JP3988376B2 - 可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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る構成の可変バルブタイミング装置において、カム軸の基準位置を高精度に学習する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンのクランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させて、吸・排気弁のバルブタイミングを可変制御する構成の可変バルブタイミング装置が知られている（特開平１１−８２０７３号公報参照）。
このものでは、カム軸若しくはカム軸に連結された部材の回転方向に、気筒数に対応して複数箇所等間隔に凸部や凹部の被検出部を設け、該被検出部をセンサで検出してカム軸回転位置信号を出力し、該カム軸回転位置信号と、クランク角センサからの基準クランク角位置信号との位相差（その間に出力されるクランク角センサからの単位角信号の数）に基づいて回転位相を検出する。
【０００３】
また、前記回転位相を、カム軸のストッパで規制される基準位置（最遅角位置）に対する進角量として検出するため、該基準位置（の位相ずれ）を学習し、バルブタイミング制御中は、前記学習された基準位置に対して実際の回転位相（進角量）を検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の基準位置学習においては、学習条件成立後最初に検出された被検出部からの信号に基づいて学習が行なわれるが、これでは加工誤差に伴う複数の被検出部の間隔のバラツキによる位相ずれを吸収できず、該バラツキ分学習精度が低下してしまうことがあった。
【０００５】
そこで、前記バラツキの問題を解消するため、複数の被検出部信号に基づく回転位相検出値をなまし処理することが考えられたが、通常制御時にも同様のなまし処理を行なうと、応答性の低下が懸念される。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、バルブタイミング制御時の応答性を確保しつつ、カム軸の基準位置の学習精度を向上させた可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
エンジンのカム軸若しくはカム軸に同期して回転する部材の回転方向に、同一のカム軸で駆動されるｎ個の各気筒に対応して、該気筒数ｎ個分の被検出部を設け、該被検出部に対応したカム軸の回転位置検出信号とクランク軸の回転位置検出信号とに基づいてクランク軸に対するカム軸の回転位相を検出しながら、該回転位相を変化させて、吸・排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置において、
前記回転位相が固定される条件で、前記ｎ個の被検出部で検出したｎ個の回転位相検出値を用いて、次式によってなまし処理を行い、該なまし処理後の検出値に基づいて、カム軸の基準位置を学習し、
バルブタイミングのフィードバック制御時には、前記回転位相検出値のなまし処理を行なわないことを特徴とする。
[ ＶＴＣＮＯＷＰ＋ＶＴＣＮＯＷＰ _１ ＋・・＋ＶＴＣＮＯＷＰ _{（ｎ−１）} ] ／ｎ
ただし、ＶＴＣＮＯＷＰ：最新の回転位相検出値
ＶＴＣＮＯＷＰ _１ ：前回の回転位相検出値
ＶＴＣＮＯＷＰ _{（ｎ−１）} ：（ｎ−１）回前の回転位相検出値
【０００７】
請求項１に係る発明によると、
カム軸の基準位置学習時には、同一カム軸で駆動される気筒数ｎ個の被検出部に対応した最新の回転位相検出値を平均することで、ｎ個の被検出部の間隔のバラツキを吸収でき、学習速度も速められる。
また、バルブタイミングのフィードバック制御時には、回転位相検出値のなまし処理を行なわず、最新の回転位相検出値に基づいて、最も応答性を重視した制御が行なわれる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、
前記基準位置学習が終了してからバルブタイミングのフィードバック制御を開始することを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
基準位置学習によって高精度な回転位相検出を確保してからフィードバック制御が開始されるので、開始当初から高精度な制御を行なうことができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、
前記基準位置は、カム軸若しくはカム軸に同期して回転する部材が、クランク軸に対する相対回転をストッパで規制されるときの位置であることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
