JPH04191425A - 内燃機関のカム切換制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は運転条件によってカムを切換える内燃機関のカ
ム切換制御装置に関する。

（従来の技術） 内燃機関の吸排気弁を駆動する動弁装置は、機関の要求
する出力特性に合わせて、最適なバルブタイミングが得
られるように設定されている。

ところが、この要求バルブタイミングは機関の運転条件
によってそれぞれ異なり、例えば低負荷域ではバルブリ
フト、開弁期間は共に小さく、これに対して高負荷域で
は大きなバルブリフトと開弁期間が要求される。自動車
用内燃機関のように運転条件が広範囲にわたるものは、
バルブタイミングをどの運転領域を対象に設定するかが
なかなか難しく、いずれにしても、総ての運転条件で最
適なマツチングとすることはできない。

そこで、特開昭６３−１６７０１６号公報にあるように
、カム特性（カムプロフィル）の興なる複数のカムを備
えておき、運転条件によってカムの切換えを行うことに
より、それぞれにおいて最適なバルブタイミングで運転
することを可能とじた可変動弁装置が提案されている。

これは低回転域で高いトルク特性をもつ低速型の出力カ
ムと、高回転域て高いトルク特性の高速型の出力カムと
を、運転条件により切換えることにより、低速域から高
速域まで高出力を発揮させようとするものである。また
、これに加えて部分負荷域での燃費特性にすぐれた燃費
カムを備え、部分負荷域での燃費向上を図ることも提案
されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上記したカムの切換えは、切換運転状態が判
断されると、各気筒のカム切換アクチュエータを一斉に
駆動して行っていた。

しかし、カムの切換が指令されてがら実際に切換が終了
するまでにはある時間がかかり、しかもクランク角度に
よっては切換が不能な範囲もあるので、総ての気筒でカ
ムの切換が同時に終了するとは限らず、このため、切換
を指令した直後は気筒によってどのカムで運転されてい
るのかは、必ずしも特定できない。

カムが切換られると、スロットル開度が変ｆヒしな（て
もンリンタの吸気充填効率かカム特性によって変わるた
め、要求される燃料の供給量や点火時期も大きく変化す
る。

ところが上記したように、カム切換が指令された直険は
気筒によって使用カムの特定がてきないため、カムによ
って要求の異なる燃料供給量や点火時期にマツチさせよ
うとしても、タイミングの合った制御ができす、この場
合には切換前後でトルク変動による切換ショックや、排
気組成の悪化が避けられなかった。

これに対して特定の気筒からカムの切換が終了するよう
に制御するには、総ての気筒で共通にカム切換が可能と
なる非常に狭いクランク角度範囲に的を合わせて駆動ア
クチュエータを一斉に作動させる必要があるが、アクチ
ュエータの応答遅れのバラツキ等を考慮すると、とくに
高回転域では切換が可能となる絶対的な時間範囲が非常
に短くなることもあって、正確に目標タイミングで切換
ることはきわめて困難で、また実用化のためには高速応
答性にすぐれたアクチュエータや、入力の高速センシン
グ、ＣＰＵの高速演算等、非常に高性能な装置が必要と
なり、仮に実用化てきても当然高価なものになる。

そこで本発明は、カムの切換ｆ！：２つの気筒グループ
に分けて行うことにより、切換タイミングに余裕をもた
せ、アクチュエータの応答性にバラツキがあっても確実
に特定気筒からカム切換を完了させられるようにしたカ
ム切換制御装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） そこで本発明は、第１図に示すように、出力特性の異な
るカムプロフィルをもつ複数のカム１０と、運転状態に
応じてカム１０の選択・切換えを判定する手段１１と、
選択されたカム１０により吸排気弁の少なくとも一方を
駆動するようにカム１０を切換えるカム切換機構１２と
を備えた内燃機関において、機関のクランク角度を検出
する手段１４と、カムの切換が判定されると点火順序に
したがって分けた少なくとも２つの気筒グループにおけ
る各先頭気筒の切換可能範囲てカム切換が終了するよう
に遅れ時間を古めでそれぞれ切換開始時期？演算する手
段１５と、この切換開始時期に対応したクランク角度で
同一気筒グループのカム切換機構にカム切換信号を出力
する手段１６とを備足る。

