JP2018145874A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータによってカムシャフトの回転位相を可変とする可変バルブタイミング装置を2つの電子制御装置で制御するシステムにおいて、システムコストを削減しつつ制御精度の低下を抑制する。【解決手段】ECM201は、クランク角信号POS及びカム角信号CAMに基づき回転位相の検出値RABを演算し、検出値RAB及び検出値RABの演算タイミング情報CTIを、電動VTCドライバ202に通信回路211を介して通信する。電動VTCドライバ202は、モータ角信号MASとクランク角信号POSを入力し、モータ角信号MASに基づき回転位相の変化量ΔRAを演算し、演算タイミング情報CTIとクランク角信号POSとに基づき変化量ΔRAを校正し、校正後の変化量ΔRAに基づき検出値RABを補間する。【選択図】図6

Description

本発明は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関し、詳しくは、第1電子制御装置と第2電子制御装置との間での通信によって制御動作を行う技術に関する。
特許文献1には、クランクシャフトの回転速度の1/2の回転速度に対してモータの回転速度を調整することでカムシャフトの回転位相を変化させる可変バルブタイミング装置を制御する制御装置が開示されている。
前記制御装置は、カム角信号が出力される毎に該カム角信号とクランク角信号とに基づいてカム角信号出力時の回転位相を算出する手段と、所定の演算周期で前記モータの回転速度とクランク軸の回転速度の1/2の値との差に基づいて回転位相の変化量を算出する手段と、所定の演算周期でカム角信号出力時の回転位相の算出値と回転位相の変化量の算出値とに基づいて最終的な回転位相を算出する手段と、を備える。
特許第4123127号公報
例えば、可変バルブタイミング装置を備えた内燃機関においては、内燃機関の燃料噴射や点火を制御する第1電子制御装置と、可変バルブタイミング装置を制御する第2電子制御装置とを個別に設ける場合があった。
係る制御システムにおいて、カム角信号及びクランク角信号は、燃料噴射や点火の制御のために必要となる信号であり、また、可変バルブタイミング装置のフィードバック制御においては、カム角信号及びクランク角信号から検出した回転位相が用いられる。
ここで、第1電子制御装置にカム角信号及びクランク角信号を入力させ、更に、第1電子制御装置に設けた複製回路によってカム角信号及びクランク角信号をそれぞれ複製し、各複製信号を専用の信号ラインを介して第2電子制御装置に送信するようにすれば、それぞれで制御動作を行わせることができる。
しかし、係る構成では、複製回路や専用信号ラインなどを設けるために、制御装置の構成が複雑化し、これに伴って制御装置のコストが嵩むという問題が生じる。
一方、第1電子制御装置にカム角信号及びクランク角信号を入力させ、第1電子制御装置で回転位相を検出し、検出した回転位相を第2電子制御装置に通信回路を介して通信させれば、複製回路や専用信号ラインなどを削減することが可能となる。
但し、第2電子制御装置が、モータの回転速度に基づき求めた回転位相の変化量に応じて、カム角信号及びクランク角信号に基づく回転位相の検出値を補間する場合、通信回路を介した回転位相の検出値の通信に遅れがあることで、変化量の校正タイミング(零リセットタイミング、初期値設定タイミング)に誤差が生じ、以って、補間量(補間後の回転位相の検出値)に誤差が生じて、目標値への制御精度が低下する場合があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、2つの電子制御装置によって制御動作を行う制御装置において、複製回路や専用信号ラインなどを可及的に削減しつつ制御精度の低下を抑制できるようにすることを目的とする。
そのため、本願発明に係る内燃機関の制御装置は、その一態様として、内燃機関の可変機構を駆動するアクチュエータを制御する制御装置であって、前記制御装置は、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、前記第1電子制御装置は、前記可変機構の制御量に応じてセンサから出力される信号に基づき前記制御量を演算し、演算した前記制御量及び前記制御量の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、前記第2電子制御装置は、前記制御量及び前記演算タイミング情報に基づき前記アクチュエータの操作量を演算し、前記操作量を前記アクチュエータに出力する。
また、本願発明に係る内燃機関の制御装置は、その一態様として、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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置を制御する制御装置であって、前記制御装置は、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、前記第1電子制御装置は、前記クランクシャフトの所定角度毎のクランク角信号及び前記カムシャフトの所定角度毎のカム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算し、前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信し、前記第2電子制御装置は、前記モータの回転角に応じたモータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正し、校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間し、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、前記操作量を前記モータに出力する。
また、本願発明に係る内燃機関の制御方法は、その一態様として、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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置と、前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサと、前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサと、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を有する内燃機関の制御方法であって、前記第1電子制御装置によって、前記クランク角信号及び前記カム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算するステップと、前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信するステップと、を実施し、前記第2電子制御装置によって、前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算するステップと、前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正するステップと、校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間するステップと、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算するステップと、前記操作量を前記モータに出力するステップと、を実施する。
