JP5251635B2

JP5251635B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP5251635B2
Application number: JP2009062633A
Authority: JP
Inventors: 吉朗加茂; 友横山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010216325A

Description

本発明は、内燃機関の油圧式のバルブタイミング制御装置に関する。

従来、この種のバルブタイミング制御装置としては、特許文献１に記載の装置が知られている。

これは、機関クランク軸によるカム軸駆動部とカム軸との間に介装され、これらの相対回転位相を油圧制御に基づいて変化させることにより、吸気弁あるいは排気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミングアクチュエータ（以下ＶＶＴアクチュエータという）と、前記アクチュエータに供給する油圧をデューティ制御に基づいて変化させる油圧制御弁と、を備え、前記油圧制御弁へのデューティにより、油圧（ベーンの前後の油圧室の圧力差）を制御することで、カム軸駆動部とカム軸との相対回転位相を変化させて、バルブタイミングを変化させている。

ここで、バルブタイミングを変化させた後、その状態を保持する際は、保持デューティを用いるが、これは学習している。

特開平１１−３２４７４０号公報

しかしながら、油温など、機関の温度状態によって、カムフリクションが変化すると、ＶＶＴアクチュエータでのトルクバランスが変化する。

特に高温側では、カムフリクションが低下するので、進角傾向となり、保持デューティは常温に比べ、高デューティ側に変化する（高デューティ＝遅角側の場合）。従って、これを学習するので、保持デューティの学習値も高デューティ側（遅角側）となる。

従って、高温（例えば油温１００℃）側での保持デューティを学習した後、機関を停止し、長期ソーク後、常温（油温２０℃）で始動した場合に、保持デューティとして、高温側で学習した保持デューティを用いると、必要なデューティより大きくなり、ハンチング、オーバーシュートの可能性が高くなる。

本発明は、このような実状に鑑み、長期ソーク後の始動に際し、適切な保持デューティを用いることができるようにすることを課題とする。

本発明は、吸気弁あるいは排気弁のカム軸と機関クランク軸の回転に応じて前記カム軸を回転駆動するカム軸駆動部との間に介装され、供給される油圧に応じて前記カム軸駆動部に対する前記カム軸の回転位相を変化させることにより前記吸気弁あるいは排気弁のバルブタイミングを遅角側又は進角側に変化させる可変バルブタイミングアクチュエータと、デューティに応じて制御されるソレノイドにより動作し、前記デューティに応じた前記油圧を前記可変バルブアクチュエータへ供給する油圧制御弁と、前記カム軸駆動部と前記カム軸との回転位相を保持するためのデューティを保持デューティとして記憶する保持デューティ記憶手段と、前記保持デューティに基づいて設定されたデューティに応じて前記ソレノイドをデューティ制御するデューティ制御手段と、位置センサにより検出される前記カム軸の実回転位相を内燃機関の運転条件に基づいて定める目標回転位相に一致させるための前記保持デューティのフィードバック分を算出するフィードバック手段と、前記デューティを設定する際に、前記保持デューティに前記フィードバック分を加算するデューティ算出手段と、前記目標回転位相と前記実回転位相とが一致している状態で所定の学習条件が成立することで、前記デューティ制御手段が前記ソレノイドをデューティ制御する前記デューティを保持デューティとして前記保持デューティ記憶手段に記憶する保持デューティ学習手段と、を備える。

その上で、本発明は、機関始動時に前記保持デューティを初期設定する際に、機関温度が所定値以上の場合は、前記保持デューティ記憶手段に記憶されている前記保持デューティを設定し、前記機関温度が所定値未満の場合は、前記保持デューティ記憶手段に記憶されている前記保持デューティ又は予め定めた制限値のうちの何れか進角側となる値を設定して規制する始動時保持デューティ規制手段を備える。

本発明によれば、機関始動時に、機関温度が低い場合は、前回の機関停止前に学習した保持デューティをそのまま用いるのではなく、予め定めた制限値によって規制するため、適切な保持デューティを用いることができ、制御性を向上させることができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態を示すバルブタイミング制御装置のシステム図ＶＶＴアクチュエータの作動状態別の概略断面図バルブタイミング制御のフローチャート

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１はバルブタイミング制御装置のシステム構成を示している。

内燃機関のカム軸１は、クランク軸（図示せず）により、カム軸駆動用スプロケット（カム軸駆動部）２を介して駆動されるが、カム軸駆動用スプロケット２とカム軸１との間にＶＶＴアクチュエータ３が設けられる。

