WO2010131325A1

WO2010131325A1 - 内燃機関の弁停止装置

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Publication number: WO2010131325A1
Application number: PCT/JP2009/058776
Authority: WO
Inventors: 佳宏坂柳; 茂樹宮下
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US20110277710A1; JP5110204B2; CN102356216A; US8522735B2; CN102356216B; JPWO2010131325A1

Abstract

　何らかの故障が生じた場合であっても全ての気筒において弁が閉状態で停止してしまうおそれがない内燃機関の弁停止装置を提供する。　弁停止装置は、吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を停止させるアクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと制御装置２とを備える。内燃機関が有する複数の気筒のうち一部の気筒のアクチュエータ４Ａ，４Ｄは通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータとし、残りの気筒のアクチュエータ４Ｂ，４Ｃは通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータとする。制御装置２は、各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの通電／非通電をアクチュエータ単位で制御する。

Description

内燃機関の弁停止装置

　本発明は、自動車の動力装置として用いられる内燃機関の弁停止装置に関し、特に、複数の気筒を有する内燃機関に用いられて弁を気筒単位或いは気筒群単位で停止させる弁停止装置に関する。

　内燃機関において吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を閉じた状態で停止させることができる弁停止装置が知られている。弁停止装置は、弁を停止させるためのアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御装置とから構成されている。弁停止装置を構成するアクチュエータの機械的或いは電気的な仕組みに関しては、かねてより様々な仕組みが提案されている。ただし、ほとんどのアクチュエータにおいて共通しているのは、アクチュエータが弁を停止させたり弁の停止を解除したりする動作は、制御装置から入力される電気信号によって制御されることである。例えば、特開２００１－３１７３１８号公報には、通電により作動するソレノイドによって連結ピンを操作し、複数に分割されたロッカーアームの連結状態を変更することによって弁の停止と停止解除とを切り替える装置が開示されている。

　弁停止装置によって弁を閉状態で停止させることで、その弁が設けられた気筒は休止状態になる。複数の気筒を有する内燃機関に弁停止装置を搭載する場合には、気筒単位或いは気筒群単位で弁の停止／解除を制御することにより、稼動気筒数を全気筒と一部気筒との間で切り替えることができる。負荷や回転数に応じた稼動気筒数の変更は燃費の向上に資することから、弁停止装置を内燃機関に搭載することの利益は大きい。

　しかしながら、弁停止装置を内燃機関に搭載するにあたっては、弁停止装置の故障対策についても考慮すべきである。弁停止装置が何らかの原因で故障した場合、弁を停止できなくなったり、弁の停止を解除できなくなったり、或いは、誤って弁を停止させてしまったりする可能性がある。弁停止装置の原因の内容としては、個々のアクチュエータの故障と、制御装置の故障の何れかが考えられるが、より重大なのが制御装置の故障である。制御装置が故障した場合、各気筒のアクチュエータに出力される電気信号が常時オンになってしまったり、逆に、常時オフになってしまったりする場合がある。そのような場合、全ての気筒の弁を誤って停止させ、結果、内燃機関全体を停止させてしまうおそれがある。例えば、前述の特開２００１－３１７３１８号公報に開示された装置では、制御装置の故障によってソレノイドへの信号の出力がオンのまま固定されてしまうと、全ての気筒で弁が停止し、内燃機関を稼動することができなくなってしまう。内燃機関を稼動することができなければ、当然のことながら、それを動力装置とする車両は走行不能に陥ってしまう。

　本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、何らかの故障が生じた場合であっても全ての気筒において弁が閉状態で停止してしまうおそれがない内燃機関の弁停止装置を提供することを目的とする。

