JPH0610106Y2

JPH0610106Y2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JPH0610106Y2
Application number: JP9296286U
Authority: JP
Inventors: 治男湯沢; 吉田　　誠; 彰夫赤坂; 聖治菅
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-06-17
Filing date: 1986-06-17
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2001-06-17
Also published as: JPS63112U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は、内燃機関のバルブタイミング制御装置、特に
吸・排気弁のバルブタイミングを運転状態に応じて可変
的に制御する装置の改良に関する。

（従来の技術）一般に、機関のバルブタイミングの中で重要なもののひ
とつにバルブオーバラップがあり、例えば機関の負荷が
小さい場合には機関の燃焼安定性を確保し、排気ガスを
減少させるために吸排気弁のバルブオーバラップを相対
的に小さくする。また、同じ負荷状態であっても回転数
や燃料噴射パルス幅によってそのバルブオーバラップの
最適値が変わってくる。

このようなより高い運転性を目指すために、機関の運転
状態に応じてバルブタイミングを可変的に制御するもの
が開発されており、例えばそのようなものとしては特開
昭５９−１２０７０７号公報に記載の装置がある。

この装置では、バルブを開閉するカムシャフトにクラン
クシャフトからの回転を伝達するカム駆動輪をカムシャ
フトに対して所定角度回転可能に取付け、かつこの駆動
輪のカムシャフトに対する回転位相を変化させるため油
圧に応動するピストン部材を設け、ピストン部材に作用
する油圧を電磁弁を介して制御している。この場合、バ
ルブタイミングの可変制御を正確に行うため、ピストン
部材の軸方向変位量を検出する位置センサを設け、目標
通りにピストン部材が変位しているか否かを判断し、ず
れているときはそのずれを修正フィードバック制御す
る。

（考案が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来のバルブタイミング制御
装置にあっては、ピストン部材の軸方向変位量を検出す
る位置センサが駆動輪とカムシャフトとの間に同軸的に
介装され、エンジン前面のギヤケースに囲まれた部分
（すなわち、カムシャフトの前端部）に配設された構成
となっていたため、構造上位置センサの取付精度の調整
が困難であった。

すなわち、ピストン部材の軸方向変位量〔直線方向〕が
バルブ可変カムの回転方向変位量〔円周方向〕に対応す
るものとして間接的に検出されていたため、ピストン部
材等の取り付け状態や軸方向変位を回転方向変位に変え
るスプライン歯部の微妙な差異をも考慮に容れて正確に
調整する必要があり、調整が比較的困難であった。ま
た、位置センサの取り付け箇所自体が複雑なカムシャフ
ト前端部に位置するため、取付精度の調整を一層困難な
ものとしていた。

さらに、ピストン部材の軸方向変位の検出に当たって
は、ピストン部材後端部から径方向に延びている伸長部
によってリングがばねの付勢力に抗して軸方向に移動す
る変位を、シリンダヘッド壁に配設された位置センサに
よって検出するという複雑な構成となっていたため、製
造コストが高くなるという問題点があった。

（考案の目的）そこで本考案は、位置検出手段をカムシャフトの後端部
分に設けることにより、カムシャフト相対位置を直接検
出して検出精度を高めるとともに、位置検出手段の構造
を単純化して取付精度の調整を容易にして、製造コスト
が低廉で信頼性の高い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。

（問題点を解決するための手段）本考案による内燃機関のバルブタイミング制御装置は上
記目的達成のため、エンジンの運転状態を検出する運転
状態検出手段ａと、カムシャフトの後端部に設けられ、
バルブ可変カムの相対位置を検出する位置検出手段ｂ
と、運転状態に基づいて最適なバルブ開閉タイミングと
なるような前記相対位置の制御目標値を演算する演算手
段ｃと、前記相対位置の検出値が該制御目標値と一致す
るようにカムシャフトの相対位置を制御する制御値を演
算する制御手段ｄと、制御手段ｄの出力に基づいてバル
ブ開閉タイミングを変えるバルブ可変カムの相対位置を
設定する相対位置操作手段ｅと、バルブ可変カムの相対
位置に応じてバルブの開閉タイミングを可変とするタイ
ミング可変手段ｆと、を備えている。

