JP4901677B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関バルブ（吸気バルブまたは排気バルブ）の作動角、バルブリフト量など有効開度を可変な可変動弁機構の制御装置に関し、特に、作動角やバルブリフト量などの制御の良好な応答性を確保しつつ、可変動弁機構を駆動するモータの過熱を回避する技術に関する。

特許文献１には、機関バルブの作動角やリフト量などの制御の際、エンジンの温度（油温）が所定温度より高ければ、可変動弁機構を駆動するモータへ出力されるデューティに上限値を設定し、デューティを制限することで、モータの給電による発熱を抑え、モータの過熱を回避する技術が記載されている。
特開２００３−３９００号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、前記上限値を超えるデューティの要求があった場合、デューティは、該上限値を超えることができず、該上限値に保持された状態となる。したがって、デューティは要求値よりも小さく抑えられ、制御の応答性が低下する。
また、前記応答性低下によって、作動角やリフト量が目標値に到達するまで長い時間を要するため、デューティが前記上限値に保持された状態が長時間継続する。したがって、該上限値のレベルによっては、モータは、発熱によって過熱状態となり、性能が低下する懸念がある。

本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、モータの駆動によって作動角やリフト量などを制御する際、制御の良好な応答性を確保しつつ、モータの過熱による性能低下を確実に回避できる可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、
機関バルブの有効開度を連続的に変更可能な可変動弁機構の制御装置において、
該可変動弁機構を駆動する電動アクチュエータの温度を検出する温度検出手段を備え、
該温度検出手段が所定温度以上の温度を検出したとき、機関の運転状態に基づいて設定される前記機関バルブの目標有効開度が制限値よりも大きい場合には、前記目標有効開度を前記制限値以下に設定して、前記有効開度を前記制限値以下に設定された前記目標有効開度となるように制御し、前記機関の運転状態に基づいて設定される前記機関バルブの前記目標有効開度が前記制限値以下の場合には、前記有効開度を前記目標有効開度となるように制御し、
前記目標有効開度が前記制限値よりも大きい場合における要求トルクに対するトルクの不足分を、前記機関のスロットルバルブの開度増加とともに、車両駆動用の電動機の出力によって補うことを特徴とする。

本発明によれば、温度検出手段が、電動アクチュエータの温度を検出する。そして、温度検出手段が所定温度以上の温度を検出したとき、機関の運転状態に基づいて設定される機関バルブの目標有効開度が制限値よりも大きい場合には、目標有効開度を制限値以下に設定して、有効開度を制限値以下に設定された目標有効開度となるように制御し、機関の運転状態に基づいて設定される機関バルブの目標有効開度が制限値以下の場合には、有効開度を目標有効開度となるように制御し、目標有効開度が制限値よりも大きい場合における要求トルクに対するトルクの不足分を、機関のスロットルバルブの開度増加とともに、車両駆動用の電動機の出力によって補う。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用エンジンのシステム構成図である。
図１において、エンジン（内燃機関）１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、後述する制御ユニット１１４から送られる噴射パルス信号の噴射パルス幅（開弁時間）に比例する量の燃料（ガソリン）を噴射する。
そして、燃焼室１０６内に吸引された燃料は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。

燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒コンバータ１０８及びリア触媒コンバータ１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カムシャフト１１０に設けられたカム１１１によって一定のバルブリフト量，バルブ作動角及びバルブタイミングを保って開閉される。
一方、吸気バルブ１０５は、可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３によって、その開特性（バルブリフト量，バルブ作動角及びバルブタイミング）が可変とされる。

前記可変リフト機構１１２は、吸気バルブ１０５のバルブリフト量を作動角と共に連続的に可変する機構であり、可変バルブタイミング機構１１３は、クランクシャフト１２０に対する吸気駆動軸３の回転位相を変化させることで、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相を連続的に可変する機構である。
なお、吸気バルブ１０５の吸気行程における平均開度と等価な開度として有効開度を定義すると、吸気バルブ１０５のバルブリフト量や作動角によって有効開度（連続的に可変）を決めることができる。

