JP6617737B2 - 内燃機関システム - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関システムに関し、より詳細には、燃焼室を開閉する吸気バルブまたは排気バルブを駆動するカムを切り替え可能なカム切替機構を備える内燃機関システムに関する。

特許文献１には、燃焼室を開閉するバルブを駆動するカムを複数のカムの間で切り替え可能なカム切替機構を備える内燃機関システムが開示されている。このカム切替機構は、カム溝（螺旋溝）とアクチュエータとカムキャリアとを備えている。カムキャリアは、カムシャフトの軸方向にスライド自在となる態様で当該カムシャフトに設けられている。カム溝は、このカムキャリアの外周面に形成されている。また、上記複数のカムは、カムキャリアに固定されている。アクチュエータは、カム溝に係脱可能な係合ピンを有し、係合ピンをカム溝に向けて突き出し可能に構成されている。

上述のカム切替機構は、アクチュエータの動作によって係合ピンがカム溝に挿入されたときに、カムキャリアがカムシャフトの回転に伴ってカムシャフトの軸方向にスライドするように構成されている。そして、カムキャリアがスライドすることで、バルブを駆動するカムが切り替えられる。

独国特許出願公開第１０２００４０２７９６６号明細書 特許第５４０４４２７号公報

特許文献１に記載の内燃機関システムのように、カムシャフトの外周面に設けられたカム溝と、カム溝に係脱可能な係合ピンをカムシャフトに向けて突き出し可能なアクチュエータとを有するカム切替機構を備える内燃機関システムが知られている。このような内燃機関では、カムを切り替える場合に、係合ピンがカム溝内に直接的に突き出されると、この突き出し動作に伴って衝突音が生じる。このような衝突音の典型的な例としては、係合ピンがカム溝の底面に着座した時に生じる着座音が該当する。付け加えると、上述の衝突音は、係合ピンがカム溝の底面に接触しないようにアクチュエータが構成されていたとしても、例えば、アクチュエータ内で係合ピンの一部がストッパーに当たる際に生じ得る。内燃機関の静粛性を高めるためには、上述のような衝突音を小さく抑制できることが望ましい。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、カムシャフトの外周面に設けられたカム溝と、カム溝に係脱可能な係合ピンをカムシャフトに向けて突き出し可能なアクチュエータとを有するカム切替機構を備える内燃機関システムにおいて、係合ピンの突き出し動作に伴って生じる衝突音を小さく抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る内燃機関システムは、回転駆動されるカムシャフトと、前記カムシャフトに設けられ、プロフィールの異なる複数のカムと、燃焼室を開閉するバルブを駆動するカムを、前記複数のカムの間で切り替えるカム切替動作を行うカム切替機構と、前記カム切替機構を制御する制御装置と、を備える。前記カム切替機構は、前記カムシャフトの外周面に設けられたカム溝と、前記カム溝に係脱可能な係合ピンを有し、前記係合ピンを前記カムシャフトに向けて突き出し可能なアクチュエータと、を含む。前記カム切替機構は、前記係合ピンが前記カム溝に係合しているときに、前記バルブを駆動するカムが前記カムシャフトの回転に伴って前記複数のカムの間で切り替わるように構成されている。前記カムシャフトの前記外周面は、前記カム溝における前記カムシャフトの回転方向の前方側の端よりも前記回転方向の前方側に位置する前方外周面を含む。前記制御装置は、前記カム切替機構に前記カム切替動作を行わせる場合に、前記係合ピンが前記前方外周面に着座するように前記アクチュエータを制御する。そして、前記制御装置は、前記カム切替機構に前記カム切替動作を行わせるときに、エンジン回転速度が閾値未満の場合には前記係合ピンが前記前方外周面に着座するように前記アクチュエータを制御し、一方、エンジン回転速度が前記閾値以上の場合には前記係合ピンが前記前方外周面に着座することなく前記カム溝に挿入されるように前記アクチュエータを制御する。

前記カムシャフトを潤滑するオイルの温度が第１温度値であるときのエンジン回転速度の前記閾値は、前記オイルの温度が前記第１温度値よりも高い第２温度値であるときの前記閾値と比べて小さくてもよい。

本発明によれば、カム切替機構にカム切替動作を行わせる場合には、係合ピンが前方外周面に着座するようにアクチュエータが制御される。その結果、係合ピンは、前方外周面に着座した後にカムシャフトの回転に伴ってカム溝の挿入区間に挿入されることになる。このように係合ピンを前方外周面に一旦着座させることで、その後に係合ピンが前方外周面からカム溝の挿入区間に突き出される際のストローク量を小さくすることができる。また、係合ピンが前方外周面に着座した際に係合ピンの突き出し速度が一旦ゼロになる。これらの理由により、その後に係合ピンがカム溝の底面に着座する際の突き出し速度を下げることができる。このため、本発明によれば、係合ピンの突き出し動作に伴って生じる衝突音を小さく抑制できるようになる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関システムの動弁系の要部の構成を概略的に示す図である。 図１に示すカム溝の具体的な構成を説明するための図である。 図１に示すアクチュエータの構成例を概略的に説明するための図である。 カム切替機構によるカム切替動作の一例を説明するための図である。 係合ピンの突き出し動作に関する課題を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る係合ピンの突き出し動作を説明するための図である。 高エンジン回転時における外周着座の課題を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの通電制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。 深溝着座を利用するためのアクチュエータの通電制御の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
まず、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

