JPH11132080A - 内燃機関のスロットル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子スロットルシステムにおけるスロットル
バルブの開度の追従安定性を向上すること。 【解決手段】 電子スロットルシステムにおいて、部品
点数が少なく機構が簡素化され摩擦が小さくなると、慣
性の影響を受けて実スロットル開度ＴＡ（スロットルバ
ルブ５の開度）がオーバシュートし易くなる。この傾向
を抑止し、実スロットル開度ＴＡを目標開度としての指
令値に一致させるため、トルクモータ１９を駆動するた
めの制御電流に変換される制御量が、指令値が遷移する
速度と実スロットル開度ＴＡが遷移する速度との速度偏
差に応じて補正される。このように、速度偏差に応じて
制御量が適切に補正されることでオーバシュート等が未
然に抑止され、指令値に対する実スロットル開度ＴＡの
追従安定性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アクセル操作量等
に応じてアクチュエータを駆動しスロットルバルブの開
度を制御する内燃機関のスロットル制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、アクセル操作量等に応じてアクチ
ュエータとしてのモータを駆動しスロットルバルブの開
度（以下、『スロットル開度』ともいう）を制御する
『電子スロットルシステム』と称する内燃機関のスロッ
トル制御装置が知られている。このようなスロットル制
御装置においては、例えば、アクセルペダルの踏込量に
対応する開度（以下、『アクセル開度』という）を検出
するアクセル開度センサからの信号に応じてモータに電
流を流し、モータが駆動されることでスロットルバルブ
が開閉され内燃機関に供給される空気量が制御される。
このとき、スロットルバルブの開度を検出するスロット
ル開度センサからの信号とアクセル開度センサからの信
号との偏差がなくなるようにモータに対して比例・積分
・微分制御（Proportional Integral Differential Con
trol；以下、単に『ＰＩＤ制御』という）によるフィー
ドバック制御が実行されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子スロッ
トルシステムにおいて、スロットルバルブ周辺の駆動機
構を簡素化し部品点数を減少させコストダウンを図ろう
とすると、摩擦が小さくなったり、モータ等の慣性の影
響が現れ目標開度に対する実スロットル開度がオーバシ
ュートし易くなり、却って追従性を悪化させるという不
具合があった。

【０００４】そこで、この発明はかかる不具合を解決す
るためになされたもので、電子スロットルシステムにお
けるスロットルバルブの開度の追従安定性が向上できる
と共に、スロットルバルブ周辺の駆動機構の簡素化も可
能な内燃機関のスロットル制御装置の提供を課題として
いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の内燃機関のス
ロットル制御装置によれば、スロットル制御手段で制御
される実スロットル開度を目標開度に一致させるための
制御量演算手段で算出される制御量が、制御量補正手段
により目標開度が遷移する速度と実スロットル開度が遷
移する速度との速度偏差に応じて補正される。このよう
に、速度偏差に応じて制御量が適切に補正されることで
オーバシュート等が未然に抑止され、目標開度に対する
実スロットル開度の追従安定性を向上することができ
る。

【０００６】請求項２の内燃機関のスロットル制御装置
では、アクチュエータがトルクモータとされることで、
スロットルバルブがギヤボックス等を介することなく直
接作動される。このものでは、構成が簡単となるため耐
久信頼性を向上することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて説明する。

【０００８】図１は本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のスロットル制御装置が適用された内燃機
関及びその周辺機器を示す概略構成図である。

【０００９】図１において、内燃機関１はＶ型６気筒の
４サイクルエンジンとして構成されている。内燃機関１
の吸気通路２の上流側にはエアクリーナ３が設けられ、
エアクリーナ３の下流側には吸気量（吸入空気量）を検
出するエアフローメータ４が設置されている。また、吸
気通路２のエアフローメータ４より下流側にはスロット
ルバルブ５が設けられ、このスロットルバルブ５の回動
軸５ａに連結されたトルクモータ１９の駆動力によりス
ロットルバルブ５の開度（実スロットル開度）が制御さ
れ、内燃機関１に供給される吸気量が調整される。この
スロットルバルブ５の実スロットル開度がスロットル開
度センサ１６によって検出される。なお、アイドル時に
あっても、トルクモータ１９の駆動力によって実スロッ
トル開度が制御され、これによって吸気量ＧＮが制御さ
れ機関回転数ＮＥが目標アイドル回転数に一致されるよ
うにフィードバック制御される。更に、吸気通路２はイ
ンテークマニホルド６を介して内燃機関１の各気筒に接
続され、吸気通路２からの吸入空気がインテークマニホ
ルド６内を経て各気筒に分配供給される。

