JP2017014918A - エンジンの制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造ばらつきや経時変化等の影響を軽減して精度高くバルブの開閉タイミングを制御する。
【解決手段】 クランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を可変する可変バルブタイミング機構５０を有するとともに、クランクシャフト１１ｅから、吸気バルブ１１ｆ１を連動させる吸気カムシャフト１１ｆに動力を伝達するエンジンの制御機構１であって、クランクシャフト１１ｅの所定の回転角に対応して測定された、吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングと、予め有するクランクシャフト１１ｅの回転角に対応した開閉タイミングの初期値とに基づき、クランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を、所定の回転角に対応する開閉タイミングが初期値に一致又は近似するように、変化させる制御を行うＥＣＵ１０を備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自動車等のエンジンの制御機構に関する。

従来、自動車等のエンジンにおいては、伝動体としてのタイミングチェーンによりクランクシャフトの回転をカムシャフトに伝達し、クランクシャフトの回転に対し一定比率でカムシャフトを従動回転させるようにしている。これにより、エンジンの吸気バルブ及び排気バルブを正確なタイミングで開閉させて、エンジンを適切な燃焼サイクルで運転できるようにしている。

更に近年では、出力向上、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開閉タイミングを可変する可変バルブタイミング機構を搭載したエンジンがある。可変バルブタイミング機構は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、カムシャフトの回転に連動して開閉される吸気バルブや排気バルブの開閉タイミングを変化させるようにしている。

一方、可変バルブタイミング機構においては、吸気バルブその他の機械要素の機械的な可動限界位置をタイミング制御の基準位置とすることがあるが、製造ばらつきや経時変化等による可変バルブタイミング機構毎の機械的な可動限界位置のばらつきによって、可変バルブタイミング制御の基準位置と吸入空気量との関係にずれが生じ、吸気バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミングが適正値から外れてしまう。これはエンジンにおいて、ノッキング発生や燃費低下といった不具合の原因となる。

このような不具合に対応すべく、例えば特許文献１においては、エンジンの吸入空気量を検出し、検出した吸入空気量が所定の基準吸入空気量に一致するときの可変バルブタイミング機構の制御位置を制御基準位置として学習するようにした構成を開示している。当該構成によれば、可変バルブタイミング機構やエンジンの製造ばらつき、経時変化等の影響を排除した精度の良い制御基準位置を学習して、吸入空気量制御の精度を向上させることができる、とされている。

特開２００５−２９１１４１号公報

しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題があった。すなわち、特許文献１に記載の技術においては、吸入空気量の検出は、エアフローメータ、吸気管の圧力センサ等を用いて行うが、これらの検出手段はエンジンを構成する各気筒単位で吸入空気量を検出するものではなく、精度が高いとは言えなかった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、製造ばらつきや経時変化等の影響を軽減して精度高くバルブの開閉タイミングを制御することが可能なエンジンの制御機構を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の側面は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を可変する可変バルブタイミング機構を有するとともに、前記クランクシャフトから、バルブを連動させる前記カムシャフトに動力を伝達するエンジンの制御機構であって、前記クランクシャフトの所定の回転角に対応して測定された、前記バルブの開閉タイミングと、予め有する前記クランクシャフトの回転角に対応した前記バルブの開閉タイミングの初期値とに基づき、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相を、前記所定の回転角に対応する前記バルブの開閉タイミングが前記初期値に一致又は近似するように、変化させる制御を行う制御部を備えた、エンジンの制御機構である。

なお、本発明は、他の側面として、前記バルブの開閉タイミングは、前記エンジンの組立時、点検時又は修理時のいずれかに測定され、前記制御は、前記開閉タイミングの測定時に行われるものとしてもよい。

更に、本発明は、他の側面として、前記バルブの開閉タイミングは、前記エンジンが搭載された車両の走行時に測定され、前記制御は、前記開閉タイミングの測定時に行われるものとしてもよい。

