JP2005098236A - バルブタイミング制御装置および該装置を備えた駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デポジットの付着などによるバルブクリアランスの狭小化に対応するための新規な手段を提供する。
【解決手段】 ノックセンサが吸気弁の打音を検出すると、その旨の出力に基づいて、吸気弁とピストンヘッドとの干渉の有無が判定され（Ｓ３１）、干渉があった場合に吸気弁の動作タイミングが可変バルブタイミング機構によって遅角され、吸気弁がピストンヘッドから退避させられる（Ｓ３２）。遅角幅を打音レベルに応じて異ならせ、打音レベルが大であるほど遅角幅が漸増するように設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミング（バルブタイミング）を変化させるための可変バルブタイミング機構を搭載した内燃機関につき、その運転状態に応じて同機構を駆動制御するためのバルブタイミング制御装置、および該装置を備えた駆動装置に関する。

従来、エンジンのクランクシャフトの回転に対するカムシャフトの回転の位相を変化させることにより、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミング（開閉タイミング）を任意に変化させることのできる可変バルブタイミング機構が種々提案されている。このバルブタイミングは、吸・排気バルブが開弁及び閉弁されるときのクランクシャフトの回転角度（クランク角）で表される。

このような可変バルブタイミング機構に関し、特許文献１は、内燃機関の製造時や点検時においてバルブの開閉タイミングが予め設定されたタイミングとは異なったまま可変バルブタイミング機構が組み付けられ、正常組み付け時に比較してピストンとバルブとの間隔が狭くなった場合にも、両者の干渉を防止するようにした技術を開示している。この技術は、内燃機関の始動時にバルブの目標開閉タイミングと実際の開閉タイミングとの偏差を求め、その偏差が予め設定された許容値より大きいときには、バルブがピストン側へ最大量変位する際のクランク角と、ピストンがバルブ側へ最大量変位する際のクランク角との角度差が、バルブ及びピストンの干渉時の角度差よりも大きくなるように、目標開閉タイミングを強制的に変更するものである。

特開平７−２３３７４３号公報

しかし、この技術は、内燃機関の始動後のデポジットの付着などによるバルブクリアランスの変化を考慮していないため、始動後のバルブクリアランスの狭小化によるバルブとピストンヘッドの干渉に対応することができない。このことは、燃費向上等の目的で吸気弁の開弁タイミングを可能な限り進めるようにしたエンジンにおいて、特に問題となりうる。

そこで本発明の目的は、デポジットの付着などによるバルブクリアランスの狭小化に対応するための新規な手段を提供することにある。

第１の本発明は、吸排気弁の少なくとも一方のバルブタイミング及び／又はリフト量を変更する可変バルブタイミング機構と、該可変バルブタイミング機構を内燃機関の運転状態に応じて制御する制御手段とを有するバルブタイミング制御装置であって、前記吸排気弁の打音を検出する打音検出手段と、前記打音検出手段の出力に基づいて前記吸排気弁の少なくとも一方と前記内燃機関のピストンヘッドとの干渉の有無を判定する判定手段とを更に備え、前記制御手段は、前記干渉があった場合に前記吸排気弁の少なくとも一方を前記ピストンヘッドから退避させることを特徴とするバルブタイミング制御装置である。

第１の本発明では、打音検出手段が吸排気弁の打音を検出すると、その旨の出力に基づいて判定手段が、吸排気弁の少なくとも一方と内燃機関のピストンヘッドとの干渉の有無を判定する。制御手段は、干渉があった場合に吸排気弁の少なくとも一方を、ピストンヘッドから退避させる。したがって第１の本発明では、デポジットの付着などによるバルブクリアランスの狭小化に対応でき、良好なドライバビリティを維持できる。

第２の本発明は、請求項１に記載のバルブタイミング制御装置と、内燃機関の出力トルクを増大させることが可能な運転制御手段とを備えた駆動装置であって、前記運転制御手段は、前記干渉があった場合に、内燃機関の出力トルクを増大させることを特徴とする駆動装置である。

第２の本発明では、バルブとピストンとの干渉があった場合に、運転制御手段が内燃機関の出力トルクを増大させるので、退避動作に伴う出力の低下を抑制できる。

第３の本発明は、請求項１に記載のバルブタイミング制御装置であって、前記制御手段は、前記退避させた時点から所定時間経過後に、前記退避させた弁を進出させることを特徴とするバルブタイミング制御装置である。

