JP4182922B2

JP4182922B2 - 排気弁駆動制御方法及び装置

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Publication number: JP4182922B2
Application number: JP2004179699A
Authority: JP
Inventors: 明彦港
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: CN1710258A; CN100510328C; US20050283301A1; EP1607593B1; EP1607593A2; JP2006002661A; US7191744B2; EP1607593A3

Description

本発明は、内燃機関の排気弁の駆動制御方法及び装置に係り、特に、排気弁の閉弁動作を簡易モデル化し、そのモデルに基づいて排気弁を閉弁制御するようにした排気弁駆動制御方法及び装置に関するものである。

近年では、内燃機関（以下エンジンという）における排気弁及び吸気弁の開閉制御の自由度を高めるために、カム機構を用いずに流体圧を利用して弁を開閉駆動する動弁機構が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。この動弁機構を用いれば、エンジンの運転状態に応じて排気弁及び吸気弁の開閉時期やリフト量等を調節・制御できるため、より細やかなエンジン制御が可能となる。特に、排気弁を閉弁制御する際に、上昇するピストンとの接触を避けつつ、掃気を確実かつ効果的に行うことが可能となる。

例えば本出願人は、図７に示すような閉弁制御を提案している。

図中ラインＡが排気弁のリフト量（排気弁下端位置）を示しており、ラインＢがピストン位置（ピストン上端位置）を示している。縦軸の下端が全閉状態であるときの排気弁の位置（リフト量ゼロ）であり、上に向かう程、排気弁のリフト量（開度）が大きく、ピストン位置が低くなることを意味する。つまり、図７では排気弁及びピストンの位置関係及び移動方向が実際と上下逆に描かれている。

図７（ａ）は、エンジン回転速度が比較的低く、ピストンの上昇速度が排気弁の閉弁速度（上昇速度）よりも遅い例を示している。

図に示すように、排気弁の閉作動は、ピストンが、全開状態である排気弁の下端位置まで上昇するよりも前に開始される。ここでは、ピストンの上昇速度が排気弁の閉弁速度よりも遅いので、排気弁の閉作動が開始されるとピストンと排気弁との間隔が徐々に大きくなる。そして、ピストンと排気弁との間隔が所定の値まで大きくなると、排気弁の閉作動が一旦停止される。その後、上昇するピストンと排気弁との間隔がある程度縮まると、閉作動が再開される。つまり、ピストンの上昇に応じて排気弁の閉作動が段階的に実行される。このように排気弁を段階的に閉じることで、排気口の開口面積を充分に確保して掃気効率を向上させることができる。

特開２００３−３２８７１３号公報特開２００１−２８０１０９号公報

ところで、ピストンの上昇速度は当然エンジン回転速度により変化するため、エンジン回転速度毎に排気弁の閉弁制御内容を変化させる必要がある。

例えば、ピストンの上昇速度が排気弁の閉弁速度を上回る領域では、排気弁を段階的に閉じるとピストンと排気弁とが接触する可能性があるため、図７（ｂ）に示すように、全開から全閉まで連続的に（一回で）閉じる必要がある。この場合、排気弁の駆動回数は１回であり、その駆動期間は比較的長いものとなる。なお、図７に示す閉弁制御は本願の出願時において未公開の技術であり、従来技術を構成するものではない。

このように、排気弁の最適な閉弁制御内容（駆動回数、駆動時期、駆動期間等）がエンジン回転速度毎に異なるため、従来は、エンジン回転速度毎に最適な制御内容を定めた制御マップを作成していたが、多数の制御マップが必要となるため、マップ作成の労力が非常に大きかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多数の制御マップを必要とすることなく、エンジン回転速度に応じた排気弁の閉弁制御を行える排気弁駆動制御方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために考案された請求項１の発明は、内燃機関の排気弁を閉弁制御する方法であって、まず、上記排気弁の現在位置と内燃機関の回転速度とを求め、それらに基づいてピストンが上記排気弁の現在位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動を開始し、内燃機関の回転速度に基づいて、上記排気弁とピストンとの間隔が第一所定値となる時刻を演算し、その時刻に達したときに上記排気弁の閉作動を一旦停止し、内燃機関の回転速度に基づいて、上記ピストンが上記排気弁の停止位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に排気弁の閉作動を再開するものである。

請求項２の発明は、上記排気弁の閉作動の停止及び再開を、上記排気弁とピストンとの間隔が上記第一所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が所定のオーバラップリフト量以下となるまで繰り返し行い、上記排気弁とピストンとの間隔が上記第一所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量以下となった場合、上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量と一致したときにその閉作動を一旦停止し、その後、内燃機関のクランク角が所定角度となったときに上記排気弁を全閉まで閉じるものである。

請求項３の発明は、上記排気弁を現在位置から全閉位置まで移動させたとしたときの平均移動速度と、排気弁の現在位置に到達したときのピストンの移動速度とを演算し、上記排気弁の平均移動速度が上記ピストンの移動速度よりも速い場合にのみ上記請求項１又は２記載の制御方法を実行するものである。