上記発明によると、第1電子制御装置から第2電子制御装置に向けて通信される検出値に遅れがあっても、検出値とともに演算タイミング情報が第2電子制御装置に通信されることで、第2電子制御装置は、検出値の演算タイミングを認識できるため、第2電子制御装置がセンサ信号を入力する代わりに通信回路を介して検出値を取得しても、通信遅れを補償する制御が可能になり、複製回路や専用信号ラインなどを可及的に削減しつつ制御精度の低下を抑制できる。
本発明の実施形態における内燃機関のシステム構成図である。 本発明の実施形態におけるクランク角信号POS及びカム角信号CAMの出力パターンを示すとともに演算タイミング情報を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施形態における可変バルブタイミング装置を示す断面図である。 本発明の実施形態における可変バルブタイミング装置を示す断面図であって図3のA−A線断面図である。 本発明の実施形態における可変バルブタイミング装置を示す断面図であって図3のB−B線断面図である。 本発明の実施形態におけるECM及び電動VTCドライバの制御機能を示すブロック図である。 本発明の実施形態における変化量ΔRAの校正処理を説明するためのタイムチャートである。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る制御装置及び制御方法を適用する内燃機関の一態様を示す。
図1の内燃機関101は、図示を省略した車両に搭載され、車両の動力源として用いられる。
内燃機関101の吸気ダクト102に配設される吸入空気量センサ103は、内燃機関101の吸入空気流量QAを検出する。
吸気バルブ105は、各気筒の燃焼室104の吸気口を開閉する。
燃料噴射弁106は、各気筒の吸気ポート102aに配置される。尚、燃料噴射弁106を、燃焼室104内に直接燃料を噴射するように配置することができる。
燃料噴射弁106から噴射された燃料は、吸気バルブ105を介して燃焼室104内に空気と共に吸引され、点火プラグ107による火花点火によって着火燃焼する。そして、燃焼圧力がピストン108をクランクシャフト109に向けて押し下げ、クランクシャフト109を回転駆動する。
また、排気バルブ110は、燃焼室104の排気口を開閉し、排気バルブ110が開くことで燃焼室104内の排ガスが排気管111に排出される。
三元触媒等を備えた触媒コンバータ112は排気管111に設置される。
吸気バルブ105は、クランクシャフト109によって回転駆動される吸気カムシャフト115aの回転に伴って開動作する。また、排気バルブ110は、クランクシャフト109によって回転駆動される排気カムシャフト115bの回転に伴って開動作する。
可変バルブタイミング装置114は、アクチュエータとしてのモータ12の回転速度によってクランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相を変化させることで、吸気バルブ105のバルブタイミング(開閉タイミング)を連続的に変化させる可変機構である。
また、気筒毎に設けた点火プラグ107には、点火プラグ107に点火エネルギーを供給する点火モジュール116がそれぞれ直付けされている。点火モジュール116は、点火コイル及び点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタを備えている。
内燃機関101の制御装置は、燃料噴射弁106による燃料噴射や点火モジュール116による点火動作などを制御するエンジン・コントロール・モジュール(ECM)201と、可変バルブタイミング装置114(モータ12)を制御する電動VTCドライバ202とを含む。
ECM201は、マイクロコンピュータ201aを備えた電子制御装置(第1電子制御装置)であり、各種センサの出力信号を入力し、予めメモリに格納されたプログラムに従って演算処理を行うことで、燃料噴射弁106、点火モジュール116などの各種デバイスの操作量を演算して出力する。
また、電動VTCドライバ202も、マイクロコンピュータ202aを備えた電子制御装置(第2電子制御装置)であり、各種センサの出力信号を入力し、予めメモリに格納されたプログラムに従って演算処理を行うことで、可変バルブタイミング装置114(モータ12)の操作量を演算して出力する。
ECM201と電動VTCドライバ202とは、CAN(Controller Area Network)などの通信回路211を介して相互に通信可能に構成されている。
ECM201は、吸入空気量センサ103の出力信号を入力する他、クランクシャフト109の所定クランク角毎にクランク角信号POSを出力するクランク角センサ203、アクセルペダル207の踏込み量(換言すればアクセル開度ACC)を検出するアクセル開度センサ206、吸気カムシャフト115aの所定カム角毎にカム角信号CAMを出力するカム角センサ204、内燃機関101の冷却水の温度TWを検出する水温センサ208、触媒コンバータ112の上流側の排気管111に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比AFを検出する空燃比センサ209などからの出力信号を入力し、更に、内燃機関101の運転及び停止のメインスイッチであるイグニッションスイッチ(エンジンスイッチ)205の信号などを入力する。
一方、可変バルブタイミング装置114は、モータ12の回転角に応じてモータ角信号MASを出力するモータ角センサ210を備え、電動VTCドライバ202は、モータ角センサ210が出力するモータ角信号MASを入力するとともに、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSを、ECM201を介して入力する。
ECM201は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSを入力し、入力したクランク角信号POSを複製し、複製したクランク角信号POSを専用信号ラインであるPOS信号線212を介して電動VTCドライバ202に出力する。
クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSは、図2に示すように、単位クランク角毎のパルス信号であって、気筒間の行程位相差に相当するクランク角毎に、1個若しくは連続する複数個のパルスが欠落(歯抜け)するように信号出力パターンが設定される。
