JP2010024985A - エンジンのバルブタイミング制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＶＴ３６におけるバルブタイミングのずれを抑制する。
【解決手段】エンジンのクランク軸２１に対するカム軸９の回転位相を変化させるＯＣＶ５１と、該ＯＣＶ５１の駆動を制御する制御手段５２と、カム軸９のカム２７の回転によって進退駆動されるプランジャ２８を有する外部負荷２４とを備え、プランジャ２８の進退に伴うカム軸９の回転負荷の変動を補償するようにＯＣＶ５１に対する制御指令値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのバルブタイミング制御装置およびその制御方法に関する。

エンジンのバルブタイミングは、クランク軸とカム軸との間にクランク軸に対するカム軸の回転位相を変更するアクチュエータを設けて可変制御されている。しかし、上記カム軸にバルブ駆動用のカムとは別のカムを設けて、例えば高圧燃料ポンプをプランジャ駆動するようにした場合、このカム軸による燃料ポンプの駆動が原因となってバルブタイミングが所期のタイミングからずれるという問題がある。すなわち、上記燃料ポンプはカム軸に回転負荷を与えるところ、この燃料ポンプの作動状態はエンジンの運転状態に応じて変化し、その結果、上記回転負荷の大きさが変わるため、上記アクチュエータを所定の駆動力になるように制御しているだけでは、バルブタイミングがずれることになる。

この問題に対して、特許文献１には、上記燃料ポンプのような外部負荷の作動状況に基いて補正値を算出し、この補正値によって上記アクチュエータの制御指令値を変更することが記載されている。これは要するに、エンジン運転状態の変化に伴う外部負荷の増減を補償するように、上記アクチュエータの制御指令値を補正するというものである。
特開２００４−１３７９０１号公報

しかし、上記カム軸に加わる回転負荷は、エンジン運転状態の変化に伴う外部負荷の増減によって変化するだけでなく、外部負荷を駆動するプランジャの進退によっても変動する。つまり、カム軸のカムが当該プランジャを押すときは上記回転負荷が大きくなり、該プランジャが戻るときは該回転負荷が小さくなる。このような回転負荷の周期的な変動によるバルブタイミングの変動も燃費やエンジン出力の向上には不利になる。

そこで、本発明は、上記プランジャの進退に伴うバルブタイミングの変動を抑制することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、上記プランジャに進退に伴うカム軸の回転負荷の変動を補償するように、バルブタイミング変更用アクチュエータを制御するようにした。

すなわち、請求項１に係る発明は、エンジンのクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング変更用のアクチュエータと、該アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備えたエンジンのバルブタイミング制御装置において、
上記カム軸に設けられたカムの回転によって進退駆動されるプランジャを有し、上記カム軸に回転負荷を与える外部負荷を備え、
上記制御手段は、上記プランジャの進退に伴う上記回転負荷の変動を補償するように上記アクチュエータを駆動する制御指令値を補正することを特徴とする。

従って、カム軸のカムが外部負荷のプランジャを繰り返し押動することによってカム軸の回転負荷が変動するにも拘わらず、バルブタイミングが変動することが抑制され、バルブタイミングを所期のタイミングに制御して燃費やエンジン出力を向上させる上で有利になる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記外部負荷が燃料ポンプであることを特徴とする。

すなわち、燃料ポンプの駆動にはプランジャを比較的大きな力で押動する必要があり、そのため、カム軸に加わる回転負荷も大きくなるところ、このプランジャの進退に伴う回転負荷の変動が抑制され、バルブタイミングの精度良い制御に有利になる。

請求項３に係る発明は、請求項２において、
上記燃料ポンプが吐出する燃料量に関連するパラメータを検出するパラメータ検出手段を備え、
上記制御手段は、上記燃料量関連パラメータに基いて、上記燃料量の増大に伴う上記回転負荷の増大を補償するように上記制御指令値を補正することを特徴とする。

すなわち、燃料ポンプが吐出する燃料量が多くなるほど、ポンプ駆動負荷が大きくなり、従って、カム軸に加わる回転負荷が大きくなる。この回転負荷の増大により、カム軸には、バルブタイミングが遅角する方向の力が働く。しかし、その回転負荷の増大を補償するように上記制御指令値が補正されるため、バルブタイミングが遅角側にずれることが抑制される。

