JP2009197591A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＴＣの位相角変更時のオーバーシュートを抑制しつつコストの低減化が図れるバルブタイミング制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ３は、電磁コイルに通電される電流(デューティ比)が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を、前記位相変更機構１２が位相変化を開始してから目標位相θｔｇに到達するまでの一定期間毎の動作角θｍをたとえば３つに分割して、最初の２つの位相角θｏｐよりも前記目標位相に到達する最後の足されたθｒが最も小さくなるように構成した。このパターンでは、最後が小さい動作角のためＶＴＣが短時間でθｒだけ動くことにより、θｄｅｔｓからθｔｇ１ヘの到達時間を短くできると共に、ＶＴＣの動作後半での速度の出すぎが緩和されて、オーバーシュートが抑えられる。
【選択図】図１１

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相対回転位相を変化させることによって、吸気弁または排気弁のバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させるバルブタイミング制御装置に関する。

従来の内燃機関のバルブタイミング制御装置としては、本出願人が先に出願した以下の特許文献１に記載されるようなものがある。

この内燃機関のバルブタイミング制御装置は、クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を任意のタイミングで検出できる回転位相検出手段を備え、この回転位相検出手段により検出した回転位相に基づいてバルブタイミング機構を制御するようになっている。

これによって、カムシャフトの回転周期よりも短い周期であっても前記相対回転位相を検出できるので、バルブタイミング制御のフィードバック制御を行うに際して低回転時であってもバルブタイミングの制御周期と相対回転位相の検出周期を一致させて、高応答性、高精度のバルブタイミング制御を実現できる。

つまり、機関回転とは無関係に前記回転位相検出手段の検出周期の粗さがあると、目標位相角到達後にオーバーシュートによって目標位相を離れてしまいバルブタイミング制御に悪影響を与えることから、高精度な回転位相検出手段を用いてオーバーシュートを抑制して制御応答性や制御精度の向上を図るようになっている。
特開２００５−２９９６４０号公報

しかしながら、前記従来のバルブタイミング制御装置にあっては、前述のように、回転位相検出手段の検出周期の粗さなどに起因するオーバーシュートを抑制するために、高価な回転位相検出手段を用いていることから、コストの高騰が余儀なくされてしまう。

本発明は、バルブタイミング制御装置（ＶＴＣ）の動作時のオーバーシュートを抑えることを目的とし、バルブタイミング制御装置全般に共通する特性である、動作開始直後の大きな摺動抵抗やアクチュエータの応答遅れなどの影響で制御性が悪く、オーバーシュートしやすいという特性に着目し、このオーバーシュートを抑制しつつコストに低減化を図ることを目的としている。

本発明は、前記従来の技術的課題を解決するために案出されたもので、とりわけ、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変化させる位相変更機構と、通電されることによって前記位相変更機構に駆動力を付与する駆動機構と、該駆動機構に通電される電流を制御する制御機構と、前記クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転角度を検出すると共に、機関運転状態によって検出周期が前記制御機構の制御周期より長い場合が存在する位相角検出機構と、前記位相変更機構が前記クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記制御機構から駆動機構に通電される電流の増減を繰り返すことを特徴としている。

また、他の発明としては、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変化させる位相変更機構と、通電されることによって前記位相変更機構に駆動力を付与する駆動機構と、該駆動機構に通電される電流をデューティ制御する制御機構と、前記クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転角度を検出すると共に、機関運転状態によって検出周期が前記制御機構の制御周期より長い場合が存在する位相角検出機構と、を備え、
前記位相変更機構が、前記クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記制御機構によって駆動機構が制御されるデューティ比が増減を繰り返すことを特徴としている。

本発明によれば、位相変更機構が相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記制御機構から駆動機構に通電される電流やデューティ比の増減を繰り返すことによって、前記駆動機構の駆動力を作動開始直後には大きくし、目標位相の収束時には小さくする。これにより、複雑な計算をせずにかつ各種条件で制御ゲイン変更をせずに、バルブタイミング制御のオーバーシュートを防止することができる。

しかも、前記位相角検出機構として、一般的なクランク角センサやカム角センサを用いるだけであるからコストの高騰を抑制できる。

以下、本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

この実施形態では、直列４気筒内燃機関の吸気側の動弁装置に適用したものであるが、排気側の動弁装置に同様に適用することも可能であり、また、気筒構成はこれに限定されるものではない。

