JP4299164B2 - 可変バルブタイミング機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置に関する。

内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることによって、吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置としては、特許文献１に開示されるようなものがある。
このものは、クランクシャフトの基準回転位置でクランク角信号を出力するクランク角センサと、カムシャフトの基準回転位置でカム信号を出力するカムセンサとを備え、前記基準回転位置のずれ角に基づいてクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を検出し、この回転位相が目標になるように可変バルブタイミング機構をフィードバック制御するようにしている。
特開２０００−２９７６８６号公報

ところで、上記従来の構成では、一定のクランク角（カムシャフトの回転周期）毎に前記回転位相が検出されることになるが、可変バルブタイミング機構のフィードバック制御は、通常、微少単位時間毎に実行されるため、機関始動時等の低回転時においては、フィードバック制御の実行周期よりも回転位相の検出周期の方が長くなって、制御上十分な頻度で回転位相を検出できない。

従って、例えば、クランキング中にバルブタイミングを機関の始動に適した状態（始動時タイミング）へと制御しようとしても、機関始動開始後も回転位相が検出されるまでの間はフィードバック操作量が算出されないし、また、回転位相が検出された後も、回転位相が更新されるまでの間は実際とは異なる回転位相との偏差に基づいてフィードバック操作量が算出されることとなって、かえって始動性を低下させてしまうおそれがある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、低回転時においても回転位相を速やかに目標へと収束させて、特に冷機時における始動性を向上させることを目的とする。

このため、請求項１に記載の発明は、機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、
クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相の実際値を、前記カムシャフトの回転周期よりも短い周期で検出できる回転位相検出手段を備え、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を機関運転状態に応じて設定される目標回転位相に一致させる方向の制御を、機関回転速度が所定回転速度以下かつ前記回転速度検出手段により検出した前記回転位相の実際値と前記目標回転位相との偏差が所定値以上であるときにはフィードフォワード制御とする一方、機関回転速度が前記所定回転速度を超えているとき又は前記偏差が前記所定値を下回っているときにはフィードバック制御とすることを特徴とする。
このようにすると、回転位相の検出周期が長くなる低回転領域においても、実際の回転位相（バルブタイミング）を目標回転位相（目標バルブタイミング）へと速やかに制御することができる。これにより、機関始動時における制御性が改善され、特に冷機時の始動性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、機関回転速度の所定時間当たりの変化量が所定量を上回る場合には、前記フィードフォワード制御を禁止して前記フィードバック制御を行う。
請求項３に記載の発明は、前記回転位相検出手段は、前記クランクシャフトの基準回転位置及び単位クランク角度毎に信号を出力する第１センサと、前記カムシャフトの回転位置に応じて異なる信号を出力する第２センサと、を備え、前記第１センサ及び前記第２センサの出力信号に基づいて前記回転位相の実際値を検出する。

このようにすると、低回転領域であっても機関回転速度の変化量が所定値を超える場合には、完爆した（クランキングが終了した）と判定し、フィードフォワード制御からフィードバック制御に移行する。これにより、機関始動時にはフィードフォワード制御によりバルブタイミングを始動時タイミングへと応答よく制御しつつ、完爆後はフィードバック制御によって最適なバルブタイミングへと精度よく制御できる。
また、第１センサ及び第２センサの出力信号に基づいて、前記回転位相の実際値を任意のタイミングで検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、実施形態における車両用内燃機関の構成図である。この図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

機関の各燃焼室には点火プラグ１３３が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。燃焼排気は燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１３４、排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト１３４には、可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）１１３が設けられている。

このＶＴＣ１１３は、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を変化させることで吸気バルブ１０５の開閉タイミングを変化させる機構であり、その詳細については後述する。
なお、本実施形態では吸気バルブ１０５側のみにＶＴＣ１１３を備える構成としたが、吸気バルブ１０５側に代えて又は吸気バルブ１０５側と共に、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備える構成であっても良い。

また、各気筒の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、所定圧力に調整された燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ１１４には、各種センサからの出力信号が入力され、該信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４、ＶＴＣ１１３及び燃料噴射弁１３１を制御する。

