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JP4928154B2 - 内燃機関の可変動弁制御装置 - Google Patents
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JP4928154B2 - 内燃機関の可変動弁制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、機関バルブのリフト及び作動角を変更するリフト・作動角可変機構と、前記機関バルブの作動角の中心位相を変更する中心位相可変機構とを制御する内燃機関の可変動弁制御装置に関する。
特許文献1には、吸気バルブの作動角及びリフトを連続的に変化させるリフト・作動角可変機構と、前記吸気バルブの作動角の中心位相を連続的に変化させる中心位相可変機構と、を備えた内燃機関において、リフト・作動角及び中心位相の変更量がそれぞれ所定の閾値を超えている場合に、リフト・作動角可変機構と中心位相可変機構との一方を先に駆動した後、他方を駆動することが記載されている。
上記の駆動制御によると、切り換え途中でバルブリフト特性が不正になることを防止でき、また、両機構が油圧駆動式である場合には、油圧源の大型化を防止できる。
特開2001−280167号公報
ところで、上記従来技術によると、両機構を共に大きく操作する必要が生じたときに、一方を先に駆動し、先行して駆動させた動弁機構の制御量が目標値に収束してから、他方の動弁機構を駆動させる構成であり、加速時では、中心位相を変化させる中心位相可変機構の駆動が優先される。
このため、加速要求に対して中心位相は応答良く変化させることができるが、リフトの変更が後回しにされるため、吸気バルブの開口面積が大きくならず、吸入空気量の増大変化が遅れるため、加速性が低下するという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、切り換え途中でバルブリフト特性が不正になることを防止しつつ、過渡時の運転性を向上させることができる内燃機関の可変動弁制御装置を提供することを目的とする。
そのため請求項1記載の発明は、中心位相可変機構により吸気バルブの作動角の中心位相が目標値に向けて遅角変化する過程において、そのときの中心位相の実際値で吸気バルブの開時期が目標開時期となる作動角を上限値として、リフト及び作動角可変機構による作動角を、前記上限値以下に制限することで、吸気バルブの開時期が進角変化することを制限する一方、前記上限値に基づき作動角を制限すると、作動角の増大要求に対して作動角を減少変化させることになる場合、吸気バルブの作動角を前回値に保持することを特徴とする。
上記発明によると、中心位相可変機構により吸気バルブの作動角の中心位相が目標に向けて遅角変化する過程において、同時にリフト及び作動角可変機構による作動角の変更がなされることで、吸気バルブの開時期が進角変化することを制限すべく、そのときの中心位相の実際値で吸気バルブの開時期が目標開時期となる作動角を上限値として、リフト及び作動角可変機構による作動角を、前記上限値以下に制限する。
従って、中心位相可変機構とリフト及び作動角可変機構とが同時に動作することによって、吸気バルブの開時期が進角変化することを制限しつつ、リフト及び作動角可変機構の動作が大幅に遅れて過渡時の運転性が低下することを防止できる。
また、前記上限値に基づく作動角の制限が、作動角の増大要求に対して作動角を減少変化させることになる場合には、作動角を前回値に保持させ、作動角を上限値に基づき制限しても、作動角を減少変化させることにならないようになってから、作動角を、その変化量を制限しつつ目標に向けて変化させる。
従って、作動角の制限によって作動角及びリフトが増大要求に対して減少変化することを回避しつつ、中心位相の変化に対する過剰な作動角及びリフトの変化を制限できる。
請求項2記載の発明は、前記中心位相が目標値に向けて遅角変化する過程であることを、中心位相の目標値と、そのときの実際の中心位相との偏差に基づいて判断することを特徴とする。
上記発明によると、中心位相可変機構における中心位相の目標値が変化し、実際の中心位相に対して偏差を生じるようになってから、前記偏差が充分に減少変化するまでの期間として、中心位相が目標値に向けて遅角変化する過程を判断する。
従って、中心位相可変機構が吸気バルブの作動角の中心位相を目標に向けて遅角変化させつつある状態を的確に判断できる。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1〜図3は、本発明に係る可変動弁制御装置を、車両用内燃機関の吸気バルブ側に適用した一実施形態を示している。
内燃機関の各気筒には、一対の吸気バルブ12,12及び図外の排気バルブが設けられ、各吸排気バルブはシリンダヘッド11に摺動自在に支持されている。
