JPS6045290B2 - 内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の弁開閉時期と燃料噴射時期を自動
的に制御する運転制御装置に係り、特に吸 排気弁や燃
料噴射弁等を駆動する油圧シリンダを油圧制御弁の高速
切替えにより迅速に作動させる運転制御装置に関する。

内燃機関の運転制御装置としては、従来からカムによ
り機械的に駆動される勘弁機構を有するものが多用され
ているが、このような運転制御装置には、次のような欠
点があつた。すなわち、カム駆動機構や勘弁機構が複雑
巨大になり、機械損失が大きいうえ運転騒音が極めて大
きく、又機関の急速逆転が非常に困難である。又高圧噴
燃油圧力（約１０００に９／ｃｒｉ）を作る燃料ポンプ
と微細な調整を必要とする燃料噴射時期及び噴射量の調
節機構が同一のカムないしカム軸で駆動され、しかもこ
のカム軸が大きなギヤやチェーン等を介して駆動−され
ているため、燃料噴射時期や噴射量の調節ひいては機関
出力やシリンダ内燃焼圧力の調整に高度の熟練を要し、
又運転中の温度変化や振動摩耗あるいは延び等によりこ
れらの調整値に狂いが生じやすい。更には、吸気弁、排
気弁の開閉時期はノ負荷や回転速度の変化に拘らず常時
一定に固定され、又燃料弁の開閉時期も負荷変動以外に
は調節が難しい構造となつているため、機関効率を最良
の状態に保つことが困難であり、従つて排ガス中のＮＯ
Ｏ含有率の減少等、排ガス公害対策も取り難い。本発明
は、従来のカムによる機械的な動弁駆動機構に替え、０
Ｎ−ＯＦＦ電気信号により駆動される高速度の油圧制御
弁を採用することにより、上述のごとき欠点を除去せん
としてなしたもので、その要旨とするところは、内燃機
関のクランク軸角度を検出するための装置と、検出され
たクランク軸角度をもとに弁の開閉時期を比較演算し且
つその信号を増幅する演算制御装置と、演算制御装置よ
りの０Ｎ−ＯＦＦ電気信号により作動する圧電素子から
なる圧電駆動器と、圧電駆動器により夫々駆動される２
つの弁機構と、弁機構の作動により前記内燃機関の弁を
開閉する油圧シリンダとを有し、各弁機構は前記圧電素
子の伸縮方向と同一方向に変位する大径ピストンと、大
径ピストンの反圧電駆動器側に配設され且つ圧電素子の
伸長により大径ピストンを介して反大径ピストン側へ変
位し得るようにした小径ピストンと、小径ピストンの反
大径ピストン側への変位によりシート面が弁座から離れ
圧油が前記油圧シリンダへ送給されるよう油通路を連通
させる弁本体とを具備したことを特徴とするものである
。

以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図において、１は内燃機関、２はクランク軸角度発
信器、３は演算制御装置、４は高速度ＯＮ−ＯＦＦ油圧
制御弁、５は高速度ＯＮ−ＯＦＦ油．圧制御弁４によつ
て駆動し得るようにした油圧シリンダ、６は燃料噴射弁
、吸排気弁、起動弁等の弁である。

第１図の演算制御装置３の詳細は、第２図及び第３図に
ブロック図として示されてり、第２図はζ吸排気弁、起
動弁等の演算制御装置、第３図は燃料噴射弁の演算制御
装置である。

第２図中、７は第１図のクランク軸角度発信器２から発
信された内燃機関１のクランク軸角度の信号を受け、こ
れを機関回転速度ｎに変換する変４換器、８，９は機関
回転速度ｎ及び弁開閉角度演算定数設定器１０で設定さ
れた定数に基づき、第１図の弁６を開又は閉とすべきク
ランク軸角度の計算をする演算器である。

