JP4668150B2 - 可変バルブタイミング装置 - Google Patents

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可変バルブタイミング装置に関し、より特定的には、電動機をアクチュエータとする可変バルブタイミング装置に関する。
従来より、インテークバルブやエキゾーストバルブが開閉する位相(クランク角)を運転状態に応じて変更する可変バルブタイミング(Variable Valve Timing:VVT)装置が知られている。一般的に、可変バルブタイミング装置では、インテークバルブやエキゾーストバルブを開閉駆動するカムシャフトをスプロケット等に対して相対的に回転させることにより位相を変更する。カムシャフトは、油圧や電動モータ等のアクチュエータにより回転される。
特に、油圧を駆動源とした可変バルブタイミング装置では、寒冷時やエンジン始動時に油圧が不足したり油圧制御の応答性が低下して、可変バルブタイミング制御精度が低下するという問題点があるため、駆動源として電動モータを用いた可変バルブタイミング装置が提案されている(たとえば、特許文献1〜3)。
特開平5−104978号公報(特許文献1)には、ステップモータをアクチュエータとしたバルブタイミング制御装置において、エンジン制御のためのエンジンECU(Electronic Control Unit)から独立して、VVT制御のためのVVTECUが別途設けられる構成が開示されている。同様に、米国特許出願公開第US2005/0252469A1(特許文献2)にも、電動機をアクチュエータとしてクランクシャフトに対するカムシャフトの回転角を調整する構成(すなわちVVTを実現する構成)において、エンジン制御要素とは別に、VVTのアクチュエータである電動機を制御するユニット(VVTの制御ユニット)が設けられる構成が開示される。
また、特開2004−190663号公報(特許文献3)には、モータの回転速度をカムシャフトの回転速度に対して変化させることにより、バルブタイミングを可変にする可変バルブタイミング装置が開示される。
特開平5−104978号公報 米国特許出願公開第US2005/0252469A1 特開2004−190663号公報
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、VVTECUは、エンジンの運転状態を示す信号を受けて、適切なバルブオーバラップの大きさ、すなわちバルブタイミングを設定し、かつ、このようなバルブタイミングを実現するためのステップモータの制御信号を出力する。この構成では、VVTECUにより、ステップモータの励磁コイルを選択する信号が生成されるため、VVTECUが、バルブタイミングの目標値の設定から、バルブタイミング制御のためにステップモータを駆動制御する信号の生成までの広範な機能を分担する構成となっている。このため、プログラム実行によるソフトウェア処理を想定しているVVTECUの処理負荷が増大するので、バルブタイミングを高速に制御するためには、ECUの高処理能力化が必要となる。
また、特許文献2に開示された構成においても、VVTの制御ユニットに対してクランクシャフトやカムシャフトの回転角を示す信号が入力される構成となっており、実バルブタイミングを望ましいバルブタイミングに合致させるためのフィードバック制御は、VVTの制御ユニットにより実行される。このため、特許文献1と同様に、VVTの制御ユニットでの処理負荷増大が懸念される。
一方、特許文献3に開示された構成では、エンジン制御回路としてのECUにより、目標バルブタイミングの算出および実バルブタイミングの算出から、これらの偏差に応じたモータ制御値(モータ印加電圧や最終デューティ値)算出までが実行される。このような構成では、エンジン制御のECUの処理負荷が著しく増大する。特許文献3でも、ECUはソフトウェア処理を想定しているため、バルブタイミングを高速制御するためにはECU(エンジンECU)の高処理能力化が必要となるという問題点が生じる。
また、特許文献1〜3に開示されたバルブタイミング制御では、モータ制御までを含めた1つの全体系として、バルブタイミングの位相制御(位置制御)フィードバックループが構成されるので、制御速度の点で改善の余地がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、各制御装置の処理負荷が著しく増大することを防止した上で制御速度を高めることが可能な制御構成を有する可変バルブタイミング装置を提供することである。
この発明による可変バルブタイミング装置は、エンジンに設けられたインテークバルブおよびエキゾーストバルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置であって、電動機と、変更機構と、第1の制御装置と、第2の制御装置とを備える。電動機は、可変バルブタイミング装置を作動させるアクチュエータを構成する。変更機構は、記バルブを駆動するカムシャフトに対する電動機の相対的な回転速度差に応じた変化量でバルブの開閉タイミングを変更するように構成される。第1の制御装置は、少なくともカムシャフトおよび電動機の回転速度を検知するセンサからの信号に基づいて、バルブの開閉タイミングの現在値を求め、かつ、エンジンの運転状態に従って設定される目標値に従って開閉タイミングが変化するように、開閉タイミングの目標値および現在値の偏差に応じて電動機の回転速度指令値を生成する。第2の制御装置は、第1の制御装置から回転速度指令値を受けて、電動機が回転速度指令値に従って作動するように電動機が回転速度検出値に基づき電動機への供給電力を制御する。
上記可変バルブタイミング装置によれば、第1の制御装置によりバルブ位相のフィードバック制御を行なう一方で、第2の制御装置によりアクチュエータの回転速度制御が実行される。これにより、各制御装置の機能の複雑化および処理負荷の過大化を招くことなく、アクチュエータである電動機を高速に制御して制御速度の高いバルブタイミング制御を実行できる。
好ましくは、第2の制御装置は、第1の制御装置により設定された回転速度指令値に基づく設定制御および回転速度指令値に対する実際の回転速度偏差に基づくフィードバック制御の組み合わせによって、電動機の回転速度を制御するように構成される。