クランク角信号POSの出力周期である単位クランク角は、例えばクランク角10degであり、また、気筒間の行程位相差は点火間隔に相当し、4気筒内燃機関ではクランク角180degになる。
なお、クランク角センサ203が、欠落箇所の設定がない単位クランク角毎のクランク角信号POSと、気筒間の行程位相差に相当するクランク角毎の基準クランク角信号とをそれぞれ出力する構成とすることができる。
クランク角信号POSの欠落箇所若しくは基準クランク角信号の出力位置は、各気筒のピストンが基準ピストン位置に位置していることを表す。つまり、クランク角信号POSの欠落箇所は、基準クランク角信号の代わりとして、基準クランク角位置の検出に用いられる。
カム角センサ204は、図2に示すように、気筒間の行程位相差に相当するクランク角毎にカム角信号CAMを出力する。
吸気カムシャフト115aは、クランクシャフト109の回転速度の半分の速度で回転する。このため、内燃機関101が4気筒機関で、気筒間の行程位相差に相当するクランク角が180degである場合、クランク角180degは吸気カムシャフト115aの回転角90degに相当することになる。つまり、カム角センサ204は、吸気カムシャフト115aが90deg回転する毎にカム角信号CAMを出力する。
カム角センサ204が出力するカム角信号CAMは、基準ピストン位置に位置している気筒の検出(気筒判別処理)に用いられる信号であり、カム角センサ204は、4気筒機関でクランク角180deg毎に気筒番号を区別できる数のカム角信号CAMを出力する。一例として、カム角センサ204は、クランク角180deg毎に、1個のパルス信号、連続する2個のパルス信号、連続する2個のパルス信号、1個のパルス信号をこの順で出力する。
そして、ECM201は、クランク角180deg毎に出力されるカム角信号CAMのパルス数を計数することで、基準ピストン位置に位置している気筒が4気筒のうちのいずれの気筒であるかを検出する気筒判別処理を実施し、気筒判別処理の結果に基づき燃料噴射や点火を制御する気筒を特定し、燃料噴射弁106、点火モジュール116を気筒別に制御する。
なお、気筒判別処理のためのカム角信号CAMのパルス数の設定は上記のパターンに限定されるものではなく、また、カム角信号CAMのパルス数に基づき気筒判別される構成に代えて、カム角信号CAMのパルス幅や振幅で気筒判別されるように、カム角センサ204の出力特性(信号出力パターン)を設定することができる。
図3−図5は、可変バルブタイミング装置114の構造の一例を示す。
なお、可変バルブタイミング装置114の構造は、図3−図5に例示したものに限定されるものではなく、モータの回転速度によっ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可変とする構造である公知の可変バルブタイミング装置を適宜採用できる。
図3−図5に示した可変バルブタイミング装置114は、内燃機関101のクランクシャフト109によって回転駆動される駆動回転体であるタイミングスプロケット1と、シリンダヘッド上に軸受44を介して回転自在に支持され、タイミングスプロケット1から伝達された回転力によって回転する吸気カムシャフト115aと、タイミングスプロケット1の前方位置に配置されて、チェーンカバー40にボルトによって固定されたカバー部材3と、タイミングスプロケット1と吸気カムシャフト115aの間に配置されて、タイミングスプロケット1に対する吸気カムシャフト115aの回転位相を変更する位相変更装置4と、を備える。
タイミングスプロケット1は、スプロケット本体1aと、スプロケット本体1aの外周に一体に設けられて、巻回されたタイミングチェーン42を介してクランクシャフト109からの回転力を受けるギア部1bと、で構成される。
また、タイミングスプロケット1は、スプロケット本体1aの内周側に形成された円形溝1cと吸気カムシャフト115aの前端部に一体に設けられたフランジ部2aの外周との間に介装された第3ボールベアリング43によって、吸気カムシャフト115aに回転自在に支持されている。
スプロケット本体1aの前端部外周縁には、環状突起1eが一体に形成されている。
スプロケット本体1aの前端部には、環状突起1eの内周側に同軸に位置決めされ内周に波形状の噛み合い部である内歯19aが形成された環状部材19と、円環状のプレート6とが、ボルト7によって軸方向から共締め固定されている。
また、スプロケット本体1aの内周面の一部には、図5に示すように、円弧状の係合部であるストッパ凸部1dが、周方向に沿って所定範囲に亘り形成されている。
プレート6の前端側外周には、位相変更装置4を構成する減速機8やモータ12などを覆う円筒状のハウジング5がボルト11によって固定されている。
なお、モータ12は、可変バルブタイミング装置114のアクチュエータである。
ハウジング5は、鉄系金属によって形成されてヨークとして機能し、前端側に円環プレート状のハウジング保持部5aを一体に有すると共に、ハウジング保持部5aを含めた外周側全体がカバー部材3によって所定の隙間をもって覆われるように配置されている。
吸気カムシャフト115aは、外周に吸気バルブ105を開作動させる駆動カム(図示省略)を有すると共に、前端部に従動回転体である従動部材9がカムボルト10によって軸方向から結合されている。
また、吸気カムシャフト115aのフランジ部2aには、図5に示すように、スプロケット本体1aのストッパ凸部1dが係入する係止部であるストッパ凹溝2bが円周方向に沿って形成されている。
このストッパ凹溝2bは、円周方向に沿って所定長さの円弧状に形成され、この長さ範囲内で回動したストッパ凸部1dの両端縁が周方向の対向縁2c、2dにそれぞれ当接することによって、タイミングスプロケット1に対する吸気カムシャフト115aの進角側及び遅角側の相対回転位置を機械的に規制するようになっている。
つまり、ストッパ凸部1d及びストッパ凹溝2bで機械的ストッパが構成され、ストッパ凸部1dがストッパ凹溝2b内で移動できる角度範囲が、可変バルブタイミング装置114の作動範囲、換言すれば、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(吸気バルブ105のバルブタイミング)の可変範囲となる。
そして、ストッパ凸部1dの端縁がストッパ凹溝2bの対向縁2c、2dの一方に当接する位置が、機械的ストッパで制限されるバルブタイミングの最進角位置となり、他方に当接する位置が、機械的ストッパで制限されるバルブタイミングの最遅角位置となる。
カムボルト10の頭部10aの軸部10b側の端縁には、フランジ状の座面部10cが一体に形成される。そして、軸部10bの外周には、吸気カムシャフト115aの端部から内部軸方向に形成された雌ねじ部に螺着する雄ねじ部が形成されている。
従動部材9は、鉄系金属材によって形成され、図4に示すように、前端側に形成された円板部9aと、後端側に一体に形成された円筒状の円筒部9bとで構成される。
従動部材9の円板部9aには、後端面の径方向ほぼ中央位置に吸気カムシャフト115aのフランジ部2aとほぼ同外径の環状段差突起9cが一体に設けられる。
