JP5149848B2 - 吸気制御弁の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の吸気制御弁を制御する制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関のスロットルバルブをモータで駆動して開閉制御する装置において、スロットルバルブがストッパに接触する全閉位置を学習し、スロットルバルブを全閉にするとき、モータ駆動によりスロットルバルブをこの学習した全閉位置に駆動することにより、ストッパ位置を超えてスロットルバルブを駆動しようとして大きな電流がモータに流れるのを防止することが記載されている。

特許文献１に記載の装置は、スロットルバルブをモータで直接駆動し、スロットルバルブを全閉位置に移動させる際もモータ駆動でスロットルバルブをストッパの直前まで駆動するものである。

スロットルバルブをモータだけによる駆動だけでなく、スロットルバルブをスプリングにより全閉位置、すなわちストッパに接触する位置に向けて付勢（バイアス）しておき、このスプリングの力に抗してアクチュエータによりスロットルバルブを開き側に駆動する方式においては、スロットルバルブを全閉位置に駆動する際、スプリング力によってスロットルバルブがストッパに衝突する。このときの衝突エネルギを低減し衝突音を低減する必要性がある。

この必要性は、複数の気筒を有する内燃機関の各気筒の吸入ポート近くにそれぞれ専用のスロットルバルブを有し、かつ全気筒に共通の一つのスロットルバルブを有する内燃機関において顕著になる。このような内燃機関では気筒ごとのスロットルバルブは、内燃機関の低負荷領域においては、全閉にして空気を遮断し、共通スロットルによる吸入空気量制御を有効にする。したがって、複数のスロットルバルブをストッパに接触させて全閉にするので、衝突音が大きくなる可能性がある。また、スロットルバルブをストッパに衝突させる際のエネルギが大きいとスロットルバルブに損傷を生じる可能性がある。

特開２０００−１１０６３４号公報

この発明は、このような問題を解決課題とし、スロットルバルブを全閉位置に緩やかに駆動する装置を提供する。

この発明の制御装置は、気筒への吸入空気量を制御するための第１吸気制御弁と、前記第１吸気制御弁を全閉角度に向けて付勢する復帰手段と、前記第１吸気制御弁を開き側または閉じ側に向けて駆動する第１駆動手段とを備える内燃機関のための制御装置であって、全閉角度付近の第１の開度以下では第１駆動手段の駆動力を０とし、第１の開度より大きい第２の開度以下では第１駆動手段による第１吸気制御弁の閉じ側駆動を禁止するよう構成されている。

この発明によると、駆動手段（モータその他のアクチュエータ）の駆動力を０にする第１の開度より大きい第２の開度以下では、駆動手段による吸入空気弁の閉じ側への駆動を禁止する。吸気制御弁は、復帰手段（実施例ではスプリング）の力以下の力で全閉角度に向けて付勢されるので、緩やかに全閉位置に到着することができる。

この発明の一実施形態では、内燃機関は、第１吸気制御弁の開度を検出する開度センサを備え、制御装置は、第１吸気制御弁が復帰手段により第２の開度以下に駆動され、所定の時間突き当たり状態にあることが検出されると、この突き当たり状態において開度センサが示す開度を全閉角度とするよう構成されている。

さらに、この実施形態において、内燃機関は、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル位置検出手段を有し、制御装置は、アクセル位置検出手段によりアクセルの踏み込みがないことが検出されることに応じて、第１吸気制御弁を全閉角度に向けて駆動し、第２の開度より大きい第３の開度に達すると第１駆動手段の閉じ側駆動を弱めるよう構成されている。

この発明のもう一つの実施形態では、制御装置は、第１吸気制御弁が第３の開度を経て第２の開度以下になると、第１駆動手段により第１吸気制御弁を開き側に駆動する力を第１吸気制御弁に加え、第１吸気制御弁を前記復帰手段の力以下の力で駆動するよう構成されている。

この実施形態によると、復帰手段（スプリング）の力以下の力で吸気制御弁を駆動するので、吸気制御弁を緩やかに全閉位置に駆動することができる。

この発明のさらにもう一つの実施形態では、第１吸気制御弁は、気筒ごとに設けられており、内燃機関は、第１吸気制御弁をバイパスする第２吸気制御弁と、第２吸気制御弁を駆動する第２駆動手段とを備え、第２吸気制御弁の初期開度は、全閉角度と全開開度の間の開度に設定されている。

