JP2018112092A - 可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２種類のカムロブを切り替える機構を有する可変動弁装置において、カムロブ切り替え時の制御ばらつきを抑制する。【解決手段】本発明の可変動弁装置は、可変動弁装置は、ソレノイドピンの切り替え溝への挿入により、アウターカムをカムシャフトの軸方向にスライドさせることで、実際にバルブを駆動する駆動カムロブを２種類のカムロブの間で切り替える。更に、可変動弁装置は、ソレノイドピンを切り替え溝に挿入していない場合に、駆動カムロブの切り替える時にソレノイドコイルに印加される電圧よりも小さな微弱電圧をソレノイドコイルに印加して、ソレノイドコイルの抵抗値を算出し、ソレノイドコイルの抵抗値に応じて、駆動カムロブを切り替える際の、ソレノイドコイルへの印加電圧又は電圧印加の開始タイミングを制御する、ように構成されている。【選択図】図６

Description

この発明は、可変動弁装置に関する。

従来、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブを駆動するカムロブを、カムプロフィールの異なる２種類のカムロブの間で切り換える可変動弁装置が知られている。また、このような可変動弁装置において、アウターカムに形成された切り替え溝へのソレノイドピンの挿入を制御することで、カムロブの切り替えを制御する装置が知られている。更に、例えば特許文献１には、エンジンの運転条件に応じてソレノイドピンの挿入タイミングを可変とした可変動弁装置が開示されている。

独国特許出願公開第１０２００４０２７９６６号明細書 特開２００２−０３０９５０号公報 特開２０１０−０７７９２１号公報

可変動弁機構におけるカムロブの切り替えのためのソレノイド制御では、ソレノイドピン挿入動作を精度良く制御することで、カムロブ切り替え可能な上限回転数を拡張させることができる。また、ソレノイド制御のばらつきを低減することにより、ソレノイドのコイル容量等の必要なスペックを低減することができ、原価低減の効果を期待できる。

しかし、これらを達成するためには、目標とする印加電圧値や通電タイミングを精度良く制御することが要求され、そのためにはソレノイドピンの挿入に要する時間である突き出し時間の正確な把握が必要となる。ここでソレノイドピンの突き出し時間は、ソレノイドに印加される電流に依存するため、ソレノイドの抵抗値を正確に把握することが求められる。

しかし、ソレノイドの抵抗値はコイル温度によって変化する。ソレノイドは、一般にエンジンのシリンダヘッド周り、例えばヘッドカバーに搭載される。このため、エンジンからの放射温度、エンジン内の油水温、車速に応じた冷却、及びデットソークによる温度上昇等、ソレノイドのコイル温度に影響する外乱因子が多い。このため、ソレノイドのコイル温度及び抵抗値は変動が大きく、ソレノイドピンの突き出し時間を正確に把握して制御することは困難である。

例えば、周辺の条件を示す油温や外気温等の計測値からコイル温度を推定した場合、実際のコイル温度と推定温度との間の乖離は大きくなる。このためコイルの推定温度から算出される通電タイミングや印加電圧に基づくソレノイドの制御には制御ばらつきが生じる虞がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、２種類のカムロブを切り替える機構を有する可変動弁装置において、カムロブ切り替え時の制御ばらつきを抑制することを目的とする。

本発明の可変動弁装置は、上述した目的を達成するため、以下の構成を有する。即ち、本発明の可変動弁装置は、互いにカムプロフィールの異なる２種類のカムロブと、カムロブを気筒単位または気筒群単位で保持する複数のアウターカムと、アウターカムに形成された切り替え溝に挿入可能に配置されたソレノイドピンと、通電によりソレノイドピンを突き出して切り替え溝に挿入させるソレノイドコイルとを備える。可変動弁装置は、ソレノイドピンの切り替え溝への挿入により、アウターカムをカムシャフトの軸方向にスライドさせることで、実際にバルブを駆動する駆動カムロブを２種類のカムロブの間で切り替える。

更に、可変動弁装置は、ソレノイドピンを切り替え溝に挿入していない場合に、駆動カムロブを切り替える時にソレノイドコイルに印加される電圧よりも小さな微弱電圧を、ソレノイドコイルに印加して、ソレノイドコイルの抵抗値を算出し、ソレノイドコイルの抵抗値に応じて、駆動カムロブを切り替える際の、ソレノイドコイルへの印加電圧又は電圧印加の開始タイミングを制御する、ように構成されている。

