JP7247900B2 - 電動可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動可変動弁機構の制御装置に関する。

従来、モータで駆動されることによって動弁特性を変化させる電動可変動弁機構が知られている。例えば下記の特許文献には、電動可変動弁機構の一つである電動可変バルブタイミング機構（以下、ＭＤ－ＶＶＴと表記する）を搭載したハイブリッド車両が開示されている。電動可変動弁機構の制御には、例えば、モータのトルクと回転速度との関係を規定した制御データが用いられる。

特開２０１６－２０５１９５号公報

ところで、内燃機関には、運転時の空燃比を可変にできる種類のものが存在する。燃費は空燃比と動弁特性との組み合わせに影響されることから、空燃比を切り替える際には動弁特性も併せて切り替える必要がある。その際、空気量の変化に伴う燃費の悪化を抑えるためには電動可変動弁機構には高い応答性能が要求される。ただし、高い応答性能を得られるようにすると、電動可変動弁機構の駆動に要する消費電力は大きくなる。一方、空燃比を固定した状態で運転する場合には、空燃比の切り替え時のような高い応答性能は要求されない。寧ろ応答性能を抑えてでも消費電力を抑えることが要求されている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の運転状態に応じた電動可変動弁機構の適正な応答性能と消費電力の低減との両立を可能にする電動可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る制御装置は、電動可変動弁機構の制御に用いる制御データとして、第１制御データと第２制御データとを有する。第１制御データは、電動可変動弁機構を駆動するためのトルクの上限が小さく、且つ単位時間当たりのエネルギーが小さい制御データである。第２制御データは、第１制御データと比較して、電動可変動弁機構を駆動するためのトルクの上限が大きく、且つ単位時間当たりのエネルギーが大きい制御データである。本発明に係る制御装置は、ストイキモード或いはリーンモードでの運転中は、第１制御データを用いて電動可変動弁機構を制御し、ストイキモードからリーンモードへ或いはリーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替え中は、第２制御データを用いて電動可変動弁機構を制御する。

本発明に係る制御装置によれば、電動可変動弁機構による動弁特性の切り替えに高い応答性能は要求されないストイキモード或いはリーンモードでの運転中は、電動可変動弁機構の制御に第１制御データが用いられるので、消費電力を抑えることができる。一方、電動可変動弁機構による動弁特性の切り替えに高い応答性能が要求される場合、つまり、ストイキモードからリーンモードへ或いはリーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替え中は、電動可変動弁機構の制御に第２制御データが用いられるので、動弁特性の切り替え時間の短縮によって燃費の悪化を抑えることができる。

本発明の各実施形態に共通のＭＤ－ＶＶＴの駆動システムの構成を示す図である。 本発明の各実施形態に共通の燃焼モード切替制御のタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る制御データをトルク―回転速度マップで示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る各制御データによるＭＤ－ＶＶＴの応答特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御データによるＭＤ－ＶＶＴの駆動制御のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る制御データをトルク―回転速度マップで示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る各制御データによるＭＤ－ＶＶＴの応答特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。以下に説明する２つの実施形態では、ともに電動可変動弁機構としてＭＤ－ＶＶＴが用いられる。ＭＤ－ＶＶＴの駆動システムは各実施形態で共通である。また、ストイキ運転とリーン運転との間で燃焼モードを切り替える燃焼モード切替制御は共通のタイムチャートで表される。

１．ＭＤ－ＶＶＴの駆動システム
まず、ＭＤ－ＶＶＴの駆動システムについて図１を用いて説明する。図１に示すＭＤ－ＶＶＴの駆動システムは、４８Ｖ電源を有する所謂マイルドハイブリッド車両に搭載されるＭＤ－ＶＶＴ用の駆動システムである。駆動システムは、電源系統として、４８Ｖ電源に接続された４８Ｖ系と、１２Ｖ電源に接続された１２Ｖ系とを備える。４８Ｖ系と１２Ｖ系とはＤＣ－ＤＣコンバータを挟んで接続されている。ＭＤ－ＶＶＴは４８Ｖ系に属し、ＭＤ－ＶＶＴを制御するＥＣＵ（制御装置）は１２Ｖ系に属している。ただし、第２の実施形態では、ＭＤ－ＶＶＴは１２Ｖ系にも接続され、ＥＣＵによって電力の供給元を切り替え可能とされている。