この実施形態では、第２吸気制御弁の初期状態が空気を通す角度になっているので、第１吸気制御弁を全閉角度にした状態でも、内燃機関のアイドリング運転などが可能である。

この発明が適用される第１および第２の吸気制御弁を備えたエンジンの一例を示す図。 この発明の一実施例における吸気制御弁を駆動する構造を示す図。 この発明の一実施例における全閉に向けての吸気制御弁の開度の変化を示す図。 この発明の一実施例におけるモータ駆動のデューティリミットを判定するプロセスを示す図。 この発明の一実施例におけるモータ駆動のデューティオフ判定のサブルーチンを示す図。 この発明の一実施例におけるモータ駆動のデューティ算出処理を示す図。 この発明の一実施例におけるDCモータ駆動処理を示す図。 この発明の一実施例における吸気制御弁の全閉角度を学習するプロセスを示す図。 この発明の一実施例におけるスロットル（吸気制御弁）の開度を算出するプロセスを示す図。 この発明の一実施例における全閉角度を学習するときの吸気制御弁の開度の変化を示す図。 この発明の一実施例における全閉角度を学習するときの吸気制御弁の開度の変化を示すもう一つの図。

次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図１は、この発明が適用される内燃機関の一例を示し、直列５気筒エンジンの例を示している。

５つのシリンダ（気筒）CL1からCL5のそれぞれの吸気ポートには第１吸気通路２および第２吸気通路１が設けられている。吸気通路１および吸気通路２は上流で１本の通気ダクト３に通じている。吸気ダクト３の上流にはエアフィルタ４が設けられ、このエアフィルタ４を通って外気が吸気ダクト３に導入される。吸気ダクト３には、吸気流量を計測するエアフローメータ５が設けられている。

シリンダごとに分岐した第１吸気通路２のそれぞれには第１吸気制御弁（スロットルバルブ）７が設けられている。第１吸気制御弁７の下流側に第２吸気通路１が結合している。第２吸気通路１は吸気ダクト３から２段階に分岐して５つのシリンダCL1からCL5のそれぞれに通じている。第２吸気通路１には分岐前の位置に共通の第２吸気制御弁（スロットルバルブ）６が設けられている。

この例では、吸気制御弁６、７はいずれもドライブ・バイ・ワイヤで制御される。５つの第１吸気制御弁７は、共通の駆動軸に連結されており、一つのアクチュエータ９により開閉制御される。第２吸気制御弁６は、アクチュエータ８により開閉制御される。第１吸気制御弁７とアクチュエータ９との間には第１の開度センサ１１が設けられており、第１吸気制御弁の開度を検出する。同様に第２吸気制御弁６とアクチュエータ８との間には第２の開度センサ１０が設けられており、第２吸気制御弁の開度を検出する。

アクチュエータ８、９は電子制御装置（Electronic Control Unit, ECU）２０によって制御される。ECU20は、入力信号として、開度センサ１０、１１からの検出信号、アクセル位置センサからの検出信号ACL、モード切替スイッチからの切替信号SW、エンジン回転速度検出装置からのエンジン回転速度NE、吸気圧センサからの吸気圧Pb、大気圧センサからの大気圧Paなどの信号を受け取る。ECUは、これらの信号に応じて第１および第２の吸気制御弁７、６を制御する。

ECU20は、基本的にはコンピュータであり、プロセッサおよびこのプロセッサに作業領域を提供するランダムアクセスメモリを備えている。また、制御プログラムを格納するROM（読み取り専用メモリ）および電源オフ後も次の運転サイクルでの制御に必要となるデータを保存する不揮発性のメモリを備えている。

次に図２を参照して、この発明の一実施例における第１吸気制御弁７を開閉する機構を説明する。吸気制御弁７は、スプリング28により吸気スロット２を完全に閉じる全閉位置に向けて付勢（バイアス）されている。ECU20は、アクセル位置センサからの信号に応じて、アクチュエータの一例であるモータ23に駆動信号を送り、アクセルの踏み込み量に従って吸気制御弁７を開くようモータ23を制御する。モータ23の回転は、減速機構24で減速されて吸気制御弁７の回転軸27を駆動する。減速機構24は、この例ではギアの組み合わせで構成されており、吸気制御弁７を駆動するときは、吸気制御弁７の回転軸27に接続した部分ギア片25に結合して回転実27を回転させる。この機構は、特許文献１に記載されているものと基本的には同じである。