請求項４の発明は、上記排気弁の平均移動速度が上記ピストンの移動速度以下である場合、内燃機関の回転速度に基づいて、上記ピストンの移動速度が上記排気弁の平均移動速度と一致する時刻と、その時刻における上記ピストンの位置とを演算し、その演算結果と上記排気弁の平均移動速度に基づいて、上記ピストンの移動速度が上記排気弁の平均移動速度と一致する時刻において上記排気弁と上記ピストンとの間隔が第二所定値となるために必要な排気弁の閉作動開始時刻を決定し、上記排気弁閉作動開始時刻にて上記排気弁の閉作動を開始するものである。

請求項５の発明は、内燃機関の排気弁を開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室と、上記圧力室に高圧作動流体を供給して上記排気弁を開方向に作動するための高圧作動流体供給手段と、上記圧力室から上記作動流体を排出して上記排気弁を閉方向に作動するための作動流体排出手段と、上記高圧作動流体供給手段及び作動流体排出手段を制御する制御装置とを備え、上記制御装置は、上記排気弁を閉弁制御する際に、まず、上記排気弁の現在位置と内燃機関の回転速度とに基づいてピストンが上記排気弁の現在位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動が開始するように上記作動流体排出手段に駆動信号を出力し、内燃機関の回転速度に基づいて、上記排気弁とピストンとの間隔が所定値となる時刻を演算し、その時刻に達したときに上記排気弁の閉作動が一旦停止するように上記作動流体排出手段に対する駆動信号の出力を一時的に停止し、内燃機関の回転速度に基づいて、上記ピストンが上記排気弁の停止位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動が再開するように上記作動流体排出手段に駆動信号を出力するものである。

請求項６の発明は、上記制御装置は、上記排気弁の閉作動の停止及び再開を、上記排気弁とピストンとの間隔が上記所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が所定のオーバラップリフト量以下となるまで繰り返し行い、上記排気弁とピストンとの間隔が上記所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量以下となった場合、上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量と一致したときに上記排気弁の閉作動が一旦停止するように上記作動流体排出手段に対する駆動信号の出力を一時的に停止し、その後、内燃機関のクランク角が所定角度となったときに上記作動流体排出手段に駆動信号を出力して上記排気弁を全閉まで閉じるものである。

請求項７の発明は、上記作動流体排出手段が、上記圧力室からの上記作動流体の排出又は排出停止を切り換えるための作動弁を備え、上記制御装置は、上記排気弁の閉作動を行うときには上記作動弁に駆動信号を出力してそれを開き、上記排気弁の閉作動を一旦停止するときには上記作動弁に対する駆動信号の出力を停止してそれを全閉するものである。

本発明によれば、排気弁の制御マップが不要となり、マップ作成に要する労力をなくすことができるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本実施形態に係る排気弁駆動制御装置を示す。

本実施形態の排気弁駆動制御装置は、コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンに適用したものである。まずコモンレール式燃料噴射装置について説明すると、エンジンの各気筒毎に燃料噴射を実行するインジェクタ１が設けられ、インジェクタ１にはコモンレール２に貯留されたコモンレール圧Ｐｃ（例えば数10〜数100MPa）の高圧燃料が常時供給される。コモンレール２への燃料圧送は高圧ポンプ３によって行われ、燃料タンク４の燃料が燃料フィルタ５を通じてフィードポンプ６によって吸引吐出された後、高圧ポンプ３に送られる。フィードポンプ６のフィード圧Ｐｆは、リリーフ弁からなる圧力調整弁７によって調整され、一定に保たれる。フィード圧Ｐｆは当然コモンレール圧Ｐｃより低い値で、例えば0.5MPa程度である。

図示する装置全体を総括的に制御する制御装置としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）８が設けられ、これにはエンジンの運転状態（エンジンのクランク角、回転速度、エンジン負荷等）を検出するセンサ（図示しないが、クランク角センサ、エンジン回転センサ、アクセル開度センサなどが含まれる）が接続される。ＥＣＵ８はこれらセンサの信号に基づいてエンジン運転状態を把握し、且つこれに基づいた駆動信号をインジェクタ１の電磁ソレノイドに送ってインジェクタ１を開閉制御する。電磁ソレノイドのＯＮ／ＯＦＦに応じて燃料噴射が実行・停止される。噴射停止時にはインジェクタ１から常圧程度の燃料がリターン回路９を通じて燃料タンク４に戻される。ＥＣＵ８はエンジン運転状態に基づいて実際のコモンレール圧を目標圧に向けてフィードバック制御する。このため実際のコモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサ１０が設けられる。

次に、本発明に係る排気弁駆動制御装置について説明する。１１がエンジンの排気弁である。排気弁１１はシリンダヘッド１２に昇降自在に支持され、排気弁１１の上端部は一体のバルブピストン１３となっている。即ち、排気弁１１にバルブピストン１３が一体に連結される。排気弁１１の上部にアクチュエータＡが設けられ、アクチュエータボディ１４がシリンダヘッド１２に固設され、バルブピストン１３はアクチュエータボディ１４内を摺動昇降可能である。なお、本実施形態では排気弁１１とバルブピストン１３とを一体的に形成したが、別体として構成しても構わない。

