JPH04179837A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は運転条件によってカムを切換える内燃機関の可
変動弁装置に関する。

（従来の技術） 内燃機関の吸排気弁を駆動する動弁装置は、機関の要求
する出力特性に合わせて、最適なバルブタイミングが得
られるように設定されている。

ところが、この要求バルブタイミングは機関の運転条件
によってそれぞれ異なり、例えば低負荷域ではバルブリ
フト、開弁期間は共に小さく、これに対して高負荷域で
は大きなバルブリフトと開弁期間が要求される。自動車
用内燃機関のように運転条件が広範囲にわたるものは、
バルブタイミングをどの運転領域を対象に設定するかが
なかなか難しく、いずれにしても、総ての運転条件で最
適なマツチングとすることはできない。

そこで、特開昭６３−１６７０１６号公報にあるように
、カム特性（カムプロフィル）の興なる複数のカムを備
えておき、運転条件によってカムの切換えを行うことに
より、それぞれにおいて最適なバルブタイミングで運転
することを可能としな、可変動弁装置が提案されている
。

これは低回転域で高いトルク特性をもつ低速型のカムと
、高回転域で高いトルク特性の高速型カムとを、運転条
件により切換えるもので、低速域から高速域式で高圧力
を発揮させようとするものである。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上記したカムの切換えは、切換の前後でｍ問
出力が不連続に変化することのないように、同一のスロ
ットル開度において出力が一致する回転数を選んで行な
われるのであるが、選択されるカムとして、低回転域と
高回転域とで出力（トルク）を重視した特性の２つの出
力カムと、部分負荷域で燃費を重視した燃費カムとの、
３つのカムを備えている場合、燃費カムから出力カムへ
の切換（あるいはこの逆への切換）は、燃費カムでの発
生トルクが相対的に低いことから、切換の前後で同一の
スロットル開度を維持しようとするとトルク段差が非常
に大きくなってしまう。

つまり、低速型の出力カムから高速型の出力カムへの移
行は、上記したように同一の出力となる回転数を境に切
換ればよいが、燃費カムの場合はスロットル開度が同一
で出力トルクが一致することがないなめ、切換時に大き
なトルク段差が発生するのである。

そして燃費カムから出力カムへの切換は、低回転域では
低速型出力カム、高回転域では高速型出力カムへと行な
われるが、当然のことながら低回転域では低速型出力カ
ムの方が高速型出力カムよりも発生トルクは大きく、高
回転域では同じく逆になり、したがっていずれの回転域
で切換を行うにしても、大きなトルク段差が生じる。

なお、カムへの切換は運転者の意志、つまりアクセルペ
ダルの開度変化等に応じて行なわれ、例えば燃費カムで
の運転中にアクセルペダルがさらに踏み込まれて燃費カ
ムでの領域を越えた出力トルクを要求しているときは、
そのときの回転域がら低速型か高速型の出力カムのいず
れがが選択され、切換られることになる。

そこでこのような切換の前後で発生する大きなトルク段
差を吸収するため、スロットルバルブをアクセルペダル
とは切り離して独立して開度を制御できる構成にしてお
き、切換時のスロットル開度や回転数等から判定したト
ルク段差を吸収するのに必要なだけ、自動的にスロット
ル開度や点火時期等を補正することにより、出力を一致
させるようにしている６例えば燃費カムから出力カムへ
と移行するときは、そのままのスロットル開度では出力
トルクが急増するので、スロットルバルブの開度を減じ
、また点火時期を一時的にリタードするのである。

ところで、これらの補正制御は実際にカムの切換が行な
われた時点で実行される必要があり、もし切換前や切換
後に補正がされると、がえって大きな切換ショックが発
生することになる。

カムの切換は油圧を利用して各カムに応動するロッカア
ームを選択的に結合することにより全気筒で一斉に行う
が、切換時に既にカムのリフト領域に入っている気筒で
は、油圧をかけてもその行程では切換ができないため、
実際の切換は次の行程まで遅れることになる。

