JP2016524067A - 自動車における内燃機関のスロットルバルブの駆動ユニットを較正する方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

自動車における内燃機関（９）のスロットルバルブ（１）の駆動ユニットを較正する方法および制御装置に関する。この場合、駆動ユニット（３）は、スロットルバルブ（１）を変位させるために有利にはブラシレス直流モータを備えることができる。このような直流モータを制御するためには、そのロータポジションの十分に正確な検出が必須となる可能性があるが、コスト上の理由から余分なロータポジションセンサを回避したい、ということから、有利であるとされているのは、駆動ユニット（３）のロータポジションと、いずれにせよスロットルバルブ（１）に設けられるスロットルバルブ角度センサ（７）の出力電圧との相関関係を表す特性曲線を、正確に検出し較正もできるようにして、例えば温度や摩耗に起因する変動に追従できるようにすることである。本発明によって提案されるのは、内燃機関（９）の運転中だけでなく、特に内燃機関（９）の停止中に、この特性曲線を較正することである。その理由は、このようにすれば駆動ユニット（３）によりスロットルバルブ（１）を任意のポジションに移動させることができ、そのポジションで特性曲線を較正できるからである。

Description

本発明は、自動車における内燃機関のスロットルバルブの駆動ユニットを較正する方法、および該方法を実施するように構成された制御装置、ならびに該制御装置を備えた自動車に関する。

内燃機関を備えた自動車の場合、内燃機関へ供給される空気量を調整するために、通常、スロットルバルブが用いられる。例えば内燃機関の吸気管内でスロットルバルブを適切にポジショニングする目的で、スロットルバルブの位置を適切な駆動ユニットを利用して調整することができる。この場合、実現可能な駆動ユニットとしてほとんどのケースでは、例えばブラシが用いられる直流モータの形態の電動モータが用いられていた。

例えば、電動モータの効率改善または構造サイズ低減のために、電気的なスロットルバルブ調整ユニットに、いずれはいわゆるブラシレス直流モータ（英語ではBrushLess Direct Current Motor, BLDC Motorとして知られている）が用いられることになるはずである。この種のモータは、電子転流式電気機器と呼ばれる場合もある。この種のＢＬＤＣモータの制御は通常、モータができる限り常に最適な効率で駆動されるように設計されていなければならない。ただしこのような制御は、例えばパラメータ変動や、モータのロータとステータとの間の角度誤差などに対して、非常に敏感に反応してしまう場合がある。ここで角度誤差とは、実際のロータポジションと、制御ソフトウェアが想定しているロータポジションとの偏差のことである。

したがって、ＢＬＤＣモータを精密に制御するためにこれまで必要であると思われてきたことは、ロータの現在の瞬時ポジションを角度センサによって極めて精密に求めることである。別の選択肢としてロータポジションを、電流ベースの角度検出によって求めることができる。電流ベースの角度検出の場合、モータモデルに基づくアルゴリズムを用いて、測定された電流からロータポジションを算出もしくは推定する。ＢＬＤＣモータの回転数もしくは回転トルクを閉ループ制御するために、多くの事例では下位の閉ループ制御回路として電流調整装置が設けられていることから、状況に応じてこのような電流ベースの角度検出を実現させることができる。電流調整のためには、電流実際値を検出する電流センサ機構が必要とされる。

コストを削減するためには、今後のスロットルバルブ調整ユニットには、センサ機構つまりは電流調整装置も設けないようにしたいし、余分な角度センサもモータ軸に配置しないようにしたい。その代わりとしてロータの瞬時ポジションを、既存のスロットルバルブ角度センサを利用して間接的に検出するようにしたい。このような角度センサは、スロットルバルブの瞬時の角度ポジションを測定するものであり、例えばギアを介してＢＬＤＣモータの軸と接続されている。

ロータポジションとスロットルバルブ角度センサの出力電圧との関係は一般に非線形であるが、このような関係を例えば特性曲線として表すことができる。このような特性曲線は当初は既知ではなく、例えば電気的なスロットルバルブ調整ユニットが実際に稼動される前に求めることができる。例えば、ソフトウェア制御されるプロセスによって特性曲線を自動的に求めることができ、このことを基本適応化とも称する。独国特許出願公開第１０２００９０６３３２６号明細書には、実現可能なこの種のプロセスについて記載されている。この場合、基本適応化の結果を、即ち特性曲線を、制御装置（ＥＣＵ）に記憶させることができ、以降、ＢＬＤＣモータの制御に利用することができる。

