JP5589758B2

JP5589758B2 - 油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置

Info

Publication number: JP5589758B2
Application number: JP2010239557A
Authority: JP
Inventors: 亮北畠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012092696A

Description

本発明は、油圧駆動可変動弁機構のシール性の低下に起因する内燃機関の故障を回避するためのフェイルセーフ制御装置に関するものである。

従来の内燃機関、例えばディーゼルエンジンにおいては、筒内への吸気及び筒内からの排気の動作に際して、吸排気弁をなすバルブをカムシャフトのカム駆動により開閉している。前記カムシャフトは、エンジンのクランクシャフトの回転と同期して回転するため、吸排気バルブの開閉時期はクランクアングルベースでは常に一定のタイミングとなる。

一方、ディーゼルエンジンに対する排出ガス規制や燃費規制は年々厳しくなっており、その規制値の達成には燃焼によるエンジン本体からの排ガスの改善のみならず、エンジンアウト後の排気管内に設置した後処理装置による排気の浄化が必要になっている。エンジン本体における燃焼による排ガスの改善手法としては、燃料を圧縮行程早期に噴射し、着火までに混合期間を稼ぐ予混合ディーゼル燃焼などが挙げられる。

しかしながら、前記予混合ディーゼル燃焼は、着火が化学反応に依存するため、着火時期の制御が困難であることや、高負荷域での適用が困難であることが問題点となっている。また、前記後処理装置による排ガスの浄化は、触媒の温度に依存するため、特に冷間始動時などにおいて、触媒が活性を得るまでにある程度の時間を要するという問題がある。

このような問題を解消する一つの方法として、前記バルブの開閉をカムではなく作動油の油圧で行い、バルブの開閉時期を任意に設定することが可能な油圧駆動可変動弁機構（例えば特許文献１参照）を適用することが有用であると考えられる。例えば、予混合ディーゼル燃焼時の着火制御や高負荷側での運転に際しては、吸気弁開弁時期を遅角することにより有効圧縮比（圧縮端圧力）の低下が可能となり、後処理装置の昇温には排気弁開弁時期を燃焼期間中まで進角することにより高温の排ガスの供給が可能となる。

前記油圧駆動可変動弁機構においては、図５に示すようにバルブ１２を駆動するための制御室（圧力室）２４を有しており、この制御室２４へ供給孔２７から高圧の油圧を投入することによりプランジャ１７を介してしてバルブ１２を開弁し、制御室２４内の油圧を圧力開放室２８における排出弁３０の開弁により逃すことでバルブスプリング（弁バネ）２０の反力及び磁石２３の吸引力により閉弁するようになっている。そのため、制御室２４への油圧の投入時期および投入期間を制御することでバルブ１２の開閉時期およびリフト量を任意に設定することが可能となる。

特開２００３−３２８７１３号公報

ところで、前述した油圧駆動可変動弁機構においては、バルブ１２の開閉を油圧の供給、排出により行っているため、制御室２４と圧力開放室２８との間をシールしている排出弁３０の摩耗やエロージョン（浸食）によりシール性が低下した場合、開弁時に制御室２４へ供給する油圧を保持することが困難となり、シール性の低下の度合が軽微であればバルブリフト量が低下し、重度であればバルブリフト自体が不可能となる。このような症状が一つの弁のみに発生したのであれば、吸排気効率の悪化を引き起こし、２つの吸気弁又は２つの排気弁に前記症状が発生した場合には燃焼が不可能となる。その結果、エンジンの出力低下のみならず、運転不可能な気筒の発生によるエンジン振動の増加が発生し、エンジンに多大な支障を来すことになる。

本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、油圧駆動可変動弁機構のシール性の低下を早期の段階で検出することができ、内燃機関の故障を未然に防止することができる油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブを油圧で開閉する油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置であって、前記バルブにそのバルブリフト量を検出する変位センサを設け、該変位センサから出力されるバルブリフト量から前記油圧駆動可変動弁機構のシール性の低下を検出するようにし、前記変位センサで検出されるバルブリフト量をクランク角３度を１サイクルとして入力し、閉弁指示タイミングからの数サイクル分前までのバルブリフト量の変位量とその時の内燃機関の回転速度からバルブリフト量の変位速度を算出し、該変位速度が所定の閾値を超えた時、前記油圧駆動可変動弁機構のシール性が低下している可能性があると判断し、この状態が内燃機関のサイクルで所定サイクル連続して起った時に前記シール性が異常であると判定するようにしたことを特徴とする油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置である。

