JP4591366B2 - 内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置に関する。

自動車用エンジン等の内燃機関において、出力や燃費、或いは排気清浄等についてそれらの最適化を図るべく、吸気バルブ、排気バルブといった機関バルブのバルブ特性を機関運転状態に応じて変更可能とするものとして、例えば特許文献１に記載の可変動弁機構がある。そして、こうした可変動弁機構には、入力されるモータの回転運動を制御軸の直線運動へと変換する回転直線運動変換機構、及び同制御軸の変位量を制御する制御装置が設けられている。このような制御装置として、センサにより制御軸の位置を直接検出するとともに、この検出した制御軸の位置及び機関運転状態等に基づいて制御軸を制御するものがある。この制御装置では、制御軸の位置を直接検出することのできるセンサ（絶対位置検出センサ）により制御軸の位置を正確に検出することができるため、可変動弁機構を好適に制御することができる。また、この回転直線運動変換機構は、モータを通じて回転運動する内歯歯車軸と、同内歯歯車軸の回転運動を通じて遊星運動する複数の遊星歯車軸と、同遊星歯車軸の遊星運動を通じて直線運動する制御軸とを備えて構成されている。

しかしながら、このような絶対位置検出センサは、制御軸の相対的な位置を検出するセンサ（相対位置検出センサ）と比較して高価であるといった問題がある。ここで制御軸の相対的な位置とは、所定の基準位置からの制御軸の変位量を相対変位量としたときに、これら基準位置と相対変位量とから算出される制御軸の位置である。制御軸の相対変位量は、例えば、回転直線運動変換機構へ入力されるモータの回転変位量と同機構の回転直線運動の変換効率とから算出される。

そこで従来、このような相対位置検出センサを備えるとともに、特許文献２に記載されるような逆効率が０％、すなわち制御軸にその軸方向の荷重が作用しても回転運動が生じない回転直線運動変換機構を備えた可変動弁機構がある。ここで、逆効率とは、回転直線運動変換機構において、回転運動を直線運動に変換する効率である正効率に対して、直線運動を回転運動に変換する効率のことである。このように回転直線運動変換機構の逆効率を０％とすることにより、出力軸として機能する制御軸に軸方向の荷重が作用しても遊星歯車軸及び内歯歯車軸の回転運動にはその影響が及ばないため、そのような荷重により制御軸が変位することがない。このため、回転直線運動変換機構へ入力されるモータの回転運動量のみによって制御軸が駆動されるようになるため、制御軸の相対変位量を正確に算出することができるようになる。
特開２００１−２６３０１５号公報 国際公開ＷＯ２００４／０９４８５０号公報

ところで、相対位置検出センサと回転直線運動変換機構とを備えた可変動弁機構においては、所定の基準位置からの制御軸の変位量に基づいて制御軸の位置を算出するため、基準位置を正確に学習する必要がある。この基準位置の学習が正確に行われない場合には、制御軸の位置を正確に制御することができなくなり、内燃機関の燃費やドライバビリティに悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御軸の基準位置を正確に学習することにより制御軸の位置精度を向上させることのできる内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、モータから内歯歯車に伝達されたトルクを制御軸が軸方向に変位しようとする推力に変換する一方、同制御軸に作用する軸方向の荷重によって前記内歯歯車にトルクが発生しないように構成された変換機構を備え、可変動弁機構による機関バルブのバルブ特性の変更が前記制御軸の軸方向への変位によって行われるとともに、前記制御軸の軸方向の位置を制御する際の基準位置を学習する内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置において、前記内歯歯車へのトルクの伝達が停止したことを条件に前記基準位置を学習することを要旨としている。

同構成によれば、変換機構は制御軸に作用する軸方向の荷重によって内歯歯車にトルクが発生しないように構成されているため、内歯歯車へ伝達されるトルクが停止した後に制御軸に作用する軸方向の荷重によって内歯歯車が回転することがない。このため、内歯歯車へのトルクの伝達が停止したことを条件に基準位置を学習すれば、内歯歯車へのトルクの伝達が停止した時と次回に内歯歯車へトルクが伝達される時とで制御軸の実際の位置と基準位置との関係を等しくすることができる。その結果、制御軸の基準位置を正確に学習することができるため、制御軸の位置精度を向上させることができる。
また、基準位置の学習については、請求項２に記載の発明によるように、機関停止に伴って前記内歯歯車へのトルクの伝達が停止したときの前記制御軸の軸方向の位置を、次回の機関始動時における前記制御軸の基準位置として学習するといった構成を採用することができる。