前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＡＰＳ１１６、機関１０１の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０からクランク角１８０°毎の基準回転位置で基準クランク角信号ＲＥＦを取り出すと共に単位クランク角度毎の単位角度信号ＰＯＳを取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１１９、吸気側カムシャフト１３４からカム角９０°（クランク角１８０°）毎の基準回転位置でカム信号ＣＡＭを取り出すカムセンサ１３２、燃焼室１０６内の燃焼圧力を検出する圧力センサ１３５、バッテリ電圧Ｖｂを検出する電圧センサ１３６等が設けられている。なお、機関回転速度Ｎｅは、前記基準クランク角信号ＲＥＦの周期、又は、単位時間当たりの単位角度信号ＰＯＳの発生数に基づいて算出される。また、図示は省略するが、ＥＣＵ１１４には、アイドルスイッチやスタートスイッチ等の動作信号も入力される。

次に、前記ＶＴＣ１１３の構成を、図２〜図９に基づいて説明する。図２に示すように、本実施形態に係るＶＴＣ１１３は、前記吸気側カムシャフト（以下、単にカムシャフトという）１３４と、このカムシャフト１３４の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン（図示せず）を介してクランクシャフト１２０に連係されるタイミングスプロケット３０２を外周に有する駆動リング３０３（駆動回転体）と、この駆動リング３０３とカムシャフト１３４の前方側（図２において左側）に配置されて、カムシャフト１３４と駆動リング３０３との組付角を操作する組付角操作機構３０４と、この組付角操作機構３０４のさらに前方側に配置されて、同機構３０４を駆動する操作力付与手段３０５と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとヘッドカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構３０４と操作力付与手段３０５の前面と周域を覆う図外のＶＴＣカバーと、を備えている。なお、図３（及び図５）は図２のＡ−Ａ断面図に相当し、図４は図２のＢ−Ｂ断面図に相当する。

駆動リング３０３は、段差状の挿通孔３０６を備えた短軸円筒状に形成され、この挿通孔３０６部分が、カムシャフト１３４の前端部に結合された従動軸部材３０７（従動回転体）に回転可能に組み付けられている。そして、駆動リング３０３の前面（カムシャフト１３４と逆側の面）には、図３に示すように、対面する平行な側壁を有する３個の径方向溝３０８（径方向ガイド）が駆動リング３０３のほぼ半径方向に沿うように形成されている。

また、従動軸部材３０７は、図２に示すように、カムシャフト１３４の前端部に突き合される基部側外周に拡径部が形成されると共に、その拡径部よりも前方側の外周面に放射状に突出する三つのレバー３０９が一体に形成され、軸芯部を貫通するボルト３１０によってカムシャフト１３４に結合されている。各レバー３０９には、リンク３１１の基端がピン３１２によって軸支連結され、各リンク３１１の先端には前記各径方向溝３０８に摺動自由に係合する円柱状の突出部３１３が一体に形成されている。

各リンク３１１は、突出部３１３が対応する径方向溝３０８に係合した状態において、ピン３１２を介して従動軸部材３０７に連結されているため、リンク３１１の先端側が外力を受けて径方向溝３０８に沿って変位すると、駆動リング３０３と従動軸部材３０７とは、リンク３１１の作用によって突出部３１３の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。

また、各リンク３１１の先端部には、軸方向前方側に開口する収容穴３１４が形成され、この収容穴３１４に、後述する渦巻き溝３１５（渦巻き状ガイド）に係合する球面突起３１６ａを有する係合ピン３１６（転動部材）と、この係合ピン３１６を前方側（渦巻き溝３１５側）に付勢するコイルばね３１７とが収容されている。なお、この実施形態においては、リンク３１１の先端の突出部３１３と、係合ピン３１６、コイルばね３１７等とによって径方向に変位可能な可動案内部が構成されている。

