デバイス２と副制御デバイス３のそれぞれから開弁パルス信号及び閉弁パルス信号（図中は、開、閉と記す）を受け取ると共に、主制御デバイス２と副制御デバイス３の動作を監視し、主制御デバイス２の動作が正常であれば、主制御デバイス２が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に対して出力し、主制御デバイス２の動作が異常で副制御デバイス３の動作が正常であれば、副制御デバイス３が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に対して出力し、主制御デバイス２の動作と副制御デバイス３の動作が異常であれば、閉弁用電磁弁６０７に対して強制閉弁信号を出力するものである。

主制御デバイス２、副制御デバイス３の動作異常の判定には、例えば、ウォッチドッグを用いる。ウォッチドッグでは、主制御デバイス２、副制御デバイス３がそれぞれプログラムに従って所定時間未満の間隔で繰り返し出力するウォッチドッグパルス（Watch Dog Pulse；ＷＤＰ）をウォッチドッグタイマ（Watch Dog Timer；ＷＤＴ）と呼ばれる論理回路で監視し、ＷＤＴに所定時間以上ＷＤＰが到着しなければ、当該デバイスのソフトウェア又はハードウェアに動作異常があると判定する。

なお、他のＥＣＭにもＷＤＴを設け、主制御デバイス２や副制御デバイス３の動作を監視し、主制御デバイス２や副制御デバイス３に動作異常があるときは、燃料噴射停止、エンジン補機の制御、警報を行うようにすることができる。

強制閉弁信号は、閉弁パルス信号と同じ時間幅のパルス信号でもよいが、閉弁パルス信号よりもさらに長い時間幅のパルス信号とするのが好ましい。

本実施形態では、主制御デバイス２は、副制御デバイス３の動作を監視し、副制御デバイス３の動作が異常であれば、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値よりも安全値側の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ようになっている。

本実施形態では、副制御デバイス３は、エンジン回転速度に基づくピストンの上死点付近でのピストンの軌跡と、排気バルブ及び吸気バルブの開閉時期及びリフト量に基づく軌跡とから、ピストンと排気バルブ及び吸気バルブとが衝突しないために、あらかじめ開閉時期及びリフト量の限界値が設定されており、主制御デバイス２が求めた最適値を図示しない信号線で監視し、主制御デバイス２が求めた最適値が限界値を超えているときは、安全回路４に図示しない信号線を介して保護動作を要求するようになっている。そして、安全回路４は、保護動作が要求されたとき、開弁用電磁弁６０４に対する開弁パルス信号の出力を禁止すると共に、閉弁用電磁弁６０７に対して強制閉弁信号を出力するようになっている。あるいは、安全回路４は、保護動作が要求されたとき、副制御デバイス３が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に対して出力するようにもできる。

本実施形態では、安全回路４は、主制御デバイス２と副制御デバイス３のいずれかの動作が異常であれば、運転者に対する警報を適宜な視聴覚的手段によって行うように構成される。

安全回路４が出力した開弁パルス信号と閉弁パルス信号は、ドライバ５を介して電力が増幅されて開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７に伝達されるようになっている。また、カムレスエンジンのクランク角度を検出するクランク角度センサ６１０（図６参照）とリフト量を検出するリフト量センサ６１１から、主制御デバイス２及び副制御デバイス３にクランク角度とリフト量が入力されている。

図２に詳しく示されるように、安全回路４は、ＷＤＴによって主制御デバイス２及び副制御デバイス３の動作異常を判定する動作判定回路６と、その判定結果に従って開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を選択するかまたは強制的に閉弁させる強制閉弁信号を選択して出力する信号選択回路７とを有する。動作判定回路６は、前述したウォッチドッグタイマＷＤＴと強制閉弁信号の出力回路とを有する。信号選択回路７は、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＯＴ回路などの組み合わせからなるが、図示した組み合わせに限らずとも、同じ論理を持つ回路は構成できる。

図３により、副制御デバイス３におけるエンジン保護機能を説明する。横軸はクランク角度、縦軸はバルブ位置とピストン位置である。ピストンの軌跡と代表的な排気バルブ及び吸気バルブの軌跡が太線で示されている。排気バルブ及び吸気バルブの軌跡は、開閉時期及びリフト量により変動する。