そして、可変動弁制御装置は、吸気バルブ12,12のリフト及び作動角を連続的に変化させるリフト・作動角可変機構(リフト及び作動角可変機構)1と、吸気バルブ12,12の作動角の中心位相を連続的に変化させる中心位相可変機構2と、両機構1,2を機関運転状態に応じて駆動制御するコントロールユニット37と、を備えている。
リフト・作動角可変機構1は、シリンダヘッド11上部の軸受14に回転自在に支持された中空状の駆動軸13と、この駆動軸13に固設された2つの駆動カム15,15と、駆動軸13に揺動自在に支持されて、バルブリフタ16,16の平坦な上面16a,16aに摺接して各吸気バルブ12,12を開作動させる摺動カム17,17と、駆動カム15と揺動カム17,17との間に連係されて、駆動カム15の回転力を揺動カム17,17の揺動力として伝達する伝達機構18と、この伝達機構18の作動位置を可変制御する制御機構19と、を備えている。
駆動軸13は、一端部に設けられた中心位相可変機構2のタイミングスプロケット40に巻装された図外のタイミングチェーン等を介して機関のクランクシャフトから回転力が伝達されている。
軸受14は、駆動軸13の上部を支持するメインブラケット14aと、このメインブラケット14aの上端部に設けられて、制御軸32を回転自在に支持するサブブラケット14bとを有し、両ブラケット14a,14bが一対のボルト14c,14cによって共締め固定されている。
両駆動カム15は、ほぼリング状を呈し、カム本体15aと、このカム本体15aに一体に設けられた筒状部15bとからなり、駆動軸13の挿通孔15cが貫通形成されていると共に、カム本体15aの軸心Xが駆動軸13の軸心Yから径方向へ所定量だけオフセットしている。
また、この各駆動カム15は、両バルブリフタ16,16に干渉しない位置で駆動軸13に固定されていると共に、両方のカム本体15a,15aの外周面15d,15dが同一のカムプロフィールに形成されている。
揺動カム17は、外周にカム面22が形成された一対のカム本体を主体とし、その一端側の基端部20には、駆動軸13が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔20aが貫通形成されていると共に、他端部のカムノーズ部21にピン孔21aが貫通形成されている。
上記のカム面22には、基端部20側の基円面22aと、この基円面22aからカムノーズ部21側に円弧状に延びるランプ面22bと、このランプ面22bの先端側に有するリフト面22cと、が形成され、これらの基円面22a,ランプ面22b及びリフト面22cが、揺動カム17の揺動位置に応じて各バルブリフタ上面16aの所定位置に当接する。
伝達機構18は、駆動軸13の上方に配置されたロッカアーム23と、このロッカアーム23の一端部23aと駆動カム15とを連係するリンクアーム24と、ロッカアーム23の他端部23bと揺動カム17とを連係する連係部材であるリンクロッド25とを備えている。
ロッカアーム23の中央に設けられる筒状基部23cが、制御カム33に回転自在に支持される。
また、各基部23cの一端部23aには、リンクアーム24と相対回転自在に連結するピン26が挿通されるピン孔23dが貫通形成されている一方、各基部23cの他端部23bには、各リンクロッド25の一端部25aと相対回転自在に連結するピン27が挿通されるピン孔23eが形成されている。
また、リンクアーム24は、円環状の基部24aと、この基部24aの外周面所定位置に突設された突出端24dとを備え、基部24aの中央位置には、駆動カム15のカム本体15aの外周面に回転自在に嵌合する嵌合孔24cが形成されている一方、突出端24bには、ピン26が回転自在に挿通するピン孔24dが貫通形成されている。
さらに、リンクロッド25の両端部25a,25bには、ピン挿通孔25c,25dが形成されており、各ピン挿通孔25c,25dに、ロッカアーム23に他端部23bに有するピン孔23eと揺動カム17のカムノーズ部21に有するピン孔21aにそれぞれ挿通した各ピン27,28の端部が回転自在に挿通している。
そして、このリンクロッド25は、揺動カム17の最大揺動範囲をロッカアーム23の揺動範囲内に規制するようになっている。
なお、各ピン26,27,28の一端部には、リンクアーム24やリンクロッド25の軸方向の移動を規制するスナップリング29,30,31が設けられている。
制御機構19は、制御軸32と、この制御軸32の外周に固定されてロッカアーム23の揺動支点となる制御カム33と、制御軸32の回転位置を制御するアクチュエータ34とから構成されている。
制御軸32は、駆動軸13と並行に設けられて、前述のように軸受14のメインブラケット14aの上端部の軸受溝とサブブラケット14bとの間に回転自在に支持されている。
一方、各制御カム33は、夫々円筒状を呈し、軸心P1位置が制御軸32の軸心P2からα分だけ偏心している。
