JP5601136B2 - 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、同一エンジンサイクル内で実リフト量を目標リフト量に合致させることができ、しかも、バルブに働く力の変動に対応して実リフト量を目標リフト量に合致させること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、吸排気バルブの開弁時に、種々の要因により、開弁パルス信号の時間幅として与えた目標リフト量とリフト量センサ３１８で検出した実リフト量との間に誤差が生じる。要因としては、動作油の圧力変動、スプリング３０３の力のバラツキなどがある。弁開閉制御装置３０１では、目標リフト量と実リフト量との誤差を減らすため、目標リフト量に対して実リフト量に過不足があるとその過不足分で目標リフト量を補正するフィードバック制御を行っている。

しかしながら、開弁パルス信号が出力されてから、弁が開き始める（バルブ本体のリフトが始まる）までに、種々の要因による遅延がある。要因としては、シリンダ内とポート間の圧力差、電磁弁の遅延、油圧系統の遅延などがある。このため、実リフト量を目標リフト量にリアルタイムで一致させられない。そこで、当該エンジンサイクルで算出した補正量は、次回以降のエンジンサイクルの目標リフト量にフィードバックしている。

このフィードバック制御では、誤差がゼロに収束するまで、例えば、数十エンジンサイクルにわたる時間を要する。エンジンパラメータが安定している定常運転であれば、目標リフト量も安定しており、収束を待つことができるが、エンジンパラメータが激しく変化する過渡運転では、目標リフト量が頻繁に変化するため、実リフト量を目標リフト量に追従させることはできない。また、定常運転で目標リフト量が安定であっても、筒内圧力や作動油圧力が変動するとリフト量が変動するため、実リフト量が目標リフト量に合わなくなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、同一エンジンサイクル内で実リフト量を目標リフト量に合致させることができ、しかも、バルブに働く力の変動に対応して実リフト量を目標リフト量に合致させること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、シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、前記バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、前記シリンダヘッドの外部から前記バルブ本体を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リフトさせる油圧制御室と、前記油圧制御室に動作油を導入する高圧のラインに接続されるとともに動作油を前記油圧制御室に導入するための開弁用電磁弁と、前記油圧制御室から動作油を低圧のラインに抜いて前記バルブ本体を閉じるための閉弁用電磁弁とを備えた弁開閉制御装置において、駆動の開弁動作の指令を受けて動作油を前記油圧制御室に導入すべく前記開弁用電磁弁を開き、非駆動の開弁動作の指令を受けて動作油の前記油圧制御室への導入を停止すべく前記開弁用電磁弁を閉じる開弁ドライバと、前記バルブ本体を予備開弁させるための開弁パルス信号を出力した後、前記バルブ本体をリフト量制御開弁するための開弁パルス信号を出力する開弁パルス信号出力部と、前記バルブ本体の目標リフト量を出力する目標リフト量出力部と、前記バルブ本体の実リフト量を検出するリフト量センサと、目標リフト量に実リフト量が未到達のとき未到達信号を出力し、目標リフト量に実リフト量が到達したとき到達信号を出力する電子回路で構成された比較回路と、前記開弁パルス信号出力部の出力と前記比較回路の出力との論理積を開弁動作の指令として前記開弁ドライバに出力するとともに、開弁パルス信号が入力され、かつ未到達信号が入力されているとき、駆動の開弁動作の指令を前記開弁ドライバに出力し、開弁パルス信号が入力されていないか、又は到達信号が入力されているとき、非駆動の開弁動作の指令を前記開弁ドライバに出力する電子回路で構成された論理積回路と、前記開弁ドライバに前記非駆動の開弁動作の指令が出力された後、前記閉弁用電磁弁を駆動して前記バルブ本体を閉じるための閉弁ドライバとを備えたものである。

