JP5887793B2

JP5887793B2 - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP5887793B2
Application number: JP2011207047A
Authority: JP
Inventors: 亮北畠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2013068154A

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁装置に関する。

従来の内燃機関、例えばディーゼルエンジンにおいては、シリンダ内への吸気及びシリンダ内への排気に際して、吸排気バルブをカムシャフトのカム駆動により開閉動作させている。このカムシャフトは、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気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することで燃料着火までの混合期間を稼ぐ予混合ディーゼル燃焼などがある。

しかしながら、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、着火時期の制御や高負荷域での適用が困難になる可能性がある。また、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、触媒が活性温度に達するまでにある程度の時間を要する場合がある。

これらを解決する方法として、バルブの開閉をカムではなく作動流体の流体圧を用いて行い、バルブの開閉タイミングを任意に設定することが可能な油圧式の可変動弁機構（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おいては、吸気バルブの開弁時期を遅角させ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おいては、排気バルブの開弁時期を燃焼期間中まで進角させることにより高温の排ガスの供給が可能となる。

特開２００３−３２８７１３号公報

ところで、油圧式の可変動弁機構においては、圧力制御室への作動油の供給・排出を切り替えることで吸排気用バルブを開閉駆動させている。そのため、エンジンの運転状態が時々刻々と変化するような過渡運転時においては、外乱の影響により吸排気用バルブの実際のリフト量が目標とするリフト量から乖離する場合がある。このように、実際のリフト量が目標とするリフト量から乖離すると、吸排気用バルブの閉弁時期にバラツキが生じ、結果としてエンジン性能の低下を招く可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関の可変動弁装置において、吸排気用バルブの閉弁時期のバラツキを効果的に抑制することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の可変動弁装置は、制御室に供給される作動流体の流体圧により吸気用又は排気用のバルブを任意のタイミングで開閉可能な内燃機関の可変動弁装置であって、前記バルブの実リフト量を検出するリフト量センサと、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記バルブの目標リフト量を設定する目標リフト量設定部と、前記目標リフト量に応じて設定される目標閉弁開始時期で前記バルブを閉弁作動させるバルブ制御部と、前記実リフト量と前記目標リフト量との差に基づいて、前記バルブ制御部による前記目標閉弁開始時期を補正する補正部とを備えることを特徴とする。

また、前記補正部は、前記実リフト量と前記目標リフト量との差に基づいて時間ベースでの閉弁時期の乖離量を算出すると共に、算出された前記乖離量を前記内燃機関のクランクアングルベースに換算した補正量を算出し、算出した前記補正量を前記目標閉弁開始時期から減算することで前記目標閉弁開始時期を補正してもよい。

また、前記リフト量センサは、前記バルブの外周面に隣接して設けられると共に、前記バルブの外周面には、リフト量センシングのためのテーパ加工が施されてもよい。

本発明の内燃機関の可変動弁装置によれば、吸排気用バルブの閉弁時期のバラツキを効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置のバルブ駆動例を時間ベースで示した図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置のバルブ駆動例をクランクアングルベースで示した図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置による目標閉弁開始時期と実閉弁開始時期とを示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置による制御内容を示すフローチャートである。

以下、図１〜５に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）に適用されるもので、作動油供給部１０と、可変動弁機構部３０と、制御手段としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）５０とを備え構成されている。なお、図示の関係上、図１には１個の可変動弁機構部３０及び、１個の吸排気用バルブ（以下、単にバルブという）３３を示している。

まず、作動油供給部１０について説明する。燃料タンク１１はフィルタ１２を介してフィードポンプ１３の入口に接続されると共に、このフィードポンプ１３の出口は高圧ポンプ１４の入口に接続されている。また、フィードポンプ１３のフィード圧は、リリーフ弁１６によって調整されて一定に保たれている。

