三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論

カムレス可変バルブを目的としたエンジン
ベンチ用油圧駆動バルブシステムの開発

文

Development of Servo Controlled HydraulicActuator System for Cam-less Engine Test
Bench
上 原 龍 児＊1

小 林 恒 夫＊2

Ryuji Uehara

遠 藤 雅 喜久Tsuneo Kobayashi＊4

塚 本 太 郎Masaki Endo

家Makoto Kuga

＊5

誠＊3

田 中 健 吾＊6

Taro Tsukamoto

Kengo Tanaka

この度，当社ではエンジンテストベンチ用として，エンジンバルブをカムレスでタイミング及びリフト量とも任意に駆動できるエンジンバルブコントロールシステムを開発した．本システムを使用することにより，カム製作及び段取り換えが不要となり，短時間で複数の検証を行えるとともに，任意のバルブリフトパターンを高精度に再現でき，各種燃焼技術研究開発に利用することにより，その開発速度を上げることができる．本報では，本装置の仕様，システム構成及び当社単気筒エンジンに搭載した試験結果について紹介する．

1．はじめ

エンジンバルブコントロールシステムの仕様及びエンにジン搭載試験結果について述べる．

近年の環境問題の深刻化により，一層のクリーンな

2．エンジンバルブコントロールシステム概要

排気と燃費向上による二酸化炭素排出減少が求められ

表１にアクチュエータ及び油圧ユニット諸元を，図ており，エンジン燃焼技術の更なる改善が急務となっている．燃費改善の手段として動弁機構は重要な要素

１にシステム構成を示す．

であり，多くの可変動弁機構が開発され実用化されて図２に示すアクチュエータは，電気−油圧サーボ機いる．これらはエンジン回転数に応じ，最適な吸排気構で駆動する小型油圧シリンダを採用した．小型・高効率となるようカムの位相をずらす機構を内蔵したバ応答のサーボ弁を油圧シリンダに搭載し，このピストルブタイミングを可変とするもの，ロッカーアームにン変位を検出し位置制御を行っている．サーボ弁は直可変機構を内蔵し複数のバルブリフトを使い分け吸動型で応答周波数 350 Hz 以上のものを採用し，油圧気，排気の気体流速を変えるものなど各種の方式がある．これら機械式機構ではバルブリフト変更の自由度

表１が少なく，新しい燃焼技術を開発するために電磁式やアクチュエータ及び油圧ユニット諸元
項

油圧式アクチュエータによるフル可変動弁を使って研目数値

アクチュエータ×4 基（外形・重量はアクチュエータの値）( )究開発が行われるケースも多い 1 ．

ストローク（mmpp）

19.8

最大速度（m/s）

3.0

最大推力

（kN）

4.5

外形寸法

（mm）

W540×D145×H310

重量（kg）

約50

吐出流量（L/min）

40

吐出圧（MPa）

21

電動機容量（kW）

18.5

フト量とも任意に，しかも高精度で駆動できるエンジ外形寸法（mm） W1 260×D1 040×H1 140

ンバルブコントロールシステムを開発した．本報では，重量（kg）

なお，電磁式アクチュエータは応答が速く高速回転に対応できるが制御が難しく，油圧式アクチュエータは出力が高く制御性も良いが応答性が劣り高速回転に(2)対応できないなど一長一短がある ．

油圧ユニット×1 基

この度，当社では従来の振動試験装置にて培った油圧アクチュエータ製作技術，高度制御技術の蓄積をいかし，エンジンバルブをカムレスでタイミング及びリ

＊1

＊4

＊2

＊5

下関造船所機械部電気・制御グループ
下関造船所機械部システム設計グループ＊3
下関造船所機械部システム設計グループ主席

約550

汎用機・特車事業本部エンジン技術部環境技術設計課長
汎用機・特車事業本部エンジン技術部大型エンジン設計課＊6
技術本部長崎研究所内燃機研究室

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PC
制御パラメータ設定
波形モニタ
インターロック発報表示

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油圧ユニット▲M

油圧DSP
フィードバック制御
上位制御
安全監視

アクチュエータ変位
アクチュエータ

サーボ弁指令（エンジンヘッド部）
クランク角度
エンジン回転数

図１

システム構成油圧アクチュエータ，制御装置（PC 及び DSP），油圧ユニットからなるエンジンバルブコントロールシステムの構成を示す．

アキュムレータ

サーボ弁変位計

フトにピストン変位を追従させるフィードバック制御
系，② 目標バルブリフトは試験時には既知であるため，アクチュエータモデルがあれば応答性を改善するための波形も推定できる．この改善をリアルタイムで行う
上位制御系，③ 一旦，観測したピストン変位を，目標バルブリフトと比較し一致するようアクチュエータの入力を逐次変更・改善していく制御系である．③の制御系は入力補償制御と呼称するものであり図３に入力

ピストン

目標バルブリフト
修正

アクチュエータ外観図

アクチュエータ応答

1回目，2回目…
波形偏差シリンダ・ピストンの小型化と共に油圧駆動アクチュエータとしては超高速応答を可能としている．

DSP と通信し制御バラメータ設定や波形モニタ及びインターロック発報表示を行う PC からなる．制御は次の３つの制御系を採用することにより，油圧アクチュエータの非線形特性に起因する制御精度劣化や電磁式に比べ応答が遅いなどの油圧の弱点を改善し，油圧アクチュエータの利点である高出力で，高精度・高応答のバルブコントロールを実現している．
３つの制御系とは，① クランク角度をエンコーダより取り込み，エンジン回転角度に応じた目標バルブリ