　本発明の弁停止装置は、複数の気筒を有する内燃機関において吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を気筒単位或いは気筒群単位で停止させることができる弁停止装置である。本発明の１つ目の態様によれば、弁停止装置は、吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を停止させるアクチュエータと、各アクチュエータの通電／非通電を制御する制御装置とを備える。アクチュエータには、通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータ（以下、タイプ１アクチュエータ）と、非通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータ（以下、タイプ２アクチュエータ）とが含まれる。内燃機関が有する複数の気筒のうち、一部の気筒にはタイプ１アクチュエータが設けられ、残りの気筒にはタイプ２アクチュエータが設けられている。好ましくは、全気筒のうち半分の気筒にはタイプ１アクチュエータが設けられ、もう半分の気筒にはタイプ２アクチュエータが設けられている。制御装置は、各アクチュエータの通電／非通電をアクチュエータ単位で制御する。

　本発明の２つ目の態様によれば、弁停止装置は、吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を停止させるアクチュエータと、各アクチュエータの通電／非通電を制御する制御装置とを備える。アクチュエータには、タイプ１アクチュエータとタイプ２アクチュエータとが含まれる。タイプ１アクチュエータは、所定の弁停止指令期間の通電により弁を閉状態で停止させる。タイプ２アクチュエータは、所定の弁停止指令期間の非通電により弁を閉状態で停止させる。各アクチュエータの弁停止指令期間は、それが設けられる気筒のクランク角との関係で決まる。内燃機関が有する複数の気筒のうち、一部の気筒にはタイプ１アクチュエータが設けられ、残りの気筒にはタイプ２アクチュエータが設けられている。好ましくは、タイプ１アクチュエータが設けられる気筒数とタイプ２アクチュエータが設けられる気筒数とは同数である。このうち、互いの弁停止指令期間が重ならない１つのタイプ１アクチュエータと１つのタイプ２アクチュエータとの間で１つの信号線が共有されている。制御装置は、各アクチュエータの通電／非通電を共有信号線単位で制御する。

　本発明によれば、制御装置に故障が発生し、制御装置から各アクチュエータに出力される電気信号がオン／オフの何れかに固定されてしまった場合でも、全ての気筒において弁が閉状態で停止してしまうおそれはない。具体的には、故障により制御装置の出力信号がオンで固定されてしまった場合には、タイプ１アクチュエータが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ２アクチュエータが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ２アクチュエータが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することは可能であり、車両が走行不能になることは回避される。逆に、故障により制御装置の出力信号がオフで固定されてしまった場合には、タイプ２アクチュエータが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ１アクチュエータが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ１アクチュエータが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することは可能であり、車両が走行不能になることは回避される。

本発明の実施の形態１の内燃機関の弁停止装置の構成を示す概略図である。図１に示す弁停止装置に関し、全気筒を稼動させる場合の制御装置の出力信号の設定と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。図１に示す弁停止装置に関し、全気筒を停止させる場合の制御装置の出力信号の設定と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。図１に示す弁停止装置に関し、一部気筒を停止させる場合の制御装置の出力信号の設定の一例と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。図１に示す弁停止装置に関し、一部気筒を停止させる場合の制御装置の出力信号の設定の一例と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。図１に示す弁停止装置に関し、制御装置が故障した場合に出力される信号と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。図１に示す弁停止装置に関し、制御装置が故障した場合に出力される信号と各アクチュエータの動作状態とを示す図である。本発明の実施の形態２の内燃機関の弁停止装置の構成を示す概略図である。図８に示す弁停止装置に関し、気筒Ａ，Ｂをともに稼動させる場合の制御装置の出力信号の設定を示す図である。図８に示す弁停止装置に関し、気筒Ａ，Ｂをともに停止させる場合の制御装置の出力信号の設定を示す図である。図８に示す弁停止装置に関し、気筒Ａのみを停止させる場合の制御装置の出力信号の設定を示す図である。図８に示す弁停止装置に関し、気筒Ｂのみを停止させる場合の制御装置の出力信号の設定を示す図である。

