JP6739377B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
前記制御装置は、カム角信号が出力される毎に該カム角信号とクランク角信号とに基づいてカム角信号出力時の回転位相を算出する手段と、所定の演算周期で前記モータの回転速度とクランク軸の回転速度の1/2の値との差に基づいて回転位相の変化量を算出する手段と、所定の演算周期でカム角信号出力時の回転位相の算出値と回転位相の変化量の算出値とに基づいて最終的な回転位相を算出する手段と、を備える。
係る制御システムにおいて、カム角信号及びクランク角信号は、燃料噴射や点火の制御のために必要となる信号であり、また、可変バルブタイミング装置のフィードバック制御においては、カム角信号及びクランク角信号から検出した回転位相が用いられる。
しかし、係る構成では、複製回路や専用信号ラインなどを設けるために、制御装置の構成が複雑化し、これに伴って制御装置のコストが嵩むという問題が生じる。
一方、第1電子制御装置にカム角信号及びクランク角信号を入力させ、第1電子制御装置で回転位相を検出し、検出した回転位相を第2電子制御装置に通信回路を介して通信させれば、複製回路や専用信号ラインなどを削減することが可能となる。
図1は、本発明に係る制御装置及び制御方法を適用する内燃機関の一態様を示す。
図1の内燃機関101は、図示を省略した車両に搭載され、車両の動力源として用いられる。
吸気バルブ105は、各気筒の燃焼室104の吸気口を開閉する。
燃料噴射弁106は、各気筒の吸気ポート102aに配置される。尚、燃料噴射弁106を、燃焼室104内に直接燃料を噴射するように配置することができる。
また、排気バルブ110は、燃焼室104の排気口を開閉し、排気バルブ110が開くことで燃焼室104内の排ガスが排気管111に排出される。
吸気バルブ105は、クランクシャフト109によって回転駆動される吸気カムシャフト115aの回転に伴って開動作する。また、排気バルブ110は、クランクシャフト109によって回転駆動される排気カムシャフト115bの回転に伴って開動作する。
また、気筒毎に設けた点火プラグ107には、点火プラグ107に点火エネルギーを供給する点火モジュール116がそれぞれ直付けされている。点火モジュール116は、点火コイル及び点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタを備えている。
ECM201は、マイクロコンピュータ201aを備えた電子制御装置(第1電子制御装置)であり、各種センサの出力信号を入力し、予めメモリに格納されたプログラムに従って演算処理を行うことで、燃料噴射弁106、点火モジュール116などの各種デバイスの操作量を演算して出力する。
ECM201と電動VTCドライバ202とは、CAN(Controller Area Network)などの通信回路211を介して相互に通信可能に構成されている。
ECM201は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSを入力し、入力したクランク角信号POSを複製し、複製したクランク角信号POSを専用信号ラインであるPOS信号線212を介して電動VTCドライバ202に出力する。
クランク角信号POSの出力周期である単位クランク角は、例えばクランク角10degであり、また、気筒間の行程位相差は点火間隔に相当し、4気筒内燃機関ではクランク角180degになる。
クランク角信号POSの欠落箇所若しくは基準クランク角信号の出力位置は、各気筒のピストンが基準ピストン位置に位置していることを表す。つまり、クランク角信号POSの欠落箇所は、基準クランク角信号の代わりとして、基準クランク角位置の検出に用いられる。
吸気カムシャフト115aは、クランクシャフト109の回転速度の半分の速度で回転する。このため、内燃機関101が4気筒機関で、気筒間の行程位相差に相当するクランク角が180degである場合、クランク角180degは吸気カムシャフト115aの回転角90degに相当することになる。つまり、カム角センサ204は、吸気カムシャフト115aが90deg回転する毎にカム角信号CAMを出力する。
なお、気筒判別処理のためのカム角信号CAMのパルス数の設定は上記のパターンに限定されるものではなく、また、カム角信号CAMのパルス数に基づき気筒判別される構成に代えて、カム角信号CAMのパルス幅や振幅で気筒判別されるように、カム角センサ204の出力特性(信号出力パターン)を設定することができる。
なお、可変バルブタイミング装置114の構造は、図3−図5に例示したものに限定されるものではなく、モータの回転速度によってクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を可変とする構造である公知の可変バルブタイミング装置を適宜採用できる。
また、タイミングスプロケット1は、スプロケット本体1aの内周側に形成された円形溝1cと吸気カムシャフト115aの前端部に一体に設けられたフランジ部2aの外周との間に介装された第3ボールベアリング43によって、吸気カムシャフト115aに回転自在に支持されている。
