JP2020007942A - 弁開閉時期制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の始動時に実弁開閉時期を早期に取得し得る弁開閉時期制御装置を構成する。【解決手段】駆動ケースと、内部ロータと、これらの相対回転位相を電動モータＭの駆動力で設定する位相調節機構と、相対回転位相を取得する位相センシング部ＰＳと、電動モータＭを制御する位相制御部５３とを備えている。クランクシャフト１が回転する際に、連続してカム角信号を取得し、且つ、基準信号を取得した場合には、パターン記憶部５２ａに記憶された信号パターンのうち、連続して取得したカム角信号とが合致するものを特定し、特定された信号パターンが示す位相角と、基準信号が示す位相角とに基づいて相対回転位相を取得する位相取得部５２を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の弁開閉用のカムシャフトの相対回転位相を設定する弁開閉時期制御装置に関する。
上記構成の弁開閉時期制御装置として特許文献１には、弁開閉時期制御装置（文献では可変バルブタイミング装置）を吸気側カム軸に備えており、吸気側カム軸のカム角信号を出力するカム角センサと、クランクシャフトにクランク角信号を出力するクランク角センサとの検出信号に基づいて実バルブタイミングを算出する技術が記載されている。
この特許文献１では、吸気側カム軸に備えたインナギヤと、これと同軸芯で備えたアウタギヤと、これらに噛み合う遊星ギヤと、遊星ギヤの旋回速度を可変するモータとを備えて位相可変機構が構成されている。この位相可変機構は、モータの回転速度を吸気側カム軸の回転速度と一致させることでバルブタイミングを維持し、モータの回転速度を吸気側カム軸の回転速度より速くすること、あるいは、遅くすることでバルブタイミングを進角側と遅角側との何れかに設定できるように構成されている。
更に、特許文献１では、モータと吸気側カム軸との回転速度差からバルブタイミングの変化量を算出し、実バルブタイミングとバルブタイミングの変化量とに基づいて最終的な実バルブタイミングを算出している。
また、上記構成の弁開閉時期制御装置として、特許文献２では、弁開閉時期制御装置（文献では可変バルブタイミング機構）を吸気側カム軸に備えており、クランク角信号を出力するクランク角センサと、吸気カム軸の回転に応じてカム信号パルスを出力するカムセンサとを備え、クランキング開始後に、最初に検出されるカム信号パルスと、その後に検出されるクランク信号の最初の基準位置とに基づいて吸気カム軸の実際の回転位相を演算する技術が示されている。
この特許文献２では、カムセンサが、吸気カム軸と一体回転するシグナルプレートと、このシグナルプレートの外周に形成された複数の突起部を検出する回転検出装置とを備えて構成されている。この構成では、シグナルプレートの全周（３６０度の領域）が複数の領域に等しく分割され、分割された各々の領域毎に異なる数の突起部が周方向に並列するように形成されている。また、突起部の１つは、分割された領域の境界位置に配置されている。従って、吸気カム軸が回転する際には、回転検出装置で最初に突起部を検出した際のカム信号パルスに基づき吸気カム軸の回転位相が演算によって取得される。
特開２００４−１６２７０６号公報 特開２０１７−８７２９号公報
例えば、吸気カムシャフトに弁開閉時期制御装置を備えた内燃機関を始動する際の制御を考えると、スタータモータでクランキングを開始し、クランクシャフトの回転速度が、内燃機関の始動を可能にする値まで上昇した後に燃焼室に燃料を供給し、混合気に点火するものであるが、このように点火する時点では吸気バルブの開閉時期（バルブタイミング）が始動に適した値に設定されることになる。
このように、内燃機関の始動時には吸気バルブの開閉時期を、内燃機関の始動に適した値に設定するために、吸気バルブの実開閉時期（実バルブタイミング）を早期に取得する必要がある。
しかしながら、特許文献１に記載される処理により算出される最終的な実バルブタイミングは、内燃機関が稼動する状況において吸気バルブの実開閉時期（実バルブタイミング）を取得できるものであるため、内燃機関を始動する際に吸気バルブの開閉時期を取得するには不適当である。
また、特許文献２に記載される技術は、内燃機関の始動時に弁の開閉時期を取得できるものであるが、最初のカム信号パルスを取得した後に、クランク角信号の基準位置を取得することにより弁の開閉時期を決定するため、カム信号パルスを取得した後にクランク角信号から基準位置を取得するまでに時間を要することになり改善の余地がある。
このような理由から、内燃機関の始動時に実弁開閉時期を早期に取得し得る弁開閉時期制御装置が求められている。
