JP3395240B2 - 内燃機関用バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関における弁動
作タイミング制御装置に関し、特に吸気弁および排気弁
の開時期および閉時期の内、少なくとも一方のタイミン
グを制御する弁動作タイミング制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】弁動作タイミング制御装置（以下単に
「弁制御装置」という）は、例えばエンジンの運転状態
に応じて吸気あるいは排気の開始時期あるいは終了時期
を変えて、シリンダ内における吸入効率および排気効率
を向上させるためのものである。そのために弁制御装置
は、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変えるよう
に制御を行い、カム軸上のカムロータにより駆動される
吸気弁および排気弁の内少なくとも一方の動作タイミン
グを早めたり（進角制御）遅くしたり（遅角制御）す
る。

【０００３】従来の弁制御装置は、例えば特開昭６１−
２６８８１０号に示されている。この装置には、クラン
ク軸と同期回転するカムプーリとそのカム軸との間に、
両者とヘリカルスプライン噛合する中間ギアが設けられ
ている。この中間ギアは油圧及びバネ圧によりカム軸方
向に摺動可能に構成されており、その噛合部でカム軸に
作動トルクを与えている。これによりカム軸がその回転
方向に回動され、カムプーリとカム軸との間の相対位置
が変わるようにしている。

【０００４】また、弁動作のタイミングの実進角量の算
出方法に関しては、図２に示す様に、クランク角度信号
と、一般的にそれと同数のパルス数を備えるカム角度信
号を、弁動作タイミング制御装置の非動作時（例えば最
遅角）に、位相が合致する様に（位相差＝０）、装置の
組付け時にタイミングロータ、及び角度センサの位置を
初期設定し、弁動作タイミング制御装置の作動時（例え
ば、進角制御時）のクランク角度信号と、カム角度信号
の位相差を、そのまま、実進角量としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、係る弁制御装
置において、クランク角度信号と、カム角度信号の位相
を、弁動作タイミング制御装置の非作動時に合致させる
べく、装置の組付け時にタイミングロータ、及び角度セ
ンサの位置を初期設定するための特別の調整機構が必要
である。また、調整の結果、位相差が存在した場合、弁
動作タイミング制御装置の作動時の（例えば、進角制御
時）のクランク角度信号の位相差に誤差を生ずることに
なり、すなわち、実進角量の算出に誤差を生じ、制御性
が悪化するという問題がある。

【０００６】本発明は、係る制御性の向上を目的とする
ものであり、実進角量の算出に誤差を生じさせない装置
を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変
化させて、前記カム軸の回転で駆動される弁の開時期お
よび閉時期の内、少なくともいずれか一方のタイミング
を変える弁動作タイミング制御装置と、内燃機関の回転
数を含む運転状態を検出する手段と、前記、運転状態を
基に前記弁の適性タイミングを決定する手段と、前記ク
ランク軸に対するカム軸の回転位相差を検出し、前記弁
の現在のタイミングを把握する手段と、前記現在のタイ
ミングを前記適性タイミングにするための制御手段とを
備える装置において、弁動作タイミング制御装置の非作
動時（例えばアイドリング時）に、前記弁動作タイミン
グをクランク軸に対するカム軸の回転位相差として学習
し、弁動作タイミング制御装置の作動時の実進角量は、
クランク軸に対するカム軸の回転位相差と、前記非作動
時の学習値との角度差分として算出することを特徴とす
る弁動作タイミング制御装置という技術的手段を採用す
る。

【０００８】

【作用】上記形態によれば、弁動作タイミング制御装置
の非作動時（例えばアイドリング時）の、弁動作タイミ
ング（例えば機械的に決定される最遅角）を、クランク
軸とカム軸の相対位相角として学習し、弁動作タイミン
グ制御装置の作動時（例えば進角制御時）は、その学習
値を基にして、実進角量を算出する。これにより、装置
組付け時に、クランク角度信号とカム角度信号の相対位
相差をゼロとするための特別な調整機構を必要とせず
に、正確な弁動作タイミング（実進角量）を検出するこ
とが可能となった。