一方、従動軸部材３０７のレバー３０９の突設位置よりも前方側には、円板状のフランジ壁３１８ａを有する中間回転体３１８が、軸受３３１を介して回転自在に支持されている。この中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの後面側には、断面半円状の前述の渦巻き溝３１５が形成され、この渦巻き溝３１５に、前記各リンク３１１の先端の係合ピン３１６が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝３１５の渦巻きは、駆動リング３０３の回転方向に沿って次第に縮径するように形成されている。従って、各リンク３１１先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に係合した状態において、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して遅れ方向に相対回転すると、リンク３１１の先端部は径方向溝３０８に案内されつつ、渦巻き溝３１５の渦巻き形状に誘導されて半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体３１８が進み方向に相対変位すると、半径方向外側に移動する。

この実施形態の組付角操作機構３０４は、以上説明した駆動リング３０３の径方向溝３０８、リンク３１１、突出部３１３、係合ピン３１６、レバー３０９、中間回転体３１８、渦巻き溝３１５等によって構成されている。この組付角操作機構３０４は、操作力付与手段３０５から中間回転体３１８にカムシャフト１３４に対する相対的な回動操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝３１５と係合ピン３１６の係合部を通してリンク３１１の先端を径方向に変位させ、このときリンク３１１とレバー３０９の作用によって駆動リンク３０３と従動軸部材３０７に相対的な回動力を伝達する。

一方、操作力付与手段３０５は、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向に付勢するゼンマイばね３１９と、中間回転体３１８を駆動リング３０３の回転方向と逆方向に付勢すべく制動機構であるヒステリシスブレーキ３２０と、を備えてなり、内燃機関の運転状態に応じてヒステリシスブレーキ３２０の制動力を適宜制御することにより、中間回転体３１８を駆動リング３０３に対して相対回動させ、或は、この両者の回動位置を維持するようになっている。

ゼンマイばね３１９は、駆動リング３０３に一体に取り付けられた円筒部材３２１にその外周端部が結合される一方で、内周端部が中間回転体３１８の円筒状の基部に結合され、全体が中間回転体３１８のフランジ壁３１８ａの前方側スペースに配置されている。
一方、ヒステリシスブレーキ３２０は、中間回転体３１８の前端部にリテーナプレート３２２を介して取り付けられた有底円筒状のヒステリシスリング３２３と、非回転部材である図外のＶＴＣカバーに回転を規制した状態で取り付けられた磁界制御手段としての電磁コイル３２４と、電磁コイル３２４の磁気を誘導する磁気誘導部材であるコイルヨーク３２５と、を備え、電磁コイル３２４が機関の運転状態に応じて前記ＥＣＵ１１４によって通電制御されるようになっている。具体的には、ＥＣＵ１１４は、電磁コイル３２４に対する通電量を、ディザ信号が重畳されたデューティ制御信号に基づいて制御する。

ヒステリシスリング３２３は、図６に示すように、外部の磁界の変化に対して位相遅れをもって磁束力が変化する特性（磁気的ヒステリシス特性）を持つヒステリシス材（半硬質材）によって形成され、外周側の円筒壁３２３ａ部分が前記コイルヨーク３２５によって制動作用を受けるようになっている。
コイルヨーク３２５は、電磁コイル３２５を取り囲むように全体が略円筒形状に形成され、その内周面が軸受３２８を介して従動軸部材３０７の先端部に回転可能に支持されている。そして、コイルヨーク３１５の後部面側（中間回転体３１８側）には磁気入出部分が円筒状の隙間をもって向かい合うように周面状の一対の対向面３２６，３２７が形成されている。

また、図７に示すように、コイルヨーク３２５の両対向面３２６，３２７には夫々円周方向に沿って複数の凹凸が連続して形成され、これらの凹凸のうち凸部３２６ａ，３２７ａが磁極（磁界発生部）を成すようになっている。
そして、一方の対向面３２６の凸部３２６ａと他方の対向面３２７の凸部３２７ａは円周方向に交互に配置され、対向面３２６，３２７相互の近接する凸部３２６ａ，３２７ａがすべて円周方向にずれている。従って、両対向面３２６，３２７の近接する凸部３２６ａ，３２７ａ間には、電磁コイル２４の励磁によって図７に示すような円周方向に傾きをもった向きの磁界が発生する。そして、両対向面３２６，３２７間の隙間には前記ヒステリシスリング３２３の円筒壁３２３ａが非接触状態で介装されている。

