JP6304003B2

JP6304003B2 - 制御装置

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Publication number: JP6304003B2
Application number: JP2014244891A
Authority: JP
Inventors: 真一杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP2016108976A; DE112015005496B4; DE112015005496T5; WO2016088330A1

Description

本発明は、モータを制御し、モータの駆動によってカムを回転させ、カムの外周面に当接する制御部材を変位させることで内燃機関の運転状態を切り替える制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関において、吸気及び排気の特性を、内燃機関の運転状態に応じて切り替えるものが知られている。具体的には、内燃機関の気筒に設けられる吸気バルブや排気バルブの最大リフト量等を、その際の内燃機関の運転状態に適したものとなるように切り替えを行うものである。

下記特許文献１には、モータ及びカムを用いて制御部材を変位させ、この制御部材の作用によって上記切替を行う制御装置が記載されている。モータの駆動に伴って回転するカムは、その外周面に制御部材を当接させるように構成されている。制御部材は、その一端においてカムの外周面に当接するとともに、他端が内燃機関まで延びている。

カムは、その回転中心から外周面までの距離が、外周面の部位によって異なるように形成されている。このため、制御部材とカムとの当接部位がカムの回転に伴って変化すると、制御部材が変位するように構成されている。

カムの外周面には、複数の静止部（段差部）が形成されている。この静止部では、カムの回転に伴う制御部材の変位量の傾きが、他の部位と異なるように形成されている。下記特許文献１の制御装置は、制御部材が、複数の静止部のいずれかと当接した状態とすることで、制御部材の位置を切替えるように構成されている。

制御部材は、位置を適宜切り替えられることにより、その際の内燃機関の運転状態に適した作用をする。これにより、内燃機関の出力向上や燃費削減等を図ることができる。

特開２０１４−１１９０８７号公報

内燃機関の特性は、同一型式のものであっても個体差があり、制御部材が内燃機関から受ける力も、内燃機関の個体ごとに異なる。このため、当該力に抗しながら制御部材を目標位置まで変位させるまでの間に、モータがする仕事量も、個体ごとのばらつきが生じる。したがって、制御部材を目標となる位置まで迅速に変位させ、内燃機関の運転状態の切り替えを行うことが難しいという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御部材を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関の運転状態の切り替えを行う制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る制御装置は、モータ（１５）を制御し、該モータの駆動によってカム（１７）を回転させ、該カムの外周面（１７ａ）に当接する制御部材（１２）を変位させることで内燃機関（１００）の運転状態を切り替える制御装置（２１）であって、カムの回転角を検出する回転角検出手段（２１１）と、制御部材が当接するカムの外周面の部位を、カムが回転しても制御部材を変位させない第１静止部及び第２静止部の間で切り替える切替動作を行うためにモータに電力を供給する電力供給手段（２１２）と、切替動作を行うためにモータがした仕事量を算出する仕事量算出手段（２１３）と、仕事量算出手段が算出した仕事量に基づいてゲインを算出するゲイン算出手段（２１４）と、を備える。電力供給手段は、ゲイン算出手段で算出したゲインを用いて、回転角検出手段で検出した回転角が目標値となるようにモータに供給する電力を調整するフィードバック制御を行う。

本発明に係る制御装置では、第１静止部と第２静止部との間での切替動作において、モータがした仕事量を算出する。また、制御装置は、この仕事量に基づいてゲインを算出するとともに、当該ゲインを用いて、カムの回転角が目標値と一致するようにフィードバック制御を行う。したがって、内燃機関の特性のばらつきにより、切替動作においてモータがする仕事量にばらつきが生じる場合にも、それに応じたゲインを用いることにより、制御軸を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関の運転状態の切り替えを行うことが可能となる。