２．燃焼モード切替制御
図２は、ストイキモードからリーンモードへ燃焼モードを切り替える燃焼モード切替制御のタイムチャートである。燃焼モード切替制御では、スロットル開度（ＴＡ）とバルブタイミング（ＶＴ）とが操作される。燃焼モードの切替要求が上位ＥＣＵ、或いは、ＥＣＵ内の別のプログラムから発せられると、まず、バルブタイミングの切り替えが開始される。バルブタイミングの切り替えでは、燃焼モードの切替要求と同時に目標バルブタイミングがストイキモード用からリーンモード用に切り替えられる。そして、目標バルブタイミングの実現に向けてＭＤ－ＶＶＴが制御される。ＭＤ－ＶＶＴにより実現される実バルブタイミングは、切り替え後の目標バルブタイミングに追従して次第に変化していく。

目標バルブタイミングが実現された場合、空燃比をストイキからリーンへ変化させるＡ／Ｆ過渡制御が実行される。Ａ／Ｆ過渡制御では、目標空気量がストイキモード用からリーンモード用に切り替えられ、目標空気量に合わせてスロットル開度が変更される。スロットル開度の変化に対する空気量の変化には遅れがあるため、スロットル開度の操作後に実現される実空気量は、目標空気量に追従して次第に変化していく。そして、目標空気量が実現され、空燃比がストイキからリーンへ切り替わった時点でＡ／Ｆ過渡制御及び燃焼モード切替制御が終了し、リーンもモードでの運転が開始される。

以上の通り、ストイキモードからリーンモードへの燃焼モードの切り替えでは、先に、ＭＤ－ＶＶＴによるバルブタイミングの切り替えが行われ、切り替えの完了後にＡ／Ｆ過渡制御によるスロットル開度の切り替えが行われる。リーンモードからストイキモードへの燃焼モードの切り替えでも同様であって、スロットル開度の切り替えに先行してバルブタイミングの切り替えが行われる。これは、空気量の大きな変化によるトルク変動を防止するためである。トルク制御では、筒内燃料付着量を推定し、筒内燃料付着量も考量して実燃料噴射量が決定されている。しかし、バルブタイミングとスロットル開度とが同時に切り替えられると、空気量が大きく変化し、筒内燃料付着量の推定精度が低下する。このため、燃焼モード切替制御では、バルブタイミングをスロットル開度に先行して切り替えることで、同時に切り替える場合に比較して、空気量の変化に伴うトルク変動を抑えるようにしている。

ただし、Ａ／Ｆ過渡制御に先行してバルブタイミングを切り替えている事前制御期間は、ストイキに適したバルブタイミングでの運転にはならない。このため、その事前制御期間内の燃費は悪化する。よって、燃焼モードの切り替えに伴う燃費の悪化を抑えるためには、事前制御期間を可能な限り短くすべく、ＭＤ－ＶＶＴには高い応答性能が求められる。その一方で、ＭＤ－ＶＶＴに高い応答性能を付与しようとすると、ＭＤ－ＶＶＴの駆動に要する消費電力は大きくなる。

そこで、以下に説明する２つの実施形態では、ストイキモード或いはリーンモードでの運転中に使用するＭＤ－ＶＶＴの制御データと、燃焼モード切替制御中に使用するＭＤ－ＶＶＴの制御データとを異ならせることで、内燃機関の運転状態に応じたＭＤ－ＶＶＴの適正な応答性能と消費電力の低減との両立を可能にした。前者の制御データを第１制御データと称し、後者の制御データを第２制御データと称する。各実施形態において具体的に説明するが、第１制御データは、ＭＤ－ＶＶＴを駆動するためのトルクの上限が小さく、且つ単位時間当たりのエネルギーが小さい制御データである。そして、第２制御データは、第１制御データと比較して、ＭＤ－ＶＶＴを駆動するためのトルクの上限が大きく、且つ単位時間当たりのエネルギーが大きい制御データである。

