JP5617290B2

JP5617290B2 - 可変動弁制御システム

Info

Publication number: JP5617290B2
Application number: JP2010063015A
Authority: JP
Inventors: 亮北畠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011196233A

Description

本発明は、可変動弁制御システム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流体例えば油圧にて行い、バルブの開閉時期を任意に設定することが可能な可変動弁制御機構（例えば特許文献１、特許文献２参照）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。

前記可変動弁制御機構においては、バルブを駆動するための制御室（圧力室）を有しており、その制御室へ高圧の作動油を投入してバルブを開弁し、制御室内の圧力を逃すことで磁石の吸引力およびバルブスプリングの反力により閉弁するようになっている。そのため、制御室への高圧作動油の投入時期および投入期間を制御することでバルブ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号公報特開２００６−１５２８７３号公報

しかしながら、前述した可変動弁制御機構においては、バルブの開閉を油圧によってのみ行っているため、バルブの開閉に対して外乱の影響を受けやすいといえる。特に、バルブの開弁時においては、バルブの前後の圧力によって、設定したバルブリフト量を得るために必要なバルブ推力が変化してしまい、求めているバルブリフト量よりも小さいか或いは大きいといった症状が生じることとなり、筒内の吸気量および吸気組成に変動を及ぼすことが考えられる。

本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、運転領域全域において安定したバルブ挙動を得ることができる可変動弁制御システム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高圧作動流体の流体圧により駆動する可変動弁制御システムにおいて、前記バルブを閉弁方向に付勢する付勢手段と、前記バルブに流体圧を作用させるための制御室と、該制御室に作動流体を供給して前記バルブを開弁方向に作動させるための流体供給用作動弁と、前記制御室内の流体圧を解放して前記バルブを前記付勢手段により閉弁させるための圧力開放手段と、筒内の圧力を検出する筒用センサと、給排気ポート内の圧力を検出する給排気ポート用センサとを備え、前記制御室内の高圧作動流体が前記バルブを押す力と、前記付勢手段での反力と、前記筒用センサと前記給排気ポート用センサから求められる吸排気ポート側からのバルブシートへの力及び筒内からのバルブへの力との差（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）とを基に、開弁時にバルブへの開弁方向へかかる力（Ｆｖａｌｖｅ）を算出し、開弁過程で変動する前記差（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）の特性マップを有し、前記バルブの設定バルブリフト量（Ｌ）に必要な開弁過程のバルブ推力（Ｗ）を、前記Ｆｖａｌｖｅの積分値で算出し、その積分値に基づいて、バルブ推力（Ｗ）を得るために必要な高圧作動流体の投入量を算出し、さらに予め作成した高圧作動油投入期間のマップにより前記バルブ推力を得るために必要な高圧作動流体の投入期間を決定し、この投入期間に基いて前記流体供給用作動弁を制御する制御装置を更に備えたことを特徴とする。

前記作動流体が、コモンレールからの高圧燃料からなるものであってもよい。

本発明によれば、運転領域全域において安定したバルブ挙動を得ることができる。

本発明の実施形態に係る可変動弁制御システムを概略的に示す図である。圧力センサの取り付け位置を示す図である。バルブリフト制御を示すフローチャートである。

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。

まず、図１を用いて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。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。

次に本実施形態の可変動弁制御システムについて説明する。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、その下端部に傘状の弁体１３が設けられている。図２に概略的に示すようにバルブ１２の閉弁時、バルブ１２は弁体１３にてシリンダヘッド１１のシート部（弁座部）１４に着座するようになっている（図２参照）。なお、図２において、一方のバルブ１２（左側）は吸気ポート３１を開閉する吸気弁であり、他方のバルブ１２（右側）は排気ポート３２を開閉する排気弁である。

バルブ１２の上端部には、図１に示すようにピストン１５が一体的に設けられている。シリンダヘッド１１の上端部にはアクチュエータボディ１７が固設され、ピストン１５はアクチュエータボディ１７内に軸シールをなしつつ昇降自在に支持されている。

バルブ１２の長手方向中間部には鍔部１８が設けられ、この鍔部１８とシリンダヘッド１１との間にはバルブ１２を閉弁方向（図１中の上側）に付勢するコイルスプリングからなるバルブスプリング１９が圧縮状態で配設されている。また、アクチュエータボディ１７の下端部には鍔部１８を上方（つまりバルブ１２の閉弁方向）に吸引するための磁石２０が設けられ、この磁石２０によってもバルブ１２が閉弁方向に付勢されている。これらバルブスプリング１９及び磁石２０により、バルブ１２を閉弁方向に付勢する付勢手段２１が構成されている。これによってバルブ１２を閉弁方向に付勢する力が大きくなるため、バルブ１２の閉弁速度が高まり、バルブ１２の制御性を向上させることができる。

