JP3874986B2

JP3874986B2 - エンジンの可変バルブタイミング装置

Info

Publication number: JP3874986B2
Application number: JP2000051913A
Authority: JP
Inventors: 治啓岩城; 渡邊　　悟
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001241339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの可変バルブタイミング装置に関し、電磁ブレーキを用いてクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させる構成の可変バルブタイミング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電磁ブレーキによる摩擦制動によりクランク軸に対するカム軸の回転遅延を制御することで、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング装置が知られている（特開平１０−１５３１０４号公報参照）。
【０００３】
前記可変バルブタイミング装置においては、例えば、目標の回転位相（目標の遅延角）とエンジン回転速度とから電磁ブレーキの基本制御量を演算する一方、目標の回転位相と実際の回転位相との偏差からフィードバック制御量を演算し、前記基本制御量及びフィードバック制御量から最終的な制御量（例えばデューティ制御量）を求めて、該制御量で電磁ブレーキを構成する電磁コイルに流れる電流を制御するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電磁ブレーキの制御量を増大してカム軸の回転位相を進角（遅角）させる進角（遅角）制御時と制御量を減少して回転位相を遅角（進角）する遅角（進角）制御時とでは、同一の目標回転位相に制御するのに必要な制御量が相違し、その結果、応答性が低下していた。
【０００５】
これは、電磁ブレーキの制御量を増大して進角（遅角）制御するときは、カム軸の進角（遅角）方向の回転を妨げる方向に摩擦（電磁ブレーキによる制動摩擦とは異なる）が作用するため、その分制御量をより増大する必要があり、一方、電磁ブレーキの制御量を減少して遅角（進角）制御するときは、カム軸の遅角（進角）方向の回転を妨げる方向に摩擦が作用するため、その分制御量をより減少する必要があり、これら制御量の増減補正をフィードバック制御で賄っているため応答遅れを伴なうからである。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、カム軸の進遅角制御の方向の関わりなく、目標回転位相への収束応答性を、より高めたエンジンの可変バルブタイミング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、
電磁ブレーキによる摩擦制動力を可変に制御して、クランク軸に対するカム軸の回転位相を連続的に変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング装置において、
前記電磁ブレーキの制御量を、前記カム軸の回転位相に応じた基本的な制御量に加えて、前記摩擦制動力を増加させて回転位相を一方向に変化させるときは、該変化を抑制する方向に作用する摩擦に見合うように設定したヒステリシスに相当する量を増加させ、前記摩擦制動力を減少させて回転位相を他方向に変化させるときは、該変化を抑制する方向に作用する摩擦に見合うように設定したヒステリシスに相当する量を減少させて設定する構成とした。
【０００８】
かかる構成によると、電磁ブレーキの制御量を大きくして摩擦制動力を増大させてカム軸を進角（遅角）制御するときには、制御量をより大きくする正のヒステリシス分を与え、電磁ブレーキの制御量を小さくして摩擦制動力を減少させてカム軸を遅角（進角）制御するときには、制御量をより小さくする負のヒステリシス分を与える。
【０００９】
このように、カム軸の進遅角制御方向に応じて、正負のヒステリシスをフィードフォワード制御量として持たせることにより、目標回転位相への収束応答性が高められる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、前記ヒステリシスの大きさを、エンジン回転速度に応じて可変に設定する構成とした。
