JPH04292551A - 内燃機関の出力制御装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は運転条件によってカムを
切換える可変動弁機構を備える内燃機関の出力制御装置
に関する。

【０００２】

【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。

【０００３】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ッチングとすることはできない。

【０００４】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）の異なる複
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した可変動弁装置が提案
されている。

【０００５】これは低回転域で高いトルク特性をもつ低
速型のカムと、高回転域で高いトルク特性の高速型カム
とを運転条件により切換えるもので、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。さらに、
これらに加えて部分負荷域での燃費特性にすぐたれ燃費
カムを備えているものも提案されている。

【０００６】

【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、切換の前後で機関出力が不連続に変化
することのないように、同一のスロットル開度において
出力が一致する回転数を選んで行なわれる。

【０００７】ところが、選択されるカムとして、低回転
域と高回転域とで全開出力（トルク）を重視した特性の
２つの出力カム（あるいは全回転域ので出力を重視した
特性の単一の出力カム）と、部分負荷域で燃費を重視し
た燃費カムとを備えている場合、燃費カムから出力カム
への切換（あるいはこの逆への切換）は、燃費カムでの
発生トルクが相対的に低いことから、同一のスロットル
開度におけるトルク段差が非常に大きくなってしまう。

【０００８】上記したように低速型の出力カムと高速型
の出力カムとの間の切換は、同一の出力となる回転数を
境に切換ればよいが、燃費カムの場合は吸気弁のリフト
が小さく閉弁時期も下死点前にあり、要求トルクを確保
するのに必要なスロットル開度が相対的に大きく、この
ためポンピングロスが少なく燃費が良いのであるが、こ
の燃費カムからリフトも開弁期間も大きい出力カムへと
切換るときは、スロットル開度が同一のままでは発生ト
ルクが大きすぎて、切換時に大きなトルクショックが発
生するのである。もちろんこのことは、出力カムから燃
費カムへの切換時にも、発生トルクの急減というかたち
で現れる。

【０００９】なお、カムへの切換は運転者の意志に基づ
き、つまりアクセルペダルの開度変化等に応じて行なわ
れ、例えば燃費カムでの運転中にアクセルペダルがさら
に踏み込まれて燃費カムでの領域を越えた出力トルクを
要求しているときは、そのときの回転域から低速型か高
速型の出力カムのいずれかが選択され、切換られること
になる。

【００１０】したがって、カム切換が燃費カムと出力カ
ムとの間で実行されるときは、そのままのアクセル開度
を維持すると出力トルクの急変を生じることになり、カ
ム切換のたびに運転者はアクセルペダルを戻したり、踏
み込んだりのアクセル操作を要求され、運転操作性が著
しく悪化してしまう。

【００１１】そこで本発明は、アクセルペダルとスロッ
トルバルブとを切り離して、かつ各気筒毎にスロットル
バルブに設け、これらスロットルバルブの開度をカムの
切換に同期して制御することにより、各気筒毎にカム切
換時のトルク段差を確実に吸収することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、図１に
示すように、出力特性の異なる複数のカム１と、運転状
態に応じてカムの切換を判定する手段２と、カム切換の
判定に基づいてカム１を切換えるカム切換手段３とを備
えた内燃機関において、各気筒の吸気通路にそれぞれ介
装したスロットルバルブ４と、これらスロットルバルブ
４をアクセルペダルとは独立してそれぞれ開閉駆動する
手段５と、アクセル開度に応じた要求トルクが生じるよ
うに各カム毎にスロットル開度を演算する手段６と、カ
ムの切換時に切換前後の発生トルクが同一となるように
各気筒毎にカムの切換に同期して演算されたスロットル
開度に制御する手段７とを備える。

【００１３】

【作用】したがってカムの切換時期が判断され、たとえ
ば出力の小さいカムから出力の大きいカムへ切換る時に
は、各気筒毎にスロットル開度が減少し、同じく、出力
の大きいカムから小さいカムへの切換時には、各気筒毎
にスロットル開度が増加し、切換の前後において各気筒
の発生トルクはほぼ同一値を維持する。

【００１４】スロットル開度の補正は気筒毎にカムの切
換に同期して行われるので、他の気筒に及ぼす影響がな
く、しかも、スロットルバルブから気筒までの空気ボリ
ュームが小さく、カム切換時のブースト変化の応答性も
よいため、カム切換時のトルク段差の発生を確実に吸収
することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１６】まず、図２、図３に可変動弁装置の具体的
な構成を示すが、これ自体は本出願人により、特願平２
−１１７２６１号として、既に提案されている。

