JPH0515885B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、エンジン運転条件に応じた多段階の
バルブタイミング制御を行うことができる装置に
関する。

背景技術 バルブタイミング制御装置として本出願人の提
案に係るカム軸側のインナスリーブとタイミング
プーリ側のアウタスリーブとに近接する一対のス
リツトを設けたものがある。その一対のスリツト
は相互に傾斜する方向に延びそのスリツト内には
ローラベアリングが設置される。ローラベアリン
グはカム軸方向に移動可能な筒状移動体により担
持される。回転駆動モータは、その出力軸上のね
じ部及びこれに係合するナツトより成る回転運動
−直線運動変換手段を介し前記移動体に連結され
る。モータの回転方向に応じて交差スリツト内を
ローラベアリングはカム軸方向に移動しこれが一
対のスリーブの相対回転を惹起させる。その結果
バルブタイミングが、モータの一方向への回転極
限位置と他方向への回転極限位置との間で２段階
に変化する。

かかるバルブタイミング制御装置において、電
源電圧が低下した場合にバツテリの負担を軽減す
るという目的で本出願人はバツテリ電圧が所定値
以上か否かを検知することでステツプモータの
ON OFFを行うものを提案している。この場合
電源電圧の降下時ステツプモータはカムの駆動反
力で原点位置に戻る。しかし、電圧降下が一時的
なものであつた場合（例えば空調器等の補機類の
受荷で生ずる）、バルブタイミングが正規の位置
に戻るのに時間を要し、応答遅れが出てくる。

発明の目的 本発明にかかる点に鑑みてなされたものであ
り、電圧降下後電圧が正規の値に復帰したときの
応答遅れを最少とするバルブタイミング制御装置
の構成を提供することを目的とする。

発明の構成 第１図において、３００はカム軸１８と、カム
の１８のタイミングプーリ等の回転駆動部材２８
との相対角度を制御するタイプの可変バルブタイ
ミング機構であり、その入力軸３００′にステツ
プモータ５０が連結される。電源電圧の検知手段
３０１があり、電源電圧が正規のときは、制御手
段３０３、運転条件に応じたバルブタイミングが
得られるようにステツプモータ５０を駆動する。
電源電圧が正規の値には達しないためステツプモ
ータ５０を回転駆動するには不充分であるが、ス
テツプモータ５０のホールドを行うことが可能な
電圧値以上のとき、制御手段３０５は、ステツプ
モータのホールドを行い、バルブタイミングはそ
の位置に固定される。

実施例 以下実施例によつて説明すると、第２図におい
て１はシリンダブロツク、２はシリンダヘツド、
３はシリンダヘツドカバー、４は吸気管、６はス
ロツトル弁、８は排気管である。１０はクランク
軸でコネクテイングロツド１２を介しピストン１
４に連結される。カム軸１８上にカム２０が形成
され、カム２０はロツカアーム２２，２３を介し
て吸気弁２４、排気弁２５にバルブスプリング２
６に抗して作用する。カム軸１８の一端にタイミ
ングプーリ２８が相対回転可能に位置し、タイミ
ングベルト３０を介してクランク軸１０上のプー
リ３２に巻掛けられている。タイミングプーリ２
８とカム軸１８とは本発明に係るバルブタイミン
グ制御装置３４によつて連結される。

バルブタイミング制御装置３４は第３図にその
構成が示される。カム軸１８の一端にインナスリ
ーブ３６がボルト３７によつて固設される。前記
のタイミングプーリ２８はこのインナスリーブ３
６上に軸受３９によつて取付けられる。タイミン
グプーリ２８のボス部からはインナスリーブ３６
と同軸となるようにアウタスリーブ３８が一体に
延びている。インナスリーブ３６をアウタスリー
ブ３８とは近接するスリツト４０及び４２を備え
る。第４図の如くその一方４０は真直ぐであるが
他方４２は傾斜しており、その結果相互に交差す
る関係にある。スリツト４０及び４２内には夫々
ベアリング４４及び４６が位置している。ベアリ
ング４４及び４６は、カム軸の方向に沿つて往復
する筒状の移動体４８から半径方向に一体に伸び
る軸部４８′上に軸支されている。