１．実施の形態１の内燃機関システムの構成
本実施形態の内燃機関システムが備える内燃機関は、車両に搭載され、その動力源として使用される。本実施形態の内燃機関は、一例として、直列４気筒型の４ストロークエンジンである。この内燃機関の点火順序は、一例として、１番気筒＃１、３番気筒＃３、４番気筒＃４および２番気筒＃２の順である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関システムの動弁系の要部の構成を概略的に示す図である。本実施形態の内燃機関の各気筒には、一例として、２つの吸気バルブ（図示省略）が備えられている。そして、内燃機関は、これら２つの吸気バルブを駆動するための可変動弁装置１０を備えている。なお、以下に説明する可変動弁装置１０は、燃焼室を開閉するバルブであれば、吸気バルブに代え、排気バルブを駆動するために用いることもできる。

１−１．カムシャフト
可変動弁装置１０は、各気筒の吸気バルブを駆動するためのカムシャフト１２を備えている。カムシャフト１２は、図示省略するタイミングプーリーおよびタイミングチェーン（もしくはベルト）を介してクランクシャフト（図示省略）と連結されており、クランクシャフトの１／２の速度で回転するようにクランクシャフトのトルクによって駆動される。

１−２．吸気カム
可変動弁装置１０は、各気筒の個々の吸気バルブに対し、プロフィールの異なる複数（一例として、２つ）の吸気カム１４、１６を備えている。吸気カム１４、１６は、後述の態様でカムシャフト１２に設けられている。一方の吸気カム１４のプロフィールは、吸気バルブのリフト量および作用角として相対的に小さなリフト量および作用角を得るための「小カム」として設定されている。もう一方の吸気カム１６のプロフィールは、吸気カム１４により得られるリフト量および作用角よりも大きなリフト量および作用角が得られる「大カム」として設定されている。なお、複数の吸気カムのプロフィールの１つは、カムシャフト１２の軸心からの距離が等しいベース円部のみであってもよい。すなわち、吸気カムの１つは、吸気バルブに押圧力を付与しないゼロリフトカムとして設定されてもよい。

吸気バルブのそれぞれには、吸気カム１４または１６からの押圧力をバルブに伝達するためのロッカーアーム１８が設けられている。図１は、吸気カム（小カム）１４が吸気バルブを駆動するときの動作状態を示している。このため、この動作状態では、吸気カム１４のそれぞれがロッカーアーム１８（より詳細には、ロッカーアーム１８のローラ）と接触している。

１−３．カム切替機構
可変動弁装置１０は、さらに、カム切替機構２０を備えている。カム切替機構２０は、吸気バルブを駆動するカム（換言すると、吸気バルブと機械的に連結される対象となるカム）を吸気カム１４、１６の間で切り替えるカム切替動作を行うものである。カム切替機構２０は、気筒毎に、カムキャリア２２とアクチュエータ２４とを備えている。

カムキャリア２２は、カムシャフト１２の軸方向にはスライド自在であって、その回転方向の移動が拘束された態様で、カムシャフト１２によって支持されている。図１に示すように、カムキャリア２２には、同一気筒の２つの吸気バルブを駆動するための２対の吸気カム１４、１６が形成されている。そして、吸気カム１４、１６の各対は、互いに隣接して設けられている。また、カムシャフト１２の外周面の一部に相当するカムキャリア２２の外周面には、カム溝２６が形成されている。

（カム溝）
図２は、図１に示すカム溝２６の具体的な構成を説明するための図である。より詳細には、図２（Ａ）は、カムキャリア２２の外周面に形成されたカム溝２６を平面上に展開して得られた図である。カム溝２６は、後に詳述される一対の係合ピン２８ａ、２８ｂに対応して、一対のカム溝２６ａ、２６ｂとして備えられている。なお、カム溝２６に対する係合ピン２８の進行は、カムシャフト１２の回転に基づくものであるため、その進行方向は、図２（Ａ）に示すように、カムシャフト１２の回転方向と逆方向になる。

一対のカム溝２６ａ、２６ｂは、カムシャフト１２の周方向に延びるように形成されており、図２（Ａ）に示すように、両者の経路は、その途中で１本に合流している。より詳細には、一対のカム溝２６ａ、２６ｂは、一対の係合ピン２８ａ、２８ｂに対応して、「挿入区間」と「切替区間」とをそれぞれ含んでいる。

挿入区間のそれぞれは、カムシャフト１２の軸方向と垂直な「垂直方向」に延び、かつ、係合ピン２８ａ、２８ｂの１つの挿入を受けるように形成されている。切替区間は、挿入区間に対してカムシャフト１２の回転方向の後方側の位置において挿入区間の一端と連続し、かつ、上記垂直方向に対して傾斜した方向に延びるように形成されている。切替区間は、カム溝２６が形成されたカムキャリア２２と同じカムキャリア２２に設けられた吸気カム１４、１６が吸気バルブをリフトさせていない区間（ベース円区間）内に収まるように設けられている。カム溝２６ａの切替区間とカム溝２６ｂの切替区間とは、カムシャフト１２の軸方向において互いに逆向きに傾斜している。また、一対のカム溝２６ａ、２６ｂにおいて両者の経路が合流している部位は、係合ピン２８がカム溝２６から退出する「退出区間」に相当する。

図２（Ａ）には、カムシャフト１２の回転に伴う係合ピン２８の移動経路Ｒが表されている。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＡ−Ａ線で（すなわち、係合ピン２８の移動経路Ｒに沿って）カムキャリア２２を切断して得られるカム溝２６ａの縦断面図である。なお、カム溝２６ｂの縦断面図もこれと同様である。図２（Ｂ）に示すように、挿入区間と切替区間の溝深さは、一例として一定である。一方、退出区間の溝深さは、一定ではなく、カムシャフト１２の回転方向の後方側の端部に近づくにつれて徐々に浅くなっている。なお、各気筒のカム溝２６は、上述の点火順序に従う順で、カム角で９０°の位相差を伴って形成されている。

