JP2020153310A - 可変バルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速な応答と低消費電力を同時に実現させることが可能な可変バルブタイミング制御装置を提供する。【解決手段】モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、第1の制御系と、第２の制御系と、少なくとも第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、第1の制御系の出力と第２の制御系の出力の和によりモータを制御し、少なくとも第２の制御系は内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定め、制御値調整部は差分が大きいときに第２の制御系の出力に付与する重みを大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング制御装置に関するものである。

車両に搭載される内燃機関においては、出力向上、燃費節減、排気エミッション低減等を目的として、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング装置を採用したものが増加しつつある。

また近年の可変バルブタイミング装置では、従来の油圧式に代わり、特許文献１に例示したようにモータの駆動力で位相可変機構を駆動して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変化させるモータ駆動方式の可変バルブタイミング装置が開発されている。

特許第４０６６３６６号

油圧式から電動式に変更されたことに伴い、自動車用エンジンのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング装置は，エンジンの燃焼制御のさらなる環境対応のため，今まで以上により高速な応答が求められるが，それ自体の消費エネルギーも環境性能向上のため低くすることが求められている。

この要求は、俊敏な動作が要求される場面における消費エネルギーを度外視した高速応答を実現する制御系と、通常の緩やかな運転における環境性能重視を実現する制御系との間での対比を明確にし、メリハリの利いた運転とすることを意味しているが、然るに従来の可変バルブタイミング制御装置は、２つの制御系の間での特にゲインを相違させることができないものであった。

このことから本発明においては、高速な応答と低消費電力を同時に実現させることが可能な可変バルブタイミング制御装置を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、「モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、第1の制御系と、第２の制御系と、少なくとも第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、第1の制御系の出力と第２の制御系の出力の和によりモータを制御し、少なくとも第２の制御系は内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定め、制御値調整部は差分が大きいときに第２の制御系の出力に付与する重みを大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。」のようにしたものである。

また本発明においては、「モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた積分制御によりその出力を定める第1の制御系と、内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた比例制御によりその出力を定める第２の制御系と、第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、第1の制御系の出力と第２の制御系の出力の和により前記モータを制御し、制御値調整部は差分が大きいときに第２の制御系の出力に付与する重みを大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。」のようにしたものである。

また本発明においては、「モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、内燃機関の回転速度に追従してその出力を定める第1の制御系と、内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた比例制御によりその出力を定める第２の制御系と、第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、第1の制御系の出力と第２の制御系の出力の和によりモータを制御し、制御値調整部は差分が大きいときに第２の制御系の出力に付与する重みを大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。」のようにしたものである。

また本発明においては、「モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、内燃機関の回転速度に追従してその出力を定める速度追従制御系と、内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定める位置制御系と、位置制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、速度追従制御系の出力と位置制御系の出力の和によりモータを制御し、制御値調整部は差分が大きいときに位置制御系の出力に付与する重みを大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。」のようにしたものである。

高速な応答と低消費電力を同時に実現させることが可能な可変バルブタイミング制御装置を提供することができる。

電動式の可変バルブタイミング制御装置を適用するシステム全体の概要を示す図。 本発明に係る可変バルブタイミング制御装置の制御対象である可変バルブタイミング装置１８の概略構成例を示す図。 本発明の可変バルブタイミング制御装置１を構成する考え方を説明するための図。 制御系Ｃ内を緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂに区分するための考え方を示した図。 図３に示した制御値調整部６の構成例を示す図。 図３に示した制御値調整部６の他の構成例を示す図。 図４の区分その２の上段に示した構成事例を示す図。 図４の区分その３に示した構成事例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

最初に電動式の可変バルブタイミング制御装置を適用するシステム全体の概要について、図１を参照して説明する。

図１において、内燃機関であるエンジン１１は、クランク軸１２からの動力がタイミングチェーン１３（又はタイミングベルト）により各スプロケット１４、１５を介して吸気側カム軸１６と排気側カム軸１７とに伝達されるようになっている。また、吸気側カム軸１６側には、モータ駆動式の可変バルブタイミング装置１８が設けられている。この可変バルブタイミング装置１８によってクランク軸１２に対する吸気側カム軸１６の回転位相（カム軸位相）を可変することで、吸気側カム軸１６によって開閉駆動される吸気バルブ（図示せず）のバルブタイミングを可変するようになっている。