特に、第2の制御装置は、電力変換回路と、第1の設定部と、第2の設定部と、駆動部とを含んで構成される。電力変換回路は、電動機への電力供給を制御する。第1の設定部は、第1の制御装置からの回転速度指令値と、センサにより検出された電動機の回転速度との偏差に応じて、電動機への供給電力量を制御する調整量を設定する。第2の設定部は、所定の対応関係に従って、第1の制御装置からの回転速度指令値に対応して調整量を設定する。駆動部は、第1および第2の設定部により設定された供給電力量の和に従って、電力変換回路の制御信号を生成する。
このような構成とすることにより、第1の設定部によるフィードバック項と第2の接地部によるプリセット項とを組み合わせた電動機回転速度数制御とすることにより、単純なフィードバック制御、すなわち第1の設定部によるフィードバック項のみによる回転速度制御と比較して、回転速度指令値の変化に対して電動機の回転速度を高速に追従させることができる。
また好ましくは、第2の制御装置は、電動機と一体的に、かつ、電動機の回転動作を検知するセンサを含んで構成される。さらに、第1の制御装置は、第2の制御装置との間に設けられた信号線を介して、センサにより得られた情報を取得する。
これにより、センサの配置スペースを削減して装置の小型化を図ることができる。
さらに好ましくは、第1の制御装置は、エンジンを制御するためのプログラムを実行する機能を有する電子制御ユニットにより構成される。
この発明による可変バルブタイミング装置によれば、各制御装置の処理負荷を著しく増大させることなく制御速度を高めることが可能な制御構成とすることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1を参照して、本発明の実施の形態に係る可変バルブタイミング装置を搭載した車両のエンジンについて説明する。
エンジン1000は、第1バンク1010および第2バンク1012に、それぞれ4つの気筒(シリンダ)からなる気筒群が設けられたV型8気筒エンジンである。なお、本発明の適用はエンジン形式を限定するものではなく、V型8気筒以外の形式のエンジンについても、以下に説明する可変バルブタイミング装置を適用可能である。
エンジン1000には、エアクリーナ1020から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ1030により調整される。スロットルバルブ1030はモータにより駆動される電子スロットルバルブである。
空気は、吸気通路1032を通ってシリンダ1040に導入される。空気は、シリンダ1040の内部(燃焼室)において燃料と混合される。シリンダ1040には、インジェクタ1050から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ1050の噴射孔はシリンダ1040内に設けられている。
燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ1050の噴射孔がシリンダ1040内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン1000を説明するが、直噴用のインジェクタ1050に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。さらに、ポート噴射用のインジェクタのみを設けるようにしてもよい。
シリンダ1040内の混合気は、点火プラグ1060により着火されて燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、三元触媒1070により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン1080が押し下げられることにより、クランクシャフト1090が回転する。
シリンダ1040の頭頂部には、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110が設けられる。インテークバルブ1100はインテークカムシャフト1120により駆動される。エキゾーストバルブ1110はエキゾーストカムシャフト1130により駆動される。インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130は、チェーンやギヤ等により連結されて、同じ回転速度(クランクシャフト1090の回転速度の2分の1)で回転する。なお、シャフト等の回転体の回転速度については、単位時間当たりの回転数(代表的には、毎分当たりの回転数:rpm)で表わすことが一般的であるため、以下では、回転体の回転速度の意味で単に「回転数」とも表記する。
インテークバルブ1100は、インテークカムシャフト1120に設けられたインテーク用VVT機構2000により、その位相(開閉タイミング)が制御される。エキゾーストバルブ1110は、エキゾーストカムシャフト1130に設けられたエキゾースト用VVT機構3000により、その位相(開閉タイミング)が制御される。
本実施の形態においては、インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130がVVT機構により回転されることにより、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110の位相が制御される。なお、位相を制御する方法はこれに限らない。
インテーク用VVT機構2000は、電動モータ2060(図3において図示)により作動する。電動モータ2060は、電子制御ユニット(ECU)4000により制御される。電動モータ2060の電流や電圧は電流計(図示せず)および電圧計(図示せず)により検知され、ECU4000に入力される。
エキゾースト用VVT機構3000は、油圧により作動する。なお、インテーク用VVT機構2000を油圧により作動するようにしてもよく、エキゾースト用VVT機構3000を電動モータにより作動するようにしてもよい。
ECU4000には、クランク角センサ5000からクランクシャフト1090の回転数およびクランク角を表す信号が入力される。また、ECU4000には、カムポジションセンサ5010からインテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130の位相(回転方向におけるカムシャフトの位置)を表す信号が入力される。