（作用）本発明では、カムシャフトの後端部分に設けられた位置
検出手段によってバルブ可変カムの相対位置が直接検出
され、この検出信号に基づき運転状態に応じてバルブタ
イミングが最適となるような相対位置の制御目標値が演
算される。そして、この演算値に基づいてバルブタイミ
ングを可変とするタイミング可変手段がより正確に制御
される。この場合、相対位置を検出している位置検出手
段は従来のようにカムシャフトの前端部に配設されてお
らず、検出精度が高く、かつその取付の調整が容易であ
る。したがって、製造コストの低廉化と信頼性の向上が
図られる。

（実施例）以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第２〜９図は本考案の一実施例を示す図であり、本実施
例は本考案を吸気弁と排気弁を２本のカムシャフトで開
閉制御するダブルオーバーヘッドカムシャフト機関に適
用した例である。

まず、構成を説明する。第２図は機関の運動部分の斜視
図である。同図において、１はピストンであり、ピスト
ン１はコネクティングロッド２を介してクランクシャフ
ト３に動力を伝達する。また、ピストン１の上方には吸
気弁４ａ、４ｂおよび排気弁５ａ、５ｂが配設され、そ
れぞれ弁の開閉により吸気、排気が行われる。吸気弁４
ａ、４ｂの後端側はインテークカムシャフト６に形成さ
れたバルブ可変カム６ａに摺動可能に当接しており、イ
ンテークカムシャフト６の回転に応じて吸気弁４ａ、４
ｂが開閉する。同様に、排気弁５ａ、５ｂの後端側はエ
キゾーストカムシャフト７に当接し、エキゾーストカム
シャフト７の回転に応じて排気弁５ａ、５ｂが開閉す
る。

一方、インテークカムシャフト６の前端側にはインテー
クカム駆動輪８が取り付けられており、インテークカム
駆動輪８はインテークカムシャフト６に対する回転位相
を変化させることが可能な状態でインテークカムシャフ
ト６を駆動する。また、エキゾーストカムシャフト７の
前端側にはカム駆動輪９が固定され、インテークカム駆
動輪８およびカム駆動輪９にはタイミングベルト10を介
してクランクシャフト３の回転力が伝達される。

カム駆動輪９の側方にはクランク角センサ11が設けられ
ており、クランク角センサ11は機関本体に支持されたブ
ラケット（図示略）に固定される。クランク角センサ11
はエキゾーストカムシャフト７により駆動され、各気筒
の基準位置（例えば、上死点前100°の位置）でパルス
を発生させる基準信号ＲＥＦと、クランクシャフト３の
一定角度（例えば、１°クランク角）回転毎にパルスを
発生させる単位信号ＰＯＳとを出力する。

また、インテークカムシャフト６の後端部には軸芯から
オフセットした位置にピン12が設けられおり、ピン12の
近傍には所定間隔を隔ててカムセンサ13が配設される。
カムセンサ13は第３図に詳細を示すように、ボルト14に
よりシリンダヘッド15に締付、固定された取付部材16に
よって固定されており、ピン12の回転位置を検出してイ
ンテークカムシャフト６におけるバルブ可変カム６ａの
相対位置（カム角度位置）Ｐｃを検出し、カム位置信号
を出力する。なお、17はバルブリフタ、18はスプリング
である。

インテークカムシャフト６の前端側におけるインテーク
カム駆動輪８の取付や、これらの詳細な機構は第４図の
ように示される。

第４図は、第１図におけるインテークカムシャフト６の
前端部を断面図にして示したものである。

インテークカムシャフト（以下、単にカムシャフトと呼
ぶ）６はシリンダヘッド21に固定された軸受22により回
転自在に支持され、その突出端には円筒状のインテーク
カム駆動輪（以下、単に駆動輪と呼ぶ）８が配置され
る。駆動輪８とカムシャフト６との間には環状のピスト
ン部材23が介装され、ピストン部材23とカムシャフト６
とはそれぞれの嵌合内周と外周に形成したスプライン歯
24により互いに係合する。同じく、ピストン部材23と駆
動輪８とは、その嵌合内周と外周に形成したスプライン
歯25により係合し、駆動輪８の回転はピストン部材23を
介してカムシャフト６に伝達される。前記スプライン歯
24、25のいずれか一方はスパイラル状の斜行歯に形成さ
れており、ピストン部材23の軸方向移動によりカムシャ
フトが駆動輪８に対して相対的に回転するようになって
いる。