更に、本発明は、他の側面として、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を可変する可変バルブタイミング機構を有するとともに、前記クランクシャフトから、バルブを連動させる前記カムシャフトに動力を伝達するエンジンの制御方法であって、前記クランクシャフトの所定の回転角に対応して前記バルブの開閉タイミングを測定する工程と、測定した前記開閉タイミングと、予め有する前記クランクシャフトの回転角に対応する前記バルブの開閉タイミングの初期値とに基づき、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相を、前記所定の回転角に対応する前記バルブの開閉タイミングが前記初期値に一致又は近似するように、変化させる工程とを備えた、エンジンの制御方法であるとしてもよい。

以上のような本発明は、製造ばらつきや経時変化等の影響を軽減して精度高くバルブの開閉タイミングを制御することが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るエンジン及びその周辺の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係るエンジンの要部拡大図 本発明の実施の形態に係るエンジンの制御機構の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係るエンジンの制御機構の動作を示すフローチャート

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るエンジンの制御機構を含む、車両のエンジン及びその周辺の構成を模式的に示すブロック図であり、図２はエンジンの気筒近傍の要部拡大図である。

各図に示すように、本実施形態のエンジンは、火花点火式の４ストロークエンジンを例に取り、複数の気筒１１を有する。各気筒１１について、吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１ａが設けられる。また、気筒１１の燃焼室の天井には、点火プラグ１１ｂが設けられる。点火プラグ１１ｂは、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起する。点火コイルは、例えば半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

更に、燃焼室の天井には、吸気カムシャフト１１ｆにより開閉する一対の吸気バルブ１１ｆ１及び排気カムシャフト１１ｇにより開閉する一対の排気バルブ１１ｇ１が設けられる。複数の気筒１１のそれぞれの一対の吸気バルブ１１ｆ１は、図の表示面を垂直に貫く向きに延伸する同一の吸気カムシャフト１１ｆにより連結され、同様に、複数の気筒１１のそれぞれの一対の排気バルブ１１ｇ１は吸気カムシャフト１１ｆと平行な同一の排気カムシャフト１１ｇにより連結される。なお、図１においては簡単のため、吸気カムシャフト１１ｆ及び排気カムシャフト１１ｇは、それぞれ図２に示すカムシャフト本体６１ａ又は６１ｂとカム６２ａ又は６２ｂとが一体化した態様として示した。

次に、図２に示すように、吸気バルブ１１ｆ１は、バルブスプリング６３ｄの付勢力によりカム６２ａに当接するバルブリフター６３ａ、バルブの軸体をなすバルブステム６３ｂ及びバルブステム６３ｂの先端に固定され吸気ポート６４の開口を塞ぐバルブヘッド６３ｃを主要な構成とする。カムシャフト本体６１ａの回転に応じてカム６２ａとバルブリフター６３ａとの当接位置が変化することにより吸気バルブ１１ｆ１は吸気ポート６４内をバルブステム６３ｂの軸方向に往復運動して吸気ポート６４を開閉する。排気バルブ１１ｇ１も同様の構成を有し、カムシャフト本体６１ｂの回転がカム６２ｂを介した往復運動に変換されることにより、排気ポート６５を開閉する。

更に、一対の吸気バルブ１１ｆ１及び一対の排気バルブ１１ｇ１の近傍には、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂがそれぞれ設けられる。タイミングセンサ４０ａは具体的には光電センサ等により実現され、吸気バルブ１１ｆ１のバルブリフター６３ａ又はバルブステム６３ｂの位置変化を検出する手段である。同様に、タイミングセンサ４０ｂは排気バルブ１１ｇ１のバルブリフター又はバルブステムの位置変化を検出する手段である。

気筒１１の燃焼室の下方には、コンロッド１１ｄによりシリンダ内を上下に往復運動するピストン１１ｃが配置される。複数の気筒１１のそれぞれのピストン１１ｃは、図の表示面を垂直に貫く向きに延伸する同一のクランクシャフト１１ｅにより連結される。

また、エンジンの周囲の構成として、外部から空気をとり入れ、吸気として各気筒１１の吸気ポートへ供給するための吸気通路１６ａ上には、上流から下流の順にエアクリーナ１２、スロットルバルブ１３、サージタンク１４、及び図示されない吸気マニホールドが設けられる。また、複数の気筒１１における燃料の燃焼により発生した排気は、複数の気筒１１のそれぞれの排気ポートから図示しない排気マニホールドを介し、排気通路１６ｂを介して外部へと排出される。なお、排気通路１６ｂ上には、排気中の一酸化炭素、窒素酸化物等を除去するための三元触媒１５が配置されている。