高圧ポンプ１４の出口はコモンレール１５に接続されており、高圧ポンプ１４からコモンレール１５内に高圧燃料が圧送供給される。また、コモンレール１５には複数の図示しないインジェクタが接続されており、これらインジェクタにコモンレール１５内で畜圧された高圧燃料が常時供給されている。さらに、コモンレール１５には、詳細を後述する可変動弁機構部３０のバルブユニット３９が接続されている。すなわち、コモンレール１５内で畜圧された高圧燃料は、可変動弁機構部３０に作動油としても供給されるように構成されている。

次に、可変動弁機構部３０について説明する。バルブ３３は、シリンダヘッド３１の孔３１ａに挿通されている。また、バルブ３３の上部には、アクチュエータボディ３２の孔３２ａに摺動自在に挿入されたピストン３４が設けられている。さらに、バルブ３３の軸方向中間位置には、フランジを形成するアッパーシート３５が設けられている。このアッパーシート３５とシリンダヘッド３１との間には、バルブ３３を閉弁方向（図１中上方）に向けて付勢するバルブスプリング３６が圧縮状態で介装されると共に、アクチュエータボディ３２には、アッパーシート３５を閉弁方向に吸引する磁石３７が設けられている。

リフト量センサ４８は、バルブ３３の変位量であるリフト量を検出するもので、バルブ３３の外周面と隣接して設けられている。このため、バルブ３３の外周面には、リフト量センシングのためのテーパ加工が施されている。また、リフト量センサ４８は、電気配線を介してＥＣＵ５０に接続されている。

アクチュエータボディ３２の孔３２ａにおいて、ピストン３４よりも上方には、油圧制御室３８が形成されている。また、アクチュエータボディ３２の側部には、油圧制御室３８への高圧燃料の供給もしくは停止を切り替えるバルブユニット３９が設けられている。これら油圧制御室３８とバルブユニット３９とは、アクチュエータボディ３２に形成された供給路４１によって連通されている。

アクチュエータボディ３２における油圧制御室３８よりも上方には、この油圧制御室３８と連通する油圧開放室４２が形成されている。また、油圧開放室４２内には、アクチュエータボディ３２の上部に設けられた電磁ソレノイド４４によって開閉駆動される作動弁４３が収容されている。この作動弁４３は、電磁ソレノイド４４がＯＮにされると、上方に移動して油圧制御室３８と油圧開放室４２との連通部４５を開放する一方、電磁ソレノイド４４がＯＦＦにされると、下方に移動して連通部４５を閉鎖するように構成されている。

すなわち、本実施形態の可変動弁機構部３０は、図２に示すように、ＥＣＵ５０から出力される開弁指示信号により電磁ソレノイド４４がＯＦＦ（作動弁４３が閉）にされると共に、バルブユニット３９がＯＮ（バルブユニット３９が開）にされると、コモンレール１５内の高圧燃料が供給路４１を介して油圧制御室３８へと供給される。これにより、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力が、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力よりも大きくなることでバルブ３３は開弁作動される。

一方、ＥＣＵ５０から出力される閉弁指示信号により電磁ソレノイド４４がＯＮ（作動弁４３が開）にされると共に、バルブユニット３９がＯＦＦ（バルブユニット３９が閉）にされると、油圧制御室３８内の高圧燃料が油圧開放室４２から排出路４６を介して燃料タンク１１に回収される。これにより、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力が、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力よりも大きくなることでバルブ３３は閉弁作動される。

なお、本実施形態の可変動弁機構部３０では、作動油としての高圧燃料の圧力一定条件においては、バルブ３３の開閉速度は実時間に対して不変となるため、クランクアングルに対する開閉速度はエンジン回転速度に応じて変化することになる（図３参照）。

ＥＣＵ５０は、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射期間や燃料噴射量等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ５０には、リフト量センサ４８や、何れも図示しないクランク角度センサ、アクセル開度センサ、車速センサ等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ５０は、目標リフト量設定部５１と、バルブ開閉制御部５２と、実リフト量演算部５３と、バルブ閉弁開始時期補正部５４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