アクチュエータ34は、駆動シャフト34aの先端部に設けられた第1平歯車35と制御軸32の後端部に設けられた第2平歯車36との噛合いを介して、制御軸32に回転力を伝達する。
なお、このアクチュエータ34として、本実施形態では、油圧アクチュエータを用いるが、ステップモータを用いることができる。
前記油圧アクチュエータ34は、油圧動作部61と、ソレノイド型の流路切り換え弁60とを含み、流路切り換え弁60がコントロールユニット37からの制御信号に基づいて前記油圧動作部61に対する油圧の供給とドレンとを切り換えることで、前記油圧動作部61が制御軸32の角度を目標作動角に対応する目標角度位置に駆動する。
一方、中心位相可変機構2は、図1に示すように、図外のタイミングチェーンによって機関のクランクシャフトから回転力が伝達されてこのクランクシャフトと同期して回転するタイミングスプロケット40と、駆動軸13の先端部にボルト41によって軸方向から固定されたスリープ42と、タイミングスプロケット40とスリープ42との間に介装された筒状歯車43と、この筒状歯車43を駆動軸13の前後軸方向へ駆動させる駆動機構である油圧回路44とから構成されている。
タイミングスプロケット40は、筒状本体40aと、この筒状本体40aの後端部にボルト45により固定されるスプロケット部40bとからなり、筒状本体40aの前端開口がフロントカバー40cによって閉塞されている。
また、筒状本体40aの内周面には、はす歯形のインナ歯が形成されている。
スリープ42は、後端側に駆動軸13の先端部が嵌合する嵌合溝が形成されていると共に、前端部にはフロントカバー40cを介してタイミングスプロケット40を前方に付勢するコイルスプリング47が装着されている。
また、スリープ42の外周面には、はす歯形のアウタ歯48が形成されている。
筒状歯車43は、軸直角方向から2分割されて前後の歯車構成部がピンとスプリングによって互いに接近する方向に付勢されていると共に、内外周面には各インナ歯46とアウタ歯48に噛合いするはす歯形の内外歯が形成されており、前後に形成された第1,第2油圧室49,50へ相対的に供給される油圧によって各歯間を摺接しながら前後軸方向へ移動するようになっている。
また、この筒状歯車43は、フロントカバー40cに突当った最大前方移動位置で吸気バルブ12を最遅角位置に制御する一方、最大後方移動位置で最進角位置に制御するようになっている。
さらに、第2油圧室50内に弾装されたリターンスプリング51によって第1油圧室49の油圧が供給されない場合に最大前方移動位置に付勢されるようになっている。
油圧回路44は、オイルポンプ52にメインギャラリ53と、このメインギャラリ53の下流側で分岐して第1,第2油圧室49,50に接続された第1,第2油圧通路54,55と、分岐位置に設けられたソレノイド型の流路切り換え弁56と、この流路切り換え弁56に接続されたドレン通路57とから構成されている。
流路切り換え弁56は、コントロールユニット37からの制御信号によって、切り換え駆動されるようになっている。
但し、前記中心位相可変機構2は、クランクシャフトに対する駆動軸13の回転位相を可変とする機構であれば良く、油圧式の他、電磁ブレーキを用いる機構など、公知の種々の機構を採用できる。
このように、本実施形態では、リフト・作動角可変機構1,中心位相可変機構2は、駆動源であるオイルポンプ52を共用する。
コントロールユニット37は、マイクロコンピュータを含んで構成され、クランク角センサ101からの機関回転信号、エアフロメータ102からの吸気流量信号(負荷)及び水温センサ103など各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を演算等により検出する。
また、制御軸32の現在の回転位置を検出する第1位置検出センサ58からの信号に基づいて流路切り換え弁60に制御信号を出力することでリフト・作動角可変機構1を制御する一方、駆動軸13の回転位置を検出する第2位置検出センサ59からの信号と、前記クランク角センサ101からの信号とから、駆動軸13とクランクシャフトとの相対回転位相差を演算し、前記回転位相差に基づいて流路切り換え弁56に制御信号を出力することで、中心位相可変機構2を制御する。
すなわち、コントロールユニット37は、機関回転速度、負荷、水温などの情報に基づいて、吸気バルブ12の作動角の目標値TGVELを設定し、前記目標値TGVELに対応する制御軸32の目標角度位置と第1位置検出センサ58により検出される制御軸32の実際の角度位置とに基づいて、流路切り換え弁60へ指令信号をフィードバック制御する。
同様に、コントロールユニット37は、機関回転速度、負荷、水温などの情報に基づいて、吸気バルブ12の作動角の中心位相の目標値TGVTCを設定し、第2位置検出センサ59及び前記クランク角センサ101に基づいて検出される実際の中心位相と前記目標値TGVTCとに基づいて、流路切り換え弁56へ指令信号をフィードバック制御する。