ストッパの規制により、回転位相の安定した固定条件で基準位置学習を行なうことができ、学習精度を確保できる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、
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位相を変化させる機構を備えている特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
電磁ブレーキによる摩擦制動を利用した回転位相可変機構では、常時電磁ブレーキを通電しながら回転位相を制御するため、元々回転位相検出値が振れやすく、更に従来は基準位置学習後も被検出部間隔バラツキによる振れを考慮しなければならないので、振れ幅を相当広めに見積もった上で余裕を考慮した制御設定をしなければならず、制御精度も悪化する。
【００１５】
本発明では、基準位置学習により、上記の被検出部間隔バラツキによる振れを吸収できるので、制御設定が容易で、制御精度の向上代が大きい。
【００１６】
【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と制御系を示し、図２は、該装置の各部の機能を明瞭にした概略構成を示す。
【００１７】
図において、図示しないシリンダヘッドに対して回転可能に支持されるカム軸１の端部１ａの延長線上には、筒状の伝達部材２が、係合ピン３により周り止め係合された上でボルト４により連結固定されている。
前記伝達部材２の軸周に回転可能にスプロケット５が支承される。該スプロケット５はカム軸１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タイミングチェーンを介して連動して同期回転する。
【００１８】
前記スプロケット５の回転が、以下に説明する伝達機構を介して前記伝達部材２に伝えられる。
カム軸１と同軸に、フランジ６ａを有する筒状のドラム６が設けられ、このドラム６とスプロケット５との間には、ドラム６の回転位相を進ませる方向に付勢するコイルスプリング７が介装されている。即ち、スプロケット５にはケース部材８が固定され、コイルスプリング７の一端部（図示右端部）は、このケース部材８に固定され、コイルスプリング７の他端部は、ドラム６のフランジ６ａに固定されている。
【００１９】
前記ドラム６とケース部材８の対向する端部には、それぞれ相互の相対回転量を規制するストッパ６ｂ,８ａが設けられる（ケース部材８について図３参照）。
また、伝達部材２の外周面に形成されたギア２ａと、筒状のピストン部材９の内周に形成されたギア９ａ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。
【００２０】
一方、ピストン部材９の図示左端部外周面には雄ネジ９ｂ、ドラム６の内周面には雌ネジ６ｃが、それぞれ３条程度ずつ形成されていて、この両者はねじ作用により噛み合っている。また、ピストン部材９の図示右端部外周面に形成されたギア９ｃと、ケース部材８の内周面に形成されたギヤ８ｂ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。
【００２１】
ドラム軸受部材１０は、伝達部材２の外周面とドラム６の内周面との間に介装され、この両者の相対回転を軸受する。なお、ドラム軸受部材１０外周部は、ドラム６に嵌合された環状の爪部材１１と、伝達部材２の端部外周面にネジ止めされたナット１２とに係合して、軸方向の動きが規制されている。
また、ドラム６の外側（図示左側）に位置して、電磁ブレーキ１３がエンジン本体に固定して配設される。該電磁ブレーキ１３は、ドラム６のフランジ６ａと対向する面に摩擦部材１３ａを貼り付けたクラッチ部材１３ｂを有し、通電時に該クラッチ部材１３ｂが前記フランジ６ａ方向に伸びて該フランジ６ａの端面に押しつけられるようになっている。
【００２２】
かかる可変バルブタイミング装置の基本的な動作を説明する。
前記電磁ブレーキ１３が通電されていないとき（制御電流＝０）は、前記コイルスプリング７の付勢力によってドラム６が、ストッパ６ｂ,８ａの一方の突き当たり位置で規制される位置に保持され、このとき、カム軸１はクランク軸に対して最も遅角した位置に保持される。
【００２３】
上記、最遅角位置を基準としてカム軸１を、目標角度進角させて目標バルブタイミングに制御するときは、電磁ブレーキ１３を通電し、クラッチ部材１３ｂをドラム６のフランジ面６ａに押しつけて摩擦制動を作用させる。これにより、ドラム６は、クランク軸に同期するスプロケット５の回転に対して遅れを生じ、その結果、雄ねじ９ｂと雌ねじ６ｃとで噛み合っているピストン部材９は、カム軸１の軸方向に（図示左側から右側に）移動する。
【００２４】