【０００９】

【実施例】本発明に係る第１の実施例の構成を図３を用
いて説明する。本実施例は、上述の第１の目的を達成す
るための弁制御装置である。

【００１０】本装置は、弁動作タイミングの制御を油圧
装置を用いて行うものであり、大別すると、電子制御装
置１０（以下「ＥＣＵ」という），バルブタイミング可
変部３０，油圧駆動部５０，カムシャフト角度位置セン
サ８０（以後「カム位置センサ」という）及びクランク
シャフト角度位置センサ８１（以後「クランク位置セン
サ」という）等の各種センサを備えて構成される。

【００１１】ＥＣＵ１０には、センサ信号入力および制
御信号出力を行うための入出力回路１１，入力信号を基
に演算を実行して最適な弁タイミング制御値を決定する
ためのＣＰＵ１２、演算に係るプログラム及びその定数
を記憶しておくためのＲＯＭ１３，および演算データを
一時記憶するためのＲＡＭ１４が設けられている。入出
力回路１１には、後に詳細する油圧駆動部に駆動信号を
供給するスプール弁制御回路１５が設けられている。

【００１２】図３にはツインカム方式のエンジンが示さ
れており、吸気弁２０及び排気弁２１は、各々別個のカ
ムシャフト２２，２３上のカムロータ２４，２５により
駆動される。ＥＣＵ１０は、カムシャフト２２近傍に配
設されたカム位置センサ８０から信号入力し、カムシャ
フト２２の回転位置を把握する。またＥＣＵ１０は、シ
リンダ下方に配設されたクランク位置センサ８１から信
号入力し、クランクシャフト（図示せず）の回転位置及
びエンジン回転数を把握する。上記各センサは、電磁式
ピックアップ式，磁気抵抗素子式，または光素子式等の
ものが用いられる。

【００１３】ＥＣＵ１０は、エンジンの運転信号として
上記センサ信号の他に、排気管内のスロットル開度また
はアクセルペダル開度，エンジン温度等のセンサ信号を
入力してエンジンの負荷状態を把握する。尚、ＥＣＵ１
０は、同時に燃料系および点火系の制御も行うが、ここ
では詳細しない。

【００１４】ＥＣＵ１０からの制御信号は、後述する油
圧駆動部に出力され、バルブタイミング可変部３０（以
下単に「可変部」という）に供給する作動油量を決定す
る。この可変部３０は各カム軸２２または２３と組合わ
され、各弁２０または２１の動作時期を変える。尚、図
３においては説明の簡略化のために吸気弁２０にのみ可
変部３０が示されている。

【００１５】図４は、この可変部３０の構成を示してい
る。可変部３０には、カムシャフト２２とボルト３１で
固定されたカム軸部材３２，カムシャフト２２とカム軸
部材３２との間に、カムシャフトの軸方向に摺動可能に
嵌合されたカムプーリ３３，カム軸部材３２とカムプー
リ３３との間でカムシャフトの軸方向に摺動する中間軸
部材３４，および中間軸部材３４を摺動させるピストン
３５が含まれる。

【００１６】カム軸部材３２の外周面には「はす歯」に
形成された外歯スプライン３２ａが構成され、中間軸部
材３４の内歯スプライン３４ａとヘリカル噛合してい
る。中間軸部材３４は、その外周面３４ｂで、同様に
「はす歯」に形成されたカムプーリの内歯スプライン３
３ｂとヘリカル噛合している。

【００１７】中間軸部材３４の端部には小径円筒状の軸
受部３４ｃが構成され、ボールベアリング３６と軸着状
態にある。このベアリング３６はピストン３５に固定さ
れている。ピストン３５はハウジング３７の内壁内で非
回転状態にあり、ピストンリング３８を介してカムシャ
フトの軸方向に油密を保ちながら摺動可能に構成されて
いる。ハウジングの脚部３７ａは、シリンダヘッド上の
固定部３９とボルトで固定されている。またハウジング
内部には軸受部４０が設けられ、中間軸部材３４を支持
している。

