JP2006348914A - エンジンのカムシャフトの位相角の判別装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 カムシャフトのカム角位相を正確に検出して、検出された信号を、エンジンコントロールユニットなどに送り、可変バルブタイミング機構コントローラの最適制御、燃料噴射タイミングの最適確制御、又は、エンジンの点火時期の最適制御などエンジン制御を最適に実行することに好適な、エンジンのカムシャフトのカム角位相の判別装置を提供する。
【解決手段】 カムシャフトのカムノーズ76に臨んで設けられ、カムノーズを検出する検出信号を出力するセンサを備え、検出信号に基づいて、カムシャフトの位相角を検出するように構成された判別装置である。前記センサに前記検出信号を発生させるための矩形状の突部56を、前記カムノーズ自体のプロフィール56B内に研削加工によって形成した。
【選択図】 図5

Description

本発明は、エンジンの最適制御のために、エンジンのカムシャフトの位相角を正確に判別しようとする装置に関するものであり、特に、前記カムシャフトのカムノーズの形状の改良に関するものである。

電子式燃料噴射機能を備えた内燃機関は、燃料噴射タイミングを演算するために、エンジンの気筒が吸入、圧縮、爆発、排気行程のどの行程にあるかを判別するための装置を備えている。

そこで、特許第２９１３２７３号公報には、エンジンのクランク角度を検出するために、エンジンの回転軸に設けられてこの回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト規制部材に、既述の判別用の被検出部を設けることが開示されている。

また、特許第３２４４７１５号公報に記載されたものは、カムノーズの周面に対向するように気筒判別センサを配置し、センサにカムノーズの先端が近づくとセンサがピックアップ信号を出力する。このピックアップ信号がエンジンコントロールユニットに供給され、ＥＣＵが燃料噴射タイミングを演算し、フューエルインジェクタに燃料噴射制御信号を供給する。
特許第２９１３２７３号公報 特許第３２４４７１５号公報

しかしながら、特許第３２４４７１５号公報に記載の方式であると、カムノーズの形状がシャープでないがために、ピックアップの信号も同じようにシャープさに欠けることになり、カムノーズの位相を正確に検出できない。したがって、各気筒への燃料噴射タイミングを正確に決定することが困難になる。

そこで、この発明の目的は、カムシャフトのカム角位相を正確に検出して、検出された信号を、エンジンコントロールユニットなどに送り、可変バルブタイミング機構コントローラの最適制御、燃料噴射タイミングの最適確制御、又は、エンジンの点火時期の最適制御などエンジン制御を最適に実行することに好適な、エンジンのカムシャフトのカム角位相の判別装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、カムシャフトのカムノーズに臨んで設けられ、当該カムノーズを検出する検出信号を出力するセンサと、当該検出信号に基づいて、前記カムシャフトの位相角を判別するエンジンコントロールユニットと、を備えて成るエンジンのカムシャフトの位相各判別装置において、前記センサに前記検出信号を発生させるための突部を、前記カムノーズ自体のプロフィールとは別な形態になるように当該カムノーズに形成してなることを特徴とするものである。

本発明をこのように構成することにより、カムノーズ先端を検出するセンサの出力信号を先鋭化できることになり、これによりエンジンコントロールユニットは、カム角位相を正確に判定することができる。エンジンコントロールユニットは、前記検出信号から、VVT（可変バルブタイミング機構）のコントローラへの制御信号等を形成することにより、エンジン制御を最適な状態で実行することが可能となる。

本発明の形態において、前記突部が前記カムノーズのプロフィール内に、当該カムノーズと一体に設けられている。前記突部がカムノーズの最先端からカムシャフト中心に向って形成された矩形状の部材からなり、この板状部材はカムノーズの一部が研削されて形成され、さらにカムシャフト方向視でその幅方向が来る様に形成されてなる。前記突部先端が前記カムノーズ最先端のプロフィールと同一面に形成されてなる。前記突部が形成されたカムノーズの当該突部を除いたカムシャフト方向幅の中心を、当該カムノーズによって駆動される弁のリフタの中心に対して一方向へオフセットさせ、その他方側に前記突部を形成してなる。前記エンジンブロックには前記突部に対向するリフタの部分に対応するガイド壁が形成されてなる。前記突部が形成されたカムノーズの当該突部を除いたカムシャフト方向幅の中心を、当該カムノーズによって駆動される弁のリフタの中心に対して一方向へオフセットさせ、その同じ側に前記突部を形成してなる。気筒当たりの吸気側又は排気側に複数のカムノーズがあり、当該複数のカムノーズのうち前記エンジンのセンター寄りのカムノーズに前記突部が設けられてなる。気筒当たりの吸気側又は排気側に複数のカムノーズがあり、当該複数のカムノーズのうち前記エンジンの外寄りのカムノーズに前記突部が設けられてなる。