５０はステツプモータであり、回転運動−直線
運動変換手段を介して移動体４８に連結される。
この手段はこの実施例ではいわゆるリサーキユレ
ーテイングボールねじとして構成される。即ち、
モータ５０の出力軸５０′上に外ねじが切られ、
ナツト５２には無端の内ねじが切られ、ボール５
４がこれらのねじ条間に位置している。モータ５
０のハウジングから延びるガイド棒５１はナツト
５２に形成されるカム軸方向ガイド溝５２′と嵌
合している。かかる構造よりして、モータ５０の
出力軸５０′の回転運動がナツト５２の直線運動
に変換されることは明らかであろう。ナツト５２
はベアリング５５を介して移動部材４８に連結さ
れ、ベアリング４４及び４６がカム軸方向に駆動
される。

５６はケースであり一端でボルト５７によつて
タイミングプーリ２８のハブ部に固定され、他端
はベアリング５８によつてモータハウジングに回
転自在に連結される。５９はタイミングベルトカ
バーであり、本発明のバルブタイミング制御装置
をも含めてタイミングベルト３０を収納してい
る。

クランク軸１０の回転はタイミングプーリ３
２、タイミングベルト３０を介してタイミングプ
ーリ２８に伝えられる。タイミングプーリ２８の
回転は、これに一体なアウタスリーブ３８のスリ
ツト４２内に位置するローラベアリング４６を介
して、軸部４８′に伝えられる。軸部４８′の回転
は、スリツト４０内に位置するローラベアリング
４４よりインナスリーブ３６に伝わり、カム軸１
８は回転駆動される。カム軸１８上のカム２０が
山のところに来るとロツカアーム２２，２３を介
してバルブ２４，２５のステム押し、バルブスプ
リング２６に抗してバルブ２４，２５の開弁を行
う。

ステツプモータ５０が駆動されると、その出力
軸５０′が回りナツト５２は第３図のＡ又はＢ方
向に動く。そのため、ナツト５２と一緒に動く移
動部材４８の軸部上に設けたローラベアリング４
４及び４６も同方向に夫々のスリツト４０及び４
２内を動く。スリツト４０及び４２は第４図の如
く相互に交差しているためベアリング４４及び４
６のカム軸方向における直線運動はインナスリー
ブ４６とアウタスリーブ３８との、第４図のＣ又
はＤ方向における相対回転に変換される。従つ
て、被駆動側であるインナスリーブ３６に連結さ
れたカム軸１８の、駆動側であるアウタスリーブ
３８即ちタイミングプーリ２８更にはクランク軸
１０に対する位相は変化する。そのため、バルブ
２４，２５にカム２０が作用するときのクランク
角度位置であるバルブタイミングが可変となる。
そのバルブタイミングはカム軸方向における移動
体４８の位置、換言すれば基準位置からのステツ
プモータ５０の回転角度に応じて定められる。

上述の構造によりモータ５０の回転に応じて連
続的に変化したバルブタイミングが取り得ること
が明らかであるが、本発明ではこのことに着目し
エンジン運転条件に応じてステツプモータの回転
角度を変え、多段階でバルブタイミングを制御し
ようとしており、その原理は次の通りである。即
ち、バルブタイミングは、エンジンの運転条件、
例えばエンジン回転数Ne、負荷を代表する吸気
管圧力Pb、水温THW等で定まり、例えばNeと
Pbとについていえば第５図の如く等高線v₁，v₂，
……に従つて変化する。第５図の様な等高線はテ
ーブルとしてコンピユータのメモリに記憶されて
おり、機関の運転中に実測される回転数Ne、吸
気管圧力Pb等よりテーブル中の一点が目標バル
ブタイミング位置として計算設定され、この目標
値と実際のバルブタイミング位置との偏差が計算
され、その偏差に相当したステツプ分だけステツ
プモータ５０を回転させ、これによつて、バルブ
タイミングを常に目標値に維持するものである。
以下このようなステツプモータの回転制御を実現
する構成について説明する。