図4は、上記リフト・作動角可変機構1,中心位相可変機構2によるバルブリフト特性の変化の様子を示している。
同図に示すように、リフト・作動角可変機構1を駆動した場合、矢印(イ)に示すように、吸気バルブ12の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気バルブ12の作動角及びバルブリフト量の双方が連続的に増減する。
一方、中心位相可変機構2を駆動すると、矢印(ロ)に示すように、吸気バルブ12の作動角及びバルブリフト量が一定のままで、吸気バルブ12の作動角の中心位相が進角又は遅角側へ移動する。
前記コントロールユニット37は、前述のように、目標値TGVELに基づくリフト・作動角可変機構1の駆動制御と、目標値TGVTCに基づく中心位相可変機構2の駆動制御とを行うが、中心位相可変機構2により吸気バルブ12の中心位相が目標に向けて収束する過程において、前記リフト・作動角可変機構1の動作(吸気バルブ12の作動角)を制限する機能である協調制御機能を、図5のフローチャートに示すようにソフトウェア的に備えている。
図5のフローチャートにおいて、ステップS1では、前記協調制御が必要な条件であるか否かを、吸気バルブ12の中心位相の目標値TGVTCと、第2位置検出センサ59及び前記クランク角センサ101に基づいて検出される実際の中心位相REALVTCとの偏差の絶対値が所定値以上であるか否かに基づいて判断する。
尚、中心位相の目標値TGVTC及び実際の中心位相REALVTCは、例えば、上死点前に設定される基準位置から作動角の中心位置までの角度として表現されるものとする。
|TGVTC−REALVTC|≧所定値である場合、即ち、中心位相可変機構2が目標付近に収束しておらず、目標に向けて変化しつつある状態であれば、協調制御が必要と判断し、ステップS2へ進む。
一方、|TGVTC−REALVTC|<所定値である場合、即ち、中心位相可変機構2が目標付近に収束している状態であれば、前記協調制御は不要と判断し、ステップS3へ進む。
協調制御が必要と判断されてステップS2へ進むと、後述する作動角制限値LIVELを演算するときに用いる中心位相として、そのときの実際の中心位相REALVTCを選択する。
一方、協調制御は不要と判断されてステップS3へ進むと、後述する作動角制限値LIVELを演算するときに用いる中心位相として、目標値TGVTCを選択する。
そして、ステップS4では、ステップS2又はステップS3で選択された中心位相(作動角の中心となるクランク角度)と、目標値TGVEL及び目標値TGVTCから求められる吸気バルブ12の目標開時期IVOとから、「作動角制限値LIVEL=(選択された中心位相−目標開時期IVO)×2」として作動角制限値LIVELを演算する。
即ち、協調制御が必要と判断された場合には、「作動角A=(実中心位相REALVTC−目標開時期IVO)×2」として算出される作動角Aが制限値LIVELに設定され、協調制御が不要と判断された場合には、「作動角B=(目標値TGVTC−目標開時期IVO)×2」として算出される作動角Bが制限値LIVELに設定されることになる。
ここで、前記作動角Bは、リフト・作動角可変機構1における要求の作動角に相当することになるから、制限値LIVEL=作動角Bとされる場合には、制限値LIVELを設定するものの、実質的には作動角が制限されることはない。
上記作動角制限値LIVELの演算処理に並行して、ステップS5では、前記作動角Bを演算する。
ステップS6では、協調制御により過補正が生じる条件であるか否かを判断する。
前記ステップS6においては、作動角B≧制限値LIVELであるか否かを判断すると共に、協調制御の結果としての作動角の前回値(作動角C)>制限値LIVELであるか否かを判断する。
ここで、作動角B≧制限値LIVELは、作動角の増大要求に対して作動角を小さく制限する必要がある加速状態であることを表し、作動角C>制限値LIVELは、制限値LIVELが作動角を減少させる方向に変化していることを表す。
そして、作動角B≧制限値LIVEL、かつ、作動角C>制限値LIVELであるときに制限値LIVELによる制限を施すと、作動角の増大要求に対して逆に作動角を減少変化させることになる過補正が発生することになると判断する。
一方、作動角B<制限値LIVEL、及び/又は、作動角C≦制限値LIVELであるときに、過補正(要求とは逆方向への作動角変化)は生じないと判断する。
過補正が生じると判断されたときには、ステップS7へ進み、作動角Bと作動角Cとを比較し、小さい方の作動角を選択する。
一方、過補正が生じないと判断されたときには、ステップS8へ進み、ステップS4で求めた制限値LIVELをそのまま選択する。
ステップS9では、ステップS7又はステップS8で設定された作動角と作動角Bとを比較する。