ピストン部材９は、ケース部材８と伝達部材２とに、互いに逆向きの角で切られた前記のヘリカル機構により噛み合っており、ピストン部材９が前記軸方向に移動すると、上記逆向き角に切ってあるヘリカルの歯スジに沿って、ケース部材８に対して伝達部材２が進角方向に相対回転し、引いてはスプロケット５と同期回転するクランク軸に対してカム軸１が進角方向に相対回転する。ここで、外周側と内周側とに設けた２つのヘリカル機構のうち、１つは真直ぐなスプライン機構で構成することもできるが、逆向き角に切った２つのヘリカル機構を設けることで、より大きく進角させることができる。
【００２５】
そして、電磁ブレーキ１３への電流値を増大させ、コイルスプリング７の付勢力に対する制動力（滑り摩擦）を増大させるほど、カム軸１の回転位相が進角側に変更されることになる。
上記のように、電磁ブレーキ１３による制動力に応じて決まるドラム６の回転遅れ量によってカム軸１の回転位相がスプロケット５（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１３による制動力は、電磁ブレーキ１３に供給される制御電流を、例えばデューティ制御す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。
【００２６】
さらに、前記カム軸１若しくはカム軸１に連結された回転部材の回転方向にエンジン気筒数に対応した数の突起（被検出部）１ｂが等間隔に形成される。例えば、Ｖ型６気筒エンジンの場合、左右バンクに対応した左右２本のカム軸１にそれぞれ１２０°間隔で３個の突起１ｂが形成される。そして、これらカム軸１の外周に近接して前記突起１ｂを検出するカムセンサ２１が設けられる。
【００２７】
前記電磁ブレーキ１３への通電を制御して吸・排気弁のバルブタイミング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２２には、前記カムセンサ２１の他、エンジンの吸入空気量を検出するエアフローメータ２３、クランク回転を検出するクランク角センサ２４、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ２５等からの検出信号が入力される。
【００２８】
そして、前記コントロールユニット２２は、前記センサ類からの検出信号に基づいて検出されたエンジン運転状態（回転速度，負荷，水温等）に基づいて、吸・排気弁の目標バルブタイミングを設定し、該目標バルブタイミングに対応したカム軸の目標回転位相が得られるように、前記クランク角センサ２４からの信号と、前記カムセンサ２１からの信号とに基づいて回転位相を検出しつつ目標回転位相と一致するように電磁ブレーキ１３の制御電流を制御する。
【００２９】
具体的には、図４に示すように、クランク角センサ２４からの信号は、単位クランク角（例えば１０°）毎に、発生するパルスで構成されるが、１２０°間隔でパルスを発生しない歯抜け部分を持たせてあり、前後のパルス発生周期の比に基づいて前記歯抜け部分の次のパルスを検出したときを、気筒毎の基準クランク角位置として検出する。
【００３０】
そして、始動時など前記電磁ブレーキ１３が通電されていないカム軸１が最遅角位置にあるときを基準位置として学習し、該学習された基準位置に対するカム軸１の回転位相（進角量）を検出しながら、目標バルブタイミングに対応した目標回転位相となるようにフィードバック制御する。なお、カムセンサの信号は左右バンクの２つを示してある。
【００３２】
カム軸の基準位置学習フローを示す図５において、ステップ１では、エンジン回転中か否かを判定する。
エンジン回転中であるときは、ステップ２へ進み、前記電磁ブレーキ１３が非通電（制御電流＝０）であるかを判定し、非通電であるときはカム軸基準位置の学習条件が成立していると判断して、ステップ３へ進んで該基準位置学習を行なう。具体的には、後述するように学習時用の重み係数を用いてなまし処理されたカム軸回転位置（カム位置）ＶＴＣＮＯＷを、基準位置の学習値ＢＡＳＶＴＣとして記憶する。
【００３３】
該基準位置学習終了後、ステップ４へ進み学習終了フラグをセットする。
また、ステップ１でエンジン回転中でない（始動前及び運転終了後）と判定されたときは、ステップ５へ進んで学習終了フラグをクリアする。
また、ステップ２で前記電磁ブレーキ１３が通電されていると判定されたときは、ステップ４へ進み、前記最新の基準位置の学習値ＢＡＳＶＴＣを保持する。
【００３４】
図６は、前記電磁ブレーキ１３への制御電流出力フローを示す。
ステップ１１では、前記学習終了フラグの値に基づいて基準位置学習が終了したか否かを判定する。
基準位置学習が終了していないときは、ステップ１２へ進んで電磁ブレーキ１３への制御電流（デューティ）を０として通電を停止する。これにより、カム軸１は、最遅角位置に維持される。
【００３５】
基準位置学習が終了していると判定されたときは、ステップ１３へ進んでカム軸１の目標変換角度（目標回転位相）を算出する。該目標変換角度は、エンジンの回転速度，負荷を基本とし、水温などによる補正を行って算出する。
