JP3763492B2 - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弁体が電磁的に駆動される、内燃機関の動弁装置に関し、特に機関弁の脱調検出機能を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の機関弁、すなわち吸気弁及び／又は排気弁を電磁石を用いて駆動するようにした電磁駆動型の動弁装置は従来より知られている。このような動弁装置において、機関弁が電磁石へ供給される駆動信号に対応して正常に作動しない、いわゆる脱調を検出する手法として、電磁石の駆動電流を検出し、駆動電流供給開始直後の所定期間内に駆動電流の減少が生じなかったとき、脱調と判定するものが知られている（特公平５−５７４０３号公報）。
【０００３】
また、電磁石の駆動コイルとは別に弁体の変位検出用のコイルを設け、この検出用コイルの自己インダクタンスに基づいて、弁体の変位量を検出するようにした電磁駆動型の動弁装置も提案されている（特開平７−２２４６２４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平５−５７４０３号公報に示された手法では、電磁石への駆動電流の供給開始直後においては脱調を検出できるが、その後の保持電流供給中に脱調が発生しても、検出できないという問題がある。
【０００５】
また特開平７−２２４６２４号公報に示された装置では、変位検出用コイルの自己インダクタンスの変化を正確に検出する必要があり、そのためには変位検出用コイルの巻き数を多くしなければならない。したがって、変位検出用コイルのためのスペースが広くなるため、スペースに余裕のない内燃機関の動弁装置には適さないという問題があった。
【０００６】
本発明は上述した点に鑑みなされたものであり、比較的簡単な構成で、機関弁の脱調検出を迅速に行うことができる内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの機関弁と、該機関弁に固定されたアーマチャ部材と、該アーマチャ部材に力を作用させて前記機関弁を開閉駆動する電磁石手段と、該電磁石手段に駆動信号を供給する駆動回路と、前記アーマチャ部材を所定の中立位置に保持する弾性手段とを備える内燃機関の動弁装置において、前記アーマチャ部材と駆動電流通電中の前記電磁石手段とを含む磁気回路内の磁束を表す磁束パラメータの値を検出する磁束パラメータ検出手段と、前記電磁石手段への駆動電流供給中における、前記磁束パラメータの値と所定値との大小関係に基づいて前記機関弁の脱調を判断する脱調判断手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の動弁装置において、前記所定値は、前記電磁石手段の保持電流による磁束より小さい磁束に対応する値であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の動弁装置において、前記脱調判断手段は、前記大小関係が少なくとも２回反転したとき、前記機関弁の脱調と判断することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の動弁装置において、前記脱調判断手段は、前記電磁石手段へ駆動電流の供給を開始した時点から所定時間経過後の時点で前記大小関係が前記駆動電流供給開始時と同一であるとき、前記機関弁の脱調と判断することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の動弁装置において、前記磁束パラメータ検出手段は、前記磁気回路内に設けたコイルの両端に発生する電圧に基づいて前記磁束パラメータ値を検出することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、アーマチャ部材と駆動電流通電中の前記電磁石手段とを含む磁気回路内の磁束を表す磁束パラメータの値が検出され、前記電磁石手段への駆動電流供給中における、磁束パラメータの値と所定値との大小関係に基づいて機関弁の脱調が判断される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は本発明の実施の一形態にかかる内燃機関の動弁装置の要部の構成を示す図である。同図において機関弁１は、アーマチャ３が固定された弁体６と、これを駆動する弁駆動部とからなり、弁駆動部は、対向する２つの電磁石、すなわち弁体６を閉弁方向に付勢する閉じ側電磁石８及び弁体６を開弁方向に付勢する開き側電磁石９と、スプリング５とを主たる構成要素とする。閉じ側電磁石８は、コイル４ａ及び磁性体（ヨーク）２ａからなり、開き側電磁石９は、コイル４ｂ及び磁性体２ｂからなる。スプリング５は、アーマチャ３が中立位置（図示の位置）にあるとき、弁体６に対する付勢力がゼロとなり、中立位置より上に位置するときは弁体６を開弁方向に付勢し、中立位置より下に位置するときは弁体６を閉弁方向に付勢するように構成されている。