そして、“ステップS7又はステップS8で設定された作動角”≦作動角Bであれば、ステップS10へ進んで、ステップS7又はステップS8で設定された作動角を、目標値TGVELにセットすることで、通常の目標値をステップS7又はステップS8で設定された作動角に置き換える目標値の制限処理を行う。
一方、“ステップS7又はステップS8で設定された作動角”>作動角Bであれば、ステップS11へ進んで、作動角Bを目標値TGVELにセットすることで、実質的には、通常のままの目標値とする。
例えば、加速に伴って、吸気バルブ12の開時期IVOを遅角させるのと同時に、吸気バルブ12のリフト・作動角を増大させる場合、中心位相可変機構2により中心位相を遅らせるのに対して、リフト・作動角の増大変化が早すぎると、本来は、開時期IVOを徐々に遅角変化させるべきであるのに、途中で開時期IVOを進角変化させることになってしまう場合がある。
そこで、基本的には、作動角A=(実中心位相REALVTC−目標開時期IVO)×2を超える作動角に制御されることがないように、目標作動角を前記作動角A以下に制限して、目標開時期IVOよりも実際の開時期IVOが進角されることがないようにする(図6参照)。
従って、中心位相可変機構2による中心位相の遅角制御と、リフト・作動角可変機構1によるリフト・作動角の増大制御とを同時進行させても、中心位相の過渡変化時に、吸気バルブ12の開時期IVOが目標よりも早まる方向に変化することがなく、開時期IVOが不正に進角されることでバルブオーバーラップが大きくなり、残留ガス量が多くなることなどが回避されると共に、リフト・作動角の増大が大きく遅れて過渡時の運転性が低下することを防止できる。
但し、上記のように、作動角を制限値以下に制限する結果、加速に伴う作動角の増大要求時であるのに、加速開始前よりも作動角を一時的に小さく制限してしまう可能性がある(図7参照)。
そこで、加速開始前よりも作動角を一時的に小さく制限してしまう状態を過補正状態として判断するものである。
ここで、過補正が生じない場合には、ステップS8に進むことで、ステップS4で演算された制限値LIVELによる作動角の制限をそのまま実行させるが、過補正が生じる場合には、ステップS7へ進んで、作動角Bと作動角Cとの小さい方を選択することで、結果的に、加速開始前の作動角を制限値LIVELとして保持させる(図7参照)。
従って、加速に伴う吸気バルブ12のリフト・作動角を増大させる要求に対して、リフト・作動角を逆に減少変化させることが阻止され、トルクを減少させてしまうことを防止でき、また、開時期IVOの不正を必要最小限に抑えることができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁制御装置を示す概略構成図。 図1のA−A断面図。 図1のリフト・作動角可変機構を示す平面図。 実施形態のリフト・作動角可変機構・中心位相可変機構によるバルブリフト特性の変化を示す特性図。 実施形態における協調制御を示すフローチャート。 実施形態における作動角及び中心位相との相関を示す図。 実施形態における過補正の状態及び過補正の修正状態を示すタイムチャート。
符号の説明
1…リフト・作動角可変機構、2…中心位相可変機構、12…吸気バルブ、13…駆動軸、32…制御軸、34…アクチュエータ、37…コントロールユニット、52…オイルポンプ

Claims (2)

  1. 吸気バルブのリフト及び作動角を変更するリフト及び作動角可変機構と、前記吸気バルブの作動角の中心位相を変更する中心位相可変機構とを備え、
    機関運転状態に基づいて前記リフト及び作動角の目標値、及び、前記中心位相の目標値をそれぞれに演算し、前記目標値に基づいて前記リフト及び作動角可変機構,中心位相可変機構を制御する内燃機関の可変動弁制御装置であって、
    前記中心位相可変機構により前記吸気バルブの作動角の中心位相が目標値に向けて遅角変化する過程において、そのときの前記中心位相の実際値で前記吸気バルブの開時期が目標開時期となる作動角を上限値として、前記リフト及び作動角可変機構による作動角を、前記上限値以下に制限することで、前記吸気バルブの開時期が進角変化することを制限する一方、
    前記上限値に基づき作動角を制限すると、作動角の増大要求に対して作動角を減少変化させることになる場合、前記吸気バルブの作動角を前回値に保持することを特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。
  2. 前記中心位相が目標値に向けて遅角変化する過程であることを、前記中心位相の目標値と、そのときの実際の中心位相との偏差に基づいて判断することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の可変動弁制御装置。
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