さらに、ECU4000には、水温センサ5020からエンジン1000の水温(冷却水の温度)を表す信号が、エアフローメータ5030からエンジン1000の吸入空気量(エンジン1000に吸入される空気量)を表す信号が入力される。
ECU4000は、これらのセンサから入力された信号、メモリ(図示せず)に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン1000が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、インテークバルブ1100の位相、エキゾーストバルブ1110の位相などを制御する。
本実施の形態において、ECU4000は、図2に示すように、エンジン運転状態を示すパラメータ、代表的にはエンジン回転数NEと吸入空気量KLとをパラメータとしたマップに基づいて、インテークバルブ1100の目標位相を決定する。一般に、インテークバルブ1100の位相を決定するためのマップは、水温別に複数記憶される。
以下、インテーク用VVT機構2000についてさらに説明する。なお、エキゾースト用VVT機構3000を、以下に説明するインテーク用VVT機構2000と同じ構成にするようにしてもよく、インテーク用VVT機構2000およびエキゾースト用VVT機構3000の各々を、以下に説明するインテーク用VVT機構2000と同じ構成にしてもよい。
図3に示すように、インテーク用VVT機構2000は、スプロケット2010、カムプレート2020、リンク機構2030、ガイドプレート2040、減速機2050、および電動モータ2060から構成される。また、電動モータ2060を駆動制御するための電動機EDU4100が、電動モータ2060と一体的に作製される。なお、電動モータ2060および電動機EDU4100は、同一ケース内に格納してもよく、それぞれを別個ケース内に格納した上で両者を接合する構成としてもよい。
スプロケット2010は、チェーン等を介してクランクシャフト1090に連結される。スプロケット2010の回転数は、インテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130と同様に、クランクシャフト1090の2分の1の回転数である。スプロケット2010の回転軸と同心軸で、スプロケット2010に対して相対的に回転可能であるように、インテークカムシャフト1120が設けられる。
カムプレート2020は、ピン(1)2070によりインテークカムシャフト1120に連結される。カムプレート2020は、スプロケット2010の内部において、インテークカムシャフト1120と一体的に回転する。なお、カムプレート2020とインテークカムシャフト1120とを一体的に形成するようにしてもよい。
リンク機構2030は、アーム(1)2031とアーム(2)2032とから構成される。図3におけるA−A断面である図4に示すように、インテークカムシャフト1120の回転軸に対して点対称になるように、一対のアーム(1)2031がスプロケット2010内に設けられる。各アーム(1)2031は、ピン(2)2072を中心として搖動可能であるようにスプロケット2010に連結される。
図3におけるB−B断面である図5、および図5の状態からインテークバルブ1100の位相を進角させた状態である図6に示すように、アーム(1)2031とカムプレート2020とが、アーム(2)2032により連結される。
アーム(2)2032は、ピン(3)2074を中心として、アーム(1)2031に対して搖動可能であるように支持される。また、アーム(2)2032は、ピン(4)2076を中心として、カムプレート2020に対して搖動可能であるように支持される。
一対のリンク機構2030により、インテークカムシャフト1120がスプロケット2010に対して相対的に回転し、インテークバルブ1100の位相が変更される。そのため、一対のリンク機構2030のうちのいずれか一方が破損等して折れた場合であっても、他方のリンク機構によりインテークバルブ1100の位相を変更することが可能である。
図3に戻って、各リンク機構2030(アーム(2)2032)のガイドプレート2040側の面には、制御ピン2034が設けられる。制御ピン2034は、ピン(3)2074と同心軸に設けられる。各制御ピン2034は、ガイドプレート2040に設けられたガイド溝2042内を摺動する。
各制御ピン2034は、ガイドプレート2040のガイド溝2042内を摺動することにより、半径方向に移動される。各制御ピン2034が半径方向に移動されることにより、インテークカムシャフト1120がスプロケット2010に対して相対回転せしめられる。
図3におけるC−C断面である図7に示すように、ガイド溝2042は、ガイドプレート2040が回転することにより各制御ピン2034を半径方向に移動させるように、渦巻形状に形成される。なお、ガイド溝2042の形状はこれに限らない。
制御ピン2034がガイドプレート2040の軸心から半径方向に離れるほど、インテークバルブ1100の位相はより遅角される。すなわち、位相の変化量は、制御ピン2034が半径方向に変化することによるリンク機構2030の作動量に対応した値になる。なお、制御ピン2034がガイドプレート2040の軸心から半径方向に離れるほど、インテークバルブ1100の位相がより進角されるようにしてもよい。
図7に示すように、制御ピン2034がガイド溝2042の端部に当接すると、リンク機構2030の作動が制限される。そのため、制御ピン2034がガイド溝2042の端部に当接する位相が、最遅角もしくは最進角の位相になる。
図3に戻って、ガイドプレート2040には、ガイドプレート2040と減速機2050とを連結するための凹部2044が、減速機2050側の面において複数設けられる。
減速機2050は、外歯ギヤ2052および内歯ギヤ2054から構成される。外歯ギヤ2052は、スプロケット2010と一体的に回転するように、スプロケット2010に対して固定される。
内歯ギヤ2054には、ガイドプレート2040の凹部2044に収容される凸部2056が複数形成される。内歯ギヤ2054は、電動モータ2060の出力軸の軸心2064に対して偏心して形成されたカップリング2062の偏心軸2066を中心に回転可能に支持される。