目標リフト量設定部５１は、エンジンの運転状態に応じてバルブ３３の目標リフト量Ｌ_tgtを設定する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には予め作成されたエンジンの運転状態と目標リフト量Ｌ_tgtとの関係を示すリフト量マップ（不図示）が記憶されている。目標リフト量設定部５１は、このリフト量マップからエンジンの運転状態に応じた値を読み取ることで、目標リフト量Ｌ_tgtを設定する。

バルブ開閉制御部５２は、エンジンの運転状態に応じてバルブ３３の開閉駆動を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ５０には予め作成された目標リフト量Ｌ_tgtとバルブ３３の開閉開始時期との関係を示す開閉時期マップ（不図示）が記憶されている。バルブ開閉制御部５２は、バルブ３３を開弁作動させる場合、この開閉時期マップから目標リフト量Ｌ_tgtに応じた目標開弁開始時期を読み取ると共に、この目標開弁開始時期にバルブユニット３９をＯＮにしつつ、電磁ソレノイド４４をＯＦＦに制御する。これにより、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力が、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力よりも大きくなり、バルブ３３は所定の目標開弁開始時期に開弁作動される。

一方、バルブ３３を閉弁作動させる場合、バルブ開閉制御部５２は、開閉時期マップから目標リフト量Ｌ_tgtに応じた目標閉弁開始時期Ｔ_tgtを読み取ると共に、この目標閉弁開始時期Ｔ_tgtを後述するバルブ閉弁開始時期補正部５４に出力する。そして、バルブ開閉制御部５２は、バルブ閉弁開始時期補正部５４により補正された実閉弁開始時期Ｔ_actにバルブユニット３９をＯＦＦにしつつ、電磁ソレノイド４４をＯＮに制御する。これにより、バルブスプリング３６及び磁石３７による閉弁方向の力が、油圧制御室３８内の高圧燃料による開弁方向の力よりも大きくなり、バルブ３３は補正された実閉弁開始時期Ｔ_actに閉弁作動されるように構成されている。

実リフト量演算部５３は、リフト量センサ４８の検出値に基づいて、バルブ３３の実リフト量Ｌ_actを演算する。より具体的には、この実リフト量演算部５３には、リフト量センサ４８の検出値がクランクアングル３度を１サイクルとして取り込まれている。実リフト量演算部５３は、バルブ開閉制御部５２によりバルブ３３が開弁作動されてリフト量が最大となった後の数サイクル分（例えば６サイクル分）を平均化することで、実リフト量Ｌ_actを演算する。

バルブ閉弁開始時期補正部５４は、実リフト量Ｌ_actに基づいて目標閉弁開始時期Ｔ_tgtの補正を行う。より詳しくは、上述のように本実施形態の可変動弁機構部３０においては、バルブ３３の時間ベースでの開閉速度は不変（一定）であるため、実リフト量Ｌ_actと目標リフト量Ｌ_tgtとの差から時間ベースでの閉弁時期の乖離量ΔＴを算出することができる。ここで、乖離量ΔＴは、以下の式（１）で表される。
ΔＴ＝（Ｌ_act−Ｌ_tgt）／１０００／Ｖ_vlv・・・（１）

なお、式（１）において、Ｖ_vlvはバルブ閉弁速度（ｍ／ｓｅｃ）である。

また、エンジン回転速度を用いることで、乖離量ΔＴをクランクアングルベースに換算した閉弁時期への補正量Ｒを算出することができる。ここで、補正量Ｒは、以下の式（２）で表される。
Ｒ＝ΔＴ×（Ｎｅ／６０×３６０）・・・（２）

