JPH09303122A

JPH09303122A - 内燃機関の電磁駆動弁の始動方法

Info

Publication number: JPH09303122A
Application number: JP8116542A
Authority: JP
Inventors: Masaji Katsumata; 正司勝間田; Takashi Deo; 隆志出尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 1997-11-25
Anticipated expiration: 2016-05-10
Also published as: JP3510044B2

Abstract

(57)【要約】【課題】吸排気弁として電磁駆動弁を使用する内燃機
関において、バネ質量系の固有振動を利用して電磁駆動
弁を始動する場合に、弁体とピストンとの干渉を防止す
る。【解決手段】電磁力により該バネ質量系の固有振動の
励起が開始されてから該弁体が該全閉位置に達し該全閉
位置に保持されるまでに要する時間である第１の時間Ａ
_stが、該内燃機関のピストンがクランク軸の回転により
該弁体と干渉を起こす位置へ達するまでの時間である第
２の時間よりも小さくなるクランク角度の領域で、該電
磁駆動弁の始動開始時期Ｐ₀を設定し、クランク角度位
置が該始動開始時期に達したことを検出した時点で、該
バネ質量系の固有振動数に一致した振動をする電磁力を
該プランジャへ作用させるべく駆動電流を該電磁駆動弁
へ印加し始めることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関において
吸排気弁として使用される電磁駆動弁に関し、より詳細
には、バネ質量系の固有振動を利用したその始動方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関の吸排気弁としては、ク
ランク軸の回転に基づいて駆動されるカム軸により開閉
操作されるものが一般的である。そして、内燃機関の高
性能化を図るという観点から、運転状態に応じて最適な
弁開閉時期を達成するために動弁系の可変機構が種々実
用化されつつあり、２段切り替え式（ＯＮ／ＯＦＦ制御
式）のものを始めとして連続可変式のものも開発されて
いる。これら可変機構には、カム軸の回転位相をずらす
ものや、カム軸に複数のカムプロファイルを備えるもの
等がある。

【０００３】しかしながら、上述のようなカム軸により
駆動される吸排気弁では、弁リフト量、開弁期間及び弁
開閉時期の全てを独立かつ任意に設定することは不可能
である。そこで、近年においては、内燃機関に対する更
なる高性能化の要求に応えるべく、運転状態に応じてそ
れらのパラメータを理想的な値に設定可能な電磁駆動式
動弁系に関する研究が活発化してきている。

【０００４】例えば、特開昭 59-213913号公報は、一対
のバネによる付勢力により中立位置に支持される弁体
を、その弁体と連結したプランジャに電磁力を作用させ
ることにより、その中立位置から全開方向又は全閉方向
へと移動させる構造の電磁駆動弁に関するものであり、
特に、その始動方法について開示している。その始動方
法は、省電力化を図るべく、共振現象を利用しようとい
うものである。

【０００５】すなわち、物理学の教えるところによれ
ば、バネ質量系(spring-mass system)では、摩擦その他
の損失を無視すると、初期変位が与えられれば固有振動
数の持続正弦振動を生じ、さらにその固有振動数に一致
した振動をする外力をその質量に加え続ければ、その振
幅は漸次限りなく増大していく。前記公報に係る始動方
法は、プランジャを質量として含むバネ質量系に外力と
して電磁力を加え、固有振動（自励振動）を励起し、最
終的に一方の電磁石にプランジャを吸着して、始動を完
了させるものである。このような共振現象を利用するこ
とにより、始動時の電磁力、従ってその電磁力を生成す
るための初期電流を小さくすることができ、その結果、
始動時における省電力化が図られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】内燃機関では、一般的
に、圧縮比を向上させるため、ピストンの上死点位置と
弁体の全開位置とが干渉するような寸法に設計されてい
る。そのため、不慮の事態に備え、ピストンの上部に弁
体との干渉を回避するためのリセスが従来設けられてい
た。しかし、最近では、クランク軸とカム軸との機械的
結合が強固となり、そのようなリセスが廃止される傾向
にある。

【０００７】このようなリセスを設けていないピストン
を有する内燃機関に上述の電磁駆動弁を使用する際に
は、弁体とクランク軸とが機械的に結合されていないた
め、ピストンと弁体との干渉が改めて問題となってく
る。すなわち、上記公報で開示された始動方法を、ピス
トンの位置を考慮することなく実施した場合について考
えると、固有振動により弁体の変位が増大していく過程
において、弁体が全開位置近傍に達した時点でピストン
も上死点近傍にきているような事態が生じうる。このと
きには、ピストンと弁体との干渉、即ちいわゆる弁スタ
ンプが発生し、その結果、電磁駆動弁の始動が正常にな
されず、また、内燃機関も損傷を受けることとなる。