本発明によれば、駆動カムロブの切り替えの際に、予めソレノイドコイルの抵抗値を算出することで、例えば、ソレノイドコイルへの電圧印加の開始タイミングを、駆動カムロブの切り替え時にソレノイドコイルに実際に流れる電流値に応じたタイミングに決定することができる。従って、ソレノイドピン挿入を精度良く制御し、制御ばらつきを抑制することができる。

可変動弁装置のアウターカムの構成例を示す概略図である。 可変動弁装置のソレノイドの構成例を示す概略図である。 ソレノイドのピンの突き出しの制御について説明するためのタイミングチャートである。 ソレノイドのコイルへの印加電流と、ソレノイドのピンのフルストローク時間との関係について説明するための図である。 ソレノイドのコイル温度と抵抗値の関係及び、コイル温度と電流値の関係について説明するための図である。 実施の形態において、制御装置が実行する制御ルーチンについて説明するためのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態．
［可変動弁装置の構成］
本実施の形態において、可変動弁装置は車両に搭載され用いられる。可変動弁装置は、後述するように、アウターカムの切り替え溝に対してピンを挿入することでカムの回転を利用してアウターカムをスライドさせてカムロブを切り替えるカムシフト構造を有する。可変動弁装置は、エンジンのクランクシャフトに接続され、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフトを備える。カムシャフトには中空軸で形成されたアウターカムが各気筒に対応して間隔をおいて配置されている。

図１はアウターカムの構成例を示す概略図である。図１において、アウターカム１０は、カムシャフトの回転方向に固定される一方で、カムシャフトの軸方向にスライド可能に配置されている。図１の（Ａ）〜（Ｄ）は、カムシャフトをそれぞれ９０度回転したアウターカム１０の姿勢を表している。

アウターカム１０は、カムプロフィールの異なる２種類のカムロブ１４、１６を隣接状態で担持している。なお、ここで、カムプロフィールとは、リフト量および作用角の少なくとも一方を意味するものとする。図１では、アウターカム１０は気筒単位で配置され、２種類のカムロブ１４、１６を、１気筒あたり２組保持している。１気筒あたり２つずつの吸・排気バルブが配設されているためである。但し、１気筒あたりのバルブの数やこれに対応するカムロブの組数は、これに限定されるものではない。また、アウターカム１０は気筒単位でカムロブ１４、１６を保持するものに限られず、気筒群単位でカムロブ１４、１６を保持するものであってもよい。

アウターカム１０の表面には、溝１８が形成されている。溝１８は、途中で２本に分岐し、分岐部分が螺旋状にカムシャフトの軸方向にそれぞれ延びるように形成されている。なお、溝１８の部位を特に区別するときは、分岐後の溝１８を溝１８ａ、１８ｂと称し、分岐前の溝１８を溝１８ｃと称する。

可変動弁装置は、カムロブを切り替えるアクチュエータとして、２本のカム切り替え用のピン２２ａ、２２ｂを有するソレノイド２０を気筒ごとに備えている。以下、ピン２２ａ又は２２ｂを区別する必要がないときは、単に「ピン２２」と称する。

ソレノイド２０は、例えば自己保持型のソレノイドである。図２は、自己保持型のソレノイドの構成例を説明する図である。図２に示すように、ソレノイド２０は、シャフト２４ａ、２４ｂを備える。シャフト２４ａ、２４ｂの基端側には、永久磁石、スプリング等が設けられている。ソレノイド２０は、ハウジング内に配置されたコイル２６ａ、２６ｂと固定鉄芯２８ａ、２８ｂとを有する。

ソレノイド２０において、ピン２２ａはシャフト２４ａに連動して稼動し、ピン２２ｂはシャフト２４ｂに連動して稼動する。図２ではシャフト２４ａ及びピン２２ａが突き出し状態となっている。一方、コイル２６ｂは通電が遮断されて、シャフト２４ａ及びピン２２ｂが引き込み状態となっている。コイル２６ａ又は２６ｂへの通電によって、ピン２２ａ又は２２ｂの突き出し状態と引き込み状態とを切り換えることができる。また、このソレノイド２０の通電が遮断された状態では、永久磁石やスプリング等によって、ピン２２は引き込み状態で保持される。

本実施の形態において可変動弁装置は、制御装置としてＥＣＵを備えている。ＥＣＵは、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵは、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。ＥＣＵは、取り込んだ各種センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従ってソレノイド２０を含む各種アクチュエータを操作する。