【００１７】２１は燃費重視型のカムプロフィルに設定
され、カムリフト及びリフト区間の共に小さい第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カムプロフィルに
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
のカムシャフトに並列的に設けられる。

【００１８】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。

【００１９】メインロッカーアーム２５にはシャフト３
０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。

【００２０】これらサブロッカーアーム２８，２９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。

【００２１】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
柱形のピン３２が、またメインロッカーアーム２５にも
このピン３２と同軸上にピン３４が、それぞれカムシャ
フト方向に摺動自由に配設され、かつこれらピン３２，
３４は常時はリターンスプリング３６に付勢されて図２
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、ピン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、ピン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る。

【００２２】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及び第２カ
ム２２が共にベースサークルにあるときで、両者の一体
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。

【００２３】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特
性に切換られるのである。

【００２４】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、ピン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、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。

【００２５】なお、図４に第１カム２１から第３カム２
３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、図５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。

【００２６】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２
２，２３から第１カム２１への切換を制御するために図
６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。

【００２７】コントローユニット５１におけるこのカム
の選択は図５の特性に基づいて、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。

【００２８】このため、コントロールユニット５１には
機関回転数、クランク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作量（踏込量）を検出す
るアクセル操作量センサ５３、実際に選択されたカム位
置を検出するカムポジションセンサ５８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時期が
判定されたら、前記２つの油圧室３８，３９への油圧の
切換を行う電磁弁４５と４６の作動を制御するのである
。

【００２９】つまり、一方の電磁弁４５が開かれると第
２カム２２を働かせるために油圧室３８にオイルポンプ
からの圧油が導かれ、他方の電磁弁４６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３９に圧油
が導かれるのである。

【００３０】ところでコントロールユニット５１は、こ
のようなカムの切換時に、各カムによる吸気充填効率の
違いから、大きなトルク段差を生じ、不連続な出力変動
により運転性を悪化させたり、車体振動を誘発したりす
る現象を回避するために、各気筒の吸気通路（吸気ポー
ト）６０にそれぞれ設けたスロットルバルブ６１を、各
気筒毎にカムの切換に同期させつつ、カム切換前後のト
ルク差を吸収する方向に制御するようになっている。

【００３１】カムによってシリンダに対する吸気充填効
率は異なり、同一のスロットル開度に対する発生トルク
特性が大きく相違する。カムの切換は前述のように、そ
れぞれのカムのもつ特性が最大限に発揮される運転領域
を選んでおこなわれるのであるが、切換回転数での出力
トルクは必ずしも一致しないことがあり、この場合には
、カム切換の前後でスロットル開度が同一のままだと、
大きなトルク段差を生じ、運転性が著しく損なわれるこ
とになる。

【００３２】そこで、カム切換の前後における発生トル
クが同一となるようにスロットル開度を補正するのであ
るが、各カムが切換わるのは、各カムがベースサークル
にあるときで、カムの切換指令が出力されても、全部の
気筒で同時にカム切換が実施されるわけではなく、実際
にカムの切換わる時期は気筒によって少しづつずれてく
る。したがって、カム切換時の発生トルクの段差を吸収
するためにスロットル開度を補正しても、スロットルバ
ルブの切換に一定の時間が必要となる以上、スロットル
開度が変化している途中で、新たなカムの吸入行程に入
ってしまったり、あるいは切換前のカムで吸入したりす
る気筒が必ず出てきて、その気筒だけ発生トルクが大幅
に他の気筒と相違してしまう。

【００３３】また、スロットルバルブから各気筒までの
吸気通路の容積相当分の空気量は、スロットルバルブの
開度が変化してもそのまま慣性により吸気行程順に気筒
に吸入されるため、とくにこのボリュームが大きいとき
は、この間における発生トルクがスロットル開度の補正
にもかかわらず切換られたカムに対応しなくなり、トル
ク段差の吸収が難しくなる。

【００３４】そこでこの発明では、図７にも示すように
、各気筒毎に独立して、吸気弁２４になるべく近い吸気
ポート６０にそれぞれスロットルバルブ６１を設け、こ
れらスロットルバルブ６１をサーボ駆動回路６３からの
信号で作動するサーボモータ６２によって駆動するよう
に構成し、サーボ駆動回路６３にはカムの切換時にコン
トロールユニット５１からの制御信号を出力することに
より、各気筒毎にカムの切換に同期してスロットルバル
ブ６１の開度を補正し、切換の前後で同一の出力トルク
を維持するようにした。

【００３５】なお、実際のスロットルバルブ６１の開度
はスロットル開度センサ５４によって検出され、コント
ロールユニット５１にフィードバックされ、目標開度と
一致するように制御される。

