JP3892181B2

JP3892181B2 - 内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置

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Publication number: JP3892181B2
Application number: JP27398799A
Authority: JP
Inventors: 憲一町田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: JP2001098910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置に関し、詳しくは、カムシャフトに固定されるベーンを進角又は遅角側に付勢する弾性体を備えてなるベーン式バルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ベーン式バルブタイミング制御装置として、特開平１０−１４１０２２号公報や特開平１０−０６８３０６号公報に開示されるようなものがあった。
【０００３】
このものは、カムスプロケットに固定される筒状のハウジングの内周面に凹部を形成する一方、カムシャフトに固定されるベーンを前記凹部に収容させ、前記凹部内で前記ベーンが移動できる範囲内でカムシャフトがカムスプロケットに対して相対的に回転できるよう構成する。
【０００４】
そして、前記ベーンが前記凹部を回転方向の前後に区画して形成される一対の油圧室（進角側油圧室及び遅角側油圧室）に対して、スプールバルブにより相対的に油を給排することで前記凹部内におけるベーンの位置を変化させ、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を連続的に制御するように構成される。
【０００５】
ここで、前記スプールバルブの制御値は、回転位相を保持するための一定の中立制御値（基本制御値）に、実際の回転位相が目標に一致するようにＰＩＤ制御されるフィードバック補正値を加算して決定され、該決定された制御値にディザ信号を重畳して前記スプールバルブのアクチュエータに出力する構成となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特開平１０−０６８３０６号公報に開示されるように、ベーンを進角側又は遅角側に付勢する渦巻きばね等の弾性体を備えて構成される場合、従来のように、中立制御値を目標の回転位相に関わらずに一定とする構成では、圧力バランスを確保することができずに定常偏差が発生するという問題があった。
【０００７】
即ち、ベーンを付勢する渦巻きばね等の弾性体を備える構成では、回転位相によって前記弾性体の保持力が変化するため、回転位相に関わらずに一定の中立制御値を用いると、回転位相を保持できずに定常偏差を生じ、目標の回転位相を保持するためには、前記回転位相に応じた保持力の変化に対応する特性で常に油を流し続けるようなバルブ位置に制御することが要求されるものである。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ベーンをカムスプロケットに対して進角側又は遅角側に付勢する弾性体を備えてなるベーン式バルブタイミング制御装置において、定常偏差を発生させることなく目標の回転位相を精度良く保持できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、カムシャフトに固定されるベーンの回転方向前後に進角側油圧室と遅角側油圧室とを形成し、前記進角側油圧室と遅角側油圧室における作動油の給排を切換弁で制御することで、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を連続的に制御する構成であって、前記ベーンをカムスプロケットに対して進角側又は遅角側に付勢する弾性体を備えてなり、前記前記切換弁が所定の中立位置であるときに、前記進角側油圧室及び遅角側油圧室における油の給排が停止され、前記切換弁を前記中立位置から一方に変位させると、前記進角側油圧室に油が供給され前記遅角側油圧室から油が排出されることで回転位相が進角側に変化し、前記切換弁を前記中立位置から他方に変位させると、前記遅角側油圧室に油が供給され前記進角側油圧室から油が排出されることで回転位相が遅角側に変化し、前記切換弁の制御値を、前記回転位相を保持するための中立制御値と、前記回転位相の検出値と目標値とに基づくフィードバック補正分とから設定する内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置において、前記中立制御値を、前記回転位相の目標値に応じて切り換えるよう構成した。
【００１０】
かかる構成によると、目標の回転位相、換言すれば、前記弾性体の保持力に応じてバルブの中立制御値（基本制御値）が切り換えられ、回転位相を保持させるときに前記中立制御値でバルブを制御させる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、前記弾性体が渦巻きばねである構成とした。