スプロケット本体1aの前端部には、環状突起1eの内周側に同軸に位置決めされ内周に波形状の噛み合い部である内歯19aが形成された環状部材19と、円環状のプレート6とが、ボルト7によって軸方向から共締め固定されている。
プレート6の前端側外周には、位相変更装置4を構成する減速機8やモータ12などを覆う円筒状のハウジング5がボルト11によって固定されている。
なお、モータ12は、可変バルブタイミング装置114のアクチュエータである。
吸気カムシャフト115aは、外周に吸気バルブ105を開作動させる駆動カム(図示省略)を有すると共に、前端部に従動回転体である従動部材9がカムボルト10によって軸方向から結合されている。
このストッパ凹溝2bは、円周方向に沿って所定長さの円弧状に形成され、この長さ範囲内で回動したストッパ凸部1dの両端縁が周方向の対向縁2c、2dにそれぞれ当接することによって、タイミングスプロケット1に対する吸気カムシャフト115aの進角側及び遅角側の相対回転位置を機械的に規制するようになっている。
そして、ストッパ凸部1dの端縁がストッパ凹溝2bの対向縁2c、2dの一方に当接する位置が、機械的ストッパで制限されるバルブタイミングの最進角位置となり、他方に当接する位置が、機械的ストッパで制限されるバルブタイミングの最遅角位置となる。
従動部材9は、鉄系金属材によって形成され、図4に示すように、前端側に形成された円板部9aと、後端側に一体に形成された円筒状の円筒部9bとで構成される。
そして、環状段差突起9cの外周面とフランジ部2aの外周面が第3ボールベアリング43の内輪43aの内周に挿通配置される。第3ボールベアリング43の外輪43bは、スプロケット本体1aの円形溝1cの内周面に圧入固定される。
保持器41は、円板部9aの外周部から円筒部9bと同方向に突出し、円周方向のほぼ等間隔の位置に所定の隙間を有して複数の細長い突起部41aが形成されている。
円筒部9bは、中央にカムボルト10の軸部10bが挿通される挿通孔9dが貫通形成され、円筒部9bの外周側には第1ニードルベアリング28が設けられる。
カバー本体3aは、位相変更装置4の前端側、つまりハウジング5の軸方向の保持部5bから後端部側のほぼ全体を、所定隙間をもって覆うように配置される。一方、ブラケット3bは、ほぼ円環状に形成され、6つのボス部にそれぞれボルト挿通孔3fが貫通形成されている。
さらに、カバー部材3の上端部には、スリップリング48a,48bに導電部材を介して接続されたコネクタ端子49aを有するコネクタ部49を設けてある。
なお、コネクタ端子49aには、電動VTCドライバ202を介して図外のバッテリー電源からの電力が供給される。
第1オイルシール50は、横断面がほぼコ字形状に形成され、合成ゴムの基材の内部に芯金が埋設されている。また、第1オイルシール50の外周側の円環状基部50aは、カバー本体3a後端部の内周面に形成された円形溝3d内に嵌着固定される。
更に、第1オイルシール50の円環状基部50aの内周側には、ハウジング5の外周面に当接するシール面50bが一体に形成されている。
モータ12は、例えばブラシ付きのDCモータであって、タイミングスプロケット1と一体に回転するヨークであるハウジング5と、ハウジング5の内部に回転自在に設けられた出力軸であるモータ軸13と、ハウジング5の内周面に固定された半円弧状の一対の永久磁石14,15と、ハウジング保持部5aの内底面側に固定された固定子16と、を備えている。
また、モータ軸13の前端部外周には、コミュテータ20が圧入固定されており、コミュテータ20には、鉄心ロータ17の極数と同数に分割された各セグメントに電磁コイル18が接続されている。
また、モータ軸13の吸気カムシャフト115a側の後端部には、減速機8の一部を構成する円筒状の偏心軸部30が一体に設けられている。
第2オイルシール32は、内周部がモータ軸13の外周面に弾接することによって、モータ軸13の回転に摩擦抵抗を付与する。
偏心軸部30の外周面に形成されたカム面の軸心は、モータ軸13の軸心Xから径方向へ僅かに偏心している。なお、第2ボールベアリング33、ローラ34などが遊星噛み合い部として構成されている。
そして、第2ボールベアリング33の内輪33aが偏心軸部30の外周面に圧入固定されると共に、第2ボールベアリング33の外輪33bの外周面にはローラ34が常時当接している。
各ローラ34は、第2ボールベアリング33の偏心動に伴って径方向へ移動しつつ環状部材19の内歯19aに嵌入すると共に、保持器41の突起部41aによって周方向にガイドされつつ径方向に揺動運動するようになっている。
潤滑油供給手段は、シリンダヘッドの軸受44の内部に形成されて図外のメインオイルギャラリーから潤滑油が供給される油供給通路44aと、吸気カムシャフト115aの内部軸方向に形成されて油供給通路44aにグルーブ溝を介して連通した油供給孔48と、従動部材9の内部軸方向に貫通形成されて一端が油供給孔48に開口し他端が第1ニードルベアリング28と第2ボールベアリング33の付近に開口した小径なオイル供給孔45と、同じく従動部材9に貫通形成された大径な3つのオイル排出孔(図示省略)と、から構成されている。
