JPH06299876A - 内燃機関用バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＶＶＴ非作動時におけるクランク軸とカム軸
の位相差を学習する。 【構成】 内燃機関のクランク軸とカム軸との間にバル
ブタイミング調節装置を備え、クランク軸に設けた回転
センサのパルスと、カム軸に設けた回転センサのパルス
との位相差をバルブタイミングの進角量を示す信号とし
て検出し、バルブタイミング調節装置を制御する。バル
ブタイミング調節装置が非作動状態となって、例えば最
遅角位置に機械的に固定されるアイドリング時に位相差
θを検出し、これを基準位置を示す学習値θ₀ ｉとす
る。そして、バルブタイミング調節装置を制御する時に
は、検出値θをθ₁ ｉとして、実進角値θｉを、θｉ＝
θ₀ ｉ−θ₁ ｉの演算により算出する。これにより、ク
ランク軸とカム軸との回転センサの取付誤差、経時変化
があっても正確に進角値を算出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関における弁動
作タイミング制御装置に関し、特に吸気弁および排気弁
の開時期および閉時期の内、少なくとも一方のタイミン
グを制御する弁動作タイミング制御装置に関する。

【将来の技術】弁動作タイミング制御装置（以下単に
「弁制御装置」という）は、例えばエンジンの運転状態
に応じて吸気あるいは排気の開始時期あるいは終了時期
を変えて、ジリンダ内における吸入効率および排気効率
を向上させるためのものである。そのために弁制御装置
は、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変えるよう
に制御を行い、カム軸上のカムロータにより駆動される
吸気弁および排気弁の内少なくとも一方の動作タイミン
グを早めたり（進角制御）遅くしたり（遅角制御）す
る。従来の弁制御装置は、例えば特開昭６１−２６８８
１０号に示されている。この装置には、クランク軸と同
期回転するカムプーリとそのカム軸との間に、両者とヘ
リカルスプライン噛合する中間ギアが設けられている。
この中間ギアは油圧及びバネ圧によりカム軸方向に摺動
可能に構成されており、その噛合部でカム軸に作動トル
クを与えている。これによりカム軸がその回転方向に回
動され、カムプーリとカム軸との間の相対位置が変わる
ようにしている。また、弁動作のタイミングの実進角量
の算出方法に関しては、図２に示す様に、クランク角度
信号と、一般的にそれと同数のパルス数を備えるカム角
度信号を、弁非動作時（例えば最遅角）に、位相が合致
する様に（位相差＝０）、装置の組付け時にタイミング
ロータ、及び角度センサの位置を初期設定し、弁作動時
（例えば、進角制御時）のクランク角度信号と、カム角
度信号の位相差を、そのまま、実進角量としている。

【発明が解決しようとする課題】しかし、係る弁制御装
置において、クランク角度信号と、カム角度信号の位相
を、弁非作動時に合致させるべく、装置の組付け時にタ
イミングロータ、及び角度センサの位置を初期設定する
ための特別の調整機構が必要である。また、調整の結
果、位相差が存在した場合、弁作動時の（例えば、進角
制御時）のクランク角度信号の位相差に誤差を生ずるこ
とになり、すなわち、実進角量の算出に誤差を生じ、制
御性が悪化するという問題がある。あるいは、初期調整
の結果、位相差＝０であったとしても、経時変化の影響
で将来的に位相差が発生する事も考えられる。その場
合、前述と同様、実進角量の算出に誤差を生じ、制御性
が悪化するという問題がある。本発明は、係る制御性の
向上を目的とするものであり、いかなる場合にも、実進
角量の算出に誤差を生じさせない装置を提供する。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変
化させて、前記カム軸の回転で駆動される弁の開時期お
よび閉時期の内、少なくともいずれか一方のタイミング
を変える弁動作タイミング制御装置と、内燃機関の回転
数を含む運転状態を検出する手段と、前記、運転状態を
基に前記弁の適性タイミングを決定する手段と、前記ク
ランク軸に対するカム軸の回転位相差を検出し、前記弁
の現在のタイミングを把握する手段と、前記現在のタイ
ミングを前記適性タイミングにするための制御手段とを
備える装置において、弁非作動時のアイドリング時に、
前記弁動作タイミングをクランク軸に対するカム軸の回
転位相差として学習し、弁作動時の実進角量は、クラン
ク軸に対するカム軸の回転位相差と、前記非作動時の学
習値との角度差分として算出することを特徴とする弁動
作タイミング制御装置という技術的手段を採用する。