副制御デバイス３は、主制御デバイス２が求めた開閉時期及びリフト量の最適値について、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突の可能性判断を行う。可能性があるのはピストンヘッド８０１が上死点（Top Dead Center；ＴＤＣ）付近にある場合であって、具体的には、ピストンヘッド８０１がバルブ本体６０１の最大突き出し位置よりＴＤＣ側に位置するときに、バルブ本体６０１が燃焼室内に突き出ると衝突する可能性が高い。ピストンヘッド８０１がバルブ本体６０１の最大突き出し位置よりも下死点側に位置するときは、衝突の可能性はない。また、開弁、閉弁とも、パルス信号が印加されてからバルブ本体６０１が動き出すまでの応答時間と、バルブ本体６０１が動き出してから目標リフト量になるまでの移動時間とによる遅延がある。開弁時の遅延を開弁遅延、閉弁時の遅延を閉弁遅延という。このため、ＴＤＣ前後（図では左右）に、新たに開弁パルス信号を出力してはいけない新規開弁禁止領域（斜線ハッチングで示す）と、開弁していれば速やかに閉弁しなければならない強制閉弁領域（メッシュハッチングで示す）とが存在する。この新規開弁禁止領域及び強制閉弁領域はエンジン回転速度に基づき決定され、他方バルブ本体６０１の開閉軌跡は、開弁用電磁弁６０４と閉弁用電磁弁６０７の応答特性とスプリング６０２のばね定数に基づき、エンジン回転速度に依存することなく開閉時期とリフト量で決定される。よって、新規開弁禁止領域及び強制閉弁領域によって、ピストンとバルブ本体６０１とが衝突しない開閉時期及びリフト量の限界値が規定される。なお、遅延は、エンジン回転速度に依存せず、ほぼ一定の時間であるから、エンジン回転速度が上昇して図示上の単位クランク角度当たりの時間が短くなると、相対的に遅延のクランク角度が大きくなり、新規開弁禁止領域及び強制閉弁領域は左右に拡大する。

副制御デバイス３は、主制御デバイス２が求めた開閉時期及びリフト量の最適値から排気バルブ及び吸気バルブの軌跡を推定し、この軌跡が新規開弁禁止領域又は強制閉弁領域に入るようであれば、最適値が限界値を超えているとして、安全回路４に保護動作を要求することになる。

本発明の弁開閉制御装置１は、基本的には、複数のＥＣＭによって冗長系あるいは二重系と呼ばれるフェイルセーフ制御系が構築されたものである。このフェイルセーフ制御系に論理回路からなる安全回路４が付加されている。主制御デバイス２、副制御デバイス３、安全回路４の主な役割と特性を表１に示す。

以下、本発明の弁開閉制御装置１の動作を説明する。

１．通常モード
通常モードは、主制御デバイス２と副制御デバイス３がいずれも動作が正常なときのモードである。通常モードでは、基本的には、主制御デバイス２が性能優先で求めた開閉時期及びリフト量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し、この開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を安全回路４が出力する。図４（ａ）に示されるように、主制御デバイス２による開弁パルス信号及び閉弁パルス信号で開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７が制御される。太い矢印は開弁パルス信号及び閉弁パルス信号の流れを表している。

ただし、副制御デバイス３において、最適値と限界値の比較により、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１が衝突する可能性があると判断された場合、保護動作となる。すなわち、安全回路４において、主制御デバイス２の開弁パルス信号及び閉弁パルス信号は遮断され、開弁用電磁弁６０４に対しては開弁パルス信号の出力が禁止され、閉弁用電磁弁６０７に対しては強制閉弁信号が出力される。この場合、エンジン運転は不可能になる。

図４（ｂ）に示されるように、保護動作として、副制御デバイス３が安全値に基づいて生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を出力するようにしてもよい。この場合、エンジン運転は可能である。

２．リンプ（Limp）モード
リンプモードは、主制御デバイス２の動作が正常で、副制御デバイス３の動作が異常なときのモードである。リンプモードでは、主制御デバイス２が性能優先から安全優先に切り替わる。すなわち、主制御デバイス２は、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値よりも安全値側の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。これは、副制御デバイス３による衝突可能性の判断が得られないため、主制御デバイス２において、衝突可能性を回避した安全優先の開閉時期及びリフト量を求めようというものである。図４（ｃ）に示されるように、主制御デバイス２による開弁パルス信号及び閉弁パルス信号で開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７が制御される。