図１は前記内燃機関の全体概略構成を示し、シリンダブロックとシリンダヘッドからなる機関本体０１の内部に形成された吸気管０１には、スロットルバルブ０３が設けられ、該スロットルバルブ０３と吸気弁０４を介して燃焼室０５内に空気が吸入される。前記燃焼室０５には、混合気に着火する点火プラグ０６が設けられている。燃焼排気は燃焼室０５から排気弁０７を介して排気管０８に取り付けられた触媒で浄化された後に大気に排出される。

前記吸気弁０４と排気弁０７は、図外のバルブスプリングのばね力と吸気側カムシャフト１と排気側カムシャフト２に設けられた駆動カム１ａ、２ａとによって開閉駆動されるようになっている。

また、前記各気筒の吸気ポートには、燃料噴射弁０９がもうけられており、該燃料噴射弁０９は、エンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)３に制御され、燃料を吸気弁０４に噴射する。

前記ＥＣＵ３は、入力された各種センサの検出信号に基づく演算結果によって車両に搭載された各種アクチュエータを制御する。

前記各種センサとしては、クランクシャフト４の回転角を１８０°毎の基準回転位置で基準クランク角信号ＲＥＦを取り出すと共に単位角度信号ＰＯＳを取り出すクランク角センサ５や、吸気側カムシャフト１からカム角９０°（クランク角１８０°）毎の基準回転位置でのカム信号ＣＡＭを取り出すカム角センサ６、アクセル開度ＡＰＳを検出するアクセル開度センサ７、機関の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメーター８、冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ９などが設けられている。なお、機関回転速度Ｎｅは、基準クランク角信号ＲＥＦの周期、または、単位時間当たりの単位角度信号ＰＯＳの検出頻度に基づいて算出される。

また、前記吸気側カムシャフト１の一端部に、前記バルブタイミング制御装置(ＶＴＣ)１０が設けられている。

このＶＴＣ１０は、図２及び図３に示すように、前記吸気側カムシャフト１と、この吸気側カムシャフト１の前端側に必要に応じて相対回動可能に設けられた駆動回転体であるタイミングスプロケット１１と、該タイミングスプロケット１１の内周側に配置されて、両者１，１１の相対回転位相を変更する位相変更機構１２と、通電されることによって前記位相変更機構１２に駆動力を付与する駆動機構である電磁ブレーキ機構１３と、制御機構である前記ＥＣＵ３と、タイミングスプロケット１１とカムシャフト７の相対回転位相角を検出する位相角検出機構である前記クランク角センサ５及びカム角センサ６と、を備えている。

前記カムシャフト１は、外周に吸気弁０４を開作動させる一気筒当たり２つのカム１ａ、１ａを有すると共に、先端部に従動回転体である従動軸部材１４がカムボルト１５によって軸方向から結合されている。

前記従動軸部材１４は、前記カムボルト１５が内部の貫通孔を介して挿通する円筒状の軸部１４ａと、該軸部１４ａのカムシャフト１側の端縁に一体に形成された大径フランジ状の拡径部１４ｂとを備えている。前記軸部１４ａの拡径部１４ｂ側外周面には、ほぼ複数葉のガイド孔１４ｃが形成されている。

前記タイミングスプロケット１１は、外周に図外のタイミングチェーンを介してクランク軸に連係されるリング状のギア歯車１１ａが外周に一体に形成されていると共に、このリング状歯車部１１ａの内周側にほぼ円板状の駆動リング１１ｂが設けられている。また、この駆動リング１１ｂの中央に形成された挿通孔の内周面が前記従動軸部材４の拡径部１４ｂの外周に回転自在に支持されている。

また、前記駆動リング１１ｂには、図３に示すように、対面する平行な側壁を有する径方向ガイドである３つ径方向窓孔１７がタイミングスプロケット１１のほぼ直径方向に沿うように貫通形成されていると共に、この３つの径方向窓孔１７の間に、３つのリンク部材１８が周方向へ移動可能に係入保持されている。

前記各リンク部材１８は、それぞれがほぼ円弧状に折曲形成されて、一端側の各基端部が円筒状に形成されている一方、他端側の各先端部も円筒状に形成されている。また、前記従動軸部材１４の拡径部のカムシャフト１側の端部内周側に３つのレバー突起が一体に突設され、この各レバー突起の内部にそれぞれ貫通形成された各保持孔に各ピン１９の一端部が圧入固定されていると共に、該ピン１９の他端部に前記各リンク部材１８の各基端部が回転自在に連結されている。

また、各リンク部材１８は、先端部が前記各径方向窓孔１７に係入していると共に、この先端部には、軸方向前方側に開口する収容穴が形成され、この収容穴に、前記各径方向窓孔１７を介して、後述する渦ディスク２３の渦巻き溝２５に係合する球面状の先端部を有する係合ピン２１と、この係合ピン２１を前方側（渦巻き溝１５側）に付勢するコイルばね２２とが収容されている。