【０００８】かかる実情に鑑み、本発明の目的は、吸排
気弁として電磁駆動弁を使用する内燃機関において、バ
ネ質量系の固有振動を利用して電磁駆動弁を始動する場
合に、弁体とピストンとの干渉を防止することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく案
出された、本願第１の発明に係る、内燃機関の電磁駆動
弁の始動方法は、バネにより弁体が中立位置に弾性的に
支持されてバネ質量系を構成するとともに該弁体と一体
となったプランジャに電磁力が作用せしめられて該弁体
が該中立位置から全開位置又は全閉位置へと変位せしめ
られる内燃機関の電磁駆動弁を始動する方法において、
電磁力により該バネ質量系の固有振動の励起が開始され
てから該弁体が該全閉位置に達し該全閉位置に保持され
るまでに要する時間である第１の時間が、該内燃機関の
ピストンがクランク軸の回転により該弁体と干渉を起こ
す位置へ達するまでの時間である第２の時間よりも小さ
くなるクランク角度の領域で、該電磁駆動弁の始動開始
時期を設定し、クランク角度位置が該始動開始時期に達
したことを検出した時点で、該バネ質量系の固有振動数
に一致した振動をする電磁力を該プランジャへ作用させ
るべく駆動電流を該電磁駆動弁へ印加し始めることを特
徴とする。

【００１０】また、第２の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第１の発明に係る方法におい
て、前記始動開始時期が、検出されるクランキング速度
に基づいて設定されることを特徴とする。

【００１１】また、第３の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第２の発明に係る方法におい
て、前記クランキング速度が大きいほど前記駆動電流が
大きくされることを特徴とする。

【００１２】また、第４の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第２の発明に係る方法におい
て、前記駆動電流が小さいほど前記クランキング速度が
小さくされることを特徴とする。

【００１３】また、第５の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第１又は第２の発明に係る方
法において、該内燃機関が複数の気筒を備えており、ク
ランク角度位置が前記始動開始時期に達した気筒より該
駆動電流の印加を開始して弁体が全閉位置に保持された
後に、ピストンの動きに対応して電磁駆動弁の開閉を行
うことを、順次、次の点火順序の気筒に展開していくこ
とを特徴とする。

【００１４】また、第６の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第１の発明に係る方法におい
て、前記始動開始時期が、前記第１の時間より所定の時
間だけ長い時間よりも、前記第２の時間が小さくなるク
ランク角度に設定されることを特徴とする。

【００１５】また、第７の発明に係る、内燃機関の電磁
駆動弁の始動方法は、前記第２の発明に係る方法におい
て、１つの気筒に複数の電磁駆動弁が設けられ、該複数
の電磁駆動弁の始動開始時期がずらされて設定されるこ
とを特徴とする。

【００１６】上述の如く構成された、第１の発明に係
る、内燃機関の電磁駆動弁の始動方法によれば、弁体と
ピストンとの干渉が確実に回避される。また、弁体が全
開位置から全閉位置へ又は全閉位置から全開位置へ移動
するのに要する時間はクランキング速度に依存しないた
め、始動を開始することができるクランク角度は進角側
になるが、第２の発明によれば、クランキング速度に応
じた始動開始時期の設定が可能となる。また、クランキ
ング速度が大きいほど、始動が許容される時間が短くな
るため、第３の発明によれば、クランキング速度が大き
いほど、駆動電流が大きくされることにより、始動に要
する時間が短縮される。換言すれば、駆動電流が小さい
ほど、始動に要する時間が長くなるが、第４の発明によ
れば、駆動電流が小さいほど、クランキング速度が小さ
くされることにより、始動許容時間が長くされる。

【００１７】また、第５の発明によれば、電磁駆動弁を
始動して全閉位置に保持し、その後ピストンに同期して
作動させることを、他の気筒の準備の完了を待つことな
く実行することができるようになる。また、第６の発明
によれば、電磁駆動弁を全閉位置に保持してからピスト
ンに同期して作動させるまでの時間を短くすることがで
き、省電力化が図られる。また、第７の発明によれば、
同一気筒内の電磁駆動弁から発生する熱量のピーク値を
抑えることが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１９】図１は、本発明の一実施形態に係る電子制
御式内燃機関の全体概要図である。エンジンの燃焼に必
要な空気は、エアクリーナ２でろ過され、スロットルボ
デー４を通ってサージタンク（インテークマニホルド）
６で各気筒の吸気管７に分配される。なお、その吸入空
気流量は、スロットルボデー４に設けられたスロットル
弁５により調節されるとともに、エアフローメータ４０
により計測される。また、吸入空気温度は、吸気温セン
サ４３により検出される。

【００２０】また、スロットル弁５の開度は、スロット
ル開度センサ４２により検出される。また、スロットル
弁５が全閉状態のときには、アイドルスイッチ５２がオ
ンとなり、その出力であるスロットル全閉信号がアクテ
ィブとなる。

【００２１】一方、燃料タンク１０に貯蔵された燃料
は、燃料ポンプ１１によりくみ上げられ、燃料配管１２
を経て燃料噴射弁６０により吸気管７に噴射される。

【００２２】吸気管７では、空気と燃料とが混合され、
その混合気は、吸気弁２４を介してエンジン本体すなわ
ち気筒（シリンダ）２０の燃焼室２１に吸入される。燃
焼室２１において、混合気は、ピストン２３により圧縮
された後、点火されて爆発・燃焼し、動力を発生する。
また、エンジンは、冷却水通路２２に導かれた冷却水に
より冷却され、その冷却水温度は、水温センサ４４によ
って検出される。なお、実際の車速は、車速を表す出力
パルスを発生させる車速センサ５３によって検出され
る。

