JP3076390B2 - エンジンのカムタイミング制御装置 - Google Patents

エンジンのカムタイミング制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、エンジンのカムタイ
ミング制御装置に関し、特に電磁力でカムタイミングを
切り替える装置において切り替え時の応答性を確保する
ようにした装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】車両エンジンでは、エンジンの駆動力に
よってカムシャフトを同期回転させ、カムの回転によっ
て吸気弁及び排気弁を開閉するという構造が一般的に採
用されているが、他方、エンジンの運転状態、例えば負
荷や回転数に応じてカムタイミングを変化させて吸気弁
や排気弁のバルブタイミングを補正して作動効率をアッ
プさせることが提案されている。
【０００３】従来、この種のカムタイミング制御装置に
は、油圧機構を利用してカムタイミングを変更するよう
にした油圧式の装置が知られている。
【０００４】また、他のカムタイミング制御装置とし
て、従来、特開平２−１０２３０５号公報に示されるよ
うに、電気的にカムタイミングを変更するようにしたも
のがある。即ち、これは、エンジンのタイミングプーリ
とカムシャフトとを所定の回転角度範囲において回動可
能に連結し、両者の間にコイルバネを介設してカムシャ
フトを遅角方向に回動付勢する一方、バッテリから電磁
コイルへの通電によってクラッチを作動させ、発生する
摩擦力とコイルバネの付勢力とを釣り合わせてカムシャ
フトを進角させるようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来の
電気式カムタイミング制御装置では、クラッチの摩擦力
とコイルバネの付勢力との釣合いによってカムタイミン
グを切り替えるようにしていたので、回転慣性力による
抵抗が大きいエンジンの高負荷時や高回転時にはカムタ
イミングの切り替え抵抗が増大し、カムシャフトがタイ
ミングプーリに対して所定の進角位置と遅角位置の中間
で止まってしまい、切り替え応答性の点で問題があっ
た。また、電源電圧の低い時やエンジン温度の高い時に
は電磁コイル側の抵抗が大きく、かかる場合にも切り替
え応答性が低下していた。
【０００６】また、上記従来の電気式カムタイミング制
御装置では、単にバッテリから電磁コイルに通電するよ
うにしていたので、消費電力が大きく、オルタネータの
負荷が増大するという問題があった。
【０００７】さらに、上記従来の電気式カムタイミング
制御装置では、クラッチを作動させて摩擦力を発生さ
せ、これをコイルバネの付勢力とを釣り合わせてカムシ
ャフトを進角させるようにしていたので、クラッチの摩
擦力によってエンジン内部抵抗が増大し、燃費が悪化す
るとともに、アイドル振動や耐エンスト性等の性能が悪
化するという問題があった。燃費や性能を確保する方法
としては、電磁コイルへの供給電圧を低下させることが
考えられるが、単に供給電圧を低下させると、今度は通
常時におけるカムタイミングの切り替わり時間が長くな
って車両走行性が低下するという問題が生じる。
【０００８】この発明は、かかる問題点に鑑み、カムタ
イミングの切り替え応答性を確保でき、又必要に応じて
消費電力を低減できるとともに燃費や性能を確保できる
ようにしたエンジンのカムタイミング制御装置を提供す
ることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明に係るエ
ンジンのカムタイミング制御装置は、電磁力でカムタイ
ミングを切り替えるバルブタイミング補正装置を備えた
ものを前提とし、上記エンジンのカムシャフトに対して
固定されたドラムと、該ドラムに対して所定の角度範囲
内で回動可能に連結されたタイミングプーリと、該タイ
ミングプーリと上記カムシャフトの間に介設されて該カ
ムシャフトを一方向に回動付勢するコイルバネと、上記