【００１０】インテークマニホルド６には各気筒に対応
してインジェクタ７が設置され、各インジェクタ７から
噴射された燃料は、吸入空気と混合され各気筒に供給さ
れる。この混合気は吸気バルブ８の開閉に伴って各気筒
の燃焼室９内に導入され、点火プラグ１０の点火により
燃焼され、ピストン１１が押下げられクランクシャフト
１２にトルクが付与される。燃焼後の排気ガスは排気バ
ルブ１３の開閉に伴って排気通路１４を経て外部に排出
される。また、クランクシャフト１２の近接位置にはク
ランク角センサ１５が設置され、このクランク角センサ
１５からは３０°ＣＡ（Crank Angle:クランク角）毎に
パルス信号が出力される。

【００１１】２０はＥＣＵ（Electronic Control Unit:
電子制御ユニット）であり、ＥＣＵ２０はエアフローメ
ータ４によって検出された吸気量ＧＮ信号やクランク角
センサ１５によって検出された機関回転数ＮＥ信号に基
づいてインジェクタ７の駆動を制御すると共に、スロッ
トル開度センサ１６によって検出されたスロットル開度
ＴＡ信号やアクセルペダル１７の踏込量がアクセル開度
センサ１８によって検出されたアクセル開度Ａｐ信号等
に基づいてスロットルバルブ５を開閉制御する、ＣＰＵ
２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３等からなるマイクロコン
ピュータを主体として構成されている。

【００１２】次に、ＥＣＵ２０及びその周辺の構成につ
いて、図１を参照し更に詳しく説明する。

【００１３】ＥＣＵ２０において、ＣＰＵ２１は吸気量
ＧＮ信号や機関回転数ＮＥ信号、更にはスロットル開度
ＴＡ信号やアクセル開度Ａｐ信号等を読込み、内燃機関
１の運転状態に応じてその都度要求されるインジェクタ
７の燃料噴射量やスロットルバルブ５のスロットル開度
等を演算する周知の中央処理装置である。

【００１４】また、ＲＯＭ２２は所謂プログラムメモリ
として、内燃機関１の運転状態を制御するための各種制
御プログラム、即ち、燃料噴射制御プログラムやスロッ
トル制御プログラム等が予め格納されたメモリである。
ＣＰＵ２１では、このＲＯＭ２２に格納されているプロ
グラムに従って各種の演算処理を実行する。また、ＲＡ
Ｍ２３は所謂データメモリとして、各種センサの入出力
データやＣＰＵ２１による演算処理データ等が一時的に
格納されるメモリである。

【００１５】インジェクタ駆動回路２４は、吸気量ＧＮ
信号や機関回転数ＮＥ信号に基づきＣＰＵ２１を通じて
演算される燃料噴射量に対応した所定パルス幅の信号を
形成してインジェクタ７を駆動する回路である。これに
より、インジェクタ７からは演算された燃料噴射量に対
応した量の燃料が内燃機関１の各気筒に対して噴射供給
されるようになる。また、Ａ／Ｄ変換回路２７は、読込
まれる吸気量ＧＮ信号、スロットル開度ＴＡ信号、アク
セル開度Ａｐ信号及び冷却水温ＴＨＷ信号等をＡ／Ｄ
（アナログ−ディジタル）変換してＣＰＵ２１に出力す
るための回路である。