請求項３に記載の発明は、前記モータへの通電が停止したことを条件に前記基準位置を学習することを要旨としている。

具体的には、請求項３に記載の発明によるように、前記モータへの通電が停止したことを条件に前記基準位置を学習するといった構成を採用することができる。

請求項４に記載の発明は、前記基準位置の学習は、前記モータの回転が停止したことを更に条件とすることを要旨としている。
内歯歯車へ伝達されるトルクがモータによって発生させられる場合には、モータへの通電を停止したとしても慣性によってモータが回転し続けるおそれがある。

この点、同構成によれば、基準位置の学習は、モータの回転が停止したことを更に条件として行われるため、モータの回転が実際に停止して内歯歯車が停止してから制御軸の基準位置を学習することができる。このため、制御軸の基準位置をより正確に学習することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
図１に示されるように、この車両には、内燃機関として複数の気筒が設けられたエンジン１０が搭載されている。エンジン１０には、各気筒の吸気通路１１における開口部を開閉するための吸気バルブ１２が設けられている。また、エンジン１０には、クランクシャフトと駆動連結して同クランクシャフトから伝達されるトルクにより回転運動するカムシャフト１３が設けられている。カムシャフト１３には、カムシャフト１３と一体回転する吸気カム１４が設けられている。吸気バルブ１２と吸気カム１４との間には、吸気バルブ１２のバルブリフト量および作用角を可変とする可変動弁機構２０が設けられている。この可変動弁機構２０は、コントロールシャフト２１、入力アーム２２、出力アーム２３、及びロッカアーム２４を備えて構成されている。カムシャフト１３と平行に配設されるコントロールシャフト２１には、入力アーム２２及び出力アーム２３が相対回動可能且つ軸方向に相対変位可能に組み付けられている。また、出力アーム２３と吸気バルブ１２との間には出力アーム２３及び吸気バルブ１２に当接するようにロッカアーム２４が配設されている。なお、エンジン１０の排気バルブ１１２を駆動する機構は、排気カム及びロッカアーム等からなる周知のものである。また、エンジン１０には、コントロールシャフト２１を軸方向の変位をさせるための電動アクチュエータ３０が設けられている。このアクチュエータは、コントロールシャフト２１に連結した回転直線運動変換機構６０、及び同変換機構６０にトルクを伝達する電動モータ８０を備えている。電動モータ８０は、ロータ８１及びステータ８２を備えて構成されている。

さらに、エンジン１０には、運転状態等を検出するための各種センサが設けられている。電動アクチュエータ３０には、ロータ８１の回転量を検出する回転量検出センサ３１及びロータ８１の回転速度を検出する回転速度検出センサ３２が設けられている。回転量検出センサ３１は、ロータ８１が一定角度回転する毎に信号を出力する。

これら各センサ３１，３２の検出信号は、いずれもエンジン１０の電子制御装置４０に取り込まれる。この電子制御装置４０は、各種制御プログラムや演算用マップ、及び制御の実行に際して算出されるデータ等を記憶保持するメモリを備えている。また、電子制御装置４０は、上記各種センサ３１，３２等からの検出信号に基づいてエンジン１０及び電動アクチュエータ３０等を駆動することにより、燃焼形態にかかる制御や燃料噴射量制御等、各種機関の制御を実行する。さらに、電子制御装置４０は電動モータ８０への電力の供給又は電力供給の遮断を制御する。

次に、電動アクチュエータ３０の構成について、図２を参照して説明する。
図２に示されるように、電動アクチュエータ３０は、大きくは、コントロールシャフト２１に連結した回転直線運動変換機構６０、及び同変換機構６０へトルクを入力する電動モータ８０を備えて構成されている。電動アクチュエータ３０には、変換機構６０を囲うようにハウジング５０，５１が設けられている。ハウジング５０，５１と変換機構６０との間にはベアリング５２が設けられており、変換機構６０は回転可能に支持されている。

