JP2005315155A - 可変バルブタイミング機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変バルブタイミング機構の制御装置において、回転位相を変化させる要素とストッパ構造との当接位置がずれてしまった場合であっても実際の回転位相と制御上認識している回転位相との誤差を解消する。
【解決手段】前記目標回転位相が一定であるときに回転位相変化速度を算出する。カムシャフトの１回転周期内で回転速度変化速度が最大となるときがカムトルクの正負が切り換わるところであり、このときのクランク角度をリフトトップ角として求める。この求めたリフトトップ角と回転位相変化速度が最大となるときの実回転位相とに基づいて最遅角リフトトップ角を推定し、推定した最遅角リフトトップ角と最遅角リフトトップ角の設計値との差に基づいて回転位相補正値を算出する。そして、バルブタイミング制御に際し、算出した回転位相補正値により目標回転位相と実回転位相の偏差を補正する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関のクランクシャフトに対する吸気側カムシャフトの回転位相を変化させることによって吸気バルブのバルブタイミングを変化させる構成において、目標回転位相が０°である場合に、吸気側カムシャフトの最遅角学習を行うことが開示されている。このものでは、目標回転位相を０°とすると、吸気側カムシャフトを回転させるリンクギヤ（回転位相を変化させる要素）がハウジング（ストッパ構造）に当接し、かかる当接状態において最遅角（基準動作位置）の学習が行われる。
特開平８−２０００２０号公報

ところで、上記特許文献１においては、回転位相を変化させる要素としてのリンクギヤがストッパ構造としてハウジングに当接した状態で最遅角学習が行われるため、例えば、リンクギヤとハウジングとの当接位置が組み付けバラツキ等によって本来設定された位置（設計上の位置等）からずれてしまっている場合には、このずれた当接位置において最遅角（基準動作位置）の学習が行われることになる。

したがって、バルブタイミング制御（回転位相制御）を行う際に、回転位相を変化させる要素とストッパ構造との当接位置と、本来の当接位置とのずれ分を制御誤差として是認せざるを得ず、精度のよいバルブタイミング制御、ひいては、所望のエンジン特性を実現できないおそれがあった。
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、組み付けバラツキ等によって回転位相を変化させる要素とストッパ構造との当接位置がずれてしまったような場合であっても、実際の回転位相と制御上認識している回転位相との誤差を解消し、精度のよいバルブタイミングを実現することを目的とする、

このため、請求項１に記載の発明は、内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関の吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置において、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記回転位相を任意のタイミングで検出可能な回転位相検出手段と、機関の運転状態に基づいて、目標回転位相を設定する目標回転位相設定手段と、前記目標回転位相が一定であるときに、前記回転位相の単位時間当たりの変化量を回転位相変化速度として算出する回転位相変化速度算出手段と、前記カムシャフトの１回転周期内において、前記回転位相変化速度算出手段の算出した回転位相変化速度が最大となるときのクランク角度を、前記吸気バルブ又は排気バルブのバルブリフト量が最大となるリフトトップ角として算出するリフトトップ角算出手段と、前記リフトトップ角算出手段の算出したリフトトップ角と、設定上のリフトトップ角である基準リフトトップ角とに基づいて、回転位相補正値を算出する回転位相補正値算出手段と、前記目標回転位相と実回転位相との偏差を前記回転位相補正値により補正し、補正後の偏差に基づいて前記可変バルブタイミング機構を制御する制御手段と、を備える。

回転位相が一定に保持されている状態であっても、バルブの開閉弁動作によって入力される交番トルク（カムトルク）の影響によって（実）回転位相は変化（振動）する。この変化は、カムトルクに大きさ及び方向に応じて変化し、閉弁状態からリフトトップに至るまでの正のカムトルクから、リフトトップを越えてから閉弁に至るまでの負のカムトルクに切り換わったときがリフトトップである。このとき、前記（実）回転位相の変化速度は最大（極大）となり、前記（実）回転位相の変化加速度は正から負に切り換わることになる（図１５参照）。

したがって、カムシャフトの１回転周期内において（実）回転位相の変化速度が最大となるとき（＝回転位相の変化加速度が正から負に切り換わるとき）のクランク角度をリフトトップ角とし、このリフトトップ角と設定上のリフトトップ角（設計値等）との偏差を求めることにより、組み付けバラツキ等によって生じた誤差（例えば、ストッパ構造によって規制される基準動作位置（最遅角位置）におけるバラツキ）を算出できる。そして、この誤差を回転位相補正値として、目標回転位相と実回転位相との偏差を補正することで、組み付けバラツキ等によって生じた誤差を修正することができ、バルブタイミング制御の精度を向上できる。

