JP3873663B2 - 可変バルブタイミング装置の制御装置 - Google Patents
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Description
【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てバルブタイミングを可変制御する可変バルブタイミング装置の制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の、可変バルブタイミング装置では、ストッパで規制される非作動時の初期位置に復帰する方向にリターンスプリングで付勢されており、該初期位置に復帰させるときにストッパが衝突して停止する。
油圧式の可変バルブタイミング装置の場合は、作動停止信号により、油圧が除去されてリターンスプリングの付勢力で復帰するが、油圧の除去に時間がかかり、初期位置に戻る速度が遅いので、いわゆる軟着陸となる。
【0003】
これに対し、特開平10−153105号公報等に示されるような、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構成の可変バルブタイミング装置では、作動停止信号により、電磁ブレーキがオフされると、摩擦制動力が直ぐに無くなり、リターンスプリングの力で一気に戻されることにより、ストッパが大きな速度で衝突し、衝突音が問題となる。
【0004】
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、回転位相の変化動作を適度に緩やかにすることにより、制御範囲や応答性を維持しつつストッパへの衝突音を低減し、ストッパの寿命も改善されるようにした内燃機関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。
【0005】
【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、
クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させて、バルブタイミングを可変制御する内燃機関の可変バルブタイミング装置において、
カム軸の回転位相をリターンスプリングにより初期位置に復帰する方向の制御を、初期位置より手前の所定位置で一時停止させるフィードバック制御を行った後、前記初期位置に復帰させるフィードフォワード制御に切り換えて行うことを特徴とする。
【0006】
請求項1に係る発明によると、
カム軸の回転位相を、初期位置より手前の所定位置で一時停止させてから、初期位置に戻すようにしたため、初期位置への戻り速度が大きくなることを防止でき、ストッパの衝突が緩和され衝突音を抑制でき、所定位置までの戻り速度は大きく保持できるので応答性も確保できる。
【0007】
また、請求項2に係る発明は、
前記所定位置は、カム軸の回転位相の該所定位置に対するオーバーシュート量に応じて設定されることを特徴とする。
請求項2に係る発明によると、
例えば、部品の個体バラツキを考慮し、最も動作の速い個体(早すぎて所定位置から行き過ぎるもの)と、所定位置を通過後に、停止させるまでの間の制御無駄時間あるいはダンパ成分が最も大きい個体(動きが遅いので一旦動き出すと、停止するのに時間がかかるもの)との、いずれかのオーバーシュートの大きい方に基づいて決定される。前記オーバーシュートより手前に所定位置を選択すれば、ストッパの衝突を回避することができる。
【0008】
また、請求項3に係る発明は、
カム軸の回転位相が前記所定位置に到達してから所定時間フィードバック制御を継続して行った後、前記初期位置に復帰させるフィードフォワード制御に切り換えることを特徴とする。
請求項3に係る発明によると、
回転位相が所定位置に停止させるフィードバック制御を所定時間継続することで、該所定位置に確実に一次停止させることができ、ストッパの衝突緩和性能を確保することができる。
【0009】
また、請求項4に係る発明は、
前記フィードバック制御を継続する所定時間は、カム軸の回転位相が前記所定位置で収束する時間に応じて設定されることを特徴とする。
請求項4に係る発明によると、
回転位相が所定位置に停止させるフィードバック制御を、カム軸の回転位相が前記所定位置で収束する時間に応じて設定された所定時間継続することで、該所定位置により確実に一次停止させて、ストッパの衝突緩和性能を確保することができる。例えば、応答性の早い個体のハンチングが終了するまでの時間と、応答性の遅い個体のフィードバック制御量が安定するまでの時間の長い方などで決定する。
【0010】
また、請求項5に係る発明は、
前記フィードバック制御後の初期位置に復帰させるフィードフォワード制御は、所定の変化率で回転位相を変化させる制御であることを特徴とする。