そして、環状段差突起9cの外周面とフランジ部2aの外周面が第3ボールベアリング43の内輪43aの内周に挿通配置される。第3ボールベアリング43の外輪43bは、スプロケット本体1aの円形溝1cの内周面に圧入固定される。
また、従動部材9の円板部9aの外周部には、複数のローラ34を保持する保持器41が一体に設けられている。
保持器41は、円板部9aの外周部から円筒部9bと同方向に突出し、円周方向のほぼ等間隔の位置に所定の隙間を有して複数の細長い突起部41aが形成されている。
円筒部9bは、中央にカムボルト10の軸部10bが挿通される挿通孔9dが貫通形成され、円筒部9bの外周側には第1ニードルベアリング28が設けられる。
カバー部材3は、合成樹脂材によって形成され、カップ状に膨出したカバー本体3aと、カバー本体3aの後端部外周に一体に設けたブラケット3bとで構成される。
カバー本体3aは、位相変更装置4の前端側、つまりハウジング5の軸方向の保持部5bから後端部側のほぼ全体を、所定隙間をもって覆うように配置される。一方、ブラケット3bは、ほぼ円環状に形成され、6つのボス部にそれぞれボルト挿通孔3fが貫通形成されている。
また、ブラケット3bは、チェーンカバー40に複数のボルト47を介して固定され、カバー本体3aの前端部3cの内周面には、内外2重のスリップリング48a,48bが各内端面を露出した状態で埋設固定されている。
さらに、カバー部材3の上端部には、スリップリング48a,48bに導電部材を介して接続されたコネクタ端子49aを有するコネクタ部49を設けてある。
なお、コネクタ端子49aには、電動VTCドライバ202を介して図外のバッテリー電源からの電力が供給される。
カバー本体3aの後端部側の内周面とハウジング5の外周面との間には、シール部材である第1オイルシール50が介装されている。
第1オイルシール50は、横断面がほぼコ字形状に形成され、合成ゴムの基材の内部に芯金が埋設されている。また、第1オイルシール50の外周側の円環状基部50aは、カバー本体3a後端部の内周面に形成された円形溝3d内に嵌着固定される。
更に、第1オイルシール50の円環状基部50aの内周側には、ハウジング5の外周面に当接するシール面50bが一体に形成されている。
位相変更装置4は、吸気カムシャフト115aのほぼ同軸上前端側に配置されたモータ12と、モータ12の回転速度を減速して吸気カムシャフト115aに伝達する減速機8と、で構成される。
モータ12は、例えばブラシ付きのDCモータであって、タイミングスプロケット1と一体に回転するヨークであるハウジング5と、ハウジング5の内部に回転自在に設けられた出力軸であるモータ軸13と、ハウジング5の内周面に固定された半円弧状の一対の永久磁石14,15と、ハウジング保持部5aの内底面側に固定された固定子16と、を備えている。
モータ軸13は、筒状に形成されてアーマチュアとして機能し、軸方向のほぼ中央位置の外周に複数の極を持つ鉄心ロータ17が固定され、鉄心ロータ17の外周には電磁コイル18が巻回されている。
また、モータ軸13の前端部外周には、コミュテータ20が圧入固定されており、コミュテータ20には、鉄心ロータ17の極数と同数に分割された各セグメントに電磁コイル18が接続されている。
モータ軸13は、カムボルト10の頭部10a側の軸部10bの外周面に、第1軸受であるニードルベアリング28と該ニードルベアリング28の軸方向の側部に配置された軸受である第4ボールベアリング35とを介して回転自在に支持されている。
また、モータ軸13の吸気カムシャフト115a側の後端部には、減速機8の一部を構成する円筒状の偏心軸部30が一体に設けられている。
また、モータ軸13の外周面とプレート6の内周面との間には、減速機8内部からモータ12内への潤滑油のリークを阻止する第2オイルシール32が設けられている。
第2オイルシール32は、内周部がモータ軸13の外周面に弾接することによって、モータ軸13の回転に摩擦抵抗を付与する。
減速機8は、偏心回転運動を行う偏心軸部30と、偏心軸部30の外周に設けられた第2軸受である第2ボールベアリング33と、第2ボールベアリング33の外周に設けられたローラ34と、ローラ34を転動方向に保持しつつ径方向の移動を許容する保持器41と、保持器41と一体の従動部材9とで主に構成される。
偏心軸部30の外周面に形成されたカム面の軸心は、モータ軸13の軸心Xから径方向へ僅かに偏心している。なお、第2ボールベアリング33、ローラ34などが遊星噛み合い部として構成されている。
第2ボールベアリング33は、第1ニードルベアリング28の径方向位置で全体がほぼオーバラップする状態に配置される。
そして、第2ボールベアリング33の内輪33aが偏心軸部30の外周面に圧入固定されると共に、第2ボールベアリング33の外輪33bの外周面にはローラ34が常時当接している。
また、外輪33bの外周側には円環状の隙間Cが形成され、この隙間Cによって第2ボールベアリング33全体が偏心軸部30の偏心回転に伴って径方向へ移動可能、つまり偏心動可能になっている。
各ローラ34は、第2ボールベアリング33の偏心動に伴って径方向へ移動しつつ環状部材19の内歯19aに嵌入すると共に、保持器41の突起部41aによって周方向にガイドされつつ径方向に揺動運動するようになっている。
減速機8の内部には、潤滑油供給手段によって潤滑油が供給される。
潤滑油供給手段は、シリンダヘッドの軸受44の内部に形成されて図外のメインオイルギャラリーから潤滑油が供給される油供給通路44aと、吸気カムシャフト115aの内部軸方向に形成されて油供給通路44aにグルーブ溝を介して連通した油供給孔48と、従動部材9の内部軸方向に貫通形成されて一端が油供給孔48に開口し他端が第1ニードルベアリング28と第2ボールベアリング33の付近に開口した小径なオイル供給孔45と、同じく従動部材9に貫通形成された大径な3つのオイル排出孔(図示省略)と、から構成されている。
以下では、可変バルブタイミング装置114の作動について説明する。
まず、内燃機関101のクランクシャフト109が回転駆動するとタイミングチェーン42を介してタイミングスプロケット1が回転し、その回転力によりハウジング5、環状部材19及びプレート6を介してモータ12が同期回転する。
一方、環状部材19の回転力が、ローラ34から保持器41及び従動部材9を経由して吸気カムシャフト115aに伝達される。これによって、吸気カムシャフト115aのカムが吸気バルブ105を開閉作動させる。
電動VTCドライバ202は、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(つまり、吸気バルブ105のバルブタイミング)を進角又は遅角させる場合、可変バルブタイミング装置114のモータ12に通電してトルクを発生させる。モータトルクは、減速機8を介して吸気カムシャフト115aに伝達される。
すなわち、モータ軸13の回転に伴い偏心軸部30が偏心回転すると、各ローラ34がモータ軸13の1回転毎に保持器41の突起部41aに径方向へガイドされながら環状部材19の1つの内歯19aを乗り越えて隣接する他の内歯19aに転動しながら移動し、これを順次繰り返しながら円周方向へ転接する。