前記バルブが、その棒軸部に前記変位センサによりバルブリフト量を検出するためのテーパ状の被検出部を有していることが好ましい。

本発明によれば、油圧駆動可変動弁機構のシール性の低下を早期の段階で検出することができ、内燃機関の故障を未然に防止することができる。

本発明の実施形態に係る油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置を概略的に示す図である。バルブの変位センサを概略的に示す図である。油圧駆動可変動弁機構におけるバルブ駆動例を示す図である。シール性の判定を行うフェイルセーフ制御のフローチャートである。従来の油圧駆動可変動弁機構を概略的に示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。

先ず、図１を用いて内燃機関の燃料供給手段としてのコモンレール式燃料噴射装置について説明する。

内燃機関である例えばディーゼルエンジンの各気筒毎に燃料噴射を実行するインジェクタ（燃焼噴射弁）１が設けられ、このインジェクタ１には、コモンレール２に貯留されたコモンレール圧の高圧燃料が常時供給される。燃料タンク３内の燃料は、燃料フィルタ４を介してフィードポンプ５によって吸引された後、高圧ポンプ６に送られる。この高圧ポンプ６によりコモンレール２に燃料が圧送される。フィードポンプ５のフィード圧は、リリーフ弁からなる圧力調整弁７によって調整され、一定に保たれる。

エンジンは、エンジン全体を制御する制御装置として電子制御ユニット（ＥＣＵ）８を備えている。このＥＣＵ８は、エンジンの運転状態を検出するセンサからの検出信号に基いてエンジンの運転状態を把握すると共に、その運転状態に基いた駆動信号をインジェクタ１の電磁ソレノイドに送ってインジェクタ１を開閉制御する。電磁ソレノイドのオン、オフにより燃料噴射が実行、停止される。燃料噴射停止時には、インジェクタ１から常圧程度の燃料がリターン回路９を介して燃料タンク３に戻される。また、ＥＣＵ８は、エンジンの運転状態に基いて実際のコモンレール圧を目標圧に向けてフィードバック制御する。コモンレール２には実際のコモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサ１０が設けられている。

エンジンのシリンダヘッド１１には、エンジンの吸気弁或いは排気弁をなすバルブ１２が昇降自在に設けられている。バルブ１２は、全体的に軸状に形成され、その棒軸部１２ａの下端部に傘状の弁体１２ｂが設けられている。バルブ１２の閉弁時、バルブ１２は弁体１２ｂにてシリンダヘッド１１の吸気系又は排気系のポート１３のシート部（弁座部）１３ａに燃焼室１４の内側から着座するようになっている。シリンダヘッド１１の上部には燃料噴射弁１が設けられている。また、シリンダヘッド１１の上部にはバルブ１２用のスプリングケース１５を介して油圧駆動可変動弁機構１６のアクチュエータボディ１６ａが設けられている。このアクチュエータボディ１６ａの軸心部には後述の油圧駆動可変動弁機構１６のプランジャ１７が昇降自在に支持されている。

バルブ１２の棒軸１２ａの上端部には楔部材であるコッタ１８を介して弁バネ受けであるアッパーシート１９が取付けられ、このアッパーシート１９にはバルブ１２を閉弁方向（図１の上側）に付勢する弁バネであるコイルバネからなるバルブスプリング２０が圧縮状態で当接されている。前記バルブ１２をアッパーシート１９に組付けるコッタ１８は、逆円錐形又は逆裁頭円錐形に形成されており、中央から左右に二分割可能になっている。前記アッパーシート１９の中央部にはバルブ１２の棒軸部１２ａを挿通する挿通孔２１が設けられていると共に、前記コッタ１８が上方から係合可能な逆円錐状の係合凹部２２が設けられている。

前記アクチュエータボディ１６ａの下端部にはアッパーシート１９を上方（つまりバルブ１２の閉弁方向）に吸引ないし吸着してバルブ１２を閉弁位置に保持するための磁石（永久磁石）２３が設けられている。これらバルブスプリング２０及び磁石２３により、バルブ１２を閉弁方向に付勢する付勢手段が構成されている。油圧駆動可変動弁機構１６においては、バルブ１２の開弁駆動を油圧にて行っているため、バルブ１２を開弁するために投入するエネルギーが駆動損失となる。この駆動損失の低減を図るためにバルブスプリング２０のバネ定数を低くする一方、これによる閉弁力の低下を補うために磁石２３による吸引力を利用し、閉弁状態の保持を行っている。