【００１８】ハウジング側壁３７ｂとピストン３５との
間には第１の油圧室４１が形成されており、また中間軸
部材３４とカム軸部材３２との間には第３の油圧室４２
が形成されている。これら油圧室４１，４２には、後述
する油圧駆動部から作動油が供給される。

【００１９】係る構成において、通常、カム軸部材３
２，中間部材３４およびカムシャフト２２は、カムプー
リ３３と一体となり、クランクシャフトと同期して回転
する。その回転数はクランクシャフトの回転数の１／２
である。

【００２０】これらの回転中、油圧室４１に作動油を供
給して中間軸部材３４をカムシャフトの軸方向に摺動さ
せると、ヘリカル噛合部３４ａでは作動トルクが発生す
る。これにより噛合部３４ａを介してカムシャフト２２
に作動トルクが加わり、カムシャフト２２をその回転方
向に回転させる。例えばカムシャフト２２が時計回りに
回転しているときに中間部材３４を図右側に向けて摺動
させた場合、カムシャフト２２がその回転方向に回転し
たとすると、カムシャフト２２とカムプーリ３３間の相
対位置つまり回転位相が変わる。これによりカムシャフ
ト２２は、クランクシャフトに対して位相が進み、弁動
作時期が進角される。反対に遅角させる場合には、油圧
室４２に作動油を供給し、中間部材３４を同左側に向け
て摺動させる。

【００２１】次に、このように中間軸部材３４を摺動さ
せる油圧駆動部５０を説明する。油圧駆動部は、エンジ
ン内にあるオイルパン５１，油圧ポンプ５２，スプール
弁５３を備えて構成される。油圧ポンプ５２は、その詳
細を省略するが、その圧送駆動がクランクシャフト動力
により行われる通常のタイプのものである。

【００２２】オイルパン５１内の作動油は、油圧ポンプ
５２により圧送され、スプール弁５３を介して角油圧室
４１，４２に供給される。スプール弁５３は、ＥＣＵ１
０からの制御信号により油送管５４，５５の開閉を行
い、各油圧室４１，４２に導入する作動油量を調節す
る。この制御信号は、ＥＣＵ内のスプール弁制御回路１
５からデューティ信号として電流出力され、スプール弁
のソレノイドコイル５６（以下単に「コイル」という）
に供給される。

【００２３】スプール弁内の軸５７は、その電流値に従
ってその軸方向に動き、同時にこれに抗するリターンス
プリング５８（以下単に「スプリング」という）により
抑止されながら各油送管５４，５５を開閉する。

【００２４】図５は、スプール弁５３の動作状態例を示
している。図５（ａ）はデューティ比が０％の制御信号
が与えられた場合の状態を示している。このとき軸５７
は、スプリング５８により左端に抑止され、油圧管５５
だけに作動油が供給される。これにより作動油は油圧室
４２に供給され、一方の油圧室４１内の作動油は、油圧
管５４を通してオイルパン５１に戻される。その結果、
図４の油圧室４２の容積が拡大し、中間軸部材が図左方
向に摺動する。

【００２５】図５（ｂ）は同５０％の状態を示してい
る。この場合、コイルによる押力と、スプリングの押力
とが両方の油圧管５４，５５を共に閉鎖する位置でつり
合い、両油圧室４１，４２に作動油は供給されず、図４
における摺動機構は現在の状態を維持する。

【００２６】図５（ｃ）は同１００％の状態を示してい
る。この場合、油圧管５４だけに作動油が供給される。
これにより作動油は油圧室４１に供給され、油圧室４２
内の作動油は、軸５７内の油送路５９を通してオイルパ
ン５１に戻される。この結果、図３の油圧室４１が拡大
し、中間軸部材３４を図右方向に摺動させる。このよう
にしてＥＣＵ１０は、デューティ比を細かく変えて制御
信号をコイル５６に供給し、各油圧室に供給する油量を
制御する。

【００２７】尚、上記デューティ比＝０，５０，１００
％の値は、コイル５６とスプリング５８等の特性により
変化することがある。

【００２８】次に、係る構成による吸気弁の開時期の制
御（つまり、吸気弁の閉時期の制御に相当する）につい
て説明する。係る制御は、例えばＰＩＤフィードバック
制御により実行される。尚、本実施例では吸気弁につい
て説明するが排気弁についても同様である。