かかる構成によると、例えばエンジン回転速度が低いときほど大きなヒステリシスを与える。
【００１１】
このようにすれば、エンジン回転速度が低いときは、エンジン温度が低かったり潤滑油供給量が少なかったりするなどにより、カム軸の進遅角回転動作時の粘性抵抗が大きくなるので、それに見合って大きなヒステリシスを与えることで、より適切な制御量が設定され、目標回転位相への収束応答性を、エンジン回転速度によらず高めることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、前記ヒステリシスの大きさを、前記ヒステリシスの大きさを、エンジン温度に応じて可変に設定する構成とした。
かかる構成によると、例えばエンジン温度が低いときほど大きなヒステリシスを与える。
【００１３】
このようにすれば、エンジン温度が低いときは、カム軸の進遅角回転動作時の粘性抵抗が大きくなるので、それに見合って大きなヒステリシスを与えることで、より適切な制御量が設定され、目標回転位相への収束応答性を、エンジン温度によらず高めることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、
前記ヒステリシスの大きさを、エンジン温度及び外気温度に応じて可変に設定する構成とした。
【００１５】
かかる構成によると、エンジン温度に雰囲気温度である外気温度を加味してヒステリシスの大きさが設定される。
このようにすれば、カム軸の進遅角回転動作時の粘性抵抗を、より高精度に推定して、ヒステリシスの大きさをより適切に設定することができる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、
前記エンジン温度を、エンジン冷却水温度又はエンジン潤滑油温度とする構成とした。
【００１７】
このようにすれば、エンジン冷却水温度を用いる場合は、エンジン制御用に装着されている水温センサで簡易にエンジン温度を検出することができ、また、エンジン潤滑油温度を用いる場合は、カム軸の進遅角回転動作時の粘性抵抗をより高精度に推定することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、
前記可変バルブタイミング装置は、電磁ブレーキの制御量を増大して摩擦制動力を増大したときに、カム軸がクランク軸に対して進角方向に制御され、電磁ブレーキの制御量を減少して摩擦制動力を減少したときに、カム軸がクランク軸に対して遅角方向に制御されるように構成され、前記カム軸の進角方向の制御時は制御量を増大させる正のヒステリシスを与え、前記カム軸の遅角方向の制御時は制御量を減少させる負のヒステリシスを与える構成とした。
【００１９】
かかる構成によると、電磁ブレーキの制御量を増大することによりカム軸の進角制御を行ない、電磁ブレーキの制御量を減少することによりカム軸の遅角制御を行なうので、始動時や電磁ブレーキが非作動となるフェールセーフ時は、自動的にカム軸が所望の遅角側に制御される。
【００２０】
そして、かかる構成の可変バルブタイミング装置に本発明を適用して、進角制御時に正のヒステリシスを与え、遅角制御時に負のヒステリシスを与えることで、目標回転位相への収束応答性を高めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施の形態における電磁ブレーキを用いる可変バルブタイミング装置の断面図であり、図２は、分解斜視図である。
【００２２】
図１及び図２に示す可変バルブタイミング装置１において、シリンダヘッド１２０に対して回転可能に支持されるカム軸１１０の端部１１１の軸周に回転可能にプーリ（又はスプロケット）２が支承される。プーリ２はカム軸１１０に対して相対回転可能に支承され、エンジンのクランク軸の回転に連動して回転する。
【００２３】
カム軸１１０の端部１１１の延長線上には、軸周にギヤが形成される伝達部材３がボルト３１により固定され、プーリ２の回転が、以下に説明する伝達機構を介して伝達部材３に伝えられる。
【００２４】