また、電動アクチュエータ３０には、ロータ８１とステータ８２を有するブラシレスモータで構成される電動モータ８０が設けられている。ハウジング５０の内周面には、コイル８３を有するステータ８２が設けられている。このステータ８２の内周には、変換機構６０の内歯歯車６３に固定され、同変換機構６０と一体回転可能なロータ８１が配設されている。このロータ８１は、永久磁石を備えて構成されている。

続いて、この変換機構６０の詳細な構成について図３を参照して説明する。
図３に示されるように、この変換機構６０は、コントロールシャフト２１に連結された制御軸６１を備えている。この制御軸６１の右端部近傍の外周面には、同制御軸６１の中心軸Ｌと平行な外歯の平歯車６１ｂが設けられ、中央部に雄ねじ６１ａが設けられている。これら雄ねじ６１ａと平歯車６１ｂとは、互いに距離をおいて設けられている。制御軸６１の外周には、遊星軸６２が複数配設されている。この遊星軸６２の右端部近傍の外周面には、制御軸６１の平歯車６１ｂと噛合う平歯車６２ｂが設けられるとともに、中央部に雄ねじ６１ａと噛合う雄ねじ６２ａが設けられている。雄ねじ６１ａと雄ねじ６２ａとは、互いのねじれ角が逆方向となるように噛合わされている。遊星軸６２の外周には、制御軸６１及び遊星軸６２を囲むように内歯歯車６３が配設されている。この内歯歯車６３の内周面には、中央部に遊星軸６２の雄ねじ６２ａと噛合う雌ねじ６３ａが設けられている。内歯歯車６３の両端解放部には、カラー６６，６７が装着されている。カラー６６の中央部には貫通孔６６ａが形成され、同貫通孔６６ａにはコントロールシャフト２１及び制御軸６１が軸方向に変位可能に挿入支持されている。また、カラー６７の中央部には挿入孔６７ａが形成され、この挿入孔６７ａには制御軸６１の右端部が挿入支持されている。遊星軸６２の両端部には、同遊星軸６２を支持する支持部材６４，６５が配設されている。このような変換機構６０の構成により、制御軸６１は軸方向に変位可能、且つ回転不可能に配設され、遊星軸６２は自身の中心軸を中心に自転可能、且つ中心軸Ｌを中心に公転可能に配設されている。

ここで、上記可変動弁機構２０の吸気バルブ１２を開閉する際の動作態様について図１を参照して説明する。入力アーム２２が吸気カム１４により押されると、入力アーム２２がコントロールシャフト２１を中心に揺動するとともに、出力アーム２３もコントロールシャフト２１を中心に揺動する。出力アーム２３の揺動に伴い出力アーム２３によりロッカアーム２４が押されると、ロッカアーム２４が揺動して吸気バルブ１２が開かれる。

次に、吸気バルブ１２のバルブ特性を変更する際の可変動弁機構２０の動作態様について図１乃至図３を参照して説明する。吸気バルブ１２のバルブ特性の変更は、大きくは、電動アクチュエータ３０によりコントロールシャフト２１を軸方向に変位させることにより行われる。電動アクチュエータ３０のステータ８２への通電によりロータ８１にトルクが発生すると、図２及び図３に示されるように、このロータ８１が内歯歯車６３と一体回転して内歯歯車６３にトルクが伝達される。内歯歯車６３へと伝達されたトルクは、この内歯歯車６３の雌ねじ６３ａと遊星軸６２の雄ねじ６２ａの噛合いを通じて遊星軸６２へと伝達される。さらに、遊星軸６２へと伝達されたトルクは、遊星軸６２の雄ねじ６２ａと制御軸６１の雄ねじ６１ａとの噛合いを通じて制御軸６１へと伝達される。制御軸６１へトルクが伝達されると、制御軸６１が軸方向に変位し、これに伴いコントロールシャフト２１が軸方向に変位する。なお、制御軸６１の平歯車６１ｂと遊星軸６２の平歯車６２ｂとの間の噛合いにより、遊星軸６２が回転したときに、その遊星軸６２の回転角度に対応する回転角度まで制御軸６１が回転しない現象、いわゆるトルク伝達の際の滑りを抑制するようにしている。