請求項２に記載の発明は、前記回転位相補正値算出手段が、前記リフトトップ角と、前記回転位相変化速度が最大となるときの実回転位相とに基づいて、前記開閉タイミングが最も遅れる最遅角位置においてバルブリフト量が最大となる最遅角リフトトップ角を推定する最遅角リフトトップ角推定手段を備え、最遅角リフトトップ角推定手段の推定した最遅角リフトトップ角と、前記最遅角位置における設定上のリフトトップ角である基準最遅角リフトトップ角との差に基づいて前記回転位相補正値を算出する。

このようにすれば、通常、動作基準位置（すなわち、設計上の基準位置でもある）として設定される最遅角位置での誤差を算出できるので、バルブタイミング制御の精度を更に向上できる。
請求項３に記載の発明は、前記回転位相変化速度算出手段が、前記目標回転位相が前記ストッパ構造によって規制される限界位置に相当するときは前記回転位相変化速度の算出を禁止する。

可変バルブタイミング機構が前記回転位相を変化させる要素の動作範囲をストッパ構造により規制するものである場合において、目標回転位相がストッパ構造によって規制される限界位置に相当するときは、そのストッパ構造側の回転位相の変動は制限されるので、カムトルクの影響による回転位相の変動を正確に検出できない。したがって、このような場合には、回転位相変化速度の算出を禁止することで誤った補正値の算出を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図である。この図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

機関の各燃焼室には点火プラグ１３３が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１３４、排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト１３４には、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）１１３が設けられている。

このＶＴＣ１１３は、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を変化させることで吸気バルブ１０５の開閉タイミングを変化させる機構であり、その詳細については後述する。
なお、本実施形態では吸気バルブ１０５側のみにＶＴＣ１１３を備える構成としたが、吸気バルブ１０５側に代えて又は吸気バルブ１０５側と共に、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備える構成であっても良い。

また、各気筒の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ１１４には、各種センサからの出力信号が入力され、該信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４、ＶＴＣ１１３及び燃料噴射弁１３１を制御する。

前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＡＰＳ１１６、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０からクランク角１８０°毎の基準クランク角信号ＲＥＦ（基準回転位置信号）と単位クランク角度毎の単位角度信号ＰＯＳを取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、吸気側カムシャフト１３４からカム角９０°（クランク角１８０°）毎のカム信号ＣＡＭ（基準回転位置信号）を取り出すカム角センサ２０２が設けられている。尚、前記基準クランク角信号ＲＥＦの周期、又は、単位時間当たりの単位角度信号ＰＯＳの発生数に基づいて、ＥＣＵ１１４において機関回転速度Ｎｅが算出される。

次に、前記ＶＴＣ１１３の構成を、図２〜図９に基づいて説明する。図２に示すように、本実施形態に係るＶＴＣ１１３は、前記吸気側カムシャフト（以下、単にカムシャフトという）１３４と、このカムシャフト１３４の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン（図示せず）を介してクランクシャフト１２０に連係されるタイミングスプロケット３０２を外周に有する駆動リング３０３（駆動回転体）と、この駆動リング３０３とカムシャフト１３４の前方側（図２において左側）に配置されて、カムシャフト１３４と駆動リング３０３との組付角を操作する組付角操作機構３０４と、この組付角操作機構３０４のさらに前方側に配置されて、同機構３０４を駆動する操作力付与手段３０５と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとヘッドカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構３０４と操作力付与手段３０５の前面と周域を覆う図外のＶＴＣカバーと、を備えている。なお、図３（及び図５）は図２のＡ−Ａ断面図に相当し、図４は図２のＢ−Ｂ断面図に相当する。

駆動リング３０３は、段差状の挿通孔３０６を備えた短軸円筒状に形成され、この挿通孔３０６部分が、カムシャフト１３４の前端部に結合された従動軸部材３０７（従動回転体）に回転可能に組み付けられている。そして、駆動リング３０３の前面（カムシャフト１３４と逆側の面）には、図３に示すように、対面する平行な側壁を有する３個の径方向溝３０８（径方向ガイド）が駆動リング３０３のほぼ半径方向に沿うように形成されている。

また、従動軸部材３０７は、図２に示すように、カムシャフト１３４の前端部に突き合される基部側外周に拡径部が形成されると共に、その拡径部よりも前方側の外周面に放射状に突出する三つのレバー３０９が一体に形成され、軸芯部を貫通するボルト３１０によってカムシャフト１３４に結合されている。各レバー３０９には、リンク３１１の基端がピン３１２によって軸支連結され、各リンク３１１の先端には前記各径方向溝３０８に摺動自由に係合する円柱状の突出部３１３が一体に形成されている。

