JP5426984B2 - エンジンのバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのクランク角に対するカム角の回転位相を油圧によって進角又は遅角させる可変バルブタイミング機構を有するエンジンのバルブタイミング制御装置に関する。

近年、エンジンのクランク軸とカム軸との間の回転位相を可変する可変バルブタイミング機構システムを備えたエンジンが実用化されており、エンジン運転状態に応じて吸気弁と排気弁との少なくとも一方のバルブタイミングを連続的に変更することができる。

このような可変バルブタイミング機構は、特許文献１に開示されているように、油圧によって駆動される油圧駆動式が一般的であり、エンジン始動時には、カム角の回転位相を固定して確実に始動できるよう、所定の基準位置で機械的にロックするロック機構を備えている。このロック機構は、所定の油圧を供給することで解除される。

特開２００５−２９９２号公報

ロック機構に油圧を供給してロックを解除する型式の可変バルブタイミング機構では、供給される油圧が低下すると、ロック機構が解除されない、或いは意図せずにロックされてカム位相が固定されてしまう可能性がある。

このため、油圧が低下している状況では予めロックの解除を行わない、すなわちロック制御を実行してロックさせてしまうことも考えられる。しかしながら、その場合には、本来の目標カム角度への制御が不可能となり、最適なバルブタイミングを得ることはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、可変バルブタイミング機構の油圧が低下した場合においても、意図しないロックを防止しつつ最適なバルブタイミングへの制御を可能とすることのできるエンジンのバルブタイミング制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるエンジンのバルブタイミング制御装置は、エンジンのクランク角に対するカム角の回転位相を油圧によって進角又は遅角させ、油圧によって解除されるロック機構により、最進角位置と最遅角位置との中間位置で機械的にロックされる可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのバルブタイミング制御装置であって、上記可変バルブタイミング機構の油圧低下を検出したとき、上記可変バルブタイミング機構の制御状態を切り換え、現在のカム角度に対して目標角度が上記ロック位置を跨がない領域内でのみバルブタイミング制御を実施する制御切換部を備え、上記制御切換部は、現在のカム角度に対して目標角度が上記ロック位置を跨ぐときには、上記ロック機構の油圧を解放して上記可変バルブタイミング機構を機械的にロックする油圧低下ロック制御に切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、可変バルブタイミング機構の油圧が低下した場合においても、意図しないロックを防止しつつ最適なバルブタイミングへの制御を可能とすることができる。

可変バルブタイミング機構付エンジンの全体構成図 可変バルブタイミング機構の概略構成を示す説明図 油圧低下時制御切換処理のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は、可変バルブタイミング機構付きエンジン（以下、単に「エンジン」と略記する）である。図１においては、エンジン１は、シリンダブロック１ａがクランク軸１ｂを中心として左右２つのバンク（図の右側が左バンク、左側が右バンク）の気筒群に分割される水平対向型エンジンを示している。

先ず、エンジン１の吸排気系について説明する。エンジン１のシリンダブロック１ａの左右両バンクには、シリンダヘッド２がそれぞれ設けられている。シリンダヘッド２の各吸気ポートには、インテークマニホルド３が連通され、このインテークマニホルド３の各気筒の吸気ポート直上流に、インジェクタ１１が配設されている。尚、シリンダヘッド２の各気筒毎には、放電電極を燃焼室に露呈する点火プラグ１２が配設されている。

インテークマニホルド３は、各気筒の吸気通路が集合するエアチャンバ４を介してスロットルチャンバ５に連通されている。スロットルチャンバ５には、スロットルアクチュエータ１０によって駆動されるスロットルバルブ５ａが介装されている。更に、スロットルチャンバ５の上流には、吸気管６を介してエアクリーナ７が取り付けられ、このエアクリーナ７に接続されるエアインテーク通路にチャンバ８が連通されている。

一方、シリンダヘッド２の各排気ポートには、エキゾーストマニホルド１４が連通され、このエキゾーストマニホルド１４の集合部に排気管１５が連通されている。排気管１５には触媒コンバータ１６が介装され、マフラ１７に連通されている。