ＶＶＴアクチュエータ３は、カム軸駆動用スプロケット２に対するカム軸１の回転位相を油圧制御に基づいて変化させることにより、吸気弁あるいは排気弁のバルブタイミングを変化させる。

具体的には、図２に示すように、カム軸１と一体に回転するロータ４が設けられ、このロータ４の外周に、複数（この例では４枚）のベーン５が放射状に形成されている。

また、ロータ４の外周を覆うように、カム軸駆動用スプロケット３と一体に回転するハウジング６が設けられ、このハウジング６の内周に、前記ベーン５の数と同数の突部が形成されており、隣り合った突部の間の凹部内に前記ベーン５が収納されている。

従って、カム軸駆動用スプロケット３と一体に回転するハウジング６内に、カム軸１と一体に回転するロータ４（ベーン５）が相対的に回動可能に設けられている。

図２（Ａ）、（Ｂ）はハウジング６に対しロータ４（ベーン５）が相対的に回動した状態を示しており、図２（Ａ）の状態をバルブタイミングの最進角位置とすると、図１（Ｂ）の状態はバルブタイミングの最遅角位置である。

ここで、ハウジング６内の凹部におけるベーン５の移動空間には、各ベーン５を挟んで、ベーン５に対しバルブタイミングの進角方向に油圧を作用させる第１油圧室（進角室）７と、ベーン５に対しバルブタイミングの遅角方向に油圧を作用させる第２油圧室（遅角室）８とが設けられている。

第１油圧室（進角室）７及び第２油圧室（遅角室）８は、ロータ４に形成したそれぞれの油通路９、１０を介し、更にロータ４の中空部内に相対回転可能に配置される支持体（図示せず）に形成したそれぞれの油通路（図示せず）などを介して、図１の油圧制御弁１１の油圧供給ポートＡ、Ｂにそれぞれ接続されていて、これらのポートＡ、Ｂから油圧が供給される。

尚、排気弁用のＶＶＴアクチュエータ３には、ベーン５を進角方向に付勢するアシストスプリングが設けられるが、図示は省略した。

油圧制御弁１１は、ＶＶＴアクチュエータ３の第１及び第２油圧室（進角室及び遅角室）７、８に供給する油圧（これらの油圧室７、８の圧力差）をデューティ制御に基づいて変化させる。

この油圧制御弁１１は、具体的には、油圧供給ポートＡ、Ｂと、油圧供給通路Ｓ及びドレン通路Ｄとの接続状態、すなわち、第１及び第２油圧室（進角室及び遅角室）７、８と、油圧供給通路Ｓ及びドレン通路Ｄとの接続状態を制御するソレノイド式の流路切換弁であり、ソレノイドへの通電がデューティ制御されることにより、スプール弁軸の軸方向位置が制御される。

すなわち、デューティ０％では、油圧供給通路Ｓを進角室に接続し、遅角室をドレン通路Ｄに接続して、最大速度で進角側に制御できる。また、デューティ１００％では、油圧供給通路Ｓを遅角室に接続し、進角室をドレン通路Ｄに接続して、最大速度で遅角側に制御できる。そして、デューティ０〜１００％の間では、接続状態を制御して、進角室と遅角室の圧力差を任意に制御でき、中間のあるデューティ（５０％付近）では、圧力をバランスさせて、バルブタイミングを現在位置に保持することができる。

一方、カム軸１のＶＶＴアクチュエータ３と反対側の端部には、カム軸１の回転位相から実バルブタイミングを検出するための位置センサ１２が設けられ、その信号は電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）１３に入力されている。

ＥＣＵ１３は、内燃機関の運転状態に基づいて目標バルブタイミングを演算する一方、実バルブタイミングが目標バルブタイミングと一致するように、油圧制御弁１１へのデューティＤＵＴＹを演算し、これを出力することで、目標バルブタイミングへのフィードバック制御を行う。

尚、ＥＣＵ１３には、内燃機関の運転状態を検出するため、クランク角センサ、アクセル開度センサ、エアフローメータ、水温センサ等、各種センサから信号が入力されるが、図示は省略した。

バブルタイミング制御については、図３のフローチャートにより詳細に説明する。本ルーチンは所定時間毎に実行される。

Ｓ１では、始動時か否かを判定し、始動時の場合は、Ｓ２へ進む。始動時でない場合は、Ｓ６へ進む。

Ｓ２では、前回の機関停止時に、高温（高水温）で停止したか否かを判定する。これは、機関停止時に高温の場合は所定のフラグを立てて停止するようにしておき、始動時にこのフラグの値を判定するようにすればよい。Ｓ２の判定でＹＥＳの場合は、Ｓ３へ進み、ＮＯの場合は、Ｓ５へ進む。

