JP2007262950A - 可変バルブタイミング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン停止時のバルブタイミング制御による消費電力を削減可能な可変バルブタイミング装置を提供する。
【解決手段】目標位相に対するインテークバルブの位相偏差|ΔIV(θ)|と収束判定値θjとの比較により、インテークバルブ位相制御の収束判定が実行される(S140)。収束時(S140のYES判定時)には、インテークバルブ位相が目標位相に到達していると判断されて、必要なカムシャフトの位相変化量が零に設定されるためアクチュエータ作動量も零に設定される(S160)。したがって、目標位相が固定値であるエンジン停止時には、インテークバルブ位相制御の収束後において、アクチュエータの動作は停止される。さらに、エンジン停止の際には、インテークバルブ位相制御の収束判定がエンジン作動時よりも緩やかになるように、収束判定値は、エンジン停止の際およびエンジン作動時で切換えて設定される(S120,S130)。
【選択図】図14

Description

この発明は、可変バルブタイミング装置に関し、より特定的には、アクチュエータの作動量に応じた変化量でバルブの開閉タイミングを変更する機構を有する可変バルブタイミング装置に関する。
従来より、インテークバルブやエキゾーストバルブが開閉する位相(クランク角)を運転状態に応じて変更する可変バルブタイミング(Variable Valve Timing:VVT)が知られている。一般的に、可変バルブタイミング装置では、インテークバルブやエキゾーストバルブを開閉駆動するカムシャフトをスプロケット等に対して相対的に回転させることにより位相を変更する。カムシャフトは、油圧や電動モータ等のアクチュエータにより回転される。
このような可変バルブタイミング装置は、エンジン作動時のみならず、エンジン停止時にも作動されてバルブタイミング(カムシャフト位相)を変更するケースがある。具体的には、エンジン停止時点におけるバルブタイミングが次回のエンジン始動に適したバルブ位相と異なる場合には、次回のエンジン始動に備えるために、可変バルブタイミング装置によってエンジン停止中にバルブタイミングが変更される(たとえば、特許文献1〜4)。
特許文献1(特開2003−184585号公報)には、エンジンの自動停止直後において、このときの冷却水温等に基づいて推定された次回のエンジン自動始動に適した状態へバルブ開閉条件(バルブリフト量、バルブタイミング等)を制御した後、可変バルブリフト機構等の動作を停止することが開示される。また、特許文献2(特開2005−180307号公報)および特許文献3(特開2005−146933号公報)には、機関始動時や機関停止後の慣性回転時に、回転位相が最遅角位相と最進角位相の間の中間位相に自然に戻される構造とすることにより、機関始動可能な回転位相を中間位相に設定可能としたバルブタイミング制御装置が開示される。
また、特許文献4(特開2004−156508号公報)には、イグニッションキーのオフ後、すなわちエンジン停止後に電磁アクチュエータであるヒステリシスブレーキに電流を所定時間通電することにより、次回のエンジン始動に適した角度位置となるようにバルブタイミングを変更するバルブタイミング制御装置が開示されている。
特開2003−184585号公報 特開2005−180307号公報 特開2005−146933号公報 特開2004−156508号公報
一般的に、エンジン停止時における可変バルブタイミング装置のアクチュエータへの動作エネルギは、エンジン作動に伴って充電される二次電池(バッテリ)から供給される。したがって、エンジン停止時にアクチュエータの作動によってバルブタイミングを変更する構成では、その際の消費電力を抑制することが要求される。しかしながら、特許文献1〜3は、エンジン停止時のバルブタイミング変更におけるアクチュエータの消費電力について言及していない。
一方、特許文献4のバルブタイミング制御装置によれば、エンジン停止後の電磁アクチュエータ(ヒステリシスブレーキ)への給電期間を一定期間内とすることによって、バッテリの消耗を一定限度内に防止することが可能である。しかしながら、エンジン停止時に必要となるバルブタイミングの変化量は、エンジン停止時点でのバルブタイミングによって異なってくるところ、上記給電期間が固定的に設定されるため、バルブタイミングが次回のエンジン始動に適したバルブタイミングまで変更された後の期間においても、電磁アクチュエータへの給電が継続されて、無用な消費電力が発生する可能性がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、エンジン停止の際のバルブタイミング制御による消費電力を削減可能な可変バルブタイミング装置を提供することである。
この発明による可変バルブタイミング装置は、エンジンに設けられたインテークバルブおよびエキゾーストバルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置であって、アクチュエータと、変更機構と、アクチュエータ作動量設定部とを備える。変更機構は、開閉タイミングが変更されるバルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相差を、アクチュエータの作動量に応じた変化量で変化させることによって開閉タイミングを変更する。アクチュエータ作動量設定部は、開閉タイミングが変更されるバルブの現在の開閉タイミングと目標値との偏差に基づき、アクチュエータの作動量を設定する。さらに、アクチュエータ作動量設定部は、収束判定手段と、判定値切換え手段とを含む。収束判定手段は、偏差が判定値以下であるときにアクチュエータの作動量を略零に設定する。判定値切換え手段は、収束判定手段における判定値を、エンジン作動時の開閉タイミングの変更における判定値よりも大きい値に設定する。
上記可変バルブタイミング装置によれば、エンジン停止の際、特にエンジン停止後においても、バルブの実際の開閉タイミング(実バルブタイミング)と目標値との差が判定値以下となったときに、実バルブタイミングが目標値に到達していると判定してアクチュエータの作動量を零に設定することができる。さらに、この際の判定値を、エンジン停止の際には、エンジン作動時よりも相対的に大きく設定できる。したがって、エンジン停止の際のバルブタイミング制御において、バルブタイミング設定精度に過度な精度を要求することなく、実バルブタイミングが目標値に到達した後にはアクチュエータの動作を停止して、それ以降での無用な電力消費の発生を防止できる。これにより、エンジン停止の際のバルブタイミング制御による消費電力を削減できる。