６０は本発明に係るバルブタイミング制御を行
う制御回路でありマイクロコンピユータとしての
機能を持つ。制御回路６０には種々の運転条件検
知センサ群からの信号が入力している。吸気管圧
力センサ６２は吸気管４に設けられ吸気管圧力
Pbを検知する。回転数センサ６４はクランク軸
１上に設けた検知片６４′の位置に応じたパルス
信号を発生する。また水温センサ６６はシリンダ
ブロツク１のところに設けられ冷却水温を検知す
る。６７は電源電圧センサであり、バツテリＢの
電圧を検知する。

制御回路６０はこれらのセンサ群６２，６４，
６６からの信号を処理しステツプモータ５０の駆
動信号を形成する。

第６図は制御回路６０の大略をブロツク図とし
て示すものである。入力ポート６８は吸気管圧力
センサ６２、回転数センサ６４及び水温センサ６
６、電源電圧センサ６７からの信号を受ける。出
力ポート７０は、ラツチ回路７２、ゲート７４を
介してステツプモータ５０のステータコイルに結
線される。ステータコイルは、第１相２００と第
２相４００との２つの相より成る。第１の相２０
０は第７図イのように最も簡略化して示すステツ
プモータの構造において、ステータ極２０４，２
０６の励磁のためのものである。図ではステータ
リング２０８にこの２つの極２０４，２０６のみ
作られてあるが、実際上はより多くの極が円周方
向に設置されることはいうまでもない。第２の相
４００は第７図イのステータ極４０４，４０６の
励磁用である。２つの極４０４，４０６がステー
タリング４０８に形成されるが、これも同様、よ
り多数のステータ極がリング４０８の円周方向に
形成される。しかし、一方の相における一つの極
（例えば２０４）は他の相における隣接する２つ
の極（即ち４０４と４０６）間に挟まれるように
位置していることに留意すべきである。第６図の
ように、第１の相のコイル２００は２つの部分２
００′と２００″とより成つており、巻方向は同じ
であるが通電方向が反対である。同様に第２の相
のコイル４００も２つの、同一巻方向で通電方向
が反対の２つの部分４００′，４００″より成つて
いる。

次に、このような巻線構造を持つステツプモー
タの通電順序について説明すれば、今第７図イに
おいて、５００はロータであり、簡略化のため一
対のＮ，Ｓ極のみより成るが、実際上は多数の
Ｎ，Ｓ極を交互に形成した円板状永久磁石とする
ことができる。この第７図イにおいて、停止時、
即ちホールド中は一層のみ、例えば第１相のコイ
ル２００のうち第１部分２００′が通電される。
このときは図示の極性に固定極２０４，２０６は
磁化される。そのため、ロータである永久磁石５
００は図の位置をとる。

ステータコイルの一相のみに通電されたホール
ド時から、モータを回すためには、第１相の部分
２００′の通電をイの状態に保ち、第７図ロの如
く第２相の部分４００に通電をする。このとき極
４０４，４０６の着磁は図示となり、その結果ロ
ータ５００は磁力線の中立位置まで回転する。

次は、ハの如く第１相は第１の部分２００′か
ら第２の部分２００″に通電を変え、第２相は第
１の部分４００′での通電を維持する。そのため、
ロータ５００は磁力線の中立位置まで１ステツプ
回転する。

このような２相同時通電を継続して行うことに
より所定ステツプ数の最後の半ステツプ前に来
て、これがハの位置とすれば、このときは第２相
の通電が切られ、第１相の第２の部分２００″で
の通電を維持される。その結果、ロータ５００は
固定極２０４，２０６と正対するところまで、最
後の半ステツプ回転が行われる。その後のホール
ドでは、このニの状態、即ち第２相が第２部分２
００″で間欠的に通電を維持される。このように
本発明ではホールド時は一層通電、切替時は２層
通電によりステツプモータの駆動が行われる。