しかし、従来は切換の確認を油圧ピストンに作用する油
圧を検出して行っていたので、このように切換が遅れた
ときでも、出力の補正制御は実行されてしまい、つまり
カムの切換と出力の補正制御が同期せず、例えば大きな
トルク段差がある燃費重視カムから出力カムへの切換時
に、吸入行程の途中にあってまだ燃費重視カムのままの
気筒では、それまでのスロットル開度が必要であるにも
かかわらず、急激にスロットル開度が減少し、かつ点火
時期が大幅にリタードされるため、そめ気筒での燃焼が
不安定になり失火したりする。

このように出力の補正制御が実際のカムの切換に完全に
同期しないと、切換時のトルクショックがかえって大き
くなり、著しく運転性を悪化させることになる。

本発明はカムの切換をそのときのクランク角度位置から
決まる目標とする気筒から確実に開始させ、出力の補正
制御を正しく同期させられるようにすることにより、こ
のような問題を解決するものである。

（課題を解決するための手段） そこで本発明は、第１図に示すように、低回転域で高出
力を発生する特性に設定した低速型出力カム６１と、高
回転域で高出力を発生する特性に設定した高速型出力カ
ム６２と、燃費が良好となる特性に設定した燃費カム６
３と、これらのカムを運転状態によって選択的に切換え
ると共にこのカムの運動を吸気弁または排気弁の少なく
とも一方に伝達するカム切換機構６４と、カムの切換信
号に対応して機関出力を補正制御する手段６５とを偏え
た内燃機関の可変動弁装置において、機関のクランク角
度を検出する手段６６と、運転状態を検出する手段６７
と、運転状態に応じてカムの切換を判断する手段６８と
、カムの切換判断時に現在のクランク角度位置に切換遅
れ期間を見込んだクランク角度位置を演算する手段６９
と、この見込クランク角度位置で吸気行程にあると想定
される気筒を判断する手段７０と、見込角度がその気筒
の吸気行程の開始点と点火順で次の気筒の吸気行程の開
始点との略中間点よりも前のときは、その略中間点から
見込角度を引いた角度を、また略中間点よりも後のとき
は次の点火順の気筒の吸気行程の開始点とさらにその次
の気筒の吸気行程の開始点との略中間点から見込角度を
引いた角度を切換角度として算出する手段７１と、クラ
ンク角度位置がこの算出切換角度に達したときに前記カ
ム切換機構６４にカム切換信号を出力する手段７２とを
備える。

（作用） カムの切換時期が判断されると、油圧機構等の遅れ時間
を見越してカム切換信号が出力されるのであるが、この
カム切換信号はある気筒の吸気行程の開始点と次の気筒
（切換を開始させる目標気筒）の吸気行程の開始点の略
中間点で、実際の切換が終了するように、応答遅れを見
越して早めに出力される。

したがって、実際のカムの切換は、応答遅れに多少のバ
ラツキがあっても、目標とする特定気筒が吸入行程に入
る前には確実に終了しており、それに合わせてこの特定
気筒から出力の補正制御を開始することにより、切換時
のトルク段差を確実に吸収できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第２図、第３図に可変動弁装置の具体的な構成を
示すが、これ自体は本出願人により、特願平２−１１７
２６１号として、既に提案されている。

２１は燃費重視型のカムプロフィルに設定され、カムリ
フト及びリフト区間の共に小さい第１カム（＃８費カム
）、２２は低回転域で高トルクを発生するカムプロフィ
ルに設定され、前記第１カム２１よりもカムリフトが相
対的に大きい第２カム（低速型出力カム）、２３は高回
転域で高トルクを発生するカムプロフィルに設定され、
第２カム２２よりもカムリフト、リフト区間の大きい第
３カム（高速型出力カム）で、これらは同一のカムシャ
フトに並列的に設けられる。

２４は吸・排気弁（吸気弁または排気弁）、２５はロー
ラ２６を介して前記第１カム２１と常時接触するメイン
ロッカーアームで、ロッカーシャフト２７を支点に揺動
して、吸・排気弁２４を開閉する。

メインロッカーアーム２５にはシャフト３０を支点にし
て揺動する２つのサブロッカーアーム２８．２９が前記
ローラ２６と並列的に支持され、一方のサブロッカーア
ーム２８は前記第２カム２２と、他方のサブロッカーア
ーム２９は前記第３カム２３と接触する。