前記可変バルブタイミング機構１１３としては、例えば、吸気駆動軸３に支持させたベーンを、カムスプロケットに支持されたケーシングに内在させることで、前記ベーンの両側に進角側油圧室と遅角側油圧室とを形成し、前記進角側油圧室及び遅角側油圧室に油圧を給排制御することで、前記カムスプロケットに対するベーンの相対角度を変化させ、クランクシャフト１２０に対する吸気駆動軸３の回転位相を変化させる機構を用いることができる。

マイクロコンピュータを内蔵する制御ユニット１１４は、予め記憶されたプログラムに従った演算処理によって、燃料噴射量，点火時期，目標吸入空気量，目標吸入負圧を設定すると共に、これらに基づいて燃料噴射弁１３１，点火コイル用のパワートランジスタ，電子制御スロットル１０４，可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３に制御信号を出力する。

尚、可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３を、前記制御ユニット１１４とは個別に設けた制御ユニットによって制御させることができる。
本実施形態では、電子制御スロットル１０４は主に吸気負圧を発生させるために設けられ、エンジン１０１の吸入空気量は、可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３による吸気バルブ１０５の開特性の変更によって制御される。

前記制御ユニット１１４には、各種センサからの信号が入力される。
前記各種センサとしては、エンジン１０１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１１５、車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ１１６、クランクシャフト１２０の基準回転位置毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、エンジン１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、後述する吸気駆動軸３の基準回転位置毎にカム信号を出力するカムセンサ１３２、後述する制御軸１３の回転角（制御量）を検出する角度センサ１３３などが設けられている。

図２は、前記可変リフト機構１１２の構造を示す斜視図である。
実施形態のエンジン１０１は、各気筒に一対の吸気バルブ１０５が設けられており、これら吸気バルブ１０５の上方に、前記クランクシャフト１２０によって回転駆動される吸気駆動軸３が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。
前記吸気駆動軸３には、吸気バルブ１０５のバルブリフタ１０５ａに当接して吸気バルブ１０５を開閉する揺動カム４が相対回転可能に外嵌されている。

前記吸気駆動軸３と揺動カム４との間に、吸気バルブ１０５の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更するための可変リフト機構１１２が設けられている。
また、前記吸気駆動軸３の一端部には、クランクシャフト１２０に対する前記吸気駆動軸３の回転位相を変化させることにより、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相を連続的に変更する可変バルブタイミング機構１１３が配設されている。

前記可変リフト機構１１２は、図２及び図３に示すように、吸気駆動軸３に対して偏心して固定される円形の駆動カム１１と、この駆動カム１１に相対回転可能に外嵌するリング状リンク１２と、吸気駆動軸３と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸１３と、この制御軸１３に対して偏心して固定される円形の制御カム１４と、この制御カム１４に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク１２の先端に連結されたロッカアーム１５と、このロッカアーム１５の他端と揺動カム４とに連結されたロッド状リンク１６と、を有している。

前記制御軸１３は、モータ（アクチュエータ）１７によりギヤ列１８を介して回転駆動されるが、制御軸１３の外周に一体的に突出形成される可動側ストッパ１３ａが、シリンダヘッドに設けられる固定側ストッパ（図示省略）に当接することで、予め設定された最小リフト位置に相当する角度位置でそれ以上のリフト量（作動角）減少側への回動が制限されるようになっている。

尚、可動側ストッパと固定側ストッパとからなるストッパ機構を、最小リフトを制限する位置と共に、最大リフトを制限する位置に設けることができる。
上記の構成により、クランクシャフト１２０に連動して吸気駆動軸３が回転すると、駆動カム１１を介してリング状リンク１２がほぼ並進移動すると共に、ロッカアーム１５が制御カム１４の軸心周りに揺動し、ロッド状リンク１６を介して揺動カム４が揺動して吸気バルブ１０５が開閉される。

また、前記モータ１７を制御して制御軸１３の回転角度を変化させることにより、ロッカアーム１５の揺動中心となる制御カム１４の軸心位置が変化して、揺動カム４の姿勢が変化する。
これにより、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気バルブ１０５の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。