【００１６】そして、ＣＰＵ２１では後述のトルクモー
タ１９によるスロットルバルブ５のスロットル開度の指
令値（目標開度）ＴＴＰとスロットル開度センサ１６か
らのスロットル開度（実スロットル開度）ＴＡとの偏差
に基づき、その偏差を縮小すべくＰＩＤ（比例・積分・
微分）制御されトルクモータ１９の制御量が算出され、
その制御量がＰＷＭ（パルス幅変調）変換されたデュー
ティ比信号としての制御電流ＤＵＴＹがモータ駆動回路
３０に出力される。すると、モータ駆動回路３０によっ
てＰＷＭ変換された制御電流ＤＵＴＹに応じてトルクモ
ータ１９が駆動され、スロットル開度センサ１６で検出
された実スロットル開度ＴＡ信号が最終的にスロットル
開度の指令値ＴＴＰに一致するように調整される。

【００１７】次に、図２及び図３に基づき内燃機関のス
ロットル制御装置の構成について説明する。

【００１８】図２及び図３において、アクセルペダル１
７にはアクセル開度センサ１８が配設され、アクセルペ
ダル１７はアクセルレバー４１に連結されている。この
アクセルレバー４１は、アクセルリターンスプリング４
２ａ，４２ｂによってアクセルペダル１７の戻り方向
（時計回り方向）に付勢されている。アクセルペダル１
７が操作されない状態（アクセルＯＦＦ）では、アクセ
ルレバー４１はアクセルリターンスプリング４２ａ，４
２ｂによってアクセル全閉ストッパ４３に当接した状態
に保持される。内燃機関１の運転中は、アクセルペダル
１７の操作量に基づくアクセルレバー４１の位置がアク
セル開度センサ１８によってアクセル開度Ａｐとして検
出される。

【００１９】一方、スロットルバルブ５の回動軸５ａに
はバルブレバー４４が連結され、このバルブレバー４４
が退避走行用スプリング４５によってスロットルバルブ
５の開方向（図２の上方向）に付勢されている。このた
め、図２（ｂ）に示すモータＯＦＦ（トルクモータ１９
への電源ＯＦＦ）時には、退避走行スプリング４５によ
ってバルブレバー４４が中間レバー４７に当接した中間
ストッパ位置に保持される。このとき、中間レバー４７
は、バルブリターンスプリング４８によってスロットル
バルブ５の閉方向（図２の下方）に付勢され、中間スト
ッパ４９に当接されている。

【００２０】つまり、バルブリターンスプリング４８の
引張力は退避走行用スプリング４５の引張力よりも大き
く設定されている。したがって、図２（ｂ）に示すモー
タＯＦＦ時には、バルブリターンスプリング４８の引張
力が退避走行用スプリング４５の引張力に打勝って、中
間レバー４７が中間ストッパ４９に当接し保持され、こ
れにより、スロットルバルブ５のスロットル開度が中間
ストッパ４９で規制される中間ストッパ位置（スロット
ル開度＝約３°）に保持される。

【００２１】一方、図２（ａ）に示す通常制御時（モー
タＯＮ時）には、アクセルペダル１７の操作量に応じて
トルクモータ１９が正転または逆転されスロットルバル
ブ５のスロットル開度が調整され、そのときのスロット
ルバルブ５のスロットル開度ＴＡがスロットル開度セン
サ１６によって検出される。この際、スロットル開度を
開く場合には、トルクモータ１９を正転させて、図２
（ａ）に示すようにバルブレバー４４がバルブリターン
スプリング４８の引張力に抗して中間レバー４７を押上
げながら、スロットルバルブ５が開方向に駆動される。
これとは逆に、スロットル開度を閉じる場合には、トル
クモータ１９を逆転させてバルブレバー４４を下降させ
ながらスロットルバルブ５が閉方向に駆動され、スロッ
トルバルブ５が全閉ストッパ位置（スロットル開度＝０
°）まで閉じたときに、バルブレバー４４がスロットル
全閉ストッパ４６に当接し、それ以上の回動が阻止され
る。

【００２２】次に、本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のスロットル制御装置で用いられているス
ロットルバルブ５の回動軸５ａと連結されたトルクモー
タ１９の構成について図４及び図５を参照して説明す
る。なお、図５は図４のトルクモータ１９からカバー６
３を取去ってＡ方向から見た矢視図である。

