(57)【要約】【課題】カムトルクを受けるカムシャフトの回転位相が振れてバルブタイミングの制御の精度を悪化させる問題を抑制ないし緩和する。【解決手段】吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる可変バルブタイミング機構が付随した内燃機関を制御するものであって、吸気バルブまたは排気バルブの側からカムシャフトに作用するカムトルクの変動に同期するように、電動機の出力トルクを制御するための制御電圧または制御電流の大きさを増減させる内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる可変バルブタイミング機構が付随した内燃機関を制御するものであって、
吸気バルブまたは排気バルブの側からカムシャフトに作用するカムトルクの変動に同期するように、電動機の出力トルクを制御するための制御電圧または制御電流の大きさを増減させる内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動式の可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付随した内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させるＶＶＴ機構（モータドライブＶＶＴ）が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０５６７８７号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周知の通り、ポペット弁である吸気バルブや排気バルブは、バルブスプリングによりバルブシートに着座する方向に弾性付勢されている。これら吸排気バルブ（のタペットまたはロッカーアーム）を押圧して開弁させるカムを有するカムシャフトには、吸排気バルブ側からカムトルクが作用する。即ち、吸排気バルブのバルブリフト量が増大する過程では、カムシャフトを逆方向に回転させようとするトルクが作用し、吸排気バルブのバルブリフト量が減少する過程では、カムシャフトを正方向に回転させようとするトルクが作用する。
【０００５】
このようなカムトルクは、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を不当に変動させ、吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングの制御の精度を悪化させる要因となる。そして、バルブタイミングの制御の精度の悪化は、ドライバビリティや燃費性能の低下等につながる。特に、近時では、効率の向上及びコストの削減を目論み、ＶＶＴ機構を小型軽量化する傾向にあるため、カムトルクを受けたカムシャフトが本来あるべき回転位相からずれてしまう懸念が増大している。
【０００６】
本発明は、カムトルクを受けるカムシャフトの回転位相が振れてバルブタイミングの制御の精度を悪化させる問題を抑制ないし緩和することを所期の目的としている・
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させるＶＶＴ機構が付随した内燃機関を制御するものであって、吸気バルブまたは排気バルブ側からカムシャフトに作用するカムトルクの変動に同期するように、電動機の出力トルクを制御するための制御電圧または制御電流の大きさを増減させる内燃機関の制御装置を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、カムトルクを受けるカムシャフトの回転位相が振れてバルブタイミングの制御の精度を悪化させる問題を抑制ないし緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態におけるＶＶＴ機構の要素である電動機を制御する電気回路の回路図。
【図３】内燃機関のカムシャフトに作用するカムトルクと電動機のコイルに印加する制御電圧との関係を例示するタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１１】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１２】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１３】
外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。
【００１４】
本実施形態の内燃機関には、各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ機構６が付随している。ＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを駆動する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる電動式のものである。周知の通り、内燃機関の吸気カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトと吸気カムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、吸気カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構６は、吸気カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。
【００１５】
本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００１６】
ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、車載のバッテリの端子電圧及び／または端子電流を検出するセンサから出力されるバッテリ電圧／電流信号ｈ等が入力される。
【００１７】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構６に対して制御信号ｍ等を出力する。
【００１８】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００１９】
