三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013) 都市交通を支える技術特集

製 品 紹 介21

先進的なエンジン開発に貢献する
エンジンバルブコントロールシステム－業界一の高回転対応及びバルブリフト精度を実現－
Engine Valve Control System with High Speed and Accurate Valve Liftto Contribute for Advanced Engine Development

機 械 ・鉄 構 事 業 本 部
油 圧 ・機 械 技 術 部

高速油圧アクチュエータを使った可変動弁試験装置（Engine Valve Control System: 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り任意のバルブリフトを再現するエンジン試験装置である。自由度が高く，高回転まで追従できることが特長である。本報では，EVC のシステム構成，及び最近の改良事例について述べる。続いて対応エンジンと製作実績を紹介しながら，エンジン開発，燃焼研究に非常に有効なツールであることを示す。

|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の削減が求められている。特にハイブリッド車を含め，ガソリン車をめぐる燃費向上競争は激化しており，各社ともにエンジン開発の費用低減及び期間短縮化が急務となっている。
また，HCCI（均一予混合圧縮着火），ミラーサイクルなどの先進的な燃焼技術の研究においては，バルブの開閉タイミング，リフト量，作動角，吸排気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ことが所望されている。
このような背景の中，エンジン試験装置として可変動弁機構が注目されており，エンジンのバリエーションを網羅するために，自由度が高く，高回転まで追従できることが要求されている。自由度の高い可変動弁機構としては，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。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，バルブ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。そこで当社では，長年培った油圧制御技術を活かして，小型で高応答な油圧サーボ弁・アクチュエータを開発し，これを用いて，フル自由度・高回転対応の可変動弁を実現する試験装置（Engine Valve Control System : EVC）を製作した。
EVC によりカムの試作，段取り替えが不要となり，エンジン開発の大幅な費用低減及び期間短縮化が可能となる。また，フル自由度・高回転対応によりエンジン諸元ごとのリフトパターンによる燃料消費率，出力の最適化が可能となる。さらに先進的な燃焼技術研究に対しても様々なリフトパターンに対して再現精度の良い燃焼データを瞬時に得ることが可能となる。
本報では，EVC のシステム構成，及び最近の改良事例について述べ，対応エンジンと製作・納入実績を紹介する。

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)22|2. システム概要
図１に，EVC のシステム構成を示す。EVC は，エンジンヘッド上に取り付けられた油圧アクチュ
エータ・サーボ弁，動力源としての油圧ポンプユニット及び，センサ・制御装置などから構成される。アクチュエータの伸縮によりバルブを開閉するため，アクチュエータの位置を制御することで任意のバルブリフト量を再現可能である。アクチュエータとバルブは連結されておらず，両者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）を設けて，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。

図１ システム構成

図２に，単気筒４バルブエンジンに４台のアクチュエータを搭載した例を示す。アクチュエータは独立設置，独立制御方式で１台ずつモジュール化されており，気筒数，バルブ数によらず，任意のエンジンに搭載可能である。アクチュエータは，専用のアダプタを介してエンジンヘッドに取り付けられる。アダプタを取り替えると，１セットのアクチュエータを複数種のエンジンに搭載することができるため，装置の利用機会を増やして費用対効果を高められる。また，ブリッジを介せば，２本のバルブを１台のアクチュエータで駆動することも可能であり，初期導入コストを抑えたいというニーズにも対応することができる。

図２ エンジンヘッド搭載例

EVC のような可変バルブ試験装置は，エンジンの高速回転に対応し，忠実にリフトパターンを再現することが要求される。当社の EVC は高い回転数でも精度良くリフトを再現できることが特徴である。高回転での応答性を左右する重要な要素の１つがサーボ弁である。EVC のサーボ弁は，三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)23