本発明に係る弁開閉時期制御装置の特徴構成は、内燃機関のクランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記内燃機関の弁開閉用のカムシャフトと一体回転する従動側回転体と、回転軸芯を中心に前記駆動側回転体と前記従動側回転体との相対回転位相を電動モータの駆動力により設定する位相調節機構と、前記相対回転位相を取得する位相センシング部と、前記位相センシング部での取得結果に基づいて前記相対回転位相を設定するために前記電動モータを制御する位相制御部とを備えると共に、前記位相センシング部が、前記カムシャフトが１回転する際に異なる間隔で複数のカム角信号を取得するカム角センサと、前記クランクシャフトが１回転する際に基準信号が特定の回転位相で取得される基準判定センサと、連続して取得される前記カム角信号の信号パターンを記憶するパターン記憶部とを備えており、クランキング時に、連続して前記カム角信号を取得し、前記パターン記憶部に記憶された前記信号パターンのうち連続して取得した前記カム角信号が合致するものを特定し、特定された前記信号パターンが示すカム位相角と、前記基準信号が示す基準位相角とに基づいて前記相対回転位相を取得する位相取得部を備えている点にある。
この特徴構成では、例えば、内燃機関の始動時にクランキングを開始した場合には、クランクシャフトが１回転する際の特定の基準位相角で基準信号が取得される。また、カムシャフトが回転することによりカム角センサで連続してカム角信号が取得され、パターン記憶部に記憶されている信号パターンのうち、取得したカム角信号と合致する信号パターンが特定される。このように特定された信号パターンが示すカム位相角と、基準位相角とに基づいて位相取得部が駆動側回転体と従動側回転体との相対回転位相を取得できる。
特に、この構成では、例えば、２つのカム角信号を取得する過程において基準信号を取得することが可能であるため、例えば、２つのカム角信号を取得した後に基準信号を取得するものと比較すること相対回転位相を取得するタイミングを早めることも可能となる。従って、内燃機関の始動時に実弁開閉時期を早期に取得し得る弁開閉時期制御装置が構成された。
他の構成として、前記位相調節機構が、前記駆動側回転体と前記従動側回転体とを相対回転させるギヤ減速機構を備え、前記電動モータが前記回転軸芯と同軸芯上に配置された出力軸により前記ギヤ減速機構に前記駆動力を伝え、前記カムシャフトが回転する際に、前記カムシャフトの回転速度と等速度で前記電動モータの前記出力軸を駆動することで前記相対回転位相を維持し、前記カムシャフトの回転速度より前記出力軸の回転速度を高速化または低速化することにより前記相対回転位相の変位を行わせるように構成され、前記電動モータが、所定の間隔で連続して生成される回転角信号により前記出力軸が回転するように駆動され、前記出力軸が１回転する際に所定の回転位相に達する毎に検知信号を出力するように構成され、前記クランクシャフトが回転している際に、連続して前記カム角信号を取得した場合には、前記位相取得部は、先に取得した前記カム角信号と後に取得した前記カム角信号との間隔を、前記回転角信号をカウントしたカウント値をとして取得し、前記パターン記憶部は、複数の前記信号パターンとして、複数の前記カウント値を記憶しても良い。
この構成では、最初のカム角信号を取得した際に、電動モータを駆動する回転角信号のカウントを開始し、次のカム角信号を取得した時点での回転角信号のカウント値を取得することで、そのカウント値が、連続した２つのカム角信号の間隔とすることが可能となる。そして、パターン記憶部では、信号パターンとして複数のカウント値を記憶しているため、単純にカウント値を比較することで信号パターンの特定が可能となり、精度の向上も可能となる。
他の構成として、前記クランクシャフトが１回転する際に前記基準位相角を除いた領域で連続的にパルス信号を取得するクランク角センサを備え、前記基準位相角においてパルス信号を取得しない位相角を前記基準位相角とするように、前記クランク角センサが前記基準判定センサに用いられても良い。
この構成から、クランクシャフトの回転速度（単位時間での回転数）をクランク角センサで取得されるパルス信号をカウントすることにより求めることが可能となり、クランクシャフトが１回転する際にパルス信号を取得できない位相角を基準位相角とすることが可能となる。従って、クランク角センサで基準位相角を取得し、相対回転位相の取得が可能となる。
エンジンの断面図である。 エンジン制御ユニットと位相制御ユニットとのブロック図である。 カム角センサの回転体の拡大図である。 弁開閉時期制御機構の断面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図４のVI−VI線断面図である。 弁開閉時期制御機構の分解斜視図である。 始動制御のフローチャートである。 実位相取得ルーチンのフローチャートである。 カム角信号、クランク角信号等を示すタイミングチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１には内燃機関としてのエンジンＥを示し、図２にはエンジンＥを制御するエンジン制御ユニット４０と、弁開閉時期制御装置ＶＴの位相を制御する位相制御ユニット５０とを示している。図１、図２に示すようにエンジンＥには、弁開閉時期制御装置ＶＴを備えており、この弁開閉時期制御装置ＶＴは、位相制御が行われることによりエンジンＥの吸気バルブＶａの開閉時期（バルブタイミング）を設定する。また、位相制御ユニット５０は、エンジン制御ユニット４０から伝送される制御情報（例えば、図１０に示す目標位相）に従うように制御が行われる。