また、吸気側カム軸１６の外周側には、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサ１９が取り付けられている。一方、クランク軸１２の外周側には、所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ２０が取り付けられている。

本発明に係る可変バルブタイミング制御装置の制御対象である可変バルブタイミング装置１８の概略構成例を図２に示す。可変バルブタイミング装置１８の位相可変機構２１は、吸気側カム軸１６と同心状に配置された内歯付きのアウタギヤ２２（第１の回転部材）と、このアウタギヤ２２の内周側に同心状に配置された外歯付きのインナギヤ２３（第２の回転部材）と、これらアウタギヤ２２とインナギヤ２３との間に配置されて両者に噛み合う遊星ギヤ２４（位相可変部材）とから構成されている。アウタギヤ２２は、クランク軸１２と同期して回転するスプロケット１４と一体的に回転するように設けられ、インナギヤ２３は、吸気側カム軸１６と一体的に回転するように設けられている。また、遊星ギヤ２４は、アウタギヤ２２とインナギヤ２３に噛み合った状態でインナギヤ２３の回りを円軌道を描くように旋回することで、アウタギヤ２２の回転力をインナギヤ２３に伝達する役割を果たすと共に、インナギヤ２３の回転速度（吸気側カム軸１６の回転速度）に対する遊星ギヤ２４の旋回速度（公転速度）を変化させることで、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相（カム軸位相）を調整するようになっている。

一方、エンジン１１には、遊星ギヤ２４の旋回速度を可変するためのモータ２６が設けられている。このモータ２６の回転軸２７は、吸気側カム軸１６、アウタギヤ２２及びインナギヤ２３と同軸上に配置され、このモータ２６の回転軸２７と遊星ギヤ２４の支持軸２５とが、径方向に延びる連結部材２８を介して連結されている。これにより、モータ２６の回転に伴って、遊星ギヤ２４が支持軸２５を中心に回転（自転）しながらインナギヤ２３の外周の円軌道を旋回（公転）できるようになっている。また、モータ２６には、モータ２６の回転速度ＲＭ（回転軸２７の回転速度）を検出するモータ回転速度センサ２９（図１参照）が取り付けられている。

この可変バルブタイミング装置１８は、モータ２６の回転速度ＲＭを吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣに一致させて、遊星ギヤ２４の公転速度をインナギヤ２３の回転速度（アウタギヤ２２の回転速度）に一致させると、アウタギヤ２２とインナギヤ２３との回転位相の差が現状維持されて、バルブタイミング（カム軸位相）が現状維持されるようになっている。

そして、吸気バルブのバルブタイミングを進角する場合には、モータ２６の回転速度ＲＭが吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣよりも速くなるようにモータ２６の回転速度ＲＭを制御して、遊星ギヤ２４の公転速度をインナギヤ２３の回転速度よりも速くする。これにより、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相が進角されて、バルブタイミング（カム軸位相）が進角される。

一方、吸気バルブのバルブタイミングを遅角する場合には、モータ２６の回転速度ＲＭが吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣよりも遅くなるようにモータ２６の回転速度ＲＭを制御して、遊星ギヤ２４の公転速度をインナギヤ２３の回転速度よりも遅くする。これにより、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相が遅角されて、バルブタイミングが遅角される。

前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（電子制御装置ＥＣＵ）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、そのＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁（図示せず）の燃料噴射量や点火プラグ（図示せず）の点火時期を制御する。

なお本発明の可変バルブタイミング制御装置が適用されるシステム構成が上記に限定されないことは言うまでもない。要は可変バルブタイミング装置１８が電動化されていればよい。

図１の可変バルブタイミング制御装置１は、いわゆるＥＣＵ（電子制御装置）内に機能的に組み込まれ、あるいはＥＣＵからの目標信号に応じて個別に構成される形式で設置されている。

本発明の目的である高速な応答と低消費電力を同時に実現させることができる可変バルブタイミング制御装置１を構成するにあたり、図１の可変バルブタイミング制御装置１の入力信号Ｓｉ、検出信号Ｓｄ、制御系Ｃなどは、以下のように定義される。

