JP5279759B2

JP5279759B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP5279759B2
Application number: JP2010107213A
Authority: JP
Inventors: 誠二浅野; 雅樹河野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: JP2011236761A

Description

本発明は、吸気バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミング（以下、単にバルブタイミングあるいは位相と称することがある）を運転状態に応じて変えることのできる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関（以下、単に機関と称することがある）の制御装置に係り、特に、機関（クランク軸）により駆動されるオイルポンプから供給される作動油圧によりバルブタイミングを進遅角させる油圧式可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

現在、地球温暖化や大気汚染などの環境問題を背景として、自動車の燃費、排気ガス規制が強まっている。この規制に対応するため、最近の車載用内燃機関には標準的に可変バルブタイミング機構が装備されている。この可変バルブタイミング機構は、吸気バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミング（クランク角度で見た位相）を任意に変更（進遅角）することを可能とし、機関の運転状態に応じて最適なバルブタイミングに制御することで燃費、排気、出力、運転性能等の向上を図ろうとするものである。

この可変バルブタイミング機構としては、モータを駆動源とする電動式のものと、機関のクランク軸により回転駆動されるオイルポンプの吐出圧を駆動源とする油圧式のものとがある。油圧式可変バルブタイミング機構は、オイルポンプの吐出圧が低いときや水温が低いときは応答性が悪くなるという問題はあるものの導入コストが低いため多くの車載用内燃機関に適用されている。

しかし、油圧式であることから、可変バルブタイミング機構に供給される作動油圧は、その温度（油温）や機関回転数に影響されることになる。これを考慮して下記特許文献１に所載の制御装置においては、オイルポンプの能力が機関回転数により変動することを補償するとある。

特許第３７７６４６３号

しかし、前記特許文献１に所載の制御装置では、バルブタイミングの進遅角制御をＰＩＤフィードバック制御で行ない、それぞれのＰ分、Ｉ分、及びＤ分は機関回転数により設定されると記載されているが、その具体的な設定方法は明確には示されておらず、したがって、ＰＩＤフィードバック制御における、目標進角量に対する実進角量の追従遅れ、オーバーシュート、ハンチング等を充分に低減できるとは言えない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バルブタイミングの進遅角制御をＰＩＤフィードバック制御で行なうにあたり、オーバーシュート、ハンチング等の発生を効果的に抑えることができるとともに、目標進角量に実進角量を素早く収束一致させることができ、応答性、制御精度の向上等を図り得る内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、クランク軸により回転駆動されるオイルポンプの吐出圧を駆動源とする油圧式可変バルブタイミング機構の制御を行なうもので、基本的には、吸気バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミングについての目標進角量を設定するとともに、該目標進角量に実進角量を収束一致させるべくＰＩＤフィードバック制御を行なうバルブタイミング制御手段を備え、該バルブタイミング制御手段は、前記目標進角量と現在の実進角量との差分を計算する差分計算手段と、前記差分、機関回転数、及び機関油温に基づいて、前記Ｄ分の初期値を計算する手段と、機関回転数及び機関油温に基づいて、前記Ｄ分を前記初期値から減縮する手段と、を有していることを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の制御装置では、機関回転数の変化に起因する作動油圧の変化、機関油温の変化に起因するフリクション（摺動部分の摩擦力）の変化が可変バルブタイミング機構に供給される作動油圧に対する制御量として考慮されるので、オーバーシュート、ハンチング等の発生を効果的に抑えることができるとともに、目標進角量に実進角量を素早く収束一致させることができ、その結果、従来のものに比して応答性、制御精度等を格段に向上させることができる。

本発明に係る制御装置の一実施形態を、それが適用された可変バルブタイミング機構を備えた車載用内燃機関の一例と共に示す概略構成図。図１に示される可変バルブタイミング機構周りの構成を示す斜視図。図２に示される可変バルブタイミング機構の主要部を構成する油圧式アクチュエータとオイルコントロールバルブを示す概略断面図。図３に示されるオイルコントロールバルブの動作説明に供される図。図１に示されるＥＣＵ周りの構成を示す概略図。ＥＣＵが実行する各種制御の概要を示す機能ブロック図。可変バルブタイミング機構による吸気バルブの位相制御の説明に供される図。（Ａ）は、バルブタイミング制御手段の構成例を示すブロック図、（Ｂ）は、（Ａ）における制御デューティ演算ブロック８０５の詳細構成例を示すブロック図。図８（Ｂ）におけるＤ分計算ブロック８２４の詳細構成例を示すブロック図。図９におけるＤ分ピーク値計算ブロック９０１の詳細構成例を示すブロック図。図９におけるＤ分減縮処理ブロック９０２における減縮処理部分の構成例を示すブロック図。実進角量を目標進角量に収束一致させるべくＰＩＤフィードバック制御を行なった場合の、目標進角量、実進角量、及びＤ分の変化を示すタイムチャート。図１２の一部を拡大して示す図。図６に示される機能ブロック図に対応した、ＥＣＵが実行する各種制御の概要を示すフローチャート。図８（Ａ）に示されるブロック図に対応した、制御ディーティを求める際の処理手順の一例を示すフローチャート。図８（Ｂ）に示されるブロック図に対応した、制御デューティ（Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分）を計算する際の処理手順の一例を示すフローチャート。図１０に示されるブロック図に対応した、Ｄ分ピーク値を計算する際の処理手順の一例を示すフローチャート。図９に示されるブロック図に対応した、Ｄ分を計算・出力する際の処理手順の一例を示すフローチャート。図１１に示されるブロック図に対応した、Ｄ分を減縮計算する際の処理手順の一例を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る制御装置の一実施形態（実施例）を、それが適用された可変バルブタイミング機構を備えた車載用内燃機関の一例と共に示す概略構成図である。