なお、収束判定手段における判定値をエンジン作動時よりも大きい値に設定する期間は、実際にエンジンが停止した以降の期間としてもよく、エンジンの停止処理中(エンジンの停止指令発生から実際のエンジン停止までの期間)および実際のエンジン停止以降の期間を含む期間とすることもできる。
好ましくは、この発明による可変バルブタイミング装置は、給電遮断手段をさらに備える。給電遮断手段は、エンジン停止の際の開閉タイミングの変更において、偏差が判定値以下となったときに、アクチュエータへの給電を遮断するように構成される。
上記可変バルブタイミング装置によれば、エンジン停止の際のバルブタイミング制御では、実バルブタイミングが目標値に到達した後にはアクチュエータへの給電が停止されるので、それ以降での無用な電力消費の発生をより確実に防止できる。
好ましくは、この発明による可変バルブタイミング装置では、アクチュエータは電動機で構成され、かつ、アクチュエータの作動量は、カムシャフトに対する電動機の相対的な回転速度差である。また、変更機構は、開閉タイミングが第1の領域にある場合と第2の領域にある場合とで、アクチュエータの作動量と開閉タイミングの変化量との比率が異なるように、かつ開閉タイミングの変化方向が同じであるように、開閉タイミングを変更する。
上記可変バルブタイミング装置によれば、電動機がアクチュエータであり、かつ、アクチュエータの作動量が、エンジン停止とともに回転停止されるカムシャフトに対する電動機の相対的な回転速度差である構成において、エンジン停止の際のバルブタイミング制御による消費電力を削減できる。
さらに好ましくは、この発明による可変バルブタイミング装置では、エンジン停止の際の開閉タイミングの変更において、開閉タイミングの目標値は、次回のエンジン始動に適した所定値に設定される。
上記可変バルブタイミング装置によれば、エンジン停止の際の開閉タイミング変更(バルブタイミング制御)により、次回のエンジン始動を円滑に行なうことができる。
この発明による可変バルブタイミング装置によれば、エンジン停止の際のバルブタイミング制御による消費電力を削減できる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1を参照して、本発明の実施の形態に係る可変バルブタイミング装置を搭載した車両のエンジンについて説明する。
エンジン1000は、第1バンク1010および第2バンク1012に、それぞれ4つの気筒(シリンダ)からなる気筒群が設けられたV型8気筒エンジンである。なお、
本発明の適用はエンジン形式を限定するものではなく、V型8気筒以外の形式のエンジンについても、以下に説明する可変バルブタイミング装置を適用可能である。
エンジン1000には、エアクリーナ1020から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ1030により調整される。スロットルバルブ1030はモータにより駆動される電子スロットルバルブである。
空気は、吸気通路1032を通ってシリンダ1040に導入される。空気は、シリンダ1040の内部(燃焼室)において燃料と混合される。シリンダ1040には、インジェクタ1050から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ1050の噴射孔はシリンダ1040内に設けられている。
燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ1050の噴射孔がシリンダ1040内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン1000を説明するが、直噴用のインジェクタ1050に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。さらに、ポート噴射用のインジェクタのみを設けるようにしてもよい。
シリンダ1040内の混合気は、点火プラグ1060により着火されて燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、三元触媒1070により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン1080が押し下げられることにより、クランクシャフト1090が回転する。
シリンダ1040の頭頂部には、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110が設けられる。インテークバルブ1100はインテークカムシャフト1120により駆動される。エキゾーストバルブ1110はエキゾーストカムシャフト1130により駆動される。インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130は、チェーンやギヤ等により連結されて、同じ回転速度(クランクシャフト1090の回転速度の2分の1)で回転する。なお、シャフト等の回転体の回転速度については、単位時間当たりの回転数(代表的には、毎分当たりの回転数:rpm)で表わすことが一般的であるため、以下では、回転体の回転速度の意味で単に「回転数」とも表記する。
インテークバルブ1100は、インテークカムシャフト1120に設けられたインテーク用VVT機構2000により、その位相(開閉タイミング)が制御される。エキゾーストバルブ1110は、エキゾーストカムシャフト1130に設けられたエキゾースト用VVT機構3000により、その位相(開閉タイミング)が制御される。
本実施の形態においては、インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130がVVT機構により回転されることにより、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110の位相が制御される。なお、位相を制御する方法はこれに限らない。
インテーク用VVT機構2000は、電動モータ2060(図3において図示)により作動する。電動モータ2060は、電子制御ユニット(ECU)4000により制御される。電動モータ2060の電流や電圧は電流計(図示せず)および電圧計(図示せず)により検知され、ECU4000に入力される。