【００２３】燃焼した混合気は、排気ガスとして排気弁
２６を介して排気マニホルド３０に放出され、次いで排
気管３４に導かれる。なお、排気管３４には、排気ガス
中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ４５が設けられてい
る。さらにそれより下流の排気系には、触媒コンバータ
３８が設けられており、その触媒コンバータ３８には、
排気ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）の酸化と窒素酸化
物（ＮＯ_x）の還元とを同時に促進する三元触媒が収容
されている。こうして触媒コンバータ３８において浄化
された排気ガスが大気中に排出される。

【００２４】エンジン電子制御ユニット（エンジンＥＣ
Ｕ）７０は、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回
転速度制御、吸排気弁制御などを実行するマイクロコン
ピュータシステムであり、そのハードウェア構成は、図
２のブロック図に示される。リードオンリメモリ（ＲＯ
Ｍ）７３に格納されたプログラム及び各種のマップに従
って、中央処理装置（ＣＰＵ）７１は、各種センサ及び
スイッチからの信号をＡ／Ｄ変換回路７５又は入力イン
タフェース回路７６を介して入力し、その入力信号に基
づいて演算処理を実行し、その演算結果に基づき駆動制
御回路７７ａ，７７ｄを介して各種アクチュエータ用制
御信号を出力する。ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
７４は、その演算・制御処理過程における一時的なデー
タ記憶場所として使用される。また、バックアップＲＡ
Ｍ７９は、バッテリに直接接続されることにより電力の
供給を受け、イグニションスイッチがオフの状態におい
ても保持されるべきデータ（例えば、各種の学習値）を
格納するために使用される。また、これらのＥＣＵ内各
構成要素は、アドレスバス、データバス、及びコントロ
ールバスからなるシステムバス７２によって接続されて
いる。

【００２５】図３は、吸気弁２４及び排気弁２６として
使用される電磁弁を示す縦断面図である。同図に示され
る弁体８０は、弁頭（バルブヘッド：valve head、又は
「弁がさ」ともいう）８１及び弁軸８２からなり、弁頭
８１の弁フェース(valve face)８１ａが、内燃機関の吸
排気用ポート９２に設けられた弁座（バルブシート：va
lve seat）９３に着座し又は弁座９３から離座すること
により、吸排気用ポート９２を開閉する。弁体８０の弁
軸８２は、バルブガイド９１により軸方向に摺動可能な
状態で保持される。また、弁軸８２には、プランジャ(p
lunger) ８３が固定されている。

【００２６】プランジャ８３は、軟磁性材料で構成され
た円板状の部材である。プランジャ８３の上方には、所
定距離だけ離隔してアッパコア(upper core)８４が、一
方、プランジャ８３の下方には、同様に所定距離だけ離
隔してロアコア(lower core)８６がそれぞれ配設されて
いる。アッパコア８４及びロアコア８６は、軟磁性材料
で構成されており、非磁性材料で構成されるケース９０
により所定の位置関係に保持されている。また、アッパ
コア８４にはアッパコイル(upper coil)８５が把持され
るとともに、ロアコア８６にはロアコイル(lower coil)
８７が把持されている。

【００２７】また、弁軸８２は、アッパスプリング(upp
er spring)８８及びロアスプリング(lower spring)８９
により、軸方向に弾性的に支持されている。そして、ア
ッパコイル８５及びロアコイル８７に通電がなされない
場合におけるプランジャ８３の位置（中立位置）が、ア
ッパコア８４とロアコア８６との中間位置となるよう
に、アッパスプリング８８とロアスプリング８９との釣
り合いが図られている。なお、プランジャ８３が中立位
置にあるときには、弁体８０は、全開側変位端と全閉側
変位端との中間位置をとるようになっている。

【００２８】かかる構成によれば、アッパコイル８５の
周囲には、アッパコア８４とプランジャ８３とそれらの
間に形成されるエアギャップとからなる磁気回路が形成
される。従って、アッパコイル８５に電流が流される
と、上記磁気回路中を磁束が還流し、エアギャップを小
さくする方向すなわちプランジャ８３を上方へ変位させ
る方向の電磁力が発生する。一方、ロアコイル８７の周
囲には、ロアコア８６とプランジャ８３とそれらの間に
形成されるエアギャップとからなる磁気回路が形成され
る。従って、ロアコイル８７に電流が流されると、同様
の原理から、プランジャ８３を下方へ変位させる方向の
電磁力が発生する。