アクチュエータボディ１６ａ内には、プランジャ１７の上面に面した制御室（圧力室）２４が設けられている。この制御室２４は、バルブ１２を開弁方向（図１の下方）にリフトするための高圧の油圧が供給される個所であり、制御室２４の底面がプランジャ１７の上面によって区画形成されている。なお、プランジャ１７の下端部とバルブ１２の棒軸部１２ａの上端部とは一体に接続されていても良い。

本実施形態では、バルブ１２を開弁するための油圧としてエンジンの燃料と共通の軽油が用いられている。制御室２４内に高圧の軽油が導入されると、その油圧によりバルブ１２がプランジャ１７を介して開弁方向に押されて開弁し、制御室２４内の油圧が開放されると、バルブスプリング２０の付勢力及び磁石２３の吸引力によりバルブ１２が閉弁する。つまり、制御室２４内に作動油を投入することでバルブ１２が開弁し、制御室２４内の作動油を開放することでバルブ１２が閉弁する。

制御室２４の側方（図１中の左側）には、制御室２４への高圧の作動油の供給、供給停止を切り換えるための供給弁（作動油供給手段）２５が設けられている。この供給弁２５にはコモンレール２から高圧の燃料からなる作動油が供給通路２６を介して供給されるようになっている。また、アクチュエータボディ１６ａには制御室２４と供給弁２５を連通する供給孔２７が形成されている。

アクチュエータボディ１６ａにおける制御室２４よりも上方には制御室２４と連通する圧力開放室２８が設けられ、この圧力開放室２８には駆動部である電磁ソレノイド２９によって開閉駆動される排出弁（圧力開放手段）３０が制御室２４の上面を塞ぐように設けられている。アクチュエータボディ１６ａには圧力開放室２８から外部に作動油を排出する排出孔３１が形成され、この排出孔３１は排出通路３２を介してリターン回路９に接続されている。前記供給弁２５および排出弁３０の電磁ソレノイド２９は、ＥＣＵ８により制御されるようになっている。

前記圧力開放室２８における排出弁３０等の摩耗やエロージョンにより油圧駆動可変動弁機構１６のシール性が低下することが考えられる。そこで、油圧駆動可変動弁機構１６のフェイルセーフ制御装置（フェイルセーフ制御システムを含む）として、前記バルブ１２にはそのバルブリフト量を検出する変位センサ３３が設けられ、この変位センサ３３から出力されるバルブリフト量から前記油圧駆動可変動弁機構１６のシール性の低下を検出するように構成されている。前記フェイルセーフ制御装置はＥＣＵ８に組み込まれている。

前記変位センサ３３によりバルブリフト量を検出するために、図２に示すように前記バルブ１２の棒軸部１２ａにはテーパ状の被検出部３４が形成されている。変位センサ３３は、スプリングケース１５内にスプリング２０と干渉しない状態でバルブ１２の棒軸部１２ａの被検出部３４を囲繞するように設けられている。変位センサ３３は検出したバルブリフト量を電圧値として出力するようになっている。バルブリフト量は電圧値としてＥＣＵ８に取り込まれ、ＥＣＵ８は電圧値を特性式からバルブリフト量に換算するようになっている。

油圧駆動可変動弁機構１６におけるバルブ１２の駆動例を示すと図３の通りであり、ＥＣＵ８からの開弁指示信号によりバルブはリフト（リフト量は例えば１０ｍｍ）されて開弁し、所定時間（例えば０．０３秒）後、閉弁指示信号によりリフトが解除されて閉弁するまでの間は目標とするリフト量を保持した状態となる。正常時には実線Ｆで示すようなリフト量が保持されるが、油圧駆動可変動弁機構のシール性が低下すると、破線で示すようにリフト量が低下することになる。

