JP6304009B2

JP6304009B2 - 制御装置

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Publication number: JP6304009B2
Application number: JP2014249589A
Authority: JP
Inventors: 真一杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: JP2016109093A; WO2016092753A1; DE112015005545T5

Description

本発明は、モータを制御し、モータの出力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リフト量等を、その時々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るものである。

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。モータの出力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。これにより、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。制御部材が複数の静止部のいずれかと当接した状態では、モータへの電力の供給を行うことなく、制御部材を静止させている。

制御部材は、その位置を適宜切り替えられることにより、吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、その時々の内燃機関の運転状態に適したものに切り替える。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

上記特許文献１に記載の制御部材には、内燃機関の運転時の振動や、車両の走行による振動が外乱として作用する。この外乱のため、制御部材がカムの複数の静止部のいずれかと当接した状態を維持できなくなるおそれがある。

その結果、制御部材がカムの静止部から不作為に移動し、静止部とは異なる部位でカムと当接してしまうと、それに伴って内燃機関の吸気バルブや排気バルブのリフト量も変化してしまう。このため、内燃機関の運転時や車両の走行時に、当該リフト量を、その時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが困難になるおそれがあった。

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、制御部材に外乱が作用しても、制御部材をカムの特定部位に当接させた状態を維持し、内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、確実にその時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが可能な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、該モータの出力によってカム（１７）を回転させ、該カムの外周面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、制御部材が当接するカムの外周面（１７ａ）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（ＬＰ）及び第２静止部（ＭＰ）の間で切り替えるためにモータに電力を供給する電力供給手段（２１２）を備え、電力供給手段は、制御部材が第１静止部又は第２静止部と当接した状態において、制御部材に作用する外乱が増大する所定条件となった場合は、モータに電力を供給し、最大デューティーよりも小さい維持用デューティー（Ｄ１）でモータを出力させる。

本発明に係る制御装置では、制御部材が第１静止部又は第２静止部と当接した状態において、制御部材に作用する外乱が増大する所定条件となった場合は、モータに電力を供給する。この電力が供給されたモータは出力するが、この際のデューティーは、モータの最大デューティーよりも小さい維持用デューティーである。

したがって、本発明に係る制御装置によれば、モータを維持用デューティーで出力させることで、制御部材に作用する外乱に抗し、制御部材をカムの外周面の第１静止部又は第２静止部に当接させた状態を維持することが可能となる。これにより、内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、確実にその時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが可能となる。

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、制御部材に外乱が作用しても、制御部材をカムの特定部位に当接させた状態を維持し、内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、確実にその時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが可能な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。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。本発明の実施形態に係る制御装置による制御の一例を示すタイムチャートである。

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と、電力供給部２１２（電力供給手段）と、内燃機関回転数検出部２１３と、記憶部２１４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。

内燃機関回転数検出部２１３は、その時々の内燃機関１００の回転数を検出する部分である。内燃機関回転数検出部２１３は、図示しないクランク角センサから受信する信号を処理し、当該処理によって内燃機関１００の回転数を検出する。

記憶部２１４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。

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への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リフト量はＶＬ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リフト量は、ＶＬよりも大きいＶＨ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リフト量は、ＶＬよりも大きくＶＨよりも小さいＶＭ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ＶＬ，ＶＭ，ＶＨの３段階に切り替えることができる。

ところで、制御軸１２に外乱が作用すると、制御軸１２がカム１７の第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰと当接した状態を維持できなくなるおそれがある。このような外乱により、制御軸１２が第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰから不作為に移動し、これらとは異なる位置でカム１７と当接した状態になってしまうと、それに伴い内燃機関１００の吸気バルブや排気バルブのリフト量が変化する。これにより、当該リフト量を、内燃機関１００の運転状態に適したものに維持することが困難になるおそれがある。

そこで、本実施形態に係る制御装置２１では、制御軸１２に外乱が作用し、上記当接状態を維持できなくなる懸念がある場合は、その対策を施す制御処理を行う。以下、図４及び図５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。

図５に示される時刻ｔ１で、ユーザにより車両のイグニションスイッチがオンにされ、制御軸１２の一端１２ａがカム１７の第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰと当接した状態になると、制御装置２１は、図４に示される制御処理を所定周期で実行する。

まず、制御装置２１は、図４に示されるステップＳ１で、内燃機関１００が始動状態にあるか否かを判定する。すなわち、図５の上段の時刻ｔ２から時刻ｔ３に示されるように、内燃機関１００が、その回転数を閾値であるＮ３まで増加させようとしている状態にあるか否かを判定する。