実施の形態１．
　本発明の実施の形態１について図１乃至図７の各図を参照して説明する。

　本発明の弁停止装置は、複数の気筒を有する４ストローク内燃機関に適用される。本実施の形態では、自動車の動力装置として使用される４気筒の内燃機関に本発明が適用されている。図１は本実施の形態の弁停止装置の構成を示す概略図である。弁停止装置は、４つの気筒のそれぞれに設けられたアクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと制御装置２とを備えている。各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄはそれぞれ固有の信号線６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄによって制御装置２と接続されている。制御装置２は信号線６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄを介して各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに信号を出力し、各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの通電／非通電を制御する。

　アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄは、吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を閉状態で停止させることができる機械的或いは電気的な仕組みを有している。その仕組み自体に関しての限定はないので、ここではその説明は省略する。ただし、それらは２つのタイプに分けられる。アクチュエータ４Ａとアクチュエータ４Ｄは、通電によって弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータである。これに対してアクチュエータ４Ｂとアクチュエータ４Ｃは、非通電によって弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータである。前者をタイプ１アクチュエータと呼び、前者をタイプ２アクチュエータと呼ぶ。

　制御装置２は、内燃機関の負荷や回転数、或いはその他の要求に応じて各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの通電／非通電を制御し、内燃機関の稼動気筒数を切り替える。図２には、全気筒を稼動させる場合の制御装置２の出力信号の設定と各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの動作状態とを示している。この場合は、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄに出力する信号はＯＦＦにし、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃに出力する信号はＯＮにする。これにより全ての気筒の弁を稼動させることができる。

　図３には、全気筒を停止させる場合の制御装置２の出力信号の設定と各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの動作状態とを示している。この場合は、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄに出力する信号はＯＮにし、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃに出力する信号はＯＦＦにする。これにより全ての気筒の弁を閉状態で停止させることができる。

　図４及び図５には、一部の気筒を停止させる場合の制御装置２の出力信号の設定と各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの動作状態とを示している。図４に示す例では、全てのアクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに出力する信号をＯＦＦにしている。このような設定によれば、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒は停止させ、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒のみ稼動させることができる。一方、図４に示す例では、全てのアクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに出力する信号をＯＮにしている。このような設定によれば、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒は停止させ、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒のみ稼動させることができる。

　なお、一部気筒を停止させる場合の停止気筒の組み合わせは図４，図５に示す例には限らない。制御装置２による通電／非通電の制御はアクチュエータ単位で行われているので、例えば、タイプが異なるアクチュエータ４Ａとアクチュエータ４Ｂとを停止させることもできる。また、アクチュエータ４Ａのみを停止させたり、逆にアクチュエータ４Ａのみを稼動させたりすることもできる。

　本実施の形態の弁停止装置は、通電により弁を停止させるタイプ１アクチュエータと、非通電により弁を停止させるタイプ２アクチュエータの２種類のアクチュエータを備えている。このことは、以下に説明するように、弁停止装置の故障、特に、制御装置２の故障への有効な対策となる。

　制御装置２の故障には、各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに出力される電気信号がＯＮに固定されたままとなる故障と、逆にＯＦＦに固定されたままとなる故障とが含まれる。図６には、故障により制御装置２の出力信号がＯＮで固定されてしまった場合の各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの動作状態を示している。この場合、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することができる。

　図７には、故障により制御装置２の出力信号がＯＦＦで固定されてしまった場合の各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの動作状態を示している。この場合、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｃが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することができる。

　以上説明したように、本実施の形態の弁停止装置によれば、故障により制御装置２から出力される信号がＯＮ／ＯＦＦの何れかに固定されてしまったとしても、全ての気筒において弁が閉状態で停止してしまうおそれはない。したがって、何れかの気筒によって内燃機関の運転を継続することは可能であり、車両が走行不能になることは回避される。

実施の形態２．
　次に、本発明の実施の形態２について図８乃至図１２の各図を参照して説明する。

　図８は本実施の形態の弁停止装置の構成を示す概略図である。図８において実施の形態と共通する要素については同一の符号を付している。本実施の形態の弁停止装置は、４つの気筒のそれぞれに設けられたアクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと制御装置２とを備えている。ただし、本実施の形態では、アクチュエータ４Ａとアクチュエータ４Ｂとがペアにされて、共有の信号線８によって制御装置２と接続されている。また、アクチュエータ４Ｃとアクチュエータ４Ｄとがペアにされて、共有の信号線１０によって制御装置２と接続されている。