そして、各リンク部材１８は、各先端部が対応する各径方向窓孔１７に係入した状態において、各基端部がピン１９を介して前記従動軸部材１４に連結されているため、リンク部材１８の先端部側が外力を受けて各径方向窓孔１７に沿って変位すると、タイミングスプロケット１１と従動軸部材１４とは、各リンク部材１８の基端部が前記各ガイド孔１４ｃに沿って移動して、各先端部の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。

一方、前記駆動リング１１ｂの前方側には、円板状の渦ディスク２３が前記軸部１４ａの外周にベアリングを介して回転自在に支持されている。この渦ディスク２３は、軸部１４ａの外周面に摺動自在に支持された内周部と、該内周部の外周側に有するディスク部とから構成され、このディスク部のカムシャフト１側の後面に、渦巻き状のガイドである断面半円状の１条の渦巻き溝２５が形成されている。この各渦巻き溝２５には、前記各リンク部材１８の各係合ピン２１の先端部が摺動自在に係合案内されている。

前記各渦巻き溝２５は、タイミングスプロケット１１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と共に、全体の変化率が一定に形成されている
そして、各係合ピン２１が渦巻き溝２５に係合した状態において、渦ディスク２３がタイミングスプロケット１１に対して遅れ方向に相対回動すると、各リンク部材１８の先端部は、各径方向窓孔１７に案内されつつ渦巻き溝２５の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側（進角側）に移動し、逆に、渦ディスク２３が進み方向に相対変位すると、半径方向外側に移動して、係合ピン２１が前記渦巻き溝２５の偏曲部に位置した状態で最遅角側に制御される。

さらに、前記係合ピン２１が前記渦巻き溝２５の最外周側の先端溝部域に位置すると、機関の始動に適した僅かに進角側の位置となるように制御されるようになっている。

前記渦ディスク２３は、カムシャフト１に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が各渦巻き溝２５と各係合ピン２１の先端部を通してリンク部材１８の先端部を各径方向窓孔１７内で径方向に変位させ、このときリンク部材１８の作用でもってタイミングスプロケット１１と従動軸部材１４に相対的な回動力を伝達する。

前記電磁ブレーキ機構１３は、渦ディスク２３をタイミングスプロケット１１の回転方向(進角側)に付勢するトーションスプリング２６と、渦ディスク２３をタイミングスプロケット１１の回転方向と逆方向(遅角側)に制動する電磁アクチュエータであるヒステリシスブレーキ２７と、から構成され、該ヒステリシスブレーキ２７の制動力が前記ＥＣＵ３から出力される電流によって機関運転状態に応じて適宜制御されることにより、渦ディスク２３をタイミングスプロケット１１に対して相対回動させ、あるいは両者の回動位置を維持するようになっている。

前記ヒステリシスブレーキ２７は、渦ディスク２３の前端部に連結ピン３１などを介して固定された非磁性材の環状プレート２４と、該環状プレート２４の前端面に固定されたヒステリシスリング２８と、該ヒステリシスリング２８の前端部に配置された円環状のコイルヨーク２９と、該コイルヨーク２９の内部に収容配置されて、該各コイルヨーク２９に磁気を誘導する電磁コイル３０と、を備えている。

前記電磁コイル３０は、前記ＥＣＵ３から通電によるデューティ制御されると、コイルヨーク２９を介して発生する磁力によってヒステリシスリング２８にブレーキトルクを発生させるようになっている。すなわち、前記電磁コイル３０への通電によってヒステリシスリング２８が各極歯３２，３３間の磁界内を変位するときに、ヒステリシスリング２８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２８の回転速度（前記対向内外周面とヒステリシスリング２８の相対速度）に関係なく、磁界の強さ、すなわち、電磁コイル３０の励磁電流の大きさにほぼ比例した一定の値となる。

なお、前記位相変更機構１２は、前記タイミングスプロケット１１の径方向窓孔１７、リンク部材１８、係合ピン２１、渦ディスク２３、渦巻き溝２５などによって構成されている。

また、前記ＥＣＵ３は、タイミングスプロケット１１とカムシャフト１の回転位相を、前記クランク角センサ５の基準クランク角信号ＲＥＦと単位角度信号ＰＯＳ及び前記カム角センサ６の基準カム角信号ＣＡＭとによって計算する。