また、図２（Ｂ）に示すように、カム溝２６ａの挿入区間に対してカムシャフト１２の回転方向の前方側には、カムシャフト１２の外周面の一部に相当するカムキャリア２２の外周面が存在している。ここでは、この位置に存在する外周面のことを、説明の便宜上、「前方外周面」と称する。図２（Ａ）に示すように、カム溝２６ｂにも、同様の前方外周面が存在している。

なお、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す例では、カム溝２６ａ、２６ｂの「前方外周面」と「挿入区間」との間に、溝深さが徐々に変化する「傾斜区間」が設けられている。しかしながら、本発明に係るカム溝には、このような傾斜区間は必ずしも設けられていなくてもよく、したがって、「前方外周面」と「挿入区間」との境は、段付き形状を伴って連続していてもよい。付け加えると、上記傾斜区間を有するカム溝２６では、傾斜区間におけるカムシャフト１２の回転方向の前方側の端が本発明における「カム溝におけるカムシャフトの回転方向の前方側の端」に相当し、傾斜区間を有しないカム溝では、挿入区間における上記回転方向の前方側の端がこれに相当する。

（アクチュエータ）
アクチュエータ２４は、カム溝２６と対向する位置において、シリンダヘッド等の静止部材２７に固定されている。アクチュエータ２４は、一対のカム溝２６ａ、２６ｂにそれぞれ係脱可能な一対の係合ピン２８ａ、２８ｂを有している。アクチュエータ２４は、一対の係合ピン２８ａ、２８ｂのうちの１つを選択的にカムシャフト１２に向けて（より詳細には、カム溝２６に向けて）突き出し可能に構成されている。

なお、カム切替動作の前提として、図１に示すように、一対の吸気カム１４、１６と一対のカム溝２６ａ、２６ｂと一対の係合ピン２８ａ、２８ｂとの間では、次のような位置関係が満たされている。すなわち、カム溝２６ａの挿入区間の溝中心線とカム溝２６ａ、２６ｂの（共通の）退出区間の溝中心線との距離と、カム溝２６ａの挿入区間の溝中心線と退出区間の溝中心線との距離とは、ともに距離Ｄ１で等しくなっている。そして、この距離Ｄ１は、一対の吸気カム１４、１６の中心線間距離Ｄ２および一対の係合ピン２８ａ、２８ｂの中心線間距離Ｄ３と等しくなっている。

図３は、図１に示すアクチュエータ２４の構成例を概略的に説明するための図である。本実施形態のアクチュエータ２４は、一例として、電磁ソレノイド式である。アクチュエータ２４は、図３に示すように、一対の係合ピン２８ａ、２８ｂのそれぞれに対して電磁石３０（一対の電磁石３０ａ、３０ｂ）を備えている。係合ピン２８は、アクチュエータ２４に内蔵されている。係合ピン２８は、電磁石３０に対向する側の端部に、磁性材料により形成された板状の部位２９を有している。アクチュエータ２４（電磁石３０）への通電の制御は、後述の電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０からの指令に基づいて制御される。アクチュエータ２４は、電磁石３０への通電を実行したときに、係合ピン２８が電磁石３０と反発してカムシャフト１２（カムキャリア２２）に向けて突き出されるように構成されている。このため、詳細は後述される適切なタイミングでアクチュエータ２４への通電を実行することで、係合ピン２８をカム溝２６に係合させることができる。

カム溝２６に係合している係合ピン２８がカムシャフト１２の回転に伴って退出区間に入ると、溝深さが徐々に浅くなる退出区間の底面の作用で、係合ピン２８は、電磁石３０側に押し戻されるように変位する。電磁石３０に電流が流れている状態で係合ピン２８がこのように押し戻されると、電磁石３０ｂには誘導起電力が発生する。この誘導起電力が検出されると、アクチュエータ２４（電磁石３０）への通電が停止される。その結果、係合ピン２８が電磁石３０に吸引され、係合ピン２８のカム溝２６からの退出が完了する。

１−４．制御系
本実施形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ４０を備えている。ＥＣＵ４０には、内燃機関およびこれを搭載する車両に搭載された各種センサと、内燃機関の運転を制御するための各種アクチュエータとが電気的に接続されている。

上記の各種センサは、クランク角センサ４２、油温センサ４４およびエアフローセンサ４６を含む。クランク角センサ４２は、クランク角に応じた信号を出力する。ＥＣＵ４０は、クランク角センサ４２を用いてエンジン回転速度を取得できる。油温センサ４４は、内燃機関の各部（カムシャフト１２等の可変動弁装置１０の各部を含む）を潤滑するオイルの温度に応じた信号を出力する。エアフローセンサ４６は、内燃機関に吸入される空気の流量に応じた信号を出力する。また、上記の各種アクチュエータは、アクチュエータ２４とともに、燃料噴射弁４８および点火装置５０を含む。

ＥＣＵ４０は、プロセッサ、メモリおよび入出力インターフェースを備えている。入出力インターフェースは、上述の各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、上述の各種アクチュエータに対して操作信号を出力する。メモリには、各種アクチュエータを制御するための各種の制御プログラムおよびマップが記憶されている。プロセッサは、制御プログラムをメモリから読み出して実行する。これにより、本実施形態に係る「制御装置」の機能が実現される。

２．カム切替動作
次に、図４を参照して、カム切替機構２０を用いたカム切替動作について説明する。吸気バルブを駆動するカムとして吸気カム（小カム）１４と吸気カム（大カム）１６のどちらを用いるかは、例えば、エンジン運転条件（主に、エンジン負荷とエンジン回転速度）および運転者からの要求トルクの変化率の大きさに応じて決定される。