【００３６】ところでスロットルバルブ６１の目標開度
は、アクセルペダルの開度と、そのとき選択されている
カムの出力特性に基づいて、所定のトルクを発生するよ
うに演算される。すなわち、コントロールユニット５１
は基本的にはアクセル操作量センサ５３の信号から要求
トルクを判断し、カムポジョシンセンサ５８の出力から
求めたそのときのカム位置で、要求トルクを発生するの
に必要なスロットル開度位置を演算し、サーボモータ６
３を介してスロットルバルブ６１の開度を決定する。

【００３７】したがってカム切換が判断されたときは、
切換前後の発生トルクがアクセル開度に対応する同一の
トルクを維持するように、たとえば第１カム２１から第
２または第３カム２２、２３への切換るときは、スロッ
トルバルブ６１の開度を減少補正し、第２または第３カ
ム２２、２３から第１カム２１に切換るときは、逆にス
ロットルバルブ６１の開度を増大させ、切換の前後でト
ルク段差が発生しないように制御する。

【００３８】さらに、コントロールユニット５１は点火
装置５９に対する点火時期信号をカム切換時に一定時間
だけリタードさせることにより、トルク段差の吸収をよ
り一層確実に防止する。

【００３９】なお、第２カム２２と第３カム２３との間
の切換は、図５のように、アクセル全開で同一トルクを
発生する機関回転数があるので、このときを境にして行
えばよく、もちろんスロットル全開でないところでも、
同一スロットル開度でトルクが一致する回転数があるの
で、この回転数で切換ればスロットル開度の補正は必要
ない。

【００４０】したがって、カム切換時にスロットル開度
の補正制御が必要となるのは、主として燃費カムである
第１カム２１と、出力カムである第２、第３カム２２、
２３との間であり、これらの制御動作について具体的に
図８のフローチャートにしたがって、かつ、図９（Ａ）
（Ｂ）のタイミングチャートを参照しながら説明する。

【００４１】ステップ１，２でクランク角度センサの出
力からクランク角度θ、回転数Ｎ、アクセル操作量セン
サの出力から要求アクセル開度Ａｃｃを読み取る。そし
て、運転状態がカムの切換領域にきたかどうかを図５を
もとに判定し、切換の必要性が判定されたならば、燃費
カムから出力カムへの切換か、あるいはその逆の切換か
を判断する（ステップ３，４）。燃費カムから出力カム
への切換時にはスロットル開度を減少する補正を行うが
、図１０にも示すように、そのときの回転数Ｎとスロッ
トル開度Ｔｖｏから求まる負荷（トルク）が、切換の前
後で同一となるような補正スロットル開度Ｔｖｏを、予
め回転数とスロットル開度を基準に設定されたテーブル
から読込む。また、同様にして点火時期のリタード値も
読込む（ステップ５，６）。

【００４２】そして、カムの切換が前記したように油圧
制御により実際に行なわれる時期にきたかどうかを判断
し、切換時期に達したときに前記スロットル開度Ｔｖｏ
の補正信号と、点火時期のリタード信号を出力する（ス
テップ７，８）。

【００４３】図９（Ａ）に示すように、燃費カムから出
力カムに切換たときに、スロットル開度（Ｔｖｏ）を実
線のように切換前後で変化させない場合、トルクは大き
く増加する。なお、ブースト（吸入負圧）も切換に伴い
強まる。

【００４４】これに対して、切換時に前述したようにし
て、スロットル開度を点線で示すように所定量だけ減少
させ、かつ点火時期を一時的にリタードさせると、一点
鎖線で示すように、トルクは切換前と同一値をとり、ト
ルク変動が吸収されるのである。なお、スロットル開度
を減少させるにもかかわらず、切換直後にトルクが定常
時よりも一時的に増加するのは、スロットル開度を絞る
前のブーストが小さい状態で燃費カムから出力カムに切
換わる結果（スロットルバルブ６１から吸気弁２４まで
の空気ボリュームは小さいのだが）、切換直後にシリン
ダ内に蓄えられる吸入空気の実効充填量が定常時よりも
わずかに増えるためで、この分は点火時期のリタードに
よる出力の低下で補正している。他方、ステップ４にお
いて、カムが出力カムから燃費カムへ切換られるときは
、スロットル開度の増加補正が行なわれるが、上記と同
じようにして、テーブルルックアップにより、補正スロ
ットル開度Ｔｖｏを読み取り、さらに点火時期のリター
ド値を読み取る（ステップ９，１０）。そして、こんど
はカムの切換時期よりも所定のクランク角度θだけ早め
に、スロットル開度と点火時期の補正信号を出力する。

