JP2014101861A - 可変バルブタイミング装置の位相制御装置および位相制御方法 - Google Patents

可変バルブタイミング装置の位相制御装置および位相制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の回転変動が大きくなり、内燃機関が逆回転するような低回転領域で、一時的に正しく演算できないカム軸位相角の進角量、遅角量を制限し、また、カムが吸気側の場合は進角側、排気側の場合は遅角側に固着している場合は、正しい進角量、遅角量を算出できる可変バルブタイミング装置の位相制御装置等を得る。
【解決手段】検出されたクランク角度位置及びカム角度位置からバルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出し、内燃機関の回転数に応じて、かつ算出されたカム軸位相角が吸気バルブ側の場合に進角側、排気バルブ側の場合に遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行う。
【選択図】図2

Description

この発明は、エンジンの運転状況に応じて吸気バルブと排気バルブの一方もしくは両方の開閉タイミングを調整するためのバルブタイミング調整装置の位相制御装置等に関するものである。
近年、車両に搭載される内燃機関においては、燃費向上、排気エミッション低減等を目的として、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング装置を採用したものが多い。現在、可変バルブタイミング装置の多くは、カム軸位相角(クランク軸に対するカム軸の回転位相)を変化させることで、カム軸によって開閉駆動される吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを変化させている。
バルブタイミングを変化させるために、カム軸位相角(クランク軸に対するカム軸の回転位相)を検出する必要があり、検出方法としてクランク角信号入力とカム角信号入力の時間差と直近のクランク角信号入力周期からクランク角度換算して求める方法がある。カム軸位相角の検出は、アクチュエータの固着などの故障状態を検出するために、エンジン回転数の全領域で検出する必要がある。しかし、エンジンが低回転領域の時は、回転変動が大きくなり、またエンジン停止寸前では逆回転する場合もあり、前記のクランク角信号とカム角信号から演算すると、誤ったカム軸位相角を検出する可能性がある。
前記の低回転領域でもカム軸位相角を検出する手段として、下記特許文献1に記載の内燃機関の可変バルブタイミング制御装置では、低回転領域時はカム軸位相角検出を行うための区間(クランク角度)を小さくして検出し、カム軸位相角検出を実施することが提案されていた。
特開2006−112385号公報
しかしながら、エンジンの逆回転が発生した場合、上述のカム軸位相角検出を行うための区間(クランク角度)を小さくして検出する上記特許文献1の手法を用いても、クランク間角度を正しく検出できないため、誤ったカム軸位相角を検出することになる。誤ったカム軸位相角を検出することで、カム軸位相角に基づく制御が設計意図どおりの動作とならない問題があった。
この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、内燃機関の回転変動が大きくなり、内燃機関が逆回転するような低回転領域で、一時的に正しく演算できないカム軸位相角の進角量、遅角量を制限し、また、カムが吸気側の場合は進角側、排気側の場合は遅角側に固着している場合は、正しい進角量、遅角量を算出できる可変バルブタイミング装置の位相制御装置等を提供することを目的とする。
この発明は、内燃機関の可変バルブタイミング装置のバルブタイミング変更機構を制御して吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を変更する可変バルブタイミング装置の位相制御装置であって、内燃機関のクランク角度位置を検出するクランク角度位置検出部と、内燃機関のカム角度位置を検出するカム角度位置検出部と、前記クランク角度位置検出部の検出結果から内燃機関の回転数を算出する内燃機関回転数算出部と、前記クランク角度位置検出部および前記カム角度位置検出部で検出されるクランク角度位置及びカム角度位置から前記バルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出するカム軸位相角算出部と、内燃機関の回転数に応じて、かつ前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角が吸気側の場合に進角側、排気側の場合に遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行うカム軸位相角制御部と、を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の位相制御装置等にある。
この発明では、内燃機関の回転変動が大きくなり、内燃機関が逆回転するような低回転領域で、一時的に正しく演算できないカム軸位相角の進角量、遅角量を制限し、また、カムが吸気側の場合は進角側、排気側の場合は遅角側に固着している場合は、正しい進角量、遅角量を算出できる可変バルブタイミング装置の位相制御装置等を提供できる。