前記クランク角センサ５は、一般的なものであって、図４Ａ、Ｂに示すように、クランク角センサ５は、クランクシャフト４の端部に同軸に取り付けられたクランク用円盤４０とクランク用近接センサ４１とを備える。クランク用円盤４０にはクランクシャフト４の回転を検出するために、ほぼ等間隔で配置されたターゲット４０ａが形成配置されている。このターゲット４０ａをクランク用近接センサ４１で検出することで、クランクシャフト４の単位角度信号（回転角）ＰＯＳを取得する。なお、クランク角９０°毎の基準回転角にて基準クランク角信号ＲＥＦを検出する。

前記カム角センサ６は、これも一般的なものであって、図５Ａ、Ｂに示すように、カムシャフト１の端部に同軸に取り付けられたカム用円盤４２とカム用近接センサ４３とを備える。カム用円盤４２には、カムシャフト１の回転を検出するために、ほぼ等間隔で配置されたターゲット４２ａが形成配置されている。前記ターゲット４２ａの配置間隔は、クランクシャフト４の１８０°回転分に相当するカムシャフト１の回転角を検出するように決定されている。

すなわち、直列４気筒では９０°間隔であり、Ｖ型６気筒では１２０°間隔である。このターゲット４２ａをカム用近接センサ４３で検出することでカムシャフト１の基準カム角信号ＣＡＭを取得する。

前記基準クランク角信号ＲＥＦと単位角度信号ＰＯＳ及び基準カム角信号ＣＡＭのタイミングチャートを図６に示す。回転位相θｄｅｔは、カム用近接センサ４３が、ターゲット４２ａを検出し基準カム角信号ＣＡＭを更新したタイミングから、クランク角センサ５が、基準クランク角信号ＲＥＦを検出したタイミング間の単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで、ＥＣＵ１０により検出される。

前記ＥＣＵ３は、図７に示すように、内燃機関の運転状態情報を取得する運転状態取得手段Ｓ１と、該運転状態取得手段Ｓ１で取得した運転状態からＶＴＣ１０の通常目標位相θｔｇ１を設定する目標位相設定手段Ｓ２と、ＶＴＣ１０の実際の位相θｄｅｔを検出する実位相検出手段Ｓ３と、前記目標位相設定手段Ｓ２と実位相検出手段Ｓ３とで取得した通常目標位相θｔｇ１と実際の位相θｄｔからＶＴＣ１０が動作する位相角の大きさθｍを算出する動作角算出手段Ｓ４と、θｍの大きさに応じて目標位相変化パターンθｔｇを設定する目標設定手段Ｓ５と、ある瞬間での目標位相変化パターンθｔｇとθｄｅｔの差に基づいて操作量Ｕを算出する操作量算出手段Ｓ６と、該操作量算出手段Ｓ６により算出された操作量Ｕに基づいて電圧ＶｉをＶＴＣ１０に出力する操作量出力手段Ｓ７とから構成されている。

なお、前記運転状態取得手段Ｓ１〜操作量出力手段Ｓ７を、ＥＣＵ３から独立させて単独の電子回路としても良い。また、図６に示される回転位相（バルブタイミング）制御は、イグニッションキーがＯＮにされると開始され、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎に実行される。

図８にＥＣＵ３によるＶＴＣ１０の制御フローチャートを示す。まず、前記運転情報取得手段Ｓ１はステップＳ１１、目標位相設定手段Ｓ２はステップＳ１２、実位相検出手段Ｓ３はステップＳ１３〜Ｓ１５、動作角算出手段Ｓ４はステップＳ１６、目標設定手段Ｓ５はステップＳ１７〜Ｓ２４、操作量算出手段Ｓ６はステップＳ２５〜Ｓ２６、操作量出力手段Ｓ７はステップＳ２７でそれぞれ実行される。

前記運転状態取得手段Ｓ１は、ステップ１１において前述の各種センサよって機関回転速度Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗ、吸入空気量Ｑａ等の内燃機関の運転状態情報を取得する。このとき、取得した情報をそれぞれ、Ｎｅｎ，Ｔｗｎ，Ｑａｎに代入する。

前記目標位相設定手段Ｓ２は、ステップ１２において前記ステップＳ１１で取得した運転状態に基づいて吸気弁０４の通常目標位相（バルブタイミング）θｔｇ１を設定する。この通常目標位相θｔｇ１は、例えば、ＮｅとＴｗと機関負荷を示す指標であるＱａに基づいてあらかじめ同定した目標位相のマツプを参照して設定される。

なお、本実施形態では、ＶＴＣ１０の応答時間Ｔｒｅｓは、運転状態の維持時間Ｔｃｏｎと比較して短いことを想定しており、したがって、θｔｇｌの継続時間Ｔｔｇ１は、Ｔｒｅｓより長い。しかし、応答時間Ｔｒｅｓが運転状態維持時間Ｔｃｏｎより長い場合にも適用可能である。