（作用） カムの切換が判定されると、２つの気筒クルーズのうち
各先頭気筒（点火順序で）のカム切換可能範囲である、
吸気行程を除いた残り行程範囲で切換が終了するように
、カム切換Ｓ構の応答遅れ期間を含めて、切換開始時期
が演算され、その時期にその気筒グループて同時にカム
切換が行なわれる。

したがってカム切換可能な範囲が広く、カム切換機構の
応答性にバラツキがあっても、先頭気筒ではその範囲で
確実にカム切換が終了するし、また、例えば４気筒機関
の場合、先頭気筒の切換可能な範囲は、同一グループの
他の気筒にとっては吸気、圧縮、膨張行程に相当するが
、吸気行程では切換が不能でも、そのまま待機していれ
ば圧縮または膨張行程で切換を完了させることができ、
この場合も、全部の気筒て一斉に切換を行うのに比へる
と切換可能な範囲が広いため、先頭気筒に次ぐ気筒でも
確実にカムの切換ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第２図、第３図に可変動弁装置の基本的な構成を
示すが、これ自体は本出願人により、特願平２−ＬＬ７
２６１号として、既に提案されているもので、低回転域
と高回転域でそれぞれ出力を重視した２つの出力型カム
と、これとは別に部分負荷域などで燃費を重視した燃費
カムとの３つのカムを運転状況に応じて切り換えるよう
になっている。

２１は燃費重視型のカムプロフィルに設定され、カムリ
フトが小さく、かつリフト開始が遅くリフト終了が早い
リフト区間の小さい第１カム（燃費カム）、２２は低回
転域で高トルクを発生するカムプロフィルに設定され、
前記第１カム２１よりもカムリフトが相対的に大きい第
２カム（低速型出力カム）、２３は高回転域で高トルク
を発生する力ｌ、プロフィルに設定され、第２カム２２
よりもカムリフト、リフト区間の大きい第３カム（高速
型出力カム）で、これらは同一のカムレヤフトに並列的
に設けられる。

２４は吸・排気弁（吸気弁または排気弁）、２５はロー
ラ２６を介して前記第１カム２１と常時接触するメイン
ロッカーアームで、ロッカーシャフト２７を支点に揺動
して、吸・排気弁２４を開閉する。

メインロッカーアーム２５にはシャフト３０を支点にし
て揺動する２つのサブロッカーアーム２８．２９が前記
ローラ２６と並列的に支持され、一方のサブロッカーア
ーム２８は前記第２カム２２と、他方のサブロッカーア
ーム２９は前記第３カム２３と接触する。

これらサブロッカーアーム２８１．２９はメインロッカ
ーアーム２５と係合していないときは、ロストモーショ
ンスプリング３１により常時第２゜第３カム２２．２３
に接触するように付勢され、メインロッカーアーム２５
からは独立して運動（揺動）する。

これらサブロッカーアーム２８．２９をメインロッカー
アーム２５に対して選択的に係合するため、まず一方の
サブロッカーアーム２８の揺動部位には円柱形のビン３
２が、またメインロッカーアーム２５にもこのビン３２
と同軸上にビン３４が、それぞれカムシャフト方向に摺
動自由に配設され、かつこれらビン３２．３４は常時は
リターンスプリング３６に付勢されて第２図の状態に保
持され、メインロッカーアーム２５との係合を解かれて
いるが、ビン３４の収装された油圧室３８に通路４０を
介して圧油が導かれると、ビン３２と３４が所定量だけ
押し出されて、サブロッカーアーム２８がメインロッカ
ーアーム２５と係合するようになっていて、これらによ
りカム切換機構の油圧アクチュエータを構成する。

サブロッカーアーム２８がメインロッカーアーム２５と
一体になるのは、第１カム２１、第２カム２２のベース
サークルにあるときで、一体後は第１カム２１よりもリ
フトの大きい第２カム２２に従ったバルブタイミングに
切換わる。

つまり、第１カム２１による燃費重視の特性から、第２
カム２２による低回転域での出力重視の　０特性に切換
られるのである。

他方のサブロッカーアーム２９についても、これと同様
に構成され、油圧室３９に通路４１を介して圧油が導か
れると、ビン３５と３３がリターンスプリング３７に抗
して押し出され、サブロッカーアーム２９がメインロッ
カーアーム２５に係合することにより、バルブタイミン
グは前記と同じく第１カム２１よりもリフト量、リフト
区間の共に大きい第３カム２３に依存するように切換ら
れ、高回転域での出力重視の特性が得られるのである。