ここで、このヒステリシスブレーキ３２０の作動原理を図８によって説明する。なお、図８（ａ）はヒステリシスリング３２３（ヒステリシス材）に最初に磁界をかけた状態を示し、図８（ｂ）は上記（ａ）の状態からヒステリシスリング３２３を変位（回転）させた状態を示す。
図８（ａ）の状態においては、コイルヨーク３２５の両対向面３２６，３２７間における磁界の向き（対向面２７の凸部３２７ａから他方の対向面３２６の凸部３２７ａに向かう磁界の向き）に沿うようにヒステリシスリング３２３内に磁束の流れが生じる。

この状態からヒステリシスリング３２３が、外力Ｆを受けて図８（ｂ）に示す状態に移動すると、外部磁界内をヒステリシスリング３２３が変位することとなるため、このときヒステリシスリング３２３の内部の磁束は位相遅れをもち、ヒステリシスリング３２３内部の磁束の向きは、対向面３２６，３２７間の磁界の向きに対してずれる（傾斜する）こととなる。従って、対向面３２７の凸部３２７ａからヒステリシスリング３２３に入る磁束の流れ（磁力線）と、ヒステリシスリング３２３から他方の対向面３２６の凸部３２６ａに向かう磁束の流れ（磁力線）が歪められ、このとき、この磁束の流れの歪みを矯正するような引き合い力が対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３との間に作用し、その引き合い力がヒステリシスリング３２３を制動する抗力Ｆ’として働く。

このヒステリシスブレーキ３２０は、以上のようにヒステリシスリング３２３が対向面３２６，３２７間の磁界内を変位するときに、ヒステリシスリング３２３の内部の磁束の向きと磁界の向きのずれによって制動力を発生するものであるが、その制動力は、ヒステリシスリング３２３の回転速度（対向面３２６，３２７とヒステリシスリング３２３の相対速度）に関係なく、磁界の強さ、即ち、電磁コイル３２４の励磁電流の大きさに略比例した一定の値となる。

なお、図９は、ヒステリシスブレーキ３２０における回転速度と制動トルクの関係を、励磁電流をａ〜ｄ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）に変えて調べた試験結果である。この試験結果から明らかなように、このヒステリシスブレーキ３２０は、例えば、渦電流を用いたブレーキのように回転速度の影響を受けることがなく、常に励磁電流値に応じた制動力を得ることができる。

本実施形態に係るＶＴＣ１１３は以上のような構成となっており、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオフされると、ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して機関回転方向に最大に回転される（図３参照）。これにより、クランクシャフト１２０に対するカムシャフト１３４の回転位相はバルブタイミングが最も遅れる最遅角側（吸気バルブ１０５のバルブタイミングは最遅角タイミング）に維持される。

この状態から前記回転位相を最進角側に変更すべき指令が前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオンにされて、ゼンマイばね３１９の力に抗する制動力が中間回転体３１８に付与される。これにより、中間回転体３１８が駆動リング３０３に対して回転移動し、それによってリンク３１１の先端の係合ピン３１６が渦巻き溝３１５に誘導されてリンク３１１の先端部が径方向溝３０８に沿って変位し、図５に示すように、リンク３１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が最進角側に変更される。この結果、回転位相はバルブタイミングが最も進む最進角側（吸気バルブ１０５のバルブタイミングは最進角タイミング）に変更される。

一方、この状態（最進角側）から前記回転位相を最遅角側に変更すべく前記ＥＣＵ１１４から発されると、ヒステリシスブレーキ３２０の電磁コイル３２４の励磁がオフにされ、再度ゼンマイばね３１９の力によって中間回転体３１８が戻す方向に回転移動する。すると、渦巻き溝３１５による係合ピン３１６の誘導によってリンク３１１が上記と逆方向に揺動し、図３に示すように、そのリンク３１１の作用によって駆動リング３０３と従動軸部材３０７の組付角が再度最遅角側に変更される。

なお、このＶＴＣ１１３によって変更される（クランクシャフトに対するカムシャフト１３４の）回転位相は、以上説明した最遅角と最進角の二種の位相ばかりでなく、ヒステリシスブレーキ３２０の制動力の制御によって任意の位相に変更することができ、ゼンマイばね３１９の力とヒステリシスブレーキ３２０の制動力のバランスによってその位相を保持することもできる。