さらに、前記センサは、エンジンカバーに設けられている。前記突部は、インテークカムシャフト及びエキゾーストカムシャフトの少なくとも一方のカムノーズに形成されている。

以上説明したように、本発明によれば、カムシャフトのカム角位相を正確に検出して、検出された信号を、エンジンコントロールユニットなどに送り、可変バルブタイミング機構コントローラの最適制御、燃料噴射タイミングの最適確制御、又は、エンジンの点火時期の最適制御などエンジン制御を最適に実行することに好適な、エンジンのカムシャフトのカム角位相の判別装置を提供することができる。

図１は、エンジンのカムシャフト位相角の判別装置が適用されるエンジンの全体を示すものであるが、詳しくは、エンジンのヘッドカバーを取り外した状態を示している。このエンジンは、センターカムチェーン方式の２気筒エンジンからなり、各気筒には3つのインテークバルブ、２つのエキゾーストバルブを備えている。符号12は図示左側の気筒の領域を示し、符号14は図示右側の気筒の領域を示している。

中央のカムチェーン室10には、後述するカムシャフトの軸方向中心に設けてあるスプロケットが位置するようになっており、このスプロケットに、エンジンのクランク軸からのチェーン又はギヤが係合して、カムシャフトを回転するようになっている。

エキゾーストバルブを駆動するエキゾーストカムシャフトカムシャフトとインテークバルブを駆動するインテークカムシャフトカムシャフトの２本のカムシャフトが平行になって、エンジン本体の軸受部に回転自在に載置されている。この軸受は、左右の気筒の両方に設けられている。図示する符号18は、エキゾーストカムシャフトがエンジンに置かれるラインを示し、符号16はインテークカムシャフトがエンジンに置かれるラインを示す。

符号24及び26は、エキゾーストバルブのリフタのガイド穴を示している。エキゾーストカムシャフトは軸受20及び22上に回転自在に載置される。このガイド穴及び軸受とも、図示右側の気筒にも同様に形成されている。

符号32，34及び36はインテークバルブのリフタのガイド穴を示している。ここで、リフタとはカムシャフトのカムノーズによってエンジンのシリンダヘッド側に対して周期的に進退する部材であり、リフタの先に付いている、バルブ本体によってシリンダヘッドに通じる吸気通路を開閉させるためのものである。符号30は吸気ポートを示している。符号42,44及び45は、インテークカムシャフトに対する軸受部である。このカムシャフトは、両側の気筒に設けられている。46はカムシャフトの軸方向の移動を防ぐために、カムシャフトに設けられたスラスト部の挿入用開孔である。すなわち、カムシャフトに設けられたキャップであり、カムシャフトをスラスト方向に位置決めするものである。また、符号38及び40はリフタのガイド壁である。

図2は、エンジンのインテークバルブの設置状態を示す断面図である。55はインテークカムシャフトを示すものであり、カムシャフトは中心53周りにエンジンのクランク軸と連動して回転される。カムシャフトとクランク軸との間の伝達方式は、チェーンやベルト、或いはギヤによって行われ、クランク軸の2回転をカムシャフトの1回転に減速している。

54はカムノーズをカムシャフト55の軸方向から見た、カムノーズのプロフィール（外周面）であり、符号56は本発明に係る突部である。エンジンのヘッドカバー5Aには、カムノーズ54Sのプロフィール（最外縁）54に接触することなく、カムノーズの突部56に近接しながらこれに臨むように、センサ本体50がエンジンカバーに装着されている。