エキゾースト用VVT機構3000は、油圧により作動する。なお、インテーク用VVT機構2000を油圧により作動するようにしてもよく、エキゾースト用VVT機構3000を電動モータにより作動するようにしてもよい。
ECU4000には、クランク角センサ5000からクランクシャフト1090の回転数およびクランク角を表す信号が入力される。また、ECU4000には、カムポジションセンサ5010からインテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130の位相(回転方向におけるカムシャフトの位置)を表す信号が入力される。
さらに、ECU4000には、水温センサ5020からエンジン1000の水温(冷却水の温度)を表す信号が、エアフローメータ5030からエンジン1000の吸入空気量(エンジン1000に吸入される空気量)を表す信号が入力される。
ECU4000は、これらのセンサから入力された信号、メモリ(図示せず)に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン1000が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、インテークバルブ1100の位相、エキゾーストバルブ1110の位相などを制御する。
本実施の形態において、ECU4000は、図2に示すように、エンジン回転数NEと吸入空気量KLとをパラメータとしたマップに基づいて、インテークバルブ1100の位相を決定する。インテークバルブ1100の位相を決定するためのマップは、水温別に複数記憶される。
以下、インテーク用VVT機構2000についてさらに説明する。なお、エキゾースト用VVT機構3000を、以下に説明するインテーク用VVT機構2000と同じ構成にするようにしてもよく、インテーク用VVT機構2000およびエキゾースト用VVT機構3000の各々を、以下に説明するインテーク用VVT機構2000と同じ構成にしてもよい。
図3に示すように、インテーク用VVT機構2000は、スプロケット2010、カムプレート2020、リンク機構2030、ガイドプレート2040、減速機2050、および電動モータ2060から構成される。
スプロケット2010は、チェーン等を介してクランクシャフト1090に連結される。スプロケット2010の回転数は、インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130と同様に、クランクシャフト1090の2分の1の回転数である。スプロケット2010の回転軸と同心軸で、スプロケット2010に対して相対的に回転可能であるように、インテークカムシャフト1120が設けられる。
カムプレート2020は、ピン(1)2070によりインテークカムシャフト1120に連結される。カムプレート2020は、スプロケット2010の内部において、インテークカムシャフト1120と一体的に回転する。なお、カムプレート2020とインテークカムシャフト1120とを一体的に形成するようにしてもよい。
リンク機構2030は、アーム(1)2031とアーム(2)2032とから構成される。図3におけるA−A断面である図4に示すように、インテークカムシャフト1120の回転軸に対して点対称になるように、一対のアーム(1)2031がスプロケット2010内に設けられる。各アーム(1)2031は、ピン(2)2072を中心として搖動可能であるようにスプロケット2010に連結される。
図3におけるB−B断面である図5、および図5の状態からインテークバルブ1100の位相を進角させた状態である図6に示すように、アーム(1)2031とカムプレート2020とが、アーム(2)2032により連結される。
アーム(2)2032は、ピン(3)2074を中心として、アーム(1)2031に対して搖動可能であるように支持される。また、アーム(2)2032は、ピン(4)2076を中心として、カムプレート2020に対して搖動可能であるように支持される。
一対のリンク機構2030により、インテークカムシャフト1120がスプロケット2010に対して相対的に回転し、インテークバルブ1100の位相が変更される。そのため、一対のリンク機構2030のうちのいずれか一方が破損等して折れた場合であっても、他方のリンク機構によりインテークバルブ1100の位相を変更することが可能である。
図3に戻って、各リンク機構2030(アーム(2)2032)のガイドプレート2040側の面には、制御ピン2034が設けられる。制御ピン2034は、ピン(3)2074と同心軸に設けられる。各制御ピン2034は、ガイドプレート2040に設けられたガイド溝2042内を摺動する。
各制御ピン2034は、ガイドプレート2040のガイド溝2042内を摺動することにより、半径方向に移動される。各制御ピン2034が半径方向に移動されることにより、インテークカムシャフト1120がスプロケット2010に対して相対回転せしめられる。
図3におけるC−C断面である図7に示すように、ガイド溝2042は、ガイドプレート2040が回転することにより各制御ピン2034を半径方向に移動させるように、渦巻形状に形成される。なお、ガイド溝2042の形状はこれに限らない。
制御ピン2034がガイドプレート2040の軸心から半径方向に離れるほど、インテークバルブ1100の位相はより遅角される。すなわち、位相の変化量は、制御ピン2034が半径方向に変化することによるリンク機構2030の作動量に対応した値になる。なお、制御ピン2034がガイドプレート2040の軸心から半径方向に離れるほど、インテークバルブ1100の位相がより進角されるようにしてもよい。
図7に示すように、制御ピン2034がガイド溝2042の端部に当接すると、リンク機構2030の作動が制限される。そのため、制御ピン2034がガイド溝2042の端部に当接する位相が、最遅角もしくは最進角の位相になる。
図3に戻って、ガイドプレート2040には、ガイドプレート2040と減速機2050とを連結するための凹部2044が、減速機2050側の面において複数設けられる。
減速機2050は、外歯ギヤ2052および内歯ギヤ2054から構成される。外歯ギヤ2052は、スプロケット2010と一体的に回転するように、スプロケット2010に対して固定される。
内歯ギヤ2054には、ガイドプレート2040の凹部2044に収容される凸部2056が複数形成される。内歯ギヤ2054は、電動モータ2060の出力軸の軸心2064に対して偏心して形成されたカップリング2062の偏心軸2066を中心に回転可能に支持される。
