JP3835448B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸・排気弁の作動中心角の位相をそれぞれ可変とする２つのバルブタイミング可変機構と吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構とを備えた内燃機関の可変動弁装置に関し、特に、排気バルブタイミング可変機構の作動不良時のフェールセーフ技術に関する。

内燃機関の出力・燃費の向上や排気清浄化等を図るために、従来より、吸・排気弁のバルブリフト特性を変更可能な様々な可変動弁機構が提案されている。例えば、特許文献１では、吸気弁又は排気弁にバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変機構を備える内燃機関において、バルブタイミング可変機構の制御系に係る故障を検出した際には、バルブオーバーラップを強制的に小さくして、一定の運転性能を確保するようにしている。

特許文献２では、内燃機関の異常を検出すると、吸・排気弁のバルブリフト量及び作動角を可変とする作動角可変機構の作動を制御して、バルブオーバーラップを強制的に低減又は解消している。

特許文献３では、吸・排気弁の双方にバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変機構を設け、一方のバルブタイミング可変機構の異常を検出した場合、それぞれのバルブタイミング可変機構を異常時用データを用いて制御している。例えば、異常が検知されたバルブタイミング可変機構を最遅角位置に強制的に固定し、他方のバルブタイミング可変機構を異常時用の作動マップに切り換えて駆動制御する。あるいは、異常検出時には双方のバルブタイミング可変機構を最遅角位置に固定する。
特開平７−１３９３７８号公報 特開２０００−１３０１９６号公報 特開２００３−４９６７１号公報

内燃機関、特にガソリンエンジンでは、燃費・出力の向上や排気清浄化等を図るために、機関回転数や機関負荷等に応じて吸・排気弁の開閉時期を幅広く調整することが望ましい。そこで、吸・排気弁の双方にそれぞれ作動中心角のクランク角に対する位相、すなわちバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング可変機構を設けるとともに、吸気弁の作動角（及びバルブリフト量）を変更可能な吸気作動角可変機構を併用することが好ましい。このように、２つの吸・排気バルブタイミング可変機構と吸気作動角可変機構とを併用した内燃機関の可変動弁装置において、排気バルブタイミング可変機構の異常や固着等の故障を含む作動不良時のフェールセーフ性については、上記の特許文献１〜３を含め、今まで考慮されていなかった。本発明は、このような新規な課題に着目してなされたものである。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、吸気弁の作動中心角の位相を可変とする吸気バルブタイミング可変機構と、排気弁の作動中心角の位相を可変とする排気バルブタイミング可変機構と、吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構と、を備える。上記排気バルブタイミング可変機構の作動不良を検出する作動不良検出手段を有し、上記排気バルブタイミング可変機構の作動不良が検出された作動不良時には、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期に対して一致又は遅角するように、上記吸気バルブタイミング可変機構及び吸気作動角可変機構の少なくとも一方を駆動制御する。

吸・排気弁のそれぞれに適用される２つのバルブタイミング可変機構と吸気作動角可変機構の３つの可変機構を併用しているため、吸・排気弁の開閉時期を機関運転状況に応じて幅広く調整することができ、燃費性能・出力性能及び排気浄化性能等を有効に向上することができる。このような可変動弁装置において、排気バルブタイミング可変機構の作動不良時には、吸気弁の開時期を排気弁の閉時期に対して一致又は遅角してバルブオーバーラップを無くしているため、残留ガスによる吸気側への吹き返しを防止でき、安定した着火・燃焼性を確保することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１を参照して、この内燃機関では各気筒毎に一対の吸気弁１８及び一対の排気弁（図示省略）が設けられる。吸気弁１８には、そのバルブリフト特性を変更可能な２種の可変動弁機構、具体的には、クランク角に対する吸気弁１８（吸気カムシャフト）の作動中心角の位相、すなわちバルブタイミングを変更可能な吸気バルブタイミング可変機構である吸気ＶＴＣ（Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）３０と、吸気弁１８の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更可能な吸気作動角可変機構である吸気ＶＥＬ（Ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ Ｅｖｅｎｔ ａｎｄ Ｌｉｆｔ）２０と、が適用されている。排気弁には、その作動中心角の位相、すなわち排気弁のバルブタイミングを変更可能な排気バルブタイミング可変機構である排気ＶＴＣ（Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）４０が適用されている。

吸気カムシャフト１９は、プーリ又はスプロケットを介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、このクランクシャフトの回転に連動して自身の軸回りに回転する。この吸気カムシャフト１９には、吸気弁１８のバルブリフタ１７の上方に、吸気弁１８を開閉する揺動カム２１が揺動自在に外嵌・支持されている。

