JP2006307656A - 圧縮着火エンジンの可変動弁システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸気バルブの閉じタイミングを下死点より乖離させる手段を有する可変動弁システムにおいて、常に有効圧縮比を高め始動性を向上すること。
【解決手段】吸気カム軸と接続されているベーン本体２２の片側に進角油圧室３０、他側に遅角油圧室３２を有し、それぞれの油圧室３０，３１に通じる、進角油圧通路３２、遅角油圧通路３３の油圧を制御する制御手段をもうける。
これによって、クランク軸タイミングプーリ１３２とタイミングチェーン１３１を介して接続されている油圧ハウジング２３に対してベーン本体２２を回転させる（位相を変える）と共に、矢印の方向にベーン本体２２を回転させる付勢スプリング２５を設ける。付勢スプリング２５の作用で、制御手段故障時あるいは始動時、クランク軸タイミングプーリ１３１の回転（クランク角度）に対して最進角の状態にし、吸気弁の閉じタイミングを下死点に近づけ、課題を解決する。
【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、往復動エンジンの吸気弁、または排気弁の可変動弁システムに係り、特に４ストロークおよび２ストロークのディーゼルエンジンなどの圧縮着火エンジンに用いるのに好適する可変動弁システムを提供するものである。

往復動エンジンの吸気弁、排気弁のリフト、タイミングを運転状態によって変える可変動弁システムは、エンジンの充填効率、有効圧縮比、残留ガス量を制御し、エンジンの動力性能、エミッション性能を向上するため、近年、広く利用されている。ディーゼルエンジン、或いは、予混合圧縮着火エンジンでは、エンジンの圧縮行程に伴って生じるガスの温度上昇によって、噴射された燃料を自着火している。燃料の自着火は、温度が高く、圧力が高い条件でのみ行われる。燃料にもよるが、温度１０００K、圧力１MPa以上でないと自着火に至らない。
したがって、低温始動時にはシリンダ壁の温度が低く、ガスの熱がシリンダに奪われるので、圧縮比を、例えば１５以上に高めるなど、シリンダ内のガスの温度と圧力を高めないと、自着火が生ぜず、燃焼を達成することができない。しかし、エンジンの暖機が完了した時点では、高い圧縮比では、ピストンに作用する圧力が高いので機械摩擦損失が増大し、性能が低下しやすい。これを回避するためには、始動完了後は、圧縮比を15以下に低下させ、性能を向上することが提案されている。
始動完了後は、シリンダ壁の温度が高くなり、圧縮比が低くても、ガスの熱がシリンダに奪われないので、ガスの温度、圧力が高くなり、自着火が行われる。圧縮比の変化は、周知のように、ピストンのクリアランス容積を機械的に変えることによって、或いは、ピストンのストロークを機械的に変えることによって行われるが、機構が複雑になる。これに対して、吸気弁の閉じるタイミングを、クランク角に対して、遅らせるか、早めるかしても、圧縮始めのガスの質量を変えることができ、クランク角度に対する圧力、温度の上昇を遅らせることができる。すなわち、有効圧縮比を低下させることができる。
従来技術には、２ストロークのディーゼルエンジンにおいて、エンジン始動時と判断されたときに、電動式の可変動弁装置（カムひねりタイプ）により、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）に近づけて、有効圧縮比を高めている例がある。これにより始動時の自着火を確保し、通常運転時においてはＩＶＣを遅らせて、有効圧縮比を低下させて、燃費を低減させる技術が開示されている。

なお、従来技術に関する特許文献としては、特開平１-３１５６３１号公報（特許文献１）が挙げられる。また、可変動弁機構としては、非特許文献１に開示されているように、油圧で動作するロータリベーンなどがある。

特開平１-３１５６３１号公報 赤坂、三浦、ガソリンエンジン：燃費及び排出ガス低減に貢献する可変動弁機構の技術動向、自動車技術 Ｖｏｌ．５９， Ｎｏ．２， ２００５， ｐｐ３３−３８

しかし、従来の可変動弁システムでは、可変動弁装置の油圧の切り換え弁に電気系の故障や固着などの機械的な故障があった場合や、油圧系に異常があった場合に、始動時に吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が下死点（ＢＤＣ）より乖離して、有効圧縮比が充分上がらず、始動不良が発生してしまう恐れがあった。電動式の場合でも、モータの短絡、バッテリ電圧の降下等の故障があった場合に、始動時にＩＶＣがＢＤＣより乖離し、自着火に至らず、始動不良が発生する恐れがあった。
本発明の目的は、このような、始動時にＩＶＣがＢＤＣより乖離して、有効圧縮比が上がらず、自着火に至らないという始動時の不都合を解決することにある。

特許文献１では、ステッピングモータを用いた位相調整機構（ＶＴＣ）を駆動する可変動弁システムが開示されている。ステピングモータの電流がオフのときは、位相調整機構が正常に動作した場合、自動的にＩＶＣがＢＤＣに近い位置（クランク角度で下死点（ＢＤＣ）後２０度）になり、ステッピングモータの電流をオンすると、ＢＤＣより遅れた位置（クランク角度で下死点（ＢＤＣ）後６０度）に制御されるようになっている。
しかし、ステッピングモータの回転軸が固着した場合には、位相調整機構は、固着した位置に固定され、ステッピングモータの電流をオフにしても、ＩＶＣをＢＤＣに近い位置に設定することができない。したがって、始動時に、ＩＶＣをＢＤＣに近い位置に設定し、始動後は、ＩＶＣを遅らせることは開示されているが、ステッピングモータが固着した場合には、始動時の不具合を解決するには至らない。