図１において、本実施形態の制御装置１が適用された内燃機関１０は、例えば４つの気筒＃１、＃２、＃３、＃４（図には＃１を代表して示す）を有する火花点火式の多気筒機関であって、シリンダヘッド１１ａ及びシリンダブロック１１ｂからなるシリンダ１１と、このシリンダ１１の各気筒＃１、＃２、＃３、＃４内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、ピストン１５はコンロッド１４を介してクランク軸１３に連結されている。ピストン１５上方には、所定形状の燃焼室（天井ないしルーフ部）を持つ燃焼作動室１７が画成され、各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の燃焼作動室１７には、点火コイル３４から高電圧化された点火信号が供給される点火プラグ３５が臨設されている。

燃料の燃焼に供せられる空気は、エアークリーナ１９から、ホットワイヤ式等のエアフローセンサ５３や電制スロットル弁２５が配在された管状通路部分（スロットルボディ等）、コレクタ２７、吸気マニホールド（多岐管）２８、吸気ポート２９等からなる吸気通路２０を通り、その下流端（吸気ポート２９端部）に配在された吸気バルブ２１を介して各気筒＃１、＃２、＃３、＃４の燃焼作動室１７に吸入される。そして、吸気通路２０の下流部分（吸気マニホールド２８）には、各気筒（＃１、＃２、＃３、＃４）毎に、吸気ポート２９に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３０が臨設され、また、吸気マニホールド２８には吸気圧（吸気通路２０におけるスロットル弁２５より下流側の内圧）及び吸気温を検出するための吸気センサ５９（吸気圧センサと吸気温センサとを兼ねる）が配在されている。

燃焼作動室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５による火花点火により燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排ガス）は、燃焼作動室１７から排気バルブ２２を介して排気ポート４１、排気マニホールド４２、排気浄化用触媒（例えば三元触媒）５０が設けられた排気管４５等からなる排気通路４０を通って外部（大気中）に排出される。排気通路４０における触媒５０より上流側には空燃比センサ（酸素濃度センサ）５７が配在されている。

また、各気筒（＃１、＃２、＃３、＃４）毎に配備された燃料噴射弁３０には、燃料タンク内の燃料（ガソリン等）が燃料ポンプや燃圧レギュレータ等を備えた燃料供給機構により所定燃圧に調圧されて供給され、燃料噴射弁３０は、後述するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００から供給される、そのときの運転状態に応じたパルス幅（開弁時間に相当する）を持つ駆動パルス信号により開弁駆動され、その開弁時間に応じた量の燃料を吸気ポート２９に向けて噴射するようになっている。

クランク軸１３の一端には、クランクプーリ６３が取付固定され、吸気バルブ２１を開閉するための吸気カム軸２３の一端には、位相変更用の吸気カムプーリ６１が外嵌され、排気バルブ２２を開閉するための排気カム軸２４の一端には、通常の排気カムプーリ６２が外嵌固定されている。各プーリ６１，６２，６３の外周部には歯が設けられており、各プーリ６１、６２、６３にはタイミングベルト６５が掛け回され、クランク軸１３の回転が、吸気カム軸２３には前記吸気カムプーリ６１及びそれに内蔵されている油圧式アクチュエータ７０（後述）を介して伝達され、排気カム軸２４には排気カムプーリ６２を介して伝達される。なお、吸気カムプーリ６１及び排気カムプーリ６２に対するクランクカムプーリ６３の回転数比は１：２となっている。

また、機関１０には、前記クランク軸１３により回転駆動されるようにオイルポンプ６６が付設され、このオイルポンプ６６から吐出される作動油により、機関１０内の潤滑等が行なわれるとともに、後述する油圧式可変バルブタイミング機構６０への作動油圧の供給が行なわれる。

上記構成に加えて、本実施例の内燃機関１０には、吸気バルブ２１の開閉タイミング（位相）を内燃機関１０及び該機関搭載車両の運転状態に応じて変更することのできる油圧式可変バルブタイミング機構６０が装備されている。

以下、図２、図４を参照しながら本実施例の可変バルブタイミング機構６０の構成を説明する。
本実施例の可変バルブタイミング機構６０は、吸気カムプーリ６１（このクランク角度が基準クランク角度となる）に対して吸気カム軸２３を相対回動させることにより吸気バルブ２１の開閉タイミング（位相）を進遅角させるもので、吸気カムプーリ６１に内蔵された油圧式アクチュエータ７０と、該油圧式アクチュエータ７０とオイルポンプ６６との間に配在されたオイルコントロールバルブ８０とを備えている。