図１に示すエンジンＥは、乗用車等の車両に備えられるものを示している。弁開閉時期制御装置ＶＴは、図２に示す位相制御モータＭ（電動モータの一例）により位相制御が行われるものを示している。
エンジンＥの始動時には、図２に示すスタータモータ１５でクランキングが行われる。このクランキング時に位相センシング部ＰＳで弁開閉時期制御装置ＶＴの実位相が取得される。位相制御ユニット５０は、取得された実位相をフィードバックする形態で位相制御モータＭを制御することにより、吸気バルブＶａの開閉時期（バルブタイミング）が始動に適した値となるように弁開閉時期制御装置ＶＴを制御する。
また、位相制御ユニット５０は、位相センシング部ＰＳからの信号に基づいて気筒判別を行えるように構成され、クランキング時には、気筒判別を行い、この後の適切なタイミングで、エンジン制御ユニット４０の制御により燃焼室に燃料が供給され、燃焼室の混合気に点火が行われ、エンジンＥの始動が実現する。
特に、エンジンＥを始動する際には、弁開閉時期制御装置ＶＴの実位相を早期に取得することにより、迅速な始動を可能にしている。このエンジン制御ユニット４０と、位相制御ユニット５０との構成および制御形態については後述する。
〔エンジン〕
エンジンＥ（内燃機関の一例）は、図１、図４に示すようにクランクシャフト１を支持するシリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を連結し、シリンダブロック２に形成された複数のシリンダボアにピストン４を摺動自在に収容し、ピストン４をコネクティングロッド５によりクランクシャフト１に連結して４サイクル型に構成されている。
このエンジンＥでは一方の端部から他方に向けて＃１気筒、＃２気筒、＃３気筒、＃４気筒（図４では、＃１、＃２、＃３、＃４として示している）が配置され、シリンダの内部空間のうちピストン４とシリンダヘッド３との間に燃焼室が形成される。
シリンダヘッド３には、吸気バルブＶａと排気バルブＶｂとが備えられ、シリンダヘッド３の上部に吸気バルブＶａを制御する吸気カムシャフト７と、排気バルブＶｂを制御する排気カムシャフト８とが備えられている。
クランクシャフト１の出力プーリ部１Ｐと、弁開閉時期制御装置ＶＴの駆動ケース２１（駆動側回転体の一例）のタイミングプーリ部２１Ｐと、排気カムシャフト８の駆動プーリ部８Ｐに亘ってタイミングベルト６が巻回されている。これにより、クランクシャフト１と駆動ケース２１とは同期回転する。
シリンダヘッド３には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ９と点火プラグ１０とが備えられている。シリンダヘッド３には、吸気バルブＶａを介して燃焼室に空気を供給するインテークマニホールド１１と、排気バルブＶｂを介して燃焼室からの燃焼ガスを送り出すエキゾーストマニホールド１２とが連結される。
このエンジンＥでは、図２に示すようにクランクシャフト１を駆動回転するスタータモータ１５を備えており、図１に示すように、クランクシャフト１の近傍位置にはクランクシャフト１の回転速度（単位時間の回転数）の検知が可能なクランク角センサ１６を備えている。また、吸気カムシャフト７の回転位相の検知が可能なカム角センサ１７を備えている。このクランク角センサ１６とカム角センサ１７とで位相センシング部ＰＳが構成されている。尚、クランク角センサ１６は基準判定センサとしても機能する。
位相センシング部ＰＳは、後述するように、弁開閉時期制御装置ＶＴの駆動ケース２１と内部ロータ２２との回転軸芯Ｘを中心とする相対回転位相（前述した実位相）を取得し、気筒判別を実現するため信号を位相制御ユニット５０に入力する。
〔弁開閉時期制御装置〕
図４〜図７に示すように、弁開閉時期制御装置ＶＴは、駆動ケース２１（駆動側回転体の一例）と、内部ロータ２２（従動側回転体の一例）とを有すると共に、これらの相対回転位相を設定する位相調節機構を備えている。この位相調節機構は、位相制御モータＭ（電動モータの一例）の駆動により相対回転位相を設定するギヤ減速機構として構成されている。
駆動ケース２１は、外周にタイミングプーリ部２１Ｐが形成されると共に、吸気カムシャフト７の回転軸芯Ｘと同軸芯に配置されている。内部ロータ２２は、駆動ケース２１に対し相対回転自在に内包され、連結ボルト２３により吸気カムシャフト７と同軸芯に連結固定されている。駆動ケース２１と内部ロータ２２との間に位相調節機構が配置され、この位置調節機構を保持するフロントプレート２４が、駆動ケース２１の開口部分を覆う位置に配置され、このフロントプレート２４は、複数の締結ボルト２５により駆動ケース２１に締結されている。
この弁開閉時期制御装置ＶＴでは、図５に示すようにタイミングベルト６からの駆動力により全体が駆動回転方向Ｓに回転する。位相制御モータＭの駆動力により駆動ケース２１に対する内部ロータ２２の相対回転位相が、駆動回転方向Ｓと同方向に変位する方向を進角方向Ｓａと称し、この逆方向への変位を遅角方向Ｓｂと称している。
尚、弁開閉時期制御装置ＶＴは、相対回転位相を進角方向Ｓａに変位させることで吸気バルブＶａでの吸気量を増大させ、これとは逆に相対回転位相を遅角方向Ｓｂに変位させることで吸気バルブＶａでの吸気量を低減するように機能する。