前記実位相検出手段Ｓ３は、ＥＣＵ３が前述のように実位相θｄｅｔを検出し、ステップ１４でθｄｅｔｎに代入する。このとき、ステップ１３に示す次式の条件を満たすときには、θｄｅｔをθｄｅｔｓにも代入する。
〔数１〕｜θｔｇ１一θｔｇ１ｚ｜＞０
ただし、θｔｇｌｚはθｔｇ１の前回値を示す。また、前記数１の条件を満たさない場合はステップ１５に移行してθｄｅｔをθｄｅｔｎに置き換える。

なお、以下での時間のカウントは、目標位相角θｔｇ１が変更されたタイミングをＴ＝Ｏとする。

前記動作角算出手段Ｓ４は、ステップ１６においてＥＣＵ３が次式のようにして、ＶＴＣ１０が実際に作動する回転位相角(動作角)θｍを算出する。
〔数２〕θｍ＝θｔｂ１−θｄｅｔｓ
前記目標設定手段Ｓ５は、ＥＣＵ３がＶＴＣ１０の実際に追従すべき目標位相変化パターンθｔｇ(θｔｇは時間的に可変)を動作角θｍに基づいて設定する。

前記目標位相変化パターンθｔｇはθｄｅｔｓとθｔｇ１との間に中間的な目標位相を設定された目標値パターンで、例えば、図９に示すようになる。

このように、中間的な目標位相を設定することによって、オーバーシュートが大きくなりやすい動作角の大きな場合でもＶＴＣ１０のオーバーシュートを抑制することができるというメリットがある。

すなわち、ステップＳ１７においてθｍと閾値θｔｈを比較する。この閾値θｔｈはあらかじめ実験などで設定しておく値である。この閾値θｔｈは、ＶＴＣ１０が所望の作動ができる動作角であって、例えばオーバーシュートが所望の大きさに収まる最大動作角に設定する。

〔数式３〕 θｍ＞θｔｈ
数式３が成立しない場合には、ステップＳ２４で、次式のようにθｔｇをθｔｇ１とする。つまり、θｔｇは、目標位相の変更はせずθｔｇ１が変更されるまで一定となる。

〔数式４〕 θｔｇ＝θｔｇ１
数式３が成立する場合には、Ｓ１８〜Ｓ２３にて、目標位相変化パターンθｔｇをθｔｇ２に設定する。つまり、ステップ１８において０をＮに代入し、ステップ１９でＮ＋１をＮにしてステップ２０に移行する。

前記ステップ２０では、Ｎ×θｏｐとθｍの大きさを比較して、θｍのほうが大きいと判別した場合はステップ１９に戻るが、θｍの方が小さいと判別した場合は、ステップ２１に移行する。

このステップ２１では、Ｎ−１をＮに代入し、ステップ２２では、θｍ−Ｎ×θｏｐをθｒとする。続いて、ステップ２３において、θｔｇ＝θｔｇ２に設定する。

前記ステップＳ１８〜Ｓ２３にて、後述する数式５に示すように、ある一定期間Ｔｏｐごとに動作角θｍを、一つの位相角θｏｐを基準に分割する例を示す。

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、中間的な目標位相の維持時間は、例えば制御周期毎に変更しても良いし、同一の一定期間でなくても良い。また、中間的な目標位相は、一つの位相角を基準に分割する必要はなく、中間目標ごとの位相角差は任意の大きさでも良い。

前記式中のＮ、θｒについては後述する。

ここでθｏｐ及びＴｏｐは、あらかじめ実験や解析によって設定しておく値であるが、この実施の形態では、図１０の実線で示すように、オーバーシュートなく最速で目標角に収束できるように設定する。

これによりＶＴＣ１０の位相は、θｄｅｔｓからθｔｇ１に動く間に、確実に一定方向に動くことができるという利点がある。

なお、図１０の破線で示すように、ＶＴＣ１０のθｄｅｔｓからθｔｇ１への即応性を重視し、オーバーシュートは出るものの全体として良好な応答を示すようにＴｏＰをＴｏＰ２のように短く設定しても良い。

前記Ｎ、θｒについて説明すると、Ｎは前記ステップＳ１８〜Ｓ２１で計算される値であって、次式を満たす最大の値である。

〔数式６〕 θｍ＞Ｎ×θｏｐ
また、θｒは前記ステップＳ２２で次式により算出される値である。

〔数式７〕 θｒ＝θｍ−Ｎ×θｏｐ
また、数式５ではθｒの最後に目標位相変化パターンに加えているが、この加える順番で、ＶＴＣ１０の応答特性に差が出る。理解し易くするために、前記Ｎが２でθｒが０でない場合のθｔｇ１の例を図１１〜図１３に示す。