制御ユニット１１４には、前記制御軸１３の回転角を検出する角度センサ１３３からの検出信号が入力され、目標のリフト量（作動角）に対応する目標角度位置に前記制御軸１３を回動させるべく、前記角度センサ１３３の検出結果に基づいて前記モータ１７の電流の向き及び大きさがフィードバック制御される。
前記角度センサ１３３として、本実施形態では、非接触型の回転角度センサを用いる。具体的には、例えば特開２００３−１９４５８０号公報に開示されるように、制御軸１３の端部に装着されるマグネットと、前記マグネットの外周面に対向して配置される磁電変換手段とからなり、制御軸１３の回転に伴う磁束の変化を検出するセンサである。

但し、角度センサ１３３を非接触型のセンサに限定するものではなく、例えばポテンショメータを用いた接触型の角度センサなどであっても良い。
以下、実際の作動角が目標作動角に一致するようにモータ１７の電流の向き及び大きさ（デューティ）をフィードバック制御するものとして説明するが、実際のリフト量が目標リフト量に一致するように、デューティをフィードバック制御することもできる。

前記可変リフト機構１１２の制御においては、制御軸１３の実回転角を検出することで実際の作動角を検出し、これが目標作動角に一致するように、前記モータ１７の電流の向き及び大きさ（デューティ）をフィードバック制御する。
しかしながら、従来の構成では、例えば図４や図５に示すような場合、モータは、過熱状態となることで性能が低下したりする懸念がある。

図４では、モータへ出力されるデューティは、過渡時のオーバーシュートの際、モータの耐熱用閾値を越えて過大な値となっている。このようなオーバーシュートがモータの高温時に発生すると、モータは過熱状態となることがある。
図５では、モータへ出力されるデューティに上限値を設けており、デューティは、該上限値を超えようとしても、該上限値を超えることができず、該上限値に保持された状態となる。したがって、デューティは要求値よりも小さく抑えられ、作動角制御の応答性が低く、作動角が目標値に到達するまでに長い時間を要し、デューティも該上限値に保持された状態が長時間継続する。これにより、該上限値のレベルが高い場合、モータは発熱によって昇温が促進し、図４のモータの温度よりも低い温度であっても、該温度状態が長時間継続することで、モータは過熱状態となることがある。

そこで、本実施形態では、このようなモータ１７の過熱による性能低下を確実に回避するため、以下のようにして、モータ１７の温度を測定又は推定し、該温度が所定温度以上のときは吸気バルブ１０５の作動角を所定値以下に制限している。この場合、吸気バルブ１０５を所定の低リフト特性に向けて徐々に制御してもよく、またコンベンショナルなバルブリフト特性に固定するようにしてもよい。

なお、該所定温度は、モータ１７が該所定温度の状態に長時間維持されても、モータ１７の過熱及び性能低下を確実に回避できる温度（例えば、モータ１７の耐熱性を確保できる上限の温度）として設定される。
ここで、モータ１７の温度を測定又は推定する方法について説明する。
図６は、モータ１７の軸方向と平行な断面図である。

図６において、モータ１７は、略円筒状のケース１７１の内周壁における円筒中心軸に対して対称位置に取り付けられた２つのマグネット１７３ａ，１７３ｂと、電磁石となるコイル（図示せず）を有してマグネット１７３ａ，１７３ｂとの電磁作用によって回動するロータ１７５と、ロータ１７５に対して摺動しながら前記コイルへ電力供給するブラシ１７７と、を備えている。

ここで、例えば、ブラシ１７７に熱電対（図示せず）を取り付け、この熱電対によってブラシ１７７の温度を検出することで、モータ１７の温度を検出とするとよい。該モータ１７の温度の信号は、制御ユニット１１４へ入力される。
なお、モータ１７の温度は、エンジン１０１の油温から推定することもできる。同一作動角において、油温が高くなるほど、制御軸１３の要求トルクが増加し、モータ１７へ出力するデューティが増加し、モータ１７の発熱量が増加し、これにより、モータ１７の温度は高く推定される。

また、モータ１７の温度（前記コイルの温度）は、モータ１７の周辺温度の影響と、該コイルの自己発熱量の影響と、を加えるなどして、推定することもできる。
図７のフローは、モータ１７へ出力するデューティの制御を示す。
ステップＳ１では、アクセルペダルセンサ１１６からのアクセル開度信号、クランク角センサ１１７からのクランク角信号、角度センサ１３３からの制御軸１３の回転角信号、モータ１７の温度の信号などを読み込む。なお、前記クランク角信号に基づいて、エンジン回転速度が求められる。