【作用】上記形態によれば、弁非作動時（例えばアイド
リング時）の、弁動作タイミング（例えば機械的に決定
される最遅角）を、クランク軸とカム軸の相対位相角と
して学習し、弁作動時（例えば進角制御時）は、その学
習値を基にして、実進角量を算出する。これにより、装
置組付け時に、クランク角度信号とカム角度信号の相対
位相差をゼロとするための特別な調整機構を必要とせず
に、正確な弁動作タイミング（実進角量）を検出するこ
とが可能となった。また、弁動作タイミング検出機構
（タイミングロータ、角度センサ等）の経時変化の影響
で、非作動時のクランク角度信号とカム角度信号の相対
位相差にズレが生じても、その値を新たに学習し、その
学習値を基にして、弁動作タイミング（実進角量）を算
出するため常に正確な実進角量を算出することができ、
その結果、常に制御性を良好に保つことが可能である。

【実施例】本発明に係る第１の実施例の構成を図３を用
いて説明する。本実施例は、上述の第１の目的を達成す
るための弁制御装置である。本装置は、弁動作タイミン
グの制御を油圧装置を用いて行うものであり、大別する
と、電子制御装置１０（以下「ＥＣＵ」という），バル
ブタイミング可変部３０，油圧駆動部５０，カムシャフ
ト角度位置センサ８０（以後「カム位置センサ」とい
う）及びクランクシャフト角度位置センサ８１（以後
「クランク位置センサ」という）等の各種センサを備え
て構成される。ＥＣＵ１０には、センサ信号入力および
制御信号出力を行うための入出力回路１１，入力信号を
基に演算を実行して最適な弁タイミング制御値を決定す
るためのＣＰＵ１２、演算に係るプログラム及びその定
数を記憶しておくためのＲＯＭ１３，および演算データ
を一時記憶するためのＲＡＭ１４が設けられている。入
出力回路１１には、後に詳細する油圧駆動部に駆動信号
を供給するスプール弁制御回路１５が設けられている。
図３にはツインカム方式のエンジンが示されており、吸
気弁２０及び排気弁２１は、各々別個のカムシャフト２
２，２３上のカムロータ２４，２５により駆動される。
ＥＣＵ１０は、カムシャフト２２近傍に配設されたカム
位置センサ８０から信号入力し、カムシャフト２２の回
転位置を把握する。またＥＣＵ１０は、シリンダ下方に
配設されたクランク位置センサ８１から信号入力し、ク
ランクシャフト（図示せず）の回転位置及びエンジン回
転数を把握する。上記各センサは、電磁式ピックアップ
式，磁気抵抗素子式，または光素子式等のものが用いら
れる。ＥＣＵ１０は、エンジンの運転信号として上記セ
ンサ信号の他に、排気管内のスロットル開度またはアク
セルペダル開度，エンジン温度等のセンサ信号を入力し
てエンジンの負荷状態を把握する。尚、ＥＣＵ１０は、
同時に燃料系および点火系の制御も行うが、ここでは詳
細しない。ＥＣＵ１０からの制御信号は、後述する油圧
駆動部に出力され、バルブタイミング可変部３０（以下
単に「可変部」という）に供給する作動油量を決定す
る。この可変部３０は各カム軸２２または２３と組合わ
され、各弁２０または２１の動作時期を変える。尚、図
３においては説明の簡略化のために吸気弁２０にのみ可
変部３０が示されている。図４は、この可変部３０の構
成を示している。可変部３０には、カムシャフト２２と
ボルト３１で固定されたカム軸部材３２，カムシャフト
２２とカム軸部材３２との間に、カムシャフトの軸方向
に摺動可能に嵌合されたカムプーリ３３，カム軸部材３
２とカムプーリ３３との間でカムシャフトの軸方向に摺
動する中間軸部材３４，および中間軸部材３４を摺動さ
せるピストン３５が含まれる。カム軸部材３２の外周面
には「はす歯」に形成された外歯スプライン３２ａが構
成され、中間軸部材３４の内歯スプライン３４ａとヘリ
カル噛合している。中間軸部材３４は、その外周面３４
ｂで、同様に「はす歯」に形成されたカムプーリの内歯
スプライン３３ｂとヘリカル噛合している。中間軸部材
３４の端部には小径円筒状の軸受部３４ｃが構成され、
ボールベアリング３６と軸着状態にある。このベアリン
グ３６はピストン３５に固定されている。ピストン３５
はハウジング３７の内壁内で非回転状態にあり、ピスト
ンリング３８を介してカムシャフトの軸方向に油密を保
ちながら摺動可能に構成されている。ハウジングの脚部
３７ａは、シリンダヘッド上の固定部３９とボルトで固
定されている。またハウジング内部には軸受部４０が設
けられ、中間軸部材３４を支持している。ハウジング側