また、本実施形態では、図１０に示すように、吸気側カムシャフト１３４と共に回転する回転体４０１と、この回転体４０１の外周に近接配置された電磁式のギャップセンサ４０２とを備えている。
回転体４０１は直接又は他の部材を介して間接的に吸気カムシャフト１３４に固定されており、その外周は、図１０に示すように、吸気側カムシャフト１３４の中心からの距離が周方向で徐々に変化するよう形成されている。ギャップセンサ４０２は、吸気側カムシャフト１３４と回転に伴って変化する回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号（電圧）をＥＣＵ１１４に出力する。なお、回転体４０１は、吸気側カムシャフト１３４と共に回転するように設けられていれば、その固定方法や固定位置等は問わず、また、ギャップセンサ４０２は、回転体４０１の外周とのギャップＧｐに応じた信号を連続的に出力できればいずれの方式のものであってもよい。

ここで、ギャップセンサ４０２からの出力は、図１１に示すように、回転体４０１の外周とのギャップに対してほぼ正比例の関係にあり、また、ギャップと吸気側カムシャフト１３４の回転角度とは１対１で対応するため、ギャップセンサ４０２の出力と吸気側カムシャフト１３４の回転角度（カム角）とは、図１２に示すように、ほぼ正比例の関係となる。従って、ＥＣＵ１１４は、ギャップセンサ４０２からの出力信号に基づいて瞬時に吸気側カムシャフト１３４の回転角度を検出することができる。

すなわち、本実施形態においては、（１）クランク角センサ１１７及びカムセンサ１３２の検出信号に基づいて、吸気側カムシャフト１３４の回転周期毎に、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出できる（以下、これを第１回転位相検出手段による検出という）と共に、（２）クランク角センサ１１７及びギャップセンサ４０２の検出信号に基づいて、任意のタイミングで連続的に前記回転位相（吸気バルブ１０５のバルブタイミング）を検出することができる（以下、これを第２回転位相検出手段による検出いう）。

具体的には、第１回転位相検出手段は、基準クランク角信号ＲＥＦの発生からカム信号ＣＡＭの発生までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで前記回転位相を検出（算出）し、第２回転位相検出手段は、ギャップセンサ４０２の出力信号に基づいて検出した吸気側カムシャフト１３４の回転角度と、基準クランク角信号ＲＥＦの発生から吸気側カムシャフト１３４の回転角度検出までの単位角度信号ＰＯＳをカウントすることで検出したクランクシャフト１２０の回転角度とから前記回転位相を検出（算出）する。

このように、２つの回転位相検出手段を備えることにより、例えば、高回転時には前記第１回転位相検出手段により安定かつ正確にクランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を検出する一方、バルブタイミング制御等の実行周期よりも第１回転位相検出手段による回転位相の検出周期の方が長くなる低回転時には、前記第２回転位相検出手段により前記回転位相を検出する、というように、第１、第２回転位相検出手段を適宜選択して回転位相を検出することができる。

ところで、本実施形態におけるＶＴＣ１１３では、後述するように、機関始動時においては、始動に最適な吸気バルブ１０５のバルブタイミング（始動時タイミング）が前記最遅角タイミングよりも進角側に設定されるようになっている（図１４参照）。これは、機関始動時においては始動性を損なわないバルブタイミングとしつつ、高回転時においてはバルブタイミングをより遅角させて出力の向上を図れるようにするためである。本実施形態では、機関停止時には吸気バルブ１０５のバルブタイミングは前記最遅角タイミングとなっているから、機関の始動時には、バルブタイミングを最遅角タイミングから始動時タイミングへと進角させる必要がある。

このため、ＥＣＵ１１４は、機関始動時（クランキング中）と通常運転時とでバルブタイミング制御を切り換えるようにしている。以下、本実施形態におけるバルブタイミング制御について、図１３、図１４に示すフローチャートに基づいて説明する。
図１３は、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である。このフローは、キースイッチがＯＮされると開始され、所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎に実行される。