請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３において、
上記カム軸の回転によって駆動され、車両制動用のブレーキブースタに負圧を供給するバキュームポンプと、
上記ブレーキブースタの負圧を検出する負圧検出手段とを備え、
上記制御手段は、上記ブレーキブースタの負圧に基いて、該負圧の減少に伴う上記回転負荷の減少を補償するように上記制御指令値を補正することを特徴とする。

すなわち、車両にブレーキがかけられ、ブレーキブースタの負圧が減少すると、バキュームポンプの駆動負荷が小さくなり、従って、カム軸に加わる回転負荷も小さくなる。この回転負荷の化粧により、カム軸には、バルブタイミングが進角する方向の力が働く。しかし、その回転負荷の減少を補償するように上記制御指令値が補正されるため、バルブタイミングが進角側にずれることが抑制される。

請求項５に係る発明は、エンジンのクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング変更用のアクチュエータと、
上記カム軸に設けられたカムの回転によって進退駆動されるプランジャを有し、上記カム軸に回転負荷を与える外部負荷とを備えたエンジンのバルブタイミング制御方法であって、
上記カムの回転によって上記プランジャが押動されるときに上記アクチュエータによるカム軸回転方向の駆動力を増大させ、上記プランジャが戻るときに上記アクチュエータの駆動力を減少させることを特徴とする。

従って、カム軸のカムが外部負荷のプランジャを繰り返し押動することによってカム軸の回転負荷が変動するにも拘わらず、バルブタイミングが変動することが抑制され、バルブタイミングを所期のタイミングに制御して燃費やエンジン出力を向上させる上で有利になる。

以上のように、本発明によれば、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング変更用のアクチュエータと、上記カム軸に設けられたカムの回転によって進退駆動されるプランジャを有し上記カム軸に回転負荷を与える外部負荷とを備えたエンジンのバルブタイミング制御において、上記プランジャに進退に伴うカム軸の回転負荷の変動を補償するように、上記アクチュエータを制御するようにしたから、カム軸の回転負荷の変動に拘わらず、バルブタイミングが変動することが抑制され、バルブタイミングを所期のタイミングに制御して燃費やエンジン出力を向上させる上で有利になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１において、１は車両の多気筒のガソリンエンジン（図１には１気筒のみを示している。）、２はその吸気通路、３はその排気通路である。シリンダブロック４、シリンダヘッド５及びピストン６によって形成される燃焼室に点火プラグ７及び燃料噴射弁８が臨んでいる。燃焼室の吸気ポート及び排気ポート各々には、吸気側カム軸９及び排気側カム軸１０によって開閉駆動される吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が設けられている。

吸気通路２には、その上流側から下流側に向かって順に、エアクリーナー１５、吸気（吸入空気）温センタ１６、吸気量センサ１７及びスロットル弁１８が配設されている。シリンダブロック４にエンジン水温センサ１９が設けられ、クランク軸２１及び吸気側カム軸９各々の近傍には、それらの回転位相を検出するクランク角センサ２２及びカム角センサ２３が配設されている。

また、吸気側カム軸９の近傍には、燃料噴射弁８に供給する燃料を加圧吐出する高圧燃料ポンプ２４と、車両制動用ブレーキブースタ２５に負圧を供給するバキュームポンプ２６とが配設されている。燃料ポンプ２４は、吸気側カム軸９に設けられたポンプ駆動用カム２７によって進退駆動されるプランジャ（ピストン）２８を有し、吸気側カム軸９の回転によって駆動されるプランジャ式ポンプである。同じく、バキュームポンプ２６も、吸気側カム軸９に設けられたポンプ駆動用カム２９によって進退駆動されるプランジャ（ピストン）３０を有し、吸気側カム軸９の回転によって駆動されるプランジャ式ポンプである。上記ブレーキブースタ２５には、その負圧の大きさを検出する負圧センサ３１が設けられている。