まず、内燃機関101のクランクシャフト109が回転駆動するとタイミングチェーン42を介してタイミングスプロケット1が回転し、その回転力によりハウジング5、環状部材19及びプレート6を介してモータ12が同期回転する。
電動VTCドライバ202は、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(つまり、吸気バルブ105のバルブタイミング)を進角又は遅角させる場合、可変バルブタイミング装置114のモータ12に通電してトルクを発生させる。モータトルクは、減速機8を介して吸気カムシャフト115aに伝達される。
この各ローラ34の転接によってモータ軸13の回転が減速されつつ従動部材9に回転力が伝達される。なお、モータ軸13の回転が従動部材9に伝達されるときの減速比は、ローラ34の個数などによって任意に設定することが可能である。
つまり、可変バルブタイミング装置114では、モータ12がタイミングスプロケット1から回転駆動力を受けて従動回転し、モータ軸13がタイミングスプロケット1と同じ回転速度で回転するときには、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相(バルブタイミング)は変化しない。
電動VTCドライバ202は、可変バルブタイミング装置114のモータ12の回転速度を調整することによって、クランクシャフト109に対する吸気カムシャフト115aの回転位相を可変に制御する機能をソフトウェアとして備え、位相検出値RA(制御量)を目標位相TA(目標値)に近づけるようにモータ12の操作量を演算する、回転位相のフィードバック制御(自動制御)を実施する。
一方、電動VTCドライバ202は、ECM201から通信された位相検出値RABを、モータ角センサ210が出力するモータ角信号MASに基づき補間して最終的な位相検出値RAを求め、補間処理後の位相検出値RAと目標位相TAとを比較して、モータ12を制御する。
ECM201は、目標値演算部501、回転位相検出部502、CAN入出力回路503、POS信号複製回路504などを備える。
また、回転位相検出部502は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POS、及び、カム角センサ204が出力するカム角信号CAMを入力し、カム角信号CAMの入力毎に位相検出値RABを演算するとともに、位相検出値RABの演算タイミングを示す演算タイミング情報CTIを演算する。
基準クランク角位置からカム角信号CAMが入力されるまでのクランク角度(deg)の計測において、回転位相検出部502は、クランク角信号POSの入力数の積算値(POSカウント値CPOS)や、機関回転速度(クランク角信号POSの周期TPOS)に基づく経過時間のクランク角度換算などを用いる。
POSカウント値CPOSは、クランク角信号POSの欠落部に基づき設定される基準クランク角位置(本実施形態では、欠落後の最初のクランク角信号POS)からのクランク角信号POSの発生数を計数したものである。
POS信号複製回路504は、クランク角センサ203が出力するクランク角信号POSを入力し、複製したクランク角信号POSを、POS信号線212を介して電動VTCドライバ202に送信する。
CAN入出力回路601は、ECM201から通信される、目標位相TA、位相検出値RAB、及び演算タイミング情報CTIを入力処理し、目標位相TAをモーションコントロール部605に出力し、位相検出値RABを補間処理部604に出力し、演算タイミング情報CTIを変化量演算部603に出力する。
変化量演算部603には、演算タイミング情報CTI及び複製クランク角信号POSとともに、モータ角センサ210が出力するモータ角信号MASがモータ角入力回路608を介して入力される。
また、変化量演算部603は、位相検出値RAの更新タイミング毎に変化量ΔRAをリセットする校正処理を実施することで、位相検出値RAの更新タイミングからの回転位相の変化量が変化量ΔRAとして演算されるようにする。
これにより、電動VTCドライバ202は、ECM201から位相検出値RABの更新値を受け取ったタイミングを変化量ΔRAを求める起点とすると、補間誤差が生じる。
変化量演算部603は、過去複数回のクランク角信号POSの入力タイミングでの変化量ΔRAのそれぞれ記憶し、演算タイミング情報CTIが示す位相検出値RABの更新タイミングに相当するクランク角信号POSのとき(図7の時刻t11)の変化量ΔRA(CT)を、現時点(図7の時刻t12)の変化量ΔRA(new)から減算し、減算処理後の変化量ΔRAを初期値として変化量dRAを積算する処理を行う。
図7の時刻t11から時刻t12までの時間は、通信回路211を介した通信遅れの時間に相当する。
なお、変化量ΔRAは一定の演算周期毎に演算され、クランク角信号POSの入力タイミングとは一致しないため、変化量演算部603は、クランク角信号POSの入力タイミングに最も近いタイミングで演算した変化量ΔRAを、当該クランク角信号POSでの変化量ΔRAとすることができる。