次に、エンジン１の動弁系について説明する。エンジン１の左右バンクの各シリンダヘッド２内には、それぞれ吸気カム軸１９、排気カム軸２０が配設され、各カム軸１９，２０にクランク軸１ｂの回転が伝達される。このクランク軸１ｂの吸気カム軸１９、排気カム軸２０への回転の伝達は、クランク軸１ｂに固設されたクランクプーリ２１、タイミングベルト２２、吸気カム軸１９に介装された吸気カムプーリ２３、排気カム軸２０に固設された排気カムプーリ２４等を介して行われる。そして、吸気カム軸１９に設けられた吸気カム、及び排気カム軸２０に設けられた排気カムにより、それぞれクランク軸１ｂと２対１の回転角度に維持される各カム軸１９，２０の回転に基づいて、吸気弁２５、排気弁２６が開閉駆動される。

また、左右バンクの各動弁系には、吸気カム軸１９のクランク軸１ｂに対する回転位相（変位角）を連続的に変更する油圧駆動式の可変バルブタイミング機構２７inと、排気カム軸２０のクランク軸１ｂに対する回転位相を連続的に変更する油圧駆動式の可変バルブタイミング機構２７exとが設けられている。

尚、本実施の形態においては、エンジン１は、吸気側と排気側とにそれぞれ可変バルブタイミング機構２７in,２７exを備えているが、本発明は、これに限定されるものではなく、吸気側と排気側との何れか一方に可変バルブタイミング機構を備えるエンジンにも適用される。

吸気側の可変バルブタイミング機構２７inは、吸気カム軸１９と吸気カムプーリ２３との間に設けられ、カム角制御弁２８inによって制御される油圧により吸気カムプーリ２３と吸気カム軸１９とを相対回転させる。一方、排気側の可変バルブタイミング機構２７exは、排気カム軸２０と排気カムプーリ２４との間に設けられ、カム角制御弁２８inによって制御される油圧により排気カムプーリ２４と排気カム軸２０とを相対回転させる。

吸気側の可変バルブタイミング機構２７in，排気側の可変バルブタイミング機構２７exは、同様の構成であり、吸気側の可変バルブタイミング機構２７inで代表して説明すると、可変バルブタイミング機構２７inは、概略的には、図２に示すように、吸気カムプーリ２３に一体回転可能に連結されるハウジング５０内に、吸気カム軸１９の先端部に取り付けられたロータ５１を収納して構成されている。このロータ５１を油圧によって相対回転させることで、吸気カムプーリ２３に対する吸気カム軸１９の相対回転位相を変更し、吸気弁２５のバルブタイミングを変更する。

具体的には、ハウジング５０に形成される扇状空間部に、ロータ５１に設けられたベーン５１ａが回動自在に収納されている。各扇状空間部は、ベーン５１ａによって進角室（進角作動の油圧室）５２ａと遅角室（遅角作動の油圧室）５２ｂとに区画され、それぞれ、進角用油圧通路５３、遅角用油圧通路５４を介してカム角制御弁２８inに接続されている。

カム角制御弁２８inは、オイルパン１ｃからエンジン駆動式オイルポンプ（図示せず）及びチェックバルブ５５を介して油圧を供給するメイン油圧通路５６のポート、進角用油圧通路５３，遅角用油圧通路５４の各ポート、後述するドレイン通路５７のポート等を切り換える制御弁であり、可動子６０ａを有する電磁ソレノイド６０と、この電磁ソレノイド６０により進退駆動されて各ポートを開閉するスプール弁６１とで構成されている。

スプール弁６１は、ロータ５１の中央部に配設されたスリーブ６２内に、各ポートを切り換えるスプール６３と、このスプール６３を電磁ソレノイド６０の可動子６０ａに当接する方向に付勢するスプリング６４とを収容して構成されている。排気側のカム角制御弁２８exも同様である。

カム角制御弁２８in,２８exは、マイクロコンピュータ等からなる電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）１００によってデューティ制御され、電磁ソレノイド６０の可動子６０ａを介してスプール弁６１のスプール６３を進退駆動することにより、各ポートが切り換えられる。すなわち、デューティ制御のデューティ比に応じて電磁ソレノイド６０の通電電流が増減され、電磁ソレノイド６０の可動子６０ａを介してスプール弁６１のスプール６３が軸方向に移動すると、メイン油圧通路５６、進角用油圧通路５３、遅角用油圧通路５４の各ポートが切換えられ、オイルの流れ方向が切り換えられると共にパッセージの開度が調整される。その結果、進角室５２ａ、遅角室５２ｂに供給される油圧の大きさが調整され、吸気弁２５や排気弁２６の開閉タイミングが進角或いは遅角側に制御される。