各リンク３１１は、突出部３１３が対応する径方向溝３０８に係合した状態において、ピン３１２を介して従動軸部材３０７に連結されているため、リンク３１１の先端側が外力を受けて径方向溝３０８に沿って変位すると、駆動リング３０３と従動軸部材３０７とは、リンク３１１の作用によって突出部３１３の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。

また、各リンク３１１の先端部には、軸方向前方側に開口する収容穴３１４が形成され、この収容穴３１４に、後述する渦巻き溝３１５（渦巻き状ガイド）に係合する球面突起３１６ａを有する係合ピン３１６（転動部材）と、この係合ピン３１６を前方側（渦巻き溝３１５側）に付勢するコイルばね３１７とが収容されている。なお、この実施形態においては、リンク３１１の先端の突出部３１３と、係合ピン３１６、コイルばね３１７等とによって径方向に変位可能な可動案内部が構成されている。

一方、従動軸部材３０７のレバー３０９の突設位置よりも前方側には、円板状のフランジ壁３１８ａを有する中間回転体３１８が、軸受３３１を介して回転自在に支持されている。この中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの後面側には、断面半円状の前述の渦巻き溝３１５が形成され、この渦巻き溝３１５に、前記各リンク３１１の先端の係合ピン３１６が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝３１５の渦巻きは、駆動リング３０３の回転方向に沿って次第に縮径するように形成されている。従って、各リンク３１１先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に係合した状態において、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク３１１の先端部は径方向溝３０８に案内されつつ、渦巻き溝３１５の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体３１８が進み方向に相対変位すると、半径方向外側に移動する。

この実施形態の組付角操作機構３０４は、以上説明した駆動リング３０３の径方向溝３０８、リンク３１１、突出部３１３、係合ピン３１６、レバー３０９、中間回転体３１８、渦巻き溝３１５等によって構成されている。この組付角操作機構３０４は、操作力付与手段３０５から中間回転体３１８にカムシャフト１３４に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝３１５と係合ピン３１６の係合部を通してリンク３１１の先端を径方向に変位させ、このときリンク３１１とレバー３０９の作用によって駆動リンク３０３と従動軸部材３０７に相対的な回動力を伝達する。

一方、操作力付与手段３０５は、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向に付勢するゼンマイばね３１９と、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向と逆方向に付勢すべく制動機構であるヒステリシスブレーキ３２０と、を備えてなり、内燃機関の運転状態に応じてヒステリシスブレーキ３２０の制動力を適宜制御することにより、中間回転体３１８を駆動リング３０３に対して相対回動させ、或は、この両者の回動位置を維持するようになっている。

ゼンマイばね３１９は、駆動リング３０３に一体に取り付けられた円筒部材３２１にその外周端部が結合される一方で、内周端部が中間回転体３１８の円筒状の基部に結合され、全体が中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの前方側スペースに配置されている。
一方、ヒステリシスブレーキ３２０は、中間回転体３１８の前端部にリテーナプレート３２２を介して取り付けられた有底円筒状のヒステリシスリング３２３と、非回転部材である図外のＶＴＣカバーに回転を規制した状態で取り付けられた磁界制御手段としての電磁コイル３２４と、電磁コイル３２４の磁気を誘導する磁気誘導部材であるコイルヨーク３２５と、を備え、電磁コイル３２４が機関の運転状態に応じて前記ＥＣＵ１１４によって通電制御されるようになっている。

ヒステリシスリング３２３は、図６に示すように、外部の磁界の変化に対して位相遅れをもって磁束力が変化する特性（磁気的ヒステリシス特性）を持つヒステリシス材（半硬質材）によって形成され、外周側の円筒壁３２３ａ部分が前記コイルヨーク３２５によって制動作用を受けるようになっている。
コイルヨーク３２５は、電磁コイル３２５を取り囲むように全体が略円筒形状に形成され、その内周面が軸受３２８を介して従動軸部材３０７の先端部に回転可能に支持されている。そして、コイルヨーク３１５の後部面側（中間回転体３１８側）には磁気入出部分が円筒状の隙間をもって向かい合うように周面状の一対の対向面３２６，３２７が形成されている。

また、図７に示すように、コイルヨーク３２５の両対向面３２６，３２７には夫々円周方向に沿って複数の凹凸が連続して形成され、これらの凹凸のうち凸部３２６ａ，３２７ａが磁極（磁界発生部）を成すようになっている。
そして、一方の対向面３２６の凸部３２６ａと他方の対向面３２７の凸部３２７ａは円周方向に交互に配置され、対向面３２６，３２７相互の近接する凸部３２６ａ，３２７ａがすべて円周方向にずれている。従って、両対向面３２６，３２７の近接する凸部３２６ａ，３２７ａ間には、電磁コイル２４の励磁によって図７に示すような円周方向に傾きをもった向きの磁界が発生する。そして、両対向面３２６，３２７間の隙間には前記ヒステリシスリング３２３の円筒壁３２３ａが非接触状態で介装されている。