電動アクチュエータによりコントロールシャフト２１が軸方向に変位すると、図１に示されるように、入力アーム２２及び出力アーム２３が、コントロールシャフト２１に対して軸方向に相対変位するとともに互いに相対回動する。このとき、入力アーム２２と出力アーム２３とは互いに逆方向に回動するため、これらの間の相対位相が変化する。このため、吸気カム１４が入力アーム２２を押したときにおける出力アーム２３がロッカアーム２４を押すタイミングおよび位置を変化させることができるため、吸気バルブ１２のバルブ特性を変更することができる。

ここで、制御軸６１の雄ねじ６１ａと遊星軸６２の雄ねじ６２ａとは、互いのねじれ角が逆方向となるように噛合わされるとともに、変換機構６０における逆効率が０％となるように設計されている。すなわち、この変換機構６０は、内歯歯車６３にトルクが生じたときには制御軸６１が変位する一方で、コントロールシャフト２１から制御軸６１へと荷重が作用しても内歯歯車６３に回転運動が生じないように、すなわち制御軸６１が変位しないように構成されている。

なお、電子制御装置４０では以下のようにコントロールシャフト２１の位置制御を実行している。すなわち、コントロールシャフト２１に連結された制御軸６１が所定の位置（初期位置）にあるときにロータ８１の回転量を「０」に設定する。そして、この初期位置から制御軸が変位したときに、回転量検出センサ３１から電子制御装置４０へと入力される信号の回数、すなわちロータ８１の回転量をメモリに記憶する。このようにして記憶されたロータ８１の回転量に基づいて制御軸６１及びコントロールシャフト２１の位置を制御する。なお、エンジン１０においては、ロータ８１の回転量に基づいて制御軸６１の初期位置からの変位量を算出し、同変位量に基づいて制御軸６１の位置を制御することができるが、便宜上、ロータ８１の回転量に基づいて制御軸６１及びコントロールシャフト２１の位置を制御するようにしている。

以下、このようなエンジン１０においてエンジン１０の停止時に際して行われる制御軸の位置学習制御について図４を参照して説明する。
図４は、このエンジン１０の停止時における制御軸位置学習制御の実行手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートに示される一連の処理は、電子制御装置４０により所定の周期をもって繰り返し実行される。

同図４に示されるように、この一連の処理ではまず、電動モータ８０への電力供給を遮断しているか否かが判定される。具体的には、運転者によりイグニッションスイッチがオフされて、電子制御装置４０において電動モータ８０への電力供給を遮断していることに基づき、電動モータ８０への電力供給を遮断している旨判定される。

この判定処理を通じて電動モータ８０への電力供給を遮断している旨判定された場合には（ステップ１００：ＹＥＳ）、電動モータ８０の回転が停止しているか否かが判定される（ステップ１１０）。この処理では、具体的には、回転速度検出センサ３２から電動モータ８０の回転速度が検出され、この回転速度が「０」ｒｐｍであることに基づいて、電動モータ８０の回転が停止している旨判定される。なお、この処理は電動モータ８０の回転速度が「０」ｒｐｍになるまで繰り返し実行される（ステップ１１０：ＮＯ）。

この判定処理を通じて電動モータ８０の回転が停止している旨判定された場合には（ステップ１１０：ＹＥＳ）、制御軸６１の軸方向の位置を学習する。この処理では、具体的には、ロータ８１の回転量を電子制御装置４０のメモリに記憶する。