これらサブロッカーアーム２８．２９はメインロッカー
アーム２５と係合していないときは、ロストモーション
スプリング３１により常時第２゜第３カム２２．２３に
接触するように付勢され、メインロッカーアーム２５か
らは独立して運動（揺動）する。

これらサブロッカーアーム２８．２９をメインロッカー
アーム２５に対して選択的に係合するため、まず一方の
サブロッカーアーム２８の揺動部位には円柱形のピン３
２が、またメインロッカーアーム２５にもこのピン３２
と同軸上にピン３４が、それぞれカムシャフト方向に摺
動自由に配設され、かつこれらピン３２．３４は常時は
リターンスプリング３６に付勢されて第２図の状態に保
持され、メインロッカーアーム２５との係合を解かれて
いるが、ピン３４の収装された油圧室３８に通路４０を
介して圧油が導かれると、ピン３２と３４が所定量だけ
押し出されて、サブロッカーアーム２８がイインロッカ
ーアーム２５と係合するようになっている。

サブロッカーアーム２８がメインロッカーアーム２５と
一体になるのは、第１カム２１及び第２カム２２のベー
スサークルにあるときで、一体後は第１カム２１よりも
リフトの大きい第２カム２２に従ったバルブタイミング
に切換わる。

つまり、第１カム２１による燃費重視の特性から、第２
カム２２による低回転域での出力重視の特性に切換られ
るのである。

他方のサブロッカーアーム２９についても、これと同様
に構成され、油圧室３９に通路４１を介して圧油が導か
れると、ピン３５と３３がリターンスプリング３７に抗
して押し出され、サブロッカーアーム２９がメインロッ
カーアーム２５に係合することにより、バルブタイミン
グは前記と同じく第１カム２１よりもリフト、リフト区
間の共に大きい第３カム２３に依存するように切換られ
、高回転域での出力重視の特性が得られるのである。

なお、第４図に第１カム２１から第３カム２３までのバ
ルブリフト特性を示す、そして、各カムを用いたときの
全開出力特性は、第５図のようになり、第１カム２１に
よれば、発生トルクは低いものの燃費が良く、第２カム
２２では低回転域での最大トルクが最も高く、第３カム
２３は低回転域での発生トルクは第２カム２２よりも小
さいものの、高回転域での最大トルクは最も大きくなる
。

ところで、第１カム２１から第２、第３カム２２．２３
への切換や、その反対に第２、第３カム２２．２３から
第１カム２１への切換を制御するために第６図に示すよ
うなコントロールユニット５１が備えられ、運転状態に
よって最適なカムが選択されるのである。

コントロールユニット５１には機閤回転数、クランク角
度位置を検出するクランク角センサ５２、アクセルペダ
ルの操作量（Ｈ送量）を検出するアクセル操作量センサ
５３、実際に選択されたカム位置を検出するカムポジシ
ョンセンサ５８からの信号が入力し、これらに基づいて
後述するようにして、前記２つの油圧室３８．３９への
油圧の切換を行う電磁弁４５と４６の作動が制御される
。

一方の電磁弁４５が開かれると第２カム２２を働かせる
ために油圧室３８にオイルポンプからの圧油が導かれ、
他方の電磁弁４６を開くことにより今度は第３カム２３
を働かせるため油圧室３９に圧油が導かれるのである。

ところでコントロールユニット５１は、このようなカム
の切換時に大きなトルク段差を生じ、不連続な出力変動
により運転性を悪化させたり、車体振動を誘発したりす
る現象を回避するために、切換と同時に吸気通路５８に
設けたスロットルバルブ５７の開度と、点火装置５９の
点火時期を補正制御する。

スロットルバルブ５７はコントロールユニット５１から
の信号を受けるサーボ駆動回路５５、及びこの駆動信号
に基づいて作動するサーボモータ５６を介して、図示し
ないアクセルペダルとは独立して開度が増減され、同時
にスロットルバルブ５７の実際の開度はスロットル開度
センサ５４を介してコントロールユニット５１にフィー
ドバックされる。なお、スロットルバルブ５７は各気筒
毎に独立させた吸気通路にそれぞれ設けることもできる
。