図3におけるD−D断面を、図8に示す。内歯ギヤ2054は、複数の歯のうちの一部の歯が外歯ギヤ2052と噛合うように設けられる。電動モータ2060の出力軸回転数がスプロケット2010の回転数と同じである場合は、カップリング2062および内歯ギヤ2054は外歯ギヤ2052(スプロケット2010)と同じ回転数で回転する。この場合、ガイドプレート2040がスプロケット2010と同じ回転数で回転し、インテークバルブ1100の位相が維持される。
電動モータ2060により、カップリング2062が、軸心2064を中心に外歯ギヤ2052に対して相対的に回転されると、内歯ギヤ2054全体が軸心2064を中心に回転(公転)するとともに、内歯ギヤ2054が偏心軸2066を中心に自転する。内歯ギヤ2054の回転運動により、ガイドプレート2040がスプロケット2010に対して相対的に回転せしめられ、インテークバルブ1100の位相が変更される。
インテークバルブ1100の位相は、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数(電動モータ2060の作動量)が、減速機2050、ガイドプレート2040およびリンク機構2030において減速されることにより変化する。なお、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数を増速してインテークバルブ1100の位相を変更するようにしてもよい。なお、電動モータ2060の出力軸には、この出力軸の回転角(回転方向における出力軸の位置)を表す信号を出力するモータ回転角センサ5050が設けられる。モータ回転角センサ5050は、一般的には、電動モータ2060の出力軸が所定角度回転する度にパルス信号を発生するように構成される。このモータ回転角センサ5050の出力に基づいて、電動モータ2060の出力軸の回転数(以下、単に電動モータ2060の回転数とも称する)を検知可能である。
図9に示すように、インテーク用VVT機構2000全体の減速比R(θ)、すなわち、位相の変化量に対する電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数の比は、インテークバルブ1100の位相に応じた値をとり得る。なお、本実施の形態においては、減速比が大きいほど、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数に対する位相の変化量がより小さくなる。
インテークバルブ1100の位相が最遅角からCA(1)までの第1の領域にある場合では、インテーク用VVT機構2000全体の減速比はR(1)となる。インテークバルブ1100の位相がCA(2)(CA(2)はCA(1)よりも進角側)から最進角までの第2の領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、R(2)(R(1)>R(2))となる。
インテークバルブ1100の位相がCA(1)からCA(2)までの第3の領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、予め定められた変化率((R(2)−R(1))/(CA(2)−CA(1)))で変化する。
以上のような構造に基づき発現する、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置のインテーク用VVT機構2000の作用について説明する。
インテークバルブ1100の位相(インテークカムシャフト1120)を進角させる場合、電動モータ2060を作動させ、ガイドプレート2040をスプロケット2010に対して相対的に回転させると、図10に示すように、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相が最遅角とCA(1)との間の第1の領域にある場合、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(1)で減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相がCA(2)と最進角との間の第2の領域にある場合、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(2)で減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相を遅角する場合は、位相を進角する場合とは逆方向に電動モータ2060の出力軸がスプロケット2010に対して相対回転される。位相を遅角する場合も、進角する場合と同様に、最遅角とCA(1)との間の第1の領域において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(1)で減速されて、位相が遅角される。また、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(2)で減速され、位相が遅角される。
これにより、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対的な回転方向が同じである限り、最遅角とCA(1)との間の第1の領域およびCA(2)と最進角との間の第2の領域の両方の領域においてインテークバルブ1100の位相を進角させたり、遅角させたりすることができる。このとき、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、位相をより大きく進角させたり、遅角させたりすることができる。そのため、大きな範囲で位相を変化させることができる。
また、最遅角とCA(1)との間の第1の領域においては、減速比が大きいため、エンジン1000の運転に伴なってインテークカムシャフト1120に作用するトルクにより電動モータ2060の出力軸を回転させるためには大きなトルクが必要になる。そのため、電動モータ2060の停止時等において、電動モータ2060がトルクを発生しない状態であっても、インテークカムシャフト1120に作用するトルクにより電動モータ2060の出力軸が回転されることを抑制することができる。そのため、制御上の位相から実際の位相が変化することを抑制することができる。また、アクチュエータである電動モータ2060の通電停止時に、意図しない位相変化が発生することを抑制できる。