吸気ＶＥＬ２０は、吸気カムシャフト１９に偏心して固定又は一体形成された円形の偏心カム２３と、吸気カムシャフト１９と平行に気筒列方向へ延びる制御軸２４と、この制御軸２４に偏心して固定又は一体形成された円形の制御カム２５と、この制御カム２５に揺動可能に外嵌して取り付けられるロッカーアーム２６と、このロッカーアーム２６の一端と偏心カム２３とを連携するリング状の第１リンク２７と、ロッカーアーム２６の他端と揺動カム２１の先端とを連携するロッド状の第２リンク２８と、制御軸２４の回転角度を変更するアクチュエータとしての電動式のＶＥＬ変換デバイス２２と、を有している。第１リンク２７の一端は偏心カム２３に回転可能に外嵌して取り付けられている。

クランクシャフトに連動して吸気カムシャフト１９が回転すると、偏心カム２３に嵌合する第１リンク２７の一端が吸気カムシャフト１９の軸心に対して回転変位して、この第１リンク２７が全体としてほぼ並進作動し、この第１リンク２７に連携するロッカーアーム２６及び第２リンク２８を介して揺動カム２１が所定の揺動角度範囲内で揺動する。この揺動カム２１がバルブリフタ１７を押し下すことにより、吸気弁１８が開閉する。

そして、ＶＥＬ変換デバイス２２により制御軸２４の回転角度を変更すると、ロッカーアーム２６の揺動中心となる制御カム２５の中心が制御軸２４の軸心に対して回転変位し、リンク２７，２８を介して揺動カム２１の初期姿勢（揺動範囲の中心位相）が変化する。これにより、クランク角に対する吸気弁１８の作動中心角の位相が略一定のままで、吸気弁１８の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。

このような吸気ＶＥＬ２０は、ロッカーアーム２６や各リンク２７，２８が吸気カムシャフト１９の周囲に集約されており、コンパクトで機関搭載性に優れている。また、偏心カム２３と第１リンク２７との軸受部や、制御カム２５とロッカーアーム２６との軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすいことに加え、リターンスプリング等の付勢手段を敢えて必要とせず、耐久性，信頼性にも優れている。更に、実質的に直動式の動弁レイアウトとなっているため、簡素かつコンパクトな構成で回転限界の向上を図ることができる。

吸気ＶＴＣ３０及び排気ＶＴＣ４０は、特開平５−９８９１６号公報等にも開示されているように公知であり、ヘリカルスプラインを利用した形式やベーン形式が良く知られている。簡単に説明すると、吸気ＶＴＣ３０は、クランクシャフトと連動して回転するカムプーリ（又はスプロケット）を含む外部回転体３１と、この外部回転体３１の内部に収容され、吸気カムシャフト１９と一体的に回転する内部回転体と、を有し、油圧式の吸気ＶＴＣ変換デバイス３２により両回転体を互いに回動することにより、クランク角に対する吸気弁の作動中心角（吸気中心角）の位相、すなわち吸気弁のバルブタイミングを進角・遅角するものである。同様に、排気ＶＴＣ４０は、クランクシャフトと連動して回転するカムプーリ（又はスプロケット）を含む外部回転体４１と、この外部回転体４１の内部に収容され、排気弁を駆動する固定カムが設けられた排気カムシャフト４３と一体的に回転する内部回転体と、を有し、油圧式の排気ＶＴＣ変換デバイス４２により両回転体を互いに回動することにより、クランク角に対する排気弁の作動中心角（排気中心角）の位相、すなわち排気弁のバルブタイミングを進角・遅角するものである。両ＶＴＣ３０，４０は、図示していないが、共通の油圧ポンプを作動源とする油圧作動方式である。

エンジンコントロールユニット１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、後述するような各種制御処理を記憶及び実行する機能を有している。このエンジンコントロールユニット１には、水温センサからの信号２、エアフローメータからの吸入空気量信号３、スロットルセンサからの信号４，クランク角度センサからの信号５、排気通路に設けられる酸素センサからの信号６、回転信号７、油温センサからの信号８、制御軸２４の回転角度を検出するＶＥＬ角度検出センサ１５からの信号１１、吸気カムシャフト１９の回転角度を検出する吸気カム角度センサ１６からの信号１２、及び排気カムシャフト４３の回転角度を検出する排気カム角度センサ４４からの信号４５等の車両運転状態を表す様々な検出信号が入力される。これらの信号に基づいて、エンジンコントロールユニット１は、燃料噴射装置、点火装置、ＶＥＬ変換デバイス２２，吸・排気ＶＴＣ変換デバイス３２，４２等の各種アクチュエータへそれぞれ制御信号９，１０，１３，１４，４６を出力し、その動作を制御する。