排気弁１１には鍔部１５が設けられ、鍔部１５とシリンダヘッド１２との間に排気弁１１を閉弁方向（図の上側）に付勢するバルブスプリング１６が圧縮状態で配設される。ここではバルブスプリング１６がコイルスプリングで構成される。アクチュエータボディ１４内に鍔部１５を吸引する磁石１７が埋設され、これによっても排気弁１１が閉弁方向に付勢される。磁石１７はここでは排気弁１１を囲繞するようなリング状の永久磁石である。バルブピストン１３は少なくとも排気弁１１の上端の部分であり、アクチュエータボディ１４に軸シールをなしつつ挿入される。

アクチュエータボディ１４内に、バルブピストン１３の上端面（即ち受圧面４３）に面した圧力室１８が区画形成される。圧力室１８は、排気弁１１を開作動するための加圧された作動流体が供給されるもので、その底面部分が受圧面４３によって区画形成される。ここで作動流体にはエンジンの燃料と共通の軽油を用いる。圧力室１８に高圧燃料が導入されると排気弁１１が開方向（図の下側）に押され、この押圧力がバルブスプリング１６及び磁石１７の付勢力を上回ると排気弁１１が下方に開弁（リフト）する。一方、圧力室１８には排出通路１９が接続され、これを通じて圧力室１８の高圧燃料が排出されると、排気弁１１が閉弁する。

圧力室１８の上方に、圧力室１８への高圧燃料の供給又は供給停止を切り換えるための第一の作動弁２０が設けられる。第一の作動弁２０はここでは圧力バランス式制御弁方式を採用している。

即ち、第一の作動弁２０は、排気弁１１と同軸に配されたニードル状のバランス弁２１を有する。バランス弁２１の上端部に軸シール部４０が形成され、軸シール部４０の下方に供給通路２２が、軸シール部４０の上方に弁制御室２３がそれぞれ区画形成されている。バランス弁２１の上端面は弁制御室２３内の燃料圧力が作用される受圧面となっている。これら供給通路２２と弁制御室２３とは、アクチュエータボディ１４内に形成された分岐通路４２と、外部の配管とを介して、高圧作動流体供給源としてのコモンレール２に接続され、コモンレール圧Ｐｃの高圧燃料が常時供給されている。これら第一の作動弁２０とコモンレール２等により高圧作動流体供給手段が構成される。

供給通路２２は、バランス弁２１の下部側に面して圧力室１８に連通されると共に、その途中にバランス弁２１の下端円錐面が線接触或いは面接触される弁シート２４を有する。弁シート２４の下流側に供給通路２２の出口４１（即ち圧力室１８への高圧燃料の入口）が設けられる。この出口４１は、排気弁１１と同軸に位置されると共に、バルブピストン１３の受圧面４３に指向され、出口４１から排出或いは噴出される高圧燃料を圧力室１８に導入するようになっている。また出口４１は排気弁１１又はバルブピストン１３の移動方向又は軸方向と同方向に指向され、受圧面４３はその軸方向に垂直な円形の面である。

弁制御室２３には、バランス弁２１を閉弁方向（図の下側）に付勢するバネ２５が設けられる。バネ２５はコイルスプリングからなり、圧縮状態で弁制御室２３に挿入配置される。また弁制御室２３は、燃料の出口であるオリフィス２６を介してリターン回路９に連通される。オリフィス２６の上方にはこれを開閉する開閉弁としてのアーマチュア２７が昇降可能に設けられ、アーマチュア２７の上方にこれを昇降（開閉）駆動するための電気アクチュエータとしての電磁ソレノイド２８と、アーマチュアスプリング２９とが設けられる。電磁ソレノイド２８はＥＣＵ８に接続され、ＥＣＵ８から与えられる信号即ちコマンドパルスによりＯＮ／ＯＦＦ制御される。

通常、電磁ソレノイド２８がＯＦＦのときは、アーマチュアスプリング２９によりアーマチュア２７が下方に押し付けられ、オリフィス２６が閉じられる。一方、電磁ソレノイド２８がＯＮされると、アーマチュアスプリング２９の付勢力に抗じてアーマチュア２７が上昇され、オリフィス２６が開かれる。

圧力室１８には、アクチュエータボディ１４内に形成された低圧通路３１を介して、所定容積を有した低圧作動流体供給源としての低圧室３２が直接的に連通接続されている。低圧室３２は、圧力調整弁７の下流側且つ高圧ポンプ３の上流側のフィード回路３３に接続され、フィード回路３３からフィード圧Ｐｆの低圧燃料を常時導入、貯留している。低圧通路３１には、圧力室１８の圧力が低圧室３２の圧力以下となったときのみ開となる第二の作動弁としての機械式逆止弁３４が設けられる。これら低圧室３２と第二の作動弁３４等により低圧作動流体導入手段が構成される。