ここで、このヒステリシスブレーキ３２０の作動原理を図８によって説明する。なお、図８（ａ）はヒステリシスリング３２３（ヒステリシス材）に最初に磁界をかけた状態を示し、図８（ｂ）は上記（ａ）の状態からヒステリシスリング３２３を変位（回転）させた状態を示す。
図８（ａ）の状態においては、コイルヨーク３２５の両対向面３２６，３２７間における磁界の向き（対向面２７の凸部３２７ａから他方の対向面３２６の凸部３２７ａに向かう磁界の向き）に沿うようにヒステリシスリング３２３内に磁束の流れが生じる。

この状態からヒステリシスリング３２３が、外力Ｆを受けて図８（ｂ）に示す状態に移動すると、外部磁界内をヒステリシスリング３２３が変位することとなるため、このときヒステリシスリング３２３の内部の磁束は位相遅れをもち、ヒステリシスリング３２３内部の磁束の向きは、対向面３２６，３２７間の磁界の向きに対してずれる（傾斜する）こととなる。従って、対向面３２７の凸部３２７ａからヒステリシスリング３２３に入る磁束の流れ（磁力線）と、ヒステリシスリング３２３から他方の対向面３２６の凸部３２６ａに向かう磁束の流れ（磁力線）が歪められ、このとき、この磁束の流れの歪みを矯正するような引き合い力が対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３との間に作用し、その引き合い力がヒステリシスリング３２３を制動する抗力Ｆ’として働く。

このヒステリシスブレーキ３２０は、以上のようにヒステリシスリング３２３が対向面３２６，３２７間の磁界内を変位するときに、ヒステリシスリング３２３の内部の磁束の向きと磁界の向きのずれによって制動力を発生するものであるが、その制動力は、ヒステリシスリング３２３の回転速度（対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３の相対速度）に関係なく、磁界の強さ、即ち、電磁コイル３２４の励磁電流の大きさに略比例した一定の値となる。

なお、図９は、ヒステリシスブレーキ３２０における回転速度と制動トルクの関係を、励磁電流をａ〜ｄ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）に変えて調べた試験結果である。この試験結果から明らかなように、このヒステリシスブレーキ３２０は、例えば、渦電流を用いたブレーキのように回転速度の影響を受けることがなく、常に励磁電流値に応じた制動力を得ることができる。

本実施形態に係るＶＴＣ１１３は以上のような構成となっており、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオフされると、ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して機関回転方向に最大限回転し、係合ピン３１６が渦巻き溝３１５の外周側端面３１５ａに当接する。この当接位置がＶＴＣ１１３の機構上で変更し得る回転位相の最遅角位置となる（図３参照）。これにより、クランクシャフト１２０に対するカムシャフト１３４の回転位相はバルブタイミングが最も遅れる最遅角側（基準回転位相）に維持されることになる。

この状態から前記回転位相を最進角側に変更すべき指令が前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオンにされて、ゼンマイばね３１９の力に抗する制動力が中間回転体３１８に付与される。これにより、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して（逆方向に）回転移動し、それによってリンク３１１の先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に誘導されてリンク３１１の先端部が径方向溝３０８に沿って変位し、リンク３１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が最進角側に変更される。そして、電磁コイル３２４の励磁電流を増大して制動力を増大していくと、ついには係合ピン３１６が渦巻き溝３１５の内周側端面３１５ｂに当接する。この当接位置がＶＴＣ１１３の機構上で変更し得る回転位相の最進角位置となる（図５参照）。これにより、回転位相はバルブタイミングが最も進む最進角側に変更される。

そして、この状態（最進角側）から前記回転位相を最遅角側に変更すべく前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオフにされ、再度ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８が戻す方向に回転移動する。すると、渦巻き溝３１５による係合ピン３１６の誘導によってリンク３１１が上記と逆方向に揺動し、図３に示すように、そのリンク３１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が再度最遅角側に変更される。

なお、このＶＴＣ１１３によって変更される回転位相（基準回転位相である最遅角側からの進角量）は、以上説明した最遅角と最進角の二種の位相ばかりでなく、ヒステリシスブレーキ３２０の制動力の制御によって任意の位相に変更することができ、ゼンマイばね３１９の力とヒステリシスブレーキ３２０の制動力のバランスによってその位相を保持することもできる。

