WO2012137336A1

WO2012137336A1 - バルブタイミング可変装置

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Publication number: WO2012137336A1
Application number: PCT/JP2011/058818
Authority: WO
Inventors: 篤史林田; 横山　友; 治仁藤村
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-11
Also published as: JP5288061B2; JPWO2012137336A1; CN102822477A; US9206712B2; US20140069359A1; CN102822477B

Abstract

　ベーンローターとハウジングとの相対回動を通じて機関バルブのバルブタイミングを可変とし、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるバルブタイミング可変装置において、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角ＣＣＡを機関回転速度ＮＥに応じて可変とすることで、機関回転速度ＮＥに依らず、カムトルクがロック解除に適した状態となるクランク角でロック解除油圧が立ち上がるようにした。

Description

バルブタイミング可変装置

　本発明は、第１及び第２の回転体の相対回動を通じてカムシャフトの回転位相を可変とする装置であって、前記第１及び第２の回転体を一体回転するようにロックするとともに、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるバルブタイミング可変装置に関するものである。

　周知のように、車載等の内燃機関に適用される装置として、機関出力軸であるクランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変更して、機関バルブ（吸排気バルブ）のバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変装置が実用されている。そして、そうしたバルブタイミング可変装置として、特許文献１に記載のような油圧に基づいて動作する油圧式のバルブタイミング可変装置が知られている。

　ここで、図３に基づいて、文献１に記載のバルブタイミング可変装置の構成を説明する。

　同図に示すように、カムシャフト１には、径方向外側に突出する複数の（同図では３つの）ベーン３を備えたベーンローター２が一体回転可能に固定されている。ベーンローター２の外周には、略円環形状のハウジング４が相対回動可能に配設されている。ハウジング４には、内燃機関のクランクシャフトにチェーンを通じて駆動連結されたカムスプロケット５が一体回転可能に固定されている。またハウジング４の内周には、ベーン３と同数の凹部６が形成され、各ベーン３がそれらの内部にそれぞれ一つずつ収容されている。ハウジング４の各凹部６は、内部に収容されたベーン３によって、２つの油圧室、すなわち遅角室７と進角室８とに区画されている。遅角室７はベーン３に対しカムシャフトの回転方向進み側に位置し、進角室８はベーン３に対しカムシャフトの回転方向遅れ側に位置する。

　また、このバルブタイミング可変装置には、ベーンローター２とハウジング４とを一体回転するようにロックするロック機構が設けられている。ロック機構は、ベーンローター２のベーン３の一つに形成されたピン穴９に摺動可能に配設されたロックピン１０と、カムスプロケット５に形成されて、ロックピン１０が嵌合可能なロック穴１１とを備えている。ロックピン１０は、スプリング１２によって、ロック穴１１に嵌合する方向に付勢されている。なお、ロックピン１０は、ハウジング４に対するベーンローター２の相対回動範囲のうち、ベーンローター２が最もカムシャフト反回転方向に相対回動された位置（以下、最遅角位置と記載する）において、ロック穴１１に嵌合可能な位置に位置される。

　一方、このバルブタイミング可変装置には、その動作のための油圧を給排する油圧回路が設けられている。この油圧回路において、オイルパン１３から汲み上げたオイルを加圧して吐出するオイルポンプ１４は、供給油路１５を介してオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶ１６と記載する）に接続されている。機関制御用の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ２０と記載する）により制御される電磁駆動弁として構成されたＯＣＶ１６には、上記供給油路１５に加え、オイルをオイルパン１３に戻すためのドレイン油路１７、各遅角油室７に接続される遅角油路１８、及び各進角油室８に接続される進角油路１９が接続されている。そしてＯＣＶ１６は、遅角油路１８及び進角油路１９のそれぞれに供給油路１５及びドレイン油路１７のいずれを接続するかを切り換えることで、遅角油室７及び進角油室８に対するオイルの給排を行うように構成されている。