Ｓ１１では、吸気バルブ１０５の目標バルブタイミング（目標回転位相）θｔｇ（ｄｅｇ）を設定する。本実施形態において、かかる設定は、機関回転速度Ｎｅ、機関負荷、機関温度等に基づいて行われるが、その詳細については後述する（図１４参照）。
Ｓ１２では、吸気バルブ１０５の実際のバルブタイミング（実回転位相）θｄｅｔ（ｄｅｇ）を検出する。かかる検出は、クランク角センサ１１７及びギャップセンサ４０２の検出信号に基づいて、すなわち、前記第２回転位相検出手段により行う。

Ｓ１３では、前記目標回転位相θｔｇと前記実回転位相θｄｅｔとの偏差Ｅｒ（θｔｇ−θｄｅｔ）を算出する。
Ｓ１４では、スタートスイッチがＯＮであるか否かを判定する。スタートスイッチがＯＮであればＳ１５に進み、ＯＦＦであればＳ２１に進む。なお、スタートスイッチのＯＮ／ＯＦＦ判定に代えて、始動モータのＯＮ／ＯＦＦ判定としてもよい。

Ｓ１５では、機関回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｓ１（例えば、３００ｒｐｍ）以下であるか否かを判定する。Ｎｅ≦Ｎｓ１であればＳ１６に進み、Ｎｅ＞Ｎｓ１であればＳ２１に進む。
Ｓ１６では、機関回転速度Ｎｅの前回値Ｎｅｚからの変化量ΔＮｅが所定値Ｎｓ２（例えば、１００ｒｐｍ）以下であるか否かを判定する。ΔＮｅ≦Ｎｓ２であればＳ１７に進み、ΔＮｅ＞Ｎｓ２であればＳ２１に進む。

以上のＳ１４〜Ｓ１６によりクランキング中であるか（完爆していないか）否かがが判定され、すべてがＹＥＳであればクランキング中であると判定してＳ１７に進む。一方、いずれかがＮＯであればクランキング終了（完爆した）であるとしてＳ２１に進み、通常のバルブタイミング制御を行う。なお、本実施形態ではＳ１４〜Ｓ１６のすべてを判定することでクランキング中であるか否かを判定するようにしているが、例えば、Ｓ１５のみにより低回転域であるか否かを判定するようにしてもよい。ここで、本実施形態における通常のバルブタイミング制御とは、Ｓ１３で算出された偏差Ｅｒに基づくフィードバック制御のことをいい、具体的には、ＰＩＤ制御等によってフィードバック操作量Ｕを算出し、算出されたフィードバック操作量Ｕに応じたデューティ制御信号をＶＴＣ１１３（の電磁コイル３２４）に出力することになる。

Ｓ１７では、バッテリ電圧Ｖｂが所定電圧Ｖｓ（例えば、８Ｖ）以上であるか否かを判定する。かかる条件を判定するのは、バッテリ電圧Ｖｂが低いとＶＴＣ１１３に駆動信号（電磁コイル３２４にデューティ制御信号）を出力しても実際にはＶＴＣ１１３を駆動できないからである。そこで、Ｖｂ≧ＶｓであればＳ１８に進むが、Ｖｂ＜ＶｓであればＳ２１に進んで通常のバルブタイミング制御を行うこととする。

Ｓ１８では、冷却水温度（機関温度）Ｔｗが所定温度Ｔｓ（例えば、１００℃）以下であるか否かを判定する。かかる条件を判定するのは、高温下で電磁コイル３２４への通電量を大きくすると、コイル温度が上昇し過ぎる可能性があるからである。そこで、Ｔｗ≦ＴｓであればＳ１９に進むが、Ｔｗ＞ＴｓであればＳ２１に進んで通常のバルブタイミング制御を行うこととする。

Ｓ１９では、Ｓ１３で算出した偏差Ｅｒが所定値θｓ（例えば、１０ｄｅｇ）以上であるか否かを判定する。かかる条件を判定するのは、偏差Ｅｒが小さいにもかかわらず、電磁コイル３２４への通電量を大きくしてＶＴＣ１１３を高速で駆動しようとすると、オーバーシュートが発生する可能性があるからである。そこで、Ｅｒ≧θｓであればＳ２０に進むが、Ｅｒ＜θｓであればＳ２１に進んで通常のバルブタイミング制御を行うこととする。