ドラムを押圧可能なブレーキシューと、該ブレーキシュ
ーのドラム押圧動作を制御する電磁アクチュエータと
が、上記バルブタイミング補正装置に設けられ、エンジ
ン水温が高いほど上記電磁アクチュエータの電磁コイル
への通電時間が長く設定されているようにしたことを要
旨とする。
【００１０】ここで、さらに消費電力の低減と燃費や性
能の確保を図る場合には、カムタイミング切り替え時
に、電磁アクチュエータの電磁コイルへの通電を連続し
て行ってカムシャフトを進角又は遅角させ、その後の保
持通電を前記通電よりも低い電力に制御してカムシャフ
トを進角又は遅角状態に保持し、その際、エンジン水温
が高いほど上記電磁コイルへの連続通電時間を長く設定
するようにすればよい。なお、このエンジンのカムタイ
ミング制御装置において、上記電磁コイルへの電流がデ
ューティ制御される場合は、エンジン水温が高いときほ
ど該デューティ制御におけるデューティ比を大きく設定
するのが好ましい。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【作用】本発明においては、エンジン水温が高いほど、
つまり、コイルバネの付勢力が熱膨脹により大きくなり
カムタイミングの切り替え抵抗が大きくなるほど、電磁
アクチュエータの電磁コイルへの通電時間を長く設定す
るようにしたことから、クラッチ全体として切り替え抵
抗よりも大きな摩擦力が発生し、カムシャフトが迅速に
所定のタイミングに切り替わることとなる。
【００１５】また、カムタイミング切り替え時に上記電
磁コイルへの通電を連続して行ってカムシャフトを進角
又は遅角させ、その後の通電を前記通電よりも低い電力
に制御してカムシャフトを進角又は遅角状態に保持し、
その際、エンジン水温が高いときほど電磁コイルへの連
続通電時間を長く設定するようにすると、全体として消
費電力は低減され、又保持時においてはクラッチの摩擦
力がそれほどエンジン抵抗にはならず、燃費や性能の悪
化を招来することもなく、しかも単に供給電圧を低く設
定する場合に比して切り替え応答性が高い。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて
詳細に説明する。図１ないし図１１は本発明の一実施例
によるエンジンの制御装置を示す。図１において、エン
ジン１の燃焼室には吸気通路２及び排気通路３が接続さ
れ、その吸気ポート２ａ及び排気ポート３ａにはこれら
を開閉する吸気弁４及び排気弁５が配設され、該吸気弁
４及び排気弁５には、具体的には図示しないが周知の如
くエンジン１によって同期回転されて該吸排気弁４、５
を駆動するカム１９，２０を回転駆動するカム機構６が
設けられ、吸気弁４を駆動するカム機構６には運転状態
に応じてカムタイミングを変更するカムタイミング制御
装置７が設けられている。なお、このカムタイミング制
御装置７は、図１ではシリンダヘッドの上部中央に示し
ているが、後に説明するように、実際には、吸気弁４に
対して設けたカム１９を駆動するカムシャフトの軸端に
設けられる。
【００１７】また、吸気通路４の途中には燃料噴射弁８
が取付けられ、その上流側にはアクセルペダルの踏み込
みに応じて開閉されるスロットル弁９が設けられてい
る。また、吸気通路４にはスロットル弁９をバイパスし
てバイパス通路１０ａが接続され、該バイパス通路１０
ａにはＩＳＣ（アイドル・スピード・コントロール）バ
ルブ１０ｂが配設されており、こうしてエンジンのアイ
ドル時にＩＳＣバルブ１０ｂを開閉して吸入空気量を調
整し、アイドル回転数を目標回転数に制御するアイドル
回転数制御装置１０が構成されている。
【００１８】また、吸気通路４と排気通路５との間には
排気ガス還流通路１１ａが接続され、該排気ガス還流通
路１１ａの途中にはＥＧＲバルブ１１ｂが介設され、該
ＥＧＲバルブ１１ｂにはこれを開閉する吸気負圧を供給
する負圧供給通路１１ｃ、１１ｄが接続されており、こ
うして排気ガスの一部を吸気系に還流して燃焼状態を制
御する排気ガス還流装置１１が構成されている。