２−１．小カムから大カムへのカム切替動作
図４は、カム切替機構２０によるカム切替動作の一例を説明するための図である。より詳細には、図４に示す例は、バルブを駆動するカムを吸気カム（小カム）１４から吸気カム（大カム）１６に切り替える際のカム切替動作に相当する。図４には、カム角Ａ〜Ｄのそれぞれにおけるカムキャリア２２およびアクチュエータ２４が表されている。なお、図４では、カムシャフト１２の回転に伴ってカム溝２６が紙面の上方から下方に向けて移動している。

図４中のカム角Ａでは、カムキャリア２２は、カム溝２６ｂの挿入区間が係合ピン２８ｂと対向するようにカムシャフト１２上で位置している。このカム角Ａでは、アクチュエータ２４の電磁石３０ａ、３０ｂへの通電はなされていない。また、カム角Ａでは、ロッカーアーム１８のそれぞれは、吸気カム１４と接触している。

図４中のカム角Ｂは、カム角Ａからカムシャフト１２が９０°回転したときのカム角に相当する。アクチュエータ（電磁石３０ｂ）への通電実行に伴って係合ピン２８ｂがカムシャフト１２（カムキャリア２２）に向けて突き出された結果として、係合ピン２８ｂが挿入区間においてカム溝２６ｂと係合する。図４に示すように、カム角Ｂでは、係合ピン２８ｂが挿入区間においてカム溝２６ｂと係合している。

図４中のカム角Ｃは、カム角Ｂからカムシャフト１２がさらに９０°回転したときのカム角に相当する。係合ピン２８ｂは、カムシャフト１２の回転に伴って、係合ピン２８が挿入区間を経て切替区間に入る。図４に示すように、カム角Ｃでは、係合ピン２８ｂが切替区間においてカム溝２６ｂと係合している。このように係合ピン２８が切替区間に位置しているため、カムキャリア２２は、図４中のカム角Ｂとカム角Ｃとを比較すると分かるように、カムシャフト１２の回転に伴ってカム角Ｂでの位置から図４の左方向にスライドしている。

図４中のカム角Ｄは、カム角Ｃからカムシャフト１２がさらに９０°回転したときのカム角に相当する。係合ピン２８ｂは、切替区間を通過し終えると退出区間に入る。係合ピン２８ｂが退出区間に入ると、上述のように、退出区間の底面の作用で係合ピン２８ｂが電磁石３０ｂ側に押し戻される。係合ピン２８ｂが押し戻されると、ＥＣＵ４０が電磁石３０ｂの誘導起電力を検出して電磁石３０ｂへの通電を停止する。その結果、係合ピン２８ｂが電磁石３０ｂに吸引され、係合ピン２８ｂのカム溝２６からの退出が完了する。図４には、係合ピン２８ｂのカム溝２６ｂからの退出が完了したカム角Ｄでのカムキャリア２２およびアクチュエータ２４が表されている。

また、図４中のカム角Ｄでは、図４中の左方向へのカムキャリア２２のスライド動作も完了している。このため、ロッカーアーム１８に押圧力を与えるカムを吸気カム（小カム）１４から吸気カム（大カム）１６に切り替えるカム切替動作が完了している。このようなカム切替動作によれば、カムシャフト１２が１回転する間にカムの切り替えを行うことができる。

さらに付け加えると、吸気カム（小カム）１４から吸気カム（大カム）１６へのカム切替動作が完了すると、図４中のカム角Ｄに関する図示から分かるように、もう一方の係合ピン２８ａがもう一方のカム溝２６ａの挿入区間と対向するようになる。

２−２．大カムから小カムへのカム切替動作
吸気カム（大カム）１６から吸気カム（小カム）１４へのカム切替動作は、上述の吸気カム（小カム）１４から吸気カム（大カム）１６へのカム切替動作と同様であるため、ここでは、以下のように概略的な説明を行う。

すなわち、吸気カム（大カム）１６から吸気カム（小カム）１４へのカム切替動作は、図４中のカム角Ｄに関する図示と同様の位置にカムキャリア２２があるときに実行される。まず、係合ピン２８ａがカム溝２６ａの挿入区間に挿入されるようにアクチュエータ２４（電磁石３０ａ）への通電が実行される。その後、係合ピン２８ａが切替区間を通過している間に、カムキャリア２２がカムシャフト１２の回転に伴って図４中の右方向にスライドする。その後、係合ピン２８ａが切替区間を通過し終えると、カムキャリア２２のスライド動作が完了し、ロッカーアーム１８に押圧力を与えるカムが吸気カム（大カム）１６から吸気カム（小カム）１４に切り替えられる。また、係合ピン２８ａのカム溝２６からの退出が行われる。なお、このようにしてカム切替動作が完了すると、図４中のカム角Ａに関する図示と同様に、カムキャリア２２の位置は、係合ピン２８ｂがカム溝２６ｂの挿入区間と対向する位置に戻ることになる。

３．実施の形態１に係るアクチュエータの通電制御
３−１．係合ピンの突き出し動作に関する課題
図５は、係合ピンの突き出し動作に関する課題を説明するための図であり、図６を参照して後述する本実施形態の手法との対比のために参照する典型的な係合ピンの突き出し動作を表している。