壁３７ｂとピストン３５との間には第１の油圧室４１が
形成されており、また中間軸部材３４とカム軸部材３２
との間には第３の油圧室４２が形成されている。これら
油圧室４１，４２には、後述する油圧駆動部から作動油
が供給される。係る構成において、通常、カム軸部材３
２，中間部材３４およびカムシャフト２２は、カムプー
リ３３と一体となり、クランクシャフトと同期して回転
する。その回転数はクランクシャフトの回転数の１／２
である。これらの回転中、油圧室４１に作動油を供給し
て中間軸部材３４をカムシャフトの軸方向に摺動させる
と、ヘリカル噛合部３４ａでは作動トルクが発生する。
これにより噛合部３４ａを介してカムシャフト２２に作
動トルクが加わり、カムシャフト２２をその回転方向に
回転させる。例えばカムシャフト２２が時計回りに回転
しているときに中間部材３４を図右側に向けて摺動させ
た場合、カムシャフト２２がその回転方向に回転したと
すると、カムシャフト２２とカムプーリ３３間の相対位
置つまり回転位相が変わる。これによりカムシャフト２
２は、クランクシャフトに対して位相が進み、弁動作時
期が進角される。反対に遅角させる場合には、油圧室４
２に作動油を供給し、中間部材３４を同左側に向けて摺
動させる。次に、このように中間軸部材３４を摺動させ
る油圧駆動部５０を説明する。油圧駆動部は、エンジン
内にあるオイルパン５１，油圧ポンプ５２，スプール弁
５３を備えて構成される。油圧ポンプ５２は、その詳細
を省略するが、その圧送駆動がクランクシャフト動力に
より行われる通常のタイプのものである。オイルパン５
１内の作動油は、油圧ポンプ５２により圧送され、スプ
ール弁５３を介して角油圧室４１，４２に供給される。
スプール弁５３は、ＥＣＵ１０からの制御信号により油
送管５４，５５の開閉を行い、各油圧室４１，４２に導
入する作動油量を調節する。この制御信号は、ＥＣＵ内
のスプール弁制御回路１５からデューティ信号として電
流出力され、スプール弁のソレノイドコイル５６（以下
単に「コイル」という）に供給される。スプール弁内の
軸５７は、その電流値に従ってその軸方向に動き、同時
にこれに抗するリターンスプリング５８（以下単に「ス
プリング」という）により抑止されながら各油送管５
４，５５を開閉する。図５は、スプール弁５３の動作状
態例を示している。図５（ａ）はデューティ比が０％の
制御信号が与えられた場合の状態を示している。このと
き軸５７は、スプリング５８により左端に抑止され、油
圧管５５だけに作動油が供給される。これにより作動油
は油圧室４２に供給され、一方の油圧室４１内の作動油
は、油圧管５４を通してオイルパン５１に戻される。そ
の結果、図４の油圧室４２の容積が拡大し、中間軸部材
が図左方向に摺動する。図５（ｂ）は同５０％の状態を
示している。この場合、コイルによる押力と、スプリン
グの押力とが両方の油圧管５４，５５を共に閉鎖する位
置でつり合い、両油圧室４１，４２に作動油は供給され
ず、図４における摺動機構は現在の状態を維持する。図
５（ｃ）は同１００％の状態を示している。この場合、
油圧管５４だけに作動油が供給される。これにより作動
油は油圧室４１に供給され、油圧室４２内の作動油は、
軸５７内の油送路５９を通してオイルパン５１に戻され
る。この結果、図３の油圧室４１が拡大し、中間軸部材
３４を図右方向に摺動させる。このようにしてＥＣＵ１
０は、デューティ比を細かく変えて制御信号をコイル５
６に供給し、各油圧室に供給する油量を制御する。尚、
上記デューティ比＝０，５０，１００％の値は、コイル
５６とスプリング５８等の特性により変化することがあ
る。次に、係る構成による吸気弁の開時期の制御（つま
り、吸気弁の閉時期の制御に相当する）について説明す
る。係る制御は、例えばＰＩＤフィードバック制御によ
り実行される。尚、本実施例では吸気弁について説明す
るが排気弁についても同様である。図６はそのフローチ
ャートを示し、このルーチンはＥＣＵのＣＰＵ内で所定
時間毎にあるいは、カム角度信号入力タイミングで割り
込み処理される。尚、以下、カム角度信号がエンジン１
行程（７２０℃Ａ）に４パルス存在するシステム（例え
ば４気筒エンジン）を例として説明する。まず、ステッ
プ１００ではクランク位置センサ，カム位置センサ等の
各種センサからエンジンの運転状態信号を入力する。次
にステップ１１０では、これらの信号からのクランクシ
ャフトに対するカムシャフトの相対的位相差を算出し、
現在の開弁時期に相当する位相角θｉ（ｉ＝１〜４）を