なお、式（２）において、Ｎｅはエンジン回転速度（ｒｐｍ）である。

バルブ閉弁開始時期補正部５４は、バルブ開閉制御部５２から入力された目標リフト量Ｌ_tgtに基づいた目標閉弁開始時期Ｔ_tgtから補正量Ｒを減算することで、実リフト量Ｌ_actに対する実閉弁開始時期Ｔ_actを算出する。なお、この補正後の実閉弁開始時期Ｔ_actは、以下の式（３）で表される。
Ｔ_act＝Ｔ_tgt−Ｒ・・・（３）

このように算出された実閉弁開始時期Ｔ_actは、前述のバルブ開閉制御部５２に出力され、バルブ３３はこの実閉弁開始時期Ｔ_actに閉弁作動するように制御される。すなわち、図４に示すように、実リフト量Ｌ_actが目標リフト量Ｌ_tgtに対して高い場合、バルブ３３の実閉弁開始時期Ｔ_actは目標閉弁開始時期Ｔ_tgtよりも早く設定される。一方、実リフト量Ｌ_actが目標リフト量Ｌ_tgtに対して低い場合、バルブ３３の実閉弁開始時期Ｔ_actは目標閉弁開始時期Ｔ_tgtよりも遅く設定される。このように、バルブ３３の閉弁開始時期を実リフト量Ｌ_actと目標リフト量Ｌ_tgtとの差に応じて調整することで、バルブ３３の閉弁時期（バルブ３３の着座時期）のバラツキは効果的に抑制される。

次に、本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置１による制御フローを図５に基づいて説明する。なお、本制御はエンジンの始動（イグニッションスイッチのキースイッチＯＮ）と同時にスタートする。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、リフト量センサ４８により検出されたリフト量がクランクアングル３度を１サイクルとしてＥＣＵ５０に取り込まれる。その後、Ｓ１１０では、実リフト量演算部５３により、バルブ３３のリフト量が最大となった後の６サイクル分を平均化した実リフト量Ｌ_actが演算される。

Ｓ１２０では、バルブ閉弁開始時期補正部５４により、実リフト量Ｌ_actと目標リフト量Ｌ_tgtとの差から時間ベースでの閉弁時期の乖離量ΔＴが算出される。さらに、Ｓ１３０では、算出された乖離量ΔＴの絶対値が０（ゼロ）よりも大きいか否かが確認される。乖離量ΔＴの絶対値が０（ゼロ）よりも大きい場合はＳ１４０へと進む一方、乖離量ΔＴが０（ゼロ）の場合はＳ１７０へと進み、バルブ３３が目標閉弁開始時期Ｔ_tgtで閉弁作動されてリターンされる。

Ｓ１４０では、バルブ閉弁開始時期補正部５４により、乖離量ΔＴをクランクアングルベースに換算した閉弁時期への補正量Ｒが算出される。その後、Ｓ１５０では、バルブ閉弁開始時期補正部５４により、目標リフト量Ｌ_tgtに基づいた目標閉弁開始時期Ｔ_tgtから補正量Ｒを減算して得られる実閉弁開始時期Ｔ_actが算出される。

Ｓ１６０では、Ｓ１５０で算出された実閉弁開始時期Ｔ_actがバルブ開閉制御部５２に出力されると共に、この実閉弁開始時期Ｔ_actにバルブ３３が閉弁作動されて本制御はリターンされる。その後、Ｓ１００〜１６０もしくは、Ｓ１００〜１７０の制御フローは、エンジンが停止（イグニッションスイッチのキースイッチＯＦＦ）するまで繰り返し行われる。

次に、本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置１による作用効果について説明する。

バルブ３３を閉弁する際は、実リフト量Ｌ_actと目標リフト量Ｌ_tgtとの差から時間ベースでの閉弁時期の乖離量ΔＴが算出される共に、この乖離量ΔＴをクランクアングルベースに換算した閉弁時期への補正量Ｒが算出される。さらに、この補正量Ｒを目標リフト量Ｌ_tgtに基づいた目標閉弁開始時期Ｔ_tgtから減算して得られる実閉弁開始時期Ｔ_actが算出されると共に、バルブ３３がこの実閉弁開始時期Ｔ_actで閉弁作動される。