〔弁開閉時期制御装置：位相調節機構〕
図４〜図７に示すように、位相調節機構は、内部ロータ２２と、この内部ロータ２２の内周に形成されるリングギヤ２６と、インナギヤ２７と、偏心カム体２８と、継手部Ｊとを備えている。リングギヤ２６は内部ロータ２２の内周において回転軸芯Ｘを中心とする複数の内歯部２６Ｔが形成されている。インナギヤ２７は、外周に複数の外歯部２７Ｔが形成されている。このインナギヤ２７は、回転軸芯Ｘと平行する姿勢の偏心軸芯Ｙと同軸芯に配置されるものであり、この配置により一部の外歯部２７Ｔが、リングギヤ２６の一部の内歯部２６Ｔに咬合する。
この位相調節機構では、リングギヤ２６の内歯部２６Ｔの歯数に対して、インナギヤ２７の外歯部２７Ｔの歯数が１歯だけ少ないものが用いられている。
また、継手部Ｊは、駆動ケース２１に対してインナギヤ２７が回転軸芯Ｘに直交する方向への変位を許しつつ、駆動ケース２１とインナギヤ２７との相対回転を阻止するオルダム継手として構成されている。
偏心カム体２８は、回転軸芯Ｘと同軸芯で回転するようにフロントプレート２４に対して第１軸受３１により支持されている。この偏心カム体２８には、回転軸芯Ｘに平行する姿勢の偏心軸芯Ｙを中心とする偏心カム面２８Ａが一体形成され、この偏心カム面２８Ａに対して第２軸受３２を介してインナギヤ２７が回転自在に支持される。更に、偏心カム面２８Ａに形成した凹部にバネ体２９を嵌め込み、このバネ体２９の付勢力を、第２軸受３２を介してインナギヤ２７に作用させている。
この偏心カム体２８は全体が筒状であり、内周には一対の係合溝２８Ｂが回転軸芯Ｘと平行となる姿勢で形成されている。
これにより、リングギヤ２６の内歯部２６Ｔの一部にインナギヤ２７の外歯部２７Ｔの一部が咬合する。尚、第１軸受３１と第２軸受３２とはボールベアリングで構成されるものであるが、ブッシュで構成されるものでも良い。
継手部Ｊは、板材をプレス加工して成る継手部材３３を有している。この継手部材３３は、中央部分が環状に形成されると共に、この環状の中央部分から外方に向けて一対の係合アーム３３Ａが突出形成され、環状の中央部分の空間と連なるように一対の係合凹部３３Ｂが形成されている。また、継手部材３３の一対の係合アーム３３Ａを駆動ケース２１の係合溝部２１Ｇに係合させ、この継手部材３３に形成した一対の係合凹部３３Ｂをインナギヤ２７の係合突部２７Ｕに係合させている。
この継手部Ｊでは、継手部材３３が、駆動ケース２１の一対の係合溝部２１Ｇを結ぶ直線方向に変位自在に係合しており、この継手部材３３に対してインナギヤ２７が一対の係合突部２７Ｕを結ぶ直線方向に変位自在に係合している。
位相制御モータＭはブラシレス直流モータが用いられ、エンジンＥに支持されている。この位相制御モータＭの出力軸Ｍａには、出力軸Ｍａの突出方向に対し直交姿勢となる係合ピン３４を備えており、この係合ピン３４の両端が偏心カム体２８の内周の係合溝２８Ｂに嵌め込まれている。これにより、位相制御モータＭの駆動力で偏心カム体２８が回転する。
弁開閉時期制御装置ＶＴについて、エンジンＥが停止する状態で作動形態を考えると、位相制御モータＭの駆動力で偏心カム体２８が回転した場合には、偏心カム面２８Ａが回転軸芯Ｘを中心に回転し、この回転に伴いインナギヤ２７が回転軸芯Ｘを中心に公転を開始する。この公転時には、インナギヤ２７の外歯部２７Ｔとリングギヤ２６の内歯部２６Ｔとの咬合位置がリングギヤ２６の内周に沿って変位するためインナギヤ２７には偏心軸芯Ｙを中心に自転させようとする力が作用する。
そして、インナギヤ２７が１回転だけ公転した時点では、リングギヤ２６の内歯部２６Ｔの歯数と、インナギヤ２７の外歯部２７Ｔの歯数と差（歯数差）に相当する角度（１歯に対応する角度）だけインナギヤ２７に対して回転させようとする回転力（自転力）が作用する。
前述したように、継手部Ｊが、駆動ケース２１に対するインナギヤ２７の回転を規制するため、位相制御モータＭの駆動力で偏心カム体２８が回転しても、駆動ケース２１に対してインナギヤ２７が回転することはなく、インナギヤ２７に作用する回転力により、駆動ケース２１に対してリングギヤ２６が回転し、このリングギヤ２６と一体的に内部ロータ２２が相対回転することになり、結果として、駆動ケース２１に対する吸気カムシャフト７の回転位相の調節が実現する。
特に、インナギヤ２７が、回転軸芯Ｘを中心に１回転だけ公転した場合には、駆動ケース２１に対して吸気カムシャフト７を、インナギヤ２７の外歯部２７Ｔの歯数と差（歯数差）に相当する角度だけ回転させるように位相調節機構が構成されるため、大きい減速比での調節が実現する。
〔位相調節の概要〕
前述したように位相調節機構が構成されているため、弁開閉時期制御装置ＶＴでは、吸気カムシャフト７の回転速度と等速度で同じ方向に位相制御モータＭの出力軸Ｍａを駆動回転することで、偏心カム体２８とインナギヤ２７とが相対回転しない状態が維持され、駆動ケース２１と内部ロータ２２との相対回転位相が維持される。
また、吸気カムシャフト７の回転速度を基準にして、位相制御モータＭの回転速度を増大する又は低減することにより相対回転位相を進角方向Ｓａ又は遅角方向Ｓｂに変位させることが可能となる。