［カムロブの切り換え動作例］
再び図１を参照して、ピン２２と溝１８の係合によるアウターカム１０の回転動作例を説明する。なお、図１では、上方から下方に向かう方向にアウターカム１０が回転するものとする。図１の（Ａ）では、ピン２２ａ、２２ｂが共に引き込み状態となっている。またピン２２ａは溝１８ａと対向し、ピン２２ｂはアウターカム１０の溝１８が形成されていない部分と対向している。

図１の（Ａ）からアウターカム１０が９０度回転した（Ｂ）の状態では、溝１８ａ、１８ｂが手前側に移動し、図１の紙面及びピン２２ａ、２２ｂに対向する部分には、溝１８ａ、１８ｂの、アウターカム１０の軸に対して直交方向に形成されている部分が現れている。以下、溝１８ａ、１８ｂの直交方向の部分を、「直交部位」とも称す。

図１の（Ｂ）では、ソレノイド２０のコイル２６ａに通電されることで、ピン２２ａは突き出され、突き出されたピン２２ａは、溝１８ａの直交部位にスムーズに挿入されて溝１８ａと係合する。なお後述するが、ピン２２の突き出しは、溝１８の直交部位とピン２２が対向している間に行われる。

図１の（Ｂ）から９０度回転した（Ｃ）の状態では、図１の紙面及びピン２２ａ、２２ｂに対向する部分には、溝１８ａ、１８ｂのアウターカム１０の軸に対して傾斜している部分が現れている。図１の（Ｃ）に描かれる溝１８ａ、１８ｂの傾斜している部位を「傾斜部位」とも称す。図１の（Ｃ）と（Ｂ）とを比較すると分かるように、溝１８ａがピン２２ａに挿入されている状態では、溝１８ａの傾斜部位に沿ってピン２２ａが移動することで、アウターカム１０が左方向にスライドする。

図１の（Ｃ）から更に９０度回転した（Ｄ）の状態では、図１の紙面及びピン２２ａ、２２ｂに対向する部分には、溝１８ｃが現れている。この状態では、アウターカム１０の左方向へのスライドも完了し、カムロブが切り替えられた状態となっている。

なお、ピン２２ｂによる切り替えも同様に行われる。即ち、ピン２２ｂの突き出しは、溝１８ｂの直交部位にピン２２が対向している間に行われる。ピン２２が溝１８ｂに挿入されると、溝１８ｂと係合状態にあるピン２２ｂが溝１８ｂの傾斜部位に沿って移動することで、アウターカム１０が右方向にスライドする。

［ピン２２の突き出しの制御］
図３は、カムロブ切り替え時のピン２２の突き出しの制御について説明するためのタイミングチャートである。カムロブの切り換え動作は、カムシャフトが１回転する間に行われ、カムロブの切り替え開始タイミング、即ち、アウターカム１０が左方向又は右方向に移動を開始するタイミングは、エンジンの回転速度やカム角度に応じて決定される。そしてピン２２の挿入完了（即ち、フルストローク完了）の目標角度が、切り替え開始タイミングから必要な余裕分前出しされた角度に決定される。ここで必要な余裕分は、制御遅れ、ハードのばらつき、回転上昇で必要となる余裕分を考慮して適宜決定される。

ピン２２の挿入は、ピン２２が溝１８の直交部位に対向する期間であるピン挿入区間の間に完了するように設定される。即ち、設定されるソレノイド２０への通電開始タイミングは、フルストローク完了の目標角度よりも、ソレノイド２０への通電開始からピン２２の突き出しが完了するまでの時間であるフルストローク時間に対応する角度に、制御がばらつきを考慮した余裕分の角度を加えた角度だけ、前の（即ち、進角側の）角度となる。

［フルストローク時間の算出］
図４はソレノイドに印加される電流値とソレノイドのフルストローク時間との関係について説明する図である。図４に示されるようにフルストローク時間は、ソレノイド２０に印加される電流値と相関関係を有し、電流値が大きくなるとフルストローク時間が短くなる。この相関関係に応じて、フルストローク時間を算出することができる。

図５は、ソレノイドのコイル温度と、コイルの抵抗値及び電流との関係について説明するための図である。図５に示されるように、コイル温度が高くなると、コイル２６ａ、２６ｂの抵抗値は大きくなる。従って同じ電圧を印加した場合にも、コイル温度が高くなると、コイル２６ａ、２６ｂに流れる電流値は低くなる。このように、コイル温度に応じてコイル２６ａ、２６ｂに流れる電流値が変化するため、ソレノイド２０に印加する電圧を一定とすると、フルストローク時間が変化することになる。