バルブタイミングの切り替えに高い応答性能を要求されないストイキモード或いはリーンモードでの運転中は、ＭＤ－ＶＶＴの制御に第１制御データを用いることで、消費電力を抑えることができる。一方、バルブタイミングの切り替えに高い応答性能が要求される場合、つまり、燃焼モード切替制御中は、ＭＤ－ＶＶＴの制御に第２制御データを用いることで、バルブタイミングの切り替え時間の短縮によって燃費の悪化を抑えることができる。

３．第１の実施形態に係る制御データ
図３は、第１の実施形態に係る制御データを回転トルク－回転速度マップで示す図である。図３に示す回転トルク－回転速度マップにおいて、第１制御データはＡ／Ｆ固定時の制御線と表記され、第２制御データは燃焼モード切替制御時の制御線と表記されている。回転トルク－回転速度マップには、負の傾きを有する直線が平行に複数本描かれている。これらの直線は等電圧線であり、ゼロ点から遠い直線ほど高電圧に対応する。ＭＤ－ＶＶＴの駆動には４８Ｖ電源が用いられるため、最高電圧の等電圧線は４８Ｖ線である。

まず、第２制御データである燃焼モード切替制御時の制御線について説明する。燃焼モード切替制御の開始時は、ＭＤ－ＶＶＴは最小回転トルクＴ１及び最小回転速度ｂで駆動されている。最小回転速度ｂは、エンジン回転数の１／２倍の回転速度であり、最小回転トルクＴ１は、ＭＤ－ＶＶＴがバルブタイミングを保持するために必要なトルクである。バルブタイミングの切り替え時は、最小回転速度ｂのまま回転トルクを最大回転トルクＴ２まで上昇させる。最大回転トルクＴ２は４８Ｖ電源で出力可能な最大回転トルクであって、最大回転トルクＴ２及び最小回転速度ｂで定まる制御点は４８Ｖ線上に位置する。次に、４８Ｖ線に沿って制御点を移動させていき、回転速度を最大回転速度ａまで上昇させる。最大回転速度ａは、４８Ｖ電源で実現可能な最大回転速度であって、最小回転トルクＴ１に対応する回転速度である。ＭＤ－ＶＶＴを暫く最大回転速度ａで駆動し、バルブタイミングが目標バルブタイミングに近づいたら、最小回転トルクＴ１のまま回転速度を最小回転速度ｂまで低下させる。これにより、バルブタイミングの切り替えが完了する。

次に、第１制御データであるＡ／Ｆ固定時の制御線について説明する。空燃比を固定した状態、すなわち、ストイキモード或いはリーンモードでの運転時には、ＭＤ－ＶＶＴは最小回転トルクＴ１及び最小回転速度ｂで駆動される。バルブタイミングを切り替える場合、最小回転速度ｂのまま回転トルクを中間回転トルクＴ２′まで上昇させる。中間回転トルクＴ２′及び最小回転速度ｂで定まる制御点は、４８Ｖ線よりも低い等電圧線（例えば１２Ｖ線）上に位置する。次に、中間回転トルクＴ２′を維持したまま回転速度を上昇させて制御点を４８Ｖ線上まで移動させる。次に、４８Ｖ線に沿って制御点を移動させ、回転速度を最大回転速度ａまで上昇させる。ＭＤ－ＶＶＴを暫く最大回転速度ａで駆動し、バルブタイミングが目標バルブタイミングに近づいたら、最小回転トルクＴ１のまま回転速度を最小回転速度ｂまで低下させる。これにより、バルブタイミングの切り替えが完了する。図３において各制御線で囲まれた領域の面積は、各制御線に従ってＭＤ－ＶＶＴを制御したときの消費電力の大きさを表している。第１制御データであるＡ／Ｆ固定時の制御線に従ってＭＤ－ＶＶＴを制御することで、消費電力を抑えることができる。