次に、前記フェイルセーフ制御装置により油圧駆動可変動弁機構のシール性の判定を行うフェイルセーフ制御について図４のフローチャートを用いて説明する。先ず、変位センサからの出力をＥＣＵ８に取り込み（Ｓ１）、変位センサの特性式から電圧値をバルブリフト量に換算する（Ｓ２）。前記変位センサで検出されるバルブリフト量をクランク角３度を１サイクルとしてＥＣＵ８に入力し、閉弁指示タイミングからの数サイクル（例えば６サイクル：図３中、６ｓで示す。）分前までのバルブリフト量の変位量とその時の内燃機関の回転速度からバルブリフト量の変位速度Ｖｖａｌｖｅを算出し（Ｓ３）、該変位速度Ｖｖａｌｖｅが所定の閾値Ｃを下回る（Ｖｖａｌｖｅ＜Ｃ）か否かを判断し（Ｓ４）、下回ればシール性が正常と判定する（Ｓ５）。この時の異常可能性の判断回数Ｎは０となる。

一方、変位速度Ｖｖａｌｖｅが所定の閾値Ｃ以上（Ｖｖａｌｖｅ≧Ｃ）である時、前記油圧駆動可変動弁機構１６のシール性が低下している可能性があると判断し（Ｓ６）、この状態がエンジンのサイクルで所定サイクル例えば１０サイクル連続して１０回起っているかを判断し（Ｓ７）、１０回以下の場合、Ｎｏｌｄに１を加算してＳ１に戻り、同様のステップが繰り返され、１０回（Ｎｏｌｄ＝１０）に達したなら、前記シール性が異常であると判定する（Ｓ９）ように構成されている。

以上の構成からなる油圧駆動可変動弁機構１６のフェイルセーフ制御装置によれば、エンジンの吸気弁又は排気弁をなすバルブ１２を油圧で開閉する油圧駆動可変動弁機構１６のフェイルセーフ制御装置であって、前記バルブ１２にそのバルブリフト量を検出する変位センサ３３を設け、該変位センサ３３から出力されるバルブリフト量から前記油圧駆動可変動弁機構１６のシール性の低下を検出するようにしたので、油圧駆動可変動弁機構１６における排出弁３０等の油圧逃がし流路構成部品の摩耗やエロージョンによる経時劣化によるシール性の低下を早期に検出することが可能となる。その結果、各気筒の吸気弁２弁もしくは排気弁２弁が共に動作不良に陥ることを回避でき、エンジンの出力の低下や振動の悪化を防止することができ、エンジンの重大な故障を未然に防止することができる。

前記変位センサ３３で検出されるバルブリフト量をクランク角３度を１サイクルとして入力し、閉弁指示タイミングからの数サイクル分前までのバルブリフト量の変位量とその時のエンジンの回転速度からバルブリフト量の変位速度を算出し、該変位速度が所定の閾値を超えた時、前記油圧駆動可変動弁機構１６のシール性が低下している可能性があると判断し、この状態がエンジンのサイクルで所定サイクル連続して起った時に前記シール性が異常であると判定するようにしているため、油圧駆動可変動弁機構１６のシール性の低下を早期の段階で容易に且つ確実に検出することができ、エンジンの故障を未然に防止することができる。

前記バルブ１２が、その棒軸部１２ａに前記変位センサ３３によりバルブリフト量を検出するためのテーパ状の被検出部３４を有しているため、簡単な構成でバルブリフト量を容易に検出することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。前記実施形態では、可変動弁機構の作動油としてエンジンの燃料（軽油）を利用したが、本発明はこの点において限定されず、作動油はエンジンの燃料以外であっても良い。また、本発明が適用されるエンジンはコモンレール式ディーゼルエンジンに限らず、通常の噴射ポンプ式ディーゼルエンジン或いはガソリンエンジン等であっても良い。

１２バルブ
１６油圧駆動可変動弁機構
３３変位センサ
３４被検出部

Claims

内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブを油圧で開閉する油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置であって、前記バルブにそのバルブリフト量を検出する変位センサを設け、該変位センサから出力されるバルブリフト量から前記油圧駆動可変動弁機構のシール性の低下を検出するようにし、前記変位センサで検出されるバルブリフト量をクランク角３度を１サイクルとして入力し、閉弁指示タイミングからの数サイクル分前までのバルブリフト量の変位量とその時の内燃機関の回転速度からバルブリフト量の変位速度を算出し、該変位速度が所定の閾値を超えた時、前記油圧駆動可変動弁機構のシール性が低下している可能性があると判断し、この状態が内燃機関のサイクルで所定サイクル連続して起った時に前記シール性が異常であると判定するようにしたことを特徴とする油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置。
前記バルブが、その棒軸部に前記変位センサによりバルブリフト量を検出するためのテーパ状の被検出部を有している請求項１記載の油圧駆動可変動弁機構のフェイルセーフ制御装置。