図3におけるD−D断面を、図8に示す。内歯ギヤ2054は、複数の歯のうちの一部の歯が外歯ギヤ2052と噛合うように設けられる。電動モータ2060の出力軸回転数がスプロケット2010の回転数と同じである場合は、カップリング2062および内歯ギヤ2054は外歯ギヤ2052(スプロケット2010)と同じ回転数で回転する。この場合、ガイドプレート2040がスプロケット2010と同じ回転数で回転し、インテークバルブ1100の位相が維持される。
電動モータ2060により、カップリング2062が、軸心2064を中心に外歯ギヤ2052に対して相対的に回転されると、内歯ギヤ2054全体が軸心2064を中心に回転(公転)するとともに、内歯ギヤ2054が偏心軸2066を中心に自転する。内歯ギヤ2054の回転運動により、ガイドプレート2040がスプロケット2010に対して相対的に回転せしめられ、インテークバルブ1100の位相が変更される。
インテークバルブ1100の位相は、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数(電動モータ2060の作動量)が、減速機2050、ガイドプレート2040およびリンク機構2030において減速されることにより変化する。なお、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数を増速してインテークバルブ1100の位相を変更するようにしてもよい。なお、電動モータ2060の出力軸には、この出力軸の回転角(回転方向における出力軸の位置)を表す信号を出力するモータ回転角センサ5050が設けられる。モータ回転角センサ5050は、一般的には、電動モータ2060の出力軸が所定角度回転する度にパルス信号を発生するように構成される。このモータ回転角センサ5050の出力に基づいて、電動モータ2060の出力軸の回転数(以下、単に電動モータ2060の回転数とも称する)を検知可能である。
図9に示すように、インテーク用VVT機構2000全体の減速比R(θ)、すなわち、位相の変化量に対する電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数の比は、インテークバルブ1100の位相に応じた値をとり得る。なお、本実施の形態においては、減速比が大きいほど、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数に対する位相の変化量がより小さくなる。
インテークバルブ1100の位相が最遅角からCA(1)までの第1の領域にある場合では、インテーク用VVT機構2000全体の減速比はR(1)となる。インテークバルブ1100の位相がCA(2)(CA(2)はCA(1)よりも進角側)から最進角までの第2の領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、R(2)(R(1)>R(2))となる。
インテークバルブ1100の位相がCA(1)からCA(2)までの第3の領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、予め定められた変化率((R(2)−R(1))/(CA(2)−CA(1)))で変化する。
以上のような構造に基づき発現する、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置のインテーク用VVT機構2000の作用について説明する。
インテークバルブ1100の位相(インテークカムシャフト1120)を進角させる場合、電動モータ2060を作動させ、ガイドプレート2040をスプロケット2010に対して相対的に回転させると、図10に示すように、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相が最遅角とCA(1)との間の第1の領域にある場合、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(1)で減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相がCA(2)と最進角との間の第2の領域にある場合、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(2)で減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角される。
インテークバルブ1100の位相を遅角する場合は、位相を進角する場合とは逆方向に電動モータ2060の出力軸がスプロケット2010に対して相対回転される。位相を遅角する場合も、進角する場合と同様に、最遅角とCA(1)との間の第1の領域において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(1)で減速されて、位相が遅角される。また、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速比R(2)で減速され、位相が遅角される。
これにより、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対的な回転方向が同じである限り、最遅角とCA(1)との間の第1の領域およびCA(2)と最進角との間の第2の領域の両方の領域においてインテークバルブ1100の位相を進角させたり、遅角させたりすることができる。このとき、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、位相をより大きく進角させたり、遅角させたりすることができる。そのため、大きな範囲で位相を変化させることができる。
また、最遅角とCA(1)との間の第1の領域においては、減速比が大きいため、エンジン1000の運転に伴なってインテークカムシャフト1120に作用するトルクにより電動モータ2060の出力軸を回転させるためには大きなトルクが必要になる。そのため、電動モータ2060の停止時等において、電動モータ2060がトルクを発生しない状態であっても、インテークカムシャフト1120に作用するトルクにより電動モータ2060の出力軸が回転されることを抑制することができる。そのため、制御上の位相から実際の位相が変化することを抑制することができる。また、アクチュエータである電動モータ2060の通電停止時に、意図しない位相変化が発生することを抑制できる。