カム軸１１０と同軸に、フランジを有する筒状のドラム４１が設けられ、このドラム４１とプーリ２との間には、ドラム４１の回転位相を遅らせる方向に付勢するコイルばね４２が介装されている。即ち、プーリ２にはケース部材４４が固定され、コイルばね４２の外周側端部は、このケース部材４４の内周面部分に固定され、コイルばね４２の内周側端部は、ドラム４１の外周面に固定されている。
【００２５】
また、伝達部材３の軸周に形成されたギア３２と、筒状のピストン部材４３の内周に形成されたギア４３３とが、はすばギヤによるヘリカル機構により噛み合っている。
【００２６】
ピストン部材４３の外周面の対向する２箇所に、係合部４３１，４３１が突出形成されていて、プーリ２の回転中心部分からカム軸１１０の軸方向に延出している爪部材２１，２１の間に前記係合部４３１，４３１が係合している。この係合によりピストン部材４３とプーリ２とは同位相で回転する。
【００２７】
ピストン部材４３の前記係合部４３１，４３１には、ピストン部材４３の軸を中心とする雄ねじ４３２が各々形成され、ドラム４１の内周面には雌ねじ４１１が形成されていて、この両者はねじ作用により噛み合っている。
【００２８】
ドラム軸受部材４５は、伝達部材３の外周とドラム４１の内周との間に介装され、この両者の相対回転を軸受する。このドラム軸受部材４５とドラム４１の内周面との間には、爪受部材７ａが介装されている。
【００２９】
この爪受部材７ａはドラム４１の内周面に支持され、爪部材２１，２１の先端部の外周面側に形成されている段部２２，２２に当接して、カム軸１１０の径方向に爪部材２１，２１を係止している。
【００３０】
被吸引部材４６は、その回転中心部分に内歯の平ギヤ４６１が形成され、このギヤ４６１には、伝達部材３の先端部に形成されている平ギヤ３３に噛み合っている。これにより、被吸引部材４６は伝達部材３に対し、その軸方向に摺動可能に構成されると共に、被吸引部材４６と伝達部材３とは同位相で回転する。
【００３１】
ドラム４１のフランジ部分４１２の側面にはギア４１３が形成され、被吸引部材４６の一方の面４６２に形成されているギア４６３と対峙していて、この両ギアは噛み合うことで、ドラム４１と被吸引部材４６とが回転方向に係合するようにしてある。
【００３２】
第１の電磁ソレノイド５ｂと第２の電磁ソレノイド５ａは、カム軸１１０の軸芯線を囲むように、カム軸１１０の端部１１１に固定されている伝達部材３や、この伝達部材３を固定しているボルト３１の外周面を囲むように軸受部材６を介して配置されている。
【００３３】
すなわち、スペーサ部材４７が、ボルト３１の頭部３１１と伝達部材３の先端部との間に嵌合固定されていて、このスペーサ部材４７の外周側には、第２の電磁ソレノイド５ａがスペーサ部材４７との間に軸受部材６を介して配置されている。さらに第２の電磁ソレノイド５ａと被吸引部材４６の外周側には、電磁ブレーキを構成する第１の電磁ソレノイド５ｂが配置されている。第２の電磁ソレノイド５ａはボルト５１ａにより、ケース８に固定されている。
【００３４】
次に作用について説明する。
カム軸１１０の回転位相を進角側に変更するためには、第１の電磁ソレノイド５ｂが発生する磁界によりピストン部材４３をカム軸１１０の軸方向に移動することにより行う。
【００３５】
すなわち、まず、第２の電磁ソレノイド５ａの発生磁界により、被吸引部材４６が吸引されて、被吸引部材４６のギア４６３と、ドラム４１のギア４１３とが離れ、ドラム４１がプーリ２に対して相対的に回転できるようにする。
【００３６】
そして、第１の電磁ソレノイド５ｂの発生磁界により、ドラム４１を吸引することで、ドラム４１を第１の電磁ソレノイド５ｂの端面に押し付けて、摩擦制動を作用させる。これにより、ドラム４１はコイルばね４２の付勢力に抗してプーリ２に対して回転遅れを生じて相対回転し、ねじ４１１とねじ４３２とで噛み合っているピストン部材４３はカム軸１１０の軸方向に移動する。ピストン部材４３と伝達部材３とは前記のヘリカル機構により噛み合っているので、ピストン部材４３の移動により、伝達部材３引いてはカム軸１１０の回転位相がプーリ２に対して進角側に変わることになる。従って、第１の電磁ソレノイド５ｂへの電流値を増大させ、コイルばね４２の付勢力に抗する制動力（滑り摩擦）を増大させるほど、カム軸１１０の回転位相が進角側に変更されることになる。
【００３７】