20151050−50210−1−20バルブリフト（mm）

安全監視を行う DSP（Digital Signal Processor）と，入力補償完了

入力補償ロジックの説明

誤差（mm）

制御装置は，フィードバック制御，上位制御及び目標と応答を比較

180

目標

応答

360540 720

180 360 540 720
クランク角度（de ）入力補償前 波形例

図３

入力補償制御の概要

20151050−5

バルブリフト（mm）

油圧アクチュエータの外観を示す．

アクチュエータ入力波形

誤差（mm）

図２210−1−200180

目標

応答

360

540 720180 360 540 720
クランク角度（de ）入力補償後 波形例

入力補償制御概要を説明するため，そのロジック図と補償実施波形例を示す．

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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カムパルス
検出センサ
アクチュエータ
温度センサ●油圧異常低下●油温異常高油圧ポンプユニット

油圧アクチュエータ

●アクチュエータ偏差警告●アクチュエータ偏差過大

アクチュエータ
変位センサ

エンジン

エンジン回転検出センサ

図４

ダイナモ

●回転数異常上昇●クランク角度検出異常●目標リフト判定●非常停止ボタン

安全監視

安全監視として常時監視している項目を示す．

補償制御のロジックを示す．

3．エンジン搭載試験

また，安全機能・監視として図４に示す項目を常時監視している．例えば， アクチュエータ偏差過大 と４バルブ単気筒ディーゼルエンジンのシリンダヘッはエンジンピストンと油圧アクチュエータピストンとドに油圧アクチュエータを４バルブ分の４基搭載し，の干渉を監視し，これらの偏差がしきい値を超えれば運転確認試験を行った．なお，バルブとアクチュエー

油圧アクチュエータピストンを高速に引っ込め停止すタピストンは連結されておらず，熱膨張を吸収するクることによりエンジンピストンとの衝突を回避するよリアランスを設けている．したがってカム駆動のカムうにしている．このようにインターロックを多数設定

若しくはロッカーアームと同様に，バルブ開時はアク可能とし，安全にエンジンバルブコントロールシステ

チュエータピストンでバルブが押され，バルブ閉時はムを使用しエンジンの運転ができるようにしている．

バルブスプリング力によりバルブは閉じられるが，ア

なお，油圧アクチュエータ本体の最高使用圧力はクチュエータピストンでこの速度をコントロールして35 MPa であり，油圧ユニットの最大吐出圧 21 MPaいる．
図５に 1 800 min− 1 運転時の目標バルブリフトとアを 35 MPa に変更するだけで，最大速度は 1.3 倍，最大推力は 1.7 倍まで容易に仕様アップできる．

クチュエータピストン変位及びその誤差を示す．誤差

バルブリフト（mm）

20：IN-目標：EX-目標：IN-応答：EX-応答

15105090180270360

450540630

720

クランク角度（de ）0.5：IN-誤差：EX-誤差

誤差（mm）

0.3
0.1−0.1

090180270

360

450540630

720−0.3−0.5
クランク角度（de ）図５エンジン搭載試験時応答波形（1 800 min− 1）

実エンジンファイアリング試験での応答波形と誤差（目標バルブリフトとアクチュエータピストン変位との差）を示す．

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 200821は± 0.1 mm 以内であった．なお，誤差は目標バルブ

今回の装置で対応できるエンジン回転数は，サーボプロフィール，回転数，及びエンジン負荷により若干弁流量の制約より最大 1 800 min− 1 であったが，今後異なる．バルブ閉時の波形より弁座との衝突もなく，は小型で大流量・高応答サーボ弁を開発し，更に高回良好にバルブリフトをコントロールできていることが転数まで対応する予定である．また，制御装置を改善

分かる．

し，過渡的な回転数変化に対応できるよう図っていき

本試験にて，エンジン実負荷（エンジン筒内圧，バたい．

ルブとバルブスプリングの慣性及びばね負荷，バルブとアクチュエータピストンとの接触荷重，エンジンよりの熱及び振動伝播）下にて，エンジンバルブコントロールシステムが高精度な制御性と再現性があることを実証することができた．
なお，高精度に波形再現を行うのは定常回転数時の参 考 文 献（1）Wolters. P., et al., Controlled Auto Ignition
Combustion Process with an Electromechanical
Valve Train, SAE Paper,03-01-0032（2）武藤高義，アクチュエータの駆動と制御，コロナ社

みであり，起動及び立ち下げ時にはエンジンピストンと干渉の恐れがないよう，バルブリフト量を落として運転した．今後，過渡的な回転数変化に対しても運転可能とするよう対応を図る．

4．まとめ

上原龍児

小林恒夫

久家誠

遠藤雅喜

塚本太郎

田中健吾

エンジンバルブコントロールシステム概要と，エンジンバルブコントロールシステムを搭載しファイアリ
ング試験を行った結果について紹介した．ファイアリ
ング試験ではエンジンバルブコントロールシステムの良好な制御性を確認することが出来た．