一方、電動モータ８０への電力供給を遮断していない旨判定された場合には（ステップ１００：ＮＯ）、この処理は一旦終了する。
なお、この制御を実行して学習したロータ８１の回転量は次回のエンジン１０始動時におけるロータ８１の基準回転量とされ、この基準回転量からのロータ８１の回転量に基づいて制御軸６１の位置制御が実行される。すなわち、エンジン１０の停止時における制御軸６１の位置は次回の始動時における制御軸６１の基準位置とされ、この基準位置からの制御軸の変位量に基づいて制御軸６１の位置制御が実行される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に列記する作用効果が得られる。
（１）回転直線運動変換機構６０は制御軸６１に作用する軸方向の荷重によって内歯歯車６３にトルクが発生しないように構成されているため、内歯歯車６３へ伝達されるトルクが停止した後に制御軸６１に作用する軸方向の荷重によって内歯歯車６３が回転することがない。このため、内歯歯車６３へ伝達されるトルクが停止したことを条件にロータ８１の基準回転量、すなわち制御軸６１の基準位置を学習すれば、内歯歯車６３へ伝達されるトルクが停止した時と次回に内歯歯車６３へトルクが伝達される時とで制御軸６１の実際の位置と基準位置との関係を等しくすることができる。その結果、制御軸６１の基準位置を正確に学習することができるため、制御軸６１の位置精度を向上させることができる。

（２）ロータ８１の基準回転量の学習、すなわち制御軸６１の基準位置の学習は、電動モータ８０の回転が停止したことを更に条件として行われるため、電動モータ８０の回転が実際に停止して内歯歯車６３が停止してから制御軸６１の基準位置を学習することができる。このため、電動モータ８０が慣性によって回転する間における基準位置のずれを補償することができ、制御軸６１の基準位置をより正確に学習することができる。

尚、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、ロータ８１の回転が停止したことを条件にロータ８１の回転量をメモリに記憶するようにしていたが、内歯歯車６３の回転が停止したことを条件に回転量を記憶するようにしてもよい。また、電動モータ８０への通電停止後であっても、コントロールシャフト２１から制御軸６１へと作用する荷重によって内歯歯車６３に回転運動が生じないことから、電動モータ８０への通電が停止したことを条件にロータ８１の回転量を記憶するようにしてもよい。

本発明にかかる制御装置の一実施形態についてその概略を示す模式図。 図１の制御装置における電動アクチュエータの拡大断面図。 図２の電動アクチュエータにおける回転直線運動変換機構の拡大断面図。 図１の制御装置における制御軸位置学習制御を実行する際の処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０…エンジン、１１…吸気通路、１２…吸気バルブ、１３…カムシャフト、１４…吸気カム、２０…可変動弁機構、２１…コントロールシャフト、２２…入力アーム、２３…出力アーム、２４…ロッカアーム、３０…電動アクチュエータ、３１…回転量検出センサ、３２…回転速度検出センサ、４０…電子制御装置、５０，５１…ハウジング，５２…ベアリング、６０…回転直線運動変換機構、６１…制御軸、６１ａ，６２ａ…雄ねじ、６１ｂ，６２ｂ…平歯車、６２…遊星軸、６３…内歯歯車、６３ａ…雌ねじ、６４，６５…支持部材、６６，６７…カラー、６６ａ…貫通孔、６７ａ…挿入孔、８０…電動モータ、８１…ロータ、８２…ステータ、８３…コイル、１１２…排気バルブ。

Claims (4)

1. モータから内歯歯車に伝達されたトルクを制御軸が軸方向に変位しようとする推力に変換する一方、同制御軸に作用する軸方向の荷重によって前記内歯歯車にトルクが発生しないように構成された変換機構を備え、可変動弁機構による機関バルブのバルブ特性の変更が前記制御軸の軸方向への変位によって行われるとともに、前記制御軸の軸方向の位置を制御する際の基準位置を学習する内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置において、
   前記内歯歯車へのトルクの伝達が停止したことを条件に前記基準位置を学習する
   ことを特徴とする内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置。
2. 機関停止に伴って前記内歯歯車へのトルクの伝達が停止したときの前記制御軸の軸方向の位置を、次回の機関始動時における前記制御軸の基準位置として学習する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置。
3. 前記モータへの通電が停止したことを条件に前記基準位置を学習する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置。
4. 前記基準位置の学習は、前記モータの回転が停止したことを更に条件とする
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の回転直線運動変換機構の制御装置。

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