ところで、インテークバルブ1100の位相がCA(1)とCA(2)との間の第3の領域にある場合、予め定められた変化率で変化する減速比で、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角されたり、遅角されたりする。
これにより、位相が第1の領域から第2の領域に、もしくは第2の領域から第1の領域に変化する場合において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数に対する位相の変化量を漸増もしくは漸減させることができる。そのため、位相の変化量がステップ状に急変することを抑制して、位相が急変することを抑制することができる。その結果、位相の制御性を向上することができる。
以上のように、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置のインテーク用VVT機構によれば、インテークバルブの位相が最遅角からCA(1)までの領域にある場合では、インテーク用VVT機構2000全体の減速比はR(1)となる。インテークバルブの位相がCA(2)から最進角までの領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、R(1)よりも小さいR(2)となる。これにより、電動モータの出力軸の回転方向が同じである限り、最遅角とCA(1)との間の第1の領域およびCA(2)と最進角との間の第2の領域の両方の領域においてインテークバルブの位相を進角させたり、遅角させたりすることができる。このとき、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、位相をより大きく進角させたり、遅角させたりすることができる。そのため、大きな範囲で位相を変化させることができる。また、最遅角とCA(1)との間の第1の領域においては、減速比が大きいため、エンジンの運転に伴なってインテークカムシャフトに作用するトルクにより電動モータの出力軸が回転されることを抑制することができる。そのため、制御上の位相から実際の位相が変化することを抑制することができる。その結果、大きな範囲で位相を変化させ、かつ、位相を精度よく制御することができる。
次に、インテークバルブ1100の位相(以下、単にインテークバルブ位相とも称する)の制御構成について詳細に説明する。
図11を参照して、図1でも説明したように、エンジン1000は、クランクシャフト1090からの動力がタイミングチェーン1200(またはタイミングベルト)により各スプロケット2010,2012を介してインテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130に伝達されるように構成されている。また、インテークカムシャフト1120の外周側には、所定のカム角毎にカム角信号Pivを出力するカムポジションセンサ5010が取付けられている。一方、クランクシャフト1090の外周側には、所定のクランク角毎にクランク角信号Pcaを出力するクランク角センサ5000が取付けられている。また、電動モータ2060の回転子(図示せず)には、所定の回転角度毎にモータ回転角信号Pmtを出力するモータ回転角センサ5050が取付けられている。これらのカム角信号Piv、クランク角信号Pcaおよびモータ回転角信号Pmtは、ECU4000へ入力される。
ECU4000は、さらに、エンジン1000の状態を検出するためのセンサ群の出力および運転条件(運転者ペダル操作、現車速等)に基づき、エンジン1000に対して要求される出力が得られるように、エンジン1000の動作を制御する。そのエンジン制御の一環として、ECU4000は、図2に示したマップに基づき、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110の位相の目標値(目標位相)を設定する。
さらに、ECU4000は、インテークバルブ1100の位相をこの目標位相に合致させるように、インテーク用VVT機構2000へのアクチュエータである電動モータ2060の回転数指令値Nmrefを生成する。この回転数指令値Nmrefは、以下に説明するように、アクチュエータ作動量に相当する電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010(インテークカムシャフト1120)との相対回転数に対応させて決定される。電動機EDU(Electronic Drive Unit)4100は、ECU4000からの回転数指令値Nmrefに従い、電動モータ2060の回転数制御を行なう。
なお、エンジン停止の際、具体的には、エンジン1000の停止指令の生成後には、バルブ位相の目標値(目標位相)は、次回のエンジン始動に備えて、エンジン始動に適したバルブ位相に設定される。したがって、エンジン停止時点において、インテークバルブ位相がエンジン始動に適した目標位相と異なる場合(目標位相へ未到達時)には、エンジン停止時以降において、可変バルブタイミング装置によって、インテークバルブ位相(すなわちインテークカムシャフト1120の位相)を変更する必要がある。
図12は、本発明の実施の形態によるインテーク用VVT機構2000のアクチュエータである電動モータ2060の回転数制御を説明するブロック図である。
図12を参照して、アクチュエータ作動量設定部6000は、バルブ位相検出部6010と、カムシャフト位相変化量算出部6020と、相対回転数設定部6030と、カムシャフト回転数検出部6040と、回転数指令値生成部6050とを含む。アクチュエータ作動量設定部6000の動作は、ECU4000に予め格納された所定プログラムに従う制御処理を所定の制御周期毎に実行することによって実現される。
バルブ位相検出部6010は、クランク角センサ5000からのクランク角信号Pca、カムポジションセンサ5010からのカム角信号Pivおよび、電動モータ2060の回転角センサ5050からのモータ回転角信号Pmtに基づき、現在のインテークバルブ1100の実際の位相IV(θ)(以下、「実インテークバルブ位相IV(θ)」とも表記する)を算出する。
バルブ位相検出部6010は、クランク角信号Pcaおよびカム角信号Pivに基づいて、たとえば、カム角信号Pivの発生時に、クランク角信号Pcaの発生に対するカム角信号Pivの時間差を、クランクシャフト1090およびインテークカムシャフト1120の間の回転位相差に換算することによって、現在のインテークカムシャフト1120の位相、すなわち、実インテークバルブ位相を算出する(第1の位相算出方式)。