本発明によれば、制御部材を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関の運転状態の切り替えを行う制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る制御装置を適用したバルブ制御システムの概略構成図である。カム及び制御軸の概略構成を示す図である。制御装置の機能的なブロックを説明するための制御ブロック図である。軸力とエンジン回転数との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る制御装置による制御を示すフローチャートである。カムの回転角とモータに供給された電流との関係を示す図である。ゲイン比率とモータの仕事量との関係を示す図である。ゲイン比率とエンジン回転数との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１乃至図３を参照しながら、本発明の実施形態に係る制御装置２１と、制御装置２１が適用されるバルブ制御システム１１と、の概要について説明する。バルブ制御システム１１は、車両に搭載される内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブを制御するシステムである。バルブ制御システム１１は、制御軸１２（制御部材）と、アクチュエータ部１３と、バルブ開閉特性変更機構１４と、を有している。

図１に示されるように、制御軸１２は、その軸方向にスライドすることで変位する棒状の部材である。制御軸１２の一端１２ａはアクチュエータ部１３側に設けられ、他端１２ｂはバルブ開閉特性変更機構１４側に設けられている。

アクチュエータ部１３は、制御軸１２に軸方向の力を付加して、制御軸１２を変位させる機構である。アクチュエータ部１３は、モータ１５と、減速機１６と、カム１７と、回転角センサ１９と、を有している。

モータ１５は、電力の供給を受けることで回転駆動し、トルクを発生させる原動機である。モータ１５の出力軸は減速機１６に接続されている。モータ１５が発生させたトルクは、減速機１６を介してカム１７に伝達される。

図２に示されるように、カム１７は、モータ１５の回転に伴って減速機１６からトルクが伝達されることで、回転中心ＲＣ周りに回転するように構成されている。また、カム１７の外周面１７ａは曲面として形成されている。また、カム１７は、その回転中心ＲＣから外周面１７ａまでの距離が、外周面１７ａの部位によって互いに異なるように形成されている。

カム１７の外周面１７ａには、第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ及び第３静止部ＨＰが、互いに間隔を空けて形成されている。このうち、第１静止部ＬＰは、回転中心ＲＣからの距離が最も小さい部位である。また、第３静止部ＨＰは、回転中心ＲＣからの距離が最も大きい部位である。すなわち、回転中心ＲＣからの距離は、第１静止部ＬＰから第２静止部ＭＰを経て第３静止部ＨＰまで、３段階で大きくなるように構成されている。尚、図２では、説明の便宜上、第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ及び第３静止部ＨＰを太線で示している。このようなカム１７の外周面１７ａには、制御軸１２の一端１２ａが当接している。

回転角センサ１９は、カム１７の近傍に配置され、カム１７の基準位置からの回転角に応じて信号を出力するセンサである。回転角センサ１９が出力する信号は、信号線を介して制御装置２１（図１参照）に入力される。

バルブ開閉特性変更機構１４は、内燃機関１００に取り付けられる。バルブ開閉特性変更機構１４は、吸気バルブ及び排気バルブの開閉特性を変更することで、内燃機関１００の吸気及び排気の特性を切り替える機構である。具体的には、バルブ開閉特性変更機構１４は、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブの最大リフト量と作用角を変化させる。バルブ開閉特性変更機構１４には、制御軸１２の他端１２ｂが接続される。

制御装置２１は、以上のようなバルブ制御システム１１を制御する。制御装置２１は、モータ１５及び回転角センサ１９と電気的に接続されており、信号を受信して処理を行ったり、電力の供給を行ったりする。

制御装置２１は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、制御装置２１には機能的な制御ブロックが構成される。図３は、制御装置２１を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。尚、制御装置２１を構成するアナログ回路又はデジタルプロセッサに組み込まれるソフトウェアのモジュールは、必ずしも図３に示す制御ブロックのように分割されている必要はない。すなわち、複数の制御ブロックの働きをするものとして構成されていても構わず、更に細分化されていても構わない。制御装置２１として後述する処理フローを実行できるように構成されていれば、制御装置２１内部の実際の構成は当業者が適宜変更できうるものである。

図３に示されるように、制御装置２１は、機能的な制御ブロックとして、回転角検出部２１１（回転角検出手段）と、電力供給部２１２（電力供給手段）と、電力量算出部２１３（仕事量算出手段）と、ゲイン算出部２１４（ゲイン算出手段）と、記憶部２１５と、を備えている。