図５に示す例では、カムを切り替えるために係合ピンがカム溝内に直接的に突き出された結果として、係合ピンがカム溝の挿入区間の底面に着座している。このように係合ピンがカム溝の底面に直接的に着座する例では、係合ピンのストロークが大きくなった状態で（つまり、突き出された係合ピンの速度が高くなっている状態で）係合ピンがカム溝に着座する。その結果、突き出し動作に伴う衝突音（この例では、着座音）が大きくなってしまう。以下、このように係合ピンがカム溝の挿入区間の底面に直接的に着座する態様で行われる突き出し動作のことを、「深溝着座」とも称する。

なお、ここでは、図５を参照して、係合ピンがカム溝の底面に着座した時に係合ピンの突き出し動作に伴う衝突音が生じる例を挙げた。係合ピンがカム溝に挿入されたときに係合ピンがカム溝の底面に着座し、その結果として、衝突音（着座音）が生じる点に関しては、本実施形態のカム切替機構２０も上記の例と同様である。しかしながら、突き出し動作に伴う衝突音は、係合ピンがカム溝の底面に接触しない態様でカム溝に挿入されるようにアクチュエータが構成されていても生じ得る。例えば、図３に示すアクチュエータ２４において、係合ピン２８がカム溝２６の底面に着座せずに板状の部位２９が電磁石３０と反対側の壁面に着座するように構成されていた場合には、板状の部位２９が上記壁面に着座する時に着座音（衝突音）が生じることになる。

３−２．実施の形態１の係合ピンの突き出し動作の実施態様（外周着座）
図６は、本発明の実施の形態１に係る係合ピン２８の突き出し動作を説明するための図である。本実施形態では、カムを切り替える場合には、図５に示すような深溝着座を利用するのではなく、図６に示すように、係合ピン２８が「前方外周面」（すなわち、挿入区間に対してカムシャフト１２の回転方向の前方側に位置する外周面）に着座するようにアクチュエータ２４が制御される。以下、このような態様で行われる着座方式を「外周着座」と称する。

３−３．実施の形態１に係るアクチュエータの通電制御に関するＥＣＵの処理
具体的には、係合ピン２８の外周着座を利用するためのアクチュエータ２４（電磁石３０）の通電制御は、例えば、ＥＣＵ４０によって次のような態様で実行することができる。

（目標着座位置Ｐ１の設定）
すなわち、ＥＣＵ４０は、まず、前方外周面上の目標着座位置Ｐ１を設定する。目標着座位置Ｐ１としては、例えば、係合ピン２８の作動のばらつきなどを考慮して予め決定された値（クランク角位置）を用いることができる。

（係合ピンの突き出し速度の推定）
次に、ＥＣＵ４０は、係合ピン２８の突き出し速度を推定する。突き出し速度は、一例として、油温センサ４４により取得されるオイルの温度とアクチュエータ２４（電磁石３０）の印加電圧とに基づいて推定される。印加電圧が高いと、電磁石３０の同一の抵抗値の下で電磁石３０を流れる電流が大きくなるので、突き出し速度が高くなる。また、電磁石３０の温度は、上記オイルの温度に比例するため、このオイル温度に基づいて把握することができる。電磁石３０の温度が高くなると、電磁石３０の抵抗値が増加し、それに伴い、同一の印加電圧の下での電流値が減少する。また、上記オイルは、可変動弁装置１０のカムシャフト１２等の潤滑のために係合ピン２８の周りにも存在しており、係合ピン２８にも付着している。このため、突き出し速度は、オイルの粘度の影響も受ける。より詳細には、オイル温度が低いと粘度が高くなるため、突き出し速度が低下する。以上の点を考慮し、ＥＣＵ４０には、オイル温度および印加電圧と関連付けられた突き出し速度のマップ（図示省略）が記憶されている。このようなマップを参照することで、ＥＣＵ４０は、現在のオイル温度および印加電圧に応じた係合ピン２８の突き出し速度を推定（取得）することができる。

（通電開始位置Ｐ２の設定）
次に、ＥＣＵ４０は、電磁石３０への通電開始位置（クランク角位置）Ｐ２を設定する。通電開始位置Ｐ２は、一例として、上述の目標着座位置Ｐ１および突き出し速度の推定値に加え、クランク角センサ４２を用いて取得される現在のエンジン回転速度に基づいて設定される。より詳細には、電磁石３０に着座している係合ピン２８が前方外周面に着座する際の移動量（ストローク量）は既知である。このストローク量だけ係合ピン２８を移動させるために要する時間は、ストローク量と突き出し速度とに基づいて算出できる。そして、この所要時間の間に進むクランク角期間αは、エンジン回転速度を用いて特定できる。したがって、目標着座位置Ｐ１に対してクランク角期間αだけ進角したクランク角位置を通電開始位置Ｐ２として算出することができる。

（通電指令）
ＥＣＵ４０は、算出した通電開始位置Ｐ２が到来した時に電磁石３０への通電（より詳細には、図６中に示す印加電圧の付与）を開始する。これにより、外周着座を利用してカム切替動作を行うことができる。

４．実施の形態１に係るアクチュエータの通電制御の効果
係合ピン２８を前方外周面に着座させるために上述のアクチュエータ２４の通電制御が実行されると、図６に示すように、係合ピン２８は、前方外周面に一旦着座した後に、カムシャフト１２の回転に伴ってカム溝２６の挿入区間に挿入されるようになる。このような外周着座によれば、係合ピン２８を前方外周面に一旦着座させることで、その後に係合ピン２８が前方外周面からカム溝２６の挿入区間の底面に突き出される際のストローク量を深溝着座時と比べて小さくすることができる。また、係合ピン２８が前方外周面に着座した際に係合ピン２８の突き出し速度が一旦ゼロになる。これらの理由により、その後に係合ピン２８がカム溝２６の底面に着座する際の突き出し速度を下げることができる。これに対し、深溝着座が利用された場合には、突き出し動作の途中で係合ピン２８の速度が低下することはない。このため、外周着座によれば、係合ピン２８がカム溝２６の底面に着座する際の着座音を深溝着座の利用時と比べて小さくできる。また、係合ピン２８が前方外周面に着座する際の係合ピン２８のストローク量は小さいので、この際の着座音は小さくなる。