図４は、各制御データによるＭＤ－ＶＶＴの応答特性を示す図である。図４には、燃焼モード切替制御時とＡ／Ｆ固定時のそれぞれについて、要求回転速度と時間の関係が示されている。第２制御データが用いられる燃焼モード切替制御時は、要求回転速度を速やかに最大回転速度ａまで上昇させることが行われる。一方、第１制御データが用いられるＡ／Ｆ固定時は、要求回転速度を緩やかに最大回転速度ａまで上昇させることが行われる。最大回転速度ａに達するまでの時間の違いは、ＭＤ－ＶＶＴを駆動する回転トルクの違いによる。燃焼モード切替制御時は、最大回転トルクＴ２まで回転トルクを上昇させるのに対し、Ａ／Ｆ固定時は、最大回転トルクＴ２より低い中間回転トルクＴ２′に抑えられる。この回転トルクの違いにより、燃焼モード切替制御時は、Ａ／Ｆ固定時よりも速やかにバルブタイミングを切り替えることができる。

図５は、第１の実施形態に係る制御データによるＭＤ－ＶＶＴの駆動制御のフローチャートである。ステップＳ１では、空燃比を変化させるＡ／Ｆ過渡制御の要求の有無が判定される。Ａ／Ｆ過渡制御の要求とは上述の燃焼モードの切替要求を意味する。燃焼モード切替制御の開始後、ＭＤ－ＶＶＴを先行駆動する事前制御期間の後、Ａ／Ｆ過渡制御が開始される。

Ａ／Ｆ過渡制御の要求がある場合、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、ＭＤ－ＶＶＴを４８Ｖ電源で最速駆動する制御がオンにされる。つまり、上述の第２制御データを用いたＭＤ－ＶＶＴの駆動制御が実行される。

ステップＳ３では、ＭＤ－ＶＶＴにより目標バルブタイミングが実現されたかどうか判定される。ＭＤ－ＶＶＴを４８Ｖ電源で最速駆動する制御の開始から目標バルブタイミングが実現されるまでの期間が事前制御期間である。

目標バルブタイミングが実現された場合、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、Ａ／Ｆ過渡制御が実行される。

ステップＳ５では、Ａ／Ｆ過渡制御が終了したかどうか、すなわち、空燃比が切り替わったかどうか判定される。

Ａ／Ｆ過渡制御が終了した場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、ＭＤ－ＶＶＴを４８Ｖ電源で低電力駆動する制御がオンにされる。つまり、上述の第１制御データを用いたＭＤ－ＶＶＴの駆動制御が実行される。

４．第２の実施形態に係る制御データ
図６は、第２の実施形態に係る制御データを回転トルク－回転速度マップで示す図である。図６に示す回転トルク－回転速度マップにおいて、第１制御データはＡ／Ｆ固定時の制御線と表記され、第２制御データは燃焼モード切替制御時の制御線と表記されている。Ａ／Ｆ固定時の制御線は１２Ｖ電源のみで実現される制御線であり、燃焼モード切替制御時の制御線は４８Ｖ電源のみで実現される制御線である。第２の実施形態では、ＭＤ－ＶＶＴの制御に第１制御データが用いられる場合にはＭＤ－ＶＶＴは１２Ｖ電源で駆動され、ＭＤ－ＶＶＴの制御に第２制御データが用いられる場合にはＭＤ－ＶＶＴは４８Ｖ電源で駆動される。