【００２９】かくして、アッパコイル８５及びロアコイ
ル８７に交互に電流を流すことにより、プランジャ８３
を上下に往復運動せしめること、すなわち弁体８０を開
閉方向に交互に駆動することが可能となる。エンジンＥ
ＣＵ７０は、各種センサからの信号に基づいて電磁弁の
開閉タイミングを決定し、駆動制御回路７７ｄにより、
バッテリ９４からアッパコイル８５及びロアコイル８７
への通電（電力供給）を制御することにより、電磁弁を
駆動する。

【００３０】図４は、エンジンの始動装置の構成を示す
図である。なお、このエンジンは、４気筒エンジンであ
り、＃１気筒と＃４気筒とが同一のピストン位置を有
し、＃３気筒と＃２気筒とが同一のピストン位置を有し
ており、それらのピストン位置の差は、１８０°ＣＡで
ある。エンジンの始動時には、スタータモータ９５の動
力がスタータピニオン９６及びリングギヤ９７を介して
クランク軸９８に伝えられることにより、クランク軸９
８が回転せしめられる。このようなスタータモータによ
るクランキングの速度は、スタータモータ９５の端子電
圧に比例する。エンジンＥＣＵ７０は、チョッパ回路９
８におけるデューティ比信号を変化させることにより、
バッテリ９４からスタータモータ９５に与える電圧を制
御し、それにより、クランキング速度を変えることがで
きる。

【００３１】また、クランク軸の角度を検出するため
に、クランク角センサ５１が設けられている。クランク
角センサ５１は、クランク軸に取り付けられたスリット
円盤エンコーダ１０２及び投受光器１０３から構成され
ている。スリット円盤エンコーダ１０２には、図５に示
されるように、例えば、１個のＸスリット及び３６０個
のＹスリットが設けられている。投受光器１０３を用い
てこのようなＸスリット及びＹスリットを検出すること
により、クランク軸の回転速度及び各気筒ごとのクラン
ク角度位置を求めることが可能となる。

【００３２】以上のようなハードウェア構成を有する内
燃機関（エンジン）において実行されるＥＣＵ７０のエ
ンジン制御処理について、以下、説明する。

【００３３】燃料噴射制御は、基本的には、エンジン１
回転当たりの吸入空気量に基づいて、所定の目標空燃比
を達成する燃料噴射量すなわち燃料噴射弁６０による噴
射時間を演算し、所定のクランク角に達した時点で燃料
を噴射すべく、駆動制御回路７７ａを介して燃料噴射弁
６０を制御するものである。なお、エンジン１回転当た
りの吸入空気量は、エアフローメータ４０により計測さ
れる吸入空気流量とクランク角センサ５１から得られる
エンジン回転速度とから算出される。そして、かかる燃
料噴射量演算の際には、スロットル開度センサ４２、吸
気温センサ４３、水温センサ４４等の各センサからの信
号に基づく基本的な補正、Ｏ₂センサ４５からの信号に
基づく空燃比フィードバック補正、そのフィードバック
補正値の中央値が理論空燃比となるようにする空燃比学
習補正、等が加えられる。

【００３４】また、点火時期制御は、クランク角センサ
５１から得られるエンジン回転速度、エアフローメータ
４０から得られる吸入空気流量、及びその他のセンサか
らの信号により、エンジンの状態を総合的に判定し、最
適な点火時期を決定する。

【００３５】以下、吸排気弁制御について詳細に説明す
る。図６において実線で示される複数の曲線は、プラン
ジャ８３の位置（アッパコア８４と接する位置を零とす
る）とアッパコア８４に係る電磁石がプランジャ８３に
及ぼす電磁力（吸引力）との関係を、アッパコイル８５
に流れる電流値をパラメータとして表したものである。
これらの曲線に示されるように、プランジャに作用する
電磁力（吸引力）は、弁体８０が全閉側変位端に近接す
るにつれて急増する。一方、図６において破線で示され
る直線は、同じくプランジャ８３の位置とアッパスプリ
ング８８及びロアスプリング８９が弁体８０に及ぼす付
勢力（ロアコア８６側）との関係を表したものである。
この直線からわかるように、付勢力は、弁体８０が全閉
側変位端に近接しても、直線的に増加するだけである。
なお、ロアコア８６に係る電磁石による電磁力も同様に
図６の曲線に示されるようになり、単に全閉位置が全開
位置に変わるだけである。従って、全開位置又は全閉位
置に近づくほど、中立位置に比較して小さな電流で付勢
力を上回る電磁力を得ることができる。このような電磁
力及び付勢力の特性を考慮した電磁弁駆動方法につい
て、次に説明する。

【００３６】図７は、アッパコイル８５の電流、ロアコ
イル８７の電流、及び弁リフトの時間的変化を示すタイ
ムチャートである。なお、電流は、ＥＣＵ７０が与える
駆動指令値である。この図に示されるように、電磁弁の
駆動は、３つの区間、始動区間、保持区間及び実動区間
に分けてなされる。まず、始動区間では、省電力化を図
るべく、共振現象が利用される。すなわち、無通電状態
での中立位置を中心として弁体の固有振動が生ずるよう
に、プランジャを質量として含むバネ質量系の固有振動
数に応じた周期で、アッパコイル及びロアコイルに交互
に電流が流される。そうすると、弁体は、同図（Ｃ）に
示されるように、中立位置より徐々に振幅を大きくして
いく。このように、共振現象を利用することにより、始
動時の電磁力、従ってその電磁力を生成するための電流
を小さくすることができ、その結果、始動時における省
電力化が図られ、回路構成も簡素化される。