上記のように、電磁ブレーキによる制動力に応じて決まるドラム４１の回転遅れ量によってカム軸１１０の回転位相がプーリ２（クランク軸）に対して変わるものであり、前記電磁ブレーキによる制動力は、第１の電磁ソレノイド５ｂに供給される電流値をデューティ制御することで制御されるようになっており、前記デューティ比を変化させることで、回転位相の変化量（進角量）を連続的に制御できる。尚、電磁ブレーキの制御量に相当するデューティ値（％）の増大に応じて、前記第１の電磁ソレノイド５ｂに供給される電流値が増大するものとする。
【００３８】
図３は、上記構成の可変バルブタイミング装置の制御系を示すブロック図であり、前記第１の電磁ソレノイド５ｂ及び第２の電磁ソレノイド５ａへの通電を制御するマイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット５１１には、エンジンの吸入空気量を検出するエアフローメータ５１２、クランク回転を検出するクランク角センサ５１３、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ５１４、外気温度を検出する外気温度センサ５１５、カム回転を検出するカムセンサ５１６等からの検出信号が入力される。
【００３９】
そして、前記コントロールユニット５１１は、図４のフローチャートに示すようにして、第１の電磁ソレノイド５ｂの通電をデューティ制御してカム軸１１０の回転位相を変化させ、目標回転位相に一致すると、第２の電磁ソレノイド５ａへの通電を遮断することで、被吸引部材４６のギア４６３と、ドラム４１のギア４１３とを噛み合わせ、ドラム４１をプーリ２に対してそのときの位相状態で固定し、第１の電磁ソレノイド５ｂへの通電を遮断する。
【００４０】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１では、吸入空気量、エンジン回転速度などのエンジン運転条件を読み込む。
尚、エンジン回転速度は、前記クランク角センサ５１３からの検出信号に基づいて算出される。
【００４１】
ステップＳ２では、吸入空気量（エンジン負荷）及びエンジン回転速度に基づいて目標の回転位相（目標角度）を決定する。
ステップＳ３では、前記クランク角センサ５１３及びカムセンサ５１５からの検出信号に基づいて実際の回転位相を検出する。
【００４２】
ステップＳ４では、前記実際の回転位相と、目標回転位相との偏差の絶対値が所定値以下であるか否かを判別する。
そして、前記偏差の絶対値が所定値以下である場合には、ステップＳ５へ進み、予め回転位相とエンジン回転速度に応じて第２の電磁ソレノイド５ａの通電を制御する基本デューティ値（基本制御量）を記憶した基本デューティマップを参照し、実際の回転位相及びそのときのエンジン回転速度に対応するデューティ値（現在位相相当デューティ値）を検索し、これを基本デューティ値とする。
【００４３】
一方、前記偏差の絶対値が所定値を超える場合には、ステップＳ６へ進み、前記基本デューティマップから、実際の回転位相及びそのときのエンジン回転速度に対応するデューティ値（現在位相相当デューティ値）を検索すると共に、前記基本デューティマップから、目標の回転位相及びそのときのエンジン回転速度に対応するデューティ値（目標位相相当デューティ値）を検索する。
【００４４】
そして、基本デューティ値を、以下のようにして算出する。
基本デューティ値＝現在位相相当デューティ値＋ｋ×（目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値）
尚、上式において、係数ｋは、｜ｋ｜≦1.0の定数である。
【００４５】
即ち、現在位相相当デューティ値を基本として、目標の回転位相への変更は、後述するフィードバック制御で行うが、例えば制動力（滑り摩擦）を増大させる進角制御においては、回転位相の変更量に略比例する温度上昇を生じ、該温度上昇に対応して摩擦係数が低下し、目標回転位相を得るのに必要となるデューティ値（制動力）が大きくなる。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、温度上昇量に相関する回転位相の変更量に相当する「目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値」に応じて進角時に基本デューティを増大補正することで、温度上昇分に対応するデューティをフィードフォワード分として付加して目標への収束性を確保するようにしてある。
【００４７】