一方、排出通路１９には、圧力室１８からの燃料の排出又は排出停止を切り換えるための第三の作動弁３０が設けられる。第三の作動弁３０はＥＣＵ８に接続されると共に開度が可変な電磁絞り弁であり、ＥＣＵ８から与えられる駆動信号即ちコマンドパルスにより開閉制御される。ここで排出通路１９の出口側は、低圧室３２と同じように、圧力調整弁７の下流側且つ高圧ポンプ３の上流側のフィード回路３３に接続される。これら排出通路１９及び第三の作動弁３０等により作動流体排出手段が構成される。

圧力室１８は、主にアクチュエータボディ１４内に形成された断面円形且つ一定径のピストン挿入孔４４からなり、このピストン挿入孔４４にバルブピストン１３が摺動可能に挿入される。そして排気弁１１が全閉から全開になるまでの間、バルブピストン１３がピストン挿入孔４４から外れる（抜ける）ことはなく、バルブピストン１３は常にピストン挿入孔４４の内面に接している。言い換えれば、排気弁１１が全閉から全開になるまでの間、バルブピストン１３の移動量に対する圧力室１８の容積の増大量の比は一定に保たれる。

係る排気弁駆動制御装置で排気弁１１を開弁する場合、ＥＣＵ８により電磁ソレノイド２８が所定期間ＯＮされる。すると第一の作動弁２０において、アーマチュア２７が上昇してオリフィス２６が開き、弁制御室２３の高圧燃料が排出され、バランス弁２１が上昇し、バランス弁２１が弁シート２４から離れる。これにより供給通路２２が開の状態となり、供給通路２２の出口４１から圧力室１８に高圧燃料が瞬時に勢いよく噴出される。この高圧燃料によりバルブピストン１３の受圧面４３が押圧され、これにより排気弁１１には初期エネルギが与えられ、その後、排気弁１１は、バルブスプリング１６及び磁石１７による力が作用する条件下で慣性運動し、下方にリフトされる。

この排気弁１１の慣性運動の過程で圧力室１８の容積が次第に増加するが、排気弁１１の運動が数10〜数100MPaもの高圧燃料による慣性運動であることに起因して、高圧燃料供給量に応じた理論上の圧力室１８の容積増大量よりも、実際の圧力室１８の容積増大量が大きくなり、圧力室１８の圧力が低圧室３２の圧力より低くなる。こうなると、逆止弁３４が自動的に開き、低圧室３２の低圧燃料が低圧通路３１を通じて圧力室１８に直接導入される。つまり低圧室３２には圧力室１８の過剰な容積増加分を補うように燃料が補給される。これにより実際の高圧燃料供給量を越えて圧力室１８により多くの燃料が供給されるので、圧力室１８が負圧になることを回避し、バルブリフト動作を安定化させると共に、バルブリフト量を、高圧燃料供給により与えられた初期エネルギに応じたリフト量に保持することができる。

次に、排気弁１１を閉作動させるときは、第一の作動弁２０を閉（電磁ソレノイド２８をＯＦＦ）に保持すると共に、第三の作動弁３０をＯＮ（開）する。すると圧力室１８の高圧燃料が排出通路１９を通じてフィード回路３３へと排出される。これにより圧力室１８の圧力が下がり、排気弁１１がバルブスプリング１６及び磁石１７の付勢力により上昇即ち閉作動される。

排気弁１１の閉作動中に第三の作動弁３０をＯＦＦ（全閉）すると、圧力室１８の高圧燃料の排出が停止されるため、排気弁１１がそのときのリフト量（位置）に保持される。つまり、排気弁１１の閉作動中に第三の作動弁３０を全閉することで、排気弁１１の閉作動を一旦停止できる。

さて、本実施形態の排気弁駆動制御装置の特徴は、排気弁１１の閉弁動作を簡易モデル化し、その簡易モデルに基づいて排気弁１１を閉弁制御する点にあるので、以下、この点について説明する。

まず、図１に示したような排気弁駆動制御装置において、排気弁１１の任意のリフト量ｘにおいて排気弁１１に作用する閉弁方向（上方向）への力Ｆは次式１で求められる。

ここで、Ｋはスプリング１４のバネ定数、Ｆｓｅｔはスプリング１４のセットフォース、Ｆotherはスプリング１４以外の外力（本実施例では永久磁石１７による吸引力）である。力Ｆとリフト量ｘとの関係を図２にラインａで示す。

次に、排気弁１１の任意のリフト量ＡにおけるエネルギＥはリフト量の関数ｆ（ｘ）となり、次式２で求められる。

エネルギＥとリフト量ｘとの関係を図２にラインｂで示す。

ここで、エネルギＥは力（Ｎ）×長さ（ｍ）の積算値であるので、エネルギ（Ｊ）の次元を持つ。従って、現在のリフト量Ｘから任意の目標リフト量Ｙまで排気弁１１を閉弁する際に開放されるエネルギＥ_{ｒｅｌｅａｓｅ}（図２参照）は次式３で求められる。

この開放されるエネルギＥ_releaseが全て排気弁１１の閉弁速度（移動速度）に変換され、かつそれが排気弁１１の平均移動速度であると考えると、排気弁１１の平均移動速度Ｖ_aveと、排気弁１１がリフト量Ｘからリフト量Ｙまで移動するのに要する期間（戻り時間）Ｔ_cYはそれぞれ次式４、５から求められる。