なお、電動モータ2060の相対回転方向と、位相の進角/遅角との対応関係については、電動モータ2060の出力軸の回転速度がスプロケット2010よりも低いときに、インテークバルブ位相が遅角側に変化するように設計することが好ましい。このようにすると、エンジン運転中にアクチュエータである電動モータ2060が動作不能となった場合に、インテークバルブ位相は、遅角側へ徐々に変化し、最終的には、最遅角位置まで行き着くこととなる。すなわち、インテークバルブ位相制御が不能となっても、インテークバルブ位相について、エンジン1000の燃焼安定側の設定とすることができる。
ところで、インテークバルブ1100の位相がCA(1)とCA(2)との間の第3の領域にある場合、予め定められた変化率で変化する減速比で、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数が減速されて、インテークバルブ1100の位相が進角されたり、遅角されたりする。
これにより、位相が第1の領域から第2の領域に、もしくは第2の領域から第1の領域に変化する場合において、電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010との相対回転数に対する位相の変化量を漸増もしくは漸減させることができる。そのため、位相の変化量がステップ状に急変することを抑制して、位相が急変することを抑制することができる。その結果、位相の制御性を向上することができる。
以上のように、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置のインテーク用VVT機構によれば、インテークバルブの位相が最遅角からCA(1)までの領域にある場合では、インテーク用VVT機構2000全体の減速比はR(1)となる。インテークバルブの位相がCA(2)から最進角までの領域にある場合には、インテーク用VVT機構2000全体の減速比は、R(1)よりも小さいR(2)となる。これにより、電動モータの出力軸の回転方向が同じである限り、最遅角とCA(1)との間の第1の領域およびCA(2)と最進角との間の第2の領域の両方の領域においてインテークバルブの位相を進角させたり、遅角させたりすることができる。
このとき、CA(2)と最進角との間の第2の領域において、位相をより大きく進角させたり、遅角させたりすることができる。そのため、大きな範囲で位相を変化させることができる。
また、最遅角とCA(1)との間の第1の領域においては、減速比が大きいため、エンジンの運転に伴なってインテークカムシャフトに作用するトルクにより電動モータの出力軸が回転されることを抑制することができる。そのため、制御上の位相から実際の位相が変化することを抑制することができる。その結果、大きな範囲で位相を変化させ、かつ、位相を精度よく制御することができる。
図11は、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置によるインテークバルブ位相の制御構成を説明する概略ブロック図である。
図11を参照して、図1でも説明したように、エンジン1000は、クランクシャフト1090からの動力がタイミングチェーン1200(またはタイミングベルト)により各スプロケット2010,2012を介してインテークカムシャフト1120およびエキゾーストカムシャフト1130に伝達されるように構成されている。また、インテークカムシャフト1120の外周側には、所定のカム角毎にカム角信号Pivを出力するカムポジションセンサ5010が取付けられている。一方、クランクシャフト1090の外周側には、所定のクランク角毎にクランク角信号Pcaを出力するクランク角センサ5000が取付けられている。また、電動モータ2060には、所定の回転角度毎にモータ回転角信号Pmtを出力するモータ回転角センサ5050が取付けられている。これらのカム角信号Piv、クランク角信号Pcaおよびモータ回転角信号Pmtは、ECU4000へ入力される。
ECU4000は、さらに、エンジン1000の状態を検出するためのセンサ群の出力および運転条件(運転者ペダル操作、現車速等)に基づき、エンジン1000に対して要求される出力が得られるように、エンジン1000の動作を制御する。そのエンジン制御の一環として、ECU4000は、図2に示したマップに基づき、インテークバルブ1100およびエキゾーストバルブ1110の位相の目標値を設定する。さらに、ECU4000は、インテークバルブ1100の位相をこの目標値(目標位相)に合致させるように、インテーク用VVT機構2000へのアクチュエータである電動モータ2060の回転数指令値Nmrefを生成する。この回転数指令値Nmrefは、以下に説明するように、アクチュエータ作動量に相当する電動モータ2060の出力軸とスプロケット2010(インテークカムシャフト1120)との相対回転数に対応させて決定される。
電動機EDU(Electronic Drive Unit)4100は、ECU4000からの回転数指令値Nmrefに従い、電動モータ2060の回転数制御を行なう。
すなわち、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置によるインテークバルブ位相制御では、図12に示すように、ECU4000により、インテークバルブ位相の検出および目標位相への追従を行なうためのインテークバルブ位相のフィードバック制御ループ7000が形成される。そして、電動機EDU4100は、電動モータ2060がECU4000からの回転数指令値Nmrefに追従して動作するように、電動モータ2060への供給電力PWを制御する、モータ回転数(速度)のフィードバック制御ループ7100を形成する。すなわち、フィードバック制御ループ7000の全体の一部を構成するマイナーループとして、フィードバック制御ループ7100が電動機EDU4100により形成される。