従って、本実施の形態では、ピン２２の突き出しを行う前に、フルストローク時間を予測し、予測されたフルストローク時間に応じて、ピン挿入期間の間に、ピン２２の突き出しが完了するように、ソレノイド２０への通電開始タイミングを設定する。具体的には、カムロブの切り替え要求があった場合には、まず、ピン２２が突き出しされない範囲の微弱電圧を印加し、その時、コイル２６ａ又は２６ｂに流れる電流値を計測することで、コイル２６ａ又は２６ｂの抵抗値を算出する。算出された抵抗値と、ピン２２の突き出し時に印加される印加電圧値に応じて、ピン２２の突き出し時にコイル２６ａ又は２６ｂに流れる電流値を算出する。算出された電流値に応じて、電流値とフルストローク時間との関係に従って、フルストローク時間を算出する。算出されたフルストローク時間に応じて、ソレノイド２０への通電開始タイミングを決定する。

［本実施の形態の具体的な制御］
図６は本実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンでは、まずステップＳ１０２においてカムロブの切り替え要求が検出されたか否かが判別される。ステップＳ１０２においてカムロブの切り替え要求が検出されない場合には、今回の処理は一旦終了する。

ステップＳ１０２において、カムロブの切り替え要求が検出された場合、次に、ステップＳ１０４において、ソレノイド２０に微弱電圧が印加される。次にステップＳ１０６において微弱電圧印加時にソレノイド２０に流れた電流値が計測される。

次に、ステップＳ１０８において、電圧と電流との関係に基づきコイル２６ａ又は２６ｂの抵抗値が算出される。次に、ステップＳ１１０においてコイル２６ａ又は２６ｂの抵抗値と、ピン２２突き出し時に印加される印加電圧とが取得される。ステップＳ１１２では、取得されたコイル２６ａ又は２６ｂの抵抗値と印加電圧とに応じて、フルストローク時間が算出される。

次に、ステップＳ１１４において、現在のカム角度とエンジン回転速度とが取得される。ステップＳ１１８では、ソレノイド２０への通電開始タイミングが決定される。より具体的には、通電開始タイミングは、現在のカム角度とエンジン回転速度から算出されるフルストローク完了の目標角度を、フルストローク時間に応じた通電前出し角度分進角した角度として算出される。

次に、ステップＳ１２０では、算出された通電開始タイミングにおいて通電が開始され、ステップＳ１２２において、フルストローク完了後、通電がＯＦＦとされて、今回の切り替え処理が終了する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、カムロブの切り替え開始前の微弱電圧の印加によりコイル２６ａ、２６ｂの抵抗値を検出することができる。従って、現在のコイルの抵抗値に応じて必要なフルストローク時間を確保して、ピン２２の突き出しを実行することができる。従って、コイルの温度変化によってその抵抗値が変動する場合にも、高い精度でカムロブの切り替えを制御することができ、制御ばらつきを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、コイル２６ａ、２６ｂの抵抗値からフルストローク時間を算出し、これに応じて、通電開始タイミングを決定する制御について説明した。しかし、コイル２６ａ、２６ｂの抵抗値に応じて、目標とする電流値がコイル２６ａ、２６ｂに印加されるように、ソレノイド２０への印加電圧を制御するようにしてもよい。

１０ アウターカム
１４、１６ カムロブ
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 溝
２０ ソレノイド
２２、２２ａ、２２ｂ ピン
２４ａ、２４ｂ シャフト
２６ａ、２６ｂ コイル
２８ａ、２８ｂ 固定鉄芯

Claims (1)

1. 互いにカムプロフィールの異なる２種類のカムロブと、
   前記カムロブを気筒単位または気筒群単位で保持する複数のアウターカムと、
   前記アウターカムに形成された切り替え溝に挿入可能に配置されたソレノイドピンと、
   通電により前記ソレノイドピンを突き出して前記切り替え溝に挿入させるソレノイドコイルと、
   を備え、
   前記ソレノイドピンの前記切り替え溝への挿入により、前記アウターカムをカムシャフトの軸方向にスライドさせることで、実際にバルブを駆動する駆動カムロブを前記２種類のカムロブの間で切り替える可変動弁装置であって、
   前記ソレノイドピンを前記切り替え溝に挿入していない場合に、前記駆動カムロブを切り替える時に前記ソレノイドコイルに印加される電圧よりも小さな微弱電圧を、前記ソレノイドコイルに印加して、前記ソレノイドコイルの抵抗値を算出し、
   前記ソレノイドコイルの抵抗値に応じて、前記駆動カムロブを切り替える際の、前記ソレノイドコイルへの印加電圧又は電圧印加の開始タイミングを制御する、
   ように構成された可変動弁装置。

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