JP2009074375A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電子制御スロットルにおいてスロットルバルブ位置センサ異常発生のため、デフォルト位置にスロットルバルブを固定する退避走行モードに陥った場合、ドライバ意図どおりの車両の加減速ができなかった。
【解決手段】
ドライバの意図である目標スロットル開度位置のリターンスプリングトルク相当のモータトルクに静止摩擦を打ち消すディザー分を重畳したモータ駆動信号を印加することにより、スロットルバルブ位置センサによらず、スロットルバルブ開度を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子制御式スロットルのスロットルバルブ位置制御方法に関する。

電子制御スロットルのスロットルバルブ位置制御方法の公知の技術としてはスロットルバルブ開度指令とスロットルバルブ現在開度の偏差を用いたＰＩＤ制御方式や特許文献１に開示されているようなモデルマッチング方式がある。いずれの方式もスロットルバルブ位置センサの値を元にフィードバックをかけ、目標とセンサ位置が一致するように制御する手法である。

特開平９−１５８７６４号公報

図２に電子制御スロットルの構造を示す。電子制御スロットルはスロットルバルブとＤＣモータを減速ギア、あるいはなんらかのリンク機構により連結し、ＤＣモータに電圧あるいは電流を与えることにより連結されたスロットルバルブを動かすものである。スロットルバルブには、通常、バルブ開度センサが取り付けられている。バルブ開度センサは、スロットルバルブの現在開度（実スロットル開度）を検出する。

スロットルバルブは、３６０度回転するわけではなく、最低空気量に調整できるように全閉点を設けてあり、その為のストッパがある。このストッパはスロットルバルブと電子スロットル本体とのクリアランスで実現される場合や、スロットルバルブシャフト、もしくはＤＣモータと、スロットルバルブの連結部分に設けられる場合がある。

図３に電子制御スロットルのデフォルト機構であるリターンスプリングとモータトルクスロットル開度の関係を示す。デフォルト機構はスロットルバルブ開き方向のリターンスプリングトルクと閉じ方向のリターンスプリングトルクを釣り合わせることにより、モータに駆動電圧がかかっていない場合、スロットルバルブを中間位置に固定する機構である。この機構を有することにより、スロットルバルブ位置センサの異常が発生し、目標スロットル開度どおりにスロットルバルブが制御できない場合、モータ駆動信号をカットすることにより、スロットルバルブ開度を一定開度に固定し、最低限の退避走行が可能となる。

しかし、このスロットルバルブをデフォルト位置に固定とする退避走行モードに陥った場合、車両動作はドライバのアクセル要求や車速制御装置の指令には応答しないため、ドライバビリティの低下を招く。

モータを駆動することによりスロットルバルブに備えられたリターンスプリングが発生するトルクに逆って前記スロットルバルブを開閉し、目標スロットル開度に対して、スロットルセンサの信号により得られる実スロットル開度をフィードバックすることによりスロットル開度を制御する電子制御式スロットルの制御装置において、スロットルセンサが故障した場合、スロットル開度の目標値に対応するリターンスプリングトルクと釣り合うモータトルクを発生するように前記モータを制御することを特徴とする制御装置である。

電子制御式スロットルのフェールセーフモード時にもアクセル操作での車両の加減速の動作が可能となり、車両のドライバビリティを向上できる。

本発明に係る実施形態としては、電子制御スロットルにおいて、少なくともスロットルセンサの故障により、スロットルバルブをデフォルト位置に固定する退避走行モードとなった場合、スロットル開度目標値と、スロットル開度とデフォルト機構におけるリターンスプリングトルクから求められるモータトルクと同等のモータ駆動信号にディザー分を重畳したモータ駆動信号をモータに印加することにより、スロットルバルブ目標開度に対応したスロットル位置制御を行うものである。

