(57)【要約】【課題】  余分なエネルギーの消費を抑えて効率よく弁体を動作させることが可能な弁駆動システムを提供する。【解決手段】  本発明の弁駆動システムは、内燃機関１の運転に伴う脈動が生じる吸気通路６の分岐部９を開閉する弁体２１と、弁体２１を駆動するアクチュエータ２２と、を備え、分岐部９内の脈動による弁体２１の駆動抵抗の変化に応じ、その駆動抵抗が所定値よりもに小さい期間において弁体２１の開度が変化するように、アクチュエータ２２を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転に伴う脈動が生じる通路を開閉する弁体と、前記弁体を駆動する弁駆動手段と、前記通路内の脈動による前記弁体の駆動抵抗の変化に応じ、該駆動抵抗が所定値よりも小さい期間において前記弁体の開度が変化するように、前記弁駆動手段を制御する弁駆動制御手段と、を備えることを特徴とする弁駆動システム。
【請求項２】
前記通路内の圧力を検出する圧力検出手段を更に備え、前記弁駆動制御手段は、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて前記駆動抵抗が小さい期間を判断して前記弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の弁駆動システム。
【請求項３】
前記弁駆動制御手段は、前記通路内の圧力の正負に応じて前記通路が前記弁体にて開閉されるように、前記弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の弁駆動システム。
【請求項４】
前記弁体の開度が保持されるように前記弁駆動手段に供給される電流値を制御する開度保持手段を更に備え、前記弁駆動制御手段は、前記開度保持手段が制御する電流値に基づいて前記駆動抵抗が小さい期間を判断して前記弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の弁駆動システム。
【請求項５】
前記通路は、前記内燃機関の吸気通路の一部をなし、かつ前記内燃機関の気筒毎に区分された分岐部であり、前記弁体が、前記分岐部に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
【請求項６】
前記弁駆動制御手段は、前記内燃機関の吸気弁が閉じられている状態で前記弁体にて前記分岐部が開かれるように、前記弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の弁駆動システム。
【請求項７】
前記弁体は、前記通路を横断する方向に延び、かつ軸線が該弁体の重心からオフセットされた弁回転軸を有し、前記弁回転軸が前記弁駆動手段にて回転駆動されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の運転に伴って脈動が生じる通路に配置された弁体を駆動制御する弁駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒毎に区分された分岐部に配置される吸気制御弁を有する内燃機関において、吸気制御弁の開閉制御が所定のタイミングで実行される弁駆動システムがある（特許文献１）。また、吸気通路や排気通路等の通路内の脈動を利用して弁体を動作させる装置として、脈動の負圧期間に応答性の高いリード弁が脈動の力で開弁するもの（特許文献２）、排気脈動の力で開閉するリード弁が設けられているもの（特許文献３）、圧力式のＥＧＥ弁の微小リフト時に、排気脈動に応じて弁体が弁座へ押し付けられることによりＥＧＲ弁を閉じ易くしたもの（特許文献４）等がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２３２７１２号公報
【特許文献２】特開平７−１５８４２９号公報
【特許文献３】特開平５−１４５１９号公報
【特許文献４】特開平１１−２００９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のシステムでは、吸気通路内の脈動により吸気制御弁の開閉が阻害されて、必ずしも吸気制御弁を開閉したいタイミングで開閉できずに吸気制御弁の開閉が遅れる場合があった。このような開閉遅れを防止するには、脈動による圧力変動に抗して弁体を動作させることが必要となり、余分なエネルギーを消費するおそれがある。また、特許文献２〜４に開示されたものは、脈動により弁体が受動的に動作するだけで、脈動に応じて弁体を能動的に駆動制御するものではないので、所望のタイミングで弁体を駆動できない。
【０００５】
