JP2004176714A

JP2004176714A - 内燃機関の可変動弁制御装置

Info

Publication number: JP2004176714A
Application number: JP2003339720A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Machida; 憲一町田
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US20040094109A1; US6973901B2; DE10352760A1; US20060037571A1; US7021259B2

Abstract

【課題】吸気バルブの作動特性を変化させて吸気量を制御する方式で、低速域での出力応答性を緩やかにして良好な運転性を確保する。
【解決手段】アクセル開度と機関回転速度に基づいて吸気バルブの目標作動角（バルブリフト量）を設定しつつ（Ｂ１）、加重平均演算を行ない（Ｂ３〜Ｂ８）、機関回転速度が低い領域では、前記加重平均演算における目標作動角の最新設定値の重みＫＡＪＵを小さくする（Ｂ２）。
【選択図】図１１

Description

本発明は、内燃機関の吸気バルブのバルブ作動特性を可変制御する可変動弁制御装置に関する。

従来から、吸排気バルブのバルブリフト量を連続的に変える構成の可変動弁制御装置を備え、運転状態に応じた最適な機関トルクを得るように吸気量を制御するいわゆるノンスロットル制御を行う技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００１−１８２５６３号公報

上記のように、吸気バルブのリフト量を変更して吸気量制御を行う場合、スロットル弁による吸気量制御のようにコレクタ容積による吸気充填遅れの影響を受けないため、ドライバのアクセル操作に対して非常に早い機関トルク応答を得ることができる。

しかし、アクセル操作に対する応答が早すぎると、僅かなアクセル操作に対しても機関が反応するため、急発進・加速時や運転に不慣れなドライバがアクセル操作したときなどは、アクセル操作に即座に反応して機関出力が変化するため、ドライバの要求に見合った良好な運転性が得られないという問題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、吸気バルブによる吸気量制御において、良好な運転性が得られるようにすることを目的とする。

このため、本発明は、吸気バルブのバルブ作動特性を目標バルブ特性となるように可変制御する内燃機関の可変動弁制御装置で、機関運転状態に応じて前記吸気バルブの制御速度を変更することにより、バルブ作動特性が目標バルブ作動特性へ収束する速度が運転状態に応じて適切に設定され、もって、ドライバの要求に見合った良好な運転性が得られる。

また、吸気バルブのバルブ作動特性変化に対する機関出力トルクの応答が早い機関運転状態のときは、該機関出力トルクの応答が遅い機関運転状態のときより、前記吸気バルブの制御速度を遅くすることにより、ドライバのアクセル操作に対する機関出力トルクの応答が早すぎて運転性が悪化することを防止できる。

また、前記吸気バルブの制御速度の変更は、実際に出力される制御値、または目標バルブ作動特性を補正して制御速度を変更するができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図であり、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。

前記排気バルブ１０７は、排気側カム軸１１０に軸支されたカム１１１によって一定のバルブリフト量及びバルブ作動角を保って開閉駆動されるが、吸気バルブ１０５は、可変バルブ機構ＶＥＬ１１２によってバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変えられるようになっている。なお、バルブリフト量とバルブ作動角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。

マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１１４は、スロットルバルブ１０３ｂの開度及び吸気バルブ１０５の開特性によってアクセル開度ＡＣＣに対応する目標吸入空気量が得られるように、アクセルペダルセンサＡＰＳ１１６で検出されるアクセルペダルの開度等に応じて前記電子制御スロットル１０４及び可変バルブ機構ＶＥＬ１１２を制御する。

前記コントロールユニット１１４には、前記アクセルペダルセンサＡＰＳ１１６の他、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランク軸から回転信号を取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９等からの検出信号が入力される。

また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、前記コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。

図２〜図４は、前記可変バルブ機構ＶＥＬ１１２の構造を詳細に示すものである。

図２〜図４に示す可変バルブ機構ＶＥＬは、一対の吸気バルブ１０５，１０５と、シリンダヘッド１１のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のカム軸１３（駆動軸）と、該カム軸１３に軸支された回転カムである２つの偏心カム１５，１５（駆動カム）と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８，１８と、各吸気バルブ１０５，１０５の上端部にバルブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０，２０とを備えている。