燃料ポンプ２４及びバキュームポンプ２６は共に、吸気側カム軸９に回転負荷を与える外部負荷となっている。

図２に示すように、吸気側及び排気側のカム軸９，１０の端部には、カムプーリ３２，３３が取り付けられ、該２つのカムプーリ３２，３３と、クランク軸２１に嵌合されたクランクプーリ３４とにタイミングベルト３５が巻き掛けられてている。このタイミングベルト３５によりクランク軸２１の回転力がカムプーリ３２，３３に伝達され、２本のカム軸９，１０がクランク軸２１に同期して回転するようになっている。

吸気側カム軸９には、該カム軸９とカムプーリ３２とを相対的に回動させて、カム軸９のクランク軸２１に対する回転位相を変更する、バルブタイミング変更用アクチュエータを構成するバルブタイミング可変機構（以下、これを「ＶＶＴ」という。）３６が設けられている。タイミングベルト３５にはアイドラプーリ３７及びテンショナ３８が設けられている。

次に図３を参照してＶＶＴ３６の内部構造を説明する。吸気側カム軸９にベーンロータ４１が該カム軸９と一体に回転するように固定され、このベーンロータ４１は、カムプーリ３２に固定されたケース４２に相対回転可能に収容されている。ベーンロータ４１は、円筒状ロータ本体部の外周面から周方向に間隔をおいて径方向外方に突出する４つのベーン４３を備えている。各ベーン４３は、ケース４２の内周部に周方向に間隔をおいて形成された４つの各凹所にそれぞれ収容され、各凹所をカム軸回転方向先側の遅角油室４４と該回転方向手前側の進角油室４５とに区画している。遅角油室４４及び進角油室４５には加圧された作動油が供給される。

この場合、遅角油室４４と進角油室４５とに油圧差を設けることにより、ベーンロータ４１をケース４２に対して相対回転させることができる。例えば、遅角油室４４の油圧を進角油室４５の油圧よりも大きくすると、ベーンロータ４１がケース４２に対して、カム軸回転方向手前側に相対回転し、カム軸９の回転位相はクランク軸２１の回転位相に対して遅角する（バルブタイミングは遅角側にずれる）ことになる。逆に、進角油室４５の油圧を遅角油室４４の油圧よりも大きくすると、ベーンロータ４１はケース４２に対して、カム軸回転方向先側に相対回転し、カム軸９の回転位相はクランク軸２１の回転位相に対して進角する（バルブタイミングは進角側にずれる）ことになる。

図４はバルブタイミング変更用アクチュエータを構成するオイルコントロールバルブ（以下、これを「ＯＣＶ」という。）５１及びその制御手段５２の構成を示す。ＯＣＶ５１は、上記ＶＶＴ３６の油室４４，４５に与える油圧をコントロールするものであり、コイル５３及びプランジャ５４を有する電磁ソレノイド５５と、一端部が前記プランジャ５４に連結され、他端部がリターンスプリング５６により押圧されるスプール５７と、該スプール５７を収容するバルブケース５８とを備えている。

バルブケース５８には、油圧源から作動油を受け入れる供給ポート５８ａと、ＶＶＴ３６の遅角油室４４及び進角油室４５に各々接続された遅角側及び進角側の各作動油給排ポート５８ｂ，５８ｂと、ＶＶＴ３６側からの戻り油を排出するドレンポート５８ｃ，５８ｃとが設けられている。そして、吸気温センタ１６、吸気量センサ１７、水温センサ１９、クランク角センサ２２、カム角センサ２３及び負圧センサ３１の各検出信号に基いて、マイクロコンピュータを利用した制御手段５２により電磁ソレノイド５５の励磁がデューティ制御され、スプール５７の進退により、作動油の流量及び方向が調節されるようになっている。

以下、図５に示すフロー図に基いて、制御手段５２による上記デューティ制御を説明する。スタート後のステップＳ１では、クランク角センサ２２の検出信号により算出されるエンジン回転数Ｎｅ、吸気量センサ１７の検出信号により算出される吸入空気量Ｑ及び負圧センサ３１の検出信号により算出されるブースト負圧Ｐｂが読み込まれる。なお、吸入空気量Ｑは吸気温センサ１６で検出される温度により補正される。続くステップＳ２では、エンジン回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｑに基いて、予め設定され電子的に記憶された目標回転位相マップを参照して、吸気側カム軸９の目標回転位相が算出され、該目標回転位相を実現すべくＯＣＶ５１（電磁ソレノイド５５）に与える制御指令値（デューティ比の基本値）が設定される。