回転角検出部２１１は、回転角センサ１９から受信した信号を処理する部分である。回転角検出部２１１は、当該処理によってカム１７の回転角を検出する。

電力供給部２１２は、アクチュエータ部１３のモータ１５に駆動用の電力を供給する部分である。詳細には、電力供給部２１２は、図示しないバッテリに蓄えられている電力を、カム１７の回転角が目標値と一致するように、供給量を調整しながらモータ１５に供給する。

電力量算出部２１３は、電力供給部２１２がモータ１５に供給した電力量を算出する部分である。この電力量の算出方法については後述する。

ゲイン算出部２１４は、フィードバック制御に用いられるゲインを算出する部分である。ここで算出されたゲインは、カム１７の回転角を目標値に一致させるためのＰＩＤ制御において用いられる。

記憶部２１５は、制御装置２１における制御処理に使用される種々のデータを書き込むとともに、当該データの読み出しを可能とする部分である。具体的には、記憶部２１５には、ゲイン算出部２１４において算出されたゲインが書き込まれるとともに、当該ゲインは電力供給部２１２によって読み出すことができる。

尚、以下では簡便のため、制御装置２１の回転角検出部２１１等の各ブロックによって行われている処理も、総括して制御装置２１が行うものとして説明する。

制御装置２１は、回転角センサ１９から受信した信号により、カム１７の回転角と目標値とに乖離があると判断した場合に、当該回転角を目標値に一致させるべく、モータ１５に電力の供給を開始する。モータ１５は、供給された電力量に応じて回転駆動し、それに伴ってカム１７も回転する。

カム１７の外周面１７ａのうち、制御軸１２の一端１２ａが当接する部位は、カム１７の回転に伴って変化する。さらに、外周面１７ａと一端１２ａとの当接部位が変化することにより、カム１７の回転中心ＲＣから一端１２ａまでの距離が変化する。これにより、制御軸１２が軸方向に往復するように変位する。

ここで、カム１７の回転角と制御軸１２の変位は一義的な関係にある。このため、回転角センサ１９によるカム１７の回転角の検出値を、目標値に一致させるフィードバック制御を行うことで、制御軸１２の位置も目標位置に収束させることができる。

また、前述した外周面１７ａの第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ及び第３静止部ＨＰは、カム１７の回転時に制御軸１２を変位させないように形成されている。つまり、第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ及び第３静止部ＨＰは、いずれも半径が一定の円弧状に形成されており、制御軸１２の一端１２ａがそれらを通過する際は、回転中心ＲＣから一端１２ａまでの距離が変化しないように構成されている。このため、一端１２ａが第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰと当接している場合のみ、カム１７が回転しても制御軸１２は変位することなく、静止した状態となる。

内燃機関１００は、制御軸１２の位置に応じて異なる作用を受ける。制御軸１２の一端１２ａがカム１７の外周面１７ａの第１静止部ＬＰと当接している場合、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブの最大リフト量は最少となる。一方、制御軸１２の一端１２ａがカム１７の外周面１７ａの第３静止部ＨＰと当接している場合は、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブの最大リフト量は最大となる。また、制御軸１２の一端１２ａがカム１７の外周面１７ａの第２静止部ＭＰと当接している場合は、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブの最大リフト量は、第１静止部ＬＰと当接している場合よりも大きく、第３静止部ＨＰと当接している場合よりも小さなものとなる。すなわち、制御装置２１は、制御軸１２が当接する位置を第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ及び第３静止部ＨＰのいずれかに切り替えることにより、吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を３段階に切り替えることができる。

次に、図４を参照しながら、以上のように構成されたバルブ制御システム１１において、制御軸１２に付加される力について説明する。

内燃機関１００の運転時、制御軸１２には、内燃機関１００の振動や、吸気バルブ及び排気バルブの移動に起因した力が付与される。具体的には、制御軸１２には、内燃機関１００からバルブ開閉特性変更機構１４を介して、軸方向の力が付加される（以下、この力を「軸力」という）。この軸力は、モータ１５が回転して制御軸１２を変位させる際の抵抗力となる。