この発明の一実施の形態による可変バルブタイミング装置の位相制御装置を含むバルブタイミング変更機構を設けた内燃機関の制御システムの概略構成図である。 この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置の制御動作を説明するためのタイムチャートである。 この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置における処理手順の一例を示す動作フローチャートである。 この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置における処理手順の別の例を示す動作フローチャートである。 カム軸位相角(クランク軸に対するカム軸の回転位相)の算出方法を説明するためのタイムチャートである。
最初に一般的なカム軸位相角の算出方法を図5を用いて簡単に説明する。なお、図5は吸気側の説明であるが、排気側は吸気側とは逆に考え、進角と遅角を入れ替えて考えればよいため、説明は省略する。θTは位相検出用カム信号入力後の最初のクランク角信号[degCA]の基準角度に対する位相角(回転角)を示す。θAはクランク角信号[degCA]間の位相角(回転角)を示す。Tは位相検出用カム信号をはさむクランク角信号間の時間を示す。tは位相検出用カム信号と位相検出用カム信号入力後の最初のクランク角信号との間の時間を示す。前記値を使用し、次式(1)からカム軸位相角を検出する。
カム軸位相角=θT−(θA×t/T) (1)
上記式(1)に示すように、位相検出用カム信号をはさむクランク角信号間の時間Tと、位相検出用カム信号と位相検出用カム信号入力後の最初のクランク角信号との間の時間tからクランク角度換算し、カム軸位相角を検出する。
しかしながら上述のように、エンジンの逆回転が発生した場合、従来のカム軸位相角検出を行うための区間(クランク角度)を小さくして検出しても、クランク間角度を正しく検出できないため、誤ったカム軸位相角を検出することになる。
この発明では、前記のような課題を解決するため、エンジンが逆回転するような低回転領域では、吸気側において進角側(排気側の場合は遅角側、以下同様)へ動作させる油圧が確保できないため、カム軸位相角は進角側へは動作しない。よって、油圧アクチュエータを作動させる油圧が確保できない回転数を下回る領域において、カム軸位相角演算値が進角側に更新された場合は、カム軸位相角が正しく演算できていない可能性が高いため、カム軸位相角の進角側への更新を遅らせ、または、進角側への更新に上限を設けることで、実際のカム軸位相角に近い状態とし、前記課題を解消する。
以下、この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。また、説明の便宜上、以下では吸気側の場合について説明するが、この発明は吸気側と排気側の双方に適用されるものであり、排気側では吸気側の説明内の進角を遅角に置き換えることで実現可能である。
実施の形態1.
図1は、この発明の一実施の形態による可変バルブタイミング装置の位相制御装置を含むバルブタイミング変更機構を備えた内燃機関の制御システムの概略構成を示す。各気筒100(1気筒のみが図示されている)内には、その内部を往復動するピストン101により燃焼室100aが形成され、燃焼室100a上部のシリンダヘッドには、点火プラグ102が設けられ、その先端を燃焼室100a内に臨ませている。各気筒100には、燃焼室100aに吸気を導く吸気管103と燃焼室100aから燃焼ガスを排気するための排気管104とが接続されている。吸気管103が燃焼室100aへ開口する吸気ポートには吸気バルブ117が設けられ、また、排気管104が燃焼室100aへ開口する排気ポートには排気バルブ118が設けられている。
吸気管103内には、燃焼室100aへ供給される吸気量を制御するためのスロットルバルブ108が設けられ、このスロットルバルブ108の開度は、その近傍において吸気管103に取り付けたスロットル開度検出センサ112により検出される。また、吸気管103内において、スロットルバルブ108の下流側には、吸気管103へ燃料を供給するための燃料噴射弁105と、吸気管103内の圧力を検出するための圧力センサ113とが設けられている。さらに、気筒100には、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ107が取り付けられており、排気管104には、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ106が設けられている。
また、吸気バルブ117及び排気バルブ118の上方には、各バルブを開閉駆動させるためのカム115bを設けた吸気カムシャフト115及びカム119bを設けた排気カムシャフト119が配置されており、吸気カムシャフト115及び排気カムシャフト119には、吸気側タイミングプーリ120及び排気側タイミングプーリ119aが取り付けられている。吸気側タイミングプーリ120及び排気側タイミングプーリ119aは、ピストンロッド116aを介して各気筒100内のピストン101に連結されたクランクシャフト116に、図示しないタイミングベルトを介して作動連結されており、従って、吸気カムシャフト115及び排気カムシャフト119は、クランクシャフト116の回転に同期して回転駆動される。