ここで、ｍは可動部重量である。

本出願人は、この式５に基づいて、排気弁１１の任意のリフト量（位置）から全閉位置（リフト量ゼロ）までの推定戻り時間を算出し、詳細な油圧シミュレーションにより得られた戻り時間との比較を行った。その結果を図３に示す。図のラインｃが式５に基づいて算出した推定戻り時間であり、丸ポイントｄで示すものがシミュレーションにより得られた戻り時間である。

図から分かるように、式５に基づいて算出した結果ｃと、シミュレーション結果ｄとには開きがある。この開きをなくすためには、次式６に示すような補正を行う必要がある。

ここで、Ｃ_gain、Ｃ_offset共に補正係数である。

実際の閉弁動作においては、各摺動部のフリクションが存在するため、上述した開放エネルギＥ_release 全てが移動速度には変換されない。この摩擦減衰分を補正するのが補正係数Ｃ_gainである。また、第三の作動弁３０を開とする駆動信号（コマンドパルス）をＥＣＵ８が出力してから、圧力室１８の圧力が低下して排気弁１１が実際に閉作動（上昇）を開始するまでには時間遅れ（作動遅れ）が存在する。この作動遅れ分を補正するのが補正係数Ｃ_offsetである。

補正後の式６に基づいて求めた排気弁１１の戻り時間を図３にラインｃ’で示す。なお、この例では、補正係数Ｃ_gainが２．１５、Ｃ_offsetが０．５である。図から分かるように、補正後の式６に基づく演算結果は、詳細なシミュレーション結果ｄとほぼ同じ値をとることが分かる。従って、式６を用いれば排気弁１１の任意位置から任意位置までの戻り時間を求めることができる。

また、次式７

に基づけば、排気弁１１の平均移動速度が求められる。

このように、式６及び式７を用いれば、排気弁１１が任意のリフト量（位置）Ｘから任意のリフト量Ｙまで移動（閉弁）するのに要する時間Ｔ’_cY、及びその間の平均移動速度Ｖ’_aveを求めることができる。

以上の点をふまえて、本実施形態の排気弁駆動制御装置による排気弁１１の閉弁制御方法を、図４〜図６を用いて説明する。なお、図４及び図５において縦軸の下端が全閉状態であるときの排気弁の位置（リフト量ゼロ）を示しており、そこから上に向かう程、排気弁のリフト量（開度）が大きく、ピストン（エンジンのピストンであり図１には示されていない）の位置が低くなることを意味する。つまり、これら図では排気弁及びピストンの位置関係及び移動方向が実際と上下逆に描かれている。

排気弁１１を閉弁制御するにあたって、ＥＣＵ８はまず、排気弁１１を全閉まで閉じたとしたときの平均移動速度と、ピストンが排気弁１１の現在位置（全開位置）に到達したときのピストンの移動速度とを求め、両者の比較を行う。排気弁１１の平均移動速度がピストン移動速度よりも速い場合と、ピストン移動速度以下である場合とで閉弁制御内容が大きく異なるからである。

排気弁１１の閉弁制御を開始するときは、排気弁１１のリフト量は最大リフト量Ｘ₀であり、その値Ｘ₀は予めＥＣＵ８に入力されている。ＥＣＵ８はこの最大リフト量Ｘ₀と上記式７とを用いて、現在のリフト量Ｘ₀から全閉位置Ｙ（リフト量ゼロ）まで閉じたときの排気弁１１の平均移動速度Ｖ’_aveを求める。

一方、ＥＣＵ８は、ＥＣＵ８に予め入力されたコンロッド長さｌと、ピストンストローク２ｒとに基づいて、次式８

から、ピストンの上端部（トップランド）が排気弁１１の現在位置Ｘ₀に到達するときのクランク角Ａ_c0を求める。

ここで、エンジン回転センサにより検出されるエンジン回転速度をＮｅとした場合、任意のクランク角θｔにおけるピストンの移動速度Ｖ_piston（上昇速度）は次式９より求められる。

従って、式９のクランク角θｔに上記式８より求めたクランク角Ａ_c0を代入すれば、排気弁１１の現在位置Ｘ₀に到達したときのピストンの移動速度Ｖ_pistonが求められる。

ＥＣＵ８は、このようにして求めた排気弁１１の平均移動速度Ｖ’_aveとピストン移動速度Ｖ_pistonとを比較して、二種類の閉弁制御を使い分ける。

まず、排気弁１１の平均移動速度Ｖ’_aveがピストンの移動速度Ｖ_pistonよりも速い場合の制御内容を図４及び図６を用いて説明する。

ＥＣＵ８はまず、ピストンの上端部が排気弁１１の現在位置Ｘ₀に到達するときのクランク角Ａ_c0と、クランク角センサにより検出される現在のクランク角Ａ_ccと、エンジン回転センサにより検出される現在のエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて、次式１０