非特許文献１には、種々の可変動弁システムが提示されている。位相を変える調整機構（ＶＴＣ）、リフトを変える調整機構（ＶＥＬ）は、エレクトロニクスコントロールユニットの出力電気信号によって作動する電気的制御手段（電動モータ、電磁石）によって直接駆動される。あるいは、電気的制御手段で動作する油圧パワー手段によって間接的に駆動される。
いずれの例においても、特許文献１と同じように、制御手段が故障した場合には、ＩＶＣがＢＤＣの近くになるように作用する手段を具備しておらず、始動時の不具合を解決するまでには至らない。

上述の課題を解決するため、ある面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように、制御手段によって制御される調整機構（位相調整機構、リフト調整機構など）を有する可変動弁システムにおいて、制御手段が故障したとき、エンジンの停止時、或いは始動時、ＩＶＣをＢＤＣの近くの状態になるように作用する機械的な付勢手段を前記調整機構に設けたことを特徴とする可変動弁システムに関する。
これによって、エンジン停止時または始動時、電気的制御手段あるいは油圧パワー手段の故障時、機械的な付勢手段が自動的に、強制的に、ＩＶＣをＢＤＣの近くの状態にすることができる。したがって、始動時の不具合を解決することができる。
（２）上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構として、エンジンのクランク角度に対する吸気弁の開閉の位相を変える位相調整機構（ＶＴＣ）、リフトを変えるリフト調整機構（ＶＥＬ）の一方或いは両者を具備した可変動弁システムにおいて、制御手段が故障したとき、エンジンの停止時、或いは始動時、ＩＶＣをＢＤＣの近くの状態になるように作用する機械的な付勢手段を前記調整機構に設けたことを特徴とする可変動弁システムに関する。
機械的な付勢手段によって、位相調整（ＶＴＣ）、リフト調整機構（ＶＥＬ）は、エンジン停止時、電気的制御手段あるいは油圧パワー手段の故障時、自動的に、強制的に、ＩＶＣはＢＤＣの近くの状態にもちきたされる。位相調整手段、リフト調整機構は、油圧のベーンを使用するなど、構造が簡単で、信頼性が高く、カム軸周りの回転付勢手段によって、機械的にＩＶＣをＢＤＣの近くの状態にすることができる。
また、位相調整機構を、カム軸タイミングプーリの中に内蔵することが可能であるので、可変動弁システムのエンジンへの搭載性が向上し、かつ低コストを実現することができる。
（３）上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構として、エンジンのクランク角度に対する吸気弁の開閉の位相を変える位相調整機構（ＶＴＣ）、リフトを変えるリフト調整機構（ＶＥＬ）の一方或いは両者を具備した可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最進角位置が吸気弁閉タイミングの最遅角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記位相調整機構あるいはリフト調整機構が最進角側の状態になるように作用することを特徴とする可変動弁システムに関する。
これによれば、始動時には、ＩＶＣはＢＤＣ近くになり、有効圧縮比を確保することができる。また、始動後は、ＩＶＣをＢＤＣより遅らせることができ、高速回転時の吸気システムの流体慣性を十分に利用でき、充填効率を高め、出力を向上することができる。また、吸気弁とピストンの干渉を防止しつつ、比較的大きな開弁期間をとることができるので、通常運転時の出力も向上することができる。
（４）上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構として、エンジンのクランク角度に対する吸気弁の開閉の位相を変える位相調整機構（ＶＴＣ）、リフトを変えるリフト調整機構（ＶＥＬ）の一方或いは両者を具備した可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最遅角位置が吸気弁閉タイミングの最進角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記位相調整機構あるいはリフト調整機構が最遅角側の状態になるように作用することを特徴とする可変動弁システムに関する。これによれが、吸気弁をＩＶＣ最進角の状態において、吸気弁は、吸気行程中の途中に閉じられるので、吸気弁を通過するガスの速度が高い状態が維持され、燃料の霧化が促進され、エンジンの燃焼を改善することができる。
上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構を有する可変動弁システムにおいて、エンジン停止時に、ＩＶＣをＢＤＣの近くの状態に制御する信号を、制御手段に伝送した後、エンジンの停止信号を出力する制御ユニットを具備したことを特徴とする可変動弁システムに関する。

これによれば、位相調整機構、リフト調整機構の応答遅れによって、ＩＶＣがＢＤＣの近くの状態になる前に、エンジンが停止するのを防止することができる。これによって、次回の始動時には、確実に、この制御動作、並びに付勢手段の作用で、ＩＶＣはＢＤＣの近くの状態にあり、始動の信頼性を著しく高めることが可能である。
上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構を有する可変動弁システムにおいて、エンジン始動時に、ＩＶＣがＢＤＣから乖離している場合は、始動性保証フェールセーフ制御機能を具備したことを特徴とする可変動弁システムに関する。
この制御には、グロープラグ印加電流を高めて、燃料の気化を促進し、有効圧縮比が低いときでも、燃焼を確実にする方法がある。 また、吸気システムに電気ヒータを配置し、吸入空気の温度をあらかじめ高める方法もある。さらに、電気ヒータで、燃料自体を加熱し、燃料の気化を促進する方法もある。また、コモンレール式の燃料噴射システムにおいて、燃料の噴射パターンを変更する方法も、始動を助ける有効な方法である。ＩＶＣ≒ＢＤＣ（下死点）の場合は、制御動作をスキップして、通常の始動制御を行う。
この保証動作で燃料消費の増大を招くが、ＩＶＣがＢＤＣより乖離していても、すなわち、付勢手段による制御動作が当初のもくろみ通り実行されない場合でも、エンジンを確実に始動することができる。
上述の課題を解決するため、ある局面において、本発明は、エンジンの運転状態に応じて吸気弁閉タイミング（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）から乖離するように制御手段によって制御される調整機構を有する可変動弁システムにおいて、制御手段が故障したとき、エンジンの停止時、或いは始動時、ＩＶＣをＢＤＣの近くの状態になるように作用する機械的な付勢手段を前記調整機構に設け、さらに吸気弁閉タイミングの位置の情報を基に、燃料噴射パターンを修正する制御手段を具備したことを特徴とする可変動弁システムに関する。
これによれば、吸気弁開タイミングの変化による、空気量の変化、残留ガスの量の変化などに応じて、燃料の噴射パターンを即時に修正することができる。