【００１５】
機関弁１は、例えば内燃機関の燃焼室の吸気口又は排気口を開閉すべく、燃焼室上部に装着される。
【００１６】
上記構成によれば、閉じ側電磁石８又は開き側電磁石９に通電することにより、弁体６が、吸気口又は排気口を閉塞する全閉位置と弁体６のリフト量が最大となる全開位置との間を移動する。
【００１７】
閉じ側電磁石８のコイル４ａ及び開き側電磁石９のコイル４ｂは、それぞれドライバ回路１１ａ及び１１ｂに接続されており、これらの回路から駆動電流が供給される。
【００１８】
ドライバ回路１１ａは、ゲートドライブ回路２１、２２、トランジスタ２３、２４、電流検出回路２５、定電流制御回路２６及びダイオード２７を主たる構成要素とし、ゲートドライブ回路２１、２２は、制御部１３に接続されている。ゲートドライブ回路２１及び２２は、制御部１３からの制御信号に応じて、それぞれトランジスタ２３及び２４のゲート電圧を制御し、コイル４ａへの電流供給を制御する。
【００１９】
トランジスタ２３のソース及びドレインは、それぞれ電源ライン及びコイル４ａの一端に接続され、コイル４ａの他端は電流検出回路２５を介してトランジスタ２４のドレインに接続されている。トランジスタ２４のソースは接地されている。この構成によれば、トランジスタ２３及び２４がともにオン状態のとき、電源→トランジスタ２３→コイル４ａ→電流検出回路２５→トランジスタ２４→アースという経路で駆動電流がコイル４ａに供給される。
【００２０】
定電流制御回路２６は、電流検出回路２５から入力される駆動電流の大きさを示す信号に応じて、弁体６を全閉状態に保持するときの電流値が一定となるように、ゲートドライブ回路２１を介してトランジスタ２３のゲート電圧を制御する。なお、ダイオード２７は、過大な逆起電力の発生を防止するために設けられている。
【００２１】
ドライバ回路１１ｂは、ドライバ回路１１ａと同様に構成されており、開き側電磁石９のコイル４ｂに供給する駆動電流が制御部１３の制御信号に従って制御される。
【００２２】
電磁石８のコイル４ａの外側には、コイル４ａと同心状に巻回された脱調検出用コイル７ａが設けられており、このコイル７ａは、脱調検出回路１２に接続されている。コイル７ａは、磁性材２ａ及びアーマチャ３によって構成される磁気回路内の磁束の変化率に比例する電圧を発生させる。電磁石９のコイル４ｂの外側にも同様に、コイル４ｂと同心状に巻回された脱調検出用コイル７ｂが設けられており、このコイル７ｂは、脱調検出回路１２に接続されている。コイル７ｂは、磁性材２ｂ及びアーマチャ３によって構成される磁気回路内の磁束の変化率に比例する電圧を発生させる。
【００２３】
脱調検出回路１２は、コイル７ａ，７ｂにより検出される電圧に基づいて後述するように、機関弁１の脱調検出を行い、検出結果を制御部１３に入力する。 制御部１３は、内燃機関の運転状態に応じて機関弁１の開閉制御を行うとともに、内燃機関に供給する燃料量及び点火プラグの点火時期の制御など行う。また機関弁１の脱調が検出されたときは、機関への燃料供給及び点火プラグによる点火を停止するとともに、脱調が検出されていない他の機関弁を休止させ、さらに脱調が検出された機関弁の復帰処理を行う。
【００２４】
図２は、脱調検出回路１２の要部の構成を示す図である。なお、同図には、検出コイル７ａに接続される回路のみ示しているが、検出コイル７ｂに接続される回路もこれと同一である。
【００２５】