以上のように、本実施形態によれば、カム切替機構２０にカム切替動作を行わせる場合に「外周着座」が利用される。これにより、係合ピン２８の突き出し動作に伴って生じる衝突音（着座音）を小さく抑制できるようになる。

実施の形態２．
次に、図７〜図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

１．実施の形態２の内燃機関システムの構成およびカム切替動作
以下の説明では、実施の形態２の内燃機関のシステムの構成の一例として、図１に示す構成が用いられているものとする。また、本実施形態のカム切替動作は、以下に説明するアクチュエータ２４の通電制御に関する点を除き、実施の形態１のカム切替動作と同様である。

２．実施の形態２に係るアクチュエータの通電制御
２−１．高エンジン回転時における外周着座の課題
図７は、高エンジン回転時における外周着座の課題を説明するための図である。図７には、高エンジン回転速度の下で、深溝着座を利用して係合ピン２８の突き出し動作が行われた例と、外周着座を利用して係合ピン２８の突き出し動作が行われた例とが表されている。

カム切替動作を実現するためには、係合ピン２８をカム溝２６の挿入区間に確実に挿入する必要がある。この点に関し、エンジン回転速度が高くなると、単位時間当たりのクランク角の変化量およびこれに伴うカム角の変化量が大きくなる。このため、エンジン回転速度が高くなると、時間ベースで考えた場合、挿入区間への係合ピン２８の挿入のために許容される時間が短くなる。図７中のクランク角位置Ｅは、切替区間側の挿入区間の端を示している。

外周着座を利用することで、実施の形態１において説明したように、係合ピン２８の突き出し動作に伴って生じる衝突音（着座音）を小さく抑制できるようになる。しかしながら、実施の形態１でも説明し、かつ図７にも示すように、係合ピン２８が前方外周面に着座した際に係合ピン２８の突き出し速度が一旦ゼロになる。その結果、係合ピン２８は、前方外周面を通過し終えた時に、図７に示すように初速度ゼロの状態から再び加速することになる。このように、係合ピン２８の突き出し速度が一旦ゼロになる影響により、外周着座の利用時には、深溝着座の利用時と比べて、係合ピン２８をカム溝２６の底面まで突き出すために要する時間が長くなることがある。

上述のように、エンジン回転速度が高くなると、挿入区間への係合ピン２８の挿入のために許容される時間が短くなる。このため、高エンジン回転速度時に外周着座が利用されると、深溝着座の利用時と比べて、図７に示す例のように、挿入区間の端に相当するクランク角位置Ｅが到来するまでに係合ピン２８をカム溝２６に挿入し終えることが難しくなり易い。つまり、エンジン回転速度ＮＥの高低に関係なく外周着座が用いられると、高エンジン回転時には、低エンジン回転時と比べて、カム切替動作の成立性を確保することが難しくなる。

２−２．エンジン回転速度ＮＥに応じた着座方式の切り替え
上述の課題に鑑み、本実施形態では、カム切替機構２０にカム切替動作を行わせるときに、エンジン回転速度ＮＥが所定の閾値ＮＥｔｈ未満の場合には「外周着座」が利用され、一方、エンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ以上の場合には「深溝着座」が利用される。

２−３．実施の形態２に係るアクチュエータの通電制御に関するＥＣＵの処理
図８は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ２４の通電制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、内燃機関の運転中に、気筒毎に所定の制御周期で繰り返し実行される。

図８に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、カム切替要求があるか否かを判定する（ステップＳ１００）。カム切替要求の有無は、例えば、エンジン運転条件（主に、エンジン負荷とエンジン回転速度）の変化に応じて、要求される吸気カム（小カム１４または大カム１６）に変化があるか否かに基づいて判定される。また、例えば、吸気カム（小カム）１４の利用中に要求トルクの変化率が所定値以上になった場合には、吸気カム（大カム）１６への切替要求があると判定される。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ１００においてカム切替要求がないと判定した場合には、本ルーチンの今回の処理サイクルを終了する。一方、カム切替要求があると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、エンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この閾値ＮＥｔｈは、例えば、内燃機関に要求される静粛性（振動騒音性能）の観点と、カム切替動作の成立性の観点とを考慮して予め設定されている。閾値ＮＥｔｈは一例として固定値である。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０２においてエンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ未満であると判定した場合には、外周着座が選択されるようにアクチュエータ２４の通電制御を実行する（ステップＳ１０４）。外周着座を利用するための通電制御は、例えば、実施の形態１において図６を参照しながら行った手法により行うことができる。

一方、ステップＳ１０２においてエンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ以上であると判定した場合には、ＥＣＵ４０は、深溝着座が選択されるようにアクチュエータ２４の通電制御を実行する（ステップＳ１０６）。

図９は、深溝着座を利用するためのアクチュエータ２４の通電制御の一例を説明するための図である。図９に示す通電制御の例は、目標着座位置Ｐ１’の設定手法が主に異なる点を除き、実施の形態１で説明した外周着座を利用するための通電制御の例と基本的に同様である。

すなわち、目標着座位置Ｐ１’は、図９に示すように、カム溝２６の挿入区間上で設定される。目標着座位置Ｐ１’としては、目標着座位置Ｐ１と同様に、例えば、係合ピン２８の作動のばらつきなどを考慮して予め決定された値（クランク角位置）を用いることができる。