前記開弁パルス信号出力部は、予備開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号を出力する予備開弁パルス信号出力部と、前記予備開弁パルス信号出力部による開弁パルス信号の出力後、前記リフト量センサが検出する実リフト量が予備リフト量閾値に達したとき、リフト量制御開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号を出力するリフト量制御開弁パルス信号出力部とを備えてもよい。

前記目標リフト量出力部は、開弁時に生じる前記バルブ本体の行き過ぎ量をあらかじめ見込んで減少させた目標リフト量を出力してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）同一エンジンサイクル内で実リフト量を目標リフト量に合致させることができる。

（２）バルブに働く力の変動に対応して実リフト量を目標リフト量に合致させることができる。

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に対し電子回路と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を閉弁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、開弁動作の指令を受けて開弁用電磁弁３０５の動作コイルに駆動電流を印加するドライバ３２１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を予備開弁させるための開弁パルス信号を出力した後、バルブ本体３０２をリフト量制御開弁するための開弁パルス信号を出力する開弁パルス信号出力部２と、バルブ本体３０２の目標リフト量を出力する目標リフト量出力部３と、バルブ本体３０２の実リフト量を検出するリフト量センサ３１８と、目標リフト量に実リフト量が未到達のとき未到達信号を出力する比較回路（以下、コンパレータという）４と、未到達信号と開弁パルス信号との論理積を開弁動作の指令としてドライバ３２１に出力する論理積回路（以下、ＡＮＤという）５とを備える。

開弁パルス信号出力部２は、予備開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号（予備開弁パルス信号）を出力する予備開弁パルス信号出力部６と、予備開弁パルス信号出力部６による開弁パルス信号の出力後、リフト量センサ３１８が検出する実リフト量が予備リフト量閾値に達したとき、リフト量制御開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号（リフト量制御開弁パルス信号）を出力するリフト量制御開弁パルス信号出力部７とを備える。

開弁パルス信号出力部２及び目標リフト量出力部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。

コンパレータ４とＡＮＤ５は、電子回路で構成される。すなわち、リフト量センサ３１８が実リフト量に比例する電圧信号を出力してコンパレータ４の−端子に入力し、目標リフト量出力部３がＥＣＭ３２０のＩＯポートから目標リフト量に比例する電圧信号を出力し、コンパレータ４の＋端子に入力するよう構成される。実リフト量が目標リフト量未満のとき、コンパレータ４の出力（未到達信号）は、Ｈレベル（真）となり、実リフト量が目標リフト量以上になると、コンパレータ４の出力はＬレベル（偽）となる。ＡＮＤ５は、＃１と＃２の入力端子を有する。開弁パルス信号出力部２がＥＣＭ３２０のＩＯポートから開弁パルス信号（Ｈレベルで真、Ｌレベルで偽）を出力してＡＮＤ５の＃１に入力し、コンパレータ４が未到達信号を出力してＡＮＤ５の＃２に入力するよう構成される。この構成により、ＡＮＤ５は、未到達信号と開弁パルス信号との論理積を開弁動作の指令（Ｈレベルで駆動、Ｌレベルで非駆動）として出力することになる。

ドライバ３２１には、開弁用電磁弁３０５を駆動する開弁ドライバ８と、閉弁用電磁弁３１２を駆動する閉弁ドライバ９とが設けられる。開弁ドライバ８は、ＡＮＤ５からの開弁動作の指令を受けて開弁用電磁弁３０５を駆動するようになっている。閉弁ドライバ９は、ＥＣＭ３２０のＩＯポートから出力される閉弁動作の指令を受けて閉弁用電磁弁３１２を駆動するようになっている。