請求項5に係る発明によると、
前記所定位置から初期位置に戻すときのフィードフォワード制御は、所定の変化率で回転位相を変化させる制御としたため、ストッパが当たるときの速度を十分小さくしてストッパの衝突をより確実に緩和できる。
【0011】
また、請求項6に係る発明は、
前記所定の変化率は、前記所定位置から初期位置に到達する時間を一定とするように設定されることを特徴とする。
請求項6に係る発明によると、
所定位置から初期位置に到達する時間を一定とすることにより、復帰制御を所定時間内で完了させることができ、高応答性を確保できる。
【0012】
請求項7に係る発明によると、
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構成であることを特徴とする。
請求項7に係る発明によると、
応答性の高い電磁ブレーキ式の可変バルブタイミング装置に適用することで、問題となっているストッパ衝突音を有効に低減できる。
【0013】
【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。ここでは吸気弁のバルブタイミングを可変制御するものについて説明する。排気弁のバルブタイミングを可変制御するものについても構造的には同様であるが、電磁ブレーキの摩擦制動力を効かせたときの進遅角の制御方向が反対となる。
【0014】
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。
【0015】
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(排気弁用の場合は遅角方向)に付勢するリターンスプリングとしてのコイルスプリング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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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(排気弁用では遅角側)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、排気弁用では遅角量)を連続的に制御できる。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
そして、本発明に係る構成として、前記電磁ブレーキ13をONからOFFとして、リターンスプリング(コイルスプリング7)により、カム軸回転位相を初期位置(吸気弁用では最大遅角位置、排気弁用では最大進角位置)に戻す際に、ストッパ6b,8a相互が低速度を当接させる制御(以下軟着陸制御という)を行って、衝突音を低減する制御を行う。以下では、前記検出されるカム軸1とスプロケット5との相対回動位置(回転位相)を可変バルブタイミング制御装置(VTC)の実角度、その目標値をVTCの目標角度として説明する。
【0027】
図4は、前記軟着陸制御ルーチンのフローチャートを示す。
ステップ1では、機関回転速度および負荷に基づいてマップテーブルから検索された基本目標角度VTTRGが、前記ストッパ6b,8a相互が当接するVTCの初期位置(最大遅角位置)VTRGOF♯より少し手前に設定された所定位置VTCACT♯以上であるかを判定する。ここで、制御状態をフィードバック制御からフィードフォワード制御へ切り換える切換位置としての所定位置VTCACT♯にはヒステリシスHYVTAC♯が付けられており、電磁ブレーキをOFFとして基本目標角度VTTRGが減少する復帰制御時には、VTTRG<VTCACT♯=VTCACT0♯−HYVTAC♯のとき、該ステップ1の判定が不成立となり、VTTRGが増大して再度ステップ1が成立するのは、VTTRG≧VTCACT♯が成立したときとなる。
【0028】
ステップ1が成立しているときは、ステップ2に進んで、VTCフィードバック制御の許可フラグVTFBONを1にセットする。
ステップ3では、前記基本目標角度VTTRGを最終的な目標角度VTCTRGとして設定する。
ステップ4では、前記カムセンサ21によって検出されるカム軸の実角度VTCNOWも、前記所定位置VTCACT♯に達しているかを判定し、この条件も成立したとき、つまり、目標角度VTCTRG、実角度VTCNOWともに、軟着陸制御外であると判定されたときは、ステップ5へ進んで、軟着陸制御時間カウンタTMVTACをクリアする。
【0029】
基本目標角度VTTRGが減少して、ステップ1で所定位置VTCACT♯未満になったと判定されたときは、ステップ6へ進み実角度VTCNOWも所定位置VTCACT♯未満になったかを判定する。