吸気弁閉タイミングの位置が急に変更されても、適正な燃料噴射パターンに制御することができ、吸気閉タイミングの変更に伴う、エンジンのトルクの変動を回避し、円滑な有効圧縮比が高い始動と、その後の円滑な有効圧縮比の低い燃費指向運転を実現することができる。
ここでＩＶＣとは、前述のように吸気弁閉じ時期を言うが、正に吸気弁が完全に閉じる時期でなく、いわゆるランプ区間（速度の低いリフト緩衝部）を含まない有効リフト区間が終了する時期としても良い。この有効閉時期をＢＤＣ付近にすれば、リフトの加速度区間が終了する実質的な閉時期をＢＤＣとできるので、より実質的に有効圧縮比を高めることが出来る。

本発明の一実施態様によれば、運転状態によって、ＩＶＣがＢＤＣから乖離するように制御される制御手段を有する圧縮着火エンジンの可変動弁システムにおいて、制御手段が故障した場合でも、付勢手段によって、エンジン始動時には、常にＩＶＣがＢＤＣに近い状態に設定される。したがって、有効圧縮比を、エンジンが有する最高のレベルに保つことができ、始動の信頼性を著しく高めることができる圧縮着火エンジンの可変動弁システムを提供することができる。
さらに、他の実施態様によれば、万が一、制御手段の不具合により付勢手段によって、ＩＶＣがＢＤＣに近い状態にならない場合でも、始動性保証フェールセーフ制御ロジックによって、有効圧縮比が低いままでも、エンジンを確実に始動できる圧縮着火エンジンの可変動弁システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施例について図を用いて説明する。まず、４ストロークエンジンの可変動弁システムについて、図１を参照しながら説明する。エンジン１のクランク軸２は、図中、時計方向に回転している。ピストン３が、最も下に位置する状態が、ＢＤＣの状態で、クランク角度で、１８０度とする。クランク軸２が回転し、ピストン３が、最も高い位置に達したときが、上死点（ＴＤＣ）の状態で、このときのクランク角度は３６０度である。
通常のディーゼル燃焼の場合は、燃料は、燃料噴射弁４から、シリンダ内に噴射され、ガスの高温によって自着火し、燃焼する。予混合圧縮着火の場合は、吸気行程に、噴射弁４から燃料を噴射し、シリンダの充填空気と良く混合しておく。ピストン３が上昇すると、シリンダ内の予混合気の温度、圧力が上昇し、混合気が自着火、燃焼に至る。噴射弁４の燃料噴射タイミングは、クランク角センサ５の信号に応じ、エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）６によって制御される。
また、始動時には、スタータ７をクランク軸２に結合させ、クランク軸２を回転させる。さらに、始動時には、グロープラグ８に電流を印加し、グロープラグ８の温度を高めて、燃料の蒸発を促進し、自着火を支援する。触媒コンバータ３０１によって排気を浄化する。

吸気弁９と排気弁１０は、エンジン１の上部に配置され、それぞれ、吸気カム１１、排気カム１２によって駆動される。吸気カム１１は、リフト位相可変タイプの可変動弁機構（ＶＴＣ）１３を介して、カム軸タイミングプーリ１４に接続されている。クランク軸２の回転は、タイミングベルト、或いはタイミングチェーンなどを介して、カム軸タイミングプーリ１４に伝えられる。水温センサ１５の信号は、ＥＣＵ６に入力される。ＶＴＣ位相差センサ２００の信号もＥＣＵ６に入力される。クランク軸２が回転すると、２分の１の回転で、カム軸タイミングプーリ１４が回転し、ＶＴＣ１３の定められた位相差でもって、吸気カム１１が回転し、クランク軸２回転に一回、吸気弁９の開動作を行い、空気をシリンダに吸入する。
また、カム軸タイミングプーリ１４が回転すると、それに接続されている、排気カム１２が回転し、クランク軸２回転に一回、排気弁１２の開動作を行い、既燃ガスをシリンダから排出する。吸気弁９の上流の吸気システム１６には、吸入空気量を測定するためのエアフローセンサ１７、ターボチャージャ１８、及び排気還流弁（ＥＧＲ）１９が配置されている。

図２に、通常の４ストロークディーゼルエンジンにおける、吸気弁９と排気弁１０の開閉のタイミングを示す。排気弁１０は、排気行程の始め、クランク角度１８０度で開かれる。このタイミングをＥＶＯとする。排気弁１０は、排気行程の終わりに閉じられる。このタイミングをＥＶＣとする。吸気弁９は、吸気行程の始め、クランク角度０度の近くで開かれる。このタイミングをＩＶＯとする。吸気弁９は吸気行程の終わりのＢＤＣの近くで、閉じられる。このタイミングをＩＶＣと称する。
圧縮行程の終わりごろ、ＴＤＣの前で、自着火が生じる。ＩＶＣをＢＤＣより早めると、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下する。また、ＩＶＣをＢＤＣより遅らせると、シリンダに充填されたガスが、再度、吸気システム１６の方に戻され、シリンダの充填ガスの質量が低下し、有効圧縮比が低下する。