独国特許出願公開第１０２００９０６３３２６号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１００５７７４号明細書

しかしながら、最初に求められて特性曲線として記憶されたロータポジションとスロットルバルブ角度センサの出力電圧との関係は、その後の動作中、例えば温度変動など外部の影響によって、さらには特に摩耗現象などにより耐用期間を経るにつれて、変動していく可能性がある。したがって最初に検出された特性曲線は、ロータポジションとスロットルバルブ角度センサの出力電圧との間に実際に生じている関係から逸脱している可能性があり、それによってＢＬＤＣモータの制御に誤差が生じてしまうおそれがある。

本発明の実施態様によれば、自動車の動作中に上述の特性曲線を補正できるようにした方法、つまりはスロットルバルブの駆動ユニットを較正できるようにした方法、ならびにこの方法を実施する自動車用制御装置を提供することができる。

本発明の１つの観点によれば、自動車における内燃機関のスロットルバルブの駆動ユニットを較正する方法が提案される。この場合、駆動ユニットのロータポジションとスロットルバルブ角度センサの出力電圧との間の相関関係は特性曲線に追従する。本発明による方法は、以下のステップを含むことを特徴としている。即ち、最初に、内燃機関が現在、運転中であるのか停止中であるのか、が検出される。内燃機関が現在、停止中であることが検出された場合には、スロットルバルブの駆動ユニットは、スロットルバルブを制御して目標ポジションに変位させる。換言すれば、内燃機関の停止中、スロットルバルブを目標ポジションに変位させるよう、スロットルバルブを駆動する電動モータが所期のように通電される。この場合、目標ポジションを、スロットルバルブの静止位置とは異なるものとするのが有利であり、つまり全閉ポジションとは異なるものとするのが有利である。具体的にはスロットルバルブを、十分に開放されたポジションまたは全開ポジションまで変位させることができる。そのように変位させた後、この目標ポジションにおいて特性曲線が較正される。

この着想が得られたのは、特性曲線の補正もしくは較正はこれまで、もっぱら内燃機関の運転中に実施されていた、ということによる。具体的には、駆動ユニットのロータポジションとスロットルバルブ角度センサの出力電圧とに関して、最初に記録された特性曲線と、実際に生じている相関関係との偏差を検出して補償調整できるようにする目的で、車両動作中に運転者の現在の要求に従ってスロットルバルブが変位されるポジションにおいて、適切な適応化方法を実施して、少なくともそれらのスロットルポジションにおいて特性曲線を較正することができる。実現可能なこの種の方法は、独国特許出願公開第１０２０１１００５７７４号明細書に記載されており、これは場合によっては「振り子方法」とも呼ばれる。

しかしながらこの種の手法であると、自動車の動作中、一般に特定のスロットルバルブポジションがそれ以外のスロットルバルブポジションよりも頻繁に現れる、という不都合が起きるおそれがある。その際、スロットルバルブポジションの頻度は、例えば現在の交通状況および／または走行特性に左右される可能性がある。特定の領域例えば全開ポジション付近にスロットルバルブが留まることは、一般的にはほとんどなく、ごく短期間であるにすぎない。この期間は通常、補正方法を実施するためには十分なものではない。したがって、これらの領域を表す特性曲線区間を偏差に関して検査することはできず、そのため現在の状況に整合させて特性曲線全体を完全に較正することはできない。

一般に特性曲線をそれらの領域全体について較正のために補正することはできない、というこのような欠点は、本発明により提案される較正方法を用いることで取り除かれ、この方法によれば、自動車の内燃機関が運転中である場合には、特性曲線の較正を実施せず、または少なくとも運転中の場合にだけ実施するのではなく、以下のようにするのである。即ち、内燃機関が現在、運転中であるのか停止中であるのかを検出する目的で、内燃機関の運転状態を継続的に監視するように構成されている。内燃機関が運転中の場合には、内燃機関に供給される燃料と空気の混合物に不都合な影響を及ぼすことがないようにする目的で、スロットルバルブのポジショニングに自由に介入すべきではない。他方、内燃機関が停止中であれば、内燃機関の動作を危うくすることなく、スロットルバルブを任意のポジションに移動させることができる。特に、内燃機関が停止している場合には、自動車動作中には一般にはほとんど到達することのないポジションへも、もしくはごく短期間しか到達しないポジションへも、スロットルバルブを移動させることができる。