油圧式アクチュエータ７０は、前記吸気カムプーリ６１に一体的に設けられたロータハウジング７２と、吸気カム軸２３に外嵌固定（例えばスプライン結合により）されたベーンロータ（羽根車）７３とを備えている。ロータハウジング７２は、円環状ベース部７２ｂと該ベース部７２ｂから半径方向内方に突出する４枚の仕切板部７２ａとを有し、ベーンロータ７３は、円板状部７３ｂと該円板状部７３ｂから半径方向外方に突出する４枚のベーン部７３ａとを有している。ロータハウジング７２の４枚の仕切板部７２ａは、等角度（９０度）間隔で配在され、それらの先端部にはベーンロータ７３の円板状部７３ｂの外周面に圧接するようにシール材７４が装着されている。ベーンロータ７３の４枚のベーン部７３ａは、それぞれ隣り合う仕切板部７２ａ、７２ａ間に位置するように等角度（９０度）間隔で配在され、それらの先端部にはロータハウジング７２の円環状ベース部７２ｂの内周面に圧接するようにシール材７４が装着されている。

かかる構成により、４枚の仕切板部７２ａと４枚のベーン部７３ａとの間には、容積が可変の短扇形状の進角室７５と遅角室７６とが交互に４つずつ画成される。この４つの進角室７５と遅角室７６には、オイルポンプ６６からオイル通路６７→オイルコントロールバルブ８０→油圧通路６８又は６９を介して作動油（作動油圧）が供給される。

一方、前記オイルコントロールバルブ８０は、油圧供給ポート９０、進角ポート９１、遅角ポート９２、及びドレインポート８８、８９を有するバルブハウジング８５、ソレノイド８３、プランジャ８４、スプール８６、圧縮コイルばね８７を備えており、ソレノイド８３が通電励磁されていない状態では、図３に示される如くに、スプール８６が圧縮コイルばね８７に押されて右行端に位置している。ソレノイド８３を通電励磁すると、プランジャ８４がスプール８６を左方向に押すため、圧縮コイルばね８７の付勢力に打ち勝ってスプール８６が左方向に移動する。スプール８６の左方向への移動量は、ソレノイド８３に対する通電量（供給電流値）に比例して大きくなる。

前記バルブハウジング８５の油圧供給ポート９０は、オイルポンプ６６の吐出口に接続されたオイル通路６７に、進角ポート９１は位相進角油圧通路６８に、遅角ポート９２は位相遅角油圧通路６９に、ドレインポート８８、８９は図示しないドレイン通路にそれぞれ接続されている。

図４（ａ）に示される如くに、スプール８６が右行端に位置しているときは、油圧供給ポート９０と遅角ポート９２とが連通し、また、同時にドレインポート８８と進角ポート９１とが連通する。このため、オイルポンプ６６から吐出される作動油は遅角室７６に導かれ、進角室７５の作動油はドレイン通路を通ってオイルパンへ排出される。よって、ベーンロータ７３及びそれと一体の吸気カム軸２３は、吸気カムプーリ６１に対して逆方向に相対回動して、その位相を遅角室７６への作動油導入量（作動油圧）に応じたクランク角度分だけ遅角させ、これによって、図７に示される如くに、吸気バルブ２１の開閉タイミング（位相）が遅角せしめられ、吸気バルブ２１がより遅く開かれるようになる。

図４（ｂ）に示される如くに、スプール８６が中央（右行端と左行端との中間）に位置しているときは、油圧供給ポート９０、進角ポート９１、遅角ポート９２、ドレインポート８８、８９の全てが閉じられる。このため、作動油の流れは無く、ベーンロータ７３は吸気カムプーリ６１に対して位相を変化させない。

図４（ｃ）に示される如くに、スプール８６が左行端に位置しているときは、油圧供給ポート９０と進角ポート９１が連通し、また、同時にドレインポート８９と遅角ポート９２とが連通する。このため、オイルポンプ６６から吐出される作動油は、進角室７５に導かれ、遅角室７６の作動油はドレイン通路を通ってオイルパンへ排出される。よって、ベーンロータ７３及びそれと一体の吸気カム軸２３は、吸気カムプーリ６１に対して同方向に相対回動し、その位相を進角室７５への作動油導入量（作動油圧）に応じたクランク角度分だけ進角させ、これによって、図７に示される如くに、吸気バルブ２１の開閉タイミング（位相）が進角せしめられ、吸気バルブ２１がより早く開かれるようになる。

一方、前記機関１０の種々の制御、つまり、前記燃料噴射弁３０による燃料噴射制御、前記点火プラグ３５による点火時期制御、前記油圧式可変バルブタイミング機構６０による吸気バルブ２１の開閉タイミング（位相）の制御等を行うべく、マイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００が備えられている。