２ストロークエンジンの場合は、図３に示すごとく、１回転（３６０度）でサイクルが完了するので、クランク角度１８０度の間に、４ストロークに相当する吸気行程と、圧縮行程が行われる。次の１８０度で、膨張行程と排気行程が行われる。ＴＤＣの前で、自着火が行われる。一回転に一回、吸気弁９と排気弁１０の開動作が行われるので、２ストロークの場合は、図１において、カム軸タイミングプーリ１４は、クランク軸２と同じ回転数で駆動される。その他の要素は、４ストロークの場合の要素を流用することができる。 ＩＶＣをＢＤＣに近づけると、ガスの質量が多い状態で圧縮されるので、有効圧縮比が高くなる。また、ＩＶＣをＢＤＣに対して遅らせると、吸気システム１６の圧力が一定の場合、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下する。
図４に始動時の制御動作を示す。エンジン１は、始動時、すなわちクランク角センサの５の信号から求められるエンジンの回転速度がゼロであるとき、またはキーオンで図４のごとく、水温センサ１５から求まるエンジンの温度が４０℃以下の場合には低温始動と判断し、ＩＶＣをＢＤＣに近づけ有効圧縮比が高いモードで運転する。回転速度が５００ｒｐｍ以上になると、始動が完了したものみなし、ＩＶＣをＢＤＣから位相角Δだけ遅らせる。或いは、４ストロークエンジンの場合は、ＩＶＣをＢＤＣより早くしても有効圧縮比を低下させることができる。
ここで、エンジン停止状態において、ＩＶＣがＢＤＣに設定されている場合と、キーオンと同時に、ＢＤＣに制御される場合が想定される。したがって、ステップ８３、８４、８６においては、ＶＴＣ位相センサ２００の信号をベースに、位相角度Δの検出、制御が行われる。すでに、エンジン停止時に、ＩＶＣ＝ＢＤＣに設定されている場合は、ステップ８３でＩＶＣをチェックするだけで、そのままスタータオンの動作に入る。エンジン回転が上昇した時に、ステップ８６で位相角Δだけ、ＩＶＣを遅らせる動作を行う。
エンジン停止時に、ＢＤＣに設定されていない場合は、ステップ８３で、ＩＶＣ＝ＢＤＣの制御動作を行う。燃料噴射弁４から噴射する燃料質量は、エアフローセンサ１７の空気量、エンジンの回転速度の信号に応じて制御される。また、排気還流弁１９、ターボチャージャ１８の状態も考慮して、燃料質量、燃料噴射のタイミングが決定される。当然のことながら、吸気弁のＩＶＣが変化すれば、噴射量、噴射タイミングを変更する必要がある。
このため、ＶＴＣ位相センサ２００の信号が、ＥＣＵ６に入力され、ＶＴＣの位相、すなわち、ＩＶＣの位置によって、燃料噴射量が変更される。図５に示すごとく、ディーゼルエンジンの一ストロークの噴射では、パイロット、前、主、後、ポスト噴射に分けて、燃料が噴射される。この噴射のパターンは、運転状態によって変化する。図４のフローチャートのステップ８５において、燃料噴射パターンは、ＩＶＣの関数として与えられる。ＩＶＣの変化は、即座に、燃料噴射パターン（噴射量、噴射回数など）に反映される。

図６に上記のステップ８３，８４，８６の動作を実施する吸気ＶＴＣの組立図を示す。このＶＴＣは、電気油圧式のタイプである。吸気カム１１が取り付けられた吸気カム軸２０は、センタボルト２１により、油圧ベーン本体２２に固定されている。カム軸タイミングプーリ１４は、油圧ハウジング２３に固定されている。
ベーン本体２２は、油圧ハウジング２３の中に格納され、フロントカバー２４で、シールされる。油圧ベーン本体２２には、４つのベーンが設けられている。このベーンの片側に油圧を加えることによって、油圧ハウジング２３の中で、油圧ベーン本体２２と油圧ハウジング２３の位相を変えることができる。この位相差によって、ＩＶＣを運転中に変えることができる。この場合、ＩＶＯも同時に変化する。

ベーン部の側面（４箇所）と油圧ハウジング２３のストッパ面（４箇所）の間に付勢スプリング２５が４箇所、２列、計８個、配置されている。この付勢スプリング２５は、ベーン本体を時計方向、すなわちカム軸が、進角する方向に付勢する。固定ボルト１０７によって、フロントカバー２４は、油圧ハウジング２３に固定される。フロントカバー２４には呼吸穴１５０が設けられている。図６において、図７の進角油圧室３０と遅角油圧室３１へは、進角油圧通路３２と遅角油圧通路３３、進角用油圧孔１０６、遅角用油圧孔１０７を介して、油が供給される。
この進角油圧通路３２と遅角油圧通路３３は、図６に示す吸気カム軸２０の中に配置されており、進角油圧用グルーブ３４と遅角油圧用グルーブ３５を介して、外部から、エンジンに潤滑油を供給するオイルポンプによって、油が供給される。進角油圧用グルーブ３４と遅角油圧用グルーブ３５は、カムジャーナル軸受１０８の部分に配置されている。吸気カム軸２０の先端には、センタボルト締め付けネジ穴１４０が設けられている。