以下、本発明の実施例を図に基づき説明する。図１に本発明が採用されるべきエンジンシステムの一例を示す。図１においてエンジン１が吸入する空気はエアクリーナ２をとおり、空気流量計３によって計量され、コントロールユニット１１に入力される。またエンジン１の吸気経路５には電子制御スロットル４が装着される。この電子制御スロットル４を制御することにより、吸入空気量の制御を行う。クランク角センサ８は単位クランク角ごとのポジション信号・角度基準信号を発生し、コントロールユニット１１に入力する。

アクセル位置センサ１３によりドライバの意図であるアクセル踏み込み量を計測し、コントロールユニット１１に入力される。ブレーキ操作を検出するブレーキＳＷ１２により、ドライバ減速意図がコントロールユニット１１に入力される。車輪速度を検出する車速センサ１４により車速がコントロールユニット１１に入力される。エンジン１の排気経路９には排気中の特定成分例えば酸素を計測することにより、混合気の空燃比を計測する空燃比センサ１０が設けられ、混合気の空燃比を計測し、コントロールユニット１１へ入力される。コントロールユニット１１は各種センサからの入力を元に運転状態を推測し、その運転状態に応じた燃料量・点火時期を演算し、燃料噴射弁６から燃料を噴射し、点火プラグ５により混合気に点火を行う。

図２に電子制御スロットル４の構造を示す。電子制御スロットル４はスロットルバルブ１８とＤＣモータ１７を減速ギア１６、あるいはなんらかのリンク機構により連結し、ＤＣモータに電圧あるいは電流を与えることにより連結されたスロットルバルブを動かすものである。スロットルバルブにはバルブ開度センサ１５が取り付けられ、スロットルバルブの現在開度を検出する。またスロットルバルブは３６０度回転するわけではなく、最低空気量に調整できるように全閉点を設けてあり、その為のストッパがある。このストッパはスロットルバルブと電制スロットル本体とのクリアランスで実現される場合や、スロットルバルブシャフト、又はＤＣモータ１７と、スロットルバルブの連結部分に設けられる場合がある。

図３に電子制御スロットルのフェールセーフ機能としてのデフォルト機構のリターンスプリングと、モータトルクと、スロットル開度の関係を示す。２０はリターンスプリングトルクの設計値である。

デフォルト機構はスロットルバルブ開き方向のリターンスプリングトルクと閉じ方向のリターンスプリングトルクを釣り合わせることにより、モータに駆動電圧がかかっていない場合、スロットルバルブを中間位置に固定する機構であり、電子制御スロットルの機能異常が検知された場合、最低限の走行を可能とする退避走行モードを実現できる機構である。

図４に電子制御スロットルの通常フィードバック制御のフローチャートを示す。偏差演算式２１で、スロットルバルブ目標と現在スロットルバルブ位置との偏差を求め、Ｐ分演算式２２の演算式に示す計算によりＰａ比例項分を演算する。同様にＤ分演算式２３の演算式により、Ｐｄ微分項分を演算する。同様にＩ分演算式２４の演算式に従いＰｉ積分項分を演算する。演算されたＰａ比例項分，Ｐｄ微分項分，Ｐｉ積分項分を基にＰ・Ｉ・Ｄ分合計演算式２５の演算式により演算結果Ａを求める。次に求められた演算結果Ａが電源電圧リミット判定式２６の部分で電源電圧以上となっていないか判定し、電源電圧以上となっている場合は電源電圧リミット時演算式２７のように演算結果Ａを求める。最終出力の制御量は制御量演算式２８のようにここまでで求められた演算結果Ａとなる。

ここで図５に示す演算方式は公知の方式として、ＰＩＤ制御方式のものを示したが本発明はフィードバック制御方式によって実現性に変化は無い為、その他のフィードバック制御方式を用いても良い。

図５に本発明のフローチャートを示す。電子制御スロットルのスロットルバルブ位置センサの出力異常がオープン・断線診断により検知された所定時間が経過したとき、若しくは２系統のスロットルバルブ位置センサを備える電子制御スロットルにおいては１系統目と２系統目の出力差分が大きく不整合である状態が所定時間経過した後、スロットルバルブ位置センサ異常と判定する。スロットルバルブ位置センサ異常と判定された後モータ機能診断により異常と診断されていないこと、且つリターンスプリング機能診断により異常と診断されていないことの条件が成立しているときに、図６に示す目標駆動信号Ｂの演算を実施する。