なお、図3に示したように、電動機EDU4100を電動モータ2060と一体的に作製する場合には、電動機EDU4100内にホール素子等で構成されるモータ回転角センサ5050を配置することによって装置全体の小型化を図ることも可能である。このような構成では、モータ回転角センサ5050によって検出されたモータ回転角信号Pmtや断線等によるモータ回転角信号Pmtの異常を報知するダイアグ情報等は、ECU4000および電動機ECU4100の間に設けられた信号線4005を経由して、ECU4000へ送られる。
図13は、ECU4000によるインテークバルブ位相のフィードバック制御を説明する機能ブロック図である。
図13を参照して、インテークバルブ位相のフィードバック制御を行なうためのアクチュエータ作動量設定部6000は、バルブ位相検出部6010と、カムシャフト位相変化量算出部6020と、相対回転数設定部6030と、カムシャフト回転数検出部6040と、回転数指令値生成部6050とを含む。アクチュエータ作動量設定部6000は、ECU4000により実現される機能ブロックに相当し、代表的には、ECU4000に予め格納された所定プログラムに従う制御処理を所定の制御周期毎に実行することによってその機能が実現される。
バルブ位相検出部6010は、クランク角センサ5000からのクランク角信号Pca、カムポジションセンサ5010からのカム角信号Pivおよび、電動モータ2060の回転角センサ5050からのモータ回転角信号Pmtに基づき、現在のインテークバルブ1100の実際の位相IV(θ)(以下、「実インテークバルブ位相IV(θ)」とも表記する)を算出する。
バルブ位相検出部6010は、クランク角信号Pcaおよびカム角信号Pivに基づいて、たとえば、カム角信号Pivの発生時に、クランク角信号Pcaの発生に対するカム角信号Pivの時間差を、クランクシャフト1090およびインテークカムシャフト1120の間の回転位相差に換算することによって、現在のインテークカムシャフト1120の位相検出値IV(θ)を求めることができる(第1の位相算出方式)。
あるいは、本発明の実施の形態によるインテーク用VVT機構2000では、アクチュエータである電動モータ2060の作動量(相対回転数ΔNm)に基づいて、インテークバルブの位相変化量を正確にトレースすることができる。具体的には、各センサからの出力に基づいて実際の相対回転数ΔNmを算出し、算出された実際の相対回転数ΔNmに基づく上記(1)式に従った演算処理により、単位時間(制御周期)毎でのインテークバルブ位相の変化量dIV(θ)を算出することができる。したがって、バルブ位相検出部6010は、位相変化量dIV(θ)を積算することによっても、現在のインテークカムシャフト1120の位相検出値IV(θ)を逐次求めることができる(第2の位相算出方式)。バルブ位相検出部6010は、エンジン回転数の安定性や演算負荷等と考慮して、上記第1および第2の位相算出方式を適宜に用いることによって、位相検出値IV(θ)を求めることができる。
カムシャフト位相変化量算出部6020は、演算部6022と、必要位相変化量算出部6025とを有する。演算部6022は、実インテークバルブ位相IV(θ)の目標位相IV(θ)rに対する偏差ΔIV(θ)(ΔIV(θ)=IV(θ)−IV(θ)r)を求める。必要位相変化量算出部6025は、演算部6022により求められた偏差ΔIVに応じて、この制御周期でのインテークカムシャフト1120の必要位相変化量Δθを算出する。
たとえば、単一の制御周期での位相変化量Δθの最大値が予め設定され、必要位相変化量算出部6025は、この最大値の範囲内で、偏差ΔIV(θ)に応じた位相変化量Δθを決定する。なお、この際の最大値については所定の固定値としてもよく、あるいは、必要位相変化量算出部6025が、エンジン1000の運転状態(回転数、吸入空気量等)や偏差ΔIV(θ)の大きさに応じて可変に設定する構成としてもよい。
相対回転数設定部6030は、必要位相変化量算出部6025によって求められた必要位相変化量Δθを生じさせるのに必要な、スプロケット2010(インテークカムシャフト1120)の回転数に対する電動モータ2060の出力軸の相対的な回転数ΔNmを算出する。たとえば、この相対回転数ΔNmは、インテークバルブ位相を進角させるときには正値(ΔNm>0)に設定され、反対にインテークバルブ位相を遅角させるときには負値(ΔNm<0)に設定され、現在のインテークバルブ位相を維持するとき(Δθ=0)には略零(ΔNm=0)に設定される。
ここで、制御周期に相当する単位時間ΔT当たりでの位相変化量Δθと相対回転数ΔNmとの関係は、下記(1)式で示される。なお、(1)式中において、R(θ)は、図9に示された、インテークバルブ位相に応じて変化する減速比である。
Δθ∝ΔNm・360°・(1/R(θ))・ΔT …(1)
したがって、相対回転数設定部6030は、制御周期ΔTにて要求されるカムシャフト位相変化量Δθを生じさせるための電動モータ2060の相対回転数ΔNmを、(1)式に従った演算処理によって求めることができる。
カムシャフト回転数検出部6040は、スプロケット2010の回転数、すなわちインテークカムシャフト1120の実回転数IVNを、クランクシャフト1090の回転数の2分の1として求める。なお、カムシャフト回転数検出部6040は、カムポジションセンサ5010からのカム角信号Pivに基づいてインテークカムシャフト1120の実回転数IVNを算出する構成としてもよい。ただし、一般的に、インテークカムシャフト1120の1回転当たりのカム角信号出力数は、クランクシャフト1090の1回転当たりのクランク角信号出力数よりも少ないので、クランクシャフト1090の回転数に基づいてカムシャフト回転数IVNを検出することにより、検出精度を向上することができる。
回転数指令値生成部6050は、カムシャフト回転数検出部6040によって求められたインテークカムシャフト1120の実回転数IVNと、相対回転数設定部6030により設定された相対回転数ΔNmとを加算して、電動モータ2060の回転数指令値Nmrefを生成する。回転数指令値生成部6050によって生成された回転数指令値Nmrefは、電動機EDU4100へ送出される。これにより、図12に示したインテークバルブ位相のフィードバック制御ループ7000を実現することができる。