なお、深溝着座の例では、外周着座の例のクランク角期間αに対応するクランク角期間α’の算出の過程で用いられる係合ピン２８のストローク量が、電磁石３０に着座している係合ピン２８がカム溝２６の底面に着座するまでの移動量となる点において、外周着座の例と相違している。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ４０は、図９に示す手法を用いて算出した通電開始位置Ｐ２’が到来した時に電磁石３０への通電（より詳細には、図９中に示す印加電圧の付与）を開始する。これにより、深溝着座を利用してカム切替動作を行うことができる。

４．実施の形態２に係るアクチュエータの通電制御の効果
以上説明した本実施形態のアクチュエータ２４の通電制御によれば、エンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ未満である場合には外周着座が選択され、エンジン回転速度ＮＥが閾値ＮＥｔｈ以上の場合には深溝着座が選択される。換言すると、エンジン回転速度ＮＥが閾値以上であるか否かに応じて、目標着座位置（Ｐ１またはＰ１’）が前方外周面とカム溝２６の挿入区間の底面との間で変更される。

低エンジン回転時には、内燃機関全体の騒音が高エンジン回転時と比べて小さいため、係合ピン２８の衝突音（着座音）が車両の搭乗者に相対的に大きく聞こえてしまう。このように、係合ピン２８の衝突音の課題は、低エンジン回転時に顕著となる。一方、高エンジン回転時には、低エンジン回転時と比べて、上述のように、外周着座を利用するカム切替動作の成立性を確保することが難しくなる。これらの点に鑑み、本実施形態の制御によれば、低エンジン回転時には外周着座が利用される。これにより、カム切替動作の成立性は相対的に確保され易く、かつ、係合ピン２８の衝突音の低減が高く要求される低エンジン回転時に適した態様で（すなわち、静粛性を重視した態様で）カム切替動作を行えるようになる。一方、高エンジン回転時には深溝着座が利用される。突き出し動作の途中に係合ピン２８の速度が低下しない深溝着座によれば、外周着座と比べて、目標着座位置に向けて素早く係合ピン２８を突き出すことができる。このため、係合ピン２８の衝突音の低減の要求が相対的に低く、かつ、カム切替動作の成立性の要求が相対的に高い高エンジン回転時に適した態様で（すなわち、カム切替動作の成立性を重視した態様で）カム切替動作を行えるようになる。

以上のように、本実施形態におけるエンジン回転速度ＮＥに応じた着座位置の切り替えによれば、実施の形態１と比べて高エンジン回転時にカム切替動作の成立性を良好に確保しつつ、係合ピン２８の衝突音の低減が高く要求される低エンジン回転時には静粛性向上を重視したカム切替動作を行えるようになる。

（閾値ＮＥｔｈの設定に関する他の例）
上述した実施の形態２においては、着座方式を切り替えるために使用されるエンジン回転速度ＮＥの閾値ＮＥｔｈが予め設定された固定値である例を挙げた。しかしながら、閾値ＮＥｔｈは、例えば、次のように設定されてもよい。すなわち、既述したように、内燃機関の各部（カムシャフト１２等の可変動弁装置１０の各部を含む）を潤滑するオイルの温度が低いためにオイルの粘度が高いと、係合ピン２８の突き出し動作がオイルによって妨げられ易くなる。そこで、閾値ＮＥｔｈは、カム切替要求が出されたときの上記オイルの温度に応じて変更されてもよい。具体的には、例えば、オイルの温度が第１温度値であるときの閾値ＮＥｔｈ１が、オイルの温度が第１温度値よりも高い第２温度値であるときの閾値ＮＥｔｈ２と比べて小さくなるという態様で、閾値ＮＥｔｈがオイル温度に応じて変更されてもよい。このような制御例によれば、オイルの温度（粘度）が係合ピン２８の突き出し動作に与える影響をも考慮して閾値ＮＥｔｈを決定できる。このため、外周着座によるカム切替動作の成立性をより向上しつつ、上述のように、使用されるエンジン回転速度ＮＥに適した着座方式を選択できるようになる。

（アクチュエータの通電制御の他の例）
上述した実施の形態２においては、外周着座と深溝着座のどちらが要求されているかに応じて目標着座位置（Ｐ１またはＰ１’）を変更し、かつ、設定された目標着座位置に基づいて通電開始位置（Ｐ２またはＰ２’）を変更している。しかしながら、外周着座および深溝着座のうちの一方を選択的に実行できるようにするためのアクチュエータ２４の制御は、上述の例に限られない。すなわち、着座位置の変更のためのアクチュエータ２４の制御は、上述の通電開始位置の制御に代え、あるいはそれとともに、係合ピン２８の突き出し速度を変更するための電磁石３０への印加電流の制御であってもよい。その理由は、印加電流が変化することで突き出し速度が変化するためである。より詳細には、この印加電流の制御は、例えば、印加電圧の大きさを変更することで行うことができる。また、印加電圧のデューティ制御を行っている場合には、デューティ比を変更することで印加電流を制御してもよい。

（気筒群単位でのカム切替動作）
上述した実施の形態１および２においては、複数の吸気カム１４、１６とカム溝２６が形成されたカムキャリア２２と、これに対応するアクチュエータ２４とを気筒毎に備える例を挙げた。つまり、カム切替動作が気筒毎に行われる構成を例に挙げた。しかしながら、このようなカムキャリアおよびアクチュエータは、２つ以上の気筒からなる気筒群毎に備えられてもよい。より詳細には、切替対象の気筒群に含まれる複数の気筒のカムの共通のベース円区間を係合ピンが通過しているときにカムキャリアがスライドするように、カム切替機構を構成すればよい。