【００１９】また、図中、１２はエンジン回転数を検出
する回転数センサ、１３はスロットル開度を検出するス
ロットルセンサ、１４は吸入空気量を検出するエアーフ
ローセンサ、１５はエンジン１の水温を検出する水温セ
ンサ、１６は排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ2セン
サ、１７はバッテリ電圧を検出する電圧センサ、１８は
上記各センサ１２〜１７の信号を入力とし、エンジン１
の運転状態、例えば回転数、吸入空気量、エンジン水
温、及びＯ2濃度等を演算し、それに応じて燃料噴射
量、点火時期及びアイドル回転数の制御、排気ガス還流
量の補正を行う制御ユニットで、該制御ユニット１８は
またカムタイミング制御装置７の電磁アクチュエータに
通電して電磁力で吸気弁４に対するカムタイミングの切
り替え制御を行う。この切り替え制御においては、切り
替え時に電磁アクチュエータへの通電を連続して、即ち
デューティ比１００％の電圧を電磁アクチュエータに通
電し、その後は前記通電よりも低い電力で保持通電し、
即ち電圧をデューティ制御し、しかも切り替え抵抗の大
きい状態では電磁アクチュエータへの連続通電時間を長
くするとともに保持通電時のデューティ比を大きくする
という制御を行う。
【００２０】ここでカムタイミング制御装置７の構造を
説明すると、吸気弁４を開閉するカム１９が固定された
カムシャフトの端部には保持プレート２１がボルト２２
によって固定され、該保持プレート２１にはドラム２３
が固定されている。このドラム２３にはクランクプーリ
（図示せず）にタイミングベルトを介して連動するタン
ミングプーリ２４がドラム２３に対し所定の角度範囲内
で回動可能に連結され、該タイミングプーリ２４とカム
シャフトに結合されたドラム２３との間にはカムタイミ
ングを遅角方向に設定するようにドラム２３を回動付勢
するコイルバネ２５が介設され、又ドラム２３内面には
摩擦部材２６が固定され、該摩擦部材２６には一対のブ
レーキシュー２７が押圧可能に配設されてクラッチ機構
２８が構成されている。
【００２１】また、ブレーキシュー２７にはリンク２９
が一体に形成され、両リンク２９はピン２９ａによって
相互に開閉自在に連結され、又各リンク２９の他端は電
磁アクチュエータ３０の軸方向両端に出没自在に設けら
れた一対のプランジャ３１の一方に連結されており、電
磁アクチュエータ３０の電磁コイルに通電することによ
ってブレーキシュー２７が摩擦部材２６に所定の押圧力
で摺接され、その際ドラム２３に作用する摩擦力により
コイルバネ２５の付勢力に抗してドラム即ちカムシャフ
トが進角されるように構成されている。したがって、進
角度は発生される摩擦力の大きさによって、換言すれ
ば、摩擦力とコイルバネ２５の付勢力との釣り合いによ
って決定されることになる。
【００２２】前述したように、上記タイミングプーリ２
４は、タイミングベルトによってクランクシャフトのク
ランクプーリに連結され、エンジン１の駆動力によって
同期回転されるようになっており、タイミングプーリ２
４とドラム２３との相対位相が変化させられると、それ
に応じた進角度（遅角度）が決定されるのである。
【００２３】次に動作について説明する。
【００２４】エンジン１の作動時においては、回転数セ
ンサ１２でエンジン回転数が、スロットルセンサ１３で
スロットル弁９の開度が、エアーフローセンサ１４で吸
入空気量が各々検出され、又水温センサ１５でエンジン
１の水温が、Ｏ2センサ１６で排気ガス中の酸素濃度
が、電圧センサ１７でバッテリ電圧が各々検出されてお
り、各センサ１２〜１７の信号は制御ユニット１８に入
力される。
【００２５】この制御ユニット１８においては、各セン
サ１２〜１７の出力に基づいてエンジン１の運転状態、
例えばエンジン回転数、吸入空気量、エンジン水温、及
びＯ2濃度等が演算され、該運転状態に応じた燃料噴射
量、噴射時期、点火時期、目標アイドル回転数、排気ガ
ス還流補正量等が演算され、それに対応する制御信号が