図１１は最後にθｒを足すパターンを示している。つまり、前記電磁コイル３０に通電される電流(デューティ比)が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を、前記位相変更機構１２が位相変化を開始してから目標位相に近づくまでの位相角変化量(θｏｐ)よりも前記目標位相に到達する最後の足されたθｒが最も小さくなるように構成したものである。

このパターンでは、最後が小さい動作角のためＶＴＣ１０が短時間でθｒだけ動くことにより、θｄｅｔｓからθｔｇ１ヘの到達時間を短くできる利点がある。

また、ＴｏｐをＴｏｐ２のようにオーバーシュートを許容して即応性を持たせる設定にした場合、目標位相がθｒに切り替わった瞬間にＶＴＣ１０はある速度を持っているため、さらに即応性を向上できる。

図１２、図１３は前記θｒを最後以外に足すパターンを示しており、図１２に示すパターンは、最初と最後の間に足されたθｒが最小になるように構成されたものであり、図１３に示すパターンは、最初に足されたθｒが最小になるように構成されたものである。

このときには、θｏｐの設定時に応答が任意に設定できるため、θｄｅｔｓからθｔｇ１の全体としてのオーバーシュートや定常偏差への収束時間を設定できるという利点がある。

次に、前記操作量算出手段Ｓ６は、ステップ２５においてθｔｇとθｄｅｔとの差に基づいた操作量Ｕを算出する。ここでは、ＰＩＤ制御を行うが、制御形態はＰＩＤに限定されない。

すなわち、前記ステップ２５では、目標位相変化パターンθｔｇと実際の位相θｄｅｔｎの差Ｅｒを計算する。

〔数式〕 Ｅｒ＝θｔｇ−θｄｅｔｎ
ステップ２６では、Ｅｒを用いて次式にて操作量を計算する。

〔数式９〕 Ｕ＝Ｕｐ＋Ｕｉ＋Ｕｄ
ここでＵｐ，Ｕｉ，Ｕｄは以下のように計算する。

〔数式１０〕 Ｕｐ＝Ｋｐ×Ｅｒ
〔数式１１〕 Ｕｉ＝Ｋｉ×Ｅｒ＋Ｕｉｚ
〔数式１２〕 Ｕｄ＝Ｋｄ×（Ｅｒ−Ｅｒｚ）
ここで、ＵｉｚはＵｉの前回値であり、ＥｒｚはＥｒの前回値である。

前記操作量出力手段Ｓ７は、ステップ２７においてＵをＶＴＣ１０への入力電圧Ｖｉとして出力する。

この実施形態では、進角動作を想定してθｔｇ１がθｄｅｔｓより大きいものとなっているが、この進角動作に限定されるものではなく、遅角動作に適用しても良い。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、遅角動作へ適用したものであって、図１４のフローチャートに示すように、目標設定手段Ｓ５のみが異なり、具体的には、前記図８のステップＳ１７，Ｓ２０と、前記数式３、数式５、数式６及び閾値θｔｈ、θｏｐが異なる。他の部分は第１実施形態と共通することから重複説明は省略する。

まず、閾値θｔｈとθｏｐ及びＴｏｐの設定について説明する。第１実施形態では進角動作を想定しているため閾値θｔｈは０以上の値であるが、本実施形態では遅角動作を想定するため、遅角側の動作角閾値θｔｈｒは０以下の値となる。

また、θｏｐとＴｏｐは、図１５の実線に示すように、遅角側への最適ステップ角としてθｏｐｒとＴｏｐｒ、θｏｐ及びＴｏｐと同様に設定する。なお、図１５の破線に示すように、ＶＴＣ１０のθｄｅｔｓからθｔｇ１への即応性を重視して、ＴｏＰをＴｏＰ２のように短く設定すると、オーバーシュートは出るものの全体として良好な応答が得られる。

また、前記動作角閾値θｔｈｒの絶対値は閾値θｔｈと同じ値でも良いし、異なる値でも良い。θｏｐｒの絶対値とＴｏｐｒも、進角動作と遅角動作とで同じ値でも良いし、異なる値でも良い。