【００２３】図４に示すように、吸気通路２途中に配設
されたスロットルボデー６０には軸受６１，６２を介し
てスロットルバルブ５が回動自在に支持されている。こ
のスロットルバルブ５は円板状に形成されており、回動
軸５ａにビス止めされ固定されている。そして、スロッ
トルバルブ５が回動軸５ａと共に回動されることによ
り、スロットルボデー６０の内壁により形成された吸気
流路６０ａの流路面積が調整され、吸気通路２を通過す
る吸気量が制御される。

【００２４】また、スロットルバルブ５の回動軸５ａの
一方の端部にはバルブレバー４４が圧入固定されてお
り、回動軸５ａと共に回動される。このバルブレバー４
４がスロットル全閉ストッパ４６に当接されることによ
りスロットルバルブ５の全閉位置が規定される。なお、
スロットル全閉ストッパ４６のねじ込量を変更すること
によりスロットルバルブ５の全閉位置が調整される。な
お、図４では退避走行スプリング４５等は省略されてい
る。

【００２５】そして、スロットル開度センサ１６はバル
ブレバー４４よりも更に回動軸５ａの端側に配設され、
コンタクト部１６ａ、抵抗体を塗布した基板１６ｂ及び
ハウジング１６ｃによって構成されている。コンタクト
部１６ａは回動軸５ａに圧入されており、回動軸５ａと
共に回動される。基板１６ｂはハウジング１６ｃに固定
されており、基板１６ｂに塗布された抵抗体上をコンタ
クト部１６ａが摺動される。基板１６ｂに塗布された抵
抗体には５〔Ｖ〕の一定電圧が印加されており、この抵
抗体とコンタクト部１６ａとの摺動位置がスロットルバ
ルブ５の開度に応じて変化され出力電圧値が変動され
る。このスロットル開度センサ１６からの出力電圧値が
ＥＣＵ２０に入力されスロットルバルブ５の実スロット
ル開度ＴＡが検出される。

【００２６】更に、図４及び図５に示すように、トルク
モータ１９は回転子６５、コア６９、一対のソレノイド
部７０，７５により回動軸５ａの他方の端部に連結され
ている。トルクモータ１９の端部はカバー６３により覆
われている。回転子６５は、回動軸５ａに圧入固定され
た鉄心６６及び永久磁石６７，６８により構成され、コ
ア６９の内壁により形成された収容孔６９ａに回動自在
に収容されている。鉄心６６は円筒状に形成されてお
り、回動軸５ａの他方の端部に圧入固定されている。永
久磁石６７，６８は円弧状に形成されており、鉄心６６
の外周に等間隔をあけて接着固定されている。スロット
ルバルブ５の回動範囲は通常９０°以下であるから、永
久磁石６７，６８の円弧長はスロットルバルブ５の回動
範囲内で回転子６５を回動可能なトルクが働く長さがあ
ればよい。なお、永久磁石６７，６８はネオジウム系、
サマリウム−コバルト系等の高い磁力を発生する所謂、
希土類磁石が採用されている。

【００２７】コア６９は磁性体からなる薄板が回動軸５
ａの軸方向に積層され形成されており、収容孔６９ａに
回転子６５を回動自在に収容している。コア６９は回転
子６５を取囲む周上において切目のないスロットレスに
構成されている。ソレノイド部７０，７５はそれぞれ鉄
心７１，７６にコイル７２，７７が巻回され形成されて
おり、コア６９に圧入固定されている。コイル７２，７
７にはコネクタ８０に埋設されたピン８１から制御電流
が供給される。また、バルブリターンスプリング４８
は、一方の端部が鉄心６６に固定され、他方の端部がね
じ６４に固定されており、このバルブリターンスプリン
グ４８によりスロットルバルブ５が閉側に付勢されてい
る。