制御回路６０は、後述の通り、この通電順序に
従つてステツプモータが所定ステツプ駆動される
ような信号を形成する。ラツチ７２は、ステツプ
モータ５０が各ステツプ作動される間その信号の
保持を行う。ラツチ７２は第６図の通り４本の出
力を持つており、ゲート７４の夫々のトランジス
タ７４１，７４２，７４３，７４４のベースに結
線される。トランジスタのエミツタは対応する巻
線の各部分２００′，４００′，２００″，４０
０″に結線される。ゲートのトランジスタ群７４
１，７４２，７４３，７４４はラツチ７２に保持
されたコンピユータの出力内容に従つてON，
OFFされ、ステツプモータの、第７図に述べた
如きステツプずつの回転を行う。例えば、第７図
イの状態では、ラツチのr₁の出がHigh、残りは
Lowであるためトランジスタ７４１がONとなり
第１相の第１部分２００′のみを通電する。ロの
場合では、ラツチのr₁とr₃とがHigh、残りは
Lowであるため、トランジスタ７４１，７４３
がONとなり、第１相の第１部分２００′、第２
相の第１部分４００′が通電される。他について
も同様である。

入出力ポート６８及び７０はバス８０によつて
マイクロコンピユータシステムの構成要素であ
る、マイクロプロセシングユニツト８２
（MPU）、リードオンリメモリ８４（ROM）、ラ
ンダムアクセスメモリ８６（RAM）に結線され
る。８８はクロツク信号発生器（CLOCK）であ
る。

ROM８４には、前に概観したような本発明の
バルブタイミング切替制御を実現するルーチンが
プログラムの形で格納されている。MPU８２は、
ROM８４のかかる記憶内容に従つて、バルブタ
イミング制御を行う。このプログラムは第８図に
フローチヤートとして示されており、以下このフ
ローチヤートについて順を追つて説明する。

第８図において９８はこのルーチンの開始を示
し、所定時間毎に実行される割込ルーチンであ
る。MPU８２はこの割込要求が入ると、９９で
はMPU８２は電源電圧センサ６７からの電源電
圧データを格納するRAM８６の所定エリアの内
容を内部レジスタに入力し、その電圧が正規の電
圧である、例えば12V以上か否かの判定を行う。

電圧が12V以上あると認識すれば、通常時の制
御即ち、以下の如きエンジン運転状態に応じたバ
ルブタイミングの多段制御を行うルーチンに入
る。即ち先ず100のステツプでは、ステツプオン
フラグが１か否かの判定が行われる。バルブタイ
ミングの切替に先立ちこのフラグは下されている
からNOに分岐し、次いで102では、現在の運転
状態からバルブタイミングの目標値Vstepの演算
を行う。即ち、MPU８２は、RAM８６の所定
エリアに格納されている圧力センサ６２からの吸
気管圧力Pbのデータ及び回転数センサ６４から
の回転数Neのデータ、更には水温センサ６６か
らの水温THWのデータを取込む。ROM８４に
は、第５図の如き等高線データがテーブルとして
記憶されており、MPU８２は実測した圧力Pb及
び回転数Neのデータよりそのときの目標バルブ
タイミングを例えばステツプモータの、基準位置
よりの回転角Vstepとして計算する。そしてその
ときの水温THWに応じ必要な補正を行う。

次の104では、MPU８２はRAM８６の所定エ
リアに格納されている現在のステツプモータの回
転角位置Vpositを取り込み、上述の如く計算さ
れた目標値Vstepから減算する。この減算結果
STEPは目標値に対するバルブタイミングの偏差
をステツプモータの回転すべきステツプ数として
表わしたものである。