なお、第４図に第１カム２１から第３カム２３までのバ
ルブリフト特性を示す、そして、各カムを用いたときの
全開出力特性は、第５図のようになり、第１カム２１に
よれば、発生トルクは低いものの燃費が良く、第２カム
２２では低回転域での最大トルクが最も高く、第３カム
２３は低回転域での発生トルクは第２カム２２よりも小
さいものの、高回転域での最大トルクは最も大きくなる
。

ところで、第１カム２１から第２、第３カム２２．２３
への切換や、その反対に第２、第３カム２２．２３から
第１カム２１への切換を制御するために第６図に示すよ
うなコントロールユニット５１が備えられ、運転状態に
よって最適なカムが選択されるのである。

コントローユニット５１におけるカムの選択切換は第５
図の特性に基づいて行なわれ、要求するトルクと回転数
が、例えば燃費カムである第１カム２１の領域にあると
きはこの燃費カムを用い、この状態からアクセル開度が
増加して要求トルクが燃費カムの領域を外れて例えば低
速型出力カムである第２カム２２の領域に移行すると、
燃費カムから低速型出力カムに切換られ、また、回転数
が低回転域から高回転域に上昇してくると、高速型出力
カムである第３カム２３に切換られるのである。

このため第す図にら示すよつに、コントロールユニ７１
〜５１には機関回転数、クラシフ角度位置を検出するク
ランク角センサ５２、アクセルペダルの操ｆヤ量（踏込
量）と検出するアクセル操作量センサ５３、吸入空気量
を検出するエアフローセンサ５４からの信号が入力し、
これらに基づいて上記のようにカムの切換領域か判定さ
れる。

なお、コントロールユニット５１にはこの他、油圧を検
出する油圧センサ５５、油温を検出する油温センサ５６
からの各検出信号も入力する。

そしてこのようにしてカムが選択されると、そのカムへ
の切換は、予め点火順序にしたがって分けた少なくとも
２つの気筒グループにおける各先頭気筒の切換可能範囲
でカム切換が終了するように応答遅れ時間を含めてそれ
ぞれ切換開始時期を演算し、この切換開始時期に対応し
たクランク角度で同一気筒グループのカム切換機構にカ
ム切換信号を出力することにより、カム切換をグループ
毎に行うようになっており、これによって特定の気筒か
ら順に必ず新しく切換っなカムにより吸入行程に入るこ
とを可能としている。

したかって、後述するように、この特定気筒がら燃料噴
射弁５９の燃料供給量と点火装置６０による点火時期と
を補正することにより、切換時のトルクショックや排気
組成の悪化を確実に回避できる。

この実施例では４気筒＃１〜＃４のうち、＃１゜＃２気
筒のカム切換機構に対しては電磁弁４５ａ。

４６ａにより、また＃３．＃４気筒のカム切換機構に対
しては電磁弁４５ｂ、４６ｂにより供給油圧が制御され
、したがってカム切換は、＃３．＃４気筒のグループと
、＃１．＃２気筒のグループとでそれぞれ同時に行なわ
れる。

この場合、点火順序を＃１−＃３−＃４−＃２（＝＃３
−＃４−＃２−＃１）とすると、各電磁弁に対する切換
信号は、各グループの先頭気筒、っまり＃３．＃４気筒
グループでは＃３気筒でカム切換可能な範囲である圧縮
、膨張、排気行程にあるときに切換が終了するように、
油圧アクチュエータの応答遅れ時間を含めて切換開始時
期が演算されるのであり、同様に＃２．＃１気筒グルー
プでは＃２気筒て力石切換可能な範囲に切換か終了する
よつな時期に切換１言号か出力される。

なお、電磁弁４５ａ、４５ｂか開かれると第２カム２２
を働かせるために油圧室３８にオイルポンプからの圧油
か導かれ、電磁弁４６ａ、４６ｂを開くことにより今度
は第３カム２３を働かせるため油圧室３つに圧油が導か
れる。

次にコントロールユニット５１で実行されるこれらカム
切換の制御動作を、第７図のフローチャートによって説
明する。

運転条件を代表する信号として、アクセル開度、クラン
ク角度、回転数、吸入空気量、油温、油圧等が読み込ま
れ、予め設定されたカムの使用領域に基づいてカムの切
換が判定される（ステップ１゜２）。