また、可変バルブタイミング機構２７in,２７exには、エンジンの始動時等、油圧の低い状態においてバルブタイミングを所定のタイミングに固定すべく、カム軸の回転位相を所定のタイミングに対応する位相にてロックするロック機構７０が設けられている。このロック機構７０は、ハウジング５０に設けられたロック孔５０ａと、このロック孔５０ａへ没入可能に配設されるロックピン７１とを主として構成されている。

ロックピン７１は、スプリング７２によってロック孔５０ａ方向に付勢された状態で、ロータ５１に形成されたロックピン孔５１ｂに収納されている。ロックピン孔５１ｂは、ロックピン７１の基部側で拡開され、その拡開部が、ロックピン７１の基部側に形成されたフランジ部を収納し、このフランジ部に油圧を印加してロックピン７１のロック孔５０ａへの係合を解除するためのアンロック用油圧室７３として形成されている。アンロック用油圧室７３は、油圧通路７４を介して遅角用油圧通路５４に連通されている。

カム角制御弁２８in（２８ex）によって遅角用油圧通路５４がドレイン通路５７に連通され、アンロック用油圧室７３の油圧が所定以下の状態では、ロックピン７１がスプリング７２の付勢力によってロック孔５０ａに挿入され、ハウジング５０に対するロータ５１の相対回転が機械的にロックされる。本実施の形態においては、最遅角位置と最進角位置との中間の位置にロックされるよう、ロックピン７１とロック孔５０ａとの係合位置が設定されている。

一方、遅角用油圧通路５４がメイン油圧通路５６に連通され、ドレイン通路５７が閉じられると、メイン油圧通路５６から遅角用油圧通路５４及び油圧通路７４を介してアンロック用油圧室７３に所定の油圧が印加される。この油圧により、スプリング７２の付勢力に抗してロックピン７１がロック孔５０ａから係脱され、ロックが解除される（アンロック）。

次に、エンジン１の状態を検出するためのセンサ類について説明する。スロットルチャンバ５のスロットルバルブ５ａには、スロットルバルブ５ａの開度を検出するスロットルセンサ３０が介装され、吸気管６のエアクリーナ７の直下流には、吸入空気量センサ３１が介装されている。一方、排気管１５の触媒コンバータ１６の上下流側には、空燃比センサ３２，３３がそれぞれ配設されている。

また、シリンダブロック１ａのクランク軸１ｂに軸着するクランクロータ３４の外周に、クランク角センサ３５が対設され、シリンダブロック１ａの左右両バンクを連通する冷却水通路３６に水温センサ３７が臨まされると共に、シリンダブロック１ａ下部のオイルパン１ｃに油温センサ２９が臨まされている。更に、シリンダブロック１ａには、左バンク或いは左バンクで発生するノッキングによってシリンダブロック１ａに伝わる振動を検出するピエゾ式センサ等からなるノックセンサ３８が配設されている。

また、吸気側の可変バルブタイミング機構２７inの作動位置を検出するためのセンサとして、吸気カム軸１９の後端に固設されたカムロータ３９の外周に、吸気カム位置検出用のカム位置センサ４０が対設されている。更に、排気側の可変バルブタイミング機構２７exの作動位置を検出するためのセンサとして、排気カム軸２０の後端に固設されたカムロータ４１の外周に、排気カム位置検出用のカム位置センサ４２が対設されている。

以上の各センサ類の出力信号は、ＥＣＵ１００に入力されて処理され、エンジン運転状態が検出される。ＥＣＵ１００は、予め内部に格納されている制御プログラムに従って、各センサ類・スイッチ類等からの信号を処理し、前述のインジェクタ１１、スロットルアクチュエータ１０、吸気側の可変バルブタイミング機構２７inのカム角制御弁２８in、排気側の可変バルブタイミング機構２７exのカム角制御弁２８ex等に対する制御量を演算し、燃料噴射制御、点火時期制御、スロットル制御、バルブタイミング制御等のエンジン制御を行う。

ここで、バルブタイミング制御においては、エンジン運転状態、例えばエンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて、吸気カム軸１９及び排気カム軸２０の回転位相の各制御目標値である目標バルブタイミングを設定すると共に、クランク角センサ３５から出力されるクランク角を表すクランクパルスとカム位置センサ４０，４２から出力されるカム位置を表すカム位置パルスとから、クランク軸１ｂの実際の回転角と吸気カム軸１９，排気カム軸２０の実際の回転角との位相差である実バルブタイミングを算出する。そして、実バルブタイミングが目標バルブタイミングに収束するよう、カム角制御弁２８in,２８exをデューティ制御により駆動し、可変バルブタイミング機構２７in,２７exをフィードバック制御する。

