JP3994949B2 - 内燃機関における弁動作タイミング制御装置 - Google Patents

Description

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。

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、例えば特許文献１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。

また油圧を用いた弁制御装置に関し、その油圧制御方法が引用文献２に示されている。この方法は、油圧装置における作動油の温度，冷却水温及びエンジン回転数から作動油の性状を推定し、作動油の性状を基に油圧制御値を補償している。これにより、作動油の粘性変化および作動油内の気泡発生により油圧装置の能力が変化しても、所期のとおり弁制御が行なえるようにしている。
特開昭６１−２６８８１０号公報 特開平１−３０５１１２号公報

しかし、従来、弁の開閉タイミングを進角制御及び遅角制御するとき、両者の間に制御性の差が発生していた。これは、係る制御の際、例えばクランク軸に対するカム軸の回転位相を変えるためにカム軸に対して作動トルクを与えるが、同じ位相差でも進角制御と遅角制御とでは必要とする作動トルクがそれぞれ異なることに由来する。したがって、両者を同じように制御すると、進角制御及び遅角制御のいずれか一方、又は両方の制御性が低下し、適正な制御が得られなかった。

本発明は、進角制御および遅角制御のいずれの場合にも同レベルの制御性を実現することを目的として、この目的を達成するものである。

上記目的を達成するために、図１に示す技術的手段を採用する。上記目的を達成するために、本形態によれば、カム軸に対して作動トルクを与え、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させて、この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において、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段１と、この運転状態を基に上記弁の適正タイミングを決定する適正タイミング決定手段２と、上記クランク軸に対するカム軸の回転位相差を検出し、この弁の現在の動作タイミングを検出する現タイミング検出手段３と、上記現在のタイミングと適正タイミングとの位相差を基に回転位相の変更方向を判別する制御方向判別手段５を更に設け、制御値決定手段４が、現在のタイミング、適正タイミングおよびタイミング変更方向に基づき進角制御及び遅角制御の各々に別個の上記制御値を決定するように構成される。

更に、上記制御値決定手段４が、現在のタイミング，適正タイミング，内燃機関の回転数，およびタイミング変更方向に基づき上記制御値を決定するように構成されても良い。

上記形態によれば、この運転状態からは弁動作に係る適正タイミングが決定される。本発明では、弁動作を適正タイミングにするための制御値の決定に、現在のタイミングから適正タイミングに変更する位相の制御方向が判別され、この制御方向に基づき進角制御及び遅角制御の各々に別個の制御値が構成される。

以下、本発明を適用した実施例１と実施例２を説明する。

本発明に係る実施例１の構成を図２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。

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。

図２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。

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。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２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。

図３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。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。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２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。

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動させる。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動したとすると、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。

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を介して各油圧室４１，４２に供給される。

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。

図４は、スプール弁５３の動作状態例を示している。図４（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３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。図４（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３における摺動機構は現在の状態を維持する。図４（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。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。

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。

図５はそのフローチャートを示し、このルーチンはＥＣＵのＣＰＵ内で所定時間毎に割り込み処理される。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θを算出する。係る角度θは、例えば図６に示すように波形整形された信号から算出される。図６において、例えばクランク回転角度はエンジン１サイクル毎に気筒数パルスずつ、カムシャフト回転角度も気筒数パルスずつ検出される。図６（ｂ）は、クランクシャフトに対してカムシャフトの位相差がθ、すなわち現タイミングが進角度＝θである状態を示している。尚、波形整形に係る電気的遅れ時間（時定数）は、補正値として角度θに反映される。

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負荷状態を把握し、吸気弁の適正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。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 ＝θ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 ≠θであれば、ステップ１４０でその角度差（θＴ −θ）が算出され、同１５０においてその角度差に対する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）。

本実施例において上記制御値は、例えばＰＩＤ制御値として、数式（１）に示す制御操作量「 ＣＮＴＲＬ」で決定される。

ＣＮＴＲＬ＝ＰＣＮＴＲＬ＋ＩＣＮＴＲＬ＋ＤＣＮＴＲＬ（１）
ここで「ＣＮＴＲＬ」，「ＩＣＮＴＲＬ」，「ＤＣＮＴＲＬ」はそれぞれ、比例動作，積分動作，そして微分動作の各制御操作量であり以下のように算出される。

ＰＣＮＴＲＬ＝ＰＧＡＩＮ＊ＥＲＲＯＲ
ＩＣＮＴＲＬ（ｉ）＝ＩＣＮＴＲＬ（ｉ−１）＋ＩＧＡＩＮ＊ＥＲＲＯＲ
ＤＣＮＴＲＬ＝ＤＧＡＩＮ＊ΔＥＲＲＯＲ
尚、「ＥＲＲＯＲ」は目標角度θＴと現在の角度θとの差（誤差量）である。また「ΔＥＲＲＯＲ」は「ＥＲＲＯＲ」の変化分であって、それぞれ以下のように算出される。

ＥＲＲＯＲ＝θＴ−θ
ΔＥＲＲＯＲ＝ＥＲＲＯＲ（ｉ）−ＥＲＲＯＲ（ｉ−１）
また「ＰＧＡＩＮ」，「ＩＧＡＩＮ」，「ＤＧＡＩＮ」は、それぞれ比例動作，積分動作，微分動作に対応するゲインである。そして各ゲインは、エンジンの回転数に応じて設定される。これは、係る制御により上記油圧室に導入する作動油量を制御するとき、油圧ポンプの能力がエンジンの回転数により変動し、その制御性たとえば応答速度が変動するのを解決するために行う。上記各ゲインは、エンジン回転数によるテーブル補間計算により算出され、例えば回転数が低いときには大きく、また回転数が高いときには小さく設定される。