作成され、所定のタイミングになると、燃料噴射弁９に
向けて制御信号が出力されて運転状態に応じた量の燃料
が噴射され、又配電器に向けて制御信号が出力されてイ
グニッションコイルで発生した高電圧が点火プラグに印
加されて燃焼室内の混合気が点火され、又アイドル時に
はアイドル回転数制御装置１０のＩＳＣバルブ１０ｂに
制御信号が出力されて吸入空気量が調整されてエンジン
回転数が目標回転数に制御され、さらにＥＧＲバルブ１
１ｂに制御信号が出力されて排気ガス還流量が補正され
る。なお、これらの動作については本発明と直接関係な
いので、その詳細な説明は省略する。
【００２６】また、制御ユニット１８においては、切り
替え時に連続通電を、その後連続通電よりも低い電力に
よる保持通電を行わせるカムタイミングの切替信号が回
転数及び負荷に応じて作成される一方、回転数Ｎｅ、エ
ンジン水温ｔｈｗ、バッテリ電圧＋Ｂが演算され、回転
数Ｎｅが高い程、水温ｔｈｗが高い程、又バッテリ電圧
＋Ｂが低い程連続通電時間Ｔが長くなり、又保持通電時
のデューティ比が大きくなるように切替信号が補正さ
れ、この切替信号がカムタイミング制御装置７の電磁ア
クチュエータ３０に印加される。
【００２７】すると、カムタイミング制御装置７では、
電磁アクチュエータ３０のプランジャ３１が収縮してブ
レーキシュー２７がドラム２６に押圧され、クラッチ機
構２８が作動して摩擦力が発生し、該摩擦力とコイルス
プリング２５の付勢力とが釣り合ってカムシャフトはタ
イミングプーリに対して進角する。また、切替信号が停
止されると、クラッチ機構２８の摩擦力が作用しなくな
る結果、カムシャフトはコイルスプリング２５の付勢力
によってタイミングプーリに対して遅角される。
【００２８】次に図４〜図１１を用いてカムタイミング
制御について詳細に説明する。ここで図４はカムタイミ
ングの制御フローを、図５はカムタイミング切替信号の
信号波形を、図６〜図８はバッテリ電圧＋Ｂ、水温ｔｈ
ｗ及び回転数Ｎｅに対する連続通電時間Ｔの関係を、図
９〜図１１はバッテリ電圧＋Ｂ、水温ｔｈｗ及び回転数
Ｎｅに対する保持通電時のデューティ比Ｄの関係を各々
示す。
【００２９】カムタイミングの制御処理においては、ま
ずエンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑが読み込まれた後
（ステップＳ１）、バッテリ電圧＋Ｂ、エンジン水温ｔ
ｗｈが読み込まれ（ステップＳ２）、回転数Ｎｅの逆
数、吸入空気量Ｑ及び係数Ｃ１の乗算によってエンジン
負荷Ｃｅが演算される（ステップＳ３）。次にエンジン
回転数Ｎｅが設定値Ａ以上か否か、エンジン負荷Ｃｅが
設定値Ｂ未満か否かが各々判定され（ステップＳ４、Ｓ
５）、回転数Ｎｅが設定値Ａ以上で、かつエンジン負荷
Ｃｅが設定値Ｂ未満の場合、即ち運転状態がカムタイミ
ング遅角領域である場合にはリタードフラグＦＡを０に
して切替信号のデューティ比Ｄを０％に設定し（ステッ
プＳ６、Ｓ７）、そのデューティ比Ｄの切替信号で電磁
アクチュエータ３０を駆動する、即ち切替信号は発生せ
ず（ステップＳ８）、これによってカムタイミングは遅
角される。
【００３０】また、エンジン回転数Ｎｅが設定値Ａ未満
の場合、あるいはエンジン負荷Ｃｅが設定値Ｂ以上の場
合、即ち運転状態がカムタイミング進角領域である場合
には、まずアドバンスフラグＦＡを１にしてアドバンス
フラグＦＡが０から１に変化したか否かを判定し（ステ
ップＳ９、Ｓ１０）、エンジン１の運転状態がカムタイ
ミング進角領域になった直後にはアドバンスフラグＦＡ
が０から１に変化したばかりであるので、連続通電時
間、即ち１００％デューティ実行時間Ｔをバッテリ電圧
＋Ｂ、エンジン水温ｔｈｗ及び回転数Ｎｅに応じて演算
するか、又はマップから読み出す。その際、連続通電時
間Ｔを図６〜図８に示すように、バッテリ電圧＋Ｂが低
い程、エンジン水温ｔｈｗが高い程、及び回転数Ｎｅが
高い程長くなるように設定する（ステップＳ１１）。こ