　ペアにされている２つのアクチュエータは、その１つが前述のタイプ１アクチュエータであり、もう１つがタイプ２アクチュエータである。また、クランク角が互いに逆位相になる気筒のアクチュエータでもある。クランク角が逆位相であれば、２つのアクチュエータ間において互いの弁停止指令期間が重なることはない。弁停止指令期間とは、弁を停止させるためにアクチュエータに信号（タイプ１であればＯＮ信号、タイプ２であればＯＦＦ信号）を出力することが必要な最低限の期間である。その期間は、アクチュエータがどのような機械的或いは電気的仕組みを有するかによって異なり、また、どの弁を停止させるかによっても異なる。本実施の形態では、停止される弁は吸気弁であるとし、停止させない場合に予定される吸気弁の開弁期間が弁停止指令期間であるとする。

　本実施の形態では、アクチュエータ４Ａ，４Ｂは信号線８を共有していることから、これらのアクチュエータ４Ａ，４Ｂには同一の信号が制御装置２から供給される。同様に、アクチュエータ４Ｃ，４Ｄは信号線１０を共有していることから、これらのアクチュエータ４Ｃ，４Ｄには同一の信号が制御装置２から供給される。本実施の形態では、制御装置２は、各アクチュエータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの通電／非通電を共有信号線単位で制御し、内燃機関の稼動気筒数を切り替える。

　以下、信号線８を共有するアクチュエータ４Ａ，４Ｂを例にとって、稼動気筒数に応じた制御装置２の出力信号の設定について説明する。なお、以下の説明では、アクチュエータ４Ａが設けられた気筒を気筒Ａと呼び、アクチュエータ４Ｂが設けられた気筒を気筒Ｂと呼ぶ。また、以下の説明では、制御装置２の出力信号とは共有信号８を介してアクチュエータ４Ａ，４Ｂに供給される信号を指すものとする。

　図９には、気筒Ａ，Ｂをともに稼動させる場合の制御装置２の出力信号の設定を気筒Ａ，気筒Ｂの各行程と照らし合わせて示している。図９に示すように、気筒Ａと気筒Ｂではクランク角が互いに逆位相、すなわち、１／２サイクル（３６０°）ずれている。そのような気筒の組み合わせとは、点火順序が１－３－４－２となる内燃機関であれば、第１気筒と第４気筒、或いは、第２気筒と第３気筒の組み合わせである。この場合は、気筒Ａが吸気行程になる直前で信号をＯＦＦにし、気筒Ｂが吸気行程になる直前で信号をＯＮにする。このような信号の切り替えを周期的に続けることで気筒Ａ，Ｂの吸気弁をともに稼動させることができる。なお、ここでは説明を簡単にするため、吸気弁の開弁期間、すなわち、弁停止指令期間は吸気行程に等しいものとしている。

　図１０には、気筒Ａ，Ｂをともに停止させる場合の制御装置２の出力信号の設定を気筒Ａ，気筒Ｂの各行程と照らし合わせて示している。この場合は、気筒Ａが吸気行程になる直前で信号をＯＮにし、気筒Ｂが吸気行程になる直前で信号をＯＦＦにする。このような信号の切り替えを周期的に続けることで気筒Ａ，Ｂの吸気弁をともに停止させることができる。

　図１１及び図１２には、一部の気筒を停止させる場合の制御装置２の出力信号の設定を気筒Ａ，気筒Ｂの各行程と照らし合わせて示している。図１１に示す例では、信号を常時ＯＮにしている。このような設定によれば、タイプ２アクチュエータ４Ｂが設けられた気筒Ｂは稼動させながら、タイプ１アクチュエータ４Ａが設けられた気筒Ａのみ停止させることができる。一方、図１２に示す例では、信号を常時ＯＦＦにしている。このような設定によれば、タイプ１アクチュエータ４Ａが設けられた気筒Ａは稼動させながら、タイプ２アクチュエータ４Ｂが設けられた気筒Ｂのみ停止させることができる。