あるいは、本発明の実施の形態によるインテーク用VVT機構2000では、アクチュエータである電動モータ2060の作動量(相対回転数ΔNm)に基づいて、インテークバルブの位相変化量を正確にトレースすることができる。具体的には、各センサからの出力に基づいて実際の相対回転数ΔNmを算出し、算出された実際の相対回転数ΔNmに基づく上記(1)式に従った演算処理により、単位時間(制御周期)毎での実インテークバルブ位相の変化量dIV(θ)を算出することができる。したがって、バルブ位相検出部6010は、実位相変化量dIV(θ)を積算することによっても、現在のインテークカムシャフト1120の位相、すなわち、実インテークバルブ位相を逐次算出することができる(第2の位相算出方式)。
バルブ位相検出部6010は、エンジン回転数の安定性や演算負荷等と考慮して、上記第1および第2の位相算出方式を適宜に用いることによって、実インテークバルブ位相IV(θ)を検出することができる。たとえば、エンジン回転数の不安定領域、具体的には、比較的低回転数の領域(たとえば1000rpmより低回転数の領域)では、上記第2の位相算出方式によって位相検出精度を確保するとともに、エンジン回転数が安定し、かつ、カム角信号の発生間隔が短くなるエンジン高回転数領域では、上記第1の位相算出方式によって位相検出を行なって、ECU4000の演算負荷増大を防止することができる。
カムシャフト位相変化量算出部6020は、演算部6022と、必要位相変化量算出部6025とを有する。演算部6022は、実インテークバルブ位相IV(θ)の目標位相IV(θ)rに対する位相偏差ΔIV(θ)(ΔIV(θ)=IV(θ)−IV(θ)r)を求める。必要位相変化量算出部6025は、演算部6022により求められた位相偏差ΔIVに応じて、この制御周期でのインテークカムシャフト1120の必要位相変化量Δθを算出する。
たとえば、単一の制御周期での位相変化量Δθの最大値Δθmaxが予め設定され、必要位相変化量算出部6025は、この最大値Δθmaxの範囲内で、位相偏差ΔIV(θ)に応じた位相変化量Δθを決定する。なお、最大値Δθmaxについては所定の固定値としてもよく、あるいは、必要位相変化量算出部6025が、エンジン1000の運転状態(回転数、吸入空気量等)や位相偏差ΔIV(θ)の大きさに応じて可変に設定する構成としてもよい。また、以下で詳細に説明するように、カムシャフト位相変化量算出部6020は、実インテークバルブ位相IV(θ)が目標位相IV(θ)rに到達しているかどうかの収束判定を実行し、位相収束時には位相変化量Δθ=0に設定する。
相対回転数設定部6030は、必要位相変化量算出部6025によって求められた必要位相変化量Δθを生じさせるのに必要な、スプロケット2010(インテークカムシャフト1120)の回転数に対する電動モータ2060の出力軸の相対的な回転数ΔNmを算出する。たとえば、この相対回転数ΔNmは、インテークバルブ位相を進角させるときには正値(ΔNm>0)に設定され、反対にインテークバルブ位相を遅角させるときには負値(ΔNm<0)に設定され、現在のインテークバルブ位相を維持するとき(すなわち、Δθ=0の位相収束時)には略零(ΔNm=0)に設定される。
ここで、制御周期に相当する単位時間ΔT当たりでの位相変化量Δθと相対回転数ΔNmとの関係は、下記(1)式で示される。なお、(1)式中において、R(θ)は、図9に示された、インテークバルブ位相に応じて変化する減速比である。
Δθ∝ΔNm・360°・(1/R(θ))・ΔT …(1)
したがって、相対回転数設定部6030は、制御周期ΔTにて要求されるカムシャフト位相変化量Δθを生じさせるための電動モータ2060の相対回転数ΔNmを、(1)式に従った演算処理によって求めることができる。
カムシャフト回転数検出部6040は、スプロケット2010の回転数、すなわちインテークカムシャフト1120の実回転数IVNを、クランクシャフト1090の回転数の2分の1として求める。なお、カムシャフト回転数検出部6040は、カムポジションセンサ5010からのカム角信号Pivに基づいてインテークカムシャフト1120の実回転数IVNを算出する構成としてもよい。ただし、一般的に、インテークカムシャフト1120の1回転当たりのカム角信号出力数は、クランクシャフト1090の1回転当たりのクランク角信号出力数よりも少ないので、クランクシャフト1090の回転数に基づいてカムシャフト回転数IVNを検出することにより、検出精度を向上することができる。
回転数指令値生成部6050は、カムシャフト回転数検出部6040によって求められたインテークカムシャフト1120の実回転数IVNと、相対回転数設定部6030により設定された相対回転数ΔNmとを加算して、電動モータ2060の回転数指令値Nmrefを生成する。回転数指令値生成部6050によって生成された回転数指令値Nmrefは、電動機EDU4100へ送出される。
電動機EDU4100は、リレー回路4250を介して電源4200と接続される。リレー回路4250のオン・オフは、制御信号SRLによって制御される。電源4200は、一般的には、エンジン作動時に充電可能な二次電池で構成される。したがって、エンジン停止後にもリレー回路4250をタイマー6070を用いて継続的にオンさせることにより、アクチュエータである電動モータ2060を所定期間だけ作動させて、バルブ位相(すなわちカムシャフト位相)を変更することが可能である。
電動機EDU4100は、電動モータ2060の回転数を回転数指令値Nmrefに合致させるような回転数制御を行なう。たとえば、電動機EDU4100は、回転数指令値Nmrefに対する電動モータ2060の実回転数Nmの回転数偏差(Nref−Nm)に応じて、電源4200から電動モータ2060への供給電力(代表的にはモータ電流Imt)を制御するように、電力用半導体素子(トランジスタ等)のスイッチングを制御する。たとえば、このような電力用半導体素子のスイッチング動作におけるデューティ比が制御される。
特に、電動機EDU4100は、モータ制御性を向上させるために、回転数制御における調整量となるデューティ比DTYを下記(2)式に従って制御する。
DTY=DTY(ST)+DTY(FB) …(2)
(2)式において、DTY(FB)は、上記回転数偏差および所定の制御ゲインによる制御演算(代表的には、一般的なP制御、PI制御等)基づくフィードバック項である。