〔エンジン制御ユニット〕
エンジン制御ユニット４０は、エンジンＥの制御を行うＥＣＵ（ engine control unit）として構成されるものであり、図２に示すようにエンジンＥを制御する操作情報が入力すると共に、クランキングを行うスタータモータ１５と、燃焼室に燃料を供給するインジェクタ９と、燃焼室の混合気に点火する点火プラグ１０とを制御するための制御信号を出力する。
このエンジン制御ユニット４０は、始動制御部４１と、稼動制御部４２と、停止制御部４３とを備えている。始動制御部４１は、エンジンＥを始動する始動制御を行い、稼動制御部４２はエンジンＥが稼動する際にエンジンＥの稼動を維持するに必要な稼動制御を行い、停止処理部はエンジンＥの停止に必要な停止制御を行う。
これら始動制御部４１と、稼動制御部４２と、停止制御部４３とはソフトウエアで構成されるものであるが、一部をハードウエアで構成することも可能である。
〔位相制御ユニット〕
図２に示すように位相制御ユニット５０は、エンジンＥの始動時に気筒判別を行い、クランクシャフト１が回転する際に相対回転位相（実位相）を取得し、エンジン制御ユニット４０からの制御情報に基づき位相制御を行う。この位相制御ユニット５０は、クランク角センサ１６から連続して出力されるパルス信号で成るクランク角信号と、カム角センサ１７からのカム角信号とを入力し、位相制御モータＭに制御信号を出力する。
前述したように、クランク角センサ１６とカム角センサ１７とで位相センシング部ＰＳが構成されている。クランク角センサ１６は、図２に示すように、クランクシャフト１と一体回転するディスク部１６Ｄと、このディスク部１６Ｄの複数の歯部１６Ｔを検知する非接触型のクランクセンサ部１６Ｓとを備えて構成されている。ディスク部１６Ｄの外周の２箇所には歯部１６Ｔを備えない基準点１６ｎが形成されている。
このクランク角センサ１６は、ディスク部１６Ｄと歯部１６Ｔとを鉄鋼材等の磁性体材料で一体的に形成しており、クランクセンサ部１６Ｓとしてピックアップ型のものを用いている。また、クランクシャフト１の回転時にクランクセンサ部１６Ｓで連続的に検知されるパルス信号をクランク角信号と称しており、このクランク角信号は、基準点１６ｎにおいてパルス信号は出力されないものの、このパルス信号が出力されないタイミングでパルス信号が存在しない情報を基準信号と称している。
クランク角センサ１６は基準判定センサとして機能するものであり、位相制御ユニット５０では基準点１６ｎにあるときのクランクシャフト１の回転位相を基準位相と称している。従って、クランクシャフト１が回転する際には、基準点１６ｎ（基準信号）を基準にしたパルス信号のカウント値から回転位相を可能にする。また、クランク角センサ１６は、単位時間あたりにクランク角信号をカウントすることや、基準点１６ｎの数をカウントすることによりクランクシャフト１の回転速度の取得を可能にする。
カム角センサ１７は、図２、図３に示すように、吸気カムシャフト７と一体回転する回転体１７Ｄと、この回転体１７Ｄの外周の４つの検知領域１７Ｔを検知するカムセンサ部１７Ｓとを備えている。特に、カム角センサ１７では、４つの検知領域１７Ｔは、エンジンＥの４つの気筒数に一致させた数であり、回転体１７Ｄの全周を等しく４分割した分割領域に検知領域１７Ｔを形成し、検知領域１７Ｔの各々の周長を異ならせることで４つの気筒の判別を可能にしている。
カム角センサ１７は、回転体１７Ｄと検知領域１７Ｔとを鉄鋼材等の磁性体材料で一体的に形成しており、カムセンサ部１７Ｓとしてピックアップ型のものを用いている。吸気カムシャフト７の回転時にカムセンサ部１７Ｓで検知される信号をカム角信号と称しており、このカム角信号は、検知領域１７Ｔのうち回転方向の後端部を検知（ダウンエッジを検知）したタイミングで出力されるため、吸気カムシャフト７が１回転した場合に４つのカム角信号が出力される。
このカム角センサ１７では、吸気カムシャフト７が回転する状況で検知領域１７Ｔの後端部を検知したタイミングで（図１０の検知開始タイミングＴａ）クランク角センサ１６からのクランク角信号（図１０を参照）のカウント値の取得（積算）を開始し、次の検知領域１７Ｔの後端部を検知したタイミング（図１０の検知終了タイミングＴｂ）までカウント値を取得することで分割領域の判別を実現している。前述したように、４つの検知領域１７Ｔの周長を異ならせているため、吸気カムシャフト７が１回転した際にカム角センサ１７で検知される４種のカウント値の取得タイミングは全て異なる値となる。また、図３に示すように２つの後端部の間を間隔Ｉｎと称している。
特に、カム角センサ１７では、吸気カムシャフト７が回転する際に、カムセンサ部１７Ｓで最初の検知領域１７Ｔの後端部を検知し（図１０の検知開始タイミングＴａ）、この後に、次の検知領域１７Ｔの後端部を検知する（図１０の検知終了タイミングＴｂ）までの間のタイミング（図１０の基準検知タイミングＴｍ）でクランクセンサ部１６Ｓが基準点１６ｎを取得（基準信号を取得）できるように４つの検知領域１７Ｔと、２つの基準点１６ｎの相対的な関係が設定されている。