吸気カムシャフト115の端面には、内燃機関の潤滑油により駆動される油圧アクチュエータ(VVT ACT)114が連結されており、油圧アクチュエータ114は吸気バルブ117のバルブ開閉タイミングを変更する。すなわち、油圧アクチュエータ114は、吸気側タイミングプーリ120に対する吸気カムシャフト115の変位角度を変化させることにより、吸気バルブ117のバルブ開閉タイミングを連続的に変更する。カム角度位置検出センサ111は吸気カムシャフト115のカム角度位置を検出する。
オイル・コントロール・バルブ(OCV)121は、油圧アクチュエータ114に作動油を供給するとともに作動油の油量を調整し、油圧アクチュエータ114を駆動して吸気バルブ117の開閉タイミングを変更する。なお上述のように図1は吸気側のバルブタイミングのみを変更するシステムについて示しているが、排気側のバルブタイミングを変更するシステムについても同様に構成される。
クランクシャフト116には、外周に凹凸を設けた回転板116bが固着され、また、この回転板116bに近接してその外周部に対向するように配置されたクランク角度位置検出センサ110により、回転板116b外周の凹凸を検出して、クランクシャフト116の回転位置(クランク角度位置)及び内燃機関の回転数(以下、エンジン回転数と称する)を検出する。クランク角度位置検出センサ110、スロットル開度検出センサ112、圧力センサ113、吸入空気量検出センサ(図示せず)、酸素センサ106、水温センサ107など各種センサの出力信号は、エンジン制御装置(以下、ECUと称する)122に入力され、ECU122はそれらの情報から内燃機関の運転状態を検出して、検出された内燃機関運転状態に応じて点火プラグ102、燃料噴射弁105、オイル・コントロール・バルブ121等を制御する。
図2はこの発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置の制御動作を説明するためのタイムチャートを示す。ここで、図2は吸気側を示した図である。排気側は進角と遅角が逆になるのみのため説明は省略する。(a)のT201は、エンジン回転数(内燃機関回転数)の経時変化を示している。(b)のT202は、T201で示すエンジン回転数に応じてカム軸位相角検出方法に従って算出されたカム軸位相角の経時変化を示している。カム軸位相角の算出は油圧アクチュエータ114の固着などを検出するために、回転数が低回転域(停止寸前では逆回転する場合もある)の場合も算出を続ける。
しかし、T203で示すように、エンジンが停止寸前では逆回転する場合があり、上述の式(1)でカム軸位相角を演算した場合に、正しく演算できないことにより進角側の演算結果となる。そこで、T203のように低回転領域で進角側(吸気側の場合)への演算結果が算出された場合は正しく演算できていない可能性が高いことと、低回転領域ではカム軸位相角は進角側に動作しないことから、T204に示すようにエンジンの所定の閾値回転数を設けて、エンジン回転数が閾値回転数T204以下の場合は、カム軸位相角の検出が進角側であれば、カム軸位相角を更新する時に、フィルタをかけることにより、更新を遅らせるようにする(T205参照)。進角側の更新を遅らせることにより、カム軸位相角の更新量を制限することができる。また、位相の更新量に上限を設けることで、カム軸位相角の更新量を制限してもよい。前記のとおり、カム軸位相角の更新量を制限することで、実際の位相角に近い角度で更新することができる。
図3は、この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置の動作フローチャートの一例である。この制御動作はECU122で行われる。図3は吸気側の説明であるが、排気側は吸気側の説明内の進角を遅角に置き換えることで実現可能である。なお、この動作は、所定のクランク角度位置(例えば、BTDC75°CA)毎の処理を示す。
まずステップS301では、クランク角度位置検出センサ110によりクランク角度位置検出信号SGTを検出する。すなわちクランク角度位置検出センサ110からのクランク角度位置検出信号SGTを入力してクランク角度位置を得る。
次にステップS302では、カム角度位置検出センサ111によりカム角度位置検出信号SGCを検出する。すなわちカム角度位置検出センサ111からのカム角度位置検出信号SGCを入力してカム角度位置を得る。
次にステップS303では、ステップS301で検出したクランク角度位置検出信号SGTからエンジン回転数Neを算出する。
次にステップS304では、検出されたクランク角度位置及びカム角度位置から上記式(1)に従って、バルブタイミング変更機構のオイル・コントロール・バルブ121を制御するためのカム軸位相角を算出する。
次にステップS305では、ステップS303で算出したエンジン回転数Neが判定値N1以下であるか否かを判定する。判定値N1は油圧アクチュエータ114を作動させる油圧が確保できない低回転域となる所定のエンジン回転数とする。エンジン回転数Neが判定値N1以下と判定すれば、ステップS306に進む。
ステップS306では、算出されたカム軸位相角が進角側に現れているか否か判定する。カム軸位相角が進角側に現れていればステップS307へ進む。
次にステップS307では、以下の式(2)によりフィルタをかける。