(2)式中のDTY(ST)は、図13に示すように、電動モータ2060の回転数指令値Nmrefおよび設定された相対回転数ΔNmに基づいて設定されるプリセット項である。
図13を参照して、相対回転数ΔNm=0のとき、すなわち、回転数指令値Nmrefに対して、電動モータ2060をスプロケット2010と同一回転数で回転するとき(ΔNm=0のとき)に必要なモータ電流値に対応させたデューティ比特性6060が予めテーブル化される。そして、(2)式中のDTY(ST)は、デューティ比特性6060に従う基準値から、相対回転数ΔNmに応じた電流値を相対的に増減させることにより設定される。このように、プリセット項およびフィードバック項を組み合わせて電動モータ2060への供給電力を制御する回転数制御とすることにより、電動機EDU4100は、単純なフィードバック制御、すなわち(2)式のDTY(FB)項のみによる回転数制御と比較して、回転数指令値Nmrefの変化に対して電動モータ2060の回転数を高速に追従させることができる。
(本発明の実施の形態によるインテークバルブ位相制御の収束判定)
本発明の実施の形態では、インテークバルブ位相制御の収束判定を図14に示すフローチャートに従って実行する。図14のフローチャートに従う収束判定は、インテーク用VVT機構2000によるバルブタイミング制御の一部として、ECU4000により実行される。
ECU4000は、ステップS100では、実インテークバルブ位相IV(θ)の目標位相IV(θ)rに対する位相偏差ΔIV(θ)を求める。すなわち、ステップS130での処理は、演算部6022(図12)の動作に相当する。さらに、ECU4000は、ステップS110では、エンジン停止の際のインテークバルブ位相制御であるか否かを判定する。
たとえば、エンジン1000の停止指令の生成後において、ステップS110はYES判定とされ、それ以前においてステップS110はNO判定とされる。この場合には、エンジン停止指令の発生に応答して、エンジン回転数を停止状態(回転数=0)まで低下させるエンジン停止処理中の期間および、エンジンが実際に停止された後の期間を含む所定期間において、「エンジン停止の際のインテークバルブ位相制御である(ステップS110がYES)」と判定される。ここで、エンジン停止指令は、運転者のスイッチ操作に応答して発生されるものに限定されず、ハイブリッド車両やいわゆるエコランシステム搭載車両等におけるエンジンの自動停止制御により発生されてもよい。すなわち、エンジン停止に際したインテークバルブ位相制御は、一般的には、アイドル回転数状態から開始されるが、上記のような自動停止制御等によってアイドル回転数以上の状態から開始される場合も存在する。
あるいは、エンジンの実際の回転数に応じて、エンジンが実際に停止された後の期間にステップS110をYES判定としてもよい。
ECU4000は、ステップS110のNO判定時、すなわち、エンジン作動時のインテークバルブ位相制御では、ステップS120により、収束判定値θj=θ0に設定する。この判定値θ0は、運転中のエンジン制御において要求されるインテークバルブ位相精度に対応して設定される。
一方、ECU4000は、ステップS110のYES判定時、すなわち、エンジン停止に際したインテークバルブ位相制御では、ステップS130により、収束判定値θj=θ1に設定する。この判定値θ1は、エンジン作動時の判定値θ0よりも相対的に大きな値に設定される。なお、上記のようにエンジン停止の際のバルブタイミング変更は、次回のエンジン始動に備えるためのものであるから、要求されるインテークバルブ位相精度はエンジン作動時よりも低い。このため、上記のような判定値とすることができる。
ECU4000は、ステップS140では、ステップS110で求めた位相偏差ΔIV(θ)の絶対値と、ステップS120またはS130により設定された収束判定値とを比較することによって、収束判定を行なう。
ECU4000は、位相偏差|ΔIV(θ)|>θjの場合(ステップS140のNO判定時)には、実インテークバルブ位相IV(θ)が目標位相IV(θ)rへ未到達である、すなわち、インテークバルブ位相制御は未だ収束していないと判断して、必要位相変化量算出部6025(図12)により、位相偏差ΔIV(θ)に応じて位相変化量Δθを設定する(ステップS150)。このように設定された位相変化量Δθに応じて電動モータ2060が作動されることにより、インテークバルブ位相は、目標位相に向けてさらに変更される。
一方、ECU4000は、位相偏差|ΔIV(θ)|≦θjの場合(ステップS140のYES判定時)には、実インテークバルブ位相IV(θ)が目標位相IV(θ)rに到達している、すなわち、インテークバルブ位相制御が収束していると判断して、必要位相変化量算出部6025(図12)による位相変化量Δθ=0に設定する(ステップS160)。これにより、アクチュエータ作動量に相当する電動モータ2060の相対回転数ΔNm=0に設定される。
インテークカムシャフト1120およびクランクシャフト1090の回転数が零となるエンジン停止時には、相対回転数ΔNm=0に設定されると、電動モータ2060の回転数指令値Nmref=0に設定される。エンジン停止時には、目標位相IV(θ)rは基本的に固定値であるので、インテークバルブ位相制御の収束後には、電動モータ2060の動作は停止される。
この結果、エンジン停止の際のインテークバルブ位相制御では、実インテークバルブ位相IV(θ)が目標位相に到達した後では、アクチュエータである電動モータ2060を停止させて、それ以降での無用な電力消費の発生を防止できる。特に、エンジン停止の際とエンジン作動時との間でのインテークバルブ位相の要求精度の相違を考慮して、エンジン停止の際のインテークバルブ位相制御において収束判定条件を緩和することにより消費電力を削減できる。
また、エンジン停止の際のインテークバルブ位相制御では、ECU4000は、ステップS170により、リレー回路4250をオフするように制御信号SRLを生成してもよい。これにより、実インテークバルブ位相IV(θ)がエンジン停止時の目標位相に到達した後には、電動モータ2060(アクチュエータ)への給電が停止されるので、それ以降での無用な電力消費の発生をより確実に防止できる。特に、エンジン停止の際におけるインテークバルブの目標位相を含むように、図9に示した減速比が大きい領域を設定すれば、ステップS170による電動モータ2060(アクチュエータ)への給電停止に伴って、位相検出に誤差が発生することを防止できる。