また、制動力（滑り摩擦）を減少させる遅角制御においては、回転位相の変更量に略比例する温度低下を生じ、該温度低下に対応して摩擦係数が増大し、目標回転位相を得るのに必要となるデューティ値が小さくなるので、「目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値」に応じて基本デューティを減少補正することで、温度低下分に対応するデューティをフィードフォワード分として減算して目標への収束性を確保するようにしてある。
【００４８】
本実施形態では、制動力を増大させる進角時に「目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値」がプラスの値になり、デューティ値を増大させることで制動力が大きくなるので、０＜ｋ≦1.0（例えば0.9）とすることで、温度上昇に見合う制動力の増大補正がなされることになり、逆に、遅角制御時には、温度低下に見合う制動力の減少補正がなされることになる。
【００４９】
尚、上記ｋ×（目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値）なる温度補正項は、回転位相の変更に伴う温度変化分に対応するものであるが、電磁ブレーキのベース温度によっても目標回転位相を得るのに必要となるデューティ値が変化する。
【００５０】
そこで、電磁ブレーキのベース温度を、エンジン温度を代表する冷却水温度から推定し、更に、外気温度に応じて推定温度を補正し、該推定した電磁ブレーキのベース温度に応じて前記係数ｋを変更する構成としても良い。
【００５１】
また、前記推定した電磁ブレーキの温度に応じてベース温度補正デューティを求め、
基本デューティ値＝現在位相相当デューティ値＋ｋ（目標位相相当デューティ値−現在位相相当デューティ値）＋ベース温度補正デューティ
として、基本デューティ値を演算させるようにしても良い。
【００５２】
尚、エンジン温度を代表する温度として冷却水温度の代わりに、潤滑油の温度を用いる構成としても良い。
ステップＳ７では、進角制御時か遅角制御時かを判別する。
【００５３】
そして進角制御時と判定されたときは、ステップＳ８へ進んでエンジン回転速度に基づいて、テーブルから正のヒスデューティ値を演算する。ここで、該テーブルは、図５（Ａ）に示すように、エンジン回転速度が低いときほど、一般にエンジン温度が低く、かつ潤滑油供給量が減少して、カム軸の進遅角方向回転の粘性抵抗が大きくなるので、それに見合って大きなヒスデューティ値となるように設定されている。
【００５４】
また、ステップＳ７で遅角制御時と判定されたときは、ステップＳ９へ進んでエンジン回転速度に基づいて、図５（Ｂ）に示すテーブルから、負のヒスデューティ値を演算する。該テーブルも上記の理由により、エンジン回転速度が低いときほど、絶対値が大きなヒスデューティ値となるように設定されている。
【００５５】
また、ステップＳ１０では、フィードバックデューティ値をＰＩＤ（比例・積分・微分）動作により演算させる。具体的には、偏差の絶対値が所定値１（比例分不感帯幅）以下となったら比例分を付加せず、また、偏差の絶対値が所定値２（微分分不感帯幅）以下となったら微分分を付加せず、更に、偏差の絶対値が所定値３（積分分不感帯幅）以下となったら、所定値３になる前の積分分の値にクランプさせる処理を行う。
【００５６】
尚、前記所定値１，２，３は、ステップＳ４で偏差と比較させる所定値とは異なる値である。
ステップＳ１１では、前記基本デューティ値、フィードバックデューティ値、ヒスデューティ値を加算して、最終的なデューティ値を算出し、次のステップＳ１２で前記デューティ値に基づき第１の電磁ソレノイド５ｂへの通電を制御する。
【００５７】
また、第２の実施の形態として、前記図４のステップＳ８，Ｓ９において、エンジン回転速度の代わりに、エンジン温度（エンジン冷却水温度又はエンジン潤滑油温度）に基づいてテーブル検索等によりヒスデューティ値を可変に設定するようにしてもよい。図６は、前記エンジン温度に対するヒスデューティ値のテーブルを示す。図示のように、エンジン温度が低いときほど、カム軸の進遅角方向回転の粘性抵抗が大きくなるので、それに見合って大きなヒスデューティ値となるように設定されている。
【００５８】