かかる構成によると、渦巻きばねによってベーンをカムスプロケットに対して進角側又は遅角側に付勢し、回転位相による前記渦巻きばねの保持力の違いに応じて中立制御値が切り換えられる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、前記中立制御値を、回転位相の目標値及び油圧に応じて切り換えるよう構成した。かかる構成によると、回転位相を保持するためバルブの中立制御値を、目標の回転位相による弾性体の保持力の変化に応じて切り換えると共に、油圧の違いによっても中立制御値を切り換える。
【００１３】
請求項４記載の発明では、前記ベーン式バルブタイミング制御装置が機関駆動のオイルポンプを用いる構成であって、前記油圧を機関回転速度に基づいて推定する構成とした。
【００１４】
かかる構成によると、オイルポンプが機関駆動されることで、機関回転速度とポンプの回転速度とが比例するので、機関回転速度から油圧を推定して、中立制御値の切り換え制御に用いる。
【００１５】
請求項５記載の発明では、前記中立制御値を、油温に応じて補正するよう構成した。かかる構成によると、目標の回転位相（及び油圧）に応じて設定される中立制御値が、油温、即ち、作動油の粘性に応じて補正される。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、回転位相による弾性体の保持力の違いに対応して中立制御値を変化させて、前記保持力に対応する特性で常に油を供給し続けることができ、定常偏差の発生を抑制できるという効果がある。
【００１７】
請求項２記載の発明によると、渦巻きばねによりベーンを付勢する構成において、回転位相により渦巻きばねの保持力が変化しても、回転位相を精度良く保持できる位置にバルブを制御できるという効果がある。
【００１８】
請求項３記載の発明によると、油圧の変化による中立制御値の要求の違いに対応でき、油圧変化によって定常偏差が生じることを回避できるという効果がある。
【００１９】
請求項４記載の発明によると、機関回転速度から油圧を推定するので、油圧センサを設ける必要がなく、システムコストを低減できるという効果がある。
請求項５記載の発明によると、油温による作動油の粘性変化に応じて中立制御値を切り換えられるので、油温変化で定常偏差が生じることを回避できるという効果がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における内燃機関のバルブタイミング制御装置の機構部分を示すものであり、吸気側カムシャフトと排気側カムシャフトとの２つを備える機関において、吸気バルブ側のカムシャフトに適用して吸気バルブのバルブタイミングを可変に制御するものである。
【００２１】
図１に示すバルブタイミング制御装置は、機関のクランクシャフト（図示省略）によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット１（タイミングスプロケット）と、カムシャフトの端部に固定されてカムスプロケット１内に回転自在に収容された回転部材３と、該回転部材３をカムスプロケット１に対して相対的に回転させる油圧回路４と、カムスプロケット１と回転部材３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構１０とを備えている。
【００２２】
前記カムスプロケット１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配置されて前記回転部材３を回転自在に収容するハウジング６と、該ハウジング６の前後開口を閉塞するフロントカバー，リアカバー（図示省略）とから構成される。
【００２３】
前記ハウジング６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面の周方向の９０°位置には、４つの隔壁部１３が突設されている。この隔壁部１３は、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング６の軸方向に沿って設けられて、各両端縁がハウジング６の両端縁と同一面になっていると共に、基端側には、回転部とハウジング６とフロントカバー，リアカバーとを軸方向に一体的に結合させるためのボルトが挿通する４つのボルト挿通孔１４が軸方向へ貫通形成されている。更に、各隔壁部１３の内端面中央位置に軸方向に沿って切欠形成された保持溝１３ａ内に、シール部材１５が嵌合保持されている。
【００２４】
前記回転部材３は、固定ボルト２６によってカムシャフトの前端部に固定されており、中央に前記固定ボルト２６が挿通するボルト挿通孔を有する円環状の基部２７と、該基部２７の外周面周方向の９０°位置に一体に設けられた４つのベーン２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄとを備えている。
【００２５】
前記第１〜第４ベーン２８ａ〜２８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部１３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン２８ａ〜２８ｄの両側と各隔壁部１３の両側面との間に、進角側油圧室３２と遅角側油圧室３３を構成する。
【００２６】
各ベーン２８ａ〜２８ｄの外周面の中央に軸方向に切欠された保持溝２９にハウジング６の内周面に摺接するシール部材３０がそれぞれ嵌着保持されている。前記ロック機構１０は、ロックピン３４が、回転部材３の最大遅角側の回動位置において係合孔（図示省略）に係入するようになっている。
【００２７】