106ではSTEP＝０か否かの判定を行う。偏差
があれば判定結果はNOであり、108でステツプ
ONフラグのセツト数、110に行く。110では
STEP＞０か否かを判定し、Yesであればステツ
プモータ５０を正転させる方向に修正すべきと認
識し、118で正転命令が出される。第７図イ−ニ
で説明した様に、ある位置からのステツプモータ
を回転させる場合にどの相のどの部分を励磁する
かは今励磁されている相の部分が決まれば決定さ
れる。出力ポート７０には、現在の位置から１ス
テツプだけモータを回転させるON，OFF信号が
書き込まれ、ラツチ７２に保持され、ステツプモ
ータの１ステツプの正転が行われる。次の120で
は現在のSTEPから１を引いたものがSTEPとさ
れる。また、110でNOと判定されれば１ステツ
プの逆転処理が119で行われ、次いで121で現在の
STEPに１を加えたものをSTEPとする。

次の割込みでは100ではYesと判定され、122に
進む。目標値との偏差が存在する場合はNOと判
定され110に進み１ステツプ回転が行われる。

このような作動の結果STEP＝０、即ち目標値
の偏差が解消すると、122でYesとの判定を受け
る。このとき、第７図イ−ニの説明から理解され
るようにステツプモータは最後の半ステツプ前即
ちハの状態にあり、123で２相通電から１相通電
に切替られ、その結果ステツプモータは偏差分の
ステツプ数の回転を完了し、次いで124でステツ
プONフラグがリセツトされる。

次の割込みで依然として偏差がないとすれば
106でYesとなり、130に進みHoldフラグが１か
どうか判定される。このグラフはHold命令が出
たとき立つ。フラグ＝１の場合はYesに分岐し、
132でカウンタCHをｎと設定する。このカウン
タはホールド時におけるステツプモータの駆動信
号の出る間隔を設定する。次に134ではCH＝０
か否かが判定され、最初はNoへの分岐が生じ136
でホールドクリア出力を出す。このときラツチ７
２がクリアされ、ゲート７４はOFFとなり、ス
テツプモータへの通電は解除される。１３８は
Holdフラグのクリアを示す。

次に割込みが開始され、130に来ると、Holdフ
ラグは０であるから、Noへの分岐が生じ、140で
カウンタCHは１デクリメントされる。このよう
にして、割込が実行される毎にカウンタは減算さ
れ、０となると、134での判定結果はYesとなり、
142に進みホールドパルスが出力される。この場
合ラツチ７２には、前回123で設定されるのと同
じ内容のデータが書き込まれ、ステツプモータの
一相のみ通電するような励磁が行われる。例えば
所定ステツプ回された後の停止状態が、第２図ニ
であるとしたが、コイル２００″のみ励磁を維持
する信号が出され、その結果パルスモータはニの
位置に保持され、カムに加わる外力があつてもバ
ルブタイミングをその位置に保持する。

電源電圧が何らかの原因により正規の値である
12Vより降下すると、99での判定はNoとなる。
するとプログラムは160に進み、電源電圧が正規
の値より低いが、モータのホールドを行う程度に
は十分な、例えば8Vより低いか否か判定される。
8V以上即ち、Moのときは130に進みホールド処
理ルーチンに入る。そのため、前に述べたよう
に、ｎステツプ毎に間欠的にホールド信号が出さ
れ、バルブタイミングは、電圧降下直前の状態に
保持される。即ち、電源電圧が12V以下であるが
8Vを超えているときはステツプモータ５０から
或る程度の駆動トルクは発生するが、その駆動ト
ルクは吸気弁２４、排気弁２５を駆動時にロツカ
アーム２２，２３を介してカム軸１８に加わるト
ルク反力を克服するほど大きくないことがあり得
る。即ち、進角側へのバルブタイミング制御が必
ずしもできない。しかしながら、吸気弁２４、排
気弁２５からロツカアーム２２，２３を介してカ
ム軸１８に加わる反駆動トルクに抵抗してそのバ
ルブタイミング位置を保持する程度のトルクを発
生することは可能である。したがつて、ホールド
信号を発生することによつてバルブタイミングを
その位置にホールドすることが可能となるのであ
る。