この各ローラ34の転接によってモータ軸13の回転が減速されつつ従動部材9に回転力が伝達される。なお、モータ軸13の回転が従動部材9に伝達されるときの減速比は、ローラ34の個数などによって任意に設定することが可能である。
これにより、吸気カムシャフト115aがタイミングスプロケット1に対して正逆相対回転して回転位相が変換され、吸気バルブ105の開閉タイミングが進角側あるいは遅角側に変更される。
つまり、可変バルブタイミング装置114では、モータ12がタイミングスプロケット1から回転駆動力を受けて従動回転し、モータ軸13がタイミングスプロケット1と同じ回転速度で回転するときには、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(バルブタイミング)は変化しない。
一方、モータ12で正転方向の回転トルクを発生させ、モータ軸13の回転速度をタイミングスプロケット1の回転速度よりも速くすると、換言すれば、モータ軸13の所定時間Δt当たりの回転量を、タイミングスプロケット1の所定時間Δt当たりの回転量よりも大きくすると、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(バルブタイミング)は遅角側に変化する。
逆に、モータ12で逆転方向の回転トルクを発生させ、モータ軸13の回転速度をタイミングスプロケット1の回転速度よりも遅くすると、換言すれば、モータ軸13の所定時間Δt当たりの回転量を、タイミングスプロケット1の所定時間Δt当たりの回転量よりも小さくすると、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(バルブタイミング)は進角側に変化する。
即ち、可変バルブタイミング装置114は、モータ軸13の回転量とタイミングスプロケット1の回転量との差、換言すれば、モータ軸13のタイミングスプロケット1に対する回転速度に応じてバルブタイミング(回転位相)を進角方向若しくは遅角方向に変化させる。
電動VTCドライバ202は、可変バルブタイミング装置114のモータ12の回転速度を調整することによって、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相を可変に制御する機能をソフトウェアとして備え、位相検出値RA(制御量)を目標位相TA(目標値)に近づけるようにモータ12の操作量を演算する、回転位相のフィードバック制御(自動制御)を実施する。
ここで、ECM201は、内燃機関101の運転状態に基づいて目標位相TAを演算し、また、クランク角信号POS及びカム角信号CAMに基づいて位相検出値RABを演算し、通信回路211を介して目標位相TA及び位相検出値RABを電動VTCドライバ202に通信する。
一方、電動VTCドライバ202は、ECM201から通信された位相検出値RABを、モータ角センサ210が出力するモータ角信号MASに基づき補間して最終的な位相検出値RAを求め、補間処理後の位相検出値RAと目標位相TAとを比較して、モータ12を制御する。
以下では、図6の制御機能ブロック図を参照しつつ、ECM201及び電動VTCドライバ202による可変バルブタイミング装置114の制御処理を詳細に説明する。
ECM201は、目標値演算部501、回転位相検出部502、CAN入出力回路503、POS信号複製回路504などを備える。
目標値演算部501は、各種センサの出力信号に基づき検出される内燃機関101の運転状態、例えば、機関負荷、機関回転速度、機関温度、始動状態などに基づいて目標位相TAを演算し、演算した目標位相TAを電動VTCドライバ202にCAN入出力回路503を介して通信する。
また、回転位相検出部502は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POS、及び、カム角センサ204が出力するカム角信号CAMを入力し、カム角信号CAMの入力毎に位相検出値RABを演算するとともに、位相検出値RABの演算タイミングを示す演算タイミング情報CTIを演算する。
回転位相検出部502は、例えば、クランク角信号POSに基づき検出した基準クランク角位置からカム角信号CAMが入力されるまでのクランク角度(deg)を計測することで、カム角信号CAMが入力される毎にクランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの位相検出値RAB(deg)を演算する。
基準クランク角位置からカム角信号CAMが入力されるまでのクランク角度(deg)の計測において、回転位相検出部502は、クランク角信号POSの入力数の積算値(POSカウント値CPOS)や、機関回転速度(クランク角信号POSの周期TPOS)に基づく経過時間のクランク角度換算などを用いる。
また、回転位相検出部502は、演算タイミング情報CTIとして、カム角信号CAMを入力した時点でのPOSカウント値CPOSと気筒判別値CYLとを電動VTCドライバ202にCAN入出力回路503を介して通信する(図2参照)。
POSカウント値CPOSは、クランク角信号POSの欠落部に基づき設定される基準クランク角位置(本実施形態では、欠落後の最初のクランク角信号POS)からのクランク角信号POSの発生数を計数したものである。
また、気筒判別値CYLは、カム角信号CAMに基づく気筒判別処理によって所定のピストン位置であると検出された気筒の番号を示すデータであり、電動VTCドライバ202は、POSカウント値CPOSと気筒判別値CYLとから位相検出値RABの演算タイミングに相当するクランク角信号POSを識別できる。
POS信号複製回路504は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSを入力し、複製したクランク角信号POSを、POS信号線212を介して電動VTCドライバ202に送信する。
一方、電動VTCドライバ202は、CAN入出力回路601、POS入力回路602、変化量演算部603、補間処理部604、モーションコントロール部605、PWM出力処理部606、モータ駆動回路607、モータ角入力回路608などを備える。
CAN入出力回路601は、ECM201から通信される、目標位相TA、位相検出値RAB、及び演算タイミング情報CTIを入力処理し、目標位相TAをモーションコントロール部605に出力し、位相検出値RABを補間処理部604に出力し、演算タイミング情報CTIを変化量演算部603に出力する。
POS入力回路602は、ECM201から送信された複製クランク角信号POSを入力して、複製クランク角信号POSを変化量演算部603に出力する。
変化量演算部603には、演算タイミング情報CTI及び複製クランク角信号POSとともに、モータ角センサ210が出力するモータ角信号MASがモータ角入力回路608を介して入力される。
そして、変化量演算部603は、モータ角信号MASに基づきモータ12の回転速度を演算し、モータ回転速度とタイミングスプロケット1の回転速度(クランクシャフト109の回転速度の1/2の値)との差、及び、位相変更装置4の減速比などに基づいて演算周期当たりの回転位相の変化量dRAを演算し、更に、変化量dRAを積算して、回転位相の変化量ΔRAを求める。