ＥＣＵ１００は、基本的には、図５に示される如くに、それ自体はよく知られているもので、ＭＰＵ２０１、ＥＰ−ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０２、Ａ／Ｄ変換器を含む入出力回路（Ｉ／Ｏ＿ＬＳＩ）２０５、ドライバ（図示省略）等で構成される。コントロールユニット１００においては、後述する如くの各種のセンサ類からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を生成し、アクチュエータである燃料噴射弁３０、点火コイル３４、オイルコントロールバルブ８０等に所定の制御信号を所定のタイミングで供給して燃料噴射制御、点火時期制御、吸気バルブタイミング制御等を実行する。

ＥＣＵ１００には、入力信号として、エアフローセンサ５３により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ５４により検出されるスロットル弁２５の開度（スロットル開度）に応じた信号、クランク軸１３に添設されたクランク角センサ（回転数センサ）５５から得られるクランク軸１３（に設けられた歯付きディスク５５ａ）の回転（機関回転数）・位相（クランク角）をあらわす信号（クランク角センサ５５からは、例えば、回転角１度毎にパルス信号が出力される）、吸気カム軸２３に添設されたカム角センサ５６から得られる吸気カム軸２３（に設けられた歯付きディスク５６ａ）の回転・位相をあらわす信号（このカム角センサ５６からは、例えば１８０℃Ａ毎にパルス信号が出力され、このパルス信号と前記クランク角センサ５５からのパルス信号とに基づいて気筒判定等が行われる）、排気通路４０における三元触媒５０より上流側に配在された空燃比センサ５７からの排気空燃比（酸素濃度）に応じた信号、シリンダブロック１２に配設された水温センサ５８により検出される機関冷却水温に応じた信号、吸気通路２０に配設された吸気センサ５９により検出される吸気圧及び吸気温に応じた信号、内燃機関１０の運転、停止のメインスイッチであるイグニッションキースイッチ（図示省略）からの信号等が供給される。さらに、変速機のＰレンジ、Ｎレンジ、Ｄレンジ等のシフトポジションや車速等の情報は、車両（統合）コントロールユニット（ＴＣＵ）２００からユニット間通信によりもたらされる。

なお、水温センサ５８により検出される機関水温は、後述する可変バルブタイミング機構６０の制御で用いる機関油温を推定する際にも使用される。

ＥＣＵ１００は、前記各種の入力信号に基づいて機関１０の運転状態を認識し、この運転状態に基づいて、燃料噴射制御、点火時期制御、吸気バルブタイミング制御等の機関１０の主要な操作量を演算する。

ここで、ＥＣＵ１００が行なう可変バルブタイミング機構６０の制御、言い換えれば、オイルコントロールバルブ８０（ソレノイド８３）の制御について説明する。

クランク軸１３に対する吸気カム軸２３の位相（基準クランク角度からの実進角量）は、クランク角センサ５５から出力されるクランク軸１３の回転位置を表す信号と、カム角センサ５６から出力される吸気カム軸２３の回転位置を表す信号を用いて、ＥＣＵ１００により算出される。なお、基準クランク角度から遅角させる場合は進角量がマイナスとなる。

コントロールユニット１００は、機関１０の運転状態に基づいて算出される目標カム位相（目標進角量）と実カム位相（実進角量）とが等しくなるように、可変バルブタイミング機構６０（のソレノイド８３）に対する通電量をＰＩＤフィードバック制御する。ここでは、ソレノイド８３に対する通電量の制御を、単位時間内における、ソレノイド８３に電圧を印加する時間の割合（デューティ比）を変化させる、いわゆるデューティ制御によって行なう。この場合、制御デューティ（％）を所定値以上に大きくすると、ソレノイド８３に対する通電量（供給電流値）が増加し、スプール８６は左行して、実カム位相は進角方向に変位（進角量が増大）する。制御デューティをさらに大きくすると、図４（ｃ）のように左行端位置をとる。制御デューティを所定値以下に小さくすると、ソレノイド８３に対する通電量（供給電流値）が減少し、スプール８６は右行して、実カム位相は遅角方向に変位する。制御デューティをさらに小さくすると、図４（ａ）のように右行端位置をとる。制御デューティを中間の値にすると、ソレノイド８３に対する通電量（供給電流値）も中間的な値となり、スプール８６は、図４（ｂ）のように中間位置をとり、実カム位相（進角量）は変化しない。

上記のような可変バルブタイミング機構６０の制御を行なうコントロールユニット１００は、図６に機能ブロックで示されているように、機関回転数及びクランク角速度を算出する機関回転数計算手段１０１、吸入空気量計算手段１０２、基本噴射量計算手段１０３、基本噴射量補正係数計算手段１０４、基本点火時期計算手段１０５、空燃比帰還制御係数計算手段１０８、目標空燃比設定手段１０９、基本噴射量補正手段１１０、点火時期補正手段１１２、及びバルブタイミング制御手段１３０を備える。

機関回転数計算手段１０１は、クランク角センサ５５からのパルス信号の単位時間当たりの変化（例えばパルスの立ち上がりもしくは立ち下がり）の回数（到来数）をカウントして所定の演算処理を行うことにより単位時間あたりの機関回転数を計算する。