そして、実角度VTCNOWは、まだ所定位置VTCACT♯以上であると判定された場合は、ステップ9以降ヘ進む。電磁ブレーキをOFFする復帰制御時は、後述するステップ9、11での判定が成立(YES)して、目標角度VTCTRGを前記所定位置VTCACT♯とするフィードバック制御が継続する。
【0030】
前記ステップ6で実角度VTCNOWも所定位置VTCACT♯未満になったと判定されたときは、ステップ7へ進んで前記軟着陸制御時間カウンタTMVTACがカウントアップ中かを判定し、ステップ6の判定成立後初回はカウントアップが開始されていないので、ステップ8へ進んでカウンタTMVTACのカウントアップを開始し、その後はステップ7をジャンプしてステップ9へ進む。なお、カウンタTMVTACは、前記ステップ5でクリアされた状態からカウントアップされる。
【0031】
ステップ9では、前記カウンタTMVTACのカウント値が設定値(目標制御時間)に達したかを判定し、達するまではステップ10ヘ進んで、許可フラグVTFBONを前回値に維持した後、ステップ11へ進み、該許可フラグVTFBONの値を判別する。
復帰制御時は、前記ステップ2で許可フラグVTFBONが1にセットされたまま維持されており、ステップ12へ進んで所定位置VTCACT♯を目標角度VTCTRGとするフィードバック制御を継続する。
【0032】
ステップ9で、上記所定位置VTCACT♯を目標角度VTCTRGとするフィードバック制御が設定値(目標制御時間)に達したことが判定されると、ステップ13へ進んで、前記VTCフィードバック制御の許可フラグVTFBONを0にリセットし、ステップ14で目標角度VTCTRGを前記初期位置VTRGOF♯に切り換えると共に、後述するように、実角度VTCNOWを初期位置VTRGOF♯に徐々に復帰させるフィードフォワード制御に切り換える。
【0033】
上記の初期位置VTRGOF♯から、電磁ブレーキをオンとしてVTCを進角方向に制御するときは、ステップ1で基本目標角度VTTRGがヒステリシス分HYVTAC♯を減算されない所定位置VTCACT♯以上と判定されてステップ2、3で前記基本目標角度VTTRGを目標角度VTCTRGとするフィードバック制御が行われる。
【0034】
また、前記ステップ11でVTCフィードバック制御の許可フラグVTFBONが0と判定されたときは、ステップ14へ進んで目標角度VTCTRGを前記初期位置VTRGOF♯に切り換えて、前記実角度VTCNOWを初期位置VTRGOF♯に復帰させる。これは、他の制御目的でフィードバック制御が解除されることがあるため、設定されている。例えば、アクセルペダルをチョイ踏み操作を繰り返し操作すると、VTCの制御目標(目標角度VTCTRG)が増大することがあり、その後本当に加速するためにアクセルペダルを踏み込むと、本来の目標以上に大きな目標角度が設定されて意図しない動作をしてしまうことがあるため、これを防止するため、前記のようにフィードバック制御が解除される場合がある。
【0035】
次に、前記許可フラグVTFBONの値を判定しつつデューティ制御によって実行されるフィードバック制御またはフィードフォワード制御を、図5のフローチャートに従って説明する。
ステップ21では、前記VTCフィードバック制御の許可フラグVTFBONの値を判定する。
【0036】
許可フラグVTFBONが1つまりフィードバック制御が許可されているときは、ステップ22へ進み、制御デューティVTCDUTYを、フィードバック制御、例えば前記目標角度VTCTRGと実角度VTCNOWとの偏差に基づくPID制御等により設定されるデューティVTDUTYに設定する。
また、ステップ21で許可フラグVTFBONが0と判定されると、ステップ23へ進んで、許可フラグVTFBONの前回値VTFBONzが1であったか否か、つまりフィードバック制御が許可から非許可に切り換えられたか否かを判定する。
【0037】
そして、フィードバック制御が許可から非許可に切り換えられた直後は、ステップ24へ進んでデューティ減少率を次式のように算出する。その後は、ステップ24をジャンプしてステップ25へ進む。
DUTY減少率=VTCDUTY×VTCLND♯
ここで、VTCDUTYは、前記ステップ22で設定されているフィードバック制御終了時における所定位置VTCACT♯での制御デューティであり、DUTYカットオフ時間VTCLND♯は、フィードフォワード制御開始後、実角度VTCNOWが初期位置VTRGOF♯に到達するまでの目標時間である。すなわち、現在位置VTCACTから該目標時間VTCLND♯で初期位置VTCLND♯に到達する速度で動作するように、DUTY減少率が算出される。
【0038】
ステップ25では、制御デューティVTCDUTYを、前回値VTCDUTYzから前記DUTY減少率を減算して算出する。