アクチュエータボディ１７内には、ピストン１５の上面に面した制御室（圧力室）２２が設けられている。制御室２２は、バルブ１２を開弁方向（図１中の下方）にリフトするための作動流体が供給されるもので、その底面がピストン１５の上面によって区画形成されている。

本実施形態では、バルブ１２を開弁するための作動流体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２２内に高圧の燃料が供給されると、バルブ１２がピストン１５を介して開弁方向に押されて開弁し、この押圧力が開放されると、バルブスプリング１９の付勢力及び永久磁石２０の吸引力により閉弁する。つまり、制御室２２内に燃料を供給することでバルブ１２が開弁し、制御室２２内の圧力を開放することでバルブ１２が閉弁する。

制御室２２の側方（図１中の左側）には、制御室２２への高圧の作動油（高圧作動流体）の供給、供給停止を切り換えるための第１作動弁（流体供給手段）２３が設けられている。この第１作動弁２３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２４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１７には制御室２２と第１制御弁２３を連通する供給孔２５が形成されている。

アクチュエータボディ１７における制御室２２よりも上方には制御室２２と連通する圧力開放室２６が設けられ、この圧力開放室２６には駆動部である電磁ソレノイド２７によって開閉駆動される第２作動弁（圧力開放手段）２８が制御室２２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１７には圧力開放室２６から外部に作動油を排出する排出孔２９が形成され、この排出孔２９は排出通路３０を介してリターン回路９に接続されている。前記第１作動弁２３および第２作動弁２８の電磁ソレノイド２７は、ＥＣＵ８により制御されるようになっている。

ところで、バルブ１２の開弁時においては、バルブ１２の前後の圧力によって、設定したバルブリフト量を得るために必要なバルブ推力が変化してしまい、求めているバルブリフト量よりも小さいか或いは大きいといった症状が生じることとなり、筒内の吸気量および吸気組成に変動を及ぼすことが考えられる。この問題を解消するためには、バルブ開閉時に設定したリフト量を得るために必要なバルブ推力を求めることで高圧作動油の投入量を制御する必要があり、そのためには開弁時におけるバルブ前後の差圧を明確にする必要がある。そこで、開弁時におけるバルブ前後の差圧、すなわち吸排気ポート３１，３２内の圧力および筒内の圧力を明確にするために、図２に示すようにシリンダヘッド１１には筒内の圧力を検出する筒用センサ３３と、給排気ポート３１，３２内の圧力を検出する給排気ポート用センサ３４，３５とが設けられている。

開弁時におけるバルブ前後の差圧を明確にするために、制御モデル内に空気系モデルおよび筒内圧算出モデルを追加する。空気系モデルとしては過給機仕様およびポート形状に対し、エンジン回転数、作動油投入量、給排気温度、ＥＧＲバルブ開度およびＶＧＴ（Ｖariable Ｇeometry Ｔurbo）開度をパラメータとし、筒内圧算出モデルは、エンジン仕様（排気量、幾何学的圧縮比など）に対し、エンジン回転数および作動油投入量をパラメータとして給排気バルブの開弁時期におけるバルブ前後の圧力を算出するものである。なお、前記パラメータはＥＣＵ８より入手することが可能である。

前記制御モデルによる圧力算出に加え、以下に示す力学的物理式を加えることにより、可変動弁制御システムにおけるバルブ開弁動作において、適正な高圧作動油の投入期間および投入量を求める。

高圧の作動油（高圧作動流体）がバルブを押す力をＦｏｉｌ、磁石の吸引力をＦｍａｇ、バルブスプリングの反力をＦｓｐｒ、吸排気ポート側からのバルブシートへの力をＦｐｏｒｔ、筒内からのバルブへの力をＦｃｙｌとする。この場合、バルブへの開弁方向へかかる力Ｆｖａｌｖｅは、次式のように表される。
Ｆｖａｌｖｅ＝Ｆｏｉｌ−（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）−（Ｆｍａｇ＋Ｆｓｐｒ）・・・（１）

ここで、制御室へ投入する高圧作動油の圧力をＰｏｉｌとし、制御室に面しているバルブ上面の直径をφ１とするとＦｏｉｌは
Ｆｏｉｌ＝Ｐｏｉｌ×（φ１／２）²×π・・・（２）
となり、また、式（１）の右辺の（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）は筒内及び吸排気ポートにて圧力センサにより計測した圧力Ｐｃｙｌ、Ｐｐｏｒｔを用い、バルブのシート径をφ２とすると、以下のように表される。
Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ＝（Ｐｃｙｌ−Ｐｐｏｒｔ）×（φ２／２）²×π・・・（３）