電動機EDU4100は、電動モータ2060の回転数を回転数指令値Nmrefに合致させるような回転数制御を行なう。たとえば、電動機EDU4100は、回転数指令値Nmrefに対する電動モータ2060の実回転数Nmの回転数偏差(Nref−Nm)に応じて、電動モータ2060への供給電力(代表的には、モータ電流Imtやモータ印加電圧振幅)を制御するように、電力用半導体素子(トランジスタ等)のスイッチングを制御する。たとえば、このような電力用半導体素子のスイッチング動作におけるデューティ比が制御される。
特に、電動機EDU4100は、モータ制御性を向上させるために、電動モータ2060への供給電力を制御する調整量であるデューティ比DTYを下記(2)式に従って制御する。
DTY=DTY(ST)+DTY(FB) …(2)
(2)式において、DTY(FB)は、上記回転数偏差および所定の制御ゲインによる制御演算(代表的には、一般的なP制御、PI制御等)基づくフィードバック項である。
(2)式中のDTY(ST)は、図13に示すように、電動モータ2060の回転数指令値Nmrefおよび設定された相対回転数ΔNmに基づいて設定されるプリセット項である。
図14は、電動モータの回転数制御を説明する概念図である。
図14を参照して、相対回転数ΔNm=0のとき、すなわち、回転数指令値Nmrefに対して、電動モータ2060をスプロケット2010と同一回転数で回転するとき(ΔNm=0のとき)に必要なモータ電流値に対応させたデューティ比特性6060が予めテーブル化される。そして、(2)式中のDTY(ST)は、デューティ比特性6060に従って設定される。あるいは、デューティ比特性6060に従う基準値から、相対回転数ΔNmに応じたデューティ比の値を相対的に増減させることにより設定してもよい。
このように、プリセット項およびフィードバック項を組み合わせて電動モータ2060への供給電力を制御する回転数制御とすることにより、電動機EDU4100は、単純なフィードバック制御、すなわち(2)式のDTY(FB)項のみによる回転数制御と比較して、回転数指令値Nmrefの変化に対して電動モータ2060の回転数を高速に追従させることができる。
図15は、電動機EDU4100の構成を説明する機能ブロック図である。
図15を参照して、電動機EDU4100は、パルスカウンタ4110,4120と、減算回路4130と、制御演算回路4140と、デューティプリセット回路4150と、加算回路4155と、駆動回路4160と、DC/DCコンバータ4170と、インバータ4180とを含む。
パルスカウンタ4110は、ECU4000からの回転数指令値Nmrefを示すパルス信号Prefのパルス数をカウントする。パルス信号Prefは、回転数指令値Nmrefに応じた周波数を有する。パルスカウンタ4120は、モータ回転角信号Pmtのパルス数をカウントする。減算回路4130は、パルスカウンタ4110,4120のそれぞれでのパルスカウント数差ΔNpを示す信号を出力する。すなわち、減算回路4130の出力信号は、電動モータ2060の回転数指令値Nmrefに対する回転数偏差に相当する。
制御演算回路4140は、P制御あるいはPI制御等の周知の制御演算方式に従って、上記回転数偏差に応じた調整量、すなわち上記(2)式中でのフィードバック項DTY(FB)を示す制御電圧Vfbを出力する。一方、デューティプリセット回路4150は、パルスカウンタ4110の出力に基づき、図14に示したデューティ比特性6060に従って、上記(2)式中でのプリセット項DTY(ST)を示す制御電圧Vstを出力する。
そして、加算回路4155は、制御演算回路4140からの制御電圧Vfbおよびデューティプリセット回路4150からの制御電圧Vstの和に従う制御電圧Vdtyを出力する。制御電圧Vdtyは、上記(2)式中でのデューティ比DTYを示す電圧である。
一方、DC/DCコンバータ4170は、チョッパ回路等で構成され、回路中の電力用半導体素子のデューティ比に従って、電源電圧VBを降圧あるいは昇降圧する。インバータ4180は、一般的な三相インバータ等で構成され、DC/DCコンバータ4170の出力電圧Vacを振幅とする交流電圧を電動モータ2060へ印加する。
したがって、駆動回路4160により、加算回路4155からの制御電圧Vdtyに従って、DC/DCコンバータ4170中の電力用半導体素子の駆動制御信号Sdvのデューティ比(DTY)を制御する構成とすることにより、図12に示したモータ回転数のフィードバック制御ループ7100を実現することができる。
以上のように、本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置によるインテークバルブ位相制御では、ECU4000によるインテークバルブ位相のフィードバック制御の一部を構成するマイナーループとして、電動機EDU4100が電動モータ2060の回転数制御を実行する。
これにより、アクチュエータの制御ユニットである電動機EDU4100およびECU4000の両者について、機能の複雑化および処理負荷の過大化を招くことなく、アクチュエータである電動モータ2060を高速に制御して制御速度の高いバルブタイミング制御を実行できる。
また、上述のように、ECU4000は、プログラムやマップ等を格納するメモリ(RAM,ROM)およびプログラムを実行する演算装置(CPU)を含んで構成されるので、ECU4000による制御処理は、基本的にはソフトウェア処理である。一方、電動機EDU4100よる制御処理は、好ましくは、専用IC(Integrated Circuit)化された電子回路等のハードウェアによって実現される。これにより、電動モータ2060の回転数制御を高速化できるので、インテークバルブ位相のフィードバック制御全体の制御安定性を高めることが可能となる。