図６において、ベーン本体２２に油圧ピストン１１０が配置されている。この油圧ピストン１１０は、カム軸タイミングプーリ１４のシート１１１と嵌合することができる。油圧ピストン１１０が、シート１１０と嵌合すると、ベーン本体２２は、カム軸タイミングプーリ１４に固定され同じ動きをする。エンジン始動時など、ベーン本体２２に作用する油圧が充分でないとき、この嵌合をおこない、ベーン本体２２の振動を防止することができる。
この嵌合の位置は、図６に示すように、ＩＶＣ≒ＢＤＣとなるような位置に設定されている。エンジン１が回転を始め、ベーン本体２２に作用する油圧が高まると、油圧ピストン１１０は、進角用油圧孔１０６、遅角用油圧孔１０７から供給される油によって、ピストンリターンスプリング１１２に逆らって、嵌合を解除する方向に移動する。これによって、ベーン本体２２とカム軸タイミングプーリ１４との接続が解除され、ベーン本体２２は、本来の油圧で制御されるようになる。

図６において、ベーン本体２２とフロントカバー２４とをつなぎあわせる付勢ねじりスプリング１２０を追加することができる。油圧ハウジング２３の中に配置されている付勢スプリング２５と、付勢ねじりスプリング１２０の配置されている箇所は異なるので、お互いに干渉することはなく、大きな付勢力を発生することができる。図６からわかるように、付勢ねじりスプリング１２０の両端のフックは、フロントカバー２４に設けられた
ねじりスプリングフック挿入孔１２２、ベーン本体２２のねじりスプリングフック挿入孔１２１に挿入される。この付勢ねじりスプリング１２０は、吸気カム軸２０を時計方向、すなわち進角側に付勢する。
図７において、クランク軸タイミングプーリ１３２、タイミングチェーン１３１を介して、油圧ハウジング２３が、エンジン１によって駆動される。４ストロークエンジンの場合は、クランク軸２一回転で、油圧ハウジング２３は半回転する。２ストロークエンジンの場合は、クランク軸２の一回転で、油圧ハウジング２３も一回転する。進角油圧通路３２と遅角油圧通路３３を介して、油が進角油圧室３０と遅角油圧室３１に供給される。
このとき、進角油圧室３０の油圧が遅角油圧室３１の油圧と同じ、或いは大きい場合は、進角油圧室３０に油が充満し、ベーン本体２２は、図７(ｂ)の状態になり、カム軸タイミングプーリ１４の回転（クランク角度）に対して、最も早く、ＩＶＯ，ＩＶＣの動作が行われる（最進角）。進角油圧室３０と遅角油圧室３１に油圧が作用していない場合は、付勢スプリング２５によって、ＩＶＯ，ＩＶＣは、自動的に図７（ｂ）の進角位置に制御される。
一方、遅角油圧室３１の油圧が充分、進角油圧室３０の油圧に比べ高い場合は、遅角油圧室３１に油が充満し、油圧ベーン本体２２の状態は、図７（ｃ）のごとくなり、ＩＶＯ，ＩＶＣの動作は、クランク角度に対して最も遅れた状態(最遅角)になる。
したがって、付勢スプリング２５を進角油圧室３０に設けることによって、油圧が作用しないときは、自動的に最進角状態（たとえばＢＤＣ）にＩＶＣを設定することができる。付勢スプリング１５の代替としては、引っ張りタイプのコイルスプリング、板状のスプリングなどがある。また、付勢ねじりスプリング１２０によっても、油圧が作用しないときは、自動的に最進角状態（たとえばＢＤＣ）にＩＶＣを設定することができる。

上記の油の流れは、図８に示すオイルコントロールバルブ３９によって制御される。オイルコントロールバルブ３９は、ソレノイド４０、スプール４１、スプール付勢スプリング４２から構成されている。図８において、Ａは、進角油圧通路３２に接続される。Ｒは、遅角油圧通路３３に接続されている。ソレノイド４０には、図１のＥＣＵ６からの信号が入力される。
図８において、ＥＣＵ６の出力によりソレノイド４０、スプール４１を制御し、図８（ａ）の状態にスプール４１を位置させると、進角油圧通路３２の油圧が高くなり、遅角油圧通路３３の圧力が低下する。したがって、ベーン本体２２は進角側に移動する。スプール付勢スプリング４２によって、スプール４１は、デファクト（安定位置）で図８（a）の状態になる。したがって、ＩＶＣのデファクトの状態はＢＤＣ（最進角）である。すなわち、ＩＶＣ≒ＢＤＣである。
スプール４１をスプール付勢スプリング４２に逆らって、図８（ｂ）の状態にすると、進角油圧通路３２の圧力が低下し、遅角油圧通路３３の油圧が高まり、ベーン本体２２は遅角側に回転する。図８（ｃ）のように、スプールを中間位置で保持すると、進角油圧通路３２と遅角油圧通路３３を閉鎖され、ベーン本体２２は、所定の位置で保持される。すなわち、ＩＶＣは、最遅角と最進角の間の任意の位置で保持される。これらの制御は、ＶＴＣ位相センサ２００の出力に基づき、ＥＣＵ６によって閉ループ制御される。