【００４５】図９（Ｂ）で示すように、出力カムから燃
費カムに切換たときは、スロットル開度が同一のままで
はトルクが大きく減少するが、スロットル開度を点線で
示すように所定値だけ開（増加）くことにより、トルク
の落ち込みを防ぐことができる。この場合、カム切換の
直前までスロットル開度を閉じていると、出力カムから
燃費カムに切換った直後はそのまま残っている強いブー
ストのため、実質的な吸気充填効率がさらに下がり、ト
ルクが大きく落ち込む。しかし、このように、カム切換
の少し前から予めスロットルを開いてブーストを弱めて
おくので、切換直後のトルクの減少を防ぐことができる
。また、そのままだと今度はトルクが大きくなり過ぎる
ので、同時に点火時期を一時的にリタードさせることに
より、切換の前後におけるトルクを同一に維持する。

【００４６】なお、切換と同時にスロットル開度を開く
と、いったんトルクが下がってから同一値へと収束する
が、このアンダーシュート分についてはトルクを増加さ
せることができないので、カムの切換前に予めスロット
ル制御を実行してトルクをオーバーシュートさせておき
、この分について点火時期のリタードによる出力低下で
相殺するのである。

【００４７】以上は１つの気筒を例にして説明したが、
各気筒の吸気通路にスロットルバルブ６１がそれぞれ独
立して設けられるので、各気筒毎にカム切換に同期して
同様な制御が行われるため、気筒間で発生トルクの変動
を生じることもなく、トルクアンバランスによるショッ
クのない、円滑な切換が実現する。なお、このようにス
ロットルバルブ６１はそれぞれ独立して設けられ、他の
気筒に影響を及ぼすこともないため、スロットルアクチ
ュエータ（サーボモータ６２など）の応答性はそれほど
高くしなくてもよく、アクチュエータの簡素化が可能と
なる。

【００４８】また、スロットルバルブ６１は各気筒の吸
気弁２４の直前に設けられるので、この間の空気ボリュ
ームも可及的に小さくでき、切換時のブースト変化の応
答性も速く、その分だけ発生トルクの段差を小さくでき
る。

【００４９】なお、この実施例ではカムの切換時にスロ
ットル開度の補正と同時に点火時期の補正を行うように
したが、少なくともスロットル開度の補正がなされれば
、切換ショックは実用上、ほとんどなくすことができる
。

【００５０】

【発明の効果】このように本発明は、各気筒にスロット
ルバルブを設け、その気筒のカム切換に同期してスロッ
トルバルブの開度補正を行うため、他の気筒に影響を与
えることなく発生トルクの修正ができ、また、スロット
ルバルブから各気筒の吸気弁までの空気ボリュームを可
及的に小さくでき、カム切換時のブースト変化の応答性
が速くなり、これらが相俟ってカム切換に伴うトルクシ
ョックの発生を可及的に小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成図である。

【図２】本発明の実施例を示すものでカム切換機構の平
面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ線の断面図である。

【図４】各カムのリフト特性を示す特性図である。

【図５】各カムによる全開出力特性を示す特性図である
。

【図６】制御系統のブロック構成図である。

【図７】吸気系統の構成説明図である。

【図８】コントロールユニットで実行されるカム切換時
の出力制御を示すフローチャートである。

【図９】カム切換時のトルク変動の状態を示すもので、
（Ａ）は燃費カムから出力カムへの切換時、（Ｂ）は出
力カムから燃費カムへの切換時である。

【図１０】スロットル開度と出力トルクの関係を燃費カ
ムと出力カムを対比して示す特性図である。

【符号の説明】

２１　　カム ２２　　カム ２３　　カム ２４　　吸・排気弁 ５１　　コントロールユニット ５２　　クランク角センサ ５３　　アクセル操作量センサ ６０　　吸気ポート ６１　　スロットルバルブ ６２　　サーボモータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　出力特性の異なる複数のカムと、運転
   状態に応じてカムの切換を判定する手段と、カム切換の
   判定に基づいてカムを切換えるカム切換手段とを備えた
   内燃機関において、各気筒の吸気通路にそれぞれ介装し
   たスロットルバルブと、これらスロットルバルブをアク
   セルペダルとは独立してそれぞれ開閉駆動する手段と、
   アクセル開度に応じた要求トルクが生じるように各カム
   毎にスロットル開度を演算する手段と、カムの切換時に
   切換前後の発生トルクが同一となるように各気筒毎にカ
   ムの切換に同期して演算されたスロットル開度に制御す
   る手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の出力制御
   装置。