【００２９】図６はそのフローチャートを示し、このル
ーチンはＥＣＵのＣＰＵ内で所定時間毎にあるいは、カ
ム角度信号入力タイミングで割り込み処理される。尚、
以下、カム角度信号がエンジン１行程（７２０℃Ａ）に
４パルス存在するシステム（例えば４気筒エンジン）を
例として説明する。

【００３０】まず、ステップ１００ではクランク位置セ
ンサ，カム位置センサ等の各種センサからエンジンの運
転状態信号を入力する。次にステップ１１０では、これ
らの信号からのクランクシャフトに対するカムシャフト
の相対的位相差を算出し、現在の開弁時期に相当する位
相角θｉ（ｉ＝１〜４）を算出する。この位相角θｉ
（ｉ＝１〜４）（実進角量）の算出方法は、本発明の主
要部であるため、後に詳述する。

【００３１】次にステップ１２０では、同１００で入力
した各信号値から現在のエンジンの運転状態を把握し、
吸気弁の適性開弁時期に相当する角度θＴ （以下「目
標角度」という）を決定する。この目標角度は、例えば
図７に示すように、エンジン回転数と、エンジン負荷に
対応する吸入空気量との２次元マップを用いて決定され
る。

【００３２】目標角度θＴ を決定後、ステップ１３０
では、同１１０で算出した角度θが目標角度θＴ と比
較される。このときθＴ ＝θｉであればステップ１６
０が実行され、上記スプール弁の両油圧管を閉鎖する制
御値が決定される。またθＴ≠θｉであれば、ステップ
１４０でその角度差（θＴ −θｉ）が算出され、同１
５０においてその角度差に対するフィードバック制御値
が決定される。その後、制御値はスプール弁のコイルに
向けて信号出力される。（ステップ１７０）。

【００３３】尚、途中にエンジンの運転状態が変わり、
ステップ１２０で目標角度θＴ が変わった場合には、
同１２０において、従前の目標角度θＴ に係る制御要
素はクリアされ、新たに決定された目標角度θＴ に対
して、制御値が決定される。これにより、エンジン運転
状態全域にわたり安定した応答速度で、適正な開弁時期
の制御が達成される。

【００３４】次に図６のステップ１１０による実進角度
θｉの算出方法を図１を用いて詳述する。図１は、クラ
ンク角度信号、カム角度信号共に１行程（７２０℃Ａ）
にパルスを４つ持つシステムにおけるタイミング・チャ
ートである。また、弁動作タイミング制御装置の非作動
時のアイドリング時には、機械的に、最遅角とするシス
テムを例としている。本実施例では、弁動作タイミング
制御装置の非作動時に、その最遅角位置を、クランク角
度信号とカム角度信号との位相差として各パルス毎に学
習する。

【００３５】図１では、それぞれθ０１，θ０２， θ
０３， θ０４とする。弁動作タイミング制御装置の作
動時（例えば進角制御時）の実進角量θｉは、次の様に
して算出する。弁動作タイミング制御装置の作動時のク
ランク角度信号とカム角度信号の位相角θ１ ｉ（ｉ＝
１〜４）を求め、それぞれθ１１， θ１２， θ１
３， θ１４とする。実進角量θｉ（ｉ＝１〜４）は、
これら位相角と前記学習値との差として下記のように各
パルス毎に算出する。

【００３６】 θ１ ＝θ０１−θ１１ θ２ ＝θ０２−θ１２ θ３ ＝θ０３−θ１３ θ４ ＝θ０４−θ１４ 尚、波形整形に係る電気的遅れ時間（時定数）は、補正
値として実進角量θｉに反映される。

【００３７】図９に図６のステップ１１０の詳細フロー
チャートを示す。まず、ステップ２１０では、今回入力
されるカム角度信号が何番目のパルスであるかを判別
し、ｉを特定する。この判別処理は、例えば、制御開始
から、順次ｉを１から４に巡回させるだけでもよく、エ
ンジン回転の基準位置との関係から特定のパルスをｉ番
目として判別する手法を採用してもよい。スラップ２２
０にて今回入力されたクランク角度信号とカム角度信号
との位相差θを算出する。