から、ピストンの上端部が排気弁１１の現在位置Ｘ₀に到達する時刻Ｔ₀を求める。

そして、ＥＣＵ８はその到達時刻Ｔ₀よりも前に排気弁１１の閉作動を開始すべく、時刻Ｔ₀から、ピストンと排気弁１１との接触防止に対する安全率と排気弁１１の作動遅れとを考慮したオフセット期間Ｔ_offsetだけ遡った時刻Ｔ１_onを排気弁１１の閉弁信号出力時期として設定する。つまり、この時刻Ｔ１_onにて第三の作動弁３０をＯＮ（開）する。この結果、時刻Ｔ１_onから作動遅れ期間を経た後（時刻Ｔ₀より前）に排気弁１１が閉作動（上方への移動）を開始する。

一方、ＥＣＵ８は排気弁１１の閉作動開始時刻と上記式６とに基づいて、任意時刻における排気弁１１の位置を求める。つまり、式６に式４及び式５を代入し、現在位置Ｘを最大リフト量Ｘ₀とすると、次式１１

が得られる。この式１１は排気弁１１の位置Ｙと、その位置に到達するのに要する期間Ｔ’_ｃｙとの関数なので、式１１と排気弁１１の閉作動開始時刻（時刻Ｔ１_ｏｎから作動遅れ期間だけ後退させた時刻）とに基づいて、任意時刻ｔにおける排気弁１１の位置を求めることができる。任意時刻ｔにおける排気弁１１の位置を図４にラインｅで示す。なお、排気弁１１のリフト量に対するエネルギＥ _{ｒｅｌｅａｓｅ}及び可動部質量ｍは予めＥＣＵ８に入力される。

更にＥＣＵ８は、エンジン回転センサにより検出される現在のエンジン回転速度Ｎｅと、クランク角センサにより検出される現在のクランク角Ａ_ccとに基づいて、次式１２

から、任意時刻ｔにおけるクランク角θｔを求め、更に、そのθｔと、コンロッド長さｌ、ピストンストローク２ｒとに基づいて、次式１３

より任意時刻ｔにおけるピストン位置Ｘ_ptを求める。任意時刻ｔにおけるピストン位置を図４にラインｆで示す。

ＥＣＵ８は、このようにして求めた任意時刻ｔにおける排気弁位置ｅとピストン位置ｆとに基づいて、排気弁１１とピストンとの間隔が予め定めた第一所定値ｈｃ１（クリアランス目標値）となる時刻Ｔ₁と、その時刻Ｔ₁における排気弁１１の位置Ｘ₁とを求める。第一所定値ｈｃ１は、排気ガスの掃気性や安全性等を考慮して予め設定され、ＥＣＵ８に入力される。

そして、ＥＣＵ８は時刻Ｔ₁で排気弁１１の閉作動を一旦停止すべく、時刻Ｔ₁から排気弁１１の作動遅れを考慮したオフセット期間Ｔ’_offsetだけ遡った時刻Ｔ１_offを排気弁１１の閉弁信号出力停止時期として設定する。つまり、この時刻Ｔ１_offにて第三の作動弁３０を一旦ＯＦＦ（全閉）する。この結果、排気弁１１の閉作動が時刻Ｔ₁で一旦停止され、排気弁はその位置Ｘ₁に維持される。

またＥＣＵ８は、上記式１３（図４のラインｆ）に基づいて、ピストンの上端部が排気弁１１の停止位置（現在位置）Ｘ₁に到達する時刻Ｔ₂を求め、その時刻Ｔ₂から上記オフセット期間Ｔ_offsetだけ遡った時刻Ｔ２_onを排気弁１１の閉弁信号出力再開時期として設定する。つまり、この時刻Ｔ２_onにて第三の作動弁３０を再度ＯＮ（全開）する。従って、ピストンの上端部が排気弁１１の停止位置Ｘ₁に到達する時刻Ｔ₂よりも前に、排気弁１１の閉作動が再開する。

その後再び、上記と同様の方法により排気弁１１とピストンとの間隔が第一所定値ｈｃ１となる時刻Ｔ₃と、その時刻Ｔ₃における排気弁１１の位置Ｘ₂とを求め、時刻Ｔ₃で排気弁１１の閉作動を一旦停止する。そして、ピストンが排気弁１１の停止位置Ｘ₂に到達するよりも前に、排気弁１１の閉作動を再開する。

このように、ＥＣＵ８はピストンの移動速度に合わせて排気弁１１を段階的に閉じていく。

そして、排気弁１１とピストンとの間隔が第一所定値ｈｃ１となる時刻における排気弁１１のリフト量が、予め定めたオーバーラップリフト量Ｘ_overlap以下となったならば、上記排気弁１１のリフト量がオーバーラップリフト量Ｘ_overlapと一致する時刻Ｔ₄を求め、その時刻Ｔ₄から上記オフセット期間Ｔ’_offsetだけ遡った時刻Ｔ３_offを排気弁１１の閉弁信号出力停止時期として設定する。言い換えれば、上記第一所定値ｈｃ１を、排気弁１１のリフト量がオーバーラップリフト量Ｘ_overlapと一致する時刻Ｔ₄における排気弁１１とピストンとの間隔ｈｃ１’に変更する。