(前回)カム軸位相角×係数K+(今回)カム軸位相角×(1−係数K) (2)
式(2)は、係数K(0≦K≦1)を持つ、フィルタ演算の式である。係数Kを0以上1以下の範囲で変更することにより、前回のカム軸位相角または、今回のカム軸位相角のどちらに重点を置いて処理するかを決定する一般的なフィルタ演算式である。ステップS307では今回検出されたカム軸位相角は正しく演算できていない可能性が高いため、係数Kには1に近い値を設定することで、今回検出されたカム軸位相角の反映を遅らせる。この係数Kは例えば、エンジン回転数に応じて(エンジン回転数が低い程大きく)変更される。
一方、ステップS306で、カム軸位相角が進角側に現れていない場合は、ステップS308へ進む。
ステップS308では、前記式(2)の係数Kに0を設定する。係数Kに0を設定するということは、フィルタなしを意味し、前回カム軸位相角の値はカム軸位相角の更新に使用しないことを意味している。
また、ステップS305で、エンジン回転数が判定値N1より大きいと判定した場合は、ステップS309に進む。
ステップS309では、ステップS308の説明と同様に係数Kは0を設定する。
そしてステップS307からステップS309で設定したフィルタ係数を使用し、ステップS310においてカム軸位相角の更新を行う。そしてこれらの更新されたカム軸位相角に従ってオイル・コントロール・バルブ121を制御する。
図4は、この発明による可変バルブタイミング装置の位相制御装置の動作フローチャートの別の例である。この制御動作はECU122で行われる。図3と同様に、図4は吸気側の説明であるが、排気側は吸気側の説明内の進角を遅角に置き換えることで、排気側も実現可能である。なお、この動作も、所定のクランク角度位置(例えば、BTDC75°CA)毎の処理を示す。
ステップS401からS405までの処理は図3のステップS301からS305までの処理と同じであり説明を省略する。
ステップS406では、算出されたカム軸位相角が進角側に現れているか否か判定する。カム軸位相角が進角側に現れていれば、ステップS407へ進む。
ステップS407では、算出されたカム軸位相角と予め設定した上限値K1を比較し、小さいほうを今回のカム軸位相角とする。なお、上限値K1は実際のカム軸位相角に近い角度を設定する。
一方、ステップS406で、カム軸位相角が進角側に現れていない場合は、検出した値を今回のカム軸位相角とする。
そしてステップS405でエンジン回転数が判定値N1より大きいと判定した場合も、検出した値を今回のカム軸位相角とする。
そしてこれらの更新されたカム軸位相角に従ってオイル・コントロール・バルブ121を制御する。
なお、油圧アクチュエータ114,吸気カムシャフト115、カム115b、吸気バルブ117,排気バルブ118,排気カムシャフト119,排気側タイミングプーリ119a,カム119b,吸気側タイミングプーリ120,オイル・コントロール・バルブ121が可変バルブタイミング装置を構成し、
油圧アクチュエータ114,オイル・コントロール・バルブ121がバルブタイミング変更機構(114,121)を構成し、
ECU122,クランク角度位置検出センサ110,カム角度位置検出センサ111等が位相制御装置を構成し、
クランク角度位置検出センサ110,ECU122でのステップS301,S401がクランク角度位置検出部を構成し、
カム角度位置検出センサ111,ECU122でのステップS302,S402がカム角度位置検出部を構成し、
ECU122でのステップS303,S403が内燃機関回転数算出部を構成し、
ECU122でのステップS304、S404がカム軸位相角算出部を構成し、
ECU122でのステップS305−S310、S405−S407カム軸位相角制御部を構成する。
以上詳述した本実施の形態によれば、カム軸位相角検出において、エンジンが逆回転する可能性がある低回転領域で、一時的に正しく演算できないカム軸位相角の吸気側であれば進角量、排気側であれば遅角量を制限し、また、カムが進角側(遅角側)に固着している場合は、正しい進角量(遅角量)を検出できる可変バルブタイミング装置の位相制御装置等を得ることができる。
100 気筒、100a 燃焼室、101 ピストン、102 点火プラグ、103 吸気管、104 排気管、105 燃料噴射弁、106 酸素センサ、107 水温センサ、108 スロットルバルブ、110 クランク角度位置検出センサ、111 カム角度位置検出センサ、112 スロットル開度検出センサ、113 圧力センサ、114 油圧アクチュエータ、115 吸気カムシャフト、115b カム、116 クランクシャフト、116a ピストンロッド、116b 回転板、117 吸気バルブ、118 排気バルブ、119 排気カムシャフト、119a 排気側タイミングプーリ、119b カム、120 吸気側タイミングプーリ、121 オイル・コントロール・バルブ、122 ECU。
