JP5598236B2 - 弁開閉制御装置 - Google Patents

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、運転フィーリングを損なうことなく、エンジン過回転保護ができ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の弁開閉制御装置３０１は、図４に示したバルブ本体の構造により、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に限界がある。この機械的にリフト可能な最大値であるリフト量上限値までは、任意のリフト量を開弁パルス信号の時間幅により制御することができる。

弁開閉制御装置３０１では、エンジン回転速度が過大になると吸排気バルブとピストンとの衝突が懸念される。そこで、エンジン回転速度が過大になった場合、エンジンを保護する制御が必要となる。具体的には、エンジン回転速度が閾値以上になると、燃料噴射量をゼロ（燃料カット）とすることでエンジンの回転を抑制すると共に、吸排気バルブを全閉（リフト禁止）とする。

ところで、空ふかしを行った場合や高速運転から低段のギアでエンジンブレーキをかけた場合、燃料カットしていてもエンジン回転速度が上昇して過回転となることがある。このとき、吸排気バルブを急に全閉にすると、強いエンジンブレーキがかかって運転フィーリングが悪化したり、吸排気バルブが全閉となる前まで高いエンジン回転速度の排気によって強力に過給されていた空気の逃げ場がなくなって吸気管内の圧力が急激に上昇してエンジンの破損を招いたりする。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、運転フィーリングを損なうことなく、エンジン過回転保護ができ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発明は、シリンダ内に吸排気バルブのバルブ本体を電子制御によりリフト量上限値以下の所望のリフト量でリフトさせるリフト制御部と、エンジン回転速度が第一の閾値未満のときは、リフト量上限値を前記バルブ本体が機械的にリフト可能な最大値とし、エンジン回転速度が第一の閾値から第一の閾値より高い第二の閾値までの間であるときは、リフト量上限値をエンジン回転速度の上昇に応じて低下させ、エンジン回転速度が第二の閾値を超えているときには、リフトを禁止するリフト量上限値制御部とを備えたものである。

第二の閾値は、吸排気バルブとピストンが衝突しないことが保証されるエンジン回転速度に設定されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）運転フィーリングを損なうことなく、エンジン過回転保護ができる。

本発明の一実施形態を示す弁開閉制御装置の構成図である。 本発明の弁開閉制御装置におけるリフト量上限値特性図である。 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に対しハードウェアは同じにしたままでソフトウェアに改良を加えたものである。

すなわち、本発明の弁開閉制御装置１は、シリンダ内に吸排気バルブのバルブ本体３０２を電子制御によりリフト量上限値以下の所望のリフト量でリフトさせるリフト制御部２と、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１未満のときは、リフト量上限値をバルブ本体３０２が機械的にリフト可能な最大値（機械的上限値）とし、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１から第一の閾値Ｎ１より高い第二の閾値Ｎ２までの間であるときは、リフト量上限値をエンジン回転速度の上昇に応じて低下させ、エンジン回転速度が第二の閾値Ｎ２を超えているときには、リフトを禁止するリフト量上限値制御部３とを備える。

リフト制御部２及びリフト量上限値制御部３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、本発明の弁開閉制御装置１では、エンジン回転速度が０から第一の閾値Ｎ１まではリフト量上限値は機械的上限値に等しく、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１から第二の閾値Ｎ２まではリフト量上限値は機械的上限値から０まで直線的に低下するよう設定される。エンジン回転速度が第二の閾値Ｎ２から上では、リフトが禁止されており、リフト量上限値を図示すると０となる。第二の閾値Ｎ２は、吸排気バルブ（バルブ本体３０２）とピストンが衝突しないことが保証される最大のエンジン回転速度に設定される。第一の閾値Ｎ１は、実験により、運転フィーリングの悪化や吸気管内の圧力急上昇が回避できるエンジン回転速度に設定される。

リフト制御部２は、エンジン状態に応じて求めた目標とするリフト量がリフト量上限値以下であれば、その目標値のままリフト量を制御する。また、エンジン状態に応じて求めた目標とするリフト量がリフト量上限値を超えていると、目標値をリフト量上限値としてリフト量を制御する。したがって、リフト量は、図２のリフト量上限値より原点側の領域に制御されることになる。

一方、リフト量上限値制御部３は、エンジン回転速度に応じてリフト量上限値を制御する。すなわち、リフト量上限値制御部３は、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１未満のときは、リフト量上限値を機械的上限値とし、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１から第一の閾値Ｎ１より高い第二の閾値Ｎ２までの間であるときは、リフト量上限値をエンジン回転速度の上昇に応じて直線的に機械的上限値から０まで低下させ、エンジン回転速度が第二の閾値Ｎ２を超えているときには、リフトを禁止する。

これにより、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１以上になると、リフト量上限値が機械的上限値より小さく抑えられるが直ちに全閉とはならない。したがって、このエンジン回転速度において燃料カットによりエンジンブレーキが作動したとき、吸排気バルブが全閉ではなく、吸排気が行われている状態となるため、強いエンジンブレーキによる運転フィーリングの悪化がなくなると共に、吸気管内の圧力の急激な上昇がなくなり、エンジンは保護される。

また、エンジン回転速度が第二の閾値Ｎ２以下では、吸排気バルブのリフトが行われるが、第二の閾値Ｎ２が吸排気バルブとピストンが衝突しないことが保証される最大のエンジン回転速度に設定されているため、吸排気バルブとピストンが衝突することはなく、エンジンは保護される。

エンジン回転速度がＮ２を超えると、吸排気バルブをリフトしてしまうと衝突があり得るが、本発明ではリフト禁止としているので、衝突のおそれがなく、エンジンは保護される。

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、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１未満のときは、リフト量上限値を機械的上限値とし、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１から第二の閾値Ｎ２までの間であるときは、リフト量上限値をエンジン回転速度の上昇に応じて低下させ、エンジン回転速度が第二の閾値Ｎ２を超えているときには、リフトを禁止するようにしたので、運転フィーリングを損なうことなく、エンジン過回転保護ができる。

なお、本実施形態では、エンジン回転速度が第一の閾値Ｎ１から第二の閾値Ｎ２までの間において、エンジン回転速度に比例してリフト量上限値が低下するようにしたが、このような低下パターンに限らず、階段状や曲線状の低下パターンであっても、本発明の効果は得られる。

１ 弁開閉制御装置
２ リフト制御部
３ リフト量上限値制御部

Claims (2)

1. シリンダ内に吸排気バルブのバルブ本体を電子制御によりリフト量上限値以下の所望のリフト量でリフトさせるリフト制御部と、
   エンジン回転速度が第一の閾値未満のときは、リフト量上限値を前記バルブ本体が機械的にリフト可能な最大値とし、
   エンジン回転速度が第一の閾値から第一の閾値より高い第二の閾値までの間であるときは、リフト量上限値を機械的にリフト可能な最大値から０までエンジン回転速度の上昇に応じて直線的に低下させ、
   エンジン回転速度が第二の閾値を超えているときには、リフトを禁止するリフト量上限値制御部とを備えた弁開閉制御装置。
2. 第二の閾値は、吸排気バルブとピストンが衝突しないことが保証されるエンジン回転速度に設定された請求項１記載の弁開閉制御装置。