また、ＥＣＵ１０は、メモリ、ＣＰＵ等を備え、図示しないアクセルペダルの操作等に対応して、インジェクタ１１ａ、点火プラグ１１ｂ及びスロットルバルブ１３の制御を行うとともに、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂからの出力に基づき後述する可変バルブタイミング機構の制御を行う手段である。

次に、図３は、本実施の形態のエンジンの制御機構の構成を示すブロック図である。ただし、図１及び２と同一又は相当する構成については、同一符号を付し詳細な説明は省略する。

図に示すように、エンジンの制御機構１は、クランクシャフト１１ｅから吸気カムシャフト１１ｆ及び排気カムシャフト１１ｇへ動力を伝達する動力伝達部２０を含む。動力伝達部２０において、吸気カムシャフト１１ｆと回転軸を共有する吸気側スプロケット２１、排気カムシャフト１１ｇと回転軸を共有する排気側スプロケット２２及び、クランクシャフト１１ｅと回転軸を共有するクランクスプロケット２４に巻き掛けられたタイミングチェーン２５により、クランクシャフト１１ｅからもたらされる回転駆動力は、吸気側スプロケット２１を介して吸気カムシャフト１１ｆに、排気側スプロケット２２を介して排気カムシャフト１１ｇに、それぞれ伝達される。

更に、本実施の形態においては、吸気側スプロケット２１と吸気カムシャフト１１ｆとの間に、可変バルブタイミング機構５０の機械部を設けている。本実施形態における可変バルブタイミング機構５０は、クランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を変化させることにより吸気バルブ１１ｆ１の開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構５０のハウジング２１ａは、吸気側スプロケット２１に固着しており、これらは一体となってクランクシャフト１１ｅに同期して回転する。

一方、吸気カムシャフト１１ｆの一端部に固着したベーン２１ｂは、ハウジング２１ａに収納され、吸気側スプロケット２１及びハウジング２１ａに対して相対的に回動することが可能である。ハウジング２１ａの内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、ハウジング２１ａ内及び流体室により区画された空間内に油圧回路３０より作動液としてのオイルが供給されることにより、ハウジング２１ａはベーン２１ｂに対して相対的に回動し、クランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を変化させ、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

更に、エンジンの制御機構１においてはクランクスプロケット２４に固定されたクランクシャフト１１ｅの回転角を検出するクランク角センサ７０が設けられ、油圧回路３０の制御は、クランク角センサ７０及びタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂからの出力を用いたＥＣＵ１０により行われる。

以上の構成において、エンジンの制御機構１は本発明のエンジンの制御機構に相当し、クランクシャフト１１ｅは本発明のクランクシャフトに相当し、吸気カムシャフト１１ｆは本発明のカムシャフトに相当する。また、ＥＣＵ１０は制御部に相当し、可変バルブタイミング機構５０は本発明の可変バルブタイミング機構に相当する。

以上の構成を有する本実施の形態のエンジンの制御機構１は、ＥＣＵ１０が、クランク角センサ７０及びタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを用いて、動力伝達部２０における吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の動作を直接検出することにより、クランクシャフト１１ｅの回転角に応じた各バルブの開閉タイミングを測定し、これに基づき可変バルブタイミング機構５０を利用して、クランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を変化させて、クランクシャフト１１ｅの回転角に適切に対応したバルブの開閉タイミングを得るようにしたことを特徴とする。

すなわち、エンジンの制御機構１において、初期状態としてのエンジンの組立又はメンテナンス直後等は、製造ばらつきや経時変化等の影響が軽減されており、動力伝達部２０及びエンジンの各機械要素は理想に近い状態にて同期して動作しており、したがって動力伝達部２０におけるクランクシャフト１１ｅは、吸気カムシャフト１１ｆに対して適切な回転位相を有し、吸気バルブ１１ｆ１は正確な開閉タイミングで動作している。