基本的には、特性曲線の較正をもっぱら内燃機関が停止している期間中だけ実施すればよい。なぜならば、そのような停止期間中であれば、スロットルバルブをいかなる任意の目標ポジションへも移動させることができ、そのポジションにおいて、最初に記録された特性曲線からの偏差を求め、それによって特性曲線を較正することができるからである。

しかしながら有利であるのは、内燃機関運転時に特性曲線の一部を較正し、内燃機関停止時に特性曲線の一部を較正することである。内燃機関が現在、停止中であることが検出された場合には、例えば第１の較正方法によって特性曲線を較正することができ、これに対し内燃機関が運転中であることが検出された場合には、第２の較正方法によって特性曲線を較正することができる。この場合、第１の較正方法と第２の較正方法とを、特にスロットルバルブがそのときにとるポジションに関して異なるものとすることができる。また、両方の較正方法を、最初の特性曲線からの偏差を識別して補正する手法に関しても、それぞれ異なるものとすることができる。

たとえば、内燃機関が現在、運転中であることが検出された期間には、運転者の現在の要求に従ってスロットルバルブが変位されるポジションにおいて、特性曲線を較正することができる。この場合、内燃機関の運転中、スロットルバルブが運転者の現在の要求に従い主としてどの領域に変位されるのか、を求めることができる。例えば、市街地走行時であれば、スロットルバルブは大抵、ほぼ閉鎖されたポジションとごく部分的に開放されたポジションとの間で変位される。これに対し高速道路走行時であれば、スロットルバルブは大抵、部分開放ポジションとさらに開放されたポジションとの間で変位される。

スロットルバルブのいずれの変位領域が、内燃機関運転中に優勢を占める領域として検出されるのかに応じて、あとの時点で内燃機関が現在、停止中であることが検出された場合には、スロットルバルブがその領域外に位置する目標ポジションに変位されるように、スロットルバルブの駆動ユニットが制御される。

換言すれば、以下のようにするのが有利になる可能性がある。即ち、内燃機関が停止している期間中、内燃機関の先行の動作中にはほとんどもしくはまったく到達しなかったポジションに、スロットルバルブを所期のように変位させ、そのようにして特性曲線の較正を、スロットルバルブがとり得るあらゆるポジションについて行うことができるようにするのである。

内燃機関が停止しているときに較正を実施するための前提条件は、調整装置として機能する利用可能な駆動ユニットを用いて、スロットルバルブを所期のように移動させることができる、ということである。したがって、較正方法を実施するために設けられる制御装置は、内燃機関が現在、停止している期間中であっても、稼動状態にあるようにし、かつスロットルバルブの駆動ユニットの制御も較正方法自体も実施できるようにすべきである。

このような制御装置は、いわゆるスタート−ストップシステムを有する自動車であれば、簡単に組み込むことができ、その場合、例えば信号の手前で車両が一時的に停止状態になったときに、燃料消費を低減するために内燃機関が短期間、遮断されるが、制御装置は引き続きアクティブ状態に維持され、エネルギが供給され続ける。

同様に、内燃機関が停止しているときに補助モータ例えば電動モータによって駆動されるように、ハイブリッド車両として構成された自動車においても、内燃機関が停止している間であっても制御装置を引き続き稼動状態にしておくことができ、したがって既述の較正方法を実施することができる。

既述の較正方法を、例えば自動車用の制御装置において実施することができる。この場合、プログラミング可能な制御装置は、コンピュータ読み取り可能な命令をコンピュータプログラム製品から受け取ることができ、それらの命令によって制御装置は、上述の方法を実施するように指示される。その際、コンピュータプログラム製品を、コンピュータ読み取り可能な媒体に記憶させることができ、例えば不揮発メモリの形態の媒体に記憶させることができる。

なお、本明細書では、本発明の実施形態に関して考えられる特徴および利点を、一部については内燃機関のスロットルバルブの駆動ユニットを較正する方法を参照しながら説明し、一部についてはこの方法を実施する制御装置もしくはこの制御装置を備えた自動車を参照しながら説明しているが、当業者に自明であるとおり、それらの特徴を適切な手法で交換したり組み合わせたりすることができ、それによってさらに別の実施形態を得ることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、図面も以下の説明も本発明の限定と捉えられるものではない。また、図面は概略的に示したものにすぎず、原寸の比率どおりに描かれたものでもない。

