三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010) 自動車関連技術特集

技 術 論 文18

高速油圧アクチュエータを用いたカムレス可変バルブ試験装置の開発
Development of Cam-less Variable Valve Engine Testing Device
with High-speed Response Hydraulic Actuator

久 家 誠 *1

鶴 谷 身 延 *2

Makoto Kuga

Minobu Tsurutani

上 原 龍 児 *2

峯Ryuji Uehara

Takumi Mine

巧 *2

本論文では，高速油圧アクチュエータを使った可変バルブ試験装置（Engine Valve ControlSystem: EVC）の特徴及び適用事例を紹介する．EVC は，カムの代わりに油圧アクチュエータでバルブを駆動することによって任意のバルブリフトパターン（以後，リフトパターンと記す）を再現するエンジン試験装置であり，自由度が高く，高回転まで追従できることが特徴である．本稿では，始めに，高い応答性を実現するための油圧・制御技術について述べる．続いて，EVC を実際にエンジンへ搭載してファイヤリング試験を行った事例として，多気筒エンジンへの搭載試験及び，新燃焼技術研究への適用の２例を紹介し，EVC が，信頼性の高い試験の実施及び試験期間短縮に大きく貢献できることを示す．

|1. はじめに
近年，環境問題の深刻化により，自動車には，一層のクリーンな排気と燃費向上による二酸化炭素排出量削減が求められている．対策の急先鋒は電気自動車であるが，航続距離や充電インフラ整備の問題など，本格的な普及には至っておらず，当面，ガソリン，ディーゼルエンジンを中心とした内燃機関の改善に求められる期待は大きい．中でも，動弁系，特に可変バルブ機構は既に多くの量産エンジンに採用されており，また，吸気バルブによる吸入空気量制御，ノッキング防止，内部 EGR 制御など，現在でも多くの研究が行われている．
量産エンジンに搭載されている可変バルブ機構は，カムシャフトにカムの位相をずらす機構を内蔵したもの，複数のカムを切り替えてリフトパターンを変更するものなど各種方式があるが，いずれも，エンジン設計開発段階では，可変とする回転数ごとでのリフトパターンの最適化が必要である．さらに，先進的な燃焼技術などの研究においては，バルブの開閉タイミング，リフト量，作動角，吸排弁のオーバーラップのみならず，プロフィールそのものを任意に変更できるなど，自由度の高い可変バルブ装置が所望される．
自由度の高い可変バルブ機構としては，電磁式あるいは油圧式のアクチュエータでバルブを駆動するものがある(1)．電磁式アクチュエータは応答性に優れる反面，出力が小さいため位置制御が難しく，ON/OFF のみの用途には良いが，リフトパターンを忠実に再現するには適さない．一方，油圧式アクチュエータでは，出力が高く制御性は良い反面，応答性が劣り，高回転まで追従させることが難しいのが欠点であった．そこでこのたび当社では，長年培った油圧制御技術をいかして，油圧式の小型・高応答サーボ弁・アクチュエータを新開発し，これを用いて，フル自由度の可変バルブを実現する試験装置（Engine Valve Control System : EVC）を製作した．
次節以降において，EVC の性能及び適用事例を紹介しながら，EVC がカムプロフィールの最適化及び可変バルブ機構の研究開発に非常に有効なツールであることを示す．
*1 下関造船所機械部主席技師*2 下関造船所機械部

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)19|2. システム概要
図１に，EVC のシステム構成及び，図２に EVC 本体の外観を示す．EVC は主に，エンジンヘッド上に取り付けられたバルブ駆動用油圧アクチュエータ，高圧作動油の流量と方向を制御するサーボ弁，及び，アクチュエータの位置制御を行うためのセンサと制御装置，そして，油圧ポンプなど，そのほかの補機から構成される．

図１ システム構成図

図２ EVC アクチュエータ外観

アクチュエータとバルブは連結されておらず，アクチュエータとバルブの間には，熱膨張を吸収するためのクリアランス（クリアランス量は調整可能）を設け，極力カム駆動に近い運転状態を再現できるようにしている．アクチュエータは１バルブ分ずつ分離設置可能としているため，１つのEVC システムを数種のエンジンに載せ替えて試験を行うことで導入の費用対効果を高めたい，というニーズにも容易に対応することができる．