このように、ソレノイド４０によって、スプール４１を制御することによって、図９に示すごとく、ＩＶＣがＢＤＣに近い最進角の状態から、ＩＶＣがＢＤＣより遅れた（クランク角度で４０度程度）最遅角の間の状態に、吸気弁９の開動作を制御することができる。このとき、ＩＶＯも同時に変化することになる。ＩＶＣをＢＤＣに近づけることによって、有効圧縮比が高まり、始動性能が向上する。また、ＩＶＣをＢＤＣより遅らせることによって、有効圧縮比が低下し、エンジンのメカニカルフリクションが低下することなどにより始動後の燃料消費を低減することができる。さらに、有効圧縮比を低下することによって、燃焼温度の過度の上昇を抑えることができるので、ＮＯｘエミッションを低減することができる。
上記の実施例では、デファクトで、スプール付勢スプリング４２によって、遅角油圧通路３３が、大気に開放されているので、付勢スプリング２５によって、油圧ベーン本体は、デファクトでは、最進角の状態にある。したがって、エンジン１の停止時に、自動的に、最進角の状態、すなわち、ＩＶＣ≒ＢＤＣの状態に設定することができ、エンジンを有効圧縮比が高い状態で始動することが可能となる。
したがって、エンジンの始動の信頼性が、付勢手段がない場合に比べて大幅に向上する。ソレノイド４０が故障して、動作ができない場合もＩＶＣ≒ＢＤＣの状態に保持され、燃費は増大するが、エンジン１は安定して燃焼することができる。付勢手段がない場合は、必ずしも、ＩＶＣ≒ＢＤＣの状態になるとは限らず、信頼性の高い始動を保証することが困難である。

オイルコントロールバルブ３９が故障した場合、例えばソレノイド４０が固着（しぶり）のため動作せず、スプール４１が図８（ｂ）の状態のときには、油圧によって、ＩＶＣを遅角側に制御しようとする。しかし、本考案では、ベーン本体２２に作用する付勢スプリング２５が、ＩＶＣ進角側に回転させるので遅角側への移動を回避しＩＶＣは進角側にとどまるので、有効圧縮比が高まり、始動性を確保することができる。
特に、始動時のクランキング時に発生するオイルポンプの油圧が、吸気カム軸２０を遅角側に回そうとするモーメントより、付勢スプリング２５が吸気カム軸２０を進角側にまわそうとするモーメントの方を大きく設定しておけば、確実な動作を期待でき効果をあげることが出来る。
始動時にオイルコントロールバルブ３９が、故障によって図８（ａ）の進角状態にあった場合でも、油圧系の故障や、応答遅れによって十分な油圧がベーン本体２２に送られないときにあっても、付勢スプリング２５によって、強制的に、ベーン本体２２がＩＶＣを最進角状態に維持するので、始動性を確保することができる。
始動時に、オイルコントロールバルブ３９の故障により、図８（ｃ）の保持制御状態にあったときは、本発明の一実施例では、ベーン本体２２に作用する付勢スプリング２５が、ベーン本体２２をＩＶＣ進角側の状態に回転させるので、始動性を確保することができる。付勢スプリング２５のトルクは、２から３Ｎｍで吸気カム軸２０の動弁モーメントに打ち勝つ力に設定してある。 付勢スプリング２５の長さは例えば５ｃｍ、力は例えば１から２ｋｇである。さらに大きなトルクとすれば、効果がより確実となる。

有効圧縮比は、ＩＶＣをＢＤＣより早めても低下することができる。吸気行程の途中で、吸気弁９が閉じるので、充填空気量が減り、有効圧縮比が低下する。図１０はこの原理を利用した第二実施例の場合の、吸気弁９のＩＶＯ，ＩＶＣのタイミングを示す。最遅角の場合のＩＶＣはＢＤＣに近い。最進角の場合のＩＶＣは、ＢＤＣより進んでいる。始動時には、ＩＶＣ≒ＢＤＣに制御し、有効圧縮比を高め、始動性を確保する。始動が完了すると、最進角の位置に制御し、ＩＶＣをＢＤＣより進める。
これによって、吸気行程中に吸気弁９が閉じられるので、充填されるガスの質量が低下し、有効圧縮比が低減し、摩擦損失が小さくなり、燃費が低減する。この場合、デファクトでは、ＩＶＣ≒ＢＤＣの状態にあるので、図１１に示すごとく、付勢スプリング２５は、ベーン本体２２が最遅角になるように、ベーンの時計方向に、ベーン本体２２を最遅角になるように取り付けられている。オイルコントロールバルブ３９による動作は、図７の実施例の場合と同様であるが、進角側油通路（Ａ）と遅角側油通路（Ｒ）は入れ替わった構成となる。すなわち、始動時にはデファクト（a）の状態になり、ＩＶＣ≒ＢＤＣとなる。

またこのとき、ＩＶＯがＴＤＣより遅れるので、吸気弁９を通る空気が急に引っ張られて、ガス流動が強化され、燃料の霧化促進により、始動性をより高めることができる。始動が完了すると、コントロールバルブ３９の動作により、ベーン本体２２は、最進角の状態に制御される。これによってＩＶＣは、ＢＤＣより進む。これによって、有効圧縮比が低減し、低燃費の運転が可能になる。