演算器８，９の演算式は〔±Ａｎ±ｂ〕であり、±ａ及
び士ｂは弁開閉角度演算定数設定器１０に設定した定数
、ｎは前述の機関回転速度である。演算器８，９は、Ａ
，ｂの値及び極性をデジスイツチやポテンショメータな
どで設定した定数を簡便に変更できる方式とすることも
可能である。１１は演算器８から送られて来た信号と、
弁開閉角度基準点設定器１３に設定された弁を開又は閉
にするための基準角度とを加える加算器、１２ノは演算
器９から送られて来た信号と、弁開閉角度基準点設定器
１３に設定された弁を開又は閉にするための基準角度と
を加える加算器であり、弁開閉角度基準点設定器１３の
設定値は第１図の弁６の種類及び弁を開にするか閉にす
るかにより固有−の値が定まつている。又１４，１５は
加算器１１，１２で夫々加算された値が、ある定められ
た値を越えないようにするためのりミッタである。１６
は比較器であつて、クランク軸角度発信器２から送られ
て来たクランク軸角度の信号γとりミッタ１４を通つて
送られて来た信号αとを比較し、γ〉αとなつた場合に
信号を増幅器１８に送り、増幅した信号により油圧制御
弁４を駆動し、内燃機関１の弁６を開とし得るように形
成されている。

１７は別の比較器であつて、クランク軸角度発信器２か
ら送られて来たクランク軸角度の信号γとりミッタ１５
を通つて送られて来た信号βとを比較し、γ〉βとなつ
た場合に信号を増幅器１８に送り、増幅した信号により
油圧制御弁４を駆動し、内燃機関１の弁６を閉とし得る
ように形成されている。

第３図の演算制御装置３は第２図のものと略同じである
が、燃料噴射弁専用であるため、多少異なつている。

すなわち、弁の開閉角度を演算する演算器は１基であつ
て、ガバナ装置１９よりの出力（燃料噴射量指令値）を
演算変数として導入し得るようになつている。又ガバナ
装置１９よりの燃料噴射量指令値は、定数Ｋ２Ｏを通つ
て次元を燃料噴射弁を開としておくべきクランク軸角度
に合せられ、りミッタ１５を通つて加算器１２に加えら
れるよう形成されている。又加算器１２には弁閉角度基
準点は設定されず、りミッタ１４よりの信号αが加え得
るよう形成されている。演算器３の演算式は〔±Ｃｎ．
ｔｄｙ：！：ｅ〕で表わされ、±Ｃ，±Ｄ，±ｅは弁開
閉角度演算定数設定器１０で設定された定数、ｎは第２
図の機関回転速度、ｙはガバナ装置１９よりの燃料噴射
量指令値である。

第４図は第１図の油圧制御弁４の一例であり、圧電素子
を使用した高速三方切換弁である。

２１，２「は積層形圧電駆動器（微動アクチュエータ）
であり、図示してないが、正電極板、セラミック製でデ
ィスク状の圧電素子、負電極板が順次上下方向に積層さ
れ、印加電圧の０Ｎ一ＯＦＦにより矢印方向に伸縮し得
るよう形成されている。

積層形圧電駆動器２１，２「は、ケーシング２２内に収
納され、その上端には、蓋２３，２３″がかぶせてあり
、積層形圧電駆動器２１，２１″が作動することによつ
て生ずる反力を受け得るように形成されている。

積層形圧電駆動器２１，２「の下端には、大径ピストン
２４，２Ｃが設けてあり、該大径ピストン２４，２４″
は、上端をデイスタンスピース２５，２５″に押えられ
たシリンダ２６，２６″内に上下にスライド可能に嵌入
せしめられている。

シリンダ２６，２６′の下部には、別のシリンダ２７，
２７″が設けてあり、該シリンダ２７，２７″と前記シ
リンダ２６，２６″との間には、油を密閉した閉空間２
８，２『が設けてある。

そしてこのシリンダ２７，２７″内には、小径ピストン
２９，２９″が上下にスライド可能に嵌入せしめられて
いる。又上記シリンダ２６，２６′，２７，２７″はケ
ーシング３０内に収納されている。小径ピストン２９，
２９″内穿孔には、閉空間２８，２『内の油の漏洩を防
止するための逆止弁が設けてある。

該逆止弁は、ボール弁３１，３１″及びスプリング３２
，３２″から形成されており、スプリング３２，３２″
上端は閉空間に連通せる孔を設けたナット３３，３３′
によつて押えられている。そしてボール弁３１，３「の
下端に設けた孔は、シリンダ２７，２７″等を貫通した
孔３４，３４″と連通され、閉空間２８，２８″内の油
が外部へ漏洩した場合、補充し得るよう形成されている
。小径ピストン２９，２９″の下端は、多少シリンダ２
７，２ｒ内から下方に突出しており、その下端は、ケー
シング３０内にスライド可能に嵌着せしめた弁本体（ポ
ペット）３５，３５″の上端に接触している。