れは、バッテリ電圧＋Ｂが低いときは、アクチュエータ
３０の駆動力がそれだけ低下しており、エンジン水温ｔ
ｈＷが高い場合には、コイルスプリング２５が熱膨張し
て付勢力が大きくなっており、またエンジン回転数Ｎｅ
が高い場合には、カム機構６側の慣性抵抗がそれだけ大
きくなっているためである。連続通電時間Ｔが設定され
ると、そのデューティ比Ｄを１００％に設定し（ステッ
プＳ１３）、こうして設定した切替信号を電磁アクチュ
エータ３０に与える（ステップＳ８）。つまり、電磁ア
クチュエータ３０は連続通電され、クラッチ機構２８が
作動されてドラム２３には摩擦力が作用する。上記のよ
うに連続通電時間Ｔは、その時々の運転状態に応じて切
り換え抵抗の大きい場合には長く設定するようにしたの
で、この連続通電時間Ｔの間には、ドラム２３にしたが
ってカムシャフトが進角側に確実に相対回動され、吸気
弁４が進角駆動されるようになる（図５のＡ参照）。
【００３１】こうして電磁アクチュエータ３０への連続
通電が開始されると、連続通電時間Ｔから順次１を減算
してそれが０以下か否かを判定し（ステップＳ１０、Ｓ
１４、Ｓ１２）、０以下つまり連続通電時間Ｔが経過し
た時に、今度はアクチュエータ３０をデューティ駆動す
べく、デューティ比Ｄをバッテリ電圧＋Ｂ、エンジン水
温ｔｈｗ及び回転数Ｎｅに応じて設定する。このデュー
ティ駆動は、連続通電によって進角させたドラム２３
（カムシャフト）をその進角位相に保持するためのもの
であって、進角させるための駆動力に比して保持するた
めの駆動力は小さくて済むことから、デューティ駆動と
して消費電力の軽減を図ったものである。その際、デュ
ーティ比Ｄを図９〜図１１に示すように、バッテリ電圧
＋Ｂが低い程、エンジン水温ｔｈｗが高い程、及び回転
数Ｎｅが高い程大きくなるように設定し（ステップＳ１
５）、こうして設定した切替信号を電磁アクチュエータ
３０に与える（ステップＳ８）。上記のようにデューテ
ィ比Ｄをバッテリ電圧＋Ｂ等の条件に応じて設定する理
由は連続通電時間Ｔの設定理由と基本的に同じである。
こうして、電磁アクチュエータ３０はバッテリ電圧＋
Ｂ、エンジン水温ｔｈｗ及び回転数Ｎｅに応じたデュー
ティ比Ｄでもってデューティ制御され、こうして少ない
消費電力でもってクラッチ機構２８は作動状態に保持さ
れる（図５のＡ参照）。
【００３２】また、エンジン１がカムタイミング進角領
域から遅角領域になった場合には、上記ステップＳ１〜
Ｓ７、Ｓ８の処理を実行し、クラッチ機構２８の作動が
停止されてカムタイミングは遅角される。
【００３３】以上のような本実施例のエンジンのカムタ
イミング制御装置では、エンジン１の高回転時、高温時
あるいはバッテリ電圧の低下時等、切り替え抵抗の大き
い時には電磁アクチュエータ３０への通電時間を長く設
定するようにしたので、クラッチ機構２８には全体とし
て切り替え抵抗よりも大きな摩擦力が発生し、カムシャ
フトを迅速に所定のタイミングに切り替えることがで
き、カムシャフトが進角状態と遅角状態との間の中間で
止まることもない。
【００３４】また、本実施例のエンジンのカムタイミン
グ制御装置では、切り替え時に電磁アクチュエータ３０
に連続通電してカムシャフトを進角させ、その後は電圧
をデューティ制御して低い電力でカムシャフトを進角状
態に保持するようにしたので、全体として消費電力を低
減できる。
【００３５】さらに、本実施例のエンジンのカムタイミ
ング制御装置では、クラッチ機構２８の保持時には電圧
をデューティ制御して低い電力でカムシャフトを進角状
態に保持するようにしたので、クラッチ機構２８の摩擦
力がそれほどエンジン抵抗にはならず、燃費や性能の悪
化を招来することもない。しかも、単に供給電圧を低く
設定する場合に比して高い切り替え応答性を確保でき
る。
【００３６】
【発明の効果】以上のように、本発明に係るエンジンの
カムタイミング制御装置によれば、電磁力でカムタイミ
ングを切り替えるバルブタイミング補正装置において、
エンジン水温が高くなるほど、つまり、コイルバネの付