続くステップＳ３では、エンジン回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｑに基いて、予め設定されて電子的に記憶された燃料噴射量マップを参照して、燃料噴射弁８による燃料噴射量が設定される。続くステップＳ４では、上記燃料噴射量に基づき、上記制御指令値の補正係数ａが設定される。すなわち、上記燃料噴射量は、燃料ポンプ２４が吐出供給する燃料量に関連するパラメータであり、吸気量センサ１７及びクランク角センサ２２は当該燃料量関連パラメータの検出手段を構成している。そして、補正係数ａによる制御指令値の補正は、上記燃料量の増大に伴う吸気側カム軸９の回転負荷の増大を補償するものである。すなわち、燃料噴射量が多くなるほど、つまり、燃料ポンプ２４で吐出すべき燃料量が多くなるほど、燃料ポンプ２４の駆動力（駆動負荷）が大きくなり、上記回転負荷が増大する。そこで、ＯＣＶ５１によってカム軸９に対してカム軸回転方向に与える駆動力が増大するように制御指令値が補正される。これにより、燃料噴射量が多くなったときに、バルブタイミングが遅角側にずれることが抑制される。

続くステップＳ５では、吸気側カム軸９のポンプ駆動用カム２７が燃料ポンプ２４のプランジャ２８を押動するときに、該カム軸９の回転負荷が増大することから、これを補償すべく、制御指令値は、カム軸９に対してカム軸回転方向に与える駆動力が増大するように補正係数ｂでプラス補正される。図６はポンプ駆動用カム２７に１２０度の角度間隔で３つのカム山が形成されているケース（なお、図１では作図の便宜上、カム山を一つのみ描いている。）での、カム軸９が１回転するときの燃料ポンプ２４の駆動力（駆動負荷）の変化、すなわち、カム軸回転負荷の変化を模式的に示している。この回転負荷の増大変化に対応させて制御指令値をプラス補正するものである。つまり、ポンプ駆動用カム２７の回転によってプランジャ２８が押動されるときに、カム軸９に対してカム軸回転方向に与える駆動力が増大するように制御指令値をプラス補正し、プランジャ２８が戻るときにそのプラス補正量を減少させることになる。これにより、プランジャ２８の進退によるカム軸９の回転負荷の変動によってバルブタイミングが変動することが抑制される。

この場合、上記燃料噴射量が大きくなるほど、燃料ポンプ２４の駆動力が大きくなるから（図６の３つの山が高くなる。）、補正係数ｂは、カム軸９の回転位相と燃料噴射量（燃料ポンプ２４の燃料吐出量）とに基いて算出される。

続くステップＳ６では、ブースタ負圧Ｐｂに基づく制御指令値の補正係数ｃを設定する。すなわち、図７に示すように、車両にブレーキがかけられ、ブースタ負圧Ｐｂが減少する（大気圧に近づく）と、バキュームポンプ２６の駆動力（駆動負荷）が小さくなり、吸気側カム軸９に加わる回転負荷も小さくなる。そこで、当ステップでは、ブースト負圧Ｐｂが大気圧に近づくほど、カム軸９に対してカム軸回転方向に与える駆動力が減少するように制御指令値の補正係数ｃが設定される。これにより、車両の制動に伴って、バルブタイミングが進角側にずれることが防止される。

続くステップＳ７では、上記補正係数ａ，ｂ，ｃにより制御指令値（デューティ比）の基本値が補正され、補正後のデューティ比にてＯＣＶ５１のデューティ制御が実行される。

以上のように、実施形態によれば、エンジン運転状態（燃料噴射量ないしは燃料ポンプ２４の燃料吐出量）の変化によってカム軸９の外部負荷（燃料ポンプ駆動負荷）の大きさが変化したとき、或いは車両制動に伴って外部負荷（バキュームポンプ２６の駆動負荷）の大きさが変化したときに、ＯＣＶ５１の制御指令値の補正によって、バルブタイミングがずれることが抑制される。そうして、そのような外部負荷の大きさの変化に対処しているだけでなく、外部負荷のプランジャ２８を進退駆動することに伴って生ずるカム軸９の回転負荷の変動に対しても、その回転負荷の変動が補償されるように、制御指令値が補正されるから、バルブタイミングのずれが防止され、燃費やエンジン出力向上に有利になる。