【００２８】次に、本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のスロットル制御装置で使用されているＥ
ＣＵ２０内のＣＰＵ２１における速度偏差による制御量
補正の処理手順を示す図６のフローチャートに基づいて
説明する。なお、この制御量補正ルーチンは所定時間毎
にＥＣＵ２０内のＣＰＵ２１にて繰返し実行される。

【００２９】図６において、ステップＳ１０１では、ス
ロットルバルブ５のスロットル開度の目標開度としての
指令値ＴＴＰが遷移するときの単位時間当たりの変化量
である目標速度ΔＴＴＰが、今回の指令値ＴＴＰi から
前回の指令値ＴＴＰi-1 が減算され次式（１）に示すよ
うに算出される。

【００３０】

【数１】 ΔＴＴＰ＝ＴＴＰi −ＴＴＰi-1 ・・・（１） 次にステップＳ１０２に移行して、スロットルバルブ５
の実スロットル開度ＴＡが遷移するときの単位時間当た
りの変化量である実速度ΔＴＡが、今回の実スロットル
開度ＴＡi から前回の実スロットル開度ＴＡi-1 が減算
され次式（２）に示すように算出される。

【００３１】

【数２】 ΔＴＡ＝ＴＡi −ＴＡi-1 ・・・（２） 次にステップＳ１０３に移行して、速度偏差に基づく補
正項ＰθがステップＳ１０１で算出された目標速度ΔＴ
ＴＰとステップＳ１０２で算出された実速度ΔＴＡとか
ら次式（３）に示すように算出される。なお、Ｋpdは予
め設定された定数である。

【００３２】

【数３】 Ｐθ＝Ｋpd・（ΔＴＴＰ−ΔＴＡ） ・・・（３） 次にステップＳ１０４に移行して、スロットルバルブ５
の今回の指令値ＴＴＰi と今回の実スロットル開度ＴＡ
i との偏差Δθが次式（４）に示すように算出される。

【００３３】

【数４】 Δθ＝ＴＴＰi −ＴＡi ・・・（４） 次にステップＳ１０５に移行して、制御電流ＤＵＴＹが
ステップＳ１０４で算出された偏差ΔθとステップＳ１
０３で算出された速度偏差に基づく補正項Ｐθとから次
式（５）に示すように算出され、この制御電流ＤＵＴＹ
に基づきトルクモータ１９が制御され、本ルーチンを終
了する。なお、Ｋp ，Ｋi ，Ｋd はＰＩＤ（比例・積分
・微分）制御におけるそれぞれ比例ゲイン、積分ゲイ
ン、微分ゲインである。

【００３４】

【数５】 ＤＵＴＹ＝Ｋp ・Δθ＋Ｋi ・∫Δθ＋Ｋd ・（ｄΔθ／ｄｔ）＋Ｐθ ・・・（５） なお、ステップＳ１０１における上式（１）に替えて次
式（６）を採用してもよい。式（６）によれば、今回の
目標速度ΔＴＴＰi と前回の目標速度ΔＴＴＰi-1 とを
用いてなまし（平滑化）処理されることで、目標速度Δ
ＴＴＰのノイズ等に起因する急激な変動を抑えることが
できる。この際には、ステップＳ１０２における上式
（２）に替えて次式（７）が採用される。式（７）によ
れば、今回の実速度ΔＴＡi と前回の実速度ΔＴＡi-1
と用いてなまし処理されることで、実速度ΔＴＡのノイ
ズ等に起因する急激な変動を抑えることができる。ここ
で、０＜Ｋ≦１である。

