JP5427022B2 - 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。

特開２００５−２９９２号公報

従来の可変バルブタイミング機構では、ロック位置が機械的に制限される最遅角位置若しくは最進角位置であることが多く、ロック位置に制御することは比較的容易である。従って、始動時にロック位置を確認する必要性は低い。これに対し、最近では、ロック位置を最遅角位置と最進角位置との間とする可変バルブタイミング機構が知られている。

このような最遅角位置と最進角位置との間にロック位置を有する可変バルブタイミング機構は、ロック位置が機械的に制限される最遅角位置或いは最進角位置とは異なる中間位置であるため、エンジン停止時に、可変バルブタイミング機構がロック位置とならない場合がある。このため、中間ロック位置の可変バルブタイミング機構を備えるエンジンでは、始動性を確保するため、始動時にロック位置にあるか否かを確認することが要求される。

しかしながら、始動時に可変バルブタイミング機構がロック位置にあるか否かの判定を行うと、ロック判定の期間中は、エンジンの始動制御を行うことができず、始動が遅れてしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジン始動時の可変バルブタイミング機構のロック判定を省略可能として、判定によるエンジン始動の遅れを回避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であって、カム角と該カム角の時間当たりの変位量とエンジン回転数とに基づいて、エンジン停止時に上記可変バルブタイミング機構が最遅角位置と最進角位置との中間のロック位置で機械的にロックされたか否かを判定するロック判定部を備え、上記ロック判定部の判定結果をエンジン停止後も保存し、この保存したロック判定結果に応じて、次回のエンジン始動時に上記ロック位置への制御を実施するか否かを決定することを特徴とする。

本発明によれば、エンジン始動時の可変バルブタイミング機構のロック判定を省略可能として、判定によるエンジン始動の遅れを回避することができる。

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 ロック判定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の先端部に取付られたロータ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、ロック孔５０ａと対向した状態において、ロックピン７１が摺動可能なシリンダを形成している。ここで、ロック孔５０ａは、ロックピン７１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を兼ねている。そしてロック孔５０ａは油圧回路７４を介して、スプール弁６１に連結されている。

カム角制御弁２８in（２８ex）によって油圧通路７４がドレイン通路５７に連通され、ロック孔５０ａ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、油圧通路７４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から油圧通路７４を介してロック孔５０ａ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が機械的にロックされ、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、本実施の形態においては、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る。

このロック位置は、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。このため、エンジン停止時には、可変バルブタイミング機構２７in,２７exがロック位置にない可能性があるが、確実なエンジン始動を行うためには、中間位置でロックされているか否かを知る必要がある。

エンジン始動時に可変バルブタイミング機構２７in,２７exがロック位置にあるか否かは、始動時にロック判定を行うことで知ることができるが、始動時にロック判定を行うと、ロック判定の期間中は始動制御を行うことができず、始動が遅れて始動性が悪化してしまう。

このため、ＥＣＵ１００は、エンジン停止時に、ロック位置へのロック制御を行うと共に、ロック判定部としての機構により、エンジンが停止する直前のカム角とカム角の時間当たりの変位量とに基づいて、中間位置に確実にロックされたか否かを判定する。そして、ロック判定の結果を記憶し、次回のエンジン始動時に、判定結果を利用して始動制御を行うことにより、始動性向上を図る。

ロック位置への制御は、エンジン停止要求があったとき、エンジン回転数がアイドル回転数より低い所定の回転数になったことを検出する等してエンストを検知したとき、ロック位置を基準位置として学習するとき等に実行される。このロック制御では、ロック機構７０のロック孔５０ａ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に確実に挿入されるよう、カム角制御弁２８in,２８exをデューティ制御する。

一方、ロック判定は、エンジン停止直前のカム角に対する条件とカム角の時間当たりの変位量（オシレーション量）に対する条件とからロック完了を判定する、カム角の条件は、ロック機構７０におけるハウジング５０とロータ５１と機械的な相対位置がロック位置近傍であるか否かを確認するための条件であり、オシレーション量の条件は、ハウジング５０とロータ５１との機械的な相対位置が同じ状態に止まっていることを確認するための条件である。カム角からロック機構７０がロック位置近傍であると判定され、且つオシレーション量から機械的にロック位置に止まっていると判定されたとき、ロック完了と判定する。

具体的には、以上のロック判定処理は、図３のフローチャートに示すプログラム処理によって判定される。以下、このロック判定処理について説明する。

このロック判定処理は、エンジン停止時、或いはエンジン運転中の所定周期で実行され、先ず、ステップＳ１で、現在、ロック制御中であるか否かを調べる。そして、現在、ロック制御中でない場合には、本処理を抜け、ロック制御中であるとき、ステップＳ２へ進んで現在のカム角を計測し、カム角がロック位置と見なせる設定範囲内にあるか否かを調べる。

その結果、カム角がロック位置である場合には、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、カム角のオシレーション量が設定値Ａ未満か否かを調べる。そして、カム角がロック位置にあり、且つオシレーション量が設定値Ａ未満のとき、ロック機構７０のロック孔５０ａの油圧がリリースされ、ロックピン７１がロック孔５０ａに挿入されて機械的に係止されているとものとして、ステップＳ４でロック完了と判定する。

一方、ステップＳ２においてカム角がロック位置でないとき、或いはステップＳ３においてカム角のオシレーション量が設定値Ａ以上であるときには、ロック機構７０におけるハウジング５０とロータ５１との相対位置がロック位置にない、或いはアンロック用油圧のリリースが十分でないとして、ステップＳ５へ進み、エンジン回転数Ｎｅが設定回転数Ｂ未満か否かを調べる。

その結果、ステップＳ５において、Ｎｅ＜Ｂである場合、ロックが完了しない状態でエンジンが停止してしまうものとしてロック未完了の判定を行う。Ｎｅ≧Ｂの場合には、一旦、処理を抜け、再度、ステップＳ１から以上の処理を繰り返す。

ステップＳ４におけるロック完了の判定結果とステップＳ６におけるロック未完了の判定結果は、フラグ等によって記憶され、エンジン停止時には、エンジン停止直前のカム角とオシレーション量とから判定された判定結果として保存される。

次回のエンジン始動時には、ロック判定のフラグを参照してロック位置への制御を実施するか否かを決定する。ロック完了であればロック位置への制御を省略して始動制御を直ちに開始することで、始動時間の短縮を図ることができる。一方、ロック未完了である場合には、始動制御を行う前にロック位置への制御を実行してから始動制御を行うことで、確実にエンジンを始動させることができる。

以上のように、本実施の形態においては、エンジン停止直前のカム角とカム角の時間当たりの変位量とに基づいてロック判定を行い、可変バルブタイミング機構がロック位置にあって機械的な変位が停止と見なせる範囲に入ったとき、ロック完了と判定して判定結果をエンジン停止後も保存するようにしている。

これにより、最遅角位置と最進角位置との間にロック位置を有する可変バルブタイミング機構において、万一、エンジン停止時にロック位置とならない場合であっても、次回のエンジン始動時に改めてロック判定を行う必要がなく、このロック判定の判定時間による始動遅れを回避することができる。

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（ロック判定部）

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であって、
   カム角と該カム角の時間当たりの変位量とエンジン回転数とに基づいて、エンジン停止時に上記可変バルブタイミング機構が最遅角位置と最進角位置との中間のロック位置で機械的にロックされたか否かを判定するロック判定部を備え、
   上記ロック判定部の判定結果をエンジン停止後も保存し、この保存したロック判定結果に応じて、次回のエンジン始動時に上記ロック位置への制御を実施するか否かを決定す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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