コントロールユニット５１は第１カム２１から第２また
は第３カム２２．２３への切換時には、サーボ駆動回路
５５、サーボモータ５６を介してスロットルバルブ５７
の開度を、その切換目標とのトルク段差に応じて減少す
るように補正し、トルク増大分を吸収する。また、第２
または第３カム２２．２３から第１カム２１に切換ると
きは、逆にスロットルバルブ５７の開度を増大させてト
ルク段差を吸収する方向に出力の補正制御を行う。

また、コントロールユニット５１は同時に点火装置５９
に対する点火時期信号をカム切換時に一定時間だけリタ
ードさせることにより、トルク段差を吸収する方向に出
力を補正制御する。

これらの出力補正制御の様子を具体的に示したのが第７
図（ａ）（ｂ）で、前者は第１カム２１（燃費□カム）
から第２カム２２（低速型出力カム）に切換た場合、後
者は第２カム２２から第１カム２１に切換な場合である
。

第７図（ａ）に示すように、燃費カムから低速型出力カ
ムに切換なときに、スロットル開度（ＴＶＯ）を実線の
ように切換前後で変化させないと、トルクは大きく増加
し、また、ブースト（吸入負圧）も切換に伴い強まる。

これに対して、切換時にスロットル開度を点線で示すよ
うに所定量だけ減少させ、かつ点火時期を一時的にリタ
ードさせると、−点鎖線で示すように、トルクは切換前
と同一値をとり、トルク変動が吸収されるのである。

なお、スロットル開度を減少させても、切換直後のトル
クが定常時よりも過渡的に増加するのは、ブーストが小
さい状態で燃費カムから出力カムに切換わり、切換直後
にシリンダ内に蓄えられる吸入空気量（燃料量）が−時
的に増えるためで、この分を点火時期をリタードして出
力を低下させることにより補正するのである。

低速型出力カムから燃費カムに切換なときは、第７図（
ｂ）で示すように、スロットル開度が同一のままではト
ルクが大きく減少するが、スロットル開度を点線で示す
ように開（増加）くことで、トルクの落ち込みを防ぐこ
とができ、しかも切換直前の強いブーストで出力カムか
ら燃費カムに切換ることにより、さらにトルクが減少す
るのを、切換の直前で予めスロットルを開き、また、そ
のままだとトルクが大きくなり過ぎるので、点火時期を
同時にリタードさせることにより、切換の前後における
トルク変動を防止することができる。

このようにして、カムの切換に同期して出力補正制御を
行うことで、トルク変動を吸収することができるだが、
この出力の補正制御は正しくカムの切換に同期させる必
要があり、しかも、出力カムから燃費カムへの切換時に
は、実際の切換よりもわずかに出力の補正制御を先行さ
せる必要もある。

ところが、前述したようにカムの切換は油圧を利用して
行うため、作動の応答遅れが避けられず、しかも全部の
気筒で同時に切換が行なわれるが、そのときの条件によ
っては、既にカムのリフト期間に入っている気筒では、
油圧をかけても切換は不可能となる。したがって、もし
この状態で出方の補正制御を実行すると、実際にはカム
が切換わっでいないため、非常に大きなトルクショック
が発生することになる。

したがってカムの切換は、切換時期に達したならば遅滞
なく、がっ確実に目標とする気筒がら開飴できるように
する必要があり、こうすることにより、その目標気筒に
合わせての出力の補正制御も可能となり、トルク変動を
確実に吸収することができる。

そこで、カムの切換を目標とする気筒がら確実に行うた
め、コントロールユニット５１はカムの切換時期が判断
されたならば、そのときのクランク角度位置から油圧系
の作動遅れ等を含む遅れ時間を考慮し、吸気行程に移行
する直前の気筒を目標として、かつ、確実にこの目標気
筒がら切換を行うべく切換信号を出力するようになって
おり、具体的には第８図に示すフローチャートにしたが
って、第９図のタイミングチャートを参照しながら説明
する。

ステップ１．２で、クランク角度センサの出力から回転
数Ｎと、アクセル操作量センサの出力からアクセル開度
Ａｃｅを読込み、カムの切換時期を判断する。カムの切
換が判断されると、そのときのクランク角度θ。と、第
１０図に示すような、油圧系統の応答遅れに依存して予
め設定される遅れ期間ｔが読込みまれる（ステップ３，
４）。