尚、吸気カムシャフト７の全周を４つに分割した分割領域を判別するために、クランク角信号のカウント値に代えて、例えば、位相制御ユニット５０の内部で作り出したクロック信号をカウントするカウント値を用いることが可能である。また、カム角センサ１７において検知領域１７Ｔの形状や、周方向での配置は図２、図３に示す形状に限るものではない。
また、カム角センサ１７では、検知領域１７Ｔのうち回転方向の前端部を検知（アップエッジを検知）するように構成することや、検知領域１７Ｔのうち回転方向の前端部（アップエッジ）と後端部（ダウンエッジ）とを検知するように構成しても良い。
図２に示すように、位相制御ユニット５０は、気筒判別部５１と、位相取得部５２と、位相制御部５３とを備えている。気筒判別部５１は、エンジンＥの始動時に各気筒の点火順序を判別する。位相取得部５２は、パターン記憶モジュール５２ａ（パターン記憶部の一例）を備えており、弁開閉時期制御装置ＶＴの相対回転位相（実位相）を取得する。位相制御部５３は、位相制御モータＭの回転速度を制御することにより相対回転位相を制御する。
尚、気筒判別部５１と、位相取得部５２と、位相制御部５３とは、ソフトウエアで構成されるものであるが、一部をハードウエアで構成することも可能である。
気筒判別部５１は、エンジンＥの始動時にカム角センサ１７で連続して連続的に取得した２つのカム角信号の間隔から吸気カムシャフト７の回転位相を取得し、この回転位相と、クランク角センサ１６において基準位相を基準にしてカム角信号をカウントしたカウント値から取得したクランクシャフト１の回転位相とに基づき、クランクシャフト１の回転位相に対する吸気カムシャフト７の回転位相の関係を決定する。
この決定からクランクシャフト１の回転位相を基準とする＃１気筒〜＃４気筒の４つの気筒の各々における行程（吸入、圧縮、燃焼、膨張の何れかの行程）の把握が可能となり、クランクシャフト１の回転に基づき、エンジン制御ユニット４０で始動制御を行う際の点火を行うべき気筒の特定が可能となる。
位相取得部５２での制御形態は後述する。また、位相制御部５３では、エンジン制御ユニット４０から目標位相となる制御信号を取得した場合に、位相制御モータＭを制御することにより相対回転位相を目標位相に向けて変位させる。
〔制御形態〕
位相制御ユニット５０は、エンジンＥの始動時にクランク角センサ１６からのクランク角信号を取得し、カム角センサ１７からのカム角信号を取得し、取得したこれらの信号に基づいて弁開閉時期制御装置ＶＴの実位相（相対回転位相）を早期に取得し、この実位相をフィードバックする形態で位相制御モータＭを制御することにより、弁開閉時期制御装置ＶＴの相対回転位相を始動に最適となる値に設定して短時間での始動を実現する。
図８にはエンジンを始動する始動制御のフローチャートを示し、図９には始動制御においてサブルーチンとして設定された実位相取得ルーチンを示し、図１０には始動制御時に取得される信号等をタイミングチャートとして示している。尚、図１０のタイミングチャートでは上段にカム角センサ１７で取得されるカム角信号を示し、中段にクランク角センサ１６で取得されるクランク角信号を示し、下段に弁開閉時期制御装置ＶＴの実位相の変化を示している。
図８のフローチャートに示すように、エンジンＥを始動する際にはエンジン制御ユニット４０がスタータモータ１５に電力を供給してクランキングを開始すると共に、実位相取得ルーチンにより弁開閉時期制御装置ＶＴの相対回転位相を取得する（＃１０１、＃２００ステップ）。
この制御においてクランキングを開始するタイミングを図１０ではスタートタイミングＴｓとして示している。
実位相取得ルーチン（＃２００ステップ）で実位相を取得した後には、位相設定処理と気筒判別処理とを行い、クランクシャフト１の回転速度がエンジンＥの始動を可能にする値に達した等の条件に基づいて始動可能と判断した場合に、燃焼室に燃料を供給し、混合気に点火を行い、エンジンＥの始動を確認した後にスタータモータ１５を停止する（＃１０２〜＃１０７ステップ）。
この始動制御では、実位相取得ルーチン（＃２００ステップ）で弁開閉時期制御装置ＶＴの実位相（相対回転位相）を取得する検知終了タイミングＴｂで、位相制御部５３において実位相を取得してフィードバックする制御により、エンジンＥの始動に最適となる目標位相に向けて相対回転位相を変位させる位相設定処理（＃１０２ステップ）が行われる。また、気筒判別部５１が気筒判別処理（＃１０３ステップ）を行うことでクランクシャフト１の回転位相を基準とする＃１気筒〜＃４気筒の４つの気筒の各々における行程が判別される。
この後に、クランクシャフト１が所定の回転速度より上昇する等、始動可能な状態に達した後に、始動制御部４１が、気筒判別処理に基づき点火を行うべき気筒を決定し、適切なタイミングで、インジェクタ９で燃料供給を供給し、適切なタイミングで点火プラグ１０で点火を行うことでエンジンＥを始動する。このようにエンジンＥが始動したことをクランク角センサ１６で検知されるクランクシャフト１の回転速度から確認した後にスタータモータ１５を停止する。
