JP3666482B2 - 内燃機関用バルブタイミング制御装置 - Google Patents
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Description
【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。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。
【0003】
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】
【特許文献1】
特開昭61−268810号公報(第1頁、第1図等)
【0006】
【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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
【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の請求項1においては、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させて、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、内燃機関の運転状態を検出する手段と、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、クランク軸角度位置(以下、「クランク位置」という)を検出するクランク位置センサと、カム軸角度位置(以下、「カム位置」という)を検出するカム位置センサと、クランク角位置センサにより検出されたクランク位置とカム位置センサにより検出されたカム位置とにより、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、現在のタイミングを適性タイミングにするための制御手段と、弁動作タイミング制御装置の非作動時に、クランク角位置センサにより検出されたクランク位置とカム位置センサにより検出されたカム位置とに基づいて、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学習手段とを備え、
クランク位置センサは、1行程に複数の、学習に用いられるパルスを出力し、カム位置センサは、クランク位置センサから出力される学習に用いられるパルスに対応したパルスを出力するものであり、学習手段は、弁動作タイミング制御装置の非作動時に、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、カム位置センサの各パルス毎に学習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。
【0010】
このとき、請求項2のように、弁動作タイミング制御装置の弁作動時の実進角量を、クランク角位置センサにより検出されたクランク位置とカム位置センサにより検出されたカム位置とに基づいて算出されたクランク軸に対するカム軸の回転位相差と、弁動作タイミング制御装置の非作動時の学習値との角度差分として算出するようにしても良い。
【0011】
【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。また、学習手段は、弁動作タイミング制御装置の非作動時に、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、カム位置センサの各パルス毎に学習する。
【0012】
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。
【0013】
【実施の形態】
本発明に係る実施形態の第1実施例の構成を図3を用いて説明する。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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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、ECU10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。
【0017】
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。
【0018】
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。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。
【0019】
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33bとヘリカル噛合している。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。
【0020】
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。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。
【0021】
係る構成において、通常、カム軸部材32、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。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。
【0022】
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。
【0023】
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。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。
【0024】
スプール弁53は、ECU10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15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。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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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160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150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)。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。図1では、それぞれθ01、θ02、 θ03、 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、 θ13、 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。
【0037】
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。
【0038】
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220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。
【0039】
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θ0i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)θ01=θとして学習される。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θ1i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、θ11=θとしてセットされる。
【0040】
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θ0iと今回の位相差θ1iとの差を、実進角量θiとして算出する。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
【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。
【符号の説明】
10…電子制御装置、
30…バルブタイミング可変部、
50…油圧駆動部、
80…カム位置センサ、
81…クランク位置センサ。
Claims (2)
- 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、
クランク軸角度位置(以下、「クランク位置」という)を検出するクランク位置センサと、
カム軸角度位置(以下、「カム位置」という)を検出するカム位置センサと、
前記クランク角位置センサにより検出されたクランク位置と前記カム位置センサにより検出されたカム位置とにより、前記クランク軸に対する前記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、
前記弁動作タイミング制御装置の非作動時に、前記クランク角位置センサにより検出されたクランク位置と前記カム位置センサにより検出されたカム位置とに基づいて、前記弁動作タイミングを前記クランク軸に対する前記カム軸の回転位相差として学習する学習手段とを備え、
前記クランク位置センサは、1行程に複数の、前記学習に用いられるパルスを出力し、
前記カム位置センサは、前記クランク位置センサから出力される前記学習に用いられる前記パルスに対応したパルスを出力するものであり、
前記学習手段は、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前記クランク軸に対する前記カム軸の回転位相差として、前記カム位置センサの各パルス毎に学習することを特徴とする弁動作タイミング制御装置。 - 前記弁動作タイミング制御装置の弁作動時の実進角量を、前記クランク角位置センサにより検出されたクランク位置と前記カム位置センサにより検出されたカム位置とに基づいて算出された前記クランク軸に対する前記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実進角量算出手段を備え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。
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