また、本実施形態では、図１０に示すように、吸気側カムシャフト１３４と共に回転する回転体４０１と、この回転体４０１の外周に近接配置された電磁式のギャップセンサ４０２とを備えている。
回転体４０１は直接又は他の部材を介して間接的に吸気カムシャフト１３４に固定されており、その外周は、図１０に示すように、吸気側カムシャフト１３４の中心からの距離が周方向で徐々に変化するよう形成されている。ギャップセンサ４０２は、吸気側カムシャフト１３４と回転に伴って変化する回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号（電圧）をＥＣＵ１１４に出力する。なお、回転体４０１は、吸気側カムシャフト１３４と共に回転するように設けられていれば、その固定方法や固定位置等は問わず、また、ギャップセンサ４０２は、回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号を連続的に出力できればいずれの方式のものであってもよい。

ここで、ギャップセンサ４０２からの出力は、図１１に示すように、回転体４０１の外周とのギャップに対してほぼ正比例の関係にあり、また、ギャップと吸気側カムシャフト１３４の回転角度とは１対１で対応するため、ギャップセンサ４０２の出力と吸気側カムシャフト１３４の回転角度（カム角）とは、図１２に示すように、ほぼ正比例の関係となる。従って、ＥＣＵ１１４は、ギャップセンサ４０２からの出力信号に基づいて瞬時に吸気側カムシャフト１３４の回転角度を検出することができる。

すなわち、本実施形態においては、（１）クランク角センサ１１７及びカムセンサ１３２の検出信号に基づいて、吸気側カムシャフト１３４の回転周期毎に、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出できる（以下、これを第１回転位相検出手段による検出という）と共に、（２）クランク角センサ１１７及びギャップセンサ４０２の検出信号に基づいて、任意のタイミングで、かつ連続的に前記回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出することができる（以下、これを第２回転位相検出手段による検出いう）。

具体的には、第１回転位相検出手段は、基準クランク角信号ＲＥＦの発生からカム信号ＣＡＭの発生までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで前記回転位相を検出（算出）し、第２回転位相検出手段は、ギャップセンサ４０２の出力信号に基づいて検出した吸気側カムシャフト１３４の回転角度と、基準クランク角信号ＲＥＦの発生から吸気側カムシャフト１３４の回転角度検出までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで検出したクランクシャフト１２０の回転角度とから前記回転位相を検出（算出）する。

このように、２つの回転位相検出手段を備えることにより、例えば、高回転時には前記第１回転位相検出手段により安定かつ正確にクランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を検出する一方、バルブタイミング制御等の実行周期よりも第１回転位相検出手段による回転位相の検出周期の方が長くなる低回転時には、前記第２回転位相検出手段により前記回転位相を検出する、というように、第１、第２回転位相検出手段を適宜選択して回転位相を検出することができる。

ところで、従来の可変バルブタイミング機構においては、回転位相を変化させる要素がストッパ構造に当接する位置、すなわち、上記ＶＴＣ１１３における係合ピン３１６がストッパとしての渦巻き溝３１５の外周側３１５ａ、内周側３１５ｂの各端面に当接する位置で最遅角学習、最進角学習を行うようにしていた。しかし、このような学習では、既述のように、ＶＴＣ１１３の組み付けバラツキ等によって、ストッパ位置の絶対的な位相のずれが生じた場合には、もはやそのずれを吸収することができず、制御誤差範囲内のものとして是認せざるを得ないという問題がある。

そこで、本実施形態では、最遅角位置において吸気バルブの（バルブ）リフト量が最大となる最遅角リフトトップ角を求め（推定し）、この最遅角リフトトップ角と設定上の最遅角リフトトップ角（例えば、最遅角位置におけるリフトトップ角の設計値であり、以下、「基準最遅角リフトトップ角」という）の差を回転位相補正値とする。そして、この回転位相補正値に基づいて、目標回転位相と実回転位相との偏差を補正することにより、高精度なバルブタイミング制御を実現するようにしている。

図１３、１４は、上記回転位相補正値の算出を示すフローチャートである。このフローは例えばキースイッチがＯＮされると開始され、所定時間（単位時間）毎に実行される。
Ｓ１１では、回転位相補正値算出終了フラグ判定Ｆ１が０であるか（クリアされているか）否かを判定する。この回転位相補正値算出終了判定フラグＦ１は、後述するように、回転位相補正値の算出が終了すると１に設定され（Ｓ２５）、機関停止時には０クリアされる。そして、Ｆ１＝０であればＳ１２に進み、Ｆ１＝１であれば本フローを終了する。

Ｓ１２では、機関回転速度Ｎｅがあらかじめ設定した所定範囲内（Ｎｅ２＜Ｎｅ＜Ｎｅ１）であるか否かを判定する。かかる判定を行うのは、後述するように、回転位相補正値は、カムトルク（後述するように、バルブの開閉弁動作に伴いカムシャフトを介して入力される交番トルク）の影響による回転位相変動を利用して算出するからである。具体的には、カムトルク周期は機関回転と同期しているので、機関回転速度Ｎｅがある回転速度（Ｎｅ１）以上になるとカムトルクが高周波になってその影響がほとんどなくなることや、機関回転速度Ｎｅがある回転速度（Ｎｅ２）以下になると摩擦等の影響を無視できなくなること等を考慮したものである。機関回転速度Ｎｅが所定範囲内（Ｎｅ２＜Ｎｅ＜Ｎｅ１）であればＳ１３に進み、それ以外は本フローを終了する。