ステップＳ２では、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて、吸気バルブ１０５の目標作動角を設定する。
ここでは、例えば、アクセル開度及びエンジン回転速度に応じて目標トルクを割り付けたマップに基づいて、目標トルクを設定し、該目標トルク及びエンジン回転速度に応じて目標作動角を割り付けたマップに基づいて、目標作動角を設定するとよい。

ステップＳ３では、モータ１７の温度が所定温度以上であるか判定する。
ステップＳ３で、モータ１７の温度が所定温度未満であると判定したときは、ステップＳ４に進み、モータ１７の温度が所定温度以上であると判定したときは、ステップＳ５に進む。
なお、該所定温度にヒステリシスを設定することで、ステップＳ３の判定のハンチングを防止することもできる。これにより、例えば、図７のフローにおいてステップＳ３の判定がＹＥＳからＮＯに切り換わるのは、モータ１７の温度が該所定温度よりも若干低い温度となったときとなる。

ステップＳ５では、目標作動角が、モータ１７を高温による過熱から保護するための制限値１より大きいか判定する。
前記制限値１は、例えば、モータ１７の温度（前記油温やモータ１７の周辺温度としてもよい）及びモータ１７へ出力するデューティに応じて制限値１を割り付けたマップに基づいて設定したり、モータ１７の温度（前記油温やモータ１７の周辺温度としてもよい）に応じて制限値１を割り付けたテーブルに基づいて設定したりすることができる。

ステップＳ５で、目標作動角が制限値１以下であると判定したときは、ステップＳ４に進み、目標作動角が制限値１より大きいと判定したときは、ステップＳ６に進む。
ステップＳ４では、目標作動角を、ステップＳ２で設定した目標作動角のまま維持する。
一方、ステップＳ６では、目標作動角を制限値１に設定し、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、例えば、目標作動角及び目標トルクに応じてスロットルバルブ１０３ｂの開度の増加補正量を割り付けたマップに基づいて、スロットルバルブ１０３ｂの開度の増加補正量を設定する。
このスロットルバルブ１０３ｂの開度の増加補正によって、エンジン１０１の吸入空気量を増加させ、前記ステップＳ６における目標作動角の制限による要求トルクに対するトルクの不足分を補うことができる。

なお、駆動源としてエンジン１０１のほか電動機を有するハイブリッド車においては、該電動機の出力によって該トルクの不足分を補うようにしてもよい。
或いは、過給機を備える車両では、該過給機を駆動させることで、該トルクの不足分を補うようにしてもよい。
ステップＳ４及びステップＳ７に続いて、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、目標作動角が、制限値２より大きいか判定する。
この制限値２は、過大な外力の作用等から可変リフト機構１１２を保護したり、エンジン１０１のピストン（図示せず）との干渉から吸気バルブ１０５を保護したりするためのものである。
該制限値２は、例えば、図８（ａ）に示すようなエンジン回転速度に応じて制限値２を割り付けたテーブルに基づいて設定したり、図８（ｂ）に示すような吸気バルブ１０５の作動角の中心位相（可変バルブタイミング機構１１３によって制御）に応じて制限値２を割り付けたテーブルに基づいて設定したりすることができる。或いは、これら２つのテーブルに基づいて設定された２つの値のうち、小さいほうを最終的に制限値２に設定することもできる。

なお、図８（ａ）のエンジン回転速度が高い領域では、エンジン１０１の吸入空気量が増大するのに伴って、作動角の制御時に可変リフト機構１１２へ作用する外力も大きくなることから、エンジン回転速度が大きくなるほど制限値２は小さく設定されている。
また、図８（ｂ）における吸気バルブ１０５のリフトタイミングが遅角側（図示右側）の領域では、吸入空気の圧縮時に吸気バルブ１０５と前記ピストンとの干渉を確実に回避できるように、吸気バルブ１０５のリフトタイミングが遅角側になるほど制限値２は小さく設定されている。

ステップＳ８で、目標作動角が制限値２以下であると判定したときは、ステップＳ９に進み、最終的に決定される目標作動角である最終目標作動角を、ステップＳ４又はＳ６で設定した目標作動角のまま維持する。
一方、ステップＳ８で、目標作動角が制限値２より大きいと判定したときは、ステップＳ１０に進み、最終目標作動角を、制限値２に設定する。