カムの切換が判定されると、そのときの油温、油圧等に
基づいてカム切換機構の油圧アクチュエ−タの応答遅れ
時間τが演算され、この遅れ時間τをそのときの回転数
Ｎｅに基ついてクランク角範囲θτに変換する（ステッ
プ３．４）。

次いで、ステップ５で油圧アクチュエータを駆動するた
めの切換開始時期を演算するのであるが、これは第８図
にも示すように、各気筒グループにおいて、点火順序の
先頭気筒のカム切換可能範囲、つまり、吸気弁かりフト
していない圧縮、膨張、排気行程の範囲で切換が終了す
るように、油圧アクチュエータの応答遅れクランク角範
囲θτを含めて計算されるが、カム切換の終了目標がカ
ム切換可能範囲の中央値（膨張行程の中間）となるよう
設定すると、応答のバラツキがあっても、その範囲で最
も確実にカム切換を終了させられるため、＃３．＃４気
筒グループでは、切換開始時期θ１＝　＋（３６０°＋
５４０°）／２−θτ）として演算し、また、＃１．＃
２気筒グループでは、これよりもクランク角にして３６
０°だけ遅らせた時期、つまりθ２＝θ１＋３６０°と
して求める。

この場合、各気筒グループの残りの気筒、具体的には＃
４気筒と＃１気筒については、先頭気筒の切換可能範囲
は、それぞれ吸気、圧縮、ｌ１ｉ５張行程に相当するが
、吸気行程以外はカムの切換が可能であり、また、切換
動ｆ？か吸気行程にさしかかったときは、カム切換はで
きない乙ののそのまま待機する状態となり、次の圧縮か
膨張行程で確実に切換られることになる。

このようにして０１とθ２を演算したら、まずステップ
６で、クランク角度がこのθ１に達したかどうかを判断
し、θ１のときに＃３．＃４気筒の電磁弁に切換信号を
出力しくステップ７）、同じくステップ８てクランク角
度かθ２に達したかどうかを判断し、θ２のときに＃２
．＃１気筒の電磁弁に切換信号を出力（ステップ９）し
て、それぞれカム切換を行う。

なお、ステップ１０で全気筒に対する切換が行なわれた
ことを確認し、そうでないときはステップ６に戻り、再
度同じ動作を繰り返す。

以上の結果、例えば従来のように、４気筒を同時に切換
る場合には、全気筒において切換が可能となる範囲は、
クランク角度にして１８０　’の範囲となるが、この発
明では４気筒を２つカブループに分けているので、切換
可能な範囲は５４０゜となって、３倍の余裕か生しるこ
とになり、このため、油圧アクチュエータの応答遅れに
多少のバラツキがあっても、確実に目標とするクランク
角度でカム切換を終了させられ、したがって特定の気筒
から新しく切換えたカムで吸入行程に移行することでき
、これに合わせて燃料供給量と点火時期を補正制御する
ことにより、切換時のトルクショックや排気組成の悪化
を確実に回避することが可能となるのである。

第９図は燃費カムから出力カム（低速型）に切換なとき
の、燃料供給量と点火時期の要求値を示すものであるが
、カムの切換の前後でスロットル開度、機関回転数が変
化しなくても、シリンダに対する吸気充填効率が大きく
変化（約２倍）するため、シリンダ内吸入空気量は瞬間
的に大きく増える。

したがって、燃料の供給量をこれに対応して増大させな
いと燃料不足になり、燃焼が悪化し、失火する可能性も
ある。また、要求点火時期もこれに件って変ｆヒする。

とくに、カム切換直後はその要求値の変化も大きく、こ
のため、カム切換か特定の気筒がら開始できると、この
カム切換気筒に対応して燃料供給量と点火時期を切換え
ることにより、切換時のトルク変動を抑制して切換ショ
ックを無くすと共に、排気組成の悪化３防止することか
できる。

なお、切換直後の最初の吸入行程に比べて、次回以降の
吸入行程でシリンダ内に吸入される空気量の変化は少な
くなる。これは切換直後が元の比較的小さい（弱い）吸
入負圧のままシリンダ内に空気を吸入することで充填効
率が一時的に非常に高くなるためで、その後は吸入負圧
の増加により、シリンダ内に吸入される実質的な空気量
は減少する。