また、変化量演算部603は、位相検出値RAの更新タイミング毎に変化量ΔRAをリセットする校正処理を実施することで、位相検出値RAの更新タイミングからの回転位相の変化量が変化量ΔRAとして演算されるようにする。
しかし、ECM201は、通信回路211を介して位相検出値RABを電動VTCドライバ202に通信するため、通信遅れによって、ECM201が位相検出値RABを更新したタイミングと、更新値を電動VTCドライバ202が受け取るタイミングとの間にずれが生じる。
これにより、電動VTCドライバ202は、ECM201から位相検出値RABの更新値を受け取ったタイミングを変化量ΔRAを求める起点とすると、補間誤差が生じる。
そこで、変化量演算部603は、図7に示すように、演算タイミング情報CTIが示す位相検出値RABの更新タイミングに相当するクランク角信号POSを特定し、この位相検出値RABの更新タイミングで変化量ΔRAが零にリセットされる校正処理を実施する。
変化量演算部603は、過去複数回のクランク角信号POSの入力タイミングでの変化量ΔRAのそれぞれ記憶し、演算タイミング情報CTIが示す位相検出値RABの更新タイミングに相当するクランク角信号POSのとき(図7の時刻t11)の変化量ΔRA(CT)を、現時点(図7の時刻t12)の変化量ΔRA(new)から減算し、減算処理後の変化量ΔRAを初期値として変化量dRAを積算する処理を行う。
図7の時刻t11から時刻t12までの時間は、通信回路211を介した通信遅れの時間に相当する。
これにより、変化量ΔRAは、ECM201側での位相検出値RABの更新タイミングで零に校正され、その後の回転位相の変化量が変化量ΔRAとして検出する場合と同様な変化を示すことになり、通信回路211による通信遅れによる補間誤差の発生が抑制される。
なお、変化量ΔRAは一定の演算周期毎に演算され、クランク角信号POSの入力タイミングとは一致しないため、変化量演算部603は、クランク角信号POSの入力タイミングに最も近いタイミングで演算した変化量ΔRAを、当該クランク角信号POSでの変化量ΔRAとすることができる。
また、変化量演算部603は、クランク角信号POSの入力タイミング直前のタイミングで演算した変化量ΔRAと、クランク角信号POSの入力タイミング直後のタイミングで演算した変化量ΔRAとの平均値を、当該クランク角信号POSでの変化量ΔRAとすることができる。
更に、変化量演算部603は、クランク角信号POSの入力タイミングからその直前の変化量ΔRAの演算タイミングまでの時間と、クランク角信号POSの入力タイミングからその直後の変化量ΔRAの演算タイミングまでの時間とに基づき、クランク角信号POSの入力タイミング直前及び直後のタイミングで演算した変化量ΔRAを内分処理して、クランク角信号POSの入力タイミングでの変化量ΔRAを設定することができる。
変化量演算部603は、演算した変化量ΔRAを補間処理部604に出力し、補間処理部604は、ECM201の回転位相検出部502から通信された位相検出値RABを変化量ΔRAで補間した結果を最終的な位相検出値RAとして求め、位相検出値RAをモーションコントロール部605に出力する。
モーションコントロール部605は、補間処理部604が出力した位相検出値RAと、ECM201の目標値演算部501から通信された目標位相TAとを比較して、モータ12の指令電圧を設定し、この指令電圧をPWM出力処理部606に出力する。
PWM出力処理部606は、入力した指令電圧に基づき、モータ駆動回路607をPWM(Pulse Width Modulation)制御する駆動パルス信号を出力する。
上記のECM201と電動VTCドライバ202との組み合わせで可変バルブタイミング装置114を制御する構成では、ECM201でカム角信号CAMを複製するための複製回路、当該複製回路で複製されたカム角信号CAMをECM201から電動VTCドライバ202に送信するための専用信号ライン、当該専用信号ラインを介して送信されるカム角信号CAMを電動VTCドライバ202側で入力するための入力回路が不要であり、ECM201と電動VTCドライバ202とで構成される制御システムのコストを低減することができる。
また、電動VTCドライバ202が、通信回路211を介して位相検出値RABを取得するときに通信遅れが生じても、係る通信遅れが補償され、変化量ΔRAに基づく位相検出値RAの補間処理を高い精度で行わせることができ、目標位相TAに高い精度で収束させることができる。
上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
可変バルブタイミング装置114は、図3−図5の装置に限定されず、例えば特開2008−069719号公報に開示される、スプロケット、カムプレート、リンク装置、ガイドプレート、減速機、及びモータで構成される可変バルブタイミング装置などを採用することができる。
また、可変バルブタイミング装置114を、クランクシャフト109に対する排気カムシャフト115bの回転位相を変化させる装置とすることができ、この場合も、ECM201及び電動VTCドライバ202は、上記と同様な構成及び処理によって可変バルブタイミング装置114を制御して、同様な作用効果を奏することができる。
また、電動VTCドライバ202による変化量ΔRAに基づく位相検出値RABの補間処理は、内燃機関101の回転速度が低くなり位相検出値RABの更新周期が長くなるほどその効果が高くなる。そこで、電動VTCドライバ202(変化量演算部603及び補間処理部604)は、内燃機関101の回転速度が設定速度を下回る低回転領域で補間処理を実施し、内燃機関101の回転速度が前記設定速度を上回る高回転領域で補間処理を停止することができる。
また、可変バルブタイミング装置114以外の可変圧縮比機構などの可変機構の制御において、可変機構の制御量の検出値及び検出値の演算タイミング情報をECM201(第1電子制御装置)で演算し、ECM201から可変機構を制御する第2電子制御装置に、検出値及び検出値の演算タイミング情報を通信する構成とし、通信遅れを補償する処理を第2電子制御装置で行わせることができる。
ここで、上述した実施形態から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。
内燃機関の制御装置は、その一態様として、内燃機関の可変機構を駆動するアクチュエータを制御する制御装置であって、前記制御装置は、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、前記第1電子制御装置は、前記可変機構の制御量に応じてセンサから出力される信号に基づき前記制御量を演算し、演算した前記制御量及び前記制御量の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、前記第2電子制御装置は、前記制御量及び前記演算タイミング情報に基づき前記アクチュエータの操作量を演算し、前記操作量を前記アクチュエータに出力する。