　なお、遅角油室７及び進角油室８に供給された油圧は、ロックピン１０にも作用されるようになっている。これらの油圧は、スプリング１２の付勢力に抗してロックピン１０をロック穴１１から抜く方向に作用するようになっている。

　続いて、こうしたバルブタイミング可変装置の動作について説明する。

　制御部としてのＥＣＵ２０が、ＯＣＶ１６に対して、供給油路１５と進角油路１９とを接続し、ドレイン油路１７と遅角油路１８とを接続するように指令を行うと、進角油室８内の油圧が上り、遅角油室７の油圧が下るようになる。そのため、このときのベーン３には、両油室内の油圧差によって、カムシャフト回転方向（以下、進角方向と記載する）に向う力が作用し、それにより、ベーンローター２がハウジング４に対して進角方向に相対回動する。そしてその結果、ベーンローター２に一体回転可能に固定されたカムシャフト１回転位相は、カムスプロケット５の回転位相に対して進められることになり、カムシャフト１によって開閉駆動される機関バルブのバルブタイミングが進角される。

　また、ＥＣＵ２０が、ＯＣＶ１６に対して、供給油路１５と遅角油路１８とを接続し、ドレイン油路１７と進角油路１９とを接続するように指令を行うと、遅角油室７内の油圧が上り、進角油室８の油圧が下るようになる。そのため、このときのベーン３には、両油室内の油圧差によって、カムシャフト反回転方向（以下、遅角方向と記載する）に向う力が作用し、それにより、ベーンローター２がハウジング４に対して遅角方向に相対回動する。そしてその結果、ベーンローター２に一体回転可能に固定されたカムシャフト１回転位相は、カムスプロケット５の回転位相に対して遅らされることになり、カムシャフト１によって開閉駆動される機関バルブのバルブタイミングが遅角される。

　一方、ＥＣＵ２０が、ＯＣＶ１６に対して、遅角油路１８、進角油路１９の双方に対しするオイルの給排を停止するように指令を行うと、ベーンローター２は、遅角油室７内の油圧と進角油室８内の油圧とが均衡する位置にて停止する。そのため、このときの機関バルブのバルブタイミングは、一定に保持されるようになる。

　なお、機関始動時には、ベーンローター２は、最遅角位置に位置されている。そしてベーンローター２は、ロック穴１１へのロックピン１０の嵌合により、その最遅角位置にてハウジング４と一体回転するようロックされた状態とされている。

　機関始動後、オイルポンプ１４の吐出圧が十分に高まると、ＥＣＵ２０は、供給油路１５と進角油路１９とを接続して進角油室８に油圧を供給するよう、ＯＣＶ１６に指令する。このときの進角油室８に供給された油圧は、ロックピン１０にも作用し、その油圧によってロックピン１０は、ロック穴１１から抜ける。そしてその結果、ロック機構のロックが解除され、ベーンローター２とハウジング４との相対回動が許容されるようになる。このように、ＥＣＵ２０による機関始動後の進角油室８に対する最初の油圧供給の指令は、ロック機構のロックを解除するためのロック解除油圧の印加を指令するものとなっている。

２００１－０４１０１２号公報

　ところで、こうしたバルブタイミング可変装置のベーンローター２には、カムシャフト１のカムトルクが作用する。すなわち、機関バルブが開くときには、機関バルブを閉弁側に付勢するバルブスプリングに抗してカムシャフト１のカムにより機関バルブを押し下げなければならないため、カムシャフト１及びそれに一体回転可能に固定されたベーンローター２には、カムシャフト反回転方向、すなわち遅角方向のトルクが作用する。一方、機関バルブが閉じるときには、バルブスプリングによってカムが押されるため、カムシャフト１及びベーンローター２には、カムシャフト回転方向、すなわち進角方向のトルクが作用する。そのため、ベーンローター２には、カムシャフト１による機関バルブの開閉駆動に応じて、進角方向のトルク力と遅角方向のトルクとが交番で作用する。