Ｓ１３では、ＶＴＣ１１３の目標回転位相（目標角度）θ_TRGが最進角又は最遅角となっていないことを確認する。かかる確認を行うのは、上述したように、最遅角位置又は最進角位置に制御されると係合ピン３１６がストッパとして機能する渦巻き溝の端面３１５ａ，ｂに当接するため、カムトルク（交番トルク）が入力されても、その当接方向については回転位相の変動（変化）が規制されてしまうため、カムトルクの影響による回転位相変動を利用できないからである。目標回転位相≠最遅角、最進角であればＳ１４に進み、目標回転位相＝最遅角、最進角であれば本フローを終了する。なお、目標回転位相θ_TRGは機関運転状態に基づいて設定される。

Ｓ１４では、目標回転位相θ_TRGが一定であるか否かを判定する。目標回転位相θ_TRGが一定であればＳ１５に進み、それ以外は本フローを終了する。
Ｓ１５では、実回転位相θ_NOWを検出し、目標回転位相θ_TRGと実回転位相θ_NOWとの偏差ＥＲＲ（絶対値）が所定値αを下回っているか否かを判定する。なお、実回転位相θｎｏｗは前記第２回転位相検出手段により検出される。また、かかる判定に代えて、目標回転位相θ_TRGの設定後、所定時間経過したか否かを判定するようにしてもよい。

上記Ｓ１４、１５により（実）回転位相が一定に保持されている状態にあるか否かが確認される。
Ｓ１６では、実回転位相θ_NOW及び該実回転位相θ_NOW検出時のクランク角度をメモリする。
Ｓ１７では、Ｓ１６で初めて実回転位相θ_NOW及びクランク角度のメモリを開始してから吸気側カムシャフト１３４が１回転したか（カムトルク周期１サイクル中でないか）否かを判定する。カムシャフト１３４が１回転していなければ本フローを終了し、目標回転位相θｔｇが一定であること等の条件のもと（Ｓ１２〜Ｓ１５）、実回転位相θ_NOW及びそのときのクランク角度のメモリが継続される。カムシャフト１３４が１回転していればＳ１８に進む。

Ｓ１８では、メモリした実回転位相θ_NOWに基づき回転位相変化速度（又は加速度）を算出する（図１５参照）。
Ｓ１９では、算出した回転位相変化速度が最も速かったとき（又は算出した回転位相変化加速度が正から負に切り換わったとき）のクランク角度をリフトトップ角（バルブリフト量が最大となるクランク角度）θ_LTとして算出する。

Ｓ２０では、算出した回転位相変化速度が最も速かったとき（又は算出した回転位相変化加速度が正から負に切り換わったとき）に相当する実回転位相θ_NOW1をメモリ値から読込む。
Ｓ２１では、算出したリフトトップ角θ_LTから読み出した実回転位相（最遅角側からの進角量）θ_NOW1を減算して最遅角位置におけるリフトトップ角（最遅角リフトトップ角）θ_LT-Rを算出（推定）する。θ_LT-R＝θ_LT−θ_NOW1
Ｓ２２では、算出した最遅角リフトトップ角θ_LT-Rと、設計上の最遅角リフトトップ角（最遅角リフトトップ角設計値）θ_LT-dとから、次式により回転位相補正値（補正角）Δθ_LTを算出する。

Δθ_LT＝θ_LT-d−θ_LT-R
Ｓ２３では、今回算出した回転位相補正値Δθ_LTと前回算出した回転位相補正値Δθ_LTZとの差（絶対値）が所定値βより小さいか否かを判定する。かかる判定を行うのは、算出した回転位相補正値ΔθＬＴが前回値ΔθＬＴＺと大きく異なる場合には、適正な値が算出されなかったおそれがあるからである。│Δθ_LT−Δθ_LTZ│＜βであれば適正な値が算出されたとしてＳ２４に進み、│Δθ_LT−Δθ_LTZ│≧βであれば算出した回転位相補正値Δθ_LTが適正でないと判断して本フローを終了する。この場合、算出した回転位相補正値Δθ_LTをクリアし、その算出が行われなかったものとして、回転位相補正値Δθ_LTの算出が再度やり直されることになる。