吸入空気量計算手段１０２は、エアフローセンサ５３からの信号を電圧−流量変換し、機関の吸入する空気量を求め、求められた空気量に対して、空気量計測時点と燃焼作動室１７への流入時点での遅れを補正する。遅れの補正は、空気流の到達時間の１次遅れ補償等であるが、詳細は割愛する。

基本噴射量計算手段１０３は、機関回転数計算手段１０１及び吸入空気量計算手段１０２で計算された機関回転数及び吸入空気量に基づいて、基本噴射量及び機関負荷を計算する。

基本噴射量補正係数計算手段１０４は、基本噴射量計算手段１０３で計算された基本噴射量に対する補正係数を計算する。

基本点火時期計算手段１０５は、前述の機関回転数及び機関負荷に基づいて機関の各領域における最適な点火時期をマップ検索等で設定する。

空燃比帰還制御係数計算手段１０８は、空燃比センサ５７からの信号に基づき、燃焼に供せられる混合気が目標空燃比に保たれるようにＰＩＤ制御による空燃比帰還制御係数を計算する。なお、前記空燃比センサ５７は、本例では、排気空燃比に対して比例的な信号を出力するものが使用されているが、排気ガスが理論空燃比に対して、リッチ側にあるか／リーン側にあるかで２値（Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗ）レベル信号を出力するものでも差し支えはない。

目標空燃比設定手段１０９は、前述の機関回転数及び機関負荷に基づいて、機関の各領域における最適な目標空燃比をマップ検索等で読み出すことにより決定する。ここで決定された目標空燃比は、前述の空燃比帰還制御係数計算手段１０８の空燃比帰還制御に用いられる。

基本噴射量補正手段１１０は、前述の基本噴射量に基本噴射量補正係数、加減速燃料補正量、及び空燃比帰還制御係数等による補正を施す。

点火時期補正手段１１２は、前述の基本点火時期計算手段１０５で設定された点火時期にエンジンの冷却水温等による補正を施す。

バルブタイミング制御手段１３０は、機関運転状態に応じて、吸気バルブ２１の開閉タイミングを基準クランク角度から進遅角させるべく、ソレノイド８３に対する通電量（進角量）をＰＩＤフィードバック制御するようになっており、基本的には、機関運転状態に応じて設定される（例えば機関回転数及び機関負荷等に基づいて、機関の各領域における最適なバルブタイミングをマップ検索等で読み出すことにより設定される）目標進角量にクランク角センサ信号とカム角センサ信号から求められる実進角量を収束一致にさせるべく、オイルコントロールバルブ８０（のソレノイド８３）への通電量に相当する制御デューティを設定する。

図８（Ａ）は、前記バルブタイミング制御手段１３０の構成例を示すもので、オイルコントロールバルブ８０への通電量に相当する制御デューティを求める際の処理手順の一例を示すブロック図である。

図８（Ａ）において、ブロック８０１では、クランク角センサ信号とカム角センサ信号により吸気バルブ２１の現在の実進角量を求める。ブロック８０２では、前記現在の実進角量と現在の制御デューティとの関係から機械的不感帯の補正量を学習又はその時点での学習量の反映を行う。具体的には、どれだけの制御デューティで進角量が変化するかを記憶し、それを機械的な不感帯として記憶する。ブロック８０７では、前記機械的不感帯を補正された量に対して、制御デューティに対する進角速度補正を加える。具体的には、機械的不感帯はブロック８０２で補正されているので、単位制御デューティ当たりの進角速度を学習しておくものであり、最低限必要な進角速度が補償できるデューティ値が記憶される。ブロック８０３では、機関回転数、機関水温、機関吸気温、及び機関負荷に基づいて目標進角量を求める。手法としては、例えば機関回転数と機関負荷のマップにより基本目標進角量を検索し、機関水温及び機関吸気温により補正する等あるが、詳細は割愛する。ブロック８０４は、前述した現在の実進角量と目標進角量との差分を求める。ブロック８０５は、前記差分、機関回転数、及び機関水温（機関油温）に基づいて、実進角量が目標進角量となるように制御デューティを演算する。このブロック８０５の詳細構成は、図８（Ｂ）を用いて後述する。ブロック８０８では、前記ブロック８０５で求められた制御デューティに、前記ブロック８０７で求められた不感帯補正量、及び前進角速度補正を加算し補正する。最終的にブロック８０９でバッテリ電圧補正、ブロック８１０で温度補正された後、制御デューティとして出力される。なお、前記ブロック８１０の温度補正は、オイルコントロールバルブ８０の温度特性を補正するもので、本例では機関水温で代表させているが、実際のオイルコントロールバルブ８０の温度を検出して補正してもよい。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における制御デューティ演算ブロック８０５の詳細構成例を示す。ブロック８２１では、機関水温から機関油温を推定する。推定する手段としては、水温から予測される油温をテーブル検索する等あるが詳細は割愛する。また別な方法として、始動時からの経過時間、あるいは、始動時からの機関の吸入空気量を積算し、油温を推定する方法を用いてもよい。ブロック８２２、８２３、８２４では、前述した目標進角量と実進角量との差分、機関回転数、及び機関油温に基づいて、制御デューティのＩ分、Ｐ分、及びＤ分をそれぞれ求める。計算されたＩ分、Ｐ分、及びＤ分はブロック８２５で加算され、制御デューティとして出力される。