（カムのスライド動作を伴わないカム切替動作を行うカム切替機構の例）
上述した実施の形態１および２に係るカム切替機構２０では、カム溝２６と係合する係合ピン２８は、シリンダヘッド等の静止部材２７に取り付けられたアクチュエータ２４に内蔵されている。そして、カム切替機構２０は、係合ピン２８が切替区間においてカム溝２６と係合しているときに、カムキャリア２２に固定された吸気カム１４、１６がカムシャフト１２の回転に伴ってスライドし、その結果として、吸気バルブを駆動するカムが切り替わるように構成されている。しかしながら、本発明の対象となるカム切替機構では、アクチュエータの動作に伴って係合ピンがカム溝に挿入され、その結果としてバルブを駆動するカムが切り替わるようになっていれば、カム自体がスライドすることは必ずしも必要とされない。そして、アクチュエータの動作に伴って係合ピンがカム溝に挿入される過程で衝突音が生じるようになっていれば、本発明の適用対象となる。したがって、カム切替機構は、例えば、国際公開第２０１１／０６４８５２号に記載されたように構成されたものであってもよい。

上記文献に記載のカム切替機構の構成の概要を以下に説明する。すなわち、このカム切替機構では、カム溝（螺旋状のガイドレール）はカムシャフトの一部に固定（形成）された円筒部に形成されている。また、このカム切替機構は、電磁ソレノイド式のアクチュエータに内蔵されたロックピン（カム溝に係合する「係合ピン」ではない）とカム溝との間に、カムシャフトの軸方向に平行な方向にスライド可能なスライド部材（スライドピン）が配置されている。カム溝に係合する係合ピン（突起部）は、このスライド部材に設けられている。そして、このカム切替機構では、アクチュエータへの通電がなされると、アクチュエータに内蔵されたロックピンがスライド部材を押すことで、スライド部材の係合ピン（突起部）がカムシャフトの外周面に向けて突き出され、カム溝に挿入される。その結果、スライド部材がカムシャフトの回転に伴ってカムシャフトの軸方向と平行な方向にスライドする。それに伴い、複数のカムとバルブとの間に介在するロッカーアームの動作状態が切り替わることで、バルブを駆動するカムが切り替えられる。

上記文献に記載のカム切替機構では、このようにロックピンを介してアクチュエータによって押されたスライド部材の係合ピンの先端がカム溝の底面に衝突した時に、もしくは当該係合ピンの付け根の表面がカム溝の周囲の円筒部の外周面に衝突した時に、突き出し動作に伴う衝突音が生じることになる。さらに付け加えると、上記文献に記載のカム切替機構のように、係合ピンは、アクチュエータに内蔵されていなくてもよい。また、カム溝は、可変動弁装置１０のようにカムシャフトと別体のカムキャリアの外周面（カムシャフトの外周面の一部として機能）に形成されたものに限られず、上記文献に記載のカム切替機構のように、カムシャフトの一部に形成（固定）された円筒部の外周面（カムシャフトの外周面の一部として機能）に形成されていてもよい。また、気筒毎または気筒群毎に設けられる係合ピンの数は、可変動弁装置１０が備える係合ピン２８のように複数に限られず、上記文献に記載のカム切替機構のように１つであってもよい。

また、以上説明した各実施の形態に記載の例および他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。

１０ 可変動弁装置
１２ カムシャフト
１４ 吸気カム（小カム）
１６ 吸気カム（大カム）
１８ ロッカーアーム
２０ カム切替機構
２２ カムキャリア
２４ アクチュエータ
２６（２６ａ、２６ｂ） カム溝
２８（２８ａ、２８ｂ） 係合ピン
３０（３０ａ、３０ｂ） 電磁石
４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４２ クランク角センサ
４４ 油温センサ

Claims (2)

1. 回転駆動されるカムシャフトと、
   前記カムシャフトに設けられ、プロフィールの異なる複数のカムと、
   燃焼室を開閉するバルブを駆動するカムを、前記複数のカムの間で切り替えるカム切替動作を行うカム切替機構と、
   前記カム切替機構を制御する制御装置と、
   を備える内燃機関システムであって、
   前記カム切替機構は、
   前記カムシャフトの外周面に設けられたカム溝と、
   前記カム溝に係脱可能な係合ピンを有し、前記係合ピンを前記カムシャフトに向けて突き出し可能なアクチュエータと、
   を含み、
   前記カム切替機構は、前記係合ピンが前記カム溝に係合しているときに、前記バルブを駆動するカムが前記カムシャフトの回転に伴って前記複数のカムの間で切り替わるように構成されており、
   前記カムシャフトの前記外周面は、前記カム溝における前記カムシャフトの回転方向の前方側の端よりも前記回転方向の前方側に位置する前方外周面を含み、
   前記制御装置は、前記カム切替機構に前記カム切替動作を行わせる場合に、前記係合ピンが前記前方外周面に着座するように前記アクチュエータを制御し、
   前記制御装置は、前記カム切替機構に前記カム切替動作を行わせるときに、エンジン回転速度が閾値未満の場合には前記係合ピンが前記前方外周面に着座するように前記アクチュエータを制御し、一方、エンジン回転速度が前記閾値以上の場合には前記係合ピンが前記前方外周面に着座することなく前記カム溝に挿入されるように前記アクチュエータを制御する
   ことを特徴とする内燃機関システム。
2. 前記カムシャフトを潤滑するオイルの温度が第１温度値であるときのエンジン回転速度の前記閾値は、前記オイルの温度が前記第１温度値よりも高い第２温度値であるときの前記閾値と比べて小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。

Images