Ｓ２４では、次式に示すように、回転位相補正値の今回値Δθ_LTと前回値Δθ_LTZとの平均値を最終的な回転位相補正値Δθ_VTCとして決定する。
Δθ_VTC＝（Δθ_LT＋Δθ_LTZ）／２
なお、単純な平均ではなく、加重平均としてもよい。
Ｓ２５では、回転位相補正値算出終了フラグＦ１を１として本フローを終了する。

そして、目標回転位相θ_TRGと実回転位相θ_NOWとの偏差ＥＲＲに基づくバルブタイミング制御（フィードバック制御）において、かかる偏差ＥＲＲを上記決定した回転位相補正値Δθ_VTCを用いて補正する。なお、目標回転位相θ_TRG又は実回転位相θ_NOWのいずれかを回転位相補正値Δθ_VTCにより直接補正するようにしてもよいし、回転位相補正量Δθ_VTCに基づいてＶＴＣ１１３への操作量を補正するようにしてもよい。

図１５は、目標回転位相を一定に保持している状態における吸気側カムシャフト１３４回転中の、（ａ）カムトルク、（ｂ）実回転位相（ＶＴＣ実角度）、（ｃ）回転位相変化速度（ＶＴＣ角速度）及び（ｄ）回転位相変化加速度（ＶＴＣ角加速度）を示している。
吸気側カムシャフト１３４が回転することにより、バルブスプリングの付勢力に抗して吸気バルブ１０５を開弁するときと、バルブスプリングの付勢力によって閉弁するときとで逆向きに交互に生じるトルク（交番トルク）がカムシャフトを介してＶＴＣ１１３（回転位相を変化させる機構部）に作用（入力）する。この結果、回転位相を一定に保持している状態であっても、前記交番トルクによって回転位相が変動（振動）することになる。なお、ここでは、回転位相が遅角側に振れる方向に作用するカムトルクを「正のカムトルク」といい、回転位相が進角側に振れる方向に作用するカムトルクを「負のカムトルク」という。

回転位相が一定に保持されている状態において、正のカムトルクが発生しているとき（閉弁状態からバルブリフト量が最大となるリフトトップに至るまでの間）は、その大きさに応じて（実）回転位相は遅角側に振れ、負のカムトルクが発生しているとき（リフトトップから閉弁に至るまでの間）は、その大きさに応じて（実）回転位相は進角側に振れる（図１５（ａ）、（ｂ）参照）。そして、この（実）回転位相の変位量から、回転位相の変化速度（ＶＴＣ角速度）及び回転位相変化加速度（ＶＴＣ角加速度）が求められ、それぞれ図１５（ｃ）、（ｄ）に示すようになる。

ここで、リフトトップはカムトルクが正から負に切り換わるところであり、図に示すように、その位置は、回転位相変化速度（ＶＴＣ角速度）がカムシャフト１回転中で最大になるところであり、回転位相変化加速度（ＶＴＣ角加速度）が正から負に切り換わるところに相当する。
そこで、本実施形態では、回転位相が一定に保持されている状態において、カムシャフト１回転中の単位時間当たりの（実）回転位相の変化をメモリし、（実）回転位相の変化速度（又は加速度）を算出し、算出した変化速度（又は加速度）が最大のとき（又は正から負に切り換わるとき）のクランク角度をリフトトップ角θ_LTとして算出する。同じく算出した変化速度（加速度）が最大のとき（又は正から負に切り換わるとき）に検出された実回転位相θ_NOW1と算出したリフトトップ角θ_LTとから、最遅角位置におけるリフトトップ角である最遅角リフトトップ角θ_LT-Rを推定し、この推定した最遅角リフトトップ角θ_LT-Rと設計上の最遅角リフトトップ角（設計値）θ_LT-dとの差を回転位相補正値Δθ_LTとする。そして、回転位相補正値の今回値Δθ_LTと前回値Δθ_LTZとの平均値を最終的な回転位相補正値Δθ_VTCとし、目標回転位相と実回転位相との偏差に基づくバルブタイミング制御に際しては、該偏差を前記回転位相補正値Δθ_VTCで補正する。
これにより、ＶＴＣ１１３の組み付けバラツキ等により実際の回転位相と設定上の回転位相との誤差を吸収して、バルブタイミング制御の精度を向上できる。

なお、以上説明した実施形態では、吸気バルブ１０５にＶＴＣ１１３を備えたものについて説明しているが、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備えた場合であっても同様である。
また、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を任意のタイミングで検出できれば、前記第２回転位相検出手段に限るものではない。