なお、本実施の形態において、ECU4000は本発明での「第1の制御装置」に対応し、電動機EDU4100は本発明での「第2の制御装置」に対応する。また、図15に示した制御演算回路4140およびデューティプリセット回路4150は、本発明での「第1の設定部」および「第2の設定部」にそれぞれ対応し、駆動回路4160は本発明における「駆動部」に対応し、DC/DCコンバータ4170は本発明での「電力変換回路」に対応する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態に係る可変バルブタイミング装置が搭載された車両のエンジンを示す概略構成図である。 インテークカムシャフトの位相を定めたマップを示す図である。 インテーク用VVT機構を示す断面図である。 図3のA−A断面図である。 図3のB−B断面図(その1)である。 図3のB−B断面図(その2)である。 図3のC−C断面図である。 図3のD−D断面図である。 インテーク用VVT機構全体として減速比を示す図である。 スプロケットに対するガイドプレートの位相とインテークカムシャフトの位相との関係を示す図である。 本実施の形態に係る可変バルブタイミング装置によるインテークバルブ位相の制御構成を説明する概略ブロック図である。 図11に示した制御構成におけるフィードバック制御ループの形成を説明する概略ブロック図である。 ECUによるインテークバルブ位相のフィードバック制御を説明する機能ブロック図である。 電動モータの回転数制御を説明する概念図である。 電動機EDUの構成を説明する機能ブロック図である。
符号の説明
1000 エンジン、1010,1012 バンク、1020 エアクリーナ、1030 スロットルバルブ、1032 吸気通路、1040 シリンダ、1050 インジェクタ、1060 点火プラグ、1070 三元触媒、1080 ピストン、1090 クランクシャフト、1100 インテークバルブ、1110 エキゾーストバルブ、1120 インテークカムシャフト、1130 エキゾーストカムシャフト、1200 タイミングチェーン、1210,1212 スプロケット、2020 カムプレート、2030 リンク機構、2034 制御ピン、2040 ガイドプレート、2042 ガイド溝、2044 凹部、2050 減速機、2052 外歯ギヤ、2054 内歯ギヤ、2056 凸部、2060 電動モータ、2062 カップリング、2064 軸心、2066 偏心軸、2000 エキゾースト用VVT機構、3000 エキゾースト用VVT機構、4000 ECU、4005 信号線、4100 電動機EDU、4110,4120 パルスカウンタ、4130 減算回路、4140 制御演算回路、4150 デューティプリセット回路、4155 加算回路、4160 駆動回路、4170 DC/DCコンバータ、4180 インバータ、5000 クランク角センサ、5010 カムポジションセンサ、5020 水温センサ、5030 エアフローメータ、5050 モータ回転角センサ、6000 アクチュエータ作動量設定部、6010 バルブ位相検出部、6020 カムシャフト位相変化量算出部、6022 演算部、6025 必要位相変化量算出部、6030 相対回転数設定部、6040 カムシャフト回転数検出部、6050 回転数指令値生成部、6060 デューティ比特性、7000 インテークバルブ位相フィードバック制御ループ、7100 モータ回転数フィードバック制御ループ、Imt モータ電流、IV(θ) 実インテークバルブ位相、IV(θ)r 目標位相、IVN 実回転数(カムシャフト)、Nm 実回転数(電動モータ)、Nmref 回転数指令値(電動モータ)、Pca クランク角信号、Pca♯ クランク角分周信号、Piv カム角信号、Pmt モータ回転角信号、Pref パルス信号(モータ回転数指令)、PW 供給電力、R(θ) 減速比、Vac 出力電圧(DC/DCコンバータ)、Vdty,Vfb,Vst 制御電圧、Sdv 駆動制御信号、dIV(θ) 実位相変化量、ΔNm 相対回転数(電動モータ)、Δθ カムシャフト位相変化量。

Claims (4)

  1. エンジンに設けられたインテークバルブおよびエキゾーストバルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装置であって、
    前記可変バルブタイミング装置を作動させるアクチュエータを構成する電動機と、
    前記バルブを駆動するカムシャフトに対する前記電動機の相対的な回転速度差に応じた変化量で前記バルブの開閉タイミングを変更するように構成された変更機構と、
    少なくとも前記カムシャフトおよび前記電動機の回転速度を検知するセンサからの信号に基づいて、前記バルブの開閉タイミングの現在値を求め、かつ、前記エンジンの運転状態に従って設定される目標値に従って前記開閉タイミングが変化するように、前記開閉タイミングの前記目標値および前記現在値の偏差に応じて前記電動機の回転速度指令値を生成する第1の制御装置と、
    前記第1の制御装置から前記回転速度指令値を受けて、前記電動機が前記回転速度指令値に従って作動するように前記電動機の回転速度検出値に基づいて前記電動機への供給電力を制御する第2の制御装置とを備え、
    前記第2の制御装置は、前記第1の制御装置により設定された前記回転速度指令値に基づく設定制御および前記回転速度指令値に対する実際の回転速度偏差に基づくフィードバック制御の組み合わせによって、前記電動機の回転速度を制御するように構成される、可変バルブタイミング装置。
  2. 前記第2の制御装置は、
    前記電動機への電力供給を制御する電力変換回路と、
    前記第1の制御装置からの前記回転速度指令値と、前記センサにより検出された前記電動機の回転速度との偏差に応じて、前記電動機への供給電力量を制御する調整量を設定する第1の設定部と、
    所定の対応関係に従って、前記第1の制御装置からの前記回転速度指令値に対応して前記調整量を設定する第2の設定部と、
    前記第1および第2の設定部により設定された前記調整量の和に従って、前記電力変換回路の制御信号を生成する駆動部とを含む、請求項記載の可変バルブタイミング装置。
  3. 前記第2の制御装置は、前記電動機と一体的に、かつ、前記電動機の回転動作を検知するセンサを含んで構成され、
    前記第1の制御装置は、前記第2の制御装置との間に設けられた信号線を介して、前記センサにより得られた情報を取得する、請求項1記載の可変バルブタイミング装置。
  4. 前記第1の制御装置は、前記エンジンを制御するためのプログラムを実行する機能を有する電子制御ユニットにより構成される、請求項1からのいずれか1項に記載の可変バルブタイミング装置。
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