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、リフト量センサ３１８が検出する実リフト量（リフト量グラフでは太実線、コンパレータ入力グラフでは中太実線）がゼロ、すなわちバルブ本体３０２の傘部３２３が完全に遮断であるとき、ステップＳ１にて、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、予備開弁パルス信号の出力時期と時間幅を決定する。予備開弁パルス信号の出力時期は、シリンダ内とポート間の圧力差、電磁弁の遅延、油圧系統の遅延などを見込んで目標とする開弁時期より早い時期とする。予備開弁パルス信号の時間幅は、微小なリフト量の予備開弁ができる程度にあらかじめ設定された短い時間幅に固定とする。ＥＣＭ３２０は、予備開弁パルス信号出力部６から予備開弁パルス信号（ＡＮＤ入力＃１グラフ参照）を出力すると同時に、目標リフト量出力部３から目標リフト量（リフト量グラフでは太破線；リフト量＝０では太実線と重なっている。コンパレータ入力グラフでも同様）を出力する。

このとき、リフト量センサ３１８が検出する実リフト量がゼロであるので、コンパレータ４が出力する未到達信号（ＡＮＤ入力＃２グラフ参照）が真となる。よって、ＡＮＤ５の出力（ＡＮＤ出力グラフ参照）が真（開弁動作の指令）となって開弁用電磁弁３０５が駆動される。その後、予備開弁パルス信号が偽になるとＡＮＤ５の出力が偽となり、開弁用電磁弁３０５の駆動が停止される。この結果、予備開弁パルス信号の出力時期から遅延の後に、バルブ本体３０２がリフトする。予備開弁パルス信号の時間幅は短いので、リフト量は微小である。これにより、微小なリフト量での予備開弁が達成される。この結果、シリンダ内とポート間の圧力差が緩和される。

ステップＳ２にて、リフト量センサ３１８が検出する実リフト量が予備リフト量閾値に達すると、ＥＣＭ３２０は、リフト量制御開弁パルス信号出力部７からリフト量制御開弁パルス信号を出力する。リフト量制御開弁パルス信号の時間幅は、開弁用電磁弁３０５の過熱防止を考慮した上限値に設定される。すなわち、何らかの不具合によって実リフト量が目標リフト量に到達しない状況が長時間継続したときは、開弁用電磁弁３０５が過熱しないように駆動を打ち切るようにする。目標リフト量は、ステップＳ１から継続して出力しておくとよい。リフト量制御開弁パルス信号の立ち上げ当初は、リフト量センサ３１８が検出する実リフト量は微小であるので、コンパレータ４が出力する未到達信号が真となる。よって、ＡＮＤ５の出力が真となって開弁用電磁弁３０５が駆動される。既に予備開弁によってシリンダ内とポート間の圧力差が緩和されているため、バルブ本体３０２が円滑にリフトされ、実リフト量が急速に増大する。実リフト量が目標リフト量に到達した時点でステップＳ３となる。

ステップＳ３では、実リフト量が目標リフト量に到達したことから、コンパレータ４が出力する未到達信号が偽となるため、開弁用電磁弁３０５の駆動が停止される。これにより、バルブ本体３０２は、現位置に保持される。現位置の実リフト量は、目標リフト量に等しいのが望ましい。例えば、ＡＮＤ５の出力が偽となってから、実際に開弁用電磁弁３０５内でライン３０６，３０８間にプランジャ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までに、バルブ本体３０２が行き過ぎることがあり得る。そこで、目標リフト量出力部３では、この行き過ぎ量をあらかじめ見込んで減少させた目標リフト量を出力するようにしておくと、ＡＮＤ５の出力が早めに偽となり、ちょうど実リフト量が目標リフト量に等しい位置にバルブ本体３０２を保持することができる。

予備開弁パルス信号に対する実際のバルブ本体３０２の予備開弁動作は、大きな遅延を有するが、予備開弁によってバルブ本体３０２が微小にリフトされるため、シリンダ内とポート間の圧力差が緩和され、リフト量制御開弁パルス信号に対する実際のバルブ本体３０２の動作は遅延が小さい。このため、リアルタイムでのリフト量制御が可能となる。また、実リフト量と目標リフト量の比較及びそれに基づく開弁動作の指令をソフトウェアでなくコンパレータ４、ＡＮＤ５の電子回路で行うようにしたので、実リフト量が目標リフト量に到達すると直ちに開弁動作の指示が停止となる。