更に、変化量演算部603は、クランク角信号POSの入力タイミングからその直前の変化量ΔRAの演算タイミングまでの時間と、クランク角信号POSの入力タイミングからその直後の変化量ΔRAの演算タイミングまでの時間とに基づき、クランク角信号POSの入力タイミング直前及び直後のタイミングで演算した変化量ΔRAを内分処理して、クランク角信号POSの入力タイミングでの変化量ΔRAを設定することができる。
モーションコントロール部605は、補間処理部604が出力した位相検出値RAと、ECM201の目標値演算部501から通信された目標位相TAとを比較して、モータ12の指令電圧を設定し、この指令電圧をPWM出力処理部606に出力する。
PWM出力処理部606は、入力した指令電圧に基づき、モータ駆動回路607をPWM(Pulse Width Modulation)制御する駆動パルス信号を出力する。
また、電動VTCドライバ202が、通信回路211を介して位相検出値RABを取得するときに通信遅れが生じても、係る通信遅れが補償され、変化量ΔRAに基づく位相検出値RAの補間処理を高い精度で行わせることができ、目標位相TAに高い精度で収束させることができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
可変バルブタイミング装置114は、図3−図5の装置に限定されず、例えば特開2008−069719号公報に開示される、スプロケット、カムプレート、リンク装置、ガイドプレート、減速機、及びモータで構成される可変バルブタイミング装置などを採用することができる。
また、電動VTCドライバ202による変化量ΔRAに基づく位相検出値RABの補間処理は、内燃機関101の回転速度が低くなり位相検出値RABの更新周期が長くなるほどその効果が高くなる。そこで、電動VTCドライバ202(変化量演算部603及び補間処理部604)は、内燃機関101の回転速度が設定速度を下回る低回転領域で補間処理を実施し、内燃機関101の回転速度が前記設定速度を上回る高回転領域で補間処理を停止することができる。
内燃機関の制御装置は、その一態様として、内燃機関の可変機構を駆動するアクチュエータを制御する制御装置であって、前記制御装置は、第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、前記第1電子制御装置は、前記可変機構の制御量に応じてセンサから出力される信号に基づき前記制御量を演算し、演算した前記制御量及び前記制御量の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して通信し、前記第2電子制御装置は、前記制御量及び前記演算タイミング情報に基づき前記アクチュエータの操作量を演算し、前記操作量を前記アクチュエータに出力する。
さらに別の好ましい態様では、前記可変バルブタイミング装置は、前記アクチュエータとしてのモータの回転速度によって前記回転位相を可変とする機構であって、前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサを備え、前記第2電子制御装置は、前記モータ角センサが出力する前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、前記回転位相の検出値の演算タイミングに基づき前記変化量を校正し、校正後の前記変化量に基づき前記回転位相の検出値を補間し、補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、前記操作量を前記モータに出力する。
さらに別の好ましい態様では、前記第1電子制御装置は、前記演算タイミングでの前記クランク角信号を指示する情報として、基準ピストン位置からの前記クランク角信号のカウント値、及び、所定ピストン位置の気筒を示す気筒判別情報を、前記第2電子制御装置に通信する。
Claims (8)
- 内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、
クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相をモータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置と、
前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、
前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサと、
前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサと、
を備え、
前記制御装置は、
第1電子制御装置と、第2電子制御装置と、前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、を含み、
前記第1電子制御装置は、
前記クランク角信号と前記カム角信号とに基づいて前記回転位相の検出値を演算し、
前記検出値、及び、前記検出値の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して送信し、