３．バックアップモード
バックアップモードは、副制御デバイス３の動作が正常で、主制御デバイス２の動作が異常なときのモードである。バックアップモードでは、副制御デバイス３において、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全値に基づいて開弁パルス信号及び閉弁パルス信号が生成され、この開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を安全回路４が開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。

図４（ｄ）に示されるように、副制御デバイス３による開弁パルス信号及び閉弁パルス信号で開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７が制御される。

４．制御停止モード
制御停止モードは、主制御デバイス２と副制御デバイス３がいずれも動作が異常なときのモードである。この場合、エンジン運転は不可能なので、安全回路４は、吸気バルブ及び排気バルブを強制的に閉弁した後、制御を停止する。図４（ｅ）に示されるように、安全回路４からの強制閉弁信号により、閉弁用電磁弁６０７が制御される。

図５に、主制御デバイス２と副制御デバイス３と安全回路４の手順を一括したフローチャートを示す。

ステップＳ１にて、安全回路４は、モードを判定する。すなわち、ウォッチドッグによる動作異常の判定結果に従い、主制御デバイス２と副制御デバイス３が共に正常であれば通常モード、主制御デバイス２が正常で副制御デバイス３が異常であればリンプモード、主制御デバイス２が異常で副制御デバイス３が正常であればバックアップモード、主制御デバイス２と副制御デバイス３が共に異常であれば制御停止モードとなる。

通常モードでは、ステップＳ２にて、主制御デバイス２は、性能優先とし、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。ステップＳ３にて、副制御デバイス３が主制御デバイス２の最適値に対して限界値を適用することにより、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突の可能性を判定する。衝突可能性がない場合、ステップＳ４にて、安全回路４は、主制御デバイス２が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。衝突可能性がある場合、ステップＳ５にて、副制御デバイス３は、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全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。安全回路４は、警報を行うと共に、副制御デバイス３が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。なお、ステップＳ５では、安全回路４は、開弁用電磁弁６０４に対する開弁パルス信号の出力を禁止し、閉弁用電磁弁６０７に対して強制閉弁信号を出力するようにしてもよい。

リンプモードでは、ステップＳ６にて、主制御デバイス２は、安全を見込んで、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値よりも安全値側の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。安全回路４は、警報を行うと共に、主制御デバイス２が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。

バックアップモードでは、ステップＳ７にて、副制御デバイス３は、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全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。安全回路４は、警報を行うと共に、副制御デバイス３が生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を開弁用電磁弁６０４及び閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。

制御停止モードでは、ステップＳ８にて、安全回路４は、警報を行うと共に、強制閉弁信号を閉弁用電磁弁６０７に対して出力する。

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、主制御デバイス２と副制御デバイス３のいずれかにおいてハードウェア又はソフトウェアに動作異常が生じても、正常な制御デバイスによってバルブ開閉が制御できるので、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突によるエンジン破損を防止することができると共に、エンジン運転を維持し、修理工場まで自走して行くことができる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、主制御デバイス２と副制御デバイス３の両方に動作異常が生じても、安全回路４の働きにより強制閉弁が行われるので、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突によるエンジン破損を防止することができる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、プログラム式デジタル演算回路を用いない論理回路で安全回路４を構成したので、安全回路４にはソフトウェア及びハードウェア動作異常が生じず、周囲温度、バッテリ電圧、輻射ノイズ等の環境が過酷になっても、確実にバルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突によるエンジン破損を防止することができる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、副制御デバイス３は、エンジン保護の機能に特化されるので、主制御デバイス２のＥＣＭに比べて低性能のＥＣＭで構成することができ、主制御デバイス２と同じものを副制御デバイス３とする二重系に比べ、低コストで実現できる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、主制御デバイス２と副制御デバイス３の両方が正常な場合においても、副制御デバイス３の働きにより、主制御デバイス２が求めた最適値が限界値を超えているときは、保護動作が行われるので、主制御デバイス２ではエンジン保護を度外視した最適値演算が可能となり、結果的にエンジン性能をエンジン保護の限界まで高めることができる。

本発明の弁開閉制御装置１によれば、主制御デバイス２の動作が正常で副制御デバイス３の動作が異常な場合、副制御デバイス３による保護動作機能が期待できないが、その場合に主制御デバイス２が最適値よりも安全値側の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ので、バルブ本体６０１とピストンヘッド８０１の衝突を極力回避することができる。