吸気制御弁７は、エンジンが高負荷状態のときに開かれる。アイドリング時およびたとえば50km/h以下のような低速走行時にはモータ23は駆動されず、吸気制御弁７は全閉位置にある。全閉位置において吸気制御弁７は、スプリング28によってバイアスされて部分ギア片25がストッパ26に押しつけられている。

吸気制御弁７には開度センサ11が設けられており、吸気制御弁７の開度を示す信号をECU20に送る。ECU20は、この信号に基づいて吸気制御弁７の開度をフィードバック制御する。

次に図３から図１１を参照して、吸気制御弁７の制御形態を説明する。まず図３を参照すると、曲線50は、全閉角度である０度に向けて吸気制御弁７が閉じていく際の開度の変化を示す。この例では、吸気制御弁７を全閉にする際、吸気制御弁７の動きを抑えるため従来から行われているダンパー作用を働かせるダッシュポット範囲の最低開度を第３開度、たとえば２度としている。吸気制御弁７が全閉位置まで第３開度に達すると、曲線部50Aで示すように、モータ23の回転を落として吸気制御弁７の速度をたとえば0.1 deg/ms以下にする。

吸気制御弁７の開度が第２開度、たとえば0.5度に達すると、ECU20はモータ23が吸気制御弁７を閉じる方向に駆動するのを禁止する。一実施例では、ECU20は、モータ23が吸気制御弁７を開く方向に弱く駆動するよう制御する。この駆動力はスプリング28の力に抗して吸気制御弁７を開く方向に動かすほど強くなく、スプリング28の力を弱める程度のものである。したがって、吸気制御弁７は、スプリング28の力よりも弱い力で全閉角度に向けて引っ張られる。こうして、開度が第２開度以下での曲線部50Bは、第３開度から第２開度までの曲線部50Aよりも緩やかになる。

第１開度、たとえば0.2度は、開度制御の下限であり、モータ23の通電はオフにし、制御はおこなわない。したがって、吸気制御弁７は、スプリング28によってストッパ26に接触して停止するまで駆動される。

図４は、デューティ・リミットの判定フローを示す。デューティはECU20がモータ23に与えるパルス幅変調（PWM）信号のデューティをいい、全開側への駆動のデューティ・リミット（限度）は+100%で、全閉側への駆動のデューティ・リミットは-100%である。このプロセスは、この実施例では2ミリ秒ごとに実行される。

まず、デューティ・オフ判定のサブルーチン101を実行する。このサブルーチンは、図５に示される。デューティ・オフは、図３に示す第１開度以下の領域にあり、全閉要求時にモータ23の通電をオフにする状態をいう。図５を参照すると、目標スロットル（吸気制御弁）開度が第１開度以下であれば（401）、開度センサ11で検出される実開度が第１開度以下であるかどうか判定し（403）、Yesであれば、開き側のデューティ・リミットを0%に設定する(405)。これは、図３の領域AAで開き側に弱い駆動を与えてスプリング28の力を弱めていたのを停止し、モータ23への通電をオフにすることができることを意味する。

図５のステップ401、403で判断がNoのときは、デューティの開き側（ハイ、hi側）の限度を100%に設定してサブルーチンを終わる。図４にもどり、ステップ103において、開度センサ11で検出される実開度が第２開度以下であれば、ステップ105に進み、閉じ側のデュティ（Duty Lo）の限度を0%に設定する。これは、モータ23の閉じ側への駆動を停止することができることを意味する。図３に関連して説明したように、第２開度以下の領域AAでは、モータ23の閉じ側への駆動を禁止するので、これを可能にするよう、デューティのリミット（限度）を設定している。ステップ103で実開度が第２開度を超えていれば、閉じ側の限度を-100%に設定する（107）。

次に図６を参照してデューティの算出処理を説明する。この処理もデューティに関係する他の処理と同様に、たとえば２ミリ秒ごとに実行される。まず一時的な、すなわち仮のデューティ（DUTY_TEMP）を算出する（301）。この仮のデューティは、開度センサ11によって検出される実開度がECU20によって設定された目標開度になるようにモータ23を駆動するデューティである。詳細な手法は特許第3819257号に記載されているように従来技術であるので、ここでは説明を省略する。