また、前記回転部材３（ベーン２８ａ〜２８ｄ）は、図２に示すように、一端がフロントカバーに固定され、他端が基部２７にピンで固定される弾性体としての渦巻きばね（ゼンマイ）３６によって遅角側に付勢されるようになっている。
【００２８】
尚、前記回転部材３（ベーン２８ａ〜２８ｄ）を付勢する弾性体としては、渦巻きばね（ゼンマイ）３６に代えて、引張・圧縮コイルばね，ねじりコイルばね，板ばね等を用いても良い。
【００２９】
前記油圧回路４は、進角側油圧室３２に対して油圧を給排する第１油圧通路４１と、遅角側油圧室３３に対して油圧を給排する第２油圧通路４２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路４１，４２には、供給通路４３とドレン通路４４ａ，４４ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁４５を介して接続されている。前記供給通路４３には、オイルパン４６内の油を圧送する機関駆動のオイルポンプ４７が設けられている一方、ドレン通路４４ａ，４４ｂの下流端がオイルパン４６に連通している。
【００３０】
前記第１油圧通路４１は、回転部材３の基部２７内に略放射状に形成されて各進角側油圧室３２に連通する４本の分岐路４１ｄに接続され、第２油圧通路４２は、各遅角側油圧室３３に開口する４つの油孔４２ｄに接続される。
【００３１】
前記電磁切換弁４５は、内部のスプール弁体が各油圧通路４１，４２と供給通路４３及びドレン通路４４ａ，４４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっていると共に、コントローラ４８からの制御信号によって切り換え作動されるようになっている。
【００３２】
具体的には、図３に示すように、シリンダブロック４９の保持孔５０内に挿通固定された筒状のバルブボディ５１と、該バルブボディ５１内の弁孔５２に摺動自在に設けられて流路を切り換えるスプール弁体５３と、該スプール弁体５３を作動させる比例ソレノイド型の電磁アクチュエータ５４とから構成されている。
【００３３】
前記バルブボディ５１は、周壁の略中央位置に前記供給通路４３の下流側端と弁孔５２とを連通する供給ポート５５が貫通形成されていると共に、該供給ポート５５の両側に前記第１，第２油圧通路４１，４２の他端部と弁孔５２とを連通する第１ポート５６及び第２ポート５７がそれぞれ貫通形成されている。また、周壁の両端部には、両ドレン通路４４ａ，４４ｂと弁孔５２とを連通する第３，第４ポート５８，５９が貫通形成されている。
【００３４】
前記スプール弁体５３は、小径軸部の中央に供給ポート５５を開閉する略円柱状の第１弁部６０を有していると共に、両端部に第３，第４ポート５８，５９を開閉する略円柱状の第２，第３弁部６１，６２を有している。また、スプール弁体５３は、前端側の支軸５３ａの一端縁に有する傘部５３ｂと弁孔５２の前端側内周壁に有するスプリングシート５１ａとの間に弾装された円錐状の弁ばね６３によって、図中右方向、つまり第１弁部６０で供給ポート５５と第２油圧通路４２とを連通する方向に付勢されている。
【００３５】
前記電磁アクチュエータ５４は、コア６４，移動プランジャ６５，コイル６６，コネクタ６７などを備え、移動プランジャ６５の先端に前記スプール弁体５３の傘部５３ｂを押圧する駆動ロッド６５ａが固定されている。
【００３６】
前記コントローラ４８は、機関回転速度を検出する回転センサ１０１や吸入空気量を検出するエアフローメータ１０２からの信号によって現在の運転状態（負荷、回転）を検出すると共に、クランク角センサ１０３及びカムセンサ１０４からの信号によってカムスプロケット１とカムシャフトとの相対回動位置、即ち、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を検出する。
【００３７】
前記コントローラ４８は、前記電磁アクチュエータ５４に対する通電量をディザ信号が重畳されたデューティ制御信号に基づいて制御する。
例えば、コントローラ４８から電磁アクチュエータ５４にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、スプール弁体５３が弁ばね６３のばね力で図で最大右方向に移動する。これによって、第１弁部６０が供給ポート５５の開口端５５ａを開成して第２ポート５７と連通させると同時に、第２弁部６１が第３ポート５８の開口端を開成すると共に、第４弁部６２が第４ポート５９を閉止する。このため、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、供給ポート５５，弁孔５２，第２ポート５７，第２油圧通路４２を通って遅角側油圧室３３に供給されると共に、進角側油圧室３２内の作動油が、第１油圧通路４１，第１ポート５６，弁孔５２，第３ポート５８を通って第１ドレン通路４４ａからオイルパン４６内に排出される。
【００３８】
従って、遅角側油圧室３３の内圧が高、進角側油圧室３２の内圧が低となって、回転部材３は、ベーン２８ａ〜２８ｂを介して最大遅角側に回転し、この結果、吸気バルブの開時期が遅くなり、排気バルブとのオーバーラップが小さくなる。
【００３９】
一方、コントローラ４８から電磁アクチュエータ５４にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、スプール弁体５３が弁ばね６３のばね力に抗して図で左方向へ最大に摺動して、第３弁部６１が第３ポート５８を閉止すると同時に、第４弁部６２が第４ポート５９を開成すると共に、第１弁部６０が、供給ポート５５と第１ポート５６とを連通させる。このため、作動油は、供給ポート５５、第１ポート５６、第１油圧通路４１を通って進角側油圧室３２内に供給されると共に、遅角側油圧室３３内の作動油が第２油圧通路４２、第２ポート５７、第４ポート５９、第２ドレン通路４４ｂを通ってオイルパン４６に排出され、遅角側油圧室３３が低圧になる。