モータ機能診断はスロットルバルブ位置センサ異常と判定された後に、退避走行モードとするためにモータ駆動信号がデフォルト位置のリターンスプリングトルク以上（正の値）であれば、モータ駆動信号をマイナス方向に所定量ずつ減らしたときに、エンジン回転数が低下した場合、又モータ駆動信号が、デフォルト位置のリターンスプリングトルク未満（負の値）であればモータ駆動信号をプラス方向に所定量ずつ増やしたときに、エンジン回転数が上昇した場合、モータ機能正常とみなすものである。

リターンスプリング機能診断は空気流量計３からの信号と、クランク角センサ８の角度信号から求められるエンジン回転数から推測される現在のスロットルバルブ開度から、リターンスプリングトルクとスロットル開度及びモータトルクのマップから求めたモータトルクと、電子制御スロットルモータ駆動信号の値が所定値以内である場合、リターンスプリング機能は正常とみなすものである。

目標駆動信号Ｂの演算内容としては図７に示すように目標スロットル開度とリターンスプリングトルクとスロットル開度及びモータトルクのマップから目標駆動信号Ａを求める。その目標駆動信号Ａに静止摩擦の影響を打ち消す為に、所定の振動幅及び振幅周期を持ったディザー分駆動信号Ｃを重畳し、目標駆動信号Ｂとする。ディザー分駆動信号Ｃはディザー重畳時間経過判定式４０の判定分からディザー分駆動信号Ｃ演算開始（ディザー分駆動信号Ｃ≠０）から所定時間経過後、アクセル変動量判定式４１の判定文からアクセル位置センサ値の変動量が所定値以内の場合、スロットル開度が目標スロットル開度近傍に到達したと判断し、ディザー分駆動信号Ｃを０とする。目標駆動信号Ｂ演算ブロック３２の目標駆動信号Ｂ演算後、アクセル戻し量判定式３３の演算式に移行し、ドライバによりアクセルが戻され、アクセル踏み込み量の時間差分がマイナス方向に所定値以上となった場合は目標駆動信号Ｂを０とする。

そうでない場合は、ブレーキＳＷＯＮ判定式３４の判定文に移行し、ブレーキを踏まれたと判定された場合は目標駆動信号Ｂを０とする。そうでない場合は、車両加速度判定式３５の判定文に移行し、車両加速度が所定値以上となった場合は目標駆動信号Ｂを０とする。そうでない場合は、車速判定式３６の判定文に移行し、車速が所定値以上となった場合は目標駆動信号Ｂを０とする。そうでない場合は、エンジン回転数判定式３７の判定文に移行し、エンジン回転数が所定値以上となった場合は目標駆動信号Ｂを０とする。上記で演算された目標駆動信号Ｂをモータ駆動電圧とする。目標駆動信号Ｂが０の場合はスロットルバルブはデフォルト位置となり、退避走行モードと同等となる。

上記例では３３，３４，３５，３６，３７の判定文いずれかに該当した場合、目標駆動信号を０としたが、すべての判定文を満足したときにだけ目標駆動信号Ｂを０としても良い。

これによりドライバの意図に従って、車速を維持、若しくは減速するように制御する。以上の動作はハード的な部品を追加することなく、制御つまりソフトウエアの構築のみで実現が出来、コストＵＰ無しにドライバビリティの向上が可能となる。

本発明を適用するエンジンシステム図である。 電子制御スロットルの縦断面図である。 電子制御スロットルのリターンスプリングトルクとモータトルクとスロットルバルブ開度の関係図である。 電子制御スロットルの制御演算ブロック図である。 本発明の電子制御スロットルの制御フローチャートである。 本発明の目標駆動信号演算ブロック図である。 本発明の目標駆動信号演算用マップである。