【００３７】そして、最終的に、保持区間において、ア
ッパコア側にプランジャが吸引されて閉弁状態となる。
この保持区間では、始動区間における通電時間よりも長
くアッパコイル電流が流される。これによって、プラン
ジャの加速度が大きくなりすぎて、プランジャとアッパ
コアとの衝突により、プランジャがはねかえり、プラン
ジャが吸引されないという状態を避けることができる。
そして、プランジャが完全に吸着された後から実動区間
開始時までは、余分な電力消費を削減すべく、プランジ
ャの吸引保持に最低限必要な電流（以下、保持電流とい
う）が流され続ける。

【００３８】実動区間では、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示
されるように、ロアコイル及びアッパコイルに交互に電
流が流されて弁体の上下作動が達成される。すなわち、
開弁しようとするときには、まず、アッパコイル８５へ
の保持電流の供給が停止される。すると、弁体８０は、
バネ質量系の単振動（自由振動）により全開方向へと移
動していくが、弁軸８２とバルブガイド９１との間の摩
擦損失やスプリング自体の内部摩擦損失等により、弁体
８０の振幅は、理想状態に対して減衰するため、あるタ
イミングでロアコイル８７に電流が供給される。その電
流は、同図（Ｂ）に示されるように、吸引電流、遷移電
流及び保持電流の３つに分けることができる。すなわ
ち、まず、プランジャ８３を移動させるための吸引電流
が流される。次いで、電磁力（吸引力）が弱められた状
態にてプランジャ８３の吸着が行われるように、ある時
間的変化割合をもって減少する遷移電流が流される。そ
して、プランジャ８３の吸着後には、弁体８０の吸着保
持に最低限必要な電流すなわち保持電流が供給される。
全開状態から閉弁しようとする場合にも、同様に、ま
ず、ロアコイル８７への保持電流の供給が停止され、ア
ッパコイル８５への吸引電流、遷移電流及び保持電流の
供給が順次行われていく。

【００３９】上記駆動方法において、電磁弁の始動に要
する時間（始動所要時間）“Ｔ₁−Ｔ₀”は、始動時の
駆動電流の大きさに依存する。図８は、始動時における
アッパコイル電流、ロアコイル電流、及び弁リフトの時
間的変化を、駆動電流が大きい場合（Ａ）と小さい場合
（Ｂ）とについて例示するタイムチャートである。この
図に示されるように、駆動電流が大きいときには、電磁
力が大きくなるため、弁リフトの振幅の増大速度が大き
くなり、その結果、始動所要時間は短くなる。一方、そ
の逆に、駆動電流が小さいときには、電磁力が小さくな
るため、弁リフトの振幅の増大速度が小さくなり、その
結果、始動所要時間は長くなる。

【００４０】さて、前述のように、内燃機関では、一般
的に、圧縮比を向上させるため、ピストンの上死点位置
と弁体の全開位置とが干渉するような寸法に設計されて
いる。すなわち、ピストンと弁体とが弁リフトによって
は干渉する可能性のあるクランク角度範囲が存在する。
そのようなクランク角度範囲を弁スタンプ領域と定義す
ると、弁スタンプ領域は、例えば、図９に示されるよう
なクランク角度範囲となり、弁スタンプ領域以外のクラ
ンク角度範囲は、開弁許容期間と称することができる。
この弁スタンプ領域は、回転速度に依存しない一定のク
ランク角度範囲である。

【００４１】バネ質量系として構成される電磁駆動弁で
は、全閉位置から全開位置へ又は全開位置から全閉位置
への遷移時間Ｔは、クランク軸の角速度に依存せず、時
間に依存して、Ｔ＝π√（Ｍ／Ｋ）Ｍ：可動部分の重量Ｋ：バネ定数で与えられ、図１０に示されるように、従来のカム駆動
弁のそれに比較して非常に短い。また、カム駆動弁で
は、遷移時間は、時間に依存せず、クランク軸の角速度
に依存するため、それらの遷移時間の差は、回転速度が
低いときほど大きくなる。このようにクランク角度に依
存せずリフト勾配がきついという特性を考慮して、電磁
駆動弁において弁スタンプの発生を防止する必要があ
る。

【００４２】図１１は、クランク角度（上死点後クラン
ク角度 [°CA-ATDC]）、ピストン位置及び弁リフトの関
係を示す図である。この図において、弁スタンプ領域
は、所定の余裕代を考慮してＡ₂からＡ₁までのクラン
ク角度範囲となる。従って、弁スタンプを防止するため
には、クランク角度位置がＡ₂に達した時点で遅くとも
閉弁方向へ移動するための駆動を開始しなければならな
い。閉弁動作の所要時間は、前述のように時間的に一定
となるため、全閉状態に達するクランク角度位置Ａ
₃は、クランク軸の回転速度に応じて変化し、例えば、
回転速度が大きくなると、同図に示されるように、Ａ₃
からＡ₃'へと遅角側に移行する。