Ｓ３では、始動時水温が所定値（例えば４０℃）未満か否かを判定する。Ｓ３の判定でＹＥＳの場合は、Ｓ４へ進み、ＮＯの場合は、Ｓ５へ進む。

Ｓ４では、書換え可能なバックアップＲＡＭに記憶されている保持デューティ学習値ＨＤＵＴＹＬを読込み、これを予め定めた制限値（上限ガード値；例えば５５％）で規制して、保持デューティＨＤＵＴＹを初期設定する。

すなわち、読込んだ保持デューティ学習値ＨＤＵＴＹＬと制限値（５５％）とを比較し、ＨＤＵＴＹＬ≦５５％の場合は、保持デューティＨＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹＬとするが、ＨＤＵＴＹＬ＞５５％の場合は、保持デューティＨＤＵＴＹ＝５５％とする。

このように、前回高温で機関停止し、今回の始動時水温が所定値（４０℃）未満の場合は、保持デューティＨＤＵＴＹに対し予め定めた制限値（５５％）を適用し、保持デューティＨＤＵＴＹを制限値で規制するのである。

Ｓ５では、書換え可能なバックアップＲＡＭに記憶されている保持デューティ学習値ＨＤＵＴＹＬを読込み、これをそのまま保持デューティＨＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹＬとして初期設定する。

このように、前回高温で機関停止していない場合、又は、今回の始動時水温が所定値以上の場合は、バックアップＲＡＭに記憶されている保持デューティ学習値ＨＤＵＴＹＬをそのまま保持デューティＨＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹＬとするのである。

Ｓ４又はＳ５での保持デューティの初期設定後、及び、Ｓ１での判定で始動時でない場合は、Ｓ６へ進む。

Ｓ６では、機関回転数及び負荷等の機関運転状態に基づいて、目標バルブタイミング（目標ＶＴ）を演算する。

Ｓ７では、位置センサ１２からの信号に基づいて、実バルブタイミング（実ＶＴ）を検出する。

Ｓ８では、実バルブタイミング（実ＶＴ）と目標バルブタイミング（目標ＶＴ）との偏差ΔＶＴ＝目標ＶＴ−実ＶＴを算出し、この偏差ΔＶＴに基づいて、ＰＩＤ制御により、デューティのフィードバック分ＦＤＵＴＹを設定する。

基本的には、進角値で実ＶＴ＜目標ＶＴの場合（実バルブタイミングの方が遅れている場合）に、進角方向へのフィードバック制御のため、フィードバック分ＦＤＵＴＹがマイナス側に設定され、逆に、進角値で実ＶＴ＞目標ＶＴの場合（実バルブタイミングの方が進んでいる場合）に、遅角方向へのフィードバック制御のため、フィードバック分ＦＤＵＴＹがプラス側に設定される。尚、本実施形態では、デューティＤＵＴＹが大きくなるほど、バルブタイミングはより遅角側に制御されるものとしている。

Ｓ９では、次式のごとく、Ｓ４又はＳ５で初期設定した保持デューティＨＤＵＴＹに、フィードバック分ＦＤＵＴＹを加算して、最終的なデューティＤＵＴＹを算出し、出力する。

ＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹ＋ＦＤＵＴＹ

但し、後述するＳ１１で保持デューティを新たに学習した場合は、Ｓ１１で学習した保持デューティＨＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹＬに、フィードバック分ＦＤＵＴＹを加算して、最終的なデューティＤＵＴＹを算出し、出力する。

Ｓ１０では、保持デューティ学習のための、所定の学習条件が成立しているか否かを判定する。

ここでの学習条件は、少なくとも、目標バルブタイミングと実バルブタイミングとが一致していること（厳密にはこれらの偏差が所定値以内であること）、そして、一致状態が所定時間以上連続していることとする。

学習条件が成立している場合は、Ｓ１１へ進み、現在出力しているデューティＤＵＴＹを、保持デューティＨＤＵＴＹとして、学習し、バックアップＲＡＭ上の学習値ＨＤＵＴＹＬを更新する（書換える）。従って、Ｓ９で使用する保持デューティＨＤＵＴＹも最新の学習値ＨＤＵＴＹＬとなる。

本実施形態によれば、機関運転状態が変化して目標バルブタイミングが変化した場合は、実バルブタイミングとの偏差に基づいてデューティのフィードバック分ＦＤＵＴＹがプラス側（遅角側）又はマイナス側（進角側）に設定され、このフィードバック分ＦＤＵＴＹを含むデューティＤＵＴＹ＝ＨＤＵＴＹ＋ＦＤＵＴＹが出力されて、実バルブタイミングが目標バルブタイミングに向けて制御される。