一方、ピストン部材23は駆動輪８の内周とカムシャフト
６の外周との間に区画形成された作動室26に供給される
油圧に応動して、反対側に介装したリターンスプリング
27の付勢力に抗してカムシャフト６の軸方向に変位す
る。すなわち油圧の上昇に応じて比例的にピストン部材
23が変位し、これによりカムシャフト６と駆動輪８の回
転位相が変化して、カムシャフト６を介して開閉駆動さ
れる吸気弁のバルブタイミングが変化する。

なお、作動室26の端面はカムシャフト６と一体の隔壁28
によって油密的に画成され、この作動室26にはシリンダ
ヘッド15に形成した潤滑油の供給通路29からカムシャフ
ト６の内部を軸方向に貫通する通路30を経由して、その
半径方向に開口する通路31から前記スプライン歯24の間
隙を通して潤滑油が導かれるようになっている。また、
通路30にはオリフィス32が形成されるとともに、通路31
が分岐したその下流側は図示しないオイルパンなどに潤
滑油を戻すように接続されており、この途中に後述する
コントロールユニット40からの信号で弁開度をデューテ
ィ制御する電磁弁41が介装されている。

また、エンジンの吸入空気の流量Ｑａはエアフローメー
タ42により検出され、冷却水温Ｔｗは水温センサ43によ
り検出される。上記クランク角センサ10、エアフローメ
ータ42および水温センサ43は運転状態検出手段44を構成
している。

コントロールユニット40は演算手段および制御手段とし
ての機能を有し、マイクロコンピュータにより構成され
る。そして、コントロールユニット40は内部のメモリに
格納されているプログラムに従って運転状態検出手段44
およびカムセンサ13からの出力信号を読み込むととも
に、それらの信号に基づいてバルブ可変カム６ａの相対
位置を制御する制御値を演算し、この演算結果に応じた
デューティ値を有する制御信号Ｓ_Dを電磁弁41に出力す
る。

電磁弁41は制御信号Ｓ_Dのデューティ値に基づいて弁開
度を変えて作動室26の油圧を変化させ（例えば、弁開度
を減少させると戻り量が規制され、作動室26の油圧が上
昇する）、ピストン部材23を軸方向に変位させる。この
ピストン部材23の変位により、ピストン部材23に連動し
ているカムシャフト６の相対位置（回転位相）が変化
し、バルブタイミングが調整される。

ここで、作動室26、隔壁28、供給通路29、通路30、通路
31、オリフィス32および電磁弁41は全体として相対位置
操作手段45を構成し、カムシャフト６、バルブ可変カム
６ａ、インテークカム駆動輪８、ピストン部材23、スプ
ライン歯24、スプライン歯25およびリターンスプリング
27は全体としてタイミング可変手段46を構成する。

また、コントロールユニット40は図示しない点火装置47
および燃料供給装置48の作動を制御して、機関に供給す
る混合気の空燃比と点火時期とを常に最適な状態になる
ように制御する。

次に、第５図に示すフローチャートおよび第６〜８図に
示すタイミングチャートを参照して作用を説明する。な
お、以下の説明においては複雑化を避けるため最も不都
合のない数値を用いて説明することにするが、本考案は
これらの数値に限定されるものではなく、各エンジンに
ついて最適な値が選択される。

まず、第５図において、Ｐ₁で各シリンダの基準位置
（例えば、上死点前100°）で発生する基準信号ＲＥ
Ｆ、クランクシャフト３の一定角度回転毎に発生する単
位信号ＰＯＳ、吸入空気量Ｑａ、冷却水温度Ｔｗ、イン
テークカムシャフト位置（例えば、インテークバルブの
開弁始めの位置）で発生するカム角度位置Ｐｃおよびス
タータスイッチＳＷの信号を読み込む。次いで、Ｐ₂で
回転数Ｎを算出する。すなわち、第６図に示すような信
号を発生するクランク角センサの場合には基準信号ＲＥ
Ｆ間に入力されるクランク角度信号ＰＯＳのパルス（ク
ランク角１°の信号）をカウントして回転数Ｎを算出
し、第７図に示すような信号を発生するクランク角セン
サの場合にはクランク角度信号15°毎に入力される信号
ＰＯＳの時間をカウントして回転数Ｎを算出する。Ｐ₃
では次式に従って燃料噴射量Ｔｐを演算する。