図３は、吸気弁及び排気弁の開閉時期及び開閉期間（作動角）を示すバルブタイミング図である。例えば高回転・高負荷域では、吸気充填効率の向上を図るために、図３（ｂ）に示すように、吸気弁及び排気弁がともに開いている領域、いわゆるバルブオーバーラップ区間ＢＯを大きく設定する。具体的には、図３（ａ）に示す設定状態に比して、排気ＶＴＣ４０による排気弁の排気中心角の位相を遅角側に設定するとともに、吸気ＶＴＣ３０による吸気弁の吸気中心角の位相を進角側に設定し、かつ、吸気ＶＥＬ２０による吸気弁の作動角を大きく設定する。

図４〜７は、それぞれ本発明の第１〜４実施例に係る吸・排気弁の開閉時期及び開弁期間（作動角）を示すバルブタイミング図であり、図８〜１１は、それぞれ上記第１〜４実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。

図８〜１１に示すように、先ずＳ（ステップ）１１では、機関運転状態に応じて、吸・排気ＶＴＣ３０，４０による吸・排気中心角の目標値である目標変換角をそれぞれ決定する。この目標変換角は、クランク角に対する吸・排気カムシャフト１９，４３の位相差の目標値ｔ１（図２参照）に相当する。Ｓ１２では、上記ＶＴＣ３０，４０の目標変換角に対応する制御信号をＶＴＣ変換デバイス３２，４２へそれぞれ出力し、ＶＴＣ３０，４０を目標変換角へ向けて駆動制御する。

Ｓ１３では、油圧式の変換ディバイスの固着等の理由により排気ＶＴＣ４０が正常に作動しない状態、つまり排気ＶＴＣ４０の異常・故障を含む作動不良を検出する（作動不良検出手段）。例えば、クランク角度センサ信号５と排気カム角度センサ信号４５とに基づいて、排気ＶＴＣ４０の実変換角を検出・演算し、この実変換角と上記の目標変換角とを比較して、作動不良の検出・判定を行う。上記の実変換角は、クランク角度センサ信号に対するカム角センサ信号の差ｔ２（図２参照）、つまりクランク角に対するカムシャフトの位相差に相当する。このｔ２とｔ１とが一致せず、その差が所定値を越えると、排気ＶＴＣ４０が作動不良であると判断する。好ましくは、警告ランプ等により運転者に排気ＶＴＣ４０が作動不良であることを警告する。

Ｓ１３で排気ＶＴＣの作動不良が検出されると、Ｓ１４以降へ進み、後述するバルブオーバーラップの回避制御を含むフェールセーフ制御を実行する（フェールセーフ手段）。Ｓ１４では、クランク角度センサ信号５と排気カム角度センサ信号４５とに基づいて、排気ＶＴＣ４０の作動不良位置、すなわち排気弁の作動中心角の位相である排気中心角θを算出する。ここまでのＳ１１〜１４の処理内容は全ての実施例に共通している。

図８を参照して、続くＳ１５では、吸気弁開時期ＩＶＯが排気弁閉時期ＥＶＣに一致又は遅角するように、つまり吸気弁と排気弁とが同時に開弁するバルブオーバーラップＢＯ（図３参照）が生じることのないように、吸気ＶＴＣ３０及び吸気ＶＥＬ２０の目標作動角を算出する。具体的な目標値の算出方法については個々の実施例によりそれぞれ異なる。例えば第１実施例では、図４に示すように、ＩＶＯがＥＶＣとほぼ一致（一致又はわずかに遅角）するように、主として電動型で応答性の良い吸気ＶＥＬ２０を小作動角・小バルブリフト側へ変更している。

Ｓ１６では、Ｓ１５で算出した目標作動角に対応する制御信号を吸気ＶＴＣ変換デバイス３２及びＶＥＬ変換デバイス２２へ出力し、吸気ＶＴＣ３０及び吸気ＶＥＬ２０を目標作動角へ向けて駆動制御する。

このように、排気ＶＴＣ４０の作動不良を検出した場合に、吸気ＶＥＬ２０及び吸気ＶＴＣ３０の少なくとも一方を駆動制御してバルブオーバーラップＢＯを無くしているので、機関始動時や急ブレーキ等により機関回転数が急激に低下する急減速時等にも、バルブオーバーラップＢＯによる残留ガスの吸気側への吹き返しを確実に防止でき、安定した着火性・燃焼性を得ることができ、始動不良や失火等を回避することができる。