ただし、（Ｐｃｙｌ−Ｐｐｏｒｔ）はバルブ開弁過程中に変動するため、ＷＡＶＥなどの吸排気系シミュレーションにて特性マップを作成する必要がある。また、開弁時のＰｃｙｌに関しては、圧力センサの応答性を考慮し、開弁時期の直前圧からポリトロープ変化と見なし、開弁時のＰｃｙｌを算出することにする。

式（１）の右辺の最後の項、（Ｆｍａｇ＋Ｆｓｐｒ）については、磁石の吸引力を事前に調査しておくことでＦｍａｇの特性マップを作成し、スプリングのバネ定数ｋ及び取付時長さを計測しておくことで、
Ｆｓｐｒ＝ｋ×（リフト量＋取付長さ）・・・（４）
として表すことができる。

以上の物理式を式（１）に適用することで、開弁過程におけるリフト量に対するＦｖａｌｖｅを求めることが可能となる。これにより、バルブを設定したリフト量Ｌまで開弁させるために必要な推力Ｗ（Ｊ）は

と算出できる。

上記物理式を制御ロジックに組み込み、算出された必要なバルブ推力を得るために必要な高圧作動油の投入量を算出し、さらに事前に作成した特性マップより必要な高圧作動油投入期間を決定する。本発明により、従来技術に対し大幅な構造の変更を伴わずにモデルベース制御により可変動弁制御システムにおける安定したバルブ動作が可能となる。

前記バルブリフトの制御フローを示すと、図３のようになる。すなわち、先ずエンジン仕様および運転パラメータより吸排気バルブの開閉時期におけるバルブ前後の差圧を算出する（Ｓ１）。次に設定リフト量に必要なバルブ推力Ｗを算出し（Ｓ２）、高圧作動油の必要投入量を算出し（Ｓ３）、高圧作動油投入期間をマップにより決定すればよい（Ｓ４）。

本実施形態によれば、運転領域全域において安定したバルブ挙動を得ることができる。

すなわち、バルブの開閉時期およびリフト量を任意に設定可能である可変動弁制御機構に本発明を適用することにより、予混合ディーゼル燃焼の領域拡大、後処理装置の迅速な昇温、燃焼自体の効率向上などの効果が得られ、トータルの排ガス低減および燃費改善が可能となる。また、時々刻々とエンジン状態が変化する過渡運転時においても安定したバルブリフト量を確保できる。

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、作動流体をエンジンの燃料（軽油）としたが、本発明はこの点において限定されず、油等、他の流体を作動流体として用いても良い。

また、実施形態ではバルブを閉弁方向に付勢するためにバルブスプリングおよび磁石を併用したが、バルブスプリングのみとしても良い。

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。

８ＥＣＵ（制御装置）
１２バルブ
２１付勢手段
２２制御室
２３第１作動弁（流体供給手段）
２８第２作動弁（圧力開放手段）

Claims

内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブを高圧作動流体の流体圧により駆動する可変動弁制御システムにおいて、前記バルブを閉弁方向に付勢する付勢手段と、前記バルブに流体圧を作用させるための制御室と、該制御室に作動流体を供給して前記バルブを開弁方向に作動させるための流体供給用作動弁と、前記制御室内の流体圧を解放して前記バルブを前記付勢手段により閉弁させるための圧力開放手段と、筒内の圧力を検出する筒用センサと、給排気ポート内の圧力を検出する給排気ポート用センサとを備え、
前記制御室内の高圧作動流体が前記バルブを押す力と、前記付勢手段での反力と、前記筒用センサと前記給排気ポート用センサから求められる吸排気ポート側からのバルブシートへの力及び筒内からのバルブへの力との差（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）とを基に、開弁時にバルブへの開弁方向へかかる力（Ｆｖａｌｖｅ）を算出し、開弁過程で変動する前記差（Ｆｃｙｌ−Ｆｐｏｒｔ）の特性マップを有し、
前記バルブの設定バルブリフト量（Ｌ）に必要な開弁過程のバルブ推力（Ｗ）を、前記Ｆｖａｌｖｅの積分値で算出し、その積分値に基づいて、バルブ推力（Ｗ）を得るために必要な高圧作動流体の投入量を算出し、さらに予め作成した高圧作動油投入期間のマップにより前記バルブ推力を得るために必要な高圧作動流体の投入期間を決定し、この投入期間に基いて前記流体供給用作動弁を制御する制御装置を更に備えたことを特徴とする可変動弁制御システム。
前記作動流体が、コモンレールからの高圧燃料からなることを特徴とする請求項１記載の可変動弁制御システム。