内燃機関の制御装置の好ましい態様において、前記可変機構は、前記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可変バルブタイミング装置であり、前記センサは、前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサとを含み、前記第1電子制御装置は、前記クランク角信号と前記カム角信号とに基づいて前記回転位相の検出値を演算し、前記回転位相の検出値及び前記回転位相の検出値の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信する。
別の好ましい態様では、前記第1電子制御装置は、前記演算タイミング情報として前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報を前記第2電子制御装置に通信し、前記第2電子制御装置は、前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報と前記クランク角信号とに基づき前記回転位相の検出値の演算タイミングを検出する。
さらに別の好ましい態様では、前記可変バルブタイミング装置は、前記アクチュエータとしてのモータの回転速度によって前記回転位相を可変とする機構であって、前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサを備え、前記第2電子制御装置は、前記モータ角センサが出力する前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、前記回転位相の検出値の演算タイミングに基づき前記変化量を校正し、校正後の前記変化量に基づき前記回転位相の検出値を補間し、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、前記操作量を前記モータに出力する。
さらに別の好ましい態様では、前記第1電子制御装置は、前記回転位相の目標値を演算し、前記目標値を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、前記第2電子制御装置は、補間後の前記検出値と前記目標値とを比較して前記操作量を演算する。
さらに別の好ましい態様では、前記第1電子制御装置は、前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報として、基準ピストン位置からの前記クランク角信号のカウント値、及び、所定ピストン位置の気筒を示す気筒判別情報を、前記第2電子制御装置に通信する。
また、内燃機関の制御装置は、その一態様として、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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置を制御する制御装置であって、前記制御装置は、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、前記第1電子制御装置は、前記クランクシャフトの所定角度毎のクランク角信号及び前記カムシャフトの所定角度毎のカム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算し、前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信し、前記第2電子制御装置は、前記モータの回転角に応じたモータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正し、校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間し、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、前記操作量を前記モータに出力する。
また、内燃機関の制御方法は、その一態様として、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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置と、前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサと、前記モータの回転角に応じたモータ角信号を出力するモータ角センサと、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を有する内燃機関の制御方法であって、前記第1電子制御装置によって、前記クランク角信号及び前記カム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算するステップと、前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信するステップと、を実施し、前記第2電子制御装置によって、前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算するステップと、前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正するステップと、校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間するステップと、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算するステップと、前記操作量を前記モータに出力するステップと、を実施する。
12…モータ(アクチュエータ)、101…内燃機関、105…吸気バルブ、109…クランクシャフト、114…可変バルブタイミング装置(可変機構)、115a…吸気カムシャフト、201…ECM(エンジン・コントロール・モジュール;第1電子制御装置)、202…電動VTCドライバ(第2電子制御装置)、203…クランク角センサ、204…カム角センサ、210…モータ角センサ

Claims (8)

  1. 内燃機関の可変機構を駆動するアクチュエータを制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、
    第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、
    前記第1電子制御装置は、
    前記可変機構の制御量に応じてセンサから出力される信号に基づき前記制御量を演算し、
    演算した前記制御量及び前記制御量の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、
    前記第2電子制御装置は、
    前記制御量及び前記演算タイミング情報に基づき前記アクチュエータの操作量を演算し、
    前記操作量を前記アクチュエータに出力する、
    内燃機関の制御装置。
  2. 前記可変機構は、