ステップＳ９及びステップＳ１０に続いて、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、最終目標作動角と、実作動角（角度センサ１３３によって検出される作動角の検出値）と、の偏差Ｅを求める。
ステップＳ１２では、実作動角が目標作動角へ一致するように、モータ１７へ出力する電流（駆動電流）を求める。

該電流は、例えば、Ｐ×Ｅ＋Ｉ×∫Ｅｄｔ＋Ｄ×ｄＥ／ｄｔの式によって求めることができる。即ち、前記偏差Ｅに基づき、ＰＩＤ制御によって、モータ１７へ出力する電流のフィードバック補正分を求めることができる。
なお、前記Ｐ，Ｉ，Ｄは、ＰＩＤ制御用のゲインであり、これらゲインは、可変リフト機構１１２やこのモデルを用いたテスト等によって求めるとよい。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した駆動電流をデューティ変換する。
ステップＳ１４では、ステップＳ１３で算出したデューティを、モータ１７へ出力する。
このように、モータ１７へ出力する電流の向き及び大きさ（デューティ）をフィードバック制御することで、吸気バルブ１０５の作動角を制御することができる。

本実施形態によれば、モータ１７の温度を測定又は推定し、モータ１７の温度が所定温度以上のとき、図９に示すように、吸気バルブ１０５の作動角（目標作動角）を制限値１以下に制限している。このため、モータ１７は、高温時において、入力されるデューティが大きな値へ過渡してオーバーシュートが発生しても、デューティのピークがモータの耐熱用閾値を超えること（図４参照）を防止できる。これにより、モータ１７が過熱状態となることを確実に回避し、モータ１７の性能低下を防止することができる。

また、モータ１７へ出力されるデューティを制限する構成（図５参照）ではないので、デューティが高いレベルの上限値に保持された状態が長時間継続することはなく、モータ１７が過熱状態となることを確実に回避し、モータ１７の性能低下を防止することができる。これと共に、デューティを制限する構成のような応答性の低下の懸念もない。
さらに、目標作動角の制限によって要求トルクに対してトルクが不足しても、該不足分を、スロットルバルブ１０３ｂの開度の増加補正によって補うことができる。

本発明は、排気バルブ１０７に対して適用することもできる。これにより、排気バルブ１０７側でも、モータが過熱状態となることを確実に回避し、モータの性能低下を防止することができる。

実施形態における車両エンジンのシステム図である。 実施形態における可変リフト機構の全体構成を示す斜視図である。 前記可変リフト機構の部分断面図である。 従来の構成における作動角及びデューティと時間との関係の例を示す図である。 従来の構成における作動角及びデューティと時間との関係の例を示す図である。 実施形態におけるモータ（電動アクチュエータ）の軸方向と平行な断面図である。 実施形態におけるモータへ出力するデューティの制御を示す図である。 （ａ）は、エンジン回転速度に応じて制限値２を割り付けたテーブルを示す図、（ｂ）は、作動角の中心位相に応じて制限値２を割り付けたテーブルを示す図である。 実施形態における作動角及びデューティと時間との関係の例を示す図である。

符号の説明

１７ モータ
１０５ 吸気バルブ
１１２ 可変リフト機構
１１４ 制御ユニット

Claims (1)

1. 機関バルブの有効開度を連続的に変更可能な可変動弁機構の制御装置において、
   該可変動弁機構を駆動する電動アクチュエータの温度を検出する温度検出手段を備え、
   該温度検出手段が所定温度以上の温度を検出したとき、機関の運転状態に基づいて設定される前記機関バルブの目標有効開度が制限値よりも大きい場合には、前記目標有効開度を前記制限値以下に設定して、前記有効開度を前記制限値以下に設定された前記目標有効開度となるように制御し、前記機関の運転状態に基づいて設定される前記機関バルブの前記目標有効開度が前記制限値以下の場合には、前記有効開度を前記目標有効開度となるように制御し、
   前記目標有効開度が前記制限値よりも大きい場合における要求トルクに対するトルクの不足分を、前記機関のスロットルバルブの開度増加とともに、車両駆動用の電動機の出力によって補うことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。

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