一方で経時変化として、例えばタイミングチェーン２５の伸びや摩耗が生じた場合は、クランクシャフト１１ｅと吸気カムシャフト１１ｆ及び排気カムシャフト１１ｇとの回転位相には偏差が生じ、この回転位相の偏差は吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングのずれとして現れる。

本実施の形態は、これを利用して、クランクシャフト１１ｅが所定の回転角にあるときの吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングをタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂにて測定し、同一回転角における初期状態にある開閉タイミングの初期値と比較し、測定値と初期値との間にずれが算出された場合は、当該ずれを回転位相の偏差に換算して、可変バルブタイミング機構５０によりクランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を調整し、これを補正する。

本実施の形態において、吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１はエンジンの各気筒１１に一対ずつ設けられるものであり、且つ、各バルブの動作は動力伝達部２０の挙動を直接的に反映する。したがって、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを用いた測定により、気筒単位で開閉タイミングのずれを精度高く求めて、バルブの開閉タイミングを制御することが可能となる。

次に、図４のフローチャートを参照して、エンジンの制御機構１における、ＥＣＵ１０による補正動作を詳しく説明する。

はじめに、ステップＳ１０として、エンジンを予備的に動作させ、クランク角センサ７０により、クランクシャフト１１ｅが予め定めた所定の回転角にあるときの吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングを初期値として取得する。ここで各バルブの開閉タイミングの例としては、バルブの開き始めが挙げられ、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂとしては、吸気バルブ１１ｆ１のバルブリフター６３ａ又はバルブステム６３ｂの現在位置として各タイミングを検出し、ＥＣＵ１０はこれを記憶する。なお、初期値は定数として予め設定され、ＥＣＵ１０に記憶された量であるとしてもよい。

次に、ステップＳ１１として、エンジンが所定時間動作した時点において、ＥＣＵ１０はクランク角センサ７０並びにタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂをモニタし、クランクシャフト１１ｅがステップＳ１０と同一回転角にあるときの吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングを取得し、ステップＳ１２にて初期値とのずれを求める。

次に、ステップＳ１３として、初期値からのずれが予め定めた所定値以上であれば、ステップＳ１４にてＥＣＵ１０はずれをクランクシャフト１１ｅに対する吸気カムシャフト１１ｆの回転位相に換算する。なお、所定値が所定値未満であれば、ステップＳ１１に戻り、クランク角センサ７０並びにタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂの出力のモニタを継続する。

最後に、ステップＳ１５として、ＥＣＵ１０は油圧回路３０を制御して、可変バルブタイミング機構５０を駆動させて吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を修正し、一連の動作を完了する。なお、回転位相の修正は、例として、検出した各気筒１１における開閉タイミングのずれの平均値に基づくもの、最大値に基づくもの、等を用いることができる。

上記の一連の動作において、ステップＳ１０及びＳ１１における、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを用いたバルブの開閉タイミングの検出は、エンジンの組立時、点検時又は修理時のいずれかに行うことができる。各ステップをこれらの期間に行うことは、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の開閉タイミングの測定時にのみエンジンに設置し、通常の使用時には除去した構成とすることができる。
したがって、装置の高コスト化を抑制することが可能となり、より好ましい。なお、点検時又は修理時の例としては、タイミングチェーン２５の交換時、可変バルブタイミング機構５０その他動弁系の修理時、エンジンもしくは車両の定期点検時、又は車両の走行距離ごとの点検時が挙げられる。

更に、タイミングセンサ４０ａ及び４０ｂはエンジンに常時備えた構成としてもよい。この場合、車両の走行時に開閉タイミングを測定して、エンジンの運転中であってもバルブの開閉タイミングを適正化することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態のエンジンの制御機構によれば、ＥＣＵ１０が、クランク角センサ７０及びタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを用いて、動力伝達部２０における吸気バルブ１１ｆ１及び排気バルブ１１ｇ１の動作を直接検出することにより、クランクシャフト１１ｅの回転角に応じた各バルブの開閉タイミングを測定し、これに基づき可変バルブタイミング機構５０を利用してバルブの開閉タイミングを調整することにより、エンジンの製造ばらつきや経時変化等の影響を軽減して、精度高くバルブの開閉タイミングを制御することが可能になる。