【００４３】また、上死点後最も早く弁全開状態にあっ
てもよい時期は、クランク角度位置がＡ₁に達した時点
である。そのため、全閉状態から全開状態へと駆動を開
始することができるクランク角度位置は、Ａ₁よりも一
定時間だけ前の時点に相当するクランク角度位置Ａ₀で
あるが、このクランク角度位置Ａ₀は、クランク軸の回
転速度に応じて変化し、例えば、回転速度が大きくなる
と、同図に示されるように、Ａ₀からＡ₀'へと進角側に
移行する。なお、回転速度がより大きくなれば、リフト
の遷移を示す２直線が交差することも当然に起こりう
る。

【００４４】以上の説明からわかるように、バネ質量系
の固有振動を利用して電磁駆動弁を始動するときに弁ス
タンプを防止するためには、Ａ₀を最早始動開始時期と
し、Ａ₂を最遅始動終了時期とし、従って、Ａ₀からＡ
₂までを始動許容期間とし、その始動許容期間に相当す
る時間範囲（始動許容時間）内に、図７に示される始動
所要時間“Ｔ₁−Ｔ₀”（Ｔ_stとする）が収まるように
始動開始時期Ｔ₀を設定すればよいこととなる。ここ
で、始動許容時間“Ａ₀〜Ａ₂”は、エンジン始動時に
おけるクランク軸の回転角速度（クランキング速度）に
依存し、クランキング速度が大きいほど小さくなる。ま
た、始動所要時間Ｔ_stは、電磁駆動弁の駆動電流値に依
存し、駆動電流値が大きくなるほど小さくなる。以下、
電磁弁の具体的な始動方法について説明する。

【００４５】図１２及び図１３は、電磁弁始動ルーチン
の処理手順を示すフローチャートである。まず、ステッ
プ２０２では、チョッパ回路９８におけるデューティ比
を所定の初期値に設定して、スタータモータ９５を駆動
することにより、クランキングを開始する。次いで、ス
テップ２０４では、クランク角センサ５１の出力に基づ
いて、クランク軸の回転速度すなわちクランキング速度
ＮＥを検出する。次いで、ステップ２０６では、クラン
キング速度ＮＥが所定の範囲内にあるか否かを判定し、
判定結果がＹＥＳのときにはステップ２１０に進み、Ｎ
Ｏのときにはステップ２０８に進む。ステップ２０８で
は、スタータモータの端子電圧を調整すべく、チョッパ
回路９８におけるデューティ比を変化させる。このよう
な制御により、例えば、電磁弁に与える駆動電流をあま
り大きくすることができない場合においてクランキング
速度が過度に大きいとき、すなわち電磁弁の始動許容時
間に対し始動所要時間が大きすぎるときには、クランキ
ング速度を抑えることができる。ステップ２０８の実行
後は、ステップ２０４にループバックする。

【００４６】ステップ２１０では、図１４に示される如
きマップを参照することにより、クランキング速度ＮＥ
に応じた電磁弁駆動電流値Ｉ_drを決定する。クランキン
グ速度ＮＥが大きいほど、始動許容時間は短くなるの
で、同図に示されるように駆動電流値Ｉ_drは大きくされ
る。なお、図１４のマップその他以下の説明に現れるマ
ップは、全て、予めＲＯＭ７３に格納されている。次い
で、ステップ２１２では、図１５に示される如きマップ
を参照することにより、駆動電流値Ｉ_drに応じた始動所
要時間Ｔ_stを求める。次いで、ステップ２１４では、ク
ランキング速度ＮＥに応じて、始動所要時間Ｔ_stをクラ
ンク角度による始動所要期間Ａ_stに換算する。次いで、
ステップ２１６では、クランキング速度ＮＥに基づいて
クランク角度による始動許容期間“Ａ₀〜Ａ₂”を決定
する。なお、最遅始動終了時期Ａ₂は、一定値であり、
最早始動開始時期Ａ₀は、図１６に示される如きマップ
を参照することにより求められる。

【００４７】次いで、ステップ２１８では、始動所要期
間Ａ_stが始動許容期間“Ａ₀〜Ａ₂”内に収まるという
条件の下で、各気筒の各電磁弁について始動開始時期Ｐ
₀を決定する。このような始動開始時期Ｐ₀の決定方法
については、いくつか考えられ、それらについては後述
する。次いで、ステップ２２０では、クランク角センサ
５１の出力に基づいて現在のクランク角度位置を検出す
る。次いで、ステップ２２２では、いずれかの電磁弁が
始動開始時期になっているか否かを判定し、判定結果が
ＹＥＳのときにはステップ２２４に進み、ＮＯのときに
はステップ２２０にループバックする。ステップ２２４
では、その始動開始時期になっている電磁弁の始動を開
始し、ステップ２２６に進む。ステップ２２６では、全
電磁弁について始動を開始したか否かを判定し、判定結
果がＮＯのときにはステップ２２０にループバックし、
ＹＥＳのときには本ルーチンを終了する。