進角動作と遅角動作でＶＴＣ１０の動作特性が違う場合には、進角動作と遅角動作でそれぞれの値を変えることで、それぞれの動作に適した制御ができるという利点がある。

次いで、前記本実施形態のように、遅角方向に適用した際の異なる点である目標設定手段Ｓ５を、図１４のステップＳ３７〜Ｓ４４において説明する。

まず、ステップＳ３７はθｍとθｔｈｒの大きさを比較して目標位相を変更するか否かを判別する。この判定は第１実施形態のステップＳ１７の数式３と同様に次式で判定される。

〔数式１３〕 θｍ＜θｔｈｒ
前記数式１３の不成立時には、第１実施形態と同様にθｔｇをθｔｇ１とする。前記数式１３が成立するときには、目標位相の変更を行う。第１実施形態の図８のステップＳ１８〜Ｓ２３の数式５と同様に、ステップＳ３８〜Ｓ４１にて以下の数式１４に示すようにθｔｇ２を設定する。なお、前記θｒを足すタイミングについても第１実施形態と同様である。

前記Ｎは、第１実施形態の図８のステップＳ１８〜Ｓ２３と同様に、ステップＳ３８〜Ｓ４３のようにして決定する。このステップＳ３８〜Ｓ４３が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態でステップＳ２０の数式６ようにスイッチングしていた部分を、ステップＳ４０で数式１５のようにスイッチングする点である。

〔数式１５〕 θｍ＜Ｎ×θｏｐ
前記遅角動作を対象とした第２実施形態は、目標設定手段Ｓ５が、前記のようにしてθｔｇを設定する点が第１実施形態と異なっている点であり、他は同様の処理をする。

なお、前記第１実施形態と第２実施形態では、それぞれ進角動作、遅角動作のみで目標位相の変更を行っているが、前記両実施形態を組み合わせて進角動作と遅角動作の両方で目標位相の変更を行っても良い。

以上のように、前記各実施の形態に具体的に示すように、本発明のコンセプトは、目標位相を分割することで、ＶＴＣ１０の駆動力を、動作開始直後には大きくし、目標位相への収束時には小さくするというものである。これにより、複雑な計算をせずかつ各種条件で制御ゲイン変更をせずに、ＶＴＣ１０のオーバーシュートを小さくすることができる。

すなわち、従来のＶＴＣでは、図１６の一点破線で示すように、摺動抵抗などの影響で、作動開始後の第１の一定期間Ｔ１では動作が遅く、第２の一定期間Ｔ２では動作が速くなり、ＶＴＣ１０の動作時のオーバーシュートが発生し易くなる。

これに対して、前記各実施形態では、図１６の実線で示すように、制御ゲインを変えずに目標動作角(変化量)を例えば２段に分割したときのＶＴＣ１０の動作では、動作後半の速度の出すぎが緩和でき、オーバーシュートが抑えられる。

また、前記位相角検出機構であるクランク角センサ５やカム角センサ６は、高精度なものではなく、一般的なものを使用していることから、コストの高騰を抑制することができる。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記ＶＴＣを排気弁側に設けた場合にも適用することが可能であり、またバルブタイミング制御装置としては、前記電磁ブレーキ機構以外に、前記位相変更機構を例えば電動モータによって駆動するような構造のものにも適用することができる。

本発明のバルブタイミング制御装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 同バルブタイミング制御装置の断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 実施形態に供されるクランク角センサを示し、Ａは側面図、Ｂは正面図である。 実施形態に供されるカム角センサを示し、Ａは側面図、Ｂは正面図である。 前記クランク角センサとカム角センサが取得するパルス信号を示す図である。 実施形態に供されるＥＣＵの基本構成を示すブロック図である。 第１実施形態におけるＥＣＵの制御フローチャート図である。 目標位相を変更するパターン例を示す特性図である。 本実施形態における最適応答を示す目標位相幅及びその継続時間を示す特性図である。 通常の目標位相を最適応答の幅で分割する第１の方法を示す特性図である。 通常の目標位相を最適応答の幅で分割する第２の方法を示す特性図である。 通常の目標位相を最適応答の幅で分割する第３の方法を示す特性図である。 第２実施形態におけるＥＣＵの制御フローチャート図である。 本実施形態における最適応答を示す目標位相幅及びその継続時間を示す特性図である。 各実施形態におけるバルブタイミング制御装置の作動応答性の特性図である。

符号の説明

１…吸気側カムシャフト
３…ＥＣＵ(制御機構)
４…クランクシャフト
５…クランク角センサ（位相角検出機構）
６…カム角センサ(位相角検出機構)
１０…バルブタイミング制御装置
１１…タイミングスプロケット
１２…位相変更機構
１３…電磁ブレーキ機構(駆動機構)
２７…ヒステリシスブレーキ
３０…電磁コイル