【００４０】
このため、回転部材３は、ベーン２８ａ〜２８ｄを介して進角側へ最大に回転し、これによって、吸気バルブの開時期が早くなり（進角され）、排気バルブとのオーバーラップが大きくなる。
【００４１】
尚、コントローラ４８から電磁アクチュエータ５４にデューティ比５０％の制御信号を出力すると、第１弁部６０が供給ポート５５を閉止し、かつ、第３弁部６１が第３ポート５８を閉止し、かつ、第４弁部６２が第４ポート５９を閉止する位置となる。
【００４２】
前記コントローラ４８は、クランク角センサ１０３及びカムセンサ１０４からの信号に基づいて検出されるカムスプロケット１とカムシャフトとの相対回動位置（回転位相）と、運転状態に応じて設定した前記相対回動位置（回転位相）の目標値（目標進角値）とを一致させるためのフィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹを比例・積分・微分（ＰＩＤ）動作によって設定し、所定のベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹ（中立制御値）とフィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹとの加算結果を最終的なデューティ比ＶＴＣＤＴＹとし、該デューティ比ＶＴＣＤＴＹの制御信号を電磁アクチュエータ５４に出力するようにしてある。
【００４３】
つまり、前記相対回動位置（回転位相）を遅角方向へ変化させる必要がある場合には、前記フィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹによりデューティ比が減少され、オイルポンプ４７から圧送された作動油が遅角側油圧室３３に供給されると共に、進角側油圧室３２内の作動油がオイルパン４６内に排出されるようになり、逆に、前記相対回動位置（回転位相）を進角方向へ変化させる必要がある場合には、前記フィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹによりデューティ比が増大され、作動油が進角側油圧室３２内に供給されると共に、遅角側油圧室３３内の作動油がオイルパン４６に排出されるようになる。そして、前記相対回動位置（回転位相）を現状の状態に保持する場合には、前記フィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹの絶対値が減ることで、ベースデューティ比付近のデューティ比に戻るよう制御される。
【００４４】
ここで、前記コントローラ４８によるバルブタイミング制御を図４のフローチャートに従って説明する。
Ｓ１では、回転センサ１０１からの検出信号に基づいて機関回転速度Ｎｅを算出する。
【００４５】
Ｓ２では、回転位相の目標値を、例えば機関負荷や機関回転速度Ｎｅに応じて設定する。
Ｓ３では、水温センサ１０５からの検出信号に基づいて機関の冷却水温度Ｔｗを検出する。
【００４６】
Ｓ４では、予め前記目標値と機関回転速度Ｎｅとに応じて、ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹ（中立制御値）を記憶したマップから、そのときの目標値と機関回転速度Ｎｅとに対応するベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを検索する。
【００４７】
前記目標値に応じたベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹの切り換えは、回転位相（回転体３の回動位置）によって渦巻きばね３６の保持力が変化し、回転位相を保持するために要求されるベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹが回転位相によって変化することに対応するものであり、これにより、渦巻きばね３６の保持力に応じたバランス特性で油を供給し続けることができ、定常偏差の発生を抑制できる。
【００４８】
また、機関回転速度Ｎｅに応じたベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹの切り換えは、機関回転速度Ｎｅから油圧を推定し、油圧に応じてベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹの切り換えを行うものである。前述のように、オイルポンプ４７は機関駆動され、ポンプ回転速度が機関回転速度Ｎｅに比例することから機関回転速度Ｎｅから油圧を推定できる一方、回転位相を保持するために要求されるベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹが油圧に応じて変化することから、機関回転速度Ｎｅに応じてベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを切り換えるものである。但し、油圧を直接検出する油圧センサを備える構成であっても良いし、また、簡易的には、上記の油圧（機関回転速度Ｎｅ）に応じたベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹの切り換えを省略するようにしても良い。