　こうしたカムトルクは、ロック機構の解除性に少なからぬ影響を与える。すなわち、ロック解除前にも、ベーンローター２は、ロック機構の遊びの範囲内での若干の回動が許容されており、カムトルクによって動くことがある。ここで、図４（ａ）に示す状態のロックピン１０をロック穴１１から抜こうとしたときに、ベーンローター２が図４（ｂ）に示すように進角方向に回動すると、図４（ｃ）に示すようにロックピン１０がロック穴１１の進角側の縁Ｂに引掛ってしまい、ロックピン１０が抜けなくなることがある。そしてその結果、ベーンローター２とハウジング４との相対回動を許容しての機関バルブのバルブタイミングの可変制御の開始が遅れることがある。

　なお、最遅角位置以外の位置でロックを行う場合にも、ロック解除時のカムトルクの状態によって、ロックの解除性が変化することは同様であり、こうした問題は、最遅角位置以外の位置でロックを行うバルブタイミング可変装置でも同様に発生するものとなっている。

　本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、ロックの解除をより確実に行うことのできるバルブタイミング可変装置を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明では、第１及び第２の回転体の相対回動を通じて機関バルブのバルブタイミングを可変し、且つ第１及び第２の回転体を一体回転するようにロックするとともに、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるバルブタイミング可変装置において、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角を機関回転速度に応じて可変とするようにしている。

　上述したように、ロックを解除するときのカムトルクの状態によっては、ロックの解除し易さが変化する。したがって、確実なロックの解除を保証するには、カムトルクがロックの解除に良好な状態となるクランク角においてロックの解除を行うことが望ましい。

　一方、ロック解除油圧の印加を指令しても、実際にロック解除油圧が立ち上がり、ロックの解除が開始されるまでには、一定の遅れがある。ここで、そうした指令からロック解除油圧の立ち上がりまでの遅れの時間が一定としても、そのときの機関回転速度が変われば、指令からロック解除油圧の立ち上がりまでのクランク角の変化量は変化してしまう。したがって、一律のクランク角においてロック解除油圧の印加の指令を行っても、機関回転速度が異なれば、ロック解除油圧が立ち上がってロックの解除が開始されるときのクランク角は変わってしまう。

　その点、本発明では、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角をそのときの機関回転速度に応じて可変としている。そのため、機関回転速度が変わっても、カムトルクがロックの解除に適した状態となるクランク角でロックの解除を開始させるように、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角を設定することが可能となる。したがって本発明によれば、ロックの解除をより確実に行うことができるようになる。

本発明の一実施の形態に適用されるロック解除制御ルーチンのフローチャート。（ａ）機関回転速度が高いとき及び（ｂ）機関回転速度が低いときのロック解除時の制御態様をそれぞれ示すタイムチャート。バルブタイミング可変装置の構成を模式的に示す略図。（ａ）～（ｃ）解除不良が発生するときのロック機構の状態の推移を示す断面図。

　以下、本発明のバルブタイミング可変装置を具体化した一実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態のバルブタイミング可変装置は、吸気バルブのバルブタイミングを可変とするものとなっており、その構成は、図３に示したバルブタイミング可変装置の構成と基本的に同じものとなっている。すなわち、本実施の形態のバルブタイミング可変装置は、第１の回転体としてのベーンローター２と第２の回転体としてのハウジング４との相対回動を通じて吸気バルブのバルブタイミングを可変とする装置となっている。そして、ベーンローター２とハウジング４とを両者が一体回転するようにロックするとともに、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるものとなっている。

　なお、本実施の形態のバルブタイミング可変装置のＥＣＵ２０は、ＯＣＶ１６の制御をデューティー制御により行っている。すなわち、ＥＣＵ２０は、－１００％～＋１００％の範囲の値を取るデューティー指令値ＤＵＴＹをＯＣＶ１６に指令することで、ＯＣＶ１６の動作を制御する。ＯＣＶ１６は、デューティー指令値ＤＵＴＹが正の値のときには、進角油室８へのオイル供給を行い、負の値のときには、遅角油室７へのオイル供給を行うように動作する。そして各油室へのオイル供給量は、デューティー指令値ＤＵＴＹの絶対値が大きくなるほど増大されるようになっている。