算出する。この位相角θｉ（ｉ＝１〜４）（実進角量）
の算出方法は、本発明の主要部であるため、後に詳述す
る。次にステップ１２０では、同１００で入力した各信
号値から現在のエンジンの運転状態を把握し、吸気弁の
適性開弁時期に相当する角度θ_T （以下「目標角度」と
いう）を決定する。この目標角度は、例えば図７に示す
ように、エンジン回転数と、エンジン負荷に対応する吸
入空気量との２次元マップを用いて決定される。目標角
度θT を決定後、ステップ１３０では、同１１０で算出
した角度θが目標角度θT と比較される。このときθ_T
＝θｉであればステップ１６０が実行され、上記スプー
ル弁の両油圧管を閉鎖する制御値が決定される。またθ
T ≠θｉであれば、ステップ１４０でその角度差（θ_T
−θｉ）が算出され、同１５０においてその角度差に対
するフィードバック制御値が決定される。その後、制御
値はスプール弁のコイルに向けて信号出力される。（ス
テップ１７０）。尚、途中にエンジンの運転状態が変わ
り、ステップ１２０で目標角度θT が変わった場合に
は、同１２０において、従前の目標角度θ_T に係る制御
要素はクリアされ、新たに決定された目標角度θ_T に対
して、制御値が決定される。これにより、エンジン運転
状態全域にわたり安定した応答速度で、適正な開弁時期
の制御が達成される。次に図６のステップ１１０による
実進角度θｉの算出方法を図１を用いて詳述する。図１
は、クランク角度信号、カム角度信号共に１行程（７２
０℃Ａ）にパルスを４つ持つシステムにおけるタイミン
グ・チャートである。また、弁非作動時のアイドリング
時には、機械的に、最遅角とするシステムを例としてい
る。本実施例では、弁非作動時に、その最遅角位置を、
クランク角度信号とカム角度信号との位相差として各パ
ルス毎に学習する。図１では、それぞれθ₀₁，θ ₀₂, θ
₀₃, θ₀₄とする。弁作動時（例えば進角制御時）の実進
角量θｉは、次の様にして算出する。弁作動時のクラン
ク角度信号とカム角度信号の位相角θ₁ ｉ（ｉ＝１〜
４）を求め、それぞれθ₁₁, θ₁₂, θ₁₃, θ₁₄とする。
実進角量θｉ（ｉ＝１〜４）は、これら位相角と前記学
習値との差として下記のように各パルス毎に算出する。 θ₁ ＝θ₀₁−θ₁₁ θ₂ ＝θ₀₂−θ₁₂ θ₃ ＝θ₀₃−θ₁₃ θ₄ ＝θ₀₄−θ₁₄ 尚、波形整形に係る電気的遅れ時間（時定数）は、補正
値として実進角量θｉに反映される。図９に図６のステ
ップ１１０の詳細フローチャートを示す。まず、ステッ
プ２１０では、今回入力されるカム角度信号が何番目の
パルスであるかを判別し、ｉを特定する。この判別処理
は、例えば、制御開始から、順次ｉを１から４に巡回さ
せるだけでもよく、エンジン回転の基準位置との関係か
ら特定のパルスをｉ番目として判別する手法を採用して
もよい。スラップ２２０にて今回入力されたクランク角
度信号とカム角度信号との位相差θを算出する。次にス
テップ２３０にて、現在のエンジン運転条件がアイドリ
ングか否かを判定し、アイドリングの時は、ステップ２
４０で、初期値（ＶＶＴ非作動時のカムとクランク位相
差）としてθ₀ ｉを学習する。パルスが１番目のパルス
である場合、（ｉ＝１の場合）θ₀₁＝θとして学習され
る。また、アイドリングでない時は、ステップ２５０に
て、ＶＶＴ作動時のクランク角度信号とカム角度信号と
の位相差としてθ₁ ｉに今回の位相差θをセットする。
パルスが１番目のパルスである場合は、θ₁₁＝θとして
セットされる。そして、ステップ２６０では、今回、ま
たは前回のステップ２４０で更新された学習値θ₀ ｉと
今回の位相差θ₁ ｉとの差を、実進角量θｉとして算出
する。以上、本発明に係る好ましい実施例を示したが、
その構造および構成は、特許請求の範囲から外れること
なく、種々の変更、変形が可能である。例えば、第２実
施例として図８に、クランク角度信号とカム角度信号の
パルス数が異なるシステムのタンミング・チャートを示
す。当実施例においては、クランク角度信号は１行程
（７２０℃Ａ）で２４パルスである。カム角度信号の進
角量を算出する基準となる歯を、２４パルスのクランク
角度信号内に備える。この基準となる歯の位置は、例え
ば第１気筒のＴＤＣからＮ番目の歯、という具合に決め
る。また、弁動作タイミングの最進角時でも、カム角度
信号の各パルスが、対応するクランク角度信号の基準歯
を飛び越えない位置に選ぶことが必要となる。