検出コイル７ａの一端は、抵抗Ｒ１を介して演算増幅器３１の反転入力に接続され、検出コイル７ａの他端は、直接演算増幅器３１の非反転入力に接続されている。演算増幅器３１の出力と非反転入力及び反転入力との間にはそれぞれ抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１が接続されている。演算増幅器３１、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びコンデンサＣ１は、積分回路を構成しており、これにより磁束検出部が構成される。磁束検出部は、コイル７ａの両端の電圧ＶＣＯＩＬを積分し、磁性材２ａ及びアーマチャ３を含む磁気回路内の磁束に比例する磁束電圧Ｖφを出力する。なお、この回路では、磁束電圧Ｖφの極性は、コイル電圧ＶＣＯＩＬに対して反転している。
【００２６】
すなわち、コイル電圧ＶＣＯＩＬ＝−Ｎ（ｄφ／ｄｔ）（Ｎは、検出コイルの巻き数、φは、磁気回路内の磁束）であるので、これを積分することにより、磁束φに比例する磁束電圧Ｖφが得られる。
【００２７】
磁束電圧Ｖφは、脱調検出部を構成する比較器３２の非反転入力に入力され、比較器３２の反転入力には基準電圧ＶＲＥＦが入力されている。比較器３２は、Ｖφ＞ＶＲＥＦのとき高レベル、Ｖφ＜ＶＲＥＦのとき低レベルである第１検出信号ＶＤＥＴ１を、脱調検出タイミング調整部に入力する。
【００２８】
脱調検出タイミング調整部は、Ｄフリップフロップ回路３３及びＡＮＤ（論理積）回路３４からなり、第１検出信号ＶＤＥＴ１は、Ｄフリップフロップ回路３３のクロック入力ＣＫ及びＡＮＤ回路３４の一方の入力に供給される。Ｄフリップフロップ回路３３のＱバー出力はＤ入力に接続され、Ｑ出力はＡＮＤ回路３４の他方の入力に接続されている。Ｄフリップフロップ回路３３のクリア入力ＣＬには、コイル７ａの通電中低レベルであり、通電終了時に高レベルとなる通電信号が入力される。ＡＮＤ回路３４の出力が、第２検出信号、すなわち脱調検出信号ＶＤＥＴ２として、制御部１３に入力される。
【００２９】
次に図１及び２に示す装置の動作を説明する。
【００３０】
図３は、（ａ）に機関弁１を開弁作動させたとき（正常動作時）の弁体６のリフト量ＬＩＦＴ（全閉位置にあるとき、ＬＩＦＴ＝０とする）、（ｂ）に開弁側電磁石９のコイル４ｂに流れるコイル電流ＩＣＯＩＬ、（ｃ）にコイル７ｂの両端の電圧ＶＣＯＩＬ、（ｄ）に磁束検出部から出力される磁束電圧Ｖφの推移を示す図である。この図から明らかなように、コイルへの通電開始当初は比較的大きな電流が供給され、機関弁１の全開状態が安定すると、電流値が減少され、比較的小さな保持電流が供給される。
【００３１】
図４は、脱調検出回路１２の動作を説明するための図であり、同図の実線、破線及び一点鎖線は、それぞれ正常動作の場合、弁体６が中立位置からほとんど移動しない場合、及び全開状態で異常が発生して弁体６が振動した場合の特性を示す。ここで同図（ａ）は、機関弁１を開弁作動させたときの弁体６のリフト量ＬＩＦＴ、（ｂ）は磁束電圧Ｖφ、（ｃ）は第１検出信号ＶＤＥＴ１、（ｄ）は脱調検出信号ＶＤＥＴ２を示す。
【００３２】
本実施形態において基準電圧ＶＲＥＦは同図（ｂ）に示すように、正常動作時の保持電流供給時の磁束電圧Ｖφより絶対値が小さい負の値に設定されている。この図から明らかなように、脱調時は正常動作時に比べて磁束電圧Ｖφの絶対値が小さくなる。これは、正常動作時のアーマチャ３と磁性材２ａ又は２ｂとのギャップが極小になり磁気抵抗が小さくなるのに対し、脱調時はこのギャップが大きくなり、磁気抵抗が大きくなるからである。本実施形態はこの点に着目して脱調を検出するものであり、以下にその脱調検出手法を詳述する。
【００３３】
先ず正常動作の場合は、同図（ｃ）に実線で示すように、磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦを下回る時刻ｔ１で第１検出電圧ＶＤＥＴ１は、高レベルから低レベルに変化し、時刻ｔ４においてコイル４ｂの通電を終了すると、その直後に基準電圧ＶＲＥＦを越える。Ｄフリップフロップ回路３３は、クロック入力ＣＫの立ち上りでＤ入力をＱ出力に出力するが、時刻ｔ４に通電信号が高レベルとなるので、時刻ｔ４以後にクロック入力ＣＫが立ち上がっても、Ｑ出力は低レベルを維持し、脱調検出信号ＶＤＥＴ２も低レベルを維持する（同図（ｄ）の実線）。
【００３４】
また弁体６が中立位置がほとんど移動しない場合（鎖線で示す場合）は、時刻ｔ１で磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦを下回り、時刻ｔ２で基準電圧ＶＲＥＦを越える。その結果、時刻ｔ２に第１検出電圧ＶＤＥＴ１が低レベルから高レベルに立ち上がり、Ｄフリップフロップ３３のＱ出力が低レベルから高レベルに変化し、同時にＡＮＤ回路３４の出力、すなわち脱調検出信号ＶＤＥＴ２も高レベルとなる。時刻ｔ４において通電信号が高レベルになると、Ｄフリップフロップ回路３３のＱ出力は低レベルとなるので、脱調検出信号ＶＤＥＴ２も低レベルとなる。