図３は、本発明の可変バルブタイミング制御装置１を構成する考え方を説明するための図である。この図３において、まず入力信号Ｓｉは、変換角目標値２（バルブタイミングの位置目標）であり、これはＥＴＣの一定の制御周期ごとに与えられるデジタル信号である。ここで変換角目標値２は、車両速度指令に対応して緩やかに増減し、あるいは一定を保持する緩変化成分２ａと、前回制御周期での値から大幅に増減する急変化成分２ｂを含んで構成されている。図３では、変換角目標値２が緩やかに増減し、あるいは一定を保持する期間について記号２ａで表記し、大きく変動する時期について記号２ｂとして表記している。検出信号Ｓｄは、変換角（バルブタイミングの実位置）であり、変換角目標値２と変換角３の差分４が導出される。

制御系Ｃは、２組の調節器として例えば、比例積分微分制御（以下ＰＩＤ制御という）系を備え、その一方は緩変化成分２ａに応動する緩変化制御系５ａであり、他方は急変化成分２ｂに応動する急変化制御系５ｂとされる。また制御系は変換角目標値２と変換角３の差分４に応じて緩変化制御系５ａの出力と急変化制御系５ｂの出力に重みづけする制御値調整部６を備える。なお２つの制御系の出力は合成後に可変バルブタイミング装置１８のモータ２６に与えられる。

上記構成により、急変化制御系５ｂは急変化成分２ｂに応動し、かつその出力として重みの高い信号（制御ゲインが高い）が与えられる結果、メリハリの利いた制御が可能となる。

図４は、制御系Ｃ内を緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂに区分するための考え方を示した図であり、緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂの構成内容を記述している。
区分の１は緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂの調節器（図４ではＰＩＤと表示）の前段にそれぞれローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦを介して変換角目標値２と変換角３の差分４をそれぞれに入力するものであり、これにより緩変化制御系５ａは緩変化成分２ａに応動し、急変化制御系５ｂは急変化成分２ｂに応動するものとすることができる。

図４の区分２は比例積分微分制御（以下ＰＩＤ制御という）系の調節器に着目したものであり、ここでは緩変化制御系５ａ側を積分機能重視で構成し、急変化制御系５ｂを比例微分機能重視で構成する。あるいは、緩変化制御系５ａ側の比例ゲインを大きく、かつ積分を小さくすることで実質的にハイパスフィルタＨＰＦの機能を備え、急制御系５ｂ側の比例ゲインを小さく、かつ積分を大きくすることで、実質的にローパスフィルタＬＰＦの機能を備えるものである。

図４の区分３は、応動の遅い外部信号として例えばエンジン回転数を用いることである。

本発明によれば、図４のいずれかの採用により緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂを構成することができる。なお図４の各種制御系において、変換角目標値２と変換角３の差分４を入力とする調節機能は、可変バルブタイミング装置１８における位置制御系を構成したものである。また図４の各種制御系において、エンジン回転側を入力とする調節機能は、速度追従制御系を構成したものである。また変換角目標値２(位置目標値)に対して、モデル規範制御を行うのがよい。

図４の区分の構成において、急変化制御系５ｂ（位置制御系）は高速な応答のためのハイゲイン制御（消費電力大）、緩変化制御系５ａ（速度追従制御系）は低消費電力のためのローゲイン制御を行うものであり、本発明はこれら制御系間の切り替えをスムーズに行ったものということができる。

図５は、図３に示した制御値調整部６の構成例を示す図である。図示の例では制御値調整部６は、変換角目標値２と変換角３の差分４に対する、緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂに与える重みをテーブル形式で備えたものである。ここでは、変換角目標値２と変換角３の差分４の絶対値が大きいほど緩変化制御系５ａに与える重みＫａを小さくし、急変化制御系５ｂに与える重みＫｂを大きくする。

この結果、差分が大きく表れる過渡変化状態において、急変化制御系５ｂの出力が大きく現れて緩変化制御系５ａの出力が小さく現れるように調整される。また差分について変動がない、あるいは少ない安定状態においては、緩変化制御系５ａの出力が大きく現れて急変化制御系５ｂの出力が小さく現れるように調整される。