符号62はリフタを示すものであり、このリフタが、リフタガイド穴36中をカムノーズの回転に合わせてガイド穴の方向に沿って往復動し、これに合わせてバルブ軸60を往復動させてバルブ本体58が気筒の燃焼室66に至る吸気通路30を周期的に開閉する。符号64は点火プラグである。

図3に上記カムシャフトのうちインテークカムシャフト(一部断面図)の正面図を示す。左右の各気筒のインテークバルブ用としてそれぞれ３個のカムノーズがあり、すなわち、左側の気筒に対して70,72,74のカムノーズがあり、右側の気筒に対して76,78,80のカムノーズがインテークカムシャフトを研削加工することによって形成されている。符号71はエンジンセンタのスプロケットの取り付け部である。両気筒のエンジンセンタ寄りのカムノーズに既述の突部56が設けられている。なお、符号82がカムシャフトの軸方向への移動を抑止するためのスラスト部（既述）と成るキャップである。各カムノーズ間の符号84,86,85,87,88,90が軸受部である。

図4に、突部が形成されたカムノーズの正面図（１）、右側面図（２）、平面図（３）を示し、図5にその斜視図を示す。カムノーズの途中からその先端側にかけてカムノーズの一方の側（図5の紙面側）に小片状の矩形突部56が残るように研削加工されている。この突部は、カムシャフトの長さ方向に向かって所定の小幅の平行面90,92を備え、この平行面間でカムシャフトの径方向に延びる小端面94は所定の小距離を持って形成されている。符号56Aは、幅Hを持った突部56の、前記センサに臨む最外周面であり、符号56Bはカムノーズのプロフィールである。

図5に示すように、この突部をカムノーズに形成する工程は、以下のとおりである。先ず、カムシャフトとなる中空で、所定厚を持った金属素材を長手方向に沿って研削してカムノーズを形成する。次いで、図5に示すように、カムノーズの突部56を形成する2つの面90,92を研削加工する。次いで、カムノーズ先端の突部56の荒加工及び仕上げ加工を行う。

この加工により、カムシャフトのカムノーズに、鍛造又は鋳造の素材面96が形成される。符号98も研削の結果残る素材面であり、この研削によって 突部56の先端56Aの円周方向の幅H（）を適当な値に調整できる。突部56の軸方向幅Lと既述の円周方向幅Hは、カムシャフトのカム角位相を正確に検出することができるように適宜決定される。

図6は、本発明に係る判別装置の機能ブロック図であり、検出されたカム角位相によって、エンジンを制御する様子を示している。カムノーズが回転してカムノーズの突状部の先端面56Aが、カムシャフトが回転する過程でセンサ50の検出面に到達した時に、センサは矩形状のピックアップ信号（検出信号）を、ＥＣＵ(エンジンコントロールユニット)50Aに出力する。ＥＣＵはこのピックアップ信号から、インテークカムシャフト及びエキゾーストカムシャフトのカム角位相を正確に判別して、この演算値からエンジンの各種制御信号を生成する。この一つに、気筒毎に燃料噴射タイミングを決定し、燃料噴射信号Ｓ１をインジェクタ50Ｂに出力する。エンジンコントロールユニットは、例えば、マイクロコンピュータから構成されている。

他の制御信号としては、可変バルブタイミングコントローラに供給されるコントロール信号Ｓ２である。この可変バルブタイミングコントローラは、インテークカムシャフトかエキゾーストカムシャフトに設けられ、例えばベーン式のものがあり、どちらもインテークカムのカム角位相を連続的に可変させる。

図11及び図12示すように、可変バルブタイミングコントローラは、エキゾーストカムシャフト201に固定されたベーン部200と、進角室204及び遅角室206とからなる油圧室とを設けたハウジング205、さらに、エンジン停止時の油圧が印可されないときに、最も遅角状態で固定するロックピン207とから構成されている。油圧は、ＥＣＵからのデューティ信号によりオイル・コントロール・バルブのスプール弁209の位置を制御して、ハウジングの進角室或いは遅角室にオイルを供給する。オイル・コントロール・バルブは、エンジン停止時、弾性スプリングにより最遅角状態にある。