しかしながら、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。

上記の説明においては、クランクシャフト１１ｅの回転角に対応したバルブの開閉タイミングを、光電センサとしてのタイミングセンサ４０ａ及び４０ｂを用いるものとしたが、容量センサ、磁気センサ、スイッチ等に基づくセンサを用いてもよい。要するに、本発明のバルブの開閉タイミングの測定は、その具体的な手段によって限定されるものではない。

また、上記の説明においては、本発明の伝動帯の例としてタイミングチェーン２５を用いたが、タイミングベルトを用いてもよい。要するに、本発明の伝導体はクランクシャフトからカムシャフトに動力を伝達する作用を奏するものであれば、その具体的な構成に限定されるものではない。

更に、上記の説明においては、可変バルブタイミング機構５０は吸気カムシャフト１１ｆの回転位相を変化させるものとしたが、排気カムシャフト１１ｇの回転位相を単独又は吸気カムシャフト１１ｆと併せて可変させる構成としてもよい。

更に、本発明は、例えば、ガソリンエンジン自動車の他、ハイブリッド自動車、二輪車、船舶他、エンジンにより動作する任意の輸送機器及び当該機器に用いられる任意の構成のエンジンにおいて実施してもよい。

更に、上記の説明においては、本発明はエンジンの制御機構として実施されるものとして説明を行ったが、上記ステップＳ１０〜Ｓ１５を実行するエンジンの制御方法として実施してもよい。

以上のように、本発明は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を可変する可変バルブタイミング機構を有するとともに、前記クランクシャフトから、バルブを連動させる前記カムシャフトに動力を伝達するエンジンの制御機構であって、前記クランクシャフトの所定の回転角に対応して測定された、前記バルブの開閉タイミングと、予め有する前記クランクシャフトの回転角に対応した前記バルブの開閉タイミングの初期値とに基づき、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相を、前記所定の回転角に対応する前記バルブの開閉タイミングが前記初期値に一致又は近似するように、変化させる制御を行う制御部を備えたものであればよく、その他の具体的な目的、用途、構成によって限定されるものではない。

したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲内であれば、以上説明したものを含め、上記実施の形態に種々の変更を加えたものとして実施してもよい。

以上のような本発明は、製造ばらつきや経時変化等の影響を軽減して精度高くバルブの開閉タイミングを制御することが可能になるという効果を有し、例えばガソリン自動車等への適用において有用である。

１ エンジンの制御機構
１０ ＥＣＵ
１１ 気筒
１１ａ インジェクタ
１１ｂ 点火プラグ
１１ｃ ピストン
１１ｄ コンロッド
１１ｅ クランクシャフト
１１ｆ 吸気カムシャフト
１１ｆ１ 吸気バルブ
１１ｇ 排気カムシャフト
１１ｇ１ 排気バルブ
１２ エアクリーナ
１３ スロットルバルブ
１４ サージタンク
１５ 三元触媒
１６ａ 吸気通路
１６ｂ 排気通路
２０ 動力伝達部
２１ 吸気側スプロケット
２１ａ ハウジング
２１ｂ ベーン
２２ 排気側スプロケット
２４ クランクスプロケット
２５ タイミングチェーン
３０ 油圧回路
４０ａ、４０ｂ タイミングセンサ
５０ 可変バルブタイミング機構
６１ａ、６１ｂ カムシャフト本体
６２ａ、６２ｂ カム
６３ａ バルブリフター
６３ｂ バルブステム
６３ｃ バルブヘッド
６３ｄ バルブスプリング
６４ 吸気ポート
６５ 排気ポート
７０ クランク角センサ

Claims (1)

1. クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を可変する可変バルブタイミング機構を有するとともに、前記クランクシャフトから、バルブを連動させる前記カムシャフトに動力を伝達するエンジンの制御機構であって、
   前記クランクシャフトの所定の回転角に対応して測定された、前記バルブの開閉タイミングと、予め有する前記クランクシャフトの回転角に対応した前記バルブの開閉タイミングの初期値とに基づき、前記クランクシャフトに対する前記カムシャフトの回転位相を、前記所定の回転角に対応する前記バルブの開閉タイミングが前記初期値に一致又は近似するように、変化させる制御を行う制御部を備えた、
   エンジンの制御機構。

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