第３の本発明では、ピストンヘッドとの干渉に伴いいずれかの弁を退避させた時点から所定時間経過後に、その退避させた弁を進出（すなわち、退避が遅角であった場合には進角、退避が進角であった場合には遅角）させるので、一旦付着したデポジットが剥離・脱落した場合にも、この剥離・脱落を検出して正常な運転に復帰できる。

本発明の好適な実施形態につき、以下に説明する。図１において、第１実施形態に係るエンジンは、吸気ポート内燃料噴射式の４気筒ガソリンエンジンであって、シリンダブロック１の内部にシリンダ２が形成され、その中にピストン３が摺動可能に挿入されている。

ピストン３はコンロッド４によりクランクシャフト５に連結されている。ピストン３は燃費や燃焼効率を高めるために、バルブリセスに代えてピストンヘッド３ａの中央に凹部３ｂが設けられている。シリンダヘッド６は全気筒に共通とされており、その内部には各気筒ごとに、吸気ポート７および排気ポート８が形成され、また吸気弁９および排気弁１０が、不図示のバルブスプリングを介してセットされている。吸気ポート７には燃料噴射弁１２が設けられ、吸気ポート７からその上流側のエアフローメータ１４まで延びる吸気マニホルドを含む吸気通路１３の一部には、スロットルアクチュエータ１５ａによって制御されるスロットル弁（吸気絞り弁）１５が設けられている。

吸排気弁９，１０を駆動するカムシャフト９ａ，１０ａには、バルブタイミング可変機構（以下ＶＶＴという）１１が設けられている。ＶＶＴ１１は、クランクシャフト５の回転に対するカムシャフト９ａ，１０ａの回転の位相を変化させて、吸排気弁９，１０のバルブタイミングを連続的に変更するための機構であり、油圧によって駆動される。

電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）２０は、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各制御変数の初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。

ＥＣＵ２０には、運転者によって操作されるアクセルペダル１６に関連して設けられたアクセル開度センサ１６ａと、クランクシャフト５の一部に対向して設けられたクランク角センサ１７と、吸気通路１３内に設けられた吸気温センサ１８と、シリンダブロック１に取り付けられた振動センサ、この場合は機関のノッキングを検出するための既設のノックセンサ１９と、エアフローメータ１４からの各出力信号が入力される。

ＥＣＵ２０からの制御信号によって、前述のＶＶＴ１１や燃料噴射弁１２、スロットル弁１５等が制御されるようになっており、点火プラグ２１の放電時期も決定されるようになっている。燃料タンク２２からの燃料は、図示しない燃料ポンプによって加圧され、燃料噴射弁１２へ供給される。

ノックセンサ１９は、その出力信号を本発明に係る制御とは別途に実行されるノックコントロール制御（ノッキングの検出に応答して点火時期を進遅角する制御）で利用するために設けられているが、本実施形態ではその出力信号を、吸気弁９とピストン３のピストンヘッド３ａとの干渉の検出にも利用するものである。

図２に示されるように、ノックセンサ１９の出力信号は、ノック検出用ゲート区間ＫＧ１〜ＫＧ４、および打音検出用ゲート区間ＨＧ１〜ＨＧ４において、ＥＣＵ２０によってサンプリングされる。各シリンダ♯１〜４におけるノック検出用ゲート区間ＫＧ１〜ＫＧ４は、それぞれ圧縮上死点ＴＤＣ後１５〜９０度（１５ＡＴＤＣ〜９０ＡＴＤＣ）に設定されている。例えばシリンダ♯１では、吸気弁９が排気行程の終了前に開かれて吸気行程の終了後に閉じ、圧縮上死点ＴＤＣの直前に点火が行われるが、打音検出用ゲート区間ＨＧ１は、吸気弁９の平常運転時の開弁時ｔ１から、排気上死点ＴＤＣを跨ぐように設定されている。また、打音検出におけるノイズや誤検出を防止する目的から、打音検出用ゲート区間ＨＧ１〜ＨＧ４は、他のシリンダにおける点火タイミングの近傍や、ノッキングの可能性のあるノック検出用ゲート区間ＫＧ１〜ＫＧ４と重ならないように設定されている。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。図３のフロー図に係る処理はＥＣＵ２０により、打音検出用ゲート区間ＨＧ１内に（すなわち、排気上死点の近傍で）実行される。まず、ノックセンサ１９によって打音が検出されたかが判定される（Ｓ３１）。この判定は、ノックセンサ１９からの信号レベルが所定のしきい値を超えたか否かによって実行される。検出されない場合には、該判断が繰り返し行われる。