弁本体３５，３５″はケーシング３０と接触する部分は
ストレートであるが、ストレート部の下部は、下方に向
つて徐々に細くなるテーパー状になつており、該テーパ
ー部の下端には、断面フック形状のシート面３６，３６
″が設けてある。

弁本体３５，３５″の周囲には、油通路３７，３７″，
３８，３『が設けてあり、該油通路３８，３『内には、
シート面３６，３６″より上部になるよう、ケーシング
３０内に固着された弁座本体３９，３９″が設けてある
。又該弁座本体３９，３９″の下端には弁座４０，４『
が固着してあり、前記シート面３６，３『と密着するこ
とにより、油の流通を防止し、前記シート面３６，３６
″が離れることにより、油が流通し得るようになつてい
る。弁本体３５，３５″のテーパー部の上端側でストレ
ート部より下方の位置には、油通路４８，４８″が設け
てあり、シート面３６，３６″の内側方のケーシング３
０中心位置には、油通路４１が設けてある。

弁本体３５，３５″の下部には、下方に行くにつれ太径
となるガイド４２，４２″が、取付けられており、弁本
体３５，３５″は該ガイド４２，４２″の穿孔内をスラ
イドし得るようになつている。

又弁本体３５，３５″の下部側に穿設した孔”内には、
スプリング４３，４３″が装着してあり、積層形圧電駆
動器２１，２「を０ＦＦにしたとき、弁本体３５，３５
″を上方に移動させ、シート面３６，３６″と弁座４０
，４『とを密着せしめるように形成してある。ガイド４
２，４２′の下面にはケーシング４４がケーシング３０
と一体的に着脱可能に装着されており、油通路３８，３
８″から孔４５，４６，４５″，４『を介して流入した
油がケーシング４４下面の隙間４７，４７″に入り、ガ
イド４２，）４２″を上方に押上げることにより、弁本
体３５，３５″の軸線が常に一定位置を保持されるよう
になつている。

次に本発明の作動について説明する。

第１図において制御すべき内燃機関１のクランク軸位相
はクランク軸角度発信器２において電気的な信号に変換
された後、演算制御装置３に入力される。

例えば今、第２図の演算制御装置３が使用される場合に
は、信号は先ず変換器７に送られ、クランク軸角度が機
関回転速度ｎに変換される。機関回転速度ｎの信号は、
次いで演算器８及び９に送られ、各演算器８，９におい
て、弁開閉角度演算定数設定器１０で設定された定数と
共に演算され〔±Ａｎ＋．ｂ〕の信号が夫々加算器１１
，１２に送られる。

加算器１１，１２では、弁開閉角度基準点設定器１３か
ら送られて来た弁の種類及び開か閉かによつて決められ
ている値の信号と前記演算器８，９から送られて来た信
号とが夫々加算され、夫々りミッタ１４，１５に送られ
る。

加算器１１からりミッタ１４に送られて来た弁開操作用
の信号は、該りミッタ１４において決められた値を越え
ないよう制限され、演算結果の信号αとして比較器１６
に送られ、クランク軸角度発信器２よりの信号γと比較
されてγ〉αとなつた場合に、信号αは弁を開くための
信号として増幅器１８に送られる。

そして増幅されて油圧制御弁４に送られる。加算器１２
からりミッタ１５に送られて弁閉操作用の信号は、該り
ミッタ１５において決められた値を越えないよう制限さ
れ、演算結果の信号βとして比較器１７に送られ、クラ
ンク軸角度発信器２よりの信号γと比較されγ〉βとな
つた場合に、信号βは弁を閉じるための信号として増幅
器．１８に送られる。

そして増幅されて油圧制御弁４に送られる。例えば比較
器１６より弁を開けるためのαなる信号が油圧制御弁４
に送られると、第４図の積層形圧電駆動器２１に印加電
圧がかけられ、各セラ！ミツク製、ディスク状の圧電素
子が印加電圧に比例して下方に伸び、大径ピストン２４
を下方に押す。