特に、第１実施例では、図４に示すように、排気ＶＴＣ４０の作動不良が検出された場合に、電動型で応答性の良い吸気ＶＥＬ２０を小作動角・小バルブリフト側へ駆動制御することにより、油圧駆動式の吸気ＶＴＣ３０を敢えて用いることなくバルブオーバーラップＢＯを解消しているため、応答性・信頼性に優れている。

第２実施例では、図５及び図９に示すように、排気ＶＴＣ４０の作動不良を検出すると（Ｓ１３）、ＩＶＯがＥＶＣ以後、詳しくはＩＶＯがＥＶＣに一致又はわずかに遅角した状態となり、かつ、吸気弁閉時期ＩＶＣが下死点ＢＤＣ近傍となるように、吸気ＶＥＬ２０の吸気作動角の目標値を算出するとともに（Ｓ１５ａ）、吸気ＶＴＣの吸気中心角の位相の目標値を算出する（Ｓ１５ｂ）。これらの目標値に基づいて、吸気ＶＥＬ２０及び吸気ＶＴＣ３０の作動制御を行う（Ｓ１６）。

この第２実施例によれば、排気ＶＴＣ４０の作動不良時に、第１実施例と同様、ＩＶＯをＥＶＣに近づけて燃焼安定性を確保できることに加え、ＩＶＣをＢＤＣ（下死点）近傍にあわせているため、圧縮比が高くなり、燃焼安定性を更に向上することができる。

吸気ＶＴＣ３０と排気ＶＴＣ４０とは、共通の動力源である油圧ポンプを利用した同じ油圧駆動方式となっている。従って、排気ＶＴＣ４０の作動不良が発生している状況では、同じ駆動方式である吸気ＶＴＣ３０も同様に作動不良となるおそれがある。特に、上述したように両ＶＴＣ３０，４０がともに油圧駆動方式である場合には、エンジンオイル中の異物による油通路の詰まりなど、吸気側、排気側にかかわらず不具合を生じることがあり、両ＶＴＣ３０，４０がともに作動不良となり得る。そこで、以下の第３及び第４実施例では、排気ＶＴＣ４０の作動不良時に、吸気ＶＴＣ３０を初期位置に固定・保持するようにしている。

第３実施例では、図６及び図１０に示すように、排気ＶＴＣ４０の作動不良を検出した場合に（Ｓ１３）、先ずＳ１５ｃにおいて、吸気ＶＴＣ３０を初期位置である最遅角位置に保持・固定し、以後の変換を禁止する。つまり、吸気ＶＴＣ３０の目標値を初期値である最遅角位置に固定する。またＳ１５ｄでは、ＩＶＯがＥＶＣ以後、詳しくはＩＶＯがＥＶＣとほぼ一致するように、Ｓ１４で算出した排気ＶＴＣ４０の変換位置（作動不良位置）と吸気ＶＴＣ３０の初期位置とに基づいて、吸気ＶＥＬ２０の作動角の目標値を設定する。続くＳ１６ａでは、上記の目標値に基づいて吸気ＶＥＬ２０を作動制御する。

この第３実施例によれば、排気ＶＴＣの作動不良時に、上述した第１実施例と同様にＩＶＯをＥＶＣに近づけて燃焼安定性を確保できることに加え、作動不良が検出されている排気ＶＴＣと同じ油圧駆動方式である吸気ＶＴＣを初期位置に固定しているため、仮に吸気ＶＴＣが良好に制御できない状況であってもバルブオーバーラップＢＯを確実に解消することができ、安定性・信頼性に優れている。

第４実施例では、図７及び図１１に示すように、排気ＶＴＣ４０の作動不良を検出した場合に（Ｓ１３）、先ずＳ１５ｃにおいて、吸気ＶＴＣ３０を初期位置である最遅角位置に保持・固定し、以後の変換を禁止する。つまり、吸気ＶＴＣ３０の目標値を最遅角位置に固定する。またＳ１５ｅでは、ＩＶＣが略ＢＤＣとなるように、排気ＶＴＣ４０の変換位置つまり作動不良位置（Ｓ１４）と吸気ＶＴＣ３０の初期位置とに基づいて、吸気ＶＥＬ２０の作動角の目標値を設定する。続くＳ１６ａでは、上記の目標値に基づいて吸気ＶＥＬ２０を作動制御する。