そして、実バルブタイミングが目標バルブタイミングに一致すると、保持デューティＨＤＵＴＹが正しく設定されていれば、フィードバック分ＦＤＵＴＹは略０に集束し、保持デューティＨＤＵＴＹのみによってバルブタイミングの保持が可能となる。従って、この状態では、フィードバック制御を停止させることも可能である。

実バルブタイミングが目標バルブタイミングに一致しているが、保持デューティＨＤＵＴＹが正しく設定されていない場合は、そのときの保持デューティＨＤＵＴＹとフィードバック分ＦＤＵＴＹの加算値が正しい保持デューティに相当するので、これを学習することで、保持デューティの学習が可能となる。従って、このような保持デューティの学習により、常に最適な保持デューティを用いた制御が可能となる。

例えば、排気弁用のＶＶＴアクチュエータで、進角方向に付勢するアシストスプリングを使用している場合は、アシストスプリングとカムフリクションとのトルクバランスが変化する。

特に高温側では、カムフリクションが低下し、アシストスプリング荷重＞カムフリクションとなり、進角傾向となるので、保持デューティは常温に比べ、高デューティ側に変化する（高デューティ＝遅角側の場合）。従って、これを学習するので、保持デューティの学習値も高デューティ側（遅角側）となる。

そこで、本実施形態では、長期ソーク後の始動に際し、適切な保持デューティを用いることができるようにするため、機関始動時に、始動時水温が所定値（例えば４０℃）以上の場合は、保持デューティとして保持デューティの学習値をそのまま用いるが、始動時水温が所定値（４０℃）未満の場合は、学習時と始動時との温度差を考慮し、保持デューティを予め定めた制限値（例えば５５％）によって規制するようにしている。

このように、長期ソーク後などの機関始動時に、始動時水温が低い場合は、前回の機関停止前に学習した保持デューティをそのまま用いるのではなく、予め定めた制限値によって規制することで、適切な保持デューティを用いることができ、制御性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、保持デューティへの制限値適用の条件として、始動時水温の判定（Ｓ３）だけでなく、前回高温で機関停止したか否か判定（Ｓ２）も条件とするため、より正確な条件設定が可能となる。

尚、本実施形態では、始動時の機関温度として水温を検出したが、油温センサを有する場合は、油温を検出するようにしてもよい。

１カム軸
２カム軸駆動用スプロケット（カム軸駆動部）
３ＶＶＴアクチュエータ
４ロータ
５ベーン
６ハウジング
７第１油圧室（進角室）
８第２油圧室（遅角室）
９油通路
１０油通路
１１油圧制御弁
１２位置センサ
１３ＥＣＵ

Claims

吸気弁あるいは排気弁のカム軸と機関クランク軸の回転に応じて前記カム軸を回転駆動するカム軸駆動部との間に介装され、供給される油圧に応じて前記カム軸駆動部に対する前記カム軸の回転位相を変化させることにより前記吸気弁あるいは排気弁のバルブタイミングを遅角側又は進角側に変化させる可変バルブタイミングアクチュエータと、
デューティに応じて制御されるソレノイドにより動作し、前記デューティに応じた前記油圧を前記可変バルブアクチュエータへ供給する油圧制御弁と、
前記カム軸駆動部と前記カム軸との回転位相を保持するためのデューティを保持デューティとして記憶する保持デューティ記憶手段と、
前記保持デューティに基づいて設定されたデューティに応じて前記ソレノイドをデューティ制御するデューティ制御手段と、
位置センサにより検出される前記カム軸の実回転位相を内燃機関の運転条件に基づいて定める目標回転位相に一致させるための前記保持デューティのフィードバック分を算出するフィードバック手段と、
前記デューティを設定する際に、前記保持デューティに前記フィードバック分を加算するデューティ算出手段と、
前記目標回転位相と前記実回転位相とが一致している状態で所定の学習条件が成立することで、前記デューティ制御手段が前記ソレノイドをデューティ制御する前記デューティを保持デューティとして前記保持デューティ記憶手段に記憶する保持デューティ学習手段と、
機関始動時に前記保持デューティを初期設定する際に、機関温度が所定値以上の場合は、前記保持デューティ記憶手段に記憶されている前記保持デューティを設定し、前記機関温度が所定値未満の場合は、前記保持デューティ記憶手段に記憶されている前記保持デューティ又は予め定めた制限値のうちの何れか進角側となる値を設定して規制する始動時保持デューティ規制手段と、
を含む内燃機関のバルブタイミング制御装置。