前記偏心カム１５，１５とロッカアーム１８，１８とは、リンクアーム２５，２５によって連係され、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２０，２０とは、リンク部材２６，２６によって連係されている。

上記ロッカアーム１８，１８，リンクアーム２５，２５，リンク部材２６，２６が伝達機構を構成する。

前記偏心カム１５は、図５に示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカム軸１３の軸心Ｙから所定量だけ偏心している。

また、前記偏心カム１５は、カム軸１３に対し前記バルブリフター１９に干渉しない両外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、カム本体１５ａの外周面１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。

前記ロッカアーム１８は、図４に示すように、略クランク状に屈曲形成され、中央の基部１８ａが制御カム１７に回転自存に支持されている。

また、基部１８ａの外端部に突設された一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結するピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されている一方、基部１８ａの内端部に突設された他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅが形成されている。

前記制御カム１７は、円筒状を呈し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだけ偏心している。

前記揺動カム２０は、図２及び図６，図７に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａが貫通形成されている。

また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。

即ち、図８に示すバルブリフト特性からみると、図２に示すように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの前記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２が所謂ランプ区間となり、更に、カム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。

また、前記リンクアーム２５は、円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。

更に、前記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。

尚、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクアーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するスナップリング３０，３１，３２が設けられている。

上記構成において、制御軸１６の軸心Ｐ２と制御カム１７の軸心Ｐ１との位置関係によって、図６，７に示すように、バルブリフト量が変化することになり、前記制御軸１６を回転駆動させることで、制御カム１７の軸心Ｐ１に対する制御軸１６の軸心Ｐ２の位置を変化させる。

前記制御軸１６は、図１０に示すような構成により、ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２１によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、前記制御軸１６の作動角を前記アクチュエータ１２１で変化させることで、吸気バルブ１０５のバルブリフト量及びバルブ作動角が連続的に変化する（図９参照）。

図１０において、ＤＣサーボモータ１２１は、その回転軸が制御軸１６と平行になるように配置され、回転軸の先端には、かさ歯車１２２が軸支されている。

一方、前記制御軸１６の先端に一対のステー１２３ａ，１２３ｂが固定され、一対のステー１２３ａ，１２３ｂの先端部を連結する制御軸１６と平行な軸周りに、ナット１２４が揺動可能に支持される。

前記ナット１２４に噛み合わされるネジ棒１２５の先端には、前記かさ歯車１２２に噛み合わされるかさ歯車１２６が軸支されており、ＤＣサーボモータ１２１の回転によってネジ棒１２５が回転し、該ネジ棒１２５に噛み合うナット１２４の位置が、ネジ棒１２５の軸方向に変位することで、制御軸１６が回転されるようになっている。

ここで、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６に近づける方向が、バルブリフト量が小さくなる方向で、逆に、ナット１２４の位置をかさ歯車１２６から遠ざける方向が、バルブリフト量が大きくなる方向となっている。

前記制御軸１６の先端には、図１０に示すように、制御軸１６の作動角を検出するポテンショメータ式の作動角センサ１２７が設けられており、該作動角センサ１２７で検出される実際の作動角が目標作動角に一致するように、前記コントロールユニット１１４が前記ＤＣサーボモータ１２１をフィードバック制御する。ここで、既述したようにバルブリフト量とバルブ作動角とは同時に変えられるので、作動角センサ１２７はバルブ作動角を検出すると同時にバルブリフト量を検出するものである。

かかる可変バルブ機構により吸気バルブ１０５のバルブ作動特性を変更して吸気量を制御するが、本発明では機関運転状態に応じて所望の機関出力トルク応答が得られるように、前記吸気バルブ１０５の制御速度を変更する。

以下に、コントロールユニット１１４により、機関運転状態に応じて前記吸気バルブ１０５の制御速度を変更しつつ行う吸気量制御の第１実施形態を、図１１のブロック図に従って説明する。

ブロック１（図ではＢ１と記す。以下同様）では、アクセルペダルセンサ１１６により検出されるアクセル開度ＡＣＣとクランク角センサ１１７によって検出された機関回転速度Ｎｅとに基づいて、目標トルクに対応した吸気バルブ１０５の目標作動角ＴＧＶＥＬ０を設定する。