このように、ステップ１５０で目標角度θＴに対するフィードバック制御値が決定され、スプール弁に信号出力される。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回転数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。

次に、本発明に係る実施例２を説明する。本実施例は、上述した目的を達成するためのものである。本弁制御装置は、上記実施例１と同様な構成（図示せず）であるが、更に上記角度θと目標角度θＴとの差から、弁動作タイミングの変更方向を判別する判別部，その方向に基づき制御値を算出する演算部を備えて構成される。これらは上記ＥＣＵ内に統合されている。

本装置においてもその制御値「ＣＮＴＲＬ」は、例えばＰＩＤ制御値で与えられるが、これを決定する各ゲインは、弁動作タイミングの変更方向に応じて異なる値で設定される。これは以下のような理由による。

通常、カムロータが吸気弁を開弁させるとき、反対に吸気弁は、カムロータに対し、これに抗する力（フリクション）を与える。この力はカムシャフトの回転位相を遅角させる方向に働く。故に、開弁タイミングを早める方向に変える場合、作動トルクはこの力に抗した上、更にカムシャフトを回転させなければならない。そのために開弁タイミングを早める場合は、遅らせる場合と比べて大きな作動トルクを必要とする。したがって進角制御の場合、遅角制御の場合に比べて油圧室に作動油を多く供給する必要があり、大きい制御値で設定される。

図８は、本装置に係る制御のフローチャートである。この制御フローチャートは、実施例１と同様、ＥＣＵのＣＰＵ内で所定時間毎に割り込み処理される。そしてステップ２００〜２３０は、図５のステップ１００〜１３０に対応する。図から分かるように、本フローチャートは上記実施例１のフローチャートと容易に組み合わせが可能である。

図８のステップ２２０において目標角度θＴが決定された後、ステップ２３０では、現在の角度θが目標角度θＴと比較される。このときθＴ＝θであればステップ２７０が実行され、現在の弁動作タイミングを維持するためにスプール弁を閉鎖する制御値が決定される。またθＴ≠θの場合にはステップ２４０において、その角度差に基づき遅角制御か進角制御かが判別される。つまりθＴ＞θの場合には進角制御と判別され、ステップ２５０で進角制御値が決定される。また、θＴ＜θの場合には遅角制御と判別され、ステップ２６０でその遅角制御値が決定される。ここで決定される各制御値は、上述のようにＰＩＤ制御値で与えられ、これを決定する各ゲインは、予め記憶装置（ＲＯＭ）内に設定記憶されている。そして、同じ角度差であっても進角制御値を決定するゲインが遅角制御値のゲインよりも大きい値、あるいは等しい値で設定される。その後、ステップ２８０では各ステップで決定された制御値が信号出力される。これらの一連のステップは所定時間毎に繰り返され、途中、目標角度θＴが変わった場合には、ステップ２２０において従前の目標角度θＴに係る制御要素がクリアされ、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。

これにより進角制御，遅角制御それぞれ個別に制御値が決定されるため、制御方向に関係なく常に安定した応答速度で適正な開弁時期の制御が達成できる。

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。例えば、図６に示した角度θは、クランク回転角度とカムシャフト回転角度との相対的位相差であったが、可変部の非作動時に予め角度差（初期状態における相対角度差）を求めておき、これからの変動量として求めてもよい。また本実施例ではフィードバック制御としてＰＩＤ制御を用いたが、Ｐ制御，Ｉ制御およびＤ制御の内、少なくとも１つを用いて行ってもその効果は実現可能である。また、制御方法として現代制御を適応させてもよい。そして、係る制御値の決定は、ゲインを変える以外に、補償値、または係数による補償関数により補償するものでもよい。更に、本発明では、エンジン回転数、弁動作時期の進角／遅角方向に応じた制御値の決定について説明したが、エンジン負荷（アクセル開度），エンジン水温，作動油温度に応じてゲインを設定し制御値を決定することも可能である。また更に、本実施例では可変部として油圧駆動式の構成を用いたが、モータ駆動式の構成にも適用可能である。

本発明に係る弁動作タイミング制御装置の一形態を示す構成図である。 本発明に係る実施例１を示す構成図である。 本実施例におけるバルブタイミング可変部の断面図である。 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である。 本発明に係る実施例１における一動作フローチャートである。 本実施例におけるクランク位置センサ信号とカム位置センサ信号の関係を示すタイムチャートである。 本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である。 本発明に係る実施例２における一動作フローチャートを示す。

符号の説明

１０…電子制御装置（ＥＣＵ）
２０…吸気弁
２１…排気弁
２２，２３…カムシャフト
２４，２５…カムロータ
３２…カム軸部材
３３…カムプーリ
３４…中間軸部材
３５…ピストン
３７…ハウジング
４１，４２…油圧室
５２…油圧ポンプ
５３…スプール弁
５４，５５…油送管
５６…リニアソレノイドコイル
５８…リターンスプリング

Claims (1)

1. カム軸に対して作動トルクを与え、クランク軸に対する前記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において、
   内燃機関の運転状態を検出する手段（１）と、
   前記運転状態を基に前記弁の適正タイミングを決定する手段（２）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（３）と、
   前記現在のタイミングと、対応する前記適正タイミングとの位相差を基に回転位相の変更方向を判別する手段（５）と、
   前記現在のタイミングを前記適正タイミングにするための制御値を決定する制御値決定手段であって、前記制御値の大きさを前記現在のタイミング、適正タイミングおよび前記位相の変更方向に基づいて、進角制御及び遅角制御の各々に別個の値として決定する手段（４）と、
   を設けたことを特徴とする弁動作タイミング制御装置。
   

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