図12は、可変バルブタイミング機構をエキゾーストカムシャフトに設けたものを示すものであり、ベーン部200をエキゾーストカムシャフトに固定し、ハウジング部205はドライブギヤ210が固定されたシザースギヤ212を介してインテークカムシャフトを駆動する。

図12に示すように、進角時、オイル・コントロール・バルブのスプール弁209が移動して進角室206に油圧が加わると、ロックピン207が解除されてハウジング205が回転し、シーザスギア212を介してインテークカムシャフト201（図11）を進角側に回転させる。一方、遅角時、油圧経路は逆になって遅角室204に油圧が加わりインテークカムシャフトを遅角側に回転させる。保持時、バルブタイミングを保持し、エンジンオイルの不必要な流出を抑える。

既述の突部56（図4及び図5参照）は、カムシャフトの円周方向に、図端面56Aの極めて狭い幅のみを備えているだけなので、ピックアップ信号もこれに伴って狭い矩形状（高分解能）の波形となる。センサは磁気センサであり、センサにカムノーズの先端56Aが近づくにつれてセンサからの出力値が大きくなる。図7（１）はカムノーズのプロフィールの加工前の形状（元形状）に係わる先端を検出した場合のピックアップ信号の波形であり、（２）はカムノーズの先端を図5のように加工した場合に係わる波形である。カムノーズのカム角位相を正確にＥＣＵが検出する場合には、ピックアップ信号のボリューム（Ｔ１）とピックアップ信号の角幅幅（Ｔ２）の比（Ｔ１／Ｔ２）が大きいほど良いことになるが、（２）の場合は（１）に比べてこの比が明らかに大きな値となっている。

図8は図1のシリンダ部に装着されるシリンダヘッドカバー53Aの斜視図であり、符号110は既述のセンサ50が装着される開口部である。この開口部に図2で説明したセンサ50が挿入され、図2に示すボルト53Dがボルト穴部112に挿入してボルトをカバーに螺着することによって固定される。符号114はセンサ本体に接続された信号線である。符号116,118はカバーをシリンダヘッド（図１）に固定するためのボルト穴である。センサ本体をカバーに螺着すると、センサの中心がカムノーズの前記突部56に臨む位置になるようになっている（図２参照）。

図9は吸気側のカムシャフト130の軸方向に沿ったエンジンの断面図である。センサ50の中心は、突部56に面している。この構成により、カムノーズプロフィール77に影響されることなく、センサ50が突部56を優先的に検出することが可能となる。突部56を除いたカムノーズのカムシャフト方向の中心302は、リフタのガイド36のカムシャフト方向の中心300よりエンジン外方に向けて僅かに偏位されている。これに対して、既述の突部56はエンジンの中心側に向けて設けられている。 カムノーズのオフセット方向と同じ方向に突部を、リフタガイド壁を確保できるかぎり、設けてもよい。検出部を除いた部分カムノーズがリフタの中心に対して偏位した位置でリフタに当接するが、これによりカムシャフトの回転に伴ってリフタがバルブ軸（図2の60）中心として回転するが、突部56近傍にカムプロフィールと同一面（図2の54）があってもこの回転に妨げとならない。なお、リフタをこのように回転させることは、ロス馬力低減等の目的で周知である。

図10は図9の変形例であり、突部56が複数のカムノーズのうちエンジンの最も外側にあるカムノーズ70に形成した場合を示している。センサ50はエンジンカバー53Aの側面に設けられ、突部の端面（図5の94）を検出する。突部を矩形状に形成することにより、カムシャフト方向からカムノーズの位相を検出できるようになる。

この実施形態では、各気筒当たり3つあるカムノーズのうちエンジン中心寄りとエンジン外側寄りのカムノーズに突部を設けたが、カムシャフトに軸受部を設ける必要から真ん中のカムノーズに突部を設けるのが困難だからである。

突部56は、図5に示すようにカムノーズプロフィール56Bの内側（カムシャフト側）に、研削加工によってカムノーズ本体と一体に形成されるが、突部56をカムノーズ本体とは別部材から形成し、カムノーズ本体に圧入やろう付によって結合しても良い。また、既述の実施形態では、突部の先端面56Aをカムノーズ本体の最先端のプロフィールと同一面に形成した。これにより突部がセンサに最も近接できる位置を確保することができる。