なお、Ｓ１７〜Ｓ１９の条件をすべて判定することが望ましいが、そのうちのいずれかを判定するように構成してもよく、また、更に条件を追加してもよい。
Ｓ２０では、クランキング中であり、かつ、電磁コイル３２４への通電量を大きくしても問題のない場合であるので、吸気バルブ１０５のバルブタイミングを最遅角タイミングから始動時タイミングへと速やかに制御するように、所定のデューティ値（Ｄｕｔｙ＝ｎ％）とした制御信号ＥＶＴＣＤＹＴをＶＴＣ１１３（の電磁コイル３２４）に出力する。ここで、出力するデューティ値は固定値（例えば、ｎ＝１００％）としてもよいが、あらかじめ前記偏差Ｅｒに応じて出力すべきデューティ値を求めてテーブル等を作成しておき、偏差Ｅｒに応じて可変設定するのが望ましい。精度よく始動時タイミングへと制御するためである。また、この場合においては、さらに、冷却水温度Ｔｗに応じてデューティ値を補正するようにしてもよい。

図１４は、目標回転位相θｔｇを設定するフローチャートであり、図１３のＳ１１において実行される。
Ｓ１０１では、機関が回転しているか（回転を開始したか）否かを判定する。機関が回転中であればＳ１０２に進み、回転していなければＶＴＣ１１３が動作しないのでＳ１０５に進んで目標回転位相θｔｇを０（ｄｅｇ）とする。

Ｓ１０２では、図１３のＳ１４と同様に、スタートスイッチ（又は始動モータ）がＯＮであるか否かを判定する。スタートスイッチ（始動モータ）がＯＮであればＳ１０３に進み、ＯＦＦであればＳ１０４に進む。
Ｓ１０３では、機関始動時（クランキング中）であるとして、始動時用の目標回転位相（始動時タイミング）θｔｇを設定する。かかる設定は、具体的には、冷却水温度（機関温度）Ｔｗに基づいて、図中に示すようなテーブルを検索することにより行う。ここで、始動時用の目標回転位相θｔｇは、冷却水温度Ｔｗが低いほど大きく設定される（進角側に設定される）。これは、低温始動時においては、吸気バルブ１０５の閉タイミングＩＶＣを吸気下死点（ＢＤＣ）に近づけて有効圧縮比を高めて始動性を向上させる一方、高温始動時においては、ＩＶＣをＢＤＣから遠ざけるようにして振動の低減を図るようにしたものである。

Ｓ１０４では、通常運転中であるとして、通常時用の目標回転位相（通常時タイミング）θｔｇを設定する。具体的には、図中に示すように、機関回転速度Ｎｅと機関負荷（目標体積効率ηＶ）とに基づくマップを参照して目標回転位相θｔｇを設定するが、本実施形態においては、冷却水温度（機関温度）Ｔｗに応じて要求されるバルブタイミングが変化することを考慮して、冷却水温度Ｔｗにより参照するマップを切り換えるようにしている。

以上により、本実施形態においては、機関始動時には機関の始動に適したバルブタイミングとなる目標回転位相θｔｇが設定され、原則として、実回転位相θｄｅｔを目標回転位相θｔｇとすべく（近づけるべく）フィードフォワード制御が行われる。これにより、機関始動時に、バルブタイミングを機関停止中の状態から始動時バルブタイミングへと応答よく制御することができ、始動時タイミングに到達する前に燃料噴射及び点火が行われて完爆（初爆）が生じてしまう事態を回避して、ミッションの悪化、燃焼の不安定を防止できる。一方、機関始動時であってもフィードフォワード制御を行うのが適さないと判定された場合や機関が通常運転となった場合には、従来と同様に、実回転位相θｄｅｔを目標回転位相θｔｇに一致させるようにフィードバック制御が行われる。

なお、以上説明した実施形態では、吸気バルブ１０５にＶＴＣ１１３を備えたものについて説明しているが、排気バルブ１０７側にＶＴＣ１１３を備えた場合であっても同様である。
また、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の回転位相を任意のタイミングで検出できれば、前記第２回転位相検出手段に限るものではなく、また、吸気側カムシャフト１３４の回転周期よりも短い周期で前記回転位相を検出するもので代用してもよい。