　本実施の形態の弁停止装置は、通電により弁を停止させるタイプ１アクチュエータと、非通電により弁を停止させるタイプ２アクチュエータの２種類のアクチュエータのうち、弁停止指令期間が互いに重ならないアクチュエータ同士をペアにして共有信号線により制御装置２に接続している。このことは、以下に説明するように、弁停止装置の故障、特に、制御装置２の故障への有効な対策となる。

　故障により制御装置２の出力信号がＯＦＦで固定されてしまった場合、共有信号線８，１０に出力される信号は常時ＯＦＦになる。共有信号線８，１０が断線した場合も同様の結果となる。この場合、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｃが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することができる。

　一方、故障により制御装置２の出力信号がＯＮで固定されてしまった場合、共有信号線８，１０に出力される信号は常時ＯＮになる。共有信号線８，１０に出力する信号の切り替えを行うスイッチに異物の挟み込みが生じた場合も同様の結果となる。この場合、タイプ１アクチュエータ４Ａ，４Ｄが設けられた気筒では弁が誤停止してしまうが、タイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒では弁の稼動は保全される。したがって、この場合はタイプ２アクチュエータ４Ｂ，４Ｃが設けられた気筒によって内燃機関の運転を継続することができる。

その他．
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態のものから種々変形して実施することができる。

　また、上述の実施の形態では４気筒機関に本発明を適用しているが、本発明はより多数の気筒を備える内燃機関にも適用できるし、より少ない気筒数の内燃機関にも適用することができる。また、本発明、特に第１の発明に関しては、タイプ１アクチュエータを設ける気筒数とタイプ２アクチュエータを設ける気筒数とは必ずしも同数でなくてもよい。したがって、本発明、特に第１の発明は３気筒や５気筒等の気筒数が奇数の内燃機関にも適用することができる。

　実施の形態２では、クランク角が３６０°ずれている気筒のアクチュエータをペアにしているが、ペアとするアクチュエータは弁停止指令期間が互いに重なっていなければよい。したがって、吸気弁の開弁期間が弁停止指令期間となるアクチュエータであれば、６気筒機関ではクランク角が２４０°ずれた気筒のアクチュエータをペアにしてもよいし、８気筒機関ではクランク角が２７０°ずれた気筒のアクチュエータをペアにしてもよい。

２　制御装置
４Ａ，４Ｄ　タイプ１アクチュエータ
４Ｂ，４Ｃ　タイプ２アクチュエータ
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ　信号線
８，１０　共有信号線

Claims

　複数の気筒を有する内燃機関において吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を気筒単位或いは気筒群単位で停止させることができる弁停止装置であって、
　前記複数の気筒のうち一部の気筒に設けられ、通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータと、
　前記複数の気筒のうち残りの気筒に設けられ、非通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータと、
　各アクチュエータの通電／非通電をアクチュエータ単位で制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関の弁停止装置。
　複数の気筒を有する内燃機関において吸気弁或いは排気弁の何れかの弁を気筒単位或いは気筒群単位で停止させることができる弁停止装置であって、
　前記複数の気筒のうち一部の気筒に設けられ、所定の弁停止指令期間の通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータ（以下、タイプ１アクチュエータ）と、
　前記複数の気筒のうち残りの気筒に設けられ、所定の弁停止指令期間の非通電により弁を閉状態で停止させるタイプのアクチュエータ（以下、タイプ２アクチュエータ）と、
　互いの弁停止指令期間が重ならない１つのタイプ１アクチュエータと１つのタイプ２アクチュエータとの間で共有される共有信号線と、
　各アクチュエータの通電／非通電を共有信号線単位で制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関の弁停止装置。