なお、上記実施形態では、吸気側カム軸９にＶＶＴ３６を設けたが、排気側カム軸１０にＶＶＴを設けることもでき、或いは吸気側カム軸９及び排気側カム軸１０の双方にＶＶＴを設けることもできる。

また、上記実施形態では、燃料ポンプ２４のプランジャ２８の進退に対応させてＯＣＶ５１の制御指令値を補正するようにしたが、バキュームポンプ２６のプランジャ３０の進退に対応させてＯＣＶ５１の制御指令値を補正するようにしてもよく、また、カム駆動されるプランジャを有する外部負荷としては、上記実施形態で例示したものに限らず、オイルポンプなど他の外部負荷であってもよい。

また、上記実施形態では、吸気側カム軸９に外部負荷を設けたが、そのような外部負荷を排気側カム軸１０に設けて、或いは吸気側及び排気側のカム軸９，１０各々に別の外部負荷を設けて、上記実施形態と同様に制御指令値の補正を行うようにしてもよい。

また、上記実施形態は、油圧式ＶＶＴを採用したケースであるが、これに限らず、電動式ＶＶＴであっても、その制御指令値を上記実施形態と同様に補正することにより、同様の効果をあげることができる。

エンジンのバルブタイミング制御装置を構成する各要素の配置構成を示す図である。 クランク軸とカム軸、ＶＶＴとの関係を示す正面図である。 ＶＶＴの断面図である。 ＯＣＶと制御手段との関係構成を示す図である。 ＯＣＶ制御のフロー図である。 カム軸の回転に伴う燃料ポンプの駆動力変化を模式的に示すグラフ図である。 バキュームポンプの駆動力変化を模式的に示すグラフ図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
８ 燃料噴射弁
９ 吸気側カム軸
１０ 排気側カム軸
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１７ 吸気量センサ
２１ クランク軸
２２ クランク角センサ
２３ カム角センサ
２４ 高圧燃料ポンプ
２５ ブレーキブースタ
２６ バキュームポンプ
２７ ポンプ駆動用カム
２８ プランジャ
２９ ポンプ駆動用カム
３０ プランジャ
３１ 負圧センサ
３６ ＶＶＴ
５１ ＯＣＶ
５２ 制御手段

Claims (5)

1. エンジンのクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング変更用のアクチュエータと、該アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備えたエンジンのバルブタイミング制御装置において、
   上記カム軸に設けられたカムの回転によって進退駆動されるプランジャを有し、上記カム軸に回転負荷を与える外部負荷を備え、
   上記制御手段は、上記プランジャの進退に伴う上記回転負荷の変動を補償するように上記アクチュエータを駆動する制御指令値を補正することを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。
2. 請求項１において、
   上記外部負荷が燃料ポンプであることを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。
3. 請求項２において、
   上記燃料ポンプが吐出する燃料量に関連するパラメータを検出するパラメータ検出手段を備え、
   上記制御手段は、上記燃料量関連パラメータに基いて、上記燃料量の増大に伴う上記回転負荷の増大を補償するように上記制御指令値を補正することを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。
4. 請求項２又は請求項３において、
   上記カム軸の回転によって駆動され、車両制動用のブレーキブースタに負圧を供給するバキュームポンプと、
   上記ブレーキブースタの負圧を検出する負圧検出手段とを備え、
   上記制御手段は、上記ブレーキブースタの負圧に基いて、該負圧の減少に伴う上記回転負荷の減少を補償するように上記制御指令値を補正することを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。
5. エンジンのクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させるバルブタイミング変更用のアクチュエータと、
   上記カム軸に設けられたカムの回転によって進退駆動されるプランジャを有し、上記カム軸に回転負荷を与える外部負荷とを備えたエンジンのバルブタイミング制御方法であって、
   上記カムの回転によって上記プランジャが押動されるときに上記アクチュエータによるカム軸回転方向の駆動力を増大させ、上記プランジャが戻るときに上記アクチュエータの駆動力を減少させることを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御方法。

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