    前記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可変バルブタイミング装置であり、
    前記センサは、
    前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサとを含み、
    前記第1電子制御装置は、
    前記クランク角信号と前記カム角信号とに基づいて前記回転位相の検出値を演算し、
    前記回転位相の検出値及び前記回転位相の検出値の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信する、
    請求項1記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記第1電子制御装置は、
    前記演算タイミング情報として前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報を前記第2電子制御装置に通信し、
    前記第2電子制御装置は、
    前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報と前記クランク角信号とに基づき前記回転位相の検出値の演算タイミングを検出する、
    請求項2記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記可変バルブタイミング装置は、
    前記アクチュエータとしてのモータの回転速度によって前記回転位相を可変とする機構であって、前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサを備え、
    前記第2電子制御装置は、
    前記モータ角センサが出力する前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、
    前記回転位相の検出値の演算タイミングに基づき前記変化量を校正し、
    校正後の前記変化量に基づき前記回転位相の検出値を補間し、
    補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、
    前記操作量を前記モータに出力する、
    請求項3記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記第1電子制御装置は、
    前記回転位相の目標値を演算し、
    前記目標値を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、
    前記第2電子制御装置は、
    補間後の前記検出値と前記目標値とを比較して前記操作量を演算する、
    請求項4記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記第1電子制御装置は、
    前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報として、基準ピストン位置からの前記クランク角信号のカウント値、及び、所定ピストン位置の気筒を示す気筒判別情報を、前記第2電子制御装置に通信する、
    請求項3から請求項5のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
  7. 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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置を制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、
    第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、
    前記第1電子制御装置は、
    前記クランクシャフトの所定角度毎のクランク角信号及び前記カムシャフトの所定角度毎のカム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算し、
    前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信し、
    前記第2電子制御装置は、
    前記モータの回転角に応じたモータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、
    前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正し、
    校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間し、
    補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、
    前記操作量を前記モータに出力する、
    内燃機関の制御装置。
  8. 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モータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置と、
    前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、
    前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサと、
    前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサと、
    第1電子制御装置と、
    第2電子制御装置と、
    前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、
    を有する内燃機関の制御方法であって、
    前記第1電子制御装置によって、
    前記クランク角信号及び前記カム角信号に基づき前記回転位相の検出値を演算するステップと、
    前記検出値及び前記検出値の演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に通信するステップと、
    を実施し、
    前記第2電子制御装置によって、
    前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算するステップと、
    前記演算タイミング情報と前記クランク角信号とに基づき前記変化量を校正するステップと、
    校正後の前記変化量に基づき前記検出値を補間するステップと、
    補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算するステップと、
    前記操作量を前記モータに出力するステップと、
    を実施する、内燃機関の制御方法。
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