【発明の効果】以上の様に、弁動作タイミングの算出に
弁非作動時の学習値を用いることにより、装置組付け時
に、クランク角度信号とカム角度信号の相対位相角をゼ
ロとするための高価な調整機構を必要とせずに，正確な
弁動作タイミング（実進角量）を検出することが可能と
なった。また、弁動作タンミング検出機構（タイミング
・ロータ、角度センサ等）の経時変化の影響で、非作動
時のクランク角度信号と、カム角度信号の相対位相差に
ズレが生じても、その値を新たに学習し、その学習値を
基にして、弁動作タイミング（実進角量）を算出するた
め、常に正確な実進角量を算出することができ、その結
果、常に制御性を良好に保つことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る弁動作タイミングの算出方法を示
す第１のタイミング・チャート。

【図２】従来技術に係る弁動作タイミングの算出方法を
示すタイミング・チャート。

【図３】本発明に係る実施例の構成図。

【図４】本実施例におけるバルブタイミング可変部。

【図５】本実施例におけるスプール弁の一動作状態を示
す説明図。

【図６】実施例の動作フローチャート。

【図７】実施例において用いられる２次元マップの一例
を示す説明図。

【図８】本発明に係る弁動作タイミングの算出方法を示
す第２のタイミング・チャート。

【図９】実施例の動作フローチャート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸に対するカム軸の回転位相を
   変化させて、前記カム軸の回転で駆動される弁の開時期
   および閉時期の内、少なくともいずれか一方のタイミン
   グを変える弁動作タイミング制御装置と、内燃機関の回
   転数を含む運転状態を検出する手段と、前記、運転状態
   を基に前記弁の適性タイミングを決定する手段と、前記
   クランク軸に対するカム軸の回転位相差を検出し、前記
   弁の現在のタイミングを把握する手段と、前記現在のタ
   イミングを前記適性タイミングにするための制御手段と
   を備える装置において、弁非作動時のアイドリング時
   に、前記弁動作タイミングをクランク軸に対するカム軸
   の回転位相差として学習し、弁作動時の実進角量は、ク
   ランク軸に対するカム軸の回転位相差と、前記非作動時
   の学習値との角度差分として算出することを特徴とする
   弁動作タイミング制御装置。