ブロック２では、機関回転速度Ｎｅに基づいて制御速度を決める後述する加重平均演算の前記最新の（現在の運転状態に対応する）目標作動角ＴＧＶＥＬ０に対する重み係数ＫＡＪＵを設定する。ここで、該重み係数ＫＡＪＵは、図示のように高速域では１に設定されるが、低速になるほど小さくなるように設定されている。

ブロック３では、前記目標作動角ＴＧＶＥＬ０に重み係数ＫＡＪＵを乗じる。

一方、ブロック４から出力された定数１からブロック５で前記重み係数ＫＡＪＵが減算され、目標作動角の前回値ＴＧＶＥＬｚに対する重み係数（＝１−ＫＡＪＵ）が算出される。

ブロック６では、目標作動角の前回値ＴＧＶＥＬｚを算出し、ブロック７では、前記前回値ＴＧＶＥＬｚに前記重み係数（＝１−ＫＡＪＵ）を乗じる。

ブロック８では、ブロック３で算出された値とブロック７で算出された値とを加算する。すなわち、最新の目標作動角ＴＧＶＥＬ０に重み係数ＫＡＪＵを乗じた値と、前回値ＴＧＶＥＬｚに前記重み係数（＝１−ＫＡＪＵ）を乗じた値とを加算して加重平均値を算出し、最終的に目標作動角ＴＧＶＥＬとして算出する（次式参照）。

ＴＧＶＥＬ＝ＴＧＶＥＬ０×ＫＡＪＵ＋ＴＧＶＥＬｚ×（１−ＫＡＪＵ）
ブロック９では、前記目標作動角ＴＧＶＥＬと前記作動角センサ１２７で検出された実際の作動角ＶＥＬＣＯＭとに基づいてＰＩＤ制御により制御量ＶＥＬＤＵＴＹを設定し、前記ＤＣサーボモータ１２１に出力する。

上記構成によれば、高速域では最新の目標作動角ＴＧＶＥＬ０に対する重み係数ＫＡＪＵ＝１、前回値ＴＧＶＥＬｚに対する重み係数（１−ＫＡＪＵ）＝０となって、実質的には加重平均演算は行われず、最新の目標作動角ＴＧＶＥＬ０がそのまま最終の目標作動角ＴＧＶＥＬとして出力される。一方、低速になるほど重み係数ＫＡＪＵが減少し、重み係数（１−ＫＡＪＵ）が増大するので、最新の目標作動角ＴＧＶＥＬ０に対して、出力される目標作動角ＴＧＶＥＬの遅れが大きくなる。

図１２は、スロットル制御と吸気バルブ制御との体積効率の応答特性で、低速時（図示Ａ）と高速時（図示Ｂ）の場合を示し、図から明らかなように、高速時はコレクタ容積分の吸気のシリンダへの吸入が速やかに終了するので、目標体積効率へ収束する応答性はスロットル制御と吸気バルブ制御とで同等であるが、低速時はコレクタ容積分の吸気のシリンダへの吸入に時間を要するのでスロットル制御では吸気バルブ制御に対して遅れが大きくなる。換言すれば、吸気バルブ制御での応答が早すぎることとなり、運転性を悪化させてしまう。

そこで、本実施形態のように低速時には目標作動角ＴＧＶＥＬの遅れを大きくすることにより、実際に制御される作動角ＶＥＬＣＯＭの遅れが大きくなり、スロットル制御に近い応答特性が得られ、ドライバの要求に見合った運転性（発進・加減速性）が得られる。また、アクセル操作にゆとりを持たせることができ、この面からも走行中の運転性を向上させることができる。

次に、第２実施形態を、図１３のブロック図に従って説明する。

前記第１実施形態では、目標作動角に遅れを持たせることにより制御速度を変更する構成としたが、第２実施形態では制御値に直接遅れを持たせて制御速度を変更する構成とする。

ブロック１１では、前記図１１のブロック１と同じくアクセル開度と機関回転速度に基づいて目標作動角ＴＧＶＥＬを設定し、この目標作動角ＴＧＶＥＬが、ＰＩＤ制御により制御量ＶＥＬＤＵＴＹを設定するブロック１２にそのまま入力される。

一方、ブロック１３では前記ＰＩＤ制御における比例ゲインＰを機関回転速度Ｎｅに基づいて設定する。ここで、該比例ゲインＰは、図示のように低速になるほど小さくなるように設定されている。