ステップ26では、制御デューティVTCDUTYに下限リミッター処理(負の値とならないようにする処理)を施して、ルーチンを終了する。
図6〜図8は、上記本発明に係る軟着陸制御における3つのパターンを示す。
【0039】
図6は、実角度VTCNOWが初期位置VTRGOF♯にあるときから、目標角度VTCTRGが大きく増大し、フィードバック制御により実角度VTCNOWも増大して目標角度VTCTRGに一致した状態に維持された後、電磁ブレーキをオフとする復帰制御が開始され、該復帰制御が完了するまでの様子を示したものであり、前記図4で説明したとおりの順序で制御される。
【0040】
図7では、初めにアクセルペダルをチョイ踏みした場合が示され、この場合目標角度VTCTRGは一旦前記所定位置VTCACT♯を超えるが、直ぐに所定位置VTCACT♯に戻されることにより、実角度VTCNOWは所定位置VTCACT♯を超えることなく、初期位置VTCLND♯に復帰する。次いで、アクセルペダルを大きく踏み込んで目標角度VTCTRGまで、実角度VTCNOWを追従させた後、アクセルペダルを一旦戻し操作した後、再度大きく踏み込む。実角度VTCNOWも減少するが、戻し操作する時間が短いので所定位置VTCACT♯まで戻されることなく、再度目標角度VTCTRGまで増大する。
【0041】
図8は、図7の後段に近いアクセル操作をするが、アクセルペダルを戻し操作する時間が長いので、実角度VTCNOWも所定位置VTCACT♯より減少する。
図9は、図5のデューティ制御によるフィードバック制御とフィードフォワード制御をより細かく示したものである。
【0042】
所定以上の目標角度VTCTRGにフィードバック制御している状態から復帰制御を開始し、所定位置VTCACT♯に維持して所定時間継続した後、制御デューティVTCDUTYが一定時間で0となるように一定の変化率で減少していく。
【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バルブタイミング制御のメインルーチンを示すフローチャート。
【図5】実施の形態におけるバルブタイミング制御のデューティ設定ルーチンを示すフローチャート。
【図6】実施の形態における第1のパターンを示すタイムチャート。
【図7】実施の形態における第2のパターンを示すタイムチャート。
【図8】実施の形態における第3のパターンを示すタイムチャート。
【図9】実施の形態における第4のパターンを示すタイムチャート。
【符号の説明】
1…カム軸
6b…ストッパ
8a…ストッパ
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 (7)
- クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させて、バルブタイミングを可変制御する内燃機関の可変バルブタイミング装置において、
カム軸の回転位相をリターンスプリングにより初期位置に復帰する方向の制御を、初期位置より手前の所定位置で一時停止させるフィードバック制御を行った後、前記初期位置に復帰させるフィードフォワード制御に切り換えて行うことを特徴とする可変バルブタイミング装置の制御装置。 - 前記所定位置は、カム軸の回転位相の該所定位置に対するオーバーシュート量に応じて設定され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制御装置。
- カム軸の回転位相が前記所定位置に到達してから所定時間フィードバック制御を継続して行った後、前記初期位置に復帰させるフィードフォワード制御に切り換え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制御装置。
- 前記フィードバック制御を継続する所定時間は、カム軸の回転位相が前記所定位置で収束する時間に応じて設定されることを特徴とする請求項3に記載の可変バルブタイミング装置の制御装置。
- 前記フィードバック制御後の初期位置に復帰させるフィードフォワード制御は、所定の変化率で回転位相を変化させる制御であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の可変バルブタイミング装置の制御装置。
- 前記所定の変化率は、前記所定位置から初期位置に到達する時間を一定とするように設定されることを特徴とする請求項5に記載の可変バルブタイミング装置の制御装置。
- 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構成であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の可変バルブタイミング装置の制御装置。
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