さらに、以上では電磁式のＶＴＣについて説明したが、油圧式のＶＴＣ（例えば、機関始動時に油圧を上昇させる手段を備えたもの）に対して適用してもよい。
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
機関温度を検出する温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出した機関温度が所定温度を上回るときは、前記フィードフォワード制御を禁止することを特徴とする
このようにすると、可変バルブタイミング機構の電磁コイル（アクチュエータ）の温度が高いときに、電磁コイルへの通電量を大きくしてしまい、コイル温度が上昇し過ぎるような事態を回避できる。
（ロ）請求項１〜３、上記（イ）のいずれか１つに記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
バッテリ電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記電圧検出手段により検出したバッテリ電圧が所定値を下回るときは、前記フィーフォフォワード制御を禁止することを特徴とする。

このようにすると、駆動信号を出力したとしても可変バルブタイミング機構が動作しないような場合、フィードフォワード制御を行うことにより更なるバッテリ電圧の低下を招いてしまうような事態を回避できる。
（ハ）請求項２又は請求項３記載の可変バルブタイミング機構の制御装置において、
前記目標回転位相は機関温度に応じて設定され、
前記実際の回転位相と設定された目標回転位相との偏差に応じて、前記可変バルブタイミング機構に出力するフィードフォワード操作量を設定することを特徴とする。

このようにすると、始動性を向上と振動の低減との両面から機関始動に適した目標回転位相（バルブタイミング）を設定しつつ、機関始動時においても高応答・高精度なバルブタイミング制御を行うことができる。

実施形態に係る内燃機関のシステム構成図である。 実施形態に係る可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 上記ＶＴＣの作動状態を示す断面図（Ａ−Ａ断面図に相当する）。 ヒステリシス材の磁束密度−磁界特性を示すグラフである。 図４の部分拡大断面図である。 図７の部品を直線状に展開した模式図であり、初期状態（ａ）とヒステリシスリングが回転したとき（ｂ）の磁束の流れを示す図である。 上記ＶＴＣのブレーキトルク−回転速度特性を示すグラフである。 第２回転位置検出手段を構成する回転体４０１とギャップセンサ４０２とを説明する図である。 ギャップセンサのギャップ−出力特性を示すグラフである。 ギャップセンサの出力−カム角（回転位置）特性を示すグラフである。 本実施形態に係るバルブタイミング制御のフローチャートである。 目標回転位相を設定するフローチャートである。

符号の説明

１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１３…ＶＴＣ（可変バルブタイミング機構）、１１４…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）、クランク角センサ…１１７、１２０…クランクシャフト、１３２…カムセンサ、１３４…吸気側カムシャフト、４０１…回転体、４０２…ギャップセンサ

Claims (3)

1. 内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、機関の吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構の制御装置において、
   機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転位相の実際値を、前記カムシャフトの回転周期よりも短い周期で検出できる回転位相検出手段を備え、
   前記回転位相を機関運転状態に応じて設定される目標回転位相に一致させる方向の制御を、機関回転速度が所定回転速度以下かつ前記回転速度検出手段により検出した前記回転位相の実際値と前記目標回転位相との偏差が所定値以上であるときにはフィードフォワード制御とする一方、
   機関回転速度が前記所定回転速度を超えているとき又は前記偏差が前記所定値を下回っているときにはフィードバック制御とすることを特徴とする可変バルブタイミングの制御装置。
2. 前記機関回転速度の所定時間当たりの変化量が所定値を上回る場合には、前記フィードフォワード制御を禁止して前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１記載の請求項１記載の可変バルブタイミング機構の制御装置。
3. 前記回転位相検出手段は、
   前記クランクシャフトの基準回転位置及び単位クランク角度毎に信号を出力する第１センサと、
   前記カムシャフトの回転位置に応じて異なる信号を出力する第２センサと、を備え、
   前記第１センサ及び前記第２センサの出力信号に基づいて前記回転位相の実際値を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の可変バルブタイミングの制御装置。

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