【００４８】次に、前述したステップ２１８における始
動開始時期Ｐ₀の決定方法に関する実施形態について説
明する。まず、第１実施形態は、始動所要期間Ａ_stに対
し始動許容期間“Ａ₀〜Ａ₂”が余裕のあるものである
ときに適したものである。すなわち、第１実施形態で
は、図１７に示されるように、ピストン位置が下死点
（ＢＤＣ）近傍にあるときに電磁弁の始動を開始しても
干渉の問題が発生しない場合に、そのような下死点近傍
で各気筒の各電磁弁の始動を開始しようというものであ
る。この場合、４気筒エンジンを例にとると、＃１気筒
と＃４気筒とは同一のピストン位置を有し、＃３気筒と
＃２気筒とは同一のピストン位置を有するため、各気筒
の吸排気弁の始動の様子は、例えば、図１８に示される
ようになる。

【００４９】第２実施形態は、始動所要期間Ａ_stに対し
始動許容期間“Ａ₀〜Ａ₂”が余裕のないものであると
きに有効なものである。すなわち、第２実施形態では、
図１９に示されるように、始動開始時期Ｐ₀が最早始動
開始時期Ａ₀に一致せしめられる。その場合、図２０に
示されるように、４気筒のうち最初にＡ₀に達する２気
筒のうちの１気筒を選択し、その気筒から点火順序に従
って１８０°ＣＡごとに順次始動を開始していく。さら
に、その順序に吸入行程、圧縮行程、爆発行程及び排気
行程を実施していく。

【００５０】次に、第３実施形態について説明する。第
３実施形態は、保持区間を最小にして保持電流供給時間
を最短化し、消費電力の低減を図ろうというものであ
る。すなわち、第３実施形態では、図２１に示されるよ
うに、最遅始動終了時期Ａ₂より余裕代だけ手前の時期
に始動が完了するように始動開始時期Ｐ₀が設定され
る。始動展開順序は、第２実施形態と同様であり、その
様子は、図２２に例示される。

【００５１】次に、第４実施形態について説明する。第
４実施形態は、図２３に示されるように、第２実施形態
のように最も早く始動する状態から第３実施形態のよう
に最も遅く始動する状態まで自由に始動開始時期Ｐ₀を
設定することができるようにしたものである。こうする
ことにより該当気筒よりいち早く電磁弁の始動を開始す
ることができ、エンジン始動性の優れたものとなる。

【００５２】最後に、第５実施形態について説明する。
前述の各実施形態では、各気筒で吸気弁と排気弁とを同
時に始動していたが、必ずしもそうする必要はない。そ
のため、第５実施形態では、図２４に示されるように、
吸気弁の始動と排気弁の始動とをずらして行う。これに
より、供給電流のピーク値を下げ、システム全体の所要
最大電流を抑えることができ、また、同一気筒内の電磁
弁から発生する熱量を抑えることができる。

【００５３】以上、本発明の実施形態について述べてき
たが、もちろん本発明はこれに限定されるものではな
く、様々な実施形態を案出することは当業者にとって容
易なことであろう。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
吸排気弁として電磁駆動弁を使用する内燃機関におい
て、バネ質量系の固有振動を利用して電磁駆動弁を始動
する場合に、弁体とピストンとの干渉を確実に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る電子制御式内燃機関
の全体概要図である。

【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンＥＣＵのハ
ードウェア構成を示すブロック図である。

【図３】吸気弁及び排気弁として使用される電磁弁の構
成を示す縦断面図である。

【図４】エンジン始動装置の構成を示す図である。

【図５】スリット円盤エンコーダを示す図である。

【図６】プランジャ位置とアッパ側電磁石がプランジャ
に及ぼす電磁力（吸引力）との関係を、アッパコイル電
流をパラメータとして表す特性図（実線）、及びプラン
ジャ位置と一対のスプリングがプランジャに及ぼす付勢
力との関係を表す特性図（破線）である。

【図７】アッパコイル電流（Ａ）、ロアコイル電流
（Ｂ）及び弁リフト（Ｃ）のタイムチャートである。

【図８】始動時におけるアッパコイル電流、ロアコイル
電流及び弁リフトの時間的変化を、駆動電流値が大きい
場合（Ａ）と小さい場合（Ｂ）とについて例示するタイ
ムチャートである。