このように、それまで運転を停止していた内燃機関１００を始動させ、その回転数を増加させる状態では、内燃機関１００に大きな振動が発生することが懸念される。特に、内燃機関１００の温度が外気温と同等又はそれ以下の状態から始動させる冷間始動では、この振動の懸念が顕著なものとなる。内燃機関１００が始動状態にあると判定された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御装置２１は、ステップＳ４に進む。

次に、制御装置２１は、図４に示されるステップＳ４で、モータ１５に電力を供給し、デューティーＤ１で出力させる。図５の下段の時刻ｔ２から時刻ｔ３に示されるように、このデューティーＤ１は、モータ１５の最大デューティーよりも小さな値として設定されている。

一方、ステップＳ１で内燃機関１００が始動状態ではないと判定された場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、制御装置２１はステップＳ２に進む。

次に、制御装置２１は、ステップＳ２で、内燃機関１００が共振域付近にあるか否かを判定する。具体的には、図５の上段の時刻ｔ４から時刻ｔ５に示されるように、制御装置２１は、内燃機関１００の回転数が、内燃機関１００の共振を招く回転数であるＮｒ付近にあるか否かを判定する。

内燃機関１００の回転数がＮｒ付近にあると判定された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御装置２１はステップＳ４に進み、前述した処理を行う。

一方、ステップＳ２で内燃機関１００の回転数がＮｒ付近にはないと判定された場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御装置２１はステップＳ３に進む。

次に、制御装置２１は、ステップＳ３で、内燃機関１００が停止移行状態にあるか否かを判定する。すなわち、図５の上段の時刻ｔ６から時刻ｔ７に示されるように、ユーザにより車両のイグニションスイッチがオフにされ、内燃機関１００の回転数が０となるまでの状態にあるか否かを判定する。この停止移行状態も、内燃機関１００に大きな振動が発生することが懸念される。

内燃機関１００が停止移行状態にあると判定された場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御装置２１は、次にステップＳ４に進み、前述した処理を行う。

前述したように、制御装置２１は、ステップＳ４でモータ１５に電力を供給し、デューティーＤ１で出力させる。このデューティーＤ１は、制御軸１２の一端１２ａがカム１７第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰに当接している状態において、カム１７を回転させて当該当接状態を解除できるほど大きなものではない。

しかしながら、内燃機関１００の運転状態が、始動状態や、共振域付近にある状態や、停止移行状態にある場合は、デューティーＤ１によるモータ１５の出力は、振動によって上記当接状態が解除されることを妨げる力として作用する。

したがって、本実施形態に係る制御装置２１によれば、モータ１５をデューティーＤ１で出力させることで、制御軸１２に作用する外乱に抗し、制御軸１２をカム１７の外周面１７ａの第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰに当接させた状態を維持することが可能となる。これにより、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、確実にその時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが可能となる。

また、制御装置２１は、内燃機関１００の運転状態が、回転数を増加させる始動状態、内燃機関１００が共振域付近にある共振状態、及び、内燃機関１００が停止するために回転数を低下させる停止移行状態、の少なくともいずれかにある場合に、デューティーＤ１に対応する電力をモータ１５に供給する。

したがって、制御軸１２に特に大きな外乱が作用することが懸念されるこれらの状態においても、制御軸１２をカム１７の外周面１７ａの第１静止部ＬＰ、第２静止部ＭＰ又は第３静止部ＨＰに当接させた状態を維持することが可能となる。これにより、内燃機関１００の吸気バルブ及び排気バルブのリフト量を、さらに確実にその時々の内燃機関の運転状態に適したものに維持することが可能となる。

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
２１２：電力供給部（電力供給手段）
Ｄ１：デューティー（維持用デューティー）
ＨＰ：静止部
ＬＰ：第１静止部
ＭＰ：第２静止部
ＨＰ：第３静止部

Claims

モータ（１５）を制御し、該モータの出力によってカム（１７）を回転させ、該カムの外周面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、
前記制御部材が当接する前記カムの外周面（１７ａ）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（ＬＰ）及び第２静止部（ＭＰ）の間で切り替えるために前記モータに電力を供給する電力供給手段（２１２）を備え、
前記電力供給手段は、前記制御部材が前記第１静止部又は前記第２静止部と当接した状態において、前記制御部材に作用する外乱が増大する所定条件となった場合は、前記モータに電力を供給し、最大デューティーよりも小さい維持用デューティー（Ｄ１）で前記モータを出力させることを特徴とする制御装置。
前記電力供給手段は、前記内燃機関の運転状態が、回転数を増加させる始動状態、前記内燃機関が共振域付近にある共振状態、及び、前記内燃機関が停止するために回転数を低下させる停止移行状態、の少なくともいずれかにある場合に、前記維持用デューティーに対応する電力を前記モータに供給することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。