すなわち、実リフト量Ｌ_actが目標リフト量Ｌ_tgtに対して高い場合は、バルブ３３の実閉弁開始時期Ｔ_actは目標閉弁開始時期Ｔ_tgtよりも早くなるように調整される一方、実リフト量Ｌ_actが目標リフト量Ｌ_tgtに対して低い場合は、バルブ３３の実閉弁開始時期Ｔ_actは目標閉弁開始時期Ｔ_tgtよりも遅くなるように調整される（図４参照）。

したがって、目標リフト量Ｌ_tgtに対して実リフト量Ｌ_actが乖離することで引き起こされるバルブ３３の閉弁時期（バルブ３３の着座時期）のバラツキを抑制することが可能となり、エンジン性能のバラツキも効果的に抑制することができる。

また、バルブ３３の閉弁時期を精度良く制御することで、排気バルブにおいては内部ＥＧＲ量の変化が抑制され、吸気バルブにおいては圧縮端圧力の変化が抑制される。すなわち、エンジンの過渡運転時におけるＥＧＲバルブの応答遅れにより引き起こされる外部ＥＧＲの不足を、内部ＥＧＲで効率よく補填することが可能となり、スパイク状のＮＯｘ排出を効果的に抑制することができる。さらに、エンジンの低負荷運転領域における予混合燃焼の着火時期制御や、エンジンの高負荷運転領域における最大筒内圧力の制御を精度良く行うことが可能となり、エンジン性能を効果的に向上することもできる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、作動流体はエンジンの燃料を用いるものとして説明したが、他の流体を作動流体として用いることもできる。

また、本実施形態の可変動弁装置１が適用されるエンジンは、コモンレール式のディーゼルエンジンに限定されず、通常の噴射ポンプ式のディーゼルエンジンやガソリンエンジン等にも広く適用することが可能である。

１０作動油供給部
３０可変動弁機構部
３３バルブ
３８油圧制御室
４８リフト量センサ
５０ＥＣＵ
５１目標リフト量設定部
５２バルブ開閉制御部（バルブ制御部）
５４バルブ閉弁開始時期補正部（補正部）

Claims

制御室に供給される作動流体の流体圧により吸気用又は排気用のバルブを任意のタイミングで開閉可能な内燃機関の可変動弁装置であって、
前記バルブのリフト量を検出するリフト量センサと、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記バルブのリフト量が最大となったときのリフト量の目標値である目標リフト量を設定する目標リフト量設定部と、
前記バルブの開閉作動を制御すると共に、前記目標リフト量に応じて設定される目標閉弁開始時期に基づいて前記バルブを閉弁作動させるバルブ制御部と、
前記バルブ制御部により前記バルブが開弁作動されてリフト量が最大となったときの前記リフト量センサの検出値に基づき、実リフト量を演算する実リフト量演算部と、
前記実リフト量と前記目標リフト量との差に基づいて、前記バルブ制御部による前記目標閉弁開始時期を補正して実閉弁開始時期を算出する補正部と、を備え、
前記バルブ制御部は、前記実閉弁開始時期から前記バルブを閉弁作動させる
ことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
前記補正部は、前記実リフト量と前記目標リフト量との差に基づいて時間ベースでの閉弁時期の乖離量を算出すると共に、算出された前記乖離量を前記内燃機関のクランクアングルベースに換算した補正量を算出し、算出した前記補正量を前記目標閉弁開始時期から減算することで前記目標閉弁開始時期を補正して前記実閉弁開始時期を算出する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
前記リフト量センサは、前記バルブの外周面に隣接して設けられると共に、前記バルブの外周面には、リフト量センシングのためのテーパ加工が施されている請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。