【００３５】

【数６】 ΔＴＴＰ＝ΔＴＴＰi-1 ＋Ｋ・（ΔＴＴＰi −ΔＴＴＰi-1 ）・・・（６）

【００３６】

【数７】 ΔＴＡ＝ΔＴＡi-1 ＋Ｋ・（ΔＴＡi −ΔＴＡi-1 ） ・・・（７） このように、本実施例の内燃機関のスロットル制御装置
は、スロットルバルブ５の開度を各種センサ信号に基づ
き設定された目標開度に一致させるための制御電流ＤＵ
ＴＹに変換される制御量を算出するＥＣＵ２０内のＣＰ
Ｕ２１にて達成される制御量演算手段と、前記制御量演
算手段で算出された制御量がＰＷＭ変換された制御電流
ＤＵＴＹによりアクチュエータを駆動し、スロットルバ
ルブ５の開度を制御するＥＣＵ２０内のＣＰＵ２１にて
達成されるスロットル制御手段と、スロットルバルブ５
の目標開度としての指令値ＴＴＰが遷移するときの目標
速度ΔＴＴＰを算出するＥＣＵ２０内のＣＰＵ２１にて
達成される目標速度演算手段と、前記スロットル制御手
段の制御による実際のスロットルバルブ５の開度である
実スロットル開度ＴＡが遷移するときの実速度ΔＴＡを
算出するＥＣＵ２０内のＣＰＵ２１にて達成される実速
度演算手段と、前記目標速度演算手段で算出された目標
速度ΔＴＴＰと前記実速度演算手段で算出された実速度
ΔＴＡとの速度偏差（ΔＴＴＰ−ΔＴＡ）に応じて前記
制御量演算手段で算出される制御量がＰＷＭ変換される
制御電流ＤＵＴＹを補正するＥＣＵ２０内のＣＰＵ２１
にて達成される制御量補正手段とを具備するものであ
る。また、本実施例の内燃機関のスロットル制御装置
は、アクチュエータをトルクモータ１９とするものであ
る。

【００３７】即ち、スロットルバルブ５の目標速度ΔＴ
ＴＰと実速度ΔＴＡとの速度偏差（ΔＴＴＰ−ΔＴＡ）
に基づく補正項Ｐθが、制御量を制御電流ＤＵＴＹにＰ
ＷＭ変換するときのＰＩＤ制御における比例項、積分
項、微分項に更に付加される。これにより、スロットル
バルブ５の実スロットル開度ＴＡの指令値ＴＴＰに対す
る追従安定性が向上され、結果としてオーバシュートや
ハンチング現象をなくすことができる。

【００３８】ところで、上記実施例では、アクチュエー
タとしてトルクモータ１９を用いているが、本発明を実
施する場合には、これに限定されるものではなく、ＤＣ
モータ等を用いても構成できる。特に、本発明をトルク
モータを用いた電子スロットルシステムに適用するとス
ロットル開度に対する精度及び応答性が向上できるとい
う効果が顕著となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のスロットル制御装置が適用された内燃機関
及びその周辺機器を示す概略構成図である。

【図２】 図２は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のスロットル制御装置の要部構成を示す模式
図である。

【図３】 図３は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のスロットル制御装置の要部構成を示す斜視
図である。

【図４】 図４は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のスロットル制御装置で用いられているスロ
ットルバルブの回動軸と連結されたトルクモータの構成
を示す断面図である。

【図５】 図５は図４のトルクモータからカバーを取去
ってＡ方向から見た矢視図である。

【図６】 図６は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のスロットル制御装置で使用されているＥＣ
Ｕ内のＣＰＵにおける制御量補正の処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１ 内燃機関 ５ スロットルバルブ １６ スロットル開度センサ １８ アクセル開度センサ １９ トルクモータ（アクチュエータ） ２０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スロットルバルブの開度を各種センサ信
   号に基づき設定された目標開度に一致させるための制御
   量を算出する制御量演算手段と、 前記制御量演算手段で算出された前記制御量によりアク
   チュエータを駆動し、前記スロットルバルブの開度を制
   御するスロットル制御手段と、 前記目標開度が遷移する速度を算出する目標速度演算手
   段と、 前記スロットル制御手段の制御による実際の前記スロッ
   トルバルブの開度である実スロットル開度が遷移する速
   度を算出する実速度演算手段と、 前記目標速度演算手段で算出された速度と前記実速度演
   算手段で算出された速度との速度偏差に応じて前記制御
   量演算手段で算出される前記制御量を補正する制御量補
   正手段とを具備することを特徴とする内燃機関のスロッ
   トル制御装置。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータは、トルクモータと
   することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のスロ
   ットル制御装置。