この遅れ期間ｔは、切換信号が出力されてから電磁弁４
５．４６が作動するまでの時間ｔ、と、作動してから油
圧が上昇（まなは下降）を開始するまでの時間ｔ２と、
油圧が上昇してから実際にビン３２．３３等が結合〈ま
たは分離ンを終了する諌での時間ｔ３とに基づいて設定
される。

次に、この現在のクランク角度θ。に遅れ期間ｔを加え
た期間が、点火順で連続するとの気筒間にあるかを判断
する。つまり、第９図にもあるように、この実施例では
４気筒エンジンを対象にして、その点火順を第１気筒→
第３気筒→第４気筒→第２気筒とすると、クランク角度
において、第１気筒の吸入行程の開始点と第３気筒の吸
入行程の開始点との中間点をθ１、同じようにして、第
３気筒と第４気筒の各吸入行程の開始点の中間点をθコ
、以下θ４、θ２とすると、まずステップ５で、（θ。

＋ｔ）がθ１とθ、の間にあるかどうかを判定する。

もし無ければ、次のθ、とθ、の間にあるかどうか、さ
らに、θ４とθ２の間にあるかどうか、さらにθ２とθ
、の間にあるかどうかを順次探していく（ステップ６〜
８）。

そして、仮にθ、とθ、の間にあるときは、点火順で次
の気筒の中間点θ４から、θ。と遅れ期間（を加えたも
のを差し引いてたものを、切換角度θＸ＝θ４−（θ。

＋ｔ）として算出する。

これと異なった中間点の間にあるときは、同じようにし
て、それぞれのθ×を算出する（ステップ９〜１２）。

そして、クランク角度位置θ。からこのθ、Ｘを経過し
たときに、つ―リフランク角度θ＝θ。十〇Ｘとなった
ときに、切換信号を出力する（ステップ１３．１４）。

したがって、この場合、切換信号が出力されて実際にピ
ンが結合する目標時期は、必ず特定の目標とする気筒と
、その前の気筒の吸入行程開始点の中間点となる。

これは、結合目標点が、目標とする気筒の前の気筒の吸
入行程の開始点と目標気筒の吸入行程の開始点との中間
点になれば、実際に油圧系統の応答遅れ時間のバラツキ
等があったとしても、目標気筒よりも前の気筒で切換が
行なわれずに、最も高い確率で、目標気筒の吸入行程の
前に切換が終了していることになるからである。

バラツキにより切換時期が遅くなることもあるが、場合
によっては早まることもあり、仮に早過ぎたときには、
目標気筒よりも一つ前の気筒の吸入行程開始点よりも以
前に切換が終了することもあり、遅過ぎれば、目標気筒
の吸入行程が開始されてしまっていることもあり、この
場合には目標気筒では切換ができず、さらにその次の気
筒で切換が行なわれることになる。

これらのことは、目標となる切換終了時期が例えば目標
気筒の吸入行程の直前に置かれたことを想定すれば、容
易に理解できるのであるが、この場合には、応答遅れ時
間を見込んではいるものの、もしその見込時間にわずか
な狂いがあっても、たちまち目標気筒の吸入行程にずれ
込むことが考えられ、このときは当然ながらその気筒で
は切換が不可能となる。

ただし、安全制を確保するため、これらの応答遅れの誤
差を大きく見込んで切換目標気筒を点火順でさらに幾つ
か先に進めておくことも考えられるが、このようにする
と運転状態としてはカムの切換時期にきていにもかかわ
らず、なかなか切換が行なわれないことになり、切換要
求に対する応答性が低下することになる。

これらのことから、切換時期に達したら遅滞なく、しか
も確実に目標気筒において切換を終了させるために、こ
のように、遅れ期間を見越した上で、現在クランク角度
位置から、最短の気筒の吸入行程の開始点と前気筒の吸
入行程開始点との中間点が切換終了時の目標となるよう
にしたのであり、もしこの中間点を過ぎているときは、
仮に目標気筒の吸入行程前であっても、その次の気筒を
目標気筒に置き換えることにより、目標とする気筒の吸
入行程においては、確実にカムの切換が終了しているよ
うにするのである。