本実施形態において、吸気カムシャフトを回転駆動するＶＶＴ機構６の電動機は、ロータに永久磁石を埋め込んだブラシレスのＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐａｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）同期モータである。図２に、この電動機を制御するための制御回路を示す。電動機は、三相ステータコイル（モータコイル）６１により回転磁界を発生させてロータを回転させるものである。故に、車載のバッテリから供給される直流を三相交流に変換した上で、各相のコイル６１に印加する必要がある。モータドライバ６２は、直流を三相交流に変換するためのインバータ６２１と、インバータ６２１が包有している各相のスイッチ（ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ）６２２を点弧／消弧させる駆動回路６２３とを備える。駆動回路６２３は、ＥＣＵ０から制御信号ｍを受け取り、その制御信号ｍに従って電動機のロータの回転方向及び回転トルクを調整する。
【００２０】
電動機のロータの回転トルク、換言すれば電動機の出力トルクは、各相のコイル６１に印加する制御電圧の大きさにより定まる。駆動回路６２３は、インバータ６２１が包有する各相のスイッチ６２２の点弧時間と消弧時間との比、即ちコイル６１に印加される制御電圧のＤＵＴＹ比を変化させることで、電動機の出力トルクを増減させる。ＥＣＵ０は、このＤＵＴＹ比を制御信号ｍの一部に含めてモータドライバ６２の駆動回路６２３に指令する。制御電圧のＤＵＴＹ比が高いほど、制御電圧の時間平均が大きくなり、電動機の出力トルクが増大することは言うまでもない。
【００２１】
吸気バルブのタペットまたはロッカーアームを押圧して吸気バルブを開弁させるカムを有したカムシャフトには、吸気バルブ側からカムトルクが作用する。吸気バルブのバルブリフト量が増大、即ち吸気バルブが開弁する過程では、カムシャフトを逆方向に回転させようとするカムトルクがカムシャフトに作用する。一方、吸気バルブのバルブリフト量が減少、即ち吸気バルブが閉弁する過程では、カムシャフトを正方向に回転させようとするトルクがカムシャフトに作用する。このカムトルクは、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を不当に変動させ、吸気バルブの開閉タイミングの制御の精度を悪化させる要因となる。
【００２２】
そこで、本実施形態では、カムシャフトに作用するカムトルクを打ち消すように、ＶＶＴ機構６の電動機の出力トルクを増減させる制御を実施し、以てカムシャフトの回転位相の振れを抑制することとしている。
【００２３】
具体的には、図３に示しているように、カムシャフトを逆回転させる方向のカムトルクの増減に同期するように、電動機の各相のコイル６１に印加する制御電圧のＤＵＴＹ比を増減させる。なお、図３は、三気筒エンジンの例である。カムシャフトを逆回転させる方向のカムトルクが増大するときには、コイル６１に印加する制御電圧を増大させて電動機の出力トルクを増し、カムシャフトを逆回転させる方向のカムトルクが減少するときには、コイル６１に印加する制御電圧を減少させて電動機の出力トルクを減らすのである。カムシャフトが受けるカムトルクの現在の大きさ及び方向は、カムシャフトの回転角度に依存しており、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを基に推定することが可能である。
【００２４】
付言すると、カムシャフトを逆回転させる方向のカムトルクが作用する期間においては、制御電圧を本来のバルブタイミング制御のための目標電圧のＤＵＴＹ比ＶTよりも大きくし、カムシャフトを正回転させる方向のカムトルクが作用する期間においては、制御電圧を本来のバルブタイミング制御のための目標電圧のＤＵＴＹ比ＶTよりも小さくする。
【００２５】
ここで、目標電圧のＤＵＴＹ比ＶTとは、ＶＶＴ機構６の電動機のロータをカムシャフトとともに正方向に連れ回りさせてカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相（つまり、吸気バルブタイミング）を一定に維持するために必要となるトルクを電動機に出力させる分の制御電圧と、カムシャフトの現在の回転位相とその目標位相との偏差（つまり、現在の吸気バルブの開閉タイミングと目標バルブタイミングとの偏差）を縮小するべくカムシャフトを回転駆動するために必要となるトルクを電動機に出力させる分の制御電圧との合算である。カムシャフトの現在の回転位相は、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを参照して知得できる。
【００２６】
本実施形態では、吸気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させるＶＶＴ機構６が付随した内燃機関を制御するものであって、吸気バルブの側からカムシャフトに作用するカムトルクの変動に同期するように、電動機の出力トルクを制御するための制御電圧を増減させる内燃機関の制御装置０を構成した。本実施形態によれば、カムトルクを受けるカムシャフトの回転位相が振れてバルブタイミングの制御の精度を悪化させる問題を抑制ないし緩和することができる。
【００２７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、ＶＶＴ機構６の要素である電動機のコイル６１に印加する制御電圧の大きさ（または、ＤＵＴＹ比）を操作して当該電動機の出力トルクを変化させていたが、電動機のコイル６１に通電する制御電流の大きさ（または、ＤＵＴＹ比）を操作して当該電動機の出力トルクを変化させる電流制御を行い、カムシャフトに作用するカムトルクを打ち消すようにしても構わない。
【００２８】
また、各気筒の排気バルブを駆動する排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機により変化させるＶＶＴ機構を内燃機関に実装している場合には、その電動機の制御について本発明を適用することができる。
【００２９】
その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。
【符号の説明】
【００３１】
０…制御装置（ＥＣＵ）
６…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
６１…電動機のコイル
６２…モータドライバ
６２１…インバータ
６２２…スイッチ
６２３…駆動回路
ｍ…制御信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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