打音検出ありと判定された場合には、吸気弁９の開弁タイミングの遅角処理が行われる（Ｓ３２）。この遅角処理は、ＥＣＵ２０において所定のテーブル又は関数の利用により実行される遅角幅αの設定と、設定された遅角幅αを実現するためのＶＶＴ１１への制御出力からなる。遅角幅αは、図４に示されるように、打音レベルに応じて異なり、打音レベルが大であるほど遅角幅αが漸増するように設定される。また、遅角幅αには所定の上限値αｍａｘが設けられており、その結果、遅角幅αはそれが最大の場合に、初期設定に係る開弁時期からその遅角幅α（＝αｍａｘ）だけ遅角することで吸気弁９の開弁時期が排気上死点ＴＤＣと一致するような値に設定される。なお、遅角幅αに上限値αｍａｘを設けたのは、開弁開始を排気上死点より遅らせても打音が発生するのは、打音がシリンダヘッド６とピストン３との間で発生していることによる（つまり、吸気弁９とピストン３との間で発生しているのではない）可能性が高いためである。

この遅角幅αの設定に基づいて、ＶＶＴ１１が駆動され、クランクシャフト５の回転角に対する吸気側カムシャフト９ａの回転角の位相が変化させられて、吸排気弁９のバルブタイミングが連続的に変更される。

以上の処理の結果、吸気弁９とピストン３との干渉があった場合には、吸気弁９の開弁タイミングが遅角幅αだけ遅角され、これにより、ピストン３が排気上死点に到達した時点における吸気弁９のリフト量（開度）が小さくされる。すなわち、吸気弁９がピストン３のピストンヘッド３ａから退避させられることになる。

以上のとおり、本実施形態では、ノックセンサ１９が吸気弁９の打音を検出すると、その旨の出力に基づいて、吸気弁９とピストン３のピストンヘッド３ａとの干渉の有無が判定され、干渉があった場合に吸気弁９が、ピストンヘッド３ａから退避させられる。したがって本実施形態では、デポジットの付着などによるバルブクリアランスの狭小化に対応でき、良好なドライバビリティを維持できる。

また本実施形態では、この遅角処理に係る遅角幅αを打音レベルに応じて異ならせ、打音レベルが大であるほど遅角幅αが漸増するように設定することとしたので、吸気弁９とピストン３との干渉の程度に応じた適切な量だけ吸気弁９を退避させることができ、またハンチングの抑制により制御を精度よく実行できる。

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、打音が検出され退避動作が行われた場合に、バルブの退避動作に伴う出力の低下を補償するように、スロットル弁１５を駆動するものである。なお、第２実施形態の機械的構成は上記第１実施形態におけるものと同様であるため、その説明は省略する。

第２実施形態における制御について説明する。図５のフロー図に係る処理はＥＣＵ２０により、打音検出用ゲート区間ＨＧ１内に（すなわち、排気上死点の近傍で）実行される。まず、ノックセンサ１９によって打音が検出されたかが判定される（Ｓ５１）。検出されない場合には、該判断が繰り返し行われる。

打音検出ありと判定された場合には、吸気弁９の開弁タイミングの遅角処理が行われる（Ｓ５２）。この遅角処理により、打音レベルに応じた遅角幅αが設定され、この遅角幅αの設定に基づいてＶＶＴ１１が駆動され、吸排気弁９のバルブタイミングが連続的に変更される。以上の処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ３１，Ｓ３２における処理と同様である。

次に、設定された遅角幅αに応じたトルク変化量が推定され、このトルク変化量を補償するためのスロットル弁１５の目標スロットル開度が算出される（Ｓ５３）。これらの演算は、所定の関数の実行や、所定の遅角幅／トルク変化量テーブルおよびトルク変化量／スロットル開度テーブルの参照などにより行われる。

そして、現在のスロットル開度が算出された目標スロットル開度に一致するように、スロットル弁１５に対して制御出力が行われる（Ｓ５４）。

以上の処理の結果、吸気弁９とピストン３との干渉があった場合には、吸気弁９の開弁タイミングが遅角幅αだけ遅角され、吸気弁９がピストン３のピストンヘッド３ａから退避させられる。そして、この退避に伴う出力トルクの減少を補償するように、スロットル弁１５が制御されることになる。すなわち、本実施形態では、バルブの退避動作に伴うトルク変化量を補償するように、内燃機関の出力トルクを増大させるので、退避動作に伴う出力の低下を抑制することができ、良好なドライバビリティを維持できる。

