JP3711977B2 - 内燃機関用バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

【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。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】
あるいは、初期調整の結果、位相差＝０であったとしても、経時変化の影響で将来的に位相差が発生する事も考えられる。その場合、前述と同様、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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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、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、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学習し、この学習を繰り返し行う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。
【００１１】
このとき、請求項２に記載のように、弁動作タイミング制御装置の作動時の実進角量を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ようにするとよい。
【００１２】
【作用】
上記請求項１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、この学習を繰り返し行う。
【００１３】
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。また、学習を繰り返し行うので、弁動作タイミング検出機構（タイミングロータ、角度センサ等）の経時変化の影響で、非作動時のクランク角度信号とカム角度信号の相対位相差にズレが生じても、その値を新たに学習し、その学習値を基にして、弁動作タイミング（実進角量）を算出するため正確な実進角量を算出することができ、その結果、制御性を良好に保つことが可能である。
【００１４】
なお、実進角量の算出方法としては、請求項２のように弁動作タイミング制御装置の作動時の実進角量を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ようにするとよい。
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【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。また、弁動作タンミング検出機構（タイミング・ロータ、角度センサ等）の経時変化の影響で、非作動時のクランク角度信号と、カム角度信号の相対位相差にズレが生じても、その値を新たに学習し、その学習値を基にして、弁動作タイミング（実進角量）を算出するため、正確な実進角量を算出することができ、その結果、制御性を良好に保つことが可能である。
【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)

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、この学習を繰り返し行うことを特徴とする弁動作タイミング制御装置。
2. 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され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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