ステップ１４では、前記目標変換角度と検出された実際のカム軸回転位置つまり基準位置に対する進角量との偏差を演算する。ここで、実際のカム軸回転位置として、後述するようにフィードバック制御用の重み係数を用いてなまし処理されたカム位置ＶＴＣＮＯＷが用いられる。
【００３６】
ステップ１５では、前記偏差に基づいてＰＩ制御などによって制御電流（デューティ値）を算出する。
ステップ１６では、算出された制御電流を電磁ブレーキ１３に出力して目標変換角度に一致するようにフィードバック制御する。
図７は、前記クランク角センサ２４からの信号とカムセンサ２１からの信号とに基づいて、カム位置ＶＴＣＮＯＷＰを逐次検出しつつ、なまし処理する参考例に係るフローを示す。
【００３７】
ステップ２１で、エンジン回転中か否かを判定し、エンジン回転中のときにステップ２２へ進んで、前記のようにしてクランク角センサ２４の信号に基づいて検出される気筒毎の基準クランク角位置から、カムセンサ２１からの信号が出力位置（例えばパルスの立下り時点）までのクランク角度ＶＴＣＰＯＳを、この間に出力されるクランク角センサ２１からの単位角信号の出力数によって計測する。
【００３８】
ステップ２３では、次式によりカム位置ＶＴＣＮＯＷＰを算出する。
ＶＴＣＮＯＷＰ＝最遅角度−ＶＴＣＰＯＳ−基準位置学習値
ここで、最遅角度は、バラツキが無い場合のカム軸基準位置の基準クランク角位置に対する遅角量であり、予め設定された固定値である。すなわち、（最遅角度−基準位置学習値）が、実際のカム軸基準位置の基準クランク角位置に対する遅角量であり、この値からＶＴＣＰＯＳを差し引いた値が、実際のカム軸回転位置のカム軸基準位置に対する進角量（カム位置ＶＴＣＮＯＷＰ）として算出されることになる（図８参照）。また、基準位置学習値は、当該運転時における基準位置学習が終了していないときは、初期値としてバラツキが無い場合の０を用いるか、または、前回運転終了時の基準位置学習値を記憶しておいて、この値を用いるようにすればよい。
【００３９】
ステップ２４では、前記逐次検出されるカム位置ＶＴＣＮＯＷＰを一時的に記憶する。
ステップ２５では、基準位置学習が終了したか否かを、前記図５で設定された学習終了フラグの値に基づいて判定する。
ステップ２５で基準位置学習が未終了と判定された場合は、ステップ２６へ進んで基準位置学習時用のなまし処理におけるなまし度合の重み係数Ｋ１を、重み係数Ｋとして設定し、基準位置学習が終了と判定された場合は、ステップ２７へ進んでフィードバック制御時用のなまし処理におけるなまし度合の重み係数Ｋ２を、重み係数Ｋとして設定する。ここで、基準位置学習時用のなまし度合の重み係数Ｋ１は、フィードバック制御時用のなまし度合の重み係数Ｋ２より大きい値に設定されている。
【００４０】
ステップ２８では、上記のように条件に応じて切り換えて設定された重み係数Ｋを用いて、次式のように加重平均演算によるなまし処理を行なう。
ＶＴＣＮＯＷ＝Ｋ×ＶＴＣＮＯＷ（前回値）＋（１−Ｋ）×ＶＴＣＮＯＷＰ
ステップ２９では、ステップ２６で演算された今回のカム位置ＶＴＣＮＯＷを、次回演算時において前回値として使用するため記憶する。
【００４１】
このようにすれば、カム軸の基準位置学習時には、重み係数Ｋを大きくして大きななまし度でなまし処理を行なうことにより、基準位置のバラツキを複数の被検出部間のバラツキも含めて学習して高精度に補正することができ、一方応答性が重視されるフィードバック制御時には、なまし度を小さくすることにより、バルブタイミングの目標値が変化してカム軸の回転位相を変化させるときの応答性を良好に維持できる。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態について説明する。図５、６については、前記参考例と共通に用いられる。
図９は、カム位置ＶＴＣＮＯＷＰを逐次検出しつつ、なまし処理する本実施の形態に係るフローを示す。
ステップ３１〜３３は、図７のステップ２１〜２３と共通であるが、ステップ３４では、逐次検出されるカム位置ＶＴＣＮＯＷＰとして、最新の検出値の他、過去の検出値と合わせてカムセンサ２１の被検出部である突起１ｂの数、つまり対応するカム軸１でバルブタイミングが制御される気筒数分（例えば３個）の最新の検出値（ＶＴＣＮＯＷＰ、ＶＴＣＮＯＷＰｚ、ＶＴＣＮＯＷＰｚｚ）を記憶しておく。
【００４３】
そして、ステップ３５で同様に基準位置学習が終了したかを判定し、未終了と判定された場合は、ステップ３６へ進んで、なまし処理として前記気筒数分の最新の検出値（ＶＴＣＮＯＷＰ、ＶＴＣＮＯＷＰｚ、ＶＴＣＮＯＷＰｚｚ）を平均してカム位置ＶＴＣＮＯＷを算出する。