図６は、図３に示した制御値調整部６の他の構成例を示す図である。図６では、２組の制御値調整部６ａ，６ｂを備え、一方の制御値調整部６ａは図５のように構成して、２組の重みＫａ１、Ｋｂ１を与える。他方の制御値調整部６ａもまた重みをテーブル形式で設定するものであるが、ここではテーブルを参照する要因（入力）をエンジン速度とする。

ここでは、エンジン速度が高いほど緩変化制御系５ａ側の重みＫａ２を大きくし、急変化制御系５ｂ側の重みＫｂ２を小さい値とする。このようにする理由は、以下のようである。まずエンジン速度が高いときには摩擦が大きくなり、速度制御が追従しなくなり、位置制御がこれを補うべく作用して電力消費が大きくなる傾向になる。図６の方式によれば、速度制御が追従しやすくなるので、電力消費を抑えることができる。

そのうえで最終的には、重みＫａ１とＫａ２からＫａを決定し、重みＫｂ１とＫｂ２からＫｂを決定していく。図６によれば、過渡的な変動が出力に反映されるにとどまらず、高回転運転時と低回転運転時で制御への反映度合いを可変とすることができる。

上記定義に従う本発明の内燃機関の可変バルブタイミング制御装置の具体的な回路構成例について以下説明する。図７は、図４の区分その２の上段に示した構成事例である。緩変化制御系５ａは変換角目標値２と変換角３を入力し、その差分４に対して比例積分制御系を構成する。また急変化制御系５ｂは変換角目標値２と変換角３を入力し、その差分４に対して比例微分制御系を構成する。

また緩変化制御系５ａと急変化制御系５ｂは、調節機能後段に増幅器７a、７ｂを含み、制御値調整部６の与える重みを付与する。制御値調整部６は、変換角目標値２と変換角３の差分４を入力とする図５、図６に例示したテーブル形式の重み決定機能である。

なお重みを付与するにあたりこの実現策としては種々の手法が考えられ、本発明はそのいずれであってもよい。例えば入力偏差を調整する、比例ゲインを調整する、調節器の出力を調整するなどで対応が可能である。また調整するに際し、加減算すること、あるいは乗除算することで対応することができる。

図7の構成は、急変化成分２ｂに対する応答の速い制御として比例微分制御、緩変化成分２ａに対する応答の遅い制御として積分制御を用いたものであるが、変換角目標値２と実変換角３の差分４が大きい場合には積分を停止しても良い。

図８は、図４の区分その３に示した構成事例である。緩変化制御系５ａは遅い入力信号としてエンジン回転速度を入力し、例えばエンジン回転速度の変化率に応じて調節器出力を決定し、あるいは，変換角目標値の変化率に応じて調節器出力を決定することで速度追従制御系を構成する。また急変化制御系５ｂは図7と同じく比例積分微分的な調節機能のものとする。

図８の構成事例は、低消費電力の速度制御系（緩変化制御系５ａ）と高応答の位置制御系(急変化制御系５ｂ)を並列化し両者の演算結果に重みをつけて合算することで、高応答と，低消費電力を両立させたものである。この構成は、より詳細には、速度追従制御系と位置制御系を並列に配置すること、速度追従系はフィードフォワード制御とすること、速度追従制御系の演算結果と位置制御系の演算結果に重みをつけて加算すること、重みは変換角目標値と実変換角の状態に応じて決定することにより実現されている。

図7、図8の構成に代表される、図４の基本構成の考え方を踏襲する本発明の内燃機関の可変バルブタイミング制御装置によれば、重みを調整することで，高応答と，低消費電力を両立することができる。

この効果が生じる物理的なメカニズムは、可変バルブタイミング制御装置の変換角を変換する場合は，高応答で消費電力の大きい位置制御系(急変化制御系５ｂ)を主に使用し，可変バルブタイミング制御装置の変換角を変換しない場合は，低消費電力である速度制御系（緩変化制御系５ａ）を主に使用することの組み合わせにより，高応答と低消費電力を両立させるものである。