実位相取得ルーチン（＃２００ステップ）では、図９に示すように、クランク角センサ１６と、カム角センサ１７とからの信号を継続的に取得し、カム角センサ１７のカムセンサ部１７Ｓが検知領域１７Ｔのエッジ（ダウンエッジ）を最初に検知した検知開始タイミングＴａ（図１０を参照）で角度カウンタをクリヤし、この直後にクランク角信号を角度カウンタでカウント（積算）する処理を開始する。更に、このカウントが継続する状況においてクランク角センサ１６で基準位相を取得した場合には、その基準位相に対応するカウント値を基準位相角として取得する（＃２０１〜＃２０５ステップ）。
角度カウンタは位相制御ユニット５０のカウンタ回路や、ソフトウエアで構成されるものであり、カウントが継続する状況において基準検知タイミングＴｍで基準位相を検知した場合には、その検知タイミングのカウント値が、位相制御ユニット５０のメモリ等に記憶される。このカム角センサ１７では、４種の積算カウント値Ｃａを取得する過程において、相対回転位相に拘わらず必ず基準検知タイミングＴｍを取得できるようにクランク角センサ１６とカム角センサ１７との関係が設定されている。
この後に、カムセンサ部１７Ｓが検知領域１７Ｔのエッジ（ダウンエッジ）を検知した場合（図１０に示す検知終了タイミングＴｂに達した場合）には、この検知終了タイミングＴｂでのカウント値を取得すると共に、カウントを終了する。また、検知終了タイミングＴｂで取得したカウント値と位相制御ユニット５０の不揮発性メモリに予め記憶されている信号パターンと比較し、合致する信号パターンが存在する場合には、一致する信号パターンに基づいてカム位相角を取得し、このカム位相角と基準位相角とに基づいて実位相を決定する（＃２０６〜＃２１０ステップ）。尚、合致する信号パターンが存在しない場合に、＃２０２ステップからの処理を再び実行する。
前述したように、カム角センサ１７では、４つの検知領域１７Ｔの後端側のエッジのみを検知するため、記憶されている信号パターンは４種だけであり、各々の信号パターンは、図３に示すエッジの間隔Ｉｎに対応するカウント値である。従って、カムセンサ部１７Ｓが検知終了タイミングＴｂで検知領域１７Ｔのエッジ（ダウンエッジ）を検知したタイミングでのカウント値（以下、図１０に示す積算カウント値Ｃａ）からカム位相角（カムセンサ部１７Ｓ等を基準にした角度）を取得し、基準位相角と比較することになる。
特に、この制御形態では、カムセンサ部１７Ｓが、検知終了タイミングＴｂで検知領域１７Ｔのエッジを検知した時点でのカウント値（積算カウント値Ｃａ）をカム位相角としている。このようにカム位相角に対応した積算カウント値Ｃａが決まるため、この積算カウント値Ｃａと、基準検知タイミングＴｍでのカウント値（以下、基準カウント値Ｃｂと称する：基準位相角に対応）との差に基づいて実位相が決定される。
この実位相取得ルーチン（＃２００ステップ）では、カム角センサ１７で２つのカム角信号を取得する処理を必要とするものの、検知開始タイミングＴａでカウント開始した後に検知終了タイミングＴｂでカウントを終了するまでの間（カム位相を取得するプロセス中）に、基準検知タイミングＴｍでカウント値を取得できるため、例えば、基準位相の取得を待つことなく、早期に実位相を取得して、迅速なエンジンＥの始動を可能にする。
また、クランク角センサ１６が、２箇所に基準点１６ｎを形成しているため、例えば、単一の基準点１６ｎだけを形成したものと比較すると、基準位相を検知するタイミングを早期化できる。このような理由からも、エンジンＥの始動時に実位相を早期に取得し、弁開閉時期制御装置ＶＴの相対回転位相を、エンジンの始動に適した値に設定して迅速な始動可能にしている。
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
（ａ）位相制御モータＭに用いられているブラシレス直流モータでは、出力軸Ｍａが１回転する際の所定の位相に達する毎に回転検知信号を出力する回転検知部（回転角センサ）を備えている。また、駆動ケース２１と内部ロータ２２との相対回転位相が維持されている場合には、前述したように出力軸Ｍａは、駆動ケース２１と内部ロータ２２と等しい速度で回転するため、位相制御モータＭの内部で生成される回転角信号も、吸気カムシャフト７と同期して生成される。回転角信号は、所定間隔で連続的に生成されるパルス信号であるため、前述した回転検知信号を基準に回転角信号をカウントすることにより、この回転角信号をクランク角信号と同様に用いることが可能となる。
このような理由から、エンジンＥの始動時には、吸気カムシャフト７と同期するように位相制御モータＭの駆動を開始する。そして、カム角センサ１７のカムセンサ部１７Ｓで検知領域１７Ｔのエッジを最初に検知した検知開始タイミングＴａの後に、次のエッジを検知するまでに、位相制御モータＭの内部で生成される回転角信号をカウントすることにより検知開始タイミングＴａと検知終了タイミングＴｂとの間の積算カウント値Ｃａを取得できる。回転角信号は、信号の波形が安定しており、クランク角センサで取得されるクランク角信号より単位時間あたりの数が多いため、正確にカウントできるだけでなく、積算カウント値Ｃａの数値を増大できる。
従って、別実施形態（ａ）の構成では、カム角センサ１７からのカム角信号をカウントするものと比較して、パターン記憶モジュール５２ａに記憶されている信号パターンに合致する信号パターンを判定する際の精度の向上が可能となる。