この第４実施例によれば、排気ＶＴＣの作動不良時に、ＩＶＣをＢＤＣ付近として圧縮比を高めることができ、燃焼安定性の向上を図れることに加え、作動不良が検出されている排気ＶＴＣと同じ油圧駆動方式である吸気ＶＴＣを初期位置に固定しているため、仮に吸気ＶＴＣが良好に制御できない状況であっても上記のようにＩＶＣを確実にＢＤＣ付近とすることができ、安定性・信頼性に優れている。また、このように吸気ＶＴＣを最遅角位置としているため、ＩＶＯはＥＶＣよりも十分に遅角した状態となり、バルブオーバーラップＢＯが与えられることはないので、安定した着火・燃焼状態を得ることができる。

排気ＶＴＣの作動不良後のエンジン再始動時には、排気ＶＴＣの作動不良によりバルブタイミングを精度良く調整することができず、始動不良が発生するおそれがある。そこで、少なくとも排気ＶＴＣの作動不良後のエンジン再始動時には、上述したバルブオーバーラップ回避等のフェールセーフ制御（Ｓ１５，Ｓ１５ａ〜Ｓ１５ｅ）を行う。これにより、バルブオーバーラップによる残留ガスを無くし、十分な圧縮比を確保できるため、着火性・燃焼安定性を確保でき、かつ、アイドル回転域までエンジン回転数を安定して上昇させることが可能となる。

上述した第１〜第４実施例において、仮に機関負荷が高い高負荷域において、上述したようなバルブオーバーラップを回避するフェールセーフ処理を行うと、残留ガスの吸気への吹き返しがなくなるため、ポンピングロスが大きくなり、燃費が悪化するおそれがある。従って、好ましくは、高負荷域では、上述したフェールセーフ処理の実行を禁止し、つまりフェールセーフ手段の作動を禁止し、機関負荷が比較的低い低中負荷域のみで、フェールセーフ処理を行う。例えば、Ｓ１３の判定処理において、機関負荷が低・中負荷域であるかを併せて判定し、排気ＶＴＣ４０が作動不良で、かつ、機関負荷が低・中負荷域である場合に限り、以降のフェールセーフ処理を実行すれば良い。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、吸気ＶＴＣと排気ＶＴＣとがともに電動駆動方式であっても良い。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置を示す概略構成図。 排気バルブタイミング可変機構の作動不良検知を説明するためのタイムチャート。 吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第１実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第２実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第３実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 本発明の第４実施例に係る吸・排気弁の開弁期間及び開閉時期を示すバルブタイミング図。 上記第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 上記第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 上記第３実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。 上記第４実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１…エンジンコントロールユニット（フェールセーフ手段）
２０…吸気作動角可変機構（吸気ＶＥＬ）
３０…吸気バルブタイミング可変機構（吸気ＶＴＣ）
４０…排気バルブタイミング可変機構（排気ＶＴＣ）

Claims (6)

1. 吸気弁の作動中心角の位相を可変とする吸気バルブタイミング可変機構と、
   排気弁の作動中心角の位相を可変とする排気バルブタイミング可変機構と、
   吸気弁の作動角を可変とする吸気作動角可変機構と、
   上記排気バルブタイミング可変機構の作動不良を検出する作動不良検出手段と、
   上記排気バルブタイミング可変機構の作動不良が検出された作動不良時に、吸気弁の開時期が排気弁の閉時期に対して一致又は遅角するように、上記吸気バルブタイミング可変機構及び吸気作動角可変機構の少なくとも一方を駆動制御するフェールセーフ手段と、
   を有し、
   かつ、機関負荷が高い高負荷域では、上記フェールセーフ手段の作動を禁止する内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記フェールセーフ手段は、上記作動不良時に、吸気弁の閉時期が下死点付近となるように、上記吸気バルブタイミング可変機構及び吸気作動角可変機構の少なくとも一方を駆動制御する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 上記フェールセーフ手段は、上記作動不良時に、上記吸気バルブタイミング可変機構を初期位置に固定し、吸気作動角可変機構を駆動制御する請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 上記吸気バルブタイミング可変機構と排気バルブタイミング可変機構とが共通の作動方式により駆動される請求項３に記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 上記作動不良時が、作動不良後のエンジン再始動時を含む請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
6. 上記吸気バルブタイミング可変機構及び排気バルブタイミング可変機構が油圧駆動式であり、上記吸気作動角可変機構が電動駆動式であり、
   上記フェールセーフ手段は、上記作動不良時に、上記吸気作動角可変機構のみを駆動制御する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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