また、第３の実施の形態として、エンジン温度（エンジン冷却水温度又はエンジン潤滑油温度）に外気温度を加味してヒスデューティ値を設定するようにしてもよい。具体的には、上記図６のテーブルからエンジン温度に基づいて検索したヒスデューティ値に、図７に示したテーブルから外気温度に基づいて検索した補正係数ｋを乗じた値をヒスデューティ値として設定する。該補正係数ｋは、外気温度が常温のときを１．０とし、常温より低いときは１．０より大きく、常温より高いときは１．０より小さく設定してある。このようにすれば、カム軸の進遅角回転動作時の粘性抵抗を、より高精度に推定して、ヒステリシスの大きさをより適切に設定することができる。
【００５９】
尚、可変バルブタイミング装置は、電磁ブレーキによる摩擦制動（滑り摩擦）によりクランク軸に対するカム軸の回転遅延を制御することで、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させる構成であれば良く、図１及び図２に示した構成のものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における可変バルブタイミング装置の断面図。
【図２】実施の形態における可変バルブタイミング装置の分解斜視図。
【図３】実施の形態における可変バルブタイミング装置のブロック図。
【図４】実施の形態における位相制御を示すフローチャート。
【図５】第１の実施の形態におけるエンジン回転速度Ｎｅと制御量のヒステリシス分との関係を示す線図。
【図６】第２の実施の形態におけるエンジン温度と制御量のヒステリシス分との関係を示す線図。
【図７】第３の実施の形態における外気温度と上記ヒステリシス分の補正係数との関係を示す線図。
【符号の説明】
１…可変バルブタイミング装置
２…プーリ
３…伝達部材
５ａ…第２の電磁ソレノイド
５ｂ…第１の電磁ソレノイド
４１…ドラム
４２…コイルバネ
４３…ピストン部材
４６…被吸引部材
１１０…カム軸
１２０…シリンダヘッド
５１１…コントロールユニット
５１２…エアフローメータ
５１３…クランク角センサ
５１４…水温センサ
５１５…外気温度センサ
５１６…カムセンサ

Claims

電磁ブレーキによる摩擦制動力を可変に制御して、クランク軸に対するカム軸の回転位相を連続的に変化させる構成のエンジンの可変バルブタイミング装置において、
前記電磁ブレーキの制御量を、前記カム軸の回転位相に応じた基本的な制御量に加えて、前記摩擦制動力を増加させて回転位相を一方向に変化させるときは、該変化を抑制する方向に作用する摩擦に見合うように設定したヒステリシスに相当する量を増加させ、前記摩擦制動力を減少させて回転位相を他方向に変化させるときは、該変化を抑制する方向に作用する摩擦に見合うように設定したヒステリシスに相当する量を減少させて設定することを特徴とするエンジンの可変バルブタイミング装置。
前記ヒステリシスの大きさを、エンジン回転速度に応じて可変に設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの可変バルブタイミング装置。
前記ヒステリシスの大きさを、エンジン温度に応じて可変に設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの可変バルブタイミング装置。
前記ヒステリシスの大きさを、エンジン温度及び外気温度に応じて可変に設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの可変バルブタイミング装置。
前記エンジン温度は、エンジン冷却水温度又はエンジン潤滑油温度であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のエンジンの可変バルブタイミング装置。
前記可変バルブタイミング装置は、電磁ブレーキの制御量を増大して摩擦制動力を増大したときに、カム軸がクランク軸に対して進角方向に制御され、電磁ブレーキの制御量を減少して摩擦制動力を減少したときに、カム軸がクランク軸に対して遅角方向に制御されるように構成され、前記カム軸の進角方向の制御時は制御量を増大させる正のヒステリシスを与え、前記カム軸の遅角方向の制御時は制御量を減少させる負のヒステリシスを与えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの可変バルブタイミング装置。