そこで、本発明は、余分なエネルギーの消費を抑えて効率よく弁体を動作させることが可能な弁駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の弁駆動システムは、内燃機関の運転に伴う脈動が生じる通路を開閉する弁体と、前記弁体を駆動する弁駆動手段と、前記通路内の脈動による前記弁体の駆動抵抗の変化に応じ、該駆動抵抗が所定値よりも小さい期間において前記弁体の開度が変化するように、前記弁駆動手段を制御する弁駆動制御手段と、を備えることにより上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この発明によれば、弁体の駆動抵抗が所定値よりも小さい期間において弁体が駆動されるので、弁体の駆動に際して余分なエネルギーが消費されず、効率よく弁体を動作させることができる。本発明の所定値は駆動抵抗の大小を規定する基準として適宜に設定される。所定値は不変であってもよいし、内燃機関の運転状態等の各種要因に応じて変化させてもよい。
【０００８】
本発明の弁体駆動システムにおいては、弁体の駆動抵抗が小さい期間は種々の方法で判断できる。例えば、通路内の脈動に伴う圧力変動から弁体の駆動抵抗の変動を推定し、弁体の駆動抵抗が小さい期間を判断してもよい。この場合、圧力変動を内燃機関の運転状態に関連づけたマップを準備しておき、弁駆動制御手段がこのマップを参照して圧力変動を推定し、その推定結果に基づいて弁体の駆動抵抗が小さい期間を判断してもよい。また、通路内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、圧力検出手段の検出結果に基づいて弁体の駆動抵抗が小さい期間を判断してもよい（請求項２）。また、本発明の弁駆動システムにおいて、前記弁駆動制御手段は、前記通路内の圧力の正負に応じて前記通路が前記弁体にて開閉されるように、前記弁駆動手段を制御してもよい（請求項３）。
【０００９】
また、本発明の弁駆動システムにおいて、前記弁体の開度が保持されるように前記弁駆動手段に供給される電流値を制御する開度保持手段を更に備え、前記弁駆動制御手段は、前記開度保持手段が制御する電流値に基づいて前記駆動抵抗が小さい期間を判断して前記弁駆動手段を制御してもよい（請求項４）。開度保持手段が制御する電流値の大きさは、弁体を開かせようとする力の大きさと相関する。つまり、この電流値が大きくなるほど弁体を開かせようとする力が大きくなり、その力が大きくなるほど弁体の駆動抵抗が小さくて済む。この態様によれば、開度保持手段が制御する電流値に基づいて弁体の駆動抵抗が小さくなる期間を判断できるので、弁体の駆動抵抗が小さくなる期間を判断するための各種のセンサ等の部品を追加する必要がなく、部品点数を削減できコストを低減できる。
【００１０】
本発明の弁駆動システムにおいて、前記通路は、前記内燃機関の吸気通路の一部をなし、かつ前記内燃機関の気筒毎に区分された分岐部であり、前記弁体が、前記分岐部に配置されてもよい（請求項５）。この場合、弁体と弁駆動手段とによりいわゆる吸気制御弁が構成される。従って、吸気制御弁の開閉遅れに伴う吸気の供給不足が解消されるので、内燃機関の運転状態が安定化する。
【００１１】
弁体と弁駆動手段とにより吸気制御弁が構成される場合には、前記弁駆動制御手段は、前記内燃機関の吸気弁が閉じられている状態で前記弁体にて前記分岐部が開かれるように、前記弁駆動手段を制御してもよい（請求項６）。この態様によれば、内燃機関の吸気弁が閉じられている間に弁体の駆動抵抗が小さい期間を狙って弁体を駆動できる。
【００１２】
本発明の弁駆動システムにおいて、前記弁体は、前記通路を横断する方向に延び、かつ軸線が該弁体の重心からオフセットされた弁回転軸を有し、前記弁回転軸が前記弁駆動手段にて回転駆動されてもよい（請求項７）。弁体の重心から軸線がオフセットされた弁回転軸を備えた弁体の場合、この弁体には通路内の脈動に伴って弁回転軸に関してアンバランスな力が作用する。このため、弁回転軸の軸線と重心との距離が離れるほど力のアンバランスが顕著になり弁体の駆動抵抗が変動し易くなる。つまり、駆動抵抗が大きい場合のエネルギー消費量と小さい場合のエネルギー消費量との差が顕著になる。この態様によれば、弁体の重心からオフセットされた弁回転軸を弁体が備え、その弁体が駆動抵抗が相対的に小さい期間に駆動されるので、エネルギー消費の低減効果が顕著なものとなる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、弁体の駆動抵抗が所定値よりも小さい期間において弁体が駆動されるので、弁体の駆動に際して余分なエネルギーが消費されず、効率よく弁体を動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の弁駆動システムが適用された４サイクル内燃機関の要部を示している。図１に示すように、内燃機関１は、複数（図１では一つのみ示す）の気筒２が形成されたシリンダブロック３と、各気筒２内を往復運動可能にクランク軸（不図示）に連結されたピストン４と、ピストン４の上面と各気筒２との間で燃焼室が形成されるようにしてシリンダブロック３に連結されたシリンダヘッド５と、を有している。