上記のように機関回転速度Ｎｅに基づいて可変に設定された比例ゲインＰと、ブロック１４，１５で設定された一定の積分ゲインＩ、微分ゲインＤが前記ブロック１２に入力される。

そして、ブロック１２では、前記目標作動角ＴＧＶＥＬと前記作動角センサ１２７で検出された実際の作動角ＶＥＬＣＯＭとに基づいて、前記比例ゲインＰ、積分ゲインＩ、微分ゲインＤを用いてＰＩＤ制御により制御量ＶＥＬＤＵＴＹを設定し、前記ＤＣサーボモータ１２１に出力する。

このようにすれば、低速時には小さめに設定された比例ゲインＰにより目標作動角への収束を遅らせるように、制御量ＶＥＬＤＵＴＹが遅れを大きくして設定される。したがって、第１実施形態と同様、実際に制御される作動角ＶＥＬＣＯＭの遅れが大きくなり、スロットル制御に近い応答特性が得られ、ドライバの要求に見合った運転性（発進・加減速性）が得られると共に、アクセル操作にゆとりを持たせることで走行中の運転性を向上させることができる。

また、以上示した実施形態では機関回転速度によって機関出力トルクの応答に応じた制御速度に変更する構成としたが、機関出力トルクの検出値を直接用いて制御速度を変更する構成としてもよい。

また、図１４に示すように、アクセル開度ＡＣＣと機関回転速度Ｎｅに基づいて目標トルク相当の目標吸入空気量を設定し、該目標吸入空気量に遅れ補正を施し、補正した目標吸入空気量によって目標作動角を算出する構成としてもよく、吸気バルブのリフト量制御をきめ細かく行うことができる。

更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項３に記載の内燃機関の可変動弁制御装置において、目標トルク相当の目標吸入空気量に基づいて目標バルブ作動特性を設定する構成であり、目標吸入空気量に遅れ補正を行い、補正した目標吸入空気量によって目標バルブ作動特性を算出することを特徴とする。

このようにすれば、補正した目標吸入空気量によって目標作動角を算出することにより、吸気バルブのバルブ作動特性をきめ細かく可変制御することができる。

（ロ）請求項２、請求項３及び上記（イ）に記載の可変動弁制御装置において、機関出力トルク応答が早い機関運転状態は、機関回転速度が所定値以下の状態であることを特徴とする。

このようにすれば、機関回転速度に基づいて制御速度を容易に変更することができる。

本発明に係る可変動弁制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。可変バルブ機構を示す断面図（図３のＡ−Ａ断面図）。上記可変バルブ機構の側面図。上記可変バルブ機構の平面図。上記可変バルブ機構に使用される偏心カムを示す斜視図。上記可変バルブ機構の低リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。上記可変バルブ機構の高リフト時の作用を示す断面図（図３のＢ−Ｂ断面図）。上記可変バルブ機構における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。上記可変バルブ機構のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。上記可変バルブ機構における制御軸の回転駆動機構を示す斜視図。第1実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。スロットル制御と吸気バルブ制御との体積効率の応答特性で、低速時（図示Ａ）と高速時（図示Ｂ）の場合を示す。第２実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。第３実施形態における吸気バルブ制御のブロック図。

符号の説明

１３…カム軸１５…偏心カム１６…制御軸１７…制御カム
１８…ロッカアーム２０…揺動カム２５…リンクアーム１０１…内燃機関１０４…電子制御スロットル１０５…吸気バルブ１１２…可変バルブ機構１１４…コントロールユニット１１５…エアフローメータ１１６…アクセルペダルセンサ１１７…クランク角センサ
１１８…スロットルセンサ１２１…ＤＣサーボモータ（アクチュエータ）１２７…作動角センサ１３０…吸気ポート

Claims

吸気バルブのバルブ作動特性を目標バルブ特性となるように可変制御する内燃機関の可変動弁制御装置であって、
機関運転状態に応じて前記吸気バルブの制御速度を変更することを特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。
吸気バルブのバルブ作動特性変化に対する機関出力トルクの応答が早い機関運転状態のときは、該機関出力トルクの応答が遅い機関運転状態のときより、前記吸気バルブの制御速度を遅くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。
出力される制御値、または目標バルブ作動特性を補正して制御速度を変更することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の可変動弁制御装置。