Ｔｐ＝Ｋ・（Ｑａ／Ｎ）…… 但し、Ｋ：定数次いで、Ｐ₄でスタータスイッチＳＷがＯＮであるか否
かを判別し、ＯＮでないときは機関の始動が完了してい
ると判断してＰ₅に進む。Ｐ₅では冷却水温Ｔｗが設定値
（例えば、60℃）よりも高いか否かを判別して、高くな
いときはＰ₆に進み、Ｐ₆で所定時間（例えば、10秒間）
が経過したか否かを判別する。10秒以上経過した場合は
Ｐ₇で今回のカム角度位置Ｐｃからバルブの早まり角
（すなわち、バルブオーバーラップの変化量）Ｓをテー
ブルマップからルックアップし、Ｐ₈に進む。

テーブルマップには具体的には、第９図のような特性で
早まり角Ｓが記憶されており、Ａ、ＢおよびＣ領域とし
て示す範囲で表される。Ａ領域として示す範囲は機関の
負荷が小さい場合であり、機関の燃焼安定性を確保する
ために吸排気弁のバルブオーバラップを相対的に小さく
する。また、Ｂ領域として示す範囲は機関の負荷および
回転数が大きい場合であり、機関の吸排気効率を高めて
出力を向上させるために吸排気弁のバルブオーバラップ
を相対的に大きくする。ところで、これらＡ領域、Ｂ領
域においては早まり角Ｓの目標値が燃料噴射量Ｔｐ〔縦
軸〕と回転数Ｎ〔横軸〕とのパラメータで各々16分割し
たマップに割り付けてあるので、同じＡ領域、Ｂ領域で
あっても回転数Ｎや燃料噴射量Ｔｐによって目標値は異
なる。一方、Ｃ領域として示す範囲は上記Ａ領域とＢ領
域とをつなぐ中間の目標値の領域であり、機関の出力と
回転の安定性を両立させるようなバルブオーバラップが
設定される。

Ｐ₈ではカム角度位置Ｐｃとバルブオーバラップ最小時
のカム角度位置Ｐｃmini（すなわち、角度差Ｆから早ま
り角Ｓを引いた値）とを次式により比較する。

Ｐｏ＜Ｆ−Ｓ…… 但し、Ｆ：クランク角度基準信号ＲＥＦが発生してから
カム角度位置（第８図参照）が発生するまでのクランク
角における角度差ＰｃがＰｃminiより小さいときは実際のバルブオーバラ
ップが大きくなり過ぎていると判断して、Ｐ₉で制御デ
ューティを増大させ電磁弁41の開度を大きくして作動室
26の圧力を下げる。また、Ｐｃが大きい場合はＰ₁₀で制
御デューティを減少させ作動室26の圧力を上げる。これ
により、例えば作動室26の圧力を低下させると、ピスト
ン部材23がリターンスプリング27に押し戻され、このピ
ストン部材23と連動しているインテークカムシャフト６
の相対位置が、バルブオーバーラップが小さくなる位置
に変化して、吸排気弁のバルブオーバラップが小さくな
る。

一方、Ｐ₆で10秒以上経過していないときはＰ₁₁でクラ
ンク角度信号ＰＯＳから角度差Ｆを演算し、この角度差
Ｆを新たなカム角度位置Ｐｃとしてメモリに格納してＰ
₁₂に進む。Ｐ₁₂では電磁弁41の制御デューティを100％
に維持する。

また、Ｐ₄でスタータスイッチＳＷがＯＮ状態のとき、
あるいはＰ₅で冷却水温Ｔｗが設定値（60℃）よりも低
いときは共にＰ₁₂に進んで制御デューティを100％とす
る。これらのときはエンジンが始動状態であると判断し
てバルブタイミングの制御は行わない。すなわち、機関
の始動後や暖機終了後は始動性や低速安定性を向上させ
るためにバルブオーバラップを相対的に小さくする。