既述の実施形態では、各気筒について複数あるカムノーズのひとつに被検出部を設けたが、検出精度を高めるために、各気筒について複数のカムノーズに被検出部（突部）を設けても良い。

ヘッドカバーを取り外した状態でのエンジンの平面を描いた斜視図である。 エンジンのシリンダヘッド側への切断面によって切断した断面図である。 吸気側のカムシャフトの正面図（一部断面図）である。 突部が形成されたカムノーズの正面、平面、および側面を示す図である。 突部が形成されたカムノーズの斜視図である。 突部を検出するセンサ出力を燃料噴射制御を示すブロック図である。 突部を利用した場合のセンサ出力波形をカムノーズ先端を利用した場合のセンサ出力波形と比較したグラフである。 シリンダヘッドカバーの斜視図である。 エンジンをカムシャフト方向に切断した断面図である。 図９の変形例に係わる断面図である。 可変バルブタイミングコントローラがエキゾーストカムシャフト先端に固定された状態を示す斜視図である。 図１１の可変バルブタイミングコントローラにエンジンコントロールユニットが制御信号を出力して、インテークカムシャフトを進角方向に回転した状態を示す図である。

符号の説明

12,14 エンジンの各気筒、50 センサ、54s カムノーズ56s、56 突部

Claims (13)

1. カムシャフトのカムノーズに臨んで設けられ、当該カムノーズを検出する検出信号を出力するセンサと、当該検出信号に基づいて、前記カムシャフトの位相角を判別するエンジンコントロールユニットと、を備えて成るエンジンのカムシャフトの位相各判別装置において、
   前記センサに前記検出信号を発生させるための突部を、前記カムノーズ自体のプロフィールとは別な形態になるように当該カムノーズに形成してなる、エンジンのカムシャフトの位相角の判別装置。
2. 前記突部が前記カムノーズのプロフィール内に、当該カムノーズと一体に設けられてなる請求項１記載の装置。
3. 前記突部が、カムノーズの最先端から前記カムシャフト中心に向って形成された矩形状の部材からなり、この板状部材は前記カムノーズの一部が研削されて形成され、さらに前記カムシャフト方向視にその幅方向が一致するように形成されてなる、請求項２記載の装置。
4. 前記突部の先端が前記カムノーズ最先端のプロフィール内に形成されてなる請求項２記載の装置。
5. 前記突部が形成されたカムノーズの当該突部を除いた前記カムシャフト方向幅の中心を、当該カムノーズによって駆動される弁のリフタの中心に対して一方向へオフセットさせ、その他方側に前記突部を形成してなる請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記エンジンブロックには前記突部に対向するリフタの部分に対応するガイド壁が形成されてなる請求項５記載の装置。
7. 前記突部が形成されたカムノーズの当該突部を除いた前記カムシャフト方向幅の中心を、当該カムノーズによって駆動される弁のリフタの中心に対して一方向へオフセットさせ、その同じ側に前記突部を形成してなる請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
8. 気筒当たりの吸気側又は排気側に複数のカムノーズがあり、当該複数のカムノーズのうち前記エンジンのセンター寄りのカムノーズに前記突部が設けられてなる請求項１乃至７のいずれか１項記載の装置。
9. 気筒当たりの吸気側又は排気側に複数のカムノーズがあり、当該複数のカムノーズのうち前記エンジンの外寄りのカムノーズに前記突部が設けられてなる請求項１乃至７のいずれか１項記載の装置。
10. 前記センサがエンジンカバーに設けられている請求項１乃至９のいずれか１項記載の装置。
11. 前記突部が、インテークカムシャフト及びエキゾーストカムシャフトの少なくとも一方のカムノーズに形成されている、請求項１乃至１０の何れか１項記載の装置。
12. 前記エンジンコントロールユニットは、前記センサ出力から可変バルブタイミングコントローラの制御信号を演算し、これを当該可変バルブタイミングコントローラの制御対象に出力するように構成されてなる、請求項１乃至１１のいずれか１項載の装置。
13. 前記エンジンコントロールユニットは、オイル・コントロール・バルブ制御信号を前記可変バルブタイミングコントローラに、演算出力するものである請求項１２記載の装置。
    
    

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