勢力が熱膨脹によって大きくなり切り替え抵抗が大きく
なるほど、電磁アクチュエータの電磁コイルへの通電時
間を長く設定したので、カムタイミングを迅速に切り替
えることができる効果がある。また、切り替え時に上記
電磁コイルへの通電を連続して行い、その後の保持通電
を前記通電よりも低い電力で制御し、その際、エンジン
水温が高くて切り替え抵抗の大きい状態では電磁コイル
への通電時間を長く設定すると、消費電力を低減でき、
しかも高い応答性を確保しつつ燃費や性能の悪化を防止
できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例によるカムタイミング制御
装置を備えたエンジンを示す概略構成図である。
【図２】 上記カムタイミング制御装置の要部を示す断
面構成図である。
【図３】 上記カムタイミング制御装置の要部を示す正
面構成図である。
【図４】 上記カムタイミング制御装置におけるカムタ
イミング制御処理のフローチャートを示す図である。
【図５】 上記カムタイミング制御装置における切替信
号の信号波形を示す図である。
【図６】 上記カムタイミング制御装置におけるバッテ
リ電圧と連続通電時間との関係を示す図である。
【図７】 上記カムタイミング制御装置におけるエンジ
ン水温と連続通電時間との関係を示す図である。
【図８】 上記カムタイミング制御装置におけるエンジ
ン回転数と連続通電時間との関係を示す図である。
【図９】 上記カムタイミング制御装置におけるバッテ
リ電圧と保持通電時のデューティ比との関係を示す図で
ある。
【図１０】 上記カムタイミング制御装置におけるエン
ジン水温と保持通電時のデューティ比との関係を示す図
である。
【図１１】 上記カムタイミング制御装置におけるエン
ジン回転数と保持通電時のデューティ比との関係を示す
図である。
【符号の説明】
７ カムタイミング制御装置 ３０ 電磁アクチュエータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01L 9/04 F01L 1/34 F02D 13/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電磁力でカムタイミングを切り替えるバ
    ルブタイミング補正装置を備えたエンジンのカムタイミ
    ング制御装置において、 上記エンジンのカムシャフトに対して固定されたドラム
    と、該ドラムに対して所定の角度範囲内で回動可能に連
    結されたタイミングプーリと、該タイミングプーリと上
    記カムシャフトの間に介設されて該カムシャフトを一方
    向に回動付勢するコイルバネと、上記ドラムを押圧可能
    なブレーキシューと、該ブレーキシューのドラム押圧動
    作を制御する電磁アクチュエータとが、上記バルブタイ
    ミング補正装置に設けられ、 エンジン水温が高いほど上記電磁アクチュエータの電磁
    コイルへの通電時間が長く設定されていることを特徴と
    するエンジンのカムタイミング制御装置。
  2. 【請求項２】 カムタイミングの切り替え時に上記電磁
    アクチュエータの電磁コイルへの通電を連続して行い、
    その後の保持通電を前記通電よりも低い電力で制御する
    一方、上記電磁コイルへの連続通電時間を、エンジン水
    温が高いほど長く設定したことを特徴とする請求項１記
    載のエンジンのカムタイミング制御装置。
  3. 【請求項３】 上記電磁アクチュエータの電磁コイルへ
    の電流をデューティ制御し、該デューティ制御における
    デューティ比を、エンジン水温が高いほど大きく設定す
    るようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載
    のエンジンのカムタイミング制御装置。
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