【００３８】次にステップ２３０にて、現在のエンジン
運転条件がアイドリングか否かを判定し、アイドリング
の時は、ステップ２４０で、初期値（ＶＶＴ非作動時の
カムとクランク位相差）としてθ０ ｉを学習する。パ
ルスが１番目のパルスである場合、（ｉ＝１の場合）θ
０１＝θとして学習される。

【００３９】また、アイドリングでない時は、ステップ
２５０にて、ＶＶＴ作動時のクランク角度信号とカム角
度信号との位相差としてθ１ ｉに今回の位相差θをセ
ットする。パルスが１番目のパルスである場合は、θ１
１＝θとしてセットされる。そして、ステップ２６０で
は、今回、または前回のステップ２４０で更新された学
習値θ０ ｉと今回の位相差θ１ ｉとの差を、実進角
量θｉとして算出する。

【００４０】以上、本発明に係る好ましい実施例を示し
たが、その構造および構成は、特許請求の範囲から外れ
ることなく、種々の変更、変形が可能である。

【００４１】例えば、第２実施例として図８に、クラン
ク角度信号とカム角度信号のパルス数が異なるシステム
のタイミング・チャートを示す。当実施例においては、
クランク角度信号は１行程（７２０℃Ａ）で２４パルス
である。カム角度信号の進角量を算出する基準となる歯
を、２４パルスのクランク角度信号内に備える。この基
準となる歯の位置は、例えば第１気筒のＴＤＣからＮ番
目の歯、という具合に決める。また、弁動作タイミング
の最進角時でも、カム角度信号の各パルスが、対応する
クランク角度信号の基準歯を飛び越えない位置に選ぶこ
とが必要となる。

【００４２】

【発明の効果】以上の様に、弁動作タイミングの算出に
弁動作タイミング制御装置の非作動時の学習値を用いる
ことにより、装置組付け時に、クランク角度信号とカム
角度信号の相対位相角をゼロとするための高価な調整機
構を必要とせずに，正確な弁動作タイミング（実進角
量）を検出することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る弁動作タイミングの算出方法を示
す第１のタイミング・チャート。

【図２】従来技術に係る弁動作タイミングの算出方法を
示すタイミング・チャート。

【図３】本発明に係る実施例の構成図。

【図４】本実施例におけるバルブタイミング可変部。

【図５】本実施例におけるスプール弁の一動作状態を示
す説明図。

【図６】実施例の動作フローチャート。

【図７】実施例において用いられる２次元マップの一例
を示す説明図。

【図８】本発明に係る弁動作タイミングの算出方法を示
す第２のタイミング・チャート。

【図９】実施例の動作フローチャート。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−175430（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−279706（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−159105（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−26992（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 13/02 F01L 1/34 F02D 45/00 340

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸に対するカム軸の回転位相を
   変化させて、前記カム軸の回転で駆動される弁の開時期
   および閉時期の内、少なくともいずれか一方のタイミン
   グを変える弁動作タイミング制御装置と、内燃機関の回
   転数を含む運転状態を検出する手段と、前記、運転状態
   を基に前記弁の適性タイミングを決定する手段と、前記
   クランク軸に対するカム軸の回転位相差を検出し、前記
   弁の現在のタイミングを把握する手段と、前記現在のタ
   イミングを前記適性タイミングにするための制御手段と
   を備える装置において、前記弁動作タイミング制御装置の 非作動時に、前記弁動
   作タイミングをクランク軸に対するカム軸の回転位相差
   として学習し、前記弁動作タイミング制御装置の作動時
   の実進角量は、クランク軸に対するカム軸の回転位相差
   と、前記非作動時の学習値との角度差分として算出する
   ことを特徴とする弁動作タイミング制御装置。
2. 【請求項２】 前記弁動作タイミング制御装置の非作動
   時のアイドリング時に前記弁動作タイミングをクランク
   軸に対するカム軸の回転位相差として学習することを特
   徴とする請求項１に記載の弁動作タイミング制御装置。