さらに、以上では電磁式のＶＴＣについて説明したが、油圧式のＶＴＣに対して適用してもよいことは当然である。
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
前記回転位相補正値算出手段は、算出した回転位相補正値の今回値と前回値とに基づいて最終的な回転位相補正値を決定することを特徴とする。
（ロ）請求項１〜３、上記（イ）のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
前記回転位相補正値算出手段は、前記回転位相補正値を複数回算出し、その平均値を最終的な回転位相補正値として決定することを特徴とする。
（ハ）請求項１〜３、上記（イ）、（ロ）のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
前記回転位相検出手段（第２回転位相検出手段が相当する）は、前記クランクシャフトの回転位置を検出するクランクシャフト回転検出手段と、前記カムシャフトの回転位置を検出するカムシャフト回転検出手段とを備え、前記クランクシャフト回転検出手段及び前記カムシャフト回転検出手段の出力信号に基づいて前記回転位相を検出する構成であり、
少なくとも前記カムシャフト回転検出手段が、前記カムシャフトの回転位置に応じて異なる信号を出力することを特徴とする。

このようにすると、カムシャフト回転検出手段（ギャップセンサ４０２が該当する）の出力信号はカムシャフトの回転位置に１対１で対応するため、このカムシャフト回転検出手段の出力信号に基づいてカムシャフトの回転位置を任意のタイミングで瞬時に求めることできる。そして、クランクシャフト回転検出手段（クランク角センサ１１７が該当する）により検出したクランクシャフトの回転位置と、カムシャフト回転検出手段により検出したカムシャフトの回転位相とにより、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を、カムシャフトの回転周期とは無関係に検出することができ、低回転時であっても回転位相の検出に遅れが生じることはない。

実施形態に係る内燃機関のシステム構成図である。 実施形態に係る可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 上記ＶＴＣの作動状態を示す断面図（Ａ−Ａ断面図に相当する）。 ヒステリシス材の磁束密度−磁界特性を示すグラフである。 図４の部分拡大断面図である。 図７の部品を直線状に展開した模式図であり、初期状態（ａ）とヒステリシスリングが回転したとき（ｂ）の磁束の流れを示す図である。 上記ＶＴＣのブレーキトルク−回転速度特性を示すグラフである。 第２回転位置検出手段を構成する回転体４０１とギャップセンサ４０２とを説明する図である。 ギャップセンサのギャップ−出力特性を示すグラフである。 ギャップセンサの出力−カム角（回転位置）特性を示すグラフである。 回転位相補正値の算出を示すフローチャート（１）である。 回転位相補正値の算出を示すフローチャート（２）である。 回転位相が一定に保持されている状態における（ａ）カムトルク、（ｂ）実回転位相、（ｃ）回転位相変化速度及び（ｄ）回転位相変化加速度を示す図である。

符号の説明

１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１３…ＶＴＣ（可変バルブタイミング機構）、１１４…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）、クランク角センサ…１１７、１２０…クランクシャフト、１３２…カムセンサ、１３４…吸気側カムシャフト、４０１…回転体、４０２…ギャップセンサ

Claims (3)

1. 内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関の吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置であって、
   機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記回転位相を任意のタイミングで検出可能な回転位相検出手段と、
   機関の運転状態に基づいて目標回転位相を設定する目標回転位相設定手段と、
   前記目標回転位相が一定であるときに、前記回転位相の単位時間当たりの変化量を回転位相変化速度として算出する回転位相変化速度算出手段と、
   前記カムシャフトの１回転周期内において、前記回転位相変化速度算出手段の算出した回転位相変化速度が最大となるときのクランク角度を、前記吸気バルブ又は排気バルブのバルブリフト量が最大となるリフトトップ角として算出するリフトトップ角算出手段と、
   前記リフトトップ角算出手段の算出したリフトトップ角と、設定上のリフトトップ角である基準リフトトップ角とに基づいて、回転位相補正値を算出する回転位相補正値算出手段と、
   前記目標回転位相と実回転位相との偏差を前記回転位相補正値により補正し、補正後の偏差に基づいて前記可変バルブタイミング機構を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする可変バルブタイミング機構の制御装置。
2. 前記回転位相補正値算出手段は、
   前記リフトトップ角と、前記回転位相変化速度が最大となるときの実回転位相とに基づいて、前記開閉タイミングが最も遅れる最遅角位置においてバルブリフト量が最大となる最遅角リフトトップ角を推定する最遅角リフトトップ角推定手段を備え、
   最遅角リフトトップ角推定手段の推定した最遅角リフトトップ角と、前記最遅角位置における設定上のリフトトップ角である基準最遅角リフトトップ角との差に基づいて前記回転位相補正値を算出することを特徴とする請求項１記載の可変バルブタイミング機構の制御装置。
3. 前記可変バルブタイミング機構は、前記回転位相を変化させる要素の動作範囲をストッパ構造により規制するものであって、
   前記回転位相変化速度算出手段は、前記目標回転位相が前記ストッパ構造によって規制される限界位置に相当するときは前記回転位相変化速度の算出を禁止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の可変バルブタイミング機構の制御装置。

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