　ＥＣＵ２０は、機関停止時に、ベーンローター２を最遅角位置まで回動させるとともに、ロックピン１０をロック穴１１に嵌合してベーンローター２とハウジング４との相対回動をロックしている。したがって、機関始動時には、ベーンローター２は、最遅角位置に位置され、ロック機構によるロックが行われた状態となっている。

　そこでＥＣＵ２０は、機関始動後、オイルポンプ１４の吐出油圧が十分に高まると、１００％のデューティー指令値をＯＣＶ１６に指令して、進角油路１９へのオイル供給を行い、ロックピン１０にロック解除油圧を印加することで、ロック機構のロックを解除している。

　上述したように、ロックの解除性は、ロックの解除が開始されるときのカムトルクの状態によって変化する。カムトルクはクランク角に同期して変化するため、ロックの解除を確実とするには、カムトルクがロックの解除に適した状態となるクランク角で、ロックの解除を開始する必要がある。

　一方、ＥＣＵ２０がＯＣＶ１６に１００％のデューティー指令値を出力し、ロック解除油圧の印加を指令しても、ＯＣＶ１６や油圧系の遅れのため、実際にロック解除油圧が立ち上がるまでには一定の遅れがある。この遅れの時間が一定としても、指令からロック解除油圧の立ち上がりまでのクランク角の変化量は、そのときの機関回転速度によって変化する。具体的には、そうしたクランク角の変化量は、機関回転速度に比例して大きくなる。したがって、一律のクランク角において、ロック解除油圧の印加の指令を行っても、そのときの機関回転速度が異なれば、実際にロック解除油圧が立ち上がるときのクランク角は変化してしまうことになる。

　そこで本実施の形態では、ＥＣＵ２０は、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角を、そのときの機関回転速度に応じて可変とするようにしている。そしてそれにより、機関回転速度が変わっても、カムトルクがロックの解除に適した状態となるクランク角でロック解除油圧が立ち上がるようにしている。

　なお、ロック解除油圧が立ち上がるときのクランク角を一定としたいのであれば、ロック解除油圧の印加の指令を行うクランク角を機関回転速度に比例して早くするようにすれば良い。例えば、カムトルクがロックの解除に適した状態となるクランク角をＴＣＡ［°ＣＡ］、ロック解除油圧の印加の指令からロック解除油圧の立ち上がりまでの遅延時間をＤＥＬＡＹ［秒］、機関回転速度をＮＥ［ｒｐｍ］とすると、クランク角ＴＣＡにおいてロック解除油圧の立ち上げを可能なようにロック解除油圧の印加を指令できるクランク角ＣＣＡ［°ＣＡ］は、次式（１）の通りとなる。

　
　　　　　　　　　ＣＣＡ＝ＴＣＡ－６０×ＤＥＬＡＹ×ＮＥ　　　　…（１）
　
　図１は、こうした本実施の形態に適用されるロック解除制御ルーチンのフローチャートを示している。本ルーチンの処理は、機関始動後、ＥＣＵ２０により実行されるものとなっている。

　さて本ルーチンが開始されると、ステップＳ１００において、オイルポンプ１４の吐出油圧が十分に高まるなどのバルブタイミング可変制御の開始条件の成立が待たされる。そして、開始条件が成立すると（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１において、そのときの機関回転速度ＮＥの読み込みが行われる。

　続いて、ステップＳ１０２において、読み込んだ機関回転速度ＮＥに応じてロック解除油圧の印加を指令するクランク角ＣＣＡの算出が行われる。このときのクランク角ＣＣＡの算出は、ＥＣＵ２０に予め記憶された、機関回転速度ＮＥとクランク角ＣＣＡとの対応関係を示した演算マップを用いて行われる。