別な言い方をすると、バルブタイミングを変更する際には位置制御系を優位にして高応答を実現し、バルブタイミングを変更しない際には速度追従制御系を優位にして低消費電力を実現する。これらの切り替えにより、高速な応答と低消費電力を同時に実現できる。

本実施形態では可変バルブタイミング制御装置１は電子制御装置ＥＣＵ内に組み込まれるが、それに限られず、例えば電子制御装置ＥＣＵと別個のコントロールユニットに組み込まれても良い。この場合、電子制御装置ＥＣＵから変換角目標値２、変換角３、エンジン速度などを受信しても良いし、変換角３、エンジン速度などについてそれぞれを検出するセンサから受信しても良い。

１：可変バルブタイミング制御装置
２：変換角目標値
２a：緩変化成分
２ｂ：急変化成分
３：変換角
４：変換角目標値と変換角の差分
５a：緩変化制御系５ａ
５ｂ：急変化制御系
６：制御値調整部
７a,7b:増幅器
１８：可変バルブタイミング装置

Claims (12)

1. モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、
   第1の制御系と、第２の制御系と、少なくとも前記第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、前記第1の制御系の出力と前記第２の制御系の出力の和により前記モータを制御し、
   前記第２の制御系は前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定め、前記制御値調整部は前記差分が大きいときに前記第２の制御系の出力に付与する重みを、前記差分が小さいときの重みに対して大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
2. 請求項1に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記第１の制御系は前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定めることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
3. 請求項１に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記第１の制御系は前記内燃機関の回転速度に応じてその出力を定めることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
4. 請求項３に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記第１の制御系は、前記内燃機関の回転速度の変化率に応じて調節器出力をその出力を定めることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
5. 請求項１に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記制御値調整部は前記第１の制御系の出力に重みを付与し、前記差分が大きいときに前記第１の制御系の出力に付与する重みを、前記差分が小さいときの重みに対して小さくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
6. 請求項２に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記第１の制御系は、前記変換角目標値の緩変化成分に応動し、前記第２の制御系は、前記変換角目標値の急変化成分に応動する制御系であることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
7. 請求項５に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記制御値調整部は、その重みが前記内燃機関の回転速度に応じて変更されることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
8. 請求項７に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記制御値調整部は、前記第１の制御系の出力に付与する重みを、前記内燃機関の回転速度が遅いときの重みに対して、前記内燃機関の回転速度が速いときの重みを大きくする
   ことを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
9. 請求項８に記載の可変バルブタイミング制御装置であって、
   前記制御値調整部は、前記第２の制御系の出力に付与する重みを、前記内燃機関の回転速度が遅いときの重みに対して、前記内燃機関の回転速度が速いときの重みを小さくする
   ことを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
10. モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、
    前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた積分制御によりその出力を定める第1の制御系と、前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた比例制御によりその出力を定める第２の制御系と、前記第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、前記第1の制御系の出力と前記第２の制御系の出力の和により前記モータを制御し、
    前記制御値調整部は前記差分が大きいときに前記第２の制御系の出力に付与する重みを、前記差分が小さいときの重みに対して大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
11. モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、
    前記内燃機関の回転速度に追従してその出力を定める第1の制御系と、前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じた比例制御によりその出力を定める第２の制御系と、前記第２の制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、前記第1の制御系の出力と前記第２の制御系の出力の和により前記モータを制御し、
    前記制御値調整部は前記差分が大きいときに前記第２の制御系の出力に付与する重みを、前記差分が小さいときの重みに対して大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。
12. モータを用いて内燃機関のバルブのタイミングを変更する可変バルブタイミング制御装置であって、
    前記内燃機関の回転速度に追従してその出力を定める速度追従制御系と、前記内燃機関のバルブの変換角目標値と実変換角の差分に応じてその出力を定める位置制御系と、前記位置制御系の出力に重みを付与する制御値調整部とを備えて、前記速度追従制御系の出力と前記位置制御系の出力の和により前記モータを制御し、
    前記制御値調整部は前記差分が大きいときに前記位置制御系の出力に付与する重みを、前記差分が小さいときの重みに対して大きくすることを特徴とする可変バルブタイミング制御装置。

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