（ｂ）カム角センサ１７として実施形態で説明した弁開閉時期制御装置ＶＴのように、１つの分割領域に対して１つの検知領域１７Ｔを備える構成に代えて、例えば、各々の検知領域１７Ｔが存在する領域に複数の歯部を備えるように構成する。
この別実施形態（ｂ）の構成では、カムセンサ部１７Ｓで複数の分割領域の何れの領域を検知するのかを判定するため、クランク角信号をカウントする作動と並行して、各々の分割領域に備えた歯部の数をカウントする制御も行うことになる。
（ｃ）実施形態では、図１０に示すように基準検知タイミングＴｍを、検知開始タイミングＴａと検知終了タイミングＴｂとの間に設定していたが、これに代えて検知終了タイミングＴｂより後に基準検知タイミングＴｍが設定されるものも含むように構成する。
この別実施形態（ｃ）は、基準検知タイミングＴｍが検知開始タイミングＴａと検知終了タイミングＴｂとの間に設定されるもの（実施形態の図１０と同様）と、検知終了タイミングＴｂより後に設定されるものとに対応させることを目的とするものである。特に、検知終了タイミングＴｂより後に基準検知タイミングＴｍが設定されるものでは、実施形態の図９に示した実位相取得ルーチン（＃２００ステップ）の＃２０５ステップの「基準位相角を取得」の処理が、同図の＃２０６ステップの「エッジを検知」の処理より後で、＃２１０ステップの「実位相を決定」の処理より前に行われることになる。
この別実施形態（ｃ）のように処理順序を設定するものでは、エンジンＥの始動時に実位相を取得し、弁開閉時期制御装置ＶＴの相対回転位相を、エンジンの始動に適した値に設定して迅速な始動可能にする。
本発明は、内燃機関の弁開閉用のカムシャフトの相対回転位相を設定する弁開閉時期制御装置に利用できる。
１ クランクシャフト
７ 吸気カムシャフト（カムシャフト）
１６ クランク角センサ（基準判定センサ）
１７ カム角センサ
２１ 駆動ケース（駆動側回転体）
２２ 内部ロータ（従動側回転体）
５２ａ パターン記憶モジュール（パターン記憶部）
５３ 位相制御部
Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｍ 位相制御モータ（電動モータ）
ＰＳ 位相センシング部
Ｘ 回転軸芯

Claims (3)

  1. 内燃機関のクランクシャフトと同期回転する駆動側回転体と、前記内燃機関の弁開閉用のカムシャフトと一体回転する従動側回転体と、回転軸芯を中心に前記駆動側回転体と前記従動側回転体との相対回転位相を電動モータの駆動力により設定する位相調節機構と、前記相対回転位相を取得する位相センシング部と、前記位相センシング部での取得結果に基づいて前記相対回転位相を設定するために前記電動モータを制御する位相制御部とを備えると共に、
    前記位相センシング部が、前記カムシャフトが１回転する際に異なる間隔で複数のカム角信号を取得するカム角センサと、前記クランクシャフトが１回転する際に基準信号が特定の回転位相で取得される基準判定センサと、連続して取得される前記カム角信号の信号パターンを記憶するパターン記憶部とを備えており、
    クランキング時に、連続して前記カム角信号を取得し、前記パターン記憶部に記憶された前記信号パターンのうち連続して取得した前記カム角信号が合致するものを特定し、特定された前記信号パターンが示すカム位相角と、前記基準信号が示す基準位相角とに基づいて前記相対回転位相を取得する位相取得部を備えている弁開閉時期制御装置。
  2. 前記位相調節機構が、前記駆動側回転体と前記従動側回転体とを相対回転させるギヤ減速機構を備え、前記電動モータが前記回転軸芯と同軸芯上に配置された出力軸により前記ギヤ減速機構に前記駆動力を伝え、前記カムシャフトが回転する際に、前記カムシャフトの回転速度と等速度で前記電動モータの前記出力軸を駆動することで前記相対回転位相を維持し、前記カムシャフトの回転速度より前記出力軸の回転速度を高速化または低速化することにより前記相対回転位相の変位を行わせるように構成され、
    前記電動モータが、所定の間隔で連続して生成される回転角信号により前記出力軸が回転するように駆動され、前記出力軸が１回転する際に所定の回転位相に達する毎に検知信号を出力するように構成され、
    前記クランクシャフトが回転している際に、連続して前記カム角信号を取得した場合には、前記位相取得部は、先に取得した前記カム角信号と後に取得した前記カム角信号との間隔を、前記回転角信号をカウントしたカウント値をとして取得し、
    前記パターン記憶部は、複数の前記信号パターンとして、複数の前記カウント値を記憶している請求項１に記載の弁開閉時期制御装置。
  3. 前記クランクシャフトが１回転する際に前記基準位相角を除いた領域で連続的にパルス信号を取得するクランク角センサを備え、前記基準位相角においてパルス信号を取得しない位相角を前記基準位相角とするように、前記クランク角センサが前記基準判定センサに用いられている請求項１に記載の弁開閉時期制御装置。
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