この結果、目標となる気筒の吸入行程においては確実に
切換が終了しているので、前記したスロットル開度や点
火時期の補正による出力補正制御は、この目標気筒の吸
入行程に同期して行うことにより、カム切換時の出力変
動を確実に吸収することができるのである。

しかも、目標気筒においては、切換の終了が前気筒の吸
入行程の略中間点を目標としているので、第７図（ｂ）
で示す出力カムから燃費カムへの切換時のように、切換
直前から補正制御を開始する必要のあるときにも、余裕
をもって、正確に補正制御を実施することが可能となる
。

なお、上記実施例では４気筒エンジンを例にして説明し
たが、本発明はこれ以外のものにも当然に適用すること
がてきる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、目標とする気筒の吸入行
程よりもある余裕をもって切換が終了しているように、
切換信号を出力するので、目標気筒の吸入行程において
はカム切換が確実に終了していて、このため、カム切換
に伴うトルクショックを吸収するためスロットル開度や
点火時期等を調整しての出力の補正制御について、は、
目標気筒の吸入行程を対象にすることにより、正しく同
期させることが可能となり、実際のカム切換と出力補正
制御とのずれによりもともと大きいトル段差がさらに増
大するという問題を回避し、運転性の改善が図れる。ま
た、目標とする気筒の設定は、カム切換時期が判断され
たクランク角度位置から、遅滞なく最短の気筒が選択さ
れるので、カム切換要求にも応答よく対応することがで
き、燃費あるいは出力性能も十分に満足させられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図は本発明の実施例を示
す平面図、第３図はＸ−Ｘ＠断面図、第４図はカムリフ
ト特性を示す特性図、第５図は各カムを用いたときの全
開出力特性を示す特性図、第６図は制御系統の構成図、
第７図（ａＨｂ）はカム切換時のトルク変動を様子を示
す説明図、第８図はコントロールユニットで実行される
カムの切換制御を示すフローチャート、第９図はカム切
換信号のタイミングチャート、第１０図はカム切換の応
答遅れ期間の設定を示す説明図である。 ２１〜２３・・・カム、２４・・・吸・排気弁、２５・
・・メインロッカーアーム、２８．２９・・・サブロッ
カーアーム、５１・・・コントロールユニット、５２・
・・クランク角七ンサ、５３・・・アクセル操作量セン
サ、５８・・・カムポジションセンサ。 ２５−１インロッカ７−へ　２８．２９−−−プフ・ロ
ッヵ７−ム第３図 ２１〜２３−　　カム 第４図 第５図 エンシ゛２５つ中入妾丈　ｒｐｍ ＠１０図 第７図（ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、低回転域で高出力を発生する特性に設定した低速型
   出力カムと、高回転域で高出力を発生する特性に設定し
   た高速型出力カムと、燃費が良好となる特性に設定した
   燃費カムと、これらのカムを運転状態によって選択的に
   切換えると共にこのカムの運動を吸気弁または排気弁の
   少なくとも一方に伝達するカム切換機構と、カムの切換
   信号に対応して機関出力を補正制御する手段とを備えた
   内燃機関の可変動弁装置において、機関のクランク角度
   を検出する手段と、運転状態を検出する手段と、運転状
   態に応じてカムの切換を判断する手段と、カムの切換判
   断時に現在のクランク角度位置に切換遅れ期間を見込ん
   だクランク角度位置を演算する手段と、この見込クラン
   ク角度位置で吸気行程にあると想定される気筒を判断す
   る手段と、見込角度がその気筒の吸気行程の開始点と点
   火順で次の気筒の吸気行程の開始点との略中間点よりも
   前のときは、その略中間点から見込角度を引いた角度を
   、また略中間点よりも後のときは次の点火順の気筒の吸
   気行程の開始点とさらにその次の気筒の吸気行程の開始
   点との略中間点から見込角度を引いた角度を切換角度と
   して算出する手段と、クランク角度位置がこの算出切換
   角度に達したときに前記カム切換機構にカム切換信号を
   出力する手段とを備えること特徴とする内燃機関の可変
   動弁装置。