【図９】弁スタンプ領域及び開弁許容期間を示す図であ
る。

【図１０】電磁駆動弁及びカム駆動弁について全閉位置
から全開位置へ又は全開位置から全閉位置への遷移時間
を示す図である。

【図１１】クランク角度（上死点後クランク角度 [°CA
-ATDC]）、ピストン位置及び弁リフトの関係を示す図で
ある。

【図１２】電磁弁始動ルーチンの処理手順を示すフロー
チャート（１／２）である。

【図１３】電磁弁始動ルーチンの処理手順を示すフロー
チャート（２／２）である。

【図１４】クランキング速度ＮＥに応じた電磁弁駆動電
流値Ｉ_drを決定するためのマップを示す図である。

【図１５】電磁弁駆動電流値Ｉ_drに応じた始動所要時間
Ｔ_stを定めたマップを示す図である。

【図１６】クランキング速度ＮＥに応じた最早始動開始
時期Ａ₀を定めたマップを示す図である。

【図１７】第１実施形態に係る始動開始時期（クランク
角度）Ｐ₀の決定方法を説明するための図である。

【図１８】第１実施形態に係る各気筒の吸排気弁の始動
の様子を示す図である。

【図１９】第２実施形態に係る始動開始時期（クランク
角度）Ｐ₀の決定方法を説明するための図である。

【図２０】第２実施形態に係る各気筒の吸排気弁の始動
の様子を示す図である。

【図２１】第３実施形態に係る始動開始時期（クランク
角度）Ｐ₀の決定方法を説明するための図である。

【図２２】第３実施形態に係る各気筒の吸排気弁の始動
の様子を示す図である。

【図２３】第４実施形態に係る始動開始時期（クランク
角度）Ｐ₀の決定方法を説明するための図である。

【図２４】第５実施形態に係る各気筒の吸排気弁の始動
の様子を示す図である。

【符号の説明】

２…エアクリーナ４…スロットルボデー５…スロットル弁６…サージタンク（インテークマニホルド）７…吸気管１０…燃料タンク１１…燃料ポンプ１２…燃料配管２０…気筒（エンジン本体）２１…燃焼室２２…冷却水通路２３…ピストン２４…吸気弁２６…排気弁３０…排気マニホルド３４…排気管３８…触媒コンバータ４０…エアフローメータ４２…スロットル開度センサ４３…吸気温センサ４４…水温センサ４５…Ｏ₂センサ５１…クランク角センサ５２…アイドルスイッチ５３…車速センサ６０…燃料噴射弁６５…スパークプラグ７０…エンジンＥＣＵ７１…ＣＰＵ７２…システムバス７３…ＲＯＭ７４…ＲＡＭ７５…Ａ／Ｄ変換回路７６…入力インタフェース回路７７ａ，７７ｄ…駆動制御回路７９…バックアップＲＡＭ８０…弁体８１…弁頭８１ａ…弁フェース８２…弁軸８３…プランジャ８４…アッパコア８５…アッパコイル８６…ロアコア８７…ロアコイル８８…アッパスプリング８９…ロアスプリング９０…ケース９１…バルブガイド９２…内燃機関の吸排気用ポート９３…弁座９４…バッテリ９５…スタータモータ９６…スタータピニオン９７…リングギヤ９８…チョッパ回路１０２…スリット円盤エンコーダ１０３…投受光器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バネにより弁体が中立位置に弾性的に支
持されてバネ質量系を構成するとともに該弁体と一体と
なったプランジャに電磁力が作用せしめられて該弁体が
該中立位置から全開位置又は全閉位置へと変位せしめら
れる内燃機関の電磁駆動弁を始動する方法において、電
磁力により該バネ質量系の固有振動の励起が開始されて
から該弁体が該全閉位置に達し該全閉位置に保持される
までに要する時間である第１の時間が、該内燃機関のピ
ストンがクランク軸の回転により該弁体と干渉を起こす
位置へ達するまでの時間である第２の時間よりも小さく
なるクランク角度の領域で、該電磁駆動弁の始動開始時
期を設定し、クランク角度位置が該始動開始時期に達し
たことを検出した時点で、該バネ質量系の固有振動数に
一致した振動をする電磁力を該プランジャへ作用させる
べく駆動電流を該電磁駆動弁へ印加し始めることを特徴
とする、内燃機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項２】前記始動開始時期は、検出されるクラン
キング速度に基づいて設定されることを特徴とする、請
求項１に記載の内燃機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項３】前記クランキング速度が大きいほど前記
駆動電流が大きくされることを特徴とする、請求項２に
記載の内燃機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項４】前記駆動電流が小さいほど前記クランキ
ング速度が小さくされることを特徴とする、請求項２に
記載の内燃機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項５】該内燃機関は複数の気筒を備えており、
クランク角度位置が前記始動開始時期に達した気筒より
該駆動電流の印加を開始して弁体が全閉位置に保持され
た後に、ピストンの動きに対応して電磁駆動弁の開閉を
行うことを、順次、次の点火順序の気筒に展開していく
ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃
機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項６】前記始動開始時期は、前記第１の時間よ
り所定の時間だけ長い時間よりも、前記第２の時間が小
さくなるクランク角度に設定されることを特徴とする、
請求項１に記載の内燃機関の電磁駆動弁の始動方法。
【請求項７】１つの気筒に複数の電磁駆動弁が設けら
れ、該複数の電磁駆動弁の始動開始時期がずらされて設
定されることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関
の電磁駆動弁の始動方法。