第２制御データである燃焼モード切替制御時の制御線は、第１の実施形態に係るそれと同じであるので、ここでは説明を省略する。

第１制御データであるＡ／Ｆ固定時の制御線について説明する。空燃比を固定した状態、すなわち、ストイキモード或いはリーンモードでの運転時には、ＭＤ－ＶＶＴは最小回転トルクＴ１及び最小回転速度ｂで駆動される。バルブタイミングを切り替える場合、最小回転速度ｂのまま回転トルクを中間回転トルクＴ２′まで上昇させる。中間回転トルクＴ２′は１２Ｖ電源で出力可能な最大回転トルクであって、中間回転トルクＴ２′及び最小回転速度ｂで定まる制御点は１２Ｖ線上に位置する。次に、１２Ｖ線に沿って制御点を移動させ、回転速度を中間回転速度ａ′まで上昇させる。中間回転速度ａ′は、１２Ｖ電源で実現可能な最大回転速度であって、最小回転トルクＴ１に対応する回転速度である。ＭＤ－ＶＶＴを暫く中間回転速度ａ′で駆動し、バルブタイミングが目標バルブタイミングに近づいたら、最小回転トルクＴ１のまま回転速度を最小回転速度ｂまで低下させる。これにより、バルブタイミングの切り替えが完了する。図６において各制御線で囲まれた領域の面積は、各制御線に従ってＭＤ－ＶＶＴを制御したときの消費電力の大きさを表している。第１制御データであるＡ／Ｆ固定時の制御線に従ってＭＤ－ＶＶＴを制御することで、消費電力を抑えることができる。

図７は、各制御データによるＭＤ－ＶＶＴの応答特性を示す図である。図７には、燃焼モード切替制御時とＡ／Ｆ固定時のそれぞれについて、要求回転速度と時間の関係が示されている。第２制御データが用いられる燃焼モード切替制御時は、要求回転速度を速やかに最大回転速度ａまで上昇させることが行われる。一方、第１制御データが用いられるＡ／Ｆ固定時は、要求回転速度を最大回転速度ａよりも低い中間回転速度ａ′まで緩やかに上昇させることが行われる。燃焼モード切替制御時に最大回転速度ａに達するまでの時間と、Ａ／Ｆ固定時に中間回転速度ａ′に達するまでの時間との違いは、ＭＤ－ＶＶＴを駆動する回転トルクの違いによる。燃焼モード切替制御時は、４８Ｖ電源で出力可能な最大回転トルクＴ２まで回転トルクを上昇させるのに対し、Ａ／Ｆ固定時は、１２Ｖ電源で出力可能な最大回転トルクである中間回転トルクＴ２′に抑えられる。この回転トルクの違いにより、燃焼モード切替制御時は、Ａ／Ｆ固定時よりも速やかに回転速度を上昇させることができる。そして、燃焼モード切替制御時の最大回転速度ａは、Ａ／Ｆ固定時の最大回転速度である中間回転速度ａ′よりも高いことから、燃焼モード切替制御時は、Ａ／Ｆ固定時よりも速やかにバルブタイミングを切り替えることができる。

５．その他
本発明はＭＤ－ＶＶＴ以外の電動可変動弁機構、例えば電動バルブリフト可変機構（ＭＤ－ＶＶＬ）にも適用可能である。

Claims (1)

1. 空燃比をストイキに固定して運転するストイキモードと空燃比をリーンに固定して運転するリーンモードとを切り替え可能な内燃機関に搭載される電動可変動弁機構の制御装置であって、
   前記電動可変動弁機構の制御に用いる制御データとして、
   前記電動可変動弁機構を駆動するためのトルクの上限が小さく、且つ単位時間当たりのエネルギーが小さい第１制御データと、
   前記第１制御データと比較して、前記電動可変動弁機構を駆動するためのトルクの上限が大きく、且つ単位時間当たりのエネルギーが大きい第２制御データと、を有し、
   前記ストイキモード或いは前記リーンモードでの運転中は前記第１制御データを用いて前記電動可変動弁機構を制御し、
   前記ストイキモードから前記リーンモードへ或いは前記リーンモードから前記ストイキモードへの燃焼モードの切り替え中は前記第２制御データを用いて前記電動可変動弁機構を制御する
   ことを特徴とする電動可変動弁機構の制御装置。

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