Claims (20)

1. 吸気弁または排気弁の開閉時期を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
   クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変化させる位相変更機構と、
   通電されることによって前記位相変更機構に駆動力を付与する駆動機構と、
   該駆動機構に通電される電流を制御する制御機構と、
   前記クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転角度を検出すると共に、機関運転状態によって検出周期が前記制御機構の制御周期より長い場合が存在する位相角検出機構と、
   前記位相変更機構が前記クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記制御機構から駆動機構に通電される電流の増減を繰り返すことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記制御機構は、前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を可変制御することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を、前記位相変更機構が位相変化を開始してから目標位相に近づくまでの変化量よりも前記目標位相に到達する最後の変化量が小さくなるように構成したことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
4. 請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量のうち、前記位相変更機構が位相変化を開始する１回目の変化量と目標位相に到達する最後の変化量の間に、前記１回目と最後の変化量よりも小さい位相変化量が存在することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
5. 請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す単位時間当たりの位相変化量は、前記位相変更機構が位相変化を開始する１回目より２回目以降の方が大きくなるように構成したことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
6. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す最も長い周期を、前記位相変更機構がオーバーシュートを発生しない周期になっていることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
7. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記制御機構は、機関運転状態から前記位相変更機構によって変化させる位相角度の目標値を設定すると共に、
   現在のクランクシャフトに対するカムシャフトの実位相を算出し、
   前記実位相から目標値まで移動させる位相角度を求め、
   前記移動させる位相角度が所定以上であった場合には、前記駆動機構に通電される電流が増減を繰り返す周期を設定することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
8. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構は、通電されることによって発生する電磁力を前記位相変更機構に直接作用させることにより、該位相変更機構に駆動力を付与することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
9. 請求項８に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記駆動機構は、電磁ブレーキ機構であることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
10. 請求項８に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記駆動機構は、電動モータであることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
11. 吸気弁または排気弁の開閉時期を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
    クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変化させる位相変更機構と、
    通電されることによって前記位相変更機構に駆動力を付与する駆動機構と、
    該駆動機構に通電される電流をデューティ制御する制御機構と、
    前記クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転角度を検出すると共に、機関運転状態によって検出周期が前記制御機構の制御周期より長い場合が存在する位相角検出機構と、
    を備え、
    前記位相変更機構が、前記クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記制御機構によって駆動機構が制御されるデューティ比が増減を繰り返すことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
12. 請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記制御機構は、前記デューティ比が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を可変制御することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
13. 請求項１２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記デューティ比が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量を、前記位相変更機構が位相変化を開始してから目標位相に近づくまでの変化量よりも前記目標位相に到達する最後の変化量が小さくなるように構成したことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
14. 請求項１２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記デューティ比が増減を繰り返す単位時間当たりの位相角変化量のうち、前記位相変更機構が位相変化を開始する１回目の変化量と目標位相に到達する最後の変化量の間に、前記１回目と最後の変化量よりも小さい位相変化量が存在することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
15. 請求項１２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記デューティが増減を繰り返す単位時間当たりの位相変化量は、前記位相変更機構が位相変化を開始する１回目より２回目以降の方が大きくなるように構成したことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
16. 請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記デューティ比が増減を繰り返す最も長い周期を、前記位相変更機構がオーバーシュートを発生しない周期になっていることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
17. 請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記制御機構は、機関運転状態から前記位相変更機構によって変化させる位相角度の目標値を設定すると共に、現在のクランクシャフトに対するカムシャフトの実位相を算出し、
    前記実位相から目標値まで移動させる位相角度を求め、
    前記移動させる位相角度が所定以上であった場合には、前記デューティ比が増減を繰り返す周期を設定することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
18. 請求項１１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記駆動機構は、通電されることによって発生する電磁力を前記位相変更機構に直接作用させることにより、該位相変更機構に駆動力を付与することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
19. 吸気弁または排気弁の開閉時期を制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
    クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変化させる位相変更機構と、
    前記位相変更機構に駆動力を付与する駆動機構と、
    該駆動機構に通電される電流を制御する制御機構と、
    前記クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転角度を検出すると共に、機関運転状態によって検出周期が前記制御機構の制御周期より長い場合が存在する位相角検出機構と、
    を備え、
    前記位相変更機構が前記クランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記位相変更機構は、移動速度が増減を繰り返すことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
20. 請求項１９に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
    前記位相変更機構が前記回転位相を所定角度以上連続して変更する場合に、前記駆動機構の駆動力が増減を繰り返すことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。

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