図９は、図８（Ｂ）におけるＤ分計算ブロック８２４の詳細構成例を示す。本例では、ブロック９０１で目標進角量と実進角量との差分、機関回転数、及び機関油温に基づきＤ分のピーク値（初期値）を計算する（詳細は図１０を参照しながら後述する）。ブロック９０２では、前記Ｄ分ピーク値、機関油温、及び機関回転数に基づきＤ分に減縮処理を施す（詳細は図１１を参照しながら後述する）。

ブロック９０３では、目標進角量と実進角量との差分の絶対値を計算し、これを比較ブロック９０５、９０７へ送る。ブロック９０４では、機関回転数に基づきＤ分セット用の差分閾値Ｅａをテーブル検索で求める。ここで求められた差分閾値Ｅａは比較ブロック９０５で前記差分の絶対値と比較され、差分絶対値が差分閾値Ｅａ以上である場合は、比較ブロック９０５からＤ分減縮処理ブロック９０２へＤ分セット指令が発せられる。Ｄ分減縮処理ブロック９０２は、前記Ｄ分セット指令が入ると、前記Ｄ分ピーク値計算ブロック９０１で計算されたＤ分ピーク値をＤ分初期値として出力する。これにより、制御デューティにＰ分、Ｉ分に加えてＤ分が付加（セット）される。なお、Ｄ分は、初期値がピーク値となり、それ以降は減縮処理されて小さくされる。

一方、ブロック９０６では、機関回転数に基づきＤ分リセット用の差分閾値Ｅｂをテーブル検索で求める。ここで求められた差分閾値Ｅｂは比較ブロック９０７で前記差分の絶対値と比較され、差分絶対値が差分閾値Ｅｂ以下である場合は、比較ブロック９０７からＤ分減縮処理ブロック９０２へＤ分リセット指令が発せられる。Ｄ分減縮処理ブロック９０２では、前記Ｄ分リセット指令が入ると、全ての計算内容がリセットされ、Ｄ分は０クリアされる。これにより、制御デューティにＤ分が付加（セット）されなくなる。

なお、前記セット用の差分閾値Ｅａ及びリセット用の差分閾値Ｅｂは、それぞれ機関回転数が高いほど大きな値に設定され、当然のことながら、セット用の差分閾値Ｅａはリセット用の差分閾値Ｅｂより大きくされる（詳細は図１２、図１３を参照しながら後述する）。

図１０は、図９におけるＤ分ピーク値計算ブロック９０１の詳細構成例を示す。本例では、ブロック１００１で前記目標進角量と実進角量との差分に基づきＤ分ピーク値の基本量を求める。ブロック１００２で機関回転数に基づき回転数補正係数を、ブロック１００３で機関油温に基づき油温補正係数を、それぞれテーブル検索で求め、乗算器１００４で前記基本量に前記補正係数を乗算して、Ｄ分ピーク値として出力する。ここで、前記Ｄ分ピーク値の基本量に対する回転数補正係数及び油温補正係数は１以下の値に設定されるが、この場合、機関回転数が高いほど、また、機関油温が高いほど、可変バルブタイミング機構６０に供給される作動油圧は高くなるので、前記回転数補正係数及び油温補正係数は、機関回転数が高いほど、また、機関油温が高いほど、小さな値に設定される。

図１１は、図９におけるＤ分減縮処理ブロック９０２における減縮処理部分の構成例を示す。本例では、ブロック１１０１で機関回転数に基づき加重平均重みの基本値をテーブル検索する。ブロック１１０２で機関油温に基づき前記重みの油温補正値を検索し、乗算器１１０３で前記基本値を油温補正値で補正する。ブロック１１０４は加重平均ブロックであり、Ｄ分は０に向けて、前記補正された加重平均重みで減縮していく。加重平均は下式で実行される。
Ｄ分＝Ｄ分過去値×（１−加重平均重み）
Ｄ分過去値の初期値は、Ｄ分ピーク値である。

なお、本例では、Ｄ分減縮処理を加重平均で行なっているが、単位時間当たりの減縮量を計算し、減縮する方法でもよい。

図１２（Ａ）、（Ｂ）は、上記した如くの態様で制御デューティを計算して、実進角量を目標進角量に収束一致させるべくＰＩＤフィードバック制御を行なった場合の、目標進角量、実進角量、及びＤ分の変化を示すタイムチャートである。図１２（Ａ）、（Ｂ）においては、実進角量及びＤ分が実線で、目標進角量が破線で示されている。図において、時点ｔ１までは、目標進角量と実進角量とが等しくなっているが、機関運転状態が変化して目標進角量が時点ｔ１からｔ７まで図のように直線的に増大した場合、ＰＩＤフィードバック制御により、実進角量は目標進角量の変化より若干遅れて（目標進角量と実進角量との差分が所定量以上になってから）階段状に（その段差を段階的に狭めながら）変化し、時点ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６において目標進角量を横切り、時点ｔ７において目標進角量に追いつく。この場合、Ｄ分は、実進角量が目標進角量より小さいとき正の値をとり（制御デューティにＤ分がプラスされる）、実進角量が目標進角量より大きいとき負の値をとる（制御デューティからＤ分がマイナスされる）。