【００１５】
また、内燃機関１は、吸気通路６と排気通路７とを有している。吸気通路６は、各気筒２に連通する吸気ボート８と、気筒２毎に区分されて吸気ポート８にそれぞれ接続された分岐部（通路）９と、各分岐部９が接続されるサージタンク１０とを有している。各吸気ポート８には、これを開閉する吸気弁１１が設けられる。一方、排気通路７は各気筒２に連通する排気ポート１２を有し、各排気ポート１２には、これを開閉する排気弁１３が設けられている。これらの吸気弁１１及び排気弁１３は内燃機関１の運転時にクランク軸と連結されたカム軸（不図示）が回転することにより所定のタイミングで開閉駆動される。
【００１６】
サージタンク１０の上流側の吸気通路６には、吸気量に応じた信号を出力するエアフローメータ１４と、空気濾過用のエアクリーナ１５とが設けられている。サージタンク１０の下流側に位置する各分岐部９には、分岐部９内の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ１６と、燃料噴射用のインジェクタ１７とが設けられる。エアフローメータ１４と圧力センサ１６とは、内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にそれぞれ接続される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えたコンピュータである。ＥＣＵ３０には、図示を省略したが、内燃機関１の運転状態を把握するため、例えば機関回転数を検出する回転数センサや、クランク角度を検出するクランク角度センサ等の各種のセンサが接続される。
【００１７】
吸気通路６の各分岐部９には、気筒２に導かれる吸気に関する各種の特性を制御可能な吸気制御弁２０が設けられている（図１では一つの分岐部９に関してのみ示した）。分岐部９毎に設けられる吸気制御弁２０の構成は互いに同一である。各吸気制御弁２０は、分岐部９を開閉する弁体２１と、弁体２１を駆動するモータやロータリーソレノイド等のアクチュエータ（弁駆動手段）２２とを有している。図２に模式的に示したように、弁体２１は、軸線が弁体２１の重心からオフセットされた弁回転軸２１ａを有している。弁回転軸２１ａにはアクチュエータ２２が接続され、アクチュエータ２２はＥＣＵ３０に接続されている。アクチュエータ２２がＥＣＵ３０で制御されて弁回転軸２１ａが回転駆動されることにより、弁体２１の開度が分岐部９を全閉する全閉位置と分岐部９を全開する全開位置との間で制御される。ＥＣＵ３０は、弁体２１の開度が所定開度に保持されるようにアクチュエータ２２へ供給される電流値を制御する開度保持手段を備えている。開度保持手段は適宜の構成でよい。例えば、回転角センサ等の検出手段で弁体２１の開度を検出し、その検出結果に基づいて電流値を制御するものでもよい。開度保持手段にて保持可能な開度は全閉位置と全開位置との間で選択的でもよいし連続的でもよい。つまり、全閉位置、全開位置、及びこれらの間の中間位置で保持されるようにしてもよい。
【００１８】
吸気制御弁２０の使用形態は各種存在する。図３は、吸気制御弁２０の使用形態の一例を示した説明図である。図３の符号５０は圧力センサ１６が検出した圧力、符号５１は吸気制御弁２０の弁体２１の開度、及び符号５２は吸気弁１１のリフトである。この図から明らかなように、ピストン４が下死点ＢＤＣから上死点ＴＤＣへの移行中で、かつ吸気弁１１が開かれる前（つまり吸気弁１１が閉じられた状態のとき）に、弁体２１が全閉位置から全開位置に切り替えられる。全閉位置から中間位置に切り替えてもよい。その後、吸気弁１１が開かれている間（つまり吸気弁１１が開かれてから閉じられる前）に、弁体２１の開度が全開位置から全閉位置に切り替えられる。これにより、吸気弁１１自体の閉弁タイミングを変えずとも、吸気弁１１を早閉じした状態と同等の効果が得られる。
【００１９】