符号の説明

１ エンジン
２ エアクリーナ
３ 空気流量計
４ 電子制御スロットル
５ 吸気経路
６ 燃料噴射弁
７ 点火プラグ
８ クランク角センサ
９ 排気経路
１０ 空燃比センサ
１１ コントロールユニット
１２ ブレーキＳＷ
１３ アクセル位置センサ
１４ 車速センサ
１５ バルブ開度センサ
１６ 減速ギア
１７ ＤＣモータ
１８ スロットルバルブ
１９ リターンスプリング
２０ リターンスプリングトルク設計値
２１ 偏差演算式
２２ Ｐ分演算式
２３ Ｄ分演算式
２４ Ｉ分演算式
２５ Ｐ・Ｉ・Ｄ分合計演算式
２６ 電源電圧リミット判定式
２７ 電源電圧リミット時演算式
２８ 制御量演算式
２９ スロットルバルブ位置センサ異常判定式
３０ モータ機能異常判定式
３１ リターンスプリング機能異常判定式
３２ 目標駆動信号Ｂ演算ブロック
３３ アクセル戻し量判定式
３４ ブレーキＳＷＯＮ判定式
３５ 車両加速度判定式
３６ 車速判定式
３７ エンジン回転数判定式
３８ 電子制御スロットル制御量演算式
３９ 目標駆動信号Ａ演算ブロック
４０ ディザー重畳時間経過判定式
４１ アクセル変動量判定式
４２ ディザー重畳分キャンセル演算式
４３ ディザー重畳分演算式
４４ 目標駆動信号Ｂ演算式

Claims (8)

1. モータを駆動することによりスロットルバルブに備えられたリターンスプリングが発生するトルクに逆って前記スロットルバルブを開閉し、目標スロットル開度に対して、スロットルセンサの信号により得られる実スロットル開度をフィードバックすることによりスロットル開度を制御する電子制御式スロットルの制御装置において、
   前記スロットルセンサが故障した場合、
   前記スロットル開度の目標値に対応するリターンスプリングトルクと釣り合うモータトルクを発生するように前記モータを制御することを特徴とする制御装置。
2. 前記制御装置は、
   前記モータトルク分にディザー分を重畳させたモータ駆動信号を前記モータに印加することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 請求項２記載の制御装置であって、アクセル位置センサの変動が所定値以下の場合、モータ駆動信号のディザー重畳分のみを停止し、スロットルバルブを所定位置に制御することを特徴とする内燃機関制御装置。
4. 請求項２記載の制御装置であって、
   ドライバからの減速要求を受けた場合、前記モータ駆動信号をカットし、前記スロットルバルブの位置をデフォルト位置とすることを特徴とする制御装置。
5. 請求項４記載の制御装置であって、
   ドライバからの減速要求を受けた場合は、アクセル位置センサの値が減速方向に変化した場合、又は、ブレーキを踏まれた場合であることを特徴とする制御装置。
6. 請求項２記載の制御装置であって、
   所定値以上の車速，所定値以上のエンジン回転数，所定値以上の車両加速度のうち少なくともひとつを検出した場合、前記モータに印加する電圧又はモータ電流をカットし、前記スロットルバルブの位置をデフォルト位置とすることを特徴とする制御装置。
7. 請求項１記載の制御装置であって、
   前記電子制御式スロットルバルブが備えられる内燃機関の吸入空気量と回転数とから、スロットル開度を推定し、推定されたスロットル開度位置のリターンスプリングトルクと前記電子制御式スロットルのモータトルク（駆動信号）の差分が所定範囲内の場合、リターンスプリング機能正常と診断する機能を備えたことを特徴とする制御装置。
8. 請求項１記載の制御装置であって、
   前記モータのモータトルク（駆動信号）の変動方向と、前記電子制御式スロットルバルブが備えられた内燃機関の回転数変動方向が一致する場合、モータ機能正常と診断する機能を備えたことを特徴とする制御装置。

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