一方、ステップ３５で、基準位置学習が終了したと判定された場合は、ステップ３７へ進んで、ステップ３４で検出した最新の検出値ＶＴＣＮＯＷＰを、そのままカム位置ＶＴＣＮＯＷとして設定する。すなわち、なまし処理されない（なまし度０の）カム位置ＶＴＣＮＯＷが、図６のステップ１３においてフィードバック制御用のカム位置ＶＴＣＮＯＷとして用いられる。
【００４４】
本実施の形態においても、基準位置の学習値として、気筒数分の最新の検出値を平均するなまし処理を行なうことにより、基準位置のバラツキを複数の被検出部間のバラツキも含めて学習して高精度に補正することができ、一方応答性が重視されるフィードバック制御時には、なまし度を０とすることにより、バルブタイミングの目標値が変化してカム軸の回転位相を変化させるときの応答性を良好に維持できる。
【００４５】
なお、上記電磁ブレーキによる摩擦制動を利用した回転位相可変機構では、既述のように従来振れ幅を相当広めに見積もった上で余裕を考慮した制御設定をしなければならず、制御精度も悪化していたのを、本発明に係る基準位置学習を適用することにより、被検出部間隔バラツキによる振れを吸収できるので、制御設定が容易で、制御精度の向上代が大きい。但し、本発明は、油圧アクチュエータなどを用いた他の回転位相可変機構による可変バルブタイミング装置にも適用でき、相当の効果が得られる。
【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及び一部側面図。
【図２】同上可変バルブタイミング装置の機能を明瞭にした概略構成を示す断面図。
【図３】同上可変バルブタイミング装置のストッパ形成部分を示す斜視図。
【図４】実施の形態におけるクランク角センサ及びカムセンサからの信号出力状態を示すタイムチャート。
【図５】実施の形態におけるカム軸の基準位置学習フローを示すフローチャート。
【図６】実施の形態における電磁ブレーキへの制御電流出力フローを示すフローチャート。
【図７】参考例におけるカム位置検出及び検出値のなまし処理のフローを示すフローチャート。
【図８】実施の形態におけるカム位置検出方法を示すタイムチャート。
【図９】実施の形態におけるカム位置検出及び検出値のなまし処理のフローを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…カム軸
１ｂ…突起
２…伝達部材
２ａ…ギヤ
５…スプロケット
６…ドラム
６ｂ…ストッパ
６ｃ…雌ネジ
７…コイルスプリング
８…ケース部材
８ａ…ストッパ
８ｂ…ギヤ
９…ピストン部材
９ａ…ギヤ
９ｂ…雄ネジ
９ｃ…ギヤ
１３…電磁ブレーキ
２１…カムセンサ
２２…コントロールユニット
２４…クランク角センサ

Claims (4)

1. エンジンのカム軸若しくはカム軸に同期して回転する部材の回転方向に、同一のカム軸で駆動されるｎ個の各気筒に対応して、該気筒数ｎ個分の被検出部を設け、該被検出部に対応したカム軸の回転位置検出信号とクランク軸の回転位置検出信号とに基づいてクランク軸に対するカム軸の回転位相を検出しながら、該回転位相を変化させて、吸・排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを可変とする可変バルブタイミング装置において、
   前記回転位相が固定される条件で、前記ｎ個の被検出部で検出したｎ個の回転位相検出値を用いて、次式によってなまし処理を行い、該なまし処理後の検出値に基づいて、カム軸の基準位置を学習し、
   バルブタイミングのフィードバック制御時には、前記回転位相検出値のなまし処理を行なわないことを特徴とする可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置。
   [ ＶＴＣＮＯＷＰ＋ＶＴＣＮＯＷＰ _１ ＋・・＋ＶＴＣＮＯＷＰ _{（ｎ−１）} ] ／ｎ
   ただし、ＶＴＣＮＯＷＰ：最新の回転位相検出値
   ＶＴＣＮＯＷＰ _１ ：前回の回転位相検出値
   ＶＴＣＮＯＷＰ _{（ｎ−１）} ：（ｎ−１）回前の回転位相検出値。
2. 前記基準位置学習が終了してからバルブタイミングのフィードバック制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置。
3. 前記基準位置は、カム軸若しくはカム軸に同期して回転する部材が、クランク軸に対する相対回転をストッパで規制されるときの位置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置。
4. 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位相を変化させる機構を備えている特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング装置の基準位置学習装置。

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