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)20

EVC の特徴は，高回転でも精度良くリフトパターンを再現できる高速追従性にあり，これを実現しているのは，EVC 専用の高応答サーボ弁とリアルタイム補償制御ロジックである．
サーボ弁は当社新開発であり，応答周波数は 400Hz 以上，アクチュエータの最大速度にして６m/s(約２ms でバルブ開閉可能)を実現し，高回転でのリフトパターン追従性能を高めながら，小型エンジンにも搭載可能なサイズを実現している．
制御装置は，アクチュエータの位置制御，安全監視を行う DSP と，リフトパターンの設定やリアルタイムモニタを行うホスト PC から成る．
ソフトウェアは㈱小野測器との共同開発によるもので，DSP 上で動作する制御ソフトウェアでは，アクチュエータピストン位置フィードバック制御に加えて，リアルタイム入力補償などの制御により高い波形再現精度を実現するとともに，トランジェントモード運転（回転変動，トルク変動などの過渡運転モード）にも対応することが可能である．
ホスト PC(Windows OS)上で動作するソフトウェアでは，リフトパターンの設定・変更を行うことができる．パターンは，csv ファイルからの読み込み（複数登録可）・切替に加えて，登録済みのパターンをベースに，リフト量，タイミング，作動角の変更などを行うことが可能である．パターンの変更は運転中も行うことができ，停止時間が発生しないため，様々なパターンを短時間で，また燃焼中に変更して検証することができる．
また制御装置ではこのほかに，偏差過大，アクチュエータ位置とエンジンピストン軌跡との接近警告／異常，などのインターロック監視を行っており，バルブとピストンの衝突防止を始め，各種の安全装置を装備している．
リフトパターンの再現精度について，図３に一例を示す．4 000rpm において，目標とするリフトパターンとアクチュエータ応答の偏差 0.1mm，サイクルごとのばらつき 0.1mm 以内と，与えたリフトパターンを高い精度で再現できることが分かる．

図３ リフト再現性

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)21|3. 多気筒エンジンでのファイヤリング事例
ここでは，４バルブ４気筒ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに EVC アクチュエータを搭載し，実際にファイヤリング試験を実施した事例を示す．
表１にアクチュエータ・サーボ弁及び油圧ユニット，エンジンの諸元を，図４に，EVC をエンジンに搭載した状態の写真を示す．
表１ アクチュエータ、対象エンジン諸元
対象エンジン気筒／バルブ数

４気筒 16 バルブ（ブリッジ有り，１カムで２バルブを駆動）

定格出力40.9 kW

定格回転数

1 800 rpm

アクチュエータ
本数８本（ブリッジ有り，１アクチュエータで２バルブを駆動）

最大ストローク

14 mm

最大速度

2.2 m/s

最大推力

1.1 kN

外形寸法

426×250×273 mm （８アクチュエータ分）

重量75 kg （８アクチュエータ分）

図４ エンジン搭載状態

図５は，ファイヤリング試験を行い，カム駆動時と，EVC にてカムと同じリフトパターンを再現させた場合における筒内圧を比較したものである．両者はほぼ一致していることから，EVC を使って，カム駆動と遜色ない高い精度の試験を実施できることが実証された．図６は EVC 駆動中における各気筒の筒内圧を評価したものである．気筒間の差異はほとんどなく，EVC が，気筒間の燃焼や振動の影響を受けることなくリフトパターンの再現を行えることが分かる．
なお，EVC は，先述したとおり，常にクランク角度を検出し，現在クランク角度に応じた高速位置制御を行っているため，駆動中にエンジン回転数が変動するトランジェントモードにも追従可能である．このため試験では，停止状態からのセルモータ起動や燃料カットでの停止，及び，回転数の上昇／下降も EVC の設定などを変更することなく，スムーズに試験を行うことが可能である．

図５ カム vs EVC 筒内圧比較

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)22

図６ 気筒間筒内圧比較|4. 新燃焼技術研究への適用事例
次に，同じく多気筒エンジン（先に紹介のエンジンとは異なる）を対象に，新燃焼技術研究へのEVC 適用事例を紹介する．対象とするエンジンは，燃焼が不安定となる負荷領域が存在することが分かっており，EVC を使ってこの領域における燃焼改善を図ることを目的とした．
研究では，基準となるリフトパターンから，EGR 率を制御するようにリフトパターンを少しずつ変化させ，エンジンの燃焼状態（筒内圧変化，失火率など）を計測した．
結果，上記負荷領域での燃焼について，失火率１％以下（従来：20％），燃焼変動率１／３（従来比），熱効率５％アップの改善効果が得られるリフトパターンを見つけることができた．
従来は，リフトパターンを変更するにはカムを製作・交換しなければならなかったため，多大な期間とコストを要するが，EVC を使うことで燃焼可能な条件を短期間のうちに探索でき成果を挙げることができた事例である．

|5. まとめ
EVC の概要と，多気筒エンジンでのファイアリング試験結果及び，新燃焼技術研究への適用事例について紹介した．多気筒エンジンでのファイヤリング試験により，EVC が気筒間ばらつきなく，高いリフトパターン再現精度を実現できることを実証した．また，新燃焼技術開発への適用事
例においても，EVC を使って，短期間のうちに，燃焼改善効果が得られる条件を探し出すことができ，その有効性を示すことができた．
今後は，回転数や負荷トルクなどのエンジン状態に応じたリフトパターンの自動切換や，エンジンベンチとの連動により，少ない試験数で，自動的に最適リフトパターンを探索するシステムの開発を視野に入れながら，先進的なエンジン研究開発をより短期間で行うことのできる試験装置を提供していく．

参考文献(1) Wolters, P. et al., Controlled Auto Ignition Combustion Process with an Electromechanical Valve Train,
SAE Paper,03-01-0032