また、リレー回路4250については、図示しないタイマー等を設けて、エンジン停止時点(あるいは、エンジン停止処理開始時点)から所定時間経過後には、インテークバルブ位相制御が収束しているか否かにかかわらず強制的にオフさせる制御構成としてもよい。このような構成とすることにより、インテークバルブ位相制御が何らかのトラブルにより長期間収束しない場合に、消費電力が無用に増大することを防止できる。
なお、以上説明した実施の形態において、図14のステップS140,S160は、本発明における「収束判定手段」に対応し、ステップS110〜S130は本発明での「判定値切換え手段」に対応し、ステップS170は本発明での「給電遮断手段」に対応する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態に係る可変バルブタイミング装置が搭載された車両のエンジンを示す概略構成図である。 インテークカムシャフトの位相を定めたマップを示す図である。 インテーク用VVT機構を示す断面図である。 図3のA−A断面図である。 図3のB−B断面図(その1)である。 図3のB−B断面図(その2)である。 図3のC−C断面図である。 図3のD−D断面図である。 インテーク用VVT機構全体として減速比を示す図である。 スプロケットに対するガイドプレートの位相とインテークカムシャフトの位相との関係を示す図である。 本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置によるインテークバルブ位相の制御構成を説明する概略ブロック図である。 本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置のアクチュエータである電動モータの回転数制御を説明するブロック図である。 電動モータの速度制御を説明する概念図である。 本発明の実施の形態による可変バルブタイミング装置におけるインテークバルブ位相制御の目標値収束判定を説明するフローチャートである。
符号の説明
1000 エンジン、1010,1012 バンク、1020 エアクリーナ、1030 スロットルバルブ、1032 吸気通路、1040 シリンダ、1050 インジェクタ、1060 点火プラグ、1070 三元触媒、1080 ピストン、1090 クランクシャフト、1100 インテークバルブ、1110 エキゾーストバルブ、1120 インテークカムシャフト、1130 エキゾーストカムシャフト、1200 タイミングチェーン、1210,1212 スプロケット、2020 カムプレート、2030 リンク機構、2034 制御ピン、2040 ガイドプレート、2042 ガイド溝、2044 凹部、2050 減速機、2052 外歯ギヤ、2054 内歯ギヤ、2056 凸部、2060 電動モータ、2062 カップリング、2064 軸心、2066 偏心軸、2000 エキゾースト用VVT機構、3000 エキゾースト用VVT機構、4000 ECU、4100 電動機EDU、4200 電源、4250 リレー回路、5000 クランク角センサ、5010 カムポジションセンサ、5020 水温センサ、5030 エアフローメータ、5050 モータ回転角センサ、6000 アクチュエータ作動量設定部、6010 バルブ位相検出部、6020 カムシャフト位相変化量算出部、6022 演算部、6025 必要位相変化量算出部、6030 相対回転数設定部、6040 カムシャフト回転数検出部、6050 回転数指令値生成部、6060 デューティ比特性、dIV(θ) 実位相変化量、Imt モータ電流、IV(θ) 実インテークバルブ位相、IV(θ)r 目標位相、IVN カムシャフト回転数、IVN 実回転数(カムシャフト)、Nm 実回転数(電動モータ)、Nmref 回転数指令値(電動モータ)、Pca クランク角信号、Pca♯ クランク角分周信号、Piv カム角信号、Pmt モータ回転角信号、R(θ) 減速比、SRL 制御信号(リレー回路)、ΔNm 相対回転数(電動モータ)、ΔIV(θ) 位相偏差(インテークバルブ位相)、Δθ カムシャフト位相変化量、θ0,θ1 判定値、θj 収束判定値。

Claims (4)

  1. エンジンに設けられたインテークバルブおよびエキゾーストバルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置であって、
    アクチュエータと、
    前記開閉タイミングが変更されるバルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相差を、前記アクチュエータの作動量に応じた変化量で変化させることによって前記開閉タイミングを変更する変更機構と、
    前記開閉タイミングが変更されるバルブの現在の開閉タイミングと目標値との偏差に基づき、前記アクチュエータの作動量を設定するアクチュエータ作動量設定部とを備え、
    前記アクチュエータ作動量設定部は、
    前記偏差が判定値以下であるときに、前記アクチュエータの作動量を略零に設定する収束判定手段と、
    エンジン停止の際の前記開閉タイミングの変更において、前記収束判定手段における前記判定値を、エンジン作動時の前記開閉タイミングの変更における前記判定値よりも大きい値に設定する判定値切換え手段とを含む、可変バルブタイミング装置。
  2. 前記エンジン停止の際の前記開閉タイミングの変更において、前記偏差が判定値以下となったときに前記アクチュエータへの給電を遮断するための給電遮断手段をさらに備える、請求項1記載の可変バルブタイミング装置。
  3. 前記アクチュエータは電動機で構成され、かつ、前記アクチュエータの作動量は、前記カムシャフトに対する前記電動機の相対的な回転速度差であり、
    前記変更機構は、前記開閉タイミングが第1の領域にある場合と第2の領域にある場合とで、前記アクチュエータの作動量と前記開閉タイミングの変化量との比率が異なるように、かつ前記開閉タイミングの変化方向が同じであるように、前記開閉タイミングを変更する、請求項1記載の可変バルブタイミング装置。
  4. 前記エンジンの停止の際の前記開閉タイミングの変更において、前記開閉タイミングの目標値は、次回のエンジン始動に適した所定値に設定される、請求項1から3のいずれか1項に記載の可変バルブタイミング装置。
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