この発明は、内燃機関の可変バルブタイミング装置のバルブタイミング変更機構を制御して吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を変更する可変バルブタイミング装置の位相制御装置であって、内燃機関のクランク角度位置を検出するクランク角度位置検出部と、内燃機関のカム角度位置を検出するカム角度位置検出部と、前記クランク角度位置検出部の検出結果から内燃機関の回転数を算出する内燃機関回転数算出部と、前記クランク角度位置検出部および前記カム角度位置検出部で検出されるクランク角度位置及びカム角度位置から前記バルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出するカム軸位相角算出部と、内燃機関の回転数が所定の閾値以下の時に、前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角が吸気側の場合に制御停止状態時の位相角に対して進角側、排気側の場合に前記制御停止状態時の位相角に対して遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行うカム軸位相角制御部と、を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の位相制御装置等にある。
この発明は、内燃機関の可変バルブタイミング装置のバルブタイミング変更機構を制御して吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を変更する可変バルブタイミング装置の位相制御装置であって、内燃機関のクランク角度位置を検出するクランク角度位置検出部と、内燃機関のカム角度位置を検出するカム角度位置検出部と、前記クランク角度位置検出部の検出結果から内燃機関の回転数を算出する内燃機関回転数算出部と、前記クランク角度位置検出部および前記カム角度位置検出部で検出されるクランク角度位置及びカム角度位置から前記バルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出するカム軸位相角算出部と、内燃機関の回転数が所定の閾値以下の時に、前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角が吸気側の場合に前回のカム軸位相角に対して進角側、排気側の場合に前回のカム軸位相角に対して遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行うカム軸位相角制御部と、を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の位相制御装置等にある。

Claims (4)

  1. 内燃機関の可変バルブタイミング装置のバルブタイミング変更機構を制御して吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を変更する可変バルブタイミング装置の位相制御装置であって、
    内燃機関のクランク角度位置を検出するクランク角度位置検出部と、
    内燃機関のカム角度位置を検出するカム角度位置検出部と、
    前記クランク角度位置検出部の検出結果から内燃機関の回転数を算出する内燃機関回転数算出部と、
    前記クランク角度位置検出部および前記カム角度位置検出部で検出されるクランク角度位置及びカム角度位置から前記バルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出するカム軸位相角算出部と、
    内燃機関の回転数に応じて、かつ前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角が吸気側の場合に進角側、排気側の場合に遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行うカム軸位相角制御部と、
    を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の位相制御装置。
  2. 前記カム軸位相角制御部が、前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角に、内燃機関回転数に応じて変更されるフィルタ係数を用いた1次遅れフィルタ処理を行いカム軸位相角を更新することを特徴とする請求項1に記載の可変バルブタイミング装置の位相制御装置。
  3. 前記カム軸位相角制御部が、内燃機関回転数に応じて前記カム軸位相角算出部により算出されたカム軸位相角に上限を設けて更新することを特徴とする請求項1に記載の可変バルブタイミング装置の位相制御装置。
  4. 内燃機関の可変バルブタイミング装置のバルブタイミング変更機構を制御して吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを変更してバルブオーバーラップ量を変更する可変バルブタイミング装置の位相制御方法であって、
    内燃機関のクランク角度位置を検出する工程と、
    内燃機関のカム角度位置を検出する工程と、
    検出されたクランク角度位置から内燃機関の回転数を算出する工程と、
    検出されたクランク角度位置及びカム角度位置から前記バルブタイミング変更機構を制御するためのカム軸位相角を算出する工程と、
    内燃機関の回転数に応じて、かつ算出されたカム軸位相角が吸気バルブ側の場合に進角側、排気バルブ側の場合に遅角側、に現れた場合に、算出されたカム軸位相角に対して更新制限を行う工程と、
    を備えたことを特徴とする可変バルブタイミング装置の位相制御方法。
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