これにより、排気弁１１のリフト量がオーバーラップリフト量Ｘ_overlapと一致した時点でその閉作動が停止する。その後、図示しない吸気弁が開放され、クランク角が所定角度となったときに、ＥＣＵ８は第三の作動弁３０をＯＮ（開）し排気弁１１を全閉位置まで閉じる。

以上により排気弁１１の閉弁制御が終了する。このように、ピストンの移動速度に合わせて排気弁１１を段階的に閉じることで、ピストンと排気弁１１との接触を避けつつ、排気口の開口面積を充分に確保して掃気効率を向上させることができる。

なお、図４では、排気弁１１を４段階に分けて閉じる例を示したが、閉作動の繰り返し回数はピストンの移動速度（つまりエンジンの回転速度）や第一所定値ｈｃ１の値などにより変化するものである。

次に、排気弁１１の平均移動速度Ｖ’_aveがピストンの移動速度Ｖ_piston以下である場合の制御内容を図５及び図６を用いて説明する。

ＥＣＵ８はまず、上記式９等に基づいて、ピストンの移動速度Ｖ_pistonが排気弁１１の平均移動速度Ｖ’_aveと等しくなる時刻Ｔａを求める。

次に、上記式１３に基づいて、時刻Ｔａにおけるピストン位置Ｘａを求め、そのピストン位置Ｘａから予め定めた第２所定値ｈｃ２（クリアランス目標値）を除した値Ｘｖａ（図５ではリフト量ゼロ）を時刻Ｔａにおける排気弁１１のリフト量の目標値として設定する。

次にＥＣＵ８は、時刻Ｔａにおいて排気弁１１のリフト量が上記Ｘｖａとなるため、即ち、時刻Ｔａにおける排気弁１１とピストンとの間隔が第二所定値ｈｃ２となるために必要な排気弁閉作動開始時期を決定する。つまり、排気弁１１が現在のリフト量Ｘ₀（全開位置）から目標リフト量Ｘｖａまで閉弁するのに要する期間Ｔｂを上記式１１より求め、上記時刻Ｔａからその戻り期間Ｔｂと作動遅れ等を考慮したオフセット期間Ｔ_offsetだけ遡った時刻Ｔ１_onを排気弁１１の閉弁信号出力時期として設定する。つまり、この時刻Ｔ１_onにて第三の作動弁３０をＯＮ（開）する。これにより、時刻Ｔ１_onから作動遅れ期間を経た時刻にて排気弁１１の閉作動が開始する。この場合、ＥＣＵ８は排気弁１１が全閉状態となるまで、第三の作動弁３０を開に維持する。即ち、排気弁１１を全開から全閉まで連続的に（一回で）閉じる。

以上説明してきたように、本実施形態の排気弁駆動制御装置及び方法によれば、排気弁１１の閉弁動作を簡易モデル化し、そのモデルに従って、排気弁１１を閉弁制御しているので、制御マップが不要となり、マップ作成労力をなくすことができる。

本発明は上記実施形態に限定はされない。

例えば、上記実施形態では、排気弁１１の位置（リフト量）を演算により求めるとしたが、排気弁１１の位置を検出する手段を設けて直接検出するようにしても良い。

また、図１の排気弁駆動制御装置は一例として示したものであり、本発明は排気弁１１の閉作動を任意の時刻で開始でき、かつ排気弁１１を任意のリフト量で維持できるものであれば、あらゆる構造の排気弁駆動制御装置に応用できる。

例えば、上記実施形態では作動流体をエンジンの燃料（軽油）とし、高圧作動流体をコモンレール圧の燃料、低圧作動流体をフィード圧の燃料としたが、作動流体は通常のオイル等でもよく、別途油圧装置で高圧と低圧とを作ってもよい。

また、上記実施形態ではバルブを閉作動方向に付勢するためバルブスプリングと磁石とを併用したが、バルブスプリングのみ、或いは磁石のみと各々単独で用いても良い。更に、上記実施形態では磁石で鍔部を吸引する構成としたが、別段このような構成でなくても構わない。

また、上記実施形態ではコモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンに適用した例を示したが、通常の噴射ポンプ式ディーゼルエンジンや、ガソリンエンジン等にも適用可能である。

第一の作動弁は上記のような圧力バランス式制御弁に限らず、通常のスプール弁等であってもよい。第三の作動弁も上記のような絞り弁に限らず、通常のスプール弁等であってもよい。また、上記実施形態における圧力バランス式の第一の作動弁において、電気アクチュエータとして電磁ソレノイドの代わりにピエゾ素子又は超磁歪素子等を用いることも可能である。