カム角制御弁２８in,２８exのデューティ制御では、例えば、デューティ比０〜Ｄlock％で可変バルブタイミング機構２７in,２７exがロックされ、デューティ比Ｄlock％を超えるとロックが解除され（アンロック動作）、アンロック状態では、デューティ比Ｄret（Ｄret＞Ｄlock）％までが遅角動作、それ以上のデューティ比では進角動作となる。前述したように、ロック位置は、最遅角位置と最進角位置との中間の位置であり、ロック機構７０のアンロック用油圧室７３から油圧が開放された状態で、スプリング７２の付勢力によってロックピン７１がロック孔５０ａに挿入されてロックされ、アンロック用油圧室７３に所定の油圧が印加されたとき、ロックピン７１がロック孔５０ａから係脱されてロックが解除される。この中間ロック位置は、エンジン始動時の排気エミッションを低減する最適点を狙って設定されており、暖機完了後のアイドル時の進角位置とは異なる位置である。

従って、アイドル時等のエンジン回転数が低い領域で可変バルブタイミング機構２７in,２７exの油圧が低下した場合には、ロックピン７１がロック孔５０ａに嵌合されたままロックが解除されない、或いは意図せずにロックピン７１がロック孔５０ａに嵌合されてカム位相が固定される虞がある。

このため、ＥＣＵ１００は、制御切換部としての機能により、可変バルブタイミング機構２７in,２７exの油圧低下を検出したとき、遅角側から進角側へかけての通常のバルブタイミング制御を、中間ロック位置を跨がない範囲内でのバルブタイミング制御へ切り換え、意図しないロックによる不具合を防止しつつ、可能な限り本来の目標バルブタイミングへの制御を実行する。

可変バルブタイミング機構の油圧は、本実施の形態においては、エンジン回転数と油温センサ２９によって検出した油温とに基づいて推定する。油圧が低下する虞のある運転状態は、オイルポンプの駆動回転数が低く且つオイルの粘性が低い状態、すなわちエンジン低回転且つ油温が高い運転状態である。従って、ポンプ特性やエンジン特性等を考慮してエンジン回転数と油温と油圧との関係を予め把握しておき、油圧低下を判定するための判定閾値を、エンジン回転数と油温とにそれぞれ設定しておく。そして、エンジン回転数が判定閾値未満且つ油温が判定閾値を超えた場合、油圧低下と判定する。

尚、油圧センサを備えている場合には、可変バルブタイミング機構への油圧を油圧センサによって直接検出するようにしても良いことは勿論である。

油圧低下を検出した場合には、現在のカム角が中間ロック位置より進角側にあるか遅角側にあるかを確認し、現在のカム角に対して目標角度が中間ロック位置を跨がない場合にのみ、遅角側のみ或いは進角側のみでバルブタイミング制御を実行する。すなわち、現在のカム角が中間ロック位置よりも遅角側にあり、且つ目標角度が遅角側である場合には、遅角側でのみバルブタイミング制御を実行する。また、現在のカム角が中間ロック位置よりも進角側にあり、且つ目標角度が進角側である場合には、進角側でのみバルブタイミング制御を実行する。油圧が確保できた場合には、通常の遅角側から進角側にかけてのバルブタイミング制御に復帰する。

尚、油圧低下時における遅角側でのみのバルブタイミング制御、進角側でのみのバルブタイミング制御は、基本的に通常のバルブタイミング制御と同様であるが、油圧低下時であることを考慮し、可変バルブタイミング機構の応答遅れを補うための他のエンジン制御を併用することが望ましい。

一方、現在のカム角が遅角側にあっても中間ロック位置より進角側への要求があった場合や、現在のカム角が進角側にあっても中間ロック位置より遅角側への要求があった場合には、バルブタイミング制御を中止してロック制御を実行し、可変バルブタイミング機構を中間位置でロックする。