電源電圧が8Vより低いときは、仮にコンピユ
ータが動作可能な電圧で第８図の処理が行われた
としてもステツプモータの発生する駆動力はホー
ルドすることもできない程小さくなりえる。この
とき、ステツプ160の判定はYesとなり、ステツ
プ160に進み、Vstep＝０となる。Vstep＝０はバ
ルブタイミングを最も遅角側の値とするステツプ
モータ５０の位置である。ステツプ162よりステ
ツプ108以下の前述処理が行われ、Vstep＝０と
なるべくステツプモータの制御が行われる。
Vstep＝０への制御を行わず、ステツプモータ５
０への駆動力を零とすることでカムからの反駆動
トルクで移動体４８は自らバルブタイミングが最
も遅角側のバルブタイミングとなるように（即ち
Vstep＝０となるように）動くか、積極的な制御
を行うことによつて制御中の目標バルブタイミン
グと現実のバルブタイミングを合致させることが
できる点で好ましい。

電源電圧が8Vより大幅に、例えば、5V程度ま
で降下するとコンピユータ自体の作動も不能とな
る。このときは第８図のフローチヤートによつて
意図されるバルブタイミング制御装置の作動は行
われなくなり、移動体４８の移動はコントロール
不能であるが、カム２０が吸気弁２４、排気弁２
５を駆動するときの反駆動トルクは移動体４８を
して最終的には遅角側の位置まで移動せしめ、こ
のときステツプモータ５０の角度位置はVstep＝
０となつている。

電源電圧が8Vより低いときは160の判定はYes
となり162に進み、ステツプモータの目標値
Vstepを０、即ち基準位置とし、108以下のルー
チンに進む。このためステツプモータはバルブタ
イミングを基準位置とするよう回転される。

発明の効果 電源電圧が正規の値に足りないためステツプモ
ータを回転駆動するには不充分であるが、ステツ
プモータのホールドを行うことが可能な電圧値以
上のときはホールド処理がされ、ステツプモータ
はｎステツプ毎で間欠的に駆動されその位置に保
持される。従つて、電圧がその後正規に回復した
ときバルブタイミングが目標値をとるまでの応答
性が良好となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す図、第２図
は本発明に係る内燃機関の全体概略図、第３図は
可変バルブタイミング機構のカム軸方向断面詳細
図、第４図は第３図の方向矢視図、第５図はエ
ンジン回転数及び吸気管圧力の組み合せに対する
バルブタイミングの要求特性を示す線図、第６図
は制御回路のブロツク図、第７図はステツプモー
タの回転の仕方を説明する原理図、第８酔は本発
明のソフトウエア構成を示すフローチヤート図。 １０……クランク軸、１８……カム軸、２４，
２５……バルブ、３４……可変バルブタイミング
機構、３６……アウタスリーブ、３８……インナ
スリーブ、４０，４２……スリツト、４４，４６
……ローラベアリング、５０……ステツプモー
タ、６０……制御回路、６２……圧力センサ、６
４……回転数センサ、６６……水温センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関において、 カム軸と、カム軸上に同芯に位置する回転駆動
   部材との相対位相を入力軸の回転に応じて制御す
   るタイプの可変バルブタイミング機構、 前記入力軸に連結される、回転駆動手段として
   のステツプモータ、 電源電圧の検知手段、 電源電圧が正規の値以上のときは、運転条件に
   応じたバルブタイミングを得るようにステツプモ
   ータを回転駆動する手段、 電源電圧が正規の値には達しないためステツプ
   モータを回転駆動するには不充分であるが、ステ
   ツプモータのホールドを行うことが可能な電圧値
   以上のときは現在のバルブタイミングに固定され
   るようステツプモータをホールド駆動する制御手
   段、 より成る内燃機関のバルブタイミング制御装置。