図１２に第３の実施例を示す。これは、エンジン停止時の際に、次回始動時の始動性を保証する制御ロジックに関するものである。キーオフしてもすぐにはエンジン１を停止させず、実際のＩＶＣがＢＤＣ近傍側にあるかどうかを確認してからエンジン１の停止の動作を行う。図１２のステップ９１ において、コントロールバルブ３９に、ＩＶＣ≒ＢＤＣになるような信号を与える（図７の実施例では進角側、図１１の実施例では遅角側）。
この制御動作によって、実際上ＩＶＣ≒ＢＤＣに制御する。ステップ９２において、ＶＴＣ位相センサ２００の信号によって、ＥＣＵ６が、実際のＩＶＣがＢＤＣの近くにあるかどうかをチェックする。ここで、ＩＶＣ≒ＢＤＣ（下死点）の場合には、ステップ９３のエンジン停止信号を出力してエンジン１の燃料噴射弁４の燃料噴射を停止し、エンジン１を停止させる。
一方、ＩＶＣ≒ＢＤＣでない場合は、ステップ９１に戻り、コントロールバルブ３９を制御し、ＩＶＣ→ＢＤＣの制御動作を繰り返す。実際のＩＶＣが、コントロールバルブ３９の故障により、どうしても、ＢＤＣの近くにならない場合は、所定時間経過（例えば３０秒）後エンジン１を停止させる。
前に述べたように、ベーン本体２２をカム軸タイミングプーリ１４に固定する、油圧ピストン１１０の嵌合の位置は、ＩＶＣ≒ＢＤＣになるように設定されている。したがって、ＩＶＣ≒ＢＤＣと判断された時点で、エンジンが停止されるが、この際オイルポンプの圧力が下がるので、ピストンリターンスプリング１１２の作用で、油圧ピストンが、シート１１１と嵌合し、ＩＶＣ≒ＢＤＣに固定される。
したがって、次の始動時には、ベーン本体２２は、ＩＶＣ≒ＢＤＣ の状態で、カム軸タイミングプーリ１４に固定されているので、ベーン本体２２のばたつき振動を回避することができる。ステップ９３で、ＩＶＣがＢＤＣより乖離した状態でエンジン１を停止した場合でも、ステップ９４で、付勢スプリング２５によって、ベーン本体２２は、ＩＶＣ≒ＢＤＣの位置に自動的に設定され、ステップ９５で、油圧ピストン１１０によって、ＢＤＣの位置にロックされる。したがって、図１２の制御動作は、信頼性を高めるものである。
図１２のステップ９３、ステップ９４の動作によって、大抵の場合は、エンジン始動時にはＩＶＣ≒ＢＤＣの状態になっているが、ベーン本体２２の機構が故障した場合は、付勢スプリング２５の作用によっても、ＩＶＣがＢＤＣより乖離する場合がある。このままでは、始動の信頼性が低下するので、図１３に示す、始動性保証フェールセーフ制御ロジックを追加することができる。
キーオンで、ＩＶＣがＢＤＣより大きく乖離している場合は、ステップ９７で始動時の始動性保証フェールセーフ制御を実行する。この制御には、図１のグロープラグ８の印加電流を高めて、燃料の気化を促進し、有効圧縮比が低いときでも、燃焼を確実にする方法がある。また、吸気システム１６に電気ヒータを配置し、吸入空気の温度をあらかじめ高める方法もある。さらに、電気ヒータで、燃料自体を加熱し、燃料の気化を促進する方法もある。

また、コモンレール式の燃料噴射システムにおいて、図５に示したごとき、燃料の噴射パターンを変更する方法も、始動を助ける有効な方法である。ＩＶＣ≒ＢＤＣ（下死点）の場合は、ステップ９７の制御動作をスキップして、ステップ９８で、通常の始動制御を行う。ステップ９７の動作では、燃料消費の増大を招くが、ＩＶＣがＢＤＣより乖離していても、すなわち、付勢スプリング２５による制御動作が当初のもくろみ通り実行されない場合でも、エンジン１を確実に始動することができる。
可変動弁システムとしては、位相角を変えるシステムの他に、例えば、特願２００２−２３５４０に開示されているような、リフトを連続的に変えるシステム（ＶＥＬ）もある。図１４に示した実施例で、付勢スプリングの動作を説明する。図１４において、吸気弁９は、一シリンダに２個配置されている。両者の動きは同じである。駆動軸２０２は、クランク軸２によって、４ストロークエンジンの場合は、クランク軸２の２分の１の回転数で駆動される。２ストロークエンジンの場合は、クランク軸と同じ回転数で駆動される。

この駆動軸２０２と、カム軸タイミングプーリ１４の間に、図６に示した位相可変手段を配設することもできる。この場合は、吸気バルブ９の開閉のタイミング（位相）とリフトを同時に、自在に制御することができる。本発明の実施例では、組み合わせて利用することもでき、或いは、それぞれ単独で使用することもできる。
駆動軸２０２の回転は、偏心カム２１２によってリンクアーム２１６、ロッカーアーム２０３などを介して、出力カム２０４の振動運動に変換され、タペット２１３を介して、吸気弁９の開動作を行う。ロッカーアーム２０３には、偏心カム２１１が配置されており、制御軸２０６を回転することにより、ロッカーアーム２０３の支点が変化し、出力カム２０４のリフトが変化する。切換アクチュエータ２１０によってボールネジ軸２０７が回転し、ナット２１４が移動することによって、制御軸２０６が回転する。位置センサ２１５の信号をＥＣＵ６に入力し、切換アクチュエータ２１０を閉ループ制御することによって、吸気弁９を目標のリフトで開くことができる。