弁体２１の開度を全閉位置から全開位置へ切り替えるタイミングは、吸気弁１１が開かれる以前の弁体２１の駆動抵抗の変化に応じてＥＣＵ３０にて決定される。図３に示されるように、内燃機関１の運転に伴って分岐部９に脈動が生じ、大気圧よりも高い正圧と大気圧よりも低い負圧との間で圧力変動が起こり、その圧力変動によって弁体２１の駆動抵抗が変化する。図２に示した弁体２１の配置形態の場合には、矢印Ｘの方向に弁体２１が開かれる。従って、圧力センサ１４が検出する圧力が負圧の場合は、正圧の場合に比べて駆動抵抗が相対的に小さくなる。そこで、図３に示したように、ＥＣＵ３０は、吸気弁１１が開かれる前に所定圧力値より低い負圧が圧力センサ１４にて検出されたときを駆動抵抗が所定値よりも小さい期間と判断し、そのタイミングθ１で弁体２１の開度が全閉位置から全開位置へ変更されるようにアクチュエータ２２を制御する。ここで言う所定圧力値が駆動抵抗の大小を規定する本発明の所定値に相当する。これにより、例えば圧力が正圧状態のタイミングθ２やθ３で弁体２１の開度を変更する場合よりも、小さな駆動抵抗で弁体２１を駆動することができる。このように、ＥＣＵ３０が駆動制御を実行することで、本発明の弁駆動制御手段としてＥＣＵ３０が機能する。具体的な所定圧力値は適宜に定めてよく、図３のように大気圧よりも低い圧力としてもよいし、大気圧としてよい。所定圧力値が不変であってもよいし、内燃機関１の運転状態等の各種要因に応じて変化させてもよい。
【００２０】
脈動による圧力の変動幅及びその絶対値、並びに脈動に伴う駆動抵抗の変化は、内燃機関の吸気系や弁体の配置形態等の物理的な構成に依拠する。図４（ａ）〜（ｃ）は、弁体の配置形態の他の例をそれぞれ示している。これらの配置形態のうち、図４（ａ）の配置形態については、図２の矢印Ｘと同一方向に弁体２１が開かれるので、図２の場合と同様に圧力センサ１４で検出した圧力が弁体２１の下流側の圧力よりも低くなるほど駆動抵抗が小さくなる。一方、図４（ｂ）、（ｃ）の配置形態については、図２の矢印Ｘと反対方向に弁体２１が開かれるので、図２の場合とは逆に圧力センサ１４で検出した圧力が弁体２１の下流側の圧力よりも高くなるほど駆動抵抗が小さくなる。このように、弁体２１の配置形態に応じて圧力センサ１４の検出圧力と駆動抵抗との関係が変化する。従って、例えば所定圧力値を大気圧とした場合には、弁体の配置形態によって負圧の期間が駆動抵抗が所定値よりも小さい期間に相当する場合もあるし、正圧の期間が駆動抵抗が所定値よりも小さい期間に相当する場合もある。このため、駆動抵抗の大小を判定するための所定圧力値の設定及び検出圧力の評価は弁体２１の配置形態、圧力の検出位置等の物理的な構成に応じて行われる。
【００２１】
以上の実施形態によれば、吸気弁１１が開かれる前で、かつ駆動抵抗が相対的に小さい期間を狙って弁体２１の開度が全閉位置から全開位置への変更されるので、弁体２１の開き遅れを防止しつつ、余分なエネルギーを消費することなく効率的に弁体２１を駆動できる。特に、図２及び図４に示した弁体２１には、弁回転軸２１ａがその軸線を弁体２１の重心からオフセットされた位置に取り付けられているので、駆動に際して脈動の影響を受け易い。このため、駆動抵抗が相対的に小さい期間に駆動することにより、エネルギー消費の低減効果がより顕著なものとなる。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の弁駆動システムの第２の実施形態について説明する。この形態は弁体の駆動抵抗が所定値よりも小さい期間の判断方法が第１の実施形態と相違し、その他内燃機関１の構成は第１の実施形態と同一である。従って、第２の実施形態の物理的な構成は図１及び図２が参照される。
【００２３】
ＥＣＵ３０は、上述したように弁体２１の開度を所定開度に保持する開度保持手段を有している。弁体２１を所定開度に保持するために必要なトルク（力）は脈動に応じて変化するので、その変化に応じて開度保持手段にて制御される電流値が変化する。例えば弁体２１の開度が全閉位置に保持されている状態で、弁体２１を開こうとする力が増加した場合、開度保持手段は、弁体２１の開きを防止するためその力に抗する向きのトルク、つまり弁体２１を閉じようとする方向のトルクが増加するようにアクチュエータ２２へ供給する電流値を増加させている。
【００２４】
この電流値の増加は弁体２１を開こうとする力の増加を意味するので、この電流値が大きい時期を狙って弁体２１を駆動すれば、電流値が小さい時期に比べて駆動抵抗が少なくて済む。そこで、本実施形態は、ＥＣＵ３０がこの電流値の変化を監視して、電流値が所定電流値よりも大きくなった場合に、弁体２１の開度を全閉位置から全開位置へと変更する。ここで言う所定電流値が駆動抵抗の大小を規定する本発明の所定値に相当する。これにより、脈動による力を利用して弁体２１の全閉位置から全開位置へ駆動できるので、余分なエネルギーの消費を抑えることができる。しかも、この形態の場合は、圧力センサ等を設けて脈動に伴う圧力を検出する必要がないので、部品点数を削減できコストを低減できる。