この軸力は、内燃機関１００の回転数と相関がある。図４に示されるように、内燃機関１００の基準となる特性を示す実線ＡＢでは、低回転域と高回転域とにおいて、軸力が大きくなるような傾向を示す。このため、制御軸１２を変位させる際に、モータ１５がカム１７を介して制御軸１２に付加する必要がある力は、内燃機関１００の回転数に伴って変化し、低回転域と高回転域とで特に大きくなる。

ところで、バルブ制御システム１１が適用される内燃機関１００が同一型式のものであっても、その製造工程や使用条件等のばらつきなどから、その特性に個体差が生じる。このため、バルブ制御システム１１の制御軸１２が内燃機関１００から受ける軸力も、内燃機関１００の個体ごとに異なったものとなる。

したがって、図４に示されるように、ある個体では、破線ＡＨのように軸力が基準よりも高くなる傾向を示したり、別の個体では、破線ＡＬのように軸力が基準よりも低くなる傾向を示したりするという、個体ごとの特性のばらつきが生じる。このように、内燃機関１００の特性に個体ごとのばらつきがあると、フィードバック制御により制御軸１２を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関１００の運転状態の切り替えを行うことが難しくなる。

そこで、本実施形態に係る制御装置２１では、このフィードバック制御に用いられるゲインを調整することで、この課題の解決を図っている。以下、図５乃至図８を参照しながら、制御装置２１の制御処理について説明する。

まず、図５に示されるように、制御装置２１は、ステップＳ１で、制御軸１２の一端１２ａを、第１静止部ＬＰから第２静止部ＭＰまで移動させる間、第２静止部ＭＰから第３静止部ＨＰまで移動させる間、第３静止部ＨＰから第１静止部ＬＰまで移動させる間、のそれぞれにおいて、モータ１５がした仕事量を算出する。

ここで、モータ１５がした仕事量は、モータ１５に供給された電流及び電圧から算出することができる。図６の上段に示されるように、回転角センサ１９によるカム１７の回転角の検出値を、目標値に一致させるようにモータ１５を駆動させる間に、モータ１５に供給される電流の値は図６の下段に示されるような変化を示す。このうち、回転角センサ１９による検出値が変化を開始してから、目標値と一致するまで期間である算出期間において、図６の下段に示す面積Ｓと、モータ１５に供給された電圧との積である電力量が、モータ１５がした仕事量となる。

次に、制御装置２１は、ステップＳ２で、算出したモータ１５の仕事量に基づいてゲイン比率を算出する。制御装置２１は、その記憶部２１５（図３参照）に、図７に示されるゲイン比率−モータ仕事量マップを記憶している。制御装置２１は、このゲイン比率−モータ仕事量マップに基づいて、ゲイン比率の算出を行う。

このゲイン比率−モータ仕事量マップは、内燃機関１００の基準となる特性に対応したモータ１５の仕事量を「基準値」としている。また、ゲイン比率−モータ仕事量マップでは、当該「基準値」に対応するゲイン比率を「１」としている。内燃機関１００の特性のばらつきにより、モータ１５の仕事量が基準値から乖離するのに伴い、ゲイン比率は比例的に変化するように設定されている。

制御装置２１は、算出したモータ１５の仕事量を、このゲイン比率−モータ仕事量マップと対照させることで、ゲイン比率を算出する。すなわち、制御装置２１は、内燃機関１００の特性に応じた適切なゲインと、モータ１５の仕事量が「基準値」の場合のゲインと、の比率を算出する。制御装置２１は、内燃機関１００の異なる回転数にそれぞれ対応するゲイン比率を算出する。

次に、制御装置２１は、ステップＳ３で、算出したゲイン比率を記憶する。詳細には、制御装置２１は、算出したゲイン比率と、当該ゲイン比率が算出された際の内燃機関１００の回転数とを対応させて、その記憶部２１５（図３参照）に書き込みを行う。