当社で開発した特殊構造を採用しており，応答性 500Hz，流量 100L/min 以上，かつ，小型エンジンにも搭載可能なサイズを実現した。
センサ・制御装置は，クランク角センサ及びアクチュエータ位置センサ，リアルタイム制御 DSP（Digital Signal Processor）などから構成される。現在のクランク角に対して，目標とするバルブリフト量となるようアクチュエータの位置をリアルタイム制御している。制御ソフトウェアは当社と(株)小野測器との共同開発によるものである。フィードバック制御に加えて位相遅れ補償や学習制御機能を有しており，前述の高応答サーボ弁とともに，EVC の高い応答性・再現性に寄与している。トランジェントモード運転にも対応しており，エンジンを運転したまま，回転数及び負荷を変動させることができる。
リフトパターンの切替えは，操作パソコンから手動で設定する方法に加えて，ECU (EngineControl Unit) との CAN (Controller Area Network) 通信に対応した。手動で設定する方法では，任意のパターンを登録して再現するほか，登録したパターンをベースに，リフト量，タイミング，作用角などを個別に変更することができる。エンジン運転を中断することなく次々とパターンを変更できるため，カム駆動時に比べて飛躍的に試験効率を高めることができる。さらに，同一環境下で連続的に試験を行うことができることから，試験データの信頼性向上にも寄与している。
一方，ECU からの通信による切替えでは，１サイクルごとにリフトパターンを変えていくことが可能である。これにより，筒内圧や負荷などのエンジン状態に合わせて ECU でマッピングして，常に最適なパターンで運転するといったニーズに応えることができ，先進的な研究開発への貢献が期待される。

|3. リフト再現事例
当社 EVC の特徴は，高回転でのリフト再現性に優れていること及び，リフト変更の柔軟性が高いことである。今回，高応答サーボ弁及び制御系の改良により，高回転での再現精度及びリフトパターン切替え時の精度をさらに改善した。ここではその事例を紹介する。
まず，高回転での再現性を改善するため，サーボ弁を改良し，サイズはほぼそのままで流量を増加させることに成功した。サーボ弁の流量はアクチュエータの速度に比例するため，より高速での駆動を可能とし，最大速度 6m/s 以上を達成した。図３に，6000rpm におけるリフトパターン再現
例を示す。与えたリフトパターンを高い精度で再現できるとともに，サイクルごとの応答ばらつきも小さく，繰り返し精度にも優れていることが分かる。

図３ 6 000rpm リフト再現例（この図は 100 サイクルの応答を重ね描きしたものである）

また，新たな制御アプローチにより，リフトパターン切替え時の精度を改善した。EVC では，特に，前項で述べた ECU との通信などを行う場合，リフトパターンの切替えが頻繁に発生することから，切替え時に生じる過渡的な偏差は極力小さいことが望ましい。

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)24

図４には，リフトパターンを大きく切替えた際の，切替え前後の精度を示す。過渡的な応答による精度劣化はほとんどなく，切替え直後のサイクルから良好な精度で駆動できることが分かる。

図４ リフト切替時精度|4. 対応エンジンと実績
図５に，EVC が対応可能なエンジンを示す。“大きな推力が必要な大型エンジン”から“高い応答性が必要な小型エンジン”まで幅広く対応することができる。また，様々なタイプのエンジンに対して製作した実績もある。納入したお客様からは“エンジン諸元ごとのリフトパターンによる燃料消費率，出力の最適化を実施することができた”，“カム製作・交換の時間を短縮することができた”との評価をいただくことができた。
また，油圧サーボ弁・アクチュエータ単体について，加速試験により 12 400 万サイクルの耐久試験を実施した。結果，精度は製作時と同等であり，油圧サーボ弁・アクチュエータに外部油漏れ等の異常がないことを確認した。本サイクルは試験期間としては約２年間に相当し，3 000rpm で10 分間の試験が約 8250 回可能なサイクルであり，十分な耐久性を保持していることを実証することができた。

図５ 対応エンジンと実績|5. 今後の取組み
今後は，お客様からのニーズを聴取・調査し，より使いやすく，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。さらに，EVC で開発した高応答サーボ弁について，量産を視野に入れて EVC 以外の分野に提供できるように調査，改良を実施していく。