【００２５】
なお、本実施形態において、開度保持手段が回転角センサ等の出力信号から弁体２１の位置を検出して弁体２１の開度が保持されるように電流値を制御する形態の場合には、回転角センサの位置情報から脈動に伴う力によって弁体２１が開き始めた時期を検出できる。これによれば、ＥＣＵ３０が電流値を監視することなく、弁体２１が開き始めた時期の到来をもって駆動抵抗が所定値よりも小さい期間を判断することもできる。
【００２６】
本発明は、上述した各実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態で実施できる。例えば、上述した実施形態では、弁体２１毎に一つずつアクチュエータ２２を接続した形態を例示したが、複数の弁体２１を一つのアクチュエータ２２で同時に駆動してもよい。この場合は、吸気行程が互いに重ならない気筒群の弁体２０のそれぞれを一つのアクチュエータ２２で同時に駆動してもよい。
【００２７】
上述した形態は、本発明を吸気制御弁２０の弁駆動システムとして実施したものであるが、内燃機関の運転に伴って脈動が生じる通路である限り、その通路に設けられた弁の駆動システムとして本発明を実施できる。排気通路には内燃機関の運転に伴って脈動が生じるから、例えば、排気通路に設けられた排気浄化装置を迂回するバイパス通路に設けられたバイパス弁、或いは、ターボチャージャー付きの内燃機関においてはターボチャージャーのタービンを迂回するバイパス通路に設けられたバイパス弁、等の排気系に設けられた弁の駆動システムとして本発明を実施することもできる。
【００２８】
また、弁体の形態には特に制限はない。もっとも、弁回転軸の軸線が重心から離れるほど駆動に際して脈動の影響を受け易くなるが、脈動による圧力変動で駆動抵抗が変化するものであれば、図２及び図４に示した形態に限定されない。例えば、図５（ａ）〜（ｄ）に示したように、図２及び図４の形態よりも重心寄りに弁回転軸１２１ａが設けられた弁体１２１でも構わない。なお、弁体１２１の配置形態は、図５（ａ）が図２に、図５（ｂ）が図４（ａ）に、図５（ｃ）が図４（ｂ）に、図５（ｄ）が図４（ｃ）にそれぞれ対応する。また、図２、図４、及び図５のそれぞれに示した弁体２１、１２１は、全閉位置のときに通路に対して垂直に配置されてもよい。また、弁回転軸を有しない形態、例えば仕切り弁等のように通路を横断する方向に弁体を進退させる形態の弁に本発明を適用することもできる。
【００２９】
また、駆動抵抗が所定値よりも小さい期間を判断する方法は上述した形態に限定されない。脈動のパターン（圧力の変動幅、絶対値、周期等）は、内燃機関の運転状態と物理的な構成に依拠する。このため、例えば、脈動のパターンを、内燃機関の運転状態を示すパラメータ（機関回転数、クランク角等）に対応付けたマップを予め実験或いはシミュレーションに基づいて作成できる。そこで、このように作成したマップをＥＣＵ３０のＲＯＭに格納させておき、ＥＣＵ３０が内燃機関の運転状態とクランク角度に応じた圧力をこのマップを参照して推定し、駆動抵抗が所定値よりも小さい期間か否かを判断して弁体２１の開度を変化させてもよい。この形態の場合は、圧力センサ等を設けて脈動に伴う圧力を検出する必要がないので、部品点数を削減できコスト低減を実現できる。本発明の所定値は上述した形態に限定されず、弁体駆動前又は現時点での駆動抵抗であってもよい。駆動抵抗は直接検出してもよいし、上述した通路内の圧力や弁体の保持電流等の他のパラメータから推定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の弁駆動システムが適用された４サイクル内燃機関の要部を示した図。
【図２】弁体の周辺構成を模式的に示した図。
【図３】吸気制御弁の使用形態及び制御内容を説明する説明図。
【図４】弁体の配置形態の他の例を示した図。
【図５】弁体の他の形態を示した図。
【符号の説明】
【００３１】
１  内燃機関
６  吸気通路
９  分岐部（通路）
１１  吸気弁
１６  圧力センサ（圧力検出手段、開度保持手段）
２１、１２１  弁体
２１ａ、１２１ａ  弁回転軸
２２  アクチュエータ（弁駆動手段）
３０  ＥＣＵ（弁駆動制御手段）
【図１】
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【図２】
2006299820.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006299820.tif 000007