より詳細には、図１２の一部（時点ｔ１からｔ４あたりまで）を拡大した図１３（Ａ）、（Ｂ）において、時点ｔ２からｔ３の間のＤ分を例にとると、実進角量が目標進角量を超えた時点ｔ２より少し後の、目標進角量と実進角量との差分（絶対値）が前述したＤ分セット用の差分閾値Ｅａ以上となった時点ｔ０１に、前述した如くにして計算されたＤ分ピーク値が初期値として制御デューティに付加（セット）される（ここではＤ分が負の値なのでマイナスされる）。これ以後、Ｄ分は前述した如くにして減縮処理されて二次曲線を描きながら減少せしめられ、その後、目標進角量と実進角量との差分（絶対値）が前述したＤ分リセット用の差分閾値Ｅｂ以下となった時点ｔ０２において、Ｄ分は前述した如くに０に戻され、制御デューティにＤ分が付加されなくなる。

図１４は、前述した図６に示される機能ブロック図に対応した、ＥＣＵが実行する各種制御の概要を示すフローチャートである。

ここでは、ステップ１４０１で機関回転数を計算し、ステップ１４０２でエアフローセンサ、水温センサ等の出力を読み込む。ステップ１４０３でエアフローセンサの出力を電圧流量変換、応答遅れ補償を施し、機関吸入空気量とする。ステップ１４０４で、機関回転数及び吸入空気量から基本噴射量及び機関負荷を演算する。ステップ１４０５で機関回転数及び機関負荷から基本噴射量補正係数をマップ検索する。ステップ１４０６で酸素濃度センサの出力を読み込む。ステップ１４０７で機関運転状態に応じた目標空燃比を設定する。ステップ１４０８で前記目標空燃比を実現できるよう空燃比帰還制御係数の計算を行う。ステップ１４０９で前記計算された基本噴射量に前記基本燃料補正係数及び前記空燃比帰還制御係数で補正を施す。ステップ１４１０で、機関運転状態に応じた適正な基本点火時期を計算する。ステップ１４１１で機関水温等による基本点火時期の補正係数を計算する。ステップ１４１２で前記基本点火時期に対して、前記基本点火時期の補正係数による補正を施す。ステップ１４１３で機関回転数と機関負荷に基づき目標進角量をマップ検索等で設定する。ステップ１４１４で制御デューティのＩ分を計算する。ステップ１４１５で制御デューティのＰ分を計算する。ステップ１４１６で制御デューティのＤ分を計算する。ステップ１４１７で前記Ｉ分、Ｐ分、及びＤ分で最終の制御デューティを計算する。

図１５は、吸気バルブ２１の開閉タイミング（進角量）をＰＩＤフィードバック制御する際の処理手順の一例を示すフローチャートであり、前述した図８（Ａ）に示される制御ディーティを求めるブロック図に対応している。

本例では、ステップ１５０１でクランク角センサ信号とカム角センサ信号から現在の実進角量を計算する。ステップ１５０２で制御デューティと実進角量から機械的不感帯を学習及び既に学習されている値の反映を行う。ステップ１５０３で制御デューティと進角速度から速度補正量の学習及び既に学習されている値の反映を行う。ステップ１５０４で機関回転数、機関水温、機関吸気温、及び機関負荷等により目標進角量を計算する。ステップ１５０５で目標進角量と現在の実進角量との差分を計算する。ステップ１５０６で前記差分、機関回転数、及び機関水温からフ制御デューティを計算する。ステップ１５０７で前記制御デューティに速度補正を施す。ステップ１５０８で前記制御デューティに対してバッテリ電圧補正、オイルコントロールバルブの温度補正を施し、ステップ１５０９で制御デューティとして出力する。

図１６は、前述した図８（Ｂ）に対応した、制御デューティ（Ｐ分、Ｉ分、Ｄ分）を計算する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。

ここでは、ステップ１６０１で目標進角量と現在の実進角量の差分を読み込む。ステップ１６０２で機関水温から油温を推定する。ステップ１６０３でＩ分を計算する。ステップ１６０４でＰ分を計算する。ステップ１６０５でフィードバックＤ分を計算する。ステップ１６０６で前記フィードバックＩ分、Ｐ分及びＤ分を加算し、ステップ１６０７で制御デューティとして出力する。

図１７は、前述の図１０に対応した、Ｄ分ピーク値を計算する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。