具体的には、以上の油圧低下時の制御は、図３のフローチャートに示すプログラム処理によって切り換えられる。以下、図３の油圧低下時制御切換処理について説明する。

先ず、ステップＳ１，Ｓ２において、それぞれ、油温センサ２９によって検出した油温が設定温度（判定閾値）Ａを超えているか否か、クランク角センサ３５の信号に基づくエンジン回転数が設定回転数（判定閾値）Ｂ未満か否かを調べる。その結果、油温が設定温度Ａ以下、或いはエンジン回転数が設定回転数Ｂ以上の場合には、可変バルブタイミング機構の油圧は低下していないと判断して、ステップＳ１０で通常のバルブタイミング制御を実行する。

一方、油温が設定温度Ａを超え、且つエンジン回転数が設定回転数Ｂ未満の場合には、可変バルブタイミング機構の油圧が低下していると判断し、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、現在、油圧低下に伴う可変バルブタイミング機構の油圧低下ロック制御を実行中か否かを調べる。油圧低下ロック制御は、カム角制御弁２８in,２８exをデューティ制御してロック機構７０のアンロック用油圧室７３の油圧をリリースし、ロックピン７１がスプリング７２の付勢力によってロック孔５０ａに挿入されることで可変バルブタイミング機構を機械的にロックする制御である。

その結果、油圧低下ロック制御中である場合には、ステップＳ３から本処理を抜け、油圧低下ロック制御中でない場合、ステップＳ３からステップＳ４へ進んで現在角度（カム角）がロック位置（中間ロック位置におけるカム角度）よりも大きいか否かを調べる。尚、カム角は、進角側を＋として、その値が大きいほど進角していることを示している。

現在角度がロック位置よりも大きくなく遅角側である場合には、ステップＳ４からステップＳ５へ進み、目標角度がロック位置よりも小さいか否か（遅角側か否か）を調べる。目標角度＜ロック位置の場合、ステップＳ５からステップＳ７へ進み、遅角側でのみ目標角度への制御を実行する。また、目標角度≧ロック位置である場合、すなわち遅角側の現在角度に対して目標角度がロック位置を跨いで進角側（ロック位置を含む）である場合には、ステップＳ５からステップＳ８へ進み、中間ロック位置にロックすべく油圧低下ロック制御を実行する。

一方、ステップＳ４において現在のカム角がロック位置より進角側である場合には、ステップＳ４からステップＳ６へ進み、目標角度がロック位置より大きいか否か（進角側か否か）を調べる。そして、目標角度≦ロック位置である場合、すなわち進角側の現在角度に対して目標角度がロック位置を跨いで遅角側（ロック位置を含む）である場合には、前述のステップＳ８へ進んで油圧低下ロック制御を実行する。また、目標角度＞ロック位置である場合、すなわち、現在角度が進角側且つ目標角度が進角側の場合には、ステップＳ６からステップＳ９へ進み、進角側でのみ目標角度への制御を実行する。その後、ステップＳ１で油温が設定値Ａ以下に低下、或いはステップＳ２でエンジン回転数が設定回転数Ｂ以上に上昇した場合、油圧が回復したと判断して前述のステップＳ１０へ進み、通常のバルブタイミング制御に復帰する。

以上のように、本実施の形態においては、可変バルブタイミング機構の油圧低下を検出した場合、中間ロック位置を跨がない範囲内で角度制御を実施する。これにより、意図しないロックを防止しつつ最適なカム位相にバルブタイミングを制御することが可能となる。また、油圧が低下している状況でも可能な限り本来の目標角度に制御することで、エンジンの出力向上や燃費向上に寄与することができる。

１ エンジン
１ｂ クランク軸
１９ 吸気カム軸
２０ 排気カム軸
２７in,２７ex 可変バルブタイミング機構
２８in,２８ex カム角制御弁
７０ ロック機構
１００ 電子制御装置（制御切換部）

Claims (1)

1. エンジンのクランク角に対するカム角の回転位相を油圧によって進角又は遅角させ、油圧によって解除されるロック機構により、最進角位置と最遅角位置との中間位置で機械的にロックされる可変バルブタイミング機構を備えたエンジンのバルブタイミング制御装置であって、
   上記可変バルブタイミング機構の油圧低下を検出したとき、上記可変バルブタイミング機構の制御状態を切り換え、現在のカム角度に対して目標角度が上記ロック位置を跨がない領域内でのみバルブタイミング制御を実施する制御切換部を備え、
   上記制御切換部は、現在のカム角度に対して目標角度が上記ロック位置を跨ぐときには、上記ロック機構の油圧を解放して上記可変バルブタイミング機構を機械的にロックする油圧低下ロック制御に切り換えることを特徴とするエンジンのバルブタイミング制御装置。

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