１弁開閉制御装置
２主制御デバイス
３副制御デバイス
４安全回路
６０１バルブ本体
６０４開弁用電磁弁
６０７閉弁用電磁弁
８０１ピストンヘッド

Claims

シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、該バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、導入される動作油で圧して前記バルブ本体を前記スプリングに抗して押し下げて開弁する油圧制御室とを有するカムレスエンジンの吸排気バルブと、前記油圧制御室に動作油を供給して前記吸排気バルブを開弁する開弁用電磁弁と、前記油圧制御室内の動作油を抜いて前記吸排気バルブを閉弁する閉弁用電磁弁とを備え、
前記カムレスエンジンの吸排気バルブの開弁用電磁弁と閉弁用電磁弁に対して開弁の時期と閉弁の時期に各電磁弁の作動時間を時間幅とする開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を出力して吸排気を制御するカムレスエンジン弁開閉制御装置において、
あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイスからなり、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主制御デバイスと、
あらかじめ書き込まれたプログラムを実行するデバイスからなり、書き込まれたプログラムに従い、あらかじめ設定された開閉時期及びリフト量の安全値を読み出し、その安全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副制御デバイスと、
前記主制御デバイス及び前記副制御デバイスの動作異常を判定する動作判定回路とその判定結果に従って前記開弁パルス信号及び前記閉弁パルス信号を選択または強制的に閉弁させる強制閉弁信号を選択して出力する信号選択回路とを有する固定論理回路からなり、前記動作判定回路は、前記主制御デバイスと前記副制御デバイスのそれぞれから開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を受け取ると共に、前記主制御デバイスと前記副制御デバイスの動作を監視し、前記主制御デバイスの動作が正常であれば、前記主制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力し、前記主制御デバイスの動作が異常で前記副制御デバイスの動作が正常であれば、前記副制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力し、前記主制御デバイスの動作と前記副制御デバイスの動作が異常であれば、前記信号選択回路が前記閉弁用電磁弁に対して強制閉弁信号を出力して前記吸排気バルブを閉弁する安全回路とを備えたことを特徴とするカムレスエンジン弁開閉制御装置。
前記主制御デバイスは、前記副制御デバイスの動作を監視し、前記副制御デバイスの動作が異常であれば、エンジン状態に最適な開閉時期及びリフト量の最適値よりも安全値側の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ことを特徴とする請求項１記載のカムレスエンジン弁開閉制御装置。
前記副制御デバイスは、前記主制御デバイスが求めた開閉時期及びリフト量の最適値から排気バルブ及び吸気バルブの開閉とリフト量の軌跡を推定すると共にピストンの上死点付近で設定されたエンジン回転速度に基づく新規開弁禁止領域と強制閉弁領域から、前記排気バルブ及び吸気バルブの軌跡がピストンと衝突する可能性が高い、開閉時期及びリフト量の限界値があらかじめ設定されており、前記主制御デバイスが求めた最適値が限界値を超えているときは、前記安全回路に保護動作を要求し、
前記安全回路の前記動作判定回路は、保護動作が要求されたとき、前記開弁用電磁弁に対する開弁パルス信号の出力を禁止すると共に、前記信号選択回路を介して前記閉弁用電磁弁に対して強制閉弁信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載のカムレスエンジン弁開閉制御装置。
前記副制御デバイスは、前記主制御デバイスが求めた開閉時期及びリフト量の最適値から排気バルブ及び吸気バルブの開閉とリフト量の軌跡を推定すると共にピストンの上死点付近で設定されたエンジン回転速度に基づく新規開弁禁止領域と強制閉弁領域から、前記排気バルブ及び吸気バルブの軌跡がピストンと衝突する可能性が高い、開閉時期及びリフト量の限界値があらかじめ設定されており、前記主制御デバイスが求めた最適値が限界値を超えているときは、前記安全回路に保護動作を要求し、
前記安全回路の前記動作判定回路は、保護動作が要求されたとき、前記副制御デバイスが生成した開弁パルス信号及び閉弁パルス信号を、前記信号選択回路を介して前記開弁用電磁弁と前記閉弁用電磁弁に対して出力することを特徴とする請求項１又は２記載のカムレスエンジン弁開閉制御装置。