本実施例においては、上記の要素に、付勢スプリング２０１が付加されている。この付勢スプリング２０１によって、切換アクチュエータ２０１にモーメントが作用しないときは、ナット２１４は、矢印の方向に移動する。この矢印の方向に、ナット２１４が動くと、制御軸２０６は、反時計方向に回転し、これによって、制御軸２０６は、制御軸２０６の先端に取り付けられたピン２０８がシリンダヘッドに設けられたストッパ２０９に当接するまで回転する。
ピン２０８がストッパ２０９に当接した状態では、図１５リフトＡに示したように、吸気弁９のリフトは小さくＩＶＣ≒ＢＤＣとなっている。図１３の９７の始動性保証制御（ＶＥＬによるＩＶＣ補正）に示すようにＶＴＣ位相制御が故障（ＩＶＣ下死点より乖離）した場合に、全リフト時（リフトＢ）のＩＶＣは、ＢＤＣより乖離しているが、ＶＥＬによりリフトを小さくすることによって、すなわち、付勢スプリング２０１の作用で、ＩＶＣをＢＤＣに近づけて設定することができる。
したがって、位相制御のための図６に示したＶＴＣの機能が故障によって動作せず、ＩＶＣがＢＤＣより乖離している場合でも、付勢スプリング２０１によって、強制的にＩＶＣをＢＤＣに近づけた状態にすることができる。これによって、有効圧縮比が高まり、エンジン１の始動を確実なものにすることができる。ＶＥＬのみの制御では、リフトが大きいときにＩＶＣがＢＤＣより遅れた、図１５の実線（リフトＢ）に設定される。位相制御のＶＴＣによって、破線の正常（ＩＶＣ下死点ＢＤＣ）状態（リフトＣ）に制御される。
ＶＴＣが無い場合で、リフトが大きいときは、図１５の故障（ＩＶＣ下死点より乖離）の位置に設定される。このとき、切換アクチュエータ２１０の動作によって、エンジン１の運転状態に応じてリフトが加減される。切換アクチュエータ２１０の動作を停止すると、付勢スプリング２０１によって、ＩＶＣ≒ＢＤＣの位置に、デファクトで設定される。したがって、ＶＥＬ単独で使用される場合も、有効圧縮比が高まり、エンジン１の始動性が向上する。

本発明の一実施例の可変動弁システムの構成図である。 本実施例の可変動弁システムの４ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例の可変動弁システムの２ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例に用いる始動時の制御のフローを示す図である。 本実施例に用いる燃料噴射パターン示す図である。 本発明の一実施例の可変動弁機構の構成図である。 本発明の実施例の可変動弁機構の構成図と関連の進角位置を示す図である。 本発明の実施例の可変動弁機構の構成図の最進角位置を示す図である。 本発明の実施例の可変動弁機構の構成図の最遅置を示す図である。 本実施例に用いる油圧制御の系統図である。 本実施例に用いる吸気弁の進角側の特性図である。 本実施例に用いる吸気弁の遅角側の特性図である。 本発明の他の実施例の可変動弁機構の構成図である。 本実施例に用いる始動時の制御のフローを示す図である。 本実施例に用いる始動性保証フェールセーフ制御のフローを示す図である。 本発明の他の実施例の可変動弁機構の構成図である。 本実施例に用いる吸気弁の特性図である。

符号の説明

１…エンジン、２…クランク軸、３…ピストン、４…燃料噴射弁、５…クランク角センサ、６…エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）、７…スタータ、８…グロープラグ、９…吸気弁、１０…排気弁、１１…吸気カム、１２…排気カム、１３…可変動弁機構（ＶＴＣ）、１４…カム軸タイミングプーリ、１５…水温センサ、１６…吸気システム、２００…ＶＴＣ位相差センサ、１７…エアフローセンサ、１８…ターボチャージャ、１９…排気還流弁（ＥＧＲ）、２０…吸気カム軸、２２…ベーン本体、２３…油圧ハウジング、２５…付勢スプリング、３０…進角油圧室、３１…遅角油圧室、３９…オイルコントロールバルブ、１２０…付勢ねじりスプリング、２０１…付勢スプリング、２１０…切換アクチュエータ

Claims (9)

1. エンジンの運転状態に応じて、吸気弁閉タイミングを下死点から乖離するように、制御手段によって制御される調整機構を有する可変動弁システムにおいて、前記制御手段が故障したとき、エンジンの停止時、或いは始動時、吸気弁閉タイミングが下死点の近くの状態になるように作用する機械的な付勢手段を前記調整機構に設けたことを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
2. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、前記調整機構として、エンジンのクランク角度に対する吸気弁の開閉の位相を変える位相調整機構、リフトを変えるリフト調整機構のいずれか一方或いは両者を具備したことを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
3. 請求項２に記載の可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最進角位置が吸気弁閉タイミングの最遅角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記位相調整機構が最進角側の状態になるよう作用することを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
4. 請求項２に記載の可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最進角位置が吸気弁閉タイミングの最遅角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記リフト調整機構が最進角側の状態になるように作用することを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
5. 請求項２に記載の可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最遅角位置が吸気弁閉タイミングの最進角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記位相調整機構が最遅角側の状態になるように作用することを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
6. 請求項２に記載の可変動弁システムにおいて、吸気弁閉タイミングの最遅角位置が吸気弁閉タイミングの最進角位置より下死点に近く設定され、前記付勢手段は前記リフト調整機構が最遅角側の状態になるように作用することを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
7. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、エンジン停止時に、吸気弁閉タイミングが下死点の近くの状態になるように制御する信号を、前記制御手段に伝送した後、エンジンの停止信号を出力する制御ユニットを具備したことを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
8. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、エンジン始動時において、吸気弁閉タイミングが下死点から乖離している場合に際しての始動を支援する始動性保証フェールセーフ制御機能を具備したことを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。
9. 請求項１に記載の可変動弁システムにおいて、 吸気弁閉タイミングの位置の情報を基に、燃料噴射パターンを修正する制御手段を具備したことを特徴とする圧縮着火エンジンの可変動弁システム。

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