以上のようにして、内燃機関１００の回転数に対応するゲイン比率を記憶部２１５に書き込むことで、記憶部２１５には、図８に示されるようなゲイン比率−内燃機関回転数マップが作成される。内燃機関１００の回転数を細かく区分し、各回転数におけるゲイン比率を算出することで、図８に示されるような連続的なゲイン比率の値を得ることができる。

制御装置２１は、回転角センサ１９によるカム１７の回転角の検出値を、目標値に一致させるフィードバック制御を行う際に、このゲイン比率−内燃機関回転数マップから得たゲイン比率を用いる。つまり、制御装置２１は、まず、内燃機関１００の回転数を、このゲイン比率−内燃機関回転数マップと対照させることでゲイン比率を算出する。次に、制御装置２１は、内燃機関１００の基準となる特性に対応したゲインに、算出したゲイン比率を乗じたものを新たなゲインとして、フィードバック制御に用いる。

以上のように、本実施形態に係る制御装置２１では、第１静止部ＬＰと第２静止部ＭＰとの間、第２静止部ＭＰと第３静止部ＨＰとの間、及び、第３静止部ＨＰと第１静止部ＬＰとの間での切替動作において、モータ１５がした仕事量を算出する。この電力量に基づいてゲインを算出するとともに、当該ゲインを用いて、カム１７の回転角が目標値と一致するようにフィードバック制御を行うことで、内燃機関１００の個々の特性に応じて、制御軸１２を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関１００の運転状態の切り替えを行うことが可能となる。

また、制御装置２１は、切替動作においてモータ１５がした仕事量を、モータ１５に供給した電力量から算出する。これは、当該切替動作においてモータ１５に供給した電力量は、モータ１５がした仕事量と比例的な相関があるため、可能となるものである。したがって、制御装置２１は、モータ１５がした仕事量を簡易かつ正確に算出することが可能となる。

また、制御装置２１は、内燃機関１００の異なる回転数のそれぞれ対応するゲインを算出する。これにより、制御軸１２が内燃機関１００から付加される軸力が内燃機関１００の回転数によって変化しても、それに応じて変化するゲインを用いてフィードバック制御を行うことができる。したがって、内燃機関１００の回転数に応じて、制御軸１２を目標となる位置まで迅速かつ正確に変位させて、内燃機関１００の運転状態の切り替えを行うことが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１２：制御軸（制御部材）
１５：モータ
１７：カム
１７ａ：外周面
２１：制御装置
１００：内燃機関
２１１：回転角検出部（回転角検出手段）
２１２：電力供給部（電力供給手段）
２１３：電力量算出部（仕事量算出手段）
２１４：ゲイン算出部（ゲイン算出手段）

Claims

モータ（１５）を制御し、該モータの駆動によってカム（１７）を回転させ、該カムの外周面（１７ａ）に当接する制御部材（１２）を変位させることで内燃機関（１００）の運転状態を切り替える制御装置（２１）であって、
前記カムの回転角を検出する回転角検出手段（２１１）と、
前記制御部材が当接する前記カムの外周面の部位を、前記カムが回転しても前記制御部材を変位させない第１静止部及び第２静止部の間で切り替える切替動作を行うために前記モータに電力を供給する電力供給手段（２１２）と、
前記切替動作を行うために前記モータがした仕事量を算出する仕事量算出手段（２１３）と、
前記仕事量算出手段が算出した仕事量に基づいてゲインを算出するゲイン算出手段（２１４）と、を備え、
前記電力供給手段は、前記ゲイン算出手段で算出したゲインを用いて、前記回転角検出手段で検出した回転角が目標値となるように前記モータに供給する電力を調整するフィードバック制御を行うことを特徴とする制御装置。
前記仕事量算出手段は、前記切替動作を行うために前記電力供給手段が前記モータに供給した電力量を算出することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記ゲイン算出手段は、前記内燃機関の異なる回転数のそれぞれ対応する前記ゲインを算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。