仮のデューティ（DUTY_TEMP）が開き側(Duty Hi側)のデューティ・リミットを超えていれば（303）、この開き側のデューティ・リミットで仮のデューティを置き換える(305)。すなわち、仮のデューティを開き側のデューティ・リミットに制限する。

次にステップ307に進み、仮のデューティが閉じ側(Duty Lo側)のリミットより小さければ(307)、この閉じ側のデューティ・リミットで仮のデューティを置き換える(309)。すなわち、仮のデューティを閉じ側のリミットに制限する。

ステップ303、307で判定がNoのとき、すなわち仮のデューティが開き側リミットと閉じ側リミットとの間にあるときは、そのままステップ311に進み、仮のデューティを正規のデューティとする。いずれかのリミットを超えているときは、ステップ305または309で置き換えられたリミット値が正規のデューティになる。

図７は、この実施例では直流モータであるモータ23を駆動するプロセスのフローを示す。このプロセスは2ミリ秒ごとに実行される。デューティが負の値であるときは、吸気制御弁７を閉じる方向のデューティ出力を提供し(203)、デューティが正の値であるときは、吸気制御弁７を開方向のデューティ出力を提供する(205)。

図８は、吸気制御弁７の全閉角度を学習するプロセスのフローを示す。このプロセスは２ミリ秒ごとに実行される。この実施例では、車両のイグニションをオンにしたとき、吸気制御弁７の全閉位置を学習する。吸気制御弁７はアイドリング時には開かれず全閉状態にあるので、このときの開度センサの出力は開度ゼロに対応する。このようなイグニション・オン時の全閉学習が終了していない場合(501)、待ち時間を第１の所定時間、たとえば100ミリ秒にセットしてプロセスを終了する(502)。

イグニション・オン時の全閉学習が終了しているとき、ステップ503に進み、デューティが0%に設定されているかどうか、すなわちモータ23が停止しているかどうかを判定する。Noであれば、吸気制御弁はモータ23で駆動されており、全閉学習には適さないので、待ち時間を第１の所定時間に初期化して(502)プロセスを抜ける。Yesのときは、ステップ507に進み、最初はステップ502で設定された待ち時間が経過するのを待ち、待ち時間が経過すると、待ち時間を第１の所定時間より長い第２の所定時間、たとえば１秒間に初期化して（509）、ステップ511に進む。

ステップ511では、吸気制御弁７がストッパ26に突き当たって停止しているかどうかを、開度センサ11からの検出信号に基づいて判断する。デューティが0%で(503)、開度センサ11の出力が待ち時間の間変化しないで安定しているときは、吸気制御弁７は全閉位置にあると判定する。開度センサ11からの検出信号が変動するときは、吸気制御弁７がストッパ26に突き当たっていないと判定してプロセスを抜ける。

ステップ513では、吸気制御弁７がストッパ26に突き当たって停止していると判定したときの開度センサ11の検出信号が示す開度が、この装置の設計値の範囲内にあれば（513）、開度センサ11の検出信号が示す開度を全閉角度として全閉角度を更新し(515)、後の制御を実行する。

ここでステップ502で待ち時間をたとえば第１の所定時間、たとえば100ミリ秒にセットし、ステップ509で待ち時間を第１の所定時間より長い、たとえば1秒にセットする理由を説明する。スロットルバルブが開いていた状態から全閉になった場合（ステップ503の判定がNoからYesになった場合）、どれだけの時間開いていたか分からないので、温度ドリフトが発生している可能性が高い。このため、ステップ502で第１の所定時間の待ち時間を設定し、この待ち時間の間全閉状態が継続すれば（ステップ507）、ステップ509を経てステップ511以下で全閉角度学習を行う。次に全閉角度の学習を実行するとき、さらにこの全閉状態が継続している場合、温度ドリフトが発生するには数秒単位の時間がかかるので、ステップ509で第１の所定時間より長い第２の所定時間の待ち時間を設定している。

図１０は、ECU20が目標開度を0.21度に設定したときの吸気制御弁７の開度の変化を示す。ダンパー作用を働かせるダッシュポット範囲の最低開度である第３開度（たとえば２度）に吸気制御弁７が達すると、曲線部50Aで示すように、モータ23の回転を落として吸気制御弁７の速度をたとえば0.1 deg/ms以下にする。開度が第２開度（たとえば0.5度）以下になると、図３に関連して説明したように、スプリング力以下の力で吸気制御弁７が駆動される（曲線50B）。吸気制御弁７が目標開度である0.21度に達し、デューティ0%（503）、すなわちモータ23の通電オフで１秒間以上、吸気制御弁７が停止していると、吸気制御弁７はストッパ26に突き当たって停止していると判定される(511)。図１０は、開度センサ11の温度特性の変化による影響が補正され排除されている状態を示している。