【００３５】
また弁体６が全開位置から振動を始めた場合（一点鎖線で示す場合）には、振動開始前までは正常時と同様に動作し、振動を開始すると時刻ｔ３において磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦを越える。したがって、この時点で脱調検出信号ＶＤＥＴ２が高レベルとなる。以後の動作は、破線の場合と同様である。
【００３６】
なお、上述した説明は、開弁側電磁石９に設けられた検出コイル７ｂの検出電圧に基づく、開弁動作時の脱調検出に対応するものであるが、閉弁側電磁石８に設けられた検出コイル７ａの検出電圧に基づく、閉弁動作時の脱調検出も同様に行われる。
【００３７】
以上のように本実施形態では、脱調時は正常時に比べてアーマチャ３を含む磁気回路内の磁束が小さいことに着目し、アーマチャ３を含む磁気回路内の磁束を表す磁束電圧Ｖφと基準電圧ＶＲＥＦとの大小関係に基づいて、機関弁１の脱調を検出するようにしたので、例えば全く動作しない場合でも、また開弁動作途中で脱調した場合でも、迅速に脱調を検出することができる。また、検出コイル７ａ，７ｂは、電磁石とアーマチャ３で構成される磁気回路内の磁束変化を検出できれば十分であるので、巻き数はそれほど多くする必要が無く、小さいスペースで実装することができる。
【００３８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、図２に示す脱調検出回路により、脱調検出を行うようにしたが、本実施形態では、磁束電圧Ｖφ（磁束検出部出力）をそのまま制御部１３に入力し、図５に示す処理を、制御部１３のＣＰＵ（図示せず）で実行することにより、脱調検出を行う。これ以外の点は第１の実施形態と同一である。図５の処理は所定時間毎に実行する。
【００３９】
先ずステップＳ１では、コイル４ａ（又は４ｂ）が通電中か否かを判別し、通電中であれば、磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦを下回ったか否かを判別する（ステップＳ２）。コイル４ａ（又は４ｂ）が通電中でないとき又はＶφ＞ＶＲＥＦであるときは、直ちに本処理を終了する。
【００４０】
Ｖφ＜ＶＲＥＦとなると、ステップＳ３に進み、コイル４ａ（又は４ｂ）への通電が終了したか否かを判別し、終了していなければ、磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦを越えたか否かを判別する（ステップＳ４）。その結果、Ｖφ＜ＶＲＥＦであるときは、前記ステップＳ３に戻り、コイル４ａ（又は４ｂ）への通電が終了すれば、本処理を終了する。
【００４１】
通電終了前に、Ｖφ＞ＶＲＥＦとなると、脱調が発生したと判定し、ステップＳ５に進んで以下の脱調検出対応動作を行う。すなわち、機関への燃料供給及び点火プラグによる点火を停止するとともに、脱調が検出されていない他の機関弁を休止させ、さらに脱調が検出された機関弁の復帰処理を行う。
【００４２】
本実施形態は、第１の実施形態においてハードウエアで実現した機能を、ソフトウエアで実現したものであり、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４３】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第２の実施形態における図５の処理に代えて、図６に示す処理により、脱調検出を行うものである。これ以外の点は第２の実施形態と同一である。
【００４４】
図６のステップＳ１、Ｓ３及びＳ５は、図５の処理と同一である。ステップＳ１１では、コイル４ａ（又は４ｂ）通電開始時点から所定時間ＴＤＥＴ経過したか否かを判別し、経過前は直ちに本処理を終了する。所定時間ＴＤＥＴ経過後、通電が終了していないときには、磁束電圧Ｖφが基準電圧ＶＲＥＦより高いか否かを判別し（ステップＳ１２）、Ｖφ≦ＶＲＥＦであるときは、本処理を終了し、Ｖφ＞ＶＲＥＦであるときは、脱調と判定して、ステップＳ５に進む。
【００４５】