本発明による方法を実施可能な制御装置を介して制御されるスロットルバルブを含む装置を示す図 本発明による方法を具体的に示すフローチャート

以下では、本発明による較正方法もしくはこの方法を実施する制御装置の実施形態について、図１に示した構造ならびに図２に示したフローチャートを参照しながら説明する。

図１に示されているように自動車は一般に、吸気管１３を介して空気が供給される内燃機関９を備えている。吸気管１３内には、１つまたは複数のスロットルバルブ１が配置されている。スロットルバルブ１を種々のポジションに旋回させることができ、これにより吸気管１３を介して空気流を増減させて通すことができる。スロットルバルブ１を旋回させるためにスロットルバルブ調整ユニット４が設けられており、これは駆動ユニット３として用いられるブラシレス直流モータならびにギア５を備えている。

この場合、コストを抑える目的で、例えば固有のロータポジション角度センサまたは電流ベースの角度検出器の形態をとるロータポジション検出装置は、電動モータには設けられていない。また、下位の電流調整装置も設けられていない。

ただし、スロットルバルブ角度センサ７は設けられており、これによってスロットルバルブ１のポジションもしくは配置角度を測定することができる。スロットルバルブ１はギア５を介して、駆動ユニット３の役割を果たす電動モータと連結されているので、スロットルバルブ角度センサ７から送出される角度情報によって、電動モータ内で現在生じているロータポジションを、間接的に推定することができる。したがってこの情報を適切に処理した後、駆動ユニット３の制御に利用することができる。

この目的で最初に基本適応化のときに、電動モータのロータポジションとスロットルバルブ角度センサ７の出力電圧との相関関係を表す特性曲線が検出される。この特性曲線に基づき制御装置１１は、スロットルバルブ調整ユニットの駆動ユニット３を、以降、適切に制御することができる。

ただし特性曲線は、例えば温度の影響を受けたり、時間を経るにつれて摩耗現象が発生することに起因して、変化する可能性があり、したがって所定の時間間隔で較正する必要がある。

次に図２を参照しながら、本発明による較正方法の１つの可能性について説明する。この方法は、例えば制御装置１１において実施することができる。

第１ステップＳ１において最初に、自動車の内燃機関９が現在、運転中であるのか停止中であるのかを検出する。ついで、ここで得られた情報に基づきステップＳ２において、第１較正ストラテジを実行するべきであるのか、または第２較正ストラテジを実行すべきであるのか、を判定する。

内燃機関９が現在、運転中であることが検出された場合には、特性曲線が慣用の手法で較正される（ステップＳ５）。この場合には較正プロセス中、スロットルバルブ１のポジショニング全域に対し積極的には関与しない。なぜならば、そのようにすることで内燃機関９の動作に望ましくない影響が及ぼされるおそれがあるからである。したがってそのようにするのではなく、スロットルバルブ１は制御装置１１により、現在の運転者の要求に従ってポジショニングされる。つまりスロットルバルブ１はスロットルバルブ調整ユニット４により、エンジン出力の供給後、アクセルペダルの踏み込みにより表される運転者の要求と一致させることができるように、ポジショニングされる。このようにしてセットされたスロットルバルブポジションのところで、特性曲線を実際に較正することができ、例えば先に挙げた振り子方法のような慣用の方法を用いて較正することができる。この較正のために場合によっては、所定の限度内で無視できる程度に小さく局所的にかつ時間的に制限して、目標ポジションを中心にスロットルバルブを動かす必要がある。

しかしながら内燃機関９が、例えばスタート−ストップシステムにより一時的に遮断されていたり、またはハイブリッド車両の場合に一時的に補助モータによる駆動に切り替えられているなどの理由で、内燃機関９が現在、運転中ではなく停止中であることが識別された場合には、別の較正ストラテジを実施することができる。内燃機関９が停止中の場合には、スロットルバルブ１の現在のポジショニングは重要ではないことから、スロットルバルブ１をいかなる任意の目標ポジションへも変位させることができる。特に、スロットルバルブ１の現在のポジショニングを、運転者の現在の要求とは無関係に選定してかまわない。したがって第２較正ストラテジではステップＳ３において、駆動ユニット３を有利には制御装置１１によって、スロットルバルブ１が予め設定された目標ポジションまで変位するように制御することができる。ついでステップＳ４において、この目標ポジションのところで特性曲線が較正される。内燃機関９が停止中である場合、スロットルバルブ１をいかなる任意の目標ポジションへも移動させることができるので、あらゆる任意の部分領域にわたって特性曲線を較正することができる。