図１１は、開度センサ11の温度特性による出力の変動が補正されていないケースを示す。いま、開度センサ11の温度特性が変化して、本来の開度０度が矢印DDに対応するレベルだけ上昇しているとする。図１０の場合と同様に、ECU20が目標開度を0.21度に設定した場合を示している。吸気制御弁７の開度が第２開度以下になり、スプリング力以下の力で駆動され（曲線50B）、開度が低下し、開度センサ11が制御下限開度より矢印CCだけ高いレベルの直線50Cのレベルの出力を出す位置で吸気制御弁７はストッパ26に突き当たる。吸気制御弁７がこの位置で第２の所定時間（たとえば１秒間）以上停止していると、直線50Cに対応する開度が吸気制御弁７の全閉角度0度であると判定され、この開度を基準として以後の制御が実行される。モータの通電をオフにする第１開度は、直線50Cに対応する開度に元の第１開度（たとえば0.2度）を加算したレベルに変更される。この変更後、吸気制御弁７の開度は、直線50Dに示す目標開度（0.21度）に制御される。

このようにして、開度センサ11の状態の変化に応じて全閉角度が更新されるので、開度を適正に制御することができる。

図９は、開度センサ11の出力電圧を開度に変換するプロセスのフローを示す。このプロセスは２ミリ秒ごとに実行される。開度センサ11の出力電圧値をTHADとおき（601）、これが開度センサ11の出力範囲をはずれるときは、ステップ607に進む。THADが開度センサ11の出力範囲内の値であれば(603)、ステップ605に進んで検知時間をたとえば200ミリ秒に初期化する。次いで、ステップ609に示す式により、THADを開度の角度(deg)に変換する。この式において、全閉角度は、吸気制御弁（スロットル）７がストッパ26に突き当たって停止しているときの開度センサ11の出力電圧である。

ステップ607では、ステップ605で初期化された検知時間（たとえば200ミリ秒）がこの状態のまま経過すると、開度センサが故障していると判定する(611)。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

Claims (5)

1. 気筒への吸入空気量を制御するための第１吸気制御弁と、前記第１吸気制御弁を全閉角度に向けて付勢する復帰手段と、前記第１吸気制御弁を開き側または閉じ側に向けて駆動する第１駆動手段とを備える内燃機関のための制御装置であって、
   前記制御装置は、全閉角度付近の第１の開度以下では前記第１駆動手段の駆動力を０とし、前記第１の開度より大きい第２の開度以下では前記第１駆動手段による前記第１吸気制御弁の閉じ側駆動を禁止するよう構成されていることを特徴とする制御装置。
2. 前記内燃機関は、前記第１吸気制御弁の開度を検出する開度センサを備え、前記制御装置は、前記第１吸気制御弁が前記復帰手段により前記第２の開度以下に駆動され、所定の時間突き当たり状態にあることが検出されると、該突き当たり状態において前記開度センサが示す開度を全閉角度とするよう構成されている、請求項１記載の制御装置。
3. 前記内燃機関は、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル踏み込み検出手段を有し、前記制御装置は、前記アクセル踏み込み検出手段によりアクセルの踏み込みがないことが検出されることに応じて、前記第１吸気制御弁を全閉角度に向けて駆動し、前記第２の開度より大きい第３の開度に達すると前記第１駆動手段の閉じ側駆動を弱めるよう構成されている、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記制御装置は、記第１吸気制御弁が前記第３の開度を経て前記第２の開度以下になると、前記第１駆動手段により前記第１吸気制御弁を開き側に駆動する力を該第１吸気制御弁に加え、該第１吸気制御弁を前記復帰手段の力以下の力で駆動するよう構成されている、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記第１吸気制御弁は、気筒ごとに設けられており、前記内燃機関は、前記第１吸気制御弁をバイパスする第２吸気制御弁と、該第２吸気制御弁を駆動する第２駆動手段とを備え、前記第２吸気制御弁の初期開度は、全閉角度と全開開度の間の開度に設定されている、請求項１から４のいずれかに記載の制御装置。

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