ここでは、ステップ１７０１で実進角量と目標進角量との差分でＤ分ピーク値の基本量をテーブル検索する。ステップ１７０２で機関回転数に基づき回転数補正係数をテーブル検索により設定する。ステップ１７０３で機関油温に基づき油温補正係数をテーブル検索により設定する。ステップ１７０４で前記Ｄ分ピーク値の基本料に回転数補正係数及び油温補正係数を乗じ、これをステップ１７０５でＤ分ピーク値として出力する。

図１８は、前述の図９に対応した、Ｄ分を計算・出力する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。

ここでは、ステップ１８０１で目標進角量と現在の実進角量との差分、機関回転数、及び機関油温を読み込み、これらに基づいてＤ分ピーク値を計算する。続くステップ１８０２において、機関回転数に基づき、Ｄ分セット用の差分閾値Ｅａをテーブル検索により求める。続くステップ１８０３で目標進角量と実進角量との差分が前記差分閾値Ｅａ以上か否かを判断する。以上であれば、ステップ１８０８に進んで、ステップ１８０１で計算されたＤ分ピーク値をＤ分初期値として出力し、そうでなければ、ステップ１８０４に進む。

ステップ１８０４では、機関回転数に基づき、Ｄ分リセット用の差分閾値Ｅｂをテーブル検索により求める。続くステップ１８０５で目標進角量と実進角量との差分が前記差分閾値Ｅｂ以下か否かを判断する。以下であれば、ステップ１８０７に進んで、Ｄ分の減縮計算を行ない、続くステップ１８０８において、減縮計算されたＤ分を出力し、そうでなければ、ステップ１８０６においてＤ分をリセット（０クリア）し、ステップ１８０８でＤ分計算値として０を出力する。

図１９は、前述の図１１に対応した、Ｄ分を減縮計算する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。

ここでは、ステップ１９０１でＤ分リセット指令有りか否かを判断する。有りと判断された場合は、ステップ１９０２でＤ分を０クリアし、無しと判断された場合は、ステップ１９０３で機関回転数及び機関油温を読み込み、続くステップ１９０４で機関回転数を用いて加重平均重みをテーブル検索する。ステップ１９０５では、機関油温を用いて油温補正係数をテーブル検索し、前記加重平均重みに補正を加える。ステップ１９０６でＤ分ピーク値に前記補正された加重平均重みで０に向けて加重平均していきＤ分として出力する。

以上のように、本実施形態の制御装置１では、機関運転状態（機関回転数や機関負荷等）に基づいて設定される目標進角量に実進角量を収束一致させるべく、進角量に相当する可変バルブタイミング機構６０（のソレノイド８３）への通電量をＰＩＤフィードバック制御するようにされ、その際、Ｄ分の初期値計算と該初期値（ピーク値）からの減縮処理を機関回転数及び機関油温に基づいて行うようにされるので、機関回転数の変化に起因する作動油圧の変化や機関油温の変化に起因するフリクションの変化等の影響を受け難くできる。

また、Ｄ分のセット（付加）及びリセット（０クリア）タイミングを前記差分に基づいて設定するようにされるので、オーバーシュート、ハンチング等の発生を効果的に抑えることができるとともに、目標進角量に実進角量を素早く収束一致させることができ、その結果、従来のものに比して応答性、制御精度等を格段に向上させることができる。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、吸気バルブに代えて、あるいは、吸気バルブに加えて排気バルブの開閉タイミングを可変とした場合等にも、同様に適用できる。

１０内燃機関
１３クランク軸
２１吸気バルブ
２２排気バルブ
２３吸気カム軸
２４排気カム軸
５５クランク角センサ
５６カム角センサ
６０可変バルブタイミング機構
６１吸気カムプーリ
６２排気カムプーリ
６３クランクプーリ
６５タイミングベルト
７０油圧式アクチュエータ
７２ロータハウジング
７３ベーンロータ
７５進角室
７６遅角室
８０オイルコントロールバルブ
１００ＥＣＵ

Claims

クランク軸により回転駆動されるオイルポンプの吐出圧を駆動源とする油圧式可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
吸気バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミングについての目標進角量を設定するとともに、該目標進角量に実進角量を収束一致させるべくＰＩＤフィードバック制御を行なうバルブタイミング制御手段を備え、
該バルブタイミング制御手段は、
前記目標進角量と現在の実進角量との差分を計算する差分計算手段と、
前記差分、機関回転数、及び機関油温に基づいて、前記Ｄ分の初期値を計算する手段と、
機関回転数及び機関油温に基づいて、前記Ｄ分を前記初期値から減縮する手段と、
を有していることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記バルブタイミング制御手段は、前記差分に基づいて、前記Ｄ分をセットするタイミングを設定するＤ分セットタイミング設定手段と、前記差分に基づいて、前記Ｄ分をリセットするタイミングを設定するＤ分リセットタイミング設定手段と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記Ｄ分セットタイミング設定手段は、前記Ｄ分をセットするタイミングを、前記差分が機関回転数に基づいて定められるセット用閾値以上となった時点に設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
前記Ｄ分リセットタイミング設定手段は、前記Ｄ分をリセットするタイミングを、前記差分が機関回転数に基づいて定められるリセット用閾値以下になった時点に設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。