ここで、所定時間ＴＤＥＴは、例えば平均的なコイル通電時間（駆動電流供給時間）に基づく磁束の立ち上り時間よりわずかに長い時間に設定する。
【００４６】
所定時間ＴＤＥＴの経過時点が図４の時刻ｔ３からｔ４の間にあれば、本実施形態によっても、上述した実施形態と同様に、簡単な構成で迅速に脱調を検出することができる。
【００４７】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では磁束電圧Ｖφが負電圧となる場合を示したが、極性を反転させれば容易に正電圧とすることができる。その場合には、基準電圧ＶＲＥＦも正電圧とし、上述した磁束電圧Ｖφと基準電圧ＶＲＥＦとの大小関係を逆転させて判定すれば、上述した実施形態と同様に脱調検出を行うことができる。すなわち、第１及び第２の実施形態では、前記大小関係がコイル通電中に少なくとも２回反転したとき、脱調と判定し、第３の実施形態では、所定時間ＴＤＥＴ経過時点の前記大小関係が通電開始時の大小関係と同一であるとき、脱調と判定する。
【００４８】
また、アーマチャ３を含む磁気回路内の磁束の検出は、コイル７ａ，７ｂに代えて、ホール素子等の磁気検出素子を用いて行うようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、アーマチャ部材と駆動電流通電中の前記電磁石手段とを含む磁気回路内の磁束を表す磁束パラメータの値が検出され、前記電磁石手段への駆動電流供給中における、磁束パラメータの値と所定値との大小関係に基づいて機関弁の脱調が判断されるので、比較的簡単な構成で、機関弁の脱調検出を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態にかかる動弁装置の構成を示す図である。
【図２】図１の脱調検出回路の構成を示す図である。
【図３】図１に示す装置の動作を説明するための図である。
【図４】脱調検出回路の動作を説明するための図である。
【図５】第２の実施形態にかかる脱調検出処理のフローチャートである。
【図６】第３の実施形態にかかる脱調検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 機関弁
２ａ，２ｂ 磁性材
４ａ，４ｂ コイル
５ スプリング
６ 弁体
７ａ，７ｂ 脱調検出用コイル
８ 閉じ側電磁石
９ 開き側電磁石
１２ 脱調検出回路

Claims (5)

1. 少なくとも１つの機関弁と、該機関弁に固定されたアーマチャ部材と、該アーマチャ部材に力を作用させて前記機関弁を開閉駆動する電磁石手段と、該電磁石手段に駆動信号を供給する駆動回路と、前記アーマチャ部材を所定の中立位置に保持する弾性手段とを備える内燃機関の動弁装置において、
   前記アーマチャ部材と駆動電流通電中の前記電磁石手段とを含む磁気回路内の磁束を表す磁束パラメータの値を検出する磁束パラメータ検出手段と、前記電磁石手段への駆動電流供給中における、前記磁束パラメータの値と所定値との大小関係に基づいて前記機関弁の脱調を判断する脱調判断手段とを備えることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
2. 前記所定値は、前記電磁石手段の保持電流による磁束より小さい磁束に対応する値であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の動弁装置。
3. 前記脱調判断手段は、前記大小関係が少なくとも２回反転したとき、前記機関弁の脱調と判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の動弁装置。
4. 前記脱調判断手段は、前記電磁石手段へ駆動電流の供給を開始した時点から所定時間経過後の時点で前記大小関係が前記駆動電流供給開始時と同一であるとき、前記機関弁の脱調と判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の動弁装置。
5. 前記磁束パラメータ検出手段は、前記磁気回路内に設けたコイルの両端に発生する電圧に基づいて前記磁束パラメータ値を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の動弁装置。

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