例えば、自動車の先行の動作中にあまり頻繁には較正されなかった、あるいはまったく較正されなかった特性曲線区間を所期のように補正する、特別な較正アルゴリズムを実行することができる。例えば、スロットルバルブ１は市街地走行中、一般的には大抵の時間、ほとんど開放されていない。したがって内燃機関９が運転中である場合には、小さいスロットルバルブ角度に対応する特性曲線区間だけしか、上述の第１較正ストラテジに従って較正されない。その後、例えば赤信号の手前など比較的長い静止フェーズになった場合には、遮断状態の内燃機関９において、比較的大きいスロットルバルブ角度に対応する特性曲線区間を較正することができる。この目的で第２較正ストラテジにおいて、スロットルバルブ１をそれ相応に大きく開放し、スロットルバルブ角度センサ７から、さらに場合によっては駆動ユニット３の電動モータから、現在の測定値を読み取ることによって、特性曲線が較正される。郊外走行では、一般にスロットルバルブ１が大きく開放された状態になるが、このようにすればその後の郊外走行については、特性曲線が既に較正済みとなる。

Claims (11)

1. 自動車の内燃機関（９）におけるスロットルバルブ（１）の駆動ユニット（３）を較正する方法であって、前記駆動ユニット（３）のロータポジションと、スロットルバルブ角度センサ（７）の出力電圧との相関関係は、特性曲線に追従するものであり、
   当該方法は以下のステップを含むことを特徴とする、即ち、
   前記内燃機関（９）が現在、運転中であるのか停止中であるのかを検出するステップ（Ｓ１）と、
   前記内燃機関（９）が現在、停止中であることが検出された場合には、前記駆動ユニットを制御して、前記スロットルバルブ（１）を目標ポジションに変位させるステップ（Ｓ３）と、
   該目標ポジションにおいて前記特性曲線を較正するステップ（Ｓ４）と
   を含むことを特徴とする、
   自動車の内燃機関（９）におけるスロットルバルブ（１）の駆動ユニット（３）を較正する方法。
2. 前記内燃機関（９）が現在、停止中であることが検出された場合には、第１の較正方法によって前記特性曲線の較正（Ｓ４）を実施し、
   前記内燃機関（９）が現在、運転中であることが検出された場合には、第２の較正方法によって前記特性曲線の較正（Ｓ５）を実施する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記内燃機関（９）が現在、運転中であることが検出された場合には、運転者の現在の要求に従い前記スロットルバルブ（１）が主としてどの領域へ変位されるのかを特定し、
   前記内燃機関（９）が現在、停止中であることが検出された場合には、前記駆動ユニット（３）を制御して、前記スロットルバルブ（１）を前記領域外にある目標ポジションまで変位させる、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記内燃機関（９）が現在、運転中であることが検出された場合には、運転者の現在の要求に従い前記スロットルバルブ（１）が変位されるポジションにおいて、前記特性曲線を較正する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記スロットルバルブ（１）の前記駆動ユニット（３）はブラシレス直流モータを備えている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 自動車用制御装置（１１）において、
   該制御装置（１１）は、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする制御装置（１１）。
7. 請求項６に記載の制御装置（１１）を備えた自動車。
8. 前記自動車はスタート−ストップシステムを備えている、請求項７に記載の自動車。
9. 前記自動車は、内燃機関（９）が停止中の場合には補助モータにより駆動されるように、ハイブリッド車両として構成されている、
   請求項７または８に記載の自動車。
10. コンピュータで読み出し可能な命令を備えたコンピュータプログラム製品であって、
    前記命令は、プログラミング可能な制御装置において実行されると、該制御装置に指示を出し、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法を実施させる、
    コンピュータプログラム製品。
11. 請求項１０に記載のコンピュータプログラム製品が記憶されているコンピュータ読み取り可能な媒体。

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