前記第2電子制御装置は、
前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算し、
前記演算タイミング情報に基づき、前記通信回路を介した通信の遅れ時間に応じた校正処理を前記変化量に施し、
前記校正処理を施した前記変化量に基づき前記検出値を補間し、
補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算し、
前記操作量を前記モータに出力する、
内燃機関の制御装置。 - 前記第2電子制御装置は、
前記校正処理として、前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングで前記変化量が零にリセットされる処理を前記演算タイミング情報に基づき実施する、
請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第2電子制御装置は、
前記変化量の過去のデータを記憶し、
前記校正処理として、
記憶している前記変化量の過去のデータの中から、前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングでの前記変化量を前記演算タイミング情報に基づき求め、
前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングでの前記変化量を現時点の前記変化量から減算し、減算処理後の前記変化量を初期値として前記変化量を積算する処理を実施する、
請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第1電子制御装置は、
前記検出値を演算したタイミングでの前記クランク角信号を指示する情報を前記演算タイミング情報として前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して送信し、
複製した前記クランク角信号を前記第2電子制御装置に専用信号ラインを介して出力し、
前記第2電子制御装置は、
前記演算タイミング情報に基づき、前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングに相当する前記クランク角信号を特定する、
請求項2又は請求項3記載の内燃機関の制御装置。 - 前記第1電子制御装置は、
前記検出値を演算したタイミングでの前記クランク角信号を指示する情報として、基準ピストン位置からの前記クランク角信号のカウント値、及び、所定ピストン位置の気筒を示す気筒判別情報を、前記第2電子制御装置に送信する、
請求項4記載の内燃機関の制御装置。 - 内燃機関のクランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相をモータの回転速度によって変化させる可変バルブタイミング装置と、
前記クランクシャフトの所定角度毎にクランク角信号を出力するクランク角センサと、
前記カムシャフトの所定角度毎にカム角信号を出力するカム角センサと、
前記モータの回転角に応じてモータ角信号を出力するモータ角センサと、
第1電子制御装置と、
第2電子制御装置と、
前記第1電子制御装置と前記第2電子制御装置との間での通信に用いられる通信回路と、
を有する内燃機関の制御方法であって、
前記第1電子制御装置によって、
前記クランク角信号と前記カム角信号とに基づいて前記回転位相の検出値を演算するステップと、
前記検出値、及び、前記検出値の演算タイミング情報を前記第2電子制御装置に前記通信回路を介して送信するステップと、
を実施し、
前記第2電子制御装置によって、
前記モータ角信号に基づき前記回転位相の変化量を演算するステップと、
前記演算タイミング情報に基づき、前記通信回路を介した通信の遅れ時間に応じた校正処理を前記変化量に施すステップと、
前記校正処理を施した前記変化量に基づき前記検出値を補間するステップと、
補間後の前記検出値に基づき前記モータの操作量を演算するステップと、
前記操作量を前記モータに出力するステップと、
を実施する、内燃機関の制御方法。 - 前記校正処理を前記変化量に施すステップは、
前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングで前記変化量が零にリセットされる処理を前記演算タイミング情報に基づき実施するステップを含む、
請求項6記載の内燃機関の制御方法。 - 前記校正処理を前記変化量に施すステップは、
前記変化量の過去のデータを記憶するステップと、
記憶している前記変化量の過去のデータの中から、前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングでの前記変化量を前記演算タイミング情報に基づき求めるステップと、
前記第1電子制御装置が前記検出値を演算したタイミングでの前記変化量を現時点の前記変化量から減算し、減算処理後の前記変化量を初期値として前記変化量を積算する処理を実施するステップと、
を含む、請求項6記載の内燃機関の制御方法。
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