そうすると閉空間２８内に密閉された油は大径ピストン
２４によつて下方に押出され、液体の連続の条件によつ
て小径ピストン２９を下方に押ｑ下げる。小径ピストン
２９の変位置は、漏洩を無視すれば、大径ピストン２４
の有効断面積を小径ピストン２９の有効断面積で除した
数値に、大径ピストン２４の変位置を掛けたものとなり
大きく増幅される。小径ピストン２９が下方に押される
と弁本体３５も下降してシート面３６と弁座４０とが離
れ、油通路３７，３８が連通し、図示してない油圧ユニ
ットから油通路４８，３７に送られている高圧の油が油
通路３８，４１から第１図の油圧シリンダ５内に流入し
、吸排気弁や燃料噴射弁等の弁６を作動させて開く。比
較器１６より弁閉止の信号βが増幅器１８を介して油圧
制御弁４に送られて来ると、積層形圧ノ電駆動器２１の
印加電圧が解除され、積層形圧電駆動器２「に印加電圧
が加えられる。

そうすると弁本体３５、小径ピストン２９，大径ピスト
ン２４はスプリング４３によつて押上げられて元の状態
に戻り、シート面３６と弁座４０とが密着して油通路３
７と３８とは閉じられ、一方積層形圧電駆動器２「の圧
電素子が印加電圧に比例して下方に伸び、大径ピストン
２Ｃ１小径ピストン２９″、弁本体３５″が下方に押出
され、シート面３６″と弁座４『とが離れ、油通路４『
，３７″，３『，４１を圧油が流れて油圧シリンダ５を
前記と逆方向に移動させ、第１図の弁６を閉じる。この
ように、弁本体３５或いは３５を開閉させるのに圧電素
子からなる積層形圧電駆動器２１或いは２「を用いてお
り、圧電素子は指令信号に対する応答遅れがないので非
常に応答性の速い開閉を行うことができる。

例えば、容量が４００ｅ／Ｍｉｎ．程度のオン・オフ弁
の場合、従来の電磁弁だと応答速度の速いもので、たか
だか２０ｎ１ｓｅｃ．程度であつたが、圧電素子を用い
た積層形圧電駆動器の場合には４ｍｓｅｃ．程度になる
。又圧電素子の場合、変位置はわずかであるが、推力は
非常に大きいため（トンオーダー）、大口径の弁の開閉
も可能となる。以上のように油圧シリンダ５を、積層形
圧電駆動器２１，２Ｖによつて切替えられる油圧制御弁
４によつて制御することにより、運転時における内燃機
関１の燃焼状態を最良に保持することが可能である。

内燃機関１の回転方向は、常に一定方向ではなく、逆回
転する場合もあるが、この楊合には、図示してない正逆
転指令発信器により、演算器８，９の演算結果の極性、
弁開閉角度基準点設定器１３の設定値、りミッタ１４，
１５の設定値等の変更及び比較器１６，１７の出力の不
等号の向きを逆にすることにより、同一の回路で逆転時
の弁６の開閉タイミングを制御することができる。

第３図の演算制御装置３は燃料噴射弁の開閉制御をする
場合に使用されるもので、第１図の弁６５を開とするタ
イミングは演算器８の演算結果によつて決定され、弁６
の閉となるタイミングは、開となるタイミングとガバナ
装置１９より指令される燃料噴射量とにより自動的に決
定される。第３図では燃料噴射量に比例した角度を弁開
角度に加１（えることによつて閉とするタイミングを決
めている。この演算制御装置３によつても油圧制御弁４
の制御が行えるが、その演算制御方法は、第２図のもの
と略同じなので説明は省略する。なお本発明は、上述の
実施例に限定されるもの１ではなく下記のごとき種々の
変形が可能である。

イ 演算制御装置の演算式は、燃料噴射量や機関回転数
を変数とする一次式で弁開角度及び弁閉角度を求めてい
るが、これを上記変数の二次式あるいはその他の簡単な
数式で演算するように２してもよい。口 数値演算の代
りに、任意函数発生器により上記変数と開閉角度の補正
量に一定の関係を持たせるようにすることが可能である
。