このように、制御デューティを制御することにより、作
動室26の圧力を増大（あるいは、減少）させてピストン
部材23を変位させることにより、カムシャフト６の相対
位置がその制御目標値と一致するようにフィードバック
制御される。その結果、運転状態に応じたバルブオーバ
ラップ量が適切に制御される。

このように、本実施例ではカムセンサ13をカムシャフト
６の後端部に設け、相対位置（回転位置）をカムシャフ
ト６の軸の回転方向の変位から直接検出しているので、
従来の問題点として指摘した次のような不具合が解消さ
れる。

（イ）相対位置を軸方向変位量から検出していないの
で、軸方向に取付けるピストン部材23等の取付精度に余
裕が生まれ、取付けの調整が非常に容易となる。

（ロ）カムセンサ13をカムシャフト６の後端部に配設し
ているので、複雑な前端部への取付けを避けることがで
き取付けが容易になる。

（ハ）カムセンサ13自体の構成が極めてシンプルになる
ので、製造コストの低廉化が図れるほか、信頼性と耐久
性が共に向上する。

以上の（イ）〜（ハ）の効果により、相対位置を精度良
く低コストで検出することができ、その結果、バルブタ
イミング制御装置の精度向上および製造コストの低廉化
を実現することができる。

なお、本実施例では、インテークバルブとエキゾースト
バルブを別々のカムシャフトで駆動するダブルカムシャ
フトになっているが、本考案はこれに限定されるもので
はなく、例えばインテークバルブとエキゾーストバルブ
とを１個のカムシャフトを使用する態様のものにも適用
が可能である。

また、カムシャフトに設けたピンは１本である必要はな
く複数個設ければ検出精度が一層高まり、制御性をより
向上させることができる。

加えて、本実施例では、非制御状態におけるカム角度位
置Ｐｃを初期値として用いてカムセンサおよびピンの組
立位置等のバラツキを吸収するようにしているが、組立
精度を一層向上させてメモリにカム角度位置を記憶させ
て制御することも勿論可能である。

さらに、本実施例では制御の基本データとして燃料噴射
量Ｔｐを用いたが、本考案はこれに限定されるものでは
なく、要は運転状態を判断できるものであればよく、例
えば機関の吸入空気量、吸入負圧、トルク等により代用
可能なことは言うまでもない。

（効果）本考案によれば、位置検出手段をカムシャフトの後端部
分に近接して設けバルブ可変カムの相対位置を直接検出
しているので、検出精度を著しく高めることができると
ともに、取付精度の調整を容易にすることができる。し
たがって、制御をより一層適切に行うことができ、製造
コストの低減・装置の信頼性の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の基本概念図、第２〜９図は本考案の一
実施例を示す図であり、第２図はその運動部分の斜視
図、第３図はそのカムセンサ部分を詳細に示す断面図、
第４図はその要部断面図、第５図はそのバルブタイミン
グ制御のプログラムを示すフローチャート、第６〜８図
はそのバルブタイミング制御の動作を示す各タイミング
チャート、第９図はそのバルブオーバラップ制御による
早まり角のルックアップ域を燃料噴射量とエンジン回転
数との関係で示す図である。 13……カムセンサ（位置検出手段）、 40……コントロールユニット（演算手段、制御手段）、 44……運転状態検出手段、 45……相対位置操作手段、 46……タイミング可変手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者赤坂彰夫神奈川県厚木市恩名1370番地厚木自動車部品株式会社内 (72)考案者菅聖治神奈川県厚木市恩名1370番地厚木自動車部品株式会社内

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状
態検出手段と、ｂ）カムシャフトの後端部に設けられ、バルブ可変カム
の相対位置を検出する位置検出手段と、ｃ）運転状態に基づいて最適なバルブ開閉タイミングと
なるような前記相対位置の制御目標値を演算する演算手
段と、ｄ）前記相対位置の検出値が該制御目標値と一致するよ
うにカムシャフトの相対位置を制御する制御値を演算す
る制御手段と、ｅ）制御手段の出力に基づいてバルブ開閉タイミングを
変えるバルブ可変カムの相対位置を設定する相対位置操
作手段と、ｆ）バルブ可変カムの相対位置に応じてバルブの開閉タ
イミングを可変とするタイミング可変手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング
制御装置。