本発明の一実施形態に係る排気弁駆動制御装置の断面図である。排気弁のリフト量と、排気弁に作用する力及びエネルギとの関係を示すグラフである。排気弁のリフト量と全閉までに要する戻り時間との関係を示すグラフである。排気弁の平均移動速度がピストンの移動速度よりも速い場合の閉弁制御内容を説明するための図である。排気弁の平均移動速度がピストンの移動速度以下である場合の閉弁制御内容を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る排気弁駆動制御装置による閉弁制御内容を示す制御フロー図である。本出願人が提案した排気弁の閉弁制御を示す図であり、（ａ）はピストンの移動速度が排気弁の移動速度よりも遅いときを、（ｂ）はピストンの移動速度が排気弁の移動速度を上回るときを示している。

符号の説明

１インジェクタ
２コモンレール
８制御装置（ＥＣＵ）
１１排気弁
１８圧力室
１９排出通路
２０第一の作動弁
２１バランス弁
２２供給通路
２３弁制御室
２７アーマチュア
３０第三の作動弁
３２低圧室
３４第二の作動弁（逆止弁）

Claims

内燃機関の排気弁を閉弁制御する方法であって、
まず、上記排気弁の現在位置と内燃機関の回転速度とを求め、それらに基づいてピストンが上記排気弁の現在位置に到達する時刻を演算し、
その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動を開始し、
内燃機関の回転速度に基づいて、上記排気弁とピストンとの間隔が第一所定値となる時刻を演算し、その時刻に達したときに上記排気弁の閉作動を一旦停止し、
内燃機関の回転速度に基づいて、上記ピストンが上記排気弁の停止位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に排気弁の閉作動を再開する
ことを特徴とする排気弁駆動制御方法。
上記排気弁の閉作動の停止及び再開を、上記排気弁とピストンとの間隔が上記第一所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が所定のオーバラップリフト量以下となるまで繰り返し行い、
上記排気弁とピストンとの間隔が上記第一所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量以下となった場合、上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量と一致したときにその閉作動を一旦停止し、その後、内燃機関のクランク角が所定角度となったときに上記排気弁を全閉まで閉じる
請求項１記載の排気弁駆動制御方法。
上記排気弁を現在位置から全閉位置まで移動させたとしたときの平均移動速度と、排気弁の現在位置に到達したときのピストンの移動速度とを演算し、上記排気弁の平均移動速度が上記ピストンの移動速度よりも速い場合にのみ上記請求項１又は２記載の制御方法を実行する排気弁駆動制御方法。
上記排気弁の平均移動速度が、排気弁の現在位置に到達したときのピストンの移動速度以下である場合、
内燃機関の回転速度に基づいて、ピストンの移動速度が上記排気弁の平均移動速度と一致する時刻と、その時刻における上記ピストンの位置とを演算し、
その演算結果と上記排気弁の平均移動速度に基づいて、上記ピストンの移動速度が上記排気弁の平均移動速度と一致する時刻において上記排気弁と上記ピストンとの間隔が第二所定値となるために必要な排気弁の閉作動開始時刻を決定し、上記排気弁閉作動開始時刻にて上記排気弁の閉作動を開始する
請求項３記載の排気弁駆動制御方法。
内燃機関の排気弁を開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室と、上記圧力室に高圧作動流体を供給して上記排気弁を開方向に作動するための高圧作動流体供給手段と、上記圧力室から上記作動流体を排出して上記排気弁を閉方向に作動するための作動流体排出手段と、上記高圧作動流体供給手段及び作動流体排出手段を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、
上記排気弁を閉弁制御する際に、
まず、上記排気弁の現在位置と内燃機関の回転速度とに基づいてピストンが上記排気弁の現在位置に到達する時刻を演算し、
その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動が開始するように上記作動流体排出手段に駆動信号を出力し、
内燃機関の回転速度に基づいて、上記排気弁とピストンとの間隔が所定値となる時刻を演算し、その時刻に達したときに上記排気弁の閉作動が一旦停止するように上記作動流体排出手段に対する駆動信号の出力を一時的に停止し、
内燃機関の回転速度に基づいて、上記ピストンが上記排気弁の停止位置に到達する時刻を演算し、その到達時刻よりも前に上記排気弁の閉作動が再開するように上記作動流体排出手段に駆動信号を出力する
ことを特徴とする排気弁駆動制御装置。
上記制御装置は、上記排気弁の閉作動の停止及び再開を、上記排気弁とピストンとの間隔が上記所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が所定のオーバラップリフト量以下となるまで繰り返し行い、
上記排気弁とピストンとの間隔が上記所定値となる時刻における上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量以下となった場合、上記排気弁のリフト量が上記オーバラップリフト量と一致したときに上記排気弁の閉作動が一旦停止するように上記作動流体排出手段に対する駆動信号の出力を一時的に停止し、その後、内燃機関のクランク角が所定角度となったときに上記作動流体排出手段に駆動信号を出力して上記排気弁を全閉まで閉じる
請求項５記載の排気弁駆動制御装置。
上記作動流体排出手段が、上記圧力室からの上記作動流体の排出又は排出停止を切り換えるための作動弁を備え、
上記制御装置は、上記排気弁の閉作動を行うときには上記作動弁に駆動信号を出力してそれを開き、上記排気弁の閉作動を一旦停止するときには上記作動弁に対する駆動信号の出力を停止してそれを全閉する
請求項５又は６記載の排気弁駆動制御装置。