　そして次のステップＳ１０３において、算出されたクランク角ＣＣＡで、ＯＣＶ１６にロック解除油圧の印加が指令され、それによるロックの解除に応じて機関運転状況に応じたバルブタイミングの可変制御が開始される（Ｓ１０４）。

　こうした本実施の形態では、図２に示すように、機関回転速度ＮＥが高いときには、機関回転速度ＮＥが低いときに比して、より早いクランク角に、ロック解除油圧の印加を指令するための１００％のデューティー指令値が出力される。その結果、いずれの機関回転速度においても、ロック解除油圧が立ち上がるときのクランク角はほぼ同じとなり、カムトルクがロックの解除に適した状態となったときにロックの解除が開始されている。

　以上説明した本実施の形態によれば、次の効果を奏することができる。

　（１）本実施の形態では、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角ＣＣＡを、機関回転速度ＮＥに応じて可変とするようにしている。そのため、機関回転速度ＮＥが変わっても、カムトルクがロック解除に適した状態となるクランク角でロックの解除を開始させるように、ロック解除油圧の印加の指令を行うクランク角ＣＣＡを設定することが可能となる。したがって本実施の形態によれば、ロックの解除をより確実に行うことができるようになる。

　以上説明した本実施の形態は、次のように変更することができる。

　・上記実施の形態では、機関回転速度に依らず、ほぼ一定のクランク角でロック解除油圧が立ち上がるように、ロック解除油圧の印加を指令するときのクランク角を機関回転速度に応じて可変設定していた。もっとも、ロック解除に適したクランク角に一定の範囲がある場合には、ロック解除油圧が立ち上がるクランク角がその範囲内に収まるように、ロック解除油圧の印加を指令するときのクランク角を設定すれば良い。

　・ロック解除に適したクランク角が複数存在する場合には、そのいずれかでロック解除油圧が立ち上がるように、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角を設定すれば良い。例えば、そうしたロック解除に適した複数のクランク角のうち、バルブタイミング可変制御の開始条件の成立後に最も早く到達するクランク角でロック解除油圧が立ち上がるよう、ロック解除油圧の印加を指令するクランク角を設定することなどが考えられる。

　・上記実施の形態では、ベーンローター２が最遅角位置に位置するときにロックを行うようにロック機構が構成されていたが、最遅角位置以外の位置にてロックを行うようにロック機構が構成されたバルブタイミング可変装置にも、本発明は同様に適用することができる。

　・ベーン３の数等のバルブタイミング可変装置の構成は、上記実施の形態ものに限らず、適宜変更しても良い。要は、第１及び第２の回転体の相対回動を通じてカムシャフトの回転位相を可変とし、それら回転体を一体回転するようにロックするとともに、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるバルブタイミング可変装置であれば、本発明の適用が可能である。

　・上記実施の形態では、吸気バルブのバルブタイミングを可変とするものとしてバルブタイミング可変装置が構成されていたが、排気バルブのバルブタイミングを可変とする装置にも、本発明は同様に適用することができる。

　１…カムシャフト、２…ベーンローター（第１の回転体）、３…ベーン、４…ハウジング（第２の回転体）、５…カムスプロケット、６…凹部、７…遅角油室、８…進角油室、９…ピン穴、１０…ロックピン（ロック機構）、１１…ロック穴（ロック機構）、１２…スプリング（ロック機構）、１３…オイルパン、１４…オイルポンプ、１５…供給油路、１６…ＯＣＶ、１７…ドレイン油路、１８…遅角油路、１９…進角油路、２０…ＥＣＵ。

Claims

　第１及び第２の回転体の相対回動を通じて機関バルブのバルブタイミングを可変し、且つ前記第１及び第２の回転体を一体回転するようにロックするとともに、ロック解除油圧の印加に応じてそのロックを解除するロック機構を備えるバルブタイミング可変装置において、
　前記ロック解除油圧の印加を指令するクランク角が機関回転速度に応じて可変とされる
　ことを特徴とするバルブタイミング可変装置。