又同様に上記変数と開閉角度の補正量の関係を記憶装置
に２記憶させておき、この記憶された数値により補正量
を決定するようにすることもできる。ハ 第２図の演算
制御装置の演算式の変数として、内燃機関負荷、燃料噴
射量、給気圧力、吸気温度等を入れて計算してもよい。

又これを適．宜組合せてもよい。二 第３図の演算制御
装置の演算式の変数として、燃料噴射量、機関回転数の
うち何れかを除外してもよい。

ホ 第３図の演算制御装置において、演算式の変数とし
て内燃機関負荷、給気圧力、吸気温度等を入れて演算し
てもよいし、これらを組合せて演算するようにしてもよ
い。

へ 第２図の加算器１１，１２、りミッタ１４，１５の
うち一部又は全部を削除してもよい。

ト 第３図の加算器１１，１２、りミッタ１４，１５の
うち一部又は全部を削除してもよい。チ 第２図で、演
算器８、加算器１１、りミッタ１４の順序が違つていて
もよい。演算器９、加算器１２、りミッタ１５の順序が
違つていてもよい。Ｊ第３図で演算器８、加算器１１、
りミッタ１４の順序及び加算器１２、りミッタ１５の順
序を違えてもよい。

ヌ 機関回転速度の検出方式として、クランク軸角度発
信器から電気的な信号処理によつて回転速度を得るので
はなく、別にタコジェネレータのごとき速度発信機を取
付けて回転速度を検出するようにしてもよい。ル 第３
図のりミッタ１５は、最大燃料噴射量を制限する役割を
するが、このりミッタ制限値を機関運転者が、ポテンシ
ョメータやデイジスイッチ等電気的な機器により簡単に
変更できるものを使用できる。

又上記制限値が、ある演算式によつて自動的に変化する
ものを使用できる（現在は〔Ｋｌｒｌ２＋Ｋ２〕で制御
している。なおＫｌ，ｋ２は定数、ｎは機関回転数であ
る。）ヲ 弁の開閉角度の設定を手動により行わせるこ
とも可能である。

本発明の内燃機関の運転制御装置によれば、吸排気弁、
燃料噴射弁、起動弁等、内燃機関の諸弁の開閉時期を可
変制御することができ、その結果内燃機関の熱効率の上
昇、機関部品の寿命延長、操縦性の向上、低公害化等を
図ることができ、又カム軸及びその駆動機構が不要とな
るため、構造の簡略化、信頼性の向上、コストダウン等
を図ることができ、更には弁機構では圧電素子を用いた
圧電駆動器の作動によつて生ずる大径ピストンの変位置
が小径ピストンに増大してあられれ、この小径ピストン
の変位により弁本体が開くため、高速応答が可能で精度
の良い制御を行うことができ、しかも圧電素子の働きに
よるため大口径の弁の開閉にも適用することができる。

図面の簡単な説明第１図は本発明の内燃機関の運転制御
装置の説明図、第２図は本発明の内燃機関の運転制御装
置に使用する演算制御装置の一実施例の説明図、第３図
は同演算制御装置の他の実施例の説明図、第）４図は内
燃機関の運転制御装置に使用する油圧制御弁の一実施例
の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関のクランク軸角度を検出するための装置と
   、検出されたクランク軸角度をもとに弁の開閉時期を比
   較演算し且つその信号を増幅する演算制御装置と、演算
   制御装置よりのＯＮ−ＯＦＦ電気信号により作動する圧
   電素子からなる圧電駆動器と、圧電駆動器により夫々駆
   動される２つの弁機構と、弁機構の作動により前記内燃
   機関の弁を開閉する油圧シリンダとを有し、各弁機構は
   前記圧電素子の伸縮方向と同一方向に変位する大径ピス
   トンと、大径ピストンの反圧電駆動器側に配設され且つ
   圧電素子の伸長により大径ピストンを介して反大径ピス
   トン側へ変位し得るようにした小径ピストンと、大径ピ
   ストンの反大径ピストン側への変位によりシート面が弁
   座から離れ圧油が前記油圧シリンダへ送給されるよう油
   通路を連通させる弁本体とを具備したことを特徴とする
   内燃機関の運転制御装置。