したがって、燃料や点火時期の補正量は、切換直後に最
も大きく、その後は計測される吸入空気量と回転数に対
応しての通常の演算制御値に戻せばよく、この値は前述
の高回転域のカム切換時の制御と同様なものとなる。

なお、上記実施例は吸気弁に対するカム切換について説
明したか、排気弁についても同様にして実施することが
できる。

また、４気筒機関を例にして説明したか、６気筒や８気
筒機関に−）いても、同様にして実施でき、このように
気筒数が増えるときは、分割する気筒グループ数をさら
に増やすことにより、油圧アクチュエータ等に求められ
る高速応答性等をそれほど高めることなく、したがって
安価なシステムて゛対応することが可能となる。

制御と同様なものとなる。

なお、上記実施例は吸気弁に対するカム切換について説
明したが、排気弁についても同様にして実施することが
てきる。

また、４気筒機関を例にして説明したが、６気筒や８気
筒機関についても、同様にして実施でき、このように気
筒数か増えるときは、分割する気筒グループ数をさらに
増やすことにより、油圧アクチュエータ等に求められる
高速応答性等をそれはビ高めることなく、したがって安
価なシステムで対応することが可能となる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれは、カムの切換か判定される
ヒ、少なくとも２つの気筒グループのうち各先頭気筒（
点火順序で）グ）カム切換可能範囲である、吸気行程を
除いた残り行程範囲で切換か終了するように、カム切換
機構の応答遅れ期間を含めて、切換開始時期が演算され
、その時期にその気筒グループで同時にカム切換が行な
われるため、カム切換可能な範囲が広く、カム切換ｍ楕
の応答性にバラツキがあっても、先頭気筒ではその範囲
で確実にカム切換が終了するし、また、同一グループの
他の気筒にとっても、吸気行程では切換が不能でも、そ
のまま待機していれば圧縮または膨張行程で切換を完了
させることができ、この場合も、全部の気筒で一斉に切
換を行うのに比べると切換可能な範囲が広いため、先頭
気筒に次ぐ気筒ても確実にカムの切換ができ、安価なシ
ステムでも確実に特定気筒からのカム切換が可能となり
、切換と同期して燃ｙ＋や点火時期を補正することによ
り、切換時のトルクショックや排気組成の悪化を確実に
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２１１は本発明の実施例を
示すカム切換機ＩＩＩめ平面図、第３１２１は同しくそ
ｆ）Ｘ　−Ｘ線断面図、第４図は各カムによるバルブリ
フト特性を示す説明図、第５図は各カムによる出力特性
を示す説明図、第６図は制御系のブロック図、第７図は
コントロールユニットで実行される制御動作を示すフロ
ーチャート、第８図はカムの切換可能範囲を示す説明図
、第９図はカム切換時の制御特性を示すタイミングチャ
ートである。 ２１．２２．２３・・・カム、２４・・・吸　排気弁、
２５・・・メインロッカーアーム、２８．２９・・・サ
ブロッカーアーム、４５　ａ、４５　ｂ、４６　ａ、４
６　ｂ・・電磁弁、５１・・・コントロールユニット、
５２・・・クランク角センサ。 特許出願人　日産自動車株式会社 ２５−　メイシロッ力アーム ２８．２９−一一ηフ′ロッカアーム 第３図 ２１〜２３−ｍ−カム ２４−−−　Ｑｌｔ、　−；−＄ｒＡ４第４図 第５図 エンシン日傘な妾丈ｒｐｍ 第８図 ａ１９　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、出力特性の異なるカムプロフィルをもつ複数のカム
   と、運転状態に応じてカムの選択切換えを判定する手段
   と、選択されたカムにより吸、排気弁の少なくとも一方
   を駆動するようにカムを切換えるカム切換機構とを備え
   た内燃機関において、機関のクランク角度を検出する手
   段と、カムの切換が判定されると点火順序にしたがって
   分けた少なくとも２つの気筒グループにおける各先頭気
   筒の切換可能範囲でカム切換が終了するように遅れ時間
   を含めてそれぞれ切換開始時期を演算する手段と、この
   切換開始時期に対応したクランク角度で同一気筒グルー
   プのカム切換機構にカム切換信号を出力する手段とを備
   えたことを特徴とする内燃機関のカム切換制御装置。