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、予備開弁パルス信号の出力によって微小な予備開弁を行った後に、リフト量制御開弁パルス信号を出力するようにしたので、シリンダ内とポート間の圧力差が大きいときでも、それを緩和させてからリフト量制御が開始され、遅延が少ない。加えて、リフト量制御に電子回路を用いたので、遅延が少ない。これにより、同一エンジンサイクル内で実リフト量を目標リフト量に合致させることができ、過渡運転時における目標リフト量の頻繁な変化にも対応できる。また、油圧の変動によるバルブ本体３０２をリフトさせる力の減少やスプリング３０３の個体差による抵抗力のバラツキに対応して実リフト量を目標リフト量に合致させることができる。

１ 弁開閉制御装置
２ 開弁パルス信号出力部
３ 目標リフト量出力部
４ 比較回路
５ 論理積回路
６ 予備開弁パルス信号出力部
７ リフト量制御開弁パルス信号出力部
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
３２１ ドライバ

Claims (3)

1. シリンダヘッドに挿通されたバルブ本体と、
   前記バルブ本体を閉弁方向に付勢するスプリングと、
   前記シリンダヘッドの外部から前記バルブ本体を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リフトさせる油圧制御室と、
   前記油圧制御室に動作油を導入する高圧のラインに接続されるとともに動作油を前記油圧制御室に導入するための開弁用電磁弁と、
   前記油圧制御室から動作油を低圧のラインに抜いて前記バルブ本体を閉じるための閉弁用電磁弁とを備えた弁開閉制御装置において、
   駆動の開弁動作の指令を受けて動作油を前記油圧制御室に導入すべく前記開弁用電磁弁を開き、非駆動の開弁動作の指令を受けて動作油の前記油圧制御室への導入を停止すべく前記開弁用電磁弁を閉じる開弁ドライバと、
   前記バルブ本体を予備開弁させるための開弁パルス信号を出力した後、前記バルブ本体をリフト量制御開弁するための開弁パルス信号を出力する開弁パルス信号出力部と、
   前記バルブ本体の目標リフト量を出力する目標リフト量出力部と、
   前記バルブ本体の実リフト量を検出するリフト量センサと、
   目標リフト量に実リフト量が未到達のとき未到達信号を出力し、目標リフト量に実リフト量が到達したとき到達信号を出力する電子回路で構成された比較回路と、
   前記開弁パルス信号出力部の出力と前記比較回路の出力との論理積を開弁動作の指令として前記開弁ドライバに出力するとともに、開弁パルス信号が入力され、かつ未到達信号が入力されているとき、駆動の開弁動作の指令を前記開弁ドライバに出力し、開弁パルス信号が入力されていないか、又は到達信号が入力されているとき、非駆動の開弁動作の指令を前記開弁ドライバに出力する電子回路で構成された論理積回路と、
   前記開弁ドライバに前記非駆動の開弁動作の指令が出力された後、前記閉弁用電磁弁を駆動して前記バルブ本体を閉じるための閉弁ドライバとを備えたことを特徴とする弁開閉制御装置。
2. 前記開弁パルス信号出力部は、
   予備開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号を出力する予備開弁パルス信号出力部と、
   前記予備開弁パルス信号出力部による開弁パルス信号の出力後、前記リフト量センサが検出する実リフト量が予備リフト量閾値に達したとき、リフト量制御開弁用にあらかじめ時間幅が設定された開弁パルス信号を出力するリフト量制御開弁パルス信号出力部とを備えることを特徴とする請求項１記載の弁開閉制御装置。
3. 前記目標リフト量出力部は、開弁時に生じる前記バルブ本体の行き過ぎ量をあらかじめ見込んで減少させた目標リフト量を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の弁開閉制御装置。