【００４９】
Ｓ５では、水温センサ１０５で検出される機関の冷却水温度Ｔｗに基づいて、水温Ｔｗに応じて、前記ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを補正設定するための補正係数を設定する。
【００５０】
前記水温Ｔｗは、作動油の温度を代表する温度として用いており、これにより、作動油の温度（粘性）によって異なるベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹの要求に対応して、ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを補正設定することができる。
【００５１】
Ｓ６では、前記ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを前記補正係数で補正して、最終的なベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹを決定する。
Ｓ７では、目標値と実際の回転位相とに基づくＰＩＤ制御によってフィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹを設定する。
【００５２】
そして、Ｓ８では、前記ベースデューティ比ＢＡＳＥＤＴＹにフィードバック補正分ＰＩＤＤＴＹを加算してデューティ比を最終決定し、電磁アクチュエータ５４に前記決定したデューティ比の制御信号を出力する。
【００５３】
ところで、上記の構成は吸気バルブのバルブタイミングを制御するものとして説明したが、排気バルブのバルブタイミングを制御する構成であっても良く、その場合には、電磁アクチュエータ５４にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると遅角され（オーバーラップ量が最大）、デューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると進角される（オーバーラップ量が最小）よう構成すると共に、渦巻きばね３６によってベーン（回転体３）が進角側に付勢されるようにすると良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるバルブタイミング制御装置の機構部分を示す断面図。
【図２】上記バルブタイミング制御装置におけるベーンの付勢機構を示す断面図。
【図３】上記バルブタイミング制御装置における電磁切換弁を示す縦断面図。
【図４】上記バルブタイミング制御装置における電磁切換弁の制御機能を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…カムスプロケット
３…回転部材
４…油圧回路
６…ハウジング
１３…隔壁
２８ａ〜２８ｄ…ベーン
３２…進角側油圧室
３３…遅角側油圧室
４５…電磁切換弁
４７…オイルポンプ
４８…コントローラ
１０１…回転センサ
１０２…エアフローメータ
１０３…クランク角センサ
１０４…カムセンサ
１０５…水温センサ

Claims

カムシャフトに固定されるベーンの回転方向前後に進角側油圧室と遅角側油圧室とを形成し、前記進角側油圧室及び遅角側油圧室における作動油の給排を切換弁で制御することで、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を連続的に制御する構成であって、前記ベーンをカムスプロケットに対して進角側又は遅角側に付勢する弾性体を備えてなり、
前記切換弁が所定の中立位置であるときに、前記進角側油圧室及び遅角側油圧室における油の給排が停止され、前記切換弁を前記中立位置から一方に変位させると、前記進角側油圧室に油が供給され前記遅角側油圧室から油が排出されることで回転位相が進角側に変化し、前記切換弁を前記中立位置から他方に変位させると、前記遅角側油圧室に油が供給され前記進角側油圧室から油が排出されることで回転位相が遅角側に変化し、
前記切換弁の制御値を、前記回転位相を保持するための中立制御値と、前記回転位相の検出値と目標値とに基づくフィードバック補正分とから設定する内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置において、
前記中立制御値を、前記回転位相の目標値に応じて切り換えるよう構成したことを特徴とする内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置。
前記弾性体が渦巻きばねであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置。
前記中立制御値を、回転位相の目標値及び油圧に応じて切り換えるよう構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置。
前記ベーン式バルブタイミング制御装置が機関駆動のオイルポンプを用いる構成であって、前記油圧を機関回転速度に基づいて推定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置。
前記中立制御値を、油温に応じて補正するよう構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関のベーン式バルブタイミング制御装置。