なお、バルブとピストン３の干渉があった場合にエンジン１の出力トルクを増大させるための手段としては、第２実施形態のようにスロットル弁１５を制御する方法の他にも、燃料噴射量の制御など、他の種々の手段を採用できる。例えば、可変ノズル型ターボチャージャー（排気側タービンの回転翼の周りに可動式のノズルベーンを設け、過給圧を可変とした過給器）を搭載した車両においては、図６に示されるように、打音検出（Ｓ６１）に応答して設定（Ｓ６２）された遅角幅αに応じて、トルク変化量を推定し、このトルク変化量を補償するための可変ノズル型ターボチャージャーの目標過給圧を算出し（Ｓ６３）、そして、現在の過給圧が算出された目標過給圧に一致するように（あるいは、現在のノズルベーンの回動角度が目標回動角度に一致するように）、可変ノズル型ターボチャージャーに対して制御出力を行う（Ｓ６４）ようにするのも好適である。

さらに、本発明では、バルブとピストン３の干渉があった場合にエンジン１の出力トルクを増大させるための手段を複数種類用意し、これらを組み合わせたり、あるいは回転域や負荷領域に応じて切替えて使用する（例えば、スロットル弁１５により制御可能な部分負荷領域ではスロットルアクチュエータ１５ａによる出力トルク補償を行い、これより高負荷の領域では可変ノズル型ターボチャージャーのノズルベーン回動角度による出力トルク補償を行う）のも好適である。

また、上記各実施形態および変形例におけるステップＳ３２，Ｓ５２，Ｓ６２のような吸気弁９の退避動作が実行された場合において、吸気弁９を退避させた時点から所定時間経過後に、その退避させた吸気弁９を進出（すなわち、退避が遅角であった場合には進角、退避が進角であった場合には遅角、というように逆方向に動作）させるように、ＶＶＴ１１を制御する構成としてもよい。このような構成とすれば、ピストン３のピストンヘッド３ａに一旦付着したデポジットがその後の運転により剥離・脱落した場合に、この剥離・脱落を検出して正常な運転に復帰できる。

なお、上記各実施形態および変形例においては、吸気弁９の退避動作はバルブタイミングの制御によって実現することとしたが、これをリフト量の制御によって実現することとしてもよい。また、上記各実施形態および変形例においては、ピストン３の排気上死点の近傍において吸気弁９を遅角して退避させる構成としたが、本発明は例えば圧縮上死点の近傍における排気弁１０の退避動作（この場合には排気弁１０の退避は進角によって行われることになろう）など、他の場面においても適用することができる。

本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。 第１実施形態の動作を示すタイミング図である。 第１実施形態における制御を示すフロー図である。 第１実施形態における遅角幅の設定例を示すグラフである。 第２実施形態における制御を示すフロー図である。 第２実施形態の変形例における制御を示すフロー図である。

符号の説明

３ ピストン
３ａ ピストンヘッド
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ バルブタイミング可変機構
１２ 燃料噴射弁
１５ スロットル弁
１９ ノックセンサ
２０ ＥＣＵ
ＨＧ１，ＨＧ２，ＨＧ３，ＨＧ４ 打音検出用ゲート区間
ＫＧ１，ＫＧ２，ＫＧ３，ＫＧ４ ノック検出用ゲート区間
α 遅角幅

Claims (3)

1. 吸排気弁の少なくとも一方のバルブタイミング及び／又はリフト量を変更する可変バルブタイミング機構と、該可変バルブタイミング機構を内燃機関の運転状態に応じて制御する制御手段とを有するバルブタイミング制御装置であって、
   前記吸排気弁の打音を検出する打音検出手段と、
   前記打音検出手段の出力に基づいて前記吸排気弁の少なくとも一方と前記内燃機関のピストンヘッドとの干渉の有無を判定する判定手段とを更に備え、
   前記制御手段は、前記干渉があった場合に前記吸排気弁の少なくとも一方を前記ピストンヘッドから退避させることを特徴とするバルブタイミング制御装置。
2. 請求項１に記載のバルブタイミング制御装置と、内燃機関の出力トルクを増大させることが可能な運転制御手段とを備えた駆動装置であって、
   前記運転制御手段は、前記干渉があった場合に、内燃機関の出力トルクを増大させることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項１に記載のバルブタイミング制御装置であって、
   前記制御手段は、前記退避させた時点から所定時間経過後に、前記退避させた弁を進出させることを特徴とするバルブタイミング制御装置。
   

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